JP5525491B2 - レーザスコアリングにおける亀裂深さの制御 - Google Patents

Description

本発明は、ガラスシートまたは他の脆い材料を、最初にレーザビームで浅い切れ目を付けること（以後、レーザスコアリングとも称する）により分割する方法に関するものである。より詳しくは、本発明は、ガラスにおける熱応力の分布を制御する目的のためにレーザビーム分布を変更し、形成される亀裂の貫通深さを制御できるようにする方法に関するものである。

ガラスシートを分割するプロセスにおいてレーザが普通に用いられている。例えば、特許文献１には、ガラスシートの表面に沿って、貫通しない亀裂を伝搬させるためにレーザを使用することが記載されている。この亀裂を形成するために、ガラス表面は、レーザ加熱の後に急冷が行われるプロセスに施される。ガラスシート分割プロセスにおいてガラスに浅い切れ目を付けるために作成された亀裂は、典型的に亀裂またはベント亀裂と称される。この亀裂は、ガラスシートに浅い切れ目を付けるために用いられるので、典型的にそのガラスシートの深さの途中までしか延在しない。この様式において、ガラスシートは、亀裂の線に沿った分割により、二つのより小さなシートに簡単にかつきれいに分割することができる。

亀裂は、ガラスシートの一方の表面に小さな切込みまたは刻みを付けることにより形成することができる。レーザビームがガラスシートに入射させられ、これは前記切込みで開始される。次いで、このビームは、一般的に200-700ミリメートル毎秒の速度でガラスに対して動かされる。レーザビームは、切れ目線の経路を追跡するようにガラスを横切って移動させられる。レーザビームがガラスの表面を加熱するときに、冷却液流が、ガラス表面を横切るビームの動きに対して、レーザビームの直後の地点に当てられる。加熱の後に急冷が行われるこのプロセスによりガラスシートに応力が生じ、この応力が、レーザおよび冷却液が移動する線に沿って延在する亀裂を形成する。

スコアリングプロセスが急速に行われたときに、亀裂を形成する熱エネルギーがガラス表面の比較的薄い領域に蓄積される。実例として、Ｄモードで作動し、500ｍｍ毎秒の速度で移動するＣＯ₂レーザを用いると、ほとんどの熱は、ガラス表面より下の500マイクロメートル未満の領域に包含される。レーザスコアリングのこの特性により、ガラスの途中までしか延在しない亀裂を形成することができる。

レーザ共振器内の電磁場の「形状」は、ミラーの曲率、放電管の間隔と内径およびエネルギーの波長に依存する。レーザにより形成されたビームの「形状」は一般的に、二方向におけるビーム断面に亘って現れる無光部分(レーザ光が生じない部分:null)の数に従って分類される。ほとんどの目的にとっては、ガウス形パワー分布を有する、無光部分のないビームが好ましい。しかしながら、ガラス分割プロセスに関しては、１つ以上の無光部分を有する非ガウス形モードを用いて、レーザエネルギーをより均一にガラス表面に供給し、より効果の高いレーザスコアリング速度を達成することができる。

Ｄモードで作動するレーザが特許文献１に記載されている。この特許をここに全て引用する。図２は、本発明によるＤモードレーザビームのパワー分布の断面を示している。より低いパワー分布の中央領域の外側に位置する少なくとも一組の強度ピークを有する、そのような非ガウス形ビームが本発明において好ましい。

コンドラテンコ(Kondratenko)（特許文献２）により示されているように、ガラスシートに入射するときのレーザビームに関する痕跡形状は楕円形であってもよい。この楕円形痕跡の短軸および長軸は典型的に、以下の関係を満たす：
ａ＝0.2から2.0ｈ、かつ
ｂ＝1.0から10.0ｈ、
ここで、ａは短軸の長さであり、ｂは長軸の長さであり、ｈはレーザスコアリングされているガラスシートの厚さである。コンドラテンコによれば、ｂが10.0ｈよりも大きい場合には、切断プロセスの精度に問題が生じる。したがって、0.7ｍｍの厚さ（液晶ディスプレイ基板に一般的な厚さ）を有するガラス基板に関して、コンドラテンコは、ビームスポットの長軸は7ｍｍの長さを越えるべきではないことを教示している。

楕円形ビームを形成するために、Ｄモードにより生じるレーザビーム分布は典型的に、楕円形痕跡を有するビームを形成するように二つの円柱レンズにより変換される。この楕円形ビームは、ガラス表面を直接的に照射するのに用いられる。この技術を用いて、亀裂の深さは典型的に、280ワットのビームによる115-118マイクロメートル、または330ワットのビームによる120-125マイクロメートルに及ぶ。

これらのレーザスコアリング技術は、粉塵を生じない亀裂を形成することにより、良好な品質の分割縁を提供する。この方法の信頼性および得られる品質により、縁の割れ目の品質が望ましくは非常に高い、液晶および他のフラットパネルディスプレイ基板の製造においてレーザスコアリングが有用となる。さらに、自動車の窓、装飾用鏡、または住居の窓のようなガラスシートの二次成形を必要とするほとんどの用途がレーザスコアリングを有利に用いることができる。

米国特許第5,776,220号 国際特許出願公開第WO93/20015号

しかしながら、ガラス部材の取扱いが必要なある用途においては、スコアリングが行われているが、分割プロセスの前に、スコアリングされたガラスの取扱いにより、それらの部材が早まって分割されてしまうかもしれない。この問題を防ぐ方法の１つは、意図せずに分割されることが少ない浅い亀裂を形成することである。しかしながら、以前に開示されたレーザスコアリング方法では、レーザビームのパワーまたは冷却水流の位置をどのように変化させても、亀裂深さをそのように細かく制御したり、もしくは、ほぼ均一な切れ目深さを形成することはできない。

したがって、レーザスコアリング技術により形成される亀裂の貫通深さを制御する方法が必要とされている。

したがって、本発明の目的は、レーザスコアリング技術によりガラスシートに形成される亀裂の貫通深さを制御する方法および装置を提供することにある。

本発明によれば、ガラスシートを、ガラスシートの表面に沿って移動するレーザビームによりスポット加熱して、亀裂を形成する。このレーザビームは、楕円形ビームを形成するために１つ以上のレンズを通して伝達される。次いで、不透明シールドを用いて、楕円形ビームの長軸の一方または両方の端部でこの楕円形ビームを遮断して、ガラス表面を加熱するためにガラスシートに沿って動かされる、端部が切断された楕円形ビーム（以下、切断楕円形ビームと称する）を形成する。冷却液流が、加熱されたガラスのスポットに冷却ノズルから向けられる。この冷却スポットと移動している切断楕円形ビームとの間の冷却距離は制御される。この冷却距離を変化させることにより、亀裂の貫通深さは制御され、レーザスコアリング技術およびガラス分割装置におけるこの種の制御に関する現在の必要性が解決される。

本発明のこれらと他の態様が、以下の詳細な説明により明らかとなる。

本発明によるガラスシートレーザスコアリングを説明する概略図。 標準的なＤモードレーザビームのパワー分布を示すグラフ。 本発明によるレーザビームの痕跡を示す図。 本発明によりガラスに分布した切断楕円形ビームのパワーを示すグラフ。 本発明によりガラス基板に形成された亀裂の深さを示すグラフ。

本発明を、以下、添付した図面に示した実施の形態を参照してより詳細に説明する。以下に説明する実施の形態は、例示のためのみに示されたものであり、本発明の概念をどのような特定の物理的形状にも制限するものとして考えるべきではないことに留意されたい。

本発明は、レーザ分割技術を用いて所望の分割線に沿ってガラスシートを破断する装置に関するものである。図１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は上側主要表面11を有する。ガラスシート10には最初に、ガラスシート10の一方の縁で亀裂開始点12を形成するために、ガラスシート10の一方の縁に沿って切込みまたは切れ目が付けられる。次いで、この亀裂開始点12を用いて、所望の分割線の経路に沿ってガラスシート10を横切りレーザビーム16を移動させることにより、亀裂20を形成する。レーザビームスポット16は、第１のビーム32を形成する、ＣＯ₂レーザのようなレーザ30を用いることにより形成される。「Ｄ」モードで作動したＣＯ₂レーザは、図２に示したようなパワー分布のグラフを有するビームを形成する。次いで、この第１のビーム32が、一組の円柱レンズのような１つ以上のレンズ34により変換されて、楕円形痕跡38を有する第２のビーム36を形成してもよい。

次いで、この第２のビーム36は、１つ以上の不透明シールド40により端部が切断されて、第３のビーム16を形成する。レーザビームエネルギーを吸収し、消散させるどのような材料を用いてこの不透明シールド40を形成しても差し支えない。カーボンシールドは、高熱伝導率を示し、この点に関して効果的であるけれども、酸化温度が低いために、製造環境におけるカーボンシールドの寿命が制限されてしまうかもしれない。不透明シールド40を形成する代わりの材料としては、ほとんどの高温セラミック材料が挙げられる。不透明シールド40は、他の設備に影響を与えずに、生じる熱を消散させるほど十分に物理的に大きいべきである。典型的なシールドは、4インチ平方（約10ｃｍ平方）で1/4インチ（約0.6ｃｍ）厚である。第３のビーム37は、端部が切断された楕円形痕跡を有し、所望の分割線に沿ってガラスシートを局部区域で加熱するのに用いられる。

スポット加熱されたガラスは、ビーム形状、エネルギーおよび露出時間に依存する温度勾配および分布により予め条件を整えられる。次に、ガラスシート10は、ジェット22により施される冷却液24、好ましくは水により急冷される。正確な熱バランス内で行われた場合（ビーム分布、ビームエネルギー、加工速度、水の容積および図においてｃとして示されたビームから後ろの水ノズルまでの距離を考慮すると）、ガラス表面をこのように急冷することにより、予め存在する開始点12から亀裂20を生じ、この亀裂20を前記加工速度でガラス表面に亘り伝搬させるのに十分な引張応力が発生する。

図３のＡに示したように、第２のビームは、長さａの短軸および長さｂの長軸を有する楕円形の痕跡を形成する。本発明によれば、図３のＡの楕円形ビームは、図３のＢに示したように長軸の一方の端部から、または図３のＣに示したように両端から距離ｌのところで端部を切断することができる。楕円形ビーム36は、端部を切断する前に、20ｍｍよりも大きい、より好ましくは、30ｍｍよりも大きい、最も好ましくは40-120ｍｍ以上の長軸ｂを実際に有することができる。シールド40は、好ましくは、長軸に沿って測定して、第２のビーム36の20-40パーセントを遮断するように設定されていてもよい。レーザビームスポット16の切断軸は、ガラスシート10に亘る所望の分割線の進行方向と整合される。

薄い（1.1ｍｍ以下）ガラスシートに関して、レーザビームスポットの長軸の最適長さは、長軸ｂが好ましくは所望のレーザスコアリング速度毎秒の少なくとも約10パーセントであるべきであるという点で、所望の進行速度に関連することが分かった。したがって、0.7ｍｍ厚のガラス上の500ｍｍの所望のレーザスコアリング速度に関して、レーザの長軸は、好ましくは、少なくとも約50ｍｍ長であるべきである。

亀裂20は、切目線として機能するように、ガラスシート10の表面11の以下に深さｄで途中までしか延在しない。亀裂の深さ、形状および方向は、熱弾性応力の分布により決定される。この熱弾性応力は、次いで、以下のいくつかの要因に主に依存する：ビームスポットのパワー密度、寸法および形状；基板材料を横切るビームスポットの相対的な移動速度；加熱された区域への冷却液の供給の熱物理的特性、量および条件；並びに亀裂を形成すべき材料の熱物理的および機械的特性、その厚さ、およびその表面状態。

亀裂の深さを制御するために、本発明に従って、切断楕円形ビーム16を用いてガラスシート10を加熱する。これらの特定の痕跡を有するビームの特定の品質の結果として、亀裂ｄの深さは、冷却液流が当たる地点がレーザビームに対して移動するにつれ変化する。図１は、レーザビームスポット16の後縁から、冷却液24がガラスシート10に当たるスポットまでの冷却距離ｃを示している。レーザビームにより照射された地点により近い地点でガラスシート10を冷却することによって冷却距離ｃを変化させると、冷却距離ｃが大きくなるように選択された冷却スポットを用いたことにより形成された亀裂よりも、浅い亀裂が形成される。

実例として、楕円形ビームがレーザ30および円柱レンズ34により生じる。このビームは、1.5ｍｍの短軸および90ｍｍの長軸を有する。本発明によれば、不透明シールド40がレンズ34とガラスシート10との間に配置され、そのために、長軸の制限で18ｍｍの領域が遮断され、端部が切断された楕円形レーザビームスポット16がガラスシートに入射する。図４に示したように、レーザビームパワーの一部が不透明シールドにより遮断されるので、遮断されていないビームにより生じるエネルギーと同等のガラス表面11に切断エネルギーを生じるためには、より高いパワー設定値でレーザ30を作動させる必要がある。

図５のグラフに示したように、遮断ビームを用いてガラスシートを加熱した場合、形成される亀裂の深さは、冷却距離が変化するにつれ著しく変化する。例えば、320ワットの遮断されたビームに関しては、ノズルが、遮断ビームがガラスシートに入射するスポットから5ｍｍ後ろに位置する場合、亀裂深さは約100マイクロメートルである。ノズルを調節して12ｍｍの冷却距離を生じることにより、亀裂深さは、約110マイクロメートルまで上昇する。

次いで、ガラスシート10のより小さなシートへの最終的な分割を、亀裂20の元で曲げモーメントを加えることにより行う。そのような曲げは、従来の曲げ装置（図示せず）およびより一般的な機械的表面スコアリング方法を用いたプロセスにおいてガラスシートを分割するのに用いられるような技術を用いて行うことができる。

ガラス分割操作に用いられるレーザビーム30は、切断すべきガラスの表面を加熱できるべきである。その結果、レーザ照射は、好ましくは、ガラスが吸収できる波長にある。このためには、その放射線は好ましくは、9-11マイクロメートルの波長を有するＣＯ₂レーザ、5-6マイクロメートルの波長を有するＣＯレーザ、2.6-3.0マイクロメートルの波長を有するＨＦレーザ、または約2.9マイクロメートルの波長を有するエルビウムＹＡＧレーザのビームのような2マイクロメートルを越える波長の、赤外範囲にあるべきである。現在の実験のほとんどは150-300ワット範囲のパワーを有するＣＯ₂レーザを用いているが、より高いパワーのレーザをうまく用いることができると考えられる。

10 ガラスシート
12 開始点
20 亀裂
22 ノズル
24 冷却液
30 レーザ
32 第１のレーザビーム
34 円柱レンズ
36 第２のレーザビーム
37 第３のレーザビーム
40 遮断シールド

Claims (8)

1. レーザビームをその表面上に通過させることによりガラスに浅い切り目を付ける方法であって、
   レーザを作動させて第１のビームを形成し、
   該第１のビームを１つ以上のレンズにより変換して、長軸と短軸を有する細長い楕円形ビームスポットを有する第２のビームを形成し、
   該第２のビームの両端部に対応する該第２のビームの一部を物理的に遮断して、該第２のビームのスポットの細長い楕円形ビームスポットの長軸を減少させ、両端部が切断された細長い楕円形ビームスポットを有する第３のビームを形成し、
   該第３のビームを前記ガラスの表面を横切り移動させて、加熱されたガラスを形成し、ここで、移動している第３のビームが前縁および後縁を有し、
   該移動している第３のビームの後縁から所定の距離で、前記加熱されたガラス上に冷却液をノズルから流して、該ガラス中に亀裂を形成し、
   前記流れている冷却液と前記移動している第３のビームの後縁との間の所定の距離を制御して、前記ガラス中の亀裂の貫通深さの制御を行なう、
   各工程を含むことを特徴とする方法。
2. 前記流れている冷却液と前記移動している第３のビームの後縁との間の所定の距離を制御する工程が、前記移動中の第３のビームの後縁により近い点において前記流れている冷却液で前記ガラスを冷却することにより、前記所定の距離を変える工程を含み、それにより、前記流れている冷却液が前記移動中の第３のビームの後縁からより遠い点にある際のクラックの貫通深さよりも浅い貫通深さを有するクラックが生じることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記第１のビームが、中央領域においてより低いパワーを有し、該中央領域の外側で少なくとも１対のパワー強度ピークを有するパワー分布を有し、
   前記第３のビームが、前記端部が切断された第２のビームに対応する傾斜を有するパワー分布を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記レーザがＣＯ ₂ レーザを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記レーザがＤモードで作動されていることを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記第３のビームが前記ガラスに対して200ミリメートル毎秒から700ミリメートル毎秒までの速度で動かされることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記第１のビームを前記第２のビームに変換するのに二つの円柱レンズが用いられることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記第２のビームの長軸が、該第２のビームの前記端部が遮断された後に20パーセントから40パーセントまで減少していることを特徴とする請求項１記載の方法。

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