JP2008080346A - レーザ加工装置及び加工方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザ光を用いた薄型のガラス基板等の加工対象物に対する割断用の溝加工を、正確に行えるようにする。
【解決手段】レーザ光を用いて加工対象物に割断用の溝を形成する場合に、加工対象物20の被加工面を垂直に配置し、レーザ光を2つに分岐し、分岐されたレーザ光を、加工対象物の第1の面20a及び第1の面の裏面である第2の面20bを垂直にした状態で、第1の面20aの所定の位置及び第2の面20bの所定の位置に集光し、第1の面20aの所定の位置に集光されるレーザ光の光軸である第1の光軸及び第2の面20bの所定の位置に集光されるレーザ光の光軸である第2の光軸の各々と、第1の面20a及び第2の面20bとの交点の位置を、割断予定線上で相対的に移動させる。
【選択図】図4
【解決手段】レーザ光を用いて加工対象物に割断用の溝を形成する場合に、加工対象物20の被加工面を垂直に配置し、レーザ光を2つに分岐し、分岐されたレーザ光を、加工対象物の第1の面20a及び第1の面の裏面である第2の面20bを垂直にした状態で、第1の面20aの所定の位置及び第2の面20bの所定の位置に集光し、第1の面20aの所定の位置に集光されるレーザ光の光軸である第1の光軸及び第2の面20bの所定の位置に集光されるレーザ光の光軸である第2の光軸の各々と、第1の面20a及び第2の面20bとの交点の位置を、割断予定線上で相対的に移動させる。
【選択図】図4
Description
本発明は、例えば、液晶表示パネルに使用されるガラス基板の割断加工に用いられるレーザ加工装置に適用して好適なレーザ加工装置及び加工方法に関する。
従来、基板等の加工対象物を切断する手法として、レーザ光を用いた非接触加工法が良く知られている。レーザ光を用いた非接触加工法では、加工対象物が吸収する波長のレーザ光を切断予定箇所に照射し、切断予定箇所においてレーザ光吸収による加熱溶融を進行させることにより割断用の溝を生成し、溝が生成された後に、形成された溝を山として被加工対象物を折り曲げることで切断する。または、形成された溝の先端を始点として板厚み方向へ、平面状のクラックを起こさせて切断を行う。
図6は、従来のレーザ加工装置の構成例を示した図である。図6において、レーザ光源101でレーザ光が発振され、レーザ光源101で発振されたレーザ光はレーザ光調整部102に入射され、レーザ光調整部102でコリメート及びビーム強度の調節が行われる。レーザ光調整部102で調節されたレーザ光は、光学ユニット104a〜104cを介して対物集光レンズ105に入射される。そして対物集光レンズ105は、加工対象物設置台108上に配置された加工対象基板200の割断予定線上に、レーザ光を集光させる。
対物集光レンズ105は対物レンズベース106によって保持されており、対物レンズベース106は、図中のx軸上をスライド可能な状態で支柱107上に設けられている。また、加工対象物設置台108も図中のy軸上を移動可能な構成としてあり、対物レンズベース106で対物集光レンズ105のx軸方向の位置を調整後に、対物集光レンズ105からレーザ光が照射された状態で、加工対象物設置台108がy軸方向に所定の速度で移動することにより、加工対象基板200上に割断用の溝が形成される。
ところが、液晶パネルや有機EL(electroluminescence)パネルのように、加工対象物としての基板が液晶層や有機EL層を挟んで2枚重ねられて構成されている場合には、上述したようなレーザ加工装置では2枚を一度に切断することは難しくなる。従って、片面を加工後に基板を裏返してもう片面を加工する手間が必要となる。また、液晶パネルや有機ELパネルにおいては近年薄型化が進んでおり、基板が薄型化されることで、基板を反転させる時に割断予定線と異なる部分に割れが生じてしまうなどの問題もあった。このため、加工対象物の両面を一度に加工する手法が考案されている。
特許文献1には、加工材料の割断予定線に対してレーザ光線が両面から照射して割断加工を行うことについての開示がある。
特開昭62−240186号公報
しかしながら、基板の両面を一度に加工するには、加工対象物である基板のいずれかの側辺部を装置側で挟んで固定する必要がある。ところが、特許文献1に記載されたもののように、基板の加工面を水平に配置した状態で基板の1辺を固定すると、基板が薄型でさらに大型である場合は特に、基板にたわみやうねりが生じてしまう可能性がある。このような状態では、正確な加工を行うことが難しいという問題があった。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、薄型かつ大型のガラス基板のように、たわみやすい加工対象物に対する割断用の溝加工を、正確に行えるようにすることを目的とする。
本発明は、レーザ光を用いて加工対象物に割断用の溝を形成する場合に、加工対象物の被加工面を垂直に配置し、レーザ光を2つに分岐し、分岐されたレーザ光を、加工対象物の第1の面及び第1の面の裏面である第2の面を垂直にした状態で、第1の面の所定の位置及び第2の面の所定の位置に集光し、第1の面の所定の位置に集光されるレーザ光の光軸である第1の光軸及び第2の面の所定の位置に集光されるレーザ光の光軸である第2の光軸の各々と、加工対象物の第1の面及び第2の面との交点の位置を、割断予定線上で相対的に移動させるようにしたものである。
このようにしたことで、加工対象物が垂直に配置された状態で加工対象物の両面が同時に加工されるようになり、加工対象物にたわみが無い状態での加工が可能となる。
本発明によると、薄型かつ大型のガラス基板のように、たわみやすい加工対象物に対する割断用の溝加工が、正確に行えるようになる。
以下、本発明の一実施の形態を、図1〜図5を参照して説明する。
本実施の形態においては、例えば液晶パネルに用いられるような、厚さが0.2mm程度の基板を2枚備えたガラス基板を加工するレーザ加工装置に適用したものである。図1は、本発明が適用されるレーザ加工装置50の概略構成の一例を示す図である。図2は、レーザ加工装置50を別の角度から見た場合の概略構成の一例を示す図である。図2において、図1と対応する部分には同一符号を付してある。
図1及び図2に示すレーザ加工装置50は、レーザ光源1と、レーザ光調整部2と、ビームスプリッタ3(レーザ光分岐部)と、導光路として機能する光学ユニット4a,4b,4cと、対物集光レンズ5a,5bと、基板ホルダ6(加工対象物保持部)と、リニアスライドユニット7とを有し、レーザ光源1からレーザ光を出射し、加工対象基板20の加工面に割断用の溝を生成する。
レーザ光源1には、例えば、YAGレーザ(波長1064nm)の波長変換を行って第3高調波(波長355nm(紫外線領域))としたQスイッチパルスレーザを用いる。本例ではこのパルスレーザを用いて、加工対象基板20に対し直線状の割断用溝を生成する。パルス間隔やパルス波オンオフの切り替えは、後述する制御部により制御される。
レーザ光調整部2は、後述するようにコリメート・パワー調整部及びシャッタ(図3参照)を備えており、レーザ光源1から入力されたレーザ光をコリメートして所定サイズの平行光とすると共に、ND(Neutral Density)フィルタを用いてパワーを調整し、レーザ光のビーム強度を均一化して出力する。ビーム強度の調整は、NDフィルタを用いずに行ってもよく、例えば、レーザ光の光軸に対して偏光フィルタを垂直に配置し、その偏光フィルタをレーザ光の光軸を中心に所定の角度だけ回転させることにより行うようにしてもよい。レーザ光調整部2は、加工時にはシャッタを開口してレーザ光を通過させ、非加工時には閉口してレーザ光を遮断するようにしてある。
ビームスプリッタ3は、レーザ光調整部2から入射されるレーザ光を、2つに分岐させる。光学ユニット4a,4b,4cは、内部にミラー等を格納しており、ビームスプリッタ3で分岐されたレーザ光を所定の角度で反射させる。レーザ光源1、レーザ光調整部2、ビームスプリッタ3、光学ユニット4bは、レーザ加工装置50上方のレーザユニットベース10上に配置されている。レーザユニットベース10は、これらの装置を固定しており、レーザユニットベース10は、レーザ加工装置50の各部を底部で支持するベース11によって保持されている。
対物集光レンズ5aは、光学ユニット4aによって導かれたレーザ光を集光し、対物集光レンズ5bは、光学ユニット4b、4cにより導かれたレーザ光を集光する。対物集光レンズ5aで集光されたレーザ光及び対物集光レンズ5bで集光されたレーザ光は、加工対象基板20に予め設けてある割断予定線(図示せず)上の所定の位置に照射される。割断予定線は、加工対象基板20上に複数本平行に設けてあるものとする。対物集光レンズ5aと5bとは、y軸方向に互いにずらして配置してあり、配置の詳細については後述する。
加工対象基板20は、被加工面が垂直にされた状態で基板ホルダ6に挿入してある。基板ホルダ6はコの字形の形状をしており、加工対象基板20の3辺を保持している。このように、加工対象基板20を垂直にしてその3辺を保持する形状とすることで、面積の大きな加工対象基板20を取り扱う場合にも、加工対象基板20にたわみやうねりが生じにくくなる。
基板ホルダ6の1辺はリニアスライドユニット7に設けられた溝に組み込まれており、リニアスライドユニット7は、加工対象基板20を保持する基板ホルダ6をこの溝に沿ってすなわちy軸方向に摺動させる。基板ホルダ6とリニアスライドユニット7の溝によって加工対象基板20のx軸方向の位置が規定される。リニアスライドユニット7は、リニアスライドユニットベース8上に設置してあり、リニアスライドユニットベース8は、z軸スライドレール9上を、図中にz軸として示した上下方向に移動可能な機構としてある。加工対象基板20を保持した基板ホルダ6は、リニアスライドユニット7上を図中にyとして示した左右の方向(y軸方向)に移動し、リニアスライドユニットベース8は、z軸スライドレール9上をz軸で示された上下の方向(z軸方向)に移動する。なお、これらのスライド機構は、例えば、パルスモータと斜面カムを結合させてスライドさせるもの、ボールネジに結合させた送り機構によるものなどが考えられる。
上記のように、本例においては、光学ユニット4a〜4cと集光レンズ5a及び5bで構成される光学系を装置に固定させた上で、加工対象基板20を保持した基板ホルダ6を、リニアスライドユニットベース7を介してy軸方向に、また、リニアスライドユニット8を介してz軸スライドレール9上をz軸方向に移動可能な構成としてある。
次に、図3を参照して、レーザ光源1からレーザ光が出射されてから加工対象基板20に照射されるまでの流れについて説明を行う。レーザ加工装置50の各部の制御は、図3に示す制御部15からの指令信号に基づき行われる。また、制御部15は記憶部(図示せず)を有しており、レーザ加工装置50の各部の駆動に必要な各種パラメータや設定値を記憶させてある。
まず、制御部15に予め記憶させてあるパラメータに基づいてレーザ光源1でパルスレーザ光が発振・出射される。レーザ光源1から出射されたレーザ光は、レーザ光調整部2のコリメート・パワー調整部2aに入力され、制御部15に予め記憶させてあるパラメータに基づいてレーザ光が所定のサイズの平行光にコリメートされると共に、ビーム強度の調整が行われる。レーザ光調整部2で調整されたレーザ光は、制御部15の制御に基づいてシャッタ2bが開口された時に、開口したシャッタ2bから出力され、ビームスプリッタ3に入力される。
ビームスプリッタ3では、レーザ光が2つに分岐され、分岐された一方のレーザ光は光学ユニット4aを経て対物集光レンズ5aに入力される。ビームスプリッタ3で分岐されたもう一方のレーザ光は、光学ユニット4b及び4cを経て対物集光レンズ5bに入力される。そして、対物集光レンズ5aにより集光されたレーザ光は、加工対象基板20の被加工面20a(第1の面)に予め設けられた割断予定線L1上に照射され、また、対物集光レンズ5bにより集光されたレーザ光は、加工対象基板20の被加工面20b(第2の面)の割断予定線(図示せず)に照射される。両集光レンズからの照射は同時に行われる。
図4は、対物集光レンズ5a及び5bの配置の例を示す図である。図4(a)は加工対象基板20を横から見た図であり、図4(b)は加工対象基板20を上から見た図である。加工対象基板20の割断予定線がy軸方向である場合、対物集光レンズ5aと5bの配置位置は、上下方向(z軸方向)について同一とする。すなわち、図4(a)に示すように、加工対象基板20を横から見た図においては、対物集光レンズ5aと5bはz軸方向において同一の位置に配置される。対物集光レンズ5aと5bは、z軸方向には同一位置に配置してあるが、y軸方向つまり割断予定線に沿う方向にはずらして配置してあり、図4(b)に示すように加工対象基板20を上から見た図においては、対物集光レンズ5aと5bとが、y軸方向において異なる位置に配置されている。
図4(b)中に矢印として示した方向は、加工対象基板20の移動方向である。加工対象基板20が矢印の方向に移動することで、対物集光レンズ5aから照射されるレーザ光の光軸(第1の光軸)と対物集光レンズ5bから照射されるレーザ光の光軸(第2の光軸)の各々と、加工対象基板20の被加工面20a及び被加工面20bとの交点が、第1の光軸と第2の光軸を含む平面上で第1の光軸と第2の光軸に対して垂直な方向に移動し、この動作によって加工対象基板20上に割断用の溝が形成される。図4(b)に示されるように、対物集光レンズ5aと5bとがy軸上でずれて配置されることで、加工対象基板20のy軸上の同一位置を、両集光レンズにより集光されたレーザ光が両面から同時に照射することがなくなる。これにより、対物集光レンズ5aにより集光されたレーザ光と対物集光レンズ5bにより集光されたレーザ光とが干渉し合ったり、一方の対物集光レンズで集光されたレーザ光が他方の対物集光レンズに入射し、戻り光となってレーザ光源に影響を及ぼしてしまうようなことが無くなる。ただし、集光レンズから出射されるレーザ光はxy平面に対して平行とする。
次に、レーザ加工装置50による溝生成加工の手順について、図5のフローチャートを参照して説明する。まず、レーザ光源1でレーザ光が発振されると(ステップS1)、レーザ光調整部2で、レーザ光源1で発振されたレーザ光のビームサイズ及び強度が調整される(ステップS2)。この時点で加工対象基板20は、被加工面が垂直な状態で基板ホルダ6に保持されている。加工対象基板20の基盤ホルダ6への挿入は、基板ホルダ6内に設けられたガイド溝に対して行われるものであり、挿入の作業は、搬送ロボット等により行わせてもよく、人為的に行うようにしてもよい。また、基板ホルダ6は、図1に示された状態において、レーザ光が加工対象基板20のy軸方向の端部から照射されるように配置されている。
次に、対物集光レンズ5a及び5bによる集光点の位置と、加工対象基板20に設けられた割断予定線の位置とをz軸方向(図1参照)で合わるため、制御部15の制御に基づき、リニアスライドユニットベース8がz軸スライドレール9上を上下方向に移動する(ステップS3)。
z軸方向の位置合わせが完了すると、制御部15の制御に基づいてレーザ光調整部2のシャッタ2bが開口し(ステップS4)、シャッタ2bから出射されたレーザ光はビームスプリッタ3に入射され、ビームスプリッタ3にてレーザ光が2つに分岐される(ステップS5)。2つに分岐されたレーザ光が集光レンズ5a及び5bによって集光されて、加工対象基板20の両面の割断予定線上に同時に照射される(ステップS6)。
次に、リニアスライドユニット7に保持された基板ホルダ6が、制御部15の制御に基づいてy軸方向に移動を開始し、基板ホルダ6によって保持された加工対象基板20が、図1におけるy軸上を、例えば紙面の手前側から奥側へ向かって移動する(ステップS7)。この動作により、対物集光レンズ5aまたは5bで集光されたレーザ光の照射位置が、加工対象基板20上の割断予定線上を移動し、割断予定線上に割断用の溝が生成される。
図4(b)に示されるように、対物集光レンズ5bは対物集光レンズ5aよりy軸方向において紙面手前側に配置してあるため、対物集光レンズ5bにて集光されたレーザ光が、加工対象基板20の被加工面20bを加工するタイミングは、対物集光レンズ5bにて集光されたレーザ光が、加工対象基板20の被加工面20bを加工するタイミングよりも、y軸方向の配置のずれの分だけ早くなる。
図5のフローチャートに戻って説明を続けると、ステップS8において、基板ホルダ6がリニアスライドユニット7の終端(図1においてはy軸方向の一番奥)まで達したか否かの判断がされる。基板ホルダ6がリニアスライドユニット7の終端まで移動しない間は、基板ホルダ6の移動が続けられ、終端まで移動したと判断された場合には、シャッタ2bが閉口されてレーザ光の照射が止められる(ステップS9)。そして、すべての割断予定線に対して加工が行われたか否かの判断が行われる(ステップS10)。未加工の割断予定線がまだ残っている場合には、基板ホルダ6の位置がリニアスライドユニット7の端部に戻され(ステップS11)、再びステップ3から作業が繰り返される。つまりステップ3では、対物集光レンズ5aと5bとが、加工対象基板20上の次の割断予定線上に配置されるよう、z軸方向の位置合わせが行われる。このようにして、加工対象基板20上に設けられた複数本の割断予定線上を、割断用の溝が順に形成されていく。
すべての割断予定線に対する加工が行われたと判断された場合に作業が完了となる。
このように、加工対象基板20を基板ホルダ6によって垂直に保持した状態で加工を行うため、本例で例に挙げたような2枚の基板が接合されてなる0.4mm程の薄い基板を扱う場合にも、基板にたわみやうねりが生じることが無くなり、割断予定線上を正確に加工することができるようになる。
また、レーザ光を2つに分岐して加工対象基板20の両面から加工を行うようにしてあるため、ガラス基板が2枚重ねられた形状のものを扱う場合にも基板の表裏を反転させる必要がなくなり、反転のための機構を削減することができる。また、反転の動作自体を行わないため、反転させることにより発生し得る、割断予定線以外の箇所が誤って切断されてしまう等の問題が発生しなくなる。
また、基板を縦にして扱うため、面積の大きな基板を取り扱う場合にもレーザ加工装置の床面積を低減できる。
また、割断用溝生成の加工後も基板を縦に保持した状態で次の工程を行う装置へ搬送するようにした場合には、基板が割れる方向に働く応力を抑えることができ、搬送中の基板破損を防止することができる。
また、対物集光レンズ5aと5bとを、割断予定線上を溝形成方向にずらして配置してあるため、加工対象基板20上の溝形成方向における同一位置を、両集光レンズにより集光されたレーザ光が同時に照射することがなくなる。これにより、対物集光レンズ5aにより集光されたレーザ光と対物集光レンズ5bにより集光されたレーザ光とが干渉し合ったり、一方の対物集光レンズで集光されたレーザ光が他方の対物集光レンズに入射して戻り光となってレーザ光源1の動作に不具合を生じさせるといった問題が発生しなくなる。これにより戻り光防止用の専用の装置を設ける必要がなくなり、製造コストの削減につながる。
また、対物集光レンズ5a及び5bや、光学ユニット4a〜c等のレーザ光学系の各部をレーザ加工装置50に対し固定させ、加工対象基板20の方を移動させる構成としてあるため、調整等のメンテナンスが容易となる。
なお、ここまで説明した実施の形態では、液晶パネル等に用いられる厚さ0.2mm程度の基板を2枚備えたガラス基板を加工するレーザ加工装置に適用した例を説明したが、レーザ加工装置が取り扱う基板の厚さは0.2mmに限定されるものではない。また、取り扱う基板の種類も、有機ELパネルやPDP(Plasma Display Panel)等に用いられるガラス基板のほか、種々の基板に適用できる。
また、上述した実施の形態では、リニアスライドユニット7を水平方向(y軸方向)に移動させて基板への加工を行うようにしたが、地面に対して垂直方向(z軸方向)への移動時に、すなわち垂直方向の溝生成の加工を行うようにしてもよい。
また、上述した実施の形態では、YAGレーザの波長変換を行った第3高調波のQスイッチパルスレーザを使用するようにしたが、紫外線領域の波長のレーザであれば、モードロックレーザ等他のレーザであってもよい。
また、上述した実施の形態では、対物集光レンズ5a,5bや、光学ユニット4a,4b,4c等の光学系の各部をレーザ加工装置50上に固定させ、加工対象基板20の方を移動させる構成としたが、加工対象基板20側を固定し、光学系の各部を可動とする構成としてもよい。この場合、加工対象基板20に対して、光学ユニット4a,4b,4cと対物集光レンズ5a,5bとを、当該加工対象基板20の割断予定線上で相対的に移動させることで、加工対象基板20の割断予定線上に割断用の溝が形成される。
1…レーザ光源、2…レーザ光調整部、3…ビームスプリッタ、4a,4b,4c…光学ユニット、5a,5b…対物集光レンズ、6…基板ホルダ、7…リニアスライドユニット、8…リニアスライドユニットベース、9…z軸スライドレール、10…レーザユニットベース、11…ベース、15…制御部、20…加工対象基板
Claims (7)
- レーザ光を用いて加工対象物に割断用の溝を形成するレーザ加工装置において、
前記レーザ光を2つに分岐するレーザ光分岐部と、
前記レーザ光分岐部により分岐されたレーザ光を、前記加工対象物の第1の面の所定の位置に集光する第1の集光レンズと、
前記レーザ光分岐部により分岐されたレーザ光を、前記加工対象物の第1の面の裏面である第2の面の所定の位置に集光する第2の集光レンズと、
前記第1の面及び前記第2の面を垂直にした状態で前記加工対象物を保持する加工対象物保持部と、
前記第1の集光レンズによって集光されたレーザ光の光軸である第1の光軸及び前記第2の集光レンズによって集光されたレーザ光の光軸である第2の光軸の各々と、前記加工対象物の第1の面及び第2の面との交点の位置を、割断予定線上で相対的に移動させる制御を行う制御部とを備えたことを特徴とする
レーザ加工装置。 - 請求項1記載のレーザ加工装置において、
前記第1の集光レンズ及び前記第2の集光レンズは、前記第1の光軸と前記加工対象物の第1の面との交点と、前記第2の光軸と前記加工対象物の第2の面との交点とが、前記割断予定線上で所定間隔離れるよう配置されていることを特徴とする
レーザ加工装置。 - 請求項1記載のレーザ加工装置において、
前記加工対象物は四辺で構成される板状であり、前記加工対象物保持部は、前記加工対象物の四辺の少なくとも3つの辺を保持することを特徴とする
レーザ加工装置。 - 請求項1記載のレーザ加工装置において、
前記制御部は、前記第1の光軸及び前記第2の光軸の各々と前記加工対象物の第1の面及び第2の面との交点を、前記第1の光軸と前記第2の光軸を含む平面上で前記第1の光軸及び前記第2の光軸に対して垂直な方向に移動させる制御を行うことを特徴とする
レーザ加工装置。 - 請求項1記載のレーザ加工装置において、
前記制御部は、前記加工対象物保持部に保持された加工対象物を移動させることにより、前記第1の光軸及び前記第2の光軸の各々と前記加工対象物の第1の面及び第2の面との交点の位置を、前記割断予定線上で移動させることを特徴とする
レーザ加工装置。 - 請求項1記載のレーザ加工装置において、
前記制御部は、前記第1の集光レンズ及び前記第2の集光レンズの位置を移動させることにより、前記第1の光軸及び前記第2の光軸の各々と前記加工対象物の第1の面及び第2の面との交点の位置を、前記割断線予定線上で移動させることを特徴とする
レーザ加工装置。 - レーザ光を用いて加工対象物に割断用の溝を形成するレーザ加工方法において、
前記レーザ光を2つに分岐する工程と、
前記分岐されたレーザ光を、前記加工対象物の第1の面及び前記第1の面の裏面である第2の面を垂直にした状態で、前記第1の面の所定の位置及び前記第2の面の所定の位置に集光する工程と、
前記第1の面の所定の位置に集光されるレーザ光の光軸である第1の光軸及び前記第2の面の所定の位置に集光されるレーザ光の光軸である第2の光軸の各々と、前記加工対象物の第1の面及び第2の面との交点の位置を、割断予定線上で相対的に移動させる工程とを備えたことを特徴とする
レーザ加工方法。
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