JP2000281371A - レーザスコアリングにおける亀裂深さの制御 - Google Patents

レーザスコアリングにおける亀裂深さの制御

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アルフィー アレアー ロジャー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザビームをその表面上に通過させること
によりガラスに浅い切り目を付ける。 【解決手段】 レーザ30を作動させて第１のビーム32を
形成する。第１のビーム32をレンズ34により変換して、
ガラスに入射する場所で長軸と短軸を有する細長い楕円
形ビームスポットを有する第２のビーム36を形成する。
第２のビーム36の端部に対応する第２のビームの一部を
物理的に遮断して、第２のビームのスポットの長軸を減
少させ、かつ第３のビーム37を形成する。第３のビーム
37をガラス10の表面に亘り移動させて、加熱されたガラ
スを形成する。移動している第３のビーム37の後縁から
所定の距離で、加熱されたガラス上に冷却液24をノズル
22から流して、ガラス10中に亀裂20を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガラスシートまた
は他の脆い材料を、最初にレーザビームで浅い切れ目を
付けること（以後、レーザスコアリングとも称する）に
より分割する方法に関するものである。より詳しくは、
本発明は、ガラスにおける熱応力の分布を制御する目的
のためにレーザビーム分布を変更し、形成される亀裂の
貫通深さを制御できるようにする方法に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】ガラスシートを分割するプロセスにおい
てレーザが普通に用いられている。例えば、米国特許第
5,776,220号には、ガラスシートの表面に沿って、貫通
しない亀裂を伝搬させるためにレーザを使用することが
記載されている。この亀裂を形成するために、ガラス表
面は、レーザ加熱の後に急冷が行われるプロセスに施さ
れる。ガラスシート分割プロセスにおいてガラスに浅い
切れ目を付けるために作成された亀裂は、典型的に亀裂
またはベント亀裂と称される。この亀裂は、ガラスシー
トに浅い切れ目を付けるために用いられるので、典型的
にそのガラスシートの深さの途中までしか延在しない。
この様式において、ガラスシートは、亀裂の線に沿った
分割により、二つのより小さなシートに簡単にかつきれ
いに分割することができる。
【０００３】亀裂は、ガラスシートの一方の表面に小さ
な切込みまたは刻みを付けることにより形成することが
できる。レーザビームがガラスシートに入射させられ、
これは前記切込みで開始される。次いで、このビーム
は、一般的に200-700ミリメートル毎秒の速度でガラス
に対して動かされる。レーザビームは、切れ目線の経路
を追跡するようにガラスを横切って移動させられる。レ
ーザビームがガラスの表面を加熱するときに、冷却液流
が、ガラス表面を横切るビームの動きに対して、レーザ
ビームの直後の地点に当てられる。加熱の後に急冷が行
われるこのプロセスによりガラスシートに応力が生じ、
この応力が、レーザおよび冷却液が移動する線に沿って
延在する亀裂を形成する。
【０００４】スコアリングプロセスが急速に行われたと
きに、亀裂を形成する熱エネルギーがガラス表面の比較
的薄い領域に蓄積される。実例として、Ｄモードで作動
し、500ｍｍ毎秒の速度で移動するＣＯ2レーザを用いる
と、ほとんどの熱は、ガラス表面より下の500マイクロ
メートル未満の領域に包含される。レーザスコアリング
のこの特性により、ガラスの途中までしか延在しない亀
裂を形成することができる。
【０００５】レーザ共振器内の電磁場の「形状」は、ミ
ラーの曲率、放電管の間隔と内径およびエネルギーの波
長に依存する。レーザにより形成されたビームの「形
状」は一般的に、二方向におけるビーム断面に亘って現
れる無光部分(レーザ光が生じない部分:null)の数に従
って分類される。ほとんどの目的にとっては、ガウス形
パワー分布を有する、無光部分のないビームが好まし
い。しかしながら、ガラス分割プロセスに関しては、１
つ以上の無光部分を有する非ガウス形モードを用いて、
レーザエネルギーをより均一にガラス表面に供給し、よ
り効果の高いレーザスコアリング速度を達成することが
できる。
【０００６】Ｄモードで作動するレーザが米国特許第5,
776,220号に記載されている。この特許をここに全て引
用する。図２は、本発明によるＤモードレーザビームの
パワー分布の断面を示している。より低いパワー分布の
中央領域の外側に位置する少なくとも一組の強度ピーク
を有する、そのような非ガウス形ビームが本発明におい
て好ましい。
【０００７】コンドラテンコ(Kondratenko)（国際特許
出願公開第WO93/20015号）により示されているように、
ガラスシートに入射するときのレーザビームに関する痕
跡形状は楕円形であってもよい。この楕円形痕跡の短軸
および長軸は典型的に、以下の関係を満たす： ａ＝0.2から2.0ｈ、かつ ｂ＝1.0から10.0ｈ、 ここで、ａは短軸の長さであり、ｂは長軸の長さであ
り、ｈはレーザスコアリングされているガラスシートの
厚さである。コンドラテンコによれば、ｂが10.0ｈより
も大きい場合には、切断プロセスの精度に問題が生じ
る。したがって、0.7ｍｍの厚さ（液晶ディスプレイ基
板に一般的な厚さ）を有するガラス基板に関して、コン
ドラテンコは、ビームスポットの長軸は7ｍｍの長さを
越えるべきではないことを教示している。
【０００８】楕円形ビームを形成するために、Ｄモード
により生じるレーザビーム分布は典型的に、楕円形痕跡
を有するビームを形成するように二つの円柱レンズによ
り変換される。この楕円形ビームは、ガラス表面を直接
的に照射するのに用いられる。この技術を用いて、亀裂
の深さは典型的に、280ワットのビームによる115-118マ
イクロメートル、または330ワットのビームによる120-1
25マイクロメートルに及ぶ。
【０００９】これらのレーザスコアリング技術は、粉塵
を生じない亀裂を形成することにより、良好な品質の分
割縁を提供する。この方法の信頼性および得られる品質
により、縁の割れ目の品質が望ましくは非常に高い、液
晶および他のフラットパネルディスプレイ基板の製造に
おいてレーザスコアリングが有用となる。さらに、自動
車の窓、装飾用鏡、または住居の窓のようなガラスシー
トの二次成形を必要とするほとんどの用途がレーザスコ
アリングを有利に用いることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ガラス
部材の取扱いが必要なある用途においては、スコアリン
グが行われているが、分割プロセスの前に、スコアリン
グされたガラスの取扱いにより、それらの部材が早まっ
て分割されてしまうかもしれない。この問題を防ぐ方法
の１つは、意図せずに分割されることが少ない浅い亀裂
を形成することである。しかしながら、以前に開示され
たレーザスコアリング方法では、レーザビームのパワー
または冷却水流の位置をどのように変化させても、亀裂
深さをそのように細かく制御したり、もしくは、ほぼ均
一な切れ目深さを形成することはできない。
【００１１】したがって、レーザスコアリング技術によ
り形成される亀裂の貫通深さを制御する方法が必要とさ
れている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】したがって、本発明の目
的は、レーザスコアリング技術によりガラスシートに形
成される亀裂の貫通深さを制御する方法および装置を提
供することにある。
【００１３】本発明によれば、ガラスシートを、ガラス
シートの表面に沿って移動するレーザビームによりスポ
ット加熱して、亀裂を形成する。このレーザビームは、
楕円形ビームを形成するために１つ以上のレンズを通し
て伝達される。次いで、不透明シールドを用いて、楕円
形ビームの長軸の一方または両方の端部でこの楕円形ビ
ームを遮断して、ガラス表面を加熱するためにガラスシ
ートに沿って動かされる、端部が切断された楕円形ビー
ム（以下、切断楕円形ビームと称する）を形成する。冷
却液流が、加熱されたガラスのスポットに冷却ノズルか
ら向けられる。この冷却スポットと移動している切断楕
円形ビームとの間の冷却距離は制御される。この冷却距
離を変化させることにより、亀裂の貫通深さは制御さ
れ、レーザスコアリング技術およびガラス分割装置にお
けるこの種の制御に関する現在の必要性が解決される。
【００１４】本発明のこれらと他の態様が、以下の詳細
な説明により明らかとなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明を、以下、添付した図面に
示した実施の形態を参照してより詳細に説明する。以下
に説明する実施の形態は、例示のためのみに示されたも
のであり、本発明の概念をどのような特定の物理的形状
にも制限するものとして考えるべきではないことに留意
されたい。
【００１６】本発明は、レーザ分割技術を用いて所望の
分割線に沿ってガラスシートを破断する装置に関するも
のである。図１に示したように、本発明のガラス破断装
置において、ガラスシート10は上側主要表面11を有す
る。ガラスシート10には最初に、ガラスシート10の一方
の縁で亀裂開始点12を形成するために、ガラスシート10
の一方の縁に沿って切込みまたは切れ目が付けられる。
次いで、この亀裂開始点12を用いて、所望の分割線の経
路に沿ってガラスシート10を横切りレーザビーム16を移
動させることにより、亀裂20を形成する。レーザビーム
スポット16は、第１のビーム32を形成する、ＣＯ2レー
ザのようなレーザ30を用いることにより形成される。
「Ｄ」モードで作動したＣＯ2レーザは、図２に示した
ようなパワー分布のグラフを有するビームを形成する。
次いで、この第１のビーム32が、一組の円柱レンズのよ
うな１つ以上のレンズ34により変換されて、楕円形痕跡
38を有する第２のビーム36を形成してもよい。
【００１７】次いで、この第２のビーム36は、１つ以上
の不透明シールド40により端部が切断されて、第３のビ
ーム16を形成する。レーザビームエネルギーを吸収し、
消散させるどのような材料を用いてこの不透明シールド
40を形成しても差し支えない。カーボンシールドは、高
熱伝導率を示し、この点に関して効果的であるけれど
も、酸化温度が低いために、製造環境におけるカーボン
シールドの寿命が制限されてしまうかもしれない。不透
明シールド40を形成する代わりの材料としては、ほとん
どの高温セラミック材料が挙げられる。不透明シールド
40は、他の設備に影響を与えずに、生じる熱を消散させ
るほど十分に物理的に大きいべきである。典型的なシー
ルドは、4インチ平方（約10ｃｍ平方）で1/4インチ（約
0.6ｃｍ）厚である。第３のビーム37は、端部が切断さ
れた楕円形痕跡を有し、所望の分割線に沿ってガラスシ
ートを局部区域で加熱するのに用いられる。
【００１８】スポット加熱されたガラスは、ビーム形
状、エネルギーおよび露出時間に依存する温度勾配およ
び分布により予め条件を整えられる。次に、ガラスシー
ト10は、ジェット22により施される冷却液24、好ましく
は水により急冷される。正確な熱バランス内で行われた
場合（ビーム分布、ビームエネルギー、加工速度、水の
容積および図においてｃとして示されたビームから後ろ
の水ノズルまでの距離を考慮すると）、ガラス表面をこ
のように急冷することにより、予め存在する開始点12か
ら亀裂20を生じ、この亀裂20を前記加工速度でガラス表
面に亘り伝搬させるのに十分な引張応力が発生する。
【００１９】図３のＡに示したように、第２のビーム
は、長さａの短軸および長さｂの長軸を有する楕円形の
痕跡を形成する。本発明によれば、図３のＡの楕円形ビ
ームは、図３のＢに示したように長軸の一方の端部か
ら、または図３のＣに示したように両端から距離ｌのと
ころで端部を切断することができる。楕円形ビーム36
は、端部を切断する前に、20ｍｍよりも大きい、より好
ましくは、30ｍｍよりも大きい、最も好ましくは40-120
ｍｍ以上の長軸ｂを実際に有することができる。シール
ド40は、好ましくは、長軸に沿って測定して、第２のビ
ーム36の20-40パーセントを遮断するように設定されて
いてもよい。レーザビームスポット16の切断軸は、ガラ
スシート10に亘る所望の分割線の進行方向と整合され
る。
【００２０】薄い（1.1ｍｍ以下）ガラスシートに関し
て、レーザビームスポットの長軸の最適長さは、長軸ｂ
が好ましくは所望のレーザスコアリング速度毎秒の少な
くとも約10パーセントであるべきであるという点で、所
望の進行速度に関連することが分かった。したがって、
0.7ｍｍ厚のガラス上の500ｍｍの所望のレーザスコアリ
ング速度に関して、レーザの長軸は、好ましくは、少な
くとも約50ｍｍ長であるべきである。
【００２１】亀裂20は、切目線として機能するように、
ガラスシート10の表面11の以下に深さｄで途中までしか
延在しない。亀裂の深さ、形状および方向は、熱弾性応
力の分布により決定される。この熱弾性応力は、次い
で、以下のいくつかの要因に主に依存する：ビームスポ
ットのパワー密度、寸法および形状；基板材料を横切る
ビームスポットの相対的な移動速度；加熱された区域へ
の冷却液の供給の熱物理的特性、量および条件；並びに
亀裂を形成すべき材料の熱物理的および機械的特性、そ
の厚さ、およびその表面状態。
【００２２】亀裂の深さを制御するために、本発明に従
って、切断楕円形ビーム16を用いてガラスシート10を加
熱する。これらの特定の痕跡を有するビームの特定の品
質の結果として、亀裂ｄの深さは、冷却液流が当たる地
点がレーザビームに対して移動するにつれ変化する。図
１は、レーザビームスポット16の後縁から、冷却液24が
ガラスシート10に当たるスポットまでの冷却距離ｃを示
している。レーザビームにより照射された地点により近
い地点でガラスシート10を冷却することによって冷却距
離ｃを変化させると、冷却距離ｃが大きくなるように選
択された冷却スポットを用いたことにより形成された亀
裂よりも、浅い亀裂が形成される。
【００２３】実例として、楕円形ビームがレーザ30およ
び円柱レンズ34により生じる。このビームは、1.5ｍｍ
の短軸および90ｍｍの長軸を有する。本発明によれば、
不透明シールド40がレンズ34とガラスシート10との間に
配置され、そのために、長軸の制限で18ｍｍの領域が遮
断され、端部が切断された楕円形レーザビームスポット
16がガラスシートに入射する。図４に示したように、レ
ーザビームパワーの一部が不透明シールドにより遮断さ
れるので、遮断されていないビームにより生じるエネル
ギーと同等のガラス表面11に切断エネルギーを生じるた
めには、より高いパワー設定値でレーザ30を作動させる
必要がある。
【００２４】図５のグラフに示したように、遮断ビーム
を用いてガラスシートを加熱した場合、形成される亀裂
の深さは、冷却距離が変化するにつれ著しく変化する。
例えば、320ワットの遮断されたビームに関しては、ノ
ズルが、遮断ビームがガラスシートに入射するスポット
から5ｍｍ後ろに位置する場合、亀裂深さは約100マイク
ロメートルである。ノズルを調節して12ｍｍの冷却距離
を生じることにより、亀裂深さは、約110マイクロメー
トルまで上昇する。
【００２５】次いで、ガラスシート10のより小さなシー
トへの最終的な分割を、亀裂20の元で曲げモーメントを
加えることにより行う。そのような曲げは、従来の曲げ
装置（図示せず）およびより一般的な機械的表面スコア
リング方法を用いたプロセスにおいてガラスシートを分
割するのに用いられるような技術を用いて行うことがで
きる。
【００２６】ガラス分割操作に用いられるレーザビーム
30は、切断すべきガラスの表面を加熱できるべきであ
る。その結果、レーザ照射は、好ましくは、ガラスが吸
収できる波長にある。このためには、その放射線は好ま
しくは、9-11マイクロメートルの波長を有するＣＯ2レ
ーザ、5-6マイクロメートルの波長を有するＣＯレー
ザ、2.6-3.0マイクロメートルの波長を有するＨＦレー
ザ、または約2.9マイクロメートルの波長を有するエル
ビウムＹＡＧレーザのビームのような2マイクロメート
ルを越える波長の、赤外範囲にあるべきである。現在の
実験のほとんどは150-300ワット範囲のパワーを有する
ＣＯ2レーザを用いているが、より高いパワーのレーザ
をうまく用いることができると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガラスシートレーザスコアリング
を説明する概略図
【図２】標準的なＤモードレーザビームのパワー分布を
示すグラフ
【図３】本発明によるレーザビームの痕跡を示す図
【図４】本発明によりガラスに分布した切断楕円形ビー
ムのパワーを示すグラフ
【図５】本発明によりガラス基板に形成された亀裂の深
さを示すグラフ
【符号の説明】
10 ガラスシート 12 開始点 20 亀裂 22 ノズル 24 冷却液 30 レーザ 32 第１のレーザビーム 34 円柱レンズ 36 第２のレーザビーム 37 第３のレーザビーム 40 遮断シールド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェイムズ ウィリアム ブラウン アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14870 ペインテッド ポスト アーウィン ス トリート 51

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザビームをその表面上に通過させる
    ことによりガラスに浅い切り目を付ける方法であって、 レーザを作動させて第１のビームを形成し、 該第１のビームを１つ以上のレンズにより変換して、前
    記ガラスに入射する場所で長軸と短軸を有する細長い楕
    円形ビームスポットを有する第２のビームを形成し、 該第２のビームの少なくとも一方の端部に対応する該第
    ２のビームの一部を物理的に遮断して、該第２のビーム
    のスポットの長軸を減少させ、第３のビームを形成し、 該第３のビームを前記ガラスの表面を横切り移動させ
    て、加熱されたガラスを形成し、ここで、移動している
    第３のビームが前縁および後縁を有し、 該移動している第３のビームの後縁から所定の距離で、
    前記加熱されたガラス上に冷却液をノズルから流して、
    該ガラス中に亀裂を形成する各工程を含むことを特徴と
    する方法。
  2. 【請求項２】 前記所定の距離を変化させて、前記亀裂
    の深さの制御を行う工程を含むことを特徴とする請求項
    １記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記レーザがＣＯ2レーザを含むことを
    特徴とする請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記レーザがＤモードで作動されている
    ことを特徴とする請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記第３のビームが前記ガラスに対して
    約200ミリメートル毎秒から約700ミリメートル毎秒まで
    の速度で動かされることを特徴とする請求項１記載の方
    法。
  6. 【請求項６】 前記第１のビームを前記第２のビームに
    変換するのに二つの円柱レンズが用いられることを特徴
    とする請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記第２のビームが、該第２のビームの
    スポットの一方の端部に対応する領域で物理的に遮断さ
    れていることを特徴とする請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記第２のビームが、該第２のビームの
    スポットの両方の端部に対応する領域で物理的に遮断さ
    れていることを特徴とする請求項１記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記第２のビームの長軸が、該第２のビ
    ームの前記端部が遮断された後に約20パーセントから約
    40パーセントまで減少していることを特徴とする請求項
    １記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記第２のビームの長軸が、遮断前の
    約100ミリメートルから約120ミリメートルまでの間か
    ら、該第２のビームの前記端部が遮断された後の約50ミ
    リメートルから約80ミリメートルまで減少していること
    を特徴とする請求項１記載の方法。
  11. 【請求項１１】 平らなガラスシートを分割する方法で
    あって、 a) 所望の分割線でガラスシートに亘りレーザビームを
    移動させ、該レーザビームが、前記ガラスシートに入射
    する端部が切断された楕円形ビームスポットを有し、該
    ビームスポットが長軸と短軸の寸法を有し、該長軸の寸
    法が前記分割線と整合されており、 b) 前記所望の分割線に沿って、前記レーザビームの後
    ろの所定の距離で、前記ガラスシートに亘り冷却液を流
    して、部分的な深さの亀裂を伝搬させ、 c) 該亀裂に沿って前記ガラスシートを分割する各工程
    を含むことを特徴とする方法。
  12. 【請求項１２】 前記端部が切断された楕円形ビームス
    ポットが、楕円形ビームスポットの端部に対応する前記
    レーザビームの一部を遮断して、該ビームスポットの長
    軸を減少させることにより形成されることを特徴とする
    請求項１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記楕円形ビームスポットの各々の端
    部に対応する前記レーザビームの部分が遮断されている
    ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記所定の距離を変更して、前記亀裂
    の深さの制御を行う工程を含むことを特徴とする請求項
    １１記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記レーザビームがＣＯ2レーザによ
    り発生されることを特徴とする請求項１１記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記レーザビームが、Ｄモードで作動
    されるレーザにより発生されることを特徴とする請求項
    １１記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記レーザビームが前記ガラスシート
    に対して約200ミリメートル毎秒から約700ミリメートル
    毎秒までの速度で動かされることを特徴とする請求項１
    １記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記レーザビームの長軸が、前記楕円
    形ビームスポットの端部が切断される前の長軸と比較し
    て約20パーセントから約40パーセントまで減少している
    ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
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