(57)【要約】      （修正有）【課題】ガラスなどのワーク表面にレーザビームを走査しながら照射してワークに表面スクライブを実現する方法及び装置において、レーザ出力の不安定性を消去する方法及び装置を提供する【解決手段】ガラスなどのワーク１表面にレーザビームを走査しながら照射して同表面を加熱し、その背後を同じく走査しながら冷却しワーク１に表面スクライブ４を実現する際に、ワーク１表面のレーザビーム照射直位置を吹き飛ばしてノズルからの噴射気体によって清純化し、ワーク１表面のレーザビーム照射位置に存在する冷却液などの液体あるいは不純物によるＣＯ２レーザビーム吸収を防止することにより、所要レーザ出力の低減とプロセス安定化を実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ２レーザビームをガラスなどのワーク表面に走査を行いながら照射させ、同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レーザ熱応力表面スクライブ方法において、走査レーザビームの前方に設置した吹き飛ばしノズルの先端からワーク表面に吹き付けた清浄用気体によって加熱前のワーク表面上に存在する液体や不純物を吹き飛ばしワーク表面の清浄化を行うことを特徴とするもの。
【請求項２】
[請求項１]において、ＣＯ２レーザビームの断面形状を回折格子光学素子を用いて円形から熱応力スクライブに適当な長方形に変換したもの。
【請求項３】
ＣＯ２レーザビームをガラスなどのワーク表面に走査を行いながら照射させ、同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レーザ熱応力表面スクライブ装置において、走査レーザビームの前方に設置した吹き飛ばしノズルの先端からワーク表面に吹き付けた清浄用気体によって加熱前のワーク表面上に存在する液体や不純物を吹き飛ばしワーク表面の清浄化を行うことを特徴とするもの。
【請求項４】
[請求項３]において、ＣＯ２レーザビームの断面形状を回折格子光学素子を用いて円形から熱応力スクライブに適当な長方形に変換したもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は脆性材料、なかんずくフラットパネルやタッチパネル用ガラスの熱応力スクライブ方法並びに装置に関する。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、レーザビーム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業界仕様値の±２５μmを凌駕するものになる。この方法は現在、板厚が０．３３ｍｍないし１．１ｍｍのフラットパネルやタッチパネル用ガラスに用いられているが、今後はさらに広範囲の板厚ガラスに使用することが期待されている。
【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ビーム照射により、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。レーザビーム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二種類のものがある。第一は熱応力発生並びに割断がワークの全厚みにわたって発生するものでフルカットと称されるものである。第二は図３に示すように表面加熱２と表面冷却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。表面スクライブを生成したワ−クは容易に機械応力の印加によって割断することができる。この技術では、前記した加熱による熱応力発生に加えて冷却によって引っ張り応力が増大するので冷却が必要である。これらフルカットと表面スクライブの二者には一長一短があるが、現在生産現場で実用化されているのは後者であり、本特許も同技術の改良に関する。
【００１０】
このガラスのレーザビーム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。  同氏はレーザビームとしてガラスに表面吸収により表面加熱を実現するＣＯ２レーザビームを選択した。
【００１１】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
レーザビーム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。熱応力表面スクライブ法の欠点の一つは、同プロセスが多数条件に複雑に依存しこれらの条件の一つでも変化すると加工特性が変化してしまうことである。すなわち安定性に欠けるプロセスであることである。このため本技術を生産現場で使用することは容易ではない。
【００１４】
発明者は、加熱エネルギーの変動が表面スクライブの非安定性に大きく影響を与える条件であり、レーザ出力が一定であっても同出力のうちワークに吸収され同加熱に消費される割合の安定性が重要であることを実験的に確認した。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
なかでも加工中のワーク表面に冷却液などの液体や汚染物質が付着していると、これによって加熱用ＣＯ２レーザビームの一部が吸収され、せっかく安定化したレーザビームの全エネルギーが加熱に使用されない。これではエネルギーの有効利用にならないし、液体付着量が場所によって不均一であると表面スクライブの深さもばらついてしまい、場合に
よってはスクライブが入らないことがあるなどプロセスの安定性に欠けることになる。
【００１６】
加工開始前にはガラス表面が清浄であっても、同一ワークで何本かのスクライブ加工を繰り返していく場合には加熱位置に付近の前加工に用いた冷却液体が残存している場合がある。このような場合全くスクライブが入らなかったり、付着液量が不均一であればスクライブ深さがばらついてしまうことになる。したがって表面スクライブ発生の直前にワーク表面の清浄化を図り、ワーク加熱の妨げを防止することが重要である。  
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、熱応力割断の高効率化と高安定化を実現することができる。発明者は従来のＣＯ２レーザ表面スクライブにおいてレーザ出力１００Ｗを必要とする条件下で、本発明の適用によって所要レーザ出力を４０Ｗまで低下させることができ、一方安定性も大幅に改善することができた。従来までのレーザ熱応力ガラス割断は、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。
【００１８】
本発明によって実現される一般的な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。
以上に加えて、従来技術のレーザ熱応力スクライブ法に比較して次のメリットがある。１０）所要レーザ出力の大幅な低減が可能である。
１１）スクライブ特性が著しく安定化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明によるレーザ熱応力表面スクライブ方法及び装置の模式図。
【図２】ガウス型温度分布による発生熱応力分布図。
【図３】ガラスのレーザビーム照射及び冷却による表面スクライブ模式図。
【図４】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】
【００２０】
この発明を可能にする方法並びに装置の模式図を図１に示す。同図で、ガラスなどのワーク１にスクライブ方向５に沿って表面スクライブ４を初亀裂８から開始し、進行させるものである。そのために、直線状の形状にしたＣＯ2レーザビーム2によるワーク１表面の加熱領域とそれに後続する冷却ノズル７からの冷媒噴霧による冷却領域３を所要速度でワーク上を走査させて、ワーク表面にスクライブ線を進行させていくことは従来技術と同等である。
【００２１】
本発明は、レーザビームによるワーク表面加熱に先立って加熱領域から残存液体や異物を除去して清浄化することに特徴があり、この清浄化を吹き飛ばしノズル６から射出する空気などの気体によって行うのである。このため照射ＣＯ２レーザエネルギーはその全部がワーク表面に吸収されて加熱に使用される。このため熱応力発生は安定して行われる。
【実施例】
【００２２】
さて実施例について説明する。本発明は図３に示す表面スクライブに属する。したがって、図１に示すようにガラス表面上をＣＯ２レーザビーム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する。また、スクライブを開始するガラス端部には、初亀裂を設ける。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。
【００２３】
本発明の特徴は、前記したようにレーザ加熱に先立って吹き飛ばしノズルの使用によってワーク表面を清浄化することであって、同ノズルの構成を図１に示した。同ノズルはステンレスなどで作られた内径１ないし１０ｍｍφのパイプであって、大気解放先端をワーク表面上レーザビームのエッジから０．５−１０ｍｍ離した位置にワーク表面に垂直に設け、同先端から圧力０．１ないし０．５MPaの清浄用気体を噴射させてワーク表面の清浄化を行う。パイプ先端とワーク表面間の距離は約5ｍｍ程度でよい。この場合、同清浄化がない場合にレーザ出力１００Ｗでスクライブ深さ１００μｍを速度２００ｍｍ／ｓで加工出来たものが、本発明によるとレーザ出力を４０Ｗまで低下させることができた。またプロセスの安定化を大幅に改善することができた。
【００２４】
図３では加熱用レーザビームとして断面形状が小円の場合を示したが、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ビームを使用するとよい。レーザ発振器から射出されるレーザビームは、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。
【００２５】
その一つの方法を図４に示す。それは、レーザ発振器９から射出されるガウシアンレーザビーム１０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）１１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４は、この変換の様子を示す模式図である。図４中１２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１３が実現する。このラインビームとしては、幅０．１−１ｍｍ、長さ３０ｍｍ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、長さ方向の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。それによって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。
【００２６】
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。
【００２７】
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】
【００２８】
このように、ガラスの熱応力割断がフラットパネルやタッチパネル用ガラス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スクライブ技術の高度化によって、こうした問題を解決することができる。    
【符号の説明】
【００２９】
１      ワーク    
２      レーザ加熱領域
３      冷却領域
４      表面スクライブ
５      スクライブ方向
６      吹き飛ばしノズル
７      冷却ノズル
８      初亀裂
９      レーザ発振器
１０    ガウシアンレーザビーム
１１    回折格子型光学素子（ＤＯＥ）
１２    ＤＯＥ通過後のレーザビーム
１３    ラインビーム断面形状
【図１】
2012131680.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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