(57)【要約】【課題】    レーザビーム照射による加熱と冷却液噴霧による冷却によってガラス板割断を行うガラス割断用レーザ装置において、レーザビーム断面形状ならびにエネルギー強度分布を可変制御し、種々の条件下におけるガラス板のレーザ割断プロセスを最適化すること。【解決手段】    レーザ発振器ならびに適応制御型光学系からなるガラス割断用レーザ装置において、同装置から射出されるレーザビームの断面形状ならびにエネルギー強度分布を、各種条件下でガラス割断を行うのに最適であるように可変制御を行う。適応制御型光学系としては、それぞれの傾きが制御可能なセグメントからなるセグメント鏡を用い、それらセグメントの傾き調整によってレーザビームの断面形状とエネルギー強度分布の制御を行う。または、鏡面が変形可能な鏡面可変鏡を用い、同鏡裏面に設けた分割電極による静電引力に基づく鏡面形状制御によって同様の制御を行う。割断線が曲線の場合には、レーザビーム断面形状を同ビームの走査方向にあわせて同期回転させる。また、レーザビームの走査位置後方に、冷却液の噴射ノズルを設け冷却する。【選択図】    図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器ならびに適応制御型光学系からなるガラス割断用レーザ装置において、同装置から射出されるレーザビームの断面形状ならびに同形状内におけるエネルギー強度分布が、各種条件下でガラス割断を行うのに最適であるように、可変制御を行うもの。
【請求項２】
請求項１のガラス割段用レーザ装置に、それぞれの傾きが制御可能なセグメント鏡からなる鏡面を用い、それらセグメントの傾きの制御によって、レーザ装置から射出されるレーザビームの断面形状ならびに同形状内のエネルギー強度分布の制御を行うもの。
【請求項３】
請求項２のガラス割段用レーザ装置において、光の進行方向から見る各セグメントが重なり合い、未反射損失が防止されているもの。
【請求項４】
請求項１のガラス割断用レーザ装置に、鏡面が変形可能な鏡面可変鏡を用い、同鏡裏面に設けた分割電極による静電引力に基づく鏡面形状制御によって、レーザ装置から射出されるレーザビームの断面形状ならびに同形状内のエネルギー強度分布の制御を行うもの。
【請求項５】
請求項１のガラス割断用レーザ装置において、レーザ発振器としてＣＯ２レーザを用いるもの。
【請求項６】
請求項１のガラス割断用レーザ装置において、レーザ発振器としてディスクレーザを用いるもの。
【請求項７】
請求項１のガラス割断用レーザ装置において、同装置から射出されるレーザビームの断面形状が、幅が０．０４ないし５ｍｍで、長さが２ｍｍないし２５０ｍｍの範囲内の長方形であるもの。
【請求項８】
請求項１のガラス割断用レーザ装置において、割断線が曲線の場合、レーザビーム断面形状が同ビームの走査方向に同期して回転するもの。
【請求項９】
請求項１のガラス割段用レーザ装置において、レーザビームの走査位置後方に冷却液の噴射ノズルを設け冷却を行うもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は材料加工、なかんずくガラス割断に用いる加工用レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  加工用レーザにおいては、発振波長，出力値，パルス特性などの出力特性に加えて，モード特性と称するところのレーザビーム内のエネルギー強度分布、その拡がりの大きさ、拡がり角などのビーム特性が重要である。なかでも、レーザ発振器から射出されたままのレーザビームの特性である、モード次数、モード直径、モード拡がり角が重視されている。これらの特性は、レーザビームが加工点で集光される時に、焦点スポット径と焦点位置を決定する。両者は、大抵のレーザ加工において、加工特性に大きな影響をあたえている。適応制御型光学系の採用で、これらの特性の制御が可能であり、それによって加工に最適な条件を実現し、加工品質および加工速度の両方を改善することが通常行われている。【０００３】  一方、一部の加工対象においては、照射時のワーク上におけるレーザビーム断面形状ならびにエネルギー強度分布を最適化する必要がある。その最たるものに、脆性材料であるガラスの割断がある。【０００４】  ガラスに高エネルギー密度のＣＯ２レーザビームを照射すると、一般的には照射スポットにおいてレーザビームの吸収が起こり、急激な加熱の結果放射状にクラックが発生してしまい、進行方向のみに切断を進行させることは出来ない。しかしながら、レーザビームのエネルギー密度をこうしたクラックを発生させるものよりも十分低いものに設定すると、ガラスは加熱されるだけで、溶融もクラック発生も起こらない。このときガラスは熱膨張しようとするが、局所加熱なので膨張が出来ず、照射点を中心としてその周辺には圧縮応力が発生する。この局所加熱源を割断したい方向に走査するのである。加熱後に冷却液を噴霧することによって冷却を行うと、今度は逆に引っ張り張力が発生する。レーザビームの断面形状を適当なものに成形すると、光の走査方向と直交する方向のみに、引っ張り張力が発生する。この様子を図１に示す。始点に機械的方法でトリガークラックのキズをつけておくと、レーザビームの走査方向に沿ってガラスを割断することができる。この様子を図２に示す。こうした現象が理想的に発生するためには、照射レーザビームのエネルギー分布が、こうした張力を生じるために最適である必要がある。種々のガラスの割断において、この最適分布が研究されている。【０００５】  液晶表示装置に使用される板厚０．７ｍｍのソーダライムガラスや無アルカリガラス板を割断する場合の、最適エネルギー分布の例を図３に示す。同ビームの断面形状は、幅Ｗが０．２ないし１ｍｍで、長さＬが１０ないし５０ｍｍの長方形である。出力値は一定でなく、一端で最高値Ｈ１であり、他端で最小値Ｈ２である。このレーザビームをＨ１を先頭にして長軸方向に５００ないし１０００ｍｍ／秒の速度で、ガラス面上を移動させるのである。レーザ出力は約１００Ｗである。レーザ波長としては、ガラスに吸収されるものであれば、何でもよい。一例としてＣＯ２レーザビームがある。【０００６】  レーザによるガラス割断には、過去１世紀にわたって使用されてきたダイアモンドカッターに比較して下記の長所がある。これらの長所は、最近需要が増大してきた液晶ＴＶやプラズマＴＶなどのフラットパネル表示器やＩＣチップ用ガラスの加工に求められて��るものである。
１）    質量欠損がゼロ（粉塵なし）の加工法であり、洗浄などの後工程が不必要である。
２）    面粗さが１μ以下の鏡面が得られ、後工程が不必要である。
３）    割断面付近に破壊欠陥がなく、高強度断面が得られる。
４）    製品外形精度が±２５μ以下である。
５）    ガラス板厚０．２ｍｍまでの薄さに使用でき、今後の液晶ＴＶ用に使用できる【０００７】  こうした特長は、これから需要が急増するファインガラス一般の加工に必要不可欠のものであるといえる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  上記の最適レーザビーム形状を得るために、従来技術ではレーザビームを固定構造光学系内を通過させることによって、ビーム成形を行っていた。その代表的なものに
【特許文献１】がある。しかしながら、こうした固定構造光学系でビーム成形を行うときには、使用する光学系によって、ひとつのレーザビーム形状しか実現できないという制約がある。加工対象物であるガラスの種類および厚さや、加工速度などの加工条件が変わるときには最適の所要レーザビーム形状が変るので、ビーム成形器である固定光学系を交換する必要がある。最適なレーザビーム形状が使用できない場合には、一般的に下記の問題が発生する。
１）    割断開始点近傍での位置精度が低下する。
２）    割断終了点近傍での位置精度が低下する。
３）    縦、横割段線の交差点で、割断不良が発生しやすい。
４）    高い加熱温度が必要になるので、ガラス基板や実装回路が損傷されやすい。【０００９】  こうした問題を回避して、割段条件が変化した場合でも理想的な割段ができることが望ましい。そのためには、加工対象が変っても装置の条件設定の変更だけで望ましいエネルギー分布が実現できる必要がある。本発明は、こうした課題の解決を意図している。【００１０】  発明者は以前にも、レーザビームの高速走査法による、レーザビームの断面形状ならびにエネルギー分布の制御技術を提案し、
【特許文献２】の特許出願を行った。本発明は、鏡面が変形する反射鏡を用いた、より簡単で効果的なレーザビームの断面形状ならびにエネルギー強度分布制御方法を提案するものである。
【特許文献１】特許３０２７７６８号
【特許文献２】特許出願番号２００３−３６３８５５
【課題を解決するための手段】
【００１１】  上記課題を解決するために、本発明ではレーザビームを、適応制御型光学系に照射し、その反射光のビーム断面形状ならびにエネルギー強度分布をレーザ割断に望まれる最適なものに制御し、レーザによるガラス割断を行うものである。レーザ割断装置の操作者は、異なった加工条件に対してあらかじめ実験的に決定した最適ビーム特性を容易に成形できる。
【発明の効果】
【００１２】  本発明によれば、レーザによるガラス割断を常に最適条件下で行うことができる。レーザによるガラス割断は、多くのすばらしい技術長所がありながら、いまだに過去１世紀にわたって使用されてきたダイアモンドカーッター方式を置換できないでいる。その主たる原因は、最適レーザビーム特性を現場で容易に選択できないことであった。そのために前記したような問題点が未解決で残っていて、実際の生産現場で使用されるには至っていなかった。【００１３】  本発明は、こうした事態の解決を可能にしている。その直接の効果として、次に挙げるものがある。
１）割段開始点近傍の位置精度を十分な実用レベルまで向上させた。
２）割段終了点近傍の位置精度を十分な実用レベルまで向上させた。
３）縦、横交差点における割断不良発生を解決した。
５）ガラスの急加熱、急冷却が可能になり、その結果加熱温度を大幅に低下させることが出来たので、ガラスへの損傷がなくなった。【００１４】  このようにガラスのレーザ割断が、ダイアモンドカッテングのような従来方法はもとより、先駆的に試みられていたレーザによる割段技術に比較しても、著しく進歩することになる。レーザによるガラス割断が普及すれば、加工速度、加工品質、経済性、難易度の克服などにおいて、その効果にははかり知れないものがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】  本発明では、レーザ発振器から射出されるレーザビームを鏡面構造が自在に制御される適応制御型鏡面で反射させ、同レーザビーム断面形状とエネルギー強度分布を自在に制御するのである。集光前のレーザビームとしては集光特性に優れた、たとえば基本モードＴＥＭ００のものを用いる。これは断面形状が円形であって、同断面内のエネルギー分布がガウシアン分布になっているものである。【００１６】  こうしたレーザビームは、自由空間を伝播するときにわずかにビーム直径が増大するが、ガウシアンのエネルギー分布はそのままである。平面鏡からの反射光は、方向は変るがビーム形状については自由空間内の伝播波と変わらない。凹面鏡による反射光は、集光されて焦点において最小スポットを生じる。【００１７】  反射鏡の鏡面構造を制御することによって、同鏡面からの反射光のビーム断面形状とエネルギー強度分布を所望のものに成形することができる。
【実施例】
【００１８】  一番簡単な構成としては、図４に示すような同反射鏡面が微小の平面鏡セグメントから構成されるセグメント鏡がある。これらセグメントの一つ一つは、傾きを自由に制御できるものとする。同図に示すセグメントは正方形である。各セグメントはできるだけ稠密に配置する必要があるので、隣接セグメント間に間隙がないためには、三角形、矩形、六角形などに限られる。エネルギー強度分布がガウシアンであるレーザビームが、こうした鏡面に入射するとする。【００１９】  各セグメントからの反射光は、同セグメントの傾きによって反射方向が決定されるので、この傾きを選択するとたとえば図５に示すように、ある平面位置ではトップハットのエネルギー分布を成形することができる。【００２０】  セグメントが傾いていないときに隣接のものと密着する大きさであると、傾いたときには間隙が生じてしまう。それを防止するためには、図６に示すように隣接するセグメントを光軸方向に若干ずらして一方を大きめにすればよい。同図では小なるセグメントを１０で、大なるものを１０１で示す。同図ではレーザ発振器から射出されるレーザビームがセグメント鏡に入射する。各セグメント上のレーザビーム強度は、セグメントに取り付けたセンサーで測定する。測定データは、パワー信号中継端子を経て、マルチチャンネルパワーセンサーに導かれる。それを鏡面制御用パソコンで演算して、所望のビーム断面形状とエネルギー強度分布が成形できるように、鏡面制御用電源によって各セグメントを駆動するのである。【００２１】  図７にはある位置における平面上の、セグメント鏡による反射光レーザビームの断面形状を示す。ガラス割断の場合には、この平面位置をガラス板表面と考えればいい。図７（ａ）には三角形を、同図（ｂ）には長方形を、同図（ｃ）には直線形状のビーム断面形状を示す。ここでは正方形セグメントを例にしている。【００２２】  ビーム断面形状だけでなく、エネルギー強度分布も自由に選択することができる。ある位置のエネルギー強度を高めるには、入射ビームの高エネルギー強度部分を使用するか、反射光スポットを多重に重畳させればいい。【００２３】  ビーム断面形状及びエネルギー分布の分解能は、セグメントの大きさによって決定される。また、各セグメントを平面鏡でなく凹面鏡にすれば、さらに分解能を高めることができる。【００２４】  本発明はこうした原理を用いるものであるが、実際の装置には構造と操作が優れている、より実用性の高いものを用いる必要がある。そうした目的に使用できるものとして、市販品の鏡面可変鏡がある。【００２５】  図８に、米国インテライト社の鏡面可変鏡の側面構造を示す。（２５−３７  ＭｕｌｔｉＴＭ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ  Ｍｉｒｒｏｒ：Ｉｎｔｌｌｉｔｅ，Ｉｎｃ．１７１７  Ｌｏｕｉｓｉａｎａ  ＮＥ，Ｓｕｉｔｅ  ♯２０２  Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ，ＮＭ  ８７１１０  ＵＳＡ）鏡面は厚さ１μの窒化シリコンで、反射表面にはレーザ光波長に対する全反射コーテングがなされている。その裏面には金コーテングがなされており、同面は４０μの距離を介して３７個の六角形電極に対峙している。【００２６】  図９に同電極の配置図を示す。これらの電極のそれぞれには、最大１５０ＶのＤＣ電圧が印加される。全電極に１５０Ｖの電圧が印加された時が、鏡面が最大に静電引力で引っ張られる時で、そのとき鏡面形状は回転放物面になり、面中心部分の変位量は７μである。鏡面の有効径は１２ｍｍφである。全電極に適当な電圧を印加すると、鏡面は自在に変形して、鏡面上の各点からの反射光方向を制御することができる。この場合、厳密には各セグメント鏡が自由に傾ける図５および図６の場合とは異なる。【００２７】  しかしながらこの鏡面可変鏡の場合でも、図１０に示すように反射光の一部をビームスプリッターでビデオカメラに導いてビーム形状とエネルギー強度分布を観察し、所望のビーム断面形状とエネルギー強度分布が得られるまで、３７個の電極に電圧を試行錯誤的に印加してやれば、所期の結果を得ることができる。ビームスプリッターからの大部分の反射光は、加工に使用するものとする。ビデオカメラの観察位置と集光レンズの有無などによって、ニアフィールドおよびファーフィールドにおけるビーム断面形状を実現することができる。この方法によっても、図７（ａ）に示す三角形のレーザビーム断面形状や、同（ｂ）に示す長方形のもの、あるいは同（ｃ）に示す直線状のものなどを得ることができる。このような特殊の断面形状のレーザビームは、レーザ共振器から直接発振によって発生させることは困難である。【００２８】  これらの３種のビーム断面形状は単なる事例であって、鏡面条件を変更することによって、どのような断面形状も成形することができる。要は、レーザ加工上望まれるビーム断面形状を実現すればよいのである。ビーム断面形状だけでなく、エネルギー強度分布も任意に制御することができる。こうした技術は、特にガラス割断において真価が発揮できるのである。【００２９】  特殊な断面形状のレーザビームを照射し、その後に冷却を施すと、レーザビームの走査方向と直交方向に引っ張り張力が発生して、同進行方向にガラス割断をすることができる。この最適ビーム形状は、ガラスの種類，形状，切断条件などの諸因子によって決まってくる。したがって、諸因子に適合した最適形状を実現すると、高品質の割断を行うことができる。これに使用するレーザ加工機は、こうした条件が可変制御できる必要がある。その場合は、操作者が適切な条件設定だけをすればよいのである。設定対象である望ましいレーザビーム形状に、図３に例示したものがあるのである。
【産業上の利用可能性】
【００３０】  液晶ディスプレィ、プラズマディスプレィなどのフラットパネルデスプレィに用いる平面ガラスの切断が、現在はダイアモンドカッターで行われており、切断後の洗浄工程の必要性や、マイクロクラックの存在などの問題を呈している。レーザ割断で、こうした問題を解決することができる。ＩＣチップカバーガラス板の加工にも、本発明は応用できる。フラットパネルディスプレィの場合よりも切断長が大きいので、本発明の効果は大である。【００３１】  自動車用のガラス部品は曲線加工が多いので、現在は機械的に直線切断の後、研磨を施している。このために、ガラス割断だけですませられるレーザ加工への期待は大きい。【００３２】  さらに、建築資材としての強化ガラスの加工で、犯罪防止という現代社会に求められている課題解決に貢献できる。強化ガラスの切断は機械的方法では困難であり、レーザの使用が期待されているのである。【００３３】  このように、ガラス割断を可能にするレーザビームの出現は、現代社会に要求されている種々の課題への解決である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】レーザ光加熱および冷却によるガラス内の圧縮応力及び引っ張り張力の発生原理図。
【図２】レーザによるガラス割断原理図。
【図３】ガラス割断に最適なレーザビーム断面形状とエネルギー強度分布の例。
【図４】本発明の第１の実施の形態におけるセグメント鏡構成図。
【図５】同セグメント鏡の動作原理図。
【図６】セグメント鏡の第２の構成。
【図７】同セグメント鏡による各種レーザビーム断面形状の成形原理図。
【図８】本発明の第２の実施の形態における鏡面可変鏡の側面図。
【図９】同鏡面可変鏡の制御に用いる電極配置図。
【図１０】同鏡面可変鏡を用いたレーザビーム断面形状ならびにエネルギー強度分布の制御システム構成図。
【符号の説明】
【００３５】    １    加熱レーザビーム
２    ガラス内部の圧縮応力
３    冷却液
４    ガラス内部の引っ張り張力
５    ガラスに生じる割断亀裂
６    ガラス板
７    レーザビームの走査方向
８    トリガークラック
９    セグメント鏡
１０    セグメント小
１０１    セグメント大
１１    セグメント鏡入射光
１２    セグメント鏡反射光
１３    ガウシアン強度分布
１４    トップハット強度分布
１５    セグメント反射光
１６    三角形レーザビーム断面
１７    長方形レーザビーム断面
１８    直線状レーザビーム断面
１９    鏡面基板
２０    鏡面表面の全反射コーテング
２１    鏡面制御用電極
２２    鏡面裏面の金コーテング
２３    レーザ発振器
２４    鏡面可変鏡
２５    ビデオカメラ
２６    ビームスプリッター
２７    集光レンズ
２８    加工用ビーム
２９    モニター用ビーム
３０    鏡面制御用電源
３１    鏡面制御用パソコン
３２    パワー信号中継端子
３３    ドライバー信号中継端子
３４    マルチチャンネルパワーセンサー
【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】
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【図１０】
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