JP2013525258A - ３ｄガラス物品を作製する方法 - Google Patents

Abstract

３Ｄガラス物品を作製する方法は、２Ｄガラス片のエッジに少なくとも１つのマーカーを形成するステップを含む。２Ｄガラス片は３Ｄガラス物品に熱再成形され、このとき２Ｄガラス片のエッジに形成された少なくとも１つのマーカーは、３Ｄガラス物品のエッジへと引き継がれる。３Ｄガラス物品は、３Ｄガラス物品のエッジの少なくとも１つのマーカーを用いて、支持部材上で位置合わせされる。その後、３Ｄガラス物品のエッジを、最終的な形状および寸法へと仕上げる。

Description

関連出願の説明

本出願は、２０１０年５月３日に出願された米国仮特許出願第６１／３３０６３２号の優先権の利益を主張するものである。

本発明は、３次元（３Ｄ）形状を作製する方法および装置に関する。より具体的には、本発明は３Ｄガラス物品を成形する方法および装置に関する。

モバイルディスプレイ装置での３Ｄガラスカバーの利用が増加している。このガラスカバーには、寸法や、その外周に対する３Ｄ湾曲の位置に関して、極めて精密であることが要求される。典型的な寸法許容量は、±３０μｍから±５０μｍである。ガラスカバーをディスプレイ装置の規定の傾斜に、その傾斜とガラスカバーとの間に不要な目に見える間隙を残すことなく取り付けるためには、一貫した寸法が必要とされる。ガラスカバーの輪郭を、ディスプレイやタッチスクリーンに対して中心に置くことが、美しさと機能のために求められる。

３Ｄガラスカバーは、２次元の（２Ｄ）ガラスシートを熱再成形して３Ｄ形状とすることで作製することができる。上述したような所望の許容量を達成するために、３Ｄ形状の中には、再成形プロセス後に３Ｄガラス形状のエッジ仕上げが必要となり得るものもある。ただし、エッジ仕上げでは、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）工作機械上での３Ｄガラス形状の正確な位置合わせが要求される。レーザベースの走査視覚システムを使用して、３Ｄガラス形状の中心位置を決めることも可能であろうし、またこの位置決定された中心を、後に、ＣＮＣ工作機械上で３Ｄガラス形状を位置合わせする際の参照として使用することもできるかもしれない。しかしながら、レーザベースの走査視覚システムは高価であり、またその走査には時間がかかる可能性がある。さらに、ＣＮＣ工作機械上でガラスを保持するために使用される真空チャックからの反射などによって走査が妨げられる可能性があるため、このガラス走査には特有の照射条件が必要となる。大量生産のためには、３Ｄガラス形状をＣＮＣ工作機械上に正確かつ迅速に、さらに再現可能なやり方で位置付けることが可能な、頑丈で低コストの装備を得ることが望ましい。

ガラスシートを３Ｄガラス形状に熱再成形し、次いでこの３Ｄガラス形状をエッジ仕上げするものの代替としては、研削および研磨プロセスで３Ｄガラスカバーを完全に機械加工するものがある。この代替の概念は、メディアプレイヤなどのハンドヘルドモバイル装置において既に工業化されている。研削されたガラス表面に対してディスプレイ並みの研磨を行う必要があること、また要求される品質に至るまでこの研磨を行う道具が限定されていることにより、この代替手法での設計の選択肢は、少量の材料を除去することで作製し得る形状や、単純な円筒状凸面や球面状凸面を有する形状に制限される。

しかしながらモバイル装置の工業設計グループは、単なる研削および研磨プロセスでは不可能な、複雑な表面、非円筒状表面、そして非球面状表面を有するガラスカバー表面を望んでいる。このため、複雑なガラスカバーを成形するためのより実現可能なプロセスとして熱再成形プロセスが残り、また３Ｄ形状を作製するために熱再成形を利用した場合の、正確さが不十分であるという問題点、または所望のエッジ形状を得ることが困難であるという問題点を、解決する必要性が残されている。

本発明の一態様において、３Ｄガラス物品を作製する方法は、２Ｄガラス片のエッジに少なくとも１つのマーカーを形成するステップ（ステップａ）、２Ｄガラス片を３Ｄガラス物品に熱再成形するステップであって、このとき２Ｄガラス片のエッジに形成された少なくとも１つのマーカーが、３Ｄガラス物品のエッジへと引き継がれるステップ（ステップｂ）、３Ｄガラス物品のエッジの少なくとも１つのマーカーを用いて、３Ｄガラス物品を支持部材上で位置合わせするステップ（ステップｃ）、および、３Ｄガラス物品のエッジを、最終的な形状および寸法へと仕上げるステップ（ステップｄ）を含む。

一実施の形態では、ステップ（ａ）において、少なくとも１つのマーカーは切込み（notch）である。一実施の形態において、ステップ（ｄ）は、支持部材上の位置合わせピンを、この切込みと接触させるステップを含む。一実施の形態において、この切込みは、位置合わせピンの半径よりも大きい曲率半径を有する。

一実施の形態において、この方法は、ステップ（ｃ）の前に３Ｄガラス物品を徐冷するステップをさらに含む。

一実施の形態において、この方法は、ステップ（ｄ）の後に３Ｄガラス物品にイオン交換プロセスを施すステップさらに含む。

一実施の形態において、ステップ（ｂ）で成形された３Ｄガラス物品は、２つの対向する湾曲面を有する。一実施の形態において、この方法は、ステップ（ｄ）の前に湾曲面の一方を平坦化して、平面と湾曲面とを有する３Ｄガラス物品を成形するステップをさらに含む。

一実施の形態において、ステップ（ｄ）は、３Ｄガラス物品内に１以上の機構を形成するステップを含む。

一実施の形態において、ステップ（ｄ）は、３Ｄガラス物品のエッジを、研削するステップ、ラップ仕上げするステップ、および研磨するステップ、のうちの少なくとも１つのステップを含む。

一実施の形態において、この方法は、ステップ（ａ）の前に、より大きな２Ｄガラスシートから２Ｄガラス片を切断するステップをさらに含む。

一実施の形態において、ステップ（ｂ）は、２Ｄガラス片のエッジに形成された少なくとも１つのマーカーを用いて、２Ｄガラス片をモールド上で位置合わせするステップを含む。一実施の形態において、２Ｄガラス片をモールド上で位置合わせするステップは、２Ｄガラス片のエッジに形成された少なくとも１つのマーカーに、モールド上の位置合わせピンを接触させるステップを含む。一実施の形態において、２Ｄガラス片のエッジに形成された少なくとも１つのマーカーは切込みである。一実施の形態において、この切込みは、モールド上の位置合わせピンの半径よりも大きい曲率半径を有する。

前述の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方は、本発明の例示であること、そして請求される本発明の本質および特徴を理解するための概要または構成を提供することが意図されていることを理解されたい。添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれかつその一部を構成する。図面は本発明の種々の実施形態を示し、そしてその記述とともに、本発明の原理および動作の説明に役立つ。

以下は、添付の図面に含まれる図を説明したものである。図は必ずしも原寸に比例したものではなく、さらに特定の特徴および特定の図は、明瞭および簡潔にするため、縮尺において、または概略的に、拡大して図示されている可能性がある。

モールド上に置かれた２Ｄガラス片の上面図 図１の円２−２の拡大図であり、２Ｄガラス片のエッジに形成された切込みに接している位置合わせピンを示した図 エッジ仕上げのためにチャック内で位置合わせされた３Ｄガラス物品を示した図 平坦化のためにチャック内で位置合わせされた３Ｄガラス物品を示した図 平凸状の３Ｄガラス物品を示した図

本発明のさらなる特徴および利点は以下の詳細な説明の中で明らかにされ、ある程度は、その説明から当業者には容易に明らかになるであろうし、あるいは本書で説明されたように本発明を実施することにより認識されるであろう。

一態様において、本発明は、複雑な表面を有する３Ｄガラス物品を、低コストかつ正確な寸法で作製する方法を提供する。この方法は、非円筒状や非球面状の凸面または凹面を有する、３Ｄガラスカバーを成形するのに特に有用である。この方法により成形された３Ｄガラスカバーは、ディスプレイ装置とガラスカバーとの間に不要な目に見える間隙を残すことなく、ディスプレイ装置の規定エリア上に取り付けることができる。この３Ｄガラスカバーは正確に作製することができるため、３Ｄガラスカバーとディスプレイ装置との間の間隙を接着剤で埋める必要がない。この方法は２つの主要部分を含んでいる。第１の部分は、ガラスシートを熱再成形して所望の３Ｄ形状とするものである。第２の部分は、ＣＮＣ工作機械を使用して、この３Ｄ形状を必要な最終寸法に機械加工するものである。３Ｄ形状をＣＮＣ工作機械内で位置合わせするのを助けるために、この方法の第１部分においてガラスシート上にマーカーを形成し、それにより高価なレーザベースの走査視覚システムを必要としない。

本発明の一実施の形態によるプロセスによって作製される３Ｄガラス物品は、前面および後面を有したものである（「前」および「後」という用語は任意に使用する）。前面および後面はともに湾曲している。前面および後面は、円筒状表面、非円筒状表面、球面状表面、および非球面状表面から選択し得る。３Ｄガラス物品を成形するために、２Ｄガラス片をより大きな２次元の（２Ｄ）ガラスシートから切断する。より大きな２Ｄガラスシートは、任意の適当なプロセス、例えばフュージョンドロー法またはフロート法などにより作製することができる。フュージョンドロー法によるガラスシートは、清浄な表面を特徴としたものであって、より好ましい。２Ｄガラス片は、レーザ罫書きなどの任意の適切なプロセスで切断することができる。２Ｄガラス片のエッジには、マーカーが形成される。例えば、このマーカーは、例えばＣＮＣ工作機械を用いて２Ｄガラス片のエッジに形成された切込みでもよい。２Ｄガラス片は、エッジを後に切り取って切込みを除去することができるようにサイズを大きくしたものであり、すなわち切込みは最終的な３Ｄガラス物品に現れることはない。切込み（すなわちマーカー）を有する２Ｄガラス片は、モールド上に置かれる。位置合わせピンを使用して、モールド上で２Ｄガラス片を位置合わせする。その開示が参照することにより本書に組み込まれる、２００９年１１月３０日に出願された米国仮特許出願第６１／２６４９１５号明細書に記述されているような傾斜したモールドとの角位置合わせを使用して、２Ｄガラス片を過度に強いることなく、モールド上で２Ｄガラス片の位置合わせを行うことができる。この位置合わせの機構が、以下でさらに説明するように、モールドからＣＮＣ工作機械のチャック上に移される。図１は、モールド４上の２Ｄガラス片２を、２Ｄガラス片２のエッジの切込み（図２の８）に接触している、モールド４上の位置合わせピン６とともに示した上面図である。図２は、図１の円で囲んだ領域２−２の拡大図であり、切込み８と接触している位置合わせピン６を示している。切込み８は、切込み８と位置合わせピン６との間での点接触を可能にするよう、位置合わせピン６の半径よりもわずかに大きい曲率半径で湾曲している。

モールド上で２Ｄガラス片を位置合わせした後、２Ｄガラス片を３Ｄガラス物品に熱再成形する。熱再成形は、２Ｄガラス片とモールドを加熱するステップを含む。加熱は、その開示が参照することにより本明細書に組み込まれる、２００９年６月２９日に出願された米国特許出願第１２／４９３６７４号明細書に記述されているように、放射によって優先的かつ迅速に行われることが好ましい（この出願は、Ukrainczykらによる２０１０年１月７日の米国特許出願公開第２０１０／００００２５９Ａ１号明細書の元で入手可能である）。この加熱には、中赤外線ヒータを使用してもよい。優先的な加熱とは、加熱中にモールドが、２Ｄガラス片よりも大幅に低温のままであるようなものである。傾斜したモールドに対しては、米国仮特許出願第６１／２６４９１５号明細書で教示されているように、２Ｄガラス片の実質上垂直方向に沿ってヒータが２Ｄガラス片に熱をむけるように、ヒータを配列してもよい。一実施の形態において、熱再成形するステップは、加熱された２Ｄガラス片をモールドの成形面上に垂下させることで、この２Ｄガラス片がモールドの成形面の形状を帯びて、３Ｄガラス物品が成形されるステップをさらに含む。２Ｄガラス片がモールドの成形面上に垂下されるとき、２Ｄガラス片は成形温度であることが好ましい。この成形温度は、ガラスの軟化点と徐冷点との間でもよいし、あるいはガラスの粘度が１０⁷Ｐ（１０⁶Ｐａ・ｓ）〜１０¹¹Ｐ（１０¹⁰Ｐａ・ｓ）の範囲になるような温度でもよい。２Ｄガラス片が垂下している間、位置合わせピンは、２Ｄガラス片のモールドキャビティへのエッジ位置合わせを維持する。２Ｄガラス片の垂下は真空で補助してもよく、このとき２Ｄガラス片をモールドの成形面に対して引き込むよう、真空がモールドのキャビティに適用される。熱再成形ステップは、モールドの成形面上に２Ｄガラス片を垂下させるものに限定されない。別の実施形態において、熱再成形ステップは、形作られたプランジャーで２Ｄガラス片をモールド内に押圧することによるものでもよい。さらに、垂下と押圧の組合せを用いて、２Ｄガラス片を３Ｄガラス物品へと形作ってもよい。

３Ｄガラス物品は、モールド内に位置しているときに冷却される。冷却は、モールドを外気に曝したり、あるいはモールドと３Ｄガラス物品の周りに冷却用の空気またはガスを循環させたりすることによって行ってもよい。３Ｄガラス物品は、その徐冷点未満または歪点未満の温度まで冷却してもよい。冷却後、３Ｄガラス物品をモールドから取り除く。次いで、３Ｄガラス物品を徐冷する。徐冷後、３Ｄガラス物品は、ＣＮＣ工作機械の支持部材、例えば真空チャック上に置かれる。真空チャックすなわち支持部材は、工作機械が３Ｄガラス物品で作業している間、この３Ｄガラス物品を保持する。３Ｄガラス物品は、２Ｄガラス片をモールド上で位置合わせした場合と同様に、位置合わせピンおよび切込みを用いてチャック（すなわち支持部材）上で正確に位置合わせされる。図３は、例えば、真空チャック１２上に取り付けられた３Ｄガラス物品１０を、３Ｄガラス物品１０のエッジの切込み８に接触している、真空チャック１２上の位置合わせピン６とともに示したものである。１以上の位置合わせピンを使用して、３Ｄガラス物品をチャック上で位置合わせしてもよい。一旦３Ｄガラス物品がチャック上で位置合わせされて、さらに、例えば真空によってチャックに固定されると、位置合わせピンを切込みおよびチャックから取り外してもよい。３Ｄガラス物品のエッジは、ＣＮＣ工作機械を用いて、最終的な形状および寸法に仕上げられる。孔やスロットなどの他の機構を、３Ｄガラス物品がチャック上で保持されている間に、必要に応じて３Ｄガラス物品内にさらに加工することもできる。３Ｄガラス物品のエッジの切込み（すなわちマーカー）は、エッジ仕上げの際に除去されるが、上述したように、切込み（すなわちマーカー）と位置合わせピンとを用いて３Ｄガラス物品がチャック上に正確に置かれた後に、切込み（すなわちマーカー）が必要とされることはないため問題ない。

エッジ仕上げに続いて、３Ｄガラス物品をチャックから取り外し、これにイオン交換プロセスを施してもよい。イオン交換プロセスの目的は、３Ｄガラス物品を強化することである。このため、３Ｄガラス物品は、イオン交換可能なガラスから作製するべきである。イオン交換可能なガラスは、例えばＬｉ⁺および／またはＮａ⁺などの、より小さいアルカリイオンを含むアルカリ含有ガラスであり、これらのイオンは、イオン交換プロセス中にＫ⁺などのより大きなアルカリイオンと交換することができる。適切なイオン交換可能なガラスの例は、米国特許出願第１１／８８８２１３号明細書、同第１２／２７７５７３号明細書、同第１２／３９２５７７号明細書、同第１２／３９３２４１号明細書、および同第１２／５３７３９３号明細書、米国仮特許出願第６１／２３５，７６７号明細書、および同第６１／２３５，７６２号明細書（全てコーニング社に譲渡）に記述されており、これらの内容は参照することにより本書に組み込まれる。これらのガラスは、比較的低い温度で、少なくとも３０μｍの深さまでイオン交換することができる。イオン交換によってガラスを強化するプロセスは、例えば米国特許第５，６７４，７９０号明細書（Araujo, Roger J.）に記述されている。イオン交換プロセスは、典型的には、ガラスの転移温度を超えない高温範囲で行われる。このプロセスは、ガラス内のホストアルカリイオンよりも大きいイオンを含んだアルカリ塩（典型的には硝酸塩）を含有している溶融槽内に、ガラスを浸すことにより実行される。ホストアルカリイオンは、より大きいアルカリイオンに交換される。例えば、Ｎａ⁺を含んだガラスを、溶融硝酸カリウム（ＫＮＯ₃）の槽内に浸してもよい。溶融槽内に存在しているより大きいＫ⁺が、ガラス内のより小さいＮａ⁺と置き換わる。元々小さいアルカリイオンで占められていた場所に、より大きいアルカリイオンが存在することになるため、ガラスの表面または表面近傍では圧縮応力が生じ、またガラスの内部では引張力が生じる。イオン交換プロセス後、ガラスは溶融槽から取り出されて冷却される。イオン交換の深さ、すなわちより大きなアルカリイオンがガラス内に侵入する浸透深さは、典型的にはおよそ４０μｍから３００μｍであり、この深さはガラスの組成や浸漬時間により制御される。イオン交換プロセスが適切に実行されると、傷のつきにくいガラス表面を形成することができる。

本発明の別の実施形態によるプロセスにより作製される３Ｄガラス物品は、その前面が湾曲しかつ後面が平面的なものである（「前」および「後」という用語は任意に使用する）。前面は、円筒状表面、非円筒状表面、球面状表面、および非球面状表面から選択し得る。湾曲した前面と平面的な後面とを備えた３Ｄガラス物品を作製するプロセスは、湾曲した前面と湾曲した後面とを備えた３Ｄガラス物品を作製する上述の全ステップと、湾曲した面を平坦化する追加のステップとを含む。上では、２Ｄガラス片を３Ｄガラス物品に熱成形するステップを説明した。熱成形後、３Ｄガラス物品は２つの対向する湾曲面を有している。湾曲した前面と平面的な後面とを有している３Ｄガラス物品を成形するために、２つの対向する湾曲面の一方を平坦化する必要がある。平坦化は徐冷後に行ってもよい。平坦化ステップは、２Ｄガラス片のモールド上での位置合わせに関連して上述したものと同様に、切込みの位置で位置合わせピンを活用して、２つの対向する湾曲面を備えた３Ｄガラス物品を支持部材上に置くステップを含む。３Ｄガラス物品の湾曲面の一方は、その後、研削、ラップ仕上げ、および研磨を適切に組み合わせて平坦化される。研削は固定砥粒加工法であり、一方でラップ仕上げや研磨は遊離砥粒加工法である。研削は材料を素早く除去するために使用され得、その後、研削された面を一様にするラップ仕上げ、さらにラップ仕上げ面を滑らかにする研磨と続く。研削プロセスのために、３Ｄガラス物品を真空チャック内に置いてもよい。説明のため、図４は、３Ｄガラス物品を受け入れるような輪郭に成形された真空チャック１６内の、３Ｄガラス物品１４を示している。３Ｄガラス物品１４は、真空チャック上の位置合わせピン１５を用いて真空チャック１６内で位置合わせされる。位置合わせピン１５は、３Ｄガラス物品１４のエッジの切込み１７と係合する（切込みは、上述したように、２Ｄガラス片から形作られた３Ｄガラス物品へと引き継がれている）。一旦３Ｄガラス物品１４が真空により所定の位置で保持されると、位置合わせピン１５を切込み１７および真空チャック１６から取り外してもよい。その後、３Ｄガラス物品１４の湾曲面１８を、例えば点線２０に至るまで、研削、ラップ仕上げ、および研磨を任意に適切に組み合わせて用いることにより平坦化してもよい。真空チャックとは異なる搬送手段が、ラップ仕上げおよび研磨中に必要になる可能性がある。図５は平坦化後の３Ｄガラス物品１４を示している。このとき、３Ｄガラス物品１４は平凸形状を有している。平凹形状を有する３Ｄガラス物品も同様に作製し得る。平坦化ステップの後、湾曲した前面と湾曲した後面とを備えた３Ｄガラス物品の作製に関連して上述したように、残りのプロセスが続けられる。

本発明を、限られた数の実施形態を参照してこれまで説明してきたが、本書で開示された本発明の範囲から逸脱しない他の実施形態を考案できることは、本開示から利益を得る当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ限定されるべきである。

２ ２Ｄガラス片
４ モールド
６、１５ 位置合わせピン
８、１７ 切込み
１０、１４ ３Ｄガラス物品
１２、１６ 真空チャック
１８ 湾曲面

Claims (10)

1. ３次元（３Ｄ）ガラス物品を作製する方法において、
   （ａ）２次元（２Ｄ）ガラス片のエッジに少なくとも１つのマーカーを形成するステップ、
   （ｂ）前記２Ｄガラス片を前記３Ｄガラス物品に熱再成形するステップであって、このとき前記２Ｄガラス片の前記エッジに形成された前記少なくとも１つのマーカーが、前記３Ｄガラス物品のエッジへと引き継がれるステップ、
   （ｃ）前記３Ｄガラス物品の前記エッジの前記少なくとも１つのマーカーを用いて、前記３Ｄガラス物品を支持部材上で位置合わせするステップ、および、
   （ｄ）前記３Ｄガラス物品の前記エッジを、最終的な形状および寸法へと仕上げるステップ、
   を含むことを特徴とする方法。
2. ステップ（ａ）の前記少なくとも１つのマーカーが切込みであり、かつステップ（ｄ）が、前記支持部材上の位置合わせピンを該切込みと接触させるステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ステップ（ｃ）の前に前記３Ｄガラス物品を徐冷するステップ、および、ステップ（ｄ）の後に前記３Ｄガラス物品にイオン交換プロセスを施すステップ、のうちの少なくとも一方のステップをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. ステップ（ｂ）で成形された前記３Ｄガラス物品が、２つの対向する湾曲面を有するものであることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. ステップ（ｄ）の前に前記湾曲面の一方を平坦化して、平面と湾曲面とを有する３Ｄガラス物品を成形するステップをさらに含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. ステップ（ｄ）が、前記３Ｄガラス物品内に１以上の機構を形成するステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
7. ステップ（ｄ）が、前記３Ｄガラス物品の前記エッジを、研削するステップ、ラップ仕上げするステップ、および研磨するステップ、のうちの少なくとも１つのステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
8. ステップ（ｂ）が、前記２Ｄガラス片のエッジに形成された前記少なくとも１つのマーカーを用いて、前記２Ｄガラス片をモールド上で位置合わせするステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 前記２Ｄガラス片を前記モールド上で位置合わせするステップが、前記２Ｄガラス片のエッジに形成された前記少なくとも１つのマーカーに、前記モールド上の位置合わせピンを接触させるステップを含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記２Ｄガラス片のエッジに形成された前記少なくとも１つのマーカーが切込みであり、かつ該切込みが前記モールド上の前記位置合わせピンの半径よりも大きい曲率半径を有することを特徴とする請求項９記載の方法。

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