脆性材料割断装置および脆性材料割断方法
【課題】熱応力の分布を適正化することにより、割断面が割断予定線から外れることなく、良好な割断面を得られるような脆性材料割断装置および脆性材料割断方法を提供する。
【解決手段】
脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断装置であって、割断予定線に沿って幅広く形成される弱加熱領域を形成する第１レーザビーム照射手段と、割断予定線上に弱加熱領域よりも強く加熱される強加熱領域を形成する第２レーザビーム照射手段と、割断予定線上の位置に冷媒を噴射して局所的に冷却する冷却手段とを備え、冷却手段は、脆性材料の移動に伴い弱加熱領域による加熱と強加熱領域による加熱とが重ね合わされて形成される重層加熱領域を冷却する。
【解決手段】
脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断装置であって、割断予定線に沿って幅広く形成される弱加熱領域を形成する第１レーザビーム照射手段と、割断予定線上に弱加熱領域よりも強く加熱される強加熱領域を形成する第２レーザビーム照射手段と、割断予定線上の位置に冷媒を噴射して局所的に冷却する冷却手段とを備え、冷却手段は、脆性材料の移動に伴い弱加熱領域による加熱と強加熱領域による加熱とが重ね合わされて形成される重層加熱領域を冷却する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は脆性材料の割断技術に関し、特に、レーザを利用した脆性材料割断装置および脆性材料割断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラスを割断する方法としては、従来、ダイヤモンド等を刃先に使用したガラスカッターにより、ガラスの表面にけがき線を入れ、そのけがき線に沿って分割する方法がある。このようなガラスカッターによって切断されたガラスには、ガラスに形成される微細な亀裂であるマイクロクラックが発生しやすいので、加工後のガラスは曲げ強度等が弱くなる傾向がある。しかし、近年においては、ガラスカッターでけがき線を入れる方法に代わって、レーザを用いてガラスの表面に亀裂溝を形成する方法が実現されている。その方法はレーザスクライブ法と呼ばれる。レーザスクライブ法によって加工されたガラスには、加工時の切削小片であるカレットが発生しないことから、ガラスの割断面にマイクロクラックが形成されない。そのため、レーザスクライブ法によって加工されたガラスの方が曲げ強度等が遙かに強いなどの利点がある。
【０００３】
レーザスクライブ法においては主にＣＯ２レーザが用いられ、レーザスクライブ法によって、ブラインドクラックという浅い亀裂溝をガラスの表面に形成することができる。レーザスクライブ法を用いたスクライブ工程を経ると、浅い亀裂溝は得られるが、その亀裂溝はガラスの表面に深さ０．１ｍｍ程度しか形成されない。つまり、レーザスクライブ法だけでは、ガラスを完全に分割することはできないため、ブレイクという後工程が行われるのが通常である。従って、従来技術としてのレーザスクライブ法は、ガラスを分断するために、前工程としてのスクライブと、後行程としてのブレイクという２つの工程が併用されている。
【０００４】
このような従来技術に対して、レーザを利用することで、ガラス表面に亀裂溝を形成するのではなく、ガラスを厚さ方向に完全に分離加工する技術の開発も行われている。この技術はフルカット技術と呼ばれており、フルカット技術を用いると、ブレイク工程無しでガラスを分割できるという利点がある。しかし、今までのフルカット技術にはいくつかの欠点もあり、工業的な利用という観点からは現実化に向けていくつかの課題があった。
【０００５】
上述したような、レーザスクライブの技術、あるいはレーザによるフルカット技術については、いくつかの技術が開示されている。例えば、レーザスクライブ法については特許文献１、２、３が、フルカット技術については特許文献４および５がある。
【０００６】
特許文献１は、レーザスクライブ法について示されている。特許文献１においては、フルボディ割断技術、すなわちレーザでガラスを分離分割する技術にはいくつかの欠点があるので、スクライブ技術の方が優れているとの主張がなされており、フルカットの実効性には否定的な立場を示している。
【０００７】
特許文献２は、レーザビームをガラス基板上に照射し、ガラス基板の走査方向に沿ってＹ軸方向に長くなった楕円形状のレーザスポットＬＳ１と、Ｘ軸方向に沿って長くなった楕円形状のレーザスポットＬＳ２とを、予め設定された所定の距離だけ離れて形成することが記されている。しかし、特許文献２に記載の発明の目的もガラスを分離分割することを目的としてものでは全くなく、あくまでも安定したレーザスクライブを行うことを目的としている。
【０００８】
特許文献３には、ガラス板に照射したレーザビームがガラス板を繰返し往復することによってガラス板に局部的に熱応力を生じるようにしたことを特徴とするレーザによるガラス切断方法が示されている。このガラス切断方法は、局所的な熱応力を得るために、１つのレーザビームのみを使い、そのレーザビームがガラスの内部で焦点を結ぶような光学系を用いている。
【０００９】
特許文献４には、紫外線レーザと赤外線レーザとを利用して基板を分割するフルカットレーザ切断方法が開示されている。この方法は、特許文献４の明細書の第００２３段落に記してあるように、紫外線レーザによって基板の表面にくさび状断面の空間を形成する。つまり、加工時に破片が発生する加工方法であるので、基板断面の品質を高品位に保つことができない。
【００１０】
特許文献５には、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、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るフルボディ割断方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３０２７７６８号
【特許文献２】国際特許出願ＷＯ−０３／００８１６８ Ａ１
【特許文献３】特開２００７−２６１９１５号公報
【特許文献４】特開２００６−１７５４８７号公報
【特許文献５】特開２００９−８４１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述したように、ガラスを分割する目的のために、レーザスクライブ法を用いると、後行程としてブレイク工程が必須になるので、レーザスクライブ法だけではガラスを完全に分断することができない。一方において、従来技術としてのフルカット技術を用いると、特許文献４に記載されているように割断面の面精度が劣ったりしていた。
【００１３】
そこで、発明者らは、フルカット技術の実用化を目指して技術開発を行った。その技術開発を行う中で、次のような課題が明らかになった。すなわち、板厚が２．０ｍｍを超えるような厚いガラスのフルカットを試みると、特許文献５に記載の技術を応用しても割断不良が多発した。具体的には、厚いガラスをフルカットしようとすると、割断の開始点側、すなわち初亀裂の位置から亀裂が一気に破裂するように走ってしまい、割断予定線の上を外れて割断面が形成されてしまうのである。この現象が発生すると割断の直線性精度が著しく劣化する。つまり、ガラスを真っ直ぐに切れないので、このような加工不良が発生する割断方法では工業的に利用することができなかった。この問題はガラスの板厚が１ｍｍ以下と薄い場合には見られないが、厚い場合に特に顕著になる。ガラスの種類や熱膨張率にも依存するが、ソーダガラスの場合では特に２．０ｍｍを超える厚さになると、割断予定線から外れる現象が見られた。
【００１４】
本発明はこのような課題を解決するために、熱応力の分布を適正化することにより、割断面が割断予定線から外れることなく、良好な割断面を得られるような脆性材料割断装置および脆性材料割断方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明による脆性材料割断装置は、脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断装置であって、割断予定線上に幅広く形成される弱加熱領域を形成する第１レーザビーム照射手段と、割断予定線上に前記弱加熱領域よりも狭い幅で、弱加熱領域よりも強く加熱される強加熱領域を形成する第２レーザビーム照射手段と、割断予定線上の位置に冷媒を噴射して局所的に冷却する冷却手段とを備え、この冷却手段が脆性材料との相対移動に伴い弱加熱領域による加熱と強加熱領域による加熱とが重ね合わされて形成される重層加熱領域を冷却するものである。
上記構成によれば、脆性材料上に別々に形成される弱加熱領域と強加熱領域とが、脆性材料の移動に伴って２つの領域が重ね合わされて重層加熱領域が形成され、その重層加熱領域を冷却手段から冷媒を噴射して冷却するので、弱加熱領域と強加熱領域とを同時に局所的に冷却することができる。その結果、割断予定線上にある強加熱領域では、弱加熱領域よりも強く加熱されているので、強く加熱されている部分を冷却することで脆性材料内部に強い引張り応力が発生する。局所的に冷却される位置の相対的な移動に伴って、割断予定線の端部位置に形成された初亀裂を割断予定線上に亀裂を伸展させることができる。
また、同時に、強加熱領域よりも弱く加熱される弱加熱領域も、弱く加熱されている部分を冷却することで脆性材料内部に弱い引張り応力が発生する。弱加熱領域は、強加熱領域と重ね合わされて形成されるので、弱加熱領域も強加熱領域と同時に冷却され、割断予定線に沿って、幅広く弱い引張り応力を発生する。弱加熱領域を冷却することで発生する弱い引張り応力により、割断予定線上に伸展された亀裂は、脆性材料の厚さ方向に深く伸展し、脆性材料を厚さ方向に分断することができる。
【００１６】
また、第１レーザビーム照射手段によって照射される第１レーザビームは、脆性材料を前記第１レーザビームが透過するのに伴って、前記第１レーザビームの一部が前記脆性材料に吸収され、かつ、前記第１レーザビームの一部が前記脆性材料を透過するレーザビームである。
上記構成によれば、第１レーザビームが脆性材料に照射されることで、弱加熱領域においては脆性材料の表面から裏面までの全厚さ方向に対して加熱される領域が形成される。
【００１７】
また、第１レーザビーム照射手段によって照射される第１レーザビームは、近赤外線の波長を発生するレーザ発振器から供給され、第２レーザビーム照射手段によって照射される第２レーザビームはＣＯ２レーザ発振器から供給される。
上記構成によれば、近赤外線の波長の第１レーザビームを光ファイバーを使って導光し脆性材料の表面に照射することができる。また、第２レーザビームはＣＯ２レーザビームであるので、脆性材料の表面に強加熱領域を効率よく形成することができる。
【００１８】
また、第１レーザビーム照射手段により供給されて弱加熱領域に照射される第１レーザビームのレーザパワーは、第２レーザビーム照射手段で供給される強加熱領域に照射される第２レーザビームのレーザパワーよりも大きくしたものである。
上記構成によれば、弱加熱領域に大きなパワーが供給され、亀裂を脆性材料の厚さ方向に深く伸展させるのに十分な熱エネルギーを供給することができる。
【００１９】
また、弱加熱領域に照射されるレーザの脆性材料上でのレーザパワー密度は、強加熱領域に照射されるレーザの脆性材料上でのレーザパワー密度よりも少なくしたものである。
上記構成によれば、弱加熱領域には、強加熱領域よりも少ないレーザパワー密度のビームが照射されるので、脆性材料の表面が溶解することなく、良好な割断面の面品質を保ちつつ熱エネルギーを供給することができる。
【００２０】
また、第１レーザビーム照射手段によって照射される第１レーザビームの一部分が、第２レーザビーム照射手段によって照射される第２レーザビームと重なり、脆性材料を第１レーザビームおよび第２レーザビームで同時に加熱する領域があるようにしたものである。
上記構成によれば、第１レーザビームによる加熱領域と第２レーザビームによる加熱領域とが重なり、加熱領域の割断予定線に沿った方向の距離が短くできるので、脆性材料の割断の開始端側において、加熱してから冷却が開始されるまでの時間が短くなる。その結果、脆性材料の割断の開始端側で、加熱だけが先行して行われている時間が短くなり、割断の開始側で亀裂が急速に発生することなく、割断予定線に沿った割断を行うことができる。
【００２１】
また、本発明による脆性材料割断装置は、脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断装置であって、割断予定線に沿って脆性材料に形成される加熱部分を生成するレーザビームを照射するレーザビーム照射手段と、割断予定線に沿って加熱部分の後方の位置で脆性材料を冷却する冷却手段とを有し、レーザビーム照射手段は、加熱部分にて割断予定線に沿って帯状で加熱の弱い領域を形成する第１レーザビームを照射する第１レーザビーム照射部と、加熱部分にて割断予定線に沿った方向が直角方向よりも細長い形状で加熱の強い領域を形成する第２レーザビームを照射する第２レーザビーム照射部とを含み、第１レーザビームは脆性材料の内部まで浸透して吸収される波長のレーザビームであり、第２レーザビームは前記脆性材料の表面で吸収される波長のレーザビームであるものである。
上記構成によれば、第１レーザビームが脆性材料の内部まで浸透して吸収されるので、脆性材料の板厚が厚くなっても、脆性材料の表面から裏面に至るまで脆性材料の内部の加熱が行われ、割断面を深く伸展させるための熱エネルギーを脆性材料に与えることができる。
【００２２】
また、第１レーザビーム照射部は、脆性材料を透過した第１レーザビームを脆性材料の裏面から脆性材料に向けて少なくとも１回反射させる反射手段を備えているものである。
上記構成によれば、脆性材料の内部で吸収されずに透過したレーザビームを、少なくとも１回、脆性材料内部に入射できるので、吸収効率を高めることができる。
【００２３】
また、第１レーザビーム照射部は、脆性材料の表裏を挟んで第１レーザビームを２回以上反射させる多重反射手段を備えているものである。
上記構成によれば、脆性材料の内部で吸収されずに透過したレーザビームを、脆性材料内部に多重に入射できるので、第１レーザビームの吸収効率をより高めることができる。
【００２４】
また、第１レーザビーム照射部は、第１レーザビームを導く光ファイバーを備えている。
上記構成によれば、柔軟に設置できる光ファイバーを使用するので、部品配置の制約を少なくして第１レーザビームを脆性材料上に導いて照射することができる。
【００２５】
また、本発明による脆性材料割断方法は、脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断方法であって、割断予定線に沿って脆性材料の内部まで浸透して吸収される波長のレーザビームにより帯状で加熱の弱い領域を形成する第１レーザビームを照射する工程と、第１レーザビームの後方に、脆性材料の表面で吸収される波長のレーザビームにより割断予定線に沿った方向が直角方向よりも細長い形状で加熱の強い領域を形成する第２レーザビームを照射する工程と、加熱の弱い領域および加熱の強い領域の後方の位置で脆性材料を冷却する工程を含むものである。
上記構成によれば、第１レーザビームが脆性材料の内部まで浸透して吸収されるので、脆性材料の板厚が厚くなっても、脆性材料の表面から裏面に至るまで脆性材料の内部の加熱が行われ、割断面を深く伸展させるための熱エネルギーを脆性材料に与えることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、熱応力の分布を適正化することにより、割断面が割断予定線から外れることなく、良好な割断面を得られるような脆性材料割断装置および脆性材料割断方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例１に係る脆性材料割断装置の概略図
【図２】本発明の実施例１に係る脆性材料割断装置を用いて、割断している最中のガラスの様子を模式的に示した斜視図
【図３】本発明の実施例を説明するための、ガラスに対して半透過性を示すレーザビームをガラスに照射した場合の熱吸収の様子を模式的に示した断面図
【図４】本発明の実施例を説明するための、割断している最中のガラス内部の熱分布の様子を、割断予定線に沿って表したガラスの断面模式図
【図５】本発明の実施例を説明するための、ガラスを割断する場合に発生しやすい割断不良の様子を示した外観図
【図６】本発明の実施例におけるガラスのフルカット加工が開始されるタイミングで、その時間の経過を示す概念図で、（ａ）（ｂ）（ｃ）は時間順に並べて示した図
【図７】本発明の実施例を説明するための、ガラスを加熱する領域が割断予定線に沿って長い場合と短い場合との相違点を表す図で、（ａ）はガラスを加熱する領域が割断予定線に沿って長い場合、（ｂ）はガラスを加熱する領域が割断予定線に沿って短い場合を示す概念図
【図８】本発明の実施例２に係る光ファイバーを備えた脆性材料割断装置の主要部を示す斜視図
【図９】本発明の実施例３に係るビーム反射部材を備えた脆性材料割断装置の主要部を示す斜視図
【図１０】本発明の実施例４に係るビーム多重反射部材を備えた脆性材料割断装置の主要部を示す斜視図
【図１１】本発明の実施例におけるガラス割断装置によって割断した２．８ｍｍｔのソーダガラスの赤外波長透過特性を示す図
【図１２】薄い青色のソーダガラスの分光透過率特性を示す図
【図１３】赤外線吸収の用途に使われる緑色のガラスの分光透過率特性を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明においては、熱応力の分布を適正化するために、脆性材料に想定された割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から割断予定線に沿って加熱した後冷却し、加熱および冷却する位置を脆性材料に対して相対的に移動させる構成において、割断予定線に沿って幅広く形成される弱加熱領域を形成する第１レーザビーム照射手段と、割断予定線上に弱加熱領域よりも強く加熱される強加熱領域を形成する第２レーザビーム照射手段と、割断予定線上の位置に冷媒を噴射して局所的に冷却する冷却手段とを備え、冷却手段が脆性材料の移動に伴い弱加熱領域による加熱と強加熱領域による加熱とが重ね合わされて形成される重層加熱領域を冷却する。
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明では脆性材料としてガラス基板を例に説明する。
【実施例１】
【００２９】
図１は、本発明の実施例１に係る脆性材料割断装置の概略図を示す図である。ガラス基板１１は可動式テーブル３２上に載置され、可動式テーブル３２はＸ−Ｙ駆動装置によりＸ−Ｙ平面内を前後左右に移動する。図においては、ガラスの移動方向であるＹ軸駆動用のサーボモータ３３とシャフト軸３４のみが示されており、Ｘ軸駆動系は図示省略されている。
【００３０】
ガラスを加熱するためのレーザ発振器は、本実施例においては半導体レーザ５０とＣＯ２レーザ２５の２台が用いられている。この半導体レーザ５０は、数１０Ｗの出力のＬＤモジュールを数１０個程度用いて、個々のＬＤモジュールのビーム出力面を揃えてスタック状に組み上げた大出力が得られる半導体レーザ発振器である。本実施例においては平行ビームにコリメートされた状態で、最大１ｋＷのレーザパワーが得られる。発振波長はλ＝９７６ｎｍである。なお、半導体レーザから出力されるレーザビームを、以下ＬＤビーム（ＬＤ：laser Diode）と表記する。
半導体レーザ５０から出射されるＬＤビーム５２は、反射鏡５４により鉛直下方に反射され、凹レンズ５６を通して所定のビーム径になるように整形される。凹レンズ５６を通過したＬＤビーム５２は、そのままガラス基板１１の表面に照射される。その結果、ＬＤビーム５２によって、ガラス基板１１上に第１レーザビームによる照射領域が形成される。
【００３１】
一方、ＣＯ２レーザ２５から出射されるレーザビーム２６は、ビームエキスパンダ２７を経由した後、反射鏡２８により鉛直下方に反射される。ＣＯ２レーザ２５は、ガス封じ切り型で、最大出力１００Ｗが得られるＣＯ２レーザ発振器である。ビーム径φ４ｍｍのレーザビーム２６が、ビームエキスパンダ２７を通過することでビーム径が約４倍に拡大されφ１６ｍｍのビームとなる。拡大されたビームは、ビーム整形手段８０を通過することで、細長いビームに整形され、ガラス基板１１上で第２のレーザビームによる照射領域を形成する。
【００３２】
ビーム整形手段８０としては、具体的に回折光学素子（ＤＯＥ）あるいはシリンドリカルレンズのような光学部品を利用できるが、本実施例においては、矩形アパーチャとシリンドリカルレンズとを組み合わせて用いている。また、本実施例においては、第１レーザビームによる照射領域と、第２レーザビームによる照射領域とがガラス基板１１の表面で一部分が重なるようなビーム伝送方式になっている。
【００３３】
第２のレーザビームによる照射領域の後方には、冷却装置３０が設置される。冷却装置３０としては、２筒管式の冷却ノズルを使用し、内円筒管から水を、外円筒管から空気を噴射させる。水と空気の混合媒体がガラス基板１１に向かって噴射されることにより、ガラス基板１１上に冷却点が形成される。
【００３４】
第１のレーザビームの照射領域の前方には、初亀裂形成装置３１が設けられる。初亀裂形成装置３１は、下端部にダイアモンドカッタを備え、そのダイアモンドカッタを上下する上下機構を有している。上下機構とＹ軸駆動用のサーボモータ３３との連動により、ガラス基板１１の端部に初亀裂を形成することができる。
【００３５】
本実施例においては、割断予定線に沿って、ガラス基板１１上の第１レーザビームによる照射領域と、第２レーザビームによる照射領域と、冷却装置３０により形成される冷却点とが一直線上に並ぶように配置される。ガラス基板１１上の第１レーザビームによる照射領域と、第２レーザビームによる照射領域と、冷却装置３０により形成される冷却点とを一直線上に並べることにより、ガラス基板１１がＹ軸方向に移動するのに伴って、ガラス基板１１の割断予定線上では、割断予定線を中心として、左右均等バランス良く熱応力を発生させることができる。
【００３６】
次に図２を用いてフルカットを達成するための構成及び動作を説明する。図２では、図１に示したガラス基板１１をその中央位置まで割断加工している最中の状態を示している。つまり、図２はフルカットが既に開始された後の状態を示しているので、以下の説明では、時間を遡って初亀裂１６を形成する最初の段階から説明する。
【００３７】
ガラスを割断するために、まず、ガラス基板１１の割断予定線１２の端部に初亀裂形成装置３１（図１参照）により初亀裂１６を形成する。この初亀裂１６がガラス基板１１の割断の出発位置となる。次に、可動式テーブル３２（図１参照）の上に載置されたガラス基板１１をサーボモータ３３（図１参照）によりＹ方向に移動させる。Ｙ方向に移動させるにあたっては、初亀裂１６を形成した後、まず、可動式テーブル３２を図１における−Ｙ方向に一旦移動させ、第１レーザビームとしてのＬＤビーム５２を照射してもその下方にガラスが無い位置まで退避させる。
【００３８】
次に、半導体レーザ５０とＣＯ２レーザ２５とを各々所定のレーザパワー指令値で連続発振させ、ＬＤビーム５２とＣＯ２レーザビーム２６とを出射する。出射されたＬＤビーム５２は、凹レンズ５６で大きな直径のビームに整形され、ガラス基板１１の上に照射されて、第１レーザビーム照射領域６０を形成する。一方、ＣＯ２レーザ２５から出射されたＣＯ２レーザビーム２６は、矩形アパーチャ（図示省略）とシリンドリカルレンズ４８によって、割断予定線１２に沿った細長い形状のビームに整形され、第２レーザビーム照射領域１４を形成する。
【００３９】
シリンドリカルレンズ４８の後方には、冷却装置３０が配置され、その冷却装置３０からは水と空気の混合媒体が下方に噴射される。その結果、ガラス基板１１の上には冷却点１５が形成される。そして、可動式テーブル３２を図１における＋Ｙ方向に一定速度で移動させる。
【００４０】
ＬＤビーム５２による略円形の第１レーザビーム照射領域６０によって、ガラス基板１１は割断予定線１２を中心に幅広い領域を弱いパワー密度で加熱される。更に、ガラス基板１１は、ＣＯ２レーザビーム２６による細長い第２レーザビーム照射領域１４によって、割断予定線１２に沿って、強いパワー密度で加熱される。冷却装置３０の真下の位置では、ガラス基板１１が移動することにより２つの加熱領域が加算された加熱領域が形成される。すなわち、ガラス基板１１の上には、第１レーザビーム照射領域６０と第２レーザビーム照射領域１４とが重ね合わされた加算領域としての重層加熱領域が形成されている。その重層加熱領域に対して、冷却装置３０は冷媒を噴射し、冷却点１５を形成する。
【００４１】
すると、図２に示すように、冷却点直下で初亀裂１６から拡大した亀裂がガラス基板１１の板厚方向に発生する。初亀裂１６の付近で板厚方向に拡大した亀裂は、第１レーザビーム照射領域６０と第２レーザビーム照射領域１４および冷却点１５の組み合わせがガラス基板１１に対して相対的に移送するのに伴って、割断予定線１２の前方方向に亀裂を拡大させることができる。この結果、ガラス基板１１の全板厚に亘って割断面１７が拡張される。
【００４２】
次に、図３を用いてＬＤビーム５２がガラス基板１１を加熱する第１レーザビーム照射領域の状態を詳細に説明する。図３は、ＬＤビーム５２がガラス基板１１に照射される部分を断面図として示した図で、図２に示したＢ−Ｂ’線の断面を示している。
【００４３】
ＬＤビーム５２はガラス基板１１の上方からほぼ垂直に照射されている。ＬＤビーム５２は発振波長λが９７６ｎｍであるので、ガラス基板１１の表面だけで吸収されるわけではなく、ガラス基板１１を厚さ方向に通過する途中で、その内部においても吸収される。そのため、ガラス基板１１の内部においては、表面から入射されるレーザビーム５２１のレーザパワーが１００Ｗであった場合に、ＬＤビームがその厚さ方向に進行するのに従って、１００Ｗから９０Ｗへ、更に９０Ｗから８０Ｗへと、ガラスの深部に到達するのに従いそのレーザパワーがガラス基板１１に吸収されていく。レーザビームがガラス基板１１の裏面にまで到達すると、ガラス基板１１に吸収されなかった残りのビーム５２２がガラスの裏面から放出される。よって、ＬＤビーム５２によって形成される第１レーザビーム照射領域６０は、図３に示すようにガラス基板１１の表面と裏面とに挟まれた立体的な空間となる。
【００４４】
一例として、厚さ２．８ｍｍのソーダガラスであれば、照射されるＬＤビームの約５０％がガラス基板１１の内部に吸収され、残余の５０％がガラス基板１１の裏面から透過される。ＬＤビーム５２を照射した場合に発生するこのような半透過性の現象は、ＣＯ２レーザビームを照射した場合の現象とは大きく異なっている。ＣＯ２レーザビームであれば、ガラス基板１１の表面でほぼ１００％が吸収されるので、ガラス基板１１の表面で光エネルギーが熱エネルギーに変換される。従って、ＣＯ２レーザビームを照射した場合に、ガラス基板１１の内部が加熱されるのは、表面で発生した熱エネルギーが熱伝導によって伝わっていくプロセスしかないため、この点はＬＤビーム照射の場合と異なっている。
【００４５】
ＬＤビーム５２を照射した場合のガラス基板１１内部の様子を図４を用いて更に詳述する。図４（ａ）において、ガラス基板１１は、第１レーザビーム照射領域６０、第２レーザビーム照射領域１４によって加熱されるが、まず最初に第１ビーム照射領域６０で略円形に加熱される。ガラス基板１１はＹ方向に相対移動するので、第１レーザビーム照射領域６０によって加熱される部分は帯状になり、加熱領域１６０が形成される。次に、ガラス基板１１は第２ビーム照射領域１４で加熱される。その加熱による熱はＹ方向への相対移動に伴って、ガラス基板１１の裏面方向に熱伝導してガラス基板１１内に加熱領域１４０が形成される。冷却点１５における冷却は、ガラス基板１１のＹ方向への相対移動に伴って、その裏面方向に同様に熱伝導するので、ガラス基板１１内に冷却領域１５０が形成される。
【００４６】
この結果、冷却点１５の真下におけるガラス基板１１の熱分布は、図４（ｂ）のようになる。すなわち、ガラス基板１１に対して、ＬＤビーム５２によりガラス基板１１の厚さに依らず裏面まで加熱されている加熱領域１６０と、それに続く第２ビーム照射領域１４により加熱されている加熱領域１４０が形成される。２つの加熱領域１６０、１４０の重層部分に対して、冷却点１５による冷却が作用することで、冷却点直下で亀裂がガラス基板１１の深さ方向に進行し、ガラス基板１１の裏面にまで達して全板厚方向に亘って割断される。この割断面は、最初、初亀裂１６の部分に形成され、その直後からガラス基板１１の相対移動に伴って割断予定線１２に沿って進行し、割断予定線１２に沿ったフルカットが実現される。
【００４７】
実験で判明した最も好適な実施例として、ソーダガラス２．８ｍｍｔに波長λ=９７６ｎｍの半導体レーザを入射角０°で照射したところ、吸収率は約５０％であることがわかった。ソーダガラス２．８ｍｍｔにレーザスクライブを入れられる条件を探して、その条件のもとで、ＣＯ２レーザビーム２６と重なるようにＬＤビーム５２を照射したところ、割断速度５０ｍｍ／ｓでフルカットが可能となった。その場合のガラスに照射するＬＤビーム５２のレーザパワーは６８５Ｗ、ＣＯ２レーザビーム２６のレーザパワーは４２Ｗ、ＬＤビーム５２による第１レーザビーム照射領域６０は直径約２０ｍｍの略円形の形状とし、そのＬＤビーム５２による第１レーザビーム照射領域６０のほぼ中心にＣＯ２レーザビーム２６による細長い第２レーザビーム照射領域１４の先端部が位置するような合成ビームプロファイルを形成した。すなわちＬＤビーム５２による第１レーザビーム照射領域６０とＣＯ２レーザビーム２６による細長い第２レーザビーム照射領域２６とを重ならせた。その結果、直線性精度の良い、良好な割断の割断面が得られた。
【００４８】
注目すべきことは、ＬＤビーム５２はガラス基板１１に対して半透過性の性質を示すので、ＬＤビーム５２を照射するエリアで、ガラス基板１１の表面と裏面とで囲まれる立体的な加熱領域６０が形成される点である。これは、ガラス基板１１の板厚が厚くなっても同様であるので、ガラス基板１１の内側からレーザビームで直接に加熱できる。また、ＬＤビーム５２は光速でガラス基板１１を透過するので、立体的な加熱領域６０は、ＬＤビーム５２の照射と同時に生成されるといってよい。
【００４９】
なお、実験では第１レーザビームとして波長λ=９７６ｎｍのＬＤビーム５２を用いたが、他の実験結果としては、波長λ=１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザを用いた場合でも、ソーダガラス２．８ｍｍｔに対して約５２％のレーザパワーが吸収され、かつ、残余の４５％のレーザパワーが透過することを確認した。ちなみに、同ソーダガラス２．８ｍｍｔを２枚重ねた場合には板厚が２倍になるため、約７６％のレーザパワーが吸収され、２２％のレーザパワーが透過した。よって、第１レーザビームのレーザ光源は半導体レーザに限定されるものではなく、第１レーザビームの一部がガラス基板１１に吸収され一部が透過するようなガラス基板１１に対して半透過性のレーザビームを発振するレーザ光源であればよく、波長λが８００ｎｍｍ以上１５００ｎｍ以下の範囲の近赤外線波長を発振する半導体レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザなどの各種の近赤外線レーザ発振器を使用することができる。
【００５０】
次に、ガラス基板１１をレーザで割断する場合に発生しやすい加工不良について詳細に説明する。図５は、レーザを用いてガラスを割断する場合に発生しやすい割断不良の様子を示した平面図である。ガラス基板１１の上に想定された直線形状の割断予定線１２をレーザ割断加工した後の状態を示している。図示したように、初亀裂１６からフルカットの割断面になっているが、その割断面６４は、割断予定線１２から外れた軌跡となり湾曲している。このような亀裂は、初亀裂側からの亀裂の生成速度が非常に大きく、亀裂が破裂するように一気に進行する場合に発生してしまう。湾曲した亀裂が形成されると直線性精度が著しく劣化するため、このような加工不良が発生する割断方法では工業的に利用することができなかった。以下に、このような割断不良が発生する理由とその割断不良の解決手段について、図６および図７を用いて説明する。
【００５１】
前述したように、本実施例においては、割断予定線１２の前方に照射される第１レーザビームとしてＬＤビーム６０を使用している。ＬＤビーム６０は、ソーダガラスに対して半透過性の性質を示すので、図３で説明したように、ガラス基板１１を内部から加熱できるという特徴がある。
【００５２】
一方において、割断予定線１２の前方に照射される第１レーザビームとして、半導体レーザに変えてＣＯ２レーザを使用することもできる。ただし、ＣＯ２レーザを使用した場合には、ガラス基板１１の表面でほぼ１００％のレーザパワーが吸収される。そのため、ガラス基板１１の内部を加熱するためには、表面で吸収されたレーザビームが熱に変換され、ガラスの裏面方向に向かって熱伝導される必要がある。従って、ＣＯ２レーザを前方に照射する場合には、ガラス基板１１の裏面に熱伝導するまでの時間をかせぐために、冷却点１５とＣＯ２レーザビームの前方照射位置との間に距離を設ける必要がある。その離隔距離は、ガラス基板１１の板厚及びガラスの加工速度に依存した最小許容値がある。ガラス基板１１が厚くなると、離隔距離を所定の最小許容値よりも大きく設定する方が良好な割断面を得る上で好ましい。そのため、このＣＯ２レーザビームを第１レーザビームとして用いる場合に、厚さが厚いガラス基板１１をフルカットしようとすると、離隔距離を大きく設定しなければならない。
【００５３】
他方において、ＬＤレーザの波長のビームを用いる場合には、冷却点１５とＬＤ照射位置６０との離隔距離を大きくする必要がない。前述したように、ＬＤレーザのビームがガラス基板１１に対して半透過の特性を示すために、ガラス基板１１の厚さ方向に均一に加熱することができるためである。距離を離す必要がないので、冷却点１５とＬＤ照射位置６０の離隔距離は短い。このことは、ガラス基板１１をフルカット割断する場合に、ガラス基板１１に初亀裂１６を入れた開始端側において、次のような作用効果をもたらす。その作用効果を図６（ａ）、図６（ｂ）および図６（ｃ）を用いて説明する。
【００５４】
図６（ａ）、図６（ｂ）および図６（ｃ）は、ガラス基板１１のフルカットが開始されるタイミングで、その時間の経過の順番に（ａ）（ｂ）（ｃ）と並べて示した図である。ガラス基板１１が移動することで、初亀裂１６側からフルカットが開始される瞬間を、３つのタイミングを切り出して（ａ）（ｂ）（ｃ）と並べて示している。ガラス基板１１が＋Ｙ軸方向に移動するので、ガラス前端線１１ａの位置は、（ａ）から（ｂ）への経過に伴い距離ｙ１だけ右に移動している。また、（ｂ）から（ｃ）への経過に伴い、ガラス前端線１１ａの位置は、距離ｙ２だけ右に移動している。ガラス基板１１が移動するのに対して、それ以外の構成部分は動いておらず、ＬＤビームの第１ビーム照射領域６０と、第２ビーム照射領域１４と、冷却点１５については、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）のいずれでも固定された同じ位置にある。
【００５５】
図６（ａ）に示すように、まだ、ガラス前端線１１ａにレーザビームが照射されていないタイミングにおいては、ガラス基板１１は一切加熱されていない。図６（ｂ）は、図６（ａ）よりも時間が経過した状態を示しており、ガラス基板１１が＋Ｙ方向にｙ１だけ移動している。図６（ｂ）に示すように、このタイミングにおいては、ＬＤビームの全部とＣＯ２レーザビームのほぼ全部がガラス基板１１に照射される。冷却点１５は、まだガラス基板１１の上にない。従って、図６（ｂ）のタイミングにおいては、図６（ｂ）に帯状のハッチング領域として示した重層加熱領域７４が加熱されるエリアとなる。ここで、仮に、ＬＤビームの照射領域６０の前端から、ガラス前端線１１ａまでの長さをｄ１とすると、この長さｄ１がガラスに注入される熱量の大きさを表す目安となる。図６（ｃ）には、図６（ｂ）よりも時間が経過した状態を示しており、ガラス基板１１が更にｙ２だけ移動している。このタイミングでは、冷却点１５がガラス基板１１の上にあり、ちょうど初亀裂１６の位置に冷却点１５が形成されている。
【００５６】
ガラスをフルカットする場合に、ＣＯ２レーザを第１レーザビームとして用いた場合には、図６（ｃ）に示すように冷却点１５がガラス前端線１１ａに達したタイミングで、小さな初亀裂が拡大し、破裂するように大きな亀裂に成長することが多い。初亀裂から一気に成長するこのような亀裂は加工不良になる。冷却点１５がガラス基板１１に達した途端に大きな亀裂が発生してしまう要因の一つは、冷却が行われるまでにガラス基板１１に注入される熱エネルギーが大きくなり過ぎてしまうことである。つまり、帯状に加熱される重層加熱領域７４の割断方向への長さが長くなると、ガラス基板１１に過大な熱エネルギーを与えてしまう。そのことを、図７を用いて説明する。
【００５７】
図７は、ガラス基板１１を加熱する領域が割断予定線１２に沿って長い場合と短い場合との相違点を表す概念図である。図７（ａ）、図７（ｂ）のいずれも、第１レーザビームとしてＬＤビームを照射し、第２レーザビームとしてＣＯ２レーザビームを照射する。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、帯状に加熱されたガラス基板１１が平面的に膨張することに伴って、割断予定線１２に沿ってガラス基板１１を左右に開こうとする力が発生する。図７（ａ）に示すように、加熱領域７４の長さ、すなわち、ＬＤビームの照射領域６０の前端からガラス前端線１１ａまでの長さｄ２が長くなると、比較的大きな引張り応力Ｆ１，Ｆ２が発生する。この引張り応力Ｆ１，Ｆ２は割断予定線１２の向きに直角な方向に、左右対称に発生するので、初亀裂（図示省略)の位置でガラスを左右に開いて亀裂を生じさせようとする力として作用する。この引張り応力Ｆ１，Ｆ２の大きさは加熱領域７４の長さに依存するので、図７（ｂ）に示すようにその長さｄ３が短いと（ｄ３＜ｄ２）、ガラス基板１１を左右に開こうとする力Ｆ３，Ｆ４は小さくなる（Ｆ３＜Ｆ１、｜Ｆ３｜＝｜Ｆ４｜、｜Ｆ１｜＝｜Ｆ２｜）。
【００５８】
初亀裂の位置に熱衝撃が加わった場合に、割断予定線１２から外れた亀裂が一挙に発生するのは、帯状の加熱によって図７（ａ）に示すような大きな引張り応力Ｆ１，Ｆ２がかかっている状態といえる。よって、割断予定線１２から外れるような亀裂が発生しないようにするためには、図７（ｂ）に示すように帯状の加熱領域７４の長さｄ３を短くすることが必要となる。長さｄ３を短くするために、本実施例においては、ＬＤビーム５６の照射領域６０とＣＯ２レーザビーム２６の照射領域１４とを重ね合わせている。そのため、図７（ｂ）に示すように、ガラス基板１１を左右に開こうとする力Ｆ３，Ｆ４を小さくできるため、亀裂が一気に発生せず、割断不良の発生が防止される。
【００５９】
ＣＯ２レーザであれば、ガラス表面で吸収された熱が熱伝導によりガラス裏面にまで伝導する時間が必要となるため、図７（ａ）のように加熱領域の長さｄ２をある程度長く設けなければならないという制約がある。しかし、加熱領域の長さｄ２を長く設けると、初亀裂の位置が冷却される直前までに帯状に蓄えられる熱エネルギーが過大になるため、制御不能な亀裂が発生し加工不良となる。すなわち、第１レーザビームとしてＣＯ２レーザを用いた場合には、ガラス基板１１を裏面まで加熱することと、前方照射位置と冷却点との距離ｄ２を短くすることを両立できないのである。しかし、半透過性のレーザビームであれば、レーザビームがガラス基板１１に直接吸収されるので、距離ｄ２を短くできる。このように、第１レーザビームとしてガラス基板１１に対して半透過性の性質を示すレーザビームを用いることにより、ＣＯ２レーザビームでは対応できないフルカット加工が可能となり、特に厚板ガラスのフルカットが可能となる。
【００６０】
従来までのフルカット技術では、割断面の品質に問題があり、マイクロクラックが無い良好な面質の割断面を出すことができなかった。あるいは、従来までのフルカット技術では、サイズ効果の課題を克服できないため、割断線が湾曲したり、大きなサイズのガラス基板１１の中央部分の割断が困難であったりした。しかし、本発明によれば、上記の課題や問題点を全て解決することができる。
【００６１】
更に、従来までのレーザスクライブ技術では、ガラス基板１１の表面に深さ０．１ｍｍ未満の亀裂溝を発生させることしかできなかった。しかし、本発明によれば、厚さ２．８ｍｍｔのソーダガラスのフルカットに成功しているので、割断面の深さを単純に数値比較すれば、従来技術の２８倍もの亀裂深さを達成している。その結果として、従来では必須の工程であったブレイク行程が不要となるという顕著な効果を得られた。
【００６２】
ブレイク行程が不要になることのメリットを具体的に表す。一例として、従来の方法では、レーザスクライブを行う機械とブレイクを行う機械を別々に製造し、ガラス基板１１をスクライブした後に、ガラス基板１１をスクライブの機械から取り出し、ブレイクの機械に搬送してガラス基板１１を分割するということが行われていた。場合によっては、ガラス基板１１を上方から押してブレイクするために、搬送の途中で、ガラス基板１１をひっくり返す反転工程が付加されることもある。本発明に係る脆性材料割断装置を用いると、ブレイクを行う機械が不要となり、ガラス基板１１の搬送工程も反転工程も省けるので著しい工数低減の効果を得られる。また、ブレイクを行う機械一台が不要になるので、設備購入のための費用削減という意味でも、その効果は極めて大きい。
【実施例２】
【００６３】
図８は、本発明の実施例２に係る脆性材料割断装置の概略図を示す図である。図２と同じ構成部品については、同じ符号を付し、その説明を省略する。光ファイバー８２を用いて、第１レーザビームとしてのＬＤビームを第２ビーム照射領域１４の前方に直接導いていることに特徴がある。半導体レーザの発振波長は主に近赤外線の波長を示すものが多い。例えば、近赤外線の範疇に分類される波長８００ｎｍから３０００ｎｍまでのレーザ発振器であれば、光ファイバーによってレーザビームを柔軟に導くことができる。そのように活用できるレーザ発振器として、例えば、ＧａＡｓ半導体レーザ、ＡｌＧａＡｓ半導体レーザ、ＩｎＧａＡｓＰ半導体レーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｔｍ：ＹＡＧレーザ、Ｈｏ：ＹＡＧレーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、ＨＦレーザ等を用いることができる。あるいは、ファイバーレーザを用いてもよい。本発明を実施するには、大出力のレーザパワーを低損失で伝送できる石英製コアの光ファイバーを適用できるという点で、８００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の範囲の発振波長のレーザの適用が望ましい。更に、ガラス基板１１の板厚にもよるが、厚いガラス基板１１をフルカットする場合には数１００Ｗ以上の大出力が容易に得られる方が好ましいので、特に、半導体レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザの適用が好ましい。これらのレーザは石英製コアの光ファイバーと組み合わせるのが容易であると特性をもつ点でも好ましい。
【００６４】
図８に示すガラス基板１１は、アルマイト処理された平面のアルミ製のテーブル（図示せず）の上に載置される。よって、ガラス基板１１を透過したＬＤビームは、アルミ製のテーブルの表面で吸収あるいは乱反射されて、透過したパワーが減衰される。光ファイバー８２を用いることにより、ＬＤレーザの発振器等を加工テーブルとは離れた位置に設置することができる。また、光ファイバー８２は電気ケーブルと同等の柔軟な取扱いでＬＤビーム導くことができ、所望の角度でレーザビームをガラス基板１１に照射することができるため、ガラス基板１１を載置するテーブルの上方のスペースを有効に活用することができる。
【実施例３】
【００６５】
図９は、本発明の実施例３に係る脆性材料割断装置の概略図を示す図である。ガラスを載置するテーブルは、ガラスが割断される予定の割断線に沿って、帯状にその表面を鏡面研磨されたアルミ製の鏡面テーブルを用いる。ガラス基板１１の下に置かれる鏡面テーブルには、ＬＤビームの反射率を高めるために金メッキ処理を施してもよい。シリンドリカルレンズ４８の横の位置には、全反射ミラー４９がミラーホルダ機構部（図示省略）に保持されて、鏡面テーブルの上方に所定の設置角度を保ちながら固定されている。割断予定線上に、平行光にコリメート処理されたＬＤビーム５３が直接入射されている。ＬＤビーム５３は、割断予定線に対して斜めの角度を持って入射している。割断予定線の下の位置には、金メッキされた鏡面プレートが置かれる。ＬＤビーム５３は一部がガラス基板１１を透過するが、ガラス基板１１の裏面を透過後、鏡面テーブルで反射されて再度ガラス基板１１の内部に入射される。ガラス基板１１を透過したビームは、全反射ミラー４９に照射され、反射されて再度ガラス基板１１に入射される。
【００６６】
本構成であれば、ＬＤビーム５３の入射経路を斜めに設置することができるので、シリンドリカルレンズ４８に干渉することなく、細長いＣＯ２レーザビームの照射エリアと矩形型のＬＤ照射エリアとを重ねて照射することができる。また、一旦ガラス基板１１に照射されて吸収されずにガラス基板１１上方に反射してきたＬＤビーム５３を再度ガラス基板１１に向けて照射することができるので、ＬＤビーム５３の吸収効率を高めることができる。
【実施例４】
【００６７】
図１０は、本発明の実施例４に係る脆性材料割断装置の概略図を示す図である。割断予定線の下方の位置には、実施例２、３と同様に、金メッキされた鏡面プレートが置かれる。割断予定線の上方の位置には、長方形の全反射ミラー８８を配置している。この全反射ミラー８８は、その反射面が鏡面プレートと対向する向きに置かれ、さらに反射面は鏡面プレートと平行に設置される。ＬＤビーム５２は、ガラス基板１１を１回透過した後に、最初に金メッキの鏡面プレートに入射される。その後は、上方の長方形の全反射ミラー８８で全反射される。このように、鏡面プレートと長方形の全反射ミラー８８との間でジグサク経路の多重反射が行われ、その多重反射が行われる度に、ＬＤビーム５２のレーザパワーは効率よくガラス基板１１に吸収される。本実施例によれば、ＬＤビーム５２に対するガラス基板１１の吸収率が低い場合でも、多重反射することでガラス基板１１に吸収される熱の吸収率を統合的に高めることができる。
【００６８】
実施例１〜４において説明した脆性材料割断装置によって割断した２．８ｍｍｔのソーダガラスの赤外波長透過特性を図１１に示す。なお、本明細書では、近赤外の波長領域を波長０．７６μｍから２．５μｍの範囲、中赤外を波長２．５μｍから５μｍの範囲、遠赤外を波長５μｍから１０００μｍの範囲として記載する。
【００６９】
図１１に示すように、赤外分光装置を用いて測定した結果、同ソーダガラスの透過率が大きく低下するのは波数３７００ｃｍ−１から波数２０００ｃｍ−１の範囲、つまり波長換算で２．７μｍから５．０μｍの範囲であると確認できた。すなわち中赤外の領域で透過率が大きく変化する。他の種類のガラスについても調べたところ、やはり同じ波長範囲で透過率が低下する特性は同様であった。
【００７０】
この中赤外の波長領域に発振波長をもつレーザ発振器の一つとしては、例えばＥｒ：ＹＡＧレーザがある。Ｅｒ：ＹＡＧレーザを前方照射のレーザとして使用すれば、ソーダガラスのみならず、いずれの種類のガラスであってもフルカットを実現できる可能性がある。ただ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザは、出願時点で１００Ｗを超える高い平均パワーを安定して獲得することが難しい。
【００７１】
そこで、１００Ｗ以上の高い平均パワーが得られ、かつ、既に製品化されているレーザ発振器の利用を考えると、近赤外に発振波長をもつ高出力レーザの利用が好ましい。すなわち、ＡｌＧａＡｓ系またはＩｎＧａＡｓＰ系の高出力半導体レーザ。Ｎｄドープ系の固体レーザ。Ｅｒ、ＹｂあるいはＮｄドープ系のファイバーレーザ等が活用できる。厚いガラスのフルカットには、これらの高出力レーザを採用することが望ましい。なお、これらのレーザは、概ね波長７６０ｎｍから１５００ｎｍの波長範囲（あるいは波長８００ｎｍから１５００ｎｍの範囲）に固有の発振波長を示すものが多い。
【００７２】
ところで、一般のガラス板は、目に見える波長の光（可視光線：波長範囲でλ＝４００ｎｍ〜７６０ｎｍ）を透過するという物性をもつので透明に見える。透明には、無色透明と有色透明の２つがある。無色透明なガラスは可視光線を吸収せず、まんべんなく透過するのでガラスに色が付かない。有色透明なガラスは、可視光線の一部（その波長の光）が吸収されるので、その色が欠損し、吸収された可視光線の色以外の色がガラスに付いて見える。一例として、波長４３０ｎｍの青い光を吸収できる紫外線カットフィルター用のガラスが、黄色やオレンジ色のような暖色系の色合いに見えることからもそのことが理解できる。
【００７３】
さて、本発明の一つの実施形態では、波長λ=９７６ｎｍ（以下、簡略のためλＬＤと記す）の近赤外のＬＤビームを活用して、ソーダガラスのフルカットが可能になった。図１２は、ある種類のソーダガラスの分光透過率特性を示すグラフである。（ちなみに、このグラフに記載されている特性のソーダガラスと、実験においてフルカットした２．８ｍｍｔのソーダガラスとは、正確には種類の異なるソーダガラスである。ただし、両方とも同じソーダ石灰ガラスの範疇であることから、分光透過率の定性的な特性を説明するために、この図１２のグラフを記載した。）
【００７４】
図１２に示された、厚さ５ｍｍの場合の特性曲線を読むと、λＬＤでの透過率は７２％であり、波長７６０ｎｍ（すなわち赤色の光、以下λＲＥＤと略記する）における透過率は８０％である。ガラスの表裏面では反射があるので全入射光量内の６％程度は反射で失われる。しかし、その反射分を差し引いても、λＬＤにおいても、λＲＥＤにおいても、１０％を上回る光量がガラスに吸収される。
【００７５】
ここで、可視光線領域の下限値である波長０．４０μｍ（すなわち紫色の光、以下λＶＬＴと略記する）に対する透過率を読むと８７％となる。従って、この５ｍｍのソーダガラスは、λＶＬＴ（透過率８７％）よりもλＲＥＤ（透過率８０％）での方が透過率が低い。すなわち、このソーダガラスは紫色よりも赤色の光をより多く吸収している。
前述したように、有色透明なガラスは、可視光線の一部の光が吸収されて、その色が欠損するので、吸収された可視光線の色以外の色がガラスに付いて見える。よって、赤色の光を多く吸収する同ソーダガラスは青みがかった色が付く。本発明の実験検証に用いた厚さ２．８ｍｍｔのソーダガラスも薄い青色のガラスである。
【００７６】
本発明の一つの実施形態であるＬＤビームを利用する実施形態の場合には、λＬＤにて半透過の特性であることが望ましく、最大でも透過率８０％程度を上限とし、概ね２０％を下限とするような特性がより好ましい。フルカットが達成されるかどうかは、λＬＤにおいて半透過性を示すことが望ましく、可視光線の波長範囲での透過率が何％であるのかは重要ではない。ただし、本実施形態においては、λＬＤが、可視光線領域の上限値であるλＲＥＤと数値的に近い波長となっている。よって、λＬＤにおける透過率が低いという物性のガラスであれば、λＲＥＤでの透過率も自然と低くなる傾向になる。そのことを図１３を用いて補充して説明する。
【００７７】
図１３は、緑色のガラスの透過率特性を示す図である。この緑色ガラスは赤外線を吸収するガラスであり、冷暖房効果を高めるために窓ガラスの材料として使われたりする。赤外線を吸収する目的であるから、図１３に示すように０．８μｍから１．５μｍの波長範囲で透過率の曲線が凹形状に低く窪んでいる。そのため、λＲＥＤでの透過率も４０％以下の低い値になっている。このように、近赤外での透過率が低ければ、それに近接するλＲＥＤでの透過率も低くなる傾向がある。また、波長０．５μｍに透過率のピークがあるので、このガラスは緑の色が付いて見える。
【００７８】
まとめると、無色透明なガラス板であれば、ガラスの可視光線に対する透過率は９０％以上を示す。逆に言うと、可視光線に対する透過率が９０％を下回るようなガラスは、無色透明とならず、有色透明の色付きガラスとなる。前述したように、ガラスに色が付いているかどうかは、フルカットの成否には直接的な因果関係は無い。しかし、本発明の実施形態において、近赤外で１００Ｗを超える高い平均レーザパワーを有するレーザを採用する場合には、そのレーザの発振波長でガラスが半透過性を示す方が望ましい。従って、自ずと、λＲＥＤでの透過率がλＶＬＴでの透過率よりも低くなる傾向にあり、その結果、加工対象であるガラスは青や緑のような寒色系の色合いを示すことになる。
【００７９】
つまり、本発明の一つの実施形態である、λＬＤのＬＤビームを用いたガラス割断装置においては、例えば、ブラウンやグレーのような有色透明のガラスのフルカットにも有効であるし、更に好ましくは、紫や青や緑のような寒色系の色合いのガラスのフルカット加工に、より適している。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明による脆性材料の割断装置および脆性割断方法は、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や携帯電話、携帯端末などの表示装置用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して好適である。
【符号の説明】
【００８１】
１１ ガラス基板
１２ 割断予定線
１４ 第２レーザビーム照射領域
１５ 冷却点
１６ 初亀裂
１７ 割断面
２３ 反射鏡
２４ 凹レンズ
２５ ＣＯ２レーザ
２６ ＣＯ２レーザビーム
２７ ビームエキスパンダ
２８ 反射鏡
２９ 回折光学素子
３０ 冷却装置
３１ 初亀裂形成装置
３２ 可動式テーブル
３３ サーボモータ
３４ シャフト軸
６０ 第１レーザビーム照射領域
５０ 半導体レーザ
５２、５３ ＬＤビーム
５４ 反射鏡
５６ 凹レンズ
４８ シリンドリカルレンズ
４９ 全反射ミラー
６４ 割断面
７４ 重層加熱領域
７６ 重層加熱領域
８０ ビーム整形手段
８８ 全反射ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は脆性材料の割断技術に関し、特に、レーザを利用した脆性材料割断装置および脆性材料割断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラスを割断する方法としては、従来、ダイヤモンド等を刃先に使用したガラスカッターにより、ガラスの表面にけがき線を入れ、そのけがき線に沿って分割する方法がある。このようなガラスカッターによって切断されたガラスには、ガラスに形成される微細な亀裂であるマイクロクラックが発生しやすいので、加工後のガラスは曲げ強度等が弱くなる傾向がある。しかし、近年においては、ガラスカッターでけがき線を入れる方法に代わって、レーザを用いてガラスの表面に亀裂溝を形成する方法が実現されている。その方法はレーザスクライブ法と呼ばれる。レーザスクライブ法によって加工されたガラスには、加工時の切削小片であるカレットが発生しないことから、ガラスの割断面にマイクロクラックが形成されない。そのため、レーザスクライブ法によって加工されたガラスの方が曲げ強度等が遙かに強いなどの利点がある。
【０００３】
レーザスクライブ法においては主にＣＯ２レーザが用いられ、レーザスクライブ法によって、ブラインドクラックという浅い亀裂溝をガラスの表面に形成することができる。レーザスクライブ法を用いたスクライブ工程を経ると、浅い亀裂溝は得られるが、その亀裂溝はガラスの表面に深さ０．１ｍｍ程度しか形成されない。つまり、レーザスクライブ法だけでは、ガラスを完全に分割することはできないため、ブレイクという後工程が行われるのが通常である。従って、従来技術としてのレーザスクライブ法は、ガラスを分断するために、前工程としてのスクライブと、後行程としてのブレイクという２つの工程が併用されている。
【０００４】
このような従来技術に対して、レーザを利用することで、ガラス表面に亀裂溝を形成するのではなく、ガラスを厚さ方向に完全に分離加工する技術の開発も行われている。この技術はフルカット技術と呼ばれており、フルカット技術を用いると、ブレイク工程無しでガラスを分割できるという利点がある。しかし、今までのフルカット技術にはいくつかの欠点もあり、工業的な利用という観点からは現実化に向けていくつかの課題があった。
【０００５】
上述したような、レーザスクライブの技術、あるいはレーザによるフルカット技術については、いくつかの技術が開示されている。例えば、レーザスクライブ法については特許文献１、２、３が、フルカット技術については特許文献４および５がある。
【０００６】
特許文献１は、レーザスクライブ法について示されている。特許文献１においては、フルボディ割断技術、すなわちレーザでガラスを分離分割する技術にはいくつかの欠点があるので、スクライブ技術の方が優れているとの主張がなされており、フルカットの実効性には否定的な立場を示している。
【０００７】
特許文献２は、レーザビームをガラス基板上に照射し、ガラス基板の走査方向に沿ってＹ軸方向に長くなった楕円形状のレーザスポットＬＳ１と、Ｘ軸方向に沿って長くなった楕円形状のレーザスポットＬＳ２とを、予め設定された所定の距離だけ離れて形成することが記されている。しかし、特許文献２に記載の発明の目的もガラスを分離分割することを目的としてものでは全くなく、あくまでも安定したレーザスクライブを行うことを目的としている。
【０００８】
特許文献３には、ガラス板に照射したレーザビームがガラス板を繰返し往復することによってガラス板に局部的に熱応力を生じるようにしたことを特徴とするレーザによるガラス切断方法が示されている。このガラス切断方法は、局所的な熱応力を得るために、１つのレーザビームのみを使い、そのレーザビームがガラスの内部で焦点を結ぶような光学系を用いている。
【０００９】
特許文献４には、紫外線レーザと赤外線レーザとを利用して基板を分割するフルカットレーザ切断方法が開示されている。この方法は、特許文献４の明細書の第００２３段落に記してあるように、紫外線レーザによって基板の表面にくさび状断面の空間を形成する。つまり、加工時に破片が発生する加工方法であるので、基板断面の品質を高品位に保つことができない。
【００１０】
特許文献５には、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、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るフルボディ割断方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３０２７７６８号
【特許文献２】国際特許出願ＷＯ−０３／００８１６８ Ａ１
【特許文献３】特開２００７−２６１９１５号公報
【特許文献４】特開２００６−１７５４８７号公報
【特許文献５】特開２００９−８４１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述したように、ガラスを分割する目的のために、レーザスクライブ法を用いると、後行程としてブレイク工程が必須になるので、レーザスクライブ法だけではガラスを完全に分断することができない。一方において、従来技術としてのフルカット技術を用いると、特許文献４に記載されているように割断面の面精度が劣ったりしていた。
【００１３】
そこで、発明者らは、フルカット技術の実用化を目指して技術開発を行った。その技術開発を行う中で、次のような課題が明らかになった。すなわち、板厚が２．０ｍｍを超えるような厚いガラスのフルカットを試みると、特許文献５に記載の技術を応用しても割断不良が多発した。具体的には、厚いガラスをフルカットしようとすると、割断の開始点側、すなわち初亀裂の位置から亀裂が一気に破裂するように走ってしまい、割断予定線の上を外れて割断面が形成されてしまうのである。この現象が発生すると割断の直線性精度が著しく劣化する。つまり、ガラスを真っ直ぐに切れないので、このような加工不良が発生する割断方法では工業的に利用することができなかった。この問題はガラスの板厚が１ｍｍ以下と薄い場合には見られないが、厚い場合に特に顕著になる。ガラスの種類や熱膨張率にも依存するが、ソーダガラスの場合では特に２．０ｍｍを超える厚さになると、割断予定線から外れる現象が見られた。
【００１４】
本発明はこのような課題を解決するために、熱応力の分布を適正化することにより、割断面が割断予定線から外れることなく、良好な割断面を得られるような脆性材料割断装置および脆性材料割断方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明による脆性材料割断装置は、脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断装置であって、割断予定線上に幅広く形成される弱加熱領域を形成する第１レーザビーム照射手段と、割断予定線上に前記弱加熱領域よりも狭い幅で、弱加熱領域よりも強く加熱される強加熱領域を形成する第２レーザビーム照射手段と、割断予定線上の位置に冷媒を噴射して局所的に冷却する冷却手段とを備え、この冷却手段が脆性材料との相対移動に伴い弱加熱領域による加熱と強加熱領域による加熱とが重ね合わされて形成される重層加熱領域を冷却するものである。
上記構成によれば、脆性材料上に別々に形成される弱加熱領域と強加熱領域とが、脆性材料の移動に伴って２つの領域が重ね合わされて重層加熱領域が形成され、その重層加熱領域を冷却手段から冷媒を噴射して冷却するので、弱加熱領域と強加熱領域とを同時に局所的に冷却することができる。その結果、割断予定線上にある強加熱領域では、弱加熱領域よりも強く加熱されているので、強く加熱されている部分を冷却することで脆性材料内部に強い引張り応力が発生する。局所的に冷却される位置の相対的な移動に伴って、割断予定線の端部位置に形成された初亀裂を割断予定線上に亀裂を伸展させることができる。
また、同時に、強加熱領域よりも弱く加熱される弱加熱領域も、弱く加熱されている部分を冷却することで脆性材料内部に弱い引張り応力が発生する。弱加熱領域は、強加熱領域と重ね合わされて形成されるので、弱加熱領域も強加熱領域と同時に冷却され、割断予定線に沿って、幅広く弱い引張り応力を発生する。弱加熱領域を冷却することで発生する弱い引張り応力により、割断予定線上に伸展された亀裂は、脆性材料の厚さ方向に深く伸展し、脆性材料を厚さ方向に分断することができる。
【００１６】
また、第１レーザビーム照射手段によって照射される第１レーザビームは、脆性材料を前記第１レーザビームが透過するのに伴って、前記第１レーザビームの一部が前記脆性材料に吸収され、かつ、前記第１レーザビームの一部が前記脆性材料を透過するレーザビームである。
上記構成によれば、第１レーザビームが脆性材料に照射されることで、弱加熱領域においては脆性材料の表面から裏面までの全厚さ方向に対して加熱される領域が形成される。
【００１７】
また、第１レーザビーム照射手段によって照射される第１レーザビームは、近赤外線の波長を発生するレーザ発振器から供給され、第２レーザビーム照射手段によって照射される第２レーザビームはＣＯ２レーザ発振器から供給される。
上記構成によれば、近赤外線の波長の第１レーザビームを光ファイバーを使って導光し脆性材料の表面に照射することができる。また、第２レーザビームはＣＯ２レーザビームであるので、脆性材料の表面に強加熱領域を効率よく形成することができる。
【００１８】
また、第１レーザビーム照射手段により供給されて弱加熱領域に照射される第１レーザビームのレーザパワーは、第２レーザビーム照射手段で供給される強加熱領域に照射される第２レーザビームのレーザパワーよりも大きくしたものである。
上記構成によれば、弱加熱領域に大きなパワーが供給され、亀裂を脆性材料の厚さ方向に深く伸展させるのに十分な熱エネルギーを供給することができる。
【００１９】
また、弱加熱領域に照射されるレーザの脆性材料上でのレーザパワー密度は、強加熱領域に照射されるレーザの脆性材料上でのレーザパワー密度よりも少なくしたものである。
上記構成によれば、弱加熱領域には、強加熱領域よりも少ないレーザパワー密度のビームが照射されるので、脆性材料の表面が溶解することなく、良好な割断面の面品質を保ちつつ熱エネルギーを供給することができる。
【００２０】
また、第１レーザビーム照射手段によって照射される第１レーザビームの一部分が、第２レーザビーム照射手段によって照射される第２レーザビームと重なり、脆性材料を第１レーザビームおよび第２レーザビームで同時に加熱する領域があるようにしたものである。
上記構成によれば、第１レーザビームによる加熱領域と第２レーザビームによる加熱領域とが重なり、加熱領域の割断予定線に沿った方向の距離が短くできるので、脆性材料の割断の開始端側において、加熱してから冷却が開始されるまでの時間が短くなる。その結果、脆性材料の割断の開始端側で、加熱だけが先行して行われている時間が短くなり、割断の開始側で亀裂が急速に発生することなく、割断予定線に沿った割断を行うことができる。
【００２１】
また、本発明による脆性材料割断装置は、脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断装置であって、割断予定線に沿って脆性材料に形成される加熱部分を生成するレーザビームを照射するレーザビーム照射手段と、割断予定線に沿って加熱部分の後方の位置で脆性材料を冷却する冷却手段とを有し、レーザビーム照射手段は、加熱部分にて割断予定線に沿って帯状で加熱の弱い領域を形成する第１レーザビームを照射する第１レーザビーム照射部と、加熱部分にて割断予定線に沿った方向が直角方向よりも細長い形状で加熱の強い領域を形成する第２レーザビームを照射する第２レーザビーム照射部とを含み、第１レーザビームは脆性材料の内部まで浸透して吸収される波長のレーザビームであり、第２レーザビームは前記脆性材料の表面で吸収される波長のレーザビームであるものである。
上記構成によれば、第１レーザビームが脆性材料の内部まで浸透して吸収されるので、脆性材料の板厚が厚くなっても、脆性材料の表面から裏面に至るまで脆性材料の内部の加熱が行われ、割断面を深く伸展させるための熱エネルギーを脆性材料に与えることができる。
【００２２】
また、第１レーザビーム照射部は、脆性材料を透過した第１レーザビームを脆性材料の裏面から脆性材料に向けて少なくとも１回反射させる反射手段を備えているものである。
上記構成によれば、脆性材料の内部で吸収されずに透過したレーザビームを、少なくとも１回、脆性材料内部に入射できるので、吸収効率を高めることができる。
【００２３】
また、第１レーザビーム照射部は、脆性材料の表裏を挟んで第１レーザビームを２回以上反射させる多重反射手段を備えているものである。
上記構成によれば、脆性材料の内部で吸収されずに透過したレーザビームを、脆性材料内部に多重に入射できるので、第１レーザビームの吸収効率をより高めることができる。
【００２４】
また、第１レーザビーム照射部は、第１レーザビームを導く光ファイバーを備えている。
上記構成によれば、柔軟に設置できる光ファイバーを使用するので、部品配置の制約を少なくして第１レーザビームを脆性材料上に導いて照射することができる。
【００２５】
また、本発明による脆性材料割断方法は、脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断方法であって、割断予定線に沿って脆性材料の内部まで浸透して吸収される波長のレーザビームにより帯状で加熱の弱い領域を形成する第１レーザビームを照射する工程と、第１レーザビームの後方に、脆性材料の表面で吸収される波長のレーザビームにより割断予定線に沿った方向が直角方向よりも細長い形状で加熱の強い領域を形成する第２レーザビームを照射する工程と、加熱の弱い領域および加熱の強い領域の後方の位置で脆性材料を冷却する工程を含むものである。
上記構成によれば、第１レーザビームが脆性材料の内部まで浸透して吸収されるので、脆性材料の板厚が厚くなっても、脆性材料の表面から裏面に至るまで脆性材料の内部の加熱が行われ、割断面を深く伸展させるための熱エネルギーを脆性材料に与えることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、熱応力の分布を適正化することにより、割断面が割断予定線から外れることなく、良好な割断面を得られるような脆性材料割断装置および脆性材料割断方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例１に係る脆性材料割断装置の概略図
【図２】本発明の実施例１に係る脆性材料割断装置を用いて、割断している最中のガラスの様子を模式的に示した斜視図
【図３】本発明の実施例を説明するための、ガラスに対して半透過性を示すレーザビームをガラスに照射した場合の熱吸収の様子を模式的に示した断面図
【図４】本発明の実施例を説明するための、割断している最中のガラス内部の熱分布の様子を、割断予定線に沿って表したガラスの断面模式図
【図５】本発明の実施例を説明するための、ガラスを割断する場合に発生しやすい割断不良の様子を示した外観図
【図６】本発明の実施例におけるガラスのフルカット加工が開始されるタイミングで、その時間の経過を示す概念図で、（ａ）（ｂ）（ｃ）は時間順に並べて示した図
【図７】本発明の実施例を説明するための、ガラスを加熱する領域が割断予定線に沿って長い場合と短い場合との相違点を表す図で、（ａ）はガラスを加熱する領域が割断予定線に沿って長い場合、（ｂ）はガラスを加熱する領域が割断予定線に沿って短い場合を示す概念図
【図８】本発明の実施例２に係る光ファイバーを備えた脆性材料割断装置の主要部を示す斜視図
【図９】本発明の実施例３に係るビーム反射部材を備えた脆性材料割断装置の主要部を示す斜視図
【図１０】本発明の実施例４に係るビーム多重反射部材を備えた脆性材料割断装置の主要部を示す斜視図
【図１１】本発明の実施例におけるガラス割断装置によって割断した２．８ｍｍｔのソーダガラスの赤外波長透過特性を示す図
【図１２】薄い青色のソーダガラスの分光透過率特性を示す図
【図１３】赤外線吸収の用途に使われる緑色のガラスの分光透過率特性を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明においては、熱応力の分布を適正化するために、脆性材料に想定された割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から割断予定線に沿って加熱した後冷却し、加熱および冷却する位置を脆性材料に対して相対的に移動させる構成において、割断予定線に沿って幅広く形成される弱加熱領域を形成する第１レーザビーム照射手段と、割断予定線上に弱加熱領域よりも強く加熱される強加熱領域を形成する第２レーザビーム照射手段と、割断予定線上の位置に冷媒を噴射して局所的に冷却する冷却手段とを備え、冷却手段が脆性材料の移動に伴い弱加熱領域による加熱と強加熱領域による加熱とが重ね合わされて形成される重層加熱領域を冷却する。
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明では脆性材料としてガラス基板を例に説明する。
【実施例１】
【００２９】
図１は、本発明の実施例１に係る脆性材料割断装置の概略図を示す図である。ガラス基板１１は可動式テーブル３２上に載置され、可動式テーブル３２はＸ−Ｙ駆動装置によりＸ−Ｙ平面内を前後左右に移動する。図においては、ガラスの移動方向であるＹ軸駆動用のサーボモータ３３とシャフト軸３４のみが示されており、Ｘ軸駆動系は図示省略されている。
【００３０】
ガラスを加熱するためのレーザ発振器は、本実施例においては半導体レーザ５０とＣＯ２レーザ２５の２台が用いられている。この半導体レーザ５０は、数１０Ｗの出力のＬＤモジュールを数１０個程度用いて、個々のＬＤモジュールのビーム出力面を揃えてスタック状に組み上げた大出力が得られる半導体レーザ発振器である。本実施例においては平行ビームにコリメートされた状態で、最大１ｋＷのレーザパワーが得られる。発振波長はλ＝９７６ｎｍである。なお、半導体レーザから出力されるレーザビームを、以下ＬＤビーム（ＬＤ：laser Diode）と表記する。
半導体レーザ５０から出射されるＬＤビーム５２は、反射鏡５４により鉛直下方に反射され、凹レンズ５６を通して所定のビーム径になるように整形される。凹レンズ５６を通過したＬＤビーム５２は、そのままガラス基板１１の表面に照射される。その結果、ＬＤビーム５２によって、ガラス基板１１上に第１レーザビームによる照射領域が形成される。
【００３１】
一方、ＣＯ２レーザ２５から出射されるレーザビーム２６は、ビームエキスパンダ２７を経由した後、反射鏡２８により鉛直下方に反射される。ＣＯ２レーザ２５は、ガス封じ切り型で、最大出力１００Ｗが得られるＣＯ２レーザ発振器である。ビーム径φ４ｍｍのレーザビーム２６が、ビームエキスパンダ２７を通過することでビーム径が約４倍に拡大されφ１６ｍｍのビームとなる。拡大されたビームは、ビーム整形手段８０を通過することで、細長いビームに整形され、ガラス基板１１上で第２のレーザビームによる照射領域を形成する。
【００３２】
ビーム整形手段８０としては、具体的に回折光学素子（ＤＯＥ）あるいはシリンドリカルレンズのような光学部品を利用できるが、本実施例においては、矩形アパーチャとシリンドリカルレンズとを組み合わせて用いている。また、本実施例においては、第１レーザビームによる照射領域と、第２レーザビームによる照射領域とがガラス基板１１の表面で一部分が重なるようなビーム伝送方式になっている。
【００３３】
第２のレーザビームによる照射領域の後方には、冷却装置３０が設置される。冷却装置３０としては、２筒管式の冷却ノズルを使用し、内円筒管から水を、外円筒管から空気を噴射させる。水と空気の混合媒体がガラス基板１１に向かって噴射されることにより、ガラス基板１１上に冷却点が形成される。
【００３４】
第１のレーザビームの照射領域の前方には、初亀裂形成装置３１が設けられる。初亀裂形成装置３１は、下端部にダイアモンドカッタを備え、そのダイアモンドカッタを上下する上下機構を有している。上下機構とＹ軸駆動用のサーボモータ３３との連動により、ガラス基板１１の端部に初亀裂を形成することができる。
【００３５】
本実施例においては、割断予定線に沿って、ガラス基板１１上の第１レーザビームによる照射領域と、第２レーザビームによる照射領域と、冷却装置３０により形成される冷却点とが一直線上に並ぶように配置される。ガラス基板１１上の第１レーザビームによる照射領域と、第２レーザビームによる照射領域と、冷却装置３０により形成される冷却点とを一直線上に並べることにより、ガラス基板１１がＹ軸方向に移動するのに伴って、ガラス基板１１の割断予定線上では、割断予定線を中心として、左右均等バランス良く熱応力を発生させることができる。
【００３６】
次に図２を用いてフルカットを達成するための構成及び動作を説明する。図２では、図１に示したガラス基板１１をその中央位置まで割断加工している最中の状態を示している。つまり、図２はフルカットが既に開始された後の状態を示しているので、以下の説明では、時間を遡って初亀裂１６を形成する最初の段階から説明する。
【００３７】
ガラスを割断するために、まず、ガラス基板１１の割断予定線１２の端部に初亀裂形成装置３１（図１参照）により初亀裂１６を形成する。この初亀裂１６がガラス基板１１の割断の出発位置となる。次に、可動式テーブル３２（図１参照）の上に載置されたガラス基板１１をサーボモータ３３（図１参照）によりＹ方向に移動させる。Ｙ方向に移動させるにあたっては、初亀裂１６を形成した後、まず、可動式テーブル３２を図１における−Ｙ方向に一旦移動させ、第１レーザビームとしてのＬＤビーム５２を照射してもその下方にガラスが無い位置まで退避させる。
【００３８】
次に、半導体レーザ５０とＣＯ２レーザ２５とを各々所定のレーザパワー指令値で連続発振させ、ＬＤビーム５２とＣＯ２レーザビーム２６とを出射する。出射されたＬＤビーム５２は、凹レンズ５６で大きな直径のビームに整形され、ガラス基板１１の上に照射されて、第１レーザビーム照射領域６０を形成する。一方、ＣＯ２レーザ２５から出射されたＣＯ２レーザビーム２６は、矩形アパーチャ（図示省略）とシリンドリカルレンズ４８によって、割断予定線１２に沿った細長い形状のビームに整形され、第２レーザビーム照射領域１４を形成する。
【００３９】
シリンドリカルレンズ４８の後方には、冷却装置３０が配置され、その冷却装置３０からは水と空気の混合媒体が下方に噴射される。その結果、ガラス基板１１の上には冷却点１５が形成される。そして、可動式テーブル３２を図１における＋Ｙ方向に一定速度で移動させる。
【００４０】
ＬＤビーム５２による略円形の第１レーザビーム照射領域６０によって、ガラス基板１１は割断予定線１２を中心に幅広い領域を弱いパワー密度で加熱される。更に、ガラス基板１１は、ＣＯ２レーザビーム２６による細長い第２レーザビーム照射領域１４によって、割断予定線１２に沿って、強いパワー密度で加熱される。冷却装置３０の真下の位置では、ガラス基板１１が移動することにより２つの加熱領域が加算された加熱領域が形成される。すなわち、ガラス基板１１の上には、第１レーザビーム照射領域６０と第２レーザビーム照射領域１４とが重ね合わされた加算領域としての重層加熱領域が形成されている。その重層加熱領域に対して、冷却装置３０は冷媒を噴射し、冷却点１５を形成する。
【００４１】
すると、図２に示すように、冷却点直下で初亀裂１６から拡大した亀裂がガラス基板１１の板厚方向に発生する。初亀裂１６の付近で板厚方向に拡大した亀裂は、第１レーザビーム照射領域６０と第２レーザビーム照射領域１４および冷却点１５の組み合わせがガラス基板１１に対して相対的に移送するのに伴って、割断予定線１２の前方方向に亀裂を拡大させることができる。この結果、ガラス基板１１の全板厚に亘って割断面１７が拡張される。
【００４２】
次に、図３を用いてＬＤビーム５２がガラス基板１１を加熱する第１レーザビーム照射領域の状態を詳細に説明する。図３は、ＬＤビーム５２がガラス基板１１に照射される部分を断面図として示した図で、図２に示したＢ−Ｂ’線の断面を示している。
【００４３】
ＬＤビーム５２はガラス基板１１の上方からほぼ垂直に照射されている。ＬＤビーム５２は発振波長λが９７６ｎｍであるので、ガラス基板１１の表面だけで吸収されるわけではなく、ガラス基板１１を厚さ方向に通過する途中で、その内部においても吸収される。そのため、ガラス基板１１の内部においては、表面から入射されるレーザビーム５２１のレーザパワーが１００Ｗであった場合に、ＬＤビームがその厚さ方向に進行するのに従って、１００Ｗから９０Ｗへ、更に９０Ｗから８０Ｗへと、ガラスの深部に到達するのに従いそのレーザパワーがガラス基板１１に吸収されていく。レーザビームがガラス基板１１の裏面にまで到達すると、ガラス基板１１に吸収されなかった残りのビーム５２２がガラスの裏面から放出される。よって、ＬＤビーム５２によって形成される第１レーザビーム照射領域６０は、図３に示すようにガラス基板１１の表面と裏面とに挟まれた立体的な空間となる。
【００４４】
一例として、厚さ２．８ｍｍのソーダガラスであれば、照射されるＬＤビームの約５０％がガラス基板１１の内部に吸収され、残余の５０％がガラス基板１１の裏面から透過される。ＬＤビーム５２を照射した場合に発生するこのような半透過性の現象は、ＣＯ２レーザビームを照射した場合の現象とは大きく異なっている。ＣＯ２レーザビームであれば、ガラス基板１１の表面でほぼ１００％が吸収されるので、ガラス基板１１の表面で光エネルギーが熱エネルギーに変換される。従って、ＣＯ２レーザビームを照射した場合に、ガラス基板１１の内部が加熱されるのは、表面で発生した熱エネルギーが熱伝導によって伝わっていくプロセスしかないため、この点はＬＤビーム照射の場合と異なっている。
【００４５】
ＬＤビーム５２を照射した場合のガラス基板１１内部の様子を図４を用いて更に詳述する。図４（ａ）において、ガラス基板１１は、第１レーザビーム照射領域６０、第２レーザビーム照射領域１４によって加熱されるが、まず最初に第１ビーム照射領域６０で略円形に加熱される。ガラス基板１１はＹ方向に相対移動するので、第１レーザビーム照射領域６０によって加熱される部分は帯状になり、加熱領域１６０が形成される。次に、ガラス基板１１は第２ビーム照射領域１４で加熱される。その加熱による熱はＹ方向への相対移動に伴って、ガラス基板１１の裏面方向に熱伝導してガラス基板１１内に加熱領域１４０が形成される。冷却点１５における冷却は、ガラス基板１１のＹ方向への相対移動に伴って、その裏面方向に同様に熱伝導するので、ガラス基板１１内に冷却領域１５０が形成される。
【００４６】
この結果、冷却点１５の真下におけるガラス基板１１の熱分布は、図４（ｂ）のようになる。すなわち、ガラス基板１１に対して、ＬＤビーム５２によりガラス基板１１の厚さに依らず裏面まで加熱されている加熱領域１６０と、それに続く第２ビーム照射領域１４により加熱されている加熱領域１４０が形成される。２つの加熱領域１６０、１４０の重層部分に対して、冷却点１５による冷却が作用することで、冷却点直下で亀裂がガラス基板１１の深さ方向に進行し、ガラス基板１１の裏面にまで達して全板厚方向に亘って割断される。この割断面は、最初、初亀裂１６の部分に形成され、その直後からガラス基板１１の相対移動に伴って割断予定線１２に沿って進行し、割断予定線１２に沿ったフルカットが実現される。
【００４７】
実験で判明した最も好適な実施例として、ソーダガラス２．８ｍｍｔに波長λ=９７６ｎｍの半導体レーザを入射角０°で照射したところ、吸収率は約５０％であることがわかった。ソーダガラス２．８ｍｍｔにレーザスクライブを入れられる条件を探して、その条件のもとで、ＣＯ２レーザビーム２６と重なるようにＬＤビーム５２を照射したところ、割断速度５０ｍｍ／ｓでフルカットが可能となった。その場合のガラスに照射するＬＤビーム５２のレーザパワーは６８５Ｗ、ＣＯ２レーザビーム２６のレーザパワーは４２Ｗ、ＬＤビーム５２による第１レーザビーム照射領域６０は直径約２０ｍｍの略円形の形状とし、そのＬＤビーム５２による第１レーザビーム照射領域６０のほぼ中心にＣＯ２レーザビーム２６による細長い第２レーザビーム照射領域１４の先端部が位置するような合成ビームプロファイルを形成した。すなわちＬＤビーム５２による第１レーザビーム照射領域６０とＣＯ２レーザビーム２６による細長い第２レーザビーム照射領域２６とを重ならせた。その結果、直線性精度の良い、良好な割断の割断面が得られた。
【００４８】
注目すべきことは、ＬＤビーム５２はガラス基板１１に対して半透過性の性質を示すので、ＬＤビーム５２を照射するエリアで、ガラス基板１１の表面と裏面とで囲まれる立体的な加熱領域６０が形成される点である。これは、ガラス基板１１の板厚が厚くなっても同様であるので、ガラス基板１１の内側からレーザビームで直接に加熱できる。また、ＬＤビーム５２は光速でガラス基板１１を透過するので、立体的な加熱領域６０は、ＬＤビーム５２の照射と同時に生成されるといってよい。
【００４９】
なお、実験では第１レーザビームとして波長λ=９７６ｎｍのＬＤビーム５２を用いたが、他の実験結果としては、波長λ=１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザを用いた場合でも、ソーダガラス２．８ｍｍｔに対して約５２％のレーザパワーが吸収され、かつ、残余の４５％のレーザパワーが透過することを確認した。ちなみに、同ソーダガラス２．８ｍｍｔを２枚重ねた場合には板厚が２倍になるため、約７６％のレーザパワーが吸収され、２２％のレーザパワーが透過した。よって、第１レーザビームのレーザ光源は半導体レーザに限定されるものではなく、第１レーザビームの一部がガラス基板１１に吸収され一部が透過するようなガラス基板１１に対して半透過性のレーザビームを発振するレーザ光源であればよく、波長λが８００ｎｍｍ以上１５００ｎｍ以下の範囲の近赤外線波長を発振する半導体レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザなどの各種の近赤外線レーザ発振器を使用することができる。
【００５０】
次に、ガラス基板１１をレーザで割断する場合に発生しやすい加工不良について詳細に説明する。図５は、レーザを用いてガラスを割断する場合に発生しやすい割断不良の様子を示した平面図である。ガラス基板１１の上に想定された直線形状の割断予定線１２をレーザ割断加工した後の状態を示している。図示したように、初亀裂１６からフルカットの割断面になっているが、その割断面６４は、割断予定線１２から外れた軌跡となり湾曲している。このような亀裂は、初亀裂側からの亀裂の生成速度が非常に大きく、亀裂が破裂するように一気に進行する場合に発生してしまう。湾曲した亀裂が形成されると直線性精度が著しく劣化するため、このような加工不良が発生する割断方法では工業的に利用することができなかった。以下に、このような割断不良が発生する理由とその割断不良の解決手段について、図６および図７を用いて説明する。
【００５１】
前述したように、本実施例においては、割断予定線１２の前方に照射される第１レーザビームとしてＬＤビーム６０を使用している。ＬＤビーム６０は、ソーダガラスに対して半透過性の性質を示すので、図３で説明したように、ガラス基板１１を内部から加熱できるという特徴がある。
【００５２】
一方において、割断予定線１２の前方に照射される第１レーザビームとして、半導体レーザに変えてＣＯ２レーザを使用することもできる。ただし、ＣＯ２レーザを使用した場合には、ガラス基板１１の表面でほぼ１００％のレーザパワーが吸収される。そのため、ガラス基板１１の内部を加熱するためには、表面で吸収されたレーザビームが熱に変換され、ガラスの裏面方向に向かって熱伝導される必要がある。従って、ＣＯ２レーザを前方に照射する場合には、ガラス基板１１の裏面に熱伝導するまでの時間をかせぐために、冷却点１５とＣＯ２レーザビームの前方照射位置との間に距離を設ける必要がある。その離隔距離は、ガラス基板１１の板厚及びガラスの加工速度に依存した最小許容値がある。ガラス基板１１が厚くなると、離隔距離を所定の最小許容値よりも大きく設定する方が良好な割断面を得る上で好ましい。そのため、このＣＯ２レーザビームを第１レーザビームとして用いる場合に、厚さが厚いガラス基板１１をフルカットしようとすると、離隔距離を大きく設定しなければならない。
【００５３】
他方において、ＬＤレーザの波長のビームを用いる場合には、冷却点１５とＬＤ照射位置６０との離隔距離を大きくする必要がない。前述したように、ＬＤレーザのビームがガラス基板１１に対して半透過の特性を示すために、ガラス基板１１の厚さ方向に均一に加熱することができるためである。距離を離す必要がないので、冷却点１５とＬＤ照射位置６０の離隔距離は短い。このことは、ガラス基板１１をフルカット割断する場合に、ガラス基板１１に初亀裂１６を入れた開始端側において、次のような作用効果をもたらす。その作用効果を図６（ａ）、図６（ｂ）および図６（ｃ）を用いて説明する。
【００５４】
図６（ａ）、図６（ｂ）および図６（ｃ）は、ガラス基板１１のフルカットが開始されるタイミングで、その時間の経過の順番に（ａ）（ｂ）（ｃ）と並べて示した図である。ガラス基板１１が移動することで、初亀裂１６側からフルカットが開始される瞬間を、３つのタイミングを切り出して（ａ）（ｂ）（ｃ）と並べて示している。ガラス基板１１が＋Ｙ軸方向に移動するので、ガラス前端線１１ａの位置は、（ａ）から（ｂ）への経過に伴い距離ｙ１だけ右に移動している。また、（ｂ）から（ｃ）への経過に伴い、ガラス前端線１１ａの位置は、距離ｙ２だけ右に移動している。ガラス基板１１が移動するのに対して、それ以外の構成部分は動いておらず、ＬＤビームの第１ビーム照射領域６０と、第２ビーム照射領域１４と、冷却点１５については、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）のいずれでも固定された同じ位置にある。
【００５５】
図６（ａ）に示すように、まだ、ガラス前端線１１ａにレーザビームが照射されていないタイミングにおいては、ガラス基板１１は一切加熱されていない。図６（ｂ）は、図６（ａ）よりも時間が経過した状態を示しており、ガラス基板１１が＋Ｙ方向にｙ１だけ移動している。図６（ｂ）に示すように、このタイミングにおいては、ＬＤビームの全部とＣＯ２レーザビームのほぼ全部がガラス基板１１に照射される。冷却点１５は、まだガラス基板１１の上にない。従って、図６（ｂ）のタイミングにおいては、図６（ｂ）に帯状のハッチング領域として示した重層加熱領域７４が加熱されるエリアとなる。ここで、仮に、ＬＤビームの照射領域６０の前端から、ガラス前端線１１ａまでの長さをｄ１とすると、この長さｄ１がガラスに注入される熱量の大きさを表す目安となる。図６（ｃ）には、図６（ｂ）よりも時間が経過した状態を示しており、ガラス基板１１が更にｙ２だけ移動している。このタイミングでは、冷却点１５がガラス基板１１の上にあり、ちょうど初亀裂１６の位置に冷却点１５が形成されている。
【００５６】
ガラスをフルカットする場合に、ＣＯ２レーザを第１レーザビームとして用いた場合には、図６（ｃ）に示すように冷却点１５がガラス前端線１１ａに達したタイミングで、小さな初亀裂が拡大し、破裂するように大きな亀裂に成長することが多い。初亀裂から一気に成長するこのような亀裂は加工不良になる。冷却点１５がガラス基板１１に達した途端に大きな亀裂が発生してしまう要因の一つは、冷却が行われるまでにガラス基板１１に注入される熱エネルギーが大きくなり過ぎてしまうことである。つまり、帯状に加熱される重層加熱領域７４の割断方向への長さが長くなると、ガラス基板１１に過大な熱エネルギーを与えてしまう。そのことを、図７を用いて説明する。
【００５７】
図７は、ガラス基板１１を加熱する領域が割断予定線１２に沿って長い場合と短い場合との相違点を表す概念図である。図７（ａ）、図７（ｂ）のいずれも、第１レーザビームとしてＬＤビームを照射し、第２レーザビームとしてＣＯ２レーザビームを照射する。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、帯状に加熱されたガラス基板１１が平面的に膨張することに伴って、割断予定線１２に沿ってガラス基板１１を左右に開こうとする力が発生する。図７（ａ）に示すように、加熱領域７４の長さ、すなわち、ＬＤビームの照射領域６０の前端からガラス前端線１１ａまでの長さｄ２が長くなると、比較的大きな引張り応力Ｆ１，Ｆ２が発生する。この引張り応力Ｆ１，Ｆ２は割断予定線１２の向きに直角な方向に、左右対称に発生するので、初亀裂（図示省略)の位置でガラスを左右に開いて亀裂を生じさせようとする力として作用する。この引張り応力Ｆ１，Ｆ２の大きさは加熱領域７４の長さに依存するので、図７（ｂ）に示すようにその長さｄ３が短いと（ｄ３＜ｄ２）、ガラス基板１１を左右に開こうとする力Ｆ３，Ｆ４は小さくなる（Ｆ３＜Ｆ１、｜Ｆ３｜＝｜Ｆ４｜、｜Ｆ１｜＝｜Ｆ２｜）。
【００５８】
初亀裂の位置に熱衝撃が加わった場合に、割断予定線１２から外れた亀裂が一挙に発生するのは、帯状の加熱によって図７（ａ）に示すような大きな引張り応力Ｆ１，Ｆ２がかかっている状態といえる。よって、割断予定線１２から外れるような亀裂が発生しないようにするためには、図７（ｂ）に示すように帯状の加熱領域７４の長さｄ３を短くすることが必要となる。長さｄ３を短くするために、本実施例においては、ＬＤビーム５６の照射領域６０とＣＯ２レーザビーム２６の照射領域１４とを重ね合わせている。そのため、図７（ｂ）に示すように、ガラス基板１１を左右に開こうとする力Ｆ３，Ｆ４を小さくできるため、亀裂が一気に発生せず、割断不良の発生が防止される。
【００５９】
ＣＯ２レーザであれば、ガラス表面で吸収された熱が熱伝導によりガラス裏面にまで伝導する時間が必要となるため、図７（ａ）のように加熱領域の長さｄ２をある程度長く設けなければならないという制約がある。しかし、加熱領域の長さｄ２を長く設けると、初亀裂の位置が冷却される直前までに帯状に蓄えられる熱エネルギーが過大になるため、制御不能な亀裂が発生し加工不良となる。すなわち、第１レーザビームとしてＣＯ２レーザを用いた場合には、ガラス基板１１を裏面まで加熱することと、前方照射位置と冷却点との距離ｄ２を短くすることを両立できないのである。しかし、半透過性のレーザビームであれば、レーザビームがガラス基板１１に直接吸収されるので、距離ｄ２を短くできる。このように、第１レーザビームとしてガラス基板１１に対して半透過性の性質を示すレーザビームを用いることにより、ＣＯ２レーザビームでは対応できないフルカット加工が可能となり、特に厚板ガラスのフルカットが可能となる。
【００６０】
従来までのフルカット技術では、割断面の品質に問題があり、マイクロクラックが無い良好な面質の割断面を出すことができなかった。あるいは、従来までのフルカット技術では、サイズ効果の課題を克服できないため、割断線が湾曲したり、大きなサイズのガラス基板１１の中央部分の割断が困難であったりした。しかし、本発明によれば、上記の課題や問題点を全て解決することができる。
【００６１】
更に、従来までのレーザスクライブ技術では、ガラス基板１１の表面に深さ０．１ｍｍ未満の亀裂溝を発生させることしかできなかった。しかし、本発明によれば、厚さ２．８ｍｍｔのソーダガラスのフルカットに成功しているので、割断面の深さを単純に数値比較すれば、従来技術の２８倍もの亀裂深さを達成している。その結果として、従来では必須の工程であったブレイク行程が不要となるという顕著な効果を得られた。
【００６２】
ブレイク行程が不要になることのメリットを具体的に表す。一例として、従来の方法では、レーザスクライブを行う機械とブレイクを行う機械を別々に製造し、ガラス基板１１をスクライブした後に、ガラス基板１１をスクライブの機械から取り出し、ブレイクの機械に搬送してガラス基板１１を分割するということが行われていた。場合によっては、ガラス基板１１を上方から押してブレイクするために、搬送の途中で、ガラス基板１１をひっくり返す反転工程が付加されることもある。本発明に係る脆性材料割断装置を用いると、ブレイクを行う機械が不要となり、ガラス基板１１の搬送工程も反転工程も省けるので著しい工数低減の効果を得られる。また、ブレイクを行う機械一台が不要になるので、設備購入のための費用削減という意味でも、その効果は極めて大きい。
【実施例２】
【００６３】
図８は、本発明の実施例２に係る脆性材料割断装置の概略図を示す図である。図２と同じ構成部品については、同じ符号を付し、その説明を省略する。光ファイバー８２を用いて、第１レーザビームとしてのＬＤビームを第２ビーム照射領域１４の前方に直接導いていることに特徴がある。半導体レーザの発振波長は主に近赤外線の波長を示すものが多い。例えば、近赤外線の範疇に分類される波長８００ｎｍから３０００ｎｍまでのレーザ発振器であれば、光ファイバーによってレーザビームを柔軟に導くことができる。そのように活用できるレーザ発振器として、例えば、ＧａＡｓ半導体レーザ、ＡｌＧａＡｓ半導体レーザ、ＩｎＧａＡｓＰ半導体レーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｔｍ：ＹＡＧレーザ、Ｈｏ：ＹＡＧレーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、ＨＦレーザ等を用いることができる。あるいは、ファイバーレーザを用いてもよい。本発明を実施するには、大出力のレーザパワーを低損失で伝送できる石英製コアの光ファイバーを適用できるという点で、８００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の範囲の発振波長のレーザの適用が望ましい。更に、ガラス基板１１の板厚にもよるが、厚いガラス基板１１をフルカットする場合には数１００Ｗ以上の大出力が容易に得られる方が好ましいので、特に、半導体レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザの適用が好ましい。これらのレーザは石英製コアの光ファイバーと組み合わせるのが容易であると特性をもつ点でも好ましい。
【００６４】
図８に示すガラス基板１１は、アルマイト処理された平面のアルミ製のテーブル（図示せず）の上に載置される。よって、ガラス基板１１を透過したＬＤビームは、アルミ製のテーブルの表面で吸収あるいは乱反射されて、透過したパワーが減衰される。光ファイバー８２を用いることにより、ＬＤレーザの発振器等を加工テーブルとは離れた位置に設置することができる。また、光ファイバー８２は電気ケーブルと同等の柔軟な取扱いでＬＤビーム導くことができ、所望の角度でレーザビームをガラス基板１１に照射することができるため、ガラス基板１１を載置するテーブルの上方のスペースを有効に活用することができる。
【実施例３】
【００６５】
図９は、本発明の実施例３に係る脆性材料割断装置の概略図を示す図である。ガラスを載置するテーブルは、ガラスが割断される予定の割断線に沿って、帯状にその表面を鏡面研磨されたアルミ製の鏡面テーブルを用いる。ガラス基板１１の下に置かれる鏡面テーブルには、ＬＤビームの反射率を高めるために金メッキ処理を施してもよい。シリンドリカルレンズ４８の横の位置には、全反射ミラー４９がミラーホルダ機構部（図示省略）に保持されて、鏡面テーブルの上方に所定の設置角度を保ちながら固定されている。割断予定線上に、平行光にコリメート処理されたＬＤビーム５３が直接入射されている。ＬＤビーム５３は、割断予定線に対して斜めの角度を持って入射している。割断予定線の下の位置には、金メッキされた鏡面プレートが置かれる。ＬＤビーム５３は一部がガラス基板１１を透過するが、ガラス基板１１の裏面を透過後、鏡面テーブルで反射されて再度ガラス基板１１の内部に入射される。ガラス基板１１を透過したビームは、全反射ミラー４９に照射され、反射されて再度ガラス基板１１に入射される。
【００６６】
本構成であれば、ＬＤビーム５３の入射経路を斜めに設置することができるので、シリンドリカルレンズ４８に干渉することなく、細長いＣＯ２レーザビームの照射エリアと矩形型のＬＤ照射エリアとを重ねて照射することができる。また、一旦ガラス基板１１に照射されて吸収されずにガラス基板１１上方に反射してきたＬＤビーム５３を再度ガラス基板１１に向けて照射することができるので、ＬＤビーム５３の吸収効率を高めることができる。
【実施例４】
【００６７】
図１０は、本発明の実施例４に係る脆性材料割断装置の概略図を示す図である。割断予定線の下方の位置には、実施例２、３と同様に、金メッキされた鏡面プレートが置かれる。割断予定線の上方の位置には、長方形の全反射ミラー８８を配置している。この全反射ミラー８８は、その反射面が鏡面プレートと対向する向きに置かれ、さらに反射面は鏡面プレートと平行に設置される。ＬＤビーム５２は、ガラス基板１１を１回透過した後に、最初に金メッキの鏡面プレートに入射される。その後は、上方の長方形の全反射ミラー８８で全反射される。このように、鏡面プレートと長方形の全反射ミラー８８との間でジグサク経路の多重反射が行われ、その多重反射が行われる度に、ＬＤビーム５２のレーザパワーは効率よくガラス基板１１に吸収される。本実施例によれば、ＬＤビーム５２に対するガラス基板１１の吸収率が低い場合でも、多重反射することでガラス基板１１に吸収される熱の吸収率を統合的に高めることができる。
【００６８】
実施例１〜４において説明した脆性材料割断装置によって割断した２．８ｍｍｔのソーダガラスの赤外波長透過特性を図１１に示す。なお、本明細書では、近赤外の波長領域を波長０．７６μｍから２．５μｍの範囲、中赤外を波長２．５μｍから５μｍの範囲、遠赤外を波長５μｍから１０００μｍの範囲として記載する。
【００６９】
図１１に示すように、赤外分光装置を用いて測定した結果、同ソーダガラスの透過率が大きく低下するのは波数３７００ｃｍ−１から波数２０００ｃｍ−１の範囲、つまり波長換算で２．７μｍから５．０μｍの範囲であると確認できた。すなわち中赤外の領域で透過率が大きく変化する。他の種類のガラスについても調べたところ、やはり同じ波長範囲で透過率が低下する特性は同様であった。
【００７０】
この中赤外の波長領域に発振波長をもつレーザ発振器の一つとしては、例えばＥｒ：ＹＡＧレーザがある。Ｅｒ：ＹＡＧレーザを前方照射のレーザとして使用すれば、ソーダガラスのみならず、いずれの種類のガラスであってもフルカットを実現できる可能性がある。ただ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザは、出願時点で１００Ｗを超える高い平均パワーを安定して獲得することが難しい。
【００７１】
そこで、１００Ｗ以上の高い平均パワーが得られ、かつ、既に製品化されているレーザ発振器の利用を考えると、近赤外に発振波長をもつ高出力レーザの利用が好ましい。すなわち、ＡｌＧａＡｓ系またはＩｎＧａＡｓＰ系の高出力半導体レーザ。Ｎｄドープ系の固体レーザ。Ｅｒ、ＹｂあるいはＮｄドープ系のファイバーレーザ等が活用できる。厚いガラスのフルカットには、これらの高出力レーザを採用することが望ましい。なお、これらのレーザは、概ね波長７６０ｎｍから１５００ｎｍの波長範囲（あるいは波長８００ｎｍから１５００ｎｍの範囲）に固有の発振波長を示すものが多い。
【００７２】
ところで、一般のガラス板は、目に見える波長の光（可視光線：波長範囲でλ＝４００ｎｍ〜７６０ｎｍ）を透過するという物性をもつので透明に見える。透明には、無色透明と有色透明の２つがある。無色透明なガラスは可視光線を吸収せず、まんべんなく透過するのでガラスに色が付かない。有色透明なガラスは、可視光線の一部（その波長の光）が吸収されるので、その色が欠損し、吸収された可視光線の色以外の色がガラスに付いて見える。一例として、波長４３０ｎｍの青い光を吸収できる紫外線カットフィルター用のガラスが、黄色やオレンジ色のような暖色系の色合いに見えることからもそのことが理解できる。
【００７３】
さて、本発明の一つの実施形態では、波長λ=９７６ｎｍ（以下、簡略のためλＬＤと記す）の近赤外のＬＤビームを活用して、ソーダガラスのフルカットが可能になった。図１２は、ある種類のソーダガラスの分光透過率特性を示すグラフである。（ちなみに、このグラフに記載されている特性のソーダガラスと、実験においてフルカットした２．８ｍｍｔのソーダガラスとは、正確には種類の異なるソーダガラスである。ただし、両方とも同じソーダ石灰ガラスの範疇であることから、分光透過率の定性的な特性を説明するために、この図１２のグラフを記載した。）
【００７４】
図１２に示された、厚さ５ｍｍの場合の特性曲線を読むと、λＬＤでの透過率は７２％であり、波長７６０ｎｍ（すなわち赤色の光、以下λＲＥＤと略記する）における透過率は８０％である。ガラスの表裏面では反射があるので全入射光量内の６％程度は反射で失われる。しかし、その反射分を差し引いても、λＬＤにおいても、λＲＥＤにおいても、１０％を上回る光量がガラスに吸収される。
【００７５】
ここで、可視光線領域の下限値である波長０．４０μｍ（すなわち紫色の光、以下λＶＬＴと略記する）に対する透過率を読むと８７％となる。従って、この５ｍｍのソーダガラスは、λＶＬＴ（透過率８７％）よりもλＲＥＤ（透過率８０％）での方が透過率が低い。すなわち、このソーダガラスは紫色よりも赤色の光をより多く吸収している。
前述したように、有色透明なガラスは、可視光線の一部の光が吸収されて、その色が欠損するので、吸収された可視光線の色以外の色がガラスに付いて見える。よって、赤色の光を多く吸収する同ソーダガラスは青みがかった色が付く。本発明の実験検証に用いた厚さ２．８ｍｍｔのソーダガラスも薄い青色のガラスである。
【００７６】
本発明の一つの実施形態であるＬＤビームを利用する実施形態の場合には、λＬＤにて半透過の特性であることが望ましく、最大でも透過率８０％程度を上限とし、概ね２０％を下限とするような特性がより好ましい。フルカットが達成されるかどうかは、λＬＤにおいて半透過性を示すことが望ましく、可視光線の波長範囲での透過率が何％であるのかは重要ではない。ただし、本実施形態においては、λＬＤが、可視光線領域の上限値であるλＲＥＤと数値的に近い波長となっている。よって、λＬＤにおける透過率が低いという物性のガラスであれば、λＲＥＤでの透過率も自然と低くなる傾向になる。そのことを図１３を用いて補充して説明する。
【００７７】
図１３は、緑色のガラスの透過率特性を示す図である。この緑色ガラスは赤外線を吸収するガラスであり、冷暖房効果を高めるために窓ガラスの材料として使われたりする。赤外線を吸収する目的であるから、図１３に示すように０．８μｍから１．５μｍの波長範囲で透過率の曲線が凹形状に低く窪んでいる。そのため、λＲＥＤでの透過率も４０％以下の低い値になっている。このように、近赤外での透過率が低ければ、それに近接するλＲＥＤでの透過率も低くなる傾向がある。また、波長０．５μｍに透過率のピークがあるので、このガラスは緑の色が付いて見える。
【００７８】
まとめると、無色透明なガラス板であれば、ガラスの可視光線に対する透過率は９０％以上を示す。逆に言うと、可視光線に対する透過率が９０％を下回るようなガラスは、無色透明とならず、有色透明の色付きガラスとなる。前述したように、ガラスに色が付いているかどうかは、フルカットの成否には直接的な因果関係は無い。しかし、本発明の実施形態において、近赤外で１００Ｗを超える高い平均レーザパワーを有するレーザを採用する場合には、そのレーザの発振波長でガラスが半透過性を示す方が望ましい。従って、自ずと、λＲＥＤでの透過率がλＶＬＴでの透過率よりも低くなる傾向にあり、その結果、加工対象であるガラスは青や緑のような寒色系の色合いを示すことになる。
【００７９】
つまり、本発明の一つの実施形態である、λＬＤのＬＤビームを用いたガラス割断装置においては、例えば、ブラウンやグレーのような有色透明のガラスのフルカットにも有効であるし、更に好ましくは、紫や青や緑のような寒色系の色合いのガラスのフルカット加工に、より適している。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明による脆性材料の割断装置および脆性割断方法は、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や携帯電話、携帯端末などの表示装置用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して好適である。
【符号の説明】
【００８１】
１１ ガラス基板
１２ 割断予定線
１４ 第２レーザビーム照射領域
１５ 冷却点
１６ 初亀裂
１７ 割断面
２３ 反射鏡
２４ 凹レンズ
２５ ＣＯ２レーザ
２６ ＣＯ２レーザビーム
２７ ビームエキスパンダ
２８ 反射鏡
２９ 回折光学素子
３０ 冷却装置
３１ 初亀裂形成装置
３２ 可動式テーブル
３３ サーボモータ
３４ シャフト軸
６０ 第１レーザビーム照射領域
５０ 半導体レーザ
５２、５３ ＬＤビーム
５４ 反射鏡
５６ 凹レンズ
４８ シリンドリカルレンズ
４９ 全反射ミラー
６４ 割断面
７４ 重層加熱領域
７６ 重層加熱領域
８０ ビーム整形手段
８８ 全反射ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断装置であって、前記割断予定線上に幅広く形成される弱加熱領域を形成する第１レーザビーム照射手段と、前記割断予定線上に前記弱加熱領域よりも狭い幅で、前記弱加熱領域よりも強く加熱される強加熱領域を形成する第２レーザビーム照射手段と、前記割断予定線上の位置に冷媒を噴射して局所的に冷却する冷却手段とを備え、前記冷却手段は、前記脆性材料との相対移動に伴い前記弱加熱領域による加熱と前記強加熱領域による加熱とが重ね合わされて形成される重層加熱領域を冷却することを特徴とする脆性材料割断装置。
【請求項２】
第１レーザビーム照射手段によって照射される第１レーザビームは、脆性材料を前記第１レーザビームが透過するのに伴って、前記第１レーザビームの一部が前記脆性材料に吸収され、かつ、前記第１レーザビームの一部が前記脆性材料を透過するレーザビームであることを特徴とする請求項１に記載の脆性材料割断装置。
【請求項３】
第１レーザビーム照射手段によって照射される第１レーザビームは、近赤外線の波長を発生するレーザ発振器から供給され、第２レーザビーム照射手段によって照射される第２レーザビームはＣＯ２レーザ発振器から供給されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の脆性材料割断装置。
【請求項４】
第１レーザビーム照射手段によって照射される第１レーザビームは８００ｎｍｍ以上１５００ｎｍ以下の範囲の波長であるレーザビームを発生するレーザ発振器から供給され、第２レーザビーム照射手段によって照射される第２レーザビームはＣＯ２レーザ発振器から供給されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の脆性材料割断装置。
【請求項５】
第１レーザビーム照射手段により供給されて弱加熱領域に照射される第１レーザビームのレーザパワーは、第２レーザビーム照射手段で供給される強加熱領域に照射される第２レーザビームのレーザパワーよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の脆性材料割断装置。
【請求項６】
弱加熱領域に照射される第１レーザビームの脆性材料上でのレーザパワー密度は、強加熱領域に照射される第２レーザビームの脆性材料上でのレーザパワー密度よりも低いことを特徴とする請求項１または請求項５に記載の脆性材料割断装置。
【請求項７】
第１レーザビーム照射手段によって照射される第１レーザビームの一部分が、第２レーザビーム照射手段によって照射される第２レーザビームと重なり、脆性材料上の一部分を第１レーザビームおよび第２レーザビームで同時に加熱する領域を有することを特徴とする請求項１に記載の脆性材料割断装置。
【請求項８】
脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断装置であって、前記割断予定線に沿って、前記脆性材料に形成される加熱部分を生成するレーザビームを照射するレーザビーム照射手段と、前記割断予定線に沿って、前記加熱部分の後方の位置で前記脆性材料を冷却する冷却手段とを有し、前記レーザビーム照射手段は、前記加熱部分にて、前記割断予定線に沿って帯状で加熱の弱い領域を形成する第１レーザビームを照射する第１レーザビーム照射部と、前記加熱部分にて、前記割断予定線に沿った方向が直角方向よりも細長い形状で加熱の強い領域を形成する第２レーザビームを照射する第２レーザビーム照射部とを含み、前記第１レーザビームは前記脆性材料の内部まで浸透して吸収される波長のレーザビームであり、前記第２レーザビームは前記脆性材料の表面で吸収される波長のレーザビームであることを特徴とする脆性材料割断装置。
【請求項９】
第１レーザビーム照射部によって照射される第１レーザビームは、８００ｎｍｍ以上１５００ｎｍ以下の範囲の波長であるレーザビームを発生するレーザ発振器から供給され、第２レーザビーム照射部によって照射される前記第２レーザビームはＣＯ２レーザ発振器から供給されることを特徴とする請求項８に記載の脆性材料割断装置。
【請求項１０】
第１レーザビーム照射部は、脆性材料を透過した第１レーザビームを前記脆性材料の裏面から前記脆性材料に向けて少なくとも１回反射させる反射手段を備えていることを特徴とする請求項８に記載の脆性材料割断装置。
【請求項１１】
第１レーザビーム照射部は、脆性材料の表裏を挟んで第１レーザビームを２回以上反射させる多重反射手段を備えていることを特徴とする請求項８に記載の脆性材料割断装置。
【請求項１２】
第１レーザビーム照射部は、第１レーザビームを導く光ファイバーを備えていることを特徴とする請求項８に記載の脆性材料割断装置。
【請求項１３】
脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断方法であって、前記割断予定線に沿って前記脆性材料の内部まで浸透して吸収される波長のレーザビームにより帯状で加熱の弱い領域を形成する第１レーザビームを照射する工程と、前記第１レーザビームの後方に、前記脆性材料の表面で吸収される波長のレーザビームにより前記割断予定線に沿った方向が直角方向よりも細長い形状で加熱の強い領域を形成する第２レーザビームを照射する工程と、前記加熱の弱い領域および加熱の強い領域の後方の位置で前記脆性材料を冷却する工程を含む脆性材料割断方法。
【請求項１】
脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断装置であって、前記割断予定線上に幅広く形成される弱加熱領域を形成する第１レーザビーム照射手段と、前記割断予定線上に前記弱加熱領域よりも狭い幅で、前記弱加熱領域よりも強く加熱される強加熱領域を形成する第２レーザビーム照射手段と、前記割断予定線上の位置に冷媒を噴射して局所的に冷却する冷却手段とを備え、前記冷却手段は、前記脆性材料との相対移動に伴い前記弱加熱領域による加熱と前記強加熱領域による加熱とが重ね合わされて形成される重層加熱領域を冷却することを特徴とする脆性材料割断装置。
【請求項２】
第１レーザビーム照射手段によって照射される第１レーザビームは、脆性材料を前記第１レーザビームが透過するのに伴って、前記第１レーザビームの一部が前記脆性材料に吸収され、かつ、前記第１レーザビームの一部が前記脆性材料を透過するレーザビームであることを特徴とする請求項１に記載の脆性材料割断装置。
【請求項３】
第１レーザビーム照射手段によって照射される第１レーザビームは、近赤外線の波長を発生するレーザ発振器から供給され、第２レーザビーム照射手段によって照射される第２レーザビームはＣＯ２レーザ発振器から供給されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の脆性材料割断装置。
【請求項４】
第１レーザビーム照射手段によって照射される第１レーザビームは８００ｎｍｍ以上１５００ｎｍ以下の範囲の波長であるレーザビームを発生するレーザ発振器から供給され、第２レーザビーム照射手段によって照射される第２レーザビームはＣＯ２レーザ発振器から供給されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の脆性材料割断装置。
【請求項５】
第１レーザビーム照射手段により供給されて弱加熱領域に照射される第１レーザビームのレーザパワーは、第２レーザビーム照射手段で供給される強加熱領域に照射される第２レーザビームのレーザパワーよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の脆性材料割断装置。
【請求項６】
弱加熱領域に照射される第１レーザビームの脆性材料上でのレーザパワー密度は、強加熱領域に照射される第２レーザビームの脆性材料上でのレーザパワー密度よりも低いことを特徴とする請求項１または請求項５に記載の脆性材料割断装置。
【請求項７】
第１レーザビーム照射手段によって照射される第１レーザビームの一部分が、第２レーザビーム照射手段によって照射される第２レーザビームと重なり、脆性材料上の一部分を第１レーザビームおよび第２レーザビームで同時に加熱する領域を有することを特徴とする請求項１に記載の脆性材料割断装置。
【請求項８】
脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断装置であって、前記割断予定線に沿って、前記脆性材料に形成される加熱部分を生成するレーザビームを照射するレーザビーム照射手段と、前記割断予定線に沿って、前記加熱部分の後方の位置で前記脆性材料を冷却する冷却手段とを有し、前記レーザビーム照射手段は、前記加熱部分にて、前記割断予定線に沿って帯状で加熱の弱い領域を形成する第１レーザビームを照射する第１レーザビーム照射部と、前記加熱部分にて、前記割断予定線に沿った方向が直角方向よりも細長い形状で加熱の強い領域を形成する第２レーザビームを照射する第２レーザビーム照射部とを含み、前記第１レーザビームは前記脆性材料の内部まで浸透して吸収される波長のレーザビームであり、前記第２レーザビームは前記脆性材料の表面で吸収される波長のレーザビームであることを特徴とする脆性材料割断装置。
【請求項９】
第１レーザビーム照射部によって照射される第１レーザビームは、８００ｎｍｍ以上１５００ｎｍ以下の範囲の波長であるレーザビームを発生するレーザ発振器から供給され、第２レーザビーム照射部によって照射される前記第２レーザビームはＣＯ２レーザ発振器から供給されることを特徴とする請求項８に記載の脆性材料割断装置。
【請求項１０】
第１レーザビーム照射部は、脆性材料を透過した第１レーザビームを前記脆性材料の裏面から前記脆性材料に向けて少なくとも１回反射させる反射手段を備えていることを特徴とする請求項８に記載の脆性材料割断装置。
【請求項１１】
第１レーザビーム照射部は、脆性材料の表裏を挟んで第１レーザビームを２回以上反射させる多重反射手段を備えていることを特徴とする請求項８に記載の脆性材料割断装置。
【請求項１２】
第１レーザビーム照射部は、第１レーザビームを導く光ファイバーを備えていることを特徴とする請求項８に記載の脆性材料割断装置。
【請求項１３】
脆性材料に想定された割断予定線に対して、その割断予定線の端部位置に形成された初亀裂の側から前記割断予定線に沿って加熱した後冷却して、その加熱および冷却する位置を前記脆性材料に対して相対的に移動させて割断する脆性材料の割断方法であって、前記割断予定線に沿って前記脆性材料の内部まで浸透して吸収される波長のレーザビームにより帯状で加熱の弱い領域を形成する第１レーザビームを照射する工程と、前記第１レーザビームの後方に、前記脆性材料の表面で吸収される波長のレーザビームにより前記割断予定線に沿った方向が直角方向よりも細長い形状で加熱の強い領域を形成する第２レーザビームを照射する工程と、前記加熱の弱い領域および加熱の強い領域の後方の位置で前記脆性材料を冷却する工程を含む脆性材料割断方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１１９７２（Ｐ２０１１−１１９７２Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２７９７０（Ｐ２０１０−１２７９７０）
【出願日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【出願人】（５０３３９０６５１）株式会社レミ (34)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【出願人】（５０３３９０６５１）株式会社レミ (34)
【Ｆターム（参考）】
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