本发明涉及用于定向(ausrichten，对准)刻划工具并且用于沿着计划的刻划路径刻划玻璃、尤其薄玻璃的方法和设备，其用于借助刻划和断裂进行分离的准备工作。本发明还涉及借助所述方法制造的玻璃衬底、尤其薄玻璃衬底。
背景技术：
薄玻璃尤其应理解为厚度在1.2mm至3μm之间的范围中的平面式玻璃，其例如可制造成玻璃带或玻璃膜并且能够卷绕。在该申请的范围中，薄玻璃尤其理解成具有厚度最大为400μm、最大为145μm、最大为100μm、最大为50μm、最大为30μm、最大为20μm；但是最小厚度保持在3μm、或10μm或15μm的平板状或带状或薄膜状的玻璃。超薄玻璃(utg)具有小于150μm的壁厚。
薄玻璃应用于多种技术领域，例如应用在显示装置、用于光电子零件的窗口、构件的封装装置和电绝缘层或光伏领域中。对于这些应用形式需要小的薄玻璃板。但是薄玻璃尤其制成玻璃带或玻璃膜，其中，最新要求厚度<350μm。在需要将这种薄玻璃带或这种薄玻璃膜加工成较小的薄玻璃板时，例如在分离区域中或者在继续加工时的操作中存在多种问题。
由此存在薄玻璃通过不期望引入的最初损坏而提前断裂和不期望的断裂的风险，这导致边缘强度降低。为了应对提前的刻断分离，建立的刻划痕必须具有预先确定的性能。由此应使刻划痕尽可能具有均匀的深度，即，必须精确并且以尽可能恒定的挤压刻划力沿着计划的刻划路径引导刻划工具。在厚度范围在1.2mm至150μm之间时，这由于在刻划时设定得相对大的挤压刻划力而成功，但是在需要刻划更薄的玻璃或超薄的玻璃并且施加到薄玻璃上的挤压刻划力必须设置非常小的值时，此时提高了引入不期望的表面损坏的风险。
如果在刻划厚度低于50μm的超薄玻璃时使用金刚石针作为刻划工具，则必须使该针的刀锋精准地朝向移动方向。通常根据在工具上的标识手动地取向，因此非常麻烦。
在继续加工的范围中，通常期望薄玻璃不是作为小的、预制的薄玻璃板来提供，而是例如成板形或卷绕成卷形的薄玻璃，其为分割小的薄玻璃板做好准备。但是在被预先刻划的薄玻璃的情况下，这同样产生提前刻断分离的问题。对此，单个的断裂部就已经能够敏感地干扰继续加工过程，因为会产生玻璃颗粒，其对接下来的过程明显造成困难。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是，作为用于沿着刻划进行的断裂分离的准备，提供用于定向刻划针并且用于刻划玻璃衬底的设备和方法。
借助刻划和断裂分离(ritzbrechens，刻断)应获得小的薄玻璃板。但是，借助该设备和方法也可制造由玻璃构成的被预先刻划的板或膜，并且同时确保了被预先刻划的玻璃的可靠的继续加工。
对此，尤其应能够以小的并且恒定的切割力刻划薄玻璃和超薄玻璃(utg)，并且由此实现产生的刻痕的高的边缘强度。
此外，该设备和方法应能够应用在大型工业规模中，从而可进一步摒弃对刻划工具的大量的手动定向或甚至复杂的切割测试。
通过根据独立权利要求中任一项所述的用于定向刻划针并且用于刻划玻璃衬底的设备和方法以及被预先刻划的玻璃衬底，令人惊奇简单地实现了该目的。
本发明的优选的实施方式和改进方案从相应的从属权利要求中得出。
因此，本发明涉及用于定向刻划工具的方法，该刻划工具用于沿着预先确定的刻划路径刻划玻璃衬底以用于刻划和断裂分离，该方法具有下列步骤：
a.提供具有平面表面的玻璃衬底，
b.提供机械式刻划工具并且使其接近玻璃衬底，其中，刻划工具定向成沿预先确定的刻划路径进行刻划，但是不接触玻璃衬底，
c.将刻划工具的切割边缘预先定向成沿前进方向，
d.借助位置检测方法确定刻划工具的至少一个切割边缘的实际位置，
e.通过借助使切割边缘在与玻璃衬底的表面垂直的平面中旋转和/或通过倾斜切割边缘以改变其倾斜度，改变切割边缘的实际取向，来定向刻划工具，以便使刻划工具的切割边缘达到相对于前进方向所期望的目标取向。
根据本发明的方法还可包括以下步骤，将刻划工具降低到玻璃衬底的沿在前进方向上的刻划路径的表面上并且将切割力施加到刻划工具上。
然后，在刻划工具已被定向到目标取向上之后，可使刻划工具相对于玻璃衬底的待刻划的表面在前进方向上运动，以便沿着预先确定的刻划路径在玻璃衬底的表面上产生刻痕。
以这种方式可获得小的薄玻璃板。但是也可制造被预先刻划的玻璃板或膜、尤其是薄玻璃板或膜。
借助上述方法可在玻璃衬底的表面上产生刻痕之前自动地检测刻划工具的切割边缘的实际位置，即，切割边缘的当前取向，并且以非常高的精度将其定向成目标取向。而在手动地定向切割边缘时通常与理想取向有偏差，该偏差可在+/-5°或更多的范围中，而前述方法能够实现刻划工具的切割边缘的定向，相比于相应切割边缘的理想取向，即目标取向，该定向偏差显著低于+/-5°。目标取向限定刻划工具的切割边缘相对于刻划工具的前进方向的理想取向。
优选地，在产生刻痕时刻划工具的切割边缘的实际取向与目标取向的偏差小于+/-2°、优选小于+/-1°。因此，借助根据本发明的方法能够相对于规定的运动方向、即前进方向以及相对于待刻划的玻璃衬底的表面以高精度定向刻划工具的实际切割边缘。
以这种方式能够避免在刻痕中的不准确性、也可避免横向力作用到刻划工具上。由此也可避免形成在刻划路径中的可能的横向裂纹，其可导致被预先刻划的玻璃衬底的边缘强度减低，甚至导致提前的、不期望的沿着刻痕的断裂。
借助根据本发明的方法可实现刻划边缘的高的边缘强度，其值大约为300mpa。该值与通过co2激光切割方法制造的刻划边缘的边缘强度可比(vergleichbar)。高的边缘强度使得经刻划的玻璃衬底的不期望的并且提前的断裂的风险降低。
边缘强度可通过以下方法确定，该方法使用具有所谓的台阶旋轮的设备。在此，将试样表面压到圆形的、椭圆形的或抛物线形的模板表面上。由此迫使试样的一个区段以及进而试样的边缘的一个区段弯曲。该弯曲的弯曲半径r与拉应力σ成比例。此外所述方法基于这样的认识，拉应力σ随着弯曲半径r降低而升高。最终评估的是在何种拉应力σ下或在何种弯曲半径r下试样断裂。然后基于断裂应力σb得到边缘的强度。
对该设备以及该方法进行的描述可参考文献de102014110855.8，其由此以引用的方式包含在本文中。
因此，尤其在厚度小于350μm、尤其小于150μm的超薄玻璃的情况下，所述方法提供很多优点，因为在刻痕中观察到的几何条件非常狭窄，以便确保可重复再现的刻划和断裂分离。
此外，本发明的方法实现了对金刚石针的应用、尤其甚至是非常尖锐的金刚石针的应用，在其中，要求在刻划期间刻划工具精确定向并且对刻痕的深度和边缘倾斜度的要求非常高。金刚石针的特征在于非常高的使用寿命并因此实现非常经济的方法。
通过根据本发明的方法可取消至今常用的具有接下来对刻划路径进行光学显微镜分析的一系列切割测试。
因此，甚至在没有复杂的手动干预的生产条件下也可以成功地进行该方法。由此例如也可在刻划操作期间更换刻划工具，其中，由于刻划工具的相应切割边缘的取向使得刻痕品质没有改变。
玻璃衬底可为盘、板、带或膜。机械式刻划工具移近待刻划的玻璃衬底，优选以其切割边缘已经粗略定向到前进方向中，即，预先确定的刻划路径的方向。在与玻璃衬底的表面的第一接触之前，以光学方式检测刻划工具的切割边缘的精确位置。
对此，根据本发明借助位置检测方法确定刻划工具的至少一个切割边缘的空间取向、即实际取向。对此，位置检测方法基于三角测量法的原理，在其中，设置用于发出电磁辐射的射线源和用于接收该电磁辐射的探测器。优选地，辐射源是光源，尤其点状光源。探测器可为光电探测器。
由光源发出的光照射到刻划工具的包括至少一个切割边缘的区域上并且从此处反射的光被光电探测器接收。
在此利用的是，刻划工具的磨平的面(其例如在切割边缘两侧延伸)具有反射作用并且因此像镜子一样起作用。如果此时刻划工具暴露于在至少一个切割边缘的区域中来自前进方向的电磁辐射，则由边缘反射的辐射部分被探测器捕获并且用于定向。
为了进一步支持定向，借助模板可以标示辐射源相对于刻划工具的切割边缘的距离和投影图像点的要求位置。以这种方式可以在仅非常少的调整措施的情况下改变切割边缘相对于前进方向的取向并且将切割边缘设置到目标取向中。
基于关于辐射源的距离和角度的几何信息和使用刻划工具上的至少两个反射面，切割边缘可以通过在与待切割的玻璃衬底垂直的平面中旋转而移动到其目标取向中。如果刻划工具在切割边缘的区域中具有第三反射面，在使用该第三反射面的情况下也可确定切割边缘相对于玻璃衬底的待切割的表面在前进方向上的倾斜度并且将其移动到目标取向中。
因此通过借助在与玻璃衬底的表面垂直的平面中旋转切割边缘和/或倾斜切割边缘以改变其倾斜度来改变实际取向而改变刻划工具在其安装位置中的取向并且以这种方式使其达到期望的目标取向。该目标取向限定了切割边缘相对于前进方向以及相对于玻璃衬底的待刻划的表面的位置。对此，切割边缘的倾斜度是由平行于切割边缘的直线和通过待刻划的玻璃衬底的表面确定的平面得到的角度。
为了辅助改变切割边缘的取向，可设置用于精调的装置，其可有利地集成到例如工具机这样的设备中。
例如可通过切割试验和随后的对刻痕的分析得出刻划工具的切割边缘的目标取向并且将其存储在数据库中。切割边缘的目标取向可取决于刻划工具的切割边缘的材料和几何结构、待刻划的玻璃衬底的玻璃组成和玻璃衬底的厚度。
在成功定向刻划工具的切割边缘之后，刻划工具可以与玻璃衬底的表面形成接触并且可以施加切割力。然后刻划工具和玻璃衬底可相对于彼此运动，从而沿着预先规定的刻划路径产生刻痕。对此沿着计划的刻划路径在前进方向上在玻璃衬底的表面上引导刻划工具。
为了刻划薄玻璃或超薄玻璃，需要非常小的切割力。为了产生高品质的刻痕，对此在刻划期间需要保持预先设定的切割力恒定。为了将刻痕引入这种玻璃衬底中，设置最大为1n、优选最大为0.7n并且特别优选为0.5n的切割力，并且其中，在刻划操作期间与预先确定的切割力的偏差最大为0.01n。
借助该方法可对具有不同厚度的玻璃衬底进行刻划。但是，该方法特别适用于刻划薄玻璃。薄玻璃可包括超薄玻璃(utg)。因此，待刻划的玻璃衬底可具有最大400μm、最大145μm、最大100μm、最大50μm、最大30μm、最大20μm的厚度。
在一个优选的实施方式中，刻划工具包括刻划针，以便产生精确的刻痕。特别优选地，刻划针具有用于产生刻痕的刻划金刚石，其除了高精度的切割边缘以外也实现刻划工具的高的使用寿命。
在此，刻划金刚石在其切割区域中具有磨平的多个面，其在顶端交叉并且在从顶端延伸的共同的边缘处相交。这些边缘限定了切割边缘。优选地，顶端构造成尖的截顶形状。对此，顶端例如可构造成金字塔截顶、四面体截顶或八面体截顶。顶端的这种形状能够实现在工具上的多种不同的切割边缘。
在本发明的另一方案中，提出用于定向刻划工具的设备，所述刻划工具用于沿着预先确定的刻划路径刻划玻璃衬底以用于刻划和断裂分离。该设备对此包括执行位置检测方法以确定刻划工具的切割边缘的实际取向的装置。此外，所述设备包括用于调节、优选用于精调切割边缘的装置。用于精调的装置可以通过在与玻璃衬底的表面垂直的平面中旋转切割边缘和/或倾斜切割边缘来改变其倾斜度，来改变切割边缘的取向，使得其能够达到期望的目标取向中。
用于根据上述方法定向刻划工具的设备，所述刻划工具用于沿着预先确定的刻划路径刻划玻璃衬底以用于刻划和断裂分离，该设备对此可包括下列部件：
-工具机，
-可驱动的进给单元，
-切割头
-刻划工具，
-用于沿着预先确定的刻划路径拉动刻划工具的驱动机构，
-位置检测装置，其用于检测刻划工具的至少一个切割边缘的几何结构相对于刻划路径并且相对于玻璃衬底的待刻划的表面的实际取向，
-用于确定设定值的处理单元，该设定值用于将刻划工具从实际取向定向到目标取向中，
-用于精调刻划工具的机械式装置，以便通过使其倾斜或旋转而使刻划工具由实际取向达到预先确定的目标取向中。
包括刻划工具的切割头是普遍已知的并且例如能够如文献de102014117641.3公开的那样构造。
用于精调的装置在此实现了将刻划工具牢固地保持在安装位置中。但是用于精调的装置还进一步实现了切割边缘的安装位置在空间上的改变。用于精调的装置也可构造成自动的，例如具有线性驱动器，以便改变刻划工具的安装位置，使得切割边缘从实际取向达到目标取向中。
本发明的另一方面涉及制造例如呈板状或膜状的被预先刻划的玻璃衬底作为用于在随后的时间继续加工的半成品，其中，之后在时间上错开地进行被预先刻划的玻璃衬底的分离。
附图说明
下面根据优选的实施方式并且参考附图更详细地描述本发明。本发明的其他细节从所示的实施例的说明和所附权利要求书中得出。
图1示出了薄玻璃在刻划期间的示意图；
图2示出了预先刻划的玻璃衬底的局部的俯视图；以及
图3示出了部分刻划的玻璃衬底的俯视图。
具体实施方式
在下面对优选的实施方式的详细描述中，为了清楚，在这些实施方式中相同的附图标记基本表示相同部件。但是，为了更好地示出本发明，在附图中所示的优选的实施方式不是始终按正确比例显示。
图1示意性地示出在玻璃衬底1中建立刻痕3。刻划头2包括机械式刻划工具20。刻划工具20包括切割用金刚石，其具有前部的切割边缘21，前部的切割边缘也可称为弓形切割边缘。刻划工具20相对于玻璃衬底1的运动方向对应于前进方向并且以“a”示出。玻璃衬底1是薄玻璃板，如应用于生物、医学技术、电气工程或电子领域中的部件的薄玻璃板。
为了确定切割边缘21的实际取向，建议如下位置检测方法，其使用光源和光电探测器。对此，该位置检测方法基于三角测量法的原理，在其中，从光源发出的光照射到测量区域上并且被测量区域反射的光被光电探测器接收。
在本发明中的测量区域是刻划工具的指向前进方向的区域，其包括至少一个切割边缘21。
在图1中示意性示出点式光源10和光电探测器11。辐射源布置在前进方向上。点式光源10的电磁辐射12朝刻划工具20的切割边缘21的方向射出。该辐射12的一部分入射在刻划工具上并且在切割边缘21上部分地被反射。被反射的电磁辐射13的一部分此时可回射到光电探测器11上并且在此被探测。
因此，可借助光电探测器11检测在切割边缘21上反射的电磁辐射13。然后通过计算机辅助可确定切割边缘21相对于计划的前进方向和玻璃衬底的表面的实际位置。在示出的情况中，刻划工具20已经定向到目标取向中，从而可实现刻痕3。
因此，通过使切割边缘21在垂直于衬底1的表面的平面中旋转和/或通过使切割边缘21倾斜以改变其倾斜度而将刻划工具20从其实际取向定向到所需的目标取向中以产生最佳的刻痕。根据在图1中用“x”表示的旋转轴线使切割边缘21倾斜。倾斜导致由沿着切割边缘和前进方向a得到的角度会发生变化。由此可设定预先确定的角度，所述角度限定切割边缘相对于前进方向的倾斜度。
示意图示出单个的刻划头，而在实际中通常也进行多个阵列，以便同时产生多个刻痕。
此外，在刻划工具20中设置通道25，通道朝向刻划工具的后侧引导并且将喷射液体(absprengflüssigkeit)输送给由刻划工具形成的刻痕3。由此刻痕3通过喷射液体被润湿。由此，在玻璃衬底1上形成湿气膜。为了促进随后的用于制造薄玻璃板而进行的分离，加热该湿气膜直至其至少部分地蒸发，结果刻划痕裂开，以形成更小尺寸的板。分离可在产生刻痕之后立刻进行或者也可在之后的时间点、例如在后续的继续加工期间进行。对此，为分离工序设置具有小火焰的燃烧器头，其顶端沿着刻痕3从下侧引导，以便在此局部地加热玻璃衬底并且导致喷射液体蒸发。以这样方式在刻痕3中产生的爆破力导致玻璃衬底裂开并分离成各个薄玻璃板。
在图2中示意性地示出了被预先刻划的玻璃衬底1的局部的俯视图。示出的玻璃衬底1是厚度最大为150μm的超薄玻璃。玻璃衬底1的上表面设置有刻划路径2的图案，其沿着已经产生的刻痕3延伸并且将待分离的薄玻璃板彼此划分界限。
玻璃衬底1的在图2中用“y”表示的纵向延伸方向在此对应于这样的轴线，刻划工具20可围绕该轴线旋转，以便从实际取向达到目标取向。玻璃衬底1的用“x”表示的横向延伸方向对应于这样的轴线，刻划工具20可绕该轴线倾斜，以便改变在前进方向上的倾斜。因此，刻划工具20可围绕与玻璃衬底1的两个水平方向平行延伸的轴线旋转。
最后，图3示出了被部分刻划的玻璃衬底1的俯视图。刻划工具20优选包括至少一个具有切割边缘21的金刚石4。此外，金刚石4可围绕在图3中用“z”表示的轴线旋转。该旋转实现了切割边缘21在刻划工具20的前进方向“a”上的定向并因此用于调节切割力。
为了刻划而所需施加的切割力非常小并且在厚度小于400μm的薄玻璃的情况下最高为1n。在厚度处于50至150μm的范围中的超薄玻璃衬底的情况下，需施加的切割力根据切割角和金刚石几何结构最高为0.7n，优选最高为0.5n。在更薄的玻璃衬底的情况下，所需的切割力还更低，即大约0.3n。
对此，在刻划期间施加尽可能恒定的切割力，该切割力在刻划过程期间最大变化0.05n，优选小于0.025n，以便产生尽可能恒定的刻痕3。
为了实施根据本发明的方法，提供了用于定向刻划工具的设备，所述刻划工具用于沿着预先规定的刻划路径对玻璃衬底进行刻划以用于刻划和断裂分离，该设备包括工具机(未示出)。
此外，该设备包括可驱动的进给单元、刻划工具20以及驱动机构，驱动机构用于沿着预先确定的刻划路径拉动刻划工具。对此，可设置可驱动的进给滑块。刻划工具20可沿着水平方向x和y移动。为了在z方向上调节，设置进给滑块，其优选包括精密驱动器。通过具有精密驱动器的切割头(其例如在文献de102014117641.3中公开)可在玻璃衬底1上产生刻划工具20的刻划接触压力。
根据本发明，该设备配备有位置检测装置以用于检测刻划工具的至少一个切割边缘的几何结构相对于刻划路径并且相对于玻璃衬底的待刻划表面的实际取向，其包括辐射源10和光电探测器11。
最后，提供一种用于确定使刻划工具从实际取向定向到目标取向中的设定值的处理单元。
为了定向刻划工具20，设置用于对刻划工具20进行精调的机械装置，其使得刻划工具20倾斜，以改变其相对于待刻划的玻璃衬底1的倾斜度并且使得刻划工具20在与待刻划的玻璃衬底1的表面垂直的平面中旋转。
对刻划工具的定向也可自动化地进行。对此，设置具有闭环控制回路的过程控制，其包括位置检测装置、实际值/目标值控制器和精密驱动器以及用于精调的装置。实际值/目标值控制器包括用于输入和存储关于定向切割边缘的取向的目标值的目标值存储器。目标值可取决于切割边缘的材料和几何结构、玻璃衬底1的厚度、玻璃类型、环境条件以及切割基座。
根据刻划工具20的切割边缘21的所检测的实际取向以及与用于切割边缘21的目标取向的存储值的比较，用于精调的装置配备有驱动器并且这样驱动，即，使得在切割边缘21的定向中偏差最小化。
一旦达到切割边缘21的目标取向，将信号发送给精密驱动器并且刻划工具20降低到玻璃衬底的表面上。在施加规定的切割力之后，驱动机构根据规定的刻划路径驱动进给滑块，从而可沿着规定的刻划路径产生刻痕。
借助根据本发明的方法和设备可制造厚度在400μm和10μm之间、优选最大150μm的薄玻璃板和超薄玻璃板。但是也可制造具有下列特征的被预先刻划的玻璃衬底：
-玻璃衬底的厚度在400μm和10μm之间的范围中，优选最大150μm，
-刻划深度在玻璃衬底的厚度的1/20和1/5之间，以及
-至少一个刻痕的边缘强度为至少300mpa。