TWI481575B - 易碎材料板材之刻劃方法 - Google Patents

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Marvin William Kemmerer
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Description

易碎材料板材之刻劃方法
本發明關於一種易碎材料板材的刻劃方法，明確地說，一種可將不受控制之裂縫擴張最小化的玻璃板材刻劃方法。
一般對玻璃刻劃使用機械工具。或者，可使用一雷射束，諸如波長10.6μm的CO2 雷射束。一般而言，在藉由雷射加熱以於玻璃中透過熱衝擊而產生暫時性拉伸應力之後，玻璃快速地立即冷卻。
在雷射刻劃期間，產生延伸至玻璃主體中的一中間裂縫(亦即，局部孔道)。為了產生孔道，在玻璃邊緣上形成一小初始瑕疵。藉由雷射束，該初始瑕疵可隨後轉換成孔道並擴張。該初始瑕疵可由不同方法形成。例如，可藉由雷射脈衝或諸如劃線、刻劃輪、刻壓機等的機械工具來引入瑕疵。
以雷射束加熱玻璃板材產生一熱梯度以及一對應應力場而造成孔道生成及擴張。若使用冷卻劑將經加熱之玻璃快速地淬火，引起的熱應力將進一步增加。然而，孔道的擴張可能受到玻璃中的背景應力(background stress)(例如，內應力及在刻劃期間來自處理或固持該板材所施加至該玻璃板材的應力)影響。當雷射刻劃在剛形成的玻璃上(在冷卻時)實行時，(例如，拉伸一熔融體之後立即形成的一玻璃板材)，背景應力即成為一顯著的因子。此種情況特別可能在移除於拉伸板材期間所形成之板材的鼓起邊緣(珠狀起泡(bead))時發生。可能由於(例如)成形製程期間產生的玻璃厚度之差異，及由於隨後不均勻的玻璃冷卻，以及接著集中在珠狀起泡邊緣區累積應力造成玻璃中的內應力。此外，在藉由使用來固定玻璃的夾片或(及)吸盤之玻璃處理期間，藉由板材的變形可對玻璃施加應力(彎曲，扭轉)。當背景應力足夠大時，其可能造成不受控制的裂縫擴張，其中該不受控制的裂縫擴張可自初始瑕疵所在處的板材邊緣開始且在雷射束到達板材邊緣時偏離期望的刻劃方向。更簡單地說，由雷射束引入的熱應力引起在非期望方向擴張的一裂縫。同理，可能在該刻劃的相對側(其中雷射束在該刻劃的相對側離開該相對板材邊緣)發生孔道自指定刻劃線的偏移。
在一實施例中，揭示一種易碎材料板材的刻劃方法，包含以下步驟：在一易碎材料板材之一表面中的一初始點處形成一瑕疵，其中該初始點位於距該易碎材料板材之第一邊緣的一預定距離處；使一電磁輻射束撞擊在該瑕疵上，使得在該初始點處形成一孔道裂縫；橫移該電磁輻射束以朝向該易碎材料板材的一第二邊緣來擴張該孔道裂縫，且其中該孔道裂縫在該橫移期間不會和該第一邊緣相交；以及其中藉由定位於一電磁輻射源與該易碎材料板材之表面之間的一遮罩，以防止該電磁輻射束在該初始點與該第一邊緣之間撞擊該易碎材料板材的該表面。
該易碎材料板材可為(例如)玻璃，玻璃-陶瓷或陶瓷材料的板材。在一些情況中，該第二邊緣可大體上平行該第一邊緣。一些形成玻璃板材的操作可產生板材之邊緣部份為鼓起(珠狀起泡邊緣部份)的板材。可藉由應用本文揭示之教示以改良此等板材的刻劃。
橫移該雷射束的步驟可包括以下步驟：擴張該孔道裂縫至一停止點，其中該停止點位於距該易碎材料板材之一第二邊緣的一預定距離處，使得該孔道裂縫在橫移期間不會擴張至該第二邊緣。例如，藉由一適當的遮罩遮蔽該電磁輻射束，以防止該電磁輻射束在該停止點與該第二邊緣之間撞擊該易碎材料的表面。然而，可藉由減少電磁輻射束的功率，來防止該電磁輻射束在該停止點與該第二邊緣之間撞擊該易碎材料的表面。為了進一步改良刻劃方法，於鄰近該橫移之電磁輻射束處，在該易碎材料板材的該表面上橫移一冷卻劑噴流可增加在板材中生成的應力。
較佳地，該初始點與該第一邊緣間的距離經選定以防止孔道裂縫在橫移期間和該第一邊緣相交。例如，該初始點與該第一邊緣之間的距離為至少1mm，或甚至至少3mm。該第一邊緣與該初始點間的距離應大於該遮罩在該板材的表面上延伸的距離。在一些情況中，自該第一邊緣選定該初始點而較該遮罩的延伸距離大0.5mm。較佳地，距該易碎材料板材表面一相等或小於約5mm的距離處定位該遮罩，例如距該板材表面0.5至5mm之間。然而，也可使該遮罩接觸該易碎材料板材的表面。
在另一實施例中，描述一種玻璃板材的刻劃方法，其包含以下步驟：在一玻璃板材之一表面中的一初始點處形成一瑕疵，其中該初始點距該易碎材料板材之第一邊緣的一預定距離處定位；使一雷射束撞擊在該玻璃板材上之該初始點處，以形成一孔道裂縫；橫移該雷射束以朝向一第二邊緣來擴張該孔道裂縫；以及其中藉由定位於一雷射束源與該玻璃板材之一表面之間的一第一遮罩，以防止該雷射束在該初始點與該第一邊緣之間撞擊該玻璃板材的表面。
本發明及本發明的其他目的、特性、細節及優點將在下文的範例性描述中及參照所附圖式更容易地被理解，其中範例性描述不意欲包含任何的限制。意欲將所有此等其他的系統、方法、特徵及優點包括在此描述中、本發明的範疇中、以及由所附之申請專利範圍所保護。
在下列的詳細描述當中，為了例示而非限制目的，闡述範例實施例所揭示的特定細節以提供本發明更徹底的了解。然而，對於熟習此技藝並受惠於本發明之揭示者應了解，本發明可在不背離本文所揭示之特定細節下實施在其他的實施例中。再者，習知裝置、方法及材料的描述將被省略以免混淆本發明的描述。最後，本文各處所採用的相似參考元件符號代表相似的元件。
本文中所使用的術語「刻劃線」，是使用來代表用以產生一刻劃的一期望或指定路徑。
本文中所使用的術語「孔道」或「孔道裂縫」，是使用來表示在一易碎材料中的一長孔道，該長孔道連通該材料的表面。該孔道可能垂直或可能並非垂直於該易碎材料的表面。
本文中所使用的易碎材料為一種在失效前展現略微或不會塑性變形的一材料。易碎材料的主要失效模式為破碎。易碎材料包括玻璃、玻璃-陶瓷及陶瓷材料。
通常藉由先刻劃該板材來進行自一大玻璃板材分離一部分玻璃板材。在一機械刻劃方法中，使用一機械接觸工具(例如一金剛石劃線、碳化物劃線(carbide scribe)或一刻劃輪)來進行該刻劃。所得之刻劃對通過玻璃主體之孔道裂縫的擴張提供一開始點。
在一範例雷射刻劃製程中，使用一雷射沿著一指定刻劃線加熱玻璃，以在該玻璃中產生足以在初始瑕疵處形成一孔道裂縫的熱應力。隨後，雷射束在該玻璃表面上橫移，且該孔道裂縫隨著藉由橫移射束產生的應力場而產生一刻劃。
一般而言，在產生刻劃之後，沿著該刻劃對該材料施加一應力。例如，可將該玻璃板材處於一彎曲模式，其中在該彎曲模式時沿著該刻劃對該板材施加一伸張應力。應力係集中在刻劃處(在該孔道裂縫的頂端)，且驅使該孔道裂縫穿過玻璃的剩餘厚度以分離該玻璃。
實際上，玻璃一般同時包括在生產製程期間存在於板材中的永久內應力，以及(例如)在一特定刻劃製程期間由於板材被支撐方式所導致的暫時應力。若此等(背景)應力太高，形成在該板材中的孔道裂縫將根據板材中的內應力場來回應，造成沿著一指定路徑的刻劃(及後續的玻璃分離)將難以獲得。
製造玻璃板材的一種方法是藉由熔合下拉製程，如此稱呼是因為使一玻璃流動分離成兩個分離的熔融玻璃液流而流過一成形主體。該等液流隨後在該成形主體的底部再結合或熔合以產生該玻璃板材。此可受惠於圖示一範例成形主體的第1圖而被更清楚地了解，其中該範例成形主體可使用在熔合下拉玻璃生產製程中。
第1圖繪示成形主體20，成形主體20包含一通道或溝槽22(其形成於藉由側壁24所框定的主體之上部分中)，以及匯聚成形表面26a及26b(其沿著該成形主體長度方向延伸而在根部28處交會)。熔融玻璃30係引入溝槽22中且在該成形主體的兩側溢流出側壁24，而產生兩個分離的熔融玻璃液流，該等熔融玻璃液流在該成形主體上向下流動。該等兩個分離熔融玻璃液流流過匯聚成形表面26a及26b，並交會於根部28。此等液流在根部再結合或熔合以產生一單一液流，該單一液流自該根部向下流動而成為嶄新的玻璃帶32。已接觸該成形主體之表面(例如，該等匯聚成形表面)的熔融玻璃係置於該生成的帶的內部部份中，同時該帶的外表面未接觸該成形表面。
在該下降的帶中的表面張力可能致使橫過該帶的寬度變得稀薄(該帶變得較窄)，且該帶的邊緣的厚度增加並變成鼓起狀(可藉由第2圖所示之橫越該帶的寬度之該帶的邊緣截面圖獲得最佳參照)。滾輪34在鼓起邊緣部份(或「珠狀起泡」)40夾住該帶且牽引該帶向下。其他滾輪(未示出)藉由產生橫過該帶之寬度的張力(其係和朝內引導之表面張力相反)來幫助控制該帶的寬度。該帶隨後在低於根部的一處被刻劃(虛線36)，並橫越該帶的寬度被分離成個別玻璃板材或平板38。
在多種情況中，分離之玻璃板材38的邊緣部份40將因為至少一些原因而被移除。首先，該等邊緣部份40與商業考量所需之板材的整體厚度需要並不一致。其次，因為拉引滾輪在邊緣夾住該板材，板材邊緣處的表面不再嶄新且一般在大多數應用中為無用的。
因為板材的珠狀起泡邊緣較板材的內部部份42來得厚，邊緣部份的冷卻與內部部份在不同的速率下發生。簡言之，橫越板材的寬度產生一溫度梯度，而該溫度梯度的最大值在鄰近板材之側邊緣44，且其中該溫度梯度可在當玻璃冷卻時在玻璃中引入應力。進一步來說，拉引滾輪可為齒狀或凹槽狀以在玻璃上提供較大的夾持力，因此甚至珠狀起泡的厚度可沿著玻璃板材的長度改變並造成內應力。
為了完成板材成形製程且產生商業可販賣的板材，可先藉由沿著一指定刻劃線平行該珠狀起泡進行刻劃該板材來移除該珠狀起泡，隨後沿著該生成的刻劃對該板材施加彎曲力。
如先前所述，當板材被刻劃時，存在玻璃板材中的應力使由刻劃產生之孔道裂縫的擴張方向(意即，橫越該板材的方向)難以控制。此問題在鄰近板材的邊緣部份40特別嚴重。
因此，本文所述的方法使發展孔道的失控(及孔道裂縫自指定刻劃線的偏離)最小化或减小。參照第3圖，圖示剛自牽引器(例如，成形主體20)移除的玻璃板材38。玻璃板材38包含「品質」區42(板材未被牽引設備(例如滾輪34)接觸的內部區域，且至少一部分的品質區42最終將使用在完成品中)以及終止在側邊緣44的邊緣部份40。品質區42在邊緣區域40之間延伸。玻璃板材38進一步包含和側邊44相交的邊緣46及48。
在上述之熔合板材成形製程中，邊緣46及48代表當自成形主體牽引之玻璃帶分離板材時所獲得的邊緣。虛線50代表指定刻劃線，該指定刻劃線一般平行玻璃板材38的側邊緣44。應了解下列描述是關於移除玻璃板材38之珠狀起泡邊緣部份40中的一個，但相對邊緣可以相同方式移除。
為了移除邊緣部份40，沿著刻劃線50以如箭頭52所指示之方向來刻劃玻璃板材。藉由沿著刻劃線50在方向52上橫移雷射束54(參看第4圖)來進行刻劃。雷射束54較佳為一長雷射束。可藉由(例如)適當的光學元件(未示出)控制雷射束的形狀。選擇性地，冷卻劑噴流56也在方向52上緊靠雷射束54後方橫移。儘管冷卻劑噴流56可為任何適當的冷卻流體，通常使用水。冷卻劑噴流在玻璃之一部分(其藉由雷射束撞擊該玻璃板材所加熱)產生高熱應力，且已發現有助於形成孔道裂縫58。
在玻璃板材的表面上自板材的邊緣46朝內形成一初始瑕疵而非在邊緣46處，如傳統方法所操作，以防止孔道反向擴張而延伸至該板材的邊緣。初始瑕疵可為由劃線器、輪、或任何其他在玻璃表面中產生瑕疵的習知方法所生成的一刻痕或刮痕。應了解已圖示之長雷射束在玻璃板材的雷射刻劃中將更為有效，該雷射束的橫移通常並不會立即開始，但速度必須快速升高。因此，且特別是在生產環境當中，若雷射束可被啟動以便在板材的外面(即遠離該板材及該板材邊緣處)產生一雷射束，而在玻璃被雷射束撞擊之前允許足夠時間來快速升高該雷射的橫移速度，刻劃製程將更有效率。
根據本發明實施例，遮罩60定位在雷射束源62(雷射62)與玻璃板材38之間。遮罩60在板材之邊緣46與初始瑕疵之位置(以下稱為初始點66)之間延伸在玻璃板材38上方。遮罩60可為任何適當的反射性或吸收性材料，該遮罩大體上防止雷射束在初始點後方(相對於雷射束54的方向)撞擊玻璃板材之一實質距離部分。意即，防止雷射束在邊緣46及遮罩60的端部之間(遮罩在玻璃板材上延伸的距離)撞擊玻璃板材。遮罩可為(例如)不鏽鋼板之板材。遮罩60自邊緣46在玻璃板材上延伸約1mm至約3mm之範圍內的距離d1 。應選定距離d1 ，以使在一組特定刻劃條件下的雷射束橫移期間，反向擴張之孔道裂縫不會與邊緣46相交。反向擴張表示孔道裂縫之擴張的方向是在一般相對於雷射束橫移的方向。例如，若雷射束朝向邊緣48橫移，孔道裂縫的反向擴張將朝向邊緣46。相反地，一向前擴張的孔道裂縫是在橫移之雷射束的方向上擴張。例如，若雷射束朝向邊緣48橫移，孔道裂縫朝向邊緣48擴張即為一向前擴張的孔道裂縫。
由於刻劃條件可能改變(例如，玻璃板材的溫度、玻璃板材如何處理或定位等)，初始點的位置可自一組條件至另一組而有所變化。已發現一典型反向擴張，例如，將在約0.5mm至約3.5mm之間，故應相應地選擇初始點。初始點66應位在自邊緣46大於距離d1 的一距離。初始點66可(例如)較d1 大約0.5mm。
為了使繞射效應(其會降低遮罩阻擋雷射束的效率)最小化，遮罩60較佳靠近玻璃板材的表面68來定位。例如，遮罩60通常距玻璃基材38之表面68以一相等或小於約5mm的距離來定位，例如，約5mm。在一些實施例中，遮罩60可設置於玻璃基材38的表面68上，例如在玻璃板材上「塗(painting)」一遮蔽材料。在一些情況中，遮蔽材料使用一黏著劑附著至表面68上。
為了確保向前擴張之孔道裂縫在雷射束橫移期間不會偏離刻劃線50，須採取多個步驟以防止來自該雷射束的足夠能量超出停止點70撞擊該玻璃板材，其中該停止點70位在距第二邊緣48的一限定距離處。意即，可藉由在玻璃板材38與雷射32之間及在停止點70與玻璃板材之第二邊緣48之間插入一第二遮罩，以防止橫移的雷射束進一步橫移越過該玻璃板材。此一實施例圖示於第5圖中，其繪示一第一或起始遮罩60a及一第二或停止遮罩60b。停止點70通常位在距第二邊緣48介於約1mm至約3mm之間的一距離d2 處。較佳地，第二遮罩60b係位在距表面小於約5mm的一距離，且(若希望)可貼附至該玻璃板材的表面上。
或者，雷射束的功率可在橫移至該停止點之後減少以防止玻璃板材的加熱(其中玻璃板材的加熱可導致該孔道裂縫偏離刻劃線)；或者，可在停止點之前或在停止點處減少或關掉冷卻劑噴流。
雖然前文中描述了熔合下拉玻璃板材形成製程的多種方法，本文所揭示的方法一般可應用在處於高應力下之易碎材料板材(如玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷)的刻劃，而無須考慮形成該板材的方法。此高應力可能源自溫度梯度、實體操作、厚度變化、或任何得自或被施加之內在或外在的應力源。例如，根據本文所揭示之方法，該板可含有彎曲該板材所產生的應力。意即，該板材可包括一非平面形狀。
須強調本發明的上述實施例，特別是任何「較佳」實施例，僅為多個實施例的可能實例，且僅為了使本發明的原理能被清楚了解所做的闡釋。可在大體上不悖離本發明之精神與原則的情況下，對本發明上述之多個實施例做出變化與調整。所有此等調整與變化將被包括在本揭示及本發明之範疇內且由隨後申請專利範圍所保護。
d1 ．．．距離
d2 ．．．距離
20．．．成形主體
22．．．溝槽
24．．．側壁
26a．．．成形表面
26b．．．成形表面
28．．．根部
30．．．熔融玻璃
32．．．玻璃帶
34．．．滾輪
36．．．虛線
38．．．玻璃板材
40．．．邊緣部份
42．．．內部部份
44．．．側邊緣
46．．．邊緣
48．．．邊緣
50．．．虛線
52．．．箭頭
54．．．雷射束
56．．．冷卻劑噴流
58．．．孔道裂縫
60．．．遮罩
60a．．．遮罩
60b．．．遮罩
62．．．雷射
66．．．初始點
68．．．表面
70．．．停止點
第1圖為使用在熔合下拉玻璃製造製程中之成形主體的透視及部分截面圖。
第2圖為由第1圖之成形主體所形成之玻璃帶切割出之一玻璃板材的截面側視圖。
第3圖為第2圖之前視圖，其圖示一遮罩自一第一邊緣至一初始點遮蔽玻璃板材之一部分。
第4圖為沿著第1圖之玻璃板材之一刻劃線的截面圖，圖示孔道裂縫在初始點處之初始擴張。
第5圖為第2圖之玻璃板材的前視圖，其圖示使用兩個遮罩，一遮罩位在鄰近該起始點處且一第二遮罩位在鄰近該停止點處。
d1 ．．．距離
d2 ．．．距離
38．．．玻璃板材
40．．．邊緣部份
42．．．內部部份
44．．．側邊緣
46．．．邊緣
48．．．邊緣
50．．．虛線
52．．．箭頭
60．．．遮罩
66．．．初始點
70．．．停止點

Claims (18)

  1. 一種易碎材料板材的刻劃方法，其包含以下步驟：在一易碎材料板材之一表面中的一初始點處形成一初始瑕疵，其中該初始點位於距該易碎材料板材之第一邊緣的一預定距離處；及隨後，在形成該初始瑕疵之後，使一電磁輻射束撞擊在該初始瑕疵上，使得在該初始點處形成一孔道裂縫；橫移該電磁輻射束以朝向該易碎材料板材的一第二邊緣來擴張該孔道裂縫，且其中該孔道裂縫在該橫移期間不會和該第一邊緣相交；以及其中藉由延伸在該易碎材料板材上方而距該第一邊緣一距離d1且定位於一電磁輻射源與該易碎材料板材之表面之間的一遮罩，以防止該電磁輻射束在該初始點與該第一邊緣之間撞擊該易碎材料板材的該表面，又其中該初始點距該第一邊緣的距離大於該距離d1。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該易碎材料板材為玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二邊緣係大體上平行該第一邊緣。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該易碎材 料板材為包含鼓起邊緣部分的一玻璃板材。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該橫移步驟包含以下步驟：擴張該孔道裂縫至一停止點，其中該停止點位於距該易碎材料板材之一第二邊緣的一預定距離處，使得該孔道裂縫在橫移期間不會擴張至該第二邊緣。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中藉由遮蔽該電磁輻射束，以防止該電磁輻射束在該停止點與該第二邊緣之間撞擊該易碎材料板材的該表面。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中藉由減少該電磁輻射束的功率，以防止該孔道裂縫在該停止點與該易碎材料板材的該第二邊緣之間擴張。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其進一步包含以下步驟：於鄰近該橫移之電磁輻射束處，在該易碎材料板材的該表面上橫移一冷卻劑噴流。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中選定該初始點與該第一邊緣之間的距離，以防止該孔道裂縫在橫移期間和該第一邊緣相交。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該初始點 與該第一邊緣之間的距離為至少1mm。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該初始點與該第一邊緣之間的距離為至少3mm。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該遮罩係距該易碎材料板材之該表面等於或小於約5mm的一距離來定位。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該遮罩係接觸該易碎材料板材之該表面。
  14. 一種玻璃板材的刻劃方法，其包含以下步驟：在一玻璃板材之一表面中的一初始點處形成一初始瑕疵，其中該初始點自該玻璃板材之第一邊緣的一預定距離處定位；及隨後，在形成該初始瑕疵之後，使一雷射束撞擊在該玻璃板材之該表面上的該初始點處以形成一孔道裂縫；橫移該雷射束以朝向一第二邊緣來擴張該孔道裂縫；以及其中藉由延伸在該玻璃板材上方而距該第一邊緣一距離d1且定位於一雷射束源與該玻璃板材之該表面之間的一第一遮罩，以防止該雷射束在該初始點與該第一邊緣之間撞擊該玻璃板材的該表面，又其中該初始點距該 第一邊緣的距離大於該距離d1。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中藉由定位於一雷射束源與該玻璃板材之該表面之間的一第二遮罩，以防止該雷射束在該第二邊緣與自該第二邊緣之一預定距離處定位的一停止點之間撞擊該玻璃板材的該表面。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中在該第二邊緣與自該第二邊緣之一預定距離處定位的一停止點之間減少該雷射束的功率，使得該孔道裂縫在該橫移期間不會和該第二邊緣相交。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其進一步包含以下步驟：在橫移期間於鄰近該撞擊之雷射束處冷卻該玻璃板材。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該初始點係距該第一邊緣至少約1mm。
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