JP5202876B2 - レーザー加工方法及びレーザー加工品 - Google Patents

Description

本発明は、高分子材料からなる被加工物に対し、レーザー光を用いて、切断等の加工を行うレーザー加工方法、及び当該方法により得られるレーザー加工品に関するものである。また、本発明は、レーザー加工方法に用いられるレーザー加工装置に関するものである。

高分子材料からなる被加工物を切断する方法としては、刃物や金型によるものが主流である。この刃物や金型を使った高分子材料の切断では、切断時の衝撃により被加工物から切断異物が発生したり、その切断面から異物が脱落することがある。この為、切断面の加工精度を上げ、加工品の品質を向上させる必要性があった。

加工品の品質を向上させる切断方法としては、例えば、レーザー光による切断が検討されている。レーザー光による切断であると、刃物等を用いた場合に発生していた切断異物の低減が可能になる。しかし、この方法では、レーザー光を照射された高分子材料が熱分解により気体に変化し、爆発に似た現象を生じる。そして、発生した気体は、被加工物の表面を汚染するという問題がある。

例えば、図２に示すように、被加工物１１に対し垂直方向からレーザー光１２を照射した場合、高分子材料の分解により発生した気体１３は、被加工物１１の表面に対し平行な方向に拡散する。この為、当該気体１３により被加工物１１の表面が汚染される。

また、下記特許文献１に開示されている様に、金属からなる被加工物に対し、切断の進行方向とは反対側に所定角度で傾斜した方向からレーザー光を照射して切断する方法も考慮されている。しかし、当該方法では、被加工物の裏面に付着する溶融物に対する改善効果はあるものの、図３に示すように、金属の分解により発生した気体は被加工物の表面に対し平行な方向に進行し拡散する。従って、特許文献１に記載の方法でも、被加工物の表面は汚染される。

更に、下記特許文献２では、被加工物としてプラスティック材料からなるものを用い、裏面の溶融物の改善を検討した切断方法が開示されているが、当該方法に於いても被加工物の表面の汚染を防止することはできない。

特開平０２−２９０６８５号公報 特開２００１−２６２０８３号公報

本発明は前記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、高分子材料からなる被加工物に対してレーザー光を用いた加工を施す際に、切断異物が発生するのを抑制し、かつ被加工物の表面の汚染も低減することが可能なレーザー加工方法、及びレーザー加工品を提供することにある。更に、本発明は、レーザー加工方法に用いられるレーザー加工装置を提供することにある。

本願発明者等は、前記従来の問題点を解決すべく、レーザー加工方法、レーザー加工品及びレーザー加工装置について検討した。その結果、下記構成を採用することにより前記目的を達成できることを見出して、本発明を完成させるに至った。

本発明に係るレーザー加工方法は、前記の課題を解決する為に、高分子材料からなる被加工物に対しレーザー光を用いて加工するレーザー加工方法であって、前記レーザー光の光軸を、被加工物の垂直方向に対し所定角度で加工の進行方向に傾斜させた状態で、前記レーザー光を被加工物に照射することを特徴とする。

レーザー光を高分子材料からなる被加工物に照射すると、該高分子材料の熱分解による蒸発によって爆発に似た現象が起こり、気体が発生する。本発明では、このレーザー光の照射の際に、レーザー光の光軸を、被加工物の垂直方向に対し所定角度で加工の進行方向に傾斜させた状態で行う。そして、レーザー光を加工の進行方向に傾斜させることにより、レーザー光を被加工物に対し垂直方向から照射する場合と比較して、前記蒸発による気体を拡散させる空間を広くできる。即ち、前記気体が水平方向に拡散するのを低減し、傾斜させた角度に応じて上方に拡散させることができる。その結果、例えば、ハーフカットによる切断加工を行う場合にも、被加工物の表面が、前記気体により汚染されるのを防止できる。また、前記方法はレーザー光を用いた加工である為、刃物等で切断を行った際に生じる被加工物の切断異物も発生しない。

前記方法に於いては、前記レーザー光の光軸と被加工物の垂直方向とのなす角が、１０〜４５°の範囲内であることが好ましい。前記レーザー光の光軸と、被加工物の垂直方向とのなす角を１０°以上にすることにより、被加工物表面の汚染を一層低減することができる。また、前記のなす角を４５°以下にすることにより、被加工物に対する入射角が過度に小さくなり過ぎるのを防止する。その結果、レンズ焦点でのレーザー光の照射が困難になるのを防止し、切断等の加工部分の加工精度の向上が図れる。

本発明に係るレーザー加工品は、前記の課題を解決する為に、前記に記載のレーザー加工方法により得られることを特徴とする。

本発明に係るレーザー加工装置は、前記の課題を解決する為に、前記に記載のレーザー加工方法に用いられる。

本発明によれば、光軸が加工の進行方向に対し傾斜させた状態でレーザー光を照射するので、高分子材料の熱分解による蒸発によって生じる気体が、被加工物の表面を汚染するのを防止する。また、レーザー光を用いた加工である為、刃物等で切断を行う場合に生じる被加工物の切断異物も発生しない。即ち、本発明であると、歩留まりを向上させたレーザー加工を可能にする。

本発明の実施の形態について、図１を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施の形態に係るレーザー加工方法を説明するための模式図であって、同図（ａ）はレーザー光を被加工物に照射する様子を示す断面図であり、同図（ｂ）はその上面図である。本実施の形態に係るレーザー加工方法は、高分子材料からなる被加工物１に対しレーザー光２を用いて行う加工方法であり、前記レーザー光２の光軸を、被加工物１の垂直方向に対し所定角度で加工の進行方向に傾斜させた状態でレーザー光２を照射する。

本発明のレーザー加工方法は、例えば切断加工、マーキング、穴空け加工、溝加工、スクライビング加工、又はトリミング加工などの形状加工を行うのに適する。本発明はこれらの加工のうち切断加工に適用するのが好ましい。

前記切断加工としては、ハーフカット、フルカットの何れにも適用可能である。但し、ハーフカットの場合に本発明の効果が一層発揮される。

被加工物１を固定し、レーザー光２をスキャニングして切断加工を行う場合、レーザー光２の進行方向に対して同方向にレーザー光２の光軸を傾斜させる。また、レーザー光２を固定し、被加工物１をスキャニングして切断加工を行う場合、被加工物１の進行方向に対して逆方向にレーザー光２の光軸を傾斜させる。これにより、レーザー光２の光軸を、被加工物１の垂直方向に対し所定角度で加工の進行方向に傾斜させることができる。尚、所定の加工ライン上に沿ってレーザー照射位置を移動させる手段としては、例えば、ガルバノスキャン、Ｘ−Ｙステージスキャン等を採用することができる。

前記レーザー光２の光軸と、被加工物１の垂直方向とのなす角（入射角）θは１０〜４５°が好ましく、１５〜４０°がより好ましい。前記θが１０°未満であると、発生する気体３の拡散が被加工物１の表面に対し平行な方向に拡散する様になり、その表面汚染が増大する傾向がある。その一方、前記θが４５°を超えると、被加工物１に対する入射角が過度に小さくなり過ぎる。これにより、レンズ焦点でのレーザー光２の照射が困難になり、切断加工部分の加工精度が低下する。尚、θがマイナスの場合、即ち、レーザー光２の光軸を加工の進行方向とは反対側に傾斜させた場合、気体３が水平方向に沿って拡散するので、被加工物表面の汚染は増大する（図３参照）。

続いて、本実施の形態で使用するレーザー光２について説明する。当該レーザー光２としては特に限定されず、加工方法に応じて適宜選択される。具体的には、例えば、ＣＯ_２レーザー、ＹＡＧレーザー、ＵＶレーザー等が挙げられる。これらの中でも、被加工物の厚さ範囲に対し適用性が高く、割れや印欠けが起こらない等の点からＣＯ_２レーザーが好ましい。前記レーザー照射の出力は、例えば、１０Ｗ〜８００Ｗの範囲内であり、一度の照射で被加工物を切断する場合は１００Ｗ〜３５０Ｗの範囲内であることが好ましく、二度の照射で切断をする場合は５０Ｗ〜２００Ｗの範囲内であることが好ましい。

前記の各種レーザーから発生されるレーザービームは、基本的には、レーザースポットの中心部にビーム強度の最大値を有するガウシアンビームであり、ビーム強度がガウス分布していることから、ビームスポットの中心部におけるビーム強度は大きいが、中心部から外側に向かうに従って、徐々にビーム強度が小さくなる特性を有している。従って、かかるガウシアンビームを被加工物１の切断に使用すると、先ずビームスポットの中心部で被加工物成分の分解気化が発生して切断されていくものの、ビームスポットの中心部の外側に向かうに従いビーム強度が小さくなることから、被加工物成分の分解は徐々に溶融、分解されていくことになる。このとき、ビームスポットの中心部で被加工物成分が分解気化される際に外側に向かう応力が発生し、かかる応力に起因してビームスポットの中心部の外側では、未だ分解気化せずに溶融されたままの被加工物成分が外側に押しやられる。この結果、被加工物１の切断面には、その溶融成分の盛り上がり部が発生してしまうので、例えば、被加工物としての光学フィルムを液晶パネル等に組み込む際には、液晶パネルの端縁部で接着不良等が発生したり、また、光学的に各種の不具合が発生してしまうことになる。

そこで、本実施の形態では、前記のようなガウシアンビームの波形を矩形波形に整形するのが好ましい。このような矩形波形は、例えば、レーザー発生装置に回折光学素子（Diffraction Optical Element）を設けることにより行うことができる。また、回折光学素子を制御することにより、レーザービームの矩形波形におけるビームエッジからのビーム強度分布を表す立ち上がり角度を任意に設定することができる。また、波形整形されたレーザービームにおける矩形波形の状態は、その矩形波形の半値幅内で、レーザービーム中心の強度を１としてビーム強度分布をσ値で表すことができる。係るσ値は、小さいほど立ち上がりの鋭い矩形波形となり、一方、大きいほど矩形波形が鈍ってガウシアンビームに近づいていく。

レーザー光２の集光径は、被加工物１に施す加工の種類に応じて適宜設定され得る。切断加工の場合、切断幅がレーザー光２の集光径とほぼ一致する。従って、集光径を調節することにより、切断幅の制御が可能になる。集光径（切断幅）は、通常５０〜５００μｍが好ましく、１５０〜３００μｍがより好ましい。集光径が５０μｍ未満であると、切断速度が小さくなる場合がある。その一方、５００μｍを超えると、付着物が増加する場合がある。

レーザー光２のパワー密度は、被加工物１の物性、切断加工の場合にはその切断速度に応じて適宜設定され得る。被加工物１の光吸収率はレーザー光２の波長に左右される。レーザー光２は発振媒体や結晶を選択することで紫外線から近赤外線まで波長を発振できる。従って、被加工物１の光吸収波長に合わせたレーザー光２を使用することにより、低いパワー密度で効率よく加工できる。

また、集光したレーザー光２と同軸にアシストガスをレーザー加工部分に高速で吹き付けることにより、分解・溶融物を飛散除去してもよい。前記アシストガスとしては、例えば、ヘリウム、窒素、酸素等が挙げられる。

前記被加工物１としては高分子材料からなるものであれば特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。具体的には、例えば各種粘着フィルムや光学フィルム等が挙げられる。

前記粘着フィルムとしては特に限定されず、例えば、アクリル系粘着剤等が挙げられる。

また、前記光学フィルムとしては特に限定されず、例えば、偏光板等が挙げられる。

以下に、この発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。

（粘着フィルム）
本実施例で使用する粘着フィルムは、一対のセパレータ間に粘着剤層が設けられた構造である。セパレータとしては、それぞれ厚さ７５μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）基材を用いた。粘着剤層としては、厚さ２００μｍのアクリル系粘着剤を用いた。

（光学フィルム）
本実施例で使用する光学フィルムは、偏光板（日東電工株式会社製）の一方の面に表面保護フィルムが設けられており、他方の面に粘着剤層を介してセパレータが積層された構造である。表面保護フィルムはＰＥＴ基材上に粘着剤を塗布したフィルムからなり、その厚みは約６３μｍである。粘着剤層としては、厚さ２３μｍのアクリル系粘着剤を用いた。セパレータは、それぞれ厚さ３８μｍのＰＥＴ基材からなる。尚、偏光板の厚さは約２００μｍである。

（レーザー光による切断条件）
粘着フィルムの切断条件は、下記の通りとした。
光源 ： 炭酸ガスレーザー
レーザー光の波長 ： １０．６μｍ
スポット径 ： １５０μｍ
切断速度 ： ２４ｍ／ｍｉｎ
レーザー光のパワー ： ４３Ｗ（ハーフカット）、５２Ｗ（フルカット）

光学フィルムの切断条件は、下記の通りとした。
光源 ： 炭酸ガスレーザー
レーザー光の波長 ： １０．６μｍ
スポット径 ： １５０μｍ
切断速度 ： ２４ｍ／ｍｉｎ
レーザー光のパワー ： ３２Ｗ（ハーフカット）、４１Ｗ（フルカット）

（実施例１）
本実施例では、被加工物として前記光学フィルム及び粘着フィルムを用い、切断方法としてそれぞれハーフカット、フルカットによりレーザー加工を行った。また、レーザー光の光軸を、光学フィルムの垂直方向に対し１０°の入射角度で切断の進行方向に傾斜させた状態で、レーザー光を照射した。その結果を下記表１に示す。

（比較例１）
比較例１に於いては入射角度を０°にしたこと以外は、前記実施例１と同様にして光学フィルム及び粘着フィルムのそれぞれについて切断加工を行った。それらの結果を下記表１に示す。

（実施例２〜６）
各実施例２〜６においては、入射角度を下記表１に示す角度で行ったこと以外は、それぞれ前記実施例１と同様にして光学フィルム及び粘着フィルムの切断加工を行った。それらの結果を下記表１に示す。

（評価方法及び結果）
＜汚染の範囲（ｍｍ）＞
汚れの範囲とは、被加工物に対する切断加工後の切断部分の近傍において、当該切断部分から分解物が付着している範囲の最大幅を意味する。

＜盛り上がり部の高さ（μｍ）＞
盛り上がりとは、被加工物に対する切断加工後の切断部分において、分解気化することなく溶融し、当該切断部分の外側に押し出された溶融成分の盛り上がり部の最大高さを意味する。

＜結果＞
切断加工後の粘着フィルム及び光学フィルムの表面（フルカットの場合は裏面も）の汚れ付着を観察した。下記表１から分かる通り、レーザー光の入射角度を１０°〜４５°の範囲でレーザー加工を行うと、被加工物の表面又は裏面に対する汚染を低減できたことが確認された。また、入射角度が１５°〜４０°の範囲では、被加工物表面（フルカットの場合は裏面も）に沿って拡散する煙の量を低減することができ、被加工物の表面又は裏面を極めて清浄な状態に維持することができた。特に、入射角度が２０°〜４０°の範囲では、汚染の範囲を０．５ｍｍ以下に抑制できると共に、溶融成分の盛り上がり部の高さも３０μｍ以下に低減できることが分かった。

これに対し、比較例１では、レーザー光の照射により発生した煙が被加工物表面に沿って拡散した為、表面が著しく汚染された。尚、入射角度が４５°の実施例６の場合では、被加工物に対する入射角が過度に大きくなり過ぎた為に、レンズ焦点でのレーザー光の照射が困難になり、切断面の加工精度が低下した。

尚、汚染の範囲が０．５ｍｍ以下であると、切断加工後に汚染部の除去工程を省くことが可能となり、製品としての有効面積を大きく取ることが可能になる。また、溶融成分の盛り上がり部の高さが３０μｍ以下であると、例えば、光学フィルムを液晶表示装置に実装する際に、液晶パネルの端縁部での接着不良の回避が十分に図れる点で有利となる。

本発明の実施の形態に係るレーザー加工方法を説明するための模式図であって、同図（ａ）はレーザー光を被加工物に照射する様子を示す断面図であり、同図（ｂ）はその上面図である。 従来のレーザー加工方法を説明するための断面模式図である。 従来のレーザー加工方法を説明するための断面模式図である。

符号の説明

１ 被加工物
２ レーザー光
３ 気体

Claims (4)

1. 高分子材料からなる被加工物に対しレーザー光を用いて加工するレーザー加工方法であって、
   前記レーザー光の光軸を、被加工物の垂直方向に対し所定角度で加工の進行方向に傾斜させた状態で、前記レーザー光を被加工物に照射することを特徴とするレーザー加工方法。
2. 前記レーザー光の光軸と被加工物の垂直方向とのなす角が、１０〜４５°の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工方法。
3. 請求項１又は２に記載のレーザー加工方法により得られるレーザー加工品。
4. 請求項１又は２に記載のレーザー加工方法に用いられるレーザー加工装置。
   

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