JP4024850B2 - ガラスシートを破断する方法 - Google Patents

Description

発明の属する技術分野
本発明は、ガラスシートを破断する方法に関し、特に詳しくは、ガラスの破断操作中にガラスシートを保護する方法に関するものである。
発明の背景
通常、板ガラスを連続シートとして製造し、この連続シートを大型ガラスシート製品に切断している。これらの大型ガラスシートは通常、末端製品に必要とされるサイズにさらに切断される。
以前は、ガラスシートは典型的に、分離を意図した線に沿ってガラスに機械的に刻み線をつけることにより、小さなシートに分割されていた。次いで、シートを刻み線の下に曲げて、ガラスを別々のシートに破断した。この方法では、刻み線をつける作業中、およびガラスシートを曲げて刻み線に沿って破断するときの両方で、多数のガラスチップが生じていた。寸法および表面の品質に関する要望が比較的緩い建築用ガラスおよび自動車用ガラスのような用途に関しては、そのような方法で十分であった。
しかしながら、今ではガラスシートは、より高度な寸法と表面の品質が要求される用途に用いられてきている。そのような用途の１つに、液晶表示（ＬＣＤ）板のような平板表示装置がある。
ガラスの破断操作中に生じるガラスチップの数を最小にするために、様々な方法が提案されている。ある方法においては、ガラスシートのまさに縁でガラスを機械的にけがくかまたは研磨して、亀裂開始点を形成している。次いで、所望の分離線に沿ってレーザを用いることにより、この亀裂をガラスシートに横切らせる。このような工程はさらに、例えば、ＰＣＴ出願国際公開番号第ＷＯ93/20015号に記載されている。この特許出願をここに引用する。レーザがガラスを加熱し、ガラスシート内に、亀裂を伸張させる応力を生じさせる。レーザを動かすことにより、亀裂がシートを横切って移動する。レーザを冷却水流またはジェットと組み合わせて用いて、この操作を改良しても差支えない。
これらの破断工程は、破断工程を補助する機械的力の有無にかかわらず行なうことができる。機械的に刻み線をつけることがないので、シート破断工程中に形成されたガラスチップの数が大幅に減少する。さらに、側面の亀裂または傷の数もまた著しく減少する。
しかしながら、まだ、水、埃、ごみ、およびガラス破断工程中に依然として必然的に生じるガラスチップからガラスシートを保護する必要がある。このことは特に、ＬＣＤおよび他の平板表示装置に使用すべきガラスシートに当てはまる。ＬＣＤ用途のガラスシートは典型的に、破断操作後にさらに加工される。このさらなる加工には、できるだけ表面が清潔であることが必要とされる。
発明の概要
本発明のある形態は、平らなガラスシートを製造する方法に関するものである。この方法においては、ガラスシートの少なくとも１つの主要表面が、ガラス破断操作前に保護材料の層により被覆されている。次いで、保護材料の一部が、ガラス破断操作の前または最中のいずれかに、レーザビームと接触することにより選択的に除去される。保護層は、蒸発できるか、さもなければレーザビームと接触することにより選択的に除去される材料から実質的になっていてもよい。次いで、ガラスシートをレーザと接触させて、ガラスを所望の分離線に沿って２つの部分に分離する。この分離線は、保護層が選択的に除去されている区域に位置している。このようなレーザ分離技術の１つには、一方の縁でガラスシートに刻み線をつけて亀裂開始点を形成し、次いでレーザを用いてこの亀裂をガラスシートに伸張させる工程がある。
保護層は好ましくは有機材料である。好ましい有機材料の例としては、ポリエチレン、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレートのような）、ナイロン、ポリプロピレン、およびポリエチレン共重合体（例えば、エチレン−酢酸ビニル共重合体）のような、それらの共重合体からなる群より選択されるものが挙げられる。
ある実施の形態において、レーザビームを最初にガラスシートを横切るように通過させて、保護層の一部を選択的に除去して、レーザビームを２回目に通過させて、亀裂をガラスシートに横切るように伸張または延ばしている。これら２回の通過は、同一のレーザまたは２つの異なるレーザを用いて行なっても差支えない。
あるいは、１つのレーザビームを１回通過させて、保護層を除去し、かつ亀裂をシートに横切るように伸張させてもよい。レーザを１回通過させるときに、保護層の選択的な除去および亀裂の伸張は同時に、またはほぼ同時に行なわれる。
ガラスの破断操作前にガラスシートの大部分を被覆することにより、刻み線つけ操作または破断操作中に必然的に生じてしまうチップ、並びに周囲の雰囲気中に存在するごみまたは埃からガラス表面が保護される。
【図面の簡単な説明】
第１図および第２図は、本発明によるガラス破断操作を示す部分的な概略図である。
第３図は、本発明による別のガラス破断操作を示す部分的な概略図である。
発明の詳細な説明
本発明は、所望の分離線に沿ってガラスシートを破断させる装置に関するものである。本発明の装置においては、ガラスシートの表面の大部分は、ガラス破断操作中に保護されている。その結果、本発明は、液晶表示装置および他の平板表示装置に使用されているもののような、清潔な表面を必要とするガラスシートを製造するのに有用である。
第１図に示したように、本発明のガラス破断装置において、ガラスシート10には上側と下側の主要表面11がある。これらの主要表面11の少なくとも１つは、ガラスシート破断操作前に保護材料の層12により被覆されている。
この保護層は、蒸発できるか、さもなければレーザビームと接触することにより選択的に除去される材料から実質的になっていてもよい。保護層は好ましくは有機材料である。好ましい有機材料の例としては、ポリエチレン、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレートのような）、ナイロン、ポリプロピレン、およびポリエチレン共重合体（例えば、エチレン−酢酸ビニル共重合体）のような、それらの共重合体からなる群より選択されるものが挙げられる。保護層はガラスシートの機能表面前面に亘り施され、この層の一部が、レーザを用いてガラスシートを分離する前または同時に除去される。
保護層に選択される材料に依存して、接着性材料を用いて、保護層とガラス表面との接着力を増進させることが望ましいかもしれない。好ましい接着剤の群は、アクリルをベースとした接着材料である。
保護コーティング12は、例えば、ロールまたはシート形態に貯蔵されている有機材料のフイルムまたは層を施すことにより、ガラス表面に施しても差支えない。保護コーティング12は、ガラス破断操作の前に、いかなる形態のガラスシートに施してもよい。例えば、保護コーティング12は、フロート（flaot）ガラス工程において製造されたもののような、連続ガラスシートに施しても差支えない。あるいは、保護コーティング12は、シートをより小さなシートに分離する前に、大きなガラスシートに施しても差支えない。より小さなシートに分離すべきガラスシートに施す場合には、有機材料を、元のシートの表面に施すときに、そのサイズに切断してもよい。あるいは、保護層を、ガラスシートに施す前に、所定のサイズに予め切断しても差支えない。
別の実施の形態において、保護コーティング12が、紫外線への暴露により硬化可能な液体として施されている。このような液体は、例えば、液体塗布ローラ（図示せず）を用いるような、ＵＶ硬化性有機コーティングを施す従来の技術を用いて施すことができる。液体をガラスシートに施した後、紫外線に暴露することにより液体を硬化させ、ガラスシート10上に保護有機コーティング12を残す。
好ましい実施の形態において、低密度ポリエチレン保護層がロール形態で貯蔵されており、このロールがガラス上に位置している。ガラスがロールの下で移動するときに、ポリエチレン層12がロールから展開され、ガラス表面11に施される。ポリエチレン層は、ガラスシートに対する接着力を増進させるアクリルベースの接着材料により被覆されている。次いで、ガラスシート10と保護層12が１組のローラ（（図示せず）の間に挟まれて、保護層のガラスへの接着力を増進させる。
ガラスシート10の主要表面11を保護層12により被覆した後、保護層12の一部を選択的に除去する。第１図において、このことはレーザ16を用いて行なわれる。レーザ16は、ビームスポット18としてガラスシート上に作用するレーザビーム17を方向つける。レーザ16はガラスシート10を横切って走査するときに、レーザビーム17が、ビームスポット18が接触する保護コーティング12の部分を蒸発させる。このようにして、保護コーティング12の一部が選択的に除去されている、ガラスの区域14が形成される。図示したように、レーザ16は、細長い楕円形のビームスポット形状を有している。しかしながら、他のスポット形状を用いても差支えない。
保護コーティング12の一部を選択的に除去した後、ガラスシート10を選択的に除去された区域14において破断する。このようにして、ガラスシートのほとんどが、ガラス破断操作中に保護されている。
第２図に示したように、ガラスシート10を、レーザ分離技術を用いてより小さなシートに分離する。ガラスシート10に、選択的に除去された区域14においてガラスシートのある縁に沿って最初に刻み線をつけて、ガラスシート10の縁で亀裂開始点19を形成する。次いで、この亀裂開始点19を用いて、所望の分離線の通路においてガラスシート10をレーザ16に２回目に横切らせることにより、亀裂20を形成する。レーザは、所望の分離線に沿った局部区域においてガラスシートを効果的に加熱する。局部的に加熱された区域においてガラスシートの熱膨張が、レーザが移動した通路に沿って亀裂を伸張させる応力を発生させる。所望であれば、ウォータージェット22により冷却水を施して、応力の分布を向上させ、それによって、亀裂の伸張を増進させても差支えない。機械的に刻み線をつけていたより慣習的な方法ではなく、レーザ破断技術を用いることにより、機械的に刻み線をつけることにより生じた多くのガラスチップが避けられる。
ガラス破断操作に用いるレーザビームは、切断すべきガラスの表面を加熱できなければならない。同様に、保護プラスチック層を除去するのに使用するレーザビームは、プラスチック材料を蒸発できなければならない。その結果、レーザ放射線は好ましくは、ガラスおよびプラスチックにより吸収され得る波長にある。このようになるためには、放射線は好ましくは、９−11μｍの波長を有するＣＯ₂レーザのビーム；または５−６μｍの波長を有するＣＯレーザ、または2.6−3.0μｍの波長を有するＨＦレーザ、または約2.9μｍの波長を有するエルビウムＹＡＧレーザのような、２μｍを越える波長の赤外線範囲にあるべきである。材料の表面が加熱されているときに、最大温度が、材料の軟化点を越えないべきである。材料の軟化点を越えてしまうと、ガラスが冷却された後に残留熱応力が生じて、亀裂が生じてしまうかもしれない。
ガラスにおいて、亀裂20が、加熱され冷却された区域、すなわち、最大熱勾配の区域まで形成される。亀裂の深さ、形状および方向は、以下のいくつかの要因の主に依存する、熱弾性応力の分布により決定される：
・ビームスポットの出力密度、寸法および形状；
・ビームスポットと材料の相対的な移動速度；
・加熱された区域への冷却水の供給条件、品質および熱物理特性；および
・亀裂を形成すべき材料の熱物理特性および機械特性、厚さ、並びに表面状態。
異なる材料ごとの切断サイクルを最適化するために、主要パラメータと切断工程の変動要因との間で適切な関係を設立することが必要である。
ここのその明細書を引用する、ＰＣＴ出願国際公開番号第ＷＯ93/20015号に説明されているように、ビームスポット18の寸法および冷却水流が当たる区域からビームスポットまでの間隔に依存して、ガラス10を横切るビーム16の相対的な移動速度Ｖ、および亀裂20の深さｄは、以下の式により関連している：
Ｖ＝ｋａ（ｂ＋ｌ）／ｄ
ここで、
ｖはビームスポットと材料の相対的な移動速度であり；
ｋは材料の熱物理特性およびビームの出力密度に依存する比例係数であり；
ａはビームスポットの幅であり；
ｂはビームスポットの長さであり；
ｌはビームスポットの後方の縁から冷却された区域の前方縁までの距離であり；
ｄは目に見えない（blind）亀裂４の深さである。
材料を切断するのに用いるレーザビームの最大出力密度を求めるのに際して、材料の表面層の最大温度は軟化点を越えなくてもよい。このように、低い熱分割速度における低溶融グレードの厚いガラスには、約0.3×10⁶Ｗ／ｍ²の最小出力密度値が許容される。例えば、20×10⁶Ｗ／ｍ²の大きい出力密度値を用いて、高溶融石英ガラス、コランダムおよび他の材料を、高軟化点または高い値の熱伝導性のいずれかで破断してもよい。
ガラス10の表面温度は直接的にレーザビーム16への暴露時間に依存するので、円形断面の代わりに、楕円形のビームを用いて、同一の相対的移動速度で切断線に沿ってガラス10の表面の各々の地点を加熱する時間を延長する。このように、ガラス10の必要な加熱深さを維持するのには必須である、レーザビーム16の所定の出力密度、およびレーザビームスポットから冷却水スポットの前方縁までの距離が同一の状態で、移動方向でレーザビームスポットが拡大すればするほど、レーザビームスポットと材料の相対的移動に許容される速度が大きくなる。
好ましい実施の形態において、亀裂20のみが、ガラスシート10の深さに部分的に延在する。好ましくは、亀裂20の下で曲げモーメントを加えることにより、ガラスシートをより小さなシートに最終的に分離する。従来の曲げ装置（図示せず）および表面に刻み線をつける工程においてガラスシートを破断するのに用いられるような技術を用いることによって、このような曲げを行なっても差支えない。亀裂20は、機械的に刻み線をつけるのではなく、レーザガラス破断技術を用いて形成されているので、機械破断操作中にガラスチップが形成されるのが、以前の技術と比較して、おおいに最小となる。
第１図および第２図に示した工程において、ガラス破断操作には、１つのレーザ16を２回通過させることが含まれる。１回目は、領域14の保護コーティング12を選択的に除去するためであり、２回目は、亀裂20を伸張させるためである。所望であれば、レーザ16の出力を、これらの通過の各々に関して、異なるように調節してもよい。あるいは、２つのレーザを用いても差支えない。第１のレーザは、保護層12の一部を選択的に除去するのに用い、第２のレーザは、亀裂20をガラスシートに横切らせるのに用いる。このように、第２図のレーザ16は、第１図のレーザ16と同一のレーザであってもなくてもよい。
第３図に示した好ましい実施の形態において、１つのレーザ16を１回通過させて、コーティングの選択的な除去および亀裂の伸張（それゆえ、レーザ16は用いられていない）の両方を同時に行なっている。第３図に示したように、レーザ16は、好ましくは、狭い楕円形の形状で、ガラスシート10の表面に作用する放射線を放出している。この楕円形の一部が亀裂20の両側まで延在するので、保護層12の一部が蒸発し、亀裂20の各々の側で除去される。同時に、レーザ16が移動して、亀裂20をガラスシート10に亘って伸張させる。除去される保護層12の幅はおおよそ、楕円の幅と等しい。好ましくは、レーザを適用することにより、亀裂が伸張する所望の通路の各々の側で約１−２ｍｍの保護層のストリップが除去される。
本発明の好ましい実施の形態において、デジタルコンピュータ（図示せず）のようなシステム制御装置がシステム機能的に接続されて、レーザおよび／またはガラスシート、並びにシステム上の他の移動部品の移動を制御している。このシステム制御装置は、従来の機械制御技術を用いて、システムの様々な構成部材の移動を制御している。好ましくは、システム制御装置は、メモリ内に貯蔵された様々な製造操作プログラムを用いる。各々のプログラムは、特定のサイズのガラスシートに関して、レーザまたはガラスシート（および必要であれば他の移動部品）の移動を適切に制御するように設計されている。
以下の実施例は、制限ではなくむしろ説明を意図しており、本発明による方法を示している。
実施例
これらの実施例において、ガラスシートを保護材料の層で最初に被覆した。保護材料の一部を選択的に除去し、上述したレーザ破断操作を用いて、シートをより小さなシートに分離した。
おおよそ、幅400ｍｍ、長さ400ｍｍ、厚さ1.1ｍｍのガラスシートを、メインテープ社が製造するＬＦＣ−３マスキングフイルムの層で被覆した。ＬＦＣ−３は、ロール形態で貯蔵された、約0.002インチ厚のポリエチレンフイルム材料であり、一方の側にアクリル接着剤が塗布されている。このフイルムを、接着剤がガラスシートに接触するようにガラスに施して、次いで、被覆したガラスを１組のローラの間に挟んで、フイルムのガラスシートへの接着力を増大させた。
プラスチックコーティングを選択的に除去し、以下の２つの工程を用いてガラスシートをより小さなシートに分離した。
実施例１
この実施例において、１つのＣＯ₂レーザを用いて、保護層12の一部の選択的な除去と、ガラスシート10のより小さなシートへの分離の両方を行なった。レーザ16を１回通過させて、保護層12を選択的に除去し、レーザ16を２回目に通過させて、ガラスシート10をより小さなシートに分離させた。
レーザ16は、ＰＲＣ社（07850ニュージャージー州、ランディング、ノースフロンテージロード）により製造された軸流デュアルビームＣＯ₂レーザ（モデル1200）であった。このビームは、3.14ｃｍ²のスポットサイズ（レーザを放出するレーザビームの面積）を有し、約70Ｗで運転され、約22Ｗ／ｃｍ²のビーム出力密度を有していた。レーザは、ガラス表面の保護層から約２メートルの所に位置していた。１組の円柱レンズをレーザとガラス表面との間のレーザの通路に配置して、レーザスポットを形作った。これにより、レーザが保護層に作用するレーザスポット形状を形成した。この形状は、細長く、長さが約3.3ｃｍであり、中央点で幅が約２ｍｍであるいくぶん楕円形であった。
ガラスを約250ｍｍ／分の速度でレーザ16の下で移動させた。レーザ16により、接触した保護層12（および接着剤）の全てを連続的に蒸発させ、保護層12を選択的に除去し、約２ｍｍ幅の除去ストリップ14を形成した。保護層12が除去された区域には、なにも残留せず、保護層12の残りを剥がす能力は弱まらなかった。
ガラスシート10をガラスシートの縁で手動で刻み目をつけて、亀裂開始点19を形成した。保護層が選択的に除去された区域14において、ガラスに刻み線をつけた。これによって、ガラスの上面の縁に、長さ約８ｍｍ、深さ約0.1ｍｍの小さな刻み線の形態にある亀裂開始点19が形成された。レーザ16が亀裂開始点19と接触するようにガラスを配置し、レーザ16の通路がレーザ16の最初の走査の通路と同一の通路に従うように、ガラスシート10を移動させた。その結果、レーザ16が保護層12の選択的に除去された部分14内で移動した。ガラスシート10を約250ｍｍ／分の速度で移動させた。レーザは、レーザがガラス表面に作用する面積でガラスを効果的に加熱した。レーザにより生じた局部加熱の結果、亀裂が、亀裂開始点19から始まり、レーザ16が従った通路に沿って続き、ガラス表面に亘って伸張した。この亀裂の深さは約0.1ｍｍであった。次いで、ガラスシートに手動で圧力を加え、レーザ形成亀裂に曲げモーメントを加え、ガラスシート10を２枚のシートに分離した。
この技術を用いると、レーザ形成亀裂は、機械的に刻み線をつける技術を用いて形成した刻み線と同様に機能する。しかしながら、レーザ技術を用いると、機械的に刻み線をつける技術に特有なガラスチップの形成が大幅に回避される。
この実施例においては、レーザ16は約250ｍｍ／分でガラスシート10を横切って移動したが、幅広い速度範囲が可能である。例えば、約50−80ワットの間のレーザ出力設定を用いて、150ｍｍ−450ｍｍ／分のガラス速度をうまく達成した。レーザビーム出力密度をさらに増加させることにより、高速度でさえ達成できると考えられる。
実施例２
この実施例において、レーザを１回通過させて、保護層を燃え切らせ、かつ亀裂をガラスシートに横切るように伸張させることの両方を行なう。レーザの出力を約80ワットまで増大させて、約25.47Ｗ／ｃｍ²のビーム密度としたことを除いて、実施例１に記載したものと同様の装置およびレーザを用いた。このようにやや出力を大きくすることにより効果的に、レーザを１回通過させただけで、保護層を燃焼させ、ガラスシートに刻み線をつけた。
ガラスシート10をレーザビーム17と接触させる前に、ガラスシート10をその縁に手動で刻み線をつけて、亀裂開始点19を形成した。次いで、レーザ16を亀裂開始点19に整合させ、ガラスシートを約250ｍｍ／分の速度で動かして、レーザに所望の分離線に沿ってガラスシート10を横切って移動させた。レーザは、約２ｍｍ幅の保護層12のストリップを効果的に除去した。これと同時に、レーザは亀裂開始点19を部分亀裂20の形態でガラスシート10を横切って伸張させた。亀裂20は約0.1ｍｍの深さであった。次いで、実施例１のように、手動でガラスを曲げることにより、ガラスシート10の破断を完了した。
上述した両方の実施例において、目に見えるようなガラスチップを形成せずに、ガラスシートをより小さなシートに分離した。これと同時に、ガラス表面の残りの部分は、保護層12により保護されている。
説明を目的として、本発明を詳細に記載してきたが、このような詳細は単にその目的のためであり、以下の請求の範囲に定義されている、本発明の範囲および精神から逸脱せずに、当業者が変更を行なえる。

Claims (5)

1. ２つの主要表面を有する平らなガラスシートに亀裂を形成する方法であって、前記主要表面の少なくとも１つをレーザビームで燃焼又は蒸発し得る有機材料の保護層で覆い、
   該ガラスシートの少なくとも１つの被覆された主要表面の上にレーザビームを１回走査して、
   前記保護層を燃焼又は蒸発させつつ所望の分離線に沿って前記ガラスシートに亀裂を形成することを特徴とする方法。
2. 前記亀裂が、前記ガラスシートの深さに部分的のみに延在することを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。
3. 前記走査の前に、前記主要表面の一方の上でガラスを研磨して亀裂開始点を形成し、前記走査が、前記亀裂開始点で前記ガラスシートをレーザビームに接触させ、該レーザビームを前記所望の分離線に沿って移動させるものであることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項記載の方法。
4. 前記有機材料が、ポリエチレン、ポリエステル、ナイロン、ポリプロピレンおよびそれらの共重合体からなる群より選択されることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項記載の方法。
5. 前記亀裂を形成した後に、前記ガラスシートを曲げて該シートを前記亀裂に沿ってより小さな２つのシートに分離する工程をさらに含むことを特徴とする請求の範囲第１項乃至第４項記載の方法。

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