(57)【要約】【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に表面スクライブを実現する方法及び装置において、所要レーザ出力を低減することと薄板ワークに対する安定した表面スクライブを行うことを目的とする。【解決手段】加熱用レーザビームのエネルギー密度分布と冷却液分布を所要の熱応力スクライブ生成に最適化させることによって所要レーザ出力の低減とプロセス安定化を実現した。この実現のために前者では回折格子型光学素子を使用してスクライブ線方向の両側で対称性を持つ時間的にも空間的にも一様で過剰なエネルギー密度を避けた分布を実現した。また後者では冷却液が加熱領域の後方にスクライブ線の両側で対称性を有する分布を実現する冷却ノズルを使用した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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てワーク表面を加熱し、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ノズルを用いて冷却するガラスのレーザ熱応力表面スクライブ方法において、加熱エネルギー分布がスクライブ線の両側で対称性と表面スクライブ生成に適したエネルギー密度を有し、かつ冷却液分布もスクライブ線の両側で対称性と加熱領域後方だけに分布することを特徴としたもの。
【請求項２】
［請求項１］において、加熱用レーザとしてＣＯ２レーザを用い、同ビームの断面形状を回折格子型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】
［請求項２］において、薄板ワークに対する加熱レーザ断面形状の短辺長を０．４ｍｍ以上にしたもの。
【請求項４】
［請求項１］において、冷却ノズルとして冷却液を充填した内側管と気体噴射用の外側管から成る二重管を使用し、内側管を加熱領域の反対側に偏芯させたことを特徴としたもの。
【請求項５】
［請求項４］において、冷却ノズル端部付近を加熱領域と反対側に曲げた構造にしたもの。
【請求項６】
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てワーク表面を加熱し、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ノズルを用いて冷却するガラスのレーザ熱応力表面スクライブ装置において、加熱エネルギー分布がスクライブ線の両側で対称性と表面スクライブ生成に適したエネルギー密度を有し、かつ冷却液分布もスクライブ線の両側で対称性と加熱領域後方だけに分布することを特徴としたもの。
【請求項７】
［請求項６］において、加熱用レーザとしてＣＯ２レーザを用い、同ビームの断面形状を回折格子型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８】
［請求項７］において、薄板ワークに対する加熱レーザ断面形状の短辺長を０．４ｍｍ以上にしたもの。
【請求項９】
[請求項６］において、冷却ノズルとして冷却液を充填した内側管と気体噴射用の外側管から成る二重管を使用し、内側管を加熱領域の反対側に偏芯させたことを特徴としたもの。
【請求項１０】
［請求項９］において、冷却ノズル端部付近を加熱領域と反対側に曲げた構造にしたもの。
【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重要である。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、同プロセスが多数の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。こうした諸条件の最適化が実現されていないと、プロセス効率ならびに安定性に欠けることになる。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】
発明者は理論考察ならびに実験によって、加熱エネルギーとしての入射レーザエネルギー分布ならびに冷却のための冷却媒体分布が表面スクライブの実現と安定性に大きく影響を与える条件であり、それらの最適化を明らかにしたので同技術内容を本特許として出願する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
まず加熱用入射レーザエネルギー分布の最適化を取り上げる。大半の応用は直線状表面スクライブの実施にあるが、同スクライブを曲げないで精度よく実施するために求められ
ることは、加熱エネルギー分布がスクライブ線を中心として左右対称である事である。加熱レーザビーム幅を小さくすることよりも、この条件によってスクライブ線の直線性が保証される。
【００１６】
次に重要なことは、必要以上に高いエネルギー密度を避けることである。そしてレーザビーム照射領域の広い部分にわたって、同密度が一様であることが望まれる。これは特に板厚が０．３３ｍｍ以下の薄板ガラス板の表面スクライブ実施のための条件である。こうした薄板では、板厚方向の熱伝導の結果、ＣＯ２レ−ザ使用時でもフルカットになってしまい易い。その場合割断位置が所要位置からずれやすくなり、これは望ましいことではない。いかにフルカットになる事を避けることができるかが、薄板スクライブの成功条件なのである。特許文献１，２，３の技術では時間的に平均化したエネルギー密度は許容範囲内のものであるが、同密度の瞬時値は著しく高いものであるのでフルカットになる傾向がある。一方、特許文献４の技術ではレーザビームのドット上で同密度が高く、これもフルカットになりやすい。これらに対して本発明の回折格子型光学素子を用いた技術は、時間的にも空間的にもエネルギー密度は一様なものであり理想的である。
【００１７】
従来技術では加熱エネルギー分布の最適化を考慮するレーザビームとは対照的に、冷却効果の空間分布については最適化がはかられなかった。スクライブを実現する熱応力発生には加熱、冷却の双方が関係するので、これでは片手落ちである。発明者は冷却効果分布の最適化も実証し、本特許の対象にした。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、熱応力表面スクライブ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。
【００１９】
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】
【００２０】
【図１】(a) 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。        (b) 本発明による加熱領域、冷却領域の望ましい形状。
【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】回折格子型光学素子（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。
【図５】冷却ノズルの構造。
【図６】冷却ノズルの構造と冷却領域位置の関係。
【図７】曲げ部のある冷却ノズル。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
この発明を可能にする方法並びに装置の模式図を図１(a)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６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。
【００２２】
本発明は、ワーク表面加熱のためのレーザビームエネルギー分布を出来るだけ一様化して薄板ガラスの場合であってもフルカットに移行することを防止し、かつまたスクライブ方向が高精度で実現するようにスクライブ線を中心として左右対称にすることに特徴がある。この条件は図１(b)に示す加熱領域２で満足されている。一方加熱後の冷却についても冷却液がノズル先端の後方だけに流れこれまたスクライブ線を中心として左右対称性が守られるようにする。この条件も同図に示す冷却領域３で満足されている。このため、熱応力発生は高効率、高精度で安定して行われる。
【実施例】
【００２３】
本特許の実施例について説明する。先ず加熱用レーザビームの断面形状であるが、直線状表面スクライブ実施のためには図１のレーザ加熱領域２に示すような長方形が理想的であることが実験的に実証されている。しかも、所要の加工条件に従ってこの長方形の形状、大きさ、領域内のエネルギー分布を最適化する必要がある。スクライブ方向の高精度化のためにはスクライブ方向の両側での対称性が要求される。この形状は、後記する回折格子型光学素子の使用で実現できる。加工特性は長方形の長辺の長さにはあまり依存しないので、発明者は３０ｍｍを選定した。短辺長は厚い板厚に対しては使用光学系の回折限界値を採用したが、０．３３ｍｍの薄板に対しては前記したフルカット発生を避けるために０．４ｍｍ以上にした。この場合レーザ出力１００Ｗでも、このビーム形状でフルカットへの移行は発生しなかった。短辺方向ではガウシアン分布になっており、前記した対称性の条件も満足されている。
【００２４】
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。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。
【００２５】
次に、図１(a) (b)に示す冷却領域３について紹介する。この場合必要なことは、冷却領域が冷却ノズル後方に拡がることで、その前方、すなわちレーザ加熱領域に重なってはいけない。また、冷却領域もスクライブ線の両側に対称的に分布する必要がある。
【００２６】
冷却は、図５に示すようなステンレス製冷却ノズル外管（内径２ｍｍφ）１５の内側にステンレス製冷却ノズル内管（内径１ｍｍφ）１４が設けられている２重管冷却ノズル７において、前者に圧力０．２〜０．５MPaの空気を流し後者に冷却液である清浄水を充満させておくと、２重管冷却ノズル７の端部１６において冷却水の噴霧が発生し、それをワーク表面に吹き付けることによって冷却が行われるのである。
【００２７】
図６において左側に２重管端部１６の断面図を、右側に冷却領域（これには直接の冷却水噴射位置３の他に同飛散領域も含む）の位置を示すが、同領域がノズル後方に位置するのは(a)の場合であって、内管１４を後部に偏芯させた場合がこれに相当する。同図における冷却領域と加熱領域間の距離を１ｍｍに設定した。冷却ノズル端部とワーク表面間の距離は５ｍｍに設定した。（b）および（c）に示す場合は冷却領域の一部が加熱領域に重なり望ましいものではない。
【００２８】
２重管を偏芯させないで作製し、図７に示すように２重管端部近傍１７を後方に折り曲げることによって図６(a)に示す所要の偏芯を実現することが出来る。
【００２９】
上記の条件下で、板厚０．３３ｍｍ〜１．１ｍｍのフラットパネル用ガラスやタッチパネル用ガラスに、レーザ出力４０Ｗ,スクライブ生成速度２５０ｍｍ／秒でスクライブ深さ１００μｍ、位置精度±２５μｍ以上の表面スクライブを高安定性で作製できる。また、これらの工程後にスクライブ線に沿って機械ブレークを実行し、良質の鏡面割断面を得ることが出来る。
【００３０】
以上説明したのは本発明の機能を実現するための実施例であって、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】
【００３１】
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】
【００３２】
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      初亀裂
７      冷却ノズル
８      冷却水タンク
９      ＣＯ２レーザ
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
１４    冷却ノズル内管
１５    冷却ノズル外管
１６    冷却ノズル端部
１７    冷却ノズル曲げ部
【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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