TWI395721B

TWI395721B - 由雷射導引迴旋管光束之玻璃片切割

Info

Publication number: TWI395721B
Application number: TW098121281A
Authority: TW
Inventors: Anatoli Anatolyevich Abramov; Yawei Sun
Original assignee: Corning Inc
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2013-05-11
Also published as: TW201012769A; WO2009157994A2; WO2009157994A3; US20090320524A1

Description

由雷射導引迴旋管光束之玻璃片切割

本發明係關於使用微波光束以及雷射光束分割玻璃片之系統以及方法。更特別地，所提供系統以及方法用來導引微波光束以及雷射光束於玻璃片以跨越玻璃片厚度產生熱導引應力差值足以使玻璃片產生裂縫以及分割。

在過去，我們使用數種方法和技術來切割玻璃片。最常使用的方法是利用硬質材料製成的滾輪機械劃線，其產生淺的裂口細縫-刻痕線-以及再沿著刻痕線藉由施加張應力***玻璃，該應力使裂口細縫成長經由玻璃片厚度。然而，這種機械劃痕和斷裂處理，可能會對緊鄰劃痕線的玻璃表面，以及沿著斷裂線的玻璃邊緣造成顯著的損壞。此外，這種處理會產生碎片聚集在玻璃表面上，需要徹底的表面清洗。因此，機械劃痕技術在需要高玻璃品質的玻璃技術領域中例如液晶顯示器工業是不受喜愛的。

其他廣為使用的方法包括使用雷射來劃線及/或分割玻璃。在一項技術中，使用雷射光束來劃線玻璃；然後以機械分割技術來分割玻璃。在另一技術中，當光束跨過玻璃片以及在玻璃片表面產生溫度梯度時，沿著光束的某距離以冷卻劑(譬如氣體或液體)加強。明確地說，以雷射加熱玻璃片以及以冷卻劑快速冷卻玻璃片在玻璃片內產生伸拉應力。以這種方式，沿著玻璃片產生劃線。接著藉由沿著劃線分割玻璃片，將玻璃片分割成較小片。又有另一種技術使用第一光束來劃線玻璃。使用不同配置的第二光束來完成雷射分割。

在傳統的雷射切割技術中，雷射光束無法深入穿透玻璃，有一些光束能量被反射，而大部分的光束能量都被玻璃薄片的表面層吸收。將熱進一步傳播到玻璃中，是由熱傳導來達成，這過程相當緩慢。因此，傳統的技術通常需要通過幾次雷射光束，及/或減慢切割速度以完全穿透玻璃片來達到分割。整個本體(貫穿玻璃片的整個厚度)之熱-誘發切割的"理想"輻射源應該要穿透玻璃板的整個厚度，在玻璃體內部有高的輻射吸收度以提供局部體積快速且均勻的加熱。在80-110GHz頻率範圍內的迴旋管微波輻射，符合這些"理想"的吸收條件。然而，波長在公釐範圍內的微波無法聚焦得夠好以達到局部加熱區，又能提供筆直的裂縫傳播。

由於典型微波(迴旋管)光束的功率分佈尺寸較大，因此傳統的微波切割方法無法產生直線切割。

本發明提供了系統和方法，使用雷射光束或其他局部熱源來導引相當寬的微波光束以分割玻璃片。兩個熱源的這種結合會產生應力場，在玻璃片中誘發較好的裂縫傳播方向，其主要由局部熱源來決定以達到直線分割。

在一項實施例中，描述了分割玻璃片的系統，其包含產生微波光束的微波光束產生器，反射元件，用來接收微波光束並將此微波光束導向玻璃片，在玻璃片上產生微波光束點，雷射，用來產生雷射光束，並將此雷射光束導向玻璃片，在玻璃片上產生雷射光束點，其中微波光束點和雷射光束點在玻璃片上至少有一部分重疊，以及移動系統，用來讓玻璃片或雷射光束和微波光束彼此相對移動，其中微波光束和雷射光束會橫越玻璃片的厚度產生溫差足以斷裂並分割玻璃片。

在另一項實施例中，提出了分割薄片的方法，其包含形成微波光束；將此微波光束從反射元件反射到玻璃片，產生大體上圓形的微波光束點聚焦在玻璃片上；將雷射光束導向玻璃片，在玻璃片上產生雷射光束點，其中雷射光束點至少有一部分跟微波光束點重疊；且讓玻璃片或雷射光束和微波光束彼此相對移動，其中雷射光束和微波光束橫越玻璃片的厚度產生熱-誘發應力差足以斷裂並分割玻璃片。

在另一項實施例中，描述了分割玻璃片的方法，其包含在玻璃片上形成裂縫；將微波光束導向玻璃片，在玻璃片上產生微波光束點；將雷射光束導向玻璃片，在玻璃片上產生雷射光束點，其中一部分的雷射光束點重疊一部分的微波光束點；發展玻璃片和雷射光束和微波光束之間的相對移動，其中雷射光束點和微波光束點的重疊部分會產生增大的功率密度，建立與相對移動對應的較好裂縫傳播方向。也就是說，此增大的功率密度在玻璃片產生窄區域的高應力，用來導引傳播中的裂縫(此裂縫最好遵循此高應力區)避免傳播中裂縫由於相當大尺寸的照射微波光束，而在傳播期間造成"漫遊"，因而產生脫離預定線的分割線。

本發明其他特性及優點揭示於下列說明，以及部份可由說明清楚瞭解，或藉由實施下列說明以及申請專利範圍以及附圖而明瞭。人們瞭解先前一般說明及下列詳細說明只作為範例性及說明性，以及預期提供概要或架構以瞭解申請專利範圍界定出本發明原理及特性。

提供本發明下列詳細說明作為以能夠以目前已知實施例最佳地揭示出本發明。關於此方面，熟知此技術者瞭解以及明瞭本發明在此所說明各項能夠作各種變化，同時仍然能夠得到本發明優點。人們本發明部份所需要優點能夠藉由選擇部份本發明特性而並不使用其他特性而達成。因而，業界熟知此技術者瞭解本發明可作許多變化及改變以及在特定情況中為需要的以及為本發明部份。因而，提供下列說明作為說明本發明原理以及並不作為限制用。

如上面簡要總結的，各實施例提供了系統和方法，使用微波光束和雷射光束來分割玻璃片。此系統例子包含微波產生器用來產生微波光束，和反射元件用來接收微波光束並將此微波光束導向玻璃片，在玻璃片上產生微波光束點。

此系統進一步包含雷射，用來產生雷射光束，並將此雷射光束導向玻璃片，在玻璃片上產生雷射光束點。在進一步方面，此系統可以包含移動系統用來讓玻璃片或雷射光束和微波光束彼此相對移動。如底下將進一步描述的，微波光束和雷射光束會橫越玻璃片的厚度產生溫度差值和對應的張應力足以傳播裂縫並分割玻璃片。

系統100包含微波產生器，用來產生微波光束，可以是例如但不局限於迴旋管110，不過可以產生光束形式之微波輻射的不同類型產生器也可以使用。迴旋管110用來產生微波光束112。如業界普遍知道的，迴旋管會產生低-發散角光束形式的公釐波長輻射。在一方面，迴旋管用來產生頻率範圍在大約80GHz到大約110GHz的微波輻射。在一特定方面，迴旋管產生頻率大約80GHz，而對應波長大約3.6公釐的微波輻射。迴旋管可以進一步包含氦-氮冷卻系統。

迴旋管110產生大體上圓形的微波光束112，且用來將此微波光束導向反射元件130，例如鏡子130。反射元件130接收微波光束，並將它導向玻璃片，在玻璃片102上產生微波光束點114，如圖2A-2F所示。微波光束點最好大體上是圓形，但是也可以是稍微橢圓的形狀，其中較長的長軸沿著切割線。在一方面，反射元件可以是拋物面鏡，如圖1所示。或者，可以使用平面鏡作為反射元件。

如上面所描述的，系統100進一步包含雷射120用來產生雷射光束124。系統100可以進一步包含雷射光束聚焦及/或光束塑形光學元件122。在一方面，可以使用CO₂ 雷射。此雷射將雷射光束導向玻璃片，在玻璃片102上產生雷射光束點126，如圖2A-2F所示。根據一特定方面，微波光束點114和雷射光束點126最好重疊在玻璃片上。也就是說，一部分的雷射光束點最好重疊一部分微波光束點。雖然在這裡將微波光束點和雷射光束點描述成"在"玻璃片上，但是要瞭解的是以自雷射光束的能量和微波光束的能量可以至少部分吸收在玻璃的厚度內。

如圖2A-2F所示，在一方面微波光束點114最好大體上是圓形具有第一個直徑。同樣的，雷射光束點126可以大體上是圓形，具有小於微波光束點第一個直徑的第二個直徑。通常，從迴旋管發射的微波光束具有Gaussian(高斯)強度分佈，不過也可能是更複雜的多模強度分佈。理論上，光束直徑定義成光束強度在尖峰值之1/e² 範圍內的兩點之間的距離，不過光束直徑也可以用材料表面上燒痕的直徑來估計。在一方面，微波光束點的1/e² 直徑小於等於大約25公釐，在大約10公釐到大約25公釐的範圍，在大約10公釐到大約15公釐的範圍，在大約10公釐到大約14公釐的範圍，或者在大約10公釐到大約12公釐的範圍。在一些實施例中，入射在玻璃表面之雷射光束點的直徑，小於等於大約3公釐，最好是從大約0.5公釐到大約3公釐的範圍。

在一方面，微波光束點和雷射光束點可以是同心圓，如圖2A所示。如圖2B所示，雷射光束點可以在微波光束點相對於玻璃的行進方向上偏離微波光束點。也就是說，雷射光束點和微波光束點的中心可以在縱向偏離，如圖2E的距離δ₁ 所示。例如，在玻璃片和微波光束點(和雷射光束點)之間相對移動的方向上，雷射光束點可以位於微波光束點的前方邊緣。在一特定方面，雷射光束點的中心可以距離微波光束點的中心至少大約6公釐。熟悉此技術的人都瞭解，圖2A-2F顯示的區塊箭頭，代表微波光束和雷射光束的移動相對於玻璃片的移動；因此，微波光束點的前方邊緣或前導部分是圖2A-2F中微波光束點的最左邊部分。

在一些實施例中，雷射光束點的中心在跟微波光束點相對於玻璃片之行進方向垂直的方向上，偏離微波光束點的中心如圖2F所示。也就是說，雷射光束點和微波光束點的中心可以橫向偏離，如圖2F的距離δ₂ 所示。在一些實施例中，雷射光束點和微波光束點的中心可以在縱向和橫向偏離。

在進一步方面，此系統可以包含光學組合122，例如一個或多個光學透鏡可以放置在雷射和玻璃片之間以成形雷射光束。例如，圓柱狀光學透鏡可以用來形成狹長(例如橢圓形)雷射光束，如此在玻璃片上產生狹長(例如大體上橢圓形)雷射光束點如圖2C和2D所示。如圖2C所示，在一方面，雷射光束點126可以位於微波光束點114的前方邊緣。或者，雷射光束點的放置可以使得雷射光束點的中心大體上重疊微波光束點的中心，如圖2D所示。在一方面，橢圓形雷射光束點的長軸可以大於微波光束點的直徑，而短軸可以小於微波光束點的直徑，如圖2D所示。或者，圓形及/或狹長(例如橢圓形)雷射光束點的中心可以偏離微波光束點的中心，使雷射光束點和微波光束點不重疊，如圖2E所示。

系統100也可以包含移動系統用來讓玻璃片或雷射光束和微波光束彼此相對移動。例如，在一個實施例中，玻璃片可以維持在固定位置，而移動系統可以用來控制迴旋管及/或反射元件，讓微波光束相對於玻璃片移動。同樣的，移動系統可以用來控制雷射，讓雷射光束相對於玻璃薄片移動。或者，微波光束和雷射光束可以沿著固定路徑導向玻璃片，而移動系統可以用來讓玻璃片相對於雷射光束和微波光束移動。在又另一方面，移動系統可以用來控制迴旋管，反射鏡，和雷射以移動微波光束和雷射光束，同時移動玻璃片。

圖1顯示的系統例子包含移動系統140，用來讓玻璃薄片102相對於大體上固定的微波和雷射光束移動。此移動系統可以包含支撐玻璃片的支撐表面144，和控制支撐表面移動的控制器142。在一方面，此支撐表面可以是一塊板子，例如金屬板，透過支座跟玻璃片分開，例如兩個或更多個石英磚或板150。石英磚可以藉由降低金屬板和玻璃薄片之間直接接觸所產生的熱散逸以增加玻璃的加熱效率。在進一步方面，讓支撐表面的金屬板跟玻璃片間隔一選定距離可以讓金屬板作為反射器，因而增加由於透射微波，和從金屬板反面反射回來的微波之間的干擾，產生之微波駐波的強度。根據一特定方面，金屬板或其他支撐表面和最接近之玻璃表面(也就是，圖1顯示之玻璃片102的下方表面)之間的距離可以選擇為等於nλ/2，其中λ是微波波長，而n等於1,2,3等等。在一些實施例中，支撐表面可以是空氣-軸承台。

所提供方法使用此處所描述的系統例子來分割玻璃薄片。根據一個實施例，可以在玻璃片102上形成初始瑕疵或裂縫，最好在玻璃片的邊緣。將微波光束導向玻璃片，產生微波光束點聚焦在玻璃片上。例如，如上面所描述的，可以使用迴旋管110來產生大體上圓形的微波光束112，從鏡子130反射到玻璃片102，在薄片上產生大體上圓形的微波光束點114。此方法也包含將雷射光束導向玻璃片，在玻璃片上產生雷射光束點。

在一方面，雷射光束點重疊至少一部分微波光束點。微波光束提供相對快且均勻的玻璃片加熱，而微波輻射可以穿透玻璃片(也就是，至少一部分接近微波光束點之玻璃片的厚度)。雷射光束作為局部加熱源，加熱玻璃表面上的小尺寸點和表面下方的薄玻璃層。雷射光束通常(決定於特定波長，和玻璃的光學特性)被初始表面層內的玻璃吸收，而無法深入穿透表面下方。跟雷射光束點重疊之微波光束點的結合功率密度大體上會增加，因而在玻璃中產生應力場使初始裂縫在由雷射光束和微波光束相對於玻璃片的移動，以及由結合雷射光束點和微波光束點所產生之應力場共同決定的方向上傳播過玻璃片。在一些實施例中，不需要初始裂縫。

如上面所描述的，在一方面，微波光束點和雷射光束點大體上都是圓形，而雷射光束點的直徑小於微波光束點的直徑，如圖2A和2B所示。如圖2B所示，在此方法的一項中，雷射光束點的中心可以遠離微波光束點的中心(例如，但不局限於距離至少大約6公釐)。雷射光束點可以位於微波光束點的前方邊緣至少部分定義了在玻璃片中所形成之裂縫的傳播路徑。或者，如前面所描述的，此方法可以進一步包含將雷射光束導引穿過光學透鏡以產生大體上橢圓形的雷射光束點如圖2C和2D所示。

此方法進一步包含讓玻璃片或雷射光束和微波光束彼此相對移動。為了說明起見，我們將此方法描述成將玻璃片相對於雷射光束和微波光束移動；然而，如上面所描述的，各種讓玻璃片和雷射光束和微波光束彼此相對移動的系統和方法都可以考慮。

在方法更進一步項目中，微波光束和雷射光束可以導向緊鄰裂縫的玻璃片。然後移動玻璃片使此裂縫沿著預定路徑傳播。在一方面，玻璃片可以透過移動系統沿著遠離初始裂縫的大致線性路徑移動。如此，當玻璃片移動時，裂縫會大體上沿著此線性路徑傳播。如上面所描述的，在一個實施例中，雷射光束點是狹長的。例如，雷射光束點可以大體上是橢圓形。在進一步方面，此狹長雷射光束點的長軸大體上平行，且對準玻璃片移動的大致線性路徑。

藉由結合微波光束和雷射光束，所描述的系統和方法使用微波輻射以提供玻璃的立體式加熱；並且使用雷射光束以達到藉以分割玻璃片之裂縫的精準度和平直度。換句話說，雷射光束點在跟它重疊的微波光束點部分產生增加的功率密度。增加的功率密度接著在玻璃中產生較大的應力(跟單獨使用微波光束點的情況相比)幫忙操縱裂縫。因此，雷射光束和所產生的雷射光束點可以用來導引裂縫的傳播。

範例：

圖3和4顯示根據目前發明的實施例，在玻璃片表面上的計算瞬時應力(張)，相對於跟迴旋管光束和雷射光束行進方向垂直之位置的相關圖分別針對同心圓的雷射-迴旋管光束設置(圖3)；和雷射光束在雷射光束和迴旋管光束行進方向上導引迴旋管光束的設置(圖4)。在後者的情況中，雷射光束中心和迴旋管光束中心之間的間隔大約是6公釐。迴旋管在功率輸出小於大約15kW，而頻率大約80MHz下運作。微波光束具有Gaussian強度分佈，光束在玻璃片(Corning Eagle XG玻璃，厚度大約0.63到0.7公釐)上之大致圓形入射面積的直徑大約是10-15公釐。雷射是運作波長10.6公釐的CO₂ 雷射，功率輸出小於大約100瓦，而在玻璃薄片表面上所產生的光束點直徑大約是1公釐。在兩個圖形中，X-軸代表離切割線的垂直距離，而Y-軸代表應力-單位帕斯卡。關於X-軸，在兩個圖中，2.25x10^-2 m都代表切割線的位置，也就是應力分佈圖的中心。玻璃片由玻璃磚支撐在鋼板上，使薄片跟金屬板沒有接觸。雷射光束和迴旋管一起以大約20公釐/秒到80公釐/秒的速度，在玻璃薄片的表面上方移動。當配合底下的表1來看時，雖然同心圓光束情況的應力稍微增加，但是雷射光束在光束行進方向導引迴旋管光束的情況跟圖3比較起來，在切割線附近產生相當尖銳的尖峰瞬時應力，這代表有更容易識別的應力路徑來傳播裂縫(較好的傳播路徑)，因此可以產生明顯更直的切割線。表1提供由雷射/迴旋管光束所產生之加熱區的最大溫度資料以及切割期間所產生的最大瞬時張應力。微波光束的資料只是用來作為參考。

最後，要瞭解的是雖然在這裡我們參考特定說明和特定實施例以詳細描述目前的發明，但是不應該被視為受限於此，因為可以有很多修改，卻不脫離申請專利範圍所界定出本發明的廣大精神和範圍。

100．．．系統

102．．．玻璃片

110．．．迴旋管

112．．．微波光束

114．．．微波光束點

120．．．雷射

122．．．光束成形光學元件

124．．．雷射光束

126．．．雷射光束點

130．．．反射元件

140．．．移動系統

142．．．控制器

144．．．支撐表面

150．．．石英磚

所包含附圖將更進一步提供瞭解本發明以及在此加入以及構成說明書之一部份，以及隨同說明作為說明本發明之原理。

圖1顯示出依據本發明實施例分割玻璃片之範例性系統。

圖2A為示意圖，其顯示出依據本發明實施例雷射光束點實質上與微波光束點為同心圓。

圖2B為示意圖，其顯示出依據本發明實施例雷射光束點與微波光束點部份地重疊。

圖2C為示意圖，其顯示出依據本發明實施例拉伸光束點雷射光束點與微波光束點部份地重疊。

圖2D為示意圖，其顯示出依據本發明實施例拉伸雷射光束點與微波光束點部份地重疊以及其中拉伸光束點之中心與微波光束點之中心重疊。

圖2E為示意圖，其顯示出依據本發明實施例雷射光束點相對於移動方向在微波光束點前方，但是其中雷射光束點並不與微波光束點重疊。

圖2F為示意圖，其顯示出依據本發明實施例雷射光束點相對於移動方向在微波光束點前方，以及其中雷射光束點之中心偏離微波光束點之中心，其方向垂直於雷射光束點與雷射光束點間相對移動之方向。

圖3為依據本發明實施例在分割過程中在玻璃片中所計算瞬間應力曲線圖，其中迴旋管光束以及雷射光束入射於玻璃片上為同心圓排列。

圖4為依據本發明實施例在分割過程中在玻璃片中所計算瞬間應力曲線圖，其中迴旋管光束以及雷射光束入射於玻璃片上，並使雷射光束之中心在迴旋管光束之中心前方大約6mm。