JP6123675B2 - カバーガラス - Google Patents
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Description
本発明は、カバーガラスに関し、特にフラットパネルディスプレイ装置に用いられるカバーガラスに関する。
近年、ＰＤＰ（Plasma Display Panel）、ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)、携帯電話、携帯情報端末（PDA）、デスクトップＰＣ、ラップトップＰＣ、タッチセンサ機能付タブレットＰＣ等のフラットパネルディスプレイ装置において、ディスプレイの保護ならびに美観を高めるために、薄い板状のカバーガラスをディスプレイの前面に配置することが行なわれている（例えば、特許文献１）。
近年、これらの装置において軽量・薄型化が要求されており、そのためカバーガラスもより薄くすることが要求される傾向がある。たとえば、携帯電話のカバーガラスの厚みは１．１ｍｍが一般的であるが０．７ｍｍ程度に薄くすることが求められている。
また、ＰＤＰやＬＣＤのカバーガラスではその厚みを０．７ｍｍ程度にすることが求められている。
また、ＰＤＰやＬＣＤのカバーガラスではその厚みを０．７ｍｍ程度にすることが求められている。
しかし、カバーガラスの板厚を薄くしていくと、強度が低下し、使用中または携帯中の落下などによりカバーガラス自身が割れてしまうことがあり、ディスプレイ装置を保護するという本来の役割を果たすことができなくなるという問題があった。
このため従来のカバーガラスは、ガラス板を化学強化することで表面に圧縮応力層を形成しカバーガラスの耐傷性を高めていた。すなわち、化学強化することによってガラスが粉々にあるいはばらばらに割れることを抑制していた（例えば、特許文献２）。
しかしながら、ユーザーがフラットパネルディスプレイ装置を誤って落下させた場合などカバーガラスに衝撃を与えた際に、化学強化したカバーガラスであっても、圧縮応力層を突き抜ける傷を起点にガラスが比較的遅い速度で割れるスロークラックが生じることがある（以下、このようなガラスの割れ方をスロークラック割れと呼ぶ。）。なお、このスロークラック割れは、一般的に割れ破片が少なく、最も典型的には破壊起点から一本のクラックが延びてカバーガラスが２つに割れる現象である。
特に、立てかけて使用することの多いタッチセンサ機能付タブレットＰＣにおいては、使用者が誤ってタッチセンサ機能付タブレットＰＣを倒してしまった場合など通常は割れるほどではない衝撃をカバーガラスに与えた際に、化学強化したカバーガラスであっても、割れが発生することが報告されている。この割れはスロークラック割れであると考えられる。
このようなスロークラック割れは従来問題にされていなかったものであり、これをより起こりにくくすることが求められている。
また、タッチセンサ機能付タブレットＰＣは携帯電話や携帯情報端末に比べてサイズが大きいので、軽量化のためガラスをより薄くすることが求められており、実際そのカバーガラスとしては厚みが０．６ｍｍのものが使用されている。その結果、タッチセンサ機能付タブレットＰＣにおいてスロークラック割れの問題が顕著なものとなっている。
また、タッチセンサ機能付タブレットＰＣは携帯電話や携帯情報端末に比べてサイズが大きいので、軽量化のためガラスをより薄くすることが求められており、実際そのカバーガラスとしては厚みが０．６ｍｍのものが使用されている。その結果、タッチセンサ機能付タブレットＰＣにおいてスロークラック割れの問題が顕著なものとなっている。
カバーガラスの厚みはさらに薄くすることが求められているが、その場合スロークラック割れがより発生しやすくなるという問題がある。
そこで、本発明は、スロークラック割れに強いタッチセンサ機能付タブレットＰＣ用カバーガラスなどのカバーガラスを提供することを目的とする。
本発明者らは、スロークラック割れについて調査、研究を進める上で、このスロークラック割れがタッチセンサ機能付タブレットＰＣ用カバーガラスにおいて顕著な問題であることを見出し、本発明に至った。
スロークラック割れがタッチセンサ機能付タブレットＰＣ用カバーガラスに顕著な問題であることは以下の理由による。
例えば、ＰＤＰやＬＣＤ、デスクトップＰＣ、ラップトップＰＣなどはテレビ台や机において使用するものであるため、圧縮応力層を突き抜ける傷を生じさせるような物質と接触するおそれが低く、また、カバーガラスにスロークラック割れが発生するほどの衝撃が与えられるおそれは少なく、そのためスロークラック割れが比較的発生しにくい。一方で、携帯電話や携帯情報端末などは、ユーザーが持ち歩くものであるため、圧縮応力層を突き抜ける傷を生じさせるような物質と接触するおそれが高く、また、落下等により衝撃が与えられるおそれが高い。しかしながら、携帯電話や携帯情報端末などは、サイズが小さく、高所から落下することが多いため、誤って落下させた場合に、エッジを起点にした衝撃割れ(典型的にはガラスが粉々になる)の発生が支配的である。そのため、携帯電話や携帯情報端末などにおいてもスロークラック割れは比較的発生しにくいことが分かった。
例えば、ＰＤＰやＬＣＤ、デスクトップＰＣ、ラップトップＰＣなどはテレビ台や机において使用するものであるため、圧縮応力層を突き抜ける傷を生じさせるような物質と接触するおそれが低く、また、カバーガラスにスロークラック割れが発生するほどの衝撃が与えられるおそれは少なく、そのためスロークラック割れが比較的発生しにくい。一方で、携帯電話や携帯情報端末などは、ユーザーが持ち歩くものであるため、圧縮応力層を突き抜ける傷を生じさせるような物質と接触するおそれが高く、また、落下等により衝撃が与えられるおそれが高い。しかしながら、携帯電話や携帯情報端末などは、サイズが小さく、高所から落下することが多いため、誤って落下させた場合に、エッジを起点にした衝撃割れ(典型的にはガラスが粉々になる)の発生が支配的である。そのため、携帯電話や携帯情報端末などにおいてもスロークラック割れは比較的発生しにくいことが分かった。
これに対し、タッチセンサ機能付タブレットＰＣにおいては、サイズが１５０〜３５０ｍｍ×１００〜２５０ｍｍ、且つ、重量が１５０〜１０００ｇであり、携帯電話や携帯情報端末などに比べてサイズが大きく重量が重いにもかかわらず、ユーザーが持ち歩くものである。なお、サイズとは、ディスプレイ面の面積をいい、サイズが１５０〜３５０ｍｍ×１００〜２５０ｍｍとは、縦あるいは一辺が１５０〜３５０ｍｍ、横あるいは他の一辺が１００〜２５０ｍｍであることを意味する。使用方法の例としては、例えばキッチンでタッチセンサ機能付タブレットＰＣを立てかけて、レシピを見ながら料理をしたり、会議室でタッチセンサ機能付タブレットＰＣを立てかけて、資料を見ながら打合せをするなどの使われ方がされている。
従って、タッチセンサ機能付タブレットＰＣを誤って、落下させてしまった場合や倒してしまった場合に、タッチセンサ機能付タブレットＰＣ用カバーガラスは、携帯電話や携帯情報端末に比べ、ガラスの面積が大きいため破壊起点との接触可能性が高く、ガラスが薄いため化学強化時の内部引張応力が高く、製品が重いためひざの上からなど比較的低い高さから落とす場合でもその時に発生する衝撃エネルギーが高くなり、それゆえ表面圧縮応力層を突き抜けるキズが生じやすく、スロークラック割れが発生しやすいことが分かった。
本発明は、以下の態様を提供するものである。
（１）最表面の圧縮応力が５００ＭＰａ以上、且つ、深さが１５μｍ以上である圧縮応力層を有し、板厚が０．８ｍｍ未満であるカバーガラスであって、
前記カバーガラスを花崗岩からなる基台上に配置し、Ｐ３０（ＪＩＳ Ｒ６２５２、２００６）のサンドペーパーの擦り面に前記カバーガラスの上面を接触させた状態で、Φ０．７５インチ、４ｇのステンレス鋼からなる球体を上方から落下させるサンドペーパー落球試験において、破壊時の平均落球高さが１７ｃｍ以上であるカバーガラス。
（２）板厚が０．６ｍｍ以下であることを特徴とする（１）に記載のカバーガラス。
（３）サイズが１５０〜３５０ｍｍ×１００〜２５０ｍｍ、且つ、重量が１５０〜１０００ｇのタッチセンサ機能付タブレットＰＣに用いられる（１）又は（２）に記載のカバーガラス。
（４）最表面の圧縮応力が５００ＭＰａ以上、且つ、深さが１５μｍ以上である圧縮応力層を有し、板厚が０．８ｍｍ未満であるカバーガラスであって、
化学強化後のガラスの破壊靱性をＫＩＣ（単位：Ｐａ・ｍ１／２）、その引張応力をσＴＳ（単位：ＭＰａ）としたとき、下記（Ｉ）式から求められるΔが−３ＭＰａ以上であるカバーガラス。
Δ＝９４．９×ＫＩＣ−σＴＳ （Ｉ）
（５）板厚が０．６ｍｍ以下である（４）に記載のカバーガラス。
（６）サイズが１５０〜３５０ｍｍ×１００〜２５０ｍｍ、且つ、重量が１５０〜１０００ｇのタッチセンサ機能付タブレットＰＣに用いられる（４）又は（５）に記載のカバーガラス。
（１）最表面の圧縮応力が５００ＭＰａ以上、且つ、深さが１５μｍ以上である圧縮応力層を有し、板厚が０．８ｍｍ未満であるカバーガラスであって、
前記カバーガラスを花崗岩からなる基台上に配置し、Ｐ３０（ＪＩＳ Ｒ６２５２、２００６）のサンドペーパーの擦り面に前記カバーガラスの上面を接触させた状態で、Φ０．７５インチ、４ｇのステンレス鋼からなる球体を上方から落下させるサンドペーパー落球試験において、破壊時の平均落球高さが１７ｃｍ以上であるカバーガラス。
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化学強化後のガラスの破壊靱性をＫＩＣ（単位：Ｐａ・ｍ１／２）、その引張応力をσＴＳ（単位：ＭＰａ）としたとき、下記（Ｉ）式から求められるΔが−３ＭＰａ以上であるカバーガラス。
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（５）板厚が０．６ｍｍ以下である（４）に記載のカバーガラス。
（６）サイズが１５０〜３５０ｍｍ×１００〜２５０ｍｍ、且つ、重量が１５０〜１０００ｇのタッチセンサ機能付タブレットＰＣに用いられる（４）又は（５）に記載のカバーガラス。
本発明のカバーガラスは、板厚が０．８ｍｍ未満であるので、薄型化の要求を満たすことができる。また、カバーガラスに大きな衝撃が加わった場合でも、スロークラック割れの発生を抑制することができる。即ち、本発明のカバーガラスによれば、薄型化、軽量化を図りつつ、スロークラック割れの発生を抑制することができる。
特に、サイズが１５０〜３５０ｍｍ×１００〜２５０ｍｍ、且つ、重量が１５０〜１０００ｇのタッチセンサ機能付タブレットＰＣに用いられることにより、タッチセンサ機能付タブレットＰＣ用カバーガラスに典型的に見られるスロークラック割れの発生を抑制することができ、より大きな効果を得ることができる。
特に、サイズが１５０〜３５０ｍｍ×１００〜２５０ｍｍ、且つ、重量が１５０〜１０００ｇのタッチセンサ機能付タブレットＰＣに用いられることにより、タッチセンサ機能付タブレットＰＣ用カバーガラスに典型的に見られるスロークラック割れの発生を抑制することができ、より大きな効果を得ることができる。
先ず、タッチセンサ機能付タブレットＰＣ用カバーガラスにおいて顕著な問題であるスロークラック割れのメカニズムについて説明する。
図１はタッチセンサ機能付タブレットＰＣが落下した際にカバーガラスにスロークラック割れが発生する状況を示す模式図であり、図２（ａ）はスロークラック割れが発生するときの破壊起点を示す模式図、図２（ｂ）は図２（ａ）の破壊起点から発生したクラックを示す模式図、図３（ａ）はスロークラック割れが発生したタッチセンサ機能付タブレットＰＣの写真を示す図であり、図３（ｂ）は破壊起点を上方から見た拡大写真を示す図、図３（ｃ）は破壊起点を側方から見た写真を示す図である。
図１はタッチセンサ機能付タブレットＰＣが落下した際にカバーガラスにスロークラック割れが発生する状況を示す模式図であり、図２（ａ）はスロークラック割れが発生するときの破壊起点を示す模式図、図２（ｂ）は図２（ａ）の破壊起点から発生したクラックを示す模式図、図３（ａ）はスロークラック割れが発生したタッチセンサ機能付タブレットＰＣの写真を示す図であり、図３（ｂ）は破壊起点を上方から見た拡大写真を示す図、図３（ｃ）は破壊起点を側方から見た写真を示す図である。
タッチセンサ機能付タブレットＰＣは、画像表示部を囲うように略矩形状のフレームが設けられ、カバーガラスがフレーム上に支持されている。図１に示すように、タッチセンサ機能付タブレットＰＣ１が地面（アスファルト・コンクリートなど）に落下して、カバーガラス２が下を向いた状態でアスファルト・コンクリート３中の小石４上の砂５等に接触すると、破壊起点Ｏに圧縮応力が作用しカバーガラスの画像表示部側に引張応力が作用する（図２（ａ））。続いて、破壊起点Ｏには引張応力が作用しクラックＣが伸びて、カバーガラス２が割れる（図２（ｂ））。なお、破壊起点は、カバーガラスの中央部に発生することもあるが、フレームによりカバーガラスの撓みが拘束され、破壊起点に生じる応力が大きくなるため、フレームに支持された領域の一部に発生することが多い。このようなカバーガラス２の割れは、地面に落下する場合に限らず、会議室・リビング、キッチン等の床面でも発生する。
このときのカバーガラス２の割れは、図３（ｃ）の破断面から明らかなように、圧縮応力層の深さより深い傷が破壊起点となっている。図３（ａ）及び（ｂ）では、破壊起点から一本のクラックが延びてカバーガラスが２つに割れている。この図３（ｃ）に示す破断面をさらに観察すると、圧縮応力層の深さより深い破壊起点の回りには、鏡のように滑らかな鏡面半径（mirror radius）の長い鏡面(mirror)が見られる。
図４は、図３（ｃ）の破断面を模式的に示す図である。破断面には、破壊の過程、すなわち、破壊起点、破壊の進行方向、破壊が緩やかに進んだか、急速に進んだかなどの要因が反映される。このスロークラック割れの破断面解析によれば、鏡面半径の長い鏡面は小さな応力により破壊が進行したことを意味しており、このような滑らかな破断面は、クラックがゆっくり音速に比べてずっと遅い速度で成長したことを意味している。従って、図３（ｃ）の破断面によれば、カバーガラスには、圧縮応力層の深さより深い起点が形成された後、クラックがゆっくり成長し、小さな応力で破壊が進行したことが分かる。このようなスロークラック割れにより割れたカバーガラスは、割れ破片が数ピース〜(場合によっては)数十ピースになる。典型的には、２ピースから２０ピースであり、図３（ａ）及び（ｂ）に示す破壊起点から一本のクラックが延びてカバーガラスが２つに割れた例は、スロークラック割れの象徴的な例である。
スロークラック割れであるか否かは、よりミクロには次のようにして判別される。まず、破壊起点がわかるようなものでなければスロークラック割れとはいえない。また、その破壊起点付近を観察して圧縮応力層を突き抜けるような傷すなわち圧縮応力層深さ（いわゆるＤＯＬ）よりも深い傷が破壊起点であることが確認された場合はスロークラック割れである。また、鏡面半径が長く、破面断面が鏡面でありミストやハックルが認められない場合はスロークラック割れである。
次に、スロークラック割れとの対比のため、スロークラック割れではないカバーガラスの割れ方（以下、非スロークラック割れとも呼ぶ。）について説明する。非スロークラック割れとして、ヌープ圧子をガラス表面に押し込んで生じたカバーガラスの割れについて説明する。図５は、非スロークラック割れによるカバーガラスの破壊起点を側方から見た写真を示す図であり、図６は図５の破断面を模式的に示す図である。
この非スロークラック割れの破断面を観察すると、圧縮応力層内に破壊起点が形成され、回りに鏡のように滑らかな鏡面半径の短い鏡面が見られ、さらに鏡面の回りには、ミスト面(mist）が存在する。この非スロークラック割れの破断面解析によれば、鏡面半径の短い鏡面は大きな応力により破壊が進行したことを意味し、ミスト面は、クラックが急速に成長したことを意味している。従って、図５の破断面によれば、カバーガラスには、圧縮応力層の深さより浅い破壊起点が形成された後、大きな応力で破壊が進行しクラックが急速に成長したことが分かる。非スロークラック割れが生じると、カバーガラスは図７に示すように、蜘蛛の巣状に延びた複数のクラックにより複数（２０枚以上）のガラス片となる（以下、このような割れ方をスパイダー割れとも呼ぶ。）。このように、スロークラック割れと非スロークラック割れとは、全く異なるモードで破壊が生じていることが分かる。
非スロークラック割れについては、破壊起点が圧縮応力層内に発生するため、これを防ぐためには表面圧縮応力を大きくすることや圧縮応力層を深くすることが効果的である。しかし、スロークラック割れについては、破壊起点が圧縮応力層を超えた領域、即ち引張応力層に発生するため(傷の深さは典型的には数十〜数百マイクロメートルで、化学強化による圧縮応力層が数〜数十マイクロメートル)、スロークラック割れの発生しやすいタッチセンサ機能付タブレットＰＣ用カバーガラスにおいては、スロークラック割れにも強い機械特性を有するカバーガラスを選択する必要がある。
そこで、本発明者らは、このスロークラック割れを再現するための方法として、以下に説明するサンドペーパー落球試験を見出した。そして、そのサンドペーパー落球試験から、閾値を求め、閾値以上のカバーガラスをタッチセンサ機能付タブレットＰＣ用カバーガラスとすることで、薄型化しつつもスロークラック割れに強いタッチセンサ機能付タブレットＰＣ用カバーガラスを提供することを可能とした。
サンドペーパー落球試験は、図８に示すように、表面に圧縮応力層が形成された化学強化ガラス１０を基台１１上に配置し、圧縮応力層の深さ以上の大きさの研磨材を含むサンドペーパー１２の擦り面１２ａに化学強化ガラス１０を接触させ、鉄球等の球体１３を上方から落下させるものである。このとき、サンドペーパー１２は、好ましくは化学強化ガラス１０の上方に配置され、化学強化ガラス１０の上面１０ａがサンドペーパー１２の擦り面１２ａと接触しており、球体１３がサンドペーパー１２の擦り面１２ａとは反対側の面１２ｂに落下する。
基台１１としては、花崗岩のような硬い石から形成されることが好ましい。これにより、破壊起点となる傷が発生しやすいフレームに支持されたカバーガラスの領域と同じように、応力の逃げ場を排除することができる。ただし、基台１１の材質は弾性率やたわみを目的にあわせて変更することができ、ストレート材、ガラス、中央がくりぬかれたフレーム等、適宜選択することができる。
本発明におけるサンドペーパーは研磨紙（紙やすり、ＪＩＳ Ｒ６２５２：２００６）に限られず基材に研磨材が接着剤によって塗装されたもの、あるいはそれに相当するものを含み、たとえば研磨布（ＪＩＳ Ｒ６２５１：２００６）、耐水研磨紙（ＪＩＳ Ｒ６２５３：２００６）などを含む。
サンドペーパー１２には、含まれる研磨材の粒度に応じてＰ１２〜Ｐ２５００番が存在する（ＪＩＳ Ｒ６２５２、２００６）。研磨材は、典型的には、アルミナ、炭化ケイ素である。アスファルト・コンクリートに含まれる砂の粒径を０．０６ｍｍ〜１ｍｍと想定すると、サンドペーパー１２に含まれる研磨材の粒度としてＰ３０〜Ｐ６００が概ねこれと対応する。
例えば圧縮応力層の深さを３０μｍと想定すると、圧縮応力層の深さよりも大きい研磨材を含むサンドペーパーとしては、Ｐ３０（Ｄ３：７１０μｍ）、Ｐ１００（Ｄ３：１８０μｍ）、Ｐ３２０（ｄ３：６６．８μｍ）、Ｐ６００（ｄ３：４３．０μｍ）などのサンドペーパーが選択される。
球体１３の材質や重量は目的にあわせて変更可能であるが、典型的には、ステンレス鋼製の４〜１５０ｇのステンレス球が用いられる。
このように基台１１上に配置された化学強化ガラス１０に、球体１３を落下させることで、化学強化ガラス１０にはサンドペーパー１２に含まれる研磨材により、上面１０ａ側の圧縮応力層より深いところに破壊起点Ｏが発生する。
このとき、破壊起点Ｏに圧縮応力が作用しその周りに引張応力が作用する（図９（ａ））。続いて、破壊起点Ｏには引張応力が作用しクラックＣが伸びて、カバーガラスが割れる（図９（ｂ））。即ち、破壊起点の面が上面と下面の違いはあるが、図２（ａ）及び（ｂ）で説明したスロークラック割れと同じメカニズムで割れが発生する。
図１０（ａ）は、化学強化ガラス１０を花崗岩からなる基台上に配置し、Ｐ３０のサンドペーパー１２の擦り面に化学強化ガラス１０の上面を接触させた状態で、Φ０．７５インチ、４ｇのステンレス鋼からなる球体１３を高さ１７ｃｍから落下させてスロークラック割れが発生したカバーガラスの写真を示す図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の破壊起点を側方から見た写真を示す図である。
化学強化ガラスは、一本のクラックが延びてカバーガラスが２つに割れており、また図１０（ｂ）は図３（ｃ）と同様の破断面を示しており、スロークラック割れと同じメカニズムで割れが発生していることが分かる。
化学強化ガラスは、一本のクラックが延びてカバーガラスが２つに割れており、また図１０（ｂ）は図３（ｃ）と同様の破断面を示しており、スロークラック割れと同じメカニズムで割れが発生していることが分かる。
図１１（ａ）はＰ３０のサンドペーパーの拡大写真であり、図１１（ｂ）は、アスファルト・コンクリート（横浜にて採取）の拡大写真であり、図１１（ｃ）は、Ｐ３０のサンドペーパー先端の角度分布と砂の先端の角度分布を示すグラフである。図１１（ｃ）は、それぞれサンドペーパーを１４４箇所、砂を１４９箇所観測し、サンドペーパー又は砂の先端角度を横軸に、頻度を縦軸に示したものである。本発明では、Ｐ３０のサンドペーパーに含まれる研磨材としてのアルミナと、アスファルト・コンクリートに含まれる小石等の形状の近似性から、Ｐ３０のサンドペーパーが選択された。
本発明のタッチセンサ機能付タブレットＰＣ用カバーガラスは、カバーガラスを花崗岩からなる基台上に配置し、Ｐ３０（ＪＩＳ Ｒ６２５２、２００６）のサンドペーパーの擦り面にカバーガラスの上面を接触させた状態で、Φ０．７５インチ、４ｇのステンレス鋼からなる球体を上方から落下させるサンドペーパー落球試験において、破壊時の平均落球高さが１７ｃｍ以上となるガラスである。なお、サンドペーパー落球試験において、破壊時の平均落球高さが１７ｃｍ以上である理由は、後述の実施例で説明する。
本発明のセンサ機能付タブレットＰＣ用カバーガラスは、加傷性を高めるために、化学強化を行った際の圧縮応力層の深さが、１５μｍ以上であり、２０μｍ以上であることが好ましく、３０μｍ以上であることがより好ましい。また、化学強化ガラスの圧縮応力は、５００ＭＰａ以上であり、６００ＭＰａ以上が好ましく、７００ＭＰａ以上がより好ましい。化学強化は、例えば、４３５℃の硝酸カリウム（ＫＮＯ３）溶融塩に４時間浸漬させることで行われるが、硝酸カリウム（ＫＮＯ３）溶融塩の温度や、浸漬時間、溶融塩等を変更させることで、化学強化の入り方を調整することができる。
化学強化ガラスは、板厚が０．８ｍｍ未満、より好ましくは０．６ｍｍ以下、さらに好ましくは０．５ｍｍ以下である。また、例えば以下の組成のガラスが使用される。
（ｉ）モル％で表示した組成で、ＳｉＯ２を５０〜８０％、Ａｌ２Ｏ３を２〜２５％、Ｌｉ２Ｏを０〜１０％、Ｎａ２Ｏを０〜１８％、Ｋ２Ｏを０〜１０％、ＭｇＯを０〜１５％、ＣａＯを０〜５％およびＺｒＯ２を０〜５％を含むガラス。ここで、例えば「Ｋ２Ｏを０〜１０％含む」とはＫ２Ｏは必須ではないが１０％までの範囲で、かつ、本発明の目的を損なわない範囲で含んでもよい、の意である（以下、同様）。
（ｉｉ）モル％で表示した組成が、ＳｉＯ２を５０〜７４％、Ａｌ２Ｏ３を１〜１０％、Ｎａ２Ｏを６〜１４％、Ｋ２Ｏを３〜１１％、ＭｇＯを２〜１５％、ＣａＯを０〜６％およびＺｒＯ２を０〜５％含有し、ＳｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３の含有量の合計が７５％以下、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計が１２〜２５％、ＭｇＯおよびＣａＯの含有量の合計が７〜１５％であるガラス。
（ｉｉｉ）モル％で表示した組成が、ＳｉＯ２を６８〜８０％、Ａｌ２Ｏ３を４〜１０％、Ｎａ２Ｏを５〜１５％、Ｋ２Ｏを０〜１％、ＭｇＯを４〜１５％およびＺｒＯ２を０〜１％含有するガラス。
（ｉｖ）モル％で表示した組成が、ＳｉＯ２を６７〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を０〜４％、Ｎａ２Ｏを７〜１５％、Ｋ２Ｏを１〜９％、ＭｇＯを６〜１４％およびＺｒＯ２を０〜１．５％含有し、ＳｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３の含有量の合計が７１〜７５％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計が１２〜２０％であり、ＣａＯを含有する場合その含有量が１％未満であるガラス。
（ｉ）モル％で表示した組成で、ＳｉＯ２を５０〜８０％、Ａｌ２Ｏ３を２〜２５％、Ｌｉ２Ｏを０〜１０％、Ｎａ２Ｏを０〜１８％、Ｋ２Ｏを０〜１０％、ＭｇＯを０〜１５％、ＣａＯを０〜５％およびＺｒＯ２を０〜５％を含むガラス。ここで、例えば「Ｋ２Ｏを０〜１０％含む」とはＫ２Ｏは必須ではないが１０％までの範囲で、かつ、本発明の目的を損なわない範囲で含んでもよい、の意である（以下、同様）。
（ｉｉ）モル％で表示した組成が、ＳｉＯ２を５０〜７４％、Ａｌ２Ｏ３を１〜１０％、Ｎａ２Ｏを６〜１４％、Ｋ２Ｏを３〜１１％、ＭｇＯを２〜１５％、ＣａＯを０〜６％およびＺｒＯ２を０〜５％含有し、ＳｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３の含有量の合計が７５％以下、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計が１２〜２５％、ＭｇＯおよびＣａＯの含有量の合計が７〜１５％であるガラス。
（ｉｉｉ）モル％で表示した組成が、ＳｉＯ２を６８〜８０％、Ａｌ２Ｏ３を４〜１０％、Ｎａ２Ｏを５〜１５％、Ｋ２Ｏを０〜１％、ＭｇＯを４〜１５％およびＺｒＯ２を０〜１％含有するガラス。
（ｉｖ）モル％で表示した組成が、ＳｉＯ２を６７〜７５％、Ａｌ２Ｏ３を０〜４％、Ｎａ２Ｏを７〜１５％、Ｋ２Ｏを１〜９％、ＭｇＯを６〜１４％およびＺｒＯ２を０〜１．５％含有し、ＳｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３の含有量の合計が７１〜７５％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの含有量の合計が１２〜２０％であり、ＣａＯを含有する場合その含有量が１％未満であるガラス。
以下、本発明の実施例について説明する。
先ず、現在、市販されているセンサ機能付タブレットＰＣのうち、比較的スロークラック割れに強いセンサ機能付タブレットＰＣを用いて傾倒試験を行った。傾倒試験は、砂をまいた机の上で、垂直に支持したセンサ機能付タブレットＰＣの支持をはずし、カバーガラスが倒れた際のスロークラック割れの発生の有無を目視で観察した。その結果、市販されているセンサ機能付タブレットＰＣ用のカバーガラスでは、スロークラック割れが発生しなかった。
先ず、現在、市販されているセンサ機能付タブレットＰＣのうち、比較的スロークラック割れに強いセンサ機能付タブレットＰＣを用いて傾倒試験を行った。傾倒試験は、砂をまいた机の上で、垂直に支持したセンサ機能付タブレットＰＣの支持をはずし、カバーガラスが倒れた際のスロークラック割れの発生の有無を目視で観察した。その結果、市販されているセンサ機能付タブレットＰＣ用のカバーガラスでは、スロークラック割れが発生しなかった。
続いて、そして、そのセンサ機能付タブレットＰＣに搭載されたカバーガラスと同じ硝材Ａで、同じ板厚及び同じ破壊靱性（ＫＩＣ）のガラスを、ほぼ同じ圧縮応力（σＣＳ）、圧縮応力層深さ（ＤＯＬ）となるように化学強化を行い、サンドペーパー落球試験を行った。このガラスを比較例１とし、硝材、板厚、圧縮応力（σＣＳ）、圧縮応力層深さ（ＤＯＬ）、引張応力（σＴＳ）、破壊靱性（ＫＩＣ）を、サンドペーパー落球試験における平均破壊高さとともに図１２に示した。
圧縮応力値（σＣＳ）及び圧縮応力層の深さ（ＤＯＬ）は、折原製作所製ガラス表面応力計（ＦＳＭ−６０００ＬＥ）を用いて測定した。また、引張応力（σＴＳ）は、化学強化ガラスの化学強化層に光を通すことで表面圧縮応力層の屈折率を計測し、ガラスの光弾性定数を用いて、理論式にて算出した。
硝材Ａは、以下の組成を有するものである。
ＳｉＯ２： ６６．７ｍｏｌ％
Ａｌ２Ｏ３： １０．８ｍｏｌ％
ＮａＯ： １３．２ｍｏｌ％
ＫＯ： ２．４ｍｏｌ％
ＭｇＯ： ６．２ｍｏｌ％
ＣａＯ： ０．６ｍｏｌ％
ＳｉＯ２： ６６．７ｍｏｌ％
Ａｌ２Ｏ３： １０．８ｍｏｌ％
ＮａＯ： １３．２ｍｏｌ％
ＫＯ： ２．４ｍｏｌ％
ＭｇＯ： ６．２ｍｏｌ％
ＣａＯ： ０．６ｍｏｌ％
サンドペーパー落球試験は、サイズ：５０ｍｍ×５０ｍｍに切断した化学強化ガラスを１５枚用意し、１５枚のガラスを順次花崗岩からなる基台上に配置し、Ｐ３０（ＪＩＳ Ｒ６２５２、２００６）のサンドペーパーの擦り面にガラスの上面を接触させた状態で、Φ０．７５インチ、４ｇのステンレス鋼からなる球体を上方から落下させ、破壊時の落球高さの単純平均を算出して平均破壊高さとした。その結果、比較例１のガラスでは、サンドペーパー落球試験における平均破壊高さは、１７ｃｍであった。このことから、サンドペーパー落球試験における平均破壊高さが１７ｃｍ以上であれば、現在市販されているセンサ機能付タブレットＰＣ用カバーガラスと同等の耐スロークラック割れ性能を有していると判断できる。
続いて、板厚を０．６ｍｍとした同じ組成のガラス（比較例２）を用いて、化学強化後、サンドペーパー落球試験を行ったところ、サンドペーパー落球試験における平均破壊高さは、１４ｃｍであった。従って、このガラス組成と化学強化条件では、板厚を０．６ｍｍとした場合、耐スロークラック割れ性能が不十分であり、薄型化するとスロークラック割れが発生する頻度が上がる可能性があることが分かった。
続いて、硝材Ｂのガラスを化学強化し、参考例１〜５、実施例６、参考例７〜１０及び比較例３のガラスをそれぞれ１５枚作成した。硝材、板厚、圧縮応力（σＣＳ）、圧縮応力層深さ（ＤＯＬ）、引張応力（σＴＳ）、破壊靱性（ＫＩＣ）を、サンドペーパー落球試験における平均破壊高さとともに図１２に示した。
硝材Ｂは、以下の組成を有するものである。
ＳｉＯ２： ７２．５ｍｏｌ％
Ａｌ２Ｏ３： ６．２ｍｏｌ％
ＮａＯ： １２．８ｍｏｌ％
ＭｇＯ： ８．５ｍｏｌ％
ＳｉＯ２： ７２．５ｍｏｌ％
Ａｌ２Ｏ３： ６．２ｍｏｌ％
ＮａＯ： １２．８ｍｏｌ％
ＭｇＯ： ８．５ｍｏｌ％
その結果、参考例１〜５、実施例６、参考例７〜１０では、いずれもサンドペーパー落球試験における平均破壊高さが１７ｃｍ以上となり、薄型化しても、現在市販されているセンサ機能付タブレットＰＣ用カバーガラスと同等以上の耐スロークラック割れ強さを有していることが分かった。これに対し、比較例３のガラスは、サンドペーパー落球試験における平均破壊高さが１６ｃｍであり、薄型化するとスロークラック割れが発生する頻度が上がる可能性があることが分かった。
スロークラック割れの特徴は、圧縮応力層の深さ（ＤＯＬ）を超えた傷を起点に、言い換えると引張応力層中に発生した傷を起点にゆっくり傷が進展することである。そこで、本発明者らは、耐スロークラック割れ性能を示すサンドペーパー落球試験における平均破壊高さと、引張応力層の引張応力（σＴＳ）とは、何らかの関係があるとの仮説を立てて鋭意検討する中で、引張応力層の引張応力（σＴＳ）と化学強化したガラスの破壊靱性（ＫＩＣ）とを用いて下記（Ｉ）式で表されるΔと、サンドペーパー落球試験における平均破壊高さとの間には、比例関係があることを見出した。
Δ＝９４．９×ＫＩＣ−σＴＳ （Ｉ）
Δ＝９４．９×ＫＩＣ−σＴＳ （Ｉ）
図１３は、参考例１〜５、実施例６、参考例７〜１０及び比較例１〜３における、サンドペーパー落球試験における平均破壊高さと（Ｉ）式で表されるΔとの関係を示したグラフである。縦軸がサンドペーパー落球試験における平均破壊高さであり、横軸が（Ｉ）式で表されるΔである。図１３によると、サンドペーパー落球試験における平均破壊高さが高くなると、（Ｉ）式で表されるΔも大きくなり、両者の間に比例関係が成立することが分かる。
また、図１２のグラフに戻って、サンドペーパー落球試験における平均破壊高さと（Ｉ）式で表されるΔとの値を見比べると、（Ｉ）式で表されるΔが−３ＭＰａ以上であれば、必ずサンドペーパー落球試験における平均破壊高さが１７ｃｍ以上であることが分かる。
従って、（Ｉ）式で表されるΔが−３ＭＰａ以上であれば、サンドペーパー落球試験における平均破壊高さが１７ｃｍ以上となり、現在市販されているセンサ機能付タブレットＰＣ用カバーガラスと同等の耐スロークラック割れ性能を有していると判断できる。
また、（Ｉ）式で表されるΔは、破壊靱性（ＫＩＣ）が大きい組成のガラスであれば大きくなるともに、引張応力層の引張応力（σＴＳ）が小さくなるように化学強化を行うことでも大きくなる。言い換えると、スロークラック割れの発生を抑制するには、単に破壊靱性（ＫＩＣ）が大きなガラスを化学強化するだけでは十分ではなく、引張応力層の引張応力（σＴＳ）を適切に小さくする必要があることが分かる。
（Ｉ）式で表されるΔは、その値が大きいほど、スロークラック割れが抑制できるので、その下限は、５ＭＰａ以上が好ましく、１５ＭＰａ以上がより好ましく、２５ＭＰａ以上がさらに好ましい。一方、その値が大きくなりすぎると、化学強化が十分でなくなり曲げ強度や落球強度が低下する恐れがあるので、上限は、６０ＭＰａ以下が好ましく、５０ＭＰａ以下がより好ましい。
以上説明したように、本実施形態のカバーガラスによれば、最表面の圧縮応力が５００ＭＰａ以上、且つ、深さが１５μｍ以上である圧縮応力層を有し、板厚が０．８ｍｍ未満であるので薄型化の要請を満足することができる。さらに、カバーガラスを花崗岩からなる基台上に配置し、Ｐ３０（ＪＩＳ Ｒ６２５２、２００６）のサンドペーパーの擦り面にカバーガラスの上面を接触させた状態で、Φ０．７５インチ、４ｇのステンレス鋼からなる球体を上方から落下させるサンドペーパー落球試験において、破壊時の平均落球高さが１７ｃｍ以上であるので、スロークラック割れを抑制することができる。
また、本実施形態のカバーガラスによれば、化学強化後のガラスの破壊靱性をＫＩＣ（単位：Ｐａ・ｍ１／２）、その引張応力をσＴＳ（単位：ＭＰａ）としたとき、（Ｉ）式から求められるΔが−３ＭＰａ以上であるので、薄型化、軽量化を図りつつ、スロークラック割れの発生を抑制することができる。
また、本実施形態のカバーガラスは、特に、サイズが１５０〜３５０ｍｍ×１００〜２５０ｍｍ、且つ、重量が１５０〜１０００ｇのタッチセンサ機能付タブレットＰＣに用いられることにより、タッチセンサ機能付タブレットＰＣ用カバーガラスに典型的に見られるスロークラック割れの発生を抑制することができ、より大きな効果を得ることができるが、これに限定されず、ＰＤＰ、ＬＣＤ、携帯電話、携帯情報端末、デスクトップＰＣ、ラップトップＰＣ等のフラットパネルディスプレイ装置に用いてもよい。
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。
本出願は、２０１１年１０月４日出願の日本特許出願２０１１−２２０４６６に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
２ カバーガラス
３ アスファルト・コンクリート
４ 小石
５ 砂
１０ 化学強化ガラス
１０ａ 上面
１１ 基台
１２ サンドペーパー
１２ａ 擦り面
１３ 球体
Ｏ 破壊起点
Ｃ クラック
３ アスファルト・コンクリート
４ 小石
５ 砂
１０ 化学強化ガラス
１０ａ 上面
１１ 基台
１２ サンドペーパー
１２ａ 擦り面
１３ 球体
Ｏ 破壊起点
Ｃ クラック
Claims (6)
- 最表面の圧縮応力が７００ＭＰａ以上、且つ、深さが３０μｍ以上である圧縮応力層を有し、板厚が０．８ｍｍ未満であるカバーガラスであって、
内部の引張応力が５０．３ＭＰａ以下であり、
前記カバーガラスを花崗岩からなる基台上に配置し、Ｐ３０（ＪＩＳ Ｒ６２５２、２００６）のサンドペーパーの擦り面に前記カバーガラスの上面を接触させた状態で、Φ０．７５インチ、４ｇのステンレス鋼からなる球体を上方から落下させるサンドペーパー落球試験において、破壊時の平均落球高さが１７ｃｍ以上であり、
モル％で表示した組成で、ＳｉＯ ２ を５０〜８０％、Ａｌ ２ Ｏ ３ を２〜２５％、Ｌｉ ２ Ｏを０〜１０％、Ｎａ ２ Ｏを０〜１８％、Ｋ ２ Ｏを０〜１０％、ＭｇＯを０〜１５％、ＣａＯを０〜５％およびＺｒＯ ２ を０〜５％含む、カバーガラス。 - 板厚が０．６ｍｍ以下である請求項１に記載のカバーガラス。
- サイズが１５０〜３５０ｍｍ×１００〜２５０ｍｍ、且つ、重量が１５０〜１０００ｇのタッチセンサ機能付タブレットＰＣに用いられる請求項１又は２に記載のカバーガラス。
- 最表面の圧縮応力が７００ＭＰａ以上、且つ、深さが３０μｍ以上である圧縮応力層を有し、板厚が０．８ｍｍ未満であるカバーガラスであって、
化学強化後のガラスの破壊靱性をＫＩＣ（単位：Ｐａ・ｍ１／２）、その引張応力をσＴＳ（単位：ＭＰａ）としたとき、σ ＴＳ が５０．３ＭＰａ以下であり、下記（Ｉ）式から求められるΔが−３ＭＰａ以上であり、
Δ＝９４．９×ＫＩＣ−σＴＳ （Ｉ）
モル％で表示した組成で、ＳｉＯ ２ を５０〜８０％、Ａｌ ２ Ｏ ３ を２〜２５％、Ｌｉ ２ Ｏを０〜１０％、Ｎａ ２ Ｏを０〜１８％、Ｋ ２ Ｏを０〜１０％、ＭｇＯを０〜１５％、ＣａＯを０〜５％およびＺｒＯ ２ を０〜５％含む、カバーガラス。 - 板厚が０．６ｍｍ以下である請求項４に記載のカバーガラス。
- サイズが１５０〜３５０ｍｍ×１００〜２５０ｍｍ、且つ、重量が１５０〜１０００ｇのタッチセンサ機能付タブレットＰＣに用いられる請求項４又は５に記載のカバーガラス。
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