TW201710011A - 強化玻璃的雷射鑽孔裝置與強化玻璃的雷射鑽孔方法 - Google Patents

Abstract

一種強化玻璃的雷射鑽孔裝置與強化玻璃的雷射鑽孔方法。雷射鑽孔裝置包括一雷射源、一鑽孔單元、一氣體供應源、一加熱單元以及一噴嘴單元。雷射源用以提供一雷射光。鑽孔單元具有一變焦鏡組與一雷射掃瞄單元。雷射光通過變焦鏡組與雷射掃瞄單元。氣體供應源用以提供一氣流。加熱單元設置於氣流的流道上，以加熱氣流。噴嘴單元具有一噴孔。雷射光與加熱過的氣流都通過噴孔而到達強化玻璃預定被加工的區域。

Description

強化玻璃的雷射鑽孔裝置與強化玻璃的雷射鑽孔方法

本發明是有關於一種雷射鑽孔裝置與雷射鑽孔方法，且特別是有關於一種強化玻璃的雷射鑽孔裝置與強化玻璃的雷射鑽孔方法。

傳統玻璃鑽孔是採用刀具進行機械式鑽孔。隨著產業急速發展，產品上所採用的玻璃的厚度是趨向於薄型化發展，且對於玻璃強度的要求也越來越高，因此強化玻璃普遍被應用在各類產品上。當使用傳統刀具進行強化玻璃的鑽孔時，會有刀具磨損過於嚴重的問題。雷射鑽孔是屬於非接觸式鑽孔方法，不會有刀具磨損的問題，逐漸被廣泛應用於高強度玻璃的鑽孔。

對於玻璃進行雷射鑽孔的過程中，會有碎屑累積在孔洞中而影響加工效果的問題。傳統的解決方案是從側面斜向地對加工區域吹氣，利用氣流強制清除碎屑。然而，一旦鑽孔深度加深，氣流將不易清除位於孔洞底部的碎屑。

本發明提供一種強化玻璃的雷射鑽孔裝置與強化玻璃的雷射鑽孔方法，可解決習知技術中碎屑排除不易而影響加工品質的問題。

本發明的強化玻璃的雷射鑽孔裝置適於對一強化玻璃加工，其包括一雷射源、一鑽孔單元、一氣體供應源、一加熱單元以及一噴嘴單元。雷射源用以提供一雷射光。鑽孔單元具有一變焦鏡組與一雷射掃瞄單元。雷射光通過變焦鏡組與雷射掃瞄單元。氣體供應源用以提供一氣流。加熱單元設置於氣流的流道上，以加熱氣流。噴嘴單元具有一噴孔。雷射光與加熱過的氣流都通過噴孔而到達強化玻璃預定被加工的區域。

在本發明的一實施例中，噴嘴單元為同軸噴嘴單元，雷射光與加熱過的氣流同軸地通過噴孔。

在本發明的一實施例中，噴嘴單元近噴孔的流道為漸擴。

在本發明的一實施例中，更包括一犧牲層，配置在強化玻璃，用以將雷射光的能量轉換為熱能而加熱強化玻璃。

在本發明的一實施例中，犧牲層是油墨層或聚酯薄膜。

在本發明的一實施例中，犧牲層的厚度是50微米至500微米。

在本發明的一實施例中，雷射源為紫外光雷射源、半導體綠光雷射源或近紅外光雷射源。

本發明的強化玻璃的雷射鑽孔方法包括同時提供一雷射光與一氣流於一強化玻璃的相同位置以進行鑽孔。雷射光的焦點在強化玻璃上進行三維式繞圓移動，且加熱過的氣流對強化玻璃進行加熱。

在本發明的一實施例中，對強化玻璃鑽孔時，雷射光的焦點從強化玻璃的表面螺旋狀地往下移動。

在本發明的一實施例中，對強化玻璃鑽孔時，雷射光的焦點從強化玻璃的表面以同深度的方式多次繞圈並逐圈往下移動。

在本發明的一實施例中，氣流是定量定溫地提供至強化玻璃。

在本發明的一實施例中，氣流的溫度為80ºC至500ºC。

在本發明的一實施例中，氣流的流量為30 L/mm至800 L/mm。

在本發明的一實施例中，氣流的壓力為1巴（bar）至30巴。

在本發明的一實施例中，雷射光與氣流同軸地提供至強化玻璃。

在本發明的一實施例中，氣流的景深涵蓋該雷射光變焦的範圍。

在本發明的一實施例中，雷射光與氣流通過一噴嘴單元的一噴孔提供至強化玻璃。

在本發明的一實施例中，對強化玻璃鑽孔的過程中，噴孔與強化玻璃之間的距離固定。

在本發明的一實施例中，強化玻璃被加熱的區域的直徑為1 mm至20 mm。

在本發明的一實施例中，雷射光的能量也同時被強化玻璃上的一犧牲層轉換為熱能而加熱強化玻璃。

在本發明的一實施例中，犧牲層的面積涵蓋所形成的整個鑽孔。

在本發明的一實施例中，犧牲層的厚度是50微米至500微米。

基於上述，在本發明的強化玻璃的雷射鑽孔裝置中，雷射光與加熱過的氣流都通過噴孔而到達強化玻璃。因此，與雷射光同軸的加熱氣流可確實清除鑽孔過程中產生的碎屑，提升鑽孔的品質。在本發明的強化玻璃的雷射鑽孔方法中，加熱過的氣流在鑽孔時對強化玻璃加熱，可減少裂痕產生而避免強化玻璃破裂。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是本發明一實施例之強化玻璃的雷射鑽孔裝置的示意圖。請參照圖1，本實施例之強化玻璃的雷射鑽孔裝置100適於對一強化玻璃50加工，雷射鑽孔裝置100包括一雷射源110、一鑽孔單元150、一氣體供應源160、一噴嘴單元120以及一加熱單元130。雷射源110用以提供一雷射光L10。氣體供應源160用以提供一氣流G10。加熱單元130設置於該氣流G10的流道上，以在氣流G10到達強化玻璃50之前加熱氣流G10。噴嘴單元120具有一噴孔122。雷射光L10與加熱過的氣流G10都通過噴孔122而到達強化玻璃50預定被加工的區域，使雷射光L10可對強化玻璃50進行鑽孔，加熱的氣流G10可對強化玻璃50加熱及排屑。

本發明一實施例的強化玻璃的雷射鑽孔方法可利用上述雷射鑽孔裝置100執行，但本發明不侷限於此。本實施例的強化玻璃的雷射鑽孔方法是通過噴嘴單元120的噴孔122同時提供雷射光L10與加熱的氣流G10，雷射光L10與加熱的氣流G10皆通過噴孔122而到達強化玻璃50，使雷射光L10可對強化玻璃50進行鑽孔，加熱的氣流G10可對強化玻璃50加熱及排屑。

從上述可知，雷射光L10與加熱氣流G10都通過噴孔122而到達強化玻璃50上欲鑽孔加工的區域，因此雷射光L10對於強化玻璃50鑽孔加工後產生的碎屑可以確實被氣流G10帶走，不會有習知技術中斜向提供氣流時存在死角而無法清除碎屑的問題。因此，本實施例的強化玻璃的雷射鑽孔設備與雷射鑽孔設備方法的鑽孔品質良好，且鑽孔速度快。

為了達到良好的排屑效果，同時避免過大的氣體壓力損壞強化玻璃50，本實施例的氣流G10可以是定量定溫地提供至強化玻璃50，而氣流G10的流量可以為30 L/mm至800 L/mm、壓力為1巴（bar）至30巴，但本發明不侷限於此。本實施例的雷射源110可以是紫外光雷射源、半導體綠光雷射源、近紅外光雷射源或其他雷射源。

噴嘴單元120例如是同軸噴嘴單元，雷射光L10與氣流G10同軸地通過噴孔122。但是，本發明並不侷限雷射光L10與氣流G10同軸，只要都經由噴孔122射出至強化玻璃50即可。由於氣流G10與雷射光L10基本上是以沿著相同軸線的方式提供至強化玻璃50，因此氣流G10對於強化玻璃50的加熱效果也大致呈現以雷射光L10的焦點P為中心向外擴散的狀況。因為有加熱的氣流G10對強化玻璃50進行加熱，故強化玻璃50不會只有照射到雷射光L10的局部區域呈現高溫，而是大面積地受到加熱並呈現較和緩的溫度梯度變化，如圖2所示。在改善了習知技術中溫度梯度急遽變化的現象之後，可避免強化玻璃50在鑽孔過程中產生裂痕，因此後續加工也不會使得裂痕成長甚至導致強化玻璃50碎裂。本實施例中，雷射光L10的焦點P在強化玻璃50上形成的光斑的直徑例如是小於20微米，而氣流G10對強化玻璃50產生加熱效果的區域A的直徑則例如是1 mm至20 mm之間。此外，本實施例中，氣流G10被加熱至80ºC至500ºC。

請參照圖1，強化玻璃50加工區域的底面更可配置一犧牲層60，犧牲層60可以將雷射光L10透射至強化玻璃50底面的部分的能量轉換為熱能，並以熱傳導的方式將熱能傳遞至強化玻璃50而加熱強化玻璃50，如此一來，更能輔助強化玻璃50有緩和的溫度梯度變化，有助於改善強化玻璃50在加工上產生的碎裂情形。在本實施例中，犧牲層60是以覆蓋雷射光L10在強化玻璃50上形成的整個光斑為例。舉例而言，犧牲層60可以是油墨層、聚酯(polymer)薄膜或其他材料層，而其厚度例如是50微米至500微米。另外，本實施例是以犧牲層60配置在強化玻璃50的底面為例，但在其他實施例中，犧牲層60也可以配置在強化玻璃50加工區域的上表面。在鑽孔完成後，後續再移除犧牲層60。

請再參照圖1，本實施例的雷射鑽孔裝置100可更包括一承載台140。承載台140用以承載強化玻璃50。承載台140例如具有一挖空區142A，而強化玻璃50被配置在承載台140上時，預定鑽孔加工的區域位於挖空區142A上方，意即挖空區142A會小於強化玻璃50的大小。挖空區142A可在雷射鑽孔的過程中提供排除加工碎屑的空間。

在一實施例中，為了避免氣流G10施加在強化玻璃50上的氣壓與溫度改變，在鑽孔過程中噴孔122與強化玻璃50的表面的工作距離WD基本上是保持固定不變的，工作距離WD例如是3mm。但是，雷射光L10的焦點P必須從強化玻璃50的表面往下移動。圖3A與圖3B為本發明兩種實施例的雷射鑽孔方法中雷射光與強化玻璃的相對運動的示意圖。請參照圖1與圖3A，一般來說，強化玻璃50上所要形成的鑽孔52遠大於雷射光L10在強化玻璃50上形成的光斑。進行鑽孔時，是由雷射光L10的焦點P繞著鑽孔52的邊緣進行三維式繞圓移動，以對強化玻璃50進行蝕刻，最後讓強化玻璃50在鑽孔52內的部分與其他未加工部分分離。為此，本實施例的鑽孔單元150具有一變焦鏡組152與一雷射掃瞄單元154。變焦鏡組152可改變雷射光束L10的焦距，使雷射光L10具有光學變焦、可調整聚焦景深（Depth of Field）的功能。雷射掃瞄單元154可使雷射光束L10能快速偏轉至所需位置。藉由鑽孔單元150中變焦鏡組152與雷射掃瞄單元154的搭配，使雷射光L10在通過變焦鏡組152與雷射掃瞄單元154後，可達成動態縱向位置快速變焦的行為，以產生雷射光束L10圓形軌跡繞孔的動作。雷射掃瞄單元154可以是鑽孔(trepan)光學模組、掃瞄振鏡模組或其他型態。利用鑽孔單元150，通過噴嘴單元120噴孔122的雷射光L10與加熱氣流G10接觸強化玻璃50的位置可繞著鑽孔52的邊緣移動。同時，調整雷射光L10的焦點P的位置持續向下。如此一來，雷射光L10的焦點P就會順著如圖3A的軌跡T12從強化玻璃50的表面螺旋狀地往下移動，最終完成鑽孔。或者，雷射光L10的焦點P的位置是在雷射光L10每次完整地繞鑽孔52的整個邊緣移動一次或多次後才改變，而在雷射光L10繞孔時雷射光L10的焦點P則維持在同一平面。如此一來，雷射光L10的焦點P就會順著如圖3B的軌跡T14從強化玻璃50的表面以同深度的方式多次繞圈並逐圈往下移動，最終完成鑽孔。上述兩種鑽孔軌跡都有助於降低鑽孔52的錐形誤差。

由於雷射光L10的焦點P會隨著鑽孔而有不同軌跡的移動方式，加熱氣流G10的景深亦需搭配雷射光L10的光學變焦做出設計。詳細來說，加熱氣流G10經由噴嘴單元120於噴孔122射出時，氣流G10景深可涵蓋雷射光L10透過鑽孔單元150而變焦的範圍，因此當雷射光L10因鑽孔而有光學變焦的情形發生時，噴嘴單元120依舊可以提供足以覆蓋雷射光L10光斑的加熱氣流G10至雷射光L10所加工的強化玻璃50上，以同軸的將雷射光L10與加熱氣流G10提供至強化玻璃。

圖1中以加熱氣流G10而加熱強化玻璃50時，強化玻璃被加熱的區域是以涵蓋圖3A或圖3B中所形成的整個鑽孔52為例。此外，本實施例的雷射鑽孔裝置100還可包括一控制單元180，其耦接並控制雷射源110、噴嘴單元120、加熱單元130、鑽孔單元150與氣體供應源160。詳細來說，控制單元180可以控制雷射源110所發出的雷射光L10之能量大小，並協調氣體供應源160、加熱單元130與鑽孔單元150，使吹氣加熱與鑽孔製程同步作動。

綜上所述，在本發明的強化玻璃的雷射鑽孔裝置與強化玻璃的雷射鑽孔方法中，雷射光與氣流是以實質上同軸的方式通過同一噴孔而到達強化玻璃並進行加工，因此氣流可確實清除鑽孔過程中產生的碎屑，提升鑽孔的速度與品質。另外，當利用加熱氣流或加入犧牲層輔助在鑽孔時對於強化玻璃進行大面積的加熱時，可緩和強化玻璃受熱後的溫度梯度變化，進而減少裂痕產生而避免後續加工時強化玻璃破裂。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

50‧‧‧強化玻璃
52‧‧‧鑽孔
60‧‧‧犧牲層
100‧‧‧雷射鑽孔裝置
110‧‧‧雷射源
120‧‧‧噴嘴單元
122‧‧‧噴孔
130‧‧‧加熱單元
140‧‧‧承載台
142A‧‧‧挖空區
150‧‧‧鑽孔單元
152‧‧‧變焦鏡組
154‧‧‧雷射掃瞄單元
160‧‧‧氣體供應源
180‧‧‧控制單元
L10‧‧‧雷射光
G10‧‧‧氣流
WD‧‧‧工作距離
T12、T14‧‧‧軌跡

圖1是本發明一實施例之強化玻璃的雷射鑽孔裝置的示意圖。 圖2是圖1中的強化玻璃受氣流加溫後的溫度梯度變化示意圖。 圖3A與圖3B為本發明兩種實施例的雷射鑽孔方法中雷射光與強化玻璃的相對運動的示意圖。

50‧‧‧強化玻璃

60‧‧‧犧牲層

100‧‧‧雷射鑽孔裝置

110‧‧‧雷射源

120‧‧‧噴嘴單元

122‧‧‧噴孔

130‧‧‧加熱單元

140‧‧‧承載台

142A‧‧‧挖空區

150‧‧‧鑽孔單元

152‧‧‧變焦鏡組

154‧‧‧雷射掃瞄單元

160‧‧‧氣體供應源

180‧‧‧控制單元

L10‧‧‧雷射光

G10‧‧‧氣流

WD‧‧‧工作距離

Claims (21)

1. 一種強化玻璃的雷射鑽孔裝置，適於對一強化玻璃加工，其包括： 一雷射源，用以提供一雷射光； 一鑽孔單元，具有一變焦鏡組與一雷射掃瞄單元，其中該雷射光通過該變焦鏡組與該雷射掃瞄單元； 一氣體供應源，用以提供一氣流； 一加熱單元，設置於該氣流的流道上，以加熱該氣流；以及 一噴嘴單元，具有一噴孔，其中該雷射光與加熱過的該氣流都通過該噴孔而到達該強化玻璃預定被加工的區域。
2. 如申請專利範圍第1項所述的強化玻璃的雷射鑽孔裝置，其中該噴嘴單元為同軸噴嘴單元，該雷射光與加熱過的該氣流同軸地通過該噴孔。
3. 如申請專利範圍第1項所述的強化玻璃的雷射鑽孔裝置，更包括一犧牲層，配置在該強化玻璃，用以將該雷射光的能量轉換為熱能而加熱該強化玻璃。
4. 如申請專利範圍第3項所述的強化玻璃的雷射鑽孔裝置，其中該犧牲層是油墨層或聚酯薄膜。
5. 如申請專利範圍第3項所述的強化玻璃的雷射鑽孔裝置，其中該犧牲層厚度是50微米至500微米。
6. 如申請專利範圍第1項所述的強化玻璃的雷射鑽孔裝置，其中該雷射源為紫外光雷射源、半導體綠光雷射源或近紅外光雷射源。
7. 一種強化玻璃的雷射鑽孔方法，包括同時提供一雷射光與一氣流於一強化玻璃的相同位置以進行鑽孔，其中該雷射光的焦點在該強化玻璃上進行三維式繞圓移動，且加熱過的該氣流對該強化玻璃進行加熱。
8. 如申請專利範圍第7項所述的強化玻璃的雷射鑽孔方法，其中對該強化玻璃鑽孔時，該雷射光的焦點從該強化玻璃的表面螺旋狀地往下移動。
9. 如申請專利範圍第7項所述的強化玻璃的雷射鑽孔方法，其中對該強化玻璃鑽孔時，該雷射光的焦點從該強化玻璃的表面以同深度的方式多次繞圈並逐圈往下移動。
10. 如申請專利範圍第7項所述的強化玻璃的雷射鑽孔方法，其中該氣流是定量定溫地提供至該強化玻璃。
11. 如申請專利範圍第7項所述的強化玻璃的雷射鑽孔方法，其中該氣流的溫度為80ºC至500ºC。
12. 如申請專利範圍第7項所述的強化玻璃的雷射鑽孔方法，其中該氣流的流量為30 L/mm至800 L/mm。
13. 如申請專利範圍第8項所述的強化玻璃的雷射鑽孔方法，其中該氣流的壓力為1巴至30巴。
14. 如申請專利範圍第7項所述的強化玻璃的雷射鑽孔方法，其中該雷射光與該氣流同軸地提供至該強化玻璃。
15. 如申請專利範圍第7項所述的強化玻璃的雷射鑽孔方法，其中該氣流的景深涵蓋該雷射光變焦的範圍。
16. 如申請專利範圍第7項所述的強化玻璃的雷射鑽孔方法，其中該雷射光與該氣流通過一噴嘴單元的一噴孔提供至該強化玻璃。
17. 如申請專利範圍第16項所述的強化玻璃的雷射鑽孔方法，其中對該強化玻璃鑽孔的過程中，該噴孔與該強化玻璃之間的距離固定。
18. 如申請專利範圍第7項所述的強化玻璃的雷射鑽孔方法，其中該強化玻璃被加熱的區域的直徑為1 mm至20 mm。
19. 如申請專利範圍第7項所述的強化玻璃的雷射鑽孔方法，其中該雷射光的能量也同時被該強化玻璃上的一犧牲層轉換為熱能而加熱該強化玻璃。
20. 如申請專利範圍第19項所述的強化玻璃的雷射鑽孔方法，其中該犧牲層的面積涵蓋所形成的整個鑽孔。
21. 如申請專利範圍第19項所述的強化玻璃的雷射鑽孔方法，其中該犧牲層的厚度是50微米至500微米。