JP2013023417A - ガラス基板の加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】強化ガラスや肉厚ガラスのスクライブ加工において、スクライブ加工時にガラス基板に多量の水ミストを吹き付けても、ガラス基板とガラス基板を支持しているテーブルとの間の隙間にミストの水が入り込むことを防止する。
【解決手段】ガラス基板１の加工装置において、ガラス基板保持用テーブル１０におけるガラス基板１の外周部に当たる位置に切溝２１、２２、２３、２４を刻設し、この切溝２１、２２、２３、２４に排水通路１１を連通させる。これにより、ガラス基板１のスクライブ加工の際に、ガラス基板１に多量の水ミストを吹き付けても、余剰となった水ミストはガラス基板保持用テーブル１０の切溝２１、２２、２３、２４に流れ込み、排水通路１１を通って加工装置の外部に排水されるので、ガラス基板１とガラス基板保持用テーブル１０との間の隙間にミストの水が入り込むことを防止することができる。
【選択図】図２

Description

本発明はスマートフォンやタブレット端末、ノートパソコン、タッチテーブルのスクリーンやテレビのスクリーンなどに使用されるフラットパネルディスプレイ用ガラス、特にガラス表面を化学強化したアルミノケイ酸ガラスやフロートガラスに熱処理を加えて風冷強化した強化ガラス、あるいは厚さが３ｍｍ以上の肉厚ガラス（以下これらを強化ガラスと総称する）を加工するガラス基板の加工装置に関する。

最近ガラス割断において、過去１世紀にわたって使用されてきたダイヤモンドチップによる機械的方法に代わって、レーザビーム照射による熱応力スクライブ方法（以下レーザスクライブと略記する）が使用されるようになってきた。

レーザスクライブによれば、機械的方法に固有の欠点、すなわちマイクロクラック発生によるガラス強度の低下、割断時のカレット発生による汚染、適用板厚の下限値の存在などが一掃できる。

レーザスクライブにおいては一般に、ガラスを局所的に加熱し、気化、溶融やクラックが発生しない程度のレーザ光照射を行なう。この時ガラス加熱部は熱膨張しようとするが周辺ガラスからの反作用にあい十分な膨張ができず、この加熱領域には圧縮応力が発生する。周辺の非加熱領域でも、加熱部からの膨張に押されてさらに周辺に対して歪みが発生し、その結果圧縮応力が発生する。こうした圧縮応力は加熱中心点を原点とした半径方向のもので、加熱が発生後ほとんど音速でガラス板全域に伝播する。ところで物体に圧縮応力がある場合には、その直交方向にはポアソン比に比例した引っ張り応力が発生する。

引張り応力の存在位置に亀裂がある場合にはこの亀裂先端では応力拡大が発生し、この拡大された応力が材料の破壊靱性値を超えると亀裂が拡大する。すなわち、亀裂先端から加熱中心に向かって亀裂が進展するという制御された割断が生じることになる。したがって、レーザ照射点を先行走査することで、亀裂を延長させていくことができる。

ガラスのレーザスクライブはこの原理を使用しており、引張り応力の最大点付近に冷却を行なうと、このときガラスの収縮によって増幅される引張り応力が割断強化に役立ち、加熱と冷却の併用によって割断が効率よく実現できることが提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１によれば、加熱用レーザ光としてはＣＯ_２レーザ光が使用される。ＣＯ_２レーザ光のビームスポットにおけるエネルギーの９９％は、ガラス板６の深さ３．７μｍのガラス表面層において吸収され、ガラス板の全厚さにわたって透過しない。これは、ＣＯ₂レーザ波長におけるガラスの吸収係数が著しく大きいことによる。この結果、加熱はガラス板の表面層のみで発生し、この加熱領域では圧縮応力が発生する。

一方、この加熱領域から外れた位置にある冷却点で冷却を行なうと引張り応力が発生し、この冷却点から後方に初亀裂を出発点とする表面スクライブが発生する。このスクライブの深さは、ソーダガラスなどでは通常１００μｍ程度である。しかしながら、ガラス板は脆性が強く、このスクライブ線にあわせて曲げ応力を印加し機械的に割断することが容易である。この曲げ応力の印加によって割断するプロセスをブレイクと称する。レーザビームは走査方向の方向に走査される。この方法は従来方法である機械的方法に比較すれば数多くの長所があり、フラットパネルディスプレイ装置の生産に徐々に応用されるようになって来た。

特許第３０２７７６８号明細書

一方、近年、スマートフォンやタブレット端末、ノートパソコン、タッチテーブルのスクリーンやテレビのスクリーンなどのフラットパネルディスプレイ用ガラスとしてガラス表面の硬度を増すためにガラス表面を化学強化したアルミノケイ酸ガラスやフロートガラスに熱処理を加えて風冷強化した強化ガラス、あるいは厚さが３ｍｍ以上の肉厚ガラスなどの強化ガラスが活用されている。

特許文献１によるレーザスクライブ加工方法は、通常のソーダガラスの割断加工には問題はないが、強化ガラスの場合にはいくつかの課題がある。たとえば、強化ガラスの場合には初亀裂の形成も通常のダイヤモンドカッタなどの刃物でガラスの表面を引掻いて良好な初亀裂を形成することが極めて困難であり、パルス発振型のレーザを利用する方法など検討されている。

また、ガラス基板が強化ガラスである場合は、スクライブ溝の深さが浅いものしか加工できないので、強く化学処理したガラスほどブレイクが難しく、さらに、ガラスが厚い場合にもブレイクのために大きな力が必要になり難しくなる。このため、強化ガラスにスクライブ溝を形成するには、ブレイクを直線的かつ良好に行なえるようにある程度の深さのスクライブ溝を加工しなければならないが、このためには、レーザスクライブ加工時に冷却用の水ミストが多量に必要である。

ところがスクライブ加工時にガラス基板に多量の水ミストを吹き付けると、ガラス基板とガラス基板を支持しているテーブルとの間の隙間にミストの水が入り込んでガラス基板の下面においてガラス基板の中央部、すなわち、スクライブ線の進行方向に向かって進入してしまい、レーザ加熱や冷却プロセスの制御が乱れてスクライブ溝の進行方向や深さに乱れが生じてしまい、所望のスクライブ溝が形成できないという課題がある。

本発明はこのような課題を解決するもので、ガラス基板、特に強化ガラスや肉厚ガラスのスクライブ加工において、スクライブ加工時にガラス基板に多量の水ミストを吹き付けても、ガラス基板とガラス基板を支持しているテーブルとの間の隙間にミストの水が入り込むことを防止することができるガラス基板の加工装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、ガラス基板を保持しているテーブルにおいて、ガラス基板の外周部に当たる位置に切溝を刻設し、この切溝に排水用の通路を連通させたものである。
上記構成によれば、ガラス基板、特にガラス基板が強化ガラスで形成されたガラス基板のスクライブ加工に際に、ガラス基板に多量の水ミストを吹き付けても、噴きつけ後に余剰となった水ミストはガラス基板の外周部における切溝に流れ、そこから連通する排水用の通路を通って加工装置の外部に排水されるので、ガラス基板とガラス基板を支持しているテーブルとの間の隙間にミストの水が入り込むことを防止することができる。したがって、水ミストがガラス基板の下面においてガラス基板の中央部、すなわち、スクライブ線の進行方向に向かって進入しないので、レーザ加熱や冷却プロセスの制御に乱れがなく、スクライブ溝の進行方向や深さに乱れがない良好なスクライブ溝を形成することができる。この結果、ブレイクを容易にし、しかもガラス基板の割断予定線の全体に亘ってブレイクが真直に走るようにすることができ、ブレイクの困難な強化ガラスでも確実に加工させることができる。

また、本発明は、ガラス基板の外周辺がそれぞれ切溝の幅方向の略中央部に位置するように構成されたものである。
上記構成によれば、ガラス基板、特にガラス基板が強化ガラスで形成されたガラス基板のスクライブ加工に際に、ガラス基板に多量の水ミストを吹き付けても、噴きつけ後に余剰となった水ミストはガラス基板の外周部における切溝に流れ、そこから連通する排水用の通路を通って加工装置の外部に排水されるので、ガラス基板とガラス基板を支持しているテーブルとの間の隙間にミストの水が入り込むことを防止することができる。

また、本発明は、ガラス基板保持テーブルに複数の大きさのガラス基板に対応した複数の切溝を刻設したものである。
上記構成によれば、一枚のガラス基板保持テーブルで大きさの異なる複数のガラス基板に対応させることができる。

また、本発明は、加工すべきガラス基板の大きさに応じた複数種のガラス基板保持テーブルを加工すべきガラス基板の大きさに応じて交換可能としたものである。
上記構成によれば、一台の加工装置で多種多様な大きさのガラス基板を加工することができる。

また、本発明は、ガラス基板が表面に強化層を形成した強化ガラスまたは厚さが３ｍｍ以上の肉厚ガラスとしたものである。
上記構成によれば、強化ガラスや肉厚ガラスのスクライブ加工において、スクライブ加工時にガラス基板に多量の水ミストを吹き付けても、ガラス基板とガラス基板を支持しているテーブルとの間の隙間にミストの水が入り込むことを防止することができる

本発明によれば、ガラス基板を支持しているテーブルにおいて、ガラス基板の外周部に当たる位置に切溝を刻設し、この切溝に排水用の通路を連通させているので、スクライブ加工時に吹き付けられる多量の水ミストを吹き付けても、吹き付け後に余剰となった水ミストをガラス基板の外周部に形成された切溝から排水用の通路を通って加工装置の外部に排水させることができるので、ガラス基板とガラス基板を支持しているテーブルとの間の隙間にミストの水が入り込むことを防止することができる。

本発明の実施例に係る脆性材料加工装置の概略図 本発明の実施例に係る脆性材料加工装置に使用されるガラス基板保持用テーブルの概略斜視図

本発明は、ガラス基板をガラス基板保持用テーブル上に支持し、ガラス基板の割断予定線に沿ってレーザビームで加熱後その加熱位置を冷却し、レーザビームの照射位置および冷却点をガラス基板に対して割断予定線に沿って相対的に移動させてガラス基板にスクライブを形成するガラス基板の加工装置において、ガラス基板保持用テーブルにおけるガラス基板の外周部に当たる位置に切溝を刻設し、この切溝に排水用の通路を連通させたものである。
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明による強化ガラスの加工装置の全体構成を示す概念図である。強化ガラスからなるガラス基板１はガラス基板保持テーブル１０上に載置され、ガラス基板保持テーブル１０はＸ−Ｙ駆動装置によりＸ−Ｙ平面において移動する。図においては、ガラスの移動方向であるＹ軸駆動用のサーボモータ８とシャフト軸９のみが示されており、Ｘ軸駆動系は図示省略されている。

ガラス基板１を加熱するレーザ発振器２は、ガラス基板１に対して不透明な波長のレーザ光線を出力するレーザ光源、例えば、波長１０．６μｍのレーザ光線を出力するＣＯ_２ガスレーザ光源が使用される。レーザ発振器２はたとえば最大出力１００Ｗのガス封じ切り型が使用される。なお、ガラス基板１の表面強化層が厚かったりガラス基板１の厚さが３ｍｍ以上など厚い肉厚ガラスの場合にはブレイクが困難である場合がしばしばあるので、最大出力が２００Ｗのレーザ発振器を使用することが好ましい。レーザ照射装置２から出力されるレーザビーム３は、反射鏡４により下向きに反射されてビーム変換装置１２に入射される。

レーザ発振器２はたとえば最大出力１００Ｗのガス封じ切り型が使用される。ガラス基板１１の表面強化層が厚かったりガラス基板１１の厚さが１０ｍｍ以上など厚い場合には、ブレイクが困難である場合がしばしばあるので、最大出力が２００Ｗのレーザ発振器を使用することが好ましい。

ビーム変換装置１２は、平行に対向配置された全反射面および部分反射面を備えており、反射鏡４から反射された一本のレーザビーム３をビーム変換装置１２に斜入射させると、レーザビーム３は全反射面および部分反射面の間において複数回多重反射して、部分反射面からビームエネルギーの一部を順次に透過することにより割断予定線の方向に配列した複数本のビームよりなるレーザビーム列５に変換される。このレーザビーム列５はガラス基板１に斜照射される。

複数本のビームよりなるレーザビーム列５の照射位置の前方には、ガラス基板１の割断予定線の始点に亀裂を形成するための初期亀裂形成装置６が設けられている。初期亀裂形成装置６はたとえばレーザ光になどの局所熱源やダイヤモンドカッタなどで構成される。

一方、複数本のビームよりなるビーム列５の照射位置の後方には、レーザビーム列５による加熱領域に間隔をあけて追従しながら加熱されたガラス基板１の表面に水ミストなどの冷媒を吹き付けて急冷却する冷却装置７が配置されている。
ガラス基板１の表面に吹き付けられた水ミストなどの冷媒は排水通路１１を介して加工装置の外部に排水される。詳細は後述する。

図２にガラス基板保持テーブル１０の斜視図を示す。ガラス基板保持テーブル１０の一主面には加工するガラス基板１が載置される。ガラス基板保持テーブル１０には、載置されたガラス基板１の外周部に当たる位置に切溝２１、２２、２３、２４が刻設されている。ガラス基板１はその外周辺がそれぞれ切溝２１、２２、２３、２４の幅方向の略中央部に位置するように載置される。したがって、切溝２１、２２、２３、２４の刻設位置は加工すべきガラス基板１の大きさにより異なっている。

一般に加工すべきガラス基板１の大きさには用途によって異なるので、１つのガラス基板保持テーブル１０に数種類の大きさのガラス基板１に対応した複数の切溝を刻設したり、加工すべきガラス基板１の大きさに応じた複数種のガラス基板保持テーブル１０を用意しておき、加工すべきガラス基板１の大きさに呼応して交換可能なように構成することが好ましい。

次に、図１および図２により本発明によるガラス基板の加工装置の動作を説明する。
強化ガラスを加工するために、まず、ガラス基板１の割断予定線２５の始端に初亀裂形成装置７により初亀裂２６を形成する。この初亀裂２６がガラス基板１１の加工の出発位置となる。初亀裂２６を形成するには、まず、ガラス基板保持テーブル１０の上に載置されたガラス基板１をサーボモータ８により−Ｙ方向に移動させ、ガラス基板１の割断予定線２５の始端を初亀裂形成装置６の加工具の直下に位置させて、ガラス基板１１の割断予定線２５の始端に初亀裂２６となるクラックを形成する。

つぎに、初亀裂形成装置６をガラス基板１の表面から離間させ、ガラス基板保持テーブル１０の上に載置されたガラス基板１をサーボモータ８により＋Ｙ方向に移動させながら、レーザ照射装置２を発振させてレーザビーム３を出射する。出射されたレーザビーム３は、反射鏡４により下向きに反射されてビーム変換装置１２に斜入射され、ビーム変換装置１２の全反射面および部分反射面の間において複数回多重反射して、部分反射面から割断予定線２５の方向に配列した複数本のビームよりなるレーザビーム列５に変換されてガラス基板１に斜照射される。この結果、ガラス基板１は初亀裂２６を始端として割断予定線１２に沿ってレーザビーム列５により加熱される。可動式テーブル１０をサーボモータ８によりさらに＋Ｙ方向に移動させるとガラス基板１もさらに＋Ｙ方向に移動し、レーザビーム列５により加熱された領域は冷却装置７の真下の位置に達する。このとき、冷却装置７から冷媒となる水ミストを噴射すると、ガラス基板１は冷却点直下で初亀裂２６から拡大した亀裂がガラス基板１１の板厚方向に発生する。

初亀裂２６の付近で板厚方向に拡大した亀裂は、レーザビーム列５および冷却点の組み合わせがガラス基板１に対して相対的に移送するのに伴って、割断予定線１２に沿って亀裂を拡大させることができる。この結果、ガラス基板１１表面にスクライブ溝２７が形成される。

ところで、ガラス基板１が強化ガラスである場合、亀裂を進展させるためにはレーザビーム列５のパワー密度は大きく、また、冷却に使用される水ミストの量も多量に使用しないと十分な深さのスクライブ溝２７を形成することができない。ところが前述したように、スクライブ加工時にガラス基板に多量の水ミストを吹き付けると、ガラス基板とガラス基板を支持しているテーブルとの間の隙間にミストの水が入り込んでガラス基板の下面においてガラス基板の中央部、すなわち、スクライブ溝２７の進行方向に向かって進入するおそれがある。

この現象を防ぐために、本発明においては図２に示すように、ガラス基板保持テーブル１０には載置されたガラス基板１の外周部に当たる位置に切溝２１、２２、２３、２４が刻設されている。したがって、スクライブ加工時に多量に吹き付けられたミストの水はこの切溝２１、２２、２３、２４に流れ込み、切溝２１、２２、２３、２４に連結された排水通路１１を介して加工装置の外部に排水される。排水された水は必要に応じてろ過後冷却装置７に再利用することができる。

このように、本発明によれば、強化ガラスのレーザスクライブにおいて、ブレイクを直線的かつ良好に行なえるようにある程度の深さのスクライブ溝２７を加工する場合に多量の水ミストを使用しても、ガラス基板とガラス基板を支持しているテーブルとの間の隙間にミストの水が入り込んでガラス基板の下面においてガラス基板の中央部、すなわち、スクライブ溝２７の進行方向に向かって進入することを防止することができる。したがって、レーザ加熱や冷却プロセスの制御が乱れてスクライブ溝２７の進行方向や深さに乱れが生じることがなく、所望のスクライブ溝２７を確実に形成することができる。

本発明による強化ガラスの加工装置は、近年、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどのフラットパネルディスプレイや携帯電話、携帯端末などの表示装置用に用いられているガラス表面に強化層を形成した強化ガラスや厚さが厚い厚ガラスの鏡面割断に適用して好適である。

１ ガラス基板
２ レーザ発振器
３ レーザビーム
４ 反射鏡
５ レーザビーム列
６ 初期亀裂形成装置
７ 冷却装置
８ サーボモータ
９ シャフト軸
１０ ガラス基板保持テーブル
１２ ビーム変換装置
２１、２２、２３、２４ 切溝
２５ 割断予定線
２６ 初亀裂
２７ スクライブ溝

Claims (5)

1. ガラス基板をガラス基板保持用テーブル上に支持し、ガラス基板の割断予定線に沿ってレーザビームで加熱後その加熱位置を冷却し、レーザビームの照射位置および冷却点をガラス基板に対して割断予定線に沿って相対的に移動させてガラス基板にスクライブを形成するガラス基板の加工装置であって、ガラス基板保持用テーブルにおけるガラス基板の外周部に当たる位置に切溝を刻設し、この切溝に排水用の通路を連通させたことを特徴とするガラス基板の加工装置。
2. ガラス基板の外周辺がそれぞれ切溝の幅方向の略中央部に位置するように構成したことを特徴とする請求項１に記載のガラス基板の加工装置。
3. ガラス基板保持テーブルに複数の大きさのガラス基板に対応した複数の切溝を刻設したことを特徴とする請求項１に記載のガラス基板の加工装置。
4. 加工すべきガラス基板の大きさに応じた複数種のガラス基板保持テーブルを加工すべきガラス基板の大きさに応じて交換可能としたことを特徴とする請求項１に記載のガラス基板の加工装置。
5. ガラス基板が表面に強化層を形成した強化ガラスまたは厚さが３ｍｍ以上の肉厚ガラスであることを特徴とする請求項１に記載のガラス基板の加工装置。