JP7094946B2 - レーザ加熱によるガラス物品の組成変更およびその製造方法 - Google Patents

レーザ加熱によるガラス物品の組成変更およびその製造方法 Download PDF

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Description

関連出願の説明
本出願は、その内容が依拠され、ここに全て引用される、２０１６年９月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／４０１３６４号の米国法典第３５編第１１９条の下での優先権の恩恵を主張するものである。
本明細書は、広く、ガラス物品に関し、より詳しくは、ガラス物品のバルク部分と比べて、組成が変化した表面部分を１つ以上有するガラス物品、並びにそのようなガラス物品を製造する方法に関する。
ガラス物品は、フュージョンドロー法などのダウンドロー法を使用して、ガラスシートから得られることがある。ガラス物品は、延伸筐体でリボンから機械的に分離され、次に、様々な後続過程に施されることがある。ガラス物品がリボンから分離された後、ガラス物品の様々なエッジに施される仕上げ過程において、レーザ加工が使用されることがある。そのような分離および仕上げ過程中、ガラスシートのエッジは、特に弱く、割れやすいまたは砕けやすいことが分かった。
したがって、ガラス物品のエッジを仕上げるだけでなく、エッジを強化して割れたり砕けたりするのを防ぐ仕上げ過程が必要とされている。
いくつかの実施の形態において、ガラス物品の表面部分の組成を変更する方法は、ガラス物品の表面部分をレーザビームで約１１００℃から約２２００℃の範囲内の温度に加熱し、よって、その加熱により、その表面部分に存在する１種類以上の半金属および／または１種類以上のアルカリ金属が蒸発し、その表面部分が、レーザビームで加熱されていないガラス物品の部分と比べて、より低いアルカリ金属濃度および／またはより低い半金属濃度を有するように、表面部分の組成が変わる工程を有してなる。
いくつかの実施の形態において、ガラス物品は、バルク部分およびそのバルク部分を取り囲む表面部分を含む。その表面部分は、そのバルク部分と比べて、より低いアルカリ金属濃度および／またはより低い半金属濃度を有する。
いくつかの実施の形態において、光導波路装置はガラス物品を備え、そのガラス物品は、バルク部分およびそのバルク部分を取り囲む表面部分を有する。その表面部分は、そのバルク部分と比べて、より低いアルカリ金属濃度および／またはより低い半金属濃度を有する。その光導波路装置は、表面部分およびバルク部分の少なくとも一方の中に配置された光導波路をさらに備え、よって、その光導波路は、その中に光信号を伝播させるように機能する。
いくつかの実施の形態において、電子装置は、電子ディスプレイおよびガラスカバーを備える。そのガラスカバーは、電子ディスプレイ上に配置され、バルク部分およびそのバルク部分を取り囲む表面部分を含み、その表面部分は、そのバルク部分と比べて、より低いアルカリ金属濃度および／またはより低い半金属濃度を有する。
ここに記載された、レーザ加熱によるガラス物品の組成変更およびその製造方法の追加の特徴および利点が、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者に容易に明白となるか、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付図面を含む、ここに記載された実施の形態を実施することによって、認識されるであろう。
先の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方とも、様々な実施の形態を記載しており、請求項の主題の性質および特徴を理解するための概要または骨子を提供する目的であることが理解されよう。添付図面は、様々な実施の形態のさらなる理解を与えるために含まれ、本明細書に包含され、その一部を構成する。図面は、ここに記載された様々な実施の形態を示しており、説明と共に、請求項の主題の原理および作動を説明する働きをする。
ここに示され記載された１つ以上の実施の形態による、表面部分、バルク部分、エッジ部分およびエッジを有する例示のガラス物品の概略図 ここに示され記載された１つ以上の実施の形態による、ガラス物品の表面部分をレーザビームで加熱するために使用される例示の装置の概略図 ここに示され記載された１つ以上の実施の形態による、様々なレーザ出力密度および暴露時間でレーザビームを使用したときの、表面部分で得られる温度を示すグラフ ここに示され記載された１つ以上の実施の形態による、ガラス物品の仕上げ部分の上面図 ここに示され記載された１つ以上の実施の形態による、ガラス物品の仕上げ部分の上面図 ここに示され記載された１つ以上の実施の形態による、ガラス物品の仕上げ部分の上面図 ここに示され記載された１つ以上の実施の形態による、ガラス物品の仕上げ部分の断面図 ここに示され記載された１つ以上の実施の形態による、ガラス物品の仕上げ部分の断面図 ここに示され記載された１つ以上の実施の形態による、ガラス物品の仕上げ部分の断面図 ここに示され記載された１つ以上の実施の形態による、ガラス物品のレーザ加熱された表面部分内の深さの関数としてのホウ素の濃度を示すグラフ ここに示され記載された１つ以上の実施の形態による、ガラス物品のレーザ加熱された表面部分内の深さの関数としてのナトリウムの濃度を示すグラフ ここに示され記載された１つ以上の実施の形態による、ガラス物品の表面部分および／またはバルク部分内に配置された光導波路を示す図 ここに示され記載された１つ以上の実施の形態による、電子ディスプレイ、および電子ディスプレイ上に配置されたガラスカバーを有する電子装置を示す図
ここで、その例が添付図面に示されている、ガラス物品およびその製造方法の実施の形態を詳しく参照する。できるときはいつでも、同じまたは同様の部分を称するために、図面に亘り同じ参照番号が使用される。本開示によれば、バルク部分および表面部分を有するガラス物品が提供され、ここで、表面部分は、バルク部分と比べて、より低いアルカリ金属濃度および／またはより低い半金属濃度を有する。そのより低いアルカリ金属濃度および／または半金属濃度のために、表面部分は、バルク部分よりも、低い熱膨張係数を有し、イオン交換過程を受けやすく、それにより、エッジ部分の強度が増加する。そのアルカリ金属濃度および／または半金属濃度は、エッジ部分を約１１００℃から約２２００℃の範囲内の温度に加熱し、これにより、１種類以上のアルカリ金属および／または１種類以上の半金属が蒸発し、それによって、エッジ部分の組成特性が変わる。加熱されていないバルク部分の組成は、変わらないままである。
ここで図１を参照すると、例示のガラス物品１００が概略示されている。ガラス物品１００は、表面部分１１０およびバルク部分１３０を含む。表面部分１１０は、ガラス物品１００の主面１１２、１１４または副面１１５、１１６、１１７、１１８の一部分であることがある。１つの実施の形態において、表面部分１１０は、主面１１２、１１４または副面１１５、１１６、１１７、１１８の一部または点であることがある。ここに用いられているように、ガラス物品に関する「主面」は、「副面」よりも大きい面積を有する表面である。一例として、ガラスシートとして作られたガラス物品の副面１１５、１１６、１１７、１１８は、ガラスシートのエッジである。さらに、バルク部分１３０は、主面１１２、１１４と副面１１５、１１６、１１７、１１８との間にあるガラス物品１００の一部分であることがある。ガラス物品１００がレーザビーム１４０に暴露される一部分は処理部分１８０であり、レーザビーム１４０に暴露されないガラス物品１００の一部分は非処理部分１８２である。図１は、ガラス物品１００を長方形の形状と示しているが、ガラス物品１００はどの形状にあってもよい。実施の形態において、ガラス物品１００は、正方形、円形、多角形、楕円形などの形状にあることがある。
ガラス物品１００は、強化または非強化ガラスから製造されることがある。実施の形態において、ガラス物品１００は、イオン交換過程により化学強化されている。非限定例として、ガラス物品１００は、ホウケイ酸ガラス、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス、アルミノホウケイ酸塩ガラス、アルカリアルミノホウケイ酸塩ガラスなどであることがある。例示の実施の形態において、ガラス物品１００は、少なくとも５モル％または少なくとも１０モル％のＲ２ＯおよびＢ２Ｏ３を有するケイ酸塩ガラスであり、式中、Ｒ２Ｏは、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｒｂ２ＯおよびＣｓ２Ｏの１つ以上であってよい。他の非限定例において、ガラス物品１００は、少なくとも５モル％または少なくとも１０モル％のＲ２Ｏ、Ｂ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｐ２Ｏ５、およびＩｎ２Ｏ３を含むケイ酸塩ガラスであり、式中、Ｒ２Ｏは、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｒｂ２ＯおよびＣｓ２Ｏの１つ以上であってよい。例示の実施の形態において、ガラス物品１００は、ガラスセラミックなどのガラス系基板から作られてもよい。「ガラスセラミック」は、ガラスの制御された結晶化により製造される材料を含む。実施の形態において、ガラスセラミックは、約３０％から約９０％の結晶化度を有する。使用してよいガラスセラミック系の非限定例としては、Ｌｉ２Ｏ×Ａｌ２Ｏ３×ｎＳｉＯ２（すなわち、ＬＡＳ系）、ＭｇＯ×Ａｌ２Ｏ３×ｎＳｉＯ２（すなわち、ＭＡＳ系）、およびＺｎＯ×Ａｌ２Ｏ３×ｎＳｉＯ２（すなわち、ＺＡＳ系）が挙げられる。
下記により詳しく記載するように、ガラス物品１００は表面部分１１０で熱に暴露されて、加熱領域においてガラス物品１００の組成が変わる。実施の形態において、ガラス物品１００は、レーザビーム１４０を使用して、約１１００℃から約２２００℃の範囲内の温度に加熱されることがある。ガラス物品１００の表面部分１１０にレーザビーム１４０が印加されると、表面部分１１０中に存在する１種類以上のアルカリ金属および１種類以上の半金属が蒸発し、それによって、レーザビームで加熱されていないガラス物品の部分と比べて、表面部分１１０でガラス物品１００の組成が局所的に変わる。したがって、実施の形態において、ガラス物品１００の非加熱部分（例えば、バルク部分１３０）と比べて、アルカリ金属濃度および／または半金属濃度を減少させることによって、高温により表面部分１１０が変わる。変更された表面部分１１０は、バルク部分１３０と比べて、変化した（より高いまたはより低い）屈折率を有する。それに加え、変更された表面部分１１０は、バルク部分１３０よりも低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。ＣＴＥの差のために、ガラス物品１００が、表面部分１１０をレーザビーム１４０で加熱した後に冷めるときに、アルカリ金属濃度がより低い表面部分１１０は、バルク部分１３０よりも少なく収縮し、それによって、ガラス物品１００の表面が圧縮下に置かれる。
ガラス物品１００の表面部分１１０の組成を変更する例示の方法を記載する。この方法は、ガラス物品１００を約５０℃から約９００℃の範囲内の温度に予熱する工程を含む。実施の形態において、ガラス物品１００は、レーザビーム１４０に暴露される前に予熱される。予熱工程の温度は、ガラス物品１００の表面部分１１０がガラス物品１００の徐冷点に近くなるようなものである。ガラス物品１００の徐冷点は、ガラス物品１００の厚さおよび組成に依存することが理解されよう。
前記方法は、ガラス物品１００の表面部分１１０をレーザビーム１４０で約１１００℃から約２２００℃の範囲内の温度に加熱する工程をさらに含む。例示の実施の形態において、ガラス物品１００は、約１２００℃から約２２００℃、または約１３００℃から約１８００℃、または約１４００℃から約１７００℃の範囲内の温度に加熱されることがある。実施の形態において、レーザビーム１４０は、ガラス物品１００の所望の表面部分１１０を局所的に加熱するように設定される。表面部分１１０をレーザビーム１４０で局所的に加熱すると、レーザビーム１４０に暴露されている表面部分１１０の位置のレーザビーム１４０の精密制御が可能になる。実施の形態において、レーザビーム１４０は、静止したガラス物品１００の表面部分１１０上を所定の走査周波数で高速走査されることがある。ここに用いられているように、「所定の走査周波数」は、レーザビーム１４０が、一定時間で、開始位置から終了位置まで、そして開始位置に戻るように走査される回数である。非限定例として、所定の走査周波数は、約１０ｋＨｚ～１００Ｈｚに及ぶ。いくつかの実施の形態において、ガラス物品１００の表面部分１１０は、レーザビーム１４０が静止したままであるように、レーザビーム１４０に対して高速走査されることがある。したがって、レーザビーム１４０とガラス物品１００との間の相対運動を有する他の公知の実施の形態を使用してもよい。
図２を参照すると、表面部分１１０をレーザビーム１４０で加熱する例示の方法が示されている。実施の形態において、表面部分１１０はエッジ部分１２０（図１に示されるような）であることがある。図示された実施の形態において、ガラス物品１００の副面１１６でのエッジ部分１２０が、レーザビーム１４０により加熱される。エッジ部分１２０は、副面１１５、１１６、１１７、１１８のいずれの一部であってもよい。非限定例として、エッジ部分１２０は、ガラス物品１００の第１のエッジ１２２（および／または第２のエッジ１２４、および／または第３のエッジ１２６および／または第４のエッジ１２８）からバルク部分１３０に向かって所定の深さまで延在する。実施の形態において、エッジ部分１２０は、ガラス物品１００のエッジ１２２からバルク部分１３０に向かって、１μｍまで、または１０μｍまで、または１５μｍまで延在することがある。
図２に示された例において、レーザビーム１４０は、回転多角形鏡２１０およびレンズ２２０を使用して、ガラス物品１００のエッジ部分１２０に向けられ、走査される。レーザビーム１４０は、最初に回転多角形鏡２１０に向けられ、この回転多角形鏡がレーザビーム１４０を、レンズ２２０に通して２つのビーム１４２および１４４に方向付ける。レンズ２２０は、レーザビーム１４２、１４４をレンズ２２０に通して集束させることによって、ガラス物品１００をレーザビーム１４０で局所的に加熱するのを支援する。
非限定例として、レーザビーム１４０は、炭酸ガスレーザ、一酸化炭素レーザ、エキシマレーザ、または他の周知の工業用レーザにより放射される。さらに、レーザビーム１４０を発生させるために、様々な気体レーザまたは固体レーザも使用してよい。いくつかの実施の形態において、レーザビーム１４０は、パルス状レーザビームまたは連続レーザビームであってよい。さらに、約１１００℃から約２２００℃の範囲内の温度に表面を加熱することのできるレーザを使用してもよい。レーザビーム１４０の波長は、特に限定されない。非限定例として、レーザビーム１４０は、約１μｍから１００μｍ、または５μｍから１５μｍの範囲内の波長を有することがある。それに加え、周知のまたはまだ開発されていないレーザも使用してよい。
レーザビーム１４０に暴露される表面部分１１０でのガラス物品１００の温度は、レーザビーム１４０の走査周波数および波長に加え、レーザビーム１４０の様々な性質によって制御されることがある。いくつかの非限定的な例示の性質に、ガラス物品１００の表面部分１１０へのレーザビーム１４０の暴露時間およびレーザ出力密度がある。非限定例において、レーザビーム１４０のレーザ出力密度は、約１Ｗ／ｍｍ２から約１０Ｗ／ｍｍ２の範囲内にある。いくつかの実施の形態において、レーザビーム１４０のレーザ出力密度は、約２Ｗ／ｍｍ２から約５Ｗ／ｍｍ２の範囲内にある。レーザビーム１４０の暴露時間に関して、その時間は、約０．１秒から約１００秒の範囲内にあることがある。いくつかの実施の形態において、レーザビーム１４０の暴露時間は、約２秒から約４秒の範囲内にあることがある。暴露時間は、１種類以上のアルカリ金属または１種類以上の半金属を所望の濃度レベルまで蒸発させるのに十分に長いべきである。
図２において、レーザビーム１４０をレンズ２２０に通して、ガラス物品１００に向けて誘導するために、回転多角形鏡２１０が使用される。回転多角形鏡２１０は、レーザビーム１４０をそれ自体に入射させ、レンズ２２０に向けるように配置される。実施の形態において、回転多角形鏡２１０は、時計回り方向または反時計回り方向に回転し、その回転は、周期的または連続的であって差し支えない。回転鏡２１０の回転のために、レーザビーム１４０は、第２のエッジ１２４の異なるエッジ部分１２０でガラス物品１００に入射するように誘導されることがある。図２において、回転多角形鏡２１０は、８面を有するのが示されているが、他の実施の形態は、いくつの適切な数の面、例えば、４から１６の面を有してもよい。いくつかの実施の形態において、レーザビーム１４０の走査周波数は、回転多角形鏡２１０の回転に依存することがある。実施の形態において、レーザビーム１４０の走査周波数は、走査間の時間が、ガラスの熱拡散時間と比べて短いようなものであることがある。非限定例として、レーザビーム１４０は、約１０ｋＨｚ～１００Ｈｚの範囲内にある走査周波数を有することがある。実施の形態において、ガラス物品１００の表面部分１１０に向けてレーザビーム１４０を誘導するために、現在公知のまたはまだ開発されていない他の走査装置も使用してよい。
ガラス物品１００は、例えば、副面１１６の選択された部分のみでレーザビーム１４０に暴露されることがある。レーザビーム１４０は、レンズ２２０を使用して、その副面上の選択された部分に向けられる。実施の形態において、レンズ２２０は三日月形である。ガラス物品１００は、レーザビーム１４０がガラス物品１００のエッジ部分１２０でガラス物品１００に入射するように位置付けられている。図２は、副面１１６に入射しているレーザビーム１４０を示しているが、ガラス物品１００は、レーザビーム１４０が主面１１２、１１４の表面部分１１０に入射するように位置付けられてもよい。図２に示されるように、三日月形レンズ２２０は、レーザビーム１４０の焦点が、たとえどのようなレンズ２２０上のレーザビーム１４０の入射角であろうとも、ガラス物品１００のエッジ１２４にあるように作られている。いくつかの実施の形態において、レンズ２２０はｆθレンズである。
ここで図３を参照すると、異なるレーザビーム特性に関する、ガラス物品１００の表面部分１１０での異なるガラス温度を示すグラフが示されている。図示された例において、そのガラス物品はアルカリホウケイ酸塩ガラスから製造された。詳しくは、酸化物のモル％に基づく以下の組成を有するアルカリホウケイ酸塩ガラスを使用した：６４．５％のＳｉＯ２、７％のＢ２Ｏ３、１３．９％のＡｌ２Ｏ３、１４％のＮａ２Ｏ、０．５％のＫ２Ｏ、０．０３％のＦｅ２Ｏ３、０．０４％のＳｎＯ２、および０．００４％のＴｉＯ２。表面部分１１０の温度は、ある期間に亘り、６００℃から約２２００℃の範囲にあった。異なるレーザビーム特性のレーザビーム１４０をガラス物品１００の表面部分１１０に印加した。曲線３０１、３０２および３０３に示されたレーザビーム１４０の各々に、４つの副面を有するガラス物品１００を暴露した。レーザビーム１４０の波長は１０．６μｍであった。このレーザを、１０００回／秒の速度でガラス物品１００の副面に沿って走査した。さらに、ガラス物品１００の厚さは約０．６ｍｍであった。
曲線３０１では、印加したレーザ出力密度は２．６Ｗ／ｍｍ２であり、暴露時間は２秒であった。曲線３０２では、印加したレーザ出力密度は２．６Ｗ／ｍｍ２であり、暴露時間は３．５秒であった。曲線３０３では、印加したレーザ出力密度は４Ｗ／ｍｍ２であり、暴露時間は２秒であった。曲線３０１では、表面部分１１０で得られた最高温度は約１４００℃と約１５００℃との間であることが観察された。曲線３０２では、表面部分１１０で得られた最高温度は約１６００℃と約１７００℃との間であった。さらに、曲線３０３では、表面部分１１０で得られた最高温度は約２０００℃であった。ガラス物品１００の表面部分１１０の温度は、温度カメラを使用して表面部分１１０で測定した。この温度カメラは、物体が放射する黒体放射を測定することによって、その物体の温度を測定する装置である。
例えば、曲線３０１では、レーザビーム１４０は熱くなるのに約１秒かかり、ガラス物品１００の１つの副面（例えば、副面１１６）を２秒の暴露時間に亘り加熱し、次いで、そのガラス物品を回転させ、次の副面（例えば、副面１１８）を２秒間加熱した。この過程を、ガラス物品１００の他の２つの副面（１１５、１１７）について、繰り返した。４つのピーク（すなわち、曲線３０１のレーザビーム１４０の温度が１４００℃超に達したとき）の各々は、ガラス物品１００の各副面での温度が１４００℃を超えていることを示す。したがって、少なくとも、レーザ出力密度および暴露時間などの特性に応じて、表面部分１１０での温度は制御された。
図３に関して論じたような様々なレーザ出力密度および暴露時間でレーザビーム１４０により表面部分１１０を加熱することによって、表面部分１１０で高温（すなわち、約１１００℃から約２０００℃の範囲内の）が得られた。そのような温度では、表面部分１１０でのガラスが、軟化し、完成部分１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃが形成されるような表面張力下で流動することが観察された。非限定例として、完成部分１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃの厚さは、約０．１～１０μｍの範囲内にあることがある。完成部分１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃの例が、図４Ａ～Ｃに示されている。詳しくは、図４Ａ～Ｃは、ガラス物品１００にレーザビーム１４０を印加した後の、ガラス物品１００の１つの副面（例えば、１１５、１１６、１１７、または１１８）の上面を示している。レーザビーム１４０の印加後、図４Ａ～Ｃに示されたような完成部分１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃを水平に（すなわち、ｘ軸に沿って）切断して、完成部分１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃの水平断面１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃを得た。すなわち、図５Ａ～Ｃに示されたガラス物品１００の端部は、それぞれ、図４Ａ～Ｃに示された副面の中心に対応する。
ここに用いられているように、「完成部分」は、所定の時間に亘りレーザビーム１４０に暴露された表面部分１１０である。例えば、図３の曲線３０１により示されたような表面部分１１０へのレーザビーム１４０の暴露により、図４Ａに示された完成部分１５０Ａが得られた。完成部分の断面１６０Ａが、図５Ａに示されている。さらに、図３の曲線３０２により示されたような表面部分１１０へのレーザビーム１４０の暴露により、図４Ｂに示された完成部分１５０Ｂ、および図５Ｂに示された完成部分の断面１６０Ｂが得られた。同様に、図３の曲線３０３により示された表面部分１１０へのレーザビーム１４０の暴露により、図４Ｃに示された完成部分１５０Ｃ、および図５Ｃに示された完成部分の断面１６０Ｃが得られた。図４Ａ～Ｃおよび図５Ａ～Ｃから分かるように、レーザ出力密度および暴露時間が増加するにつれて、表面部分１１０での気泡および膨れの増加により、完成部分１５０の品質が劣化した。例えば、完成部分１５０Ａ～Ｃ内の気泡の量は、レーザ出力密度および／または暴露時間の増加と共に、漸増する。さらに、図５Ａ～Ｃからも明らかなように、完成部分１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃの水平断面１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃでの膨れも、レーザ出力密度および／または暴露時間により変化する。したがって、完成部分１５０Ａ～Ｃにおける水平断面１６０Ａ～Ｃでの気泡の量および／または膨れの量は、レーザビーム１４０のレーザ出力密度および／または暴露時間を調節することによって、制御されるであろう。
レーザビーム１４０によるガラス物品１００の表面部分１１０の加熱により、表面部分１１０に存在する１種類以上の半金属および／または１種類以上のアルカリ金属が蒸発する。実施の形態において、その１種類以上のアルカリ金属および／または１種類以上の半金属は、酸化物またはアルカリホウ酸塩の形態で蒸発する。ここに用いられているように、１種類以上のアルカリ金属および／または１種類以上の半金属の蒸発に関して「蒸発する」という用語は、ガラス物品１００中に存在する１種類以上のアルカリ金属または１種類以上の半金属の気体状態への転化である。ガラス物品１００の組成に応じて、その１種類以上のアルカリ金属は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、またはセシウムであってよい。さらに、実施の形態において、その１種類以上の半金属は、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、またはテルルであってよい。さらに、例示の実施の形態において、その１種類以上のアルカリ金属およびその１種類以上の半金属は、遊離元素として、もしくはアルカリ金属化合物または半金属化合物として、蒸発させられることがある。１種類以上のアルカリ金属および１種類以上の半金属に加え、例示の実施の形態において、亜鉛、およびインジウムなどの金属、並びにリンなどの非金属も、レーザビーム１４０により蒸発させられることがある。いくつかの実施の形態において、亜鉛、インジウム、およびリンは、遊離状態、もしくは、それぞれ、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、およびＰ２Ｏ５などの化合物の形態で蒸発させられることがある。
レーザビーム１４０によるガラス物品１００の表面部分１１０の加熱により、その表面部分１１０が、レーザビーム１４０により加熱されていないガラスの部分と比べて、より低いアルカリ金属濃度および／またはより低い半金属濃度を有するように、表面部分１１０の組成が変わる。非限定例として、表面部分１１０でのアルカリ金属濃度または半金属濃度は、ガラス物品１００のバルク部分１３０でのアルカリ金属濃度または半金属濃度よりも、５０％から９９．９％の範囲で低いことがある。別の非限定例として、表面部分１１０でのアルカリ金属濃度または半金属濃度は、ガラス物品１００のバルク部分１３０でのアルカリ金属濃度または半金属濃度よりも、約８０％低いことがある。別の非限定例として、表面部分１１０でのアルカリ金属濃度または半金属濃度は、ガラス物品１００のバルク部分１３０でのアルカリ金属濃度または半金属濃度よりも、約９５％低いことがある。
ガラス物品１００の表面部分１１０の組成の例示の変更が、図６および７に見られるであろう。図６を参照すると、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）を使用して行ったレーザ加熱された表面部分１１０の分析が示されている。図示された例において、使用したガラス物品１００は、酸化物のモル％に基づく以下の組成を有するアルカリホウケイ酸塩ガラスであった：６４．５％のＳｉＯ２、７％のＢ２Ｏ３、１３．９％のＡｌ２Ｏ３、１４％のＮａ２Ｏ、０．５％のＫ２Ｏ、０．０３％のＦｅ２Ｏ３、０．０４％のＳｎＯ２、および０．００４％のＴｉＯ２。図６に示されたグラフのｙ軸は、ガラス物品１００がレーザビーム１４０に暴露されたときの、ガラス物品１００中に存在する半金属であるホウ素の濃度を示す。ｘ軸は、マイクロメートルで表されたガラス物品１００の深さを表し、ここで、エッジ（例えば、エッジ１２２）は、０μｍの深さを有し、図示された例におけるガラス物品１００は、少なくとも７μｍの深さを有することが示されている。様々なレーザ出力密度および暴露時間のレーザビームをガラス物品１００の表面部分１１０に印加した。曲線６０１では、印加したレーザ出力密度は２．６Ｗ／ｍｍ２であり、暴露時間は２秒であった。曲線６０２では、印加したレーザ出力密度は２．６Ｗ／ｍｍ２であり、暴露時間は３．５秒であった。曲線６０３では、印加したレーザ出力密度は４Ｗ／ｍｍ２であり、暴露時間は２秒であった。曲線６０４は、対照、すなわち、レーザビーム１４０を印加する前のガラス物品１００内のホウ素の濃度を表す。曲線６０１、６０２および６０３に示されたレーザビームの波長は、１０．６μｍであった。レーザビーム１４０を１０００回／秒の速度でガラス物品１００の副面に沿って走査した。さらに、ガラス物品１００の厚さは約０．６ｍｍであった。レーザビーム１４０をガラス物品１００の表面部分１１０に印加した後、ホウ素の濃度は、深さが０μｍであるエッジ１２２で、ほぼ０モル％であることが分かった。ホウ素濃度をガラス物品１００のエッジ１２２からバルク部分１３０に向かって測定するにつれて、ホウ素濃度は増加した。したがって、ガラス物品１００の表面部分１１０にレーザビーム１４０を印加すると、ホウ素が蒸発することによって、ガラス物品１００の組成が変わり、それによって、表面部分１１０内のホウ素の存在が減少することが観察された。さらに、その変更は、バルク部分内とは対称的に、ガラス物品１００の表面部分１１０でしか起こらなかった。深さが、例えば、７μｍであるバルク部分１３０でのホウ素の濃度（例えば、曲線６０１、６０２について）は、レーザビーム１４０を印加する前のガラス物品１００のホウ素濃度（すなわち、曲線６０４）と同じであることが観察された。
限定ではなく、一例として、完成部分１５０でより低い半金属濃度を有するガラス物品１００は、光の光信号を伝播させるための光導波路として使用できるので、半金属濃度の低下が望ましいであろう。ケイ酸塩ガラス中にホウ素などの１種類以上の半金属が存在すると、ケイ酸塩ガラスの屈折率が低下することが分かった。したがって、レーザビーム１４０を使用して、表面部分１１０の半金属濃度を低下させると、ガラス物品１００のバルク部分１３０よりも高い屈折率を有する完成部分１５０が得られるであろう。いくつかの実施の形態において、ガラス物品１００は、アルカリ金属濃度を低下させた後も、光導波路としても使用されるであろう。この場合、アルカリ金属の蒸発により、ガラス物品１００のバルク部分１３０と比べて、完成部分１５０の屈折率が低下する。例示の実施の形態において、屈折率の変化は、ガラス物品１００の屈折率を測定することができる、Ｍｅｔｒｉｃｏｎなどの市販の機器で測定できる。ガラス物品１００のバルク部分１３０と比べた完成部分１５０での屈折率の変化（増加または減少）を使用して、光導波路を形成することができる。そのような光導波路は、ガラス物品１００を通じて、光および信号を伝送させるために使用することができる。
その上、より低い半金属濃度を有するガラスは、ガラスの化学強化のためのイオン交換過程をより受けやすいので、半金属濃度の低下も望ましいであろう。イオン交換強化は、アルカリイオンを含有する溶融塩浴中にガラスを浸漬して、ガラスの表面に圧縮応力が形成されるように、ガラス中のより小さいアルカリイオン（ナトリウムイオンなど）による溶融塩浴中のより大きいアルカリイオン（カリウムイオンなど）の交換を促進することによって、行うことができる。ガラス中にホウ素が存在すると、イオン交換過程が遅くなり、ガラスに達成できる圧縮応力が低下することが分かった。ガラス物品の表面部分１１０からホウ素を蒸発させることによって、完成部分１５０は、より速く、より大きい圧縮応力値にイオン交換を行い、それによって、最も損傷を受けやすい表面部分１１０がより保護されるであろう。
さらに図６を参照すると、表面部分１１０からのホウ素のなどの１種類以上の半金属の濃度を低下させることは、ガラス物品１００の熱膨張係数にも影響する。表面部分１１０がレーザビーム１４０で加熱されたときに、表面部分１１０の半金属濃度は減少し、それによって、ガラス物品１００の表面部分１１０での熱膨張係数が増加する。非限定的な例示の実施の形態において、このガラス物品１００を徐冷して、ガラス物品１００が冷えるときに、完成部分１５０が張力下に置かれるように、レーザビーム１４０により誘起された応力を除去してもよい。実施の形態において、表面部分１１０に残留圧縮応力を与えるであろう代わりの組成を使用してもよい。
ここで図７を参照すると、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）を使用したレーザ加熱された表面部分１１０の分析が示されている。図示された例において、使用したガラス物品１００は、酸化物のモル％に基づく以下の組成を有するアルカリホウケイ酸塩ガラスであった：６４．５％のＳｉＯ２、７％のＢ２Ｏ３、１３．９％のＡｌ２Ｏ３、１４％のＮａ２Ｏ、０．５％のＫ２Ｏ、０．０３％のＦｅ２Ｏ３、０．０４％のＳｎＯ２、および０．００４％のＴｉＯ２。図７に示されたグラフのｙ軸は、ガラス物品１００が、様々なレーザ出力密度および暴露時間を使用してレーザビーム１４０に暴露された後の、ガラス物品１００中に存在するアルカリ金属であるナトリウムの濃度を示す。ｘ軸は、マイクロメートルで表されたガラス物品１００の深さを表し、ここで、エッジ（例えば、エッジ１２２）は、０μｍの深さを有し、図示された例におけるガラス物品１００は、少なくとも７μｍの深さを有した。様々なレーザ出力密度および暴露時間のレーザビームをガラス物品１００の表面部分１１０に印加した。曲線７０１では、印加したレーザ出力密度は２．６Ｗ／ｍｍ２であり、暴露時間は２秒であった。曲線７０２では、印加したレーザ出力密度は２．６Ｗ／ｍｍ２であり、暴露時間は３．５秒であった。曲線７０３では、印加したレーザ出力密度は４Ｗ／ｍｍ２であり、暴露時間は２秒であった。曲線７０４は、対照、すなわち、レーザビーム１４０を印加する前のガラス物品１００内のナトリウムの濃度を表す。曲線７０１、７０２および７０３に示されたレーザビームの波長は、１０．６μｍであった。レーザビーム１４０を１０００回／秒の速度でガラス物品１００の副面に沿って走査した。さらに、ガラス物品１００の厚さは約０．６ｍｍであった。レーザビーム１４０をガラス物品１００の表面部分１１０に印加した後、ナトリウムの濃度は、１４モル％から、深さが０μｍであるエッジ１２２での約１２モル％に減少したことが分かった。ナトリウム濃度をガラス物品１００のエッジ１２２、１２４、１２６、１２８からバルク部分１３０に向かって測定するにつれて（すなわち、深さが増加するにつれて）、ナトリウム濃度は漸増した。したがって、ガラス物品１００の表面部分１１０にレーザビーム１４０を印加すると、ナトリウムが蒸発することによって、ガラス物品１００の組成が変わり、それによって、表面部分１１０内のナトリウムの存在が減少することが観察された。さらに、バルク部分１３０でのナトリウムの濃度は、レーザビーム１４０を印加する前のガラス物品１００のナトリウムの濃度（すなわち、曲線７０４）と同じであることが観察されたので、その変更は、ガラス物品１００の表面部分１１０でしか起こらなかった。
表面部分１１０からナトリウムなどの１種類以上のアルカリ金属の濃度を低下させることは、バルク部分１３０と比べて、表面部分１１０での屈折率を低下させるので、望ましいであろう。それに加え、表面部分１１０からナトリウムなどの１種類以上のアルカリ金属を低下させることは、ガラス物品１００の熱膨張係数も低下させるので、望ましいであろう。いくつかの実施の形態において、エッジ部分１２０の熱膨張係数は、少なくとも０．１ｐｐｍ／℃だけ、ガラス物品のバルク部分１３０の熱膨張係数より低い。例示の実施の形態において、ＣＴＥの変化は、ＣＴＥの変化により生じる複屈折を測定することによって測定することができる。複屈折は、偏光を使用することによって、光学的に測定され、Ｍｅｔｒｉｃｏｎなどの市販の機器を使用して測定することができる。さらに、ガラス物品１００が、レーザビーム１４０によって加熱された後に冷えるについて、バルク部分１３０と比べて減少したアルカリ金属濃度を有する完成部分１５０は、バルク部分１３０よりも少なく収縮し、圧縮下に置かれるであろう。表面部分におけるこの圧縮により、ガラス物品１００の強度が増し、それによって、表面部分１１０での割れ目または引っ掻き傷が成長するのが防がれる。
したがって、図６および７から明らかなように、表面部分１１０は、レーザビーム１４０によって加熱されていないガラスの部分と比べて、より低いアルカリ金属濃度および／またはより低い半金属濃度を有する。それに加え、実施の形態において、レーザビーム１４０によって加熱されたエッジ部分１２０は、バルク部分１３０と比べて、より低いアルカリ金属濃度および／またはより低い半金属濃度を有することがある。これらの実施の形態において、アルカリ金属濃度または半金属濃度は、エッジ部分１２０をレーザビーム１４０で約１１００℃から約２２００℃の範囲内の温度に加熱して、エッジ部分１２０を組成的に変更することによって、エッジ部分１２０で減少している。さらに、非限定的な例示の実施の形態において、レーザビーム１４０に暴露されたガラス物品の部分である処理部分１８０は、非処理部分１８２と比べて、より低いアルカリ金属濃度および／またはより低い半金属濃度を有し、ここで、非処理部分１８２および処理部分１８０は互いに隣接している。
バルク部分１３０と比べての、ガラス物品１００の表面部分１１０の組成変更のために、これらのガラス物品１００は、光導波路、光コネクタ、光リンク、電子機器の保護カバー、タッチスクリーンセンサなどの様々な装置に使用されることがある。例えば、図８は、光導波路を備えたガラス物品１００の使用を示しており、図９は、電子ディスプレイ用のガラスカバーとして使用されたガラス物品１００を示している。
ここで図８を参照すると、ガラス物品８００内に光導波路８０２が配置されたガラス物品８００が示されている。ガラス物品８００は、バルク部分１３０およびバルク部分１３０を取り囲む表面部分１１０を備え、表面部分１１０は、バルク部分１３０と比べて、より低いアルカリ金属濃度および／またはより低い半金属濃度を有する。表面部分１１０は、レーザビーム１４０により、約１１００℃から約２２００℃の範囲内の温度に加熱されて、表面部分１１０がより低いアルカリ金属濃度および／またはより低い半金属濃度を有するように、表面部分１１０に存在する１種類以上の半金属および／または１種類以上のアルカリ金属を蒸発させる。さらに、光導波路８０２は、光導波路８０２がその中に光信号を伝播させる働きをするように、表面部分１１０およびバルク部分１３０の少なくとも一方の中に配置されている。
ここで図９を参照すると、電子機器９００が示されており、この電子機器９００は、筐体９０２と電子ディスプレイ９０４、プロセッサ（図示せず）およびメモリ（図示せず）を有する。電子ディスプレイ９０４は、表面部分１１０とバルク部分１３０を含むガラスカバー９０６を備え、表面部分１１０は、バルク部分１３０と比べて、より低いアルカリ金属濃度および／またはより低い半金属濃度を有する。ガラスカバー９０６の表面部分１１０は、レーザビーム１４０により、約１１００℃から約２２００℃の範囲内の温度に加熱されて、表面部分１１０がより低いアルカリ金属濃度および／またはより低い半金属濃度を有するように、表面部分１１０に存在する１種類以上の半金属および／または１種類以上のアルカリ金属を蒸発させる。例示の実施の形態において、ガラスカバー９０６は、電子機器９００のためのタッチスクリーンディスプレイとしても使用されることがある。
さて、ここに記載された実施の形態はガラス物品に関し、ガラス物品の表面部分の組成を変更する方法が論じられていることが理解されよう。そのガラス物品の表面部分はレーザビームによって約１１００℃から約２２００℃の範囲内の温度に加熱されて、その表面部分に存在する１種類以上の半金属および／または１種類以上のアルカリ金属を蒸発させる。これにより、その表面部分が、レーザビームによって加熱されていないガラス物品の部分と比べて、より低いアルカリ金属濃度および／またはより低い半金属濃度を有するように、その表面部分の組成が変わる。変更された表面部分または完成部分は、レーザビームによって加熱されていないガラス物品の部分よりも低い熱膨張係数および変化した屈折率を有する。そのようなガラスまたはガラス系物品は、光または信号の伝送のための光導波路として、光学アセンブリ、光コネクタ、光リンク、電子機器のガラスカバー、タッチスクリーンセンサなどとして使用されることがある。
請求項の主題の精神および範囲から逸脱せずに、ここに記載された実施の形態に様々な改変および変更を行えることが当業者に明白であろう。それゆえ、明細書は、ここに記載された様々な実施の形態の改変および変更を、そのような改変および変更が、付随の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内に入るという条件で、包含することが意図されている。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態１
ガラス物品の表面部分の組成を変更する方法において、該ガラス物品の該表面部分をレーザビームで約１１００℃から約２２００℃の範囲内の温度に加熱し、よって、その加熱により、該表面部分に存在する１種類以上の半金属および／または１種類以上のアルカリ金属が蒸発し、該表面部分が、前記レーザビームで加熱されていない該ガラス物品の部分と比べて、より低いアルカリ金属濃度および／またはより低い半金属濃度を有するように、該表面部分の組成が変わる工程を有してなる方法。
実施形態２
前記ガラス物品の表面部分を前記レーザビームで加熱する前に、該ガラス物品を約５０℃から約９００℃の範囲内の温度に予熱する工程をさらに含む、実施形態１に記載の方法。
実施形態３
前記ガラス物品の表面部分を前記レーザビームで加熱する工程が、回転多角形鏡を使用して、該ガラス物品の表面部分に沿って該レーザビームを走査させる工程を含む、実施形態１または２に記載の方法。
実施形態４
前記レーザビームが、約１０ｋＨｚから約１００Ｈｚの範囲内の走査周波数を有する、実施形態１から３いずれか１つに記載の方法。
実施形態５
前記レーザビームが、ｆθレンズを使用して、前記ガラス物品の表面部分に集束される、実施形態１から４いずれか１つに記載の方法。
実施形態６
前記レーザビームが炭酸ガスレーザビームである、実施形態１から５いずれか１つに記載の方法。
実施形態７
前記レーザビームが、約５μｍから１５μｍの範囲内の波長を有する、実施形態１から６いずれか１つに記載の方法。
実施形態８
前記ガラス物品の表面部分がエッジ部分であり、よって、該エッジ部分が、該ガラス物品のエッジから、該ガラス物品のバルク部分に向かって所定の深さまで延在する、実施形態１から７いずれか１つに記載の方法。
実施形態９
前記エッジ部分が前記ガラス物品のエッジから１０μｍ以下に亘り延在する、実施形態８に記載の方法。
実施形態１０
前記１種類以上のアルカリ金属が、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、およびセシウムの１つ以上であり、前記１種類以上の半金属が、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、およびテルルの１つ以上である、実施形態１から９いずれか１つに記載の方法。
実施形態１１
前記レーザビームのレーザ出力密度が、約１Ｗ／ｍｍ２から約１０Ｗ／ｍｍ２の範囲内にある、実施形態１から１０いずれか１つに記載の方法。
実施形態１２
前記１種類以上の半金属がホウ素であり、前記ガラス物品の表面部分が、前記レーザビームによって加熱されていない該ガラス物品の部分よりも高い屈折率を有する、実施形態１から１０いずれか１つに記載の方法。
実施形態１３
前記ガラス物品の表面部分が、前記レーザビームによって加熱されていない該ガラス物品の部分よりも低い熱膨張係数を有する、実施形態１から１２いずれか１つに記載の方法。
実施形態１４
ガラス物品において、
バルク部分および
前記バルク部分を取り囲む表面部分であって、前記バルク部分と比べて、より低いアルカリ金属濃度および／またはより低い半金属濃度を有する表面部分、
を含む、ガラス物品。
実施形態１５
前記表面部分の前記アルカリ金属濃度または前記半金属濃度が、前記ガラス物品のバルク部分内のものより約８０％低い、実施形態１４に記載のガラス物品。
実施形態１６
前記アルカリ金属濃度が、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、およびセシウムの１つ以上により与えられ、前記半金属濃度が、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、およびテルルの１つ以上により与えられる、実施形態１４または１５に記載のガラス物品。
実施形態１７
前記ガラス物品の表面部分がエッジ部分であり、よって、該エッジ部分が、該ガラス物品のエッジから、該ガラス物品のバルク部分に向かって所定の深さまで延在する、実施形態１４から１６いずれか１つに記載のガラス物品。
実施形態１８
前記エッジ部分が前記ガラス物品のエッジから１０μｍ以下に亘り延在する、実施形態１７に記載のガラス物品。
実施形態１９
前記バルク部分が、少なくとも５モル％のＲ２ＯおよびＢ２Ｏ３を含むケイ酸塩ガラスであり、式中、Ｒ２Ｏは、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、またはその組合せである、実施形態１４から１８いずれか１つに記載のガラス物品。
実施形態２０
前記バルク部分が、少なくとも５モル％のＲ２Ｏ、Ｂ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｐ２Ｏ５、およびＩｎ２Ｏ３を含むケイ酸塩ガラスであり、式中、Ｒ２Ｏは、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｃｓ２Ｏ、またはその組合せである、実施形態１４から１８いずれか１つに記載のガラス物品。
実施形態２１
前記半金属濃度がホウ素により与えられ、前記表面部分が、前記ガラス物品のバルク部分よりも高い屈折率を有する、実施形態１４から２０いずれか１つに記載のガラス物品。
実施形態２２
前記表面部分が、前記ガラス物品のバルク部分よりも低い熱膨張係数を有する、実施形態１４から２１いずれか１つに記載のガラス物品。
実施形態２３
前記表面部分の熱膨張係数が、少なくとも０．１ｐｐｍ／℃だけ、前記ガラス物品のバルク部分の熱膨張係数より低い、実施形態１４から２２いずれか１つに記載のガラス物品。
実施形態２４
光導波路装置において、
実施形態１４から２３いずれか１つに記載のガラス物品、および
前記表面部分および前記バルク部分の少なくとも一方の中に配置された光導波路であって、その中に光信号を伝播させるように機能する光導波路、
を備えた光導波路装置。
実施形態２５
電子装置において、
電子ディスプレイ、および
前記電子ディスプレイ上に配置されたガラスカバーであって、実施形態１４から２３いずれか１つに記載のガラス物品から作られたガラスカバー、
を備えた電子装置。
１００、８００ ガラス物品
１１０ 表面部分
１１２、１１４ 主面
１１５、１１６、１１７、１１８ 副面
１２０ エッジ部分
１２２、１２４、１２６、１２８ エッジ
１３０ バルク部分
１４０、１４２、１４４ レーザビーム
１８０ 処理部分
１８２ 非処理部分
２１０ 回転多角形鏡
２２０ レンズ
８０２ 光導波路
９００ 電子機器
９０２ 筐体
９０４ 電子ディスプレイ
９０６ ガラスカバー

Claims (5)

  1. ガラス物品の表面部分の組成を変更する方法において、該ガラス物品の該表面部分をレーザビームで約１１００℃から約２２００℃の範囲内の温度に加熱し、よって、その加熱により、該表面部分に存在する１種類以上の半金属および／または１種類以上のアルカリ金属が蒸発し、該表面部分が、前記レーザビームで加熱されていない該ガラス物品の部分と比べて、より低いアルカリ金属濃度および／またはより低い半金属濃度を有するように、該表面部分の組成が変わる工程を有してなり、
    前記表面部分が、前記ガラス物品の主面の全体でもなく、前記ガラス物品の副面の全体でもない、方法。
  2. 前記ガラス物品の表面部分を前記レーザビームで加熱する工程が、回転多角形鏡を使用して、該ガラス物品の表面部分に沿って該レーザビームを走査させる工程を含む、請求項１記載の方法。
  3. 前記レーザビームが、ｆθレンズを使用して、前記ガラス物品の表面部分に集束される、請求項１または２記載の方法。
  4. 前記ガラス物品の表面部分がエッジ部分であり、よって、該エッジ部分が、該ガラス物品のエッジから、該ガラス物品のバルク部分に向かって所定の深さまで延在する、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
  5. 前記ガラス物品の表面部分が、前記レーザビームによって加熱されていない該ガラス物品の部分よりも低い熱膨張係数を有する、請求項１から４いずれか１項記載の方法。
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