JP2021516159A

JP2021516159A - 硬脆材料製品の加工方法、装置及びシステム

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Publication number: JP2021516159A
Application number: JP2019560769A
Authority: JP
Inventors: 正明程; 作寧鄭; 学瑞苑; 建剛 ▲盧▼; 杰孫; 建剛尹; 云峰高
Original assignee: ハンズレーザーテクノロジーインダストリーグループカンパニーリミテッド
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2021-07-01
Also published as: CN110312590A; WO2020163995A1

Abstract

本発明は製品加工の分野に関し、具体的には、硬脆材料製品の加工方法、装置及びシステムに関するものであり、加工方法は、被加工輪郭線が設けられた被加工品をテーブル上に置くことと、テーブルにより被加工品を被加工輪郭線に沿って移動させるとともに、被加工品における被加工輪郭線の箇所にて改質層を形成するように同一方向へレーザ光を連続照射することと、被加工品を加熱し、捨て部を離脱させて成形した硬脆製品を得ることとを含む。この加工方法によれば、高品質の硬脆材料製品を得ることが可能になる。【選択図】図１

Description

本発明は製品加工の分野に関し、具体的には、硬脆材料製品の加工方法、装置及びシステムに関する。

サファイアガラス等の透明な硬脆材料は、優れた物理・化学的性質、例えば、高硬度、安定的性能及び高透過率等により、電子製品におけるカバープレートや精密機械の保護用ウィンドウ、時計業界等の分野に広く適用されて来ている。近年、モバイルインターネットが迅速に発展しているとともに、スマホや携帯型タブレットやスマートウォッチ等に代表される一般消費者向け電子製品による硬脆材料に対する需要はますます高くなってきている。実際の応用性能を満たし、ユーザ体験を向上させ、より綺麗な外観を実現する等のために、関連業界においてこのような材料を適用する場合、様々な円形輪郭の切断が要求されている。例えば、スマホの保護プレートにおける指紋認識、カメラ、フラッシュライト等に関する領域での孔構造の加工、又は他の関連分野でのより多くの加工需要が存在している。

硬脆材料に関する市場の発展につれて、製品品質に対する要求も高くなって行き、現在一般的に用いられているＣＮＣ及びレーザ技術は、いずれも高精度な円形切断加工において大きな課題に直面している。従来のＣＮＣによる加工手段は、最初にＣＮＣでガラスを粗加工してから、その縁のクラックや欠陥を無くすように研削・つや出しを行うものである。二次加工が必要のため、複雑なプロセスフローとなる一方、加工された円形の精度もより高い標準への要求を満たしがたいものであった。レーザ加工技術、特に近年広く採用されている超高速レーザは、高い制御性や狭いパルス幅ないし高いピーク電力という特性から、高品質の異型加工を実行可能なものであるが、高品質の円形を加工する場合にも同様に、テーブルの動き精度やビーム移動の制御精度に影響されて真円度の向上が不可能となっていた。

本発明は、従来技術の上記問題点について、硬脆材料製品の加工方法、装置及びシステムを提供し、硬脆材料製品の加工フローが複雑で、歩留まりが低いという問題を解決しようとしている。

この技術的課題を解決するため、本発明は、被加工輪郭線が設けられた被加工品をテーブル上に置くことと、テーブルにより被加工品を被加工輪郭線に沿って移動させるとともに、被加工品における被加工輪郭線の箇所にて改質層を形成するように同一方向へレーザ光を連続照射することと、被加工品を加熱し、捨て部を離脱させて成形した硬脆材料製品を得ることと、を含む硬脆材料製品の加工方法を提供する。

好ましくは、前記テーブルは回転テーブルであり、前記被加工輪郭線の形状は円形である。

好ましくは、前記加工方法は、被加工品が少なくとも被加工輪郭線の隣接領域の形状に応じた加熱ブロックと接触することと、加熱ブロックがプリセット温度及びプリセット時間に従って加熱することにより、前記隣接領域が膨張して分離が発生することと、をさらに含む。

好ましくは、前記加熱ブロックのプリセット温度の範囲は１００℃〜３００℃であり、プリセット時間の範囲は１秒〜２０秒である。

好ましくは、前記被加工輪郭線は第一の輪郭線と第二の輪郭線とを含み、前記加工方法は、テーブルにより被加工品を第一の輪郭線に沿って移動させるとともに、被加工品における第一の輪郭線の箇所にて第一の改質層を形成するように第一の方向へレーザ光を連続照射することと、テーブルにより被加工品を第二の輪郭線に沿って移動させるとともに、被加工品における第二の輪郭線の箇所にて第二の改質層を形成するように第二の方向へレーザ光を連続照射することと、第一の輪郭線の外部領域を加熱し、外部領域を離脱させた第一の輪郭線の内部領域を得ることと、第一の輪郭線と第二の輪郭線との間の領域を加熱し、第一の輪郭線と第二の輪郭線との間の領域を離脱させて環状の硬脆材料製品を得ることと、をさらに含む。

好ましくは、前記レーザ光の波長範囲は３００ナノメートル〜１１００ナノメートルである。

好ましくは、前記レーザ光のビーム直径は１０ミクロン以下であり、前記レーザ光のパルス幅は１０００ピコ秒以下である。

好ましくは、前記改質層は複数の縦方向改質チャンネルを含み、隣接する縦方向改質チャンネル間のピッチの範囲は０．１ミクロン〜２０ミクロンである。

本発明は、上記のような加工方法を実現するためのものであって、レーザ光照射手段と、運動テーブル手段と、加熱手段とを含み、被加工輪郭線が設けられた被加工品を運動テーブル手段上に置き、前記運動テーブル手段により被加工品を被加工輪郭線に沿って移動させるとともに、前記レーザ光照射手段により被加工品における被加工輪郭線の箇所にて改質層を形成するように同一方向へレーザ光を連続照射し、前記加熱手段により被加工品を加熱し、捨て部を離脱させて成形した硬脆材料製品を得るように構成されている硬脆材料製品の加工装置をさらに提供する。

本発明は、上記のような加工方法を実現するためのものであって、中央制御ユニットと、レーザ光照射ユニットと、運動テーブルユニットと、加熱ユニットとを含み、被加工輪郭線が設けられた被加工品を運動テーブルユニット上に置き、前記中央制御ユニットは、運動テーブルユニットを制御して、被加工品を被加工輪郭線に沿って移動させるとともに、レーザ光照射ユニットを制御して、被加工品における被加工輪郭線の箇所にて改質層を形成するように同一方向へレーザ光を連続照射し、また、加熱ユニットを制御して被加工品を加熱し、捨て部を離脱させて成形した硬脆材料製品を得るようになっている硬脆材料製品の加工システムをさらに提供する。

従来技術に比べて、本発明による硬脆材料製品の加工方法、装置及びシステムによれば、被加工品を移動させるとともに、同一方向へレーザ光を照射して、被加工品に改質層を形成してから加熱を行うので、完成品となる部分と捨て部とは、熱膨張の違いに起因して被加工輪郭線に沿って亀裂が生じて分離し、最終的に、品質の高い切断面を有する硬脆材料製品が得られ、また、採用されるテーブルは回転テーブルであるから、硬脆材料製品の真円度が大きく高まり、歩留まりと加工効率の向上が図られている。

以下、図面及び実施例に合わせて、本発明をさらに説明する。

本発明による加工方法のフローのブロック図である。本発明による加工方法の模式図である。本発明による硬脆材料製品が円環構造である場合の加工の効果図である。本発明による加熱ブロックで加熱するフローのブロック図である。本発明による環状の硬脆材料製品を加工するフローのブロック図である。

以下、図面に合わせて、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。

図１〜図３に示されるように、具体的には、本発明は硬脆材料製品の加工方法の好ましい実施例を提供する。

具体的には、図１と図２を参照すると、硬脆材料製品の加工方法は、
被加工輪郭線が設けられた被加工品をテーブル上に置くステップ１と、
テーブルにより被加工品を被加工輪郭線に沿って移動させるとともに、被加工品における被加工輪郭線の箇所にて改質層を形成するように同一方向へレーザ光を連続照射するステップ２と、
被加工品を加熱し、捨て部を離脱させて成形した硬脆材料製品を得るステップ３と、
を含む。

そのうち、図１と図２を参照すると、まず、基板及び基板に設けられた硬脆材料製品を含む被加工品をテーブルの水平面上に置き、前記基板と硬脆材料製品との間に被加工輪郭線が設けられ、即ち、前記被加工品に被加工輪郭線が設けられる。前記被加工輪郭線は、被加工品に描かれて跡となる実の線ではなく、仮想線であることは注意されたい。その後、テーブルにより被加工品を被加工輪郭線に沿って移動させるとともに、被加工品に向かう同一方向へレーザ光を連続照射するようにし、前記被加工品が移動する一方、レーザ光が不動であるから、レーザ光も被加工輪郭線に沿って加工を行い、レーザ光は被加工品を貫通できるが、被加工品中の化学結合の破壊のみを引き起こして改質層を形成しすぎず、切断隙間が出来ないから、自動分離はやはり不可能である。そして、被加工品の一部領域を加熱し、熱による膨張収縮のせいで、熱を受けた領域が膨張し、完成品となる上記硬脆材料製品と捨て部となる上記基板は分離するようになることにより、捨て部を取り除けば、高品質の硬脆材料製品が得られ、図３を参照すると、硬脆材料製品が円環構造であれば、その切断面が均一になり、エッジ崩壊や誤差がいずれも５ミクロンより小さく、また、この加工方法は一次加工のみで成形可能で、さらなる加工が不要となるという特性があり、極めて加工効率の高いものとなる。もちろん、他の構造の硬脆材料製品に対しても、上記の加工効果を達成可能である。

本実施例では、前記被加工輪郭線の形状は円形とされ、最終的に得られる硬脆材料製品の形状も円形となる。このため、回転テーブル、好ましくはＤＤ回転テーブル、即ち電動回転テーブルが採用され、高作業効率と高精度及び高剛性等の優れた特性が同時に実現され、硬脆材料製品の真円度を非常に高めることが可能になり、加工品質が大きく向上できるとともに、加工効率の向上が図られている。前記硬脆材料製品には、セラミックやガラス等、携帯電話やコンピュータ用部品によく用いられる様々な種類がある。レーザ光を被加工輪郭線に沿って移動させることにより加工を行うことは一般的であるが、このような手法では、レーザ光照射装置に対する精度要求が非常に高く、本願発明によれば、既存の回転テーブルをそのまま流用すれば、高精度の加工も実現可能となる。

より具体的には、図２を参照すると、前記加工方法は、
被加工品が少なくとも被加工輪郭線の隣接領域の形状に応じた加熱ブロックと接触する
ステップ３１と、
加熱ブロックがプリセット温度及びプリセット時間に従って加熱することにより、前記隣接領域が膨張して分離が発生するステップ３２と、
をさらに含む。

そのうち、被加工品は被加工輪郭線の隣接領域の箇所にてその形状に応じた加熱ブロックと接触する。例を挙げると、被加工輪郭線の内部領域を加熱する場合、加熱ブロックは、内部領域の形状に応じたものであってもよいし、内部領域における被加工輪郭線に近い一部領域の形状に応じたものであってもよく、被加工輪郭線の外部領域を加熱する場合、加熱ブロックは、外部領域の形状に応じたものであってもよいし、外部領域における被加工輪郭線に近い一部領域の形状に応じたものであってもよい。その後、加熱ブロックを起動して、プリセット温度及びプリセット時間に従って隣接領域を加熱することにより、加熱ブロックと接触した領域は熱を受けて膨張するようになり、この時、接触された領域と接触されていない領域は分離していく。好ましくは、前記加熱ブロックのプリセット温度の範囲は１００℃〜３００℃、プリセット時間の範囲は１秒〜２０秒である。

さらに具体的には、図３を参照すると、前記加工方法は、
テーブルにより被加工品を第一の輪郭線に沿って移動させるとともに、被加工品における第一の輪郭線の箇所にて第一の改質層を形成するように第一の方向へレーザ光を連続照射するステップ２１１と、
テーブルにより被加工品を第二の輪郭線に沿って移動させるとともに、被加工品における第二の輪郭線の箇所にて第二の改質層を形成するように第二の方向へレーザ光を連続照射するステップ２１２と、
第一の輪郭線の外部領域を加熱し、外部領域を離脱させて第一の輪郭線の内部領域を得るステップ３１１と、
第一の輪郭線と第二の輪郭線との間の領域を加熱し、第一の輪郭線と第二の輪郭線との間の領域を離脱させて環状の硬脆材料製品を得るステップ３１２と、
をさらに含む。

ここにおいて、前記第一の輪郭線による面積は第二の輪郭線による面積よりも大きく、被加工品をテーブルに固定して置いた後、テーブルにより被加工品を第一の輪郭線に沿って移動させるとともに、レーザシステムにより第一の輪郭線の箇所に向かう第一の方向へレーザ光を連続照射することにより、被加工品における第一の輪郭線の箇所にて第一の改質層が形成される。そして、テーブルにより被加工品を第二の輪郭線に沿って移動させるとともに、レーザシステムにより第二の輪郭線の箇所に向かう第二の方向へレーザ光を連続照射することにより、被加工品における第二の輪郭線の箇所にて第二の改質層が形成される。その後、加熱ブロックで第一の輪郭線の外部領域を加熱し、外部領域を離脱させて第一の輪郭線の内部領域が得られる。最後に、別の加熱ブロックで第一の輪郭線と第二の輪郭線との間の領域を加熱し、第一の輪郭線と第二の輪郭線との間の領域を離脱させて第一の輪郭線と第二の輪郭線との間の領域、即ち環状の硬脆材料製品が得られる。円環状の硬脆材料製品を得ようとする場合、前記第一の輪郭線と第二の輪郭線を円形とすれば、両者間の部分は円環となる。角リング状の硬脆材料製品を得ようとする場合、前記第一の輪郭線と第二の輪郭線を角形とすれば、両者間の部分は角リングとなる。

ここにおいて、被加工輪郭線の箇所にて改質層を形成する必要があるため、レーザ光のビーム形成に対する要求が非常に高い。特定のレーザシステムにより長焦点深度の合焦光路が形成され、前記レーザ光のビーム直径は１０ミクロン以下、好ましくは３ミクロン以下であり、前記レーザ光の波長範囲は３００ナノメートル〜１１００ナノメートルであり、前記レーザ光のパルス幅は１０００ピコ秒以下、好ましくは一の位のオーダのピコ秒、例えば５ピコ秒であり、前記レーザ光の焦点深度は２ミリメートル以上となる。

また、前記改質層は複数の縦方向改質チャンネルを含むものであり、前記レーザ光はパルスレーザ光とされるため、被加工輪郭線の箇所へ照射する場合、一定距離毎にパルス列が形成され、このパルス列は被加工品を貫通して縦方向改質チャンネルが出来るようになり、隣接する縦方向改質チャンネル間のピッチの範囲は０．１ミクロン〜２０ミクロンである。

ここで、加工方法により円形製品を加工する具体例を挙げると、被加工輪郭線が一つ設けられた被加工品を回転テーブル上に固定して置く。回転テーブルにより被加工品を被加工輪郭線に沿って移動させるとともに、レーザシステムにより同一方向へレーザ光を連続照射するようにし、前記レーザ光はパルス幅が５ピコ秒、波長が１０３０ナノメートル、単一パルスのエネルギが２００マイクロジュールであり、回転テーブルにより被加工品が一ターン回転すると、被加工輪郭線の箇所にて改質層が形成される。そして、被加工輪郭線の外部領域の形状に応じた加熱ブロックを選択して上記外部領域としっかりと接触させ、１８０℃の設定温度で５秒加熱させてから離間させると、被加工輪郭線の外部領域が熱を受けて膨張するようになり、被加工輪郭線の外部領域と内部領域は分離し、最終的に、内部領域つまり高品質の円形製品が得られる。

ここで、加工方法により円環製品を加工する具体例を挙げると、被加工輪郭線が二つ設けられた被加工品を回転テーブル上に固定して置き、一つの被加工輪郭線は円環製品の外径円となり、外径円輪郭線として定義され、もう一つの被加工輪郭線は円環製品の内径円となり、内径円輪郭線として定義されている。回転テーブルにより被加工品を外径円輪郭線に沿って移動させるとともに、レーザシステムにより同一方向へレーザ光を連続照射する。前記レーザ光は、パルス幅が５ピコ秒、波長が１０３０ナノメートル、単一パルスのエネルギが２００マイクロジュールであり、回転テーブルにより被加工品が一ターン回転すると、外径円輪郭線の箇所にて改質層が形成される。そして、レーザ光を内径円輪郭線の箇所に向けるようにＸ−Ｙテーブルにより回転テーブルを移動させてから、回転テーブルにより被加工品を内径円輪郭線に沿って移動させるとともに、レーザシステムにより同一方向へレーザ光を連続照射する。前記レーザ光は、パルス幅が５ピコ秒、波長が１０３０ナノメートル、単一パルスのエネルギが２００マイクロジュールであり、回転テーブルにより被加工品が一ターン回転すると、内径円輪郭線の箇所にて改質層が形成される。その後、外径円輪郭線の外部領域の形状に応じた加熱ブロックを選択して上記外部領域としっかりと接触させ、１８０℃の設定温度で５秒加熱させてから離間させると、外径円輪郭線の外部領域が熱を受けて膨張し、外径円輪郭線の内部領域は分離していく。そして、外径円輪郭線と内径円輪郭線との間の円環領域の形状に応じた別の加熱ブロックを選択して上記円環領域としっかりと接触させ、１８０℃の設定温度で５秒加熱させてから離間させると、円環領域が熱を受けて膨張するようになり、円環領域と内径円輪郭線の内部領域は分離していき、最終的に、高品質の円環製品が得られる。

上記から、前記加工方法によれば、該当する加熱ブロックを交換するだけで、単一又は複数の図形の加工が可能になることが分かった。複数の図形を加工する場合、それぞれの図形の加工順は問わないことは注意されたい。

本発明は、硬脆材料製品の加工装置の好ましい実施例をさらに提供する。

具体的には、上記のような加工方法を実現するためのものであって、レーザ光照射手段と、運動テーブル手段と、加熱手段とを含み、前記レーザ光照射手段はレーザ光伝送素子と長焦点深度の合焦光学素子とビーム整形素子とを含み、前記レーザ光伝送素子は少なくともミラーとビームエキスパンダとを含み、前記ビーム整形素子は少なくとも加工用対物レンズを含む硬脆材料製品の加工装置であって、被加工輪郭線が設けられた被加工品を運
動テーブル手段上に置き、前記運動テーブル手段により被加工品を被加工輪郭線に沿って移動させるとともに、前記レーザ光照射手段により被加工品における被加工輪郭線の箇所にて改質層を形成するように同一方向へレーザ光を連続照射し、前記加熱手段により被加工品を加熱し、捨て部を離脱させて成形した硬脆材料製品を得るように構成されている。

本発明は、硬脆材料製品の加工システムの好ましい実施例をさらに提供する。

具体的には、上記のような加工方法を実現するためのものであって、中央制御ユニットと、レーザ光照射ユニットと、運動テーブルユニットと、加熱ユニットとを含み、前記レーザ光照射ユニットはレーザ光伝送素子と長焦点深度の合焦光学素子とビーム整形素子とを含み、前記レーザ光伝送素子は少なくともミラーとビームエキスパンダとを含み、前記ビーム整形素子は少なくとも加工用対物レンズを含む硬脆材料製品の加工システムであって、被加工輪郭線が設けられた被加工品を運動テーブルユニット上に置き、前記中央制御ユニットは、運動テーブルユニットを制御して、被加工品を被加工輪郭線に沿って移動させるとともに、レーザ光照射ユニットを制御して、被加工品における被加工輪郭線の箇所にて改質層を形成するように同一方向へレーザ光を連続照射し、また、加熱ユニットを制御して被加工品を加熱し、捨て部を離脱させて成形した硬脆材料製品を得るように構成されている。

要するに、上記は本発明の好ましい実施例にすぎず、本発明の保護範囲を限定するためのものではない。本発明の精神と原則においてなされたあらゆる変更や等価取替や改良等は、いずれも本発明の保護範囲に含まれるものとする。

Claims

被加工輪郭線が設けられた被加工品をテーブル上に置くことと、
テーブルにより被加工品を被加工輪郭線に沿って移動させるとともに、被加工品における被加工輪郭線の箇所にて改質層を形成するように同一方向へレーザ光を連続照射することと、
被加工品を加熱し、捨て部を離脱させて成形した硬脆材料製品を得ることと、
を含むことを特徴とする硬脆材料製品の加工方法。
前記テーブルは回転テーブルであり、前記被加工輪郭線の形状は円形であることを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
被加工品が少なくとも被加工輪郭線の隣接領域の形状に応じた加熱ブロックと接触することと、
加熱ブロックがプリセット温度及びプリセット時間に従って加熱することにより、前記隣接領域が膨張して分離が発生することと、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
前記加熱ブロックのプリセット温度の範囲は１００℃〜３００℃であり、プリセット時間の範囲は１秒〜２０秒であることを特徴とする請求項３に記載の加工方法。
前記被加工輪郭線は第一の輪郭線と第二の輪郭線とを含み、前記加工方法は、
テーブルにより被加工品を第一の輪郭線に沿って移動させるとともに、被加工品における第一の輪郭線の箇所にて第一の改質層を形成するように第一の方向へレーザ光を連続照射することと、
テーブルにより被加工品を第二の輪郭線に沿って移動させるとともに、被加工品における第二の輪郭線の箇所にて第二の改質層を形成するように第二の方向へレーザ光を連続照射することと、
第一の輪郭線の外部領域を加熱し、外部領域を離脱させて第一の輪郭線の内部領域を得ることと、
第一の輪郭線と第二の輪郭線との間の領域を加熱し、第一の輪郭線と第二の輪郭線との間の領域を離脱させて環状の硬脆材料製品を得ることと、
をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の加工方法。
前記レーザ光の波長範囲は３００ナノメートル〜１１００ナノメートルであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の加工方法。
前記レーザ光のビーム直径は１０ミクロン以下であり、前記レーザ光のパルス幅は１０００ピコ秒以下であることを特徴とする請求項６に記載の加工方法。
前記改質層は複数の縦方向改質チャンネルを含み、隣接する縦方向改質チャンネル間のピッチの範囲は０．１ミクロン〜２０ミクロンであることを特徴とする請求項７に記載の加工方法。
請求項１〜請求項８のいずれかに記載の加工方法を実現するためのものであって、レーザ光照射手段と、運動テーブル手段と、加熱手段とを含み、被加工輪郭線が設けられた被加工品を運動テーブル手段上に置き、前記運動テーブル手段により被加工品を被加工輪郭線に沿って移動させるとともに、前記レーザ光照射手段により被加工品における被加工輪郭線の箇所にて改質層を形成するように同一方向へレーザ光を連続照射し、前記加熱手段により被加工品を加熱し、捨て部を離脱させて成形する硬脆材料製品を得るように構成さ
れていることを特徴とする硬脆材料製品の加工装置。
請求項１〜請求項８のいずれかに記載の加工方法を実現するためのものであって、中央制御ユニットと、レーザ光照射ユニットと、運動テーブルユニットと、加熱ユニットとを含み、被加工輪郭線が設けられた被加工品を運動テーブルユニット上に置き、前記中央制御ユニットは、運動テーブルユニットを制御して、被加工品を被加工輪郭線に沿って移動させるとともに、レーザ光照射ユニットを制御して、被加工品における被加工輪郭線の箇所にて改質層を形成するように同一方向へレーザ光を連続照射し、また、加熱ユニットを制御して被加工品を加熱し、捨て部を離脱させて成形した硬脆材料製品を得るように構成されていることを特徴とする硬脆材料製品の加工システム。