JP5998106B2 - 強化ガラスのカッティング方法及び強化ガラスのカッティング用ステージ - Google Patents

Description

本発明は、強化ガラスのカッティング方法及び強化ガラスのカッティング用ステージに関し、より詳しくは、強化されたマザーガラスを単位ガラスに細分化するための強化ガラスのカッティング方法及び強化ガラスのカッティング用ステージに関する。

モニターやカメラ、ＶＴＲ、携帯電話などの映像及び光学装備、自動車などの運送装備、各種の食器類、建築施設などといった幅広い技術及び産業分野においてガラス製品は必須構成要素として取り扱われており、このため、各産業分野の特性に合わせて多様な物性を持つガラスが製造され使用されてきている。

特に、近年に入り、スマートフォンの急速な普及に伴い、モバイルディスプレイ（ｍｏｂｉｌｅ ｄｉｓｐｌａｙ）を中心としたタッチスクリーンパネル（ｔｏｕｃｈ ｓｃｒｅｅｎ ｐａｎｅｌ）の使用が急速に拡大しており、このようなタッチスクリーンパネルは、その機能上、高い光透過性及び機械的耐久性を要するため、強化ガラスをカバーガラスまたはカバーウィンドウとして使用している。

強化ガラスは、主に自動車の安全ガラスに適用する風冷強化と呼ばれる物理強化方法や化学強化方法によって製造され、そのうち、化学強化は、形状が複雑か厚さが略２ｍｍ以下の薄板ガラスに有効に適用することができる。このような化学強化は、ガラスの内部に存在するイオン半径が小さいアルカリイオン（主にＮａイオン）を所定の条件でイオン半径が大きいアルカリイオン（主にＫイオン）と交換させてガラスの強度及び硬度を向上させる技術である。

図１は、化学強化ガラスの断面を概念的に示す概念図である。

図１に示すように、化学強化によってガラスの表面には圧縮応力層が形成され、その内部には反作用によって引張応力（ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓまたはｃｅｎｔｒａｌ ｔｅｎｓｉｏｎ）層が形成され、表面の高い圧縮応力によって曲げ強度及び機械的強度が増大するようになる。

一方、強化ガラスは、その特性及び加工技術の不在によって強化後の機械的な切断及び外形の加工が難しいため、強化前にマザーガラスを切断及び加工してから強化する工程を経て製造されている。しかしながら、このような方法では、手作業工程が多くなるため人件費などの生産コストが高くなり、また、半製品の破損の割合が高いため、生産性が劣化するという不具合がある。さらに、最近は、モバイルディスプレイの大きさが増大しつつあるなか、生産歩留まりの重要性が高まっているため、このような切断及び加工後の強化方法を製品の量産工程に適用するのが益々難しくなっている。

そこで、マザーガラスを強化後に切断及び加工する技術に関する開発が活発に行われている。

しかしながら、一般に強化深さ（ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｌａｙｅｒ；ＤＯＬ）が約２０μｍ以上で、表面に６００ＭＰａ以上の圧縮応力が形成されている化学強化ガラスは機械的ホイール（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｗｈｅｅｌ）によっては切断が不可能である。

図２は、コーニング社製のゴリラ（ｇｏｒｉｌｌａ）（登録商標）ガラスをホイールスクライビング（ｗｈｅｅｌ ｓｃｒｉｂｉｎｇ）して切断した切断面を撮影した写真であって、図２の（ａ）は断面を撮影した写真であり、図２の（ｂ）は平面を撮影した写真である。図２の（ａ）に示すように、表面に６００ＭＰａ以上の高い圧縮応力を持つ強化ガラスをホイールスクライビングした場合、メディアン・クラック（ｍｅｄｉａｎ ｃｒａｃｋ）が均一に形成されないことが分かる。また、図２の（ｂ）に示すように、２０μｍ以上の強化深さを有する強化ガラスをホイールスクライビングした場合、強化ガラスの表面に多量のチッピング（ｃｈｉｐｐｉｎｇ）が発生することが分かる。

このような問題を解決するために、６００ＭＰａ以上の表面応力を持ち、且つ、ホイールスクライビングが可能な２０μｍ程度の強化深さを有する強化ガラスを用いる方法が提示されている。しかしながら、このような強化ガラスの場合でも、強化ガラスが１．０ｔ以上の厚さを有する場合はホイールスクライビングが可能であるが、０．７ｔ以下の厚さを有する場合はホイールスクライビングの途中でクラック・アウト（ｃｒａｃｋ−ｏｕｔ）が発生して、スクライビング方向を制御することができないという問題があった。

また、このような問題を解決するために、レーザーを利用した強化ガラスの切断技術を用いることが考えられるが、レーザーによる切断はその工程条件が極めて難しく、且つ、装備が極めて高価であるため、低コスト・高歩留まりが要求される製造工程には不向きであるというデメリットがある。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、クラック・アウトを発生することなく強化ガラスを切断することができる強化ガラスのカッティング方法及び強化ガラスのカッティング用ステージを提供することである。

このために、本発明は、マザーガラスの表面に圧縮応力を形成して強化した強化ガラスをカッティングする強化ガラスのカッティング方法であって、強化ガラスの切断したい切断部を凹状に撓ませて前記切断部内部の引張応力を緩和する引張応力緩和ステップと、前記切断部にメディアン・クラック（ｍｅｄｉａｎ ｃｒａｃｋ）を形成するカッティングステップとを含むことを特徴とする強化ガラスのカッティング方法を提供する。

ここで、前記引張応力緩和ステップは、前記切断部において前記メディアン・クラックを形成する領域の引張応力を２０ＭＰａ以下に緩和することが好ましい。

そして、前記メディアン・クラックは、前記強化ガラスの表面から強化ガラスの厚さの２０％以下の深さまで形成されていてよい。

また、前記強化ガラスの強化深さＤＯＬは２５μｍ以下であることが好ましい。

そして、前記強化ガラスの表面圧縮応力（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ）は６００ＭＰａ以上であってよい。

また、前記メディアン・クラックは、ホイールスクライビング（ｗｈｅｅｌ ｓｃｒｉｂｉｎｇ）によって形成されていてよい。

また、前記カッティングステップは、前記メディアン・クラックの形成後、前記メディアン・クラックを拡張して強化ガラスをブレイキング（ｂｒｅａｋｉｎｇ）していてよい。

そして、前記強化ガラスは、前記マザーガラスを化学強化してなるものであってよい。

また、本発明は、強化ガラスのカッティングのために強化ガラスを載置する強化ガラスのカッティング用ステージであって、凹状の形状を有し、前記強化ガラスが載置される支持面と、前記支持面に形成され、載置された強化ガラスを真空引きして保持する真空ホールとを含むことを特徴とする強化ガラスのカッティング用ステージを提供する。

本発明によれば、切断部の内部引張応力を緩和することでクラック・アウト（ｃｒａｃｋ−ｏｕｔ）やチッピング（ｃｈｉｐｐｉｎｇ）を生じさせることなく強化ガラスを切断することができる。

また、強化ガラスを簡単且つ低コストで切断することができ、コスト競争力を向上することができる。

化学強化ガラスの断面を概念的に示す概念図である。 コーニング社製のゴリラ（ｇｏｒｉｌｌａ）ガラスをホイールスクライビング（ｗｈｅｅｌ ｓｃｒｉｂｉｎｇ）して切断した切断面を撮影した写真である。 本発明の一実施例に係る強化ガラスのカッティング方法の概略的なフローチャートである。 圧縮応力ＣＳが７００ＭＰａで、引張応力ＣＴが２０ＭＰａである場合における、ガラスの厚さによる強化深さＤＯＬの変化を示すグラフである。 数値解析を用いて、ガラスを撓ませたときに発生する圧縮応力を求めた結果を示す図である。 本発明に係る強化ガラスのカッティング方法によって切断した切断面を撮影した写真である。 本発明の他の一実施例に係る強化ガラスのカッティング用ステージを概略的に示す概念図である。 本発明の他の一実施例に係る強化ガラスのカッティング用ステージの断面を概略的に示す断面図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施例に係る強化ガラスのカッティング方法及び強化ガラスのカッティング用ステージについて詳しく説明する。

なお、本発明を説明するにあたって、関連公知機能あるいは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要に曖昧にし得ると判断された場合、その詳細な説明は省略することにする。

図３は、本発明の一実施例に係る強化ガラスのカッティング方法の概略的なフローチャートである。

図３を参照すると、本発明に係る強化ガラスのカッティング方法は、引張応力緩和ステップ（Ｓ１００）、及びカッティングステップ（Ｓ２００）を含んでなる。

強化されたマザーガラスを所望の大きさの単位ガラスに細分するために、先ず、強化ガラスの切断部内部に存在する引張応力を緩和する（Ｓ１００）。

強化ガラスは、高い曲げ強度及び機械的強度を持つようにマザーガラスの表面に圧縮応力を形成させたガラスであって、化学強化法または熱強化法などによって製造可能であるが、必ずしもこれらに限定されるものではなく、ガラスの表面に圧縮応力を持たせ得る方法であればその種類を問わず用いられていてよい。

強化ガラスの強化深さＤＯＬは２５μｍ以下であることが好ましい。

また、強化ガラスの表面圧縮応力は６００ＭＰａ以上であることが好ましい。

強化ガラスの表面は、高い圧縮応力を持つ反面、その内部は表面の圧縮応力に対する反作用によって高い引張応力を持つ。このような高い引張応力は、強化ガラスの切断過程においてクラック・アウト（ｃｒａｃｋ−ｏｕｔ）を引き起こす。すなわち、強化ガラスを切断するためのホイールスクライビングによって強化ガラスにメディアン・クラックを形成する過程の途中で、メディアン・クラックが高い引張応力を持つ領域に達するとクラックの伝播速度が急激に大きくなってスクライビング速度を追い越すようになり、これにより、スクライビング方向に沿わずにクラックが成長するようになるクラック・アウトが発生する。実験的にクラック・アウトは、引張応力が約２０ＭＰａ以上である場合に発生することが確認された。

次の表１は、ガラスの厚さ、最大圧縮応力ＣＳの大きさ、及び強化深さＤＯＬによる平均引張応力ＣＴを求めた表である。

表１に表すように、０．７ｔ以下の厚さを有するガラスの場合、平均引張応力が２０ＭＰａ以上を持つため、このようなガラスをホイールスクライビングによって切断した場合、上述したようなクラック・アウトが発生するようになる。

図４は、圧縮応力ＣＳが７００ＭＰａで、引張応力ＣＴが２０ＭＰａである場合、ガラスの厚さによる強化深さＤＯＬの変化を示すグラフであって、図４に示すＤＯＬ深さ以上の深さでホイールスクライビングを行う場合、内部の高い引張応力によってクラック・アウトが発生するようになる。

そこで、本発明に係る強化ガラスのカッティング方法では、切断工程の途中でクラック・アウトが発生されることを防止するために、強化ガラスの切断部にメディアン・クラックを形成する前に切断部を凹状に撓ませて切断部内部の引張応力を緩和する。

切断部を凹状に撓ませると、切断部の表面には圧縮応力が作用し、この圧縮応力によって切断部内部の引張応力が相殺されるようになる。

図５は、数値解析を用いて、ガラスを撓ませた際に発生する圧縮応力を求めた結果を示す図である。具体的に、図５は、０．７ｔと０．５ｔの厚さを有し、０．１ｍ×０．１ｍの大きさを有するガラスの切断線が０．９ｍｍ下がるように撓ませた場合に発生する圧縮応力を求めた結果を示す図である。

図５に示すように、ガラスを凹状に撓ませた場合における圧縮応力は、凹状に撓んだ表面（Ａ−側表面）で最も大きく作用し、深さ方向に進むにつれて減少することが分かる。また、０．７ｔの厚さを有するガラスの場合、表面から１４０μｍの深さまでは１７〜２８ＭＰａの圧縮応力が形成されることが分かり、０．５ｔの厚さを有するガラスの場合、０．７ｔに比べて約７０％の圧縮応力が作用することが分かる。このような圧縮応力を用いて切断線内部の引張応力を相殺させることで、切断工程の途中でクラック・アウトが発生することを防止することができる。強化ガラスの撓みによって作用する圧縮応力は、内部の引張応力を緩和させる程度であれば十分であるので、撓みの程度は内部引張応力を緩和するに足りる程度に適宜制御されていてよい。

好ましくは、引張応力緩和ステップ（Ｓ１００）では、切断部においてメディアン・クラックを形成する領域の引張応力を２０ＭＰａ以下に緩和していてよい。

次いで、凹状に撓んだ切断部に深さ方向に沿って所定領域（深さ）までメディアン・クラック（ｍｅｄｉａｎ ｃｒａｃｋ）を形成して強化ガラスを切断する（Ｓ２００）。

切断部を凹状に撓ませることで切断部内部の引張応力が緩和されたため、切断部にメディアン・クラックを形成してもクラック・アウトを発生させることなく切断部を切断することができる。

強化ガラスは、メディアン・クラックが少しずつ伝播していきながら切断されるか、再び平面に復元する過程で切断される。

図６は、本発明に係る強化ガラスのカッティング方法によって切断した切断面を撮影した写真であって、図６の（ａ）は断面を撮影した写真であり、図６の（ｂ）は平面を撮影した写真である。図６の（ａ）に示すように、本発明によると、メディアン・クラックが強化ガラスの表面に均一に形成されたことが分かる。また、図６の（ｂ）に示すように、強化ガラスの表面に特異なチッピング（ｃｈｉｐｐｉｎｇ）も発生していないことが分かる。

メディアン・クラックは、ホイールスクライビングによって形成されていてよい。すなわち、高い硬度を持つスクライビングホイールを利用して切断線上にクラックを形成させることで強化ガラスを切断することができる。

メディアン・クラックは、強化ガラスの表面から強化ガラスの厚さの２０％以下の深さまで形成されていてよい。

また、本発明に係る強化ガラスのカッティング方法は、メディアン・クラックの形成後、メディアン・クラックを拡張して強化ガラスをブレイキング（ｂｒｅａｋｉｎｇ）する工程をさらに有していてよい。

ブレイキングとは、強化ガラスがメディアン・クラックによって切断されなかった場合にメディアン・クラックに曲げ応力を加えて強化ガラスを切断することを言う。

図７は、本発明の他の一実施例に係る強化ガラスのカッティング用ステージを概略的に示す概念図であり、図８は、本発明の他の一実施例に係る強化ガラスのカッティング用ステージの断面を概略的に示す断面図である。

図７及び図８を参照すると、本発明に係る強化ガラスのカッティング用ステージは、強化ガラスが載置され、凹状の形状を有する支持面１００、及び支持面１００に形成され、載置された強化ガラスを真空引きして保持する真空ホール２００を含んでなるものであってよい。

支持面１００は、切断する強化ガラスが載置される面であって、凹状の形状を有する。

真空ホール２００は、支持面上に形成され、真空吸入装置（図示せず）にて支持面に載置された強化ガラスを真空引きして固定する。

凹状の形状を有する支持面１００に強化ガラスを載置した後、真空ホール２００を通じて真空引きして強化ガラスを吸着すると、強化ガラスは支持面１００の形状に沿って凹状に撓んで支持面１００に固定される。

支持面１００に載置された強化ガラスが固定されると、ステージの上方に位置したスクライビング部（図示せず）が強化ガラスをスクライビングしてメディアン・クラックを形成する。

スクライビング部（図示せず）は、強化ガラスの切断工程に使用されている従来の多様な装置を利用してよい。

スクライビング部（図示せず）がメディアン・クラックを形成すると、クラックが少しずつ伝播していきながら強化ガラスが切断されるか、真空解除によって曲がっていた強化ガラスが再び平面状態に戻る過程で強化ガラスが切断される。

以上のように、本発明は、限定された実施例と図面によって説明されたが、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、かかる記載から多様な修正および変形が可能である。

それゆえ、本発明の範囲は、説明された実施例に限定されて定められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、特許請求の範囲と均等なものにより定められなければならない。

１００ 支持面
２００ 真空ホール

Claims (10)

1. マザーガラスの表面に圧縮応力を形成して強化した強化ガラスをカッティングする強化ガラスのカッティング方法であって、
   強化ガラスの切断したい切断部を凹状に撓ませて前記切断部内部の引張応力を緩和する引張応力緩和ステップと、
   前記切断部にメディアン・クラック（ｍｅｄｉａｎ ｃｒａｃｋ）を形成するカッティングステップと
   を含むことを特徴とする強化ガラスのカッティング方法。
2. 前記引張応力緩和ステップは、前記切断部において前記メディアン・クラックを形成する領域の引張応力を２０ＭＰａ以下に緩和することを特徴とする請求項１に記載の強化ガラスのカッティング方法。
3. 前記メディアン・クラックは、前記強化ガラスの表面から強化ガラスの厚さの２０％以下の深さまで形成されることを特徴とする請求項１に記載の強化ガラスのカッティング方法。
4. 前記強化ガラスの強化深さＤＯＬは２５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の強化ガラスのカッティング方法。
5. 前記強化ガラスの表面圧縮応力（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ）は６００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の強化ガラスのカッティング方法。
6. 前記メディアン・クラックは、ホイールスクライビング（ｗｈｅｅｌ ｓｃｒｉｂｉｎｇ）によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の強化ガラスのカッティング方法。
7. 前記カッティングステップは、前記メディアン・クラックの形成後、前記メディアン・クラックを拡張して強化ガラスをブレイキング（ｂｒｅａｋｉｎｇ）することを特徴とする請求項１に記載の強化ガラスのカッティング方法。
8. 前記強化ガラスは、前記マザーガラスを化学強化してなることを特徴とする請求項１に記載の強化ガラスのカッティング方法。
9. 前記強化ガラスの厚さは、０．５〜０．７ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の強化ガラスのカッティング方法。
10. 強化ガラスのカッティングのために強化ガラスを載置する強化ガラスのカッティング用ステージであって、
    強化ガラスが載置され、凹状の形状を有する支持面と、
    前記支持面に形成され、載置された強化ガラスを真空引きして保持する真空ホールと
    を含むことを特徴とする強化ガラスのカッティング用ステージ。