(57)【要約】【課題】脆性材料の割断において、予め別工程による初期亀裂の形成が不要であり、加工工程が低減された熱応力割断装置、及び熱応力割断方法を提供する。【解決手段】本発明の熱応力割断装置１０は、局所熱源１１と、応力発生部材１３ａ、１３ｂと、支持部１５ａ、１５ｂとを有して構成される。局所熱源１１は、第１の主面及び第１の主面に対向して形成された第２の主面を有して構成される被加工物１２の第１の主面側の割断予定線１７に沿って所望の領域を局所的に加熱するためのものである。応力発生部材１３ａ、１３ｂは、被加工物１２の亀裂が初生される予定の位置を含む縁に接触面を有して配置されるものである。支持部１５ａ、１５ｂは、被加工物１２と応力発生部材１３ａ、１３ｂとの接触面に垂直な方向から被加工物及び応力発生部材とを挟み、被加工物１２と応力発生部材１３ａ、１３ｂとを接触面Ｓに垂直な方向に押し付けながら支持するものである。【選択図】図７
2011084423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主面及び前記第１の主面に対向して形成された第２の主面を有して構成される被加工物の第１の主面側の割断予定線に沿って所望の領域を局所的に加熱する局所熱源と、
前記被加工物の亀裂が初生される予定の位置を含む縁に接触面を有して配置される応力発生部材と、
前記接触面に垂直な方向から前記被加工物と前記応力発生部材とを挟み、前記被加工物と前記応力発生部材とを前記接触面に垂直な方向に押し付けながら支持する支持部と、
を有する熱応力割断装置。
【請求項２】
前記応力発生部材は、前記被加工物の亀裂を初生させる予定の位置に対して対称に配置されている
請求項１記載の熱応力割断装置。
【請求項３】
前記応力発生部材は、前記被加工物の亀裂を初生させる予定の位置に対して対称に配置された２つの部材で構成されている
請求項１記載の熱応力割断装置。
【請求項４】
前記応力発生部材は、前記被加工物を構成する材料との間で摩擦係数の大きな材料で構成されている
前記請求項１〜３いずれか記載の熱応力割断装置。
【請求項５】
第１の主面及び前記第１の主面に対向して形成された第２の主面を有して構成される被加工物の亀裂を初生させる予定の縁に接触面を有するように、応力発生部材を配置する工程と、
前記接触面に垂直な方向から前記被加工物と前記応力発生部とを支持部で挟み、前記被加工物と前記応力発生部材とを前記接触面に垂直な方向に押し付けながら支持する工程と、
前記被加工物の第１の主面側の割断予定線に沿って所望の領域を局所的に加熱する工程と、
を含む熱応力割断方法。
【請求項６】
前記応力発生部材は、前記被加工物の亀裂を初生させる予定の位置に対して対称に配置する
請求項５記載の熱応力割断方法。
【請求項７】
前記応力発生部材は、前記被加工物の亀裂を初生させる予定の位置に対して対称に配置された２つの部材で構成する
請求項５記載の熱応力割断方法。
【請求項８】
前記応力発生部材は、前記被加工物を構成する材料との間で摩擦係数の大きな材料で構成する
前記請求項５〜７いずれか記載の熱応力割断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、表示装置に用いられるガラス基板や、セラミック、半導体基板に代表される脆性材料を熱応力によって割断する熱応力割断装置、及び熱応力割断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶表示装置等の薄型の表示装置に用いられるガラス基板の割断方法では、ダイヤモンドチップを用いたメカニカルカッターが一般的に用いられていた。ところが、メカニカルカッターでガラス基板等の脆性材料を割断する場合、マイクロクラック発生によるガラス強度の低下や、割断時のカレット発生による汚染等が発生するという問題があった。
【０００３】
そこで、近年では、レーザ光照射により非接触の状態で脆性材料を割断することのできる熱応力割断方法が提案されている（下記特許文献１）。図１１Ａ、Ｂを用いて、従来の熱応力割断方法について説明する。
【０００４】
図１１Ａは、レーザ光照射と局所的な冷却の併用によりガラス基板表面にて、板厚方向に貫通しない表面亀裂を形成（スクライブ加工）し、スクライブラインを形成する従来の熱応力割断方法を説明する概略図である。一方、図１１Ｂは、レーザ光照射によりガラス基板を完全に割断（フルカット加工）する従来の熱応力割断方法を説明する概略図である。
【０００５】
図１１Ａに示すように、スクライブ加工では、ガラス基板１００の表面側で吸収され、ガラス基板１００を透過しないレーザ光である炭酸ガスレーザ等が用いられ、スクライブラインを形成する予定のライン上の加熱点１０２に照射される。レーザ光を照射した加熱点１０２は、熱膨張率（線膨張係数）が正の材料に対して、温度上昇により熱膨張する。この熱膨張は加熱点１０２周辺の非加熱領域により膨張が妨げられるので、膨張部には圧縮応力が発生し、この圧縮応力と釣合うように、周辺の非加熱領域には引っ張り応力が発生する。また、図１１Ａに示す例では、加熱点１０２に追従する位置１０３（以下、冷却点１０３）を冷却することで、温度降下に伴う熱収縮により、冷却された領域には引っ張り応力が発生する。このような局所的な加熱と局所的な冷却を併用すると、ガラス基板１００の加熱点１０２と加熱点１０２の周辺の非加熱領域とに応力が発生する。結果として、加熱点１０２の中心には、圧縮応力が発生し、加熱点１０２から離れた冷却点１０３には引っ張り応力Ｆ１が発生する。
【０００６】
このため、例えば、ガラス基板１００のスクライブラインが形成される予定のライン１０１の端面に初期亀裂１０４が形成され、引っ張り応力Ｆ１が発生したとすると、初期亀裂１０４の先端には応力が集中する。そして、この引っ張り応力がガラス基板の破壊応力を超えると、亀裂は進展する。この原理により、加熱点１０２と冷却点１０３を一対として、ライン１０１上を走査することで、亀裂は連続的に進展し、所望のスクライブラインが形成される。スクライブ加工の場合、ガラス基板１００は分断されないので、スクライブ加工後にブレーク加工が必要となる。
【０００７】
また、図１１Ｂに示すように、フルカット加工する従来の熱応力割断方法では、ガラス基板１０５を透過するレーザ光を照射することで、ガラス基板１０５を完全に割断することができる。この場合の割断原理は、上述したスクライブラインの形成方法において、冷却点１０３が無い場合に相当する。加熱点１０７をレーザ光により加熱し、初期亀裂１０８を形成しておくことで、初期亀裂１０８の位置に引っ張り応力Ｆ２を発生させることができる。次いで、加熱点１０７をライン１０６上に走査することで、亀裂は加熱点１０７を追従するように連続的に進展し、所望のライン上にガラス基板１０５を割断することができる。
【０００８】
ところで、上述したように、従来の熱応力割断方法では、レーザ光照射によってガラス基板内に発生する熱応力を利用したスクライブ加工、及びフルカット加工がなされるが、その場合、亀裂の起点となる初期亀裂１０４又は１０８の形成が必要である。これらの初期亀裂１０４、１０８は通常、接触式のメカニカルカッターを用いて機械的に形成される。しかしながら、メカニカルカッターを用いて複数箇所に単一の初期亀裂を形成することは困難であるという問題や、メカニカルカッターを用いることで、初期亀裂を形成する面の強度が低減するという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１４０１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述の点に鑑み、本発明は、脆性材料の割断において、予め別工程による初期亀裂の形成が不要で、初期亀裂を形成する面の強度が高く、加工工程が低減された熱応力割断装置、及び熱応力割断方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の熱応力割断装置は、局所熱源と、応力発生部材と、支持部とを有して構成される。局所熱源は、第１の主面及び第１の主面に対向して形成された第２の主面を有して構成される被加工物の第１の主面側の割断予定線に沿って所望の領域を局所的に加熱するためのものである。応力発生部材は、被加工物の亀裂が初生される予定の位置を含む縁に接触面を有して配置されるものである。支持部は、被加工物と応力発生部材との接触面に垂直な方向から被加工物及び応力発生部材とを挟み、被加工物と応力発生部材とを接触面に垂直な方向に押し付けながら支持するものである。
【００１２】
本発明の熱応力割断装置では、局所熱源により、被加工物の第１の主面近傍の所望の領域を加熱することで、被加工物には熱応力が発生する。局所加熱をおこなう間、応力発生部材を被加工物と接触面を有して配置しており、さらに、応力発生部材と被加工物はその接触面に垂直な方向から押し付けながら支持される。これにより、接触面には、被加工物を割断する方向に作用する応力が発生し、被加工物には亀裂が初生する。
【００１３】
また、本発明の熱応力割断方法は、以下の工程を有して構成される。まず、第１の主面及び第１の主面に対向して形成された第２の主面を有して構成される被加工物の亀裂を初生させる予定の縁に接触面を有するように、応力発生部材を配置する工程を有する。次に、接触面に垂直な方向から被加工物と応力発生部とを支持部で挟み、被加工物と応力発生部材とを接触面に垂直な方向に押し付けながら支持する工程を有する。そして、被加工物の第１の主面側の割断予定線に沿って所望の領域を局所的に加熱する工程を有する。
【００１４】
本発明の熱応力割断方法では、被加工物と応力発生部材とが接触面を有して互いに押し付けられながら支持部に支持されており、その状態で、被加工物の所望の領域が局所的に加熱される。そして、加熱されることで、非加工物の接触面には熱応力が発生すると共に、被加工物を割断する方向に作用する応力が発生し、被加工物には亀裂が初生される。この被加工物を割断する方向に作用する応力は、支持状態によって異なるものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、割断する被加工物に予め初期亀裂を形成する必要が無い。そして、被加工物に初期亀裂が形成されていない状態においても、被加工物を割断することができる。これにより、工程数の低減が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】Ａ、Ｂ  本発明の熱応力割断方法の原理説明に係る解析モデルである。
【図２】解析モデル９Ａを用いた場合の応力拡大係数ＫＩの変化である。
【図３】解析モデル９Ｂを用いた場合の応力拡大係数ＫＩの変化である。
【図４】Ａ、Ｂ  ガラス基板４ａの接触上面に相当する面の応力分布と、接触上面及び接触下面の滑り変位である。
【図５】Ａ、Ｂ  ガラス基板４ｂが分断された場合の、ガラス基板４ａの接触上面に相当する面の応力分布と、接触上面及び接触下面の滑り変位である。
【図６】ガラス基板４ａの下側に、縁亀裂の入っていないガラス基板４ｂが配置された場合の接触上面の応力分布の模式図と、下側のガラス基板が完全に２つにガラス基板４ｂ１、４ｂ２に分断された場合の接触上面の応力分布の模式図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る熱応力割断装置の要部の概略構成図である。
【図８】第１の実施形態において、被加工物に亀裂が初生したときの写真である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る熱応力割断装置の要部の概略構成図である。
【図１０】第２の実施形態において、被加工物に亀裂が初生したときの写真である。
【図１１】Ａ、Ｂ  ガラス基板表面にて、板厚方向に貫通しない表面亀裂を形成（スクライブ加工）する従来の熱応力割断方法を説明する概略図と、ガラス基板を完全に割断（フルカット加工）する従来の熱応力割断方法を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の実施形態に係る熱応力割断装置及び熱応力割断方法の一例を、図１〜図１０を参照しながら説明する。本発明の実施形態は以下の順で説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
１．本発明の熱応力割断方法の原理説明
２．第１の実施形態：応力発生部材を２つ用いる例
３．第２の実施形態：応力発生部材を１つ用いる例
【００１８】
〈１．本発明の熱応力割断方法の原理説明〉
本発明の実施形態例の説明に先立ち、本発明の熱応力割断方法の原理を、本発明者らによってなされた実験に基づいて説明する。本発明者等は、熱応力下で接触する２つのガラス基板の接触面（すなわち、連続では無い面）を貫通して進展する亀裂についての実験をおこなった。
【００１９】
図１Ａ、Ｂは、それぞれ本実験で用いた解析モデルである。図１Ａは、板厚が１ｍｍ、ｙ方向の長さが４０ｍｍ、ｘ方向の長さが４０ｍｍの正方形のガラス基板１であり、中央にｘ方向に伸びる３０ｍｍの中央亀裂８を有する解析モデル９Ａである。また、図１Ａの解析モデル９Ａでは、ガラス基板１の下端の中心から、ｙ方向に長さｃの縁亀裂２が形成されている。図１Ａの解析モデル９Ａにおいて、中央亀裂８に面する下側の面（縁亀裂２が形成された側の面）を中央亀裂下面、上側の面を中央亀裂上面とする。
【００２０】
一方、図１Ｂは、板厚が１ｍｍ、ｙ方向の長さが２０ｍｍ、ｘ方向の長さが４０ｍｍの２枚の長方形のガラス基板４ａ、４ｂを、互いのｘ方向の縁同士が接触するように配置した解析モデル９Ｂである。これらのガラス基板４ａ、４ｂは、ｙ方向の上下から支持部５ａ、５ｂによって押し付けて固定されている。この支持部５ａ、５ｂは、中心から両側に５ｍｍの範囲において対称的に２枚のガラス基板４ａ、４ｂを支持するような構成とし、２枚のガラス基板４ａ、４ｂがｘ方向となる接触面Ｓｃにて接触して支持されている。また、図１Ｂの解析モデル９Ｂでは、下側のガラス基板４ｂには、下端の中心からｙ方向に長さｃの縁亀裂６が形成されている。図１Ｂの解析モデル９Ｂにおいて、下側のガラス基板４ｂにおける接触面Ｓｃを接触下面、上側のガラス基板４ａにおける接触面Ｓｃを接触上面とする。
【００２１】
また、以下の説明では、図１Ａ、図１Ｂにおいて、それぞれのガラス基板１、４ａ、４ｂのｘ方向の中心位置をｘ＝０とし、それぞれのガラス基板１、４ｂの下端をｙ＝０とした座標を用いる。
【００２２】
このような解析モデル９Ａにおいて、中央亀裂８の中心点からｙ方向に５ｍｍの位置３にある静止熱源として、照射出力４Ｗのレーザ光を照射すると、図１Ａの解析モデル９Ａでは、縁亀裂が中央亀裂を貫通して進展することがわかった。また、解析モデル９Ｂにおいて、接触面Ｓｃの中心点からｙ方向に５ｍｍの位置７にある静止熱源として、照射出力４Ｗのレーザ光を照射すると、図１Ｂの解析モデル９Ｂでは、縁亀裂６が、接触面Ｓｃを貫通して上側のガラス基板４ａに進展することがわかった。
【００２３】
これらの実験結果を、大きなガラス基板から小片を切り出す加工法として利用するには、図１Ａ、Ｂの解析モデル９Ａ、９Ｂにおいて、進展した縁亀裂２、６が中央亀裂８、又は接触面Ｓｃを貫通する条件を明らかにする必要がある。しかし、図１Ａ、Ｂの解析モデル９Ａ、９Ｂでは、中央亀裂８や接触面Ｓｃ等により、それぞれのガラス基板が分断されているものである。このため、縁亀裂２、６の亀裂先端が、中央亀裂下面又は接触下面に達し、次いで中央亀裂上面、又は接触上面に達する瞬間では応力特異性が消失し、図１Ａ、Ｂの中央亀裂８及び接触面Ｓｃにおける亀裂の進展を破壊力学的に説明することができない。
【００２４】
図１Ａや、図１Ｂの解析モデル９Ａ、９Ｂにおいて、中央亀裂上面、又は接触上面に新たに亀裂が初生し、あたかも亀裂が中央亀裂８や接触面Ｓｃを貫通したように観察されていると考えられる。このような実験結果に基づいて、どのタイミングで中央亀裂上面、及び接触上面に亀裂が初生するかを検討するため、実験データを基に解析した。
【００２５】
ここでは、実験データを基に有限要素法を用いて熱応力場を解析した。温度場解析では、接触面の伝熱抵抗を無視し、連続した１枚のガラス基板内の非定常温度場を用い、非連成の熱応力場を有限要素法で求めた。図１Ａに示される中央亀裂８や図１Ｂにおける２枚のガラス基板４ａ、４ｂ間の接触面Ｓｃは開閉口する。このため、中央亀裂上面と中央亀裂下面の同一座標、及び接触上面と接触下面の同一座標に節点を配置し、変位と節点力を利用して開閉口状態を判定した。接触上面及び接触下面が接触し、摩擦力を考慮する場合には摩擦係数をμとし、ｘ方向及びｙ方向の節点力Ｆｘ、Ｆｙの間で｜Ｆｘ｜＜μ｜Ｆｙ｜が成立すれば、接触上面及び接触下面の相対する節点の変位が等しくなるように、また、相対滑りがあれば、｜Ｆｘ｜＝μ｜Ｆｙ｜が成立するように剛性マトリクスを書き換え、仮定した状態と解析結果が一致するまで繰り返し計算を行い熱応力場を求めた。計算に用いたガラス基板の物性値を表１に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
図２は、図１Ａの解析モデル９Ａにおける、加熱時間ごとの縁亀裂先端位置に対するモードＩ（亀裂をｘ方向に開口するようにガラス基板１に掛かる応力）の応力拡大係数ＫＩの変化である。横軸に縁亀裂先端位置（ガラス基板の下端からの距離）を示し、縦軸に応力拡大係数ＫＩを示す。また、図２では、図１Ａにおいて、例えば、ｃ＝１８ｍｍの縁亀裂があるとすると、応力拡大係数ＫＩは、２秒未満のレーザ光による加熱で、ガラス基板の室温における破壊靱性値である０．７５ＭＰａ√ｍを超えることがわかる。縁亀裂２が進展し、接触下面に近づけば応力拡大係数ＫＩはさらに増加するので、一旦亀裂の応力拡大係数ＫＩが進展条件を満足すれば、縁亀裂先端は不安定的に中央亀裂下面に達する。その後、接触上面に新たな亀裂の初生が無ければ、縁亀裂２が中央亀裂８を貫通して進展することはないが、０．１ｍｍ程度の亀裂が初生しているか、あるいは、その後初生すれば縁亀裂２は、中央亀裂８を貫通して不安定的に加熱点３近傍まで進展する。
【００２８】
図３は、図１Ｂの解析モデル９Ｂを用いた場合の、加熱時間ごとの縁亀裂先端位置に対するモードＩの応力拡大係数ＫＩの変化である。横軸に縁亀裂先端位置（ガラス基板の下端からの距離）を示し、縦軸に応力拡大係数ＫＩを示す。また、図３の細線は、接触面の摩擦係数μ＝０とした場合で、太線は、摩擦係数μ＝０．５とした場合である。図１Ｂに示す解析モデル９Ｂでは、接触面Ｓｃの摩擦を考慮しないと接触面Ｓｃ近くでゼロに漸近し、縁亀裂６が接触上面に到達できない。すなわち、縁亀裂６が接触面Ｓｃを貫通して、上側のガラス基板４ａに到達しない。
【００２９】
一方、ある程度の摩擦を考慮すると、中央亀裂８が形成された解析モデル９Ａの場合と同様、接触下面に近づくほど応力拡大係数ＫＩは増加する。解析モデル９Ｂにおいて、縁亀裂６を進展させるには、中央亀裂８の場合より長い加熱時間が必要になり、ｃ＝１８ｍｍの場合、およそ３秒となった。
【００３０】
次に、図４Ａは、図１Ｂの解析モデル９Ｂにおいて、縁亀裂先端がｃ＝１８ｍｍにあり、レーザ光により３秒間、図１Ｂに示す加熱点７を加熱した直後のガラス基板４ａの接触上面に相当する面の応力分布である。図４Ａの横軸は、ガラス基板４ａの中心位置からのｘ方向座標であり、縦軸は応力である。図４Ａにおいて、σｙは接触応力、σｘは亀裂を初生させる垂直応力、τｘｙはせん断応力を示す。さらに、σｘ’は、下側のガラス基板４ｂが無い場合、すなわち、接触上面が自由縁である場合の垂直応力である。図４Ａでは、ガラス基板４ａの中心から右半分の応力分布のみを図示するが、中心から左側のガラス基板も、図に対称的な応力分布となる。
【００３１】
また、図４Ｂは、図１Ｂの解析モデル９Ｂと同じく、縁亀裂先端がｃ＝１８ｍｍの位置にあるときに、図１Ｂに示す加熱点７をレーザ光照射により３秒間加熱した直後の接触上面及び接触下面の滑り変位である。図４Ｂの横軸は、ガラス基板４ａの中心位置からのｘ方向座標であり、縦軸は滑り変位である。
【００３２】
接触上面の熱膨張によるｘ方向の滑り変位が、図４Ｂに示すように接触下面の変位よりも大きく、縁亀裂６が接触下面と合体するまでは、摩擦力が接触上面のｘ方向の滑り変位を減ずるように作用する。すなわち、ｘ＞０の範囲では正のせん断応力τｘｙが作用し、ｘ＜０の範囲では、負のせん断応力τｘｙが作用することになる。このせん断応力τｘｙは、ｘ＝０の中央で接触面に沿う垂直応力σｘを低減させる。このため、ｘ＝０における垂直応力σｘは、４０ＭＰａであり、自由縁に発生する垂直応力σｘ’＝８５ＭＰａよりも小さくなっている。
【００３３】
図４Ａ、Ｂは、縁亀裂先端がｃ＝１８ｍｍにある場合の結果であるが、下側のガラス基板４ｂに縁亀裂６が無い場合も図４Ａ、Ｂと同じ結果が得られる。
【００３４】
図５Ａ、Ｂは、図１Ｂの解析モデル９Ｂにおいて、縁亀裂先端が接触下面に到達した瞬間、すなわち、下側のガラス基板４ｂが完全に分断されたときに、図１Ｂに示す加熱点７をレーザ光により、照射出力４Wにて、３秒間加熱した直後の接触上面に相当する面の応力分布である。図５Ａの横軸は、ガラス基板４ａの中心位置からのｘ方向座標であり、縦軸は、応力である。図５Ａにおいて、σｙは接触応力、σｘは亀裂を初生させる垂直応力、τｘｙはせん断応力を示す。さらに、σｘ’は、下側のガラス基板４ｂが無い場合、すなわち、接触上面が自由縁である場合の垂直応力を示す。図５Ａでは、ガラス基板４ａの中心から右半分、ｘ≧０の範囲の応力分布のみを図示するが、中心から左側のｘ＜０の範囲のガラス基板も図５Ａと、対称的な応力分布となる。
【００３５】
また、図５Ｂは、図１Ｂの解析モデル９Ｂと同じく、縁亀裂先端が接触下面に到達した瞬間、すなわち、下側のガラス基板４ｂが完全に分断されたときに、図１Ｂに示す加熱点７をレーザ光により、照射出４Wにて、３秒間加熱した直後の接触上面及び接触下面の滑り変位である。図５Ｂの横軸は、ガラス基板４ａの中心位置からのｘ方向座標であり、縦軸は、滑り変位である。
【００３６】
図５Ａ、Ｂより、縁亀裂６が接触下面に到達した瞬間、すなわち、下側のガラス基板４ｂが完全に分断された状態では、接触面Ｓｃの中央で亀裂面のせん断応力と共役であるせん断応力はゼロになり、このせん断応力と摩擦係数の積として求められる接触応力もゼロになることがわかる。また、接触上下面で滑り変位が等しい固着点の左右では、図５Ｂに示すような逆方向の相対滑りが生じており、せん断応力は接触面のｘ＞０及びｘ＜０の片側のみで力が平衡するように正負の値となった。このようなせん断応力の分布のため、亀裂を初生させる垂直応力σｘはなにも接触させていない自由端に発生する垂直応力よりも大きくなり、縁亀裂の延長線上にて最大となる。
【００３７】
以上の図４〜図５の結果より得られた接触面Ｓｃにおける摩擦力と応力分布の違いを、図６Ａ、Ｂに模式的に示す。図６Ａは、ガラス基板４ａの下側に、縁亀裂の入っていないガラス基板４ｂが配置された場合の接触上面の応力分布の模式図であり、図６Ｂは、下側のガラス基板が完全に２つのガラス基板４ｂ１、４ｂ２に分断された場合の接触上面の応力分布の模式図である。図６Ａの例として、前述したように、縁亀裂先端がｃ＝１８ｍｍにある場合の結果を適用できるので、図６Ａには、図４Ａに示した垂直応力σｘの分布を用いる。
【００３８】
図６Ａに示すように、下側のガラス基板４ｂに縁亀裂の無いガラス基板を配置する場合、接触上面Ｓｃ１と接触下面Ｓｃ２との間には矢印のような摩擦力が作用し、結果として、σｘで示す垂直応力の分布が得られた。また、垂直応力σｘのピークの位置は加熱点７から多少離れた位置に形成されるが、加熱点７に対して対称的に形成される。この場合、接触上面Ｓｃ１において、垂直応力σｘがピーク値を示すどちらかの位置に亀裂が初生すると考えられる。
【００３９】
一方、図６Ｂに示すように、下側のガラス基板が完全に２つのガラス基板４ｂ１、４ｂ２に分断された場合、接触上面Ｓｃ１と接触下面Ｓｃ２との間には矢印のような摩擦力が作用し、結果として、σｘで示す垂直応力の分布が得られた。また、垂直応力σｘのピークの位置は縁亀裂の延長線上にあり、加熱点７を通るラインと一致する。このため、接触上面Ｓｃ１上において、垂直応力σｘがピーク値を示す位置に亀裂が初生すると考えられる。
【００４０】
以上の解析結果を踏まえて、以下に、本発明の実施形態を説明する。
【００４１】
〈１．第１の実施形態〉
図７に、本発明の第１の実施形態に係る熱応力割断装置の要部の概略構成図を示す。本実施形態例の熱応力割断装置１０は、局所熱源となるレーザ光源１１、被加工物１２と接触するように配置された応力発生部材１３ａ、１３ｂ、被加工物１２と応力発生部材１３ａ、１３ｂを支持する支持部１５ａ、１５ｂを有して構成される。また、本実施形態例は、熱応力割断装置１０で割断される被加工物１２であり、第１の主面及び第１の主面に対向した第２の主面を有して構成される、厚さ１ｍｍ、縦２０ｍｍ、横４０ｍｍのガラス基板を用いた。
【００４２】
レーザ光源１１は、被加工物１２を局所的に加熱し、被加工物１２内に熱応力を発生させるための局所熱源として用いる。本実施形態例では、レーザ光源１１は、炭酸ガスレーザを用いる。本実施形態例では、レーザ光源１１から出射されるレーザ光は、被加工物１２の第１の主面側の割断予定線１７に沿って加熱点１６を走査する。
【００４３】
応力発生部材１３ａ、１３ｂは、被加工物１２に接触して配置され、被加工物１２との間に、摩擦力が発生する材料で形成される。本実施形態例では、応力発生部材１３ａ、１３ｂに、被加工物１２であるガラス基板と同じ材質のガラス基板を用いる例とする。また、本実施形態例では、厚さ１ｍｍ、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍのガラス基板からなる２枚の応力発生部材１３ａ、１３ｂを用いる。これらの応力発生部材１３ａ、１３ｂは、被加工物１２の亀裂が初生する予定の位置（割断予定線１７の先端）を含む縁に接触するように、被加工物１２に沿って２枚並列に配置される。また、被加工物１２の割断予定線１７の延長線と、２枚の応力発生部材１３ａと１３ｂの境界線が揃うように配置されている。
【００４４】
支持部１５ａ、１５ｂは、被加工物１２と応力発生部材１３ａ、１３ｂを挟んで両側から所定の圧縮応力で押し付けながら支持するものである。本実施形態例では、支持部１５ａ、１５ｂは、被加工物１２と応力発生部材１３ａ、１３ｂの接触面Ｓに対して垂直な方向から被加工物１２及び応力発生部材１３ａ、１３ｂを３ＭＰａの圧縮応力で押し付けながら支持する。また、本実施形態例では、支持部１５ａ、１５ｂは、中央から両側に５ｍｍの幅、すなわち、押し付け幅１０mmで被加工物１２及び応力発生部材１３ａ、１３ｂを支持している。この支持部１５ａ、１５ｂにより、被加工物１２及び応力発生部材１３ａ、１３ｂは接触面Ｓを介して一体に支持される。この被加工物１２と応力発生部材１３ａ、１３ｂの間の接触面Ｓに対して垂直な方向（ｙ方向）の変形が拘束された状態は、レーザ光源１１による局所加熱をおこなう間、常に維持される。
【００４５】
次に、以上の構成を有する熱応力割断装置１０における熱応力割断方法とその割断の様子について説明する。
【００４６】
本実施形態例では、接触面Ｓから所定の距離だけ離れた被加工物１２の割断予定線１７上に、局所熱源であるレーザ光源１１からレーザ光Ｌを照射する。また、このレーザ光Ｌによって加熱された加熱点１６は、応力発生部材１３ａと応力発生部材１３ｂの境界線の延長線上にある。
【００４７】
本実施形態例では、出力４Ｗのレーザ光Ｌを接触面から５ｍｍだけ離れた被加工物１２の割断予定線１７上にある加熱点１６に３秒間照射したときに、被加工物１２の接触面Ｓに亀裂が初生し、割断予定線１７に沿って亀裂を進展させることができた。
【００４８】
図８は、本実施形態例において被加工物１２に亀裂が初生したときの写真である。写真では、被加工物１２、応力発生部材１３ａ、１３ｂ、加熱点１６が写されている。また、被加工物１２と応力発生部材１３ａ、１３ｂの間の線は接触面Ｓ、２枚の応力発生部材１３ａ、１３ｂの間の線は境界面、中央から被加工物１２の加熱点１６まで伸びる線は発生した亀裂面である。被加工物１２の下にある方眼紙や接触面Ｓの影も写っている。接触面Ｓが観察されるのは、レーザ光の照射後に開口した接触面Sにて、観察光が全反射したために現れている。また、初生した亀裂面の近傍では、接触面Ｓが閉口しているため接触面Ｓが映し出されていない。
【００４９】
このように、本実施形態例では、被加工物１２において図６Ｂに示した応力分布や摩擦力が発生するという解析結果に基づき、実際に亀裂の初生を確認できた。応力分布は２枚の応力発生部材１３ａと１３ｂの境界面に沿った線上にピークの位置があり、ピークとなる位置に亀裂が初生され、加熱点１６まで一直線に亀裂が進展した。
【００５０】
本実施形態例では、被加工物１２に亀裂が初生した後は、レーザ光Ｌを割断予定線１７上に沿って走査することで、被加工物１２に初生した亀裂を割断予定線１７上に沿って進展させることができる。
【００５１】
本実施形態例によれば、２枚の応力発生部材１３ａと応力発生部材１３ｂの境界線と、割断予定線１７の延長線が揃うように配置することで、被加工物１２の割断予定線１７上にピークを持つ応力分布を形成することができる。また、支持部１５ａ、１５ｂにより接触面Ｓに垂直な方向に圧縮応力を加えることで、被加工物１２と応力発生部材１３ａ、１３ｂの接触面に摩擦力が発生し、これにより、被加工物１２の割断予定線１７上に沿った亀裂を初生させることが可能となる。
【００５２】
そして、本実施形態例によれば、以上のような構成により被加工物１２に亀裂を初生させることができるので、従来の割断方法のように予め被加工物の端部に別工程で初期亀裂を形成する必要がない。これにより、工程数の低減が図られる。また、本実施形態例では、初期亀裂を別工程で形成する必要が無いため、接触式分断法で用いられるメカニカルカッター等で亀裂を形成する必要がなく、破面強度が高く、面取り工程なども不要となる。
【００５３】
本実施形態例では、応力発生部材１３ａ、１３ｂとして、被加工物１２と同じ材料であるガラス基板を用いる例としたが、樹脂材料、セラミック、金属等、被加工物に対して大きな摩擦係数が得られる材料であれば用いることができる。また、応力発生部材１３ａ、１３ｂの形状も本実施形態例に限られたものではなく、被加工物１２内に、図６Ｂに示す応力分布や摩擦力を発生させることのできる形状であればよい。応力発生部材１３a、１３ｂが支持部１５a、１５bから押し付けられる幅は、接触面上の熱変形を生じる範囲を目安とすればよい。
【００５４】
〈２．第２の実施形態〉
次に、本発明の第２の実施形態に係る熱応力割断装置及び熱応力割断方法について説明する。図９は、本実施形態例の熱応力割断装置の概略構成図である。図９において、図７に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。本実施形態例の熱応力割断装置２０では、第１の実施形態と、応力発生部材の構成が異なるものである。
【００５５】
本実施形態例では、応力発生部材１８は１枚のガラス基板で構成されている。この応力発生部材１８は、被加工物１２であるガラス基板と同じ材質のガラス基板で構成され、本実施形態例では、厚さ１ｍｍ、縦２０ｍｍ、横４０ｍｍの形状を有する。そして、このガラス基板からなる応力発生部材１８は、被加工物１２の亀裂が初生する予定の位置（割断予定線の先端）を含む縁に接触して配置される。
【００５６】
本実施形態例においても、被加工物１２と、被加工物１２に接触して配置された応力発生部材１８は、その接触面Ｓに対して垂直な方向から支持部１５ａ、１５ｂにより３ＭＰａの圧縮応力で押し付けながら支持されている。
【００５７】
次に、以上の構成を有する熱応力割断装置２０における熱応力割断方法とその割断の様子について説明する。
【００５８】
本実施形態例では、被加工物１２の割断予定線１７上であり、接触面Sから５ｍｍ離れた位置にある加熱点１６に、局所熱源であるレーザ光源１１からレーザ光Lを照射する。
【００５９】
本実施形態例では、出力４Ｗのレーザ光Ｌを、加熱点１６に１０秒程度照射したとき、亀裂は被加工物１２の接触面Ｓに初生した。亀裂は加熱点１６の加熱源中心に向かって進展した。
【００６０】
図１０は、本実施形態例において被加工物１２に亀裂が初生したときの写真である。写真では、被加工物１２、応力発生部材１８、加熱点１６が写されている。また、被加工物１２と応力発生部材１８の間の線は接触面Ｓ、中央から被加工物１２の加熱点１６にまで伸びる線は発生した亀裂である。接触面Ｓの影も写っている。接触面Ｓが観察されるのは、レーザ光の照射後に開口した接触面Sにて、観察光が全反射したために現れている。また、亀裂の初生位置はほぼ接触面Sの開閉口の境界部近傍にあることが確認された。
【００６１】
このように、本実施形態例では、被加工物１２において図６Ａに示したような応力分布や摩擦力が発生するという解析結果に基づき、実際に亀裂の初生を確認できた。被加工物１２内に発生する応力分布の２つのピークのうち、一方のピークに相当する位置に亀裂が初生され、加熱点１６まで亀裂が進展した。
【００６２】
本実施形態例では、被加工物１２に亀裂が初生された後は、レーザ光Ｌを割断予定線１７上に沿って走査することで、被加工物１２に初生した亀裂を割断予定線１７上に沿って進展させることができる。
【００６３】
本実施形態例によれば、応力発生部材１８と被加工物１２の接触面Ｓが割断予定線１７に対して直交する方向となるように応力発生部材１８を配置することで、被加工物１２の割断予定線１７近傍に亀裂形成に係るピークを有する応力分布を形成することができる。また、支持部１５ａ、１５ｂにより接触面Ｓに垂直な方向に圧縮応力を加えることで、被加工物１２と応力発生部材１８の接触面Ｓに摩擦力を発生させることができ、これにより、被加工物１２の割断予定線１７上に沿った亀裂を初生させることが可能である。本実施形態例において、被加工物１２に発生される応力の２つのピーク（図６Ａで示す）のうち、どちらのピークの近傍に亀裂が初生するかは不確定である。しかし、応力発生部材１８を被加工物１２の割断予定線１７に対して対称的に配置することで、割断予定線１７の比較的近い位置に亀裂を初生することが可能である。
【００６４】
そして、本実施形態例でも第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６５】
本実施形態例では、応力発生部材１８として、被加工物１２と同じ材料であるガラス基板を用いる例としたが、樹脂材料、セラミック、金属等、被加工物に対して大きな摩擦係数が得られる材料であれば用いることができる。また、応力発生部材１８の形状も本実施形態例に限られたものではなく、被加工物１２内に、図６Ａに示す応力分布や、摩擦力を発生させることのできる形状であればよい。応力発生部材１３a、１３ｂが支持部１５a，１５bから押し付けられる幅は、接触面上の熱変形を生じる範囲を目安とすればよい。
【００６６】
上述した第１及び第２の実施形態では、被加工物１２としてガラス基板を用いたが、本発明では、ガラス基板の他、セラミックスや、半導体基板など、他の脆性材料に亀裂を初生することも可能である。
また、第１及び第２の実施形態では、局所熱源であるレーザ光源には、炭酸ガスレーザを用いる例としたが、被加工物の材料に合わせて種々の変更が可能であり、例えば、ＹＡＧレーザや、エキシマレーザを用いることもできる。
【００６７】
また、上述の第１及び第２の実施形態では、被加工物１２であるガラス基板を完全に分断する（フルボディカット）構成であるが、表面スクライブを形成する場合にも、本発明を用いることができる。その場合には、例えば、被加工物１２の表面層のみに吸収される波長のレーザ光を用いることにより、表面スクライブを形成することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１・・・ガラス基板
２・・・縁亀裂
３・・・加熱点
４ａ、４ｂ・・・ガラス基板
５ａ・・・支持部
６・・・縁亀裂
７・・・加熱点
８・・・中央亀裂
９Ａ・・・解析モデル
９Ｂ・・・解析モデル
１０・・・熱応力割断装置
１１・・・レーザ光源
１２・・・被加工物
１３ａ、１３ｂ・・・応力発生部材
１５ａ、１５ｂ・・・支持部
１６・・・加熱点
１７・・・割断予定線
１８・・・応力発生部材
２０・・・熱応力割断装置
【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９】
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【図１１】
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【図８】
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【図１０】
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