JP2013014512A - 強化板ガラス - Google Patents

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Abstract

【課題】ガラス表面の強度を十分に強化することができ、しかも高い製造効率で安定した品位の強化板ガラスを製造するための強化板ガラスの製造方法とこの製造方法によって得られる強化板ガラスを提供する。
【解決手段】本発明の強化板ガラスは、アルミノシリケートガラスであって、板厚方向に相対向する板表面にそれぞれ化学強化による圧縮応力層を有し、板端面に、圧縮応力が形成されている領域と圧縮応力が形成されていない領域とを有し、前記アルミノシリケートガラスが、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ２ ５０〜８０％、Ａｌ２Ｏ３ ５〜２５％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ ３〜２５％、ＣａＯ＋ＭｇＯ＋ＺｎＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０〜１０％を含有し、圧縮応力層の厚さが１００μｍ以下であり、且つ前記板端面が、スクライブ割断によって形成された面であると共に、折割工程を経ずに形成された面であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話やＰＤＡに代表される各種携帯情報端末や液晶ディスプレイに代表される電子機器の画像表示部あるいは画像入力部に搭載される基板材あるいはカバーガラス部材として使用される強化板ガラスとその強化板ガラスの製造方法に関する。
近年、産業界のあらゆる分野を巻き込んだデジタル技術の進捗等に見られる様に、情報産業は著しく発展し、その興隆はかっての繊維産業、鉄鋼産業あるいは造船産業等と同様の活況を呈するものとなっている。それに伴い携帯電話、デジタルカメラやＰＤＡ等の携帯機器、あるいは液晶テレビ等の大型画像表示装置の拡販等、各種の情報関連端末に関する技術革新は留まることない拡がりを見せている。このような情報関連端末には、画像や文字等の情報を表示するため、あるいは情報をタッチパネルディスプレイなどで入力するための透明基板が搭載されており、この基板は高い環境性能を実現するため、そして高い信頼性を確保するため、その素材としてガラスが採用されている。
情報産業の興隆を担う用途で使用されるガラスに要求される各種の環境性能は、ガラスが使用される環境に即した機械的強度、耐候性などの化学的耐久性、透過率や屈折率等の適正な光学恒数等、各種の物理化学性能であり、そのためガラスの材質設計はこれらのあらゆる課題を解決するための究極的な組成を決定することとなる。そしてこのようなガラスの材質設計のみで対応できない、より高い課題を解決するためにさらに２次的処理をガラスに施すことがこれまでも行われてきた。２次的処理としては、例えば屈折率、密度の調整や強度を保全するための徐冷操作（アニールともいう）、ガラス表面の強化処理を行うための風冷強化等の物理強化やイオン交換等の化学強化等がある。
２次的処理の内でもガラス表面の化学強化は、強化を必要とする様々な用途で利用されるガラス製品に活用されてきた。化学強化の対象となるガラス製品は多岐に亘り、腕時計などの時計用のカバーガラスのような小さなものから窓板ガラスのような大型のものまで様々なものがあり、さらに化学強化法を行う上で生じる弱点を克服する発明も数多く行われてきた。例えば化学強化法は一般にガラス表面の化学的耐久性を低くするという問題点について、特許文献１は、化学的耐久性に優れた化学強化ガラスを製造するため、フロート板ガラスを硝酸カリウム溶融塩に漬けた後にさらにリチウム水溶液に漬ける方法が開示されている。また特許文献２は、タッチパネル等の用途で使用される板ガラスが化学強化によってソリを生じる問題について、化学強化を行うために鉛直方向に浸漬時に板ガラスの支持位置を板ガラスの長辺長さと短辺長さの比によって変更することで問題が改善できるとする発明が開示されている。さらに特許文献３は、板ガラス全体を化学強化するのには、特にディスプレイ等の大型の板ガラスを処理しようとすると熱処理工程の管理が厳密に行わねばならず、工程の時間短縮化が困難であるという問題に対して、ガラス板の切断部に霧化した強化剤または粉末状の強化剤を吹き付けて、加熱用光を照射することで問題が改善できるとする発明が行われている。また特許文献４ではプラズマディスプレイ等の大型のディスプレイに用いられるガラス板の部分的な強化処理をカリウム塩及び高融点化合物を含有するペーストをガラス表面に堆積させることで達成できるとする発明も行われている。
特開平０７−２２３８４５号公報 特開２００４−１８９５６２号公報 特開２００６−２８２４９２号公報 特表２００３−５１４７５８号公報
しかしながら、これまでに行われてきた発明だけでは、各種携帯情報端末等の用途で使用される高機能かつ表面性状に優れ、しかも高い製造効率を実現することのできる化学強化された板ガラスを実現するには難がある。イオン交換強化等の化学強化法を適用する場合には、通常その製品形状寸法まで加工した後に所定の化学処理を施すことが行われるが、このような方法では強化処理中に製品寸法の板ガラス１枚ずつを品質低下のないように支持せねばならず、そのため特許文献２に開示されたように支持方法等に様々な工夫を要するという問題点、あるいは通常の強化処理では板ガラス全体が処理されることになるため板ガラス製品としては高い強度が求められることのない部位にまでも強化処理が施されてしまうという問題もある。また特許文献３や特許文献４のような噴霧処理やペースト処理によって板ガラス全体ではなく、板ガラスに部分的な強化処理を施そうとするのは、所望の箇所、部位のみが強化できるという点では優れているものの、そのための処理設備や管理技術などの観点からも様々な精密かつ繊細な注意を必要とするものとなるために、強化板ガラスの製造は大きな労力を要するものとなってしまうという問題がある。
また化学強化を施したガラス物品は、その表面に圧縮応力が印加されているが、その内部のガラスバルクには引張応力が働いているため、化学強化処理後にガラス物品を貫通する、あるいは分断するような切断、割断等の物理的な加工を適正に施すことが困難であり、無理にこのような加工をガラス物品に施そうとするとガラス物品がその内部の引張応力のために、破壊されてしまう、あるいは切断や割断位置が望ましい箇所で行われずに精度の低い加工品しか得られなくなり不良品が多発するという問題点もある。また低い良品率で製造されたガラス物品の切断面には、大きな引張力が働いている領域があるため、経時的にガラス中のナトリウム等のアルカリ金属成分が、ガラス表面に析出し易く、ガラスの耐候性にも支障のあるという問題も認められる。
また強化処理を板ガラスに施す場合には、予め板ガラスをその最終的な製品寸法にまでダイヤモンドや超硬合金ホイールチップを用いたスクライブブレイク法やダイヤモンドホイールを用いたダイサーカット法、レーザーを用いたレーザーカット法等を駆使することによって加工する。そして、さらに板ガラスの端面に発生した微細なクラックを除去するための研磨、ポリッシュ加工やフッ酸類等の各種薬剤を使用するガラス表面のエッチング処理を施し、ガラス表面に存在する微細なクラックや傷等を除去する操作を行う必要がある。しかしこのような工程はそれだけ製造の労力を多くし、効率の高い強化板ガラスの製造を行うことができないという問題を有していた。
本発明は上述のような諸問題を改善し、ガラス表面の強度を十分に強化することができ、しかも高い製造効率で安定した品位の強化板ガラスを製造するための経済的に優れた強化板ガラスの製造方法とこの製造方法によって得られる高い寸法品位と安定した表面強度を有する強化板ガラスの提供を課題とする。
本発明の強化板ガラスは、アルミノシリケートガラスであって、板厚方向に相対向する板表面にそれぞれ化学強化による圧縮応力層を有し、板端面に、圧縮応力が形成されている領域と圧縮応力が形成されていない領域とを有し、前記アルミノシリケートガラスが、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ２ ５０〜８０％、Ａｌ２Ｏ３ ５〜２５％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ ３〜２５％、ＣａＯ＋ＭｇＯ＋ＺｎＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０〜１０％を含有し、圧縮応力層の厚さが１００μｍ以下であり、且つ前記板端面が、スクライブ割断によって形成された面であると共に、折割工程を経ずに形成された面であることを特徴とする。
本発明では、アルミノシリケートガラスの板ガラスについて、板表面及びその表面近傍バルクについて特定のイオン種の密度分布を増加させるためのエネルギーを板ガラスに付与することによって、板表面及びその表面近傍バルクの原子密度を向上させ、その結果、板表面に平行な圧縮応力層を形成している。また、板端面については、圧縮応力が形成されている領域と圧縮応力が形成されていない領域とを設けている。ここで、圧縮応力が形成されていない領域とは、より具体的には圧縮応力がゼロ、あるいは引張応力が働いている領域である。
板端面において、圧縮応力が形成されている領域は板表面と連続し、圧縮応力が形成されていない領域は、圧縮応力が形成されている領域と連続している。
板ガラスの化学強化法としては、例えば必要に応じて低温型イオン交換法、高温型イオン交換法、表面結晶化法、脱アルカリ法などを適宜採用してよく、複数の方法を併用してもよい。ただ、経済的な観点から低温型イオン交換法、脱アルカリ法が好ましく、より好ましくは低温型イオン交換法を採用することである。
板端面は、スクライブ割断によって形成された面である。表面に化学強化による圧縮応力層を形成した板ガラスをスクライブ割断によって分割すると、当該分割面によって形成される板端面は、圧縮応力が形成されている領域と圧縮応力が形成されていない領域とを有するものとなる。この圧縮応力が形成されていない領域は、言い換えれば、上記の化学強化が施されていない表面である。
板端面の形状は、板ガラスの用途や目的に応じて様々な形態を採用することが可能であり、例えば、板表面に直角な平坦面のほか、板表面に対して傾斜して傾斜面、あるいは湾曲面、凹凸面、多角面、さらにはこれらを複合化させた形状とすることができる。
また板表面の外観形状やその寸法、さらに板厚についても、所要の強度性能を満足する限り、どのようなものであってもよい。例えば、板表面の外観形状は、矩形以外に円形、楕円形、三角形、五角形、六角形などの多角形等が可能である。また角のある外観を呈する形状とする場合に、板表面の角部についても様々な形状を採用してよい。例えばＣ面（隅切り、コーナーカットともいう）、Ｒ面、逆Ｒ面、エグリ、切り欠き等の形状としてよい。Ｃ面は、角部を直線状におとした形状であり、Ｒ面は板ガラス外側に凸状に湾曲したようにおとす形状、逆Ｒ面は板ガラス内側に湾曲したようにおとす形状、エグリはコの字状あるいは半円形状におとす形状、切り欠きは、角の頂点から一辺側に所定長さだけ他辺側にも所定長さだけの位置から直線状に、すなわちＬ字状になるようにおとす形状を表している。また必要に応じて糸面取りなどを施してもよい。板表面の寸法については、ｍｍオーダーからｍオーダーの外形寸法に適用してよい。板厚についても０．０５ｍｍから１０ｍｍまでの各種の板厚が可能である。ただし、強化処理を施す必要性や、精密機器、電子機器等に搭載する薄板ガラスとする場合には、軽薄短小化が望まれることになるため、このような観点からより好ましくは、０．０５〜２ｍｍの範囲の板厚とするのがよく、さらに好ましくは０．０６ｍｍから１．５ｍｍ、一層好ましくは０．０７ｍｍから１．４ｍｍ、さらに一層好ましくは０．０８から０．６ｍｍの範囲の板厚とするのがよい。
また本発明の強化板ガラスは、上述に加え、板端面の圧縮応力が形成されている領域が板表面と平行に分布しているものであるならば、板表面の所望の強度を実現でき、高い安定した機械的強度を有する強化板ガラスとなる。
上述のように、板端面において、圧縮応力が形成されている領域は板表面と連続し、圧縮応力が形成されていない領域は、圧縮応力が形成されている領域と連続している。従って、板端面において、圧縮応力が形成されていない領域は、圧縮応力が形成されている領域によって両板表面の側から挟まれた状態となる。このような構成とすることにより、板表面ばかりでなく、板端面の強度についても安定した性能を有する状態となる。
本発明の強化板ガラスを構成するガラス材質としては、無機酸化物ガラスの中から、アルミノシリケートガラスを使用する。ただし、精密機器、電子機器等に搭載する場合耐候性が低下するガラス材質は好ましくなく、具体的にガラス組成範囲で限定するならば、酸化物換算表示で表されるガラス組成中のＡｌ２Ｏ３含有量が質量百分率表示で１０％未満である一般的なソーダ石灰ガラス以外のガラス材質が好ましい。Ａｌ２Ｏ３含有量が１０％以上であれば、ナトリウムやカリウム等の耐候性を低下させる成分が含有している場合であっても、板端面の圧縮応力が形成されていない領域における耐候性の低下を抑止する効果が著しく大きくなるからである。
本発明者は、化学強化が不要である部位にまで強化処理を施す必要性がない場合、あるいは化学強化を施しているために製造上、用途上等の問題があり、板ガラスの特定の表面には化学強化を施さない方がよい場合には、スクライブ割断等の物理的加工を採用し、予め大型の板ガラスをイオン交換した後に切断できることができるならば、化学強化処理に要する不要な設備や管理項目を少なくし、製造効率を大幅に向上させることが可能となり、化学強化の適用範囲を大幅に拡げることができるということに注目し、このような観点から各種の研究を重ね、ある特定の強化処理条件を満足する場合には、切断時にも予め化学強化された板ガラスが良好に加工することが可能であり、引張応力がガラスに印加されることで破損したり破壊したりすることがなく、しかも切断後の板ガラスは十分に高い強度性能を有するものとなることを見出した。この特定の条件は、板ガラスの応力状態に関わるものであり、いくつかの応力状態に関する主要な値相互の関係を適正に管理することで実現することができる。
すなわち本発明の強化板ガラスは、上述に加え、圧縮応力層の板厚方向の応力分布が、板表面の圧縮応力値、圧縮応力層の厚み寸法、及び圧縮応力が形成されていない領域の厚み寸法により表される圧縮応力関数に従い制限されているものであれば、化学強化された板ガラスに物理的な加工を施すための外力を引加した場合であっても板ガラスの物理的加工面にガラスの強度を著しく低下させる微細なクラックや欠損部を生じることがなく、加工された強化板ガラスは高い加工表面品位を有するものとなる。
また本発明の強化板ガラスは、上述に加え、圧縮応力関数が、圧縮応力値と圧縮応力層の厚み寸法の積を上記圧縮応力が形成されていない領域の厚み寸法により除した関数であり、該関数によって算出される値が４０ＭＰａ以下となるものであれば、強化板ガラスの板厚方向に相対向する表面は充分に強化され、しかも板ガラスの端面を形成するために物理的な外力を板ガラスに印加しても板ガラスが欠損、あるいはクラック等の欠陥を生じ難いものとできる。
ここで、圧縮応力関数をＦ、圧縮応力値をＰ、圧縮応力層の厚み寸法をＴ、圧縮応力が形成されていない領域の厚み寸法をＬと表した場合に下記の数１に示した式の様にあらわすことができる。
具体的に圧縮応力関数Ｆを求めるためには、圧縮応力値Ｐ、圧縮応力層の厚み寸法Ｔ、圧縮応力が形成されていない領域の厚み寸法Ｌのそれぞれを計測する必要がある。まず圧縮応力値Ｐと圧縮応力層の厚み寸法Ｔについては、例えば数ある応力の計測方法の内、屈折率計法を適用した表面応力計を使用することにより計測することができる。また圧縮応力が形成されていない領域の厚み寸法Ｌについては、圧縮応力層の厚み寸法Ｔが板ガラスの厚み寸法が充分に小さい場合には、対向する板表面について同じ寸法であることから、数２の式により算出することができる。数２の式で、Ｘは板ガラスの板厚寸法を表している。板ガラスの板厚寸法Ｘは、マイクロゲージやレーザー計測装置等の校正された計測機器を使用して計測することができる。
すなわち、数１式は、数２式を代入することによって、数３式のように表してもよい。
また、板ガラスの板厚が厚い場合や、意図的に板表面に異なる厚み寸法を有する圧縮応力層を設ける必要がある場合には、数４の式を適用してよい。数４の式でＴ１とＴ２は相対向する板表面のそれぞれについての圧縮応力層の厚み寸法を表している。
強化板ガラスの圧縮応力関数Ｆは、板ガラスの物理的加工を施す前の計測値により算出することができる。実際に圧縮応力関数Ｆに従う所定の条件で強化板ガラスを製造する場合には、強化処理に使用する各種設備によって板ガラスに施す強化処理条件が異なるものとなるため、上記した数１〜数４の式により予め製造条件を設定することによって、温度や時間等の最適な製造条件を設定する必要がある。また物理的加工を施す前に板ガラスの板表面に有機樹脂や無機材等を使用して被覆処理を施す場合には、被覆処理によって生じる影響を加味した評価を行う必要がある。
圧縮応力関数Ｆが４０ＭＰａ以下である場合には、その結果として板ガラス内部に働く引張応力が許容値を超えることがなくなり、このため物理的加工時に意図せぬクラックの伸張が生じることがなくなり、安定した加工を実現できるようになる。圧縮応力関数Ｆが４０ＭＰａを超えると、例えば物理的加工として強化板ガラスに切断加工を行う場合に、その切断方向から逸脱した方向へ意図せぬクラックが発生し易く、引張応力が大きすぎると強化板ガラス中をクラック破面が急激に進むことになり、板ガラスが瞬時に破裂したような症状を示す場合もある。強化板ガラスの圧縮応力関数Ｆが４０ＭＰａを僅かに超える場合であっても、意図せぬクラックの発生頻度が急激に大きくなる場合もあり、板ガラスの加工歩留まりを低下させることに繋がるため好ましいものではない。
また本発明の強化板ガラスは、上述に加え、相対向する板表面のうち少なくとも一方の表面の圧縮応力が２００〜１５００ＭＰａの範囲内にあるものであれば、各種情報端末に使用する場合であっても充分な強度性能を発揮することができる。
板ガラスの板表面の圧縮応力値は２００ＭＰａ以上であると、未強化ガラスに比べて、十分な機械的強度を示すものとなるが、一方、圧縮応力値が１５００ＭＰａを超えると、板端面に物理的加工を施す際に、板表面に生じる圧縮応力のために生じる引張応力の値が大きなものとなり過ぎ、その結果、物理的加工が円滑に行いがたくなる。例えば切断加工を行おうとする場合には、切断方向とは異なる方向に微細なクラックが生じ、引張応力が一層大きいと、引張応力に従ってクラックが意図せぬ方向に急激に伸張し、ガラスが破砕してしまう場合もある。また、圧縮応力層の厚さが大きいほど、引張応力値は大きくなり、同様に物理的加工が困難となる。例えば、板ガラスの切断方法としてスクライブ切断法を採用する場合には、圧縮応力層の厚さが１００μｍを超える場合には、ホイールチップによって板表面の切断箇所に所定深さのきり筋（傷、スクライブラインともいう）を形成する際に、傷の先端から伸張するクラックが圧縮力によって阻まれて容易に形成されない状態となり、スクライブ加工に支障が生じることとなる。上述のような観点から、板ガラスの板表面の圧縮応力値の好ましい範囲は２００〜１５００ＭＰａの範囲であり、圧縮応力層厚さは１００μｍ以下とする。そしてさらに好ましい圧縮応力値の範囲は、５００〜１１００ＭＰａであり、さらに好ましい圧縮応力層の厚み寸法は４０μｍ以下とすることである。
また本発明の強化板ガラスは、上述に加え、ＪＩＳ Ｒ１６０１（１９９５）に従う４点曲げ試験により平均破壊応力が４００ＭＰａ以上、ＪＩＳ Ｒ１６２５（１９９６）に従うワイブル係数が３以上であるならば、強化を行わない板ガラスと比較して充分に高い安定した強度を実現することができるものとなる。
ここでワイブル係数が３以上であるとは、１９９５年に「ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法」（ＪＩＳ Ｒ１６０１）として規定された日本工業規格に従い、全長３６ｍｍ以上でＪＩＳ Ｂ０６０１に従う０．２０μＲａ以下の表面粗度を有するガラス試験片を作成して、この試験片にクロスヘッド速度０．５ｍｍ／ｍｉｎの条件で圧子を降下させて４点曲げ強度の計測を行うと、算術平均の平均破壊応力値を求めることができ、さらにこの強度の計測結果を１９９６年に「ファインセラミックスの強さデータのワイブル統計解析法」（ＪＩＳ Ｒ１６２５）として規定された日本工業規格に従い、ワイブルプロットに載せ、その傾斜より求めたワイブル係数が３以上となることを意味している。ワイブル係数は、計測結果の安定性を示すためのものであり、ワイブル係数が大きくなるほど安定な計測結果となっていることを表すものであるが、この値が３に未達であると強化板ガラスの強度的な性能に関する信頼性が低くなるので好ましくない。
また本発明の強化板ガラスは、上述に加え、酸化物換算の質量％表示でＳｉＯ２ ５０〜８０％、Ｂ２Ｏ３ ０〜１５％、Ａｌ２Ｏ３ ３〜２５％、Ｌｉ２Ｏ ０〜２０％、Ｎａ２Ｏ ０〜２０％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ ３〜２５％、Ｋ２Ｏ ０〜２０％、ＣａＯ＋ＭｇＯ＋ＺｎＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０〜１０％、ＴｉＯ２＋ＺｒＯ２ ０〜１０％を含有することが好ましい。このようにすれば、低温イオン交換法等の適正な化学強化処理を選択することによって、高い強度を有するものとすることができる。
これら本発明の強化板ガラスを構成する各成分の含有率の限定理由について、以下で説明する。
ＳｉＯ２成分は原子配列オーダーにおけるガラスの構造の骨格をなす成分であってガラス構造の主要構成成分であり、ガラス組成中のＳｉＯ２成分の含有量が増加するほどガラス構造の強度が強固なものとなり化学的耐久性が向上する傾向を有する。一方でＳｉＯ２成分の含有量が増加すると、高温域での熔融ガラスの粘性が高くなり過ぎるため、ガラスの成形が容易なものではなくなり、高価な設備を使用せねばならない等のガラス製造上の制約が生じる。以上のような観点からＳｉＯ２成分の含有率が５０質量％未満になると、成形された板ガラスの化学的耐久性が劣悪になる。一方ＳｉＯ２成分の含有率が８０質量％を超えるとガラスを均質に熔融する上で設備面、製造効率面等で様々な問題が生じることになり好ましくない。このためＳｉＯ２成分の含有率は、５０質量％から８０質量％の範囲とし、好ましくは６０〜８０質量％の範囲とすることであり、一層好ましくは６０〜７０質量％の範囲とすることである。
Ｂ２Ｏ３成分は、ＳｉＯ２成分と同様にガラス構造の網目構造の骨格となる成分の１つであり、ガラス熔融時に融剤として働くものである。しかしながらＢ２Ｏ３成分の含有量が増加しすぎると、例えばイオン交換を行う場合にアルカリ金属元素成分の固体ガラス中での易動度が低下することによってイオン交換性が低下することになる場合がある。このためＢ２Ｏ３成分の含有率は、１５質量％を上限値とすることが好ましく、より好ましくは１２質量％までとすることである。
Ａｌ２Ｏ３成分は、例えばイオン交換を行う場合にはガラス構造中でアルカリ金属元素成分の移動を行い易くする成分であり、またガラスの化学的耐久性を安定化させるという働きも有する。このため、Ａｌ２Ｏ３成分は、ガラス中の含有率が５質量％未満であるとガラスの化学的耐久性に支障が生じる場合があり、またイオン交換性が低下することとなる。一方、Ａｌ２Ｏ３成分のガラス中の含有率が２５質量％を超えると、ガラス熔融時の熔融ガラスの粘性が高くなり過ぎるため、均質な板ガラスを得るためにはＡｌ２Ｏ３成分の含有率の上限は２５質量％とすることが好ましい。以上のようにＡｌ２Ｏ３成分はガラス中の含有率が５〜２５質量％の範囲とし、好ましくはガラス中の含有率が５〜２３質量％の範囲とすることである。また本発明の強化板ガラスが、精密機器、電子機器等に搭載される薄板ガラスである場合、板端面の圧縮応力が形成されていない領域における耐候性を良好なものとするためにＡｌ２Ｏ３成分は、好ましくは１０〜２５質量％、さらに好ましくは１０．１〜２３質量％の範囲とすることであって、一層好ましくは１１〜２２．８％の範囲とすることであり、最も好ましくは１２〜２２．８％の範囲とすることである。
Ｌｉ２Ｏ成分、Ｎａ２Ｏ成分は、いずれも熔融ガラスの粘性を低下させ、ガラスの熱膨張係数を増加させる働きを有する成分であるが、例えばイオン交換強化処理を行う場合には、これらイオン（Ｎａ＋やＬｉ＋）のイオン半径より大きいＫ＋イオンとのイオン交換を行うことによってガラス構造の構造密度が増加し、その結果圧縮応力が働くようになるので、このような強化方法を採用する場合には必須の成分である。よってガラス構造中でこのような働きを確実に実現するためにはＬｉ２Ｏ成分とＮａ２Ｏ成分の合量は、３質量％以上含有していることが好ましい。しかしＬｉ２Ｏ成分やＮａ２Ｏ成分は、それぞれガラス成分として２０質量％以上含有するとガラスの熱膨張係数が高くなりすぎるということと、熔融ガラス中に結晶が析出し易くなり、熔融ガラスの失透による欠陥が生じやすくなるという問題もあるので好ましくない。またＬｉ２Ｏ成分やＮａ２Ｏ成分の合量が、２５質量％以上となると化学的耐久性が低下する場合もあるので好ましくない。よってＬｉ２Ｏ成分やＮａ２Ｏ成分の合量は、上述の観点から３〜２５質量％である。またＬｉ２Ｏ成分やＮａ２Ｏ成分は、それぞれ０〜１５質量％含有することがより好ましく、その合量は３〜１５質量％とすることがより好ましい。
Ｋ２Ｏ成分は、Ｌｉ２Ｏ成分やＮａ２Ｏ成分程の大きな働きではないもののこれらと同様に熔融ガラスの粘性を低下させる成分であり、ガラスの熱膨張係数を増加させる成分である。またＫ２Ｏ成分は、Ｌｉ２Ｏ成分やＮａ２Ｏ成分に起因する失透現象を抑制する場合がある。ただしＫ２Ｏ成分は、ガラス組成中に２０質量％以上含有するとＫ２Ｏ成分に起因する結晶が熔融ガラス中に析出し易くなり、失透することでガラスの欠陥となる場合もあるので好ましくない。このような観点からＫ２Ｏ成分のガラス組成中の好ましい範囲は、０〜２０質量％であり、より好ましくは０〜１０質量％の範囲とすることである。
ＣａＯ成分、ＭｇＯ成分、ＺｎＯ成分、ＳｒＯ成分及びＢａＯ成分は、いずれも熔融ガラスの粘性を低下させる働きを有する成分であるが、これら成分の合量が１０質量％を超えると、化学強化処理の妨げになる場合がある。例えばイオン交換強化処理の場合であれば、これら成分がイオンのガラス中での易動度を低下させることになるからである。このような観点からＣａＯ成分、ＭｇＯ成分、ＺｎＯ成分、ＳｒＯ成分及びＢａＯ成分の合量は、１０質量％までの含有量とし、好ましくは８質量％までの含有量とすることである。
ＴｉＯ２成分とＺｒＯ２成分は、いずれも化学強化処理を促進する働きを有する成分であるが、それに加えてガラスの耐候性も改善する成分であるが、多量にガラス中に含有すると、そのガラスの失透傾向を高める働きが著しいものとなる。このためＴｉＯ２成分とＺｒＯ２成分の合量は、より好ましくは２％以上の含有量とすることであり、１０質量％を限度とするのが好ましく、より好ましくは６質量％までの含有量とすることであり、一層好ましくは５質量％までの含有量とすることである。
なお本発明の強化板ガラスでは、上記に加えて、強度性能や用途上求められる化学的耐久性、ガラス熔融時の粘性、耐失透性等の性能に大きな影響を及ぼさない範囲で、必要に応じて各種の成分をガラス組成中に添加することができる。本発明の強化板ガラスの構成成分として使用できるものを具体的に例示するならば、Ｐ２Ｏ５、Ｆｅ２Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、Ａｓ２Ｏ３、ＳＯ２、Ｃｌ２、Ｆ２、ＰｂＯ、Ｌａ２Ｏ３、ＷＯ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｙ２Ｏ３、ＭｏＯ３、希土類酸化物、ランタノイド酸化物等を質量％表示で３％以下の含有量であれば含有してもよい。
また上述以外にも、質量％表示で０．１％までその他の成分を含有することができる。例えば、ＯＨ、Ｈ２、ＳＯ３、ＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ２等の各種微量成分が該当する。
また本発明の強化板ガラスでは、強化板ガラスの性能に大きな影響がないならば、ガラス中に微量の貴金属元素が含有してもよい。例えばＰｔ、Ｒｈ、Ｏｓ等の白金属元素をｐｐｍオーダーまで含有してもよい。
また本発明の強化板ガラスは、上述に加え、スクライブ割断であれば、強化板ガラスの製造効率を向上することができるため、大量に優れた品位の強化板ガラスを顧客に供給することが可能となる。
また本発明の強化板ガラスは、上述に加え、板表面に各種の機能性被膜を施してもよい。このような機能性被膜としては、ガラスの表面に加えられる外力に対する保護膜としての機能や光学的な性能を確保するための薄膜、コーティング、さらにタッチパネル等に必要とされる導電膜等の機能性のコートが該当するものである。この中でも特によく利用できるものとしてはスズ含有酸化インジウム（ＩＴＯ）膜や反射防止膜等をスパッタ法等による成膜がある。
本発明の強化板ガラスの製造方法は、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ２ ５０〜８０％、Ａｌ２Ｏ３ ５〜２５％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ ３〜２５％、ＣａＯ＋ＭｇＯ＋ＺｎＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０〜１０％を含有するアルミノシリケートガラスの板ガラスを得る工程と、該板ガラスの表面に対して、化学強化によって、厚み１００μｍ以下の圧縮応力層を形成する圧縮強化処理工程と、該圧縮強化処理工程により化学強化された板ガラスをスクライブ割断して、強化板ガラスを得る分断加工工程とを有し、且つスクライブ割断後に折割工程を有しないことを特徴とする。
圧縮強化処理工程は、板ガラスの板表面及びその近傍バルクの構造密度を向上させる工程であり、例えばイオン交換強化を行う場合には、板ガラスを加熱された熔融塩中に浸漬することでイオン交換を行う工程、板ガラスにペーストや薬剤を含浸したセラミックス不織布等の耐熱性媒体を接触させた状態で加熱処理を行う工程、板ガラスの相対向する板表面のうち一方の表面のみに薬剤を噴霧した状態でその面を上方へと向けて水平保持した状態で加熱する工程等の各種の強化を行う処理工程を表している。
またスクライブ割断を含む分断加工工程は、１つの強化板ガラスを２以上の板ガラスへと分割するための操作を行う工程であり、本発明では、１回の操作で切断を行う。
また本発明の強化板ガラスの製造方法は、より具体的には、圧縮強化処理工程が、予め圧縮強化処理を施す前の圧縮応力関数Ｆを決定するために行われる強化処理条件設定工程と、次いでその適正な圧縮応力関数Ｆを満足する条件下で圧縮強化処理を実施する適正応力印加工程よりなるものである。
強化処理条件設定工程は、実際の処理施設の処理能力や人的な労力あるいは工程中で発生する様々な諸条件等の様々な要因を加味し、適正な処理条件を設定すべく処理温度条件や処理温度時間を設定するために行われるものである。この工程では、予め準備したガラス試料片を使用してその強化処理条件が圧縮応力関数Ｆを満足し、しかも得られる製品が充分に高い強度を実現するかどうかを確認することによって、強化処理条件を設定する。次いでこの強化処理条件設定工程で決定した諸条件に従い、適正応力印加工程にて化学強化処理を行うことで所望の安定した強度を有する板ガラスが製造できる。
また本発明の強化板ガラスの製造方法は、上述に加え、圧縮強化処理工程により、板表面の圧縮応力層の板厚方向の応力分布が、板表面の圧縮応力値、圧縮応力層の厚み寸法、及び圧縮応力が形成されていない領域の厚み寸法により表される圧縮応力関数に従い制限されているものであれば、板ガラスに存在する内部の引張応力によって板ガラスが破壊される危険性が小さくなるので安定した加工が行え、製造効率が向上することになるので好ましい。さらに、圧縮応力関数が、圧縮応力値と圧縮応力層の厚み寸法の積を圧縮応力が形成されていない領域の厚み寸法により除した関数であり、該関数によって算出される値が４０ＭＰａ以下となるようにするのがより好ましい。
また本発明の強化板ガラスの製造方法は、上述に加え、スクライブ割断によって行われるものであれば、板ガラスの材料としての加工ロスを低減することができる。
また本発明の強化板ガラスの製造方法は、上述に加え、分断加工工程での切断加工が、折割工程を有しないものとする。
ここで、折割、あるいはブレイクとは、レーザーやホイールチップ等の初動加工のみで板ガラスを切断するのではなく、これらの初動加工の後にガラスに形成された傷、クラックラインに引張応力を集中することができるような応力を加えることによって板ガラスを分断するものである。このような加工方法では、それだけ工程数が増加することになるが、本発明では、このようなブレイク工程を省くことによって工程数を減らし、しかもブレイク時に発生するガラス粉によるガラスの汚染の問題や板ガラスに生じるカケ、すなわちチッピングの問題をも回避することが可能である。
また本発明の強化板ガラスの製造方法は、上述に加え、スクライブ割断が、板表面に０．５〜１．５ｋｇｆの印加条件で行われるものであれば、強化板ガラスに過負荷を付与することなく適正な切断が行えるので様々な板ガラス厚に対応する好ましい条件を採用することが可能となる。
スクライブ割断の際のホイールチップ等による印加条件が０．５ｋｇｆより小さいと、強化された板表面の圧縮力に抗するだけの働きを示さず、板表面に垂直なメディアンクラックがガラスバルク内へと伸張することがない。一方スクライブ割断の際のホイールチップ等による印加条件が１．５ｋｇｆを超えると、過負荷な条件となって、スクライブに伴って発生するメディアンクラック以外に、強化板ガラスに平行なラテラルクラックやそれに付随するマイクロクラックが多数発生することになり、割断後のガラス端面がクリアな面状態にならないため好ましくない。以上のような観点からスクライブ割断の際のホイールチップ等による印加条件は、より好ましくは０．８〜１．１ｋｇｆの印加条件とすることであり、さらに好ましくは１．０〜１．１ｋｇｆの印加条件とすることである。
また本発明の強化板ガラスの製造方法は、上述に加え、スクライブ割断が、割断速度１０〜１０００ｍｍ／ｓで行われるものであれば、高い加工速度で製造が行えるので優れた品位の強化板ガラスを潤沢に市場に供給することができる。
ここで、割断速度とは、スクライブを行う際のホイールチップ等の圧子のヘッド速度を意味している。
スクライブ割断の割断速度が１０ｍｍ／ｓより低速であると、生産性が低下するばかりか強化板ガラス内部の引張応力のためにスクライブによって生じたメディアンクラックが正常に進行しない場合も生じるので好ましくない。またスクライブ割断の割断速度が１０００ｍｍ／ｓより高速であると、ホイールチップから印加される力が充分に伝播することがなく、そのため強化された板ガラス表面の圧縮力によってクラックの成長が阻まれて板ガラス表面に垂直な方向に伸びるメディアンクラックが充分な深さまで伸張することができなくなる。以上のような観点からスクライブ割断の割断速度は、より好ましくは１０〜５００ｍｍ／ｓ、さらに好ましくは１０〜３００ｍｍ／ｓ、一層好ましくは１０〜１００ｍｍ／ｓ、さらに一層好ましくは２０〜８０ｍｍ／ｓの範囲とすることであり、最も好ましくは４０〜８０ｍｍ／ｓの範囲とすることである。
また本発明の強化板ガラスの製造方法は、上述に加えホイールチップの刃先角度が９０°〜１５０°の範囲にあるならば、ホイールチップ刃先の移送が強化された板表面にして円滑なものとなる。
ホイールチップの刃先角度が９０°に満たない場合には、ホイールチップ先端がガラス表面の局所のみに強い応力を生じる結果、板表面から垂直方向に伸張するメディアンクラックの伝播速度よりもホイールチップのガラス内への挿入速度が勝ってしまい、正常なクラックの伸張に伴う破断面が形成されないことになる。一方ホイールチップの刃先角度が１５０°を超える場合には、圧縮応力を有する板表面に充分な引張応力を印加することが困難となるので好ましくない。以上のような観点から、ホイールチップの刃先角度はより好ましくは１００°〜１４５°、さらに好ましくは１００°〜１４０°、一層好ましくは１１５°〜１３０°の範囲とすることである。
以上のように、本発明によれば、強化板ガラスの製造において高い製造効率を実現することが可能であり、板厚方向に対向する板ガラス表面の強度を十分に強化することができ、しかも端面にチッピング等の表面欠陥が存在しない高い外観品位の強化板ガラスを提供することができる。
本発明の強化板ガラスの斜視図。 本発明の強化板ガラスの強化状態を表す説明図。 本発明の強化板ガラスの物理的な加工（スクライブ加工）が施された端面の表面の応力分布を示す説明図。 本発明の他の強化板ガラスの斜視図。
以下に本発明の強化板ガラスとその製造方法について、実施例に基づいて説明する。
図１に本発明の強化板ガラスの斜視説明図を示す。この板ガラスは、酸化物換算の質量％表示でＳｉＯ２ ６５．４％、Ａｌ２Ｏ３ ２２．０％、Ｌｉ２Ｏ ４．２％、Ｎａ２Ｏ ０．５％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ ４．７％、Ｋ２Ｏ ０．３％、ＢａＯ １．５％、ＴｉＯ２ ２０％、ＺｒＯ２ ２．２％、Ｐ２Ｏ５ １．４％、Ａｓ２Ｏ３ ０．５％の組成を有するものである。
この強化板ガラス１０は、タッチパネルや携帯電話、携帯情報端末機器等の精密機器、電子機器等に搭載される透明表示パネル用途で使用されるものであるため、板厚方向に対向する板表面１１、１２のみを強化する必要性があり、しかも製造効率を高める必要がある。このため、この強化板ガラス１０は、ロールアウト法で成形、研磨された５００ｍｍ（縦寸法）×５００ｍｍ（横寸法）×２ｍｍ（板厚寸法）の大きい外形寸法を有する親板ガラスの状態で、圧縮強化処理工程として温度状態を管理した硝酸カリウム溶融塩中に浸漬することによって低温イオン交換処理を行い、処理後に硝酸カリウムを洗浄して乾燥後、分断加工工程として刃先角度１２５°の超鋼ホイールチップを有するスクライブ装置を使用して、ホイールチップの印加荷重の条件が１．０５ｋｇｆ、割断速度が５０ｍｍ／ｓで割断を行うことによって製造されている。
この実施例では、板表面１１、１２の角部（板表面１１、１２と板端面１２、１３、１４、１５の境界）に特段の加工は施していないが、必要であれば、Ｃ面カットやＲ面カットを施しても良い。
この強化板ガラス１０は、板表面１１、１２がそれぞれ、硝酸カリウム浴に浸漬した間に浴中のカリウムイオンが表面近傍のガラスバルク中へと拡散することによって強化された状態となっている。一方、この強化板ガラス１０の４つの板端面１３、１４、１５、１６はスクライブ加工によって形成された加工面であるため、その一部の領域が強化処理されていない状態である。すなわち、板端面１３、１４、１５、１６は、圧縮応力が形成されている領域と圧縮応力が形成されていない領域とを有している。また、板端面１３、１４、１５、１６において、圧縮応力が形成されている領域はそれぞれ板表面１１、１２と平行に分布している。そして、スクライブ加工が適正な条件で施されていることにより、板表面１１、１２が強化されたものであっても円滑な切断が可能である。また、この強化板ガラス１０は、板表面１１、１２に意図せぬクラック等の欠陥が生じないように加工が行える状態になるような条件でイオン交換が行われ、板厚方向の応力分布が最適なものとなっている。
強化板ガラス１０のイオン交換処理条件は、強化処理条件設定工程として予め硝酸カリウム溶融塩の処理インデックスや容量、温度管理方法等の条件をも加味し、処理条件温度と処理時間とを設定するための評価を行うことによって設定した処理条件、すなわち５００℃で２時間という適正な処理条件を設定し、この設定条件を使用することによって上述したようにロールアウト法で成形、研磨された親板ガラスの強化処理を適正応力印加工程で行っている。ここでの処理条件の設定では、圧縮応力関数Ｆは、８７０ＭＰａと１１μｍの積を分子とし、０．５ｍｍすなわち５００μｍから１１μｍに２を掛けた値を差し引いた値を分母とすることによって、２０．０ＭＰａという値となり、４０ＭＰａ以下となるように予め設定したものである。
図２に板厚方向に対向する板表面Ｓについて、強化処理によって形成される応力分布を例示する。この図２からも明瞭であるように、板表面Ｓ及びその近傍には強化処理によって最適な圧縮応力Ｃが形成されており、一方内部域であるガラスバルクＢの中央近傍には引張応力Ｔが働いた状態となっている。
また図３は、スクライブ加工により形成された板ガラスの板端面の応力分布を示しているが、板端面１３には板厚方向に対向する板表面１１、１２と板端面１３の境界に平行となるように圧縮応力領域Ｊが形成され、この圧縮応力領域Ｊに挟まれるように圧縮応力が形成されていない領域Ｕが存在している。
すなわち、イオン交換条件は、本実施例の強化板ガラスを製造する場合、予め強化処理を行う設備に適合する条件を設定することで、板厚方向の圧縮応力分布が、圧縮応力値Ｐ、圧縮応力層の厚み寸法Ｔ、及び圧縮応力が形成されていない領域の厚み寸法Ｌにより表される圧縮応力関数Ｆに従い制限されたものとなっている。より具体的には、圧縮応力関数Ｆが、圧縮応力値Ｐと圧縮応力層の厚み寸法Ｔの積を圧縮応力が形成されていない領域の厚み寸法Ｌにより除した関数により表されるものであり、該関数によって算出される値が４０ＭＰａ以下となるように調整されている。
そのため、この強化板ガラス１０は、板表面の圧縮応力値Ｐが８７０ＭＰａであり、圧縮応力層の厚み寸法Ｔが１１μｍとなるように、予めイオン交換条件として硝酸カリウム溶融塩の温度が５００℃に管理を行い、板ガラスの強化処理に要する時間を２時間に設定している。この強化板ガラスでは、スクライブ等の加工時に強化板ガラスが破壊されることもなく、加工が容易に行え、しかもブレイク工程を行わずに加工ができるため、ブレイク時に発生するガラス粉によるガラスの汚染の問題や板ガラスに生じるカケ、すなわちチッピングの問題をも回避することが可能となっている。
またこの強化板ガラス１０の板端面にはマイクロクラック等のガラス強度を著しく低下させる欠陥が存在せず、高い強度を有する状態になっている。
次いで本発明の強化板ガラスの性能等について明らかにする。
表１に本発明の実施例に相当するガラス組成と強化板ガラスとするための強化条件、ガラスを加工するための条件、さらにガラスの強度測定結果等をまとめて示し、その詳細について、具体的に説明する。
表１の試料Ｎｏ．１〜５、７、８までは、いずれも本発明の強化板ガラスとして準備したものであり、表中では、上から順番に酸化物換算の質量％表示で表示したガラス組成の値、使用した板ガラスの板厚、化学強化の条件、強化結果、圧縮応力関数Ｆの値、強度評価、端面加工条件を示している。なお、試料Ｎｏ．６は、参考例である。
表１の各ガラス試料について、その用途を説明すると、試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．５まではタッチパネル等の比較的大面積の薄板ガラスとして好適なものであり、試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．４及び試料Ｎｏ．６から試料Ｎｏ．８までは、携帯電話、携帯情報端末機器等の精密機器、電子機器等に搭載される透明表示パネルとして特に好適な材質である。
これら試料はいずれも試験的に実生産設備を使用して作成したもので、各組成となるように予めガラス原料を調合して混合し、ガラス溶融炉内で均質に溶融した後にロールアウト法によって成形をおこない、その後研磨により所定の厚みに調整することにより、親板ガラスを得た。次いでこのようにして作成した親板ガラスを使用して、それぞれ処理温度条件や処理時間を変更して硝酸カリウム溶融塩を滞留する溶融塩槽中に浸漬することによって所定の強化処理をおこなった。
こうして強化された板ガラスの強化処理状態の調査については、圧縮応力値Ｐ、圧縮応力層の厚み寸法Ｔは、いずれも有限会社折原製作所製のＦＳＭ−６０００表面応力計を使用して計測を行ったものである。
圧縮応力値Ｐ、圧縮応力層の厚み寸法Ｔの評価に基づき、圧縮応力関数Ｆを算出したところ、Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．８までについては、その値は１７．４ＭＰａから３７．０ＭＰａまでの範囲内となり、いずれも４０ＭＰａ以下の値となり、問題のない状態となっていることが判明した。
次いで親板ガラスより、表１に「スクライブ」と示したものはスクライブ割断、「レーザー」と示したものはレーザー切断を選択し、何れかの方法により、強度試験を行うに適した寸法となるように強化板ガラスの板端面に新生のガラス表面が形成されるよう加工を行った。
なお、スクライブ割断については、超硬ホイールチップを有する割断装置を使用して表中の端面加工条件の項目に示したように、印加加重、刃先角度、加工速度について特定条件を設定して評価を行った。
またレーザー切断に関しては、光源として炭酸ガスレーザーを有する切断装置を使用して、出力条件３０Ｗ、レーザー光のガラス表面の移送速度が２０ｍｍ／ｓの条件によって切断を行った。
以上の板端面の加工に関しては、端面加工条件の項目にあるように、試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．８までについては、いずれも良好な切断性を有する状態にあることが判明した。また、切断後の板ガラスの板端面を１００倍の倍率で顕微鏡観察したところ、顕著なクラックや欠損、すなわちチッピングは全く観察されなかった。
また強度評価については、ＪＩＳ Ｒ１６０１（１９９５）「ファインセラミックスの曲げ試験方法」に従い、島津製作所製オートグラフ試験装置を使用して、上述の加工方法により板ガラス端面の加工を行い、幅４ｍｍ、長さ４０ｍｍの試験片を作成したものを使用した。強度試験は、４点曲げ試験によるもので加圧次具幅１０ｍｍ、支持次具幅３０ｍｍ、クロスヘッド速度０．５ｍｍ／ｍｉｎとし試料は、スクライブ割断面、あるいはレーザー切断面に加圧次具が接する条件で試験をおこなった。得られた結果の算術平均を算出し、平均破壊応力値を得た。さらにワイブル係数については、ＪＩＳ Ｒ１６２５（１９９６）「ファインセラミックスの強さデータのワイブル統計解析法」に従い、ワイブルプロットの傾斜からその値を求めた。
以上の強度評価の結果、実施例である試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．８までについては、平均破壊応力値が６９０ＭＰａ〜１２５０ＭＰａの範囲にあり、いずれも４００ＭＰａ以上であった。またそのワイブル係数についても、５．０〜７．８であって、ワイブル係数が３以上の結果となることが判明した。
本発明の典型的かつ最良のガラス組成を有する試料Ｎｏ．７と試料Ｎｏ．８について、さらに説明する。
試料Ｎｏ．７と試料Ｎｏ．８のガラス組成は酸化物換算の質量％表示でＳｉＯ２ ６０．５％、Ｂ２Ｏ３ １．８％ Ａｌ２Ｏ３ １２．０％、Ｎａ２Ｏ １３．８％、Ｋ２Ｏ ４．０％、ＣａＯ １．７％、ＺｎＯ ２．０％、ＺｒＯ２ ４．０％、Ｓｂ２Ｏ３ ０．２％の組成を有するものであって、Ａｌ２Ｏ３成分が１０％以上の含有量を有するので、板端面の圧縮応力が形成されていない領域における耐候性の低下を抑止する効果耐候性についても高い性能を発揮する本願発明の強化板ガラスのガラス組成を有するものである。これら板ガラスは、試料Ｎｏ．７が板厚０．７ｍｍで試料Ｎｏ．８が板厚０．５ｍｍである以外は、加工方法は同様の条件でスクライブ加工を施したものであるが、圧縮応力関数Ｆは試料Ｎｏ．７が３７．０Ｍｐａ、試料Ｎｏ．８が３５．０ＭＰａであり、４０ＭＰａ以下の本発明の好適な要件を満足するものであるため、スクライブ加工によってスクライブの予定線に沿った鋭利かつ精巧な加工面が得られ、欠けやクラック等の表面欠陥も認められず、高い品位の加工を行うことができた。
また試料Ｎｏ．７と試料Ｎｏ．８の平均破壊応力値は、夫々１２００ＭＰａ、１２５０ＭＰａと十分に高く、ワイブル係数も７．５、７．８という高い値を示すものであり、本発明の内でも最も好ましい結果が得られた。
以上により、試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．８までの各試料は本発明の強化板ガラスとしての性能を充分に有しており、高い強度を有する状態にあることが判明した。
［比較例］
次いで本発明の比較例として表２に示した試料Ｎｏ．１０１、１０２の各試料について以下で説明する。
比較例については、実施例と同様の手順でそれぞれの試料を準備した。ただし試料Ｎｏ．１０１は強化処理を行わない場合についての試料として準備した。また試料Ｎｏ．１０１と試料Ｎｏ．１０２は、スクライブ切断して作成したもので、スクライブ条件は強化後の板ガラスを切断する場合の条件に従うものである。試料Ｎｏ．１０１は、この後の強化処理を行わず、試料Ｎｏ．１０２は、スクライブ切断後に強化処理を行ったものである。
比較例について評価の結果、試料Ｎｏ．１０１は実施例の試料Ｎｏ．１と同じ組成を有するガラスであるが、平均破壊応力値は３３０ＭＰａであったものの、ワイブル係数が２．６と低く、本発明の好適な要件を満足しないものであった。
試料Ｎｏ．１０２は、平均破壊応力値は８００ＭＰａ、ワイブル係数は４．５となったものの、実施例１と同じ組成であるにも関わらず、平均破壊応力値、ワイブル係数ともに劣るものとなった。このような結果となった詳細な理由については不明ではあるが、本発明者はこの試験片が本願発明とは異なり、強化処理が加工の後で行われているため、すなわち本発明の要件を満足しない応力分布状態となっているため、加工あるいは強化処理中に生じたチッピング等のガラス表面の欠陥が影響しているものと予想した。また試料Ｎｏ．１０２のような製造条件では、当然製造費用が高価なものとなり、製造効率を低下させることになるのは明瞭であった。
以上のように実施例、及び比較例によって本発明の強化板ガラスは高い経済性を有する製造効率を実現でき、しかも充分に優れた強度を有するものであることが判明した。
さらに本発明の実施例として、実施例１とは異なる態様の強化板ガラスの斜視説明図を図４として示す。
図４の強化板ガラス２０が先の実施例１と異なるのは、強化板ガラスを加工する途中でイオン交換強化処理を行っていることにある。すなわち、予め短冊形状の板ガラスとなるように加工した板ガラスのイオン交換処理を行った上で、短冊形状の板ガラスの２つの板端面のみを物理的加工で切断したものである。よって図４では強化板ガラスの板端面２３、２４、２５、２６の内、板端面２３と２５とはイオン交換強化されておらず、他の板端面２４、２６はイオン交換強化が行われている。この点、先の実施例１の場合には、板端面１３、１４、１５、１６のいずれもがイオン交換強化されていない。このようなイオン交換を行う端面は任意に決定することが用途や製造効率等の観点から可能である。
１０、２０ 強化板ガラス
１１、１２、２１、２２ 板表面
１３、１４、１５、１６、２３、２４、２５、２６ 板端面
Ｊ 圧縮応力が形成されている領域
Ｕ 圧縮応力が形成されていない領域
Ｓ 板表面
Ｂ ガラスバルク
Ｔ 引張応力
Ｃ 圧縮応力
本発明は、携帯電話やＰＤＡに代表される各種携帯情報端末や液晶ディスプレイに代表される電子機器の画像表示部あるいは画像入力部に搭載される基板材あるいはカバーガラス部材として使用される強化板ガラスに関する。
本発明の強化板ガラスは、アルミノシリケートガラスであって、板厚方向に相対向する板表面にそれぞれ化学強化による圧縮応力層を有し、板端面に、圧縮応力が形成されている領域と圧縮応力が形成されていない領域とを有し、前記板端面において、前記圧縮応力が形成されている領域が前記板表面と平行に分布しており、前記アルミノシリケートガラスが、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ２ ５０〜８０％、Ａｌ２Ｏ３ １０〜２５％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ ３〜２５％、ＣａＯ＋ＭｇＯ＋ＺｎＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０〜１０％を含有し、圧縮応力層の厚さが１００μｍ以下であり、少なくとも一方の前記板表面の圧縮応力値が２００〜１５００ＭＰａの範囲内にあり、ＪＩＳ Ｒ１６０１（１９９５）に従う４点曲げ試験による平均破壊応力が４００ＭＰａ以上、ＪＩＳ Ｒ１６２５（１９９６）に従うワイブル係数が３以上であり、且つ前記板端面が、スクライブ割断によって形成された面を有すると共に、折割工程を経ずに形成された面であることを特徴とする。
板ガラスの板表面の圧縮応力値は２００ＭＰａ以上であると、未強化ガラスに比べて、十分な機械的強度を示すものとなるが、一方、圧縮応力値が１５００ＭＰａを超えると、板端面に物理的加工を施す際に、板表面に生じる圧縮応力のために生じる引張応力の値が大きなものとなり過ぎ、その結果、物理的加工が円滑に行いがたくなる。例えば切断加工を行おうとする場合には、切断方向とは異なる方向に微細なクラックが生じ、引張応力が一層大きいと、引張応力に従ってクラックが意図せぬ方向に急激に伸張し、ガラスが破砕してしまう場合もある。また、圧縮応力層の厚さが大きいほど、引張応力値は大きくなり、同様に物理的加工が困難となる。例えば、板ガラスの切断方法としてスクライブ切断法を採用する場合には、圧縮応力層の厚さが１００μｍを超える場合には、ホイールチップによって板表面の切断箇所に所定深さのきり筋（傷、スクライブラインともいう）を形成する際に、傷の先端から伸張するクラックが圧縮力によって阻まれて容易に形成されない状態となり、スクライブ加工に支障が生じることとなる。上述のような観点から、板ガラスの板表面の圧縮応力値は２００〜１５００ＭＰａの範囲であり、圧縮応力層厚さは１００μｍ以下とする。そしてさらに好ましい圧縮応力値の範囲は、５００〜１１００ＭＰａであり、さらに好ましい圧縮応力層の厚み寸法は４０μｍ以下とすることである。
また本発明の強化板ガラスは、上述に加え、酸化物換算の質量％表示でＳｉＯ２ ５０〜８０％、Ｂ２Ｏ３ ０〜１５％、Ａｌ２Ｏ３ １０〜２５％、Ｌｉ２Ｏ ０〜２０％、Ｎａ２Ｏ ０〜２０％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ ３〜２５％、Ｋ２Ｏ ０〜２０％、ＣａＯ＋ＭｇＯ＋ＺｎＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０〜１０％、ＴｉＯ２＋ＺｒＯ２ ０〜１０％を含有することが好ましい。このようにすれば、低温イオン交換法等の適正な化学強化処理を選択することによって、高い強度を有するものとすることができる。
Ａｌ２Ｏ３成分は、例えばイオン交換を行う場合にはガラス構造中でアルカリ金属元素成分の移動を行い易くする成分であり、またガラスの化学的耐久性を安定化させるという働きも有する。このため、Ａｌ２Ｏ３成分は、ガラス中の含有率が５質量％未満であるとガラスの化学的耐久性に支障が生じる場合があり、またイオン交換性が低下することとなる。一方、Ａｌ２Ｏ３成分のガラス中の含有率が２５質量％を超えると、ガラス熔融時の熔融ガラスの粘性が高くなり過ぎるため、均質な板ガラスを得るためにはＡｌ２Ｏ３成分の含有率の上限は２５質量％とすることが好ましい。以上のようにＡｌ２Ｏ３成分はガラス中の含有率が１０〜２５質量％の範囲とし、好ましくはガラス中の含有率が１０〜２３質量％の範囲とすることである。また本発明の強化板ガラスが、精密機器、電子機器等に搭載される薄板ガラスである場合、板端面の圧縮応力が形成されていない領域における耐候性を良好なものとするためにＡｌ２Ｏ３成分は、１０〜２５質量％、好ましくは１０．１〜２３質量％の範囲とすることであって、一層好ましくは１１〜２２．８％の範囲とすることであり、最も好ましくは１２〜２２．８％の範囲とすることである。
本発明の強化板ガラスは、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ２ ５０〜８０％、Ａｌ２Ｏ３ １０〜２５％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ ３〜２５％、ＣａＯ＋ＭｇＯ＋ＺｎＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０〜１０％を含有するアルミノシリケートガラスの板ガラスを得る工程と、該板ガラスの表面に対して、化学強化によって、厚み１００μｍ以下の圧縮応力層を形成する圧縮強化処理工程と、該圧縮強化処理工程により化学強化された板ガラスをスクライブ割断して、強化板ガラスを得る分断加工工程とを有し、且つスクライブ割断後に折割工程を有しない方法によって、製造することができる。
また本発明に係る強化板ガラスの製造方法は、より具体的には、圧縮強化処理工程が、予め圧縮強化処理を施す前の圧縮応力関数Ｆを決定するために行われる強化処理条件設定工程と、次いでその適正な圧縮応力関数Ｆを満足する条件下で圧縮強化処理を実施する適正応力印加工程よりなるものである。
また本発明に係る強化板ガラスの製造方法は、上述に加え、圧縮強化処理工程により、板表面の圧縮応力層の板厚方向の応力分布が、板表面の圧縮応力値、圧縮応力層の厚み寸法、及び圧縮応力が形成されていない領域の厚み寸法により表される圧縮応力関数に従い制限されているものであれば、板ガラスに存在する内部の引張応力によって板ガラスが破壊される危険性が小さくなるので安定した加工が行え、製造効率が向上することになるので好ましい。さらに、圧縮応力関数が、圧縮応力値と圧縮応力層の厚み寸法の積を圧縮応力が形成されていない領域の厚み寸法により除した関数であり、該関数によって算出される値が４０ＭＰａ以下となるようにするのがより好ましい。
また本発明に係る強化板ガラスの製造方法は、上述に加え、スクライブ割断によって行われるものであれば、板ガラスの材料としての加工ロスを低減することができる。
また本発明に係る強化板ガラスの製造方法は、上述に加え、分断加工工程での切断加工が、折割工程を有しないものとする。
また本発明に係る強化板ガラスの製造方法は、上述に加え、スクライブ割断が、板表面に０．５〜１．５ｋｇｆの印加条件で行われるものであれば、強化板ガラスに過負荷を付与することなく適正な切断が行えるので様々な板ガラス厚に対応する好ましい条件を採用することが可能となる。
また本発明に係る強化板ガラスの製造方法は、上述に加え、スクライブ割断が、割断速度１０〜１０００ｍｍ／ｓで行われるものであれば、高い加工速度で製造が行えるので優れた品位の強化板ガラスを潤沢に市場に供給することができる。
また本発明に係る強化板ガラスの製造方法は、上述に加えホイールチップの刃先角度が９０°〜１５０°の範囲にあるならば、ホイールチップ刃先の移送が強化された板表面にして円滑なものとなる。
以下に本発明の強化板ガラスについて、実施例に基づいて説明する。
表１の試料Ｎｏ．１〜４、７、８までは、いずれも本発明の強化板ガラスとして準備したものであり、表中では、上から順番に酸化物換算の質量％表示で表示したガラス組成の値、使用した板ガラスの板厚、化学強化の条件、強化結果、圧縮応力関数Ｆの値、強度評価、端面加工条件を示している。なお、試料Ｎｏ．５、６は、参考例である。

Claims (11)

  1. アルミノシリケートガラスであって、板厚方向に相対向する板表面にそれぞれ化学強化による圧縮応力層を有し、板端面に、圧縮応力が形成されている領域と圧縮応力が形成されていない領域とを有し、前記アルミノシリケートガラスが、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ２ ５０〜８０％、Ａｌ２Ｏ３ ５〜２５％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ ３〜２５％、ＣａＯ＋ＭｇＯ＋ＺｎＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０〜１０％を含有し、圧縮応力層の厚さが１００μｍ以下であり、且つ前記板端面が、スクライブ割断によって形成された面であると共に、折割工程を経ずに形成された面であることを特徴とする強化板ガラス。
  2. 前記板端面において、前記圧縮応力が形成されている領域が前記板表面と平行に分布していることを特徴とする請求項１に記載の強化板ガラス。
  3. 前記圧縮応力層の板厚方向の応力分布が、前記板表面の圧縮応力値、前記圧縮応力層の厚み寸法、及び前記圧縮応力が形成されていない領域の厚み寸法により表される圧縮応力関数に従い制限されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の強化板ガラス。
  4. 前記圧縮応力関数が、前記圧縮応力値と前記圧縮応力層の厚み寸法の積を前記圧縮応力が形成されていない領域の厚み寸法により除した関数であり、該関数によって算出される値が４０ＭＰａ以下となることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の強化板ガラス。
  5. 少なくとも一方の前記板表面の圧縮応力値が２００〜１５００ＭＰａの範囲内にあることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の強化板ガラス。
  6. ＪＩＳ Ｒ１６０１（１９９５）に従う４点曲げ試験による平均破壊応力が４００ＭＰａ以上、ＪＩＳ Ｒ１６２５（１９９６）に従うワイブル係数が３以上であることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の強化板ガラス。
  7. 前記アルミノシリケートガラス中のＬｉ２Ｏの含有量が０〜１．９質量％であることを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の強化板ガラス。
  8. 前記アルミノシリケートガラス中のＡｌ２Ｏ３の含有量が１２質量％以上であることを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の強化板ガラス。
  9. 前記スクライブ割断が、前記板表面に対して０．５〜１．５ｋｇｆの印加条件で行われていることを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載の強化板ガラス。
  10. 前記スクライブ割断が、割断速度１０〜１０００ｍｍ／ｓで行われていることを特徴とする請求項１から請求項９の何れかに記載の強化板ガラス。
  11. ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ２ ５０〜８０％、Ａｌ２Ｏ３ ５〜２５％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ ３〜２５％、ＣａＯ＋ＭｇＯ＋ＺｎＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ ０〜１０％を含有するアルミノシリケートガラスの板ガラスを得る工程と、該板ガラスの表面に対して、化学強化によって、厚み１００μｍ以下の圧縮応力層を形成する圧縮強化処理工程と、該圧縮強化処理工程により化学強化された板ガラスをスクライブ割断して、強化板ガラスを得る分断加工工程とを有し、且つスクライブ割断後に折割工程を有しないことを特徴とする強化板ガラスの製造方法。
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