JP2020506140A - 耐衝撃性の高い非対称ガラス積層体 - Google Patents

耐衝撃性の高い非対称ガラス積層体 Download PDF

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Abstract

互いに中間層（４４）によって維持される外側透明体（３６）及び内側透明体（５０）を含む非対称ガラス積層体（３４）。外側透明体（３６）は、２．１ｍｍの呼び厚（４２）を有し、内側透明体（５０）は、１．２ｍｍの呼び厚を有する。この非対称ガラスは、外側及び内側透明体（１２及び２６）がそれぞれ２．１の呼び厚を有する対称ガラス積層体（１０）よりも石衝撃耐性が高く、単位当たり重量が少ない。【選択図】図１

Description

開示する発明は、自動車用途における使用に適した窓ガラスに関する。
長年にわたり、自動車車両は、２枚の板ガラス又はその他の透明材料と光透過性ポリマー材料のシートとを工程内で接合した窓ガラスを採用している。通常、このガラスはフロートガラスである。一般に、ポリマーは、ポリビニルブチラール及びエチレン酢酸ビニルを含む材料群から選択される。
最近では、自動車車両の燃費効率の改善にますます重点が置かれている。この重点への取り組みは、一部には車両重量の低減を通じて行われている。自動車ガラスについては、ガラス積層体の厚みの減少による軽量化に重点が置かれている。
ガラス積層体の厚みを減少させる際には、数多くの検討事項に取り組まなければならない。これらの中には、ガラス設計における変数の矛盾をもたらすものもある。一例としては、機械的剛性及び安定性、光学的歪み、摩耗抵抗及び光透過率などが挙げられる。商業的に成功した自動車ガラスを生産するには、これらの全ての検討事項に合理的に対応しなければならない。
自動車ガラスが薄くなった時に特に重要となる１つの検討事項は、石衝撃耐性（ｓｔｏｎｅ ｉｍｐａｃｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）である。本明細書において使用する石衝撃耐性とは、ガラスに向かってくる可能性がある石及びその他の物体の衝撃に対してガラスの破砕を引き起こさずに耐えることができるガラス積層体の能力の尺度のことである。石衝撃耐性は、特に車両が比較的高速で移動している時に危険要因となり、車両の前方に面する位置に配向されたフロントガラス及びその他のガラスにとって特に重要である。車両の高速移動時に発生するフロントガラス破砕は、顕著な安全性リスクである。この危険要因の重要性及び軽量化による潜在的利益は、ほとんどの車両においてフロントガラスが最大のガラス領域であるという事実によって高くなる。
先行技術では、ガラス積層体で使用されるガラス透明体（ｇｌａｓｓ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｉｅｓ）が、一般に同じ厚みのものであった。他の性能要件を満たしたままでガラス重量を低減する１つの方法は、一方のガラスパネルのみの厚みを減少させるか、或いは一方のガラスパネルの厚みを他方よりも減少させることであると認識されてきた。本明細書では、ガラス層の一方が他方よりも薄いガラス積層体を「非対称ガラス」と呼ぶ。対照的に、本明細書では、ガラス層が同じ呼び厚を有するガラス積層体を「対称ガラス」と呼ぶ。
対照ガラス積層体と非対称ガラス積層体との間の比較実験結果は、石衝撃耐性に関するガラス積層体の挙動についての複数の一般的仮定の基礎になっている。例えば、Ｘ．Ｓｕｎ他、「高速衝撃耐性に対するフロントガラス設計の影響（Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｗｉｎｄｓｈｉｅｌｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｉｍｐａｃｔ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｂｏｄｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２０００年１０月３日〜５日、ＳＡＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（本明細書では「ＳＡＥ会議論文」）には、第２の表面（すなわち、ポリマー中間層に面する外側ガラスパネルの表面）に生じる損傷が主に外層の厚みに依存するとの報告がある。ＳＡＥ会議論文では、「観察された全ての損傷パラメータの大きさを決定する上で外側ガラス層が重要であると思われる」との結論が下されている。また、この論文では、外層が内層よりも厚い非対称構成は、層の厚みが同じであるガラス積層体又は内層の方が厚いガラス積層体よりも石の衝撃に対する耐性が高いとの結論も下されている。さらに、この論文では、対称ガラスパネルの厚みが非対称ガラスの外側パネルの厚みと同じである場合、（少なくとも１回の比較において）非対称ガラス積層体は対称ガラスに比べてかなり（約１０％）の軽量化をもたらすとの結論も下されている。ＳＡＥ会議論文では、ガラス積層体の外側ガラス層の厚みがフロントガラスの耐衝撃性を決定付けるとの一般的結論が下されている。この論文では、外側ガラス層が内側ガラス層よりも０．５ｍｍ厚い、１０％の軽量化をもたらす非対称ガラスが最適な設計であると述べられている。
石衝撃耐性のさらに最近の研究では、非対称ガラス積層体の石衝撃耐性に関する若干異なる結論が導かれている。例えば、米国特許第９，０４４，９１９号（本明細書では「‘９１９特許」）には、自動車用途のための非対称ガラス積層体が記載されている。‘９１９特許には、外側シートの厚みが１．６ｍｍ〜１．８ｍｍであり、内側シートの厚みが１．２ｍｍ〜１．４ｍｍである非対称ガラスの石衝撃耐性が記載されている。これらの範囲から選択された非対称標本の石衝撃耐性を、ガラスシートの厚みが２．１ｍｍである対称ガラスと比較したところ、非対称ガラスの石衝撃耐性の方が大きいことが判明した。さらに、‘９１９特許には、１つの非対称ガラスの石衝撃耐性が、内側及び外側ガラスシートの両方をそれぞれ厚くした別の非対称ガラスよりも依然として大きいと記載されている。‘９１９特許には、内側及び外側両方のガラスシートの厚みに対する外側ガラスシートの厚みの比率について、これらの結果が０．５５２〜０．５７１であると要約されている。
意味深いことに、１．８ｍｍの外側透明体（ｏｕｔｅｒ ｔｒａｎｐａｒｅｎｃｙ）及び１．４ｍｍの内側透明体（ｉｎｎｅｒ ｔｒａｎｐａｒｅｎｃｙ）を有する非対称ガラス（本明細書では「１．８／１．４ｍｍ非対称ガラス」）、並びに１．６ｍｍの外側透明体及び１．３ｍｍの内側透明体を有する非対称ガラス（本明細書では「１．６／１．３ｍｍ非対称ガラス」）の石衝撃耐性についての‘９１９特許の報告は、ガラス積層体の外側ガラス層の厚みがフロントガラスの耐衝撃性を決定付けるとの結論を下したＳＡＥ会議論文などの他の報告データと矛盾しているように思える。さらに、‘９１９特許の結果は、他者が行った非対称ガラスに対する石衝撃耐性試験の実験結果にも一致しなかった。
米国特許第９，０４４，９１９号明細書
Ｘ．Ｓｕｎ他著、「高速衝撃耐性に対するフロントガラス設計の影響（Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｗｉｎｄｓｈｉｅｌｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｉｍｐａｃｔ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｂｏｄｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２０００年１０月３日〜５日、ＳＡＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ 「フロントガラス軽量化に向けた設計面の考察（Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ Ｗｉｎｄｓｈｉｅｌｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」、２０１７年３月２８日
開示する発明によれば、先行技術において報告されているような非対称ガラス積層体の石衝撃耐性に関する一般的結論は、以前は認識されていなかった著しい境界条件の影響を受けやすいと認識された。石衝撃耐性のさらなる検討は、先行技術で報告されている一般的結論及び仮定が、外側透明体の厚みと組み合わせた幅広い内側透明体の厚みにわたって当てはまるものではないという所見を裏付ける。このような結論及び仮定は、外側透明体及び内側透明体のそれぞれのパラメータ、特に‘９１９特許に記載されている１．８／１．４ｍｍ及び１．６／１．３ｍｍ非対称ガラスなどの透明体の厚み寸法に関する重要な著しい境界制限の影響を受けやすい。これらの境界制限以外にも、非対称ガラス構成の石衝撃耐性に著しい予期せぬ影響を与える、このような結論及び仮定からの根本的な逸脱が存在する。
開示する本発明の実施形態では、非対称ガラスが外側透明シート及び内側透明シートを含み、これらのシートが、外側透明シートと内側透明シートとの間に介在するポリマー材料の中間層によって積層体内に維持される。このガラスは非対称であり、外側透明シートが２．１ｍｍの呼び厚を有し、内側透明シートが１．２ｍｍの呼び厚を有する。
内側透明シート及び外側透明シートは、商業的量の厚み公差が±０．０５ｍｍであるガラス組成物で形成されることが好ましい。
また、衝撃に起因する破損時の外側透明体の応力レベルは、内側及び外側透明シートの呼び厚が２．１ｍｍである対称ガラスの応力レベルよりも大きいことが好ましい。
また、非対称ガラスの単位重量は、内側及び外側透明シートがそれぞれ２．１ｍｍの呼び厚を有する同じ単位重量の対称ガラスよりも２０％少ないことが好ましい。
当業者には、開示する発明の現在のところ好ましい実施形態を進めるにつれて、開示する発明の他の利点及び特徴が明らかになるであろう。
以下の添付図面に関連して開示する発明の現在のところ好ましい実施形態を図示し説明する。
構造を開示しやすくするために一部を切断した対称ガラスの断面の上面斜視図である。 構造を開示しやすくするために一部を切断した、本明細書で開示する非対称ガラスの実施形態の断面の上面斜視図である。 構造を開示しやすくするために一部を切断した、図２に示す非対称ガラスの断面の底面斜視図である。 外側透明体の呼び厚が２．１ｍｍである非対称ガラス群を含む複数の非対称ガラス群の「内側透明体の厚み」対「破損時の平均運動エネルギー」のグラフである。
図１に、先行技術で知られている自動車ガラスにおいて使用されているタイプの対称ガラス１０を示す。対称ガラス１０は、第１の表面１４及び第２の表面１６を定める外側透明シート１２を含み、第２の表面１６は、シート１２上の第１の表面１４とは反対側に配置される。第１の表面１４及び第２の表面１６は、第１の表面１４及び第２の表面１６の各々に対して直角に配向された厚み寸法１８によって互いに分離される。
対称ガラス１０は、第１の表面２２及び第２の表面２４を有するポリマー材料層を定める中間層２０をさらに含み、第２の表面２４は、このポリマー層上の第１の表面２２とは反対側に配置される。中間層２０の第１の表面２２は、外側透明シート１２の第２の表面１６に対向する。
対称ガラス１０は、第１の表面２８及び第２の表面３０を定める内側透明シート２６をさらに含み、第２の表面３０は、シート２６上の第１の表面２８とは反対側に配置される。第１の表面２８及び第２の表面３０は、第１の表面２８及び第２の表面３０の各々に対して直角に配向された厚み寸法３２によって互いに分離される。対称ガラス１０は、外側透明シート１２の厚み１８が内側透明シート２６の厚み３２と名目上同じであるという点で「対称」である。
図２及び図３は、開示する発明による非対称ガラス積層体３４の現在のところ好ましい実施形態の上面斜視図及び底面斜視図である。非対称ガラス積層体３４の構造の大半は、対称ガラス積層体１０の構造と同様であるが、非対称ガラス積層体３４の性能に驚くべき予想外の相違をもたらす重要な違いがある。
図２及び図３に示すように、非対称ガラス３４は、第１の表面３８及び第２の表面４０を定める外側透明シート３６を含み、第２の表面４０は、シート３６上の第１の表面３８とは反対側に配置される。第１の表面３８及び第２の表面４０は、第１の表面３８及び第２の表面４０の各々に対して直角に配向された厚み寸法４２によって互いに分離される。
非対称ガラス３４は、第１の表面４６及び第２の表面４８を有するポリマー材料層を定める中間層４４をさらに含み、第２の表面４８は、このポリマー層上の第１の表面４６とは反対側に配置される。中間層４４の第１の表面４６は、外側透明シート３６の第２の表面４０に対向する。
非対称ガラス３４は、第１の表面５２及び第２の表面５４を定める内側透明シート５０をさらに含み、第２の表面５４は、シート５０上の第１の表面５２とは反対側に配置される。第１の表面５２及び第２の表面５４は、第１の表面５２及び第２の表面５４の各々に対して直角に配向された厚み寸法５６によって互いに分離される。非対称ガラス３４は、外側透明シート３６の厚み４２が内側透明シート５０の厚み５６よりも大きいという点で「非対称」である。
非対称ガラス３４では、中間層４４を、エチレン酢酸ビニル、ポリビニルブチラール、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート及びこれらの組み合わせなどのポリマー材料とすることができる。中間層４４は、当業で周知のオートクレーブ工程に従って外側透明シート３６を内側透明シート５０に接合する。オートクレーブ工程後には、中間層４４の厚みを０．７１ｍｍ〜０．８１ｍｍにすることができる。
非対称ガラス３４は、先行技術において一般に知られている非対称ガラスに比べて極度の対称性を有し、すなわち内側透明体５０の厚みが外側透明体３６の厚みよりも小さいだけでなく大幅に小さい。外側透明シート３６の相対的な厚み及び内側透明シートの厚みは、様々な比較比率で表すことができる。しかしながら、このような比較比率は、幅広い厚み寸法にわたって適用する際には信頼できる石衝撃耐性予測因子（及び非対称ガラス積層体の他のいくつかの性能特性）でないことが分かっている。このような比率は、ガラス寸法の範囲境界の影響を受けやすく、これらの寸法を超えた時には大幅に異なる予測できない性能特性が生じ得ることが分かっている。開示する発明について言えば、図４に、先行技術の教示による予想結果と比較した、このような非対称ガラスの驚くべき予想外の石衝撃耐性の結果が示されている。
図４は、各群における外側透明シートの厚みが一定である３つの非対称ガラス群について石衝撃耐性と内側透明シートの厚みとを対比させたグラフである。図４の３つの非対称ガラス群では、それぞれの群の外側透明シートの厚みが１．６ｍｍ、１．８ｍｍ及び２．１ｍｍである。図４には、２０１７年３月２８日に出版された「フロントガラス軽量化に向けた設計面の考察（Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ Ｗｉｎｄｓｈｉｅｌｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」にさらに公開されているプロトコルに従って試験された非対称ガラスの「破損時平均運動エネルギー」の観点からの石衝撃耐性を表示しており、この文献はその全体が引用により本明細書に明確に組み入れられる。石衝撃耐性は、非対称ガラスの「破損前に必要なエネルギー」によって表される。従って、エネルギーが大きいことは、石衝撃耐性が高いことと同等である。
図４には、外側透明シート３６の厚み４２を１．６ｍｍ及び１．８ｍｍで一定に保持し、内側透明シート５０を０．７ｍｍの最低から内側透明シート５０の厚みが外側透明シート３６の厚みに等しくなる時点まで変化させた非対称ガラス間の石衝撃耐性の一般的相関を示す。ガラスは、その時点でもはや非対称ガラスではなく対称ガラス（１．６ｍｍ群では１．６／１．６ｍｍ、１．８ｍｍ群では１．８ｍｍ／１．８ｍｍ）になる。１．６ｍｍ群及び１．８ｍｍ群では、内側透明シート５０の全ての厚みについて、１．６ｍｍガラスよりも厚い１．８ｍｍガラスの方が石衝撃耐性が高い。このことは、既に本明細書で説明した、石の衝撃によるガラスの損傷が「主に外層に依存する」という旨のＳＡＥ会議論文の記載と一致する。
しかしながら、開示する発明に特に注意すると、図４には、実験データがＳＡＥ会議論文の他の予測を裏付けていないことも示されている。例えば、外側透明シートの厚みは、必ずしもＳＡＥ会議論文で予測されたように「フロントガラスの耐衝撃性を決定付け」ていない。具体的に言えば、外側透明シート３６の厚み４２が一定の２．１ｍｍであるガラス群は、内側透明シート５０の厚み５６が１．３ｍｍ〜１．５ｍｍの時には、１．６ｍｍ又は１．８ｍｍのいずれかのガラス群のものよりも実際に石衝撃耐性が低い。このことは、ＳＡＥ会議論文から予想される内容に反し、外側透明シート３６の厚み４２が（‘９１９特許の試験集団の厚みよりも大きな）２．１ｍｍである時には、‘９１９特許に記載されている比率を含む先行技術の教示が当てはまらないことを示す。
図４には、内側透明シート５０の厚み５６が１．２ｍｍであって外側透明シートの厚み４２が２．１ｍｍである時には、外側透明シート３６の厚み４２が１．８ｍｍ又は１．６ｍｍであって内側透明シート５０の厚みが１．２ｍｍ又はそれよりも大きな他の全ての非対称ガラスよりもガラスの石衝撃耐性が大きいことも示されている。このことは、外側透明シート３６が２．１ｍｍであって内側透明シート５０が１．２ｍｍである非対称ガラスが、外側透明シートがさらに薄い非対称ガラスよりも大きな石衝撃耐性を示し、多くの場合に著しく低い重量をもたらすことを意味する。
図４には、内側透明シート５０の厚み５６が１．２ｍｍ未満である多くの場合においても、２．１／１．２ｍｍの非対称ガラスの石衝撃耐性が１．６ｍｍ群及び１．８ｍｍ群よりも高いままであることがさらに示されている。しかしながら、内側透明シート５０の厚みが１．２ｍｍから減少するにつれて、石衝撃耐性の増加率は減少する。石衝撃耐性以外の性能パラメータも考慮すると、２．１／１．２の非対称ガラスが最も好ましい非対称ガラスであることが分かった。例えば、図４には、さらに薄い内側透明シートでは０．７ｍｍの厚みに至るまで石衝撃耐性が着実に増加することが示されている。しかしながら、０．７ｍｍガラスは、１．４ｍｍガラスと比べて高価な原料を必要とし、１．４ｍｍガラスよりも多くの工程ステップを伴う。具体的に言えば、１．４ｍｍガラスは熱焼戻しによって強化できるのに対し、一般に０．７ｍｍガラスは、（ソーダ石灰ケイ酸塩ガラスとは対照的に）イオン交換工程を通じて強化されたアルミノケイ酸塩ガラスを使用する。
好ましい実施形態例では、外側透明シート３６及び内側透明シート５０をケイ酸塩ガラス又はソーダ石灰ガラスで構成することができるが、他のタイプの透明材料を使用することもできる。
開示する発明は、外側透明シート３６の表面４０上又は内側透明シートの表面５２上の、赤外線スペクトルの太陽放射を反射するための反射被膜などのさらなる特徴を含むこともできる。
当業者に明らかになるこれらの及びその他の詳細は、以下の特許請求の範囲に含まれる。
１０ 対称ガラス
１２ 外側透明シート
１４ 外側透明シートの第１の表面
１６ 外側透明シートの第２の表面
１８ 外側透明シート１２の厚み
２０ 中間層
２２ 中間層の第１の表面
２４ 中間層の第２の表面
２６ 内側透明シート
２８ 内側透明シートの第１の表面
３０ 内側透明シートの第２の表面
３２ 内側透明シートの厚み

Claims (9)

  1. 非対称ガラス積層体であって、
    第１の表面及び第２の表面を有するシートを定める外側透明体と、
    第１の表面及び第２の表面を有するポリマー材料層を定める中間層と、
    第１の表面及び第２の表面を有するシートを定める内側透明体と、
    を含み、
    前記外側透明体の前記第２の表面は、前記シート上の前記第１の表面とは反対側に配置され、前記外側透明体の前記第１の表面は、前記外側透明体の前記第２の表面から２．０５ｍｍ〜２．１４ｍｍの範囲の厚み寸法によって分離され、
    前記ポリマー材料層の前記第２の表面は、前記ポリマー層上の前記第１の表面とは反対側に配置され、前記ポリマー材料層の前記第１の表面は、前記外側透明シートの前記第２の表面に対向し、
    前記内側透明体の前記第２の表面は、前記内側透明体の前記シート上の前記第１の表面とは反対側に配置され、前記内側透明体の前記第１の表面は、前記内側透明体の前記第２の表面から１．１５ｍｍ〜１．２５ｍｍの範囲の厚み寸法によって分離され、前記ポリマー材料層の前記第２の表面は、前記内側透明体の前記シートの前記第１の表面に対向する、
    ことを特徴とする非対称ガラス。
  2. 前記外側透明体の呼び厚寸法は２．１ｍｍであり、前記内側透明体の呼び厚寸法は１．２ｍｍである、
    請求項１に記載の非対称ガラス。
  3. 前記外側透明体の衝撃による破損時の応力レベルは、前記非対称ガラスの前記外側透明体の厚みと同じ呼び厚を有する外側透明体と内側透明体とを含む対称ガラスの前記外側透明体の応力レベルよりも高い、
    請求項１に記載の非対称ガラス。
  4. 前記中間層ポリマーは、エチレン酢酸ビニル、ポリビニルブチラール、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート及びこれらの組み合わせを含む群から選択される、
    請求項１に記載の非対称ガラス。
  5. 前記対称ガラスの前記外側透明体は、第１の表面及び第２の表面を有するシートを定め、前記第２の表面は、前記シート上の前記外側透明体の前記第１の表面とは反対側に配置され、前記非対称ガラスの前記外側透明体の前記第１の表面の単位面積当たりの前記非対称ガラスの重量は、前記対称ガラスの前記外側透明体の前記第１の表面の同じ単位面積当たりの重量よりも少なくとも２０％少ない、
    請求項３に記載の非対称ガラス。
  6. 前記中間層の前記第１の表面は、前記中間層の前記第２の表面から０．７１ｍｍ〜０．８１ｍｍの範囲の厚み寸法によって分離される、
    請求項１に記載の非対称ガラス。
  7. 前記中間層ポリマーは、ポリビニルブチラールである、
    請求項４に記載の非対称ガラス。
  8. 前記外側透明体及び前記内側透明体は、ケイ酸塩ガラス、ソーダ石灰ガラス及びこれらの組み合わせを含む材料群から選択される、
    請求項１に記載の非対称ガラス。
  9. 前記外側透明体及び前記内側透明体は、ケイ酸塩ガラスである、
    請求項７に記載の非対称ガラス。
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