JP5334005B2 - 強化ガラス板 - Google Patents

Description

本発明は、強化ガラス板に関し、特に近年の車両軽量化に対応した板厚の薄い強化ガラス板に関する。

従来、強化ガラス板、特に自動車用ガラス板が破砕した際のガラス破片の形態は、法規により規定されている。例えばＪＩＳでは、５ｃｍ角の領域内にガラス破片の数が４０個以上４００個以下であること、長さ７５ｍｍを超える細長い破片がないこと、面積３平方ｃｍを超える大破片がないこと定められている。これらの破片形態に関する規格は、ガラス板が破砕した際に搭乗者の安全性を確保することを目的としている。

上記のような自動車用ガラス板を工業的に製造するに際しては、軟化点近くまで加熱したガラス板に空気などの冷媒を吹き付けて急冷し、これに伴う板厚方向温度分布の時間変化と熱応力の発生を利用して、ガラス板表面に圧縮応力、ガラス板内部に引張応力を形成する、いわゆる物理強化による方法が一般的に用いられている。このような熱強化ガラス板表面の圧縮応力はガラス強度の向上に寄与し、ガラス板内部の引張応力は破砕時の破片密度の増加に寄与する。

しかし、上記のような製造技術では、ガラス板の板厚が薄くなると板厚方向の温度分布を形成することが難しくなり、その結果として、ガラス板内部の引張応力の値が小さくなる。車両軽量化に対応した板厚の薄い自動車用ガラス板、特に板厚３ｍｍ以下の薄いガラス板の場合、破砕時の法規規制を満足できるだけのガラス板内部の引張応力を形成するためには、従来に比較して強い冷却をする必要がある。強い冷却を実現するためには、ガラス板に吹き付ける冷却媒体の速度を上げればよいが、例えば空気を吹き付ける冷却の場合は、冷却の強さは吹き付け風圧の約１／３乗に比例するため、この仕方では送風設備の大規模な改造が必要となってしまう。

一方、ガラス板平面方向に応力パターンを故意に形成して、ガラス板破砕時のクラックの進展方向をコントロールすることにより、従来程度の空気吹き付け風圧で薄ガラス板に対して法規規制を満たすようなガラス板の破砕形態を得る手法が提案されている（特開昭５２−１２１６２０号、特開昭５８−９１０４２号、特開昭５９−１９０５０号）。これらの技術は、ガラス板部に引張応力を有する熱強化ガラスが破砕した場合、平面方向に引張応力が形成されている領域では、平面応力の方向と直交するようにクラックが進展するという特性を利用したものである。

なお、ここでいう平面応力とは、光弾性法を用いて測定される平面応力のことであり、面方向に非等方的に働く主応力の差（主応力差）を板厚方向に沿って積分したものを意味する。主応力差とは、本来、ガラス板内部に仮定した作用面（板面に直交する微小面）に働く最大の主応力と最小の主応力との差のことであるが、厳密にこれらを測定することは困難である。そこで、図１では複数のノズルが対称的（千鳥配置）に配置されていることから、ノズルの配列に平行な方向（図３の測定ライン）の主応力とノズルの配列に直交する方向の主応力とがそれぞれ最大または最小になるものと想定し、測定ラインに沿った方向の主応力が大きい場合は作用面に平面応力が働き、小さい場合は作用面に平面平面圧縮が働くものとみなす。

平面応力の測定は、レーザ等の光源、偏光および検光子を備えた光弾性測定装置を使って行われる。すなわち、偏光子を介してガラス板の一方の面に直線偏光を照射し、検光子を介して他方の面から出射する光を観察する。その結果、ガラス板内部における直線偏光の偏光面は内部の平面応力に応じて変化するため、検光子から出射する偏光の輝度が変化し、この輝度の変化を観察することにより平面応力を間接的に知ることができる。

ところが、上記のような熱強化ガラス板の平面方向の応力パターンを利用した破砕密度増加法は、従来設備の送風装置で板厚の薄いガラス板を強化できるという点では優れているが、板厚３ｍｍ以下、例えば２．５ｍｍ程度と云うような、自動車用ガラス板、特に自動車用リアガラス板のような曲面ガラス板の熱強化に対しては十分ではない。また応力パターン形成のために特殊な吹口を製作して吹口とガラス板の距離を接近させるなど実用的にも難がある。

発明が解決しようとする課題

本発明者は、強化ガラス板、特に車両軽量化に対応した板厚の薄い自動車用ガラス板における上記のような問題点を解決するため実験、検討を続けているが、風冷による熱強化ガラス板について、平面応力が圧縮の領域と引張の領域を交互に小さい距離ピッチで形成することにより、特に板厚の薄いガラス板に対してガラス破砕時の断片化を促進し得ることを見い出した。

すなわち、本発明は、車両軽量化に対応した板厚の薄い自動車用ガラス板において、ガラス板の平面応力について、圧縮の領域と引張の領域を交互に小さい距離ピッチで形成することにより、特に板厚の薄いガラス板に対してガラス破砕時の断片化を促進してなる自動車用ガラス板を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

本発明は、並設された複数のノズルから吹き付けられる冷却媒体により風冷強化されて応力パターンを形成した強化ガラス板において、前記応力パターンは、前記各ノズルの直下を中心とするセルが複数連なって形成され、前記セルの中心領域ではその平面応力が圧縮の状態であり、前記セルの周縁領域ではその平面応力が圧縮の状態であり、前記セルの中心領域と周縁領域との間ではその平面応力が引張の状態であることを特徴とする強化ガラス板である。

本発明の風冷強化ガラス板においては、その応力パターンは、風冷強化時における多数の空気吹付け用ノズルのうちの或る一個の空気吹付け用ノズル直下のガラス板面を中心とし、該中心を囲んだ相隣り合う複数の空気吹付け用ノズル直下のガラス板面内でセルを形成する。すなわち、上記各ノズル直下のガラス板面を中心としたセルとは、或る一個のノズルを中心とした応力パターンの領域であり、該中心を囲んだ相隣り合う複数の空気吹付け用ノズル直下のガラス板面内で形成される。

そして、本発明においては、該一個のノズル直下のセル中心部分が圧縮領域（平面応力が圧縮）、セルの外周が圧縮領域であり、且つ、両圧縮領域の中間に引張領域（平面応力が引張）を形成してなることを特徴とする。ここで、圧縮領域における平面圧縮応力の最大値は４〜１２ＭＰａの範囲であり、引張領域における平面引張応力は４〜１２ＭＰａの範囲である。４ＭＰａ未満では破砕促進効果が期待できない。１２ＭＰａを超える応力を形成するのは、狭い領域で温度差を大きくする必要があり、実用上難かしい。また表面圧縮応力は９０〜１６０ＭＰａの範囲であるのが好ましい。なお、ここで、表面圧縮応力に関し、高温のガラスを急冷してガラスの表面と内部に温度差を形成すると表面に引張、内部に圧縮の熱応力が発生するが、ガラスが軟化点近くの温度にある場合は発生した熱応力はごくわずかな時間で緩和する。この状態から室温まで冷却を続けてガラスの表面と内部の温度差をゼロにすると、ガラスの表面に圧縮応力、内部に引張応力が残存する。このうちガラス表面に残存した応力を表面圧縮応力と指称している。

また、各セルにおける両圧縮領域における平面圧縮応力が最大の点の間のピッチは２０〜４０ｍｍとなるようにするのが好ましく、さらに、セルの大きさは一辺２０〜３５ｍｍの多角形であるのが好ましい。２０ｍｍより小さいピッチのノズル配列を作るのは実用上困難であり、４０ｍｍを超えるピッチではガラス板の破砕時に破片が法規を満たさないものとなるおそれがある。多角形の好ましい態様としては正六角形が挙げられる。これにより、車両軽量化に対応した板厚の薄い自動車用ガラス板に対してガラス破砕時の断片化を促進することができる。ここで、対象とするガラス板の板厚は３ｍｍ以下、好ましくは２．４〜３ｍｍであり、特に自動車用リアガラスのような曲面ガラス板に対しても適用される。３ｍｍを超える板厚であれば、上述のような圧縮領域、引張領域からなる応力パターンを作製しなくても、破砕時に法規を満たす破片を得ることができる。

以上の特徴を有する自動車用ガラス板を作製するに際しては、小さい距離ピッチで平面応力が圧縮の領域と引張の領域とを形成するために、ノズル径の４倍程度のピッチで規則正しく配置された複数の空気吹付け用ノズルから構成される冷却装置を使用する。そして、各ノズル先端と冷却されるガラス板表面までの距離をノズル径の４倍程度になるように配置する。

この点、一般に、ノズル群から吹き付ける冷却空気により作製された熱強化ガラス板では、吹き付けられる空気流がガラスに衝突する部位の平面応力はゼロになり、ノズルとノズルを結ぶ直線の中点にこの直線と直交方向の平面応力が形成される。これに対して、ガラス板と冷却装置の位置関係を上記のような位置関係とすることにより、ノズルとノズルを結ぶ直線の中点に位置するガラス板面上の対流熱伝達係数を増加することができるため、特に熱容量の小さい薄板ガラスに対して、平面応力が圧縮の領域と引張の領域とを交互に小さいピッチで形成することができるものである。

こうして作製されるガラス板に生じる応力発生のメカニズムは以下のとおりである。（１）ガラス板面に衝突したノズル噴流（冷却媒体噴流）が放射状にガラス面上を流れる。（２）隣接したノズルからの同様の流れと衝突する。（３）衝突した場所（ノズル間）で微小な渦（乱れ）が発生し、ガラス板面の熱交換すなわち冷却が促進され圧縮領域となる。（４）ノズル直下と上記（３）のノズル間が先に冷却され、残りの中間部分が後から冷えて引張領域となる。

図１〜３はこうして得られる本発明の実施の形態に係るガラス板の特徴点を説明する図である。図１のとおり、複数の空気吹付け用ノズルが横方向に等間隔を置いて一列に配置され、その上下に一定間隔を置いて、該列における各ノズルの位置に対してその半分程ずらして、同じく横方向に等間隔を置いて一列に配置される。こうして、配置された隣接する三個のノズルは正三角形であり、或る一個のノズルを中心とした隣接する六個のノズルは正六角形である。上下または左右の等間隔に配置された二列に着目すれば、各空気吹付け用ノズルは一定間隔を置いて横方向にも縦方向にもジグザグ状に配置されている。

図２は、図１中「拡大箇所」として示す長方形部分についての拡大図及び平面応力の測定結果である。図２には測定ライン、すなわち横方向のノズル配列（上記一列）に沿ったラインについて、平面圧縮応力と平面引張応力の実測値を示している。図１〜２のとおり、平面応力の発生状態について、各空気吹付け用ノズルの直下に圧縮応力が発生し、相隣り合うノズル間に引張応力と圧縮応力とが交互に発生していることが分かる。

具体的には、図２中測定ラインとして示すライン上の中央部、すなわち該ライン上で“１．”として示す箇所が或る一個のノズルの直下位置に相当している。当該“１．”の箇所では圧縮応力５７ｋｇｆ／ｃｍ²（≒５．５８６ＭＰａ）である。その左方の“２．”の箇所では引張応力６４ｋｇｆ／ｃｍ²（≒６．２７２ＭＰａ）、その右方の“２．”の箇所では引張応力１００ｋｇｆ／ｃｍ²（≒９．８０ＭＰａ）である。さらに当該右方の“２．”の右方についてみると、“３．”箇所では圧縮応力４４ｋｇｆ／ｃｍ²（≒４．３１２ＭＰａ）である。なお、左方の“３．”の箇所では弱い圧縮応力があるが、測定ラインに沿った応力は、全体として、ノズルの直下位置では圧縮応力、その左右に順次引張応力と圧縮応力が交互に発生していることが分かる。

以上は、一列に配置されたノズル間で発生する応力についてのものであるが、或る一個のノズル（以下ノズルＡとする）直下の周囲には、ノズルＡを中心に６個のノズル直下がある。ガラス板面におけるこの部分に注目して前記応力発生のメカニズム（１）〜（４）に沿って観察すると以下のようになる。

（１）ノズルＡからのノズル噴流と相隣り合う６個のノズルからのノズル噴流がガラス板面に衝突し、それぞれ放射状にガラス面上を流れる。各ノズルの直下の箇所は冷却されるのでガラス板の該箇所には圧縮応力が生じる。
（２）ノズルＡからの空気の流れは、それぞれ隣接した６個のノズルからの同様の流れと衝突する。
（３）ノズルＡからの流れと６個のノズルからの流れとがそれぞれ衝突した場所では微小な渦が発生し、ガラス板面の冷却が促進される。
（４）こうしてノズル直下と各ノズル間の空気流の衝突箇所が先に冷却され、残された中間部分が後から冷えて引張層となる。

図３は、上記（１）〜（４）の内容、すなわち図１中左上部の或る一個のノズル（ノズルＡ）の直下の正六角形部分について、平面圧縮応力、平面引張応力の関係を示す図である。図３にはその右側に位置するノズル直下の点についても示しているが、これを含め、ノズルＡを中心に６個のノズル直下がある。ノズルＡの直下のガラス板部分は冷却が促進されて平面圧縮応力が生じる。

ノズル噴流は相隣り合う６個のノズルからのノズル噴流との間で流れるので、これに対応して冷却に強弱が生じ、これによりノズル直下の部分を囲って放射状に冷却が弱い部分である平面引張応力が生じる。図３で云えば円周状の引張領域（円周方向の引張層）として示す部分である。その引張領域すなわち平面引張応力発生部位を囲ってさらに放射状に冷却が強い部分である平面圧縮応力が生じる。図３で云えば各ノズル間の圧縮領域（ノズル間の圧縮層）として示す部分である。

以下、実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明するが、本発明が実施例に限定されないことは勿論である。本実施例では板厚２．５ｍｍのガラス板に対して以下の強化条件で風冷強化ガラス板を作製した。

風冷装置の仕様は以下のとおりである。内径７．５ｍｍの多数のノズルを３３ｍｍピッチで配置した。そのうち任意の各３個のノズルについて見た場合、正三角形位置となるように配置されている。風圧＝２０ｋＰａ、ノズル先端とガラス表面の距離＝３０ｍｍとした。冷却において、ガラス板がノズル直下に位置してから、摺動されるまでの待機時間（ＱＳ）を３秒間とした後、ガラス板面方向にガラス板を摺動しながら冷却した。こうして作製されたガラス板の応力値は以下のとおりであった。平面引張応力＝１０ＭＰａ、平面圧縮応力＝１０ＭＰａ、ライン上の応力のピッチ（すなわち平面圧縮応力が最大の点から隣りの平面圧縮応力が最大の点までのピッチ）＝３３ｍｍ、平面応力分布により形成されるセルの大きさ＝一辺２７．５ｍｍの正六角形、表面圧縮応力＝９７〜１４７ＭＰａ。表１〜２はテストサンプルＮｏ．２〜６の評価結果を示し、表１にはガラス面内の平面応力、表２には表面圧縮応力を示している。

図４〜８はテストサンプルの評価結果を示す図（グラフ図）である。ＱＳは「Ｑｕｅｎｃｈ Ｓｔｏｐ」の略号で、通常、ガラス板を風冷する場合、ガラス板を摺動させてむらなく冷やすことの意味である。本発明においては、これとは逆に、ノズルの配列を応力層のパターンに反映させたいため、ガラス板を動かさない方がよい。したがって、ここでのＱＳはガラス板がノズル直下に位置してから、摺動されるまでの待機時間を示す。なお、グラフ中の符号１．はノズル直下の圧縮領域、２．は円周方向の引張領域、３．はノズル間の圧縮領域を示す。グラフの縦軸は平面応力、横軸は図３の測定ラインに沿った位置を示している。またＱＳは相対値である。

発明の効果

本発明によれば、風冷強化ガラス板、特に車両軽量化に対応した板厚の薄い自動車用ガラス板において、十分な強度に保ちつつ、ガラス破砕時の断片化を促進することができる。本発明は、特に、従来技術では難しかった板厚３ｍｍ以下、例えば２．５ｍｍ程度と云うような自動車用ガラス板、特に自動車用リアガラス板のような曲面ガラス板の熱強化に対しても適用できる。

本発明の実施の形態に係るガラス板を説明する図 本発明の実施の形態に係るガラス板を説明する図 本発明の実施の形態に係るガラス板を説明する図 実施例の結果を示す図 実施例の結果を示す図 実施例の結果を示す図 実施例の結果を示す図 実施例の結果を示す図

Ａ 多数のノズルのうち或る一個のノズル直下のガラス板面

Claims (6)

1. 並設された複数のノズルから吹き付けられる冷却媒体により風冷強化されて応力パターンを形成した強化ガラス板において、前記応力パターンは、前記各ノズルの直下であった部分を中心とする六角形形状を単位とするセルが複数連なって形成され、前記セルの前記中心を含む中心領域ではその平面応力が圧縮の状態であり、前記セルの周縁領域ではその平面応力が圧縮の状態であり、前記セルの中心領域と周縁領域との間ではその平面応力が引張の状態であることを特徴とする強化ガラス板。
   
2. 前記セルの中心領域における平面圧縮応力が最大の点と前記セルの周縁領域における平面圧縮応力が最大の点までの距離は２０〜４０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の強化ガラス板。
   
3. 前記セルの中心領域および前記セルの周縁領域における平面圧縮応力の最大値は、それぞれ４〜１２ＭＰａであり、前記セルの中心領域と周縁領域との間の領域における平面引張応力の最大値は、４〜１２ＭＰａであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の強化ガラス板。
   
4. 前記セルは、その形状が多角形であり、かつ、その一辺の長さが２０〜３５ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載の強化ガラス板。
   
5. 前記強化ガラス板の板厚が３ｍｍ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の強化ガラス板。
   
6. 前記強化ガラス板の板厚が２．４〜３ｍｍである、請求項５に記載の強化ガラス板。

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