(57)【要約】【課題】もろい非金属材料を切る方法の効率と品質を改良することである。【解決手段】本発明の一面では、切込路に沿ってけがきを形成しかつ材料(1)表面に追加作用することを含む、もろい非金属材料(1)を切断する方法において、材料表面への追加作用を、少なくとも１つの弾性波(2)源を用いてけがき形成領域(3)で行い、弾性波(2)の振幅と周波数は、けがきを所定の深さに深くするかまたはサンプルを通し切断するように選択する。もう一つの面では、材料表面をその上に形成された切込路に沿ってレーザビーム(2)で加熱することによりかつ加熱された領域を局部的に冷却することによりけがきを形成し、材料表面への追加作用は、加熱された領域内の切込路の各個所を、その個所における熱適用期間と釣り合う時間の間引き続き冷却することを含む。冷却時間の選択は、所定深さの切込をつくるために材料の厚さとその熱物理特性に基づく。【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを用いて切込路に沿って材料表面を加熱することによりけがきを切込路に沿って形成し、そして材料表面に追加作用することを備えて成る、もろい非金属材料を切る方法において、上記材料表面への追加作用を、少なくとも１つの弾性波源によりけがき形成領域で行い、弾性波をけがき形成領域内で切込路に沿って材料本体に集中させ、弾性波の振幅と周波数を、けがきを所定の深さに深くするか、または通し切断とするように選択することを特徴とする方法。
【請求項２】
レーザビームを用いて切込路に沿って材料表面を加熱した後、冷却媒体を用いて加熱された領域を冷却すると同時に、弾性波をクーラントの適用領域に衝突させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
レーザビームと材料の相対変位方向に垂直な方向にて互いに所定間隔をおいて材料表面に向けられる２つのレーザビームを用いて、切込路に沿って材料表面を加熱することにより前記けがきを切込路に沿って形成することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
弾性波源はパルスレーザ源からの放射線を含み、前記材料は前記放射線に不伝導性であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記弾性波は、けがき形成の完了後切込路に衝突することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記弾性波は、切込路に沿って材料の所定領域でのみ材料表面に衝突することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
弾性波源によって作用される線および切込路を材料表面に垂直な平面内で互いに変位させることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記けがきが形成された材料表面の側で、切込路の両側でのけがき工具に続いて２つの弾性波を同時に集中させることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
弾性波が材料本体内でけがき形成領域に同時に集中し、前記けがきが形成された材料表面の側に集中された前記弾性波によって作用された領域の間に位置する領域で材料表面の反対側に作用することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
けがきを切込路に沿って形成し、そして材料表面に追加作用することを備えて成る、もろい非金属材料を切る方法において、レーザビームを用いて材料表面をその上に形成された切込路に沿って加熱することによりかつ加熱された領域を局部的に冷却することにより前記けがきを形成し、上記材料表面への追加作用は、切込路に沿って配された冷却装置を用いて、加熱された領域内の切込路に存在する各個所を、その個所における熱適用期間と釣り合った時間の間、引き続き冷却することからなることを特徴とする方法。
【請求項１１】
冷却時間が切込路に沿って配された長形多段階冷却装置を用いて、材料の厚さ、その熱物理特性および所望の切込深さに依存して決定されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
加熱された領域内の切込路に存在する各個所を冷却することが、切込路に沿って配された長形スリット冷却装置によって行われることを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石英ガラスを含むすべての種類のガラス、サファイヤや石英のような種々のモノクリスタル材料、すべての種類のセラミック、ならびに半導体材料のような材料をレーザ切ることを含む、もろい非金属材料を切る方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
当該技術において、切込路に沿って材料の表面をけがき、そのけがき（刻み）をレーザビームを用いて加熱すると共にビームと材料を互いに移動させ、加熱された領域を冷却媒体を用いて局部的に冷却することを含むもろい非金属材料を切る方法が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
この方法は、けがくためだけではなく、切込路をレーザビームまたは他の加熱原で再加熱することによりガラスまたは他のもろい非金属材料を通し切りするためにも使用することができる。
【０００４】
この切断方法の欠陥はその非能率にある。なぜなら、ガラスの熱伝導性が低いことにより、材料の厚さにわたって十分に熱が通ることができるようにビームが表面を横切って十分ゆっくりと移動するときにしかクラックが材料の中へ深く伝播できないからである。
【０００５】
当該技術において、レーザビームで切込路を加熱すると共にビームと材料を互いに移動させ、加熱された領域を冷却媒体を用いて局部的に冷却し、それから２つの平行なレーザビームを用いて切込路に沿って材料の表面を加熱することを含む非金属材料を切る方法が知られている（特許文献２参照）。先の切断方法におけるように、再加熱は材料の厚さ全体を通ってずっとクラックを伝播することができる。しかしながら、この方法は先に述べた切断方法と同じ欠陥で苦労する。
【０００６】
当該技術において、１枚の材料の一方の側の表面をレーザビームで加熱して通しのクラックを形成し、さらにその板の反対側の表面に機械的な力を加えることを含む、もろい材料をレーザ処理するための装置を用いて、もろい非金属材料を切る方法が知られている（特許文献３参照）。
【０００７】
しかしながら、材料の表面の反対側に一定の機械的な力を加える方法も、板の反対側の表面にレーザビームの路に沿って可動な球を打ちつける方法も切断工程を加速することができない。これらの方法は、材料の表面に沿ってクラックの位置とレーザビームの位置の間の遅れを減らすにすぎない。
【０００８】
また、当該技術において、上に挙げた方法の適用を基礎としてもろい非金属材料の板を切る方法、すなわちまずダイアモンド工具を用いて切込路に沿って掻き傷（きず）を形成し、ビームと材料を互いに動かしながら切込路を楕円レーザビームで加熱し、そして加熱された領域を冷却媒体を用いて局部的に冷却する方法が知られている（特許文献４参照）。この方法は、板の材料を直線と同様曲線路に沿っても切断するために用いることができる。当該技術において、方向づけられた熱ビームを切込路に沿ってガラス表面の一方の側に突き当て、それによって通しクラックを形成し、曲げ力を反対側の表面に加え、それによってクラックを切込路に沿って伝播させる工程を含むガラス板を切る方法が知られている（特許文献５参照）。
【０００９】
しかしながら、これらの方法を用いて高い生産能力で材料の単一の通過分離を達成できない。なぜなら、クラックの入った材料を最終的に分離させるには、追加の機械的な破断力または他の種類の破断力を加えることを必要とするからである。そのような方法は、高い品質の切断片を達成できないし、さらに追加の破断設備を必要とする。
【００１０】
技術的本質が本発明の方法に最も近い、ガラスを切る方法は、材料に切込路に沿ってけがきを形成し、加えてガラス表面に音響振動を衝突させ、そこにそのような音響振動がガラス表面に平行な方向に引き起こされることを含む（特許文献６参照）。この方法では、材料の通しクラックの形成を容易にするために、材料にけがいた後、ガラスに２−５kHzの超音波範囲の音響振動をガラス表面に平行な方向に励起している。この方法の有効性を増大させるために、音響振動の周波数をガラスの自然振動周波数と調和させ、共振するようにしている。
【００１１】
しかしながら、いくつかの非常に著しい欠陥がこの方法の広範な産業上の適用を妨げている。第一に、全ガラス板に切込工具でつけられたけがき線に沿ってガラスを分離できる超音波振動を引き起こすには、相当なエネルギーの消費を必要とする。第二に、この切断工程はおそい。なぜなら、その切断工程は、別々に時間的に間隔を置いた生産工程からなるからである。すなわち、けがきをし、バイブレータをけがき線に対して正確に定められた位置に設置し、バイブレータをガラス表面にしっかりと取付けて緊密な接触を確保し、そして磁気ひずみ変換器または圧電変換器を用いる。さらに、切断毎にガラス材料の寸法が変化し、共振効果に必要な音波の周波数の再計算が必要になる。このため、労働集約的な予備的見積もりをすることと、振動周波数を絶えず調整することが必要である。第三に、バイブレータとガイド表面との間の緊密な接触がかき傷や破片を生じて表面を損傷し、廃棄物の割合が大きくなる。
【００１２】
【特許文献１】
ＲＦ特許第２０２４４４１号明細書、ＭＫＩ５Ｃ03 Ｂ33/0２、１９９４年１２月１５日発行
【特許文献２】
米国特許第６２５９０５８号明細書、ＩＣ ７Ｂ ２４ Ｃｌ．26/067、２００１年７月１０日発行
【特許文献３】
ＲＦ特許第２１３９７７９号明細書、ＩＣ Ｂ２３ Ｃｌ．26/00、１９９９年１０月２０日発行
【特許文献４】
PCT/RU94/00276、公表番号：ＷＯ96/20062、１９９６年
【特許文献５】
米国特許第４１９０１８４号明細書、IPC C 03 B 33/02、優先権日１９７８年８月２３日
【特許文献６】
USSR発明者証No.996347、ＭＫＩ５Ｃ03 B33/02、１９８３年２月１５日発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、一様な切込速度を維持し、十字切込の形成も二層積層材料の切断も可能としながら、単一のまたは多数の生産サイクルで分離切込と非分離切込をする方法を提供することにより、もろい非金属材料を切る工程の能率と品質を改良することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記の目的を達成するための２つの方法を開示する。
【００１５】
一面では、本発明の目的は、切込路に沿ってけがき（刻み）を形成しかつ材料の表面に追加作用することを含む、もろい非金属材料を切る方法において、材料の表面への追加の作用が少なくとも１つの弾性波源を用いてけがき形成領域で行われ、その際弾性波の振幅と周波数がけがきを所定の深さに深くするかまたはサンプルを通し切りするように選択されることを特徴とする方法により達成される。切込路に沿ってけがく作業は、切込工具を用いて、レーザビームを用いてすることができ、または材料の表面を切込路に沿ってレーザビームで加熱し、さらに加熱された領域を冷却媒体で冷却すると共に、弾性波を冷却媒体の適用領域に突き当てることによりすることができる。けがき線を切込路に沿って形成するには、レーザビームと材料の相対運動の方向に垂直な方向に互いに所定の間隔で材料の表面に衝突する２つのレーザビームで材料の表面を前記切込路に沿って加熱すればよい。この方法では、主弾性波が材料の本体内にけがき形成領域に集中される。弾性波源は、材料が不伝導性であるパルスレーザにより放出される放射線であるのが好ましい。
【００１６】
切断工具は、７０〜１４０度の角度に切削面を有するダイアモンドピラミッドであるかまたは７０〜１４０度の角度の研削角を有する回転硬質合金ローラであることができる。
【００１７】
弾性波をけがき線に沿って、例えばけがきが完了した後励起させるか、または切込路に沿って材料の所定の領域にのみ励起させてもよい。本方法は、弾性波源の作用線を供給し、切込路は傾斜路をつくるために材料表面に対し垂直な平面において互いに変位している。
【００１８】
いくつかの例では、２つの弾性波が同時にけがき工具から下流の表面のけがかれた側で切込路の両側に衝突する。または、同時に、１つの弾性波がけがき形成領域で材料の本体内に突き当たり、表面のけがかれた側に作用する２つの他の弾性波の突き当たり領域の間に位置する領域で材料の反対側表面に作用する。
【００１９】
もう１つの面では、材料の表面をそこに形成された切込路に沿って加熱し、そして加熱された領域を局部的に冷却することによりけがきを行う。材料の表面上への追加の作用は、加熱された領域の切込路上の各点をその点における切込路上の熱適用期間と釣り合った時間の間引き続き冷却することを含む。冷却時間の選択は、所定の深さの切込をつくるために材料の厚さとその熱物理特性に基づく。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の要旨は、図面に関連して示すことができる。
一面では、もろい非金属材料の切断方法は次のことを含む。
【００２１】
ガラスまたは他のもろい非金属材料１の表面に対して相対速度ｖで移動する装置２が、材料の本体に深さδを有するけがき線３を形成するように表面に作用する。
【００２２】
本発明により、装置２はレーザビームであることができ（図１）、切込工具であることができ（図４）、レーザビームと材料の相対運動方向に垂直な方向に互いに与えられた間隔で材料の表面に衝突する２つのレーザビームであることができ（図３）、および他の同様な装置であることができる。けがき線は、例えば表面をレーザビーム２で加熱し、加熱された領域を冷却媒体４を用いて局部的に冷却することにより形成できる（図２）。
【００２３】
本発明の第一の面の主要な特有の特徴は、材料１の本体にけがき形成領域３において弾性波５を集中させることである。源６は波コンセントレータであることができるかまたは例えば材料１が不電伝導であるパルスレーザであることができる。
【００２４】
この実施の形態では、実質的に材料表面に加えられる著しい機械的な力がないか、または材料の振動がないことを強調しなければならない。さらに、主けがきパラメータ−その速度およびけがき線の深さδ−に関連する弾性波のパラメータ（振動の振幅と周波数）に依存して、けがき線を所定の深さｈを有するクラック７まで深くすることができる。工程パラメータを変えることにより、深さＨを有する分離切込８をつくるのは容易である。
【００２５】
弾性固体における弾性波形成および伝播の基本的な物理原則と、けがき線をけがき形成領域における弾性波の作用によって分離切込までずっと広げることができる条件は次の通りである。
【００２６】
固体を通って伝播する弾性波は、材料の一つの点からもう一つの点へ波により移される応力／歪とせん断の機械的な変形をつくる。２つの種類の縦方向とせん断方向の弾性波は等方性の固体内を伝播することができる。縦方向からの変形は応力／歪とせん断の組合わせである。せん断波によりつくられる変形は純粋なせん断である。弾性波は、振幅、振動の方向、可変な機械的応力と変形、振動周波数、波長、位相と群速度および波頭に沿った変位と応力の分布の法則により特徴づけられる。これらのパラメータは、クラックの伝播のための最適な条件、特にけがき領域における材料本体内の弾性波の集中を決定するときに考慮しなければならない。
【００２７】
音響導波路は、弾性波を源からけがき領域へ移すために使用できる。例えば、板または棒のような固体音響導波路は、導波路の軸線に対し鋭角で移動しかつ次の境界条件、すなわち導波路表面の機械的応力がゼロであるという条件を満足する縦方向波とせん断波の組合わせからなる波を伝播することができる。導波路は、弾性波を材料の所定の領域に集中させるコンセントレータで終わることができる。
【００２８】
本発明の非常に重要な利点は、弾性波をけがき線の所定の領域にのみ衝突するようにすることができるということである。これにより、交互の分離切込と非分離切込を単独の工程サイクルでつくるのが容易になる。そのような切込の一例を図６に示す。図６には、１つの工程サイクルで、切込が始まって非分離けがき３で終わり、すなわち弾性波を使ってけがき線を深くせずに終わり、一方残りの切込が材料を貫通して延びて分離クラック８を形成する。第一に、この方法により、切込線の交差点で切込の品質を落とさずにかつ交差点で追加のけがきをつくることなく分離十字切込をすることができる。第二に、これにより、切込の高い精度と品質が確保される。なぜなら、板全体が完全に別個の要素に切断されるまで板はその初期の寸法および一体性を保つからである。
【００２９】
もろい非金属材料を切るための提案された方法のさらにもう１つの利点は、材料表面に垂直な平面に対して或る角度で分離切込を行うことができることである。これは、弾性波源６の方向と切込工具２の適用方向が材料表面１に垂直な平面に対しずらされているからである（図７）。この変位の結果として、分離切込９の路が材料の表面に垂直な方向に対し角ψで傾斜している。そのような切断方法は、円盤または他の物品を閉じた切断パターンで切断するために非常に良好な結果を与える。なぜなら、その方法は切り取られる物品を材料から容易に分離できるからである。傾斜角度は、切断の精度に実質的に影響がないほど小さくできる。
【００３０】
もろい非金属材料のための上記の切断方法は単一層の材料だけではなく、積層した板も切るために用いることができる。図８は、接着剤１１により板１０に膠着された板１を切るための概要図を示す。この例では、弾性波５が板１０の側から広がって、加熱された領域３に達し、切り欠きを板１の分離切込８まで深くする。
【００３１】
ときには、材料の反対面上に導波路と弾性波コンセントレータを配置することが複雑であるか、または不可能なこともある。しかしながら、弾性波を板１のけがかれた側３から材料の中へ指向させることができるが、当を得ないことではない（図１０および１１）。何もかもことごとく弾性波源の構造と種類に依存している。この例では、２つの導波路６と２つのコンセントレータ１２は、工具２が突き当たる材料の側から２つの弾性波をけがき線３の両側に沿って集中させるために用いられる。けがき線の両側に沿った２つの弾性波コンセントレータの追加の作用が、けがき線を深くすることになるかまたは分離切込８まで導かれる追加の体積応力を生じる。
【００３２】
提案された方法の最も簡単な実施例の１つを試験してみる。すなわち、ハンマー１３の機械的作用から始まる、機械的導波路６と弾性波のコンセントレータ１２を適用することによりけがき線３を深くするかまたは分離切込を行う。（図９）。機械的導波路６は、図９に示したように、直線と曲線の両方で作ることができる。そのような導波路の設計は機械的衝撃が衝撃器１３から直接材料表面１へ移るのを阻止する。この例では、導波路６は、頂点で或る角度を有する円錐であるコンセントレータ１２で終わる湾曲した金属棒として作られている。円錐頂点は鋼球に押圧することにより作ることができる半球として形成されている。これによって、材料表面１とコンセントレータ１２の点接触が確保される。コンセントレータは材料表面１に対し垂直に設置されかつその形成領域において厳密に切欠き線３に沿って配置される。力Ｐ１による材料表面１に対するコンセントレータの一定の機械的作用はできるだけ小さくなければならない、材料の変形を引き起こしてはならない、そして材料表面１とコンセントレータの接触のみを確保しなければならない。導波路６とコンセントレータの弾性波は、力Ｐ２によるインパクタ１３と導波路６の端面との相互作用により作られる。導波路６との衝撃は、その中に、導波路６に沿って伝播しかつコンセントレータに集積する変形弾性波を形成する。材料表面１とコンセントレータの接触点における弾性変形のエネルギーが材料１の中へ移り、そしてけがき線３の頂点に達し、その横波によりけがき３が材料内を下方へ分離切込８までずっと広がる。
【００３３】
いくつかの例では、同時に切断材料１の２つの側から弾性波源を組み合わせて作用させることは有効である（図１２）。この実施例は厚板材料を通して分離切込をするために最も有効である。
【００３４】
図１３は、けがき線３の側から材料１に作用するためのコンセントレータ１２を有する導波路６の実施の形態のうちの１つを示す。
切欠きを深くできる弾性波の周波数範囲は、数Ｈｚから高い周波数振動まで非常に幅広くできる。非常に種種の弾性波源を使用できる。したがって、使用される弾性波源の種類や使用される器具の設計仕様によっては、表面の罫書かれた側かまたは表面の反対側に位置させることができる。
【００３５】
もう１つの実施の形態では、もろい非金属材料を切る方法は次の工程からなる。
もろい非金属材料の板、例えばガラス板１の表面を楕円形のレーザビーム２で加熱する工程を含む種々の公知の切断方法は、ビームが衝突する領域に高い圧縮応力σｃが生じることになる。しかしながら、これらの応力は材料を破壊するには不充分である。この理由は、材料の圧縮強さがその引張り強さまたは曲げ強さよりはるかに大きいということである。例えば、ガラスの圧縮強さは引張り強さより８〜１０倍大きい。圧縮強さは、ビームが切込路を横断する際に増加し、ビームが通り過ぎた後に最大値に達する。材料１の表面層における圧縮応力σｃは、熱の影響を受けた領域がスポット冷却媒体４、例えばノズルを使用して供給される空気・水の流れを用いて冷却されるときに圧縮応力のサインを逆にする。「熱・冷」境界の後で広がってビームとスポット冷却媒体の速度ｖの相対変位の後にくる微小クラック３が、その結果として生じる引張り応力σｔの作用により材料内に発生する。スポット冷却媒体は薄い表面層からのみ熱を除く。それ故、加熱された材料内に深く持続する体積圧縮応力σｃは材料へのクラック３のさらなる伝播を阻止する。
【００３６】
加熱された領域を細長い溝付き冷却装置を用いて冷却すれば、完全に異なる写真が観察される（図１４）。先の例のように、冷却媒体が通った直後最大圧縮応力が材料の表面層にある。冷却剤が加えられた後、浅い微小クラックが初期モーメントにおける大きな表面引張り応力σｔの作用により形成される。加熱された領域へのクーラントの供給が続くにつれて、表面引張り応力が減少する。しかしながら、体積引張り応力が起こり、そしてクラックが材料の中へ広がって分離クラック８が形成されることになる。
【００３７】
クーラントは、空気の流れ、特殊なガス混合物、空気・ガス混合物、ガス・液体混合物、例えば空気・水混合物、または種々の他のクーラントであることができる。適用される混合物における成分の数と混合物を加熱された領域に供給する速度は、切断工程に課される必要条件と制限条件に加えて材料の厚さとその特性に依存して調整されかつ制御される。例えば、或る場合には、水が切断材料または材料の表面に形成された特別な被覆と構造を汚染し得るので、水をクーラントとして使用できない。
【００３８】
クーラントを適用するための機構は、クラックの広がり深さを制御するために切断工程中分離段階を独立制御できる能力をもつ多段として形成しなければならない。この同じ方法は種々の厚さの材料または種々の特性を有する材料を切断するために使用しなければならない。このことは、冷却媒体中の作用段階の数、例えば多段溝付きノズルは材料の厚さやその熱伝導率に依存して選択されることを意味する。図１５は、多段制御冷却を用いて所定の深さで指向切込をする図式図を示す。光学系を用いて変位方向に対して細長く形成されているレーザビーム２が材料表面１の上へ指向される。クーラント４を加熱された領域へ供給する多段溝付きノズル１４がレーザビームの後ろに配置されかつこの例では、コンピュータにより制御される５つの独立の段階１４-Ｉ，１４-II，１４-III，１４-IV，１４-Ｖからなる。一段のノズル１４-Ｉのみが作用している場合には、深さδ１のクラックが材料中に形成される。二段のノズル１４すなわち１４-Ｉ，１４-IIが作用している場合には、深さδ２のクラックが材料内に広がる。３段すなわち１４-Ｉ，１４-II，１４-IIIが作動している場合には、クラックが値δ３まで深くなる。冷却段階の数を必要値、例えば５段階に増加させると、深さδ５の通しクラックを発生させることができる。
【００３９】
本発明の第一の変形例を用いて切る実際の例を以下に挙げる。
【実施例１】
【００４０】
０．７ｍｍの厚さを有するガラス板を切るための材料として使用した。１２０度の小面切削角を有する切削工具としてダイアモンドピラミッドをけがきをするために使用した。５００ｍｍ／ｓまでの変位速度を与えられる５００×４００の行程を有する二座標テーブルを変位装置として用いた。弾性波源が板の反対面に作用した。このために、直径５ｍｍの丸棒からなりかつ円錐で終わるもので、その頂点が直径１．５ｍｍの半球で終わるものである機械的な波コンセントレータを、レーザビームが影響する領域の他方の側に材料表面を接触させて設置した。石英ガラス表面に押圧されたコンセントレータの力はＰ１＝２〜４Ｇでありかつ切断中コンセントレータと材料の一定の接触を確保するように設計した。すなわち、そうすればコンセントレータはガラス表面上に微小な凹凸を探知するだろう。導波路の端部は、Ｐ２＝４５Ｇの力および周波数２００Ｈｚを有するタッパーで処理し、それによってコンセントレータに変形弾性波が形成された。ガラス試料を３５０ｍｍ／ｓの速度で変位させたときに、ダイアモンドピラミッドが、深さ０．０７ｍｍの切り傷の形の切込を作った。けがき形成領域における弾性波の作用がけがき線を広げて分離切込にした。導波路の端面を力２５Ｇと周波数２５０Ｈzのタップ制御スイッチで処理して、けがき線を３５０ｍｍ／ｓの速度で０．５ｍｍまで深くした。
【実施例２】
【００４１】
１．１ｍｍの厚さを有するガラス板を外径６５ｍｍと内径２０ｍｍの円板に切った。９５度の研削角を有する直径７ｍｍの硬質合金ローラを使用してけがきを行った。前の例に記載された装置を弾性波源として使用した。硬質合金ローラと弾性波コンセントレータを、材料表面に垂直な平面内で所定の幾何学的寸法に関して一層大きな公差の側へ０．０２５ｍｍだけ互いにずらした。これによって、傾斜した分離切込が形成されるように確保し、次いでこれにより、円板の主作用部分の材料を損傷させずに、円板の内側と外側部分の継ぎ目が分離されるように確保した。
【実施例３】
【００４２】
２．２ｍｍの厚さを有する石英ガラス板を切った。１１５度の研削角を有する硬質合金ローラでけがきをした。けがき線の両側に互いに３ｍｍの間隔で位置する２つの弾性波コンセントレータを同時に、ガラスのけがかれた側のローラの後ろに使用してけがき線を０．１５ｍｍの深さまで深くした。導波路の端面を８０Ｇの力と１５０Ｈzの周波数を有するタップ制御スイッチで処理した。分離切込は３００ｍｍ／ｓの切断速度で行った。
【００４３】
上記のすべての３つの実施例では、導波路へのタッパーの機械的作用により形成された変形弾性波の源とコンセントレータを使用した。このように、すでに強調したように、コンセントレータの側から材料表面に機械的作用がない。他の弾性波源は確実な結果と共に成功裡に試験された。
【実施例４】
【００４４】
厚さ０．８ｍｍの石英ガラス板を、切断すべき材料として使用した。７５０ｍｍ／ｓまでの変位速度が可能である、行程５５０×６５０ｍｍの二座標テーブルと電力８５Ｗの多モードＣＯ２レーザを含む装置を使用して切断テストを行った。レーザビームは、約２０Ｗ／ｍｍ２の石英表面上の放射電力密度を与えた、球形−円筒形のセレン化亜鉛光学を使用して、材料表面上に集中させた。弾性波源は石英板の反対面に作用した。このために、機械的波コンセントレータを、レーザビームにより影響を受けた領域と反対側の材料表面と接触させた。その際、前記コンセントレータは円錐で終わる直径５ｍｍ丸棒であり、その頂点は直径１．５ｍｍの半球で終わっている。石英ガラス表面に押圧されたコンセントレータの力はＰ１＝２〜４Ｇでありかつ切断中コンセントレータと材料の一定の接触を確保するように設計された、すなわちコンセントレータは板面上の微小凹凸を探知するだろう。導波路の端部は、コンセントレータに変形弾性波を形成した、力Ｐ２＝４０Ｇと周波数３００Ｈzを有するタッパーで処理した。レーザビームは石英ガラスの表面に沿って３５０ｍｍ／ｓの速度で移動したときに深さ０．０９ｍｍの微小クラックを形成した。クラック形成領域に衝突する弾性波はクラックを分離切込まで伝播した。切込と破損は同時に３５０ｍｍ／ｓの速度で行われた。
【００４５】
材料の表面または容積を加熱することにより材料のクラックを深くする弾性波を発生させるためにパルスレーザを使用することは興味深い。これは器具の価格が或る程度上がることになるけれども、そのようなアプローチが正当化される場合もある。そのような方法の結果を実施例５に示す。
【実施例５】
【００４６】
切断用材料は０．７ｍｍの厚さを有するガラス板であった。試験は、けがくための１００Ｗ電力の１つの多モードＣＯ２レーザと、材料に弾性波を形成するために４０ＭＨzまでに調整された放射線周波数をもつ、８５Ｗまでの電力の第二のパルスＣＯ２レーザとを含む装置を用いて実施した。７５０ｍｍ／ｓまでの変位速度を可能とする、行程６７０×７２０ｍｍの二座標テーブルを用いてガラスを移動させた。第一のレーザの放射線は、長さ４５ｍｍの楕円ビームを確保するセレン化亜鉛球形・円筒形光学を用いて材料表面に集中させた。０．１２ｍｍの深さを有するけがきは、ガラスを３５０ｍｍ／ｓの速度で移動させながらレーザビームと冷却媒体を用いて行った。パルスレーザ放射線は、互いに１．５ｍｍの間隔でけがき線の両側に位置する直径１ｍｍの２つのビームの光学系を用いて発生させた。１００Ｈzの周波数でけがき形成領域に弾性波を作用させることにより、けがき線を深くして分離切込にした。切込と破断は同時に３５０ｍｍ／ｓの速度で行った。
【００４７】
弾性波の影響をレーザけがき領域における非常に狭く制限された材料の体積内に集中させるので、隣接する切込を互いにきわめて近接してつくることができる。最小寸法が出発材料の厚さより大きくできない正方形または長方形工作物の切込をつくることができる。例えば、正方形工作物を１．１×１．１ｍｍの寸法を有する厚さ１．１ｍｍのガラスから切断し、または２．５×２．５ｍｍの工作物を厚さ３ｍｍのガラスから切断した。
【００４８】
第二の発明方法を用いて種々のもろい非金属材料を切る実際の例は下記の通りである。
【実施例６】
【００４９】
０．７ｍｍの厚さを有するホウケイ酸ガラスの板を、特別な様式の構造および波長１０．６μｍと電力９５を有するＣＯ２レーザからの放射線を用いて切った。レーザ放射線を、切断領域に長さ４５ｍｍの楕円ビームを形成したＺnＳe球形・円筒形対物レンズを用いてガラス表面に集中させた。次の順序で切込をした。ガラス板を２つの座標テーブルに真空を用いて取り付けた。二座標テーブルを、それにガラス板を取り付けて所定の速度で移動させた。レーザ放射線を移動する板の表面に指向させた。クーラントを、５段階溝付きノズルを用いてレーザビームの後ろに空気・ガス混合物として供給した。各段階の溝付きノズルは、切込線に沿って配向された長さ９ｍｍスリットを有していた。ガラス板を種々の条件で冷却した：
１．伝統的な単一ノズル備品による冷却
２．５段階ノズルの単一溝付き段階による冷却
３．５段階ノズルの２つの溝付き段階による冷却
４．５段階ノズルの３つの溝付き段階による冷却
５．５段階ノズルの４つの溝付き段階による冷却
６．５段階ノズルの５つの溝付き段階による冷却。
【００５０】
分離切込の最大速度と微小クラックを有する切込の最大速度は例毎に定められた。試験の結果を表Ｉに示す。次の名称を表１に使用する：
- 文字「Ｍ」−微小クラックを有する非分離切込
- 文字「Ｃ」−分離切込
- 記号「−」−切込なし。
【００５１】
【表１】
2004536759.tif 000002
【実施例７】
【００５２】
５０．８ｍｍの直径と０．４３ｍｍの厚さを有するサファイヤ材料を、切断用材料として使用した。特別な様式構造電力７５Ｗを有する多モードＣＯ２レーザを切断のために使用した。レーザビームは、２レンズ対物鏡を用いて切断方向に細長い７ｍｍの長さを有するビームとして材料表面上に形成された。クーラントは、スリット長さ９ｍｍの溝付きノズルを用いて供給される圧縮給湿ガスの流れであった。サファイヤ材料は３５０〜７００ｍｍ／ｓの速度で通し切断した。そのとき、板変位速度がレーザビームとクーラントに対して増加したときに減少した深さでけがくことにより、切込を増加した速度で行った。非分離切込の最大速度は１１００ｍｍ／ｓであった。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、材料の全厚さを通じてかつどんな所定の深さでも広範囲の材料の非常に正確なかつ高い生産性の切断のために種々の技術分野で使用することができる。所定の深さにおける分離切込と非分離切込の交替が単一切込路に沿って切断中可能である。本発明は、ガラス製造工程中分離切込をすることを含む、０．１〜２０ｍｍの範囲の厚さを有するガラスに分離切込をするために非常に有効であるように思われる。さらに、交差個所で切断の品質を落とさずに十字切込ができる。液晶表示（ＬＣＤ）を含む、フラットパネル表示（ＦＰＤ）のような物品を切断するときに極めて重要である、単一層材料や積層板を切断することができる。本発明のさらにもう一つの顕著な特徴は、材料表面に対し直角にかつ切断材料の表面に対し傾斜した角度で分離切込をすることができることである。後者の方法は、閉じたパターンを有する円板または他の物品を切断するために非常に重要である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】材料にレーザビームでけがき形成することを示す概略図である。
【図２】レーザビームと冷却媒体でけがき形成することを示す概略図である。
【図３】２つのレーザビームで材料にけがき形成することを示す概略図である。
【図４】弾性波を用いて、切込工具で材料になされたけがき線を所定の深さに広げることを示す概略図である。
【図５】弾性波を用いて、けがきを深くして分離切込を達成することを示す概略図である。
【図６】１サイクルで分離および非分離切込と２つの分離十字切込を行うことを示す概略図である。
【図７】材料の表面に対し傾斜した切断を行うことを示す概略図である。
【図８】２つの積層板のうちの１つの積層板の分離切込をするこをと示す概略図である。
【図９】切断板の反対側にある機械的導波路と弾性波コンセントレータを用いて分離切込をつくることを示す概略図である。
【図１０】２つのレーザビームと２つの弾性波コンセントレータを用いて分離切込をつくることを示す概略平面図である。
【図１１】２つのレーザビームと２つの弾性波コンセントレータを用いて分離切込をつくることを示す概略正面図（横断面）である。
【図１２】３つの弾性波で分離切込をつくることを示す概略正面図（横断面）である。
【図１３】表面の罫書かれた側から作用する弾性波コンセントレータの概略図である。
【図１４】細長い冷却装置を用いて材料に分離切込をつくることを示す概略図である。
【図１５】多段冷却工程を用いて材料に所定の深さの制御可能な切断をすることを示す概略図である。
【符号の説明】
【００５５】
１    非金属材料
２    レーザビーム
３    けがき形成領域
４    冷却媒体
５    弾性波
６    コンセントレータ
７    クラック
８    分離切込
９    分離切込
１０    板
１１    接着剤
１２    コンセントレータ
１３    インパクタ
１４    多段溝付きノズル
【国際公開パンフレット】
2004536759.tif 000003
2004536759.tif 000004
2004536759.tif 000005
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2004536759.tif 000029
2004536759.tif 000030
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004536759.tif 000031
2004536759.tif 000032
【国際調査報告】
2004536759.tif 000033
2004536759.tif 000034
2004536759.tif 000035
2004536759.tif 000036