JP2019026519A - 可逆的変形部付き板状ガラス - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成によって使用者に対して操作感を与えることが可能であり、かつ、使用者の操作位置を清潔に保ちやすい可逆的変形部付き板状ガラスを提供する。【解決手段】少なくとも１つの可逆的変形部１５を有する可逆的変形部付きスイッチ用ガラス部材１０であって、可逆的変形部１５は、他の箇所よりも板厚が薄くなるように凹部が設けられた薄肉部１６を備え、かつ、この薄肉部１６における少なくとも凹部配置面に圧縮応力層１３を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、スイッチ等に適用可能な少なくとも１つの可逆的変形部を有する可逆的変形部付き板状ガラスに関するものである。

従来、使用されているプッシュスイッチの操作部材質は、樹脂製のものが多い（例えば特許文献１参照）。
しかし、樹脂は一般的に耐薬品性に優れるが、強酸・強アルカリへの耐薬品性が不十分である場合もあり、また有機溶剤に対する耐薬品性も十分とは言い難い。
そこで、近年、操作面にガラスを用いる機会が増えてきている。操作面にガラスを有する静電容量式タッチスイッチであれば、ガラスの性質上、強酸，強アルカリ，有機溶剤に対する高い耐薬品性を得ることができる（例えば特許文献２及び特許文献３参照）、とされている。

特許第5923687号 特許第5177568号 特許第3856521号

しかしながら、タッチスイッチはプッシュスイッチと異なり、操作感(クリック感)を得られないとの問題が残り、聴覚や視覚情報をフィードバックすることによって操作感を補足する必要があった。

本発明の目的は、簡易な構成によって使用者に対して操作感を与えることが可能であり、かつ、使用者の操作位置を清潔な状態に保ちやすい可逆的変形部付き板状ガラスを提供することである。

本発明に係る板状ガラスは、少なくとも１つの可逆的変形部を有する可逆的変形部付き板状ガラスである。その用途の代表例として、スイッチ用ガラス部材、タッチパネル、カバーガラス等が挙げられるが、その他にも、キーホルダ、装飾品、玩具、その他趣向品等に用いることも可能である。
この板状ガラスの可逆的変形部は、他の箇所よりも板厚が薄くなるように凹部が設けられた薄肉部を備え、かつ、この薄肉部における少なくとも凹部配置面に圧縮応力層を有している。
この構成においては、他の箇所よりも板厚が薄くなるように形成された薄肉部が外部からの力によって変形し易くなっている。しかも、この薄肉部における少なくとも凹部配置面に、必要に応じて薄肉部の両面に、圧縮応力層が形成されているため、力を加えられて変形した場合において破損しにくくなっている。

破損を防止する観点では、可逆的変形部の両面に圧縮応力層を有することが好ましい。
一方で、薄肉部における両面の圧縮応力の差によって使用者側に凸状になるように可逆的変形部が構成されると推認されるため、より大きな凸状部を所望する場合には、凹部配置面のみに圧縮応力層を形成したり、使用者側とならない面の圧縮応力を使用者側よりも大きくなるように圧縮応力を形成したりすると良い。

上述の可逆的変形部の構成において、薄肉部と可逆的変形部外端との間に所定の距離を設けて配置される少なくとも１つの環状薄肉部をさらに備えることが好ましい。
その理由は、可逆的変形部のサイズが大きくなった場合、単一の凹部のみで構成される薄肉部では、押圧した力を解除しても、可逆的変形部が元の形状に復元しない可能性があるからである。これに対して、薄肉部との間に所定の距離を設けて適宜環状薄肉部を配置することによって可逆的変形部の大サイズ化を図った場合には、このような不具合の発生が解消されている。しかも、薄肉部との間に所定の距離を設けて適宜環状薄肉部を配置することにより、可逆的変形部の変形のストロークを大きくすることも可能になる。

上述の可逆的変形部の構成において、薄肉部と環状薄肉部の他に、上述の凹部配置面の反対側の面にも環状薄肉部を有することが好ましい。
また、両面それぞれに凹部を備えるように形成した場合、荷重から解放された状態下における板ガラス形状をよりフラットな形状で保つことができる。両面に交互に環状薄肉部を有することがより好ましい。

この可逆的変形部の構成のため、単一の板状ガラスという簡易な構成であるにもかかわらず、使用者はメンブレンスイッチ等のプッシュスイッチのような操作感（クリック感）を得ることができる。さらに、ガラス部材は、耐薬品性に優れるため、頻繁に清掃や消毒を行っても劣化しにくく、操作面を清潔に保ちやすい。

また上述の構成において、可逆的変形部が操作面側に向かって凸状の曲面を有することにより、使用者が操作領域を視覚的または触覚的に認識しやすくなる。
凸状の曲面は、可逆的変形部における板厚を十分に薄化し、かつ、可逆的変形部付き板状ガラスの少なくとも操作面背面に十分な厚みの圧縮応力層を形成することにより形成することが可能である。そのメカニズムとしては、可逆的変形部における両主面において力のつり合いのアンバランスが発生することが原因であると考えられている。
同様に、可逆的変形部付き板状ガラスの両面に圧縮応力層を形成する場合であって、一方の面のみを凹状に形成した場合、凹状に形成された側が操作面背面となる。平坦な側に比較して表面積が広く、その結果として圧縮応力層の総体積が大きくなり、力のつり合いのアンバランスを生じさせると考えられる。
このメカニズムに整合する事例として、両主面にそれぞれ凹部を形成し、両面に同様の圧縮応力層を形成した場合、凹部の深さが浅い側に向かって凸状になる現象が確認されている。

また、１つの可逆的変形部の外周境界部を薄化せずに板厚を残し、その境界部の外周に環状薄肉部を形成して可逆性を確保するというように、肉厚部と薄肉部とを交互に構成することにより、多段階に圧縮応力と、形状変化可能な面を得ることができる。1つの可逆的変形部の境界外周に沿って他の可逆的変形部を形成することで、その内側にある可逆的変形部操作時のストロークを大きく確保することができ、操作感（クリック感）を更に向上できる。
また、操作領域を肉厚とし、肉厚部と薄肉部とを交互に構成することにより、操作領域の安定性を確保しつつ、操作時に、操作領域の高度が変化し、操作感(クリック感)を確保することもできる。

これらの板状ガラスは、使用者の操作領域への使用に限定されず、例えば、バネのように衝撃吸収材としても使用することができる。また、衝撃吸収材として使用する際には、環状薄肉部を多段階構成とすることで、衝撃を受けた際にも、一段階構成よりも強い復元力を確保することができる。

この発明によれば、簡易な構成によって使用者に対して操作感を与えることが可能であり、かつ、使用者の操作位置を清潔に保ちやすい可逆的変形部付き板状ガラスを提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る可逆的変形部付き板状ガラスの概略構成の断面図である。 本発明の他の実施形態に係る可逆的変形部付き板状ガラスの概略構成の断面図である。 図１および図２の実施形態に係るパターニング処理後のマスク状態を比較した概略構成の下面図である。 本発明の他の実施形態に係る可逆的変形部付き板状ガラスの概略構成の断面図である。 図４の実施形態の凹部形成に係る生産工程の一例である。 本発明の他の実施形態に係る可逆的変形部付き板状ガラスの概略構成の断面図である。 図６の実施形態の凹部形成に係る生産工程の一例である。 本発明の実施形態のバリエーションの概略構成の上面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する場合もある。
また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の厚み，長さ，個数等は図面作成の都合上実際と異なる。

図1（Ａ）および図１（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係るスイッチ用ガラス部材１０の概略構成の断面図である。ここでは、スイッチ用ガラス部材１０が、本発明の可逆的変形部付き板状ガラスに対応する。ただし、可逆的変形部付き板状ガラスの用途は、これには限定されず、例えば、キーホルダ、装飾品、玩具、その他趣向品等に用いることも可能である。
スイッチ用ガラス部材１０は、使用者からの操作を受け付ける第１の主面１１および第２の主面１２を有している。第２の主面１２には、後述するエッチング処理によって凹部が形成されており、凹部形成領域が他の箇所よりも板厚が薄くなる薄肉部１６になっている。
薄肉部１６は、５０〜２００μｍ程度まで板厚が薄くなるようにされており、この結果として、使用者から力を加えられることによって可逆的変形する。図１（Ａ）は、使用者から力が加えられていない状態を示している。これに対して、図１（Ｂ）は使用者から力が加えられている状態を示しており、使用者からの力によって薄肉部１６が下側に押し下げられている。図１（Ｂ）において、使用者からの力から解放されると、ふたたび図１（Ａ）の状態に復元する。
本実施形態のスイッチ用ガラス部材１０は、薄肉部１６を含む、その両面に圧縮応力層１３が形成されている。ただし、圧縮応力層１３が、少なくとも薄肉部１６における凹部配置面側にのみ形成されていれば本発明の実施は可能である。このため、薄肉部１６における両面に圧縮応力層１３を形成したり、薄肉部１６以外の領域にも圧縮応力層１３を形成したりすることは本発明の任意的構成要素であると言える。
ここで、可逆的変形部付き板状ガラスを生産する方法の一例を説明する。

可逆的変形部付き板状ガラスの生産工程は、少なくとも、マスキング工程，パターニング工程，エッチング工程，剥離工程，および化学処理工程を含んでいる。
必要に応じて、マスキング工程の前にもエッチング工程を行ったり、化学処理工程の後にもライトウェットエッチング工程を実施したりすることがある。

マスキング工程は、エッチング処理から板状ガラスを保護する保護膜を塗布する工程である。マスキング工程での板状ガラスの板厚は０．３〜３．０ｍｍであることが好ましい。パターニング工程後のエッチング工程をウェットエッチングで行う場合、マスキングは、耐酸性保護部材を使用する。保護フィルム以外にも感光性レジスト材等も使用することが可能である。

パターニング工程では、凹部を形成すべき領域に対応する一方の主面の保護部材を除去する。パターニング手段は、エッチングすべき領域から保護部材を除去することができれば、どのような手段を用いても構わない。例えば、レーザ装置を利用してパターニングを行う方法がある。保護部材として感光性レジストを使用する場合は、フォトリソグラフィを利用して、パターニングを行うことも可能である。

パターニング工程後のエッチング工程では、板状ガラスの保護部材を除去した領域をエッチングする。ウェットエッチングで行う場合は、所望の搬送機構によって搬送されている板状ガラスに対してエッチング液を噴射する枚葉タイプのエッチング装置や、板状ガラスをエッチング液が収容されたエッチング槽に浸漬するバッチタイプのエッチング装置等を使用することも可能である。
エッチング液としては、少なくともフッ化水素酸又はフッ素化合物塩を含む溶液を使用することが好ましく、この他にも塩酸等の無機酸や界面活性剤を添加しても良い。エッチング処理によって、保護部材を除去された領域２０がエッチングされ、凹部が形成される。エッチング処理は、凹部の板厚が０．２ｍｍ以下になるまでエッチングすることが好ましい。

剥離工程では、エッチング工程後の板状ガラスから保護部材を除去する。
保護フィルムを除去する際は、物理的な力を保護フィルムに与えることで剥離することが可能である。感光性レジストを使用した際にはフォトリソグラフィを利用して剥離する。

薄化を多段階に調整したい場合は、必要に応じてそれぞれの箇所のマスキング厚を調整する。もしくは、剥離工程後に必要に応じた領域に再度マスキングを施して、再度エッチングを行うなどの方法がある。
また、エッチング工程はウェットエッチングに限らず、機械的に研磨し、ウェットエッチングで仕上げる方法も知られている。

化学処理工程では、板状ガラスの一方の面、必要に応じて両面に、圧縮応力層１３を形成する。圧縮応力層１３の形成については、公知のイオン交換法を利用することができる。
本実施形態では、硝酸カリウム溶融塩に板状ガラスを浸漬することによって、板状ガラス中のナトリウムイオンと硝酸カリウム溶融塩のカリウムイオンとでイオン交換を行い、圧縮応力層を形成することを想定している。圧縮応力層１３の厚さは、硝酸カリウム溶融塩への浸漬時間によって調節することが可能であり、５〜５０μmの圧縮応力層１３を形成することが好ましい。
また、化学処理工程後に、ライトエッチングを実施することにより、圧縮応力層１３に侵入した水分を除去することができ、水分除去した側の圧縮応力が向上する。この処理によって、圧縮応力のバランスを調整することも出来る。

図１のように、第１の主面１1に凹部を形成せず、第２の主面１２にのみ凹部を形成することにより、可逆的変形部１５の第１の主面１１と第２の主面１２との単位面積当たりの圧縮応力層体積に差が生じ、単位面積当たりの圧縮応力層体積の小さい第１の主面１１側に凸状の曲面を有する可逆的変形部１５が形成される。
第１の主面１１と第２の主面１２とで単位面積当たりの圧縮応力層体積差が小さければ、曲面はほぼ形成されない。
なお、第１の主面１１側に操作領域区分のために凹部を設ける際は、凹部側面積を第２の主面１２側よりも小さくすることにより、単位面積当たりの圧縮応力層体積の小さい第１の主面１１に、凸状の曲面の可逆的変形部１５を形成することができる。

可逆的変形部１５に第１の主面１１側から荷重を加えると、図１（Ｂ）に示すように、第２の主面１２方向に撓む。荷重を解放すると、図１（Ａ）に示すように元の状態に戻る。
本実施形態では、スイッチ用ガラス部材材質としてアルミノシリケートガラスを想定しているが、ガラス種類に特に制限はない。また、可逆的変形部１５以外のガラス板厚は、０．３〜３．０ｍｍが好ましい。ガラスの薄化処理はフッ酸エッチングにより処理することが好ましい。フッ酸エッチングによりガラス表面の傷が消され、操作時の応力集中が抑制される。
可逆的変形部１５における第１の主面１１と第２の主面１２の圧縮応力の差は、１０〜１０００ＭＰａであることが好ましい。
凹部側面は、１０〜６０度のテーパー形状が好ましい。
薄肉部１６および環状薄肉部１８の板厚は５０〜２００μｍであることが好ましい。２００μｍを超えると、ガラスの剛性により変形しにくい。５０μｍを下回ると、強度不足により、操作時における荷重により破損してしまうリスクが高くなる。
第２の主面１２への凹部形成に際して、フッ酸エッチングにより処理することで、第２の主面１２との境界部や凹部の側面と底面の接続部が曲面形状を呈し、ガラス部材への新たな傷も生じないので、可逆的変形部１５の変形時の応力集中は抑えられ、分散される。

続いて、図２を用いて、本発明の他の実施形態を説明する。同図に示すように、この実施形態では、可逆的変形部１５が、薄肉部１６と可逆的変形部外端との間に少なくとも１つの環状薄肉部１８を備える。この実施形態では、環状薄肉部１８が２重に設けられているが、環状薄肉部１８の数は適宜増減させることが可能である。

１つの可逆的変形部１５の外周境界部を薄化せずに板厚を残し、その境界部の外周に環状薄肉部１８を形成して可逆性を確保するというように、肉厚と薄肉とを交互に構成することにより、多段階に圧縮応力と、形状変化可能な面を得ることができる。
1つの可逆的変形部１５の境界外周に沿って他の可逆的変形部１５を形成することで、可逆的変形部１５のサイズが大きくなった場合、単一の凹部のみで構成される薄肉部１６では、荷重を解放しても、可逆的変形部１５が元の形状に復元しない可能性があったが、このような可逆的変形部１５の大サイズ化を図った場合の不具合発生が解消される。
また、その内側にある可逆的変形部操作時のストロークを大きくすることができ、操作感（クリック感）を更に向上できる。

図３は、図１および図２の実施形態に係るパターニング処理後の第２の主面１２のマスク状態を比較した概略構成の下面図の一例である。
図３（Ａ）は図１の実施形態に係るパターニング処理後の第２の主面１２のマスク状態の一例を示した図である。
図３（Ｂ）は図２の実施形態に係るパターニング処理後の第２の主面１２のマスク状態の一例を示した図である。
凹部を形成したい領域のマスクをパターニング工程で除去した後の状態を示す。
斜線でハッチングを施した部分が被覆領域１９であり、ドット状のハッチングを施した部分が露出領域２０で、スイッチ用ガラス部材が露出している領域である。
この状態でウェットエッチングを実施することにより、露出領域２０のみエッチングされ、図１や図２のように凹部が形成される。

続いて、図４を用いて、本発明の他の実施形態を説明する。同図に示す構成の基本的態様は図２に記載の構成と同様であるが、ここでは操作領域１４については薄化を行っていない点について、上述の実施形態と異なる。

操作領域１４を肉厚部１７とし、操作領域１４の周りに環状薄肉部１８を形成することにより、操作領域１４の安定性を確保しつつ、操作時の第２の主面向きのストロークを確保することができ、操作感(クリック感)を確保することができる。

図５は、図４の実施形態の凹部形成に係る生産工程の一例である。
図４の実施形態では操作領域１４の板厚が他と異なるので、例えば、二段階におけるウェットエッチング処理を想定している。
格子模様のハッチングを施した部分が被覆領域１９を示す。
まず、１回目のパターニング工程においては、環状薄肉部１８を形成する領域のマスクのみを除去する。次のエッチング工程で一定厚までエッチング処理を行い、剥離、再度マスキングを行う。
２回目のパターニング工程においては、環状薄肉部１８を形成する領域に加えて操作領域１４を形成する領域のマスクも除去し、２回目のエッチング工程で最終的に必要な板厚までエッチング処理を行う、などである。化学強化処理は全ての薄化処理を終えた後に行う。
このように多段階的に処理工程を実施することにより、多段階の板厚を形成することができる。

続いて、図６を用いて、本発明の他の実施形態について説明する。図６に示す構成においては、可逆的変形部１５が、第２の主面１２に形成された凹部からのみ有するのではなく、第１の主面１１に形成された凹部も有する。
操作領域１４周りの、環状薄肉部１８を第１の主面１１、および第２の主面１２へ交互に形成し、両面それぞれに凹部を備えることにより、荷重から解放された状態下における板ガラス形状をよりフラットな形状で保つことができる。両面に交互に環状薄肉部１８を有することがより好ましい。

図７は、図６の実施形態の凹部形成に係る生産工程の一例である。
図６の実施形態ではエッチング処理される板厚はそれぞれ同程度なので、一回の生産工程でも処理が可能である。
図７では、1回目の生産工程で第１の主面１１の薄化処理を行い、２回目の生産工程で第２の主面１２の薄化処理を行った例である。
格子模様のハッチングを施した部分が被覆領域１９を示す。
１回目のパターニング処理では第１の主面１１の環状薄肉部１８を形成する領域のマスクのみを除去する。次のエッチング工程で最終的に必要な板厚までエッチング処理を行う。剥離後に２回目のマスキングを行う。２回目のマスキング工程において、第１の主面１１は、薄化処理した領域を含めた全面にマスキングを施す。
２回目のパターニング工程においては、今度は、第２の主面１２の環状薄肉部１８、および本実施形態においては操作領域１４を、形成する領域のマスクのみを除去し、次のエッチング工程で最終的に必要な板厚までエッチング処理を行う、などである。

図８は可逆的変形部付き板状ガラスの概略構成の実施例の上面形状を示す図である。
図８（Ａ）は本発明に係る可逆的変形部付き板状ガラスの概略構成の実施例の上面形状を示す図である。
図８（B），図８（C），図８（D），図８（E）は本発明に係る可逆的変形部付き板状ガラスの概略構成(多段階)の実施例の上面形状を示す図である。
図８（C）は、操作領域１４を肉厚部１７とし、操作領域１４の安定性を確保した実施例である。
図８（F），図８（G）は本発明に係る可逆的変形部付き板状ガラスの概略構成(多段階)の他の実施例の上面形状を示す図である。
図８（F）は、環状薄肉部１８の一部に、環状薄肉部１８の面積に対して、操作時における形状変化に影響を及ぼさない程度の、小さな領域に肉厚部１７を形成した実施例である。
図８（G）は、２つの可逆的変形部１５の外周に領域を共有する環状薄肉部１８を形成した実施例である。
多段階に圧縮応力と、形状変化可能な面を得るには、1つの可逆的変形部１５の境界外周に沿って環状薄肉部１８を形成する必要があるが、必ずしも相似形状であることは要せず、同心形状であることも要しない。

１０−スイッチ用ガラス部材
１１−第１の主面
１２−第２の主面
１３−圧縮応力層
１４−操作領域
１５−可逆的変形部
１６−薄肉部
１７−肉厚部
１８−環状薄肉部
１９−被覆領域
２０−露出領域

Claims (5)

1. 少なくとも１つの可逆的変形部を有する可逆的変形部付き板状ガラスであって、
   前記可逆的変形部は、他の箇所よりも板厚が薄くなるように凹部が設けられた薄肉部を備え、かつ、この薄肉部における少なくとも凹部配置面に圧縮応力層を有することを特徴とする可逆的変形部付き板状ガラス。
2. 前記可逆的変形部が、前記薄肉部と可逆的変形部外端との間に所定の距離を設けて配置される少なくとも１つの環状薄肉部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の可逆的変形部付き板状ガラス。
3. 前記可逆的変形部が、前記薄肉部と前記環状薄肉部の他に、前記凹部配置面の反対側の面にも環状薄肉部を有することを特徴とする請求項２に記載の可逆的変形部付き板状ガラス。
4. 前記可逆的変形部の両面に圧縮応力層を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の可逆的変形部付き板状ガラス。
5. 前記可逆的変形部が、前記環状薄肉部を複数有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の可逆的変形部付き板状ガラス。
   
   

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