(57)【要約】    【課題】  硬質材料にレーザを照射して開口を設ける方法であって、材料の表面と裏面における加工端面の品質が均一となり、かつ短時間で効率よく加工できる方法を提供すること。    【解決手段】  硬質材料に開口を形成する方法であって、前記材料の一面側から前記開口の形状にレーザを照射することにより、前記材料を貫通しない第１の溝を、前記材料の一面に対して略垂直な方向に形成する第１の加工工程と、前記材料の他面側から、前記第１の溝に対応させてレーザを照射することにより、第１の溝の少なくとも底部に到達する第２の溝を、前記材料の他面に対して略垂直な方向に形成する第２の加工工程と、を含む方法。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質材料を、隅角部を有する加工形状に加工する方法であって、
前記隅角部にコーナー半径を有する形状に加工する粗加工工程と、
前記粗加工工程に用いた手段よりも加工精度の高い手段によって、前記粗加工工程で形成されたコーナー半径の２つの接線に沿って両線の交点まで加工する微細加工工程と、を含む加工方法。
【請求項２】
前記粗加工工程に用いた手段が、前記加工精度の高い手段よりも加工速度が速い機械的手段である、請求項１に記載の加工方法。
【請求項３】
前記加工精度の高い手段がレーザの照射である、請求項１または２に記載の加工方法。
【請求項４】
前記微細加工工程の後、加工端面をエッチングにより仕上げ加工する工程を含む、請求項請求項１から３のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の加工方法を用いて隅角部を有する加工形状に加工されたサファイアガラス。
【請求項６】
隅角部を有する加工形状に形成されたサファイアガラスであって、前記サファイアガラスの少なくとも１面において前記隅角部のコーナー半径が０．１ｍｍ未満であるサファイアガラス。
【請求項７】
請求項６に記載のサファイアガラスを備えた時計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質材料を、隅角部を有する加工形状を加工する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
硬質材料を所定の加工形状に加工する方法として、従来から回転砥石やドリルを用いる方法や、砥粒を噴射するマイクロブラスト法などの機械的加工方法が用いられている。
【０００３】
硬質材料の一例として、サファイアガラスが挙げられる。サファイアガラスは人工サファイアを用いたガラスで、傷がつきにくく透明度が高いことから高級時計のカバーガラス等に利用されている。時計のカバーガラスは高いデザイン性が必要とされ、例えば多面的にカットされたような形状が求められることがある。サファイアガラスを研磨等によって多面体に加工することはその硬度ゆえに困難なため、サファイアガラスに開口を形成し、ここに別のサファイアガラスを嵌め込んだり、金属等他の材料を嵌め込んだりすることで多面的なデザインが形成されている。
【０００４】
サファイアガラスに開口を形成する方法としては、機械的加工方法のほか、ボックス形状の足の部分の周囲に、ＥＦＧ法（Edge-Defined Film-fed Growth Method）によってサファイアの単結晶を成長させる方法が開示されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平８−３２０３８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、機械的な加工方法による硬質材料の微細加工は困難である。例えばドリル等の工具の直径はある程度以上細くするのが困難であるため、隅角部を形成するとコーナー半径が生じてしまうのを避けられない。このようなコーナー半径は、形成した開口に別の材料を嵌め込むなど、更に加工を行う場合に不都合である。
【０００６】
ＥＦＧ法を用いればコーナー半径は生じないものの、開口の形状はボックス形状の足の部分に依存するため、デザインの自由度が低くなる（例えば［特許文献１］を参照）。
【０００７】
そこで、本発明は、硬質材料を、高品質な隅角部を有する加工形状に高速で加工する方法を提供することを目的とする。
【特許文献１】特開平８−３２０３８５号公報
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明にかかる加工方法は、硬質材料を、隅角部を有する加工形状に加工する方法であって、隅角部にコーナー半径を有する形状に加工する粗加工工程と、粗加工工程に用いた手段よりも加工精度の高い手段によって、粗加工工程で形成されたコーナー半径の２つの接線に沿って両線の交点まで加工する微細加工工程と、を含む。
【０００９】
このような方法により、まず粗加工工程で高速に加工し、続く微細化加工工程でコーナー半径を除去した隅角部、または極めてコーナー半径を小さくした隅角部を形成することができるので、短時間で高品質の加工をすることが可能となる。また、型等を使用しないため加工形状に制限がほとんどなく、デザインの自由度が高いという利点もある。
【００１０】
本発明における粗加工工程に用いた手段は、前記加工精度の高い手段よりも加工速度が速い機械的手段であることが好ましい。機械的手段によれば、コーナー半径は生じるものの、高速に加工することが可能である。
【００１１】
本発明における加工精度の高い手段はレーザの照射であることが好ましい。レーザを用いればミクロンオーダーの加工も可能となるので、粗加工工程で生じたコーナー半径の２つの接線に沿って両線の交点までレーザを照射することにより、コーナー半径を極めて小さくすることができる。また、本発明の方法によれば、レーザで加工するのは微小な領域であるため、加工時間も長くならない。さらに、粗加工工程で生じたマイクロクラックを除去することができ、加工品質を高められるという効果も得られる。
【００１２】
また、本発明にかかる加工方法は、上記微細加工の後、加工端面をエッチングにより仕上げ加工する工程を含むことが好ましい。これにより、レーザ加工後のデブリや、加工端面の変質層を除去することができ、母材が表面に現れるため強度が高くなる。
【００１３】
本発明は、本発明に係る加工方法を用いて隅角部を有する加工形状に加工されたサファイアガラスも包含する。かかるサファイアガラスは、加工品質の高い微細加工を施すことができ、電子機器やアクセサリ等、様々な用途に用いることができる。
【００１４】
また、本発明は、隅角部を有する加工形状に形成されたサファイアガラスであって、このサファイアガラスの少なくとも１面において、隅角部のコーナー半径が０．１ｍｍ未満であるサファイアガラスを含む。本発明にかかる加工方法をサファイアガラスの加工に用いた場合は、隅角部のコーナー半径を０．１ｍｍ未満にできることが確認された。従って、例えば本発明に係る加工方法で開口を形成したサファイアガラスを用いれば、この開口に同素材または異素材の材料を嵌め込んで多面的なガラスを形成することも可能である。
【００１５】
また、本発明は、上記サファイアガラスを備えた時計を包含する。上述のように、本発明にかかる方法によれば、サファイアガラスを非常に高品質に加工することができるので、デザイン性の高い高級時計に好適であり、高速に加工できるので、大量生産にも適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における、硬質材料を所定の加工形状に加工する方法を示す概略図である。本実施形態では、特に板状の硬質材料に開口を形成する方法を例に挙げて説明する。
【００１７】
（粗加工工程）
まず、図１（ａ）に示すように、硬質材料１０にコーナー半径Ｒを有する開口１１を形成する。開口１１を形成する手段は特に限定されず、回転砥石等の工具を用いる方法、砥粒を噴射するマイクロブラスト法等が挙げられるが、加工速度が速く、加工コストも安いドリルが好ましい。
【００１８】
これらの手段によると、通常、開口１１の隅角部にはコーナー半径Ｒ１２が生じる。「コーナー半径が生じる」とは、隅角部１３に、形成したい開口の形状から扇形を除いた部分１４が残ってしまうことを意味し、この扇形の半径１２をコーナー半径と呼ぶ。コーナー半径が小さいほど鋭い隅角部となるが、コーナー半径は粗加工工程に用いる工具の半径によって決まり、例えば、直径１ｍｍのドリルを用いて開口を形成すると、コーナー半径は０．５ｍｍ程度となる。
【００１９】
（微細加工工程）
次に、図１（ｂ）に示すように、粗加工工程に用いた手段よりも加工精度の高い手段によって、粗加工工程で形成されたコーナー半径の２つの接線に沿って両線の交点まで前記開口を拡張する。
【００２０】
本工程に用いる手段は特に限定されず、超音波加工法、電子ビーム、イオンビーム、レーザ光等のエネルギービームを用いる加工方法などが挙げられるが、比較的安価で操作性が良いレーザ光が好ましい。レーザとして、微細加工に適するＫｒＦエキシマレーザ、ＴＥＡ−ＣＯ2レーザ、ＹＡＧレーザ第２高調波（例えばλ＝５３２ｎｍ）等を使用することが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２１】
例えば、ＹＡＧ第２高調波を用い、硬質材料としてサファイアガラス（厚さ０．８ｍｍ）を加工する場合、以下の条件とすればよい。
【００２２】
発振器電流値：２８Ａ
Ｑスイッチ発振周波数：１ｋＨｚ
レーザパワー：〜１Ｗ
対物レンズ：ｆ＝１００ｍｍ
焦点位置：ワーク表面ジャストフォーカス
スポット径：〜３０μｍ
ステージ速度：１ｍｍ／ｓ
図２に、上記の条件で１ｍｍ四方の開口を形成したサファイアガラスの写真を示す。開口の４つの隅角部には、レーザ光のスポット径に応じてコーナー半径ｒが生じるが、図２に示された半径０．５ｍｍの円と比べればわかるように、ｒはＲに比較して無視できるほど小さい。本発明に係る方法によれば、サファイアガラスにコーナー半径が０．１ｍｍ未満である開口を形成することができる。
【００２３】
（エッチング）
微細加工工程後、微細加工により生じたデブリや壁面の変質層をエッチングによって除去し、仕上げ加工してもよい。エッチング方法は特に限定されないが、ウェットエッチングが好ましく、中でもＨＦエッチングが好適である。仕上げ加工により、加工端面を滑らかにすることができるとともに、母材が表面に現れるために強度を高くすることができる。
【００２４】
（時計）
図３（ａ）に、上記方法で加工されたサファイアガラスを用いた時計３０を示す。時計のカバーガラスは、文字盤と平行な面３２と、面３２に対して一定角度をなす４つの面３４の５つの面からなる。
【００２５】
図３（ｂ）に図３（ａ）の線Ｉ−Ｉで切断した場合の部分断面図を示す。サファイアガラス３２と３４とでは厚さが異なり、文字盤３８を囲む枠３６に嵌め合わせられる構成になっている。かかる構成を、一枚のサファイアガラスから研磨等により成形するのは非常に困難であるが、本発明に係る加工方法を用いれば以下に示すように作製することができる。
【００２６】
図４（ａ）から（ｅ）にカバーガラスの製造工程の概略図を示す。
【００２７】
まず、図４（ａ）に示すサファイアガラスの板４０を用意し、図４（ｂ）に示すように、砥石による研磨によって４つの斜面３４を形成する。続いて図４（ｃ）に示すように、粗加工工程として、比較的大きいコーナー半径を有する開口４２を、ドリルにより高速で形成する。
【００２８】
次に、図４（ｄ）に示すように、微細加工工程によってコーナー半径を除去、または微小化する。条件は上述した微細加工工程の説明の通りとすることができる。続いて、開口４２と同一形状の水平断面を有するサファイアガラス３２を嵌め込み、目的のカバーガラスが得られる。
【００２９】
上記方法によれば、一枚のサファイアガラスにカットを施したようなデザイン性の高いカバーガラスを簡易な方法で製造することができる。さらに、最後に嵌め込むサファイアガラス４４として、サファイアガラス４０より薄いものを用いることにより、サファイアガラス３２と文字盤３８に挟まれた空間に針等を配置することができるので（図３（ｂ）参照）、全体として薄い時計を形成することが可能となる。
＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態における、硬質材料に隅角部を有する開口を形成する工程の概略を説明する図であるが、理解しやすいよう、開口の略中央で切断した断面図を示している。
【００３０】
（第１の加工工程）
まず、図５（ａ）に示すように、硬質材料５０の面５２側から、開口の形状にレーザ５１を照射して、材料を貫通しない溝５６を面５２に対して略垂直な方向に形成する。用いるレーザとしては、微細加工に適するＫｒＦエキシマレーザ、ＴＥＡ−ＣＯ2レーザ、ＹＡＧレーザ第２高調波（λ＝５３２ｎｍ）等が挙げられるがこれらに限定されない。
【００３１】
（第２の加工工程）
続いて、同図（ｂ）に示すように硬質材料５０の面５４側から、溝５６に対応する位置にレーザ５１を照射することにより、面５４に対して略垂直な方向に溝５８を形成する。溝５８を少なくとも溝５６の底部に到達するよう形成することによって、硬質材料５０の中央に位置する部分６０が他の部分から切り離され、開口を形成することができる。
【００３２】
面５４側からレーザを照射するためには、例えば、面５２側からレーザを照射して溝５６を形成した後、レーザ装置のステージ上で硬質材料５０を反転させればよい。硬質材料として透明な材料を用いる場合には、面５４側からレーザを照射する際に、先に形成された溝５６をアラインメントに利用することができるので、アラインメント用マークをつけることなく容易に加工できる。
【００３３】
上述のように、レーザを一定領域に繰り返し照射して加工する場合、一般に走査回数が多くなると、加工速度が飽和し、加工される溝の深さが走査回数に比例しなくなることが発明者の行った試験によりわかった。一例として、図６に、硬質材料としてサファイアガラスを用いた場合の、走査回数と加工溝の深さの関係を示す。それぞれ、レーザパワーを０．５Ｗ、１．０Ｗ、１．４Ｗにして測定した結果を示すが、いずれの場合も、走査回数が多くなるほど加工速度が遅くなり、加工効率が悪化する現象が見られる。
【００３４】
図６から、走査回数と加工溝深さとが比例するのは、走査回数が０〜２０回の間であることがわかり、この回数の範囲で照射すれば効率よく溝を形成できると考えられる。レーザパワーが０．５Ｗの場合、走査回数２０パスで溝の深さは約２３０μｍ、１．０Ｗの場合約５００μｍ、１．４Ｗの場合約５００μｍである。
【００３５】
本発明に係る方法では、第一の溝および第二の溝のいずれかが硬質材料の厚さの二分の一以上である必要がある。従って、サファイアガラスの場合、走査回数が２０パスなるまでに、材料の厚さの二分の一に達するレーザパワーを選択して、照射すればよい。例えば、サファイアガラスの厚みが４００μｍ程度の場合は、０．５Ｗのレーザを両面から照射して加工し、８００μｍ〜９００μｍ程度の場合は１．０または１．４Ｗのレーザを両面から照射して加工すると高効率に加工できることがわかる。
【００３６】
図７に、８１０μｍのサファイアガラスを、１Ｗのレーザ（ＹＡＧ第２高調波）で加工した結果を示す。予想通り、一面側から２０パス、他面側から２０パスの計４０パスで溝が貫通することが確認された。加工条件は以下の通りである。
【００３７】
使用波長：ＹＡＧ第２高調波（λ＝５３２ｎｍ）
発信器電流値：２８Ａ
Ｑスイッチ発振周波数：１ｋＨｚ
レーザパワー：〜１Ｗ
対物レンズ：ｆ＝１００ｍｍ
焦点位置：ワーク表面ジャストフォーカス
スポット径：〜３０μｍ
ステージ速度：１ｍｍ／ｓ
加工雰囲気：大気中
深さ８１０μｍの溝を長さ１ｍｍに渡って形成するのに、４０パス＝４０秒かかったことから、
８１０μｍ×１０００μｍ＝８１００００μｍ2
の面積を４０秒で加工したことになり、加工レートは、
８１００００μｍ2／４０ｓｅｃ＝２０２５０μｍ2／ｓ
と計算される。
【００３８】
本発明にかかる方法によれば、硬質材料の両面からレーザを照射するので、両面において均一かつ良質な加工端面が得られる。
【００３９】
（粗加工工程）
硬質材料に、比較的大きな、隅角部を有する開口を形成したい場合は、第１の加工工程の前に、隅角部にコーナー半径を有する開口を形成してもよい。本工程の好適な条件等は、上述の第１の実施形態における粗加工工程の場合と同様であり、ここでは説明を省略する。
【００４０】
（エッチング）
微細加工工程後、エッチング法による仕上げ加工をしてもよい。本工程の好適な条件等も、上述の第１の実施形態における粗加工工程の場合と同様であり、ここでは説明を省略する。
【００４１】
（時計）
上述の第１の実施形態と同様に、第２の実施形態に係る方法によって開口を形成してもカバーガラスを製造することができる。その際、図３（ｄ）に示す工程で、サファイアガラス４０の面４１側から第１の溝を形成し、面４３側から第２の溝を形成することができる。第２の実施形態に係る方法によれば、両面において均一な加工品質が得られ、サファイアガラス３２を嵌め込む際に好適である。他の工程については、第１の実施の形態の場合と同様であり、ここでは説明を省略する。
【比較例】
【００４２】
次に、比較例として、上記で用いた厚さ８１０μｍのサファイアガラスに、一面側からのみレーザを照射して加工した結果を示す。
【００４３】
図８にサファイアガラスの一面側からのみレーザを照射した場合の加工断面の写真を示す。レーザの焦点はサファイアガラス表面に固定したまま、走査を繰り返した。レーザ照射の条件は、上述した第２の実施形態と同一である。
【００４４】
走査回数が２０パスを超えると、走査回数による溝の深さの変化はわずかになり、１００パス照射しても貫通溝が形成できない。最終的に、約１０００パス＝約１０００秒で１ｍｍ長さの貫通溝を形成することができ、６７分を要した。従って、加工レートは、
８１００００μｍ2／１０００ｓｅｃ＝８１０μｍ2／ｓ
と計算される。
【００４５】
図９（ａ）〜（ｇ）および、図１０（ａ）〜（ｇ）に一面側からレーザを照射して形成された開口の、当該一面および他面側の光学顕微鏡写真とＳＥＭ写真を示す。
【００４６】
図９および図１０の加工条件を表１に示す。
【００４７】
【表１】
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テーブル速度が遅い方（図９）が比較的なめらかな加工端面を得られるものの、いずれにおいても、非照射面の加工端面にはデブリが多く見られ、照射面よりも加工品質が劣っている。
【００４８】
図１１は、走査回数１０パスごとに、レーザの焦点位置を２００μｍずつ下げて加工を行った結果の断面である。各焦点位置が点線で示されている。この結果からわかるように、焦点位置を下げていっても２０パス以上では、溝の加工速度が飽和する傾向が見られ、走査を繰り返すほど加工効率が悪化する。また、走査回数が３０パス以降では、レーザの出射側にも溝が形成された。レーザ照射面に形成された溝と、出射側に形成された溝は同一線上になく、貫通溝は形成されなかった。
【００４９】
以上説明したように、本発明に係る第２の実施形態によれば加工レートは２０２５０μｍ2／ｓであり、加工レートが８１０μｍ2／ｓである比較例に対して、２５倍の速さで貫通溝を形成することができる。また、材料の両面で加工品質のばらつきがなく、いずれの面もデブリが少ない良好な開口を形成できる。さらに、レーザで加工することにより隅角部を有する開口を形成する場合もコーナー半径が生じることもない。
【００５０】
なお、本発明は上述した各実施形態の内容に限定されることなく、本発明の要旨の範囲内で種々に変形、変更して実施することが可能である。例えば、上述した実施形態では、開口を形成したサファイアガラスを、時計のカバーガラスに用いたが、サファイアガラスの用途はこれに限られるものではない。また、本発明に係る方法は、サファイアガラス以外の硬質材料にも当然用いられる。また形成された開口には、同材料のものを嵌め込んでも、他の物質を嵌め込んでもよく、嵌め込まずに開口のままとして利用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１の実施形態の硬質材料に開口を形成する方法を説明する図である。
【図２】第１の実施形態の方法で加工したサファイアガラスの顕微鏡写真である。
【図３】図３（ａ）は第１の実施形態に係る時計を、（ｂ）は（ａ）を線Ｉ−Ｉで切断をした場合の部分断面図を示す。
【図４】第１の実施形態のサファイアガラスの製造工程を示す概略図である。
【図５】第２の実施形態の加工方法を示す説明する図である。
【図６】レーザの走査回数と加工溝深さとの関係を示す図である。
【図７】材料の両面からレーザを照射して貫通溝を形成したことを示す写真である。
【図８】材料表面に焦点を固定して繰り返しレーザ照射した結果を示す顕微鏡写真である。
【図９】テーブル速度０．１ｍｍ／ｓでサファイアガラスの一面側からレーザ照射して加工した結果を示す顕微鏡写真およびＳＥＭ写真である。
【図１０】テーブル速度１ｍｍ／ｓでサファイアガラスの一面側からレーザ照射して加工した結果を示す顕微鏡写真およびＳＥＭ写真である。
【図１１】走査回数１０パスごとにレーザの焦点位置を２００μｍずつ下げて加工した結果を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００５２】
１０、５０…硬質材料、１１、４２…開口、１２…コーナー半径Ｒ、１３…隅角部、３０…時計、３２、３４、４０…サファイアガラス、３４…サファイアガラス、３６…枠、３８…文字盤、５６、５８…溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2005161320.tif 000012
【図１０】
2005161320.tif 000013
【図１１】
2005161320.tif 000014