JP5702785B2 - ガラス基板のレーザ切断方法 - Google Patents

Description

関連出願の説明

本出願は、２００９年８月２８日に出願された米国仮特許出願第６１／２３７，７２８号の優先権の利益を米国特許法第１１９条（ｅ）の下で主張するものである。

本明細書は、一般に、ガラス基板を切断および分離する方法に関し、より具体的には、強化ガラス基板をレーザ切断および分離する方法に関する。

薄型の強化ガラス基板には、例えば、化学的に、熱的に、あるいは積層により強化された基板などがあるが、その優れた強度と耐損傷性により消費者向け電子機器において広範な用途が見出されている。例えばこのようなガラス基板は、ＬＣＤおよびＬＥＤディスプレイ用のカバーシートとして使用し得るし、また、携帯電話に、テレビやコンピュータモニタなどのディスプレイ装置に、そして種々の他の電子機器に組み込まれる、タッチアプリケーション用のカバーシートとして使用することができる。製造コストを削減するため、このような消費者向け電子機器に使用されるガラス基板は、単一の大型の板ガラス上で多数の装置に対する薄膜パターニングを実行した後にこの大型のガラス基板を種々の切断技術を用いて複数のより小型のガラス基板に分割または分離することにより、形成することが望ましいであろう。

圧縮応力の大きさと中心引張領域内に蓄積された弾性エネルギーにより、化学強化ガラス基板の切断および仕上げは難しいものとなるであろう。高い表面圧縮応力と深い圧縮層が、従来のスクライブ・曲げプロセスで行われたようにガラス基板を機械的にスクライブすることを困難にさせている。さらに、中心引張領域に蓄積された弾性エネルギーが十分に高い場合には、表面圧縮層を貫通したときに、爆発するような形でガラスが破損する可能性がある。他の例では、弾性エネルギーの解放により所望の切断ラインから外れた破損が生じ、これによりガラス基板を損傷してしまう可能性がある。現行の製造プロセスでは、化学強化していないガラスを切断および仕上げして、強化工程前に成形するものが多い。

したがって、強化ガラス基板を切断する他の方法を求める要望がある。

一実施の形態において、表面圧縮層と引張層とを含む強化ガラス基板からガラス物品を切断する方法は、強化ガラス基板の第１エッジの表面圧縮層にエッジ傷（edge defect）を形成するステップ、および、エッジ傷の位置で、表面圧縮層と引張層とを貫通する貫通割れ目（through vent）を伝播させるステップを含む。この貫通割れ目が、ガラス物品と強化ガラス基板との間の切断ラインに沿って、分離部を先導する。

別の実施形態において、表面圧縮層と引張層とを含む強化ガラス基板からガラス物品を切断する方法は、ガラス物品と強化ガラス基板との間の切断ラインの長さに沿って表面圧縮層上に入射するレーザビームを、貫通割れ目がこの切断ラインに沿って伝播するように走査させるステップを含む。

さらに別の実施形態において、表面圧縮層と引張層とを含む強化ガラス基板を切断する方法は、ガラス基板の表面圧縮層上の、切断ラインの途中の位置に、傷を形成するステップを含む。この方法は、切断ラインに沿って強化ガラス基板を分離するよう、レーザビームを切断ラインの長さに沿って走査させるステップをさらに含む。

本書において説明する実施形態のさらなる特徴および利点は、以下の詳細な説明の中に明記され、ある程度は、その説明から当業者には容易に明らかになるであろうし、あるいは、以下の詳細な説明、請求項、さらに添付の図面を含め、本書において説明された実施形態を実施することにより認識されるであろう。

前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、種々の実施形態を説明したものであること、そして請求される主題の本質および特徴を理解するための概要または構成を提供することが意図されたものであることを理解されたい。添付の図面は、種々の実施形態のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれかつその一部を構成する。図面は本書において説明する種々の実施形態を示し、そしてその記述とともに、請求される主題の原理および動作の説明に役立つ。

１以上の実施形態による強化ガラス基板とレーザシステムとを示す概略側面図 １以上の実施形態による、図１に概略的に描いた強化ガラス基板とレーザシステムとを示す概略斜視図 １以上の実施形態による切断ラインに沿って進む楕円形のレーザビームスポットを示す概略図 １以上の実施形態による、強化ガラス基板上に設けられたエッジ傷の位置での貫通割れ目の開始を示す概略図 １以上の実施形態による、強化ガラス基板のエッジ傷から反対側のエッジへと伝播した貫通割れ目を示す概略図 １以上の実施形態による、強化ガラス基板、レーザシステム、およびウォータージェット装置を示す概略側面図 １以上の実施形態による、図５Ａに概略的に描いた強化ガラス基板、レーザシステム、およびウォータージェット装置を示す概略斜視図 強化ガラス基板とレーザシステムの概略斜視図であって、１以上の実施形態によりレーザシステムがエッジ傷付近で短縮走査を実行している図 １以上の実施形態による、湾曲切断ラインを有する強化ガラス基板の概略図 １以上の実施形態により図７Ａに示した強化ガラス基板から切断された後の、湾曲エッジを有するガラス物品を示す概略図 １以上の実施形態による、強化ガラス基板から複数の物品を切断するための複数のエッジ傷と複数の走査レーザラインとを含む、強化ガラス基板を示す概略図 強化ガラス基板の圧縮層と内部引張領域とを示す概略図

ここで、強化ガラス基板を切断するための種々の実施形態について詳細に参照し、これらの例を添付の図面の中で説明する。可能な限り、図面を通じて、同じまたは同様の部品の参照には同じ参照数字を使用する。本書において説明するように、強化ガラス基板からガラス物品を切断する方法は、概して、強化ガラス基板上に傷を形成するステップを含む。この傷は、分離部を画成する切断ライン上に設けられる。レーザビームを、切断ラインの全長沿いおよびエッジ傷上に素早く走査させ、貫通した割れ目をエッジ傷の位置で開始させる。この貫通した割れ目は、ガラス基板を完全に貫通して（すなわち最上層と最下層との間で）進む。走査されたレーザラインに沿って貫通割れ目がガラス基板に素早く伝播しガラス基板からガラス物品を切断するよう、レーザビームを連続的に切断ラインの長さに沿って走査させてもよい。ガラス物品を切断する方法の種々の実施形態について、本書において以下でより詳細に説明する。

図１および２を参照すると、ガラス基板１１０の厚さを完全に貫通して延びている貫通割れ目１４０（図４Ａおよび４Ｂ参照）を用いてガラス基板１１０からガラス物品１５０を切断する、例示的なシステム１００が概略的に描かれている。この例示的なシステム１００は、概してレーザ光源１０４およびレーザ走査器１０６を含み、これらは支持表面１２０上に置かれたガラス基板１１０を、このガラス基板１１０の切断ライン１１６（すなわち、分離部）に沿って加熱するためのものである。

本書において説明する実施形態において、ガラス基板１１０は、第１表面１１７、第２表面１１９、第１エッジ１１１、および第２エッジ１１３を有するものとしてもよい。ガラス基板１１０は、限定するものではないが、例えばホウケイ酸ガラスまたはアルミノケイ酸ガラスを含め、種々のガラス組成で形成したものとすることができる。本書において説明する方法の実施形態により切断されるガラス基板は、強化工程によって強化されたものでもよく、強化工程としては例えば、イオン交換による化学強化工程、熱焼戻し、あるいはＣＯＲＥＬＬＥ（登録商標）製品のような積層ガラス構造などが挙げられる。本書では実施形態を化学強化ガラス基板に関連付けて説明しているが、本書において説明する方法を用いて他の種類の強化ガラス基板を切断し得ることを理解されたい。

図９は、例えばイオン交換強化工程などの強化工程により化学的に強化されたガラス基板１１０を概略的に示したものである。ガラス基板１１０は、２つの表面圧縮層１２２ａおよび１２２ｂと内部引張層１２４とを含む。表面圧縮層１２２ａおよび１２２ｂは圧縮応力状態で維持され、これがガラス基板１１０に強度を与える。内部引張層１２４は、表面圧縮層１２２ａおよび１２２ｂ内の圧縮応力を補償する引張応力下にあり、これらの力が互いに平衡を保つことで、ガラス基板を破砕させないようなものとなっている。

化学強化ガラス基板の耐損傷性は、強化工程中にガラス基板１１０上に形成される表面圧縮層１２２ａおよび１２２ｂによりもたらされるが、この強化工程としては例えば、「化学強化」または「化学的焼戻し」と称されることの多いイオン交換強化工程が挙げられる。化学強化工程は、ガラス基板が使用温度で表面圧縮応力を発現するように、ガラス基板の表面層内部のイオンをある温度でサイズの異なるイオンと交換するものである。イオン交換工程により得られる圧縮応力の大きさと表面圧縮層の深さは、ガラスの組成に依存する。一例として、化学強化されたＧＯＲＩＬＬＡ（登録商標）ガラスにおいては、７５０ＭＰａを超える表面圧縮応力および４０μｍを超える圧縮層深さが存在し得る。これに比較して、化学強化されたソーダ石灰ガラス基板においては、７５０ＭＰａ（基準）未満の表面圧縮応力および１５μｍ未満の圧縮層深さが存在し得る。

一例の化学強化工程として、ガラス基板をそのガラスの歪点を下回る温度で保たれている溶融塩浴に浸漬させるステップを含む、イオン交換強化工程をガラス基板に施してもよい。このときの浸漬時間の長さは、所望の応力プロファイルを得るためにイオンをガラス表面の所望の深さにまで拡散させるのに十分な程度とされる。イオン交換強化工程により、ガラス表面の圧縮応力が増加しかつガラスの内部領域の引張応力が増加した、強化ガラス基板１１０が得られる。このガラス基板の熱膨張係数（ＣＴＥ）は、例えば３０×１０^-7／℃を超えるものでもよい。

レーザ光源１０４およびレーザ走査器１０６はシステムコントローラ（図示なし）により制御してもよく、このコントローラはコンピュータでもよい。レーザ光源１０４は、ガラス基板１１０上に光子エネルギーを伝達するのに適した波長を有するレーザを含んでもよい。例えば、レーザ光源１０４を、赤外領域の波長を有するレーザビーム１０８を放射するように構成してもよい。レーザの波長は、ガラス基板内で吸収が起きるように選択されるべきである。吸収が小さい場合には、レーザ分離工程を可能にする温度にまでガラス基板を加熱するよう、高出力レーザまたは多重経路吸収技術のいずれかを使用してもよい。本書において説明する実施形態において、レーザ光源は、約９．４μｍから約１０．６μｍまでの波長を有する赤外光ビームを生成するＣＯ₂レーザである。このＣＯ₂レーザ光源は、連続波モードで動作するＤＣレーザ光源でもよい。ＣＯ₂レーザはパルスモードで動作するものでもよく、約５ｋＨｚから約２００ｋＨｚまでの範囲内のパルス放射線を提供する高周波励起レーザ光源でもよい。レーザ光源１０４を走査および切断操作中に動作させる際の出力は、ガラス基板１１０の厚さや表面積に依存する。ガラス基板１１０の厚さおよび／または表面積が大きくなると、切断操作に要するレーザ出力はより大きくなり得る。本書において説明する実施形態のレーザ光源１０４は、概して、数十Ｗから数百または数千Ｗまでの範囲内の連続波出力で動作し得る。以下で詳細に説明するが、いくつかの実施形態ではレーザ光源１０４とともにウォータージェットを使用する。ウォータージェットを使用する実施形態においては、レーザ光源１０４の出力をより低くし得る。

レーザ光源１０４の動作時の出力や、レーザビームが集束する際の焦点距離は、ガラス基板１１０の第１表面１１７上での過熱およびレーザアブレーションを防ぐようなものとすることができる。ビーム拡大器（図示なし）および１以上の集束レンズ（図示なし）をシステム１００内で使用し、所望のレーザビームサイズおよび焦点距離を得るようにしてもよい。一実施の形態において、レーザビーム１０８の直径を１０ｍｍとしてもよく、また第１表面１１７上での直径を１ｍｍまで絞り込んだものとしてもよい。

ポリゴン走査ミラーまたは走査用ガルバノメータミラーなどのレーザ走査器１０６を、レーザ光源１０４に続いて光路内に位置付けてもよい。レーザ走査器１０６は、ガルバノメータを用いて、レーザビーム１０８を切断ライン１１６の全長に沿って矢印１０７で示したような方向に、単一方向にまたは双方向に素早く走査させるように構成してもよい。あるいは、別の実施形態において、レーザビーム１０８をポリゴンミラーを用いて単一方向に連続的に走査させてもよい。一実施の形態において、レーザ走査器１０６は、レーザビーム１０８を約１ｍ／ｓの速さで走査させるよう動作可能なものである。図１および２では、ガラス基板１１０を横切って走査されているレーザビーム１０８を表現するために、素早く走査されているレーザビーム１０８を複数のレーザビーム１０８ａ〜１０８ｅで示している。レーザビーム１０８は、ガラス基板１１０の第１表面１１７上に切断ライン１１６に沿って円形のビームスポット（例えば、１０９ｂ〜１０９ｄ）を生成する。ビームスポット１０９ｂ〜１０９ｄは、切断ラインに沿って矢印１１８で示すように前後に進む。本書において後に説明するように、走査レーザビームが与えた熱によるガラス基板１１０の温度変化により引張応力が切断ライン１１６に沿って発現し、それにより、ガラス基板１１０の厚さを完全に貫通して延び（すなわち、「フルボディ」切断し）、かつ制御された形で切断ライン１１６に沿って伝播する、貫通割れ目１４０（図４Ａおよび４Ｂ参照）が形成される。

一実施の形態において、ビームスポットは図３に示すような楕円形のレーザビームスポット２０９でもよい。楕円ビームスポット２０９は、加熱領域を切断ライン１１６に沿ってより狭く限定することができる。したがって、レーザ出力密度が低下し、過熱またはアブレーションを防ぐことができる。楕円ビームスポット２０９は一般に、長さａの短軸２８０と長さｂの主軸２９０とを有するものとすることができる。短軸２８０は、図３に示すように、楕円形のレーザビームスポットの中心点を横切って延在する。主軸２９０は、図３に示すように、楕円ビームスポット２０９の先端エッジ２８２と後端エッジ２８４との間の、概して楕円ビームスポット２０９の長さｂのものとし得る。楕円ビームスポット２０９が第１表面上に生成されるようにレーザビーム１０８を成形するため、シリンドリカルレンズおよび／または他の光学素子を使用してもよい。レーザビームを成形して楕円ビームスポットを形成するために使用されるシリンドリカルレンズおよび／または他の光学素子は、例えば、レーザ光源１０４またはレーザ走査器１０６と一体化させたものでもよいし、あるいは別個の構成要素としてもよい。

図１および２を参照すると、一実施の形態により貫通割れ目を伝播させてガラス基板１１０からガラス物品１５０を切断する方法は、割れ目の開始点を形成するために、ガラス基板１１０のエッジ１１１の位置で第１表面１１７に傷１１２を最初に生じさせるステップを含み得る。この傷はエッジに位置するものでもよいし（すなわちエッジ傷）、またはエッジからいくらか離れた位置や、あるいはガラス基板１１０のバルク内に設けられるものでもよい。後に説明するいくつかの実施形態においては、この傷は化学強化ガラス基板のエッジに形成される。

エッジ傷１１２は、ガラス基板１１０のエッジ位置またはエッジ面上の、小さい切り込み線でもよい。エッジ傷１１２は一般に、ガラス基板１１０を続いて分離し得る際に沿う切断ライン１１６（すなわち、分離部）沿いの位置にエッジ傷１１２がくるように、ガラス基板１１０の第１表面１１７上に位置付けてもよい。エッジ傷１１２は機械的に形成することができ、例えば、機械的スクライブ、機械的研削ホイール、あるいはレーザアブレーションまたはガラス基板バルク内のレーザ誘発損傷などを使用し得る。

エッジ傷１１２が形成されると、レーザ走査器１０６がレーザ光源１０４からのレーザビーム１０８をガラス基板１１０の第１表面１１７上に導きかつ走査させてもよく、このとき、走査レーザビーム１０８が切断ライン１１６に入射する走査レーザラインを形成するようにしてもよい。レーザビーム１０８は、例えば０．５ｍ／ｓを超える速さで、矢印１０７で示した方向に走査させてもよい。走査レーザビーム１０８の速さは、ガラス基板１１０の厚さ、表面積、および強度に依存し得る。レーザビーム１０８ａ〜１０８ｅで表現されている走査レーザビームは、走査レーザラインを画成する複数のビームスポット１０９ｂ〜１０９ｄを形成する。レーザビーム１０８ａ〜１０８ｅおよびビームスポット１０９ｂ〜１０９ｄは、単に説明のためのものであり、レーザビーム１０８がガラス基板１１０の第１表面１１７を横切って素早く走査されることを表すために用いられたものであることを理解されたい。以下でより詳細に説明するが、切断ライン１１６に入射する走査レーザラインは、貫通割れ目を伝播させるためのガイドとして機能する。貫通割れ目を確実に適切に誘導するために、走査レーザラインの長さがガラス基板１１０すなわち切断ライン１１６の長さ以上となるように、レーザ走査器１０６を操作するべきである。走査レーザラインがガラス基板１１０の長さより短いと、貫通割れ目が切断ラインから外れ、誤ったエッジを有するガラス物品を生成してしまう可能性がある。

走査レーザビーム１０８は、エッジ傷１１２位置での加熱を含め、ガラス基板１１０を切断ラインに沿って加熱するような出力レベルで動作し得る。ガラス基板１１０は赤外レーザ光源で比較的強い吸収を示す。この赤外レーザ光源は、例えば波長約１０．６μｍで動作するＣＯ₂レーザでもよい。ＣＯ₂レーザは、ガラス材料の表面を素早く加熱する、表面ヒータのように作用する。しかしながら、レーザビーム１０８をレーザ走査器１０６によって素早く走査させることで、生成された熱をガラス基板１１０のバルクに通して拡散させることを可能にすると同時に、圧縮応力下にある第１表面１１７の過熱と応力緩和とを回避する。

図１、２、４Ａ、および４Ｂを参照すると、走査レーザビーム１０８でエッジ傷１１２を加熱することにより、エッジ傷１１２の位置またはエッジ傷１１２に近接した位置である、位置１４２で、貫通割れ目１４０が生じる。本書において使用する「貫通割れ目」という表現は、第１表面１１７（例えば、最上面）から第２表面１１９（例えば、底面）までを貫通して延在している割れ目を意味するものである。図４Ａを参照すると、貫通割れ目１４０は位置１４２に示されている。貫通割れ目１４０は、走査レーザビーム１０８により与えられた熱によってエッジ傷１１２の位置に生じる。図４Ａの貫通割れ目１４０は、貫通割れ目１４０が位置１４２にどのように生じるかを説明するため、誇張したサイズ／形状で描かれている。例えば、貫通割れ目１４０はエッジ傷１１２から始まる小さな亀裂でもよい。

図４Ａに示すように、貫通割れ目１４０はガラス基板１１０を貫通して切断ライン１１６に沿って伝播し始める。貫通割れ目１４０は、ガラス基板１１０からガラス物品１５０を分離する切断ライン１１６に沿った、分離部を先導する。図４Ｂは、エッジ１１１のエッジ傷１１２からガラス基板を通って第２エッジ１１３まで、真っ直ぐな切断ライン１１６に沿って伝播した貫通割れ目１４０を描いたものであり、これによりガラス物品１５０はガラス基板１１０から分離される。貫通割れ目１４０は最も抵抗の少ない方向に加速するが、この方向は、切断ライン１１６に沿った走査レーザラインによって与えられる。一実施の形態において、貫通割れ目１４０は、約１．３ｋｍ／ｓの伝搬速度で切断ライン１１６に沿ってガラス基板１１０を素早く伝播する。走査レーザビーム１０８は、ガラス基板１１０のバルク内に、走査レーザライン（すなわち、切断ライン１１６）方向に垂直な引張応力場を生成する。貫通割れ目が素早く伝播するのは、走査レーザラインに垂直な正味の引張応力の結果である。引張応力は固有応力場と過渡応力場との重ね合わせにより生じる。強化ガラス基板の場合には、ガラスの厚さを横切って圧縮‐引張‐圧縮となる固有応力場が、強化工程またはグレイジング工程（glazing process）の間に生成される。引張‐圧縮‐引張となり得る過渡応力は、走査レーザラインに沿ったレーザ加熱によって生成される。分離部における正味の引張応力により、走査レーザライン方向に貫通割れ目を伝播させることが可能になる。正味の引張応力は板ガラスのバルク内で最も高い。亀裂前方はガラスのバルク内で最初に伝播し、続いて表面のガラス圧縮層を突破り得る。

一例であって限定するものではないが、ガラス基板１１０はイオン交換強化工程により化学強化された１００×１５０×０．９５ｍｍの厚い板ガラスを含み、これを上述の方法で切断した。この板ガラスは、１００％ＫＮＯ₃の溶融浴に４１０℃で８時間浸漬させた。このイオン交換強化工程により、深さ約５１μｍで圧縮応力が約７６９ＭＰａの表面圧縮層と、計算上約４６ＭＰａの中心引張領域とを有する、化学強化板ガラスが生じた。中心張力（ＣＴ）は次の式を用いて計算した。

ここで、ＣＳは表面圧縮応力、ＤＯＬは圧縮層の深さ、そしてｔはガラス基板の厚さである。

エッジ傷は、板ガラスの最上面のエッジの位置で、カーバイドチップを用いて板ガラスに罫書きし生じさせた。レーザ光源を動作させ、約８０Ｗの出力で波長が約１０．６μｍであり、かつガラス表面上でデフォーカスされたビーム直径が１ｍｍであるレーザビームを放射した。レーザ走査器を用いてレーザビームを真っ直ぐな切断ライン上に約１ｍ／ｓの速さで前後に素早く走査させ、走査レーザラインを生成した。走査レーザラインの長さは約１２５ｍｍであり、ガラス基板よりも長いものとした。おおよそ２度目のレーザビーム走査の後、貫通割れ目がエッジ傷の位置で始まり、さらにこれが板ガラスを通って素早く伝播し、板ガラスが切断ラインに沿って分離された。

貫通割れ目を伝播させることによってガラス基板１１０からガラス物品１５０を切断する方法の別の実施形態を、図５Ａおよび５Ｂに示す。この実施形態のシステム１００は、加熱されたガラス基板１１０の傷１１２の方へとウォータージェット１３２を導くためのウォータージェットノズル１３０をこのシステムが含んでいることを除き、図１Ａおよび１Ｂに示した実施形態と類似している。この実施形態では、傷１１２が、ガラス基板１１０の最上面１１７上のエッジ１１１から外れた位置に設けられている。例えば、この傷をエッジ１１１から約５ｍｍの位置にあるものとしてもよい。ウォータージェットを利用する他の実施形態において、この傷をガラス基板のエッジに位置付けてもよい。ウォータージェット１３２が傷１１２を急冷することで、ガラス基板１１０の温度が傷１１２の位置で変化する。この温度変化により引張応力が傷１１２上で発現し、これによりガラス基板１１０の厚さを完全に貫通して延在する貫通割れ目１４０（図４Ａおよび４Ｂ参照）が傷１１２の位置に形成される。

ウォータージェットは、概して、ウォータージェットノズルから放射され、かつガラス基板の表面上に導かれる、加圧流体流を含んでもよい。加圧流体は水を含んでもよい。水はこの傷を冷却するために使用し得る冷却剤の一種であるが、液体窒素やエタノールなど、他の液体を利用してもよい。あるいは、ウォータージェットは、例えば圧縮空気、圧縮窒素、圧縮ヘリウム、または類似の圧縮気体などの圧縮気体を含んでもよい。さらにウォータージェットは、液体と圧縮気体との混合物を含んでもよい。例えば、いくつかの実施形態では、ウォータージェットは圧縮空気と水の混合物である。

ウォータージェット１３２は、ウォータージェットノズル１３０の端部のオリフィス（図示なし）から放射してもよい。一実施の形態において、オリフィスは７５μｍのオリフィスであって、流量３ｃｃｍを実現する。図５Ｂを参照すると、ウォータージェット１３２がガラス基板１１０の第１表面１１７に向かって進むとき、ウォータージェット１３２のエッジはウォータージェットノズル１３０の中心から発散し、このとき、ウォータージェット１３２がガラス基板１１０の第１表面１１７に入射する位置のウォータースポット１３４の直径Ｄ_jが、ウォータージェットノズル１３０内のオリフィスより大きいものとなるように発散する。ウォータージェットノズル１３０は走査方向１０７に対し、レーザ光源１０４の後ろに位置付けてもよい。本書において説明する実施形態においては、ガラス基板１１０の第１表面１１７に対するウォータージェットノズル１３０の配向角度を、ウォータージェット１３２がガラス基板１１０の第１表面１１７に対して９０度未満の角度で入射するような角度としてもよい。

図１および２を参照して上で説明したように、レーザビーム１０８はガラス基板１１０の第１表面１１７上を切断ライン１１６に沿って矢印１０７で示した方向に前後に素早く走査される。走査レーザビーム１０８はレーザビーム１０８ａ〜１０８ｅとしても表されている。走査レーザビーム１０８は、矢印１１８で示した方向において、切断ライン１１６に沿いに複数のビームスポット１０９ｂ〜１０９ｄを生成する。ビームスポット１０９ｂ〜１０９ｄは、切断ライン１１６に沿って走査レーザラインを形成する。この走査レーザラインがガラス基板１１０を切断ライン１１６に沿って加熱する。

走査レーザビームがガラス基板１１０を切断ラインに沿って加熱している間に、ウォータージェット１３２を傷１１２に適用してもよい。あるいは、レーザ走査器１０６を用いて最初にレーザビーム１０８を切断ライン１１６に沿って一定時間(例えば１秒間) 走査させ、その後ウォータージェットノズル１３０が傷１１２の位置でウォータージェット１３２流を流し始めるときに、レーザ光源１０４によるレーザビーム１０８の放射を止めるようにしてもよい。これにより、ウォータージェット１３２を適用して冷却する前に傷１１２が最高温度に達して、貫通割れ目を開始させることが可能になるであろう。

傷１１２にウォータージェット１３２を適用することで、傷１１２の位置で貫通割れ目１４０を開始させるのに必要なレーザ出力を低減することが可能になり得る。例えば、いくつかの実施形態では、ウォータージェット１３２を使用して貫通割れ目１４０を開始させる場合に必要なレーザビームの出力は、ウォータージェット１３２を使用しないときに必要とされるレーザビーム出力よりもおおよそ２０％少ないものとなり得る。図１および２で示した実施形態に関連して上記した例を参照すると、同様に用意されたイオン交換板ガラスを真っ直ぐな切断ラインで切断するために、出力約６５Ｗのレーザビームを使用した。

ここで図１、２、および６を参照し、貫通割れ目を伝播させることによってガラス基板１１０からガラス物品１５０を切断する方法の別の実施形態を示す。この実施形態においてレーザビーム１０８は、上述したものと同様、ガラス基板１１０の第１表面１１７を横切って切断ライン１１６の全長に沿いに一定時間（例えば１／２秒間）、単一方向または双方向に素早く走査される。全長走査の後、レーザビーム１０８を短縮された走査ライン１１４に沿って矢印１０７で示した方向に素早く走査させるようレーザ走査器１０６を制御する。短縮走査ライン１１４はエッジ傷１１２を含み、かつ切断ライン１１６と重なる。短縮走査ライン１１４を生成する間のレーザビーム１０８の走査速度は、切断ライン１１６に亘って全長走査ラインを生成する間のレーザビーム１０８の走査速度と同様としてもよい（例えば、約１ｍ／ｓ）。レーザビーム１０８ｆおよび１０８ｇは、短縮走査ライン１１４上で走査されている走査レーザビーム１０８を表現したものである。走査レーザビーム１０８により生成されたビームスポット（例えば、ビームスポット１０９ｆおよび１０９ｇ）が、短縮走査ライン１１４を画成する。短縮走査ラインの長さは、貫通割れ目１４０の生成を開始させるためにエッジ傷１１２の位置で局所加熱を生み出すような長さとし得る。一実施の形態において、短縮走査ライン１１４の長さを、例えば約１０ｍｍとしてもよい。

短縮走査ライン１１４の局所加熱により、さらなる引張応力がエッジ傷１１２で生成され、これにより貫通割れ目１４０が生じる。全長走査レーザラインを適用した間に分離部が既に加熱されたため、これが貫通割れ目１４０の伝播のために最も抵抗の少ない経路を提供し、切断ライン１１６に沿って貫通割れ目１４０が伝播する。

本書において説明する方法を使用して、薄い（例えば、０．５ｍｍ未満の）ポリマー材料で被覆されたガラス基板や、あるいは例えば化学的エッチングプロセスにより粗面化された表面を少なくとも１つ有するガラス基板を、切断することもできる。ガラス基板の１表面が被覆されている場合には、被覆された表面上にレーザを走査させると同時に、被覆されていない表面上に機械的に傷を生じさせて、被覆されたガラス基板を１ステップで切断することができる。ガラス基板が少なくとも１つの粗面化された表面を有している場合には、粗面化されていない表面が得られるのであれば、この粗面化されていない表面上にレーザを走査させてもよい。粗面化された側からレーザ走査を利用してガラス基板を切断するためには、表面からの散乱損失により、より高いレーザ出力が必要となるであろう。

ガラス表面での走査レーザビーム１０８の反射（フレネル）損失がさらに考慮および補償され得ることにも留意されたい。ガラス基板１１０の表面上でレーザビームが走査されるとき、反射損失は入射角が増加するにつれて増加し得る（垂直入射の入射角は０°である）。反射損失は、レーザビームの走査速度を対応して変化させること（例えば、速度プロファイリングまたは可変速度走査）で補償し得る。例えば図１を参照すると、走査レーザビーム１０８の入射角が垂直入射であるとき、走査レーザビーム１０８が切断ラインに沿って基準走査速度で走査されるようレーザ走査器１０６を制御してもよい（ビーム１０８ｃ）。走査レーザビーム１０８が切断ライン１１６に沿って走査されるにつれ、走査レーザビームの入射角が増加すると、これに対応して走査レーザビーム１０８の走査速度を減速させて反射損失を補償するようレーザ走査器１０６を制御してもよい（例えば、ビーム１０８ａおよび１０８ｅ）。走査レーザビームの走査速度を減速させることで、ビームが提供する放射熱加熱が増加し、入射角の増加による任意の反射損失が補償される。

本書において開示される実施形態は、湾曲エッジを有するガラス物品を化学強化ガラス基板から切断するためにも利用し得る。図７Ａおよび７Ｂは、ガラス基板２１０に含まれる、湾曲エッジ２１５を有するガラス物品２５０の分離を説明したものである。分離された例示的なガラス物品２５０は、図７Ｂに示したように湾曲エッジ２１５を有する。ガラス基板２１０からガラス物品２５０を切断するために、第１表面２１７の第１エッジ２１１上にエッジ傷２１２が最初に形成される。上述したものと同様、エッジ傷２１２は機械的にまたはレーザアブレーションにより設けてもよい。

図７Ａを参照すると、湾曲切断ライン２１６によって湾曲した分離部が画成される。この例において、湾曲切断ライン２１６は、第１エッジ２１１から始まりかつ第２エッジ２１８を終端としている。切断ラインは、切断ラインが１つのエッジ（例えば、第１エッジ２１１）を起点および終点とするように、２つの湾曲部を含んだものでもよい。図１および２で示したようなレーザビームを、湾曲切断ライン２１６上で走査させてもよい。生成された貫通割れ目が伝播中に湾曲切断ライン２１６から確実に外れないよう、湾曲走査レーザラインを湾曲切断ライン２１６より長いものとしてもよい。湾曲走査レーザラインの湾曲部分を複数の小さい直線部分を含むものとしてもよく、これらの直線部分をそれらの間でおおよそ９０°向きを変えるものとしてもよい。この手法で、湾曲走査レーザラインの湾曲部分を生成し得る。

レーザビームを湾曲走査レーザラインに沿って走査させると、上述したように貫通割れ目が生じる（図４Ａおよび４Ｂ参照）。湾曲した切断を実行する際、上述したようなウォータージェットまたは短縮走査ラインを利用して、貫通割れ目１４０の生成を開始させてもよい。その後、貫通割れ目１４０は湾曲切断ライン２１６に沿って素早く伝播し、湾曲エッジ２１５を有するガラス物品２５０がガラス基板２１０から分離される。

一例であって限定するものではないが、ガラス基板は上述のイオン交換強化工程により化学強化された１００×１５０×０．９５ｍｍの厚い板ガラスを含み、これを上述したような湾曲走査レーザラインによって切断した。用意された板ガラスは、前回の例において上述した板ガラスと実質的に同じ応力プロファイルを有するものであり、また切断ラインが含む湾曲部分の曲率半径は約１０ｍｍであった。エッジ傷は、板ガラスの第１エッジにカーバイドチップを用いて切り込み線を形成することにより生成した。レーザ出力が約９０Ｗのレーザビームを、おおよそ１ｍ／ｓの速度で湾曲切断ライン上に素早く走査させた。走査レーザラインの湾曲部分は複数の直線部分を含み、かつこれらの間でおおよそ９０°向きを変えるものとした。貫通割れ目がエッジ傷の位置で始まり、そして湾曲切断ラインに沿って伝播した。

本書において説明する方法は、種々の形状を有するガラス物品を化学強化ガラス基板から切断するためにも利用し得る。種々の形状とは、１以上の湾曲エッジを含み得る。一実施の形態において、成形される部分の外周に沿ってレーザビームを上述したように走査させ、その形状を切断してもよい。比較的長い外周を有する形状に対しては、貫通割れ目を開始および伝播させる前に切断ラインを確実に適切に加熱するため、レーザ出力を増加させる必要があるであろう（例えば、１００Ｗを上回るレーザ出力）。別の実施形態において、湾曲形状または任意形状を有するガラス物品を、２つの切断ステップで化学強化ガラス基板から分離してもよい。第１ステップでは、ガラス基板からより小さい長方形シートの状態で、湾曲エッジまたは任意のエッジを有するガラス物品を上述した方法を用いて最初に分離する。第２ステップでは、レーザビームをガラス物品の湾曲部分または成形部分の上に走査させて所望の形状を得る。この実施形態では、より小さい長方形形状に分離することで、レーザ出力が広がり得る表面積が小さくなり、必要なレーザ出力を低減することができる。

成形切断方法の例示的な実施形態を以下で説明する。２つの６０×１００×０．５５ｍｍの厚い板ガラスから成る２つのガラス基板１１０を、イオン交換工程により化学強化した。これらのガラス基板のＣＴＥは９１×１０^-7／℃であった。板ガラスの１つをイオン交換して７８０ＭＰａの圧縮応力と７μｍの層深さ（ＤＯＬ）を達成し、計算上の中心張力は１０ＭＰａであった。もう一方の板ガラスはイオン交換して圧縮応力を７８０ＭＰａかつＤＯＬを３０μｍとし、計算上の中心張力は４８ＭＰａであった。高周波ＣＯ₂レーザ光源を２０ｋＨｚで動作させ、波長約１０．６μｍのレーザビームを放射した。このレーザビームは８５Ｗで動作され、その直径は１ｍｍであり、かつ各ガラス表面上でデフォーカスされた。レーザ走査器が、湾曲した角部（各角部の半径は１０ｍｍ）を有する長方形パターン上に、レーザビームを速度約１．５ｍ／ｓで単一方向に素早く走査させた。走査レーザビームは、カーバイドチップで生成したエッジ傷に重ねた。おおよそ１〜２秒間の反復走査の後、丸い角部を有する４０×８０ｍｍの２つの長方形部分が生成された。

貫通割れ目の伝播は非常に高速である（例えば、１．３ｋｍ／ｓ）ため、本書において説明した実施形態は大量生産施設で使用するのに魅力的であろう。化学強化ガラスを切断する従来の方法は、ガラス物品を最初に大型の非化学強化ガラス基板から分離した後に化学強化するものや、あるいは時間がかかり厄介なスクライブ・アンド・ブレイクプロセスで切断するものなど、時間のかかる方法である。さらに、極薄いガラス基板（例えば、厚さ１ｍｍ未満）はスクライブ・アンド・ブレイクプロセス中に容易に破損し得、これにより無駄な材料が大量に生じ得る。

図８は、本書において説明した方法を使用して複数の長方形ストリップ３５０ａ〜３５０ｊに切断し得る、大型の化学強化ガラス基板３１０を示したものである。エッジ傷３１２ａ〜３１２ｉは、ガラス基板３１０のエッジ３１１に沿って形成してもよい。単一のレーザ光源を動作させて、エッジ傷（例えば、エッジ傷３１２ａ）の位置から始まる切断ライン上でレーザビームを前後に順に走査させ、ガラス基板３１０の長さよりも長い走査レーザライン（例えば、走査レーザライン３１６ａ）を生成してもよい。レーザビームは、ガラス基板３１０から長方形ストリップ（例えば、長方形ストリップ３５０ａ）が分離されるまで走査させてもよい。この動作を、各長方形ストリップ３５０ａ〜３５０ｊが切断されるまで順に繰り返してもよい。別の実施形態では、多数のレーザ光源を使用して、ガラス基板から長方形ストリップ３５０ａ〜３５０ｊを切断してもよい。長方形ストリップ３５０ａ〜３５０ｊが分離された後、ガラス物品の所望形状を得るためにさらにレーザ切断を行ってもよい。この手法においては、化学処理されたガラス基板からの高速かつ効率的なガラス物品の大量切断を実現し得る。

一例であって限定するものではないが、ガラス基板１１０はイオン交換強化工程により化学強化された２２５×３００×０．９７５ｍｍの厚い板ガラスを含み、これを上述したような方法で切断した。このガラスイオン交換強化工程により、ＤＯＬ約４６μｍで圧縮応力が約７２０ＭＰａの表面圧縮層と、計算上約３７ＭＰａの中心引張領域とを有する化学強化板ガラスが生じた。このガラス基板のＣＴＥは９１×１０^-7／℃であった。

長方形の板ガラスの２つの３００ｍｍエッジのうちの一方に沿って、５つの傷を等間隔に生じさせた。これらの傷は、カーバイドチップを用いて板ガラスに罫書きすることにより板ガラスの最上面に位置付けた。レーザ光源を動作させて、波長約１０．６μｍかつ出力約１０５Ｗのレーザビームを放射した。このレーザビームは、ガラス表面上でデフォーカスされた１ｍｍの直径を有するものであった。レーザ走査器を用いてレーザビームを真っ直ぐな切断ライン上に約２．５ｍ／ｓの速さで前後に素早く走査させ、走査レーザラインを生成した。走査レーザラインは約２５０ｍｍであり、ガラス基板の長さ（２２５ｍｍ）よりも長いものであった。走査しているレーザビームと傷とを位置合わせした後、ガラス基板は順に同じサイズ（５０×２２５ｍｍ）の６つの片に切断された。

これらの６つの片夫々をさらに切断するため、この６つの長方形片の中心に、２２５ｍｍエッジの１つに沿って機械的なエッジ傷を生じさせた。１２片の５０×１２２．５ｍｍが得られるまで同じ手順を繰り返した。

ここで、本書において説明する実施形態は、化学強化ガラス基板を切断するために利用し得ることを理解されたい。ガラス基板上に傷を形成し、かつレーザビームを切断ラインの全長に沿って走査させることで、切断ラインに沿って伝播する貫通割れ目を開始させてガラス基板からガラス物品を分離することができる。

本書における実施形態を説明および画成するために、「おおよそ」「約」および「実質的に」という用語は、任意の定量比較、値、測定値、または他の表現に起因し得る、固有の不確実さの度合いを表すために本書において利用されていることに留意されたい。さらに「実質的に」という用語は、定量的表現が、論じている主題の基本的機能に変化を生じさせることなく、記載した基準から変動し得る度合いを表すために本書において利用される。

本書において、本発明の構成要素が特定の状態で「構成される」または「動作可能である」という記述、または特定の性質を具現化するように、あるいは特定の手法において機能するように「構成される」または「動作可能である」という記述は、目的用途の記述ではなく構造的記述であることに留意されたい。より具体的には、ある構成要素が「構成される」または「動作可能である」様態を本書において参照する際には、その構成要素の現存の物理的条件を意味し、したがってその構成要素の構造的特徴の明確な記述と理解されるべきである。

１以上の以下の請求項は、伝統的な表現として「ことを特徴とする」という用語を使用していることに留意されたい。本書で説明した実施形態を画成するために、この用語は、構造体に関する一連の特性の記述を紹介するために使用される、オープンエンドの伝統的表現として請求項に導入されたものであり、また、より一般的に使用されているオープンエンドの前文の用語「ことを含む」と同じように解釈されるべきであることに留意されたい。

請求される主題の精神および範囲から逸脱することなく、本書において説明した実施形態の種々の改変および変形が作製可能であることは当業者には明らかであろう。すなわち、本書において説明した種々の実施形態の改変および変形が、添付の請求項およびその同等物の範囲内であるならば、本明細書はこのような改変および変形を含むと意図されている。

１０４ レーザ光源
１０６ レーザ走査器
１０８ レーザビーム
１０９ｂ〜１０９ｄ ビームスポット
１１０ ガラス基板
１１１、１１３ エッジ
１１２ エッジ傷
１１６ 切断ライン
１１７ 第１表面
１４０ 貫通割れ目
１５０ ガラス物品

Claims (8)

1. 表面圧縮層と引張層とを含む強化ガラス基板からガラス物品を切断する方法であって、
   前記ガラス物品と前記強化ガラス基板との間の切断ラインの全長に沿って前記表面圧縮層上に入射するレーザビームを、前記切断ラインの全長に沿って存在する引張応力場を生成し、貫通割れ目が該切断ラインに沿って伝播するように、走査させるステップを含み、
   前記レーザビームを、前記強化ガラス基板に対する該レーザビームの入射角が垂直であるときに、基準走査速度で走査させ、かつ、
   前記レーザビームを前記切断ラインに沿って走査させるにつれ、該走査レーザビームの入射角が増加するのにしたがって、前記レーザビームを前記基準走査速度から低下させた減速する走査速度で走査させることを特徴とする方法。
2. 前記強化ガラス基板の第１エッジにエッジ傷を形成するステップをさらに含み、前記貫通割れ目が該エッジ傷の位置で開始したものであり、かつ前記貫通割れ目が、前記ガラス物品と前記強化ガラス基板との間の前記切断ラインに沿って、分離部を先導することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 表面圧縮層と引張層とを含む強化ガラス基板を切断する方法において、
   エッジ傷を、前記強化ガラス基板の前記表面圧縮層上に、前記強化ガラス基板の第１エッジから前記強化ガラス基板の第２エッジに延びる切断ライン上に位置付けて、形成するステップ、
   レーザビームを前記切断ラインの全長に沿って前後に走査させるステップ、および
   前記レーザビームを前記切断ラインの全長に沿って一定時間前後に走査させた後、前記レーザビームを前記エッジ傷上で短縮走査ラインに沿って走査させるステップ、
   を含むことを特徴とする方法。
4. 前記レーザビームを、前記強化ガラス基板に対する該レーザビームの入射角が垂直であるときに、基準走査速度で走査させ、かつ、
   前記レーザビームを前記切断ラインに沿って走査させるにつれ、該走査レーザビームの入射角が増加するのにしたがって、前記レーザビームを前記基準走査速度から低下させた減速する走査速度で走査させることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記レーザビームを走査させるステップが、前記切断ラインに沿って走査レーザラインを生成するものであり、該走査レーザラインの長さが、おおよそ前記切断ラインの長さ以上であることを特徴とする請求項１または３記載の方法。
6. 前記レーザビームを前記切断ラインの全長に沿って一定時間前後に走査させた後に前記レーザビームを前記エッジ傷上に短縮走査ラインに沿って前後に走査させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
7. 前記レーザビームが、前記切断ラインと位置合わせされる主軸を有する楕円ビームスポットを前記強化ガラス基板上に照射するように、前記レーザビームを成形するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１または３記載の方法。
8. 一定時間後に前記走査レーザビームを停止させるステップ、および、
   前記走査レーザビームを停止させた後に前記エッジ傷にウォータージェットを適用して、前記切断ラインに沿って貫通割れ目を生じさせるステップ、
   をさらに含むことを特徴とする請求項２または３記載の方法。

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