JP4795704B2 - 脆い材料から製造された湾曲基板の自由形態切断方法 - Google Patents

Description

本発明は、追従冷却スポットを伴うレーザービームを、所定の連続形状を有する分離ラインに沿って移動させる、脆い材料から製造される湾曲した基板を切断する方法に関する。

これらの湾曲基板は好適にはガラスからなっている。実施例として、この種の湾曲ガラス基板から以下の構成要素（コンポーネント）、例えば眼鏡レンズ、光学レンズ、拡大鏡、交通信号灯、自動車フロントガラス、リヤガラス及び自動車用サイドミラー及びバックミラーを切り抜くためにこの発明に係る方法を使用することができる。
以下の本文には切断用ガラスに基づいて、脆い材料から作られた基板の自由形態切断の問題を説明する。これらの問題はまた、他の脆い材料（セラミック、ガラスセラミックなど）から作られた基板にもそれ相応に当てはまる。
ガラスの切断は一般的な技術である。ガラスを分離する従来の方法は、第一に、ガラスにダイヤモンド又は切断輪を用いて切り込み跡を付けて、その後、機械的外力をかけてこのようにして付けられた弱い部位に沿って破壊する。

高精度寸法や高度表面及び端部特性を備えた高品質ガラス部品を製造する現代の分離法は、熱で生じた機械的応力をガラスに付加することに基づいている。この場合、ガラスに向けられている熱源のビームがガラスに対して固定速度で移動し、ガラスにクラックを形成するのに十分な熱機械応力が生成される。この熱機械応力が、熱ビームを追従する冷却スポットによりまた高められる。赤外線、特殊ガスバーナー及び特にレーザーは、熱源が熱エネルギーを局部的基準で、すなわち典型的な切断精度に相当する１ｍｍより良好な精度で配置することが可能であるという条件を満足する。それらの良好な焦点合わせ特性、良好な出力制御、ビーム造形オプション及びそれによるガラスに対する強度分布のために、レーザーが適切であることが分かり、現在一般的に使用されている。このような場合、機械的に破壊される前にガラスにはレーザービームによって開始切り込みが先ず付けられる（切り込み及び破壊法）。

外部冷却との組み合わせで焦点レーザービームによる局部的加熱によって脆い材料の破壊強度を超える熱機械的応力をもたらす、この切り込み及び破壊法を使用するレーザービーム分離法は、種々の文献、例えばＥＰ０８７２３０３Ａ２，ＤＥ６９３０４１９４Ｔ２及びＤＥ４３０５１０７Ｃ２に開示されている。

さらに、ＤＥ１０００１２９２Ｃ１は、第１工程で、レーザー出力、レーザービームプロフィール、レーザービームプロフィールの焦点位置、進行速度及び冷却などのプロセスパラメータが、加工部材にレーザービームによって分離ラインに沿って規定の深さ（Ｔ）に切り込みが付けられるように設定され、そして第２工程では、第１工程で生じるクラックが加工部材により深く強制的に入り込んで初めて他の適切な熱機械的応力を増大させるレーザービームにより、加工部材が完全に切り離されるレーザービーム分離法を開示している。
この切り込みを付けたガラス板を機械的に破壊しないレーザービームによる２段階切断が、所定形状全ての連続的輪郭に沿って切断するのに特に適切である。この種の切断は自由形態切断あるいは形状切断とも呼ばれる。それらの切断は、車両窓やバックミラー用ガラスを切断する場合や、平らなガラス板に比較的大きな穴を形成する場合や、例えば光学データメモリー用あるいは磁気データメモリー用ガラス基板の製造で使用されるように、同心内側穴を有する円形窓ガラスを製造する場合に必要とされる。

連続形状を備えたこれらの自由形態切断は、切り込み及び破壊法により発生することがある切断端部のチップや破片及び切断開始部と末端部の形状ずれを防止する必要があるため、上記２段階レーザービーム分離法で確保される特定の手順を必要とする。
分離ラインの領域に垂直な面が、切り離される製品の垂直な中心面に対して傾斜しているため、湾曲加工部材又は基板のレーザービーム自由形態切断は特別の問題を有している。従って、これまでのところ、湾曲基板は、これまで上記概要説明された欠点（チップや形状ずれの形成のため特に研削及び研磨加工を含む付加的な再加工工程の必要性）のあるこの切り込み及び破壊法を使用して切断されていた。

本発明は、比較的低コストで短い周期でチップあるいは破片が無く、また何ら形状ずれを生ぜずに基板から分離可能な加工部材（製品）を得ることができる、湾曲基板に対する序文に記載されたレーザービーム分離法を実現することを目的としている。

この目的は、追従冷却スポットを伴うレーザービームが所定の連続形状を有する分離ラインに沿って移動する、ガラス、ガラス−セラミック又はセラミックスから作られた湾曲基板を切り離す方法において、下記工程、すなわち、
−支持体上に湾曲基板を設ける工程と、
−該支持体に対して概略垂直なビーム配向を有するレーザービームを分離ラインに向ける工程と、
−追従冷却スポット（６）を伴うレーザービーム（５）を分離ライン（４）に沿って移動させる工程であって、レーザー出力、レーザービームプロフィール、該レーザービームプロフィールの焦点位置、進行速度及び冷却などのプロセスパロメータが、分離ライン（４）に沿って該基板に規定深さまで切り込みを付けるよう調整される工程と、
−追従冷却スポット（６）を伴うレーザービーム（５）を分離ライン（４）に沿って移動させる工程であって、該プロセスパラメータが、更に熱機械的応力を増大させることで前記第１工程で作られたクラックが強制的に該基板（１）により深く入り込まされ、基板を完全に切り離すように変えられる工程と、
−切り離された加工部材を取外す工程、とからなる方法によって達成される。

驚くべきことに、それ自体公知の２段階レーザービーム分離法は、該レーザービームが分離ラインに垂直でなくとも、すなわちエネルギーの導入が基板の厚さと一直線に並んでいなくとも、どのようなチップも破片も無くまた形状ずれも無く、湾曲加工部材を切断するために使用することができることがわかった。レーザービーム分離法で通常に使用されるレーザービーム光学素子は、該レーザーがその湾曲に沿ってガイドされる必要がないような大きな焦点長さ（３００〜４００ｍｍ）、すなわち長い制御部分を有していることが分かった。従って、レーザーヘッドを傾斜させることは不要であるが、驚くべきことにクラックが加工部材面に垂直に形成されることは非常に有利なことである。
小さくない曲率半径については問題ないことは自明であろう。曲率が強ければ、Ｚ軸を変える必要があるが、それにもかかわらず傾斜は不要である。例えば自動車の湾曲ミラーの曲率半径は２ｍである。この種の曲率を備えたガラス板は、この発明に係る方法を使用して問題無く切断可能である。曲率半径は１００ｍｍ〜２００００ｍｍの範囲にあるのが好ましい。

２段階レーザービーム分離法は、設定焦点位置は第２分離工程でも維持されるが、スキャナーでセットされるレーザービームプロフィール長さが長くされ、好適には約５０％長くなるように実施されることが好ましい。レーザー出力と進行運動は一定のままである。
この場合、レーザービームは、波長が、切断されるガラスのスペクトル吸収最大値に相当するＣＯ_２レーザーから発生することが好ましい。このＣＯ_２レーザーは１０．６μｍの波長で遠赤外線帯域の光を発する。この熱放射線は材料に作用している時に著しい特徴を有する。例えば、このＣＯ_２レーザーは、可視光に透過性の大抵の材料によってかなり吸収される。このガラスへの強力な吸収が切断ガラスに使用される。１０^３ｃｍ^−１の吸収係数では、９５％の出力が３０μｍ厚さの層に吸収され、すなわちレーザー放射線がガラス面にだけに吸収される。ガラスの全体厚が熱伝導によってのみ加熱される。従って、同じ進行速度を使用しながらレーザービームを長くすれば、湾曲ガラス加工部材の場合でもガラスの全体厚を通して第１工程で作られるレーザー切り込みを「強化する」ことが可能である。

湾曲基板は、その凸状側がレーザーに面した状態で平らな支持体に設けられる（保持される）ことが好ましい。この場合、切断部が解放されたら自動的に重力で落下し、従って切断部を支持体から容易に取外すことができる。
この切断部を解放する、すなわち取外すために種々の方法が考えられる。
例えば、解放切断を切断端部まで適用することができる。これらの解放切断は例えば硬質金属砥石車、切削ダイヤモンド又はレーザークラックにより適用することができる。
解放切断への代替案として切断部が熱手段により開けられることも可能である。外側端部域を例えば８０℃に加熱するか、内側部位の冷却により切断部がはずされる。この原理は例えば上記ＤＥ１０００１２９２Ｃ１，またＤＥ２０１０７２０４．１Ｕに記載されている。

発明を実施するために最良の形態

この発明を、具体的な実施形態に基づいてさらに詳細に説明する。図１の部分Ａは楕円製品が切断される湾曲ガラス基板の平面図を示し、図１の部分Ｂはその側面図を示している。楕円で象徴的に示される湾曲ガラス製品２が分離される湾曲ガラス基板１が支持体３上に置かれている。図では、支持体は支持面が同様に湾曲設計であるが、平面でも可能である。
分離されるガラス製品は、特に序文（１頁、第２パラグラフ）で言及されたガラス製品、特に自動車フロントガラス及びリヤガラスである。
分離ライン４に焦点スポット５を形成するレーザービームはガラスを切り離すために使用される。冷却装置７で作られる追従冷却スポット６がレーザービームに連結されている。

例示実施例では、焦点スポット５は両端に最大の強度を備えた線状構造を有する。この形状と強度分布を有する焦点スポットがＤＥ１９９５９９２１Ｃ１に記載されており、その内容を本願の開示の内容に参考文献として組み入れる。この焦点スポットの長さが分離ラインの曲率の関数として自動的に設定され、それにより最適な切断性能を達成することができる。しかし、焦点スポットの他の形状（Ｖ状あるいはＵ状など）も考えられる。
レーザービームの発生、ビームプロフィールの形成及び分離ライン４に沿って追従冷却スポット６を伴う焦点スポット５の移動がそれ自体公知であり、そのためここではこれ以上の説明が不要である。
レーザービーム、すなわち上記のように冷却スポット６を伴う焦点スポット５が分離ライン４に沿って２段階で、すなわち２工程で移動して後続の機械的破壊無しで基板を完全に切り離した。これは特に湾曲基板を切り離す時に重要である。基板の曲率半径Ｒが非常に広い範囲内で、好ましくは１００ｍｍ〜２００００ｍｍで変えることができる。

本発明に係る具体的な実施形態を示すもので、特にＡは楕円製品が切断される湾曲ガラス基板の平面図を示し、Ｂはその側面図を示している。

符号の説明

１ ・・・ 湾曲ガラス基板
２ ・・・ 湾曲ガラス製品
３ ・・・ 支持体
４ ・・・ 分離ライン
５ ・・・ 焦点スポット
６ ・・・ 追従冷却スポット
７ ・・・ 冷却装置

Claims (7)

1. 追従冷却スポットを伴うレーザービームが所定の連続形状を有する分離ラインに沿って移動する、ガラス、ガラス−セラミック又はセラミックスから作られた湾曲基板を切り離す方法において、以下の工程、すなわち、
   （ａ）支持体（３）上に湾曲基板（１）を配する工程と、
   （ｂ）該支持体に対して概略垂直なビーム配向を有するレーザービーム（５）を分離ライン（４）に向ける工程と、
   （ｃ）追従冷却スポット（６）を伴うレーザービーム（５）を分離ライン（４）に沿って移動させる工程であって、レーザー出力、レーザービームプロフィール、該レーザービームプロフィールの焦点位置、進行速度及び冷却などのプロセスパロメータが、分離ライン（４）に沿って該基板に規定深さまで切り込みを付けるよう調整される工程と、
   （ｄ）追従冷却スポット（６）を伴うレーザービーム（５）を分離ライン（４）に沿って移動させる工程であって、該プロセスパラメータが、更に熱機械的応力を増大させることで前記第１工程で作られたクラックが強制的に該基板（１）により深く入り込まされ、基板を完全に切り離すように変えられる
   （ｅ）切り離された加工部材（２）を取外す工程、とからなる方法。
2. 前記（ｄ）の工程で、前記レーザービームプロフィール長さを長くするが、それ以外のパラメータは維持されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記レーザービームプロフィール長さの増加が約５０％になることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 使用レーザーがＣＯ_２レーザーであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記湾曲基板が、その凸側が該レーザーに面した状態で平坦な支持体上に配されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 切り離された前記加工部材を取外すために、機械的力をかけることと組み合わせて、前記分離ラインの内側と外側との間に温度差が設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記分離ラインの外側領域が約８０℃に加熱されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
   
   

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