脆性材料内部を進展するステルスき裂を利用した高速非接触ドライ割断加工技術の開発
佐世保工業高等専門学校 機械工学科准教授 森田 英俊（平成 29 年度 一般研究開発助成 AF-2017220）
キーワード：脆性材料，ガラス，熱応力，き裂誘導，割断加工，応力拡大係数

１．研究の目的と背景

本現象はレーザ誘起熱応力により，き裂を誘導すること脆性材料であるガラスは，建物や自動車の窓ガラス，テで発生していると考えられる．そこで，本研究では加工成レビやスマートフォンのディスプレイなど様々な分野で立時の条件で FEM による熱応力解析を行い，その後，応利用されている．現在，ガラスの割断には，図 1 に示すよ

力拡大係数 KI を求めることで，メカニズム解明を行う．

うな，レーザ照射直後を水冷し，表面き裂（スクライブ）

つまり，応力拡大係数 KI がガラスの破壊靭性値 KIC を超を誘導して割断するレーザスクライブ加工が主流である．

える領域が，き裂が開口できる条件であるので，これを満

この加工法は，切りしろがなく，割断面が鏡面となるなどたす領域を求めることで，本加工の成立条件が予測可能でのメリットがある．しかし，水冷を伴わない場合，加工速ある．そのため，ここでは，半無限き裂の内面に力が作用度が極端に遅く，水冷を用いることで速度は飛躍的に向上する場合のクラックモデル（図 3）を用いて KI を求める．

するが，電子デバイスと一体になっているものには向かな

ここで，FP は半無限クラックの内面に作用する集中力，cいことや，ウォーターマークが残るなどの欠点が存在する．

はき裂先端から FP までの距 離 で あ る ．こ こ で d c は ，一方，本研究室で行っている鏡面溝加工の研究 1)においき 裂 先 端 か ら 熱 源 中 心 ま で の 距 離 で あ る ．こ のて，セナルモン法を用いてき裂先端形状を底面側から観察

時 の 応 力 拡 大 係 数 kI は (1)式 の よ う に な る 3)．
2kI FP(1)2 c

したところ，図 2 のように溝を生成する水平き裂よりも前方に，縦き裂が先行している様子 2)が確認された．これは，加熱時の引張応力によるものと考えられ，この現象を利用することで，高速で水冷の必要がない新しい割断技術になると考えた．
そこで本研究の目的は，この現象の発生メカニズムを解明し，高速で水冷工程のない新しい割断加工技術の開発を行う．

ここで，FP=(z)dz とすると，微小長さ dz における応力拡大係数 dKI は，以下の(2)式のようになる．
2dKI  ( z )dz
2 c(2)

よって，これをき裂長さ a で積分すると，(3)式のようになる．
KI 

２．理 論

22a

 z  ( z)dz
1(3)0

この式に，FEM で求めた応力を代入し，台形法によっウォータ ジェ ッ ト

レーザて数値積分することで KI を求めた．
走査方向

３．実験と解析き裂

冷却領域 加熱領域

ガラ ス

図 1 レーザスクライブ加工の概略図

図 2 セナルモン法による縦き裂と水平き裂の観察

図 3 半無限き裂内面に力 FP が作用するクラックモデル

3･1

実験装置

CO2 Laser

これまでの実験装置は，熱源形状が円の場合しかプロフ
ァイルをフラットトップにすることが出来なかった．本研

Glass Imaging Lens

Collimator

Laser(Rectangular heat source only)

究では，熱源形状を矩形や楕円に変えた場合に，水平き裂

Mirrorや鉛直き裂にどのような影響を与えるかを検証する為，熱源形状が楕円でもフラットトップとなるよう光学系の再Homogenizer Lens

設計を行った．また，レーザの 2 点照射実験が行えるようにレーザをもう 1 台配置した．装置概略図を図 4 に示す．

Collimator

Sliding Robot

レーザ発振器から照射されたレーザは，4 枚のミラーを介Mirror

してコリメータに入射され，平行光となる．平行光とした

CO2 Laser

後，ホモジナイザレンズによって，ホモジナイズし，マス

図 4 実験装置概略図

クに照射して所望の形状とした後，再びコリメートレンズで平行光とし，結像レンズで集光するような光学系とした．
これにより，楕円や矩形のような形状であってもフラットトップで実験が行えるようになり，2 点照射での実験も行えるようにした．
3･2

円形 2 点照射による解析

先行研究において，レーザをガラスに同方向に 3 回走査させたところ，ガラスをドライ割断に成功した．しかし，全行程を走査させた後に，重畳して走査させなくても，熱図 5 FEM 解析モデル

源を小刻みに前進，後退させることで，部分的に 3 回走査と同じ状況をつくることでも，き裂が進展して割断に成功するのではないかと考えた．実験条件は，レーザ出力
P=14.5 W，速度 v＝100 mm/s で，熱源が 4 mm 進んだあと，2 mm 戻るよう単軸ロボットをプログラムして走査を行った．往復の戻り幅等を変えて実験を行ったが，加工できる条件は発見出来なかった．そこで，この実験条件で FEMによる 3 次元解析を行い，原因について検証を行った．
解析モデルを図 5 に示す．解析モデルは対象問題とし，
図 6 複数走査実験における応力yy 分布

拘束条件は，底面の端部のみを固定したモデルで熱応力

xx を求めた後，(3)式を台形法による数値計算により求めに発生する引張応力場と，2 点目の加熱点前方の引張応力ることで KI を算出した．ガラスは 76×26×t1.0 mm の白板場を重複させ，比較的長い引張応力場を発生させることがガラス（SCHOTT 社 B270）を用い，その物性値 4)-6)を表 1できることを FEM 解析から発見した．これまでの先行研に示す．なお，ヤング率，比熱伝導率，線膨張係数，ガラ究より，割断には大きい引張応力を発生させることよりも，スの破壊靭性値は温度依存性 7)を考慮した．図 6 は，レー加工方向に長く安定した引張応力を発生させる方が有利

ザ出力 P=14.5 W，速度 v=100 mm/s で熱源を 4mm 前進さだと考えられるため，レーザを 2 点照射することで，長いせて，2mm 後退させながらレーザを走査させたときの応引張応力が発生し，割断に有利に働くのではないかと考え力分布である．図には，2 mm 後退中の応力分布を示してた．

おり，レーザ熱源後方には圧縮応力が発生してしまう為，そこで，まず前述した解析条件で，2 点照射の解析を行

熱源の後退時の加熱による圧縮応力場が，次の前進時に働った．2 点照射する場合，1 点目の熱源はガラスにあまりく引張応力を阻害していることが分かった．しかし，この影響を与えず，2 点目でき裂を開口させるための余熱とし解析から，レーザを 2 点照射することで，1 点目の加熱後て利用したい為，1 点目の出力を落とし，1 点目と 2 点目

表1
比熱[J/kgK]
730
ポワソン比[-]
0.219の出力の比を 1：2 とし，熱源間隔を Δd=10, 20, 30, 35, 40,

ガラスの物性値(20℃) 4)-6)

密度[kg/m3]
2550
ヤング率
[GPa]
71.5

熱伝導率
[W/mK]
1.03
軟化点
[℃]
724

線膨張係数
[K-1]
8.2×10-6
破壊靭性値[MPam1/2]
0.76

45, 50 mm という条件で解析を行った．図 7 は，2 点目の熱源からの距離 dc と引張応力xx との関係を深さ毎に表している．そして，それぞれ深さ毎に最大引張応力 σxx と 2点照射により発生した引張応力の幅との関係を図 8 に示す．解析の結果，どの深さにおいても，1 点目と 2 点目の熱源間隔が Δd=45, 50 mm 付近で引張応力の幅が広いこと

Success(1point)が明らかになった．
Second heat source center

20Δd=10mmΔd=20mmΔd=30mmΔd=35mmΔd=40mmΔd=45mmΔd=50mm15

xx[MPa]Distance between heat sources[mm]Failure(1point)

1050Failure(2point)

40
30
20100-1040

5060

7080
velocity[mm/s]

90100-30-20-10010dc [mm]203040図 7 d 毎の引張応力と熱源位置からの距離 dc の関係(y=0, Δd=10, 20, 30, 35, 40, 45, 50 mm)

40102030205030 40

20

surface4535454030 35

Success(1point)

y=-0.0625mm
y=-0.125mm
y=-0.25mm

10501020 20301010a) 2 点照射の場合(b) 1 点照射の場合
図 10 反りが発生し失敗した場合の試験片

Distance between heat sources[mm]5030 35 35404045

50504550Failure(1point)

40Failure(2point)

05101520253035Success(2point)

3020100-10065707540

Width of tensile stress[mm]

図 8 深さ毎の引張応力場xx の長さと最大引張り応力808590Velocity[mm/s]

95100Success(1point)

前述の解析結果から熱源間距離 Δd=45 mm，レーザの 1点目の出力 P1=16W，2 点目の出力を P2=32W で，度 v=50mm/s から 1000 mm/s まで，50 mm/s 間隔で走査実験を行い，その後 3 点曲げを行った．実験はそれぞれ 2 回ずつ行った．しかし，どの速度においても，反りのない割断を行うことはできなかった．
次に，1 点目の出力を P1=21 W にして実験を行った．図Distance between heat sources[mm]

円形 2 点照射による実験

105

図 11 走査速度と 2 点間距離毎における加工成立領域(t =0.5 mm)
503・3110

図 9 走査速度と 2 点間距離における加工成立領域(t =1.0 mm)-5xxmax[MPa]Success(2point)

50

Failure(1point)
Success(2point)

40

Failure(2point)30
20
100-106570758085
90
Velocity[mm/s]

95100105

図 12 走査速度と 2 点間距離における加工成立領域(t =0.3 mm)

9 に結果を示す．熱源間距離が 45 mm の場合，速度が v=50mm/s で割断に成功した．しかし，1 点目の出力が 16 W の場合よりも，21 W の場合の方が，反りが小さくなった．
そのため，出力を P1=21 W として，熱源間距離を 20 mm，30 mm，35 mm，40 mm，45 mm で実験を行い，また，レーザを P2=32 W の熱源 1 点のみの実験も行った．実験の結果，熱源間距離が 20 mm と 35 mm で最も割断に成功し，その間の領域も比較的良い結果を示した．熱源間距離が40 mm 以上では成功率が下がった．速度を上げた場合にも成功率は下がり，v=80 mm/s 以上では図 10(a)のように反りを伴う割断となった．また，1 点照射においては，どの速度でも割断を行うことが出来ず，図 10(b)のように反り図 13 熱源中心からの距離と深さにおけるき裂開口領域も大きかったため，まったくき裂を誘導できないなかった．

35

導できていなかった．
次に，厚みが異なる t=0.5 mm，t=0.3 mm のガラスでも実験を行った．t=0.5 mm，における結果を図 11 に示す．
実験の結果，ガラスの厚さが t=0.5 mm の場合，t=1 mm の2の場合のように，大きく反りが発生し，まったくき裂が誘Laser Power P (W)また，2 点照射であっても，熱源間距離が広がると，図 10(b)ガラスでは割断に成功しなかった v=80 mm/s でも割断に割断することが出来ず，割断に成功する熱源間距離の幅が狭まった．また，低速の場合，1 点照射でも割断を行えた．
次に，ガラスの厚さが t=0.3 mm で実験した結果を図 1225201510

成功することが出来たが，熱源間距離が 35 mm 以上ではlargest curvaturelarge curvaturesmall curvaturesmallest curvature

30405060708090100110120Velocity (mm/s)

図 14 走査速度と 2 点目のレーザ出力における加工成立領域に示す．図より，v=90 mm/s 以上の更に高速域でも割断が可能になった．しかし，このガラスでは，速い速度の場合でも，1 点照射で割断が可能であった．これらの結果から，薄いガラスでは 1 点照射による割断が可能な条件しか見いだせなかったが，ガラス厚が t=1 mm の場合で 2 点照射

図 15 ドライ割断したガラス

立条件を検証する必要があると考えられる
次に，これらの実験結果を考察するために，応力拡大係数解析を行った．割断に成功した条件である 1 点目の出力
P1=21 W，2 点目の出力 P2=32 W，ガラスの厚さ t=1 mm，熱源間距離 20 mm，走査速度 v=70 mm/s で解析を行い，応力拡大係数 KI を求めた．KI がガラスの破壊靭性値 KIC を超えると，き裂が開口することができる為，KI/KIC が 1 より大きい領域を図 13 に示した．図は横軸に 2 点目の熱源Starting position of curvature (mm)にすることで成立する条件も発見できている為，さらに成353025201510500からの距離 dc，縦軸にガラスの深さをとっており，KI/KICが 1 より大きい領域をガラスの深さ毎にプロットしている．解析の結果，ガラスの表面から底面までき裂は開口可

510152025
Length of initial scribing line (mm)3035

図 16 初期き裂長さと反りの起点位置との関係能であり，ガラスはフルカットされると考えられる．しかまず，ガラスカッターを利用して初期スクライブ線長さし，実験では，フルカットではなく 3 点曲げにより割断しが 10mm，20mm の場合で実験を行った．その結果を図 14ている．これは，1 点目の熱源によって表面に微細なき裂に示す．加工条件は，1 点目の出力を 20W で固定し，2 点が発生し，2 点目の照射による熱が，この微細なき裂によ目のレーザ出力を 15, 20, 25, 30W として，走査速度毎の成って拡散し，深いところまで伝わるのを阻害していると考功領域を調査した．2 点目の出力が低い場合に成功領域はえられる．その為，今後は表面の微細なき裂を抑えるため，なかったが，出力を上げると徐々にスクライブ可能な領域熱源形状を楕円にして実験を行うなどの対策が必要であがみられた．

る．また，レーザ走査中のき裂先端位置を，クロスニコル法等を用いて確認する必要がある．

図 16 に割断したガラスを示す．今回の実験では，全て加工初期段階で図のような反りがみられたが，円形の 2 点加熱よりも反りは小さくなった．

3・4

楕円と円形の 2 点照射による実験

前述の実験では，1 点目の加熱点でガラス表面に剥離が次に，この反りの原因について考察するため，初期スクライブ線の長さを変えて実験を行った．加工条件は，レー生じ，2 点目の入熱が安定しなかったため，厚さ t=0.5mm

ザ出力がそれぞれ P1=20W, P2=30W, 走査速度 v=95mm/s でのガラスでは，80mm/s までしか成功できなかった．そこある．その実験結果を図 16 に示す．初期スクライブ長さで，剥離を抑制するため，急加熱とならないよう 1 点目のが 0, 2.5mm の場合は，反りの開始位置はランダムである

熱源形状を楕円とした場合の割断加工した場合についてが，5mm 以降は，その終端部から発生していることがわ

検証を行う．図 4 の光学系の最終段にシリンドリカルミラかる．これは，1 点目の楕円熱源前方の引張応力場によっーを追加することで 1 点目を楕円となるよう光学系を変て反りが発生し，その後，本来の目的である熱源間の強い更した．

引張応力場で進展したためと考えられる．

５．結 言これまでの研究から以下のことが明らかになった．
(1) 円形 2 点照射実験から，1 点照射よりも高速化に有利であり，最高 v=80 mm/s でドライ割断することができた．また，熱源間隔は 20 mm から 35 mm の領域で成功率が高く，間隔が 40 mm 以上になると成功率が低下することが明らかになった．
(2) 応力拡大係数解析から，レーザを 2 点照射させたガラ

参考文献
1) 森田英俊, レーザ誘起熱応力を利用した脆性材料の非接触除去加工技術の可能性, レーザ加工学会誌 221(2015).
2) 宇土誠一, 田平剛大, 平成 27 年度 佐世保高専卒業研
究論文集(2015)．
3) 岡本弘之，線形破壊力学入門，培風館(1976)．
4) SCHOTT 社，B270 特性表．

スはフルカットになり得るが，実際の実験ではフルカ

5) 山根正之, 和田正道, 寺井良平, 小川晋永, 安井至, 国ットにはならなかった．これは，1 点目の照射によっ分可紀, 近藤敬, ガラス工学ハンドブック, 朝倉書店て発生した微細なき裂によって，2 点目が熱拡散した(1999)．

為と考えられる．
(3) 前述の 1 点目の加熱点における問題を解決するために，

6) O. V. Mazurin，Handbook of Glass Data，Elsevier Science
Ltd 256(1983)．

1 点目を進行方向に長い楕円形に変更し実験を行った

7) Dingyu Li, etc, Temperature dependence of the three-point

ところ，1 点目で発生していた剥離を抑制することがbending fracture behavior of soda-lime-silica glass withできた．また，スクライブ加工の最高走査速度が円形

surface状の場合より 20mm/s 向上した．

409(2015).

(4) 1 点目を進行方向に長い楕円にした場合，反りの発生は，2.5mm 以下の場合はランダムな位置で発生し，それ以上の長さであれば，初期スクライブ先端部において発生した．今後は，この反りの発生と 2 点目の加熱点で発生する剥離を抑制する方法について，検証する必要がある．

scratch,JournalofNon-Crystalline

Solids,