(57)【要約】【課題】高速割断が可能であり、しかも割断面に縞模様がなく、高い平滑性を有する高速で高品質の熱応力割断を実現するとともに、割断線の位置および割断速度を自由に制御することができるフルボディ割断方法を提供する。【解決手段】ガラス基板１１の割断予定位置を面熱源により予備加熱して帯状加熱部１２を形成して割断予定位置に熱応力による引張り応力１３、１４、１５を与えて割断直前の状態に保持し、帯状加熱部１２の割断予定位置をレーザによる局所熱源を走査方向２２に走査してレーザ加熱部１８を割断予定位置に走査して引張り応力１９を加算することにより割断予定位置に沿ってフルボディ割断する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆性材料の割断予定位置を面熱源により予備加熱して前記脆性材料の割断予定位置に熱応力による引張り応力を与えて割断直前の状態に保持し、前記予備加熱されている割断予定位置に局所熱源を走査して前記引張り応力を増加させ、前記割断予定位置に沿ってフルボディ割断することを特徴とする脆性材料のフルボディ割断方法。
【請求項２】
局所熱源の走査速度により前記フルボディ割断の速度を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割断方法。
【請求項３】
局所熱源の走査位置により前記フルボディ割断における割断線の位置を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割断方法。
【請求項４】
局所熱源の走査開始のタイミングにより前記フルボディ割断を開始するタイミングを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割断方法。
【請求項５】
脆性材料の前記割断予定位置の端部に初亀裂を形成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割断方法。
【請求項６】
面熱源が前記脆性材料の一主面上に離間して配置された遠赤外線ランプであ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割断方法。
【請求項７】
面熱源が前記脆性材料の一主面上に接触または離間して配置された帯状熱源であ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割断方法。
【請求項８】
局所熱源がレーザ光であ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割断方法。
【請求項９】
局所熱源が脆性材料の表裏面に接触させた電極間に印加した高周波電圧に基づく誘電損失によるものであ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割断方法。
【請求項１０】
局所熱源が微小熱源であ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割断方法。
【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ボディ割断する脆性材料のフルボディ割断方法に関する。以下、脆性材料としてガラスを例に説明するが、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一般に適用が可能である。
【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方法（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】
このレーザ割断方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。さらにガラス基板厚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は加熱中心（距離ｒ＝０）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。レーザ割断方法の場合には、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この亀裂先端では応力拡大が発生し、この応力による応力拡大係数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  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。レーザ光としてはＣＯ２レーザ光が使用され、ＣＯ２レーザ光のビームスポット１におけるエネルギーの９９％は、ガラス基板２の深さ３．７μｍのガラス表面層において吸収され、ガラス基板２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）の深さはガラス基板２中の熱伝導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、ガラス基板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全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基板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、透過光がガラス基板２の全板厚に対して割断６を発生させるので、ガラス基板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（あるいは全割断）と称する。
【００１１】
フルボディ割断の採用により、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ボディ割断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図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、このフルボディ割断技術に対して特許文献２〜８の提案をしている。
【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
【００１２】
また、ガラス基板の端面に亀裂創生のための傷（初亀裂）を形成した帯板に張力を持たせたニクロム線を接触させて加熱し、傷の位置からニクロム線に沿って亀裂を進行させて割断することにより割断速度を大きくした線熱源によるガラス割断技術が非特許文献１に提案されている。この線熱源によるガラス割断の原理を図３により説明する。
図３において、横軸はガラス基板の長さＬに対して規格化した長さ方向の位置ｘ、縦軸はニクロム線に通電してガラス基板を線状に加熱したときの破壊靭性値Ｋ１ｃに対して規格化した応力拡大係数Ｋ１を示す。したがって、破壊靭性値Ｋ１ｃは縦軸で１の位置にある。ガラス基板の端面に形成した傷（以下初亀裂と記す。）の応力拡大係数Ｋ１Ｓは破壊靭性値Ｋ１ｃより小さい値にある。この状態から更にニクロム線に通電してガラス基板を線状に加熱すると、応力拡大係数Ｋ１は曲線Ａより更に増大してＫ１ｓが１に達するようになり、初亀裂の位置からガラス基板の長さ方向における位置ｘ／Ｌが０．８近辺まで応力拡大係数Ｋ１が破壊靭性値Ｋ１ｃより大きくなって初亀裂から位置ｘ／Ｌが０．８近辺まで高速で一気に割断が進行する。位置ｘ／Ｌが０．８近辺を越えた部分では速度は低下するが初亀裂から位置ｘ／Ｌが０．８近辺まで高速で進行した割断の勢いで割断が進行しガラス基板の端部に達して割断が終了する。
【非特許文献１】精密工学会誌  Ｖｏｌ．６６、Ｎｏ．７、２０００年  １１３５頁〜１１３９頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１による割断はブレーク工程が必要でフルボディできないため実用性が限られていることは前述したとおりである。
特許文献２〜８に提案されているレーザによるフルボディは優れた技術であるが、割断速度がある限界値以上に増大しないという欠点がある。この割断速度が限定されていることの原因は、熱応力発生のためのレーザ光照射と亀裂拡大による割断を一プロセスとして同時に行なっていることに起因する。本来、ガラス内の亀裂拡大速度は応力の伝播速度同様、音速に近いものであるはずである。しかし、実際は、熱応力発生のためのレーザ光照射の走査速度はレーザ割断の原因となる熱応力発生のための最適レーザ光走査速度によらねばならず、フルボディの場合の最適レーザ光走査速度は、板厚０．７ｍｍの無アルカリガラスの場合には通常１０−１００ｍｍ／ｓ程度である。これはレーザ光による熱源が局所熱源であることに起因する。すなわち、脆性材料をフルボディするには熱源により発生する熱応力である引張り応力が脆性材料における抵抗力より大きくなければならないが、脆性材料における抵抗力は面積分で作用するので、局所熱源による引張り応力をこの面積分による抵抗力より大きくするには局所熱源の移動速度を小さくせざるを得ないからである。
【００１４】
一方、非特許文献１に提案されている線熱源によるガラス割断技術は割断速度を大きくすることはできるが、亀裂の進行が高速で一気に進行するため速度を制御することができないので、割断面に亀裂の進行にともなう縞模様が生じて平滑性が損なわれやすい。この傾向は亀裂の進行速度が大きいほど著しい。また、亀裂の先端を任意の位置に制御させることができないので、割断線の位置制御をすることができない。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明はこれらの従来技術の課題を解決するもので、レーザによるフルボディ割断技術における割断速度がある限界値以上に増大しないという欠点を除去して、高速な熱応力割断を実現することができるフルボディ割断方法を提供することを目的とするものである。
本発明の他の目的は、割断速度を自由に制御して、高速割断においても割断面に縞模様がなく、高い平滑性を有する熱応力割断を実現することができるフルボディ割断方法を提供することを目的とするものである。
本発明のさらに他の目的は、割断線の位置を自由に制御して、高速割断でありながら割断線の位置を自由に制御することができるフルボディ割断方法を提供することを目的とするものである。
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明は、脆性材料の割断予定位置を面熱源により予備加熱して割断予定位置を割断直前の状態に保持し、この予備加熱されている割断予定位置に局所熱源を走査して割断予定位置に沿ってフルボディ割断するものである。具体的には以下の構成が提供される。
第１の構成は、脆性材料の割断予定位置を面熱源により予備加熱して脆性材料の割断予定位置に熱応力による引張り応力を与えて割断直前の状態に保持し、この予備加熱されている割断予定位置に局所熱源を走査して引張り応力を増加させ、割断予定位置に沿って制御しながらフルボディ割断することを特徴とするものである。
第２の構成は、第１の構成において、局所熱源の走査速度によりフルボディ割断の速度を制御することを特徴とするものである。
第３の構成は、第１の構成において、局所熱源の走査位置によりフルボディ割断における割断線の位置を制御することを特徴とするものである。
第４の構成は、第１の構成において、局所熱源の走査開始のタイミングによりフルボディ割断を開始するタイミングを制御することを特徴とするものである。
第５の構成は、第１の構成において、脆性材料の割断予定位置の端部に初亀裂を形成することを特徴とするものである。
第６の構成は、第１の構成において、面熱源が脆性材料の一主面上に離間して配置された遠赤外線ランプであることを特徴とするものである。
第７の構成は、第１の構成において、面熱源が脆性材料の一主面上に接触または離間して配置された帯状熱源であることを特徴とするものである。
第８の構成は、第１の構成において、局所熱源がレーザ光であることを特徴とするものである。
第９の構成は、第１の構成において、局所熱源が脆性材料の表裏面に接触させた電極間に印加した高周波電圧に基づく誘電損失によるものであることを特徴とするものである。
第１０の構成は、第１の構成において、局所熱源がニクロム線または半田鏝による微小熱源であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、レーザによるフルボディ割断技術が有する割断面の高品質性を有しながら、レーザによるフルボディ割断に比較して割断速度を大幅に増加させることができるフルボディ熱応力割断を実現することができる。
また、高速割断においても割断面に縞模様がなく、高い平滑性を有するフルボディ熱応力割断を実現することができる。
【００１８】
本発明のメリットとして具体的には次に挙げるものがある。
（１）脆性材料のフルボディ割断を従来方法に比較して大幅に高速度で行う事ができる。
（２）脆性材料の割断がフルボディ割断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）割断位置精度が高い。  
（７）割断面がガラス表面に対して、十分に垂直である。  
（８）割断面が鏡面で、面粗さが良好である。
（９）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、ガラス基板の反転などの操作が不要である。
（１０）割断の自動化ができる。
【００１９】
このように、本発明による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】
【００２０】
本発明の第１の実施の形態による脆性材料のフルボディ割断方法は、脆性材料の割断予定位置を面熱源により予備加熱して脆性材料の割断予定位置に割断直前の状態に保持し、この予備加熱されている割断予定位置に局所熱源を走査して割断予定位置に沿ってフルボディ割断するものである。本実施の形態によれば、レーザによるフルボディ割断技術が有する割断面の高品質性を有しながら、レーザによる従来のフルボディ割断に比較して割断速度を大幅に増加させることができる。また、高速割断においても割断面に縞模様がなく、高い平滑性を有するフルボディ熱応力割断を実現することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による脆性材料のフルボディ割断方法において、局所熱源の走査速度によりフルボディ割断の速度を制御することを特徴とするものである。本実施の形態によれば、フルボディ割断の速度を局所熱源の走査速度を制御することにより自由に制御することができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による脆性材料のフルボディ割断方法において、局所熱源の走査位置によりフルボディ割断における割断線の位置を制御するものである。本実施の形態によれば、フルボディ割断の割断線の位置を局所熱源の走査位置を制御することにより自由に制御することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態による脆性材料のフルボディ割断方法において、局所熱源の走査開始のタイミングによりフルボディ割断を開始するタイミングを制御するものである。本実施の形態によれば、フルボディ割断を開始するタイミングを局所熱源の走査開始のタイミングにより自由に制御することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１の実施の形態による脆性材料のフルボディ割断方法において、脆性材料の割断予定位置の端部に初亀裂を形成するものである。本実施の形態によれば、割断を開始する位置を正確に設定することができる。
本発明の第６の実施の形態は、第１の実施の形態による脆性材料のフルボディ割断方法において、面熱源を脆性材料の一主面上に離間して配置された遠赤外線ランプで構成したものである。本実施の形態によれば、脆性材料を割断するための熱応力源を小規模で簡単かつ安価な構成で実現することができる。
本発明の第７の実施の形態は、第１の実施の形態による脆性材料のフルボディ割断方法において、面熱源を脆性材料の一主面上に接触または離間して配置された帯状熱源としたものである。本実施の形態によれば、脆性材料を割断するための熱応力源を小規模で簡単かつ安価な構成で実現することができる。
本発明の第８の実施の形態は、第１の実施の形態による脆性材料のフルボディ割断方法において、局所熱源をレーザ光としたものである。本実施の形態によれば、局所熱源の大きさ、形状、位置、温度分布などを精密に制御することができる。
本発明の第９の実施の形態は、第１の実施の形態による脆性材料のフルボディ割断方法において、局所熱源を脆性材料の表裏面に接触させた電極間に印加した高周波電圧に基づく誘電損失によるもので実現したものである。本実施の形態によれば、局所熱源の走査を高速にすることができる。
本発明の第１０の実施の形態は、第１の実施の形態による脆性材料のフルボディ割断方法において、局所熱源をニクロム線または半田鏝による微小熱源としたものである。本実施の形態によれば、局所熱源を簡単な構成で実現することができる。
【００２１】
以下図面とともに詳細に説明する。
まず本発明の原理について説明する。本発明においては、脆性材料の割断予定位置を線状熱源や帯状熱源などを利用した面熱源で予備加熱して脆性材料の割断予定位置に熱応力による引張り応力を与えて割断直前の状態に保持し、つぎに、予備加熱されている割断予定位置にレーザ光照射などによる局所熱源を移動させながら加熱する。この局所熱源による割断予定位置の加熱により割断直前の状態にあった脆性材料は割断を開始する。この様子を図４により説明する。
【００２２】
図４は、ガラス基板などの脆性材料基板を線状ないしは帯状に加熱したときの状態を示す平面図で、（ａ）は熱応力発生の状態、（ｂ）は熱応力によりガラス基板の片側が割断された状態を示す。なお、帯状とは線状の幅を大きくした状態であるので、本明細書における本発明の説明および特許請求の範囲においてはこれらを「帯状」と総称する。
図４（ａ）のようにガラス基板１１の略中央位置にニクロム線などの帯状加熱部材を接触させて帯状加熱部１２を形成すると、ガラス基板１１は帯状加熱部１２を中心に膨張しようとする力が作用し、この膨張しようとする力は帯状加熱部１２の幅方向には長さ方向に沿って引張り応力１３、１４、１５、長さ方向にはガラス基板１１の両端部において長さ方向に伸びる延伸力１６、１７としとて作用する。一方、ガラス基板１１の帯状加熱部１２の周囲における加熱されていない領域には帯状加熱部１２のような膨張しようとする力が働かないので、この加熱されていない領域は帯状加熱部１２が膨張しても膨張ができないため基板が弓状に反ろうとして引張り応力１３、１４、１５が発生するのである。図４（ｂ）のように実際割断された後は弓状に反る。この引張り応力１３、１４、１５は加熱部分の面積が過熱されていない部分の面積と同等なほどに大きいときにもっとも大きくなる。すなわち加熱部分の面積を非加熱部分の面積と同等レベルに加熱する面積加熱が望ましい。
【００２３】
帯状加熱部１２による加熱温度が十分に高くないときは、ガラス基板１１に作用する引張り応力１３、１４、１５による応力拡大係数が破壊靭性値より小さいので、ガラス基板１１は割断することはない。この状態で帯状加熱部１２による加熱温度が十分に高くなったとき、帯状加熱部１２の初亀裂１８位置での引張り応力１３、１４、１５による応力拡大係数が破壊靭性値より大きくなる。この結果、初亀裂１８より割れが進行し、ガラス基板１１は図４（ｂ）のように帯状加熱部１２に沿ってフルボディ割断される。このフルボディ割断は、通常は初亀裂１８のある方より割れるため、ガラス基板１１の片側からのみが割断される。このとき帯状加熱部１２は膨張しているのでバイメタルと同様に上下に湾曲するようにフルボディ割断する。なお、図面は強調して書いてあるが、ミクロンオーダーの変化で肉眼では実際の変形はわからない。
【００２４】
本発明においては、ガラス基板１１を図４（ａ）の状態、すなわち、ガラス基板１１に作用する引張り応力１３、１４、１５による応力拡大係数が破壊靭性値より小さい状態である加熱状態（以下この状態を予備加熱と記す）に保持して割断直前の状態に保持し、この状態で帯状加熱部１２上をレーザ光などによる局所熱源によりレーザ加熱しながら移動させて走査する。この様子を図５に示す。
図５は本発明の実施例における脆性材料基板を帯状に予備加熱した状態で局所熱源を走査したときの状態を示す平面図である。図５において、図４と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。レーザ加熱部１８による加熱は帯状加熱部１２による予備加熱に重畳され、このレーザ加熱部１８による加熱による引張り張力１９が帯状加熱部１２による引張り応力１３、１４、１５に加算されて生ずる応力拡大係数が破壊靭性値より大きくなり、ガラス基板１１はフルボディ割断される。レーザ加熱部１８はガラス基板１１の帯状加熱部１２の一端に形成された初亀裂２１から帯状加熱部１２上を矢印２２方向に走査させると、ガラス基板１１はレーザ加熱部１８の走査に追随して矢印２２方向に割断線が進行していく。すなわち、ガラス基板１１のフルボディ割断は、予備加熱における面熱源加熱とレーザ光照射による局所熱源の走査を重畳することにより行われる。
【００２５】
割断線はレーザ加熱部１８の進行方向前方に先行して進行することはない。この理由を図６により説明する。レーザ加熱部１８には熱応力による引張り応力１９の他に圧縮応力が働く。ガラス基板１１がレーザ加熱部１８により加熱されると、レーザ加熱部１８の周囲からレーザ加熱部１８に向かって圧縮応力２５、２６が作用する。この結果、割断線２７の先端２８はレーザ加熱部１８の圧縮応力２５、２６により進行が遮られてレーザ加熱部１８の進行方向後端付近２９で停止する。この結果、割断線２７の先端２８の位置はレーザ加熱部１８の位置により自由に制御することができる。また、割断線２７の先端２８はレーザ加熱部１８の移動に追随するので、割断線２７の先端２８の移動速度はレーザ加熱部１８の移動速度により自由に制御することができる。また、レーザ加熱部１８の位置により割断線２７の位置も決まるので、割断線の位置を制御できる。
【００２６】
次に、本発明の基本原理について応力拡大係数を用いてさらに詳細に説明する。図７は本発明の動作原理を応力拡大係数により説明するためのグラフである。図７（ａ）、図７（ｂ）において、横軸はガラス基板１１の長さＬに対して規格化した長さ方向の位置ｘ／Ｌ、縦軸はガラス基板１１の破壊靭性値Ｋ１ｃに対して規格化した応力拡大係数Ｋ１を示す。
図７（ａ）はガラス基板１１に帯状の予備加熱をせずにレーザ加熱部１８からのレーザビームだけをｘ／Ｌ＝０．２の位置に照射した状態の応力拡大係数Ｋ１の分布を示す。レーザビームが照射されている位置ｘ／Ｌ＝０．２においては圧縮応力が作用しており応力拡大係数Ｋ１は存在しない。
【００２７】
本発明においてはレーザ加熱部１８からのレーザビームはガラス基板１１を直接熱応力割断するために使用しておらず、割断の開始、割断の位置制御および割断の速度制御に使用するので小さなパワーでよい。したがって、ガラス基板１１の長さＬに対してほぼ全長に亘って応力拡大係数Ｋ１は破壊靭性値Ｋ１ｃより小さい。レーザビームの周囲においては応力拡大係数Ｋ１がやや大きくなり、前縁側であるｘ／Ｌ＝０．２５〜０．２７近辺３１では応力拡大係数Ｋ１が破壊靭性値Ｋ１ｃより少し大きくなっているので割断は可能である。しかし、この位置における応力拡大係数Ｋ１＞破壊靭性値Ｋ１ｃの状態を使用してガラス基板１１を割断すると割断線が曲がって進行するので現実には使用することはできない。本発明においては、レーザビームの後縁側であるｘ／Ｌ＝０．１５近辺のピーク３２を使用する。ただし、前述したように、レーザビームはガラス基板１１を直接熱応力割断するためには使用しておらず、割断の開始、割断の位置制御および割断の速度制御に使用する。
【００２８】
レーザビームをガラス基板１１の長さ方向において位置ｘ／Ｌが大きくなる方向に走査させると、レーザビームの後縁側であるｘ／Ｌ＝０．１５近辺のピーク３２もレーザビームの走査に追随してガラス基板１１のｘ／Ｌが大きくなる方向に走査される。すなわち、ピーク３２の位置はレーザビームの位置により移動するので、レーザビームのガイドによりその位置を制御することができる。したがって、後述する本発明によるガラス基板の割断線の先端位置および割段速度はレーザビームの走査位置および走査速度で制御することができる。
【００２９】
図７（ｂ）はガラス基板１１に帯状の予備加熱だけした状態を示す。前述したように、予備加熱だけした状態は割断直前の状態であるので、応力拡大係数Ｋ１は破壊靭性値Ｋ１ｃより小さいように設定されている。Ｋ１Ｓは初亀裂の応力拡大係数、３４は初亀裂の位置である。
【００３０】
本発明においては、まず。ガラス基板１１の割断予定線を囲んで予備加熱だけした状態、すなわち、図７（ｂ）で示した状態にし、これに図７（ａ）で示したレーザ加熱部１８からのレーザビームを重畳し、このレーザビームを予備加熱した位置における割断予定線に沿って走査させる。図８（ａ）は図７（ｂ）で説明した予備加熱したガラス基板１１に図７（ａ）で説明したレーザビームを重畳した状態を示す。レーザビームは図７（ａ）で説明したレーザビームの後縁側におけるピーク３２が初亀裂３３の位置３４に対応するように照射される。このときの応力拡大係数Ｋ１の曲線は図７（ａ）における応力拡大係数Ｋ１と図７（ｂ）における応力拡大係数Ｋ１が加算された曲線になる。この状態は、レーザビームの照射によりガラス基板１１の割断が開始された状態で、レーザビームの照射によりガラス基板１１の初亀裂位置３４での応力拡大係数Ｋ１はレーザビームの後縁側におけるピーク３２の位置で破壊靭性値Ｋ１ｃより大きくなって、ガラス基板１１は初亀裂３３から割断が開始される。この割断による割断線３５の先端は応力拡大係数Ｋ１が破壊靭性値Ｋ１ｃより小さくなる位置３６で停止する。この割断が停止する位置３６はレーザビームの進行方向における後縁側に対応しており、図６で説明したように割断線の先端はレーザビームの進行方向における後縁付近で停止する。
【００３１】
レーザビームをガラス基板１１のｘ／Ｌが大きくなる方向に走査させると、図８（ｂ）、図８（ｃ）、図８（ｄ）、図８（ｅ）のように割断線３５はレーザビームの位置および速度に追随して進行し、レーザビームがガラス基板１１の端部を越えると、応力拡大係数Ｋ１が破壊靭性値Ｋ１ｃより小さくなって図８（ｆ）のように割断線３５の先端は位置ｘ／Ｌが０．９付近で一旦停止する。この状態で予備加熱状態が継続していれば割断線３５はそれまでの割断の勢いが継続した惰性により速度が遅くはなるが割断は継続し、ガラス基板１１の端部、すなわち、ｘ／Ｌ＝１に達してガラス基板１１は完全にフルボディ割断される。
以下本発明の具体的実施例について説明する。
【実施例１】
【００３２】
図９は本発明の第１の実施例における脆性材料のフルボディ割断方法を実施する割断装置の概念的斜視図である。ガラス基板１１は矢印Ａ方向に移動可能なステージ４１に載置されている。ガラス基板１１の上方には遠赤外線ランプのような面熱源４３が配置されており、この面熱源４３によりガラス基板１１の割断予定線４５を含む領域を加熱して予備加熱領域４４を形成する。この予備加熱領域４４は面熱源４３とガラス基板１１が離間しているので、面熱源４３の加熱温度分布は帯状に高温となる分布形状を持たせることができ、これにより帯状加熱をすることができる。ガラス基板１１の端部における割断予定線４５の延長部には初亀裂４６が形成されている。
【００３３】
ステージ４１の当初の位置は、レーザ光源４７からレーザビーム４８がガラス基板１１の割断予定線４５上における初亀裂４６の位置を照射するような位置に設定する。この状態でレーザ光源４７からレーザビーム４８によりガラス基板１１の割断予定線４５上を照射する。レーザビーム４８の照射は局所熱源として作用する。この状態でステージ４１を矢印Ａ方向に移動させると、レーザビーム４８はガラス基板１１の割断予定線４５上を走査していき、前述した割断原理によりガラス基板１１は高速でフルボディ割断される。すなわち、ガラス基板１１のフルボディ割断は、予備加熱による面熱源加熱とレーザ光照射による局所熱源の走査を重畳することにより行われる。なお、この重畳は時間的に全く同時間でなくても面熱源加熱による温度上昇が冷却により低下する前に局所熱源の走査をしても良い。このとき割断線の先端がステージ４１の移動速度に応じて移動し、レーザビーム４８の位置により位置制御されることは前述したとおりである。なお、レーザビーム４８の走査はステージ４１の矢印Ａ方向の移動の他に、レーザ光源４７からのレーザビーム４８を走査するようにしてもよい。
レーザ光源として使用するレーザ装置からのレーザ光はガラス基板１１を直接割断するために使用されるものではないので、小さいパワーのレーザ装置でよい。具体的には、ＣＯ２レーザ、ＣＯレーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザなどが使用可能である。また、レーザビームは局所熱源の大きさや形状、温度分布等を精密に制御することができる。
【００３４】
つぎに、図９に示した実施例１の構成でガラス基板１１を割断した具体的な割断条件を説明する。ガラス基板１１として、厚み０．７ｍｍ、幅５８０ｍｍ、長さ５１０ｍｍのＹｂ添加無アルカリガラス基板を使用し、局所熱源としてのレーザ光源４７として出力１ｋＷ、波長９７６ｍｍの半導体レーザを使用し、レーザビーム４８はガラス基板１１の表面で幅０．５ｍｍ、長さ２．５ｍｍに集光した。予備加熱用の面熱源４３は長さ９５０ｍｍ、出力１ｋＷの赤外線ヒータを使用し、これをガラス基板１１の幅中央で割断位置の上方２００ｍｍの位置に設置し、室温２５度Ｃで３分間照射するとガラス基板１１の幅中央部は７０度Ｃに温度上昇した。温度分布は幅中央の割断予定位置が最も高く、形状は山型で、半値全幅は約２００ｍｍ、長さ方向には均一であり、ガラス基板１１の幅方向端部は室温とほとんど変わらなかった。このような幅の広い帯状の加熱条件が最も効果的であった。この条件では最高温度部分でも７０度Ｃと低い温度で、液晶ディスプレイ用のガラス基板などの高温に加熱できない加工物でも問題は発生しない。基板の予備加熱後に初亀裂４６を形成した端部よりレーザビーム４８を照射して割断した。割断速度は２５０ｍｍ／ｓに達し、図１０に示した従来の予備加熱を行わない条件で割断したときの割断速度は５０ｍｍ／ｓにも達していない場合に比較して５倍以上の高速化が達成されてその効果は非常に高いことがわかる。この割断速度は割断条件を調整することによりさらに高速化を図ることができる。
【００３５】
本実施例によれば、予備加熱を遠赤外線ランプにより行うことができるので、装置の構成が簡単かつ安価であり、非特許文献１のようにニクロム線などの線状熱源をガラス基板に接触させる必要もないので取り扱いが簡単であり、作業効率も良好である。
なお、ガラス基板１１は予備加熱により割断直前の状態に保持されているので、初亀裂４５が形成されていなくても局所熱源であるレーザビーム４８が十分強力であれば照射のみで自然にマイクロクラックが入っているガラス基板１１の端部より割断を開始させることができる。したがって、初亀裂４５は必ずしも必要ではない。
【実施例２】
【００３６】
図１１に、本発明の第２の実施例を示す。この実施例では局所熱源としてのレーザ装置を使用せずに、ガラス基板１１の表裏面に接触させた電極５１および５２間に電源５３から高周波電圧eを印加し、ガラス基板１１中に発生する誘電損失による発熱によってガラス基板１１の局所加熱を行なうものである。図１１において、５４はガラス基板１１の有するキャパシタンス、５５はガラス基板１１の有する誘電損失を模式的に示したものである。その他の構成および動作は図９と同一であるので説明を省略する。
図１１に示すのはある位置における断面図であるが、電極５１、５２を多数個の分割電極にし、それぞれに印加する電圧を順次変化させると、ステージ４１を移動させなくても割断線に沿った走査を簡単に行うことができる、この場合、レーザ光照射の場合よりも高速化が実現できる。
【実施例３】
【００３７】
実施例３は、局所熱源としてニクロム線や半田鏝などによる微小熱源を使用するものである。その他の構成および動作は図９と同一であるので説明を省略する。
【実施例４】
【００３８】
図１２は、予備加熱の面熱源４２として実施例１における遠赤外線ランプの代わりにニクロム線４９を使用した実施例である。ニクロム線４９は１本または複数本がガラス基板１１の裏面に接触または離間して配置されて面状熱源として作用する。その他の構成および動作は図９と同一であるので説明を省略する。
【００３９】
以上詳細に説明したように、本発明は脆性材料の割断予定位置を面熱源により予備加熱して割断予定位置を割断直前の状態に保持し、この予備加熱されている割断予定位置に局所熱源を走査して割断予定位置に沿ってフルボディ割断するものである。本発明によれば、レーザによるフルボディ割断技術が有する割断面の高品質性を有しながら、従来のレーザによるフルボディ割断に比較して割断速度を大幅に増加させることができるフルボディ熱応力割断を実現することができる。また、高速割断においても割断面に縞模様がなく、高い平滑性を有するフルボディ熱応力割断を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
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使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【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）はフルボディ割断の場合の模式図
【図３】従来の線熱源によるガラス割断の原理を説明するグラフ
【図４】本発明の実施例における割断方法を説明するための脆性材料基板を帯状に加熱したときの状態を示す平面図で、（ａ）は熱応力発生の状態、（ｂ）は熱応力によりガラス基板の片側から割断された状態
【図５】本発明の実施例における割断方法を説明するための図で、脆性材料基板を帯状に予備加熱した状態で局所熱源を走査したときの状態を示す平面図
【図６】本発明の実施例における割断方法を説明するための図で、ガラス基板を局所熱源で加熱したときの割断線の進行状況を説明する平面図
【図７】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施例における割断方法の動作原理を応力拡大係数により説明するためのグラフ
【図８】（ａ）〜（ｆ）は本発明の実施例における割断方法のプロセスを説明するためのグラフ
【図９】本発明の実施例１における脆性材料のフルボディ割断方法を実施する割断装置の概念的斜視図
【図１０】予備加熱を行わない条件で割断したときの基板幅に対する割断速度を示すグラフ
【図１１】本発明の実施例２における脆性材料のフルボディ割断方法を実施する割断装置の概念的斜視図
【図１２】本発明の実施例４における脆性材料のフルボディ割断方法を実施する割断装置の概念的斜視図
【符号の説明】
【００４２】
１  表面スクライブ用照射レーザ光    
２  ガラス基板
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  フルボディ割断用照射レーザ光
６  割断
１１  ガラス基板
１２  帯状加熱部
１３、１４、１５  引張り応力
１６、１７  膨張力
１８  初亀裂
１９  レーザ加熱部
２０  引張り張力
２２  走査方向
２５、２６  圧縮応力
２７  割断線
２８  割断線の先端
２９  レーザ加熱部の進行方向後端付近
３１  レーザビームの前縁側近辺のピーク
３２  レーザビームの後縁側のピーク
３３  初亀裂
３４  初亀裂の位置
３５  割断線
３６  応力拡大係数Ｋ１が破壊靭性値Ｋ１ｃより小さくなる位置
４１  ステージ
４３  面熱源
４４  予備加熱領域
４５  割断予定線
４６  初亀裂
４７  レーザ光源
４８  レーザビーム
４９  ニクロム線
５１、５２  電極
５３  電源
５４  ガラス基板の有するキャパシタンス
５５  ガラス基板の有する誘電損失
【図６】
2009084133.tif 000003
【図１】
2009084133.tif 000004
【図２】
2009084133.tif 000005
【図３】
2009084133.tif 000006
【図４】
2009084133.tif 000007
【図５】
2009084133.tif 000008
【図７】
2009084133.tif 000009
【図８】
2009084133.tif 000010
【図９】
2009084133.tif 000011
【図１０】
2009084133.tif 000012
【図１１】
2009084133.tif 000013
【図１２】
2009084133.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成19年10月3日(2007.10.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2009084133.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成19年10月4日(2007.10.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
本発明においては、ガラス基板１１を図４（ａ）の状態、すなわち、ガラス基板１１に作用する引張り応力１３、１４、１５による応力拡大係数が破壊靭性値より小さい状態である加熱状態（以下この状態を予備加熱と記す）に保持して割断直前の状態に保持し、この状態で帯状加熱部１２上をレーザ光などによる局所熱源によりレーザ加熱しながら移動させて走査する。この様子を図５に示す。
図５は本発明の実施例における脆性材料基板を帯状に予備加熱した状態で局所熱源を走査したときの状態を示す平面図である。図５において、図４と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。レーザ加熱部１９による加熱は帯状加熱部１２による予備加熱に重畳され、このレーザ加熱部１９による加熱による引張り張力２０が帯状加熱部１２による引張り応力１３、１４、１５に加算されて生ずる応力拡大係数が破壊靭性値より大きくなり、ガラス基板１１はフルボディ割断される。レーザ加熱部１９はガラス基板１１の帯状加熱部１２の一端に形成された初亀裂１９から帯状加熱部１２上を矢印２２方向に走査させると、ガラス基板１１はレーザ加熱部１９の走査に追随して矢印２２方向に割断線が進行していく。すなわち、ガラス基板１１のフルボディ割断は、予備加熱における面熱源加熱とレーザ光照射による局所熱源の走査を重畳することにより行われる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2009084133.tif 000016
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2009084133.tif 000017
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2009084133.tif 000018
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2009084133.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成19年10月5日(2007.10.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2009084133.tif 000020