JP2007175773A - Laser cutting machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザー切断装置に関して、特に、例えば、液晶表示装置のガラス面板などの脆性材料の切断に利用するレーザー切断装置に関する。 The present invention relates to a laser cutting device, and more particularly to a laser cutting device used for cutting a brittle material such as a glass face plate of a liquid crystal display device.
表示技術の発展につれて、液晶表示装置は、自身の性質によって従来の陰極線管(Cathode Ray Tube)の表示装置に取って代わり、消費領域に広く応用されている。 With the development of display technology, the liquid crystal display device has been widely applied in the consumption area, replacing the conventional cathode ray tube display device due to its own properties.
液晶表示装置は、一般的に二つのガラス基板、該二つのガラス基板の間に収容される液晶、及び複数の回路から成る。液晶は、電界の影響を受けて配向方式を変えることによって表示を行う。寸法が異なる液晶面板を製造するためには、大きい液晶面板を切断することにより、異なる寸法の液晶面板の需要を満足する必要がある。 A liquid crystal display device generally includes two glass substrates, a liquid crystal accommodated between the two glass substrates, and a plurality of circuits. The liquid crystal displays by changing the alignment method under the influence of an electric field. In order to manufacture liquid crystal face plates with different dimensions, it is necessary to satisfy the demand for liquid crystal face plates with different dimensions by cutting large liquid crystal face plates.
従来、ガラス基板をレーザー切断装置で切断する時には、ホイールカッター又はダイヤモンドカッターでガラス基板表面に予め切断線を形成した後に、レーザー光で前記基板表面を加熱し、冷却液で前記基板表面を冷却する。前記基板は、急激な温度差で応力の変化が生じるので、その表面に形成された予め切断線から生じた亀裂が伸展して基板断面を貫通し、これによって該基板が完全に分離される。 Conventionally, when a glass substrate is cut with a laser cutting device, a cutting line is previously formed on the glass substrate surface with a wheel cutter or a diamond cutter, and then the substrate surface is heated with a laser beam and the substrate surface is cooled with a cooling liquid. . Since stress changes due to a rapid temperature difference in the substrate, a crack generated from a pre-cut line formed on the surface of the substrate extends and penetrates the substrate cross section, whereby the substrate is completely separated.
図1は、従来のレーザー切断装置の構成を示す概略図である。該レーザー切断装置は、二酸化炭素レーザー光を発生する二酸化炭素レーザー光ユニット1と、反射鏡2と、フォーカスレンズ組立体3と、ホイールカッター4と、冷却システム5と、を含む。切断方向Aに沿って、基板6を切断する時には、ホイールカッター4が基板6の表面に切断を行い、所定の深さの予め切断線を形成する。反射鏡2とフォーカスレンズ組立体3を介して、基板6の表面に照射する二酸化炭素レーザー光は、前記予め切断線に沿って基板を加熱した後、冷却システム5が加熱された予め切断線に沿って前記基板を冷却する。加熱した直後に冷却することにより、ガラス面板には温度差が生じる。この温度差によってガラス面板の内部に生じる応力が、基板を完全に分離させる。基板6は金属の真空チャックに載置台に吸い付けられる。
FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a conventional laser cutting apparatus. The laser cutting device includes a carbon dioxide laser light unit 1 that generates carbon dioxide laser light, a reflecting
図1によって、伝統的なレーザー切断装置において、レーザー光の光路構成システムが固定光路であり、レーザー光がレーザー光ユニット1から出射し、所定の距離L1を通って反射鏡2に入射した後に、所定の距離L2を通ってフォーカスレンズ3に反射した後、基板6に照射することがわかる。
According to FIG. 1, in a traditional laser cutting device, the optical path configuration system of laser light is a fixed optical path, and after the laser light is emitted from the laser light unit 1 and incident on the reflecting
しかし、上述光路構成システムにおいて、L1とL2が所定の距離に構成されるので光学素子が簡単であるが、基板6の寸法が変化する場合に、上述光路構成システムは基板6の変化によってレーザー光点の大きさ及び形状を適時に調整できず、切断特性の要求を満足できない。 However, in the optical path configuration system described above, the optical elements are simple because L1 and L2 are configured at a predetermined distance. However, when the dimensions of the substrate 6 change, the optical path configuration system changes the laser beam according to the change in the substrate 6. The size and shape of the points cannot be adjusted in a timely manner, and the requirements for cutting characteristics cannot be satisfied.
伝統的なホイールカッター4は、大体において、気圧によって直接に駆動され、ホイールカッター4を使用して基板6を切断する時には、基板の平坦性の影響を受けて切断深さは均一ではない。気体が圧縮性を有し、且つコントロールの始動より遅れるので、気圧に駆動されるホイールカッター4は基板表面の平坦性に対する敏感度が低い。従って、切断深さを均一になすことができない。 The traditional wheel cutter 4 is largely driven directly by atmospheric pressure, and when the substrate 6 is cut using the wheel cutter 4, the cutting depth is not uniform due to the influence of the flatness of the substrate. Since the gas is compressible and lags behind the start of control, the wheel cutter 4 driven by atmospheric pressure is less sensitive to the flatness of the substrate surface. Therefore, the cutting depth cannot be made uniform.
また、伝統的な金属の真空チャックが基板を吸着する吸着力は真空源の位置によって均一ではないので、基板が変形しやすい。従って、基板の切断深さを均一にならせる。その他には、伝統的な金属の真空チャックは、切断の過程で残る冷却液を速く排除できない。 Further, the suction force with which the traditional metal vacuum chuck sucks the substrate is not uniform depending on the position of the vacuum source, so that the substrate is easily deformed. Therefore, the cutting depth of the substrate is made uniform. In addition, traditional metal vacuum chucks cannot quickly remove the coolant remaining in the cutting process.
本発明の目的は、基板の切断品質を高めるレーザー切断装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a laser cutting apparatus that improves the cutting quality of a substrate.
本発明のレーザー切断装置は、基板に予切断線を形成する予切断システムと、前記予切断線に沿って、基板を加熱して熱膨張させるレーザー光を発生させるレーザー光システムと、前記熱膨張した基板を冷却する冷却システムと、を含む、脆性基板を切断するために利用されるレーザー切断装置において、前記レーザー光システムは、前記レーザー光を発生するレーザー腔体と、光路距離調整システムと、を含み、前記光路距離調整システムは、前記レーザー光が前記基板に照射する光路に配置され、前記光路距離を調整するために利用される。 The laser cutting device of the present invention includes a pre-cutting system that forms a pre-cut line on a substrate, a laser light system that generates laser light that heats and heat-expands the substrate along the pre-cut line, and the thermal expansion. A laser cutting device used for cutting a brittle substrate, the laser beam system comprising: a laser cavity that generates the laser beam; an optical path distance adjustment system; The optical path distance adjustment system is disposed in an optical path that the laser beam irradiates the substrate, and is used to adjust the optical path distance.
従来技術と比べて、本発明に係るレーザー切断装置は、レーザー光路に該レーザー光が基板に照射する光点の大きさを調整するための光路距離調整システムを配置することによって、異なる切断要求を満足することができる。 Compared with the prior art, the laser cutting apparatus according to the present invention has different cutting requirements by arranging an optical path distance adjusting system for adjusting the size of the light spot irradiated to the substrate by the laser light in the laser optical path. Can be satisfied.
図2及び図3を参照すれば、本発明のレーザー切断装置は、脆性基板を切断するために利用される。該装置は、予め切断システム78、レーザー光システム、及び冷却システム79を含む。該レーザー光システムは、レーザー光を発生するレーザー腔体7と、第一反射鏡71と、光遮断器72と、第二反射鏡73と、コリメーター(collimator)74と、光路距離調整システム75と、第三反射鏡76と、フォーカスレンズ組立体77と、を含む。本実施形態において、レーザー腔体7から発生した二酸化炭素レーザー光が第一反射鏡71に反射された後、光遮断器72を通し、第二反射鏡73の反射及びコリメーター74の作用によって生成した平行な光線が、光路距離調整システム75及び第三反射鏡76の反射によって、フォーカスレンズ組立体77を通して基板に入射する。多孔性材料の真空チャック80が前記基板を吸い付けて該基板が載置台に取り付けられる。また、多孔性材料の真空チャック80を採用するから、冷却システム79で冷却する時には、残される冷却液を有効に排除でき、切断品質を高める。
2 and 3, the laser cutting apparatus of the present invention is used for cutting a brittle substrate. The apparatus includes a
本発明の実施形態において、冷却システム79は、単一液体、単一気体と単一液体の混合物又は一種以上の気体と液体の混合物などである。例えば、空気、純水、冷却油、液体の窒素又は液体のヘリウムなどである。
In an embodiment of the present invention, the
図2及び図3を参照すれば、切断方向に沿って、冷却システム79と、レーザー光システムと、予切断システム78と、が順に並べられている。基板を切断する時には、まず、前記予切断システム78で予切断線を基板に形成し、その後、前記フォーカスレンズ組立体77によってレーザー光のエネルギーを予切断線に沿って非フォーカスレンズ方式で基板表面に照射し、基板を熱膨張させると、これにより、基板内部で圧縮応力が生じる。
2 and 3, a
前記レーザー光で基板の予切断線を加熱した後、冷却システム79を利用して加熱された予切断線に沿って基板に霧状の冷却液を急速に噴射する。従って、前記基板表面の温度が急速に下がり、基板の内部が収縮して引張応力が生じる。
After the pre-cut line of the substrate is heated with the laser light, a mist-like cooling liquid is rapidly sprayed onto the substrate along the pre-cut line heated using the
前記基板は、局部が短時間において急激な応力変化を発生するので、前記レーザー光から形成される予切断線に沿って亀裂を形成する。前記亀裂が切断面に沿って伸展するから、基板を完全に分離させる。これにより、基板の切断を実現する。 Since the substrate generates a sudden change in stress in a short time, a crack is formed along the pre-cut line formed from the laser beam. Since the crack extends along the cut surface, the substrate is completely separated. Thereby, the cutting of the substrate is realized.
基板を分離させる要因は多いが、主には、ガラスの内部で発生する応力である。該応力が下記の公式で表わされる。 Although there are many factors that cause the substrates to be separated, the stress is mainly generated inside the glass. The stress is expressed by the following formula.
ここで、σはガラス面板内部で発生する応力の大きさ、αはガラス面板内部の熱膨張係数、Eはガラス面板の縦弾性係数、T1はレーザー切断装置に加熱されたガラス面板の温度、T2は冷却された後のガラス面板の温度である。 Here, σ is the magnitude of the stress generated inside the glass faceplate, α is the thermal expansion coefficient inside the glass faceplate, E is the longitudinal elastic modulus of the glass faceplate, T1 is the temperature of the glass faceplate heated by the laser cutting device, T2 Is the temperature of the glass faceplate after cooling.
数1と数2とによって、ガラス面板内部の応力の大きさは、材料の熱膨張係数、縦弾性係数、及びレーザーと冷却システムとによってガラス面板に形成する温度差に対して正比例することがわかる。T1の最大値は、ガラス面板の気化温度より大きくない。
From
レーザー加熱装置と冷却システムとが基板に形成する応力が基板材料の破壊靭性より大きい場合には、基板表面に亀裂が形成される。前記亀裂は、製造方法によって、ガラスの表面に、例えば、基板が完全に分離するなどの異なる成長形態を呈する。 If the stress that the laser heating device and the cooling system form on the substrate is greater than the fracture toughness of the substrate material, a crack is formed on the substrate surface. The cracks exhibit different growth forms on the surface of the glass, for example, the substrate completely separates depending on the manufacturing method.
レーザー切断装置からのレーザー光が基板を照射する光点の大きさは、レーザー切断の特性に大きくの影響を及ぼす。切断する時の光点の大きさは、レーザー光の出射光線の間の角度、レーザー光の出射端での光点の直径、及び光路の長さによって決まり、下記の公式で表わされる。 The size of the light spot where the laser beam from the laser cutting device irradiates the substrate greatly affects the characteristics of laser cutting. The size of the light spot at the time of cutting is determined by the angle between the outgoing light beams of the laser light, the diameter of the light spot at the outgoing end of the laser light, and the length of the optical path, and is expressed by the following formula.
ここで、Dはレーザー光が光路距離Lを通った光線の直径、dはレーザー光の出射端での光点の直径、θはレーザー光の出射光線の間の角度、Lは光路距離である。θの単位はRadである。これによって、光路距離Lの大きさを調整して、レーザー光の光点の大きさを変えるにより、切断の要求を満足することができる。 Here, D is the diameter of the light beam through which the laser beam has passed through the optical path distance L, d is the diameter of the light spot at the laser beam emission end, θ is the angle between the laser beam emission beams, and L is the optical path distance. . The unit of θ is Rad. Accordingly, the cutting requirement can be satisfied by adjusting the size of the optical path distance L and changing the size of the light spot of the laser beam.
図2、図3及び図4を参照すると、本実施形態において、光路距離調整システム75は、第四反射鏡751と、第五反射鏡752と、第六反射鏡753と、第七反射鏡754と、を含む。レーザー光は、第四反射鏡751と、第五反射鏡752と、第六反射鏡753と、第七反射鏡754と、を通った後、光路距離調整システム75から出射する。第四反射鏡751と、第五反射鏡752と、第六反射鏡753と、第七反射鏡754と、が移動可能に設置される。
Referring to FIGS. 2, 3, and 4, in this embodiment, the optical path
図2を参照すると、レーザー光は、レーザー腔体7の出射端から第一反射鏡71までの光路距離がL1であり、第一反射鏡71から第二反射鏡73までの光路距離がL2であり、第二反射鏡73から第四反射鏡751までの光路距離がL3であり、第四反射鏡751から第五反射鏡752までの光路距離がL4であり、第五反射鏡752から第六反射鏡753までの光路距離がL5であり、第六反射鏡753から第七反射鏡754までの光路距離もL4であり、第七反射鏡754から第三反射鏡76までの光路距離がL6であり、第三反射鏡76からフォーカスレンズ組立体77までの光路距離がL7である。レーザー光がレーザー腔体7から出射し始め、フォーカスレンズ組立体77に入射する光路距離はLである。すなわち、L=L1+L2+L3+2*L4+L5+L6+L7となる。
Referring to FIG. 2, the laser light has an optical path distance L1 from the emitting end of the
図3を参照すれば、光路距離調整システム75において、第四反射鏡751と、第五反射鏡752との距離、及び第六反射鏡753と第七反射鏡754との距離を同時に調整する。即ち、第四反射鏡751と第五反射鏡752の光路距離L4及び第六反射753と第七反射鏡754の光路距離L4を光路距離L4´に調整する。この時に、レーザー光がレーザー腔体7から出射し始め、フォーカスレンズ組立体77に入射する光路距離はL´である。すなわち、L´=L1+L2+L3+2*L4´+L5+L6+L7となる。
Referring to FIG. 3, the optical path
本実施形態において、光路距離を増加するために、L4´がL4より大きいように設ける。もちろん、要求に応じて光路距離を縮小してもよい。 In the present embodiment, in order to increase the optical path distance, L4 ′ is provided to be larger than L4. Of course, the optical path distance may be reduced as required.
L4´がL4より大きいので、光路距離L´が光路距離Lより大きくなる。第四反射鏡751、第五反射鏡752がそれぞれ第七反射鏡754、第六反射鏡753に対する距離を同時に調整し、即ち、第四反射鏡751と第七反射鏡754との光路距離L5及び第五反射752と第六反射鏡753との光路距離L5を光路距離L5´に調整する。レーザー光がレーザー腔体7から出射し始め、フォーカスレンズ組立体77に入射する光路距離はL´である。すなわち、L´=L1+L2+L3+2*L4´+L5´+L6+L7となる。
Since L4 ′ is larger than L4, the optical path distance L ′ becomes larger than the optical path distance L. The fourth reflecting
によって、図3に示す光束の直径D´が図2に示す光束の直径Dより大きいことが分かる。光路距離調整システム75によって光路距離を変えることによって、基板に照射する光点の大きさを変えることができる。このようにすると、異なる切断要求を満足できる。
3 indicates that the diameter D ′ of the light beam shown in FIG. 3 is larger than the diameter D of the light beam shown in FIG. By changing the optical path distance by the optical path
また、図2、図3、図5、及び図6を参照すれば、レーザー光が閉じられる状態から、激励される状態、及び安定的に出力する状態まで時間をかかるので、レーザー光を安定的に出力させるために、レーザー光の光路に光遮断器72を設置する。図5に示すように、光遮断器72が閉じられる状態に、レーザー光が光遮断器72に遮断され、第二反射鏡73に入射されない。図6に示すように、光遮断器72が開く状態に、レーザー光が通ることができる。前記光遮断器72は、レーザー光が通過又は遮断されるスイッチとして、レーザー光が工作物体の表面に出力するかどうかをコントロールする。製造過程において、レーザー腔体7をコントロールせず、光遮断器72の開閉だけをコントロールし、レーザー光の出力をコントロールできる。
In addition, referring to FIGS. 2, 3, 5, and 6, since it takes time from the state where the laser light is closed to the state where it is excited and stably output, the laser light is stable. In order to output the light, a
図7を参照すれば、本実施形態において、予切断システム78は切削ユニットであり、もちろん、レーザーシステムでもある。切削ユニットは、モーター781と、ブレーキ782と、を含む。モーター781とブレーキ782とが協力して、切削ユニットをX軸、Y軸及びZ軸に沿って移動させる。該切削ユニットは、ブレーキ782に設置されるボイスコイルモーター(voice-coil motor)783、及び該ボイスコイルモーター783に取り付ける切削カッターヘッド784を更に含む。該ボイスコイルモーター783は、切削カッターヘッド784の動力伝送工具として使用され、何れかの機械背隙はないので、出力をコントロールすることが精確で、速くなる。従って、基板の平坦性に対する敏感度が良く、切削カッターヘッド784の予切断深さの均一性を良くコントロールできる。
Referring to FIG. 7, in the present embodiment, the
1 レーザー光ユニット
2 反射鏡
3 フォーカスレンズ組立体
4 ホイールカッター
5 冷却システム
6 基板
7 レーザー腔体
71 第一反射鏡
72 光遮断器
73 第二反射鏡
74 コリメーター
75 光路距離調整システム
751 第四反射鏡
752 第五反射鏡
753 第六反射鏡
754 第七反射鏡
76 第三反射鏡
77 フォーカスレンズ組立体
78 予め切断システム
781 モーター
782 ブレーキ
783 ボイスコイルモーター
784 切断カッターヘッド
79 冷却システム
80 多孔性材料の真空チャック
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (11)
前記予切断線に沿って、基板を加熱して熱膨張させるレーザー光を発生させるレーザー光システムと、
前記熱膨張した基板を冷却する冷却システムと、を含む、脆性基板を切断するために利用されるレーザー切断装置において、
前記レーザー光システムは、
前記レーザー光を発生するレーザー腔体と、
光路距離調整システムと、を含み、
前記光路距離調整システムは、前記レーザー光が前記基板に照射する光路に配置され、
前記光路距離を調整するために利用されることを特徴とするレーザー切断装置。 A pre-cutting system for forming a pre-cut line on the substrate;
A laser beam system for generating a laser beam for heating and thermally expanding the substrate along the pre-cut line;
A laser cutting device utilized for cutting a brittle substrate, comprising: a cooling system for cooling the thermally expanded substrate;
The laser light system is
A laser cavity for generating the laser beam;
An optical path distance adjustment system, and
The optical path distance adjustment system is disposed in an optical path where the laser beam irradiates the substrate,
A laser cutting device used for adjusting the optical path distance.
又は遮断をコントロールする光遮断器を更に含むことを特徴とする、請求項4に記載のレーザー切断装置。 The laser cutting apparatus according to claim 4, wherein the laser beam system further includes an optical blocker that is installed in the laser cavity body and controls passage or blocking of the laser beam.
前記予切断線に沿って、基板を加熱して熱膨張させるレーザー光を発生させるレーザー光システムと、
前記熱膨張した基板を冷却する冷却システムと、を含む、脆性基板を切断するために利用されるレーザー切断装置において、
前記レーザー光システムは、
前記レーザー光を発生するレーザー腔体、及び
前記レーザー腔体に設置され、レーザー光通過又は遮断をコントロールする光遮断器を含むことを特徴とするレーザー切断装置。 A pre-cutting system for forming a pre-cut line on the substrate;
A laser beam system for generating a laser beam for heating and thermally expanding the substrate along the pre-cut line;
A laser cutting device utilized for cutting a brittle substrate, comprising: a cooling system for cooling the thermally expanded substrate;
The laser light system is
A laser cutting apparatus comprising: a laser cavity that generates the laser light; and a light interrupter that is installed in the laser cavity and controls passage or blocking of the laser light.
ボイスコイルモーターと、
前記ボイスコイルモーターに取り付け、前記基板を切断し、予め切断線を形成する切削カッターヘッドと、を含むことを特徴とする、請求項10に記載のレーザー切断装置。 The cutting unit is
A voice coil motor,
The laser cutting apparatus according to claim 10, further comprising: a cutting cutter head that is attached to the voice coil motor, cuts the substrate, and previously forms a cutting line.
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