JP3681103B2

JP3681103B2 - ガラス基板の製造方法およびガラス基板の製造装置

Info

Publication number: JP3681103B2
Application number: JP2000025414A
Authority: JP
Inventors: 邦男日比野; 一彰高木; 富士夫奥山
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-02-02
Filing date: 2000-02-02
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2020-02-02
Also published as: JP2001220154A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気ディスク等の記録媒体に最適なディスク用ガラス基板を、大量かつ安価に生産するガラス基板の製造方法、及びガラス基板の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、磁気記録の分野、特に磁気ディスクにおいては、小型化、薄型化、高容量化などの高性能化が進んでおり、それに伴い、高密度磁気記録媒体への要求が高まっている。ガラス基板を用いた磁気記録媒体は、高剛性、高硬度で平滑化が容易であって、高密度化、高信頼性化に極めて有利なことから検討が盛んである。
【０００３】
従来、磁気ディスク用ガラス基板は、所定のサイズに切り抜かれた後、平滑な表面を得るために基板を研磨する研磨法により製造されてきた。しかしながら、近年、基板表面には超平滑性が要求され、研磨工程には技術的にも非常に難しい高い精度が求められるようになり、こうした基板を１枚１枚研磨する製造方法は、多くの工程を要し、製品が高価になるという欠点があった。
【０００４】
一方、ガラス素材を加熱、成形、冷却し、金型成形面を高精度で転写するプレス成形法は、後加工を必要としないため、安価で生産性が高く、かつ高品質である。従って、光学素子製造の分野では既に数多くの検討がなされ、実用化が図られている。
【０００５】
しかしながら、磁気ディスク用ガラス基板の様に外径が大きく、基板厚が薄く、外径と基板厚との比が大きなもの（例えば、２．５インチサイズの磁気ディスク用ガラス基板では、外径６５mm、基板厚み０．６３５mmで、外径と基板厚との比は、約１００：１）を成形することは、光学素子の様に、レンズ厚と外径との比が比較的小さく、曲率を持つものを成形する時とは違った技術課題を有する。
【０００６】
例えば特開平８−２３１２３１号公報には、ダイプレートおよびダイに金型を保持し、ダイプレートおよびダイを介して金型を均一に冷却し、ガラスレンズの面精度を安定にするレンズ成形装置を用いた方法が示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、外径φＸと厚さＹの関係がＸ＞４０Ｙなるような薄肉のガラス基板を成形するときには、このような冷却方法では、金型温度の均一性は改善されるものの、金型は外周部から冷えていく。そのため、成形されたガラス基板も外周部から冷却され、固化していく。成形されたガラス基板には、冷却時熱収縮によりひずみが発生し、外周部より固化していくために中心部に応力が集中し、ガラス基板にクラックが入ったり、著しい場合には、割れるという重大な欠陥が発生した。そのため、安価で生産性の優れたプレス成形法によりガラス基板を生産することができなかった。
【０００８】
近年では特にガラス基板を薄く、表面を超平滑にする要望があり、基板厚みが薄くなるほど、また金型転写面を超平滑にするほどその傾向が強くなり、プレス成形法で、ガラス基板を製造することは困難であった。
【０００９】
したがって本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解消し、超平滑な表面を有し外径と基板厚との比が大きな、磁気ディスクなどの記録媒体に最適なガラス基板を、プレス成形により製造するための、ガラス基板の製造方法およびガラス基板の製造装置を提供することである。
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明のガラス基板の製造方法は、ガラス素材を成形金型内に載置し、前記ガラス素材内部の粘度が１０ ^7.1 ポアズに達するまで加熱軟化した前記ガラス素材を加圧成形することにより、外径φＸと厚さＹの関係がＸ＞４０Ｙなるガラス基板を成形する加圧成形工程と、加圧成形工程の後ガラス基板を冷却する冷却工程と、ガラス基板を取り出す工程とを含むガラス基板の製造方法であって、冷却工程において、加圧成形工程後のガラス基板を、ガラス基板の中心部の温度がガラス基板の周辺部の温度よりも低い温度勾配となる温度条件で冷却することを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、冷却工程において、成形ガラス基板は中心部から固化が始まり、冷却時に発生する熱収縮による歪みの集中を防止することができる。従って、外径の大きな、薄いガラス基板の成形時に発生するクラックおよびソリを防止することができる。
【００１２】
この製造方法は、特にガラス基板の厚みが、１ｍｍ以下である薄いガラス基板に好適である。上記構成における冷却工程において、加圧成形工程での圧力よりも低い３００〜５０ｋｇ／ｃｍ ² の圧力下で、加圧成形工程後のガラス基板をガラス転移点近傍の所定温度まで冷却することが望ましい。
【００１３】
本発明のガラス基板の製造装置は、ガラス素材を成形金型内に載置し、ガラス素材内部の粘度が１０ ^7.1 ポアズに達するまで加熱軟化したガラス素材を加圧成形することにより外径φＸと厚さＹの関係がＸ＞４０Ｙなるガラス基板を製造する製造装置であって、成形金型に接するヒータ表面に、冷却用の流体を流すための１系統以上の流路を形成したことを特徴とする。この構成により、上記のガラス基板の製造方法における冷却条件を容易に充足することが可能である。
【００１４】
上記構成において、流路に流体を流すことにより、加圧成形されたガラス基板が、その中心部において周辺部よりも温度が低くなる温度勾配を持つように構成する。また、流路を、ヒータ表面の中心部から周辺部に向かって流体が流れるように形成することが望ましい。
【００１５】
さらに、流路の成形金型との接触面積を、成形金型に接するヒータ表面の面積の１０〜３０％とすることが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態におけるガラス基板成形装置の概略を示す断面図である。この装置は、ガラス基板成形用素材４を用いて、ガラス基板１９を成形するように構成されている。ガラス基板成形用素材４は載置台１５に供給され、硝材チャック１６により、チャンバー１２内に移送される。成形されたガラス基板１９は、冷却工程用の冷却上ヒータ１７と冷却下ヒータ１８間に移載され、徐冷された後、成形装置から取り出される。
【００１８】
ガラス基板成形用金型は、上型１、下型２、及び規制部材３から構成されている。上型１は、所望の表面粗さのガラス基板１９を得るための上型成形面１ａを備えている。下型２は、上型１とほぼ同軸上に対向配置され、所望の表面粗さのガラス基板１９を得るための下型成形面２ａを備えている。規制部材３は、成形完了時に上型１と下型２の間に形成される空隙の高さを規制する。
【００１９】
金型成形面の表面粗さ（中心線平均表面粗さ：Ｒａ）は、磁気ディスク用としては５ｎｍ以下が適当で、望ましくは２ｎｍ以下、さらに望ましくは１ｎｍ以下である。
【００２０】
また、空隙は成形するガラス基板厚により異なるが、ガラス基板の厚さとほぼ同じであり最大でも１ｍｍ程度である。
【００２１】
ガラス基板成形用金型（規制部材３を含む）は、タングステンカーバイト( ＷＣ）を主成分とする超硬合金により形成されるとともに、上型成形面１ａ、下型成形面２ａは所望の表面粗さに加工され、白金( Ｐｔ）系の合金保護膜により被覆されている。
【００２２】
上型１は、チャンバー１２内に断熱板８を介して支持された上ヒータ６に固定されている。また、下型２は、シリンダ１１により上下駆動されるシリンダロッド１０上に断熱板９を介して支持された下ヒータ７に固定されている。上下ヒータ６、７に固定された成形金型の裏面に接するヒータ表面６ａ，７ａには、図２に示した、冷却用の流体を流すための流路２０ａ、２０ｂまたは２０ｃが形成されている。
【００２３】
図２（ａ）に示す流路２０ａは、ヒータ中心部からヒータ周辺部に至る螺旋状の溝として形成されている。中心部にはヒータ部を貫通した供給口２１が設けられ、この穴より流路２０に冷却用流体を供給し、排出口２２より排出する。それにより、金型の面内の温度分布を制御することができる。このような温度分布の制御により、加圧成形後のガラス基板を、中心部が周辺部よりも低い温度条件で冷却できる。
【００２４】
また、図２（ｂ）に示す流路２０ｂの様に、中心部と周辺部に分割された別個の螺旋状の溝を設け、供給条件を個別に制御することも効果的である。さらに、金型温度を計測しながら、冷却流体の流量を制御することもできる。また、図２（ｃ）に示す流路２０ｃの様に、中心部から周辺部に向かって放射状に形成された溝であっても良い。この場合には、中心部の供給口２１より冷却流体を供給し、周辺部では、成形室内に排出している。中心部から冷却することによって、冷却時の熱収縮による歪みは蓄積されず、薄く、径の大きなガラス基板でも、割れたり、クラックが入ったりせずに成形できる。
【００２５】
ヒータ表面６ａ，７ａに形成された冷却用の流体を流すための流路２０ａ、２０ｂまたは２０ｃの成形金型との接触面２３の面積は、成形金型のヒータ面側の面積の１０〜３０％であることが望ましい。３０％以上になると、ヒータ６、７から金型への熱伝導への影響が顕著になり、加熱効率が低下する。１０％以下になると冷却の効率が低下し、温度制御が難しくなる。
【００２６】
冷却用流体としては、非酸化性ガスが望ましく、金型およびヒータの酸化を防止する観点およびコストの観点からも窒素ガスが最適である。
【００２７】
リング状の規制部材３は、下型２のフランジ面に、成形完了時、上型１と下型２との空隙が成形ガラス基板１９の厚みになるような高さで載置されている。
【００２８】
ガラス基板成形用素材４としては、ソーダライムガラス、アルミノシリケートガラスなどが使用できる。
【００２９】
次に、上記構成のガラス基板成形装置を用いてガラス基板を成形する工程について説明する。
【００３０】
まず、載置台１５に供給されたガラス基板成形用素材４は、チャンバー１２外から硝材チャック１６により、窒素雰囲気のチャンバー１２内における下型成形面２ａ上のほぼ中央に載置される。載置後、シリンダ１１により下型２をゆっくりと上昇させ、ガラス基板成形用素材４が上型成形面１ａに接するまで下型２が上昇した時点で、ヒータ６，７の電源が入れられる。ヒータ６，７によりガラス基板成形用素材４は加熱され、素材内部が所定温度（ガラス粘度が１０ ^7.1ポアズになる温度）に達するまで加熱は続けられる。加熱に伴いガラス基板成形用素材４は膨張し、上下型１、２が固定されていることによって変形を生じ、バブルを巻き込むこともあるので、下型２は低荷重により保持されている。
【００３１】
ガラス基板成形用素材４が内部まで加熱軟化された後、シリンダ１１により下型２に４００〜２００ｋｇ／ｃｍ²の圧力がかけられる。それによりガラス基板成形用素材４は加圧成形され、下型２が上昇し規制部材３が上型１のフランジ部に当たったところで加圧による変形は終了する。このときガラス基板成形用素材４は、上型１と下型２が規制部材３の介在により形成する空隙と同じ厚さを有するガラス基板１９に成形されている。
【００３２】
高荷重が保持されたまま、変形が終了した時点でヒータ６、７の電源は切断され、上型１、下型２、規制部材３、および成形されたガラス基板は冷却工程に入る。冷却工程では、成形時の圧力よりも減圧した３００〜５０ｋｇ／ｃｍ²の圧力に変更する。これにより、冷却時における金型と成形ガラス基板の熱収縮の差によるダメージを防止するとともに、熱収縮による歪みに起因する変形、特に平坦度の悪化を防止することができる。
【００３３】
冷却工程では、ヒータ面の金型下面との接触部の表面に設けた冷却用の流路２０に窒素ガスを流すことにより、成形金型の面内において、中心部が周辺部よりも温度が低い状態での冷却を実現する。これにより、成形ガラス基板は中心部から固化が始まり、冷却時に発生する熱収縮による歪みの集中を防止することができ、外径の大きな、薄いガラス基板の成形時に発生するクラックおよびソリを防止することができる。
【００３４】
冷却時における中心部と周辺部のガラス基板の温度勾配としては、３℃／ｃｍ以上２０℃／ｃｍ以下が好ましく、５℃／ｃｍ以上１０℃／ｃｍ以下がより好ましい。２０℃／ｃｍ以上になると歪みの除去が困難になり、ガラス基板の平坦度に悪影響を与える。また、３℃／ｃｍ以下の場合には、冷却時間が長くなり、生産性が低くなる。ガラス基板の温度勾配は、予めガラス基板と同一形状のガラス基板の内部に熱電対温度計を埋め込み、同一冷却条件での温度を測定することによって知ることができる。なお、温度勾配は、冷却開始後その温度差がほぼ一定になった時点での温度差より算出した。
【００３５】
成形ガラス基板の温度が、ガラス転移温度近傍まで下がったら、更に圧力を下げて１０ｋｇ／ｃｍ²以下の圧力に減圧し、５０℃以上冷却する。これにより、成形ガラス基板の金型からの離型が確実になる。その後、シリンダ１１により下型２を下降させ原点位置に戻す。成形金型内に残った成形ガラス基板１９は、搬送パッド（図示せず）により、冷却工程用の冷却上ヒータ１７と冷却下ヒータ１８間に移載され、徐冷された後、成形装置から取り出され、成形は終了する。
【００３６】
以下に、更に具体的な実施例を、外径６５ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍの磁気ディスク用ガラス基板を製造した場合について示す。
【００３７】
【実施例】
図２（ａ）に示すヒータ面を持つ上下ヒータ６、７を有する図１に示す構造のガラス基板成形装置を用いて、外径２０ｍｍ、厚さ７ｍｍのマーブル形状のソーダライムガラス (ガラス転移点温度Ｔｇ＝５３９℃) から成るガラス基板成形用素材４を成形した。用いた金型の表面粗さはＲａ１ｎｍであった。
【００３８】
ガラス基板成形用素材４をチャンバー１２の外から硝材チャック１６でつかみ、窒素雰囲気のチャンバー１２内における下型成形面２ａ上のほぼ中央に載置した。
【００３９】
載置後、下型２をシリンダ１１によりゆっくりと上昇させて、ガラス基板成形用素材４が上型成形面１ａに接するまで上昇したところでヒータ６，７の電源を入れた。この時点において、シリンダ１１による下型２の圧力を２ｋｇ／ｃｍ²とした。金型温度が７５０℃になるまで加熱し、１分間経過後、シリンダ１１による下型２の圧力を３８０ｋｇ／ｃｍ²として加圧し、成形を行った。下型２が上昇し規制部材３が上型１のフランジ部に当たったところヒータ６、７の電源を切り、冷却工程に移った。
【００４０】
冷却工程では、圧力を２００ｋｇ／ｃｍ²にまで減圧し、冷却用の窒素を毎分６０Ｌの条件で、流路２０ａに流した。中心部と中心から３０ｍｍの位置での温度測定結果から、この条件での温度勾配は、５℃／ｃｍであった。
【００４１】
ガラス基板成形用金型の温度が５４０℃になった時点で、更に圧力を１０ｋｇ／ｃｍ²に減圧し、４５０℃まで冷却した。
【００４２】
その後、シリンダ１１により下型２を下降して原点位置に戻した。成形金型内に残ったガラス基板１９は、搬送パッドにより冷却上ヒータ１７と冷却下ヒータ１８間に移載し、徐冷した後、成形装置から取り出し、成形を終了した。
【００４３】
得られた成形ガラス基板（試料１）は、金型成形面の形状が転写され、表面粗さは、金型と同じ１ｎｍの超平滑な表面を持った、平坦度５μｍのものであった。
【００４４】
表面粗さは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用い、１０μｍ角で測定し、平坦度はＺＹＧＯ社製レーザ干渉計ＧＰＩを用い測定した。
【００４５】
加圧成形後の冷却工程における圧力（減圧条件）、および冷却時の温度勾配を変えて、成形ガラス基板（試料２〜５）を製造するとともに、比較例として、冷却窒素を流さない条件（試料６）、および加圧成形後減圧しない条件（試料７）で成形ガラス基板を製造した。上記試料についての測定結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】

【００４７】
表１からわかるように、比較例試料６の冷却窒素を流さない冷却条件では、中心部の温度が、周辺部より高い温度条件になり、クラックによる割れが発生した。また、加圧成形後減圧しない条件で製造した試料７では、ガラス基板の離型が困難であっただけでなく、製造したガラス基板には、光学顕微鏡により擦り傷が観察された。
【００４８】
本発明のガラス基板製造装置を用いて製造した試料２〜５は、キズの発生もなく、金型成型面を高精度に転写し、表面粗さＲａ１ｎｍの超平滑面を持つガラス基板であった。
【００４９】
なお、上記の実施例では図２（ａ）の冷却流路を持つヒータを用いたが、図２（ｂ）、（ｃ）の冷却流路を持つヒータの場合も同様の結果が得られた。
【００５０】
【発明の効果】
本発明のガラス基板の製造方法お、よびガラス基板の製造装置によれば、外径と基板厚との比が大きなガラス基板の成形に際して、超平滑な表面を持ち、うねりのないガラス基板を、成形後の後加工を必要とすることなく得られる。従って、安定した品質の磁気ディスク用ガラス基板を安価に得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるガラス基板成形装置の概要を示す断面図
【図２】本発明の実施の形態における冷却用流路を表面に持つヒータの平面図
【符号の説明】
１上型
１ａ上型成形面
２下型
２ａ下型成形面
３規制部材
４ガラス基板成形用素材
５硝材受け皿
６上ヒータ
６ａ上ヒータ表面
７下ヒータ
７ａ下ヒータ表面
８上断熱板
９下断熱板
１０シリンダロッド
１１シリンダ
１２チャンバー
１３予熱上ヒータ
１４予熱下ヒータ
１５載置台
１６硝材チャック
１７冷却上ヒータ
１８冷却下ヒータ
１９ガラス基板
２０ａ，ｂ，ｃ流路
２１供給口
２２排出口
２３接触面

Claims

ガラス素材を成形金型内に載置し、前記ガラス素材内部の粘度が１０ ^7.1 ポアズに達するまで加熱軟化した前記ガラス素材を加圧成形することにより、外径φＸと厚さＹの関係がＸ＞４０Ｙなるガラス基板を成形する加圧成形工程と、前記加圧成形工程の後前記ガラス基板を冷却する冷却工程と、前記ガラス基板を取り出す工程とを含むガラス基板の製造方法であって、前記冷却工程において、前記加圧成形工程後のガラス基板を、前記ガラス基板の中心部の温度が前記ガラス基板の周辺部の温度よりも低い温度勾配となる温度条件で冷却することを特徴とするガラス基板の製造方法。
前記ガラス基板の厚みが、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のガラス基板の製造方法。
前記冷却工程において、前記加圧成形工程での圧力よりも低い３００〜５０ｋｇ／ｃｍ ² の圧力下で、前記加圧成形工程後のガラス基板をガラス転移点近傍の所定温度まで冷却することを特徴とする請求項１記載のガラス基板の製造方法。
ガラス素材を成形金型内に載置し、前記ガラス素材内部の粘度が１０ ^7.1 ポアズに達するまで加熱軟化した前記ガラス素材を加圧成形することにより外径φＸと厚さＹの関係がＸ＞４０Ｙなるガラス基板を製造する製造装置において、前記成形金型に接するヒータ表面に、冷却用の流体を流すための１系統以上の流路を形成したことを特徴とするガラス基板の製造装置。
前記流路に流体を流すことにより、加圧成形されたガラス基板が、その中心部において周辺部よりも温度が低くなる温度勾配を持つように構成したことを特徴とする請求項４記載のガラス基板の製造装置。
前記流路を、前記ヒータ表面の中心部から周辺部に向かって流体が流れるように形成した請求項４記載のガラス基板の製造装置。
前記流路の前記成形金型との接触面積が、前記成形金型に接するヒータ表面の面積の１０〜３０％であることを特徴とする請求項４記載のガラス基板の製造装置。