JP3887394B2

JP3887394B2 - 脆性材料の割断加工システム及びその方法

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Publication number: JP3887394B2
Application number: JP2005249928A
Authority: JP
Inventors: 正和林; 作進矢; 田慎二中
Original assignee: Toshiba Corp; Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2025-08-30
Also published as: DE102005048247B4; KR20060052083A; TW200628418A; JP2006131490A; KR100650087B1; CN100497223C; US20060081101A1; US8104385B2; TWI290129B; DE102005048247A1; CN1765561A

Description

本発明は、脆性材料（硬く脆い材料）からなる被加工基板を局部的に加熱し、その熱応力によって当該被加工基板に亀裂を生じさせて割断加工を行う割断加工システムに係り、とりわけ、被加工基板の縁部における切落とし加工等の割断加工を高品位にかつ高速に実現することができる、脆性材料の割断加工システム及びその方法に関する。

従来から、液晶ディスプレイパネルやプラズマディスプレイパネルなどに用いられるガラス基板などを割断する方法として、ガラス基板などからなる被加工基板を局部的に加熱及び冷却し、その際に生じる熱応力（引張応力）によって当該被加工基板に亀裂を生じさせて割断加工を行う方法が提案されている。

このような従来の割断加工方法においては、例えば、ステージ上に載置された被加工基板に対してレーザビームを照射することにより被加工基板を局部的に加熱し、この局部的に加熱が行われた領域に生じる熱応力（引張応力）によって被加工基板に亀裂を生じさせる。また、このようにして被加工基板上で局部的に加熱が行われた領域を割断予定線に沿って移動させることにより、被加工基板に生じた亀裂を割断予定線に沿って進展させる。この場合、被加工基板のうち局部的に加熱が行われた領域を、冷却剤の吹き付け等によって局部的に冷却すると、当該領域に生じる熱応力（引張応力）をより増大させることが可能となり、亀裂の進展を促進することができる。

ところで、このような従来の割断加工方法において、被加工基板の割断加工を精度良く行うためには、被加工基板に生じる亀裂を割断予定線に沿って精度良く進展させる必要がある。

このための従来の手法としては、被加工基板に対するレーザビームの照射条件や、レーザビームの照射点と冷却点との相対的な位置関係等を制御することにより、被加工基板に生じる亀裂を安定的に進展させる手法が提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。

しかしながら、上述したような従来の手法はいずれも、レーザビームの照射や冷却剤の吹き付け等に関して複雑な制御を伴うので、高価な制御系や光学系等が必要となり、装置が複雑でかつ高価なものになるという問題がある。

これに対し、上述したような従来の手法以外にも、被加工基板を保持する基板保持機構を改良することにより、被加工基板に生じる亀裂を安定的に進展させる手法も提案されている。具体的には例えば、特許文献４に記載されているように、被加工基板の割断予定線の両側に当該被加工基板に剛性を付与する固定用治具を設け、割断予定性を挟んだ被加工基板の両側での剛性を均等にすることにより、被加工基板の割断予定線に沿った亀裂の直進性を確保する手法が提案されている。なお、特許文献４に記載された手法では、固定用治具のうち被加工基板に当接する部分は比較的剛性の低い弾性材料であるゴムからなっている。
特開平７−３２８７８１号公報特開平７−３２３３８４号公報特開２００３−３４５４５号公報特開２００２−１１０５８９号公報

しかしながら、上記特許文献４に記載された手法では、被加工基板の中央部を割断する場合には亀裂が精度良く直進するものの、切落とし加工のように被加工基板の縁部を割断する場合には亀裂の進展経路が湾曲してしまい、精度の良い直進性を得ることができないという問題がある。特に、この問題は、割断予定線が被加工基板の自由端である縁部に近い場合（例えば１０ｍｍ程度しか離れていない場合）に顕著となる。なお、ここでいう「精度の良い直進性」とは、割断予定線からのずれに関して±１０分の数ミリメートル以下のオーダーを問題にするものであり、±０．４〜１ｍｍ程度のずれを持つ場合には精度の悪い状態であり、±０．１〜０．２ｍｍ程度以下のずれを持つ場合には精度の良い状態である。なお、より望ましい状態は、±数十μｍ程度のずれを持つ状態である。（このような直進性の精度に関しては、参考資料（機械学会論文集Ａ編、Ｖｏｌ．６８、Ｎｏ．６７０、ｐｐ．９９３〜）を参照されたい。）
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、被加工基板の縁部における切落とし加工等の割断加工を高品位でかつ高速に実現することができる、簡易でかつ安価な、脆性材料の割断加工システム及びその方法を提供することを目的とする。

本発明は、その第１の解決手段として、脆性材料からなる被加工基板を局部的に加熱し、その熱応力によって当該被加工基板に亀裂を生じさせて割断加工を行う割断加工システムにおいて、被加工基板を保持する基板保持機構と、前記基板保持機構により保持された前記被加工基板上にレーザビームを照射して当該被加工基板を局部的に加熱することにより当該被加工基板に対して割断加工を行う加工部ユニットとを備え、前記加工部ユニットにより前記被加工基板上で局部的に加熱が行われる領域が当該被加工基板の割断予定線に沿って移動するよう、前記基板保持機構と前記加工部ユニットとが互いに相対的に移動するように構成されており、前記基板保持機構は、前記被加工基板の縁部を当該被加工基板の一方の表面及びそれと反対側の他方の表面の両側から保持する端材クランパと、前記被加工基板の前記縁部に沿って延びる割断予定線を基準として前記端材クランパから離間する側に設けられ、前記端材クランパにより支持された前記被加工基板の他方の表面を支持する高さホルダとを有し、前記端材クランパのうち少なくとも前記被加工基板に当接する部分はヤング率が３００〜１３００ＭＰａの範囲にある比較的剛性の高い弾性材料からなり、前記高さホルダのうち少なくとも前記被加工基板に当接する部分は、割断加工時に前記被加工基板の水平移動を許容する摩擦係数が０．１以下の低摩擦材料からなり、前記高さホルダは、割断加工時に前記被加工基板がその延在面に沿って変位するよう当該被加工基板を水平移動可能に支持することを特徴とする割断加工システムを提供する。

なお、本発明の第１の解決手段において、前記加工部ユニットは、前記被加工基板上で局部的に加熱が行われた領域に冷却剤を吹き付けて当該領域を冷却することが好ましい。

また、本発明の第１の解決手段においては、前記端材クランパによる前記被加工基板の前記縁部における保持幅が１０ｍｍ以下であることが好ましい。

さらに、本発明の第１の解決手段において、前記弾性材料はそのヤング率が１０〜数１０００ＭＰａの範囲にあることが好ましい。ここで、前記弾性材料は樹脂材料であることが好ましい。また、前記樹脂材料はフッ素系樹脂を含むことが好ましい。

さらに、本発明の第１の解決手段において、前記高さホルダのうち少なくとも前記被加工基板に当接する部分は、割断加工時に前記被加工基板の水平移動を許容する低摩擦材料からなることが好ましい。また、前記高さホルダのうち少なくとも前記被加工基板に当接する部分は、割断加工時に前記被加工基板の水平移動を許容する変形部材を有していてもよい。

本発明は、その第２の解決手段として、脆性材料からなる被加工基板を局部的に加熱し、その熱応力によって当該被加工基板に亀裂を生じさせて割断加工を行う割断加工方法において、割断対象となる被加工基板を基板保持機構により保持する保持工程と、前記保持工程にて保持された前記被加工基板上にレーザビームを照射して当該被加工基板を局部的に加熱しつつ、当該被加工基板上で局部的に加熱が行われる領域を、当該被加工基板の縁部に沿って延びる割断予定線に沿って移動させる割断工程とを含み、前記保持工程にて前記被加工基板を保持する前記基板保持機構は、前記被加工基板の縁部を当該被加工基板の一方の表面及びそれと反対側の他方の表面の両側から保持する端材クランパと、前記被加工基板の前記縁部に沿って延びる割断予定線を基準として前記端材クランパから離間する側に設けられ、前記端材クランパにより支持された前記被加工基板の他方の表面を支持する高さホルダとを有し、前記端材クランパのうち少なくとも前記被加工基板に当接する部分はヤング率が３００〜１３００ＭＰａの範囲にある比較的剛性の高い弾性材料からなり、前記高さホルダのうち少なくとも前記被加工基板に当接する部分は、割断加工時に前記被加工基板の水平移動を許容する摩擦係数が０．１以下の低摩擦材料からなり、前記高さホルダは、割断加工時に前記被加工基板がその延在面に沿って変位するよう当該被加工基板を水平移動可能に支持することを特徴とする割断加工方法を提供する。

なお、本発明の第２の解決手段においては、前記割断工程において前記被加工基板上で局部的に加熱が行われた領域に冷却剤を吹き付けて当該領域を冷却することが好ましい。

また、本発明の第２の解決手段においては、前記端材クランパによる前記被加工基板の前記縁部における保持幅が１０ｍｍ以下であることが好ましい。

さらに、本発明の第２の解決手段において、前記弾性材料はそのヤング率が１０〜数１０００ＭＰａの範囲にあることが好ましい。ここで、前記弾性材料は樹脂材料であることが好ましい。また、前記樹脂材料はフッ素系樹脂を含むことが好ましい。

さらに、本発明の第２の解決手段において、前記高さホルダのうち少なくとも前記被加工基板に当接する部分は、割断加工時に前記被加工基板の水平移動を許容する低摩擦材料からなることが好ましい。また、前記高さホルダのうち少なくとも前記被加工基板に当接する部分は、割断加工時に前記被加工基板の水平移動を許容する変形部材を有していてもよい。

本発明によれば、被加工基板の縁部の一方の表面及び他方の表面が、端材クランパに取り付けられた比較的剛性の高い弾性材料からなる部分により保持されるとともに、被加工基板の他方の表面が、割断加工時に被加工基板がその延在面に沿って変位するよう当該被加工基板を水平移動可能に支持する高さホルダにより支持されているので、被加工基板の縁部における切落とし加工等の割断加工を高品位でかつ高速に実現することができる。特に、本発明によれば、従来の手法のように、レーザビームの照射等に関して複雑な制御を行う必要がないので、高価な制御系や光学系等が不要であり、装置が簡易でかつ安価になる。

発明を実施するための形態

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

まず、図１乃至図４により、本発明の一実施の形態に係る割断加工システムの構成について説明する。

図１及び図２に示すように、割断加工システム１は、ガラス等の脆性材料からなる被加工基板５１を局部的に加熱し、その熱応力によって被加工基板５１に亀裂を生じさせて割断加工を行うものであり、被加工基板５１を保持する基板保持機構１０と、基板保持機構１０により保持された被加工基板５１に対して割断加工を行うための加工部ユニット５とを備えている。なおここでは、割断対象となる被加工基板５１として、ガラス基板を用いるものとする。

このうち、基板保持機構１０は、被加工基板５１の縁部を当該被加工基板５１の上面及びそれと反対側の下面の両側から保持する端材クランパ１２と、被加工基板５１の縁部に沿って延びる割断予定線６１を基準として端材クランパ１２から離間する側に設けられ、端材クランパ１２により支持された被加工基板５１の下面を支持する高さホルダ１９とを有している。なお、端材クランパ１２及び各高さホルダ１９はいずれもベース１１上に固定されており、端材クランパ１２及び各高さホルダ１９上に載置された被加工基板５１がベース１１に対して平行になるようにその高さ等が決められている。

ここで、端材クランパ１２は、被加工基板５１の下面を支持する端材ホルダ１５と、端材ホルダ１５との間で被加工基板５１を挟持するよう被加工基板５１の上面を加圧する加圧バー１４とを有している。

また、加圧バー１４及び端材ホルダ１５のうち被加工基板５１に当接する部分には樹脂材１４ａ，１５ａが取り付けられている。なお、樹脂材１４ａ，１５ａは比較的剛性の高い弾性材料からなっており、そのヤング率は１０〜数１０００ＭＰａ（１ＭＰａ＝１×１０^＋９Ｎ／ｍ^２）の範囲にあることが好ましい。なおここでは、樹脂材１４ａ，１５ａは、同一の材料からなっている。より具体的には、樹脂材１４ａ，１５ａとしては、フッ素系樹脂（テフロン（登録商標）などのＰＴＦＥや、ＰＣＴＦＥ、ＰＦＡ等）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ＭＣナイロン等を用いることが好ましい。なおここで、典型的な材料のヤング率を列挙すると、ＰＴＦＥは０.３〜０．６ＧＰａ（１ＧＰａ＝１×１０^＋１２Ｎ／ｍ^２）、ポリエチレンは０．４〜１．３ＧＰａである。これに対し、鉄（鋼）は２００〜２２０ＧＰａ、銅は１３０ＧＰａ、ゴムは数ＭＰａである。

また、樹脂材１４ａ，１５ａは、その厚さが１０分の数ｍｍ〜１０ｍｍの範囲にあることが好ましい。ここで、樹脂材１４ａ，１５ａの厚さが薄すぎると、被加工基板５１を加圧したときに傷等がつきやすく、樹脂材１４ａ，１５ａにより保持された部分での変形の程度が不十分となる。また逆に、樹脂材１４ａ，１５ａの厚さが厚くなりすぎると、被加工基板５１のうち樹脂材１４ａ，１５ａにより保持された部分での変形の程度が大きくなり被加工基板５１の割断予定線６１を挟んだ左右の部分での変形が非対称となる。

ここで、加圧バー１４は、被加工基板５１の全長に亘って被加工基板５１の縁部を加圧するよう一体の剛体からなっており、加圧バー１４による加圧が行われていない状態では被加工基板５１の上面から数ｍｍ程度浮いた状態で取り付けられている。なお、加圧バー１４は、そのヤング率が１００ＧＰａ以上の金属からなることが好ましい。また、加圧バー１４と端材ホルダ１５とにより挟持される被加工基板５１の縁部における保持幅は１０ｍｍ以下であることが好ましい。具体的には例えば、被加工基板５１の縁部にて１０ｍｍ幅の部分を取り除く切落とし加工を行うものとすると、被加工基板５１の縁部における保持幅は５ｍｍ程度とすることが好ましい。この場合には、被加工基板５１の端辺から割断予定線６１までの１０ｍｍ幅の部分のうち５ｍｍ幅の部分だけが加圧バー１４により挟持される。

加圧バー１４の上部には、支持機構１７により支持されたレバー軸１３の一端が取り付けられている。レバー軸１３の他端には、モータ１６のロッド１６ａにより押される荷重センサ１８が組み込まれており、レバー軸１３の他端（力点Ｎ_１）を上方へ移動させることによりレバー軸１３を支点Ｎ_４を中心として回転させる。なおこのとき、モータ１６の内部には、外部から与えられた印加信号によって回転した回転子（図示せず）の回転移動をギア等の減速器（図示せず）を介してロッド１６ａの直進移動へと変換する構造が設けられている。またこのとき、図示しない制御回路により、モータ１６への入力信号と荷重センサ１８の出力信号とを用いたフィードバック回路を構成するようにすれば、レバー軸１３の他端（力点Ｎ_１）を所要の目標荷重Ｗ_１で押すことができる。

このようにしてレバー軸１３が支点Ｎ_４を中心として回転すると、レバー軸１３の一端（作用点Ｎ_２）が下方へ移動し、レバー軸１３によって加圧バー１４が押されることにより、加圧バー１４が下方へ移動し、端材ホルダ１５との間で被加工基板５１を挟持する。なおこのとき、レバー軸１３の他端（力点Ｎ_１）に加えられた荷重Ｗ_１はレバー軸１３のてこ比に応じた荷重としてレバー軸１３の一端（作用点Ｎ_２）に作用し、最終的に被加工基板５１の縁部（加圧点Ｎ_３）を所望の荷重で加圧する。

ここで、レバー軸１３の支点Ｎ_４と作用点Ｎ_２との間の距離は作用点Ｎ_２が移動する距離に比べて長いので、加圧バー１４は被加工基板５１の垂直方向に対してほぼ平行に移動する。これにより、加圧バー１４に取り付けられた樹脂材１４ａと被加工基板５１の上面とが均一に接触することとなるので、被加工基板５１に対して均等な荷重を加えることができる。

なお、このようにして加圧バー１４を加圧するレバー軸１３は、被加工基板５１の割断予定線６１に沿って複数個配置されており、加圧バー１４の上部をレバー軸１３の数分だけの点で加圧することができる。これにより、加圧バー１４により被加工基板５１に対して加えられる荷重を場所によらず均一にすることができる。また逆に、レバー軸１３による加圧点を不均等に配置することにより、図１の割断加工点Ｐ_１，Ｐ_３（被加工基板５１の縁部のうち加工開始点及び加工終了点に対応する点）における荷重を、中央部の割断加工点Ｐ_２における荷重よりも強く若しくは弱くする等のように、加圧バー１４により被加工基板５１に対して加えられる荷重を場所によって変えることもできる。

高さホルダ１９は、割断加工時に被加工基板５１がその延在面に沿って変位するよう当該被加工基板５１を水平移動可能に支持するものであり、高さホルダ１９のうち少なくとも被加工基板５１に当接する部分は、割断加工時に被加工基板５１の水平移動を許容する低摩擦材料からなっている。具体的には例えば、金属製の高さホルダ１９の上面を研磨して当該上面の摩擦係数を小さくしたり、高さホルダ１９の上面に樹脂コートを施して当該上面の摩擦係数を小さくすることが好ましい。この場合、高さホルダ１９の上面は、その摩擦係数が０．１以下の範囲にあることが好ましい。これにより、高さホルダ１９の上面とガラス等からなる被加工基板５１との間での摩擦が少なくなり、両者が相対的に滑動（水平移動）することが可能となる。なお、高さホルダ１９の上面に施される樹脂コートとしては、フッ素系樹脂（テフロン（登録商標）などのＰＴＦＥや、ＰＣＴＦＥ、ＰＦＡ等）等を用いることが好ましい。

次に、このような基板保持機構１０により保持された被加工基板５１に対して割断加工を行うための加工部ユニット５について説明する。

図４に示すように、加工部ユニット５は、予熱ユニット２０、加熱ユニット３０及び冷却ユニット４０を含み、これらの各ユニットが被加工基板５１上で割断予定線６１に沿って相対的に移動するように構成されている。なお、予熱ユニット２０、加熱ユニット３０及び冷却ユニット４０は、被加工基板５１上での移動方向に関して先頭側から後尾側へ向かってこの順番で一直線状に配置されている。

予熱ユニット２０は、被加工基板５１上にレーザビームＬＢ_１を照射して被加工基板５１を局部的に予熱するためのものであり、２００Ｗ程度のレーザ光を出射するＣＯ_２レーザ等からなるレーザ発振器２１と、レーザ発振器２１により出射されたレーザ光を反射する反射ミラー２２と、反射ミラー２２により反射されたレーザ光を被加工基板５１上で走査するポリゴンミラー２３とを有している。これにより、レーザ発振器２１により出射されたレーザ光が反射ミラー２２を経てポリゴンミラー２３で反射され、被加工基板５１上で割断予定線６１に沿って所定の長さＬ_１に亘って繰り返し走査されることにより、線状のレーザビームＬＢ_１が生成される。なお、線状のレーザビームＬＢ_１は、図１に示すように、割断予定線６１に沿う方向に延びる線状の照射パターン６２を有するものである。

加熱ユニット３０は、予熱ユニット２０により局部的に予熱された被加工基板５１上にレーザビームＬＢ_２を照射して被加工基板５１を局部的に加熱するためのものであり、数十〜百数十Ｗ程度のレーザ光を出射するＣＯ_２レーザ等からなるレーザ発振器３１と、レーザ発振器３１により出射されたレーザ光を反射する反射ミラー３２と、反射ミラー３２により反射されたレーザ光を被加工基板５１上で走査するポリゴンミラー３３とを有している。これにより、レーザ発振器３１により出射されたレーザ光が反射ミラー３２を経てポリゴンミラー３３で反射され、被加工基板５１上で割断予定線６１に沿って所定の長さＬ_２に亘って繰り返し走査されることにより、線状のレーザビームＬＢ_２が生成される。なお、線状のレーザビームＬＢ_２は、図１に示すように、割断予定線６１に沿う方向に延びる線状の照射パターン６３を有するものである。

冷却ユニット４０は、加熱ユニット３０により局部的に加熱された被加工基板５１に冷却剤Ｃを吹き付けて被加工基板５１を局部的に冷却するためのものであり、水や霧（水と気体との混合物）、窒素などの気体、二酸化炭素粒子などの微粒子固体、アルコールなどの液体、霧状のアルコールなどの冷却剤Ｃを被加工基板５１の表面に噴射する冷却ノズル４１を有している。なお、冷却ノズル４１から噴射された冷却剤Ｃは、図１に示すように、被加工基板５１上に所定の吹付パターン６４で吹き付けられる。

以上において、基板保持機構１０と加工部ユニット５（予熱ユニット２０、加熱ユニット３０及び冷却ユニット４０）とは互いに相対的に移動するように構成されており、これにより、加工部ユニット５により被加工基板５１上で局部的に加熱及び冷却が行われる領域（レーザビームＬＢ_１，ＬＢ_２の照射パターン６２，６３及び冷却剤Ｃの吹付パターン６４）が当該被加工基板５１の割断予定線６１に沿って移動するようになっている。なお、加工部ユニット５に含まれる予熱ユニット２０、加熱ユニット３０及び冷却ユニット４０はいずれも移動ステージ（図示せず）により被加工基板５１に沿う方向に移動することができるようになっており、予熱ユニット２０、加熱ユニット３０及び冷却ユニット４０がいずれも被加工基板５１上で割断予定線６１に沿って適切な間隔で一直線状に配置されるようにアライメント調整を行うことができるようになっている。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

図１乃至図４に示す割断加工システム１において、割断対象となる被加工基板５１を基板保持機構１０上に搬送し（図１乃至図３の矢印の方向参照）、被加工基板５１の下面を高さホルダ１９により支持するとともに、被加工基板５１の縁部を端材クランパ１２の端材ホルダ１５と加圧バー１４との間に位置付ける。

そして、このようにして基板保持機構１０上に位置付けられた被加工基板５１は端材クランパ１２の加圧バー１４と端材ホルダ１５とにより挟持される。具体的には、端材クランパ１２において、モータ１６の回転子（図示せず）を回転させてロッド１６ａを直進させ、荷重センサ１８を介してレバー軸１３の他端（力点Ｎ_１）を押すようにする。これにより、支持機構１７により支持されたレバー軸１３が支点Ｎ_４を中心として回転し、レバー軸１３の一端（作用点Ｎ_２）が下方へ移動し、レバー軸１３によって加圧バー１４が押されることにより、加圧バー１４が下方へ移動し、端材ホルダ１５との間で被加工基板５１を挟持する。これにより、被加工基板５１が基板保持機構１０上の所定の場所に位置決めされる。

その後、加工部ユニット５を基板保持機構１０に対して相対的に移動させ、基板保持機構１０上に位置決めされた被加工基板５１の割断予定線６１上に加工部ユニット５を位置付ける。なお、加工部ユニット５に含まれる予熱ユニット２０、加熱ユニット３０及び冷却ユニット４０は、被加工基板５１の割断予定線６１上に位置付けられたときに当該割断予定線６１に沿って適切な間隔で一直線状に配置されるように予めアライメント調整が行われている。

この状態で、図示しない初期クラックユニットで被加工基板５１の端部Ｐ_１に微小な亀裂を入れ、次いで、加工部ユニット５を基板保持機構１０に対して相対的に移動させ、加工部ユニット５に含まれる予熱ユニット２０、加熱ユニット３０及び冷却ユニット４０を被加工基板５１上で割断予定線６１に沿ってこの順番で相対的に移動させる。

これにより、図１及び図４に示すように、まず、予熱ユニット２０が被加工基板５１上で割断予定線６１に沿って相対的に移動し、被加工基板５１上に線状のレーザビームＬＢ_１を照射することにより、被加工基板５１を所定の温度（３０〜２００℃程度）で局部的に予熱する。なおこのとき、予熱ユニット２０においては、レーザ発振器２１により出射されたレーザ光が反射ミラー２２を経てポリゴンミラー２３で反射され、被加工基板５１上で割断予定線６１に沿って所定の長さＬ_１に亘って繰り返し走査されることにより、照射パターン６２を有する線状のレーザビームＬＢ_１が生成される。

次に、このようにして予熱ユニット２０により局部的に予熱された被加工基板５１上で割断予定線６１に沿って加熱ユニット３０が相対的に移動し、予熱ユニット２０により被加工基板５１上で局部的に予熱が行われた領域よりも狭い線状の領域に線状のレーザビームＬＢ_２を照射することにより、被加工基板５１を所定の温度（１００〜４００℃程度）で局部的に加熱する。なおこのとき、加熱ユニット３０においては、レーザ発振器３１により出射されたレーザ光が反射ミラー３２を経てポリゴンミラー３３で反射され、被加工基板５１上で割断予定線６１に沿って所定の長さＬ_２に亘って繰り返し走査されることにより、照射パターン６３を有する線状のレーザビームＬＢ_２が生成される。

その後、このようにして加熱ユニット３０により局部的に加熱された被加工基板５１上で割断予定線６１に沿って冷却ユニット４０が相対的に移動し、加熱ユニット３０により被加工基板５１上で局部的に加熱が行われた領域と同程度の大きさの領域に冷却剤Ｃを吹き付けることにより、被加工基板５１を局部的に冷却する。なおこのとき、冷却ユニット４０においては、冷却ノズル４１から噴射された冷却剤Ｃが被加工基板５１の表面に所定の吹付パターン６４で吹き付けられる。

以上のようにして、被加工基板５１上で割断予定線６１に沿って予熱ユニット２０による予熱、加熱ユニット３０による加熱、及び冷却ユニット４０による冷却が順次行われると、主として被加工基板５１の加熱により発生した熱応力（引張応力）と被加工基板５１の冷却により発生した引張応力とによって亀裂が形成され、かつ、予熱ユニット２０、加熱ユニット３０及び冷却ユニット４０が被加工基板５１上で割断予定線６１に沿って相対的に移動することに伴って割断予定線６１に沿って亀裂が進展する。

具体的には、図５（ａ）（ｂ）に示すように、予熱ユニット２０及び加熱ユニット３０により照射されたレーザビームＬＢ_１，ＬＢ_２により被加工基板５１を局部的に加熱すると、被加工基板５１のうちレーザビームＬＢ_１，ＬＢ_２が照射された部分が熱膨張を引き起こし、その部分が上方へ盛り上がると同時に、被加工基板５１が亀裂を中心として左右に開くように変形する。このとき、被加工基板５１のうちレーザビームＬＢ_１，ＬＢ_２が照射された位置とそれに近接する端辺の位置との間の部分５１ａ（図面の左側の部分）の幅ＷＬ_１は、レーザビームＬＢ_１，ＬＢ_２が照射された位置とそれに近接しない端辺の位置との間の部分５１ｂ（図面の右側の部分）の幅ＷＬ_２に比べて短いので、被加工基板５１のうち左側の部分５１ａが右側の部分５１ｂに比べてより大きく変形することとなる（図５（ｂ）参照）。

しかしながら、本実施の形態においては、被加工基板５１の縁部（被加工基板５１の左側の部分５１ａの一部）が、端材クランパ１２の加圧バー１４及び端材ホルダ１５に取り付けられた比較的剛性の高い弾性材料からなる樹脂材１４ａ，１５ａにより保持されているので、当該部分がゴム等の比較的剛性の低い弾性材料からなる樹脂材により保持される場合に比べて、その複数の方向への変形量を格段に抑えることができる。このため、被加工基板５１の左側の部分５１ａ及び右側の部分５１ｂの変形量がほぼ等しくなり、両者の間での変形の非対称性を小さくすることができる。

また、図６に示すように、レーザビームＬＢ_１，ＬＢ_２の照射により生じる被加工基板５１に対する引張応力６５及び被加工基板５１の熱膨張は、被加工基板５１の左側の部分５１ａ及び右側の部分５１ｂに対してその長手方向（割断予定線６１に沿った方向）の変形及び当該長手方向に垂直な外側に開くような変形を生じさせる。なお、図６において、二点鎖線で示す被加工基板５１は割断加工前のものであり、実線で示す被加工基板５１は割断加工時のものである。

しかしながら、本実施の形態においては、被加工基板５１の縁部（被加工基板５１の左側の部分５１ａの一部）が、端材クランパ１２の加圧バー１４及び端材ホルダ１５に取り付けられた比較的剛性の高い弾性材料からなる樹脂材１４ａ，１５ａにより保持されているので、被加工基板５１の左側の部分５１ａについては、その変形量を格段に抑えることができる。一方、被加工基板５１の右側の部分５１ｂについては、その下面が、割断加工時に被加工基板５１の水平移動を許容する低摩擦材料からなる高さホルダ１９により支持されているので、被加工基板５１の左側の部分５１ａとは異なり、割断加工時に右側の部分５１ｂが高さホルダ１９の上面で滑動（水平移動）し、その長手方向（割断予定線６１に沿った方向）の変形及び当該長手方向に垂直な外側に開くような変形が行われる。これにより、被加工基板５１における亀裂５２の進展に必要とされる亀裂５２の開きを十分に確保した上で、被加工基板５１の割断予定線６１に沿って亀裂５２を精度良く直線的に進展させることができる。

このように本実施の形態によれば、被加工基板５１の縁部の上面及び下面が、端材クランパ１２の加圧バー１４及び端材ホルダ１５に取り付けられた比較的剛性の高い弾性材料からなる樹脂材１４ａ，１５ａにより保持されるとともに、被加工基板５１の下面が、割断加工時に被加工基板５１の水平移動を許容する低摩擦材料からなる高さホルダ１９により支持されているので、被加工基板５１の縁部における割断加工（例えば、１０ｍｍ幅又はそれ以下の幅の部分を取り除く切落とし加工等）を高品位でかつ高速に実現することができる。特に、本実施の形態によれば、従来の手法のように、レーザビームの照射等に関して複雑な制御を行う必要がないので、高価な制御系や光学系等が不要であり、装置が簡易でかつ安価になる。

なお、上述した実施の形態においては、端材クランパ１２の端材ホルダ１５と高さホルダ１９とにより被加工基板５１の下面を支持する一方で、端材クランパ１２の加圧バー１４により被加工基板５１の上面を加圧する場合を例に挙げて説明しているが、これに限らず、図７に示すように、端材クランパ１２の端材ホルダ１５と高さホルダ１９とにより被加工基板５１の上面を支持する一方で、端材クランパ１２の加圧バー１４により被加工基板５１の下面を加圧するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態においては、端材クランパ１２（加圧バー１４及び端材ホルダ１５）と高さホルダ１９とにより保持された被加工基板５１に対してその上面側からレーザビームＬＢ_１，ＬＢ_２を照射する場合を例に挙げて説明しているが、これに限らず、図８に示すように、端材クランパ１２（加圧バー１４及び端材ホルダ１５）と高さホルダ１９とにより保持された被加工基板５１に対してその下面側からレーザビームＬＢ_１，ＬＢ_２を照射するようにしてもよい。

さらに、上述した実施の形態においては、端材クランパ１２の端材ホルダ１５に取り付けられた樹脂材１５ａと、加圧バー１４に取り付けられた樹脂材１４ａとにより、被加工基板５１の縁部を保持する場合を例に挙げて説明しているが、これに限らず、図９に示すように、被加工基板５１の縁部の上面及び下面を覆う一体型の樹脂材５５をその上面側及び下面側から加圧バー１４により加圧するようにしてもよい。また、割断加工時に被加工基板５１の水平移動を許容する低摩擦材料からなる高さホルダ１９により、被加工基板５１の下面を支持する場合を例に挙げて説明しているが、これに限らず、図９に示すように、このような高さホルダ１９の代わりに、被加工基板５１の表面にガスを吹き付けるエアフロート５６を設け、エアフロート５６のエアー噴出口５６ａから空気やその他のガス（窒素や酸素などを含む）を噴出させることによって被加工基板５１を浮上させて支持するようにしてもよい。また、高さホルダ１９としては、被加工基板５１に接触する接触面に、球面や円柱側面等の曲面を有する部材を用いてもよい。

さらに、上述した実施の形態においては、被加工基板５１の上面及び下面をそれぞれ支持する樹脂材１４ａ，１５ａが同一の材料からなる場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、図１０に示すように、両者の材料が、そのヤング率が１００〜数１０００ＭＰａの範囲で異なる値を持つ異なる材料からなっていてもよい。

さらに、上述した実施の形態においては、端材クランパ１２の加圧バー１４により被加工基板５１の上面を予め決められた荷重で加圧する場合を例に挙げて説明しているが、これに限らず、図１１に示すように、被加工基板５１の変位量を測定する変位計５７を被加工基板５１の下方又は上方に設け、この変位計５７による測定結果に基づいて、加圧バー１４により加えられる荷重を制御するようにしてもよい。なおこの場合、変位計５７は、接触式及び非接触式のいずれの種類のものであってもよい。また、変位計５７による測定位置は、図１１に示す実線の位置（割断予定線に関して図面上の左側の位置に限らず、図１１に示す仮想線の位置（割断予定線に関して図面上の右側の位置）であってもよい。

さらに、上述した実施の形態においては、高さホルダ１９として、割断加工時に被加工基板５１の水平移動を許容する低摩擦材料からなるものを用い、高さホルダ１９上にて被加工基板５１を滑動（水平移動）させることにより、割断加工時に被加工基板５１がその延在面に沿って変位するようにしているが、これに限らず、図１２に示すように、高さホルダ１９のうち被加工基板５１に当接する部分（高さホルダ１９の上部）に、割断加工時に被加工基板５１の水平移動を許容する弾性体からなる軟らかい変形部材１９ａを設け、高さホルダ１９上にて被加工基板５１を水平移動させることにより、割断加工時に被加工基板５１がその延在面に沿って変位するようにしてもよい。

さらに、上述した実施の形態においては、割断対象となる被加工基板５１として、１枚のガラス基板を用いているが、シール材を介して貼り合わされた２枚のガラス基の間に液晶材が注入された状態の液晶基板に対しても同様に高品位でかつ高速な割断加工を行うことができる他、これ以外の任意の脆性材料からなる基板に対しても同様に高品位でかつ高速な割断加工を行うことができる。

本発明の一実施の形態に係る割断加工システムの全体構成を示す平面図。図１に示す割断加工システムの基板保持機構を示す側面図。図１及び図２に示す割断加工システムの基板保持機構に含まれる端材クランパの詳細を示す拡大図。図１及び図２に示す割断加工システムの加工部ユニットを示す側面図。図１乃至図４に示す割断加工システムにおける被加工基板の割断加工の様子を説明するための側面図。図１乃至図４に示す割断加工システムにおける被加工基板の割断加工の様子を説明するための平面図。図１乃至図４に示す割断加工システムの第１の変形例を示す概略図。図１乃至図４に示す割断加工システムの第２の変形例を示す概略図。図１乃至図４に示す割断加工システムの第３の変形例を示す概略図。図１乃至図４に示す割断加工システムの第４の変形例を示す概略図。図１乃至図４に示す割断加工システムの第５の変形例を示す概略図。図１乃至図４に示す割断加工システムの第６の変形例を示す概略図。

符号の説明

１割断加工システム
５加工部ユニット
１０基板保持機構
１１ベース
１２端材クランパ
１３レバー軸
１４加圧バー
１４ａ樹脂材
１５端材ホルダ
１５ａ樹脂材
１６モータ
１６ａロッド
１７支持機構
１８荷重センサ
１９高さホルダ
１９ａ変形部材
２０予熱ユニット
２１レーザ発振器
２２反射ミラー
２３ポリゴンミラー
３０加熱ユニット
３１レーザ発振器
３２反射ミラー
３３ポリゴンミラー
４０冷却ユニット
４１冷却ノズル
５１被加工基板
５１ａ，５１ｂ被加工基板の部分
５２亀裂
５５樹脂材
５６エアフロート
５６ａエアー噴出口
５７変位計
６１割断予定線
６２，６３レーザビームの照射パターン
６４冷却剤の吹付パターン
６５引張応力
Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３割断加工点
Ｎ_１力点
Ｎ_２作用点
Ｎ_３加圧点
Ｎ_４支点
ＬＢ_１，ＬＢ_２レーザビーム
Ｃ冷却剤

Claims

脆性材料からなる被加工基板を局部的に加熱し、その熱応力によって当該被加工基板に亀裂を生じさせて割断加工を行う割断加工システムにおいて、
被加工基板を保持する基板保持機構と、
前記基板保持機構により保持された前記被加工基板上にレーザビームを照射して当該被加工基板を局部的に加熱することにより当該被加工基板に対して割断加工を行う加工部ユニットとを備え、
前記加工部ユニットにより前記被加工基板上で局部的に加熱が行われる領域が当該被加工基板の割断予定線に沿って移動するよう、前記基板保持機構と前記加工部ユニットとが互いに相対的に移動するように構成されており、
前記基板保持機構は、前記被加工基板の縁部を当該被加工基板の一方の表面及びそれと反対側の他方の表面の両側から保持する端材クランパと、前記被加工基板の前記縁部に沿って延びる割断予定線を基準として前記端材クランパから離間する側に設けられ、前記端材クランパにより支持された前記被加工基板の他方の表面を支持する高さホルダとを有し、
前記端材クランパのうち少なくとも前記被加工基板に当接する部分は、ヤング率が３００〜１３００ＭＰａの範囲にある比較的剛性の高い弾性材料からなり、
前記高さホルダのうち少なくとも前記被加工基板に当接する部分は、割断加工時に前記被加工基板の水平移動を許容する摩擦係数が０．１以下の低摩擦材料からなり、
前記高さホルダは、割断加工時に前記被加工基板がその延在面に沿って変位するよう当該被加工基板を水平移動可能に支持することを特徴とする割断加工システム。
前記加工部ユニットは、前記被加工基板上で局部的に加熱が行われた領域に冷却剤を吹き付けて当該領域を冷却することを特徴とする、請求項１に記載の割断加工システム。
前記端材クランパによる前記被加工基板の前記縁部における保持幅が１０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の割断加工システム。
前記弾性材料は樹脂材料であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の割断加工システム。
前記樹脂材料はフッ素系樹脂を含むことを特徴とする、請求項４に記載の割断加工システム。
前記高さホルダのうち少なくとも前記被加工基板に当接する部分は、割断加工時に前記被加工基板の水平移動を許容する変形部材を有することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の割断加工システム。
脆性材料からなる被加工基板を局部的に加熱し、その熱応力によって当該被加工基板に亀裂を生じさせて割断加工を行う割断加工方法において、
割断対象となる被加工基板を基板保持機構により保持する保持工程と、
前記保持工程にて保持された前記被加工基板上にレーザビームを照射して当該被加工基板を局部的に加熱しつつ、当該被加工基板上で局部的に加熱が行われる領域を、当該被加工基板の縁部に沿って延びる割断予定線に沿って移動させる割断工程とを含み、
前記保持工程にて前記被加工基板を保持する前記基板保持機構は、前記被加工基板の縁部を当該被加工基板の一方の表面及びそれと反対側の他方の表面の両側から保持する端材クランパと、前記被加工基板の前記縁部に沿って延びる割断予定線を基準として前記端材クランパから離間する側に設けられ、前記端材クランパにより支持された前記被加工基板の他方の表面を支持する高さホルダとを有し、
前記端材クランパのうち少なくとも前記被加工基板に当接する部分は、ヤング率が３００〜１３００ＭＰａの範囲にある比較的剛性の高い弾性材料からなり、
前記高さホルダのうち少なくとも前記被加工基板に当接する部分は、割断加工時に前記被加工基板の水平移動を許容する摩擦係数が０．１以下の低摩擦材料からなり、
前記高さホルダは、割断加工時に前記被加工基板がその延在面に沿って変位するよう当該被加工基板を水平移動可能に支持することを特徴とする割断加工方法。
前記割断工程において前記被加工基板上で局部的に加熱が行われた領域に冷却剤を吹き付けて当該領域を冷却することを特徴とする、請求項７に記載の割断加工方法。
前記端材クランパによる前記被加工基板の前記縁部における保持幅が１０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項７又は８に記載の割断加工方法。
前記弾性材料は樹脂材料であることを特徴とする、請求項７乃至９のいずれか一項に記載の割断加工方法。
前記樹脂材料はフッ素系樹脂を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の割断加工方法。
前記高さホルダのうち少なくとも前記被加工基板に当接する部分は、割断加工時に前記被加工基板の水平移動を許容する変形部材を有することを特徴とする、請求項７乃至１１のいずれか一項に記載の割断加工方法。