(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス製品及び／またはレーザービームを相対的に動かしながら集光レーザービームでガラスのエッジを処理するステップを備えるガラス製品の鋭いエッジを鈍くする方法であって、
前記ガラスのエッジを処理するステップはリング状の断面を有するレーザービームで実行され、前記処理は前記レーザービームで前記ガラスのエッジをガラス転移温度より高温（Ｔ＞Ｔｇ）まで加熱するステップを備え、
前記レーザービームは、その軸が、前記レーザービームを受けるガラス表面の延長である平面に２０〜７０°の角度で配置されるように向けられ、レーザービームによる前記処理が、チップの形状のガラス材料を除去してガラスのエッジを面取りするステップを備える、方法。
【請求項２】
前記角度は前記ガラス製品及び／またはビームの動きのベクトルと直交する平面内にある、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記レーザービームの前記軸は、前記ガラス製品及び／またはビームの動きのベクトルと直交する平面に０〜３０°の角度で向けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
伸長されたリング形状のヒートスポットを生じるために、前記ガラス製品及び／またはビームの動きの向きに伸長されたリングの形状を有するレーザービームで前記処理が実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
面取り部の寸法が、ヒートスポットの短軸、ヒートスポットでの照射出力密度Ｗ（ワット／ｃｍ２）、及び露光時間ｔ（ｓ）によって規定される、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガラス製品を処理する方法に関連し、特に、ガラス製品の鋭いエッジを鈍くする方法に関連する。本発明はエッジを鈍くするためのガラスの処理に関連する様々な産業において用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
ガラスのエッジを処理する従来の機械的方法及び化学的方法は、ガラスシート中に、特にガラスのエッジにマイクロクラックをもたらすことがあり、それによってガラスの強度が一桁低くなっている。
【０００３】
代替的な処理方法はレーザー面取り法である。レーザーは大きなコヒーレンス長を有する単色光によって特徴づけられる。レーザーは多くの産業用途及び医療用途に採用される。レーザーの重要な技術応用は、例えば分光法、距離のレーザー測定を含み、また、レーザーは金属、セラミックス及びガラスの精密な切断及び溶接のプロセスにも用いられる。
【０００４】
特許文献１はガラス基板のエッジを面取りする方法を開示し、以下のステップを備える：低い熱エネルギー強度を有し、ガラスのエッジに対して斜めに位置された楕円形のヒートスポットを有する第一集光レーザービームで連続的にガラスのエッジを処理するステップであって、ガラス基板が送り方向（ｆｅｅｄ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に移動される時、第一レーザースポットは、ガラス基板のエッジ付近の部分を予備加熱した後に、エッジを溶かし、面取りし、その後に基板はガラス基板の移動方向に伸長した楕円形状のヒートスポットを有する第二レーザービームによって加熱される。これによって残留応力は小さなクラックを生み出すことなく軽減される。しかし、この方法は実行するのが困難であり、ガラスの「焼き戻し（ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）」、即ちガラスの溶解によって生じた熱応力を除去すること、はそのような短時間では不可能である。
【０００５】
最も関連した先行技術は特許文献２に開示された製品の鋭いエッジを鈍くする方法であり、ビームの一部で、または二つの別のビームのうちの一つで、エッジの少なくとも一つの表面を、その材料の融点を超えない温度まで加熱するステップと、ビームの別の部分で、または第二の別のビームで、製品のエッジの他の表面を加熱するステップとを含む。加熱のために使用されるレーザービームは、材料の表面上で楕円形の断面形状を有する。この方法の不利点は、可能性のある残留熱応力及び引き離される材料の断絶チップの可能性による強度の低下、並びに、分布の均一性は単に理論上可能であり得るところ、各処理スポットにおける出力密度の異なる分布によってプロセスの制御性が悪いことを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００３／０１５９７６号
【特許文献２】露国特許第２１６３２２６Ｃ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、ガラス製品の鋭いエッジを鈍くする方法であって、製品のよりよい品質を確保し、ガラス製品の処理を加速し、一方で処理の全長にわたって一定の、必要とされる最小寸法の面取り部を提供し、製品の強度を増す方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は本発明によるガラス製品の鋭いエッジを鈍くする方法によって達成され、本発明は、相対的にガラス製品及び／またはビームを動かしながら、リング状の断面を有する集光レーザービームでガラスエッジを処理するステップを含み、上記処理ステップはガラスエッジをレーザービームでガラスの転移温度より高温（Ｔ＞Ｔｇ）に加熱するステップを含む。
【０００９】
ここでリング状の断面を有するビームは、中実部分を有するビームをリング状の部分を有するビームに変換する同軸レンズによって生み出されるビームを意味する。例示的なビーム変換器は外部及び内部（「アキシコン（ａｘｉｃｏｎ）」と呼ばれる）の二つのミラーコーンからなるアセンブリである。
【００１０】
ガラス転移温度Ｔｇはポリマー材料の基本的な特性の一つである。ガラス転移温度より低い温度ではポリマー材料はより硬く、脆い状態である。この温度を超えると、材料はプラスチック状態へと実質的に断続的に転移する。これに伴い、材料の熱膨張係数も劇的に大きくなる。材料の拡散特性及び様々な技術の適用のために、ガラス転移温度は正確に決定することが困難である。大半の産業ガラスについてＴｇは４００〜６００℃の範囲内である。
【００１１】
本発明ではレーザービームのリング状の断面は、ガラス表面へのダメージ及びはつり（ｃｈｉｐｐｉｎｇ）を防ぐガラス製品の面取りについての決定的な要素である。第一に、エッジ付近の領域における熱応力によって、エッジ付近の領域に所望の形状及び寸法の焼き戻しされたガラス領域を形成する。これによって、脆性破壊時にガラス上に丸まった端又は鈍端を有する面取り部の形成を提供する。
【００１２】
本発明に係る方法によって、エッジ付近の領域に、熱応力を伴った強化ガラス部分をつくり、その大きさ及び方向によって、脆性破壊時に、ガラス上に丸い端を有する面取り部の形成を提供する。
【００１３】
ガラス転移温度より高温で加熱する際にガラス製品の鋭いエッジに強化部分が形成されるときに、チップが離脱し、品質が低下する。それこそ、本発明ではリング状の断面を有するビームが、チップの先端がより弾性的である間に、エッジ付近の領域に強化部分をつくる理由であり、従って、全プロセス中にチップはその完全性を維持する。これにより面取り部の所定の幾何学的形状が保護され、維持される。
【００１４】
レーザービームは好ましくはその軸が、レーザービームを受けているガラス表面の延長である平面に２０〜７０°の角度であるように向けられる。下限を超えるとビームの大半（最大７０％）は反射され、はつり及び面取りの条件は実行不可能となる。一方、上限を超えると、面取り部ではなく溝が形成されるだろう。
【００１５】
好ましくは、上記角度は、ガラス製品及び／またはビームの移動ベクトルと垂直な平面内に存在する。
【００１６】
レーザービームの軸は、上記ガラス製品及び／またはビームの上記移動ベクトルと垂直な平面に対して０〜３０°の角度で向けられてもよい。
【００１７】
好ましくは、上記ガラス製品及び／またはビームの移動方向に伸長されたリング形状を有するレーザービームで処理が実行されて、伸長されたリング状のヒートスポットを生成する。これにより材料中に、最適な出力密度（Ｐ、ワット／ｍｍ２）で、より大量の熱エネルギー（Ｗ、ワット）を導入する追加的な効果を保証し、これによって、処理効率が増加する。
【００１８】
レーザービームを用いた処理は、チップの形状のガラス材料を除去してガラスエッジを面取りするステップを含むことが好ましく、面取り部の寸法は、ヒートスポットの短軸、ヒートスポットにおける放射出力密度Ｗ（ｗａｔｔ／ｃｍ２）、及び露光時間ｔ（ｓ）によって規定される。
【００１９】
製品のエッジを処理した後に、加熱領域に冷却材が供給されてよい。
【００２０】
本発明の他の利点及び特徴は、添付図面を参照しつつ、以下の好ましい実施形態の記述から明らかとなるだろう。
【００２１】
本発明は、図面を参照しつつ、その例示的な実施形態に基づいて、より詳細に記述される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】レーザービームによるガラスエッジの処理及びガラス表面へのビームの方向を規定する平面を描写する略図である。
【図２】本発明によって処理されたガラスのエッジで生じる現象を描写する断面図である。
【図３】本発明による処理でガラス上に生成された面取り部の断面形状を示す図である。
【図４】本発明によって処理されたガラスで生じる熱応力を描写する図である。
【図５】異なるスポット形状で生じる熱分裂の性質を描写する比較の図である。
【図６】楕円断面形状を有するレーザービームを生み出すためのレンズ配置を示す図である。
【図７】異なるリング直径を有するリングの断面形状を有するレーザービームを生成するための内部及び外部ミラーコーンの任意的な位置を示す図である。
【図８】円柱レンズの例示的な配置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明によると（図１参照）、ガラス製品の鋭いエッジを鈍くする方法は以下のステップを備える：ガラス製品及び／またはビームを相対的に動かしつつ、リング状の断面を有する集光レーザービーム２でガラス製品１のエッジを処理するステップ。レーザービームによる処理は、ガラス転移温度より高温（Ｔ＞Ｔｇ）までガラスエッジ４を加熱するステップを含む。これによりガラス製品１のエッジ４からチップ形状のガラス材料３を除去して面取り部を形成する。
【００２４】
更に、図１に示されるように、一実施形態において、そのヒートスポットがリング状の楕円であることが好ましいレーザービーム２は、レーザービーム２を受けるガラス１表面の延長である平面３に対してある角度で、面取りされるガラス１エッジに向けられる。通常の条件下では、レーザービームは好ましくは直線的に、一定の速度で、一定の集光距離でガラス１エッジに沿って動かされる。しかし例えば丸い角を有する形状のガラス製品を処理する場合には、安定した加熱条件を維持するために、レーザービームは角の領域において異なった速度で、かつ修正されたヒートスポットの寸法を有して動かされることができる。
【００２５】
描写された実施形態において、ヒートスポットのリング状の楕円（図１に概略的に示される）は、１１ｍｍの長軸及び３ｍｍの短軸を有する。ガラスエッジでレーザービームが向けられる角度は、この実施形態では４５°である。
【００２６】
ヒートスポットのリング状の楕円を提供するために、図６に模式的に示されるレンズシステムが用いられ、該レンズシステムは特に二つのミラーコーンからなる：内部コーン５（「アキシコン」と呼ばれる）及び頂部が切断された外部コーン６である。
【００２７】
図７は生じるリング状のビームの直径が、外部コーン５に対するアキシコン６の位置に応じて変化することを示している。例えば図６に示された実施形態では、コーンの頂点が同一平面内である場合（即ち、それらの距離が０ｍｍ）、コーン６から放射されるリング状のビームの断面の外側直径は８ｍｍである。従って、もし距離が２ｍｍであれば直径は１２ｍｍであり、距離が４ｍｍであれば直径は１６ｍｍである。システムは円柱レンズ（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ  ｌｅｎｓ）８の対を備えてもよく、その一方はリング状のビームを一平面内に押し込め、他方のレンズは別の平面内で同様にすることでリング状の楕円の軸の寸法を変える。図８は円柱レンズ８の相互の回転（角度αの変化）によってヒートスポットの形状が変化することを示す。描写されたシステムは、ソース検出器９、アキシコン検出器１０、及び焦点検出器１１をさらに備える。
【００２８】
レンズのシステム：中実部分を有するビームをリング状の部分を有するビームに変換する同軸の円錐レンズ、及びリングを楕円に引き伸ばす円柱レンズ、を有するシステムの使用によって、リング状であり、ガラス製品及び／またはビームの動き方向に伸長されたレーザービームを同時に提供する。しかし、当業者であればレーザービームを楕円形かつリング形状に変換する光学システムの他の実施形態が可能であることを認識するだろう。
【００２９】
既述の通り、大半の市販のガラスのガラス転移温度Ｔｇは４００〜６００℃の範囲内である。本発明によると、好ましくは６５０〜６８０℃の温度に加熱され、それから液体／気体混合物で冷却する。
【００３０】
表面をさらに強力に加熱すると、蒸発（材料の昇華）が生じ得る。従って、許容できる範囲は：ガラス転移温度より高温かつ蒸発温度より低温である。
【００３１】
以降ガラスエッジの面取り部を生成する例示的な実施形態を記述する。
【００３２】
Ｓｙｎｒａｄ社から入手可能であり、レーザー出力Ｗ＝１００ワットを有するＳｙｎｒａｄ  ｆｉｒｅｓｔａｒ  ｆ１００Ｗレーザーを用いて試験を行った。レーザービームの移動速度はＶ＝０．６〜０．９ｍ／分であった。生じたヒートスポットは寸法Ｓ＝３×１１ｍｍの環状の楕円形状を有した（スポットの寸法はレーザー出力に応じて測定され、高出力では長軸に沿ってスポットが大きくなり得る）。
【００３３】
そのヒートスポットが長軸１１ｍｍ及び短軸３ｍｍのリング状の楕円であったレーザービームが、４５°の角度で（または４５＋３０°から４５−１５°の他の角度で）、面取りされるガラスエッジ上に向けられ、レーザービームは一定の速度かつ一定の焦点距離で直線に沿って動かされた。
【００３４】
ガラス１表面をレーザービーム２で加熱する際、ガラスはレーザービームに対して不透明なので、薄い表面層にレーザーエネルギーが吸収された。従って、レーザーエネルギーは熱伝導によって材料の更に深部へと移行した。
【００３５】
この場合、引張り応力がガラスの強度を超えるとき、ガラスの細いストリップがガラスのエッジから分離される、即ちチップがエッジから除去されて面取り部が形成される。ガラス表面へのレーザーの局所的な効果によって、同時にガラス材料の他の部分を溶融することなく、露光領域内のガラス材料の溶融及びガラスエッジの丸み付けが可能となる。それは別な方法では処理されたエッジ近傍のガラスの変形を生じ得る。
【００３６】
レーザー照射に露光されたガラス表面を加熱する程度は以下の要因に依存する：レーザー照射の出力及び出力密度ｗ（ｗａｔｔ／ｃｍ２）、レーザービーム及び／またはガラスの相対的な移動速度、露光時間ｔ（ｓ）、及びガラスの熱伝導率の要因によって規定される、ガラスの表面から深部への熱放散の速度。同じ特性は、ヒートスポットの楕円の短軸の寸法によっても指定される面取り部の寸法も決定する。面取り部の寸法は数百ミリメートルから数ミリメートルまで変わり得る。さらに、ガラスの表面に対する面取り部の傾きの角度は、処理されたガラス表面に向けられるレーザービームの軸の角度に依存し、変えることができる。
【００３７】
図２は本発明による、リング状のレーザービームで処理する過程でエッジで起きているプロセスを概略的に示す。
【００３８】
この図から分かるように、加熱によってガラスエッジ４に隣接する領域１２に形成された、膨張したガラスの部分が生じ、その間に強化ガラス部分１３が形成される。これにより、マイクロクラック丸めサイト（ｍｉｃｒｏｃｒａｃｋ  ｒｏｕｎｄｉｎｇ  ｓｉｔｅ）１４で以下の応力が作用する：曲げモーメントＭ、曲げによって生じた熱応力Ｇｂｅ、及び冷却によって生じた熱応力Ｇｒ。ガラス材料はマイクロクラックの軌跡１５に沿って分離する。
【００３９】
図３は本方法による丸いエッジを有する結果的な面取り部の断面図である。
【００４０】
図４は表面吸収でレーザービームによって処理されたガラス内で生じる熱応力を概略的に示す。簡単のために、ガラス１の加熱領域の基本断片へとレーザービーム２が垂直に向けられて示されている。以下の熱応力がガラス内で生じる：
【００４１】
Ｇｒ：ビームが加熱領域から去り、その領域が冷却される際に生じる半径方向の熱応力１６。これにより、「強化部分」／ガラスバルク界面での脆性破壊プロセス及びクラックの形成が発展する。
【００４２】
Ｇｔ：クラック伝搬ラインに沿って向けられる接線熱応力１７。これらは分離表面のエッジの品質を低下させるので、これらの熱応力の影響は低減させなければならない。
【００４３】
Ｇｚ：同軸熱応力１８。これらは一般的に脆性破壊プロセスに影響せず、無視することができる。
【００４４】
鋭いエッジを面取りする条件は：
ＴＨ＞Ｔｇ＞ＴΔ
Ｇｔ＞Ｇｓｔｒ
であり、ここで
ＴＨはヒートスポット領域内のガラスの温度であり、
ＴＤは最終的な熱抵抗であり、
Ｔｇはガラス転移温度であり、
Ｇｔはガラス内に生じた熱応力であり、
Ｇｓｔｒは最終的なガラスの引張り応力であり、
Ｔｇ及びＴＤは参考書から取られた所与の種類のガラスの特性であり、
ＴＤは以下の式から計算可能であり、
ＴΔ＝Ｇｓｔｒ・（１−γ）／α・Ｅ
ここで、
αは最終的な引張り応力であり、
ｇは熱膨張係数であり、
Ｅはヤング率である。
【００４５】
面取りの安定的で質的なプロセスを提供するために、以下の条件を保証する必要がある：
Ｇｔ／Ｇｓｔｒ＞ｌ      （１）
【００４６】
この条件はプロセスの所望の基本特性を特定することによって達成することができる：
ヒートスポット内の出力密度、ｗａｔｔ／ｍｍ２；
レーザービームの露光時間ｄｒ（ｍｍ）／ｖ（ｍｍ／秒）；
ヒートスポットの形状；
冷却材の流れの強度、温度及び方向。
【００４７】
条件（１）を分析することでｒ２×ｄＴ／ｄｒ、即ち切断軸からの温度が増加しなくてはならないという結論に至る（ｄＴ／ｄｒ＞０であるから）。
【００４８】
図５の比較図は、熱分裂を提供するのに、リングが最適のスポット形状であり、楕円形状が好ましいことを示している。
【００４９】
本方法の試験によって以下の結論が得られた：
【００５０】
１．レーザー出力を１００〜４００ワットに高め、経済効率に基づいて面取り部を必要最小寸法に設定（面取り部が小さいほど処理が高速となる）することで、処理の商業的に重要な速度（最大数ｍ／分）を達成することができる。
【００５１】
２．ヒートスポットをガラス端に沿って正確に動かすと、十分に安定した処理プロセスが観察された。これにより面取り部の寸法は処理の全長にわたって一定だった。
【００５２】
３．レーザー切断の際、ガラス端は高品質で面取りされた。
【００５３】
４．本方法は、（特に厚さ６ｍｍ超のガラス板の）クエンチ前に、摩砕及び研磨することなくエッジの品質を高めるための輪郭処理のために、またそれによってディスプレイガラスを含むガラス製品の強度を３０％以上高めるために、ガラスの処理に用いられ得る。
【００５４】
好ましくは、レーザービームは、その軸がレーザービームを受けるガラス表面の延長である平面に対して２０から７０°の角度である。
【００５５】
上記角度はガラス製品及び／またはビームの上記動きのベクトルと直交する平面内に置かれることが好ましい。しかしながら、レーザービームの軸は、ガラス及び／またはビームの動きのベクトルに対して直交する平面に対して０〜３０°の角度で向けられてもよい。
【００５６】
本発明によると、面取りプロセスの効率を高める、伸長されたリング、例えば伸長された楕円の形状のヒートスポットを得るために、ガラス製品及び／またはビームの動きの方向に伸長されたリング形状を有するレーザービームで処理が実行されることが最も好ましい。動きの方向に対して楕円のビームを回転する可能性が提供されるべきである。
【００５７】
面取り部の寸法は、ヒートスポットの短軸の寸法、ヒートスポットの出力密度ｗ（ｗａｔｔ／ｃｍ２）、及び露光時間ｔ（ｓ）によって特定される。
【００５８】
製品のエッジを処理した後に、加熱領域を局所的に冷却するために、冷却材が加熱領域に供給されることが好ましい。
【００５９】
当業者は、本発明は上述した実施形態に限定されるものではないことを理解し、修正は以下に示す特許請求の範囲の範囲内でなされ得ることを理解する。必要に応じて、他の際立った特徴と共に発明の詳細な説明に記載された際立った特徴は、互いに別個に使用することもできる。
【符号の説明】
【００６０】
１  ガラス製品
２  レーザービーム
３  平面
４  ガラスのエッジ
【図１】
0006452699.tif 000002
【図２】
0006452699.tif 000003
【図３】
0006452699.tif 000004
【図４】
0006452699.tif 000005
【図５】
0006452699.tif 000006
【図６】
0006452699.tif 000007
【図７】
0006452699.tif 000008
【図８】
0006452699.tif 000009