JPH10323780A - レーザ加工方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被加工物に応じた加工条件を自動的に設定し加
工中に加工条件を自動的に補正して加工精度及び時間を
向上可能なレーザ加工方法及び装置を実現する。 【解決手段】画像処理部9は内部メモリに被加工物の材
質毎に記憶されたレーザ光の初期間欠移動距離Ｌ₀、待
機時間ｔ₀を読み込み、カメラ8からの画像を取り込み、
加工開始位置Ｐ₀を検出する。レーザ光が加工開始位置
Ｐ₀から初期間欠移動距離Ｌ₀まで移動した位置Ｐ₁に照
射開始されてからの経過時間が画像処理部9にて計時さ
れる。画像処理部9はカメラ8からの映像に基づきレーザ
光が照射開始されてから亀裂発生開始までの時間ｔ₀'と
実際の亀裂の進展距離Ｌ₀'とを算出する（ステップＳ10
0〜Ｓ103）。画像処理部9は、算出した亀裂発生開始時
間ｔ₀'、進展距離Ｌ₀'に基づき、加工条件を進展距離Ｌ
₁、時間ｔ₁に変更し、進展距離Ｌ₁だけレーザ光を移動
させ、待機時間ｔ₁でレーザ光を待機させる（ステップ
Ｓ104〜106）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、ＬＣＤ基
板を構成するガラス板のような透明脆性材料をレーザ光
により加工するレーザ加工方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ＬＣＤ基板に使用されるガラス
板のような脆性材料を分割する場合には、一般的にはダ
イヤモンド等の硬い工具を用いガラス表面に線状に溝を
形成し、その後、機械的な応力を加えてその線状の溝に
沿って割断、分割する。

【０００３】この分割方法では、溝形成時に切り屑が発
生し、割断時にも同様に、切り屑、微細な破片などが発
生し、これらの小片が最終製品の歩留まりを下げる一因
となっている。また、直線ではなく曲線状に分割すると
きには、分割面以外にもクラックが発生し、最終製品の
信頼性を低下させる要因となっている。

【０００４】このような問題点を回避する方法として、
レーザ、電熱ヒータ等を熱源とし、熱応力でクラックを
進展させてガラス板等を割断する方法がある（特開平１
−１０８００６号公報、特開平３−４８９号公報等）。

【０００５】レーザを加熱源として割断する場合のレー
ザ加工装置の構成例を図５に示す。図５において、レー
ザ発振器１から出力されたレーザ光２は、反射鏡１５で
反射され、集光レンズ３で、脆性材料である被加工物４
のほぼ表面上に集光される。そして、被加工物４は、Ｘ
Ｙテーブル５によって、レーザ光２に対して相対的に移
動される。

【０００６】このとき、レーザ光２の照射は被加工物４
が溶融するまでには至らない低い密度のパワーで加熱す
る。この移動するレーザ光２の照射によって、被加工物
４の表面上では、図６の（ａ）に示すように、レーザ光
２の照射点を中心として、レーザ光２の進行方向と逆方
向（熱源後方）に、上記中心から遠くなるに従って、温
度傾斜が緩やかとなる温度分布が発生する。

【０００７】そして、この温度分布によって、図６の
（ｂ）に示すように、レーザ光２による加熱源近傍では
円周方向には圧縮応力が作用するが、レーザ照射点から
ある距離を越えると、引張応力が作用するという熱応力
が発生する。

【０００８】また、レーザ光２による加熱源近傍にクラ
ックが存在する場合、加熱源に近いクラック先端におい
ては、図６の（ｃ）に示すような応力拡大係数ＫＩＣが
作用する。この応力拡大係数ＫＩＣが破壊靭性値Ｋｃを
超えると、クラックが進展する。

【０００９】したがって、レーザ光２による加熱源を任
意の軌跡に沿ってＸＹテーブル５で走査すると、その軌
跡に追従するようにクラックが進展し、被加工物４を割
断、分割することができる。

【００１０】上述したレーザ光による割断方法では、通
常のレーザ切断のように被加工物を溶融、蒸発に至るま
で加熱しないので、加工に伴う溶融物、蒸発物が発生し
ない。また、上記レーザ切断による方法と比べてもクリ
ーンな加工ができる。また、レーザ等による加熱源の軌
跡によっては、曲線の加工も実現できる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記レーザ光による割
断方法を用いて、ガラス板等の透明脆性材料を割断する
場合には、加熱源のレーザ光として、ガラスに対して吸
収率の高い波長を持つＣＯ₂レーザ、或いは吸収率は高
くはないがレーザ発振器がコンパクトでメンテナンスの
容易なＮｄ：ＹＡＧレーザが用いられる。

【００１２】しかしながら、上述したＣＯ₂レーザ、Ｎ
ｄ：ＹＡＧレーザが用いられる場合であっても、クラッ
クの進展はレーザ走査（定速）に対し、間欠的に急激に
進行する。これは、被加工物である脆性材料に応力が増
大し、その応力が急激に解放されることにより、クラッ
クが間欠的に進展するものである。この際、クラックの
間欠的な進展距離が大きいと、所望の進展方向以外への
クラックが進展する可能性が大となり、加工精度が低下
するという不具合が発生していた。

【００１３】また、レーザ光の照射開始からクラック
（亀裂）進行開始までの時間、亀裂の距離は、レーザ光
の照射パワー、照射位置、照射方向、加工治具、被加工
物の材質等の条件により、バラツキが生じる。このた
め、従来においては、操作者の経験と勘とにより、レー
ザ光の間欠移動距離、一つのポイントでの待機時間が設
定されており、これらは確実にクラックが進行できる余
裕を持った設定値とされていた。

【００１４】したがって、加工を開始するまでに長時間
を要したり、被加工物によっては、必要以上に長い待機
時間が設定される等の場合があり、加工時間に長時間が
必要であった。

【００１５】本発明の目的は、被加工物に応じた加工条
件を自動的に設定し、加工中にそれらの加工条件を自動
的に補正して、加工精度を向上し得るとともに、加工時
間を短縮可能なレーザ加工方法及び装置を実現すること
である。

【００１６】

【課題を解決するための手段】

（１）上記目的を達成するため、本発明は次のように構
成される。すなわち、レーザ発振器によりレーザ光を発
生させ、このレーザ光を加工光学系により脆性材料であ
る被加工物の加工位置まで誘導させ、搬送手段により上
記被加工物を移動させ、レーザ照射位置を決定し、被加
工物を割断する脆性材料のレーザ加工方法において、予
め設定された初期加工条件に従って、被加工物へのレー
ザ光の照射を開始し、上記被加工物を撮像手段により撮
像された映像から、上記レーザ光の照射から上記被加工
物の亀裂の発生までの時間と亀裂距離とを検出し、検出
した上記発生時間と亀裂距離とに基づいて、上記被加工
物の加工条件を補正し、補正した加工条件に従って、上
記搬送手段による上記被加工物の移動を制御する。

【００１７】（２）また、レーザ光を発生するレーザ発
振器と、レーザ光を脆性材料である被加工物の加工位置
まで誘導する加工光学系と、上記被加工物を移動させ、
レーザ光の照射位置を決定する搬送手段とを有し、レー
ザ光を用いて被加工物を割断する脆性材料のレーザ加工
装置において、上記被加工物を撮像する撮像手段と、予
め設定された初期加工条件に従って、被加工物へのレー
ザ光の照射を開始させ、上記撮像手段により撮像された
映像から、上記レーザ光の照射から上記被加工物の亀裂
の発生までの時間と亀裂距離とを検出し、検出した上記
発生時間と亀裂距離とに基づいて、上記被加工物の加工
条件を補正し、補正した加工条件に従って、上記搬送手
段による上記被加工物の移動を制御する画像処理部と、
を備える。

【００１８】（３）好ましくは、上記（１）、（２）に
おいて、上記加工条件は、レーザー光の間欠移動距離及
びレーザー光の間欠停止位置における待機時間である。

【００１９】被加工物の材質に応じて、初期加工条件が
設定され、加工中に、撮像手段で撮像された映像に基づ
き、亀裂の発生開始までの実際の時間と、実際の亀裂の
進展距離とを、画像処理部で算出し、加工条件を補正す
るように構成したので、適切な条件で加工を実行するこ
とができ、加工精度を向上し得るとともに、不必要な移
動距離及び待機時間により加工することを回避して、加
工時間を短縮することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明による透明脆性材料のレー
ザ加工方法及び装置の一実施形態について、添付図面を
参照して説明する。

【００２１】図１において、１はＣＯ₂レーザのレーザ
発振器、２はレーザ発振器１から出力されるレーザ光、
１５は反射鏡、３はレーザ光を集光させる集光レンズ
（この集光レンズ３、反射鏡１５は加工光学系を構成す
る）、４はガラス板などの透明硬脆材料の被加工物、５
はＸＹテーブル（搬送手段）、６は治具、７はクラック
検出用の照明装置、８は画像処理用カメラ（撮像手
段）、９は画像処理部、１０はＸＹテーブルコントロー
ラ、１１は照明光である。

【００２２】レーザ発振器１から出力されたレーザ光２
は、反射鏡１５により反射され、集光レンズ３を透過し
た後、被加工物４に入射される。照明光１１が画像処理
用カメラに対して斜め下側から被加工物４を照明するよ
うに、照明装置７は配置されている。これにより、被加
工物４のクラック位置を浮き出させ画像処理を行い易く
させる。

【００２３】被加工物４の画像はカメラ８に取り込ま
れ、画像処理部９に供給される。そして、この画像処理
部９により、被加工物４のクラック位置が認識され、そ
の情報に基づいて、レーザ照射位置等が決定される。決
定されたレーザ照射位置等は、ＸＹテーブルコントロー
ラ１０に供給され、このＸＹテーブルコントローラ１０
によりＸＹテーブル５の移動が制御される。

【００２４】図２は、被加工物４、画像処理カメラ８の
視野１２、クラック起点１３、レーザ光照射位置１４の
位置関係を示す図である。カメラ８の視野は、大体クラ
ックの起点が検出できる位置に設定する。カメラ８の位
置とレーザ光の照射の相対位置は固定とし、予め分かっ
ているものとする。カメラ８の視野の中にクラック起点
を入れる大ざっぱな位置決めは治具６で行う。

【００２５】図３は、図１に示した例の動作フローチャ
ートである。図３のステップＳ１００において、画像処
理部９は、内部メモリ（図示せず）に被加工物の材質毎
に、予め記憶されたレーザ光の初期間欠移動距離Ｌ₀、
待機時間（レーザ光の間欠停止位置における待機時間）
ｔ₀を読み込む。次に、ステップＳ１０１において、画
像処理部９は、画像処理用カメラ８からの画像を取り込
み、加工開始位置Ｐ₀を検出する。このときのカメラ８
からの画像の例を図４の（ａ）に示す。

【００２６】そして、ステップＳ１０２において、上記
初期条件にてレーザ光の照射が開始される。つまり、図
４の（ｂ）に示すように、レーザ光は、加工開始位置Ｐ
₀から、初期間欠移動距離Ｌ₀だけ移動した後、この移動
した位置Ｐ₁にて、レーザ光の照射が開始され、待機時
間ｔ₀だけ待機する。この場合、レーザ光が位置Ｐ₁に照
射開始されてからの経過時間が画像処理部９にて計時さ
れる。

【００２７】続いて、ステップＳ１０３において、画像
処理部９は、画像処理カメラ８からの映像に基づいて、
位置Ｐ₁にレーザ光が照射開始されてから、亀裂の発生
開始までの時間ｔ₀'と、実際の亀裂の進展距離Ｌ₀'とを
算出する。

【００２８】次に、ステップＳ１０４において、画像処
理部９は、算出した亀裂の発生開始までの時間ｔ₀'及び
実際の亀裂の進展距離Ｌ₀'と、上記初期待機時間ｔ₀及
び初期間欠移動距離Ｌ₀とを比較し、条件を変更する必
要があるか否かを判断する。条件を変更する必要が無け
れば、ステップＳ１０４からステップ１０６に進む。

【００２９】また、ステップＳ１０４において、条件を
変更する必要がある場合には、ステップＳ１０５に進
む。そして、このステップＳ１０５において、レーザ光
間欠移動距離又は待機時間のうち変更すべきものを、進
展距離Ｌ₁、時間ｔ₁に変更する。そして、ステップＳ１
０６に進む。

【００３０】ステップＳ１０６において、画像処理部９
は、亀裂の先頭位置から変更された又は変更されない進
展距離Ｌ₁だけレーザ光を移動させ、その位置Ｐ₂で変更
された又は変更されない待機時間ｔ₁でレーザ光を照射
しながら待機させるように、ＸＹテーブルコントローラ
１０に指令する。ＸＹテーブルコントローラ１０は、画
像処理部９からの指令に従って、ＸＹテーブル５の動作
を制御する。

【００３１】次に、ステップＳ１０７において、画像処
理部９は加工終了が否かを判断し、終了でなければ、ス
テップＳ１０３に戻り、以降、上述と同様にして、ステ
ップＳ１０３〜Ｓ１０６を実行する。そして、ステップ
Ｓ１０７で加工終了と判断すると、処理は終了となる。

【００３２】図４の（ｃ）は、曲線的な加工を行う場合
の、画像の例である。この曲線加工の場合も、図３のス
テップＳ１００〜Ｓ１０７と同様にして、動作制御さ
れ、レーザ光は、距離Ｌ_n、Ｌ_o、Ｌ_p、待機時間ｔ_n、ｔ
_o、ｔ_pで位置Ｐ_n→Ｐ_o→Ｐ_p→Ｐ_qへと移動される。

【００３３】以上のように、本発明の一実施形態によれ
ば、被加工物の材質に応じて、加工条件である、レーザ
光の初期間欠移動距離Ｌ₀、待機時間ｔ₀を設定し、加工
中に、カメラ８で撮像した画像に基づいて、亀裂の発生
開始までの実際の時間と、実際の亀裂の進展距離とを画
像処理部９で算出し、加工条件を補正するように構成し
た。

【００３４】したがって、適切な条件で加工を実行する
ことができ、加工精度を向上し得るとともに、不必要な
移動距離及び待機時間により加工することを回避して、
加工時間を短縮可能なレーザ加工方法及び装置を実現す
ることができる。

【００３５】なお、上述した例においては、ステップＳ
１０４にて、加工条件である間欠移動距離及び待機時間
を変更する必要があるか否かを判定し、変更が必要な場
合にのみ、ステップＳ１０５にて加工条件を変更するよ
うに構成したが、加工条件を変更するか否かの判断は行
わず、算出した亀裂開始時間及び亀裂距離に従って、間
欠移動距離及び待機時間を変更するように構成すること
もできる。

【００３６】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているため、次のような効果がある。被加工物の材質に
応じて、加工条件であるレーザ光の初期間欠移動距離、
待機時間を設定し、加工中に、カメラで撮像した画像に
基づいて、亀裂の発生開始までの実際の時間と、実際の
亀裂の進展距離とを算出し、加工条件を補正するように
構成したので、適切な条件で加工を実行することがで
き、加工精度を向上し得るとともに、不必要な移動距離
及び待機時間により加工することを回避して、加工時間
を短縮可能なレーザ加工方法及び装置を実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態であるレーザ加工装置の概
略構成図である。

【図２】被加工物と、画像処理カメラの視野と、レーザ
照射位置との位置関係図である。

【図３】図１の例の動作フローチャートである。

【図４】加工開始から、カメラで取り込まれる画像の説
明図である。

【図５】従来のレーザ加工装置の概略構成図である。

【図６】レーザ割断における被加工物表面の温度分布、
熱応力分布、応力拡大係数分布を示す図である。

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ２ レーザ光 ３ 集光レンズ ４ 被加工物 ５ ＸＹテーブル ６ 治具 ７ 照明装置 ８ 画像処理カメラ ９ 画像処理部 １０ ＸＹテーブルコントローラ １１ 照明光 １２ カメラ視野 １３ クラック起点 １４ レーザ照射位置 １５ 反射鏡

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥村 信也 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 桜井 茂行 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ発振器によりレーザ光を発生させ、
   このレーザ光を加工光学系により脆性材料である被加工
   物の加工位置まで誘導させ、搬送手段により上記被加工
   物を移動させ、レーザ照射位置を決定し、被加工物を割
   断する脆性材料のレーザ加工方法において、 被加工物の材質毎に予め設定された初期加工条件に従っ
   て、被加工物へのレーザ光の照射を開始し、上記被加工
   物を撮像手段により撮像された映像から、上記レーザ光
   の照射から上記被加工物の亀裂の発生までの時間と亀裂
   距離とを検出し、検出した上記発生時間と亀裂距離とに
   基づいて、上記被加工物の加工条件を補正し、補正した
   加工条件に従って、上記搬送手段による上記被加工物の
   移動を制御することを特徴とする脆性材料のレーザ加工
   方法。
2. 【請求項２】請求項１記載のレーザ加工方法において、
   上記加工条件は、レーザ光の間欠移動距離及びレーザ光
   の間欠停止位置における待機時間であることを特徴とす
   るレーザ加工方法。
3. 【請求項３】レーザ光を発生するレーザ発振器と、レー
   ザ光を脆性材料である被加工物の加工位置まで誘導する
   加工光学系と、上記被加工物を移動させ、レーザ光の照
   射位置を決定する搬送手段とを有し、レーザ光を用いて
   被加工物を割断する脆性材料のレーザ加工装置におい
   て、 上記被加工物を撮像する撮像手段と、 被加工物の材質毎に、予め設定された初期加工条件に従
   って、被加工物へのレーザ光の照射を開始させ、上記撮
   像手段により撮像された映像から、上記レーザ光の照射
   から上記被加工物の亀裂の発生までの時間と亀裂距離と
   を検出し、検出した上記発生時間と亀裂距離とに基づい
   て、上記被加工物の加工条件を補正し、補正した加工条
   件に従って、上記搬送手段による上記被加工物の移動を
   制御する画像処理部と、を備えることを特徴とする脆性
   材料のレーザ加工装置。
4. 【請求項４】請求項３記載のレーザ加工装置において、
   上記加工条件は、レーザ光の間欠移動距離及びレーザ光
   の間欠停止位置における待機時間であることを特徴とす
   るレーザ加工装置。