JP5481173B2 - ガラス溶着方法及びガラス層定着方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ガラス部材同士を溶着してガラス溶着体を製造するガラス溶着方法、及びそのためのガラス層定着方法に関する。
上記技術分野における従来のガラス溶着方法として、レーザ光吸収性顔料を含むガラス層を、溶着予定領域に沿うように一方のガラス部材に焼き付けた後、そのガラス部材にガラス層を介して他方のガラス部材を重ね合わせ、溶着予定領域に沿ってレーザ光を照射することにより、一方のガラス部材と他方のガラス部材とを溶着する方法が知られている。
ところで、ガラス部材にガラス層を焼き付ける技術としては、ガラスフリット、レーザ光吸収性顔料、有機溶剤及びバインダを含むペースト層から有機溶剤及びバインダを除去することにより、ガラス部材にガラス層を固着させた後、ガラス層が固着したガラス部材を焼成炉内で加熱することにより、ガラス層を溶融させて、ガラス部材にガラス層を焼き付ける技術が一般的である（例えば、特許文献１参照）。
また、ガラス部材にガラス層を定着させるために、炉内での加熱に代えて、レーザ光の照射によってガラス層から有機物（有機溶剤やバインダ）を除去する技術が提案されている（例えば、特許文献２，３参照）。このような技術によれば、ガラス部材に形成された機能層等が加熱されて劣化するのを防止することができ、また、炉の使用による消費エネルギの増大及び炉内での加熱時間の長時間化を抑制することができる。
しかしながら、レーザ光の照射によってガラス部材にガラス層を焼き付け、そのガラス層を介してガラス部材同士を溶着すると、溶着状態が不均一になる場合があった。
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、信頼性の高いガラス溶着体を製造することができるガラス溶着方法、及びそのためのガラス層定着方法を提供することを目的とする。
本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、ガラス部材同士の溶着状態が不均一になるのは、図１０に示されるように、焼付け時にガラス層の温度が融点Ｔｍを超えるとガラス層のレーザ光吸収率が急激に高くなることに起因していることを突き止めた。つまり、ガラス部材に配置されたガラス層においては、ガラスフリットの粒子性等によって、レーザ光吸収性顔料の吸収特性を上回る光散乱が起こり、レーザ光吸収率が低い状態となっている（例えば、可視光下において白っぽく見える）。このような状態でガラス部材にガラス層を焼き付けるためにレーザ光を照射すると、ガラスフリットの溶融によって粒子性が崩れるなどして、レーザ光吸収性顔料の吸収特性が顕著に現れ、ガラス層のレーザ光吸収率が急激に高くなる（例えば、可視光下において黒っぽく或いは緑っぽく見える）。
このとき、レーザ光は、図１１に示されるように、幅方向（レーザ光の進行方向と略直交する方向）における中央部の温度が高くなる温度分布を有している。そのため、照射開始位置から幅方向全体にわたってガラス層が溶融する安定領域とするためにレーザ光を照射開始位置に暫く停滞させてから進行させると、幅方向における中央部で最初に始まる溶融により中央部のレーザ光吸収率が上昇し、その上昇により中央部が入熱過多の状態となり、ガラス部材にクラックが生じたりやガラス層が結晶化したりするおそれがある。
そこで、図１２に示されるように、レーザ光の照射開始位置で幅方向全体にわたってガラス層が溶融しなくてもレーザ光を進行させると、照射開始位置から安定状態に至る領域が中央部から徐々に溶融の幅が広がる不安定領域となってしまう。このような不安定領域を有するガラス層を介してガラス部材同士を溶着すると、不安定領域と安定領域とでレーザ光吸収率が異なることから、溶着状態が不均一なガラス溶着体が製造されるのである。
更に、不安定領域には、バインダが十分に分解せずに残存している。このような不安定領域を有するガラス層を介してガラス部材同士を溶着すると、ガラスフリットの融点がバインダの分解点よりも高いことから、溶融したガラス層からバインダの分解ガスが抜け切る前に、ガラス層が固化してしまう。これにより、ガラス層に多数の気泡が形成され、その気泡が繋がると、ガラス溶着体においてガラス層でリークが起こるおそれがある。
本発明者は、この知見に基づいて更に検討を重ね、本発明を完成させるに至った。すなわち、本発明に係るガラス溶着方法は、第１のガラス部材と第２のガラス部材とを溶着してガラス溶着体を製造するガラス溶着方法であって、バインダ、レーザ光吸収材及びガラス粉を含むガラス層を、環状の溶着予定領域に沿うように第１のガラス部材に配置する工程と、溶着予定領域における照射開始位置から照射開始位置まで溶着予定領域に沿って第１のレーザ光を照射した後、連続して、溶着予定領域における照射開始位置からの所定の領域に沿って再度第１のレーザ光を照射することにより、バインダをガス化させると共にガラス粉を溶融させ、第１のガラス部材にガラス層を定着させる工程と、ガラス層が定着した第１のガラス部材にガラス層を介して第２のガラス部材を重ね合わせ、ガラス層に第２のレーザ光を照射することにより、第１のガラス部材と第２のガラス部材とを溶着する工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明に係るガラス層定着方法は、第１のガラス部材にガラス層を定着させてガラス層定着部材を製造するガラス層定着方法であって、バインダ、レーザ光吸収材及びガラス粉を含むガラス層を、環状の溶着予定領域に沿うように第１のガラス部材に配置する工程と、溶着予定領域における照射開始位置から照射開始位置まで溶着予定領域に沿って第１のレーザ光を照射した後、連続して、溶着予定領域における照射開始位置からの所定の領域に沿って再度第１のレーザ光を照射することにより、バインダをガス化させると共にガラス粉を溶融させ、第１のガラス部材にガラス層を定着させる工程と、を含むことを特徴とする。
これらのガラス溶着方法及びガラス層定着方法では、第１のガラス部材にガラス層を定着する際、溶着予定領域における照射開始位置からの所定の領域に沿って再度第１のレーザ光を照射して、その所定の領域のガラス層を再溶融するようにしている。このような再溶融により所定の領域を安定領域として、溶着予定領域における不安定領域が低減されたガラス層を第１のガラス部材に定着させることができる。更に、不安定領域に残存したバインダを、再度の第１のレーザ光の照射によってガス化して、ガラス層から逃がすことができる。その結果、このような不安定領域が低減されたガラス層を介して第１のガラス部材と第２のガラス部材とを溶着することにより、ガラス部材同士の溶着状態を均一にすることができる。従って、これらのガラス溶着方法及びガラス層定着方法によれば、信頼性の高いガラス溶着体を製造することが可能となる。なお、「安定領域」とは、幅方向全体にわたってガラス層が溶融している領域を意味し、「不安定領域」とは、幅方向の一部のみでガラス層が溶融している領域を意味する。また、ここで使用する「環状」には、円環状や矩形環状が少なくとも含まれる。
本発明に係るガラス溶着方法では、所定の領域は、第１のレーザ光を照射開始位置から一度照射した場合にガラス層の溶融が不安定となる不安定領域の全体を含むことが好ましい。再度第１のレーザ光を照射する所定の領域に不安定領域の全体が含まれることにより、溶着予定領域における不安定領域が更に低減されたガラス層を第１のガラス部材に定着させることができる。
本発明に係るガラス溶着方法では、所定の領域に沿って最初に第１のレーザ光を照射する際の照射パワーよりも、所定の領域に沿って再度第１のレーザ光を照射する際の照射パワーを低くすることが好ましい。所定の領域は第１のレーザ光による最初の照射で既に一部が溶融しており、低減された照射パワーで再溶融を行うことにより、他の安定領域と同等の溶融となり、溶着予定領域における溶融を均一にすることができる。
また、このような場合において、所定の領域に沿って再度第１のレーザ光を照射する際の照射パワーを漸減させることが更に好ましい。徐々に照射パワーを低くすることにより、第１のレーザ光の進行方向に向かって徐々に溶融領域の比率が高くなっていく不安定領域を効率的に安定領域に代えて、溶着予定領域における溶融を更に均一にすることができる。
本発明によれば、信頼性の高いガラス溶着体を製造すること可能となる。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本発明に係るガラス溶着方法の一実施形態によって製造されたガラス溶着体の斜視図である。図１に示されるように、ガラス溶着体１は、溶着予定領域Ｒに沿って形成されたガラス層３を介して、ガラス部材（第１のガラス部材）４とガラス部材（第２のガラス部材）５とが溶着されたものである。ガラス部材４，５は、例えば、無アルカリガラスからなる厚さ０．７ｍｍの矩形板状の部材であり、溶着予定領域Ｒは、ガラス部材４，５の外縁に沿って矩形環状に設定されている。ガラス層３は、例えば、低融点ガラス（バナジウムリン酸系ガラス、鉛ホウ酸ガラス等）からなり、溶着予定領域Ｒに沿って所定幅を有した矩形環状に形成されている。
次に、上述したガラス溶着体１を製造するためのガラス溶着方法（ガラス部材４とガラス部材５とを溶着してガラス溶着体１を製造するために、ガラス部材４にガラス層３を定着させてガラス層定着部材を製造するガラス層定着方法を含む）について説明する。
まず、図２に示されるように、ディスペンサやスクリーン印刷等によってフリットペーストを塗布することにより、閉環状の溶着予定領域Ｒに沿ってガラス部材４の表面４ａにペースト層６を形成する。フリットペーストは、例えば、低融点ガラス（バナジウムリン酸系ガラス、鉛ホウ酸ガラス等）からなる粉末状のガラスフリット（ガラス粉）２、酸化鉄等の無機顔料であるレーザ光吸収性顔料（レーザ光吸収材）、酢酸アミル等である有機溶剤、及びガラスの軟化温度以下で熱分解する樹脂成分（ニトロセルロース、エチルセルロース、アクリル等）であるバインダを混練したものである。フリットペーストは、レーザ光吸収性顔料（レーザ光吸収材）が予め添加された低融点ガラスを粉末状にしたガラスフリット（ガラス粉）、有機溶剤、及びバインダを混練したものであってもよい。つまり、ペースト層６は、ガラスフリット２、レーザ光吸収性顔料、有機溶剤及びバインダを含んでいる。
続いて、ペースト層６を乾燥させて有機溶剤を除去することにより、溶着予定領域Ｒに沿ってガラス部材４の表面４ａに閉じられた矩形環状に形成されたガラス層３を固着させる。これにより、バインダ、レーザ光吸収性顔料及びガラスフリット２を含むガラス層３が、環状の溶着予定領域Ｒに沿うようにガラス部材４に配置されることになる。なお、ガラス部材４の表面４ａに固着したガラス層３は、ガラスフリット２の粒子性等によって、レーザ光吸収性顔料の吸収特性を上回る光散乱が起こり、レーザ光吸収率が低い状態となっている（例えば、可視光において白っぽく見える）。
続いて、図３〜図５に示されるように、ガラス層３の照射開始位置Ａに集光スポットを合わせてレーザ光（第１のレーザ光）Ｌ１の照射を開始し、溶着予定領域Ｒに沿って図示矢印の進行方向に向かって照射を進める。ところで、レーザ光Ｌ１は前述したような温度分布（図１１参照）を有することから、図５に示されるように、照射開始位置Ａから、ガラス層３の幅方向（レーザ光の進行方向と略直交する方向）全体にわたって溶融が行われる安定領域となる安定領域開始位置Ｂまでは所定の距離があり、照射開始位置Ａから安定領域開始位置Ｂまでは、ガラス層３の溶融が幅方向の一部で行われる不安定領域となっている。この不安定領域では、図５又は図１２に示されるように、レーザ光Ｌ１の進行方向に向かって徐々に溶融されるガラス層３の幅すなわち溶融領域の比率が高くなるようになっている。
その後、安定領域開始位置Ｂを越えて溶着予定領域Ｒに沿ってレーザ光Ｌ１のガラス層３への照射を続け、図６に示されるように、照射開始位置Ａに戻るまでレーザ光Ｌ１の照射を行い、更に、図７に示されるように、この照射開始位置Ａからガラス層３の溶融が安定する安定領域開始位置Ｂまでの不安定領域に沿って、レーザ光Ｌ１の照射を連続させて不安定領域のガラス層３を再溶融させる。この不安定領域は一旦、レーザ照射が行われてレーザ光の進行方向に向かって徐々に溶融領域の比率が高くなっていることから、再度、不安定領域に沿ってレーザ照射を行う際には、レーザ光Ｌ１の照射パワーを照射開始位置Ａから徐々に低くさせて、安定領域開始位置Ｂを越えた付近で照射パワーがゼロになるようにする。
このようにレーザ光Ｌ１の照射を不安定領域でオーバーラップさせて、ガラス部材４に配置されたガラス層３の溶着予定領域Ｒ全周にわたってバインダをガス化させると共にガラスフリット２を溶融させることにより、バインダが除去されて再固化し、ガラス部材４の表面４ａにガラス層３が焼き付けられて定着させられる。その結果、図７に示されるように、ガラス層定着部材１０（すなわち、ガラス層３が定着したガラス部材４）が製造される。なお、ガラス部材４の表面４ａに焼き付けられたガラス層３は、ガラスフリット２の溶融によって粒子性が崩れるなどして、レーザ光吸収性顔料の吸収特性が顕著に現れ、レーザ光吸収率が高い状態となる（例えば、可視光において黒っぽく見える）。
そして、溶着予定領域Ｒ全周にわたって安定したガラス層３の焼付けが終了すると、図８に示されるように、ガラス層定着部材１０（すなわち、ガラス層３が定着したガラス部材４）に対し、ガラス層３を介してガラス部材５を重ね合わせる。
続いて、図９に示されるように、ガラス層３に集光スポットを合わせてレーザ光（第２のレーザ光）Ｌ２を溶着予定領域Ｒに沿って照射する。これにより、溶着予定領域Ｒ全周にわたってレーザ光吸収率が高く且つ均一な状態となっているガラス層３にレーザ光Ｌ２が吸収されて、ガラス層３及びその周辺部分（ガラス部材４，５の表面４ａ，５ａ部分）が同程度に溶融・再固化し、ガラス部材４とガラス部材５とが溶着される（溶着においては、ガラス層３が溶融し、ガラス部材４，５が溶融しない場合もある）。このとき、ガラス部材４に焼き付けられたガラス層３の溶融が溶着予定領域Ｒ全周にわたって安定した安定領域として形成され、バインダも十分に除去されているため、ガラス部材４とガラス部材５とが溶着予定領域Ｒに沿って均一に溶着される。
以上説明したように、ガラス溶着体１を製造するためのガラス溶着方法（ガラス層定着方法を含む）においては、ガラス部材４にガラス層３を定着する際、溶着予定領域Ｒにおける照射開始位置Ａから溶着予定領域Ｒにおける安定領域開始位置Ｂまでの不安定領域に沿ってレーザ光Ｌ１を再度、照射して、その不安定領域のガラス層３を再溶融するようにしている。このような再溶融により不安定領域を安定領域として、溶着予定領域Ｒ全周にわたり溶融が安定したガラス層３をガラス部材４に定着させることができる。更に、不安定領域に残存したバインダを、再度のレーザ光Ｌ１の照射によってガス化して、ガラス層３から逃がすことができる。その結果、このような安定領域を伴って形成されたガラス層３を介してガラス部材４とガラス部材５とを溶着することにより、ガラス部材４，５同士の溶着状態を均一にすることができる。従って、以上のガラス溶着方法及びガラス層定着方法によれば、信頼性の高いガラス溶着体１を製造することが可能となる。
また、上述したガラス溶着方法においては、不安定領域に沿って最初にレーザ光Ｌ１を照射する際の照射パワーより、不安定領域に沿って再度レーザ光Ｌ１を照射する際の照射パワーを徐々に低くするようにしている。このように、徐々に照射パワーを低くすることにより、レーザ光Ｌ１の進行方向に向かって徐々に溶融領域の比率が高くなっていく不安定領域を効率的に安定領域に代えて、溶着予定領域Ｒ全周の溶融を更に均一にすることができる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、本実施形態では、略矩形環状の溶着予定領域Ｒを用いたが、環状の溶着予定領域であればよく、円環状の溶着予定領域でもよい。
また、本実施形態では、直接、ガラス層３にレーザ光Ｌ１を照射したが、ガラス部材４を介してガラス層３にレーザ光Ｌ１を照射するようにしてもよい。
１…ガラス溶着体、２…ガラスフリット（ガラス粉）、３…ガラス層、４…ガラス部材（第１のガラス部材）、５…ガラス部材（第２のガラス部材）、６…ペースト層、１０…ガラス層定着部材、Ａ…照射開始位置、Ｂ…安定領域開始位置、Ｒ…溶着予定領域、Ｌ１…レーザ光（第１のレーザ光）、Ｌ２…レーザ光（第２のレーザ光）。
Claims (5)
- 第１のガラス部材と第２のガラス部材とを溶着してガラス溶着体を製造するガラス溶着方法であって、
バインダ、レーザ光吸収材及びガラス粉を含むガラス層を、環状の溶着予定領域に沿うように前記第１のガラス部材に配置する工程と、
前記溶着予定領域における照射開始位置から前記照射開始位置まで前記溶着予定領域に沿って第１のレーザ光を照射した後、連続して、前記溶着予定領域における前記照射開始位置からの所定の領域に沿って再度前記第１のレーザ光を照射することにより、前記バインダをガス化させると共に前記ガラス粉を溶融させ、前記第１のガラス部材に前記ガラス層を定着させる工程と、
前記ガラス層が定着した前記第１のガラス部材に前記ガラス層を介して前記第２のガラス部材を重ね合わせ、前記ガラス層に第２のレーザ光を照射することにより、前記第１のガラス部材と前記第２のガラス部材とを溶着する工程と、を含むことを特徴とするガラス溶着方法。 - 前記所定の領域は、前記第１のレーザ光を前記照射開始位置から一度照射した場合に前記ガラス層の溶融が不安定となる不安定領域の全体を含むことを特徴とする請求項１記載のガラス溶着方法。
- 前記所定の領域に沿って最初に前記第１のレーザ光を照射する際の照射パワーよりも、前記所定の領域に沿って再度前記第１のレーザ光を照射する際の照射パワーを低くすることを特徴とする請求項１記載のガラス溶着方法。
- 前記所定の領域に沿って再度前記第１のレーザ光を照射する際の照射パワーを漸減させることを特徴とする請求項３記載のガラス溶着方法。
- 第１のガラス部材にガラス層を定着させてガラス層定着部材を製造するガラス層定着方法であって、
バインダ、レーザ光吸収材及びガラス粉を含む前記ガラス層を、環状の溶着予定領域に沿うように前記第１のガラス部材に配置する工程と、
前記溶着予定領域における照射開始位置から前記照射開始位置まで前記溶着予定領域に沿って第１のレーザ光を照射した後、連続して、前記溶着予定領域における前記照射開始位置からの所定の領域に沿って再度前記第１のレーザ光を照射することにより、前記バインダをガス化させると共に前記ガラス粉を溶融させ、前記第１のガラス部材に前記ガラス層を定着させる工程と、を含むことを特徴とするガラス層定着方法。
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