JP3956286B2

JP3956286B2 - 強化ガラスの製造方法

Info

Publication number: JP3956286B2
Application number: JP2002088978A
Authority: JP
Inventors: 隆史岩野; 延仁武島; 裕黒岩; 一夫伊井; 一之平尾
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd; Central Glass Co Ltd; Okamoto Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd; Okamoto Glass Co Ltd; AGC Inc
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: JP2003286048A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建築材料、板材料、車両用材料、平面ディスプレイまたは光データー通信、光データー処理、情報処理等さまざまな分野において利用されるガラス材料に適用する強化ガラスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガラス材料の機械的強度を大きくする強化ガラスの製造方法として、風冷強化法あるいは化学強化法の手段がとられている。
【０００３】
風冷強化法は、ガラス材料の温度を軟化点以上の高温まで上昇させ、ガラス材料の表面を軟化させた後に、軟化したガラス材料の表面に空気等を吹き付けて、表面を急激に冷却する強化ガラスの製造方法である。軟化したガラス材料の表面を急激に冷却することにより、ガラス材料の表層部は、圧縮応力の状態になり、機械的強度が増大する。
【０００４】
化学強化法は、ガラス材料をガラス材料が有しているアルカリイオンＡ（例えばＮａイオン）よりイオン半径の大きいアルカリイオンＢ（例えばＫイオン）を含む溶融塩等の浴槽に浸漬させて、ガラス材料の表層のアルカリイオンＡを該アルカリイオンＡよりもイオン半径の大きなアルカリイオンＢにイオン交換する強化ガラスの製造方法である。イオン半径の大きいアルカリイオンＢにイオン交換することにより、ガラス材料の表層が圧縮応力の状態となり、機械的強度が向上する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
風冷強化法は、ガラス材料を軟化点以上の高温にするため、ガラス材料が軟化して変形が生じ、製品の形状制御が困難であった。さらに、強化するためには、ガラス材料に厚みが必要となり、厚みが２ｍｍ以下のガラス材料に対しては、機械的強度を増大させることは著しく困難であった。
【０００６】
化学強化法は、イオン交換を行うためガラス材料の組成が限定されてしまい、さらに、表層の化学反応により表層が劣化して透明性が失われたり、部分的な強化が困難という問題があった。
【０００７】
前述するように、風冷強化法あるいは化学強化法では、強化できるガラス材料が制約されてしまうという欠点があった。本発明は、風冷強化や化学強化が困難なガラス材料、特に厚みの小さいガラス材料に適用できる強化ガラスの製造方法を見いだすことを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、強化ガラスの製造方法において、超短パルスレーザー光の集光照射によってガラス材料の表面あるいはガラス材料の内部に異質相を形成することを特徴とする強化ガラスの製造方法である。
【０００９】
また、本発明は、前記強化ガラスの製造方法において、異質相を、点状、線状あるいは網目状に形成することを特徴とする強化ガラスの製造方法である。
【００１０】
また、本発明は、前記強化ガラスの製造方法において、異質相を、板状体のガラス材料の端面近傍に形成することを特徴する強化ガラスの製造方法である。
【００１１】
さらにまた、前記強化ガラスの製造方法において、超短パルスレーザー光がピコ秒からフェムト秒のパルスレーザー光であることを特徴とする強化ガラスの製造方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
ガラス材料とは、Ｎａ₂Ｏ−Ｋ₂Ｏ−ＣａＯ−ＳｉＯ₂、Ｎａ₂Ｏ−ＣａＯ−ＳｉＯ₂、Ｌｉ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂、Ｎａ₂Ｏ−ＣａＯ−Ｂ₂Ｏ₃、Ｎａ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂、Ｎａ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅、Ｌｉ₂Ｏ−Ｎａ₂Ｏ−ＺｎＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅等の酸化物ガラス、Ｇｅ−Ａｓ−Ｓｅ系やＧｅ−Ｓｂ−Ｓｅ系等のカルコゲナイドガラス、ＬｉＦ−ＢｅＦ₂、ＺｒＦ₄−ＢａＦ₂−ＬａＦ₃−ＮａＦ（ＺＢＬＡＮガラス）等のフッ化物ガラス、ハロゲン化物ガラス、硫化物ガラスであり、ほとんどのガラス材料に対して、本発明の方法を適用し、強化ガラスを製造することができる。
【００１３】
また、ガラス材料の厚みは、特に限定するものではないが、従来強化が困難とされている、２ｍｍ以下の厚みのガラス材料に、本発明を適用することが好ましい。
【００１４】
ガラス材料の表面あるいは表面から目的とする深さに、レーザー光を集光させる。
【００１５】
レーザー光は例えばＮｄ−ＹＡＧレーザー励起のＴｉサファイアレーザーによる、ピコ秒からフェムト秒の超短パルスレーザー光であることが好ましい。パルスレーザー光のパルス幅は、好ましくは数百フェムト秒以下である。
【００１６】
レーザー光の波長は可視から近赤外の範囲で、ガラス材料の吸収が少ない波長を用いることが望ましい。好ましくは４００ｎｍから１０００ｎｍの範囲である。
【００１７】
また、パルスレーザー光のエネルギーは、数ｎＪ〜１ｍＪであることが好ましく、ガラス材料にアブレーションを生じさせない程度のエネルギーで、できるだけ高エネルギーにすることが望ましい。
【００１８】
レーザー光は、レンズ等によりガラス材料の表面あるいは内部へ集光させる。レ−ザ−光の単位当たりのエネルギ−にもよるが、異質相を形成するためには、集光は、径１００μｍ以下のスポット状とすることが好ましい。
【００１９】
レーザー光の集光点をガラス材料の表面あるいは内部で移動させることにより、ガラス材料に異質相を連続的に形成する。あるいは、レーザー光の集光点を固定し、ガラス材料を移動させて、ガラス材料に異質相を形成する。
【００２０】
レーザー光を集光させる位置は、ガラス材料の入射面から裏面の間で、任意の位置で選択でき、好ましくは表面から１０μｍ〜３００μｍの深さの範囲にする。また、加重の方向に対して強度が必要となる部分にのみ、レーザー光を集光させ、ガラス材料の一部分のみを強化してもよい。例えば、板ガラスに加わる圧力や曲げ加重などでは、図８に示すような板ガラスの中央部分１１を強化することが好ましく、また、図９に示すように、割れの発生しやすい板ガラスの端部１２を強化してもよい。
【００２１】
レーザー光をガラス材料の表面あるいは内部に集光照射することにより、ガラス材料に、高密度化された領域、結晶化された領域あるいは／およびナノポア化された領域として、微細な相が、周囲とは状態の異なる異質相が形成されると推測される。このような異質相は、ガラス材料の破壊時において、クラックの進行する方向が異質相において変わり、そのため、破壊強度の向上となる。
【００２２】
異質相は、点状、線状あるいは網目状の形に、ガラス材料の表面あるいはガラス材料の内部に形成することが好ましい。また、異質相を深さ方向に、３次元的に形成してもよい。
【００２３】
本発明を限定するものではないが、平板状のガラス材料に形成される異質相について、図２は、異質相が点状に形成される例（異質相５）であり、図３は、異質相が線状に形成される例（異質相６）であり、図４は、異質相が網目状に形成される例（異質相７）である。
【００２４】
さらに、異質相をガラス材料中に２層以上に形成してもよい。図５は、ガラス材料が平板の場合、異質相を２層形成させる例（異質相９）である。また、異質相をガラス材料中に３次元的に形成してもよく、図６は、線状に形成される異質相９が、Ａ方向視の側面図およびＢ方向視の側面図に示すように、ガラス材料中の深さ方向に変化するようにした例である。
【００２５】
平板について形成される異質相を説明したが、平板だけでなく曲面状に成形されているガラス材料においても、点状、線状、網目状の異質相として形成することが可能である。
【００２６】
【実施例】
実施例１
図１に示すように、ガラス材料３の入射面から深さ５００μｍの位置に、超短パルスレーザー光１を集光レンズ２で集光して約２５μｍのスポットに集光させた。
【００２７】
ガラス材料３には、ソーダーライムガラスＮａ₂Ｏ−ＣａＯ−ＳｉＯ₂（５０ｍｍ×６．５ｍｍ、厚み１ｍｍのスライドガラス）を用いた。
【００２８】
超短パルスレーザー光は、Ｎｄ−ＹＡＧレーザー励起のＴｉサファイアレーザーから発振されたパルス幅１００フェムト秒、繰返し周期１ｋＨｚ、波長８００ｎｍのフェムト秒レーザー光を利用し、ＮＤフィルターを用いて焦点付近での出力を約６５ｍＷに調節した。フェムト秒レーザー光の集光する位置を固定し、ガラス材料１を自動ステージを用いて３ｍｍ／ｓｅｃの速度で直線状に移動し異質相４を繰り返し形成し、図３に示すような、線間隔が５０μｍの線状の異質相６を形成した。
【００２９】
実施例２
フェムト秒レーザー光の集光する深さをガラス材料の入射面から２００μｍと８００μｍの２つの深さにして、図５に示すような２層の異質相９，９を、線間隔が１００μｍの線状の異質相で形成した。その他は、実施例１と同様にした。
【００３０】
実施例３
フェムト秒レーザー光の集光する深さをガラス材料の入射面から５００μｍにし、図４に示すような異質相７を、線間隔が１００μｍの網目状にして形成した。その他は、実施例１と同様にした。
【００３１】
実施例１、実施例２および実施例３で作製した高強度ガラス材料および未処理のスライドガラスについて、支点間距離３０ｍｍ、荷重点間距離１０ｍｍ、荷重速度０．５ｍｍ／ｍｉｎの４点曲げ強度試験を行い、曲げ破壊を測定した。
【００３２】
表１は、測定された機械的強度であり、図７は、強度試験で破壊した実施例１の破断面のＳＥＭによる観察像である。変位は、スライドガラスの破壊時のたわみ量である。実施例１，実施例２および実施例３の高強度ガラス材料は、未強化処理のスライドガラス（表１の比較例）に対して、機械的強度が３０％以上向上した。また、図７に示すＳＥＭの観察像で、破壊時のクラックの進行方向が、異質相で変えられていることが観察された。
【００３３】
【表１】

【００３４】
【発明の効果】
本発明の高強度ガラス材料およびその製造方法は、従来、機械的強度を向上させることが困難であったガラス材料について、高強度ガラス材料としての使用を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガラス材料に超短パルスレーザー光を集光させている概念側面図である。
【図２】点状の密度の異なる相で形成される異質相の概念斜視図である。
【図３】線状の密度の異なる相で形成される異質相の概念斜視図である。
【図４】網目状の密度の異なる相で形成される異質相の概念斜視図である。
【図５】深さ方向に２層形成される異質相の概念側面図である。
【図６】３次元的に形成される異質相の概念斜視図および側面図である。
【図７】本実施例１の高強度ガラス材料の破断面の図面代用のＳＥＭ観察像である。
【図８】板ガラスの中央部分に形成される異質相の概念平面図である。
【図９】板ガラスの端部に形成される異質相の概念平面図である。
【符号の説明】
１超短パルスレーザー光
２集光レンズ
３ガラス材料
４、５、６、７、８、９異質相
１０クラック
１１、１２異質相を形成する部分

Claims

強化ガラスの製造方法において、超短パルスレーザー光の集光照射によってガラス材料の表面あるいはガラス材料の内部に異質相を形成することを特徴とする強化ガラスの製造方法。
異質相を、点状、線状あるいは網目状に形成することを特徴とする請求項１に記載の強化ガラスの製造方法。
異質相を、板状体のガラス材料の端面近傍に形成することを特徴する、請求項１あるいは請求項２のいずれかに記載の強化ガラスの製造方法。
超短パルスレーザー光がピコ秒からフェムト秒のパルスレーザー光であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の強化ガラスの製造方法。