CN101962262B - 用于初始刻划的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于初始刻划的方法和设备。提供在玻璃板或玻璃带(13)的表面(114)中形成初始裂缝(111)的方法和设备。该初始裂缝(111)与激光束(121)和由冷却喷嘴(119)产生的冷却区域结合使用，从而在玻璃板或玻璃带(13)的表面(114)中形成刻划线(115)。该初始裂缝(111)由机械刻划头(20)来形成，该机械刻划头由移动滑架(14)承载且经受相对于滑架(14)的后退运动(19)，从而增加形成初始裂缝(111)的可用时间。

Description

用于初始刻划的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于对玻璃带和玻璃板进行刻划的方法和设备，具体地说，涉及用于在玻璃带或玻璃板中机械地形成初始裂缝(也称为“最初裂缝、“初始裂纹”或“初始线”)的方法和设备。

下面的讨论涉及沿垂直方向移动的玻璃带，这是在此披露的方法和设备的一种典型应用。然而，采用这种定向仅仅是为了便于表述，不应理解成以任何方式对本发明进行限制。类似地，本发明并不局限于对玻璃带进行刻划，还包括对各玻璃板进行刻划。

背景技术

玻璃的刻划在传统上是用机械工具实现的。然而，还存在一种替代方案，其使用激光辐射，例如波长为10.6μm的CO₂激光辐射，从而通过温度梯度来加热玻璃并产生拉伸应力。在共同转让的名称为“Method and apparatus forbreaking brittle materials”的美国专利第5,776,220号和名称为“Control of mediancrack depth in laser scoring”的美国专利第6,327,875号中讨论了使用激光器对玻璃进行刻划，在此以参见的方式引入上述两个专利全部内容。

如图1所示，在激光刻划过程中，沿着刻划线115在玻璃板或玻璃带112的主表面114中产生中间裂纹(也称为局部孔隙，或简称为孔隙)。为了产生孔隙，在玻璃表面上靠近其一个边缘处形成小的初始裂缝111，然后通过使具有覆盖区113的激光束121横跨玻璃表面进行扩展、并接着用冷却喷嘴119产生冷却区域来转变成孔隙。用激光束加热玻璃并在其后立即用冷却剂使玻璃急冷，可产生温度梯度和对应的应力场，其用来扩展初始裂缝以形成孔隙。

共同转让的美国专利公布第2008/0264994号(′994公布)(在此以参见的方式引入其全部内容)描述了一种用于对移动的玻璃带进行激光刻划的系统，其中，行进滑架沿着直线轨道移动，该直线轨道相对于横向于玻璃带运动方向的线以角度α倾斜。

本申请的图2和3示意地示出了′994公布的系统。在该图中，玻璃带用附图标记13来标示，行进滑架用附图标记14来标示，直线轨道用附图标记15来标示，轨道支承结构(支承框架)用附图标记11来标示，产生玻璃带的设备、例如熔融拉伸机用附图标记9来标示。如同在′994申请中所讨论的那样，如固定参考系(例如图2中的xyz参考系)所示，玻璃带沿着矢量16的方向以速度S_玻璃移动，滑架沿着矢量17的方向以速度S_滑架移动，其中S_玻璃、S_滑架和角度α满足以下关系：

S_滑架＝S_玻璃/sinα.

这样，滑架与玻璃带保持同步，或者更确切地说，滑架速度的平行于玻璃带运动方向的分量大小等于S_玻璃。因此，当从玻璃带观察时，滑架简单地沿矢量18的方向以速度S_刻划移动，即沿着垂直于玻璃带移动方向的线7横跨玻璃带移动，该速度S_刻划由下式给出：

S_刻划＝S_滑架cosα.

如′994公布所述，提供激光束的激光发射装置和提供冷却流体(例如水)流的喷嘴联接至滑架，随着滑架沿直线轨道移动而一起形成横跨玻璃带宽度的孔隙。还联接至滑架的有机械刻划头(例如刻划轮)，用于在玻璃带中形成初始裂缝。

图4示意地示出′994公布的这些方面，其中附图标记21、22和23标示在刻划过程开始时(1)冷却流体覆盖区的位置、(2)激光束覆盖区的位置、以及(3)初始裂缝的位置，而附图标记31和32标示在已经完成初始化且机械刻划头不再接触玻璃带之后的稍后时间点处，冷却流体覆盖区的位置和激光束覆盖区的位置。

如′994公布所述，为了避免产生长的初始裂缝，机械刻划头与玻璃带接触的时间需缩短。这就意味着，机械刻划头必须高速地移向然后移离玻璃带表面。尽管可实现这种高速运动，但是所需的设备通常很复杂和昂贵。本发明涉及用机械刻划头形成初始裂缝的设备和方法，该机械刻划头使用移向或移离被刻划表面的较低的刻划头运动速度。

发明内容

根据第一方面，披露了一种用于使用激光束(121)沿线(7)刻划玻璃表面(114)的方法，该线(7)限定正向(例如图5中的y轴正向)和负向(例如图5中的y轴负向)，该方法包括：

(a)使用机械刻划头(20)在玻璃表面(114)中、在沿线(7)的第一位置(23)形成初始裂缝(111)，该机械刻划头与玻璃表面(114)接触持续一时间段T；

(b)使激光发射装置平移，从而该激光发射装置的运动包括分量(18)，该分量

(i)平行于线(7)且

(ii)当从固定参考系(例如图5中的xyz坐标系)观察时沿着正向(例如图5中的y轴正向)，

该激光发射装置发射横过线(7)的一部分的激光束(121)；以及

(c)使喷嘴(119)在激光发射装置之后平移，该喷嘴(119)喷射横过线(7)的一部分的冷却流体；

其中，对于时间段T的至少一部分来说，机械刻划头(20)的运动包括分量(19)，该分量

(i)平行于线(7)且

(ii)当从与激光发射装置一起移动的参考系观察时沿着负向(例如图5中的y轴负向)。

根据本发明的第二方面，披露了一种在玻璃表面(114)中形成初始裂缝(111)的方法，该方法包括：

(a)使滑架(14)相对于玻璃表面(114)运动，该运动包括沿第一方向(例如图5中的y轴正向)的分量(18)；以及

(b)在步骤(a)的一部分期间，使机械刻划头(20)相对于滑架(14)沿与第一方向(例如图5中的y轴正向)相反的方向(例如图5中的y轴负向)运动；

其中，在步骤(b)的至少一部分期间，该方法还包括：使机械刻划头(20)移向玻璃表面(114)、移离玻璃表面(114)、或者移向玻璃表面(114)且移离玻璃表面(114)。

根据本发明的第三方面，披露了一种在玻璃表面(114)中形成初始裂缝(111)的设备，该设备包括：

(a)直线轨道(15)，该直线轨道具有与其相关联的xyz坐标系，该直线轨道(15)位于坐标系的xy平面内且以非零角度与x轴相交；

(b)滑架(14)，该滑架可动地安装在直线轨道(15)上，从而该滑架(14)沿直线轨道(15)的运动包括至少一个沿xyz坐标系的y轴的分量(18)；以及

(c)机械刻划头(20)，该机械刻划头可动地安装在滑架(14)上，从而该机械刻划头(20)相对于滑架(14)的运动包括(i)至少一个沿xyz坐标系的y轴且与滑架沿y轴运动分量(18)方向相反方向的分量(19)，以及(ii)至少一个沿xyz坐标系的z轴方向的分量。

在对本公开文本的各个方面上述概括中使用的附图标记仅为了读者方便，而并不想要也不应当理解成限制本发明的范围。更一般地说，可以理解的是，以上的总体描述和以下的详细描述都只是本发明的示例，是为了提供对本发明的本质和特征的总体或构架的理解。

本发明的另外的特征和优势在下面的详细说明中予以阐述，并且对于本领域技术人员而言，一部分可从说明中变得明白或通过实施在此所述的本发明得以认知。包括附图是为了提供本发明的进一步理解，附图包含在该说明书中并构成该说明书的一部分。应当理解的是，在本说明书和附图中予以公开的本发明的各种特征可被用在任意和所有的组合中。

附图说明

图1是示出对玻璃板的激光刻划的示意图。

图2是示出根据′994公布的激光刻划系统的示意图。

图3是更详细地示出图2的滑架运动的示意图。

图4是示出在刻划过程开始时和随后时间点处，冷却流体、激光束和初始裂缝的位置的示意图。

图5是示出根据本发明一实施例的玻璃带、滑架和机械刻划头的运动的示意图。

图6是更详细地示出图5的机械刻划头运动的示意图。

图7是用于产生机械刻划头的后退运动的代表性设备的立体图。

图8是通过机械刻划头绕固定至滑架的枢轴转动来实现的、机械刻划头后退运动的示意图。

图9是采用用于实现图8的后退运动的枢转方案的代表性设备的立体图。

用在附图中的附图标记如下对应：

7   刻划沿其发生的线

9   生产玻璃带的设备

11  用于直线轨道的支承框架

13  玻璃带

14  滑架

15  直线轨道

16  表示玻璃带的运动和滑架的垂直运动分量的矢量

17  表示滑架运动的矢量

18  表示滑架的水平运动分量的矢量

19  表示机械刻划头的后退运动的矢量

20  机械刻划头

21  在刻划过程开始时冷却流体覆盖区的位置

22  在刻划过程开始时激光束覆盖区的位置

23  在刻划过程开始时初始裂缝的位置

31  在刻划过程的稍后时间点处冷却流体覆盖区的位置

32  在刻划过程的稍后时间点处激光束覆盖区的位置

40  平台

42  导轨

44  导轨

46  电动机

48  轮

50  平台40的细长部分

60  臂

62  臂的枢转轴线

64  表示臂转动的箭头

66  恒定力装置，例如气缸

111    初始裂缝

112    玻璃板或玻璃带

113    激光束覆盖区

114    玻璃板或玻璃带的主表面

115    刻划线

119    冷却喷嘴

121    激光束

具体实施方式

如上所述，在一代表性的实施例中，本发明涉及用机械刻划装置在移动玻璃带中产生初始裂缝的设备和方法。机械刻划装置可具有现在已知或以后开发的各种构造和结构。无论怎样构造，机械刻划装置都将包括机械刻划头，该机械刻划头接触玻璃带的表面并形成初始裂缝。代表性的结构可包括由碳化钨或金刚石制成的刻压轮或刻划轮，该刻压轮或刻划轮附连至例如气缸之类的机构，用于在玻璃表面上保持基本上恒定的刻划力，而不管表面位置中的变化如何，例如不管沿着垂直于玻璃表面的名义平面的方向的变化如何。

因为玻璃带可以非常薄且是柔性的，例如用来生产显示器应用的衬底的玻璃带可具有0.7毫米以下的厚度，砧台(也称为砧头)将通常位于玻璃带的与机械刻划头相反的一侧上，从而为刻划头提供工作抵靠的止挡件。砧台可安装在其自身的直线轨道上，该直线轨道可以是图5中的倾斜状轨道15，或者可以平行于玻璃带的运动方向。因为初始裂缝仅仅构成玻璃带宽度的一小部分(见下文)，所以可使用较短的砧台，尽管在某些应用场合，在玻璃带的整个宽度上延伸的砧台可能是理想的，例如在玻璃带整个宽度上的机械刻划用作激光刻划的备用系统。

一般来说，初始裂缝将具有约3毫米至约5毫米范围的长度，但是假如需要的话也可使用较长和较短的裂缝。典型地，裂缝将从玻璃带的一个边缘向内约60毫米定位，但是假如需要的话也可再次使用不同的间隔。当然，根据应用场合，刻划速率的代表值将是750毫米/秒的量级。对于这个刻划速率，5毫米的裂缝对应于刻划头与玻璃带表面之间7毫秒的接触。如同以上联系′994公布的讨论所注意到的，这种短接触时间可以实现，但通常需要使用复杂和昂贵的设备以将机械刻划头快速地移入和移开与玻璃带表面的接触。

图5和6示意地示出了玻璃带、滑架和机械刻划头的运动组合，其允许刻划头低速地移向和移离被刻划的表面。如同在图2和3中那样，图5和6中的附图标记16和17标示从固定参考系(例如图5所示的xyz参考系，其可认为与框架11相关联)观察的玻璃带和滑架的运动，附图标记18标示从移动玻璃带观察的滑架的运动。

图5和6中的附图标记19标示从移动滑架观察的机械刻划头20的附加运动(下文中称为“后退”或“调节”运动)。这种附加运动19与滑架的运动反向，具体来说，它与从玻璃带观察的滑架的运动反向，即运动19(从移动滑架观察)与运动18(从玻璃带观察)反向。结果，当从玻璃带观察时，机械刻划头(但不是整个滑架)以较低的速率横跨玻璃带移动，即，它以等于运动18与19之间差值的速率移动。相反地，当从水平移动的机械刻划头观察时，玻璃带缓慢地水平移过刻划头。这种缓慢移动意味着，机械刻划头有更多的时间移入和移出与玻璃带的接触，从而根据需要产生初始裂缝。

应能注意到，后退运动19无需在机械刻划头与玻璃带的表面相接触的整个时间段上发生。相反，后退运动可在该时间段的仅仅一部分上发生。还有，后退运动的大小无需随时间恒定，而是例如可以在机械刻划头形成初始裂缝时增大、平稳、然后减小。此外，后退运动可在机械刻划头与玻璃表面接触之前开始，和/或可在刻划头脱离与表面接触之后继续。还可根据需要采用这些使玻璃表面与刻划头相接触的策略的组合和变型，例如对于刻划头形成初始裂缝的时间段T中的至少一部分，刻划头的运动包括(i)平行于刻划线且(ii)当从与滑架一起的移动的参考系观察时沿着与激光形成刻划线的方向相反的方向的分量，例如在图5中，该分量指向线7的负向。

后退运动19的效果可通过考虑以下问题来理解：从移动的火车上向静止的广告牌上涂漆小点(与细长线相反)。假如涂漆人员在火车上向后行走，则减小了涂漆人员和广告牌之间的相对速度。实际上，假如涂漆人员以与火车向前移动的相同速率向后行走，则广告牌保持静止，使得涂漆小点变得容易实施。类似地，对于从移动滑架在玻璃带上形成初始裂缝，假如机械刻划头相对于产生裂缝时滑架的跨带运动向后移动，则易于形成该初始裂缝。

后退运动S_后退的大小将取决于S_刻划的值、初始裂缝的长度、以及形成该初始裂缝所需的时间段。如上所计算的那样，对于750mm/sec的刻划速度和5毫米的初始裂缝来说，在没有回退运动时形成初始裂缝可用的时间约为7毫秒。通过例如将S_后退设定为500mm/sec，可用的时间增大到20毫秒，而当S_后退等于725mm/sec时，可用的时间变成200毫秒。

滑架14需要足够长以适应机械刻划头及其相关部件的后退运动。例如，对于5mm的裂缝，假如S_后退等于500mm/sec，则后退运动将在滑架上构成10mm的距离，而假如S_后退等于725mm/sec，则后退运动将构成145mm。除了形成初始裂缝时所耗费的距离之外，在将机械刻划头加速和减速至S_后退时，还将耗费附加的沿滑架长度。因此，为S_后退选定的特定值将以下之间的折衷：1)滑架所需长度，2)将机械刻划头加速和减速至S_后退所需设备的成本和复杂性，以及3)在使用后退运动提供的可用时间内将机械刻划头移向和移离玻璃带所需设备的成本和复杂性。

机械刻划头的后退运动可以各种方式实现。图7示出了一个实施例，其中，机械刻划头20由平台40来承载，该平台40包括允许刻划头移向和移离玻璃带表面以形成初始裂缝的导轨42。平台40可动地安装在导轨44上，滑架14包括例如伺服电动机之类的电动机46，该电动机驱动与平台40的细长部分50相啮合的轮48。轮48例如可具有与部分50上的对应齿条相啮合的齿轮表面。电动机46的致动引起可动平台40且因此引起刻划头20执行相对于滑架14的后退/调节运动，即，电动机46的致动引起当滑架14移向左边时平台40移向图7中的右边(参见图7中的箭头18和19)。尽管在图7中采用了两个导轨44，但是假如需要的话也可使用单个导轨来实现平台40的直线后退运动。

图8示意地示出了用于实现机械刻划头的后退运动的另一实施例。在这种情况下，刻划头20由臂60来承载，该臂绕相对于滑架固定的轴线62旋转(枢转)。图8中，这种运动由箭头64表示。

轴线62平行于玻璃带13的运动方向，从而臂60绕轴线62的转动引起刻划头20的运动，当从移动滑架观察时，包括与从玻璃带观察的滑架运动方向反向的分量(所想要的后退分量)，即，在图8中，转动64引起刻划头20的运动，当从滑架观察时，包括与矢量18反向的分量，该矢量18表示从移动玻璃带观察的滑架运动。

随着臂绕轴线62转动，刻划头的运动还包括垂直于玻璃带表面指向的分量。为了适应这种运动并在刻划头配合玻璃带表面时提供基本上恒定的刻划力，臂60可配备气缸66或类似的恒定力装置，其允许臂的有效长度基于刻划头与玻璃带的接触而变化。由图8的系统产生的初始裂缝的长度将取决于：(1)臂60的完全伸展长度以及轴线62与玻璃带表面之间的距离，它们一起限定刻划头与玻璃带之间的初始接触角和最终接触角，以及(2)臂绕轴线62转动的速率以及滑架相对于玻璃带的水平运动速率，它们一起决定刻划头在与玻璃带表面接触时沿该玻璃带表面移动多远。

图9示出了图8的转动系统的一代表性实施例，其中，相同的附图标记用来标示对应的部件。该实施例包括用于转动臂60的电动机68和用于将系统附连至滑架的安装结构70。在该实施例中，臂60延伸超过轴线62，从而提供具有较低惯性矩的较为平衡的结构。

如同可从前述看到的那样，本发明提供用于增大将机械刻划头移入和/或移出与玻璃表面的接触以形成初始裂缝的可用时间的设备和方法。本发明因此有利于激光刻划，这又提供了以下益处：干净和坚固的边缘，对于玻璃成分和厚度的不敏感性，以及最小的带运动扰动。此外，通过增大轨道角度α，可以减小的刻划速度实施激光刻划，这允许深孔隙刻划或整体切割。此外，因为初始裂缝由安装在滑架上的机械刻划头，而不是在滑架上游的单独刻划头来形成，所以系统提供了对于刻划线全部长度的机械刻划能力，这可用来对激光刻划提供后备，因此提供强力的切割过程。

不脱离本发明的范围和精神的各种改型对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。例如，尽管讨论主要涉及对于移动玻璃带的刻划，但是也可采用在此披露的设备和方法来与对于使用滑架的单独玻璃板的刻划联系起来，该滑架相对于玻璃板移动，并且承载激光发射装置、喷嘴和机械刻划头。在这种情况下，假如单独玻璃板是静止的，或者更确切地说沿着垂直于刻划线的方向是静止的，则图5中的角度α将等于零。类似地，对于玻璃带和单独玻璃板的实施例来说，除了仅沿一个方向实施刻划然后复位以进行下一次刻划之外，系统还可构造成沿两个移动方向实施刻划，例如在图5中从左到右，然后从右到左，等等。下述权利要求想要覆盖这些和其他在此所阐述的实施例的改型、变型和等同结构。

Claims (10)

1.一种使用激光束沿一线刻划玻璃表面的方法，所述线限定正向和负向，所述方法包括：

(a)使用机械刻划头在所述玻璃表面中、在沿所述线的第一位置形成初始裂缝，所述机械刻划头与所述玻璃表面接触持续一时间段T；

(b)使激光发射装置平移，从而使所述激光发射装置的运动包括(i)平行于所述线且(ii)当从固定参考系观察时沿着所述正向的分量，所述激光发射装置发射横过所述线的一部分的激光束；以及

(c)使喷嘴在所述激光发射装置之后平移，所述喷嘴喷射横过所述线的一部分的冷却流体；

其中，对于所述时间段T的至少一部分来说，所述机械刻划头的运动包括(i)平行于所述线且(ii)当从与所述激光发射装置一起移动的参考系观察时沿着所述负向的分量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

(i)所述玻璃表面是沿垂直于所述线的方向移动的玻璃带的表面；以及

(ii)所述激光发射装置、所述喷嘴和所述机械刻划头沿着垂直于所述线的方向移动并与所述玻璃带保持同步。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光发射装置、所述喷嘴和所述机械刻划头由滑架来承载，所述滑架沿着不平行于所述线的轨道移动。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机械刻划头绕一轴线枢转，所述轴线在从与所述激光发射装置一起移动的参考系观察时是固定的。

5.一种在玻璃表面中形成初始裂缝的方法，包括：

(a)使滑架相对于所述玻璃表面运动，所述运动包括沿第一方向的分量；以及

(b)在步骤(a)的一部分期间，使机械刻划头相对于所述滑架沿与所述第一方向相反的方向运动；

其中，在步骤(b)的至少一部分期间，所述方法还包括：使所述机械刻划头移向所述玻璃表面、移离所述玻璃表面、或者移向所述玻璃表面且移离所述玻璃表面。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述玻璃表面是移动玻璃带的表面，在步骤(a)和(b)期间，所述滑架和所述机械刻划头与所述玻璃带的运动保持同步。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括：使所述机械刻划头绕与所述滑架一起移动的一轴线转动。

8.一种在玻璃表面中形成初始裂缝的设备，包括：

(a)直线轨道，所述直线轨道具有与其相关联的xyz坐标系，所述直线轨道位于所述坐标系的xy平面内且以非零角度与x轴相交；

(b)滑架，所述滑架可动地安装在所述直线轨道上，从而所述滑架沿所述直线轨道的移动包括至少一个沿所述xyz坐标系的y轴的分量；以及

(c)机械刻划头，所述机械刻划头可动地安装在所述滑架上，从而所述机械刻划头相对于所述滑架的运动包括(i)至少一个沿所述xyz坐标系的所述y轴且与所述滑架沿所述y轴运动分量方向相反方向的分量，以及(ii)至少一个沿所述xyz坐标系的z轴方向的分量。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述设备包括：

(i)臂，所述臂承载所述机械刻划头；以及

(ii)电动机，所述电动机用于使所述臂绕一平行于所述xyz坐标系的x轴的轴线转动。

10.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述设备包括：

(a)导轨，所述导轨平行于所述y轴；

(b)平台，所述平台安装在所述导轨上，所述平台承载所述机械刻划头；以及

(c)电动机，所述电动机用于使所述平台沿所述导轨移动。