TWI580649B - 力監控之方法及設備 - Google Patents

Description

力監控之方法及設備

本申請案主張申請於2009年5月27日之美國申請案第12/472,840號之權益。此文獻之內容及本文所提及之公告、專利及專利文獻之全部揭示內容以引用之方式併入。

本揭示案係關於玻璃製造，且特定言之係關於用於監控當(例如)滾輪之表面接觸玻璃帶之表面時所產生的力的方法及設備。藉由監控此等力，可改良自帶分離之玻璃薄片的性質，例如，可降低薄片中之殘餘應力及翹曲，當使用薄片作為液晶顯示器中之基板時此舉尤其有利。

使用各種下拉玻璃製造程序(例如，熔融下拉製程)以及浮動製程來產生玻璃帶。帶中之張力，且特定言之帶之橫向張力對於控制帶之平度以及由該帶產生之個別玻璃薄片中的殘餘應力極其重要。可藉由(例如)將帶之表面接觸與帶之運動方向成一定角度定向的滾輪(本文中稱為「短滾輪」或「短輥」)來控制帶之 橫向張力。此等滾輪安定化該帶且在帶之橫向方向上向該帶施加張力，且在垂直於帶之表面的方向上施加「捏」力。

在本揭示案之前，尚未知用於監控由此等滾輪施加於帶上之力的方法。本揭示案提供用於即時監控此等力而不會不利地影響玻璃成形製程的方法及設備。此等方法及設備所提供之資料可(例如)用以向製程工程師提供反饋，以使其可對成形製程進行調整，包括產生改良之玻璃屬性(例如，較低的殘餘應力位準)的調整。

在第一態樣中，本發明揭示一種用於監控由於軸(13)之部分(15)接觸移動玻璃帶(23)而施加於軸(13)之力的分力的方法，該分力在帶之橫向方向上，該方法包括以下步驟：(a)使用支撐構件(39)來支撐軸(13)，支撐構件(39)回應於向軸(13)施加力而經歷沿帶之橫向方向上的線性位移，該力包括帶之橫向上的分力；及(b)監控支撐構件(39)之線性位移(45)。

在第二態樣中，本發明揭示一種用於監控由於軸(13)之部分(15)接觸移動玻璃帶(23)而施加於軸(13)之力的分力的方法，該分力在垂直於帶之方向上，該方法包括以下步驟： (a)使用支撐構件(39)來支撐軸(13)，支撐構件(39)回應於向軸(13)施加力而經歷繞軸旋轉(59)，該力包括垂直於帶的分力，該軸平行於帶之表面；及(b)監控支撐構件(39)之旋轉(59)。

在第三態樣中，本發明揭示一種用於監控沿著軸(13)之中線作用之軸向力的分力的設備，該設備包括：(a)軸(13)；(b)軸(13)之支撐組件(7)，支撐組件(7)包括支撐構件(39)，支撐構件(39)回應於軸向力之分力而可線性位移(45)，位移(45)沿著一線且該線與軸之中線位於同一平面中或位於彼此平行之平面中；及(c)感測器(47,51)，其用於監控支撐構件(39)沿線之線性位移(45)。

在第四態樣中，本發明揭示一種用於監控垂直於軸(13)之中線作用的力(57)的設備，該設備包括：(a)軸(13)；(b)軸(13)之支撐組件(7)，支撐組件(7)包括支撐構件(39)，支撐構件(39)回應於垂直於軸(13)之中線的力(57)而可旋轉(59)；及(c)感測器(53,55)，其用於監控支撐構件(39)之旋轉(59)。

用於本揭示案之各種態樣之以上概述的元件符號僅為便於讀者，故不欲且不應理解為對本發明之範疇的限制。更大體而言，應瞭解，以上一般描述與以下詳細描述皆僅為本發明之示範性描述且意欲提供概述或框架以理解本發明之本質及特性。

本發明之額外特徵結構及優點闡釋於以下詳細描述中，且將由熟習此項技術者自該描述而明白或藉由如本文所述實踐本發明而認可。本說明書包括隨附圖式以提供對本發明之進一步理解，且該等圖式併入本說明書且構成本說明書之部分。應瞭解，本說明書及諸圖中所揭示之之各種特徵結構可以任何組合及所有組合來使用。

7‧‧‧支撐組件

9‧‧‧支撐組件之第一次組件

11‧‧‧支撐組件之第二次組件

13‧‧‧軸

15‧‧‧滾輪

17‧‧‧張力箭頭

19‧‧‧捏力箭頭

21‧‧‧旋轉箭頭

23‧‧‧玻璃帶

25‧‧‧外殼

27‧‧‧板

29‧‧‧樞軸

31‧‧‧榫舌

33‧‧‧鳩尾槽

35‧‧‧軸承組件

37‧‧‧框架

39‧‧‧支撐構件

41‧‧‧腹板

43‧‧‧圖示第一次組件與第二次組件裝配的箭頭

45‧‧‧圖示支撐構件之線性位移的箭頭

47‧‧‧線性位移感測器

49‧‧‧感測器目標之初始位置

51‧‧‧感測器目標之最終位置

53‧‧‧用於感測旋轉之放大臂

55‧‧‧旋轉感測器

57‧‧‧圖示捏力之箭頭

59‧‧‧圖示支撐構件之旋轉的箭頭

61‧‧‧成形結構(等靜壓管)

63‧‧‧等靜壓管腔或槽

65‧‧‧輸入管

67‧‧‧等靜壓管之根部

69‧‧‧等靜壓管之漸縮側面

71‧‧‧等靜壓管之漸縮側面

75‧‧‧玻璃帶之垂直邊緣

77‧‧‧玻璃帶之珠狀部分

79‧‧‧玻璃帶之珠狀部分

81‧‧‧表示玻璃帶之向下運動的箭頭

83‧‧‧短滾輪組件

91‧‧‧短滾輪

第1圖為力監控設備之實施例的示意透視圖。

第2圖為第1圖之實施例的示意側視圖，其中設備之軸水平定向。

第3圖為第1圖之實施例的示意仰視圖。

第4圖為自第2圖之左側觀察之第1圖之實施例的示意端視圖。

第5圖為第1圖之實施例的示意側視圖，其中設備之軸向下傾斜定向。

第6圖為圖示第1圖之設備之組件的示意透視圖。

第7圖為圖示第1圖之設備之支撐構件的位移的示意仰視圖。為達說明之目的此圖式中誇示了位移之量。

第8圖為圖示第1圖之設備之支撐構件的位移之偵測的示意側視圖。為達說明之目的此圖式中誇示了位移之量。

第9圖為圖示第1圖之設備之支撐構件的旋轉的示意俯視圖。

第10圖為圖示第1圖之設備之支撐構件的旋轉的沿著第9圖之線A-A的視圖。為達說明之目的此圖式中誇示了旋轉之量。

第11圖為利用短輥之熔融下拉系統之示意圖。

以下論述就熔融下拉製程(亦稱熔融製程、溢流下拉製程、或溢流製程)而言，應瞭解本文所揭示並主張之方法及設備亦適用於其他下拉製程(諸如，槽拉製程)，以及水平操作之製程(諸如，浮動製程)。該論述亦就短滾輪而言，應瞭解本文所揭示並主張之方法及設備適用於接觸移動玻璃帶之任何軸，無論其用作短滾輪或用於其他目的。由於此項技術中熔融設備及短 滾輪為習知技術，故省略其細節以免混淆示範性實施例之描述。

如第11圖所示，典型熔融製程利用成形結構(等靜壓管(isopipe))61，其包括自輸入管65接收熔融態玻璃的腔63。等靜壓管包括根部67，其中來自等靜壓管之兩個漸縮側面69及漸縮側面71之熔融態玻璃連接在一起以形成帶23。帶23包括珠狀(bead)部分77及珠狀部分79，其與帶23之垂直邊緣75相鄰。離開根部之後，帶穿過邊緣滾輪及牽引滾輪(未圖示)，其中邊緣滾輪係用以控制帶之寬度，且牽引輥係用以向該帶施加張力進而使其以規定速率向下移動。在第11圖中，箭頭81顯示此向下運動。

兩個短滾輪組件83亦圖示於第11圖中。每一短滾輪組件包括兩個短滾輪91，每一短滾輪91包括軸13，軸13包含接觸玻璃帶23之滾輪15及軸承組件35。短滾輪可自由旋轉或由馬達(未圖示)驅動。滾輪產生帶23中如第11圖中箭頭17所示之張力。滾輪亦產生垂直於帶之表面定向之捏力。該捏力可(例如)經由施加於附著至短滾輪之桿臂的重量來設置。

根據某些實施例，即時監控帶上之張力及/或一或多個短滾輪上之捏力。更確切而言，監控短滾輪之軸中之相應反作用力(根據牛頓第三定律)並將其用作玻璃帶中力之量測。在此之前，無法得知玻璃帶中之張力且不存在已知方法以即時或在其他時候量測該等張 力。另外，亦即時監控每一短滾輪施加於帶之捏力。在此之前，僅能分析性地估計捏力而無法即時監控。藉由監控此等力，製程工程師獲得對成形製程之更基本理解。此理解又可用以改變製程並改良玻璃屬性，諸如，邊緣應力及薄片平度。

概括而言，使用安裝有短滾輪之撓性構件來監控短滾輪之軸且因此玻璃帶中之張力及捏力可被監控。當玻璃向滾輪施加具有在正交方向上的分力的負載時，設計撓性構件以經歷正交方向(亦即，張力方向及捏力方向)上之小偏轉。撓性構件之小偏轉係由位移感測器來偵測，其中每一正交軸使用至少一個感測器，其中力沿著該些軸被量測。藉由量測偏轉且隨後使其與由已知負載所產生之偏轉對比，可量測出施加於滾輪之力的正交分力。

即使沿多個方向施加負載，但是撓性構件經設計以大體上僅量測沿著特定正交軸之負載。更特定言之，撓性構件經設計以使得當施加單位負載時其至少一個部分沿所期望之方向偏轉，而當施加橫向負載時其具有沿著相同方向之接近零的偏轉。隨後定位位移感測器以偵測撓性構件之彼部分之偏轉。以此方式，撓性構件/位移感測器組合量測由沿所期望之方向之負載引起的撓性構件的偏轉，而沿橫向方向之負載將僅對感測器產生最小影響。

亦設計足夠硬以免不利地影響(擾亂)玻璃成形製程的撓性構件。詳言之，已發現具有高柔度之撓性構件可使成形製程變得不穩定。硬撓性構件產生小偏轉，但實際上已發現若使用具有高解析度之位移感測器仍可達成精確的力監控。適當的高解析度位移感測器之實例包括：感應感測器，亦即，渦流感測器、壓電式感測器、應變計、電容式感測器，及光學感測器。應注意，撓性構件愈硬，位移感測器需要愈靈敏，反之亦然。亦可使用測力計(諸如，荷重計)來替代位移感測器。應注意，由於負載由每一腹板分擔，故荷重計將不提供力之直接量測，因此必需校準荷重計。

在一實施例中，設備包括：由外部框架包圍之中心梁(支撐構件)(beam)。中心梁係由一系列薄腹板連接至外部框架，且滾輪係附著至中心梁。外部框架係相對於玻璃製造機器之框架而固定，而允許中心梁由於薄腹板之彎曲而相對於外部框架偏轉。

當經由玻璃運動向滾輪施加軸向負載時，力經由腹板轉移至固定框架。力導致腹板如彈簧般偏轉。包括感測器之設備量測中心梁相對於外部框架之相對偏轉。藉由執行校準製程，藉此施加一系列已知負載且記錄偏轉並隨後藉由使用插補法，可計算任何經量測偏轉之負載。在薄平腹板之狀況下，負載比偏轉為線性的，其允許藉由使用力比位移校準曲線之斜率來簡單計算負載。當向滾輪施加與軸向負載相反之垂直負載時，力又 經由腹板轉移至固定框架。在此狀況下，中心梁之移動為旋轉，而非平移。又，一系列已知負載係用以校準旋轉，且藉由使用插補法，可計算任何經量測旋轉之垂直負載。正如薄平腹板之軸向負載，負載比偏轉為線性的。

為了提供足夠的硬度，腹板係由具有高彈性係數之材料(諸如，陶瓷或金屬(諸如不銹鋼，例如17-4不銹鋼))製成。除了高彈性係數之外，材料需要具有高屈服強度以耐受誘發於腹板中之應力。可藉由(例如)將腹板建模為懸臂來獲得適於特定應用之腹板數目及材料性質的估計。參閱(例如)Mechanical Analysis and Design(Arthur H.Burr,Elsevier North Holland,Inc.,1981)第400頁。亦可將有限元素分析用於此目的。除了高彈性係數及高屈服強度之外，材料需要在高溫(諸如，與玻璃製造裝備相關之彼等高溫)下抵抗腐蝕，此是由於腹板之腐蝕將改變其硬度且因此不利地影響由監控設備進行之量測的精度。另外，各種陶瓷及不銹鋼可耐受玻璃製造溫度歷時延長之時段而不會實質上變質。在一實施例中，腹板及固定框架可由單塊材料製成，例如，單塊不銹鋼。

在某些較佳實施例中，軸向負載之監控及垂直負載之監控大體上彼此獨立。亦即，兩個測定之間的相互干擾(亦即，由於一力之存在而引起之另一力之測定中之誤差)小於1%。因此，若(例如)使用該二力中 之一力來校準裝置且隨後施加另一力，則所量測值之改變將小於1%。

現參閱第1圖至第10圖，圖繪示支撐組件7，其適於監控與短滾輪接觸玻璃帶相關之張力17與捏力19。在第1圖中，假定玻璃帶向下移動，以使得自軸觀察軸13逆時針旋轉(參看元件符號21)。應注意，在相對組件(未圖示)中軸順時針旋轉。

在綜述中，設備7包括：支撐構件39(例如，參看第7圖)，其支撐短滾輪之軸13。支撐構件回應於張力17經歷線性位移(參看第7圖中之45)且回應於捏力19經歷旋轉(參看第10圖中之元件符號59)。如上文所論述，在實踐中，偵測線性位移及旋轉，且隨後藉由校準程序來將其轉換為力值，其中向軸施加已知負載且量測所得線性位移及旋轉。

如第1圖、第2圖、第6圖最清楚地圖示，組件7包括兩個次組件9及次組件11，其在所圖示之實施例中可自彼此分離。次組件9包括軸13及其滾輪15，而次組件11包括支撐構件39及其用於偵測支撐構件之線性位移及旋轉的相關裝備。因為其可分離，所以可置換短滾輪(例如，作為定期維護之部分)，而使滾輪之支撐構件及其相關裝備處於原位。如第6圖最清楚地圖示，次組件9可具備鳩尾(dovetail)槽33且次組件11可具備榫舌31，如此允許兩個次組件藉由如第6圖中元件符號43所示之線性運動來分離及再接合。除了簡化裝配及拆 卸之外，當鳩尾接合由(例如)可移動嵌條鎖定於適當位置時，其提供次組件之間的進行力量測所期望之緊密連接。當然，可使用次組件之間的其他類型連接來替代鳩尾榫，例如，可將次組件螺栓連接。此外，若需要，可將組件7建構為單一裝置而無次組件。

在所圖示之實施例中，次組件9包括外殼25及板27，其係由樞軸29連接至彼此。樞軸允許軸13及其滾輪15以如第1圖中所示之低於水平角的角度來定向，而使板27仍處於水平面中。為軸13選擇之特定角度將取決於應用及由滾輪施加於帶之張力的所期望之量。若需要，可以固定角度來定向軸13及其滾輪15而不使用樞軸。次組件9亦包括外殼25內之軸承組件35(參閱第2圖)。如上文所論述，軸13及其滾輪15可自由旋轉或被驅動。在後者狀況下，將軸13連接至適當驅動設備(未圖示)。

次組件11包括支撐構件39及框架37。在使用期間，支撐構件39經定向在垂直於帶之平面(亦即，下拉製程之水平面)內與帶23之表面平行，以使得支撐構件對施加於軸13之帶之橫向力作出回應。詳言之，如第7圖中所示，當將包括在帶之橫向方向(例如，在第1圖之箭頭17的方向)上之分力的力施加於軸13時，如第7圖中箭頭45所示，支撐構件39經歷在彼分力方向上之線性位移。更特定言之，在所圖示之實施例中，支撐構件39經歷由腹板41之彈性變形所產生之線性位移。為達 說明之目的，在第7圖中僅圖示八個腹板且已誇示腹板變形之量值。在實踐中，通常可使用多於八個腹板，例如十六個腹板。重要地，腹板41之變形為無摩擦的，以使得摩擦力之存在不會干擾監控施加於軸13之力。儘管對於支撐構件39腹板較佳，但是可使用其他支撐，例如，為達此目的可利用各種組態之彈簧。

如第8圖中所示，使用感測器47及感測器目標51(例如，感應感測器(參見上文))來偵測支撐構件39之位移。感測器/目標組合之一構件係附著於支撐構件39且另一構件係附著於框架37。第8圖中，假定感測器目標係附著於支撐構件39且經歷自初始位置49至最終位置51之移動。藉由使用已知力來校準此位移(參見上文)，可藉由監控在感測器與其目標之間的相對移動來即時監控沿帶之橫向方向施加於軸13之力。

除了帶之橫向力之外，支撐構件39之移動亦可用以監控施加於軸13之力，該等力包括垂直於帶之方向(例如，第1圖之箭頭19方向)上之分力。在此狀況下，如第9圖及第10圖所示，支撐構件39之運動為旋轉(參看元件符號59)，與線性位移相反。在此等圖式中，箭頭57圖示垂直於帶之分力。如第10圖中最佳地圖示，力57使得腹板41在旋轉期間彈性變形。正如第7圖之線性位移，可將除腹板外之其他構件用於支撐構件39，以使得支撐構件39可回應於具有垂直於帶之表面之分份的力而經歷旋轉。

不管經如何支撐，使用感測器/目標組合來偵測支撐構件之旋轉。如第10圖所示，可將感測器55安裝於框架37上，且可將目標(未圖示)安裝於附著至支撐構件39之臂53上。臂用以放大支撐構件之旋轉，因此促進偵測旋轉。藉由使用已知力來校準臂53之旋轉(參見上文)，可即時監控在垂直於帶之方向上施加於軸13之力。

應注意，如上文所論述，回應於帶之橫向方向上之分力的支撐構件39之線性位移大體上與回應於垂直於帶之分力的支撐構件之旋轉獨立，因此允許彼此獨立地監控此等分力。若需要，可同時、相繼或週期性地監控該兩個分力。此外，若特定應用僅期望偵測一運動，則可僅偵測支撐構件39之一運動，而無需同時偵測線性位移與旋轉。

在一些應用中，可能期望監控設備7相對於帶23之位置。在此狀況下，可將目標(例如，光學目標)安裝於設備之外表面且其位置可經偵測作為時間之函數。作為另一替代方案，可將電纜傳感器附著於設備7，且可將其用以監控由於(例如)滾輪15隨著時間推移之磨損所致之設備位置的任何改變。

一般技術者將自上述揭示內容明白不脫離本發明之範疇及精神的各種修改。舉例而言，儘管以上論述中之軸13已包括接觸玻璃帶之滾輪，但是本揭示案亦可使用無滾輪之軸來實踐，其中軸之接近帶的部分與帶 進行接觸。以下申請專利範圍意欲涵蓋此修改及其他修改、變化、及本文所闡述之特定實施例的等效實施例。

7‧‧‧支撐組件

9‧‧‧支撐組件之第一次組件

11‧‧‧支撐組件之第二次組件

13‧‧‧軸

15‧‧‧滾輪

17‧‧‧張力箭頭

19‧‧‧捏力箭頭

21‧‧‧旋轉箭頭

23‧‧‧玻璃帶

25‧‧‧外殼

27‧‧‧板

29‧‧‧樞軸

33‧‧‧鳩尾槽

Claims (13)

1. 一種用於監控由於一軸之一部分接觸一移動玻璃帶而施加於該軸之力的一分力的方法，該分力在一帶之橫向方向上，該方法包含以下步驟：(a)使用一支撐構件來支撐該軸，該支撐構件回應於向該軸施加之一力而經歷沿該帶之橫向方向上的線性位移，該力包括該帶之橫向上的分力；(b)監控該支撐構件之該線性位移；以及(c)使用先前執行的一校準程序之結果來將該支撐構件之該線性位移轉換為一力值，以監控該分力。
2. 如請求項1所述的方法，其中：(a)該支撐構件回應於向該軸施加之一力而經歷繞一軸之旋轉，該力包括垂直於該帶之一方向上的一分力，該軸平行於該帶的表面；(b)該方法進一步包含以下步驟：監控該支撐構件之該旋轉；以及(c)使用先前執行的一校準程序之結果來將該支撐構件之該旋轉轉換為一力值，以監控該分力。
3. 如請求項2所述的方法，其中該監控該支撐構件之該線性位移之步驟與該監控該支撐構件之該旋轉之步驟大體上彼此獨立。
4. 如請求項1、2或3所述的方法，其中該支 撐構件係由複數個腹板來支撐，該複數個腹板在該支撐構件之線性位移期間彈性地變形以使得該線性位移為無摩擦。
5. 如請求項1、2或3所述的方法，其中該線性位移與在該帶之橫向方向上之該分力線性相關。
6. 一種用於監控沿著一軸之一中線作用之一軸向力的一分力的設備，該分力為由於該軸之一部分接觸一移動玻璃帶而施加於該軸之力的一分力，該分力在一帶之橫向方向上，該設備包含：(a)一軸；(b)該軸之一支撐組件，該支撐組件包含一支撐構件，該支撐構件回應於一軸向力之一分力而可線性位移，該位移係沿著一線且該線與該軸之中線位於一同一平面中或位於彼此平行之平面中；(c)一感測器，用於監控該支撐構件之沿該線之線性位移；以及(d)使用一校準程序之結果來將該支撐構件之該線性位移轉換為一力值，以監控該分力的手段。
7. 如請求項6所述的設備，其中：(a)該支撐構件回應於具有垂直於該軸之該中線之一分力的一力而可旋轉；(b)該設備包含一感測器，其用於監控該支撐構 件之旋轉；以及(c)使用一校準程序之結果來將該支撐構件之該旋轉轉換為一力值，以監控該分力的手段。
8. 如請求項6或7所述的設備，其中該支撐組件包含複數個腹板，該複數個腹板支撐該支撐構件。
9. 如請求項8所述的設備，其中該等腹板在該支撐構件之線性位移期間彈性地變形以使得該線性位移為無摩擦。
10. 一種用於監控由於一軸之一部分接觸一移動玻璃帶而施加於該軸之力的一分力的方法，該分力在垂直於該帶之一方向上，該方法包含以下步驟：(a)使用一支撐構件來支撐該軸，該支撐構件回應於向該軸施加一力而經歷繞一軸之旋轉，該力包括垂直於該帶的該分力，該軸平行於該帶的表面；(b)監控該支撐構件之該旋轉；以及(c)使用先前執行的一校準程序之結果來將該支撐構件之該旋轉轉換為一力值，以監控該分力。
11. 如請求項10所述的方法，其中該支撐構件包含複數個腹板。
12. 一種用於監控垂直於一軸之一中線作用之一力的設備，該力為由於該軸之一部分接觸一移動玻璃帶而施加於該軸之力的一分力，該分力在垂直於 該帶之一方向上，該設備包含：(a)一軸；(b)該軸之一支撐組件，該支撐組件包含一支撐構件，該支撐構件回應於垂直於該軸之該中線的一力而可旋轉；(c)一感測器，用於監控該支撐構件之旋轉；以及(d)用於使用一校準程序之結果來將該支撐構件之該旋轉轉換為一力值，以監控該分力的手段。
13. 如請求項12所述的設備，其中該支撐組件包含複數個腹板，該複數個腹板支撐該支撐構件。