JP2006137169A - 脆性材料の割断方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザビーム照射による加熱と、冷却液噴霧による冷却によって惹起される熱応力を利用して、表面層にスクライブ面を発生させ、その後機械応力印加によってブレークを行うガラスなど脆性材料の割断において、材料端部に発生する熱伝導の乱れに起因する割断面の乱れを防止して、理想的な割断を実現すること。
【解決手段】 スクライブ面の乱れが不可避である材料端部においては、レーザビーム照射や冷却液噴霧をマスクによって防止し、レーザスクライブ面の発生を停止させる。乱れたスクライブ面が存在するよりは、乱れ部分が欠如していた方がスクライブ後のブレーク面が理想のものに近づき、高品質割断が実現できる。
こうした割断を行うことによって、割断面はレーザスクライブの優れた特性とあいまって、後工程を不要とする高品質化が実現できる。
【選択図】 図６

Description

本発明は脆性材料、なかんずくガラスなどの脆性材料の割断方法及び同用装置に関する。本明細書では特にガラスを対象とした説明を行っているが、ガラスの他にも石英、セラミック、半導体などの脆性材料一般に適用が可能である。

脆性材料は、従来はダイアモンドチップなどの超硬バイトを使用した機械的方法で切断してきた。ガラスに対するこの方法の適用は、過去１世紀以上の長期間にわたって使用されてきた方法でもある。

ところがこうした機械的方法には、次に述べるような欠点が存在する。第一は、切断時にカレットと呼ばれる小破片が発生し、ワーク表面を汚すことである。第二は、切断面付近にマイクロクラックが発生し、それを起点としてワークが割れる危険があることである。第三は、最小でも数百ミクロン程度の切り代が存在し、ワークサイズが際限なく微小化していく現在、この切り代の存在が無視できなくなることである。この他にも、加工速度の限界、消耗品である工具コストなど、産業上無視できない欠点がある。

窓ガラスの切断などは従来技術で問題ないが、液晶表示器やプラズマ表示器などに使用するファイン・ガラス切断の場合、マイクロクラック対策のために切断面を研磨し、その後洗浄を行うなどの後工程が必要である。

それに対して、レーザ割断には次に述べるような特徴がある。第一に、質量損失がゼロ（カレット発生なし）で、洗浄などの後工程が不要である。第二に、割断面付近にマイクロクラックなどの破壊欠陥が発生せず高強度断面が得られるので、研磨などの後工程が不要である。第三に、面粗さが１μ以下の鏡面が得られる。第四に、製品外形精度が±２５μ以下である。第五に、ガラス板厚０．２ｍｍまでの薄さに使用でき、今後の液晶ＴＶ用に使用できる。

ガラスに高エネルギー密度のＣＯ_２レーザビームを照射すると、一般的には照射スポットにおいてレーザビームの吸収が起こり、急激な加熱の結果放射状にクラックが発生してしまい、進行方向のみに切断を進行させることは出来ない。しかしながら、レーザビームのエネルギー密度をこうしたクラックを発生させるものより十分低いものに設定すると、ガラスは加熱されるだけで、溶融もクラック発生も起こらない。この時ガラスは熱膨張しようとするが、局所加熱なので膨張ができず、照射点を中心としてその周辺には圧縮応力が発生する。この局所加熱源を割断したい方向に移動させるのである。加熱後に冷却液を噴霧することによって冷却を行うと、今度は逆に引っ張り張力が発生する。図１に示すようにレーザビームの断面形状を適当なものに成形すると、光の移動方向と直交する方向のみに、引っ張り張力が発生する。同図において、１は加熱レーザビーム、２はガラス内部の圧縮応力、３は冷却液、４はガラス内部の引っ張り張力である。この引っ張り張力の作用で割断亀裂５が生じる。ガラス板６において、始点に機械的方法によるトリガークラック８をつけておくと、割断亀裂５はこのトリガークラックから発生し、レーザビームの移動方向７に沿って進行させることができる。こうした現象が理想的に発生するためには、照射レーザビームのエネルギー分布が、こうした張力を生じるために最適である必要がある。種々のガラスの割断において、こうした最適分布が研究されている。図１に示す加熱レーザビーム１は、この最適化がなされたものである。

こうした最適分布の実現方法については、下記の特許出願がなされている。
特許出願番号２００３−３６３８５５
特許出願番号２００４−１５６８９１
このガラス割断へのレーザ応用は、これから需要が急増するファイン・ガラス全般の加工において、必要不可欠のものであるといえる。

ＣＯ_２レーザビーム照射によるガラスの熱応力割断においては、図２に示すようにＣＯ_２レーザビームはガラス表面層だけで吸収され、ガラスの全厚さにわたって透過しない。レーザによる割断（レーザスクライブと称する）深さは、通常１００μ程度である。同図において、９がレーザスクライブ面である。同面をこれより深くするためには、深さ方向への熱伝導によって深部における温度変化を発生させねばならない。この場合加工速度は著しく減少するので、通常は行わない。図３に示す機械的スクライブ面も、通常は同程度の深さである。さてガラスは脆性が強いので、このスクライブ線にあわせて機械的に割断することが容易である。このプロセスをブレークと称する。

従来は、機械スクライブとブレークの組み合わせでガラス割断を行っている。機械スクライブの場合、図３に示すようにスクライブ面付近にはマイクロクラックが多量存在するので、ブレークは比較的容易である。ただし、同図１２に示すように機械スクライブ後のブレーク面は必ずしもガラス表面に直交する一平面を構成しない。マイクロクラック層を除去し、かつブレーク面精度を改善するために、機械スクライブの場合には、ブレーク後に割断面を研磨洗浄する。

一方、レーザスクライブの場合、スクライブ面付近にマイクロクラックが存在しないので、ブレーク面は図２の１０に示す理想的なものになる。その場合、研磨洗浄を省略することができる。ただし、割断面が相互に擦れ合うとカレットが発生したり、傷が生じたりする。これらを防止するブレーク技術として、発明者はたとえば図４に示す方法を開発した。ここでは、レーザスクライブ面９からガラス板６の下方に位置する回転中心軸１３の周りの回転応力を、回転応力印加方向１４の方向に回転応力印加装置１５を用いてガラス板に与えて、レーザスクライブ面に曲げと引き裂きを同時に発生させてブレークを行う。この場合、同装置の軸受け部１６とガラス保持部１７が偏心しているのでレーザスクライブ後のブレーク面は相互に接触せず、カレットや傷が発生しない。

ところが、レーザスクライブにも欠点がある。図１のレーザスクライブ原理図に示すように、加熱レーザビーム１の断面形状を最適化し、冷却後に発生するガラス内部の引っ張り張力４が割断方向に直交方向である必要がある。この形状最適化は、ガラス板６表面の熱源から熱があらゆる方向に伝導する前提に立っている。これはガラス板の端部以外では正しいが、端部ではガラスの外側方向には熱伝導が起きないので、ガラス内部の引っ張り張力の方向が乱れ、そのためにスクライブ線が曲がってしまう。このように曲がったレーザスクライブ線が入ったガラス板をブレークすると、図５に示すようにレーザスクライブ後のブレーク面１０はガラスの終端面２０に近づくと１８のようになり斜線で示す理想の面１９から外れてしまう。これでは、折角のレーザスクライブ特有の高精度のメリットが失われてしまう。

問題の原因が、レーザスクライブは熱現象を利用しているので、熱伝導特性が変化する材料端部では現象の乱れが不可避のものであることに鑑み、材料端部の直前でレーザスクライブを停止させることにする。この場合、レーザスクライブ線は一部欠如するが、スクライブ線の直線性は維持できる。それに対して前記した機械的ブレークを行うと、レーザスクライブ線が一部欠如していても、ブレーク面は図５の１９のように理想的なものになることが経験的に判明した。

本発明によれば、レーザスクライブとブレークの両工程からなるガラス割断を常に最適条件下で行うことができる。レーザによるガラス割断には、下記にあげる技術上の利点がある。
１）割断位置精度が高い。
２）割断面が鏡面で、面粗さが良好である。
３）割断面傾きが高精度である。
４）割断面にカレットの付着がなく、清浄である。
５）スクライブ、ブレークともに自動化ができる。
６）スクライブ、ブレークともに高速度で行える。
７）研磨、洗浄などの後工程が省略できる。

このようにガラスのレーザ割断が、ダイアモンドカッター使用のような従来の機械的方法に比較して、著しく進歩することになる。レーザによるガラス割断が普及すれば、加工速度、加工品質、経済性、難易度の克服などにおいて、その効果にははかり知れないものがある。

レーザスクライブ線が曲がる材料端部において、レーザスクライブ発生条件を阻止することによって、レーザスクライブ線の進行を停止させることができる。スクライブ線欠如のまま機械応力印加によってブレークを行い、材料割断を行えばよい。

図６に、本発明の実施方法を示す。ガラス板６の終端面２０近傍でガラス表面をマスクで覆う。図中１は加熱レーザビームであり、３は冷却液である。両者は一体となってレーザビームの移動方向７に沿って移動する。加熱レーザビームは図１に示すような特殊のビーム形状になっている。それは冷却手段とあいまってガラス表面にレーザビームの移動方向に直交方向に引っ張り張力を発生させる。そのためガラス内部にレーザスクライブ面５が形成される。

ガラス終端面近傍ではガラスの上にマスク２１が覆っている。それによってガラスは終端面から適当な距離、たとえば０．５ｍｍ程度がマスクの下になっている。マスク２１はマスク台２２の上に載っている。マスク台２２はガラス終端面に熱接触しており、ガラス内の熱伝導が終端面近傍でもガラス内部と同様に発生することを助けている。

マスクが加熱レーザビームに対して高い反射率を有するときには加熱レーザビームはこのマスクによって反射してしまいガラスは加熱されない。レーザビームとしてはＣＯ_２レーザビームが使用されるので、マスクには表面に金コートしたものを用いればよい。

本発明はまた、冷却液をブロックすることによっても実現することができる。この場合にはマスク２１を熱絶縁材料で構成すればよい。この場合には冷却による引っ張り張力の発生を抑制するのである。

マスクで加熱レーザビームと冷却液の両方をブロックしてもよい。また、冷却液ブロックはマスク使用でなく、冷却液供給をバルブの開閉操作で行ってもよい。

このマスクの働きによってレーザスクライブ面はガラス終端面に近づくと消滅してしまう。

前記したように曲がったレーザスクライブ面が存在するとレーザスクライブ後のブレークも曲がってしまうが、曲がるべき位置にレーザスクライブ面がないと、機械的ブレークを施した場合、ブレーク面はレーザスクライブ面の欠如部分の長さが０．５ｍｍ程度である限り直線性を維持することができる。

熱伝導の変化は全ての材料端部で起こるので、スクライブの乱れは終端面だけでなく開始面でも起きるはずである。ところが、本発明で終端面における対策のみを強調しているのは、開始面ではレーザスクライブは同面上部に設けられたトリガークラック８から出発し、十分な精度で直線状に進行するからである。以上説明したのは本発明の機能を実現する若干の機構例であって、本発明の精神はその他の多くの方法で実現可能であることは言を俟たない。

液晶ディスプレィ、プラズマディスプレィなどのフラットパネルデスプレィ、モバイルやカーナビ用表示器、光学装置用ＩＲフィルターなどに用いる平面ガラスの切断が、現在はダイアモンドカッターで行われており、切断後の洗浄工程の必要性や、マイクロクラックの存在などの問題を呈している。レーザ割断で、こうした問題を解決することができる。ＩＣチップカバーガラスなど微小チップの加工にも、本発明は応用できる。大型ワークの場合よりも切断長が大きいので、本発明の効果は大きい。

自動車用のガラス部品は曲線加工が多いので、現在は機械的に直線切断の後、研磨を施している。このために、ガラス割断だけですませられるレーザ加工への期待は大きい。

さらに、建築資材としての強化ガラスの加工で、犯罪防止という現代社会に求められている課題解決に貢献できる。強化ガラスの切断は機械的方法では困難であり、レーザの使用が期待されているのである。

このように、ガラス割断を改善するレーザ技術の出現は、現代社会に要求されている種々の課題への解決である。

レーザによる熱応力スクライブ原理図。 ガラスのレーザスクライブ。 ガラスの機械スクライブ。 機械的ブレーク方法。 ガラス端部におけるレーザスクライブおよびレーザスクライブ後のブレーク面の乱れ。 本発明の実施例。

符号の説明

１ 熱レーザビーム
２ ガラス内部の圧縮応力
３ 冷却液
４ ガラス内部の引っ張り張力
５ ガラスに生じる割断亀裂
６ ガラス板
７ レーザビームの移動方向
８ トリガークラック
９ レーザスクライブ面
１０ レーザスクライブ後のブレーク面
１１ 機械スクライブ面
１２ 機械スクライブ後のブレーク面
１３ 回転中心軸
１４ 回転応力印加方向
１５ 回転応力印加装置
１６ 軸受け部
１７ ガラス保持部
１８ 乱れたブレーク面端部
１９ 理想的なブレーク面端部
２０ ガラス終端面
２１ マスク
２２ マスク台

Claims (5)

1. 先行移動するレーザ光照射とそれに続く冷却手段の併用によって、ガラス、石英、セラミック、半導体などの脆性材料表面層に熱応力に起因する亀裂（レーザスクライブ）を発生させ、同亀裂（スクライブ）面に沿って機械的手段である応力印加によって材料の全厚み方向にわたるブレークを行う脆性材料の割断装置において、材料表面のレーザスクライブ発生を材料の終端間際で停止させることを特徴としたもの。
2. 請求項１において、亀裂停止の方法として、脆性材料終端部にレーザ光を遮るマスクを設けたもの。
3. 請求項１において、亀裂停止の方法として、脆性材料終端部に冷却液を遮るマスクを設けたもの。
4. 請求項１において、亀裂停止の方法として、請求項２および請求項３を併用したもの。
5. 請求項１において、亀裂停止の方法として、脆性材料終端部近くで冷却液の供給を停止させるもの。

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