JP2013502371A - 亀裂および引っ掻き抵抗性のガラスおよびそれから製造されたエンクロージャ - Google Patents

Abstract

ガラス並びにそのガスを含む、携帯型電子装置のための窓、カバープレート、および基板を含むエンクロージャが開示されている。このガラスは、直接的な衝撃に耐えるのに十分な亀裂発生閾値を有し、ソーダ石灰ガラスとアルカリアルミノケイ酸塩ガラスよりも大きい、磨耗後に維持される強度を有し、引っ掻かれたときの損傷に対して抵抗性である。エンクロージャとしては、携帯型電子装置や情報端末装置のためのカバープレート、窓、スクリーン、およびケーシングが挙げられる。

Description

関連出願の説明

本出願は、２００９年８月２１日に出願された、米国仮特許出願第６１／２３５７６７号の恩恵を主張するものである。

本開示は、電子装置の窓、カバープレート、および基板を含むガラスエンクロージャに関する。より詳しくは、本開示は、亀裂および引っ掻き抵抗性のエンクロージャに関する。

ガラスには、電話などの電子装置、およびゲーム、音楽プレーヤなどの娯楽装置、並びにラップトップ・コンピュータなどの情報端末（ＩＴ）装置に設計されているものがある。携帯型装置におけるカバーガラスの破損の主因は、点接触すなわち鋭い衝撃である。この問題に対する解決策は、ガラスを保持し、そのような衝撃からガラスを保護するためのベゼルまたは類似の保護構造を提供することにあった。特に、ベゼルは、ガラスの縁に加わる衝撃からの保護を提供する。カバーガラスの縁は、直接的な衝撃によって最も破砕されやすい。ベゼルの組込みにより、ガラスの使用が装置の平らな構成要素に制限され、ガラスの結晶状の外観を利用したデザインを利用することができなくなってしまう。

ガラス、並びにそのガラスを含む携帯型電子装置の窓、カバープレート、および基板を含むガラスエンクロージャが提供される。このガラスは、直接的な衝撃に耐えるのに十分な亀裂発生閾値を有し、ソーダ石灰ガラスとアルカリアルミノケイ酸塩ガラスよりも大きい、磨耗後に維持される強度を有し、引っ掻かれたときの損傷に対してより抵抗性である。エンクロージャとしては、携帯型電子装置や情報端末装置のためのカバープレート、窓、スクリーン、タッチパネルおよびケーシングなどが挙げられる。このガラスは、軽量、高強度、および耐久性のガラスが望ましい、車両のフロントガラスなどの他の用途にも使用できる。

したがって、本開示のある態様は、ある実施の形態において、少なくとも５０モル％のＳｉＯ₂、他の実施の形態において、少なくとも５８モル％のＳｉＯ₂、さらに他の実施の形態において、少なくとも６０モル％のＳｉＯ₂、並びにアルカリ金属酸化物およびアルカリ土類金属酸化物からなる群より選択される少なくとも１種類の改質剤を含むアルミノホウケイ酸塩ガラスを提供することにある。このアルミノホウケイ酸塩ガラスは、イオン交換可能であり、

を示す。

本開示の第２の態様は、アルミノホウケイ酸塩ガラスを提供することにある。このアルミノホウケイ酸塩ガラスは、５０〜７２モル％のＳｉＯ₂、９〜１７モル％のＡｌ₂Ｏ₃、２〜１２モル％のＢ₂Ｏ₃、８〜１６モル％のＮａ₂Ｏ、および０〜４モル％のＫ₂Ｏを含み、

ここで、改質剤が、アルカリ金属酸化物およびアルカリ土類金属酸化物からなる群より選択される。このアルミノホウケイ酸塩ガラスはイオン交換可能である。

本開示の第３の態様は、電子装置に使用するためのガラスエンクロージャを提供することにある。このガラスエンクロージャは、幅ｗの引っ掻き傷を形成するために少なくとも５Ｎの荷重でヌープダイヤモンドに引っ掻かれたときに、幅ｗの３倍超のサイズを有するチップ(chip)を含まない強化ガラスから構成される。

これらと他の態様、利点および特徴は、以下の詳細な説明、添付の図面、および添付の特許請求の範囲から明白になるであろう。

ベゼルにより適所に保持された従来技術のガラスカバープレートの説明図 ベゼルから盛り上がったガラスカバープレートの説明図 １０Ｎの荷重でヌープダイヤモンドにより形成された引っ掻き傷を有する従来技術のイオン交換されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの顕微鏡画像 １０Ｎの荷重でヌープダイヤモンドにより形成された引っ掻き傷を有する強化アルミノホウケイ酸塩ガラスの顕微鏡画像 イオン交換されていない従来技術のソーダ石灰ケイ酸塩ガラスにおける１キログラム重（ｋｇｆ）のビッカース圧痕３０５の平面図 イオン交換されていない従来技術のソーダ石灰ケイ酸塩ガラスにおける１ｋｇｆのビッカース圧痕の側面または断面図 従来技術のイオン交換されたソーダ石灰ケイ酸塩ガラスにおける１ｋｇｆのビッカース圧痕の側面または断面図 イオン交換されていないアルミノホウケイ酸塩ガラスにおける１ｋｇｆのビッカース圧痕の平面図 イオン交換されていないアルミノホウケイ酸塩ガラスにおける１ｋｇｆのビッカース圧痕の側面または断面図 イオン交換されたアルミノホウケイ酸塩ガラスにおける３０ｋｇｆのビッカース圧痕の平面図 Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｂ₂Ｏ₃−Ｎａ₂Ｏの関数としてのアルミノホウケイ酸塩ガラスの測定した亀裂発生閾値をプロットしたグラフ

以下の説明において、図面に示されたいくつかの図に渡り、同様の参照記号が同様のまたは対応する部品を示す。別記しない限り、「上」、「下」、「外部へ」、「内部へ」などの用語は、便宜上の単語であり、制限用語と解釈すべきではないことが理解されよう。その上、ある群が、要素およびその組合せの群の内の少なくとも１つを含むと記載されているときはいつでも、その群は、個々または互いの組合せのいずれかで、列記されたそれらの要素をいくつ含む、いくつから実質的になる、またはからなってもよいと理解されよう。同様に、ある群が、要素およびその組合せの群の内の少なくとも１つからなると記載されているときはいつでも、その群は、個々または互いの組合せのいずれかで、列記されたそれらの要素、いくつからなってもよいと理解されよう。別記しない限り、値の範囲は、列記された場合、その範囲の上限と下限並びにそれらの間の部分的な範囲の両方を含む。別記しない限り、ここに記載された組成の成分を含む全ての組成および関係は、モルパーセント（モル％）で表される。

図面を一般に参照すると、図示は、特定の実施の形態を説明する目的のためであり、本開示または添付の特許請求の範囲をそれに制限することを意図したものではないことが理解されよう。図面は、必ずしも一定の縮尺で描かれておらず、図面のある特徴や視野は、明白さおよび簡潔さのために、尺度と図式が誇張されて示されているかもしれない。

ここに用いたように、「エンクロージャ」、「カバープレート」、および「窓」という用語は、相互に交換可能に使用され、携帯型電子装置のためのディスプレイスクリーン、窓、または構造の外部を形成する、窓、カバープレート、スクリーン、パネル、および基板を含む、ガラス物品を称する。

ガラスには、電話などの携帯型電子装置、およびゲーム、音楽プレーヤなどを含む娯楽装置、ラップトップ・コンピュータなどの情報端末（ＩＴ）装置、およびそのような装置の類似の据置タイプのものに設計されているものがある。

ある場合には、そのような設計は、ベゼル、すなわち、ガラス窓またはカバープレートを所定の装置内に保持し保護するために使用される枠、により保護されるガラスの平らな構成要素に制限される。ベゼルにより適所に保持されるガラスカバープレートまたは窓の例が、図１ａに示されている。カバープレート１１０は、ベゼル１２０の枠１２２に載置され、ベゼルが、カバープレート１１０を装置１００の本体１０５上の適所に保持し、カバープレート１１０の縁１１２を鋭い衝撃から保護する。

そのような装置においてガラス窓、カバープレートなどの結晶状の外観を利用するために、ガラスがベゼルから「盛り上がる」ように、デザインが拡張されている。「ベゼルから盛り上がる」という用語は、ガラスが、装置の縁まで延在し、装置のどのベゼルまたは枠の上にもそれを超えて突出することを意味する。図１ｂは、ベゼル１２０から盛り上がり、装置１００の本体１０５に固定されているガラスカバープレート１１０の例を示している。ガラスカバープレート１１０は、ガラスカバープレート１１０の縁１１２が曝露され、その他にベゼル１２０により被覆されていないように、ベゼル１２０の表面に搭載されている。カバープレート１１０の縁１１２は、本体１０５の縁１０７まで延在している。

そのようなデザインにおいてベゼルから盛り上がっているカバープレートまたは窓を実施するための主な制限は、直接的な衝撃にガラスカバープレート１１０−特に縁１１２−が耐えられず、それゆえ、ベゼル１２０によりガラスカバープレート１１０の縁１１２を保護する（図１ａ）必要があることである。さらに、ベゼル１２０から盛り上がったガラスカバープレート１１０（図１ｂ）は、ガラスカバープレート１１０の縁１１２が曝露されているために、取扱い中と使用中に引っ掻かれる可能性が大きい。したがって、上述した新しいデザインを実施するために、ガラスカバープレートは、そのような用途に現在使用されているガラスよりもうまく、直接的な衝撃に耐えられなければならない。さらに、ガラスは、引っ掻き抵抗性でなければならず、引っ掻かれたり磨耗された後に高い強度を保持すべきである。

フロントガラスまたは電子装置におけるカバーガラスなどの用途におけるガラスの破損の主因は、点接触すなわち鋭い衝撃である。そのような用途においてカバーガラスまたは他のエンクロージャとして働くために、ガラスの亀裂発生負荷は、直接的な衝撃に耐えられるように十分に高くなければならない。圧縮応力下にあるガラスの表層の深さは、引っ掻かれた際または磨耗された際に生じる損傷に対する増加した抵抗性および高い保持強度を提供するのに十分でなければならない。

したがって、鋭い衝撃に対してより抵抗性であり、直接的衝撃または点衝撃に耐えられるガラスまたはガラス物品が提供される。そのようなガラス物品としては、以下に限られないが、電子装置のためのカバープレート、窓、ケーシング、スクリーン、タッチパネルなどのガラスエンクロージャまたはフロントガラスが挙げられる。ガラスエンクロージャは、以下に限られないが、５Ｎの荷重、ある実施の形態において、１０Ｎの荷重で、ヌープダイヤモンドの先端の前縁と後縁との間の対稜角が１７２°３０′であるように方向付けられたヌープダイヤモンドにより、０．４ｍｍ／ｓの速度で引っ掻かれたときのチッピングなどの側方の損傷を示さない強化ガラスから構成される。ここに用いたように、「チッピング」は、スタイラスなどの物体により表面が引っ掻かれたときに、ガラスの表面からガラスの破片が除去または放出されることを称する。ここに用いたように、「チップ」は、ガラス表面の引っ掻き中に取り除かれるガラスの破片、またはチップがそこから除かれる表面の領域のいずれも称し得る。後者の意味では、チップは、典型的に、引っ掻き傷の近傍の凹部として特徴付けられる。ここに記載されたガラス物品は、引っ掻かれたときに、引っ掻き傷の幅ｗの２倍超、別の実施の形態において、引っ掻き傷の幅ｗの３倍超の距離ｄに亘り形成される、引っ掻き軌道（すなわち、ヌープダイヤモンドにより形成された引っ掻き傷）のどちらの側にも側方に延在する領域を超えたチッピングを示さない（すなわち、チップが生成されない、またはガラスがチップを含まない）。言い換えれば、引っ掻きにより生じるチッピングは、引っ掻き軌道の両側で境をなすある領域に制限され、ここで、その領域の幅は、引っ掻きの幅ｗの２倍以下（ある実施の形態においては、３倍以下）である。ある実施の形態において、ガラスエンクロージャは、ベゼルが存在する場合には、ベゼルから盛り上がっており、ベゼルの上に延在し、それを超えて突出している。ある実施の形態において、ガラスエンクロージャは、約０．１ｍｍから約２．０ｍｍまでの範囲の厚さを有する。別の実施の形態において、ガラスエンクロージャは、約０．１ｍｍから約２．３ｍｍまでの範囲の厚さを有し、他の実施の形態において、ガラスエンクロージャは、約５．０ｍｍまでの厚さを有する。

引っ掻き抵抗性すなわちガラスエンクロージャの引っ掻きに対する応答が図２ａに示されている。図２ａに示されたガラスは、６６モル％のＳｉＯ₂、１０．３モル％のＡｌ₂Ｏ₃、０．６モル％のＢ₂Ｏ₃、１４モル％のＮａ₂Ｏ、２．４５モル％のＫ₂Ｏ、および０．２１モル％のＳｎＯ₂の組成を有し、比率（Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｂ₂Ｏ₃）／Σ（改質剤）モル％が０．６６であるアルカリアルミノケイ酸塩ガラスである。このガラスは、８時間に亘る４１０℃での溶融ＫＮＯ₃塩浴中の浸漬によるイオン交換によって強化された。図２ａは、１０Ｎの荷重でヌープダイヤモンドにより０．４ｍｍ／ｓの速度で形成された幅ｗの引っ掻き傷２１０を有するガラスの顕微鏡画像である。引っ掻き傷２１０に沿って多数のチップ２２０が形成されており、いくつかのチップは、引っ掻き傷２１０の幅ｗの２倍（２ｗ）を超える距離ｄに亘り引っ掻き傷２１０から延在している。図２ａに示されたガラスの挙動とは対照的に、ここに記載されたガラスエンクロージャおよびガラスの引っ掻きに対する応答が、図２ｂに示されている。図２ｂは、ここに記載されたアルミノホウケイ酸塩ガラスを代表するあるアルミノホウケイ酸塩ガラス（６４モル％のＳｉＯ₂、１４．５モル％のＡｌ₂Ｏ₃、８モル％のＢ₂Ｏ₃、１１．５モル％のＮａ₂Ｏ、および０．１モル％のＳｎＯ₂、比率（Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｂ₂Ｏ₃）／Σ（改質剤）が１．９６であり、ここで、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃、およびＮａ₂Ｏ改質剤の濃度はモル％で表されている）の顕微鏡画像である。図２ｂに示されたガラスは、８時間に亘る４１０℃での溶融ＫＮＯ₃塩浴中の浸漬によるイオン交換によって強化された。図２ｂに示されたガラスは、１０Ｎの荷重でヌープダイヤモンドにより形成された幅ｗの引っ掻き傷２１０を有する。図２ｂに示されたアルミノホウケイ酸塩ガラスに形成されたチップ２２０は、図２ａに見られるものよりも著しく小さい。図２ｂにおいて、チップの形成は、引っ掻き傷２１０の縁２１２から距離ｄまでに限られている。そのようなチッピングが生じる区域または領域の幅ｄは、２ｗより著しく小さい。言い換えれば、図２ｂに示されるチップ２２０のほとんどは、距離ｄに亘り、これは、引っ掻き傷２１０からのおおよその幅ｗ未満である。このガラスは、０．４ｍｍ／ｓの速度で３Ｎのビッカース荷重により引っ掻いた後のリング・オン・リング(ring on ring)測定により測定して、元の破壊荷重の少なくとも３０％、ある実施の形態において、元の破壊荷重の少なくとも５０％を維持した。

ここに記載されたガラスエンクロージャは、剪断破壊(shear faulting)によるよりもむしろ、主に緻密化によって、少なくとも５００ｇｆの圧痕荷重下で圧痕の際に変形する強化ガラスから構成される。このガラスは、変形の際に、表面下の破壊および放射状と中央の亀裂がなく、その結果、典型的なイオン交換可能なガラスよりも損傷に対して抵抗性である。その上、このガラスは、イオン交換により強化したときに、剪断破壊による亀裂発生に対してより抵抗性である。ある実施の形態において、ガラスエンクロージャは、イオン交換ガラスからなり、少なくとも１０キログラム重（ｋｇｆ）のビッカース中央／放射状亀裂発生閾値を有する。第２の実施の形態において、このガラスエンクロージャは、少なくとも約２０ｋｇｆのビッカース中央／放射状亀裂発生閾値を有し、第３の実施の形態において、このガラスエンクロージャは、少なくとも約３０ｋｇｆのビッカース中央／放射状亀裂発生閾値を有する。別記しない限り、ビッカース中央／放射状亀裂発生閾値は、室温で５０％の相対湿度において中央または放射状亀裂の開始を測定することによって決定される。

別の実施の形態において、ここに記載されたガラスエンクロージャは壊れやすくない(non-frangible)。ここに用いたように、「壊れやすくない」という用語は、ガラスエンクロージャおよびこのガラスエンクロージャを構成するガラスが、破損の際に激しい破砕を示さないことを意味する。そのような激しい破砕は、典型的に、被覆、接着層などの抑制物のない状況下で、ガラスエンクロージャからの小さなガラス片および／または粒子の放出または「放り出し(tossing)」による多数の亀裂の分岐により特徴付けられる。より詳しくは、壊れやすい挙動は、強化ガラス物品（例えば、板またはシート）の多数の小片（例えば、１ｍｍ以下）への破壊；ガラス物品の単位面積当たりに形成された破片の数；ガラス物品中の初期亀裂からの多数の亀裂の分岐；および元の位置からの規定の距離（例えば、約５ｃｍ、または約２インチ）の少なくとも１つの破片の激しい放出；並びに前述の破壊（サイズと密度）、亀裂形成、および放出挙動のいずれの組合せの内の少なくとも１つにより特徴付けられる。ガラスエンクロージャおよびこのガラスエンクロージャを構成するガラスは、上述した基準のいずれも示さない場合、実質的に壊れにくいと考えられる。

このガラスエンクロージャを構成する強化ガラスは、従来技術で公知の熱的または化学的いずれのプロセスによって強化しても差し支えない。ある実施の形態において、そのガラスは、ガラスを、そのガラスの歪み点と軟化点との間の温度で加熱し、その後、室温に冷却することによって、熱的に強化することができる。別の実施の形態において、ガラスは、イオン交換によって化学的に強化される。このイオン交換において、ガラスの外面から表面下のある深さ（「層の深さ(depth of layer)」または「ＤＯＬ」と一般に呼ばれる）まで延在するガラスの層内で、ガラス中のより小さい金属イオンが、同じ原子価のより大きい金属イオンにより置き換えられるすなわち「交換される」。より小さいイオンのより大きいイオンによる置換によって、層内に圧縮応力が生じる。ある実施の形態において、金属イオンは、一価のアルカリ金属イオン（例えば、Ｎａ⁺、Ｋ⁺、Ｒｂ⁺など）であり、イオン交換は、ガラス中のより小さい金属イオン（例えば、Ｎａ⁺イオン）を置換することになっているより大きい金属イオンの少なくとも１種類の溶融塩（例えば、ＫＮＯ₃、Ｋ₂ＳＯ₄、ＫＣｌなど）を含む浴中にガラスを浸漬することによって行われる。あるいは、Ａｇ⁺、Ｔｌ⁺、Ｃｕ⁺などの他の一価の陽イオンを、ガラス中のアルカリ金属陽イオンと交換しても差し支えない。ガラスを強化するために使用されるイオン交換プロセスとしては、以下に限られないが、１つの浴中の浸漬、または浸漬の間に洗浄および／またはアニール工程を行う同じまたは異なる組成の多数の浴中の浸漬が挙げられる。

イオン交換されたガラス中に存在する圧縮応力層の深さ（層の深さ）により、ガラスの表面のまたは表面近くのひびの伝搬が妨げられる。ソーダ石灰ガラスおよびアルカリアルミノケイ酸塩ガラスなどのガラスは、高い剪断帯密度により変形する。そのような挙動は、そのガラスのイオン交換されていないものにおける亀裂の発生と伝搬をもたらすことが知られている。剪断破壊および亀裂発生の例が、図３ａおよび３ｂに示されている。図３ａおよび３ｂは、イオン交換されていないソーダ石灰ケイ酸塩ガラスにおける１キログラム重（ｋｇｆ）のビッカース圧痕３０５の、それぞれ、平面図と側面（すなわち、断面）図である。放射状亀裂３１０がビッカース圧痕３０５（図３ａ）および剪断変形区域Ａから延在している。側方亀裂３１７、中央亀裂３１９、および表面下剪断破壊３１５が、ガラスの側面図（図３ｂ）に見られる。剪断破壊３１５は、側方と中央の亀裂３１７．３１９の開始部位として働く。

イオン交換ガラスの表面層内に生じた圧縮応力は、発生した亀裂の伝搬を防ぐかまたは緩和するが、剪断変形を完全になくしはしない。図４は、４００ＭＰａの圧縮応力および１３μｍの層の深さを有するイオン交換されたソーダ石灰ケイ酸塩ガラスの１ｋｇｆビッカース圧痕の断面図である。緩和されているが、変形は、それでも剪断機構により生じ、剪断変形区域Ａに見えるように、亀裂を発生させる。この圧縮層は、放射状亀裂３１０が、剪断変形区域Ａの発生部位からずっと遠くに延在するのを防ぐ。曲げ荷重下では、表面下亀裂４１５が、イオン交換により生じた圧縮応力に勝り、ガラスの中央引張領域に伝搬し、それによって、破損を生じる。

ガラスエンクロージャの機械的性質を、現在入手できるイオン交換ガラスのものに勝るように改善するために、より高い損傷抵抗性を有するガラスが必要とされている。したがって、ここに記載されたガラスエンクロージャは、表面下剪断破壊によって変形を示さないが、代わりに、少なくとも５００ｇｆの圧痕荷重を受けたときに、緻密化によって圧痕変形を示し、これにより、ひび／亀裂の発生がより難しくなるイオン交換ガラスから構成される。緻密化による変形の例が図５ａおよび５ｂに示されており、これらは、イオン交換により強化されていないアルカリ土類アルミノホウケイ酸塩（コーニング社(Corning, Inc.)により製造されているＥＡＧＬＥ ＸＧ（商標））ガラスにおける１キログラム重（ｋｇｆ）のビッカース圧痕の、それぞれ、平面図と側面図である。平面図（図５ａ）は、ビッカース圧痕５０５から延在する放射状亀裂を示していない。断面図（図５ｂ）から分かるように、ガラスは主に緻密化により変形しており（図５ｂにおける領域「Ｂ」）、剪断破壊がない。組成：６４モル％のＳｉＯ₂、１４．５モル％のＡｌ₂Ｏ₃、８モル％のＢ₂Ｏ₃、１１．５モル％のＮａ₂Ｏ、および０．１モル％のＳｎＯ₂を有し、ここで、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃、およびＮａ₂Ｏ改質剤の濃度がモル％で表されている、比率（Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｂ₂Ｏ₃）／Σ（改質剤）が１．９６であり、８時間に亘る４１０℃での溶融ＫＮＯ₃塩浴中の浸漬によるイオン交換により強化された、アルミノホウケイ酸塩ガラスの３０ｋｇｆのビッカース圧痕の平面図が図６に示されている。最大荷重で、圧子(indenter)の先端が約４８μｍの深さを有する。ビッカース圧痕６０５からは放射状亀裂は延在していない。

先に記載された緻密化機構は、ガラス構造中の非架橋酸素（ＮＢＯ）の不在または欠如、ガラスの高モル体積（少なくとも２７ｃｍ³／モル）、および低いヤング率（約６９ＧＰａ未満）のためであり得る。ここに記載されたアルミノホウケイ酸塩ガラスにおいて、非架橋酸素を実質的に有さない（無ＮＢＯ）構造は、Ａｌ₂Ｏ₃およびＢ₂Ｏ₃が中間体ガラス形成材であり、アルカリ金属酸化物（例えば、Ｌｉ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、Ｒｂ₂Ｏ、Ｃｓ₂Ｏ）およびアルカリ土類金属酸化物（例えば、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ）が改質剤である、関係式

が満たされる組成によって達成される。そのような改質剤は、意図的にまたは積極的にガラス組成物中に含められ、ガラスを形成するために使用されるバッチ配合された材料中に気付かずに存在する不純物を表さない。イオン交換により十分な層の深さおよび圧縮応力を得るために、Ａｌ₂Ｏ₃およびＲ₂Ｏ改質剤の濃度がモル％で表されている、０．９＜Ｒ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃＜１．３であることが好ましい。特定の圧縮応力および圧縮層深さを考えると、式（１）に従い、アルカリ金属（例えば、Ｌｉ⁺、Ｎａ⁺、Ｋ⁺）を含有するどのようなイオン交換可能なケイ酸塩ガラスも、イオン交換後には、亀裂の発生と亀裂の伝搬に対して高い抵抗性を有するべきである。イオン交換前に、そのようなアルミノホウケイ酸塩ガラスは、少なくとも５００ｇｆのビッカース中央／放射状亀裂発生閾値を有し、ある実施の形態において、そのガラスは、少なくとも１０００ｇｆのビッカース中央／放射状亀裂発生閾値を有する。

ある実施の形態において、ガラスエンクロージャは、イオン交換されたときに、亀裂発生および伝搬などの損傷に対して抵抗性である強化ガラスから構成される、から実質的になる、またはからなる。このガラスは、ある実施の形態において少なくとも５０モル％のＳｉＯ₂、ある実施の形態において少なくとも５８モル％のＳｉＯ₂、他の実施の形態において少なくとも６０モル％のＳｉＯ₂を含み、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃、および改質剤の濃度がモル％で表されており、改質剤がアルカリ金属酸化物およびアルカリ土類金属酸化物からなる群より選択される、比率（Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｂ₂Ｏ₃）／Σ（改質剤）＞１となるように少なくとも１種類のアルカリ金属改質剤を含有する。ある実施の形態において、（Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｂ₂Ｏ₃）／Σ（改質剤）≧１．４５である。この比率の値が増加するにつれて、ガラスの損傷抵抗性が増加する。その上、比率の増加またはＡｌ₂Ｏ₃のＢ₂Ｏ₃による置換で、ヤング率が減少する。ある実施の形態において、このアルミノホウケイ酸塩ガラスのヤング率は約６９ＧＰａ未満である。ある実施の形態において、このアルミノホウケイ酸塩ガラスのヤング率は約６５ＧＰａ未満である。別の実施の形態において、このアルミノホウケイ酸塩ガラスのヤング率は約５７ＧＰａから約６９ＧＰａまでの範囲にある。別の実施の形態において、ガラスエンクロージャの強化ガラスは、少なくとも約４００ＭＰａの圧縮応力および少なくとも約１５μｍ、別の実施の形態において、少なくとも約２５μｍ、さらに別の実施の形態において、少なくとも約３０μｍの層の深さを有する。

ある実施の形態において、ガラスエンクロージャは、例えば、イオン交換により、強化されたイオン交換可能なアルミノホウケイ酸塩ガラスから構成される、から実質的になる、またはからなる。ここに用いたように、「イオン交換可能」は、ガラスが、そのガラスの表面にまたはその近くに位置するイオンを、サイズがそれより大きいかまたは小さい、同じ原子価の陽イオンにより交換できることを意味する。特定の実施の形態において、アルミノホウケイ酸塩ガラスは、５０〜７２モル％のＳｉＯ₂、９〜１７モル％のＡｌ₂Ｏ₃、２〜１２モル％のＢ₂Ｏ₃、８〜１６モル％のＮａ₂Ｏ、および０〜４モル％のＫ₂Ｏから構成され、から実質的になり、またはからなり、ここで、（Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｂ₂Ｏ₃）／Σ（改質剤）＞１、少なくとも２７ｃｍ³／モルのモル体積を有する。別の実施の形態において、アルミノホウケイ酸塩ガラスは、６０〜７２モル％のＳｉＯ₂、９〜１６モル％のＡｌ₂Ｏ₃、５〜１２モル％のＢ₂Ｏ₃、８〜１６モル％のＮａ₂Ｏ、および０〜４モル％のＫ₂Ｏから構成され、から実質的になり、またはからなり、ここで、改質剤の合計濃度に対するＡｌ₂Ｏ₃およびＢ₂Ｏ₃の濃度の比率である（Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｂ₂Ｏ₃）／Σ（改質剤）は１超であり、少なくとも２７ｃｍ³／モルのモル体積を有する。先の実施の形態において、改質剤は、アルカリ金属酸化物（例えば、Ｌｉ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、Ｒｂ₂Ｏ、Ｃｓ₂Ｏ）およびアルカリ土類金属酸化物（例えば、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ）から選択される。ある実施の形態において、前記ガラスは、Ｐ₂Ｏ₅、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、およびＺｒＯ₂の内の少なくとも１種類を０〜５モル％さらに含む。他の実施の形態において、前記ガラスは、Ｎａ₂ＳＯ₄、ＮａＣｌ、ＮａＦ、ＮａＢｒ、Ｋ₂ＳＯ₄、ＫＣｌ、ＫＦ、ＫＢｒ、およびＳｎＯ₂を含む群から選択される清澄剤を少なくとも１種類、０〜２モル％がバッチ配合されている。前記アルミノホウケイ酸塩ガラスは、ある実施の形態において、リチウムを実質的に含まないのに対し、他の実施の形態において、アルミノホウケイ酸塩ガラスは、ヒ素、アンチモン、およびバリウムの内の少なくとも１種類を実質的に含まない。他の実施の形態において、アルミノホウケイ酸塩ガラスは、スロットドロー(slot-drawing)、フュージョンドロー(fusion drawing)、リドロー(re-drawing)などの従来技術において公知のプロセスによって、ダウンドロー可能であり、少なくとも１３０キロポアズの液相線粘度を有する。

ここに記載されたアルミノホウケイ酸塩ガラスの様々な非限定的組成が表１に列記されている。表１は、これらのガラスの組成について測定された性質も含んでいる。亀裂発生閾値は、表面に荷重を印加するビッカース・ダイヤモンド圧子を使用して、ガラスに多数の圧痕（窪み）を生成することによって測定した。この荷重を、窪みの与えた角から延在する中央または放射状の亀裂が、窪みの５０％超でガラスの表面に観察されるまで、増加させた。表１に列記したサンプルについての亀裂発生閾値が、ガラスサンプル中のＡｌ₂Ｏ₃＋Ｂ₂Ｏ₃−Ｎａ₂Ｏの関数として図７にプロットされている。

表１におけるサンプルａ、ｂ、ｃおよびｄは、非架橋酸素を公称で含まない組成、すなわち、Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｂ₂Ｏ₃＝Ｎａ₂Ｏ、またはＡｌ₂Ｏ₃＋Ｂ₂Ｏ₃−Ｎａ₂Ｏ＝０（すなわち、（Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｂ₂Ｏ₃）／Σ（改質剤）＝１）である組成を有する。これらのサンプル組成物中のＮａ₂Ｏ改質剤の存在により生じるＮＢＯを消費するためにＢ₂Ｏ₃またはＡｌ₂Ｏ₃が使用されているか否かにかかわらず、上述したサンプルの全てが低い（すなわち、１００〜３００ｇｆ）亀裂発生閾値を示した。

しかしながら、サンプルｅおよびｆにおいて、アルカリ金属酸化物改質剤の濃度を減少させながら、Ａｌ₂Ｏ₃含有量を増加させることによって、過剰のＢ₂Ｏ₃が生成される。サンプルｅおよびｆについて、（Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｂ₂Ｏ₃）／Σ（改質剤）＞１。これらのサンプルにおいて、亀裂発生閾値は、図７に示されるように、劇的に増加する。詳しくは、サンプルｅは、イオン交換により強化する前に、７００ｇｆの亀裂発生閾値を示したのに対し、サンプルｆは、強化前に１０００ｇｆの亀裂発生閾値を示した。

ここに記載されたアルミノホウケイ酸塩ガラスの非限定的例が表２に列記されており、これには、ガラスの様々な組成および性質が列記されている。いくつかの組成物（３４、３５、３６、３７、３８、および３９）は、イオン交換されたときに、１０ｋｇｆ未満の亀裂発生閾値を有する。したがって、これらの組成物は、本開示と添付の特許請求の範囲の外にあり、それゆえ、比較例として働く。表２に列記された性質の中に、１×１０^-7／℃の単位で表された熱膨張係数（ＣＴＥ）がある。ＣＴＥは、温度変化の際に最少の熱応力を発生させる装置を設計するときに、考慮される検討事項の１つである。ドロープロセス中のシートの歪みを最少にするためにダウンドロープロセス（すなわち、フュージョンドローおよびスロットドロー）にとって、より低いＣＴＥを有するガラスが望ましい。液相線温度および対応する液相線粘度（ｋＰ（キロポアズ）またはＭＰ（メガポアズ）で表される）は、ガラスをシートまたは他の形状に加熱成形することに関するガラス組成物の適性を示す。ダウンドロープロセスについて、ここに記載されたアルミノホウケイ酸塩ガラスが少なくとも１３０ｋＰの液相線粘度を有することが望ましい。２００Ｐ温度は、ガラスが２００ポアズの粘度を有する温度であり、ガス状内包物を除去し（清澄）、どのような残りのバッチ材料も溶融するために、製造において典型的に使用されるプロセス温度である。表２における８および１５時間のＤＯＬおよびＣＳと振られている欄は、それぞれ、８および１５時間に亘り４１０℃で１００％のＫＮＯ³中のイオン交換から生じる圧縮層の深さおよび表面圧縮応力である。

ここに記載されたガラスについて所望のイオン交換特性を維持するために、アルカリ金属酸化物改質剤の合計濃度は、Ａｌ₂Ｏ₃の濃度と等しいべきであり、必要とされる任意の過剰の（Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｂ₂Ｏ₃）は、亀裂発生荷重を増加させるために、Ｂ₂Ｏ₃のみで補うべきである。最適なイオン交換のために、アルミノホウケイ酸塩ガラスにおいて、最大の圧縮応力および層の厚さを達成するために、アルカリ金属酸化物改質剤の合計濃度は、Ａｌ₂Ｏ₃の濃度と等しい、すなわち、（Ｌｉ₂Ｏ＋Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ＋Ｒｂ₂Ｏ＋Ｃｓ₂Ｏ）＝Ａｌ₂Ｏ₃であるべきであり、ガラスの損傷抵抗性を増加させるために過剰なＢ₂Ｏ₃が含まれる。しかしながら、過剰のＢ₂Ｏ₃含有量は、イオン交換の速度に対して釣り合わせるべきである。深い（例えば、２０μｍ以上）のイオン交換のために、Ｂ₂Ｏ₃濃度は、ある実施の形態において、Ａｌ₂Ｏ₃の濃度未満であるべきである。未溶解バッチまたはガス状内包物などの欠陥の最低レベルの溶融を達成するために、Ｒ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃＞１．０、好ましくは１．０５≦Ｒ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃≦１．２であることが最良である。この条件のために、Ｒ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃により与えられるＮＢＯが生成されるであろうから、ある実施の形態において、損傷抵抗性を維持するために過剰の改質剤を消費するように、十分なＢ₂Ｏ₃が加えられるべきである（すなわち、Ｂ₂Ｏ₃＞Ｒ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃）。より好ましくは、Ｂ₂Ｏ₃＞２（Ｒ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃）。

アルミノホウケイ酸塩ガラスの２００Ｐ温度（すなわち、典型的な溶融粘度）を低下させ、未溶解および／または未溶融バッチ材料などの欠陥をなくすために、二価陽イオンを添加しても差し支えない。ガラスのイオン交換中に生じる圧縮応力に有益な影響があるので、Ｍｇ²⁺、Ｚｎ²⁺などのより小さい二価陽イオンが好ましい。Ｃａ²⁺、Ｓｒ²⁺、およびＢａ²⁺などのより大きい二価イオンは、イオン交換速度およびイオン交換により生じる圧縮応力を減少させてしまう。同様に、ガラス中のＬｉ₂などのより小さい一価陽イオンの存在は、亀裂発生閾値にプラスの影響を有し得るのに対し、Ｋ⁺などのより大きいイオンはそれほど望ましくない。その上、少量のＫ₂Ｏは、圧縮応力領域の層の深さを増加させられるが、Ｋ⁺などのより大きい一価イオンは、高濃度では、圧縮応力を減少させ、したがって、４％未満に制限されるべきである。

ここに記載されたアルミノホウケイ酸塩ガラスは、少なくとも５０モル％のＳｉＯ₂、ある実施の形態において５８モル％のＳｉＯ₂、他の実施の形態において少なくとも６０モル％のＳｉＯ₂を含む。ＳｉＯ₂濃度が、ガラスの安定性および粘度の調節に役割を果たしている。ＳｉＯ₂濃度が高いとガラスの粘度が上昇し、ガラスの溶融が難しくなる。高ＳｉＯ₂含有ガラスの高濃度のために、混合、バッチ材料の溶解、および清澄中の気泡の上昇が妨げられる。高いＳｉＯ₂濃度には、適切な流動およびガラス品質を維持するために、非常に高い温度が必要である。したがって、ガラスのＳｉＯ₂濃度は７２モル％を超えるべきではない。

ガラス中のＳｉＯ₂濃度が６０モル％未満に減少するにつれて、液相線温度が上昇する。５０モル％未満のＳｉＯ₂含有量では、ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｎａ₂Ｏ組成物の液相線温度は、１５００℃超の温度に急激に上昇する。液相線温度が上昇するにつれて、ガラスの液相線粘度（液相線温度での溶融ガラスの粘度）が減少する。Ｂ₂Ｏ₃の存在が液相線温度を抑制するのに対し、ＳｉＯ₂含有量は、ガラスが、過剰に高い液相線温度および低い液相線粘度を有するのを防ぐために、５０モル％超に維持されるべきである。したがって、液相線粘度が低すぎたり高すぎたりしないようにするために、ここに記載されたガラスのＳｉＯ₂濃度は、５０モル％と７２モル％の間、ある実施の形態において５８モル％と７２モル％の間、他の実施の形態において６０モル％と７２モル％の間の範囲内にあるべきである。

このＳｉＯ₂濃度は、フッ化水素酸（ＨＦ）を除いて、鉱酸に対する化学的耐久性を有するガラスを提供する。したがって、ここに記載されたガラス中のＳｉＯ₂濃度は、十分な耐久性を提供するために、５０モル％超であるべきである。

以下の実施例は、ここに記載されたガラスの特徴および利点を示しており、本開示または添付の特許請求の範囲をそれに制限することを決して意図するものではない。

この実施例の目的は、イオン交換前の亀裂抵抗性が、ガラスにおけるイオン交換後の亀裂抵抗性を改善することを確認することであった。表１における組成ｆ（６４モル％のＳｉＯ₂、１３．５モル％のＡｌ₂Ｏ₃、９モル％のＢ₂Ｏ₃、１３．５モル％のＮａ₂Ｏ、０．１モル％のＳｎＯ₂）および１１００グラム中（ｇｆ）のイオン交換前の亀裂発生閾値を有する亀裂抵抗性アルミノホウケイ酸塩ガラスのサンプルを、層の深さＤＯＬおよび圧縮応力ＣＳを達成するために、８時間に亘り４１０℃で溶融ＫＮＯ₃塩浴中の浸漬によって、イオン交換した。あるサンプルは、５５．８μｍのＤＯＬおよび８３８ＭＰａのＣＳを有し、別のサンプルは、３５．１μｍのＤＯＬおよび８７１ＭＰａのＣＳを有した。

次いで、比較目的のために、３００ｇｆのイオン交換前の亀裂発生閾値を有する、コーニング社のＧＯＲＩＬＬＡ（商標）ガラス（６６．４モル％のＳｉＯ₂、１０．３モル％のＡｌ₂Ｏ₃、０．６０モル％のＢ₂Ｏ₃、４．０モル％のＮａ₂Ｏ、２．１０モル％のＫ₂Ｏ、５．７６モル％のＭｇＯ、０．５８モル％のＣａＯ、０．０１モル％のＺｒＯ₂、０．２１モル％のＳｎＯ₂、および０．００７モル％のＦｅ₂Ｏ₃の組成を有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラス）のサンプルを、表１に列記された組成ｆを有するサンプルの圧縮応力および層の深さとぴたりと一致するするようにイオン交換した。あるサンプルは、５４μｍのＤＯＬおよび７５１ＭＰａのＣＳを有し、別のサンプルは、３５μｍのＤＯＬおよび７９０ＭＰａのＣＳを有した。組成ｆと「ＧＯＲＩＬＬＡ」ガラスのイオン交換済みサンプルの圧縮応力および層の深さが、表３に列記されている。

イオン交換後に、表１の組成ｆと「ＧＯＲＩＬＬＡ」ガラスのサンプルの各々について、ビッカース亀裂発生荷重を測定した。イオン交換後の亀裂発生荷重は、ここに先に記載したように、ビッカース・ダイヤモンド圧子を使用して測定し、表３に列記されている。表３に列記された亀裂発生試験の結果は、イオン交換前の亀裂抵抗性がより大きいほど、イオン交換後の亀裂抵抗性が改善されることを示している。「ＧＯＲＩＬＬＡ」ガラスサンプルは、中央／放射状亀裂系を発生させるために５，０００〜７，０００ｇｆの荷重が必要であったのに対し、組成ｆのサンプルは、中央／放射状亀裂系を発生させるために、３０，０００ｇｆ超の荷重、または「ＧＯＲＩＬＬＡ」ガラスサンプルにおけるそのような亀裂を発生されるのに必要であった荷重の４〜６倍が必要であった。圧痕荷重が、測定した亀裂発生荷重を超えたときに、「ＧＯＲＩＬＬＡ」ガラスサンプルはいくつかの小片に破砕し、全ての場合、荷重が１０，０００ｇｆを超えた時点までに破砕が観察された。対照的に、組成ｆのサンプルは、研究した圧痕荷重（３，０００から３０，０００ｇｆまで）のいずれでも破砕しなかった。

説明目的のために典型的な実施の形態を述べてきたが、先の説明は、本開示または添付の特許請求の範囲への制限と考えるべきではない。したがって、本開示または添付の特許請求の範囲の精神および範囲から逸脱せずに、様々な改変、適用、および変更が当業者に想起されるであろう。

１００ 装置
１０５ 本体
１０７ 縁
１１０ カバープレート
１２０ ベゼル
１２２ 枠
２１０ 引っ掻き傷

Claims (10)

1. 少なくとも５０モル％のＳｉＯ₂、並びにアルカリ金属酸化物およびアルカリ土類金属酸化物からなる群より選択される少なくとも１種類の改質剤を含むアルミノホウケイ酸塩ガラスであって、イオン交換可能であり、
   

   

   を示すことを特徴とするアルミノホウケイ酸塩ガラス。
2. イオン交換され、少なくとも１０ｋｇｆのビッカース中央／放射状亀裂発生閾値を有することを特徴とする請求項１記載のアルミノホウケイ酸塩ガラス。
3. 前記イオン交換されたアルミノホウケイ酸塩ガラスが、少なくとも約４００ＭＰａの圧縮応力および少なくとも約１５μｍの層の深さを有することを特徴とする請求項２記載のアルミノホウケイ酸塩ガラス。
4. 前記イオン交換されたアルミノホウケイ酸塩ガラスが、少なくとも５Ｎの荷重でヌープダイヤモンドにより形成された引掻き傷の幅ｗの２倍超延在する横方向の損傷を含まないことを特徴とする請求項２または３記載のアルミノホウケイ酸塩ガラス。
5. 少なくとも５００ｇｆの圧痕荷重が印加されたときに、緻密化変形による圧痕変形を示し、表面下剪断破壊を実質的に含まないことを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のアルミノホウケイ酸塩ガラス。
6. 少なくとも２７ｃｍ³／モルのモル体積を有することを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載のアルミノホウケイ酸塩ガラス。
7. 約６９ＭＰａ未満のヤング率を有することを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載のアルミノホウケイ酸塩ガラス。
8. 前記アルミノホウケイ酸塩ガラスが、５０〜７２モル％のＳｉＯ₂、９〜１７モル％のＡｌ₂Ｏ₃、２〜１２モル％のＢ₂Ｏ₃、８〜１６モル％のＮａ₂Ｏ、および０〜４モル％のＫ₂Ｏを含み、８≦Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ≦１８であり、該アルミノホウケイ酸塩ガラスが、リチウム、ヒ素、アンチモン、およびバリウムの内の少なくとも１種類を含まないことを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載のアルミノホウケイ酸塩ガラス。
9. 前記少なくとも１種類の改質剤が少なくとも１種類のアルカリ金属酸化物を含むことを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載のアルミノホウケイ酸塩ガラス。
10. 電子装置のためのエンクロージャの少なくとも一部分を形成することを特徴とする請求項１から９いずれか１項記載のアルミノホウケイ酸塩ガラス。

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