(57)【要約】      （修正有）【課題】  ガラスなど脆性材料の厚み方向に均一な加熱、あるいは同加熱と冷却の併用によって熱応力を惹起し、脆性材料の全厚さにわたるスクライブを発生させ、同スクライブのみにより材料割断を行う高周波加熱割断方法を提供する。【解決手段】  脆性材料の両面に、断面が割断予定線に近似できる形状の高周波電極を接触させ、両電極２，３に誘電損失が電極にはさまれた領域に熱応力を発生させ、割断を行うに十分な加熱をする周波数の電圧を印加する。また一定の加熱時間後、電圧印加を停止させ、冷却液４，５で電極ならびに脆性材料を冷却し、熱応力の発生を増大させる。割断面における分離を、補助割断面やテーパ割断面を利用して容易化する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料の誘電損失に基づく高周波加熱、あるいはそれに続く冷却手段の併用によって、ガラス、石英、セラミックス、半導体などの脆性材料において熱応力に起因する亀裂（スクライブ）を発生させ、割断を行う脆性材料の割断装置ならびに方法。
【請求項２】
請求項１において、高周波電圧印加用電極の断面形状を割断予定線近似のものにしたもの。
【請求項３】
請求項１において、高周波電圧印加用電極を脆性材料の両面に接触させたもの。
【請求項４】
請求項１において、高周波電圧印加用電極にはさまれた脆性材料の等価容量と、直列結合のインダクタンスによってインピーダンス整合を行ったもの。
【請求項５】
請求項１において、電源と高周波電圧印加用電極にはさまれた脆性材料の等価容量である負荷の間に挿入した逆L字型、π型、T字型などのLC回路網によってインピーダンス整合を行ったもの。
【請求項６】
請求項１において、高周波電圧印加用電極にはさまれた脆性材料の等価容量、インピーダンス整合用インダクタンスと直列に結合したバラスト抵抗によって高周波電流の制限を行ったもの。
【請求項７】
請求項１において、高周波電圧印加用電極の断面形状を、割断予定線近似のもののほかに補助割断線を含めたもの。
【請求項８】
請求項６において、補助割断線の一端に初亀裂を設けたもの。
【請求項９】
請求項３において、割断面にテーパをつけて割断面に沿った分離を容易ならしめたもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハードディスクなどに使用されるガラス板の、熱応力割断方法及び同用装置に関する。本出願明細書ではガラスを対象とした説明を行っているが、これ以外の脆性材料一般にも適用が可能である。
【背景技術】
【０００２】
ガラス板材料は、従来はダイアモンドチップなどの超硬バイトを使用して表面層にスクライブ溝を作成し、ついで同溝に沿って機械応力を印加することによってブレークを行い割断してきた。ガラスに対するこの方法の適用は、過去１世紀以上の長期間にわたって使用されてきた方法でもある。
【０００３】
ところが、こうした機械的方法には次に述べるような欠点が存在する。第一は、割断時にカレットと呼ばれる小破片が発生し、ワーク表面を汚すことである。第二は、割断面付近にマイクロクラックが発生し、それを起点としてワークが割れる危険があることである。第三は、最小でも数百μm程度の切り代が存在し、ワークサイズが際限なく微小化していく現在、この切り代の存在が無視できなくなることである。この他にも、加工速度の限界、消耗品である工具コストなど、産業上無視できない欠点がある。
【０００４】
窓ガラスの割断などは従来技術の使用で問題ないが、エレクトロニクスで使用するファイン・ガラス割断の場合、マイクロクラック対策のために割断面を研磨し、その後洗浄を行うなどの後工程が必要とされている。
【０００５】
それに対して、最近将来性が期待されてきたレーザ割断法には次に述べるような長所があり、ダイアモンドチップ法の欠点を除去できる可能性がある。第一に、質量損失がゼロ（カレット発生なし）で、洗浄などの後工程が不要である。第二に、割断面付近にマイクロクラックなどの破壊欠陥が発生せず高強度断面が得られるので、研磨などの後工程が不要である。第三に、面粗さが１μ以下の鏡面が得られる。第四に、製品外形寸法精度が＋−２５μm以下である。第五に、ガラス板厚０．２ｍｍまでの薄さに使用でき、今後のフラットパネルディスプレィ用ガラスに使用できるとされている。
【０００６】
同方法においては、ガラス表面にＣＯ２レーザビームを照射し圧縮応力を発生させる。ついで同表面を冷却し、引っ張り応力を発生させる。初亀裂を設けておくと、ガラスの表面層に深さ約１００μｍ程度のスクライブ面が発生する。同面に沿ってブレークを行うと、上記の長所が生まれるとされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら現在までに実現されているレーザ割断は、表面層だけに作成できるスクライブと、機械応力印加によるブレークの二過程を必要とするところに性能の限界がある。このために、直線割断は可能であるが、曲線に沿った割断が困難である。曲線に沿った割断が可能になれば、ハードディスク基板の切断に応用できるなど応用途は著しく拡大される。
【０００８】
現在のレーザによるガラス割断には、ＣＯ２レーザビーム照射が使用されている。ところが、ＣＯ２レーザビームはガラス表面層だけで吸収され、ガラスの全厚さにわたって透過しない。これは、ＣＯ２レーザ波長（１０．６μｍ）におけるガラスの吸収係数が著しく大きいことによる。レーザによるスクライブ深さは通常ガラス内の熱伝導効果を含めても約１００μm程度である。
【０００９】
現在でも、材料加工に使用できる高出力レーザはＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザなどに限られており、厚さ１ｍｍ前後のガラス等脆性材料の全厚さにわたって均一に吸収されるレーザビームは存在しない。このため、表面吸収に基づく表面スクライブしか実現されていないのである。材料の全厚さに対して均一な加熱が実現できれば、全厚さにわたったスクライブが発生でき、これのみで材料が完全に割断できるのでブレークが不要になる。このようなスクライブをフルカットと呼称することにする。本発明は、フルカット実現のための技術に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では脆性材料の割断予定線に沿って、同材料の表面から裏面に至るまでの全板厚において、薄い帯状に誘電損失による高周波加熱を行う。また、加熱直後に冷却を行う。そのため、熱応力に起因する引っ張り応力によって、全板厚にわたる割断が実現できる。割断の原理はレーザ照射の場合と同一であるが、レーザが表面スクライブであるのに反し、本技術はフルカットであることに違いがある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、レーザスクライブとブレークの両工程からなる従来のレーザ・ガラス割断を、スクライブだけの一工程にすることができる。レーザによるガラス割断は、多くのすばらしい原理上の利点がありながら、いまだに過去１世紀にわたって使用されてきたダイアモンドカッター方式を置換できないで来た。本発明はそうした事態を改善する。その直接の効果として、ダイアモンドカッター方式に対する次の品質上の利点がある。
（１）    割断位置精度が高い。
（２）    割断面が鏡面で、面粗さが良好である。
（３）    割断面がガラス表面に対して、十分に垂直である。
（４）    割断面にカレットの付着がなく、清浄である。
（５）    割断の自動化ができる。
（６）    割断が高速度で行える。
（７）    研磨、洗浄などの後工程が大幅に省略できる。
【００１２】
上記のメリット以外にも、次に挙げる応用上のメリットがある。
（１）    曲線割断が可能である。これはレーザによる金属加工にも匹敵する。
（２）    複層構造板の割断が可能である。
（３）    マイクロワークの割断が可能である。
（４）    曲面ガラスの割断が可能である。
このように、熱応力による脆性材料のフルカット技術が産業界の各分野に普及すれば、加工速度、加工品質、経済性、難易度の克服などにおいて、その効果にははかり知れないものがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
ガラスなどの脆性材料の両面に電極を接触させ、両電極間に高周波電圧を印加する。脆性材料が絶縁体であるとき、両電極にはさまれた領域はコンデンサーとして機能し、そこに電力損失は発生しない。しかしながら、実際の絶縁体には誘電分極の電場変化に対する時間遅れがあるので、印加高周波に対して誘電損失Pが生じる。同損失を複素誘電率の損失係数であるtanδで規定する。
【００１４】
このために両電極間には熱発生がある。この熱発生は材料の厚み方向に均等に生じる。加熱後に冷却を行えば、熱応力に起因した脆性材料の割断（フルカット）を発生させることができる。この場合ブレークが不要であるので、電極形状を割断予定線に近似する形状にしておけば、曲線に沿った割断が可能である。
【００１５】
本発明では、高周波励起高出力レーザによる熱応力割断に比較して、エネルギー効率を約１桁高くすることができる。高周波エネルギーが直接加熱に利用でき、同エネルギーをレーザ光に変換する必要がないからである。
【実施例】
【００１６】
図１に、本特許の第一の実施例を示す。割断を行うガラスなどの脆性材料１の両面に、高周波電圧印加用の電極２，３を接触させる。同電極には、加熱終了後直ちに材料を熱伝導で冷却できるように、冷却液４，５が流れるようになっている。電極間には加熱に必要な一定時間の間、高周波電源６から電圧e（V）が印加され、電流I（A）が流れる。この加熱時間中には、冷却液は停止されている。
【００１７】
ガラスなどの絶縁体には前記した誘電損失を規定するtanδがある。両電極にはさまれた領域はコンデンサーとして機能するが、同時にこのtanδに起因する直列抵抗成分RSがある。図１で、同抵抗ならびに等価容量Ｃを７および８で示す。
【００１８】
両者は、次の関係式で与えられる。
【数１】
2007055072.tif 000003
ただし、ωは角周波数、Ｓはコンデンサー表面積（電極表面積で近似する）、ｄは同厚さ（脆性材料の厚さ）、εは材料の比誘電率、ε0は真空の誘電率である。以下の計算では現実的な数値として、Ｓ＝１ｍｍ×１０ｍｍ＝１０−５ｍ２、ｄ＝１ｍｍ＝１０−３ｍ、ε＝７．５（ソーダガラス）を採用する。
【００１９】
これらの条件下では、次の三種類の加熱用周波数に対してRSは次の値になる。
４００ｋＨｚ    ：  ６ｋΩ
１３．５６ＭＨｚ：１７６Ω
２７．１２ＭＨｚ：  ８８Ω
【００２０】
誘電損失Ｐは、
【数２】
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となる。ただしｆは周波数である。前記の条件ならびにe＝１０ｋＶに対して、Ｐは次の値になる。
４００ｋＨｚ    ：１．６７Ｗ
１３．５６ＭＨｚ：５６．６Ｗ
２７．１２ＭＨｚ：１１２．７Ｗ
我々のこれまでのレーザ照射スクライブの経験によれば、第一のケースでは割断にはエネルギー不足であるが、第二のケースでは割断が低速で可能であり、第三のケースでは十分実用レベルにあることが分かる。この場合、材料１は薄い加熱領域に沿って割断される。割断面は図中の点線であり、その位置精度は電極幅を小さくするほど向上する。
【００２１】
図１の実施例ではＣによるインピーダンスZ(＝1/ωC)がZ＝RS/tanδ=100Rsであるので誘電損失直列抵抗RSの１００倍であり、高周波電流値をRsしかない場合の１００分の１に低下させてしまう。そのため誘電損失も１０−４に低下してしまう。図２に示す実施例では誘電損失を増大させるために、直列コイル９を挿入することによってインピーダンス整合をはかっている（ωＬ＝１/ωＣ）。
このとき、
【数３】
2007055072.tif 000005
となり、４００ｋＨｚ、１ｋＶに対する誘電損失は１６７Ｗになり著しく増大したことになる。これは十分に実用レベルの数値であり、第一の実施例よりも著しく改善されている。またこれより高い周波数を採用すれば、所要の電圧はｆ−1/2に比例してさらに低下する。この考えを一般化して、逆L字型、π型、T字型などのインピーダンス整合用LC回路網を使用することもできる．
【００２２】
図３に第三の実施例を示す。この場合にはＲｓと直列にＲｓよりも十分に大きいバラスト抵抗ＲＢを挿入する。電流iはこの抵抗で制約されて低下するが動作が安定になる。ＲＢ値としては前記したＲｓより十分大きくすればよい。このとき、
【数４】
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となり、４００ｋＨｚ、７．８ｋＶ、ＲＢ＝６０ｋΩに対して１００Ｗになり、実用レベルである。
【００２３】
図４にハードディスクなど円形を切り抜く場合の割断線を示す。熱応力割断を容易ならしめるものに初亀裂１８の存在がある。亀裂先端で応力が拡大するので低い引っ張り応力に対して割断が生成しやすい。一度割断が開始すれば低い応力で割断が進行する。
【００２４】
最終的に必要な割断線は１１、１２、１３などの円形であるがこれらの割断線だけではワークは割断面の両側が密着しているので分離が困難である。力を印加して分離をはかると割断面が擦れ合って傷が発生することがある。この場合補助割断線１４，１５，１６，１７があると分離がしやすくなる。
【００２５】
図５に補助割断線を１４１，１４２，１５１，１５２，１６１，１６２，１７１，１７２のように倍加させ分離をさらに容易化させる場合を示す。
【００２６】
図６には補助割断線を使用せず、割断面１１１および１１２にテーパをつけて分離を容易化させる場合を示す。この場合には、テーパの開く方向に（図６では上方から下方に）押し出すことによって、分離することができる。ハードディスク中心の小円加工には補助割断線が使用できないので、本方法を用いればよい。
【００２７】
以上説明したのは本発明の機能を実現する若干の実施例であって、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】
【００２８】
ハードディスクや液晶ディスプレィ、プラズマディスプレィなどのフラットパネルデスプレィ、モバイルやカーナビ用表示器、光学装置用ＩＲフィルターなどに用いる平面ガラスの切断が、現在はダイアモンドカッターで行われており、切断後の洗浄工程の必要性や、マイクロクラックの存在などの問題を呈している。本発明による誘電損失による高周波加熱割断で、こうした問題を解決することができる。ICチップカバーガラスやICダグなど微小チップの加工にも、本発明は応用できる。大型ワークの場合よりも切断長が大きいので、本発明の効果は大きい。
【００２９】
自動車用のガラス部品は曲線加工が多いので、現在は機械的に直線切断の後、研磨を施している。このために、ガラス割断だけですませられる高周波加熱加工への期待は大きい。
【００３０】
このように、ガラス割断を改善する高周波加熱割断技術の出現は、現代社会に要求されている種々の課題への解決である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】脆性材料の誘電損失による高周波加熱による熱応力割断を行う本発明の第一の実施例。
【図２】本発明の第二の実施例。
【図３】本発明の第三の実施例。
【図４】曲線割断を容易ならしめる補助割断線の一例。
【図５】補助割断線の第二の例。
【図６】テーパのある割断面。
【符号の説明】
【００３２】
１      ワーク    
２      電極
３      電極
４      冷却液
５      冷却液
６      高周波電源
７      誘電損失に起因する等価直列抵抗
８      等価容量
９      インダクタンス
１０    バラスト抵抗    
１１    割断線
１１１  割断面
１１２  同
１２    割断線
１２１  割断面
１２２  同
１３    割断線
１３１  割断面
１３２  同      
１４    補助割断線
１４１  同
１４２  同
１５    同
１５１  同
１５２  同
１６    同
１６１  同
１６２  同
１７    同
１７１  同
１７２  同
１８    初亀裂
１８１  同
１８２  同
１９１  テーパ割断面
１９２  同
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2007055072.tif 000010
【図５】
2007055072.tif 000011
【図６】
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