JP2006347783A - 脆性材料の割断方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 脆性材料のレーザビームに対する吸収係数を制御して、同ビームが材料の全厚さを透過するか、あるいは裏面まで透過しなくとも十分な深さまで透過し、熱応力起因のスクライブ面を材料の全厚みで発生させる。吸収係数制御を、材料にInGaAs半導体レーザ光を吸収発熱し、かつ可視域の透過特性に影響せず、表示器用ガラスの表示特性を悪化させないYbのような希土類原子を最適量添加することによって実現する。蛍光発光防止のためには不純物濃度の下限値を制限する。照射用半導体レーザ光は、同レーザスタック16から出射端が割断形状と一致するように配列されたファイバーバンドル17を経由して照射させる。
【選択図】図8
Description
1) 割断位置精度が高い。
2) 割断面が鏡面で、面粗さが良好である。
3) 割断面がガラス表面に対して、十分に垂直である。
4) 割断面にカレットの付着がなく、清浄である。
5) 割断の自動化ができる。
6) 割断が高速度で行える。
7) 研磨、洗浄などの後工程が大幅に省略できる。
曲線割断が可能である。これはレーザによる金属加工にも匹敵する。
複層構造板の割断が可能である。液晶ディスプレィやプラズマディスプレィガラスに適用できる。
マイクロワークの割断が可能である。ICタッグに適用できる。
強化ガラスの割断が可能である。建築用ガラスに適用できる。
曲面ガラスの割断が可能である。自動車用ガラスに適用できる。
このように、レーザによるガラス割断が産業界の各分野に普及すれば、加工速度、加工品質、経済性、難易度の克服などにおいて、その効果にははかり知れないものがある。
I= I0・e ―αx (1)
同式から、透過距離の所要値が分かれば必要な吸収係数を求めることができる。次に、同吸収係数の上限値、最適値、下限値を求めることにする。
にα=0.693/Lとなる。
α下限値(cm−1)最適値(cm−1)α上限値(cm−1)
板厚 0.02cm 5.25 34.65 921
同 0.07cm 1.50 9.90 263
同 0.28cm 0.38 2.48 65.8
以下の実施例に、これらの数値を実現するためのαの制御技術について説明する。
うことがない。
成分比:SiO2:60%, Al2O3:20%, B2O3:19%, Yb2O3:1%
密度 :ρ=2.51g/cm3
この成分比の場合の1molg=0.6×(28+16×2)+0.2×(27×2+16×3)+0.19×(10.8×2+16×3)+0.01×(173×2+16×3)=85gであるから無アルカリガラス中のYb原子の濃度は以下のように計算される。
Yb濃度[個/cm3]=1モルg中のYbの数×アボガドロ数×密度/1モルg
=3.56×1020個/cm3 (2)
無アルカリガラス中のYb原子の吸収断面積のデータは見当たらないので上記のRudigerらの波長975nmでのデータを採用すれば1%重量比のYb2O3を混入した場合の吸収係数αはα=3.56×1020(cm-3)×2.7×10-20(cm2)=9.6(cm-1)となる。1〜4%の低い重力比のYb2O3を無アルカリガラスに混入した場合は、この範囲では前記成分比が大きく変わらないとして1モルgが変わらないと仮定しても大きな誤差を生じないから、厚さL(cm)のガラスの場合の透過率が50%となる最適吸収係数αが得られる重量比をx%とするとα=0.693/L=9.6×x、が得られ、これから厚さL(cm)の無アルカリガラスをフルカットするために混入するYb2O3の最適重量比x(%)の間の関係式として次式を得る。
x・L=0.072 (3)
フルカットのための混入Yb2O3の最適重量比x(%)
板厚 0.02cm 3.6
同 0.07cm 1.0
同 0.28cm 0.26
x・L=一定 (4)
2 ガラス内部の圧縮応力
3 冷却液
4 ガラス内部の引っ張り張力
5 ガラスに生じる割断亀裂
6 ガラス板
7 レーザビームの移動方向
8 トリガークラック
9 レーザスクライブ面
10 レーザスクライブ後のブレーク面
11 機械スクライブ面
12 機械スクライブ後のブレーク面
13 熱伝導による熱源
14 透過レーザビーム吸収による熱源
15 ゲルマノシリケイトガラス中のYbイオンの吸収断面積
16 半導体レーザスタック
17 ファイバーバンドル
18 ファイバーバンドル入射端
19 ファイバーバンドル出射端
20 直線配列ファイバー出射端からの照射レーザ光
21 円弧配列ファイバー出射端からの照射レーザ光
22 拡大・縮小光学系
23 ファイバー結合用光学系
24 断面形状制御用光学系
Claims (11)
- レーザ光照射、あるいはそれに続く冷却手段の併用を伴った同照射によって、ガラス、石英、セラミックス、半導体などの脆性材料において熱応力に起因する亀裂(レーザスクライブ)を発生させ、材料を十分な厚さにわたって割断する脆性材料の割断装置において、これらの材料に不純物を添加してレーザ光吸収を制御し、この時に生じるフォノンによって熱応力を発生させて割断を行い、かつ材料厚さをL(cm)、材料の吸収係数をα(cm−1)とした時、αが不等式0.105/L、<α<18.42/Lを満足するように選択したもの。
- 請求項1において添加不純物が希土類原子であり、これによって生じる希土類イオン中の4f電子を半導体レーザ光で励起して、この励起電子を無放射遷移で基底状態に緩和させてフォノン発生を行わせるもの。
- 請求項2における希土類原子をYb、半導体レーザをInGaAsレーザとしたもの。
- 請求項2における希土類原子をNd,Ho,Erのいずれかにしたもの。
- 請求項2において、添加不純物濃度を一定以上にして、蛍光発光を防止するようにしたもの。
- 請求項1において、照射レーザ光吸収用の添加不純物濃度を、材料の深さ方向に対して逆指数関数的に増大させ、指数関数的に減少する照射レーザ光による熱発生を、深さ方向についての均一化をはかったもの。
- 請求項1において、脆性材料への冷却手段が、同材料の表裏面の双方からなされるもの。
- 請求項1において照射レーザ光を、入射端が半導体レーザスタックに脱着が可能で、出射端においてファイバーが直線状の割断に適するように直線状に配列されたファイバーバンドルと拡大縮小光学系を経由してガラス表面に照射するもの。
- 請求項1において照射レーザ光を、入射端が半導体レーザスタックに脱着が可能で、射出端においてファイバーが円形の割断に適するように円弧状に配列されたファイバーバンドルと拡大縮小光学系を経由してガラス表面に照射するもの。
- 請求項1において照射レーザ光を、入射端が半導体レーザスタックに脱着が可能で、出射端においてファイバーが目標とする形状の割断に最適の断面形状を実現するように配列されたファイバーバンドルと光学系を経由してガラス表面に照射するもの。
- 請求項1において、半導体レーザスタックからのレーザ光を結合光学系で1本のファイバーに結合し、同ファイバーからの射出光を目標とする形状の割断に最適の断面形状を実現する同制御用光学系を経由してガラス表面に照射するもの。
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