JP2009269057A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄板の孔開け加工又はくり抜き加工で、破損等を可及的に抑え、しかも高精度な加工を高効率で行う。
【解決手段】ガラスの薄板１２に対して丸孔３０の孔開け加工を行う。レーザ光Ｌを、目的物の平面視である丸孔３０の輪郭線４０を基準とした内側で、該輪郭線４０から加工幅Ｈの範囲内で、該輪郭線４０と略平行に、走査線４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄの順に４重に走査する。このような順序で加工をすることにより、丸孔３０の側面を高精度に形成することができる。くり抜き加工の場合には、加工されるくり抜き部品３１の外側から内側へと、多重にレーザ光Ｌを走査する。
【選択図】図５

Description

本発明は、レーザ光を用いて薄板に孔開け加工やくり抜き加工を施すレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。

近年、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）や携帯電話等に用いられる液晶ディスプレイ等には、板厚１ｍｍ以下の薄いガラス板が用いられている。このガラス板の板厚はディスプレイの薄型化に伴って一層薄くなっており、板厚が０．２ｍｍ以下と極めて薄いものも用いられている。さらに、いわゆる有機ＥＬディスプレイでは、可撓性を有したディスプレイも開発されており、この場合、可撓性を有すると共に極めて薄いフィルムが用いられている。

脆性材料であるガラス板等に孔開け加工やくり抜き加工を行う場合、ダイヤモンドカッター等によって機械的な加工を行うことがあるが、上記のような極めて板厚の薄い薄板を加工する場合には、カッターによる機械的応力によって当該薄板が破損し、また加工に相当の時間を要する。

特許文献１には、板厚１ｍｍのガラス板に微細な貫通孔を開ける場合に、パルス発振ＹＡＧレーザを用いて加工を行う従来技術が記載されている。この従来技術では、ＹＡＧレーザがガラスに吸収されて発生する高熱を利用し、当該ガラスを直線状に溶融させつつ直線状の貫通孔を開けている。

特開２０００−６１６６７号公報

ところで、上記従来技術のように単なる直線状の微細な貫通孔を開ける場合以外にも、例えば、ガラス板等の薄板に所定形状の孔開け加工をする場合や所定形状にくり抜き加工をして該くり抜きした部品を製品として使用したい場合には、切断部の外観品質を高くし、加工精度を高くすることが要求される。また、生産効率の向上のためには、加工時間を短縮する必要もある。

しかしながら、機械的な加工方法ではエッジ欠けの発生により薄板が所望の加工寸法を超えて破損する可能性があり、また、上記特許文献１に記載の加工方法でも薄板が所望の加工寸法を超えて溶融する可能性があり、これらの加工方法では高精度で所望の加工形状を得ることが難しい。つまり、特許文献１に記載の加工方法では、単なる貫通孔を開けることしか想定しておらず、所定の形状に孔開けやくり抜きを行うことまでは考慮されていない。

さらに、上記した可撓性を有する薄板の場合、機械的加工を行う際には材料に撓みが生じるため加工が難しく、特許文献１に記載の加工方法では上記と同様に所望の加工寸法を得ることが難しい。

さらにまた、脆性材料の加工をする場合、薄板からくり抜き部品又は残余部をくり抜くときに、抜き出しにくく、無理な力を掛けると割れが生じてしまう。

本発明は、上記従来の課題を考慮してなされたものであり、薄板に孔開け加工やくり抜き加工を施す場合に、材料の破損等を可及的に抑え、しかも高精度な加工を高効率で行うことができるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ加工方法は、レーザ光を用いて薄板に孔開け加工又はくり抜き加工を施すレーザ加工方法であって、前記レーザ光を、前記孔開け加工又は前記くり抜き加工によって得られる目的物の平面視である目的物図形の輪郭線を基準とした一方の側で該輪郭線を含み所定幅の範囲で、該輪郭線と略平行に、多重に走査することを特徴とする。

また、本発明に係るレーザ加工装置は、パルス状のレーザ光を発振するレーザ光発振手段と、前記レーザ光を加工物である薄板に照射するレーザ光出射手段と、を有し、前記レーザ光出射手段は、前記レーザ光を所定のパターンに走査するレーザ光走査手段を備え、該レーザ光走査手段は、前記薄板に対する孔開け加工又はくり抜き加工によって得られる目的物の平面視である目的物図形の輪郭線を基準とした一方の側で該輪郭線を含み所定幅の範囲で、該輪郭線と略平行に、多重に走査することを特徴とする。

このように、目的物の輪郭線に対して略平行に多重でレーザ光を走査することにより、材料の破損等を可及的に抑え、しかも高精度な加工を高効率で行うことができる。薄板とは１ｍｍ以下である。平行とは一致する状態を含み得る。

前記目的物は孔であって、加工される孔の内側から外側へ向かって、多重に前記レーザ光を走査してもよい。このような順序で加工をすることにより、目的物である孔の側面を高精度に形成することができる。

前記目的物はくり抜き部品であって、加工されるくり抜き部品よりも外側から内側へ向かって、多重に前記レーザ光を走査してもよい。このような順序で加工をすることにより、目的物であるくり抜き部品の側面を高精度に形成することができる。

多重に走査する走査線のピッチは、集光点におけるレーザ光径の０．５〜１０倍に設定してもよい。

前記レーザ光はパルス状に照射され、そのパルス幅は、１００ｐｓ〜５０ｎｓに設定してもよい。

前記薄板は略水平に配設され、前記レーザ光を前記薄板の上面側から照射して下面側へと透過させ、該レーザ光の集光点を前記薄板の下側面に設定してもよい。これにより、集光点でない箇所においてもレーザ光が適度に作用して加工を促進する。

前記レーザ光はグリーンレーザであってもよい。グリーンレーザでは、ガラスをほぼ完全に透過するので、熱が発生しにくく、クラックの発生を抑えて高精度の加工が可能となる。

前記レーザ光走査手段は、ガルバノ・スキャナであると高速且つ高精度にレーザ光を照射させることができるので、孔開け加工又はくり抜き加工を高速且つ高精度に行うことができる。

本発明に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置では、目的物の輪郭線に対して略平行に多重でレーザ光を走査することにより、材料の破損等を可及的に抑え、しかも高精度な加工を高効率で行うことができる。

以下、本発明に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置について実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１は本実施形態におけるレーザ加工装置１０を示す斜視図である。本実施の形態に係るレーザ加工装置１０は、制御電源ユニット１と、レーザ光発振手段としてのレーザ発振ユニット１６と、レーザ光出射手段としてのレーザヘッド２１と、操作盤６と、ステージ１８と、用力室５とを備えている。用力室５には、電力系の部品・回路基板やチラー装置（図示せず）等が収容されている。

レーザ加工装置１０の基本構成において、制御電源ユニット１には主に制御基盤（図示せず）等が内蔵されており、その周りに操作盤（例えば、キーボードやポインティングデバイス等）６及びディスプレイ３が設けられている。

図２に示すように、レーザ発振ユニット１６は、レーザ発振器２０及び励起部（図示せず）等が内蔵されている。レーザ発振器２０としては、例えばＱスイッチパルス型のレーザ発振器を用いることができる。レーザ加工装置１０において、レーザ発振器２０から発振されるレーザ光Ｌは、パルス状のグリーンレーザ（例えば、第２高調波波長が５３２ｎｍ前後）である。レーザ光Ｌのパルス幅（時間間隔）は、１００ｐｓ〜５０ｎｓに設定するとよい。

レーザヘッド２１は、レーザ光走査手段としてのガルバノ・スキャナ２６と、ｆθレンズ（歪曲特性を有する集光レンズ）２８とを収容又は装備しており、レーザ発振ユニット１６の出射口に一体的に結合されている。ガルバノ・スキャナ２６は、互いに直交して配置される一対（Ｘ，Ｙ）のＸミラー２６ａとＹミラー２６ｂとを有している。Ｘミラー２６ａは、レーザ光Ｌを所定のＸ方向に走査する。また、Ｙミラー２６ｂは、レーザ光ＬをＸ方向に直交するＹ方向に走査する。このようなガルバノ・スキャナ２６を用いることにより、後述する薄板１２に対してレーザ光Ｌを高速且つ高精度に照射させることができるので、孔開け加工又はくり抜き加工を高速且つ高精度に行うことができる。

ステージ１８は、レーザヘッド２１の出射口に対向してその直下に設けられている。薄板１２は、このステージ１８上に略水平に載置されている。ステージ１８には、図２の矢印Ａ方向に平面的に見て、少なくともレーザ光を照射する領域を囲むように又はその領域を挟んだ両側に受け具１９が設けられている。この受け具１９により、薄板１２をステージ１８の表面から所定高さの位置に設置し、薄板１２とステージ１８の間に間隙Ｇを形成する。この間隙Ｇを形成することにより、孔開け加工であればその孔の内側にある加工されない部分を含む加工屑を薄板１２の下側に確実に排出することができる。一方、くり抜き加工であればくり抜かれた目的物をステージ１８上で受けることができる。

なお、受け具１９には薄板１２を位置不動に固定するための固定手段を設けることが望ましい。この固定手段として、例えば真空吸着装置を用いることができる。この真空吸着装置は、薄板１２として、脆性材料、例えば板厚が薄いガラス板を用いる場合において、そのガラス板を破損することなく確実に固定することができる。本実施形態の薄板１２は、図３に示すように、例えば液晶用ガラス板であって、板厚は０．２ｍｍである。

本実施形態のレーザ加工装置１０では、レーザ発振器２０より発振出力されたパルスレーザ光Ｌは、レーザヘッド２１内でＸミラー２６ａとＹミラー２６ｂの各回転角（振れ角）に応じた反射角で順次反射してからｆθレンズ２８を通って略垂直下方に出射される。出射されたレーザ光Ｌはそのまま空中を直進してステージ１８上の薄板１２の所定位置に集光し、所望の加工が行われる。

なお、ステージ１８は、図１に示すように、水平面内でＸＹ方向に移動及び位置決め可能なＸＹステージとすることができる。こうすれば、ＸＹステージ１８を、ガルバノ・スキャナ２６に替えて又はガルバノ・スキャナ２６に加えて、薄板１２に対してレーザ光Ｌを照射させる位置を制御する手段として用いることができる。

レーザ加工装置１０では薄板１２に対してくり抜き加工をして、目的物として、図４Ａに示すようなくり抜き部品３１を得ることができる。

また、レーザ加工装置１０では薄板１２に対して孔開け加工をして、目的物として図４Ｂに示すような丸孔３０や、図４Ｃに示すような長孔３２を得ることができる。薄板１２から得る目的物（つまり、くり抜き部品３１、丸孔３０、長孔３２等）は、１つでもよいし、複数でもよい。

次に、レーザ加工装置１０を用いて行われるレーザ加工方法について詳細に説明する。まず、丸孔３０の孔開け加工について説明する。

図５に示すように、丸孔３０の孔開け加工では、目的物（つまり、丸孔３０）の平面視である目的物図形の輪郭線４０を基準とした内側で該輪郭線４０を含み加工幅（所定幅）Ｈの範囲で、該輪郭線４０と略平行に、レーザ光Ｌを４重に走査する。加工幅Ｈは、Ｈ＝（Ｎ−１）×Ｐで表される。ここで、Ｎは走査線４２の数（Ｎ＝４）であり、Ｐは走査線４２のピッチである。第１回目から第４回目の走査線４２を、走査線４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄとして区別して図示する。

加工目的物が孔（丸孔３０）である場合、加工される孔の内側から外側へ向かって、多重にレーザ光Ｌを走査する。つまり、第４回目の走査線４２ｄは輪郭線４０と一致する。これを強調するため、図５では走査線４２ｄを太線で示している。

このような順序で加工をすることにより、目的物である孔の側面を高精度に形成することができる。

設計条件によっては、走査線４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄの走査順序は適宜変更してもよく、例えば逆順に行ってもよく、又は走査線４２ｂ又は４２ｃを最初に走査してもよい。

走査線Ｎは２以上（つまり、多重）に設定すればよく、例えば３≦Ｎ≦１０程度が好適である。多重に走査する走査線４２のピッチＰは、集光点４４（図６参照）におけるレーザ光の直径（図６参照）の０．５〜１０倍に設定するとよい。

走査線４２ａ、４２ｂ及び４２ｃによって走査されて囲まれる図形は、輪郭線４０と相似形で、且つ中心（目的物が非円形の場合は重心）を一致させて、各走査線４２を略平行にするとよい。

このように、目的物の輪郭線４０に対して平行に多重でレーザ光を走査することにより、材料の破損等を可及的に抑え、しかも高精度な加工を高効率で行うことができる。

図６に示すように、レーザ光Ｌはパルス状であり、隣接する集光点４４同士が重複するように照射するとよく、集光点４４におけるレーザ光径ｒと同じ距離以上（直径を基準にすると５０％以上）が重複していると、十分に連続的な走査がなされて好適である。前記の通り、レーザ光Ｌのパルス幅（時間間隔）は、１００ｐｓ〜５０ｎｓに設定するとよい。

図７に示すように、レーザ光Ｌを薄板１２の上面１２ａ側から照射して下面１２ｂ側へと透過させる。このとき、レーザ光Ｌの集光点４４を薄板１２の下面１２ｂに合わせて設定しておくとよい。こうすると、レーザ光Ｌが照射されている薄板１２の領域内においてレーザ加工が進み、薄板１２の上面１２ａ側から薄板１２の加工屑が排出される。

本実施形態におけるレーザ加工の原理は、以下のように推定することができる。薄板１２に含まれた不純物や欠陥の影響でレーザ光の通過部分において吸収や多光子吸収（尖頭値≧１０ＧＷ／ｃｍ²）が生じ、そこにマイクロクラックが形成される。このクラック表面の凹凸や荒れがレーザ光Ｌを吸収し、クラック部分が発熱して加工が行われる。

本実施形態では、薄板１２の材料であるガラスに対して透明なレーザ光であるグリーンレーザ（波長５３２ｎｍ）を用いて加工を行うので、余計な発熱やアブレーションが生じない。これにより、熱歪等により割れが発生することなく、実際上は仮想線で示す貫通孔４６が形成される。

このような貫通孔４６が走査線４２に沿って形成されるとともに、隣接する他の走査線４２における貫通孔４６とも連係し、１つの丸孔３０が形成されるのである。貫通孔４６は、完全に貫通してなくてもよく、貫通孔４６が全体的に連係して、丸孔３０の内部を取り除くことができればよく、例えば、加工精度に影響のない微小なクラック等を含んでいてもよい。なお、貫通孔４６は誇張して図示している。

このように、レーザ光Ｌを用いて４重の走査を行うことにより、概念的には、図８に示すように、４本の筋が設けられて、中央の残余部４８が容易に取り除かれて丸孔３０が形成される。

レーザ光Ｌはグリーンレーザであることから、ガラスの薄板１２をほぼ完全に透過するので、熱が発生しにくく、有害なクラックの発生を抑えて高精度の加工が可能となる。

加工幅Ｈはある程度広く設定してもよく、例えば、丸孔３０の直径の３／４程度（加工幅Ｈとしては最大で３／８程度）の領域を最大の加工範囲とすることができる。

図９に示すように、長孔３２の孔開け加工は、丸孔３０の孔開け加工と同様に、内側から外側に向かって順に４重の走査線５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄによってレーザ光Ｌを走査すればよい。

次に、四角枠３４のくり抜き加工について説明する。四角枠３４のくり抜き加工において、丸孔３０の孔開け加工と同じ箇所については同符号を付してその詳細な説明を省略する。

図１０に示すように、四角枠３４のくり抜き加工では、目的物（つまり、くり抜き部品３１）の平面視である目的物図形の輪郭線６０を基準とした内側で該輪郭線６０を含み加工幅Ｈの範囲で、該輪郭線６０と略平行に、レーザ光Ｌを４重に走査する。第１回目から第４回目の走査線６２を、走査線６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄとして区別して図示する。

加工目的物がくり抜き部品３１である場合、該くり抜き部品３１の輪郭線６０よりも外側から内側へ向かって、多重にレーザ光Ｌを走査する。つまり、第４回目の走査線６２ｄは輪郭線６０と一致する。これを強調するため、図１０では走査線６２ｄを太線で示している。

このような順序で加工をすることにより、目的物であるくり抜き部品３１の側面を高精度に形成することができる。

設計条件によっては、走査線６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄの走査順序は適宜変更してもよく、例えば逆順に行ってもよく、又は走査線６２ｂ又は６２ｃを最初に走査してもよい。

パルス幅、走査線Ｎ、ピッチＰ、隣接する集光点４４同士の重複幅等は、丸孔３０の孔開け加工の場合と同様である。図９に示す長孔３２の場合は、端部の円弧径を基準として同様の範囲に設定すればよい。

なお、上記の例では、目的物の輪郭線４０、６０に対して相似形状にレーザ光Ｌを複数回走査したが、これに限らず、実質的に平行で且つ多重に走査すればよいのであって、例えば、図１１に示すように、丸孔３０の孔開け加工をする場合に螺旋状に走査をしてもよい。つまり、輪郭線４０の内部の始点Ｓを基準として、螺旋状の走査線７０で走査して、最後には輪郭線４０に沿って１周の走査をする。この場合のピッチＰ及び加工幅Ｈは、図５に示す加工と同様に設定すればよい。仮想線で示すように、最初の始点Ｓ’は、隣接する走査線７０に接していてもよい。このような加工によれば、１本の走査線７０により孔開け加工（又はくり抜き加工）を行うことができて簡便である。

本発明者は、薄板１２として、脆性材料の無アルカリガラス、青板ガラス、ほうケイ酸ガラスで実験を行って、良好な結果が得られており、これ以外にもサファイアガラス、セラミックス、シリコンウェハにも適用可能であると考えられる。薄板１２は脆性材料に限らず、例えば、有機ＥＬディスプレイ等に使用される可撓性フィルムにも適用可能である。

本実施の形態に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置１０を脆性材料に適用すると、材質に割れが生じることなく、くり抜き部品３１又は残余部４８を容易にくり抜くことができる。特に、脆性材料の加工をする場合、くり抜き部品３１及び残余部４８が薄板１２から確実に離れて、無理な力を掛けずに簡便且つ確実に抜き出すことができ、割れが生じない。

本実施の形態に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置１０を脆性材料以外に適用すると、仮に材料が撓んでしまっても、くり抜き部品３１又は残余部４８を容易にくり抜くことができる。可撓性を有する薄板の場合で、撓みが生じても容易な加工が可能である。

また、本実施の形態に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置１０は、レーザ光Ｌを用いた簡便な方法であり、短時間で孔開け加工及びくり抜き加工を行うことができる。

さらに、本実施の形態に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置１０は、機械的な加工方法と異なり、エッジ欠けの発生により薄板が所望の加工寸法を超えて破損することがない。さらにまた、上記特許文献１に記載の加工方法と異なり、薄板１２が所望の加工寸法を超えて溶融することがなく、高精度である。

レーザ光Ｌは、グリーンレーザに限らず、例えば紫外線レーザ（例えば、第３高調波（３５５ｎｍ）や第４高調波（２６６ｎｍ）等）や赤外線レーザ（基本波（１０６４ｎｍ）等）でもよい。加工物の材料が樹脂である場合には、レーザ光Ｌはグリーンレーザか、又はそれより波長の短いレーザ（例えば第３高調波等）を用いるとよい。

複数のレーザ光Ｌを用いて、例えば、丸孔３０、長孔３２及び四角枠３４について同時に加工をしたり、丸孔３０の走査線４２ａ〜４２ｄについて同時に加工をしてもよいことはもちろんである。

本発明は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本実施の形態に係るレーザ加工装置の全体構成を示す斜視図である。 レーザ加工装置のブロック構成図である。 薄板の斜視図である。 図４Ａは、薄板からくり抜かれる製品の斜視図であり、図４Ｂは、薄板に開けられた丸孔の斜視図であり、図４Ｃは、薄板に開けられた長孔の斜視図である。 丸孔の孔開け工程の説明図である。 パルス状のレーザ光を照射する際の複数の集光点を示す図である。 薄板に対するレーザ光の集光点の位置を示す図である。 薄板における丸孔部分の断面図である。 長孔の孔開け工程の説明図である。 四角枠のくり抜き工程の説明図である。 螺旋状の走査線に沿って走査をして丸孔の孔開け加工をする工程の説明図である。

符号の説明

１０…レーザ加工装置 １２…薄板
２６…ガルバノ・スキャナ ２６ａ…Ｘミラー
２６ｂ…Ｙミラー ２８…ｆθレンズ
３０…丸孔 ３１…くり抜き部品
３２…長孔 ３４…四角枠
４０、６０…輪郭線
４２、４２ａ〜４２ｄ、５０ａ〜５０ｄ、６２、６２ａ〜６２ｄ、７０…走査線
４４…集光点 ４６…貫通孔
４８…残余部
Ｈ…加工幅 Ｌ…レーザ光
Ｐ…ピッチ

Claims (9)

1. レーザ光を用いて薄板に孔開け加工又はくり抜き加工を施すレーザ加工方法であって、
   前記レーザ光を、前記孔開け加工又は前記くり抜き加工によって得られる目的物の平面視である目的物図形の輪郭線を基準とした一方の側で該輪郭線を含み所定幅の範囲で、該輪郭線と略平行に、多重に走査することを特徴とするレーザ加工方法。
2. 請求項１記載のレーザ加工方法において、
   前記目的物は孔であって、加工される孔の内側から外側へ向かって、多重に前記レーザ光を走査することを特徴とするレーザ加工方法。
3. 請求項１記載のレーザ加工方法において、
   前記目的物はくり抜き部品であって、加工されるくり抜き部品よりも外側から内側へ向かって、多重に前記レーザ光を走査することを特徴とするレーザ加工方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工方法において、
   多重に走査する走査線のピッチは、集光点におけるレーザ光径の０．５〜１０倍に設定することを特徴とするレーザ加工方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工方法において、
   前記レーザ光はパルス状に照射され、そのパルス幅は、１００ｐｓ〜５０ｎｓに設定することを特徴とするレーザ加工方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工方法において、
   前記薄板は略水平に配設され、
   前記レーザ光を前記薄板の上面側から照射して下面側へと透過させ、該レーザ光の集光点を前記薄板の下側面に設定することを特徴とするレーザ加工方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ加工方法において、
   前記レーザ光はグリーンレーザであることを特徴とするレーザ加工方法。
8. パルス状のレーザ光を発振するレーザ光発振手段と、
   前記レーザ光を加工物である薄板に照射するレーザ光出射手段と、を有し、
   前記レーザ光出射手段は、前記レーザ光を所定のパターンに走査するレーザ光走査手段を備え、
   該レーザ光走査手段は、前記薄板に対する孔開け加工又はくり抜き加工によって得られる目的物の平面視である目的物図形の輪郭線を基準とした一方の側で該輪郭線を含み所定幅の範囲で、該輪郭線と略平行に、多重に走査することを特徴とするレーザ加工装置。
9. 請求項８記載のレーザ加工装置において、
   前記レーザ光走査手段は、ガルバノ・スキャナであることを特徴とするレーザ加工装置。

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