(57)【要約】      （修正有）【課題】スクライビングホイールやレーザ光等の割断加工の制御対象を適切に自動制御し、高品質の割断面を得ることができる割断品質計測制御装置を提供する。【解決手段】割断品質計測制御装置は、所定の割断手段を制御して、硬脆材料を割断する割断品質計測制御装置において、前記硬脆材料の割断中に、前記硬脆材料の偏光特性の空間分布を高速かつリアルタイムで計測する偏光高速イメージセンサ１０，２０と、前記硬脆材料に対する割断条件と、前記硬脆材料の偏光特性の空間分布とが関係付けられたデータベース、を記憶する記憶部と、前記偏光高速イメージセンサで計測された前記偏光特性の空間分布に基づいて前記データベースを参照することによって、前記割断手段に対する最適な割断条件を求め、求めた前記割断条件を用いて前記割断手段をリアルタイムで制御する割断制御部４０と、を備える。【選択図】図１
2015161675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の割断手段を制御して、硬脆材料を割断する割断品質計測制御装置において、
前記硬脆材料の割断中に、前記硬脆材料の偏光特性の空間分布を高速かつリアルタイムで計測する偏光高速イメージセンサと、
前記硬脆材料に対する割断条件と、前記硬脆材料の偏光特性の空間分布とが関係付けられたデータベース、を記憶する記憶部と、
前記偏光高速イメージセンサで計測された前記偏光特性の空間分布に基づいて前記データベースを参照することによって、前記割断手段に対する最適な割断条件を求め、求めた前記割断条件を用いて前記割断手段をリアルタイムで制御する割断制御部と、
を備えたことを特徴とする割断品質計測制御装置。
【請求項２】
前記硬脆材料はガラスであり、
前記割断手段は前記ガラスを割断するスクライビングホイールであり、
前記割断条件は、前記スクライビングホイールの速度、及び前記ガラスに対する前記スクライビングホイールの印加荷重であり、
前記割断制御部は、前記スクライビングホイールの速度、及び前記ガラスに対する前記スクライビングホイールの印加荷重をリアルタイムに制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の割断品質計測制御装置。
【請求項３】
前記偏光特性は、偏光の直交２方向成分間の位相差であり、
前記偏光特性の空間分布は、前記位相差の３次元分布である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の割断品質計測制御装置。
【請求項４】
所定の割断手段を制御して、硬脆材料を割断する割断品質計測制御方法において、
前記硬脆材料の割断中に、偏光高速イメージセンサを用いて前記硬脆材料の偏光特性の空間分布を高速かつリアルタイムで計測し、
前記硬脆材料に対する割断条件と、前記硬脆材料の偏光特性の空間分布とが関係付けられたデータベースを、前記偏光高速イメージセンサで計測された前記偏光特性の空間分布に基づいて参照し、前記割断手段に対する最適な割断条件を求め、
求めた前記割断条件を用いて前記割断手段をリアルタイムで制御する、
ことを特徴とする割断品質計測制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、割断品質計測制御装置及び割断品質計測制御方法に係り、特に、ガラス等の硬脆材料の割断品質を、リアルタイムで計測し制御する割断品質計測制御装置及び割断品質計測制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
割断（スクライブ）とは、ガラス等の硬脆材料の表層或いは内部に形成された亀裂を、機械的・熱的応力によって進展させて分割する技術であり、産業界では機械的割断法とレーザ割断法が広く使用されている。機械的割断法は、スクライビングホイールと呼ばれる工具を用いてガラス上に初期亀裂を形成し、この初期亀裂を外力によって進展させるものである。一方、レーザ割断法は２つに分類でき、ガラスに吸収されるレーザ光を用いて局所的に加熱し、熱応力を加えることで割断する方法と、レーザ光をガラス内部で集光することでガラス内部を変質させたり、クラックを生成したりすることで割断する方法とがある。また、近年では、スクライビングホイールによる亀裂生成とレーザ照射による分割を同時に行うハイブリッド割断法も提案されている。
【０００３】
これらの割断方法を用いたガラスの割断加工分野では、加工条件等を経験的に決定することが多く、加工中に割断品質をリアルタイムで計測する技術は見当たらない。
【０００４】
一方、透明材料の加工品質の良否を判断する手法として、ガラス基板上に形成した液晶配向膜の配向特性を偏光解析によって診断した例がある（特許文献１）。
【０００５】
また、応力によって複屈折を示す物質に負荷応力を加えたときの主応力差と主応力方向を測定する方法として、光弾性法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０９−１２６８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ガラス等の硬脆材料の強度は、端面の仕上げに大きく影響される。例えば、割断後のガラスの割断面にクラック等があると、わずかに曲がっただけでそのクラックから割れてしまい、強度が著しく低下する。このため、割断面の仕上がりは非常に重要であり、割断面の品質を向上させること、即ち、クラック等の無い滑らかな割断面を得ることが求められている。
【０００８】
ガラス等の割断加工は、前述したように、スクライビングホイールやレーザ光を用いて行われる。この場合、スクライビングホイールのガラスに対する荷重や移動速度を適切に制御し、或いはレーザ光の強度を適切に制御することによって、品質の良い割断面を得ることができると考えられる。しかしながら、前述したように、割断加工中に割断品質に関連するデータをリアルタイムで計測する従来技術はなく、また、計測したデータをフィードバックして、スクライビングホイールやレーザ光を制御する従来技術もなかった。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、スクライビングホイールやレーザ光等の割断加工の制御対象を適切に自動制御し、高品質の割断面を得ることができる割断品質計測制御装置及び割断品質計測制御方法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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明に係る割断品質計測制御装置は、所定の割断手段を制御して、硬脆材料を割断する割断品質計測制御装置において、前記硬脆材料の割断中に、前記硬脆材料の偏光特性の空間分布を高速かつリアルタイムで計測する偏光高速イメージセンサと、前記硬脆材料に対する割断条件と、前記硬脆材料の偏光特性の空間分布とが関係付けられたデータベース、を記憶する記憶部と、前記偏光高速イメージセンサで計測された前記偏光特性の空間分布に基づいて前記データベースを参照することによって、前記割断手段に対する最適な割断条件を求め、求めた前記割断条件を用いて前記割断手段をリアルタイムで制御する割断制御部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る割断品質計測制御装置及び割断品質計測制御方法によれば、スクライビングホイールやレーザ光等の割断加工の制御対象を適切に自動制御し、高品質の割断面を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係る割断品質計測制御装置の構成例を示す図。
【図２】割断品質の良否を模式的に示す図。
【図３】位相差像を生成する偏光高速イメージセンサの特徴的な構成を模式的に示す図。
【図４】２つの位相差像から３次元位相差像が生成される様子を模式的に説明する図。
【図５】割断制御部が行うリアルタイム制御の概念を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係る割断品質計測制御装置１の構成例を示す図である。割断品質計測制御装置１は、偏光高速イメージセンサ（１）、（２）（１０、２０）、３次元位相差像生成部３０、割断制御部４０、解析値／実験データベース６０を記憶する記憶部５０等を備えて構成される。
【００１５】
図１の左上に示すように、ガラス２０１等の硬脆材料を割断する場合、スクライビングホイール２００と呼ばれる割断手段によってガラス２０１の表面に初期亀裂を生成する。初期亀裂を生成した後にガラス２０１に外力を加えてガラス２０１を分割する。これがガラス２０１の割断である。
【００１６】
初期亀裂の生成の仕方によって、割断後のガラス２０１の断面の品質（以下、割断品質と呼ぶ）は大きく左右される。図２は、割断品質の良否を模式的に示す図である。図２（ａ）は良好な割断品質の場合であり、割断面は凹凸がなく滑らかな面となっている。これに対して、図２（ｂ）は割断品質が不良の場合であり、割断面にクラック等の凹凸が生じており、強度低下の要因となる。
【００１７】
実施形態の割断品質計測制御装置１は、ガラス２０１の割断中に発生するガラス２０１の応力の空間分布を、ガラス２０１の偏光特性の空間分布として計測し、この計測値を用いて、スクライビングホイール２００等の割断手段に対する割断条件をリアルタイムに制御し、これによって、良好な割断品質を得ようとするものである。
【００１８】
図１に示す偏光高速イメージセンサ（１）１０、（２）２０は、ガラス２０１等の硬脆材料の割断中に、ガラスの偏光特性の空間分布を高速かつリアルタイムに計測する撮像カメラである。偏光高速イメージセンサ（１）１０は、スクライビングホイール２００の進行方向、即ち、割断面に平行な方向から、ガラス２０１の断面を撮像する。ガラス２０１を挟んで、偏光高速イメージセンサ（１）１０の反対側には、図示しない光源が設置され、同じく図示しない偏光板を介して直線偏光に変換された光がガラス２０１を透過して偏光高速イメージセンサ（１）１０に達する。
【００１９】
一方、偏光高速イメージセンサ（２）２０は、スクライビングホイール２００の進行方向と直交する方向からガラス２０１の断面を撮像する。同様に、ガラス２０１を挟んで、偏光高速イメージセンサ（２）２０の反対側には、図示しない光源が設置され、直線偏光に変換された光がガラス２０１を透過して偏光高速イメージセンサ（２）２０に達する。
【００２０】
偏光高速イメージセンサの数は図２に例示した２つに限定されるものではなく、３以上の偏光高速イメージセンサによって、３以上の方向から撮像してもよい。複数の偏光高速イメージセンサを設けるのは、複数の２次元像から３次元像を生成するためであり、２次元像だけを利用する場合は、偏光高速イメージセンサの数は１つでよい。
【００２１】
偏光高速イメージセンサ（１）１０、（２）２０はガラスの偏光特性の空間分布を計測するものであるが、より具体的には、偏光の位相差δの空間分布を計測する。
【００２２】
今、光の進行方向をＺとし、進行方向に垂直な面内での直交２方向を夫々Ｘ方向、Ｙ方向とする。このとき、Ｘ方向、Ｙ方向の偏光成分を夫々ＥＸ、ＥＹとすると、ＥＸ、ＥＹは夫々次式で表すことができる。
【００２３】
ＥＸ＝ＡＸｃｏｓ（ｋｚ-ωｔ）                  （式１）
ＥＹ＝ＡＹｃｏｓ（ｋｚ-ωｔ＋δ）              （式２）
ここで、ＡＸ、ＡＹｃは、夫々Ｘ成分、Ｙ成分の振幅、ｋは波数（＝２π／λ）、λは波長、ωは光の周波数、ｔは時間である。また、δは位相差であり、リタデーション（retardation）とも呼ばれる。
【００２４】
偏光高速イメージセンサ（１）１０、（２）２０は、上記の位相差δの空間分布、即ち、位相差像を生成する。
【００２５】
図３は、位相差像を生成する偏光高速イメージセンサ（１）１０、（２）２０の特徴的な構成を模式的に示したものである。偏光高速イメージセンサ（１）１０、（２）２０は、図３の右下に示すような、ＣＣＤ、あるはＣＭＯＳの画素アレイ１０１を有している。そして、各画素の上に、例えば、フォトニック結晶で生成されるフォトニック結晶偏光子１０２が設けられている。各フォトニック結晶偏光子１０２には、微細な溝状のパターンが形成されている。図３に示す例では、フォトニック結晶偏光子１０２は、４５度ずつパターンの向きを変えた４つの偏光子によって１組を構成している。
【００２６】
偏光子としての透過軸はパターンの向きで決まる。したがって、パターンの向きが異なる４つの偏光子に対応する画素の４つの出力に対して所定の演算を施すことによって、位相差δを求めることができる。位相差δは、４画素ごとに算出されるため、偏光高速イメージセンサ（１）１０、（２）２０の出力として、位相差δの空間分布、即ち、位相差像を得ることができる。
【００２７】
図１に示すように、２つの偏光高速イメージセンサ（１）１０、（２）２０から出力された位相差像は、３次元位相差像生成部３０に入力され、ここで３次元位相差像が生成される。
【００２８】
図４は、２つの位相差像から３次元位相差像が生成される様子を模式的に説明する図である。図４において、左下に示す図は、スクライビングホイール２００の進行方向に配置された偏光高速イメージセンサ（１）１０から出力される位相差像（１）を示す図であり、左上に示す図は、スクライビングホイール２００の進行方向と直交する方向に配置された偏光高速イメージセンサ（２）２０から出力される位相差像（２）を示す図である。各位相差像（１）、（２）の濃淡のパターンは、位相差δの大きさを模式的に示すものである。
【００２９】
２つの位相差像（１）、（２）が得られれば、例えば、ステレオ法等の手法により、３次元位相差像を生成することができる。なお、ここで生成される３次元位相差像は、偏光高速イメージセンサ（１）１０、（２）２０による計測によって得られるものであり、後述する解析によって求められる３次元位相差像と区別するため、３次元位相差像（計測値）と呼ぶものとする。
【００３０】
３次元位相差像（計測値）は、位相差δの３次元の空間分布として表現されるが、この空間分布の解像度は、偏光高速イメージセンサ（１）１０、（２）２０の画素数を増加させることによって増加させることができる。また、３次元位相差像（計測値）は、偏光高速イメージセンサ（１）１０、（２）２０の撮像フレーム毎に得られる。したがって、偏光高速イメージセンサ（１）１０、（２）２０のフレームレートを高速にすれば、それだけ時間分解能の高い３次元位相差像（計測値）が得られる。例えば、５０，０００ｆｐｓ（frame per second）以上の高速度撮像カメラの技術をベースにして偏光高速イメージセンサ（１）１０、（２）２０を構成することにより、２０マイクロ秒以下の高い時間分解で、３次元位相差像（計測値）を得ることができる。
【００３１】
このように、高い時間分解能の３次元位相差像（計測値）が、ガラス２０１の割断中に得られることにより、３次元位相差像（計測値）に基づいた、スクライビングホイール２００のリアルタイム制御が可能となる。このリアルタイム制御は、図１に示す割断制御部４０が、３次元位相差像（計測値）と解析値／実験データベース６０とに基づいて実行する。
【００３２】
図５は、割断制御部４０が行うリアルタイム制御の概念を説明する図である。まず、解析値／実験データベース６０について説明する。解析値／実験データベース６０は、解析値データベース６０１と、実験データベース６０２によって構成される。
【００３３】
解析値データベース６０１は、割断条件と材料条件とに基づく解析によって作成される。割断条件として、例えば、スクライビングホイール２００のガラス２０１に対する荷重と、スクライビングホイール２００の移動速度が設定される。また、材料条件として、例えば、ガラス２０１の厚みや大きさ、ガラス２０１の弾性係数等の物理定数が設定される。次に、これらの割断条件や材料条件の設定条件に基づき、有限要素法などを用いた応力・歪解析が行われる。その後、解析で算出された応力分布等から、３次元位相差像（解析値）が算出される。周知のように、偏光による位相差δと応力との間には、以下の式で表されるブリュースタの法則が存在する。
【００３４】
δ＝（２π／λ）Ｃ・ｈ・（σ１−σ２）            （式３）
ここで、λは波長、Ｃは光弾性定数、ｈは、荷重を受けている透明平板（ガラス２０１等）の厚さ、（σ１−σ２）は主応力差である。（式３）によって、解析によって算出された応力の空間分布等から主応力差の空間分布を求めることができ、さらに、位相差δの空間分布（３次元位相差像（解析値））を算出することができる。
【００３５】
３次元位相差像（解析値）は、割断条件や材料条件を変えた解析によって多数求めることができる。求められた３次元位相差像（解析値）は、割断条件や材料条件に関連付けられた解析値データベース６０１として、記憶部５０に予め保存しておく。
【００３６】
一方、実験データベース６０２は、割断条件と割断品質とを関連付けるデータベースである。割断条件を様々に変えながら割断実験を行う。そして、それぞれの割断条件に対応する割断品質を求め、これらをデータベースとして記憶部５０に予め保存しておく。割断品質の決定は、何らかの評価指標に基づいて決定すればよく、特に限定するものではない。例えば、割断面のクラックの有無や量を測定し、測定結果に基づいて多段階のランクに分類するような手法でもよい。
【００３７】
割断制御部４０は、３次元位相差像生成部３０から出力される３次元位相差像（計測値）に基づいて、解析値データベース６０１及び実験データベース６０２を参照し、スクライビングホイール２００に対する最適な割断条件（最適な荷重、最適な移動速度）を求め、求めた割断条件を用いて、スクライビングホイール２００をリアルタイムに制御する。
【００３８】
たとえば、３次元位相差像（計測値）と解析値データベース６０１の中の３次元位相差像（解析値）とを照合し、３次元位相差像（計測値）に最も近似する３次元位相差像（解析値）に関連付けられている割断条件が、現在割断中のガラス２０１に印加されている割断条件であると推定する。一方、実験データベースを参照することにより、所望の割断品質を得るための所望の割断条件を知ることができる。そこで、割断制御部４０は、推定した現在の割断条件を、所望の割断条件に近づけるべく、割断条件を修正し、修正した割断条件をフィードバックしてスクライビングホイール２００を制御する。３次元位相差像（計測値）は高い時間分解能で得られるため、フードバックループを短時間で回すことができ、最適な割断条件（最適な荷重、最適な移動速度）に短時間で到達させることができる。また、割断条件が最適な状態からずれた場合にも、短時間で最適な状態に復帰させることができる。
【００３９】
上述したデータベースに基づく制御方法は、あくまで一例であってこれに限定されるものではなく、データベースに基づく制御方法として、種々の最適化手法を取り得る。
【００４０】
また、撮像方向を１方向のみとし、１台の偏光高速イメージセンサから生成される２次元の位相差像（計測値）とデータベースとを用いた制御方向も考えられる。この場合、有限要素法に基づいて算出された３次元位相差像（解析値）を、上記１つの撮像方向に積分して、２次元位相差像（解析値）を求め、この２次元位相差像（解析値）を解析値データベースとして保有しておけばよい。
【００４１】
この他、データベースを用いることなく、２次元位相差像（計測値）、或いは３次元位相差像（計測値）の挙動のみに基づく制御方法も考えられる。例えば、２次元位相差像（計測値）、或いは３次元位相差像（計測値）内の特定点や特定線分上の観測位相差δと、所定の閾値とを比較し、観測位相差δが閾値を超えたときに、これを引き戻して閾値内に入るように、スクライビングホイール２００の印加荷重や位相速度を制御するようにしてもよい。
【００４２】
また、ここまでは、割断手段として、スクライビングホイール２００を例に挙げて説明してきたが、レーザ光を用いた割断手段に対しても同様の方法で制御することができる。この場合、レーザ光の強度や、レーザ光源の移動速度が制御対象となる。
【００４３】
また、ここまでは、割断対象としての硬脆材料がガラス２０１であるとして説明してきたが、これに限らず、ＳｉＣ等のウェハ材料のダイシングにも適用することができる。
【００４４】
以上説明してきたように、実施形態に係る割断品質計測制御装置１及び割断品質計測制御方法によれば、スクライビングホイールやレーザ光等の割断加工の制御対象を適切に自動制御し、高品質の割断面を得ることができる。
【００４５】
なお、本発明は上記の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
【符号の説明】
【００４６】
１  割断品質計測制御装置
１０、２０  偏光高速イメージセンサ
３０  ３次元位相差像生成部
４０  割断制御部
５０  記憶部
６０  解析値／実験データベース
２００  スクライビングホイール
２０１  ガラス
【図１】
2015161675.tif 000003
【図２】
2015161675.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015161675.tif 000006
【図５】
2015161675.tif 000007