在基板、研磨轮和覆盖物中形成凹槽的方法技术领域
本公开涉及用于在基板中形成凹槽的方法和材料、以及从其制成的覆
盖物。
背景技术
在平坦基板中形成凹槽已通过蚀刻工艺、模塑工艺和使用磨料混悬液
的抛光法进行。
美国专利申请公开2012/0270016A1(Hashimoto等人)描述用于在移
动设备诸如触摸面板移动电话中使用的具有凹槽的覆盖玻璃，其中当从移
动设备前侧观看时，所述凹槽可被识别为字符或数字，或者当从移动设备
的前侧触摸时，可被识别的凹槽是在覆盖玻璃的相对主表面的至少一个上
形成。这种凹槽的表面由化学蚀刻工艺引起。此类方法可涉及危险化学
品，难以控制，和/或可改变覆盖玻璃的表面粗糙度或化学组成。
美国专利申请公开2012/0287057A1(Wei)描述了包括带有可用于形
成用于使用者装饰或辨别的字母、数字或图案的多个凹面形状或凸面形状
的实心雕刻区域的一体化玻璃。所述形状通过其中向模具压贴受热玻璃预
成型件的工艺形成。这种高耗能工艺涉及专门的设备(例如，用于加热玻
璃预成型件的烘箱)，并且可能不能很好地适用于低体积或其中模具制造
成本可使其不经济的定制应用。
已经可以商购获得各种压痕磨床(例如，E.A.Fischione仪器公司(E.
A.FischioneInstruments,Inc.)销售的型号200压痕磨床)。所述设备通常
用于制备用于透射电子显微镜(TEM)的高质量标本并且用作用于评估涂
料磨损的测试。设备包括接触水平旋转塔板的竖直取向的转轮，其中水平
旋转塔具有安装于其中的基板。轮自身(其可为例如不锈钢、胶纸板或木
材)不包含磨料颗粒，但在液体赋形剂中与包含磨料颗粒的浆液结合地使
用。这种工艺相对缓慢、杂乱、浪费磨料颗粒，并且可导致凹槽形状畸
变、较差光洁度并且缺少再现性。
需要克服上述缺点中的一些或全部的用于在基板中产生凹槽的新方法
和材料。
发明内容
本公开通过提供能够在基板(诸如，例如，覆盖玻璃)中以快速低公
差制造凹槽特征部的方法和材料，解决上述问题。有利地，根据本公开的
方法另外能有效地以简单的工艺以比浆液抛光工艺高的速率除去材料和/或
抛光所得的表面，其具有更少的杂乱和垃圾，并且具有良好的再现性。在
形成凹槽后，表面抛光通常改善玻璃的强度。
在一个方面，本公开提供了一种在基板的表面中形成凹槽的方法，所
述方法包括：
提供包括沿支撑构件的周向表面设置的结构化磨料构件的磨料制品，
其中所述结构化磨料构件包括结构化磨料层，所述结构化磨料层包含固定
到背衬的成形磨料复合物，其中所述背衬邻近支撑构件，并且其中成形磨
料复合物包含保持在粘结剂材料中的磨料颗粒；
使结构化磨料层与基板的表面摩擦接触；
相对于基板的表面纵向推进结构化磨料层；
围绕垂直于基板的表面的旋转轴线旋转基板，使得结构化磨料层保持
接触并研磨基板的表面，从而在其中形成凹槽。
在另一方面，本公开提供包括设置在圆形支撑轮的周向表面上的结构
化磨料构件的研磨轮，其中结构化磨料构件包括结构化磨料层，所述磨料
层包含固定到背衬的成形磨料复合物，其中背衬邻近支撑轮，其中成形磨
料复合物包含被保持在粘结剂材料中的磨料颗粒，其中支撑轮具有外径并
且结构化磨料构件具有基本上均匀的宽度，并且其中结构化磨料构件的宽
度对支撑轮的外径的比率小于或等于0.125。
例如，研磨轮可用于操作根据本公开的方法。
在另一方面，本公开提供了一种覆盖物，其包括：
具有第一主表面和与之相对的第二主表面的片材，其中片材包括玻
璃、陶瓷或它们的组合；
邻接第一主表面并从第一主表面向内延伸的球形凹入凹槽，其中球形
凹入凹槽具有最内部分；以及
圆柱形通道，该圆柱形通道在第二主表面和球形凹入凹槽的最内部分
之间延伸并邻接第二主表面和球形凹入凹槽的最内部分，并且其中圆柱形
通道垂直于第一主表面。
在另一方面，本公开提供了一种覆盖物，其包括：
具有第一主表面和与之相对的第二主表面的片材，其中片材包括玻
璃、陶瓷或它们的组合；
邻接第一主表面并从第一主表面向内延伸的第一球形凹入凹槽，其中
第一球形凹入凹槽具有最内部分；
邻接第二主表面并从第二主表面向内延伸的第二球形凹入凹槽，其中
第二球形凹入凹槽具有最内部分；以及
圆柱形通道，该圆柱形通道分别在第一球形凹入凹槽的第一最内部分
和第二球形凹入凹槽的第二最内部分之间延伸并邻接第一球形凹入凹槽的
第一最内部分和第二球形凹入凹槽的第二最内部分，并且其中圆柱形通道
垂直于第一主表面。
根据本公开的覆盖物易于使用本公开的方法和材料生产。
如本文中所用，
“磨料复合物”是指保持在有机粘结剂材料(通常为交联聚合材料)
中的磨料颗粒的混合物；
“显示器覆盖物”是指能够用作电子显示器的覆盖物的任何透明材料
(例如，玻璃或蓝宝石)；
“浅凹”是指形成于表面中的凹槽，其中所述凹槽具有对应于球体的
部分表面的表面；
“摩擦接触”意指迫使接触足够的力以建立摩擦力(例如，如通过静
和/或动摩擦系数表示)；
“纵向推进”意指在普通使用过程中，当研磨轮或带研磨基板时，沿
着研磨轮或带的最外研磨表面的行进方向移动；
“成形磨料复合物”是指具有预定形状的磨料复合物，所述预定形状
从用于形成成形磨料复合物的模具腔复制；以及
“球形凹表面”意指为球体的一部分的形式凹弯曲的表面。
在考虑具体实施方式以及所附权利要求书之后，将进一步理解本公开
的特征和优点。
附图说明
图1为用于操作根据本公开的一种方法的示例性配置的示意性侧视
图；
图1A为图1所示的区域的放大示意性俯视图；
图2为适用于操作本公开的结构化研磨轮的示意性透视图。
图2A为图2中研磨轮130的一部分的放大示意性俯视图；
图3为根据本公开的示例性覆盖物的示意性侧视图；
图4为根据本公开的另一个示例性覆盖物的示意性侧视图；
图5为根据实例2产生的浅凹的表面轮廓。
图6为根据比较例A产生的浅凹的表面轮廓。
在说明书和附图中重复使用的标记旨在表示本公开相同或类似的特征
部或元件。应当理解，本领域的技术人员可设计出许多其他修改和实施
例，这些修改和实施例落入本公开原理的范围和精神内。附图可不按比例
绘制。
具体实施方式
图1示出根据本公开的一种示例性方法100。现在参见图1，当由第一
电机190驱动的研磨轮130(还可参见图2和下文描述)摩擦接触安装在保
持组件127中的基板120的表面122，并且由第二电机192驱动的研磨轮
130旋转时，浅凹110(示例性凹槽)在基板120中形成。在所示的实施例
中，研磨轮130围绕第一旋转轴线162旋转。当它旋转时，研磨轮130的
结构化磨料层136沿第一方向160在基板120的表面122处纵向推进(参见
图1A)。同时，基板120围绕基本垂直于第一旋转轴线162的第二旋转轴
线164旋转。随着工艺继续，浅凹110逐渐形成，其中浅凹的尺寸由磨料
制品进入到基板中的渗透深度制约。
发生研磨的速率将取决于因素诸如摩擦接触压力、磨粒尺寸、研磨轮
(或研磨带)的旋转速度、磨粒颗粒尺寸和硬度以及成形磨料复合物的形
状和密度。通常，较大较硬的磨粒颗粒研磨最快，但留下比小和/或较软磨
粒颗粒粗糙的光洁度。因此，使用相对较大和/或较硬的磨料颗粒(例如，
使用3MTRIZACT金刚石瓦片677XA20-微米金刚石标称等级结构化磨
粒)以在凹槽中粗糙进行工艺，然后使用较小和/或较软磨料颗粒(例如，
使用3MTRIZACT研磨膜二氧化铈M-568XA(0.5微米)结构化磨料)重
复所述工艺以提供光学抛光的光洁度是期望的。
对于较大凹槽(例如，大于约0.125英寸的浅凹)，通常优选诸如上
述的两步过程。对于较小凹槽，在单次应用所述方法时，单个步骤可足够
快以实现细小表面光洁度(例如，使用二氧化铈磨料)。
现在参见图2A，示例性研磨轮130包括沿支撑轮131的周向表面134
设置的结构化研磨构件132。结构化研磨构件132包括固定到背衬139的结
构化磨料层136。结构化磨料层136包含成形磨料复合物138，所述成形磨
料复合物138包含保持在有机粘结剂材料152中的磨料颗粒150。结构化磨
料层136具有基本上均匀的宽度142。为了可用于形成高质量浅凹，支撑轮
131具有直径144。宽度142对直径144的比率小于或等于0.125。
有利地，根据本公开的方法可在不存在添加的松散磨料颗粒和/或添加
的包含在液体赋形剂中的磨料颗粒的磨料浆液时进行，但这不是要求。这
通常导致减少的杂乱和垃圾，并且提供更明显的边缘清晰度，其中凹槽接
触基板的周围表面。
磨料制品可包括，例如，研磨轮(例如，如图1和图2所示)或研磨
带。优选地，支撑构件的宽度应与结构化磨料层的宽度大致相同，其中所
示结构化磨料层安装到其外周向表面，但这不是必要条件。磨料制品通常
由电机驱动，但也可使用手动动力。
优选地，结构化磨料层在与基板的表面摩擦接触时，围绕旋转轴线被
纵向推进。在磨料制品为研磨轮的情况下，这一点被固有地实现并且还对
应于研磨轮围绕轮(例如，驱动轮或导向轮)的行进。在此类实施例中，
磨料制品的旋转轴线和基板的表面不应平行。在一些实施例中，它们基本
垂直；然而，这不是必要条件。
为在基板中形成浅凹，磨料颗粒与基板之间的摩擦接触区域通常包括
在基板的旋转轴线上的点，其对应于浅凹的最深点。
在其它实施例中，磨料制品与基板之间的摩擦接触区域可相对于基板
的旋转轴线移动。例如，如果基板的表面围绕第一旋转轴线旋转，并且研
磨轮围绕第二旋转轴线(即，不平行于第一旋转轴线)旋转，则研磨轮和/
或基板可沿平面中平行于基板表面的第三不同方向平移。此类运动通常将
导致沟槽，所述沟槽具有成型为具有球体圆形端部的圆柱的一部分的表
面。
在另一实施例中，磨料制品和基板之间的摩擦接触区域可从基板的旋
转轴线偏离。例如，如果基板的表面围绕从摩擦接触区域横向偏离的第一
旋转轴线旋转，并且研磨轮围绕第二旋转轴线(即，不平行于第一旋转轴
线)旋转，则所述方法通常将导致具有对应于环的一部分的表面的环状凹
槽。
在根据本公开的方法的实施过程中，在磨料制品和基板的表面之间建
立摩擦接触，随时间推移导致磨料制品渗入到基板中。因此通过对磨料制
品和/或基板施加一定水平的力，实现了基板的研磨和凹槽的形成，所述力
与磨料制品和基板的其它运动结合迫使它们朝向彼此。所施加的力的适当
量的选择在本领域的普通技术人员的能力范围内。优选地，所述力足以实
现良好的研磨速率，但不太高以致发生粘滞。
在一些实施例中，在研磨基板时，磨料制品垂直地对准基板的表面。
在一些实施例中，磨料制品可相对于基板的表面以小于90、80、70、60、
50、40、30度或甚至小于20度的角度倾斜。
在基板的研磨过程中，研磨液体可用于减少热积聚和/或带走碎屑。研
磨液体包括，例如，水、包含一种或多种表面活性剂的水(例如，如美国
专利7,278,904B2(Woo等人)中所述)、油、乙二醇或其它润滑剂。
基板可包括任何形状。在一些实施例中，基板具有基本平的表面，而
在其它实施例中表面可为凸面、凹面、平面的或它们的组合。合适的基板
形状的示例包括片材、块、晶片和切片。基板可包含任何材料，但优选基
板(并且尤其是待研磨的基板表面)包含玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷材料中的
至少一种。合适的玻璃的示例包括碱石灰硅石玻璃、硼硅酸盐玻璃、氟化
物玻璃、铝硅酸盐玻璃(例如，磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃，硫属元素化物
玻璃)和化学强化玻璃(例如，对应于离子交换含碱金属玻璃如碱石灰硅
酸盐，碱金属硼铝硅酸盐和碱金属铝硅酸盐(例如，包括由纽约康宁
(Corning,NewYork)的康宁以商品名“大猩猩玻璃(GORILLA
GLASS)”销售的那些))。合适的陶瓷的示例包括氧化铝、蓝宝石、红
宝石、氧化锆、氧化钇和/或包含稀土氧化物的玻璃陶瓷，以及它们的组
合。在优选的实施例中，基板为透明的，但这不是必要条件。在那些实施
例的一些中，基板优选基本上无色。在一些实施例中，基板包含金属或金
属合金。
有利地，根据本公开的方法可创建多种凹槽，包括，例如，浅凹、椭
圆体凹槽(即，具有成型为椭圆体的一部分的表面)、槽和环(例如，所
按压的环或具有成型为环形的一部分的表面的沟槽。在典型实施例中，凹
槽具有光滑连续凹表面，但这不是必要条件。另外，在典型实施例中，凹
槽突然终止于邻接基板的表面的明确边界，但这不是必要条件。凹槽的这
些特性使得所述方法非常适用于制备覆盖物(例如，适用于使用手指或触
笔进行触觉交互的显示器覆盖物)。
根据本公开的方法可用于在覆盖物诸如，例如显示器覆盖物、医疗装
置覆盖物和/或传感器设备覆盖物中形成具有复杂形状的凹槽。例如，可形
成浅凹，其中心位于(即，通过)延伸穿过基板的圆柱体孔上方。在该实
例中，通常优选的是在操作根据本公开的一种或多种方法之前形成圆柱体
孔(例如，通过钻孔)。通过这样做，可在研磨过程中去除由钻孔形成的
薄片。
现在参见图3，覆盖物300包括化学强化玻璃片310，所述化学强化玻
璃片310具有第一主表面320和与之相对平行的第二主表面322。球形凹入
凹槽330邻接并从第一主表面320向内延伸。在其最深点350处，球形凹
入凹槽330邻接圆柱形通道340，所述圆柱形通道340在球形凹入凹槽330
和第二主表面322之间延伸并邻接球形凹入凹槽330和第二主表面322。圆
柱形通道340垂直于第一主表面320和与之相对平行的第二主表面322。
现在参见图4，显示器覆盖物400包括具有第一主表面420和与之相对
平行的第二主表面422的蓝宝石片410。第一球形凹入凹槽430邻接并从第
一主表面420向内延伸。第二球形凹入凹槽432邻接并从第二主表面440
向内延伸。圆柱形通道440，其在第一球形凹入凹槽430和第二球形凹入凹
槽432之间在它们的最深点450,452处延伸并邻接第一球形凹入凹槽430
和第二球形凹入凹槽432，垂直于第一主表面420和与之相对平行的第二主
表面422。
诸如图3和图4所示的那些的凹槽可用于制造为在邻近显示器覆盖物
的交互元件的制造中的组件。
在本公开的方法的开发过程中，本发明人开发了磨料制品和适于与本
公开方法一起使用的制备所述磨料制品的方法。现在将详细讨论这些内
容。
使用结构化磨料，诸如，例如图2A中的结构化磨料构件132，可形成
可用于操作本公开的研磨轮和研磨带。在一种方法中，结构化磨料的条带
附着到支撑轮的周向表面(例如，边缘)(通过配有合适的机械固定系统
以连接至驱动源)。合适的粘合剂的示例包括胶水、压敏粘合剂和环氧树
脂，但可使用能够制备固定粘结的任何材料。
虽然在图2A中，结构化磨料构件132固定到支撑轮，但通过省略支撑
轮，例如，根据熟知的技术，可制备结构化研磨带。
合适的结构化磨料具有固定到背衬主表面的结构化磨料层。合适的背
衬通常具有前表面和背表面。可用于制备背衬的材料的代表性示例包括聚
合物膜(包括涂底漆的聚合物膜)、可压缩的弹性泡沫(例如，弹性体泡
沫)、织造织物、针织物、非织造织物以及它们的组合。为用于研磨轮，
背衬优选包含聚合物膜。为用于研磨带，背衬应具有足够的尺寸稳定性和
耐久性，并且优选地包括织造或针织材料。可使用膜背衬并且可包括增粘
剂或防滑涂料。在一些优选的实施例中，背衬可为具有约2至8密耳(50
至约200微米)厚度的聚对苯二甲酸乙二酯膜。
背衬可对紫外线或可见辐射透射或不透明，或者可对紫外线和可见辐
射两者透射或不透明，但这不是必要条件。背衬还可经受一次处理或多次
处理，以密封所述背衬或改变所述背衬的一些物理特性，或两者。这些处
理在本领域中是已知的。例如，布料背衬可包含浸渍涂料、背部面漆涂
料、预涂面漆涂料或它们的任何组合。浸渍涂料使背衬饱和并且填充背衬
中的较小开口。被施用到背衬背侧的背部面漆涂料在使用过程中可保护纤
维或纱。预涂面漆涂料施用到背侧的前侧。在布料的前侧的预涂面漆涂料
起到密封布料的作用。可用于处理布料的树脂的示例包括酚醛树脂、胶
乳、环氧树脂、丙烯酸酯、丙烯酸改性环氧树脂、丙烯酸改性聚氨酯、聚
酯、淀粉以及它们的组合。用于处理布料的树脂还包含添加剂，诸如，例
如填料、纤维、偶联剂、润湿剂、染料和颜料。
可通过以下步骤在背衬上形成结构化磨料层：用磨料颗粒和可固化粘
结剂前体的混合物填充生产工具中的腔，使背衬与生产工具和粘结剂前体
接触，并且然后充分固化粘结剂前体，使得背衬从生产工具的分离致使形
成于生产工具中的成形磨料复合物保持固定到背衬，从而形成结构化磨料
层。
结构化磨料层层固定到背衬，使得其在预期使用过程中不与背衬分
离。成形磨料复合物可具有任何形状，但通常包括金字塔(例如，3或4面
金字塔)、截棱锥(例如，3或4面截棱锥)、棱镜(例如，3、4或6面棱
镜)、杆、圆锥体、截头圆锥体以及它们的组合。可使用不同成形磨料复
合物和/或不同高度的成形磨料复合物的组合。例如，锥形成型的磨料复合
物中可散布较低高度的截锥形成形磨料复合物。成形磨料复合物可为规则
的(具有的所有边相等)或不规则的。
在一些实施例中，成形磨料复合物可为精确成形磨料复合物。这意味
着成形磨料复合物的形状由相对平滑的构成表面的侧面限定，所述侧面以
明确边缘界定或接合，所述明确边缘具有清晰的边缘长度和由各侧面相交
而形成的清晰端点。术语“界定”和“边界”是指限制和限定各磨料复合
物的实际三维形状的各复合物的暴露的表面和边缘。当在扫描电子显微镜
下观察磨料制品的横截面时，可容易地看见和辨别这些边界。这些边界将
一个精确成形磨料复合物与其它精确成形的磨料复合物分开并区分，即使
所述磨料复合物在其基底处沿公共边相互邻接。通过比较，在没有精确形
状的成形磨料复合物中，边界和边缘不是界限分明的(例如，在磨料复合
物在其固化完成之前下陷的情况下)。
成形磨料复合物限定了结构化磨料层并且通常以紧密堆积的排列(例
如阵列)进行布置，其中相邻成形磨料复合物在它们的各自基底彼此接
触，但是允许至少一些相邻成形磨料复合物之间存在间距。在形貌结构化
磨料层中可以存在缝隙(例如，条纹)。
成形磨料复合物相对于背衬的高度可通常在10至900微米的范围内，
但还可使用更大或更小的高度。更典型地，成形磨料复合物相对于背衬的
高度在50至850微米的范围内，或甚至在75至800微米的范围内。
在一些实施例中，形貌结构化磨料层中成形磨料复合物的面密度通常
在至少1,000、10,000或甚至至少20,000个磨料复合物/平方英寸(例如，
至少150、1,500或甚至7,800个磨料复合物/平方厘米)的范围内，最多并
包括50,000、70,000或甚至多达100,000个磨料复合物/平方英寸(最多并
包括7,800、11,000或甚至多达15,000个磨料复合物/平方厘米)，但是还
可使用更高或更低密度的磨料复合物。
成形磨料复合物(无论是锥体还是截棱锥)还可以包括稀释剂颗粒，
所述稀释剂颗粒通常具有与磨料颗粒数量级相同的尺寸。此类稀释剂颗粒
的示例包括石膏、大理石、石灰石、燧石、硅石、玻璃泡、玻璃珠和硅酸
铝。
将用于形成磨料复合物的混合物包含分散在粘结剂前体中的多个磨料
颗粒。如本文所用，术语“混合物”意指包含分散在粘结剂前体中的多个
磨料颗粒的任何组合物。优选的是，混合物能够流动。然而，如果混合物
不能够流动，则其可通过其它方式(例如，热、压力或两者)被挤出或压
迫到生产工具的接触表面上或到背衬的前表面上。混合物可被描述为可适
形的，即，其可被压迫以采用与生产工具的接触表面和背衬的前表面相同
的形状、轮廓、或形成轮廓。
磨料颗粒通常尺寸通常在约0.1至100微米、优选约0.2至50微米、
并且更优选0.5至45微米范围内，但也可使用其它尺寸。适用于根据本公
开的结构化磨料的磨料颗粒的示例包括熔融氧化铝、陶瓷氧化铝、经热处
理的氧化铝、白氧化铝、绿碳化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、金刚石、
二氧化铈、立方氮化硼、石榴石、硅石以及它们的组合。
短语“磨料颗粒”包括单独磨料和被粘合在一起以形成附聚物的多个
单独磨料两者。磨料颗粒可具有在磨料颗粒上的表面处理物。在一些情况
下，表面处理物可增大对粘结剂的粘附性，改变磨料颗粒的研磨特性等。
表面处理物的示例包括偶联剂(例如，硅烷偶联剂)、卤化物盐、包括硅
石的金属氧化物、难熔金属氮化物和难熔金属碳化物。
粘结剂前体能够通过能量，优选地辐射能，更优选地来自紫外光、可
见光或电子束源的辐射能而被固化。能量的其它源包括红外、热和微波。
优选的是，能量不会不利地影响在本发明方法中使用的生产工具，使得工
具可再利用。可通过自由基机制或阳离子机制而聚合粘结剂前体。能够通
过暴露于辐射能而聚合的粘结剂前体的示例包括：丙烯酸酯改性聚氨酯树
脂、丙烯酸酯改性环氧树脂、烯键式不饱和化合物、具有至少一个侧不饱
和羰基基团的氨基塑料衍生物、具有至少一个侧丙烯酸酯基团的异氰脲酸
酯衍生物、具有至少一个侧(甲基)丙烯酸酯基团的异氰酸酯衍生物、乙
烯基醚、环氧树脂以及它们的组合。如本文所用，术语“(甲基)丙烯酸酯”
是指丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯。
如果使用紫外线辐射或可见辐射，则优选的是，粘结剂前体还包含自
由基光引发剂和/或阳离子光催化剂以有利于粘结剂前体的固化。自由基光
引发剂的示例包括有机过氧化物、偶氮化合物、醌、二苯甲酮、亚硝基化
合物、卤酰、腙、巯基化合物、吡喃![]()
化合物、双咪唑、氧化磷、氯代烷
基三嗪、安息香醚、苯偶酰缩酮、噻吨酮、苯乙酮衍生物、敏化碘![]()
盐以
及它们的组合。
阳离子光催化剂形成酸源，例如，以引发环氧树脂的聚合。阳离子光
催化剂可包括具有![]()
阳离子和含卤素的金属或准金属复合阴离子的盐。其
它阳离子光催化剂包括具有有机金属络合阳离子和含卤素的金属或准金属
复合阴离子的盐。阳离子光催化剂还在美国专利4,751,138(Torimae等
人)和4,985,340(Hilston等人)中有所描述。
除辐射固化性树脂之外，粘结剂前体还可包含可通过非辐射能能量源
固化的树脂，诸如可缩合固化树脂。此类可缩合固化树脂的示例包括酚醛
树脂、三聚氰胺-甲醛树脂和脲-甲醛树脂。
粘结剂前体还可包含任选的添加剂，诸如，例如填料(包括助磨
剂)、纤维、润滑剂、润湿剂、表面活性剂、颜料、染料、偶联剂、增塑
剂和悬浮剂。可调节这些此类的量以提供所需的特性。填料的示例包括碳
酸钙、硅石、石英、硫酸铝、粘土、偏硅酸钙以及它们的组合。助磨剂的
示例包括四氟硼酸钾、冰晶石、硫、黄铁矿、石墨、氯化钠以及它们的组
合。混合物可包含最多至70重量％(wt.％)的填料或助磨剂，通常最多至
40重量％，优选1重量％至10重量％，并且更优选1重量％至5重量％。
可通过混合各成分，优选通过低剪切搅拌器来制备混合物。还可使用
高剪切搅拌器。通常，磨料颗粒逐步添加到粘结剂前体中。另外，可以最
小化混合物中空气泡的量。这可通过在混合步骤中抽真空而实现。
在制造过程中，辐射能通常透射穿过生产工具并且进入到混合物中以
至少部分地固化粘结剂前体。短语“部分地固化”意指粘结剂前体聚合至
这样的状态，所述状态为所得的混合物从生产工具中释放。一旦被从生产
工具中移除，粘结剂前体可通过任何能量源，诸如，例如热能或辐射能而
完全固化。还可在从生产工具中移除成形磨料复合物之前，完全固化粘结
剂前体。
优选用于根据本公开的结构化磨料的辐射能源包括电子束、紫外光和
可见光。其它辐射能源包括红外和微波。还可使用热能。可使用剂量为约2
至约25兆拉德(Mard)，优选地剂量为约10至约20兆拉德的电子束辐
射，其又称为电离辐射。紫外线辐射是指波长在约200至约400纳米范围
内，优选地在约250至约400纳米范围内的非微粒辐射。优选的是，通过
紫外光提供紫外线辐射。可见辐射是指波长在约400至约800纳米的范围
内，优选地在约400至约550纳米的范围内的非微粒辐射。
如果辐射能透射穿过生产工具并且直接进入到混合物中，则优选的
是，制备所述生产工具的材料不吸收可观的辐射能量或由于其而降解。例
如，如果使用电子束能量，则优选的是，生产工具不是由纤维素材料制
成，因为电子将使纤维素降解。如果使用紫外线辐射或可见辐射，则生产
工具材料应分别透射足够的紫外线或可见辐射，以形成所需水平的固化。
生产工具应以足够避免由于辐射源导致降解的速度工作。对由于辐射
源导致的降解具有相对高抗性的生产工具可以相对较低的速度工作；对由
于辐射源导致的降解具有相对低抗性的生产工具可以相对较高的速度工
作。总之，用于生产工具的适当速度取决于制成生产工具的材料。
生产工具可为带，例如，环形带、片材、连续片材或网状物、涂布辊
或安装在涂布辊上的套筒或管芯的形式。将与混合物接触的生产工具的表
面可为平滑的或可具有外形或图案。这种表面在本文称之为“接触表
面”。如果生产工具为带、片、网或套筒的形式，则其将具有接触表面和
非接触表面。如果生产工具为辊的形式，则其将只具有接触表面。通过根
据本公开的结构化磨料方法所形成的磨料制品的外形将具有生产工具接触
表面的图案的相反图案。通常生产工具接触表面的图案的特征将在于多个
腔或凹槽。这些腔的开口可具有任何形状，诸如例如，规则或不规则的矩
形、半圆形、圆形、三角形、正方形、六角形或八角形。所述腔的壁可为
竖直或渐缩的。由腔形成的图案可根据指定的计划进行布置或可为随机
的。腔可抵靠彼此邻接。
可用于构造生产工具的热塑性材料包括聚酯、聚碳酸酯、聚(醚
砜)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚氨酯、聚氯乙烯、聚烯烃、聚苯乙烯或
它们的组合。热塑性材料可包含添加剂诸如增塑剂、自由基清除剂或稳定
剂、热稳定剂、抗氧化剂和紫外线辐射吸收剂。
例如，可根据下面的过程制造热塑性生产工具。首先提供母模工具。
母模工具优选地由金属，例如镍制成。可通过任何常规技术制造母模工
具，所述技术诸如雕刻、滚齿、压花纹、电铸，金刚石车削或激光机加
工。母模工具应具有生产工具表面所需的相反图案。可用母模工具压印热
塑性材料以形成图案。压印可在热塑性材料处于可流动状态下进行。压印
之后，可冷却热塑性材料以形成凝固。
生产工具还可由固化的热固性树脂制成。可根据下面的过程制造由热
固性材料制成的生产工具。将未固化的热固性材料涂敷至上述类型的母模
工具。当未固化的热固性材料处于母模工具的表面上时，可通过加热固化
或聚合热固性材料，使得其将设定具有与母模工具表面图案的相反形状。
然后，从母模表面移出固化的热固性材料。生产工具可由可辐射固化树脂
材料制成，诸如，例如丙烯酸酯改性聚氨酯低聚物。通过与由热固性树脂
制成的生产工具相同的方式制备辐射固化的生产工具，除了使用暴露在辐
射(例如，紫外线辐射)下的方式进行固化。
生产工具还可包括防粘涂层，以允许磨料制品更容易从生产工具上释
放。此类防粘涂层的示例包括硅氧烷和含氟化合物。
关于制备固定到背衬的结构化磨料层的材料和方法的另外细节可见
于，例如，美国专利5,435,816(Spurgeon等人)；5,672,097
(Hoopman)；5,681,217(Hoopman等人)；5,454,844(Hibbard等人)；
5,851,247(Stoetzel等人)；6,139,594(Kincaid等人)；以及8,251,774B2
(Joseph等人)。
例如，可以商品名“TRIZACT”从明尼苏达州圣保罗3M公司(3M
Company,St.Paul,Minnesota)商购获得各种合适的结构化磨料。实例包
括：3MTRIZACT研磨膜162XA(46微米标称等级，莫氏硬度<3)；3M
TRIZACT研磨膜氧化铝268XA(可用5、10、20和35微米标称等级)；
3MTRIZACT研磨膜二氧化铈M-568XA(0.5微米标称等级)；3M
TRIZACT金刚石研磨膜(可用5、2和9微米金刚石标称等级)；3M
TRIZACT金刚石瓦片677XA结构化磨料片(可用3、6、9和20微米金刚
石标称等级)。这样制备的结构化磨料然后可根据已知方法转化为研磨
带。其还被固定到支撑轮的周向表面以形成研磨轮。
优选地，结构化磨料层的宽度小于或等于磨料制品的直径(例如，就
轮而言)和/或所需凹槽的尺寸和形状(例如，浅凹的直径或环的宽度
(即，宽度，不是直径))的约1/8(12.5％)，小于1/10(10％)，或甚
至小于1/20(5％)。通常，结构化磨料层宽度和轮的直径的选择由具体应
用决定，并且将通过浅凹的尺寸和研磨过程的精确度与速度测定。
本公开的精选实施例
在第一实施例中，本公开提供在基板的表面中形成凹槽的方法，所述
方法包括：
提供包括沿支撑构件的周向表面设置的结构化磨料构件的磨料制品，
其中所述结构化磨料构件包括结构化磨料层，所述结构化磨料层包括固定
到背衬的成形磨料复合物，其中所述背衬接近支撑构件，并且其中成形磨
料复合物包括被保持在粘合剂材料中的磨料颗粒；
使结构化磨料层与基板的表面摩擦接触，其中基板的表面为基本上平
面的；
相对于基板的表面纵向推进结构化磨料层；以及
围绕垂直于基板的表面的旋转轴线旋转基板，使得结构化磨料层保持
与基板的表面接触并研磨基板的表面，从而在其中形成凹槽。
在第二实施例中，本公开提供了根据第一实施例所述的方法，其中在
不存在添加的松散磨料颗粒或磨料浆液时进行所述方法。
在第三实施例中，本公开提供了根据第一实施例或第二实施例所述的
方法，其中研磨制品包括研磨轮或研磨带。
在第四实施例中，本公开提供了根据第一至第三实施例中任一项所述
的方法，其中研磨制品包括氧化铈或金刚石中的至少一种。
在第五实施例中，本公开提供根据第一至第四实施例中任一项所述的
方法，其中凹槽包括浅凹。
在第六实施例中，本公开提供根据第一至第五实施例中任一项所述的
方法，其中凹槽包括环。
在第七实施例中，本公开提供根据第一至第六实施例中任一项所述的
方法，其中基板具有垂直于基板的表面贯穿延伸的圆柱形通道，并且其中
旋转轴线与圆柱形通道共线。
在第八实施例中，本公开提供根据第一至第七实施例中任一项所述的
方法，其中凹槽具有连续凹表面。
在第九实施例中，本公开提供根据第一至第八实施例中任一项所述的
方法，其中磨料制品和基板中的至少一个相对于另一个的所述移动包括旋
转基板。
在第十实施例中，本公开提供根据第一至第九实施例中的任一项所述
的方法，其中基板选自玻璃片和蓝宝石片。
在第十一实施例中，本公开提供包括设置在圆形支撑轮的周向表面上
结构化磨料构件的研磨轮，其中结构化磨料构件包括结构化磨料层，所述
磨料层包含固定到背衬的成形磨料复合物，其中背衬邻近支撑轮，其中成
形磨料复合物包含保持在粘合剂材料中的磨料颗粒，其中支撑轮具有外径
并且结构化磨料构件具有基本上均匀的宽度，并且其中结构化磨料构件的
宽度对支撑轮的外径的比率小于或等于0.125。
在第十二实施例中，本公开提供根据第十一实施例所述的研磨轮，其
中支撑轮的周向表面基本上被结构化磨料层覆盖。
在第十三实施例中，本公开提供具有第一主表面和与之相对的第二主
表面的片材，其中片材包括玻璃、陶瓷或它们的组合；
邻接第一主表面并从第一主表面向内延伸的球形凹入凹槽，其中球形
凹入凹槽具有最内部分；以及
圆柱形通道，该圆柱形通道在第二主表面和球形凹入凹槽的最内部分
之间延伸并邻接第二主表面和球形凹入凹槽的最内部分，并且其中圆柱形
通道垂直于第一主表面。
在第十四实施例中，本公开提供包括如下的覆盖物：
具有第一主表面和与之相对的第二主表面的片材，其中片材包括玻
璃、陶瓷或它们的组合；
邻接第一主表面并从第一主表面向内延伸的第一球形凹入凹槽，其中
第一球形凹入凹槽具有第一最内部分；
邻接第二主表面并从第二主表面向内延伸的第二球形凹入凹槽，其中
第二球形凹入凹槽具有第二最内部分；以及
圆柱形通道，该圆柱形通道分别在第一球形凹入凹槽的第一最内部分
和第二球形凹入凹槽的第二最内部分之间延伸并邻接第一球形凹入凹槽的
第一最内部分和第二球形凹入凹槽的第二最内部分，并且其中圆柱形通道
垂直于第一主表面。
在第十五实施例中，本公开提供包括如下的覆盖物：
具有第一主表面和与之相对的第二主表面的片材，其中片材包括玻
璃、陶瓷或它们的组合；以及
邻接第一主表面并从第一主表面向内延伸的球形凹入凹槽，其中球形
凹入凹槽具有最内部分。
通过以下非限制性实例，进一步说明了本公开的目的和优点，但这些
实例中引用的具体材料及其量以及其它条件和细节，不应理解为对本公开
的不当限制。
实例
除非另有说明，否则在实例及本说明书的其余部分中的所有份数、百
分数、比率等均为按重量计。
测试方法
轮廓术
使用购自加利福尼亚州米尔皮塔斯KLA-Tencor公司(KLA-Tencor
Corporation,MilpitasCalifornia)的P16+触笔轮廓器进行接触轮廓术。扫描
长度为8.0mm并且扫描速率为100μm/s。触笔上的负载为0.5mg并且触笔
末端半径为0.15μm。
实例1
该实例描述根据本公开的研磨轮的制备。将购自明尼苏达州圣保罗3M
公司(3MCompany,St.Paul,Minnesota)的3MTRIZACT568XA二氧化铈
磨料的片材，剪切为0.045英寸(0.11cm)宽和12英寸(30.5cm)长的
条。将购自3M公司(3MCompany)的3MSCOTCH-WELD瞬间粘合剂施
用到磨料条端部的背侧，覆盖条的约0.5英寸(1.3cm)长度。具有粘合剂
的磨料条的背侧与88mm直径×0.1英寸(0.25cm)厚金属支撑构件的外周
向表面接触，所述金属支撑构件具有集成中心轴。允许粘合剂固化。将另
外的粘合剂施用到磨料条的背侧约0.5英寸(1.3cm)长度。使具有磨料的
粘合剂与支撑构件的外周向表面接触。继续该过程直到支撑构件的整个周
向表面覆盖有磨料。在将磨料表面的最后节段固定到周向表面之前，将磨
料条剪切为适当的长度，使得磨料条的最后节段不与附接到支撑构件的磨
料条第一节段重叠。允许粘合剂固化，制备研磨轮。
实例2
该实例描述根据本公开制造浅凹的单步打磨方法。实例1中制备的研
磨轮安装到可旋转驱动的承载器中，使得轮的主表面平行于地面。将碱石
灰玻璃板，2英寸(5.1cm)×3英寸(7.6cm)×0.12cm，安装到
FIBERMET光纤抛光器的可旋转夹具上，型号#69-3000-160，购自伊利诺斯
州莱客布拉夫的标乐(Buehler,LakeBluff,Illinois)。在安装玻璃板到夹具
之前，使用双面粘合带将橡胶片，约2英寸(5.1cm)×3英寸(7.6cm)×
1mm，安装到夹具的正面上。使用双面粘合带，将玻璃板安装到橡胶片。
夹具的主表面(即，玻璃板安装的表面)垂直于地面。将抛光器安装到可
编程的x-y塔板上，使得其可横贯。具有抛光器的塔板被定位相邻于研磨
轮，使得，研磨轮的周向表面接触抛光器的可旋转夹具的中心轴线。研磨
轮以1,000rpm旋转并且玻璃板以150rpm旋转。通过x-y塔板横贯抛光器，
使得安装的玻璃板的旋转轴线接触旋转的研磨轮的前缘。在接触之前，冷
却剂，水以8ml/min的速率流到直接相邻于玻璃板的旋转轮的边缘。抛光
器以12μm/min的速率连续横贯到研磨轮的边缘中。抛光器的横贯继续4分
钟，此时抛光器停留在静止的位置并且继续打磨另外30秒。在此时，玻璃
板和研磨轮的旋转均停止。从抛光器移去玻璃。对于每种上述测试方法，
在玻璃板的打磨区域上进行轮廓曲线仪扫描，并且玻璃板观察具有约48μm
深度和约4.5mm直径的半球状凹槽。
实例3
该实例描述根据本公开研磨轮的制备。使用与实例1相同的过程制备
研磨轮，不同的是用购自3M公司(3MCompany)的3MTRIZACT金刚石
瓦片677XA20μm磨料片替换3MTRIZACT568XA二氧化铈磨料片，并且
磨料片被剪切为0.100英寸(0.25cm)宽和12英寸(30.5)长的条，制备
研磨轮。
实例4
该实例描述根据本公开研磨轮的制备。使用与实例1相同的过程制备
研磨轮，不同的是3MTRIZACT568XA二氧化铈磨料被剪切为0.075英寸
(0.19cm)宽和12英寸(30.5)长的条，制备研磨轮。
实例5
该实例描述根据本公开制造浅凹的两步打磨方法。实例2所述的设
备、设备配置和一般打磨过程用于两步打磨方法。实例3中制备的研磨轮
安装到可旋转驱动的承载器中。将碱石灰玻璃板，2英寸(5.1cm)×3英寸
(7.6cm)×0.12cm，安装到抛光器的可旋转夹具上。研磨轮以2,000rpm旋
转并且玻璃板以150rpm旋转。流动水以20ml/min的速率再次用作冷却
剂。具有抛光器的塔板以1.25mm/min的速率连续横贯到研磨轮的边缘中
15秒，此时抛光器停留在静止位置并且继续打磨另外的5秒。玻璃从通过
塔板接触研磨轮移去，并且玻璃板和研磨轮两者的旋转停止。研磨轮从承
载器移去并且实例4中制备的研磨轮安装到承载器中。研磨轮以1,000rpm
旋转并且玻璃板以150rpm旋转。流动水以8ml/min的速率再次用作冷却
剂。具有抛光器的塔板以25μm/min的速率连续横贯到研磨轮的边缘中2分
钟，此时抛光器停留在静止位置并且继续打磨另外的30秒。从抛光器移去
玻璃。对于每种上述测试方法，在玻璃板的打磨区域上进行轮廓曲线仪扫
描(图5所示)，并且玻璃板观察具有约340μm深度和约11mm直径的半
球状凹槽。
比较例A
该实例描述根据本公开非研磨轮的制备。使用与实例1相同的过程制
备非研磨轮，不同的是用购自3M公司(3MCompany)的3M抛光膜
968M(非磨料材料)的片材替换3MTRIZACT568XA二氧化铈磨料片，
制备非研磨轮(覆盖有无磨料的抛光垫)。
比较例B
该实例描述结合磨料浆液使用非研磨轮制造浅凹的方法。实例1所述
的设备、设备配置和一般打磨过程用于浆液法。比较例A的非研磨轮安装
到可旋转驱动的承载器中。碱石灰玻璃板，2英寸(5.1cm)×3英寸
(7.6cm)×0.12cm，安装到抛光器的可旋转夹具上。非研磨轮以1,000rpm
旋转并且玻璃板以120rpm旋转。在处理过程中，浆液流到非研磨轮/玻璃
界面。浆液为0.5μm氧化铈在去离子水中的10重量％混合物。具有抛光器
的塔板以25μm/min的速率连续横贯到研磨轮的边缘中3分钟，此时抛光器
停留在静止位置并且打磨继续另外的30秒。从抛光器移去玻璃。对于每种
上述测试方法，在玻璃板的打磨区域上进行轮廓曲线仪扫描，并且玻璃板
观察具有约45μm深度和约5.5mm直径的半球状凹槽。
比较实例2的结果(参见图5)和比较例B的结果(参见图6)，使用
磨料垫轮的打磨方法制备具有凹槽，其具有比利用非研磨垫结合氧化铈浆
液的方法制备的凹槽尖锐的边缘外观和小的直径。
不是在背景技术部分，上述获得专利证书的专利申请中所有引用的参
考文献、专利或专利申请以一致的方式全文以引用方式并入本文。在并入
的参考文献部分与本专利申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以前述
具体实施方式中的信息为准。为了使本领域的普通技术人员能够操作受权
利要求书保护的本公开而给定的前述说明，不应理解为是对本公开范围的
限制，本公开的范围由权利要求及其所有等同形式限定。