JP2015093822A - 強化ガラスと強化ガラスの面取り面の形成方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】割れに対する強度が大きな強化ガラスを提供すること。
【解決手段】強化ガラスは、ガラス基材の表側及び裏側の表裏両面の全体に前記ガラス基材を強化する強化層が形成され、該強化層１２の形成後にガラス基材を切断したガラス板１１であって、該ガラス板の表裏両面側の縁部が、面取りされる。ガラス板１１は、面取り後の縁部の面取り面に強化層１２を超えない部分が除去され、ガラス板の表面側の面取り面及びガラス板の裏面側の面取り面に沿って強化層が残余している。
【選択図】図７

Description

本発明は、電子機器などや一般のガラスに用いられる２面強化ガラス端面の面取り手法に関し、曲げや衝撃等によるガラス面の割れ強度を改善する強化ガラス及び強化ガラスの面取り方法に関する。

一般的に電子機器、特にスマートホンなどの携帯機器のカバーガラスでは、衝撃などによる割れ（クラック）を生じにくくするため、カバーガラスを強化層によって強化する。強化された形態としては、
（１）カバーガラスの表裏面及び側面全てを強化した６面強化品（特許文献１の図９参照）、
（２）カバーガラスの表裏２面のみを強化し、側面の４つの端面が強化されない２面強化品がある（特許文献２の図４参照）。本発明は特許文献２と同じ２面強化品に関する。
強化層を形成する手法としては、化学強化法や物理強化法があり、ガラス表面に圧縮応力を付加することで割れが進行しないようにしている。
化学強化法では、例えば、ガラス板中に混在させたナトリウムイオンと、カリウムイオンを含有した高温の浸漬溶液（例：硝酸カリウム溶融塩）中で相互に拡散させることで、室温に戻したときにガラス中にカリウムイオンの置換の生じた領域に圧縮応力を生じさせ、強化層を形成している。
また、強化ガラス板を作製する場合、大きなガラス基材を強化後、複数に分割し、更にガラス製品の外形に合わせた形状加工（外形加工）を行う。
ガラス基材を形状加工した場合、強化層を含めた側面には欠け（クラック）や微小なキズ（マイクロクラック）等が残っている。又、未強化の部分に欠けやキズ等が生じる場合もあり、それらを起点として、ガラスの破損が生じる事がある。

特開２０１３−５１８８００号公報 特開２０１１−１６４５０８号公報

これを防止するため、従来ではガラス基材（大判シート）を製品単位に分離して外形加工を行った後に、一般的には面取りを行って、強化層や強化層が形成されていない部分も含めて、割れやキズを除去し、さらなる割れやキズの進展を防止し取扱いを容易にしている。面取り方法としては、エッチング法や研削（研磨）法などがある。

また、ガラス基材に強化層を形成する場合に、ガラス基材を大判シートの状態で強化層を形成する場合と（特許文献２の図３、図４参照）、ガラス基材を切断した後、製品単位の形状にした状態で、個々に強化層を形成する手順がある（特許文献１の図８Ａ参照）。
本願発明は、強化層の形成されたガラス板の面取り形状に関するもので、外形加工されたガラス板の面取りを、特許文献２のように、ガラス基材を大判シートの状態で強化層を形成しかつ分離し、上述した特許文献１とは異なる手法によって可能にする強化ガラス及び強化ガラスの面取り方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の強化ガラスは、ガラス板の表裏両面の全体に前記ガラス板を強化する強化層が形成され、前記ガラス板の表裏両面側の縁部が、前記強化層の形成後に面取りされた強化ガラスにおいて、前記ガラス板は、前記縁部の面取り後の面取り面について、前記強化層を越えない部分が面取り除去され、前記面取り面の全体に前記強化層が残余するようにした。
また、上記目的を達成するために、本発明の強化ガラスは、ガラス基材の表裏両面の全体に前記ガラス基材を強化する強化層が形成され、該強化層の形成後に前記ガラス基材を切断したガラス板であって、前記ガラス板の表裏両面側の縁部が、前記強化層の形成後に面取りされた強化ガラスにおいて、前記ガラス板は、前記縁部の面取り後の面取り面について、前記強化層を越えない部分が面取り除去され、前記面取り面の全体に前記強化層が残余するようにした。
上記強化ガラスは、前記ガラス板の厚さが０．２ｍｍ〜２．０ｍｍで前記強化層の厚さが５μｍ〜２００μｍであることが好ましい。
上記強化ガラスの前記強化層が形成されたガラス板は、スマートホンなどの携帯端末機器のタッチパネルや液晶画面前面のカバーガラスに用いられることが好ましい。
上記目的を達成するために、本発明の強化ガラスの面取り方法は、ガラス基材の表裏面全体に強化層を形成する強化層形成工程と、該強化層形成工程の後に、前記ガラス基材を切断して複数のガラス板を形成するガラス板形成工程と、該ガラス板形成工程の後に、前記ガラス板の表裏面の縁部を面取りする面取り工程とを有し、前記面取り工程では、前記縁部に形成された前記強化層を越えない部分のみを面取りするようにした。
上記強化ガラスの面取り方法は、前記面取り工程において、前記ガラス板の表裏面にレジスト膜を設け、前記縁部の面取りをウェットエッチングによって行なうことが好ましい。
上記強化ガラスの面取り面の形成方法の前記強化層は、化学強化法によって形成されることが好ましい。
上記強化ガラスの面取り面の形成方法の前記ガラス板形成工程では、ガラス基材を複数枚積層させて前記ガラス基材を切断し、前記面取り工程では、前記ガラス板を積層させて面取りを行うこともできる。

本発明の強化ガラスは、ガラス基材の表裏両面の全体に前記ガラス基材を強化する強化層が形成され、該強化層の形成後に前記ガラス基材を切断したガラス板であって、前記ガラス板の表裏両面側の縁部が、前記強化層の形成後に面取りされた強化ガラスにおいて、前記ガラス板は、前記縁部の面取り後の面取り面について、前記強化層を越えない部分が面取り除去され、前記面取り面の全体に前記強化層が残余しているので、割れ強度の高いガラス製品が実現でき、ガラス製品の割れ問題を大幅に軽減することが可能となる。

本発明の実施形態における強化前のガラス基材の斜視図である。 図１のガラス基材が強化されている状態の模式図であって、ガラス基材の一部分を示す断面図である。 図１のガラス基材が強化された強化ガラスを使用形態に切断している状態の斜視図である（なお、強化ガラス基材の一部のみを示している）。 図３のガラス板の周部をエンドミルによってカバーガラスの外形に沿って外形加工を行っている状態の斜視図である。 強化ガラスの切断面で、角部に欠けやマイクロクラックが生じたイメージを示す斜視図である。 個々に切断された強化ガラスをエッチングしている状態の断面図（右側の図は部分拡大図）である。 強化ガラスの縁部を面取りした状態を示し、（ａ）は強化層を越えない部分を面取りした状態の断面図（実施例）、（ｂ）は強化ガラスの強化層を形成した部分を超えて強化層が形成されていない部分まで面取りをした状態の断面図（比較例）である。 本発明の実施例において行なわれた４点曲げ試験の方法を示す側面図である。 本発明の４点曲げ試験の結果を示す線図である。

以下、本発明の実施形態における強化ガラスについて、図面を参照しながら説明する。
図１は、ガラスが強化される前のガラス基材１ａの大判シートを示す。ガラス基材１ａは、スマートホン、タブレット携帯機器やタブレットパソコンなどの電子機器に装着される液晶パネルの表面カバーガラスなどの材料となるものであり、このガラス基材１ａに強化層を形成し、分離（切断）したあとのガラス板が、個々の電子機器のタッチパネルや液晶パネルなどのカバーガラスに使用される。
カバーガラスは、落下時などの衝撃に耐えるよう表面が強化される。ガラス基材１ａを強化するには、ガラス基材１ａを大判シートの状態で強化する場合と、ガラス基材１ａを個々のガラス板に分離した状態で強化する場合がある。しかしながら、作業手順としては、複数のガラス板を個々に強化するよりも、ガラス基材１ａを大判シートの状態で、一度に強化した方が手間を省くことができる。

ガラス基材１ａのガラス強度を上げるには、ガラスの表面に予め圧縮応力がかかった状態にすることが有効である。その手段として一般的に知られている手法に、物理的強化法と化学的強化法がある。物理的強化法とは、ガラスを歪点以上の高温に加熱保持した後に急冷することによって、ガラスの表面に圧縮応力層(内部に引張応力層)を形成する方法である。この方法によってガラスの強度は数倍に向上する。しかしながら、この物理的強化法は薄板ガラスには不向きであるので、板厚が１ｍｍにも満たない電子機器の液晶ガラスには不向きである。よって、薄板ガラスを強化するには、化学的強化法が用いられている。なお、本願発明は物理的強化法を否定するものではなく、また、板厚が１ｍｍ以上のものにも対応ができる。

図２を参照にして、化学的強化法とは、一般的にガラスにナトリウムイオン（Ｎａ^＋）を混入させ、ガラス表層のＮａ^＋をＮａ^＋よりもイオン半径の大きいカリウムイオン(Ｋ^＋)と置換することによって、ガラス表面に圧縮応力層を形成する方法である。
具体的には、Ｎａ^＋を含有したガラスを、Ｋ^＋を含有した約３８０℃の溶融塩中に浸けておくと、ガラス表面のＮａ^＋と溶液中のＫ^＋が相互拡散により置換し、Ｋ^＋がガラスの表面層に浸入していく。ここで、イオンの大きさに着目すると、Ｋ^＋はＮａ^＋よりも大きい。このため、狭い隙間にＫ^＋を押し込んだような状態になり、ガラスの表面には圧縮応力の層が生じ、これがガラスの強化層となる。
なお、アルカリ金属イオンとＮａ^＋との交換時間が長いほど、化学強化層の深さは増し、イオンの濃度を変化させることによって、ガラスの表面に対する圧縮応力を調整することができる。
こうした手順によって、ガラス基材１ａは、大判シートの状態のままで、強化ガラス基材として形成される。以下、強化層が形成されたガラス基材は強化ガラス基材１として説明する。

図３は、研削装置３の回転研削刃４によって強化ガラス基材１を切断している状態を示す。強化ガラス基材１の切断は、１回の切断で可能であるが複数段階で行っても良い。
その手順は、強化ガラス基材１を固定手段（図示せず）によって固定し、切断仮想線であるストリートライン７に沿って、固定手段をＸ方向に移動し、１つのＸ方向のストリートライン７に沿って強化ガラス基材１を回転研削刃４によって切断したら、次の隣り合うストリートライン７に沿って強化ガラス基材１を切断し、Ｘ方向のストリートライン７の全てに沿って強化ガラス基材１を切断する。なお、回転研削刃４はダイヤモンド砥粒を含んだものが使用される。

全てのＸ方向での切断加工が終了した後は、固定手段を９０度回転させて、当初Ｙ方向に向いていたストリートライン８をＸ方向に向け、回転研削刃４によって強化ガラス基材１をストリートライン８に沿って切壇し、順次、隣り合うストリートライン８に沿って強化ガラス基材１を切断し、全てのストリートライン７，８に沿って強化ガラス基材１を切断する。こうして、１枚の強化ガラス基材１から、製品単位に用いられる複数のガラス板１１aが形成され、これらのガラス板１１aは、表面と裏面とが強化された二面強化ガラスで、四方の側面に、強化されていない非強化ガラスが露出する。
このように、回転研削刃４による強化ガラス基材１の切断は、直線を高速切断できるので、切断面のキズや欠けは比較的大きいものの作業時間の短縮ができる。さらには、強化ガラス基材１を複数枚積層して研断する多層切断によってもさらなる作業時間の短縮が可能である。

強化ガラス基材１を複数のガラス板１１aに切断した後は、製品形状に合わせたカバーガラスの外形加工を行う。
図４に示すように、外形加工には、スピンドル型装置９に装着されたエンドミル１０によって行われる。エンドミル１０は、ダイヤモンド砥粒を用いたダイヤモンドエンドミルであり、カバーガラスの外形に沿って、ガラス板１１ａの全周部が研削される。この外形加工は精度良く、比較的ゆっくり行われ、大きなキズやクラックの大半を除去、又は全てのキズや欠けを強化層の範囲に留める様にする。これにより次工程でのエッチング等による面取りを容易にしている。外形加工はガラス基材個々に行っても積層して同時に行っても良い（ガラス板形成工程）。

図５は、製品に使用される形状に切断された後のカバーガラス１１（以下、研削後のガラス板１１ａをカバーガラスとして符号１１で示す）の角部を部分的に拡大した状態を示す。
カバーガラス１１は、表裏両面に強化層１２が形成され（図５は表側のみ示す）、強化層１２の間は強化されていない非強化ガラス部（又は層）１３が設けられている。したがって、カバーガラス１１は、表側と裏側の全体が強化層で形成され、それらの間に非強化ガラス部１３が設けられた２面強化カバーガラス１１が形成される。カバーガラス１１の４つの側面は、表裏両面側に強化層１２が露出し、これらの中間部に非強化ガラス部１３が露出する。
カバーガラス１１にキズ１８や欠け１９が生じると、カバーガラス１１に荷重を負荷したときなど、キズ１８や欠け１９が起端となって応力集中が発生し、キズや欠けが進展し、カバーガラス１１が破壊に至ると認識されている。また、端面部において加工後の直角面削除など取扱い易くする必要もある。よって、カバーガラス１１の表裏両面側の縁部に起因する破壊を防止し、且つ滑らかにするため、縁部については面取りをするのが一般的である。

面取り方法については、研削・研磨などの物理的方法と化学的方法とがあるが、本実施例では化学的方法で行い、その一例を以下に示す。
本実施形態では、ウェットエッチングにより面取りを行った。
図６に示すように、強化層１２が形成されたカバーガラス１１に、予めカバーガラス１１のガラス表裏面の強化層１２上にレジスト膜としての保護膜１５を形成する。次いで、カバーガラス１１をエッチング槽のガラスエッチング液に浸漬し、カバーガラス１１の縁部をエッチングする。保護膜１５の下面にもエッチング液が入り込むことによって、面取り形状は図６のＺ部拡大図に示す様に、カバーガラス１１の角部に形成される。
面取りの大きさについては、エッチング液やエッチングの処理時間などを調整して行うが、面取り面の全体について強化層１２が残余していることが重要である。従来は、比較例にある様に、面取り量はキズ、割れの除去範囲を超えて（非強化層を含んで）大きく行われていたが、本実施形態では強化層を越えない面取りであるので、面取り部全体に強化層が残存する事で割れに強い。

強化層の厚さＴ（図７）は、種々異なるが、スマートホン等の携帯機器では５μｍ〜２００μｍ程度であり、厚さＴはガラス基材１の製造者より仕様内容（DOL：Depth of Layer）として提供されるので、面取り面１６に残余される強化層の厚さを確保することで、より強い印加力に対応するカバーガラス１１を得ることができる。また、強化層の厚さＴは、専用の測定機器で測定可能である。保護膜１５は、面取り面１６が形成された後、除去される。

カバーガラス１１の面取り後の形状を図７の（a）に示す。カバーガラス１１の表裏両面の縁部に、傾斜面となる面取り面１６が形成されている。面取り面１６は強化層１２の部分を超えることなく、強化層１２のみが傾斜面に露出されており、面取り面１６の上下方向（ガラス板の厚さ方向）の最大除去厚さＴＣ１は、強化層１２の厚さＴに対して、Ｔ＞ＴＣ１の関係となる。
よって、面取り面１６は全体として強化層１２によって覆われている。このように、本発明は、面取り面１６は、全体が強化層１２で覆われ、強化層１２が、面取り面１６に残されていればよい。
このように、面取り面１６に強化層１２を残余させることによって、面取り面に強化層を残余させなかったガラス板よりも強度を大きくすることができる（後述の実施例を参照）。

次に、本発明の実施例について説明する。
［実施例］
上記実施形態で説明したものと同様である図７の（ａ）に示すカバーガラス１１をそのまま用いたものをサンプルとした。
すなわち、大判シートのガラス基材１aの表面を予め化学的強化法によって、強化層１２を形成した後、図３に示すように、研削装置３の回転研削刃４によって強化ガラス基材１を製品単位のガラス板１１ａを作成した。そして、図６に示すように、強化層１２が形成されたガラス板１１ａの表裏両面の強化層１２上にレジスト膜となる保護膜１５を形成し、エッチングによって、面取り面１６の全体に強化層１２を残すように処理した。
ガラス板１１ａのサンプルの強化層の厚さは、表裏両面とも５０μｍの範囲のものを用い、縁部の面取り面１６については、図７（ａ）に示す面取り面の高さＴＣ１が２５μｍ〜４５μｍで、幅ＴＣ３が３３μｍ〜６３μｍの範囲のものを使用した。

［比較例］
図７の（ｂ）に本発明に対する比較例としてのガラス板２１ａを示す。ガラス板２１ａは、上記実施形態で説明したガラス基材１ａから形成されたガラス板１１ａと同じ手順で形成され、ガラス板１１ａの面取り面１６の長さのみ異なる。
比較例のガラス板２１ａのサンプルの強化層の厚さは、表裏両面とも５０μｍのものを用い、縁部の面取り面１６の高さＴＣ２が、５０μｍ〜６５μｍ、幅ＴＣ４が９８μｍ
〜１２７μｍの範囲のものを使用した。面取り面１６は、強化層１２とともに、非強化ガラス部１３が露出している。ガラス板２１ａの面取り面１６を含まない側面は、全体として非強化ガラス部１３が露出している。
なお実施例及び比較例ともに、加工側面は、面取り面を含めてエッチング液による処理を行っている。

［試験方法］
ガラスの曲げ強度試験としては、４点曲げ試験法、３点曲げ試験法などがあるが、４点曲げ試験法(JIS 規定による)を用いた。
図８に示すように、４点試験法ではガラス板１１ａ（比較例ではガラス板２１ａ）を２本の支持治具３５上に置き、２本の負荷治具３６により荷重Ｐが与えられる。すなわち、試験片を一定距離に配置された２支点上に置き、支点間の中央から左右に等しい距離にある２点に分けて荷重を加え、ガラス板１１ａ，２１ａが折れたときの最大曲げ応力を測定する。最大発生応力 σmax は次式で示される。
σmax＝３Ｐ(Ｌ−Ｌ１)／２Ｂｔ^２
P：荷重、Ｌ：支持治具間距離、Ｌ１：負荷治具間距離、Ｂ：試料幅（図示せず：平面視で見た幅）、ｔ：試料の板厚である。

［試験結果］
図９に示すように、評価結果を示すチャートとして、ガラス強度の評価では比較的一般的なワイブル分布により評価を行った。
実際に測定したワイブル分布について説明する。図９で横軸はガラス部品に加えられる力である。縦軸は割れが生じる割合である。
側面を図７の（ａ）、（ｂ）に示すように、小さなＴＣ１，大きなＴＣ２のように面取りを行ったサンプルでは、面取り面に強化層のみが形成されている面と、一部のみ強化層形成されている面取り面との相違のため、このガラス板１１ａ，２１ａの曲げ強度試験を行うと図９のＳ１（実施例）、Ｓ２（比較例）に示す様な異なる特性が得られた。

図９のＳ１のように、面取り面を強化層のみで覆ったサンプルにおいて、Ｂ１０は１０％に割れを生じる力、Ｂ５０は５０％に割れを生じる力であり、それぞれ６００ＭＰａ、７００ＭＰａであった。また、Ｓ２のように、強化層厚を超えて面取りＴＣ２を行ったサンプルにおいて、Ｂ１０（１０％）、Ｂ５０（５０％）に割れを生じる力は、それぞれ３００ＭＰａ、４８１ＭＰａであった。よって、Ｂ１０では、強化層のみで面取り面を覆ったガラス板１１ａの強度が２倍に向上し、Ｂ５０でも大幅に向上しているのが、確認できた。
強化層が面取り面に残余している場合と残余していない場合では、多少の差があることは想像できるが、このような大幅な差異が生じた。
なお、試料は、面取り面１６の面取り後に、キズや欠けなどが、強化層１２のみ形成されている場合、またキズや欠けが非強化ガラス部に至っている場合などがあるが、試料となるガラス板をランダムに選択している。

以上、本発明を実施形態に基づいて添付図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、更に他の変形あるいは変更が可能である。
上記実施形態では、ガラス基材１の大判シートを切断したものを用いたが、大判シートの工程を経ないで形成された単体の板ガラスにも適用が可能である。
また、上記実施形態では、スマートホンなどの携帯機器などのタッチパネルや液晶画面に用いられるカバーガラスを例にあげたが、本発明は汎用的なので、本願で説明したもの以外にも広く適用が可能である。

１ 強化ガラス基材
１ａ ガラス基材
３ 研削装置
４ 回転研削刃
７，８ ストリートライン
１０ エンドミル
１１a 研削装置により切断されたガラス板
１１ カバーガラス
１２ 強化層
１３ 非強化ガラス部
１５ 保護膜
１６ 面取り面
１８ キズ
１９ 欠け
３５ 支持治具
３６ 負荷治具

Claims (8)

1. ガラス板の表裏両面の全体に前記ガラス板を強化する強化層が形成され、前記ガラス板の表裏両面側の縁部が、前記強化層の形成後に面取りされた強化ガラスにおいて、
   前記ガラス板は、前記縁部の面取り後の面取り面について、前記強化層を越えない部分が面取り除去され、前記面取り面の全体に前記強化層が残余することを特徴とする強化ガラス。
2. ガラス基材の表裏両面の全体に前記ガラス基材を強化する強化層が形成され、該強化層の形成後に前記ガラス基材を切断したガラス板であって、前記ガラス板の表裏両面側の縁部が、前記強化層の形成後に面取りされた強化ガラスにおいて、
   前記ガラス板は、前記縁部の面取り後の面取り面について、前記強化層を越えない部分が面取り除去され、前記面取り面の全体に前記強化層が残余することを特徴とする強化ガラス。
3. 前記ガラス板の厚さが０．２ｍｍ〜２．０ｍｍで前記強化層の厚さが５μｍ〜２００μｍである請求項１又は２に記載の強化ガラス。
4. 前記強化層が形成されたガラス板は、タッチパネルや液晶画面前面のカバーガラスに用いられる請求項１〜３のいずれかに記載の強化ガラス。
5. ガラス基材の表裏面全体に強化層を形成する強化層形成工程と、該強化層形成工程の後に、前記ガラス基材を切断して複数のガラス板を形成するガラス板形成工程と、該ガラス板形成工程の後に、前記ガラス板の表裏面の縁部を面取りする面取り工程とを有し、前記面取り工程では、前記縁部に形成された前記強化層を越えない部分のみを面取りすることを特徴とする強化ガラスの面取り方法。
6. 前記面取り工程において、前記ガラス板の表裏面にレジスト膜を設け、前記縁部の面取りをウェットエッチングによって行った請求項５に記載の強化ガラスの面取り面の形成方法。
7. 前記強化層は、化学強化法によって形成された請求項５又は６に記載の強化ガラスの面取り面の形成方法。
8. 前記ガラス板形成工程では、ガラス基材を複数枚積層させて前記ガラス基材を切断した請求項５〜７のいずれかに記載の強化ガラスの面取り面の形成方法。

Images