JP4731082B2 - 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線状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線状ビームプロフィールの形態で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−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）が表面から発生し、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、ガラスの形に亀裂を入れるような高い熱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ミリメートルを超える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散するため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が連携される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−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。
上記引用された公報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。Ｘ字形焦点等の焦点からの輪郭も記載されている。双方の場合共、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二次元構造を有する。自由形態切断部を作る場合、分割線の輪郭に適用される湾曲した二次元焦点を作り、前記焦点に追従する冷却を含めてその輪郭に沿って移動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】
あるレーザービーム分離方法が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線状形状を有するようなやり方で、静的にすなわち固定光学部品を使用して形成され、突き当たるビーム断面の長さと幅の比率がレーザービーム路の孔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。線状焦点を静的に発生するために自由形態カットをなすことはできず、分割線が例えば常温圧縮空気の噴射を使用して、完全に加熱された後まで、冷却が行なわれないために、公知方法は、中空ガラス製品の押出しリムを切り離すために説明されているような用途にのみ実際には適しているおり、その方法では、中空ガラス製品が固定レーザービーム内で回転し、それにより先ずレーザービームによりその周囲全長が加熱され、次にガスを吹きつけることによって支持されるやり方で冷却される。
【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及び関連する装置を、自由形態のカットがレーザービーム分離方法によって比較的容易に実施できるようかつ関連装置を設計することを目的とする。
【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線状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、線状焦点がレーザービームを走査することによって加工物上に形成され、該線状焦点が走査振巾を調整することにより分割線の輪郭の曲率に対応する曲率になるように、各走査作動時に分割線からの軌道データが利用される方法に従って達成される。
これらの対策の結果として、線状焦点−管理できる量のデータを有する点で二次元焦点とは全く別のものであるが−は、その曲率の面で、また実際には分割線の輪郭に従って調節可能であり、それにより該焦点がこの分割線に維持され、同時に線状焦点が輪郭の曲率に合わされ、それにより小さな曲率半径を伴うときに、焦点の長さがそれに対応して短く、また大きな曲率半径を伴うとき、焦点の長さ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、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、レーザー出力が線状焦点の長さの関数として調節されるように本発明の一つの実施形態により実施される。
コールドスポットを線状焦点後方に沿って移動するときに焦点の開始点からの該焦点の距離が一定となるようにすることによって、最適な熱機械的張力を加工物内で発生させることができる。
本発明に従う方法を実施するための装置に関しては、その目的は、線状焦点を作るためのスキャナーを有する光学系であって、該光学系は、Ｕ軸とＶ軸によって焦点の輪郭を規定するプロフィール制御装置を介してまた、加工物に関して焦点の位置決め軸Ｘ、Ｙ、Ｃを規定するアクチュエータを介して数値軌道制御装置に連結され、それにより分割線からの軌道データを該プロフィール制御装置と前記アクチュエータに走査作動毎に送ることができ、それにより線状焦点が分割線の輪郭の曲率に対応する曲率にならい、前記分割線に沿って移動でき、そして前記線状焦点の長さを分割線の輪郭の関数として調節することができるようにすることによって達成される。
【０００８】
さらに本発明の一つの実施形態によれば、軌道制御装置に連結された軸が、線状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、光学系が互いに直角で振動する２つの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、特に適切に設計することができる。線状焦点の長さ及び曲率を変えるためには、振動ミラーの振動振巾を変えるだけで良いので、プロフィール制御装置と軌道制御装置を比較的単純に設計できる。
このプロセスでは、振動振幅が変えられるばかりでなく、動作モードや互いの振動の位置も変えられる。この振動は例えば曲線と直線間での移行部で調和的でない。
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、作動軸の、図１に係る輪郭制御装置への整合を示す。
【００１０】
本発明に従う材料の分離の原理は、分割線２のそれぞれの輪郭により湾曲する線状焦点１に基づいている。この分割線２が線状であれば、集束線１は図３に示したようにそれぞれ長くすることができる。分割線２の輪郭の曲率半径が小さければ小さい程、エネルギーの主要照射が該分割線上で行なわれるように該集束線１が短くなければならない。ここで集束線長さは１０ｍｍ〜１００ｍｍで変化する。該線の長さを変えると共に、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。
線状焦点１を作るために、例えば初めに引用した公報ＥＰ０８７２３０３Ａ２の図５に係るガルバノメータミラーの形態の、複数の振動ミラーと該振動ミラーを移動させる振動モータを有す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。原則的には、旋回できるように支持されるたった１つのミラーを設けるだけでもよいだろう。
さらに、前記ＥＰ公報の図６に係る回転ミラー（多角形ホィール）を使用する走査手順が使用できる。
【００１１】
振動ミラーを使用するこの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、それにより第一振動ミラーの振動振幅は線長さ２を決め、そして他方の第二振動ミラーの振動振幅は直線から該線のずれを決める。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、とりわけ、分割線２のそれぞれの部位で必要な焦点１の長さ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第一振動ミラーの振動モーターを、該制御装置がプロフィールの必要な長さの適切な振動振幅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、又は少なくとも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、振動子モータの検量カーブがプロフィール制御装置３又は数値制御装置４に保存されればという、規制の範囲内で無くすことができる。振動振幅の規格に加え、スキャナーは数値制御装置４から、規定された瞬間でのミラーの各振動時、Ｕ軸及びＶ軸のためのデータを受信し、前記データは集束線１が第一ミラーのそれぞれの振動時に分割線２の輪郭に従って曲げられるように第二振動ミラーを制御する。振動毎に供給できるデータが多ければ多い程、曲率を良好に近似することができる。
【００１２】
集束線１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がと、公知のＮＣプログラム５でプロフィール制御装置３Ｕ軸及びＶ軸についての必要な値を連結することによって、ＮＣ軸８（Ｘ，Ｙ及びＣ）とプロフィール長さ又はその曲率とを制御する。このプロフィール長さ、Ｕ軸及びＶ軸の値によるその曲率、Ｘ軸、Ｙ軸及びＣ軸の位置と速度及び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、数値制御装置は集束線１を、その集束線が、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。分割線がより正確に追従されればされる程、数値制御装置が軸８とプロフィール制御装置３の新目標値が早く作成され、そしてこれらの前記目標値が軸８と振動ミラーの振動子モータで早く実現される。
図３は、鋭い丸みの角を備えた台形輪郭を有する分割線２の自由形態カットの実施例を示している。
焦点１は直線部分が分離される予定のため、時点ｔ１で直線的である。時点ｔ２では、焦点が鋭く曲げられた分割線の部分を軟化する。該焦点はその後、分割線に従って台形制御装置からのデータに基づいて曲げられ、短くされる。
時点ｔ３では、焦点１は分割線２の少し曲げられた部分に位置している。その結果、焦点１は時点ｔ２より曲げが少なく、しかも幾分長い。時点ｔ４では、焦点１は再び直線部分にあり、時点ｔ１で有した大きさと同じ大きさを有している。
【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、目的は線に沿って局部的な強度のピークがなく平均して強度を分配することである。このようにすることで、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以上の長い焦点の長さの集束素子、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。
どのような長さと形状の線状輪郭も、本発明による方法を使用して提供することができる。
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上の集束線１の後方の規定距離にあるコールドスポット６を使用する公知の形態で冷却が実施される。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】
レーザービームで加工物に生じた高温のために、高い熱機械的張力が加工物の切断輪郭に沿って生成される。続いて冷却された時、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、切断が非常に高精度に全ての形状において行われる。このように、全ての形状を薄いガラス（約５０μｍ）及び厚いガラス（数ミリメートル）で切ることができ、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とができる。
切断の利点は実際上次の破断が不要であり、これで最終工程が省かれることにある。けがきの利点は、非常に高速（１０００ｍｍ／ｓに至る）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従ガイドを担う軸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も軸Ｘ、Ｙ、Ｃと振動ミラーの振動子モータ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と集束線１の開始点との間の一定距離を維持することである。ここでプロフィール制御装置３は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。これにより開始点が確実に固定される。従って、軸７、Ａ及びＢは短いストロークの動作だけ必要となる。
この光学系の構造を単純にするために、軸Ａを実施の一変形では削除することができる。このやり方では、輪郭を追従する場合、集束線の冷却位置と開始位置との間の距離が一定でなくなる。この状態は、プロセスパラメータを適用することによって切断速度を低下させながらオフセットすることができる。
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理解される必要がある。
【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。
【図３】 特殊な自由形態カットの場合に分割線の輪郭の曲率の関数として異なる線状焦点の長さの概略図を示す。

Claims (6)

1. コールドスポットで追従される線状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、
   線状焦点（１）がレーザービームを走査することによって加工物上に形成され、該線状焦点（１）が分割線（２）の輪郭の曲率に対応する曲率になり、前記線状焦点の長さも、走査振幅を調節することによって分割線の輪郭の曲率の関数として調節されるように、各走査作動時に分割線からの軌道データが利用されることを特徴とする方法。
2. 前記レーザー出力を該線状焦点の長さの関数として調節することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記コールドスポット（６）を、前記線状焦点（１）の開始点からのその距離が一定となるように線状焦点（１）の後方に沿って案内することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の方法を実施する装置において、
   線状焦点（１）を作るためのスキャナーを有する光学系であって、該光学系は、２軸（Ｕ，Ｖ）によって焦点の輪郭を規定するプロフィール制御装置（３）を介してまた、加工物に関して焦点の位置決め３軸（Ｘ，Ｙ，Ｃ）を規定するアクチュエータ（８）を介して数値軌道制御装置に連結され、それにより前記分割線（２）からの軌道データを該プロフィール制御装置と前記アクチュエータ（８）に走査作動毎に送ることができ、それにより該線状焦点（１）が分割線（２）の輪郭の曲率に対応する曲率になり、前記線状焦点（１）が前記分割線に沿って移動でき、そして前記線状焦点の長さを分割線（２）の輪郭の関数として調節することもでき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）を設けて前記線状焦点（１）と加工物に関して前記コールドスポット（６）を位置決めす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、互いに直角で振動する２つの振動ミラーを有するスキャナーを備え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。

Images