(57)【要約】      （修正有）【課題】板ガラスのような脆性板材を割断するために、複数本のビームよりなるビーム列によって加熱する際に、ビーム列の密度およびビームの本数を調整可能とし、かつ、干渉性散乱の発生を抑制する。【解決手段】被割断脆性材料に対して不透明な波長のレーザ光線を出力するレーザ光源と、このレーザ光源より出力されたレーザ光線を細く絞るコリメーターと、平行に対向配置された全反射面11および部分反射面12よりなり、コリメーターを経た１本のレーザビームｂを斜入射させて複数本のビーム列ｃに変換するビーム変換手段１と、このビーム変換手段１に入射する１本のレーザビームｂの入射角αを変化させて複数本のビーム列ｃの密度を調整するとともに、ビーム変換手段１の全反射面11および部分反射面12の対面長さＬ0を調整して変換される複数本のビーム列ｃの本数を調整する手段を具備する。【選択図】図２
2012240098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被割断脆性材料に対して不透明な波長のレーザ光線を出力するレーザ光源と、
該レーザ光源より出力されたレーザ光線を細く絞るコリメーターと、
平行に対向配置された全反射面および部分反射面よりなり、上記コリメーターを経た１本のレーザビームを斜入射させて複数本のビーム列に変換するビーム変換手段と、
該ビーム変換手段に入射する上記１本のレーザビームの入射角を変化させて複数本のビーム列の密度を調整する手段とを具備することを特徴とする脆性材料割断装置。
【請求項２】
ビーム変換手段の平行に対向配置された全反射面および部分反射面の対面長さを調整して変換される複数本のビーム列の本数を調整する手段を具備することを特徴とする請求項１に記載の脆性材料割断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱応力を利用して脆性材料の板材（例えば、ガラス板）に亀裂を形成させて、脆性材料の板材を分断する割断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
脆性材料の板材を割断する際には、板材に機械的に亀裂始点を形成し、その亀裂始点の近傍を局部的に加熱し、この加熱部に追従する部位を局部的に冷却して、加熱部および冷却部を順次に割断予定線に沿って移動させることにより、板材の表面温度が低く、深部の温度が高くなる温度勾配を形成することにより表面層に引張り応力を誘起させて、この引張り応力により板材に亀裂を連続的に進展させる割断方法が、下記特許文献１に開示されている。
【０００３】
脆性材料の板材の割断に必要な応力を発生させるためには、板材の表面のみで発生する熱を時間を掛けて板材の内部に伝導させ、十分な応力を発生させるために必要な加熱領域を材料内部に拡大させる必要がある。
【０００４】
そこで、レーザ光源から出力される一本のレーザビームを割断予定線の方向に拡げて照射させるために、レーザ光源から出力される一本のレーザビームを平行に対向配置した全反射面および部分反射面を有するビーム変換手段に斜入射させ、全反射面および部分反射面の間において複数回多重反射させて、部分反射面からビームエネルギーの一部を順次に透過させることにより複数本のビームよりなるビーム列を形成して板材に照射することが、下記特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３０２７７６８号公報
【特許文献２】特開２００４−１５５１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示された脆性材料割断装置においては、レーザ光源より出力される１本のレーザビームを半円柱形レンズにより楕円形状のビームに変換して脆性材料の板材に照射させている。レーザ光源より出力されるレーザビームは、図３（ａ）に示すように、その中心部分のエネルギー密度が高く、周辺部に広がるにつれてエネルギー密度が低くなるガウス分布形状を有しており、楕円形状に変換しても、長手方向にガウス分布形状を有するので、板材表面に与える熱分布はガウス分布と同様になり、加熱時間、加熱距離の延長、必要以上の熱を与えなければならない等の問題があった。
【０００７】
そこで、特許文献２の開示された脆性材料割断装置においては、レーザ光源から出力される一本のレーザビームを平行に対向する全反射面および部分反射面を有するビーム変換手段に斜入射させ、全反射面および部分反射面の間において複数回多重反射させて、部分反射面からレーザビームのエネルギーの一部を順次に透過させることにより複数本のビームよりなるビーム列を形成することがが提案されている。
【０００８】
この特許文献２の開示された脆性材料割断装置においては、変換されたビーム列の板材に対する加熱部（ビーム列）の長手方向寸法および幅方向の寸法を調整するために、２つのＺｎＳｅ製の半円柱形レンズを互いに焦線が直交するように配置した光学系を使用し、これら２つの半円柱形レンズと脆性板材との間隔を変化させて、ビーム列の縦横の寸法を調整している。
【０００９】
この脆性材料割断装置において、図３（ａ）に示すガウス分布形状を有する一本のレーザビームをビーム変換手段によって複数本のビーム列に変換するとき、複数本のビームを接近させてビーム列の全幅を狭めて密度を高めると、隣接する各ビームの周囲部が重畳して干渉することがある。
【００１０】
レーザビームは、可干渉性を有しているので、隣接するレーザ光線の一部でも重畳すると、干渉性散乱を生じて複数本のビーム列が部分的に幅が拡がって一定幅の列を形成することができない。
【００１１】
そこで、この発明の脆性材料割断装置は、このような複数本のビームよりなるビーム列の密度およびビームの本数を調整可能とし、かつ、干渉性散乱の発生を抑制するために考えられたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明の脆性材料割断装置は、被割断脆性材料に対して不透明な波長のレーザ光線を出力するレーザ光源と、このレーザ光源より出力されたレーザ光線を細く絞るコリメーターと、平行に対向配置された全反射面および部分反射面よりなり、上記コリメーターを経た１本のレーザビームを斜入射させて複数本のビーム列に変換するビーム変換手段と、このビーム変換手段に入射する上記１本のレーザビームの入射角を変化させて複数本のビーム列の密度を調整する手段とを具備するものである。
【００１３】
また、ビーム変換手段の平行に対向配置された全反射面および部分反射面の対面長さを調整して変換される複数本のビーム列の本数を調整する手段を具備させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の脆性材料割断装置によると、レーザ光源から出力された１本のレーザビームをコリメーターによって細く絞ってから、ビーム変換手段により複数本のビーム列に変換しているので、複数本のビーム列の密度が高くなって各ビームが接近しても干渉性散乱の発生を抑制することができる。
【００１５】
さらに、この発明の脆性材料割断装置によると、半円柱レンズを使用することなく、ビーム変換手段に対するレーザビームの入射角を変化させ得るように構成することにより、変換された複数本のビーム列の密度を調整することができる。また、ビーム変換手段の対向配置された全反射面および部分反射面の対面長さを調整し得るように構成することにより、変換される複数本のビーム列の本数を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の脆性材料割断装置の実施の形態を示す概要図、
【図２】図１の装置におけるビーム変換手段の詳細を示す説明図、
【図３】レーザ光源から出力されるレーザビームのエネルギー分布を示す説明図、
【図４】この発明の割断装置による亀裂発生の原理を説明する図であって、脆性板材に作用する応力を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
この発明の脆性材料割断装置によるレーザ割断方法の原理は、図４に示すように、脆性材料の板材をレーザ光線のビーム列ｃの熱源によって板材表面を溶融・破壊しない程度に加熱すると、板材の表面温度が上昇して膨張しようとするが、周囲の加熱されていない領域によって拘束されているので強い圧縮応力ｐが作用する。
【００１８】
さらに、移動するビーム列ｃの熱源によって加熱し続けると、板材表面のみで発生した熱が、時間を掛けて板材内部に伝導して加熱領域が内部および幅方向に拡大するので、表面に作用していた圧縮応力ｐは減少する。
【００１９】
その後、加熱領域から間隔ｘだけ離れたの後方において、温度が上昇した板材の表面に冷却手段から冷媒Ｊを吹き付けて局部的に冷却すると、表面温度が低くなるが、深部温度は高いので、板材の厚み方向に温度勾配が形成される。この温度勾配が表面から深部まで進むにつれて、表面に作用する引張応力ｔが強くなり、この引張応力ｔが板材の破壊靱性値を超えたとき、板材の表面に実線で示す一筋の亀裂ｋが形成される。この亀裂ｋにより脆性材料の板材を分断することができる。
【００２０】
以上で説明した割断方法の原理に基づくこの発明の脆性材料割断装置は、図１に示すように、脆性材料の板材Ｇの割断予定線（図４の一点鎖線）の始点に亀裂を形成する初期亀裂形成手段５と、割断予定線に沿って、レーザ光線のビーム列ｃにより板材Ｇを線状に加熱するレーザ照射手段と、このレーザ照射手段による加熱領域に間隔ｘをあけて追従しながら加熱された板剤Ｇの表面に冷媒Ｊを吹き付けて急冷却する冷却手段６と、板材Ｇを載せて移動するるテーブル９とを備えている。このテーブル９は、モータ91および螺子棒92により駆動される。
【００２１】
板材Ｇを線状に加熱するレーザ照射手段は、図１に示すように、割断するガラス板などの板材Ｇにおいて不透明な波長（５〜６μｍ）のレーザ光線を出力するレーザ光源、例えば、波長１０．６μｍのレーザ光線を出力する炭酸ガスレーザ光源２と、このレーザ光源２から出力される１本のレーザビームａを細いビームｂに絞るコリメーター３と、このコリメーター３で絞られた細い一本のレーザビームｂを下向きに反射するコーナーミラー４と、割断予定線の方向に配列した複数本のビームよりなるビーム列ｃに変換するためのビーム変換手段１を備えている。
【００２２】
このビーム変換手段１は、図２に詳細を示すように、平行に対向配置された全反射面11および部分反射面12を備えており、一本のレーザビームｂを斜入射させて、全反射面11および部分反射面12の間において複数回多重反射させながら、部分反射面12からビームエネルギーの一部を順次に透過させて複数本のビームよりなるビーム列ｃとして脆性板材Ｇに照射させるものである。
【００２３】
図２に示すように、全反射面11は、レーザ光線を透過させる板材11ａの一部分（図示左側）に形成されており、全反射面11の先端部から僅かに離れた位置10よりレーザビームｂを入射させる。
【００２４】
部分反射面12は、レーザ光線を透過させる板材12ａの一部分（図示右側）に形成されており、この板材12ａは、板材11ａに対して平行に移動可能に構成され、全反射面11と部分反射面12との対面長さＬ0を調整可能に構成されている。
【００２５】
このように、部分反射面12を全反射面11に対して平行に移動可能に構成しておくことにより、入射したレーザビームｂが多重反射して最終のビームが部分反射面12で反射することなく、そのまま透過までの回数、すなわち、板材Ｇを照射するビーム列ｃの本数を設定することができる。
【００２６】
このように構成することにより、斜入射させた１本のビームｂは、全反射面11および部分反射面12において複数回多重反射する。このとき、両反射面11、12に対するビームｂの入射角αが鋭角で小さい場合には、図２（ａ）に示すように、出力される複数本のビーム列ｃの長さＬ1が拡がり、両反射面11、12に対するビームｂの入射角αを直角に近づけると、図２（ｂ）に示すように、出力される複数本のビーム列ｃの幅Ｌ2が狭くなるように密度が変化するので、所望の長さのビーム列ｃとなるように、ビーム変換手段１の回動角度αおよび全反射面11と部分反射面12との対面長さＬ0を設定する。
【００２７】
すでに図３（ａ）によって先に説明したように、半導体レーザ、炭酸ガス・レーザなどのレーザ光源から出力されるレーザビームｂは、そのビーム中心部分のエネルギー密度が高く、周囲部分のエネルギー密度が低くなるガウス分布形状を有している。
【００２８】
このようなエネルギー分布を有するレーザビームをビーム変換手段１によって、複数のビームよりなるビーム列ｃに変換する際に、複数本のビームを接近させてビーム列ｃの密度を高めると、各ビームの周囲部が重畳することがある。
【００２９】
レーザビームは、可干渉性を有しているので、隣接するレーザの一部でも重畳すると、干渉性散乱を生じて複数本のビームを一直線状の列に形成することができない。
【００３０】
しかし、コリメーター３を設けて、図３に示すように、レーザ光源２から出力される１本のレーザビーム（ａ）を細いビーム（ｂ）に絞ってからビーム変換手段１に入射させているので、干渉性散乱を生じることはなく、複数本のレーザビームよりなる線状のビーム列ｃを得ることができる。このビーム列ｃを形成する複数本の各レーザビームの太さは、コリメーター３により設定することができる。
【００３１】
このように構成されたレーザ照射手段によると、従来の割断装置のように、２つの半円柱形レンズを用いることなく、分断する脆性板材Ｇの外形寸法（厚さ）、物理的特性に適した複数本のビーム列ｃの密度、ビーム列ｃの本数、各ビームの太さを設定することができる。
【００３２】
ビーム列ｃの密度の変更は、図２に示すように、ビーム変換手段１の角度αを調整することにより変更することができる。角度αを鋭角に小さくすると、図２（ａ）に示すように、ビーム列ｃの密度が低くなるとともに、各ビームの照射形状が楕円になって長径が長くなる。角度αを直角に近づけると、図２（ｂ）に示すように、ビーム列ｃの密度が高くなるとともに、各ビームの照射形状が円形に近づく。しかし、何れの形態においても、ビーム列ｃを形成する各ビームが、部分的に重畳することはなく干渉性散乱を生じることはないのである。
【００３３】
次に、この発明の脆性材料割断装置を使用して板材を割断する方法を説明する。
【００３４】
図１に示すテーブル９を図示右方向に移動させてテーブル９の上に割断すべき板材Ｇを載せる。
【００３５】
テーブル９を左方向に移動させると、脆性板材Ｇの表面上の割断予定線の始点に、初期亀裂形成手段５により始点亀裂を形成する。そして、すでに図４によって説明した「割断方法の原理」に基づいて、その始点亀裂の近傍からビーム列ｃを照射して加熱する。
【００３６】
このビーム照射による加熱を割断予定線に沿って連続的に移動させ、冷却手段６から冷却媒体Ｊを噴出し、割断予定線に沿って板材Ｇを局部的に急冷する。
【００３７】
このように、板材Ｇの加熱を行うことにより、加熱された表面の領域は膨張しようとするが、周囲の加熱されていない領域によって拘束されているので圧縮応力が作用し、その後、加熱領域の後方で局部的に冷却すると、熱膨張した部分が急激に収縮して引張応力が発生し、この引張応力が板材Ｇの破壊靱性値を超えたとき、板材Ｇの表面に一筋の亀裂ｋを形成するのである。
【００３８】
なお、図４から明らかなように、この冷却手段６から冷媒Ｊを吹き付ける冷却位置ｘには最適位置があり、最適位置よりも加熱領域に近い部位を冷却すると、熱が板材の深部まで伝導しないうちに冷却することになり、加熱による圧縮応力ｐを減少させるだけで、十分な引張応力ｔが発生するまでには至らず亀裂ｋを形成しない。反対に、最適位置よりも後方の部位を冷却すると、加熱された部位の温度が低下するために、表面において発生する引張応力ｔが減少する。したがって、最適位置を冷却しなければならない。
【符号の説明】
【００３９】
１  ビーム変換手段
２  レーザ光源
３  コリメーター
５  初期亀裂形成手段
６  冷却手段
９  テーブル
11  全反射面
12  部分反射面
【図１】
2012240098.tif 000003
【図２】
2012240098.tif 000004
【図３】
2012240098.tif 000005
【図４】
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