JP6889922B2 - ガラス基板の残留応力低減方法及びガラス基板の残留応力低減装置 - Google Patents
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Description
しかし、ホイール刃で印加された力及び分断時に加えられた応力が原因で、スクライブラインには残留応力が残る。したがって、ガラス基板の表面に水平方向にクラックが自然発生しやすく、また、時間が経過するとクラックが湿気等によってさらに成長する。
しかしこの方法では、溶融部近傍には残留応力が生じる。そして、残留応力によって、基板が割れる可能性が高まる。具体的には、内部欠陥の経時的な成長や後発的な傷による破壊が生じる可能性が高まり、残留応力の大きさによっては、数十分以内に破壊が生じることがある。
この方法では、ガラス基板のエッジの残留応力をほぼ完全に除去できるという利点がある。また、炉で複数個のガラス基板を同時処理できるという利点がある。
また、1回の残留応力低減処理に数時間以上の時間がかかるため、残留応力が発生した直後に残留応力を低減することはできない。そのため、高い残留応力によって数十分以内に破壊が生じる確率が高いガラス基板に適用するのが困難である。
本発明の第二の目的は、高い残留応力によって通常は数十分以内で破壊が生じるガラス基板に対しても、破壊が生じる前に残留応力を低減できるようにすることにある。
◎ガラス基板の残留応力が高い部分の複数箇所各々に短時間で繰り返しレーザ光を照射することで、複数箇所に擬似的に同時にレーザ光を照射する、レーザ光照射ステップ。
この方法では、ガラス基板の残留応力が高い部分が加熱されるので、樹脂のような耐熱性の低い材料と一体になったガラス基板の残留応力を低減できるようになる。ガラス基板全体が加熱されないので、樹脂等に熱の影響が生じにくいからである。
また、この方法では、レーザ光をガラス基板の複数箇所に疑似的に同時に照射することで、複数箇所が同時に1ピコ秒〜100秒間程度加熱される。その結果、加熱域において残留応力が低減されるので、通常は数十分以内で破壊が生じるガラス基板に対しても、破壊が生じる前に残留応力を低減できるようになる。
「残留応力が高い部分が加熱される」とは、ガラス基板には加熱されない部分があることを意味する。
「残留応力を低減する」とは、内部欠陥の経時的な成長が抑制され、外力を加えていないガラス基板が既定の時間内に割れない程度まで残留応力を低減することを意味する。
この方法では、例えば1回目の複数箇所同時加熱によって加熱域における残留応力を低減した後に、レーザ照射位置をずらして2回目の複数箇所同時加熱を行って残りの領域の残留応力を低減するときに、加熱動作同士の時間間隔を短くできる。その理由は下記の通りである。
本発明者らは実験に基づき、残留応力低減処理においては、高温になる領域を、残留応力発生領域に沿った方向の狭い範囲に抑えることが必要であることを見い出した。このため、例えば1回目の加熱部と2回目の加熱部が隣接する場合には、2回目の加熱は、1回目の加熱部の温度が低下するまで待つ必要がある。一方、上記の方法では、1回目の加熱部が冷却ステップによって冷却された後に2回目の加熱が行われる。その結果、高温になる領域が冷却によって残留応力発生領域に沿った方向に狭く抑えられ、高い残留応力低減効果が得られる。つまり、冷却ステップを備えることで、加熱動作同士の時間間隔が短縮され、残留応力低減処理のタクトタイムを短縮でき、通常は数十分以内で破壊が生じるガラス基板に対しても、破壊が生じる前に残留応力を低減できるようになる。
この装置では、ガラス基板の残留応力が高い部分が加熱されるので、樹脂のような耐熱性の低い材料と一体になったガラス基板の残留応力を低減できるようになる。ガラス基板全体が加熱されないので、樹脂等に熱の影響が生じにくいからである。
また、この装置では、レーザ光をガラス基板の複数箇所に疑似的に同時に照射することで、複数箇所が同時に1ピコ秒〜100秒間程度加熱される。その結果、加熱域において残留応力が低減されるので、通常は数十分以内で破壊が生じるガラス基板に対しても、破壊が生じる前に残留応力を低減できるようになる。
この装置では、例えば1回目の複数箇所同時加熱によって加熱域における残留応力を低減した後に、レーザ照射位置をずらして2回目の複数箇所同時加熱を行って残りの領域の残留応力を低減するときに、加熱動作同士の時間間隔を短くできる。その理由は下記の通りである。
本発明者らは実験に基づき、残留応力低減処理においては、高温になる領域を、残留応力発生領域に沿った方向の狭い範囲に抑えることが必要であることを見い出した。このため、例えば1回目の加熱部と2回目の加熱部が隣接する場合には、2回目の加熱は、1回目の加熱部の温度が低下するまで待つ必要がある。一方、上記の装置では、1回目の加熱部が冷却装置によって冷却された後に2回目の加熱が行われる。その結果、高温になる領域が冷却によって残留応力発生領域に沿った方向に狭く抑えられ、高い残留応力低減効果が得られる。つまり、冷却装置を備えることで、加熱動作同士の時間間隔が短縮され、残留応力低減処理のタクトタイムを短縮でき、通常は数十分以内で破壊が生じるガラス基板に対しても、破壊が生じる前に残留応力を低減できるようになる。
(1)レーザ照射装置
図1に、本発明の一実施形態によるレーザ照射装置1の全体構成を示す。図1は、本発明の第1実施形態のレーザ照射装置の模式図である。
レーザ照射装置1は、ガラス基板Gの残留応力が高い部分を加熱することで残留応力を低減する機能を有している。
レーザ照射装置1は、ガルバノスキャナ43を駆動する駆動機構11を有している。レーザ照射装置1は、さらに、集光レンズ19の位置を光軸方向に移動させることによって、レーザ光のスポットの大きさを変更する駆動機構(図示せず)を有している。
テーブル駆動部13は、加工テーブル7をヘッド(図示せず)に対して水平方向に移動させる移動装置(図示せず)を有している。移動装置は、ガイドレール、モータ等を有する公知の機構である。
制御部9は、単一のプロセッサで構成されていてもよいが、各制御のために独立した複数のプロセッサから構成されていてもよい。
制御部9には、図示しないが、ガラス基板Gの大きさ、形状及び位置を検出するセンサ、各装置の状態を検出するためのセンサ及びスイッチ、並びに情報入力装置が接続されている。
基板冷却装置は、ガラスが置かれるテーブルを水冷テーブルにすることで実現されてもよい。
レーザ照射装置1に基板冷却機構が搭載されてもよい。
ガラス基板Gに残留応力が生じる加工の例として、図2〜図4を用いて、ガラス基板Gの端面を溶融面取りする動作を説明する。図2は、レーザスポットの移動を示すガラス基板の模式図である。図3は、溶融面取りされたガラス基板の断面写真である。図4は、溶融面取りされたガラス基板の端面から中央側に向かってのリタデーションの変化を示すグラフである。
図5〜図8を用いて、レーザ光を1パルスずつスキャンする方式で複数箇所同時加熱を行う方法を説明する。図5は、レーザ照射装置の具体的な模式的平面図である。図6は、レーザ照射装置の具体的な模式的正面図である。図7は、ガルバノスキャナ43を用いた、3点のレーザスポットの形成を示す模式図である。図8は、時間に対するレーザパルスと光線角度の変化を示すグラフである。
図7及び図8を用いて、レーザ光を1パルスずつスキャンする方式で複数箇所同時加熱を行う方法を説明する。
図7の例では、ガルバノスキャナ43によってレーザビームの光線角度を1°変えることで、試料面においてレーザスポットの位置が10mm移動する。図8のように500Hzで発振するレーザパルスに同期させて光線角度を変えた場合、レーザ光は周期12ミリ秒で20mmの領域を1往復し、3点のレーザスポットのそれぞれは、1周期(12ミリ秒)のうちの2ミリ秒間だけレーザ光が照射される。また、3点のレーザスポット同士の間の領域には、レーザ光が照射されない。この場合、レーザ光がスキャンされる周期が十分に早いため、この動作を所定の時間(例えば1秒間)繰り返して続ければ、3点が所定時間だけ同時に加熱されたことになる。
この方法では、比較的簡単な構造によって、レーザ光を複数箇所に疑似的に同時に照射し、複数箇所を同時に加熱できる。
なお、図7及び図8では、繰り返し周波数500Hzで発振するレーザパルスを1パルスずつスキャンする例を説明したが、繰り返し周波数及びスキャン方法は、これに限定されない。レーザパルスの繰り返し周波数が極端に低い場合、レーザパルスが照射される周期が長くなり、レーザパルスが複数箇所に疑似的に同時に照射されていると見なせなくなる。このため、レーザパルスの繰り返し周波数は10Hz以上が好ましい。レーザパルスの繰り返し周波数が高い場合、レーザパルスが照射される周期が短くなり、1パルスずつ照射位置を制御することが困難になる。この場合、複数(例えば2〜10000)パルスを1箇所に照射した後に、ガルバノスキャナ43によってレーザ照射位置を変えるというような動作を行えば、図7及び図8で説明した方法と同等の加熱が可能である。このため、レーザパルスの繰り返し周波数の上限は設定されない。
図9では、離散した2個のレーザスポットS1が端面近傍部分21に擬似的に同時に照射されている。
図10では、図9の動作を所定時間だけ続けた結果、2つのレーザ照射域のそれぞれがガラス転移点以上の温度で所定時間だけ加熱されたことによって、加熱域において残留応力が低減した状況が示されている。
図12では、図11の動作を所定時間だけ続けた結果、2つのレーザ照射域のそれぞれがガラス転移点以上の温度で所定時間だけ加熱されたことによって、加熱域において残留応力が低減した状況が示されている。
この方法では、ガラス基板Gの残留応力が高い領域が加熱される(つまり、ガラス基板G全体が加熱されない)ので、樹脂のような耐熱性の低い材料と一体になったガラス基板Gの残留応力を低減できるようになる。樹脂等に熱の影響が生じにくいからである。
本発明者らは、実験に基づき、残留応力低減処理において好ましいレーザスポットの形状を下記の通り考察した。
図13、図14及び図15は、レーザスポットSの形状のバリエーションを示す模式的平面図である。
なお、下記に述べる実験は、複数箇所同時加熱の実験ではなく、好ましいレーザスポット形状を調べるための1点加熱の実験である。
以上に示した実験結果を鑑み、本発明者らは、残留応力低減処理においては、加熱域の形状が残留応力発生領域Zに沿って長くなる場合には残留応力低減の効果が低くなり、加熱域の形状が残留応力発生領域Zに沿って狭く抑えられる場合には残留応力低減の効果が高くなることを見い出し、本発明に至った。
複数箇所同時加熱における加熱領域間の間隔は、加熱領域1点の幅の0.5倍以上であることが好ましい。加熱領域間の間隔が狭すぎる場合、複数の加熱域がつながり、残留応力発生領域Zに沿って長い1つのレーザスポットを照射することと等しくなる。つまり、前述した「加熱域の形状が残留応力発生領域Zに沿って長くなる場合」に対応し、残留応力低減効果が低くなる。
複数箇所同時加熱において、レーザスポットの数は、特に限定されない。
この実施形態では、レーザスポットSは、最終的には端面近傍部分21全体に照射されて、端面近傍部分21全体の残留応力を下げる。しかし、端面近傍部分21のうちの一部の領域だけにおいて残留応力を下げる場合には、レーザスポットSは、端面近傍部分21のうちの特定領域だけに照射されてもよいし、端面近傍部分21全体の半分程度の領域だけに照射されてもよい。
加熱のための所定時間は、例えば、1ピコ秒〜100秒程度が好ましい。最小の所定時間は、ガラスの構造緩和に要する時間(緩和時間)の最小値として知られる1ピコ秒である。加熱域の温度が低い場合ほど緩和時間が長くなり、加熱域の温度がガラス転移点程度である場合には、加熱のための所定時間を緩和時間である100秒程度とするのが好ましい。
加熱のための所定時間を極端に短くするには、ガラス基板Gを短い時間で高温まで加熱する必要があり、必要な出力が大幅に増えるため、実用上は、タクトタイム短縮のメリットと出力上昇によるコスト増の兼ね合いで加熱条件が決められる。
この方法では、ガラス基板の複数箇所を1ピコ秒〜100秒間程度同時に加熱し、この加熱を1回又は加熱位置をずらしながら複数回行うことで、加熱域において残留応力が低減されるため、高い残留応力によって通常は数十分以内で破壊が生じるガラス基板に対しても、破壊が生じる前に残留応力を低減できるようになる。
厚さ200μmの無アルカリガラスを対象として複数箇所同時加熱による残留応力低減処理の条件例を説明する。
CO2レーザ(波長10.6μm)を用い、直径4mmのレーザスポットを複数箇所に疑似的に同時に照射する場合、レーザスポット1点当たり、平均出力3Wで20秒間加熱されればよい。又は、平均出力4Wで4秒間加熱されてもよい。又は、平均出力6Wで2秒間加熱されてもよい。
ガラス基板Gへの入熱方向は特に限定されない。ガラス基板Gの表面から入熱されてもよいし、裏面から入熱されてもよいし、端面20から入熱されてもよい。
図9〜図12に示したように、複数箇所同時加熱を、加熱位置をずらしながら逐次行う場合、タクトタイムを短くするには、加熱動作同士の時間間隔を短くする必要がある。しかし、例えば複数箇所の2回目の加熱領域のいずれかが複数箇所の1回目の加熱領域のいずれかと隣接する領域になる場合は、その2回目の加熱は、1回目の加熱部の温度が低下するまで待つ必要がある。その理由は、例えば2回目の加熱領域が、1回目の加熱領域と合わせて、前述した「加熱域の形状が残留応力発生領域Zに沿って長くなる場合」に対応するからである。
加熱動作同士の時間間隔を短くするための第2の方式として、基板の冷却方式がある。この方式では、図1に示すように、ガラス基板Gの表側または裏側から噴射エアで基板を冷却する基板冷却装置35を用いる。この場合、1回目の加熱領域を空冷などで冷やした後に2回目の加熱を行うことになる。これにより、例えば、2回目の加熱領域が1回目の加熱領域と隣接する領域になる場合でも、時間間隔を短くできる。
冷却は常に行われていてもよいし、レーザ光照射の後に行われてもよい。
冷却装置の構成、冷却手段、配置位置は特に限定されない。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
レーザパルスのスキャン方式は、ガルバノスキャナに限定されない。レーザ光の照射位置を変化させる方式であれば何でもよく、例えばポリゴンミラーでもよい。
本発明は、溶融面取りが行われない場合も適用される。
本発明は、残留応力発生領域がガラス基板Gの端面近傍部分でない場合、例えば中央部分の場合にも適用される。
本発明は、冷却装置が設けられていない装置にも適用される。
3 :レーザ装置
5 :伝送光学系
7 :加工テーブル
9 :制御部
11 :駆動機構
13 :テーブル駆動部
15 :レーザ発振器
17 :レーザ制御部
19 :集光レンズ
20 :端面
21 :端面近傍部分
35 :冷却装置
43 :ガルバノスキャナ
G :ガラス基板
S :レーザスポット
Z :残留応力発生領域
Claims (4)
- ガラス基板の残留応力を低減する方法であって、
前記ガラス基板の残留応力が高い部分の複数箇所各々に短時間で繰り返しレーザ光を照射することで、前記複数箇所に擬似的に同時にレーザ光を照射するレーザ光照射ステップを備えている、ガラス基板の残留応力低減方法。 - 前記ガラス基板においてレーザ光が照射された部分を冷却するステップをさらに備えている、請求項1に記載のガラス基板の残留応力低減方法。
- ガラス基板の残留応力を低減する装置であって、
前記ガラス基板の残留応力が高い部分の複数箇所各々に短時間で繰り返しレーザ光を照射することで、前記複数箇所に擬似的に同時にレーザ光を照射するレーザ装置を備えている、ガラス基板の残留応力低減装置。 - 前記ガラス基板においてレーザ光が照射された部分を冷却する冷却装置をさらに備えている、請求項3に記載のガラス基板の残留応力低減装置。
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