(57)【要約】【課題】脆性材料のフルボディ熱応力割断において、割断経路が割断予定線からずれることを防止し、割断位置の高精度化を実現する。【解決手段】脆性材料のフルボディ熱応力割断において、ワーク内温度分布の最適化を図り、その結果面内せん断応力拡大係数ＫＩＩをゼロにするか十分に小さな値にすることによって割断経路の割断予定線からの逸脱を防止し、割断位置の高精度化を実現することができる。利用できるワーク内温度分布として、局所加熱位置の最適化、２点局所加熱、ならびに分布型局所加熱などがあり、制御方法としてはオープンループ型、負帰還型の２種類がある。【選択図】  図４
2009061703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆性材料のフルボディ熱応力割断において、ワークの割断予定位置における面内せん断型応力拡大係数がゼロになるか十分に小さな値になるようにワーク内温度分布を発生させて割断を進行させることを特徴とする脆性材料のフルボディ熱応力割断方法。
【請求項２】
あらかじめ理論的に算出したワーク内最適温度分布を発生させて、面内せん断型応力拡大係数がゼロになるか十分に小さな値になるようにすることを特徴とする請求項１に記載の脆性材料のフルボディ熱応力割断方法。
【請求項３】
割断経路を常時検出し、経路予定位置からのずれが最小になるようにワーク内温度分布を負帰還制御することを特徴とする請求項１に記載の脆性材料のフルボディ熱応力割断方法。
【請求項４】
ワーク内局所加熱点を割断予定位置からずらすことによって、面内せん断型応力拡大係数がゼロになるか十分に小さな値になるように制御することを特徴とする請求項１に記載の脆性材料のフルボディ熱応力割断方法。
【請求項５】
ワーク内局所加熱点を２個にして、面内せん断型応力拡大係数の和がゼロになるか十分に小さな値になるように位置制御することを特徴とする請求項１に記載の脆性材料のフルボディ熱応力割断方法。
【請求項６】
ワーク内局所加熱点を所定の領域内に分布したものにし、面内せん断型応力拡大係数の総和がゼロになるか十分に小さな値になるように制御することを特徴とする請求項１に記載の脆性材料のフルボディ熱応力割断方法。
【請求項７】
加熱領域の傾き角を制御することによって、面内せん断型応力拡大係数の総和がゼロになるか十分に小さな値になるように制御することを特徴とする請求項６に記載の脆性材料のフルボディ熱応力割断方法。
【請求項８】
脆性材料のフルボディ熱応力割断において、所定の形状と大きさを有するワークの割断予定位置における面内せん断型応力拡大係数がゼロになるか十分に小さな値になるようにワーク内温度分布を発生させて、割断の進行経路を制御することを特徴とするフルボディ熱応力割断における割断経路の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は脆性材料、なかんずくフラットパネルディスプレイ用ガラスをフルカットする熱応力割断方法およびフルボディ熱応力割断における経路制御方法に関する。以下、脆性材料のワークの一例としてガラスの場合を説明するが、本発明はガラスの他にも石英、セラミック、半導体などの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１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、レーザ光照射による熱応力割断法（以下レーザ割断方法と略記する）が使用されるようになってきた。
【０００３】
レーザ割断方法によれば、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、レーザ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±２５μm以上になる。さらにガラス板厚０．１ｍｍまでの薄さにも使用でき、今後の液晶表示器用ガラスに使用できる。
【０００５】
レーザ割断方法の原理は次の通りである。ガラスに局所的に、加熱だけが発生し、気化、溶融やクラックが発生しない程度のレーザ光照射を行なう。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が関係した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１に示す。
【０００６】
図１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の変化を示したものである。半径方向応力成分σｘは終始圧縮応力（図１では負値）であるが、接線方向応力成分σｙ後者は加熱中心部では圧縮応力であるが、加熱中心から離れると引っ張り応力（図１で正値）に変化する。
【０００７】
これらの応力のうち、割断に関係するのは引っ張り応力である。引っ張り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。レーザ割断の場合には、引張り応力をこの破壊靱性値以下に選定しておくので、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亀裂先端では応力拡大が発生し、この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、制御された割断が生じることになる。したがって、レーザ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。このレーザ割断方法では、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優れた特性を有するものである。
【０００９】
このガラスのレーザ割断方法はコンドラテンコ氏によって初めて開発され、特許文献１の日本特許が成立している。
【特許文献１】特許第３０２７７６８号  同氏はレーザ光としてＣＯ２レーザ光を選択した。図２（a）に特許文献１によるレーザ割断方法の原理を示す。ＣＯ２レーザ光のビームスポット１におけるＣＯ２レーザ光エネルギーの９９％は、ガラス板２の深さ３．７μｍのガラス表面層において吸収され、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。レーザによる割断（以下スクライブと称する）の深さは熱伝導４によって助けられても、通常１００μm程度である。しかしながら、ガラス板２は脆性が強く、このスクライブ線にあわせて応力を印加し機械的に割断することが容易である。この機械的応力の印加によって割断するプロセスをブレークと称する。レーザビームは割断方向３の方向に走査される。この方法は従来方法である機械的方法に比較すれば長所があるが、ブレークが必要であることに実用性が限られて、必ずしも普及が完全ではなかった。
【００１０】
これに対して、図２（b）に示すようなガラス板２に透過して行きその一部が吸収されるようなレーザ光５を照射すると、透過光６がガラス板２の全板厚に対して割断を発生させるので、ガラス板２はこの工程のみで割断ができてブレークが不要になる。この割断を、レーザによるフルボディ割断（あるいはフルカット）と称する。
【００１１】
フルカットの採用により、前記したレーザ割断方法の有する技術特徴に加えて、ブレークが不要になりワークの反転が不要になる、自由曲線割断が可能になる、重ねガラスの一方向からの選択的割断が可能になるなどのフルカット特有のメリットが生じ、フラットパネル製造工程において計り知れない改善が実現できるようになった。株式会社レミは、このフルカット技術に対して特許文献２〜８の提案を行なった。
【特許文献２】特開２００６−２５６９４４号公報
【特許文献３】特開２００６−３４７７９３号公報
【特許文献４】特開２００７−５５０７２号公報
【特許文献５】特開２００７−７６０７７号公報
【特許文献６】特願２００６−０８９９４９
【特許文献７】特願２００６−３１１３７９
【特許文献８】特願２００６−３４８８３６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このようにレーザによるフルカットは優れた技術であるが、前記したＣＯ２レーザによる表面スクライブに比較して、割断経路が必ずしも照射レーザ光走査軌跡と一致せず、同軌跡から外れてしまうという欠点があることが実験的に経験された。こうした現象は割断線の両側が同一の構造、すなわち左右対称構造ワークの中央線に沿って割断を行なう場合には発生し難い。しかしながら、ワーク端部近傍を割断するときには、割断経路が端部方向にずれてしまうことがよくある。この欠点を除去すれば、フルボディ割断はその有している技術優位性のために広く使用されるであろう。本発明はその欠点を除去して、熱応力割断が本来有している数々の技術優位性を実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、割断経路と照射レーザ光走査軌跡とのずれを解消するために、ワークの割断予定位置における面内せん断型応力拡大係数がゼロになるか十分に小さな値になるようにワーク内温度分布を発生させて割断を進行させるものである。
面内せん断型応力拡大係数がゼロになるか十分に小さな値になるようにワーク内温度分布を発生させるには、有限要素法によって亀裂進行が湾曲しない加熱点の最適オフセット量を演算してワーク内最適温度分布を発生させる方法や、割断経路を常時検出し、経路予定位置からのずれが最小になるようにワーク内温度分布を負帰還制御する方法を使用する。
より具体的には、ワーク内局所加熱点を割断予定位置からずらすことによって、面内せん断型応力拡大係数がゼロになるか十分に小さな値になるように制御する方法、ワーク内局所加熱点を２個にして、面内せん断型応力拡大係数の和がゼロになるか十分に小さな値になるように位置制御する方法、ワーク内局所加熱点を所定の領域内に分布したものにし、面内せん断型応力拡大係数の総和がゼロになるか十分に小さな値になるように制御する方法、加熱領域の傾き角を制御することによって、面内せん断型応力拡大係数の総和がゼロになるか十分に小さな値になるように制御する方法が使用される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、フルボディ熱応力割断の有する全て長所を実現しながら、割断経路の制御が困難であるというこれまでの欠点を除去することができる。レーザによるガラス割断は、多くのすばらしい技術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。
【００１５】
本発明のメリットに、次に挙げるものがある。
（１）フルボディ割断を従来方法に比較して大幅に高精度で行う事ができる。
（２）割断がフルカットだけの一工程ででき、ブレークが不要である。まして、研磨、洗浄などの後工程は不要である。
（３）割断面近傍におけるマイクロクラック発生がなく、ワークの機械強度が高い。
（４）割断面にカレットの付着がなく、清浄である。
（５）曲線割断が可能である。  
（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。
（８）重ねガラスの選択的割断を一方向からのレーザビーム照射でおこなうことができ、ガラス板の反転などの操作が不要である。
（９）割断の自動化ができる。
【００１６】
このように、高速度フルボディ熱応力割断がフラットパネルディスプレイ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などにおいて、その効果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】
【００１７】
割断経路が割断予定線からずれることの原因は、発生する熱応力が割断予定線と直交する方向成分を有するからである。熱応力が常に割断予定線と平行成分しか有さない場合には、割断は割断予定線上に進行するであろう。
【００１８】
脆性材料の割断を実現する熱応力分布と大きさは、現代の破壊力学では応力拡大係数という一種の物理量によって規定できる。この物理量は、割断の発生しやすさを決定する応力の大きさと分布であって、その値が材料に固有の破壊限界値を超える場合に割断が発生すると考える。この物理量には、亀裂の進行方向成分のＫＩ、それと直交方向成分のＫＩＩ、ならびにねじれ方向成分のＫＩＩＩの３種類がある。それぞれを開口型応力拡大係数、面内せん断型応力拡大係数、面外せん断型応力拡大係数と称する。これらの物理量は、応力発生の原因となる温度分布やワーク形状ならびに大きさ、さらにワーク中における亀裂先端位置が決まると決定される。
【００１９】
本発明が扱うフルボディ割断では応力分布はワークの厚み方向では一定であると考えられるので、ＫＩ及びＫＩＩのみを考察すればよい。これらの値を制御するために自由に選択できるのは、熱応力を発生させる温度分布だけである。経路が曲がるのは、面内応力拡大係数ＫＩＩがゼロでない場合である。したがって面内応力拡大係数ＫＩＩがゼロになるか、十分に小さな値になるようにする温度分布を実現して、経路が予定線からずれることを防止する。
【００２０】
割断経路のずれは、割断予定線がワーク端部に近ければ近いほど顕著である。このことは、実験結果としても経験されている。しかしながら実験結果は高度に有限要素法の計算結果に一致するので、以下の説明はすべて理論展開が容易な有限要素法を用いたものにする。
【００２１】
ワーク端部割断の一例として、図３に示す場合を取り上げる。すなわち、幅４００ｍｍ、長さ３００ｍｍのワーク端から５ｍｍの位置で端に平行に直径３ｍｍ、加熱エネルギー板厚１ｍｍあたり３０Ｗの熱源を速度１５ｍｍ／ｓで走査し、位置１５０ｍｍに達したとする。図４に、亀裂が熱源走査線上にある場合の亀裂先端における有限要素法による応力拡大係数を、熱源中心と亀裂先端間の距離の関数として示す。図４において、面内せん断応力拡大係数ＫＩＩがゼロでなく正値になるので、亀裂は実験結果通りにワーク端部側に湾曲する。
【００２２】
熱応力発生はレーザ光照射、誘電加熱、その他の方法で行なうことができる。必要条件としては、フルボディ割断のために板厚を貫通する熱源であること、引っ張り応力を増大させる分布であること、高位置精度実現のための最適化条件の満足などが要求される。亀裂拡大出発の低閾値化のためには初亀裂を用意しておくことが必要である。これらについて、以下に説明する。
【００２３】
加熱をレーザ光照射で行なうことができる。レーザ光としては、ガラス内部に透過して行きかつ吸収されて、フルカットを発生させることが前提である。このためには使用できるレーザとしては、たとえば、特許文献２に記述されたＥｒ：ＹＡＧレーザもしくはＨｏ：ＹＡＧレーザ、または、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザおよびＮｄ：ＹＬＦレーザのいずれかから選択されたレーザが発振するレーザ光の高調波がある。また、特許文献２および特許文献３に記述された希土類元素を添加したガラスに使用できるレーザダイオードや希土類固体レーザ、特許文献５に記述された光パラメトリック発振器および混晶半導体レーザなどがある。
【実施例１】
【００２４】
図５に、本発明の第１の実施例を説明するための有限要素法の一解析例を示す。図５は図３と割断経路は同一であるが、加熱点はワーク端部から６ｍｍの距離にある。図５において、面内応力拡大係数ＫＩＩはある亀裂先端位置（図５では約１４７ｍｍ）においてゼロになる。この場合、亀裂進行方向は亀裂に平行であって湾曲しない。
【００２５】
亀裂進行が湾曲しない加熱点の最適オフセット量は、亀裂先端位置の関数として与えられ、有限要素法によって演算することができる。図６に、有限要素法によって演算して得られた亀裂進行が湾曲しない加熱点の最適オフセット量を加熱位置の関数として示す。この例に示すように、加熱点を最適量だけオフセットすることによって割断経路を割断予定線と一致させることができる。
【００２６】
この最適オフセット量の実現は、最適オフセット量を有限要素法によって事前に計算し、オープンループ制御で行なってもいいし、最適オフセットによって所要の成果が実現できることが理論的に解明されているので、事前に計算をすることなく、亀裂進行のずれ量を常時検出し、このずれ量がゼロになるように加熱点位置を負帰還制御してもいい。こうした制御方式については、以下のいずれの実施例の場合も同様である。
【実施例２】
【００２７】
加熱点中心を割断予定線からずらす方法以外にも、割断線を直線に保つ方法がある。以下、熱源が進行方向の中央１５０ｍｍまで移動したときに限定して議論する。加熱点をワーク端から５−８ｍｍに変化させ、亀裂先端が端から５ｍｍ、加熱点中心から７ｍｍ後方にある場合の、ＫＩおよびＫＩＩを示したのが図７である。
【００２８】
図７において、Ａ点は割断予定線上を加熱点が移動した場合で、前述のように大きなＫＩＩの値になっている。Ｂ点ではＫＩＩ値はゼロになる。加熱点をさらにずらすとＫＩＩ値は負値になるので、たとえばＣ点に加熱点を置くことでＡ点にある加熱点による正のＫＩＩ値を打ち消すことができる。図８は、５ｍｍの位置に板厚１ｍｍ当たり８．７Ｗの熱源を、７ｍｍの位置に板厚１ｍｍ当たり２１．３Ｗの熱源を配置して１５ｍｍ／ｓで走査させた場合の応力拡大係数の分布を示す。ＫＩが正値を示す範囲で、ＫＩＩがほぼゼロになっている。このように加熱点を２個にし、第２点位置の最適オフセットを行なうことによって、亀裂進行の湾曲性を防止することができる。この方法が本発明の第２の実施例である。
【実施例３】
【００２９】
点加熱による熱応力解析から、図７と同様の応力拡大係数の変化が得られたとすると、図７中のハッチングした面積の総和がゼロになるように加熱領域を広げることでＫＩＩをゼロにできる。また、図４及び図５から明らかなように、ＫＩＩは亀裂先端と加熱点間の距離にあまり影響されずほぼ一定であるので、図９に示すように加熱領域の上端が同じ位置にあれば、どのように傾いていても同じ効果を示すと考えられる。図１０は幅１ｍｍの長方形加熱領域に対する計算結果である。
【００３０】
加熱点が進行方向のどの位置まで移動した状態かでも応力拡大係数の分布は変化する。たとえば、加熱点が２０ｍｍまで移動した場合、１×４ｍｍ２の長方形加熱領域を用いるとすれば、２０°傾ければよい。割断位置に応じてこの傾き角を連続的に変化させることで、全長にわたって割断経路を制御することができる。図１１はこの原理の説明図である。本方法が本発明の第３の実施例である。
【００３１】
以上の説明は、フルボディ熱応力割断が直線状に行なわれる場合について説明を行なった。しかしながら本発明は直線加工に限定されず、一般の曲線加工にも使用することができる。
【００３２】
以上説明したのは本発明の機能を実現するための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】
【００３３】
液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどのフラットパネルディスプレイに用いるガラスの切断が、現在はダイアモンドカッターで行われており、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強度低下などの問題を呈している。本発明によるフルボディ熱応力割断は、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどのフラットパネルディスプレイに用いるガラスの割断、石英、セラミック、半導体などの各種の脆性材料の割断に適用することによりこうした問題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】レーザ割断方法の熱応力発生原理を説明するための、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における半径方向応力成分σｘと接線方向応力成分σｙの変化を示す特性図
【図２】従来のガラスのレーザ割断方法を説明する概念的斜視図で、（ａ）は表面スクライブ、（ｂ）はフルカットの場合の模式図
【図３】本発明の実施例における有限要素法解析を行ったガラス板形状と亀裂進行状態を示す平面図
【図４】本発明の第１の実施例を説明するための、加熱点がワーク端から５ｍｍの場合における亀裂先端における応力拡大係数の有限要素法による解析結果を示す特性図
【図５】本発明の第１の実施例を説明するための、加熱点がワーク端から６ｍｍの場合における亀裂先端における応力拡大係数の有限要素法による解析結果を示す特性図
【図６】本発明の第１の実施例を説明するための、割断経路を直線にするための加熱点位置を説明する特性図
【図７】本発明の第２の実施例を説明するための、加熱点位置に対する応力拡大係数の変化を示す特性図
【図８】本発明の第２の実施例を説明するための、２点加熱による応力拡大係数の変化を示す特性図
【図９】本発明の第３の実施例を説明するための、長方形領域加熱による熱応力割断方法を説明する概念図
【図１０】本発明の第３の実施例を説明するための、加熱点位置が１５０ｍｍにおける長方形領域加熱による応力拡大係数の変化を示す特性図
【図１１】本発明の第３の実施例を説明するための、加熱点位置が２０ｍｍにおける長方形領域加熱による応力拡大係数の変化を示す特性図
【符号の説明】
【００３５】
１  表面スクライブ用照射レーザ光    
２  ガラス板
３  照射レーザ光の走査方向
４  発生熱の熱伝導による伝播
５  フルカット用照射レーザ光
６  透過レーザ光吸収による熱源
【図１】
2009061703.tif 000003
【図２】
2009061703.tif 000004
【図３】
2009061703.tif 000005
【図４】
2009061703.tif 000006
【図５】
2009061703.tif 000007
【図６】
2009061703.tif 000008
【図７】
2009061703.tif 000009
【図８】
2009061703.tif 000010
【図９】
2009061703.tif 000011
【図１０】
2009061703.tif 000012
【図１１】
2009061703.tif 000013