JP5291704B2 - 改良された端部支持条件を用いたアイソパイプのサグ・コントロール - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本願は、２００７年５月１１日付けで提出された米国仮特許出願第６０／９２８７２６号の合衆国法典第３５巻第１１９条（ｅ）に基づく優先権を主張した出願である。

本発明は、フュージョン法によるシートガラスの製造に用いられるアイソパイプに関し、特に、このアイソパイプが使用中に呈するサグ（垂れ下がり）をコントロールするのに用いられる技術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ためのガラス作製に用いられる基本的な技術の一つである（非特許文献１を参照されたい）。例えばフロート法およびスロット・ドロー法のような従来から知られている他の方法に比較して、フュージョン法は、その両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、液晶表示装置（ＬＣＤ）の製造に用いられるガラス基板ならびに卓越した平坦性および平滑性を必要とするその他の基板の製造に関して極めて重要になって来ている。上記フュージョン法、特にオーバーフロー・ダウンドロー・フュージョン法は、これらの内容が明細書中に引用される特許文献１、特許文献２、および特許文献３に記載されている。

上記フュージョン法においては、溶融ガラスがアイソパイプに供給され、かつこのアイソパイプの両側壁を均等にオーバーフローして、清純な両面を備えた平らなガラスシートを形成する。上記アイソパイプは、溶融ガラスを一様な流量をもって供給するように構成されており、このアイソパイプの使用および一様な流量は、一様な厚さを有するガラスの製造に関して重要である。高温ならびにアイソパイプ自体および溶融ガラスに起因する重力荷重によって、アイソパイプは長い間には変形して垂れ下がる（サグ）。これはアイソパイプに沿った流量の変化を齎し、最終的なガラスの品質に悪影響を与える。「サグ・コントロール」方法は、特許文献４および特許文献５ならびに特許文献６および特許文献７に記載されている。現在においては、特許文献４からの図１および図２に示されているように、サグを軽減するために水平圧縮力が用いられている。しかしながら、アイソパイプが長くなるにつれて、より大きい圧縮力が必要になり、このような大きい圧縮力を加えることは、アイソパイプの設計を困難にする。特に、フュージョン法を用いて作製されるガラス基板およびアイソパイプのサイズが増大するにつれて、アイソパイプのサグをゼロまたは可能な限りゼロに近づける必要性は、製品の品質を維持しかつコストを低減するために益々重要になって来ている。

現在のアイソパイプは、１本の単純に支持された梁のような振る舞いをする（図１および図２）。すなわち、アイソパイプの両端は、それらの垂直方向の移動を阻止する支持ブロック上に置かれている（図１）。この形式の境界条件は、アイソパイプの両端が回転するのを可能にしかつ両端におけるゼロでない勾配を招く。勾配をゼロまたは可能な限りゼロに近づくように修正するのに現在用いられている一つの方法は、アイソパイプの両端に圧縮力を加えて（図２）逆曲げモーメントを発生させるものであり、これは、アイソパイプおよびガラスの重量によって発生する曲げモーメント（すなわちパイプの「サグ」）の一部を打ち消すことができる。しかしながら、この圧縮力による改善法には二つの欠点がある。すなわち、
（１）モーメントアームが極めて短いので、この圧縮力によって大きな曲げモーメントを発生させるのは極めて非効率であり、
（２）この非効率のためにかなりの圧縮力が必要であり、これが座屈を生じさせる可能性がある。

図１は、特許文献４から引用した図であり、オーバーフロー・ダウンドロー・フュージョン法に用いるためのフュージョンパイプ（アイソパイプ）の構造を示す。図１に示されているように、このシステムは、「アイソパイプ」として知られている耐熱性本体１３内に形成された収集トラフ１１に溶融ガラスを提供する供給パイプ９を備えている。安定状態の動作が得られると、上記供給パイプから上記トラフへ通過した溶融ガラスは、次いでトラフの両側壁をオーバーフローし、かくして、下方へ流れ次いでフュージョンパイプの外表面に沿って内方へ流れる２条のガラスシートを形成する。これら２条のガラスシートは上記アイソパイプの底縁１５において合流し、ここで１条のガラスシート（符号は付されていない）に融合する。次にこの１条のガラスシートは牽引手段（矢印１７で概略的に表されている）に供給され、この牽引手段は、ガラスシートが牽引されて上記底縁から遠ざかる速度によってガラスシートの厚さをコントロールする。上記牽引手段は上記底縁の下流側に適当に離れて配置されているので、上記１条のシートは、上記牽引手段に接触する以前に冷却されて硬化する。図１から明らかなように、最終的なガラスシートの外表面は、工程中の何れの部分においてもフュージョンパイプの外表面には接触しない。それどころか、これらの表面は大気に触れるのみである。最終的なシートを形成する２条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され、最終的なシート内に埋め込まれる。このようにして、最終的なシートの外表面の卓越した特性が得られる。

上述の説明から明らかなように、フュージョンパイプ１３はフュージョン法の成功の鍵である。フュージョンパイプの幾何学的形状の変化は、この方法全体の成功に悪影響を与えるので、特にフュージョンパイプの形状安定性は極めて重要である。不幸にも、フュージョンパイプが用いられる条件下ではフュージョンパイプが形状変化を受け易い。フュージョンパイプは１０００℃以上の高い温度において動作しなければならない。さらに、オーバーフロー・ダウンドロー・フュージョン法の場合には、フュージョンパイプは、自身の重量のみでなく、その両外壁をオーバーフローする溶融ガラスおよびトラフ１１内の溶融ガラスの重量、ならびに、溶融ガラスが牽引されるときの溶融ガラスを通じてアイソパイプに逆送される少なくとも若干の引っ張り力を支えながら、このような高い温度で動作しなければならない。生産されるガラスシートの幅に応じて、アイソパイプは１．５ｍ以上の支持されていない長さを有する可能性がある。工程中の高い動作温度のために、アイソパイプの材料がクリープし易い。したがって、アイソパイプは重力で徐々に垂れ下がる。最終的に、完成したガラスの品質および／または寸法がもはや仕様の範囲内に入らなくなった時点にサグが達すると、アイソパイプは保守のために取り外されかつ交換される必要がある。したがって、アイソパイプのサグの進行度合いを軽減し、これによりその寿命を伸ばすことが望ましい。

同じく特許文献４から引用された図である図２は、サグをコントロールするために、中心から外れた軸線方向の力を用いることを示す概略図である。図２において、アイソパイプ１３は、その両端部において支持体２１によって支持され、かつ中立軸線１９を有する。この中立軸線は、アイソパイプ１３が、その質量分布、その温度分布、および温度の関数としてのその材料特性に基づいて曲げられたときに伸張も収縮もしない軸線である。換言すると、中立軸線は、もしパイプ１３が、他の条件は全て同じであるが図２の軸方向の力が無い場合において曲げられたときに伸張も収縮もしないであろう軸線である。図２に示されているように、サグを補償するために、中立軸線１９の下方Ｈの距離において、アイソパイプ１３に対して軸線方向の力Ｆが水平に印加される。したがって、この軸線方向の力は、アイソパイプの両端において大きさＦＨのモーメントを発生させる。これらのモーメントの方向は、重力によりパイプが垂れ下がる傾向を軽減する方向である。軸線方向の力によって生成されるこのモーメントは、パイプの変形の全てを除去するものではないが、下記の比較例に示されているように、ＦおよびＨの適当な選択により、パイプの寿命を著しく伸ばす可能性がある。しかしながら、軸線方向の力Ｆを印加しかつ維持することは、上述の理由で望ましくない。

米国特許第３,３３８,６９６号明細書 米国特許第３,６８２,６０９号明細書 米国特許第３,４３７,４７０号明細書 米国特許出願公開第２００３/０１９２３４９Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００４/００５５３３８Ａ１号明細書 特開２００４/３１５２８６号公報 特開２００４/３１５２８７号公報

A.K.Varshneya著「平らなガラス」、無機ガラスの基礎（ボストン所在のアカデミック・プレス社、1994年発行）、第２０章、第４．２節 534-540頁

したがって、サグの防止に圧縮力を用いると、種々の問題に遭遇するが故に、より良く、より簡単なことが好ましいサグの防止方法が必要とされている。

本発明は、平らなガラスシートの作製のためのオーバーフロー・ダウンドロー・フュージョン法に用いるときのアイソパイプのサグを阻止する方法に関する。本発明の方法は、支持体上に置かれているアイソパイプの少なくとも一方の端部上に垂直拘束を施すことである。

本発明はさらに、図４に示されているように、長手方向軸線１００（図４の構成の下方に示されている）、中間領域、ならびに第１および第２の端部領域７２および７４をそれぞれ有する１本のアイソパイプのサグまたはサグの進行度合いを軽減する方法に関するものであり、第１の端部領域７２は注入口側端部であり、第２の端部領域７４は、支持体８０上に在るときに、アイソパイプおよびガラスの重量の故に圧縮側端部とも呼ばれている。このアイソパイプの両端部領域は、これら両端部領域が支持体８０上に配置され、かつ重力に起因するサグに抗するための垂直拘束素子が、アイソパイプの少なくとも一方の端部領域上に配置されていることによって支持されている。図４は、素子９２および９４で表されている２個の垂直拘束素子を用いている実施の形態を示す。図６に示されている別の実施の形態においては、アイソパイプ７０の一方または双方の端部領域１７２および１７４が、力を印加するための１個または複数のクランプ（限定ではなく、例えば、緊締のための可動素子（不図示）を有するＣ字クランプ）によってそれぞれ独立的に支持されており、このようなクランプは、図６においてはクロスハッチングが施された素子１９２および１９４として示されている。クランプ１９２および１９４は、これらクランプが支持およびクランプの双方を行なうように図３の支持ブロック８０上に支持されることができ、あるいは、アイソパイプ７０が図３の支持ブロック８０上に支持され、かつクランプ１９２および１９４が、アイソパイプおよび支持ブロックの双方の周りに配置されることもできる。

本発明はさらに、ここに説明されているような少なくとも１個の垂直拘束素子乃至はアイソパイプの両端に印加される圧縮力を用いない方法に比較して、少なくとも４０％だけアイソパイプのサグまたはサグの進行度合いを軽減するための方法に関する。

平らなガラスシートの作製のためのオーバーフロー・ダウンドロー・フュージョン法に用いるフュージョンパイプ（アイソパイプ）の代表的な構造を示す特許文献４から引用した概略図である。 サグのコントロールに用いられる、中心を外れた同心の力を示す特許文献４から引用した概略図である。 アイソパイプの両端部の垂直方向の動きを阻止するためにアイソパイプが支持体上に置かれている、従来のアイソパイプとその境界条件を示す図である。 図３に示されているような支持体に加えて、サグをコントロールするための垂直方向の変位拘束素子９２がアイソパイプの注入口側端部の頂面上に配置され、さらにアイソパイプの圧縮側端部上にさらなる拘束素子９４が随意的に配置されている本発明を示す図である。 サグをコントロールするのに支持ブロックのみを用いたアイソパイプと、追加の垂直拘束素子を備えた本発明によるアイソパイプとを、注入口側端部から計測したサグを示すグラフである。 図３に示されているような支持体に加えて、サグをコントロールするための調整可能な拘束クランプ１９２がアイソパイプの注入口側端部に配置され、さらにアイソパイプの圧縮側端部にさらなる調整可能な拘束クランプ１９４が随意的に配置されている本発明を示す図である。

本発明は、アイソパイプのサグの簡単かつ効果的な阻止方法に関する。図３は、支持体８０上に置かれているアイソパイプ７０が示されている概略図である。アイソパイプ７０は、図４の下方に示されている双方向矢印１００によって示された長手方向軸線を有する。アイソパイプ７０には、図２におけるアイソパイプ１３の場合のような軸線方向の力Ｆが加えられていない。

アイソパイプが、一様に分布された荷重を受ける一様な断面を備えた梁であるという近似条件を用いると、図３に示されているような単純に支持されている場合に関し、撓み輪郭は、注入口側からの距離ｘの関数として説明される。すなわち、

ここで、ω_０（Ｎ／ｍ）は一様に分布された荷重、Ｅはヤング率、Ｉは二次慣性モーメント、Ｌはアイソパイプの長さである。もし、図４に示すように、本発明により勾配変化を阻止するために、注入口側端部７２等にさらなる拘束素子９２が追加された場合には、撓み輪郭は下記のように変化する。すなわち、

図５は、全ての定数ω_０、Ｅ、ＩおよびＬが設定された後の０≦x≦１における単位数であるｕ_１，ｕ_２の値をプロットしたグラフである。全ての他の条件は同じと仮定すると、アイソパイプのサグは、単純な梁の場合（曲線Ａ）に関する約０．０１３の値から、アイソパイプの注入口側端部７２に拘束素子９２を追加したことにより０．００５４に減少することが示されている。その結果、アイソパイプの注入口側端部７２に単一の垂直拘束素子９２を用いた本発明の実施の形態において、サグは約５９％だけ減少した。これは、単純に支持された条件におけるサグの僅か４１．５％に過ぎない（曲線Ｂ）。注入口側端部７２の反対側の端部７４（一般に圧縮側端部と呼ばれる）上に第２の垂直変位拘束素子９４を用いた本発明の第２の実施の形態において、この場合はアイソパイプの両端部が拘束すなわち押圧されているので、さらにサグを減少させることができる。

本発明のさらなる実施の形態においては、固定された拘束素子を用いる代わりに、もし我々が、アイソパイプの注入口側端部７２および圧縮側端部７４の頂面間の段差または力ならびに垂直拘束力をコントロールすれば、非対称的なサグ輪郭を生じさせる断面変化に関わり無く、注入口側端部から圧縮側端部までの対照的なサグ輪郭を得ることができる。すなわち、一般的に垂直拘束素子は、それが接触している表面の如何なる垂直方向に動きをも許容しない固定された拘束素子である。しかしながら、もしこのさらなる実施の形態において、拘束素子の剛性がコントロールされるとすれば、アイソパイプのサグの軽減に加えて、注入口側端部から圧縮側端部までのサグ輪郭をもコントロールすることができ、このことは、得られるガラス製品の特性および品質におけるさらなる改良を招く結果となる。したがって、上記拘束素子は、固定された剛直な拘束素子であれ、あるいは拘束素子によって印加される力の調整を可能にする調整可能な拘束素子（限定ではなく、例えばＣ字型クランプ）であれ、垂直方向の動きを阻止し、あるいは選択された垂直方向の動きを許容することができる。

したがって本発明は、一つの態様において、フュージョン・ドローイング・システムに用いるためのアイソパイプに関するもので、このアイソパイプは、それを貫通して長手方向に延びる開口部を有してこのアイソパイプの両端間に沿った溶融ガラスの流通を容易にしている長手方向に延びる耐熱性素子であり、この素子は、その第１および第２の端部をこれら両端部の下方の支持体によって支持され、重力に起因するサグに抗するために、上記アイソパイプの第１および第２の端部の少なくとも一方の上方に垂直拘束素子を配置しかつ接触させているのが改良点であり、上記アイソパイプの上方においてこのアイソパイプ接触している垂直拘束素子は、アイソパイプに力を加えて、このアイソパイプの垂直方向の動きを阻止し、かつ上記アイソパイプのサグおよび／またはサグの進行度合いを軽減している。上記垂直拘束素子は、固定された剛直な垂直拘束素子または調整可能な垂直拘束素子とすることができる。

したがって、図６に示された実施の形態においては、アイソパイプ７０の一方または双方の端部領域１７２および１７４が、力を印加するための１個または複数のクランプ（限定ではなく、例えば、緊締のための可動素子（不図示）を有するＣ字クランプ）によってそれぞれ独立的に支持されており、このようなクランプは、クロスハッチングが施された素子１９２および１９４として図６に示されている。クランプ１９２および１９４は、これらクランプが支持およびクランプの双方を行なうように図３の支持ブロック８０上に支持されることができ、あるいは、アイソパイプ７０が図３の支持ブロック８０に支持され、かつクランプ１９２および１９４が、アイソパイプおよび支持ブロックの双方の周りに配置されることもできる。

したがって本発明は、フュージョンガラス作製工程において用いられるアイソパイプのサグの進行度合いを軽減するための方法に関するものであり、この方法は、長手方向軸線、中間領域、ならびに第１および第２の端部領域を有する１本のアイソパイプを提供し、上記第１および第２の端部領域を支持体上に配置することにより上記第１および第２の端部領域を支持し、これによって前記端部の下方への動きを阻止し、かつ重力に起因するサグに抗するために、上記アイソパイプの上記第１および第２の端部の少なくとも一方の上方に垂直拘束素子を配置しかつ接触させる諸ステップを含み、上記アイソパイプの上方に配置されかつこのアイソパイプに接触する上記垂直拘束素子が、上記アイソパイプに力を印加して、上記アイソパイプの垂直方向の動きを阻止しかつこのアイソパイプのサグおよび／またはサグの進行度合いを軽減する。この方法に用いられる上記垂直拘束素子は、固定された剛直な垂直拘束素子であっても、あるいは調整可能な垂直拘束素子であってもよい。本発明の方法は、少なくとも１個の垂直拘束素子をも、あるいはアイソパイプの両端に印加される圧縮力をも備えていない方法に比較して、少なくとも４０％だけアイソパイプのサグおよび／またはサグの進行度合いを軽減する。

以上、限られた数の実施の形態に関して本発明を説明したが、本明細書の恩恵を受ける当業者は、ここに開示されている本発明の範囲から離れることなしに、別の実施の形態を案出することができることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の請求項のみによって限定されるべきものである。

９ 供給パイプ
１１ 収集トラフ
１３，７０ アイソパイプ（フュージョンパイプ）
１５ アイソパイプの底縁
１７ 牽引手段
１９ 中立軸線
２１，８０ 支持体
７２，７４，１７２，１７４ アイソパイプの端部
９２，９４，１９２，１９４ 垂直拘束素子
１００ アイソパイプの長手方向軸線
１９２，１９４ 拘束クランプ

Claims (8)

1. フュージョン法によるガラス製造に用いられるアイソパイプのサグ進行度合いを軽減する方法であって、
   長手方向軸線、中間領域、ならびに第１および第２の端部領域を有する１本のアイソパイプを提供し、
   前記第１および第２の端部領域を支持体上に配置することにより前記第１および第２の端部領域を支持し、これによって前記端部の下方への移動を阻止し、かつ
   前記アイソパイプの前記第１および第２の端部の少なくとも一方の上方に、接触して垂直拘束素子を配置して、重力に起因するサグに抗する、
   各工程を含み、
   前記アイソパイプの上方に、接触して配置された前記垂直拘束素子が、前記アイソパイプに力を印加して、前記アイソパイプの垂直の動きを阻止しかつ該アイソパイプのサグおよび／またはサグの進行度合いを軽減することを特徴とする方法。
2. 前記力を印加する垂直拘束素子が、固定された剛直な拘束素子であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記力を印加する垂直拘束素子が、該拘束素子によって印加される力をコントロールするために調整可能な拘束素子であることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記垂直拘束素子が、前記第１の端部の上方に、接触して配置され、かつ該第１の端部に対し下方へ向かう力を印加することを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記垂直拘束素子が、前記第１および第２の端部の上方に、接触して配置され、かつ該双方の端部に対し下方へ向かう力を印加することを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記方法が、前記少なくとも一方の拘束素子を用いること乃至は前記アイソパイプの両端間に印加される圧縮力を印加することを含まない方法に比較して、前記アイソパイプのサグまたはサグの進行度合いを少なくとも４０％軽減することを特徴とする請求項１記載の方法。
7. フュージョン・ドローイング法に用いるためのアイソパイプであって、該アイソパイプは、両端間に沿った溶融ガラスの妨げられない流動を容易にするために、該アイソパイプを貫通して長手方向に延びる開口部を有する耐熱性素子からなり、かつ該アイソパイプの第１および第２の端部は、該両端部の下方の支持体によって支持されたものにおいて、
   改良点は、重力に起因するサグに抗するために、前記アイソパイプの第１および第２の端部の少なくとも一方の上方に、接触して配置された垂直拘束素子を追加したことを含み、
   前記アイソパイプの上方に、接触して配置された前記垂直拘束素子は、前記アイソパイプに力を印加して、前記アイソパイプの垂直の動きを阻止し、かつ該アイソパイプのサグおよび／またはサグの進行度合いを軽減するものであることを特徴とするアイソパイプ。
8. 前記垂直拘束部材が、固定された剛直な垂直拘束部材および調整可能な垂直拘束部材からなる群から選ばれたものであることを特徴とする請求項７記載のアイソパイプ。

Images