JP2009535290A - エッジ安定性が増大したガラス基板の成形装置および方法 - Google Patents

Abstract

装置の構造パラメータである、装置を構成する収斂する成形用表面の垂直高さＬが、装置のウェブ部上の溶融ガラスの流れに関連するガラス基板の形成装置が提供される。

Description

本発明は、一般的にはガラス基板の成形装置に関し、特に、ガラスの流動に基づく装置のための構造基準に関するものである。

液晶ディスプレー（ＬＣＤ）の形態のガラス・ディスプレーパネルは、携帯情報端末（ＰＤＡ）からコンピュータのモニタおよびテレビのディスプレーに至るまで、増大する種々の用途に用いられている。これらの用途には、清浄な無欠陥表面および一定の厚さを有するガラスシートまたはガラス基板が必要である。ＬＣＤは、共に密封されて外皮を形成する少なくとも数枚の薄い（例えば０．７ｍｍ未満）ガラスシートを備えている。ガラス・ディスプレーパネル、特にＬＣＤディスプレーパネルに関する成長市場は、それらの製造に用いられるガラス基板に関する需要の増大を齎すこととなった。

光学ディスプレーのためのガラスの製造方法の一つは、オーバーフロー・ダウンドロー法によるものである。それらの内容全体が引例として本明細書に組み入れられる特許文献１および２（Dockerty）には、一般にアイソパイプと呼ばれている成形用楔状体の上縁または堰を乗り越えて溶融ガラスを流すことを含むフュージョン・ダウンドロー法が開示されている。溶融ガラスは、アイソパイプの収斂する両成形用表面上を流れ、これら二つの個々の流れは、収斂する両成形用表面が会する頂点、すなわち底縁において再会して帯状ガラスを形成する。したがって、上記成形用表面に接触したガラスは、ガラスシートの内部に封じ込まれ、帯状ガラスの外表面には何物も接触しない。アイソパイプの底縁の下流には牽引ローラが配置され、上記帯状ガラスのエッジ部分を捕捉して、アイソパイプを離れる帯状ガラスの速度を調整し、したがって完成したガラスシートの厚さを規定する機能を有する。アイソパイプの底縁から下降する帯状ガラスが牽引ローラを通過するのにつれて、帯状ガラスは冷えて弾性を有する固体の帯状ガラスを形成し、この帯状ガラスは次に裁断されて個々のガラスシートまたはガラス基板を形成する。
米国特許第３,３３８,６９６号明細書 米国特許第３,６８２,６０９号明細書

ディスプレーガラスに対する需要が増大するにつれて、ガラス基板の製造業者は、生産の増大の必要性に直面した。一つの対策としては、さらなる牽引設備の設置がある。しかしながら、この選択肢はかなりの設備投資を必要とする。よりコスト効率の良い対策は、既存の牽引設備に関するガラス流量の増大である。しかしながら、流量の増大は、エッジ部の安定した流れを維持するために、アイソパイプのサイズ（例えばアイソパイプの幅）を増大させる必要がある。牽引工程自体は、多くの牽引工程条件の間のデリケートなバランスで成り立っており、かつこれらの牽引工程条件は、個々の牽引工程ごとに変化する可能性がある。したがって、ガラス流量を単純に増大させることは困難を伴うことが多い。さらに、ガラス基板の需要の増大のみでなく、ディスプレーのサイズも着実に増大している。このことは、規模の経済を維持するためにさらに大きな基板を必要とする。したがって、ガラスの流量を増大させることに加えて、より大きな（例えば、より幅広の）ガラスの牽引が必要になる。必要とされることは、牽引工程の安定性限界を超えることなしにガラス流量を増大させる能力を、または、より小型の安定した牽引装置からスケールアップすることによって大型の牽引装置を設置する能力を既存の牽引設備に付与する別の構成である。

本発明の一つの実施の形態は、成形用楔状体を備えたガラスシート成形装置を含み、上記楔状体は、この楔状体の底縁において収斂しかつこの底縁の上方の垂直高さＬインチを有する一対の下方へ傾斜した成形用表面部を有し、さらにエッジ案内体を備え、このエッジ案内体は、上記成形用表面部の垂直な縁部に沿って延びかつウェブ部を有し、このウェブ部は、このウェブ部上を流れるＧポンド／時・インチのガラスの流れを遮りかつ薄くするために、上記成形用表面部に隣接しており、Ｇ／Ｌ^３が約０．００１７ポンド／時・インチ^４（１ポンドは０．４５ｋｇ、１インチは２．５４ｃｍ）よりも大きい。Ｇ／Ｌ^３は約０．００２ポンド／時・インチ^４（１ポンドは０．４５ｋｇ、１インチは２．５４ｃｍ）よりも大きいことが好ましい。

別の実施の形態においては、ガラス基板の成形方法が開示され、この方法は、成形用楔状体上に溶融ガラスを流すことを含み、上記成形用楔状体は、この楔状体の底縁において収斂しかつガラス牽引線を上記底縁に沿って形成する一対の下方へ傾斜した成形用表面部を備え、かつ上記牽引線と、上記傾斜した成形用表面部の頂部と交差する水平面との間の垂直高さＬインチを有し、さらにウェブ部を備えたエッジ案内体を有し、このウェブ部は、このウェブ部上を流れるＧポンド／時・インチのガラス流を遮りかつ薄くするために、上記成形用表面部に隣接しており、Ｇ／Ｌ^３が約０．００１７ポンド／時・インチ^４（１ポンドは０．４５ｋｇ、１インチは２．５４ｃｍ）よりも大きい。

本発明のさらなる特徴および効果は、下記の詳細な説明に記載されており、その一部は、当業者であればその説明から、または下記の詳細な説明、請求項および添付図面に記載された本発明を実施することによって直ちに明らかになるであろう。

上述の概要説明および下記の詳細な説明の双方は、本発明の実施の形態を提供するもので、請求項に記載された本発明の性質および特徴の理解するための概観または骨組みの提供を意図するものであることを理解すべきである。添付図面は、本発明のさらなる理解のために備えられたものであって、本明細書に含まれかつその一部を構成するものである。これらの図面は本発明の種々の実施の形態を示し、説明内容とともに本発明の原理および動作の説明に資するものである。

以下、添付図面に示された本発明の好ましい実施の形態を参照しながら説明する。全図を通じて、同一または類似の部品には、可能な限り同一符号を付してある。

過去に経験した成形用楔状体の設計は繰り返し作業に傾き勝ちであった。成形用楔状体を、設計し、製造し、かつ試運転してその能力を評価した。例えばその成形用楔状体から牽引されるガラスシートのエッジからエッジまでの幅が長い間に変化する不安定な成形用楔状体は、構造の修正および別の成形用楔状体の作製が必要であった。この過程は、適当な設計特性に達するまで続行した。それでもなお、成形用楔状体の寸法は長い間に変化し、例えば温度分布、ガラス流の変化等の種々の工程変数が変化するので、エッジの安定性が希薄なことが判明している。ガラスの成形には高い温度を必要とし、長い間に成形用楔状体のサグまたはクリ−プを招来し、かつ一般にジルコンである成形用楔状体を形成する材料を溶融ガラスが徐々に溶かす傾向があるので、成形用楔状体自体が異常に厳しい条件に曝される。したがって、特定の成形用楔状体の特性が工程条件に対し敏感で、エッジの安定性の変化を誘引することが判明している。このことは、成形用楔状体のサイズの増大が必要な場合に特に真実である。

パネルディスプレーサイズの制約の一つは、ディスプレーのための基板として機能する清浄なガラスからなる大型のシートを成形する能力である。第１世代のガラスシートのサイズ（例えば幅）は１メートルに満たなかったが、現世代のガラスシートの生産においては、幅が数メートルの清浄なガラスシートの成形が可能である。

このサイズ増大を達成するためには、ディスプレーガラスの製造業者は成形用楔状体（アイソパイプ）のサイズおよび特に幅を増大させなければならない。過去においては、このことは通常、前世代の成形用楔状体の出発点から発展した。この成形用楔状体は、前世代からサイズを増大させた後に続く次世代の成形用楔状体のためのテンプレートとして用いられた。

それでもなお、次世代の設計に基づいて形成された、比較的良好なエッジ安定性を示す成形用楔状体であってさえ、大きさを変えることは不成功に終わることが多かった。例えば、エッジ案内体のウェブ部のサイズを増大させずに成形用楔状体のサイズ(幅)のみを増大させると、不安定なエッジ流、あるいは少なくとも工程条件に敏感なエッジ流が生じることが分かった。したがって、安定なエッジ流を備えた、より大きい次世代の成形用楔状体が構成されかつ生産現場に設置されることが可能になる以前に、構造パラメータ（例えば、幅、トラフ寸法等）を変えたいくつかの成形用楔状体を作製することが必要であった。理解されるように、成形用楔状体に対するこの行き当たりばったりの手法は望ましくない。

本発明の方法を用いると、安定したエッジ流を伴ったガラスシートのオーバーフロー・ダウンドロー成形のための成形用楔状体を最初に作製することを可能にするのみでなく、最初の成形用楔状体から拡大された、安定したエッジ流を生じさせる、サイズの異なる成形用楔状体の展開が容易になる。

本発明による清浄なガラスのオーバーフロー・ダウンドローのための装置１０が図１に示されている。図１および図２に示されているように、装置１０は成形用楔状体１２を備えており、この楔状体１２は、長手方向両側が壁部１６によって仕切られた、上方に開口する溝１４を備え、この溝１４の上端は、対向して長手方向に延びるオーバーフロー堰すなわち上縁１８において終端している。これら堰すなわち上縁１８は、成形用楔状体１２の両外側のシート成形用表面に隣接している。図示のように、成形用楔状体１２は、上縁１８に隣接する一対のほぼ垂直な成形用表面部２０と、真直ぐなガラス牽引線を形成するほぼ水平の下部頂上すなわち底縁２４で終端する一対の下方へ傾斜した収斂する表面部２２とを備えている。

溶融ガラス２６は、溝１４に連通する送給通路２８を用いて溝１４内に送給される。溝１４内への送給は、片側からでよいが、必要に応じて両側からでもよい。溝１４の各端部の近傍には一対の限流ダム３０が上縁１８の上方に設けられて、分離した二つの流れとしてオーバーフロー堰１８を乗り越えかつ両側の成形用表面２０，２２を底縁２４まで流下する溶融ガラス２６の自由表面３２のオーバーフローを誘導し、仮想線で示されている分離した二つの流れは上記底縁２４において合流して、処女表面を備えた帯状ガラス３４を形成する。この後、帯状ガラス３４は牽引ローラ３５によって牽引される。

成形用楔状体１２の各長手方向端部には、一対のエッジ案内体またはエッジ矯正体３６が設けられていて、このエッジ案内体が楔状体の各側の各長手方向端部の垂直エッジに沿って延びている。したがって、各成形用楔状体１２について４個のエッジ案内体３６が、成形用楔状体１２の各隅部に１個ずつ設けられている。これらエッジ案内体３６は二つの主要部分からなり、楔状体の成形用表面部の長手方向垂直端に沿ってこれらと交差する突縁表面部３８と、この突縁表面部３８と傾斜した収斂表面部２２の一つとの間に延びかつそれらに隣接(交差)するウェブ部または隅肉部４０とを含む。

ウェブ部４０は、Ａ点とＢ点との間の交差線４２に沿って突縁表面部３８と交差し、かつ点Ａと点Ｃとの間の交差線４４に沿って、傾斜した成形用表面２２と交差している。したがって、交差線４４は点Ａから、成形用楔状体１２の底縁すなわち頂上２４に沿って突縁表面部３８から内方へ距離ｄだけ離れた点Ｃまで対角線的に下方へ延びている。しかしながら、別の実施の形態においては、点Ｃが上記水平面の上方または下方にあってもよい。ウェブ部４０の底縁４６は点Ｂから点Ｃまで延びている。底縁４６は真直ぐな線であっても、真直ぐな線でなくてもよい。

上述のように、本発明によれば、楔状体１２は複数のエッジ案内体３６を備えている。具体的に言えば、２個のエッジ案内体３６が成形用楔状体の各長手方向端部に対向配置されるように、垂直隅部にそれぞれ１個のエッジ案内体３６が配置される態様で、楔状体の各側に一対のエッジ案内体３６が設けられている。

収斂する成形用表面２２の縁部に沿って流れる溶融ガラスは、傾斜した成形用表面２２との対角線方向の交差線４４に沿ったウェブ部４０によって遮られる。流下するガラスシートの両エッジ部は，先ず傾斜した成形用表面によって、次いでエッジ案内体３６のウェブ部４０によって案内可能に支持される。

ウェブ部４０は、成形用表面２２が遮る長さよりも水平方向に長く、かつ得られる使用可能な帯状ガラスの幅を効果的に最大にする、濡れ長さ(wetted length)を備えている。さらにウェブ部４０は、その上を流れるガラスの幅を拡げまたは薄くし、溶融ガラス流がウェブ部４０の底縁４６を離れる以前に、溶融ガラス流の長手方向の両エッジの厚さを薄くする。

ウェブ部４０の上を流れかつウェブ部４０に接触するガラスの直線的な幅は、上述で定義されているように、突縁表面部３８の内方へ底縁２４に沿ったエッジ案内体３６の距離である距離ｄによって図２に示されている。このガラス流の流量は、突縁表面部３８から点Ｃまでの距離の１インチ当たりＧポンド／時で示される。一般に４個のエッジ案内体３６および４個のウェブ部４０が存在するので、Ｇは、全てのウェブ部４０に亘る流量の平均値として概略的に表される。

上述のように、フュージョン法を用いるガラス製造システムにおいて作製されるガラス基板は、平坦なパネルディスプレー等の装置に用いられるように一定の厚さを有していなければならない。このことを確実にするために、本発明者等は、このようなガラス基板を生成させるために上記フュージョン法の機能を高める方法を研究しかつ確定した。特に本発明者等は、成形装置１０上を流れる溶融ガラス２６の量配分を管理することによって、ガラス基板の品質／特性に影響を与えることを可能にした。したがって、本発明の主題は、成形装置１０上を流れる溶融ガラス２６の流量の管理に関する。

効率の良いフュージョン法は、一定の厚さを有する大面積の帯状ガラス３４を招来することが知られている。また、帯状ガラスの牽引中、帯状ガラスの幅が変化しない、すなわち帯状ガラスの両エッジが安定に残存することも望ましい。収斂する成形用表面２２の高さＬの三乗Ｌ^３に対するウェブ部４０の上面５２（すなわち距離ｄに沿った）上を流れるガラスの流量の比、すなわちＧ／Ｌ^３が、約０．００１７ポンド／時・インチ^４（１ポンドは０．４５ｋｇ、１インチは２．５４ｃｍ）以上に保たれるならば、より好ましくは、約０．００２ポンド／時・インチ^４（１ポンドは０．４５ｋｇ、１インチは２．５４ｃｍ）以上に保たれるならば、エッジ安定性が得られることを本発明者等は導き出した。

上記に概略的に示した条件は、フュージョン・ダウンドロー法におけるエッジ（帯状ガラスの幅）の安定性を確立するのに有用であるが、上記ウェブ部の表面上を移動するガラス層に影響を与える張力を小さく保つ能力も有益であることも注目すべきである。力は、上記ウェブの表面上にガラスを保つ接着力と、エッジ案内体（ウェブ部）からガラスを引き離す印加力（重力および牽引ローラ３５）である。これらの力は、ガラスシートをエッジ案内体から引き離し、シート幅の変動を生じさせる可能性がある。したがって、上記接着力が少なくとも上記印加力よりも大きく、かつ印加力よりもかなり大きいことが望ましい。一般に、エッジ案内体は、高いガラス成形温度(１０００℃を超えることが多い)に耐えるために、白金等の耐熱性金属から構成される。ディスプレー装置を作製するために用いられる珪酸塩ガラスは白金に対し僅かしか濡れないので、白金の表面からガラスが完全に分離してしまうことが判明している。さらに、珪酸塩ガラスはアルミナまたはジルコン等の或る種のセラミック材料に著しく濡れる。したがって、貴金属（例えば白金）ウェブ部を少なくともアルミナおよび／またはジルコン等のセラミック材料で少なくとも被覆して、接着力を高めることが効果的である。あるいは、ウェブ部が成形用楔状体と一体の（例えばモノリシックな）部分としてもよく、その場合、それらは成形用楔状体の一部として鋳込まれ、あるいは機械加工される。或る場合には、このウェブ部が独立したセラミック部品として製造され、後に成形用楔状体に取り付けられてもよい。ウェブ部を成形用楔状体の一体のまたはモノリシックな一部分として加工することの利点は、高価な貴金属の使用を控え、かつガラス流の断裂の原因となり得る成形用楔状体および収斂する成形用表面の表面断裂を排除することである。一部の実施の形態においては、エッジ案内体、特にエッジ案内体のウェブ部および／または成形用楔状体の全体および一部は、その内容の全てが引例として本明細書に組み入れられる、２００４年１２月３０日付けで出願された米国特許出願第６０／６４０６８６号明細書に記載されているような耐熱性材料のいずれかを用いて製造することができる。これらの材料の具体例は、上記引例に定義されかつ記載されているように、ジルコン、ゼノタイム類の材料、ゼノタイムと安定化されたジルコン類の材料、およびゼノタイムと安定化されたジルコン類の材料にゼノタイム類の材料を加えたもの、またはこれらの混合物である。

勿論、安定したエッジ流（すなわち、エッジからエッジまでの幅）を備えた任意の成形用楔状体が、本発明によって、容易により大きい成形用楔状体の能力を持つようになることは、当業者には明らかであろう。すなわち、これからの成形用楔状体は、下記の基準によって設計されるであろう。つまり、
Ｇ＝Ｇ_ｒｅｆ（Ｌ／Ｌ_ｒｅｆ）^３
ここで、Ｇはこれからの成形用楔状体のウェブ部上を流れる流量、Ｌはこれからの成形用楔状体の収斂する成形用表面の高さである。Ｇ_ｒｅｆおよびＬ_ｒｅｆは、現在のまたは既存の成形用楔状体に関する同じパラメータである。

本発明の精神および範囲から離れることなしに、種々の変形および変更が可能なことは、当業者には明らかであろう。したがって本発明は、添付の請求項およびそれらの均等物の範囲内で行なわれた本発明の変形および変更をカバーすることを意図するものである。

帯状ガラスのフュージョン・ドローイングのための成形用楔状体を備えた装置の一端を示す、本発明の一実施の形態の一部を断面とした斜視図 エッジ案内体を示しかつこのエッジ案内体のウェブ部を含む図１の楔状体の拡大斜視図

符号の説明

１０ 成形装置
１２ 成形用楔状体
１４ 溝
１６ 壁部
１８ オーバーフロー堰（上縁）
２０，２２ 成形用表面部
２４ 底縁
２６ 溶融ガラス
２８ ガラス送給通路
３０ 限流ダム
３２ 溶融ガラスの自由表面
３４ 帯状ガラス
３５ 牽引ローラ
３６ エッジ案内体
３８ 突縁表面部
４０ ウェブ部
４２，４４ 交差線
４６ ウェブ部の底縁

Claims (9)

1. ガラスシート成形装置であって、
   成形用楔状体（１２）であって、該楔状体の底縁（２４）において収斂しかつ該底縁（２４）上方の垂直高さＬインチを有する一対の下方へ傾斜した成形用表面部（２２）を有する成形用楔状体、および
   エッジ案内体（３６）であって、前記成形用表面部（２２）の垂直な縁部に沿って延びかつウェブ部（４０）を有し、該ウェブ部は、該ウェブ部上を流れるＧポンド／時・インチのガラスの流れを遮りかつ薄くするために、前記成形用表面部（２２）に隣接しているエッジ案内体、
   を備え、
   Ｇ／Ｌ^３が約０．００１７ポンド／時・インチ^４（１ポンドは０４５ｋｇ、１インチは２．５４ｃｍ）よりも大きいことを特徴とするガラスシート成形装置。
2. Ｇ／Ｌ^３が約０．００２ポンド／時・インチ^４（１ポンドは０．４５ｋｇ、１インチは２．５４ｃｍ）よりも大きいことを特徴とする請求項１記載のガラスシート成形装置。
3. 前記ガラス流と接触する前記ウェブ部の表面がセラミック材料であることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記ウェブ部が密実なセラミック形態であることを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 前記ウェブ部が前記成形用楔状体と一体の部分であることを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 前記セラミック材料が、ジルコン、アルミナ、ゼノタイム類の材料、ゼノタイムで安定化されたジルコン類の材料、またはこれらの組合せからなる群から選ばれることを特徴とする請求項３記載の装置。
7. 前記ウェブ部がセラミックで被覆された耐熱性材料からなることを特徴とする請求項３記載の装置。
8. ガラス基板の成形方法であって、
   成形用楔状体（１２）上に溶融ガラスを流す工程であって、前記成形用楔状体（１２）は、該楔状体の底縁において収斂しかつガラス牽引線（２４）を前記底縁に沿って形成する一対の下方へ傾斜した成形用表面部（２２）を備え、かつ前記牽引線と、前記傾斜した成形用表面部の頂部に交差する水平面との間の垂直高さＬインチを有し、さらにウェブ部（４０）を備えたエッジ案内体（３６）を有し、該ウェブ部は、該ウェブ部上を流れるＧポンド／時・インチのガラス流を遮りかつ薄くするために、前記成形用表面部（２２）に隣接している工程、
   を有してなり、
   Ｇ／Ｌ^３が約０．００１７ポンド／時・インチ^４（１ポンドは０．４５ｋｇ、１インチは２．５４ｃｍ）よりも大きいことを特徴とするガラス基板の成形方法。
9. Ｇ／Ｌ^３が約０．００２ポンド／時・インチ^４（１ポンドは０．４５ｋｇ、１インチは２．５４ｃｍ）よりも大きいことを特徴とする請求項８記載の方法。

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