TWI488823B - 刻劃玻璃表面及在玻璃表面形成初始裂紋之方法及裝置 - Google Patents

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Description

刻劃玻璃表面及在玻璃表面形成初始裂紋之方法及裝置
本揭露係關於用以刻劃玻璃帶(glass ribbon)以及玻璃片(glass sheet)之方法及裝置，特別是關於用以機械地在玻璃帶或玻璃片中形成初始裂紋(initiation flaw)(也稱作「初始的裂紋(initial flaw)」、「初始破裂(initiation crack)」或「初始線(initiation line)」)之方法及裝置。
以下論述涉及玻璃帶，其於垂直方向上移動，此為針對本文所揭露之方法及裝置的典型應用。然而，此方向僅假設作為幫助描述之用，且不應該以任何方式解釋用以限制本揭露。同樣地，本揭露並不限於玻璃帶之刻劃，還包含個別玻璃片之刻劃。
習慣使用機械工具來完成玻璃的刻劃。然而，存在有可供替代者，其使用雷射輻射，例如，在10.6μm波長之CO2 雷射輻射，以加熱玻璃並經由溫度梯度創造拉應力。針對玻璃刻劃之雷射的使用，於共同讓渡之名稱為「Method and apparatus for breaking brittle materials」的美國專利第5,776,220號，以及名稱為「Control of median crack depth in laser scoring」的美國專利第6,327,875號中討論，兩者的內容皆以全文引用方式納入本文中參考。
如第1圖所示，於雷射刻劃期間，中間破裂(median crack)(也被稱為局部通孔(partial vent)或簡稱為，通孔)沿著刻線115被創造於玻璃片或玻璃帶112的主要表面114中。為了創造通孔，小型初始裂紋111形成於玻璃表面上接近玻璃表面的一個邊緣處，接著藉由擴散具有足跡113的雷射光束121橫跨玻璃表面而將小型初始裂紋111轉換成通孔，隨後藉由冷卻噴嘴119產生冷卻區。以雷射光束加熱玻璃並隨後立即以冷卻劑猝滅之，可創造熱梯度以及相應的應力場，其為造成初始裂紋之增長而形成通孔的原因。
共同讓渡之美國專利公開第2008/0264994號(‘994公開案)，其內容以全文引用方式納入本文中參考，描述一種用於移動玻璃帶之雷射刻劃的系統，其中行進托架(carriage)沿著線性軌道移動，相對於橫切玻璃帶的運動方向之線，線性軌道以角度α傾斜。本申請的第2及3圖概要地圖解‘994公開案的系統。於此圖式中，元件符號13表示玻璃帶，符號14表示行進托架，符號15表示線性軌道，符號11表示供軌道所用的支撐結構(支撐架)，且符號9表示生產玻璃帶的設備，例如，熔融拉延機(fusion draw machine)。如‘994申請案所論述，從固定參考座標(例如，第2圖中之xyz參考座標)觀看，玻璃帶以速度S玻璃 於向量16的方向上移動，且托架以速度S托架 於向量17的方向上移動，其中S玻璃 、S托架 以及角度α滿足以下關係式：
S托架 =S玻璃 /sinα。
於此方式中，托架保持與玻璃帶同步，或者更精確地說，與玻璃帶的運動方向平行之托架的速度分量之量值(magnitude)等於S玻離 。所以，從玻璃帶觀看，托架簡單地以下式所給定的速度S刻劃 於向量18的方向上移動，亦即，沿著垂直於玻璃帶的運動方向之線7橫越玻璃帶：
S刻劃 =S托架 cosα。
如‘994公開案所述，提供雷射光束的發光元件以及提供冷卻流體(例如，水)之流的噴嘴皆連接至托架，並在托架沿著線性軌道移動時，一起形成跨越玻璃帶寬度的通孔。同樣連接至托架的是用以於玻璃帶中形成初始裂紋的機械刻劃頭(mechanical scoring head)(例如，刻劃輪)。
第4圖概要地圖解‘994公開案的這些態樣，其中元件符號21、22及23代表(1)冷卻流體的足跡、(2)雷射光束的足跡以及(3)初始裂紋，於刻劃製程開始時的位置，元件符號31及32代表已完成初始化且機械刻劃頭不再與玻璃帶接觸之後，冷卻流體的足跡以及雷射光束的足跡的位置。
如‘994公開案所論述，為了避免產生過長的初始裂紋，需要減少機械刻劃頭與玻璃帶的接觸時間。依此，這意味著機械刻劃頭需要以高速朝向玻璃帶的表面移動，並接著自玻璃帶的表面離開。雖然可達成這樣的高速運動，但通常需要複雜且昂貴的設備。本揭露是針對以機械刻劃頭形成初始裂紋的裝置及方法，該機械刻劃頭以降低的運動速度朝向及/或離開欲刻劃的表面。
依照第一態樣，茲揭露使用雷射光束(121)沿著線(7)刻劃玻璃表面(114)的方法，線(7)定義正方向(例如，第5圖中之正y軸的方向)以及負方向(例如，第5圖中之負y軸的方向)，該方法包含下列步驟：
(a)　使用機械刻劃頭(20)，與玻璃表面(114)接觸持續一時段T，於玻璃表面(114)中之第一位置(23)處沿著線(7)形成初始裂紋(111)；
(b)　調動發光元件，使其運動包含分量(18)，其
(i)與線(7)平行線，且
(ii)從固定參考座標(例如，第5圖中之xyz座標系)觀看，係在該正方向(例如，在第5圖中之正y軸的方向)，發光元件發射雷射光束(121)，其穿越線(7)之一部份；以及
(c)　隨著發光元件之後調動噴嘴(119)，噴嘴(119)發射冷卻流體，其穿越線(7)之一部份；其中就至少一部份的時段T而言，機械刻劃頭(20)的動作包含分量(19)，其
(i)與線(7)平行線，且
(ii)從與該發光元件一起移動之參考座標觀看，係在負方向(例如，第5圖中之負y軸的方向)。
依照第二態樣，茲揭露一種用以於玻璃表面(114)中形成初始裂紋(111)的方法，其包含下列步驟：(a)相對於玻璃表面(114)移動托架(14)，該運動包含在第一方向(例如，在第5圖中之正y軸的方向)之分量(18)；以及(b)在一部份的步驟(a)期間，相對於托架(14)在與第一方向(例如，第5圖中之正y軸的方向)相反之方向(例如，第5圖中之負y軸的方向)上移動機械刻劃頭(20)；其中在至少一部份的步驟(b)期間，該方法進一步包含下列步驟：移動機械刻劃頭(20)朝向玻璃表面(114)、離開玻璃表面(114)，或不僅朝向玻璃表面而且離開玻璃表面(114)。
依照第三態樣，茲揭露一種用以在玻璃表面(114)中形成初始裂紋(111)的裝置，其包含：(a)線性軌道(15)，具有與之相關聯之xyz座標系，線性軌道(15)處於該座標系之xy平面中，且以非零角度(non-zero angle)交叉x軸；(b)托架(14)，可移動地安裝於線性軌道(15)上，致使托架(14)沿著線性軌道(15)之運動包含沿著xyz座標系之y軸的至少一分量(18)；以及(c)機械刻劃頭(20)，可移動地安裝於托架(14)上，致使機械刻劃頭(20)相對於托架(14)之運動包含：(i)沿著該xyz座標系之y軸的至少一分量(19)，其所在之方向與沿著該軸之托架運動的分量(18)之方向相反，以及(ii)在該xyz座標系之z軸的方向之至少一分量。
使用於上述揭露的各種態樣摘要中的元件符號僅是為了方便讀者，因此不考慮也不應被解讀用以限制本發明之範疇。更概括而言，應瞭解的是，前述一般描述以及後續的詳述僅為本發明之範例，目的是提供用以暸解本發明的本質及特徵所需之概覽或架構。
本發明之額外特徵以及優點記載於隨後的發明詳述中，且其部分對於熟悉該項技藝者而言為顯而易見的，或可藉由如本文所述般實施本發明而確認。隨附圖式也被包括以提供對本發明的進一步暸解，且被併入並架構本說明書的一部分。應瞭解的是，可將揭露於本說明書及圖式中之本發明的多種特質使用於任何或全部組合中。
如前文所指出，於一代表性具體實施例中，本揭露關於使用機械刻劃元件用以在移動中的玻璃帶中產生初始裂紋的裝置及方法。機械刻劃元件可具有多種目前已知或隨後發展的配置及構造。無論是什麼構造，機械刻劃元件將包含機械刻劃頭，其接觸玻璃帶的表面並形成初始裂紋。代表性構造可包含壓頭(indenter)或刻劃輪，其由附著至，例如氣缸等機構，的碳化鎢或鑽石所製成，用以於玻璃表面上維持實質上不變的刻劃力，不受在那表面之位置變化的影響，例如，在與玻璃表面之象徵平面(nominal plane)一致之方向上的變化。
因為玻璃帶可以是相當薄且可彎曲的，例如，使用來生產針對顯示應用之基板的玻璃帶可具有0.7毫米或更小的厚度，砧(anvil)(也被稱為護緣(nosing))一般位於玻璃帶的相對於機械刻劃頭的側邊上，以便提供讓刻劃頭可作動而抵靠之止動(stop)。砧可固定於其自有的線性軌道上，該線性軌道可如第5圖中的軌道15般與玻璃帶的運動方向形成夾角，或可與玻璃帶的運動方向平行。雖然延伸於玻璃帶的整個寬度上的砧對於某些應用而言可能是較為理想的，例如，使用玻璃帶的全寬度上之機械刻劃作為雷射刻劃的備援系統，但因初始裂紋僅構成玻璃帶的寬度之小斷裂(參見下文)，所以可使用短的砧。
雖然有需要的話可使用較長及較短的裂紋，概括而言，初始裂紋將具有位於自約3毫米至約5毫米的範圍內之長度。典型地，儘管有需要的話可使用不同的間隔，裂紋將位於玻璃帶之一邊緣向內約60毫米處。當然，刻劃的速率將根據應用而定，代表值為750毫米/秒數量級。於此刻劃速率下，5毫米裂紋相對於刻劃頭及玻璃帶的表面之7毫秒的接觸而產生。如上所述，與‘994公開案的論述有關的是，可達成如此短的接觸期間，但通常需要使用複雜且昂貴的設備，以快速移動機械刻劃頭與玻璃帶的表面接觸並離開玻璃帶的表面。
第5及6圖概要地圖解玻璃帶、托架以及機械刻劃頭的運動之組合，其容許刻劃頭朝向及離開欲刻劃表面之較低速運動。如第2及3圖所示，第5及6圖中之元件符號16及17代表從固定參考座標(例如，於第5圖中顯示的xyz參考座標，其可視為與支撐架11相關)觀看之玻璃帶及托架的運動，且元件符號18代表從移動中的玻璃帶觀看之托架的運動。
第5及6圖中的元件符號19代表從移動中的托架觀看之機械刻劃頭20的額外運動(以下稱為「逆行(retrograde)」或「調整(regulating)」運動)。此額外運動19處於托架運動之相反方向上，具體而言，當從玻璃帶觀看時，其處於托架運動之相反方向，亦即，運動19(從移動中的托架觀看)指向運動18(從玻璃帶觀看)的相反方向。結果，當從玻璃帶觀看，機械刻劃頭(但非整個托架)以較慢的速率移動跨越玻璃帶，亦即，其移動速率等於運動18及19之量值間的差異。相反地，從水平移動的機械刻劃頭觀看，玻璃帶更緩慢地水平移動通過機械刻劃頭。如此較緩慢的移動意味著，有更多時間供機械刻劃頭移動而與玻璃帶接觸並離開玻璃帶，以創造如所期望般的初始裂紋。需注意的是，逆行運動19不需要存在於機械刻劃頭接觸玻璃帶表面的整個時段。反之，逆行運動可僅發生於那個時段的一部分。並且，於機械刻劃頭形成初始裂紋的整個時段中，逆行運動的量值不需要是恆定的，而可以是，舉例而言，增加、持平並接著減少。進一步，逆行運動可在機械刻劃頭接觸玻璃表面之前就開始，且/或可在機械刻劃頭離開玻璃表面之後持續。也可如期望般應用針對玻璃表面接觸刻劃頭的這些策略之組合及變化，於刻劃頭形成初始裂紋之至少一部分的時段T期間持續提供該等組合及變化，刻劃頭的運動包括分量，其(i)與刻線平行，且(ii)從與托架一起移動的參考座標觀看，其所處方向與藉由雷射形成刻線之方向相反，例如，於第5圖中，該分量處於線7之負方向。
藉由考量從移動中的火車於靜止的佈告欄上繪製點(相對於延長的線段)的難度，可瞭解逆行運動19的作用。若要進行繪製的人在火車上向後走的話，繪圖者與佈告欄之間的相對速度便會降低。實際上，若繪圖者向後走的速率與火車向前移動的速率相同的話，佈告欄會保持不動，使繪圖者容易繪製點於佈告欄上。同樣地，若於產生裂紋的時點上，機械刻劃頭相對於托架的橫越玻璃帶運動向後移動的話，可更容易從移動中的托架於玻璃帶上製作初始裂紋。
逆行運動的量值S逆行 將取決於S刻劃 的值、初始裂紋的長度，以及製作初始裂紋的期望時段。如上所計算，針對750 mm/sec的刻劃速度以及5毫米的初始裂紋長度而言，於逆行運動不存在的情況下，製作初始裂紋的可行時間為接近7毫秒。藉由將S逆行 設定於，舉例而言，500 mm/sec，則可行時間增加至20毫秒，當S逆行 等於725 mm/sec時，可行時間成為200毫秒。
托架14需要足夠的長度以接納機械刻劃頭的逆行運動及其相關分量。舉例而言，對5 mm的裂紋而言，若S逆行 等於500 mm/sec，則逆行運動將於托架上構成10毫米的運動距離，而若S逆行 為725 mm/sec，則運動將構成145毫米。除了在初始裂紋開始製作時所耗之距離，機械刻劃頭加速或減速至S逆行 將耗費沿著托架的額外長度。因此，可考量下列幾點而折衷選擇S逆行 之具體數值：1)托架的所需長度；2)將機械刻劃頭加速及減速至S逆行 所需的設備之成本及複雜度；以及3)於藉由使用逆行運動所提供的可行時間期間，將機械刻劃頭朝向及離開玻璃帶移動所需的設備之成本及複雜度。
機械刻劃頭的逆行運動可以多種方式達成。第7圖解說一個具體實施例，其中機械刻劃頭20由平台40所承載，平台40包括軌條42，其容許移動刻劃頭朝向及離開玻璃帶的表面，以形成初始裂紋。平台40係可移動地安裝於軌條44上，且托架14包括馬達46，例如，伺服馬達，其驅動銜接平台40的延伸部份50之輪48。輪48可，舉例而言，具有齒輪表面囓合部份50上的對應齒輪條。馬達46的活動造成可移動平台40並因此造成刻劃頭20相對於托架14實施逆行/調整運動，亦即，當托架14往左移動(請參見第7圖中的箭頭18及19)時，馬達46的活動造成第7圖中的平台40往右移動。雖然於第7圖中應用兩個軌條44，但若有需要的話，可使用單一軌條來達成平台40的線性逆行運動。
第8圖概要地圖解用以達成機械刻劃頭的逆行運動之另一具體實施例。於此例子中，刻劃頭20由繞軸62旋轉(樞轉(pivot))的手臂60所承載，而軸62相對於托架固定。於第8圖中，此旋轉由箭頭64所表示。
軸62平行於玻璃帶13之運動方向，致使手臂60繞軸62之轉動造成刻劃頭20的運動，從移動中的托架觀看，包括與從玻璃帶觀看之托架運動方向相反的分量(期望的逆行分量)，亦即，於第8圖中，從托架觀看，旋轉64造成刻劃頭20的運動包括與向量18相反的分量，其中向量18代表從移動中的玻璃帶觀看之托架運動。
當手臂繞軸62轉動，刻劃頭的運動也包含常態導向玻璃帶表面之分量。為了接納此運動，並於刻劃頭接觸玻璃帶的表面時提供實質上恆定的刻劃力，可將容許手臂的有效長度根據刻劃頭與玻璃帶之接觸而變化之氣缸66或類似的恆定力元件裝配於手臂60。由第8圖之系統所產生之初始裂紋的長度將取決於：(1)手臂60的完全延伸長度以及軸62與玻璃帶表面間的距離，其共同定義刻劃頭與玻璃帶之間的初始接觸角以及最終接觸角；以及(2)手臂繞軸62的轉動速率以及相對於玻璃帶的托架水平運動速率，其共同決定當刻劃頭與玻璃帶表面接觸時，刻劃頭沿著玻璃帶表面移動多遠。
第9圖繪示第8圖的旋轉系統之代表性具體實施例，其中使用相同的元件符號來標示相對應的部件。此具體實施例包括用以轉動手臂60之馬達68，以及用以將系統附接至托架之安裝結構70。於此具體實施例中，手臂60延伸超越軸62，以便提供具較低慣性矩(moment of inertia)之更平衡結構。
因從前文可知，本揭露提供用以增加移動機械刻劃頭接觸玻璃表面且/或離開玻璃表面，以形成初始裂紋之可行時間的裝置及方法。本揭露因而有助於雷射刻劃，其依此，提供了以下利益：乾淨且堅強的邊緣、對玻璃組成及厚度的低靈敏度，以及對玻璃帶之運動的最小干擾。此外，藉由增加軌道角度α，可於降低的刻劃速度下進行雷射刻劃，其允許深度通孔刻劃或全體切割。進一步，因為初始裂紋係藉由安裝於托架上的機械刻劃頭所形成，相對於位在托架上游的分離刻劃頭而言，該系統提供了針對刻線的整體長度之機械刻劃能力，其可作為雷射刻劃的備援，因而提供了穩健的切割製程。不悖離本揭露的範疇及精神之多種修飾對熟悉該項技藝者而言是明顯的。舉例而言，雖然本論述主要關注於移動中之玻璃帶的刻劃，但本文所揭露之裝置及方法也可被用於與個別玻璃片相關之刻劃，其使用相對於片材移動之托架，且該托架承載有發光元件、噴嘴以及機械刻劃頭。於這樣的例子中，若個別片材為固定不動的，或，更精確而言，於正交刻線之方向上為固定不動的，則第5圖中的角度α將等於零。相似地，對玻璃帶以及個別片材的具體實施例而言，除了僅於一個方向上進行刻劃並接著針對下一次刻劃而重置之外，可建構系統，以使刻劃可於兩個行進方向上進行，例如，從第5圖中的左邊至右邊，接著從右邊至左邊，諸如此類。後續的申請專利範圍意欲涵蓋於本文所描述之前述及其它型態的具體實施例之修飾、變化及均等物。
7．．．刻劃沿著其發生的線
9．．．生產玻璃帶的設備
11．．．供線性軌道所用的支撐架
13．．．玻璃帶
14．．．托架
15．．．線性軌道
16．．．代表玻璃帶運動的向量以及托架運動的垂直分量
17．．．代表托架之運動的向量
18．．．代表托架之運動的水平分量之向量
19．．．代表機械刻劃頭之逆行運動的向量
20．．．機械刻劃頭
21．．．刻劃製程開始時的冷卻流體之足跡的位置
22．．．刻劃製程開始時的雷射光束之足跡的位置
23．．．刻劃製程開始時之初始裂紋的位置
31．．．於刻劃製程中的隨後時點的冷卻流體之足跡位置
32．．．於刻劃製程中的隨後時點的雷射光束之足跡位置
40．．．平台
42．．．軌條
44．．．軌條
46．．．馬達
48．．．輪
50．．．平台40的延伸部份
60．．．手臂
62．．．針對手臂之樞軸
64．．．指示手臂的旋轉之箭頭
66．．．恆定力元件，例如，氣缸
111．．．初使裂紋
112．．．玻璃片或玻璃帶
113．．．雷射光束足跡
114．．．玻璃片或玻璃帶的主要表面
115．．．刻線
119．．．冷卻噴嘴
121．．．雷射光束
第1圖為圖解玻璃片之雷射刻劃的示意圖。
第2圖為圖解根據'994申請案的雷射刻劃系統之示意圖。
第3圖為更詳細圖解第2圖之托架動作之示意圖。
第4圖為圖解在刻劃製程開始以及隨後的時間點時之冷卻流體、雷射光束以及初始裂紋的位置之示意圖。
第5圖為圖解依照本揭露之一具體實施例的玻璃帶、托架以及機械刻劃頭的運動之示意圖。
第6圖為更詳細圖解第5圖的機械刻劃頭之運動之示意圖。
第7圖為用以產生機械刻劃頭之逆行運動的代表性設備之透視圖。
第8圖為圖解機械刻劃頭之逆行運動之示意圖，機械刻劃頭之逆行運動透過刻劃頭繞著固定至托架的樞軸之旋轉而達成。
第9圖為應用樞軸方式達成第8圖之逆行運動的代表性設備之透視圖。
14．．．托架
18．．．代表托架之運動的水平分量之向量
19．．．代表機械刻劃頭之逆行運動的向量
20．．．機械刻劃頭
40．．．平台
42．．．軌條
44．．．軌條
46．．．馬達
48．．．輪
50．．．平台40的延伸部份

Claims (10)

  1. 一種使用一雷射光束沿著一線刻劃一玻璃表面之方法，該線定義一正方向以及一負方向，該方法包含下列步驟：(a)使用一機械刻劃頭，使該機械刻劃頭與該玻璃表面接觸持續一時段T，以沿著該線於該玻璃表面之一第一位置處形成一初始裂紋；(b)調動一發光元件，使其運動包含一分量，該分量(i)與該線平行，且(ii)從一固定參考座標觀看係在該正方向，該發光元件發射一雷射光束穿越該線之一部份；以及(c)隨著該發光元件之後調動一噴嘴，該噴嘴發射一冷卻流體穿越該線之一部份；其中當移動該機械刻劃頭使該機械刻劃頭與該玻璃表面接觸及/或離開該玻璃表面時，該機械刻劃頭的動作包含一分量，該分量(i)與該線平行，且(ii)從與該發光元件一起移動之一參考座標觀看，係在該負方向。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中：(i)該玻璃表面為一玻璃帶之一表面，該玻璃帶於垂直該線之一方向上移動；且(ii)該發光元件、該噴嘴以及該機械刻劃頭於垂直該線的方向上移動，並與該玻璃帶保持同步。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該發光元件、該噴嘴以及該機械刻劃頭係由一托架支撐，該托架沿著不與該線平行之一軌道移動。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該機械刻劃頭繞著一軸樞轉，從與該發光元件一起移動之一參考座標觀看，該軸為固定的。
  5. 一種於一玻璃表面形成一初始裂紋的方法，包含下列步驟：(a)相對於該玻璃表面移動一托架，該運動包含在一第一方向上之一分量；以及(b)在一部份的步驟(a)期間，相對於該托架在與該第一方向相反之一方向上移動一機械刻劃頭；其中在至少一部份的步驟(b)期間，該方法進一步包含下列步驟：移動該機械刻劃頭朝向該玻璃表面、離開該玻璃表面，或不僅朝向該玻璃表面也離開該玻璃表面。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該玻璃表面係一移動中的玻璃帶之一表面，且於步驟(a)及步驟(b)期間，該托架以及該機械刻劃頭與該玻璃帶之運動保持同步。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中步驟(b)包含下列步驟：繞著與該托架一起移動之一軸旋轉該機械刻劃頭。
  8. 一種用以於一玻璃表面形成一初始裂紋的裝置，包含：(a)一線性軌道，具有與該線性軌道相關聯之一xyz座標系，該線性軌道處於該座標系之xy平面中，且以一非零角度(non-zero angle)交叉x軸；(b)一托架，可移動地安裝於該線性軌道上，致使該托架沿著該線性軌道之運動包含沿著該xyz座標系之y軸的至少一分量；以及(c)一機械刻劃頭，可移動地安裝於該托架上，致使該機械刻劃頭相對於該托架之運動包含：(i)沿著該xyz座標系之該y軸的至少一分量，其所在之一方向與該托架沿著該軸之運動的分量之方向相反，以及(ii)在該xyz座標系之z軸的方向上之至少一分量。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該裝置包含：(i)一手臂，其承載該機械刻劃頭；以及 (ii)一馬達，用以在與該xyz座標系之該x軸平行之一軸上旋轉該手臂。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該裝置包含：(a)一軌條，其平行該y軸；(b)一平台，安裝於該軌條上，該平台承載該機械刻劃頭；以及(c)一馬達，用以沿著該軌條移動該平台。
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