JP4177945B2 - レーザー光によるガラス接合方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２枚又はそれ以上のガラス板を接合するガラス接合方法およびその接合装置に関し、特に薄く成形加工された複数の石英ガラス板を、レーザー光で溶着して接合するガラス接合方法およびその接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザー光を用いて２つの金属部品を接合する溶接技術はよく知られている。図６（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれレーザー光を用いた金属部品の溶接方法を概念的に示す断面図である。図１０は、レーザー溶接で用いられるレーザー照射装置の構成を示す図である。レーザー溶接では、レーザー光を被加工部品の接合部位に照射し、該照射部位を加熱溶融して接合する。図６（ａ）は、金属円筒８と金属円筒８より小径の金属円筒９とを溶接する状態を示す。金属円筒８と金属円筒９とを所望の接合位置関係にて密着させて、レーザー光１１２を溶着ポイントに照射して溶着する。この方法は、図６（ｂ）に示される同径の金属円筒１０，１１を接合する場合においても同様であり、レーザー光１１３を接合部位に照射して溶着する。図６（ｃ）は、金属板１２，１３を接合する状態を示す。この場合においては、両金属板を所定の接合位置関係にて重ね合わせ、レーザー光１１４を溶着ポイントに照射して溶着する。
【０００３】
ガラスの接合方法としては、例えば、ガラスのコップまたは花瓶に把手を接合する場合のように、高温の炉にガラス材料を入れて軟化させ、他のガラスに取り付けて整形した後に冷却するという手法が知られている。
【０００４】
またガラス板同士の接合方法としては、図７に示されるように、ガラス板１４とガラス板１５との間に接着剤１６を塗布することにより、両ガラスを接合する方法が用いられている。その他の従来のガラス接合方法としては、例えば特開平２−１２０２５９号公報に、ガラス封止に際して用いられるガラス接合方法が提案されている。この従来例においては、着色したガラス透明体より成る光吸収剤を、接合しようとするガラス間に介在させ、レーザー光を当該光吸収剤に照射し、該光吸収剤を溶解させてガラスを接合する方法が採られている。その光吸収剤としては、接合対象のガラスと略同じ組成のガラス透明体に遷移金属イオンをドープすることにより着色したものが用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図６を参照して説明したレーザー光による従来の金属溶接方法をガラスの溶接方法に適用しようとすると、幾つかの課題を解決しなければならない。まず、ガラスはレーザー光による熱吸収効率が低く、また熱伝導率も金属等に比較して格段に小さいので、図８に示されるように、ガラス板１７の一方の表面に対してレーザー光１１５を照射する場合に、該レーザー光１１５によるガラス板１７に形成される溶け込み部１７ａが小さく、このためにガラス板１７を溶着部として他のガラスに接合しようとするとき、接合に必要な十分な溶着部の深さが得られない。
【０００６】
また、レーザー光１１５によるガラス板１７の熱吸収量は、レーザー光１１５が照射されるガラス板１７の表面の状態にも依存している。例えば、ガラス板１７の表面が鏡面のように研磨されている場合にはレーザー光の吸収量が極めて低く、表面が粗い状態または汚れがある場合にはレーザー光を吸収し易い状態となる。従って、レーザー光１１５のパワーが同一であってもガラス板１７の表面の状態が異なる場合には、例えば、一方は明確に穴が開けられるのに対して、もう一方は単に表面が薄く溶融するだけの不完全な溶融状態となる。このように、レーザー光１１５によるガラス溶接においては、ガラス板１７の表面における溶融度の制御が困難である。
【０００７】
図６（ｃ）に示される金属板１２，１３に代えて、図９に示すようにガラス板３２，３３としたときには、レーザー光１１４の溶着ポイントに対する照射により、当該溶着ポイントにおいてガラス板３２，３３の溶着が可能になったとしても、ガラス板３２及びガラス板３３には、それぞれ熱応力１１６および１１７が内部応力として残留する。この内部応力に起因して、重ね合わせ溶接したガラス板３３が図９に示す如くに歪が生じ、精度の高いガラス板接合の実現が困
難になる。
【０００８】
なお、レーザー光を用いないガラス接合方法においては、高温の炉を用いて接合する場合には、一方のガラスの形状が軟化していて不定形であるために、成形加工されたガラス板同士を固定する接合方法としては適用不可能である。
【０００９】
また、図７を参照して説明した接着剤によるガラス接合方法には、次の欠点がある。
【００１０】
(1) 接着剤が硬化するのに時間がかかるので、硬化するまでの間、ガラス板 相互の位置関係を保持する治具などが必要となり、ガラスを大量に接合する 際には、その分の治具が必要となるために設備のコスト高の要因となる。
【００１１】
(2) 接着剤の耐熱温度がガラスに比較して低いので、接合されたガラス構造のの耐熱温度を高くすることができない。
【００１２】
(3) 接着剤の熱膨張係数がガラスと異なるので、温度条件によっては接合部位で剥離することがある。
【００１３】
(4) 接着剤の塗布厚を調整することが困難であるから、複数の被接合ガラスを正確な位置関係で接合することが難しい。
【００１４】
更に、特開平２−１２０２５９号公報において提案されているガラス接合方法では、ガラス板を歪みなく精度高く接合することが不可能であり、且つ光吸収剤を必要とするという欠点がある。
【００１５】
本発明の目的は、上記の課題を解決し、下記の利点を有するレーザー光によるガラス接合方法および装置を提供することにある。
【００１６】
(１) 複数のガラス板を短時間に接合する。
【００１７】
(２) 耐熱温度の高いガラス接合構造を得る。
【００１８】
(３)ガラス板が剥離し難いガラス接合構造を得る。
【００１９】
(４) 複数のガラス板を正確な位置関係で接合できる。
【００２０】
(５) 複数のガラス板を歪なく接合できる。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は次の手段により、前述の課題を解決する。
【００２２】
（１）接合対象の複数のガラス板を互いに板面を密着して重ね合わせることにより複数ガラス密着体を形成し、該複数ガラス密着体に対し該板面に垂直な方向からビーム状のレーザー光を照射し、該複数ガラス密着体におけるガラスの一部分を溶融し、溶融した該ガラスを固化させることにより、該接合対象の複数のガラス板を接合する方法において、
前記レーザー光は、光軸を共通にして互いに反対方向から前記複数ガラス密着体に照射され、該複数ガラス密着体の表面又はその近傍をそれぞれ焦点とする第１及び第２のレーザー光でなり、
前記第１及び第２のレーザー光を前記複数ガラス密着体に同時に照射することにより、前記複数ガラス密着体に前記光軸方向の穴を開ける穴開け工程と、
前記穴開け工程で開けられた穴の壁をなすガラスの表面に前記第１及び第２のレーザー光を同時に照射し、該表面及びその近傍を溶融する内壁溶融工程と、
前記該第１及び第２のレーザー光の照射を停止して、前記複数ガラス密着体を冷却させ、前記内壁溶融工程で溶融したガラスを固化する溶融ガラス固化工程と
を含むことを特徴とするガラス接合方法。
【００２３】
（２）前記第１及び第２のレーザー光のエネルギー特性が互いに等しいことを特徴とする前記（１）に記載のレーザー光によるガラス接合方法。
【００２４】
（３）前記内壁溶融工程において前記内壁の表面に照射する第１及び第２のレーザー光のエネルギー密度は、前記該穴開け工程において形成されつつある穴の側面に照射される前記第１及び第２のレーザー光のエネルギー密度より低いことを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のガラス接合方法。
【００２５】
（４）接合対象の複数のガラス板を互いの板面を密着して重ね合わせ、該複数のガラス板における溶着ポイントを該板面に垂直な1つの直線上に揃え、複数ガラス密着体を形成するように、該複数のガラス板をガラス保持手段の所定位置にそれぞれ嵌める第１のステップと、
第１及び第２のレーザー光をそれぞれ逆方向に出射する第１及び第２のレーザー照射手段の光軸を前記ガラス保持手段に嵌められた複数ガラス密着体における前記1つの直線上に合わせる第２のステップと、
前記第１及び第２のレーザー光の焦点を前記１つの直線と前記複数ガラス密着体の表面との交点又はその近傍における該１つの直線上の点に合わせて、該第１及び第２のレーザー光を該複数ガラス密着体に同時に照射し、該複数ガラス密着体に該１つの直線を軸とする穴を形成する第３のステップと、
前記第１及び第２のレーザー光の焦点を前記第３のステップにおける前記焦点からそれぞれずらして、該第１及び第２のレーザー光を所定の規定時間にわたって、同時に照射し、前記穴の内壁のガラスを溶融させる第４のステップと、
前記該第１及び第２のレーザー光の照射を停止して、前記複数ガラス密着体を冷却させ、前記第４のステップで溶融させた前記ガラスを固化する第５のステップと
を有することを特徴とするガラス接合方法。
【００２６】
（５）接合対象の複数のガラス板を互いの板面を密着して重ね合わせ、該複数のガラス板における溶着ポイントを該板面に垂直な1つの直線上に揃え、複数ガラス密着体を形成するように、該複数のガラス板をガラス保持手段の所定位置にそれぞれ嵌める第１のステップと、
第１及び第２のレーザー光をそれぞれ逆方向に出射する第１及び第２のレーザー照射手段の光軸を前記ガラス保持手段に嵌められた複数ガラス密着体における前記1つの直線上に合わせる第２のステップと、
前記第１及び第２のレーザー光の焦点を前記１つの直線と前記複数ガラス密着体の表面との交点又はその近傍における該１つの直線上の点に合わせて、該第１及び第２のレーザー光を該複数ガラス密着体に同時に照射し、該複数ガラス密着体に該１つの直線を軸とする穴を形成する第３のステップと、
前記第１及び第２のレーザー光の出力のパワーを前記第３のステップにおける前記パワーより低減し、該第１及び第２のレーザー光を規定時間にわたって、同時に照射し、前記穴の内壁のガラスを溶融させる第４のステップと、
前記該第１及び第２のレーザー光の照射を停止して、前記複数ガラス密着体を冷却させ、前記第４のステップで溶融させた前記ガラスを固化する第５のステップと
を有することを特徴とするガラス接合方法。
【００２７】
（６）複数のガラス板を互いの板面を密着して重ね合わせてなる複数ガラス密着体にレーザー光を照射し、該複数ガラス密着体を接合するガラス接合装置において、
光軸を共通にし、互いに反対向きであって、かつ前記板面に垂直な方向から前記複数ガラス密着体に第１及び第２のレーザー光をそれぞれ照射する第１及び第２のレーザー照射装置と、
前記第１及び第２のレーザー照射装置による前記第１及び第２のレーザー光の焦点並びにレーザー光のパワーを制御する接合制御手段と、
前記複数ガラス密着体を保持する手段と、
前記保持手段を搭載し、該保持手段の平面内位置を設定するＸ−Ｙステージとを備え、
前記接合制御手段は、前記Ｘ−Ｙステージを制御し、前記複数ガラス密着体における接合ポイントを前記光軸に合わせ、
また、前記接合制御手段は、前記第１及び第２のレーザー照射装置を制御し、第１及び第２のレーザー光の焦点を前記複数ガラス密着体の表面又はその近傍とし、該第１及び第２のレーザー光を前記複数ガラス密着体に同時に照射させることにより、前記複数ガラス密着体に前記光軸方向の穴を開け、該穴の壁をなすガラスの表面に前記第１及び第２のレーザー光を同時に照射させ、該表面及びその近傍を溶融し、
前記穴の内壁を溶融する際に該内壁の表面に照射する第１及び第２のレーザー光のエネルギー密度は、前記穴を開ける際に該穴の側面に照射される前記第１及び第２のレーザー光のエネルギー密度より低い
ことを特徴とするガラス接合装置。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を挙げ、本発明を一層詳しく説明する。
【００２９】
図２は、本発明になるレーザー光によるガラス接合装置の構成および配置関係を示す概念図であり、図３は図２のガラス接合装置のブロック図である。図４は、図２のガラス接合装置に適用する本発明のガラス接合方法を示す流れ図である。また、図１は、図２の装置に図４の方法を適用して２枚のガラスを接合する手順を示す図である。図１において、ガラス板６，７は厚さ２ｍｍ程度の円盤状の石英ガラスであり、図にはガラス板６，７の縦断面が現れているが、ガラス板６，７の縦断面におけるハッチングは省いてある。図２では、接合されるガラス板６，７のうちのガラス板６だけが描かれており、図面の錯綜を避けるためにガラス板７は省略されている。図１（ｂ）に示すように、接合されるガラス板６，７はガラスホルダ５の座グリ穴に嵌められる。ガラスホルダ５は、ガラス板６，７の被照射軸１０９を互いに一致させ、かつ両者を密着させ、両者を安定に保持する。ここで被照射軸１０９は、ガラス板６,７の中心軸と一致している。なお、図１（ｂ）において、ガラス板７の下側にある矩形の無地領域は空間である。
【００３０】
図２のガラス接合装置は、接合制御部１と、レーザー照射装置２，３と、X-Yステージ４と、ガラスホルダ５とを備えて構成されている。レーザー照射装置２および３として用いられるレーザー装置は、一般に金属用のレーザー溶接機に使用されている既存のＣＯ２レーザー装置である。該レーザー照射装置には、レーザートリマやレーザーマーキング装置に用いられているタイプのレーザー装置を、パワーを調節して転用しても差し支えない。レーザー照射装置２及び３は全く同じ構造及び機能を有し、出力のレーザー光１０１及び１０２は互いに等しいエネルギー特性を有する。
【００３１】
一般的にＣＯ２レーザー装置は、図１０に示されるように、ポンピング装置２０、完全反射鏡２１、部分反射鏡２２、レーザー媒質２３、ミラー２４、集束レンズ２５および集束レンズ可動手段２６によりなる。完全反射鏡２１、部分反射鏡２２及びレーザー媒質２３はレーザー共振器２７を構成している。集束レンズ可動手段２６により集束レンズ２５を可動とすることにより、レーザー光１２２の焦点１３０を所定位置に合わせることができる。従って、このレーザー装置を使用することにより、被接合部品であるガラスの表面に焦点を合わせて該ガラスに穴を開けたり、焦点をずらせて広範囲に亘りガラスを加熱することが可能である。
【００３２】
図２においては、レーザー照射装置２及び３は、レーザー光１０１及び１０２をそれぞれ出射する。レーザー光１０１及び１０２は、光軸を同じくし、互いに反対方向に進行する。レーザー照射装置２及び３は、照射経路が同一線上にあるように、更にガラス板６，７を密着してなるガラス密着体を互いに反対方向から照射するように、相対向して配置されている。レーザー照射装置２，３から出射されるレーザー光１０１及び１０２の焦点の位置及びそのパワーは、図３に示されるように、接合制御部１により出力されるレーザー光用制御信号１０３及び１０５により制御される。
【００３３】
ガラスホルダ５は、Ｘ−Ｙステージ４に固定されて、その表面がレーザー光１０１及び１０２に直交するように配置されている。X-Yステージ４は、モーターを動力とするスライダを２軸直交させて構成されており、図３に示されるように、接合制御部１より出力されるＸ−Ｙステージ用制御信号１０７により制御されて、ガラスホルダ５を、図２に示されるようにＸ，Ｙの両方向に２次元的に移動させることができる。
【００３４】
また接合制御部１は、レーザー照射装置２、３およびX-Yステージ４に対する制御／監視機能を有しており、レーザー光用制御信号１０３および１０５により、それぞれ対応するレーザー照射装置２および３に対する電源のオンオフを含む各種制御を行う。更に、接合制御部１は、Ｘ−Ｙステージ４に対してＸ−Ｙステージ用制御信号１０７を送り、Ｘ−Ｙステージ４における２軸直交されたスライダを駆動するモーターを制御して、Ｘ−Ｙステージ４に設定されている接合対象のガラス板６，７の溶着ポイントの位置を、レーザー光１０１及び１０２の光軸に合致させる。これらの制御作用の実施に伴ない、レーザー照射装置２、３およびX-Yステージ４から送られてくる動作データ１０４、１０６及びＸ−Ｙステージ動作信号１０８は接合制御部１へ帰還される。接合制御部１は、帰還された動作データ１０４、１０６及びＸ−Ｙステージ動作信号１０８により、制御信号を更に適切に設定し、レーザー照射装置２，３及びX-Yステージ４を安定に制御する。
【００３５】
次に、図４を参照し、図２の接合装置によるガラスの接合方法を詳しく説明する。図４は、その接合方法の手順を示す流れ図である。また、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）は、接合対象のガラス板６および７を溶着する際の接合手順に対応して、レーザー光１０１および１０２の照射状況の推移を示す図である。図１の例では、ガラス板６及び７の被照射軸１０９上に両ガラスの溶着ポイント１１０及び１１１がある。
【００３６】
まずステップＳ11においては、図１（ａ）のガラス板７とガラス板６を、図１（ｂ）の断面図に示されるように、ガラスホルダ５の上面から、ガラスホルダ５における座グリ穴に順に嵌める。図１（ｃ）は、図１（ｂ）の被照射軸１０９近傍を拡大して示す図である。ガラス板７は下側の座グリ穴に嵌められ、ガラス板６は上側の座グリ穴に嵌められる。ガラスホルダ５は、座グリ穴の内周面がガラス板６とガラス板７の外周に密着し、ガラス板６とガラス板７とが密着するように形成してある。そこで、ガラスホルダ５に嵌められたガラス板６とガラス板７とは、共通の被照射軸１０９に一致させ、従って溶着ポイント１１０および１１１を被照射軸１０９に合わせ、互いに密着して重ね合わされる。ガラスホルダ５に嵌められたガラス板６とガラス板７とは、前述の複数ガラス密着体に相当する。
【００３７】
次に、ステップＳ12において、X-Yステージ4により、ガラスホルダ５に対して２次元の移動制御を行い、図１（ｂ）または図１（ｃ）に示される溶着ポイント１１０及び１１１をレーザー照射装置２および３の各レーザー光１０１及び１０２の光軸に一致させる。ここで、ガラス板６，７の被照射軸１０９がレーザー光１０１及び１０２の光軸である。
【００３８】
次いでステップＳ13においては、図１（ｄ）に示されるように、レーザー光１０１および１０２の焦点を調整して、該焦点をガラス板６および７の溶着ポイント１１０及び１１１に合わせ、相対向するレーザー光１０１，１０２を同時に照射し、ガラス板６及び７に穴３０を開ける。このとき、レーザー光１０１および１０２が、相対向して同時に照射されるので、穴３０はガラス板６，７の境界部分に関し対称な形となる。レーザー光１０１，１０２のパワーが８watt、ガラス板６、７の厚みが０.５mmであるとき、レーザー光１０１，１０２は５秒で穴３０を完成させることができる。このとき、穴３０の入口開口における径は０.４mmであった。なお、レーザー照射装置２，３のレーザー光出射端からガラス板６，７へ至るまでの距離は２０５mmであった。
【００３９】
ステップＳ１４においては、図１（ｅ）に示されるように、レーザー照射装置２および３の相対向するレーザー光１０１および１０２の焦点を、ステップＳ13において開けられた穴３０を覆うように、各溶着ポイント１１０及び１１１よりずらせ、規定時間の間、ガラス板６及び７に対して両レーザー光により同時に照射を行い、該穴３０の内壁を溶融し、溶融部４０を形成する。このステップＳ１４においてレーザー光１０１，１０２の焦点を溶着ポイント１１０及び１１１からずらすのは、穴３０の内壁をなすガラスを溶融し、且つ、これらのガラスに蒸発しない程度のエネルギーを与えるためである。レーザー照射装置２，３のパワーがステップＳ１３で８wattであるときには、ステップＳ１４では焦点を溶着ポイント１１０及び１１１からずらすのであるが、焦点をずらしたときには、溶着ポイント１１０，１１１におけるパワーは、６〜７wattとする。このとき、穴３０の内壁は、１０〜１５秒のレーザー光照射で溶着に好ましい程度に溶融する。したがって、ステップＳ１４におけるレーザー光１０１，１０２により穴３０の壁面に与えられるエネルギーは、ステップＳ１３におけるレーザー光１０１，１０２により穴３０の壁面に与えられるエネルギーより小さい。
【００４０】
次いで、ステップＳ15において、前記規定時間の経過後に両レーザー光の照射を停止し、穴３０の壁面における溶融部４０を冷却し、固化することにより、ガラス板６とガラス板７とを接合する。溶融部４０の厚みは0.1ｍｍ程度であり、極く薄い。しかし、この程度の厚みでもって接合されたガラス板６とガラス板７は、ガラス板６，７に加わる力が小さいときは、十分に接合の目的を果たす。
【００４１】
上述の方法でガラス板６，７を接合するとき、相対向する２つのレーザー光の焦点位置を調整して、ガラス板６，７に対する照射を制御することにより、ガラス板６及び７に加えられる熱エネルギーはガラス板６，７の接合面に関し対称であり、該接合面と被照射軸１０９との交点に関しても対称であるから、ガラス板６，７に生じる内部応力は該交点に関し相互に釣り合っている。したがって、上述の方法で接合されたガラス板６，７には、ガラス板６，７の冷却後に歪を生じさせる内部応力は残留しない。また、上記の溶着を、他の溶着ポイントに対してそれぞれ繰り返して行うことにより、接合されたガラス構造における固着力は更に増大する。
【００４２】
上述の方法では、上述のように複数のガラス板を歪なく接合できるばかりではなく、接着剤で接着するのではないから、接着剤を乾燥させる工程を要せず、 複数のガラス板を短時間に接合できる。また、接着剤を用いないから、 耐熱温度が高く、ガラス板が剥離し難いガラス接合構造が得られる。また、ガラスホルダ５でガラス板６，７の位置合わせをするから、 複数のガラス板を正確な位置関係で接合できる。
【００４３】
また、穴開け工程では、レーザー光１０１，１０２による溶け込み部の深さを考慮することなく、ガラスを蒸発させ、穴３０を形成すれば足り、穴の深さの制御も不要である。したがって、穴開け工程ではガラス表面の状態により穴３０の形成時間に差があったとしても、接合の品質に影響はない。また、内壁溶融工程では、レーザー光１０１，１０２は穴３０の表面に作用し、該表面のガラスを溶融させるのであるが、穴３０は穴開あけ工程で形成したばかりであり、その表面には汚れはなく、その光吸収率は一定であるから、安定した時間で適切な深さまでガラスを溶融させることができる。従って、本実施の形態による方法及び装置によるガラスの接合は、制御性よく行うことができる。
【００４４】
図５は、図２に示したガラス接合装置に適用するガラス接合方法の別の例を示す流れ図である。図５の方法は、図４におけるステップ１４をステップ２４に変更した方法であり、ステップ１１乃至１３及びステップ１５は図４におけるステップと同じである。
【００４５】
図４に示されるステップＳ14においては、レーザー照射装置２および３の相対向するレーザー光１０１および１０２の焦点を、溶着ポイント１１０および１１１の位置よりずらして、規定時間の間、ガラス板６および７に対する両レーザー光の同時照射を行うものとしているが、このように各レーザー光の焦点をずらして照射する目的は、前述したように、被接合ガラスが溶融し、且つ蒸発しない程度の抑制されたエネルギーを与えるためである。従って、代替手段としてはレーザー光の焦点をずらすことなく、レーザー光自体の照射パワーを所定レベルに低減することによっても同様の対応処置を採ることができる。即ち、図５のガラス接合手順においては、当該代替手段として、ステップＳ２４において、レーザー光１０１及び１０２の照射パワーを低減する手法が適用されている。従って、図５の方法では、接合制御部１より出力されるレーザー光用制御信号１０３および１０５により制御されて、レーザー照射装置２および３のレーザー光１０１および１０２の照射パワーが、所定レベルに抑制される。図５の方法でも、図４の方法と同様に、ステップＳ２４におけるレーザー光１０１，１０２により穴３０の壁面に与えられるエネルギーは、ステップＳ１３おけるレーザー光１０１，１０２により穴３０の壁面に与えられるエネルギーより小さい。
【００４６】
以上に挙げた本発明の実施の形態では、接合するガラス板は２枚であった。しかし、本発明による装置及び方法によれば、３枚又はそれ以上の枚数のガラスを密着して重ね、穴開け工程および内壁溶融工程を同様に行うことにより、接合でき、２枚を接合するときと同様な効果を得ることができる。図１の如く２枚のガラス板を接合するときには穴３０は貫通穴となるが、３枚のガラス板を接合するときには、ステップＳ１３で開ける穴は貫通穴である必要はない。３枚のガラス板を上下に重ねて接合するとき、上側と下側から穴を開け、それぞれの穴の底が中間のガラス板にまで至っておれば、ガラス板の各接合面が穴に臨むことになり、各穴に溶融部を形成することにより、３枚のガラス板を一体に接合できる。
【００４７】
なお、以上に実施の形態を挙げ、本発明を具体的に説明したが、本発明がこの実施の形態に限定されるものでないことは勿論である。以上の実施の形態では、ガラス板６,７の厚さがともに０.５ｍｍであった。しかし、本発明の方法によれば、両ガラス板の厚みが相違しても、両ガラス板を歪みなく接合できる。例えば、ガラス板６が１６ｍｍφ、０．５ｍｍ厚、ガラス７板がφ２ｍｍ、２ｍｍ厚であるとき、ガラス板６，７を接合した接合ガラス構造においてガラス板６，７が歪むことなく、その接合ガラス構造を加速度計の可動電極の部材とし、その加速度計を機器に搭載したとき、ガラス板６,７が剥がれたりすることはない。
【００４８】
上述の実施の形態では、レーザー照射装置２及び３は全く同じ構造および機能を有し、出力のレーザー光１０１及び１０２は互いに等しいエネルギー特性を有するとしたが、レーザー光１０１及び１０２のエネルギー特性は必ずしも同じではなくても本発明は実施できる。少なくともガラスの接合面に至る深さの穴をレーザー光でガラス板に形成する本発明の方法では、ガラス板の縁にレーザー光を照射する従来のガラス接合方法に比べて、ガラスに曲げ応力を生じ難い。従って、互いに対向して照射するレーザー光のエネルギー特性が相違したとしても、ガラス板を熱応力で曲げてしまうおそれは比較的少ないのである。
【００４９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、複数のガラス板を短時間に接合でき、耐熱温度が高く、ガラス板が剥離し難いガラス接合構造を生成でき、 複数のガラス板を正確な位置関係で歪なく接合できるガラスの接合方法及び装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガラスホルダ５に嵌められたガラスに対する溶着手順を示す溶着ポイント近傍の部分断面図である。
【図２】本発明になるレーザー光によるガラス接合装置を概念的に示す図である。
【図３】図２の実施の形態の装置における構成を示すブロック図である。
【図４】本発明になるガラス接合方法の一例であって、図２の装置に適用する方法における処理の手順を示す流れ図である。
【図５】本発明になるガラス接合方法の別の例であって、図２の装置に適用する方法における処理の手順を示す流れ図である。
【図６】レーザー光による金属の接合方法を例示する概念図である。
【図７】接着剤によるガラス接合構造を示す断面図である。
【図８】レーザー光をガラス板に照射したときに該ガラスの表面部に形成される溶け込み部の例を示す断面図である。
【図９】レーザー光により従来の方法で２枚のガラス板を接合するときにガラスに歪が生じる様子を概念的に示す断面図である。
【図１０】ＣＯ２レーザー装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 接合制御部
２，３ レーザー照射装置
４ X-Yステージ
５ ガラスホルダ
６，７，１４，１５，１７，３２，３３ ガラス板
８，９，１０，１１ 金属円筒
１２，１３ 金属板
１６ 接着剤
１７ａ 溶け込み部
２０ ポンピング装置
２１ 完全反射鏡
２２ 部分反射鏡
２３ レーザー媒質
２４ ミラー
２５ 集束レンズ
２６ 集束レンズ可動手段
２７ レーザー共振器
３０ 穴
４０ 溶融部
１３０ 焦点
１０１，１０２，１１２，１１３，１１４，１１５，１２２ レーザー光
１０３，１０５ レーザー光用制御信号
１０４，１０６ 動作データ
１０７ Ｘ−Ｙステージ用制御信号
１０８ Ｘ−Ｙステージ動作信号
１０９ 被照射軸
１１０，１１１ 溶着ポイント
１１６，１１７ 熱応力
１１８ 溶接ポイント
１２０ 電気エネルギー
【発明の属する技術分野】
本発明は、２枚又はそれ以上のガラス板を接合するガラス接合方法およびその接合装置に関し、特に薄く成形加工された複数の石英ガラス板を、レーザー光で溶着して接合するガラス接合方法およびその接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザー光を用いて２つの金属部品を接合する溶接技術はよく知られている。図６（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれレーザー光を用いた金属部品の溶接方法を概念的に示す断面図である。図１０は、レーザー溶接で用いられるレーザー照射装置の構成を示す図である。レーザー溶接では、レーザー光を被加工部品の接合部位に照射し、該照射部位を加熱溶融して接合する。図６（ａ）は、金属円筒８と金属円筒８より小径の金属円筒９とを溶接する状態を示す。金属円筒８と金属円筒９とを所望の接合位置関係にて密着させて、レーザー光１１２を溶着ポイントに照射して溶着する。この方法は、図６（ｂ）に示される同径の金属円筒１０，１１を接合する場合においても同様であり、レーザー光１１３を接合部位に照射して溶着する。図６（ｃ）は、金属板１２，１３を接合する状態を示す。この場合においては、両金属板を所定の接合位置関係にて重ね合わせ、レーザー光１１４を溶着ポイントに照射して溶着する。
【０００３】
ガラスの接合方法としては、例えば、ガラスのコップまたは花瓶に把手を接合する場合のように、高温の炉にガラス材料を入れて軟化させ、他のガラスに取り付けて整形した後に冷却するという手法が知られている。
【０００４】
またガラス板同士の接合方法としては、図７に示されるように、ガラス板１４とガラス板１５との間に接着剤１６を塗布することにより、両ガラスを接合する方法が用いられている。その他の従来のガラス接合方法としては、例えば特開平２−１２０２５９号公報に、ガラス封止に際して用いられるガラス接合方法が提案されている。この従来例においては、着色したガラス透明体より成る光吸収剤を、接合しようとするガラス間に介在させ、レーザー光を当該光吸収剤に照射し、該光吸収剤を溶解させてガラスを接合する方法が採られている。その光吸収剤としては、接合対象のガラスと略同じ組成のガラス透明体に遷移金属イオンをドープすることにより着色したものが用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図６を参照して説明したレーザー光による従来の金属溶接方法をガラスの溶接方法に適用しようとすると、幾つかの課題を解決しなければならない。まず、ガラスはレーザー光による熱吸収効率が低く、また熱伝導率も金属等に比較して格段に小さいので、図８に示されるように、ガラス板１７の一方の表面に対してレーザー光１１５を照射する場合に、該レーザー光１１５によるガラス板１７に形成される溶け込み部１７ａが小さく、このためにガラス板１７を溶着部として他のガラスに接合しようとするとき、接合に必要な十分な溶着部の深さが得られない。
【０００６】
また、レーザー光１１５によるガラス板１７の熱吸収量は、レーザー光１１５が照射されるガラス板１７の表面の状態にも依存している。例えば、ガラス板１７の表面が鏡面のように研磨されている場合にはレーザー光の吸収量が極めて低く、表面が粗い状態または汚れがある場合にはレーザー光を吸収し易い状態となる。従って、レーザー光１１５のパワーが同一であってもガラス板１７の表面の状態が異なる場合には、例えば、一方は明確に穴が開けられるのに対して、もう一方は単に表面が薄く溶融するだけの不完全な溶融状態となる。このように、レーザー光１１５によるガラス溶接においては、ガラス板１７の表面における溶融度の制御が困難である。
【０００７】
図６（ｃ）に示される金属板１２，１３に代えて、図９に示すようにガラス板３２，３３としたときには、レーザー光１１４の溶着ポイントに対する照射により、当該溶着ポイントにおいてガラス板３２，３３の溶着が可能になったとしても、ガラス板３２及びガラス板３３には、それぞれ熱応力１１６および１１７が内部応力として残留する。この内部応力に起因して、重ね合わせ溶接したガラス板３３が図９に示す如くに歪が生じ、精度の高いガラス板接合の実現が困
難になる。
【０００８】
なお、レーザー光を用いないガラス接合方法においては、高温の炉を用いて接合する場合には、一方のガラスの形状が軟化していて不定形であるために、成形加工されたガラス板同士を固定する接合方法としては適用不可能である。
【０００９】
また、図７を参照して説明した接着剤によるガラス接合方法には、次の欠点がある。
【００１０】
(1) 接着剤が硬化するのに時間がかかるので、硬化するまでの間、ガラス板 相互の位置関係を保持する治具などが必要となり、ガラスを大量に接合する 際には、その分の治具が必要となるために設備のコスト高の要因となる。
【００１１】
(2) 接着剤の耐熱温度がガラスに比較して低いので、接合されたガラス構造のの耐熱温度を高くすることができない。
【００１２】
(3) 接着剤の熱膨張係数がガラスと異なるので、温度条件によっては接合部位で剥離することがある。
【００１３】
(4) 接着剤の塗布厚を調整することが困難であるから、複数の被接合ガラスを正確な位置関係で接合することが難しい。
【００１４】
更に、特開平２−１２０２５９号公報において提案されているガラス接合方法では、ガラス板を歪みなく精度高く接合することが不可能であり、且つ光吸収剤を必要とするという欠点がある。
【００１５】
本発明の目的は、上記の課題を解決し、下記の利点を有するレーザー光によるガラス接合方法および装置を提供することにある。
【００１６】
(１) 複数のガラス板を短時間に接合する。
【００１７】
(２) 耐熱温度の高いガラス接合構造を得る。
【００１８】
(３)ガラス板が剥離し難いガラス接合構造を得る。
【００１９】
(４) 複数のガラス板を正確な位置関係で接合できる。
【００２０】
(５) 複数のガラス板を歪なく接合できる。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は次の手段により、前述の課題を解決する。
【００２２】
（１）接合対象の複数のガラス板を互いに板面を密着して重ね合わせることにより複数ガラス密着体を形成し、該複数ガラス密着体に対し該板面に垂直な方向からビーム状のレーザー光を照射し、該複数ガラス密着体におけるガラスの一部分を溶融し、溶融した該ガラスを固化させることにより、該接合対象の複数のガラス板を接合する方法において、
前記レーザー光は、光軸を共通にして互いに反対方向から前記複数ガラス密着体に照射され、該複数ガラス密着体の表面又はその近傍をそれぞれ焦点とする第１及び第２のレーザー光でなり、
前記第１及び第２のレーザー光を前記複数ガラス密着体に同時に照射することにより、前記複数ガラス密着体に前記光軸方向の穴を開ける穴開け工程と、
前記穴開け工程で開けられた穴の壁をなすガラスの表面に前記第１及び第２のレーザー光を同時に照射し、該表面及びその近傍を溶融する内壁溶融工程と、
前記該第１及び第２のレーザー光の照射を停止して、前記複数ガラス密着体を冷却させ、前記内壁溶融工程で溶融したガラスを固化する溶融ガラス固化工程と
を含むことを特徴とするガラス接合方法。
【００２３】
（２）前記第１及び第２のレーザー光のエネルギー特性が互いに等しいことを特徴とする前記（１）に記載のレーザー光によるガラス接合方法。
【００２４】
（３）前記内壁溶融工程において前記内壁の表面に照射する第１及び第２のレーザー光のエネルギー密度は、前記該穴開け工程において形成されつつある穴の側面に照射される前記第１及び第２のレーザー光のエネルギー密度より低いことを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のガラス接合方法。
【００２５】
（４）接合対象の複数のガラス板を互いの板面を密着して重ね合わせ、該複数のガラス板における溶着ポイントを該板面に垂直な1つの直線上に揃え、複数ガラス密着体を形成するように、該複数のガラス板をガラス保持手段の所定位置にそれぞれ嵌める第１のステップと、
第１及び第２のレーザー光をそれぞれ逆方向に出射する第１及び第２のレーザー照射手段の光軸を前記ガラス保持手段に嵌められた複数ガラス密着体における前記1つの直線上に合わせる第２のステップと、
前記第１及び第２のレーザー光の焦点を前記１つの直線と前記複数ガラス密着体の表面との交点又はその近傍における該１つの直線上の点に合わせて、該第１及び第２のレーザー光を該複数ガラス密着体に同時に照射し、該複数ガラス密着体に該１つの直線を軸とする穴を形成する第３のステップと、
前記第１及び第２のレーザー光の焦点を前記第３のステップにおける前記焦点からそれぞれずらして、該第１及び第２のレーザー光を所定の規定時間にわたって、同時に照射し、前記穴の内壁のガラスを溶融させる第４のステップと、
前記該第１及び第２のレーザー光の照射を停止して、前記複数ガラス密着体を冷却させ、前記第４のステップで溶融させた前記ガラスを固化する第５のステップと
を有することを特徴とするガラス接合方法。
【００２６】
（５）接合対象の複数のガラス板を互いの板面を密着して重ね合わせ、該複数のガラス板における溶着ポイントを該板面に垂直な1つの直線上に揃え、複数ガラス密着体を形成するように、該複数のガラス板をガラス保持手段の所定位置にそれぞれ嵌める第１のステップと、
第１及び第２のレーザー光をそれぞれ逆方向に出射する第１及び第２のレーザー照射手段の光軸を前記ガラス保持手段に嵌められた複数ガラス密着体における前記1つの直線上に合わせる第２のステップと、
前記第１及び第２のレーザー光の焦点を前記１つの直線と前記複数ガラス密着体の表面との交点又はその近傍における該１つの直線上の点に合わせて、該第１及び第２のレーザー光を該複数ガラス密着体に同時に照射し、該複数ガラス密着体に該１つの直線を軸とする穴を形成する第３のステップと、
前記第１及び第２のレーザー光の出力のパワーを前記第３のステップにおける前記パワーより低減し、該第１及び第２のレーザー光を規定時間にわたって、同時に照射し、前記穴の内壁のガラスを溶融させる第４のステップと、
前記該第１及び第２のレーザー光の照射を停止して、前記複数ガラス密着体を冷却させ、前記第４のステップで溶融させた前記ガラスを固化する第５のステップと
を有することを特徴とするガラス接合方法。
【００２７】
（６）複数のガラス板を互いの板面を密着して重ね合わせてなる複数ガラス密着体にレーザー光を照射し、該複数ガラス密着体を接合するガラス接合装置において、
光軸を共通にし、互いに反対向きであって、かつ前記板面に垂直な方向から前記複数ガラス密着体に第１及び第２のレーザー光をそれぞれ照射する第１及び第２のレーザー照射装置と、
前記第１及び第２のレーザー照射装置による前記第１及び第２のレーザー光の焦点並びにレーザー光のパワーを制御する接合制御手段と、
前記複数ガラス密着体を保持する手段と、
前記保持手段を搭載し、該保持手段の平面内位置を設定するＸ−Ｙステージとを備え、
前記接合制御手段は、前記Ｘ−Ｙステージを制御し、前記複数ガラス密着体における接合ポイントを前記光軸に合わせ、
また、前記接合制御手段は、前記第１及び第２のレーザー照射装置を制御し、第１及び第２のレーザー光の焦点を前記複数ガラス密着体の表面又はその近傍とし、該第１及び第２のレーザー光を前記複数ガラス密着体に同時に照射させることにより、前記複数ガラス密着体に前記光軸方向の穴を開け、該穴の壁をなすガラスの表面に前記第１及び第２のレーザー光を同時に照射させ、該表面及びその近傍を溶融し、
前記穴の内壁を溶融する際に該内壁の表面に照射する第１及び第２のレーザー光のエネルギー密度は、前記穴を開ける際に該穴の側面に照射される前記第１及び第２のレーザー光のエネルギー密度より低い
ことを特徴とするガラス接合装置。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を挙げ、本発明を一層詳しく説明する。
【００２９】
図２は、本発明になるレーザー光によるガラス接合装置の構成および配置関係を示す概念図であり、図３は図２のガラス接合装置のブロック図である。図４は、図２のガラス接合装置に適用する本発明のガラス接合方法を示す流れ図である。また、図１は、図２の装置に図４の方法を適用して２枚のガラスを接合する手順を示す図である。図１において、ガラス板６，７は厚さ２ｍｍ程度の円盤状の石英ガラスであり、図にはガラス板６，７の縦断面が現れているが、ガラス板６，７の縦断面におけるハッチングは省いてある。図２では、接合されるガラス板６，７のうちのガラス板６だけが描かれており、図面の錯綜を避けるためにガラス板７は省略されている。図１（ｂ）に示すように、接合されるガラス板６，７はガラスホルダ５の座グリ穴に嵌められる。ガラスホルダ５は、ガラス板６，７の被照射軸１０９を互いに一致させ、かつ両者を密着させ、両者を安定に保持する。ここで被照射軸１０９は、ガラス板６,７の中心軸と一致している。なお、図１（ｂ）において、ガラス板７の下側にある矩形の無地領域は空間である。
【００３０】
図２のガラス接合装置は、接合制御部１と、レーザー照射装置２，３と、X-Yステージ４と、ガラスホルダ５とを備えて構成されている。レーザー照射装置２および３として用いられるレーザー装置は、一般に金属用のレーザー溶接機に使用されている既存のＣＯ２レーザー装置である。該レーザー照射装置には、レーザートリマやレーザーマーキング装置に用いられているタイプのレーザー装置を、パワーを調節して転用しても差し支えない。レーザー照射装置２及び３は全く同じ構造及び機能を有し、出力のレーザー光１０１及び１０２は互いに等しいエネルギー特性を有する。
【００３１】
一般的にＣＯ２レーザー装置は、図１０に示されるように、ポンピング装置２０、完全反射鏡２１、部分反射鏡２２、レーザー媒質２３、ミラー２４、集束レンズ２５および集束レンズ可動手段２６によりなる。完全反射鏡２１、部分反射鏡２２及びレーザー媒質２３はレーザー共振器２７を構成している。集束レンズ可動手段２６により集束レンズ２５を可動とすることにより、レーザー光１２２の焦点１３０を所定位置に合わせることができる。従って、このレーザー装置を使用することにより、被接合部品であるガラスの表面に焦点を合わせて該ガラスに穴を開けたり、焦点をずらせて広範囲に亘りガラスを加熱することが可能である。
【００３２】
図２においては、レーザー照射装置２及び３は、レーザー光１０１及び１０２をそれぞれ出射する。レーザー光１０１及び１０２は、光軸を同じくし、互いに反対方向に進行する。レーザー照射装置２及び３は、照射経路が同一線上にあるように、更にガラス板６，７を密着してなるガラス密着体を互いに反対方向から照射するように、相対向して配置されている。レーザー照射装置２，３から出射されるレーザー光１０１及び１０２の焦点の位置及びそのパワーは、図３に示されるように、接合制御部１により出力されるレーザー光用制御信号１０３及び１０５により制御される。
【００３３】
ガラスホルダ５は、Ｘ−Ｙステージ４に固定されて、その表面がレーザー光１０１及び１０２に直交するように配置されている。X-Yステージ４は、モーターを動力とするスライダを２軸直交させて構成されており、図３に示されるように、接合制御部１より出力されるＸ−Ｙステージ用制御信号１０７により制御されて、ガラスホルダ５を、図２に示されるようにＸ，Ｙの両方向に２次元的に移動させることができる。
【００３４】
また接合制御部１は、レーザー照射装置２、３およびX-Yステージ４に対する制御／監視機能を有しており、レーザー光用制御信号１０３および１０５により、それぞれ対応するレーザー照射装置２および３に対する電源のオンオフを含む各種制御を行う。更に、接合制御部１は、Ｘ−Ｙステージ４に対してＸ−Ｙステージ用制御信号１０７を送り、Ｘ−Ｙステージ４における２軸直交されたスライダを駆動するモーターを制御して、Ｘ−Ｙステージ４に設定されている接合対象のガラス板６，７の溶着ポイントの位置を、レーザー光１０１及び１０２の光軸に合致させる。これらの制御作用の実施に伴ない、レーザー照射装置２、３およびX-Yステージ４から送られてくる動作データ１０４、１０６及びＸ−Ｙステージ動作信号１０８は接合制御部１へ帰還される。接合制御部１は、帰還された動作データ１０４、１０６及びＸ−Ｙステージ動作信号１０８により、制御信号を更に適切に設定し、レーザー照射装置２，３及びX-Yステージ４を安定に制御する。
【００３５】
次に、図４を参照し、図２の接合装置によるガラスの接合方法を詳しく説明する。図４は、その接合方法の手順を示す流れ図である。また、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）は、接合対象のガラス板６および７を溶着する際の接合手順に対応して、レーザー光１０１および１０２の照射状況の推移を示す図である。図１の例では、ガラス板６及び７の被照射軸１０９上に両ガラスの溶着ポイント１１０及び１１１がある。
【００３６】
まずステップＳ11においては、図１（ａ）のガラス板７とガラス板６を、図１（ｂ）の断面図に示されるように、ガラスホルダ５の上面から、ガラスホルダ５における座グリ穴に順に嵌める。図１（ｃ）は、図１（ｂ）の被照射軸１０９近傍を拡大して示す図である。ガラス板７は下側の座グリ穴に嵌められ、ガラス板６は上側の座グリ穴に嵌められる。ガラスホルダ５は、座グリ穴の内周面がガラス板６とガラス板７の外周に密着し、ガラス板６とガラス板７とが密着するように形成してある。そこで、ガラスホルダ５に嵌められたガラス板６とガラス板７とは、共通の被照射軸１０９に一致させ、従って溶着ポイント１１０および１１１を被照射軸１０９に合わせ、互いに密着して重ね合わされる。ガラスホルダ５に嵌められたガラス板６とガラス板７とは、前述の複数ガラス密着体に相当する。
【００３７】
次に、ステップＳ12において、X-Yステージ4により、ガラスホルダ５に対して２次元の移動制御を行い、図１（ｂ）または図１（ｃ）に示される溶着ポイント１１０及び１１１をレーザー照射装置２および３の各レーザー光１０１及び１０２の光軸に一致させる。ここで、ガラス板６，７の被照射軸１０９がレーザー光１０１及び１０２の光軸である。
【００３８】
次いでステップＳ13においては、図１（ｄ）に示されるように、レーザー光１０１および１０２の焦点を調整して、該焦点をガラス板６および７の溶着ポイント１１０及び１１１に合わせ、相対向するレーザー光１０１，１０２を同時に照射し、ガラス板６及び７に穴３０を開ける。このとき、レーザー光１０１および１０２が、相対向して同時に照射されるので、穴３０はガラス板６，７の境界部分に関し対称な形となる。レーザー光１０１，１０２のパワーが８watt、ガラス板６、７の厚みが０.５mmであるとき、レーザー光１０１，１０２は５秒で穴３０を完成させることができる。このとき、穴３０の入口開口における径は０.４mmであった。なお、レーザー照射装置２，３のレーザー光出射端からガラス板６，７へ至るまでの距離は２０５mmであった。
【００３９】
ステップＳ１４においては、図１（ｅ）に示されるように、レーザー照射装置２および３の相対向するレーザー光１０１および１０２の焦点を、ステップＳ13において開けられた穴３０を覆うように、各溶着ポイント１１０及び１１１よりずらせ、規定時間の間、ガラス板６及び７に対して両レーザー光により同時に照射を行い、該穴３０の内壁を溶融し、溶融部４０を形成する。このステップＳ１４においてレーザー光１０１，１０２の焦点を溶着ポイント１１０及び１１１からずらすのは、穴３０の内壁をなすガラスを溶融し、且つ、これらのガラスに蒸発しない程度のエネルギーを与えるためである。レーザー照射装置２，３のパワーがステップＳ１３で８wattであるときには、ステップＳ１４では焦点を溶着ポイント１１０及び１１１からずらすのであるが、焦点をずらしたときには、溶着ポイント１１０，１１１におけるパワーは、６〜７wattとする。このとき、穴３０の内壁は、１０〜１５秒のレーザー光照射で溶着に好ましい程度に溶融する。したがって、ステップＳ１４におけるレーザー光１０１，１０２により穴３０の壁面に与えられるエネルギーは、ステップＳ１３におけるレーザー光１０１，１０２により穴３０の壁面に与えられるエネルギーより小さい。
【００４０】
次いで、ステップＳ15において、前記規定時間の経過後に両レーザー光の照射を停止し、穴３０の壁面における溶融部４０を冷却し、固化することにより、ガラス板６とガラス板７とを接合する。溶融部４０の厚みは0.1ｍｍ程度であり、極く薄い。しかし、この程度の厚みでもって接合されたガラス板６とガラス板７は、ガラス板６，７に加わる力が小さいときは、十分に接合の目的を果たす。
【００４１】
上述の方法でガラス板６，７を接合するとき、相対向する２つのレーザー光の焦点位置を調整して、ガラス板６，７に対する照射を制御することにより、ガラス板６及び７に加えられる熱エネルギーはガラス板６，７の接合面に関し対称であり、該接合面と被照射軸１０９との交点に関しても対称であるから、ガラス板６，７に生じる内部応力は該交点に関し相互に釣り合っている。したがって、上述の方法で接合されたガラス板６，７には、ガラス板６，７の冷却後に歪を生じさせる内部応力は残留しない。また、上記の溶着を、他の溶着ポイントに対してそれぞれ繰り返して行うことにより、接合されたガラス構造における固着力は更に増大する。
【００４２】
上述の方法では、上述のように複数のガラス板を歪なく接合できるばかりではなく、接着剤で接着するのではないから、接着剤を乾燥させる工程を要せず、 複数のガラス板を短時間に接合できる。また、接着剤を用いないから、 耐熱温度が高く、ガラス板が剥離し難いガラス接合構造が得られる。また、ガラスホルダ５でガラス板６，７の位置合わせをするから、 複数のガラス板を正確な位置関係で接合できる。
【００４３】
また、穴開け工程では、レーザー光１０１，１０２による溶け込み部の深さを考慮することなく、ガラスを蒸発させ、穴３０を形成すれば足り、穴の深さの制御も不要である。したがって、穴開け工程ではガラス表面の状態により穴３０の形成時間に差があったとしても、接合の品質に影響はない。また、内壁溶融工程では、レーザー光１０１，１０２は穴３０の表面に作用し、該表面のガラスを溶融させるのであるが、穴３０は穴開あけ工程で形成したばかりであり、その表面には汚れはなく、その光吸収率は一定であるから、安定した時間で適切な深さまでガラスを溶融させることができる。従って、本実施の形態による方法及び装置によるガラスの接合は、制御性よく行うことができる。
【００４４】
図５は、図２に示したガラス接合装置に適用するガラス接合方法の別の例を示す流れ図である。図５の方法は、図４におけるステップ１４をステップ２４に変更した方法であり、ステップ１１乃至１３及びステップ１５は図４におけるステップと同じである。
【００４５】
図４に示されるステップＳ14においては、レーザー照射装置２および３の相対向するレーザー光１０１および１０２の焦点を、溶着ポイント１１０および１１１の位置よりずらして、規定時間の間、ガラス板６および７に対する両レーザー光の同時照射を行うものとしているが、このように各レーザー光の焦点をずらして照射する目的は、前述したように、被接合ガラスが溶融し、且つ蒸発しない程度の抑制されたエネルギーを与えるためである。従って、代替手段としてはレーザー光の焦点をずらすことなく、レーザー光自体の照射パワーを所定レベルに低減することによっても同様の対応処置を採ることができる。即ち、図５のガラス接合手順においては、当該代替手段として、ステップＳ２４において、レーザー光１０１及び１０２の照射パワーを低減する手法が適用されている。従って、図５の方法では、接合制御部１より出力されるレーザー光用制御信号１０３および１０５により制御されて、レーザー照射装置２および３のレーザー光１０１および１０２の照射パワーが、所定レベルに抑制される。図５の方法でも、図４の方法と同様に、ステップＳ２４におけるレーザー光１０１，１０２により穴３０の壁面に与えられるエネルギーは、ステップＳ１３おけるレーザー光１０１，１０２により穴３０の壁面に与えられるエネルギーより小さい。
【００４６】
以上に挙げた本発明の実施の形態では、接合するガラス板は２枚であった。しかし、本発明による装置及び方法によれば、３枚又はそれ以上の枚数のガラスを密着して重ね、穴開け工程および内壁溶融工程を同様に行うことにより、接合でき、２枚を接合するときと同様な効果を得ることができる。図１の如く２枚のガラス板を接合するときには穴３０は貫通穴となるが、３枚のガラス板を接合するときには、ステップＳ１３で開ける穴は貫通穴である必要はない。３枚のガラス板を上下に重ねて接合するとき、上側と下側から穴を開け、それぞれの穴の底が中間のガラス板にまで至っておれば、ガラス板の各接合面が穴に臨むことになり、各穴に溶融部を形成することにより、３枚のガラス板を一体に接合できる。
【００４７】
なお、以上に実施の形態を挙げ、本発明を具体的に説明したが、本発明がこの実施の形態に限定されるものでないことは勿論である。以上の実施の形態では、ガラス板６,７の厚さがともに０.５ｍｍであった。しかし、本発明の方法によれば、両ガラス板の厚みが相違しても、両ガラス板を歪みなく接合できる。例えば、ガラス板６が１６ｍｍφ、０．５ｍｍ厚、ガラス７板がφ２ｍｍ、２ｍｍ厚であるとき、ガラス板６，７を接合した接合ガラス構造においてガラス板６，７が歪むことなく、その接合ガラス構造を加速度計の可動電極の部材とし、その加速度計を機器に搭載したとき、ガラス板６,７が剥がれたりすることはない。
【００４８】
上述の実施の形態では、レーザー照射装置２及び３は全く同じ構造および機能を有し、出力のレーザー光１０１及び１０２は互いに等しいエネルギー特性を有するとしたが、レーザー光１０１及び１０２のエネルギー特性は必ずしも同じではなくても本発明は実施できる。少なくともガラスの接合面に至る深さの穴をレーザー光でガラス板に形成する本発明の方法では、ガラス板の縁にレーザー光を照射する従来のガラス接合方法に比べて、ガラスに曲げ応力を生じ難い。従って、互いに対向して照射するレーザー光のエネルギー特性が相違したとしても、ガラス板を熱応力で曲げてしまうおそれは比較的少ないのである。
【００４９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、複数のガラス板を短時間に接合でき、耐熱温度が高く、ガラス板が剥離し難いガラス接合構造を生成でき、 複数のガラス板を正確な位置関係で歪なく接合できるガラスの接合方法及び装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガラスホルダ５に嵌められたガラスに対する溶着手順を示す溶着ポイント近傍の部分断面図である。
【図２】本発明になるレーザー光によるガラス接合装置を概念的に示す図である。
【図３】図２の実施の形態の装置における構成を示すブロック図である。
【図４】本発明になるガラス接合方法の一例であって、図２の装置に適用する方法における処理の手順を示す流れ図である。
【図５】本発明になるガラス接合方法の別の例であって、図２の装置に適用する方法における処理の手順を示す流れ図である。
【図６】レーザー光による金属の接合方法を例示する概念図である。
【図７】接着剤によるガラス接合構造を示す断面図である。
【図８】レーザー光をガラス板に照射したときに該ガラスの表面部に形成される溶け込み部の例を示す断面図である。
【図９】レーザー光により従来の方法で２枚のガラス板を接合するときにガラスに歪が生じる様子を概念的に示す断面図である。
【図１０】ＣＯ２レーザー装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 接合制御部
２，３ レーザー照射装置
４ X-Yステージ
５ ガラスホルダ
６，７，１４，１５，１７，３２，３３ ガラス板
８，９，１０，１１ 金属円筒
１２，１３ 金属板
１６ 接着剤
１７ａ 溶け込み部
２０ ポンピング装置
２１ 完全反射鏡
２２ 部分反射鏡
２３ レーザー媒質
２４ ミラー
２５ 集束レンズ
２６ 集束レンズ可動手段
２７ レーザー共振器
３０ 穴
４０ 溶融部
１３０ 焦点
１０１，１０２，１１２，１１３，１１４，１１５，１２２ レーザー光
１０３，１０５ レーザー光用制御信号
１０４，１０６ 動作データ
１０７ Ｘ−Ｙステージ用制御信号
１０８ Ｘ−Ｙステージ動作信号
１０９ 被照射軸
１１０，１１１ 溶着ポイント
１１６，１１７ 熱応力
１１８ 溶接ポイント
１２０ 電気エネルギー
Claims (6)
- 接合対象の複数のガラス板を互いに板面を密着して重ね合わせることにより複数ガラス密着体を形成し、該複数ガラス密着体に対し該板面に垂直な方向からビーム状のレーザー光を照射し、該複数ガラス密着体におけるガラスの一部分を溶融し、溶融した該ガラスを固化させることにより、該接合対象の複数のガラス板を接合する方法において、
前記レーザー光は、光軸を共通にして互いに反対方向から前記複数ガラス密着体に照射され、該複数ガラス密着体の表面又はその近傍をそれぞれ焦点とする第１及び第２のレーザー光でなり、
前記第１及び第２のレーザー光を前記複数ガラス密着体に同時に照射することにより、前記複数ガラス密着体に前記光軸方向の穴を開ける穴開け工程と、
前記穴開け工程で開けられた穴の壁をなすガラスの表面に前記第１及び第２のレーザー光を同時に照射し、該表面及びその近傍を溶融する内壁溶融工程と、
前記該第１及び第２のレーザー光の照射を停止して、前記複数ガラス密着体を冷却させ、前記内壁溶融工程で溶融したガラスを固化する溶融ガラス固化工程と
を含むことを特徴とするガラス接合方法。 - 前記第１及び第２のレーザー光のエネルギー特性が互いに等しいことを特徴とする請求項１に記載のレーザー光によるガラス接合方法。
- 前記内壁溶融工程において前記内壁の表面に照射する第１及び第２のレーザー光のエネルギー密度は、前記該穴開け工程において形成されつつある穴の側面に照射される前記第１及び第２のレーザー光のエネルギー密度より低いことを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス接合方法。
- 接合対象の複数のガラス板を互いの板面を密着して重ね合わせ、該複数のガラス板における溶着ポイントを該板面に垂直な1つの直線上に揃え、複数ガラス密着体を形成するように、該複数のガラス板をガラス保持手段の所定位置にそれぞれ嵌める第１のステップと、
第１及び第２のレーザー光をそれぞれ逆方向に出射する第１及び第２のレーザー照射手段の光軸を前記ガラス保持手段に嵌められた複数ガラス密着体における前記1つの直線上に合わせる第２のステップと、
前記第１及び第２のレーザー光の焦点を前記１つの直線と前記複数ガラス密着体の表面との交点又はその近傍における該１つの直線上の点に合わせて、該第１及び第２のレーザー光を該複数ガラス密着体に同時に照射し、該複数ガラス密着体に該１つの直線を軸とする穴を形成する第３のステップと、
前記第１及び第２のレーザー光の焦点を前記第３のステップにおける前記焦点からそれぞれずらして、該第１及び第２のレーザー光を所定の規定時間にわたって、同時に照射し、前記穴の内壁のガラスを溶融させる第４のステップと、
前記該第１及び第２のレーザー光の照射を停止して、前記複数ガラス密着体を冷却させ、前記第４のステップで溶融させた前記ガラスを固化する第５のステップと
を有することを特徴とするガラス接合方法。 - 接合対象の複数のガラス板を互いの板面を密着して重ね合わせ、該複数のガラス板における溶着ポイントを該板面に垂直な1つの直線上に揃え、複数ガラス密着体を形成するように、該複数のガラス板をガラス保持手段の所定位置にそれぞれ嵌める第１のステップと、
第１及び第２のレーザー光をそれぞれ逆方向に出射する第１及び第２のレーザー照射手段の光軸を前記ガラス保持手段に嵌められた複数ガラス密着体における前記1つの直線上に合わせる第２のステップと、
前記第１及び第２のレーザー光の焦点を前記１つの直線と前記複数ガラス密着体の表面との交点又はその近傍における該１つの直線上の点に合わせて、該第１及び第２のレーザー光を該複数ガラス密着体に同時に照射し、該複数ガラス密着体に該１つの直線を軸とする穴を形成する第３のステップと、
前記第１及び第２のレーザー光の出力のパワーを前記第３のステップにおける前記パワーより低減し、該第１及び第２のレーザー光を規定時間にわたって、同時に照射し、前記穴の内壁のガラスを溶融させる第４のステップと、
前記該第１及び第２のレーザー光の照射を停止して、前記複数ガラス密着体を冷却させ、前記第４のステップで溶融させた前記ガラスを固化する第５のステップと
を有することを特徴とするガラス接合方法。 - 複数のガラス板を互いの板面を密着して重ね合わせてなる複数ガラス密着体にレーザー光を照射し、該複数ガラス密着体を接合するガラス接合装置において、
光軸を共通にし、互いに反対向きであって、かつ前記板面に垂直な方向から前記複数ガラス密着体に第１及び第２のレーザー光をそれぞれ照射する第１及び第２のレーザー照射装置と、
前記第１及び第２のレーザー照射装置による前記第１及び第２のレーザー光の焦点並びにレーザー光のパワーを制御する接合制御手段と、
前記複数ガラス密着体を保持する手段と、
前記保持手段を搭載し、該保持手段の平面内位置を設定するＸ−Ｙステージとを備え、
前記接合制御手段は、前記Ｘ−Ｙステージを制御し、前記複数ガラス密着体における接合ポイントを前記光軸に合わせ、
また、前記接合制御手段は、前記第１及び第２のレーザー照射装置を制御し、第１及び第２のレーザー光の焦点を前記複数ガラス密着体の表面又はその近傍とし、該第１及び第２のレーザー光を前記複数ガラス密着体に同時に照射させることにより、前記複数ガラス密着体に前記光軸方向の穴を開け、該穴の壁をなすガラスの表面に前記第１及び第２のレーザー光を同時に照射させ、該表面及びその近傍を溶融し、
前記穴の内壁を溶融する際に該内壁の表面に照射する第１及び第２のレーザー光のエネルギー密度は、前記穴を開ける際に該穴の側面に照射される前記第１及び第２のレーザー光のエネルギー密度より低い
ことを特徴とするガラス接合装置。
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