ガラス箔のレーザ３次元成形加工法
埼玉大学大学院 理工学研究科教授 池野順一
（平成 22 年度一般研究開発助成 AF-2010204）
キーワード：レーザ加工、ベンディング、成形加工、熱応力、ガラス箔.

１．研究の目的と背景の際に、塑性変形した盛り上がり分だけ、表面の長さは本

レーザ光によるガラスの加工は、昔からさまざまな手法

来よりも小さくなり引張応力が作用して金属はレーザ照が考案されており、切断、穴あけ、スムージングなど炭酸射側に凹形状に屈曲することになる。これは温度購買機構

ガスレーザを用いた加工は実用技術として多用されてい（TGM）と呼ばれるメカニズムである。

る。また、フラットパネルディスプレイ分野では使用する

一方、座屈機構（BM）と呼ばれるメカニズムは板厚が薄ガラスパネルを切り分けるためにレーザを使ってクラッいときに生じる現象で、レーザ照射面とその裏面での温度クの進展を誘導するレーザ割断法が精力的に研究開発さ差が小さく熱応力が小さくなることが原因で TGM とは逆れ、一部の生産ラインでは導入された。機械的エネルギーに屈曲することが知られている。

ではなく、熱加工に分類されるレーザ加工は、材料の硬脆2.2性に無関係であり、ガラスのように割れやすい材料に対して有効に利用されてきたのである。

ガラス箔のレーザフォーミングの可能性

本研究で対象とする材料は、板厚 50 ミクロンのガラス箔である。ガラスはステンレスに比べ熱伝導率が 1/15～

一方、ガラスは作業点で変形が可能であり、さまざまな1/20 であるため、熱を溜めやすく TGM によるフォーミン形状に成形され、日用品を始め光学部品や電子部品などでグが可能ではないかと考えた。ここでは、まずガラスファ多用されている。この成形では型にガラスを押し当てて成イバ（直径 9 ミクロン）の成形加工を試み、微細なガラス形する方法や、型に流し込む方法などが用いられている。

素材でも TGM による成形が可能であるかを検証し、そのあただし、これらはミリオーダの厚みをもつガラス製品に対とでガラス箔の成形加工を試みることにした。

して有効な加工法である。もし厚み数十μm のガラス箔に適用すれば、加熱時にガラスは球形に丸まり所望の成形は困難となる。
今後、製品の高機能／高付加価値化を実現するために、急加熱

レーザ

ガラス箔は MEMS の微細部品などさまざまな用途に使用される可能性がある。よって、ガラス箔の微細成形加工は将圧縮応力来必要な加工技術であると考えられる。そこで、本研究で金属材料はガラス箔を全体に加熱し軟化させるのではなく、レーザスポットで局部的に急熱急冷しスポットサイズ(ミクロンオーダ)での分解能で直接成形できないか検討することにした。

膨張、降伏

２．レーザ成形加工の検討
2.1

レーザフォーミングの原理

金属のレーザフォーミングは、中部大学の難波らによって世界で初めて提案され、その後金沢大学など多くの研究者らによってメカニズムの解明や実用化のための研究が盛んになされてきた。これまでの研究によれば、加工メカニズムは図１のように説明できる。まず、金属材料表面に急冷却レーザ光線が吸収されるとレーザ照射面では急加熱による膨張が生じる。急加熱であるため裏面や周辺は常温であ引張応力り、レーザ照射部には高い圧縮応力が生じることになる。
高温下での金属材料は降伏応力が低下するため、盛り上がりが生じて塑性変形する。レーザ照射後は材料裏面や周辺に伝熱されるため照射部は急冷されて熱収縮が生じる。こー 158 ー

図１

レーザフォーミングプロセス

３．ガラスファイバによるレーザ成形の基礎実験

４．ガラス箔の成形基礎実験

3.1

4.1

実験方法及び条件屈曲方向制御法の提案

実験方法を図２に示す。図中、ガラスファイバ（直径９ガラスファイバにレーザ光を照射し、TGM によってガラミクロン）の先端から 220 ミクロンの位置でファイバの長スファイバを曲げることが可能であった。ただし、実験で手方向と垂直方向にレーザ光を走査させて、ファイバを横は透過エネルギーが大きいため、光学顕微鏡下でレーザ焦断する時間だけレーザは照射されるようにした。用いたレ点とファイバ表面を厳密に一致させてから照射していた。

ーザは CW YAG レーザ(λ=1064nm)である。また対物レンズ

そこで、透過するレーザ光線を選択的にガラス表面で吸収には N.A.=0.46 を用い、スポット径を約 26 ミクロンに集できれば、レーザ照射方向は一定でも、凹に屈曲する面は束させた。実験条件は表１に示す。

自在に選択できると考えた。すなわち、ガラスを透過しや3.2すい波長(1064nm)をもつレーザ光を使用しているため、ガ実験結果実験結果を図３に示す。これにより、レーザ照射方向にラス箔の表裏いずれかを凹に屈曲させたい場合は、その面屈曲させることが可能であった。屈曲は出力により限界がにレーザ吸収剤を塗布し、格段にレーザ光を吸収させればあったため、屈曲の限界角度ψとレーザ出力の関係を調査よいのではないかと考えた。そこで図５に示すように、屈した。その結果を図４に示す。以上より、ガラスファイバ曲させたい面側にレーザ吸収剤を塗布し、レーザ光を吸収は BM ではなく TGM によって屈曲し、出力が高いときほどさせて凹に屈曲させることを試みることにした。この方法屈曲角度は大きくなることがわかった。なお、屈曲角度はによって、TGM でも金属ではできなかった照射面の凸状屈0°から 70°程度まで広範囲にかつ正確に設定することが曲が可能になるものと期待される。

可能であることもわかった。

zy

対物レンズ
NA=0.46

xYAGレーザ・λ＝1064n m
ガラスファイバ

往復走査7mm
スライドガラス
図２

ガラスファイバの加工実験
表１

実験条件

図４

出力

0.37W～3.44W

走査速度39.6mm/s

ファイバ径9μm

ファイバの長さ7mm

z

屈曲角度とレーザ出力の関係

YAGレーザ
吸収剤

膨張 ガラス箔

50μm
レーザ

収縮x
図３

ガラスファイバの屈曲実験の様子

図５ー 159 ーレーザ吸収剤を利用したガラス箔のレーザ成形

4.2

５．ガラス箔の成形本実験

実験方法及び条件

実験方法を図６、条件を表２に示す。ガラス箔は幅 1.5mm、5.1

屈曲角度制御性の検証

長さ 10mm、厚さ 50 ミクロンのものを用い、スライドガラレーザによるガラス箔の屈曲が確認できたので、本加工スに固定し、レーザ照射面側にレーザ吸収剤を約 49nm 塗法によるガラス箔の屈曲挙動の分解能を調査した。具体的布した。レーザ照射は、ガラス箔先端から 2mm 離れた位置には、レーザ照射時における屈曲角度θとレーザ照射時間にガラス箔の幅方向に一定出力で繰り返し直線走査させの関係をレーザ出力ごとに調査した。主な条件は表２と同た。走査距離はガラス箔幅と同じ 1.5mm である。走査周波様に設定した。

数は 1.38Hz であり、照射時間はとくに定めず角度の変化がなくなるまで続けた。用いたレーザは CW YAG レーザ(λ=1064nm)であり、対物レンズによって、ビームスポット径を約 26 ミクロンに集束させた。
4.3

実験結果

照射実験の結果を図７に示す。図の上方からレーザを照射しており、レーザ照射面側に屈曲していることが確認された。屈曲部を詳細に観察した結果、図８(a)に示すようにレーザ照射部はわずかに盛り上がっており、急加熱による照射部面の塑性変形が生じていたことがわかった。一方、ガラス箔裏面の観察では同図(b)に示すように、割れが生

z50μm

じることなく、なめらかな面を保っていることが確認できレーザた。すなわち、成形加工メカニズムとしては、まず、レー
ザ照射面で急加熱による圧縮応力によってガラスは塑性変形する。次に急冷による熱収縮が生じ引張応力と伝熱にガラス箔

よる裏面の軟化によって、ガラス箔は割れることなく屈曲したと考えられる。

z対物レンズxy
図７

YAGレーザxガラス箔の屈曲した様子

ガラス箔

1.5mm
走査 2mm50μm10mm

スライドガラス
図６

ガラス箔の実験方法

表２(a)

実験条件

出力

1.51W，1.94W

走査周波数

1.38Hz

走査距離

1.5mm

吸収剤膜厚49nm(照射面)

レーザ照射面(b)図８ー 160 ー

裏面

ガラス箔の屈曲部分の SEM 観察結果

図９に屈曲角度θとレーザ照射時間の関係を示す。これにこの剥離現象のメカニズムを考えてみる。まず、急加熱により、時間経過とともに次第に屈曲角度が大きくなり、よってレーザ吸収面では圧縮応力が生じ、塑性変形による90°程度まで曲がることがわかった。また、屈曲角度の変盛り上がりが形成される。さらに冷却時には熱収縮が生じ化量は始めのうち大きく、30°～40°辺りでは小さく、て塑性変形分だけ屈曲が余計に生じ、レーザ吸収面では凹60～70°辺りから再び大きくなるという傾向が見られた。

形状に屈曲する。このとき、レーザ吸収剤を塗布した面が5.2

屈曲しても裏面で温度上昇が不十分であったならば、十分球面形状の成形実験

ガラス箔はレーザ吸収剤の塗布面に凹となるように屈に軟化していないため、この屈曲に反発するガラス内部で曲した。またレーザ走査軌跡に沿って屈曲することから、の引張応力によってガラス箔は２枚に剥離してしまうこ

ガラス箔をもっと自在に３次元成形加工できるのではなとが考えられる。よって、剥離せずに曲率半径の小さな曲いかと考えた。そこで図１０に示すようにガラス箔の１点面形状加工を行うには、レーザ照射面に対してその裏面のを円の中心とし、その円周からこの中心に向けてレーザを温度管理が重要であると思われる。

走査させた。円周上の走査開始点は次第にずらして行き、そこでガラス箔の表裏に膜厚を変えてレーザ吸収剤を１周回転させて円の面積を全て塗りつぶすようにした。条塗布し、伝熱では不十分な裏面温度上昇をレーザ吸収で直件は出力 0.42W でこれを 2 周、次に 0.96W で同様に 2 周、接支援することを検討した。ここでは屈曲によって凸面と最後に 2.24W で 2 周照射を行った。走査速度はいずれもなるレーザ照射面側に対しても軟化を支援するためのレ2.97mm/s、円の半径は 1.5mm である。なお、本加工では、ーザ吸収剤を僅かに塗布することにした。レーザ照射実験

ガラス裏面にレーザ吸収剤を 49nm 厚で塗布し、レーザがの結果を図１２に示す。これにより、ガラス箔の剥離もなガラスを透過し、裏面に対して凹形状に変形するように促く曲率半径を 1～2mm 程度まで小さくすることが可能になした。図１１に加工面形状の測定結果を示す。これにより、った。

裏面が凹で曲率半径 4mm～5mm の球面形状の創成が可能となった。ただし、この曲面加工では曲率半径をさらに小さ

角 度 θ de g

くしようとすると、ガラス箔が２枚に剥離してしまった。

1009080706050403020100020406080100
出力 1.94W
照射時間 s
出力 1.51W

図９屈曲角度θとレーザ照射時間の関係

走査方向

図１１

曲率半径 4mm～5mm の球面成形結果

図１２

曲率半径 4mm～5mm の球面成形結果

120

ガラス箔

６. 結言

1.5mm

本研究では、50μ厚のガラス箔に対し、レーザ微細曲げ加工を試み、屈曲加工、3 次元形状の成形が可能であることを見出した。
謝辞
本研究を遂行するにあたり公益財団法人天田財団から

図１０

レーザによる球面形状の成形法研究助成を頂戴しました。ここに厚く御礼申し上げます。

ー 161 ー