(57)【要約】【課題】  レーザー光に対して透明又は半透明な材質からなる対象物を精確に破断又は切断することができる方法及び装置。【解決手段】    レーザー光に対して透明又は半透明な対象物の破断を補助する方法であって、レーザー光の照射によって対象物内部に物理・化学的変化を生じさせ、対象物の破断位置を特定すると共に当該特定された破断位置における対象物の破断耐力を低下させるレーザー光による対象物の破断方法。前記レーザー光は、フェムト秒パルスレーザー光であってもよい。前記レーザー光の照射によって対象物の内部に、表面に沿って連続または断続的に物理・化学的変化を生じさせる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光に対して透明又は半透明な対象物の破断を補助する方法であって、レーザー光の照射によって対象物内部に物理・化学的変化を生じさせ、対象物の破断位置を特定すると共に当該特定された破断位置における対象物の破断耐力を低下させるレーザー光による対象物の破断方法。
【請求項２】
前記レーザー光は、フェムト秒パルスレーザー光である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記レーザー光の照射によって対象物の内部に、表面に沿って連続または断続的に物理・化学的変化を生じさせる請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記対象物は、レーザー光に対して透明又は半透明のガラス、石英ガラス、水晶、フッ化カルシウム、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、メチルメタクリレート・スチレンモノマー共重合体、ポリプロピレン、透明ABS樹脂、透明ポリスチレン、透明エポキシ樹脂、ポリアレート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、透明ナイロン樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリメチルペンテン、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、フェノキシ樹脂、セルロースフィルム、ビニルエステル樹脂から選択された材料からなる請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
レーザー光源と集光装置とを備えたレーザー装置を備え、レーザー光に対して透明又は半透明な対象物にレーザー光を照射して対象物内部に連続的又は断続的な物理・化学的変化を生じさせ、当該位置における対象物の破断耐力を低下させることができるレーザー破断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光を用いて対象物は破断又は切断する方法あるいは対象物の破断又は切断を補助する方法、および、対象物を破断又は切断する装置レーザー破断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー光は、種々の対象物の破断又は切断に使用されているが、ガラスのようなレーザー光に対して透明な物資の破断又は切断に使用できることも知られている。例えば、特開２０００−２３３９３６号公報は、一方向に移動するガラス板に対してレーザー光を照射して加熱し、その加熱部位の下流側においてノズルを用いて冷媒を吹き付け急速冷却することでガラス板を分断するガラス切断装置を開示するものである。当該公報に開示されたガラス切断装置によれば、レーザー光によってガラスを加熱し、冷媒を吹き付けることによってガラスを冷却し、温度差によって生じる熱応力によってガラスを切断するものである。
【０００３】
この方法によった場合は、レーザー光の照射によって加熱される部位と冷媒を吹き付けられることによって冷却される部位は何れも境界が不明瞭であり、したがって、切断位置を精確に制御することができないという問題がある。
【０００４】
また、特開２０００−６１６７７号公報には、液晶表示パネル用の合着パネルをレーザー光を利用して切断する技術が開示されている。当該公報によれば、レーザー切断装置は、特定波長のレーザービームを切断対象物に照射するレーザーと、レーザーが切断対象物の始作端部にレーザービームを照射する前に、切断対象物の切断線が始めるへりに切断開始溝を形成する切断溝形成手段と、レーザーのレーザービームが照射された切断対象物の切断線を冷却させる冷却手段とを含む。
【０００５】
この方法及び装置の場合には、切断溝形成手段を有する点において前記公報に開示された技術とは異なっているが、ガラスにレーザー光を照射してその部位を昇温し、直後に冷却手段によって冷却することで温度差による内部応力によってガラスの切断を行う点は共通している。したがって、本方法又は装置によった場合にも、切断位置を精確に制御することができない点は前述の技術と同様である。
【０００６】
さらに、特開平５−３０５４６７号公報は、レーザー光を用いて光透過性材料を切断する方法を開示するものであるが、該材料の少なくとも一面にレーザー光吸収性の塗料を塗布し、該材料の他の面側より所望切断ラインに沿ってレーザー光を走査して、レーザー光を受けた光吸収性の塗料の温度上昇によって光透過性材料を加熱し、熱応力によって材料を切断することは前出の技術と同様である。したがって、本方法も切断位置を精確に制御することができないという問題を有している。
【特許文献１】特開２０００−２３３９３６号公報
【特許文献２】特開２０００−６１６７７号公報
【特許文献３】特開平５−３０５４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は従来技術が有する上記のような課題を解決すべく開発されたもので、対象物の破断又は切断位置を精確に制御することができる技術を提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明は、レーザー光に対して透明又は半透明な対象物の破断を補助する方法であって、レーザー光の照射によって対象物内部に物理・化学的変化を生じさせ、対象物の破断位置を特定すると共に当該特定された破断位置における対象物の破断耐力を低下させるレーザー光による対象物の破断方法を提供する。
【０００９】
本発明にかかる方法によった場合には、レーザー光の照射によって対象物を熱するのみならず、対象物の内部に物理・化学的な変化を生じさせて対象物の破断耐力を低下させるので、当該位置で対象物が破断あるいは切断される。結果的に破断あるいは切断の位置を極めて精確に制御することが可能になる。
【００１０】
本発明の好ましい実施態様によれば、前記レーザー光として、フェムト秒パルスレーザー光を用いる。
【００１１】
レーザー光の照射によって材料の切断や加工を行う技術の内、微細加工に好適なレーザー光として、１ピコ秒未満のパルス幅を有するフェムト秒（ｆｓ：１０−１２秒）パルスレーザー光を用いて不透明材料や透明材料の加工を行う方法がある。本発明の適用はフェムト秒レーザーに限定されるわけではないが、好適な実施例としてフェムト秒パルスレーザーが使用される。
【００１２】
レーザー光を用いて材料の物理・化学的な変化を生じさせる場合、単位面積あたりに照射されるレーザー光のエネルギーに関して閾値が存在し、照射エネルギーが閾値を超えると材料に物理・化学的な変化が発生することが知られている。特に、フェムト秒レーザーを用いて加工を行った場合は、炭酸ガスレーザーやナノ秒ＹＡＧレーザーを用いた場合とは異なり、レーザー光の強度が材料の閾値を超える領域にのみ物理・化学的な変化を与えるが、その変化は当該領域に限定され、近傍には影響をほとんど与えないという特徴を有する。
【００１３】
レーザー光の照射によって種々の物理・化学的な変化を生じさせることができるが、この変化は例えば、材料分子の分解、ガス化、材料強度の低下、剛性の変化等である。レーザー光によるこの変化を生かして、特定部位の体力を低下させ、破断又は切断を行うことができる。この場合、破断又は切断の位置を精確に制御することができる点が大きな特徴である。 
【００１４】
これは、従来のレーザー加工では被加工材料に照射された光エネルギーのほとんどが熱エネルギーに変換され、この熱によって融解、分解、飛散による加工が進行するのに対し、フェムト秒レーザーでは、極めて短時間にエネルギーが被加工材料に集中するため、ナノプラズマ、ナノショック、ブレークダウン、格子歪み、衝撃波がごく短時間に発生し、熱が発生する前にアブレーションが生じるので、変化が照射部位に限定されるからである。
【００１５】
さらに、フェムト秒パルスレーザーを用いて透明材料の加工を行った場合、表面下の部位にレーザー光の焦点を位置させることによって、内部のみ３次元的に物理・化学的な変化を生じさせることも可能である。フェムト秒パルスレーザーによる加工は、多光子吸収など非線形現象を利用した加工であるために、照射光の波長の回折限界を超えた加工分解能を得ることもできる点も特徴である。 
【００１６】
本発明のさらに別の実施態様では、前記レーザー光の照射によって対象物の内部に、表面に沿って連続または断続的に物理・化学的変化を生じさせることで対象物を破断又は切断する。  
【００１７】
レーザー光によって対象物の内部に、表面に沿って連続的に例えばガス化を行うと、当該部位の強度が線状に低下し、この線に沿って破断し易くなる。これは、断続的にガス化を行っても同様である。したがって、この処理を行った後に対象物に対して若干の曲げ力を加えると、対象物は照射を受けた線に沿って破断することになる。
【００１８】
照射を受ける側の表面から裏面にかけてガス化を行い、当該ガス化を行った領域を例えば直線状に移動させれば、対象物を切断することができることは自明である。
【００１９】
本発明の方法は、下記に限定されるわけではないが、例えば、レーザー光に対して透明又は半透明のガラス、石英ガラス、水晶、フッ化カルシウム、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、メチルメタクリレート・スチレンモノマー共重合体、ポリプロピレン、透明ABS樹脂、透明ポリスチレン、透明エポキシ樹脂、ポリアレート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、透明ナイロン樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリメチルペンテン、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、フェノキシ樹脂、セルロースフィルム、ビニルエステル樹脂の破断又は切断に使用することができる。
【００２０】
これらは透明な板材として種々の用途に使用されるものであり、例えば、建築用板ガラス、液晶表示装置あるいはプラズマティスプレイ用の平板として使用されるものである。特に、液晶表示装置等のいわゆるフラットパネルディスプレイは、平板の積層構造を有するのが一般的であり、これらの構造体である透明な板材を、十分な精度で、安価、且つ高速に破断又は切断することが必要とされており、本発明の方法はこれらの要求に十分答ええるものである。
【００２１】
本発明はまた、レーザー光源と集光装置とを備えたレーザー装置を備え、レーザー光に対して透明又は半透明な対象物にレーザー光を照射して対象物内部に連続的又は断続的な物理・化学的変化を生じさせ、当該位置における対象物の破断耐力を低下させることができるレーザー破断装置を提案する。
【００２２】
上記のレーザー破断装置は、本発明にかかる上記の方法を実施するために好適に使用することができ、したがって、大きな設備無しに対象物の精確な破断又は切断を安価、高速に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の好ましい実施形態を、図面を参照しながら以下に説明する。以下の説明と図面は、本発明の理解を助けるために記載するもので、本発がこれらの実施例に限定されるものではないことは当然である。
【実施例１】
【００２４】
図１は、本発明に係るレーザー破断装置とレーザー破断処理方法を用いて、透明又は半透明な材料からなる板状の対象物の破断を行っている状態を模式的に示したものである。
【００２５】
レーザー光供給装置１００から供給されたフェムト秒パルスレーザーのようなレーザー光１３０は、集光レンズ１１０によって屈折し、当該レーザー光に対して透明又は半透明な対象物１２０の内部、深さ方向の中央近傍１４０（ここでは仮に焦点位置と称することにする）でその半径が最も小さくなる。
【００２６】
図２は、対象物１２０と焦点１４０近傍におけるレーザー光の集中の様子を拡大して示すものである。焦点１４０近傍では、斜線で示すラグビーボール状の領域１５０においてレーザー光のエネルギー密度が対象物に物理・化学的変化を生じさせる閾値よりも高くなっている。閾値を超える当該領域１５０は、対象物の表側と裏側の表面からわずかに離れており、このことは対象物の裏側表面からわずかに離れた内部に物理・化学的な変化が生じることを意味している。レーザー光１３０は対象物の表側表面から入射してその内部を通過し、裏側表面から出て行っているが、対象物の裏側表面近傍ではエネルギー密度が低いために対象物に物理・化学的な変化が発生しない。ここで物理・化学的変化とは、材料の破壊、蒸発、分解、改質、切断、加工であるが、以下の記載では記載を簡潔にするために単に破壊と称することにする。
【００２７】
図３に示すように閾値を超える領域が対象物の表側と裏側表面からわずかに離れた位置を保持したままレーザー光による破壊領域２１０を表面に沿って直線状に移動させると、対象物の内部には連続した管状の空洞が生じることになる。
【００２８】
結果的に対象物は前記空洞に沿って極めて破断しやすい状態になっており、曲げ力等の若干の外力を加えることによって空洞に沿って破断する。
【００２９】
また、破壊領域が対象物の一方の表面に到達するようにして移動させても同様の効果が得られるし、破壊領域が表側と裏側の表面に到達した状態で破壊領域を移動させれば、レーザー光の照射によって対象物を切断することができる。
【００３０】
さらに、レーザー光によって破壊する領域は連続的である必要はなく、例えば直線に沿って断続的に破壊領域を形成することによって、当該破壊領域に沿って極めて破断し易くなることは破壊領域を連続的に形成した場合と同様である。この場合、破壊領域が表側と裏側の表面に達するものであっても良いことは言うまでもない。
【００３１】
上記の実施例では、主としてフェムト秒パルスレーザーを用いた対象物の加工を念頭に本発明を説明したが、本発明はフェムト秒パルスレーザーに限定されるわけではなく、また、対象がガラスに限定されるわけではない点は当業者に容易に理解されるはずである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に基づいて対象物にレーザー光を照射する状態を模式的に示した図。
【図２】図１に示した状態において、レーザー光の集光位置近傍と対象物との位置関係を示す拡大図。
【図３】本発明に基づく板材の破断を模式的に示す図面。
【符号の説明】
【００３３】
１００      レーザー光供給装置
１１０      集光レンズ
１２０      レーザー光に対して透明又は半透明な対象物
１３０      レーザー光の軌跡
１４０      レーザー光の集光位置
１５０      レーザー光のエネルギー密度が閾値を超える領域
１６０      加工位置
２００      平板状の対象物（板ガラス）
２１０      破壊された領域
【図１】
2005305462.tif 000003
【図２】
2005305462.tif 000004
【図３】
2005305462.tif 000005