JP3687070B2 - 脆い材料から作られた平らな加工物を切断するための方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脆い材料、特に、ガラスまたはセラミックから作られた平らな加工物を切断するための方法であって、コールドスポットで追従される直線ビームプロフィールを有するレーザ−ビームを、特定の輪郭を有する分割線に沿って移動させる該方法に関する。この方法の好ましい用途は平らなガラスの切断にある。
本発明は、さらにコールドスポットで追従される直線ビームプロファイルの形態のレーザービームを使用してこの種の加工物を切断するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
平らなガラスを切断するための従来の方法は、ダイヤモンド又は小さな回転カッターを使用して、先ず、ガラスにけがき線を入れ、次に、このようにして入れた弱い部位に沿って機械的外力を加えてガラスを破断することに基づいている（けがき及び破断）。この従来方法の欠点は、例えば、けがき線により粒子（破片）が表面から出て、それにより前記粒子がガラス面に溜まり、ガラス面を傷つける可能性があることである。さらに、「チップ」が切断エッジに作られ、でこぼこしたガラスエッジになる。さらに、このけがきプロセス時に切断エッジに生じた微細クラックが機械的応力耐性の低下、すなわち、破損のリスクの増加を招く。
破片やチップ及び微細クラックの形成を防止する一つの方法は、熱により誘発された機械的張力に基づいてガラスを切断することである。この方法では、ガラスに向けた熱源をガラスに対して一定速度で移動させ、それによってガラスに亀裂を入れるような高い熱による機械的張力を生じる。赤外線エミッター、特殊なガスバーナー及びレーザーは、特に熱エネルギーを局部的に、すなわち、典型的な切断精度に対応する１ミリメートルより大の精度で位置合わせするのに必要な特性の熱源を有する。レーザーはその良好な集束性、良好な出力制御性及びビーム形成性のために、従ってガラスに対する強度を分布するのに有効であることが分かり、受け入れられてきた。そのため、先ずレーザービームを使用してガラスをけがき、それから機械的に破ることができる。あるいは、機械的に作られた開始亀裂と共に、すなわちガラスを切るためにビームを直接使用して、ガラスを直接切ることができる。用語「分離／分割」あるいは「切断」は「けがき−破壊」と「切断」を含むものである。
【０００３】
このレーザービーム分離方法、この方法は、外部から行なわれる冷却と共に集束レーザービームを使用する局部加熱によって、熱による機械的張力を材料の破壊強度以上まで誘発するものであるが、これは例えばＥＰ０８７２３０３Ａ２等の多数の公報で公知となっている。
上記レーザービーム分離方法は、特に焦点の形状で異なる。例えばＤＥ６９３０４１９４Ｔ２による方法は、コールドスポットで追従される長円断面を有するレーザービームを使用している。
先に引用した公報ＥＰ０８７２３０３Ａ２は、分離方向に開放するＵ字形あるいはＶ字形を有する焦点を付与するレーザービーム分離方法を記載している。この延長として、Ｘ字形焦点の輪郭も記載されている。双方の場合では、レーザービーム焦点は、直線カットを実施するのに有効であることが分かった二次元構造を有する。自由形態の切断をなす場合、分割線の輪郭に適し湾曲した二次元焦点を作り、追従する冷却を含めてその輪郭に沿って走査される必要があろう。これは、特にそれぞれの二次元焦点を生じるスキャナー装置とコールドスポット装置を、軌道制御装置に連結する必要があり、その実現性は交換される大量のデータと必要とされる切断速度のために非常に問題がある。
【０００４】
レーザービーム分離方法はＤＥ４３０５１０７Ｃ２で公知になっており、この公報ではレーザービームはそのビーム断面が加工物の表面に直線形状を有するようなやり方で形成され、衝突されるビーム断面の長さと幅の比率がレーザービーム路の開口を使用して調節可能である。この方法はその使い易さの点でも大きく制約される。この方法は自由形態のカットをなすには使用できず、分割線が完全に加熱された後になってからでないと、例えば常温圧縮空気の噴射による、冷却が行なわれないために、この公知の方法は、中空ガラス製品を固定レーザービーム内で回転し、それによって最初の押出リムがレーザービームによってその周囲を加熱され、次にガスを吹きつけるという補助的なやり方で冷却することによって、ガラス製品の押出リムを切断するというような用途にしか用いられない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、最初に記載した方法をそのようなやり方で実施し、自由形態のカットがレーザービーム分離方法を比較的容易に使用して実施できるようなやり方で関連装置を設計することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、コールドスポットによって追従される直線ビームプロフィールを有するレーザービームが特定の輪郭を有する分割線に沿って移動する、脆い材料から作られた平らな加工物を切断する方法に基づき、その目的は、前記加工物に自由形態の切断部を作るために、直線焦点両端に著しい強度増加を有する直線焦点を加工物上に作成し、その際、該レーザービーム出力の少なくとも６０％が該直線焦点の両端に集束され、前記焦点は、該分割線が湾曲されていても該直線焦点の両端が該分割線上にあり、そして前記焦点の両端間 の間隔が該分割線の輪郭の曲率の関数として調節されるよう分割線に沿って移動される方法に従って達成される。なお、本願の明細書において直線焦点とは、焦点両端間に亘って焦点が形成されている焦点をいう。
これらの対策の結果として、エネルギーの大部分が焦点の両端部に集中し、この前記エネルギーが分割線に制限され、同時に焦点の両端間の間隔が該輪郭の曲率に適合され、それにより小さな曲率半径を伴うときに、焦点の両端間の間隔がそれに対応して短く、また大きな曲率半径を伴うとき、焦点の両端間の間隔がそれに対応して長くエネルギーを該分割線に確実に照射するため、分割線への必要なエネルギーの適用が確保され、比較的簡単な方法を使用してどんな形状の自由形態のカットも実施することが可能である。
【０００７】
加工物材料が溶融しないようにするために、本方法は、レーザー出力が直線焦点の両端間の間隔の関数として調節されるような実施形態により実施される。
この方法は、直線焦点がレーザービームの走査によって作られるという別の実施形態により比較的容易にしかも有利に実施することができる。
本発明に従う方法を実施するための装置については、この目的は、前記両端で著しい強度増加を有する直線焦点を作成するための光学系を設け、前記光学系では該ビーム出力の少なくとも６０％で前記両端が集束され、該分割線が湾曲されていても前記直線焦点が自由形態切断部の分割線上に位置され、焦点の両端間の間隔が前記分割線の輪郭の曲率の関数として調節されるように、前記光学素系がプロフィール制御装置を介して数値軌道制御装置に連結されることにより達成される。
【０００８】
直線焦点のために、光学系は特性上比較的単純に設計することが可能であり、従来の軌道制御装置を使用して分割線の焦点の両端部を移動し、焦点の両端間の間隔を分割線の輪郭に合わせることができる。
さらに本発明の一つの実施形態に従って、軌道制御装置に連結された軸が、直線焦点と加工物に対してコールドスポットを位置合わせするために設けられ場合に、最適な分離が保証される。
本発明の他の実施形態によれば、この装置は、光学系が振動ミラーを有するスキャナーを備える場合、その特性上、特に単純に設計することができる。直線焦点の両端間の間隔を変えるためには、振動ミラーの振動周波数を変えれば良いだけなので、プロフィール制御装置と軌道制御装置を本質的に比較的単純に設計できる。
本発明の他の特性と利点は、図面に示された具体的な実施形態の説明から得られる。
【０００９】
【発明の実施形態】
レーザービーム分離方法を使用して脆い材料から作られた平らな加工物、特に平らなガラス製品を切断する本発明に従う原理を図１及び図２に示す。図１は特定の輪郭に沿った一連の動きの制御の原理的レイアウトを示している。図２はコールドスポットが追従するレーザービームの焦点形状と、運動軸の、図１に係る輪郭制御装置への整合を示す。
本発明に従う分離の原理は直線焦点（図２上では線１で示す）に基づいており、その２つの端部１ａ及び１ｂには対応するレーザービームプロフィールの最大強度が位置する。該線１の両端でこのように強度が増加するために、レーザービームの全照射熱エネルギーの約８０％は、例えば、前記熱エネルギーが、熱による機械的張力領域を生成するために使用されるところに当てられ、該熱エネルギーの約２０％だけが切断される輪郭、すなわち分割線２、の隣に当てられる。
【００１０】
その結果、分割線が湾曲している場合、線１の長さＳ（つまりは直線焦点の両端間の間隔）を曲率半径に調節しつつ、線１の２つの終点が分割線２に沿ってガイドされるので、直線焦点を線の形状内に維持することが可能であり、それにより、エネルギーの主照射が分割線上で行なわれ、該分割線に沿った明確な切断が可能となる。分割線が直線状であれば、該分割線は比較的長くすることができる。曲率半径が小さければ小さい程、エネルギーの主照射が分割線で起こるように該線１が短くなければならない。該線の長さはここでは１０ｍｍ〜１００ｍｍで変化する。該線の長さを変えるのと平行して、短い線の場合、レーザー出力が下向きに適切に調節され、長い線の場合、その出力が上向きに調節される。
直線焦点を作るために、例えば初めに引用した公報ＥＰ０８７２３０３Ａ２の図５に係る公知レーザービームスキャナーが好ましくは使用されるが、走査は１つの軸方向でしか行なわれないため、また１軸の偏向が１つの線を形成するのに十分であるため２つの偏向ミラーのうちの１つが省かれるが、それが技術的費用の低減を有利に示している。
【００１１】
上記ＥＰ公報の図６に係る単純な平らなミラー面を有する回転ミラーと好適に対応する正弦波速度曲線（多角形ホイール）とを使用する走査手順も使用することができる。
レーザービームを振動ミラー又は正弦波速度曲線を有する多角形ホイールで走査すると、レーザービームは、分離される加工物でのスキャナー動作の逆転部位では、その間の領域より多くの時間がかかる。すなわち、直線焦点である線１を走査で作ると、強度の増大が該線１の両端部位で生じる。
振動ミラーを使用する典型的な走査プロセスにおいては、前記振動ミラーが４００Ｈｚ以上の振動周波数を有し、それにより振動ミラーの振幅は図１の線長さＳを決める。スキャナーは図１に示されたプロフィール制御装置３によって制御される。この制御装置は数値制御装置から、分割線２のそれぞれの部位で必要な焦点の両端間の間隔（図面上では線１の長さＳ）に対する目標値を受信する。そこでこのプロフィール制御装置は振動ミラーの振動モーター３ａを、該制御装置がプロフィールの必要な長さＳの適切な振動を行なうように駆動する。このプロセスでは、プロフィール制御装置３は目標値としてアナログ電圧変動を発生し、前記目標値は振動子モータにより直接振動運動に変えられる。この目標値−これは数値制御装置４によりプロフィール制御装置３に送られる−は、長さＳが電圧に比例するアナログ定電圧信号、例えば０〜１０Ｖの形態でか、少なくとも８ビットの解像度のディジタル値の形態で送られる。図に示した振動子モータ３ａの測定装置による実際値のフィードバックは、振動子モータの較正曲線がプロフィール制御装置３又は数値制御装置４に保存されれば無くすことができる。
【００１２】
焦点線１の両端が所定の分割線２上にあるように保証するために、数値制御装置４が、公知ＮＣプログラム５と該数値制御装置に保存された関連補間アルゴリズムにより、輪郭制御３への目標値の伝送を介してＮＣ軸８（Ｘ，Ｙ及びＣ）とプロフィール長さＳとを制御する。このプロフィール長さＳ、軸ＸＹ及びＣの位置と速度及びＮＣプログラム５により描かれた分割線２の形状に関する情報を使用して、数値制御装置は焦点線１の両端１ａ及び１ｂを、その両端が、通常０．２ｍｍ未満の最大のずれで該分割線を追従するようにガイドすることが可能である。数値制御装置が軸８とプロフィール制御装置３の新目標値を早く作成し、そして前記目標値が軸８と振動子モータ３ａで早く実現される程に、分割線が正確に追跡される。制御技術の現状によれば、典型的な利用値は約３ｍｓである。
【００１３】
焦点線１の幅は加工物表面上の集束レーザービームの直径で規定される。この加工物表面上のレーザービームの直径は通常０．３ｍｍ以上である。光学素子がこのレーザービームを集束するために使用される。この光学素子とレーザーを選択する際に、目的は両端１ａと１ｂとの間の線に沿っては局部的な強度のピークがなく、できるだけ平均して強度を分配し、また両端の最大強度をできるだけ低く保持することである。このようにして、レーザーエネルギーの大部分をガラス軟化温度を超さずに該加工物内に注入することができる。この目的のため、約３００ｍｍ以上の長い焦点の両端間の間隔の集束素子、最高級レンズ、リングモード又は多重モードを有するアキシコン（axicon)又はレーザーを使用することができる。それにより焦点線の幅は所定のレーザー出力、冷却、材料種類、材料厚さ及び供給速度に依存する。
熱による機械的張力を増大するために、レーザープロフィール、すなわち切断される輪郭２上の焦点線１に対して規定距離後方にあるコールドスポット６の形態による続いての冷却が公知の手法で実施される。このコールドスポット６は例えばエアの常温噴射又はノズルを介して注入されるガス／液体混合物で作られる。
【００１４】
レーザービームで作られた加工物が高温のために、高い熱による機械的張力が加工物の切断輪郭に沿って生成する。冷却が次に行なわれ、ガラスがカット／亀裂の開始点で前もって弱められていると、ガラスは冷却ノズルと「ビーム線」で描かれた輪郭に沿って割れる。
切断される輪郭に沿って行なわれる加工物の加熱と、約２ｍｍ〜１５ｍｍの規定距離で該輪郭上でそれに追従して実施される冷却のために、非常に高精度に全て可能な自由な形状の切断がおきる。このように、全て可能な形状に薄いガラス（約５０μｍ）及び厚いガラス（数十ミリメートル）を切ることができ、あるいは、けがきを何十ミリメートルまでの深さで行なうころができる。
切断の利点は実際には次の破断が不要であり、これが仕上工程を省くことにある。けがきの利点は、実際には非常に高速（１０００ｍｍ／ｓ以下）で、材料を破断後でも略破片がなく分離され、微細クラックやチップがないため、著しく高いエッジ剛性が得られることにある。これを達成するために、冷却、すなわち、焦点線１に対するコールドスポット６の位置も非常に高精度に調節されなければならない。
【００１５】
分割線２に沿った冷却ノズルの追跡的な案内を担う軸７（Ａ及びＢ）も数値制御装置４に接続される。この軸Ａ及びＢは、軸Ｘ、Ｙ、Ｃ、及び振動子モータ３ａで規定された一つの軸で補間する。
軸Ａ及びＢの目的は、コールドスポット６と焦点線１の開始点１ｂとの間の一定距離を維持することである。プロフィール制御装置３はこれで振動ミラーの振動子の変動電圧の最低電圧が常に一定になるように設計することができる。これにより開始点１ｂが確実に固定される。従って、軸７（Ａ及びＢ）は短い距離をカバーする必要がある。
本発明に関する「軸」は幾何学的軸のみならず、該軸を規定するアクチュエータ等の関連する移動部材も意味すると考える必要がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る装置の輪郭制御装置の基本的なレイアウトの概略ブロック図を示す。
【図２】 焦点の形状及びコールドスポット、また該輪郭制御装置で加工される関連軸の動きの概略、模式図を示す。

Claims (6)

1. コールドスポットで追従される直線ビームプロフィールを有するレーザービームを、特定の輪郭を有する分割線に沿って移動させ、脆い材料から作られた平らな加工物を切断する方法であって、
   前記加工物に自由形態の切断部を作るために、直線焦点両端に著しい強度増加を有する直線焦点を作成し、その際、該レーザービーム出力の少なくとも６０％で前記焦点が該直線焦点の両端に集束され、前記焦点は、該分割線が湾曲されていても該直線焦点の両端が該分割線上にあり、そして前記焦点の両端間の間隔が該分割線の輪郭の曲率の関数として調節されるよう分割線に沿って移動されることを特徴とする方法。
2. 前記ビーム出力の８０％が前記直線焦点の両端に集束されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記レーザ−出力は該直線焦点の距離の関数として調節されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 請求項１又は請求項２に係る方法を実施する装置であって、
   前記両端（１ａ，１ｂ）で著しい強度増加を有する直線焦点（１）を作成するためレーザービームスキャナーと集束装置を有する光学系を設け、前記光学系では該レーザービーム出力の少なくとも６０％が前記両端に集束され、該分割線が湾曲されていても前記直線焦点（１）の両端が自由形態切断部の分割線（２）上に位置決めされ、焦点の両端間の間隔が前記分割線（２）の輪郭の曲率の関数として調節されるように、前記光学系がプロフィール制御装置（３）を介して数値軌道制御装置（４）に連結されることを特徴とする装置。
5. 前記軌道制御装置（４）に連結された他の軸（７，８）は、前記直線焦点（１）と加工物に対して前記コールドスポット（６）を位置決めするために設けられることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記光学系は振動ミラーを備えたスキャナーからなることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の装置。

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