JP2006150984A - 脆弱性材料より成る工作物を迅速に切断するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ源と、複数のレーザ光線を結合若しくは集合ガイドして切断ライン上に集束させる手段と、レーザ光線を形成する手段と、レーザ光線と工作物との間で、２００ｍ／分までの速度の相対運動を生ぜしめて、熱機械的な応力を誘導させるための駆動装置とを有している、脆性材料より成る工作物を切断ラインに沿ってレーザ光線で迅速に切断する装置を改良して、微小亀裂、削り屑又は破片なしで、高い切断精度、輪郭の正確さ並びに迅速な切断を可能にする。
【解決手段】複数のレーザ光線を集合ガイドする光学手段が、レーザ光線を集束させ、相次いで切断ラインにガイドするか、又はレーザ光線を集束させ、全部又は一部を重畳させて切断ラインにガイドして、工作物に高いレーザ出力が導入され、加熱された切断ライン区分を冷却するために流動性の冷却媒体を吹き付ける手段が設けられ、工作物の破壊強度を超えるまで熱機械的な応力が高められる。
【選択図】なし

Description

本発明は、脆性材料、例えばガラス、ガラスセラミック又はセラミックより成る工作物を、レーザ光線によって任意の輪郭形状の切断ラインに沿って迅速に切断するための方法及び装置に関する。この場合、有利な使用例は、板ガラスを迅速にカットすることである。

ガラスのための一般的な分離方法は、基本的に、ダイヤモンド又は小形のカットホイールを用いて、まずガラスに切り目を付け、次いでこのように形成された弱められた箇所に沿って、ガラスを外部の機械的な力によって分割するようになっている。この方法における欠点は、切り目を付けることによって表面から粒子（破片）が飛び散り、この粒子がガラスに付着して、その付着した箇所で例えばスクラッチ（引っ掻き傷）を生ぜしめる、ということである。同様に切断縁部にいわゆる削り屑が生じ、この削り屑によって非偏平なガラス縁部が形成されることになる。さらにまた、切れ目を付ける際に切断縁部に形成されるミクロ割れ（微小亀裂）が、機械的な負荷可能性の低下つまり破壊の危険性を高くする。

破片も削り屑及びミクロ割れも避けるために、発生された熱的な応力を用いてガラスを分離するという試みがなされている。この場合、ガラスに向けられた熱源は、一定の速度でガラスに対して相対的に移動し、それによって、ガラスに亀裂が形成される程度の高い熱応力が発生する。熱エネルギが１ミリメートルよりも高い精度で（典型的な切断精度に相当する）局所的に位置決めすることができるような熱源の必要な特性は、赤外線放射器、特別なガスバーナ及び特別なレーザで十分である。レーザは、その良好なフォーカシング性（集束性）、良好な効率制御可能性並びにビーム形状及びひいては強度分布性を有しているのでガラスに適していることが認められている。

集束されたレーザ光線による局所的な加熱と外部からの冷却との協働によって、材料の破壊強度を越えるまでの熱機械的な応力を誘導する、このようなレーザ切断法は、多くの文献により公知である。

国際公開第９３／２００１５号パンフレットにより公知の方法は、追従する冷却スポットを有する楕円形の形状を有するレーザ光線を使用するようになっている。この方法は、非金属の板材の直線的な切り目付け（スコーリング）においては良好な結果を示すが、湾曲した輪郭形状に沿った高価値で高精度の切り目付けは不確実である。しかも、この方法は、高い放射線密度及び高い切断速度において切断形状の安定性が低い。

切断ラインに沿った材料の加熱条件を最適なものにするために、国際公開第９６／２００６２号パンフレットによれば、加熱は熱線ビームによって行われ、この熱線ビームの、ビーム中央の横断面で、放射出力の密度が周辺部から中央に向かって次第に減少するように分布している。楕円形リングの形状の温度分布を生ぜしめる、楕円形の放射ビームが使用されている。

公知の方法の欠点は、ヨーロッパ特許公開第０８７２３０３号明細書に記載された方法つまり、切断方向で開放するＵ字形若しくはＶ字形の輪郭形状及び特性的な強度分布を有する焦点を設ける方法によって避けられる。この方法は実際に直線的な切断を行う際に良好な結果が得られた。厚さの大きい工作物を正確に分離切断することも可能である。自由切断つまり任意の湾曲した輪郭形状を有する切断を行う際には、後続の冷却と共になぞられる、切断ラインの輪郭形状に合致した湾曲したＵ字形若しくはＶ字形の強度分布を生ぜしめる必要がある。これによって特に、焦点を生ぜしめるスキャナ装置と経路制御装置とを連結する必要が生じ、従って多大な制御コスト及び調整コストを伴うことになる。

ドイツ連邦共和国特許第４４１１０３７号明細書によれば、中空ガラスを切断するためのレーザ光線切断法が公知である。この方法は、１スポットに強く集束された、定置のレーザ光線で作業し、このレーザ光線が、回転する中空ガラスを円形に巡って熱応力ゾーンを生ぜしめる。次いで、提供された応力ゾーンに沿って中空ガラスの全外周に亘って、ノズルから噴霧される霧状噴霧水によって冷却され、それによって機械的又は熱的に生ぜしめられた開始亀裂と相俟って、中空ガラス縁部の分離が得られる。

ドイツ連邦共和国特許公開第４３０５１０７号明細書により公知のレーザ光線切断法においては、工作物表面における放射横断面が細長い形状を有するようなレーザ光線が形成され、この細長い形状は、レーザ光線路内に設けられたダイヤフラムによって、入射する放射線横断面の長さと幅との比が調節可能である。

さらにまた、多くのレーザ光線によってガラスを切断する方法が公知である。

ドイツ連邦共和国特許公告第１２４４３４６号明細書に記載された方法においては、特にレーザ切断中に切断縁部を生ぜしめるために、同一の切断箇所に１つ以上のレーザ光線を使用し、個別のレーザ光線がガラス面に対して種々異なる角度を形成するようになっている。これに相当するアメリカ合衆国特許第４５３０９７号明細書には、切断ライン上に結合されてガイドされた多数のレーザ光線によって切断するための方法について記載されている。

上記英国特許第１４３３４６３号明細書に記載されたレーザ切断法は、種々異なる理由から、入念に考慮された方法であることが証明されており、実際に使用されている。本発明は、この公知の方法から出発している。この方法によって得られる切断能力及び、この方法の適用性は、特に切断しようとする工作物に切断ラインに沿って効果的に熱機械的な応力を誘導すること、レーザ光線内の強度分布及び冷却形式によって制限される。切断時に必要な、迅速で同時に効果的な、熱機械的な応力の誘導は、公知の方法においては不十分にしか保証されない。熱機械的な応力の効果的な誘導に基づいて、常により高くすることが要求される切断速度は制限される。
国際公開第９３／２００１５号パンフレット 国際公開第９６／２００６２号パンフレット ドイツ連邦共和国特許第４４１１０３７号明細書 ドイツ連邦共和国特許公開第４３０５１０７号明細書 アメリカ合衆国特許第４５３０９７号明細書 英国特許第１４３３４６３号明細書

本発明の課題は、任意の輪郭形状の所定の切断ラインに沿ってレーザ光線によって、特にガラス、ガラスセラミック又はセラミック等の脆性の材料より成る工作物を切断するための方法及び装置を提供して、微小亀裂、削り屑又は破片なしで、高い切断精度、輪郭の正確さ並びに迅速な切断を可能にすることである。

この課題を解決した本発明の方法の手段によれば、脆性材料より成る工作物を、任意の輪郭を有する予め与えられた切断ラインに沿ってレーザ光線によって迅速に切断するための方法であって、以下のステップで、つまり、
レーザ光線を発生させ、
工作物を溶融させることなしに、前記ステップで発生させたこれら複数のレーザ光線を結合ガイドして、切断ライン上に集束させ、
それぞれのレーザ光線を、それぞれ、切断しようとする工作物の表面に焦点として作用するレーザ光線横断面を前もって規定された形状及び強度分布に相当するように、形成し、
切断ラインに沿ってレーザ光線と工作物とを、２００ｍ／分までの速度で相対運動させることによって、熱機械的な応力を誘導させる、
ステップで行う方法において、
前記ステップで結合ガイドされた複数のレーザ光線を相次いで切断ラインにガイドするか、又は前記ステップで結合ガイドされたレーザ光線を完全に又は部分的に重畳させて、切断ライン上にガイドし、工作物を溶融させることなしに、切断しようとする工作物に高いレーザ出力を導入し、次いで、加熱された切断ライン区分を冷却するために流動性の冷却媒体を吹き付けることによって、工作物の破壊強度を超えるまで熱機械的な応力を高めるようにした。

請求項１に記載した手段によれば、脆性材料より成る工作物を、任意の輪郭の所定の切断ラインに沿ってレーザ光線によって迅速に切断することは、工作物の溶融なしに、レーザ光線が生ぜしめられ、それぞれのレーザ光線が集合若しくは結合されて、特に平行にガイドされ、切断ライン上に集束されることによって行われる。この場合、それぞれのレーザ光線は、切断しようとする工作物の表面上にそれぞれ焦点として作用する光線横断面が、所定の形状及び強度分布に相当するように形成される。切断ラインに沿ってレーザ光線と工作物とを相対運動させて、熱機械的な応力を誘導させ、加熱された切断ライン区分を次に冷却するために流体状の冷却媒体を吹きつける（ブローする）ことによって、熱機械的な応力が工作物の破壊強度を超えるまで高められる。

微小亀裂も削り屑又は破片も発生しないクリーンな分離縁部が得られる。

本発明による方法は、熱機械的な応力を任意の輪郭の切断ラインに沿って迅速かつ効果的に誘導することができる。この場合、工作物が溶融されることなしに、高いレーザ出力が切断しようとする工作物に導入されることが分かった。同時に、従来の方法に対して切断速度は１００％まで高められる。

これによって、２００ｍ／分までの切断速度が直ちに得られる。

特に、工作物が溶融することなしに、高いレーザ出力を工作物に導入するために、結合された特に平行にガイドされたレーザ光線を相次いで切断ラインにガイドするようにすれば有利である。この場合、レーザ光線を短い連続で相次いでガイドするか、又はレーザ光線を全体的に又は部分的に重畳させて切断ラインに向けてガイドすることが可能である。

この場合、それぞれのレーザ光線は、切断しようとする工作物の表面に焦点として作用する放射線横断面がそれぞれ同形状及び同じ強度分布に相当するように、形成される。

レーザ光線はさらに、有利には互いに垂直に、又は工作物表面に対して少なくとも同じ角度で切断ラインにガイドされる。

この場合、ガラスを切断する際に、それぞれのガラスの変態温度Ｔ_Ｇを越えないように注意しなければならない。

切断ラインの始端部に微小亀裂を形成すれば、亀裂は非常に正確に切断ラインに追従する。

有利には、それぞれのレーザ光線は、１つ又は多数のＣＯレーザ又はＣＯ_２レーザの光線であって、この場合、レーザの波長は特に有利にはチューナブル（同調可能）であって、それによって切断しようとする工作物のそれぞれの吸収極大に合致せしめられる。レーザ波長が、切断しようとする工作物の吸収極大に、より良好に合わせられる程、熱機械的な応力の誘導はより効果的に行われ、また同様に、より高い切断速度を選択することができる。

流動性の冷却媒体は有利には、上方から下方に向かって工作物に吹き付けられる。

流動状の冷却媒体は冷却ガス有利には冷たい空気であるか、又は空気・水混合物である。

本発明の有利な実施例では、流動状の冷却媒体の温度は調節され、制御される。この場合、流動状の冷却媒体は付加的に冷却される。これは例えば少なくともペルチェ・エレメントによって行われる。これによって繰り返し可能なプロセスを制御及びコントロール可能な条件下で行うことができる。

本発明の別の実施例では、ガス流は、１つ又は多数の同心的な及び／又は楕円形のノズルによって形成される。

効果的な冷却を可能にするすべてのガス流形状及びノズル配置を使用することができる。

原則的に、すべての所定のレーザ光線形状及びこれに関連した、切断しようとする工作物上のすべての所定の強度分布を使用することができる。

ヨーロッパ特許公開第０８７２３０３号明細書に記載されたＵ字形若しくはＶ字形の、レーザ光線の輪郭及びこれに関連した強度分布が特に有利である。

さらにまたＣＯレーザ又はＣＯ_２レーザ、材料によって十分強く吸収されるその他のすべてのレーザが、鋭角に削り取られた縁部を溶融し丸味付けするために適している。

本発明による方法は、ガラス、ガラスセラミック又はセラミックより成る脆性の工作物を切断するために特に適しており、この場合、３０ｍｍの比較的厚い板ガラスを有利な形式で切断することもできる。

脆性材料より成る工作物を、任意の輪郭の所定の切断ラインに沿ってレーザ光線によって迅速に切断するための、本発明の装置は、
レーザ光線を発生させるための１つ又は多数のレーザ源と、
工作物を溶融させることなしに、前記レーザ源より発生された複数のレーザ光線を結合ガイドして、切断ライン上に集束させるための手段と、
それぞれ、切断しようとする工作物の表面に焦点として作用するレーザ光線横断面を前もって規定された形状及び強度分布に相当させるように、それぞれのレーザ光線を形成するための手段と、
切断ラインに沿ってレーザ光線と工作物との間で、２００ｍ／分までの速度の速度相対運動を生ぜしめることによって、熱機械的な応力を誘導させるための駆動装置と、
を有している形式のものにおいて、
前記レーザ源より発生されたレーザ光線を結合ガイドするための光学的な手段が、レーザ光線を結合ガイドして集束させ、相次いで切断ラインにガイドするようになっているか、又はレーザ光線を結合ガイドするための光学的な手段が、レーザ光線を結合ガイドして集束させ、全部又は一部を重畳させて切断ラインにガイドし、これによって、工作物を溶融させることなしに、切断しようとする工作物に高いレーザ出力が導入されるようになっており、加熱された切断ライン区分を冷却するために流動性の冷却媒体を吹き付けるための手段が設けられていて、これによって工作物の破壊強度を超えるまで熱機械的な応力が高められるようになっている。

この場合、レーザ光線を結合ガイドするための光学手段は、レーザ光線が集束され、互いに別個に或いは、完全に又は部分的に重畳されて切断ライン上にガイドされるようにすることができる。

さらにまた、切断ラインの始端部に微小亀裂を形成させるための手段が設けられている。

有利にはレーザはＣＯ_２レーザであって、その波長は、切断しようとする工作物の分光吸収極大に相当する。このＣＯ_２レーザは、１０．６μｍの波長における遠赤外線領域内の光をエミットする。この熱放射は、材料に作用する際に著しい特殊性を示す。従ってこの熱放射は、大抵の可視光線で透過可能な材料によって強く吸収される。

ガラスに強く吸収されるという事実は、ガラスを切断するために用いられる。１０^３ｃｍ^−１の吸収率において、出力の９５％が厚さ３０μｍの層内で吸収される。

吸収極大が約５μｍの波長に存在する工作物を切断する場合には、光源としてＣＯレーザが使用される。

原則的に、切断しようとする工作物の溶融温度の下で、熱機械的な応力を誘導するために適したレーザ光線を発生させ、形作り、ガイドするためのすべての規定された手段を使用することができる。

本発明の別の実施例によれば、レーザ光線が衝突する工作物の表面部分に吹き付けられるガス流は空気流である。

本発明の実施例が以下に詳しく説明されている。

脆性材料より成る工作物を迅速に切断するために、レーザ光線によって任意の輪郭を有する、前もって与えられた切断ラインに沿ってそれぞれ３つのレーザ光線が生ぜしめられ、これらのレーザ光線は結合されて、材料を溶融させることなしに、切断ライン上に集束される。この場合、レーザ光線は有利には、工作物表面に対して垂直にガイドされる。レーザ光線は、それぞれ切断しようとする工作物の表面に焦点として作用する光線横断面が所定の形状及び強度分布に相当するように成形される。それぞれの放射線横断面は、Ｖ字形の輪郭形状及びこれに基づく強度分布を有している。これに対して、それぞれ焦点として作用する放射線横断面は、ライン上の輪郭形状を有している。

結合された３つのレーザ光線と工作物との間の切断ラインに沿った相対運動を生ぜしめることによって、熱機械的な応力が工作物に誘導される。この場合に重要なことは、平行に結合されたレーザ光線が、可能な限り正確に前もって規定された切断ラインに追従する、ということである。レーザ光線に続いて、加熱された切断ライン区分の、次いで行われる冷却（冷却スポット）を行うための液状の冷却媒体を吹き付けることによって、工作物の破壊強度を超えるまで熱機械的な応力が高められる。

この場合、３つの平行なレーザ光線は同時に、有利には相前後して切断ライン上にガイドされる。

Claims (20)

1. 脆性材料より成る工作物を、任意の輪郭を有する予め与えられた切断ラインに沿ってレーザ光線によって迅速に切断するための方法であって、以下のステップで、つまり、
   レーザ光線を発生させ、
   工作物を溶融させることなしに、前記ステップで発生させたこれら複数のレーザ光線を結合ガイドして、切断ライン上に集束させ、
   それぞれのレーザ光線を、それぞれ、切断しようとする工作物の表面に焦点として作用するレーザ光線横断面を前もって規定された形状及び強度分布に相当するように、形成し、
   切断ラインに沿ってレーザ光線と工作物とを、２００ｍ／分までの速度で相対運動させることによって、熱機械的な応力を誘導させる、
   ステップで行う方法において、
   前記ステップで結合ガイドされた複数のレーザ光線を相次いで切断ラインにガイドするか、又は前記ステップで結合ガイドされたレーザ光線を完全に又は部分的に重畳させて、切断ライン上にガイドし、工作物を溶融させることなしに、切断しようとする工作物に高いレーザ出力を導入し、次いで、加熱された切断ライン区分を冷却するために流動性の冷却媒体を吹き付けることによって、工作物の破壊強度を超えるまで熱機械的な応力を高めることを特徴とする、脆性材料より成る工作物を迅速に切断するための方法。
2. 切断ラインの始端部に微小亀裂を形成する、請求項１記載の方法。
3. それぞれのレーザ光線としてＣＯレーザ又はＣＯ_２レーザの光線を使用する、請求項１又は２記載の方法。
4. それぞれのレーザ光線として、同調可能なレーザを使用する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 流動性の冷却媒体を上方から下方に向かって工作物に吹き付ける、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 冷却ガス有利には冷たい空気を吹き付けることによって冷却を行う、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 空気・水混合物を吹き付けることによって冷却を行う、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 流動性の冷却媒体の温度を調節し、制御する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 流動性の冷却媒体を冷却する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 流動性の冷却媒体を少なくともペルチェ・エレメントによって冷却する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 脆性材料より成る工作物を、任意の輪郭を有する予め与えられた切断ラインに沿ってレーザ光線によって迅速に切断するための装置であって、
    レーザ光線を発生させるための１つ又は多数のレーザ源と、
    工作物を溶融させることなしに、前記レーザ源より発生された複数のレーザ光線を結合ガイドして、切断ライン上に集束させるための手段と、
    それぞれ、切断しようとする工作物の表面に焦点として作用するレーザ光線横断面を前もって規定された形状及び強度分布に相当させるように、それぞれのレーザ光線を形成するための手段と、
    切断ラインに沿ってレーザ光線と工作物との間で、２００ｍ／分までの速度の相対運動を生ぜしめることによって、熱機械的な応力を誘導させるための駆動装置と、
    を有している形式のものにおいて、
    前記レーザ源より発生されたレーザ光線を結合ガイドするための光学的な手段が、レーザ光線を結合ガイドして集束させ、相次いで切断ラインにガイドするようになっているか、又はレーザ光線を結合ガイドするための光学的な手段が、レーザ光線を結合ガイドして集束させ、全部又は一部を重畳させて切断ラインにガイドし、これによって、工作物を溶融させることなしに、切断しようとする工作物に高いレーザ出力が導入されるようになっており、加熱された切断ライン区分を冷却するために流動性の冷却媒体を吹き付けるための手段が設けられていて、これによって工作物の破壊強度を超えるまで熱機械的な応力が高められるようになっていることを特徴とする、脆性材料より成る工作物を、任意の輪郭の所定の切断ラインに沿ってレーザ光線によって迅速に切断するための装置。
12. 切断ラインの始端部に微小亀裂を形成させるための手段が設けられている、請求項１１記載の装置。
13. １つ又は多数のレーザ源がＣＯレーザ又はＣＯ_２レーザである、請求項１１又は１２記載の装置。
14. １つ又は多数のレーザ源が同調可能である、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の装置。
15. 流動状の冷却媒体を吹き付けるための手段が上方から下方に向かって吹き付けを行うようになっている、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の装置。
16. 流動状の冷却媒体を吹き付けるための手段が、冷却ガス有利には冷たい空気を吹き付けるようになっている、請求項１１から１５までのいずれか１項記載の装置。
17. 流動状の冷却媒体を吹き付けるための手段が、空気・水混合物を吹き付けるようになっている、請求項１１から１６までのいずれか１項記載の装置。
18. 流動状の冷却媒体の温度が調節可能及び制御可能である、請求項１１から１７までのいずれか１項記載の装置。
19. 流動状の冷却媒体を冷却するための手段が設けられている、請求項１１から１８までのいずれか１項記載の装置。
20. 流動状の冷却媒体を冷却するための手段が少なくとも１つのペルチェ・エレメントを有している、請求項１９記載の装置。