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Title:
FUSION-BONDING PROCESS FOR GLASS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/150975
Kind Code:
A1
Abstract:
In fixing a glass layer (3) on a glass member (4), the irradiation with a laser beam (L1) is conducted from an irradiation initiation position (A) present in a scheduled region (R) for fusion bonding along the scheduled region (R) for fusion bonding up to the irradiation initiation position (A), and thereafter, the irradiation with the laser beam (L1) is continued from the irradiation initiation position (A) present in the scheduled region (R) for fusion bonding along an unstable region up to a stable region initiation position (B), whereby the glass layer (3) in the unstable region is re-fused and the unstable region is converted into a stable region.  Thus, the glass layer (3) is fixed on the glass member (4).  Then, a glass member (5) is fusion-bonded to the resulting glass member (4) with a laser beam (L2) via the glass layer (3) wherein the entirety of the scheduled region (R) for fusion bonding has been converted into a stable region.  Thus, a fusion-bonded glass structure (1) is obtained.

Inventors:
MATSUMOTO SATOSHI (JP)
Application Number:
PCT/JP2009/060148
Publication Date:
December 17, 2009
Filing Date:
June 03, 2009
Export Citation:
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Assignee:
HAMAMATSU PHOTONICS KK (JP)
MATSUMOTO SATOSHI (JP)
International Classes:
C03C27/06; B23K26/32; H01S3/00
Foreign References:
JP2008115057A2008-05-22
JP2006524419A2006-10-26
JP2005213125A2005-08-11
JP2002366050A2002-12-20
JPH05166462A1993-07-02
Attorney, Agent or Firm:
HASEGAWA Yoshiki et al. (JP)
Yoshiki Hasegawa (JP)
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Claims:
 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ガラス溶着方法であって、
 ガラス粉、レーザ光吸収材、有機溶剤及びバインダを含むペースト層から前記有機溶剤及び前記バインダが除去されることにより形成されたガラス層を、環状の溶着予定領域に沿うように前記第1のガラス部材に配置する工程と、
 前記溶着予定領域における照射開始位置から前記照射開始位置まで前記溶着予定領域に沿って第1のレーザ光を照射した後、連続して、前記溶着予定領域における前記照射開始位置からの所定の領域に沿って再度前記第1のレーザ光を照射することにより、前記ガラス層を溶融させ、前記第1のガラス部材に前記ガラス層を定着させる工程と、
 前記ガラス層が定着した前記第1のガラス部材に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、前記溶着予定領域に沿って第2の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工程と、を含むことを特徴とするガラス溶着方法。
 前記所定の領域は、前記第1のレーザ光を前記照射開始位置から一度照射した場合に前記ガラス層の溶融が不安定となる不安定領域の全体を含むことを特徴とする請求項1記載のガラス溶着方法。
 前記所定の領域に沿って最初に前記第1のレーザ光を照射する際の照射パワーよりも、前記所定の領域に沿って再度前記第1のレーザ光を照射する際の照射パワーを低くすることを特徴とする請求項1記載のガラス溶着方法。
 前記所定の領域に沿って再度前記第1のレーザ光を照射する際の照射パワーを漸減させることを特徴とする請求項3記載のガラス溶着方法。
Description:
ガラス溶着方法

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

 上記技術分野における従来のガラス溶着 法として、レーザ光吸収性顔料を含むガラ 層を、溶着予定領域に沿うように一方のガ ス部材に焼き付けた後、そのガラス部材に ラス層を介して他方のガラス部材を重ね合 せ、溶着予定領域に沿ってレーザ光を照射 ることにより、一方のガラス部材と他方の ラス部材とを溶着する方法が知られている

 ところで、ガラス部材にガラス層を焼き ける技術としては、ガラスフリット、レー 光吸収性顔料、有機溶剤及びバインダを含 ペースト層から有機溶剤及びバインダを除 することにより、ガラス部材にガラス層を 着させた後、ガラス層が固着したガラス部 を焼成炉内で加熱することにより、ガラス を溶融させて、ガラス部材にガラス層を焼 付ける技術が一般的である(例えば、特許文 献1参照)。

 これに対し、焼成炉の使用による消費エ ルギの増大及び焼付け時間の長時間化を抑 するという観点(すなわち、高効率化という 観点)から、ガラス部材に固着したガラス層 レーザ光を照射することにより、ガラス層 溶融させて、ガラス部材にガラス層を焼き ける技術が提案されている(例えば、特許文 2参照)。

特表2006-524419号公報

特開2002-366050号公報

 しかしながら、レーザ光の照射によって ラス部材にガラス層を焼き付け、そのガラ 層を介してガラス部材同士を溶着すると、 着状態が不均一になる場合があった。

 そこで、本発明は、このような事情に鑑 てなされたものであり、ガラス部材同士の 着状態を均一にすることができるガラス溶 方法を提供することを目的とする。

 本発明者は、上記目的を達成するために 意検討を重ねた結果、ガラス部材同士の溶 状態が不均一になるのは、図10に示される うに、焼付け時にガラス層の温度が融点Tmを 超えるとガラス層のレーザ光吸収率が急激に 高くなることに起因していることを突き止め た。つまり、ガラス部材に固着したガラス層 においては、バインダの除去による空隙やガ ラスフリットの粒子性によって、レーザ光吸 収性顔料の吸収特性を上回る光散乱が起こり 、レーザ光吸収率が低い状態となっている( えば、可視光において白っぽく見える)。こ ような状態でガラス部材にガラス層を焼き けるためにレーザ光を照射すると、ガラス リットの溶融によって空隙が埋まると共に 子性が崩れるため、レーザ光吸収性顔料の 収特性が顕著に現れ、ガラス層のレーザ光 収率が急激に高くなる(例えば、可視光にお いて黒っぽく見える)。このとき、レーザ光 、図11に示されるように、幅方向(レーザ光 進行方向と略直交する方向)における中央部 温度が高くなる温度分布を有している。そ ため、照射開始位置から幅方向全体にわた てガラス層が溶融する安定領域とするため レーザ光を照射開始位置に暫く停滞させて ら進行させると、幅方向における中央部で 初に始まる溶融により中央部のレーザ光吸 率が上昇し、その上昇により中央部が入熱 多の状態となり、ガラス部材にクラックが じたりやガラス層が結晶化したりするおそ がある。そこで、図12に示されるように、 ーザ光の照射開始位置で幅方向全体にわた てガラス層が溶融しなくてもレーザ光を進 させると、照射開始位置から安定状態に至 領域が中央部から徐々に溶融の幅が広がる 安定領域となってしまう。このような不安 領域を有するガラス層を介してガラス部材 士を溶着すると、不安定領域と安定領域と レーザ光吸収率が異なることから、溶着状 が不均一なガラス溶着体が製造されるので る。本発明者は、この知見に基づいて更に 討を重ね、本発明を完成させるに至った。 お、ガラス層の溶融によってガラス層のレ ザ光吸収率が高まる場合における可視光下 のガラス層の色変化は、白っぽい状態から っぽい状態に変化するものに限定されず、 えば、近赤外レーザ光用のレーザ光吸収性 料の中には、ガラス層が溶融すると緑色を するものも存在する。

 すなわち、本発明に係るガラス溶着方法 、第1のガラス部材と第2のガラス部材とを 着してガラス溶着体を製造するガラス溶着 法であって、ガラス粉、レーザ光吸収材、 機溶剤及びバインダを含むペースト層から 機溶剤及びバインダが除去されることによ 形成されたガラス層を、環状の溶着予定領 に沿うように第1のガラス部材に配置する工 と、溶着予定領域における照射開始位置か その照射開始位置まで溶着予定領域に沿っ 第1のレーザ光を照射した後、連続して、溶 着予定領域における照射開始位置からの所定 の領域に沿って再度第1のレーザ光を照射す ことにより、ガラス層を溶融させ、第1のガ ス部材にガラス層を定着させる工程と、ガ ス層が定着した第1のガラス部材にガラス層 を介して第2のガラス部材を重ね合わせ、溶 予定領域に沿って第2のレーザ光を照射する とにより、第1のガラス部材と第2のガラス 材とを溶着する工程と、を含むことを特徴 する。

 このガラス溶着方法では、第1のガラス部 材にガラス層を定着する際、溶着予定領域に おける照射開始位置からの所定の領域に沿っ て再度第1のレーザ光を照射して、その所定 領域のガラス層を再溶融するようにしてい 。このような再溶融により所定の領域を安 領域として、溶着予定領域における不安定 域が低減されたガラス層を第1のガラス部材 定着させる。その結果、このような不安定 域が低減されたガラス層を介して第1のガラ ス部材と第2のガラス部材とを溶着するため ガラス部材同士の溶着状態を均一にするこ ができる。なお、「安定領域」とは、幅方 全体にわたってガラス層が溶融している領 を意味し、「不安定領域」とは、幅方向の 部のみでガラス層が溶融している領域を意 する。また、ここで使用する「環状」には 円環状や矩形環状が少なくとも含まれる。

 本発明に係るガラス溶着方法では、所定 領域は、第1のレーザ光を照射開始位置から 一度照射した場合にガラス層の溶融が不安定 となる不安定領域の全体を含むことが好まし い。再度第1のレーザ光を照射する所定の領 に不安定領域の全体が含まれることにより 溶着予定領域における不安定領域が更に低 されたガラス層を第1のガラス部材に定着さ ることができる。

 本発明に係るガラス溶着方法では、所定 領域に沿って最初に第1のレーザ光を照射す る際の照射パワーよりも、所定の領域に沿っ て再度第1のレーザ光を照射する際の照射パ ーを低くすることが好ましい。所定の領域 第1のレーザ光による最初の照射で既に一部 溶融しており、低減された照射パワーで再 融を行うことにより、他の安定領域と同等 溶融となり、溶着予定領域における溶融を 一にすることができる。また、このような 合において、所定の領域に沿って再度第1の レーザ光を照射する際の照射パワーを漸減さ せることが更に好ましい。徐々に照射パワー を低くすることにより、第1のレーザ光の進 方向に向かって徐々に溶融領域の比率が高 なっていく不安定領域を効率的に安定領域 代えて、溶着予定領域における溶融を更に 一にすることができる。

 本発明によれば、ガラス部材同士の溶着 態を均一にすることができる。

本発明に係るガラス溶着方法の一実施 態によって製造されたガラス溶着体の斜視 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断面図である 。 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断面図である 。 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 。 ガラス層の温度とレーザ光吸収率との 関係を示すグラフである。 レーザ照射における温度分布を示す図 である。 レーザ照射における安定領域及び不安 定領域を示す図である。

 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 において同一又は相当部分には同一符号を し、重複する説明を省略する。

 図1は、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に示されるように、ガラ 溶着体1は、溶着予定領域Rに沿って形成され 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 形板状の部材であり、溶着予定領域Rは、ガ ラス部材4,5の外縁に沿って矩形環状に設定さ れている。ガラス層3は、例えば、低融点ガ ス(バナジウムリン酸系ガラス、鉛ホウ酸ガ ス等)からなり、溶着予定領域Rに沿って所 幅を有した矩形環状に形成されている。

 次に、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、閉環状の溶着予 定領域Rに沿ってガラス部材4の表面4aにペー ト層6を形成する。フリットペーストは、例 ば、非晶質の低融点ガラス(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 状のガラスフリット(ガラス粉)2、酸化鉄等 無機顔料であるレーザ光吸収性顔料(レーザ 吸収材)、酢酸アミル等である有機溶剤、及 びガラスの軟化温度以下で熱分解する樹脂成 分(アクリル等)であるバインダを混練したも である。フリットペーストは、レーザ光吸 性顔料(レーザ光吸収材)が予め添加された 融点ガラスを粉末状にしたガラスフリット( ラス粉)、有機溶剤、及びバインダを混練し たものであってもよい。つまり、ペースト層 6は、ガラスフリット2、レーザ光吸収性顔料 有機溶剤及びバインダを含んでいる。

 続いて、ペースト層6を乾燥させて有機溶 剤を除去し、更に、ペースト層6を加熱して インダを除去することにより、溶着予定領 Rに沿ってガラス部材4の表面4aに閉じられた 形環状に形成されたガラス層3を固着させる 。なお、ガラス部材4の表面4aに固着したガラ ス層3は、バインダの除去による空隙やガラ フリット2の粒子性によって、レーザ光吸収 顔料の吸収特性を上回る光散乱が起こり、 ーザ光吸収率が低い状態となっている(例え ば、可視光において白っぽく見える)。

 続いて、図3に示されるように、アルミニ ウムからなる板状の載置台7の表面7a(ここで 研磨面)に、ガラス層3を介してガラス部材4 載置する。これにより、ペースト層6から有 溶剤及びバインダが除去されることにより 成されたガラス層3が、溶着予定領域Rに沿 ようにガラス部材4と載置台7との間に配置さ れる。

 続いて、図3~図5に示されるように、ガラ 層3の照射開始位置Aに集光スポットを合わ てレーザ光(第1のレーザ光)L1の照射を開始し 、溶着予定領域Rに沿って図示矢印の進行方 に向かって照射を進める。ところで、レー 光L1は前述したような温度分布(図11参照)を することから、図5に示されるように、照射 始位置Aから、ガラス層3の幅方向(レーザ光 進行方向と略直交する方向)全体にわたって 溶融が行われる安定領域となる安定領域開始 位置Bまでは所定の距離があり、照射開始位 Aから安定領域開始位置Bまでは、ガラス層3 溶融が幅方向の一部で行われる不安定領域 なっている。この不安定領域では、図5又は 12に示されるように、レーザ光L1の進行方向 に向かって徐々に溶融されるガラス層3の幅 なわち溶融領域の比率が高くなるようにな ている。

 その後、安定領域開始位置Bを越えて溶着 予定領域Rに沿ってレーザ光L1のガラス層3へ 照射を続け、図6に示されるように、照射開 位置Aに戻るまでレーザ光L1の照射を行い、 に、図7に示されるように、この照射開始位 置Aからガラス層3の溶融が安定する安定領域 始位置Bまでの不安定領域に沿って、レーザ 光L1の照射を連続させて不安定領域のガラス 3を再溶融させる。この不安定領域は一旦、 レーザ照射が行われてレーザ光の進行方向に 向かって徐々に溶融領域の比率が高くなって いることから、再度、不安定領域に沿ってレ ーザ照射を行う際には、レーザ光L1の照射パ ーを照射開始位置Aから徐々に低くさせて、 安定領域開始位置Bを越えた付近で照射パワ がゼロになるようにする。

 このようにレーザ光L1の照射を不安定領 でオーバーラップさせて、ガラス部材4に配 されたガラス層3が溶着予定領域R全周にわ って安定して溶融・再固化し、ガラス部材4 表面4aにガラス層3が焼き付けられる。なお ガラス部材4の表面4aに焼き付けられたガラ 層3は、ガラスフリット2の溶融によって空 が埋まると共に粒子性が崩れるため、レー 光吸収性顔料の吸収特性が顕著に現れ、レ ザ光吸収率が高い状態となる(例えば、可視 において黒っぽく見える)。

 そして、溶着予定領域R全周にわたって安 定したガラス層3の焼付けが終了すると、ガ ス層3が焼き付けられたガラス部材4を載置台 7より取り外す。この際、ガラスフリット2と 置台7との線膨張係数の差がガラスフリット 2とガラス部材4との線膨張係数の差よりも大 くなっていることから、ガラス層3は載置台 7に固着しないようになっている。また、ガ ス部材4の表面4aに焼き付けられたガラス層3 、載置台7の表面7aが研磨されていることか 、ガラス部材4と反対側の表面3aの凹凸が平 化された状態となっている。なお、本実施 態では、ガラス部材4側からレーザ光L1を照 して焼付けが行われていることから、ガラ 層3のガラス部材4への定着が確実に行われ 一方、表面3a側の結晶化が低減され、その部 分の融点が高くならないようになっている。

 ガラス層3の焼付けに続いて、図8に示さ るように、ガラス層3が焼き付けられたガラ 部材4に対し、ガラス層3を介してガラス部 5を重ね合わせる。このとき、ガラス層3の表 面3aが平坦化されているため、ガラス部材5の 表面5aがガラス層3の表面3aに隙間なく接触す 。

 続いて、図9に示されるように、ガラス層 3に集光スポットを合わせてレーザ光(第2のレ ーザ光)L2を溶着予定領域Rに沿って照射する これにより、溶着予定領域R全周にわたって ーザ光吸収率が高く且つ均一な状態となっ いるガラス層3にレーザ光L2が吸収されて、 ラス層3及びその周辺部分(ガラス部材4,5の 面4a,5a部分)が同程度に溶融・再固化し、ガ ス部材4とガラス部材5とが溶着される。この とき、ガラス部材5の表面5aがガラス層3の表 3aに隙間なく接触すると共にガラス部材4に き付けられたガラス層3の溶融が溶着予定領 R全周にわたって安定した安定領域として形 成されているため、ガラス部材4とガラス部 5とが溶着予定領域Rに沿って均一に溶着され る。

 以上説明したように、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は、ガ ラス部材4にガラス層3を定着する際、溶着予 領域Rにおける照射開始位置Aから溶着予定 域Rにおける安定領域開始位置Bまでの不安定 領域に沿ってレーザ光L1を再度、照射して、 の不安定領域のガラス層3を再溶融するよう にしている。このような再溶融により不安定 領域を安定領域として、溶着予定領域R全周 わたり溶融が安定したガラス層3をガラス部 4に定着させる。その結果、このような安定 領域を伴って形成されたガラス層3を介して ラス部材4とガラス部材5とを溶着するため、 ガラス部材4,5同士の溶着状態を均一にするこ とができる。

 また、上述したガラス溶着方法において 、不安定領域に沿って最初にレーザ光L1を 射する際の照射パワーより、不安定領域に って再度レーザ光L1を照射する際の照射パワ ーを徐々に低くするようにしている。このよ うに、徐々に照射パワーを低くすることによ り、レーザ光L1の進行方向に向かって徐々に 融領域の比率が高くなっていく不安定領域 効率的に安定領域に代えて、溶着予定領域R 全周の溶融を更に均一にすることができる。

 本発明は、上述した実施形態に限定され ものではない。

 例えば、本実施形態では、略矩形環状の 着予定領域Rを用いたが、環状の溶着予定領 域であればよく、円環状の溶着予定領域でも よい。

 また、本実施形態では、ガラス部材4を介 してガラス層3にレーザ光L1を照射したが、反 対側から直接、ガラス層3にレーザ光L1を照射 するようにしてもよい。

 本発明によれば、ガラス部材同士の溶着 態を均一にすることができる。

 1…ガラス溶着体、2…ガラスフリット(ガ ス粉)、3…ガラス層、4…ガラス部材(第1の ラス部材)、5…ガラス部材(第2のガラス部材) 、6…ペースト層、7…載置台、A…照射開始位 置、B…安定領域開始位置、R…溶着予定領域 L1…レーザ光(第1のレーザ光)、L2…レーザ光 (第2のレーザ光)。