JP5187556B2 - レーザ割断装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザ割断装置に関し、より詳しくは、脆性材料にレーザ光を照射して割断予定線に沿って脆性材料を割断するようにしたレーザ割断装置に関する。

従来から脆性材料にレーザ光を照射して割断するようにしたレーザ割断装置は知られている。こうした従来のレーザ割断装置においては、脆性材料に対するレーザ光の照射スポットを割断予定線に沿って細長く形成することによって加工速度を速くすることができる。
そして、従来のレーザ割断装置においては、脆性材料の表面に微小な溝を形成し、そこにレーザ光を照射するようにしているが、上記微小な溝にレーザ光を照射すると微小なカレット（加工屑）が多量に発生する。そこで、できるだけ上記微小な溝に対してレーザ光を照射しないようにしたレーザ割断装置が提案されている（例えば特許文献１）。
ところで、上記特許文献１の装置においては、レーザ光を二分割してから脆性材料に照射するようにしているので、２系統の光学部品が必要となる。そのため、上記特許文献１の装置は、構成が複雑で高価になるという欠点があった。
また、従来のレーザ割断装置においては、脆性材料の表面に微小な溝を形成し易くするために、メカニカルカッタに少量の灯油を塗布するようしている。そして、このように灯油を塗布したメカ二カルカッタによって脆性材料の表面に微小な溝を形成すると、割断加工の後工程において脆性材料の表面に付着した灯油を除去する必要があり、そのために加工後の脆性材料の洗浄作業や洗浄設備が必要となる。
他方、特許文献２に提案されているように、レーザ光の一部を細長い遮光板で遮光する技術によれば、レーザ光を脆性材料に照射した際に、その脆性材料の表面に付着した灯油をレーザ光により除去できるので、割断加工後における脆性材料の洗浄作業は不要となる。
特開２００１−１５１５２５号公報 特開２００１−２１２６８３号公報

しかしながら、特許文献２の割断装置において、レーザ光の照射スポットを細長くするために集光レンズとしてシリンドリカルレンズを用いると、該シリンドリカルレンズにおける凸面の頂部の長手方向と上記遮光板の取り付け方向を一致させる必要がある。そのため、特許文献２の割断装置では、組み付け調整時におけるシリンドリカルレンズと遮光板の位置調整作業が極めて煩雑になっていた。

上述した事情に鑑み、本発明は、レーザ光の断面形状を所定の形状に成形して脆性材料に照射するレーザ光照射手段と、レーザ光と脆性材料とを相対移動させて、該脆性材料に設定された割断予定線に沿ってレーザ光の照射スポットを移動させる移動手段とを備え、上記割断予定線に沿って脆性材料を割断するようにしたレーザ割断装置において、
上記レーザ光照射手段は、レーザ光が透過する集光レンズを備え、この集光レンズは、レーザ光を拡散させる拡散領域を備えており、上記移動手段によってレーザ光の照射スポットが上記割断予定線に沿って移動される際には、該照射スポットにおける上記拡散領域に対応する箇所が上記脆性材料の割断予定線上を移動するようにしたものである。

上述した構成によれば、従来と比較して簡略な構成のレーザ光照射手段を用いることができ、レーザ光を脆性材料に照射して割断加工をする際にカレットの発生を抑制することができる。しかも、レーザ割断装置の構成部材を組み付ける際の調整作業が容易になる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明すると、図１および図２において、１はレーザ割断装置であり、このレーザ割断装置１は、例えばガラス板のような脆性材料２を割断することで液晶ディスプレイ用パネルの基板を製造するようになっている。
レーザ割断装置１は、上記脆性材料２を保持する加工テーブル３と、脆性材料２にレーザ光Ｌを照射して割断する第１、第２加工ヘッド４，５と、これら第１、第２加工ヘッド４，５を上記加工テーブル３上の脆性材料２に対して相対移動させる移動手段６と、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器７とを備えており、これらは図示しない制御手段によって制御されるようになっている。
以下の説明では、図１における上下方向をＸ方向とし、これに直交する左右方向をＹ方向として説明する。

上記脆性材料２は略長方形となっており、その長辺がＸ方向を、短辺がＹ方向を向いた状態で上記加工テーブル３に載置されている。本実施例においては、Ｘ方向に設定されたＸ方向割断予定線ＢｘおよびＹ方向に設定されたＹ方向割断予定線Ｂｙに沿って脆性材料２を割断することで、長方形の製品部分２ａと該製品部分２ａの外周に位置する不要部分２ｂとに分離するようになっている。
上記加工テーブル３の表面には図示しない多数の孔が穿設されており、各孔には図示しないエア給排手段が接続されている。そして該エア給排手段によってこれらの孔からエアを吸引することで、脆性材料２を加工テーブル３の表面に吸着保持するようになっている。

上記移動手段６は、上記加工テーブル３を挟んで設けられた２つのレール部材６ａ，６ａと、該レール部材６ａ，６ａに沿ってＸ方向に移動可能な２つの可動レール６ｂ、６ｂとを備え、上記第１、第２加工ヘッド４，５はそれぞれ上記可動レール６ｂ、６ｂに沿ってＹ方向に移動可能に設けられている。
これにより、上記第１、第２加工ヘッド４，５は上記脆性材料２に対してＸ方向とＹ方向に相対移動することが可能となっている。そして、上記第１、第２加工ヘッド４、５が上記移動手段６によって移動することで上記Ｘ方向割断予定線ＢｘおよびＹ方向割断予定線Ｂｙに沿って脆性材料２を割断するようになっている。

図２は上記第１加工ヘッド４を示したものであり、以下に第１加工ヘッド４の構成を説明する。他方の第２加工ヘッド５は第１加工ヘッド４と同じ構成を有するため、第２加工ヘッド５についての詳細な説明は省略する。
すなわち、第１加工ヘッド４は、脆性材料２の表面に直線状のスクライブ溝Ｓを形成する溝形成手段としてのメカニカルカッタ１１と、レーザ光Ｌの照射スポットを細長い略馬蹄形に形成する集光レンズ１２と、上記メカニカルカッタ１１を脆性材料２に上方から押圧する押圧手段１３とを備えている。

そして、第１加工ヘッド４が移動手段６によってＸ方向に移動される際の移動方向前方側に上記メカニカルカッタ１１が配置されており、移動方向後方側に集光レンズ１２が配置されている。
メカニカルカッタ１１は円盤状に形成されており、その外周部分の断面形状は略Ｖ字型となっている。このメカニカルカッタ１１の外周部を脆性材料２の表面に当接させるとともに押圧手段１３で押圧するようになっている。そして、その状態で第１加工ヘッド４がＸ方向に移動されると、メカニカルカッタ１１が回転して脆性材料２の表面にＸ方向に向けて微小なスクライブ溝Ｓが形成されるようになっている。

押圧手段１３は、上記メカニカルカッタ１１を昇降させるエアシリンダ１３ａと、このエアシリンダ１３ａへの加圧エアの供給を行うエア供給手段１３ｂと、これらエアシリンダ１３ａとエア供給手段１３ｂとの間に設けられたレギュレータ１３ｃとから構成されている。
上記エアシリンダ１３ａはメカニカルカッタ１１を上下方向に移動可能に保持するようになっており、また上記レギュレータ１３ｃを介して供給されるエア圧によってメカニカルカッタ１１を所要の押圧力で脆性材料２の表面に押圧するようになっている。

次に、レーザ発振器７から発振されたレーザ光Ｌは、反射鏡１４によって反射された後に集光レンズ１２によって集光されてから上記脆性材料２のスクライブ溝Ｓに照射されるようになっている。これにより、レーザ発振器７、反射鏡１４、集光レンズ１２からレーザ光照射手段が構成されている。
本実施例においては、第１加工ヘッド４が移動手段６によってＸ方向に移動する際に、先ず上記メカニカルカッタ１１がＸ方向割断予定線Ｂｘに沿って移動されて脆性材料２の表面に微小なスクライブ溝Ｓが形成され、その後、メカニカルカッタ１１に追従して移動されるレーザ光Ｌが上記スクライブ溝Ｓに照射されるようになっている（図２、図３参照）。
このようにレーザ光Ｌを脆性材料２のスクライブ溝Ｓに照射すると、脆性材料２の内部でスクライブ溝Ｓを挟んで対称な熱応力が発生する。これにより脆性材料２が熱膨張してスクライブ溝Ｓの略Ｖ字型の底部から亀裂が発生し、この亀裂が脆性材料２の下端まで伸展することで脆性材料２がＸ方向割断予定線Ｂｘのとおりに割断されるようになっている（図７参照）。

しかして、本実施例は、レーザ光照射手段としての集光レンズ１２の構成とその配置状態を以下のように改良することにより、脆性材料２を割断する際に微小なカレットが発生するのを抑制できるようにしたものである。
すなわち、図４ないし図５に示すように、集光レンズ１２は、円形の断面形状を細長い楕円状に形成する円板状のシリンドリカルレンズからなり、その下面１２Ａは平坦面となっており、上面１２Ｂがかまぼこ状に中央部が両側よりも高くなる凸面となっている。
この集光レンズ１２の上面１２Ｂの中央部には、軸心Ｃを通って凸面の頂部の長手方向（直径方向）に直線状の溝１２Ｃが形成されている。この溝１２Ｃは、上方側が開口する断面Ｖ字形となっており、上方の開口部の幅ｄは１〜３ｍｍに設定されており、また深さｈは０．１〜１mmに設定されている。

溝１２Ｃの一端１２Ｃ’は外周面１２Ｄまで到達しているが、溝１２Ｃの他端１２Ｃ’’は外周面１２Ｄまで到達せずに、その隣接位置に位置している。
溝１２Ｃを構成する底部の表面全域は、微小な無数の凹凸が形成された粗面となっている。この溝１２Ｃは、レーザ光Ｌを拡散させる拡散領域として構成されている。
また、上記溝１２Ｃを形成したことにより、集光レンズ１２の上面１２Ｂは、半円形をした左方の透過領域１２Ｅと右方の透過領域１２Ｆと、両方の透過領域１２Ｅ、１２Ｆの間で溝１２Ｃの他端１２Ｃ’’の外側に隣接する接続部１２Ｇとに区分される。

上面１２Ｂの溝１２Ｃ以外の領域と集光レンズ１２の下面１２Ａは滑らかに研磨されており、それらの箇所はレーザ光Ｌを完全に透過させることができるようになっている。
集光レンズ１２は、上記溝１２Ｃが拡散領域となっており、また、溝１２Ｃ以外の領域、つまり両透過領域１２Ｅ、１２Ｆおよび接続部Ｇがレーザ光Ｌを完全に透過させて集光させる透過領域となっている。集光レンズ１２は以上のように構成されているので、反射鏡１４によって断面円形のレーザ光Ｌが上方から集光レンズ１２に導かれて、それを透過すると、レーザ光Ｌの断面形状が細長い略馬蹄形に成形されるようになっている。

また、以上のように構成された集光レンズ１２は、上記第１加工ヘッド４に水平に取り付けられている。しかも、この集光レンズ１２は、上記溝１２Ｃの長手方向がＸ方向割断予定線Ｂｘと平行となり、かつ上記接続部１２Ｇが第１加工ヘッド４の移動方向前方側に位置するように取り付けられている。
また、上記移動手段６によって第１加工ヘッド４がＸ方向割断予定線Ｂｘに沿って移動される際には、集光レンズ１２の接続部１２Ｇと溝１２ＣがＸ方向割断予定線Ｂｘに沿ってそれに重合する上方位置を移動されるようになっている。

したがって、レーザ光Ｌが反射鏡１４によって集光レンズ１２に導かれてからそれを透過すると、接続部１２Ｇに対応する部分が移動方向前方側に位置するようにレーザ光Ｌの断面形状が略馬蹄形に形成されてから脆性材料に照射される。
そして、この略馬蹄形となったレーザ光Ｌの照射スポットは、上記接続部１２Ｇと溝１２Ｃに対応する箇所がスクライブ溝Ｓに重合し、両方の透過領域１２Ｅ、１２Ｆに対応する箇所がスクライブ溝Ｓを挟んだ両側に位置するようになっている（図３、図６参照）。
この状態において、第１加工ヘッド４が移動手段６によりＸ方向に移動されるので、メカニカルカッタ１１によってＸ方向割断予定線Ｂｘ上にスクライブ溝Ｓが形成されるともに、そのスクライブ溝Ｓの形成に追従するようにレーザ光Ｌが照射される。それにより、スクライブ溝Ｓから厚さ方向に亀裂が伸展するので、脆性材料２がＸ方向割断予定線Ｂｘのとおりに割断されるようになっている。
なお、第２加工ヘッド５の構成と配置状態は、上述した第１加工ヘッド４の場合と同様に構成されているので、第２加工ヘッド５に関する詳細な説明は省略する。

以下、上記構成を有するレーザ割断装置１による脆性材料２の割断方法について説明する。
最初に、レーザ割断装置１は上記第１加工ヘッド４により割断線Ｂと交差しないＸ方向割断予定線Ｂｘに従って脆性材料２を割断する。
すなわち、まず、メカニカルカッタ１１は、脆性材料２のＸ方向割断予定線Ｂｘの延長線上で脆性材料２から離れた位置で停止しており、このときメカニカルカッタ１１の下端部は脆性材料２の表面よりもわずかに下方に位置している。また、第１加工ヘッド４の集光レンズ１２の溝１２Ｃおよび接続部１２Ｇは、Ｘ方向割断予定線Ｂｘの延長線の上方位置に位置している。

その状態から、第１加工ヘッド４を移動手段６によりＸ方向に移動させる。それにより、第１加工ヘッド４が所定速度に達する前の低速状態でメカニカルカッタ１１が脆性材料２に接触し、該メカニカルカッタ１１によって脆性材料２の表面の端部からスクライブ溝Ｓが形成され始める。なお、スクライブ溝Ｓを容易に形成しやすいように、メカ二カルカッタ１１の外周部には予め灯油が塗布されている。

メカニカルカッタ１１に追従するレーザ光Ｌの照射スポットの位置が脆性材料２にさしかかる直前に、レーザ発振器７からレーザ光Ｌが発振されるので、該レーザ光Ｌは反射鏡１４に反射されてから集光レンズ１２によって断面を略馬蹄形に成形されて脆性材料２の端部から照射され始める。続いて、移動手段６は第１加工ヘッド４を所定の加速度でＸ方向に加速させ、その後所定速度に達したら当該速度を保ったままＸ方向割断予定線Ｂｘの終端部付近まで一定の速度で移動させる（図２、図３参照）。
そして、第１加工ヘッド４は、Ｘ方向割断予定線Ｂｘの終端部付近で減速し、レーザ光Ｌの照射スポットが脆性材料２から外れた後、停止するようになっている。
上述したようにして第１加工ヘッド４をＸ方向に移動させると、上記メカニカルカッタ１１の後方をレーザ光Ｌの照射スポットが追従して移動し、スクライブ溝Ｓに沿ってレーザ光Ｌが照射されてスクライブ溝Ｓの底部より亀裂が伸展し、脆性材料２が割断される（図３、図６参照）。

この時点において上記加工テーブル３は負圧の発生を維持しており、脆性材料２を割断することで得られた製品部分２ａと不要部分２ｂとはそのまま隣接した状態で加工テーブル３上に保持される。そして隣接する製品部分２ａと不要部分２ｂとの間には上記亀裂によって割断線Ｂが形成される。
このように一方のＸ方向割断予定線Ｂｘに従って脆性材料２の割断を行ったら、第１加工ヘッド４は上記移動手段６によって次に割断しようとする割断予定線の始端部まで移動し、その後、前述した作動と同様にして脆性材料２の割断を行う。

一方、第２加工ヘッド５によっても第１加工ヘッド４による割断と同様にして脆性材料２の割断が行われ、それぞれ２本のＸ方向およびＹ方向の割断予定線Ｂｘ、Ｂｙの全てにおいて脆性材料２の割断が行なわれる。
以上のようにして、Ｘ方向およびＹ方向のそれぞれについて脆性材料２の割断が終了したら、加工テーブル３は製品部分２ａおよび不要部分２ｂの吸着保持を解除し、不要部分２ｂが図示しない回収手段によって回収された後、製品部分２ａは図示しない搬送手段によって後工程に搬送される。

以上のように、本実施例においては、集光レンズ１２を上述したように構成し、かつ配置しているので、従来と比較してレーザ光照射手段を簡略化することができる。また、レーザ光Ｌを脆性材料２に照射して割断する際には、集光レンズ１２の拡散領域としての溝１２Ｃに対応する部分がスクライブ溝Ｓ上を移動するので、必要以上にスクライブ溝部が加熱されることがなく脆性材料２のスクライブ溝Ｓの箇所からカレットが発生することを抑制することができる。しかも、集光レンズ１２とは別にレーザ光を遮光するための遮光部材を用いる必要がないので、上記特許文献２のような遮光部材と集光レンズの位置調整作業が不要である。そのため、レーザ割断装置１の構成部材を組み付ける際の調整作業が簡略なものとなる。
さらに、メカ二カルカッタ１１に塗布された灯油が脆性材料２の表面に付着していたとしても、レーザ光Ｌの照射スポットは接続部１２Ｇに対応する箇所がスクライブ溝Ｓに照射される。そのため、脆性材料２の表面に付着した灯油はレーザ光Ｌによって蒸発して除去されるようになっている。つまり、脆性材料２の割断加工後に製品部分２ａの表面を洗浄する必要がなく、従来必要であった洗浄工程や洗浄設備を省略することができる。

なお、上記実施例においては、溝１２Ｃの断面形状をＶ字形に形成しているが、図８に示すように、溝１２Ｃの断面形状は半円状であっても良い。さらに、このような溝を形成する代わりに、図９に示すように、集光レンズ１２の上面１２Ｂにおける上記溝１２Ｃと対応する箇所に微小な多数の凹凸からなる粗面を形成してもよい。さらに、上面１２Ｂにおける上記溝１２Ｃに対応する箇所にニッケルやクロム等の金属を蒸着させて、そこを照射されたレーザ光を反射して拡散する拡散領域として形成してもよい。

本発明の一実施例を示す平面図。 図１に示した第１加工ヘッド４の構成を示す図。 図２に示した第１加工ヘッド４による加工工程を示す概略の斜視図。 図２に示した集光レンズ１２の斜視図。 図４に示した集光レンズ１２の断面図。 第１加工ヘッド４による脆性材料２の割断加工中におけるメカニカルカッタ１１とレーザ光Ｌとの位置関係を示す平面図。 図６における脆性材料とレーザ光Ｌとの関係を示す断面図。 本発明の他の実施例となる集光レンズ１２の断面図。 本発明の他の実施例となる集光レンズ１２の断面図。

符号の説明

１‥レーザ割断装置 ２‥脆性材料
６‥移動手段 １２‥集光レンズ
１２Ｃ‥溝（拡散領域） Ｂｘ‥Ｘ方向割断予定線
Ｂｙ‥Ｙ方向割断予定線

Claims (4)

1. レーザ光の断面形状を所定の形状に成形して脆性材料に照射するレーザ光照射手段と、レーザ光と脆性材料とを相対移動させて、該脆性材料に設定された割断予定線に沿ってレーザ光の照射スポットを移動させる移動手段とを備え、上記割断予定線に沿って脆性材料を割断するようにしたレーザ割断装置において、
   上記レーザ光照射手段は、レーザ光が透過する集光レンズを備え、この集光レンズは、レーザ光を拡散させる拡散領域を備えており、
   上記移動手段によってレーザ光の照射スポットが上記割断予定線に沿って移動される際には、該照射スポットにおける上記拡散領域に対応する箇所が上記脆性材料の割断予定線上を移動するように構成されていることを特徴とするレーザ割断装置。
2. 上記集光レンズはシリンドリカルレンズからなり、該シリンドリカルレンズの表面の中央部に上記拡散領域が形成されることにより、レーザ光の断面形状が略馬蹄形に成形されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ割断装置。
3. 上記拡散領域は上記集光レンズの表面に形成された直線状の溝または粗面からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ割断装置
4. 上記移動手段により移動されるとともにメカニカルカッタを備えた溝形成手段を設け、該溝形成手段によって脆性材料の表面に割断予定線に沿った微少な溝を形成するとともに、この微小な溝に沿って上記レーザ光の照射スポットを移動させることにより、上記微小な溝から厚さ方向に亀裂を進展させて脆性材料を割断することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のレーザ割断装置。

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