JPH10323778A

JPH10323778A - レーザ加工における透明脆性材料の亀裂の先頭位置検出方法及びそれを用いたレーザ加工装置

Info

Publication number: JPH10323778A
Application number: JP9134934A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Sakurai; 茂行桜井; Naoki Mitsuyanagi; 直毅三柳; Yoshiaki Shimomura; 義昭下村; Shinya Okumura; 信也奥村; Takeshi Nishigaki; 剛西垣; Yasushi Minomoto; 泰美野本
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1997-05-26
Filing date: 1997-05-26
Publication date: 1998-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】透明脆性材料のレーザ加工において、被加工物
の亀裂の先頭位置を正確に検出可能な方法を実現する。【解決手段】検出用光源６から出射され、被加工物４の
表面を透過した光は、その数％が被加工物４の表面及び
裏面（上面及び下面）で反射しながら亀裂の先頭位置に
進む。照射範囲内に入射した光は、被加工物４の表面及
び裏面で反射を繰り返すことにより積分され、加工進展
部の面、つまり亀裂の位置ですべて反射され、強い光と
して結像レンズ８を通過してカメラ７に結像する。カメ
ラ７で撮像された映像は、ＸＹテーブル制御部に供給さ
れる。このＸＹテーブル制御部９はカメラ７で撮像され
た映像を光量が所定の閾値Ｍを越えるか否かで二値化
し、明暗の境を算出する。これにより、正確な加工進展
位置（クラック先頭位置）を検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、ＬＣＤ基
板を構成するガラス板のような透明脆性材料をレーザ光
により加工するレーザ加工に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ＬＣＤ基板に使用されるガラス
板のような脆性材料を分割する場合には、一般的にはダ
イヤモンド等の硬い工具を用いガラス表面に線状に溝を
形成し、その後、機械的な応力を加えてその線状の溝に
沿って割断、分割する。

【０００３】この分割方法では、溝形成時に切り屑が発
生し、割断時にも同様に、切り屑、微細な破片などが発
生し、これらの小片が最終製品の歩留まりを下げる一因
となっている。また、直線ではなく曲線状に分割すると
きには、分割面以外にもクラックが発生し、最終製品の
信頼性を低下させる要因となっている。

【０００４】このような問題点を回避する方法として、
レーザ、電熱ヒータ等を熱源とし、熱応力でクラック
（亀裂）を進展させてガラス板等を割断する方法がある
（特開平１−１０８００６号公報、特開平３−４８９号
公報等）。

【０００５】レーザを加熱源として割断する場合のレー
ザ加工装置の構成例を図５に示す。図５において、レー
ザ発振器１から出力されたレーザ光２は、反射鏡１１で
反射され、集光レンズ３で、脆性材料である被加工物４
のほぼ表面上に集光される。そして、被加工物４は、Ｘ
Ｙテーブル５によって、レーザ光２に対して相対的に移
動される。

【０００６】このとき、レーザ光２の照射は被加工物４
が溶融するまでには至らない低い密度のパワーで加熱す
る。この移動するレーザ光２の照射によって、被加工物
４の表面上では、図６の（ａ）に示すように、レーザ光
２の照射点を中心として、レーザ光２の進行方向と逆方
向（熱源後方）に、上記中心から遠くなるに従って、温
度傾斜が緩やかとなる温度分布が発生する。

【０００７】そして、この温度分布によって、図６の
（ｂ）に示すように、レーザ光２による加熱源近傍では
円周方向には圧縮応力が作用するが、レーザ照射点から
ある距離を越えると、引張応力が作用するという熱応力
が発生する。

【０００８】また、レーザ光２による加熱源近傍にクラ
ックが存在する場合、加熱源に近いクラック先端におい
ては、図６の（ｃ）に示すような応力拡大係数ＫＩＣが
作用する。この応力拡大係数ＫＩＣが破壊靭性値Ｋｃを
超えると、クラックが進展する。

【０００９】したがって、レーザ光２による加熱源を任
意の軌跡に沿ってＸＹテーブル５で走査すると、その軌
跡に追従するようにクラックが進展し、被加工物４を割
断、分割することができる。

【００１０】上述したレーザ光による割断方法では、通
常のレーザ切断のように被加工物を溶融、蒸発に至るま
で加熱しないので、加工に伴う溶融物、蒸発物が発生し
ない。また、上記レーザ切断による方法と比べてもクリ
ーンな加工ができる。また、レーザ等による加熱源の軌
跡によっては、曲線の加工も実現できる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記レーザ光による割
断方法を用いて、ガラス板等の透明脆性材料を割断する
場合には、加熱源のレーザ光として、ガラスに対して吸
収率の高い波長を持つＣＯ₂レーザ、或いは吸収率は高
くはないがレーザ発振器がコンパクトでメンテナンスの
容易なＮｄ：ＹＡＧレーザが用いられる。

【００１２】上述したＣＯ₂レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレー
ザが用いられる場合であっても、クラックの進展はレー
ザ走査（定速）に対し、間欠的に急激に進行する。これ
は、被加工物である脆性材料に応力が増大し、その応力
が急激に解放されることにより、クラックが間欠的に進
展するものである。クラックの間欠的な進展距離が大き
いと、所望の進展方向以外へのクラックが進展する可能
性が大となる。

【００１３】ところが、従来の技術においては、このク
ラックの進展を正確に検出することができなかったた
め、クラック先頭位置に応じた適切な動作制御を行うこ
とが困難であり、加工精度が低下するという不具合が発
生していた。

【００１４】本発明の目的は、透明脆性材料のレーザ加
工における亀裂の先頭位置を正確に検出することが可能
な亀裂の先頭位置検出方法及び装置を実現することであ
る。

【００１５】また、本発明の他の目的は、正確に検出し
た透明脆性材料の亀裂の先頭位置に基づいて、レーザ光
の走査速度を制御し、レーザ加工精度を向上することが
可能な透明脆性材料のレーザ加工方法及び装置を実現す
ることである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】

（１）本発明は、上記目的を達成するために、次のよう
に構成される。すなわち、レーザ発振器によりレーザ光
を発生させ、このレーザ光を加工光学系により透明脆性
材料である被加工物の加工位置まで誘導させ、搬送手段
により上記被加工物を移動させ、レーザ照射位置を決定
し、被加工物を割断する透明脆性材料のレーザ加工にお
ける亀裂の先頭位置検出方法において、上記被加工物の
上記レーザ光の照射部分近辺に検出用光を照射し、上記
被加工物の上面を透過した検出用光が上記被加工物の下
面及び上面で反射しながら、上記被加工物の亀裂進展の
位置に進行し、この亀裂位置で反射して上記被加工物か
ら出射した上記検出光を撮像手段に入射させ、この撮像
手段により撮像された映像から、上記レーザ光の照射に
よる上記被加工物の亀裂の先頭位置を検出する。

【００１７】（２）好ましくは、上記（１）において、
上記撮像手段で撮像された映像を、この映像における光
量が所定の閾値を越えるか否かにより二値化し、光量が
上記所定の閾値を越える境界部分を上記亀裂の先頭位置
と判断する。

【００１８】（３）また、レーザ発振器によりレーザ光
を発生させ、このレーザ光を加工光学系により透明脆性
材料である被加工物の加工位置まで誘導させ、搬送手段
により上記被加工物を移動させ、レーザ照射位置を決定
し、被加工物を割断する透明脆性材料のレーザ加工にお
ける亀裂の先頭位置検出装置において、上記被加工物の
上記レーザ光の照射部分近辺に検出用光を照射する検出
用光源と、上記被加工物の上面を透過した検出用光が上
記被加工物の下面及び上面で反射しながら、上記被加工
物の亀裂進展の位置に進行し、この亀裂位置で反射して
上記被加工物から出射した上記検出光を入射する撮像手
段と、上記撮像手段により撮像された映像から、上記レ
ーザ光の照射による上記被加工物の亀裂の先頭位置を検
出する先頭位置検出手段と、を備える。

【００１９】（４）好ましくは、上記（３）において、
上記先頭位置検出手段は、上記撮像手段で撮像された映
像を、この映像における光量が所定の閾値を越えるか否
かにより二値化し、光量が上記所定の閾値を越える境界
部分を上記亀裂の先頭位置と判断する。

【００２０】（５）また、レーザ発振器によりレーザ光
を発生させ、このレーザ光を加工光学系により透明脆性
材料である被加工物の加工位置まで誘導させ、搬送手段
により上記被加工物を移動させ、レーザ照射位置を決定
し、被加工物を割断する透明脆性材料のレーザ加工方法
において、上記被加工物の上記レーザ光の照射部分近辺
に検出用光を照射し、この検出用光により照射された被
加工物を撮像手段により撮像し、撮像した映像から、上
記レーザ光の照射による上記被加工物の亀裂の先頭位置
を検出し、検出した上記亀裂の先頭位置に基づいて、上
記搬送手段による上記被加工物の移動を制御する。

【００２１】（６）好ましくは、上記（５）において、
上記亀裂の先頭位置と上記レーザ光の照射部分との相対
距離を算出し、算出した相対距離が適正な値となるよう
に、上記搬送手段による上記被加工物の移動速度を制御
する。

【００２２】（７）また、レーザ光を発生するレーザ発
振器と、レーザ光を透明脆性材料である被加工物の加工
位置まで誘導する加工光学系と、上記被加工物を移動さ
せ、レーザ光の照射位置を決定する搬送手段とを有し、
レーザ光を用いて被加工物を割断する透明脆性材料のレ
ーザ加工装置において、上記被加工物の上記レーザ光の
照射部分近辺に検出用光を照射する検出用光源と、上記
検出用光により照射された被加工物を撮像する撮像手段
と、上記撮像手段により、撮像された映像から、上記レ
ーザ光の照射による上記被加工物の亀裂の先頭位置を検
出し、検出した上記亀裂の先頭位置に基づいて、上記搬
送手段による上記被加工物の移動を制御する移動制御手
段と、を備える。

【００２３】（８）好ましくは、上記（７）において、
上記移動制御手段は、上記亀裂の先頭位置と上記レーザ
光の照射部分との相対距離を算出し、算出した相対距離
が適正な値となるように、上記搬送手段による上記被加
工物の移動速度を制御する。

【００２４】レーザ加工において、検出光は透明脆性材
料である被加工物表面に入射される。そして、この被加
工物の上面を透過した検出光は、数％が被加工物内部を
伝搬し積分され、レーザ光の照射による上記被加工物の
亀裂進展面で反射し、発光する。撮像手段には、加工進
展部（亀裂進展部）と未加工部とが明暗で分割された映
像が得られ、この映像の明暗の境の位置を判別する事に
より、亀裂の先頭位置を検出することができる。

【００２５】検出した亀裂先頭位置から、レーザ光の照
射部分までの相対距離を算出し、算出した相対距離が、
適正な値となるように、被加工物の移動速度が制御さ
れ、所望の分割方向以外への方向への亀裂進展が抑制さ
れる。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明による透明脆性材料のレー
ザ加工における亀裂の先頭位置検出方法及びそれを用い
たレーザ加工装置の一実施形態について、添付図面を参
照して説明する。図１は、本発明の一実施形態である亀
裂の先頭位置検出方法を用いたレーザ加工装置の概略構
成図である。この図１において、１はレーザ発振器、２
はレーザ発振器１から出力されるレーザ光、１１は反射
鏡、３は集光レンズ（この集光レンズ３、反射鏡１１は
加工光学系を構成する）、４はガラス板などの透明脆性
材料である被加工物である。

【００２７】また、５はＸＹテーブル（搬送手段）、６
は検出用光源、７は光電変換を行うカメラ（撮像手
段）、８はカメラ７に加工部の像を結像する結像レンズ
である。また、９はカメラ７が検出した信号を処理し、
ＸＹテーブル５の動作を制御するＸＹテーブル制御部
（移動制御手段）である。

【００２８】レーザ発振器１から出力されたレーザ光２
は、反射鏡１１により反射され、集光レンズ３を透過し
た後、被加工物４の加工位置に照射される。そして、Ｘ
Ｙテーブル５を、移動させる事により、被加工物４に対
してレーザ光２を相対的に走査する。これにより加工が
進行する。

【００２９】図２は、カメラ７により、被加工物４のク
ラック先頭位置（亀裂先頭位置）を検出する方法の説明
図である。図２において、被加工物４に対して検出用光
源６からの検出用光を、被加工物４の表面に対して、あ
る角度θで照射する。この角度θは、被加工物４の材質
によって異なるが、検出用光が被加工物４によって全反
射されない臨界角以上の角度と設定される。

【００３０】また、検出用光の被加工物４への照射位置
はレーザ走査方向に対し直角であり、照射範囲は図２に
示すように、レーザ光２を走査する走査線１０により、
分割される領域が、光源６側の方が充分に大となるよう
に設定される。

【００３１】カメラ７は、被加工物４のレーザ光２が照
射される面とは反対側の面に対して角度θで交差する直
線上に配置される。この角度θは、検出用光源６からの
検出光が被加工物４に入射する角度θと、同じ角度であ
る。また、被加工物４の加工部分の像をカメラ７に結像
させるためのレンズ８が、上記角度θで交差する直線上
であって、被加工物４とカメラ７との間に配置されてい
る。

【００３２】図３は、被加工物４のクラック進展部を検
出する方法の原理説明図である。この図３に示すよう
に、検出用光源６から出射され、被加工物の表面を透過
した光は、その数％が被加工物４の表面及び裏面（上面
及び下面）で反射しながら線Ｌのように進む。

【００３３】そして、上述した照射範囲内に入射した光
が積分され、加工進展部の面、つまり割断面ですべて反
射され、強い光として結像レンズ８を通過し、カメラ７
に結像する。

【００３４】カメラ７で撮像された映像は、図４の
（ａ）に示すようになる。そして、カメラ７で撮像され
た映像は、ＸＹテーブル制御部９に供給される。このＸ
Ｙテーブル制御部９は、カメラ７で撮像された映像を、
光量が所定の閾値Ｍを越えるか否かで二値化し（図４の
（ｂ））、明暗の境界部分を判断する。これにより、正
確な加工進展位置Ｂ（クラック先頭位置）を検出するこ
とができる。つまり、ＸＹテーブル制御部９は、被加工
物４の亀裂の先頭位置を検出する先頭位置検出手段とし
て動作する。

【００３５】また、図４（ａ）の点Ａをレーザ照射位置
とすれば、このレーザ照射位置Ａと加工進展位置Ｂとの
相対距離Ｄが判明する。そして、ＸＹテーブル制御部９
は、上記相対距離Ｄが所定の適正距離を維持するよう
に、ＸＹテーブル５の移動速度を制御する。

【００３６】つまり、ＸＹテーブル制御部９は、距離Ｄ
が適正距離より小となれば、ＸＹテーブル５の移動速度
を高速とし、距離Ｄが適正距離より大となれば、ＸＹテ
ーブル５の移動速度を低速とする。このようにして、Ｘ
Ｙテーブル制御部９により、レーザ照射位置Ａと加工進
展位置Ｂとの相対距離Ｄをフィードバックして、適正距
離を維持するように、ＸＹテーブル５の移動速度を制御
する。

【００３７】以上のように、本発明の一実施形態によれ
ば、検出用光源６からの検出用光を被加工物に照射し、
カメラ７で撮像した映像に基づいて、クラック先端を正
確に検出する。また、検出したクラック先端位置に基づ
いて、レーザ照射位置Ａと加工進展位置Ｂとの相対距離
Ｄが適正な値となるように、ＸＹテーブル制御部９によ
りＸＹテーブル５の移動速度を制御するように構成され
る。

【００３８】したがって、透明脆性材料のレーザ加工に
おける亀裂の先頭位置を正確に検出することが可能な亀
裂の先頭位置検出方法及び装置を実現するができる。

【００３９】また、被加工物４の加工進展、つまり、間
欠的に進むクラックの進展距離を制御して、急激にクラ
ックが進展したとき、所望の分割方向以外への方向への
クラック進展を抑制し、レーザ加工精度を向上すること
が可能な透明脆性材料のレーザ加工方法及び装置を実現
することができる。

【００４０】また、加工進展を、カメラ７で常にモニタ
リングしているので、加工位置の調整等をフィードバッ
クしながら実行でき、さらに、加工精度を向上すること
ができる。

【００４１】なお、上述した例においては、被加工物４
のレーザ光が照射される面に対して、検出用光源６から
の光を照射するように、検出用光源６を配置したが、被
加工物４のレーザ光が照射される面とは反対側の面に対
して、検出用光源６からの光を照射するように、検出用
光源６を配置することもできる。

【００４２】ただし、この場合には、結像レンズ８及び
カメラ７は、被加工物４のレーザ光が照射される面側に
配置される。

【００４３】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているため、次のような効果がある。被加工物のレーザ
光の照射部分近辺に検出用光を照射し、被加工物の上面
を透過した検出用光が被加工物の亀裂進展位置に進行し
反射して出射した検出光を撮像手段に入射させ、この撮
像手段により撮像された映像から、レーザ光の照射によ
る上記被加工物の亀裂の先頭位置を検出するように構成
される。

【００４４】したがって、透明脆性材料のレーザ加工に
おける亀裂の先頭位置を正確に検出することが可能な亀
裂の先頭位置検出方法及び装置を実現することができ
る。

【００４５】また、検出用光を被加工物に照射し、撮像
手段で撮像した映像に基づいて、亀裂先端を正確に検出
し、検出した亀裂先端部に基づいて、搬送手段による被
加工物の移動を制御するように構成される。

【００４６】したがって、レーザ加工精度を向上するこ
とが可能な透明脆性材料のレーザ加工方法及び装置を実
現することができる。

【００４７】また、レーザ照射位置と加工進展位置との
相対距離が適正な値となるように、ＸＹテーブル制御部
によりＸＹテーブルの移動速度を制御するように構成さ
れる。

【００４８】したがって、被加工物の加工進展距離を制
御して、急激にクラックが進展したとき、所望の分割方
向以外への方向へのクラック進展を抑制し、レーザ加工
精度を向上することが可能な透明脆性材料のレーザ加工
方法及び装置を実現することができる。

【００４９】また、加工進展を、カメラで常にモニタリ
ングしているので、加工位置の調整等をフィードバック
しながら実行でき、さらに、加工精度を向上することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態であるレーザ加工方法を実
施するレーザ加工装置の概略構成図である。

【図２】被加工物のクラック先頭位置を検出する原理の
説明図である。

【図３】被加工物のクラック進展部を検出する原理の説
明図である。

【図４】カメラで撮像された映像を示す図である。

【図５】従来のレーザ加工装置の概略構成図である。

【図６】レーザ割断における被加工物表面の温度分布、
熱応力分布、応力拡大係数分布を示す図である。

【符号の説明】

１レーザ発振器２レーザ光３集光レンズ４被加工物５ＸＹテーブル６検出用光源７カメラ８結像レンズ９ＸＹテーブル制御部１０走査線１１反射鏡

フロントページの続き (72)発明者奥村信也茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者西垣剛茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者美野本泰茨城県土浦市神立町650番地日立建機エンジニアリング株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振器によりレーザ光を発生させ、
このレーザ光を加工光学系により透明脆性材料である被
加工物の加工位置まで誘導させ、搬送手段により上記被
加工物を移動させ、レーザ照射位置を決定し、被加工物
を割断するレーザ加工における透明脆性材料の亀裂の先
頭位置検出方法において、上記被加工物の上記レーザ光の照射部分近辺に検出用光
を照射し、上記被加工物の上面を透過した検出用光が上
記被加工物の下面及び上面で反射しながら、上記被加工
物の亀裂進展の位置に進行し、この亀裂位置で反射して
上記被加工物から出射した上記検出光を撮像手段に入射
させ、この撮像手段により撮像された映像から、上記レ
ーザ光の照射による上記被加工物の亀裂の先頭位置を検
出することを特徴とするレーザ加工における透明脆性材
料の亀裂の先頭位置検出方法。
【請求項２】請求項１記載の亀裂の先頭位置検出方法に
おいて、上記撮像手段で撮像された映像を、この映像に
おける光量が所定の閾値を越えるか否かにより二値化
し、光量が上記所定の閾値を越える境界部分を上記亀裂
の先頭位置と判断することを特徴とするレーザ加工にお
ける透明脆性材料の亀裂の先頭位置検出方法。
【請求項３】レーザ発振器によりレーザ光を発生させ、
このレーザ光を加工光学系により透明脆性材料である被
加工物の加工位置まで誘導させ、搬送手段により上記被
加工物を移動させ、レーザ照射位置を決定し、被加工物
を割断するレーザ加工における透明脆性材料の亀裂の先
頭位置検出装置において、上記被加工物の上記レーザ光の照射部分近辺に検出用光
を照射する検出用光源と、上記被加工物の上面を透過した検出用光が上記被加工物
の下面及び上面で反射しながら、上記被加工物の亀裂進
展の位置に進行し、この亀裂位置で反射して上記被加工
物から出射した上記検出光を入射する撮像手段と、上記撮像手段により撮像された映像から、上記レーザ光
の照射による上記被加工物の亀裂の先頭位置を検出する
先頭位置検出手段と、を備えることを特徴とするレーザ
加工における透明脆性材料の亀裂の先頭位置検出装置。
【請求項４】請求項３記載の亀裂の先頭位置検出装置に
おいて、上記先頭位置検出手段は、上記撮像手段で撮像
された映像を、この映像における光量が所定の閾値を越
えるか否かにより二値化し、光量が上記所定の閾値を越
える境界部分を上記亀裂の先頭位置と判断することを特
徴とするレーザ加工における透明脆性材料の亀裂の先頭
位置検出装置。
【請求項５】レーザ発振器によりレーザ光を発生させ、
このレーザ光を加工光学系により透明脆性材料である被
加工物の加工位置まで誘導させ、搬送手段により上記被
加工物を移動させ、レーザ照射位置を決定し、被加工物
を割断する透明脆性材料のレーザ加工方法において、上記被加工物の上記レーザ光の照射部分近辺に検出用光
を照射し、この検出用光により照射された被加工物を撮
像手段により撮像し、撮像した映像から、上記レーザ光
の照射による上記被加工物の亀裂の先頭位置を検出し、
検出した上記亀裂の先頭位置に基づいて、上記搬送手段
による上記被加工物の移動を制御することを特徴とする
透明脆性材料のレーザ加工方法。
【請求項６】請求項５記載のレーザ加工方法において、
上記亀裂の先頭位置と上記レーザ光の照射部分との相対
距離を算出し、算出した相対距離が適正な値となるよう
に、上記搬送手段による上記被加工物の移動速度を制御
することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項７】レーザ光を発生するレーザ発振器と、レー
ザ光を透明脆性材料である被加工物の加工位置まで誘導
する加工光学系と、上記被加工物を移動させ、レーザ光
の照射位置を決定する搬送手段とを有し、レーザ光を用
いて被加工物を割断する透明脆性材料のレーザ加工装置
において、上記被加工物の上記レーザ光の照射部分近辺に検出用光
を照射する検出用光源と、上記検出用光により照射された被加工物を撮像する撮像
手段と、上記撮像手段により、撮像された映像から、上記レーザ
光の照射による上記被加工物の亀裂の先頭位置を検出
し、検出した上記亀裂の先頭位置に基づいて、上記搬送
手段による上記被加工物の移動を制御する移動制御手段
と、を備えることを特徴とする透明脆性材料のレーザ加
工装置。
【請求項８】請求項７記載のレーザ加工装置において、
上記移動制御手段は、上記亀裂の先頭位置と上記レーザ
光の照射部分との相対距離を算出し、算出した相対距離
が適正な値となるように、上記搬送手段による上記被加
工物の移動速度を制御することを特徴とするレーザ加工
装置。