JP2012533497A - 連続ガラスシートを形成する方法及びシステム - Google Patents

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Abstract

内部チャンバを定める多孔質側壁を有するサセプタベアリングにガラスチューブを被せて延伸することによってガラスチューブを拡張及び薄化する工程を含む、ガラスチューブから連続ガラスシートを形成する方法。サセプタベアリングの直径は頂部から底部にかけて大きくすることができる。ガラスチューブは、ガラスチューブがサセプタベアリング上で延伸されている間、ガラスの軟化点より高い温度に維持することができる。ガラスチューブは、ガラスチューブがサセプタベアリング上で延伸されている間、内部チャンバに供給され、多孔質側壁から放出される加圧流体でガラスチューブをサセプタベアリングから径方向に吹き離すことにより、サセプタベアリングから浮き上っている。その後、ガラスチューブは冷却され、切り開かれて、連続ガラスシートにされる。

Description

関連出願の説明
本出願は２００９年５月１３日に出願された、名称を「連続ガラスシートを形成する方法及びシステム(Methods and Systems For Forming Continuous Glass Sheets)」とする、欧州特許出願第０９３０５４２５.２号の恩典と、その優先権を主張する。本明細書は上記特許出願の明細書の内容に依存し、上記特許出願の明細書の内容はその全体が本明細書に参照として含まれる。
本明細書に説明される実施形態は、全般的にはガラスシートを形成する方法及びシステムに関し、さらに詳しくは、連続薄ガラスシートを形成する方法及びシステムに関する。
有機発光ダイオード(ＯＬＥＤ)は、広範な電界発光デバイスにおける使用の可能性を秘めているため、近年多大の研究の対象となっている。例えば、単ＯＬＥＤは個別発光デバイスとして用いることができ、あるいはＯＬＥＤアレイは照明用途または可撓ディスプレイのようなフラットパネル用途に用いることができる。しかし、ＯＬＥＤディスプレイ、特に個々のＯＬＥＤの電極及び有機層は、酸素及び水分との相互反応による劣化がおこり易い。可撓ＯＬＥＤディスプレイに基板として用いられる高分子材は酸素及び水素を透過させ易く、したがってディスプレイの密封及びＯＬＥＤデバイスの劣化防止には有効ではない。酸素及び水分のいずれも透過させない金属ホイルもあるから、金属ホイルは高分子材への適する代替を提供する。しかし、金属ホイルの光学特性、特に金属ホイルの透明性または透明性の欠如のため、金属ホイルはＯＬＥＤディスプレイデバイスとともに使用するに不適になる。
ガラスは、高分子材及び金属ホイルのいずれに対しても、ＯＬＥＤディスプレイデバイスとともに使用するに適する代替になり得る。ガラスは所望の光学透明性を提供し、水分及び酸素を透過させない。したがって、ガラスはディスプレイにおいてＯＬＥＤの周囲に気密シールを形成するに適し得る。しかし、ガラスは一般に、ガラスが極薄である場合を除いて、可撓材料ではなく、極薄ガラスを作成するための既存の方法は大量商業生産には適していない。
したがって、連続薄ガラスシートを作成するための別の方法及びシステムが必要とされている。
本明細書に示され、説明される一実施形態にしたがえば、連続ガラスシートを形成する方法は、内部チャンバを定める多孔質側壁を有するサセプタベアリングにガラスチューブを被せて延伸することによって、ガラスチューブを拡張し、薄化する工程を含む。サセプタベアリングの直径は、サセプタベアリングの頂部からサセプタベアリングの底部にかけて大きくしていくことができる。ガラスチューブは、ガラスチューブがサセプタベアリングに被さって延伸されている間、ガラスの軟化点より高い温度に維持することができる。ガラスチューブは、ガラスチューブがサセプタベアリングに被さって延伸されている間、内部チャンバに供給されて多孔質側壁から放出される加圧流体によりガラスチューブを径方向にサセプタベアリングから吹き離すことによって、サセプタベアリングから浮き上がらせておくことができる。その後、ガラスチューブを冷却し、切り開いて、連続ガラスシートを形成することができる。
別の実施形態において、連続ガラスシートを形成するためのシステムは、サセプタベアリング、サセプタベアリングを囲む加熱システム、延伸機構及び切開装置を備える。サセプタベアリングは、加圧流体を受け入れるための内部チャンバを定める多孔質側壁を有することができる。サセプタベアリングの直径は、サセプタベアリングの頂部からサセプタベアリングの底部にかけて大きくしていくことができる。サセプタベアリングは、加熱されたガラスチューブがサセプタベアリングに被さって延伸されているときに、サセプタベアリングから径方向にガラスチューブが吹き離され、よってガラスチューブがサセプタベアリングから浮き上がるように、多孔質壁体を通して加圧流体を放出するためにはたらくことができる。加熱システムはサセプタベアリングから放出される加圧流体と協働して、サセプタベアリングに被さって延伸されているガラスチューブの温度を調整することができる。延伸機構はサセプタベアリングの下側に配置され、ガラスチューブに接触するように配置されてサセプタベアリングに被さったガラスチューブを下方に延伸する少なくとも１つの牽引ホイールを備える。切開装置は延伸機構の下に配置され、ガラスチューブを切り開いて連続ガラスシートにするようにはたらくことができる。
本明細書に説明される実施形態のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、あるいは以下の詳細な説明及び添付される特許請求の範囲を含み、添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。
上記の全般的な説明及び以下の詳細な説明がいずれも特許請求の範囲の本質及び特質を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本明細書に説明される実施形態のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて、本明細書の一部をなす。図面は本明細書に説明される実施形態を示し、記述とともに、説明される実施形態の原理及び動作の説明に役立つ。
図１は、本明細書に示され、説明される１つないしさらに多くの実施形態にしたがう、連続ガラスシートを作成するためのシステムの簡略な断面図である。 図２は、本明細書に示され、説明される１つないしさらに多くの実施形態にしたがう、連続ガラスシートを作成するためのシステムの簡略な断面図である。 図３は、図１及び２に示される連続ガラスシートを作成するためのシステムに用いるための、サセプタベアリングの一実施形態の略図である。 図４は図３のサセプタベアリングに被さって延伸されているガラスチューブを示す略図である。 図５は、軟化ガラスとサセプタベアリングの間の間隙を示す、図４のサセプタベアリングの一部分の拡大図である。 図６Ａは拡張されたガラスチューブからガラスシートを切り開いて実質的に無欠陥のエッジを有するガラスシートを作成するためのプロセスを簡略に示す。 図６Ｂは拡張されたガラスチューブからガラスシートを切り開いて実質的に無欠陥のエッジを有するガラスシートを作成するためのプロセスを簡略に示す。 図６Ｃは拡張されたガラスチューブからガラスシートを切り開いて実質的に無欠陥のエッジを有するガラスシートを作成するためのプロセスを簡略に示す。
本明細書に説明される連続ガラスシートを形成するための、それらの例が添付図面に示されている、様々な方法及び装置をここで詳細に参照する。可能であれば必ず全図面を通して同じ参照数字が同じかまたは同様の要素を指して用いられる。ガラスチューブから連続ガラスシートを作成するためのシステムの一実施形態が図１に示される。システムは概ね、実質的にベル形のサセプタベアリング、加熱システム、延伸システム及び切開装置を備える。本システム及び連続ガラスシートを形成するために本システムを用いる方法の様々な実施形態がここで詳細に説明される。
ここで図１及び２を参照すれば、ガラスチューブから連続ガラスシートを形成するためのシステム２００，３００の２つの実施形態が簡略な断面図で示されている。システム２００，３００は縦型に構成され、全般に、サセプタベアリング１００，加熱システム１１８，延伸機構１２８及び切開装置１４０を備えることができる。システム２００，３００はさらに連続ガラスシートをロールまたは格納スプールに巻き取るための巻取機構１６０を備えることができる。図２に示されるシステム３００は溶融ガラス１５２を入れるためのガラス送出槽１５０をさらに備えることができる。
次に図１〜３を参照すれば、サセプタベアリング１００は実質的にベル形であり、中心線ＣＬに関して回転対称である。サセプタベアリング１００は(図１及び２に示される)内部チャンバ１１６を定める側壁１１０を有することができる。一実施形態において、サセプタベアリング１００は、図３に示されるように、頂部１０２，中間上部１０４，中間下部１０６，及び底部１０８を有する。頂部１０２及び底部１０８は実質的に円柱形であり、底部１０８の直径は頂部１０２の直径より大きい。例えば、頂部１０２の直径は約２８ｍｍ〜約３５０ｍｍとすることができ、底部１０８の直径は約６０ｍｍ〜約７００ｍｍとすることができる。
中間上部１０４は、サセプタベアリング１００の直径が頂部１０２から中間下部１０６にかけて大きくなっていくような、実質的に円錐形とすることができる。例えば、一実施形態において、側壁１１０の表面がサセプタベアリングの中心線ＣＬに対して約３０°〜約４５°の角度をなすような形に、中間上部１０４をつくることができる。
中間下部１０６は実質的に球形とすることができる。「実質的に球形」は、本明細書に用いられるように、サセプタベアリング１００の中間下部１０６が、サセプタベアリングの表面において一様な曲率半径を有し、延長すれば球をなすであろうことを意味する。したがって、サセプタベアリング１００の中間下部１０６が球の断面と同様の幾何学的形状を有し得ることは理解されるであろう。例えば、中間下部１０６におけるサセプタベアリング１００の表面は、中間上部１０４の実質的に円錐形と底部１０８の実質的に円柱形の間の遷移をなす、曲率半径を有することができる。
一実施形態において、中間上部１０４は第１の区画１０４Ａ及び第２の区画１０４Ｂを有することができる。第１の区画１０４Ａにおおいて側壁１１０の表面は中心線ＣＬに対して第１の角θ１をなすことができ、第２の区画１０４Ｂにおいて側壁１１０の表面は中心線ＣＬに対して、θ１＜θ２である、第２の角θ２をなすことができる。
ここではサセプタベアリング１００が実質的にベル形であって、頂部１０２，中間上部１０４，中間下部１０６及び底部１０８を有するとして説明されているが、サセプタベアリング１００が他の形状を有し得ることは当然である。例えば、サセプタベアリング１００は実質的に円錐形とすることができ、あるいは実質的に放物筒形とすることができる。したがって、サセプタベアリングが、ここでさらに詳細に説明されるように、サセプタベアリングの表面に被さって延伸されるガラスチューブの拡張及び薄化に適するいかなる形状もとり得ることは理解されるであろう。
図１〜３をさらに参照すれば、サセプタベアリング１００の側壁１１０は、内部チャンバ１１６に導入された加圧流体が側壁１１０を通してサセプタベアリング１００から放出され得るように、多孔質とすることができる。例えば、サセプタベアリング１００を形成する材料は、約１％より大きく、さらに好ましくは約２％より大きく、最も好ましくは約３％〜約６％の、多孔度を有することができる。サセプタベアリング１００を形成する材料は、サセプタベアリングに被さって延伸されている、加熱されたガラスをサセプタベアリングが汚染しないように、高温で安定であるべきである。
一実施形態において、サセプタベアリング１００は、仏国のCarbon Lorraine社で生産されたRef.2020のような、多孔質炭素材料で形成される。Ref.2020は一般に、平均炭素粒径が約５μｍ〜約２０μｍであり、多孔度は約４％である。サセプタベアリング１００が炭素で形成されている場合、側壁１１０の径方向厚さＴは、約６ｍｍ〜約１２ｍｍとすることができる。一実施形態において、側壁１１０の径方向厚さＴは頂部１０２から底部１０８まで実質的に一様である。あるいは、側壁１１０の径方向厚さＴは非一様とすることができる。例えば、側壁１１０の径方向厚さＴが非一様である場合、径方向厚さは側壁１１０の最大径方向厚さＴの約３０％まで変わり得る。この実施形態において、側壁の径方向厚さが減じられた領域は内部チャンバ１１６に導入される加圧ガスをより多く透過させることができ、よって側壁１１０を通過する局所ガス流束が大きくなり得る。
ここでは多孔質炭素材料からなるとしてサセプタベアリング１００の一例を説明しているが、セラミック材料のような高温で安定な別の材料でサセプタベアリングを形成できることは当然である。例えば、一実施形態において、コージェライトセラミックまたは同様のセラミック材料を用いてサセプタベアリング１００を形成することができる。
図１及び２を改めて参照すれば、サセプタベアリング１００は封止可能な態様で支持体１１４上に取り付けることができる。支持体１１４は、サセプタベアリング１００の内部チャンバ１１６に流体が通じる態様で結合された、パイプ、コンジットまたは同様の流体給送デバイスのような、流体供給チャネル１１２を有することができる。流体供給チャネル１１２は加圧流体を内部チャンバ１１６に給送するためにはたらくことができる。ここで説明している実施形態において、加圧流体は加圧ガス、特に、窒素、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノン、等を含むがこれらには限定されない、不活性加圧ガスとすることができる。
図１に示されるシステム２００の実施形態において、サセプタベアリング１００及び支持体１１４は固定され、サセプタベアリング１００に被さって延伸されているチューブ形ガラスプリフォーム１７０は、チューブ形ガラスプリフォーム１７０がサセプタベアリングに被さって加熱され、拡張されて、薄化されながら、サセプタベアリング１００に対して回転させられる。
しかし、システム３００がサセプタベアリング１００の溶融ガラスのチューブを供給するためのガラス送出槽１５０を備える、図２に示されるシステム３００の実施形態においては、サセプタベアリング１００に被さって延伸されているガラスチューブ内でサセプタベアリング１００が回転するように、サセプタベアリング１００をガラス送出槽１５０に対して回転させることができる。例えば、この実施形態において、サセプタベアリング１００及び取り付けられた支持体１００を、電気モーターの回転電機子に支持体１１４が機械的に結合されている場合のように、回転させることができる。
図１及び２をまた改めて参照すれば、サセプタベアリング１００を囲んで加熱システム１１８を配置することができる。一実施形態において、加熱システム１１８は、Axio社で製造された１０ｋＷ誘導加熱ユニットのような、誘導加熱システムを備えることができる。しかし、集束赤外線加熱、抵抗加熱及び／またはこれらの組合せを含むがこれらには限定されない、別のタイプの加熱システムを用い得ることは当然である。さらに、図１及び２はサセプタベアリング１００を囲んで配置されているとして加熱システムを示しているが、加熱システム１１８が抵抗加熱システムである場合のように、加熱システム１１８をサセプタベアリング１００と一体化し得ることも当然である。
加熱システム１１８は、サセプタベアリング１００を囲む少なくとも２つの区分化加熱ゾーンを形成するようにはたらかせることができる。例えば、図１及び２に示される実施形態において加熱システム１１８は、上部誘導コイル１２０，中間誘導コイル１２２及び下部誘導コイル１２４の、３つの独立誘導コイルを備える。それぞれの誘導コイルは、サセプタベアリング１００を囲む３つの個別加熱ゾーンが形成されるように、独立に動作させることができる。例えば、上部誘導コイル１２２は、サセプタベアリングに被さって延伸されるガラスの軟化温度またはその直下の温度にサセプタベアリング１００を加熱するための第１の温度Ｔ１ではたらかせることができる。中間誘導コイル１２２はＴ１よりも高い第２の温度Ｔ２ではたらかせることができ、下部誘導コイルはＴ１より低い第３の温度(例えばガラスの軟化点より低い温度)Ｔ３で動作させることができる。誘導コイルのそれぞれで加熱される温度は、サセプタベアリング１００に被さって延伸されるガラスの特定の組成に関して、本明細書でさらに詳細に説明される。
さらに、加熱システム１１８が、サセプタベアリング１００に被さって延伸されるガラスの温度を制御するために、サセプタベアリングの表面から放出される加圧流体と協働し得ることは当然である。
加熱システム１１８及びサセプタベアリング１００は、サセプタベアリング１００に被さって延伸される、加熱されて軟化したガラス１７１を、例えば塵埃及び／またはその他の粒状物質のような、空中浮遊汚染物から遮蔽するために少なくとも一部を外囲器１２６内に配置することができる。
図１及び２をさらに参照すれば、ガラスチューブからガラスシートを形成するためのシステム２００，３００は延伸機構１２８をさらに備えることができる。延伸機構１２８は一般にサセプタベアリング１００の下側に配置され、サセプタベアリング１００に被さって延伸されるガラスチューブと接触し、ガラスチューブを下方に延伸するようにはたらくことができる、少なくとも１つの牽引ホイールを備えることができる。延伸機構１２８はガラスチューブの回転を補助することもできる。したがって、延伸機構はガラスチューブを延伸するための下方への運動と回転運動のいずれも与えることができるから、少なくとも１つの牽引ホイールがそのまわりを回転する、回転軸が水平軸に平行ではないことは理解されるであろう。詳しくは、少なくとも１つの牽引ホイールは、ガラスチューブが切り開かれる角度またはピッチと少なくとも１つの牽引ホイールの角方位が同じであるように配置することができる。
図１及び２に示されるシステム２００，３００の実施形態において、延伸機構１２８は、支持体１１４のまわりで等間隔に隔てられた、少なくとも３対の対向する牽引ホイールを備える。例えば、延伸機構１２８が３対の対向牽引ホイールを備えている場合、支持体１１４のまわりで１２０°毎に牽引ホイールを配置することができる。
それぞれの対向牽引ホイール対は内側牽引ホイール１３０及び外側牽引ホイール１３２を有することができる。内側牽引ホイール１３０及び外側牽引ホイール１３２の内の少なくとも一方はホイールを駆動するようなモーターに結合させることができる。内側牽引ホイール１３０は支持体１１４上に取り付けられ、外側牽引ホイール１３２は外部支持構造(図示せず)上に取り付けられる。外側牽引ホイール１３２は、内側牽引ホイール１３０と外側牽引ホイール１３２の間に拡張されたガラスチューブ１７２が配置され得るように、対応する内側牽引ホイール１３０から隔てられる。したがって、内側牽引ホイール１３０は拡張されたガラスチューブ１７２にチューブの内面上で(例えば拡張されたガラスチューブ１７２の内径すなわちＩＤに沿って)接触することができ、外側牽引ホイール１３２は拡張されたガラスチューブ１７２に拡張されたガラスチューブの外面上で(例えば拡張されたガラスチューブ１７２の外径すなわちＯＤに沿って)接触することができる。
ここで説明される実施形態において、延伸機構１２８は、拡張されたガラスチューブ１７２に延伸機構１２８の牽引ホイールが接触する前にガラスチューブ１７２がガラスの歪点より高い温度まで空冷されるように、サセプタベアリング１００の下側に十分な距離をおいて配置することができる。例えば、加熱され、サセプタベアリング１００に被さって延伸されるパイレックス(登録商標)７７６１(歪点＝４５８℃)のようなホウケイ酸ガラスのチューブに対して、延伸機構１２８は、拡張されたガラスチューブ１７２に延伸機構１２８が接触する前に拡張されたガラスチューブ１７２が高くとも６５０℃には空冷されるように、サセプタベアリング１００の下側に配置することができる。
図１及び２をさらにまた参照すれば、ガラスチューブからガラスシートを形成するためのシステム２００，３００は、拡張されたガラスチューブ１７２を切り開いて連続ガラスシート４００または連続リボンにするためにはたらくことができる、切開装置１４０をさらに備えることができる。切開装置１４０は、ＣＯ２レーザ、周波数４逓倍２６６ｎｍＹＡＧレーザまたはエキシマーレーザ(１９３/２４８/３０８ｎｍ)のようなレーザ、ブレード、シャーまたはダイアモンドスコアラーのような機械的切開装置、あるいは拡張されたガラスチューブ１７２を材料内の熱応力の伝搬に基づいて切り開く装置を備えることができる。連続ガラスシート４００の幅は、サセプタベアリング上にガラスチューブが送られる速度、ガラスチューブがサセプタベアリングに被さって延伸される速度、サセプタベアリングとガラスチューブの相対回転速度及び拡張されたガラスチューブ１７２が切り開かれるピッチを変えることで制御することができる。
一実施形態において、切開装置１４０は延伸機構１２８の下側に配置されたＣＯ２レーザである。詳しくは、切開装置は、ガラスチューブがガラスの歪点より高い温度にある間に、ガラスチューブがＣＯ２レーザによって切り開かれるように、延伸機構１２８の下側に適当な距離をおいて配置することができる。ガラスの歪点より高い温度でガラスを切り開くことで、切り開かれた連続ガラスシート４００内の残留応力の増進が軽減される。
図６Ａ〜６Ｃを参照すれば、別の実施形態において、切開装置１４０は、ガラスがガラスの歪点より低い温度にあるときに拡張されたガラスチューブ１７２を切り開くように配置されたＣＯ２レーザである。ＣＯ２レーザは得られるガラスシートが無欠陥エッジを有するようにガラスを切り開くために用いることができる。この実施形態において、ＣＯ２レーザは、最大パワーが８０Ｗでビーム径が７.２ｍｍの、１０.６μｍ波長Synrad ＲＦ励起ＣＯ２レーザとすることができる。ＣＯ２レーザのビームは、切り開かれるガラスの表面上に２.５インチ(６３.５ｍｍ)集束レンズを用いて集束させてガラス上に１３１μｍのスポットを形成することができる。
図６Ａ〜６Ｃを続いて参照すれば、ガラスを切り開くため、融解によるガラスの分離域３５０及び分離域３５０の両側の熱影響域(ＴＡＺ)３０２の形成をおこさせるに十分なパワーをもつＣＯ２レーザのビーム３０６を(図６Ａに断面で示されるように)向けることができる。厚さが約１５０μｍまでのホウケイ酸ガラスを切り開くため、ＣＯ２レーザのパワーは約６０Ｗ〜約８０Ｗとすることができる。(図６Ｂに示される)ＴＡＺ３０２の幅は一般に約１ｍｍになり得る。ＣＯ２レーザによってガラスに誘起される高い熱応力が、ＴＡＺ３０２に直に接してクラック３１０を発現させ、ＣＯ２レーザの切開経路に平行にクラック３１０を伝搬させる。クラックは、図６Ｃに示されるように、ＴＡＺ３０２をガラスの残余部分から(例えば拡張されたガラスチューブ１７２及び切り開かれたガラスシート４００から)分離させ、拡張されたガラスチューブ１７２及び切り開かれた連続ガラスシート４００のそれぞれに無欠陥エッジ３０８を残す。
この切開法は厚さが約２０μｍ〜約１５０μｍのガラスを約２５ｍｍ/秒〜約４５ｍｍ/秒の切開速度で切り開くために用いることができ、与えられたレーザパワーに対し、ガラスが薄くなるほど所要切開速度が速くなる。例えば厚さが１２０μｍのホウケイ酸ガラスに対し、約８０Ｗのレーザパワーで約２５ｍｍ/秒〜約３０ｍｍ/秒の切開速度を用いて、切り開かれたガラスに実質的に無欠陥のエッジを生じさせることができる。同様に、厚さが１００μｍのホウケイ酸ガラスに対しては、約８０Ｗのレーザパワーで約３５ｍｍ/秒〜約４０ｍｍ/秒の切開速度を用いて実質的に無欠陥のエッジを生じさせることができ、厚さが７０μｍのホウケイ酸ガラスは、約８０Ｗのレーザパワーで約４０ｍｍ/秒〜約４５ｍｍ/秒の切開速度で切り開いて実質的に無欠陥のエッジを生じさせることができる。
ガラスを切り開くために用いられる手法にかかわらず、切開装置１４０は拡張されたガラスチューブ１７２を、延伸機構１２８の牽引ホイールとの接触によってガラスに導入され得るいかなる欠陥もレーザの切開経路にあり、よってガラスが切り開かれるにしたがって除去されるように、延伸機構の牽引ホイールが拡張されたガラスチューブ１７２に接触する線に沿って切り開くように配置することができる。
さらに、拡張されたガラスチューブ１７２からガラスが螺旋または渦線をなして切り開かれるような角度またはピッチで切開装置１４０をガラスに対して配置することができる。ピッチは拡張されたガラスチューブに対する切開装置の角方位を調節することで設定することができる。切開装置のピッチは、延伸機構の延伸速度とともに、得られる連続ガラスシート４００の幅を決定する。
図１及び２を改めて参照すれば、ガラスチューブからガラスシートを形成するためのシステム２００，３００は巻取機構１６０をさらに備えることができる。巻取機構１６０は一般に、切り開かれた連続ガラスシート４００を巻き付けることができる回転スプールまたはロール１６２を備えることができる。巻取機構１６０の回転軸１６１は、切り開かれた連続ガラスシート４００がスプールまたはロール上に均一に巻き付けられ得るように、拡張されたガラスチューブ１７２が切り開かれるピッチに対して概ね垂直とすることができる。さらに、巻取機構１６０の回転速度は、ガラスチューブがサセプタベアリング１００に被さって延伸され、切り開かれて、連続ガラスシート４００にされる速度に一致するように、変えることができる。
ガラスチューブから連続ガラスシートを形成するためのシステム２００，３００の機能を説明するため、図１及び２を続けて参照する。一実施形態において、ガラスチューブは、図１に示されるようにサセプタベアリング１００の頂部１０２に被せて配置することができる、硬質のチューブ形ガラスプリフォーム１７０である。本明細書に示されるようにチューブ形ガラスプリフォーム１７０には一般に、内径がサセプタベアリング１００の頂部の直径より若干大きい、中空ガラス円筒を含めることができる。ガラスチューブの壁厚は数ｍｍ程度とすることができる。例えば、一実施形態においてはガラスチューブの壁厚を２ｍｍとすることができる。しかし、ガラスチューブの壁厚を２ｍｍより大きくまたは２ｍｍより小さくし得ることは当然である。さらに、チューブ形ガラスプリフォームは本明細書において円筒または準円筒として示され、説明されるが、チューブ形ガラスプリフォームがその他の様々な幾何学的形状をとり得ることは当然である。例えば、一実施形態において、チューブ形ガラスプリフォーム１７０は楕円形または長円形の断面、あるいは同様の細長い断面を有することができる。
チューブ形ガラスプリフォーム１７０は、例えば、「パイレックス」７７６１または同様の組成の「パイレックス」ガラス、Ｊａｄｅ(商標)あるいはＥａｇｌｅ２０００(商標)のような、ホウケイ酸ガラスからなることができる。一実施形態において、チューブ形ガラスプリフォーム１７０は、チューブ形ガラスプリフォーム１７０をサセプタベアリング１００に被せて重力によって送りながら、サセプタベアリング１００に対して約２ｒｐｍ〜約１０ｒｐｍの速度で回転させることができる。
チューブ形ガラスプリフォーム１７０をサセプタベアリング１００に被せて送りながら、加熱システム１１８を用いてチューブ形ガラスプリフォーム１７０をガラスの軟化点より高い温度に加熱することができる。例えば、サセプタベアリング１００に被さって送られるガラスチューブが固体ガラスプリフォームである場合、ガラスの軟化点直下の温度にガラスチューブを予備加熱するために上部誘導コイル１２０をはたらかせることができる。例えば、チューブ形ガラスプリフォーム１７０が「パイレックス」７７６１からなる場合、誘導コイル１２０を用いてチューブ形ガラスプリフォーム１７０を６５０℃の第１の温度Ｔ１に加熱することができる。一実施形態においてサセプタベアリング１００に被さって延伸されるガラスチューブは固体チューブ形ガラスプリフォーム１７０であるが、別の実施形態において、ガラスチューブは初めから溶融ガラスのチューブとすることができる。例えば、図２に示されるように、サセプタベアリング１００の頂部を溶融ガラス１５２が入っているガラス送出槽１５０に結合させることができる。溶融ガラス１５０は、例えば、「パイレックス」７７６１または同様の組成の「パイレックス」ガラス、ＪａｄｅあるいはＥａｇｌｅ２０００のような、ホウケイ酸ガラス組成とすることができる。溶融ガラス１５０がガラス送出槽１５０から流れ出て、サセプタベアリングの上に流れると、サセプタベアリング１００の頂部は溶融ガラスをサセプタベアリング１００の頂部の直径と同じ寸法の内径を有する中空チューブにする。この実施形態において、サセプタベアリング１００は、ガラスがサセプタベアリング１００の上を流れている間に、約２ｒｐｍ〜約１０ｒｐｍで回転することができる。
溶融ガラス１５２がサセプタベアリングの上を流れるにつれて、ガラスは空冷されて、固化し始める。ガラスベアリング１００上のガラスチューブの流れを維持するため、加熱システム１１８を用いてガラスチューブの温度をガラスの軟化点より高い温度に維持することができる。例えば、上述したように、上部誘導コイル１２０を用いて、サセプタベアリング１００上をガラスが下方に送られている間、ガラスをガラスの軟化点より高い第１の温度Ｔ１に維持することができる。
ガラスが延伸システム１２８の牽引ホイールと接触する位置につけられ得るまで、ガラスは初めサセプタベアリング１００上を重力で送られるか、延伸されるかまたは引っ張られる。その後は、重力送りと延伸機構１２８による延伸の組合せが、サセプタベアリング１００に被さるガラスの連続延伸を維持するために用いられる。
ここで図１〜４を参照すれば、ガラス１７０がサセプタベアリング１００の中間上部１０４に達すると、中間誘導コイル１２２によってガラスをガラスの軟化点より高い第２の温度Ｔ２に加熱して、流れているガラスの可塑性を高めることができる。例えば、ガラスが「パイレックス」７７６１である場合、第２の温度Ｔ２は約８８５℃とすることができる。プリフォームのガラスが軟化温度の上まで加熱されると、ガラスは柔軟になり、ガラスがサセプタベアリング１００上を下方に送られるにつれて、サセプタベアリングの形状と概ね同じ形状をとる。したがって、サセプタベアリング１００の中間上部１０４の形状により、軟化ガラス１７１がサセプタベアリング１００の中間上部１０４の上で延伸されるにつれて、軟化ガラス１７１は、直径が拡げられる(例えば軟化ガラス１７１の周が大きくされる)とともに、薄化される(例えば軟化ガラス１７１の壁厚が小さくされる)。
次に図４及び５を参照すれば、軟化ガラス１７１がサセプタベアリング１００上で延伸されている間、特に軟化ガラス１７１がサセプタベアリング１００の中間上部１０４，中間下部１０６及び底部１０８の上で延伸されている間、サセプタベアリング１００と軟化ガラス１７１の間に機械的接触がないように、軟化ガラス１７１はサセプタベアリング１００の表面の上方で支持される、すなわち浮かせられる。これは、例えば圧縮窒素ガスのような、圧縮流体を流体供給チャネル１１２を介してサセプタベアリング１１の内部チャンバ１１６に供給することによって達成される。内部チャンバ内の流体の圧力は、加圧流体の流束がサセプタベアリング１００の多孔質側壁を通して放出されるように、約０.５〜約３バールとすることができる。多孔質側壁を通った流体の流束は軟化ガラス１７１を吹いて外側に押し、サセプタベアリング１００の表面から径方向に遠ざけ、よって軟化ガラス１７１を拡げて薄くすると同時に、溶融ガラス１７１のサセプタベアリング１００の表面への接触を防止する。例えば、図５に示されるように、流束によってサセプタベアリング１００の側壁１１０の表面の上方の、約２００μｍより小さく、好ましくは約１５０μｍより小さく、さらに好ましくは約１２０μｍより小さい、距離Ｓに軟化ガラス１７１を支持することができる。
軟化ガラスの拡張及び薄化が、サセプタベアリング１００の形状により、主としてサセプタベアリングの中間上部１０４の上でおこることは当然である。軟化ガラス１７１におこる径方向拡張の大きさはサセプタベアリング１００の形状及び寸法に、またサセプタベアリング１００の側壁１００を通る流束の大きさにも、関係付けることができる(例えば、流束が大きくなるほど、軟化ガラス１７１はサセプタベアリング１００の表面上方をさらに遠くまで吹き離される、すなわち浮かされる)。軟化ガラス１７１の厚さの薄化または減少の量は、サセプタベアリング１００の形状及び寸法、サセプタベアリング１００の側壁１１０を通る流体の流束、ガラスがサセプタベアリング１００上に送られる速度、及び延伸機構１２８によってガラスがサセプタベアリング上を延伸される速度に依存し得る。一般に、軟化ガラスが延伸される速度が大きくなるほど、軟化ガラスは薄くなる。
図１〜４を改めて参照すれば、サセプタベアリング１００の中間上部１０４上で軟化ガラス１７１が拡張され、薄化された後、軟化ガラス１７１はサセプタベアリング１００の中間下部１０６から底部１０８に送られ、そこで軟化ガラス１７１はその最終寸法に較正される。軟化ガラス１７１がサセプタベアリング１００の底部１０８の上を移動するにつれて、ガラスの温度は、ガラスが円柱形状及び厚さを維持するようにガラスを固化させるために、ガラスの軟化点以下まで急速に下げられる。例えば、ガラスが「パイレックス」７７６１である場合、ガラスが急速に空冷されて所望の寸法に「凍結」され得るように、ガラスを８１０℃の温度に加熱するために下部誘導コイル１２４を設定することができる。
軟化点以下まで冷却された後、(今では拡張されたガラスチューブ１７２になっている)ガラスチューブに延伸機構１２８が接触して、拡張されたガラスチューブ１７２に下方延伸力と周縁力すなわち回転力のいずれもかける。上述したように、延伸機構１２８の牽引ホイール１３０，１３２は、ガラスがガラスの歪点より高い温度にある間に、拡張されたガラスチューブ１７２に接触することができる。例えば、ガラスが「パイレックス」７７６１である場合、延伸機構１２８はガラスの温度が約６００℃であるときに拡張されたガラスチューブ１７２に接触する。
拡張されたガラスチューブ１７２が下方に延伸された後は、拡張されたガラスチューブ１７２を上述したように切り開いて連続ガラスシートにすることができる。さらに詳しくは、拡張されたガラスチューブ１７２はトラクターホイールの走行経路に沿って切り開かれ、よってガラスとの牽引ホイールの機械的接触によって生じるいかなる欠陥も除去される。本明細書に示され、説明される実施形態において、拡張されたガラスチューブを連続ガラスシートにするために、チューブは螺旋または渦線をなして切り開かれる。その後、連続ガラスシート４００は巻取機構１６０によって格納スプールまたはロールに巻き付けることができる。
本明細書に説明されるシステム及び方法はガラスチューブから連続ガラスシートを形成するために利用することができる。さらに詳しくは、本明細書に説明される方法及びシステムは、厚さが、約１５０μｍより小さく、さらに好ましくは約１００μｍより薄く、最も好ましくは約５０μｍより小さい、連続ガラスシートを形成するために利用することができる。ガラスシートの形成中のガラスとの機械的接触が最小限に抑えられるから、本明細書に説明されるシステム及び方法を利用して形成される連続ガラスシートは小さい表面粗さを有することができる。例えば、連続ガラスシートは、約２ｎｍＲａより小さく、さらに好ましくは約１ｎｍＲａより小さく、最も好ましくは約０.６ｎｍＲａより小さい、表面粗さを有することができる。
さらに、本明細書に説明される方法及びシステムが様々な幅を有するガラスシートの形成に利用され得ることは当然である。例えば、最大外径(例：底部の直径)が約７００ｍｍのサセプタベアリングを用いて、約２.１ｍまでの幅を有する連続ガラスシートを作成することができる。しかし、切開装置のピッチ及び／またはサセプタベアリング上のガラスの送り速度及び延伸速度を調節することにより、同じサセプタベアリングを利用して狭幅ガラスリボンも形成できることは当然である。
以下の実施例により、上述した実施形態がさらに明解になるであろう。
実施例１
内径５６ｍｍ、外径６０ｍｍ及び厚さが２ｍｍの「パイレックス」７７６１(軟化点＝８２０℃、歪点＝４５８℃)の中空チューブ形ガラスプリフォームを、外径が５５.４ｍｍの頂部、外径が１０２ｍｍの底部及び厚さＴが６ｍｍの側壁を有するサセプタベアリングに被せて配置した。サセプタベアリング１００に対して４ｒｐｍの速度でチューブ形ガラスプリフォームを回転させた。チューブ形ガラスプリフォームを１００ｍｍ/分の速度でサセプタベアリングの上で延伸しながら、プリフォームをサセプタベアリングの頂部周囲で６５０℃の第１の温度Ｔ１に加熱し、サセプタベアリングの中間上部周囲で８８５℃の第２の温度Ｔ２に加熱し、サセプタベアリングの底部周囲で８１０℃の第３の温度Ｔ３に加熱した。軟化したチューブ形ガラスプリフォームのガラスを、約０.８バールの圧力の加圧窒素ガス流をサセプタベアリングの内部チャンバに供給し、続いて、サセプタベアリングの側壁を通して放出することによって吹き離して、サセプタベアリングから約１２０μｍの距離に浮き上がらせた。サセプタベアリング上で延伸した後に、拡張されたガラスチューブを軟化温度以下まで冷却した。チューブ形ガラスプリフォームの最終外径は約６０ｍｍから約１０２ｍｍに大きくなり、チューブ形ガラスプリフォームの厚さは２ｍｍから約５０μｍに小さくなった。その後、ガラスを切り開き、切り開かれたガラスにZygo表面計測器を用いて表面粗さ測定を実施した。切り開かれたガラスは、チューブ形ガラスプリフォームからガラスを形成する非接触法に帰因する、約０.６ｎｍＲａより小さい表面粗さを有していた。
本明細書に説明される方法及びシステムの一利点は格納スプール上に巻き取るに十分に柔軟な連続ガラスシートを円柱形ガラス供給材料から形成できる能力である。ガラスシートは連続であるから、単一のガラススプールから大寸または小寸の個別ガラスシートを形成するためにガラスを利用することができる。さらに、巻き取られた連続ガラスシートは、ガラスが単一の供給源から正確に巻き出されて、所定の寸法に切断され、よって複数枚の個別に形成されたガラスシートに要するハンドリングが減じられる、大規模商業生産作業への材料の組込みを容易にすることができる。
本明細書に説明される方法及びシステムを利用して形成された連続ガラスシートの特徴に加えて、本明細書に説明される方法及びシステムは環境にも優しい。例えば、本明細書に説明されるシステムは、システムの内部だけが加熱されて外部環境への加熱損失が極めて抑えられている、比較的小型のシステムである。さらに、プロセスによって消費されるかまたは放出される窒素の量も比較的少ない。最後に、ガラスの加熱に消費される電力が他のガラス形成作業と比べて比較的少ない。
本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本明細書に説明される実施形態に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本明細書に説明される実施形態は、いかなる改変及び変形も添付される特許請求項またはそれらの等価物の範囲内に入れば、そのような改変及び変形を包含するとされる。
１００ サセプタベアリング
１１２ 流体供給チャネル
１１４ 支持体
１１６ 内部チャンバ
１１８ 加熱システム
１２０ 上部誘導コイル
１２２ 中間誘導コイル
１２４ 下部誘導コイル
１２６ 外囲器
１２８ 延伸機構
１３０ 内側牽引ホイール
１３２ 外側牽引ホイール
１４０ 切開装置
１６０ 巻取機構
１６１ 回転軸
１６２ 回転スプール／ロール
１７０ チューブ形ガラスプリフォーム
１７１ 軟化ガラス
１７２ 拡張されたガラスチューブ
２００ システム
４００ 連続ガラスシート

Claims (6)

  1. 連続ガラスシートを形成する方法において、前記方法が、
    内部チャンバを定める多孔質側壁を有するサセプタベアリングに被せてガラスチューブを延伸することにより前記ガラスチューブを薄化及び拡張する工程であって、前記サセプタベアリングの直径は前記サセプタベアリングの頂部から前記サセプタベアリングの底部にかけて大きくなり、前記ガラスチューブが前記サセプタベアリングに被さって延伸されている間、前記ガラスチューブは前記ガラスの軟化点より高い温度に維持される工程、
    前記ガラスチューブが前記サセプタベアリングに被さって延伸されている間、前記内部チャンバに供給されて前記多孔質側壁から放出される加圧流体によって前記ガラスチューブを前記サセプタベアリングから径方向に吹き離し、よって前記ガラスチューブを前記サセプタベアリングから浮き上がらせる工程、
    前記ガラスチューブを冷却する工程、及び
    連続ガラスシートを形成するために前記ガラスチューブを切り開く工程、
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 前記連続ガラスシートを格納スプール上に巻き付ける工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記ガラスチューブが溶融ガラスであり、前記方法が、前記ガラスチューブが前記サセプタベアリングに被さって延伸されている間に前記ガラスチューブを前記ガラスの軟化点より高い温度まで冷却する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 前記サセプタベアリングが、前記頂部、中間上部、中間下部及び前記底部を有し、
    前記頂部が実質的に円柱形であり、
    前記中間上部が実質的に円錐形であり、
    前記中間下部が実質的に球形であり、
    全基底部が実質的に円柱形である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 前記ガラスチューブの前記温度が前記サセプタベアリングを囲んで配置された加熱システムによって前記ガラスの軟化温度より高い温度に維持され、前記加熱システムが前記ガラスチューブの前記温度を前記ガラスの軟化温度より高い温度に維持するために前記サセプタベアリングから放出される前記加圧流体と協働することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. サセプタベアリング、加熱システム、延伸機構及び切開装置を備える連続ガラスシートを形成するためのシステムにおいて、
    前記サセプタベアリングが加圧流体を受け入れるための内部チャンバを定める多孔質側壁を有し、ここで、前記サセプタベアリングの直径は前記サセプタベアリングの頂部から前記サセプタベアリングの底部にかけて大きくなり、前記サセプタベアリングは、加熱されたガラスチューブが前記サセプタベアリングに被さって延伸されるときに、前記加熱されたガラスチューブが前記サセプタベアリングから径方向に吹き離され、よって前記ガラスチューブが前記サセプタベアリングから浮き上がるように、前記多孔質側壁を通して前記加圧流体を放出するためにはたらくことができる、
    前記加熱システムが前記サセプタベアリングを囲み、前記サセプタベアリングに被さって延伸されているガラスチューブの温度を調整するために前記サセプタベアリングから放出される前記加圧流体と協働する、
    前記延伸機構が前記サセプタベアリングの下側に配置され、前記ガラスチューブに接触し、前記サセプタベアリングに被さる前記ガラスチューブを下方に延伸するために配置された少なくとも１つの牽引ホイールを備える、及び
    前記切開装置が前記延伸機構の下側に配置され、前記ガラスチューブを切り開いて連続ガラスシートにするためにはたらくことができる、
    ことを特徴とするシステム。
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