JPH07323385A - 脆性材料の割断方法 - Google Patents

脆性材料の割断方法

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JPH07323385A
JPH07323385A JP6121039A JP12103994A JPH07323385A JP H07323385 A JPH07323385 A JP H07323385A JP 6121039 A JP6121039 A JP 6121039A JP 12103994 A JP12103994 A JP 12103994A JP H07323385 A JPH07323385 A JP H07323385A
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JP
Japan
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laser beam
crack
temperature
along
cutting
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JP6121039A
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English (en)
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Hideki Morita
英毅 森田
Shunichi Maekawa
俊一 前川
Toshihiro Okiyama
俊裕 沖山
Hideyuki Shirahama
秀幸 白浜
Toshiyuki Yokoyama
敏幸 横山
Eishin Oonita
英信 大仁田
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SOUEI TSUSHO KK
Japan Science and Technology Agency
Nagasaki Prefectural Government
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SOUEI TSUSHO KK
Research Development Corp of Japan
Nagasaki Prefectural Government
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B33/00Severing cooled glass
    • C03B33/09Severing cooled glass by thermal shock
    • C03B33/091Severing cooled glass by thermal shock using at least one focussed radiation beam, e.g. laser beam

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  • Thermal Sciences (AREA)
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  • Organic Chemistry (AREA)
  • Re-Forming, After-Treatment, Cutting And Transporting Of Glass Products (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガラスあるいはアルミナセラミックをCO2
レーザを用いた割断方法で加工するにあたり、その割断
の作業歩留りを100%にまで高めることが可能な方法
を提供する。 【構成】 本発明の第1の方法では、被加工材料Wの割
断予定線CL 上に沿う部分を、熱風を吹き付け等のより
加熱した状態で、その割断予定線CL 上にレーザビーム
LBを照射して亀裂の誘導を行う。また、第2の方法で
は、レーザビーム照射による亀裂の誘導を行う前に、被
加工材料の割断予定線上に沿ってレーザビームを照射し
て、その割断予定線上に沿う部分を予備加熱しておく。
そして、これらの方法を採用することにより、亀裂誘導
の際のレーザビーム照射により、材料に加わる実効熱量
に変動があっても温度勾配は常に余裕のある状態が維持
される。その結果、所期の目的を達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばガラス、アルミ
ナセラミックあるいは半導体材料等の脆性材料にレーザ
ビームを照射することにより発生する熱応力を利用し
て、その材料を割断する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ガラス等の脆性材料を切断する方法とし
ては、従来、研摩材を使用する研削あるいはレーザビー
ムによる溶断などがあるが、これらの方法によると、い
ずれも加工点に熱歪みが発生したり、機械的な構造破壊
等によって加工点周辺に研削割れ等が生じるなど材料の
劣化を伴う点、また、研削もしくは蒸発による材料の損
失が避けられない等の欠点がある。
【0003】そこで、このような点を解消するために、
レーザビーム照射による熱応力を利用して材料を割断す
る、いわゆるレーザ割断方法が提案されている。この方
法は、脆性材料に切欠き等により加工始点を形成してお
き、その近傍にレーザビームを照射してその中心から加
工始点まで延びる微小亀裂を発生させ、その亀裂をレー
ザビーム照射による熱応力により加工予定線上に沿って
誘導することによって材料を割断する方法で、レーザビ
ームを利用した溶断に比して加工エネルギが小さく、し
かも材料の損失がないといった利点がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、この種のレ
ーザ割断加工において、ガラスあるいはアルミナセラミ
ックの加工を行う場合にはCO2 レーザが利用される
が、このCO2 レーザによる割断加工では、レーザビー
ムの照射条件を適切な条件に設定しても100%の割断
の作業歩留りが得られていないのが現状である。
【0005】すなわち、レーザ割断方法は、レーザビー
ム照射位置を割断予定線に沿って移動し、そのビーム進
行方向の後方に熱応力(引張応力)を発生させ、亀裂先
端の応力拡大係数を材料の破壊靱性値を超えさせること
で亀裂を進展させてゆく加工法であり、このため亀裂を
確実に進展させてゆくには、亀裂の前方部分に常に充分
な熱量を加えることが必要となるが、この方法では、
CO2 レーザの出力の時間的な変動、例えば加工雰囲
気中の粉塵等によりレーザビームの散乱や空気調和によ
る加工雰囲気の温度変動など、レーザビームが被加工材
料に至るまでの空間における条件の時間的な変動、被
加工材料の表面状態または内部組成のばらつき等による
熱吸収率の変動などがあり、これらの各要因が重なっ
て、被加工材料に加わる熱量の実効値に変動、特に実効
熱量が低下したときには亀裂の進展が停止してしまい、
割断不能の状態となることがある。
【0006】本発明はそのような事情に鑑みてなされた
もので、ガラスあるいはアルミナセラミックをCO2
ーザを用いた割断方法で加工するにあたり、その割断の
作業歩留りを100%にまで高めることが可能な方法の
提供を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の第1の方法は、実施例に対応する図1に示
すように、被加工材料Wの割断予定線CL 上に沿う部分
を、例えば熱風あるいは赤外線ヒータ等により加熱した
状態で、その割断予定線CL 上にレーザビームLBを照射
して亀裂の誘導を行うことによって特徴づけられる。
【0008】また、同じ目的を達成するため、本発明の
第2の方法は、図2に示すように、レーザビームLBによ
る亀裂の誘導を行う前に、被加工材料Wの割断予定線C
L 上に沿ってレーザビームLBを照射して、その割断予定
線CL 上に沿う部分を予備加熱することを特徴としてい
る。
【0009】
【作用】例えば、被加工材料Wの割断予定線CL 上に熱
風を吹き付けた状態で、レーザビームLBを照射すると、
その照射位置の温度は、図1に示すように、レーザビー
ムLBの照射による加熱温度ΔTに、熱風の局所加熱によ
る温度上昇分ΔT0 が加わった温度となるので、レーザ
ビーム照射位置とこの周辺の材料温度(室温)との間の
温度差が大きくなり、これにより亀裂を誘導するのに十
分な温度勾配を得ることができる。
【0010】また、亀裂の誘導を行う前に、被加工材料
Wの割断予定線CL 上にレーザビームLBを照射して予備
加熱を行っておくと、亀裂の誘導を行う際には、加熱の
基底となる温度が、先の予備加熱分に相当する温度だけ
シフトされた状態でのレーザビーム照射となるので、こ
の場合もレーザビーム照射位置の室温に対する温度差が
大きくなり、亀裂を誘導するのに十分な温度勾配を得る
ことができる。
【0011】従って、これら二つの方法によれば、レー
ザビーム照射により材料に加わる実効熱量に変動があっ
ても温度勾配は常に余裕のある状態が維持され、これに
よりレーザビームによる誘導過程において亀裂先端の応
力拡大係数が材料の破壊靱性値以下となることがなくな
る。
【0012】
【実施例】本発明の実施例を、以下、図面に基づいて説
明する。まず、本発明方法を実施に使用する装置は、図
1または図2に示すように、ガラスあるいはアルミナセ
ラミックなどの被加工材料Wを載置するステージ(2軸
移動)1と、このステージ1上に置かれた材料Wにレー
ザビームLBを照射するCO2 レーザ(図示せず)などで
構成されており、そのステージ1の移動によりレーザビ
ームLBの材料Wへの照射位置を割断加工線CL 上に沿っ
て移動させることができる。なお、材料Wの加工始点P
1 には、予め切欠きが設けられている。
【0013】さて、本発明の第1の方法では、図1に示
すように、熱風噴出用のノズル2をレーザビームLBの照
射位置の近傍に配置している。このノズル2の噴出孔2
aはレーザビームの集光レンズ3の焦点(集光点)に向
けて配置されており、従ってノズル2に熱風を供給する
ことによりレーザビームLBの材料Wへの照射位置に熱風
を集中して当てることができる。
【0014】そして、この第1の方法では、まず、材料
Wの加工始点P1 の近傍位置にレーザビームLBのスポッ
ト中心を一致させ、この状態でノズル2から熱風を材料
Wに向けて吹き付けてとともに、その加工始点P1 の近
傍にレーザビームLBを照射して微小亀裂を発生させる。
【0015】次いで、ステージ1の移動によりレーザビ
ームLBの照射位置を材料Wの割断予定線に沿って移動さ
せると、ビーム進行方向の後方に急峻な温度勾配が生じ
て、亀裂先端の応力拡大係数が材料Wの破壊靱性値を超
える。これによりビーム進行に付随して亀裂が順次に進
展してゆき、亀裂が材料Wの加工終点P2 に達した時点
で1ライン分の割断加工が完了する。
【0016】ここで、この方法では、レーザビームLBを
照射する部分は、熱風によって局所加熱されるので、そ
の照射位置付近の温度勾配(温度差)は、亀裂を進展さ
せるのに必要な値に対して十分に大きなものとなり、従
って、CO2 レーザの出力パワーの変動等により材料W
に加える実効熱量が変動(低下)しても、温度勾配は常
に余裕のある状態が維持される。これにより、亀裂の誘
導過程においてその進展が停止することがなくなって割
断の確実性が向上する。その作業歩留りは、98%(従
来)→100%を達成できることが実験等により確認で
きている。
【0017】なお、熱風の局所加熱により上昇させる温
度ΔT0 は、材料Wの厚さやレーザの出力パワーなどの
諸条件によって異なるが、例えば50℃程度であればよ
く、また、熱風の温度及び噴出流量は、温度ΔT0 =5
0℃を確保できるのであれば任意であるが、実用化の面
などを考慮すると、熱風の温度は70〜80℃程度が適
当である。
【0018】また、この第1の方法において、被加工材
料の割断予定線に沿う部分の昇温を行う手段としては、
熱風の吹き付けに代えて、赤外線ヒータ等の熱源を利用
して割断予定線に沿う部分に熱を加えるといった手法を
採用してもよい。
【0019】一方、本発明の第2の方法では、亀裂の誘
導を行う前に、レーザビームLBを被加工材料Wに照射
し、照射位置をテーブル1の移動により割断予定線CL
上に沿って移動する。ただし、この1回目のレーザビー
ム照射の進行速度は、実際の割断加工を行うときよりも
速くしておく。これにより、1回目のレーザビーム照射
では亀裂の誘導は行われず、材料Wの割断予定線に沿う
部分が単に加熱されるだけで図2(a) 及び(b) に示すよ
うな温度分布となる。なお、図2(b) は同図(a)のB−
B断面の温度分布を示す。
【0020】ここで、被加工材料Wであるガラスやアル
ミナセラミック等の材料は、熱伝導(放熱)率が極めて
低いので、上記した予備加熱を主目的とする1回目のレ
ーザビーム照射を行った後、少しの間、材料内に熱がこ
もるので、図2に示した温度分布は維持されたままの状
態となる。
【0021】この後、先の予備加熱による温度が低下し
ない時間内に亀裂誘導のためのレーザビーム照射(2回
目)を行う。その手順は、まず、材料Wの加工始点P1
の近傍にレーザビームLBを照射して加工の起点となる微
小亀裂を発生させ、次いで、レーザビーム照射位置をス
テージ1の移動により割断予定線CL 上に沿って移動さ
せて亀裂を誘導する。この亀裂誘導過程においてレーザ
ビーム照射位置付近には、レーザビーム照射による熱量
に、先の予備加熱による熱量が重畳するので、この部分
の室温に対する温度差が大きくなる。従って、この方法
でも、レーザビームの照射位置付近の温度勾配(温度
差)が亀裂を進展させるのに必要な値に対して十分に大
きなものとなり、100%の作業歩留りの達成が可能に
なる。
【0022】なお、この方法において1回目のレーザビ
ームにより上昇させる温度(予備加熱温度)は、材料W
の厚さやレーザの出力パワー等の諸条件によって異なる
が、その上昇温度は室温に対して、例えば80℃程度で
あれば所期の目的を達成できる。
【0023】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の第1の方
法によれば、被加工材料へのレーザビーム照射位置を熱
風の吹き付け等により加熱した状態で、レーザビームの
照射による亀裂の誘導を行うので、ビーム照射付近の温
度が室温に対して十分に高くなり、また、第2の方法に
よると、レーザビーム照射により予備加熱を行うので、
亀裂誘導の際のレーザビーム照射により、その照射位置
の温度が室温に対して十分に高い温度となる。従って、
本発明の二つの方法によれば、レーザビーム照射により
材料に加わる実効熱量に変動があっても温度勾配は常に
余裕のある状態が維持され、これによりレーザビームに
よる誘導過程において亀裂先端の応力拡大係数が材料の
破壊靱性値以下となることなくなる。その結果、割断加
工の作業歩留りを目標値(100%)にまで向上させる
ことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の方法の説明図
【図2】本発明の第2の方法の説明図
【符号の説明】
1 ステージ 2 ノズル(熱風噴出用) W 被加工材料 LB レーザビーム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 前川 俊一 兵庫県伊丹市春日丘1−15 (72)発明者 沖山 俊裕 兵庫県姫路市御国野町御着1174−22 (72)発明者 白浜 秀幸 長崎県長崎市川平町199−3 (72)発明者 横山 敏幸 長崎県大村市三城町1011番地 三城アパー トイ−206 (72)発明者 大仁田 英信 長崎県大村市三城町955−1

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 脆性材料の加工始点に形成した亀裂を、
    レーザビーム照射による熱応力で割断予定線上に沿って
    誘導することにより当該材料を割断する方法において、
    被加工材料の割断予定線上に沿う部分を加熱した状態
    で、その割断予定線上にレーザビームを照射して上記の
    亀裂の誘導を行うことを特徴とする脆性材料の割断方
    法。
  2. 【請求項2】 脆性材料の加工始点に形成した亀裂を、
    レーザビーム照射による熱応力で割断予定線上に沿って
    誘導することにより当該材料を割断する方法において、
    上記のレーザビーム照射による亀裂の誘導を行う前に、
    被加工材料の割断予定線上に沿ってレーザビームを照射
    して、その割断予定線上に沿う部分を予備加熱すること
    を特徴とする脆性材料の割断方法。
JP6121039A 1994-06-02 1994-06-02 脆性材料の割断方法 Pending JPH07323385A (ja)

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Effective date: 19980407