JP5439593B2 - 弾性的に変形可能なガラス板を製造する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、弾性的に変形可能なガラス板を製造する方法及び装置に関する。

弾性的に変形可能なガラス板は、一般に、より大きなガラス板から所望のフォーマットで得られる。この目的のため、適当な切れ目又は刻線が大抵カッティングホイール又はニードルを用いて大きなガラス板に形成され、その後、これらの破断線においてガラス板が機械的に破断される。破断操作は、手動又は機械的装置を用いて行われ得る。ここで、機械的破断操作は、破断が不意に起こるので制御が難しい。従って、このような方法では、破断が所望のコースとは異なるコースで起こり、ガラス板が異なる破断線で破断されてしまうことが時々起こり得る。

独国特許公報１０２００５０５４６６９Ａ１によれば、この課題に対する解決策は、破断されるガラス板が所望の破断線でだけ破断される方法を開発することに基づいている。

この課題は、超音波を用いてガラス板及びセラミックを特定の場所で破断することを特徴とする方法をクレームすることで解決される。

この文献によれば、この方法は、所望の位置でガラス板を破断するために、まず、ガラス板の特定の線上でカッティングホイールにより切り込みが入れられる、ニードルにより割れ目が入れられる、又はレーザにより切り込みが入れられることを特徴とする。

このような方法を実施する装置は、この文献に記載されていない。また、この文献は、工業規模でガラス板の切り込みを機械加工するプラントの設計に関して何ら提案していない。

更に、平板なガラス板のレーザ熱分割を行う方法が独国特許公報１０２００４０１４２７７Ａ１により周知となっている。この発明の課題は、予め決められた所望の破断線に沿ってガラス板に熱マーキングを形成すると同時に、より速いカッティングスピード（１ｍ／分より速い）を追求することである。特に、比較的分厚い良質なガラスを分割することができ、しかも非常に薄いガラス（約２０ｍｍ）も十分に分割されるべきである。また、これらはすべて曲線状の切断にも応用可能であるべきである。

この課題を解決するため、この文献においてはレーザビームを用いた熱分割による平板ガラス板の分割方法がクレームされている。ここで、レーザビームは、ビームスポットの形態でガラス表面上を任意の前進速度で所望の分割線に沿って移動する。更に、レーザ加熱されるガラス表面上の分割線領域は、追随する冷却ノズルにより冷却される。ここで、予め所望の分割線領域内又は分割線開始領域の直前領域において、機械的又は他の方法により設けられた分割点の形態でガラス表面に最初の打ち込みが行われ、熱分割の後、ガラスが破断される。ここで記載された方法は、所望の分割線に沿ったレーザビームのガイダンスが、迅速にスキャンされたレーザビームによる所望の分割線に沿った反復的かつ頻繁なスイープの形態で実現されることを特徴とする。

このようなレーザ熱分割法では、ガラス板のすべての面においてエッジの微少クラック（亀裂）が避けられる。このようなガラス板は、従って、通常の方法により切り分けられたガラス板よりも遙かに弾性的に変形可能である。

平板なガラス板を切断する装置の簡易見取り図（前記文献の図４に示される）は別として、独国特許公報１０２００４０１４２７７Ａ１は、これに記載された方法の構造設計に関して何ら言及していない。特に、この文献は、明らかにこのような方法の科学的探求に焦点を合わせている。しかしながら、このような方法の産業的利用は、全く異なる課題である。

米国特許公報４８９９０８Ａは、トレース線に沿って移動しているガラスリボンを自動的に分割する方法及び装置を開示している。この方法及び装置は、ガラスリボンに向けられた光源と、ガラスリボンをスキャンするフォトセルと、を備える。この方法及び装置では、レーザビームを用いた大型ガラス板の分割は可能ではない。

更に、米国特許公報６７２２２５０Ｂ２は、連続的に移動する無端材料から継続的にプレカット長に材料を切り出す方法を開示している。この方法では、赤色光照明によるスクライビングラインの光学的検知と、カメラによる検知と、が示されている。しかしながら、この方法では、工業規模及びフェイルセーフ様式で弾性的に変形可能な大型ガラス板を分割することはできない。

また、このような方法は、今まで携帯電話の画面を保護するガラス板のような小さいガラス領域をカットするためだけに用いられてきた。

本発明に係る装置及びこれに対応する方法の目的は、比較的廉価で、工業規模で使用可能であり、かつフェイルプルーフな、レーザビームを用いて弾性的に変形可能な大型ガラス板を分割する装置を提供することである。

この目的は、請求項１でクレームされた装置及び請求項１０でクレームされた方法により達成される。

本発明に係る装置は、以下で詳細に記載される。

本発明に係るプラントの全体斜視図。 ガントリ（構台）の断面図。 スクライビングライン領域から見た詳細図。 図３の詳細を示す図。 破断ブレード領域から見た詳細図。 破断機器の斜視図。

図１は、プラントの全体斜視図を示す。ここで示される装置は、高い精度かつ高いフェイルセーフで大型ガラス板３を高速にスクライビング及び分割する工業プラントの一部である。

スクライビング又は明確に構成されたスクライビングジョイントの作製のため、この装置では分割されるガラス板３の表面を加熱及び冷却する過程が、予め決められたスクライビングライン上で用いられる。ここで、加熱はレーザビームにより成される。レーザビームは、扇形状に枢動し、ガラス板３表面の特定ライン上を漸次加熱する。レーザビームの後には、所定の距離を置いて冷却剤を添加するためのノズルが続く。また、レーザビームは、選択により漸次及び繰り返し枢動させることもできる。

図１において、機械加工されるガラス板３は、ローラコンベヤ６（ここでは図示されていない）又はこれに対応する他のコンベヤ手段により、左側の方向から機械加工テーブル２上へ輸送される。

機械加工テーブル２を亘って、ガントリ１がレーザワーキングヘッド５及び冷却機器を保持するために伸びている。このガントリ１は、カッティングユニットの保持のために、独立して立設したベースフレーム４にマウントされている。図１において、レーザビームの使用場所を制御するユニットであるレーザワーキングヘッド５も、また、ガントリ１の右側に配置されている。図１のローラコンベヤ６が伸びる方向には、割れ目が入れられたガラス板３を破断する機器のためのベースフレーム８が図示されている。ここでは、破断機器の破断ブレード２６のための同期ドライブ７の一部も認識できる。

図２は、ガントリ１の断面図を示す。

この図では、レーザユニットを保持するガントリ１が後方から示されている。これは、とりわけ図１とは対照的に、レーザワーキングヘッド５がガントリ１の左側末端部位に示されていることから明らかである。レーザユニットのベースフレーム４は、この角度から見ると両側に見える。ガラス板３は、断面で示されている。レーザビームソース９自身は、ガントリ１の横方向ウェブの左側に示されている。ガラス板を加熱するのに必要とされるレーザビームは特定のスクライビングラインに沿って移動する必要があるので、レーザビームは繰り返し方向転換されるだけでなく、移動可能なレーザワーキングヘッド５を有する必要がある。これは、偏向ミラーを用いて、スペシャルパイプにおける不変長の直線光路部分で起こる。ガラス板３に対してレーザビームを移動させる過程で長さが変化する光路距離は、折りたたみ可能な蛇腹により形成される。この光路部分は、直前のパイプといわゆる多角形ホイールとの間の連結を構成する。このような多角形ホイールは、多角形状の基本構造により構成され、中心軸の周りを回転可能で、そして特定の回転速度で回転することで種々のミラーの助けを借りつつレーザビームを散開させる。多角形ホイールの代わりに、少なくとも１つの単純な回転可能なミラーが、この目的に適している。

図２によれば、レーザビームソース９により生み出されたレーザビームは、管状のレーザビームガイド１０及びこれに続く偏向機器１１を介してレーザヘッド５へガイドされる。偏向機器１１とレーザヘッド５との間の媒介部分は、折り畳み式の蛇腹の形態をしている。この媒介部分及び更なる偏向ミラーは、図２に図示されていない。レーザビームがガイドされる全光路部分は、周辺環境に対して僅かに高圧となった空間より成る。ここでは、略０．１から０．３バールの高圧値が好都合であることが分かっている。大気としては、窒素及び通常空気が使用可能である。

ガントリ１の横梁の右側に、過程で用いられる冷却剤の供給リザーバ１２が認識できる。この領域には、冷却剤を処理する機器１３も見られる。冷却剤としては、カチオン性界面活性剤が好適に用いられる。しかしながら、水とエタノールとの混合物も使用可能である。冷却剤を好適に用いるには、冷却剤を吹き付けるときの空気圧が重要である。ここでは、５から１０バールの値が有利であることが見いだされている。このようにして吹きつけられた冷却剤は、レーザによって形成された割れ目に流れ込み、次いで、ガラス板３の破断作業をサポートする。ラバルノズルを用いることで、気流を加速することができる。列状に並べられた複数の冷却ノズル１９により、ガラス板３に形成された割れ目は深くなり得る。機械加工テーブル２の領域では、ガラス板３が複数のコンベヤベルト１５により前方に移動され、所望の位置に配置される。ガラス板３上へのレーザビーム動作は、裏面であっても強くガラス板３を加熱する又はガラス板３を通過して照射されるので、保護フラップ１４がコンベヤベルト１５を保護するために設けられる。保護フラップ１４は、機械加工テーブル２を持ち上げる前に、ガラス板３の下に滑り込むことでコンベヤベルト１５を保護する。例えば、ガラス板３の過剰な加熱は、冷却ノズル１９の不具合により起こり得る。更に、コンベヤベルト１５も、レーザビームの直接照射により損傷を受け得る。保護フラップ１４は、好ましくは、アルミニウムにより構成される。ドライブ及びそれに付随する制御機器は、図を簡単にするため示されていない。

一方、保護フラップ１４により形成された金属層は、その上に置かれたガラス板３を過冷却して、その結果、スクライビング過程を妨害し得る。そのため、保護フラップ１４は、規則的に配置された距離手段により空気層を介してガラス板３から離れて設けられる。同様の効果は、超音波手段によりガラス板３を離れさせることでも達成することができる。

保護フラップによるガラス板３の被覆は、正確な位置決めのためのセンサの取り付けを困難にする。ここでは、ラインレーザ又は超音波センサとして構成された適切なセンサが設けられる。これらの品揃え及び個々の利用分野は、当業者にとって周知である。

コンベヤベルト１５の駆動は、図２に示されるドライブ１６を用いて実現される。レーザワーキングヘッド５を移動させる機器のドライブ１７は、図２において、ガントリ１の横向きに伸びる支柱の左側に認識できる。

更に開発が進んだ段階では、より強力なレーザが設けられる。重量の問題から、このようなレーザはガントリ１に固定されるのではなく、機械加工テーブル２の領域に設置される。レーザは、そこからガントリ１の方向へ照射される。この場合、偏向ミラーは冷却を要する。

図３は、スクライビングライン領域、特に、レーザヘッド５領域から見た詳細図を示す。ここでは、レーザファン２０の実質的に三角形の領域に着目する。レーザファン２０に隣接して、その右側に、冷却ノズル１９が認識できる。レーザファン２０の他方側には、ノッチング機器２９が図示されている。このノッチング機器２９において、小さな分割ホイール２３が指し示されている。これに隣接しているのが、レーザスクライビングを検知するための光源２２及び光源２２に付随するカメラ２１である。この図では、付随する位置ホイール１８は隠れている。

同じ配置が反対側にも存在する。ここで、付随するノッチング機器２９の位置ホイールは認識できるが、ノッチング機器２９のその他の部分は隠れている。

一旦ノッチング機器２９がガラス板３の分割が起こるべき位置に移動すると、ノッチング機器２９の分割ホイール２３がガラス板のマージンに当接するまで、位置ホイール１８が次なるスクライビング方向にガラス板３上をガイドされる。これにより、分割ホイール２３がガラス板３の上部マージンにおける意図した位置にノッチを刻むと共に、自分自身を持ち上げる。この分割ホイール２３の持ち上げは光バリア（図示なし）により検知され、次いで、ノッチング機器２９全体が持ち上げられる。

補足図３ａに示すように、これはリフト装置３０により成される。ここで、ガラス板３、位置ホイール１８、分割ホイール２３及びノッチング機器２９は、組み合わされて別個に描画されている。ガラス板３を切り分ける装置の全体は、９０度回転することができる。従って、ガラス板３は、横方向にも切り分けられ得る。

図４は、破断ブレード２６の領域から見た詳細図を示す。この図において、コンベヤローラ２４が水平な一般配置として認識され、その上に残りのストリップのためのプレスダウン機器２５のプッシャが配置されている。これらのプッシャは、電動手段により可動とされ、ガラス板３のヘッドストリップと残りのストリップとを分割する。ホールドダウン機器２７は、重力又は自重では分割に不十分な短いガラス板片を押下する。ホールドダウン機器２７は、また、下方より作用してもよいし、下方から作用する吸引機器手段のサブアセンブリとして構成されてもよい。ホールドダウン機器２７により成される機能の更なるオプションは、上からの超音波作用である。

図５は、破断機器の斜視図を示す。破断操作には、ガラス板３の一端から他端へと伸びるスクライビングラインの正確な位置を認識することが非常に重要である。これは、スクライビングラインが破断ブレード２６の長軸上に正確に位置するときにだけ、破断操作が満足のいくように進行するためである。従って、破断されるガラス板３のスピードの正確な制御には、ガラス板３の前端からスクライビングラインまでの距離を認識することが、正確な位置づけの前提条件である。ガラス板３の前端位置は、標準的なセンサにより十分正確に検知され得る。しかしながら、冷却ノズル動作と連動したレーザにより求められたスクライビングラインの位置は、簡単に確認できるものではない。原則として、光バリア又はレーザバリアがガラス板３の前端を検知するのに用いられ、その後、カットまでの距離が計算される。ここで、多くの許容誤差を考慮に入れる必要があり、その蓄積は評価するのが難しい。本発明によれば、ガラス板３の対応する領域に凝縮液、特に、水蒸気にさらすことが随意に提案される。スクライビングラインは、カメラ又はカメラと連動した赤外線センサ及び／又は更なる光源により検知され、制御技術を用いることで評価され得る。

ガラス板３の破断は、破断ブレード２６を持ち上げることで実現される。この目的のため、直線状に構成された破断ブレード２６が同期ドライブ７により作動される。このドライブを用いて、ガラス板３の全長に亘る破断ブレード２６の持ち上げに加え、破断ブレード２６の選択的な片側持ち上げにより、まず、分割点においてガラス板３に張力を与え、これにより片面に特異的に連続的なクラック形成を行うことで分割を誘導することも可能である。

しかしながら、選択的な片側持ち上げは、絶対的に必要なものではない。

また、類似の効果が、破断ブレード２６における伸長可能なラムを用いても得ることができる。

更なるオプションとして、破断ブレード２６の領域に、スクライビングラインへ超音波を発することができるユニットを設けることが挙げられる。

上記の連続動作の複雑な制御は、特別な制御プログラムを必要とする。

１ レーザワーキングヘッドを保持するためのガントリ
２ 機械加工テーブル
３ ガラス板
４ カッティングユニットのためのベースフレーム
５ レーザワーキングヘッド
６ ローラコンベヤ
７ 破断ブレードのための同期ドライブ
８ 破断機器のベースフレーム
９ レーザビームソース
１０ レーザビームガイド
１１ レーザビームのための偏向機器
１２ 冷却剤のための供給リザーバ
１３ 冷却剤の処理
１４ コンベヤベルトのための保護フラップ
１５ コンベヤベルト
１６ コンベヤベルトのドライブ
１７ レーザワーキングヘッドの移動機器のドライブ
１８ ノッチング機器の位置ホイール
１９ 冷却ノズル
２０ レーザファン
２１ レーザスクライビングを検知するためのカメラ
２２ 光源
２３ ノッチング機器の分割ホイール
２４ コンベヤローラ
２５ 残りのストリップのためのプレスダウン機器
２６ 破断ブレード
２７ ホールドダウン機器
２８ レーザスクライビングのための検知機器
２９ ノッチング機器
３０ ノッチング機器のためのリフト機器

Claims (18)

1. 弾性的に変形可能で大きな表面積を持つガラス板を大量に工業生産する装置であって、
   ａ）ガラス板（３）の前端位置が検知されると共に所望位置で固定される前記ガラス板（３）を供給する機器と、
   ｂ）前記ガラス板（３）上面の所望の破断線領域に初期損傷を与える機器と、
   ｃ）前記ガラス板（３）表面の直線上を扇形状に枢動するレーザビームで該ガラス板（３）表面を局所的に限定して加熱し、前記レーザビームは管状のレーザビームガイド（１０）及びこれに続く偏向機器（１１）を通ってレーザヘッド（５）へガイドされ、前記レーザビームがガイドされる全光路長は周辺環境に対して僅かに高圧となった空間より構成されている機器と、
   ｄ）前記レーザビームの少なくとも片側に少なくとも１つ配置され、断続的に操作可能かつ強度調節可能で、温度及び供給速度が可変な流体である冷却剤を５から１０バールの圧力で排出する冷却ノズル（１９）を有する前記ガラス板（３）表面を冷却する機器と、
   ｅ）前記ガラス板（３）を破断する機器領域へ、熱で局所的に前処理された前記ガラス板（３）を輸送する機器と、
   ｆ）前記ガラス板（３）を凝縮液又は水蒸気に曝す機器を有し、前記ガラス板（３）表面の直線状クラック形成をカメラシステムと連携した光学機器手段により検知する機器と、
   ｇ）前記ガラス板（３）の下側にあり、片側及び／又は両側が持ち上げ可能な直線状破断ブレード（２６）と、重力又は自重では破断に不十分な短い前記ガラス板片を押下する少なくとも１つの電動ホールドダウン機器（２７）と、を備え、
   前記冷却剤は、カチオン性界面活性剤又は水とエタノールとの混合物から成ることを特徴とする装置。
2. 前記レーザビームがガイドされる空間において、窒素又は通常空気が大気として用いられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記冷却ノズル（１９）は、複数設けられ、前記ガラス板（３）に深い割れ目を形成するために列状に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の装置。
4. 前記ガラス板（３）は、機械加工テーブル（２）領域において複数のコンベヤベルト（１５）手段により前方に移動され、
   前記コンベヤベルト（１５）の保護のために保護フラップ（１４）が設けられ、
   前記保護フラップ（１４）は、前記機械加工テーブル（２）の持ち上げの前に前記ガラス板（３）の下に滑り込み、規則的に配置された距離手段により空気層を介して前記ガラス板（３）から離れていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記水蒸気を与える機器は、空気に加湿し、その後前記ガラス板（３）の特定領域を冷却する機器から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記加熱、冷却、及び初期損傷を与える機器は、９０度回転可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記冷却ノズル（１９）は、ラバルノズルから成ることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の装置。
8. 関連ワークピースの位置又はそのようなワークピース部分の検知は、光学センサ手段又はカメラシステムと連動し超音波利用に基づいたセンサ手段により実現されることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記ガラス板（３）の距離手段は、超音波手段により達成されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
10. 弾性的に変形可能で大きな表面積を持つガラス板を大量に工業生産する方法であって、
    ａ）ガラス板（３）の前端位置が検知されると共に所望位置で固定され、前記ガラス板（３）がガントリ（１）を有する機械加工テーブル（２）上へコンベヤ手段（６）により搬送されるステップと、
    ｂ）ノッチング機器（２９）の位置ホイール（１８）が、分割ホイール（２３）により初期損傷が与えられる前記ガラス板（３）のマージンから十分に離れた次なる分割操作の所望位置に駆動され、その後、前記ノッチング機器（２９）が持ち上げられるステップと、
    ｃ）前記初期損傷位置から始まり、レーザファン（２０）が前記ガントリ（１）に取り付けられたレーザヘッド（５）手段により前記ガラス板（３）の表面上を加熱しながら直線に沿ってガイドされ、冷却剤が前記レーザファン（２０）領域に少なくとも１つの冷却ノズル（１９）により吹き付けられ、表面マーキングが前記ガラス板上に形成されるステップと、
    ｄ）前記ガラス板（３）が光バリア及び赤外線カメラ手段によってスクライビングラインを検知する機器領域及び／又は前記ガラス板（３）を凝縮液又は水蒸気に曝す機器領域に前記コンベヤ手段（６）により搬送され、可視化された前記スクライビングラインが照明装備及びカメラシステム手段による制御技術を用いて検知されるステップと、
    ｅ）前記スクライビングライン位置の正確な検知の後、前記ガラス板（３）が直線状破断ブレード（２６）のブレークオフ端に亘って前記コンベヤ手段（６）により配置され、大きな前記ガラス板（３）の場合には重力の作用によりクラックが形成され、重力又は自重ではクラック形成に不十分な非常に小さなセグメントの場合には前記セグメントがホールドダウン機器（２７）により押下されるステップと、
    ｆ）この操作において、前記破断ブレード（２６）が片側又は両側、若しくは片側そしてその後両側持ち上げられ、クラックが前記ガラス板（３）の一端から他端へ伸びて所望の線上で前記ガラス板（３）の破断が誘導されるステップと、を備え、
    前記冷却剤は、カチオン性界面活性剤又は水とエタノールとの混合物から成ることを特徴とする方法。
11. 前記ホールドダウン機器（２７）は、吸引エレメントと連動した機器として下方から作用する、及び／又は超音波エレメントと連動した機器として上方から作用することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記破断ブレード（２６）領域において、ラムが持ち上げられることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の方法。
13. 前記破断ブレード（２６）領域において、超音波エネルギがクラックに伝導されることを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記加熱、冷却、及び初期損傷を与える機器は、９０度回転可能であることを特徴とする請求項１０乃至請求項１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記ガラス表面を冷却する機器は、直線状に配置された複数の前記冷却ノズル（１９）から成ることを特徴とする請求項１０乃至請求項１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 関連ワークピース又はそのようなワークピース部分の位置検知は、光学センサ手段又はカメラシステムと連携した超音波利用に基づいたセンサ手段により実現されることを特徴とする請求項１０乃至請求項１５のいずれか一項に記載の方法。
17. プログラムがコンピュータにより遂行される場合、請求項１０乃至請求項１６のいずれか一項に記載された方法ステップを実行するプログラムコードを備えたコンピュータプログラム。
18. プログラムがコンピュータにより遂行される場合、請求項１０乃至請求項１６のいずれか一項に記載された方法ステップを実行するコンピュータプログラムのプログラムコードを備えた機械可読記憶媒体。

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