JP7294887B2 - 板ガラスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、板ガラスの製造方法に関する。

従来、板ガラスの製造方法には、溶融したガラス素材を２本のローラー間に通して引き延ばすロールアウト法がある（例えば特許文献１参照）。この製造方法では、ガラス素材が２本のローラーで引き延ばされた後に徐冷される。徐冷後のガラス素材は、所望の大きさの板ガラスとなるよう切断される。この方法は、例えば１辺が３０ｃｍ以上となる大判の板ガラスを作成し易いという特徴がある。しかし、この方法は、ガラス表面を平滑な鏡面とし難く、または精度の高い形状（凹凸等を含む形状）をガラス表面に作り込むことが困難である。

また、板ガラスの製造方法には、例えば溶融したガラス素材をフロートバス（溶けた錫で満たされたプール）に投入するフロート法がある（例えば特許文献２参照）。この製造方法では、ガラス素材がフロートバス通過後に徐冷される。徐冷後のガラス素材は、所望の大きさの板ガラスとなるよう切断される。この方法は、例えば１辺が３０ｃｍ以上となる大判の板ガラスを作成し易いという特徴がある。さらに、この方法は、ガラス素材が錫上に浮くようにしてフロートバスを通過することから、フロートバス通過後においてガラス表面の平滑度が高くなり鏡面とし易くなる。しかし、フロートバスを利用することから、精度の高い形状等をガラス表面に作り込むことができない。

さらに、レンズ等のガラス加工にはリヒート成型なるものがある（例えば特許文献３，４参照）。この加工方法においては、まず最終製品と同程度の大きさのガラス部材（ブランク、プリフォーム等と呼ばれる）が用意される。その後、そのガラス部材は軟化点よりも低い温度に加熱され、所定形状の金型にて押圧される。次いで、ガラスは、金型に保持されたまま歪点まで冷却される。このような加工方法では、ガラス表面の平滑度を高めたり、精度の高い形状をガラス表面に作り込んだりすることができる。しかし、上記加工方法はレンズ等の光学部材の作製に適した方法であって、例えば１辺が３０ｃｍ以上となる大判の板ガラスを作成することはできない。

詳細に説明すると、精度の高い形状を作製するためには、軟化点よりも低い温度で成形する必要があるが、その場合１０～１００気圧程度の押圧が必要で、それでも変形させる量に限界があるため、最終形状に近い形状に予め溶融固化したガラス材料を作製して必要量を切断し、砂ずり等の方法により重量調整を施す等したブランクやプリフォームを準備する必要があったが、予め溶融固化する方法で大判のブランクやプリフォームを準備することは困難であった。

また、歪点まで冷却されたガラスが成形金型に貼り付いてしまうことを防止すべく、ガラスと成形金型との熱膨張係数差を大きくしている。しかし、１辺が３０ｃｍ以上となる大判の板ガラスについては、このような熱膨張係数差によって割れが生じてしまう。特に、複数の凸部または凹部を持つ形状にプレスをする場合に熱膨張係数の差による割れは容易に起こる。

なお、ここで精度の高い形状をガラス表面に作り込む、とは、均一の厚みの板ガラスに厚い部分と薄い部分との差が１ｍｍ以上ある形状パターンを成形するものであり、板ガラスの厚みをおよそ一定に保ったまま曲げようとする曲げガラスの成形を意図したものではない。

特開昭５５－１０９２３７号公報 特開昭６０－０１６８２４号公報 特開２０１４－１９６２４４号公報 特開平１－２１２２４０号公報

以上のように、上記特許文献１～４に記載の方法では、大判の板ガラスの表面に対しての平滑度を高めて綺麗な面とする（以下鏡面処理という）と共に精度の高い形状を実現することが困難となってしまう。このため、所定の形状を利用して太陽光を反射したり取り込んだりする窓ガラス等に利用する場合には、意図しない太陽光の反射や取り込み等が生じることとなってしまう。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、大判の板ガラスの表面に対して鏡面を持つと共に精度の高い形状、特に複数の凸部または凹部を持つ形状、さらには凹凸が繰り返されるパターン形状を形成することができる板ガラスの製造方法を提供することにある。

本発明に係る板ガラスの製造方法は、少なくとも３０ｃｍ以上の辺を有すると共に表面に所定の形状が形成された板ガラスの製造方法であって、表面に所定の形状が形成されていない未形成板ガラスを軟化点よりも低く、且つ所定圧以上のプレスによって形状変化可能な温度まで加熱し、加熱された板ガラスを、所定の形状を形成するための型構造とされた成形金型によってプレスして表面に所定の形状が形成された加熱状態の板ガラスを成型し、成型された板ガラスを成形金型で保持した状態で歪点まで冷却させる。さらに、この製造方法は、歪点における板ガラスとの熱膨張係数の差が２．０×１０^－６／Ｋ以下の成形金型でプレスを行う。未形成板ガラスとして、フロート法により生産された板ガラスを使用することが望ましく、中でも常温域での熱膨張係数が８．５～１０．０×１０^－６／Ｋのソーダ石灰ガラスである板ガラスを使用することが好ましい。

本発明によれば、未形成板ガラスを歪点より高く軟化点よりも低く、且つ所定圧以上のプレスによって形状変化可能な温度まで加熱し、加熱された未形成板ガラスを、所定の形状を形成するための型構造とされた成形金型によってプレスして成型された板ガラスを成形金型で保持した状態で歪点まで冷却させる。このため、リヒート成型と同様に冷却されるまで板ガラスの形状を保持して、板ガラスの表面に対して鏡面処理すると共に精度の高い形状を形成することができる。ここで、大判の板ガラスを製造する際には、小型のガラス材を製造する場合とは異なり、成形金型との熱膨張係数の差によって冷却時に板ガラスに割れが生じ得るが、歪点における板ガラスとの熱膨張係数の差が２．０×１０^－６／Ｋ以下の成形金型でプレスを行うことから、冷却を行う第４工程においてこのような懸念も払拭される。従って、大判の板ガラスの表面に対して鏡面処理すると共に精度の高い形状を形成することができる。

本発明の実施形態に係る板ガラスの製造方法によって製造された板ガラスの一例を示す斜視図である。 本実施形態に係る板ガラスの製造方法を示す工程図であり、（ａ）は第１工程を示し、（ｂ）は第２工程を示し、（ｃ）は第３工程を示し、（ｄ）は第４工程を示している。

以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾点が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用されていることはいうまでもない。

図１は、本発明の実施形態に係る板ガラスの製造方法によって製造された板ガラスの一例を示す斜視図である。

図１に示す例に係る板ガラス１は、少なくとも３０ｃｍ以上の辺を有する大判の板状ガラスであって、好ましくは６０ｃｍ以上の辺を有し、更に好ましくは１ｍ以上の辺を有するものである。この板ガラス１は、例えば一方側の面１ａに所定の形状１０が形成されており、他方側の面１ｂが平面となっている（すなわち平板のガラス板に所定の形状１０が付加されたものとなっている）。

所定の形状１０は、側面視して明らかなように一方側へ突出する三角プリズム１１となっている。各三角プリズム１１は、板ガラス１の法線方向に対して傾斜して突出する第１面１１ａと第２面１１ｂとを有している。第１面１１ａと第２面１１ｂとは例えば直交する関係にある。このため、三角プリズム１１は側面して直角三角形となっている。第１面１１ａ及び第２面１１ｂには、銀メッキによる反射面が形成されていてもよい。三角プリズム１１は連続して複数設けられている。

このような板ガラス１は、一方側の面１ａ（第１面１１ａ、第２面１１ｂ）や他方側の面１ｂの平滑度が高く鏡面処理されたものとされており、所定の形状１０を利用して、太陽光を好適に反射させたり取り込んだりすることができる光学レンズ（光学プリズム）として機能することとなる。なお、板ガラス１の厚み（最大部分）は、例えば２ｍｍ～２０ｍｍ程度である。また、所定の形状１０は、一方側の面１ａのみならず他方側の面１ｂにも形成されていてもよい。

図２は、本実施形態に係る板ガラス１の製造方法を示す工程図であり、（ａ）は第１工程を示し、（ｂ）は第２工程を示し、（ｃ）は第３工程を示し、（ｄ）は第４工程を示している。

まず、図２（ａ）に示すように、板ガラス１と同程度の大きさを有すると共に所定の形状１０が形成されていない大判の平板ガラス（未形成板ガラス）１００が用意される（第１工程）。なお、第１工程では、平板ガラス１００に限らず、表面に所定の形状１０が形成されていなければ、多少の凹凸を有した平板でない板ガラスが用意されてもよい。特に、第１工程では、最終形状となるガラス素材になるべく近い形状のものが用意されることが好ましい。加えて、第１工程では、後述の第２工程における加熱温度がなるべく小さく、熱膨張係数も比較的小さいものが選択されてもよいが、ソーダ石灰ガラスの青板と呼ばれるものや白板と呼ばれるもののように、加熱温度や熱膨張係数が比較的大きいものが選択されてもよい。

次に、図２（ｂ）に示すように、平板ガラス１００が下型（成形金型）ＬＤに搭載された状態で加熱される（第２工程）。この第２工程において、平板ガラス１００は、平板ガラス１００の素材の歪点（例えば５００℃）より高く軟化点（例えば７２０℃）よりも低く、且つ、所定圧（温度にもよるが例えば２．５ＭＰａ程度）以上のプレスによって形状変化可能な温度（例えば６９０℃付近）まで加熱される。また、第２工程における加熱は平板ガラス１００が略均一に温度上昇するようにされる。

その後、図２（ｃ）に示すように、平板ガラス１００に対して上型（成形金型）ＵＤを所定圧以上で押圧してプレスを行う（第３工程）。ここで、上型ＵＤは、所定の形状１０（図１参照）に対応した型構造となっており、プレスによって所定の形状１０が形成された加熱状態の板ガラス１が製造される。なお、第３工程では、所定の形状１０の第１面１１ａや第２面１１ｂの平滑度が高くなるように、上型ＵＤについても平滑度が高いものとされている。下型ＬＤも同様である。

次に、図２（ｄ）に示すように、所定の形状１０が形成された板ガラス１を上型ＵＤ及び下型ＬＤで保持した状態で歪点（例えば５００℃）まで冷却させる（第４工程）。ここでの冷却は自然冷却による徐冷となる。

歪点まで徐冷されると板ガラス１は成形金型Ｄから取り外され、成形金型Ｄ外で冷却される。

このように、上記した製造方法では板ガラス１が冷却されるまで上型ＵＤ及び下型ＬＤによって保持されることから、精密な形状を形成し易く、また鏡面処理を行うことができる。よって、板ガラス１に鏡面処理すると共に精度の高い形状を形成することができる。

しかし、大判の板ガラス１を製造する場合には、第２工程における加熱温度から歪点までの冷却の間に板ガラス１が割れてしまう可能性がある。例えば、１ｍ×２ｍの大判の板ガラス１を製造する場合、２ｍの長さの成形金型Ｄと板ガラス１とで膨張係数に２．０×１０^－６／Ｋの差があると、約２００℃の冷却（６９０℃付近から５００℃までの冷却）によって０．８ｍｍの長さの差が生じてしまう。そして、これを超える長さの差が生じると大判の板ガラス１には割れが生じてしまう。特に、成形しようとする形状が複数の凹または複数の凸を持ち、成形金型Ｄの熱膨張係数より板ガラス１の熱膨張係数が大きい場合には、成形金型Ｄと板ガラス１とがグリップし合い、板ガラス１に引っ張り応力が発生するため、割れやすい。

そこで、本実施形態に係る製造方法において第３工程では、成形温度から板ガラス１の歪点の間の温度帯においての熱膨張係数の、板ガラス１の歪点での熱膨張係数との差が２．０×１０^－６／Ｋ以下の成形金型Ｄでプレスを行う。これにより、大判の板ガラス１の割れを防止することができる。より好ましくは成形温度から板ガラス１の歪点の間の温度帯において熱膨張係数が板ガラス１の歪点での熱膨張係数より０～２．０×１０^－６／Ｋの範囲で大きい成形金型Ｄでプレスを行う。この場合、徐冷中の成形金型Ｄの収縮量が板ガラス１よりわずかに大きいために板ガラス１に適度な範囲の圧縮力がかかり、引っ張りに弱いガラスに引っ張り力がかかり割れの原因になることを防止できる。

なお、一般にガラスには歪点と軟化点との間に転移点と呼ばれる温度があり、その前後で熱膨張係数が大きく変わる。転移点より下、常温から歪点の温度域では熱膨張係数はほぼ一定である。転移点は熱処理等により変動する等特定が困難なため具体的な温度を例示しないが、本発明の成形温度は軟化点に近いため、成形後の徐冷中にこの転移点を通過する。転移点以上ではガラスに流動性があるため徐冷中の熱膨張差による割れが生じにくいが転移点以下で生じやすいため、歪点におけるガラスの熱膨張係数と、金型の熱膨張係数を比較している。

ここで、本実施形態では、平板ガラス１００として安価で鏡面処理されているフロートガラスを想定している。フロートガラスには、ソーダ石灰ガラスで製作される青板と呼ばれるものや、鉄分の少ない白板と呼ばれるものがある。青板や白板の熱膨張係数は常温から歪点までの間で８．５～１０．０ｘ１０^－６／Ｋ、より典型的には９．０～９．５×１０^－６／Ｋであり、歪点は４５０～５２０℃程度、軟化点は６９０～７３０℃程度である。一方、一般的な鋳造可能な金型材料の５００℃近辺での熱膨張係数はこれより大きく、また高融点材料や相溶性の低い材料の組み合わせ等、通常粉末の焼結により得られる金型材料の５００℃近辺での熱膨張係数はこれより小さい。例えば一般的な成形金型Ｄの素材の５００℃近辺での熱膨張係数は、マルテンサイト系ステンレス鋼（熱膨張係数：１３×１０^－６／Ｋ以上）、超硬合金（熱膨張係数：７×１０^－６／Ｋ以下）、及び、炭化ケイ素（熱膨張係数：３．９×１０^－６／Ｋ）等である。鉄とニッケルを組み合わせたインバー、さらにコバルトを組み合わせたスーパーインバー等の鉄・ニッケル系合金は鋳造可能でありながら原子間距離の膨張と原子半径の収縮の相殺により特異的に熱膨張係数を抑えられることが知られているが、５００～７００℃の温度域では使えない。アルミナやジルコニア等の金属酸化物系のセラミックは同様に金属酸化物であるガラスに近い熱膨張係数を持つが、加工が困難であり、また表面に水酸基を持つことから金属酸化物同士で結合性を持つため離型性が悪い。このため、本実施形態に係る成形金型Ｄについては特殊な金型素材を用いることとなる。なお、サーメットやその他のセラミック材料で製作した型も金型と呼ぶことにする。

具体的に本実施形態において成形金型Ｄの素材には、バインダーを増やして熱膨張係数を高めた超硬合金、熱膨張係数を高めたサーメット（特開２０１６－１２５０７３号公報、特開２０１７－２０６４０３号公報）、金属酸化物・窒化物・ホウ化物・ケイ化物等のセラミックスの一部、ガラスマトリックス中にフッ素金雲母の結晶を分散させ熱膨張係数を合わせたもの、単体でソーダ石灰ガラスに近い熱膨張係数を持つ白金族又は白金族系合金やクロム又はクロム系・クロム含有合金、熱膨張係数の大きい鉄に鉄膨張係数の小さい金属を組み合わせたモリブデン含有合金、タングステン含有合金等が考えられる（より具体的には冨士ダイス社ＷＣ－４０％ＣＯ超硬合金、冨士ダイス社炭化クロム基合金、冨士ダイス社ＫＦ合金、インコロイ９０９、日立金属ＨＲＡ９２９、ケイ化クロム、黒崎播磨マセライト等）。

さらに、本実施形態に係る製造方法において第３工程では、板ガラス１との接触面において高い離型性を持つか、離型性を高めるための表面処理が施された成形金型Ｄでプレスを行うことが好ましい。

詳細に説明すると、従来のリヒート成型では小型のガラス材を製造する関係上、金型とガラス材との貼り付き防止するために、むしろ熱膨張係数の差を設けるようにしていた。一方、本実施形態に係る大判の板ガラス１の製造方法においては、熱膨張係数の差が小さいことから板ガラス１が成形金型Ｄに貼り付き易くなってしまう。さらにリヒート成形では、押圧の圧力が増すほど、また型とガラス材との接触時間が増すほど、離型性が悪化することが知られている。特に、大判の板ガラス１を製造する場合には、小型のものを製造する場合よりも時間を掛けて加熱及び冷却を行うこととなるため、一層貼り付きが促進してしまう。

ところが、金型母材が高い離型性を持つか、離型性を高めるための表面処理が施された成形金型Ｄでプレスを行うことで、貼り付きによる問題を解消して板ガラス１を成形金型Ｄから取り外し易くすることができる。このためには、溶融状態のガラスと成形金型Ｄの表面の接触角が７０度以上であることが好ましく、９０度以上であることがより好ましい。成形金型Ｄの母材に表面処理が施される場合には、さらに表面処理の熱膨張係数も板ガラス１や成形金型Ｄの母材の熱膨張係数との差が２．０×１０^－６／Ｋ以内であることが好ましい。

具体的に表面処理は、例えば、特異的に溶融ガラスの濡れ性が悪く貼り付きの心配が少ない白金族系メッキや金合金メッキ、（特開２００１－２７８６３１号公報）、硬質金メッキやクロムメッキのメッキ処理であったり、クロム系合金の蒸着処理、金属窒化物やホウ化物、炭化物、ケイ化物等の超硬質膜であったりする。さらには特に成形金型Ｄの素材をクロムやクロム系合金としたときには、クロムメッキのメッキ処理やクロム系合金の蒸着処理は相性が良い。白金族金属は溶融ガラスに濡れにくいことが知られており、白金やロジウムは単体でも７０度以上の接触角を持つが、少量でも金を加えることでさらに接触角が増すことが知られており、好ましい。金は単体で１６０度程度の接触角を持つことが知られており、金をベースとして硬度等を改善した金合金メッキも好ましい。これらの粒子サイズが小さいものほど硬度が高く摩擦係数が小さいことが知られており、好ましい。さらには非晶質のアモルファスメッキであればさらに硬度が高く摩擦係数が小さく、なお好ましい。窒化物では、例えばＣｒＡｌＳｉＮが８０度程度の接触角を持ち、好ましい。窒化クロム、ケイ化クロムも１２０度程度以上の接触角を持つことが知られており（特開２００７－８４４１１）、好ましい。また、フッ素金雲母結晶を含有するガラスセラミックやそれにクロム化合物を混合して成形したものもガラスの非濡れ性が高いことが知られており（特開平６－６４９３７）、好ましい。これらの中でも特に金属クロムやクロム合金、白金や白金合金、ケイ化クロム、フッ素金雲母結晶を含有するガラスセラミックやそれにクロム化合物を混合して成形したものは熱膨張係数がガラスに近く、特に好ましい。これらは金型母材として使用されてもよいし、熱膨張係数は好適だが離型性のよくない金型母材で製作された金型の肉盛り、または薄膜の表面処理として使用されてもよい。

このようにして、本実施形態に係る板ガラス１の製造方法によれば、所定の形状を有しない平板ガラス１００を軟化点よりも低く、且つ所定圧以上のプレスによって形状変化可能な温度まで加熱し、加熱された平板ガラス１００を、所定の形状１０を形成するための型構造とされた成形金型Ｄによってプレスして成型された加熱状態の板ガラス１を成形金型Ｄで保持した状態で歪点まで冷却させる。このため、リヒート成型と同様に冷却されるまで板ガラス１の形状を保持して、板ガラス１の表面に対して鏡面処理すると共に精度の高い形状を形成することができる。ここで、大判の板ガラス１を製造する際には、小型のガラス材を製造する場合とは異なり、成形金型Ｄとの熱膨張係数の差によって冷却時に板ガラス１に割れが生じ得るが、板ガラス１との熱膨張係数の差が２．０×１０^－６／Ｋ以下の成形金型Ｄでプレスを行うことから、冷却を行う第４工程においてこのような懸念も払拭される。従って、大判の板ガラス１の表面に対して鏡面処理すると共に精度の高い形状を形成することができる。

また、板ガラス１との接触面において離型性を高めるための表面処理が施された成形金型Ｄでプレスを行うため、板ガラス１と成形金型Ｄとの熱膨張係数の差が少ないことによる離型性の悪化を抑えて、板ガラス１を取り外し易くすることができる。

また、板ガラス１との接触面（表面処理されているときには処理された表面）において溶融状態の板ガラス１との接触角が７０度以上となる成形金型Ｄでプレスを行うため、板ガラス１の成形金型Ｄへの貼り付きを抑えて、板ガラス１を取り外し易くすることができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、可能な範囲で適宜公知又は周知の技術を組み合わせてもよい。

例えば、上記実施形態において成形金型Ｄには離型性の高い母材が使用されるか表面処理が施されて離型性が高められているが、これに限らず、表面処理が施されることなく、エアーや不活性ガスの吹込みにより板ガラス１を成形金型Ｄから取り外し易くする等、他の手段が講じられてもよい。

さらに、上記実施形態において板ガラス１の所定の形状１０は三角プリズム１１であるが、これに限らず、他の形状であってもよい。

１ ：板ガラス
１ａ ：一方側の面
１ｂ ：他方側の面
１０ ：所定の形状
１１ ：三角プリズム
１１ａ ：第１面
１１ｂ ：第２面
１００ ：平板ガラス（未形成板ガラス）
Ｄ ：成形金型
ＬＤ ：下型（成形金型）
ＵＤ ：上型（成形金型）

Claims (3)

1. 少なくとも３０ｃｍ以上の辺を有すると共に表面に所定の形状が形成された板ガラスの製造方法であって、
   表面に所定の形状が形成されていない状態の未形成板ガラスを用意する第１工程と、
   前記第１工程において用意された未形成板ガラスを軟化点よりも低く、且つ所定圧以上のプレスによって形状変化可能な温度まで加熱する第２工程と、
   前記第２工程において加熱された未形成板ガラスを、所定の形状を形成するための型構造とされた成形金型によってプレスして表面に所定の形状が形成された加熱状態の板ガラスを成型する第３工程と、
   前記第３工程において成型された加熱状態の板ガラスを前記成形金型で保持した状態で歪点まで冷却させる第４工程と、を備え、
   前記第３工程では、前記板ガラスとの熱膨張係数の差が２．０×１０^－６／Ｋ以下の前記成形金型でプレスを行う
   ことを特徴とする板ガラスの製造方法。
2. 前記第３工程では、前記板ガラスとの接触面において離型性を高めるための表面処理が施された前記成形金型でプレスを行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の板ガラスの製造方法。
3. 前記第３工程では、前記板ガラスとの接触面において溶融状態の板ガラスとの接触角が７０度以上となる前記成形金型でプレスを行う
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の板ガラスの製造方法。

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