JP2013086129A - レーザビームによるガラス基板加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、切断部のすべての端面テーパを同じ角度にする。
【解決手段】このレーザ加工装置は、レーザビーム出力部１５と、レーザビーム出力部１５から出射されたレーザビームを偏向させるための第１及び第２ウェッジプリズム１７ａ，１８ａと、各ウェッジプリズム１７ａ，１８ａを回転させるための第１及び第２中空モータ１７，１８と、第２ウェッジプリズム１８ａを通過したレーザビームをワークの加工予定ライン上に集光させる集光レンズ１９と、集光されたレーザビームをワークの加工予定ラインに沿って走査する走査手段と、制御部３４と、を備えている。制御部３４は、レーザビームが加工予定ラインに沿って走査される際に、集光レンズ１９によるレーザビームの集光点が光軸上の一点に集光されるように各ウェッジプリズム１７ａ，１８ａを光軸の回りに回転する。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ加工装置、特に、ワークの加工予定ラインに沿ってレーザビームを照射し、ワークを切断するレーザ加工装置に関する。

例えば液晶パネルの偏光板として用いられる樹脂フィルムは、ＣＯ_２レーザによって切断される。この場合、レーザビームが集光レンズにより集光され、光軸が樹脂フィルム表面に対して垂直になるようにレーザビームが照射される。このような切断方法では、レーザビームが集光されるので、レーザ照射面側の加工径が大きく、裏面側の加工径は狭くなる。このために、樹脂フィルムの切断部の端面が傾斜面（以下、この場合の端面の傾斜を「端面テーパ」と記す）となる。

近年、樹脂フィルムの切断部の端面テーパについては、用途や仕様によって種々のテーパ角度が求められている。例えば、テーパをなくすことが求められたり、またより大きな角度のテーパが求められたりする場合がある。

そこで、樹脂フィルムの切断ではないが、板材等のレーザ加工時における切断部のテーパをなくすために、特許文献１に示されるような切断方法が提案されている。この特許文献１に示された方法は、レーザビームの照射角度を２つの方向に調整可能な加工ヘッドを用いて加工する方法である。すなわち、加工ヘッド全体のワークに対する傾斜角度を変えることによって、ワーク切断部の端面のテーパをなくすようにしている。

特開平１１−７７３５２号公報

ここで、切断部のすべてにおいて端面テーパの角度を一定にすることが求められる場合がある。このような場合に、特許文献１に示された方法で切断を行って、端面テーパの角度を一定にすることが可能である。

すなわち、まず、端面テーパの角度に応じて加工ヘッドの傾斜角度を設定し、この傾斜角度を維持したまま、走査方向に応じて加工ヘッドを回転させて、加工ヘッドの姿勢を変える必要がある。このような、加工ヘッドの傾斜角度を変更したり、加工ヘッド全体を回転させたりするための機構は、非常に複雑になる。

また、特許文献１の方法のように加工ヘッドの傾斜角度を変えると、レーザビームの集光位置が変わる。このため、加工ヘッドの傾斜角度に応じて光学系を制御し、レーザビームがワークの加工位置に集光するようにしなければならない。このための制御及び機構が複雑になる。

本発明の課題は、簡単な構成で、切断部のすべての端面テーパを同じ角度にすることにある。

本発明の別の課題は、簡単な構成で、切断端面の品質を良好に維持しつつ端面テーパの角度を任意に制御できるようにすることにある。

第１発明に係るレーザ加工装置は、ワークの加工予定ラインに沿ってレーザビームを照射し、ワークを切断する装置であって、ワークが載置されるワークテーブルと、レーザビームを出力するレーザビーム出力部と、レーザビーム出力部から出射されたレーザビームを偏向させるための少なくとも１つのウェッジプリズムを有する偏向ユニットと、ウェッジプリズムを通過したレーザビームをワークの加工予定ライン上に集光させる集光レンズと、集光されたレーザビームをワークの加工予定ラインに沿って走査する走査手段と、回転制御手段と、を備えている。回転制御手段は、レーザビームが加工予定ラインに沿って走査される際に、集光レンズによるレーザビームの集光点が光軸上の一点に集光されるようにウェッジプリズムを光軸の回りに回転する。

この装置では、レーザビーム出力部から出力されたレーザビームは、ウェッジプリズムを通過することによって偏向され、さらに集光レンズによって集光されてワーク表面に照射される。また、レーザビームは、ワークの加工予定ラインに沿って走査される。このときウェッジプリズムの仕様等を変更することによって、ワークに入射するレーザビームの光軸の傾斜を制御できる。そして、レーザビームが走査される際に、ウェッジプリズムが回転され、これによりレーザビームの集光点が光軸上の一点に集光される。

ここでは、切断部の端面の品質を良好に維持しつつ、簡単な構成で、切断部のすべてにおいて、端面テーパを同じ角度にすることができる。

第２発明に係るレーザ加工装置は、第１発明の装置において、回転制御手段は、ワークの平面視において、加工予定ラインの接線に対してレーザビームが垂直になるようにウェッジプリズムを回転させる。

レーザビームを加工予定ラインに沿って走査する際に、ウェッジプリズムを以上のように回転制御することによって、加工予定ラインが曲線等のためにレーザビームの走査方向が変わる場合であっても、切断部のすべての端面テーパを同じ角度にすることができる。

第３発明に係るレーザ加工装置は、第１又は第２発明の装置において、偏向ユニットは、光軸に沿って対向して配置された第１ウェッジプリズム及び第２ウェッジプリズムを有している。また、回転制御手段は、第１ウェッジプリズム及び第２ウェッジプリズムの少なくともいずれか一方を回転させて両ウェッジプリズムの位相差を制御する。

ここでは、対向する第１及び第２ウェッジプリズムの少なくとも一方を回転させ、両ウェッジプリズムの位相差を制御することによって、ワークに対する光軸の傾斜角度を変えることができる。このため、切断部の端面テーパの角度を任意に制御することができる。

第４発明に係るレーザ加工装置は、第３発明の装置において、回転制御手段は、第１ウェッジプリズムが内部に配置された第１中空モータと、第２ウェッジプリズムが内部に配置された第２中空モータと、第１及び第２中空モータの回転を独立して制御可能な制御部と、を有する。

以上のような本発明では、ウェッジプリズムを回転させるだけの簡単な構成で、切断部のすべての端面テーパを同じ角度にすることができる。また、偏向ユニットに1対のウェッジプリズムを用いた場合は、簡単な構成で、切断端面の品質を良好に維持しつつ端面テーパの角度を任意に制御することができる。

本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の外観斜視図。 レーザ照射ヘッドの構成を拡大して示す斜視図。 第１及び第２中空モータ及び集光レンズの拡大図。 ウェッジプリズムの位相差とレーザビームの光軸との関係を示す模式図。 矩形の加工予定ラインとレーザビームの光軸との関係を示す図。 曲線の加工予定ラインとレーザビームの光軸との関係を示す図。

［全体構成］
図１に本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の全体構成を示す。このレーザ加工装置は、樹脂フィルム等のワークの加工予定ラインに沿ってレーザビームを照射し、所望の形状に切断するための装置である。この装置は、ベッド１と、加工対象としてのワークが載置されるワークテーブル２と、ワークにレーザビームを照射するためのレーザビーム照射ヘッド３と、を備えている。ここで、図１に示すように、ベッド１の上面に沿った平面において、互いに直交する軸をX軸、Y軸とし、これらの軸に直交する鉛直方向の軸をZ軸と定義する。また、X軸に沿った両方向（＋方向及び−方向）をX軸方向、Y軸に沿った両方向をY軸方向、Z軸に沿った両方向をZ軸方向と定義する。

［ワークテーブル及びその移動機構］
＜ワークテーブル＞
ワークテーブル２は、矩形状に形成されており、ワークテーブル２の下方には、ワークテーブル２をX軸方向及びY軸方向に移動させるためのテーブル移動機構５が設けられている。

＜テーブル移動機構＞
テーブル移動機構５は、図１に示すように、それぞれ１対の第１ガイドレール８及び第２ガイドレール９と、第１移動テーブル１０と、第２移動テーブル１１と、を有している。１対の第１ガイドレール８はベッド１の上面にY軸方向に延びて設けられている。第１移動テーブル１０は、第１ガイドレール８の上部に設けられ、第１ガイドレール８に移動自在に係合する複数のガイド部１０ａを下面に有している。１対の第２ガイドレール９は第１移動テーブル１０の上面にX軸方向に延びて設けられている。第２移動テーブル１１は、第２ガイドレール９の上部に設けられ、第２ガイドレール９に移動自在に係合する複数のガイド部１１ａを下面に有している。第２移動テーブル１１の上部には、固定部材１２を介してワークテーブル２が取り付けられている。

以上のようなテーブル移動機構５によって、ワークテーブル２は、X軸方向及びY軸方向に移動自在である。なお、第１及び第２移動テーブル１０，１１は、詳細は省略するが、周知のモータ等の駆動手段によって駆動されるようになっている。

［レーザビーム照射ヘッド］
レーザビーム照射ヘッド３は、図１及び図２に示すように、ベッド１の上面に配置された門型フレーム１ａに装着されており、レーザビーム出力部１５と、光学系１６と、第１中空モータ１７と、第２中空モータ１８と、集光レンズ１９と、を有している。なお、第１中空モータ１７及び第２中空モータ１８により、レーザビームを偏向する偏向ユニット２０が構成されている。

また、このレーザ加工装置はX軸方向移動機構２１とZ軸方向移動機構２２とを備えている。X軸方向移動機構２１は、レーザビーム照射ヘッド３の全体をX軸方向に移動させるため機構である。Z軸方向移動機構２２は、第１中空モータ１７、第２中空モータ１８、及び集光レンズ１９をZ軸方向に移動させるための機構である。

＜レーザビーム出力部＞
レーザビーム出力部１５は従来と同様のレーザ管により構成されている。このレーザビーム出力部１５によって、例えば、波長９．４μmのＣＯ_２レーザがY軸に沿ってワークテーブル２とは逆側に出射される。

＜光学系＞
光学系１６は、レーザビーム出力部１５からのレーザビームを第１中空モータ１７の中心部に導くものである。この光学系１６は、図２に示すように、第１〜第４ミラー２５〜２８と、ビームエキスパンダ３０と、を有している。

第１ミラー２５は、レーザビーム出力部１５の出力側の近傍に配置されており、Y軸方向に出射されたレーザビームをX軸方向に反射する。第２ミラー２６は、X軸方向において第１ミラー２５と並べて配置されており、X軸方向に進行するレーザビームをY軸方向に反射して、ワークテーブル２側に導く。第３ミラー２７及び第４ミラー２８は、第１中空モータ１７の上方にX軸方向に並べて配置されている。第３ミラー２７は第２ミラー２６によって反射されてきたレーザビームを第４ミラー２８側に導く。第４ミラー２８は第３ミラー２７によって反射されてきたレーザビームを下方の第１中空モータ１７に導く。ビームエキスパンダ３０は、第２ミラー２６と第３ミラー２７との間に配置され、第２ミラー２６によって反射されてきたレーザビームを一定の倍率の平行光束に拡げるために設けられている。このビームエキスパンダ３０によって、レーザビームをより小さなスポットに集光させることが可能となる。

＜偏向ユニット及び集光レンズ＞
図３に偏向ユニット２０及び集光レンズ１９の取付構造を示している。なお、図３において、一点鎖線はレーザビームを示している。

第１中空モータ１７は第１支持部材３１に支持され、第２中空モータ１８は第２支持部材３２に支持されている。また、集光レンズ１９は第３支持部材３３に支持されている。第１中空モータ１７はもっとも上方に配置され、第２中空モータ１８は第１中空モータ１７の下方に配置されている。集光レンズ１９は第２中空モータ１８のさらに下方に配置されている。

第１中空モータ１７及び第２中空モータ１８は、中心にZ軸方向に延びる共通の回転軸を有し、この回転軸を含む中央部が中空になっている。そして、第１中空モータ１７の内部に第１ウェッジプリズム１７ａが配置され、第２中空モータ１８の内部には第２ウェッジプリズム１８ａが配置されている。第１ウェッジプリズム１７ａ及び第２ウェッジプリズム１８ａは対向して同軸に配置されている。また、集光レンズ１９も、両ウェッジプリズム１７ａ，１８ａと同軸に配置されている。各ウェッジプリズム１７ａ，１８ａは、それぞれ両中空モータ１７，１８の回転軸に対して傾斜する斜面と、回転軸に垂直な垂直面と、を有している。

各中空モータ１７ａ，１８ａは、それぞれ制御部３４によって、独立して回転を制御することが可能である。

＜レーザ照射ヘッドの支持及び搬送系＞
以上のようなレーザ照射ヘッド３は、前述のように、ベッド１の門型フレーム１ａに支持されている。より詳細には、図２に示すように、門型フレーム１ａの上面にはX軸方向に延びる１対の第３ガイドレール３６が設けられており、この１対の第３ガイドレール３６及び図示しない駆動機構がX軸方向移動機構２１を構成している。そして、１対の第３ガイドレール３６には、支持部材３７が移動自在に支持されている。支持部材３７は、第３ガイドレール３６に支持された横支持部材３８と、横支持部材３８のワークテーブル２側の一端側から下方に延びる縦支持部材３９と、を有している。縦支持部材３９の側面には、Z軸方向に延びる１対の第４ガイドレール４０が設けられており、この１対の第４ガイドレール４０及び図示しない駆動機構がZ軸方向移動機構２２を構成している。第４ガイドレール４０には、Z軸方向に移動自在に第３移動テーブル４１が支持されている。

そして、レーザビーム出力部１５、第１〜第４ミラー２５〜２８、及びビームエキスパンダ３０が、横支持部材３８に支持されている。また、第３移動テーブル４１にはモータ支持部材４２が固定されており、このモータ支持部材４２に、第１中空モータ１７、第２中空モータ１８、及び集光レンズ１９が、それぞれ第１〜第３支持部材３１〜３３を介して支持されている。

［動作］
次に、レーザビームによる樹脂フィルムの切断動作について説明する。

まず、ワークテーブル２の表面に加工対称としての樹脂フィルムを載置する。

次に、X軸方向移動機構２１によってレーザ照射ヘッド３をX軸方向に移動し、またテーブル移動機構５によってワークテーブル２をY軸方向に移動し、レーザ照射ヘッド３によるレーザビームの集光点が加工予定ラインのスタート位置にくるように位置させる。

以上のようにしてレーザ照射ヘッド３及び樹脂フィルムを加工位置に移動させた後、レーザビームを樹脂フィルムに照射して加工を行う。ここでは、レーザビーム出力部１５から出射されたレーザビームは、第１ミラー２５によって反射されて第２ミラー２６に導かれる。第２ミラー２６に入射したレーザビームはY軸方向に反射され、ビームエキスパンダ３０によって光束が拡げられて第３ミラー２７に導かれる。そして、第３ミラー２７で反射され、さらに第４ミラー２８で反射されたレーザビームは、第１中空モータ１７の中心部に設けられた第１ウェッジプリズム１７ａに入力される。

例えば、図４（ａ）に示すように、第１ウェッジプリズム１７ａに入射したレーザビームは偏向されて出力され、第２ウェッジプリズム１８ａに入力される。この第２ウェッジプリズム１８ａにおいても同様に、レーザビームは偏向されて出力される。そして、レーザビームは、最終的に集光レンズ１９によって樹脂フィルム上に集光される。

ここでは、樹脂フィルムに照射されるレーザビームの光軸B1は、第１ウェッジプリズム１７ａに入射する光軸B0に対して角度θ1で傾斜している。このため、図４（ａ）の右側の樹脂フィルムの端面テーパの角度はθ11となり、左側の樹脂フィルムの端面テーパの角度はθ12となる。

＜端面テーパの角度調整＞
端面テーパの角度を調整する場合は、第１ウェッジプリズム１７ａと第２ウェッジプリズム１８ａの位相差が制御部３４によって制御される。具体的には、図４（ａ）に示すように、両ウェッジプリズム１７ａ，１８ａの位相差を「０」にすると、樹脂フィルムの端面テーパはθ11及びθ12となる。また、図４（ｂ）に示すように、両ウェッジプリズム１７ａ，１８ａの位相差を「π／２」にすると、樹脂フィルムの端面テーパはθ21及びθ22となる。さらに、図４（ｃ）に示すように、両ウェッジプリズム１７ａ，１８ａの位相差を「π」にすると、樹脂フィルムの端面テーパはθ31及びθ32となる。

以上のように、両ウェッジプリズム１７ａ，１８ａの位相差を調整することによって、切断される樹脂フィルムの端面テーパを所望の角度にすることができる。

切断面のすべてにおいて、端面テーパを同じ角度にするためには、まず、端面テーパが所望の角度になるように、制御部３４によって両ウェッジプリズム１７ａ，１８ａの位相差を調整する。その後、レーザビームの走査方向に応じて、両ウェッジプリズム１７ａ，１８ａを同期して回転させる。この際の回転制御は、ワークである樹脂フィルムの平面視において、加工予定ラインの接線に対してレーザビームが垂直になるように両ウェッジプリズム１７ａ，１８ａを同期して回転させればよい。

例えば、図５に示すように、樹脂フィルムの姿勢を回転させずに矩形の加工予定ラインに沿ってレーザビームを走査し、切断する場合は、以下のように両ウェッジプリズム１７ａ，１８ａを回転制御する。すなわち、レーザビームBを第１辺Ｌ１及び第３辺Ｌ３に沿って走査する場合は、集光レンズ１９から出射されたレーザビームBの光軸が、平面視で第１辺Ｌ１及び第３辺Ｌ３に直交するように両ウェッジプリズム１７ａ，１８ａを回転制御する。また、レーザビームBを第２辺Ｌ２及び第４辺Ｌ４に沿って走査する場合は、レーザビームBの光軸が、平面視で第２辺Ｌ２及び第４辺Ｌ４に直交するように両ウェッジプリズム１７ａ，１８ａを回転制御する。

また、図６に示すように、樹脂フィルムの姿勢を回転させずに曲線の加工予定ラインＬｃに沿ってレーザビームを走査し、切断する場合は、集光レンズ１９から出射されたレーザビームBの光軸が、加工予定ラインＬｃのすべてにわたって平面視で直交するように両ウェッジプリズム１７ａ，１８ａを回転制御する。

両ウェッジプリズム１７ａ，１８ａに対して以上のような回転制御を行うことによって、どのような加工予定ラインに沿って切断加工を行う場合であっても、切断部のすべてにおいて端面テーパの角度を同じにすることができる。

なお、第１ウェッジプリズム１７ａの回転軸、第２ウェッジプリズム１８ａの回転軸、及び集光レンズ１９の中心を光軸Ｂ０と同軸とし、集光レンズ１９によってレーザビームが光軸Ｂ０上で集光されるようにしておくことにより、第１ウェッジプリズム１７ａ及び第２ウェッジプリズム１８ａを回転させることにより樹脂フィルムに照射されるレーザビームの光軸の方向を変化させても、集光点が常に光軸Ｂ０上に形成される。これにより、加工中に樹脂フィルムに照射されるレーザビームの光軸の方向を変化させる場合であっても、加工ラインに沿ったレーザビームの走査が容易になる。

［特徴］
（１）第１ウェッジプリズム１７ａと第２ウェッジプリズム１８ａの位相差を調整することにより、レーザビームによって切断された部分の端面テーパを任意の角度に制御することができる。

（２）両ウェッジプリズム１７ａ，１８ａの位相差は、各中空モータ１７，１８を回転制御することによって容易に調整することができる。

（３）レーザ照射ヘッド３を傾斜させることなくレーザビームの光軸を傾斜させているので、簡単な機構で端面テーパの角度を調整できる。また、簡単な機構及び制御で、切断部のすべてにおいて、端面テーパの角度を同じにすることができる。さらに、同様の理由により、切断部の端面の加工品質を良好に維持することができる。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

（ａ）前記実施形態では、偏向ユニット２０として２つのウェッジプリズム１７ａ，１８ａを設けたが、切断部のすべての端面テーパの角度を同じにする目的であれば、１つのウェッジプリズムだけで構成しても目的を達成することができる。

（ｂ）レーザ照射ヘッド及びテーブルの移動機構は前記実施形態に限定されない。

（ｃ）光学系の具体的な構成は前記実施形態に限定されない。レーザビーム出力部１５のレーザビームを、光軸の調整が容易で、かつ効果的に第１中空モータ１７の第１ウェッジプリズム１７ａに入力できればよい。

２ ワークテーブル
１５ レーザ出力部
１６ 光学系
１７ 第１中空モータ
１７ａ 第１ウェッジプリズム
１８ 第２中空モータ
１８ａ 第２ウェッジプリズム
１９ 集光レンズ
２０ 偏向ユニット

Claims (4)

1. ワークの加工予定ラインに沿ってレーザビームを照射し、ワークを切断するレーザ加工装置であって、
   ワークが載置されるワークテーブルと、
   レーザビームを出力するレーザビーム出力部と、
   レーザビーム出力部から出射されたレーザビームを偏向させるための少なくとも１つのウェッジプリズムを有する偏向ユニットと、
   前記ウェッジプリズムを通過したレーザビームを、ワークの加工予定ライン上に集光させる集光レンズと、
   集光されたレーザビームをワークの加工予定ラインに沿って走査する走査手段と、
   前記レーザビームが加工予定ラインに沿って走査される際に、前記集光レンズによるレーザビームの集光点が光軸上の一点に集光されるように前記ウェッジプリズムを光軸の回りに回転する回転制御手段と、
   を備えたレーザ加工装置。
2. 前記回転制御手段は、ワークの平面視において、加工予定ラインの接線に対してレーザビームが垂直になるように前記ウェッジプリズムを回転させる、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記偏向ユニットは、光軸に沿って対向して配置された第１ウェッジプリズム及び第２ウェッジプリズムを有し、
   前記回転制御手段は、前記第１ウェッジプリズム及び前記第２ウェッジプリズムの少なくともいずれか一方を回転させて前記両ウェッジプリズムの位相差を制御する、
   請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記回転制御手段は、前記第１ウェッジプリズムが内部に配置された第１中空モータと、前記第２ウェッジプリズムが内部に配置された第２中空モータと、前記第１及び第２中空モータの回転を独立して制御可能な制御部と、を有する、請求項３に記載のレーザ加工装置。

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