JP5615702B2 - ガラスシートの形成方法および装置 - Google Patents

Description

本発明はガラスシートの形成装置に関し、特にガラス中の固形含有物の量の低減を実現する、ガラスシートを形成するための成形体に関するものである。

フュージョン法は、シートガラスを生産するガラス形成分野で用いられている基本的な技術の一つである。この分野で知られている他の方法、例えばフロート法およびスロット・ドロー法に比較して、フュージョン法は、表面が卓越した平坦性および平滑性を有するガラスシートを生成させる。その結果、フュージョン法は、液晶ディスプレー（ＬＣＤ）の製造に用いられるガラス基板の生産において特に重要になって来ている。

フュージョン法、特にオーバーフロー・ダウンドロー・フュージョン法は、特許文献１および特許文献２の主題である。これらの特許文献に記載されているように、「アイソパイプ」として知られている耐熱性本体内に形成されたトラフを通じて溶融ガラスが供給される。

上記特許文献に記載されているようなフュージョン・ダウンドロー法の具体例においては、一旦安定状態の動作が得られると、溶融ガラスは，２枚のシート半体を形成するために、上記トラフの両側壁の頂端をオーバーフローしてアイソパイプの両側面に沿って流下し、次いで内方へ流れる。２条のシートはアイソパイプの底縁で合流し、そこで１条のガラスシートに融合する。この１条のガラスシートは、ガラスシートがアイソパイプの底縁を離れる速度によってガラスシートの厚さを制御する牽引装置に供給される。この牽引装置は、上記底縁の十分に下流側に配置されているので、上記１条のシートは、牽引装置に接触するようになる以前に冷却される。

最終的なガラスシートの外表面は、上記工程の何れの部分においてもアイソパイプの何れの部位にも接触しない。それどころか、ガラスシートの両面は周囲の雰囲気に触れるのみである。最終的なガラスシートを形成する２枚のシート半体の内表面はアイソパイプに接触するが、これらの内表面は、アイソパイプの底縁において融合し、したがって最終的なガラスシートの体内に埋め込まれる。このようにして、最終的なガラスシートの外表面の卓越した特性が得られる。

フュージョン法に用いられるアイソパイプは、溶融ガラスがそのトラフ内に流入しかつ外表面をオーバーフローするときに高温に曝される。これらの厳しい条件に耐えることができるようにするために、アイソパイプは一般に、そして好ましくは耐熱性材料が平衡に（アイソスタティックに）圧縮された（「アイソパイプ」の名称の由来）ブロックから形成される。特に、アイソパイプは平衡に圧縮されたジルコン耐熱材、すなわち主としてＺｒＯ_２およびＳｉＯ_２からなる耐熱性材料から作製されるのが好ましい。例えばアイソパイプは、材料の理論的組成がＺｒＯ_２・ＳｉＯ_２かまたは等価的にＺｒＳｉＯ_４である、ＺｒＯ_２およびＳｉＯ_２が双方で材料の少なくとも９５重量％を占めるジルコン耐熱性材料から作製することができる。

米国特許第３,３３８,６９６号明細書 米国特許第３,６８２,６０９号明細書

ＬＣＤ基板として用いられるシートガラスの製造における不良発生源は、製造工程で用いられているジルコン・アイソパイプの内部および外面をガラスが通過した結果として、ガラス内におけるジルコン結晶含有物（以後、「二次的ジルコン結晶」または「二次的ジルコン欠陥」と呼ぶ）の存在である。この二次的ジルコン結晶の問題は、より高い温度において形成される必要がある失透し易いガラスとともに、より目立つようになってくる。

完成されたガラスシート中に発見されるジルコン結晶の原因となるジルコンは、ジルコン・アイソパイプの上部に起源を発する。ジルコニア（すなわち、ＺｒＯ_２および／またはＺｒ^＋４＋２Ｏ^−２）が、アイソパイプのトラフ内およびアイソパイプの外側の上部壁（堰）に沿って存在する温度および粘度における溶融ガラス中に溶け込んだ結果、特にこれらの欠陥が最終的に発生する。ガラスはアイソパイプを流下するにつれて温度が低下し、かつ粘度が増大するので、アイソパイプの上部におけるガラスの温度は、アイソパイプのより低い部分に比較して高く、粘度は低い。

溶融ガラス中のジルコニアの溶解性および分散性は、ガラスの温度および粘度の関数である（すなわち、ガラスの温度が低下するのにつれて粘度は増大し、溶液中に溶解され得るジルコニアはより少なくなり、分散率が減少する）。ガラスがアイソパイプの底縁に近付くにつれて、ジルコニアで過飽和状態になる。その結果、ジルコン結晶（すなわち二次的ジルコン結晶）が核化し、ジルコン・アイソパイプの底部（すなわち底縁）上で成長する。最終的にこれらの結晶は、離脱してガラス流中に混入する程十分に長く成長し、ガラッスシートの融合線またはその近傍において欠陥となる。

本発明は、一つの実施の形態においてはガラスシートの形成装置であって、この装置は、傾斜した成形用表面と、この傾斜した成形用表面と交差するほぼ垂直な成形用表面とを備えた成形体を有し、これらの傾斜した成形用表面間の角度が４２度未満である。

別の実施の形態においてはガラスシートの形成方法であって、この方法は、溶融ガラスを提供し、結晶質耐熱性材料を含む成形体に沿って上記溶融ガラスを流動させることを含み、上記成形体はさらに、傾斜した成形用表面と、これらの傾斜した成形用表面と交差するほぼ垂直な成形用表面とを備え、これらの垂直な成形用表面の高さおよび上記傾斜した成形用表面間の角度は、上記溶融ガラス中に溶解される耐熱性材料の濃度を最低にすべく選択される。

上述の概略説明および後述の詳細説明の双方は、本発明の実施の形態を提供するものであって、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および大枠の提供を意図したものである。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、本明細書の一部を構成するものである。図面は本発明の例示的実施の形態を描いたものであって、説明内容とともに本発明の原理および動作の解釈に資するものである。

本発明の実施の形態によりガラスシートを形成するための成形体を示す側面図である。 傾斜した成形用表面間の角度を示す図１の成形体の断面図である。 傾斜した成形用表面間の角度および垂直な成形用表面の高さが減少せしめられたとき（成形用表面の上下移動）の成形用表面における温度輪郭に対する影響を示すグラフである。 アイソパイプの２種類の底縁角度に関するアイソパイプの成形用表面からの距離の関数としての、溶融ガラス中に溶解されたアイソパイプ材料の濃度（重量％）からアイソパイプ材料の飽和濃度（重量％）を減算した値を示すグラフである。 複数対の傾斜した成形用表面を備えた本発明による成形体の別の実施の形態を示す断面図である。 アイソパイプからの距離の関数としての飽和濃度を超える、溶融ガラス中に溶解されたアイソパイプ材料の濃度を示すグラフである。

本発明によりガラスシートを作製するためのフュージョン・ダウンドロー法においては、ガラス形成先駆体（バッチ）が炉内で溶融されて溶融原材料を形成し、この原材料はその後に成形体をオーバーフローしてガラスシートを形成する。一般的に上記成形体は、二面の上部成形用表面およびこれらの上部成形用表面と交差する傾斜した二面の成形用表面を備えている。これらの傾斜した二面の成形用表面は成形体の底縁において収斂している。上部成形用表面は通常ほぼ垂直かつ平行である。

上記成形体、すなわちアイソパイプの設計には、多くの競合する要因を配慮しなければならない。溶融原材料は、成形体内において両側をダム(堰)によって境界を定められたトラフ内に案内される。溶融原材料は、十分に低い粘度において、すなわち十分に高い温度において成形体に案内されて、両堰の頂端をオーバーフローする均等なガラス流を生成させなければならない。次いで上記溶融原材料は、成形体の傾斜した両成形用表面を含む外表面を成形体の底縁まで流下する。上記傾斜した両成形用表面のなす角度は、重力が溶融ガラスをアイソパイプから離す程大きくてはならない。

一方、成形体の底縁を離れる溶融原材料は、この溶融原材料が順調に牽引されることを可能にするために、十分に低い温度において十分に高い粘度を有していなければならないが、溶融原材料の粘度が、溶融ガラスが結晶化する可能性があるこの溶融原材料の液相線粘度を下回る程低過ぎてはならない。

さらに成形体は、この成形体にダメージを与えることなく過渡的な加熱条件（例えば加熱または冷却）の応力に耐えることができなければならず、かつ成形体の重量および高温における長時間の動作による成形体のサグまたはクリープに耐えなければならない。

もし、高温において成形体をオーバーフローする溶融ガラスが、成形用表面を流下するときに極めて長い間高温に保たれている場合には、成形体を構成する材料が溶け、次いで底縁等の成形体のより低温の部分において再結晶化する。結晶は離脱する程度にまで成長することになり、ガラス流に混入し、完成されたガラス製品中の欠陥となる。本発明は、溶融ガラス中に溶け込む成形体材料の量を制限することにより、結晶の再成長の量を低減することを追及するものである。

図１および図２には、本発明の一実施の形態によるガラスシートの製造に用いられる成形体すなわちアイソパイプ１０が示されている。アイソパイプ１０は、溶融ガラスを供給源（不図示）から入口１４を通じて受容するためのトラフ１２、トラフ１２の境界を形成する堰１６，１８、垂直な成形用表面２０，２２および傾斜した成形用表面２４，２６を備えている。垂直な成形用表面２０，２２は、移行線すなわち屈折点２８，３０に沿ってそれぞれ傾斜した成形用表面２４，２６と交差している。傾斜した成形用表面２４，２６は、角度αを形成しており、アイソパイプ１０の底縁３２において交差している。垂直な成形用表面２０，２２はほぼ平行であることが好ましい。アイソパイプ１０は、長さＬを有し、全体の高さはＨである。底縁３２と屈折点２８，３０との間の高さはｈであるが、屈折点と堰１６，１８の頂端との間の距離はｈ′であり、このｈ′は最大値ｈ′_ｍａｘと最小値ｈ′_ｍｉｎとの間で変化する。したがって、Ｈは最大値Ｈ_ｍａｘと最小値Ｈ_ｍｉｎとの間で変化する。

溶融ガラス３４は入口１４を通じてアイソパイプ１０に供給され、その後、溶融ガラス３４は、堰１６，１８の頂端において、例えば垂直な成形用表面２０，２２の上端においてアイソパイプ１０をオーバーフローし、かつ成形用表面２０，２２および２４，２６を明確な２条の流れとして流下する。これらの２条の流れは底縁３２において再融合してガラスシート３６を形成し、このガラスシート３６は、牽引ローラ３８によって表されている牽引装置により下方へ牽引される。アイソパイプ１０は一般に、ジルコンまたはアルミナ等の耐熱性セラミック材料で構成される。アイソパイプ１０は、囲い４０内に収容されているのが好ましく、この囲い４０は、アイソパイプの成形用表面上の溶融ガラスの温度を制御するために囲い４０内に垂直に配置された加熱要素４２を備えている。

図２から明らかなように、垂直な成形用表面２０，２２は一般に、加熱要素４２によって加熱された内部マッフル壁面４４，４６と平行である。一般に、垂直な成形用表面２０，２２を流下する溶融ガラスの温度はほぼ一定である。一方、傾斜した成形用表面２４，２６は傾斜しており、かつアイソパイプ１０の下方の、より冷たい雰囲気に曝される。すなわち、傾斜した収斂する成形用表面は、それらの方位に垂直成分のみでなく水平成分を有している。したがって溶融ガラスは、傾斜した成形用表面を流下するにつれて冷える。その結果、アイソパイプ上の位置の関数としての温度輪郭は、図３の折線５０のようになり、垂直の成形用表面（堰の頂端から屈折点までの区間５０ａ）に沿ったほぼ一定の温度と、アイソパイプを屈折点から底縁まで流下するときのほぼ直線的に温度が低下する区間５０ｂとを示している。

高温に長時間曝されると、アイソパイプを構成する材料が溶融ガラス中に溶出することが判明している。それ故に、溶融ガラス中に溶出するアイソパイプ材料の量の低減は、したがって、溶融ガラス流から析出し得るアイソパイプ材料の量の低減は、垂直の成形用表面の高さを短縮することによって減らすことができる。

特定の理論に束縛されるつもりはないが、溶融ガラスが移動しなければならない垂直成形用表面の距離を短縮すると、アイソパイプの頂部に存在する高温に溶融ガラスが曝される時間が短縮されると思われる。したがって、アイソパイプ材料が溶融ガラス中に溶出する時間が短縮されると、アイソパイプの、より低い温度領域において、例えば底縁近傍において析出され得る溶けたアイソパイプ材料が少なくなる。

同時に、単なる垂直の成形用表面の高さの短縮は、アイソパイプ全体の高さの短縮に通じる。全体の高さの短縮は、アイソパイプがよりサグし易くなるので望ましくない。したがって、アイソパイプ自体の全体の高さＨは短縮せずに、垂直の成形用表面の高さを短縮することが望ましい。これは傾斜した成形用表面間の角度αを小さくすることによって達成することができる。アイソパイプの堰から堰までの幅Ｗは一定と仮定して、垂直の成形用表面の高さｈ′が短縮されるにつれて角度αが小さくなって、アイソパイプ自体の全体の高さＨを維持する。

傾斜した成形用表面間の角度の縮小はまた、アイソパイプ全体の質量の低減というさらなる効果を有し、サグの軽減および温度移行時（例えば加熱および冷却）の熱誘導応力の低減を齎す。

図２を参照すると、角度αの縮小は、傾斜した成形用表面２４，２６をそれぞれ２４′，２６′で示された位置まで内方へ移動させる。したがって、屈折点２８，３０はそれぞれ２８′，３０′で示された位置まで上方へ移動し、ｈ′は減少し、余分なアイソパイプ材料が除去される。このことは図３における折線５２によって可視化することができる。図示のように、折線５２に関する始点および終点の温度は折線５０と同じであるが、折線５２によって表された全体の温度輪郭は平らに（より直線的に）され、新たに画成された屈折点はより低温である。すなわち、堰の上端（例えば垂直の成形用表面の上端）と屈折点間の区間５２ａの温度輪郭は、区間５０ａの温度輪郭よりも急激に温度が低下しており、折線５２の屈折点と底縁間の部分（区間５２ｂ）は対応する部分５０ｂよりも低い温度に変化している。角度αは４２度未満が好ましい。角度αは３５度未満が好ましいが、３０度未満がより好ましい。

図４は、約２９５ｃｍの長さと、アイソパイプの入口端における１００ｃｍの全体の最大高さＨ_ｍａｘとを有するアイソパイプのモデル化されたデータを示す。このアイソパイプを通過する流量は約１５００ポンド（６８０ｋｇ）／時と想定された。曲線５４は、角度αが４２度、堰の上端の温度が１２４６℃、屈折点の温度が１２３８℃、底縁の温度が１１８１．５℃のアイソパイプを示し、曲線５６は、傾斜した成形用表面間の角度αが３０度、堰の上端の温度が１２４２℃、屈折点の温度が１２３８℃、底縁の温度が１１８１．５℃のアイソパイプを示す。結晶成長に関する傾向は、溶融ガラス中に溶解されたジルコニアの濃度（Ｃ）から溶融ガラス中のジルコニアの飽和濃度（Ｃｓ）を減算した値を示す縦軸によって表されている。図４は、底縁における角度が４２度から３０度に減少した場合に、溶解されたジルコニアからのジルコンの予測された再結晶の傾向が減退することを示している。例えば、アイソパイプの成形用表面から２０μｍの距離において、与えられた温度におけるジルコニアの濃度Ｃからジルコニアの飽和濃度Ｃｓを減算した値は、角度４２度に関しては約０．０５重量％であるが、角度３０度に関しては濃度差が約０．０４６重量％である。図４から明らかなように、傾斜した成形用表面間の角度が４２度から３０度に減小するにつれて、溶解されたジルコニアのピーク値はアイソパイプの成形用表面に近付くように内方へ移動する。このことは、より小さい角度ではアイソパイプの表面のより近くで結晶成長が遅れることを示唆している。したがって、或る長さを超える結晶成長を遅らせることができ、結晶が離脱して溶融ガラス流に混入する可能性が少なくなる。

下記の表は、全体の最大高さＨ_ｍａｘが約９７．８ｃｍ、幅Ｗが約２８ｃｍの例示的アイソパイプについてのαおよびｈ′_ｍａｘに関する概略値を示す。アイソパイプの長さは２５４ｃｍを超えることができる。

図５に示された別の実施の形態において、トラフ６２、堰６４，６６、第１の傾斜した成形用表面対６８，７０、および第２の傾斜した成形用表面対７２，７４を備えた成形体（アイソパイプ）６０が示されている。第２の傾斜した成形用表面対７２，７４は、アイソパイプの下部における底縁７６において交差している。図５に示された実施の形態によれば、第１の傾斜した成形用表面対６８，７０は、それら間で角度βを形成している。角度βは４２度未満が好ましい。第２の傾斜した成形用表面対７２，７４は第１の傾斜した成形用表面対６８，７０と交差している。第２の傾斜した成形用表面対７２，７４はそれら間で角度θを形成している。アイソパイプ６０は、第１の傾斜した成形用表面対６８，７０と交差する垂直な成形用表面７８，８０を備えていてもよい。

角度θは角度βよりも小さいことが好ましい。例えば角度θは、４２度未満、好ましくは３５度未満、より好ましくは２５度未満、さらに好ましくは２０度未満である。図５の実施の形態においては、与えられた垂直距離において、より小さい角度が底縁近傍の傾斜した成形用表面間に得られる利点がある。例えば、与えられた成形体の高さ（底縁と堰の上端との間の距離）および与えられた成形体の最大幅（一方の堰の外側面から反対側の堰の外側面までの距離）に関し、一対のみの傾斜した成形用表面が用いられる場合よりも小さい角度が底縁近傍の傾斜した成形用表面間に得られる。

図６は、アイソパイプの、特にアイソパイプの長さ方向の中点において採ったジルコンを含むアイソパイプの成形用表面に沿って流れる溶融ガラス中に溶解されたアイソパイプ材料の濃度に関する例示的限界を示すモデル化されたデータを示す。約１２４３℃と１１２５℃との間の温度範囲（頂端から底端まで）の１５００ポンド（６８０ｋｇ）／時の溶融ガラス流が想定された。グラフは２本の曲線８２，８４で区切られた３領域を示す。

領域Iにおけるジルコニア濃度（曲線８２の内部）となる条件下におけるアイソパイプの動作は、結晶が離脱する機会が殆どない安全動作を示唆する。すなわち、図４と同様に、Ｘ軸は、溶解したアイソパイプ材料の飽和濃度を超える与えられた濃度に関するアイソパイプ上の最大長さの結晶成長と解釈することができる。図解の手段として、Ｃ−Ｃｓ濃度のゼロにおいて、曲線８２は７０μｍの最大結晶長さを示唆している。７０μｍ超について、結晶成長を促すための溶解したアイソパイプ材料が不十分である。７０μｍ以下において、結晶破壊の問題が少ないことが分かった。

領域IIIの条件下の動作は、望ましくない結果となることを示唆する。領域III（曲線８４の外側）の条件下の動作は、結晶成長が安全な長さを超える可能性がある十分な濃度の溶解したアイソパイプ材料を与え、その場合、結晶は容易に破壊して溶融ガラス中に混入し得ることになる。最後に、領域II内（曲線８２と８４との間）の動作は、領域IとIIIとの中間の結果となることを示唆する。

本発明の上述の実施の形態は、特に好ましい実施の形態は、単に実施可能な実例に過ぎず、本発明の原理を明快に理解するための説明に過ぎない。上述した実施の形態に対して、本発明の精神および原理から実質的に離れることなしに、種々の変形および修正が可能である。このような変形および修正は本明細書および本発明の範囲内に含まれ、下記の請求項によって保護されるべきものである。

１０ アイソパイプ（成形体）
１２ トラフ
１４ 入口
１６，１８ 堰
２０，２２ 垂直な成形用表面
２４，２４′，２６，２６′ 傾斜した成形用表面
２８，２８′，３０，３０′ 屈折点
３２ 底縁
３４ 溶融ガラス
３６ ガラスシート
３８ 牽引ローラ
４０ 囲い
４２ 加熱要素
４４，４６ 内部マッフル面
６０ アイソパイプ（成形体）
６２ トラフ
６４，６６ 堰
６８，７０ 第１の傾斜した成形用表面対
７２，７４ 第２の傾斜した成形用表面対
７６ 底縁
７８，８０ 垂直な成形用表面

Claims (4)

1. ガラスシートの形成装置であって、
   底縁と、第１の傾斜した成形用表面対と、一方で該第１の傾斜した成形用表面対と交差すると共に、他方で前記底縁と交差する第２の傾斜した成形用表面対と、前記第１の傾斜した成形用表面対と交差するほぼ垂直な成形用表面とを備えた成形体を有し、
   前記第１の傾斜した成形用表面対間の角度が４２度未満であり、
   前記第２の傾斜した成形用表面対間の角度が前記第１の傾斜した成形用表面対間の角度よりも小さく、
   前記垂直な成形用表面の最大高さｈ′_ｍａｘが６０ｃｍ未満であり、
   それにより、溶融ガラス中に溶解する成形体材料の濃度が低減されることを特徴とする、ガラスシートの形成装置。
2. 前記成形体の長さが少なくとも２６５ｃｍであることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. ガラスシートの形成方法であって、
   溶融ガラスを提供し、
   底縁と、第１の傾斜した成形用表面対と、一方で該第１の傾斜した成形用表面対と交差すると共に、他方で前記底縁と交差する第２の傾斜した成形用表面対と、前記第１の傾斜した成形用表面対と交差するほぼ垂直な成形用表面とを備え、結晶質耐熱性材料を含む成形体に沿って、前記溶融ガラスを流動させる、
   各工程を含み、
   前記第１の傾斜した成形用表面対間の角度が４２度未満であり、
   前記第２の傾斜した成形用表面対間の角度が前記第１の傾斜した成形用表面対間の角度よりも小さく、
   前記垂直な成形用表面の最大高さｈ′_ｍａｘが６０ｃｍ未満であり、
   それによって、前記溶融ガラス中に溶解される耐熱性材料の濃度が低減されることを特徴とする、ガラスシートの形成方法。
4. 前記成形体の長さが少なくとも２６５ｃｍであることを特徴とする請求項３記載の方法。

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