JP2016142600A - 表面応力測定方法、表面応力測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本表面応力測定方法は、光源からの光を、被測定体である強化ガラスの少なくとも圧縮応力層を有する表面層内に入射させる光供給工程と、前記表面層内を伝播した光を、光取出し部材を介して、前記強化ガラスの外へ出射させる光取出し工程と、前記強化ガラスの外へ出射した光に含まれる、前記強化ガラスと前記光取出し部材との境界面に対して平行及び垂直に振動する二種の光成分を、夫々が3本以上の輝線を有する二種の輝線列に変換する光変換工程と、前記二種の輝線列を撮像する撮像工程と、前記撮像工程で得られた画像から前記二種の輝線列の夫々の3本以上の輝線の位置を測定する位置測定工程と、前記位置測定工程での測定結果に基づいて、前記二種の光成分に対応した前記強化ガラスの表面から深さ方向の屈折率分布を算出する屈折率分布算出工程と、を有する。
【選択図】図7
Description
図2は、第1の実施の形態に係る表面応力測定装置を例示する図である。図2に示すように、表面応力測定装置1は、光源10と、光供給部材20と、光取出し部材30と、光変換部材40と、偏光部材50と、撮像素子60と、演算部70とを有する。
図3及び図4等を参照し、強化ガラス200の表面層に光線を入射したときの、光線の軌跡とモードについて説明する。
本実施の形態では、下記の式3(数3)を用いて屈折率分布を算出する。式3は、非特許文献1に記載された技術情報等に基づいて、発明者らが導出したものである。非特許文献1では、屈折率分布は直線的に変化すると仮定し、光の進む経路を円弧に近似している。一方、本実施の形態では、任意の屈折率分布でのモードの成り立つ条件を得るために、屈折率分布を任意の分布n(x)としている。
強化ガラスは面内に強い圧縮応力があるため、P偏光の光の屈折率とS偏光の光の屈折率は、光弾性効効果により応力の分だけずれる。すなわち、強化ガラス200の表面210に面内応力が存在すると、P偏光とS偏光で、屈折率分布が異なって、モードの発生のしかたも異なり、輝線の位置も異なる。
次に、図8及び図9等を参照しながら測定のフローについて説明する。図8は、従来の測定方法(a)と本実施の形態に係る測定方法(b)とを比較した図である。図8(a)に示すように、従来は、P偏光とS偏光の輝線を各2本以上読みとり、各2本の輝線位置情報から最表面の応力を求めている。これに対して、図8(b)に示すように、本実施の形態では、P偏光とS偏光の輝線を各3本以上読みとり、各3本以上の輝線位置情報から表面層の応力分布を求めている点で、従来とは異なる。
第1の実施の形態に対応する実施例を示す。図11は、図9のステップS504の撮像工程で得られたものであり、図11(a)はP偏光の輝線列の画像、図11(b)はS偏光の輝線列の画像である。
第2の実施の形態では、移動可能に構成された撮像素子を備えた表面応力測定装置の例を示す。なお、第2の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
第3の実施の形態では、波長の異なる複数の光源を備えた表面応力測定装置の例を示す。なお、第3の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
第4の実施の形態では、近似計算を行う機能を備えた表面応力測定装置の例を示す。なお、第4の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
第5の実施の形態では、分割偏光板を備えた表面応力測定装置の例を示す。なお、第5の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
第6の実施の形態では、明るさを変えて輝線列の画像を取得する機能を備えた表面応力測定装置の例を示す。なお、第6の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
複数回の強化工程を経るような化学強化処理を行う場合、従来の測定方法では最終的に得られる(すなわち、最後の強化工程を経た)強化ガラスのCS値やDOL値を測定しても、所望の特性であるかを判断できず、強化ガラスの品質を管理することができなかった。そのため、例えば、各強化工程を終えるごとにCS値やDOL値を測定することにより、それぞれの強化工程が適切に行われているかを判断する必要があった。
上記の各実施の形態に係る表面応力測定装置の被測定体となる化学強化ガラス(以下、本実施の形態に係る化学強化ガラスとする)について詳説する。
化学強化処理は、従来公知の方法によって行うことができる。又、化学強化処理の前に、用途に応じた形状加工、例えば、切断、端面加工及び穴あけ加工等の機械的加工を行うことが好ましい。
工程(1)は、化学強化処理に供するガラスをそのガラス中に含まれるアルカリ金属イオン(例えば、ナトリウムイオン)よりイオン半径の大きなアルカリ金属イオンを含む溶融塩(例えば、カリウム塩)とガラスの転移温度を超えない温度域で接触させて、ガラス中のアルカリ金属イオンとアルカリ金属塩のイオン半径の大きなアルカリ金属イオンとをイオン交換させ、アルカリ金属イオンの占有面積の差によりガラス表面に圧縮応力を発生させ圧縮応力層を形成する工程である。
工程(2)は、工程(1)で得られたガラス表面に圧縮応力層を形成したガラスを加熱処理することにより、圧縮応力層に存在するより大きなアルカリ金属イオン、例えば、カリウムイオンをガラスの表面からガラス内部の方向に移動させることにより、圧縮応力層の最深部をガラス表面からガラス内部の方向に移動させる工程である。
工程(3)は工程(2)で得られたガラスをイオン交換することにより、ガラス表面の圧縮応力層を変化させる工程である。工程(3)において再度イオン交換することにより、ガラス表面及びその内部の圧縮応力層を変化させることができる。
本実施の形態に係る化学強化ガラスは、イオン交換処理によって表面に圧縮応力層を備える。化学強化ガラスの表面応力値(CS値)は300MPa以上であることが好ましく、500MPa以上であることがより好ましく、600MPa以上であることが更に好ましく、700MPa以上であることが特に好ましい。
なお、化学強化ガラスのCT5値はCTlimit値を超えないことが好ましい。CT5値がCTlimitを超える化学強化ガラスを破壊すると爆発的に粉々に割れるため好ましくない。一方で、CT5値がCTlimitを超えないガラスを破壊しても爆発的に粉々に割れることはない。
上述した通り、屈曲した応力プロファイルを有する化学強化ガラスの場合、一般的に、式5に基づくCT5値は式0に基づくCT0値より小さくなる。CT0値とCT5値の比CT5/CT0が小さいほどCS値やDOL値をより好ましい値に近付けるのに有効であり、CT5/CT0を70%以下にすることが好ましく、より好ましくは50%以下、更に好ましくは30%以下である。
10、10A、10B 光源
20 光供給部材
30 光取出し部材
40 光変換部材
50 偏光部材
60 撮像素子
70 演算部
71 位置測定手段
72 屈折率分布算出手段
73 応力分布算出手段
80 ハーフミラー
90 分割偏光板
91、92 領域
200 強化ガラス
210 強化ガラスの表面
Claims (24)
- 光源からの光を、被測定体である強化ガラスの少なくとも圧縮応力層を有する表面層内に入射させる光供給工程と、
前記表面層内を伝播した光を、光取出し部材を介して、前記強化ガラスの外へ出射させる光取出し工程と、
前記強化ガラスの外へ出射した光に含まれる、前記強化ガラスと前記光取出し部材との境界面に対して平行及び垂直に振動する二種の光成分を、夫々が3本以上の輝線を有する二種の輝線列に変換する光変換工程と、
前記二種の輝線列を撮像する撮像工程と、
前記撮像工程で得られた画像から前記二種の輝線列の夫々の3本以上の輝線の位置を測定する位置測定工程と、
前記位置測定工程での測定結果に基づいて、前記二種の光成分に対応した前記強化ガラスの表面から深さ方向の屈折率分布を算出する屈折率分布算出工程と、を有する表面応力測定方法。 - 前記撮像工程よりも前に、前記光源からの光を前記二種の光成分に分離する光分離工程を有する請求項1記載の表面応力測定方法。
- 前記光分離工程では、前記二種の光成分のうち前記境界面に平行に振動する光成分を透過させる領域と、前記境界面に垂直に振動する光成分を透過させる領域と、を有する光分離手段を用いる請求項2記載の表面応力測定方法。
- 前記表面層内には、前記3本以上の輝線に対応した、光線軌跡の異なる3本以上のモードの光が伝播し、
夫々の前記モードでの光線軌跡において、前記強化ガラスの表面に対する最深点の深さは互いに異なり、
前記屈折率分布算出工程では、次数が隣接するモードの前記最深点の間において、前記強化ガラスの屈折率変化率が一定であると仮定し、次数の最も低いモードから順に、夫々のモードの前記最深点の深さを計算し、全体の屈折率分布を求める請求項1乃至3の何れか一項記載の表面応力測定方法。 - 前記二種の光成分に対応した屈折率分布の差と、前記強化ガラスの光弾性定数と、に基づいて、前記強化ガラスの表面から深さ方向の応力分布を算出する応力分布算出工程を有する請求項1乃至4の何れか一項記載の表面応力測定方法。
- 前記二種の光成分に対応した屈折率分布のうち、前記境界面に対して平行に振動する光成分に対応した第一の屈折率分布、前記境界面に対して垂直に振動する光成分に対応した第二の屈折率分布、前記第一の屈折率分布と前記第二の屈折率分布との平均値である第三の屈折率分布、の何れかを前記強化ガラスの表面から深さ方向の応力分布として算出する応力分布算出工程を有する請求項1乃至4の何れか一項記載の表面応力測定方法。
- 前記応力分布算出工程で算出された前記圧縮応力層の応力分布を前記強化ガラスの深さ方向に積分した値が、前記強化ガラスの内部の引張応力と釣り合うようCT値を算出するCT値算出工程を有する請求項5又は6記載の表面応力測定方法。
- 前記応力分布算出工程で算出された応力分布を近似する近似工程を有する請求項5乃至7の何れか一項記載の表面応力測定方法。
- 前記近似工程では、前記応力分布算出工程で算出された応力分布を、屈曲点が一点である折れ線で近似し、前記屈曲点と2つの傾斜とを算出する請求項8記載の表面応力測定方法。
- 互いに異なる複数の波長の光を前記強化ガラスの表面層内に順次入射させ、
前記応力分布算出工程では、夫々の波長での輝線列の位置に基づいて応力分布を算出し、算出した応力分布を合成する請求項5乃至9の何れか一項記載の表面応力測定方法。 - 前記位置測定工程では、前記二種の輝線列を複数に分けて撮像した画像を合成し、合成した画像から前記二種の輝線列の位置を測定する請求項1乃至10の何れか一項記載の表面応力測定方法。
- 光源からの光を、被測定体である強化ガラスの少なくとも圧縮応力層を有する表面層内に入射させる光供給部材と、
前記表面層内を伝播した光を、前記強化ガラスの外へ出射させる光取出し部材と、
前記光取出し部材を介して出射した光に含まれる、前記強化ガラスと前記光取出し部材との境界面に対して平行及び垂直に振動する二種の光成分を、夫々が3本以上の輝線を有する二種の輝線列に変換する光変換部材と、
前記二種の輝線列を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子で得られた画像から前記二種の輝線列の夫々の3本以上の輝線の位置を測定する位置測定手段と、
前記位置測定手段の測定結果に基づいて、前記二種の光成分に対応した前記強化ガラスの表面から深さ方向の屈折率分布を算出する屈折率分布算出手段と、を有する表面応力測定装置。 - 前記光源から前記撮像素子までの光路上に、光を前記二種の光成分に分離する光分離手段が配置されている請求項12記載の表面応力測定装置。
- 前記光分離手段は、前記二種の光成分のうち前記境界面に平行に振動する光成分を透過させる領域と、前記境界面に垂直に振動する光成分を透過させる領域と、を有する請求項13記載の表面応力測定装置。
- 前記表面層内には、前記3本以上の輝線に対応した、光線軌跡の異なる3本以上のモードの光が伝播し、
夫々の前記モードでの光線軌跡において、前記強化ガラスの表面に対する最深点の深さは互いに異なり、
前記屈折率分布算出手段は、次数が隣接するモードの前記最深点の間において、前記強化ガラスの屈折率変化率が一定であると仮定し、次数の最も低いモードから順に、夫々のモードの前記最深点の深さを計算し、全体の屈折率分布を求める請求項12乃至14の何れか一項記載の表面応力測定装置。 - 前記二種の光成分に対応した屈折率分布の差と、前記強化ガラスの光弾性定数と、に基づいて、前記強化ガラスの表面から深さ方向の応力分布を算出する応力分布算出手段を有する請求項12乃至15の何れか一項記載の表面応力測定装置。
- 前記二種の光成分に対応した屈折率分布のうち、前記境界面に対して平行に振動する光成分に対応した第一の屈折率分布、前記境界面に対して垂直に振動する光成分に対応した第二の屈折率分布、前記第一の屈折率分布と前記第二の屈折率分布との平均値である第三の屈折率分布、の何れかを前記強化ガラスの表面から深さ方向の応力分布として算出する応力分布算出手段を有する請求項12乃至15の何れか一項記載の表面応力測定装置。
- 前記応力分布算出手段で算出された前記圧縮応力層の応力分布を前記強化ガラスの深さ方向に積分した値が、前記強化ガラスの内部の引張応力と釣り合うようCT値を算出するCT値算出手段を有する請求項16又は17記載の表面応力測定装置。
- 前記応力分布算出手段で算出された応力分布を近似する近似手段を有する請求項16乃至18の何れか一項記載の表面応力測定装置。
- 前記近似手段は、前記応力分布算出手段で算出された応力分布を、屈曲点が一点である折れ線で近似し、前記屈曲点と2つの傾斜とを算出する請求項19記載の表面応力測定装置。
- 互いに異なる複数の波長の光を前記強化ガラスの表面層内に順次入射させ、
前記応力分布算出手段は、夫々の波長での輝線列の位置に基づいて応力分布を算出し、算出した応力分布を合成する請求項16乃至20の何れか一項記載の表面応力測定装置。 - 前記位置測定手段は、前記二種の輝線列を複数に分けて撮像した画像を合成し、合成した画像から前記二種の輝線列の位置を測定する請求項12乃至21の何れか一項記載の表面応力測定装置。
- 請求項1乃至11の何れか一項記載の表面応力測定方法、又は、請求項12乃至22の何れか一項記載の表面応力測定装置、により表面層の応力分布を測定する工程を含む化学強化ガラスの製造方法。
- 請求項23記載の化学強化ガラスの製造方法により製造された化学強化ガラス。
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