JP2017001904A - ガラス基板のレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】曲線部を含む割断予定線をレーザ加工する際、加熱領域の幅を一定に保ち、レーザ光による加熱領域と冷却系による冷却領域との相対的な位置バランスを精度よく維持することができるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】
ガラス基板を載置しＸおよびＹ方向に駆動可能なガラス載置テーブルと、炭酸ガスレーザ発振器から出射されたレーザビームをＸおよびＹ方向に偏向するガルバノミラーと、レーザビームをガラス基板上に集光する集光レンズと、レーザビームの照射領域に流体を噴射する流体噴射ノズルとを有し、ガラス載置テーブルのＸおよびＹ方向への移動量および移動方向の制御と、ガルバノメータによるレーザビームの偏向方向の制御によってガラス載置テーブル上に照射されるレーザビームの照射位置およびスキャン形状を制御して、ガラス基板の割断予定線にそって流体噴射ノズルから流体を噴射しつつレーザビームを照射する。
【選択図】 図１

Description

本発明はガラス基板上に想定された分割予定線に沿って、熱応力割断加工するガラス基板のレーザ加工装置に関する。

近年、ガラスをレーザ光による熱応力によって切断加工するレーザスクライブ加工方法が、量産製造工程での新たな加工方法として採用されつつある。 レーザスクライブ加工によれば、機械的方法に固有の欠点、すなわちマイクロクラック発生によるガラス強度の低下、割断時のカレット発生による汚染、適用板厚の下限値の存在などが一掃できる。

従来のレーザスクライブ加工方法は専ら直線形状の切断用途に限られている。この理由は熱応力加工において、その加工を実現するために必要な３つの要素が同一直線上に正確に並ばなければならないという制約があるためである。その３つの要素とは、（１）加工開始点となるガラス上に形成される微少なキズの初亀裂、（２）レーザ照射による細長い加熱領域、（３）加熱領域に続く流体噴出領域の３つである。この３つの要素をガラス上で同一線上に並べるという都合上で直線形状加工が最も実現しやすく、装置化にも適しているという実情がある。

一方、高機能ガラスの適用範囲の広がりに伴って、鏡面でクラックフリーの高品質な切断面を備えたガラスの曲線形状加工を行うことが求められている。このガラスの曲線形状加工方法として、下記のような先行技術が開示されている。コールドスポットで追従される線状ビームプロフィールを有するレーザビームを、特定の輪郭を有する分割線に沿って移動させる方法において、線状焦点がレーザビームを走査することによってガラス上に形成され、線状焦点が分割線の輪郭の曲率に対応する曲率になり、線状焦点の長さも走査振幅を調節することによって分割線の輪郭の曲率の関数として調節されるように各走査作動時に分割線からの軌道データを利用する方法（特許文献１）、レーザビームにより直線部と曲線部を交互に含む軌道にそって溝又は切断加工するレーザ加工方法において、減速領域においてＸＹテーブルを減速し、曲線部においてＸＹテーブルをそのまま減速させながらＸ方向のガルバノミラー及びＹ方向のガルバノミラーを駆動し、かつＸＹテーブルをＹ方向への加速も開始させ、それらの合成速度でビームを円運動させ、９０°の円運動の終了と同時にＸＹステージが初期移動方向の移動を停止するようにしたレーザ加工方法（特許文献２）、脆性材料基板表面の加工ラインに沿ってレーザビームを照射し、加工ラインに沿ってクラックを形成するためのレーザスクライブ装置において、脆性材料基板が載置されるテーブルを冷却スポットが常にビームスポットの終端部に位置するように移動制御し、テーブルの移動に連動させて、ビームスポットが加工ラインに沿って走査するようにし、レーザビームと冷却ノズルとが干渉するのを避けるために冷却ノズルを退避させるレーザスクライブ装置（特許文献３）が提案されている。

特許第４７３１０８２号公報 特開２０１４−１１１２５９号公報 特許第５４１６４４５号公報

レーザにより割断予定線に沿って加熱する細長い形状の加熱領域を用いて曲線加工する場合、下記に述べる２つの課題がある。その１つは加熱領域の形状がほぼ真っ直ぐな形状であるので、曲線の割断予定線に追従しようとすると、加熱領域の幅が広がってしまうという課題である。例えて説明すると、この課題は細長い大型トレーラーが交差点を直角方向に曲がろうとする場合に生じる前輪と後輪の軌跡のズレ、すなわち内輪差の現象に似ていると言える。つまり、従来のガラス加熱方法では、曲線部分において加熱領域の幅が広がってしまい、加熱と冷却のバランスが崩れてしまうので加工に適した最適な加工条件を維持して曲線部を切断することはできなかった。たとえ曲線部を切断することができたとしても、高い切断品質を維持できないという問題、あるいは曲線部の曲率半径が大きくなり半径１００ｍｍ以上でないと切断しづらいというような問題があった。

もう１つの課題としては、加熱領域と冷却領域との相対的な位置精度に関することである。直線を割断加工する場合には、加熱領域と冷却領域とは一直線上で左右対称に正確に並んで配置されるので、加熱領域と冷却領域との距離も正確に一定の値が保たれ、加熱と冷却との微妙なバランスを維持しつつガラス亀裂を進展させることができる。しかし、曲線加工の場合はこの相対的な位置関係を維持することは難しい。解り易い例として、円弧形状の場合で、曲率中心に近い側（内側）は加熱が強くなり、曲率中心から遠い側（外側）は加熱が弱くなるので、割断の予定線に沿って分割することができないという課題がある。
更に、曲線加工の場合は曲率半径や円弧の長さなどのバリエーションは多様であるが、それらの多様な形状に合わせて加熱と冷却のバランスを維持できるような解決方法は提案されていない。

特許文献１によるレーザ加工方法は、曲線加工方法の概念的な説明がなされているが、曲線加工方法の具体的構成に関する記載はなく曲線加工を具体的にどのように行うか不明である。特許文献２に記載されている曲線加工方法は、曲線加工における加熱領域の幅の変化をどのように解決するか提案されていない。特許文献３記載されている曲線加工方法は、冷却スポットが常にビームスポットの終端部に位置するように移動制御しているが、曲線加工における曲率半径や円弧の長さなどのバリエーションに対して加熱と冷却の微妙なバランスを維持する方法について具体的な提案はされていない。

本発明はこれらの従来技術の課題を解決するもので、曲線部を含む割断予定線をレーザ加工する場合に、加熱領域の幅を一定に保ち、レーザ光による加熱領域と冷却系による冷却領域との相対的な位置バランスを精度よく維持することができるレーザ加工装置を提供するものである。

上記目的を達成するために、本発明によるガラス基板のレーザ加工装置は、ガラス基板を載置しＸ方向およびＹ方向に駆動可能なガラス載置テーブルと、炭酸ガスレーザ発振器から出射されたレーザビームをＸおよびＹ方向に偏向するガルバノミラーと、レーザビームをガラス基板上に集光する集光レンズと、レーザビームの照射領域に流体を噴射する流体噴射ノズルとを有し、ガラス載置テーブルのＸおよびＹ方向への移動量および移動方向の制御と、ガルバノメータによるレーザビームの偏向方向の制御によってガラス載置テーブル上に照射されるレーザビームの照射位置およびスキャン形状を制御して、ガラス基板の割断予定線にそって流体噴射ノズルから流体を噴射しつつレーザビームを照射するものである。

ガラス基板の割断予定線は直線または曲線もしくは直線と曲線が混在した線のいずれでもよい。またこのような直線あるいは曲線の組み合わせによって囲まれた閉曲線でもよい。
流体噴射ノズルは圧縮空気を噴射してガラス基板を下方に押圧し、または、冷却液を噴射してガラス基板を局所的に冷却する機能を有する。望ましくは、ガルバノスキャナがビームを照射することができるビーム照射可能範囲のほぼ中心の位置に流体噴射領域が形成される。

本発明によれば、ガラス基板を直線および曲線の少なくとも一方を含む割断線や閉曲線を熱応力割断することができるので、割断部にマイクロクラック発生によるガラス強度の低下や割断時のカレット発生による汚染などがなく、適用可能な板厚の下限値の存在などもない。

本発明によるガラス基板のレーザ加工装置の実施例における全体構成を示す概念的斜視図 図１におけるレーザ照射系および液体噴射部の構成を示す概念的斜視図 図２におけるレーザビーム照射可能エリアを真上から見た平面図 本発明によるガラス基板の曲線加工における曲線切断形状の一例を示す平面図 図４の曲線加工における切断当初の直線切断部における加工軌跡およびレーザビームの照射方向を説明する図で、（ａ）は加工軌跡を説明する図（ｂ）はレーザビームの照射方向を説明する図 図４の曲線加工における第１コーナーの曲線切断部における加工軌跡およびレーザビームの照射方向を説明する図で、 （ａ）は加工軌跡を説明する図 （ｂ）はビームスキャン動作を説明する図 図４の曲線加工における第１コーナーの曲線切断部に続く直線切断部における加工軌跡およびレーザビームの照射方向を説明する図で、（ａ）は加工軌跡を説明する図（ｂ）はレーザビームの照射方向を説明する図 図４の曲線加工における第２コーナーの曲線切断部における加工軌跡およびレーザビームの照射方向を説明する図で、 （ａ）は加工軌跡を説明する図 （ｂ）はビームスキャン動作を説明する図 図４の曲線加工における第３コーナーの曲線切断部に続く直線切断部における加工軌跡およびレーザビームの照射方向を説明する図で、（ａ）は加工軌跡を説明する図（ｂ）はレーザビームの照射方向を説明する図 図９の直線切断部に続く曲線加工を図４の直線切断に変えて第４コーナーとしての曲線加工に変更した場合の加工軌跡およびレーザビームの照射方向を説明する図で、（ａ）は加工軌跡を説明する図（ｂ）はビームスキャン動作を説明する図（ｃ）は（ａ）の加工軌跡の終端部の様子を説明する図 本発明によるガラス基板のレーザ加工装置の他の実施例における要部の全体構成を示す概念的斜視図 本発明によるガラス基板のレーザ加工装置の他の実施例におけるレーザビーム集光レンズの構成を示す概念的側面図

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明ではガラス基板に直線部と曲線部が混在する閉曲線形状の割断加工を例に説明する。

図１は本発明によるガラス基板のレーザ加工装置の実施例における全体構成を示す概念的斜視図である。直線加工だけでなく曲線加工ができる。図１には上下に分離した２つのユニットが示されている。すなわち上側に配置された薄板ガラス用の「曲線加工用レーザ装置」と、下側に配置された「ＸＹ駆動テーブルユニット」とに分離している。

下方に配置された「ＸＹ駆動テーブルユニット」には、Ｘ軸方向に移動可能なＸ軸ステージ２６と、Ｙ軸方向に移動可能なＹ軸ステージ２４とが含まれる。Ｘ軸ステージ２６の上にはガラス載置テーブル２２が配置され、その上には薄板ガラス２８が置かれる。図においては、ステージを平行スライドさせるためのガイドレールのみが示されており、シャフト軸や駆動モータや駆動制御装置などの駆動系は図示省略している。

上側に配置された薄板ガラス用の「曲線加工用レーザ装置」は、炭酸ガスレーザ３０と、ガルバノスキャナ３２と、エフシータレンズ３４、レーザ初亀裂形成モジュール４２、流体噴射部３６などの構成部品が含まれる。炭酸ガスレーザ３０から発射されたレーザビームは、ガルバノスキャナ３２およびｆθレンズ３４からなるレーザ照射系を介してガラス載置テーブル２２上に置かれた薄板ガラス２８に向けて照射される。ｆθレンズ３４のほぼ真下の位置には、レーザビームを照射することが可能なエリアを想定することができて、その想定エリアの内側の一部分には流体が噴射されるように流体噴射ノズル３８が設けられる。

流体噴射ノズル３８は、レーザ加工装置内に設けられたガラス載置テーブル２２の上面に対して流体を噴射する機能を備えており、薄板ガラス２８の表面に対して圧縮空気を噴射して薄板ガラス２８を下方に押圧する押圧力を発生させ、あるいは冷却液を噴射して薄板ガラス２８を局所的に冷却させる。流体噴射ノズル３８はノズル先端部３６と流体量調整部４０を備えている。ノズル先端部３８は、ガルバノスキャナ３２の下方の位置で、レーザビームを照射できるビーム照射領域のほぼ中心の位置に固定して配置されている。すなわち、スキャナの動作範囲に対応するビーム照射可能範囲に対してほぼ中心位置に設けられていて、ガラス載置テーブル２２のＸＹ方向への移動によりガラス載置テーブル２２対して相対的に移動することにより位置決め移動することができる。一方、流体量調整部４０はビーム照射領域から外れたスペースに配置される。

ガラス載置テーブル２２上に載置された薄板ガラス２８に対しては、炭酸ガスレーザ３０から発射されたレーザビームが照射される。そのレーザビームは、ガルバノスキャナ３２およびｆθレンズ３４で構成されたレーザ照射系を通して伝送される。レーザビームは薄板ガラス２８の表面でフォーカスを結ぶ必要はなく、例えば一定の直径（約φ2ｍｍ）をもったデフォーカスの状態でビームスポットを形成して加熱する。このビームスポットは、ガルバノスキャナ３２のＸＹスキャン動作によって、その照射位置を任意に変えることができる。

レーザ初亀裂カッター４２は薄板ガラス２８を曲線状に加工する際に薄板ガラス２８に初亀裂を形成するものである。

図２は図１におけるレーザ照射系および液体噴射部の構成を示す概念的斜視図である。ガルバノスキャナ３２はＸミラー４８およびＹミラー４６を有しており、各々Ｘミラーモータ４７およびYミラーモータ４５により制御されて炭酸ガスレーザ３０からのレーザビームの反射方向を定める。ｆθレンズ３４はガルバノスキャナ３２からのレーザビーム５２あるいはレーザビーム５４を薄板ガラス２８の表面上に向けて照射する。図２の上ではレーザビーム５２と５４と２つのビームのように示してあるが、これらはレーザを連続発振で打ち続けながらＸミラー４８を高速で往復スキャン動作させた場合に、本来１本のビームがライン状に広がって見える状態を表現している。ｆθレンズ３４には、この例ではテレセントリックｆθレンズを使用した例を図示しおり、ｆθレンズ３４のほぼ真下の位置にはビームの照射可能エリア６０が形成される。照射可能エリア６０の形状は、ガルバノスキャナ３２の動作範囲を示していてこの例においては直径70mm程度の円形である。もちろん四角形の照射可能エリアであっても構わない。照射可能エリア６０の中であれば、ガルバノスキャナ３２の位置制御をすることによって、どの位置にでも炭酸ガスレーザのビームスポットを位置指定して照射することができる。

さらに、ガルバノスキャナ３２を走査制御することにより、本来は１ヵ所のビームスポットを高速に掃引移動できるので、ビームスポットよりも大きなビーム照射領域５６を形成することができる。照射可能エリア６０のほぼ中心位置には流体噴射領域５８が形成される。流体噴射領域５８は、流体噴射ノズル３８の先端から噴射される流体が、ガラス載置テーブル２２上の薄板ガラス２８に向けて吹き付けられることによって形成される。ビーム照射領域５６は、その細長い形状の一端が流体噴射領域５８の付近に形成される。

図３には、図２のレーザビームの照射可能エリア６０を真上から見た状態が図示されている。レーザビームの照射可能エリア６０のほぼ中心の位置に流体噴射領域５８が位置し、ビーム照射領域５６はガラス基板上に細長い加熱領域を形成する。この例での大まかな寸法は、流体噴射領域５８の直径が約3ｍｍ程度、ビーム照射領域５６は長手方向に約20mmで幅方向に約2mmである。ビーム照射領域５６は、例えば直径2mmのビームスポットがビーム照射領域５６の端から端までを何回も往復することで形成されている。つまりは、ガルバノユニット内のミラーを高速に往復スキャンする際に、薄板ガラス２８の上でのビームスポットの移動速度を約５メートル／秒程度の高速の設定にする。ビーム照射領域５６は長さ20mm程度しかないので、ビームスポットはビーム照射領域５６の端から端までを１秒間に何百回も往復する。そのような走査をすることにより、ガラス基板上では、均等に熱分散されたビーム照射領域５６が形成されるので、ガラスが溶けてしまうほどの大きな熱量が局所的に集中することは避けられる。また、ビーム照射領域５６の幅は前述のように約2mmであるが、この値はビームスポット径の値2mmと同じである。よってこの例ではガルバノ走査の軌跡を１本の線分を往復するように設定すれば、ビーム照射領域５６の幅２mmが確保できる。

このビーム照射領域５６と流体噴射領域５８との位置関係は、ガラスをどの方向に切断するかに応じて決定される。図３の場合では、流体噴射領域５８の位置を中心と見た場合に、ビーム照射領域５６は３時の時計方向に延びるように形成されている。熱応力加工においては、はじめに加熱し次に冷却という順番で熱応力を発生させるために、実際にガラスを分断する亀裂の成長点は流体噴射領域５８に極めて近い位置にある。従って、この例ではガラスを３時の方向に切断するための加熱と冷却の配置になっている。本実施例においては、ガラス載置テーブル２２（図１参照）に置かれたガラスの方が動いて、ガルバノスキャナ３４やノズル先端部３６は固定で動かないという関係である。よって、図３においてはガラスが３時から９時の方向に移動（例えば１００ｍｍ／秒の速度で）、つまりガラスが左に移動することで、水平な横方向への直線割断加工ができる。

ビーム照射領域５６がレーザビームの照射可能エリア６０内において薄板ガラス２８に照射され、照射可能エリア６０のほぼ中心の位置に流体が噴射されると、薄板ガラス２８は熱応力加工により割断予定線に沿って割断されるが、ビーム照射領域５６は割断予定線と直交方向に左右均等な熱バランスを有しているのでビームスキャンも割断予定線と直交方向に左右均等な熱バランスを取ることができる。また本実施例においては、直線形状のビーム照射領域５６を流体噴射領域５８を中心にして上下左右のいずれの方向にも形成できるので、直線の切断をする方向について、上下左右あるいはいずれの向きであっても選択できるという利点がある。

次に、図１〜図３で説明したレーザ加工装置とその機能を用いて、図４に示す曲線切断形状の曲線加工をする場合の動作を図５〜図９とともに説明する。図４に示す曲線切断形状は、直線部１０４→曲線状の第１コーナー部１０５→直線部１０６→曲線状で第１コーナー部１０５とは異なる曲率の第２コーナー部１０７→直線部１０８→曲線状で第１コーナー部１０５と同一の曲率の第３コーナー部１０９→直線部１１０→直線部１０４との交差点に至る形状である。 直線部１１０と直線部１０４との交差部は互いに直角にした例であり、薄板ガラス２８の端部には加工開始点となる初亀裂１２から直線部１０３から伸張し、直線部１０４に向かって直線部が連結される加工形状の例である。

まず、直線部１０３から直線部１０４に向かって加工する場合を図５により説明する。説明の都合上、以下の各図において、図の紙面における上下左右方向を単に上、下、左、右として説明する。

図５（ａ）において、レーザ初亀裂カッター４２で薄板ガラス２８の下端部の加工開始点の位置に初亀裂１２を形成する。つぎに、レーザビームが初亀裂を入れた薄板ガラス２８の下端部の初亀裂１２から真上に延びる直線部１０３を経て直線部１０４を走査する方向にレーザビームを照射する。この場合、ガラス載置テーブル２２を図５（ｂ）に示す矢印マイナスＹ方向に移動させ、レーザビームの照射方向を図５（ｂ）に示すようにレーザビームの照射可能エリア６０内において１２時の方向に細長く伸びるビーム照射領域２０３にする。この図５（ｂ）に示す加熱と冷却の位置関係は維持された状態で、加工線が直線部１０３から直線部１０４に延びて直線部１０４の終端部である第１コーナー部１０５との交点の位置に到達するまでの間、ガラスはマイナスＹの方向に移動する。
図５（ａ）には円形６１を示してあるが、これは直線加工の途中のタイミングでの照射可能エリア６０の瞬時の位置を示したものである。 円形６１の中身は、図５（ｂ）に示された加熱と冷却の配置の様子と同一である。ガラスの熱応力加工においては、ガラスの亀裂が成長する先端部は、流体噴射領域のすぐ近くに存在する。それゆえに直線１０３まで切断を完了し、これから直線１０４の切断が開始されようとするタイミングでの照射可能エリア６０の位置が円形６１に示されている。

つぎに、直線部１０４に連結する第１コーナー部１０５の加工について図６により説明する。図６（ａ）において、第１コーナー部１０５は、ある曲率、たとえば曲率半径がＲ２０ｍｍ程度の曲率を持った円状曲線をしており、説明上曲線部１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃの３つに分けて説明する。このような曲線形状を加工する場合は、図６（ｂ）に示すようにレーザビームのビーム照射領域２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃの形状も円弧形にする必要がある。さらに、ビームの照射方向を１２時から９時の方向に移動させる必要がある。

第１コーナー部１０５の曲線部１０５ａを加工する場合は、ガラス載置テーブル２２を図６（ｂ）に示す矢印＋Ｘ方向および−Ｙ方向に同時に移動させ、レーザビームの照射方向を図６（ｂ）に示すようにレーザビームの照射可能エリア６０内において１２時から９時の方向に移動させてスキャン形状を円弧形のビーム照射領域２０５ａのような細長く伸びる形状にする。このときのテーブルの移動方向は＋Ｘ方向かつ−Ｙ方向の円弧補間動作であり、＋Ｘ方向および−Ｙ方向への移動量および移動方向に応じてスキャン形状が円弧形のレーザビーム照射領域２０５ａの位置及び形状が制御される。

この動作をさらに継続させると、レーザビームの照射方向は図６（ｂ）のように矢印Ａ方向に回転して円弧形のビーム照射領域２０５ｂ、２０５ｃのようになり、図６（ａ）のように第１コーナー部１０５の曲線部１０５ｂ、１０５ｃが加工されていく。この動作も＋Ｘ方向および−Ｙ方向への移動量を制御して行う。レーザビームの照射方向がレーザビームの照射可能エリア６０内における９時の位置に到達したとき第１コーナー部１０５の割断加工が完了する。

つぎに、第１コーナー部１０５に連結する直線部１０６の加工について図７により説明する。図７において、レーザビームが第１コーナー部１０５に連結する直線部１０６を走査するようにレーザビームを照射する。このとき、ガラス載置テーブル２２を図７（ｂ）に示す矢印＋Ｘ方向に移動させ、レーザビームの照射方向を図７（ｂ）に示すようにレーザビームの照射可能エリア６０内において９時の方向に細長く伸びる方向のビーム照射領域２０６にする。この状態で加工線が直線部１０６から直線部１０６の終端部である第２コーナー部１０７との交点の位置に到達するまで割断加工する。

つぎに、直線部１０５に連結する第２コーナー部１０７の加工について図８により説明する。図８（ａ）において、第２コーナー部１０７は第１コーナー部１０５とは異なる小曲率半径、たとえば、半径Ｒ１０ｍｍ程度の曲率を持った円弧曲線をしている場合である。この場合も第２コーナー部１０７を曲線部１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃの３つに分けて説明する。このような曲線形状を切る場合も、図８（ｂ）に示すようにレーザビームのスキャン形状も円弧状のビーム照射領域２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃとし、ビームの照射位置は９時から６時の方向に移動させる。第２コーナー部１０７は第１コーナー部１０５とは異なる曲率を有しているので、ビーム照射領域の形状も異なる。つまり、レーザビームのスキャン形状であるビーム照射領域２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃは、図６で説明した第１コーナー部１０５の加工におけるレーザビームのスキャン形状であるビーム照射領域２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃとは異なる形状の円弧形状となる。

第２コーナー部１０７の加工も第１コーナー部１０５の加工と本質的には同様である。まず、第２コーナー部１０７の曲線部１０７ａを加工する場合は、ガラス載置テーブル２２を図８（ｂ）に示す矢印＋Ｘ方向および＋Ｙ方向に円弧の形状に沿って、円弧補間動作で移動させ、レーザビームの照射方向を図８（ｂ）に示すようにレーザビームの照射可能エリア６０内において９時から６時の方向に移動させてビーム照射領域２０７ａを円弧状の細長く伸びた形状にする。このとき＋Ｘ方向および＋Ｙ方向への移動量すなわち円弧補間動作の位置座標は時間と共に刻々と変わっていき、その位置座標に応じてビーム照射領域２０７ａの形状は都度定められる。円弧１０７は半径が小さいので、ビーム加熱領域の形状は円弧形状と直線形状とを組み合わせたような形状になる。

この動作をさらに継続させると、ビーム照射領域は図８（ｂ）のように矢印Ａ方向に回転して円弧形のビーム照射領域２０７ｂ、２０７ｃのようになり、図８（ａ）のように第２コーナー部１０７の曲線部１０７ｂ、１０７ｃが加工されていく。この動作も＋Ｘ方向および＋Ｙ方向への移動量を制御して行う。レーザビームの照射方向がレーザビームの照射可能エリア６０内における６時の位置に到達したとき第２コーナー部１０７の加工が完了する。

図４における第２コーナー部１０７に連結する直線部１０８の加工は、図５を用いて説明した直線の加工方法の場合と本質的に同一である。つまりガラス載置テーブル２２の移動方向を図５（ｂ）に示す矢印−Ｙ方向とは逆の＋Ｙ方向に移動させてレーザビームの照射方向を照射可能エリア６０内において６時の方向にしてビーム照射領域を細長く伸びる形状にして行う以外は同一であるので説明は繰り返さない。

図４における直線部１０８に連結する第３コーナー部１０９の曲線加工も、その方法については同一である。つまり、図６で説明した第１コーナー部１０５の加工方法におけるガラス載置テーブル２２の移動方向を図６（ｂ）に示す矢印−Ｙ方向および矢印＋Ｘとは逆の＋Ｙ方向および−Ｘ方向に移動させて、レーザビーム照射領域をレーザビームの照射可能エリア６０内において円弧形のレーザビーム照射領域とし、レーザビームの照射方向を照射可能エリア６０内において９時から６時の方向に変化させて行う以外は同一であるので説明は繰り返さない。

つぎに、直線部１１０の加工について図９により説明する。図９において、レーザビームが第３コーナー部１０９に連結する直線部１１０を走査するようにレーザビームを照射する。このとき、ガラス載置テーブル２２を図９（ｂ）に示す矢印−Ｘ方向に移動させ、レーザビームの照射方向を図９（ｂ）に示すようにレーザビームの照射可能エリア６０内において３時の方向にして細長く伸びるビーム照射領域２１０にする。この状態で加工線が直線部１１０から直線部１０４の始端部との交点の位置に到達するまで加工する。この場合、レーザビームは既に加工されている直線部１０３と直交するが、直交した部分には初亀裂がないためにそれ以上に割断加工が進展することはなく、薄板ガラス２８は図４に示す閉曲線状に加工される。直線部１１０の終端と直線部１０４の始端を直交させた場合は加工がしやすく、また、加工形状が閉じた形であっても、流体噴射ノズル３８とレーザビームとが干渉するという次段落に記載した欠点が発生しない。

図１０は図９における直線部１１０が直線部１０４の始端部に連結する代わりに、直線部１１０が第４コーナー部１１１を介して直線部１０４に連結させる場合の実施例である。図１０（ａ）において、第４コーナー部１１１は第１コーナー部１０５と同様にある曲率、たとえば、曲率半径がＲ２０ｍｍ程度の曲率を持った円状曲線をしており、説明上曲線部１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの３つに分けて説明する。このような曲線形状を加工する場合は、図１０（ｂ）に示すようにビーム照射領域２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃの形状も円弧形にする必要がある。また、ビームの照射方向は３時から１２時の方向に移動させる。

図４に示した加工形状、すなわち右下が直角で円弧形状でない場合には、図５から図９においては、流体噴射ノズル３８はレーザビームの照射可能エリア６０でビームの照射経路に干渉しない位置に配置されているので、レーザビームと流体噴射ノズル３８が干渉することがない。それに対して、図１０に示した、第４コーナー部１１１の円弧加工時は、流体噴射ノズル３８がレーザビームの照射経路に干渉してしまう。流体噴射ノズル３８はレーザ加工装置に固定されているので、薄板ガラス２８の加工時に流体噴射ノズル３８とレーザビームの干渉は避けられないので、流体噴射ノズル３８とレーザビームが干渉する影響を最小限にする位置に流体噴射ノズル３８のノズル先端部３６が配置されるようにすることが好ましい。

本実施例においては、図１０（ｂ）に示すように、ノズル先端部３６の引き出し方向がレーザビームの照射可能エリア６０内で１時の方向になるように設置したときレーザビームと流体噴射ノズル３８の干渉が最小になることを確認した。この場合、第４コーナー部１１１の加工位置が曲線１１１の終端の曲線部１１１ｃに達し、レーザビームの照射場所が１時の方向に移動したときレーザビームのスキャン形状である円弧形２１１ｃの位置が流体噴射ノズル３８のノズル先端部３６に接近してレーザビームと流体噴射ノズル３８が干渉することがある。図１０（ｃ）はこのときの曲線部１１１ｃと直線部１０３、１０４との位置関係の拡大図である。曲線部１１１ｃの終端は位置１１４から直線部１０３、１０４との交点に達するが、このときレーザビームが流体噴射ノズル３６の影になってしまって切断などの加工が上手く加工できない恐れがある。そこで、本実施例においては、曲線部１１１ｃの終端部の加工時には初亀裂カッターによって亀裂を入れて所定の円弧形状を切り出す。

このように、曲線加工の形状が一周して元に戻ってくるような閉曲線（スタート位置とエンド位置が重なる一筆書きの形状）である場合には、流体噴射ノズル３８の一部がレーザビームの影になって、薄板ガラス２８上でレーザビームによる加熱が弱まるという欠点が発生するけれども、実際には、流体噴射ノズル３６の金属管の直径は最大でもφ２ｍｍ程度できわめて細いので、そのような細い管がレーザビームの影になって悪影響を及ぼす影響は極めて小さいと考えられる。仮に影響があってもこの加熱が弱まる箇所に炭酸ガスレーザ以外の加工方法、たとえば本実施例で採用しているパルス発振型のビーム初亀裂形成モジュールを用いて亀裂をつなぐことによって、閉曲線をつなぐ加工方法を実現することができる。

図１１は流体噴射ノズル３８の一部がレーザビームの影になって、薄板ガラス２８上でレーザビームによる加熱が弱まるという問題を加工工具以外の方法で解決する場合の実施例である。
図１１（ａ）のように、図１、図２におけるｆθレンズ３４から下方に照射されるレーザビーム５２、５４の光路内に、ＺｎＳｅ製の細長いシリンドリカルレンズ７０、７２を上下に２枚使って、１対１のビームエキスパンダのような共役の光学配置７４を設ける。この２枚のシリンドリカルレンズ７０、７２の間に流体噴射ノズル３８のノズル先端部３６を構成する金属管を配置し、この金属管３６を図１１（ｂ）に示すようにレーザビームが集光しない位置に金属管３６を配置する。

ｆθレンズ３４から下方に照射されたレーザビーム５２、５４は、上側のシリンドリカルレンズ７０通過することで一度集光され、その後、下側のシリンドリカルレンズ７２を通過することによって元のビーム径に戻って、ガラス基板の表面に照射される。こうして、流体噴射ノズル３８とレーザビームの干渉を防止することができる。

図１２は、本発明によるガラス基板のレーザ加工装置の他の実施例におけるレーザ照射系の構成を示している。出射されたレーザビームは、Ｘミラー４８で反射され、ｆθレンズ３４を通過し、更にアキシコンレンズ６４を通過して、ガラス載置テーブルに向けて照射される。ｆθレンズ３４とアキシコンレンズ６４とは、上下に互いの光軸が一直線上に配置される。図１２に示す実施例によれば、アキシコンレンズ６４を経由したビームが、徐々に光軸中心に近づいて進行するビームパスとなる。ビームパスは光軸に回転対象なので、この例においては小さな円形の範囲のビーム照射可能エリア６２となる。ビーム照射可能エリア６２が小さくなることは好ましくないが、ガラスに照射されるビームに角度が付くという別のメリットが得られる。ノズル先端部３６を配置することで、ビーム照射可能エリアにはノズル先端部３６の影の影響が現れてしまうが、ビームに角度を付けることで影の部分にまでビームを回り込ますことができる。

すなわち、ノズル先端部３６が置かれて発生する遮光の悪影響を軽減し、流体噴射領域５８を囲む円周の近傍部分にまで、ビーム加熱エリアを寄せて形成できる。場合によっては、流体噴射領域５８の真上にビームを重ねて照射もできる。
このような光学的手段で、ビーム照射領域と流体噴射領域５８とを極めて近くに配置できるので、加熱と冷却のバランスを緻密に設定することが出来て、良好な加工条件の設定範囲を広げられる。

図１２の例では、アキシコンレンズ６４の平面側からビームを入射する方向に配置したが、反転させて円錐面からビーム入射させてもよい。円錐面からビーム入射した方が、アキシコンレンズ６２の表裏２回の屈折が生じるので、より曲げられて大きな入射角度を得ることができる。高価なアキシコンレンズの代わりに平凸レンズを用いて、光軸に回転対象なビームパスを形成することもできる。これらのアキシコンレンズや平凸レンズまたは両凸レンズに例示される収束レンズ（集束作用レンズ）は、ｆθレンズの次段に配置される。エフシータレンズと収束レンズは、個別に配置されずに一体の集光ユニットである方が好ましい。

また、本発明の別の応用例を示す。前述した図１の説明または図１２を用いた説明では、いずれの場合も、流体噴射ノズル先端部の配置が、ビーム照射領域のほぼ中心に配置されている。しかし、応用の範囲では、ビーム照射領域の中心位置に配置しなくても良い。例えば、図1の実施例において、流体噴射ノズル先端部３６をｆθレンズの光軸中心から外れた位置に配置した場合には、ｆθレンズを通過して下方に照射されるビームが、もともと角度をもって薄板ガラス２８に照射されることになる。つまりガラスへの入射角度が０度ではなくなるが、目安として５度〜４５度程度のビーム入射角度を持たせてもよい。この場合は、前述の図４のような閉じた形状の割断加工が難しくなるが、その反面、ビーム入射角度があるので、流体噴射領域のすぐ近傍の位置までビームを照射できるというメリットと、流体噴射ノズルの外形寸法を大きくしてもよいというメリットが得られる。

流体噴射ノズル先端部３６をｆθレンズの光軸中心から外れた位置に配置した場合には、図４のような閉じた形状の割断加工について、１行程の１周加工で閉じた形状を切り出すことが難しいが、２行程であれば、図４とほぼ同一の形状を切り出すことができる。

また、本発明を実施する場合において、厚さ０．２mm以下の薄板ガラスを加工対象とする場合、フルカット状態で割断される。フルカットであれば、加工最中の割断面の様子をＣＣＤカメラ等を用いた画像モニタによって観測する必要が生じると思われる。その場合には、ＣＣＤカメラの観測視野を、その薄板ガラスの割断方向に応じて変化させる必要があり、ＣＣＤカメラを水平の円周方向に回転させるための回転テーブルに搭載して、回転テーブルの回転角度をステッピングモータで位置制御することが必要となる。次の課題としてフルカットの割断最中に、モニタの撮影視野の範囲内に捉えられるようにするため、ガルバノスキャナの制御とＸＹ駆動テーブルの位置制御とＣＣＤカメラを搭載した回転テーブルとを動作協調させる必要が生じる。

以上のように、本発明によれば、ガラス基板のかつ断面が鏡面でクラックフリーの高品質な切断面を備えた曲線の形状加工を行うことができる。したがって、近年、高機能ガラスの適用範囲の広がりに伴って要望されている各種のガラス基板をかつ断面が鏡面でクラックフリーの高品質な切断面を備えた直線や曲線、あるいは直線と曲線が混在した形状の割断加工を行うことができる。このようなレーザ加工による割断方法は、鏡のような理想的な切断面を得られる方法であり、ガラスを分断した後に、研磨処理のような後加工を要しない点が優れている。

最近においては、薄板ガラスと呼ばれる厚さ１００μｍ以下の極めて厚さの薄いガラスが新素材として様々な分野で採用され始めている。薄板ガラスの加工については、従来のダイヤモンドカッタを用いたメカニカル加工よりも、レーザを用いた熱応力加工の方が切断面品質の点で優位である。レーザ熱応力加工の方がより好適である理由は、薄板ガラスが容易に曲げやすい性質を持っているからである。ガラス基板が曲げやすいと、切断面に極微なクラックが一箇所でも入ってしまっていると曲げ応力が集中しやすくなり、不測の割れにつながる恐れがあるが、本発明によればこのような事態を防止することができる。
また、薄板ガラスにレーザスクライブ加工を施した場合にはフルボディ割断が可能であり、ブレイクの後工程を必要としないという利点もある。

２２ ガラス載置テーブル
２４ Ｙ軸ステージ
２６ Ｘ軸ステージ
２８ ガラス基板
３０ 炭酸ガスレーザ
３２ ガルバノスキャナ
３４ ｆθレンズ
３６ ノズル先端部
３８ 体噴射ノズル
４０ 流体量調整部
４２ レーザ初亀裂カッター
４５ Ｙ駆動系
４６ Ｙミラー
４７ Ｘ駆動系
４８ Ｘミラー
５２、５４ レーザビーム
５６ ビーム照射領域
５８ 流体噴射領域
６０ レーザビームの照射可能エリア
７０、７２ シリンドリカルレンズ
７４光学配置
１０３、１０４、１０６、１０７，１０８、１１０ 直線部
１０５ 第１コーナー部
１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ 曲線部
１０７ 第２コーナー部
１０９ 第３コーナー部
１１１ 第４コーナー部
２０３ ビーム照射領域
２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃ、２１０、２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃビーム照射領域
２０６ ビーム照射領域

Claims (6)

1. ガラス基板を載置しＸあるいはＹ方向に相対的に移動可能なガラス載置テーブルと、炭酸ガスレーザ発振器から出射されたレーザビームをＸＹ平面内の所定の位置に反射するガルバノミラーと、レーザビームをガラス基板上に集光する集光レンズと、前記レーザビームの照射領域に流体を噴射する流体噴射ノズルとを有し、
   前記ガラス載置テーブルのＸおよびＹ方向への移動量および移動方向の制御ならびに前記ガルバノメータによるレーザビームの偏向方向の制御によって前記ガラス載置テーブル上に照射されるレーザビームの照射位置およびスキャン形状を制御して、前記ガラス基板の割断予定線にそって前記流体噴射ノズルから流体を噴射しつつレーザビームを照射することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 割断予定線が直線および曲線のいずれか一方であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 割断予定線が直線部および曲線部を含む線であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 割断予定線が閉曲線であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。
5. 流体が冷却液または圧縮空気であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。
6. 流体噴射ノズルはノズル先端部と流体量調整部を備え、前記ノズル先端部は、レーザビームの照射領域のほぼ中心の位置に固定されて配置され、ガラス載置テーブルの移動により前記ガラス載置テーブル対して相対的に移動することを特徴とする請求項１〜５のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。