(57)【要約】【課題】無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスを、割断予定線から外れることなく良好な割断面を得られるように割断する。【解決手段】脆性材料１１に想定された割断予定線１２に沿って加熱した後冷却し、加熱および冷却する位置を脆性材料１１に対して相対的に移動させて割断する割断装置であって、脆性材料１１が無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラス基板のいずれかであり、割断予定線１２上に幅広く形成される弱加熱領域６０を形成するＥｒ−ＹＡＧレーザ５０と、割断予定線１２上に弱加熱領域６０よりも狭い幅でかつ強く加熱される強加熱領域１４を形成するＣＯ２レーザ２５と、割断予定線１２上の位置に冷媒を噴射する冷却装置３０とを備え、冷却装置３０が脆性材料１１との相対移動に伴い弱加熱領域６０と強加熱領域１４による加熱が重ね合わさった重層加熱領域７４、７６を冷却する。 【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断方法であって、前記脆性材料が無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスのいずれかであり、前記割断予定線上に幅広く形成される弱加熱領域を形成するＥｒ−ＹＡＧレーザビーム照射手段と、割断予定線上に前記弱加熱領域よりも狭い幅で、弱加熱領域よりも強く加熱される強加熱領域を形成するＣＯ２レーザビーム照射手段と、割断予定線上の位置に冷媒を噴射して局所的に冷却する冷却手段とを備え、この冷却手段が脆性材料との相対移動に伴い弱加熱領域による加熱と強加熱領域による加熱とが重ね合わされて形成される重層加熱領域を冷却することを特徴とする脆性材料の割断方法。
【請求項２】
Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム照射手段により供給されて弱加熱領域に照射されるＥｒ−ＹＡＧレーザビームのレーザパワーは、ＣＯ２レーザビーム照射手段で供給される強加熱領域に照射されるＣＯ２レーザビームのレーザパワーよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の脆性材料の割断方法。
【請求項３】
弱加熱領域に照射されるＥｒ−ＹＡＧレーザビームの脆性材料上でのレーザパワー密度は、強加熱領域に照射されるＣＯ２レーザビームの脆性材料上でのレーザパワー密度よりも低いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の脆性材料の割断方法。
【請求項４】
Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム照射手段によって照射されるＥｒ−ＹＡＧレーザビームの一部分が、ＣＯ２レーザビーム照射手段によって照射されるＣＯ２レーザビームと重なり、脆性材料上の一部分をＥｒ−ＹＡＧレーザビームおよびＣＯ２レーザビームで同時に加熱する領域を有することを特徴とする請求項１に記載の脆性材料の割断方法。
【請求項５】
脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断装置であって、前記脆性材料が無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスのいずれかであり、前記割断予定線に沿って、前記無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスに形成される加熱部分を生成するレーザビームを照射するレーザビーム照射手段と、前記割断予定線に沿って、前記加熱部分の後方の位置で前記脆性材料を冷却する冷却手段とを有し、前記レーザビーム照射手段は、前記加熱部分にて、前記割断予定線に沿って帯状で加熱の弱い領域を形成するＥｒ−ＹＡＧレーザビームを照射するＥｒ−ＹＡＧレーザビーム照射部と、前記加熱部分にて、前記割断予定線に沿った方向が直角方向よりも細長い形状で加熱の強い領域を形成するＣＯ２レーザビームを照射するＣＯ２レーザビーム照射部とを含むことを特徴とする脆性材料の割断装置。
【請求項６】
Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム照射部は、無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスを透過したＥｒ−ＹＡＧレーザビームを前記無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスの裏面から前記無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスに向けて少なくとも１回反射させる反射手段を備えていることを特徴とする請求項５に記載の脆性材料の割断装置。
【請求項７】
Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム照射部は、無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスの表裏を挟んでＥｒ−ＹＡＧレーザビームを２回以上反射させる多重反射手段を備えていることを特徴とする請求項５に記載の脆性材料の割断装置。
【請求項８】
Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム照射部は、無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスに前記Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームを導くフッ化アルミニウム系フッ化物ガラス光ファイバーを備えていることを特徴とする請求項５に記載の脆性材料の割断装置。
【請求項９】
脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断方法であって、前記脆性材料が無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスであり、前記割断予定線に沿ってＥｒ−ＹＡＧレーザビームを照射して前記割断予定線上に幅広く形成される加熱の弱い領域を形成する工程と、前記Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームの後方に、ＣＯ２レーザビームを照射して前記割断予定線に沿った方向が直角方向よりも細長い形状の加熱の強い領域を形成する工程と、前記加熱の弱い領域および加熱の強い領域の後方の位置で前記無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスを冷却する工程を含むことを特徴とする脆性材料の割断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は脆性材料、特に、無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラス基板のいずれかをＥｒ−ＹＡＧレーザを利用して割断する脆性材料の割断方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラスを割断する方法としては、従来、ダイヤモンド等を刃先に使用したガラスカッターにより、ガラスの表面にけがき線を入れ、そのけがき線に沿って分割する方法がある。このようなガラスカッターによって切断されたガラスには、ガラスに形成される微細な亀裂であるマイクロクラックが発生しやすいので、加工後のガラスは曲げ強度等が弱くなる傾向がある。しかし、近年においては、ガラスカッターでけがき線を入れる方法に代わって、レーザを用いてガラスの表面に亀裂溝を形成する方法が実現されている。その方法はレーザスクライブ法と呼ばれる。レーザスクライブ法によって加工されたガラスには、加工時の切削小片であるカレットが発生しないことから、ガラスの割断面にマイクロクラックが形成されない。そのため、レーザスクライブ法によって加工されたガラスの方が曲げ強度等が遙かに強いなどの利点がある。
【０００３】
レーザスクライブ法においては主にＣＯ２レーザが用いられ、レーザスクライブ法によって、ブラインドクラックという浅い亀裂溝をガラスの表面に形成することができる。レーザスクライブ法を用いたスクライブ工程を経ると、浅い亀裂溝は得られるが、その亀裂溝はガラスの表面に深さ０．１ｍｍ程度しか形成されない。つまり、レーザスクライブ法だけでは、ガラスを完全に分割することはできないため、ブレイクという後工程が行われるのが通常である。従って、従来技術としてのレーザスクライブ法は、ガラスを分断するために、前工程としてのスクライブと、後行程としてのブレイクという２つの工程が併用されている。
【０００４】
このような従来技術に対して、レーザを利用することで、ガラス表面に亀裂溝を形成するのではなく、ガラスを厚さ方向に完全に分離加工する技術の開発も行われている。この技術はフルカット技術と呼ばれており、フルカット技術を用いると、ブレイク工程無しでガラスを分割できるという利点がある。しかし、今までのフルカット技術にはいくつかの欠点もあり、工業的な利用という観点からは現実化に向けていくつかの課題があった。
【０００５】
上述したような、レーザスクライブの技術、あるいはレーザによるフルカット技術については、いくつかの技術が開示されている。例えば、レーザスクライブ法については特許文献１、２、３が、フルカット技術については特許文献４および５がある。
【０００６】
特許文献１は、脆性非金属材料の表面に沿う所望方向で表面から内部に至る亀裂を形成することによって分断する際に、脆性非金属材料と入射エネルギビームとを所望の亀裂形成方向に沿って相対的な移動を行わせ、入射ビームによって脆性非金属材料をその軟化点よりも低い温度に加熱し、加熱された領域から後方に所定の距離だけ離れた位置に流体冷媒により冷却するレーザスクライブ法について示されている。
【０００７】
特許文献２は、レーザビームをガラス基板上に照射し、ガラス基板の走査方向に沿ってＹ軸方向に長くなった楕円形状のレーザスポットＬＳ１と、Ｘ軸方向に沿って長くなった楕円形状のレーザスポットＬＳ２とを、予め設定された所定の距離だけ離れて形成することが記されている。しかし、特許文献２に記載の発明の目的もガラスを分離分割することを目的としたものでは全くなく、あくまでも安定したレーザスクライブを行うことを目的としている。
【０００８】
特許文献３には、ガラス板に照射したレーザビームがガラス板を繰返し往復することによってガラス板に局部的に熱応力を生じるようにしたレーザによるガラス切断方法が示されている。このガラス切断方法は、局所的な熱応力を得るために、１つのレーザビームのみを使い、そのレーザビームがガラスの内部で焦点を結ぶような光学系を用いている。
【０００９】
特許文献４には、紫外線レーザと赤外線レーザとを利用して基板を分割するフルカットレーザ切断方法が開示されている。この方法は、特許文献４の明細書の第００２３段落に記してあるように、紫外線レーザによって基板の表面にくさび状断面の空間を形成する。つまり、加工時に破片が発生する加工方法であるので、基板断面の品質を高品位に保つことができない。
【００１０】
特許文献５には、脆性材料の割断予定位置を面熱源により予備加熱して熱応力による引張り応力を与えて割断直前の状態に保持し、予備加熱されている割断予定位置に局所熱源を走査して引張り応力を増加させるフルボディ割断方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３０２７７６８号
【特許文献２】再表ＷＯ−２００３／００８１６８号公報
【特許文献３】特開２００７−２６１９１５号公報
【特許文献４】特開２００６−１７５４８７号公報
【特許文献５】特開２００９−８４１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述したように、ガラスを分割する目的のためにレーザスクライブ法を用いると、後行程としてブレイク工程が必須になるので、レーザスクライブ法だけではガラスを完全に分断することができない。一方において、従来技術としてのフルカット技術を用いると、特許文献４に記載されているように割断面の面精度が劣ったりしていた。
【００１３】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、液晶テレビやプラズマテレビなどのフラットディスプレイパネル（ＦＤＰ）に使用されている無アルカリガラス、あるいは、各種の光学用ミラーや光学用フィルタなどの光学部品用ガラスや耐熱性ガラスとして使用されるパイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスのいずれかを割断する際に、熱応力の分布を適正化することにより、無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスのいずれかの割断時に、良好な割断面を得られるような脆性材料の割断方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明による脆性材料の割断方法は、脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断方法であって、前記脆性材料が無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスのいずれかであり、前記割断予定線上に幅広く形成される弱加熱領域を形成するＥｒ−ＹＡＧレーザビーム照射手段と、割断予定線上に前記弱加熱領域よりも狭い幅で、弱加熱領域よりも強く加熱される強加熱領域を形成するＣＯ２レーザビーム照射手段と、割断予定線上の位置に冷媒を噴射して局所的に冷却する冷却手段とを備え、この冷却手段が脆性材料との相対移動に伴い弱加熱領域による加熱と強加熱領域による加熱とが重ね合わされて形成される重層加熱領域を冷却するものである。
【００１５】
上記構成によれば、脆性材料としての無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラス上に別々に形成される弱加熱領域と強加熱領域とが、加熱および冷却位置と脆性材料との相対移動に伴って２つの領域が重ね合わされて重層加熱領域が形成され、その重層加熱領域を冷媒を噴射する冷却手段で冷却するので、弱加熱領域と強加熱領域とを同時に局所的に冷却することができる。また、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームは、脆性材料としての無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスを透過するのに伴ってＥｒ−ＹＡＧレーザビームの一部が脆性材料に吸収され、かつ、一部が脆性材料を透過するレーザビームであるので、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームが脆性材料に照射されることで、弱加熱領域においては脆性材料の表面から裏面までの全厚さ方向に対して加熱される領域が形成される。    
【００１６】
その結果、割断予定線上にある強加熱領域では、弱加熱領域よりも強く加熱されているので、強く加熱されている部分を冷却することで脆性材料内部に強い引張り応力が発生する。局所的に冷却される位置の相対的な移動に伴って、割断予定線の端部位置に形成された初亀裂を割断予定線上に亀裂を伸展させることができる。
【００１７】
また、同時に、強加熱領域よりも弱く加熱される弱加熱領域も、弱く加熱されている部分を冷却することで脆性材料内部に弱い引張り応力が発生する。弱加熱領域は、強加熱領域と重ね合わされて形成されるので、弱加熱領域も強加熱領域と同時に冷却され、割断予定線に沿って、幅広く弱い引張り応力を発生する。弱加熱領域を冷却することで発生する弱い引張り応力により、割断予定線上に伸展された亀裂は、脆性材料の厚さ方向に深く伸展し、脆性材料を厚さ方向に分断することができる。
【００１８】
また、本発明による脆性材料の割断方法は、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームのレーザパワーをＣＯ２レーザビームよりも大きくしたものである。       
上記構成によれば、弱加熱領域に大きなパワーが供給され、亀裂を脆性材料の厚さ方向に深く伸展させるのに十分な熱エネルギーを供給することができる。                     
【００１９】
また、本発明による脆性材料の割断方法は、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームの脆性材料上でのレーザパワー密度をＣＯ２レーザビームの脆性材料上でのレーザパワー密度よりも少なくしたものである。
上記構成によれば、弱加熱領域には、強加熱領域よりも少ないレーザパワー密度のビームが照射されるので、脆性材料の表面が溶解することなく、良好な割断面の面品質を保ちつつ熱エネルギーを供給することができる。                  
【００２０】
また、本発明による脆性材料の割断方法は、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームの一部分がＣＯ２レーザビームと重なり、脆性材料をＥｒ−ＹＡＧレーザビームおよびＣＯ２レーザビームで同時に加熱する領域があるようにしたものである。
上記構成によれば、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームによる加熱領域とＣＯ２レーザビームによる加熱領域とが重なり、加熱領域の割断予定線に沿った方向の距離が短くできるので、脆性材料の割断の開始端側において、加熱してから冷却が開始されるまでの時間が短くなる。その結果、脆性材料の割断の開始端側で、加熱だけが先行して行われている時間が短くなり、割断の開始側で亀裂が急速に発生することなく、割断予定線に沿った割断を行うことができる。
【００２１】
また、本発明による脆性材料割断装置は、脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断装置であって、割断予定線に沿って脆性材料に形成される加熱部分を生成するレーザビームを照射するレーザビーム照射手段と、割断予定線に沿って加熱部分の後方の位置で脆性材料を冷却する冷却手段とを有し、レーザビーム照射手段は、加熱部分にて割断予定線に沿って帯状で加熱の弱い領域を形成するＥｒ−ＹＡＧレーザビームを照射するＥｒ−ＹＡＧレーザビーム照射部と、加熱部分にて割断予定線に沿った方向が直角方向よりも細長い形状で加熱の強い領域を形成するＣＯ２レーザビームを照射するＣＯ２レーザビーム照射部とを含むものである。
上記構成によれば、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームが脆性材料の内部まで浸透して吸収されるので、脆性材料の板厚が厚くなっても、脆性材料の表面から裏面に至るまで脆性材料の内部の加熱が行われ、割断面を深く伸展させるための熱エネルギーを脆性材料に与えることができる。
【００２２】
また、本発明による脆性材料の割断装置は、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム照射部が脆性材料を透過したＥｒ−ＹＡＧレーザビームを脆性材料の裏面から脆性材料に向けて少なくとも１回反射させる反射手段を備えているものである。
上記構成によれば、脆性材料の内部で吸収されずに透過したレーザビームを、少なくとも１回、脆性材料内部に入射できるので、吸収効率を高めることができる。           
【００２３】
また、本発明による脆性材料の割断装置は、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム照射部が脆性材料の表裏を挟んでＥｒ−ＹＡＧレーザビームを２回以上反射させる多重反射手段を備えているものである。
上記構成によれば、脆性材料の内部で吸収されずに透過したレーザビームを、脆性材料内部に多重に入射できるので、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームの吸収効率をより高めることができる。
【００２４】
また、本発明による脆性材料の割断装置は、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム照射部が脆性材料にＥｒ−ＹＡＧレーザビームを導くフッ化アルミニウム系フッ化物ガラス光ファイバーを備えている。
上記構成によれば、Ｅｒ：ＹＡＧレーザの発振波長２.９４μｍに対して透過損約０．０３ｄＢ／ｍと小さく、かつ、柔軟に設置できるフッ化アルミニウム系フッ化物ガラス光ファイバーを使用するので、部品配置の制約を少なくしてＥｒ−ＹＡＧレーザビームを脆性材料上に小さい透過損で導いて照射することができる。Ｅｒ：ＹＡＧレーザの発振波長２９４０ｎｍに対して透過損約０．０３ｄＢ／ｍの得られるフッ化物ガラス光ファイバーは市場で容易に入手可能である。
【００２５】
また、本発明による脆性材料割断方法は、脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断方法であって、割断予定線に沿って脆性材料の内部まで浸透して吸収される波長のレーザビームにより帯状で加熱の弱い領域を形成するＥｒ−ＹＡＧレーザビームを照射する工程と、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームの後方に、脆性材料の表面で吸収される波長のレーザビームにより割断予定線に沿った方向がその直角方向よりも細長い形状で加熱の強い領域を形成するＣＯ２レーザビームを照射する工程と、加熱の弱い領域および加熱の強い領域の後方の位置で脆性材料を冷却する工程を含むものである。
上記構成によれば、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームが脆性材料の内部まで浸透して吸収されるので、脆性材料の板厚が厚くなっても、脆性材料の表面から裏面に至るまで脆性材料の内部の加熱が行われ、割断面を深く進展させるための熱エネルギーを脆性材料に与えることができる。              
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、液晶テレビやプラズマテレビなどのフラットディスプレイパネル（ＦＤＰ）に使用されている無アルカリガラス、あるいは、各種の光学用ミラーや光学用フィルタなどの光学部品用ガラスや耐熱性ガラスとして使用されるパイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスのいずれかを割断する際に、熱応力の分布を適正化することにより、無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスのいずれかの割断時に、良好な割断面を得られるような脆性材料の割断方法および装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例１に係る脆性材料割断装置の概略図
【図２】本発明の実施例１に係る脆性材料割断装置を用いて、割断している最中のガラスの様子を模式的に示した斜視図
【図３】本発明の実施例を説明するための、ガラスに対して半透過性を示すレーザビームをガラスに照射した場合の熱吸収の様子を模式的に示した断面図
【図４】本発明の実施例を説明するための、割断している最中のガラス内部の熱分布の様子を、割断予定線に沿って表したガラスの断面模式図
【図５】本発明の実施例を説明するための、ガラスを割断する場合に発生しやすい割断不良の様子を示した外観図
【図６】本発明の実施例におけるガラスのフルカット加工が開始されるタイミングで、その時間の経過を示す概念図で、（ａ）（ｂ）（ｃ）は時間順に並べて示した図
【図７】本発明の実施例を説明するための、ガラスを加熱する領域が割断予定線に沿って長い場合と短い場合との相違点を表す図で、（ａ）はガラスを加熱する領域が割断予定線に沿って長い場合、（ｂ）はガラスを加熱する領域が割断予定線に沿って短い場合を示す概念図
【図８】本発明の実施例２に係る光ファイバーを備えた脆性材料割断装置の主要部を示す斜視図
【図９】本発明の実施例３に係るビーム反射部材を備えた脆性材料割断装置の主要部を示す斜視図
【図１０】本発明の実施例４に係るビーム多重反射部材を備えた脆性材料割断装置の主要部を示す斜視図
【図１１】脆性材料としての代表的なガラスの光波長に対する透過特性を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明においては、熱応力の分布を適正化するために、脆性材料に想定された割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から割断予定線に沿って加熱した後冷却し、加熱および冷却する位置を脆性材料に対して相対的に移動させる構成において、前記脆性材料が無アルカリガラス、パイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスのいずれかであり、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームにより割断予定線に沿って幅広く形成される弱加熱領域を形成し、さらに、ＣＯ２レーザビームにより割断予定線上に弱加熱領域よりも強く加熱される強加熱領域を形成し、割断予定線上の位置に冷媒を噴射して局所的に冷却し、脆性材料の移動に伴い弱加熱領域による加熱と強加熱領域による加熱とが重ね合わされて形成される重層加熱領域を冷却する。
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。以下の説明では脆性材料として無アルカリガラス基板を例に説明する。
【実施例１】
【００２９】
図１は、本発明の実施例１に係る脆性材料割断装置の概略図を示す図である。無アルカリガラス基板１１は可動式テーブル３２上に載置され、可動式テーブル３２はＸ−Ｙ駆動装置によりＸ−Ｙ平面内を前後左右に移動する。図においては、無アルカリガラス基板１１の移動方向であるＹ軸駆動用のサーボモータ３３とシャフト軸３４のみが示されており、Ｘ軸駆動系は図示省略されている。
【００３０】
無アルカリガラス基板１１を加熱するためのレーザ発振器は、本実施例においてはＥｒ−ＹＡＧレーザ５０とＣＯ２レーザ２５の２台が用いられている。Ｅｒ−ＹＡＧレーザ５０としては発振波長が２．９４μｍのものが使用される。発振波長が２．９４μｍのＥｒ−ＹＡＧレーザ５０は通常出力が４Ｗ程度と小さいので、たとえば特開２００７−１９４３６９号公報に記載されているような構成の高出力化を図ったものや、複数の単体Ｅｒ−ＹＡＧレーザ発振器を複数台使用し、それらの出力の各々を光ファイバーに入射してこの光ファイバーの出力端を束ねて高出力化を図ったものが使用される。
Ｅｒ−ＹＡＧレーザ５０から出射されるＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５２は、反射鏡５４により鉛直下方に反射され、例えば弗化カルシウムあるいはジンクセレンの材質からなる凹レンズ５６を通して所定のビーム径になるように整形される。凹レンズ５６を通過したＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５２は、そのまま無アルカリガラス基板１１の表面に照射される。その結果、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２によって、無アルカリガラス基板１１上にＥｒ−ＹＡＧレーザビームによる照射領域が形成される。
【００３１】
一方、ＣＯ２レーザ２５から出射されるレーザビーム２６は、ビームエキスパンダ２７を経由した後、反射鏡２８により鉛直下方に反射される。ＣＯ２レーザ２５は、ガス封じ切り型で、最大出力１００Ｗが得られるＣＯ２レーザ発振器である。ビーム径φ４ｍｍのレーザビーム２６が、ビームエキスパンダ２７を通過することでビーム径が約４倍に拡大されφ１６ｍｍのビームとなる。拡大されたビームは、ビーム整形手段８０を通過することで、細長いビームに整形され、無アルカリガラス基板１１上で第２のレーザビームによる照射領域を形成する。
【００３２】
ビーム整形手段８０としては、具体的に回折光学素子（ＤＯＥ）あるいはシリンドリカルレンズのような光学部品を利用できるが、本実施例においては、矩形アパーチャとシリンドリカルレンズとを組み合わせて用いている。また、本実施例においては、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームによる照射領域と、ＣＯ２レーザビームによる照射領域とが無アルカリガラス基板１１の表面で一部分が重なるようなビーム伝送方式になっている。
【００３３】
ＣＯ２レーザビームによる照射領域の後方には、冷却装置３０が設置される。冷却装置３０としては、２筒管式の冷却ノズルを使用し、内円筒管から水を、外円筒管から空気を噴射させる。水と空気の混合媒体が無アルカリガラス基板１１に向かって噴射されることにより、無アルカリガラス基板１１上に冷却点が形成される。
【００３４】
Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームの照射領域の前方には、初亀裂形成装置３１が設けられる。初亀裂形成装置３１は、下端部にダイアモンドカッタを備え、そのダイアモンドカッタを上下する上下機構を有している。上下機構とＹ軸駆動用のサーボモータ３３との連動により、無アルカリガラス基板１１の端部に初亀裂を形成することができる。
【００３５】
本実施例においては、割断予定線に沿って、無アルカリガラス基板１１上のＥｒ−ＹＡＧレーザビームによる照射領域と、ＣＯ２レーザビームによる照射領域と、冷却装置３０により形成される冷却点とが一直線上に並ぶように配置される。無アルカリガラス基板１１上のＥｒ−ＹＡＧレーザビームによる照射領域と、ＣＯ２レーザビームによる照射領域と、冷却装置３０により形成される冷却点とを一直線上に並べることにより、無アルカリガラス基板１１がＹ軸方向に移動するのに伴って、無アルカリガラス基板１１の割断予定線上では、割断予定線を中心として、左右均等バランス良く熱応力を発生させることができる。
【００３６】
次に図２を用いてフルカットを達成するための構成及び動作を説明する。図２では、図１に示した無アルカリガラス基板１１をその中央位置まで割断加工している最中の状態を示している。つまり、図２はフルカットが既に開始された後の状態を示しているので、以下の説明では、時間を遡って初亀裂１６を形成する最初の段階から説明する。
【００３７】
ガラスを割断するために、まず、無アルカリガラス基板１１の割断予定線１２の端部に初亀裂形成装置３１（図１参照）により初亀裂１６を形成する。この初亀裂１６が無アルカリガラス基板１１の割断の出発位置となる。次に、可動式テーブル３２（図１参照）の上に載置された無アルカリガラス基板１１をサーボモータ３３（図１参照）によりＹ方向に移動させる。Ｙ方向に移動させるにあたっては、初亀裂１６を形成した後、まず、可動式テーブル３２を図１における−Ｙ方向に一旦移動させ、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２を照射してもその下方にガラスが無い位置まで退避させる。
【００３８】
次に、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ５０とＣＯ２レーザ２５とを各々所定のレーザパワー指令値で発振させ、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２とＣＯ２レーザビーム２６とを出射する。出射されたＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５２は、例えば弗化カルシウムあるいはジンクセレンの材質からなる凹レンズ５６で大きな直径のビームに整形され、無アルカリガラス基板１１の上に照射されて、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム照射領域６０を形成する。一方、ＣＯ２レーザ２５から出射されたＣＯ２レーザビーム２６は、矩形アパーチャ（図示省略）とシリンドリカルレンズ４８によって、割断予定線１２に沿った細長い形状のビームに整形され、ＣＯ２レーザビーム照射領域１４を形成する。
【００３９】
シリンドリカルレンズ４８の後方には、冷却装置３０が配置され、その冷却装置３０からは水と空気の混合媒体が下方に噴射される。その結果、無アルカリガラス基板１１の上には冷却点１５が形成される。そして、可動式テーブル３２を図１における＋Ｙ方向に一定速度で移動させる。
【００４０】
Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２による略円形のＥｒ−ＹＡＧレーザビーム照射領域６０によって、無アルカリガラス基板１１は割断予定線１２を中心に幅広い領域を弱いパワー密度で加熱される。更に、無アルカリガラス基板１１は、ＣＯ２レーザビーム２６による細長いＣＯ２レーザビーム照射領域１４によって、割断予定線１２に沿って、強いパワー密度で加熱される。冷却装置３０の真下の位置では、無アルカリガラス基板１１が移動することにより２つの加熱領域が加算された加熱領域が形成される。すなわち、無アルカリガラス基板１１の上には、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム照射領域６０とＣＯ２レーザビーム照射領域１４とが重ね合わされた加算領域としての重層加熱領域が形成されている。その重層加熱領域に対して、冷却装置３０は冷媒を噴射し、冷却点１５を形成する。
【００４１】
すると、図２に示すように、冷却点直下で初亀裂１６から進展した亀裂が無アルカリガラス基板１１の板厚方向に発生する。初亀裂１６の付近で板厚方向に進展した亀裂は、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム照射領域６０とＣＯ２レーザビーム照射領域１４および冷却点１５の組み合わせが無アルカリガラス基板１１に対して相対的に移送するのに伴って、割断予定線１２の前方方向に亀裂を進展させることができる。この結果、無アルカリガラス基板１１の全板厚に亘って割断面１７が拡張される。
【００４２】
次に、図３を用いてＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５２が無アルカリガラス基板１１を加熱するＥｒ−ＹＡＧレーザビーム照射領域の状態を詳細に説明する。図３は、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２が無アルカリガラス基板１１に照射される部分を断面図として示した図で、図２に示したＢ−Ｂ’線の断面を示している。
Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２１は無アルカリガラス基板１１の上方からほぼ垂直に照射されている。入射されたＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５２１は一部が無アルカリガラス基板１１に吸収され、一部が無アルカリガラス基板１１の裏面から透過光５２２として透過する。なお、図示しないが入射されたＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５２１は吸収、透過のほかに一部が無アルカリガラス基板１１の表裏面から反射する。
Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２１の無アルカリガラス基板１１による吸収は、無アルカリガラス基板１１の表面だけで吸収されるわけではなく、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム照射領域６０において無アルカリガラス基板１１中を厚さ方向に通過する途中でその内部においても吸収される。
【００４３】
図１１はガラス基板に対する光の波長λと透過率との関係を示す図で、縦軸は透過率（％）、横軸は入射した光の波長（μｍ）である。曲線Ａは厚さ１ｍｍのソーダガラスの透過特性、曲線Ｂは厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラスの透過特性、曲線Ｃは厚さ１ｍｍのパイレックス（登録商標）ガラスの透過特性、曲線Ｄは厚さ２ｍｍの石英ガラスの透過特性、曲線Ｅは厚さ５ｍｍのＢＫ７ガラスの透過特性である。
【００４４】
一般に、脆性材料にレーザ光を入射した場合、一部が脆性材料の表面から反射された後脆性材料中を透過して脆性材料の裏面から外部に透過する。このとき、脆性材料中を透過する入射光の一部が脆性材料で吸収され、かつ、一部が脆性材料の裏面から反射される。すなわち、入射されたレーザ光は脆性材料に吸収される光量、脆性材料に吸収される光量および脆性材料の表面と裏面から反射される光量に分割される。この関係を脆性材料に対する一般式で示すと、脆性材料の表面および裏面からの反射率をＲ、脆性材料の吸収係数をα、脆性材料の厚さをｔとすると、入射光Ｉ０に対する脆性材料を通過した透過光Ｉの比である縦軸の透過率は（１）式
Ｉ／Ｉ０ =（１−Ｒ）２ｅ−αｔ      （１）  
で表される。
【００４５】
図１１に示す脆性材料の波長透過特性において、ほぼ１００％透過する波長２μｍ付近の透過率が９０％前後であり１００％になっていない。これは入射光の１０％ほどが脆性材料の表裏面から反射しているためであり、波長λが２．９４μｍのＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５２１においても数％が表裏面から反射している。すなわち、図１１の透過特性図は脆性材料の表裏面からの反射分も含んだものになっている。
【００４６】
図１１において、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２１は発振波長λが２．９４μｍであるので、曲線Ｂに見られるように、厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラス基板１１に照射されたＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５２１は、約５３％が無アルカリガラス基板１１の裏面から透過され、残余の約４７％が無アルカリガラス基板１１の内部に吸収される光量と、無アルカリガラス基板１１の表面および裏面から反射される光量となる。このうち後者のガラス表裏面で反射される光量は図１１においてガラスの吸収のない波長２μｍにおける透過率約０．９より約１０％となる。したがって、無アルカリガラス基板１１の内部に吸収される光量は約３７％となる。無アルカリガラス基板１１の内部に吸収されたこの約３７％のＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５２１は無アルカリガラス基板１１を加熱させる。
【００４７】
このように、無アルカリガラス基板１１の内部においては、表面から入射されるレーザビーム５２１のレーザパワーはＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５２１がその厚さ方向に進行してガラスの深部に到達するのに従いそのレーザパワーが無アルカリガラス基板１１に約３７％が吸収されて光エネルギーから熱エネルギーに変換されていく。無アルカリガラス基板１１に吸収されず無アルカリガラス基板１１の表裏面で反射されなかった残りの約５３％のビームはガラスの裏面からの透過光５２２として放出される。よって、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２によって形成されるＥｒ−ＹＡＧレーザビーム照射領域６０は、図３に示すように無アルカリガラス基板１１の表面と裏面とに挟まれた立体的な空間となる。
【００４８】
Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２を照射した場合に発生するこのような半透過性の現象は、ＣＯ２レーザビームを照射した場合の現象とは大きく異なっている。ＣＯ２レーザビームであれば、無アルカリガラス基板１１の表面でほぼ１００％が吸収されるので、無アルカリガラス基板１１の表面で光エネルギーが熱エネルギーに変換される。従って、ＣＯ２レーザビームを照射した場合に、無アルカリガラス基板１１の内部が加熱されるのは、表面で発生した熱エネルギーが熱伝導によって伝わっていくプロセスしかないため、この点はＥｒ−ＹＡＧレーザビーム照射の場合と異なっている。
【００４９】
Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２を照射した場合の無アルカリガラス基板１１内部の様子を図４を用いて更に詳述する。図４（ａ）において、無アルカリガラス基板１１は、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム照射領域６０、ＣＯ２レーザビーム照射領域１４によって加熱されるが、まず最初に第１ビーム照射領域６０で略円形に加熱される。無アルカリガラス基板１１はＹ方向に相対移動するので、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム照射領域６０によって加熱される部分は帯状になり、加熱領域１６０が形成される。次に、無アルカリガラス基板１１は第２ビーム照射領域１４で加熱される。その加熱による熱はＹ方向への相対移動に伴って、無アルカリガラス基板１１の裏面方向に熱伝導して無アルカリガラス基板１１内に加熱領域１４０が形成される。冷却点１５における冷却は、無アルカリガラス基板１１のＹ方向への相対移動に伴って、その裏面方向に同様に熱伝導するので、無アルカリガラス基板１１内に冷却領域１５０が形成される。
【００５０】
この結果、冷却点１５の真下における無アルカリガラス基板１１の熱分布は、図４（ｂ）のようになる。すなわち、無アルカリガラス基板１１に対して、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２により無アルカリガラス基板１１の厚さに依らず裏面まで加熱されている加熱領域１６０と、それに続く第２ビーム照射領域１４により加熱されている加熱領域１４０が形成される。２つの加熱領域１６０、１４０の重層部分に対して、冷却点１５による冷却が作用することで、冷却点直下で亀裂が無アルカリガラス基板１１の深さ方向に進行し、無アルカリガラス基板１１の裏面にまで達して全板厚方向に亘って割断される。この割断面は、最初、初亀裂１６の部分に形成され、その直後から無アルカリガラス基板１１の相対移動に伴って割断予定線１２に沿って進行し、割断予定線１２に沿ったフルカットが実現される。
【００５１】
前述したように、厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラスに波長λ=２．９４μｍのＥｒ−ＹＡＧレーザを入射角０°で照射したところ、吸収率は約３７％であることがわかった。したがって、厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラスにレーザスクライブを入れられる条件を探して、その条件のもとで、ＣＯ２レーザビーム２６と重なるようにＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５２１を照射すればフルカットが可能となる。この場合、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２１によるＥｒ−ＹＡＧレーザビーム照射領域６０は直径約２０ｍｍの略円形の形状とし、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム照射領域６０のほぼ中心にＣＯ２レーザビーム２６による細長いＣＯ２レーザビーム照射領域１４の先端部が位置するような合成ビームプロファイルを形成して、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム照射領域６０と細長いＣＯ２レーザビーム照射領域２６とを重ならせる。
【００５２】
注目すべきことは、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２は無アルカリガラス基板１１に対して半透過性の性質を示すので、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２を照射するエリアで、無アルカリガラス基板１１の表面と裏面とで囲まれる立体的な加熱領域６０が形成される点である。これは、無アルカリガラス基板１１の板厚が厚くなっても同様であるので、無アルカリガラス基板１１の内側からレーザビームで直接に加熱できる。また、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２は光速で無アルカリガラス基板１１を透過するので、立体的な加熱領域６０は、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２の照射と同時に生成されるといってよい。
【００５３】
なお、実験ではＥｒ−ＹＡＧレーザビームとして波長λ=２．９４μｍのＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５２、脆性材料として厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラス基板１１を用いたが、（１）式から理解されるように、無アルカリガラス基板１１の厚さを変えると波長λ=２．９４μｍのＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５２の透過率は変化する。したがって、無アルカリガラス基板１１を割断するには、無アルカリガラス基板１１の厚さを選択しなければならない。
【００５４】
上述したように、無アルカリガラスにレーザスクライブを入れられる条件を探して、その条件のもとで、ＣＯ２レーザビーム２６と重なるようにＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５２を照射すればフルカットが可能となる。この場合の条件は、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２が無アルカリガラス基板１１を透過するのに伴って一部が吸収され、一部が透過することが必要で、実用的には透過率が約４０％〜６０％の範囲になることが好ましい。無アルカリガラス基板１１の透過率が約４０％〜６０％の範囲になるようにするには、図１１の曲線Ｂから透過係数を求めそれに基づいて無アルカリガラスの厚さを求めると、無アルカリガラスの厚さが０．５〜１．１ｍｍであれば透過率が約４０％〜６０％の範囲になりフルカットが可能になる。
【００５５】
無アルカリガラスの透過率が約４０％〜６０％以外の場合も割断は可能であるが、透過率が４０％より小さい場合は吸収分が大きいので無アルカリガラスの内部で吸収されて発生した熱エネルギーが熱伝導によって無アルカリガラスの裏面に伝わっていくプロセスが必要となるため割断速度が小さくなる。一方、透過率が６０％より大きい場合は無アルカリガラスの内部で吸収される熱エネルギーが小さいので、入射されるＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５２のパワーを大きくする必要がある。
【００５６】
図１１の曲線Ｃに示すように、脆性材料として厚さ１ｍｍのパイレックス（登録商標）ガラスを使用した場合にも、無アルカリガラスと同様に約５３％のＥｒ−ＹＡＧレーザパワーが透過し、残余の約（４７−Ｒ）％のＥｒ−ＹＡＧレーザパワーが吸収・反射することを確認のでフルカットが可能である。
また、ＢＫ７ガラスは、曲線Ｅに示すように厚さが５ｍｍと厚い場合は透過率が約２１％と小さいので、大部分が表面付近で吸収されるため厚さ方向への吸収量が小さく不適である。しかし、厚さが２．２ｍｍ程度と薄い場合は透過率が無アルカリガラスとほぼ同等の約５０％前後でありフルカットが可能である。
さらに、曲線Ａに示すように、厚さ１ｍｍのソーダガラスも約６０％のＥｒ−ＹＡＧレーザパワーが透過し、残余の約４０％のＥｒ−ＹＡＧレーザパワーが吸収・反射するので、吸収率がやや小さいものの使用可能であることが確認された。
なお、石英ガラスは波長λ=２．９４μｍのＥｒ−ＹＡＧレーザビームに対して約８０％の透過率で大部分が透過してしまいＥｒ−ＹＡＧレーザビームの吸収による加熱が小さいので不適である。
【００５７】
次に、無アルカリガラス基板１１をレーザで割断する場合に発生しやすい加工不良について詳細に説明する。図５は、レーザを用いてガラスを割断する場合に発生しやすい割断不良の様子を示した平面図である。無アルカリガラス基板１１の上に想定された直線形状の割断予定線１２をレーザ割断加工した後の状態を示している。図示したように、初亀裂１６からフルカットの割断面になっているが、その割断面６４は、割断予定線１２から外れた軌跡となり湾曲している。このような亀裂は、初亀裂側からの亀裂の生成速度が非常に大きく、亀裂が破裂するように一気に進行する場合に発生してしまう。湾曲した亀裂が形成されると直線性精度が著しく劣化するため、このような加工不良が発生する割断方法では工業的に利用することができなかった。以下に、このような割断不良が発生する理由とその割断不良の解決手段について、図６および図７を用いて説明する。
【００５８】
前述したように、本実施例においては、割断予定線１２の前方に照射されるレーザビームとしてＥｒ−ＹＡＧレーザビーム６０を使用している。前述したように、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム６０は、無アルカリガラスに対して半透過性の性質を示すので、図３で説明したように、無アルカリガラス基板１１を内部から加熱できるという特徴がある。
【００５９】
ところで、割断予定線１２の前方に照射されるレーザビームとして、Ｅｒ−ＹＡＧレーザに変えてＣＯ２レーザを使用することも考えられる。ＣＯ２レーザを使用した場合には、無アルカリガラス基板１１の表面でほぼ１００％のレーザパワーが吸収される。そのため、無アルカリガラス基板１１の内部を加熱するためには、表面で吸収されたレーザビームが熱に変換され、ガラスの裏面方向に向かって熱伝導される必要がある。従って、ＣＯ２レーザを前方に照射する場合には、無アルカリガラス基板１１の裏面に熱伝導するまでの時間をかせぐために、冷却点１５とＣＯ２レーザビームの前方照射位置との間に距離を設ける必要がある。その離隔距離は、無アルカリガラス基板１１の板厚及びガラスの加工速度に依存した最小許容値がある。無アルカリガラス基板１１が厚くなると、離隔距離を所定の最小許容値よりも大きく設定する方が良好な割断面を得る上で好ましい。そのため、ＣＯ２レーザビームを使用する場合は、厚さが厚い無アルカリガラス基板１１をフルカットしようとすると、離隔距離を大きく設定しなければならない。
【００６０】
他方において、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームを用いる場合には、冷却点１５とＥｒ−ＹＡＧレーザビーム照射位置６０との離隔距離を大きくする必要がない。前述したように、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームレーザのビームが無アルカリガラス基板１１に対して半透過の特性を示すために、無アルカリガラス基板１１の厚さ方向に均一に加熱することができるためである。距離を離す必要がないので、冷却点１５とＥｒ−ＹＡＧレーザビーム照射位置６０の離隔距離は短い。このことは、無アルカリガラス基板１１をフルカット割断する場合に、無アルカリガラス基板１１に初亀裂１６を入れた開始端側において、次のような作用効果をもたらす。その作用効果を図６（ａ）、図６（ｂ）および図６（ｃ）を用いて説明する。
【００６１】
図６（ａ）、図６（ｂ）および図６（ｃ）は、無アルカリガラス基板１１のフルカットが開始されるタイミングで、その時間の経過の順番に（ａ）（ｂ）（ｃ）と並べて示した図である。無アルカリガラス基板１１が移動することで、初亀裂１６側からフルカットが開始される瞬間を、３つのタイミングを切り出して（ａ）（ｂ）（ｃ）と並べて示している。無アルカリガラス基板１１が＋Ｙ軸方向に移動するので、ガラス前端線１１ａの位置は、（ａ）から（ｂ）への経過に伴い距離ｙ１だけ右に移動している。また、（ｂ）から（ｃ）への経過に伴い、ガラス前端線１１ａの位置は、距離ｙ２だけ右に移動している。無アルカリガラス基板１１が移動するのに対して、それ以外の構成部分は動いておらず、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームの第１ビーム照射領域６０と、第２ビーム照射領域１４と、冷却点１５については、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）のいずれでも固定された同じ位置にある。
【００６２】
図６（ａ）に示すように、まだ、ガラス前端線１１ａにＥｒ−ＹＡＧレーザビームが照射されていないタイミングにおいては、無アルカリガラス基板１１は一切加熱されていない。図６（ｂ）は、図６（ａ）よりも時間が経過した状態を示しており、無アルカリガラス基板１１が＋Ｙ方向にｙ１だけ移動している。図６（ｂ）に示すように、このタイミングにおいては、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームの全部とＣＯ２レーザビームのほぼ全部が無アルカリガラス基板１１に照射される。冷却点１５は、まだ無アルカリガラス基板１１の上にない。従って、図６（ｂ）のタイミングにおいては、図６（ｂ）に帯状のハッチング領域として示した重層加熱領域７４が加熱されるエリアとなる。ここで、仮に、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームの照射領域６０の前端から、ガラス前端線１１ａまでの長さをｄ１とすると、この長さｄ１がガラスに注入される熱量の大きさを表す目安となる。図６（ｃ）には、図６（ｂ）よりも時間が経過した状態を示しており、無アルカリガラス基板１１が更にｙ２だけ移動している。このタイミングでは、冷却点１５が無アルカリガラス基板１１の上にあり、ちょうど初亀裂１６の位置に冷却点１５が形成されている。
【００６３】
ガラスをフルカットする場合に、ＣＯ２レーザを用いた場合には、図６（ｃ）に示すように冷却点１５がガラス前端線１１ａに達したタイミングで、小さな初亀裂が進展し、破裂するように大きな亀裂に成長することが多い。初亀裂から一気に成長するこのような亀裂は加工不良になる。冷却点１５が無アルカリガラス基板１１に達した途端に大きな亀裂が発生してしまう要因の一つは、冷却が行われるまでに無アルカリガラス基板１１に注入される熱エネルギーが大きくなり過ぎてしまうことである。つまり、帯状に加熱される重層加熱領域７４の割断方向への長さが長くなると、無アルカリガラス基板１１に過大な熱エネルギーを与えてしまう。そのことを、図７を用いて説明する。
【００６４】
図７は、無アルカリガラス基板１１を加熱する領域が割断予定線１２に沿って長い場合と短い場合との相違点を表す概念図である。図７（ａ）、図７（ｂ）のいずれも、前方加熱レーザビームとしてＥｒ−ＹＡＧレーザビームを照射し、後方加熱レーザビームとしてＣＯ２レーザビームを照射する。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、帯状に加熱された無アルカリガラス基板１１が平面的に膨張することに伴って、割断予定線１２に沿って無アルカリガラス基板１１を左右に開こうとする力が発生する。図７（ａ）に示すように、加熱領域７４の長さ、すなわち、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームの照射領域６０の前端からガラス前端線１１ａまでの長さｄ２が長くなると、比較的大きな引張り応力Ｆ１，Ｆ２が発生する。この引張り応力Ｆ１，Ｆ２は割断予定線１２の向きに直角な方向に、左右対称に発生するので、初亀裂（図示省略)の位置でガラスを左右に開いて亀裂を生じさせようとする力として作用する。この引張り応力Ｆ１，Ｆ２の大きさは加熱領域７４の長さに依存するので、図７（ｂ）に示すようにその長さｄ３が短いと（ｄ３＜ｄ２）、無アルカリガラス基板１１を左右に開こうとする力Ｆ３、Ｆ４は小さくなる（Ｆ３＜Ｆ１、｜Ｆ３｜＝｜Ｆ４｜、｜Ｆ１｜＝｜Ｆ２｜）。
【００６５】
初亀裂の位置に熱衝撃が加わった場合に、割断予定線１２から外れた亀裂が一挙に発生するのは、帯状の加熱によって図７（ａ）に示すような大きな引張り応力Ｆ１，Ｆ２がかかっている状態といえる。よって、割断予定線１２から外れるような亀裂が発生しないようにするためには、図７（ｂ）に示すように帯状の加熱領域７４の長さｄ３を短くすることが必要となる。長さｄ３を短くするために、本実施例においては、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５６の照射領域６０とＣＯ２レーザビーム２６の照射領域１４とを重ね合わせている。そのため、図７（ｂ）に示すように、無アルカリガラス基板１１を左右に開こうとする力Ｆ３、Ｆ４を小さくできるため、亀裂が一気に発生せず、割断不良の発生が防止される。
【００６６】
ＣＯ２レーザであれば、ガラス表面で吸収された熱が熱伝導によりガラス裏面にまで伝導する時間が必要となるため、図７（ａ）のように加熱領域の長さｄ２をある程度長く設けなければならないという制約がある。しかし、加熱領域の長さｄ２を長く設けると、初亀裂の位置が冷却される直前までに帯状に蓄えられる熱エネルギーが過大になるため、制御不能な亀裂が発生し加工不良となる。すなわち、前方加熱レーザビームとしてＣＯ２レーザを用いた場合には、無アルカリガラス基板１１を裏面まで加熱することと、前方照射位置と冷却点との距離ｄ２を短くすることを両立できないのである。しかし、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームのような半透過性のレーザビームであれば、レーザビームが無アルカリガラス基板１１に直接吸収されるので、距離ｄ２を短くできる。このように、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームとして無アルカリガラス基板１１に対して半透過性の性質を示すレーザビームを用いることにより、ＣＯ２レーザビームでは対応できないフルカット加工が可能となり、特に厚板ガラスのフルカットが可能となる。
【００６７】
従来までのフルカット技術では、割断面の品質に問題があり、マイクロクラックが無い良好な面質の割断面を出すことができなかった。あるいは、従来までのフルカット技術では、サイズ効果の課題を克服できないため、割断線が湾曲したり、大きなサイズの無アルカリガラス基板１１の中央部分の割断が困難であったりした。しかし、本発明によれば、上記の課題や問題点を全て解決することができる。
【００６８】
更に、従来までのレーザスクライブ技術では、無アルカリガラス基板１１の表面に深さ０．１ｍｍ未満の亀裂溝を発生させることしかできなかった。しかし、本発明によれば、割断面の深さを単純に数値比較すれば、従来技術の数１０倍の亀裂深さを達成している。その結果として、従来では必須の工程であったブレイク行程が不要となるという顕著な効果を得られた。
【００６９】
ブレイク行程が不要になることのメリットを具体的に表す。一例として、従来の方法では、レーザスクライブを行う機械とブレイクを行う機械を別々に製造し、無アルカリガラス基板１１をスクライブした後に、無アルカリガラス基板１１をスクライブの機械から取り出し、ブレイクの機械に搬送して無アルカリガラス基板１１を分割するということが行われていた。場合によっては、無アルカリガラス基板１１を上方から押してブレイクするために、搬送の途中で、無アルカリガラス基板１１をひっくり返す反転工程が付加されることもある。本発明に係る脆性材料割断装置を用いると、ブレイクを行う機械が不要となり、無アルカリガラス基板１１の搬送工程も反転工程も省けるので著しい工数低減の効果を得られる。また、ブレイクを行う機械一台が不要になるので、設備購入のための費用削減という意味でも、その効果は極めて大きい。
【実施例２】
【００７０】
図８は、本発明の実施例２に係る脆性材料割断装置の概略図を示す図である。図２と同じ構成部品については、同じ符号を付し、その説明を省略する。前方照射レーザビームとしてのＥｒ−ＹＡＧレーザビームをＥｒ−ＹＡＧレーザの発振波長２.９４μｍに対して透過損約０．０３ｄＢ／ｍと小さく、かつ、柔軟に設置できるフッ化アルミニウム系フッ化物ガラス光ファイバー８２を用いて、後方ビーム照射領域１４の前方に直接導いていることに特徴がある。すなわち、大出力のＥｒ−ＹＡＧレーザビームを低損失で伝送でき、しかも設置位置に柔軟性を有するフッ化アルミニウム系フッ化物ガラス光ファイバーを設置位置に使用できるという点に特徴がある。
【００７１】
図８に示す無アルカリガラス基板１１は、アルマイト処理された平面のアルミ製のテーブル（図示せず）の上に載置される。よって、無アルカリガラス基板１１を透過したＥｒ−ＹＡＧレーザビームは、アルミ製のテーブルの表面で吸収あるいは乱反射されて、透過したパワーが減衰される。光ファイバー８２を用いることにより、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ発振器等を加工テーブルとは離れた位置に設置することができる。また、光ファイバー８２は電気ケーブルと同等の柔軟な取扱いでＥｒ−ＹＡＧレーザビームを導くことができ、所望の角度でレーザビームを無アルカリガラス基板１１に照射することができるため、無アルカリガラス基板１１を載置するテーブルの上方のスペースを有効に活用することができる。
【実施例３】
【００７２】
図９は、本発明の実施例３に係る脆性材料割断装置の概略図を示す図である。ガラスを載置するテーブルは、ガラスが割断される予定の割断線に沿って、帯状にその表面を鏡面研磨されたアルミ製の鏡面テーブルを用いる。無アルカリガラス基板１１の下に置かれる鏡面テーブルには、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビームの反射率を高めるために金メッキ処理を施してもよい。シリンドリカルレンズ４８の横の位置には、全反射ミラー４９がミラーホルダ機構部（図示省略）に保持されて、鏡面テーブルの上方に所定の設置角度を保ちながら固定されている。割断予定線上に、平行光にコリメート処理されたＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５３が直接入射されている。Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５３は、割断予定線に対して斜めの角度を持って入射している。割断予定線の下の位置には、金メッキされた鏡面プレートが置かれる。Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５３は一部が無アルカリガラス基板１１を透過するが、無アルカリガラス基板１１の裏面を透過後、鏡面テーブルで反射されて再度無アルカリガラス基板１１の内部に入射される。無アルカリガラス基板１１を透過したビームは、全反射ミラー４９に照射され、反射されて再度無アルカリガラス基板１１に入射される。
【００７３】
このようにＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５３のビームパスは、前述したアルミ製の鏡面テーブルと全反射ミラー４９との間においてビームが反射するように形成され、その結果、無アルカリガラス基板１１の上方で“Ｖ字形”となるように形成される。ＣＯ２レーザビームを集光するためのシリンドリカルレンズ４８は、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５３と干渉することなく、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５３と不用意に接触しないようにするためにＶ字形の間の隙間のスペースに設置される。ちなみに、図９においてはシリンドリカルレンズ４８を通過するＣＯ２レーザビームが無アルカリガラス基板１１に対して垂直に照射されているが、ＣＯ２レーザビームが斜めに照射できるようにシリンドリカルレンズ４８の配置を変更してもよい。つまり、割断予定線の前方向を基準とした場合に、ＣＯ２レーザビームの照射方向が成す角度が鋭角（例えば６０°〜８０°）になるように、シリンドリカルレンズ４８を割断予定線の前方に配置してもよい。
【００７４】
本構成であれば、割断予定線に対して垂直の平面内において、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５３の入射経路を斜めに設置することでＶ字形のビームパスが形成されるので、シリンドリカルレンズ４８に干渉することなく、細長いＣＯ２レーザビームの照射エリアと矩形型のＬＤ照射エリアとを重ねて照射することができる。また、Ｖ字形の隙間のスペースをさらに有効に活用するために、シリンドリカルレンズ４８やＤＯＥ等に例示される強加熱領域を形成するＣＯ２レーザビーム集光手段を、割断予定線の前方に配置させることで、割断予定線と並行な鉛直面の平面内において、ＣＯ２レーザビームを無アルカリガラス基板１１に対して斜めに照射することができる。さらに、一旦無アルカリガラス基板１１に照射されて吸収されずに無アルカリガラス基板１１上方に反射してきたＥｒ−ＹＡＧレーザビーム５３を再度無アルカリガラス基板１１に向けて照射することができるので、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５３の吸収効率を高めることができる。
【実施例４】
【００７５】
図１０は、本発明の実施例４に係る脆性材料割断装置の概略図を示す図である。割断予定線の下方の位置には、実施例２、３と同様に、金メッキされた鏡面プレートが置かれる。割断予定線の上方の位置には、長方形の全反射ミラー８８を配置している。この全反射ミラー８８は、その反射面が鏡面プレートと対向する向きに置かれ、さらに反射面は鏡面プレートと平行に設置される。Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２は、無アルカリガラス基板１１を１回透過した後に、最初に金メッキの鏡面プレートに入射される。その後は、上方の長方形の全反射ミラー８８で全反射される。このように、鏡面プレートと長方形の全反射ミラー８８との間でジグサク経路の多重反射が行われ、その多重反射が行われる度に、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２のレーザパワーは効率よく無アルカリガラス基板１１に吸収される。本実施例によれば、Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム５２に対する無アルカリガラス基板１１が薄くて吸収光量が低い場合でも、多重反射することで無アルカリガラス基板１１に吸収される熱の吸収率を統合的に高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明による脆性材料の割断装置および脆性割断方法は、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るガラスの割断、光学用ミラーや光学用フィルタなどの光学部品用ガラスや耐熱性ガラスとして使用されるパイレックス（登録商標）ガラスまたはＢＫ７ガラスなどの各種の脆性材料の割断に適用して好適である。
【符号の説明】
【００７７】
１１  ガラス基板
１２  割断予定線
１４  ＣＯ２レーザビーム照射領域
１５  冷却点
１６  初亀裂
１７  割断面
２３  反射鏡
２４  凹レンズ
２５  ＣＯ２レーザ
２６  ＣＯ２レーザビーム
２７  ビームエキスパンダ
２８  反射鏡
２９  回折光学素子
３０  冷却装置
３１  初亀裂形成装置
３２  可動式テーブル
３３  サーボモータ
３４  シャフト軸
６０  Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム照射領域
５０  Ｅｒ−ＹＡＧレーザ
５２、５３  Ｅｒ−ＹＡＧレーザビーム
５４  反射鏡
５６  凹レンズ
４８  シリンドリカルレンズ
４９  全反射ミラー
６４  割断面
７４  重層加熱領域
７６  重層加熱領域
８０  ビーム整形手段
８８  全反射ミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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