JP2020512259A

JP2020512259A - レーザ加工される脆性材料の制御された分離

Info

Publication number: JP2020512259A
Application number: JP2019549555A
Authority: JP
Inventors: ルドガーミュラース，
Original assignee: コヒーレントレーザーシステムズゲーエムベーハーウントコンパニーカーゲー
Priority date: 2017-03-13
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2020-04-23
Also published as: CN110770180A; EP3596019A1; EP3596019B2; US20180257170A1; CN115849698A; CN110770180B; KR20190126816A; WO2018166988A1; EP3596019B1

Abstract

脆性材料で作製されたワークピース（１２）からアイテム（１０２）を切断および分離する方法が、開示される。方法は、アイテム（１０２）の輪郭内の各内側曲線に近い廃材（１０４）内に制御された割れをもたらすように配置された一直線および円形の解放特徴（１１２Ａ、１１２Ｂ）を使用する。第１のパルスレーザビーム（１４）が、アイテム（１０２）の輪郭に沿っておよび解放特徴（１１２Ａ、１１２Ｂ）に沿って材料を弱体化させる。第２のレーザビーム（４０）が、融解および変形をもたらし、それによって、制御された割れを開始させるために十分な時間にわたって、選択的に解放特徴（１１２Ａ、１１２Ｂ）を加熱する。

Description

（優先権の主張）
本願は、米国仮出願第６２／４７０，５８７号（２０１７年３月１３日出願）に対する優先権を主張し、上記出願の開示は、その全体が参照により本明細書に引用される。

本発明は、概して、レーザ放射のビームを使用して脆性材料を切断することに関する。本発明は、具体的には、パルスレーザ放射の集束ビームを使用して脆性材料を切断すること、およびレーザ放射のビームを使用した切断材料の制御された分離に関する。

レーザ材料加工は、ガラス、セラミック、シリコン、およびサファイア等の脆性材料を含む幅広い範囲の材料を切断、穿孔、マーキング、およびスクライビングするために、ますます使用されている。伝統的な機械加工は、加工される脆性材料が応力を加えられると伝搬する微小亀裂等の不要な欠陥を生産し、それによって、加工される脆性材料を劣化させ、弱体化させ得る。レーザ放射の集束ビームを使用した脆性材料のレーザ加工は、高品質な縁および壁を有する精密な切断ならびに孔を生産しながら、そのような不要な欠陥の形成を最小化する。科学研究および製造における進歩は、増大する範囲の脆性材料のレーザ加工につながっているが、向上した加工速度および精度を要求する。

透明な脆性材料は、レーザ放射の非線形吸収を通して、パルスレーザ放射の集束ビームと相互作用する。パルスレーザ放射は、一連の個々のパルスまたはパルスの急速なバーストを備え得る。各個々のパルスまたはパルスのバーストが、ビームの焦点において透明な脆性材料のワークピース中に欠陥を生成する。物品は、集束ビームを平行移動させ、ワークピース内の切断ラインに沿って欠陥の列を生成することによって、ワークピースから切断される。

多くの場合、欠陥の列は、切断ラインに沿って材料を単に弱体化させにすぎない。ワークピースの残部から物品を完全に分離することは、切断ラインを横断して応力を加える追加のステップを要求する。機械的応力を加えることは、時として、切断ラインに沿って分離をもたらすために十分である。熱的応力が、欠けおよび微小亀裂等の不要な欠陥のない高品質の縁を要求する用途において加えられる。精密かつ制御された分離が、材料によって吸収される波長と比較的に高い平均電力とを有するレーザビームを使用して実証されている。吸収されるレーザ出力は、切断ラインを横断して熱勾配を生成し、それは、亀裂にパルスレーザ放射によって生産された個別的な欠陥の間で伝搬させ、それによって、切断ラインに沿って連続的な破断を形成する。

一例として、超短波レーザパルスの高度な集束ビームが、ガラスワークピース内に自己誘導「フィラメント」を生成する。そのようなフィラメントの伝搬が、空隙の形態におけるワークピースを通した長い欠陥を生成する。空隙の列が、集束させられた超短波のパルスレーザビームを切断ラインに沿って平行移動させることによって生成される。約１０マイクロメートル（μｍ）の波長を有する二酸化炭素（ＣＯ_２）レーザが、次いで、ＣＯ_２レーザビームを切断ラインに沿って平行移動させることによって、ガラスを分離するために使用される。そのようなレーザ切断プロセスである「スマート切断」が、Ｒｏｆｉｎ−ＳｉｎａｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＩｎｃ．によって開発され、米国特許第９，１０２，００７号および米国特許第９，２９６，０６６号（それらの各々は、本発明の譲受人によって所有され、各々の完全な開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に説明されている。

伝統的な「スクライブアンド破断」切断およびレーザ切断において、「レリーフライン」が、丸みを帯びた形状を有する物品を分離するために必要であり得る。レリーフラインは、切断ラインの湾曲区分から廃棄されるべきワークピースの一部の中に放射状に延びる追加のラインである。そのような湾曲区分は、凹面形または凸面形のいずれかであり得る。レリーフラインは、切断ラインと同一の方法でスクライビングまたは切断され得る。レリーフラインによって画定される複数の片への廃棄されるべき部分の犠牲破断が、より制御されかつ信頼性のある切断ラインに沿った分離をもたらす。

応力を加える追加の分離ステップは、物品とワークピースの残部との間の任意の残留接合を破断するが、いくつかの用途では、物品は、依然として、ワークピースの残部から分離することを物理的に妨げられる。これは、凹面形の湾曲区分を有する物品、および比較的に少ない材料を除去し、粗い縁を生産する切断プロセスに特有の問題である。例えば、超短波レーザパルスの集束ビームが、ガラス内に精密かつ細かい切断を作製する。約１０ピコ秒（ｐｓ）の持続時間を有するレーザパルスを使用したフィラメント切断プロセスに対する典型的な面粗度Ｒｚは、約１０μｍである。切断される縁上のこのあまり大きくない面粗度でさえ、曲線区分の分離を防止するために十分な静摩擦をもたらす。
物品のワークピースの残部からの確実かつ完全な分離を提供する丸みを帯びた形状を有する物品を脆性材料からレーザ切断する方法の必要性が、存在する。好ましくは、方法は、最小限の追加の装置および最小限の追加の加工時間を要するであろう。

米国特許第９，１０２，００７号明細書米国特許第９，２９６，０６６号明細書

ある側面では、パルスレーザ放射の第１のビームおよびレーザ放射の第２のビームを使用して、脆性材料で作製されたワークピースからアイテムを切断および分離する方法が、開示される。方法は、第１のビームをワークピース上に集束させながら、集束させられた第１のビームをアイテムの輪郭および解放特徴の経路に沿って平行移動させることによって、切断ラインおよび複数の解放特徴を作製することを含む。解放特徴は、ワークピース内かつアイテムの外側に位置する。少なくとも１つの解放特徴が、切断ラインにおける内側曲線に近接する。集束させられた第１のビームは、切断ラインおよび解放特徴に沿ってワークピースを弱体化させる。第２のビームは、切断ライン上に導かれ、切断ラインに沿って平行移動させられる。導かれた第２のビームは、切断ラインに沿ってワークピースをさらに弱体化させる。第２のビームは、少なくとも１つの解放特徴上の場所に導かれ、その場所において、ワークピースをある時間にわたって加熱する。加熱時間は、ワークピースに変形させ、割れさせるために十分である。少なくとも１つの解放特徴は、加熱するステップ中、少なくとも１つの解放特徴と内側曲線との間で亀裂に伝搬させるように配置される。

本明細書に組み込まれ、かつその一部を構成する添付図面が、本発明の好ましい実施形態を図式的に図示し、上で与えられる一般的な説明および下で与えられる好ましい実施形態の詳細説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たす。

図１Ａおよび１Ｂは、本発明のレーザ切断および分離方法を実装するためのレーザ切断装置の１つの好ましい実施形態を図式的に図示し、装置は、２つのレーザ源を含み、２つのレーザ源の各々は、切断され、分離されるべきワークピースに導かれるレーザ放射のビームを送達する。図１Ａおよび１Ｂは、本発明のレーザ切断および分離方法を実装するためのレーザ切断装置の１つの好ましい実施形態を図式的に図示し、装置は、２つのレーザ源を含み、２つのレーザ源の各々は、切断され、分離されるべきワークピースに導かれるレーザ放射のビームを送達する。

図２Ａは、脆性材料で作製されたワークピースからアイテムをレーザ切断し、分離するための従来技術ソリューションを図式的に図示する。

図２Ｂ−２Ｅは、脆性材料で作製されたワークピースからアイテムを切断する、かつ切断されたアイテムからの廃材の制御された分離のための本発明による、レーザ切断および分離方法の１つの好ましい実施形態を図式的に図示する。図２Ｂ−２Ｅは、本発明によるレーザ切断および分離方法の１つの好ましい実施形態を図式的に図示し、方法は、脆性材料で作製されたワークピースからアイテムを切断するためであり、かつ切断されたアイテムからの廃材の制御された分離のためである。図２Ｂ−２Ｅは、本発明によるレーザ切断および分離方法の１つの好ましい実施形態を図式的に図示し、方法は、脆性材料で作製されたワークピースからアイテムを切断するためであり、かつ切断されたアイテムからの廃材の制御された分離のためである。図２Ｂ−２Ｅは、本発明によるレーザ切断および分離方法の１つの好ましい実施形態を図式的に図示し、方法は、脆性材料で作製されたワークピースからアイテムを切断するためであり、かつ切断されたアイテムからの廃材の制御された分離のためである。

図３Ａ−３Ｃは、本発明による、アイテムを切断し、分離するための例示的な本発明の解放特徴を図式的に図示する。

図４Ａ−１０Ｂは、内側曲線を有する切断されたアイテムから廃材を分離するための例示的な本発明の解放特徴を図式的に図示する。図４Ａ−１０Ｂは、内側曲線を有する切断されたアイテムから廃材を分離するための例示的な本発明の解放特徴を図式的に図示する。図４Ａ−１０Ｂは、内側曲線を有する切断されたアイテムから廃材を分離するための例示的な本発明の解放特徴を図式的に図示する。図４Ａ−１０Ｂは、内側曲線を有する切断されたアイテムから廃材を分離するための例示的な本発明の解放特徴を図式的に図示する。図４Ａ−１０Ｂは、内側曲線を有する切断されたアイテムから廃材を分離するための例示的な本発明の解放特徴を図式的に図示する。図４Ａ−１０Ｂは、内側曲線を有する切断されたアイテムから廃材を分離するための例示的な本発明の解放特徴を図式的に図示する。図４Ａ−１０Ｂは、内側曲線を有する切断されたアイテムから廃材を分離するための例示的な本発明の解放特徴を図式的に図示する。

ここで、同様の構成要素が同様の番号によって指定される図面を参照すると、図１Ａおよび１Ｂは、従来技術のレーザ切断方法において使用され、本発明のレーザ切断方法においても使用される装置１０を図式的に図示する。従来技術および現行の方法の両方において、脆性材料で作製されたワークピース１２が、パルスレーザ放射の集束ビーム１４にさらされる。パルスレーザ放射１４の集束が、レーザ放射の集束ビームの境界光線を表す収束光線１６Ａおよび１６Ｂによって示される。パルスレーザ放射のビーム１４は、パルスレーザ放射の源１８によって発生させられ、ビーム１４は、脆性材料が透過的である波長を有する。パルスレーザ放射のビーム１４は、繰り返される個々のレーザパルスのビーム（ここでは、３つのみが、図示される）またはレーザパルスの繰り返されるバーストである。各パルスまたはパルスの各バーストが、ワークピース内に欠陥２０を生成する。欠陥２０の線形アレイ２２が、パルスレーザ放射のビーム１４に対してワークピース１２を矢印によって示されるように側方に平行移動させることによって生成される。集束ビームは、ワークピースから切断されるべきアイテムの輪郭を辿る切断ライン２４をトレースする。

装置１０は、随意のビーム操向光学系２６と、随意のビーム調整光学系２８と、集束レンズ３０とをさらに含む。図１Ａは、レーザ源１８からのパルスレーザ放射のビーム１４を捕捉し、それをワークピース１２に向かって導くように配置された平面鏡としてビーム操向光学系２６を描写している。ビーム調整光学系２８は、導かれたパルスレーザ放射のビーム１４を捕捉し、集束レンズ３０の有効開口ＣＡをほぼ占めるようにそれを拡大させるために配置された無限焦点ビーム拡大器として描写されている。集束レンズ３０は、パルスレーザ放射の拡大されたビーム１４を捕捉し、それをワークピース１２内に集束させるために配置された平凸レンズとして描写されている。ビーム操向光学系およびビーム調整光学系は、光学設計の分野において周知であり、その説明は、本発明の原理を理解するためには必要ではない。

集束レンズ３０は、描写されるような単一要素レンズまたは多要素レンズアセンブリであり得る。ワークピース１２が、パルスレーザ放射の静止した集束ビーム１４に対して平行移動させられているように描写されている。代替として、検流計作動鏡が、ビーム調整光学系２８に含まれ、平坦視野対物レンズが、集束レンズ３０のために使用され、それによって、パルスレーザ放射の集束ビーム１４が静止したワークピース１２に対して平行移動させられることを可能にし得る。

パルスレーザ放射の集束ビーム１４が、細長い焦点３２に収束する。集束レンズ２８の中心近傍から出現する光線が、境界光線１６Ａおよび１６Ｂより集束レンズ２８から遠くに収束する。ワークピース１２は、細長い焦点３２が、ワークピース１２に重なり、または少なくとも部分的に重なるように位置する。集束レーザ放射は、ワークピースの厚さを通して延びている長い空隙の作成に有利であるように分散されるので、細長い焦点は、レーザ切断プロセス、特に、フィラメントを生成し、空隙を形成するプロセスにおいて、利点を有する。一例として、細長い焦点は、球面収差を有する集束レンズの有効開口を占めることによって、生成されることができる。

従来技術方法および本発明の方法の両方は、図１Ｂに描写され、図１Ａのレーザ源１８と異なるレーザ放射の源４２によって発生させられたレーザ放射のビーム４０にワークピース１２をさらすステップをさらに含む。レーザ放射のビーム４０は、脆性材料によって吸収される波長を有する。ワークピース１２は、ビームが、パルスレーザ放射のビーム１４によって以前に生成された欠陥２０の線形アレイ２２に沿ってトレースするように、レーザ放射のビーム４０に対して側方に平行移動させられる。レーザ放射のビーム４０は、欠陥２０によって弱体化された脆性材料を加熱し、それに完全に割れさせ、陰影によって図面に示される切断された縁４４を作成する。

装置１０は、レーザ源４２と、随意のビーム操向光学系４６と、随意のビーム形成光学系４８と、随意の集束レンズ５０とをさらに含む。いくつかの用途では、ビーム形成光学系４８は、レーザ放射のビーム４０をガウスモードからトップハット型横モードに変換する。いくつかの用途では、レーザ放射の非集束ビーム４０が、ワークピース１２を完全に切断するために十分であり得る。そうでなければ、レーザ放射のビーム４０は、ワークピース１２の表面上のより小さいエリアを照射するように集束させられる必要があるであろう。ワークピース１２は、描写されるようなレーザ放射の静止したビーム４０に対して平行移動させられ得る。同じように、レーザ放射のビームも、静止したワークピースを横断して走査され得る。

図２Ａは、図１Ａおよび１Ｂの装置１０を使用して、脆性材料で作製されたワークピースをレーザ切断し、分離するための従来技術ソリューション１００を図式的に図示する。図２Ａは、例示的アイテム１０２（陰影が付けられている）が切断されるべきワークピース１２を描写する。廃材１０４（陰影が付けられていない）になる、ワークピース１２の残部は、アイテム１０２から分離されるべき。切断ライン２４が、内側曲線１０６Ａと、外側曲線１０６Ｂとの両方を含むアイテム１０２の輪郭を辿る。従来技術のレリーフライン１０８（長い破線によって示される）は、切断ライン２４の湾曲区分から廃材１０４の中に延びている。切断ライン２４およびレリーフライン１０８は、図１Ａのパルスレーザ放射のビーム１４をワークピース１２に集束させ、切断ライン２４およびレリーフライン１０８の経路に沿って集束ビームを平行移動させることによって作製される。パルスレーザ放射の集束ビーム１４にさらすことは、切断ラインおよびレリーフラインに沿ってワークピース１２を弱体化させる欠陥を生成する。図面は、パルスレーザ放射のビーム１４にさらした後のワークピース１２を描写する。

図２Ｂ−２Ｅは、本発明による、かつ図１Ａおよび１Ｂの装置を使用するレーザ切断および分離方法の１つの好ましい実施形態１１０を図式的に図示する。図２Ｂは、同じ例示的なアイテム１０２が切断されるべきワークピース１２を描写する。切断ライン２４および従来技術のレリーフライン１０８に加えて、本発明の解放特徴１１２Ａおよび１１２Ｂ（両方が、短い破線によって示される）は、パルスレーザ放射の集束ビーム１４を解放特徴１１２Ａおよび１１２Ｂの経路に沿って平行移動させることによって、廃材１０４内に作製される。解放特徴１１２Ａは、直線形態を有し、解放特徴１１２Ｂは、円形の形態を有する。レリーフライン１０８と解放特徴１１２Ａ、１１２Ｂとは、一緒に、アイテム１０２からの廃材１０４の分離を補助する。

図２Ｃは、アイテム１０２からの廃材１０４の第１の分離を描写する。方法１１０は、図１Ｂのレーザ放射のビーム４０をワークピース１２上に導くことと、切断ライン２４およびレリーフライン１０８に沿ってビームを平行移動させることとをさらに含む。解放ライン１１２Ａおよび１１２Ｂは、この平行移動させることにおいて、レーザ放射にさらされない。ワークピース１２は、レーザ放射のビーム（図面において、実線によって示される）にさらされる切断ラインおよびレリーフラインに沿って割れる。

次の加熱するステップにおいて、レーザ放射のビーム４０が、各陰影が付けられた円形の解放特徴１１２Ｂに導かれ、各加熱される円形の解放特徴内の脆性材料を融解し、収縮させるために十分な時間にわたってそれを加熱する。融解することおよび収縮することによって誘発される応力が、次に、廃材１０４の制御された割れをもたらす。亀裂が、加熱された円形の解放特徴に接続された直線解放特徴１１２Ａに沿って伝搬する。追加の制御された亀裂の伝搬が、追加の亀裂１１４の意図された方向と整列させられた直線解放特徴１１２Ａによって導かれる。図面上の矢印は、廃材１０４の割れた片のアイテム１０２からの第１の分離を示す。

図２Ｄは、廃材１０４の残りの片のアイテム１０２からの第２の分離を描写する。レーザ放射のビーム４０が、図面内で陰影が付けられた残りの円形の解放特徴１１２Ｂ内の脆性材料に導かれ、それをある時間にわたって加熱する。前述のように、亀裂が、残りの直線解放特徴１１２Ａに沿って伝搬し、追加の亀裂１１４が、いくつかの直線解放特徴１１２Ａによって導かれる。図面上の矢印は、廃材１０４の割れた片のアイテム１０２からの第２の分離を示す。

図２Ｅは、図２Ｃにも描写される、第１の分離のさらなる詳細を描写する。円形の解放特徴１１２Ｂの長時間の加熱は、融解をもたらし、それは、各加熱された円形の解放特徴内の脆性材料の割れももたらし得る。廃材１０４内に亀裂をもたらすことに加えて、長時間の加熱は、その変形をもたらし、それは、アイテム１０２からの廃材１０４の分離をさらに補助する。一般的に、より薄いワークピースは、より多くの変形を示すであろう。例えば、約１ミリメートル（ｍｍ）未満の厚さを有するガラスで作製されたワークピースは、容易に変形する。約２ｍｍの厚さを有するガラスも、依然として、分離を補助するように実質的に変形する。

各追加の亀裂１１４が、加熱された円形の解放特徴の反対側に位置する相補的な直線解放特徴１１２Ａによって若干導かれる。「若干導かれる」は、追加の亀裂が、加熱された円形の解放特徴から放射状かつ無作為ではあるが、予測可能なエリア１１６（２つの破線によって境を限られているように図面上に描写されている）内に伝搬することを意味する。予測可能な若干導かれる亀裂の伝搬のために、加熱された円形の特徴の最小半径が、存在する。例えば、約２ｍｍの厚さを有するガラスで作製されるワークピースに対して、最小半径は、選択される解放特徴の具体的なパターンおよびガラスのタイプに応じて、約０．２ｍｍ〜約１．０ｍｍの範囲内である。

図３Ａ−３Ｃは、異なる例示的内側曲線１０６Ａを有するアイテム１０２を切断し、分離するための例示的な本発明の解放特徴を図式的に図示する。図３Ａは、図２Ａおよび２Ｄと同一の解放特徴を描写する。図面内の矢印は、例示的内側曲線１０６Ａの確実な分離のために重要となる直線解放特徴１１２Ａの向きを描写する。重要となる直線解放特徴は、内側曲線に接し、その直線区分と湾曲区分との間の変曲点で切断ライン２４を横取りする。亀裂が、矢印の方向に、連続的に、重要となる直線特徴に沿って内側曲線の中に伝搬するであろう。図３Ｂは、より浅い角度で切断ライン２４の直線区分に出合う別の例示的内側曲線１０６Ａのためのとなる直線解放特徴１１２Ａおよび亀裂の伝搬を描写する。図３Ｃは、切断ライン２４の直線区分を伴う鋭的縁を形成する、さらに別の例示的内側曲線１０６Ａのためのとなる直線解放特徴１１２Ａおよび亀裂の伝搬を描写する。再び、重要となる直線解放特徴は、内側曲線に接する。

図４Ａ−１０Ａは、内側曲線１０６Ａを有する切断アイテム１０２から廃材を分離するための例示的な本発明の解放特徴を図式的に図示する。図４Ｂ−１０Ｂは、ある時間にわたってそれぞれの例示的解放特徴を選択的に加熱した後の制御された亀裂の生成および伝搬を図式的に図示する。図４Ａは、１つの直線解放特徴１１２Ａと、完全な円形の形態を有する１つの円形の解放特徴１１２Ｂとを含む。これらの解放特徴は、内側曲線に近接している。図４Ｂは、円形の解放特徴１１２Ｂを加熱することによって生成される１つの追加の亀裂１１４を描写する。

図５Ａの解放特徴は、円形の解放特徴１１２Ｂが半円形の形態を有することを除き、図４Ａのものに類似する。図５Ｂも、円形の解放特徴１１２Ｂを加熱することによって生成される１つの追加の亀裂１１４を有する。図４Ｂおよび５Ｂの例では、亀裂の伝搬が、本明細書の上で説明される様式で、直線解放特徴１１２Ａによって導かれる。さらに、両方の例において、切断ライン２４に沿った割れは、アイテム１０２の中に伝搬する前に追加の亀裂１１４を停止させるために十分である。

図６Ａは、図４Ａの円形の解放特徴を省略する。多くの場合、１つの追加の亀裂１１４が、意図され、図６Ｂに描写されるような直線解放特徴１１２Ａ上の場所をある時間にわたって加熱することによって、生成されるであろう。しかしながら、発明者らは、いかなる円形の解放特徴も伴わない直線解放特徴のみが、あまり制御されておらず、あまり予測可能ではない亀裂を提供することを見出した。したがって、図４Ａおよび５Ａの実施例におけるように、確実な亀裂および分離のために、円形の解放特徴を含むことが、より好ましい。他の利点の中でもとりわけ、円形の解放特徴は、レーザ放射のビームによる長時間の加熱によってもたらされる高い内部応力を含む。

図７Ａの解放特徴は、図４Ａのものに類似するが、円形の解放特徴１１２Ｂと切断ライン２４との間への１つの直線解放特徴１１２Ａの追加を伴う。いくつかの事例では、追加の直線解放特徴は、図７Ｂに描写されるように、円形の解放特徴と切断ラインとの間のより制御された割れを提供する。

図８Ａでは、円形の解放特徴は、図５Ａの半円形の形態を有するが、亀裂の伝搬を導くために、１つの代わりに２つの直線解放特徴１１２Ａが、存在する。円形の解放特徴内で加熱することは、図８Ｂに描写されるように、追加の亀裂１１４を生成するが、２つの直線解放特徴に沿った割れが、廃材を破断する。図８Ｂを図４Ａと比較すると、２つの直線解放特徴は、廃材から追加の楔形の片を発生させ、それは、いくつかの事例において分離を改善し得る。図９Ａおよび９Ｂに描写される解放特徴１１２Ａ、１１２Ｂは、同じことを果たすが、円形の解放特徴１１２Ｂは、真円の形態を有する。

図１０Ａの解放特徴は、図９Ａのそれらと同じである。しかしながら、図１０Ａの解放特徴は、図１０Ｂに描写されるように、より浅い角度で、内側曲線１０６Ａに近接した場所（但し、その上ではない）において切断ライン２４の中に伝搬する亀裂を生成するように変位させられている。本明細書では、「浅い角度」は、４５°未満の角度、好ましくは、３０°未満の角度を意味する。いくつかの事例では、高入射角度で切断ライン２４の中に直接伝搬する亀裂が、不要な欠けを生産し得る。

ソーダ石灰ガラスを切断し、分離するための装置１０および方法１１０を使用する本発明の実践的例では、レーザ源１８は、「ＳｔａｒＰｉｃｏ」超短波パルスレーザであり、レーザ源４２は、「ＳＲ２５ｉ」ＣＯ_２レーザであり、両方は、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ−ＲｏｆｉｎＧｍｂＨ（Ｈａｍｂｕｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ）によって供給される。例示的ガラスは、約２ｍｍの厚さを有する。レーザ源１８は、約１０ｐｓの持続時間を有するパルスを生成し、１，０６４ナノメートル（ｎｍ）の波長を有する。約５キロヘルツ（ｋＨｚ）のバースト繰り返し率において約６５０マイクロジュール（μＪ）のバーストエネルギーを有する４つの個々のパルスのバーストが、選択される。これらの加工パラメータが、フィラメントを生成し、それによって、空隙の形態の欠陥を生成する。パルスレーザ放射のビーム１４へのワークピースの露光中の好ましい平行移動速度は、約２０ｍｍ／秒である。

レーザ源４２は、約１０μｓの持続時間を有するパルスを生産し、約１０，６００ｎｍの波長を有する。パルス繰り返し率は、約１４ｋＨｚである。レーザ放射のビーム４０が、２ｍｍ〜１２ｍｍの範囲内、好ましくは約５ｍｍの直径を有するワークピース１２上のエリアを照射する。切断ライン２４およびレリーフライン１０８の露光中の好ましい平行移動速度は、１００ｍｍ／秒〜２５０ｍｍ／秒の範囲内である。解放特徴１１２Ａおよび１１２Ｂを加熱するための滞留時間は、０．５〜１．０秒の範囲内であり、それは、局所的な融解をもたらし、かつ廃材１０４に亀裂を入れるために十分である。

本明細書にもたらされる実施例および図は、アイテムの輪郭の部分のみに沿って位置する廃材を有するアイテムを切断し、分離するが、本発明は、廃材によって完全に封入されたアイテムを切断し、分離するためにも適用され得る。解放特徴の最適な数および配置は、ワークピースおよびそれから分離されるべきアイテムの幾何学形状、脆性材料のタイプ、およびワークピースの厚さに依存する。大部分の事例では、直線解放特徴は、亀裂形成を誘導するために好ましい。しかしながら、湾曲した解放特徴も、多くの場合、アイテムを分離するために同様に機能し、複雑な輪郭を有するアイテムのために好ましくあり得る。同様に、円形の解放特徴は、円形、半円形、楕円形、および楕円体を含む異なる円形形態を有し得る。

本発明は、好ましい実施形態および他の実施形態の観点から上で説明される。しかしながら、本発明は、本明細書に説明かつ描写される実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付される請求項によってのみ限定される。

Claims

パルスレーザ放射の第１のビームおよびレーザ放射の第２のビームを使用して、脆性材料で作製されたワークピースからアイテムを切断および分離する方法であって、前記方法は、
前記第１のビームを前記ワークピース上に集束させることと、
前記集束させられた第１のビームを前記アイテムの輪郭および解放特徴の経路に沿って平行移動させることによって、切断ラインおよび複数の解放特徴を作製することであって、前記解放特徴は、前記ワークピース内かつ前記アイテムの外側に位置し、少なくとも１つの解放特徴は、前記切断ラインにおける内側曲線に近接しており、前記集束させられた第１のビームは、前記切断ラインに沿って、および前記解放特徴に沿って前記ワークピースを弱体化させる、ことと、
前記第２のビームを前記切断ライン上に導くことと、
前記導かれた第２のビームを前記切断ラインに沿って平行移動させることであって、前記導かれた第２のビームは、前記切断ラインに沿って前記ワークピースをさらに弱体化させる、ことと、
前記第２のビームを前記少なくとも１つの解放特徴上の場所に導くことと、
前記場所において、前記ワークピースをある時間にわたって加熱することと
を含み、
前記加熱時間は、前記ワークピースに変形させ、割れさせるために十分であり、
前記少なくとも１つの解放特徴は、前記加熱するステップ中、前記少なくとも１つの解放特徴と前記内側曲線との間で亀裂に伝搬させるように配置されている、方法。
前記集束させることは、前記第１のビームの細長い焦点を生成し、前記細長い焦点は、少なくとも部分的に前記ワークピースに重なる、請求項１に記載の切断および分離する方法。
前記細長い焦点は、球面収差を有する集束レンズの有効開口を占めることによって生成される、請求項２に記載の切断および分離する方法。
前記集束させられた第１のビームは、フィラメントを生成し、それによって、前記ワークピース内に欠陥を作成する、請求項１−３のいずれかに記載の切断および分離する方法。
前記欠陥は、空隙の形態である、請求項４に記載の切断および分離する方法。
前記第１のビームは、超短波パルスレーザによって生成される、請求項１−５のいずれかに記載の切断および分離する方法。
前記第２のビームは、ＣＯ_２レーザによって生成される、請求項１−６のいずれかに記載の切断および分離する方法。
前記加熱時間は、０．５秒〜１．０秒の範囲内である、請求項１−７のいずれかに記載の切断および分離する方法。
少なくとも１つの解放特徴は、直線形態を有する、請求項１−８のいずれかに記載の切断および分離する方法。
前記亀裂の伝搬は、直線解放特徴によって導かれる、請求項９に記載の切断および分離する方法。
前記直線解放特徴は、前記内側曲線に接する、請求項９または１０に記載の切断および分離する方法。
少なくとも１つの解放特徴は、円形の形態を有する、請求項１−１１のいずれかに記載の切断および分離する方法。
前記円形の解放特徴は、円形、半円形、楕円形、および楕円体から成る形態の群のうちの１つを有する、請求項１２に記載の切断および分離する方法。
前記亀裂の伝搬は、前記円形の解放特徴の前記亀裂と反対側に位置している相補的な直線解放特徴によって若干導かれる、請求項１２または１３に記載の切断および分離する方法。
前記円形の解放特徴は、約０．２ミリメートル〜約１．０ミリメートルの範囲内の半径を有する、請求項１２−１４のいずれかに記載の切断および分離する方法。
前記解放特徴は、前記亀裂を前記切断ラインの中に浅い角度で伝搬するように配置されている、請求項１−１５のいずれかに記載の切断および分離する方法。
前記脆性材料は、ガラスである、請求項１−１６のいずれかに記載の切断および分離する方法。
パルスレーザ放射の第１のビームおよびレーザ放射の第２のビームを使用して、脆性材料で作製されたワークピースからアイテムを切断および分離する方法であって、前記方法は、
前記第１のビームを前記ワークピース上に集束させることと、
前記集束させられた第１のビームを前記アイテムの輪郭および前記解放特徴の経路に沿って平行移動させることによって、切断ラインおよび複数の解放特徴を作製することであって、前記解放特徴は、前記ワークピース内かつ前記アイテムの外側に位置し、少なくとも１つの解放特徴は、円形の形態を有し、少なくとも１つの円形の解放特徴は、前記切断ラインにおける内側曲線に近接して位置し、前記集束させられた第１のビームは、前記切断ラインに沿って、および前記解放特徴に沿って前記ワークピースを弱体化させる、ことと、
前記第２のビームを前記切断ライン上に導くことと、
前記導かれた第２のビームを前記切断ラインに沿って平行移動させることであって、前記導かれた第２のビームは、前記切断ラインに沿って前記ワークピースをさらに弱体化させる、ことと、
前記第２のビームを前記円形の解放特徴内の場所に導くことと、
前記場所において、前記ワークピースをある時間にわたって加熱することと
を含み、
前記加熱することは、前記ワークピースに割れさせ、
前記円形の解放特徴は、少なくとも１つの他の解放特徴に近接しており、前記少なくとも１つの他の解放特徴は、前記加熱するステップ中、前記円形の解放特徴と前記内側曲線との間で亀裂に伝搬させるように配置されている、方法。
前記集束させることは、前記第１のビームの細長い焦点を生成し、前記細長い焦点は、少なくとも部分的に前記ワークピースに重なる、請求項１８に記載の切断および分離する方法。
前記細長い焦点は、球面収差を有する集束レンズの前記有効開口を占めることによって生成される、請求項１９に記載の切断および分離する方法。
前記集束させられた第１のビームは、フィラメントを生成し、それによって、前記ワークピース内に欠陥を作成する、請求項１８−２０のいずれかに記載の切断および分離する方法。
前記欠陥は、空隙の形態である、請求項２１に記載の切断および分離する方法。
前記第１のビームは、超短波パルスレーザによって生成される、請求項１８−２２のいずれかに記載の切断および分離する方法。
前記第２のビームは、ＣＯ_２レーザによって生成される、請求項１８−２３のいずれかに記載の切断および分離する方法。
前記加熱時間は、０．５秒〜１．０秒の範囲内である、請求項１８−２４のいずれかに記載の切断および分離する方法。
前記少なくとも１つの他の解放特徴は、直線形態を有する、請求項１８−２５のいずれかに記載の切断および分離する方法。
前記円形の解放特徴からの前記亀裂の伝搬は、前記直線解放特徴によって導かれる、請求項２６に記載の切断および分離する方法。
前記直線解放特徴は、前記内側曲線に接する、請求項２６または２７に記載の切断および分離する方法。
前記円形の解放特徴は、円形、半円形、楕円形、および楕円体から成る形態の群のうちの１つを有する、請求項１８−２８のいずれかに記載の切断および分離する方法。
前記円形の解放特徴は、約０．２ミリメートル〜約１．０ミリメートルの範囲内の半径を有する、請求項１８−２９のいずれかに記載の切断および分離する方法。
前記解放特徴は、前記亀裂を前記切断ラインの中に浅い角度で伝搬するように配置されている、請求項１８−３０のいずれかに記載の切断および分離する方法。
前記脆性材料は、ガラスである、請求項１８−３１のいずれかに記載の切断および分離する方法。