JPS5890390A - 脆性材製物品の非接触式表面加工方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、レーザー光線を利用し、特にはガラス等の脆
性材から成る物品の表面を非接触式に加工する方法或い
はそのような物品の構成材又は素材を同物品の表面から
部分的又は金的に除去する方法と、この方法を実施する
ための装置とに関する。

ガラス製品等の装飾又はマーク付は加工を目的として、
レーザー光線を利用することは既知である。この加工技
術において意図されるのは、使用レーザー光線の照射の
結果ガラス製品等が化学的又は物理的な反応を行い、永
久的な変化を受けるようにすることである。例えば、万
足のゆく装飾効果を実現するため、クランプ手段、心出
し手段、光学系等を設け、レーザー光線を所望仕様で案
内するようにしている。

この技術に関する不都合又は欠点は、レーザー光線照射
の縁部域において、ガラス製品等に肉眼で認識されるよ
うな裂傷状の損傷を生じてしまうことである。このよう
なキズは、少なくも製品の外観を見苦しいものとしてし
まうし、触れるにも不快であるばかりか怪我の原因とな
ることもあり得るし、また時にはキズの度合が更に進む
ことによりひどい損傷や破壊という結果すら招くことが
あった。

このような理由から、ガラス製品等の例えばマーク付け
を目的として、レーザー光線を利用する範囲、程度はこ
れ゛まで非常に限られたものとなっており、このため上
記以外の方法が試みられている。すなわち、ガラス等の
製品にマーク、目盛線、会社名、文字、装飾線、模様及
び／又は絵柄番付けるために、種々の加工法が既に開発
されており、これらには、例えば塗料等の物質をガラス
等製品に適用するものと同製品構成材又は素材を部分的
に除去してしまうものとが含まれる。

前者の加工法においては、ブラシにより塗料を適用する
方法、被加工物品に対しステンシルを巻装し、ドクタ装
置によりインク又は染料をスクリーン、の網目を通して
適用するようなスクリーン印刷法及び写し線式の転写法
等がある。

これらの加工法においては、マーク付は等を永久的なも
のとするたけ１次に炉内においてベーキング作業を行う
必要がある。また、このため、製品素材に良く適合され
た膨張株数を有し、きれいに拭い去ることが出来、皿洗
機内の洗浄作業に良く耐えかつ高度な薬品耐゛性を有す
るような特殊の塗料を使用することも必要である。

後者、すなわち素材を除去する方法については、被加工
物品の表面から同物品の素材の層を除去する方法、ぶつ
化水素酸又はぶつ化物含有ペーストを利用するエツチン
グ法等が知らレテいる。また、この素材除去法が砂吹付
は装置を用いて遂行されることもある。更に、装飾加工
技術においては、研磨円板及び鋼車により研磨を行うこ
とも知られている。

しかし、上述した既知の加工法は、費消される時間及び
エネルギーの点からみて経済的ではなく、非接触式でな
く、また大量生産製造の場合には特別の生産又は加工作
業ラインをおそらくは必要とするものである。

従って、本発明の課題は、レーザー光線を利用し、非接
触式に、裂傷状のキズの発生なしに鋭い縁また鈍い縁を
形成する仕様で素材の除去が為し得るような、素材除去
による加工方法及びその加工を実行するための装置を提
供することである。

本発明に従う加工方法に関しては、上述課題は、少なく
も部分的に吸収性の、少なくも１個のマトリックスにレ
ーザー光線を通過させ、それを複数条の分割光線条に分
割することにより解決される。このようにすると、レー
ザー光線のエネルギーを、光線の横断面において対称又
は非対称に分割することが出来、゛また分割光線条を所
望の素材除去作用を及ぼすように適合さ−せることが出
来る。この点に関し、本発明に従う構成によれば、レー
ザー光線の各分割光線条に光学的効果、主として強度上
の変化が得られるが、回折のため光線の方向に関する変
化もまた得られる。実質的には、このマトリックスは、
その形状いかんにより、レーザー光線のエネルギー減衰
及び／又は同マトリックス域内所望点における回折を可
能とする、光線分割手段を構成するものである。

本発明の新規な方法によれば、有利なことに、被加工物
と何らかの工具との間の接触無し忙、すなわち被加工物
品表面に流体又は質量を有する粒子状光線を物理的に適
用すること無しに加工が行われる。本発明に従う加工方
法の採用により、影響力を有する光の効果を充分に享受
することが出来、これは成る点、例えば照射光線縁部に
おいて光の強度が好ましくない程高くなることまたその
結果被加工物品の表面に損傷の発生す−ること無しに実
現し得る。

被加工物品とレーザー光線源、換言すればレーザー光線
との間にマスクを有利に配置することが出来、なおこの
マスクが被加工製品表面に付されるマークの形状を決定
するようにする。

この具体例において、マスクとマトリックスを相互に結
合し単一部品又は部材の形に構成し、マスクが例えば所
定外郭形状内に透孔の施されたスクリーンから成るマト
リックスを包含するように構成することが出来る。レー
ザー光線と被加工物品との間に光学系を採用するが、こ
れにより例えば被加工品表面に施されるマーク又は装飾
を種々と変えられるようにすることが出来るし、また被
加工品を切断してしまう加工、更に詳しくはその素材の
充分に大量の部分を除去してしまう加工も実施可能であ
る。素材除去作業に際し、その作業域に向は気体噴射を
行い、これにより被除去粒子を取除くようにするのもま
た有利である。この気体噴射の、この他の効果は作業域
に化学的及び熱的影響を与えることである。例えば、予
熱効果により表面での反応を加速させることが出来るし
、また冷却を行うことも可能である。更に、粉体、例え
ば金属際化物を添加適用して作業域に色付けを行うこと
も出来る。このような目的で使用される気体は、例えば
不活性ガス、貴ガス、酸素及び水素、プロパン、空気等
の可燃ガス並びにこれらの混合ガスである。

本発明によれば、マトリックス及び／又は被加工物品の
表面を、レーザー光線中に、連続的及び／又は断続的に
、直動及び／又は回転運動させるのが有利である。この
ように運動させることにより、特に裂傷状キスの発生を
防止出来る。更に、この運動により、レーザー光線分布
の制御が可能となり、またその結果、特にエネルギーの
均質化又は減衰に関し、その分布に変化を与えることが
可能となる。本発明により、被加工物品に行われる素材
除去の強度、程度及びそれの行われる部位を、光線照射
の横断面にオケルマトリックスの性質及び種類により決
定することが実現される。従って、有利なことには、例
えば砂吹付は法等を採用する特避は得ないような、マー
ク付は境界部における明確’）−１−欠く加工域の発生
するおそれ無しに、所定、所望通りの肉眼可視模様の形
成が可能である。

本発明に従えば、被加工物品の表面に向はレーザー光線
を脈動式に照射するのも有利である。

冷間条件下に、脆性材製物品、特には中空ガラス管及び
平板ガラス等のガラス製品にマーク付は又はその切断加
工を行う時レーザー光線の連続照射を行うことは可能で
あるが、本発明の特徴に従いパルス化されたレーザー光
線照射を採用することが、例えば陰影又は濃淡効果を生
み出す場合特に望ましい。このように、被加工物品に各
分割レーザー光線条を段階式に作用させる場合また同物
品中に各分割光線条を所望深度で入込ませる場合にも、
その仕様を段階式に微妙に変化させることが可能である
。

上述した本発明加工方法を実施するための装置に関し、
前述した課題は、本発明に従い、好ましくは高度のレー
ザー光線吸収能を有する直線状及び／又は曲線状域又は
部分の形成されたマトリックスを設けることにより解決
される。

本発明による加工法を遂行するため、レーザー光線強度
に局所的に影響を与える少なくも１個のマトリックスが
使用されるが、レーザー光線源と被加工物との間のレー
ザー光線経路中任意位置に複数個のマトリックスを配設
することも可能である。マトリックスを、例えば上記レ
ーザー光線経路の上流位置又は下流位置に配することも
出来るし、或いは他の実施例においては、マスクの上流
位置及び下流位置に設けてもよい。

本発明に従うマトリックスについて本質的な点は、それ
が一方で光線分割手段として機能すると共に、他方では
好ましくは局所的に差別を生じさせる仕様で、光線を偏
向させるか又はその強度を減衰させる作用も有するとい
うことである。これは、同−又は異った程度の吸収能を
有す・る場又は部分を形成することにより実現されるが
、そのような場又は部分は異った形状及び構成を有する
ように形成することが出来る。本発明の好ましい１実施
例において“は、例えば、マ）　ＩＪラックス上記吸収
能を有する場又は部分が棒状線材により好ましくは格子
又は網状に形成されていることを特徴としている。この
吸収性域又は部分は曲線、円又は角形により規定される
平らな域又は場でも有り得るが、格子状或いは網又はス
クリーン状マトリックスとする構成仕様が、光学上の観
点から特に簡単でありかつ高度に有効である。格子又は
スクリーンを形成する棒材は高度の吸収能を有し、また
金属スクリーン又はその類似部材である場合には、棒材
の部分は入射光を通さない。マトリックスに衝突する全
体的なレーザー光線を複数の分割光線条に分割すること
の他に、マトリックスにより起る回折も、光線の波とし
ての性質を考慮すると、特にマトリルックス又はレーザ
ー光線の境界域に関し、有利な役割を果すものである。

しかし、本発明に従えば上記した好ましい１実施例以外
にも有利な実施例が考えられる。それは、マ）　ＩＪラ
ックス、透孔の形成された、高度な吸収能を有する表面
又は光−的に活性な物質から成ることを特徴とするもの
である。例えば、マトリックスは、１枚又はそれ以上の
レンズのような、部分的に固体状で非透過性及び／又は
光学的に活性な部材により構成することが可能である。

この光学的に活性な部材は、例えば所定程度の吸収性を
有する水晶であっても良く、レーザー光線照射横断面に
おいてその厚味を種々に変えることにより、種々の光学
的効果の得られるよう構成可能である。格子、スクリー
ン、透孔形成板、透孔形成円板等は入射レー′　　ザー
光線を透過する領域とそれ、を通さない領域とを、有す
ることを特徴とするものである。マトリックスの光を通
さない領域又は場が機械的に強固な金属で成る場合、そ
のような構−成部による鋭いマーク付または模様形成の
効果を、前述した直動及び／又は回転運動、好ましくは
マトリックス自体に行なわれるそのような、運動により
鈍化又はソフト化することが出来る。

この運動は、全ゆる方向にまた全ゆる形で実行すること
が出来る。例えば、マトリックスの好ましくは平坦な表
面に直角座標系を視覚化し、直動運動が空間内３次元方
向（゛３直動運動自由度）のいずれかに行われるように
することが可能である。また、それら空間内３方向を回
転軸（３回転運動自由度）として、その周囲に回転運動
の視覚化を行うことも可能であり、このような運動を可
能とするための機械的構成は当業者により設計し得るも
ので、ある。この点に関し、全ゆる方向に直動運動及び
回転運動の組合わせを行えるように構成することも出来
る。また、このような運動を振動性又は振動型のものと
し、広い波形状範囲においてそれが行われるようにする
のも望ましい。この点に関し、被加工物品及びマ）　Ｉ
Ｊラックスいずれか１方又は双方をレーザー光線に関し
運動させることは既に記述し。

た通りである。このため、−まだパルス化されたＣ−ザ
ー光線照射が行われるならば、レーザー光線が被加工物
品上の点を次々とまた種々の強度で衝撃し、同物品の素
材を除去°することにより、種々と区別された陰影のあ
る像を同物品上に形成することが可能となる。

レーザー光線と被加工物又は工作物との間に適当な運動
が行われるならば、工作物の表面からその素材又は構成
材が層状で除去され、レーザー光線が工作物の分割、換
言すればそれの成る部分の分離又は切断に利用されるよ
うに構成することも可能である。

本明細書中、脆性材とは、好ましくはガラスを指して用
いられるが、本発明の加工方法によりセラミック及び脆
性プラスチック材、例えばアクリル、ガラス等もまた加
工し得るもので、ある。この点に関し、考慮すべき重要
な点は、特に、被加工物品がレーザー光線の波長域にお
いて吸収性の表面又は縁部を有する、すなわち同物品が
レーザー光線を吸収し、その程度が例えば蒸発によりそ
の素材が除去されてしまうようなものである例がある一
方、被加工物品の表面がレーザー光線を通さない性質の
ものであって、上述した方法により加工するには、吸収
性の表面層、例えばラッカー、塗料或いはフィルム又は
箔材の適用を必要とする場合もあるということである。

マトリックスが、固体物質から成る吸収性表面、例えば
有孔板又はスクリーンを有する場合には、加工作業の際
にマトリックス自体が損傷を受けたり使用不能になった
りすることの無しλよう注意を払うことも必要である。

これは、レーザー光線のエネルギーがマトリックスの表
面で変換され、その結果マトリックスの素材が蒸発して
しまうことも有り得るからである。しかし、例えば波長
１０．２μｍのＣＯ２レーザー光を利用する場合には、
光学上普通に使用される素材、特に金属類を全く何んら
の危険も無しに使用し得ることが判明している。上記し
た波長域において、特殊ガラスでない限りガラス類は透
過性を有さず、上述したようなレーザー光線を使用した
場合そのエネルギーはガラス表面で変換され、それによ
りガラス材の除去が行い得る。

上述したように、本発明による加工方法及び加工装置は
、正確に規定されかつ実質的に制御及び調節可能な仕様
で被加工物品の表面からその素材を除去することを可能
とする。また、必要の場合には、例えば所望の破壊部分
を形成したり、或いは素材の成る部分を所望形状に完全
に分断、分離させることも可能である。有利なことには
、このような加工に際し、素材の除去又は分断が行われ
る点において被加工物品に損傷を惹起するような、計測
可能な程度の応力は発生しない。非接触式に行われる本
発明による加工法により、脆性材、特にガラス製物品に
マーク付は加工又はその分断加工を急速に行うことが出
来る。レーザー光線分割手段を成すマトリックスは、照
射レーザー光線横断面における光線強度の不均一な分布
を解消又は少なくも抑制する。レーザー光線の強度ピー
クは、マトリックスの性質又は材質及びその構成仕様に
より、高度の回折又は制限をはかること或いはマスクの
使用により均一化することが出来る。

膳射レーザー光線の横断面縁部からその内部への又はそ
の内方から縁部への転移領域についての調節も可能であ
り、このためには当該転移域の素材の部分が段階式又は
等級別にレーザー光線の作用を受けるようにすればよい
。

レーザー光線が素材の表層に進入する最大深度は、分割
光線条の中心部において見られる。

本発明に従う加工方法及び装置によれば、被加工物品の
同一箇所が複数回の加工作業を受けるようにすることも
また可能である。すなわち、素材の除去された表面の構
造を均一化することが望まれる場合、素材上レーザー光
線の作用する個々の点の間に、マトリックスを直動式又
はいずれか任意の軸周囲に回転式に或いは直動一回転組
合わせ式に運動させて、レーザー光線により既に素材除
去の行われた点のそばに新しいへこみ又はくぼみが形成
されるように加工することが出来るのである。これによ
り、砂吹付は処理によるものと同様な表面加工効果が得
られるのであるが、この場合砂吹付は法による不都合な
点の生ずるおそれは全くない°。これは、本発明によれ
ば、加工が接触加工を要さず、鋭い縁部を形成すること
が可能だからである。レーザー光線の分割光線条による
素材除去加工は所要回数反復して行うことができ、また
レーザー光線が素〜材に作用を及ぼしている時又は作用
を及ぼす瞬間と瞬間の間に、被加工物品もまた運動させ
旭れるように構成するならば、大量の素材の除去された
箇所のそばに少量の除去された部分が形成されるように
して陰影又ｉマ濃淡効果を有する表面構造又は形状を生
み出すことも可能である。この加ニ一方法による制御の
利いた素材除去を継続しぞ行い、ガラス又は他の同様な
脆性材の切断を行うことも可能である。切断又は分断の
特性は、使用されるレーザー光線分割手段又はマ）　Ｉ
Ｊソックス形状及びその運動仕様による。

本発明の上記以外の特徴、効果及び可能な用途は、添付
図面を参照して以下に行う、好ましい実施例の記載から
明らかとなるであろう。

第１図の断面図において、線図式に示されまた符号１′
にて示される、レー　ザー光線の分割光線条につ′き既
述したところにより、６遣性材製物品の表面の素材層或
いはその内部もまたレーザー光Ｉ１１により加工し得る
ことが既に了解されたこととおもわれる。第１図は、１
条の分割光線条１′を示すが、これは中心部２と、点線
により示されるように同中心部２から分離された縁部６
とを有している。脆性素材又は同材製物品が符号４にて
示されているが、本実施例においてこれはガラス片を示
す。分割光線条１′が作用を及ぼす領域において、素材
４の表面５には樋状のへこみ又はくぼみ６が形成されて
いるが、これは光１条１′の中心部２の部位で最深とな
っており、そこから外方に表面５に向い、図示のように
断面図において連続曲線状に徐々に浅くなっている。

第２図に示されるように、分割される前の全体レーザー
光線１は例えば符号１３にて示されるように正方形又は
長方形の横断面形状を有しており、図中右方にマトリッ
クス７に及んでいる。

このマトリックス７は、本実施例においては直角に交差
する直線状金属棒部材８及び９から成ル金属スクリーン
の形となっている。第２図に示される好ましい実施例に
おいて、光線分割手段を成すマトリックス７は、レーザ
ー光Ｉｓ１の横断面の全域に及ぶものである。マトリッ
クス７の右側（斜視図において、観察者の視点からはマ
トリックスの前方）の領域において、各分割光線条１′
は符号１４にて示される断面形状を有しており、明らか
なように右方に向い、全体レーザー光１ｌＪ１と同一方
向かつそれと平行に及んでいる。レーザー光４１１が多
数の光線条１′に分割されていることを示すことが、第
２図図示には意図されている。レーザー光ＩｆｌＪ１は
マトリックス７の金属棒部材８及び９を通過出来ないの
で、これら線状の棒部材の部分でレーザー光線の強度は
弱められ、また図示は省略されているが、回折現象もま
た起る。

第３図は、上下方向に延びる線状の金属棒部材８及びそ
れらに直交して左右方向に延びる線状の金属棒部材９を
有するマトリックス７を更に詳細に示している。直線状
の両頭矢印が、マトリックス７の行い得る３直動運動方
向（３直動運動自由度）を示しているが、これらの運動
方向は一般的に符号１０にて示される直角座標系に相当
する。曲線矢印１１は、上記３直動運動方向のいずれか
を軸として可能な回転運動を示すものである。制限され
た周期回転運動或いは周期的な正逆回転運動も可能であ
る。

第４図は、再び一部欠切横断面図によりガラス製品４を
示すが、図示の上方から下方へ、加工における３種の異
った段階を示している。第４図には図示の省略された分
割光線条１′がガラス製品４に作用を及ぼすと、その表
面５は第１図に図示された形状に相当する樋状のくぼみ
６を有するようになる。

ガラス製品、すなわち被加工物品４に関しマトリックス
７を直動式及び／又は回転式に運動させ、１条の分割光
線条１′が上記と同様に被加工物品上の他の箇所に作用
を及ぼすようにすると、或いは２条の分割光′線条１′
が同時に作用を及ぼすように操作すると、また表面５か
ら上記と同量の素材が除去されるならば、第４図中段部
に示される状態が生じ、図示のように２条の樋状くぼみ
６及び６′が間隔をおいて形成される。

このくぼみ６及び６′間の間隔は、マトリックスの２個
の穴の間のそれ又はマトリックスの吸収性領域又は場の
それに相当するものであるが、これはマトリックスのそ
のような穴を通じてのみ分割’ｘｔｓ条１′がガラス製
品４の表面５に届くことが出来るものだからである。

第４図の最下段に示される状態は、更に加工工程を経た
場合のものであるが、更に詳細には、ガラス製品４の表
面５が２条の樋状くぼみ６及び６′の間の他の箇所にお
いて１条の分割光線条１′の作用にさらされた結果束じ
たものである。

この場合には、表面上に３条の樋状くぼみ６゜６“及び
６′が並置形成される。

本発明に従う、もう１種の加工、すなわち脆性材又はガ
ラス材４の切断又ｊマ分断に関しては、その仕様が第５
図に示されている。第５図の最上段に示される状態は、
作業の第１期において全体レーザー光線１が表面５に作
用した結果束じたものである。中段に図示の状態は、作
業の第２期における加工の結果である。そして、もし全
体レーザー光１又は複数の分割光線条１′を充分に長い
時間ガラス製品４に作用させた場合には、今度は第５図
最下段に示されるようにガラス製品４は隙間１２を生じ
て、分断又は切断ネルギーは、素材すなわちガラスが蒸
発により除去、排除される形で、ガラス製品４による吸
収により変換させられてしまう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従い、分割された１条の分割光線条
を作用させ、この物品に表面加工を行う状態を示す要部
拡大断面図、第２図は、左側部にレーザー光線の全体光
線、また右側部にマトリックスにより複数条に分割され
た分割光線条のマトリックスを通過する部分を示”す線
図式斜視図、第３図は、スクリーンの形に構成されたマ
トリックスの１実施例を示し、それが両頭矢印に示され
るように、ＸＳＹ、Ｚ座標系に直動運動可能であること
、また空間のｌ、ｚずれ力）の軸に関し回転運動も可能
であることを示す略本説明図、第４図は、本発明に従い
一連種々の表面加工を経た後の被加工物品を一部省略し
て示す略本断面図、そして第５図は、本発明に従う一連
の表面加工の結果、被加工物品が分断又は切断される状
態を示す、第４図に類似する略本断面図、である。 １・・・レーザー光線（又はその全体光線）、１′・・
・分割光線条、４・・・被加工物品、５・・・（被加工
物品の）表面、７・・・マトリックス、８，９・・・（
マトリックスの）直線状及び／又は曲線状の部分（又は
棒状部材）。 代理人　弁理士　　小　川　信　− 弁理士　　舒　口　賢　照 弁理士　斎下和彦 Ｏ Ｆｉｇ、２ Ｆｉｇ、４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザー光、Ｉｊｌ　（１）を、少なくも部分的に
   吸収性を有する少なくも１個のマトリックス（７）に通
   過させて複数条の分割光線条（１つに分割することを特
   徴とする、レーザー光線を利用した、脆性材製物品の非
   接触式表面加工方法。 ２、マトリックス（７）及び／又は被加工物品（４）の
   表面（５）をレーザー光線（１）又はその分割光線条（
   １′）中に直動及び／又は回動運動させることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の脆性材製物品の非接
   触式表面加工方法０ ３、　レーザー光１！　（１）又はその分割光線条（１
   ′）を脈動式に被加工物品（４）の表面（５）に照射す
   ることを特徴とする特許請°求の範囲第１項又は第２項
   に記載の、脆性材製物品の非接触式表面加工方法。 ４、レーザー光線に対し高い吸収能を有する直線状及び
   ／又は曲線状の部分（８，９）の形成されたマトリック
   ス（７）を有することを特徴とする、レーザー光線を利
   用した、脆性材製物品の非接触式表面加工法を実施する
   ための装置。 ５、吸収能を有する、マトリックス（７）の前記部分（
   ８，９）が棒状の線材から成りかつ好ましくは格子又は
   網状に構成されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第４項に記載の、脆性材製物品の非接触式表面加工法を
   実施するための装置。 ６、マ）　ＩＪラックス７）が高い吸収能を有する表面
   から成り、同表面には穴が形成されているか又は同表面
   が光学上活性な物質から成ることを特徴とする特許請求
   の範囲第４項又は第５項に記載の、脆性材製物品の非接
   触式表面加工法を実施するための装置。 ７、ｇ＆収能を有する、マトリックス（７）の前記部分
   （８，９）が固体物質から成ることを特徴とする特許請
   求の範囲第４項ないし第６項のいずれかに記載の、脆性
   材製物品の非接触式表面加工法を実施するための装置。