(57)【要約】【課題】太陽電池基板として用いられる板厚５ｍｍ程度のガラスにＣＯ２レーザ光照射によって深さ２００μｍ程度の表面スクライブを発生させ、後続の機械ブレークによって割断を実現させる方法及び装置。【解決手段】ＣＯ２レーザ光を回折格子光学素子によって断面形状をラインビームに変換し、ガラス表面に走査を伴って照射させ、走査レーザビームの背後を同速度にて追従走査する冷却ユニットを伴うガラスの表面スクライバー装置において、ガラス端部のスクライブ開始点から１０−２０ｍｍまでの領域の走査速度を低下させることによって同領域におけるスクライブ深さを３−４ｍｍの深さまで増大させ、同領域における後工程の機械ブレークを容易化し、いったん開始した同ブレークをスクライブ深さが２００μｍとより浅い他領域にわたって進展させ、板厚５ｍｍの厚板ガラスをレーザ出力７０Ｗを用いて速度５０ｍｍ／Ｓで割断することを特徴とするもの。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ２レーザ光を回折格子光学素子によって断面形状をラインビームに変換し、ガラス表面に走査を伴って照射させ、走査レーザビームの背後を同速度にて追従走査する冷却ユニットを伴うガラスの表面スクライバー装置において、ガラス端部のスクライブ開始点付近の走査速度を低下させることによってスクライブ深さを増大させ、同領域における後工程の機械ブレークを容易化し、いったん開始した同ブレークをスクライブ深さがより浅い他領域にわたって進展させることを特徴とするもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は脆性材料、なかんずく太陽電池基板用ガラスやフラットパネルディスプレィ用ガラスの熱応力割断方法に関する。以下、ワークの一例としてガラスの場合を紹介するが、本発明は脆性材料全般に対して適用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
最近ガラス割断において、過去数世紀にわたって使用されてきたダイアモンドチップによる機械的方法に代わって、レーザ光照射による熱応力割断法が使用されるようになってきた。
【０００３】
この方法によれば、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。
【０００４】
この結果、熱応力割断法によれば機械割断の後工程である研磨、洗浄が不要になり、面粗さ１μm以下の鏡面が得られ、製品外形寸法精度は±２５μm以上になる。この方法は現在、板厚が０．７ｍｍのフラットパネルディスプレィ用ガラスに用いられているが、今後は板厚５ｍｍの太陽電池基板用ガラスに使用することが望まれている。
【０００５】
同方法の原理は次の通りである。ガラスに局所的にレーザ光照射により、クラック、溶融、気化などが発生しない程度の加熱を行なう。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、照射点を中心として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半径方向のものである。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で関係付けられる引っ張り応力が発生する。ここでは、その方向は接線方向である。この様子を図２に示す。
【０００６】
同図は、原点に中心をおくガウシアン分布の温度上昇がある場合の、半径方向応力成分σｘと接線方向応力成分σｙの場所による変化を示したものである。前者は終始圧縮応力（同図では負値）であるが、後者は加熱中心部では圧縮応力であるが、同中心から離れると引っ張り応力（同図で正値）に変化する。同図に示す応力分布を基礎とし、一般の温度分布に対しても、この応力分布の線型重ね合わせとして取り扱うことができる。その場合も、ガラス板上の各点において、圧縮応力と引っ張り応力が直交方向に発生することに違いは
ない。
【０００７】
これらの応力のうち、直接割断に関係するのは引っ張り応力である。同応力が材料固有値である破壊靱性値を超える時には、破壊が随所に発生し制御不能である。これは破壊現象であって、加工ではない。本発明のような熱応力割断の場合には、引張り応力を同値以下に選定しておくので、この破壊は発生しない。
【０００８】
ところが、引張り応力存在位置に亀裂がある場合には同先端では応力拡大が発生し、この増幅された引っ張り応力が材料の破壊靱性値を超えると亀裂が拡大する。すなわち亀裂の進展として、加工としての制御された割断が生じることになる。レーザ光照射点を走査することで、亀裂を延長させていくことができる。この熱応力割断では、割断面は結晶の劈開面に類似のものになるので、マイクロクラックもカレット発生もなく、前記した機械的方法の欠点が一掃できて、ガラスの加工方法としてきわめて優れた特性を有するものになる。
【０００９】
この熱応力割断には図３に示す二種類のものがある。図３（a）に示すのは、加熱２と冷却３の結果、ワーク１の表面層（たとえば深さ１００μm）のみに亀裂４が発生するもので、一般に表面スクライブと称されている。５はスクライブ方向を示す。
【００１０】
一方、図３（b）に示すものは、亀裂がワークの全厚みにわたって発生するもので一般にフルカットと称されている。５は割断方向、６は割断予定線を示す。同図に示すフルカットの場合、冷却を行なっていない。勿論冷却を行なった方が引っ張り応力形成には有利であるが、バルク的にワーク内部に及ぶ冷却方法がないからである。両者には、一長一短がある。前者ではスクライブ後にブレーク工程が必要であり、これが最大の欠点である。この工程は後者では不要であるが、同技術には大型ワークで割断速度が低下したり、ワーク端付近で割断位置精度が低下するなどのいわゆるサイズ効果という欠点がある。
【００１１】
このガラスのレーザ光照射による表面スクライブ技術はコンドラテンコ  ブラディミアー  ステパノビッチによって精力的に開発され、特許文献１の日本特許が成立している。同特許は、特許文献２及び３の欧州特許ならびに米国特許としても成立している。  同氏はレーザ光としてＣＯ２レーザ光を選択した。
【００１２】
同じくＣＯ２レーザを用いて表面スライブを行う技術で、ビームスプリッターによって円対称レーザビームを直線上に配列した複数個のビームスポット列に変換する技術の特許文献４の日本特許が成立している。
【００１３】
以上の表面スクライブ特許に対して、前記した欠点を除去するべく図３（b）に示すフルカット技術開発が追求され、希土類元素ドープガラスに対して半導体レーザを照射する技術の特許文献５の日本特許が成立している。
【００１４】
熱応力割断がフルカットになるか表面スクライブにとどまるかは、ワーク加熱が表面現象にとどまるかあるいはバルク現象である（非特許文献１のレーザによる）かの差によって、熱応力が表面層のみに発生するかあるいはワークの全厚みにわたって発生するかの差違による。前記したように、両者にはメリット、デメリットがあるので、目的に応じて使い分ければよい。本特許は表面スクライブにおいて、ガラス板厚が太陽電池用の５ｍｍ程度を対象にできるように技術改良したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】コンドラテンコ  V.S.、 脆性非金属材料の分断方法、  日本国特許第３０２７７６８号
【特許文献２】Kondratenko Vladimir S., Method of splitting non-metallic materials, EP0633867B1
【特許文献３】Kondratenko Vladimir S., Method of splitting non-metallic materials, USP5609284
【特許文献４】寺本勉、切断装置、日本国特許第３７９２６３９号
【特許文献５】三浦宏、軽部規夫、脆性材料の割断方法および装置、  日本国特許第４１７９３１４号
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Vladimir V. Fedorov et al. 3.77-5.05 μm Tunable Solid-State Lasers Based on Fe2+-Doped ZnSeCrystals Operating at Low and Room Temperatures, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 42, No. 9, pp 906-917, September (2006).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
レーザ光照射等による熱応力割断は、機械的方法よりも高品位加工法であることに特徴がある。一方、同加工法にも欠点がある。表面スクライブの欠点の一つは、厚板ガラスに適用できないことである。現在、同技術はフラットパネルディスプレィ用ガラス割断に使用されており、この場合のガラス板厚は通常０．７ｍｍである。ＣＯ２レーザ光をガラス表面に照射すると、深さ３．７μｍの表面層で入射エネルギーの９９％が吸収されてしまう。このため、スライブ深さは通常２００μｍ程度に限定される。板厚が０．７ｍｍの場合、２００μｍのスクライブ深さがあれば後続の機械ブレークは可能である。ところが板厚が５ｍｍ程度になると、このスクライブ深さでは機械ブレークができない。今日のスクライブ技術では太陽電池用ガラスのレーザ割断は行われていない。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この問題を解決するために、本発明では亀裂先端の応力拡大現象を利用する。板厚５ｍｍのガラスに深さ２００μｍの表面スクライブがある場合、亀裂を一挙に上下方向に進展させることはできない。
【００１９】
しかし、ガラスの端部付近の限定した領域においてのみ板厚方向に機械ブレークを実行し、その後スクライブ線に沿った方向に機械ブレ−クを進展させて行き、ガラスの全長にわたって機械ブレ−クを実行すればよい。機械ブレークは、一度開始できればその後の継続は比較的容易であるが、最初の開始が困難である。そのため、上記したガラス端部の領域では特別にスクライブ深さを２００μｍでなく、ほとんど全板厚に近い数値にする必要がある。  
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、熱応力割断の有する高品質を実現しながら、対象板厚を太陽電池用ガラスの５ｍｍまで増大させることができる。レーザによるガラス割断は、加工品質上の多くのすばらしい技術上の利点がありながら、いまだに過去数世紀にわたって使用されてきたダイアモンドチップによる機械的方式を置換できないできた。本発明はそうした事態を一変するものである。
【００２１】
本発明によって実現されるガラスの熱応力割断のメリットに次に挙げるものがある。
１）割断を従来方法に比較して大幅に高速度で実現することができる。
２）割断後の研磨、洗浄などの後工程が不要である。
３）割断面近傍におけるマイクロクラック発生がなく、ワークの材料強度が高い値になる。
４）割断面にカレットの付着がなく、清浄である。
５）割断位置精度が高くなる。  
６）割断面がガラス表面に対して、十分に垂直である。  
７）割断面が鏡面で、面粗さが良好である。
９）割断の自動化ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】厚板ガラスの機械ブレークを容易にする理想的なスクライブ深さ分布模式図。
【図２】ガウス型温度分布による発生熱応力分布図。
【図３】ガラスのレーザ光照射による表面スクライブ(a)とフルカット(b)模式図。
【図４】走査レーザスポット加熱による応力拡大係数分布図。
【図５】ＤＯＥによるガウシアンレーザビームのラインビームへの変換。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
この発明を可能にするスクライブ線方向における表面スクライブ深さの変化の様子を、図１の模式図に示す。同図は板厚５ｍｍのソーダガラスの場合であり、これは通常の太陽電池ガラスの厚さである。縦方向はガラス板厚ならびに表面スクライブ深さに対応し、横方向はスクライブ方向である。図に示すようにガラス端部のスクライブ開始点からある長さ（発明者らの実証実験では１０ｍｍから２０ｍｍ程度であった）範囲では、スクライブ深さは３−４ｍｍ程度と深く、その後は図１に示すように徐々に正常のスクイライブ深さ２００μｍに減少する。レーザ走査速度は照射レーザ出力７０Ｗの場合に３０−５３ｍｍ／Ｓであったが、ガラス端部で深いスクライブを得るのに２０ｍｍ／Ｓまで低速にすると効果的であった
【００２４】
スライブ深さがこのような分布の場合、同深部に領域を限定をして、全板厚にわたって機械ブレークが容易に可能である。同領域を超えてスクライブ深さが２００μｍと浅くなっても、機械ブレークを徐々にスクライブ方向に進展させていくことが容易である。このように、スクライブ線に沿ったスクライブ深さを図１に示すものにして、５ｍｍ程度の厚板を全長にわたって機械ブレークすることができる。
【００２５】
図１に示すスクライブ分布の作成法としては、スクライブ深さ増加のためにレーザビーム走査速度を低速化することを前記した。ここでは、熱応力発生機構上ガラス端部ではスクライブ深さが端部以外よりも深くなることを、図４を用いて説明する。図４では、ある条件下のレーザビーム照射によるガラス加熱に対するレーザビーム走査方向についての、ガラス板に誘起される応力拡大係数Ｋ１の変化の様子を示す。レーザビーム走査は連続的に行っているが、図４では同ビームが７点に至った場合の応力拡大係数分布を、加熱温度分布とともに示している。ここでは、スクライブ深さに直接関係する応力拡大係数の変化についてのみ注目する。図４でレーザビーム位置が端部から１０ｍｍ、３０ｍｍ、１００ｍｍの３位置の場合の応力拡大係数分布を見ると、いずれの場合でも同係数がガラス端部付近で大きな値をとることが分かる。この応力分布の増大が、スクライブ深さの増大に直結している。図４はある加熱条件下のデータであるが、ここに示される傾向は一般的なものである。  
【実施例】
【００２６】
さて、これからは実施例について説明する。本発明は図３の（a）に示す表面スクライブに属する。したがって、ガラス表面上をＣＯ２レーザ光照射による加熱とその背後を冷却液噴霧による冷却手段が追従して走査される。また、スクライブが開始されるガラス端部には、初亀裂が設けられている。こうした技術の原理ならびに方法については、今や周知である。
【００２７】
図３（a）ではレーザ光は断面形状が小円の場合が示されているが、スクライブが直線状であったり同深さを深くしたい場合には、ガラスの加熱時間を長くする目的で、断面形状がラインビームであるレーザ光を使用するとよい。レーザ発振器から射出されるレーザ光は、通常断面形状が円形のガウシアンビームであるので、種々の方法でビ−ムの断面形状を変換しなければならない。
【００２８】
その一つの方法を図５に示す。それは、レーザ発振器７から射出されるガウシアンレーザビーム８をラインビームホモジナイザーとしての回折格子型光学素子（ＤＯＥ）９を用いてラインビームに変換したものを使用するものである。図５は、この変換の様子を示す模式図である。図５中１０は、ＤＯＥを通過後のレーザビームを示し、所定位置において設計仕様であるラインビーム１１が実現する。このラインビームとしては、幅０．１−１ｍｍ、長さ２５ｍｍ程度のものが標準的に使用される。この場合長さ方向には均一強度分布であるが、幅方向は均一にもできるしガウシアンにもできる。また、強度分布を入射レーザビーム径、位置などを調整して変化させることもできる。本実施例の場合、割断位置精度がより増大したり、表面スクライブ深さがより深く出来たりする。
【００２９】
こうした工程後に、スクライブ線に沿って機械ブレークを実行する。
【００３０】
以上説明したのは本発明の機能を実現するためのいくつかの実施例であって、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。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
このように、ガラスの熱応力割断が太陽電池やフラットパネルディスプレィの製造過程に導入されれば、加工速度、加工品質、経済性などの向上、従来技術の弱点克服において、その効果ははかり知れないものになる。これらの加工が現在はダイアモンドカッターで行われており、カレット発生のための切断後の洗浄工程の必要性や、マイクロクラックの存在による材料強度低下などの問題を呈している。本発明による熱応力割断で、こうした問題を解決することができる。    
【符号の説明】
【００３２】
１      ワーク    
２      加熱
３      冷却
４      表面スクライブ
５      スクライブ方向または割断方向
６      割断予定線
７      レーザ発振器
８      ガウシアンレーザビーム
９      回折格子型光学素子（ＤＯＥ）
１０    ＤＯＥ通過後のレーザビーム
１１    ラインビーム断面形状
【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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