JP5715639B2 - 変動速度を有する移動ガラスリボンのレーザスコーリング - Google Patents

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Description

関連出願の説明
本出願は、２００９年１１月３日に出願された、米国仮特許出願第６１/２５７５９３号の優先権の恩典を主張する。
本開示は移動しているガラスリボンのレーザスコーリングのための方法及び装置に関し、特に、リボンの速度が経時変動する移動ガラスリボンのスコーリングのための方法及び装置に関する。
以下の議論は、本明細書に開示される方法及び装置に対する代表的な用途である、垂直方向に移動しているガラスリボンに関する。しかし、この方位は本提示を容易にするために想定されているに過ぎず、いかなる態様においても本開示を限定すると解されるべきではない。
同様に、本明細書に開示される方法及び装置の一適用は、例えばリボンの形成に用いられるプロセスの変動によって生じる、リボンの速度の計画されていない(意図的ではない)変動に対するが、本開示の方法及び装置が、ガラス組成、形成速度、シート寸法、等における変化にともなうような、計画された(意図的な)速度変化にも同様に適用され得ることは当然である。
−定義−
本明細書及び特許請求の範囲に用いられるように、語句「ベント」はガラス表面に形成された切れ目を、その切れ目がガラスの厚さを完全に貫通しているか、途中までしか入っていないかにかかわらず、意味する。したがって、この語句は、完全なベント、不完全なベント、完全なメディアンクラック及び不完全なメディアンクラックを包含し、完全なベント及び完全なメディアンクラックはガラスの厚さを完全に貫通し、不完全なベント及び不完全なメディアンクラックはガラスの厚さの途中まで入る。
本明細書及び特許請求の範囲に用いられるように、語句「光放射デバイス」は、光を放射するいずれのデバイスも意味し、光を発生する能動デバイス(例えばレーザ)及び別のデバイスによって発生された光を受け取って放射する受動デバイス(例えば、レーザからビームを受け取り、そのビームを整形及び／または集束するデバイス)を含む。
ガラスのスコーリングは従来、機械工具を用いて達成されている。しかし、ガラスを加熱し、温度勾配による張力を生成するために、レーザ光、例えば波長が１０.６μｍの、ＣＯ２レーザ光を用いる別の方法がある。ガラスコーリングへのレーザの使用は、共通に譲渡された特許の、名称を「脆性材料を割断するための方法及び装置(Method and apparatus for breaking brittle materials)」とする特許文献１及び名称を「レーザスコーリングにおけるメディアンクラック深さの制御(Control of median crack depth in laser scoring)」とする特許文献２に論じられている。
図１に示されるように、レーザスコーリング中に、スコーリング線１１５に沿ってガラス１１２の主表面１１４にベントが生成される。ベントを生成するため、ガラスのエッジの１つの近くでガラス表面に小さな初期きず１１１が形成され、初期きずは次いで、ガラス表面にかけてフットプリント１１３を有するレーザ光ビーム１２１を走らせ、冷却ノズル１１９でつくられる冷却域に後を追わせることによって、ベントに転換される。レーザ光ビームを用いるガラスの加熱及びその直後の冷却材を用いるガラスの急冷により、ベント形成のための初期きずの伝搬の原因となる、熱勾配及び対応する応力場が生成される。
共通に譲渡された特許の、特許文献３は、移動しているガラスリボンのレーザスコーリングのための、リボンの移動方向に直交する線に対して角度αをなして傾けられた直線軌道に沿って走行キャリッジが移動する、システムを説明している。
本明細書の図２及び３は特許文献３のシステムを簡略に示す。これらの図においては、ガラスリボンが参照数字１２で、走行キャリッジが参照数字１４で、直線軌道が参照数字１５で、軌道のための支持構造(支持フレーム)が参照数字１１で、またリボンを製造するための装置、例えばフージョンドロー装置が参照数字９で識別されている。特許文献３に論じられるように、固定基準フレーム(例えば図２のｘｙｚ基準フレーム)から見ると、ガラスリボンはベクトル１６の方向に速度Ｓリボンで移動し、キャリッジはベクトル１７の方向に速度Ｓキャリッジで移動して、Ｓリボン、Ｓキャリッジ及び角度αは関係式：
Ｓキャリッジ＝Ｓリボン/sinα 式(１)
を満たす。
このようにすれば、キャリッジはリボンと同一速度を保つ。さらに詳しくは、キャリッジ速度の、リボンの移動方向に平行な成分の大きさがＳリボンに等しい。したがって、リボンから見ると、キャリッジは単にベクトル１８の方向に、すなわちリボンの移動方向に対して垂直な直線７に沿って：
Ｓスコーリング＝Ｓキャリッジ・cosα 式(２)
で与えられる速度でリボンにかけて移動する。
特許文献３に説明されるように、レーザ光ビームを供給する光放射デバイス及び冷却流体(例えば水)の流れを供給するノズルはキャリッジに結合され、キャリッジが直線軌道に沿って移動すると、協働してリボンの幅にかけてベントを形成する。いくつかの実施形態において、ガラスリボンに初期きずを形成するため、機械式スコーリングヘッド(例えばスコーリングホイール)もキャリッジに結合される。あるいは、初期きずはキャリッジとは別の装置で形成することができる。
図４は特許文献３のこれらの態様を簡略に示し、参照数字２１，２２及び２３は、スコーリングプロセスの開始時点における、(１)冷却流体のフットプリント、(２)レーザ光ビームのフットプリント及び(３)初期きずの位置を表し、参照数字３１及び３２は、開始段階完了以降のある時点における、冷却流体のフットプリント及びレーザ光ビームのフットプリントを表す。
特許文献３に論じられるように、制御システムを用いて、式(１)が満たされるようにキャリッジの移動を制御することができる。制御システムは、入力として、リボンを送るローラーまたはリボンの速度をモニタする独立センサからＳリボンに関する情報を得ることができる。特許文献３は直線軌道１５の傾角αの制御により式(１)を満たすことも説明している。しかし、特許文献３には、αの変化に対するＳキャリッジの変化についての規準あるいはＳキャリッジ及び／またはαが変化したときの有効なベント形成の維持にともなう問題が論じられていない。
米国特許第５７７６２２０号明細書 米国特許第６３２７８７５号明細書 米国特許出願公開第２００８/０２６４９９４号明細書
本発明の課題は、上記問題に対処し、Ｓリボンが変化しても有効なレーザスコーリングを維持するために方法及び装置を提供することにある。
第１の態様にしたがえば、ガラスシートを作製するための、
(Ｉ) 移動するガラスリボン(１３)を形成する工程であって、リボンは経時変動速度Ｓリボンを有するものである工程、
(II) リボンの移動方向に直交する直線(７)に沿ってリボン(１３)の表面に、
(ａ) 光放射デバイス(５１)及びノズル(１１９)を載せているキャリッジを、直線軌道(１５)に沿って、速度Ｓキャリッジで平行移動させる工程であって、直線軌道は、キャリッジの移動が、(ｉ)直線(７)に平行な第１の成分(１８)及び(ii)リボン(１３)の移動方向(１６)に平行な第２の成分を有するように、直線(７)に対して角度αをなして傾けられており、光放射デバイス(５１)はレーザ(４１)によりつくられた光ビームを放射し、ノズル(１１９)は冷却流体を放出するものである工程と、
(ｂ) キャリッジ(１４)の移動の第２の成分がリボン(１３)と同一速度を保つように、Ｓキャリッジまたは角度αを、あるいはＳキャリッジ及び角度αのいずれも、動的に調節する工程と、
(ｃ) 光放射デバイス(５１)によって放射される光ビームをつくるレーザ(４１)のパワーＰレーザを変えることにより、工程(II)(ｂ)の動的調節を補償する工程と、
を含む方法によって、ベントを形成する工程、及び
(III) 工程(II)において形成されたベントに沿って、リボン(１３)からガラスシートを分割する工程、
を含む方法が開示される。
第２の態様にしたがえば、
(ｉ) Ｓリボンが：
Ｓリボン＝Ｓ０＋ΔＳ０
の形式で表され、
式中、Ｓ０及びΔＳ０はそれぞれ、リボンの速度の公称不変成分及び経時変動成分である、
(ii) |ΔＳ０|＞０.０３Ｓ０である場合、工程(II)(ｂ)がαを変える工程を含む、
態様１の方法が提供される。
第３の態様にしたがえば、
(ｉ) 工程(II)(ｂ)がαを変える工程を含み、
(ii) リボンにおいて、光放射デバイスにより放射される光ビームは長さＬ及び幅Ｗを有し、
(iii) 光放射デバイスはＬを定める第１のレンズユニット及びＷを定める第２のレンズユニットを備え、
(iv) 第１のレンズユニットは少なくとも１つのレンズ素子を有し、
(ｖ) 工程(II)がさらに、αの変化の結果としての直線に対する光ビームの方位の変化を補償するため、少なくとも１つのレンズ素子の角方位を調整する工程を含む、
態様１の方法が提供される。
第４の態様にしたがえば、
第２のレンズユニットが少なくとも１つのレンズ素子を有し、αが変えられても、そのレンズ素子の角方位がキャリッジに対して不変に保たれる、
態様３の方法が提供される。
第５の態様にしたがえば、
第１のレンズユニット及び第２のレンズユニットがそれぞれ１つのレンズ素子だけを備える、
態様３または態様４の方法が提供される。
第６の態様にしたがえば、
(ｉ) Ｓリボンが：
Ｓリボン＝Ｓ０＋ΔＳ０
の形式で表され、
式中、Ｓ０及びΔＳ０はそれぞれ、リボンの速度の公称不変成分及び経時変動成分である、
(ii) |ΔＳ０|≦０.０３Ｓ０である場合、工程(II)(ｂ)においてαが不変に保たれる、
態様１の方法が提供される。
第７の態様にしたがえば、
工程(II)(ｃ)のＰレーザの変化が：
ｄＰレーザ/ｄＳリボン＝ｋ・cotα
式中、ｋは定数である、
を満たす、
態様６の方法が提供される。
第８の態様にしたがえば、
Ｐレーザが最大レーザパワーの百分率(％最大レーザパワー)で表される、及び
ｋ＜１.０である、
態様７の方法が提供される。
第９の態様にしたがえば、
工程(II)が、レーザまたはレーザのための支持構造に取り付けられた第１の端及び直線軌道または直線軌道のための支持構造に取り付けられた第２の端を有するハウジング内にレーザ光を入れるフレキシブルレーザビーム送出システムを含む経路に沿ってレーザから光放射デバイスにレーザ光を送る工程を含み、ハウジングは、第１及び第２の端の三次元における相互の回転及び平行移動を可能にする少なくとも１つのジョイント及び少なくとも１つの延長チューブを有する、
態様１の方法が提供される。
第１０の態様にしたがえば、
ガラスシートがダウンドロープロセスにより形成される、
態様１〜９のいずれかの方法が提供される。
第１１の態様にしたがえば、
ガラスシートがディスプレイデバイスの基板である、
態様１〜１０のいずれかの方法が提供される。
第１２の態様にしたがえば、ガラスシートを作製するための、
(Ｉ) 移動するガラスリボン(１３)を形成する工程、
(II) 光放射デバイス(５１)及びノズル(１１９)を載せているキャリッジを、直線軌道(１５)に沿って平行移動させる工程を含む方法により、リボンの移動方向に直交する直線(７)に沿ってリボン(１３)の表面にベントを形成する工程であって、キャリッジの移動が、(ｉ)直線(７)に平行な第１の成分(１８)及び(ii)リボン(１３)の移動方向(１６)に平行な第２の成分を有するように、直線軌道は直線(７)に対して角度αをなして傾けられ、光放射デバイス(５４)はレーザ(４１)によりつくられた光ビームを放射し、ノズル(１１９)は冷却流体を放出するものである工程、及び
(III) 工程(II)で形成されたベントを用いてリボン(１３)からガラスシートを分割する工程、
−(ｉ) 光放射デバイスから放射された光ビームは、リボン(１３)において、長さＬ及び幅Ｗを有する、
−(ii) 光放射デバイス(５１)はＬを定める第１のレンズユニット(５３)及びＷを定める第２のレンズユニット(５５)を備える、
−(iii) 第１のレンズユニット(５３)は少なくとも１つのレンズ素子(８１)を有する、
−(iv) キャリッジ(１４)の移動の第１の成分(１８)と第２の成分(１６)の相対比を変えるようにαが変えられる、及び
−(ｖ) αの変化の結果としての直線(７)に対する光ビームの方位の変化を補償するため、少なくとも１つのレンズ素子(８１)の角方位が調節される、
を含む方法が開示される。
第１３の態様にしたがえば、
第２のレンズユニットが少なくとも１つのレンズ素子を有し、αが変えられても、そのレンズ素子の角方位がキャリッジに対して不変に保たれる、
態様１２の方法が提供される。
第１４の態様にしたがえば、
第１のレンズユニット及び第２のレンズユニットがそれぞれ１つのレンズ素子だけけを備える、
態様１２の方法が提供される。
第１５の態様にしたがえば、
ガラスリボンがダウンドロープロセスにより形成される、
態様１２〜１４のいずれかの方法が提供される。
第１６の態様にしたがえば、
ガラスシートがディスプレイデバイスの基板である、
態様１２〜１５のいずれかの方法が提供される。
第１７の態様にしたがえば、ガラスシートを形成するための、
(Ｉ) 移動するガラスリボン(１３)を形成する工程、
(II) ガラスリボンの移動方向に直交する直線(７)に沿ってリボン(１３)の表面に、
(ａ) 光放射デバイス(１５)及びノズル(１１９)を載せている、キャリッジ(１４)を、キャリッジの移動が、(ｉ)直線(７)に平行な成分(１８)及び(ii)リボン(１３)の移動方向(１６)に平行な成分を有するように、直線(７)に対して角度αをなして傾けられた直線軌道(１５)に沿って平行移動させる工程であって、光放射デバイス(１５)はレーザビームを放射し、ノズル(１９)は冷却流体を放出するものである工程と、
(ｂ) レーザ(４１)またはレーザのための支持構造に取り付けられた第１の端(６５)及び直線軌道(１５)または直線軌道のための支持構造(１１)に取り付けられた第２の端(６７)を有するハウジング内にレーザ光(４３)を入れるフレキシブルレーザビーム送出システム(６１)を含む経路に沿ってレーザ(４１)から光放射デバイス(５１)にレーザ光(４３)を送る工程であって、ハウジングは、第１の端(６５)及び第２の端(６７)の三次元における相互の回転及び平行移動を可能にする、少なくとも１つのジョイント(６２)及び少なくとも１つの延長チューブ(６４)を有するものである工程と、
を含む方法によってベントを形成する工程、及び
(III) 工程(II)で形成されたベントを用いてリボン(１３)からガラスシートを分割する工程、
を含む方法が開示される。
第１８の態様にしたがえば、
フレキシブルレーザビーム送出システムがビームエキスパンダーを備える、
態様１７の方法が提供される。
第１９の態様にしたがえば、
ガラスリボンがダウンドロープロセスにより形成される、
態様１７または態様１８の方法が提供される。
第２０の態様にしたがえば、
ガラスシートがディスプレイデバイスの基板である、
態様１７〜１９のいずれかの方法が提供される。
上記の方法を実施するための装置も開示される。
本開示の様々な態様の上記要約に用いられる参照数字は読者の便宜のために過ぎず、本発明の範囲を限定する目的はなく、またそのように解されるべきではない。より一般には、上述の全般的説明及び以下の詳細な説明が本発明の例示に過ぎず、本発明の本質及び特質の理解のための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。
本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、あるいは本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み込まれて、本明細書の一部をなす。本明細書及び図面に開示される本発明の様々な特徴がいずれかのまたは全ての組合せで用いられ得ることは当然である。
図１はレーザスコーリングプロセスを示す略図である。 図２は、特許文献３にしたがう、レーザスコーリングシステムを示す略図である。 図３は図２のキャリッジの移動運動をさらに詳細に示す略図である。 図４は、スコーリングプロセスの開始時点及び以降のある時点における、冷却流体、レーザ光ビーム及び初期きずの位置を示す略図である。 図５は、(１)Ｓスコーリング(左縦軸)対Ｓリボン(横軸)(曲線５７)及び(２)％最大レーザパワー(右縦軸)対Ｓリボン(横軸)(曲線５９)を表示するグラフである。 図６はレーザ光を遊動光学ヘッドに供給するためのシステムを示す略図である。 図７は、遊動光学ヘッドにレーザ光を供給するために、フレキシブルレーザビーム送出システムを用いる実施形態の斜視図である。 図８は図７のシステムの側面図である。 図９は図７のシステムの上面図である。 図１０は、本実施形態に用いられる第１及び第２のレンズユニット並びに変向ミラーの場所を示すためにハウジングの一部が取り除かれている、図７の遊動光学ヘッドの斜視図である。 図１１は図７の遊動光学ヘッドの第１のレンズユニットの斜視図である。 図１２は、レーザビームが図７の遊動光学ヘッドを通過する際の、レーザビームの形状及び方位を示す略図である。
一般に、ガラスリボンの速度は公称成分Ｓ０及び公称値からの偏りΔＳ０からなる、すなわち：
Ｓリボン＝Ｓ０＋ΔＳ０ 式(３)
として表すことができる。
Ｓ０及びΔＳ０はいずれも時間の関数になり得る。例えば、Ｓ０は、例えば作製速度における意図的な変化の結果として変化し得るし、ΔＳ０はプロセス条件における意図的ではない変化の結果として変化し得る。一般に、Ｓ０の変化によるＳリボンの変化は、ΔＳ０によるＳリボンの変化ほど頻繁ではないであろうが、例えば一連の公称リボン速度の試験が必要になるであろう新しいプロセスのデバッグ中には、逆が真になり得る。以下の議論の目的のため、注目する時間枠にわたってＳ０は不変であり、ΔＳ０はＳ０周りのリボン速度の変動を表し、意図的な変動及び意図的ではない変動のいずれをも含む。
Ｓリボンが変化する際にキャリッジをリボンと同一速度に保つため、すなわちキャリッジの移動運動がリボンから見て直線であるためには、Ｓキャリッジ及びαの一方または両方を変える必要がある。一般に、αを変えるよりＳキャリッジを変える方が簡単である。しかし、本開示にしたがえば、リボンから分割されたガラスシートのエッジの品質を犠牲にせずにＳキャリッジを変化させ得るのは限定された範囲内でしかないことが見いだされた。
特に、レーザスコーリングプロセスを許容されるプロセスウインドウ内に維持するためにはＳキャリッジの変化にともなってレーザパワーを制御する必要があることが見いだされた。詳しくは、レーザパワーは、Ｓキャリッジが大きくなると強める必要があり、Ｓキャリッジが小さくなると弱める必要がある。しかし、システムをそのプロセスウインドウ内に維持しながらレーザパワーを変化させ得る範囲は極めて限られていることが分かった。横軸に沿ってＳリボンをｍｍ/秒単位で、左縦軸に沿ってスコーリング速度をｍｍ/秒単位で、また右縦軸に沿ってレーザパワーを％最大パワー単位で、表示した図５にこの効果が示される。本図に示される曲線は３.８°のα値に対して得られた測定データに基づいている。
図５のデータを得た実験により、リボンから分割されたガラスシートのエッジ特性は、リボンの公称速度(この場合は５０ｍｍ/秒)を中心に±３％の狭い範囲内において、反復して許容範囲内にあることが明らかになった。すなわち、上の式(３)に関し、キャリッジ速度とレーザパワー調節の組合せは、|ΔＳ０|≦０.０３・Ｓ０である場合にはリボン速度の変化に適応するために用いることができるが、|ΔＳ０|＞０.０３・Ｓ０である場合、高信頼度エッジ品質を得るためにはαも変える必要がある。
図５はＳリボンの変化の補償に必要なレーザパワーの変化がＳリボンの線形関数であり得ることも明らかにする。そのような線形依存性により、レーザスコーリングプロセスの制御が容易になり得る。そのような実施形態に対し、ｄＰレーザ/ｄＳリボンは：
ｄＰレーザ/ｄＳリボン＝ｋ・cotα
と書くことができ、ここでｋは定数である。すなわち、ＳキャリッジがＳリボンの上昇に整合するために上昇するときのスコーリング速度の上昇速度はcotα(すなわち、ｄＳスコーリング/ｄＳリボン＝cotαである；上の式(１)及び(２)を見よ)であるが、高信頼度エッジ形成を維持するために必要なレーザパワーの上昇速度は、ｋの値に依存して、cotαより小さくなるか、cotαより大きくなるか、またはcotαに等しくなり得る。図５のデータの場合、レーザパワーが％最大パワーで表されていれば、ｋは１.０より小さい。明らかであろうように、いずれかの特定の用途及びレーザパワーに対するいずれかの特定の単位(例えば、％最大パワー、ワット、等)に対するｋの値は、本開示から当業者によって容易に決定され得る。
図６〜９は、Ｓリボンの変化、例えば＞０.０３・Ｓ０の変化に適応させるために角度αを変えるために用いることができる装置を示す。特に、図６はこの目的のために用いることができる装置の全体構成の例を簡略に示し、図７〜９は特定の実施形態例を示す。図６において、個々のガラスシートが分割されるガラスリボンは参照数字１３で、可動キャリッジのための直線軌道は参照数字１５で、またリボンを作製する装置、例えばフージョンドロー装置は参照数字９で表される。提示を簡略化するため、キャリッジは遊動光学ヘッド５１で表されるが、キャリッジに、冷却流体のためのノズルを有する、別の装置が含まれ得ることは理解されるであろう。遊動光学ヘッド５１は、レーザ４１でつくられたレーザビーム４３を受け取り、ビームをリボン１３に向けて送る。図１〜４に関して上で論じたように、レーザビームは冷却流体と組み合わされて、ガラスに形成された初期きずを延長して、個々のガラスシートがそこでリボンから分割されるベントをリボンの幅にわたって形成する。
図６において、レーザから光を受け取り、光を遊動光学ヘッドに送るに適するアパーチャまたは開口(図示せず)を有するハウジング１９内に配置された、ミラー４５及び４７によって遊動光学ヘッドに誘導されている、レーザビームが示される。ミラー４５及び４７の位置及び角方位は、角度αが変えられてもレーザビームの照準が誘導ヘッドに合わせられたままであるように、能動制御下におくことができる。２つのミラーしか示されていないが、望ましければさらにミラーを用いることができる。
ミラーの位置及び角方位は、αの変化に適応するために用いられるだけでなく、(例えば、室温からガラスリボンの製造にともなう高い動作温度への)温度の変化、機械的振動、等によって生じるレーザ４１と軌道１５の間の相対移動を補償するためにも用いられ得る。所要パワーレベルのため、レーザ４１は一般に極めて大きくかつ重く、したがって製造環境においては軌道１５に用いられる支持構造とは別の支持構造に取り付けられることが多いであろう。この結果、レーザ４１と軌道１５は相互に対する相対移動を受け、したがって遊動光学ヘッドへのレーザビームの連続照準合わせが必要になり得る。そのような連続照準合わせは、レーザ(及び／またはその支持システム)及び直線軌道(及び／またはその支持システム)の位置に関して入力データを適する変換器から得るコンピュータ制御システムを用いて、ミラー４５及び４７の方位及び／または位置を能動的に変えることによって達成することができる。
図７〜９は、αの変化に、また温度、機械的振動、等によるレーザ４１と軌道１５の相対位置の変化にも、受動的に適応することができる、一実施形態を示す。この実施形態は、レーザ４１またはレーザのための支持構造に取り付けられた第１の端６５及び直線軌道１５または直線軌道のための支持構造、例えば図７〜９の支持構造１１に取り付けられた第２の端６７を有する、ハウジングにレーザ光を入れるフレキシブルレーザビーム送出システム６１を備える。直線軌道１５への第２の端６７の取付けには、角度αが変化しても、軌道、第２の端及び光学ヘッドがαの変化時にユニットとして移動するから、レーザビームの照準は遊動光学ヘッド５１に合わせられたままであるという利点がある。
図７〜９に示されるように、送出システムのハウジングは、第１の端６５及び第２の端６７に三次元における相互の回転及び平行移動を可能にする、少なくとも１つのジョイント６２及び少なくとも１つの延長チューブ６４を備える。このようにすれば、送出システムの第１の端及び第２の端は、レーザからシステムへの光入力または遊動光学ヘッドへの光出力のいずれも実質的に劣化させずに、相互に移動することができる。これは、設置することができ、したがって担当者の介在なしに長時間にわたってはたらくことを可能にし得る、頑健なシステムを提供するから、重要な利点である。少なくとも１つのジョイントと少なくとも１つの延長チューブの組合せも、スコーリングシステムの設置、位置合せ及び保守／修理を容易にする。この点に関し、ビーム照準精度要件は極めて厳格であり、例えば、遊動光学ヘッドの中心線からのビーム中心の偏差に適する仕様は、送出システムの最終ミラーから３ｍないしさらに大きな距離において±１００μｍ以下であり得ることに注意すべきである。
同じく図７〜９に示されるように、フレキシブルレーザビーム送出システム６１は、遊動光学ヘッドへの、したがってガラスリボン上への、レーザ光の転送を容易にするためにビームエキスパンダー６３を備えることができる。同時係属の、共通に譲渡された、名称を「非平坦材料のスコーリング(Scoring of Non-Flat Materials)」とする、米国特許出願第１２/２２０９４８号の明細書(以降、’９４８出願明細書)を参照のこと。送出システムは円偏光子も備えることができる(図７〜９には示されていない)。システムは、米国ミシガン州ウィクソム(Wixom)のAmerican Laser Enterprisesによって製造される装置のような、市販装置を用いて構成することができる。
遊動光学ヘッド５１に移れば、図１０に示されるように、遊動ヘッドは、リボン１３上のレーザビームの長さを制御する第１のレンズユニット５３，レーザビームの幅を制御する第２のレンズユニット５５及びビームをリボンに向けて送る変向ミラー６９を有することができる。第１のレンズユニットは、例えば、図２のｚ軸に沿う方向(すなわち、図２の紙面に垂直な方向)にビームを拡大する単円柱負レンズ素子を有することができ、第２のレンズユニットは、例えば、軌道１５の中心線を通って図２のｘ-ｙ平面に平行な平面において軌道１５に直交する方向にビームを収斂する単円柱正レンズ素子を有することができる。もちろん、第１のレンズユニット及び第２のレンズユニットのいずれかにまたはいずれにもさらに多くのレンズ素子を用いることができる。
図１２は伝搬しているビームへの第１のレンズユニット及び第２のレンズユニットの効果を示す。本図に示されるように、円形断面８３を有し、矢印９１の方向に伝搬しているビームが遊動光学ヘッドに入る。ビームはビームを拡大する第１のレンズユニット５３に入り、よってビームは第１のレンズユニットを出るときに参照数字８５で示される形状を有する。その後、ビームは第２のレンズユニットを通過し、ミラー６９によりリボン上に反射される。図１２において、第２のレンズユニットとミラーの組合せの効果は参照数字９３で表される。軌道１５が水平であれば、リボンにおいて得られるビームは、図１２において参照数字８９で識別される形状及び方位を有するであろう。しかし、軌道１５が角度αをなして水平下に傾けられると、リボンにおいて、ビームは図１２に参照数字８７で識別される方位をとる。すなわち、ビームは上方に角度αだけ回される。
式(１)が満たされるようにＳキャリッジ及びαが選ばれれば、斜めビームはそのまま直線、例えば線７に沿ってリボンにかけて平行移動するが、ビームの長軸はもはやその直線に沿ってはいないことに注意すべきである。実際上、ビームの経路とビームの長軸の間のそのような不一致の結果、ビームの長軸はもはや冷却流体及び初期きずがとる経路と完全には合っていないから、信頼度が低いスコーリング及び／または劣ったエッジ品質が得られることになり得る。
この問題に対処するため、レンズ素子８１の円柱軸(または、用いられていれば、複数のレンズ素子の円柱軸)を回転させて、ビームの長軸をリボンの表面にかけてのビームの移動方向と合わせることができるように、第１のレンズを図１１に示されるように構成することができる。図１１に示されるように、レンズユニット５３は、駆動する小歯車７７を駆動するステップモーター７５が取り付けられ、レンズ素子８１が取り付けられている大歯車７９を小歯車７７が駆動する、ハウジング７３を備えることができる。ステップモーターは、レンズ素子８１の方位を軌道１５の角度と整合させるコントローラ(図示せず)によって作動される。特に、図１２に示されるように、コントローラはレンズ素子(または複数のレンズ素子)の円柱軸を軌道１５に平行な軸のまわりで、回転されたビーム８７がビーム方位８９と一致する回転方向に、αだけ回転させる。
図１０に示されるように、第２のレンズユニット５５にも、ユニットの円柱軸の方位を変えるためのステップモーター及び歯車列を装備することができる。しかし、実際上、第２のレンズユニットの円柱軸とリボン上のスコアリング線に対する法線との間の不一致は第１のレンズユニットの円柱軸とスコーリング線の間の不一致に比べてほとんど問題にならないことが分かった。したがって、多くの用途に対し、第２のレンズユニットはキャリッジに対して固定された方位を有することができ、したがって光学システムの複雑さを軽減し、コストを低減することができる。
理解されるであろうように、図１０及び１１に示される装置は説明のための例に過ぎず、様々な別の機構を第１のレンズユニット及び第２のレンズユニットの(１つまたは複数の)レンズ素子の円柱軸の方位を変えるために用いることができる。さらに、「第１のレンズユニット」及び「第２のレンズユニット」の呼称は、ユニットがレーザビームにはたらく順序を意味すると解されるべきではない。図面には第１のレンズユニットが第２のレンズユニットに先行するように示されているが、望ましければ、ユニットは逆の配置をとることができる。第１のレンズユニット及び第２のレンズユニットはスコーリングシステムの仕様にしたがって、様々な規定特性を有することができる。’９４８出願明細書は、本開示に関連して用いられ得る第１のレンズユニット及び第２のレンズユニットに対する、光学能、間隔、等の代表例を含んでいる。’９４８出願明細書の規定特性は市販のＺＥＭＡＸ光学設計ソフトウエア(ZEMAX Development Corporation; 米国ワシントン州ベルビュー(Bellevue))を用いて得られている。同様に、本開示の光学システムに対する規定特性は、ＺＥＭＡＸまたはその他の市販または特注の光学設計プログラムを用いて、得ることができる。
実際上、上で論じた様々な態様はリボン速度の変化を自動的に補償するシステムを形成するために組み合わせて用いることができる。例えば、コントローラは、所望のプロセスウインドウ内のレーザスコーリング及びエッジ品質を達成するため、Ｓリボンに関するデータを用いて、(１)Ｓキャリッジ、(２)Ｐレーザ、(３)軌道１５の角度α及び(４)レーザビームの長軸(または長軸及び短軸の両者)の方位を同時に調節することができる。フレキシブルレーザビーム送出システムの仕様により、手作業の介入を必要とせずに、そのような調節を実時間で行うことができる。
上記のことから分かるように、本開示はレーザスコーリングを容易にする方法及び対応する装置を提供し、ひいては、清浄で強度の高いエッジ、ガラスの組成及び厚さへの不感性、及びリボン運動の最小の擾乱という恩恵を提供する。さらに、軌道角αを大きくすることで、深いスコーリングまたは完全切断を可能にする、低められたスコーリング速度でレーザスコーリングを実施することができる。
本開示の範囲及び精神を逸脱しない様々な改変が当業者には明らかであろう。例えば、スコーリングを一方向だけで実施し、次いで次のスコーリングのためにリセットする代わりに、スコーリングを両走行方向に、例えば、図２において左から右に、次いで右から左に、以降同様に、実施できるようにシステムを構築することができる。添付される特許請求の範囲は、上記のタイプ及びその他のタイプの本明細書に述べられる実施形態の、改変形態、変形形態及び等価形態を包含するとされる。
７ ガラスリボン移動方向に対して垂直な直線
９ ガラスリボン製造装置
１１ 支持構造(支持フレーム)
１３ ガラスリボン
１４ 走行キャリッジ
１５ 直線軌道
１６，１７，１８ ベクトル
４１ レーザ
５１ 光放射デバイス
５３，５５ レンズユニット
６１ フレキシブルレーザビーム送出システム

Claims (10)

  1. ガラスシートの作製方法において、
    (Ｉ) 移動するガラスリボンであって、経時変動速度Ｓリボンを有するリボンを形成する工程、
    (II) 前記リボンの表面に、
    (ａ) レーザでつくられた光ビームを放射する光放射デバイス及び冷却流体を放出するノズルを載せているキャリッジを、前記キャリッジの移動が(ｉ)前記リボンの前記移動の方向に直交する直線に平行な第１の成分及び(ii)前記リボンの前記移動方向に平行な第２の成分を有するように、前記直線に対して角度αをなして傾けられている直線軌道に沿って、速度Ｓキャリッジで平行移動させる工程と、
    (ｂ) 前記キャリッジの前記移動の前記第２の成分が前記リボンと同一速度を保つように、前記Ｓキャリッジまたは前記角度αを、あるいは前記Ｓキャリッジ及び前記角度αのいずれも、動的に調節する工程と、
    (ｃ) 前記光放射デバイスによって放射される前記光ビームをつくる前記レーザのパワーＰレーザを変えることにより、前記工程(II)(ｂ)の前記動的調節を補償する工程と、
    を含む方法によって、ベントを形成する工程、及び
    (III) 前記工程(II)において形成された前記ベントに沿って、前記リボンからガラスシートを分割する工程、
    を含むことを特徴とする方法。
  2. (ｉ) 前記Ｓリボンが：
    Ｓリボン＝Ｓ０＋ΔＳ０
    の形式で表され、
    式中、Ｓ０及びΔＳ０はそれぞれ、前記リボン速度の公称不変成分及び経時変動成分である、
    (ii) |ΔＳ０|＞０.０３Ｓ０である場合、前記工程(II)(ｂ)が前記αを変える工程を含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. (ｉ) 前記工程(II)(ｂ)が前記αを変える工程を含み、
    (ii) 前記リボンにおいて、前記光放射デバイスにより放射される前記光ビームは長さＬ及び幅Ｗを有し、
    (iii) 前記光放射デバイスは前記Ｌを定める第１のレンズユニット及び前記Ｗを定める第２のレンズユニットを備え、
    (iv) 前記第１のレンズユニットは少なくとも１つのレンズ素子を有し、
    (ｖ) 前記工程(II)がさらに、前記αの変化の結果としての前記直線に対する前記光ビームの方位の変化を補償するため、前記少なくとも１つのレンズ素子の角方位を調整する工程を含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. (ｉ) 前記Ｓリボンが：
    Ｓリボン＝Ｓ０＋ΔＳ０
    の形式で表され、
    式中、Ｓ０及びΔＳ０はそれぞれ、前記リボン速度の公称不変成分及び経時変動成分である、
    (ii) |ΔＳ０|≦０.０３Ｓ０である場合、前記工程(II)(ｂ)において前記αが一定に保たれる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 前記工程(II)(ｃ)の前記Ｐレーザの前記変化が、関係式：
    ｄＰレーザ/ｄＳリボン＝ｋ・cotα
    式中、ｋは定数である、
    を満たすことを特徴とする請求項４に記載の方法。
  6. 前記工程(II)が、
    前記レーザから前記光放射デバイスに、前記レーザまたは前記レーザのための支持構造に取り付けられた第１の端及び前記直線軌道または前記直線軌道のための支持構造に取り付けられた第２の端を有するハウジングであって、前記第１の端及び前記第２の端の三次元における相互の回転及び平行移動を可能にする、少なくとも１つのジョイント及び少なくとも１つの延長チューブを有するハウジング内に前記レーザ光を入れるフレキシブルレーザビーム送出システムを含む経路に沿って、レーザ光を送る工程、
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  7. ガラスシートの作製方法において、
    (Ｉ) 移動するガラスリボンを形成する工程、
    (II) 前記リボンの表面に、
    (ａ) レーザでつくられた光ビームを放射する光放射デバイス及び冷却流体を放出するノズルを載せているキャリッジを、前記キャリッジの移動が(ｉ)前記リボンの移動方向に直交する直線に平行な第１の成分及び(ii)前記リボンの前記移動方向に平行な第２の成分を有するように、前記直線に対して角度αをなして傾けられている直線軌道に沿って、速度Ｓ キャリッジ で平行移動させる工程と、
    (ｂ) 前記キャリッジの前記移動の前記第２の成分が前記リボンと同一速度を保つように、前記Ｓ キャリッジ または前記角度αを、あるいは前記Ｓ キャリッジ 及び前記角度αのいずれも、動的に調節する工程と、
    を含む方法により、ベントを形成する工程、及び
    (III) 前記工程(II)で形成された前記ベントを用いて前記リボンからガラスシートを分割する工程、
    を含み、
    −(ｉ) 前記リボンにおいて、前記光放射デバイスから放射された前記光ビームは長さＬ及び幅Ｗを有する、
    −(ii) 前記光放射デバイスは前記Ｌを定める第１のレンズユニット及び前記Ｗを定める第２のレンズユニットを備える、
    −(iii) 前記第１のレンズユニットは少なくとも１つのレンズ素子を有する、
    −(iv) 前記キャリッジの前記移動の前記第１の成分と前記第２の成分の相対比を変えるように前記αが変えられる、及び
    −(ｖ) 前記αの前記変化の結果としての前記直線に対する前記光ビームの方位の変化を補償するため、前記少なくとも１つのレンズ素子の角方位が調節される、
    ことを特徴とする方法。
  8. 前記第２のレンズユニットが少なくとも１つのレンズ素子を有し、前記αが変えられても前記少なくとも１つのレンズ素子の角方位が前記キャリッジに対して一定に保たれることを特徴とする請求項３または７に記載の方法。
  9. ガラスシートを形成する方法において、
    (Ｉ) 移動するガラスリボンを形成する工程、
    (II) 前記リボンの表面に、
    (ａ) レーザでつくられた光ビームを放射する光放射デバイス及び冷却流体を放出するノズルを載せているキャリッジを、前記キャリッジの移動が(ｉ)前記リボンの移動方向に直交する直線に平行な第１の成分及び(ii)前記リボンの前記移動方向に平行な第２の成分を有するように、前記直線に対して角度αをなして傾けられた直線軌道に沿って、速度Ｓ キャリッジ で平行移動させる工程と、
    (ｂ) 前記キャリッジの前記移動の前記第２の成分が前記リボンと同一速度を保つように、前記Ｓ キャリッジ または前記角度αを、あるいは前記Ｓ キャリッジ 及び前記角度αのいずれも、動的に調節する工程と、
    (ｃ) 前記レーザから前記光放射デバイスに、前記レーザまたは前記レーザのための支持構造に取り付けられた第１の端及び前記直線軌道または前記直線軌道のための支持構造に取り付けられた第２の端を有するハウジングであって、前記第１の端及び前記第２の端の三次元における相互の回転及び平行移動を可能にする、少なくとも１つのジョイント及び少なくとも１つの延長チューブを有するハウジング内に前記レーザ光を入れるフレキシブルレーザビーム送出システムを含む経路に沿って、レーザ光を送る工程と、
    を含む方法によってベントを形成する工程、及び
    (III) 前記工程(II)で形成された前記ベントを用いて前記リボンからガラスシートを分割する工程、
    を含むことを特徴とする方法。
  10. 前記ガラスリボンがダウンドロープロセスによって形成されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
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