JP5081087B2 - 平面ガラスシートの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラスシートの切断方法に関するものであり、特にガラス切断作業中においてガラスシートを保護する方法に関するものである。

従来、ガラス板を分割する際にレーザが使用されてきた。特許文献１には、ガラスシートを２分割するために、いわゆるブラインドクラックをガラスシートに横断して伝搬させる際にレーザ光を使用することが述べられている。この特許の一つの具体的形態としては、小さな切り目や切り込み目をガラスシートの片側につけ、その後レーザ光を使用して、ガラスシートを通じてクラックを形成してこの切り目や切り込み目を広げる。そのシートをその後、レーザ切り込みラインに沿って機械的切断により二つの小さなシートに分割する。そのような方法を効果的にするため、レーザ光をガラスシートの切り目や切り込み目の領域に接触させて、レーザとガラスシートを相対的に動かし、二つの小さなシートを形成するため、レーザ光を切り込みラインの所望行路で伝搬させる。レーザより下流にあるガラスの加熱表面部分に流体冷却剤の流れを向けることが望ましく、それによりレーザ光がガラスシートを加熱後に、ガラスシートはすばやく冷却される。このようにレーザによるガラスシートの加熱と水性冷却剤によるガラスシートの冷却により、ガラスシートを歪ませ、レーザ光と冷却剤が通った方向にクラックを広げる。
ＰＣＴ特許出願国際公開第ＷＯ９３／２００１５号 ＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ９３／００６９９号

特許文献２に述べられているような方法の一つの問題点としては、従来のガラス切断方法のタイプと匹敵するに十分な製造速度が得られないことがある。

さらに、ガウシアン強度分布を有する従来のレーザを使用した際には、レーザが良好に作用する動作範囲が狭くなってしまう。それゆえ、この動作範囲を広げることには利点がある。

本発明は、ガラスシートの切断方法に関するものであり、レーザビームの行路に沿ってクラックを誘導するために、ガラスシートを横断する所望行路でレーザビーム（および冷却剤は任意）を移動させる。これにより生じた熱勾配により、材料の表面層に引っ張り応力を発生させ、この応力がガラスの引っ張り強さを超えると、その材料はブラインドクラックが圧縮状態の領域へと下降して材料に入り込むようになる。その後レーザ光がガラスを横断すると、クラックがレーザ光に追従する。そのクラックの深さ、形状、方向は、応力の分布により決定され、ビームスポットのパワー密度、寸法、形状や、ビームスポットと材料の相対速度、加熱領域へ供給される冷却剤の性質や特性、クラックが入れられる材料の熱物理および機械的特性やその厚みなど、複数の要素に依存する。ガラス上におけるレーザスポットの強度形状もまた、使用できる最大速度を決定する際に重要な要素であることがわかった。本発明においては、レーザは非ガウシアンの強度形状を有する。一つの具体的形態において、レーザビームの強度は２ピークモード、すなわちＴＥＭ０１＊モードもしくはＴＥＭ１０モードで動作する。切断ラインに沿って表面層の非常に局所的な冷却を引き起こすために、ビームスポットの進行方向に沿って適当な冷却剤の流れを材料の領域に向けることが望ましい。

本発明によれば、公知の技術に比して、ガラス切断工程において、切断精度やガラスの切断面を損なうことなく、向上した切り込み速度が達成できるという点で優れている。

本発明は、レーザ切断技術を使用して所望切断ラインに沿ってガラスシートを切断するシステムに関するものである。図１に示すように、本発明のガラス切断システムにおいて、ガラスシート１０は上面および下面である主面１１を有する。ガラスシート１０はまず、ガラスシート１０の一端にクラック開始点１９を形成するため、ガラスシートの一端に沿って切り目や切り込み目がいれられる。このクラック開始点１９はその後、所望切断ラインの行路でガラスシートを横切ってレーザビーム１６を移動してクラック２０を形成するために用いられる。レーザ光は、所望切断ラインに沿った局所領域においてガラスシートを効果的に熱する。その結果生じた局所加熱領域内のガラスシートの温度拡張により、レーザが伝搬する行路に沿ってクラックを広げる応力が生じる。応力分布を高めそれによりクラックの伝搬を促進するため、水ジェット２２により水冷却剤を付加することが望ましい。機械的な切り込みを使用する従来の方法ではなくてこのレーザ切断方法を使用することにより、機械的な切り込みの場合に生じる多くのガラスチップの生成が避けられる。

ガラス切断工程に使用されるレーザビーム１６は、カットするガラス表面を熱しなければならない。結果的に、レーザの放射光はガラスが吸収する波長であることが望ましい。このことが生じるためには、放射光は２μｍ以上の波長の赤外線であることが望ましく、例えば波長９−１１μｍのＣＯ２レーザ、波長５−６μｍのＣＯレーザ、波長２．６−３．０μｍのＨＦレーザ、波長約２．９μｍのエルビウムＹＡＧレーザなどのビームが望ましい。材料表面が加熱される際には、その最大温度は材料の融点を超えてはならない。もし材料の融点を超えると、ガラスが冷却した後に残留熱応力が生じ、クラックが生じてしまう。

クラック２０は、最大熱勾配の領域である加熱および冷却領域の界面に向かってガラス中に形成される。クラックの深さ、形状、方向は、熱弾性応力の分布により決定され、主に以下の複数の要素に基づく。

−ビームスポットのパワー密度、寸法、形状；
−ビームスポットと材料の相対移動速度；
−熱物理特性、質、加熱領域に対する冷却剤の供給条件；
−クラックを入れる材料の熱物理的および機械的特性、その厚み、および表面状態
異なる材料に対して切断サイクルを最適化するためには、主なるパラメータと切断工程の変数との間の適当な関係を確立することが必要である。国際特許出願国際公開第ＷＯ９３／２００１５号に説明されているように、ビームスポット１８の寸法と冷却水が流れる領域からの間隔に依存して、ガラス１０を横切るレーザ１６の相対変位の速度Ｖとクラック２０の深さｄは次式の関係である。

Ｖ＝ｋａ（ｂ＋ｌ）／ｄ
ここで、Ｖはビームスポットと材料との相対移動速度で、ｋは材料の熱物理特性とビームのパワー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、ｂはビームスポットの長さ、ｌはビームスポットの近接端から冷却領域の前端までの距離、ｄはブラインドクラック４の深さである。

材料を切断する際に使用するレーザビームの最大パワー密度を決定するに際して、材料表面層の最大温度はその融点を超えてはならない。したがって、小さい熱分割速度において、低溶解度の厚いガラスに対しては、約０．３×１０^６Ｗ／ｍ^２の最小パワー密度が許容される。高融点や高い熱伝導を有する高溶解の石英ガラスやコランダムや他の材料を分割するには、例えば２０×１０^６Ｗ／ｍ^２のようなより大きなパワー密度のレーザビームが使用できる。本実験のほとんどにおいては、１５０〜３００ワットのパワーのＣＯ２レーザを使用したが、より高いパワーのレーザを使用すればより成功したと思われる。

レーザは各端部のミラーにより規定される共振器内で生じるレーザ発振により動作する。安定な共振器の概念は、共振器を通る光線の光路の追跡により最も明確化することができる。安定性の閾値には、レーザ共振器の軸に平行な光線が二つのミラー間を前後に永久にその間を損失なく反射した場合に達する。

安定基準に達しない共振器は光線が軸からそれるため不安定共振器と呼ばれる。不安定共振器には多くの種類がある。一つの簡単な例としては平面ミラーに対する凸面球面ミラーのタイプがある。異なる直径の凹面ミラー（大きなミラーからの反射光が小さなミラーの端部周辺から逃げてしまう）や、対の凸面ミラーなどが他に含まれる。

共振器のその二つのタイプは異なる利点と異なるモードパターンを有する。安定な共振器はレーザ軸に沿って光を集中させ、その領域から効率よくエネルギーを抽出するが、軸から離れた外周領域からはエネルギーが効率よく抽出されない。それにより生じるビームは中心に強度ピークを有し、軸から離れるにつれ強度がガウシアン的に減衰する。これは低利得の持続波レーザとともに使用される標準的なタイプのものである。

不安定共振器は、より大きな体積にわたってレーザ共振器の内部の光を広げようとする。例えば、出力ビームは、軸周りにリング状の強度ピークを有する環状の形状を有したりする。

レーザの共振器には、横モードと縦モードの二つのタイプの異なるモードがある。ビームの断面形状すなわち強度パターンにおいて、横モードが存在する。縦モードは、レーザの利得帯域内の異なる周波数もしくは波長で生じるレーザ共振器長による異なる共振モードに相当する。単一縦モードで発振する単一横モードレーザは単一周波数で発振し、二つの縦モードで発振するものは二つの独立した波長で（通常近接した間隔で）同時に発振する。

レーザ共振器内の電磁界「形状」は、ミラーの曲率、間隔、放電管の空洞直径に依存する。ミラーの配列や間隔および波長がわずかに変化しても、レーザビームの「形状」（電磁界）は大きく変化してしまう。その「形状」やビームの空間エネルギー分布を述べる際に特別な術語を展開したが、ここでは横モードは二方向のビーム断面に表れる極小値の数に従って分類される。最も低次モードすなわち基本モードは中心に強度のピークがあり、ＴＥＭ００モードとして知られる。これは図３に示されるようなガウシアン強度分布を有する従来使用されてきたレーザである。一軸に沿っては極小値が一つで、その垂直方向の軸に沿っては極小値のないモードは、ＴＥＭ０１＊またはＴＥＭ１０であり、それらはその方位によって決定される。ＴＥＭ０１＊モードの強度分布の例が図２に図示されている（ビームを横切る距離ｄに対するビーム強度Ｉ）。ほとんどのレーザのアプリケーションでは、ＴＥＭ００モードが最も望ましいと考えられている。しかしながら非ガウシアンモード例えばＴＥＭ０１＊モードやＴＥＭ１０モードのビームが、ガラス表面へより均一にレーザエネルギーを送り込むために使用できることがわかった。結果的に、レーザがガウシアン強度分布を有する場合よりも低いパワーでより高いレーザ切り込み速度が達成できることがわかった。さらに、レーザ切り込み工程が拡大されたその動作範囲により、より広い範囲のレーザパワーを使用することができる。これは非ガウシアンレーザビームにより、ビーム全体にわたってエネルギー分布の均一性をより向上することができるためだと思われる。

図２に示されるレーザビームはリング状である。このように、図２に示されるパワー分布はリング状のレーザビームのパワー分布の断面である。少なくとも一対の強度ピークが、それより低いパワー分布である中心領域の外周部に位置するような非ガウシアンビームが本発明において望ましい。このように、レーザビームの中心がレーザビームの少なくとも複数の外周領域のパワー強度よりも低いパワー強度を有することが望ましい。この低いパワー中心領域は、完全に０パワーレベルになってもよく、その場合レーザビームは１００％のＴＥＭ０１＊パワー分布となる。しかしながら、レーザビームは２ピークモード、すなわち図２に示されるように、中心領域のパワー分布が単に外周領域のパワー分布以下に低下しているＴＥＭ０１＊モードとＴＥＭ００モードの組み合わせといった一つ以上のモードのレベルを組み合わせたものでもよい。ビームが２ピークモードの場合、そのビームは、５０％以上がＴＥＭ０１＊モード、さらに好ましくは７０％以上がＴＥＭ０１＊モードで、その残りがＴＥＭ００モードとする組み合わせが望ましい。

ガラス１０の表面温度はレーザビームにさらされる時間に直接依存するので、円形断面の代わりに楕円形状のビームを使用することにより、同じ相対移動速度においては、切断ラインに沿ったガラス表面の各点の加熱時間を広げられる。このように、レーザビーム１６の規定のパワー密度で、ガラス１０を熱するために必要な深さを維持するために重要であるレーザビームスポットから冷却スポットの前端部までの距離が同じでありながら、レーザビームスポットがより移動方向に広がり、そしてまたレーザビームスポットと材料との相対速度をより許容可能なものとするだろう。

本発明においては、レーザスポットは極度に細長い形状、例えば楕円形状を有し、この細長い形状の長軸は、２０ｍｍ以上、より好ましくは３０ｍｍ以上、さらには４０ｍｍから１００ｍｍ以上であることが望ましい。レーザビームスポットの長軸は、ガラスシートを横切る所望切断ラインの伝搬方向にする。薄いガラスシート（１．１ｍｍもしくはもっと薄い）では、レーザビームスポットの長軸の最適長が所望伝搬速度に関係し、長軸ｂは一秒あたりの所望レーザ切り込み速度の１０％より大きいことが望ましい。このように、０．７ｍｍの厚みのガラスで所望レーザ切り込み速度５００ｍｍでは、レーザの長軸は少なくとも５０ｍｍの長さであることが望ましい。

本発明の好ましい具体的実施の形態として、クラック２０はガラスシート１０の深さ方向のみに拡がることが望ましい。ガラスシートをさらに小さいシートに最終的に分割するには、クラック２０に曲げモーメントを付与することによりなされることが望ましい。その曲げは、従来の機械的表面切り込み方法を使用する工程においてガラスを切断するために使用されるような従来の曲げ装置（図示していない）や技術により達成できる。クラック２０は機械的切り込みではなくレーザによる切断技術を使用しているので、機械的切断工程中に生じるガラスのチップの形成を、従来の技術と比較して最小限にできる。

本発明の好ましい具体的実施の形態として、デジタルコンピュータのようなシステム制御装置（図示していない）を、レーザやガラスシート、システム上の他の可動部品などの移動を制御するシステムに接続する。そのシステム制御装置はシステムの様々な部品の移動を制御するために従来の機械制御技術を用いている。システム制御装置はそのメモリ内に蓄積された様々な製造作動プログラムを使用し、各プログラムは、特定サイズのガラスシート用にレーザやガラスシート（さらには必要ならば他の可動部品）の移動を適切に制御するよう設計されることが望ましい。

以下の例では、本発明による方法を実証している。

例１
この例は、ガウシアンパワー分布を有するＣＯ２レーザの動作を示す比較例である。

レーザ１６はＰＲＣコーポレーションが製造したモデル１２００の軸流２ビームＣＯ２レーザであった。そのビームは約１２ｍｍのスポットサイズ（レーザの放出点でのレーザビームの直径）でガラス表面から約２メートルの場所に配置した。一対のシリンドリカルレンズを、レーザとガラス表面との間のレーザの光路内に配置し、レーザスポットを変形した。これにより、レーザがガラスにあたってできるレーザスポットが、長さ約４５−５０ｍｍで、その中間点で幅約０．１−０．１５ｃｍの細長い楕円形のビームとした。このレーザの共振器の基本モードはＴＥＭ００である。これが共振器で発振可能な唯一のモードであるとき、共振する００モードレーザは可能な限り小さな発散で伝搬し、最も小さなスポットサイズに集光されるであろう。例１では、レーザのパワー分布は、小さな内部開口とともにレーザ前端面で「平面」光カップラを利用することによりガウシアン（ＴＥＭ００モードで動作する）となった。

ガラスシート１０はクラックの開始点１９を形成するためガラスシートの端部に手動で切り込みをいれた。これにより、ガラスの上面の一端に、約８ｍｍ長で約０．１ｍｍの深さの小さな切り込みラインを形成してクラック開始点１９をつくった。ガラスシート１０は、レーザ１６がクラック開始点１９に接触するように配置され、ガラスシート１０を、以下の表１に記載されたパワーと速度で、レーザ１６の行路がガラスシートを横切る直線行路に沿うように移動させた。

表１
レーザ速度 ピークパワー（Ｗ） 成功率（％）
４００ｍｍ／ｓｅｃ １２０ １００
４２０ｍｍ／ｓｅｃ １２０−１６５ １００
４６５ｍｍ／ｓｅｃ １６５−１７５ １００
４７５ｍｍ／ｓｅｃ １６５−１７９ １００
４８０ｍｍ／ｓｅｃ １６８−１７９ ６６
５００ｍｍ／ｓｅｃ １８３−１８８ ３３
成功率の欄は、それに対応するパワー範囲において達成された最もよいパフォーマンスを表す。１００％の成功率は、記述されたパワー範囲において、レーザがガラスシートを実質的に時間中１００％成功した動作パラメータがあったことを示している。

例２
例１に述べたものと同じ方法、装置およびレーザを使用し、レーザのパワー分布を変化させた。異なる光学形態として、より高次のモードを共振器内に発生させた。これらのモードは、例１で使用した００モードと同一軸状に重畳し、００モードに対して特定のサイズを有した。このような複数のサブビームからなり各々が独自の強度分布を有するビームは、マルチモードビームと呼ばれる。これらのビームは独立であるので、その正味の分布は個々の形状の代数和であり、各モードのパワーの率により重みづけされる。それゆえ、ＴＥＭ００モードの量は、光カップラの曲率を変えたり開口部の直径を大きくすることにより低減できる。例２では、レーザのパワー分布を約６０対４０のＴＥＭ０１＊とＴＥＭ００モードの混合比に変化させた。これは、２０メートルの曲率半径の凹面光カップラを「平面」光カップラに置き換え、より大きな開口部にすることにより達成された。そのレーザのパワーと速度は表２に記載されるように変化した。

表２
レーザ速度 ピークパワー（Ｗ） 成功率（％）
３００ｍｍ／ｓｅｃ ９０−１４５Ｗ １００
５００ｍｍ／ｓｅｃ １５５−１９５Ｗ １００
６００ｍｍ／ｓｅｃ ２００Ｗ １００
６５０ｍｍ／ｓｅｃ ２００−２２０Ｗ １００
７００ｍｍ／ｓｅｃ ２５０Ｗ ５０
例１と例２の結果を比較するとわかるように、ガウシアンレーザは４７５ｍｍ／ｓｅｃまでの切断速度で１００％の切断（ほぼ全てのサンプルを刻むことに成功した）が達成できた。これらの速度以上で、堅実に満足した結果を得ることは困難であった。例えば５００ｍｍ／ｓｅｃでは、非常に小さな範囲のレーザパワーでしか切り込みに成功せず、全サンプル中３３％以下でしか、そのパワー範囲内において切り込みが成功しなかった。

全く同じレーザをＴＥＭ０１＊モードとＴＥＭ００モードの混合に変換すると、低いレーザパワーを使用してもより高い切断速度が達成できた。さらに、満足する切り込み端を達成するために、より広い範囲のレーザパワーが許容可能であると思われる。

本発明によるガラス切断方法工程の斜視図 図１に示したレーザの所望強度形状を示したグラフ図 標準的なガウシアンレーザのパワー分布を示したグラフ図

符号の説明

１０ ガラスシート
１１ ガラスシート主面
１６ レーザビーム
１８ レーザスポット
１９ クラック開始点
２０ クラック
２２ 水ジェット

Claims (7)

1. ガラスシート上にクラック開始点を形成する工程と、
   前記クラック開始点を用いて該ガラスシートを横断するクラックを形成するため、３０ｍｍ以上の長軸を有するとともに、ＴＥＭ０１＊モードおよびＴＥＭ００モードの混合成分からなるパワー分布を有する細長いレーザビームを、前記ガラスシートを横断するように移動させる工程と、
   前記クラックに沿って前記ガラスシートを折曲して該シートを二つのより小さいシートに分割する工程とを有してなる平面ガラスシートの製造方法。
2. 前記クラック開始点を形成する工程が、前記ガラスシートの一端にクラック開始点を形成するため、該ガラスシートの一端に沿って切り目や切り込み目を入れる工程を含むことを特徴とする請求項１記載の平面ガラスシートの製造方法。
3. 前記移動させる工程が、前記レーザビームを、前記クラック開始点から前記ガラスシートを横断させる工程を含むことを特徴とする請求項１または２記載の平面ガラスシートの製造方法。
4. 前記移動させる工程中の前記レーザビームが、少なくとも５０％のＴＥＭ０１＊モードの成分を有し、残成分がＴＥＭ００モードであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の平面ガラスシートの製造方法。
5. 前記移動させる工程中の前記レーザビームが、少なくとも７０％のＴＥＭ０１＊モードの成分を有し、残成分がＴＥＭ００モードであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の平面ガラスシートの製造方法。
6. 前記移動させる工程が、前記ガラスシートの深さ方向へ部分的にのみ拡がり該シートを横断するクラックを形成することを含むことを特徴とする請求項４または５記載の平面ガラスシートの製造方法。
7. 前記移動させる工程中の前記レーザビームの断面パワー分布が、該パワー分布の外周領域よりも該パワー分布の中心領域のパワーが小さいことを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の平面ガラスシートの製造方法。

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