JP6583964B2 - 非等温温度プロファイルを用いてガラス製品を製造する方法 - Google Patents

Description

関連技術との相互参照

本出願は、２０１３年８月１５日出願の米国仮特許出願第６１／８６６，１６２号の米国特許法第１１９条に基づく優先権を主張するものであって、その内容に依拠し、参照により、全内容を本明細書に援用するものである。

本明細書は、広くはガラス製品を成形するモールドに関し、より詳細には、三次元形状を有するガラス製品用の片面モールド及びそれを用いてガラス製品を成形する方法に関するものである。

ガラス製品は、携帯電話やタブレット等の消費者向け装置の対話型ディスプレイを含む様々な消費者向け製品の、カバーガラスとして組み込むことができる。ガラス製品がより広く様々な消費者向け装置に使用されるようになるにつれ、メーカーが美しさと機能の両面から設計の限界を広げようとしており、ガラス製品の形状もより複雑になる。例えば、一部の製品は、装置の縁を包み込む湾曲部分等、ガラス製品を複雑な形状に成形することを必要とする場合があり、所望の形状を得るために更なる成形作業が必要になる。しかし、目標形状からの偏差に対し、一部の製品の設計要件は、狭い許容範囲を課している場合がある。

それ故、ガラス製品を成形する代替のモールド及び方法が切望されている可能性がある。

１つの実施の形態によれば、三次元形状を有するガラス製品を製造する方法が提供される。本方法は、ガラス製品ブランクを凝固温度より高い温度に加熱するステップ、及びガラス製品ブランクを開放型モールドに結合するステップを有している。開放型モールドは、ガラス製品の形状と略一致する三次元形状を有する成形領域を備え、成形領域内に非等温温度プロファイルを有している。本方法は、ガラス製品ブランクに沿って非等温温度プロファイルを維持するステップ、及びガラス製品ブランクが開放型モールドの成形領域に結合されている間、ガラス製品ブランクを冷却してガラス製品の形状を固定するステップを更に有している。

別の実施の形態において、ガラス製品を成形する装置であって、成形領域を備えた開放型モールドを有する装置が提供される。成形領域は、ガラス製品の形状に略一致する三次元形状を有する接触面を有している。複数の通気孔が開放型モールドの成形領域内に配置され、接触面を通して延びている。通気孔は真空ポンプと流体連通している。少なくとも１つの冷却流路が開放型モールド内に配置され、成形領域の近傍に配置された部分を含み、複数の通気孔及び開放型モールドの接触面から流体的に分離されている。冷却流路によってガラス製品にわたり非等温温度プロファイルが生成される。

更に別の実施の形態において、三次元形状を有するガラス製品を製造する方法が提供される。本方法は、ガラス製品ブランクを凝固温度より高い温度に加熱するステップ、及びガラス製品ブランクを開放型モールドに結合するステップを有している。開放型モールドは、ガラス製品の目標形状と異なる三次元形状を有している。更に、開放型モールドは成形領域内に非等温温度プロファイルを有している。本方法は、ガラス製品ブランクに沿って非等温温度プロファイルを維持するステップ、ガラス製品ブランクが開放型モールドの成形領域に結合されている間、ガラス製品ブランクを粘性温度より低い温度に冷却して、ガラス製品の形状を固定するステップ、及びガラス製品を開放型モールドから解放するステップを更に有している。

様々な実施の形態の更なる特徴及び効果が以下の詳細な説明に記載してあり、当業者にとって一部はその記述から容易に明らかであり、以下の詳細な説明、特許請求の範囲、及び添付図面を含む、本明細書に記載の実施の形態を実施することによって認識できるであろう。

前述の概要説明及び以下の詳細な説明は様々な実施の形態を説明するものであって、特許請求した主題の性質及び特徴を理解するための概要及び枠組みを提供することを意図したものであると理解されたい。添付図面は各種実施の形態の理解を深めるために添付したものであり、本明細書に組み込まれ、その一部を構成するものである。図面は本明細書に記載の様々な実施の形態を図示するものであって、その説明と併せ、特許請求した主題の原理及び作用の説明に役立つものである。

本明細書に図示又は記載の１つ以上の実施の形態に係る、２つの屈曲した辺を有するガラス製品の概略上面斜視図 本明細書に図示又は記載の１つ以上の実施の形態に係る、４つの屈曲した辺を有するガラス製品の概略上面斜視図 本明細書に図示又は記載の１つ以上の実施の形態に係る、図１のガラス製品のＡ−Ａ線概略断面図 本明細書に図示又は記載の１つ以上の実施の形態に係る、温度及び冷却速度に関連したガラスの緩和を概略的に示した図 本明細書に図示又は記載の１つ以上の実施の形態に係る、モールド及びガラス製品の概略正面斜視図 本明細書に図示又は記載の１つ以上の実施の形態に係る、面内温度勾配から生じた面外変位のモデリング結果を概略的に示した図 本明細書に図示又は記載の１つ以上の実施の形態に係る、厚さを通した温度勾配から生じた面外変位のモデリング結果を概略的に示した図 本明細書に図示又は記載の１つ以上の実施の形態に係る、イオン交換表面層を有するガラス製品の概略断面図

添付図面に例を示す様々な実施の形態について詳細に説明する。図面全体を通し、可能な限り、同一又は同様の部品には同じ参照番号を用いている。図３は本明細書に記載の成形方法と併せて使用されるモールドの実施の形態の概略図である。１つの実施の形態において、三次元形状を有するガラス製品を製造する方法が、概して、ガラス製品ブランクを凝固温度より高い温度に加熱するステップ、及びガラス製品ブランクを開放型モールドに結合するステップを有することができる。開放型モールドはガラス製品の形状に略一致する三次元形状を有する成形領域を備え、成形領域内において非等温温度プロファイルを有している。本方法は、ガラス製品ブランクが開放型モールドの成形領域に結合されている間、ガラス製品ブランクを冷却してガラス製品の形状を固定するステップを更に有している。三次元形状を有するガラス製品を製造する方法、及びそれに使用するモールドの様々な実施の形態について図面を参照して更に詳細に説明する。

図１Ａ〜１Ｃは、本開示に従って製造されたガラス製品を示す図である。これ等のガラス製品は、スマートフォンやタブレット型コンピュータ等の消費者向け製品に組み込むことができる。様々な技術を用いて、ガラス製品１００が三次元形状を有するように成形することができる。本明細書において、“三次元形状”という語句は、ガラス製品が少なくとも部分的に平面から偏位した概略形状を有していることを意味する。例えば、ガラス製品１００は、これらに限定されるものではないが、図１Ａに示す縁部１０２ａ、１０２ｂが中央部から湾曲した橇の形状や図１Ｂに示す縁部１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄが中央部から湾曲した皿の形状等を含む、様々な三次元形状の１つを有することができる。様々な実施の形態において、ガラス製品１００は、ガラス製品１００の断面で図１Ｃに概略的に示すように、実質的に平坦な領域１０６も有することができる。本明細書に記載の成形技術を用いることにより、ガラス製品１００の中央部分にわたり、平面構成からの偏位が小さい、例えば、約２００μｍ以下の偏位を示す実質的に平坦な領域を有する、ガラス製品を提供することができる。

ガラス製品１００の強度と機械的な信頼性は、その表面の欠陥又は傷のサイズの密度分布と、経時的に受ける材料の累積応力との関数である。例えば、図１Ａ又は１Ｂに示すガラス製品１００は、製造中において、成形、型成形、及び研磨等に起因する様々な種類の熱的及び機械的応力を受ける可能性がある。特に、ガラス製品１００は、モールドの成形領域の大きく屈曲した部分に近接した位置（例えば、屈曲した縁部１０２ａ及び１０２ｂに近接した点）において高応力場を示し、モールドの成形領域のあまり屈曲していない部分に近接した位置（例えば、図１Ｃに示す実質的に平坦な領域１０６に近接した点）において低応力場を示し得る。一部の実施の形態において、ガラス製品１００は、イオン交換処理等の強化処理において更に応力を受ける。

１つの実施の形態において、ガラス製品１００は、ガラスの面内及び厚さを通した温度勾配に起因する応力を受ける。このような温度勾配は、ガラス製品ブランク１０１（図３に示す）がガラス製品１００に成形されるとき、ガラス製品ブランク１０１が受ける異なる加熱及び冷却速度によって生じ得る。例えば、このような温度勾配は、ガラス製品１００の成形に使用されるモールド３００（図３に示す）、かかるモールドの中央部と縁部とにおける異なる加熱及び冷却速度、ガラス製品ブランク１０１とモールド３００との間の異なる接触状態等に起因して、ガラス製品ブランク１０１に与えられ得る。このような温度勾配によって、ガラス製品１００に内部応力が誘導され得る、及び／又は、ガラス製品１００に望ましくない歪や反りが生じ得る。しかしながら、温度勾配を利用して、ガラス製品１００に対し制御された歪又は反りを与えることもできる。例えば、様々な実施の形態において、温度勾配によってガラス製品ブランク１０１を望ましい三次元形状に変形させることができる。特定の温度範囲内において、ガラス製品ブランク１０１にこのような温度勾配を導入すると、冷却後のガラス製品１００を変形した状態に固定することができる。この変形によって、ガラス製品１００の最終的な三次元形状が修正される。あるいは、下流の製造工程に起因するその後のガラス製品１００の変形を補償するために、温度勾配を利用して、ガラス製品に設計上の許容誤差を超える制御された歪又は反りを与えることができる。

図２は本明細書に記載の１つ以上の実施の形態に係る、ガラス組成物の緩和を冷却速度の関数としてプロットした図である。プロット図において、ｘ軸は冷却速度（単位:摂氏温度（Ｃ）／秒（ｓ））を表し、ｙ軸は凝固ゾーンの温度（単位：摂氏温度（Ｃ））を表わしている。グラフに示す値は本質的に例示であって、ガラス組成物によって変わり得るものである点を理解されたい。プロット図は粘性ゾーン２０２、粘弾性又は凝固ゾーン２０４、及び弾性ゾーン２０６を示している。図２に示すように、粘性ゾーン２０２は、ガラス中の約９５％を超える応力が緩和している状態を意味している。粘弾性又は凝固ゾーン２０４は、ガラス中の約９０％の圧縮応力〜約１０％の圧縮応力が緩和している状態を意味している。弾性ゾーン２０６はガラス中の約５％未満の圧縮応力が緩和している状態を意味している。一部の実施の形態において、前述の粘度ゾーン間の境界が特定の実施の形態に応じて変化し得る。例えば、粘性ゾーンと粘弾性ゾーンとの間の遷移は約９０％〜約９５％の緩和から生じる可能性があり、粘弾性ゾーンと弾性ゾーンとの間の遷移は約５％〜約１０％の緩和から生じる可能性がある。

ガラス製品ブランク１０１をガラス製品に成形する場合、ガラス製品ブランク１０１はガラス製品ブランク１０１が弾性ゾーン２０６ではなくなる温度に加熱される。様々な実施の形態において、ガラス製品ブランク１０１は凝固温度より高い温度に加熱される。所与の冷却速度に対し、凝固温度とは、それ未満ではガラス中に応力が生じ得る温度である。ガラス製品ブランク１０１の加熱温度は様々な要因に応じて選択することができる。一部の実施の形態において、凝固温度より高い温度にガラス製品ブランク１０１を加熱すると、ガラス製品ブランク１０１が粘性ゾーン２０２又は粘弾性ゾーン２０４に入る。加熱後、ガラス製品ブランク１０１をモールド３００に導入して成形する。

図３は、本明細書に記載の１つ以上の実施の形態に係る、三次元形状を有するガラス製品を成形するモールド３００の１つの実施例を示す図である。図３に示すように、モールド３００は開放片面型の型枠３０２を有している。型枠３０２は、アルミニウム、ニッケル、鋳鉄、青銅等の任意の適切な材料から成ることができ、耐食性コーティングや遮熱コーティングで被覆してもしなくてもよい。型枠３０２は、接触面３０６を有する成形領域３０４を備えている。接触面３０６は成形されるガラス製品の形状に略一致する三次元形状を有している。接触面３０６の三次元形状はガラス製品の形状に略一致しているが、接触面３０６の形状はガラス製品の最終的な設計形状と異なっている場合がある。前述のように、ガラス製品１００の温度勾配及びガラス製品ブランク１０１が冷却される速度によって、ガラス製品１００が、成形領域３０４の接触面３０６の形状と異なるが、概ね一致する形状を有するように、ガラス製品ブランク１０１が変形し得る。接触面３０６の形状がガラス製品１００の最終的な設計形状から異なる量は、成形後に行われる化学強化等の処理ステップにおいて導入される変形に依存する。

複数の通気孔３０８が開放型枠３０２の成形領域３０４内に配置され、接触面３０６を通して延びている。通気孔３０８は真空ポンプ３１０と流体連通している。通気孔３０８によって、型枠３０２の反対側のガラス製品ブランク１０１の表面に接触することなく、ガラス製品ブランク１０１の全体にわたる圧力の不均衡によって、ガラス製品ブランク１０１をモールド３００に密接に接触した状態に保持することが可能になる。ガラス製品ブランク１０１に対する接触を低減又は排除することによって、最終ガラス製品１００における欠陥を低減することができる。

様々な実施の形態において、ガラス製品ブランク１０１が接続される前にモールド３００が高温に加熱される。一部の実施の形態において、モールド３００は、ガラスの凝固温度より低い周囲温度より、高い温度に加熱される。モールド３００は、様々な従来技術のうちの任意の方法を用いて加熱することができる。例えば、加熱要素を、モールドの上方に位置しモールドの縁に近接した炉の天井に配置すること、又はモールド内に埋め込むことが可能である。このような加熱要素は炭化ケイ素、タングステン、ニクロム等から成ることができる。場合により、天井に取り付けられた加熱要素と組み合わせてエミッタ板を使用して、より均一な加熱を提供することができる。加熱されたガラス製品ブランク１０１がモールド３００の成形領域３０４に導入され、真空ポンプが通気孔３０８を介して流体を引き込み、加熱されたガラス製品ブランク１０１が加熱された接触面３０６に接触する。ガラス製品ブランク１０１は、接触面３０６に沿って真空ポンプ３１０によって生成された少なくとも部分的な真空によって、型枠３０２の上の所定の位置に保持される。

モールド３００は、図３に破線で示す少なくとも１つの冷却流路３１２を更に有することができる。様々な実施の形態において、冷却流路３１２は、型枠３０２の成形領域３０４の近傍に、流体冷却ストリームを提供することができる。冷却流路３１２は（図３に示すような）蛇行パターン、渦巻きパターン、又は接触面３０６の全体にわたり望ましい温度プロファイルを生成する別のパターンでモールド３００内に配置することができる。一部の実施の形態において、流体冷却ストリームは、モールド３００の動作温度範囲において、モールド３００に対し不活性である、空気、窒素、ヘリウム、ネオン等のガスを含むが、別の流体冷却ストリーム及び別の冷却機構を用いることもできる。図示の実施の形態において、冷却流路３１２は、成形領域３０４の近傍に配置され、通気孔３０８及びモールド３００の接触面３０６から流体的に分離された部分を有している。従って、流体冷却ストリームが冷却流路３１２に導入されると、冷却流路３１２が流体冷却ストリームによって成形領域３０４の近傍のモールド３００の部分を冷却する。冷却流路３１２によって接触面３０６の全体にわたり、不均一・非等温の温度プロファイルが生成される。換言すれば、冷却流路３１２を用いて、モールド３００の第１の部分が第１の温度を有し、モールド３００の第２の部分が第１の温度と異なる第２の温度を有するように、モールド３００の各部の温度を制御することができる。従って、モールド３００は成形領域３０４内において非等温温度プロファイルを示す。一部の実施の形態において、１つ以上の冷却流路３１２を通し、流体冷却ストリームではなく、流体加熱ストリームを導入して、ガラス製品１００の厚さ全体にわたる温度勾配を生成することができる。

冷却流路３１２を通した流体冷却ストリームの流速を変更して、平坦領域１０６内において、複数の非等温温度プロファイルのうちの１つを生成することができる。一部の実施の形態において、成形領域３０４の縁部に近接した位置における接触面３０６の温度が、成形領域３０４の縁部から離れた位置における接触面３０６の温度より高い。別の実施の形態において、成形領域３０４の縁部に近接した位置における接触面３０６の温度が、成形領域３０４の縁部から離れた位置における接触面３０６の温度より低い。図３の説明では、互いに異なる温度を有する接触面３０６の代表的な様々な領域について説明したが、これ等の領域は異なる形状、寸法、及び向きに対応できるものである点を理解されたい。

一般に、モールド３００及びガラス製品ブランク１０１は、いずれもモールド３００が配置される周囲温度より高い所望の初期温度に加熱される。ガラス製品ブランク１０１は、ガラス組成物の弾性温度範囲より高い温度に加熱される。ガラス製品ブランク１０１は、モールド３００の接触面３０６に接触させられる。ガラス製品ブランク１０１をモールド３００の接触面に接触させたまま、真空ポンプ３１０が通気孔３０８を通して流体を引き込んで、接触面３０６の近傍に配置されたガラス製品ブランク１０１の側面に沿って圧力を低下させる。真空ポンプ３１０によって、ガラス製品ブランク１０１の全体にわたる圧力の不均衡が維持され、それによってガラス製品ブランク１０１がモールド３００の接触面３０６に固定される。真空ポンプ３１０による圧力の不均衡が、高温度においてガラス製品ブランク１０１の力に打ち勝つことができるため、ガラス製品ブランク１０１がモールド３００の接触面３０６の形状に順応する。

ガラス製品ブランク１０１及びモールド３００の温度が、初期温度から低下させられる。ガラス製品ブランク１０１の温度が低下している間も、ガラス製品ブランク１０１は接触面３０６の形状に順応し続ける。流体冷却ストリームが冷却流路３１２を通して誘導されるにつれ、流体冷却ストリームが伝導及び／又は対流によって接触面３０６から熱を引き抜く。つまり、モールド３００がガラス製品ブランク１０１に対しヒートシンクの機能を果たし、ガラス製品ブランク１０１から熱を引き抜く。ガラス製品ブランク１０１の温度が低下するにつれ、ガラス製品ブランク１０１の強度が増す。更に、ガラス製品ブランク１０１及びモールド３００の温度が低下するにつれ、それぞれの熱膨張係数に起因してガラス製品ブランク１０１及びモールド３００の寸法が小さくなる。しかし、ガラス製品ブランク１０１及びモールド３００の熱膨張係数は通常異なるため、熱膨張の差異によるガラス製品ブランク１０１及びモールド３００の寸法の相対的変化によって、ガラス製品ブランク１０１に応力が誘発される可能性がある。ガラス製品ブランク１０１の温度も同時に低下しているため、ガラス製品ブランク１０１の冷却中にガラス製品ブランク１０１に誘発された応力は、弾性温度範囲内の温度のガラス製品１００内に維持され得る。

更に、非等温温度勾配がガラス製品ブランク１０１の厚さ方向及び／又は面内方向に維持されているため、ガラス製品ブランク１０１のより温度が高い部分が、ガラス製品ブランク１０１のより温度が低い部分と比較して膨張する傾向にあり得る。ガラス製品ブランク１０１の部分間の膨張差によって、ガラス製品ブランク１０１の温度が粘弾性温度範囲を通過して弾性温度範囲に向けて低下するにつれ、ガラス製品ブランク１０１内に応力が導入され得る。従って、二次元又は三次元の形状がガラス製品ブランク１０１に固定される際のプロファイルを、室温のガラス製品１００のプロファイルと比較すると、ガラス製品ブランク１０１のプロファイルは異なっている可能性がある。特に、ガラス製品ブランク１０１の高温度に維持された部分は、ガラス製品ブランク１０１の比較的低い温度に維持された部分より、多く収縮する傾向にあり得る。ガラス製品１００の特定の部分の収縮により、ガラス製品１００がモールド３００の接触面３０６の形状から変形する傾向が生じ得る。

ガラス製品ブランク１０１から熱を引き抜く速度が、冷却流路３１２が接触面３０６から熱を引き抜く速度に対応しているため、モールド３００の接触面３０６の非等温温度プロファイルによって、ガラス製品ブランク１０１の全体にわたり同様の非等温温度プロファイル又は温度勾配を生成することができる。モールド３００内の冷却流路３１２によってガラス製品ブランク１０１の全体にわたって生成された温度勾配に起因するガラス製品ブランク１０１の変位を図４及び５に示すように、非等温温度プロファイルがガラス製品ブランク１０１の全体にわたって生成される。

一般に、温度勾配がガラス製品ブランク１０１の縁部に向けて大きくなる場合、縁部が基部より大きく膨張する。この膨張により、ガラス製品ブランク１０１の基部に曲げモーメントが加わる。しかし、本工程中に加えられる真空圧力によって、基部がドーム形に屈曲するのが防止され、その部分が依然としてモールドに順応し続ける。ガラス製品１００が室温に冷却されると、縁部が大きな温度勾配によって基部より大きく収縮する必要がある。この縁部の大きな収縮によって基部に逆曲げモーメントが加えられる。本工程のこの段階では真空圧力が加えられていないため、基部がこの逆曲げ方向に移動しガラス製品１００の形状が弓形に変化する。

図４はガラス製品ブランク１０１の面内方向を横断する温度勾配から生じた変位を示す図である。図４において、ガラス製品ブランク１０１の縁部に近接した位置におけるガラス製品ブランク１０１の点４０２の温度は、ガラス製品ブランクの縁部から離れた位置におけるガラス製品ブランク１０１の点４０４の温度より高い。従って、ガラス製品ブランク１０１の縁部に近接した点（例えば、領域４０６内の点）は、ガラス製品ブランク１０１の縁部から離れた点（例えば、領域４０８内の点）よりも大きな累積変位を示し、領域４０６内の点の変位は領域４０８内の点の変位より大きい。様々な実施の形態において、領域４１０、４１２、及び４１４内の変位は、領域４０６及び領域４０８の変位範囲内にある。従って、モールド３００の接触面３０６によってガラス製品ブランク１０１を横断してかかる温度勾配が生成されると、ガラス製品ブランク１０１の縁部はモールド３００の接触面３０６から離れる方向に変形する傾向にある。同様に、ガラス製品ブランク１０１の縁部の近傍位置におけるガラス製品ブランク１０１の点の温度が、ガラス製品ブランク１０１の縁部から離れた位置におけるガラス製品ブランク１０１の点の温度より低い場合には、ガラス製品ブランク１０１の縁部はモールド３００の接触面３０６に向かう方向に変形する傾向にある。様々な実施の形態において、冷却流路３１２を通した流体冷却ストリームの流速を調整することによって、非等温温度プロファイル及び非等温温度プロファイルによる温度勾配を制御することができる。従って、流体冷却ストリームの流速を調整することによって、ガラス製品１００の形状に対し、モールド３００の輪郭による制御に加え、一定の追加制御を提供することができる。

図５は、ガラス製品ブランク１０１の厚さを通した温度勾配から生じた変位を示す図である。図５において、接触面３０６に近接したガラス製品ブランク１０１の面の温度は、接触面３０６から離れた位置におけるガラス製品ブランク１０１の面の温度より低い。それ故、接触面３０６に近接したガラス製品ブランク１０１の面の熱膨張は、接触面３０６から離れた位置におけるガラス製品ブランク１０１の面の熱膨張より小さい。従って、ガラス製品ブランク１０１は弓のような形状（例えば、正の方向がモールドから離れる方向であるとき、領域４１８に対する領域４１６内の正の変位）に変形する傾向にある。同様に、接触面３０６に近接したガラス製品ブランク１０１の面の温度が、接触面３０６から離れた位置におけるガラス製品ブランク１０１の面の温度より高い場合、ガラス製品ブランク１０１はドーム形に変形する傾向にある。

一部の実施の形態において、加熱要素（図示せず）が、接触面３０６の反対側の接触面３０６から離隔したモールド３００内の位置に配置される。モールド３００の冷却流路３１２と共に、加熱要素によって、ガラス製品１００の厚さを通して温度勾配を生成することができる。換言すれば、接触面３０６に接触するガラス製品１００の面が、接触面３０６から離隔したガラス製品１００の面の温度と異なる温度を有することができる。しかし、加熱要素を備えることは任意であり、ガラス製品１００の厚さを通した温度勾配の生成に加熱要素を用いることは必須ではないことを理解されたい。

様々な実施の形態において、流体冷却ストリームの流速を調整して、ガラス製品ブランク１０１の面内方向にわたる温度勾配、及び／又はガラス製品ブランク１０１の厚さを通した温度勾配を変更することができる。ガラス製品ブランクの１０１の温度勾配を変更することにより、ガラス製品１００の三次元形状がガラス製品１００の所望の設計形状に略一致するようにガラス製品ブランク１０１を成形することができる。温度勾配を制御して、成形後の工程（例えば、化学強化、アニーリング、端部加工）における逆の変形を補償するような、ガラス製品ブランク１０１の所定の変形を生じさせることもできる。モールド３００を用いて、三次元形状を有するガラス製品１００を製造する方法について、以下で更に詳しく説明する。

１つの例示的な方法によれば、ガラス製品ブランク１０１が凝固温度より高い温度に加熱される。様々な実施の形態において、ガラス製品ブランク１０１は、ガラス製品ブランク１０１が粘性状態になる温度に加熱される。一部の実施の形態において、ガラス製品ブランク１０１が、所与の冷却速度に対し、ガラス製品ブランク１０１の約７５％を超える応力が緩和される温度に加熱される。ガラス組成物及び／又はガラス製品１００の要件に応じて別の温度を使用することができる。例えば、所与の冷却速度に対しガラスの約８５％を超える応力が緩和される温度、所与の冷却速度に対しガラスの約９０％を超える応力が緩和される温度、所与の冷却速度に対しガラスの約９５％を超える応力が緩和される温度等、ガラス製品ブランク１０１を、所与の冷却速度に対しガラスの約８０％を超える応力が緩和される温度に加熱することができる。

様々な実施の形態において、モールド３００は周囲温度より高い温度に予熱される。モールド３００は、ガラス製品ブランク１０１が加熱される温度より低い温度に加熱することができる。例えば、モールド３００は、ガラス製品ブランク１０１が粘弾性状態になるであろうと思われる温度に加熱することができる。様々な実施の形態において、モールドを予熱した後、流体冷却ストリームをモールド３００の冷却流路３１２に通して、モールド３００の温度が更に制御される。特に、ガラス製品ブランク１０１がモールド３００に結合されたとき、モールド３００が成形領域３０４内において非等温温度プロファイルを有することができるように、流体冷却ストリームを冷却流路３１２に通して、モールド３００の第１の部分が第１の温度を有し、モールド３００の第２の部分が第２の温度を有するように制御される。

次に、ガラス製品ブランク１０１が成形領域３０４の接触面３０６に少なくとも部分的に接触するように、ガラス製品ブランク１０１がモールド３００に結合される。次に、通気孔３０８を通して流体を引き込む真空ポンプ３１０を駆動し、ガラス製品ブランク１０１を接触面３０６に順応させることによって、ガラス製品ブランク１０１を接触面３０６に接触させ、ガラス製品ブランク１０１が接触面３０６の所定の位置に保持される。

ガラス製品ブランク１０１がモールド３００の成形領域３０４に結合されている間、ガラス製品ブランク１０１が冷却され、ガラス製品１００の形状がガラス製品ブランク１０１に固定される。例えば、モールド３００はヒートシンクの機能を果たし、ガラス製品ブランク１０１から熱を引き抜くことができる。前述のように、流体冷却ストリームの流速を制御して接触面３０６及びガラス製品ブランク１０１の冷却速度を調整することができる。ガラス製品ブランク１０１が高温度から冷却されながら接触面３０６に接触している間、ガラス製品ブランク１０１の厚さ方向及び／又は面内方向の温度勾配を維持することができる。温度勾配は、ガラス製品ブランク１０１の表面に沿った異なる位置における異なる冷却速度によって、もたらすことができる。１つの実施の形態において、モールド３００に接触するガラス製品ブランク１０１の表面から伝導によって奪われる熱が、伝導及び／又は対流によってモールド３００の反対側の表面から奪われる熱より多くてもよく、それによってガラス製品ブランク１０１の厚さを通した熱勾配が維持される。一部の実施の形態において、ガラス製品ブランク１０１の一方の側（例えば、接触面３０６に近接したガラス製品ブランク１０１の表面）を冷却する間に、加熱要素を用いてモールド３００に接触している面と反対側のガラス製品ブランク１０１の面を加熱し、ガラス製品ブランク１０１の厚さを通した温度勾配を生成又は修正することができる。

冷却後、ガラス製品１００がモールド３００から分離される。様々な実施の形態において、ガラス製品１００の最高温度が所与の冷却速度に対しガラス製品１００の粘弾性温度範囲内にあるとき、ガラス製品１００がモールド３００から分離される。しかし、一部の実施の形態において、ガラス製品の最高温度が所与の冷却速度に対しガラス製品１００の弾性温度範囲にあるとき、ガラス製品１００がモールド３００から分離される。例えば、所与の冷却速度に対しガラスの応力の約１０％未満が緩和される温度、所与の冷却速度に対しガラスの応力の約１５％未満が緩和される温度、所与の冷却速度に対しガラスの応力の約２０％未満が緩和される温度等、所与の冷却速度に対しガラスの応力の約５％未満が緩和される温度において、ガラス製品１００をモールド３００から分離することができる。

様々な実施の形態において、ガラス製品をモールドから分離した後、必要に応じガラス製品１００に対しイオン交換処理等の表面強化処理が実施される。図６に示す１つの実施の形態において、イオン交換処理によりガラス中のイオンを交換することによって、ガラス製品１００の表面内に圧縮層が導入される。本明細書においてイオン交換表面層１１０と呼ぶガラス製品１００の表面内のこれ等の圧縮層は、表面層から延びる層深さ１０８を有している。化学強化処理によって圧縮層が導入されないガラス製品１００の領域は、イオン交換表面層１１０における圧縮応力の増加を補償する張力を示し得る。イオン交換表面層１１０を形成することにより、ガラス製品１００の形状が変わる可能性があり、ガラス製品１００が開放型モールドの成形領域の形状と異なる形状を有する場合がある。第１に、化学強化は一般に高温度において生じ、これによってガラス製品１００がアニールされる可能性があり、本明細書に記載のように成形処理において導入された内部応力が低減される。応力緩和によってガラス製品に一定の変形が誘発され得る。第２に、ガラス製品１００を化学強化すると、より小さなナトリウムイオンがより大きなカリウムイオンに交換されるため、ガラス製品１００が膨張し得る。非対称な形状にとって、安定形状（即ち、最小エネルギーを有する形状）は歪んだ形状である。従って、化学強化処理を行う実施の形態においては、化学強化処理後のガラス製品１００の形状が、許容誤差範囲内において、ガラス製品１００の目標形状に略一致するように、モールド３００の成形領域の形状が、所定の量だけガラス製品１００の目標形状と異なることができる。モールド３００の成形領域の形状によって、後続する化学強化処理による変形を補償してガラス製品１００の目標形状に対応する形状を有するガラス製品１００を生み出すことができる。

様々な実施の形態において、冷却速度を調整して、例えば、ガラス製品ブランク１０１の全体にわたる温度勾配を微調整することができる。本明細書に記載の方法を、例えば、ガラス製造工程における反復検査パラメータ体制として用いることができる。ガラス製品ブランク１０１を冷却し、ガラス製品１００をモールド３００から分離した後、ガラス製品１００の三次元形状がガラス製品１００の目標形状と比較される。例えば、従来の検査技術を用いて、ガラス製品１００の三次元形状を、ガラス製品１００のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルと比較することができる。ガラス製品１００の形状が許容誤差範囲内にある場合には、次のガラス製品ブランク１０１が加熱成形される。許容誤差範囲は特定の実施の形態に応じて変化し得る。例えば、様々な実施の形態において、ガラス製品１００の形状に関する許容誤差範囲は、ＣＡＤモデルの公称寸法の約１００μｍの範囲内であるが、別の公差も容認できる。

ガラス製品１００の三次元形状が許容誤差範囲を超えて目標形状から異なっている場合、当該流速が、モールド３００に対し別の非等温温度プロファイルが生成される流速に調整される。本方法によってガラスが処理されると、次のガラス製品ブランク１０１が加熱される。次のガラス製品ブランク１０１がモールド３００に結合され、第２の流速で冷却され、モールド３００から分離され、次のガラス製品の形状が目標形状と比較される。ガラス製品の形状が許容誤差範囲内になるまで、別の非等温温度プロファイルを用いて本方法を繰り返すことができる。

ここで、本開示によるガラス製品を製造する方法は、三次元形状を有するガラス製品の製造に使用できることを理解されたい。ガラス製品ブランクがガラスの凝固温度より高い温度に加熱され、望ましいガラス製品の形状に略一致する形状を有する開放型モールドに導入される。開放型モールドによって、ガラス製品ブランクに沿って非等温温度プロファイルが維持される。ガラス製品ブランクと開放型モールドとの間の接触が維持されながら、ガラス製品ブランクが冷却される。開放型モールドの非等温温度プロファイルによってガラス製品に変形が誘発され、ガラス製品の形状が開放型モールドの形状と異なり得る。本明細書に記載の方法及び装置の様々な実施の形態は、下流の工程において生じ得る変形を補償するようにガラス製品を製造することができる。ガラス製品の成形中において下流の処理による変形を補償することにより、本明細書に記載の方法及び装置は、ガラス製品の不適合品を少なくし、製造効率を向上させることができる。

第１の態様において、本開示により、三次元形状を有するガラス製品を製造する方法が提供される。本方法は、ガラス製品ブランクを凝固温度より高い温度に加熱するステップ、
開放型モールドの成形領域の第１の部分が第１の温度を有し、開放型モールドの成形領域の第２の部分が第２の温度を有するように、第１及び第２の部分を制御するステップであって、第１及び第２の温度が成形領域内に非等温温度プロファイルを生成するのに有効であり、成形領域がガラス製品の形状に略一致する三次元形状を有するステップ、ガラス製品ブランクを開放型モールドに結合するステップ、及び開放型モールドの成形領域に結合されている間、ガラス製品ブランクを冷却してガラス製品の形状を固定するステップを有している。

第２の態様において、本開示により、三次元形状を有するガラス製品を製造する方法が提供される。本方法は、ガラス製品ブランクを凝固温度より高い温度に加熱するステップ、開放型モールドの第１の部分が第１の温度を有し、開放型モールドの第２の部分が第２の温度を有するように、第１及び第２の部分を制御するステップであって、第１及び第２の温度が開放型モールドに非等温温度プロファイルを生成するのに有効であり、開放型モールドがガラス製品の目標形状と異なる三次元形状を有するステップ、ガラス製品ブランクを開放型モールドに結合するステップ、開放型モールドに結合されている間、ガラス製品ブランクを粘性温度より低い温度に冷却して、ガラス製品の形状を固定するステップ、及びガラス製品を開放型モールドから解放するステップを有することができる。

第３の態様において、本開示により、成形領域に近接した開放型モールドの部分を、流体冷却ストリームで冷却するステップを有することができる、第１又は第２の態様の方法が提供される。

第４の態様において、本開示により、ガラス製品ブランクを冷却しているとき、ガラス製品ブランクの厚さを通して温度勾配が維持される、第１〜第３の態様の方法が提供される。

第５の態様において、本開示により、ガラス製品ブランクを冷却しているとき、ガラス製品ブランクの面内方向にわたり温度勾配が維持される、第１〜第４の態様の方法が提供される。

第６の態様において、本開示により、所与の冷却速度に対してガラス製品の最高温度がガラス製品の粘弾性温度範囲内にあるとき、ガラス製品を開放型モールドから分離するステップを更に有する、第１〜第５の態様のいずれか１つの態様の方法が提供される。

第７の態様において、本開示により、所与の冷却速度に対してガラス製品の最高温度がガラス製品の弾性温度範囲内にあるとき、ガラス製品を開放型モールドから分離するステップを更に有する、第１〜第５の態様のいずれか１つの態様の方法が提供される。

第８の態様において、本開示により、ガラス製品ブランクの開放型モールドに接触している側と反対側の面に沿って、ガラス製品ブランクを加熱するステップを更に有する、第１〜第７の態様のいずれか１つの態様の方法が提供される。

第９の態様において、本開示により、ガラス製品の形状が開放型モールドの成形領域の形状と異なる、第１〜第８の態様のいずれか１つの態様の方法が提供される。

第１０の態様において、本開示により、ガラス製品内に層深さを有するイオン交換表面層を形成するステップを更に有する、第１〜第９の態様のいずれか１つの態様の方法が提供される。

第１１の態様において、本開示により、イオン交換表面層を形成するステップによって、ガラス製品が開放型モールドの成形領域の形状と異なる形状を有するようにガラス製品の形状が修正される、第１〜第１０の態様のいずれか１つの態様の方法が提供される。

第１２の態様において、本開示により、成形領域が高輪郭部分及び低輪郭部分を含み、ガラス製品が成形領域の高輪郭部分の近傍位置に高応力場を含み、成形領域の低輪郭部分の近傍位置に低応力場を含む、第１〜第１１の態様のいずれか１つの態様の方法が提供される。

第１３の態様において、本開示により、ガラス製品ブランクを冷却するステップが第１の流速で行われる、第１〜第１２の態様のいずれか１つの態様の方法が提供される。本方法はガラス製品の三次元形状がガラス製品の目標形状と異なっていることを特定するステップ、第１の流速と異なる第２の流速を選択するステップであって、第２の流速が開放型モールドの別の非等温温度プロファイルを生成するステップ、及び開放型モールドに結合されている間、次のガラス製品ブランクを第２の流速に従って凝固温度に冷却して、次のガラス製品の三次元形状を固定するステップを更に有することができる。

第１４の態様において、本開示により、ガラス製品の三次元形状がガラス製品の目標形状に略一致している、第１〜第１３の態様のいずれか１つの態様の方法が提供される。

第１５の態様において、本開示により、ガラス製品ブランクを凝固温度より高い温度に加熱するステップが、所与の冷却速度に対してガラス製品ブランクの約７５％を超える応力が緩和される温度に、ガラス製品ブランクを加熱することを含む、第１〜第１４の態様のいずれか１つの態様の方法が提供される。

第１６の態様において、本開示により、開放型モールドに結合されている間、ガラス製品ブランクを凝固温度に冷却するステップが、所与の冷却速度に対してガラスの約２０％未満の応力が緩和される温度に、ガラス製品ブランクを冷却することを含む、第１〜第１５の態様のいずれか１つの態様の方法が提供される。

第１７の態様において、本開示により、ガラス製品を成形する成形装置が提供される。本装置は、ガラス製品の形状と略一致する三次元形状を有する接触面を含む成形領域を備えた開放型モールド、開放型モールドの成形領域内に配置され、接触面を通して延びる複数の通気孔であって、真空ポンプと流体連通している通気孔、及び開放型モールド内に配置された少なくとも１つの冷却流路であって、成形領域に近接した位置に配置された部分を含み、複数の通気孔及び開放型モールドの接触面から流体的に分離され、ガラス製品にわたり非等温温度プロファイルを生成する冷却流路を有している。

第１８の態様において、本開示により、接触面と反対側に離隔配置された加熱要素を更に有する、第１７の態様の成形装置が提供される。

第１９の態様において、本開示により、成形領域の縁部に近接した位置における開放型モールドの接触面の温度が、縁部から離れた位置における温度より高い、第１７又は第１８の態様の成形装置が提供される。

第２０の態様において、本開示により、成形領域の縁部に近接した位置における開放型モールドの接触面の温度が、縁部から離れた位置における温度より低い、第１７〜第１９の態様のいずれか１つの態様の成形装置が提供される。

特許請求した主題の精神及び範囲を逸脱せずに、本明細書に記載の実施の形態に対し様々な改良及び変形が可能であることは当業者にとって明らかであろう。従って、本明細書は、本明細書に記載の様々な実施の形態の改良及び変形が添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲に属することを条件に、かかる改良及び変形を包含することを意図したものである。

１００ ガラス製品
１０１ ガラス製品ブランク
１０２ａ〜１０２ｄ 縁部
１０６ 平坦領域
１０８ 層深さ
１１０ イオン交換表面層
３００ モールド
３０２ 型枠
３０４ 成形領域
３０６ 接触面
３０８ 通気孔
３１０ 真空ポンプ
３１２ 冷却流路

Claims (11)

1. 三次元形状を有するガラス製品を製造する方法であって、
   ガラス製品ブランクを、前記ガラス製品ブランクが弾性ではない凝固温度より高い温度に加熱するステップと、
   開放型モールドの成形領域の第１の部分が第１の温度を有し、該開放型モールドの該成形領域の第２の部分が第２の温度を有するように、該第１及び第２の部分を制御するステップであって、前記第１及び第２の温度が前記成形領域内に非等温温度プロファイルを生成するのに有効であり、該成形領域が前記ガラス製品の形状に略一致する三次元形状を有するステップと、
   前記ガラス製品ブランクを前記開放型モールドに結合するステップと、
   前記開放型モールドに対して不活性な流体の流路を介して前記成形領域を冷却及び／又は加熱して、前記ガラス製品ブランクに沿って非等温温度プロファイルを維持するステップであって、前記流路は前記成形領域に対応して少なくとも一つ配置された、非等温温度プロファイルを維持するステップと、
   前記開放型モールドの前記成形領域に結合されている間、前記ガラス製品ブランクを冷却して、前記ガラス製品の形状を固定するステップと、
   を有して成り、
   前記第１の温度及び前記第２の温度が前記凝固温度より低いとともに、前記第１の温度と前記第２の温度とが互いに異なることを特徴とする方法。
2. 前記ガラス製品ブランクを冷却しているとき、該ガラス製品ブランクの厚さを通して温度勾配が維持されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 所与の冷却速度に対して、前記ガラス製品の最高温度が、該ガラス製品の粘弾性温度範囲内にあるとき、該ガラス製品を前記開放型モールドから分離するステップを更に有して成ることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記ガラス製品の形状が、前記開放型モールドの前記成形領域の形状と異なることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. 前記ガラス製品内に層深さを有するイオン交換表面層を形成するステップを更に有して成ることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の方法。
6. 前記イオン交換表面層を形成するステップによって、前記ガラス製品が前記開放型モールドの前記成形領域の形状と異なる形状を有するように、該ガラス製品の形状が修正されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記ガラス製品ブランクの前記開放型モールドに接触している側と反対側の面に沿って、該ガラス製品ブランクを加熱するステップを更に有して成ることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の方法。
8. 前記ガラス製品ブランクを冷却するステップが第１の流速で行われ、
   当該方法が、
   前記ガラス製品の前記三次元形状が該ガラス製品の目標形状と異なっていることを特定するステップと、
   前記第１の流速と異なる第２の流速を選択するステップであって、該第２の流速が前記開放型モールドの別の非等温温度プロファイルを生成するステップと、
   前記ガラス製品ブランクに沿って非等温温度プロファイルを維持するステップと、
   前記開放型モールドに結合されている間、次のガラス製品ブランクを前記第２の流速に従って凝固温度に冷却して、次のガラス製品の三次元形状を固定するステップと、
   を更に有して成ることを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の方法。
9. 前記ガラス製品の前記三次元形状が、該ガラス製品の目標形状と略一致していることを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載の方法。
10. 前記ガラス製品ブランクを凝固温度より高い温度に加熱するステップが、所与の冷却速度に対し前記ガラス製品ブランクの７５％を超える応力が緩和される温度に、前記ガラス製品ブランクを加熱することを含んで成ることを特徴とする請求項１から９いずれか１項記載の方法。
11. 前記不活性な流体は、空気、窒素、ヘリウム、及びネオンからなる群の少なくとも一つを含む、請求項１に記載の方法。

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