JPWO2014077397A1 - ワーク割断方法 - Google Patents

Abstract

このワーク割断方法は、圧縮応力が作用している強化層（Ｌ１）が非強化層（Ｌ２）の表面に積層されたワークを、ワークの厚さ方向に割断するワーク割断方法であって、強化層の表面を厚さ方向に直交する方向に連続して加熱し、強化層および非強化層に熱を伝達する工程と、加熱した後のワーク表面に冷却媒体を噴射し、非強化層における強化層との境界部分に、非強化層の破壊応力σ以上の熱応力を発生させる工程と、を含む。このワーク割断方法によれば、ワークを迅速に割断し、かつ、割断部分における品質の劣化を抑制することができる。

Description

本発明は、熱応力によってワークを割断するワーク割断方法およびワーク割断装置に関する。
本願は、２０１２年１１月１９日に日本に出願された特願２０１２−２５３０２４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、ワークとして板状のガラスを分割する際に、前処理として、ワーク表面に溝を形成するスクライブ加工を行った上で、曲げ加工によって溝に応力を集中させて割断する方法が知られている。また、近年では、イオン交換などの化学処理によって表面に圧縮応力を持たせて強度を高めた強化層を形成し、強度を向上させた強化ガラスが普及している。強化ガラスの強化層には傷が付き難いため、強化層が形成されていないガラスに比べ、強化ガラスにスクライブ加工を施すのは困難である。

そこで、例えば、特許文献１に記載の割断処理では、まず、カッタなどによって強化層が形成されたワーク表面の一端に初期き裂を形成する。そして、ワーク表面の初期き裂を起点として連続的にレーザ光の照射およびミストなどによる冷却を行うことで、初期き裂からレーザ光照射領域の軌跡に沿ってき裂をワーク表面の面方向に進展させる。また、特許文献２に記載の割断処理では、予めダイシングなどによって、強化層が形成されたワーク表面に切断予定溝を生成しておき、この切断予定溝に対しレーザ光の照射および冷却を行いワークを割断する。
このような、ワークに対し連続的にレーザ光の照射および冷却を行うことでワークにき裂を発生させ、き裂に沿ってワークを割断する方向は、特許文献３〜５にも開示されている。

日本国特開２０１２−１７１８１０号 日本国特開２０１２−３１０１８号 日本国特開２００７−７６０７７号 日本国特開２００２−３４６７８２号 日本国特開２００５−２１２３６４号

特許文献１および特許文献２に記載のように、ワークにカッタやダイシングなどで機械的に応力を加えて初期き裂や切断予定溝を生成すると、初期き裂や切断予定溝から無数のクラックが生じるため、ワークの品質が劣化する。さらに、スクライブ溝の他に、初期き裂、切断予定溝を生成するための加工時間分、タクトタイムが低下する。

また、特許文献１および特許文献２を含め、従来のスクライブ加工を前提としたワークの割断処理では、割断面において、スクライブ溝の跡が残ってしまう場合がある。その上、スクライブ溝を生成した後、ワークに曲げ加工を施す必要があることも、タクトタイムを低下させている。

本発明の目的は、ワークを迅速に割断し、かつ、割断部分における品質の劣化を抑制することが可能なワーク割断方法およびワーク割断装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の第一の態様に係るワーク割断方法は、圧縮応力が作用している強化層が非強化層の表面に積層されたワークを、ワークの厚さ方向に割断するワーク割断方法であって、強化層の表面を上記厚さ方向に直交する方向に連続して加熱し、強化層および非強化層に熱を伝達する工程と、加熱した後のワーク表面に冷却媒体を噴射し、非強化層における強化層との境界部分に、非強化層の破壊応力以上の熱応力を発生させる工程と、を含む。

また、上記課題を解決するために、本発明の第二の態様に係るワーク割断方法は、圧縮応力が作用している強化層が非強化層の表面に積層されたワークを、ワークの厚さ方向に割断するワーク割断方法であって、強化層の表面を上記厚さ方向に直交する方向に連続して加熱し、強化層および非強化層に熱を伝達する工程と、加熱した後のワーク表面に冷却媒体を噴射し、非強化層における強化層との境界部分に、上記厚さ方向にき裂を発生させる工程と、を含む。

また、上記課題を解決するために、本発明の第三の態様に係るワーク割断方法は、圧縮応力が作用している強化層が非強化層の表面に積層されたワークを、ワークの厚さ方向に割断するワーク割断方法であって、強化層の表面を上記厚さ方向に直交する方向に連続して加熱し、強化層および非強化層に熱を伝達する工程と、加熱した後のワーク表面に冷却媒体を噴射する工程と、強化層の表面を加熱する工程および加熱後のワーク表面に冷却媒体を噴射する工程の終了後、ワークに、これらの工程の終了位置から開始位置に向け、き裂を発生させる工程と、を含む。

上記第一ないし第三の態様において、強化層の表面を加熱する工程では、加熱処理の開始位置および終了位置が、ワークの表面と側面との境界であってもよい。

さらに、強化層の表面を加熱する工程では、加熱処理の開始位置から終了位置まで直線状にワークを加熱してもよい。

また、上記第一ないし第三の態様において、強化層の表面を加熱する工程では、レーザ光を照射して加熱してもよい。

この場合、レーザ光は、炭酸ガスを媒質として生成されたものであってもよい。

さらに、強化層の表面を加熱する工程では、ワーク表面の同一箇所に対し、複数回、レーザ光を照射してもよい。この場合、先に照射されたレーザ光の方が、後に照射されたレーザ光よりも、ワーク表面に到達したときに有する単位面積当たりのエネルギーが高くてもよい。

また、上記第一ないし第三の態様において、強化層の表面を加熱する工程の前に、ワークの裏面からワークを均等な圧力で支持する工程をさらに含んでもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の第四の態様に係るワーク割断装置は、圧縮応力が作用している強化層が非強化層の表面に積層されたワークを、ワークの厚さ方向に割断するワーク割断装置であって、強化層の表面を上記厚さ方向に直交する方向に連続して加熱し、強化層および非強化層に熱を伝達する加熱部と、加熱された後のワーク表面に冷却媒体を噴射し、非強化層における強化層との境界部分に、非強化層の破壊応力以上の熱応力を発生させる冷却部と、を備える。

また、上記課題を解決するために、本発明の第五の態様に係るワーク割断装置は、圧縮応力が作用している強化層が非強化層の表面に積層されたワークを、ワークの厚さ方向に割断するワーク割断装置であって、強化層の表面を上記厚さ方向に直交する方向に連続して加熱し、強化層および非強化層に熱を伝達する加熱部と、加熱された後のワーク表面に冷却媒体を噴射する冷却部と、を備える。そして、加熱部における加熱と、冷却部における冷却の終了位置が、これら加熱および冷却の終了後のワークに、上記終了位置から加熱および冷却の開始位置に向け、き裂を発生させるよう定められている。

本発明によれば、ワークを迅速に割断し、かつ、割断部分における品質の劣化を抑制することができる。

ワークとしての強化ガラスを説明するための図である。 ワーク割断装置の概略斜視図である。 ワーク割断処理の流れを説明するためのフローチャートである。 ワークに熱応力が作用する原理を説明するための図である。 ワークに熱応力が作用する原理を説明するための図である。 ワークに熱応力が作用する原理を説明するためのである。 ワークに熱応力が作用する原理を説明するための図である。 ワークにおけるレーザ光の照射領域について説明するための図である。 ワークにおけるレーザ光の照射領域について説明するための図である。 ワークに作用する応力分布の例を示すグラフである。 ワークに生じるき裂の進展の向きについて説明するための図である。 ワークに生じるき裂の進展の向きについて説明するための図である。 ワークに生じるき裂の進展の向きについて説明するための図である。 強化層内に永久歪が発生する原理を説明するための図である。 強化層内に永久歪が発生する原理を説明するための図である。 強化層内に永久歪が発生する原理を説明するための図である。 ワークの端部の形状の例を示す図である。 ワークを割断する手順の例を説明するための図である。 ワークを割断する手順の例を説明するための図である。 ワークを割断する手順の例を説明するための図である。 ワークを割断する手順の例を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、強化ガラスのワークＷを説明するための図であり、ワークＷの厚さ方向に平行な断面図を示す。本実施形態では、ワークＷは、例えば、強化ガラスの板材（基板）などで構成される。

ワークＷの表面には、ガラス中のアルカリイオンをよりイオン半径の大きいアルカリに交換するイオン交換処理が施されており、圧縮応力が作用する強化層Ｌ１が形成されている。すなわち、ワークＷは、圧縮応力が作用している強化層Ｌ１が非強化層Ｌ２の表面に積層されている。ここでは、ワークＷのうち、強化層Ｌ１でない層を非強化層Ｌ２と称する。ワークＷの非強化層Ｌ２は、隣接する強化層Ｌ１に引っ張られており、その結果、非強化層Ｌ２には引張応力が作用している。なお、本発明が適用されるワークＷの厚みは特に限定されないが、強化層Ｌ１の厚みは１５μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは４５μｍ以上である。

図２は、ワーク割断装置１の概略斜視図である。図２に示すように、ワーク割断装置１は、ワークＷが載置される基台２を備える。基台２には、多孔質体３ａと、この多孔質体３ａの下部に設置された不図示の吸引部とで構成される多孔質チャック３が設けられ、ワークＷは、多孔質チャック３上に設置される。多孔質チャック３により、ワーク割断装置１は、ワークＷの裏面を均等な圧力で支持する。

基台２の鉛直上方には、基台２に支持されたワークＷの表面に向けてレーザ光を照射するレーザ照射部４（加熱部）が配される。レーザ照射部４は、発振器４ａと、ヘッド４ｂとを含んで構成される。発振器４ａは、励起源によって媒質の電子を励起状態に遷移させ、再び基底状態に戻る際の放出光を共振器によって共振、増幅させる。本実施形態では、レーザ光は炭酸ガスを媒質として生成される。ヘッド４ｂは、発振器４ａから出力されたレーザ光を照射領域Ａに向けて照射する。

搬送部５は、レーザ照射部４とワークＷとを相対移動させる。図２に示す例では、レーザ照射部４の位置は固定され、ワークＷが、搬送部５によって基台２と共に移動する。

具体的に、搬送部５は、台座５ａを含んで構成される。台座５ａには対向する一対のレール５ｂが配され、レール５ｂの間に基台２が設置される。そして、台座５ａに設けられた空間５ｃに固定されたモータ５ｄが、レール５ｂの移動方向に延びるボールねじ５ｅを回転させる。ボールねじ５ｅには、基台２の鉛直下側の面に固定された不図示のナットが螺合されており、ボールねじ５ｅの回転に応じてナットと基台２がボールねじ５ｅの延びる方向に移動する。

噴射部６（冷却部）は、例えば、ミスト噴射装置で構成され、レーザ照射部４よりもワークＷの搬送方向前方側に設けられ、レーザ光が照射されたワークＷの表面に冷却媒体を噴射する。冷却媒体としては、例えば、霧（ミスト）状の水が用いられる。

噴射部６が冷却媒体を噴射する対象は、ワークＷのうち、レーザ光の照射領域Ａよりも、ワークＷの搬送方向（図２中、白抜き矢印で示す）の前方側の部位（冷却領域Ｂ）である。つまり、噴射部６は、ワークＷのうち、レーザ照射部４によってレーザが照射された部位にミストを噴射する。

なお、ここでは、レーザ照射部４の位置が固定され、ワークＷが移動する場合について説明したが、これとは逆に、ワークＷの位置が固定され、レーザ照射部４が移動する構成としてもよい。この場合には、噴射部６もレーザ照射部４と一体となって移動することが望ましい。いずれにしても、搬送部５は、レーザ照射部４とワークＷを相対移動させ、噴射部６が、レーザ照射部４に対するワークＷの移動方向前方側に設けられていればよい。

図３は、ワーク割断処理の流れを説明するためのフローチャートである。以下、上記のワーク割断装置１を用いたワーク割断方法について詳述する。

（設置ステップＳ１１０）
まず、ワークＷをワーク割断装置１の基台２に配された多孔質チャック３の上に設置し、多孔質チャック３による吸引を開始する。ワークＷは、多孔質チャック３によって、ワークＷの裏面から均等な圧力で支持される。

（搬送開始ステップＳ１２０）
続いて、搬送部５は、ワークＷの搬送を開始し、レーザ照射部４および噴射部６とワークＷとを相対移動させる。

（加熱開始ステップＳ１３０）
レーザ照射部４は、詳しくは後に説明するが、ワークＷの強化層Ｌ１の表面における複数箇所に対して、レーザ光を照射できる。ワークＷの搬送に伴い、ワークＷの強化層Ｌ１の表面がレーザ光の照射位置に到達すると、レーザ照射部４は、レーザ光の照射位置にワークＷが到達した発振器４ａから、順次、レーザ光の照射を開始する。レーザ光は、ワークＷの強化層Ｌ１の表面で吸収され、ワークＷの強化層Ｌ１の表面が加熱される。

こうして、レーザ照射部４から照射されたレーザ光が、ワークＷの強化層Ｌ１の表面を、厚さ方向に直交する方向（面方向）に、ワークＷの搬送方向に沿って走査する。レーザ照射部４は、強化層Ｌ１の面方向に連続して加熱することで、強化層Ｌ１および非強化層Ｌ２に熱を伝達する。

（冷却開始ステップＳ１４０）
噴射部６は、加熱した後のワークＷの表面に冷却媒体を噴射する。レーザ照射部４と同様、噴射部６の位置は固定されているため、冷却媒体が、ワークＷの強化層Ｌ１の表面のうち、レーザ光の照射部分を連続して冷却する。このとき、ワークＷの内部には熱応力が生じている。

図４Ａ〜図４Ｄは、ワークＷに熱応力が作用する原理を説明するための図である。図４Ａに示すように、レーザ照射部４によるレーザ光の照射が行われると、ワークＷの強化層Ｌ１の表面が加熱される（高温域Ｈ）。強化層Ｌ１の表面の熱は、ワークＷの内部の非強化層Ｌ２に伝わる。

そして、図４Ｂに示すように、噴射部６によってワークＷの強化層Ｌ１の表面に冷却媒体が噴射され、高温域ＨのワークＷの強化層Ｌ１の表面が冷却される（低温域Ｃ）。温度変化によって、高温域Ｈは膨張、低温域Ｃは収縮しようとするが、ワークＷのうち、高温域Ｈおよび低温域Ｃの周囲の温度変化の少ない領域によって変形が抑制される。その結果、図４Ｃに白抜き矢印で示すように、高温域Ｈに圧縮応力が生じ、低温域Ｃに引張応力が生じる。

強化層Ｌ１に対し非強化層Ｌ２は強度が相対的に低いため、高温域Ｈと低温域Ｃとの存在に伴い強化層Ｌ１および非強化層Ｌ２に生じる熱応力は非強化層Ｌ２の破壊応力（破壊強度）を超え、その結果、非強化層Ｌ２にき裂が生じる。すなわち、非強化層Ｌ２における強化層Ｌ１との境界部分に、非強化層Ｌ２の破壊応力以上の熱応力が作用して、き裂が発生する。

そして、局所的な温度差が緩和され熱応力が消えると、図４Ｄに示すように、強化層Ｌ１の圧縮応力の力を受け、非強化層Ｌ２には引張応力が作用していることから、非強化層Ｌ２に生じたき裂がワークＷの厚さ方向に進展して、非強化層Ｌ２が割断される。

図５Ａおよび図５Ｂは、ワークＷにおけるレーザ光の照射領域Ａについて説明するための説明図である。ワークＷの搬送速度が高速であるほど、割断したワークＷの品質劣化を抑制することができることがわかっているが、ワークＷの搬送速度を高めると、ワークＷに対するレーザ光の照射時間が短くなる。そこで、図５Ｂに示すように、レーザ光の照射領域Ａ’をワークＷの搬送方向（図５Ａおよび図５Ｂ中、白抜き矢印で示す方向）に延長して照射時間を延ばすことが考えられるが、これでは照射領域の両端側の温度が上がりにくい。

そこで、本実施形態においては、レーザ照射部４は、発振器４ａとヘッド４ｂをそれぞれ複数有する。そして、図５Ａに示すように、レーザ照射部４は、ワークＷの強化層Ｌ１の表面における複数箇所に対して、同時にレーザ光を照射する（照射領域Ａ）。

このとき、ワークＷにおけるレーザ光の照射領域Ａの並び方向は、搬送部５によるワークＷの搬送方向に対して平行となっている。そのため、搬送部５がワークＷを搬送すると、ワークＷの強化層Ｌ１の表面における同一箇所に対し、複数回、レーザ光を照射する。

本実施形態では、エネルギーが高出力となる炭酸ガスによるレーザ光を用いているが、かかるレーザ光はガラスを透過せずに表面で吸収されるため、加熱部分はワークＷの強化層Ｌ１の表面となる。強化層Ｌ１と非強化層Ｌ２との境界部分に破壊応力以上の熱応力を生じさせるには、表面の熱が強化層Ｌ１と非強化層Ｌ２との境界部分まで伝熱する必要がある。そして、上記境界部分への伝熱を効率的に行うためには、大きく温度差が生じるように、強化層Ｌ１の表面を急速に加熱するとよい。

上記のように、複数回、レーザ光を照射することで、それぞれのレーザ光の照射範囲を絞り、ワークＷの強化層Ｌ１の表面に到達したときに有する単位面積当たりのエネルギーを高くすることができ、ワークＷの強化層Ｌ１の表面を、局所的に急速に高温化することが可能となる。そのため、強化層Ｌ１から非強化層Ｌ２に伝熱し易く、非強化層Ｌ２の割断に必要な温度まで確実に加熱することができる。そして、強化層Ｌ１の冷却によって、上記の破壊応力を超える熱応力を生じさせることが可能となる。

また、本実施形態では、ワークＷの強化層Ｌ１の表面における同一箇所に対し、先に照射されたレーザ光の方が、後に照射されたレーザ光よりも、ワークＷの強化層Ｌ１の表面に到達したときに有する単位面積当たりのエネルギーが高い。

具体的には、図５Ａ中、相対的に右側に位置する照射領域Ａの方が、相対的に左側に位置する照射領域Ａよりも、照射領域Ａに到達したときのレーザ光の有する単位面積当たりのエネルギーが高い。ここでは、レーザ照射部４のうち、出力が異なる２種類の発振器４ａを用意し、右側３つの照射領域Ａにおいて、出力が相対的に高い発振器４ａによってレーザ光Ｒ１を照射させ、残りの５つの照射領域Ａにおいて、出力が相対的に低い発振器４ａによってレーザ光Ｒ２を照射させる。
なお、レーザ照射部４から出射されるレーザ光の出力は、ワークＷの厚さや材質、ワークＷ内の応力分布、ワークＷの搬送速度（ワークＷとレーザ照射部４との相対的な移動速度）等にも依るが、例えば出力が異なる２種類の発振器４ａを用意した場合、合計で１８０ワット程度である。

また、レーザ光の収束位置を調整し、照射領域Ａの大きさを絞ることで、上記の単位面積当たりのエネルギーを、図５Ａ中、相対的に右側に位置する照射領域Ａの方が大きくなるように設定してもよい。

こうして、非強化層Ｌ２側への伝熱に影響の大きい、初期の加熱タイミングにおいて強化層Ｌ１の表面を急速に高温化しつつ、その後は、非強化層Ｌ２に伝熱した熱が逃げないように、最低限の保温が可能な程度に、強化層Ｌ１の表面を加熱する。かかる構成により、レーザ光によるエネルギー消費を抑制し、かつ、冷却処理においては、噴射部６による強化層Ｌ１の表面の低温化を迅速に遂行することが可能となる。

図６は、ワークＷに作用する応力分布を示すグラフである。図６中、横軸は、ワークＷの板厚に対する、ワークＷの強化層Ｌ１の表面からの深さの百分率（ワークＷの板厚方向に沿った相対深さ）を示し、縦軸は、ワークＷに作用するワークＷの幅方向（ワークＷの表面と平行かつワークＷの搬送方向に垂直な方向）の応力を示す。ここでは、引張方向の応力を正の値、圧縮方向の応力を負の値で示す。また、図６中、一点鎖線は、熱応力が作用する前の初期応力を示し、破線は、熱応力を作用させた後の最終的な内部応力を示す。

図６に示すように、初期応力では、強化層Ｌ１には圧縮応力が作用し、非強化層Ｌ２には引張応力が作用し、強化層Ｌ１と非強化層Ｌ２の境界部分の応力は、ほぼ０となっている。

一方、熱応力を作用させた後の最終的な内部応力は、レーザ光が照射された、図６中、左側（レーザ光が照射されるワークＷの表面側）の強化層Ｌ１と非強化層Ｌ２の境界部分において、非強化層Ｌ２の破壊応力σを超えている。こうして、非強化層Ｌ２は、強化層Ｌ１との境界部分から割断される。

（加熱停止判定処理ステップＳ１５０）
図３に戻って、レーザ照射部４による複数の照射領域Ａのいずれも、ワークＷの強化層Ｌ１の表面における、割断の終了位置に到達しているか否かが判定され、到達していない場合（Ｓ１５０におけるＮＯ）、加熱停止判定ステップＳ１５０を繰り返し、いずれかが終了位置に到達した場合（Ｓ１５０におけるＹＥＳ）、加熱停止処理ステップＳ１６０に処理を移す。

（加熱停止処理ステップＳ１６０）
レーザ照射部４は、照射領域Ａが終了位置に到達したレーザ光の照射を停止し、ワークＷの強化層Ｌ１の表面の加熱を停止する。

（全加熱停止判定処理ステップＳ１７０）
レーザ照射部４によるレーザ光の照射がすべて停止しているか否かが判定され、停止していない場合（Ｓ１７０におけるＮＯ）、加熱停止判定処理ステップＳ１５０に処理を移し、レーザ照射部４によるレーザ光の照射がすべて停止している場合（Ｓ１７０におけるＹＥＳ）、冷却停止判定処理ステップＳ１８０に処理を移す。

（冷却停止判定処理ステップＳ１８０）
噴射部６による冷却領域ＢがワークＷの強化層Ｌ１の表面における、割断の終了位置（ワークＷの搬送方向後端部）に到達しているか否かが判定され、到達していない場合（Ｓ１８０におけるＮＯ）、冷却停止判定ステップＳ１８０を繰り返し、到達すると（Ｓ１８０におけるＹＥＳ）、冷却・搬送停止処理ステップＳ１９０に処理を移す。

（冷却・搬送停止処理ステップＳ１９０）
噴射部６は、冷却媒体の噴射を停止し、搬送部５はワークＷを所定位置まで搬送した後に、ワークＷの搬送を停止し、後処理ステップＳ２００に処理を移す。

（後処理ステップＳ２００）
多孔質チャック３による吸引を停止し、ワークＷをワーク割断装置１から取り出す。

図７Ａ〜図７Ｃは、ワークＷのき裂の進展の向きについて説明するための説明図である。図７Ａに示すように、ワークＷの搬送に伴い、非強化層Ｌ２のき裂は、厚さ方向に進展すると共に搬送方向（図中、白抜き矢印で示す）に沿って進展する。

そして、ワークＷの搬送によって、レーザ光の照射領域Ａおよび冷却領域Ｂが、図７Ａ〜図７Ｃ中、ワークＷの上側の端（始点）から下側の端（終点）まで移動し、図７Ｂに示すように、非強化層Ｌ２のき裂が始点から終点まで進展する。すると、図７Ｃに示すように、強化層Ｌ１において、き裂が、下側の端（終点）から上側の端（始点）に向かって逆向きに進展する。こうして、ワークＷが自動的に割断される。

本願発明者は、加熱処理および冷却処理を、ワークＷの搬送方向の後端部に到達する前に停止した場合、強化層Ｌ１においては、き裂が進展せず、ワークＷは割断されないことを実験により見出した。

本実施形態の強化層Ｌ１の表面を加熱および冷却する工程（上記ステップＳ１３０からステップＳ１９０）では、ワークＷに対する加熱処理および冷却処理の開始位置および終了位置が、ワークＷの強化層Ｌ１の表面と側面との境界（表面の端）、すなわち、ワークＷの両端部である。かかる構成により、強化層Ｌ１のき裂が端から端まで進展し、ワークＷを確実に割断することが可能となる。

なお、強化層Ｌ１において、き裂が終点から始点に向かって逆向きに進展する理由は、以下の通りであると推定される。
レーザ光の照射および冷却終了後のワークＷの表面を偏光顕微鏡で観察したところ、レーザ光の照射領域Ａでは、ワークＷの表面が、僅かに盛り上がっていることが判明した。これは、レーザ光の照射領域Ａにおいて、強化層Ｌ１内に永久歪が発生していることを示す。

図８Ａ〜図８Ｃは、強化層Ｌ１内に永久歪が発生する原理を説明するための図である。なお、これらの図中、白抜き矢印は、強化層Ｌ１および非強化層Ｌ２に作用する応力の向きを示す。
図８Ａに示すように、ワークＷに対しレーザ光が照射されると、強化層Ｌ１の表面が加熱されて強化層Ｌ１内に高温域Ｈが形成される。また、それに伴い、高温域Ｈのうち、ワークＷの幅方向中央部（図８Ａに符号Ｓで示す部分。以下、歪部と称する）では、温度が強化層Ｌ１の歪点を越え、強化層Ｌ１の流動性が変化（軟化）する。また、それに伴い、歪部Ｓでは圧縮応力が低下する。

一方、歪部Ｓの周囲の強化層Ｌ１には通常の圧縮応力が作用しているので、歪部Ｓは、図８Ｂに示すように、周囲の強化層Ｌ１から圧縮応力を受け、幅方向に収縮する（図８Ｂにおける点線から実線への変化参照）。また、それに伴い、歪部ＳがワークＷの表面から僅かに盛り上がる。一方、非強化層Ｌ２には引張応力が作用している。

ワークＷの表面に冷却媒体が噴射され、強化層Ｌ１の表面が冷却されると、図８Ｃに示すように、歪部Ｓの収縮が維持される。その結果、歪部Ｓ内に永久歪が発生する。また、非強化層Ｌ２には引張応力が作用しているので、歪部Ｓの歪がさらに大きくなる。しかしながら、この状態では、先に図４Ｄとともに説明したように非強化層Ｌ２にき裂が生じても、これらの作用により歪部Ｓ内に蓄積された歪は歪部Ｓの破壊強度を越えていない。よって、歪部Ｓにき裂が生じることはない。

ところで、ワークＷとして用いられている強化ガラスの端部（表面と側面との境界）は、図９に符号Ｖで示すように面取りされている。すなわち、ワークＷの端部では強化層Ｌ１が薄くなっており、その結果、ワークＷの端部に形成された歪部Ｓの破壊強度も相対的に低下する。従って、先に図７Ｂに示したようにレーザ光の照射領域Ａおよび冷却領域Ｂが終点（すなわちワークＷの端部）まで移動すると、ワークＷの端部では、歪部Ｓ内に蓄積された歪が歪部Ｓの破壊強度を越え、歪部Ｓにき裂が生じる。
そして、このき裂が起点となって、歪部Ｓ内に蓄積された歪が解放され、強化層Ｌ１において、き裂が終点から始点に向かって逆向きに進展し、ワークＷが自動的に割断される。

一方、ワークＷに対するレーザ光の照射および冷却（以後、割断操作と称する）の終点において、ワークＷの強化層Ｌ１が薄くなっていないと、歪部Ｓ内に蓄積された歪が歪部Ｓの破壊強度を越えることができず、その結果、ワークＷが自動的に割断されなくなる。このような場合には、ワークＷの表面に初期き裂を形成することにより、割断操作の終点における強化層Ｌ１を薄くしておく。

上記を考慮した、本実施形態に係るワーク割断方法およびワーク割断装置を適用したワークＷの割断の例を以下に挙げる。
図１０Ａ〜図１０Ｄは、１枚のワークＷを４枚の小片Ｗ１〜Ｗ４に割断する場合における割断の手順を例示する、ワークＷの平面図である。ワークＷは、端部に面取りＶが形成された強化ガラスである。

まず、ワークＷに対し、図１０Ａに矢印Ｂ１で示す線に沿って割断操作を行う。この場合、割断操作の終点（図１０Ａ中Ｅ１）において、ワークＷの強化層Ｌ１が面取りＶにより薄くなっている。そのため、割断操作の終了後、終点Ｅ１から始点に向け、線Ｂ１に沿ってワークＷが自動的に割断され、小片ＷＡ，ＷＢが得られる。

次に、小片ＷＡ，ＷＢに対し、図１０Ａに矢印Ｂ２で示す線に沿って割断操作を行う。この場合、小片ＷＡに対する割断操作の終点（図１０Ａ中Ｅ２）では、強化層Ｌ１が薄くなっていない。そのため、割断操作に先立ち、終点Ｅ２において、小片ＷＡの表面に、線Ｂ２に沿って初期き裂Ｃ１を形成する必要がある。一方、小片ＷＢに対する割断操作の終点（図１０Ａ中Ｅ３）には面取りＶが形成されているため、小片ＷＢに対する割断操作に際し、初期き裂の形成は不要である。
終点Ｅ２に初期き裂を形成後、線Ｂ２に沿って割断操作を行うことにより、割断操作の終了後、終点Ｅ２，Ｅ３から始点に向け、線Ｂ２に沿って小片ＷＡ，ＷＢＷが自動的に割断され、小片Ｗ１〜Ｗ４が得られる。

なお、小片ＷＡの終点Ｅ２に初期き裂を形成する代わりに、図１０Ｂに示すように、小片ＷＡを、図１０Ａに示す位置から水平に１８０度反転させた後、線Ｂ２に沿って割断操作を行ってもよい。この場合、小片ＷＡに対する割断操作の終点（図１０Ｂ中Ｅ４）には面取りＶが形成されているため、小片ＷＡに対する割断操作に際しても、初期き裂の形成が不要となる。

あるいは、図１０Ｃに示すように、線Ｂ１に沿ったワークＷの割断後、得られた小片ＷＡ，ＷＢの割断面上の点Ｓ１を始点として、線Ｂ１に垂直な線Ｂ３，Ｂ４に沿ってそれぞれ割断操作を行ってもよい。この場合も、小片ＷＡ，ＷＢに対する割断操作の終点（図１０Ｃ中Ｅ５，Ｅ３）にはいずれも面取りＶが形成されているため、割断操作に先立つ初期き裂の形成が不要となる。

但し、点Ｓ１から線Ｂ３に沿って小片ＷＡの割断操作を行う場合には、点Ｓ１の小片ＷＢ側を、レーザ光が照射されないよう上方からマスクＭ１で覆うことが望ましい。同様に、点Ｓ１から線Ｂ４に沿って小片ＷＢの割断操作を行う場合には、点Ｓ１の小片ＷＡ側を、レーザ光が照射されないよう上方からマスクＭ２で覆うことが望ましい。これらの理由は、同一の点Ｓ１を起点とする、線Ｂ３，Ｂ４に沿った２回の割断操作に際し、点Ｓ１の近傍において、小片ＷＡ，ＷＢに過度にレーザ光が照射されることに起因する不都合を避けるためである。

あるいは、図１０Ｄに示すように、予め小片ＷＡ、ＷＢを離しておき、小片ＷＡ，ＷＢの割断面上の点Ｓ２，Ｓ３を始点として、線Ｂ１に垂直な線Ｂ３，Ｂ４に沿ってそれぞれ割断操作を行ってもよい。この場合も、図１０Ｃと同様に、割断操作に先立つ初期き裂の形成が不要となる、また、小片ＷＡ、ＷＢが離れているため、線Ｂ３，Ｂ４に沿った割断操作が、離れた点Ｓ２，Ｓ３を始点として行われる。従って、線Ｂ３，Ｂ４に沿った割断操作に際し、マスクＭ１，Ｍ２が不要となる。

また、本実施形態において、強化層Ｌ１の表面を加熱および冷却する工程では、開始位置から終了位置まで直線状にワークＷを加熱および冷却する。かかる構成により、強化層Ｌ１におけるき裂が直線状に進展するため、強化層Ｌ１が、非強化層Ｌ２の割断面に沿って綺麗に割断され易く、ワークＷの品質の劣化を抑制することが可能となる。

また、上記のとおり、本実施形態では、前処理としてスクライブ溝などを設けることなく、後処理として曲げ加工を施すこともなく、ワークＷを割断できるため、タクトタイムを短縮でき迅速に処理を遂行することができる。その上、割断面に溝の跡が生じることがなく、前処理でクラックが生じることもない。そのため、ワークの品質の劣化を抑制することが可能となる。

また、ワークＷは、上記加熱処理および冷却処理が完了すると、一気に割断されるため、ワークＷの保持力に偏りがあると、ワークＷに作用する応力に偏りが生じ、意図しない方向にき裂が進展する可能性がある。本実施形態では、上記のように、ワークＷの裏面からワークＷを均等な圧力で支持しているため、所望の方向にき裂を進展させてワークＷを割断することが可能となる。

上述した実施形態では、加熱部としてレーザ照射部４を用いる場合について説明したが、加熱部は、強化層Ｌ１の表面を面方向に連続して加熱し、強化層Ｌ１および非強化層Ｌ２に熱を伝達できればよく、例えば、ガスバーナなどであってもよい。

また、レーザ照射部４は、炭酸ガスを媒質とする場合について説明したが、ワークＷの強化層Ｌ１の表面を加熱できれば、他の媒質を用いてもよい。例えば、より短波長でワークＷ（ガラス）に対する透過性の高いパルスレーザ等も使用可能である。

また、強化層Ｌ１の表面を加熱する工程では、強化層Ｌ１の表面の同一箇所に対し、複数回、レーザ光を照射し、かつ、先に照射されたレーザ光の方が、後に照射されたレーザ光よりも、強化層Ｌ１の表面に到達したときに有する単位面積当たりのエネルギーが高くする場合について説明したが、これは必須の構成ではない。すなわち、レーザ光の照射領域は単一であってもよいし、複数の照射領域のエネルギーが同一であってもよい。

また、強化層Ｌ１の表面を加熱する工程の前に、ワークＷの裏面からワークＷを均等な圧力で支持する場合について説明したが、ワークＷの強化層Ｌ１の表面のうち、レーザ光の照射領域以外を支持してもよいし、支持する圧力が不均一であってもよい。

また、上述した実施形態では、ワークＷの裏面からワークＷを均等な圧力で支持する手段として多孔質チャック３を用いる場合について説明したが、多孔質チャック３に限らず、例えば、ワークＷのうち、レーザ光を照射する表面と反対の裏面に粘着テープを貼り付けて支持してもよい。この場合、粘着テープは、ワークＷの裏面全体に貼り付けてもよいし、間隔をあけて複数箇所に貼り付けてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、熱応力によってワークを割断するワーク割断方法およびワーク割断装置に利用することができる。

Ｌ１ 強化層
Ｌ２ 非強化層
Ｗ ワーク
１ ワーク割断装置
４ レーザ照射部（加熱部）
６ 噴射部（冷却部）

Claims (11)

1. 圧縮応力が作用している強化層が非強化層の表面に積層されたワークを、ワークの厚さ方向に割断するワーク割断方法であって、
   前記強化層の表面を前記厚さ方向に直交する方向に連続して加熱し、前記強化層および前記非強化層に熱を伝達する工程と、
   加熱した後の前記ワーク表面に冷却媒体を噴射し、前記非強化層における前記強化層との境界部分に、前記非強化層の破壊応力以上の熱応力を発生させる工程と、を含むワーク割断方法。
2. 圧縮応力が作用している強化層が非強化層の表面に積層されたワークを、ワークの厚さ方向に割断するワーク割断方法であって、
   前記強化層の表面を前記厚さ方向に直交する方向に連続して加熱し、前記強化層および前記非強化層に熱を伝達する工程と、
   加熱した後の前記ワーク表面に冷却媒体を噴射し、前記非強化層における前記強化層との境界部分に、前記厚さ方向にき裂を発生させる工程と、を含むワーク割断方法。
3. 圧縮応力が作用している強化層が非強化層の表面に積層されたワークを、ワークの厚さ方向に割断するワーク割断方法であって、
   前記強化層の表面を前記厚さ方向に直交する方向に連続して加熱し、前記強化層および前記非強化層に熱を伝達する工程と、
   加熱した後の前記ワーク表面に冷却媒体を噴射する工程と、
   前記強化層の表面を加熱する工程および加熱後の前記ワーク表面に冷却媒体を噴射する工程の終了後、前記ワークに、これらの工程の終了位置から開始位置に向け、き裂を発生させる工程と、を含むワーク割断方法。
4. 前記強化層の表面を加熱する工程では、加熱処理の開始位置および終了位置が、前記ワークの表面と側面との境界である請求項１から３のいずれか１項に記載のワーク割断方法。
5. 前記強化層の表面を加熱する工程では、前記開始位置から前記終了位置まで直線状に前記ワークを加熱する請求項４に記載のワーク割断方法。
6. 前記強化層の表面を加熱する工程では、レーザ光を照射して加熱する請求項１から３のいずれか１項に記載のワーク割断方法。
7. 前記レーザ光は、炭酸ガスを媒質として生成されたものである請求項６に記載のワーク割断方法。
8. 前記強化層の表面を加熱する工程では、前記ワーク表面の同一箇所に対し、複数回、レーザ光を照射し、かつ、先に照射されたレーザ光の方が、後に照射されたレーザ光よりも、ワーク表面に到達したときに有する単位面積当たりのエネルギーが高い請求項６に記載のワーク割断方法。
9. 前記強化層の表面を加熱する工程の前に、前記ワークの裏面から前記ワークを均等な圧力で支持する工程をさらに含む請求項１から３のいずれか１項に記載のワーク割断方法。
10. 圧縮応力が作用している強化層が非強化層の表面に積層されたワークを、ワークの厚さ方向に割断するワーク割断装置であって、
    前記強化層の表面を前記厚さ方向に直交する方向に連続して加熱し、前記強化層および前記非強化層に熱を伝達する加熱部と、
    加熱された後の前記ワーク表面に冷却媒体を噴射し、前記非強化層における前記強化層との境界部分に、前記非強化層の破壊応力以上の熱応力を発生させる冷却部と、
    を備えるワーク割断装置。
11. 圧縮応力が作用している強化層が非強化層の表面に積層されたワークを、ワークの厚さ方向に割断するワーク割断装置であって、
    前記強化層の表面を前記厚さ方向に直交する方向に連続して加熱し、前記強化層および前記非強化層に熱を伝達する加熱部と、
    加熱された後の前記ワーク表面に冷却媒体を噴射する冷却部と、を備え、
    前記加熱部における加熱と、前記冷却部における冷却の終了位置が、前記加熱および前記冷却の終了後の前記ワークに、前記終了位置から前記加熱および前記冷却の開始位置に向け、き裂を発生させるよう定められている、ワーク割断装置。

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