CN101357447A - 平板玻璃表面研磨的装置及研磨方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能满足大面积平板玻璃加工要求的平板玻璃表面研磨的装置及研磨方法，包括装在导轨上实现在X、Y方向独立运动的安装玻璃基板的研磨工作台、承载导轨的底座、跨越在研磨工作台两侧与底座固定连接的机架，在研磨工作台上方机架上装有两个或两个以上通过动力装置和其驱动而转动的研磨头，各研磨头装在公转支架上，公转支架与公转大齿轮转动轴连接，公转大齿轮与公转驱动电机输出轴上齿轮相啮合，公转大齿轮转动轴与研磨头升降气缸连接，在研磨头升降气缸带动下上下升降，研磨头研磨压力通过该研磨头升降气缸调整，通过多个研磨盘自转和公转以及工作台运动达到均匀研磨，具有较好研磨效率，用于在液晶玻璃基板领域的表面抛光工序。

Description

平板玻璃表面研磨的装置及研磨方法

技术领域：

本发明涉及一种能够满足较大面积平板玻璃加工要求的平板玻璃表面研磨的装置及研磨方法，通过多个研磨盘的自转和公转以及工作台的运动而达到均匀研磨，同时具有较好的研磨效率，特别适用于在液晶玻璃基板领域的表面抛光工序。

技术背景：

液晶玻璃的生产首先是将熔融玻璃通过特殊方法形成，由于热胀冷缩原理，成型后的玻璃板表面会有玻筋存在，在成型过程中也会有一定的扭曲变形即波纹度。在玻璃板的表面要利用化学淀积、物理淀积、光刻、离子掺杂、研磨等各种工艺在形成各种电器器件，例如TFT(薄膜晶体管等)等器件，随着生产技术的提高，玻璃基板上形成的器件密度越来越大，有的已经接近纳米级单位，如果玻璃板变形会造成成像后的扭曲，表面有玻筋或者粗糙度较大，就会使玻璃表面形成的线路层短路，不能发挥其作用。因此，玻璃表面粗糙度(roughness)、波纹度(waviness)的要求也在不断地提高。同时，在玻璃表面形成各种各样的微观电路图形需要与玻璃有一个粘合力，如果表面太光滑的话，就会影响玻璃与膜之间的粘合力，其中一个方法就是利用成型方法，使玻璃表面达到用户要求的粗糙度，熔融玻璃自然形成的玻璃表面粗糙度表面在15——

之间，显示器生产厂家还需要进行表面处理才能涂膜，通过表面抛光研磨可以使玻璃表面粗糙度稳定在

更有利于涂膜。另外，

玻璃表面会在成型以及其他工序中造成表面气泡以及划伤等缺陷，进行抛光研磨可以有效解决上述问题。

随着液晶技术的发展，作为液晶工业的核心部件玻璃基板也逐渐由G1发展到G7，甚至8代基板也很快会投入市场。基板面积的增大使基板制造的每个环节难度都大为增加，表面抛光研磨工序作为生产重要环节也同样需要相应生产能力的提高，包括加工质量的稳定以及加工效率的提升。

在平板显示器玻璃表面抛光过程中，最佳的状态是在玻璃板表面，任意一点研磨切削速度相等，达到均匀的状态。市场上也出现过如附图1所示的平动研磨设备，可以实现基板均匀加工，但是存在加工效率低下的问题，而且提高转速或压力空间很小，需要大量的设备重复研磨，同时，加工表面会留下轮痕，即抛光盘运动轨迹的痕迹，采用该类型设备加工较大代次基板综合效率低。在日本公开专利2001-293656(板状物的連続式研磨装置及方法)，(以下简称公开专利1)中公布了一种连续式研磨装置及方法，这种设备是在连续式研磨装置中，研磨机的研磨头连接在具有自转和公转的运动机构上，利用该机构一边使研磨头进行自转和公转运动，一边研磨玻璃板。使用连续式研磨装置研磨液晶显示器玻璃基板可以提高玻璃表面的平坦度和研磨效率。

但这个专利中只采用单个研磨盘，研磨效率仍然不高，尤其不适合大型玻璃的生产，并且其所采用偏心转动机构非常复杂，设备比较难于制造，对于G5以上基板造价高，研磨头体积的增大势必因为惯性要采用低转动速度，加工一件大面积玻璃基板耗费时间很长，性能价格比不高。能生产一种较好性能价格比的平板玻璃研磨设备特别针对加工大型玻璃基板，是各厂家一直追求的目标。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种平板玻璃表面研磨的装置及研磨方法，通过两个或以上研磨盘在自转同时围绕一个固定轴公转、工作台运动，工作台采用多孔陶瓷材料或软性材料，达到均匀研磨的目的，适合于平板玻璃制造领域特别适合于较大面积的液晶精密超薄玻璃基板的表面研磨。

本发明的目的是这样实现的：

一种平板玻璃表面研磨的装置，包括安装在移动导轨上实现在X、Y方向彼此独立运动的用来安装和固定玻璃基板的研磨工作台、承载移动导轨的底座、跨越在研磨工作台两侧与底座固定连接的机架，其特征在于：在研磨工作台上方的机架上安装有两个或以上通过动力装置和动力传动装置驱动而转动的研磨头，各个研磨头通过轴承安装在公转支架上，公转支架与公转大齿轮的转动轴固定连接，公转大齿轮与公转驱动电机输出轴上的齿轮相啮合，公转大齿轮的转动轴与研磨头升降气缸固定连接，在研磨头升降气缸的带动下上下升降，研磨头的研磨压力通过该研磨头升降气缸进行调整。

研磨工作台采用金属材料，在金属材料表面粘贴具有一定弹性和良好透气性的能够吸附玻璃板的软性非金属材料，在软性非金属材料上放置需要研磨的玻璃板。

研磨工作台采用具有良好刚性的陶瓷材料，固定工作台的下部支撑板上有气孔，其一端开口于工作台下表面，另一端连接在方式选择阀上，在研磨时方式选择阀接通真空气路，使基板G吸附在工作台上，研磨结束方式选择阀接通压缩空气，使基板悬浮起来，便于取出。

研磨头采用比重较轻金属材料制造而成，在研磨头上粘贴具有较好弹性和强度的抛光块。

研磨工作台作X、Y方向的独立运动，分别由X和Y方向伺服电机通过变速后驱动，实现在横向导轨和纵向导轨上精确移动，或根据实际生产的需要进行复合运动，纵向导轨1较长，驱动工作台往返于装载、取出玻璃基板位置0工位和研磨位置1工位。

在机架上安装有研磨头电机，研磨头电机通过一个较大减速比的减速机与同步皮带轮连接，同步皮带轮通过同步齿型带与主动带轮连接，主动带轮和主动齿轮同轴连接，在主动齿轮的两侧对称安装有两个或两个以上的从动齿轮，在两个或两个以上的从动齿轮的转动轴上分别安装有两个或两个以上的研磨盘，两个或两个以上的研磨盘分别围绕从动齿轮的转动轴进行方向和角速度相同的自转；带有抱闸制动装置的公转电机也安装在机架上，公转电机通过输出轴上的主动齿轮与公转大齿轮相啮合，在两个或两个以上的从动齿轮活动安装(？)在公转大齿轮上，研磨盘在自转的同时围绕公转大齿轮的转动轴公转，均匀的研磨得以实现，公转大齿轮的转动轴与工作台面垂直并通过工作台横向移动范围的中面。

一种用于研磨平板玻璃的方法，其特征在于：

步骤1：在移动导轨上使用来安装和固定玻璃基板的研磨工作台实现在X、Y方向彼此独立运动，

步骤2：采用两个或两个以上均匀分布的研磨盘对放置在可以在一定范围内横向和纵向移动的工作台上的平板玻璃进行表面研磨，工作台表面采用刚性材料或弹性非金属材料以固定玻璃。

本发明具有如下积极效果：

本发明具有两个或多个相同功能的研磨盘，研磨盘在自转的同时，围绕固定轴进行公转，工作台能够同时横向和纵向移动，工作台表面贴附一层软性非金属材料，从而使平板表面能获得充分均匀的研磨，保证了良好的平坦度，适合于较大面积平板玻璃研磨，加工效率高，特别推荐应用于LCD基板生产领域，该方法及其研磨装置具有较好的性能价格比。

附图说明

图1为传统的抛光机示意图。

图2为改进型的抛光机示意图。

图3为本发明的抛光机的一个实施例。

图4为本发明的抛光机的工作示意图(包括装载和取出)。

图5为单头、双头设备研磨轨迹示意图。

图6为工作台运行轨迹示例。

图7为轮痕微观示意图。

图8为研磨压力气路示意图。

具体实施方式

以下结合本发明的实施例和附图进行详细说明。

该装置包括一个安装在导轨上可以实现在X、Y方向彼此独立运动的研磨工作台，以及承载移动导轨的设备底座，两个或以上按预定速度转动的研磨头，使研磨头按一定轨道进行回转的齿轮传动系统，研磨头、公转驱动电机和研磨头升降气缸以及人机操作界面等。研磨机工作台采用变形量小的大理石和较厚的玻璃板等受环境温度变化小的材料，在这种非金属膨胀系数小的工作台上可以放置进行研磨的玻璃板，在工作台的表面可以粘贴具有一定弹性的PAD垫块(如聚胺酯橡胶等)，其具有良好的透气性，一面能够吸附玻璃板，PAD块的厚度在0.1~3.0mm之间；也可以使用一块刚性垫块(例如陶瓷)同样能够吸附玻璃板进行研磨。一个公转系统安装在固定的机架上，整个机架跨越在工作台的两侧与设备基础牢固连接。在研磨过程中，可根据研磨品质，对研磨头的转速、X和Y轴方向的运动距离和速度进行设定，达到产品的表面均匀化。研磨机的研磨压力通过连接在研磨头上部的气缸进行调整，研磨头一般采用比重较轻金属材料制造而成，然后在研磨头上粘贴抛光块，抛光块的硬度要根据玻璃的表面质量而定，如果玻璃表面玻筋较小，利用本设备使用软性的研磨块，最多经过两次研磨(抛光)即可，如果是研磨玻筋较大的玻璃基板，就需要增加一次研磨程序，即粗磨工序，在粗磨工序中使用的抛光块硬度要大些。具体的研磨量要根据玻璃基板半成品的研磨量而定，通常为2-4μm，利用该研磨机研磨以后的玻璃表面波筋处平坦度Streak小于0.08μm/30mm之间，表面粗糙度(roughness)在Rmax在

以内。该设备具有独立的研磨料浆循环系统，能够自动的通过离心分离设备过滤料浆中的掺杂，确保研磨料浆的粒度，保证玻璃表面的研磨质量。

如附图3所示，一个用来安装和固定玻璃基板的工作台10，工作台可以是陶瓷的或金属材料的，其具有良好的刚性。如果采用陶瓷材料的工作台，固定陶瓷工作台的下部支撑板(未使出示出)上有气孔(未示出)，其一端开口于陶瓷工作台下表面，另一端连接在方式选择阀上(未示出)，在研磨时方式选择接通真空气路，使基板G吸附在工作台上，研磨结束方式选择阀接通压缩空气，使基板悬浮起来，便于取出。如果工作台采用金属材料的，则需要在金属材料表面覆盖一层软性非金属材料，以下简称PAD块。该PAD块为特殊材料，不需要额外的真空就可以将玻璃直接吸附在其表面。为了增加基板研磨的效果，工作台10还可以作X、Y方向的独立运动，分别由伺服电机14、16通过变速后驱动，实现在横向导轨18和纵向导轨19上精确移动，还可以根据实际生产的需要进行复合运动，理论上能实现各种运动轨迹，使研磨均匀更容易保证，同时，也可以变化伺服电机14、16旋转速度从而改变工作台移动速度。纵向导轨19(也即Y导轨)较长，驱动工作台往返于装载、取出玻璃基板位置0工位和研磨位置1工位。研磨盘20和22功能相同，选用刚性较大但比重较小材料如铝合金制造，浮动接头24、26可以有效缓解振动。具有较好弹性和强度抛光块如聚氨酯材料粘贴在抛光盘上，电机28安装在设备框架上，通过一个较大减速比的减速机传递动力到同步皮带轮30上，再由同步齿型带32传递到带轮34上，带轮34和齿轮36同步运动，齿轮36两侧对称安装齿轮38和齿轮42。因此，当研磨基板G时，电机28转动，最后通过轴40和44驱动研磨盘20和22分别围绕轴线O2、O3进行方向和角速度相同的自转，研磨盘转速较佳值在20——30RPM之间。带有减速装置的电机46安装在机架100上，通过齿轮48，驱动大齿轮50运转，齿轮38和齿轮42安装在大齿轮50上，使研磨盘20和22在自转的同时围绕固定轴O1公转，均匀的研磨得以实现。轴线O1与工作台面垂直并通过工作台横向移动范围的中面。需要说明的是，电机28和46均可以实现调速，因为研磨盘加工时实际速度为研磨头自转和公转速度的合成，通过两台电机转速的变化使玻璃板表面研磨时切削速度同步变化。气缸52通过浮动接头54连接在提升轴56上，经由连板58可以实现研磨盘20和22的上升与下降。使用气缸在研磨时可以缓冲震动，保证研磨头工作的稳定性，省略了减震设备，减轻磨头重量并减少设备硬件投入，使得结构更加紧凑。

因为工作台体积较大，其移动速度一般在2——20mm/s之间。

加工过程如以下所述：下面以陶瓷工作台为例介绍加工过程。移载机(未示出)将需要加工玻璃基板G放置在工作台上，此时，工作台10位于装载位置上。真空气路电磁阀(未示出)打开，基板G被牢固吸附，纵向伺服电机16运转，工作台G移动到研磨盘20、22下，料浆管(未示出)喷射料浆到研磨盘与基板结合部，气缸52动作，研磨盘下降开始抛光基板，为了提高研磨效率，同时向气缸52施加一定的压力，加压到研磨盘上。在研磨盘自传和公转的同时，工作台由伺服电机14、16驱动进行运动，可以采用如附图6所示轨迹。研磨时间大概需要2-10分钟，抛光结束，气缸52提升两研磨头，同时工作台纵向电机16旋转，工作台退出至0位，如附图4所示，压力空气电磁阀打开，玻璃基板悬浮，移载机将加工好的基板取出，同时装入新的待研磨基板。

附图5为单个研磨头研磨机研磨效果与双研磨头研磨效果对比，以600mm研磨盘为例说明(不同形状研磨盘结果相同)，从轨迹图上可以明显看出，常用的单头研磨机存在两个缺陷：1、在研磨有效区域，研磨加工机率差别很大，中心重复研磨，相比边缘部位研磨较少2、研磨速度差异较大，不具备相互修补性。事实上造成了研磨的浪费，边缘区域达到质量标准，就使中间部分产生研磨能力的浪费。对于大代次玻璃基板，则要采用大面积研磨盘或者较大偏心距离设备来加工。使用传统设备会产生下列问题。

如果采用较大面积研磨盘，一方面，带有减震气囊和支撑板以及研磨盘底座的研磨头重量将大为增加，如何平衡较重负荷运转所带来巨大的离心力，另一方面，巨大面积的抛光块能否在研磨过程中保持均匀一致，料浆的供给也会不均匀，使基板研磨质量难以保证。如果采用较大的偏心距离来进行大代次基板加工，同样会有问题：1、如何来平衡偏心的巨大惯性力，保证设备的稳定性；2、机械角度来讲，偏心距离较大的装置其性能价格比就不理想，一般厂家不会选用。单个研磨盘加工的另一个缺点是，表面容易产生轮痕，也就是研磨盘旋转所造成的圆的痕迹，如附图7所示，使用HF酸清洗能直观看到，这样设备往往需要使用较高级别的抛光粉来弥补缺陷，同时需要复杂的运行轨迹来平衡研磨量的差异性，事实上造成了潜在的浪费。而本发明采用双研磨头可以显著改善上述不足，从研磨轨迹来看，基板表面研磨机率明显要好于传统设备，同时，自转电机和公转电机都采用变频器控制，使基板表面研磨速度更趋于一致。两个自转研磨头对称设备轴线分布，可以平衡由于自转所带来的惯性力，加工时，设备主体稳定，使抛光精度得以有效保证。这也是单头设备所无法比拟的。需要特别说明的是，自转研磨头数量越多，研磨轨迹更趋于均匀化，加工效率越高，产品表面品质越好。附图6为工作台运行轨迹(选取玻璃基板中心点轨迹)示意图，因为公转轴线O1通过工作台横向移动范围的中分面，所以工作台的移动轨迹是相对于O1轴线与工作台交点A对称分布的。对称图中玻璃板为原点位置，工作台沿着互相垂直方向独立运动，在玻璃板角部接近回转中心O1时，工作台向外方向运动，使角部充分研磨。使大面积基板得以充分研磨。并有力保证表面均匀的磨损。

附图8为研磨压力气路示意图。图中R1、R2、R3为压力调整器，分别预定不同的压力值，D1、D2、D3为电磁阀，通过开闭来控制压力的传递。在研磨过程中，为保证研磨的均匀性，针对研磨时不同位置，采用相对应的压力，在周边部采用较小压力，在中间位置则采用较大压力。以G5液晶玻璃基板为例，研磨盘对应于基板中央位置，研磨压力给定一个设定值，当工作台移动至研磨角部位置，研磨压力在最开始时间采用较高压力，在最后阶段(一般为1分钟)使用较小压力，例如G5玻璃基板采用150g/cm2，从而保证研磨的效率和表面质量。

附表9提供了不同类型材质PAD块波纹度试验数据(SEMI规格Wfpd表示)，用于放置并固定玻璃板的工作台材质通常有两类，刚性如(陶瓷)或者弹性(聚氨酯)，厂家在实际的生产中，采用不同研磨设备两类材料研磨的效果不相同，只能选用一种，而本发明的装置因研磨均匀性好，可以使用任意一种，经过详细的试验对比，证明抛光效果相同。这使本设备具备了相对较高的经济适用性。

Claims (7)

1、一种平板玻璃表面研磨的装置，包括安装在移动导轨上实现在X、Y方向彼此独立运动的用来安装和固定玻璃基板的研磨工作台、承载移动导轨的底座、跨越在研磨工作台两侧与底座固定连接的机架，其特征在于：在研磨工作台上方的机架上安装有两个或以上通过动力装置和动力传动装置驱动而转动的研磨头，各个研磨头活动安装在公转支架上，公转支架与公转大齿轮的转动轴固定连接，公转大齿轮与公转驱动电机输出轴上的齿轮相啮合，公转大齿轮的转动轴与研磨头升降气缸固定连接，在研磨头升降气缸的带动下上下升降，研磨头的研磨压力通过该研磨头升降气缸进行调整。

2、根据权利要求1所述的平板玻璃表面研磨的装置，其特征在于：研磨工作台采用金属材料，在金属材料表面粘贴具有一定弹性和良好透气性的能够吸附玻璃板的软性非金属材料，在软性非金属材料上放置进行研磨的玻璃板。

3、根据权利要求1所述的平板玻璃表面研磨的装置，其特征在于：研磨工作台采用具有良好刚性的陶瓷材料，固定工作台的下部支撑板上有气孔，其一端开口于工作台下表面，另一端连接在方式选择阀上，在研磨时方式选择阀接通真空气路，使基板G吸附在工作台上，研磨结束方式选择阀接通压缩空气，使基板悬浮起来，便于取出。

4、根据权利要求1所述的平板玻璃表面研磨的装置，其特征在于：研磨头采用比重较轻金属材料制造而成，在研磨头上粘贴具有较好弹性和强度的抛光块。

5、根据权利要求1所述的平板玻璃表面研磨的装置，其特征在于：研磨工作台作X、Y方向的独立运动，分别由X和Y方向伺服电机通过变速后驱动，实现在横向导轨和纵向导轨上精确移动，或根据实际生产的需要进行复合运动，纵向导轨1较长，驱动工作台往返于装载、取出玻璃基板位置0工位和研磨位置1工位。

6、根据权利要求1所述的平板玻璃表面研磨的装置，其特征在于：

在机架上安装有研磨头电机，研磨头电机通过一个较大减速比的减速机与同步皮带轮连接，同步皮带轮通过同步齿型带与主动带轮连接，主动带轮和主动齿轮同轴连接，在主动齿轮的两侧对称安装有两个或两个以上的从动齿轮，在两个或两个以上的从动齿轮的转动轴上分别安装有两个或两个以上的研磨盘，两个或两个以上的研磨盘分别围绕从动齿轮的转动轴进行方向和角速度相同的自转，带有制动抱闸装置的公转电机也安装在机架上，公转电机通过输出轴上的齿轮与公转大齿轮相啮合，在公转大齿轮的上面有两个或两个以上的从动齿轮，从动齿轮轴向下穿过公转大齿轮，与研磨盘相连。研磨盘在自转的同时围绕公转大齿轮的转动轴公转，均匀的研磨得以实现，公转大齿轮的转动轴与工作台面垂直并通过工作台横向移动范围的中面。

7、一种用于研磨平板玻璃的方法，其特征在于：

步骤1：在移动导轨上安装用来固定玻璃基板的研磨工作台，实现在X、Y方向彼此独立运动，

步骤2：采用两个或两个以上均匀分布的研磨盘对放置在可以在一定范围内横向和纵向移动的工作台上的平板玻璃进行表面研磨，工作台表面采用刚性材料或弹性非金属材料以固定玻璃。

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