JPH0912327A

JPH0912327A - ガラス切断方法および装置

Info

Publication number: JPH0912327A
Application number: JP8166138A
Authority: JP
Inventors: Harry E Menegus; イーメネガスハリー; Harrie J Stevens; ジェイスティーブンスハリー
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1995-06-26
Filing date: 1996-06-26
Publication date: 1997-01-14
Also published as: JP2008260688A; JP5081087B2

Abstract

(57)【要約】【課題】大きなガラスシートを小さく分割するガラス
切断システムにおいて、切断速度を向上する。【解決手段】ガラスシートを横断する部分的クラック
を形成するために、高次の（ＴＥＭ₀₀モードより高次
の）パワー分布を有するレーザを使用する。ガラスシー
トはその後、その部分的クラックの領域でシートを折曲
することにより分割される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明に属する技術分野】本発明は、ガラスシートの切
断方法に関するものであり、特にガラス切断作業中にお
いてガラスシートを保護する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガラス板を分割する際にレーザが
使用されてきた。ＰＣＴ特許第ＷＯ９３／２００１５号
には、ガラスシートを２分割するために、いわゆるブラ
インドクラックをガラスシートに横断して伝搬させる際
にレーザ光を使用することが述べられている。この特許
の一つの具体的形態としては、小さな切り目や切り込み
目をガラスシートの片側につけ、その後レーザ光を使用
して、ガラスシートを通じてクラックを形成してこの切
り目や切り込み目を広げる。そのシートをその後、レー
ザ切り込みラインに沿って機械的切断により二つの小さ
なシートの分割する。そのような方法を効果的にするた
め、レーザ光を切り目や切り込み目の領域内においてガ
ラスシートに接触させて、レーザとガラスシートを相対
的に動かし、切り込みラインの所望行路において、二つ
の小さなシートを形成するためレーザ光を伝搬させる。
レーザより下流にあるガラスの加熱表面部分に流体冷却
剤の流れを向けることが望ましく、それによりレーザ光
がガラスシートを加熱後に、ガラスシートはすばやく冷
却される。このようにレーザによるガラスシートの加熱
と水性冷却剤によるガラスシートの冷却により、ガラス
シートを歪ませ、レーザ光と冷却剤が通った方向にクラ
ックを広げる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ＰＣＴ特許第ＰＣＴ／
ＧＢ９３／００６９９号に述べられているような方法の
一つの問題点としては、従来のガラス切断方法のタイプ
と匹敵するに十分な製造速度が得られないことがある。

【０００４】さらに、ガウシアン強度分布を有する従来
のレーザを使用した際には、レーザが良好に作用する作
業範囲が狭くなってしまう。それゆえ、この作業範囲を
広げることには利点がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、ガラスシート
の切断方法に関するものであり、レーザビームの行路に
沿ってクラックを誘導するために、ガラスシートを横断
する所望行路においてレーザビーム（および冷却剤は任
意）を移動させる。これにより生じた熱勾配により、材
料の表面層に引っ張り応力を発生させ、この応力がガラ
スの引っ張り強さを超えると、その材料はブラインドク
ラックが圧縮状態の領域へと下降して材料に入り込むよ
うになる。その後レーザ光がガラスを横断すると、クラ
ックがレーザ光に追従する。そのクラックの深さ、形
状、方向は、応力の分布により決定され、ビームスポッ
トのパワー密度、寸法、形状や、ビームスポットと材料
の相対速度、加熱領域へ供給される冷却剤の性質や特
性、クラックが入れられる材料の熱物理および機械的特
性やその厚みなど、複数の要素に依存する。ガラス上に
おけるレーザスポットの強度形状もまた、使用できる最
大速度を決定する際に重要な要素であることがわかっ
た。本発明においては、レーザは非ガウシアンの強度形
状を有する。一つの具体的形態において、レーザビーム
の強度は２ピークモード、すなわちＴＥＭ_01*モードも
しくはＴＥＭ₁₀モードで動作する。切断ラインに沿って
表面層の非常に局所的な冷却を引き起こすために、ビー
ムスポットの進行方向に沿って適当な冷却剤の流れを材
料の領域に向けることが望ましい。

【０００６】

【発明の効果】本発明によれば、公知の技術に比して、
ガラス切断工程において、切断精度やガラスの切断面を
損なうことなく、向上した切り込み速度が達成できると
いう点で優れている。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明は、レーザ切断技術を使用
して所望切断ラインに沿ってガラスシートを切断するシ
ステムに関するものである。図１に示すように、本発明
のガラス切断システムにおいて、ガラスシート１０は上
面および下面の主面１１を有する。ガラスシート１０は
まず、ガラスシート１０の一端にクラック開始点１９を
形成するため、ガラスシートの一端に沿って切り目や切
り込み目がいれられる。このクラック開始点１９はその
後、所望切断ラインの行路でガラスシートを横切ってレ
ーザビーム１６を移動してクラック２０を形成するため
に用いられる。レーザ光は、所望切断ラインに沿った局
所領域においてガラスシートを効果的に熱する。その結
果生じた局所加熱領域内のガラスシートの温度拡張によ
り、レーザが伝搬する行路に沿ってクラックを広げる応
力が生じる。応力分布を高めそれによりクラックの伝搬
を促進するため、水ジェット２２により水冷却剤を付加
することが望ましい。機械的な切り込みを使用する従来
の方法よりもこのレーザ切断方法を使用することによ
り、機械的な切り込みにより生じる多くのガラスチップ
が除去される。

【０００８】ガラス切断工程に使用されるレーザビーム
１６は、カットするガラス表面を熱しなければならな
い。結果的に、レーザの放射光はガラスが吸収する波長
であることが望ましい。このことが生じるためには、放
射光は２μｍ以上の波長の赤外線であることが望まし
く、例えば波長９−１１μｍのＣＯ₂レーザ、波長５−
６μｍのＣＯレーザ、波長２．６−３．０μｍのＨＦレ
ーザ、波長約２．９μｍのエルビウムＹＡＧレーザなど
のビームが望ましい。材料表面が加熱される際には、そ
の最大温度は材料の融点を超えてはならない。もし材料
の融点を超えると、ガラスが冷却した後に残留熱応力が
生じ、クラックが生じてしまう。

【０００９】クラック２０は、最大熱勾配の領域である
加熱および冷却領域の界面に向かってガラス中に形成さ
れる。クラックの深さ、形状、方向は、熱弾性応力の分
布により決定され、主に以下の複数の要素に基づく。

【００１０】−ビームスポットのパワー密度、寸法、形
状； −ビームスポットと材料の相対速度； −熱物理特性、質、加熱領域に対する冷却剤の供給条
件； −クラックが入る材料の熱物理的および機械的特性、そ
の厚み、および表面状態異なる材料に対してカットサイクルを最適化するために
は、主なるパラメータとカット工程の変数間の適当な関
係を確立することが必要である。国際特許第ＷＯ９３／
２００１５号に説明されているように、ビームスポット
１８の寸法と冷却水が流れる領域からの間隔に依存し
て、ガラス１０を横切るレーザ１６の相対変位の速度Ｖ
とクラック２０の深さｄは次式の関係である。

【００１１】Ｖ＝ｋａ（ｂ＋ｌ）／ｄここで、Ｖはビームスポットと材料との相対速度で、ｋ
は材料の熱物理特性とビームのパワー密度に依存する比
例係数であり、ａはビームスポットの幅、ｂはビームス
ポットの長さ、ｌはビームスポットの近接端から冷却領
域の前端までの距離、ｄはブラインドクラック４の深さ
である。

【００１２】材料を切断する際に使用するレーザビーム
の最大パワー密度の決定において、材料表面層の最大温
度はその融点を超えてはならない。したがって、低い熱
分割速度で、厚いガラスの低溶解度に対して、約０．３
×１０⁶Ｗ／ｍ²の最小パワー密度でも許容できる。高融
点や高い熱伝導を有する高溶解の石英ガラスやコランダ
ムや他の材料を分割する際にも、例えば２０×１０⁶Ｗ
／ｍ²のより大きなパワー密度のレーザビームが使用で
きる。本実験のほとんどにおいては、１５０〜３００ワ
ットのパワーのＣＯ₂レーザを使用したが、より高いパ
ワーのレーザを使用すればより成功したと思われる。

【００１３】レーザは各端部のミラーにより規定される
共振器内で生じるレーザ発振により動作する。安定な共
振器の概念は、共振器を通る光線の光路の追跡により最
も明確化することができる。安定性の閾値には、レーザ
共振器の軸に平行な光線が二つのミラー間を前後に永久
にその間を損失なく反射した場合に達する。

【００１４】安定基準に達しない共振器は光線が軸から
それるため不安定共振器と呼ばれる。不安定共振器には
多くの種類がある。一つの簡単な例としては平面ミラー
に対する凸面球面ミラーのタイプがある。異なる直径の
凹面ミラー（大きなミラーからの反射光が小さなミラー
の端部周辺から逃げてしまう）や、対の凸面ミラーなど
が他に含まれる。

【００１５】共振器のその二つのタイプは異なる利点と
異なるモードパターンを有する。安定な共振器はレーザ
軸に沿って光を集中させ、その領域から効率よくエネル
ギーを抽出するが、軸から離れた外周領域からは抽出さ
れない。それにより生じるビームは中心に強度ピークを
有し、軸から離れるにつれ強度がガウシアン的に減衰す
る。これは低利得の持続波レーザとともに使用される標
準的なタイプのものである。

【００１６】不安定共振器は、より大きな体積にわたっ
てレーザ共振器の内部の光を広げようとしてしまう。例
えば、出力ビームは、軸周りにリング状の強度ピークを
有する環状の形状を有したりする。

【００１７】レーザの共振器には、横モードと縦モード
の二つのタイプの異なるモードがある。ビームの断面形
状すなわち強度パターンにおいて、横モードが存在す
る。縦モードは、レーザの利得帯域内の異なる周波数も
しくは波長で生じるレーザ共振器長による異なる共振モ
ードに相当する。単一縦モードで発振する単一横モード
レーザは単一周波数で発振し、二つの縦モードで発振す
るものは二つの独立した波長で（通常近接した間隔で）
同時に発振する。

【００１８】レーザ共振器内の電磁界「形状」は、ミラ
ーの曲率、間隔、放電管の空洞直径に依存する。ミラー
の配列や間隔および波長がわずかに変化しても、レーザ
ビームの「形状」（電磁界）は大きく変化してしまう。
その「形状」やビームの空間エネルギー分布を述べる際
に特別な術語を展開したが、ここでは横モードは二方向
のビーム断面に表れる極小値の数に従って分類される。
最も低次モードすなわち基本モードは中心に強度のピー
クがあり、ＴＥＭ₀₀モードとして知られる。これは図３
に示されるようなガウシアン強度分布を有する従来使用
されてきたレーザである。一軸に沿っては極小値が一つ
で、その垂直方向の軸に沿っては極小値のないモード
は、ＴＥＭ_01*またはＴＥＭ₁₀であり、それらはその方
位によって決定される。ＴＥＭ_01*モードの強度分布の
例が図２に図示されている（ビームを横切る距離ｄに対
するビーム強度Ｉ）。ほとんどのレーザのアプリケーシ
ョンでは、ＴＥＭ₀₀モードが最も望ましいと考えられて
いる。しかしながら非ガウシアンモード例えばＴＥＭ
_01*モードやＴＥＭ₁₀モードのビームが、ガラス表面へ
より均一にレーザエネルギーを送り込むために使用でき
ることがわかった。結果的に、レーザがガウシアン強度
分布を有する場合よりも低いパワーでより高いレーザ切
り込み速度が達成できることがわかった。さらに、レー
ザ切り込み工程を拡大したその動作範囲により、レーザ
パワーをより広い範囲で使用することができる。これは
非ガウシアンレーザビームにより、ビーム全体にわたっ
てエネルギー分布の均一性をより向上することができる
ためだと思われる。

【００１９】図２に示されるレーザビームはリング状か
らなる。このように、図２に示されるパワー分布はリン
グ状のレーザビームのパワー分布の断面である。少なく
とも一対の強度ピークが、それより低いパワー分布であ
る中心領域の外周部に位置するような非ガウシアンビー
ムが本発明において望ましい。このように、レーザビー
ムの中心がレーザビームの少なくとも複数の外周領域の
パワー強度よりも低いパワー強度を有することが望まし
い。この低いパワー中心領域は、０パワーレベルに完全
になってもよく、その場合レーザビームは１００％のＴ
ＥＭ_01*パワー分布となる。しかしながら、レーザビー
ムは２ピークモード、すなわち図２に示されるように、
中心領域のパワー分布が単に外周領域のパワー分布以下
に低下しているＴＥＭ_01*モードとＴＥＭ₀₀モードの組
み合わせといった一つ以上のモードのレベルを組み合わ
せたものでもよい。ビームが２ピークモードの場合、そ
のビームは、５０％以上がＴＥＭ_01*モード、さらに好
ましくは７０％以上がＴＥＭ_01*モードで、その残りが
ＴＥＭ₀₀モードとする組み合わせが望ましい。

【００２０】ガラス１０の表面温度はレーザビームにさ
らされる時間に直接依存するので、円形断面の代わりに
楕円形状のビームを使用することにより、同じ相対速度
においては、切断ラインに沿ったガラス表面の各点の加
熱時間を広げられる。このように、レーザビーム１６の
規定のパワー密度で、ガラス１０を熱するために必要な
深さを維持するために重要であるレーザビームスポット
から冷却スポットの前面端部までの距離が同じでありな
がら、レーザビームスポットがより移動方向に広がり、
そしてまたレーザビームスポットと材料との相対速度を
より許容可能なものとするでだろう。

【００２１】本発明においては、レーザスポットは極度
に細長い形状、例えば楕円形状を有し、この細長い形状
の長軸は、２０ｍｍ以上、より好ましくは３０ｍｍ以
上、さらには４０ｍｍから１００ｍｍ以上であることが
望ましい。レーザビームスポットの長軸は、ガラスシー
トを横切る所望切断ラインの伝搬方向にする。ガラスが
薄いシート（１．１ｍｍもしくはもっと薄い）に対して
は、レーザビームスポットの長軸の最適長が所望伝搬速
度に関係し、長軸ｂは一秒あたりの所望レーザ切り込み
速度の１０％より大きいことが望ましい。このように、
０．７ｍｍの厚みのガラスで所望レーザ切り込み速度５
００ｍｍでは、レーザの長軸は少なくとも５０ｍｍの長
さであることが望ましい。

【００２２】本発明の好ましい具体的実施の形態とし
て、クラック２０はガラスシート１０の深さ方向のみに
拡がることが望ましい。ガラスシートをさらに小さいシ
ートに最終的に分割するには、クラック２０に曲げモー
メントを付与することによりなされることが望ましい。
その曲げは、従来の機械的表面切り込み方法を使用する
工程においてガラスを切断するために使用されるような
従来の曲げ装置（図示していない）や技術により達成で
きる。クラック２０は機械的切り込みではなくレーザに
よる切断技術を使用しているので、機械的切断工程中に
生じるガラスのチップの形成を、従来の技術と比較して
最小限にできる。

【００２３】本発明の好ましい具体的実施の形態とし
て、デジタルコンピュータのようなシステム制御装置
（図示していない）を、レーザやガラスシート、システ
ム上の他の可動部品などの移動を制御するシステムに接
続する。そのシステム制御装置はシステムの様々な部品
の移動を制御するために従来の機械制御技術を用いてい
る。システム制御装置はそのメモリ内に蓄積された様々
な製造作動プログラムを使用し、各プログラムは、特定
サイズのガラスシート用にレーザやガラスシート（さら
には必要ならば他の可動部品）の移動を適切に制御する
よう設計されることが望ましい。

【００２４】以下の例では、本発明による方法を実証し
ている。

【００２５】例１この例では、ガウシアンパワー分布を有するＣＯ₂レー
ザの動作を示す比較例である。

【００２６】レーザ１６はＰＲＣコーポレーションが製
造したモデル１２００の軸流２ビームＣＯ₂レーザであ
った。そのビームは約１２ｍｍのスポットサイズ（レー
ザの放出点でのレーザビームの直径）でガラス表面から
約２メートルの場所に配置した。一対のシリンドリカル
レンズを、レーザとガラス表面との間のレーザの光路内
に配置し、レーザスポットを変形した。これによりレー
ザをガラスにあてるレーザスポットを、長さ約４５−５
０ｍｍで、その中間点で幅約０．１−０．１５ｃｍの細
長く楕円形のビームとした。このレーザの共振器の基本
モードはＴＥＭ₀₀である。これが共振器は発振可能な唯
一のモードであるとき、共振する００モードレーザは可
能な限り小さな発散で伝搬し、最も小さなスポットサイ
ズで集光されるであろう。例１では、レーザのパワー分
布は、小さな内部開口とともにレーザ前端面で「平面」
光カップラを利用することによりガウシアン（ＴＥＭ₀₀
モードで動作する）となった。

【００２７】ガラスシート１０はクラックの開始点１９
を形成するためガラスシートの端部に手動で切り込みを
いれた。これにより、ガラスの上面の一端に、約８ｍｍ
長で約０．１ｍｍの深さの小さな切り込みラインを形成
してクラック開始点１９をつくった。ガラスシート１０
は、レーザ１６がクラック開始点１９に接触するように
配置され、ガラスシート１０を、以下の表１に記載され
たパワーと速度で、レーザ１６の行路がガラスシートを
横切る直線行路に沿うように移動させた。

【００２８】表１レーザ速度ピークパワー（Ｗ）成功確率（％）４００ｍｍ／ｓｅｃ１２０１００４２０ｍｍ／ｓｅｃ１２０−１６５１００４６５ｍｍ／ｓｅｃ１６５−１７５１００４７５ｍｍ／ｓｅｃ１６５−１７９１００４８０ｍｍ／ｓｅｃ１６８−１７９６６５００ｍｍ／ｓｅｃ１８３−１８８３３成功確率の欄は、それに対応するパワー範囲において達
成された最もよいパフォーマンスを表す。１００％の成
功率は、記述されたパワー範囲において、レーザがガラ
スシートを実質的に時間中１００％成功した動作パラメ
ータがあったことを示している。

【００２９】例２例１に述べたものと同じ方法、装置およびレーザを使用
し、レーザのパワー分布を変化させた。異なる光学形態
として、より高次のモードを共振器内に発生させた。こ
れらのモードは、例１で使用した００モードと同一軸状
に重畳し、００モードと比較して特定のサイズを有し
た。このような複数のサブビームからなり各々が独自の
強度形状を有するビームは、マルチモードビームと呼ば
れる。これらのビームは独立であるので、その正味の分
布は個々の形状の代数和であり、各モードのパワーの率
により重みづけされる。それゆえ、ＴＥＭ₀₀モードの量
は光カップラの曲率を変えたり、開口部の直径を大きく
することにより低減できる。例２では、レーザのパワー
分布は約６０対４０のＴＥＭ_01*とＴＥＭ₀₀モードの混
合比に変化させた。これは、２０メートルの曲率半径の
凹面光カップラを「平面」光カップラに置き換え、より
大きな開口部にすることにより達成された。そのレーザ
のパワーと速度は表２に記載されるように変化した。

【００３０】表２レーザ速度ピークパワー（Ｗ）成功確率（％）３００ｍｍ／ｓｅｃ９０−１４５Ｗ１００５００ｍｍ／ｓｅｃ１５５−１９５Ｗ１００６００ｍｍ／ｓｅｃ２００Ｗ１００６５０ｍｍ／ｓｅｃ２００−２２０Ｗ１００７００ｍｍ／ｓｅｃ２５０Ｗ５０例１と例２の結果を比較するとわかるように、ガウシア
ンレーザは４７５ｍｍ／ｓｅｃまでのカット速度で１０
０％の切断（ほぼ全てのサンプルを刻むことに成功し
た）が達成できた。これらの速度以上で、堅実に満足し
た結果を得ることは困難であった。例えば５００ｍｍ／
ｓｅｃでは、非常に小さな範囲のレーザパワーでしか切
り込みに成功せず、全サンプル中３３％以下でしか、そ
のパワー範囲内において切り込みが成功しなかった。

【００３１】全く同じレーザをＴＥＭ_01*モードとＴＥ
Ｍ₀₀モードの混合に変換すると、低いレーザパワーを使
用してもより高い切断速度が達成できた。さらに、満足
した切り込み端を達成するためにも、より広い範囲のレ
ーザパワーが許容可能であると思われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるガラス切断方法工程の斜視図。

【図２】図１に示したレーザの所望強度形状を示したグ
ラフ図。

【図３】標準的なガウシアンレーザのパワー分布を示し
たグラフ図。

【符号の説明】１０ガラスシート１１ガラスシート主面１６レーザビーム１８レーザスポット１９クラック開始点２０クラック２２水ジェット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ハリージェイスティーブンスアメリカ合衆国ニューヨーク州 14830 コーニングマーチンヒルロード 1512

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラスシートを横断するクラックを形成
するためガラスシートを横断するレーザビームの移動工
程からなる平面ガラスシート製造方法において、該レーザがＴＥＭ_01*モードおよびＴＥＭ₀₀モードの混
合成分からなるパワー分布を有することを特徴とする平
面ガラスシート製造方法。
【請求項２】前記移動工程における前記レーザビーム
が、少なくとも５０％のＴＥＭ_01*モードの成分を有
し、残成分がＴＥＭ₀₀モードであることを特徴とする請
求項１記載の平面ガラスシート製造方法。
【請求項３】前記移動工程における前記レーザビーム
が、少なくとも７０％のＴＥＭ_01*モードの成分を有
し、残成分がＴＥＭ₀₀モードであることを特徴とする請
求項１記載の平面ガラスシート製造方法。
【請求項４】前記レーザ移動工程が、前記ガラスシー
トの深さ方向へ部分的にのみ拡がり該シートを横断する
クラックを形成することからなることを特徴とする請求
項２記載の平面ガラスシート製造方法。
【請求項５】前記シートを二つのさらに小さなシート
に分割するため前記クラックに沿って該シートを折曲す
る工程がさらに加わることを特徴とする請求項４記載の
平面ガラスシート製造方法。
【請求項６】前記移動工程における前記レーザビーム
の断面パワー分布が、該パワー分布の外周領域よりも該
パワー分布の中心領域が小さいことを特徴とする請求項
１記載の平面ガラスシート製造方法。
【請求項７】ガラスシートを横断するクラックを形成
するためガラスシートを横断するレーザビームの移動工
程からなる平面ガラスシート製造方法において、該レーザのパワー分布が、該パワー分布の外周領域の少
なくとも一部よりも該パワー分布の中心領域が小さいこ
とを特徴とする平面ガラスシート製造方法。
【請求項８】前記移動工程が、前記パワー分布の中心
領域のパワー強度が０であるレーザビームを移動するこ
とからなることを特徴とする請求項７記載の平面ガラス
シート製造方法。