JP3802442B2 - ガラス切断方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラスの切断方法および装置に関し、特に、レーザと冷却剤を利用してガラスを切断するにおいて、レーザビームの移動速度およびエネルギーを可変させ、レーザビームの形状を変更することによって、ガラスの切断速度および切断されたガラスの品質を向上させ得るガラス切断方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラスを切断するための代表的な装置にはレーザを利用したガラス切断装置があり、このレーザガラス切断装置は、楕円、Ｕ字またはＶ字形態のレーザビームを照射してガラス表面を加熱した後、直ちに冷却剤を噴射してガラスを切断する。
図９ａの温度勾配による従来のガラス切断方法は、レーザ１を利用して溶融温度以下にガラス２を加熱した後、冷却剤３を噴射してガラスを切断する方法であって、このガラス切断方法によって切断されたガラス２’が 図９ｂに示してある。
【０００３】
図１０ａの従来のガラス切断方法は、ガラス管２ｂに線を引き、レーザ１ｂを利用して楕円形状のレーザビームでガラス管を加熱した後、水に浸した綿布３ｂで冷却して前記ガラス管２ｂを切断する方法であって、このガラス切断方法によって切断されたガラス２ｂ’が図１０ｂに示してある。
また、図１１の従来のガラス切断方法は、楕円形状のレーザビームを照射するレーザ１ｃを利用してガラス２ｃを加熱した後、流体冷媒３ｃで加熱した部位を冷却して前記ガラス２ｃを切断する方法に関するものである。
【０００４】
図１２の従来のレーザガラス切断方法は、Ｕ字またはＶ字形状のレーザビームを照射するレーザ１ｄと冷却剤３ｄを使用してガラス２ｄを曲線形態に切断する方法に関するものである。
かかる従来のレーザガラス切断装置は、楕円、Ｕ字またはＶ字形態のレーザビームをガラスに照射してガラス表面を加熱した後、加熱されたガラス部位に液体や気体を噴射してその部位を冷却させることによってガラスを切断する。
【０００５】
一方、ガラス２を切断する前に、図１３に示すように、ダイヤモンドホイール４を使用して切断しようとするガラス２の開始部や終了部に刻み線を引く。
その後、刻み線の形成されたガラス２にレーザ１を一定な速度で前進させながらレーザビームを照射して加熱し、冷却剤噴射機を一定な速度で前進させながら加熱されたガラス部位に冷却剤３を噴射してガラス２を切断する。
【０００６】
すなわち、従来のレーザガラス切断装置は、ガラスの刻み線に沿ってレーザを一定な速度で移動させながら一定なエネルギーのレーザビームを照射して加熱した後、前記加熱されたガラス部位に冷却剤を噴射してガラスを冷却させることによってガラスを切断する。しかし、切断しようとするガラスの先端区間、中央区間および末端区間での加熱による熱応力分布が相異なるにもかかわらず、ガラスの先端区間から末端区間まで一定なエネルギーのレーザビームを一定な速度で移動させながら照射し加熱するため、ガラスの切断面が不揃いになる問題点があり、特に、ガラスの先端区間および末端区間ではガラスの切断が容易に達成されないという問題があった。
【０００７】
また、先端区間と末端区間でガラスに照射されるレーザビームのエネルギー密度が過度な場合は、ガラス面が急な加熱による熱衝撃によってその切断面が損傷され、逆に、レーザビームのエネルギー密度が小さい場合にはガラスの切断に長時間がかかるという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するために案出されたものであり、ガラスに照射されるレーザビームの移動速度およびエネルギーが、切断しようとするガラスの区間ごとに可変されるようにし、ガラスを迅速で高精度に切断できるようにしたガラス切断方法および装置を提供することにその目的がある。
本発明の他の目的は、ガラスにレーザビームを照射する際ガラス面に発生する熱衝撃を均一化して良好な切断面が得られるようにしたガラス切断方法および装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明によるガラス切断方法および装置は、切断しようとするガラスの仮想の切断線に沿ってレーザビームを移動させながら照射し、前記ガラスを加熱させる第１段階と、加熱されたガラス部位に冷却剤を噴射させて切断する第２段階と、を含めてなるガラス切断方法において、前記ガラスは、仮想の切断線に沿って先端区間、中間区間および末端区間に区画され、前記レーザビームの移動速度およびエネルギーはガラスの前記先端区間から中間区間まで漸次増加し、ガラスの前記中間区間から末端区間まで漸次減少することを特徴とする。
【００１０】
また、前記先端区間、中間区間および末端区間は各々複数個の小区間に分割され、各々の小区間内でのレーザビームの移動速度およびエネルギーは一定に保たれることを特徴とする。
また、前記レーザビームの移動速度はレーザビームのエネルギーの密度に比例して可変されることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明によるガラス切断方法および装置は、切断しようとするガラス面に照射されるレーザビームの幅が前端部より後端部が狭く形成され、レーザビームのエネルギーの密度がレーザビームの前端部より後端部が大きいことを特徴とする。
また、前記レーザビームはキーホール形状で形成されることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明によるガラス切断装置は、図１ないし図４に示すように、切断しようとするガラス１１に刻み線を形成するために短波長レーザビームを照射する刻み線ビーム発生部１２と、前記刻み線の形成されたガラス１１を加熱するために１次にレーザビームを照射する第１切断ビーム発生部１３と、前記加熱されたガラス１１が切断されるように前記ガラス１１に冷却剤を噴射する冷却剤噴射機１４と、前記冷却されたガラスを完全切断する第２切断ビーム発生部１５と、から構成される。
【００１３】
前記刻み線ビーム発生部１２から照射されたレーザビーム１２ａ、第１切断ビーム発生部１３から照射されたレーザビーム１３ａ、冷却剤噴射機１４によって噴射された冷却剤１４ａ、第２切断ビーム発生部１５から照射されたレーザビーム１５ａが各々ガラス１１に結ばれた像の形状が図４に示してある。
【００１４】
前記刻み線ビーム発生部１２は短波長レーザビーム１２ａを利用して非接触式食刻加工によって前記加工しようとするガラス１１に刻み線を形成する。前記刻み線の形成されたガラス１１の仮想の切断線に沿って前記第１切断ビーム発生部１３、冷却剤噴射機１４、第２切断ビーム発生部１５は公知の手段によって一体に移動される。
【００１５】
ここで、前記第１切断ビーム発生部１３からガラス１１に照射されるレーザビーム１３ａは、図５に示すように、レーザ用レンズの組合せによってキーホール形状に形成されて前記ガラス１１を加熱する。
また、前記キーホール形状のレーザビーム１３ａは、ガラスの切断進行方向に沿って前端部１３１と後端部１３２に区分され、前記前端部１３１は円形に形成され、前記後端部１３２は長方形に形成される。
【００１６】
前記後端部１３２の長さ(a)に対する前端部１３１の長さ(φ)の比(φ/a)は０．２ないし０．５が好ましく、前記後端部１３２の幅(b)に対する前端部１３１の幅(φ)の比(φ/b)は２ないし５が好ましい。また、前端部１３１のレーザビームのエネルギーの密度は後端部１３０のレーザビームのエネルギーの密度の４０％〜８０％が好適である。したがって、レーザビーム１３ａがガラスに照射される場合、前端部１３１のエネルギー密度が後端部１３２のエネルギー密度より小さいため、ガラスはレーザビーム１３ａの前端部１３１によって予熱された後、後端部１３２によって高い温度で加熱されることによってガラス表面に引張応力が増加され、切断速度が向上される。
【００１７】
一方、前記冷却剤噴射機１４から前記ガラス１１に噴射される冷却剤１４ａは、ガラス１１の冷却効果を増大させ得るように前記キーホール形状のレーザビーム１３ａが通過してから０．１〜０．５秒の後に長孔形状に前記ガラス１１に噴射される。その後、前記ガラス１１において冷却剤１４ａが噴射された中心部には過冷領域が、またその周辺には冷却領域が各々形成される。
前記第２切断ビーム発生部１５は、冷却剤１４ａが噴射されて１次切断されたガラス１１にレーザビーム１５ａを照射し加熱させて前記ガラス１１が完全に切断されるようにする。
【００１８】
前記ガラス１１の刻み線は、図１に示すように、刻み線ビーム発生部１２からガラス１１によく吸収される短波長レーザビームが照射されて前記ガラス１１切断部位の開始部と終了部に形成される。特に、本発明は、ガラスと接触しない非接触式ガラス切断装置を採用しているため、長時間使用しても刻み線形成のさい真直度が劣る恐れがなく、切断線が交差される部分にも適用され、特に、交差部の切断に有利である。
【００１９】
また、前記短波長レーザビームは１００nm〜６００nmの波長を有するレーザビームであり、波長が短いほど前記ガラス１１によく吸収され、効果が高い。仮に、波長が６００nm以上と長くなる場合は図２に示すように、前記ガラス１１の表面に染料を塗って前記短波長レーザビームがよく吸収されるようにする。
また、前記ガラス１１が加熱された後、１次切断のために冷却剤が使用されるが、その冷却剤としては気化性の強い物質を使用する。これにより、既存の気体冷却剤を使用した場合に比べて冷却効果をさらに向上させることができ、且つ冷却後冷却剤の残留物が空気中に直ちに気化されてガラス表面に残らないようにすることができる。
【００２０】
前記気化性の強い固体冷却剤としては、液体炭酸を空気中に噴霧するとき発生する固体炭酸粒子(ドライアイス)のように液体状態の物質を空気中に噴霧したとき固体状態に変化する物質を使用する。
仮に、前記冷却剤が直ちに気化されない液体冷却剤である場合は、冷却剤噴射機１４の次に冷却剤除去手段１４’を設置してガラス表面に残っている液体冷却剤を加熱し、前記ガラス１１の１次切断時に残った液体冷却剤を蒸発させることができる。
【００２１】
前記冷却剤除去手段１４’には追加のビーム発生部や熱風機および強力吸入機具を使用することができる。
本ガラス切断装置は、ガラスの切断品質を向上させるために前記ガラス１１切断部位の先端区間、中央区間、末端区間を必要に応じて各々複数個の小区間に再び分割した後、各々の小区間に照射されるレーザビームのエネルギー、噴射される冷却剤の量、レーザビームの移動速度および集束距離を制御して前記ガラス１１を切断することによって前記ガラス１１の開始部と終了部の品質を向上させると同時に、迅速にガラス１１を切断する。
【００２２】
このようにレーザビームのエネルギーおよび移動速度、冷却剤の噴射量を区間ごとに制御するために、本発明のガラス切断装置は、図７に示すように、レーザビームのエネルギーを変化させるパルス発生器１６と、前記冷却剤噴射手段１４から噴射される冷却剤の流量を調節する流量調節器１７と、前記レーザビームの移動速度およびビーム発生部１３とガラス１１との距離を調節する駆動部１８と、前記パルス発生器１６、流量調節器１７および駆動部１８の出力値を変化させるために信号を取り交わして前記各装置１６、１７、１８を制御する制御部１９と、からなる。
【００２３】
前述したように、本発明では区間別レーザビームの移動速度およびエネルギーを変化させるために、切断しようとするガラスをその長手方向に沿って先端区間、中央区間、末端区間に分け、再び前記先端区間を２〜４の小区間、前記中央区間を１〜２の小区間、前記先端区間を１〜３の小区間に分ける。また、前記先端区間の長さは１０〜８０mm、末端区間は２０〜６０mm、中央区間は前記先端区間および末端区間を除いた残り区間を全て含むように設定する。
【００２４】
前記区間別レーザビームの制御は、先端区間から中間区間に行くにつれてレーザビームの移動速度およびエネルギー密度は大きくなるようにし、中間区間から末端区間に行くにつれてレーザビームの移動速度およびエネルギー密度は小さくなるように制御する。
一方、各々の小区間内でのレーザビームの移動速度およびエネルギー密度は一定であり、各区間別レーザビームのエネルギー密度はレーザビームの移動速度に比例して変化する。
【００２５】
すなわち、加熱時熱応力分布の違いによって加熱および切断し難いガラスの先端区間および末端区間では小さいエネルギーのレーザビームを照射させながら徐々に移動されるようにし、中間区間はレーザビームのエネルギーと移動速度を増加させることによって、ガラスの切断品質を向上させるとともに、ガラスの切断が迅速に行われるようにする。
レーザビームのエネルギーは区間の位置にしたがって１０W〜１５０Wの範囲内で調節され、移動速度は１mm/s〜２００mm/sの範囲内で調節される。
【００２６】
本発明の一実施形態による区間別レーザビームの速度変化を図８に示す。
図８に示す本発明の実施形態は、切断しようとするガラスの全体長さは３００mmであり、前記ガラスは先端区間Ａ、中間区間Ｂおよび末端区間Ｃに区分され、前記先端区間Ａは２０mmの長さを有する４個の小区間に区分され、中間区間Ｂは長さ１２０mmと６０mmの２個の小区間に区分され、末端区間Ｃは長さ２０mmの２個の小区間に区分される。
レーザビームの移動速度およびエネルギーは、図８に示すように、区間Ａ₁から区間Ｂ₁に向かって漸次大きくなってから区間Ｂ₁から区間Ｃ₂に向かって漸次小さくなるように制御される。
【００２７】
【発明の効果】
本発明のガラス切断方法および装置では、加工しようとするガラスに照射されるレーザビームが低エネルギー密度の前端部と高エネルギー密度の後端部を有するため、レーザビームの照射時ガラスに発生される熱衝撃が極大化でき、前記ガラスの区間を分けて各区間別熱応力分布に好適にレーザビームの移動速度およびエネルギーを制御するため、ガラス切断面の品質を向上させ、ガラスの切断を迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガラス切断装置の刻み線ビーム発生部を示す斜視図である。
【図２】本発明によるガラス切断装置の刻み線ビーム発生部を示す斜視図である。
【図３】本発明によるガラス切断装置を示す斜視図である。
【図４】本発明によるガラス切断装置によってガラスに結ばれた像を示す平面図である。
【図５】本発明によるガラス切断装置のビーム発生部からガラスに照射されたレーザ ビームの像を拡大して示す平面図である。
【図６】本発明の他の実施形態によるガラス切断装置を示す斜視図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態によるガラス切断装置を示す斜視図である。
【図８】本発明によるガラス切断方法によるガラスの区間別レーザビームの移動速度とエネルギーの変化が表すグラフである。
【図９】従来のガラス切断装置の第１例とその切断例を示す斜視図である。
【図１０】従来のガラス切断装置の第２例とその切断例を示す斜視図である。
【図１１】従来のガラス切断装置の第３例を示す斜視図である。
【図１２】従来のガラス切断装置の第４例を示す斜視図である。
【図１３】従来のガラス切断装置のダイヤモンドホイールを示す斜視図である。
【符号の説明】
１１…ガラス
１２…刻み線ビーム発生部
１３…第１切断ビーム発生部
１４…冷却剤噴射手段
１５…第２切断ビーム発生部

Claims (9)

1. 切断しようとするガラスの仮想の切断線に沿ってレーザビームを移動させながら照射してガラスを加熱させる第１段階と、加熱されたガラス部位に冷却剤を噴射してガラスを切断する第２段階と、を含めてなるガラス切断方法において、
   前記ガラスは仮想の切断線に沿って先端区間、中間区間および末端区間に区画され、前記レーザビームの移動速度およびエネルギーはガラスの前記先端区間から中間区間まで漸次増加し、ガラスの前記中間区間から末端区間まで漸次減少することを特徴とするガラス切断方法。
2. 前記先端区間、中間区間および末端区間は各々複数個の小区間に再び分けられ、各々の小区間内でのレーザビームの移動速度およびエネルギーは一定に保たれることを特徴とする請求項１記載のガラス切断方法。
3. 前記レーザビームの移動速度はレーザビームのエネルギーの密度に比例して可変されることを特徴とする請求項１記載のガラス切断方法。
4. 前記先端区間の長さは１０〜８０mmであり、前記末端区間の長さは２０〜６０mmであることを特徴とする請求項１記載のガラス切断方法。
5. 前記レーザビームは、ガラスに結ばれる像の面積が広い前端部と狭い後端部を有するように照射され、前記前端部は後端部に比べてレーザビームのエネルギー密度が小さいことを特徴とする請求項１記載のガラス切断方法。
6. 前記レーザビームの前端部は円形に形成され、前記レーザビームの後端部は長方形に形成されて全体的な形状がキーホールの形状となることを特徴とする請求項５記載のガラス切断方法。
7. 前記後端部の長さに対する前端部の長さの比は０．２ないし０．５であり、前記後端部の幅に対する前端部の幅の比は２ないし５であることを特徴とする請求項５記載のガラス切断方法。
8. 前記前端部のレーザビームのエネルギー密度は後端部のレーザビームのエネルギー密度の４０％ないし８０％であることを特徴とする請求項５記載のガラス切断方法。
9. 加工しようとするガラスを加熱するために前記ガラスにレーザビームを照射するビーム発生部と、前記加熱されたガラスを切断するために前記ガラスに冷却剤を噴射する冷却剤噴射機とを含めて構成されたガラス切断装置において、
   ガラスの区間ごとに前記レーザビームのエネルギーの密度を調節するパルス発生器と、
   ガラスの区間ごとに前記ビーム発生部の移動速度を調節する駆動部と、
   前記パルス発生器および前記駆動部を制御する制御部とをさらに含めて構成されることを特徴とするガラス切断装置。

Images