JP4928483B2 - ガラス溶着方法 - Google Patents

Description

本発明は、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ガラス溶着方法に関する。

上記技術分野における従来のガラス溶着方法として、第１のガラス部材と第２のガラス部材との間に、ガラスフリットを含むガラスフリット層を溶着予定領域に沿って配置する配置工程と、レーザ光を溶着予定領域に沿って照射し、第１のガラス部材と第２のガラス部材とを溶着する溶着工程と、を含むものが知られている。

特許文献１には、配置工程において、第１のガラス部材にガラスフリットを焼成によって固着させ、ガラスフリット層を形成した後に、ガラスフリット層をその厚さが均一となるように研磨し、研磨したガラスフリット層を介して第１のガラス部材上に第２のガラス部材を配置するガラス溶着方法が記載されている。これは、ガラスフリット層と第２のガラス部材とを密着させて、溶着工程における溶着強度の向上を図るためである。
特表２００６−５２４４１９号公報

しかしながら、特許文献１記載のガラス溶着方法には、ガラスフリット層を研磨する必要があるため、ガラス溶着体の製造工程が煩雑化するという問題がある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、溶着強度の高いガラス溶着体を簡易に製造することができるガラス溶着方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、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ガラス溶着方法であって、第１のガラス部材と第２のガラス部材との間に、複数のガラス片を含むガラス片層を溶着予定領域に沿って配置する配置工程と、第１のガラス部材に対して第２のガラス部材が押圧された状態で、第１のレーザ光を溶着予定領域に沿って照射し、少なくともガラス片層を溶融させる溶融工程と、第１のレーザ光よりも入熱量が大きくなるように第２のレーザ光を溶着予定領域に沿って照射し、第１のガラス部材と第２のガラス部材とを溶着する溶着工程と、を含むことを特徴とする。

このガラス溶着方法では、第１のガラス部材に対して第２のガラス部材が押圧された状態で、第１のレーザ光を溶着予定領域に沿って照射し、少なくともガラス片層を溶融させる。これにより、ガラス片層と第１のガラス部材や第２のガラス部材との間に隙間が存在していたとしても、その隙間が埋まって、ガラス片層と第１のガラス部材や第２のガラス部材とが密着することになる。そして、ガラス片層と第１のガラス部材や第２のガラス部材とが密着した状態で、第１のレーザ光よりも入熱量が大きくなるように第２のレーザ光を溶着予定領域に沿って照射し、第１のガラス部材と第２のガラス部材とを溶着する。従って、このガラス溶着方法によれば、溶着強度の高いガラス溶着体を簡易に製造することができる。

本発明に係るガラス溶着方法においては、配置工程では、第１のガラス部材にガラス片を固着させ、ガラス片層を溶着予定領域に沿って形成した後に、ガラス片層を介して第１のガラス部材上に第２のガラス部材を配置することが好ましい。この場合、溶着予定領域からのガラス片のずれが防止されるため、溶着予定領域において精度良く第１のガラス部材と第２のガラス部材とを溶着することができる。

このとき、溶融工程では、第２のガラス部材を介して第１のレーザ光を溶着予定領域に沿って照射し、溶着工程では、第２のガラス部材を介して第２のレーザ光を溶着予定領域に沿って照射することが好ましい。第１のガラス部材にガラス片を固着させると、ガラス片層の第２のガラス部材側の表面に凹凸が生じる場合がある。そこで、第２のガラス部材を介して第１のレーザ光を溶着予定領域に沿って照射することで、ガラス片層の第２のガラス部材側の表面に生じた凹凸を効率良く平坦化することができる。更に、第２のガラス部材を介して第２のレーザ光を溶着予定領域に沿って照射することで、ガラス片層と第２のガラス部材との界面近傍を効率良く溶融させることができる。

本発明に係るガラス溶着方法においては、溶融工程では、ガラス片層に集光スポットが合うように第１のレーザ光を集光し、溶着工程では、ガラス片層に集光スポットが合うように第２のレーザ光を集光することが好ましい。この場合、ガラス片層が局所的に加熱されるため、例えばガラス片に低融点ガラスを用いることが不要になるなど、ガラス片に用いるガラス材料の選択の自由度を大きくすることができる。

本発明によれば、溶着強度の高いガラス溶着体を簡易に製造することができる。

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符号を付し、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、ガラス溶着体１は、ガラスフリット（ガラス片）２を含むガラスフリット層（ガラス片層）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とが溶着予定領域Ｒに沿って溶着されたものである。溶着予定領域Ｒは、ガラス部材４，５の外縁に沿うように環状に設定されている。なお、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、後述するレーザ光Ｌ１，Ｌ２に対して透過性を有している。一方、ガラスフリット２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）からなる粉末状の部材であり、後述するレーザ光Ｌ１，Ｌ２に対して吸収性を有している。

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、ガラス部材４にガラスフリット２を焼成によって固着させ、ガラスフリット層３を溶着予定領域Ｒに沿って形成する。具体的には、ディスペンサやスクリーン印刷等によって溶着予定領域Ｒに沿うようにフリットペースト（ガラスフリット２、有機溶剤及びバインダを混練したもの）をガラス部材４の表面に塗布した後、フリットペーストが塗布されたガラス部材４を乾燥機内で乾燥させて有機溶剤を除去し、更に加熱炉内で焼成（仮焼成）してバインダを除去する。このとき、ガラスフリット層３の表面（ガラス部材４と反対側の表面）には、図２（ｃ）に示されるように、凹凸が生じる。

続いて、図３に示されるように、ガラスフリット層３を介してガラス部材４上にガラス部材５を配置し、ガラス部材４に対してガラス部材５が押圧されるように、ガラス部材４とガラス部材５とを双方が重ね合わされた状態で固定する。このとき、ガラスフリット層３とガラス部材５との間には、図３（ｃ）に示されるように、隙間Ｇが生じる。なお、ガラス部材４に対してガラス部材５がその自重によって押圧されれば、ガラス部材４とガラス部材５とを固定せずに、ガラスフリット層３を介してガラス部材４上にガラス部材５を配置するだけでもよい。

続いて、図４に示されるように、ガラス部材４に対してガラス部材５が押圧された状態で、レーザ光（第１のレーザ光）Ｌ１を溶着予定領域Ｒに沿って照射し、少なくともガラスフリット層３を溶融させる。このとき、ガラスフリット層３に集光スポットＦＳ１が合うようにレーザ光Ｌ１を集光し、ガラス部材５を介してレーザ光Ｌ１を溶着予定領域Ｒに沿って照射する。

このレーザ光Ｌ１の照射によって生じる具体的現象は、次の通りである。まず、レーザ光Ｌ１が照射されると、レーザ光Ｌ１がガラス部材５を透過してガラスフリット層３に吸収され、ガラスフリット層３においてレーザ光Ｌ１が照射された部分が４００℃〜５００℃程度の温度に発熱して軟化・溶融し、図４（ｃ）に示されるように、溶融領域６が形成される。このとき、ガラス部材４に対してガラス部材５が押圧されているため、ガラス部材５が若干沈み込むような状態となり、溶融領域６がレーザ光Ｌ１の移動方向前方に流れる。これにより、ガラスフリット層３とガラス部材５との間に生じていた隙間Ｇが埋められていき、ガラスフリット層３とガラス部材５とが密着する（すなわち、ガラスフリット層３とガラス部材５とが濡れて馴染み易くなる）。

続いて、図５に示されるように、レーザ光Ｌ１よりも入熱量が大きくなるようにレーザ光（第２のレーザ光）Ｌ２を溶着予定領域Ｒに沿って照射し、ガラス部材４とガラス部材５とを溶着して、ガラス溶着体１を得る。このとき、ガラスフリット層３に集光スポットＦＳ２が合うようにレーザ光Ｌ２を集光し、ガラス部材５を介してレーザ光Ｌ２を溶着予定領域Ｒに沿って照射する。

このレーザ光Ｌ２の照射によって生じる具体的現象は、次の通りである。まず、レーザ光Ｌ２が照射されると、レーザ光Ｌ２がガラス部材５を透過してガラスフリット層３に吸収され、ガラスフリット層３においてレーザ光Ｌ２が照射された部分が７００℃〜８００℃程度の温度に発熱してその部分及びその部分の周辺部分（ガラス部材４，５の表面部分）が溶融し、図５（ｃ）に示されるように、溶融領域７が形成される。このとき、ガラスフリット層３とガラス部材４，５とが密着しているため、溶着予定領域Ｒの全領域において、ガラスフリット層３からガラス部材４，５への熱の伝播量が同等となり、その結果、溶融領域７の形成度合いも同等となる。そして、その溶融領域７が再固化することで、ガラス部材４とガラス部材５とが溶着される。

ここで、上述したレーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射条件の一例について説明する。

レーザ光Ｌ１は、スポット径１．６ｍｍ、スキャン速度（溶着予定領域Ｒに沿った集光スポットＦＳ１の相対移動速度）１ｍｍ／sec、レーザパワー１６Ｗで照射される。このとき、レーザ光Ｌ１の集光スポットＦＳ１の中心部付近における入熱量［Ｊ／ｍｍ^２］は、数式（１）により２６［Ｊ／ｍｍ^２］と近似される。数式（１）において、ｒ：集光スポットの半径［ｍｍ］、ｖ：スキャン速度［ｍｍ／sec］、Ｐ：レーザパワー密度［Ｗ／ｍｍ^２］（＝レーザパワー［Ｗ］÷集光スポットの面積［ｍｍ^２］である。

(数１)
入熱量＝Ｐ×２ｒ÷ｖ・・・（１）

一方、レーザ光Ｌ２は、スポット径１．６ｍｍ、スキャン速度（溶着予定領域Ｒに沿った集光スポットＦＳ２の相対移動速度）１ｍｍ／sec、レーザパワー２０Ｗで照射される。このとき、レーザ光Ｌ２の集光スポットＦＳ２の中心部付近における入熱量［Ｊ／ｍｍ^２］は、数式（１）により３２［Ｊ／ｍｍ^２］と近似される。

このように、レーザ光Ｌ２の入熱量よりもレーザ光Ｌ１の入熱量を小さくするのは、次の理由による。すなわち、図４に示されるように、レーザ光Ｌ１を照射した場合、ガラスフリット層３とガラス部材５との接触部分では、ガラスフリット層３からガラス部材５への熱伝導が大きくなる一方で、ガラスフリット層３とガラス部材５との離間部分（隙間Ｇに対応する部分）では、ガラスフリット層３からガラス部材５への熱伝導が隙間Ｇによって阻害されて小さくなる。そのため、例えばレーザ光Ｌ２と入熱量が同等となるようにレーザ光Ｌ１を照射すると、ガラスフリット層３とガラス部材５との離間部分において入熱過多となり、ガラスフリット層３がダメージを受けるおそれがある。よって、レーザ光Ｌ２よりも入熱量が小さくなるようにレーザ光Ｌ１を溶着予定領域Ｒに沿って照射する（換言すれば、レーザ光Ｌ１よりも入熱量が大きくなるようにレーザ光Ｌ２を溶着予定領域Ｒに沿って照射する）。

なお、レーザ光Ｌ１の照射によってガラスフリット層３を十分に変形させて、ガラスフリット層３とガラス部材５とを確実に密着させるために、レーザ光Ｌ２よりもスキャン速度が低くなるようにレーザ光Ｌ１を溶着予定領域Ｒに沿って照射することが好ましい。レーザ光Ｌ１のスキャン速度よりもレーザ光Ｌ２のスキャン速度を高くしても、レーザ光Ｌ２を照射する際にはガラスフリット層３とガラス部材５とが密着しているので、ガラス部材４とガラス部材５とが確実に溶着される。

以上説明したように、上記ガラス溶着方法においては、ガラス部材４に対してガラス部材５が押圧された状態で、レーザ光Ｌ１を溶着予定領域Ｒに沿って照射し、少なくともガラスフリット層３を溶融させる。これにより、ガラスフリット層３とガラス部材５との間に存在した隙間Ｇが埋まって、ガラスフリット層３とガラス部材４，５とが密着することになる。そして、ガラスフリット層３とガラス部材４，５とが密着した状態で、レーザ光Ｌ１よりも入熱量が大きくなるようにレーザ光Ｌ２を溶着予定領域Ｒに沿って照射し、ガラス部材４とガラス部材５とを溶着する。このとき、ガラスフリット層３とガラス部材４，５とが密着しているため、溶着予定領域Ｒの全領域において、ガラスフリット層３からガラス部材４，５への熱の伝播量が同等となり、その結果、溶融領域７の形成度合いも同等となる。そして、その溶融領域７が再固化することで、ガラス部材４とガラス部材５とが溶着されるので、溶着予定領域Ｒの全領域において溶着強度の低下が防止される。従って、上記ガラス溶着方法によれば、溶着強度の高いガラス溶着体１を簡易に製造することができる。

また、ガラス部材４にガラスフリット２を固着させ、ガラスフリット層３を溶着予定領域Ｒに沿って形成した後に、ガラスフリット層３を介してガラス部材４上にガラス部材５を配置するため、溶着予定領域Ｒからのガラスフリット２のずれが防止される。これにより、溶着予定領域Ｒにおいて精度良くガラス部材４とガラス部材５とを溶着することができる。

このとき、ガラス部材４にガラスフリット２を固着させることで、ガラスフリット層３のガラス部材５側の表面に凹凸が生じても、ガラス部材５を介してレーザ光Ｌ１，Ｌ２を溶着予定領域Ｒに沿って照射するため、ガラスフリット層３のガラス部材５側の表面に生じた凹凸を効率良く平坦化することができると共に、ガラスフリット層３とガラス部材５との界面近傍を効率良く溶融させることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、ガラスフリット２は、低融点ガラスからなる粉末状の部材に限定されず、ガラス部材４，５と同程度の融点を有するガラスからなる部材であってもよい。ガラスフリット層３に集光スポットＦＳ１，ＦＳ２が合うようにレーザ光Ｌ１，Ｌ２を集光することで、ガラスフリット層３が局所的に加熱されるからである。このように、本発明に係るガラス溶着方法によれば、ガラスフリット２に用いるガラス材料の選択の自由度を大きくすることができる。

また、ガラス部材４にガラスフリット２を固着させず、ガラス部材４とガラス部材５との間にガラスフリット２を介在させることで、ガラスフリット層３を溶着予定領域Ｒに沿って形成してもよい。

また、ガラスフリット層３のガラス部材５側の表面に凹凸が生じている場合であっても、ガラスフリット層３が薄いときには、ガラス部材４を介してレーザ光Ｌ１，Ｌ２を溶着予定領域Ｒに沿って照射してもよい。

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。 本発明に係るガラス溶着方法の一実施形態における配置工程の前半を説明するための図である（（ａ）：斜視図、（ｂ）：（ａ）のIIｂ−IIｂ線に沿っての断面図、（ｃ）：（ａ）のIIｃ−IIｃ線に沿っての一部断面図）。 本発明に係るガラス溶着方法の一実施形態における配置工程の後半を説明するための図である（（ａ）：斜視図、（ｂ）：（ａ）のIIIｂ−IIIｂ線に沿っての断面図、（ｃ）：（ａ）のIIIｃ−IIIｃ線に沿っての一部断面図）。 本発明に係るガラス溶着方法の一実施形態における溶融工程を説明するための図である（（ａ）：斜視図、（ｂ）：（ａ）のIVｂ−IVｂ線に沿っての断面図、（ｃ）：（ａ）のIVｃ−IVｃ線に沿っての一部断面図）。 本発明に係るガラス溶着方法の一実施形態における溶着工程を説明するための図である（（ａ）：斜視図、（ｂ）：（ａ）のVｂ−Vｂ線に沿っての断面図、（ｃ）：（ａ）のVｃ−Vｃ線に沿っての一部断面図）。

符号の説明

１…ガラス溶着体、２…ガラスフリット（ガラス片）、３…ガラスフリット層（ガラス片層）、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、Ｌ１…レーザ光（第１のレーザ光）、Ｌ２…レーザ光（第２のレーザ光）、ＦＳ１，ＦＳ２…集光スポット。

Claims (4)

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ガラス溶着方法であって、
   前記第１のガラス部材と前記第２のガラス部材との間に、複数のガラス片を含むガラス片層を溶着予定領域に沿って配置する配置工程と、
   前記第１のガラス部材に対して前記第２のガラス部材が押圧された状態で、第１のレーザ光を前記溶着予定領域に沿って照射し、少なくとも前記ガラス片層を溶融させる溶融工程と、
   前記第１のレーザ光よりも入熱量が大きくなるように第２のレーザ光を前記溶着予定領域に沿って照射し、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溶着工程と、を含むことを特徴とするガラス溶着方法。
2. 前記配置工程では、前記第１のガラス部材に前記ガラス片を固着させ、前記ガラス片層を前記溶着予定領域に沿って形成した後に、前記ガラス片層を介して前記第１のガラス部材上に前記第２のガラス部材を配置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. 前記溶融工程では、前記第２のガラス部材を介して前記第１のレーザ光を前記溶着予定領域に沿って照射し、
   前記溶着工程では、前記第２のガラス部材を介して前記第２のレーザ光を前記溶着予定領域に沿って照射することを特徴とする請求項２記載のガラス溶着方法。
4. 前記溶融工程では、前記ガラス片層に集光スポットが合うように前記第１のレーザ光を集光し、
   前記溶着工程では、前記ガラス片層に集光スポットが合うように前記第２のレーザ光を集光することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のガラス溶着方法。

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