JP2009522129A - 脆性材料製の構成部材を切断加工する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
構成部材を切断する際に分離辺を形成させる加工速度と品質を上昇させる装置を提供すること。
【解決手段】
分離地域の構成部材に熱誘導された応力亀裂の発生によって脆性材料、例えばガラス、セラミックス、ガラスセラミックスから成る構成部材（４）を切断加工する装置（２）は、構成部材（４）がレーザー光線（８）を同時に或いは時間的に連続に分離地域に沿って実質的に同じ箇所に或いは互いに僅かに間隔を置いた箇所に部分吸引の下で少なくとも二倍に部分的に伝達されるように、加工するべき構成部材（４）にレーザー光線（８）を向けるレーザー（６）と、加工中に構成部材（４）を支持する支持面（１４）とを有する。この装置（２）はさらに熱誘導された電圧亀裂を促進させるように機械的応力を構成部材に作用させる手段を有する。この発明によると、支持面（１４）が第一位置と第二位置の間に互いに相対的に移動できる少なくとも二つの支持面部分（１３、１５）を有し、構成部材（４）が第一位置にて実質的に自由に機械的応力により支持され、第二位置にて熱誘導された応力亀裂を促進させるように機械的応力を作用される。

Description

この発明は、分離地域の構成部材に熱誘導された応力亀裂の発生によって脆性材料、例えばガラス、セラミックス、ガラスセラミックスから成る構成部材を切断加工する請求項１の上位概念に挙げられた種類の装置に関する。

脆性材料製の構成部材を加工する装置は、例えばドイツ特許出願公開第１９７１５５３７号明細書（特許文献１）、ドイツ特許出願公開第１９６１６３２７号明細書（特許文献２）、国際出願公開第９８／００２６６号明細書（特許文献３）、ドイツ特許出願公開第４４０５２０３号明細書（特許文献４）、国際出願公開第９３／２００１５号明細書（特許文献５）、ドイツ特許第４３０５１０６号明細書（特許文献６）、欧州特許出願公開第０４４８１６８号明細書（特許文献７）、日本特許出願公開第２０００−２８１３７３号公報（特許文献８）、日本特開平１０−２４４３８６号公報（特許文献９）、論文「固体状態レーザー光線によるシートガラス切断」 Shepelov 他著（溶接国際、溶接研究所、英国アビンクトン、第１４巻、第１２号、２０００年１２月、第９８８−９９１頁、ＸＰ０００９９８８２８，ＩＳＳＮ：０９５０−０７１１６［非特許文献１］）、国際出願公開第２００５／１１５６７８号明細書（特許文献１０）と国際出願公開第２００５／１０７９９８号明細書（特許文献１１）によって知られている。

国際出願公開第０２／４８０５９号明細書（特許文献１２）によって構成部材がレーザー光線を同時に或いは時間的に連続して分離地域に沿って実質的に同じ箇所に或いは互いに僅かに間隔を置いた箇所に部分吸引の下で少なくとも二回に部分的に透過されるように、加工するべき構成部材にレーザー光線を向けるレーザーを有する分離地域の構成部材に熱誘導された応力亀裂の発生によって脆性材料、例えばガラス、セラミックス、ガラスセラミックスから成る構成部材を切断加工する装置が知られている。加工中に構成部材を支持するために、公知の装置は支持面を有する。さらに、この刊行物から知られた装置は熱誘導された電圧亀裂を促進させるように機械的応力を構成部材に作用させる手段を有する。

同様な装置がドイツ特許出願公開第１０２０６９２０号明細書（特許文献１３）によって知られており、熱誘導された電圧亀裂を促進させるように切断すべき構成部材に機械的応力を作用させることについて刊行物には言及されていない。

ドイツ特許第１０３１１６９３号明細書（特許文献１４）によって弱化線に沿ってセラミックス導体板をばらばらにする破砕装置が知られている。けれども、構成部材に熱誘導された応力亀裂の発生によって脆性材料製の構成部材を切断加工するために、刊行物から知られた装置は適していない。
ドイツ特許出願公開第１９７１５５３７号明細書 ドイツ特許出願公開第１９６１６３２７号明細書 国際出願公開第９８／００２６６号明細書 ドイツ特許出願公開第４４０５２０３号明細書 国際出願公開第９３／２００１５号明細書 ドイツ特許第４３０５１０６号明細書 欧州特許出願公開第０４４８１６８号明細書 日本特許出願公開第２０００−２８１３７３号公報 日本特開平１０−２４４３８６号公報 国際出願公開第２００５／１１５６７８号明細書 国際出願公開第２００５／１０７９９８号明細書 国際出願公開第０２／４８０５９号明細書 ドイツ特許出願公開第１０２０６９２０号明細書 ドイツ特許第１０３１１６９３号明細書 「固体状態レーザー光線によるシートガラス切断」 Shepelov 他著（溶接国際、溶接研究所、英国アビンクトン、第１４巻、第１２号、２０００年１２月、第９８８−９９１頁）

この発明の課題は、構成部材を切断する際に分離辺を形成させる加工速度と品質を向上させる請求項１の上位概念に挙げられた種類の装置を提供することである。

この課題は、請求項１に挙げられた教示によって解決される。

この発明による教示の基本思想は、互いに相対的に移動できる少なくとも二つの支持面部分を支持面に備えることにある。互いに相対的な支持面部分の第一位置には、構成部材が実質的に機械的応力のなしに支持面に支持される。この意味における機械的応力の下で、この発明によるそのような機械的応力が理解され、機械的応力を構成部材に作用させる手段によって発生されるけれども、そのような機械的応力は例えば構成部材の自重に由来する。これに対して、互いに相対的な支持面部分の第二位置には、構成部材が機械的応力を作用されていて、この機械的応力が機械的応力を構成部材に作用させる手段によって熱誘導された応力亀裂を促進させるように発生される。互いに相対的な支持面部分の位置の適切な制御或いは調整によって、この形式でより高い精度を伴って制御できるか或いは調整でき、その度合で構成部材が熱誘導された応力亀裂を促進させるように機械的応力を作用される。この発明によると、レーザー放射によって熱誘導された応力と機械的応力との定義された重なりが生じる。驚くべきことに、この形式では加工速度が構成部材の切断の際に実質的に高められ、構成部材の切断の際に形成された分離辺の品質が実質的に改良されることが、示されていた。さらに、熱誘導された応力亀裂の拡張が、特にその方向に関して特に正確に制御できるか或いは調整できる。それ故に、この発明による装置が特により高い精度を伴って構成部材に機械的応力をもたらすことを可能とする。

熱誘導された応力亀裂の発生は、基本的に、脆性材料が例えばレーザー放射による適切な加熱の際に且つ適切な引き続いた冷却の際に引き裂かれることに基づいている。通常には、熱誘導された応力亀裂の発生は、専門家に一般に知られていて、さらに、ここでは詳細に説明されない。この関係に関しては、特許文献１２に示唆されていて、全公開内容がこの文献によって本出願に関連して採用されている。

この発明による教示の好ましい実施態様は、支持面部分が第一位置において実質的に共通平面に、第二位置において少なくとも部分的に異なった平面に位置することを企図する。これら実施態様は実質的に平らな構成部材、例えば平らなガラス板を加工するのに良く適している。

基本的には、この発明によると、支持面部分を共通支持面、例えば曲げ易い材料から成る支持面に形成することが可能である。特に、この発明によると、曲げ易い材料から成って構成部材が載置する反射体を使用することが可能である。機械的応力をもたらすために、構成部材は、構成部材の反射体と反対を向いた面に圧力作用要素が置かれることによって、機械的応力を作用され得る。圧力作用に基づいて構成部材と曲げ易い反射体が曲げられ、それにより曲げ線の両側に位置する支持面部分が第二位置に移動され、その位置では構成部材が機械的応力を作用される。簡単且つ価格の安い構成により機械的応力を構成部材に特別に精密に作用させるために、この発明による教示の他の再現では、支持面部分がそれぞれに支持要素に形成されていることを企図する。

前記実施態様の再現は、支持要素の間に少なくとも一つの隙間が形成されていて、その隙間にレーザー光線が加工中に向けられ、機械的応力を構成部材に作用させる手段は、機械的応力が隙間の領域で構成部材に作用されるように、形成されていることを企図する。この実施態様は簡単且つ比較的に価格の安い構成により機械的応力を構成部材に作用させることを可能とし、隙間には反射体が配置されていて、反射体はレーザーから放射されるレーザー光線を反射させる。

基本的には、この発明によると、この機械的応力が加工過程或いは分離過程を促進させる限り、構成部材が任意の適した種類の機械的応力を、例えば引張応力を作用され得る。この発明の教示の特別に好ましい再現は、機械的応力を構成部材に作用させる手段が機械的応力を構成部材に作用させるように形成されていることを企図する。この実施態様ではこの発明による装置が特別に簡単でそれにより安価に構成され得る。曲げ応力を構成部材に作用させる別の利点は、構成部材に所望の応力分布を達成することに関して特に高い精度が可能とされることにある。

この発明による教示の他の好ましい再現は、機械的応力を構成部材に作用させることにより構成部材に達成された応力分布の最大値が隙間の領域に位置することを企図する。この形式では、機械的応力の最大作用が分離地域に生じ、この分離地域がこの実施態様では同様に隙間の領域に位置する。

この発明によると、機械的応力を構成部材に作用させる手段が任意の適した形式において形成され得る。この発明による装置の構成を特に簡単且つそれで安価に構成するために、この発明による教示の好ましい再現は、機械的応力を構成部材に作用させる手段が少なくとも部分的に単数或いは複数の支持要素によって形成されるように、少なくとも一方の支持要素が構成部材の表面に垂直に移動できることを企図する。この実施態様では、支持要素が支持に用いられるばかりではなく、むしろ構成部材に機械的応力を作用させるために用いられる。このために、支持要素が互いに相対的に移動できる。

前記実施態様の再現は、少なくとも一方の支持要素が直線的調整軸線に沿って、特に縦方向に調整できることを企図する。この実施態様では、この発明による装置の特に簡単な構成が明らかになる。

少なくとも一方の支持要素が移動できる実施態様の他の再現は、少なくとも一方の支持要素が特に実質的に水平な旋回軸線を中心に旋回できることを企図する。少なくとも一方の支持要素の旋回可能な支持に基づいて、構成部材が均一且つ精密に機械的応力を、特に曲げ応力を作用できる。

前記実施態様では機械的応力の作用を均一且つ精密に構成するために、この実施態様の再現は、少なくとも二つの支持要素が互いに特に実質的に平行な旋回軸線を中心に両方向に旋回できることを企図する。

前記実施態様では、機械的応力を構成部材に作用させる手段が完全に或いは部分的に支持要素或いは一方の支持要素によって形成されている。けれども、このこの発明によると、機械的応力を構成部材に作用させるために、別の配列を設けることが可能であるので、支持要素が専ら構成部材の支持に用いられる。このために、この発明による教示の再現は、機械的応力を構成部材に作用させる手段が構成部材に作用させるためにこの構成部材と接触できる作用要素を有することを企図する。

前記実施態様では、原則的には、作用要素をレーザーが配置されている構成部材の作用要素面に配列することが可能である。それで、例えば、レーザー放射に使用された波長の高透過性材料から成り且つレーザーの放射路に配置されている作用要素を使用することが可能である。この形式では、作用要素が構成部材に直接にレーザーの作用領域で、即ち分離地域に機械的応力を作用させる。この実施態様では作用要素によりこの発明による装置の構成を簡単且つそれで安価に構成するために、再現は、作用要素が構成部材のレーザーと反対を向いた側面に配置されていることを企図する。

この発明によると、任意の数の作用要素が使用され得る。

作用要素を備える実施態様の他の再現は、作用要素が隙間に配置されていることを企図する。

原則的には、作用要素が機械的応力を構成部材に作用させるために適した任意の形式に形成され得る。作用要素を特に簡単に構成するために、この発明による教示の好ましい再現は、作用要素が構成部材に圧力を作用させる圧力要素として形成されていることを企図する。構成部材の圧力作用は、この発明によると、特に曲げ応力を構成部材に発生させるために用いられる。

前記実施態様の再現は、作用要素が構成部材上を転がる車輪として形成されていることを企図する。この実施態様では、構成部材の圧力作用が簡単な形式で可能とされ、作用要素と構成部材の間に過剰に強い摩擦を生じない。

前記実施態様の再現は、車輪が運動方向に分離地域に沿ってレーザー光線を追走することを企図する。この実施態様では、機械的応力は、構成部材の材料がレーザー光線の照射後に冷却され、それにより熱誘導された応力亀裂を生じる領域にに発生される。この形式では、熱誘導され且つ機械的な応力が分離地域の同じ箇所に作用する。

この発明は、次に、この発明による装置の簡略的な実施例が図示されている添付された概略的図面に基づいて詳細に説明される。

図面の各図では、同じ或いは一致する構成部材は同じ参照符号を備えている。

図１には、分離地域の構成部材における熱誘導された応力亀裂の発生によって脆性材料、例えばガラス、セラミックス、ガラスセラミックスなど製の構成部材を切断加工するこの発明による装置の第一実施例が図示されている。この装置２はこの実施例ではガラス板により形成された構成部材４を切断するために用いられる。この装置２は、構成部材がレーザー光線を同時に或いは時間的に連続して熱誘導された応力亀裂を形成させる分離地域に沿って実質的に同じ箇所或いは互いに僅かに間隔を置いた箇所に部分吸収の下で少なくとも部分的に二回透過されるように、加工すべき構成部材にレーザー光線８を向けるレーザー６を有する。このために、この装置２はレーザー６と反対を向いた面に配置された第一反射体１０とレーザー６の面に配置された第二反射体１２とを有する。この装置２の作動の際には、レーザー光線８が反射体１０と１２の間に前後反射されるので、構成部材がレーザー光線８を部分吸収の下で数回透過される。レーザー光線８の数回透過の種類と形式に関して、特許文献１２に、特にその図３に示されている。

構成部材４を支持するために、装置２はこの実施例ではこの発明によると二つの平らな支持要素１６、１８に形成されている支持面１４を有し、それら支持要素にはそれぞれ一個の支持面部分１３、１５が、それら支持要素の間には隙間２０が形成されていて、その隙間には、図１から明らかなように、第一反射体１０が配置されている。この実施例では、それによりレーザー光線８が支持要素１６と１８の間の隙間２０に向けられている。

この発明によると、構成部材４に機械的応力を作用させる手段が設けられていて、この実施例では、引き続いて図２に基づいて詳細に説明されるように、支持要素１６、１８によって形成されている。

図２は、構成部材４が機械的応力、即ち曲げ応力を作用される状態における図１による装置１を示し、機械的応力が構成部材４にレーザー光線８の照射によって生じる熱誘導された応力に重ねられる。構成部材４に機械的応力を作用させる手段は、この実施例では、支持要素１６、１８によって形成され、これら支持要素が互いに相対的に且つ構成部材４の表面に対して垂直に移動でき、即ち互いに平行な旋回軸線２２、２４を中心に互いに反対に旋回できる。図２に示されるように、構成部材４は支持要素１６、１８の互いに反対に旋回する際に湾曲されるので、隙間２０の上部に存在する分離地域には機械的曲げ応力が形成され、この曲げ応力はレーザー光線８によって発生された熱誘導された応力に重ねられる。図示された実施例では、構成部材４に機械的応力を作用させることによって構成部材４に達成された応力分布の最大値が隙間２０の領域に位置する。機械的曲げ応力によってレーザー光線８によって発生された熱誘導された応力亀裂の拡張が促進されて実質的に加速される。

必要な場合には、少なくとも一方の支持要素１６、１８が、図１と２に図示された実施例では、支持要素１８が構成部材４の表面と平行に移動でき、図１において矢印２６、２８によって示されている。この形式では、支持要素１８の「浮動する」支持が達成される。

図３には、図１による実施例とは、専ら支持要素１８が旋回軸線２４を中心に旋回でき、その間に支持要素１６が場所固定式に配置されていることが相違しているこの発明による装置２の第二実施例が図示されている。

図４には、図１による実施例とは、構成部材４に機械的応力を作用させる手段が支持要素１６、１８によって形成されず、むしろ多数の個別作用要素３０が設けられ、この作用要素の構成部材４に向いた面には第一反射体１０が形成されていることが相違しているこの発明による装置２の第三実施例が図示されている。作用要素３０は構成部材４に機械的応力を作用させるように、構成部材と接触でき且つこのために、図示された実施例では縦方向に移動でき、図４において矢印３２によって示されている。構成部材４に機械的応力を作用させるために、作用要素３０は構成部材４と接触されて、圧力を構成部材４に及ぼすので、同じ曲げ応力を形成される。

図５には、図４による実施例とは、作用要素３０がレーザーが配置されている構成部材４の側面に配置されていることが相違しているこの発明による装置２の第四実施例が図示されている。作用要素３０はこの実施例では、レーザー放射に使用された波長の高透過性材料から成り、図５に図示されるように、レーザー光線８により透過される。

図６には、図５による実施例とは、作用要素が構成部材４上を転がる車輪３４によって形成されていることが相違しているこの発明による装置２の第五実施例が図示されている。

図７から明らかなように、車輪３４は図７に矢印３６によって示されていた運動方向に分離領域に沿ってレーザー光線８を追走する。

図８には、図１乃至７による実施例とは、支持面１４が二つの支持要素に形成されず、むしろ唯一の支持要素３８に形成されていることが相違しているこの発明による装置２の第六実施例が図示されている。支持要素３８は曲げ易い材料、例えば適した弾性モジュールをもつエラストマーから成る。構成部材４に向いた面には、支持要素３８がこの実施例では箔状に形成され且つ支持要素３８に貼り付けられる反射体１０を支持する。反射体１０はそれにより支持面１４を形成する。図８に図示された実施態様は、さらに構成部材４に圧力を作用できる棒状に形成された圧力作用要素４０を有する。図８に図示された実施例の機能は次のようである：

図８に図示されていないレーザーによって発生された熱誘導された応力と機械的応力とを重ねるために、圧力作用要素４０は矢印４２の方向に作用する圧力を構成部材４に及ぼし、この圧力に基づいて構成部材４が支持要素３８と反射体１０と一緒に曲げられる。この形式では、機械的応力が構成部材４にもたらされる。この場合には圧力作用要素４０から及ぼされた圧力は、圧力作用要素が定義された形式で熱誘導された応力亀裂の形成を促進するように、選定されている。

構成部材が機械的応力を作用されていない状態におけるこの発明による装置の第一実施例の示された斜面側面図を示す。 構成部材が機械的応力を作用されている状態における図１による実施例を図１と同じ表示で示す。 この発明による装置の第二実施例を図２と同じ表示で示す。 この発明による装置の第三実施例を図２と同じ表示で示す。 この発明による装置の第四実施例を図２と同じ表示で示す。 この発明による装置の第五実施例を図２と同じ表示で示す。 図６による装置の側面図を示す。 この発明による装置の第六実施例を図２と同じ表示で示す。

符号の説明

２．．．．．装置
４．．．．．構成部材
６．．．．．レーザー
８．．．．．レーザー光線
１０、１２．．．反射体
１４．．．．支持面
１６、１８．．．支持要素
２０．．．．隙間
２２、２４．．．旋回軸線
３０．．．．作用要素
４０．．．．圧力作用要素

Claims (16)

1. 構成部材がレーザー光線を同時に或いは時間的に連続して分離地域に沿って実質的に同じ箇所に或いは互いに僅かに間隔を置いた箇所に部分吸引の下で少なくとも二回に部分的に透過されるように、加工するべき構成部材にレーザー光線を向けるレーザーと、
   加工中に構成部材を支持する支持面と、
   熱誘導された電圧亀裂を促進させるように機械的応力を構成部材に作用させる手段とを備えて、
   分離地域の構成部材に熱誘導された応力亀裂の発生によって脆性材料、例えばガラス、セラミックス、ガラスセラミックスから成る構成部材を切断加工する装置において、
   支持面（１４）が第一位置と第二位置の間に互いに相対的に移動できる少なくとも二つの支持面部分（１３、１５）を有し、構成部材（４）が第一位置にて実質的に自由に機械的応力により支持され、第二位置にて熱誘導された応力亀裂を促進させるように機械的応力を作用されることを特徴とする装置。
2. 支持面部分（１３、１５）が第一位置にて実質的に共通平面に且つ第二位置にて少なくとも部分的に異なった平面に位置することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 支持面部分（１３、１５）がそれぞれに支持要素（１６、１８）に形成されていることを特徴とする請求項１或いは２に記載の装置。
4. 支持要素（１６、１８）の間に少なくとも一つの隙間（２０）が形成されていて、この隙間にレーザー光線（８）が加工中に向けられ、構成部材（４）に機械的応力を作用させる手段は、機械的応力が隙間（２０）の領域にて構成部材（４）に作用するように形成されることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 構成部材（４）に機械的応力を作用させる手段は、機械的曲げ応力を構成部材（４）に作用させるように形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの一項に記載の装置。
6. 機械的応力を構成部材（４）に作用させることにより構成部材（４）に達成された応力分布の最大値が隙間（２０）の領域に位置することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの一項に記載の装置。
7. 支持要素（１６、１８）の少なくとも一方は、機械的応力を構成部材（４）に作用させる手段が少なくとも部分的に支持要素（１６、１８）によって形成されるように、構成部材（４）の表面に対して垂直に移動できることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの一項に記載の装置。
8. 支持要素（１６、１８）の少なくとも一方は、直線調整軸線に沿って特に縦方向に調整できることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 支持要素（１６、１８）の少なくとも一方は、特に実質的に水平旋回軸線（２２、２４）を中心に旋回できることを特徴とする請求項７或いは８に記載の装置。
10. 少なくとも二つの支持要素（１６、１８）が互いに好ましくは実質的に平行な旋回軸線（２２、２４）を中心に反対に旋回できることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 機械的応力を構成部材（４）に作用させる手段が、構成部材（４）に作用させるためにこの構成部材と接触できる少なくとも一つの作用要素（３０）を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかの一項に記載の装置。
12. 作用要素（３０）が構成部材（４）のレーザー（６）と反対を向いた側面に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 作用要素（３０）が隙間（２０）に配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 作用要素（３０）が構成部材（４）に圧力を作用させる圧力要素として形成されていることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれかの一項に記載の装置。
15. 作用要素（３０）が構成部材（４）上を進行する車輪（３４）として形成されていることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれかの一項に記載の装置。
16. 車輪（３４）が運動方向に分離地域に沿ってレーザー光線（８）を追走することを特徴とする請求項１５に記載の装置。

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