JP5890518B2 - 軽量複合合わせガラス - Google Patents

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Description

関連出願の説明
本出願は、２０１１年６月２４日に出願された米国仮特許出願第６１／５００７６６号の米国法典第３５編第１９９条の下での優先権の恩恵を主張し、かつ２０１１年９月２８日に出願された米国特許出願第１３／２７４１８２号の米国法典第３５編第１２０条の下での優先権の恩恵を主張するものであり、これらの出願の内容が依拠され、ここに全て引用される。
本開示は、広く、合わせガラス(glass laminates)に関し、より詳しくは、化学強化された外側の窓ガラスおよび化学強化されていない内側の窓ガラスを含む複合(hybrid)合わせガラスに関する。そのような複合合わせガラスは、軽量、良好な音減衰性能、および高い耐衝撃性によって特徴付けられるであろう。特に、開示された複合合わせガラスは、フロントガラス以外の用途のための工業的に適用できる衝撃試験の判定基準を満たす。
合わせガラスが、建築用途、および自動車、鉄道車両および飛行機を含む輸送用途において、窓およびグレージング(glazing)として使用できる。ここに用いたように、グレージングは、壁や他の構造の透明または半透明の部材である。建築用途および自動車用途に用いられるグレージングの一般的なタイプとしては、積層ガラス(laminated glass)を含む、透明ガラスおよび着色ガラスが挙げられる。例えば、軟質ポリ（ビニルブチラール）（ＰＶＢ）により隔てられた対向するガラス板からなる積層グレージングは、窓、フロントガラス、またはサンルーフとして使用できる。ある用途において、外部源からの音響透過を低減しながら、安全なバリアを提供するために、高い機械的強度および音響減衰特性を有する合わせガラスが望ましい。多くの車両用途において、燃料の経済性は車重の関数である。したがって、強度および音響減衰特性を損なわずに、そのような用途のためのグレージングの質量を減少させることが望ましい。合わせガラスが、闖入未遂または石や雹との接触などの外部接触事象に関して、機械的に頑丈でありながら、例えば、衝突の際、乗員との接触などの内部衝撃事象の結果としてのエネルギー（および割れ）を適切に消散させることが都合よい。
上記に鑑みて、より厚くより重いグレージングに関連する耐久性および音減衰特性を有する薄い軽量グレージングが望ましい。
本開示の１つの態様によれば、合わせガラスは、外側ガラス板、内側ガラス板、および外側と内側のガラス板の間に形成されたポリマー中間層を備えている。合わせガラスの衝撃挙動を最適化するために、外側ガラス板は、化学強化ガラスからなり、１ｍｍ以下の厚さを有し得る一方で、内側ガラス板は、非化学強化ガラスからなり、２．５ｍｍ以下の厚さを有し得る。実施の形態において、ポリマー中間層（例えば、ポリ（ビニルブチラール）またはＰＶＢ）は、１．６ｍｍ以下の厚さを有し得る。開示された複合合わせガラス構造は、衝撃に対して応力を分配できることが都合よい。例えば、開示された合わせガラスは、優れた耐衝撃性を提供でき、外部衝撃事象に対する破壊に抵抗でき、それでも、内部衝撃事象に対して、エネルギーを適切に消散し、適切に割れる。
本発明の追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者に容易に明白になるか、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付図面を含む、ここに記載された本発明を実施することによって認識されるであろう。
先の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方とも、本発明の実施の形態を提示するものであり、特許請求の範囲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要または骨子を提供することが意図されているのが理解されよう。添付図面は、本発明をさらに理解するために含まれ、本明細書に包含され、その一部を構成する。図面は、様々な実施の形態を図解し、説明と共に、本発明の原理および作動を説明する働きをする。
実施の形態による例示の平らな複合合わせガラスの説明図 実施の形態による例示の曲げられた複合合わせガラスの説明図
ここに開示された合わせガラスは、外側の化学強化ガラス板および内側の非化学強化ガラス板を含むように構成されている。ここに定義されるように、合わせガラスが実際に使用されるときに、外側ガラス板は環境に近いかまたは接触し、一方で、内側ガラス板は、合わせガラスが組み込まれた構造または車両（例えば、自動車）の内部（例えば、客室）に近いかまたは接触する。
例示の合わせガラスが図１に示されている。合わせガラス１００は、外側ガラス板１１０、内側ガラス板１２０、およびポリマー中間層１３０を備えている。このポリマー中間層は、それぞれの外側と内側のガラス板の各々と物理的に直接接触し得る（例えば、貼り合わせられる）。外側ガラス板１１０は外面１１２および内面１１４を有する。同じような文脈で、内側ガラス板１２０は外面１２２および内面１２４を有する。図解された実施の形態に示されるように、外側ガラス板１１０の内面１１４と内側ガラス板１２０の内面１２４は各々、ポリマー中間層１３０と接触している。
使用中、合わせガラスは、外部衝撃事象に応答した割れに抵抗することが望ましい。しかしながら、合わせガラスに車両の乗員がぶつかったときなどの、内部衝撃事象に対して、合わせガラスは、乗員を車両内に保持し、それでも、怪我を最小にするために、衝突の際のエネルギーを消散することが望ましい。車両内部から生じる衝突事象をシミュレーションするＥＣＥ Ｒ４３頭部試験は、積層グレージングが特定の内部衝突を受けて割れることを要求する規制試験である。
理論により拘束することを意図するものではないが、ガラス板／ポリマー中間層／ガラス板の１枚の合わせガラスに衝撃が与えられたときに、衝撃を受けた板の反対面、並びに反対側の板の外面が、張力状態に置かれる。二軸荷重下のガラス板／ポリマー中間層／ガラス板の合わせガラスに関して計算された応力分布により、衝撃を受けた板の反対面の引張応力の大きさは、荷重速度が低い反対側の板の外面で経験される引張応力の大きさに匹敵する（またはそれよりわずかに大きい場合さえある）であろう。しかしながら、自動車内で典型的に経験される衝撃の特徴である、荷重速度が速い場合、反対側の板の外面での引張応力の大きさは、衝撃を受けた板の反対面での引張応力よりもずっと大きいであろう。ここに開示されるように、複合合わせガラスを、化学強化外側ガラス板および非化学強化内側ガラス板を有するように構成することによって、外部と内部の衝撃事象の両方に関する耐衝撃性を最適化することができる。
適切な内側ガラス板は、ソーダ石灰ガラスなどの非化学強化ガラス板である。必要に応じて、内側ガラス板を熱強化してもよい。ソーダ石灰ガラスが非化学強化ガラス板として使用される実施の形態において、従来の装飾材料および方法（例えば、ガラスフリットエナメルおよびスクリーン印刷）を使用することができ、これにより、合わせガラス製造プロセスを簡単にすることができる。電磁スペクトルに亘り所望の透過および／または減衰を達成するために、着色ソーダ石灰ガラス板を複合合わせガラスに組み込むことができる。
適切な外側ガラス板は、イオン交換プロセスによって化学強化してよい。このプロセスにおいて、一般に、所定の期間に亘りガラス板を溶融塩浴中に浸漬することによって、ガラス板の表面のまたはその近くのイオンが、塩浴からのより大きい金属イオンと交換される。１つの実施の形態において、溶融塩浴の温度は約４３０℃であり、所定の期間は約８時間である。ガラス中へのより大きいイオンの取込みによって、表面近くの領域に圧縮応力を生じることによって、板が強化される。その圧縮応力と釣り合うように、対応する引張応力がガラスの中央領域に誘発される。
複合合わせガラスを形成するのに適した例示のイオン交換可能なガラスは、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスまたはアルカリアルミノホウケイ酸塩ガラスであるが、他のガラス組成物も考えられる。ここに用いたように、「イオン交換可能な」とは、ガラスが、そのガラスの表面にまたはその近くに位置する陽イオンを、サイズがそれより大きいかまたは小さい、同じ原子価の陽イオンと交換することができることを意味する。一例のガラス組成物は、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3およびＮａ2Ｏを含み、ここで、（ＳｉＯ2＋Ｂ2Ｏ3）≧６６モル％、およびＮａ2Ｏ≧９モル％である。一例において、前記ガラス板は少なくとも４質量％の酸化アルミニウムを含む。さらに別の実施の形態において、ガラス板は、アルカリ土類酸化物の含有量が少なくとも５質量％となるように１種類以上のアルカリ土類酸化物を含む。適切なガラス組成物は、いくつかの実施の形態において、Ｋ2Ｏ、ＭｇＯ、およびＣａＯの少なくとも１種類をさらに含む。特別な実施の形態において、前記ガラスは、６１〜７５モル％のＳｉＯ2、７〜１５モル％のＡｌ2Ｏ3、０〜１２モル％のＢ2Ｏ3、９〜２１モル％のＮａ2Ｏ、０〜４モル％のＫ2Ｏ、０〜７モル％のＭｇＯ、および０〜３モル％のＣａＯを含み得る。
複合合わせガラスを形成するのに適したさらに別の例示のガラス組成物は、６０〜７０モル％のＳｉＯ2、６〜１４モル％のＡｌ2Ｏ3、０〜１５モル％のＢ2Ｏ3、０〜１５モル％のＬｉ2Ｏ、０〜２０モル％のＮａ2Ｏ、０〜１０モル％のＫ2Ｏ、０〜８モル％のＭｇＯ、０〜１０モル％のＣａＯ、０〜５モル％のＺｒＯ2、０〜１モル％のＳｎＯ2、０〜１モル％のＣｅＯ2、５０ｐｐｍ未満のＡｓ2Ｏ3、および５０ｐｐｍ未満のＳｂ2Ｏ3を含み、１２モル％≦（Ｌｉ2Ｏ＋Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ）≦２０モル％、および０モル％≦（ＭｇＯ＋ＣａＯ）≦１０モル％である。
またさらに別の例示のガラス組成物は、６３．５〜６６．５モル％のＳｉＯ2、８〜１２モル％のＡｌ2Ｏ3、０〜３モル％のＢ2Ｏ3、０〜５モル％のＬｉ2Ｏ、８〜１８モル％のＮａ2Ｏ、０〜５モル％のＫ2Ｏ、１〜７モル％のＭｇＯ、０〜２．５モル％のＣａＯ、０〜３モル％のＺｒＯ2、０．０５〜０．２５モル％のＳｎＯ2、０．０５〜０．５モル％のＣｅＯ2、５０ｐｐｍ未満のＡｓ2Ｏ3、および５０ｐｐｍ未満のＳｂ2Ｏ3を含み、１４モル％≦（Ｌｉ2Ｏ＋Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ）≦１８モル％、および２モル％≦（ＭｇＯ＋ＣａＯ）≦７モル％である。
特別な実施の形態において、前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、アルミナ、少なくとも１種類のアルカリ金属、およびいくつかの実施の形態において、５０モル％超のＳｉＯ2、他の実施の形態において、少なくとも５８モル％のＳｉＯ2、さらに他の実施の形態において、少なくとも６０モル％のＳｉＯ2を含み、ここで、比
式中、この比において、成分はモル％で表され、改質剤はアルカリ金属酸化物である。このガラスは、特別な実施の形態において、５８〜７２モル％のＳｉＯ2、９〜１７モル％のＡｌ2Ｏ3、２〜１２モル％のＢ2Ｏ3、８〜１６モル％のＮａ2Ｏ、および０〜４モル％のＫ2Ｏを含み、から実質的になり、またはからなり、ここで、比
である。
別の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、６１〜７５モル％のＳｉＯ2、７〜１５モル％のＡｌ2Ｏ3、０〜１２モル％のＢ2Ｏ3、９〜２１モル％のＮａ2Ｏ、０〜４モル％のＫ2Ｏ、０〜７モル％のＭｇＯ、および０〜３モル％のＣａＯを含む、から実質的になる、またはからなる。
さらに別の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、６０〜７０モル％のＳｉＯ2、６〜１４モル％のＡｌ2Ｏ3、０〜１５モル％のＢ2Ｏ3、０〜１５モル％のＬｉ2Ｏ、０〜２０モル％のＮａ2Ｏ、０〜１０モル％のＫ2Ｏ、０〜８モル％のＭｇＯ、０〜１０モル％のＣａＯ、０〜５モル％のＺｒＯ2、０〜１モル％のＳｎＯ2、０〜１モル％のＣｅＯ2、５０ｐｐｍ未満のＡｓ2Ｏ3、および５０ｐｐｍ未満のＳｂ2Ｏ3を含み、１２モル％≦Ｌｉ2Ｏ＋Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ≦２０モル％、および０モル％≦ＭｇＯ＋ＣａＯ≦１０モル％である。
さらに別の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、６４〜６８モル％のＳｉＯ2、１２〜１６モル％のＮａ2Ｏ、８〜１２モル％のＡｌ2Ｏ3、０〜３モル％のＢ2Ｏ3、２〜５モル％のＫ2Ｏ、４〜６モル％のＭｇＯ、および０〜５モル％のＣａＯを含み、から実質的になり、またはからなり、ここで、６６モル％≦ＳｉＯ2＋Ｂ2Ｏ3＋ＣａＯ≦６９モル％、Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ＋Ｂ2Ｏ3＋ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＞１０モル％、５モル％≦ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ≦８モル％、（Ｎａ2Ｏ＋Ｂ2Ｏ3）−Ａｌ2Ｏ3≦２モル％、２モル％≦Ｎａ2Ｏ−Ａｌ2Ｏ3≦６モル％、および４モル％≦（Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ）−Ａｌ2Ｏ3≦１０モル％である。
いくつかの実施の形態において、化学強化ガラス並びに非化学強化ガラスに、Ｎａ2ＳＯ4、ＮａＣｌ、ＮａＦ、ＮａＢｒ、Ｋ2ＳＯ4、ＫＣｌ、ＫＦ、ＮＫｒ、およびＳｎＯ2を含む群から選択される少なくとも１種類の清澄剤が０〜２モル％だけバッチ配合されている。
１つの例示の実施の形態において、化学強化ガラス中のナトリウムイオンは、溶融バッチからのカリウムイオンにより置換され得るが、ルビジウムやセシウムなどの、原子半径がより大きい他のアルカリ金属イオンにより、そのガラス中のより小さいアルカリ金属イオンが置換されても差し支えない。特定の実施の形態によれば、ガラス中のより小さいアルカリ金属イオンは、Ａｇ+イオンにより置換され得る。同様に、イオン交換プロセスに、以下に限られないが、硫酸塩、ハロゲン化物などの他のアルカリ金属塩を使用してもよい。
ガラス網目構造が緩和し得る温度より低い温度で、より小さいイオンがより大きいイオンにより置換されると、ガラスの表面に亘りイオンの分布が生じ、これにより、応力プロファイルが生じる。入り込むイオンのより大きい体積により、ガラスの表面に圧縮応力（ＣＳ）が、その中央に張力（中央張力、またはＣＴ）が生じる。この圧縮応力は、以下の関係式：
により中央張力に関連付けられ、式中、ｔはガラス板の総厚であり、ＤＯＬは、層の深さとも称される、交換の深さである。
様々な実施の形態によれば、イオン交換ガラスを含む複合合わせガラスは、軽量、高い耐衝撃性、および改善された音響減衰を含むたくさんの所望の特性を有する。
１つの例示の実施の形態において、化学強化ガラス板は、少なくとも３００ＭＰａ、例えば、少なくとも４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０または８００ＭＰａの表面圧縮応力、少なくとも約２０μｍ（例えば、少なくとも約２０、２５、３０、３５、４０、４５、または５０μｍ）の層の深さ、および／または４０ＭＰａ超（例えば、４０、４５、または５０ＭＰａ超）であるが、１００ＭＰａ未満（例えば、１００、９５、９０、８５、８０、７５、７０、６５、６０、または５５ＭＰａ未満）の中央張力を有し得る。
化学強化ガラス板の弾性率は、約６０ＭＰａから８５ＧＰａ（例えば、６０、６５、７０、７５、８０または８５ＧＰａ）に及び得る。ガラス板およびポリマー中間層の弾性率は、結果として得られる合わせガラスの機械的性質（例えば、撓みおよび強度）および音響性能（例えば、透過損失）の両方に影響を与え得る。
例示のガラス板形成方法としては、共にダウンドロー法の例であるフュージョンドロー法およびスロットドロー法、並びにフロート法が挙げられる。化学強化ガラス板および非化学強化ガラス板の両方を形成するために、これらの方法を使用することができる。フュージョンドロー法では、溶融ガラス原材料を受け取るための通路を有する板引タンクが使用される。この通路は、通路の両側で通路の長手方向に沿って、上面で開いた堰を有する。通路が溶融材料で満たされたときに、溶融ガラスは堰から溢れ出る。溶融ガラスは、重力のために、板引タンクの外面に流下する。これらの外面は、板引タンクの下の縁で接合するように、下方かつ内側に延在している。２つの流れるガラス表面がこの縁で接合して融合し、単一の流れる板を形成する。フュージョンドロー法は、通路を越えて流れるこの２つのガラス膜が互いに融合するので、結果として得られたガラス板のどちらの外面も、装置のどの部分にも接触しないという利点を提示する。それゆえ、フュージョンドロー法によるガラス板の表面特性は、そのような接触の影響を受けない。
スロットドロー法は、フュージョンドロー法から区別される。ここで、溶融ガラス原材料は板引タンクに供給される。板引タンクの底には、開いたスロットがあり、このスロットは、スロットの長さに亘り延在するノズルを有する。溶融ガラスは、スロット／ノズルを通って流れ、連続板として下方に徐冷領域へと引っ張られる。スロットドロー法は、２枚の板が互いに融合されるのではなく、１枚の板がスロットを通じて引っ張られるだけなので、フュージョンドロー法より薄い板を提供できる。
ダウンドロー法により、比較的無垢な表面を有する均一な厚さを有するガラス板が製造される。ガラス板の強度は、表面傷の量とサイズにより制御されるので、接触が最小である無垢な表面は高い初期強度を有する。次いで、この高強度のガラスが化学強化されたときに、結果として生じた強度は、ラップ仕上げされ、研磨された表面のものよりも高くなり得る。ダウンドロー法によるガラスは、約２ｍｍ未満の厚さまで板引きされ得る。その上、ダウンドロー法によるガラスは、費用のかかる研削および研磨なくして、最終用途に使用できる、非常に平滑な表面を有する。
フロート法において、滑らかな表面および均一な厚さにより特徴付けられるガラス板は、溶融金属、典型的にスズの床上に溶融ガラスを浮遊させることによって製造される。例示のプロセスにおいて、溶融スズ床の表面上に供給された溶融ガラスが浮遊リボンを形成する。ガラスリボンがスズ浴に沿って流れるにつれて、固体のガラス板がスズからローラへと持ち上げられるまで、温度が徐々に減少する。一旦、スズ浴から離れたら、ガラス板をさらに冷却し、徐冷して、内部応力を減少させることができる。
合わせガラスを形成するために、ガラス板を使用することができる。ここに定義されるように、複合合わせガラスは、外に面する化学強化ガラス板、内に面する非化学強化ガラス板、およびガラス板の間に形成されたポリマー中間層を備えている。このポリマー中間層は、モノリスポリマー板、多層ポリマー板、または複合ポリマー板を備えても差し支えない。ポリマー中間層は、例えば、軟質ポリ（ビニルブチラール）板であって差し支えない。
構造の開口および自動車の開口、例えば、自動車のグレージングに光学的に透明なバリアを提供するために、合わせガラスを適応することができる。合わせガラスは、多種多様なプロセスを使用して形成できる。例示の実施の形態において、その組立ては、第１のガラス板を置く工程、ＰＶＢ板などのポリマー中間層を被せる工程、第２のガラス板を置く工程、次いで、ガラス板の縁に対して過剰のＰＶＢを切り取る工程を含む。接合工程は、界面から空気のほとんどを追い出し、ＰＶＢをガラス板に部分的に結合させる工程を含み得る。典型的に高温と高圧で行われる、仕上げ工程は、ガラス板の各々のポリマー中間層への結合を完了する。先の実施の形態において、第１のガラス板は化学強化ガラス板であって差し支えなく、第２のガラス板は非化学強化ガラス板であって差し支えなく、その逆も同様である。
ＰＶＢなどの熱可塑性材料を予成形ポリマー中間層として適用してもよい。熱可塑性層は、ある実施の形態において、少なくとも０．１２５ｍｍ（例えば、０．１２５、０．２５、０．３８、０．５、０．７、０．７６、０．８１、１、１．１４、１．１９または１．２ｍｍ）の厚さを有し得る。熱可塑性層は、１．６ｍｍ以下（例えば、約０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１または１．２ｍｍなどの０．４から１．２ｍｍ）の厚さを有し得る。熱可塑性層は、ガラスの２つの対向する主面のほとんどを、または好ましくは実質的に全てを覆い得る。熱可塑性層はガラスの縁面も覆ってよい。熱可塑性層と接触したガラス板は、熱可塑性材料のそれぞれのガラス板への結合を促進するために、例えば、熱可塑性材料の軟化点よりも少なくとも５℃または１０℃高い温度などの、軟化点より高い温度に加熱されてもよい。その加熱は、圧力下で熱可塑性層と接触したガラスに実施しても差し支えない。
選択された市販のポリマー中間層材料が表１に纏められている。この表は、各製品サンプルに関するガラス転移温度および弾性率も含んでいる。ガラス転移温度および弾性率のデータは、製造供給元より入手できる技術データから、もしくは、ガラス転移温度および弾性率については、それぞれ、ＤＳＣ２００示差走査熱量計（セイコーインスツル株式会社、日本国）を使用して、またはＡＳＴＭ Ｄ６３８方法により決定した。ＩＳＤ樹脂に使用されるアクリル／シリコーン樹脂材料のさらに別の説明が米国特許第５６２４７６３号明細書に開示されており、音響改良ＰＶＢ樹脂の説明が特開平５−１３８８４０号公報に開示されており、それらの内容がここに全て引用される。
複合合わせガラスに１つ以上のポリマー中間層を組み込んでもよい。複数の中間層は、接着の促進、音響制御、ＵＶ透過制御、色つけ、着色および／またはＩＲ透過制御を含む、相補的なまたは別個の機能性を提供するであろう。
ポリマー中間層の弾性率は、約１ＭＰａから７５ＭＰａ（例えば、約１、２、５、１０、１５、２０、２５、５０または７５ＭＰａ）に及び得る。１Ｈｚの荷重速度で、標準的なＰＶＢ中間層の弾性率は約１５ＭＰａであり得、音響グレードのＰＶＢの弾性率は約２ＭＰａであり得る。
貼合せプロセス中、中間層は、一般に、中間層を軟化させるのに効果的な温度に加熱され、これにより、ガラス板のそれぞれの表面への中間層の順応した接合(conformal mating)が促進される。ＰＶＢについて、貼合せ温度は約１４０℃であり得る。中間層材料内の可動性高分子鎖は、ガラス表面との結合を生じ、これにより、接着が促進される。高温によっても、ガラスとポリマーとの界面からの残留空気および／または水分の拡散が加速する。
圧力の印加は、中間層材料の流れを促進し、かつ界面に捕捉された水と空気の総蒸気圧によって、そうでなければ誘発され得た気泡の形成を抑制する。気泡の形成を抑制するために、オートクレープ内のアセンブリに熱と圧力が同時に印加される。
複合合わせガラスは、音響雑音の減衰、ＵＶおよび／またはＩＲ光透過の低減、および／または窓開口の審美的魅力の構造を含む、有益な効果を提供できる。開示された合わせガラスを構成する個々のガラス板、並びに形成された合わせガラスは、組成、密度、厚さ、表面形状測定を含む１つ以上の属性、並びに光学減衰、音減衰、および耐衝撃性などの機械的性質を含む様々な性質によって特徴付けられる。開示された複合合わせガラスの様々な態様がここに記載されている。
複合合わせガラスは、例えば、窓またはグレージングとしての使用に適応でき、任意の適切なサイズおよび寸法に構成することができる。実施の形態において、合わせガラスは、１０ｃｍから１ｍ以上（例えば、０．１、０．２、０．５、１、２、または５ｍ）まで独立して様々である長さと幅を有する。合わせガラスは、独立して、０．１ｍ2超、例えば、０．１、０．２、０．５、１、２、５、１０、または２５ｍ2超の面積を有し得る。
合わせガラスは、実質的に平らであっても、特定の用途のために成形されていても差し支えない。例えば、合わせガラスは、フロントガラスまたはカバープレートとして使用するために、曲げられた部品または成形部品として形成することもできる。成形合わせガラスの構造は、単純であっても、複雑であってもよい。ある実施の形態において、成形合わせガラスは、ガラス板が２つの独立した方向に別個の曲率半径を有する、複雑な曲率を有してもよい。それゆえ、そのような成形ガラス板は、ガラスが、所定の寸法に対して平行な軸に沿って曲げられ、かつ同じ寸法に対して垂直な軸に沿っても曲げられている、「交差曲率(cross curvature)」を有するものとして特徴付けてもよい。例えば、自動車のサンルーフは、一般に、約０．５ｍ×１．０ｍであり、短軸に沿った２から２．５ｍの曲率半径、主軸に沿った４から５ｍの曲率半径を有する。
ある実施の形態による成形合わせガラスは、曲げ係数により定義することができ、ここで、所定の部品の曲げ係数は、所定の軸の長さで割ったその軸に沿った曲率半径と等しい。それゆえ、それぞれ、０．５ｍおよび１．０ｍのそれぞれの軸に沿った２ｍおよび４ｍの曲率半径を有する例示の自動車サンルーフについて、各軸に沿った曲げ係数は４である。成形合わせガラスは、２から８（例えば、２、３、４、５、６、７、または８）に及ぶ曲げ係数を有し得る。
例示の成形合わせガラス２００が図２に示されている。この成形合わせガラス２００は、合わせガラスの凸面に形成された外側（化学強化）ガラス板１１０を含み、一方で、内側（非化学強化）ガラス板１２０は合わせガラスの凹面に形成されている。しかしながら、図解されていない実施の形態の凸面が非化学強化ガラス板を含むことができ、一方で、反対の凹面が化学強化ガラス板を含むことができることが認識されよう。
合わせガラスを曲げるおよび／または成形する方法は、重力曲げ、プレス曲げ、およびその複合方法を含むことができる。自動車のフロントガラスなどの湾曲形状に薄い平らなガラス板を重力曲げする従来の方法において、曲げ設備の剛性の予成形された周囲支持表面上に、低温の予め切断された１つのまたは多数のガラス板を配置する。曲げ設備は、金属または耐火材料を使用して製造してよい。例示の方法において、連接型曲げ設備を使用してよい。曲げの前に、ガラスは、典型的に、いくつかの接点でのみ支持される。ガラスを、通常は、徐冷窯内の高温への曝露により加熱し、これにより、ガラスが軟化して、重力により、ガラスが周囲支持表面に一致するように垂れ下がるまたは落ち込むことができる。次いで、一般に、実質的に全支持表面がガラスの周囲と接触する。
関連技法は、１枚の平らなガラス板が、ガラスの軟化点に実質的に相当する温度に加熱されるプレス曲げである。次いで、加熱された板は、相補的な成形表面を有する雄と雌の型部材の間で所望の曲率にプレスまたは成形される。型部材の成形表面は、ガラス板と係合するための真空またはエアジェットを含んでもよい。実施の形態において、成形表面は、対応するガラス表面の実質的に全体に接触するように構成されていてよい。あるいは、対向する成形表面の一方または両方が、個別の区域に亘り、または個別の接点で、それぞれのガラス表面と接触してもよい。例えば、雌の型部材は、リング形表面であってよい。実施の形態において、重力曲げ技法とプレス曲げ技法の組合せを使用しても差し支えない。
合わせガラスの総厚は約２ｍｍから５ｍｍに及んで差し支えなく、ここで、外部化学強化ガラス板は１ｍｍ以下の厚さ（例えば、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９または１ｍｍなどの、例えば、０．５から１ｍｍ）を有し得る。さらに、内側非化学強化ガラス板は、２．５ｍｍ以下の厚さ（例えば、１、１．５、２または２．５ｍｍなどの、例えば、１から２．５ｍｍ）を有し得る。実施の形態において、合わせガラスにおけるガラス板の総厚は３．５ｍｍ未満（例えば、３．５、３、２．５または２．３ｍｍ）である。
例示の合わせガラス構造が表２に示されており、表中、ＧＧは、化学強化アルミノケイ酸塩ガラス板を称し、「ガラス」という用語は、非化学強化ソーダ石灰（ＳＬ）ガラス板を称し、ＰＶＢはポリ（ビニルブチラール）を称し、これは、必要に応じて、音響グレードのＰＶＢ（Ａ−ＰＶＢ）であってよい。実施例１〜１２は本発明であり、一方で、実施例ＡおよびＢは比較例である。
出願人等は、ここに開示された合わせガラス構造が、優れた耐久性、耐衝撃性、靭性、および耐引掻性を有することを示してきた。当業者により認識されるように、ガラス板または合わせガラスの強度および機械的衝撃性能は、表面欠陥と内部欠陥の両方を含むガラス中の欠陥により制限される。合わせガラスに衝撃が与えられたとき、衝撃点が圧縮状態になり、一方で、衝撃点の周りのリングまたは「輪(hoop)」、並びに衝撃を受けた板の反対面は引張状態になる。一般に、破損の起点は、最高の張力の点またはその近くの、通常はガラス表面にある傷である。これは反対側の面にも生じるであろうが、リング内で生じ得る。ガラス中の傷が、衝撃事象中に張力状態になると、傷はおそらく伝搬し、ガラスは一般に壊れる。それゆえ、圧縮応力の大きい大きさおよび深さ（層の深さ）が好ましい。
開示された複合合わせガラスに使用される化学強化ガラス板の表面の一方または両方は、化学強化のために、圧縮下にある。ガラスの表面に近い領域に圧縮応力を設けることによって、ガラス板の割れの伝搬と破損を妨げることができる。傷が伝搬し、破損が生じるには、衝撃からの引張応力が、傷の先端で表面の圧縮応力を超えなければならない。実施の形態において、化学強化ガラス板の高い圧縮応力および大きい層の深さにより、非化学強化ガラス板の場合におけるよりも薄いガラスを使用することができる。
複合合わせガラスの場合、合わせガラス構造は、より厚いモノリスの非化学強化ガラス板、またはより厚い非化学強化合わせガラスよりも、機械的衝撃を受けて破壊せずに、ずっと大きく撓むことができる。この追加の撓みにより、合わせガラスの中間層へのより多いエネルギー伝達が可能となり、この中間層は、ガラスの反対側に到達するエネルギーを減少することができる。その結果、ここに開示された複合合わせガラスは、同様の厚さのモノリスの非化学強化ガラス板または非化学強化合わせガラスよりも高い衝撃エネルギーに耐えることができる。
その機械的性質に加え、当業者に認識されるように、音波を減衰させるために、積層構造を使用できる。ここに開示された複合合わせガラスは、多くのグレージング用途に要求される機械的性質を有するより薄い（より軽い）構造を使用しながら、音響透過を劇的に減少させることができる。
積層板およびグレージングの音響性能は、一般に、グレージング構造の曲げ振動によって影響を受ける。理論により拘束するものではなく、ヒトの音響応答は、一般に、空気中で約０．１〜１ｍ、ガラス中で１〜１０ｍの波長に相当する、５００Ｈｚと５０００Ｈｚとの間でピークになる。０．０１ｍ未満（＜１０ｍｍ）の厚さのグレージング構造について、透過は、主に、振動および音波のグレージングの曲げ振動への結合により生じる。積層グレージング構造は、グレージングの曲げモードからのエネルギーをポリマー中間層内の剪断歪みに変換するように設計することができる。より薄いガラス板を利用した合わせガラスにおいて、より薄いガラスの大きいコンプライアンスにより、より大きい振幅が可能になり、これは転じて、中間層により大きい剪断歪みを与えることができる。最も粘弾性であるポリマー中間層材料の低い剪断抵抗は、中間層が、分子鎖の滑りと緩和の影響下で熱に変換される高い剪断歪みによって、減衰を促進することを意味する。
合わせガラスの厚さに加え、合わせガラスを構成するガラス板の性質も、音減衰特性に影響するであろう。例えば、化学強化ガラス板と非化学強化ガラス板との間では、ポリマー中間層におけるより大きい剪断歪みに寄与する小さいが重要な差が、ガラスとポリマー中間層との界面にあるであろう。また、明白な組成の違いに加え、アルミノケイ酸塩ガラスおよびソーダ石灰ガラスは、弾性率、ポアソン比、密度などを含む物理的性質と機械的性質が異なり、これにより、音響応答が異なるであろう。
ガラス材料およびセラミック材料の強度を測定するために、三点または四点曲げ試験などの従来の一軸強度試験が使用されてきた。しかしながら、測定された強度は、エッジ効果並びにバルク材料に依存するので、一軸強度試験結果の解釈は難題であることがある。
他方で、縁から誘発された現象に関係なく強度評価を提供するために、二軸曲げ試験を使用することができる。二軸曲げ試験において、合わせガラスは、中心から等距離の周囲の近い三点または四点で支持され、次いで、合わせガラスが中心位置で荷重を受ける。それゆえ、最大引張応力の位置は、合わせガラスの表面の中心で生じ、エッジ条件とは関係ないことが都合よい。
例示の平らな複合合わせガラスに、標準二軸曲げ試験（付属文書７／３に詳述されたＥＣＥ Ｒ４３頭部試験）を行った。さらに以下に説明されるように、本発明の合わせガラス（サンプル１）に、非化学強化（ソーダ石灰）側で衝撃を与えた場合、両方のガラス板が破損した。しかしながら、サンプル１の合わせガラスに、化学強化側で衝撃を与えた場合、非化学強化ガラス板は破損したが、化学強化ガラス板は、試験したサンプルの５０％で無傷なままであった。
１つの試験において、高荷重速度衝撃が内側（非化学強化）ガラス板１２０に向けられる。それに応答して、内側ガラス板１２０の内面１２４および外側ガラス板１１０の外面１１２の両方が張力状態に置かれる。外面１１２上の引張応力の大きさは内面１２４での引張応力よりも大きいので、この構成において、内面１２４上のより穏やかな引張応力は、非化学強化ガラス板１２０を破損させるのに十分であり、一方で、外面１１２上の高い引張応力は、同様に、化学強化ガラス板１１０を破損させるのに十分である。ガラス板が破損するので、ＰＶＢ中間層は、変形するが、頭部衝撃装置が合わせガラスを貫通するのは防ぐ。これは、ＥＣＥ Ｒ４３頭部必要条件下で満足な応答である。
関連試験において、衝撃は、代わりに、外側（化学強化）ガラス板１１０に向けられる。それに応答して、外側ガラス板１１０の内面１１４は穏やかな引張応力を経験し、内側ガラス板１２０の外面１２２はより大きい大きさの応力を経験する。この構成において、内側の非化学強化ガラス板１２０の外面１２２上の大きい応力により、この非化学強化ガラス板は破損する。しかしながら、外側ガラス板１１０の内面１１４の穏やかな引張応力は、化学強化ガラスの表面近くの領域におけるイオン交換により誘起された圧縮応力を克服するほど十分ではないであろう。研究室での実験において、高荷重速度の衝撃により、試験した６つのサンプルの内のたった２つしか、化学強化ガラス板１１０が破損しなかった。残りの４つのサンプルにおいて、非化学強化ガラス板１２０は破損したが、化学強化ガラス板１１０は無傷なままであった。本発明のサンプルの全ては、ＥＣＥ Ｒ４３頭部必要条件により述べられた非フロントガラスの衝撃必要条件を超えた。
比較サンプルＡおよびＢにも二軸曲げ試験を行った。１ｍｍ厚の化学強化ガラス板／０．７６ｍｍ厚の標準ＰＶＢ／１ｍｍ厚の化学強化ガラス板の対称構造からなる比較サンプルＡは、破損を示さず、よって、合わせガラスが破損しなければならないというＥＣＥ Ｒ４３の必要条件に不合格であった。
比較サンプルＢは、１．５ｍｍ厚のソーダ石灰ガラス板／０．７６ｍｍ厚の標準ＰＶＢ／１．５ｍｍ厚のソーダ石灰ガラス板の対称構造からなる。両方のガラス板は、二軸曲げ試験の結果として破損し、それゆえ、比較サンプルＢは、ＥＣＥ Ｒ４３基準（付属文書７／３）に合格した。しかしながら、比較サンプルＢの合わせガラスの両方のガラス板は、どの板に衝撃を与えたかにかかわらずに破損し、それゆえ、複合合わせガラスに実現される外部衝撃に対して丈夫な機械抵抗を提供できなかった。試験中に、頭部の反跳（すなわち、跳ね返り）は、サンプル１よりも、比較サンプルＢのほうが大きく、比較構造は、本発明の実施例ほど効果的にはエネルギーを消散しなかったことを示唆したことも分かった。
頭部傷害基準（ＨＩＣ）は、合わせガラスの安全性を評価するために使用できる従来の測定基準である。ＨＩＣ値は無次元の量であり、これは、衝撃の結果として傷害を被る可能性に相関させることができる。内部衝撃事象について、より低いＨＩＣ値が望ましい。
例示の平らな複合合わせガラスについて、１．６ｍｍ厚のＳＬ／０．８ｍｍ厚のＡ−ＰＶＢ／０．７ｍｍ厚のＧＧ積層板の非化学強化側への衝撃についての平均ＨＩＣ値は１７５であり、一方で、０．７ｍｍ厚のＧＧ／０．８ｍｍ厚のＡ−ＰＶＢ／１．６ｍｍ厚のＳＬ積層板の化学強化側への衝撃についての平均ＨＩＣ値は３８１であった。自動車のグレージング用途について、化学強化側（外側）の衝撃に関する平均ＨＩＣ値は、非化学強化側への衝撃に関する平均ＨＩＣ値よりも大きいことが有利である。例えば、化学強化側のＨＩＣ値が非化学強化側のＨＩＣ値よりも少なくとも５０（例えば、少なくとも５０、１００、１５０または２００）大きいように、化学強化側のＨＩＣ値は、４００以上（例えば、４００、４５０または５００以上）であり得、非化学強化側のＨＩＣ値は、４００以下（例えば、４００、３５０、３００、２５０、２００、１５０または１００）以下であり得る。
ここに用いたように、単数形は、文脈が明白にそうではないと示していない限り、複数の対象を含む。それゆえ、例えば、「金属」への言及は、文脈が明白にそうではないと示していない限り、そのような「金属」を２種類以上有する例を含む。
範囲は、「約」１つの特定の値から、および／または「約」別の特定の値までとしてここに表すことができる。そのような範囲が表された場合、例は、その１つの特定の値から、および／または他の特定の値までを含む。同様に、値が、先行詞「約」を用いて近似として表されている場合、特定の値は別の態様を形成することが理解されよう。範囲の各々の端点は、他の端点に関してと、他の端点に関係なくの両方で有意であることがさらに理解されよう。
別記しない限り、ここに述べられたどの方法も、その工程を特定の順序で行うことを必要とすると考えることは決して意図されていない。したがって、方法の請求項が、その工程がしたがう順序を実際に列挙していないか、または工程を特定の順序に制限すべきであると特許請求の範囲または説明に他の様式で具体的に述べられていない場合、どのような特定の順序も推測されることは決して意図されていない。
ここでの列挙は、特定の様式で機能するように「構成されている」または「適応されている」本発明の構成要素を称することも留意される。この点に関して、そのような構成要素は、特定の性質を具体化するように、または特定の様式で可能するように、「構成されており」または「適応されており」、ここで、そのような列挙は、意図する使用の列挙ではなく構造的列挙である。より詳しくは、構成要素が「構成されている」または「適応されている」様式のここでの列挙は、その構成要素の既存の物理的条件を意味し、それゆえ、その構成要素の構造的特徴の明確な列挙として解釈すべきである。
本発明の精神および範囲から逸脱せずに、本発明に様々な改変および変更を行えることが当業者には明白である。本発明の精神および本質を含む開示された実施の形態の改変、組合せ、下位の組合せおよび変更は当業者に想起されるであろうから、本発明は、付随の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内に全てを含むと考えるべきである。
１００ 合わせガラス
１１０ 外側ガラス板
１２０ 内側ガラス板
１３０ ポリマー中間層
２００ 成形合わせガラス

Claims (6)

  1. 外側ガラス板、内側ガラス板、および該外側ガラス板と該内側ガラス板との間に形成されたポリマー中間層を備えた合わせガラスにおいて、
    前記外側ガラス板は、０．５ｍｍから１ｍｍの範囲の厚さを有する化学強化ガラス板からなり、
    前記ポリマー中間層は、１．６ｍｍ以下の厚さを有し、
    前記内側ガラス板は、１ｍｍから２．５ｍｍの範囲の厚さを有する非化学強化ガラス板からなる、
    合わせガラス。
  2. 前記外側ガラス板が、約０．５から０．７ｍｍの厚さを有する、請求項１記載の合わせガラス。
  3. 前記内側ガラス板が熱強化ガラスからなる、請求項１記載の合わせガラス。
  4. 前記内側ガラス板が約１．５ｍｍの厚さを有する、請求項１記載の合わせガラス。
  5. 前記ガラス板の総厚が３ｍｍ未満である、請求項１記載の合わせガラス。
  6. 前記外側ガラス板が３００ＭＰａから８００ＭＰａの範囲の表面圧縮応力、および２０μｍから５０μｍの範囲の層の深さを有する、請求項１記載の合わせガラス。
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