JP6158879B2 - 透明多層ガラス板 - Google Patents

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Description

関連出願の説明
本出願は、その内容が依拠され、全てがここに引用される、「Glass Sheets with Improved Mechanical Strength」と題する、２０１０年６月２９日に出願された米国仮特許出願第６１／３５９４０９号の恩恵と優先権を主張するものである。
本開示は、広く、ガラス板に関し、より詳しくは、機械的強度が改善されたガラス板に関する。
ガラス物品の機械的強度は、そのガラスの外面が圧縮状態にある場合、著しく増加させられることが立証されてから久しい。熱膨張係数（ＣＴＥ）に差がある隣接するガラス層を使用したガラスの強化も研究されてきた。
その上、ガラス板の機械的強度は、イオン交換プロセスを使用することによって実質的に増加させられることが知られている。
しかしながら、そのようなプロセスは、ガラスの組成と寸法に応じて達成できるイオン交換の量により制限され得る。その上、そのようなプロセスは、製造コストと時間を著しく増加させ、追加の製造床面積を相当必要とし、廃棄物処理の問題を提示し得る。したがって、ガラスの生産や加工にイオン交換プロセスを必要としない、機械的強度が増加したガラス板を提供することが望ましいであろう。
本開示の１つの実施の形態は、表面圧縮層およびこの表面圧縮層に隣接した中間層を含む透明ガラス板に関する。０℃と３００℃の間で、この中間層と表面圧縮層の熱膨張係数の差は５０×１０-7／℃より大きく、この表面圧縮層は少なくとも約３００ＭＰａの圧縮応力を有する。
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は容易に明白であるか、または記載された説明およびその特許請求の範囲、並びに添付図面に説明された実施の形態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は、単に例示であり、特許請求の範囲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。
添付図面は、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。その図面は、１つ以上の実施の形態を図示し、説明と共に、様々な実施の形態の原理および動作を説明するように働く。
ここに開示されたガラス板の断面図 単層のフュージョンドローされたガラス板を製造するために使用できるフュージョンドロー装置の斜視図 ここに開示された実施の形態を製造するために使用できる、上部成形槽および下部成形槽を有するフュージョンドロー装置の一部分の端部断面図
ここに、表面に圧縮応力を有する透明ガラス板であって、圧縮応力の量および圧縮層の厚さが、幅広い組成、サイズおよび厚さについて、ガラス板において容易に調整できる、透明ガラス板を製造する方法を提示する。
ここに用いた、「透明」という用語は、固体材料を貫通する可視スペクトルの照射線の少なくとも８０％が、その材料により吸収または散乱されるのではなく、その材料を通って透過する、固体材料を称するために使用される。特に好ましい透明材料としては、その材料を貫通する可視スペクトルの照射線の少なくとも９５％が、その材料により吸収または散乱されずに、その材料を通って透過する材料が挙げられる。
ここに用いた、「その場結晶化プロセス」という用語は、熱処理スケジュールであって、結晶質状態にあるガラスの割合が、この熱処理スケジュールに施された後に実質的に大きくなるように、ガラスの温度が、徐冷点以下の温度から徐冷点を超える温度まで所定の速度で昇温され、所定の時間に亘り徐冷点を超えた第１の温度で保持され、次いで、徐冷点より低い温度に所定の速度で降温される熱処理スケジュールに、結晶化可能なガラスが施されるプロセスを称する。
ここに用いた、「イオン交換プロセス」という用語は、加熱形成されたガラスが、そのガラス表面に存在するイオンよりも大きいイオン半径を有するイオンを含有する加熱溶液中に浸漬され、そのより小さいイオンがより大きいイオンにより置き換えられ、そのガラスの機械的強度が増加するプロセスを称する。
ここに用いた、「ＢａＯを実質的に含まない」という用語は、ガラスが、約０．１モル％未満しかＢａＯを含有しないことを意味する。
表面に圧縮応力を有するここに開示された透明ガラス板としては、表面圧縮層およびその表面圧縮層に隣接した中間層を含む透明ガラス板が挙げられる。そのような板は、表面圧縮層が中間層の外側に延伸される(drawn)、フュージョンドロー法を使用して製造することができる。図１は、中間層１４を取り囲む表面圧縮層１２を有するガラス板１０の断面図を示しており、このガラス板の断面の中心はｘ＝０により示されており、このガラス板の断面の最も外側の縁はＸouterにより示されている。
フュージョンドロー法では、溶融ガラス原材料を受け入れるための通路を有する延伸用タンクが使用される。この通路は、その通路の両側に通路の長手方向に沿って上部が開いた堰を有する。通路が溶融ガラスで満たされると、その溶融ガラスが堰から溢れ流れる。その溶融ガラスは、重力のために、延伸用タンクの外面を下方に流れる。これらの外面は、延伸用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。その２つの流れるガラス表面がこの縁で接合して、融合し、１つの流れる板を形成する。このフュージョンドロー法は、通路を超えて流れる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の外面も、その装置のどの部分とも接触しないという利点を提示する。それゆえ、表面の性質は、そのような接触により影響を受けない。
図２は、単層のフュージョンドローされたガラス板を製造するために使用できるフュージョンドロー装置の斜視図を示している。フュージョンドロー装置は、トラフ１３７に流入し、溢れ出し、基部１３９として知られているところで一緒に融合する前に両側１３８ａと１３８ｂを降下する溶融ガラス１２６を受け入れる開口１３６を含む成形槽１３５を備えている。基部１３９は、両側１３８ａと１３８ｂが一緒になり、溶融ガラス１２６の２つの溢れ出した壁が、ガラス板１０５を形成するために牽引ロールアセンブリ１４０ａによって下方に延伸される前に、再接合（例えば、再融合）するところである。牽引ロールアセンブリ１４０ａは、第１のロールアセンブリ２００および第２のロールアセンブリ２０２を含む。第１のロールアセンブリ２００は、第１のロール２０６を支持する２つの牽引ロール支持アーム２０４ａと２０４ｂを含む。同様に、第２のロールアセンブリ２０２は、第２のロール２１２を支持する２つの牽引ロール支持アーム２１０ａと２１０ｂを含む。牽引ロールアセンブリ１４０ａは、２つの９０°ギアボックス２２０と２２２を駆動する差動軸２１８を駆動するように連結されたモータ２１６（例えば、１馬力（約７４６Ｗ）モータ２１６）を含む差動ドライブ２１４（例えば、装置１５５）も備えている。第１の９０°ギアボックス２２０は第１のロール２０６と接続され、これを駆動する。そして、第２の９０°ギアボックス２２２は第２のロール２１２と接続され、これを駆動する。
ここに開示されたガラス板は、表面圧縮層により取り囲まれた中間層を有する透明ガラス板を提供するために、図２に示されたフュージョンドロー装置を改良することによって製造することができる。具体的には、図２に示されたフュージョンドロー装置は、表面圧縮層を分配する槽およびその表面圧縮層により取り囲まれた中間層を分配する槽を有するように改良することができる。そのようなフュージョンドロー装置の一部分の断面端部図が、図３に示されている。フュージョンドロー装置は、上部成形槽１３１’および下部成形槽１３５’を備えている。上部成形槽１３１’は、表面圧縮層のための溶融ガラス１２８’を収容するための開口（図示せず）を備え、下部成形槽１３５’は、中間層のための溶融ガラス１２６’を収容するための開口（図示せず）を備えている。溶融ガラス１２６’は、トラフ１３７’に流入し、次いで、基部１３９’で互いに融合する前に、両側１３８ａ’と１３８ｂ’を溢れ流れる。溶融ガラス１２８’は、トラフ１３３’に流入し、次いで、溶融ガラス１２６’を溢れ流れて、ガラス板１０５’を形成する。追加のガラス層が望ましい場合には、フュージョンドロー装置は、追加の層を分配するための追加の槽を含むように改良することができる。他の態様において、フュージョンドロー装置は、牽引ロールアセンブリ１４０ａを含む、図２に示された装置と同様であって差し支えない。
ここに開示された透明ガラス板を延伸するときに、表面圧縮層と中間層の熱的性質および機械的性質が異なる場合、延伸プロセス中に応力が誘発され得る。詳しくは、熱的応力および機械的応力が、異なる層の間の熱的不一致および粘度の不一致のために、延伸プロセス中に誘発され得る。中間層の熱膨張係数（ＣＴＥ）が表面圧縮層のＣＴＥより大きい場合、または中間層の粘度が表面圧縮層の粘度より大きい場合、表面圧縮層に圧縮応力を得ることができる。
ＣＴＥと粘度の両方が不一致である表面圧縮層と中間層の場合、その総応力は、熱（ＣＴＥの不一致）応力と機械的（粘度の不一致）応力の重畳により計算される、すなわち
Figure 0006158879
二層板について、所定の位置での熱応力は：
Figure 0006158879
として計算でき、式中、Ｔsetは設定温度であり、Ｔroomは室温であり、Ｅはヤング率であり、αは熱膨張係数であり、νはポアソン比である。
パラメータｃ（Ｔ）は、面積平均のＣＴＥであり、
Figure 0006158879
として計算される。
板の異なる層における異なるガラスは、異なる粘度とヤング率を有する異なる領域を生じ得る。粘度／ヤング率の不一致応力は、
Figure 0006158879
であると予測され、式中、Ｆは延伸中の延伸牽引力であり、Ａは板の断面積であり（Ａ＝２ＸouterＷ）、ηとＥは、位置ｘでの粘度とヤング率である。
ここに開示された透明ガラス板は、少なくとも約３００ＭＰａの圧縮応力を有する表面圧縮層を有する。表面圧縮層が少なくとも３００ＭＰａの圧縮応力を有すると述べることによって、その表面圧縮層が圧縮状態にあり、圧縮応力の大きさまたは絶対値が少なくとも３００ＭＰａであることを意味する。圧縮応力値は、その全開示をここに引用するＡＳＴＭ Ｆ２１８「ガラスの応力を分析するための標準方法(Standard Method for Analyzing Stress in Glass)」に定義されている偏光計を使用した光弾性測定を用いて決定することができる。
熱膨張係数（ＣＴＥ）は、ここで参照された場合、０℃と３００℃の間での所定の材料または層の平均ＣＴＥである。
ガラス層または領域の軟化点は、前記温度または領域におるガラスの粘度が約１０7.6ポアズ（すなわち、３．９８×１０7ポアズ）と等しい温度と定義される。ガラスの軟化点およびその軟化点近くの温度でのガラスの粘度は、その全開示をここに引用するＡＳＴＭ Ｃ３３８−９３（２００８）「ガラスの軟化点の標準試験方法(Standard Test Method for Softening Point of Glass)」を使用して決定できる。
ここに開示されたガラス板の中間層と表面圧縮層のＣＴＥ差は、５０×１０-7／℃と１００×１０-7／℃の間を含む、さらには、７５×１０-7／℃と１００×１０-7／℃の間を含む、７５×１０-7／℃超などの、さらには、９０×１０-7／℃超などの、５０×１０-7／℃超であり、中間層のＣＴＥは表面圧縮層のＣＴＥより大きい。表面圧縮層に対する中間層のＣＴＥ比は、３と５の間などの２．５と５の間を含む、３超、さらには、３．５超、またさらには４超などの２．５超であることが好ましい。一組の例示の好ましい実施の形態において、表面圧縮層のＣＴＥは、約２５×１０-7／℃から約３５×１０-7／℃までに及び、中間層のＣＴＥは、約７５×１０-7／℃から約１２５×１０-7／℃までに及ぶ。
ここに開示された実施の形態は、表面圧縮層と中間層の軟化点が同じ温度またはその辺りである実施の形態、または表面圧縮層の軟化点が中間層の軟化点より高い実施の形態を含むが、好ましい実施の形態において、表面圧縮層の軟化点は、中間層の軟化点よりも少なくとも６０℃低い、さらには、中間層の軟化点よりも少なくとも８０℃低い、さらには、中間層の軟化点よりも少なくとも１００℃低い、またさらには、中間層の軟化点よりも少なくとも１２０℃低いなどの、中間層の軟化点よりも少なくとも４０℃低い。例えば、好ましい実施の形態において、表面圧縮層の軟化点と中間層の軟化点の差は、６０℃と１５０℃の間、さらには、８０℃と１５０℃の間、またさらには、１００℃と１５０℃の間などの、４０℃と１５０℃の間である。中間層の軟化点の範囲±２００℃における中間層の粘度に対する表面圧縮層の粘度の比は、約０．１から約０．５まで、さらには、約０．１から約０．３まで、またさらには、約０．１から約０．２までなどの、約０．１から約０．９までであることが好ましい。
ここに開示されたガラス板の全厚に対する中間層の厚さの比は、少なくとも約０．８５、さらには、少なくとも約０．９、またさらには、少なくとも約０．９５などの、少なくとも約０．８であることが好ましい。どの特定の厚さにも制限されないが、ここに開示されたガラス板は、約０．３ｍｍから約１．５ｍｍまでなどの、約０．３ｍｍから約３ｍｍまでに及ぶ厚さを有することが好ましい。
ここに開示された透明ガラス板は、約２５から約２００ポンド（約１１．３から９０．７ｋｇ）までなどの約５から約２５０ポンド（約２．３から約１１３ｋｇ）までを含む、少なくとも約２５ポンド（約１１．３ｋｇ）、さらには、少なくとも約５０ポンド（約２２．６ｋｇ）、またさらには、少なくとも約１００ポンド（約４５．３ｋｇ）などの少なくとも約５ポンド（約２．３ｋｇ）の牽引力で延伸されることが好ましい。
表面圧縮層と中間層のＣＴＥおよび粘度特性並びにそれらの相対的厚さおよびガラス板が牽引される力は、表面圧縮層が、約５００ＭＰａから約１０００ＭＰａまでなどの、約３００ＭＰａから約１０００ＭＰａまでを含む、少なくとも約４００ＭＰａ、さらには、少なくとも約５００ＭＰａ、またさらには、少なくとも約６００ＭＰａ、またさらには、少なくとも約７００ＭＰａなどの、少なくとも約３００ＭＰａの圧縮応力を有するように選択されるべきである。
一組の例示の好ましい実施の形態において、表面圧縮層はアルカリ土類ホウアルミノケイ酸塩ガラスを有してなり、中間層はアルカリアルミノケイ酸塩ガラスを有してなる。表面圧縮層に使用されるアルカリ土類ホウアルミノケイ酸塩ガラスは、約２５×１０-7／℃から約３５×１０-7／℃までのＣＴＥを有することが好ましい。中間層に使用されるアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、約７５×１０-7／℃から約１２５×１０-7／℃までのＣＴＥを有することが好ましい。
表面圧縮層に使用されるアルカリ土類ホウアルミノケイ酸塩ガラスは、酸化物基準の質量パーセントで、（ｉ）６５≦ＳｉＯ2≦７５％；（ｉｉ）７≦Ａｌ2Ｏ3≦１３％；（ｉｉｉ）５≦Ｂ2Ｏ3≦１５％；（ｉｖ）５≦ＣａＯ≦１５％；（ｖ）０≦ＢａＯ≦５％；（ｖｉ）０≦ＭｇＯ≦３％；および（ｖｉｉ）０≦ＳｒＯ≦５％を含むことが好ましい。アルカリ土類ホウアルミノケイ酸塩ガラスがＢａＯを実質的に含まないことが好ましい。表面圧縮層に使用できるアルカリ土類ホウアルミノケイ酸塩ガラスの一例が、コーニング社(Corning Incorporated)から市販されているＥａｇｌｅ ＸＧ（登録商標）ガラスである。
中間層に使用されるアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、酸化物基準の質量パーセントで、（ｉ）５０≦ＳｉＯ2≦６５％；（ｉｉ）１０≦Ａｌ2Ｏ3≦２０％；（ｉｉｉ）０≦ＭｇＯ≦５％；（ｉｖ）１０≦Ｎａ2Ｏ≦２０％；（ｖ）０≦Ｋ2Ｏ≦５％；および（ｖ）０≦かつ≦１％のＢ2Ｏ3、ＣａＯ、ＺｒＯ2およびＦｅ2Ｏ3の内の少なくとも１種類を含むことが好ましい。中間層に使用できるアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの一例が、コーニング社から市販されているＧｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラスである。
表面圧縮層および中間層の各々は、それらのＣＴＥ特性および／または粘度特性をさらに改良する追加の物質またはドーパントを必要に応じて含有しても差し支えない。
ここに開示された透明ガラス板の好ましい実施の形態において、この透明ガラス板のどの層も、その場結晶化プロセスには曝されない。そのガラス板のどの層も１０ｐｐｍ未満しか結晶質状態にないことが好ましく、そのガラス板のどの層も５ｐｐｍ未満しか結晶質状態にないことがより好ましく、そのガラス板のどの層も１ｐｐｍ未満しか結晶質状態にないことがさらにより好ましい。
その透明ガラス板のどの層もイオン交換プロセスに曝されないことが好ましい。
ＣＴＥ（熱応力）、厚さの比、および粘度（機械的応力）の圧縮応力への影響を調査するために、表面圧縮層と中間層の間で様々な比率のＣＴＥと粘度、並びに中間層の厚さとガラス板の全厚との間で様々な比を有する一連の例示のガラス板をモデル化した。以下の表に報告されたガラス板の各々は、０．０５センチメートルの厚さおよび３５センチメートルの幅を有し、５０ポンド（約２２．６ｋｇ）の牽引力で延伸されるようにモデル化された。各実施例におけるガラス板の表面圧縮層は、約３１．８×１０-7／℃のＣＴＥおよび約９８５℃の軟化点を有するようにモデル化した。表に報告された実施例の各々について、表面圧縮層に対する中間層の粘度比は、表面圧縮層の軟化点辺りの温度、詳しくは、これらの実施例の各々における表面圧縮層の粘度が約３．９８１×１０7ポアズである約９８５℃で、これらの層のそれぞれの粘度に基づくものであった。
各実施例において、表面圧縮層に対する中間層のＣＴＥ比が約３である（すなわち、中間層と表面圧縮層の間のＣＴＥ差が約６３．６×１０-7／℃であるように、中間層のＣＴＥが約９５．４×１０-7／℃である）例示のモデル化されたガラス板が表１に列挙されている。
Figure 0006158879
各実施例において、表面圧縮層に対する中間層のＣＴＥ比が約４である（すなわち、中間層と表面圧縮層の間のＣＴＥ差が約９５．４×１０-7／℃であるように、中間層のＣＴＥが約１２７．２×１０-7／℃である）例示のモデル化されたガラス板が表２に列挙されている。
Figure 0006158879
少なくとも３００ＭＰａの圧縮応力を有する表面圧縮層を有することによって、ここに開示された透明ガラス板は、改善された機械的性質、特に、イオン交換プロセスを施す必要なく、増加した機械的強度を有することができる。
そうではないと明白に述べられていない限り、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必要があるものと見なされることは、決して意図されていない。したがって、方法の請求項が、その工程が従うべき順序を実際に列挙していない場合、または工程が特定の順序に制限されることが特許請求の範囲または説明に別に具体的に述べられていない場合、特定の順序が推測されるものとは決して意図されていない。
本発明の精神または範囲から逸脱せずに、様々な改変および変更が行えることが当業者には明白であろう。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が、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同等物の範囲内で全てを含むものと見なされるべきである。
１０，１０５，１０５’ ガラス板
１２ 表面圧縮層
１４ 中間層
１２６，１２８’ 溶融ガラス
１３５，１３１’，１３５’ 成形槽
１３７，１３３’，１３７’ トラフ
１３９，１３９’ 基部
１４０ａ 牽引ロールアセンブリ
２００ 第１のロールアセンブリ
２０２ 第２のロールアセンブリ
２０４ａ，２０４ｂ 牽引ロール支持アーム
２１４ 差動ドライブ
２１６ モータ
２２０，２２２ ９０°ギアボックス

Claims (5)

  1. 表面圧縮層および該表面圧縮層に隣接した中間層を含む透明ガラス板であって、
    前記中間層の熱膨張係数（ＣＴＥ）が前記表面圧縮層の熱膨張係数（ＣＴＥ）より大きく、かつ、０℃と３００℃の間で、前記中間層と前記表面圧縮層の熱膨張係数の差が５０×１０ -7 ／℃より大きく、
    前記表面圧縮層が少なくとも３００ＭＰａの圧縮応力を有し
    前記透明ガラス板の厚さに対する前記中間層の厚さの比が０．９以下である、
    透明多層ガラス板。
  2. 前記表面圧縮層が２５×１０ -7 ／℃から３５×１０ -7 ／℃の範囲のＣＴＥを有し、前記中間層が７５×１０ -7 ／℃から１２５×１０ -7 ／℃の範囲のＣＴＥを有する、請求項１記載の透明多層ガラス板。
  3. 前記透明ガラス板の厚さに対する前記中間層の厚さの比が少なくとも０．８である、請求項１または２記載の透明多層ガラス板。
  4. 前記表面圧縮層がアルカリ土類ホウアルミノケイ酸塩ガラスを有してなる、請求項１から３いずれか１項記載の透明多層ガラス板。
  5. 前記表面圧縮層のアルカリ土類ホウアルミノケイ酸塩ガラスが、酸化物基準の質量パーセントで、（ｉ）６５≦ＳｉＯ 2 ≦７５％；（ｉｉ）７≦Ａｌ 2 Ｏ 3 ≦１３％；（ｉｉｉ）５≦Ｂ 2 Ｏ 3 ≦１５％；（ｉｖ）５≦ＣａＯ≦１５％；（ｖ）０≦ＢａＯ≦５％；（ｖｉ）０≦ＭｇＯ≦３％；および（ｖｉｉ）０≦ＳｒＯ≦５％を含み、
    前記中間層は、酸化物基準の質量パーセントで、（ｉ）５０≦ＳｉＯ 2 ≦６５％；（ｉｉ）１０≦Ａｌ 2 Ｏ 3 ≦２０％；（ｉｉｉ）０≦ＭｇＯ≦５％；（ｉｖ）１０≦Ｎａ 2 Ｏ≦２０％；（ｖ）０≦Ｋ 2 Ｏ≦５％；および（ｖi）０≦かつ≦１％のＢ 2 Ｏ 3 、ＣａＯ、ＺｒＯ 2 およびＦｅ 2 Ｏ 3 の内の少なくとも１種類を含むアルカリアルミノケイ酸塩ガラスを有してなる、
    請求項４記載の透明多層ガラス板。
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