JP2007314414A - フロートガラスリボンの端部を切り落とす方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】それぞれの厚さのために特定の深さのクラックが作られる、０．４ｍｍ〜２４ｍｍの厚さのフロートガラスリボン（１３）の端部をトリミングする方法及び装置を提供する。
【解決手段】クラックの深さは、フロートガラスリボン（１３）の表面温度の関数として制御されるレーザーを用いて導入されるエネルギー及び作用期間が変化しうるその後の冷却によってアクティブに影響を受ける。永続的に信頼できるプロセスを保証するために、切断クラック及びフロートガラスリボン（１３）の厚さが検出され、切断クラックが中断すると新たな最初のクラックがすぐに作られ、スクライビング装置（１０）、ビーム成形光学系（２）及び冷却ノズル（４）を有する切断装置（１１）が常にフロートガラスリボン（１３）の表面から一定の縦方向の距離にある。当該方法及び装置は、特に低いレーザー出力しか必要としないことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

特許文献１は、特定の深さのクラックを生じさせる熱誘起応力を発生させることで脆い平坦な材料、特にガラスを切断する方法に関してプロセスパラメータの関係に特に考慮した、発行された最初の特許の１つである。

好ましくはガラスで吸収されるＣＯ_２レーザー（波長１０．６μｍ）が、前記の特許において説明される方法で使用されると好ましい。切断される端の質にとって重要なクラックの深さδに影響を有するものと記載されたパラメータは、第２軸（幅）ａ及び主軸（長さ）ｂの長さ、レーザービームと次のクーラントジェットの間の距離Ｌ、前送り速度ｖ、材料の熱物理特性及び放射線出力密度に依存する比例定数ｋにより画定される、表面に作られる楕円ビームスポットの幾何学的サイズである。公式ｖ＝ｋ・ａ・（ｂ＋Ｌ）／δに基づいて、ブラインドクラックが必要なクラック深さδにより形成されるように、ビームパラメータａ，ｂは距離Ｌ及び前送り速度ｖに関連して選択される。

特許文献２の従来技術の記載では、特許文献１に関連して、そこに示された方法によって最大の実現可能な切断速度１ｍ／分で１．２ｍｍ〜６ｍｍのガラス厚さのみ切ることができると記載されている。実際、これらの値のみ実施例によりサポートされている。

特許文献２の出願人はこれから、特許文献１に従う方法はフロートガラス設備において直接フロートガラスを切り落とすのに適さないと結論付けている。

フロートガラスを製造するプロセス（フロートプロセス）を以下に簡単に説明し、フロートガラスを切断する（エッジトリミングする）際の特別な技術的要件を示す。フロートプロセスは、一般にフロートトラフの修理を要するまで１０年以上の間絶え間なく稼動する連続プロセスである。

１１００°Ｃでペースト液体状態にあるガラスメルトは、一方のサイドから液体スズの細長い浴に連続的に案内される。そこに、約３分の２の軽さのガラスが浮いて、油膜と同様に一様に広がる。浴の冷たい方の端部で凝固する、しかしまだ６００°Ｃの温かさのガラスは連続的に引っ張られ、次いでそれが冷却されるアニールオーブンに入れられる。

固体ガラスが半液体状態から引っ張られる引張速度と融解オーブンのトン数がガラスの厚さを決定する。すなわち、所定のガラス厚さを得るために、ガラスは、アニールプロセスの持続期間から実質的に決定される所定の速度で引っ張られなければならない。一定の厚さの一様な幅でガラスリボンを製作するために、端部に向かってテーパーのついたガラスのサイドは、アニールオーブンの後で、一方まだフロートガラス設備内で切り落とされる（エッジトリミング）。切断により、クラック及び次のクラックに沿う破壊の発生がある。切断すべきフロートガラスリボンの厚さは、その長さに沿って慎重に変えられる。約０．４ｍｍからのガラス厚さがフロートプロセスにより可能になる。２，３，４，５，６，８，１０，１２，１５，１９及び２４ｍｍの世界標準の厚さが通常作られる。引張速度は厚さに依存して３０ｍ／分〜２ｍ／分の間で変化する。

フロートガラスリボンをトリミングする方法及び装置は、フロートプロセスにおけるプロセス因子のために以下の要件に従う。
１．当該方法は、０．４ｍｍ〜２４ｍｍの厚さのガラスのための特定の深さのクラックを作るのに適さなければならない。
２．所与の引張速度に等しい切断速度が可能でなければならなない。
３．引張プロセスも連続的に実行されるので、クラック形成が連続的に実行されることが保証されなければならない。
４．厚さに依存する特定のクラック深さが、異なる材料厚さに変換される移行期間及び温度変化の間に連続的に実現され、それで一様な材料厚さのために変わらない破壊力によってクラックに沿う破壊が常に実行されることが保証されなければならない。

切断クラックを作るために、臨界破壊応力を超える鋭く局所化された引張応力が材料表面の所望の切断線に沿って生成される。クラック深さは、臨界破壊応力より大きい引張応力が材料に導入されなければならない深さに依存する。高品質な切断エッジを実現するために、クラックは、厚さに依存する深さであって、この厚さのほぼ１０分の１の最小深さを有しなければならない。

臨界破壊応力より大きい必要とされる鋭く局所化された引張応力を生成するために、対応して鋭く局所化された十分高い温度勾配が形成されなければならない。

温度勾配は加熱し、その後冷却することで実現される。特許文献１から既に知られているように、レーザーの作用だけでなく、好ましくは材料の全体予熱とレーザーでの局所的適用を組み合わせることによっても加熱は作り出される。しかしながら、材料は全体的に加熱されなければならないので、予熱は付加的なエネルギー消費を要する。しかし、所望の切断クラックに沿う局所的な加熱だけが当該方法をサポートする。

論理的に、厚さに比例して所定の深さまで材料を加熱するためのレーザーにより導入される必要のあるエネルギーは予熱のために小さめである。

特許文献１に示される方法では、予熱にもかかわらず、必要とされる高速度で必要とされる引張応力を生成するために表面要素当たりに必要とされるエネルギーを導入することは可能とは思えない。速度は表面要素当たりの照射の作用時間のために決定され、照射出力密度（表面での溶解を避けるため）のために材料に固有の最大値及び有利と示されたビームスポット長さが考慮される。

特許文献２は、速い切断速度のために、照射出力を増加させることでのみこの必要とされる高エネルギー入力が可能になる印象を与える。しかしながら、溶解が生じるのでこの増加した照射出力は持続できない。よって、レーザー照射を所定の時間周期の間１回に代えて連続的に切断線に沿って表面要素に適用し、これを適切な間隔で繰り返すことが提案される。このようにして、より多くの時間により熱を材料の内部に伝えることで表面温度の極端な上昇が防がれる。

この目的のために、４００〜６００Ｗのレーザー出力、８〜１６ｍ／ｓの走査速度、３．７〜４．７ｍｍのビームスポット直径及び１６０〜５００ｍｍの走査長さが実施例に示されている。

特に永続的に稼動する、連続プロセスではプロセスコストがなるべく低く維持されなければならない。しかしながら、特許文献２に記載された方法では、特許文献１に比べて多数のレーザー出力が必要になる。これに加えて、スキャナーを駆動させるためのエネルギー必要量がある。

ＵＳ５６０９２８４ ＷＯ２００５／０９２８０６

本発明の目的は、フロートガラスリボンの端部が低出力のレーザーを用いてフロートガラス設備において直接切断される方法及び装置を提供することである。フロートガラスリボンの厚さは０．４〜２４ｍｍの間で変化する。

本発明の目的は、永続的な連続プロセスが保証される方法及び装置を提供することである。

この目的は、請求項１に従う方法及び請求項８に従う装置により達成される。

当該方法及び装置の有利な形態は従属請求項に記載されている。

本発明は特許文献１に従う方法に基づき、２つの異なる相互に影響するステップによりこれを変形し、低出力レーザーを用いてフロートガラスリボンの切断を可能にする。

前述の目的のソリューションのために、フロートガラスリボンが依然としてスクライビングの間ほぼ５０°Ｃ〜８０°Ｃの温度であることが有益である。予熱されたガラスと異なり、フロートガラスはウォームコアである、すなわちそれは内側から外側に向かって温度が落ち、表面に引張応力を有し、内部に圧縮応力を有する。これはプロセスを補強する。

それぞれの厚さから独立した放射線出力要件を最小化する２つのステップは、レーザーの作用のすぐ前のフロートガラスリボンの温度に依存する出力制御と熱除去の期間の拡張を含む。

この目的のために、本発明に従う装置は、切断位置における表面温度を測定する温度センサー、特にＩＲセンサーと、たった１つのノズルを用いたソリューションと比べて冷却期間を拡張できる次々に配置された複数の冷却ノズルを有する。

プロセス制御を保証するために、クラックを永続的に検出するクラック検出器が設置され、クラックが中断すると新たな初めのクラックが作られる。クラック検出器は、クラックの存在だけでなくその深さも検出する。

厚さセンサーは材料の厚さを検出して、厚さの変化の際の材料表面に対するスクライビング装置、冷却ノズル及びビーム成形光学系の距離を一定に維持する。それで特に、冷却条件とビームスポットサイズが安定する。

フロートガラスリボンをエッジトリミングする特別な特徴は、切断プロセスを実質的に共同決定するプロセスパラメータがフロートプロセスにより決定される点にある。例えば、とにかく与えられるガラス厚さとは異なり、切断速度及び材料の温度は切断プロセスのために与えられる。

特許文献１に示されているように、従来技術から切断速度は材料の厚さの２乗に反比例し、他の全てのプロセスパラメータは一定のままであることが知られている。興味深いことに、この文脈において慣例の引張速度と材料の厚さの相互依存性はフロートガラス製造において十分類似し、変化する引張速度に関連して変化する材料の厚さ、従って切断速度は、所与の十分大きいプロセスウィンドウのプロセス制御のために積極的に考慮される必要はない。特許文献１の実施例で記述されたビームスポットのための長さに対する十分大きいプロセスウィンドウは、ビームスポット長さをほぼ１０倍に増加させることで実現される。このビームスポット長さは全ての厚さのために維持される。これは、レーザー出力だけが切断プロセスの間温度の関数として制御されることを意味する。材料の厚さ、引張速度及び切断速度はプロセスを制御するのに知られる必要はない。

しかしながら、センサーによる厚さの有利なモニタリングは、専ら冷却ノズル及びビーム成形光学系を追跡する働きをし、それで結局これらは材料表面から一定の距離を有する。

本発明を具体例を示す図面に関連して以下により完全に説明する。

本発明に従う装置は、フロートガラス設備の水平輸送装置の上のブリッジ又はフレームに基本的に設置される。温度センサー５と厚さセンサー６を共有する２つの装置は、場合によって、フロートガラスリボンの両端部を同時に切り落とすために必要である。

図１に示されるように、本発明に従う装置は基本的にレーザー１、レーザー１の下流に配置され、放出されたレーザービーム束１２を楕円形の断面を有するビーム束に成形するビーム成形光学系２、直線に次々に配置された複数の冷却ノズル４を有する冷却装置３、非接触で測定する温度センサー５（例えば、ＩＲセンサー）、非接触で測定する厚さセンサー６（例えば、超音波センサー）、クラック検出器７、レーザー出力が検出される温度に依存して制御される制御装置８、及び厚さに依存して切断装置１１の縦方向の位置を調整する調節装置９を有する。切断装置１１は、ビーム成形光学系２、冷却ノズル４を有する冷却装置３及びスクライビング装置１０を有する。

前述のように装置を輸送ベルトの上のブリッジ又はフレーム１１に締結することで、切断装置１１、従って特にビーム成形光学系２、冷却ノズル４及びスクライビング装置１０が、それらの下に水平に配置された輸送装置に関して縦及び横に所定の様式で位置決めされる。ビーム成形光学系２、冷却ノズル４及びスクライビング装置１０は、フロートガラスリボン１３の図面の方向と同じ輸送装置の輸送方向に、互いに対して選択された距離を置いて次々に配置される。それらの縦方向の距離は厚さの変化により調節され、それでこれらはフロートガラスリボンの厚さにかかわらず輸送装置上を移動するフロートガラスリボン１３から一定の距離を常に維持する。

冷却ノズル４（それらの３つは実施例において設置されている）は個々に又は同時に開き、それで冷却剤はより短い又は長い時間にわたって局所的に作用し、冷却剤は様々な深さまで表面から材料に入り込む。クラックの深さはこのようにして影響される。これは材料コアがまだ温かいという事実によって利益をもたらされる。

クラックが永続的・連続的稼動プロセスのために常に実際に作られることを保証するために、クラック検出器７が設けられる。クラックのインターフェースのセンサーに反射される測定ビームを放出する放射線センサーがクラック検出器７として使用できる。クラックへのクラック検出器７の距離及び角度位置がガラス厚さとは無関係に一定に維持されると、クラック検出器７に反射される測定ビームの強度又は強度変化を介して、クラック深さ又はクラック深さの変化を推定することも可能である。クラック検出器７は、固定されていない縦に移動可能なローラの水平に固定配置されたシャフトに締結される。ローラは、フロートガラスリボン１３の表面の端部領域でロールする。このようにして、それはクラックからの一定の距離を維持し、その測定ビームを同じ角度でクラックのインターフェースに常に導く。

もはやクラックが検出されなければすぐに、新たな最初のクラックをすぐに生じさせるスクライビング装置１０に信号が送られる。クラック深さが十分でないときもクラック検出器７は信号を発する。クラックは別な冷却ノズル４に切り替えることでより深くされる。

光学クラック検出器７に代えて、既存のクラックは冷却に次いで再び温度を感知することでも確認される。レーザービームの作用の直前の表面温度により決定された加熱温度、レーザーで入力される所与のエネルギー及び冷却に従って測定された温度を知ることで、作られる温度勾配を推定でき、ゆえに破壊応力を超える場合にクラックを作る発生する引張応力も推定できる。この目的のために、第２温度センサーが最後の冷却ノズル４に続いて配置される。

最初のクラックが、フロートガラスリボン１３の実際の厚さに対応する引張速度に一致する切断速度で引張方向に一致する切断方向に装置に対して輸送されるフロートガラスリボン１３の表面に作られると、切断プロセスが開始する。切断方向に、最初のクラックから始まり、特定の深さのクラックがフロートガラスリボン１３に作られる。これは、フロートガラスリボン１３が、楕円形ビーム断面を有するレーザービームにより所望のクラックの経路に沿って初めに作用を受け、次いで冷却される点で特許文献１に従う方法と共通する。次いで、フロートガラスリボン１３はこのようにして形成されたクラックに沿って公知の態様で破壊される。

厚さに対応するビーム形状寸法に適合させる特許文献１の教示と異なり、ビームスポット形状寸法、特にビームスポット長さは厚さにかかわらず一定になる。実際には、特許文献１の実施例に示唆されたビームスポット長さのほぼ１０倍に一致する１２０ｍｍのビームスポット長さが、フロートガラスリボン１３の全ての標準厚さでうまくいくことが分かった。

レーザー出力は、とにかく１０倍の範囲を有する厚さの変化から独立した温度の関数としてのみ本発明に従う方法で制御される。レーザーの作用の直前のフロートガラスリボン１３の温度変化の範囲はほぼ５０°Ｃ〜８０°Ｃである。起こりうる温度差は、アニールオーブンにおける能動的冷却と特に一年を通してかなり変化する工場温度による受動的冷却の材料固有及び厚さ固有のレジームから生じる。

２００Ｗの出力を有するレーザーは、従来のフロートガラス厚さの全スペクトルを処理する装置のために十分である。小さめの厚さ、例えばたった６ｍｍまでのガラスを製造するためにのみ設けられるフロートガラス設備のために、１００Ｗの最大出力を有するレーザーでも十分である。

本発明が例を用いて上述した実施形態に限定されず、付属の請求項に記載される本発明の範囲を逸脱することなく他の特定の形態で具体化されることはいわゆる当業者に明らかである。

本発明に従う装置の概略図である。

符号の説明

１ レーザー
２ ビーム成形光学系
３ 冷却装置
４ 冷却ノズル
５ 温度センサー
６ 厚さセンサー
７ クラック検出器
８ 制御装置
９ 調節装置
１０ スクライビング装置
１１ 切断装置
１２ レーザービーム束
１３ フロートガラスリボン

Claims (9)

1. ガラスのボディの２つの部分を切断する方法であって、
   最初のクラックから始まり、当該ボディの厚さのために特定の深さを有する深さクラックが形成され、この深さクラックは、表面に沿って所望の方向に、当該ボディの表面から当該ボディに延在し、
   楕円形のレーザービーム束がある切断速度で所望の方向に沿って当該表面に案内され、冷却剤の流れが、ビーム束からある選択された距離を置いてビーム束により加熱される表面の領域に導かれる方法において、
   ガラスのボディが、そのコアはまだ温かく、その表面温度は５０°〜８０°Ｃであるフロートガラスリボン（１３）であり、当該リボンは０．４ｍｍ〜２４ｍｍの範囲の特定のガラス厚さを作製するために特定の引張速度でフロートガラス設備において引っ張られ、それで切断速度が引張速度に一致し、引張方向が所望の切断方向に一致し、
   フロートガラスリボン（１３）の表面温度が測定され、専ら測定された表面温度に依存してレーザー出力を制御することでクラックの特定の深さが形成され、
   材料の厚さが測定され、調整変数として使用され、放射条件及び冷却条件が厚さの変化中に一定に維持されることを特徴とする方法。
2. より深いところで熱除去を生じさせるために、冷却剤の流れの作用する領域が切断方向に細長いことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 冷却剤の作用する領域の長さが変化し、次々に配置された冷却ノズル（４）がオン・オフに切り替えられることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. クラックの形成が光学的に検出され、クラックが中断すると新たな最初のクラックが作られることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. クラック深さが浅すぎるときに冷却剤の流れの作用する領域を長くするために、クラックが検出されるとき、クラック深さも検出されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. レーザー出力を発生させるために、２００Ｗのレーザーが使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 温度が冷却領域の後ろのクラックに沿って検出され、レーザー出力に関連したこの温度及びレーザービームの衝突直前の測定温度からクラックの形成を推定することができることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 切断方向に装置に対して移動するフロートガラスリボン（１３）に熱応力で誘起された特定の深さクラックを生成する装置であって、フロートガラスリボンの表面に導かれたレーザー（１）と、レーザー（１）の下流に配置されたビーム成形光学系（２）、冷却装置（３）及びスクライビング装置（１０）を有する切断装置（１１）と、レーザーの出力が制御される制御装置（８）とを有し、
   制御装置（８）に連結した温度センサー（５）があり、これが、レーザービームがフロートガラスリボン（１３）に衝突する位置の前のフロートガラスリボン（１３）の表面温度を測定し、この表面温度を制御量として制御装置（８）に供給し、
   冷却装置（３）が直線に次々に配置された複数の冷却ノズル（４）を有し、これらは冷却剤の作用期間を変更できるように調節可能に開き、
   フロートガラスリボン（１３）の厚さを検出する厚さセンサー（６）が設けられ、これが、切断装置（１１）のフロートガラスリボン（１３）に対する一定の縦方向の距離を調節するために、当該厚さを制御変数として調節装置（９）に供給することを特徴とする装置。
9. クラック検出器（７）が冷却装置（３）にも連結され、到達したクラック深さに依存して個々の冷却ノズル（４）が開かれることを特徴とする請求項８に記載の装置。

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