JPWO2018066314A1 - 強化ガラス板の製造方法、膜付ガラス板及び強化ガラス板 - Google Patents

Abstract

本方法は、ガラス板Ｇ１における第一主表面Ｓａの少なくとも一部にイオンの交換を抑制または防止する第一マスクＭａを、第二主表面Ｓｂの少なくとも一部にイオンの交換を抑制または防止する第二マスクＭｂを各々設けるマスク工程と、マスク工程後に、ガラス板Ｇ２を、イオンを交換するための溶融塩に浸漬させるイオン交換工程とを備える。マスク工程において、第一主表面Ｓａにおける第一マスクＭａの形成面積、および第二主表面Ｓｂにおける第二マスクＭｂの形成面積は、ガラス板Ｇ１の断面形状に応じて異なる大きさに設定される。

Description

本発明は、強化ガラス板の製造方法に関し、より具体的には、イオン交換法によってガラス板の化学強化を行う強化ガラス板の製造方法、膜付ガラス板及び強化ガラス板に関する。

近年、携帯電話、カメラ等の電子機器や、大型ディスプレイやパソコン等の表示面や腕時計等のウェアラブル端末のカバーガラスには、化学強化された強化ガラス板が用いられている。

このような強化ガラス板は、一般的に、アルカリ金属を組成として含むガラス板を強化液で化学的に処理し、表面に圧縮応力層を形成することによって製造される。このような強化ガラス板は、表面に圧縮応力層を有するために衝撃耐性等が向上している。しかしながら、このような強化ガラス板であっても、主表面における衝撃耐性に比べ、エッジ部や周縁部における衝撃耐性が低く、強化ガラス板の破損の原因となっていた。このような破損を防止するべく強化ガラス板表面の圧縮応力層を全体的に深くした場合、ガラス板内部に形成される引張応力が過大となり、当該引張応力に起因した破損（所謂、自己破壊）が生じやすくなる問題がある。

上記のような問題を解決すべく、強化ガラス板表面の一部分においてのみ選択的に深く圧縮応力層を形成する技術が開発されている。例えば、特許文献１に開示される方法では、主表面の中央部分のみをマスク材料でシールディングすることによって、シールドされていない周縁部のみをイオン交換して強化処理（第一の強化処理）できる。その後シールディングを除去し、再度、強化処理（第二の強化処理）を行うことで、予め強化処理されたエッジ部において主表面より深く圧縮応力層を形成できる。

特表２０１４−５１００１２号公報

しかしながら、特許文献１のような手法を用いた場合、ガラス板に予期せぬ変形が生じ、生産性が低下するおそれがあった。

例えば、図９に示すように、ガラス板の断面形状が厚さ方向に非対称である場合、イオン交換した際にガラス板が反るように湾曲変形してしまうおそれがあった。以下、図９を参照して、従来の強化ガラス板の製造方法及びその問題点について具体的に説明する。

図９Ａは、断面形状が厚さ方向に非対称のガラス板Ｇ１０を準備する工程を示す。ガラス板Ｇ１０は、板厚方向における中央線（同図中の一点鎖線）Ｘ１０を軸として表裏に非対称形状となっている。図９Ｂは、ガラス板Ｇ１０の表裏の主表面各々に同一の厚さおよび同一の面積を有するシールドＭｃを設けた膜付ガラス板Ｇ２０を得る工程を示す。図９Ｃは、膜付ガラス板Ｇ２０を溶融塩Ｔ１０に浸漬し、イオン交換処理して表層部に圧縮応力層ＣＰを有する強化ガラス板Ｇ３０を得る強化工程（第一の強化処理）を示す。

これらの処理によれば、強化ガラス板Ｇ３０の断面形状が厚さ方向に非対称、すなわち表裏面形状が異なるにもかかわらず、形成されるシールドＭｃの面積等が表裏で同一であるために、強化ガラス板Ｇ３０の表裏の応力バランスが均衡しない状態となる。その結果、応力バランスが均衡する形状へと強化ガラス板Ｇ３０が自ずと変形することになる（図９Ｃ参照）。

本発明は、このような事情を考慮して成されたものであり、高い平坦性を有し且つ部分的に高い強度を有する強化ガラス板を安定して製造可能とする強化ガラスの製造方法及び膜付ガラス板を提供することを目的とする。また、本発明は、高い平坦性を有しかつ部分的に高い強度を有する強化ガラス板を提供することを目的とする。

本発明は上記の課題を解決するためのものであり、表裏に各々第一主表面と第二主表面とを有し且つ厚さ方向に非対称な断面形状を有するガラス板表層のイオンを交換する強化ガラス板の製造方法であって、前記第一主表面の少なくとも一部に前記イオンの交換を抑制または防止する第一マスクを、前記第二主表面の少なくとも一部に前記イオンの交換を抑制または防止する第二マスクを各々設けるマスク工程と、前記マスク工程後に、該ガラス板を、前記イオンを交換するための溶融塩に浸漬させるイオン交換工程とを備え、前記マスク工程において、前記第一主表面における前記第一マスクの形成面積、および前記第二主表面における前記第二マスクの形成面積は、前記断面形状に応じて異なる大きさに設定されることを特徴とする。

上記のように、厚さ方向において非対称形状を有するガラス板（元ガラス板）に対し、その非対称形状に応じて、面積の異なる第一マスク及び第二マスクを各主表面に形成することにより、イオン交換法による強化を行った場合におけるガラス板の変形を可及的に小さくできる。これにより、高い平坦性を有し且つ部分的に高い強度を有する強化ガラス板を安定して製造することが可能になる。

上記の製造方法において、前記第一主表面は、第一平坦面を有し、前記第二主表面は、前記第一平坦面より大きな第二平坦面を有し、前記第一マスクは、前記第一平坦面内に設けられ、前記第二マスクは、前記第二平坦面内に設けられ、前記第二マスクの形成面積は、前記第一マスクの形成面積より大きいことが好ましい。

このように、第一平坦面の面積が小さく、第二平坦面の面積が大きく構成されてなる元ガラス板に対し、面積が小さな第一マスクを第一平坦面に形成し、面積が大きな第二マスクを第二平坦面に形成することにより、イオン交換法による強化を行った場合におけるガラス板の変形を可及的に小さくすることが可能になる。

さらに、本製造方法では、前記第一平坦面は前記第一主表面の中央部に位置し、前記第一マスクは前記第一平坦面の中央部に設けられ、前記第二平坦面は前記第二主表面の中央部に位置し、前記第二マスクは前記第二平坦面の中央部に設けられ、前記第一主表面は、前記第一平坦面の外縁に沿って設けられた第一面取り面を備え、前記第二主表面は、前記第二平坦面の外縁に沿って設けられた第二面取り面を備え、前記第一面取り面の面積は、前記第二面取り面の面積より大きいことが好ましい。

かかる構成によれば、第二平坦面よりも面積が小さな第一平坦面の外縁に沿って、第二面取り面よりも面積が大きな第一面取り面を形成することにより、第一平坦面及び第一面取り面を有する第一主表面と、第二平坦面及び第二面取り面を有する第二主表面とにバランス良くイオン交換の処理を施すことができる。

上記の製造方法では、前記第一マスクおよび前記第二マスクが、組成として質量％でＳｉＯ₂ ６０〜１００％、Ａｌ₂Ｏ₃ ０〜４０％を含む無機膜層であることが望ましい。かかる組成の第一マスクおよび第二マスクを使用することにより、イオン交換時におけるイオンの透過の遮断又は抑制を確実に行うことが可能になる。

第一マスクの厚みと第二マスクの厚みは、同一にしてもよく、異なるように設定してもよい。例えば、上記の製造方法において、前記第一マスクの厚みに対する前記第二マスクの厚みが０．８〜１．２倍であることが好ましい。

上記の製造方法において、前記ガラス板表層のイオンはナトリウムイオンであり、前記溶融塩はカリウムイオンを含み、前記溶融塩は、水と混合して濃度を２０質量％の水溶液とした場合のｐＨが６．５〜１１であることが望ましい。このように、イオン交換を好適に行うことにより、ガラス板に要求される強度を確保できる。

上記の製造方法において、前記ガラス板は、ガラス板組成として質量％で、ＳｉＯ₂ ４５〜７５％、Ａｌ₂Ｏ₃ １〜３０％、Ｎａ₂Ｏ １〜２０％、Ｋ₂Ｏ ０〜２０％を含有するガラス板であることが望ましい。これにより、イオン交換性能と耐失透性を高いレベルで両立し易くなる。

また、前記ガラス板は、種々の形状に構成され得るが、その加工性等を考慮して、特に平面視円盤状または矩形状に構成されることが望ましい。

本発明は上記の課題を解決するためのものであり、表裏に各々第一主表面と第二主表面とを有し且つ厚さ方向に非対称な断面形状を有する膜付ガラス板であって、前記第一主表面の少なくとも一部に形成されるとともに、イオンの交換を抑制または防止する第一マスクと、前記第二主表面の少なくとも一部に形成されるとともに、イオンの交換を抑制または防止する第二マスクとを備え、前記第一主表面における前記第一マスクの形成面積、および前記第二主表面における前記第二マスクの形成面積は、前記断面形状に応じて異なる大きさに設定されることを特徴とする。

上記のように、厚さ方向において非対称形状を有するガラス板に対し、その非対称形状に応じて、面積の異なる第一マスク及び第二マスクを各主表面に形成することにより、イオン交換法による強化を行った場合におけるガラス板の変形を可及的に小さくできる。これにより、高い平坦性を有し且つ部分的に高い強度を有する強化ガラス板を安定して製造することが可能になる。

上記の膜付ガラス板において、前記第一主表面は、第一平坦面を有し、前記第二主表面は、前記第一平坦面より大きな第二平坦面を有し、前記第一マスクは、前記第一平坦面内に設けられ、前記第二マスクは、前記第二平坦面内に設けられ、前記第二マスクの形成面積は、前記第一マスクの形成面積より大きいことが望ましい。このように、第一平坦面の面積が小さく、第二平坦面の面積が大きく構成されてなるガラス板に対し、面積が小さな第一マスクを第一平坦面に形成し、面積が大きな第二マスクを第二平坦面に形成することにより、イオン交換法による強化を行った場合におけるガラス板の変形を可及的に小さくすることが可能になる。

本発明は上記の課題を解決するためのものであり、表裏に各々第一主表面と第二主表面とを有し且つ厚さ方向に非対称な断面形状を有する強化ガラス板であって、前記第一主表面は、第一平坦面を有し、前記第二主表面は、前記第一平坦面より大きな第二平坦面を有し、前記第一平坦面は、その周縁部に形成される第一圧縮応力層と、その中央部に形成されるとともに前記第一圧縮応力層よりも層深さが小さな第二圧縮応力層とを有し、前記第二平坦面は、その周縁部に形成される第一圧縮応力層と、その中央部に形成されるとともに前記第一圧縮応力層よりも層深さが小さな第二圧縮応力層とを有し、前記第二平坦面における前記第二圧縮応力層の形成面積が、前記第一平坦面における前記第二圧縮応力層の形成面積よりも大きいことを特徴とする。

上記のように、強化ガラス板の非対称形状に応じて、面積の異なる第二圧縮応力層を、面積の異なる第一平坦面及び第二平坦面に形成することにより、当該強化ガラス板に高い平坦性を付与することができる。さらに、各平坦面の周縁部に、第二圧縮応力層よりも層深さの大きな第一圧縮応力層を形成することにより、強化ガラス板は、部分的に高い強度を有するものになる。

本発明によれば、高い平坦性を有し且つ部分的に高い強度を有する強化ガラス板を安定して製造できる。

図１Ａは、本発明の第一実施形態に係る強化ガラス板の製造方法を示す。 図１Ｂは、本発明の第一実施形態に係る強化ガラス板の製造方法を示す。 図１Ｃは、本発明の第一実施形態に係る強化ガラス板の製造方法を示す。 図１Ｄは、本発明の第一実施形態に係る強化ガラス板の製造方法を示す。 図１Ｅは、本発明の第一実施形態に係る強化ガラス板の製造方法を示す。 図２は、元ガラス板の斜視図である。 図３は、膜付ガラス板の平面図である。 図４は、膜付ガラス板の底面図である。 図５Ａは、膜付ガラス板の他の例を示す要部断面図である。 図５Ｂは、膜付ガラス板の他の例を示す要部断面図である。 図６は、仕上げ加工工程を示す図である。 図７Ａは、本発明の第二実施形態に係る強化ガラス板の製造方法を示す。 図７Ｂは、本発明の第二実施形態に係る強化ガラス板の製造方法を示す。 図７Ｃは、本発明の第二実施形態に係る強化ガラス板の製造方法を示す。 図７Ｄは、本発明の第二実施形態に係る強化ガラス板の製造方法を示す。 図８Ａは、強化ガラス板の実施例及び実施例を示す平面図である。 図８Ｂは、強化ガラス板の実施例及び比較例を示す平面図である。 図９Ａは、従来の強化板ガラスの製造方法を示す。 図９Ｂは、従来の強化板ガラスの製造方法を示す。 図９Ｃは、従来の強化板ガラスの製造方法を示す。

以下、本発明に係る強化ガラス板の製造方法を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。図１乃至図６は、本発明に係る強化ガラス板の製造方法の第一実施形態を示す。

本発明に係る板ガラスの製造方法は、元ガラスの準備工程と、元ガラス板の一部を選択的に強化する選択強化工程と、この選択強化工程後に、そのガラス板を全体的に強化する全体強化工程とを備える。以下、各工程について説明する。先ず、図１Ａに示す準備工程の処理を実施する。この準備工程は、所定形状の元ガラス板Ｇ１を準備する工程である。

元ガラス板Ｇ１は、イオン交換法を用いて強化可能であり、断面形状が厚さ方向に非対称なガラス板である。本実施形態では元ガラス板Ｇ１が、図２に示すような円盤状のガラス板である場合を一例として説明する。元ガラス板Ｇ１は、互いに表裏の関係にある第一主表面Ｓａ、および第二主表面Ｓｂを備える。なお、本実施形態では、第一主表面Ｓａ側を表面側、第二主表面Ｓｂ側を裏面側として説明する。

第一主表面Ｓａは、第一平坦面Ｆａと、第一面取り面Ｃａとを備える。第一平坦面Ｆａは、第一主表面Ｓａの中央部に設けられた平坦な円形面である。第一面取り面Ｃａは、第一平坦面Ｆａの外縁に沿って設けられた平坦な傾斜面である。

第二主表面Ｓｂは、第二平坦面Ｆｂと、第二面取り面Ｃｂとを備える。第二平坦面Ｆｂは、第二主表面Ｓｂの中央部に設けられた平坦な円形面である。第二面取り面Ｃａは、第二平坦面Ｆｂの外縁に沿って設けられた平坦な傾斜面である。

第一面取り面Ｃａおよび第二面取り面Ｃｂは、いわゆるＣ面取り加工によって形成された平坦面である。第一面取り面Ｃａの面積は、第二面取り面Ｃｂの面積より大きい。また、第一平坦面Ｆａの面積は、第二平坦面Ｆａの面積より小さい。かかる構成により、元ガラス板Ｇ１の断面は、図１Ａに示すように板厚方向における中央線（同図中の一点鎖線）Ｘに対して第一主表面Ｓａ側と第二主表面Ｓｂ側とで表裏非対称形状となる。

なお、上記形状は一例であり、第一面取り面Ｃａおよび第二面取り面Ｃｂは、いわゆるＲ面取り加工によって形成された湾曲面であって良く、複数の曲率半径を有する曲面により構成しても良い。また、元ガラス板Ｇ１は、円盤状に限らず任意の形状、例えば、矩形状のガラス板であって良い。また、元ガラス板Ｇ１は、第一平坦面Ｆａから第二平坦面Ｆｂに貫通する孔を有する構成であっても良い。

元ガラス板Ｇ１は、ガラス板組成として質量％で、ＳｉＯ₂ ４５〜７５％、Ａｌ₂Ｏ₃ １〜３０％、Ｎａ₂Ｏ １〜２０％、Ｋ₂Ｏ ０〜２０％を含有することが好ましい。上記のようにガラス板組成範囲を規制すれば、イオン交換性能と耐失透性を高いレベルで両立し易くなる。

元ガラス板Ｇ１の板厚は、例えば、２．０ｍｍ以下であり、好ましくは１．５ｍｍ以下、１．３ｍｍ以下、１．０ｍｍ以下、０．８ｍｍ以下、０．７ｍｍ以下、０．６ ｍｍ以下、０．５ｍｍ以下、０．４ｍｍ以下、０．３ｍｍ以下、０．２ｍｍ以下、特に０ ．１ｍｍ以下である。元ガラス板Ｇ１の板厚が小さい程、強化ガラス板基板を軽量化することができ、結果として、デバイスの薄型化、軽量化を図ることができる。なお、生産性等を考慮すれば元ガラス板Ｇ１の板厚は０．０１ｍｍ以上であることが好ましい。

元ガラス板Ｇ１は、例えば、オーバーフローダウンドロー法を用いて成形され、スクライブチップを用いて切断され、回転砥石ツールによって面取りおよび端面研磨加工されたものである。なお、元ガラス板Ｇ１の成形方法や加工方法は任意に選択して良い。例えば、元ガラス板Ｇ１はフロート法を用いて成形されて良いし、レーザー光を用いて切断されて良いし、研磨テープを用いて研磨加工されていても良い。

次いで、上記準備工程の後、図１Ｂ、図１Ｃに示す選択強化工程の処理を実施する。選択強化工程は、図１Ｂに示すマスク工程と、図１Ｃに示す選択イオン交換工程とを含む。

マスク工程は、元ガラス板Ｇ１の第一主表面Ｓａおよび第二主表面Ｓｂの一部に第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂを形成して膜付ガラス板Ｇ２を得る工程である。第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂは、後述の選択イオン交換工程において、元ガラス板Ｇ１表層のイオン交換を行う際にイオンの透過を抑制し、または遮断する膜層である。

図３に示すように、第一マスクＭａは、第一平坦面Ｆａの中央部Ｆａ１を被覆し、第一平坦面Ｆａの周縁部Ｆａ２、および第一面取り面Ｃａを露出させるように、第一主表面Ｓａに形成される。なお、第一平坦面Ｆａの周縁部Ｆａ２は、第一面取り面Ｃａに対する第一平坦面Ｆａの境界部を含み、この境界部から数ｍｍ〜数十ｍｍの範囲における第一平坦面Ｆａの一部分である（以下、第二平坦面Ｆｂにおいて同じ）。

第一平坦面Ｆａの周縁部Ｆａ２は、第一平坦面Ｆａの中央部Ｆａ１の周囲を囲むように環状に構成される。第一平坦面Ｆａが円形状である場合には、周縁部Ｆａ２もこの形状に応じて円形状（円環状）に構成される。当然に、第一平坦面Ｆａが矩形状である場合には、周縁部Ｆａ２はこれに応じて矩形状に構成される。

図４に示すように、第二マスクＭｂは、第二平坦面Ｆｂの中央部Ｆｂ１を被覆し、第二平坦面Ｆｂの周縁部Ｆｂ２、および第二面取り面Ｃｂを露出させるように、第二主表面Ｓｂに形成される。

図３及び図４に示すように、第一マスクＭａ及び第二マスクＭｂは、第一平坦面Ｆａ及び第二平坦面Ｆｂの形状に対応するように円形状に構成される。第一マスクＭａの直径Ｗｍａは、第一平坦面Ｆａの直径Ｗｆａよりも小さく、第二マスクＭｂの直径Ｗｍｂは、第二平坦面Ｆｂの直径Ｗｆｂよりも小さい。このため、第一マスクＭａの面積は、第一平坦面Ｆａの面積よりも小さく、第二マスクＭｂの面積は、第二平坦面Ｆｂの面積よりも小さい。また、第二マスクＭｂの直径Ｗｍｂは、第一マスクＭａの直径Ｗｍａよりも大きい。したがって、第二マスクＭｂの面積は、第一マスクＭａの面積よりも大きい。

第一平坦面Ｆａの直径Ｗｆａと、第一マスクＭａの直径Ｗｍａとの差（Ｗｆａ−Ｗｍａ）は、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下とされることが望ましい。また、第二平坦面Ｆｂの直径Ｗｆｂと、第二マスクＭｂの直径Ｗｍｂとの差（Ｗｆｂ−Ｗｍｂ）は、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とされることが望ましい。また、第一マスクＭａの直径Ｗｍａと、第二マスクＭｂの直径Ｗｍｂとの差（Ｗｍｂ−Ｗｍａ）は、０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下とされることが望ましい。ただし、これらの数値は、上記の範囲に限定されず、元ガラス板Ｇ１の寸法に応じて適宜設定され得る。

第一マスクＭａは、第一平坦面Ｆａの面内に位置しており、具体的には、第一平坦面Ｆａと同心状となるように位置する。同様に第二マスクＭｂは、第二平坦面Ｆｂの面内に位置しており、第二平坦面Ｆｂと同心状となるように位置する。なお、図３及び図４において、第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂを強調するために、これらにハッチングを施している。

第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂの材質としては、イオン交換されるイオンの透過を抑制または遮断可能であれば任意の材質を用いて良い。交換されるイオンがアルカリ金属イオンである場合、第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂは、例えば、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属酸窒化物、金属酸炭化物、金属炭窒化物膜などであることが好ましい。また耐熱性や化学的耐久性に優れた炭素材料や金属、合金も第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂとして使用可能である。より詳細には、第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂの材質としては、例えば、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＮ、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＨｆＯ₂、ＳｎＯ₂、カーボンナノチューブ、グラフィン、ダイヤモンドライクカーボン、ステンレスの中から１種類以上を含む膜とすることができる。

特にＳｉＯ₂を第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂの主成分とすれば、安価且つ容易に第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂを形成可能であり、反射防止膜としても機能し得るため、好ましい。第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂは、ＳｉＯ₂のみから成る膜として良い。具体的には、第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂは質量％でＳｉＯ₂を９９％以上含有する組成を有するものとして良い。

また、イオンの透過を確実に遮断する場合には、ＳｉＯ₂を主成分とし、Ａｌ₂Ｏ₃を含む無機膜層を第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂとして用いることが好適である。この場合、第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂは、質量％でＳｉＯ₂ ２０〜９９％、Ａｌ₂Ｏ₃ １〜８０％、より好ましくは、ＳｉＯ₂ ６０〜９９％、Ａｌ₂Ｏ₃ １〜４０％を含む組成とする。

第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂの厚さは、イオン透過の遮断および抑制が可能であれば任意の厚さであって良い。ただし、第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂの厚さが過大であると、成膜時間や材料コスト等が増大するため、イオン透過の遮断および抑制が可能な範囲で薄く形成することが好ましい。具体的には、第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂの膜厚は、例えば１〜５０００ｎｍが好ましく、より好ましくは５０〜４０００ｎｍである。第一マスクＭａの膜厚と第二マスクＭｂの膜厚とは、同一に設定しても良く、異なるように設定しても良い。例えば、第一マスクＭａの厚みに対する第二マスクＭｂの厚みは、０．８〜１．２倍とされることが好ましい。

第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂの成膜方法は、スパッタ法や真空蒸着法などのＰＶＤ法(物理気相成長法)、熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法（化学気相成長法）、ディップコート法やスリットコート法などのウェットコート法を用いることができる。特にスパッタ法、ディップコート法が好ましい。スパッタ法を用いた場合、第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂを容易に均一に形成できる。第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂの成膜箇所は任意の手法で設定して良い。また、予めシート状に成形した第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂを元ガラス板Ｇ１の主表面Ｓａ，Ｓｂに接合して成膜しても良い。

なお、本実施形態では、ＳｉＯ₂およびＡｌ₂Ｏ₃を含有し、膜厚が１００ｎｍ以上であり、アルカリ金属イオンの透過を遮断可能な第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂを形成した場合を一例として説明する。

次いで、上記マスク工程の後、図１Ｃに示す選択イオン交換工程の処理を実施する。選択イオン交換工程は、膜付ガラス板Ｇ２をイオン交換法により化学強化して膜付強化ガラス板Ｇ３を得る工程である。具体的には、アルカリ金属イオンを含む溶融塩Ｔ１に膜付ガラス板Ｇ２を浸漬してイオン交換する。本実施形態における溶融塩Ｔ１は、例えば、硝酸カリウム溶融塩である。この溶融塩Ｔ１は、水と混合して濃度を２０質量％の水溶液とした場合のｐＨが６．５〜１１とされることが好ましい。

この選択イオン交換工程では、各マスクＭａ，Ｍｂによって被覆される各主表面Ｓａ，Ｓｂの一部を非選択領域とし、各マスクＭａ，Ｍｂに被覆されずに露出する部分を選択領域とする。具体的には、非選択領域は、第一平坦面Ｆａの中央部Ｆａ１及び第二平坦面Ｆｂの中央部Ｆｂ１である。選択領域は、第一平坦面Ｆａの周縁部Ｆａ２、第二平坦面Ｆｂの周縁部Ｆｂ２、第一面取り面Ｃａ、第二面取り面Ｃｂ及び端面Ｅである。

選択イオン交換工程における溶融塩Ｔ１の温度は任意に定めて良いが、例えば、３５０〜５００℃、好ましくは３７０〜４８０℃、より好ましくは３８０〜４５０℃、さらに好ましくは３８０〜４００℃である。また、膜付ガラス板Ｇ２を溶融塩Ｔ１中に浸漬する時間は任意に定めて良いが、例えば、０．１〜１５０時間、好ましくは０．３〜１００時間、より好ましくは０．５〜５０時間である。

上記選択イオン交換工程では、膜付ガラス板Ｇ２の表面のうち、第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂが設けられていない選択領域において、ガラス板中のナトリウムイオンと溶融塩Ｔ１中のカリウムイオンとが交換される。これにより、選択領域には第一圧縮応力層ＣＰ１が形成される。一方、膜付ガラス板Ｇ２の表面のうち、第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂが設けられた中央部Ｆａ１，Ｆｂ１では、イオンが遮断されるため、圧縮応力層が形成されない。以上の選択イオン交換工程により、選択領域に第一圧縮応力層ＣＰ１が形成されてなる膜付強化ガラス板Ｇ３を得る。

次いで、上記選択イオン交換工程の後、図１Ｄに示すマスク除去工程の処理を実施する。マスク除去工程は、膜付強化ガラス板Ｇ３から各マスクＭａ，Ｍｂを除去する工程である。具体的には、各マスクＭａ，Ｍｂを研磨によって除去する。研磨装置としては、周知の研磨装置を用いることができ、特に両面研磨装置を用いることが好ましい。

なお、研磨に限らず他の手法を用いて各マスクＭａ，Ｍｂを除去しても良い。例えば、エッチング液を付着させて各マスクＭａ，Ｍｂを除去しても良い。各マスクＭａ，ＭｂがＳｉＯ₂を含有する膜である場合、例えば、フッ素、ＴＭＡＨ、ＥＤＰ、ＫＯＨ、ＮＡＯＨ等を含む溶液をエッチング液として用いることができ、特にフッ酸溶液をエッチング液として用いることが好ましい。なお、フッ酸溶液を用い、ガラス寸法を変更することなく各マスクＭａ，Ｍｂのみを除去する場合には、当該フッ酸溶液におけるＨＦの濃度を１０％以下とすることが好ましい。

上記マスク除去工程の処理により各マスクＭａ，Ｍｂを除去すると、各平坦面Ｆａ，Ｆｂの各中央部Ｆａ１，Ｆｂ１に圧縮応力層が形成されておらず、各平坦面Ｆａ，Ｆｂの各周縁部Ｆａ２，Ｆｂ２、各面取り面Ｃａ，Ｃｂ及び端面Ｅに第一圧縮応力層ＣＰ１が形成されてなる強化ガラス板Ｇ４を得る（図１Ｄ参照）。

次に、この強化ガラス板Ｇ４を全体的に強化すべく、全体強化工程の処理を実施する。全体強化工程は、図１Ｅに示すように、強化ガラス板Ｇ４の表面全体に溶融塩Ｔ２を接触させて表層のイオンを交換する工程である。具体的には、アルカリ金属イオンを含む溶融塩Ｔ２に強化ガラス板Ｇ４を浸漬してイオン交換し、各平坦面Ｆａ，Ｆｂの各中央部Ｆａ１，Ｆｂ１において第二圧縮応力層ＣＰ２を形成する。さらに、第一圧縮応力層ＣＰ１においてもイオン交換が行われ、その深さが大きくなる。なお、溶融塩Ｔ２は、例えば、硝酸カリウム溶融塩である。

全体強化工程における溶融塩Ｔ２の温度は任意に定めて良いが、例えば、３５０〜５００℃、好ましくは３７０〜４８０℃、より好ましくは３８０〜４５０℃である。また、強化ガラス板Ｇ４を溶融塩Ｔ２中に浸漬する時間は任意に定めて良いが、例えば、０．１〜７２時間、好ましくは０．３〜５０時間、より好ましくは０．５〜２４時間である。

溶融塩Ｔ２は、上述の溶融塩Ｔ１と同様のものであっても良い。すなわち、選択強化工程において用いた溶融塩Ｔ１に強化ガラス板Ｇ４を再度浸漬して良い。この場合、単一の塩浴で複数工程の処理を行うことができるため、製造設備のコストを抑制できる。

また、溶融塩Ｔ２は、溶融塩Ｔ１とは異なるものであって良いし、全体強化工程における処理温度および処理時間は、選択イオン交換工程の処理温度および処理時間と異なっていて良い。例えば、全体強化工程におけるイオン交換の処理時間は、選択イオン交換工程における処理時間より短いことが好ましい。このような処理によれば、各平坦面Ｆａ，Ｆｂの各中央部Ｆａ１，Ｆｂ１における第二圧縮応力層ＣＰ２の深さが過剰になることがなく、引張応力の増加を抑制できる。

以上の全体強化工程により、半径方向の端部（各周縁部Ｆａ２，Ｆｂ２、各面取り面Ｃａ，Ｃｂ及び端面Ｅ）に層深さ（ＤＯＬ１）が大きな第一圧縮応力層ＣＰ１が形成され、その中央部（各平坦面Ｆａ，Ｆｂの各中央部Ｆａ１，Ｆｂ１）に、層深さ（ＤＯＬ２）が小さな第二圧縮応力層ＣＰ２が形成されてなる強化ガラス板Ｇ５を得る。この強化ガラス板Ｇ５の各主表面Ｓａ，Ｓｂには、第一マスクＭａ及び第二マスクＭｂの面積に対応するように、面積の異なる第二圧縮応力層ＣＰ２が形成される。すなわち、強化ガラス板Ｇ５の第二平坦面Ｆｂにおける第二圧縮応力層ＣＰ２の形成面積は、第一平坦面Ｆａにおける第二圧縮応力層ＣＰ２の形成面積よりも大きくなる。第一圧縮応力層ＣＰ１の層深さ（ＤＯＬ１）は、強化ガラス板Ｇ５の厚みの１／４以下とされることが望ましい。また、第二圧縮応力層ＣＰ２の層深さ（ＤＯＬ２）は、強化ガラス板Ｇ５の厚みの１／８以下とされることが望ましい。

以上のように、本実施形態に係る強化ガラス板Ｇ５の製造方法では、厚さ方向において非対称形状を有する元ガラス板Ｇ１に対し、その非対称形状に応じて、面積の異なる第一マスクＭａ及び第二マスクＭｂを各主表面Ｓａ，Ｓｂに形成することにより、イオン交換法による強化を行った場合におけるガラス板（膜付ガラス板Ｇ２）の変形を可及的に小さくすることが可能になる。具体的には、第一平坦面Ｆａの面積が小さく、第二平坦面Ｆｂの面積が大きく構成されてなる元ガラス板Ｇ１の場合には、面積が小さな第一マスクＭａを第一平坦面Ｆａに形成し、面積が大きな第二マスクＭｂを第二平坦面Ｆｂに形成して膜付ガラス板Ｇ２を構成することが望ましい。これにより、高い平坦性を有し且つ部分的に高い強度を有する強化ガラス板Ｇ５を安定して製造することが可能になる。

本実施形態の場合、元ガラス板Ｇ１は、各面取り面Ｃａ，Ｃｂに比べ第一平坦面Ｆａ及び第二平坦面Ｆｂの面積が大きいため、イオン交換時において各面取り面Ｃａ，Ｃｂに形成される圧縮応力層が膜付ガラス板Ｇ２の変形に与える影響は、第一平坦面Ｆａ及び第二平坦面Ｆｂに形成される圧縮応力層のそれに比べて極めて小さいものと考えられる。したがって、本実施形態では、各主表面Ｓａ，Ｓｂのうち、第一平坦面Ｆａ及び第二平坦面Ｆｂの中央部Ｆａ１，Ｆｂ１に、面積の異なる第一マスクＭａ及び第二マスクＭｂを形成するのみで、膜付ガラス板Ｇ２の変形を防止できる。

また、全体強化工程においても各マスクＭａ，Ｍｂを除去してなる強化ガラス板Ｇ４を溶融塩Ｔ２に浸漬してイオン交換を行うことになるが、選択強化工程において選択領域が強化されていることから、全体強化工程における強化ガラス板Ｇ４の変形は極めて軽微なものとなる。

上記の事項は、各面取り面Ｃａ，Ｃｂを有する円盤状の強化ガラス板Ｇ５を形成する場合に限らず、種々の形状の強化ガラス板Ｇ５を製造する場合に適用できる。図５は、面取り面Ｃａ，Ｃｂを有していない強化ガラス板Ｇ５を製造する場合における元ガラス板Ｇ１及び膜付ガラス板Ｇ２の例を示す。

図５Ａに示すように、元ガラス板Ｇ１は、半径方向の端部の厚さが中途部の厚さよりも大きく構成されてなる。この端部は、断面視において略円形状に構成されており、その直径が元ガラス板Ｇ１の中途部の厚さをよりも大きく構成される。この構成により、元ガラス板Ｇ１は、第一主表面Ｓａに、第一平坦面Ｆａと繋がる凸状の曲面ＣＳを有する。また、膜付ガラス板Ｇ２における第一マスクＭａは、第一平坦面Ｆａだけでなく、この曲面ＣＳの一部をも被覆するように形成されている。加えて、この例では、第一マスクＭａの面積（直径Ｗｍａ）を第二マスクＭｂの面積（直径Ｗｍｂ）よりも大きく設定してある。また、図５Ｂに示す元ガラス板Ｇ１では、その第一主表面Ｓａの第一平坦面Ｆａに繋がるように傾斜面ＩＳが形成されている。この例においても、膜付ガラス板Ｇ２における第一マスクＭａは、第一平坦面Ｆａのみならず、この傾斜面ＩＳの一部にも形成されている。

なお、全体強化工程の後、さらに仕上げ加工工程の処理を実施しても良い。本実施形態に係る強化ガラス板Ｇ５の製造方法によれば、選択強化工程の選択イオン交換工程において、膜付強化ガラス板Ｇ３の変形を防止するのみならず、第一マスクＭａと第二マスクＭｂとの面積の大小関係を調整することにより、膜付強化ガラス板Ｇ３の変形量を調整することも可能である。このため、全体強化工程を経て成る強化ガラス板Ｇ５を、若干変形した状態とし、これに仕上げ加工工程を施すことも可能である。

以下、この仕上げ加工工程について、両面研磨装置ＰＡにより強化ガラス板Ｇ５を研磨する場合を例として説明する。図６に示すように、両面研磨装置ＰＡは、強化ガラス板Ｇ５を保持するキャリアＣＡと、強化ガラス板Ｇ５の第一主表面Ｓａを研磨する上研磨定盤ＳＰ１と、第二主表面Ｓｂを研磨する下研磨定盤ＳＰ２とを備える。キャリアＣＡは、強化ガラス板Ｇ５を回転不能に保持する保持孔ＣＡｈを有する。

強化ガラス板Ｇ５は、図６に示すように、第一平坦面Ｆａを上側、第二平坦面Ｆｂを下側にした場合に、上方に若干凸となるように変形した状態で、キャリアＣＡの保持孔ＣＡｈに嵌合している。この状態で、上研磨定盤ＳＰ１を第一主表面Ｓａに接触させ、下研磨定盤ＳＰ２を第二主表面Ｓｂに接触させる。その後、上研磨定盤ＳＰ１、下研磨定盤ＳＰ２及びキャリアＣＡを相対的に移動させ、強化ガラス板Ｇ５の両面Ｓａ，Ｓｂを研磨する。

上記のように、強化ガラス板Ｇ５に若干の変形を残した状態で両面研磨を行うことにより、各主表面Ｓａ，Ｓｂともに良好な研磨面を得ることが可能になる。例えば、強化ガラス板Ｇ５を変形させていない状態で同様な両面研磨を行う場合、その上下の位置関係から、下方側に位置する第二主表面Ｓｂの方が、第一主表面Ｓａよりも過剰に研磨されてしまい、上側の第一主表面Ｓａと下側の第二主表面Ｓｂとで、その研磨量が不均等になるおそれがある。これに対し、上記のように研磨を行うことで、各主表面Ｓａ，Ｓｂの研磨量を均等にできることから、高精度の両面研磨が可能となる。

図７は、強化ガラス板の製造方法の第二実施形態を示す。上記の第一実施形態では、選択強化工程及び全体強化工程により、溶融塩Ｔ１，Ｔ２にガラス板（膜付ガラス板Ｇ２、強化ガラス板Ｇ４）を二度浸漬させたが、本実施形態では、一度の浸漬により強化ガラス板Ｇ５を製造する。

本実施形態では、図７Ａに示すように、元ガラス板Ｇ１を準備した後、図７Ｂに示すように、各主表面Ｓａ，Ｓｂに、第一マスクＭａ及び第二マスクＭｂを形成して膜付ガラス板Ｇ２を得る。第一実施形態と異なり、本実施形態では、第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂには、イオン透過を抑制する機能性膜が使用される。

その後、図７Ｃに示すように、各マスクＭａ，Ｍｂを有する膜付ガラス板Ｇ２を溶融塩Ｔ１に浸漬させる。これにより、各マスクＭａ、Ｍｂに被覆されていない、各平坦面Ｆａ，Ｆｂの各周縁部Ｆａ２，Ｆｂ２、各面取り面Ｃａ，Ｃｂ及び端面Ｅにおいてイオン交換を行うとともに、各マスクＭａ，Ｍｂに被覆されている中央部Ｆａ１，Ｆｂ１においても、イオン透過を抑制した状態でイオン交換を施す。これにより、半径方向の端部（各周縁部Ｆａ２，Ｆｂ２、各面取り面Ｃａ，Ｃｂ及び端面Ｅ）に層深さ（ＤＯＬ１）が大きな第一圧縮応力層ＣＰ１が形成され、その中央部（各平坦面Ｆａ，Ｆｂの各中央部Ｆａ１，Ｆｂ１）に、層深さ（ＤＯＬ２）が小さな第二圧縮応力層ＣＰ２が形成されてなる膜付強化ガラス板Ｇ３を得る（図７Ｃ参照）。その後、膜付強化ガラス板Ｇ４における第一マスクＭａおよび第二マスクＭｂを除去することにより、図７Ｄに示す強化ガラス板Ｇ５を得る。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、上記した作用効果に限定されるものでもない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

上記の実施形態では、ナトリウムイオンとカリウムイオンとをイオン交換して化学強化する場合を例示したが、これに限らず、任意のイオンを交換することが可能である。例えば、リチウムイオンとナトリウムイオンのイオン交換、或いはリチウムイオンとカリウムイオンのイオン交換により強化ガラス板Ｇ４，Ｇ５を製造してもよい。この場合、強化ガラス板Ｇ４，Ｇ５は、組成として質量％でＬｉＯ₂を０．５〜７．５％含有することが望ましく、より好ましくは３．０％、或いは４．５％のＬｉＯ₂を含有する。

強化ガラス板の応力特性は、例えば折原製作所製ＦＳＭ−６０００を用いて測定することができる。アルミノシリケート系ガラスの圧縮応力層の深さが１００μｍを超える場合や、リチウムイオンとナトリウムイオンのイオン交換、或いはリチウムイオンとカリウムイオンのイオン交換を行った場合は、強化ガラス板の応力特性は、例えば折原製作所製ＳＬＰ−１０００を用いて測定することができる。強化ガラス板を切断する等して断面試料を作製できる場合は、例えばフォトニックラティス社製ＷＰＡ−ｍｉｃｒｏや東京インスツルメンツ社製Ａｂｒｉｏを用いて内部応力分布を観測し、応力深さを確認することが望ましい。

本発明者等は、本製造方法を使用して製造した場合の強化板ガラスを実施例とし、本製造方法を適用することなく（元ガラス板にマスクを形成することなく）製造した場合の強化板ガラスを比較例として、各例における反り（鉛直方向変位）の大きさを演算（シミュレーション）により求めた。実施例及び比較例における各強化ガラス板は、厚さ方向に非対称な断面形状を有する円盤である。実施例及び比較例に係る強化ガラス板の寸法は、厚さ１ｍｍ、外径４０ｍｍである。また、実施例に用いる第一マスクの直径を３０ｍｍとし、第二マスクの直径を３６ｍｍとした。

演算の結果、実施例の反りが０．０μｍであるのに対し、比較例の反りは２３．７μｍとなることが判明した。図８は、この演算結果をグレースケールにて可視化したものである。図８Ａは実施例を、そして図８Ｂは比較例を示す。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、比較例に係る強化ガラス板では、半径方向外方に向かうにつれて反り量（鉛直方向変位）が大きくなるのに対し、実施例に係る強化ガラス板では、反りが全く生じていないことが判る。なお、図８Ａに示す実施例に係る強化ガラス板は、その縁部が実線で縁取りされて表示されている。この実線は、強化ガラス板の境界を明確にするために付されたものであり、強化ガラス板の反りとは無関係である。

Ｃａ 第一面取り面
Ｃｂ 第二面取り面
Ｆａ 第一平坦面
Ｆｂ 第二平坦面
Ｇ１ 元ガラス板
Ｇ２ 膜付ガラス板
Ｇ３ 膜付強化ガラス板
Ｇ４ 強化ガラス板
Ｇ５ 強化ガラス板
Ｍａ 第一マスク
Ｍｂ 第二マスク
Ｓａ 第一主表面
Ｓｂ 第二主表面
Ｔ１ 溶融塩
Ｔ２ 溶融塩

Claims (11)

1. 表裏に各々第一主表面と第二主表面とを有し且つ厚さ方向に非対称な断面形状を有するガラス板表層のイオンを交換する強化ガラス板の製造方法であって、
   前記第一主表面の少なくとも一部に前記イオンの交換を抑制または防止する第一マスクを、前記第二主表面の少なくとも一部に前記イオンの交換を抑制または防止する第二マスクを各々設けるマスク工程と、
   前記マスク工程後に、該ガラス板を、前記イオンを交換するための溶融塩に浸漬させるイオン交換工程とを備え、
   前記マスク工程において、前記第一主表面における前記第一マスクの形成面積、および前記第二主表面における前記第二マスクの形成面積は、前記断面形状に応じて異なる大きさに設定されることを特徴とする、強化ガラス板の製造方法。
2. 前記第一主表面は、第一平坦面を有し、
   前記第二主表面は、前記第一平坦面より大きな第二平坦面を有し、
   前記第一マスクは、前記第一平坦面内に設けられ、
   前記第二マスクは、前記第二平坦面内に設けられ、
   前記第二マスクの形成面積は、前記第一マスクの形成面積より大きいことを特徴とする、請求項１に記載の強化ガラス板の製造方法。
3. 前記第一平坦面は前記第一主表面の中央部に位置し、
   前記第一マスクは前記第一平坦面の中央部に設けられ、
   前記第二平坦面は前記第二主表面の中央部に位置し、
   前記第二マスクは前記第二平坦面の中央部に設けられ、
   前記第一主表面は、前記第一平坦面の外縁に沿って設けられた第一面取り面を備え、
   前記第二主表面は、前記第二平坦面の外縁に沿って設けられた第二面取り面を備え、
   前記第一面取り面の面積は、前記第二面取り面の面積より大きいことを特徴とする、請求項２に記載の強化ガラス板の製造方法。
4. 前記第一マスクおよび前記第二マスクは、組成として質量％でＳｉＯ₂ ６０〜１００％、Ａｌ₂Ｏ₃ ０〜４０％を含む無機膜層であることを特徴とする、請求項１から３の何れか一項に記載の強化ガラス板の製造方法。
5. 前記第一マスクの厚みに対する前記第二マスクの厚みが０．８〜１．２倍であることを特徴とする、請求項１から４の何れか一項に記載の強化ガラス板の製造方法。
6. 前記ガラス板表層のイオンはナトリウムイオンであり、
   前記溶融塩はカリウムイオンを含み、
   前記溶融塩は、水と混合して濃度を２０質量％の水溶液とした場合のｐＨが６．５〜１１であることを特徴とする、請求項１から５の何れか一項に記載の強化ガラス板の製造方法。
7. 前記ガラス板は、ガラス板組成として質量％で、ＳｉＯ₂ ４５〜７５％、Ａｌ₂Ｏ₃ １〜３０％、Ｎａ₂Ｏ １〜２０％、Ｋ₂Ｏ ０〜２０％を含有するガラス板であることを特徴とする、請求項１から６の何れか一項に記載の強化ガラス板の製造方法。
8. 前記ガラス板は、平面視円盤状または矩形状であることを特徴とする、請求項１から７の何れか一項に記載の強化ガラス板の製造方法。
9. 表裏に各々第一主表面と第二主表面とを有し且つ厚さ方向に非対称な断面形状を有する膜付ガラス板であって、
   前記第一主表面の少なくとも一部に形成されるとともに、イオンの交換を抑制または防止する第一マスクと、前記第二主表面の少なくとも一部に形成されるとともに、イオンの交換を抑制または防止する第二マスクとを備え、
   前記第一主表面における前記第一マスクの形成面積、および前記第二主表面における前記第二マスクの形成面積は、前記断面形状に応じて異なる大きさに設定されることを特徴とする、膜付ガラス板。
10. 前記第一主表面は、第一平坦面を有し、
    前記第二主表面は、前記第一平坦面より大きな第二平坦面を有し、
    前記第一マスクは、前記第一平坦面内に設けられ、
    前記第二マスクは、前記第二平坦面内に設けられ、
    前記第二マスクの形成面積は、前記第一マスクの形成面積より大きいことを特徴とする、請求項９に記載の膜付ガラス板。
11. 表裏に各々第一主表面と第二主表面とを有し且つ厚さ方向に非対称な断面形状を有する強化ガラス板であって、
    前記第一主表面は、第一平坦面を有し、
    前記第二主表面は、前記第一平坦面より大きな第二平坦面を有し、
    前記第一平坦面は、その周縁部に形成される第一圧縮応力層と、その中央部に形成されるとともに前記第一圧縮応力層よりも層深さが小さな第二圧縮応力層とを有し、
    前記第二平坦面は、その周縁部に形成される第一圧縮応力層と、その中央部に形成されるとともに前記第一圧縮応力層よりも層深さが小さな第二圧縮応力層とを有し、
    前記第二平坦面における前記第二圧縮応力層の形成面積は、前記第一平坦面における前記第二圧縮応力層の形成面積よりも大きいことを特徴とする、強化ガラス板。