(57)【要約】  本発明は、機械的に脆い非金属材料のプレート状被加工物を任意の輪郭に沿って分割する方法に関するものである。本発明は、プレート状被加工物の少なくとも一方の面に切断装置によって深さＴまで輪郭に沿って分離線の引掻き傷を入れるステップを含んでおり、プレート状被加工物を励起させて分離線に沿った振動振幅を伴う曲げ振動が起こるようにし、それにより、分離線に沿ってプレート状被加工物を完全に分割する。【選択図】図２ａ
2008506558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的に脆い非金属材料のプレート状被加工物を任意の輪郭に沿って分割する方法であって、
１．１  前記プレート状被加工物の少なくとも一方の面に切断装置によって深さＴまで輪郭に沿って分離線の引掻き傷を入れるステップを含み、
１．２  前記プレート状被加工物を励起させて分離線に沿った振動振幅を伴う曲げ振動が起こるようにし、それにより、
１．３  前記分離線に沿って前記プレート状被加工物を完全に分割することを特徴とする方法。
【請求項２】
曲げ振動は振動励起を通じて前記プレート状被加工物に印加されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記分離線の領域に振幅の最大値が生じることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記分離線の領域での周期的な引張負荷によって、前記プレート状被加工物が前記分離線に沿って分割されるまで、前記分離線が前記プレート状被加工物の表面に対して垂直な方向へと特異的に拡大していくことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
非金属材料からなる分割されるべき前記プレート状被加工物が、適切な装置にクランプ固定されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
機械的に脆い非金属材料のプレート状被加工物を任意の輪郭の分離線に沿って分割する装置であって、
６．１  クランプ固定装置と、
６．２  曲げ振動を励起する装置と、を備え、
６．３  曲げ振動を励起する前記装置は、前記分離線の領域で振動振幅が発生するように配置されて位置決めされており、それにより前記分離線の領域での周期的な引張負荷によって分離線が前記プレート状被加工物の表面に対して垂直な方向へと特異的に拡大していくことを特徴とする装置。
【請求項７】
曲げ振動を励起する前記装置が振動発生器であることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
請求項１から５のいずれか一項に記載の方法を利用して、前記分離線が外径及び／又は内径に相当する円形の分離線とされた記憶媒体のガラス基板を分断するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ガラス板のように機械的に脆い非金属材料からなるプレート状被加工物を、少ない破片で正確に切断し又は分割することに関する。
【背景技術】
【０００２】
非金属で特に脆い材料からなるプレート状被加工物を切断し又は分割するための標準的方法は、「引っ掻いて破断する」ことである。この場合、引掻き工具を用いて、予定破断個所として作用する引掻き傷を被加工物の表面に形成し、次いで、この被加工物を曲げることによって機械的に破断する。この方法の欠点は、特に破断にある。なぜなら破断は、一方ではその速度が速いためにその管理が難しく、また他方において一般に、曲げる際には切断エッジの形成に必要な量よりも遥かに多くの弾性エネルギーが蓄えられるからである。このような余剰エネルギーは、例えば、切断エッジにおいて破片や欠けを生じさせ、抑えられない破断につながる可能性がある。しかも曲げることによって、プレート状被加工物の引掻き傷と反対の側では、破断が必然的に惹起される圧縮応力域が生じる。このとき、前方の破断面は捩じれながら切断エッジから離れるのが普通である。その結果、欠けや槍状亀裂のある、均整のとれない切断エッジが生じるとともに、破片が著しく発生し易くなる。
【０００３】
ガラス産業における標準的な方法では、予定破断個所としての役目をもつ引掻き傷は、ダイヤモンドや硬質金属のローラといった硬質体によって生起される。その別案として、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４では、レーザ光線によって予定破断個所をガラス体に生じさせる。
【０００４】
特許文献５及び特許文献６には、縁部領域に高い放射強度を有し、所定の分離線に沿って動くとともに、この動いた分離線区域が引き続いて冷却される、左右対称な熱放射スポットを利用して、機械的に脆弱な脆性材料からなる平坦なプレート状被加工物を分割する方法及び装置が記載されている。この方法は、脆性材料を少ない破片で切断するのに原理的に適するが、コスト高となる。また、特許文献７により、複数のレーザ光線を利用して、ガラス製品を破断する方法が公知となっている。特許文献８には、脆性材料からなるストライプ状の被加工物を切断する方法、及びこれに適した装置の設計が記載されている。この場合、パルス化された点状の熱源が被加工物に向けられ、これにより生じる熱的及び機械的な応力によって、事前に設定された切断エッジに沿って被加工物を分離させる亀裂が「線引きされる」。特許文献９では、プレート状被加工物がその下面で直線状の加熱部材によって加熱され、それと同時に上面において冷却剤の吹き付けによって冷却されるようにした、非金属材料を切断する方法が記載されている。
【０００５】
上記した方法の欠点は、別個の処理工程で生起することを必要とする初期破断個所から、切断を始めなければならないことである。この初期破断個所は、例えば、ダイヤモンドや硬質金属のローラといった硬質体によって生起される。このとき、加熱区域及び冷却区域に対する初期破断個所の位置決めを、きわめて正確に行う必要がある。さらに別の欠点は、生起される熱的及び機械的な応力が小さいと、そのために切断が途中で止まってしまう虞が生じることである。さらに別の欠点は、十分な熱的及び機械的な応力を生起するためにはプレートをその厚さ全体に亘って加熱し、再び冷却しなければならないことである。例えば、ガラスのような非金属材料では熱伝導率が低いので、そのためには長い時間が必要であり、よって切断速度が非常に遅くなってしまう。
【特許文献１】独国特許出願公開第３５３７４３４号明細書
【特許文献２】独国特許第４３００７３０号明細書
【特許文献３】独国特許第４２１４１５９号明細書
【特許文献４】独国特許第１９７１６６１６号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第１９７１５５３７号明細書
【特許文献６】欧州特許出願公開第０８７２３０３号明細書
【特許文献７】国際公開第９８／５６７２２号パンフレット
【特許文献８】欧州特許出願公開第０８３９５９７号明細書
【特許文献９】欧州特許出願公開第０９０３３２７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、破片の少ない分離を可能にするとともに、垂直方向における切断部の輪郭について正確な制御を可能にする、機械的に脆い非金属材料からなるプレート状被加工物を分離する方法を提供することである。さらには、簡単な手段で、十分な速度をもって分割できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、この課題は、連続する引掻き傷を備える分割されるべきプレート状被加工物について、分離線に沿った振動振幅を伴う曲げ振動が起こるように励起（励振）させて、プレート状被加工物を分離線に沿って完全に分割することで解決される。分断工程が周期的な負荷導入によって行われるように、振動発生器によって曲げ振動を励起することが好ましい。例えば、引掻き傷をつけたガラス板の上で適切な位置に設置されて結合される振動発生器がプレートを励起させ、その固有周波数で振動させる。プレートが適切に支持されていて振動周波数が適切であれば、振幅の最大値が引掻き跡の領域に生じて、これに対して垂直な方向への周期的な引張負荷をもたらす。それにより、引掻き跡はガラス表面に対して垂直な方向へと特異的に差別化されて拡大していき、破壊的で衝撃的な破断ではなく、連続的な亀裂の進行が生じる。本発明による方法は、ハードディスクと呼ばれる記憶媒体のガラス基板を製作する場合に、音響誘導式の破断を行うために適用することが格別に好ましい。本発明の方法によると、ハードディスクを損傷なくガラス素材から切り出すことができるように、ハードディスク（ＨＤ）素材の引掻き傷を平坦なガラス板全体に貫通させることが可能となり、例えば、内側及び外側の縁部を後からエッジ加工するといったその後の加工ステップを必要としない。
【０００８】
次に、実施例を参照しながら本発明について説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明を、特別な適用例、つまり電子記憶媒体用のガラス基板の製作に従って説明するが、これに限定されるものではない。
【００１０】
一般に、ハードディスク（ＨＤ）用のガラス素材を平坦なガラス板から切り離すプロセスは、互いに独立した、以下の３つの処理工程からなる。
１．ダイヤモンド、切断ローラ、又はレーザ等の適切な切断工具で引掻き傷をつけ、
２．素材全体を貫くように初期亀裂を破断させるか又は貫通させ、
３．中央でガラス板に作用する機械負荷及び熱勾配の作用下で、ガラス板からＨＤ素材を分離する。
【００１１】
図１には、従来の技術によってガラス板３から切り離されるＨＤ素材１を示す。
【００１２】
平坦なガラス板３の幾何学的形状、及びその結果として引掻き傷をつけるときに生じる応力分布に基づき、第１の処理工程では、ガラス表面７に対して典型的には垂直に延びていない初期亀裂を結果として伴う円形の引掻き傷５が生起される。この初期亀裂１０は、プレートの外方を向いた２０乃至３０μｍのずれを有する。この処理工程で発生する表面損傷と容積損傷が、ガラスの予定破断個所となる。
【００１３】
第２の処理工程では、第１の処理工程において生成された予定破断個所に対して、ガラス板を適当に支持しながら左右対称の力を導入し、引張応力の下で負荷をかける。このとき初期亀裂１０が、できるだけ管理下でガラス板を貫くようにする。引掻き傷とは反対側のプレート面１４にある亀裂出口の領域において、同じく２０乃至３０μｍだけ、この側では内方に向かって折れ曲がっていて、かつプレート内では、表面に対して垂直に延びる破断部１２が典型的である。標準的な破断方法の結果、ハードディスクの樽形の幾何学的形状が生じる。
【００１４】
第３の処理工程において、ＨＤ素材は、曲げプロセスを通じて、中央部で作用する機械的負荷の作用の下でガラス板から切り離される。切り離しプロセスを支援するために、第２の処理工程で破断されたＨＤが適切な冷却剤で冷却される。その理由は、上述したような幾何学的誤差を含む円筒状の構造については、原則として、これを損傷なくガラス板から切り離すことができないからである。
【００１５】
ガラスは機械的に脆い材料であり、典型的には、３．５乃至１１ｐｐｍ／Ｋという比較的低い熱膨張係数を有する。前記プロセスについては、市販されている２．５インチ（６３．５ｍｍ）ＨＤの幾何学的形状を前提とした上で、市販の冷却剤（例えば、Ｎ２）を使った場合、破断されたＨＤの全面的な冷却を前提条件とすると、５０乃至６０μｍの幾何学的な最大公差を補償することができる。このように、上述したプロセスの切り離し工程は、必然的に、ＨＤ素材エッジとガラス支持体とが機械的に接触することと結びついている。そのような接触の帰結としてエッジの破損が生じる。エッジの破損のせいで、例えば内側及び外側の縁部を後からエッジ加工する等、さらに別の加工ステップが必要となる。
【００１６】
本発明による方法では、このような欠点を回避し、ガラス板表面に対して垂直な方向にずれていない、規定された亀裂進行を実現することができる。その結果として、内側及び外側のＨＤ縁部の適切な円筒状又はわずかに円錐状をした輪郭が破断工程から得られ、この破断工程によって、ガラス基板からＨＤを損傷なく分離することが可能になる。
【００１７】
標準的な破断方法は、破壊靭性Ｋ１Ｃによって特徴付けられる材料強度の物理的限界を超えることに基づいており、このことは、所定の亀裂線に沿った衝撃的で破壊的な破断につながる。前記破断に関与する値の数学的関係は、Ｋコンセプトの亀裂基準によって与えられる。そこでは、σが機械的な応力を意味しており、ａは亀裂の深さ、Ｃ０は定数を意味する。
Ｋ１≧Ｋ１Ｃの場合、
2008506558.tif 000003
で破断が起こる。
【００１８】
例えば、曲げ工程によってＫ１Ｃに達することは、蓄えられた弾性エネルギーの衝撃的な解放につながり、これは管理不能な亀裂進行及びガラスエッジの損傷という望ましくない付随的な現象を伴う。
【００１９】
そこで、本発明者は、ガラス等の脆い材料への亀裂を拡大させていくことに気づいたのであり、原則としてＫ１Ｃを超える必要はない。応力の作用の下でガラスの亀裂はゆっくりと成長する。これは物理学では応力腐食割れと呼ばれている。ガラスの亀裂成長は、機械的に与えられる負荷の大きさや負荷作用の時間に依存して、指定通りに制御することができる。
【００２０】
本発明によれば、プレート状被加工物を励起させて曲げ振動を起こすことによって分離が行われ、この曲げ振動により、ガラスに刻設された亀裂が指定されたとおりにガラスを貫いて進行する。
【００２１】
周期的な負荷の導入は、例えば、音響発生器によって行うことができる。引掻き傷をつけたガラス板上で、適切な位置に設置されて結合された音響発生器が、ガラス板を励起させてその固有周波数でもって振動させる。ガラス板が適当に支持されていて振動周波数が適当であれば、振幅の最大値は引掻き跡の領域に位置し、これに対して垂直な方向への周期的な引張負荷をもたらす。従って引掻き跡はガラス表面に対して垂直な方向へと特異的に拡大されていき、連続的な亀裂が進行する。
【００２２】
図２ａ及び図２ｂには、ハードディスク全体をその内径部及び外径部でガラス板から切り離すための振動モードがそれぞれ示されている。尚、下記の材料データを市販の２．５インチハードディスクについての振動分析の前提とした。
弾性率：７２．９ＧＰａ
ポアソン比：０．２１
密度：２５０５ｋｇ／ｍ３
【００２３】
幾何学的データは次のとおりであった。
ガラス厚ｄ：                      ０．７ｍｍ
正方形のガラス板のガラス板外縁：  ８０ｍｍ×８０ｍｍ
ＨＤ内径−φＨＤＩ                ２０ｍｍ
ＨＤ外径−φＨＤＡ                ６５ｍｍ
【００２４】
ハードディスクが切り取られるべきガラス板は同心円的にクランプ固定された。ガラス板が、例えば、クランプ固定される支持部の直径は、ＤＬａｇｅｒ＝６０ｍｍであった。
【００２５】
図２ａには、プレート状被加工物に対して６５０Ｈｚにて正弦波形で（調和）励振したときの曲げ固有振動形状が示されている。プレート状被加工物の中心部（３２）には、適切な振動発生器の励起場所が図示されている。プレート状被加工物の内側の分離線でも外側の分離線でも周期的な振動振幅が発生しており、したがって、この振動振幅は、分断されるべき領域に同じく周期的な引張応力を導入し、これは引掻き領域における特異的な亀裂進行につながり、引掻き傷のある被加工物が亀裂領域に沿って分離されることにつながる。
【００２６】
図２ｂには第２の例として、１６４０Ｈｚにて正弦波形で（調和）励振したときの曲げ固有振動形状が示されている。この場合にも、内側の分離線と外側の分離線がいずれも励起されて周期的に曲げ振動をする。
【００２７】
本発明の方法により、例えば、ハードディスクの内半径と外半径を適切な励起によって同時に固有振動させて、エッジ部を損傷させることなくガラス板から切り離すことが可能となる。
【００２８】
本発明の方法に基づく分離のために必要となる振幅は、制約条件、幾何学的データ、及び分離されるべき被加工物の材料データに依存して決まる。
【００２９】
亀裂部で作用する曲げ応力については、当該応力が最大１ｍｍ／ｓの亀裂速度で臨界未満の亀裂成長を可能にするように振動体の振動振幅を通じて調整され、それによって被加工物の表面に対してほぼ垂直に材料の分離が行われる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来技術に基づいて破断される電子記憶媒体用のガラス基板を示す断面図である。
【図２ａ】内径部を切り離すための振動モードである。
【図２ｂ】外径部を切り離すための振動モードである。
【図１】
2008506558.tif 000004
【図２Ａ】
2008506558.tif 000005
【図２Ｂ】
2008506558.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成18年6月16日(2006.6.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的に脆い非金属材料のプレート状被加工物を任意の輪郭に沿って分割する方法であって、
１．１  前記プレート状被加工物の少なくとも一方の面に切断装置によって深さＴまで輪郭に沿って分離線の引掻き傷を入れるステップを含み、
１．２  前記プレート状被加工物を励起させて分離線に沿った振動振幅を伴う曲げ振動が起こるようにし、それにより、
１．３  分離線に沿って前記プレート状被加工物を完全に分割し、
亀裂部で作用する曲げ応力は、当該応力が最大１ｍｍ／ｓの亀裂速度で臨界未満の亀裂成長を可能にするように振動体の振動振幅を通じて調整され、それによって被加工物の表面に対してほぼ垂直に材料の分離が行われることを特徴とする方法。
【請求項２】
曲げ振動は振動励起を通じて前記プレート状被加工物に印加されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記分離線の領域に振幅の最大値が生じることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記分離線の領域での周期的な引張負荷によって、前記プレート状被加工物が前記分離線に沿って分割されるまで、前記分離線が前記プレート状被加工物の表面に対して垂直な方向へと特異的に拡大していくことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
非金属材料からなる分割されるべき前記プレート状被加工物が、適切な装置にクランプ固定されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
機械的に脆い非金属材料のプレート状被加工物を任意の輪郭の分離線に沿って分割する装置であって、
６．１  クランプ固定装置と、
６．２  曲げ振動を励起する装置と、を備え、
６．３  曲げ振動を励起する前記装置は、前記分離線の領域で振動振幅が発生するように配置されて位置決めされており、それにより前記分離線の領域での周期的な引張負荷によって分離線が前記プレート状被加工物の表面に対して垂直な方向へと特異的に拡大していき、
亀裂部で作用する曲げ応力は、当該応力が最大１ｍｍ／ｓの亀裂速度で臨界未満の亀裂成長を可能にするように振動体の振動振幅を通じて調整され、それによって被加工物の表面に対してほぼ垂直に材料の分離が行われることを特徴とする装置。
【請求項７】
曲げ振動を励起する前記装置が振動発生器であることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
請求項１から５のいずれか一項に記載の方法を利用して、前記分離線が外径及び／又は内径に相当する円形の分離線とされた記憶媒体のガラス基板を分断するための方法。
【国際調査報告】
2008506558.tif 000007
2008506558.tif 000008
2008506558.tif 000009
2008506558.tif 000010
2008506558.tif 000011
2008506558.tif 000012