JP4177945B2

JP4177945B2 - Glass bonding method and apparatus using laser light

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Publication number: JP4177945B2
Application number: JP2000060039A
Authority: JP
Inventors: 茂夫吉田
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2020-03-06
Also published as: JP2001247321A

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ＣＯ_２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ＣＯ_２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】ＣＯ_２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
１０７Ｘ−Ｙステージ用制御信号
１０８Ｘ−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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a glass joining method for joining two or more glass plates and a joining apparatus therefor, and in particular, a glass joining method for joining a plurality of thinly formed quartz glass plates by welding with a laser beam and the same. The present invention relates to a joining apparatus.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a welding technique for joining two metal parts using laser light is well known. 6A, 6B, and 6C are cross-sectional views conceptually showing a method for welding metal parts using laser light. FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a laser irradiation apparatus used in laser welding. In laser welding, a laser beam is irradiated to a joining portion of parts to be processed, and the irradiated portion is heated and melted to be joined. FIG. 6A shows a state in which the metal cylinder 8 and the metal cylinder 9 having a smaller diameter than the metal cylinder 8 are welded. The metal cylinder 8 and the metal cylinder 9 are brought into close contact with each other at a desired bonding position, and the laser beam 112 is irradiated to the welding point for welding. This method is the same in the case where the metal cylinders 10 and 11 having the same diameter shown in FIG. 6B are joined, and welding is performed by irradiating the joining portion with the laser beam 113. FIG. 6C shows a state in which the metal plates 12 and 13 are joined. In this case, the two metal plates are overlapped with each other at a predetermined bonding position, and welding is performed by irradiating the welding point with the laser beam 114.
[0003]
As a method of joining glass, for example, when joining a handle to a glass cup or vase, a glass material is put into a high-temperature furnace, softened, attached to another glass, shaped and then cooled. Are known.
[0004]
As a method for joining the glass plates, as shown in FIG. 7, a method of joining the two glasses by applying an adhesive 16 between the glass plates 14 and 15 is used. As another conventional glass bonding method, for example, JP-A-2-120259 proposes a glass bonding method used for glass sealing. In this conventional example, a light absorber composed of a colored glass transparent body is interposed between the glasses to be joined, and the light absorber is irradiated with laser light, and the light absorber is dissolved to join the glasses. The method to be taken is taken. As the light absorber, a glass transparent body having substantially the same composition as the glass to be bonded is colored by doping a transition metal ion.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When the conventional metal welding method using a laser beam described with reference to FIG. 6 is applied to a glass welding method, several problems must be solved. First, since glass has low heat absorption efficiency by laser light and its thermal conductivity is much smaller than that of metal or the like, laser light 115 is applied to one surface of glass plate 17 as shown in FIG. In this case, the melted portion 17a formed on the glass plate 17 by the laser beam 115 is small. Therefore, when the glass plate 17 is to be joined to another glass as a welded portion, it is sufficient for joining. The depth of the welded part cannot be obtained.
[0006]
Further, the amount of heat absorbed by the glass plate 17 by the laser beam 115 also depends on the state of the surface of the glass plate 17 irradiated with the laser beam 115. For example, when the surface of the glass plate 17 is polished like a mirror, the amount of laser light absorption is extremely low, and when the surface is rough or dirty, the laser light is easily absorbed. Therefore, if the surface state of the glass plate 17 is different even if the power of the laser beam 115 is the same, for example, one can clearly make a hole, while the other simply melts thinly. Only incomplete molten state. Thus, in the glass welding with the laser beam 115, it is difficult to control the degree of melting on the surface of the glass plate 17.
[0007]
When the glass plates 32 and 33 are used as shown in FIG. 9 instead of the metal plates 12 and 13 shown in FIG. 6C, the glass plates 32 and 33 at the welding points are irradiated by irradiation of the laser beam 114 to the welding points. Even if the welding of 33 becomes possible, thermal stress 116 and 117 remain as internal stress in the glass plate 32 and the glass plate 33, respectively. Due to this internal stress, the lap welded glass plate 33 is distorted as shown in FIG. 9, making it difficult to realize high-precision glass plate bonding.
[0008]
In addition, in the glass bonding method that does not use laser light, when bonding using a high-temperature furnace, because the shape of one glass is soft and indefinite, It is not applicable as a fixing method for fixing.
[0009]
Further, the glass bonding method using the adhesive described with reference to FIG. 7 has the following drawbacks.
[0010]
(1) Since it takes time for the adhesive to harden, a jig is required to maintain the mutual positional relationship between the glass plates until the adhesive is hardened. Since a jig is required, the cost of the equipment increases.
[0011]
(2) Since the heat resistance temperature of the adhesive is lower than that of glass, the heat resistance temperature of the bonded glass structure cannot be increased.
[0012]
(3) Since the thermal expansion coefficient of the adhesive is different from that of glass, it may be peeled off at the bonding site depending on temperature conditions.
[0013]
(4) Since it is difficult to adjust the coating thickness of the adhesive, it is difficult to join a plurality of glasses to be joined in an accurate positional relationship.
[0014]
Furthermore, the glass bonding method proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-120259 has the disadvantages that it is impossible to bond glass plates with high accuracy without distortion and that a light absorber is required.
[0015]
An object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a glass bonding method and apparatus using laser light having the following advantages.
[0016]
(1) Join a plurality of glass plates in a short time.
[0017]
(2) A glass bonding structure having a high heat resistance temperature is obtained.
[0018]
(3) A glass bonding structure in which the glass plate is difficult to peel is obtained.
[0019]
(4) A plurality of glass plates can be joined with an accurate positional relationship.
[0020]
(5) A plurality of glass plates can be joined without distortion.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the aforementioned problems by the following means.
[0022]
(1) forming a plurality of glass adhesion material by overlapping in close contact with the plate surface together a plurality of glass plates to be joined, the beam shape of the laser beam from a direction perpendicular to the plate surface against the plurality of glass adhesion material irradiated and melted portions of the glass at the plurality of glass adhesion material, by solidifying the glass melt, a method of bonding a plurality of glass plates of the bonding target,
The laser light is irradiated to the plurality of glass adhesion bodies from opposite directions with a common optical axis, and is composed of first and second laser lights each having a focus on the surface of the plurality of glass adhesion bodies or the vicinity thereof,
A step of making a hole in the optical axis direction in the plurality of glass adhesion bodies by simultaneously irradiating the plurality of glass adhesion bodies with the first and second laser beams;
An inner wall melting step of simultaneously irradiating the surface of the glass forming the wall of the hole formed in the drilling step with the first and second laser beams, and melting the surface and the vicinity thereof;
A glass comprising: a molten glass solidifying step in which irradiation of the first and second laser lights is stopped, the plurality of glass adherents are cooled, and the glass melted in the inner wall melting step is solidified. Joining method.
[0023]
(2) The glass bonding method using laser light according to (1), wherein the energy characteristics of the first and second laser lights are equal to each other.
[0024]
(3) The energy density of the first and second laser beams applied to the surface of the inner wall in the inner wall melting step is such that the first and second laser beams irradiated to the side surface of the hole being formed in the drilling step. 2. The glass bonding method according to (1) or (2), wherein the energy density is lower than the energy density of the laser beam 2.
[0025]
(4) A plurality of glass plates to be bonded are overlapped with each other in close contact with each other, and welding points in the plurality of glass plates are aligned on one straight line perpendicular to the plate surface to form a plurality of glass adherents. A first step of fitting the plurality of glass plates into predetermined positions of the glass holding means,
Secondly, the optical axes of the first and second laser irradiating means for emitting the first and second laser beams in opposite directions are aligned with the one straight line in the plurality of glass contact bodies fitted to the glass holding means. And the steps
The first and second lasers are adjusted so that the focal points of the first and second laser beams are aligned with a point on the one straight line at or near the intersection of the one straight line and the surface of the plurality of glass adhesion bodies. A third step of simultaneously irradiating the plurality of glass adhesion bodies with light and forming a hole around the one straight line in the plurality of glass adhesion bodies;
The focal points of the first and second laser beams are shifted from the focal points in the third step, respectively, and the first and second laser beams are simultaneously irradiated over a predetermined specified time, and the inner wall of the hole is A fourth step of melting the glass;
A fifth step of stopping the irradiation of the first and second laser lights, cooling the plurality of glass adhesion bodies, and solidifying the glass melted in the fourth step. Glass joining method.
[0026]
(5) A plurality of glass plates to be joined are brought into close contact with each other, and the welding points of the plurality of glass plates are aligned on one straight line perpendicular to the plate surface to form a plurality of glass adherents. A first step of fitting the plurality of glass plates into predetermined positions of the glass holding means,
Secondly, the optical axes of the first and second laser irradiating means for emitting the first and second laser beams in opposite directions are aligned with the one straight line in the plurality of glass contact bodies fitted to the glass holding means. And the steps
The first and second lasers are adjusted so that the focal points of the first and second laser beams are aligned with a point on the one straight line at or near the intersection of the one straight line and the surface of the plurality of glass adhesion bodies. A third step of simultaneously irradiating the plurality of glass adhesion bodies with light and forming a hole around the one straight line in the plurality of glass adhesion bodies;
The power of the output of the first and second laser lights is reduced from the power in the third step, the first and second laser lights are simultaneously irradiated over a specified time, and the glass on the inner wall of the hole A fourth step of melting
A fifth step of stopping the irradiation of the first and second laser lights, cooling the plurality of glass adhesion bodies, and solidifying the glass melted in the fourth step. Glass joining method.
[0027]
(6) In a glass bonding apparatus that irradiates a plurality of glass adhesion bodies formed by laminating a plurality of glass plates in close contact with each other and irradiates a laser beam, and bonds the plurality of glass adhesion bodies.
A first and a second laser irradiating device for irradiating the first and second laser beams to the plurality of glass contact bodies in directions opposite to each other and having a common optical axis and perpendicular to the plate surface ; ,
A bonding control means for controlling the focal points of the first and second laser beams and the power of the laser beams by the first and second laser irradiation devices;
Means for holding the multiple glass adhesion body;
An XY stage that mounts the holding means and sets an in-plane position of the holding means;
The bonding control means controls the XY stage, aligns a bonding point in the multiple glass adhesion body with the optical axis,
Further, the bonding control means controls the first and second laser irradiation apparatuses to set the focal points of the first and second laser beams to the surface of the plurality of glass adhesion bodies or in the vicinity thereof, By simultaneously irradiating the plurality of glass adhesion bodies with the laser beam of 2, the holes in the optical axis direction are opened in the plurality of glass adhesion bodies, and the first and second lasers are formed on the glass surfaces forming the walls of the holes. Simultaneously irradiate light, melt the surface and its vicinity,
When the inner wall of the hole is melted, the energy density of the first and second laser beams applied to the surface of the inner wall is such that the first and second laser beams irradiated to the side surfaces of the hole when the hole is opened. A glass bonding apparatus characterized by being lower than the energy density of laser light.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments of the present invention.
[0029]
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a configuration and arrangement relationship of a glass bonding apparatus using laser light according to the present invention, and FIG. 3 is a block diagram of the glass bonding apparatus of FIG. FIG. 4 is a flowchart showing the glass bonding method of the present invention applied to the glass bonding apparatus of FIG. Moreover, FIG. 1 is a figure which shows the procedure which joins two glass by applying the method of FIG. 4 to the apparatus of FIG. In FIG. 1, glass plates 6 and 7 are disk-shaped quartz glass having a thickness of about 2 mm, and the vertical sections of the glass plates 6 and 7 appear in the figure, but the vertical cross sections of the glass plates 6 and 7 are hatched. Is omitted. In FIG. 2, only the glass plate 6 of the glass plates 6 and 7 to be joined is depicted, and the glass plate 7 is omitted in order to avoid complication of the drawing. As shown in FIG. 1B, the glass plates 6 and 7 to be joined are fitted into the counterbore holes of the glass holder 5. The glass holder 5 causes the irradiated shafts 109 of the glass plates 6 and 7 to coincide with each other and to bring them into close contact with each other so that both are stably held. Here, the irradiated axis 109 coincides with the central axis of the glass plates 6 and 7. In FIG. 1B, the rectangular plain region on the lower side of the glass plate 7 is a space.
[0030]
The glass bonding apparatus in FIG. 2 includes a bonding control unit 1, laser irradiation apparatuses 2 and 3, an XY stage 4, and a glass holder 5. The laser apparatus used as the laser irradiation apparatuses 2 and 3 is an existing CO ₂ laser apparatus that is generally used in a laser welding machine for metal. As the laser irradiation device, a laser device of a type used for a laser trimmer or a laser marking device may be used by adjusting the power. The laser irradiation devices 2 and 3 have exactly the same structure and function, and the output laser beams 101 and 102 have equal energy characteristics.
[0031]
In general, the CO ₂ laser device includes a pumping device 20, a complete reflection mirror 21, a partial reflection mirror 22, a laser medium 23, a mirror 24, a focusing lens 25, and a focusing lens moving means 26, as shown in FIG. The complete reflection mirror 21, the partial reflection mirror 22 and the laser medium 23 constitute a laser resonator 27. By making the focusing lens 25 movable by the focusing lens moving means 26, the focal point 130 of the laser beam 122 can be adjusted to a predetermined position. Therefore, by using this laser device, it is possible to focus on the surface of the glass that is the part to be joined and make a hole in the glass, or to heat the glass over a wide range by shifting the focus.
[0032]
In FIG. 2, the laser irradiation apparatuses 2 and 3 emit laser beams 101 and 102, respectively. The laser beams 101 and 102 have the same optical axis and travel in opposite directions. The laser irradiation devices 2 and 3 are arranged opposite to each other so that the glass adhesion bodies formed by closely attaching the glass plates 6 and 7 are irradiated from opposite directions so that the irradiation paths are on the same line. . As shown in FIG. 3, the focal positions and powers of the laser beams 101 and 102 emitted from the laser irradiation devices 2 and 3 are controlled by laser beam control signals 103 and 105 output from the bonding controller 1. Is done.
[0033]
The glass holder 5 is fixed to the XY stage 4 and arranged so that the surface thereof is orthogonal to the laser beams 101 and 102. The XY stage 4 is configured with two sliders driven by a motor orthogonal to each other, and is controlled by an XY stage control signal 107 output from the bonding control unit 1 as shown in FIG. The glass holder 5 can be moved two-dimensionally in both the X and Y directions as shown in FIG.
[0034]
The bonding control unit 1 also has a control / monitoring function for the laser irradiation devices 2 and 3 and the XY stage 4, and the power source for the corresponding laser irradiation devices 2 and 3 is controlled by the laser light control signals 103 and 105, respectively. Performs various controls including on / off. Further, the bonding control unit 1 sends an XY stage control signal 107 to the XY stage 4 to control a motor that drives a two-axis orthogonal slider in the XY stage 4, thereby The position of the welding point of the glass plates 6 and 7 to be joined set on the Y stage 4 is matched with the optical axes of the laser beams 101 and 102. As these control actions are performed, the operation data 104 and 106 and the XY stage operation signal 108 sent from the laser irradiation devices 2 and 3 and the XY stage 4 are fed back to the bonding control unit 1. The bonding controller 1 sets the control signal more appropriately based on the feedback operation data 104 and 106 and the XY stage operation signal 108, and stably controls the laser irradiation devices 2 and 3 and the XY stage 4.
[0035]
Next, with reference to FIG. 4, the glass joining method by the joining apparatus of FIG. 2 will be described in detail. FIG. 4 is a flowchart showing the procedure of the joining method. 1 (a), (b), (c), (d), and (e) correspond to the joining procedure when welding the glass plates 6 and 7 to be joined, and the laser beams 101 and 102 are used. It is a figure which shows transition of the irradiation condition. In the example of FIG. 1, there are welding points 110 and 111 for both glasses on the irradiated axes 109 of the glass plates 6 and 7.
[0036]
First, in step S11, the glass plate 7 and the glass plate 6 in FIG. 1A are moved from the upper surface of the glass holder 5 to the spot facing holes in the glass holder 5 as shown in the sectional view in FIG. Fit in order. FIG. 1C is an enlarged view showing the vicinity of the irradiated shaft 109 in FIG. The glass plate 7 is fitted into the lower counterbore hole, and the glass plate 6 is fitted into the upper counterbore hole. The glass holder 5 is formed so that the inner peripheral surface of the spot facing hole is in close contact with the outer periphery of the glass plate 6 and the glass plate 7, and the glass plate 6 and the glass plate 7 are in close contact with each other. Therefore, the glass plate 6 and the glass plate 7 fitted in the glass holder 5 are made to coincide with the common irradiated shaft 109, so that the welding points 110 and 111 are aligned with the irradiated shaft 109 and are in close contact with each other. . The glass plate 6 and the glass plate 7 fitted in the glass holder 5 correspond to the aforementioned multiple glass adhesion body.
[0037]
Next, in step S12, two-dimensional movement control is performed on the glass holder 5 by the XY stage 4, and the welding points 110 and 111 shown in FIG. 1B or FIG. And 3 are made to coincide with the optical axes of the respective laser beams 101 and 102. Here, the irradiated axis 109 of the glass plates 6 and 7 is the optical axis of the laser beams 101 and 102.
[0038]
Next, in step S13, as shown in FIG. 1 (d), the focal points of the laser beams 101 and 102 are adjusted so that the focal points are aligned with the welding points 110 and 111 of the glass plates 6 and 7, respectively. Lights 101 and 102 are simultaneously irradiated to open holes 30 in the glass plates 6 and 7. At this time, since the laser beams 101 and 102 are simultaneously irradiated in opposition to each other, the hole 30 has a symmetrical shape with respect to the boundary portion between the glass plates 6 and 7. When the power of the laser beams 101 and 102 is 8 watts and the thickness of the glass plates 6 and 7 is 0.5 mm, the laser beams 101 and 102 can complete the hole 30 in 5 seconds. At this time, the diameter at the entrance opening of the hole 30 was 0.4 mm. The distance from the laser light emitting ends of the laser irradiation devices 2 and 3 to the glass plates 6 and 7 was 205 mm.
[0039]
In step S14, as shown in FIG. 1 (e), the respective laser beams 101 and 102 of the laser irradiation apparatuses 2 and 3 are focused so as to cover the holes 30 opened in step S13. The glass plates 6 and 7 are irradiated simultaneously with both laser beams for a specified time, shifted from the points 110 and 111, and the inner wall of the hole 30 is melted to form the melted portion 40. The reason why the focal points of the laser beams 101 and 102 are shifted from the welding points 110 and 111 in this step S14 is to melt the glass forming the inner wall of the hole 30 and to give energy to the extent that the glass does not evaporate. When the power of the laser irradiation devices 2 and 3 is 8 watts in step S13, the focus is shifted from the welding points 110 and 111 in step S14, but when the focus is shifted, the power at the welding points 110 and 111 is 6 to 7 watts. At this time, the inner wall of the hole 30 is melted to a degree preferable for welding by laser light irradiation for 10 to 15 seconds. Therefore, the energy given to the wall surface of the hole 30 by the laser beams 101 and 102 in step S14 is smaller than the energy given to the wall surface of the hole 30 by the laser beams 101 and 102 in step S13.
[0040]
Next, in step S15, the glass plate 6 and the glass plate 7 are joined by stopping the irradiation of both laser beams after the lapse of the specified time, cooling the solidified portion 40 on the wall surface of the hole 30 and solidifying it. The thickness of the melting part 40 is about 0.1 mm and is extremely thin. However, the glass plate 6 and the glass plate 7 joined with such a thickness sufficiently fulfill the purpose of joining when the force applied to the glass plates 6 and 7 is small.
[0041]
When the glass plates 6 and 7 are joined by the above-described method, the glass plates 6 and 7 are added by adjusting the focal positions of the two opposite laser beams and controlling the irradiation to the glass plates 6 and 7. Since the thermal energy is symmetric with respect to the joint surface of the glass plates 6 and 7 and is also symmetric with respect to the intersection point between the joint surface and the irradiated axis 109, the internal stress generated in the glass plates 6 and 7 is balanced with respect to the intersection point. ing. Therefore, the glass plates 6 and 7 bonded by the above-described method do not retain internal stress that causes distortion after the glass plates 6 and 7 are cooled. In addition, by repeatedly performing the above-described welding on each of other welding points, the fixing force in the bonded glass structure is further increased.
[0042]
In the above-described method, not only a plurality of glass plates can be joined without distortion as described above, but also the step of drying the adhesive is not required, and the plurality of glass plates can be bonded in a short time. Can be joined. In addition, since no adhesive is used, a glass bonded structure having a high heat resistance and a glass plate that is difficult to peel off can be obtained. Further, since the glass plates 6 and 7 are aligned with the glass holder 5, a plurality of glass plates can be joined with an accurate positional relationship.
[0043]
Further, in the hole making process, it is sufficient to evaporate the glass and form the hole 30 without considering the depth of the melted portion by the laser beams 101 and 102, and it is not necessary to control the depth of the hole. Therefore, even if there is a difference in the formation time of the hole 30 depending on the state of the glass surface in the hole making process, the quality of the bonding is not affected. In the inner wall melting step, the laser beams 101 and 102 act on the surface of the hole 30 to melt the glass on the surface, but the hole 30 has just been formed in the hole opening step, Since there is no dirt and the light absorption rate is constant, the glass can be melted to an appropriate depth in a stable time. Therefore, the bonding of the glass by the method and apparatus according to this embodiment can be performed with good controllability.
[0044]
FIG. 5 is a flowchart showing another example of the glass bonding method applied to the glass bonding apparatus shown in FIG. The method of FIG. 5 is a method in which step 14 in FIG. 4 is changed to step 24, and steps 11 to 13 and step 15 are the same as the steps in FIG.
[0045]
In step S14 shown in FIG. 4, the focal points of the laser beams 101 and 102 facing each other of the laser irradiation devices 2 and 3 are shifted from the positions of the welding points 110 and 111, and the glass plates 6 and 7 are set for a specified time. In this way, the purpose of irradiating the laser beams with the focus shifted is suppressed to the extent that the glass to be bonded is melted and does not evaporate as described above. This is to give energy. Accordingly, as an alternative means, the same countermeasure can be taken by reducing the irradiation power of the laser light itself to a predetermined level without shifting the focus of the laser light. That is, in the glass joining procedure of FIG. 5, a technique of reducing the irradiation power of the laser beams 101 and 102 in step S24 is applied as the alternative means. Therefore, in the method of FIG. 5, the irradiation power of the laser beams 101 and 102 of the laser irradiation apparatuses 2 and 3 is controlled to a predetermined level as controlled by the laser beam control signals 103 and 105 output from the bonding controller 1. Is done. In the method of FIG. 5, as in the method of FIG. 4, the energy given to the wall surface of the hole 30 by the laser beams 101 and 102 in step S24 is the energy given to the wall surface of the hole 30 by the laser beams 101 and 102 in step S13. Smaller than.
[0046]
In the embodiment of the present invention described above, there are two glass plates to be joined. However, according to the apparatus and method of the present invention, it is possible to join by joining three or more pieces of glass in close contact, and performing the drilling step and the inner wall melting step in the same manner. The same effect can be obtained. As shown in FIG. 1, when two glass plates are joined, the hole 30 becomes a through hole. However, when three glass plates are joined, the hole opened in step S13 need not be a through hole. When three glass plates are stacked one on top of the other, if holes are drilled from the upper and lower sides and the bottom of each hole reaches the middle glass plate, each bonding surface of the glass plates will face the holes Thus, the three glass plates can be joined together by forming a melted portion in each hole.
[0047]
In addition, although embodiment was mentioned above and this invention was demonstrated concretely, of course, this invention is not limited to this embodiment. In the above embodiment, the thicknesses of the glass plates 6 and 7 were both 0.5 mm. However, according to the method of the present invention, both glass plates can be joined without distortion even if the thicknesses of both glass plates are different. For example, when the glass plate 6 is 16 mmφ, 0.5 mm thick, and the glass 7 plate is φ2 mm, 2 mm thick, in the bonded glass structure in which the glass plates 6 and 7 are bonded, the glass plates 6 and 7 are not distorted, and the bonded glass When the structure is a member of the movable electrode of the accelerometer and the accelerometer is mounted on a device, the glass plates 6 and 7 are not peeled off.
[0048]
In the above-described embodiment, the laser irradiation apparatuses 2 and 3 have exactly the same structure and function, and the output laser beams 101 and 102 have the same energy characteristics, but the energy characteristics of the laser beams 101 and 102 are Although not necessarily the same, the invention can be implemented. In the method of the present invention in which a hole having a depth reaching at least the bonding surface of the glass is formed on the glass plate with a laser beam, bending stress is applied to the glass as compared with the conventional glass bonding method in which the edge of the glass plate is irradiated with the laser beam. Not likely to occur. Therefore, even if the energy characteristics of the laser beams irradiated opposite to each other are different, there is a relatively low possibility that the glass plate will be bent by thermal stress.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a plurality of glass plates can be bonded in a short time, a glass bonding structure that has a high heat resistance and is difficult to peel off can be generated, and the plurality of glass plates can be accurately positioned. Thus, a glass bonding method and apparatus capable of bonding without distortion are obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial sectional view in the vicinity of a welding point showing a welding procedure for glass fitted in a glass holder 5;
FIG. 2 is a view conceptually showing a glass bonding apparatus using laser light according to the present invention.
3 is a block diagram showing a configuration in the apparatus of the embodiment of FIG. 2; FIG.
4 is a flowchart showing an example of a glass bonding method according to the present invention, showing a processing procedure in the method applied to the apparatus of FIG.
5 is another example of the glass bonding method according to the present invention, and is a flowchart showing a processing procedure in the method applied to the apparatus of FIG.
FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a metal joining method using laser light.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a glass bonding structure using an adhesive.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing an example of a penetration portion formed in the surface portion of the glass when the glass plate is irradiated with laser light.
FIG. 9 is a cross-sectional view conceptually showing how glass is distorted when two glass plates are joined by a laser beam using a conventional method.
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a CO ₂ laser device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Joining control part 2, 3 Laser irradiation apparatus 4 XY stage 5 Glass holder 6, 7, 14, 15, 17, 32, 33 Glass plate 8, 9, 10, 11 Metal cylinder 12, 13 Metal plate 16 Adhesive 17a Melting Unit 20 pumping device 21 complete reflection mirror 22 partial reflection mirror 23 laser medium 24 mirror 25 focusing lens 26 focusing lens moving means 27 laser resonator 30 hole 40 melting unit 130 focus 101, 102, 112, 113, 114, 115, 122 laser Light 103, 105 Laser light control signal 104, 106 Operation data 107 XY stage control signal 108 XY stage operation signal 109 Axis 110, 111 Welding point 116, 117 Thermal stress 118 Welding point 120 Electric energy

Claims

Forming a plurality of glass adhesion material by overlapping in close contact plate face each other a plurality of glass plates to be joined, by irradiating a beam shape of the laser beam from a direction perpendicular to the plate surface against the plurality of glass adhesion material to melt a portion of the glass in said plurality of glass adhesion material, by solidifying the glass melt, a method of bonding a plurality of glass plates of the bonding target,
The laser light is irradiated to the plurality of glass adhesion bodies from opposite directions with a common optical axis, and is composed of first and second laser lights each having a focus on the surface of the plurality of glass adhesion bodies or the vicinity thereof,
A step of making a hole in the optical axis direction in the plurality of glass adhesion bodies by simultaneously irradiating the plurality of glass adhesion bodies with the first and second laser beams;
An inner wall melting step of simultaneously irradiating the surface of the glass forming the wall of the hole formed in the drilling step with the first and second laser beams, and melting the surface and the vicinity thereof;
A glass comprising: a molten glass solidifying step in which irradiation of the first and second laser lights is stopped, the plurality of glass adherents are cooled, and the glass melted in the inner wall melting step is solidified. Joining method.

The glass bonding method using laser light according to claim 1, wherein energy characteristics of the first and second laser lights are equal to each other.

The energy density of the first and second laser beams applied to the surface of the inner wall in the inner wall melting step is such that the first and second lasers are applied to the side surfaces of the holes being formed in the drilling step. The glass bonding method according to claim 1, wherein the glass bonding method is lower than the energy density of light.

A plurality of glass plates to be joined are overlapped with each other in close contact with each other, and the welding points in the plurality of glass plates are aligned on one straight line perpendicular to the plate surface to form a plurality of glass adherents. A first step of fitting the plurality of glass plates to predetermined positions of the glass holding means,
Secondly, the optical axes of the first and second laser irradiating means for emitting the first and second laser beams in opposite directions are aligned with the one straight line in the plurality of glass contact bodies fitted to the glass holding means. And the steps
The first and second lasers are adjusted so that the focal points of the first and second laser beams are aligned with a point on the one straight line at or near the intersection of the one straight line and the surface of the plurality of glass adhesion bodies. A third step of simultaneously irradiating the plurality of glass adhesion bodies with light and forming a hole around the one straight line in the plurality of glass adhesion bodies;
The focal points of the first and second laser beams are shifted from the focal points in the third step, respectively, and the first and second laser beams are simultaneously irradiated over a predetermined specified time, and the inner wall of the hole is A fourth step of melting the glass;
A fifth step of stopping the irradiation of the first and second laser lights, cooling the plurality of glass adhesion bodies, and solidifying the glass melted in the fourth step. Glass joining method.

A plurality of glass plates to be joined are overlapped with each other in close contact with each other, and the welding points in the plurality of glass plates are aligned on one straight line perpendicular to the plate surface to form a plurality of glass adherents. A first step of fitting the plurality of glass plates to predetermined positions of the glass holding means,
Secondly, the optical axes of the first and second laser irradiating means for emitting the first and second laser beams in opposite directions are aligned with the one straight line in the plurality of glass contact bodies fitted to the glass holding means. And the steps
The first and second lasers are adjusted so that the focal points of the first and second laser beams are aligned with a point on the one straight line at or near the intersection of the one straight line and the surface of the plurality of glass adhesion bodies. A third step of simultaneously irradiating the plurality of glass adhesion bodies with light and forming a hole around the one straight line in the plurality of glass adhesion bodies;
The power of the output of the first and second laser lights is reduced from the power in the third step, the first and second laser lights are simultaneously irradiated over a specified time, and the glass on the inner wall of the hole A fourth step of melting
A fifth step of stopping the irradiation of the first and second laser lights, cooling the plurality of glass adhesion bodies, and solidifying the glass melted in the fourth step. Glass joining method.

In a glass bonding apparatus for irradiating a plurality of glass adhesion bodies formed by laminating a plurality of glass plates in close contact with each other by irradiating a laser beam,
A first and a second laser irradiating device for irradiating the first and second laser beams to the plurality of glass contact bodies in directions opposite to each other and having a common optical axis and perpendicular to the plate surface ; ,
A bonding control means for controlling the focal points of the first and second laser beams and the power of the laser beams by the first and second laser irradiation devices;
Means for holding the multiple glass adhesion body;
An XY stage that mounts the holding means and sets an in-plane position of the holding means;
The bonding control means controls the XY stage, aligns a bonding point in the multiple glass adhesion body with the optical axis,
Further, the bonding control means controls the first and second laser irradiation apparatuses to set the focal points of the first and second laser beams to the surface of the plurality of glass adhesion bodies or in the vicinity thereof, By simultaneously irradiating the plurality of glass adhesion bodies with the laser beam of 2, the holes in the optical axis direction are opened in the plurality of glass adhesion bodies, and the first and second lasers are formed on the glass surfaces forming the walls of the holes. Simultaneously irradiate light, melt the surface and its vicinity,
When the inner wall of the hole is melted, the energy density of the first and second laser beams applied to the surface of the inner wall is such that the first and second laser beams irradiated to the side surfaces of the hole when the hole is opened. A glass bonding apparatus characterized by being lower than the energy density of laser light.