JP5308718B2 - ガラス溶着方法 - Google Patents

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、レーザ光吸収性顔料を含むガラス層を、溶着予定領域に沿うように一方のガラス部材に焼き付けた後、そのガラス部材にガラス層を介して他方のガラス部材を重ね合わせ、溶着予定領域に沿ってレーザ光を照射することにより、一方のガラス部材と他方のガ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付ける技術としては、ガラスフリット、レーザ光吸性顔料、有機溶剤及びバインダを含むペースト層から有機溶剤及びバインダを除去することにより、ガラス部材にガラス層を固着させた後、ガラス層が固着したガラス部材を焼成炉内で加熱することにより、ガラス層を溶融させて、ガラス部材にガラス層を焼き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ネルギの増大及び焼付け時間の長時間化を抑制するという観点（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にレーザ光を照射することにより、ガラス層を溶融させて、ガラス部材にガラス層を焼き付ける技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特表２００６−５２４４１９号公報 特開２００２−３６６０５０号公報

しかしながら、ガラス部材に対するガラス層の焼付けをレーザ光の照射によって行うと、焼付け時や、その後のガラス部材同士の溶着時に、ガラス部材にクラックが生じるなど、ガラス部材が破損することがあった。

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、ガラス部材の破損を防止して、効率良くガラス部材同士を溶着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。

本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、レーザ光の照射によるガラス層の焼付けがガラス部材の破損に繋がるのは、図７に示されるように、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（例えば、可視光において白っぽく見える）。そこで、図８に示されるように、ガラス層の温度が融点Ｔｍよりも高く且つ結晶化温度Ｔｃよりも低い温度ＴｐとなるようにレーザパワーＰでレーザ光を照射すると、ガラスフリットの溶融によって空隙が埋まると共に粒子性が崩れるため、レーザ光吸収性顔料の吸収特性が顕著に現れ、ガラス層のレーザ光吸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）。これにより、ガラス層において想定以上のレーザ光の吸収が起こり、入熱過多によるヒートショックでガラス部材にクラックが生じるのである。また、レーザパワーＰでのレーザ光の照射によって、実際には、図８に示されるように、ガラス層の温度が結晶化温度Ｔｃよりも高い温度Ｔａに達する。ガラス層において焼付け対象のガラス部材と反対側に位置する部分（すなわち、ガラス層において溶着対象のガラス部材側に位置する部分）が入熱過多によって結晶化すると、その部分の融点が高くなる。そのため、その後のガラス部材同士の溶着時に、ガラス層において溶着対象のガラス部材側に位置する部分を溶融させるべく、レーザパワーを高くしてレーザ光を照射することが必要となり、焼付け時と同様に入熱過多によるヒートショックでガラス部材にクラックが生じるのである。本発明者は、こ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。なお、ガラス層の溶融によってガラス層のレーザ光吸収率が高まる場合における可視光下でのガラス層の色変化は、白っぽい状態から黒っぽい状態に変化するものに限定されず、例えば、近赤外レーザ光用のレーザ光吸収性顔料の中には、ガラス層が溶融すると緑色を呈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、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有機溶剤及び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、溶着予定領域に沿うように第１のガラス部材と熱伝導体との間に配置する工程と、熱伝導体をヒートシンクとして溶着予定領域に沿って第１のレーザ光を照射することにより、第１のガラス部材と熱伝導体との間に配置されたガラス層を溶融させ、第１のガラス部材にガラス層を定着させる工程と、ガラス層が定着した第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、第１のガラス部材と第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。

このガラス溶着方法では、溶着予定領域に沿うように第１のガラス部材と熱伝導体との間にガラス層を配置した後、熱伝導体をヒートシンクとして第１のレーザ光を照射することにより、ガラス層を溶融させて、第１のガラス部材にガラス層を定着させる。このガラス層の定着時には、ガラス層のレーザ光吸収率が急激に高くなるが、熱伝導体がヒートシンクとしてガラス層から熱を奪うため、ガラス層が入熱過多の状態となることが抑止される。これにより、第１のレーザ光の照射によって第１のガラス部材にガラス層を定着させても、ガラス層の定着時や、その後のガラス部材同士の溶着時に、ガラス部材にクラックが生じるなど、ガラス部材が破損するのを防止することができる。従って、このガラス溶着方法によれば、ガラス部材の破損を防止して、効率良くガラス部材同士を溶着することが可能となる。

本発明に係るガラス溶着方法においては、熱伝導体の熱伝導率は、ガラス粉の熱伝導率よりも高いことが好ましい。この場合、熱伝導体をヒートシンクとして、効率良くガラス層から熱を奪うことが可能となる。このとき、熱伝導体の熱伝導率は、第１のガラス部材の熱伝導率よりも高いことがより好ましい。この場合、熱伝導体をヒートシンクとして、より一層効率良くガラス層から熱を奪うことが可能となる。

本発明に係るガラス溶着方法においては、ガラス粉と熱伝導体との線膨張係数の差は、ガラス粉と第１のガラス部材との線膨張係数の差よりも大きいことが好ましい。この場合、第１のガラス部材にガラス層を定着させた際に、熱伝導体にガラス層が固着するのを確実に防止することができる。

本発明に係るガラス溶着方法においては、第１のレーザ光は、第１のガラス部材側からガラス層に照射されることが好ましい。この場合、第１のガラス部材とガラス層との界面部分が十分に加熱されるため、第１のガラス部材にガラス層を強固に定着させることができる。

本発明によれば、ガラス部材の破損を防止して、効率良くガラス部材同士を溶着することができる。

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、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）からなり、溶着予定領域Ｒに沿って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、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、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のである。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を加熱してバインダを除去することにより、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スフリット２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（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熱伝導体７の表面７ａ（ここでは、研磨面）に、ガラス層３を介してガラス部材４を載置する。これにより、ペースト層６から有機溶剤及びバインダが除去されることにより形成されたガラス層３が、溶着予定領域Ｒに沿うようにガラス部材４と熱伝導体７との間に配置される。

続いて、熱伝導体７をヒートシンクとして、ガラス層３に集光スポットを合わせてレーザ光（第１のレーザ光）Ｌ１を溶着予定領域Ｒに沿って照射する。これにより、ガラス部材４と熱伝導体７との間に配置されたガラス層３が溶融・再固化し、ガラス部材４の表面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ス層３は、ガラスフリット２の溶融によって空隙が埋まると共に粒子性が崩れるため、レーザ光吸収性顔料の吸収特性が顕著に現れ、レーザ光吸収率が高い状態となる（例えば、可視光において黒っぽく見える）。また、ガラス部材４の表面４ａに焼き付けられたガラス層３は、ガラス部材４と反対側の表面３ａの凹凸が平坦化された状態となる。

このガラス層３の焼付け時には、熱伝導体７がヒートシンクとしてガラス層３から熱を奪うため、ガラス層３が入熱過多の状態となることが抑止される。このとき、熱伝導体７がアルミニウムからなっており、ガラスフリット２の熱伝導率及びガラス部材４の熱伝導率よりも熱伝導体７の熱伝導率が高くなっているため、ガラス層３から熱伝導体７への放熱が極めて効率良く行われる。

また、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、ガラスフリット２と熱伝導体７との線膨張係数の差が大きくなっているため、ガラス層３の焼付け時に、熱伝導体７の表面７ａにガラス層３が固着することがない。このことから、ガラスフリット２と熱伝導体７との線膨張係数の差は、より大きくなることが好ましいものの、バナジウムリン酸系ガラス（線膨張係数：７．０×１０^−６／Ｋ）や鉛ホウ酸ガラス（線膨張係数：１３×１０^−６／Ｋ）からなるガラスフリット２に対しては、アルミニウム（線膨張係数：２３×１０^−６／Ｋ）の他に、ステンレス鋼（線膨張係数：１７．３×１０^−６／Ｋ）や銅（線膨張係数：１６．８×１０^−６／Ｋ）からなる熱伝導体７を用いることができる。

ガラス層３の焼付けに続いて、図４に示されるように、ガラス層３が焼き付けられたガラス部材４に対し、ガラス層３を介してガラス部材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に隙間なく接触する。

続いて、図５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、レーザ光吸収率が高い状態となっているガラス層３にレーザ光Ｌ２が吸収されて、ガラス層３及びその周辺部分（ガラス部材４，５の表面４ａ，５ａ部分）が溶融・再固化し、ガラス部材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の表面３ａに隙間なく接触しているため、ガラス部材４とガラス部材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、溶着予定領域Ｒに沿うようにガラス部材４と熱伝導体７との間にガラス層３を配置した後、熱伝導体７をヒートシンクとしてレーザ光Ｌ１を照射することにより、ガラス層３を溶融させて、ガラス部材４にガラス層３を焼き付けて定着させる。このガラス層３の焼付け時には、ガラス層３のレーザ光吸収率が急激に高くなるが、熱伝導体７がヒートシンクとしてガラス層３から熱を奪うため、ガラス層３が入熱過多の状態となることが抑止される。これにより、ガラス部材４に対するガラス層３の焼付けをレーザ光Ｌ１の照射によって行っても、ガラス層３の焼付け時に、入熱過多によるヒートショックでガラス部材４，５にクラックが生じるのを防止することができる。更に、ガラス層３の焼付け時に、ガラス層３の表面３ａ部分（すなわち、ガラス層３において溶着対象のガラス部材５側に位置する部分）が入熱過多によって結晶化することがなく、よって、その部分の融点が高くなることもない。そのため、その後のガラス部材４，５同士の溶着時に、ガラス層３の表面３ａ部分を溶融させるべくレーザパワーを高くしてレーザ光Ｌ２を照射することが不要となり、ガラス層３の焼付け時と同様に入熱過多によるヒートショックでガラス部材４，５にクラックが生じるのを防止することができる。従って、上述したガラス溶着方法によれば、ガラス部材４，５の破損を防止して、効率良くガラス部材４，５同士を溶着することが可能となる。

また、上述したガラス溶着方法においては、レーザ光Ｌ１がガラス部材４側からガラス層３に照射される。そのため、ガラス部材４とガラス層３との界面部分が十分に加熱される。従って、ガラス部材４にガラス層３を強固に焼き付けて定着させることができる。しかも、ガラス層３において溶着対象のガラス部材５側に位置する部分（ガラス層３の表面３ａ部分）が入熱過多によって結晶化するのをより確実に防止することができる。

なお、ガラス層３の焼付け時には、レーザ光Ｌ１の照射によって、ガラス層３において焼付け対象のガラス部材４側に位置する部分を結晶化させてもよい。また、ガラス部材４，５同士の溶着時には、レーザ光Ｌ２の照射によって、ガラス層３において溶着対象のガラス部材５側に位置する部分（ガラス層３の表面３ａ部分）を結晶化させてもよい。最終的にガラス層３を結晶化させると、ガラス溶着体１においてガラス層３の線膨張係数が小さくなるからである。

ところで、有機ＥＬパッケージ等においては、容器自体が小型であるため、より薄型化されたガラス部材４，５が使用されることから、ガラス部材４，５の材料としては、割れを生じ難くすべく低膨張ガラスが選択されることが多い。このとき、ガラス層３の線膨張係数をガラス部材４，５の線膨張係数と合わせるために（すなわち、ガラス層３の線膨張係数を低くするために）、セラミックス等からなるフィラーをガラス層３に多量に含有させる。ガラス層３にフィラーを多量に含有させると、レーザ光Ｌ１の照射の前後でガラス層３のレーザ光吸収率がより一層大きく変化することになる。従って、上述したガラス溶着方法は、ガラス部材４，５の材料として低膨張ガラスを選択する場合に、特に有効である。

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、図６に示されるように、レーザ光Ｌ１に対して透過性を有する材料からなる熱伝導体７を用いて、ガラス部材４と反対側から熱伝導体７を介してガラス層３にレーザ光Ｌ１を照射してもよい。

また、溶着予定領域Ｒに沿って熱伝導体７の表面７ａにガラス層３を固着させた後、熱伝導体７の表面７ａに、ガラス層３を介してガラス部材４を載置することにより、ペースト層６から有機溶剤及びバインダが除去されることにより形成されたガラス層３を、溶着予定領域Ｒに沿うようにガラス部材４と熱伝導体７との間に配置してもよい。

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。 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断面図である。 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。 レーザパワーとガラス層の温度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…ガラス溶着体、２…ガラスフリット（ガラス粉）、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）、６…ペースト層、７…熱伝導体、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）。

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、溶着予定領域に沿うように前記第１のガラス部材と熱伝導体との間に配置する工程と、
   前記熱伝導体をヒートシンクとして前記溶着予定領域に沿って第１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熱伝導体との間に配置された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。
2. 前記熱伝導体の熱伝導率は、前記ガラス粉の熱伝導率よりも高いことを特徴とする請求項１記載のガラス溶着方法。
3. 前記熱伝導体の熱伝導率は、前記第１のガラス部材の熱伝導率よりも高いことを特徴とする請求項２記載のガラス溶着方法。
4. 前記ガラス粉と前記熱伝導体との線膨張係数の差は、前記ガラス粉と前記第１のガラス部材との線膨張係数の差よりも大きい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。
5. 前記第１のレーザ光は、前記第１のガラス部材側から前記ガラス層に照射されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のガラス溶着方法。

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