JP4519130B2 - Ａｍｌｃｄ基板のエッジの加圧搬送研削 - Google Patents

Description

本発明は、広く、ディスプレイ用ガラス基板に関し、詳しくは、ガラス基板のエッジ仕上げを行うシステムに関する。

フラットパネル・ディスプレイ用基板の製造プロセスでは、標準的な製造設備で加工できる特定のサイズのガラス基板が必要とされる。適切なサイズの基板を得るために、機械的に罫書き破断するプロセス、またはレーザ・スコーリング技法が用いられる。これらのサイジング法のそれぞれにはエッジ仕上げが必要である。この仕上げプロセスは、尖ったエッジや、基板の強度と耐久性を劣化させるかもしれない他の欠陥を除去するためのエッジの研削および／または研磨を含む。さらに、ＬＣＤパネルの製造においてガラス基板の取扱いを必要とする加工工程が数多くある。それゆえ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に用いられるガラス基板には、機械的接触について十分に耐久性であるエッジが必要である。

仕上りエッジは、未仕上げエッジを金属研削砥石で研削することにより形成される。従来のシステムにおいて、ガラス基板は、チャック上に配置され、一連の研削位置を通るように進められる。各位置には、研削砥石に配されたグリットの粗さ／細かさに基づいて異なる研削砥石が備えられている。仕上げプロセスは、ガラス基板が各研削位置を通過した後に完了する。しかしながら、ガラスが研削砥石に対して適切にアライメントされていない場合、仕上がったガラス基板の品質は低下している。特に、ガラスのずれは、ガラスの寸法精度に悪影響を及ぼし得る。第２に、ガラスのずれによってエッジの品質が劣るかもしれない。これにより通常、強度の劣った基板が出来てしまう。したがって、ＬＣＤ加工工程中に、基板が破損するかもしれない。上述した問題をさらに悪化させるのは、サイズが次第に大きくなってきたディスプレイの需要である。この需要と経済規模の利益によって、ＡＭＬＣＤの製造業者は、より大きなディスプレイ基板を加工するように駆り立てられている。したがって、必須のエッジ品質、寸法精度、および強度を有する大きなディスプレイ基板を提供することが重要である。

上述した課題に対処するために考えられている手法が３つある。ある手法において、基板の製造業者は、アライメント精度が改善された研削システムを検討している。残念ながら、ＬＣＤ製造業者は益々大きな基板を使用してきているので、基板のサイズが大きくなる場合、アライメントの許容範囲がずっと重要になってきた。大きな基板を加工しているときに、小さなスキュー角は大きな誤差となるので、精確なアライメントがより一層必要とされている。この手法の欠点の１つには、必須の精度を有するアライメント器具は得られるかもしれないが、長い時間が経過すると、摩耗のために精度を維持できないという事実がある。

検討されてきた別の手法において、より多くの材料を除去することによって、アライメントの精度の欠如を補う研削システムが用いられる。典型的に、エッジ仕上げ研削システムでは、約１００マイクロメートルの材料を除去するだけでよい。この概念は、寸法要件を満たすために、より大きな基板を提供し、適量の材料を除去することにある。これを達成する１つの様式は、多数の研削工程を含むシステムを使用することである。これは、研削軸と研削砥石の数がより多くなることにつながる。この手法の欠点の１つは、追加の加工設備の資本費用である。さらに、一旦設備が調達されたら、設備がより多くなったので、必要なメンテナンスも増える。材料をより多く除去するための別の様式は、より粗い研削砥石を使用することである。残念ながら、仕上げが粗いと、基板が破損する傾向が大きくなるので、この様式には魅力がない。より多くの材料を除去するためのさらに別の様式は、基板が仕上げシステムを移動する速度を減少させることである。残念ながら、この様式では、製造能力と研削されたエッジの品質が低下してしまう。さらに、生産高を維持すべき場合には、設備投資を増加させる必要があるであろう。

検討されているさらに別の手法では、基板のエッジを追跡する自己アライメント研削システムが用いられる。この加圧搬送研削手法では、基板のエッジに垂直な所定の力を加える。旋回要素の周りで回転することによって、エッジの瞬間位置と共に研削砥石が移動する、またはそれを追跡する。研削砥石の位置が基板のエッジの位置により決まるので、それによって得られた基板製品は、従来の研削された基板と比較して、寸法精度が改善されている。残念ながら、この技法にも同様に欠点がある。従来の加圧搬送システムに用いられる円筒旋回軸は機械式軸受を含む。これらの機械式軸受の摩擦力を克服するために、約１６Ｎの垂直力を加えなければならない。この力はガラス基板の強度より大きいので、その力が加えられると、基板が破損してしまう。加圧搬送研削手法は見込みがあるように思えるが、上述した問題が克服されない限り使用できない。

上述した点を鑑みて、正確な量のガラスを除去し、それでもまだエッジの品質を維持するように構成されたエッジ仕上げ装置を提供することが望ましい。寸法精度の改善されたエッジ仕上げ装置を提供することも望ましい。さらに、エッジ仕上げ装置は、ガラスの所望の強度およびエッジ品質の特性を低下させずに、時宜に適った様式でガラスのエッジを仕上げるべきである。必要とされるものは、上述した従来の加圧搬送研削システムの制限を克服しながら、上述した特徴を提供する加圧搬送研削装置である。

本発明は、上述した必要性に対処するものである。本発明の加圧搬送研削装置は、従来の加圧搬送研削システムの制限を克服した無摩擦システムを提供する。本発明は、正確な量のガラスを除去するように構成されたエッジ仕上げ装置を提供する。それゆえ、本発明によって仕上げられたガラス基板の寸法精度は、従来のシステムによって仕上げられたガラス基板と比較してずっと改善されている。さらに、本発明は、優れた強度およびエッジ品質を有する仕上がりガラス基板を提供する。

本発明のある態様は、ガラス基板の少なくとも１つのエッジに研削または研磨を行うための装置である。この装置は、旋回運動に対する摩擦抵抗のない状態で回転軸の周りで旋回するように構成された空気軸受支持部材を備えている。研削ユニットは、空気軸受支持部材に連結されている。研削ユニットは、少なくとも１つのエッジから所定の量の材料を除去するように少なくとも１つのエッジに垂直に所定の力を加えるように構成されている。所定の力は、材料の所定の量に正比例し、ガラス基板を破損させることとなる垂直力よりも小さい。

別の態様において、本発明は、ガラス基板の少なくとも１つのエッジを研削または研磨する方法を含む。この方法は、旋回運動に対する摩擦抵抗のない状態で回転軸の周りで旋回するように構成された空気軸受支持部材を提供する工程を有してなる。研削砥石が空気軸受支持部材に連結されており、したがって、研削砥石が回転軸の周りでの旋回に資する。研削砥石は、ガラス基板の角部に位置している。研削砥石は、少なくとも１つのエッジと接触している。研削砥石は荷重され、それによって、少なくとも１つのエッジに垂直な所定の力が加えられる。この所定の力は、材料の所定の量に正比例し、ガラス基板を破損させることとなる垂直力よりも小さい。少なくとも１つのエッジから所定の量の材料を除去するために、ガラス基板は研削砥石に対して接線方向に動かされる。

本発明の追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部には、その説明から当業者にとっては容易に明らかである、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付の図面を含む、ここに記載された本発明を実施することによって認識されるであろう。

先の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方は、本発明の単なる例示であり、特許請求の範囲に記載された本発明の性質および特徴を理解するための概要または構成を与えることを意図したものである。添付の図面は、本発明をさらに理解するために含まれており、この明細書に包含され、その一部を構成する。それら図面は、本発明の様々な実施の形態を図示しており、説明と一緒に捉えると、本発明の原理および動作を説明するように働く。

本発明の例示の実施の形態を詳細に参照する。その実施例が添付の図面に図示されている。可能な限り、同じか同様の部品を称するために、図面に亘り出来る限り同じ参照番号が用いられる。本発明の装置の実施の形態が図１に示されており、参照番号１０で概して全体に亘り指し示されている。

本発明によれば、本発明は、ガラス基板の少なくとも１つのエッジを研削または研磨するための装置に関する。この装置は、旋回運動に対する摩擦抵抗のない状態で回転軸の周りで旋回するように構成された空気軸受支持部材を備えている。研削ユニットは、空気軸受支持部材に連結されている。研削ユニットは、少なくとも１つのエッジから所定の量の材料を除去するように少なくとも１つのエッジに垂直に所定の力を加えるように構成されている。所定の力は、材料の所定の量に正比例し、ガラス基板を破損させることとなる垂直力よりも小さい。それゆえ、本発明の加圧搬送研削装置は、従来の加圧搬送研削システムの制限を克服している。本発明は、正確な量のガラスを除去するように構成されたエッジ仕上げ装置を提供する。それゆえ、本発明によって仕上げられたガラス基板の寸法精度は、従来のシステムによって仕上げられたガラス基板と比較して、ずっと改善されている。さらに、本発明は、強度とエッジ品質が優れている仕上りガラス基板を提供する。

ここに具体化され、図１に図示されているように、本発明による加圧搬送研削システム１０の斜視図が開示されている。システム１０は、研削ユニット３０に連結された空気軸受支持構造２０を備えている。空気軸受支持構造２０は、固定ハウジング２４内に配置された空気軸受シリンダ２２を含む。空気軸受シリンダ２２は支持台３２に連結されている。図示されているように、支持台３２は、シリンダ２２の縦軸１２の周りでの旋回に資する。それゆえ、シリンダ２２の縦軸１２は、研削ユニット３０の回転軸として機能する。空気軸受モータ３８が支持台３２の一方の端部に配置されている。モータ３８は、研削砥石３４を駆動するように構成されている。空気圧シリンダ４０が、モータ３８に連結され、システム１０によって仕上げられているガラス基板のエッジに対して垂直な方向に所定の力を加えるように構成されている。釣り合い錘３６が、モータ３８および研削砥石３４とは反対の台３２の端部に配置されている。釣り合い錘３６が研削ユニット３０にｚ軸における釣合いを与えることが当業者には認識されるであろう。コンベヤ真空チャック６０が研削砥石３４に近接して配置されている。真空チャック６０は、ガラス基板を位置合せするのに用いられる隆起縁６２を含む。真空チャック６０は、真空源と連通している複数の孔を含む。研削／研磨動作によって熱が生じるので、システム１０は、研削砥石３４が真空チャック６０およびガラス基板と当たる位置に冷却液ノズル５０も提供する。

空気軸受支持構造２０は、軸１２の周りの旋回運動に対抗する摩擦抵抗がない限り、どのような適切なタイプのものであってよい。ある実施の形態において、空気軸受支持構造２０は、ニュー・ウェイ・マシーン・コンポーネンツ社(New Way Machine Components, Inc.)により製造されたタイプのものである。本発明において、空気軸受シリンダ２２は、そうしなければ互いに接触していたであろう表面の間のゼロ摩擦負荷界面を与える加圧空気の薄い膜により支持される。この薄い膜の空気軸受けは、軸受け自体を通って軸受表面まで空気流を供給することによって生成される。慣習的な「オリフィス」空気軸受けとは違って、本発明の空気軸受けは、多孔質媒体を通して空気を提供して、軸受け区域全体に亘り均一な圧力を確保する。空気は常に軸受け部位から分散するが、軸受けを通る加圧空気の連続流は、作業負荷を支持するのに十分である。

加圧搬送研削システムは、ゼロ静止摩擦空気軸受けによって使用できるようになる。背景技術の項目に述べたように、従来の機械式軸受けの摩擦力を克服するために、約１６Ｎの垂直力を加えなければならない。この力は、ガラス基板の強度を超えている。静止摩擦がゼロであるので、無限の解決策と非常に高い繰返し性が可能である。例えば、研削砥石３４に加えられる垂直力はどのような摩擦力も克服する必要がないので、加えられる垂直力は、除去される材料の量と実質的に比例している（チャック速度は一定である）。本発明の発明者等は、典型的なシステムの設定下で、加えられる１Ｎ毎に２５マイクロメートルの材料が除去されると決定した。エッジに加えられる垂直力は一般に、１Ｎ〜６Ｎの範囲内にある。これは、２５〜１５０マイクロメートルの範囲の量の材料が除去されることに変換される。一般的な用途において、４Ｎの力が加えられ、約１００マイクロメートルの材料が除去される。それゆえ、本発明のゼロ摩擦空気軸受支持構造２０によって、寸法精度と精密位置決めにおいて明確な利点が与えられる。ゼロ静止摩擦空気軸受けに関連する特徴および利点が他にもある。

ゼロ静止摩擦空気軸受けは非接触式軸受けでもあるので、摩耗が実質的にない。このため、機械の性能が一貫し、粒子の生成が少なくなる。さらに、非接触式空気軸受けによって、潤滑剤の取扱いという従来の軸受けに関連する問題が避けられる。簡単に言えば、空気軸受けは潤滑油を使用しない。したがって、油に関連する問題が解消される。埃っぽい環境（乾式機械加工）において、空気流により生成される上述した正の空気圧によって、周囲の粉塵が除去されるので、空気軸受けは自浄性である。これとは対照的に、従来の油潤滑式軸受けは、周囲の埃が潤滑油と混ざってラッピング・スラリーとなるときに、障害が生じる。

図２を参照すると、加圧搬送研削システム１０の動作が示されている。最初に、ガラス基板が、隆起縁６２により位置合わせされて真空チャック６０上に配置される。エッジ仕上げ操作中にガラス基板を適所に保持するように真空に引かれる。この実例において、ガラスシートのサイズは、約４５７ｍｍ×７６ｍｍ×０．７ｍｍである。研削砥石の角速度は実質的に５，０００ｒｐｍである。研削砥石３４は、初期位置で基板の前縁エッジに配置され、空気圧シリンダ４０（図示せず）によって４Ｎの垂直力が加えられる。ガラス基板は、約５メートル／分の速度で真空チャック６０によって接線方向に直線的に進められる。研削／研磨操作の終了時に、研削砥石３４がガラス基板の後縁エッジを通過すると、４Ｎの垂直力が弛められ、研削砥石３４が基板のエッジから取り除かれる。基板の全長に沿って、エッジから約１００マイクロメートルの材料が均一に除去されている。図２は一定の比率で拡大されておらず、初期位置から研削位置まで、または研削位置から終了位置まで移動したときに空気軸受支持構造２０が移動できる最大距離は、約１ｍｍであることに留意されたい。

図３Ａ〜４Ｂは、本発明のエッジ追跡能力を示す実例である。エッジの追跡は、前縁エッジから後縁エッジまで移動するときの、ガラス基板に対する研削ユニット３０の位置を称する。エッジを追跡する能力は、加圧搬送研削システムの利点の内の１つである。この特徴によって、従来のシステムにあるアライメントの問題が未然に防がれる。空気軸受スピンドル２０は無摩擦であるので、基板が斜めになっているにもかかわらず、研削ユニット３０は基板のエッジを追跡することができる。図３Ａ〜４Ｂは、本発明のエッジ追跡能力を実証するために行われた実験を示している。

図３Ａを参照すると、システム１０の正面図は、前縁エッジが斜めになっているガラス基板を示している。この実施例において、荷重シリンダ４０が基板のエッジに垂直な３．５Ｎの力を加える。ガラス基板は、３００マイクロメートルだけ前縁エッジをずらせることによって傾斜している。図３Ｂは、図３Ａに示した構成のエッジ追跡性能を示すグラフである。図３Ｂは、２０枚の基板についてのシステム１０の性能をプロットしている。加工した第１の基板を表すデータ点３００を参照すると、システム１０は、前縁エッジと後縁エッジの両方から実質的に同じ量の材料を除去している。システム１０は、基板の中央エッジ部分からは約１０マイクロメートル少なく除去している。ある程度偏差があるが（データ点３０２参照）、システム１０は、基板のエッジを極めて良好に追跡する。除去される材料の量は、繰り返しの使用後に減少することに留意されたい。これはおそらく、研削砥石３４の摩耗によるものである。

図４Ａは、システム１０の正面図である。この図面は、後縁エッジが斜めになっているガラス基板を示している。しかしながら、この実験において、ガラス基板は、３００マイクロメートルだけ後縁エッジをずらせることによって傾斜している。再度、荷重シリンダ４０は、基板のエッジに垂直な３．５Ｎの力を加える。図４Ｂは、図４Ａに示した構成のエッジ追跡性能を示すグラフである。図４Ｂは、２０枚の基板についてのシステム１０の性能をプロットしている。加工した第１の基板を表すデータ点４００を参照すると、システム１０は、前縁エッジと中央エッジ部分の両方から実質的に同じ量の材料を除去している。システム１０は、基板の後縁エッジからは約１０マイクロメートル少なく除去している。データ点４０２を参照すると、追跡にある程度偏差が存在している。しかしながら、データ点４０４により証拠付けられるように、基板の様々なエッジから除去される材料の量の差は、一般に、１０〜１５マイクロメートルの範囲にある。加えられる力は、研削中に達成されるガラス除去量を決定する上での唯一の要因ではない。研削砥石の表面の状態も、除去される材料の量に大きな影響を及ぼす。図３Ｂおよび４Ｂを参照すると、研削砥石３４の有効な寿命は、エッジ研削システム１０の除去速度における要因の１つである。

従来のシステムに用いられる標準的な研削手順は、研削砥石を目直しし、所定の位置まで研削し、それによって、目的とするサイズに確実に到達させることである。このプロセス中、垂直荷重は、さらに研削できるようにするために砥石を再度目直しする必要のある地点まで増加する。適切な荷重で砥石が目直しされないと、研削砥石によりガラスに欠陥が形成されるであろう。一般に、これらの欠陥は、削れと焼けの欠陥である。これらの欠陥は、研削砥石のダイアモンド粒子が、所望の量の材料を除去するのに十分に鋭くない場合に生じる。他方で、本発明の利点の１つは、圧力供給タイプの研削を用いる場合、削れや焼けの欠陥は生じないことである。欠陥の生じない理由は、上述したように、設定された垂直力は、これらの欠陥を生成するのに必要な力の量よりも常に低いからである。圧力供給研削に関する懸念は、研削砥石が使い古されるにつれ、不十分な量の材料しか除去されない地点まで、除去速度が減少することである。

図５を参照すると、材料の除去への研削砥石の使い古しの影響を示すグラフが示されている。この実験において、３．５Ｎの力を基板のエッジに加えた。各出発点は、新たに目直しされた研削砥石で始めた。その後、ほぼ２００枚の基板を仕上げた。最初に、システム１０は、平均で、約１５０マイクロメートルの材料を除去した。運転の終わりには、除去される材料の量は５０マイクロメートルの範囲にある。直径が１５０の６００グリットの砥石を用いて実験を行い、従来の製造能力と比較して、より微細なダイアモンドメッシュを用いて差または利点が生じたか否かを決定した。

実験によって、砥石が使い古されるにつれ、砥石のメッシュの摩擦が減少し、接線方向の力の成分が減少することが示された。それゆえ、加えられた垂直荷重は、減少した摩擦（接線荷重）を補うために運転の過程で増加させるべきであるのが予測される。

グリットのサイズは、砥石が使い古されるにつれ、表面粗さにある役割を果たすであろう。従来のシステムを用いて仕上げられた基板のエッジの粗さと比較すると、４５０グリットの砥石を用いて本発明により製造されたエッジは、わずかに改善されている。本発明に６００グリットの砥石を用いると、著しい改善が見られた。４５０グリットの砥石を用いると、製造されるユニットの数が増加するにつれ、粗さが減少する。最初は、表面粗さは０．７〜０．９マイクロメートルの範囲にある。運転の終わりには（枚数＝２００）、粗さは０．５〜０．６マイクロメートルの範囲にある。システム１０に６００グリットの砥石を用いると、表面粗さは比較的安定なままである（０．４〜０．６マイクロメートル）。

４５０グリットの砥石と比較して、６００グリットの砥石によって優れた界面が得られることに留意されたい。この界面は、研削されたエッジが基板の主要表面と接触する位置である。６００グリットの砥石は、より滑らかな界面を提供する。より滑らかな界面によって、基板の構造の健全性が改善され、基板がより強くなる。それゆえ、より滑らかな界面を持つ基板は、その後の加工工程中に破損しにくくなる。

本発明の精神および範囲から逸脱せずに、本発明の様々な改変および変更を行えることが当業者には明白である。それゆえ、本発明は、本発明への改変および変更を、それらが添付の特許請求の範囲およびその同等物に含まれるという条件で包含することが意図されている。

本発明による圧力供給研削システムの斜視図 図１に示した圧力供給研削システムの動作を示す斜視図 前縁スキュー角を持つガラス基板を示す圧力供給研削システムの平面図 図３Ａに示した構成のエッジ追跡性能を示すグラフ 後縁スキュー角を持つガラス基板を示す圧力供給研削システムの平面図 図４Ａに示した構成のエッジ追跡性能を示すグラフ 材料除去への砥石の経年変化の影響を示すグラフ

符号の説明

１０ 加圧搬送研削システム
２０ 空気軸受支持構造
２２ 空気軸受シリンダ
３０ 研削ユニット
３２ 支持台
３４ 研削砥石
３８ 空気軸受モータ
４０ 空気圧シリンダ
５０ 冷却液ノズル
６０ 真空チャック

Claims (9)

1. ガラス基板の少なくとも１つのエッジを研削または研磨するための装置において、
   旋回運動に対抗する摩擦抵抗のない状態で回転軸の周りに旋回するように構成された空気軸受支持部材、および
   前記空気軸受支持部材に連結された研削ユニットであって、該研削ユニットが、前記少なくとも１つのエッジを追跡しながら、該少なくとも１つのエッジから所定の量の材料を除去するように該少なくとも１つのエッジに垂直な所定の力を加えるように構成されており、前記所定の力が、前記所定の量と正比例し、かつガラス基板を破損させる垂直力より小さいものである研削ユニット、
   を備えた装置であって、
   前記空気軸受支持部材が、
   静止支持ハウジング、
   加圧空気の連続流を提供するように構成された加圧空気ユニット、および
   前記ハウジング内に配置され、前記研削ユニットおよび前記加圧空気ユニットに連結された空気軸受シリンダであって、前記加圧空気によって支持され、摩擦抵抗なく前記回転軸の周りに自由に旋回するように構成された空気軸受シリンダ、
   を備えることを特徴とする装置。
2. 前記研削ユニットが、
   前記空気軸受支持部材に連結され、該空気軸受支持部材により前記回転軸の周りに旋回するように構成された支持台、および
   前記回転軸からずれて前記支持台の一部分に連結され、前記少なくとも１つのエッジを研削または研磨するように構成された研削装置、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記支持台が釣り合い錘を含み、該釣り合い錘と前記研削装置が前記回転軸の周りに対称的であることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 前記研削装置が、
   前記支持台に連結された空気軸受モータ、および
   前記空気軸受モータに連結され、所定の角速度で回転するように該空気軸受モータに駆動される研削砥石、
   をさらに備えていることを特徴とする請求項２記載の装置。
5. 前記研削砥石が４００グリット以上の微細なグリットの研削砥石であることを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 前記研削装置が、
   前記支持台に連結され、前記少なくとも１つのエッジから前記所定の量の材料を除去するために該少なくとも１つのエッジに垂直な前記所定の力を加えるように構成された空気圧シリンダ、
   をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の装置。
7. 前記所定の力が実質的に１Ｎ〜６Ｎの範囲内にあり、前記所定の量が実質的に２５マイクロメートル〜１５０マイクロメートルの範囲内にあることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 前記研削ユニットに近接して配置されたコンベヤ・システムであって、前記ガラス基板を支持し、研削および／または研磨プロセスの工程中に前記研削ユニットに対して接線方向に前記ガラス基板を移動させるように構成されたコンベヤ・システムをさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の装置。
9. 前記コンベヤ・システムが、
   前記研削および／または研磨プロセスの工程中に所定の位置に前記ガラス基板を保持するための真空チャック、
   前記真空チャックに連結され、前記研削ユニットに対して直線方向に前記真空チャックを所定の速度で移動させるように構成されたコンベヤ、および
   前記研削ユニットおよび前記少なくとも１つのエッジの界面に近接して配置された冷却液機構、
   を備えたことを特徴とする請求項８記載の装置。

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