JP2012076143A - レーザー切断装置およびこれを備えるスリッター機 - Google Patents

レーザー切断装置およびこれを備えるスリッター機 Download PDF

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Abstract

【課題】レーザー光の出力が不安定とならず、偏光フィルムの切断面の品質劣化を招くことのないレーザー切断装置を提供する。
【解決手段】本発明に係るレーザー切断装置10は、偏光フィルム6にレーザー光L6を照射して切断するものであり、レーザー光L1を発振するレーザー光発振機1と、レーザー光発振機1から発振されたレーザー光を偏光フィルム6へ反射するベンドミラー3と、偏光フィルム6とベンドミラー3との間に配置され、レーザー光L6を集光する集光レンズ5とを備えており、ベンドミラー3と集光レンズ5との間に、レーザー光L3を透過および反射するビームスプリッター4を備えている。
【選択図】図1

Description

本発明は、レーザー切断装置およびこれを備えるスリッター機に関するものである。
偏光フィルムは液晶パネル等に広く用いられている。従来、偏光フィルムの加工工程では、偏光フィルムを含む積層物のうち偏光フィルムのみを切断する偏光フィルムのハーフカット、または偏光フィルムの端部の切断などがなされる。偏光フィルムの切断には刃物による切断がなされていたが、被切断物からフィルムカスなどの異物が生じ難い。この異物が偏光フィルムに混入することにより、歩留まりが低下してしまう。
そこで、近年ではレーザーでの切断が行われている。レーザーでの切断を行う場合、刃物による切断と比較して、被切断物からフィルム屑などの異物が生じ難い。これによる、歩留まりの低下を抑制することができる。このため、当該切断方法は有用であり、種々の方法が開発されている(例えば、特許文献1,2)。
特開2008‐302376号公報(2008年12月18日公開) 特開2009‐22978号公報(2009年2月5日公開)
しかしながら、上記従来のレーザーによる偏光フィルムの切断方法では、相対的に移動する偏光フィルムを切断する際に、不具合が生じるという問題点を有している。すなわち、レーザーの低出力側を用いた場合、レーザーの出力が不安定な為、適切な切断ができないという問題がある。
具体的に以下に説明する。搬送された偏光フィルムを切断する場合、切断のほとんどは一定速度で偏光フィルムを搬送しながらなされる。生産効率を向上させるため、上記一定速度は、例えば50m/s程度という大きな速度である。したがって、歩留まりを高める観点から一定速度の前後における加速時および減速時においても偏光フィルムの切断がなされる。
偏光フィルムの搬送速度が大きい一定速度の段階では、レーザーが照射された部分の単位時間当たりのエネルギーが減少する。よって、切断に必要なレーザーの出力を増加させる必要がある。一方、偏光フィルムの搬送速度が小さい段階では、レーザーが照射された部分の単位時間当たりのエネルギーが増加する。その結果、偏光フィルムの切断面に過剰な熱が作用することによる品質の劣化が生じるおそれがある。そこで、レーザーの出力を抑える必要がある。
ここで、レーザーの出力を抑えるため、レーザーの低出力側を用いた場合、レーザーの発振が不安定になり得るという問題がある。このため、調整した出力にブレが生じ、偏光フィルムを切断するに足りるエネルギーを照射できないおそれがあり、搬送速度が小さい段階であっても、安定した出力にて切断面の品質劣化を招くことなく偏光フィルムを切断するレーザー切断装置が要求されている。
このような問題に関連して、特許文献2では被加工物とレーザー光との相対的な移動速度を大きくし、レーザー光の照射回数を低減させるレーザー加工方法が開示されている。当該技術によれば、レーザー発振器の不安定な出力に起因するレーザー光のパワー増大により、エッチング深さが深くなり過ぎることを回避することができる。しかしながら、当該技術では、被加工物とレーザー光との相対的な移動速度を大きくする必要があり、相対速度が小さい場合に適用し難いという問題がある。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、レーザー光の出力が不安定とならず、偏光フィルムの切断面の品質劣化を招くことのないレーザー切断装置を提供することにある。
本発明のレーザー切断装置は、上記課題を解決するために、偏光フィルムにレーザー光を照射して切断するレーザー切断装置において、レーザー光を発振するレーザー光発振機と、レーザー光発振機から発振されたレーザー光を偏光フィルムへ反射するベンドミラーと、偏光フィルムとベンドミラーとの間に配置され、上記レーザー光を集光する集光レンズとを備えており、上記ベンドミラーと集光レンズとの間に、上記レーザー光を透過および反射するビームスプリッターを備えることを特徴としている。
本発明のレーザー切断装置では、ビームスプリッターによってレーザー光は透過光と反射光とに分岐され、透過光によって偏光フィルムが切断される。よってレーザー光発振機の出力が大きくとも、偏光フィルムに照射されるレーザー光のエネルギーを低減させることができる。その結果、レーザー切断装置と偏光フィルムとの相対速度が小さい場合であっても、レーザー光発振機を高出力にて使用することができる。すなわち、レーザー光発振機の高出力側を用いた場合の利点である出力の安定性を得ることができる。一方、ビームスプリッターによって偏光フィルムに照射されるエネルギーが低減されるため、レーザー光発振機の高出力側を用いた場合の問題点である切断面の品質の劣化を抑制することができる。
また、本発明のレーザー切断装置では、上記レーザー光発振機の出力が30W以上、400W以下であり、上記ビームスプリッターのレーザー光を透過および反射する比率が、3:7〜7:3であることが好ましい。
上記レーザー光発振機の出力が30W以上、400W以下である場合、ビームスプリッターのレーザー光を透過および反射する比率が上記の範囲内であれば、偏光フィルムの切断に好適に使用することができる。
また、本発明のレーザー切断装置では、上記レーザー光発振機がCOレーザー光発振機であることが好ましい。
COレーザー光発振機は高出力であり、偏光フィルムの切断に好適である。
また、本発明のスリッター機は、偏光フィルムを巻出す巻出部と、偏光フィルムを巻取る巻取部とを備え、上記巻出部と巻取部との間に、上記レーザー切断装置を備えるものである。
本発明に係るスリッター機はレーザー切断装置を備えているため、偏光フィルムの搬送速度が小さい場合であっても、レーザー光発振機を高出力にて使用することができる。その結果、レーザー光発振機の高出力側を用いた場合の利点である出力の安定性を得ることができる。一方、ビームスプリッターによって偏光フィルムに照射されるエネルギーが低減されるため、レーザー光発振機の高出力側を用いた場合の問題点である偏光フィルムの切断面における品質の劣化を抑制することができる。
本発明のレーザー切断装置は、以上のように、レーザー光を発振するレーザー光発振機と、レーザー光発振機から発振されたレーザー光を偏光フィルムへ反射するベンドミラーと、偏光フィルムとベンドミラーとの間に配置され、上記レーザー光を集光する集光レンズとを備えており、上記ベンドミラーと集光レンズとの間に、上記レーザー光を透過および反射するビームスプリッターを備えるものである。
それゆえ、レーザー切断装置と偏光フィルムとの相対速度が小さい場合であっても、レーザー光発振機を高出力にて使用することができる。すなわち、レーザー光発振機の高出力側を用いた場合の利点である出力の安定性を得ることができる。一方、ビームスプリッターによって偏光フィルムに照射されるエネルギーが低減されるため、レーザー光発振機の高出力側を用いた場合の問題点である切断面の品質の劣化を抑制することができるという効果を奏する。
本発明に係るレーザー切断装置を示す断面図である。 偏光フィルムを搬送した場合の時間tと出力wとの関係を示すグラフである。 本発明に係るスリッター機を示す断面図である。 本発明に係るスリッター機による偏光フィルムの切断過程を示す平面図である。 実施例1および比較例1にて切断した偏光フィルムを示す側面図である。
本発明の一実施形態について図1〜4に基づいて説明すれば、以下の通りである。
〔切断装置〕
図1は、本発明に係るレーザー切断装置10を示す断面図である。レーザー切断装置10は、レーザー光発振機1、ビームエキスパンダー2、ベンドミラー3、ビームスプリッター4および集光レンズ5を備えている。
レーザー光発振機1はレーザー光を発振する部材であり、特に限定されるものではない。例えば、COレーザー(二酸化炭素レーザー)、UVレーザー、半導体レーザー、YAGレーザー、エキシマレーザーなどを用いることができる。この中でも高出力であり、偏光フィルムの切断に好適なCOレーザーが好ましい。
レーザー光発振機1の出力が低い場合、レーザー光の出力が不安定となり易くなる。このため、出力は高出力であることが好ましい。一方、出力が高すぎると、過剰な熱膨張等により偏光フィルムの切断面に品質の劣化が生じてしまう。
レーザー光発振機1の具体的な出力は、偏光フィルム6の厚さ、偏光フィルム6の搬送速度および後述するビームスプリッター4による透過および反射の比率に応じて適宜調整することが望ましい。これらの観点からレーザー光発振機1の出力は、30W以上、400W以下であることが好ましい。なお、レーザー光発振機1の出力が低い場合、出力が不安定となるが、具体的には、30W未満であると不安定となる傾向にある。
照射するレーザー光の周波数は、レーザー光発振機1の出力、偏光フィルム6の厚さおよび偏光フィルムの搬送速度等により適宜変更されるが、概して5kHz以上、100kHz以下とすることができる。
レーザー切断装置10は、好ましい形態としてビームエキスパンダー2を備えている。ビームエキスパンダー2は、レーザー光を平行光束に広げる部材であり、公知のビームエキスパンダーを使用すればよい。ビームエキスパンダー2により、レーザー光L1の直径を例えば2倍〜10倍程度に広げ、レーザー光L2とすることができる。偏光フィルム6へのレーザー光L6を照射する際、レーザー光の直径を拡大することによって、レーザー光L6の焦点を合わせ易くなる。
ベンドミラー3は、レーザー光発振機1から発振されたレーザー光を偏光フィルム6へ反射する部材である。レーザー切断装置10ではベンドミラー3は1つ備えられているが、レーザー光L2をレーザー光L3として偏光フィルム6へ反射することができればよく、複数備えられていてもかまわない。
図2を用いて一般的なレーザー切断装置におけるレーザー光発振機の出力について説明する。図2は偏光フィルムを搬送した場合の時間tとレーザー光発振機の出力wとの関係を示すグラフである。偏光フィルムを搬送しながら切断する場合、まず、偏光フィルムを加速させ(加速領域)、その後、切断に適する一定の速度とし(定速領域)、偏光フィルムを減速させ(減速領域)、偏光フィルムの切断が終了する。
加速領域および減速領域では偏光フィルムの速度が小さいため、同一照射条件であれば偏光フィルムへの単位時間当たりのエネルギーが増加する。したがって、レーザー光発振機の出力を低くする必要がある。そのため、加速領域および減速領域の一部では、レーザー光発振機の出力が低く、レーザー光発振機の出力が不安定となる(不安定領域)。結果として、加速領域および減速領域において、レーザー光発振機の出力が不安定であることにより未切断が生じ得る。以上のような制約があり、一般的なレーザー切断装置では、加速領域および減速領域においてレーザー光発振機の出力を高めることができない。
一方、本発明に係るレーザー切断装置10では、ベンドミラー3と集光レンズ5との間には、ビームスプリッター4が備えられている。ビームスプリッター4は、上記レーザー光L3を透過および反射する部材であり、公知のビームスプリッターを使用できる。レーザー光L3は、ビームスプリッター4によって、透過光であるレーザー光L4と反射光であるレーザー光L5とに分岐される。
ビームスプリッター4のレーザー光を透過および反射する比率は、特に限定されないが、上記レーザー光発振機1の出力、偏光フィルム6の厚さおよび偏光フィルム6の搬送速度等に応じて適宜調整することが望ましい。該して、上記レーザー光発振機の出力が30W以上、400W以下である場合、ビームスプリッターのレーザー光を透過および反射する比率が、3:7〜7:3であることが好ましい。上記設定範囲であれば、レーザー切断装置10を偏光フィルムの切断に好適に使用することができる。
レーザー切断装置10では、ビームスプリッター4によってレーザー光L3は透過光と反射光とに分岐され、透過光によって偏光フィルム6が切断される。よってレーザー切断装置10によれば、レーザー光発振機1の出力が大きくとも、偏光フィルム6に照射されるレーザー光L6のエネルギーを低減させることができる。すなわち、加速領域および減速領域であっても、レーザー光発振機1を高出力にて使用することができ、レーザー光発振機1の高出力側を用いた場合の利点である出力の安定性を得ることができる。一方、ビームスプリッター4によって偏光フィルムに照射されるエネルギーが低減されるため、レーザー光発振機1の高出力側を用いた場合の問題点である切断面での品質の劣化を抑制することができる。
レーザー光L5は集光レンズ5によって偏光フィルム6に集光される。集光レンズ5は特に限定されるものではなく、球面レンズ、非球面レンズなどを使用すればよい。レーザー光L6の集光径によって切断幅が決定されることとなるため、偏光フィルムを切断する場合、レーザー光L6の集光径は5μm以上、500μm以下であることが好ましく、10μm以上、400μm以下であることがより好ましい。
レーザー切断装置10の切断対象である偏光フィルム6としては公知の偏光フィルムを用いればよい。本発明における偏光フィルムとしては通常、長尺の偏光フィルムが使用されるが、短尺または板状の偏光フィルムを使用してもよい。長尺とは、切断方向における偏光フィルム6の長さが10m以上を指し、短尺とは2m以上、10m未満を指し、板状とは10cm以上、2m未満を指す。
偏光フィルム6として具体的には、偏光子フィルムの両面に保護フィルムとしてTAC(トリアセチルセルロース)フィルム、COP(シクロオレフィンポリマー)フィルム等が貼合されており、レーザー切断装置10に対して逆面のTACフィルムに粘着剤を介して、保護フィルムが積層された構成となっている。偏光フィルム6のうち、中心に位置する偏光子フィルムとしては、ポリビニルアルコールフィルムにヨウ素等によって染色がなされており、延伸されたフィルム等にTACなどの保護フィルムが貼合されたフィルムを挙げることができる。また、上記ポリビニルアルコールフィルムに代えて、部分ホルマール化ポリビニルアルコール系フィルム、エチレン・酢酸ビニル共重合体系部分ケン化フィルム、セルロース系フィルム等の親水性高分子フィルム等、ポリビニルアルコールの脱水処理物やポリ塩化ビニルの脱塩酸処理物等のポリエン配向フィルム等を使用することもできる。
偏光フィルム6および保護フィルムを含めた総厚さは、特に限定されないが、100μm以上、500μm以下とすることができる。なお、偏光フィルム6のうち偏光子フィルムの厚さは、概して10μm以上、50μm以下である。さらに、偏光フィルム6の実用上、問題ない範囲にて上記3層以外にさらに他の層を含んでいてもよい。
上記保護フィルムとしては、ポリエステルフィルム、ポリエチレンテレフタラートフィルムなどを用いることもできる。上記保護フィルムの厚さおよび幅としては、特に限定されるものではないが、偏光フィルムの保護フィルムとして用いられる観点から、例えば、5μm以上、50μm以下の厚さ、200mm以上、1500mm以下の幅の保護フィルムを好ましく用いることができる。
レーザー切断装置10による偏光フィルム6の切断は、レーザー切断装置10または偏光フィルム6を移動させながら行う。これにより、偏光フィルム6に切断面を形成することができる。具体的には後述するスリッター機により偏光フィルムを移動させながら、切断することができる。なお、レーザー切断装置10を固定して、偏光フィルム6が搬送された状態にて切断した場合、安定した切断が可能なため好適である。
本発明における偏光フィルムを「切断する」とは、偏光フィルムの「少なくとも一部を切断する」ことを指し、偏光フィルムに所定の深さを形成する加工も含まれる。例えば、偏光フィルムの端部の切断、ハーフカット、マーキング加工なども「切断する」行為に含まれる。
〔スリッター〕
次に、本発明に係るスリッター機20について説明する。図3は、本発明に係るスリッター機20を示す断面図である。スリッター機20は、レーザー切断装置10、巻出部11、搬送ロール12・12a・12b・12c・12d・12e・12f(以下、「12〜12f」と略す)、測長計14、巻取部13a・13bを備えている。
巻出部11は、長尺状の偏光フィルム6を保持し、搬送ロール12へと巻き出すものである。巻出部11としては特に限定されず、公知の巻出部を使用できる。スリッター機20では、巻出部11として円筒状の軸を用いており、偏光フィルム6が巻かれた紙管またはプラスチック管などを保持することができる。巻出部11の側面には図示しないが巻出部11を回転させる回転装置が備えられており、回転装置によって巻出部11が回転されて偏光フィルム6が搬送方向に巻き出される。偏光フィルム6に加わる張力および偏光フィルムの搬送速度は回転装置によって設定可能である。また、巻出部11の高さおよび巻出部11の水平方向における位置は適宜調整することができる。
巻出部11は1箇所に設置されているが、巻取部13a・13bのように2箇所に設置されていてもよい。これにより、一方の巻出部11の偏光フィルム6が全て巻き出される前に、他の巻出部の偏光フィルムと連結することができ、偏光フィルムの原反を交換する時間を削減できる。
スリッター機20には、搬送ロール12〜12fが偏光フィルム6の搬送経路に沿って配置されている。各搬送ロールの配置場所は偏光フィルム6の搬送経路に応じて適宜変更すればよい。上記搬送ロールは特に限定されず、公知の部材を使用すればよい。また、上記搬送ロール直径および幅も限定されない。通常、搬送ロールの幅は、1.5m〜2.5m程度である。また、スリッター機20には、偏光フィルム6を搬送ロールに押し当てるタッチロールが備えられていてもよい。
搬送ロール12bと搬送ロール12cとの間には、レーザー切断装置10が備えられている。このようにレーザー切断装置10は、巻出部11と巻取部13aとの間に備えられていればよい。レーザー切断装置10の構造に関しては上述した通りである。
巻取部13a・13bは、切断加工された偏光フィルム6を巻き取る部材である。巻出部11と同様に、巻取部13a・13bの側面には図示しないが巻取部13a・13bを回転させる回転装置が備えられており、回転装置によって巻取部13a・13bが回転されて偏光フィルム6が搬送方向に巻き出される。偏光フィルム6に加わる張力および偏光フィルムの搬送速度は回転装置によって設定可能である。また、巻取部13a・13bの高さおよび水平方向における位置は適宜調整することができる。
スリッター機20によれば、巻出部11および巻取部13aによって偏光フィルム6が搬送される。偏光フィルムの搬送速度は特に限定されないが、一例として、1m/s以上、100m/s以下とすることができる。
図4は、偏光フィルム6の切断過程を示す平面図である。図4(a)〜(c)に示すように、偏光フィルム6が搬送されるにつれて、レーザー切断装置10によって偏光フィルム6にスリットSが形成される。図4では、レーザー切断装置10は、偏光フィルム6の端部周辺を切断するよう設置されている。これは偏光フィルム6の端部をスリットする場合である。レーザー切断装置10の設置位置は、偏光フィルム6にレーザー光を照射することができれば、特に限定されるものではない。例えば、偏光フィルム6の中央部分にレーザー光を照射するようにレーザー切断装置10を設置すれば、偏光フィルム6を2つに分割できる。
本発明に係るスリッター機20はレーザー切断装置10を備えているため、偏光フィルム6を加速または減速させる場合、すなわち偏光フィルムの搬送速度が小さい場合であっても、レーザー光発振機1を高出力にて使用することができる。その結果、レーザー光発振機1の高出力側を用いた場合の利点である出力の安定性を得ることができる。一方、ビームスプリッター4によって偏光フィルムに照射されるエネルギーが低減されるため、レーザー光発振機1の高出力側を用いた場合の問題点である偏光フィルムの切断面における品質の劣化を抑制することができる。
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
〔実施例1〕
図3に記載のスリッター機20を用いて偏光フィルムの切断を行った。偏光フィルム6は、レーザー切断装置10の集光レンズ5に近い順から、保護フィルムとしてPETフィルム(38μm)、粘着層(22μm:粘着層は保護フィルムと共に剥離する)、TACフィルム(80μm)、ポリビニルアルコールフィルム(30μm)およびCOP(シクロオレフィンポリマー)フィルム(70μm)が積層されており、COPフィルムには、粘着層を介して、セパレートフィルムとしてPETフィルム(38μm)が積層された構成となっている。
まず、偏光フィルム6が静止した状態から、巻出部11および巻取部13aの回転装置により、偏光フィルム6を5秒後に50m/sまで加速させた。50m/sまで加速させる間に偏光フィルム6の切断を以下の条件にて行った。
レーザー光発振機 :COレーザー
レーザー光発振機の出力:20W以上、280W以下
レーザー波長 :9.4μm
レーザー周波数 :20kHz
L6の集光径 :54μm
透過光と反射光との比率:5:5
〔比較例1〕
スリッター機20のレーザー切断装置10からビームスプリッター4を除去した比較用切断装置を使用して偏光フィルム6の切断を行った。偏光フィルム6の構成は実施例1と同一である。実施例1と同様に、偏光フィルム6を50m/sまで加速させた。また、切断の条件は以下の通りである。
レーザー光発振機 :COレーザー
レーザー光発振機の出力:10W以上、140W以下
レーザー波長 :9.4μm
レーザー周波数 :20kHz
L6の集光径 :54μm
図5は、実施例1および比較例1にて切断した偏光フィルム6を示す側面図である。図5(a)は実施例1の偏光フィルム6であり、図5(b)は比較例1の偏光フィルム6である。両結果からわかるように、比較例1の偏光フィルム6の方が、熱膨張によりその断面に変形が生じている。また、最上面のPETフィルムには熱膨張により塊状物が生じていることも観測された。一方、実施例1の偏光フィルム6では、比較例1と異なり、切断面に変形が生じていない。さらに、最上面のPETフィルムに塊状物が生じていない。本発明のスリッター機(レーザー切断装置)によれば、50m/sという搬送速度であっても、偏光フィルムの切断面での品質劣化を抑制することができており、本発明の優位性は明らかに示されている。
さらに、偏光フィルム6の切断面が良好か否かについて試験を行った。試験方法は、切断した偏光フィルムからセパレートフィルムを剥離し、COPフィルム面を粘着層を介してガラス板に貼り付けるものである。COPフィルムに変形が生じていれば、COPフィルムとガラス板との間に気泡が混入する。実施例1および比較例1の切断後の偏光フィルム6に試験を行ったところ、実施例1の偏光フィルム6には貼り付け後に気泡の混入は観測されなかったが、比較例1の偏光フィルム6には貼り付け後に気泡の混入が観測された。これは偏光フィルム6のうち、上から4層目のCOPフィルムの変形状態に起因した結果である。当該結果からも、本発明の優位性が裏付けられている。
本発明に係るレーザー切断装置は、偏光フィルムを好適に切断するものとして利用可能である。よって、本発明は、偏光フィルムを使用する分野において広く利用可能である。
1 レーザー光発振機
2 ビームエキスパンダー
3 ベンドミラー
4 ビームスプリッター
5 集光レンズ
6 偏光フィルム
10 レーザー切断装置
11 巻出部
12・12a・12b・12c・12d・12e・12f 搬送ロール
13a・13b 巻取部
14 測長計
20 スリッター機
L1〜L6 レーザー光
S スリット

Claims (4)

  1. 偏光フィルムにレーザー光を照射して切断するレーザー切断装置において、
    レーザー光を発振するレーザー光発振機と、
    レーザー光発振機から発振されたレーザー光を偏光フィルムへ反射するベンドミラーと、
    偏光フィルムとベンドミラーとの間に配置され、上記レーザー光を集光する集光レンズとを備えており、
    上記ベンドミラーと集光レンズとの間に、上記レーザー光を透過および反射するビームスプリッターを備えることを特徴とするレーザー切断装置。
  2. 上記レーザー光発振機の出力が30W以上、400W以下であり、
    上記ビームスプリッターのレーザー光を透過および反射する比率が、3:7〜7:3であることを特徴とする請求項1に記載のレーザー切断装置。
  3. 上記レーザー光発振機がCOレーザー光発振機であることを特徴とする請求項1に記載のレーザー切断装置。
  4. 偏光フィルムを巻出す巻出部と、偏光フィルムを巻取る巻取部とを備え、
    上記巻出部と巻取部との間に、請求項1〜3の何れか1項に記載のレーザー切断装置を備えることを特徴とするスリッター機。
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