JP2010519164A - 熱的エッジ仕上げ - Google Patents

Abstract

熱的エッジ仕上げ方法は、ガラスシートの少なくとも一つの切断されたエッジを予熱し、ガラスシートの加熱を継続しながらエッジをレーザー仕上げして、エッジに対して直角をなす位置からガラスシートの面内まで単一の連続した丸さにし、かつエッジを局部的にアニールして、エッジのレーザー／熱処理による残留応力を低減させることを含む。本発明の方法により、エッジの応力は、２０．７ＭＰａ（３０００psi）未満の、より好ましくは１７．２ＭＰａ（２５００psi）未満の、そして処理されたエッジの最初の１ｍｍにおいて６．９ＭＰａ（１０００psi）もの低さにまで低減される。

Description

本発明は、ガラスシートの熱的エッジ仕上げおよびアニールに関し、特に、ガラスシートのエッジのレーザー仕上げおよびそれに続いてエッジに沿った残留引っ張り応力を低減するためのアニールを行なって、後工程における不良および品質に関する問題を低減することに関するものである。

ガラスシートの機械的な分割および仕上げに関する一つの知られた方法は、罫書きホイールを用いた機械的な罫書き等の切断工程、およびガラスシートの曲げを介したクラックの伝播による分割、ならびに研削等の機械的なエッジ仕上げ等のエッジ仕上げ工程を伴っている。機械的なエッジ仕上げは一般に湿式処理として行なわれる。機械的な罫書き、分割およびエッジ仕上げは、ガラスシートの表面に付着するガラスチップを生じさせる。そこで、ガラスシート表面のガラスチップ汚染を除去するために、ガラスシートは洗浄されなければならない。罫書き、切断およびエッジ仕上げ工程に続いて、このガラスシートの洗浄を必要とすることは、製造工程にコストを追加することになるので、汚染の原因、すなわち機械的な罫書き、切断およびエッジ仕上げ工程を排除することが望ましい。

一般的に研削および研磨ステップを含む機械的なエッジ仕上げはまた、ガラスシートのエッジの表面下に損傷を与える。修復不能なひび割れを含む表面下の損傷は、ガラスシートのエッジ強度を低下させるという弱点を招く。ガラスシートの破損は一般に、エッジの傷から生じ、より強いエッジ（すなわち、傷の少ないエッジ）ほど、取扱いおよび処理中にガラスシートが破損する確率が低い。エッジ強度は、ワイブル分布を用いて計測される統計的量であり、シートのサイズの増大につれてシートを破損させる確率が増大する。それ故に、極めて大きい（例えば、約１ｍ、１．５ｍまたは２ｍよりも長いエッジを備えた）シートに関しては、エッジ強度を増大させる（かつエッジに沿った傷および弱点を減少させる）ことが特に望ましい。

ガラスの罫書きおよび分割にレーザーを用いることによる、および／または、ガラスの切断にレーザーを用いることによる等のガラスシートを「クリーンカット」する方法が知られている。例えば特許文献１〜９を参照されたい。しかしながら、熱的処理（ガラス罫書きおよびガラス切断に関しレーザービームを用いることを含む）は、罫書き／切断時にガラスが局部的に、すなわちエッジ近傍がその歪み点よりも高温に加熱されるために、ガラス内に残留応力が発生する。これらの残留エッジ応力は、その後の取扱い、輸送、および使用に際して破損を導く可能性があるので望ましくない。さらに、残留応力は、許容できないひび割れ、欠け等の品質不良を生じ得るので、ガラスをより小さいサイズに切断する等の後工程を制限しまたは妨げる可能性がある。熱を放射するヒータは、局部的な熱処理（アニール）工程を通じて残留応力を低減するのに用いることができる。しかしながら、ガラスの光学的特性、赤外線に対する不透過性は、熱を放射するヒータから得られる応力解放を制限する。

要約すると、一般的な機械的またレーザー罫書きおよび分割工程によって得られるガラスシートは、「角ばった」すなわち比較的鋭利なガラスエッジを有する（図１）。この鋭利なコーナー部（エッジ表面と各表面との接合線に形成される）は、衝撃または摩擦によって容易に損傷し得る高い応力点であるため、「角ばった」エッジは望ましくなく、かつさらなる仕上げを必要とする。このようなエッジの損傷は、ガラスにテンションが加えられたときに、ガラスシートにクラックを伝播させる可能性がある欠陥と、ガラスの表面を汚染し得るガラスチップとを発生させる。エッジが損傷する危険性を低減させる従来の対策は、研削ホイールを用いてエッジの面取りを行なうことによって、ガラスシートのエッジに丸みをつけることであり、これはガラス粉末を発生させ、かつガラスを汚染する湿式処理である。

レーザーエッジ仕上げはクリーンな工程であるが、レーザー仕上げは高い残留応力をエッジに誘起させる傾向があり、シートの強度に悪影響を与える。それ故に、レーザー仕上げが用いられた場合には、後工程における品質に懸念が生じる。

米国特許第６,７１３,７３０号明細書 米国特許第６,２０４,４７２号明細書 米国特許第６,３２７,８７５号明細書 米国特許第６,４０７,３６０号明細書 米国特許第６,４２０,６７８号明細書 米国特許第６,５４１,７３０号明細書 米国特許第６,１１２,９６７号明細書

それ故に、エッジに沿った許容不能な量の残留引っ張り応力、ひびまたは欠陥を誘導しない、ガラスのためのクリーンなエッジ仕上げ方法および装置に関する要求が存在する。

本発明は、切断されたエッジのレーザー仕上げに、レーザー処理前の作業およびレーザー処理後の作業を組み合わせて、上記前作業および後作業を伴わないレーザー仕上げに比較して、エッジに沿った残留引っ張り応力を低減させる方法および装置に関するものである。本発明の方法はまた、大型および小型のガラスシートを作製するための連続工程およびバッチ工程の双方に互換性があり、かつ室温におけるガラスシートまたは高温におけるガラスシート（炉内で加熱されるシート等）に用いることができる、再現性がありかつ一様な処理をも提供するものである。

本発明の方法は、ガラスシートの表面保護も、これに続くガラスシートの洗浄も必要としないクリーンかつ乾式の方法である。得られたエッジは平滑に磨かれた仕上げ面を有し、かつ表面下の損傷が実質的に皆無である。それ故に、本発明で処理されたガラスシートは、機械的に研削されかつ研磨されたエッジを有するガラスシートよりも優れた耐衝撃損傷特性を有する。これに加えて、本発明で処理されたガラスシートは、機械的に研削されかつ研磨されたエッジを有するガラスシートよりも、連続的な負荷の下での故障に対する抵抗力が勝っており、かつ破片および粒子の発生が実質的に皆無である。本発明の方法は、後述するように、残留引っ張り応力が２０．７ＭＰａ（３０００psi）未満の、１７．２ＭＰａ（２５００psi）のように低い、さらには６．９ＭＰａ（１０００psi）のように低いエッジを得ることが可能である。

本発明の一つの実施の形態において、鋭利なコーナー部を備えたエッジを有するガラスシートを仕上げるための熱的エッジ仕上げ方法は、ガラスシートの少なくとも一つのエッジを高温に加熱し、この少なくとも一つのエッジを、高温の下でレーザービームを用いて熱処理して丸めかつ仕上げ、かつ上記少なくとも一つのエッジをアニールして、エッジ仕上げ中に発生した過渡的な応力を低減させる諸ステップを含む。

本発明の別の実施の形態において、ガラスシートを仕上げるための熱的エッジ仕上げ方法は、ガラスシートのエッジを予熱し、レーザー装置の１回の通過でこのエッジを鋭利でない形状にレーザー仕上げし、エッジの両側方からのみでなく、エッジから直角方向からも加熱することによって、エッジをアニールする諸ステップを含む。

本発明のさらに別の実施の形態において、エッジを有するガラスシートを熱的に仕上げるための装置は、上記シートのエッジを加熱するための少なくとも一つの第１熱源と、上記エッジが高温にある状態で、１回の通過において上記エッジを丸めかつ仕上げて、単一の連続した、または丸みを帯びた、例えば平らな部位のないエッジを形成するのに適したレーザービームを発生するように構成されたレーザー装置と、上記エッジをアニールして、上記レーザー装置によるエッジ仕上げ中に生じた過渡的な応力を低減させるための少なくとも一つの第２熱源とを備えている。

本発明のさらなる特徴および効果は下記の詳細な説明中に記載されており、その一部は、当業者であればその記載から直ちに明らかであり、またはここに記載されている本発明の実施によって認識されるであろう。下記の記載は、説明の目的でガラス製造に関して述べられている。しかしながら、添付の請求項において定義されかつ示されている本発明は、脆弱な材料がガラスであると特定している請求項を除き、それに限定されるべきものではないことを理解すべきである。

上述の概略説明および下記の詳細説明の双方は、本発明の単なる例示であって、下記の請求項に記載された本発明の性質および特徴を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。また、下記に説明されかつ請求項に記載されている、上述に紹介された本発明の好ましい実施の形態ならびにその他の実施の形態は、単独に、または他の何れかおよび全てと組み合わせて用いることができる。

添付図面は、本発明のさらなる理解を与えるために備えられたものであって、本明細書に組み入れられ、かつその一部を構成するものである。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。図中に示された種々の特徴は、必ずしも同一縮尺にはなっていないことに注目すべきである。実際に、説明を明瞭にするために、寸法は任意に拡大または縮小されている。

図１は、鋭利なコーナー部を備えた切断されたエッジを有するガラスシートの側面図である。 図１Ａは、レーザーによるエッジ処理後の一様な丸みを備えたガラスエッジを示す図１に類似したガラスシートの側面図である。 図１Ｂは、レーザーによるエッジ処理後の平坦部に連接する等しい丸みを備えたコーナー部を有するガラスエッジを示す図１に類似したガラスシートの側面図である。 図１Ｃは、レーザーによるエッジ処理後の平坦部に連接する異なる丸みを備えたコーナー部を有するガラスエッジを示す図１に類似したガラスシートの側面図である。 図２は、ガラスシートのエッジのレーザー処理を示す概略的斜視図である。 図３は、単純な楕円形状のガウスビームであるレーザービームによって発生したパターンを示す概略図である。 図３Ａは、図３のIIIＡ−IIIＡ線に沿った断面図である。 図３Ｂは、ＴＥＭ１０／ＴＥＭ０１／ＴＥＭ００モードの２５／２５／５０混合を用いて修正されたＤモードレーザービームによって発生したパターンを示す概略図である。 図３Ｃは、ＴＥＭ１０／ＴＥＭ０１／ＴＥＭ００モードの２０／２０／６０混合を用いて修正されたＤモードレーザービームによって発生したパターンを示す概略図である。 図４は、図１Ａのエッジと類似するが、エッジ材料が僅かにマッシュルーム形状に膨らんだエッジの断面側面図である。 図５は、本発明のガラスの予熱ステップ、ガラスエッジのレーザー処理ステップ、およびエッジのアニールステップを示すフローチャートである。 図６は、予熱工程におけるガラスシートのエッジの周囲のヒータ配置を示す側面図である。 図６Ａは、エッジを加熱中のレーザー処理工程におけるガラスシートのエッジの周囲のヒータ配置を示す側面図である。 図６Ｂは、ガラスシートのエッジをアニールするためのラスシートのエッジの周囲のヒータ配置を示す側面図である。 図６Ｃは、ガラスシートのエッジをアニールするためのラスシートのエッジの周囲の図６Ｂとは別のヒータ配置を示す側面図である。 レーザー処理されかつアニールされた隣接するエッジを備えたガラスシートの斜視図であり、図示された二つのエッジは、ガラスシートの９０度のコーナー部で交わっている。

説明を目的とするものであって限定するものではない下記の詳細な説明において、本発明の完全な理解のために、特定の実施の形態が詳細に開示されている。しかしながら、本明細書の恩恵を受けた当業者には、本発明は、ここに詳細に開示された内容から逸脱した他の実施の形態も実施可能なことが明らかであろう。さらに、本発明の説明を不明瞭にしないために、周知の装置、方法および材料についての説明は省略されている。

本発明の方法は、鋭利なコーナー部５２，５３を有する少なくとも一つの切断されたエッジ５１（図１）を備えたガラスシート５０を提供し、熱によるエッジ仕上げ技法（例えばレーザー）を用いてエッジを丸めて（図２〜図３Ｃ）、一様な丸みを有するエッジ５１Ａ（図１Ａ）、対称的なエッジ（二つの丸い部分と平らな部分とからなるエッジ５１Ｂのような）（図１Ｂ）、非対称的なエッジ（図１Ｃ）、または放物線状またはその他の形状のエッジ（不図示）を形成することを含む。これに加えて、曲率半径の中心がシートエッジ５１の中心と一致しないものも検討される。本発明の方法は、レーザー仕上げに先立つ局部的な予熱ステップ（ステップ６０）、レーザー仕上げ中の随意的な局部的加熱ステップ（ステップ６１）、およびレーザー仕上げ後の局部的な熱処理／アニールステップ（ステップ６２，６３）によって、レーザーでエッジ仕上げされたガラスシート内の残留応力を低減することをさらに含む（図５、図６および図６Ａ〜６Ｃ）。

図２を参照すると、レーザーパターン／スポット５６を形成するレーザービーム５５は、ガラスシート５０のエッジと直角に位置決めされ、もしガラスシート５０のエッジが変化した場合であってもレーザー処理を確実にするために、レーザースポット５６のエッジはガラスシート５０のエッジを超えて延びている。レーザースポット５６の楕円形状は、最高の処置速度を提供するので、円形よりも好ましい。よりよい処理の一様性および安定性を得るためには、例えばｓモード、ｄモード等の如何なるビーム輪郭も検討されるが、ビーム形状を単純なガウスビームから修正するのが効果的である。図３は、一般的なガウスビームの出力分布を伴った高ピーク出力を示す。このビーム輪郭は、他のビーム輪郭よりも高い応力を発生させるので望ましくない。図３（および図３Ａ）におけるビーム５５の楕円形状は、セレン化亜鉛屈折光学系および反射光学系を用いることによる等の周知の方法によってビームを横方向に楕円形に拡大することによって得られる。これらの輪郭は、ＤモードおよびＱモードを生成させることができる市販のＣＯ_２レーザーで得られる。図３Ｂおよび図３Ｃはそれぞれ、ＴＥＭ１０／ＴＥＭ０１／ＴＥＭ００モードを２５／２５／５０および２０／２０／６０混合した楕円形Ｄモードビームである。効果的な他のビーム形状は、ビーム幅に亘って一様な加熱を提供するトップハット輪郭を備えたＤモードである。

ガラスシート５０はレーザービーム５５の下方を移動され、および／または、例えば浮動光学系を用いてレーザービーム５５がガラスシート５０のエッジ５１に沿って移動する。もし十分な熱流束がエッジ５１に施されるならば、ガラスは溶け、ガラスシート５０によって画成された平面に対して表面張力が先ず直角な方向にガラスを流して丸みを帯びたエッジにする。入力熱流束および滞留時間を制御することによって、丸みの程度を制御することができる。加熱が不十分であると丸みも不十分になる。加熱し過ぎると、エッジに対して直角な二つの表面によって画成された平面にガラスがオーバーフローする可能性がある。これをマッシュルームと呼ぶ。ガラスシート５０の平面における「マッシュルーム」５７（図４）は最小限（０．５μｍ未満）である。明らかに、曲率半径は、印加されるレーザー出力およびレーザーの滞留時間等の処理パラメータを変えることによって調整することができる。熱流束は、レーザー出力、ビームの引伸ばし距離および平行移動速度に左右される。例えば、引伸ばし距離４０〜１００ｍｍまたは６０ｍｍをもって平行移動速度約６０〜１５０ｍｍ／秒すなわち約１００ｍｍ/秒で動作する２００〜６００Ｗまたは約３５０Ｗの出力を用いることができる。引き伸ばされたビームは、エッジ５１に対して直角な方向よりもエッジ５１に対して平行な方向の方が長いことを理解すべきである。

もし、下記にさらに詳細に説明されている本発明の局部的加熱ステップが採用されない場合には、残りのエッジの処理の処理が、ガラスのエッジ５１からガラスシート５０の中心に向かって最初の１〜２ｍｍにおいて高い局部的応力（例えば、３４．５ＭＰａ（５０００psi ）のような）を発生させる。このような高い応力の値は、エッジの破損を招く傾向がある。

それ故に、さもなければ上述のレーザーによるエッジ処理によって発生するであろうエッジ応力は、本発明の局部的エッジ予熱およびエッジアニール（図５および図６〜図６Ｃ）を用いることによって最少化される。レーザーによるエッジ処理に先立って、先ずエッジ５１が約３５０℃〜約４５０℃または約４００℃で予滅される。エッジ５１および近傍領域の加熱は、この近傍領域はエッジから約７５〜１５０ｍｍまたは約１００ｍｍ以内の領域であるが、側部ヒータ７０および７１によって、かつ随意的に直角に位置決めされた端部ヒータ７２（図６）によって達成される。例えば、抵抗加熱素子を備えた赤外線ヒータ、または天然ガス／エアバーナ等の如何なる適当なヒータを用いてもよい。予熱ステップ６０は、ガラスのエッジに施されるレーザービーム５５によって生じる過渡的応力を最小化する。予熱後、ガラスが高い温度に保たれながら、ステップ６１において、エッジ５がレーザービーム５５によってレーザー処理される（図６Ａ）。レーザー処理中において、エッジ近傍領域を約３５０℃〜約４５０℃または約４００℃に保つ理想的な温度に維持し、かつエッジ５１回りの材料を理想的な温度分布または温度勾配に維持するために、側部ヒータ７３および７４（図６Ａ）が随意的に用いられる。

レーザー処理の後、ガラスシートのエッジ５１はアニールステップで処理される。アニールゾーンにおけるヒータは、対向するヒータ側部７５および７６と、エッジ５１に対して直角に配置された、平らな端部ヒータ７７または円弧状の端部ヒータ７８とを含む。ヒータ７５〜７７（またはヒータ７５，７６および７８）は凹状または取り囲み配置を形成して、ガラス温度が理想的に冷却するためのコントローラによって緊密かつ注意深く制御される。理想的な冷却速度は、ガラスの熱膨張係数、ガラスの転移温度、歪み点、アニールポイント、ヤング率および所望の残留応力に左右され、通常の当業者にとっては容易に設定可能であろう。エッジ５１は、レーザーエッジ研磨の後の冷却速度を制御することによってアニールされる。局部的なエッジのアニールは、側部ヒータ、頂部ヒータ、リボンバーナ、および／または、ガラスシート５０および応力帯域幅の二次的なレーザー加熱を用いることによって達成される。局部的加熱は、過渡的応力、したがって残留応力の局部的領域を生成させる。この工程を経ると、残留応力の領域または「帯域」がガラス内に観察され、これが応力帯域である。

エッジにおけるピーク応力は、ガラスのアニールポイントを上回る温度においてアニール処理を開始し、かつ約１３０℃／分〜２００℃／分、または約１５０℃／分未満の冷却速度のようなゆっくりとした冷却速度を用いることによって最小化される。予熱ステップ、レーザー処理ステップおよびアニールステップの間の理想的な温度制御のために、ヒータ７０〜７７および／またはヒータ７３，７４および／またはヒータ７５〜７７（および／またはヒータ７５，７６，７８）は移動可能に支持され、および／または、バーナのためのガス／エア流および熱が制御される。

仕上げられた製品内の応力の大きさは、四角形のガラス片の四方のエッジの全てを仕上げる能力、ならびに、ガラスが罫書かれかつエッジ破損を伴わずに罫書き圧力による高い応力線に沿って分割される罫書きテストをパスする能力によって決定される。図５の本発明による工程は、StrainOptics社が販売しているＤＩＡＳ−１６００（登録商標）等の市販の装置を用いた、標準的な動作条件における読みに基づき、２０．７ＭＰａ（３０００psi）未満の、より好ましくは１７．２ＭＰａ（２５００psi）未満の残留引っ張り応力を持った、さらには６．９ＭＰａ（１０００psi）未満の残留引っ張り応力を持ったエッジを生成させることができることをテストは示した。図５の参照番号は下記の意味を持つ。すなわち、
６０：レーザービームを施すのに先立って、側部ヒータおよび頂部ヒータを用いてガラスを予熱する、
６１：予熱温度にある側部ヒータ間にエッジ全体を置いてエッジをレーザー処理する、
６２：レーザー処理されたエッジを局部加熱ゾーンへ移動させて、アニールポイントを上回る温度にエッジを加熱する、
６３：アニールポイントから歪み点未満まで、制御された冷却速度でエッジを冷却する。

図７を参照すると、レーザー研磨は、滑らかな丸みを帯びたコーナー部８０（斜視図）を形成するのに使用可能なこと明らかであり、そこでは、シート上で二つの仕上げられたエッジが出会って、丸みを帯びた９０°のコーナー部８０を形成している（二つのエッジ５１に沿って丸みが形成され、かつ二つのエッジの接合部によってコーナー部８０も形成されている）。それ故に、分割されたシートの切断されたコーナー部を丸める必要がなくなる。

以上、特定の実施の形態について本発明が説明されたが、当業者であれば、上述の説明に鑑みて、多くの代替、修正および変更が明らかであろう。したがって、本発明は、添付の請求項の精神および広範な適用範囲内でのこのような代替、修正および変更の全てを包含することを意図するものである。

５０ ガラスシート
５１ エッジ
５２，５３ 鋭利なコーナー部
５５ レーザービーム
５６ レーザースポット
５７ マッシュルーム
６０ 予熱ステップ
６１ レーザー処理ステップ
６２，６３ アニールステップ
７０〜７８ ヒータ
８０ 丸められたコーナー部

Claims (9)

1. 脆弱な材料からなるシートのエッジの仕上げ方法であって、
   ａ）前記シートのエッジを高温に予熱し、
   ｂ）該予熱されたエッジをレーザーでさらに加熱し、
   ｃ）前記エッジをアニールして残留応力を低減させる、
   諸ステップを含むことを特徴とする前記方法。
2. 前記予熱ステップが、少なくとも一つのエッジを熱するように位置決めされかつ配向されかつ前記ガラスシートの残り部分の加熱を制限するように大まかに位置決めされた少なくとも一つの熱源を提供することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記アニールステップが、前記少なくとも一つのエッジの両側に熱源を提供することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記予熱されたエッジをレーザーでさらに加熱するステップが、レーザーエネルギーを、ほぼ楕円形断面を有するビームに合焦させることをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記予熱されたエッジをレーザーでさらに加熱するステップが、エッジの一側からエッジの他側まで延びる単一の丸みを有するシートエッジを形成する結果となることを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記予熱されたエッジをレーザーでさらに加熱するステップにより、前記脆弱な材料の第１面から前記脆弱な材料の第２面まで延びる二つ以上の丸みを有するエッジが形成されることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記予熱ステップ、さらなる加熱ステップ、およびアニールステップが、前記エッジに沿った残留応力を２０．７ＭＰａ（３０００psi ）未満まで低減させるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. ガラスシートを熱的に仕上げる装置であって、
   前記シート一つのエッジを予熱するための少なくとも一つの第１熱源と、
   ａ）前記エッジを丸めかつ仕上げて、単一の連続した丸みを有するエッジにするのに適したレーザービームを発生させるように構成されたレーザー装置と、
   ｂ）前記エッジをアニールして、前記レーザー装置によるエッジ仕上げ中に生成された応力を低減させるための少なくとも一つの第２熱源と、
   を備えていることを特徴とする前記装置。
9. 前記少なくとも一つの第１熱源が、前記ガラスのエッジの両側の側部ヒータと、前記エッジと直角に位置決めされた端部ヒータとを備えていることを特徴とする請求項８記載の装置。

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