(57)【要約】  ノズルまたは指向性流体誘導子等の流体噴射手段を通じて流体エネルギー（圧搾された気体または液体）を罫書かれたシート材料に印加することによって、平らなまた反らされたガラス等の脆弱な材料からなるシートが罫書き線に沿って分離される。分離時間は、平滑なエッジ品質を得ながら１秒未満にすることができる。脆弱な材料は、移動している帯状のガラスシートまたは静止しているシートの何れの形態であってもよい。罫書き線に沿ったクラックの伝播を促進するために、罫書き線を横切る方向に荷重（張力）を掛けることができる。最良の結果を得るために、コントローラが、材料の特性および構造に応じて、流体圧力、噴射時間およびその他の処理パラメータをコントロールする。
2010509179.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
罫書き線を有する脆弱な材料からなるシートを分離させる方法であって、
付勢された流体流を、十分な流体エネルギーをもって前記罫書き線に沿って前記シートに衝突させて、該罫書き線に沿ってクラックを生じさせかつ伝播させるステップを含むことを特徴とする、シートの分離方法。
【請求項２】
前記罫書き線と平行に延びる全長を備えた細いスロットを画成するノズルを流体噴射手段上に提供するステップを備え、前記流体流を衝突させるステップが、前記スロットを通じて前記流体流を噴射させることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記スロットが、少なくとも約１０から２０までの縦横比を有することを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記流体流を衝突させるステップが、前記ノズルを前記罫書き線に沿って移動させて、前記クラックを伝播させることを含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記流体流を衝突させるステップが、該流体流を前記罫書き線に沿って移動させないことを含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記流体流を衝突させるステップが、加圧された流体を、前記シートの罫書かれていない側の面上の前記罫書き線と一致する位置に集中された流れとして衝突させるように構成された流体噴射手段を提供することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記シートに対して、前記罫書き線に垂直な方向に張力を印加することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記罫書き線の全長さを横切る方向に張力を印加することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記張力を印加するステップが、シート幅１ｍｍに対して少なくとも約０．０１ポンド（４．５グラム）の力を印加することを含む特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
罫書き線を有するシートを分離させるための装置であって、
付勢された流体を誘導して前記シートに衝突させ、かくして該付勢された流体を、前記罫書き線に沿ったクラックの発生および伝播に用いるように配向されかつ位置決めされたノズルを有する流体噴射手段を備えていることを特徴とする、シートを分離させるための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脆弱な材料からなる流体衝撃によるシートの分離に関し、特に、上記脆弱な材料に印加された流体エネルギーの印加に応答し、罫書き線に沿ったクラック発生および伝播に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガラス、アモルファスガラス、ガラスセラミックまたはセラミック材料等の脆弱な材料からなるシートを裁断および整形して、所望の形状または寸法を有するシート片を形成するために、二種類の技術が常套的に利用されている。
【０００３】
第１の常套的な方法は、（ダイアモンドまたはタングステンのチップ等の）硬い素子により脆弱な材料の表面を罫書く機械的スクライビングを含み、この材料は次いで印加される大きな曲げモーメントに応答して罫書き線に沿って破断される。シート内部に応力を分布させるために、上記シートは一般に水平および垂直（移動）の双方向に面外へ反らされる。一般的に、上記曲げモーメントは、上記脆弱な材料を罫書き線の周りで物理的に曲げることによって印加される。しかしながら、曲げることは上記罫書き線に沿って多数の割れ目を生じさせる可能性があり、かつクラックアウト（すなわち、クラックが罫書き線から外れて延びる）さえ生じさせる可能性があるので、上記シートの曲げモーメント量および曲げ動作量は注意深くコントロールされなければならない。大型のシートに関しては、反りの度合いが増大する傾向があり、曲げによる分離を困難およびコントロール不能にする。曲げることはまた、シート形状に乱れを生じ（その反った形状のために）、曲げ工程においては、曲げ中はシートを強制的に平らにし、次いで分離後にシートを解放することになる。これはシートに大きな応力を与える原因となる。最悪の場合、シートの反りの程度が大きいと、曲げによる分離が不能になる。これに加えて、曲げによる分離は、エッジに沿ってチップを発生させるエッジ磨りを行なう機会を提供する可能性がある。
【０００４】
第２の常套的な技法は、特許文献１に記載されているようなレーザースクライビングを含む。一般的なレーザースクライビングは、脆弱な材料の局部領域を連続波レーザーで加熱し、次いでガス、または水等の流体等の冷媒を施すことによって、加熱ゾーンを直ちに急冷する。レーザーで罫書かれた材料の分離は、機械的罫書きと同様の曲げを利用した機械的切断により、またはより高いエネルギーの第２のレーザービームにより達成することができる。より高いエネルギーの第２のレーザービームを用いると、曲げを伴わない分離を可能にするが、この分離はゆっくりとしており、かつクラック伝播のコントロールが困難なことが多い。また、第２のレーザービームは、熱管理を必要とし、かつ高い残留応力を誘引する。
【０００５】
特に、硬い尖ったプローブを用いて罫書き線に沿ってシートを叩く等の、シートに対する物理的／機械的接触は、ガラスシートを破壊し、および／または欠けを生じさせる危険性がある。さらに、クラック分離後に、新たに形成された二つのエッジが互いに擦りあって、欠け等のエッジ欠陥を生じさせる危険性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５,７７６,２２０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
それ故に、脆弱な材料からなるシートの曲げが最小限に抑えられ、かつシートの取扱いも最小限で済み、さらに、硬い物体とガラスシートとの物理的な接触を最小限にする、迅速な、再現可能でかつ一様な分離に対するニーズが存在する。垂直形成工程（牽引）または水平形成工程（例えばフロートガラス）において使用することができる、乱れが最小限に抑えられた分離に対するニーズも存在する。また、強引な曲げによる分離に通常的に付随するツイストハックル（twist-hackle）歪みを低減して、切断エッジ品質を改善することに対するニーズも存在する。材料の物理的な曲げも、極端な熱勾配の誘引も必要とすることなしに、脆弱な材料の罫書き線に沿った一貫性のある分離に対するニーズも存在する。連続的に移動する脆弱な材料からなる帯状体から、この帯状体に沿って上流側へ伝播する可能性のある乱れの発生を低減しながら、極めて短い時間（１秒未満）内でシートを分離させることに対するニーズも存在する。
【０００８】
したがって、上述の問題を解決しかつ上述の利点は備えている装置および方法が要望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、曲げモーメントの印加を必要とせずに、かつ硬いまたは尖ったプロブを必要とすることなしに、罫書き線に対する流体（例えば水、空気）による力の印加を通じて、大きな剪断動作を発生させることなしに衝撃負荷を通じて脆弱な材料の迅速な分離を行なうものである。また、本発明のシステムはまた、連続的に移動する脆弱な材料からなる帯状体から、この帯状体内への乱れの誘引を低減しながら、迅速な、再現可能でかつ一様な分離を行なうものである。本発明のシステムはさらに、強引な曲げによる分離に通常的に観測されるツイストハックル歪みを低減した脆弱な材料からなるシートの分離を可能にし、したがって、エッジ品質を改善し、かつ分離によって生じるガラス微粒子を低減するものである。本発明のシステムは、静止した、独立したまたは固定された材料シートの分離に用いることができる。しかしながら、帯状材料からシートを分離させる特別の用途が見出され、さらに、移動しているガラスの帯状体からガラスシートを分離させる用途が見出された。
【００１０】
本発明の一つの態様において、脆弱な材料からなるシートを分離させる方法は、付勢された流体流を十分な流体エネルギーをもって罫書き線に沿って上記シートに衝突させて、罫書き線に沿ってクラックを生じさせかつ伝播させることを含む。
【００１１】
本発明のさらに別の態様において、罫書き線を有するシートを分離させるための装置は、上記罫書き線に沿ってクラックを発生かつ伝播させるために、付勢された／圧搾された流体を上記罫書き線に沿ってシートに向けるように支持されかつ位置決めされたノズルを有する流体噴射手段を備える。
【００１２】
本発明の一つの目的は、単一のエアバーストによって、清潔かつ反復可能な工程の一部として、ガラス等の脆弱な材料を分離させることにある。
【００１３】
本発明のさらなる特徴および効果は、後述の詳細な説明に記載されており、その一部は、当業者であればその記載内容から直ちに明らかとなり、かつそこに記載されている本発明の実施によって認識するであろう。説明の目的で、下記の記載内容はガラス製造に関して説明されている。しかしながら、添付の請求項に規定されかつ説明されている本発明は、それらの請求項において脆弱な材料はガラスであると特定していない限り、そのように限定されるべきではないことを理解すべきである。
【００１４】
上述の概略説明および後述の詳細な説明は、本発明の単なる実施の形態であって、請求項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観または骨組みを提供することを意図するものであることを理解すべきである。また、下記に説明され、かつ請求項に記載されている本発明の好ましい実施の形態およびその他の実施の形態のみでなく、本発明の上に掲げられた特徴は、単独的に、あるいは何れかとまたは全てと組み合わせて用いられるものである。
【００１５】
添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために備えられたものであって、本明細書に含まれ、その一部を構成するものである。図面は、本発明の種々の実施の形態を示すもので、記述内容とともに本発明の精神および動作の説明に資するものである。図面に示された種々の特徴部分は、必ずしも当寸で描かれてはいない。実際に、議論の明確化のために寸法は恣意的に拡大または縮小されている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】脆弱な材料の帯状体を形成するための装置の概略的斜視図である。
【図２】脆弱な材料の帯状体を形成するための装置の正面図である。
【図３】帯状体のエッジの拡大図である。
【図４】改良された静止装置の概略的拡大正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
説明のためのものであって限定するものではない下記の詳細な説明において、具体的な詳細内容を開示する実施の形態は、本発明の完全な理解を提供するための説明である。しかしながら、本明細書の恩恵を受けた当業者には、ここに開示された具体的な詳細説明から離れた別の実施の形態を実施することが可能であることが明らかであろう。さらに、本発明の説明を不明瞭にしないために、周知の装置、方法および材料の説明は省略されている。
【００１８】
本発明の装置および方法は、脆弱な材料を大きく曲げることを必要としないで衝撃で誘発される脆弱な材料の分離を行なうものである。さらに本発明の装置および方法は、硬い物体による単一の強力な打撃を用いることを避けてクラック伝播を生じさせものである。本発明の装置および方法はまた、分離時間およびエッジ品質をコントロールする方法を提供するものである。一つの構成（図１および図２参照）において、本発明は、帯状体の上流側へ伝播する可能性のある乱れを誘導することなく、移動する帯状材料から、脆弱な材料からなるシートを分離させるものである。別の構成（図４参照）においては、ガラスシートが静的な／静止しているバッチ形式の作業において、ガラスシートがより小さいサイズのシートに裁断された。説明の目的で、移動する帯状ガラスからガラスシートを分離させる図３の装置について最初に説明する。
【００１９】
図１は、フュージョン法において一般的に用いられるガラス製造装置１０の概略的ブロック図である。この装置１０は、溶融ガラス（不図示）をキャビティ１１内に受容する成形用アイソパイプ１２を備えている。溶融ガラスはキャビティ１１の両上縁をオーバーフローしてアイソパイプ１２の両外側面に沿って底縁１４まで流れ下り、ガラス帯状体２０を形成する。このガラス帯状体２０は、上記底縁１４を離れた後、ガラス帯状体２０の膨らんだエッジ部分３６に固定されているエッジローラ１６を横切る。脆弱な材料からなる帯状体２０は、このようにして形成されかつ上記底縁１４から自由末端２２まで延びる長さを有する。このようなドローダウン・シート法すなわちフュージョン法は、米国特許第３,３３８,６９６号（発明者 Dockerty）明細書および米国特許第３,６８２,６０９号（発明者 Dockerty）明細書に記載されており、その内容がここに引用される。しかしながら、水平フロート形式のガラス製造装置のみでなく、ラミネーティッド・ダウンドロー法、スロット・ダウンドロー法およびラミネーティッド・フュージョン法等の、別の形式のガラス製造装置を本発明に用いることも可能なことに注目すべきである。
【００２０】
ガラス帯状体２０がアイソパイプ１２を流れ下るにつれて、この帯状体は、上記低縁１４においては厚さが例えば５０ｍｍの柔軟な液状体から、上記末端２２における、例えば厚さが約０．０３〜２．０ｍｍで幅が１０００ｍｍ以上の硬い帯状ガラスに変化する。
【００２１】
スクライビング・アセンブリ４０は、帯状体２０の第１面７２上に罫書き線２６を形成するのに用いられる。このスクライビング・アセンブリ４０は、罫書き針および適当な構造の罫書き台を備えている。説明の目的で、罫書き針および罫書き台は、移動の観点から図２には示されている共通のキャリッジ１００上に取付けられている。このキャリッジ１００は、フレーム１０２に対して移動可能であり、キャリッジの移動は、帯状体２０の速度ベクトルに一致させるために、モータ、ギア、ラックアンドピニオン等の機械的、電気機械的を含む種々の機構の何れかによって与えられる。荷重印加アセンブリ８０は、より迅速なクラック伝播を通じて分離を容易にしかつ加速させるために用いられる。荷重は、最適の結果を得るために変えることができるが、例えば２ポンド（９０７ｇ）から８０ポンド（３６．３kg）である。荷重は、少なくとも約０．２ポンド／インチ（３５．８ｇ／ｃｍ）（すなわち、幅１３００ｍｍのシートについて約１０ポンド（４．５kg））またはためには２５〜８０ポンドもの、より高い力が、１秒未満または０．５秒等の迅速な分離を達成するのを助ける。
【００２２】
図３に示されているように、流体を圧搾し、かつガラスシートの罫書かれていない側の面へ向けて罫書き線２６に位置を合わせて加圧流体流を衝突させるための流体噴射手段７０が用いられる。この流体流は、ガラスに対して１本のバースト流としてガラスにぶつけられ、エアが用いられる場合には清潔かつ効果的である。流体噴射手段７０はキャリッジ１００または類似の手段上に取り付けることができ、キャリッジ１００、スクライビング・アセンブリ４０および流体噴射手段７０は、共にコントローラ７７によってコントロールされる。流体噴射手段７０は、ガラスシート２０の罫書かれていない側の面から罫書かれている側の面に向かって、圧搾／加圧された流体７１を急激に放出するように構成されている。
【００２３】
流体噴射手段７０のノズルの好ましい形状は、一般に罫書き線と平行な長さを有する細長い長方形であるが、円または楕円等の他の形状のものを用いてもよい。長さ／幅比が分離に影響を与えることは明らかである。開示されたノズルに関する長さ／幅比の推奨範囲は１０〜２０、特に１５〜２０の間が好ましいが、比率が高い程より好ましい。しかしながら、比率が高過ぎると、クラックを生じさせるための加圧流体の多くが逸れてしまう可能性がある。幅１０００ｍｍ、厚さ０．７ｍｍのガラスシートに１秒未満の迅速な分離を生じさせるためには、長さ２〜６インチ（５１〜１５２ｍｍ）、幅０．１２５〜０．２５インチ（３．２〜６．４ｍｍ）のスロットが効果的に用いられた。ノズルとガラス表面との間の距離は、分離に影響を与える他の大きなパラメータである。もしノズルが近過ぎると、分離後のエッジを損傷させかつシート振動を生じさせる可能性がある。もしノズルが遠過ぎると分離が生じない。しかしながら、好ましい距離は、作業パラメータ、ガラスの形式および厚さ、ならびに関連要因に応じて変化する。多くの場合、分離されたエッジが自由に移動したり、擦り傷を受けたりすることを防止するためには、エッジガイドまたはエッジ拘束手段が推奨される。効果的な分離を行なうためには、最初のバースト流が重要である。噴射される流体流は、衝撃波を発生させ得るのに十分なように考慮される。
【００２４】
図３に矢印によって概略的に示されているように、流体７１がガラスシート２０の表面を打撃するのにつれて、接触領域に動的な局部負荷が印加される。図３に概略的に示されているように、衝撃領域の近傍に生じた応力は、罫書き線側の面７２に近い部位７４においては張力であり、衝撃を受けた側の面７３においては圧縮力である。局部的応力は、クラックチップ（二次元）またはクラック先端（三次元）における集中された引っ張り応力の原因となる。クラックはシートの厚さ方向へ伝播し、動的曲げ応力が臨界値を上回ると、動的応力拡大係数がガラスシート内の臨界応力拡大係数を超える結果として、Ｉモードの破壊が発生する。罫書き線に沿ったクラックの伝播は、流体衝撃により誘引される振動によって促進される。高速度ビデオ工程分析によれば、シートの明らかに眼に見える横方向の動きおよび曲げを伴うことなしにシートが分離することが明瞭に示されている。
【００２５】
応力拡大係数は一般に、構造およびクラックの形状、印加された引っ張り応力、ならびにクラックサイズの関数である。図示された流体噴射手段７０は、この手段が罫書き線に沿って移動せしめられるのにつれて流体７１を排出して、罫書き線２６とは反対側の面上に衝突させるが、この流体７１に流れは、罫書き線に対して垂直な方向の幅が狭く、かつ罫書き線に沿った方向の形状は僅かに広い可能性がある。流体圧、噴射持続時間および流体噴射手段７０の位置および距離は、シート２０の幅に応じて変えられるように、および／または流体流が最適なクラック発生特性を備えるように考慮される。引っ張り応力が罫書き線側に誘引され、かつ圧縮応力が反対側の面に発生するので、もし衝撃が罫書き線とは反対側に印加されると、本発明の構成が最良に動作することが予測される。また、シートに引っ張り荷重を印加すると、衝撃エネルギーをより効果的に転移させ、したがって分離を促進させることが予測される。
【００２６】
例えば、流体が空気等の気体で或る場合、約３／１６インチ×５インチ（４．７ｍｍ×１２７ｍｍ）（または直径１インチ（２５．４ｍｍ））のノズル開口部を通じた約３００psi（２ＭＰａ）の圧力がガラスシートを良好に分離させる。流体が水の場合には、約１／１６インチ×４インチ（１．６ｍｍ×１００ｍｍ）（または直径３／１６インチ（４．７ｍｍ））のノズル開口部を通じた約５００psi（３，５ＭＰａ）の圧力がガラスシートを良好に分離させる。
【００２７】
図４は、より大きいガラスシートをより小さいガラスシートに裁断する等のガラスシート２０を裁断するためのバッチ形式の工程を表す概略図を示す。ガラスシート２０は、３個のクランプ７５によって頂部から垂直に支持されている。底部においては真空カップ７６がシートに対してダウンフォースを加える。罫書き後、空気流噴射手段７０が、罫書かれていない面側から空気等の圧搾された流体でガラスシート２０を打撃する。空気流噴射手段７０は罫書き線２６に沿って移動せしめられて分離を生じさせる。分離に影響を与える処理／装置変数は、流体噴射手段に動作的に接続されたコントローラ７７によってコントロールされることができる。上記処理／装置変数は、流体圧力、噴射時間、オリフィス形状、噴射手段からガラス表面までの距離、衝撃印加部位、流体温度および粘度、ならびにシートに加えるダウンフォースを含む。これらは、分離工程における最良の結果を得るために、適切にコントロールされることが考慮される。幅１３００ｍｍのシートに対して、分離は一貫性がありかつ瞬間的（１秒未満）であったために、圧搾空気を用いた最初のテストは有望な結果を生んだ。最初の破砕エッジ分析によれば、他の周知の分離工程のそれに類似したパターンを示したが、接触領域損傷は存在しなかった。
【００２８】
以上、特定の実施の形態について本発明を説明したが、種々の変形および変更が可能なことは、上述の記載に照らして当業者には明らかであろう。したがって本発明は、添付の請求項の精神および範囲内で行なわれた全ての変形および変更を包含することを意図するものである。
【符号の説明】
【００２９】
１０  ガラス製造装置
１１  キャビティ
１２  アイソパイプ
１４  アイソパイプの底縁
１６  エッジローラ
２０  ガラス帯状体
２６  罫書き線
３６  ビード
４０  スクライビング・アセンブリ
７０  流体噴射手段
７１  流体
７５  クランプ
７６  真空カップ
７７  コントローラ
８０  荷重印加アセンブリ
１００  キャリッジ
【図１】
2010509179.tif 000003
【図２】
2010509179.tif 000004
【図３】
2010509179.tif 000005
【図４】
2010509179.tif 000006
【国際調査報告】
2010509179.tif 000007
2010509179.tif 000008
2010509179.tif 000009