JPH07328781A

JPH07328781A - 脆性材料の割断方法

Info

Publication number: JPH07328781A
Application number: JP6126146A
Authority: JP
Inventors: Hideki Morita; 英毅森田; Shunichi Maekawa; 俊一前川; Toshihiro Okiyama; 俊裕沖山; Hideyuki Shirahama; 秀幸白浜; Toshiyuki Yokoyama; 敏幸横山; Eishin Oonita; 英信大仁田
Original assignee: SOUEI TSUSHO KK; Research Development Corp of Japan; Nagasaki Prefectural Government
Current assignee: SOUEI TSUSHO KK; Japan Science and Technology Agency; Nagasaki Prefectural Government
Priority date: 1994-06-08
Filing date: 1994-06-08
Publication date: 1995-12-19
Anticipated expiration: 2016-09-25
Also published as: JP3210934B2

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザビームを用いて脆性材料の割断を行う
にあたり、その加工起点の初期亀裂の発生率が高く、し
かも加工速度・精度の向上を達成できる割断方法を提供
する。【構成】被加工材料Ｗの端縁近傍の少なくとも２点Ｐ
1,Ｐ2 にレーザビームを同時に照射して初期亀裂Ｃの発
生を行い、次いで、それら複数のビーム照射位置Ｓ1,Ｓ
2 を、所定の位置関係を制御しつつ、あるいは照射位置
Ｓ1,Ｓ2 のレーザ出力を制御しながら割断予定線Ｌに沿
って移動させて亀裂Ｃの誘導を行うことにより、レーザ
ビーム照射位置の間に特異な熱応力分布を発生させ、そ
の引張応力を、１点のレーザビームの照射の場合に比し
て大きくするとともに、応力の発生状態を制御して割断
制御を高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラス、セラミックあ
るいは半導体材料等の脆性材料にレーザビームを照射す
ることにより発生する熱応力を利用して、その材料を割
断する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガラス等の脆性材料を切断する方法とし
ては、従来、研摩材を使用する研削あるいはレーザビー
ムによる溶断などがあるが、これらの方法によると、い
ずれも加工点に熱歪みが発生したり、機械的な構造破壊
等によって加工点周辺に研削割れ等が生じるなど材料の
劣化を伴う点、また、研削もしくは蒸発による材料の損
失が避けられない等の欠点がある。

【０００３】そこで、このような問題を解決するため、
レーザビーム照射による熱応力を利用して材料を割断す
る、いわゆるレーザ割断方法が提案されている。この方
法は、脆性材料にレーザビームを照射して、その照射位
置に生じる熱応力により微小亀裂を発生させ、その亀裂
をレーザビームによる熱応力によって加工予定線に沿う
方向に誘導することによって材料を割断する方法で、レ
ーザビームを利用した溶断に比して加工エネルギが小さ
く、しかも材料の損失がないといった利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記したレ
ーザ割断方法によれば、加工の起点となる初期亀裂を、
材料の端縁近傍にレーザビームを照射して、そのビーム
中心と周辺との間に発生する急峻な温度勾配により生じ
る局部的な集中応力で発生させるわけであるが、例えば
加工周辺の雰囲気温度、材料表面での散乱状態及び材料
中での光の吸収率などの諸条件によって発生する熱応力
（引張応力）がばらつき、局部的な集中応力が材料の許
容応力を超えないことがあり、このため初期亀裂の発生
の確実性が低いという問題がある。

【０００５】また、レーザ割断方法において亀裂の誘導
は、レーザビームの照射位置を割断予定線に沿って移動
し、そのビーム進行方向の後方に熱応力（引張応力）を
発生させ、亀裂先端の応力拡大係数を材料の破壊靱性値
を超えさせるといったメカニズムにより行うが、レーザ
ビームの進行速度が速いと、亀裂誘導のための熱応力が
十分とはならず亀裂進展が停止するといった問題があ
り、この加工速度の限界及び上記した初期亀裂の発生の
再現性の問題がレーザ割断方法を実用化する上での妨げ
となっている。

【０００６】さらに、この種のレーザ割断方法では、亀
裂を誘導する際にレーザビーム照射位置の移動の経路か
ら亀裂がずれて追随することがあり、このため加工精度
が悪いという問題も残されている。

【０００７】本発明はそのような事情に鑑みてなされた
もので、レーザビームを用いて脆性材料の割断を行うに
あたり、その加工起点の初期亀裂の発生率が高い方法、
及び加工速度・精度の向上を達成できる割断方法の提供
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の第１の方法は、実施例に対応する図１に示
すように、被加工材料Ｗの端縁近傍の少なくとも２点Ｐ
1,Ｐ2 にレーザビームを同時に照射して初期亀裂Ｃの発
生を行うことによって特徴づけられる。

【０００９】また、本発明の第２の方法は、図２に示す
ように、被加工材料Ｗの端縁近傍の亀裂Ｃに複数のレー
ザビームを照射し、かつ、それら複数のビーム間の出力
と、その位置関係とを制御した状態で、これらビーム照
射位置Ｓ1,Ｓ2 を割断予定線Ｌに沿って移動させること
により亀裂Ｃの誘導を行うことを特徴としている。

【００１０】

【作用】まず、被加工材料Ｗの端縁近傍の２点のレーザ
ビームLBを同時に照射すると、そのビーム照射位置の間
に、図１(b) に示すような特異な熱応力分布が発生し、
この熱応力分布による引張応力が、レーザビーム照射位
置を１点としたときの引張応力に比して大きくなり、こ
れにより局部的な集中応力が材料の許容応力を十分に超
える値となる結果、初期亀裂が確実に発生する。

【００１１】次いで、発生した亀裂Ｃの先端の前方の位
置Ｓ1 と後方の位置Ｓ2 に位置に、それぞれレーザビー
ムLBを照射すると、その各照射位置Ｓ1 とＳ2 との間
に、図２(b) に示すような特異な熱応力分布、すなわち
亀裂Ｃの前方側が大となる熱応力分布が発生して、その
前方側の引張応力が１点のレーザビーム照射の場合に比
して大きくなる。これにより、亀裂先端の応力拡大係数
が材料の破壊靱性値を超え易くなる結果、亀裂の進展が
速くなるとともに亀裂の進展方向が割断予定線Ｌに対し
て曲がり難くなる。

【００１２】

【実施例】図１は本発明実施例の説明図である。まず、
本発明方法の実施に使用する装置は、ガラスあるいはア
ルミナセラミックなどの被加工材料Ｗを載置する２軸移
動ステージ（図示せず）と、このステージ上に置かれた
材料表面の２点に、レーザビームLBを同時に照射するた
めの２台のレーザ発振器（図示せず）を備えている。

【００１３】また、これらのレーザ発振器はステージに
対して光軸の変更が可能となっており、被加工材料Ｗへ
のレーザビームLBの照射位置を、割断予定線Ｌと直交す
る方向に線上の２点、もしくは割断予定線Ｌ上の２点の
いずれか一方に選択的に切り換えることができる。

【００１４】さて、本発明実施例の加工手順は、まず、
２台のレーザ発振器の光軸と被加工材料Ｗとの位置合わ
せを行って、図１(a) に示すように、各レーザビームLB
のスポット中心を被加工材料Ｗの端縁近傍で割断予定線
Ｌを挟んで互い対称となる２点Ｐ1,Ｐ2 に合わせ、この
状態で被加工材料Ｗの表面の２点にレーザビームLBを同
時に照射して、被加工材料Ｗの端縁付近に亀裂Ｃを発生
させる。

【００１５】このように被加工材料Ｗへのレーザビーム
照射位置を２点とすると、そのビーム照射位置の間に、
図１(b) の解析図に示すような特異な熱応力分布が発生
し、その引張応力がレーザビーム照射位置を１点とした
ときの引張応力に比して大きくなる結果、初期亀裂が確
実に発生する。なお、その亀裂の発生確率は、レーザビ
ーム照射点Ｐ1 とＰ2 との間の距離及びレーザの発振パ
ワー等の諸条件に左右されるが、その確率は実験等によ
り１００％（従来：９０％程度）を達成できることが現
段階で確認できている。

【００１６】次に、レーザ発振器の光軸の変更を行っ
て、図２(a) に示すように、レーザビームLBの照射位置
を割断予定線Ｌ上に沿う２点とし、また、各レーザビー
ムLBの出力を制御した状態で、ステージの移動により各
レーザビームLBの照射位置Ｓ1,Ｓ2 を割断予定線Ｃに沿
って移動して、材料Ｗの端縁付近に発生した亀裂Ｃを誘
導してゆく。

【００１７】この亀裂誘導過程において、レーザビーム
照射位置を亀裂Ｃの先端の前方の位置Ｓ1 と後方の位置
Ｓ2 とすることにより、これらの照射位置Ｓ1 とＳ2 と
の間に、図２(b) の解析図に示すような特異な熱応力分
布が発生し、その熱応力分布は亀裂Ｃの前方側が大とな
る。すなわち、亀裂Ｃの進展方向の前方側の引張応力が
常に大きくなり、これにより、レーザビームの進行速度
つまり加工速度を速くしても亀裂Ｃの進展が停止するこ
とはなく、しかも、亀裂Ｃの進展方向が割断予定線Ｌに
対して曲がる確率も少なくなる。

【００１８】なお、その加工速度は、従来では高々３０
mm/s程度であったのに対し、現段階で１５０mm/sにまで
高められること、また、加工精度については、数百μ
ｍ；従来→数十μｍ（表面粗さ）にまで高められること
が、実験等により現段階で確認できている。

【００１９】ここで、以上の実施例において、初期亀裂
を発生する際のレーザビーム照射の２点Ｐ1 とＰ2 との
間の距離は、被加工材料Ｗの材質及び厚さ，レーザの出
力パワーなどの諸条件によって決定されるが、その２点
間の距離は、レーザビームのスポット径を 2.0 mm 程度
とすれば、3.0mm 〜3.6mm 程度が適当である。また、亀
裂Ｃの誘導の際のレーザビーム照射位置Ｓ1 とＳ2 との
間の距離については、初期亀裂発生時と同じであっても
よい。

【００２０】さらに、亀裂誘導の際のレーザビーム照射
位置Ｓ1,Ｓ2 は、図２(c) に示すように、亀裂Ｃの先端
近傍位置で割断予定線Ｌを挟んで互い対称となる位置と
してもよい。この場合、図２(d) の解析図に示すような
熱応力分布すなわち図１(b)と同等な熱応力分布が発生
して亀裂先端付近の引張応力が大きくなるので、ビーム
照射位置Ｓ1,Ｓ2 をこのような位置関係としても、先と
同様な効果を達成できる。

【００２１】なお、本発明方法において、被加工材料へ
のレーザビーム照射位置は２点に限られることなく３点
以上の任意の多点であってもよく、照射位置の数を多く
した場合、各照射点の位置関係を適宜に選定すれば、引
張応力を更に高めるための熱応力分布を発生することが
でき、これにより、より優れた効果すなわち加工速度・
精度等が先の実施例よりも更に向上するといった効果も
期待できる。

【００２２】また、本発明方法は、ガラスやアルミナセ
ラミックのほか、石英あるいは半導体材料等の他の脆性
材料の加工に適用できることは勿論である。なお、使用
するレーザ発振器は、加工材料の材質によってＣＯ₂レ
ーザもしくはＹＡＧレーザ等を適宜に選択する。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明方法によれ
ば、被加工材料の表面上の少なくとも２点にレーザビー
ムを照射するので、その照射位置付近には特異な熱応力
分布が発生し、その引張応力が従来よりも大きくなる結
果、初期亀裂の発生確率が高くなるとともに加工速度・
精度がともに向上する。これによりレーザ割断方法の実
用化が達成可能となる。

【００２４】また、材料へのレーザビーム照射位置を２
点（多点）とすることにより、ビーム照射による温度分
布を、通常の１点のレーザビーム照射の場合に比して低
く抑えても、十分な加工速度・精度を得ることができ、
これにより被加工材料に対する熱の影響を軽減できると
いう利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の実施例の説明図

【図２】同じく実施例の説明図

【符号の説明】

Ｗ被加工材料Ｌ割断予定線 LB レーザビームＰ1,Ｐ2 初期亀裂発生の際にレーザビームを照射する
点Ｓ1,Ｓ2 亀裂誘導のレーザビーム照射位置Ｃ亀裂

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者前川俊一兵庫県伊丹市春日丘１−15 (72)発明者沖山俊裕兵庫県御国野町御着1174−22 (72)発明者白浜秀幸長崎県長崎市川平町199−３ (72)発明者横山敏幸長崎県大村市三城町1011番地三城アパートイ−206 (72)発明者大仁田英信長崎県大村市三城町955−１

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】脆性材料の端縁近傍にレーザビームを照
射し、その位置に生じる熱応力により亀裂を発生させ、
材料を割断する方法において、被加工材料の端縁近傍の
少なくとも２点にレーザビームを同時に照射して上記亀
裂の発生を行うことを特徴とする脆性材料の割断方法。
【請求項２】脆性材料の端縁近傍にレーザビームを照
射して亀裂を発生させ、その亀裂近傍にレーザビームを
照射し、この照射位置を移動して上記亀裂を割断予定線
に沿って誘導することにより材料を割断する方法におい
て、被加工材料の端縁近傍の亀裂に複数のレーザビーム
を照射し、かつ、それら複数のビーム間の出力とその位
置関係とを制御した状態で、これらビーム照射位置を上
記割断予定線に沿って移動させることにより上記亀裂の
誘導を行うことを特徴とする脆性材料の割断方法。