JP2012031032A - ガラス溶着方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 信頼性の高いガラス溶着体製造することが可能なガラス溶着方法を提供する。
【解決手段】 ガラス溶着体１を製造するためのガラス溶着方法において、溶着予定領域Ｒに沿ってガラス層３にレーザ光Ｌを照射する際に、ガラス層３における温度の時間変化を示す温度―時間曲線Ｆの初期温度Ｔｉからガラス転移点Ｔｇまで時間の平均の傾きが、当該曲線Ｆのガラス転移点Ｔｇから溶着温度Ｔｍまでの時間の平均の傾きよりも大きくなるように、レーザ光Ｌの照射を制御する。このため、ガラス層３の温度が初期温度Ｔｉから溶着温度Ｔｍに至るまでの時間を比較的長く維持しつつ、ガラス層３の温度が初期温度Ｔｉからガラス転移点Ｔｇに至るまでの時間を短縮することができる。よって、ガラス層３及びガラス部材４，５にクラックが生じることを防止して、信頼性の高いガラス溶着体１を製造することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、ガラス部材同士を溶着してガラス溶着体を製造するためのガラス溶着方法に関する。

上記技術分野のガラス溶着方法として、ガラス層を介してガラス部材同士を重ね合わせ、その状態でガラス層にレーザ光を照射することにより、ガラス部材同士を溶着してガラス溶着体を製造する方法が知られている（例えば特許文献１，２参照）。特許文献１，２記載のガラス溶着方法では、ガラス層へのレーザ光の照射を開始する際に、レーザ光の出力を漸増させて、レーザ光の照射領域におけるガラス層の温度を徐々に上昇させている。

特表２００８−５２７６５５号公報 特表２００８−５２７６５７号公報

しかしながら、特許文献１，２記載のガラス溶着方法にあっては、ガラス層へのレーザ光の照射を開始する際に、急激な温度上昇に起因したガラス層やガラス部材へのクラックの発生は防止し得るものの、その他の要因によって、ガラス層にクラックが生じる場合があった。

そこで、本発明は、信頼性の高いガラス溶着体を製造することが可能なガラス溶着方法を提供することを課題とする。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、特許文献１，２に記載のガラス溶着方法において、ガラス層にクラックが生じるのは、ガラス層の温度が初期温度からガラス転移点に至るまでの時間が長くなり、弾性に乏しいガラス層が自らの熱膨張による応力に耐え切れないことが要因であることを突き止めた。その一方で、ガラス層の温度を短時間で急激に上昇させると、熱衝撃によりガラス層やガラス部材にクラックが生じるおそれがある。本発明者は、これらの知見に基づいて更に検討を重ね、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明に係るガラス溶着方法は、第１のガラス部材と第２のガラス部材とを溶着してガラス溶着体を製造するためのガラス溶着方法であって、第１のガラス部材に対して、溶着予定領域に沿うように、レーザ光吸収材を含むガラス層を配置する第１の工程と、第１のガラス部材に対して、ガラス層を介して第２のガラス部材を重ね合わせる第２の工程と、溶着予定領域に沿ってガラス層にレーザ光を照射することにより、第１のガラス部材と第２のガラス部材とを溶着する第３の工程と、を備え、第３の工程では、レーザ光の照射領域におけるガラス層の温度が初期温度から溶着温度に至るまでの時間において、照射領域におけるガラス層の温度の時間変化が所定の曲線となるように、レーザ光の照射を制御し、所定の曲線は、照射領域におけるガラス層の温度が初期温度からガラス転移点に至るまでの時間の平均の傾きが、照射領域におけるガラス層の温度がガラス転移点から溶着温度に至るまでの時間の平均の傾きよりも大きいことを特徴とする。

このガラス溶着方法では、溶着予定領域に沿ってガラス層にレーザ光を照射して第１のガラス部材と第２のガラス部材とを溶着する際に、レーザ光の照射領域におけるガラス層の温度の時間変化を示す曲線において、ガラス層の温度が初期温度からガラス転移点に至るまでの時間の平均の傾きが、ガラス層の温度がガラス転移点から溶着温度に至るまでの時間の平均の傾きよりも大きくなるように、レーザ光の照射を制御する。このため、ガラス層の温度が初期温度から溶着温度に至るまでの時間を比較的長く維持しつつ、ガラス層の温度が初期温度からガラス転移点に至るまでの時間を短縮することができる。このように、このガラス溶着方法によれば、ガラス層の温度が初期温度からガラス転移点に至るまでの時間を短縮可能であることから、ガラス層が自らの熱膨張による応力に耐え切れないことに起因してガラス層にクラックが生じることを防止することができる。しかも、ガラス層の温度が初期温度から溶着温度に至るまでの時間を比較的長く維持可能であることから、熱衝撃によりガラス層やガラス部材にクラックが生じることを防止することができる。したがって、このガラス溶着方法によれば、信頼性の高いガラス溶着体を製造することができる。

また、本発明に係るガラス溶着方法においては、第３の工程では、レーザ光の照射の制御として、少なくともレーザ光の出力を制御することができる。或いは、本発明に係るガラス溶着方法においては、第３の工程では、レーザ光の照射の制御として、少なくとも溶着予定領域に対するレーザ光の照射領域の移動速度を制御することができる。これらの場合、レーザ光の照射によるガラス層の温度変化において、初期温度からガラス転移点に至るまでの時間の平均の傾きがガラス転移点から溶着温度に至るまでの時間の平均の傾きよりも大きくなるような所定の曲線を好適に得ることができる。

また、本発明に係るガラス溶着方法は、第１のガラス部材と第２のガラス部材とを溶着してガラス溶着体を製造するためのガラス溶着方法であって、第１のガラス部材に対して、溶着予定領域に沿うように、レーザ光吸収材を含むガラス層を配置する第１の工程と、第１のガラス部材に対して、ガラス層を介して第２のガラス部材を重ね合わせる第２の工程と、溶着予定領域に沿ってガラス層にレーザ光を照射することにより、第１のガラス部材と第２のガラス部材とを溶着する第３の工程と、を備え、第３の工程では、レーザ光の照射領域におけるガラス層の温度が初期温度から溶着温度に至るまでの時間において、照射領域におけるガラス層の温度の時間変化が、上に凸である所定の曲線となるように、レーザ光の照射を制御することを特徴とする。

このガラス溶着方法では、溶着予定領域に沿ってガラス層にレーザ光を照射して第１のガラス部材と第２のガラス部材とを溶着する際に、レーザ光の照射領域におけるガラス層の温度の時間変化を示す曲線が、上に凸となるように、レーザ光の照射を制御する。上に凸であるこの曲線においては、溶着温度付近よりも初期温度付近の方がその傾きが大きい。このため、このガラス溶着方法によれば、ガラス層の温度が初期温度から溶着温度に至るまでの時間を比較的長く維持しつつ、ガラス層の温度が初期温度からガラス転移点に至るまでの時間を短縮することができる。したがって、ガラス層が自らの熱膨張による応力に耐え切れないことに起因してガラス層にクラックが生じることを防止でき、なおかつ、熱衝撃によりガラス層やガラス部材にクラックが生じることを防止することができる。よって、このガラス溶着方法によれば、信頼性の高いガラス溶着体を製造することができる。

また、本発明に係るガラス溶着方法においては、所定の曲線は、照射領域におけるガラス層の温度がガラス転移点から溶着温度に至るまでの時間に変曲点を有していることが好ましい。この場合、レーザ光の照射領域におけるガラス層の温度の時間変化を示す曲線において、ガラス層の温度がガラス転移点から溶着温度に至るまでの時間の平均の傾きに対して、ガラス層の温度が初期温度からガラス転移点に至るまでの時間の平均の傾きを一層大きく設定することができる。このため、ガラス層の温度が初期温度からガラス転移点に至るまでの時間をより一層短縮することができるので、ガラス層にクラックが生じることを確実に防止することができる。

本発明によれば、信頼性の高いガラス溶着体を製造することが可能なガラス溶着方法を提供することができる。

本発明に係るガラス溶着方法の一実施形態によって製造されたガラス溶着体の斜視図である。 図１のガラス溶着体を製造するためのガラス溶着方法を説明するための斜視図である。 図１のガラス溶着体を製造するためのガラス溶着方法を説明するための斜視図である。 図１のガラス溶着体を製造するためのガラス溶着方法を説明するための平面図である。 図１のガラス溶着体を製造するためのガラス溶着方法を説明するためのグラフである。 図１のガラス溶着体を製造するためのガラス溶着方法の変形例を説明するためのグラフである。 図１のガラス溶着体を製造するためのガラス溶着方法の変形例を説明するためのグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、ガラス溶着体１は、溶着予定領域Ｒに沿うように配置されたガラス層３を介して、ガラス部材（第１のガラス部材）４とガラス部材（第２のガラス部材）５とが溶着されたものである。ガラス部材４，５は、例えば、無アルカリガラスからなる厚さ０．７ｍｍの矩形板状の部材であり、溶着予定領域Ｒは、ガラス部材４，５の外縁に沿うように矩形環状に設定されている。ガラス層３は、例えば、低融点ガラス（バナジウムリン酸系ガラス、鉛ホウ酸ガラス等）からなる層であり、溶着予定領域Ｒに沿うように矩形環状に設定されている。ガラス溶着体１は、有機ＥＬディスプレイであり、溶着予定領域Ｒの内側に形成された発光素子領域が、ガラス部材４，５及びガラス層３によって外部雰囲気から封止されている。

次に、環状の溶着予定領域Ｒに沿った溶着用レーザ光Ｌの照射によって、上述したガラス溶着体１を製造するためのガラス溶着方法について説明する。まず、図２に示されるように、ディスペンサやスクリーン印刷等によってフリットペーストを塗布することにより、溶着予定領域Ｒに沿ってガラス部材４の表面４ａにペースト層６を形成する。フリットペーストは、例えば、低融点ガラス（バナジウムリン酸系ガラス、鉛ホウ酸ガラス等）からなる粉末状のガラスフリット（ガラス粉）２、酸化鉄等の無機顔料であるレーザ光吸収性顔料（レーザ光吸収材）、酢酸アミル等である有機溶剤、及びアクリル等の樹脂成分であるバインダが混練されたものである。

続いて、ペースト層６を乾燥させて有機溶剤を除去し、ペースト層６を加熱してバインダを除去することにより、ガラス部材４の表面４ａにガラス層３を固着させる。さらに、ガラス層３を加熱してガラスフリット２を溶融・再固化させることにより、ガラス部材４の表面４ａに、レーザ光吸収性顔料を含むガラス層３を定着させる。続いて、図３に示されるように、ガラス層３が定着したガラス部材４に対して、ガラス層３を介してガラス部材５を重ね合わせる。

そして、図４に示されるように、溶着予定領域Ｒに沿ってガラス層３にレーザ光Ｌを照射することにより、ガラス部材４とガラス部材５とを溶着する（溶着においては、ガラス層３が溶融し、ガラス部材４，５が溶融しない場合もある）。より具体的には、溶着予定領域Ｒ（ガラス層３）上の所定の照射開始位置Ｓにおいてレーザ光Ｌの照射を開始し、レーザ光Ｌの照射領域を溶着予定領域Ｒに沿って一周移動させて、再び照射開始位置Ｓに照射領域を通過させた後に、溶着予定領域Ｒ（ガラス層３）上の所定の照射終了位置Ｅにおいてレーザ光Ｌの照射を終了する。

この工程では、ガラス層３へのレーザ光Ｌの照射を開始する際に、そのレーザ光Ｌの照射を制御する。より具体的には、図５（ａ）に示されるように、時刻ｔ０でレーザ光Ｌの照射を開始した後、レーザ光Ｌの照射領域を溶着予定領域Ｒに沿って移動させながら、時刻ｔ２までレーザ光Ｌの出力を漸増させる。このとき、時刻ｔ０から時刻ｔ１（ｔ１＜ｔ２）までのレーザ光Ｌの出力の増加割合に対して、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間の出力の増加割合を小さくする。

このようにレーザ光Ｌの出力を制御することにより、レーザ光Ｌの照射領域におけるガラス層３の温度が、時刻ｔ０から時刻ｔ２にかけて、図５（ｂ）に示される温度―時間曲線Ｆのように漸増する。この照射領域におけるガラス層３の温度の時間変化を示す温度―時間曲線Ｆは、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間の平均の傾きが、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間の平均の傾きよりも大きい。

ここで、時刻ｔ１は、照射領域におけるガラス層３の温度がガラス転移点Ｔｇに到達する時刻に設定され、時刻ｔ２は、照射領域におけるガラス層３の温度が溶着温度Ｔｍに到達する時刻に設定される。したがって、温度―時間曲線Ｆは、照射領域におけるガラス層３の温度が初期温度Ｔｉからガラス転移点Ｔｇに至るまでの時間（時刻ｔ０から時刻ｔ１までの時間）の平均の傾きが、照射領域におけるガラス層３の温度がガラス転移点Ｔｇから溶着温度Ｔｍに至るまでの時間（時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間）の平均の傾きよりも大きくなる。

つまり、この工程では、レーザ光Ｌの照射領域におけるガラス層３の温度が初期温度Ｔｉから溶着温度Ｔｍに至るまでの時間において、レーザ光Ｌの照射領域におけるガラス層３の温度の時間変化が、上述した温度―時間曲線Ｆとなるように、レーザ光Ｌの照射を制御する。

なお、ここでの初期温度Ｔｉは、レーザ光Ｌの照射前におけるガラス層３の温度であり、溶着温度Ｔｍは、ガラス層３の融点以上かつガラス層３の結晶化温度未満の温度である。また、温度―時間曲線Ｆにおいて、ガラス層３の温度が初期温度Ｔｉからガラス転移点Ｔｇに至るまでの時間の平均の傾きは、（Ｔｇ−Ｔｉ）／（ｔ１−ｔ０）で与えられるものであり、ガラス層３の温度がガラス転移点Ｔｇから溶着温度Ｔｍに至るまでの時間の平均の傾きは、（Ｔｍ−Ｔｇ）／（ｔ２−ｔ１）で与えられるものである。

以上のようにレーザ光Ｌの出力の制御を行いながら、溶着予定領域Ｒに沿ってガラス層３にレーザ光Ｌを照射することにより、ガラス部材４とガラス部材５とを溶着して図１に示されたガラス溶着体１を得る。

以上説明したように、本実施形態に係るガラス溶着方法においては、溶着予定領域Ｒに沿ってガラス層３にレーザ光Ｌを照射してガラス部材４とガラス部材５とを溶着する際に、レーザ光Ｌの照射領域におけるガラス層３の温度の時間変化を示す温度―時間曲線Ｆにおいて、ガラス層３の温度が初期温度Ｔｉからガラス転移点Ｔｇに至るまでの時間の平均の傾きが、ガラス層３の温度がガラス転移点Ｔｇから溶着温度Ｔｍに至るまでの時間の平均の傾きよりも大きくなるように、レーザ光Ｌの出力を制御する。

このため、ガラス層３の温度が初期温度Ｔｉから溶着温度Ｔｍに至るまでの時間を比較的長く維持しつつ、ガラス層３の温度が初期温度Ｔｉからガラス転移点Ｔｇに至るまでの時間を短縮することができる。このように、このガラス溶着方法によれば、ガラス層３の温度が初期温度Ｔｉからガラス転移点Ｔｇに至るまでの時間を短縮可能であることから、ガラス層３が自らの熱膨張による応力に耐え切れないことに起因してガラス層３にクラックが生じることを防止することができる。しかも、ガラス層３の温度が初期温度Ｔｉから溶着温度Ｔｍに至るまでの時間を比較的長く維持可能であることから、熱衝撃によりガラス層３やガラス部材４，５にクラックが生じることを防止するこができる。したがって、このガラス溶着方法によれば、信頼性の高いガラス溶着体１を製造することができる。

また、このガラス溶着方法によれば、温度―時間曲線Ｆにおいて、ガラス層３の温度がガラス転移点Ｔｇから溶着温度Ｔｍに至るまでの時間の平均の傾きが比較的小さくなるように、レーザ光Ｌの照射を制御するので、ガラス層３の温度が急激に上昇して結晶化温度を超えてしまうことが避けられる。したがって、結晶化に起因してガラス層３の溶融性が悪くなり、ガラス部材４とガラス部材５との溶着が不完全になることが避けられる。

なお、このガラス溶着方法においては、溶着予定領域Ｒに沿ってガラス層３にレーザ光Ｌを照射してガラス部材４とガラス部材５とを溶着する際に、レーザ光Ｌの照射領域におけるガラス層３の温度の時間変化を示す温度―時間曲線Ｆが、図６に示されるように、ガラス層３の温度が初期温度Ｔｉから溶着温度Ｔｍに至るまでの時間において上に凸となるように、レーザ光Ｌの出力の制御を行ってもよい。上に凸である温度―時間曲線Ｆにおいては、溶着温度Ｔｍ付近よりも初期温度Ｔｉ付近の方がその傾きが大きくなる。このため、この場合においても、ガラス層３の温度が初期温度Ｔｉから溶着温度Ｔｍに至るまでの時間を比較的長く維持しつつ、ガラス層３の温度が初期温度Ｔｉからガラス転移点Ｔｇに至るまでの時間を短縮することができる。したがって、上述の理由から、信頼性の高いガラス溶着体を製造することができる。

ここで、溶着予定領域Ｒに沿ってガラス層３にレーザ光Ｌを照射してガラス部材４とガラス部材５とを溶着する際に、上記のように、温度―時間曲線Ｆが上に凸となるようにレーザ光Ｌの出力の制御を行う場合には、当該温度―時間曲線Ｆが、図６に示されるように、ガラス層３の温度がガラス転移点Ｔｇから溶着温度Ｔｍに至るまでの時間に変曲点Ｐを有するようにすることがより好ましい。この場合、温度―時間曲線Ｆにおいて、ガラス層３の温度がガラス転移点Ｔｇから溶着温度Ｔｍに至るまでの時間の平均の傾きに対して、ガラス層３の温度が初期温度Ｔｉからガラス転移点Ｔｇに至るまでの時間の平均の傾きを大きく設定することができる。このため、ガラス層３の温度が初期温度Ｔｉからガラス転移点Ｔｇに至るまでの時間をより一層短縮することができるので、ガラス層３にクラックが生じることを確実に防止することができる。なお、ここでの変曲点Ｐは、温度―時間曲線Ｆの傾きが所定値以上変化する点であり、２つの直線によって形成される角であってもよいし、滑らかな曲線によって形成されてもよい。

また、上述したガラス溶着方法においては、溶着予定領域Ｒに沿ってガラス層３にレーザ光Ｌを照射してガラス部材４とガラス部材５とを溶着する際に、レーザ光Ｌの出力の制御として、レーザ光Ｌの出力を漸増させた。このようにレーザ光Ｌの出力を漸増する制御は、レーザ光Ｌの出力の変化に対してガラス層３の温度変化の追従性が良い場合（例えば、ガラスの量が少ない場合やレーザ光Ｌの吸収率が高い場合等）に好適に適用することができる。

一方で、レーザ光Ｌの出力の変化に対して、ガラス層３の温度変化の追従性が低い場合（例えば、ガラスの量が多い場合やレーザ光Ｌの吸収率が低い場合等）には、レーザ光Ｌの出力の制御は、例えば、図７（ａ）に示されるように、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、レーザ光Ｌの出力を所定の出力Ｐ１で一定に維持し、その後、時刻ｔ１で出力をＰ２に減少させて、時刻ｔ１から時刻ｔ２までその出力Ｐ２を維持するような制御が好適に適用することができる。このように、レーザ光Ｌの出力の変化に対するガラス層３の温度変化の追従性の高低に合わせて、レーザ光Ｌの出力の制御方法を変更することで、安定してガラス部材４とガラス部材５とを溶着して封止することができる。

また、上述したガラス溶着方法においては、レーザ光Ｌの照射の制御として、レーザ光Ｌの出力を制御したが、レーザ光Ｌの照射の制御はこれに限らない。レーザ光Ｌの照射の制御としては、レーザ光Ｌの出力の制御に替えて、溶着予定領域Ｒに対するレーザ光Ｌの照射領域の移動速度の制御を行ってもよいし、レーザ光Ｌの出力の制御と照射領域の移動速度の制御との両方を行ってもよい。

また、上述したガラス溶着方法では、ガラス層３を加熱してガラスフリット２を溶融・再固化させることにより、ガラス部材４の表面４ａに、レーザ光吸収性顔料を含むガラス層３を定着させたが、ガラス部材４に対するガラス層３の配置は、これに限定されない。一例として、ガラス部材４に対するガラス層３の配置は、ペースト層６を乾燥させて有機溶剤を除去し、ペースト層６を加熱してバインダを除去することにより、ガラス部材４の表面４ａにガラス層３を固着させるだけでもよい。

さらに、本実施形態においては、本発明のガラス溶着方法として、環状の溶着予定領域Ｒに沿ってガラス層３にレーザ光Ｌを照射する場合について説明したが、本発明のガラス溶着方法は、環状でない溶着予定領域Ｒに沿ってガラス層３にレーザ光Ｌを照射する場合についても好適に適用することができる。

１…ガラス溶着体、３…ガラス層、４…ガラス部材（第１のガラス部材）、５…ガラス部材（第２のガラス部材）、Ｒ…溶着予定領域、Ｌ…レーザ光、Ｆ…温度―時間曲線（所定の曲線）。

Claims (5)

1. 第１のガラス部材と第２のガラス部材とを溶着してガラス溶着体を製造するためのガラス溶着方法であって、
   前記第１のガラス部材に対して、溶着予定領域に沿うように、レーザ光吸収材を含むガラス層を配置する第１の工程と、
   前記第１のガラス部材に対して、前記ガラス層を介して前記第２のガラス部材を重ね合わせる第２の工程と、
   前記溶着予定領域に沿って前記ガラス層にレーザ光を照射することにより、前記第１のガラス部材と前記第２のガラス部材とを溶着する第３の工程と、を備え、
   前記第３の工程では、前記レーザ光の照射領域における前記ガラス層の温度が初期温度から溶着温度に至るまでの時間において、前記照射領域における前記ガラス層の温度の時間変化が所定の曲線となるように、前記レーザ光の照射を制御し、
   前記所定の曲線は、前記照射領域における前記ガラス層の温度が前記初期温度からガラス転移点に至るまでの時間の平均の傾きが、前記照射領域における前記ガラス層の温度が前記ガラス転移点から前記溶着温度に至るまでの時間の平均の傾きよりも大きいことを特徴とするガラス溶着方法。
2. 前記第３の工程では、前記レーザ光の照射の制御として、少なくとも前記レーザ光の出力を制御することを特徴とする請求項１記載のガラス溶着方法。
3. 前記第３の工程では、前記レーザ光の照射の制御として、少なくとも前記溶着予定領域に対する前記レーザ光の前記照射領域の移動速度を制御することを特徴とする請求項１又は２記載のガラス溶着方法。
4. 第１のガラス部材と第２のガラス部材とを溶着してガラス溶着体を製造するためのガラス溶着方法であって、
   前記第１のガラス部材に対して、溶着予定領域に沿うように、レーザ光吸収材を含むガラス層を配置する第１の工程と、
   前記第１のガラス部材に対して、前記ガラス層を介して前記第２のガラス部材を重ね合わせる第２の工程と、
   前記溶着予定領域に沿って前記ガラス層にレーザ光を照射することにより、前記第１のガラス部材と前記第２のガラス部材とを溶着する第３の工程と、を備え、
   前記第３の工程では、前記レーザ光の照射領域における前記ガラス層の温度が初期温度から溶着温度に至るまでの時間において、前記照射領域における前記ガラス層の温度の時間変化が、上に凸である所定の曲線となるように、前記レーザ光の照射を制御することを特徴とするガラス溶着方法。
5. 前記所定の曲線は、前記照射領域における前記ガラス層の温度がガラス転移点から前記溶着温度に至るまでの時間に変曲点を有していることを特徴とする請求項４記載のガラス溶着方法。
   

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