JP6025156B2 - 電子機器用カバーガラスのガラス基板及び電子機器用カバーガラス、並びに電子機器用カバーガラスのガラス基板の製造方法 - Google Patents
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Description
また、例えば図1(a)〜(c)に示すような頂部14〜16を有する端面形状を持つガラス基板は、曲面あるいは平坦面に比べて構造上欠け、あるいは欠けを起点とした割れが発生し易い。更には、後述するように、このような頂部では化学強化が想定以上に深く入り、圧縮応力の低下があるため、化学強化を施しても割れ易いことも判明した。従って、電子機器用カバーガラスに用いられるガラス基板では、特に端面の強度向上が望まれる。
すなわち、本発明は以下の構成を有する。
電子機器用カバーガラスに用いられるガラス基板であって、前記ガラス基板は、主成分として、SiO2 50〜70重量%、Al2O3 5〜20重量%、Na2O 6〜20重量%、K2O 0〜10重量%、MgO 0〜10重量%、CaO 0〜10重量%を含有するガラス組成であり、前記ガラス基板は、一対の主表面と、該一対の主表面と隣合う端面を有し、該端面は、断面視において頂部を有する形状を持ち、前記ガラス基板は、イオン交換による化学強化が施されたことによる圧縮応力層を表層に有し、前記主表面の最大圧縮応力値が600MPa以上、且つ圧縮応力層の深さが60μm以下であり、前記頂部の頂角をθ[度]、前記主表面の最大圧縮応力値をCS[MPa]、前記主表面の圧縮応力層の深さをd[μm]とすると、
600MPa≦−3.5×{(d/sin(θ/2))−d}+CS
の関係を満たすことを特徴とする電子機器用カバーガラスのガラス基板である。
前記頂部の頂角θは30度以上135度以下であることを特徴とする構成1に記載の電子機器用カバーガラスのガラス基板である。
(構成3)
前記ガラス基板の端面は、断面視において基板内部に向かって略円弧を描くような2つの凹面が基板の厚さ方向の中央付近で交差した形状を有し、前記ガラス基板の端面における厚さ方向中心部と、端面における厚さ方向主表面側とのそれぞれに前記頂部が配置されていることを特徴とする構成1又は2に記載の電子機器用カバーガラスのガラス基板である。
前記ガラス基板の端面における厚さ方向中心部が湾曲し、端面における厚さ方向主表面側に前記頂部が配置されていることを特徴とする構成1又は2に記載の電子機器用カバーガラスのガラス基板である。
(構成5)
前記ガラス基板は、アルミノシリケートガラスからなることを特徴とする構成1乃至4のいずれかに記載の電子機器用カバーガラスのガラス基板である。
前記ガラス基板の厚さは、0.1mm〜1.5mmの範囲であることを特徴とする構成1乃至5のいずれかに記載の電子機器用カバーガラスのガラス基板である。
(構成7)
構成1乃至6のいずれかに記載のガラス基板を備えることを特徴とする電子機器用カバーガラスである。
電子機器用カバーガラスに用いられるガラス基板の製造方法であって、前記ガラス基板は、主成分として、SiO2 50〜70重量%、Al2O3 5〜20重量%、Na2O 6〜20重量%、K2O 0〜10重量%、MgO 0〜10重量%、CaO 0〜10重量%を含有するガラス組成であり、該製造方法は、板ガラスから所定の外形形状を切り抜き前記ガラス基板の外形を加工する外形加工工程と、前記外形加工したガラス基板に対して、イオン交換による化学強化処理を施す化学強化工程とを含み、前記外形加工工程では、一対の主表面と、該一対の主表面と隣合う端面を有し、該端面は、断面視において頂部を有する形状を有するガラス基板を形成し、前記化学強化工程では、前記頂部の頂角をθ[度]、化学強化が施されたことによる前記主表面の最大圧縮応力値をCS[MPa]、化学強化が施されたことにより形成される前記主表面の圧縮応力層の深さをd[μm]とすると、
600MPa≦−3.5×{(d/sin(θ/2))−d}+CS
の関係を満たすように化学強化処理を施すことを特徴とする電子機器用カバーガラスのガラス基板の製造方法である。
前記外形加工工程は、板ガラスから機械加工により所定の外形形状を切り抜く工程と、切り抜いたガラス基板の端面形状をウェットエッチングにより加工する工程とを含むことを特徴とする構成8に記載の電子機器用カバーガラスのガラス基板の製造方法である。
本発明に係る電子機器用カバーガラスは、例えば携帯電話機の表示画面に携帯機器用カバーガラスとして組み込まれる。本発明における電子機器用カバーガラスは、例えば携帯電話機、携帯型ゲーム機、PDA(Personal Digital Assistant)、デジタルスティルカメラ、ビデオカメラ、またはスレートPC(Personal Computer)等の携帯機器の表示画面等のカバーとなる携帯機器用カバーガラス、タッチセンサのカバーとなるタッチセンサ用カバーガラス、PCの操作パネルに用いられるトラックパッド用カバーガラス等を含む。
まず、シート状に成形されたガラス素材(大判の板ガラス)をエッチングにより所定の大きさにカッティング(小片化)し、カバーガラス用ガラス基板を作製する。
図1に示すガラス基板1は、対向する一対の主表面11,12と、該一対の主表面11,12と隣合う端面13とを有する。ガラス基板(切り抜く前の板ガラス)の主表面11,12にそれぞれ形成された図示しないレジストパターンをマスクとして、上記ガラス基板をエッチングすると、エッチングがガラス基板の対向する両主表面11,12からそれぞれ等方的に進行するために、主表面11側から進行するエッチングと、主表面12側から進行するエッチングとにより端面13に頂部16が形成される。このエッチングにおいては、断面視において、主表面11側及び主表面12側からガラス基板内部に向かってそれぞれ略円弧を描くようにエッチングが進行するので、ガラス基板1が切り抜かれる際には、基板内部に向かって略円弧を描くような2つの凹面が基板の厚さ方向の中央付近で交差した端面形状となる(図1(a)参照)。その結果、基板の厚さ方向の中央に上記頂部16が形成され、端面13と両主表面11,12とのエッジ部分には頂部14,15が形成される。すなわち、得られたガラス基板1の端面は、その端面における厚さ方向中心部と、端面における厚さ方向主表面側とのそれぞれに前記頂部14,15,16が配置されている。
図2を参照して説明する。ガラス基板1の厚さ方向の中央に形成される上記頂部16については、その頂点(最も突出する点)と、頂点から半径10μmの円を描いたときにその円(図2中の破線で描かれた円)とガラス基板1の輪郭線との接点とをそれぞれ結ぶ2つの仮想線L1,L2のなす角を頂角θとする(図2(a)参照)。
化学強化処理の方法としては、例えば、ガラス転移点の温度を超えない温度領域、例えば摂氏300度以上600度以下の温度で、イオン交換を行う低温型イオン交換法などが好ましい。化学強化処理とは、溶融させた化学強化塩とガラス基板とを接触させることにより、化学強化塩中の相対的に大きな原子半径のアルカリ金属元素と、ガラス基板中の相対的に小さな原子半径のアルカリ金属元素とをイオン交換し、ガラス基板の表層に該イオン半径の大きなアルカリ金属元素を浸透させ、ガラス基板の表面に圧縮応力を生じさせる処理のことである。
化学強化によって端面の頂部に生成する圧縮応力層は、頂部に対してその両側の二方向からのイオン交換が進行するため、端面における頂部以外の領域面や主表面に生成する圧縮応力層とは深さ(厚さ)が深くなると推測され、これに伴い、頂部における圧縮応力値が主表面における圧縮応力値に比べて小さくなると考えられる。端面における頂部以外の領域面や主表面の垂線方向に測定される圧縮応力層の深さ(厚さ)をdとした場合、端面の頂部では、その頂角θの二等分線方向に測定される頂部の圧縮応力層の深さd’は、d/sin(θ/2)になると理論上算出可能である。
化学強化されたガラス基板の破壊強度や耐傷性は、基板表面の最大圧縮応力値に相関し、圧縮応力値が大きいほど外部からの衝撃に強いと考えられる。図4は、化学強化条件として、化学強化処理液の加熱温度を440℃〜500℃、処理時間(浸漬時間)を2〜9時間の範囲内でそれぞれ変更したときの、圧縮応力層深さと最大圧縮応力値との関係を示す。
図4によると、端面(頂部以外の領域面)や主表面の垂線方向に測定される圧縮応力層は、その深さが深くなるに従い、最大圧縮応力値が低下することが示されている。つまり、ガラス基板に対して化学強化を深く入れすぎると最大圧縮応力値がかえって低下することになる。
一部はすでに記載したことと重複するが、端面(頂部以外の領域面)や主表面の垂線方向に測定される圧縮応力層の深さをd[μm](実測値)、頂部におけるその頂角の二等分線方向に測定される圧縮応力層の深さの理論値をd'[μm]、頂部の頂角をθ[度]、端面(頂部以外の域面)や主表面での最大圧縮応力値をCS[MPa](実測値)、頂部での最大圧縮応力値の理論値をCS'[MPa]とする。
また、CS' =A×(d'−d)+CS=A×{(d/sin(θ/2))−d}+CS
・・・(1)式
との関係式が成り立つ。
ここで、Aは圧縮応力層の深さの変化量に対する圧縮応力値の変化量の比であり、−10MPa/μm以上−0.5MPa/μm以下の範囲内の値を選択することができる。Aが−0.5MPa/μmよりも大きい場合には、圧縮応力層の深さの変化量に対する圧縮応力値の変化量(低下)が小さいので、上記の関係式を適用して頂部での化学強化の入り方を検討する必要性に乏しい。一方、Aが−10MPa/μmよりも小さい場合には、圧縮応力層の深さの変化量に対する圧縮応力値の変化量(低下)が大きいガラス素材であるため、そのようなガラス基板は電子機器用カバーガラスとして適さない。
600MPa≦A×{(d/sin(θ/2))−d}+CS
ここで、Aの値、即ち圧縮応力層の深さの変化量に対する圧縮応力値の変化量の比は、ガラス組成がSiO2:60.2重量%、Al2O3:13.2重量%、Na2O:13.9重量%、K2O:3.3重量%、MgO:2.2重量%、CaO:3.2重量%、ZrO:4.0重量%の場合には、図4で示すような実用強化条件での実験結果から計算できる。
この強化条件の一例としては、硝酸カリウム100%の溶融塩を用いて、一般的な化学強化温度域であるTg(そのガラスのガラス転移温度)−150℃の化学強化処理液の加熱温度にて、dが例えば20μm及び40μmとなる強化条件での測定値から、圧縮応力層の深さの変化量に対する圧縮応力値の変化量の比を求め、その比をAとして使用することができる。
なお、ここでAは、図4の結果から、−3.5MPa/μmとした。
頂角θは、本発明においては通常30度以上135度以下であることを想定する。頂角が135度以下である場合、想定以上の深さの化学強化が入ることによる圧縮応力の低下が顕著であり、本発明が好ましく適用され、さらに好ましくは30度以上120度以下の範囲である。なお、頂角が30度未満である場合は、化学強化の有無に関わらず構造上欠け易いので、予め面取り加工等が必要である。また、頂角が135度を超える場合には、図5に示すように、CSとCS'との差が極めて小さいため、想定以上の深さの化学強化が入ることによる圧縮応力の低下が生じにくい。
ここでは、例えば30〜135度を想定すると、CS'≧600MPaであるためには、例えばθは30度、dは60μmを超えると、CS≧1400MPaとなり実現が難しいため、dは60μm以下、CSは600MPa以上であることが適当である。
600MPa≦A×{(d/sin(θ/2))−d}+CS
(ここで、Aは圧縮応力層の深さの変化量に対する圧縮応力値の変化量の比であり、−10MPa/μm以上−0.5MPa/μm以下の範囲内の値である。)の関係を満たすことを特徴とするものである。このようなガラス基板を得るためには、たとえば前述の化学強化条件を適宜調節することが好ましい。
ここで、SiO2が50〜70重量%、Al2O3が5〜20重量%、Na2Oが6〜20重量%、K2Oが0〜10重量%、MgOが0〜10重量%、CaOが0〜10重量%を含有するガラス組成の場合には、Aとして−3.5MPa/μmを用いると、圧縮応力に関する関係式は以下のようになる。
600MPa≦−3.5×{(d/sin(θ/2))−d}+CS
なお、前述の図1に示されるように、ガラス基板1の端面13に頂部14,15,16を有する形状である場合、特に頂角が鋭角である頂部の強度をより向上させることが望ましく、その観点から前述の化学強化条件を適宜調節することが好ましい。
上記ガラス基板そのものを電子機器用カバーガラスとしてもよい。あるいは、電子機器の用途に応じて、上記ガラス基板の一方の主表面に対して、一層以上の加飾層を設けてもよい。加飾層としては、反射防止コート、アンチグレアコート、ハーフミラーコート、偏光膜などの光学的機能を有する層、ITO(Indium Tin Oxide)膜に代表される透明導電膜などの電気的機能を有する層、印刷層などの審美性を向上させる機能を有する層などが挙げられる。また、複数の加飾層を積層、パターニング加工することで、タッチパネルなどの各種デバイスをカバーガラスに形成することもできる。これら加飾層の形成手段としては、蒸着法、スパッタ法等の成膜法、スクリーン印刷等の印刷法などが挙げられる。
以上説明したように、本発明に係るガラス基板及びこのガラス基板を備える電子機器用カバーガラス、並びにこのガラス基板の製造方法によれば、特に頂部を有する端面の強度を向上させることができ、構造上、あるいは想定以上の深さの化学強化が入ることによる圧縮応力の低下等に起因するガラス基板あるいは製品の電子機器用カバーガラスの欠けや割れ等の発生を低減することができる。
(実施例、比較例)
以下の(1)ガラス基板加工工程、(2)化学強化工程、を経て携帯機器用カバーガラスに用いられるガラス基板を作製した。
まず、ダウンドロー法やフロート法で製造されたアルミノシリゲートガラスからなる厚さ0.5mmの板ガラスからエッチング法により所定の形状(矩形状)、大きさ(100mm×50mm)に切り出し、上記エッチング後に、主表面側の頂部を研削加工により曲面あるいは面取り加工することで頂部形状を改善したカバーガラス用ガラス基板を作製した。このアルミノシリケートガラスとしては、SiO2:60.2重量%、Al2O3:13.2重量%、Na2O:13.9重量%、K2O:3.3重量%、MgO:2.2重量%、CaO:3.2重量%、ZrO:4.0重量%を含有する化学強化用ガラスを使用した。
作製したガラス基板をガラスカッターでスクライブ切断した後、切断面を顕微鏡により観察した結果、図1(b)と同様の頂部を有する形状であった。
次に、上記ガラス基板に化学強化を施した。化学強化は硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合した化学強化処理液(混合比は表1参照)を用意した。この化学強化処理溶液を所定温度に加熱し、上記ガラス基板を所定時間浸漬させて化学強化を行なった。
ここで、上記化学強化処理液の加熱温度を440℃〜500℃、処理時間(浸漬時間)を2〜9時間の範囲内でそれぞれ変更し(表1参照)、表1に示す実施例1〜4および比較例1、2とした。
こうして化学強化を行った後、ガラス基板を化学強化処理液から取り出し、冷却後、ガラス基板の付着物を取り除くために、ガラス基板を中性洗剤、純水、IPA、IPA(蒸気乾燥)の各洗浄槽に順次浸漬して、超音波洗浄し、乾燥した。
また、各ガラス基板の主表面の圧縮応力値CSおよび圧縮応力層深さ(厚み)dは、ウェブガイド法による表面応力測定装置を使用して測定した。
なお、表1では、割れ、欠けのないものを「○」とした。
以上の結果を纏めて下記表1に示した。
一方、比較例のガラス基板は、上記のエッジ落下テストで欠けが発生した。この比較例のガラス基板においては、化学強化による前述の関係式が満たされておらず、端面頂部での圧縮応力値は600MPa未満であり、化学強化による端面の強度向上が達成されていない。
なお、本発明は以上の実施例に限定されるものではない。例えば、電子機器用カバーガラスを、タッチセンサ用カバーガラスまたはトラックパッド用カバーガラスとしてもよい。
11,12 ガラス基板の主表面
13 ガラス基板の端面
14,15,16 頂部
Claims (9)
- 電子機器用カバーガラスに用いられるガラス基板であって、
前記ガラス基板は、主成分として、
SiO2 50〜70重量%、
Al2O3 5〜20重量%、
Na2O 6〜20重量%、
K2O 0〜10重量%、
MgO 0〜10重量%、
CaO 0〜10重量%を含有するガラス組成であり、
前記ガラス基板は、一対の主表面と、該一対の主表面と隣合う端面を有し、該端面は、断面視において基板内部に向かって略円弧を描くような2つの凹面が基板の厚さ方向の中央付近で交差した形状を有し、前記ガラス基板の端面における厚さ方向中央付近と、端面における厚さ方向主表面側のそれぞれに頂部が配置されており、
前記ガラス基板は、イオン交換による化学強化が施されたことによる圧縮応力層を表層に有し、前記主表面の最大圧縮応力値が600MPa以上、且つ圧縮応力層の深さが60μm以下であり、
前記頂部の頂点と、該頂点から半径10μmの円を描いたときにその円とガラス基板の輪郭線との接点とをそれぞれ結ぶ2つの仮想線のなす角を頂部の頂角θ[度]とすると、
前記頂部の頂角θは30度以上135度以下であり、
前記主表面の最大圧縮応力値をCS[MPa]、前記主表面の圧縮応力層の深さをd[μm]とすると、前記端面における厚さ方向中央付近と厚さ方向主表面側のそれぞれの頂部において、
600MPa≦A×{(d/sin(θ/2))−d}+CS
(ここで、圧縮応力層の深さの変化量に対する圧縮応力値の変化量の比をA[MPa/μm]とする。)
の関係を満たすことを特徴とする電子機器用カバーガラスのガラス基板。 - 前記Aは、−10MPa/μm以上、−0.5MPa/μm以下の範囲内の値であることを特徴とする請求項1に記載の電子機器用カバーガラスのガラス基板。
- 前記頂部の圧縮応力値が600MPa以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の電子機器用カバーガラスのガラス基板。
- 前記ガラス基板は、アルミノシリケートガラスからなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の電子機器用カバーガラスのガラス基板。
- 前記ガラス基板の厚さは、0.1mm〜1.5mmの範囲であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の電子機器用カバーガラスのガラス基板。
- 請求項1乃至5のいずれかに記載のガラス基板を備えることを特徴とする電子機器用カバーガラス。
- 電子機器用カバーガラスに用いられるガラス基板の製造方法であって、
前記ガラス基板は、主成分として、
SiO2 50〜70重量%、
Al2O3 5〜20重量%、
Na2O 6〜20重量%、
K2O 0〜10重量%、
MgO 0〜10重量%、
CaO 0〜10重量%を含有するガラス組成であり、
該製造方法は、板ガラスから所定の外形形状を切り抜き前記ガラス基板の外形を加工する外形加工工程と、前記外形加工したガラス基板に対して、イオン交換による化学強化処理を施す化学強化工程とを含み、
前記外形加工工程では、一対の主表面と、該一対の主表面と隣合う端面を有し、該端面は、断面視において基板内部に向かって略円弧を描くような2つの凹面が基板の厚さ方向の中央付近で交差した形状を有し、前記ガラス基板の端面における厚さ方向中央付近と、端面における厚さ方向主表面側のそれぞれに頂部が配置されている形状を有するガラス基板を形成し、
前記頂部の頂点と、該頂点から半径10μmの円を描いたときにその円とガラス基板の輪郭線との接点とをそれぞれ結ぶ2つの仮想線のなす角を頂部の頂角θ[度]とすると、
前記化学強化工程では、
前記頂部の頂角θは30度以上135度以下であり、
化学強化が施されたことによる前記主表面の最大圧縮応力値をCS[MPa]、化学強化が施されたことにより形成される前記主表面の圧縮応力層の深さをd[μm]とすると、前記端面における厚さ方向中央付近と厚さ方向主表面側のそれぞれの頂部において、
600MPa≦A×{(d/sin(θ/2))−d}+CS
(ここで、圧縮応力層の深さの変化量に対する圧縮応力値の変化量の比をA[MPa/μm]とする。)
の関係を満たすように化学強化処理を施すことを特徴とする電子機器用カバーガラスのガラス基板の製造方法。 - 前記Aは、−10MPa/μm以上、−0.5MPa/μm以下の範囲内の値であることを特徴とする請求項7に記載の電子機器用カバーガラスのガラス基板の製造方法。
- 前記頂部の圧縮応力値が600MPa以上であることを特徴とする請求項7又は8に記載の電子機器用カバーガラスのガラス基板の製造方法。
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