KR102345803B1 - 강화 유리의 응력 측정 장치, 강화 유리의 응력 측정 방법, 강화 유리의 제조 방법, 강화 유리 - Google Patents
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Abstract
본 응력 측정 장치는, 레이저광의 편광 위상차를, 상기 레이저광의 파장에 대하여 1파장 이상 가변하는 편광 위상차 가변 부재와, 상기 편광 위상차가 가변된 레이저광이 강화 유리로 입사됨으로써 발하는 산란광을, 소정의 시간 간격으로 복수회 촬상하여, 복수의 화상을 취득하는 촬상 소자와, 상기 복수의 화상을 사용하여 상기 산란광의 주기적인 휘도 변화를 측정하고, 상기 휘도 변화의 위상 변화를 산출하고, 상기 위상 변화에 기초하여 상기 강화 유리의 표면으로부터의 깊이 방향의 응력 분포를 산출하는 연산부를 갖는다.
Description
본 발명은, 강화 유리의 응력 측정 장치, 강화 유리의 응력 측정 방법, 강화 유리의 제조 방법, 및 강화 유리에 관한 것이다.
휴대 전화나 스마트폰 등의 전자 기기에 있어서, 표시부나, 하우징 본체에 유리가 사용되는 경우가 많으며, 그 유리는 강도를 높이기 위해, 유리 표면에 이온 교환에 의한 표면층(이온 교환층)을 형성함으로써 강도를 높인, 소위 화학 강화 유리가 사용되고 있다. 표면층은, 적어도 유리 표면측에 존재하며 이온 교환에 의한 압축 응력이 발생하고 있는 압축 응력층을 포함하고, 유리 내부측에 해당 압축 응력층에 인접하여 존재하며 인장 응력이 발생하고 있는 인장 응력층을 포함해도 된다.
강화 유리의 표면층의 응력을 측정하는 기술로서는, 예를 들어 강화 유리의 표면층의 굴절률이 내부의 굴절률보다 높은 경우에, 광 도파 효과와 광 탄성 효과를 이용하여, 표면층의 압축 응력을 비파괴로 측정하는 기술(이하, 비파괴 측정 기술이라고 함)을 들 수 있다. 이 비파괴 측정 기술에서는, 단색광을 강화 유리의 표면층에 입사시켜 광 도파 효과에 의해 복수의 모드를 발생시키고, 각 모드에서 광선 궤적이 결정된 광을 취출하고, 볼록 렌즈로 각 모드에 대응하는 휘선에 결상시킨다. 또한, 결상시킨 휘선은, 모드의 수만큼 존재한다.
또한, 이 비파괴 측정 기술에서는, 표면층으로부터 취출된 광은, 출사면에 대하여, 광의 진동 방향이 수평과 수직인 2종의 광 성분에 대한 휘선을 관찰할 수 있도록 구성되어 있다. 그리고, 차수가 가장 낮은 모드 1의 광은 표면층의 가장 표면에 가까운 측을 통과하는 성질을 이용하여, 2종의 광 성분의 모드 1에 대응하는 휘선의 위치로부터, 각각의 광 성분에 대한 굴절률을 산출하고, 그 2종의 굴절률의 차와 유리의 광 탄성 상수로부터 강화 유리의 표면 부근의 응력을 구하고 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
한편, 상기 비파괴 측정 기술의 원리를 바탕으로, 모드 1과 모드 2에 대응하는 휘선의 위치로부터, 외삽으로 유리의 최표면에서의 응력(이하, 표면 응력값이라고 함)을 구하고, 또한 표면층의 굴절률 분포는 직선적으로 변화한다고 가정하여, 휘선의 총 개수로부터, 압축 응력층의 깊이를 구하는 방법이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 3 및 비특허문헌 1 참조).
또한, 상기 표면 도파광을 이용한 측정 기술에 의해 측정한 표면 응력값과 압축 응력층의 깊이를 바탕으로, 유리 내부의 인장 응력 CT를 정의하고, CT값으로 강화 유리의 강도를 관리하는 방법이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조). 이 방법에서는, 인장 응력 CT를 『CT=(CS×DOL)/(t×1000-2×DOL)』(식 0)으로 계산하고 있다. 여기서, CS는 표면 응력값(MPa), DOL은 압축 응력층의 깊이(단위: ㎛), t는 판 두께(단위: mm)이다.
일반적으로 외력이 가해지지 않으면, 응력의 총합은 0이다. 따라서, 화학 강화에 의해 형성된 응력을 깊이 방향으로 적분한 값이, 화학 강화되어 있지 않은 중심 부분에서 균형을 잡도록 대략 균등하게 인장 응력이 발생한다.
또한, 응력 분포가 굴곡되는 위치의 유리 깊이(DOL_TP)보다 유리 표층측의 응력 분포를 측정하고, 유리 표층측의 응력 분포의 측정 결과(측정 화상)에 기초하여, DOL_TP보다 유리 심층측의 응력 분포를 예측하는 방법도 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 4 참조). 그러나, 이 방법에서는, DOL_TP보다 유리 심층측의 응력 분포의 실측을 행하지 않기 때문에, 측정 재현성이 나쁘다고 하는 문제가 있다.
Yogyo-Kyokai-Shi(요업 협회지) 87 {3} 1979
Yogyo-Kyokai-Shi(요업 협회지) 80 {4} 1972
근년, 이온 교환이 용이하고, 화학 강화 공정에서, 단시간만에, 표면 응력값이 높고, 응력층의 깊이를 깊게 할 수 있는 유리로서, 리튬ㆍ알루미노실리케이트계 유리가 주목받고 있다.
이 유리를 고온의 질산나트륨과 질산칼륨의 혼합 용융염에 침지하여, 화학 강화 처리를 실시한다. 나트륨 이온, 칼륨 이온 모두, 용융염 중의 농도가 높기 때문에, 유리 중의 리튬 이온과 이온 교환되지만, 나트륨 이온 쪽이 유리 중으로 확산되기 쉽기 때문에, 우선, 유리 중의 리튬 이온과 용융염 중의 나트륨 이온이 교환된다.
여기서, 유리의 굴절률은, 나트륨 이온이 리튬 이온과 이온 교환되면 보다 낮고, 칼륨 이온이 리튬 이온 혹은 나트륨 이온과 이온 교환되면 보다 높아진다. 즉, 유리 중의 이온 교환되어 있지 않은 부분에 비하여, 유리 표면 부근의 이온 교환된 영역은 칼륨 이온 농도가 높고, 더 깊은 이온 교환된 영역으로 되면 나트륨 이온 농도가 높아지므로, 이온 교환된 유리의 최표면 부근은, 굴절률이 깊이와 함께 낮아지지만, 어떠한 깊이에서부터 이온 교환되어 있지 않은 영역까지, 깊이와 함께 굴절률이 높아지는 특징을 갖고 있다.
그 때문에, 배경 기술에서 설명한 표면의 도파광을 이용한 응력 측정 장치로는, 최표면의 응력값, 혹은 응력 분포만으로, 깊은 부분의 응력 분포를 측정할 수 없어, 응력층의 깊이, CT값, 전체의 응력 분포를 알 수 없었다. 그 결과, 적정한 화학 강화 조건을 찾아내기 위한 개발이 불가능하고, 또한 제조의 품질 관리가 불가능하였다.
또한, 알루미노실리케이트 유리나 소다 유리를 풍랭 강화한 후에 화학 강화한 경우, 화학 강화된 부분은 배경 기술에서 설명한 표면의 도파광을 이용한 응력 측정 장치로 응력 분포 혹은 응력값을 측정할 수 있지만, 화학 강화가 되어 있지 않고 풍랭 강화만이 이루어진 부분은 굴절률 변화가 작아 배경 기술에서 설명한 표면의 도파광을 이용한 응력 측정 장치로는 측정할 수 없다. 그 결과, 응력층의 깊이, CT값, 전체의 응력 분포를 알 수 없었다. 그 결과, 적정한 화학 강화 조건을 찾아내기 위한 개발이 불가능하고, 또한 제조의 품질 관리가 불가능하였다.
본 발명은 상기의 점을 감안하여 이루어진 것이며, 강화 유리의 굴절률 분포에 상관없이, 강화 유리의 응력 분포를, 강화 유리의 최표면에서부터 종래보다 깊은 부분까지 측정 가능한, 강화 유리의 응력 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 응력 측정 장치는, 레이저광의 편광 위상차를, 상기 레이저광의 파장에 대하여 1파장 이상 가변하는 편광 위상차 가변 부재와, 상기 편광 위상차가 가변된 레이저광이 강화 유리로 입사됨으로써 발하는 산란광을, 소정의 시간 간격으로 복수회 촬상하여, 복수의 화상을 취득하는 촬상 소자와, 상기 복수의 화상을 사용하여 상기 산란광의 주기적인 휘도 변화를 측정하고, 상기 휘도 변화의 위상 변화를 산출하고, 상기 위상 변화에 기초하여 상기 강화 유리의 표면으로부터의 깊이 방향의 응력 분포를 산출하는 연산부를 갖는 것을 요건으로 한다.
개시된 기술에 따르면, 강화 유리의 굴절률 분포에 상관없이, 강화 유리의 응력 분포를, 강화 유리의 최표면에서부터 종래보다 깊은 부분까지 측정 가능한, 강화 유리의 응력 측정 장치를 제공할 수 있다.
도 1은, 제1 실시 형태에 관한 응력 측정 장치를 예시하는 도면이다.
도 2는, 제1 실시 형태에 관한 응력 측정 장치를 도 1의 H 방향에서 본 도면이다.
도 3은, 액정 소자의 인가 전압과 편광 위상차의 관계를 예시하는 도면이다.
도 4는, 액정 소자에 편광 위상차가 시간적으로 직선적으로 변화하는 구동 전압을 발생시키는 회로를 예시하는 도면이다.
도 5는, 촬상 소자에 결상된 레이저광 L의 어느 순간의 산란광상을 예시하는 도면이다.
도 6은, 도 5의 점 B와 점 C에서의 산란광 휘도의 시간적인 변화를 예시하는 도면이다.
도 7은, 유리 깊이에 따른 산란광 변화의 위상을 예시하는 도면이다.
도 8은, 도 7의 산란광 변화의 위상 데이터를 기초로, 식 (1)로부터 구한 응력 분포를 예시하는 도면이다.
도 9는, 상이한 시각 t1, t2의 실제의 산란광상을 예시하는 도면이다.
도 10은, 강화 유리 중의 레이저광 L의 입사면의 바람직하지 않은 설계예를 도시하는 도면이다.
도 11은, 강화 유리 중의 레이저광 L의 입사면의 바람직한 설계예를 도시하는 도면이다.
도 12는, 응력 측정 장치(1)의 측정 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 13은, 응력 측정 장치(1)의 연산부(70)의 기능 블록을 예시하는 도면이다.
도 14는, 제1 실시 형태의 변형예 1에 관한 응력 측정 장치를 예시하는 도면이다.
도 15는, 제1 실시 형태의 변형예 2에 관한 응력 측정 장치를 예시하는 도면이다.
도 16은, 광 탄성 효과를 이용한 편광 위상차 가변 부재의 설명도이다.
도 17은, 제2 실시 형태에 관한 응력 측정 장치를 예시하는 도면이다.
도 18은, 응력 측정 장치(1 및 2)에서 측정한 응력 분포를 동일한 그래프에 도시한 도면이다.
도 19는, 응력 측정 장치(2)의 측정 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 20은, 응력 측정 장치(2)의 연산부(75)의 기능 블록을 예시하는 도면이다.
도 21은, 강화 유리의 깊이 방향의 응력 분포를 예시하는 도면이다.
도 22는, 응력 분포에 기초하여 특성값을 도출하는 흐름도(첫째)이다.
도 23은, 측정된 응력 분포로부터 각 특성값을 도출한 예를 도시하는 도면이다.
도 24는, 응력 분포에 기초하여 특성값을 도출하는 흐름도(둘째)이다.
도 25는, 측정된 응력 분포로부터 각 특성값을 도출한 다른 예를 도시하는 도면(첫째)이다.
도 26은, 응력 분포에 기초하여 특성값을 도출하는 흐름도(셋째)이다.
도 27은, 측정된 응력 분포로부터 각 특성값을 도출한 다른 예를 도시하는 도면(둘째)이다.
도 28은, 응력 분포의 측정에서 얻어진 각 특성값을 사용한 품질 판단의 흐름도의 일례를 도시하는 도면이다.
도 29는, 응력 분포의 측정에서 얻어진 각 특성값을 사용한 품질 판단의 흐름도의 다른 예를 도시하는 도면이다.
도 30은, 리튬 함유 유리에 대하여 2회 이상의 강화를 행하는 경우의 품질 판단의 흐름도의 일례(첫째)이다.
도 31은, 리튬 함유 유리에 대하여 2회 이상의 강화를 행하는 경우의 품질 판단의 흐름도의 일례(둘째)이다.
도 32는, 유리 표층측의 응력 분포와 유리 심층측의 응력 분포의 합성 결과의 일례이다.
도 33은, 비교예 1 및 실시예 1 내지 3에서 구한 응력 분포이다.
도 34는, 제3 실시 형태에 관한 응력 측정 장치를 예시하는 도면이다.
도 35는, 광 공급 부재와 강화 유리의 계면을 진행하는 레이저광 L의 산란광 화상을 예시하는 도면이다.
도 36은, 광 공급 부재와 강화 유리의 사이에 액체를 두기 위한 구조부를 예시한 도면이다.
도 37은, 광 공급 부재와 강화 유리의 사이에 액체를 두기 위한 구조부의 제2 예를 도시한 도면이다.
도 38은, 광 공급 부재와 강화 유리의 사이에 액체를 두기 위한 구조부의 제3 예를 도시한 도면이다.
도 39는, 광 공급 부재와 강화 유리의 사이에 액체를 두기 위한 구조부의 제4 예를 도시한 도면이다.
도 40은, 광 공급 부재와 강화 유리의 사이에 액체를 두기 위한 구조부의 제5 예를 도시한 도면이다.
도 41은, 광 공급 부재와 강화 유리의 사이에 액체를 두기 위한 구조부의 제6 예를 도시한 도면이다.
도 42는, 광 공급 부재와 강화 유리의 사이에 액체를 두기 위한 구조부의 제7 예를 도시한 도면이다.
도 43은, 레이저광 L이 강화 유리 내로 입사되고 있는 것을 설명하는 도면이다.
도 44는, 도 43의 촬상 소자의 위치에서 촬영한 레이저 궤적의 화상을 설명하는 도면이다.
도 45는, 도 43의 광 공급 부재 혹은 강화 유리 내의 레이저광의 각도, 길이의 정의를 설명하는 도면이다.
도 46은, 도 45의 상면도, 정면도, 측면도이다.
도 47은, 광 공급 부재 및 강화 유리 내를 진행하는 레이저광의 개념도이다.
도 48은, 강화 유리 내를 진행하는 레이저광의 개념도이다.
도 49는, 입사 여각 Ψ를 구하는 흐름도의 일례이다.
도 50은, 강화 유리의 굴절률 ng를 구하는 흐름도의 일례이다.
도 51은, 입사 여각 Ψ를 구하는 흐름도의 다른 예이다.
도 52는, 레이저광이 통과하는 면과 관측면이 변하지 않는 θL을 구하는 흐름도의 일례이다.
도 53은, 강화 유리의 깊이 방향의 응력 분포를 예시하는 도면이다.
도 54는, 유리 두께 측정 장치를 설치한 응력 측정 장치를 예시하는 도면이다.
도 2는, 제1 실시 형태에 관한 응력 측정 장치를 도 1의 H 방향에서 본 도면이다.
도 3은, 액정 소자의 인가 전압과 편광 위상차의 관계를 예시하는 도면이다.
도 4는, 액정 소자에 편광 위상차가 시간적으로 직선적으로 변화하는 구동 전압을 발생시키는 회로를 예시하는 도면이다.
도 5는, 촬상 소자에 결상된 레이저광 L의 어느 순간의 산란광상을 예시하는 도면이다.
도 6은, 도 5의 점 B와 점 C에서의 산란광 휘도의 시간적인 변화를 예시하는 도면이다.
도 7은, 유리 깊이에 따른 산란광 변화의 위상을 예시하는 도면이다.
도 8은, 도 7의 산란광 변화의 위상 데이터를 기초로, 식 (1)로부터 구한 응력 분포를 예시하는 도면이다.
도 9는, 상이한 시각 t1, t2의 실제의 산란광상을 예시하는 도면이다.
도 10은, 강화 유리 중의 레이저광 L의 입사면의 바람직하지 않은 설계예를 도시하는 도면이다.
도 11은, 강화 유리 중의 레이저광 L의 입사면의 바람직한 설계예를 도시하는 도면이다.
도 12는, 응력 측정 장치(1)의 측정 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 13은, 응력 측정 장치(1)의 연산부(70)의 기능 블록을 예시하는 도면이다.
도 14는, 제1 실시 형태의 변형예 1에 관한 응력 측정 장치를 예시하는 도면이다.
도 15는, 제1 실시 형태의 변형예 2에 관한 응력 측정 장치를 예시하는 도면이다.
도 16은, 광 탄성 효과를 이용한 편광 위상차 가변 부재의 설명도이다.
도 17은, 제2 실시 형태에 관한 응력 측정 장치를 예시하는 도면이다.
도 18은, 응력 측정 장치(1 및 2)에서 측정한 응력 분포를 동일한 그래프에 도시한 도면이다.
도 19는, 응력 측정 장치(2)의 측정 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 20은, 응력 측정 장치(2)의 연산부(75)의 기능 블록을 예시하는 도면이다.
도 21은, 강화 유리의 깊이 방향의 응력 분포를 예시하는 도면이다.
도 22는, 응력 분포에 기초하여 특성값을 도출하는 흐름도(첫째)이다.
도 23은, 측정된 응력 분포로부터 각 특성값을 도출한 예를 도시하는 도면이다.
도 24는, 응력 분포에 기초하여 특성값을 도출하는 흐름도(둘째)이다.
도 25는, 측정된 응력 분포로부터 각 특성값을 도출한 다른 예를 도시하는 도면(첫째)이다.
도 26은, 응력 분포에 기초하여 특성값을 도출하는 흐름도(셋째)이다.
도 27은, 측정된 응력 분포로부터 각 특성값을 도출한 다른 예를 도시하는 도면(둘째)이다.
도 28은, 응력 분포의 측정에서 얻어진 각 특성값을 사용한 품질 판단의 흐름도의 일례를 도시하는 도면이다.
도 29는, 응력 분포의 측정에서 얻어진 각 특성값을 사용한 품질 판단의 흐름도의 다른 예를 도시하는 도면이다.
도 30은, 리튬 함유 유리에 대하여 2회 이상의 강화를 행하는 경우의 품질 판단의 흐름도의 일례(첫째)이다.
도 31은, 리튬 함유 유리에 대하여 2회 이상의 강화를 행하는 경우의 품질 판단의 흐름도의 일례(둘째)이다.
도 32는, 유리 표층측의 응력 분포와 유리 심층측의 응력 분포의 합성 결과의 일례이다.
도 33은, 비교예 1 및 실시예 1 내지 3에서 구한 응력 분포이다.
도 34는, 제3 실시 형태에 관한 응력 측정 장치를 예시하는 도면이다.
도 35는, 광 공급 부재와 강화 유리의 계면을 진행하는 레이저광 L의 산란광 화상을 예시하는 도면이다.
도 36은, 광 공급 부재와 강화 유리의 사이에 액체를 두기 위한 구조부를 예시한 도면이다.
도 37은, 광 공급 부재와 강화 유리의 사이에 액체를 두기 위한 구조부의 제2 예를 도시한 도면이다.
도 38은, 광 공급 부재와 강화 유리의 사이에 액체를 두기 위한 구조부의 제3 예를 도시한 도면이다.
도 39는, 광 공급 부재와 강화 유리의 사이에 액체를 두기 위한 구조부의 제4 예를 도시한 도면이다.
도 40은, 광 공급 부재와 강화 유리의 사이에 액체를 두기 위한 구조부의 제5 예를 도시한 도면이다.
도 41은, 광 공급 부재와 강화 유리의 사이에 액체를 두기 위한 구조부의 제6 예를 도시한 도면이다.
도 42는, 광 공급 부재와 강화 유리의 사이에 액체를 두기 위한 구조부의 제7 예를 도시한 도면이다.
도 43은, 레이저광 L이 강화 유리 내로 입사되고 있는 것을 설명하는 도면이다.
도 44는, 도 43의 촬상 소자의 위치에서 촬영한 레이저 궤적의 화상을 설명하는 도면이다.
도 45는, 도 43의 광 공급 부재 혹은 강화 유리 내의 레이저광의 각도, 길이의 정의를 설명하는 도면이다.
도 46은, 도 45의 상면도, 정면도, 측면도이다.
도 47은, 광 공급 부재 및 강화 유리 내를 진행하는 레이저광의 개념도이다.
도 48은, 강화 유리 내를 진행하는 레이저광의 개념도이다.
도 49는, 입사 여각 Ψ를 구하는 흐름도의 일례이다.
도 50은, 강화 유리의 굴절률 ng를 구하는 흐름도의 일례이다.
도 51은, 입사 여각 Ψ를 구하는 흐름도의 다른 예이다.
도 52는, 레이저광이 통과하는 면과 관측면이 변하지 않는 θL을 구하는 흐름도의 일례이다.
도 53은, 강화 유리의 깊이 방향의 응력 분포를 예시하는 도면이다.
도 54는, 유리 두께 측정 장치를 설치한 응력 측정 장치를 예시하는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 설명한다. 각 도면에 있어서, 동일한 구성 부분에는 동일한 부호를 붙여, 중복된 설명을 생략하는 경우가 있다.
<제1 실시 형태>
도 1은, 제1 실시 형태에 관한 응력 측정 장치를 예시하는 도면이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 응력 측정 장치(1)는, 레이저 광원(10)과, 편광 부재(20)와, 편광 위상차 가변 부재(30)와, 광 공급 부재(40)와, 광 변환 부재(50)와, 촬상 소자(60)와, 연산부(70)와, 광 파장 선택 부재(80)를 갖는다.
도면 부호 200은, 피측정체로 되는 강화 유리이다. 강화 유리(200)는, 예를 들어 화학 강화법이나 풍랭 강화법 등에 의해 강화 처리가 실시된 유리이다.
레이저 광원(10)은, 광 공급 부재(40)로부터 강화 유리(200)의 표면층으로 레이저광 L을 입사하도록 배치되어 있고, 레이저 광원(10)과 광 공급 부재(40)의 사이에, 편광 위상차 가변 부재(30)가 삽입되어 있다.
레이저 광원(10)으로서는, 예를 들어 반도체 레이저, 헬륨 네온 레이저, 아르곤 레이저를 사용할 수 있다. 반도체 레이저는 통상 편광이 있으며, 405nm, 520nm, 630nm 등의 파장의 반도체 레이저가 실용화되어 있다. 레이저광의 파장이 짧을수록 빔 직경을 좁힐 수 있어, 공간 분해능을 높일 수 있다.
강화 유리(200)의 깊이 방향의 분해능을 높이기 위해서는, 레이저광의 최소 빔 직경의 위치가 강화 유리(200)의 이온 교환층 내에 있고, 최소 빔 직경이 20㎛ 이하인 것이 바람직하다. 레이저광의 최소 빔 직경의 위치를, 강화 유리(200)의 표면(210)으로 하면, 더욱 바람직하다. 또한, 레이저광의 빔 직경이 깊이 방향의 분해능으로 되므로, 필요한 깊이 방향의 분해능 이하의 빔 직경으로 할 필요가 있다. 여기서, 빔 직경이란 빔 중앙의 휘도가 최대로 될 때의 1/e2(약 13.5％)의 폭을 의미하며, 빔 형상이 타원 형상이나 시트상인 경우, 빔 직경은 최소폭을 의미한다. 단, 이 경우에는, 빔 직경의 최소폭이 유리 깊이 방향을 향하고 있을 필요가 있다.
편광 부재(20)는, 필요에 따라, 레이저 광원(10)과 편광 위상차 가변 부재(30)의 사이에 삽입된다. 구체적으로는, 레이저 광원(10)이 출사하는 레이저광 L이 편광이 아닌 경우, 레이저 광원(10)과 편광 위상차 가변 부재(30)의 사이에 편광 부재(20)가 삽입된다. 레이저 광원(10)이 출사하는 레이저광 L이 편광인 경우, 편광 부재(20)는 삽입되어도 되고, 삽입되지 않아도 된다. 또한, 레이저광 L의 편광면이 강화 유리(200)의 표면(210)에 대하여 45°가 되도록, 레이저 광원(10) 및 편광 부재(20)가 설치된다. 편광 부재(20)로서는, 예를 들어 회전 가능한 상태로 배치된 편광판 등을 사용할 수 있지만, 마찬가지의 기능을 구비한 다른 부재를 사용해도 된다.
광 공급 부재(40)는, 피측정체인 강화 유리(200)의 표면(210)에 광학적으로 접촉된 상태로 적재되어 있다. 광 공급 부재(40)는, 레이저 광원(10)으로부터의 광을 강화 유리(200)로 입사시키는 기능을 구비하고 있다. 광 공급 부재(40)로서는, 예를 들어 광학 유리로 만든 프리즘을 사용할 수 있다. 이 경우, 강화 유리(200)의 표면(210)에 있어서, 광선이 프리즘을 통하여 광학적으로 입사되기 때문에, 프리즘의 굴절률은 강화 유리(200)의 굴절률과 거의 동일하게(±0.2 이내) 할 필요가 있다.
광 공급 부재(40)와 강화 유리(200)의 사이에, 강화 유리(200)의 굴절률과 거의 동일한 굴절률을 갖는 액체를 두어도 된다. 이에 의해, 강화 유리(200) 내에, 효율적으로 레이저광 L을 입사시킬 수 있다. 이것에 대해서는, 제3 실시 형태에서 상세하게 설명한다.
강화 유리(200)를 통과하는 레이저광 L은, 미량의 산란광 LS를 발생시킨다. 산란광 LS의 휘도는, 레이저광 L이 산란되는 부분의 편광 위상차로 변화한다. 또한, 레이저광 L의 편광 방향이, 강화 유리(200)의 표면(210)에 대하여 도 2의 θS2가 45°(±5°이내)가 되도록, 레이저 광원(10)이 설치되어 있다. 그 때문에, 강화 유리(200)의 면 내 방향에 걸리는 응력의 광 탄성 효과에 의해 복굴절을 일으키고, 레이저광 L이 강화 유리 내를 진행함에 따라, 편광 위상차도 변화하고, 그 변화에 수반하여 산란광 LS의 휘도도 변화한다. 또한, 편광 위상차란, 복굴절에 의해 생기는 위상차(retardation)이다.
또한, 레이저광 L은, 강화 유리의 표면(210)에 대하여, θS1은 10°이상 30°이하로 설정된다. 이것은 10°를 하회하면, 광 도파 효과에 의해 레이저광이 유리 표면을 전파하여, 유리 내부의 정보를 취할 수 없게 되기 때문이다. 반대로 30°를 초과하면, 레이저 광로 길이에 대한 유리 내부의 깊이 분해능이 떨어져, 측정 방법으로서 바람직하지 않다. 따라서, 바람직하게는 θS1=15°±5°로 설정한다.
이어서, 촬상 소자(60)에 대하여, 도 2를 사용하여 설명한다. 도 2는, 제1 실시 형태에 관한 응력 측정 장치를 도 1의 H 방향에서 본 도면이며, 촬상 소자(60)의 위치 관계를 도시하는 도면이다. 레이저광 L의 편광이 강화 유리(200)의 표면(210)에 대하여 45°의 각도로 입사되기 때문에, 산란광 LS도 강화 유리(200)의 표면(210)에 대하여 45°각도로 방사된다. 그 때문에, 이 강화 유리의 면에 대하여 45°로 방사되는 산란광 LS를 파악하기 위해, 촬상 소자(60)가, 도 2에 있어서, 강화 유리(200)의 표면(210)에 대하여 45°의 방향으로 설치되어 있다. 즉, 도 2에 있어서, θS2=45°이다.
또한, 촬상 소자(60)와, 레이저광 L의 사이에, 레이저광 L에 의한 산란광 LS의 화상을 촬상 소자(60)에 결상하도록 광 변환 부재(50)가 삽입되어 있다. 광 변환 부재(50)로서는, 예를 들어 유리로 만든 볼록 렌즈나, 복수의 볼록 렌즈나 오목 렌즈를 조합한 렌즈를 사용할 수 있다.
또한, 복수의 렌즈를 조합한 렌즈에 대하여, 주 광선이 광축에 평행인 텔레센트릭 렌즈로 함으로써, 레이저광 L로부터 사방으로 산란되는 산란광 중, 주로 강화 유리(200)의 유리 표면에 대하여 45°방향(촬상 소자 방향)으로 산란되는 광으로만 결상할 수 있어, 유리 표면의 난반사 등의 불필요한 광을 저감하는 효과가 있다.
또한, 레이저광 L과 촬상 소자(60)의 사이에, 적어도 레이저광의 파장+100nm 이상과, -100nm 이하인 파장의 광을 50％ 이상, 바람직하게는 90％ 투과시키지 않는 광 파장 선택 부재(80)를 삽입해도 된다. 광 파장 선택 부재(80)를 삽입함으로써, 레이저광 L로부터 발생한 형광광이나 외래광을 제거하고, 산란광 LS만을 촬상 소자(60)에 모을 수 있다. 광 파장 선택 부재(80)로서는, 예를 들어 유전체막을 다층으로 한 대역 통과 필터나, 숏 통과 필터를 사용할 수 있다.
촬상 소자(60)로서는, 예를 들어 CCD(Charge Coupled Device) 소자나 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서 소자를 사용할 수 있다. 도 1 및 도 2에는 도시하고 있지 않지만, CCD 소자나 CMOS 센서 소자는, 그 소자를 제어하며, 소자로부터 화상의 전기 신호를 취출하는 제어 회로, 전기 신호를 디지털 화상 데이터로 하는 디지털 화상 데이터 생성 회로, 디지털 화상 데이터를 복수매 기록하는 디지털 기록 장치에 접속되어 있다. 또한, 디지털 화상 데이터 생성 회로, 디지털 기록 장치는, 연산부(70)에 접속되어 있다.
연산부(70)는, 촬상 소자(60), 혹은 상기 촬상 소자(60)에 접속된, 디지털 화상 데이터 생성 회로, 디지털 기록 장치로부터 화상 데이터를 도입하여, 화상 처리나 수치 계산을 행하는 기능을 구비하고 있다. 연산부(70)는, 이 이외의 기능(예를 들어, 레이저 광원(10)의 광량이나 노광 시간을 제어하는 기능 등)을 갖는 구성으로 해도 된다. 연산부(70)는, 예를 들어 CPU(Central Processing Unit), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 메인 메모리 등을 포함하도록 구성할 수 있다.
이 경우, 연산부(70)의 각종 기능은, ROM 등에 기록된 프로그램이 메인 메모리에 판독되어 CPU에 의해 실행됨으로써 실현할 수 있다. 연산부(70)의 CPU는, 필요에 따라 RAM으로부터 데이터를 판독하거나, 저장하거나 할 수 있다. 단, 연산부(70)의 일부 또는 전부는, 하드웨어에 의해서만 실현되어도 된다. 또한, 연산부(70)는, 물리적으로 복수의 장치 등에 의해 구성되어도 된다. 연산부(70)로서는, 예를 들어 퍼스널 컴퓨터를 사용할 수 있다. 또한, 연산부(70)에 디지털 화상 데이터 생성 회로, 디지털 기록 장치의 기능을 갖게 해도 된다.
편광 위상차 가변 부재(30)는, 강화 유리(200)로 입사될 때의 편광 위상차를 시간적으로 변화시킨다. 변화시키는 편광 위상차는, 레이저광의 파장 λ의 1배 이상이다. 편광 위상차는, 레이저광 L의 파면에 대하여 균일해야만 한다. 예를 들어, 수정 쐐기는, 쐐기의 경사면이 있는 방향으로는 편광 위상차가 균일하지 않기 때문에 레이저광의 파면은 균일하지 않다. 그 때문에, 편광 위상차 가변 부재(30)로서 수정 쐐기를 사용하는 것은 바람직하지 않다.
레이저광의 파면에 균일하게 편광 위상차를 전기적으로 1λ 이상 가변할 수 있는 편광 위상차 가변 부재(30)로서는, 예를 들어 액정 소자를 들 수 있다. 액정 소자는, 소자에 인가하는 전압에 따라 편광 위상차를 가변할 수 있으며, 예를 들어 레이저광의 파장이 630nm인 경우, 3 내지 6파장의 가변이 가능하다. 액정 소자에 있어서, 인가하는 전압으로 가변할 수 있는 편광 위상차의 최댓값은, 셀 갭의 치수로 결정된다.
통상의 액정 소자는, 셀 갭이 수㎛이기 때문에, 최대 편광 위상차는 1/2λ(수백 nm) 정도이다. 또한, 액정을 사용한 디스플레이 등에서는, 그 이상의 변화는 요구되지 않는다. 이에 비해, 본 실시 형태에서 사용하는 액정 소자는, 레이저광의 파장이 예를 들어 630nm인 경우, 630nm의 약 3배인 약 2000nm의 편광 위상차를 가변할 필요가 있어, 20 내지 50㎛의 셀 갭이 필요하게 된다.
액정 소자에 인가하는 전압과 편광 위상차는 비례하지 않는다. 일례로서, 셀 갭이 30㎛인 액정 소자의 인가 전압과 편광 위상차의 관계를 도 3에 도시한다. 도 3에 있어서, 종축은 편광 위상차(파장 630nm에 대한 파장수), 횡축은 액정 소자에 인가하는 전압(로그로 그려져 있음)이다.
액정 소자에 인가하는 전압이 0V 내지 10V이며, 약 8λ(5000nm)의 편광 위상차를 가변할 수 있다. 그러나, 액정 소자는, 일반적으로 0V에서 1V까지의 저전압에서는 액정의 배향이 안정되지 않고, 온도 변화 등에 따라 편광 위상차가 변동된다. 또한, 액정 소자에 인가하는 전압이 5V 이상이면, 전압의 변화에 대하여 편광 위상차의 변화가 적다. 이 액정 소자의 경우, 1.5V 내지 5V의 인가 전압으로 사용함으로써, 4λ 내지 1λ, 즉 약 3λ의 편광 위상차를 안정적으로 가변할 수 있다.
편광 위상차 가변 부재(30)로서 액정 소자를 사용하는 경우, 편광 위상차 가변 부재(30)는 액정을 제어하는 액정 제어 회로에 접속되고, 촬상 소자(60)와 동기하여 제어된다. 이때, 편광 위상차를 시간적으로 직선적으로 가변시켜, 촬상 소자(60)의 촬상 타이밍에 동기시키는 것이 필요하다.
도 3은, 액정 소자의 인가 전압과 편광 위상차의 관계를 예시하는 도면이다. 도 3에서 도시하는 바와 같이, 액정 소자의 인가 전압과 편광 위상차는 직선적인 변화를 하지 않는다. 그 때문에, 편광 위상차가 어떠한 시간 내에서 직선적으로 변화하는 신호를 발생시켜, 액정 소자에 대한 구동 전압으로서 인가할 필요가 있다.
도 4는, 액정 소자에 편광 위상차가 시간적으로 직선적으로 변화하는 구동 전압을 발생시키는 회로를 예시하는 도면이다.
도 4에 있어서, 디지털 데이터 기억 회로(301)에는, 사용하는 액정 소자의 인가 전압과 편광 위상차를 미리 측정한 데이터에 기초하여, 편광 위상차를 일정 간격으로 변화시키기 위한, 편광 위상차에 대응하는 전압값이, 필요한 편광 위상차 변화의 범위에서 디지털 데이터로서 어드레스순으로 기록되어 있다. 표 1에, 디지털 데이터 기억 회로(301)에 기록되는 디지털 데이터의 일부를 예시한다. 표 1의 전압 열이, 기록되는 디지털 데이터이며, 편광 위상차 10nm의 변화마다의 전압값이다.
클럭 신호 발생 회로(302)는, 수정 진동자 등을 사용하여, 주파수가 일정한 클럭 신호를 발생시킨다. 클럭 신호 발생 회로(302)가 발생시킨 클럭 신호는, 디지털 데이터 기억 회로(301)와 DA 컨버터(303)에 입력된다.
DA 컨버터(303)는, 디지털 데이터 기억 회로(301)로부터의 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 회로이다. 클럭 신호 발생 회로(302)가 발생시킨 클럭 신호에 따라, 디지털 데이터 기억 회로(301)로부터 순차적으로 기억된 전압값의 디지털 데이터가 판독되어, DA 컨버터(303)에 보내진다.
DA 컨버터(303)에서는, 일정 시간 간격으로 판독된 전압값의 디지털 데이터를 아날로그 전압으로 변환한다. DA 컨버터(303)로부터 출력되는 아날로그 전압은, 전압 증폭 회로(304)를 통하여, 편광 위상차 가변 부재(30)로서 사용하는 액정 소자에 인가된다.
또한, 도 4에서는 도시하고 있지 않지만, 이 액정 소자의 구동 회로는, 도 2의 촬상 소자(60)를 제어하는 회로와 동기가 취해져, 액정 소자에 대한 구동 전압의 인가 개시와 함께, 촬상 소자(60)에서 시간적으로 연속적인 촬상을 개시한다.
도 5는, 촬상 소자에 결상된 레이저광 L의 어떠한 순간의 산란광상을 예시하는 도면이다. 도 5에서는, 위로 갈수록 강화 유리(200)의 표면(210)으로부터의 깊이가 깊어진다. 도 5에 있어서, 점 A는 강화 유리(200)의 표면(210)이며, 강화 유리(200)의 표면(210)의 산란광이 강하기 때문에, 산란광상은 타원형으로 퍼져 있다.
강화 유리(200)의 표면부에는 강한 압축 응력이 걸려 있기 때문에, 광 탄성 효과에 의한 복굴절에 의해, 레이저광 L의 편광 위상차가 깊이와 함께 변화한다. 그 때문에, 레이저광 L의 산란광 휘도도 깊이와 함께 변화한다. 또한, 레이저광의 산란광 휘도가, 강화 유리의 내부 응력에 의해 변화하는 원리에 대해서는, 예를 들어 문헌 [Yogyo-Kyokai-Shi(요업 협회지) 80 {4} 1972] 등에 설명되어 있다.
편광 위상차 가변 부재(30)에 의해, 강화 유리(200)로 입사되기 전의 레이저광 L의 편광 위상차를 시간적으로 연속해서 변화시킬 수 있다. 이에 의해, 도 5의 산란광상의 각 점에 있어서, 편광 위상차 가변 부재(30)로 변화시킨 편광 위상차에 따라 산란광 휘도가 변화한다.
도 6은, 도 5의 점 B와 점 C에서의 산란광의 휘도(산란광 휘도)의 시간적인 변화를 예시하는 도면이다. 산란광 휘도의 시간적인 변화는, 편광 위상차 가변 부재(30)가 변화시킨 편광 위상차에 따라, 레이저광의 파장 λ의 주기로, 주기적으로 변화한다. 예를 들어, 도 6에 있어서, 점 B와 점 C에서는, 산란광 휘도의 변화 주기는 동일하지만, 위상이 상이하다. 이것은, 레이저광 L이 점 B로부터 점 C로 진행할 때, 강화 유리(200) 내의 응력에 의한 복굴절로 편광 위상차가 더 변화하였기 때문이다. 점 B와 점 C의 위상차 δ는, 점 B로부터 점 C로 레이저광 L이 진행하였을 때 변화한 편광 위상차를 행로차로 표현한 것을 q, 레이저광의 파장을 λ라고 하면, δ=q/λ로 된다.
국소적으로 생각하면, 레이저광 L 상의 임의의 점 S에서의, 편광 위상차 가변 부재(30)의 시간적인 편광 위상차의 변화에 수반하는, 주기적인 산란광 휘도의 변화의 위상 F를, 레이저광 L을 따른 위치 s로 나타낸 함수 F(s)에 대하여, s에 대한 미분값 dF/ds가 강화 유리(200)의 면내 응력에 의해 발생한 복굴절량이다. 강화 유리(200)의 광 탄성 상수 C와, dF/ds로부터, 하기 식 (1)에 의해, 점 S에서의 강화 유리(200)의 면 내 방향의 응력 σ를 계산할 수 있다.
본 특허에서는, 레이저광 L이 유리에 대하여 비스듬하게 입사되고 있기 때문에, 유리 표면으로부터 수직 방향의 깊이에 대한 응력 분포를 구하는 경우에는, 점 s로부터 깊이 방향으로의 변환이 필요하며, 후술하는 식 (8)로 나타낸다.
한편, 편광 위상차 가변 부재(30)는, 어떠한 시간 내에 시간적으로 연속으로 편광 위상차를 1파장 이상 변화시킨다. 그 시간 내에, 촬상 소자(60)에 의해, 복수매의 시간적으로 연속된 레이저광 L에 의한 산란광상을 기록한다. 그리고, 이 연속 촬영을 행한 산란광상의 각 점에 있어서의 시간적인 휘도의 변화를 측정한다.
이 산란광상의 각 점의 산란광의 변화는 주기적이며, 그 주기는 장소에 구애되지 않고 일정하다. 그래서, 그 주기 T를 어떠한 점의 산란광 휘도의 변화로부터 측정한다. 혹은, 복수의 점에서의 주기의 평균을 주기 T로 해도 된다.
편광 위상차 가변 부재(30)에서는 편광 위상차를 1파장 이상(1주기 이상) 변화시키기 때문에, 산란광 휘도도 1주기 이상 변화한다. 그 때문에, 복수의 피크나 밸리의 차, 혹은 진폭의 중점을 통과하는 시각의 차 등으로부터 주기 T의 측정이 가능하다. 또한, 1주기 이하의 데이터로, 1주기를 알기는 원리적으로 불가능하다.
어떠한 점에서의 산란광의 주기적인 변화의 데이터에 있어서, 상기에서 정한 주기 T를 기초로, 삼각 함수의 최소 제곱법이나 푸리에 적분에 의해, 그 점에서의 위상 F를 정확하게 구할 수 있다.
미리 기지인 주기 T에서의 삼각 함수의 최소 제곱법이나 푸리에 적분에서는, 기지인 주기 T에서의 위상 성분만이 추출되어, 다른 주기의 노이즈를 제거 가능하다. 또한, 그 제거 능력은, 데이터의 시간적 변화가 길면 길수록 높아진다. 통상, 산란광 휘도는 약하고, 또한 실제로 변화하는 위상량도 작기 때문에, 수λ의 편광 위상차의 가변에 따른 데이터로 측정할 필요가 있게 된다.
촬상 소자(60)에 의해 촬영한 화상 상의 레이저광 L에 따른 산란광상의 각 점에서의 산란광의 시간적 변화의 데이터를 측정하고, 각각에 대하여, 상기와 마찬가지의 방법으로 위상 F를 구하면, 레이저광 L에 따른, 산란광 휘도의 위상 F를 구할 수 있다. 도 7은, 유리 깊이에 따른 산란광 변화의 위상의 예이다.
이 레이저광 L에 따른 산란광 휘도의 위상 F에 있어서, 레이저광 L 상의 좌표에서의 미분값을 계산하고, 식 (1)에 의해, 레이저광 L 상의 좌표 s에서의 응력값을 구할 수 있다. 또한, 좌표 s를 유리 표면으로부터의 거리로 환산하면, 강화 유리의 표면으로부터의 깊이에 대한 응력값을 산출할 수 있다. 도 8은, 도 7의 산란광 변화의 위상 데이터를 기초로, 식 (1)로부터 응력 분포를 구한 예이다.
도 9는, 상이한 시각 t1, t2의 실제의 산란광상의 예이며, 도 9의 점 A는 강화 유리의 표면이고, 강화 유리의 표면의 거칠기에 따라, 표면 산란광이 비치고 있다. 이 표면 산란광상의 중심이 강화 유리의 표면에 상당한다.
도 9에 있어서, 레이저광의 산란광상이 각 점에서 휘도가 상이함을 알 수 있고, 또한 동일한 점이라도, 시각 t2에서의 휘도 분포는, 시각 t1에서의 휘도 분포와 동일하지 않음을 알 수 있다. 이것은, 주기적인 산란광 휘도 변화의 위상이 어긋나 있기 때문이다.
응력 측정 장치(1)에 있어서, 레이저광 L의 입사면은, 강화 유리(200)의 표면(210)에 대하여 45°기운 상태로 하는 것이 바람직하다. 이에 대하여, 도 10 및 도 11을 참조하면서 설명한다.
도 10은, 강화 유리 중의 레이저광 L의 입사면의 바람직하지 않은 설계예를 도시하는 도면이다. 도 10에서는, 강화 유리(200) 내의 레이저광 L의 입사면(250)이 강화 유리의 표면(210)에 대하여 수직이다.
도 10의 (b)는 도 10의 (a)의 방향 H로부터 본 도면이다. 도 10의 (b)에 도시하는 바와 같이, 촬상 소자(60)는, 강화 유리(200)의 표면(210)에 대하여 45°기울여 설치되어 있으며, 레이저광 L을 기울기 45°로부터 관찰한다. 도 10의 경우, 레이저광 L 상의 상이한 2점, 점 A, 점 B에서부터 촬상 소자(60)까지의 거리를 거리 A, 거리 B라고 하면, 그 거리가 상이하다. 즉, 점 A와 점 B에서 동시에 핀트를 맞출 수 없어, 필요한 영역의 레이저광 L의 산란광상을 양호한 화상으로서 취득할 수 없다.
도 11은, 강화 유리 내의 레이저광 L의 입사면의 바람직한 설계예를 도시하는 도면이다. 도 11에서는, 강화 유리(200) 내의 레이저광 L의 입사면(250)이 강화 유리(200)의 표면(210)에 대하여 45°기울어져 있다.
도 11의 (b)는 도 11의 (a)의 방향 H로부터 본 도면이다. 도 11의 (b)에 도시하는 바와 같이, 촬상 소자(60)는, 강화 유리(200)의 표면(210)에 대하여 45°기울여 설치되어 있지만, 레이저광 L이 통과하는 면인 입사면(250)도 마찬가지로 45°기울어 있다. 그 때문에, 레이저광 L 상의 어느 점에 있어서도 촬상 소자(60)까지의 거리(거리 A와 거리 B)가 동일해져, 필요한 영역의 레이저광 L의 산란광상을, 양호한 화상으로서 취득할 수 있다.
특히, 최소 빔 직경이 20㎛ 이하인 레이저광을 사용하는 경우, 초점 심도가 얕아, 기껏 수십㎛ 정도이기 때문에, 강화 유리(200) 내의 레이저광 L의 입사면(250)을 강화 유리(200)의 표면(210)에 대하여 45°기울여, 레이저광 L 상의 어느 점에 있어서도 촬상 소자(60)까지의 거리를 동일하게 하는 것은, 양호한 화상을 취득함에 있어서 매우 중요하다.
(측정 플로우)
이어서, 도 12 및 도 13을 참조하면서 측정 플로우에 대하여 설명한다. 도 12는, 응력 측정 장치(1)의 측정 방법을 예시하는 흐름도이다. 도 13은, 응력 측정 장치(1)의 연산부(70)의 기능 블록을 예시하는 도면이다.
우선, 스텝 S401에서는, 편광이 있는 레이저 광원(10), 혹은 편광을 가한 레이저 광원(10)으로부터의 레이저광의 편광 위상차를, 편광 위상차 가변 부재(30)에 의해, 시간적으로 연속해서 레이저광의 파장에 대하여 1파장 이상 가변한다(편광 위상차 가변 공정).
이어서, 스텝 S402에서는, 편광 위상차가 가변된 레이저광을, 광 공급 부재(40)를 통하여, 피측정체인 강화 유리(200) 내에 표면(210)에 대하여 비스듬하게 입사시킨다(광 공급 공정).
이어서, 스텝 S403에서는, 촬상 소자(60)는, 강화 유리(200) 내를 진행하는 편광 위상차가 가변된 레이저광에 의한 산란광을, 소정의 시간 간격으로 복수회 촬상하여, 복수의 화상을 취득한다(촬상 공정).
이어서, 스텝 S404에서는, 연산부(70)의 휘도 변화 측정 수단(701)은, 촬상 공정에서 얻어진 산란광의 시간적으로 간격을 둔 복수의 화상을 사용하여, 편광 위상차 가변 공정에 의해 가변된 편광 위상차의 시간적 변화에 수반하는 산란광의 주기적인 휘도 변화를 측정한다(휘도 변화 측정 공정).
이어서, 스텝 S405에서는, 연산부(70)의 위상 변화 산출 수단(702)은, 강화 유리(200) 내로 입사된 레이저광에 따른, 산란광의 주기적인 휘도 변화의 위상 변화를 산출한다(위상 변화 산출 공정).
이어서, 스텝 S406에서는, 연산부(70)의 응력 분포 산출 수단(703)은, 강화 유리(200) 내로 입사된 레이저광에 따른, 산란광의 주기적인 휘도 변화의 위상 변화에 기초하여, 강화 유리(200)의 표면(210)으로부터의 깊이 방향의 응력 분포를 산출한다(응력 분포 산출 공정). 또한, 산출한 응력 분포를 표시 장치(액정 디스플레이 등)에 표시시켜도 된다.
이와 같이, 응력 측정 장치(1)에서는, 표면의 도파광을 이용한 응력 측정 장치와는 달리, 강화 유리의 굴절률 분포에 의존한 응력 측정을 행하지 않고, 산란광에 기초한 측정을 행한다. 그 때문에, 강화 유리의 굴절률 분포에 상관없이(강화 유리의 굴절률 분포와는 무관하게), 강화 유리의 응력 분포를, 강화 유리의 최표면에서부터 종래보다 깊은 부분까지 측정 가능하게 된다. 예를 들어, 어떠한 깊이로부터, 깊이와 함께 굴절률이 높아지는 특징을 갖는 리튬ㆍ알루미노실리케이트계 강화 유리 등에 대해서도, 응력 측정이 가능하다.
또한, 레이저광의 편광 위상차를, 편광 위상차 가변 부재(30)에 의해, 시간적으로 연속해서 레이저광의 파장에 대하여 1파장 이상 가변한다. 그 때문에, 산란광의 주기적인 휘도 변화의 위상을, 삼각 함수의 최소 제곱법이나, 푸리에 적분에 의해 구하는 것이 가능하게 된다. 삼각 함수의 최소 제곱법이나 푸리에 적분에서는, 종래와 같이 파장의 피크나 밸리의 위치 변화에 따라 위상을 검지하는 방법과는 달리, 파장의 전체 데이터가 취급되며, 또한 미리 알고 있는 주기에 기초하고 있기 때문에, 다른 주기의 노이즈를 제거 가능하다. 그 결과, 산란광의 주기적인 휘도 변화의 위상을 용이하게, 또한 정확하게 구하는 것이 가능하게 된다.
<제1 실시 형태의 변형예 1>
제1 실시 형태의 변형예 1에서는, 제1 실시 형태와는 구성이 상이한 응력 측정 장치의 예를 나타낸다. 또한, 제1 실시 형태의 변형예 1에 있어서, 이미 설명한 실시 형태와 동일한 구성부에 대한 설명은 생략하는 경우가 있다.
도 14는, 제1 실시 형태의 변형예 1에 관한 응력 측정 장치를 예시하는 도면이다. 도 14의 (a)에 도시하는 바와 같이, 응력 측정 장치(1A)는, 광 파장 선택 부재(80), 광 변환 부재(50) 및 촬상 소자(60)가, 강화 유리(200)에 대하여, 광 공급 부재(41)와는 반대측에 배치되고, 또한 강화 유리(200)의 이면(220)과 접하도록 광 취출 부재(42)가 배치된 점이, 응력 측정 장치(1)(도 1 참조)와 상이하다. 또한, 도 14에 있어서, 연산부의 도시는 생략되어 있다.
응력 측정 장치(1A)에서는, 강화 유리(200)의 이면(220)측에서 생긴 산란광 LS2를, 프리즘 등인 광 취출 부재(42), 광 파장 선택 부재(80) 및 광 변환 부재(50)를 통하여, 촬상 소자(60)로 입사시키고, 촬상 소자(60)에서 일정 시간 내, 시간적으로 간격을 두고 복수 촬상한다. 이 이외의 구성 및 동작은, 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
또한, 광 공급 부재(41)를 마련함으로써, 레이저광 L의 강화 유리(200)의 표면(210)에서의 반사를 저감할 수 있지만, 레이저광 L의 강화 유리(200)의 표면(210)에서의 반사가 문제 없는 정도라면, 광 공급 부재(41)를 마련하지 않고, 레이저광 L을 직접 강화 유리(200)에 입사시켜도 된다.
강화 유리(200)는, 일반적으로, 표리면측이 동일한 응력 분포이기 때문에, 제1 실시 형태와 같이, 강화 유리(200)의 표면(210)측(레이저광 L의 입사측)의 산란광 Ls를 검출해도 되고, 제1 실시 형태의 변형예 1과 같이, 강화 유리(200)의 이면(220)측(레이저광 L의 출사측)의 산란광 LS2를 검출해도 된다.
또한, 강화 유리(200)의 이면(220)측의 산란광 LS2를 검출하는 경우에 있어서, 강화 유리(200) 내의 레이저광이 전반사의 조건을 만족시키고 있는 것이 바람직하다. 강화 유리(200)의 이면(220)에 있어서 레이저광을 전반사시키면, 강화 유리(200)의 이면(220)에서의 난반사를 저감할 수 있고, 촬상 소자(60)에 불필요한 광이 입사되는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 강화 유리(200)에 대한 레이저광의 입사 각도를 조정함으로써, 강화 유리(200)의 이면(220)에서, 레이저광이 전반사의 조건을 만족시킬 수 있다.
혹은, 도 14의 (b)에 도시하는 응력 측정 장치(1B)와 같이, 강화 유리(200)의 표면(210)측에서 생겨 이면(220)측으로 출사된 산란광 LS3을, 프리즘 등인 광 취출 부재(42), 광 파장 선택 부재(80) 및 광 변환 부재(50)를 통하여, 촬상 소자(60)로 입사시키고, 촬상 소자(60)에서 일정 시간 내, 시간적으로 간격을 두고 복수 촬상해도 된다. 이 이외의 구성 및 동작은, 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
또한, 응력 측정 장치(1A)와 마찬가지로, 광 공급 부재(41)를 마련함으로써, 레이저광 L의 강화 유리(200)의 표면(210)에서의 반사를 저감할 수 있지만, 레이저광 L의 강화 유리(200)의 표면(210)에서의 반사가 문제 없는 정도라면, 광 공급 부재(41)를 마련하지 않고, 레이저광 L을 직접 강화 유리(200)에 입사시켜도 된다.
응력 측정 장치(1A 및 1B)의 어느 경우에도, 응력 측정 장치(1)와 마찬가지로, 강화 유리(200) 내로 입사된 레이저광 L에 따른, 산란광의 주기적인 휘도 변화의 위상 변화로부터, 강화 유리(200)의 이면(220)으로부터의 깊이 방향의 응력 분포를 산출할 수 있다.
특히, 응력 측정 장치(1B)에 따르면, 유리판 두께에 의존하지 않고 레이저의 초점이 유리 표층으로부터 동일한 위치에 설정되기 때문에, 동일한 응력 분포를 갖는 강화 유리를 측정할 때라도, 레이저의 초점 위치를 조정할 필요가 없어지거나, 미세 조정으로 충분하거나 하기 때문에, 측정 시간이 짧거나 반복 정밀도가 보다 향상되거나 한다는 효과를 발휘한다.
<제1 실시 형태의 변형예 2>
제1 실시 형태의 변형예 2에서는, 제1 실시 형태와는 구성이 상이한 응력 측정 장치의 다른 예를 나타낸다. 또한, 제1 실시 형태의 변형예 2에 있어서, 이미 설명한 실시 형태와 동일한 구성부에 대한 설명은 생략하는 경우가 있다.
도 15는, 제1 실시 형태의 변형예 2에 관한 응력 측정 장치를 예시하는 도면이다. 도 15에 도시하는 바와 같이, 응력 측정 장치(1C)는, 광 파장 선택 부재(80A), 광 변환 부재(50A) 및 촬상 소자(60A)가, 강화 유리(200)에 대하여, 광 공급 부재(40)와는 반대측에 배치되고, 또한 강화 유리(200)의 이면(220)과 접하도록 광 취출 부재(42)가 배치된 점이, 응력 측정 장치(1)(도 1 참조)와 상이하다. 또한, 도 15에 있어서, 연산부의 도시는 생략되어 있다.
응력 측정 장치(1C)에서는, 응력 측정 장치(1)와 마찬가지로, 강화 유리(200)의 표면(210)측으로부터 출사된 산란광 LS를 검출할 수 있다. 또한, 응력 측정 장치(1C)에서는, 강화 유리(200)의 이면(220)측으로부터 출사된 산란광 LS2를, 프리즘 등인 광 취출 부재(42), 광 파장 선택 부재(80A) 및 광 변환 부재(50A)를 통하여, 촬상 소자(60A)로 입사시키고, 촬상 소자(60A)에서 일정 시간 내, 시간적으로 간격을 두고 복수 촬상한다. 이 이외의 동작은, 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
응력 측정 장치(1C)에서는, 도 15의 구성에 의해, 강화 유리(200)의 표면(210)으로부터의 깊이 방향의 응력 분포, 및 강화 유리(200)의 이면(220)으로부터의 깊이 방향의 응력 분포를 동시에 산출할 수 있다. 표리면측이 동일한 응력 분포가 아닌 강화 유리를 측정하는 경우나, 임의의 강화 유리에 있어서 표리면측이 동일한 응력 분포인지 여부를 확인하고자 하는 경우 등에 유효하다.
<제1 실시 형태의 변형예 3>
제1 실시 형태의 변형예 3에서는, 제1 실시 형태와는 구성이 상이한 편광 위상차 가변 부재의 예를 나타낸다. 또한, 제1 실시 형태의 변형예 3에 있어서, 이미 설명한 실시 형태와 동일한 구성부에 대한 설명은 생략하는 경우가 있다.
편광 위상차 가변 부재로서, 투명 재료의 광 탄성 효과를 이용하여, 가압에 의해 편광 위상차를 가변할 수도 있다. 도 16은, 광 탄성 효과를 이용한 편광 위상차 가변 부재의 설명도이다.
도 16에 도시하는 편광 위상차 가변 부재(30A)에 있어서, 대략 직육면체의 편광 위상차 발생 재료(310)의 일면이 고정 지그(311)로 고정되고, 편광 위상차 발생 재료(310)의 반대면이 피에조 소자(312)의 일면에 접하고, 피에조 소자(312)의 반대면이 고정 지그(313)로 고정되어 있다.
편광 위상차 발생 재료(310)의 피에조 소자(312)에 접해 있는 면과 직각 방향의 대향하는 2개의 면(310a 및 310b)은 경면으로 가공되어 있고, 편광이 있는 광선 Q가 통과할 수 있도록 되어 있다. 편광 위상차 발생 재료(310)로서는, 투명하며 광 탄성 효과가 큰 재료, 예를 들어 유리에서는 석영 유리, 수지에서는 폴리카르보네이트를 사용할 수 있다.
피에조 소자(312)는, 전압이 인가되면 전압 인가 방향으로 신축된다. 늘어나는지 줄어드는지는 전압의 정부로 결정된다. 도 16에는 도시되어 있지 않지만, 피에조 소자(312)에 인가하는 전압을 제어하는 피에조 소자 구동 전압 발생 회로가 피에조 소자(312)에 접속되어 있다.
피에조 소자(312)는, 피에조 소자 구동 전압 발생 회로에 의해 피에조 소자(312)가 늘어나는 전압이 인가되면, 전압이 인가되는 방향으로 길이가 늘어나려고 하는데, 그 늘어나는 방향으로 편광 위상차 발생 재료(310)가 위치되도록 피에조 소자(312)가 배치되어 있다.
피에조 소자 구동 전압 발생 회로에 의해 피에조 소자(312)가 늘어나는 방향의 전압이 인가되면, 피에조 소자(312)는 편광 위상차 발생 재료(310)의 방향으로 늘어난다. 고정 지그(311 및 313)로 고정되어 있으므로, 편광 위상차 발생 재료(310)가 줄어들어 압축 응력이 걸린다. 편광 위상차 발생 재료(310)의 압축 응력에 의해, 광선 Q가 통과하는 방향으로 복굴절이 생기고, 광선 Q에는 편광 위상차가 발생한다. 그 편광 위상차의 양은 피에조 소자(312)에 인가하는 전압에 비례하며, 피에조 소자(312)에 구동 전압을 인가하는 피에조 소자 구동 전압 발생 회로에서 편광 위상차를 제어하는 것이 가능하다.
예를 들어, 편광 위상차 발생 재료(310)로서, 10mm의 입방체의 폴리카르보네이트를 사용한다. 폴리카르보네이트의 광 탄성 상수는 약 700nm/㎝/MPa, 영률은 약 2.5GPa이다.
피에조 소자(312)로서는, 예를 들어 피에조 효과가 큰 티타늄산지르콘산납 등의 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 고유전체 세라믹을 전극과 교대로 적층한 적층 피에조 소자를 사용할 수 있다. 예를 들어, 적층 피에조 소자에 있어서, 1층의 두께가 200㎛로 100층, 길이 20mm 정도로 함으로써, 인가 전압 100V에서 10㎛ 이상의 신장을 얻을 수 있다.
피에조 소자(312)의 재료인 티타늄산지르콘산납의 영률은 폴리카르보네이트에 비하여 10배 이상이므로, 피에조 소자(312)의 신장은, 거의 모두 폴리카르보네이트의 압축으로 되며, 피에조 소자(312)가 10㎛ 늘어나면, 10mm의 입방체의 폴리카르보네이트는 0.1％ 압축되고, 그때의 압축 응력은 2.5MPa로 된다. 10mm의 편광 위상차 발생 재료(310)를 광선 Q가 통과하면, 1750nm의 편광 위상차가 발생하며, 파장 630nm라면, 2.8λ의 편광 위상차를 가변할 수 있다.
예를 들어, 편광 위상차 발생 재료(310)로서, 10mm의 입방체의 석영 유리를 사용한다. 석영 유리의 광 탄성 상수는 약 35nm/㎝/MPa, 영률은 약 70GPa이다. 피에조 소자(312)의 재료인 티타늄산지르콘산납의 영률은 석영과 거의 동일한 레벨이므로, 피에조 소자(312)의 신장은, 거의 절반이 석영 유리의 압축으로 되며, 피에조 소자(312)가 10㎛ 늘어나면, 10mm의 입방체의 폴리카르보네이트는 약 0.05％ 압축되고, 그때의 압축 응력은 약 35MPa로 된다. 10mm의 편광 위상차 발생 재료(310)를 광선 Q가 통과하면, 1225nm의 편광 위상차가 발생하며, 파장 630nm라면, 1.9λ의 편광 위상차를 가변할 수 있다.
이와 같이 재료를 변형시켜 편광 위상차를 만드는 경우에는, 광 탄성 상수와 영률을 곱한 값이 중요하며, 폴리카르보네이트의 경우 0.18(단위 없음), 석영의 경우 0.26(단위 없음)으로 된다. 즉, 이 값이 0.1 이상인 투명 부재를 편광 위상차 발생 재료(310)로서 사용하는 것이 중요하게 된다.
이와 같이, 편광 위상차 가변 부재는 액정 소자에 한정되는 것은 아니며, 강화 유리(200)로 입사될 때의 편광 위상차를 시간적으로 변화시킬 수 있고, 또한 변화시키는 편광 위상차가 레이저광의 파장 λ의 1배 이상인 것을 실현할 수 있다면, 피에조 소자를 응용한 형태여도 되고, 그 이외의 임의의 형태여도 된다.
<제2 실시 형태>
제2 실시 형태에서는, 제1 실시 형태에 관한 응력 측정 장치와 조합하여 사용하는 응력 측정 장치의 예를 나타낸다. 또한, 제2 실시 형태에 있어서, 이미 설명한 실시 형태와 동일한 구성부에 대한 설명은 생략하는 경우가 있다.
도 17은, 제2 실시 형태에 관한 응력 측정 장치를 예시하는 도면이다. 예를 들어, 문헌 [Yogyo-Kyokai-Shi(요업 협회지) 87 {3} 1979] 등에서 설명되어 있다. 도 17에 도시하는 바와 같이, 응력 측정 장치(2)는, 광원(15)과, 광 공급 부재(25)와, 광 취출 부재(35)와, 광 변환 부재(45)와, 편광 부재(55)와, 촬상 소자(65)와, 연산부(75)를 갖는다. 응력 측정 장치(2)는, 도 1에 도시하는 응력 측정 장치(1)와 조합하여 사용할 수 있다. 응력 측정 장치(2)는, 도 14에 도시하는 응력 측정 장치(1A 및 1B)나, 도 15에 도시하는 응력 측정 장치(1C)와 조합하여 사용해도 된다.
응력 측정 장치(2)에 있어서, 광원(15)은, 광 공급 부재(25)로부터 강화 유리(200)의 표면층으로 광선 La를 입사시키도록 배치되어 있다. 간섭을 이용하기 위해, 광원(15)의 파장은, 단순한 명암 표시로 되는 단일 파장인 것이 바람직하다.
광원(15)으로서는, 예를 들어 용이하게 단일 파장의 광이 얻어지는 Na 램프를 사용할 수 있으며, 이 경우의 파장은 589.3nm이다. 또한, 광원(15)으로서, Na 램프보다 단파장인 수은 램프를 사용해도 되며, 이 경우의 파장은, 예를 들어 수은 I선인 365nm이다. 단, 수은 램프는 많은 휘선이 있으므로, 365nm 라인만을 투과시키는 대역 통과 필터를 통과시켜 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 광원(15)으로서 LED(Light Emitting Diode)를 사용해도 된다. 근년, 많은 파장의 LED가 개발되고 있지만, LED의 스펙트럼 폭은 반값폭으로 10nm 이상이며, 단일 파장성이 나쁘고, 온도에 따라 파장이 변화한다. 그 때문에, 대역 통과 필터를 통과시켜 사용하는 것이 바람직하다.
광원(15)을 LED로 대역 통과 필터를 통과시킨 구성으로 한 경우, Na 램프나 수은 램프일수록 단일 파장성은 없지만, 자외 영역에서 적외 영역까지 임의의 파장을 사용할 수 있다는 점에서 적합하다. 또한, 광원(15)의 파장은, 응력 측정 장치(2)의 측정의 기본 원리에는 영향을 미치지 않기 때문에, 위에 예시한 파장 이외의 광원을 사용해도 상관없다.
단, 광원(15)으로서 자외선을 조사하는 광원을 사용함으로써, 측정의 분해능을 향상시킬 수 있다. 즉, 응력 측정 장치(2)에서 측정하는 강화 유리(200)의 표면층은 수㎛ 정도의 두께이기 때문에, 광원(15)으로서 자외선을 조사하는 광원을 사용함으로써 적당한 개수의 간섭 줄무늬가 얻어져, 분해능이 향상된다. 한편, 광원(15)으로서 자외선보다 장파장의 광을 조사하는 광원을 사용하면, 간섭 줄무늬의 개수가 줄어들기 때문에 분해능이 저하된다.
광 공급 부재(25) 및 광 취출 부재(35)는, 피측정체인 강화 유리(200)의 표면(210)에 광학적으로 접촉된 상태로 적재되어 있다. 광 공급 부재(25)는, 광원(15)으로부터의 광을 강화 유리(200)로 입사시키는 기능을 구비하고 있다. 광 취출 부재(35)는, 강화 유리(200)의 표면층을 전파한 광을 강화 유리(200) 밖으로 출사시키는 기능을 구비하고 있다.
광 공급 부재(25) 및 광 취출 부재(35)로서는, 예를 들어 광학 유리로 만든 프리즘을 사용할 수 있다. 이 경우, 강화 유리(200)의 표면(210)에 있어서, 광선이 이들 프리즘을 통하여 광학적으로 입사 및 출사되기 때문에, 이들 프리즘의 굴절률은 강화 유리(200)의 굴절률보다 크게 할 필요가 있다. 또한, 각 프리즘의 경사면에 있어서, 입사광 및 출사광이 대략 수직으로 통과하는 굴절률을 선택할 필요가 있다.
예를 들어, 프리즘의 경사각이 60°이고, 강화 유리(200)의 굴절률이 1.52인 경우에는, 프리즘의 굴절률은 1.72로 할 수 있다. 또한, 광 공급 부재(25) 및 광 취출 부재(35)로서, 프리즘 대신에, 마찬가지의 기능을 구비한 다른 부재를 사용해도 된다. 또한, 광 공급 부재(25) 및 광 취출 부재(35)를 일체 구조로 해도 된다. 또한, 안정적으로 광학적인 접촉을 시키기 위해, 광 공급 부재(25) 및 광 취출 부재(35)와 강화 유리(200)의 사이에, 광 공급 부재(25) 및 광 취출 부재(35)의 굴절률과 강화 유리(200)의 굴절률의 사이의 값으로 되는 굴절률의 액체(겔상이어도 됨)를 충전하는 경우도 있다.
광 취출 부재(35)로부터 출사된 광의 방향에는 촬상 소자(65)가 배치되어 있고, 광 취출 부재(35)와 촬상 소자(65)의 사이에, 광 변환 부재(45)와 편광 부재(55)가 삽입되어 있다.
광 변환 부재(45)는, 광 취출 부재(35)로부터 출사된 광선을 휘선 열로 변환하여 촬상 소자(65) 상에 집광하는 기능을 구비하고 있다. 광 변환 부재(45)로서는, 예를 들어 볼록 렌즈를 사용할 수 있지만, 마찬가지의 기능을 구비한 다른 부재를 사용해도 된다.
편광 부재(55)는, 강화 유리(200)와 광 취출 부재(35)의 경계면에 대하여 평행 및 수직으로 진동하는 2종의 광 성분 중 한쪽을 선택적으로 투과하는 기능을 구비하고 있는 광 분리 수단이다. 편광 부재(55)로서는, 예를 들어 회전 가능한 상태로 배치된 편광판 등을 사용할 수 있지만, 마찬가지의 기능을 구비한 다른 부재를 사용해도 된다. 여기서, 강화 유리(200)와 광 취출 부재(35)의 경계면에 대하여 평행으로 진동하는 광 성분은 S 편광이고, 수직으로 진동하는 광 성분은 P 편광이다.
또한, 강화 유리(200)와 광 취출 부재(35)의 경계면은, 광 취출 부재(35)를 통하여 강화 유리(200)의 밖으로 출사시킨 광의 출사면과 수직이다. 그래서, 광 취출 부재(35)를 통하여 강화 유리(200)의 밖으로 출사시킨 광의 출사면에 대하여 수직으로 진동하는 광 성분은 S 편광이고, 평행으로 진동하는 광 성분은 P 편광이라고 바꿔 말해도 된다.
촬상 소자(65)는, 광 취출 부재(35)로부터 출사되며, 광 변환 부재(45) 및 편광 부재(55)를 경유하여 수광된 광을 전기 신호로 변환하는 기능을 구비하고 있다. 촬상 소자(65)로서는, 예를 들어 촬상 소자(60)와 마찬가지의 소자를 사용할 수 있다.
연산부(75)는, 촬상 소자(65)로부터 화상 데이터를 도입하여, 화상 처리나 수치 계산을 행하는 기능을 구비하고 있다. 연산부(75)는, 이 이외의 기능(예를 들어, 광원(15)의 광량이나 노광 시간을 제어하는 기능 등)을 갖는 구성으로 해도 된다. 연산부(75)는, 예를 들어 CPU(Central Processing Unit), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 메인 메모리 등을 포함하도록 구성할 수 있다.
이 경우, 연산부(75)의 각종 기능은, ROM 등에 기록된 프로그램이 메인 메모리에 판독되어 CPU에 의해 실행됨으로써 실현할 수 있다. 연산부(75)의 CPU는, 필요에 따라 RAM으로부터 데이터를 판독하거나, 저장하거나 할 수 있다. 단, 연산부(75)의 일부 또는 전부는, 하드웨어에 의해서만 실현되어도 된다. 또한, 연산부(75)는, 물리적으로 복수의 장치 등에 의해 구성되어도 된다. 연산부(75)로서는, 예를 들어 퍼스널 컴퓨터를 사용할 수 있다.
응력 측정 장치(2)에서는, 광원(15)으로부터 광 공급 부재(25)를 통하여 강화 유리(200)의 표면층으로 입사된 광선 La는 표면층 내를 전파한다. 그리고, 광선 La가 표면층 내를 전파하면, 광 도파 효과에 의해 모드가 발생하고, 몇몇의 결정된 경로로 진행하여 광 취출 부재(35)에 의해, 강화 유리(200)의 밖으로 취출된다.
그리고, 광 변환 부재(45) 및 편광 부재(55)에 의해, 촬상 소자(65) 상에, 모드별로 P 편광 및 S 편광의 휘선으로 되어 결상된다. 촬상 소자(65) 상에 발생한 모드의 수의 P 편광 및 S 편광의 휘선의 화상 데이터는, 연산부(75)에 보내진다. 연산부(75)에서는, 촬상 소자(65)로부터 보내진 화상 데이터로부터, 촬상 소자(65) 상의 P 편광 및 S 편광의 휘선의 위치를 산출한다.
이러한 구성에 의해, 응력 측정 장치(2)에서는, P 편광 및 S 편광의 휘선의 위치에 기초하여, 강화 유리(200)의 표면층에 있어서의 표면으로부터 깊이 방향의, P 편광 및 S 편광의 각각의 굴절률 분포를 산출할 수 있다. 또한, 산출한 P 편광 및 S 편광의 각각의 굴절률 분포의 차와, 강화 유리(200)의 광 탄성 상수에 기초하여, 강화 유리(200)의 표면층에 있어서의 표면으로부터 깊이 방향의 응력 분포를 산출할 수 있다.
이와 같이, 응력 측정 장치(2)는, 강화 유리의 표면층의 도파광을 이용한 측정 장치이다. 여기서, 유리 표면의 도파광은, 강화 유리(200)의 굴절률이 표면으로부터 깊어질수록 낮아지는 층에서 발생한다. 깊어짐에 따라, 굴절률이 높아지는 층에서는 도파광은 발생하지 않는다. 예를 들어, 리튬ㆍ알루미노실리케이트계 유리에 있어서, 유리의 최표면 부근만, 굴절률이 깊어짐에 따라 낮아지지만, 어떠한 깊이로부터, 깊이와 함께 굴절률이 높아진다. 이러한 강화 유리의 경우, 굴절률이 깊어짐에 따라 낮아지는 최표면층에만 도파광이 발생하며, 그 부분 즉, 굴절률 분포가 반전되는 깊이까지는 응력 분포를 측정할 수 있다.
한편, 제1 실시 형태 1의 도 9에 도시한 산란광의 화상에서, 도 9 중의 점 A는 유리 표면이며, 표면 산란광이 강하게 주위로 퍼져 있다. 이 퍼진 표면 산란광은, 표면점의 정보를 반영하고 있다. 표면점 A에서는, 올바른 정보이지만, 예를 들어 표면점 A로부터 약간 유리의 깊은 부분에서의 레이저광 L의 산란광은, 본래의 그 점에서의 유리의 응력을 반영한 산란광에 표면점 A에서의 응력을 반영한 산란광이 섞여 있는 상태이며, 표면 산란광이 겹쳐 있는 부분에 대해서는, 정확하게 응력을 측정하기가 곤란하다.
이 표면 산란광이 겹치는 부분의 깊이는, 유리의 질이나, 유리의 표면 상태에 따라 상이하지만, 통상 10㎛ 정도이다. 강화 유리의 강화층 깊이가 깊고, 최표면 부근, 예를 들어 깊이 수십㎛ 정도의 표면 영역에 있어서, 응력의 깊이 방향의 변화가 완만하거나, 표면 응력값이 낮거나, 혹은 강화층이 깊은 강화 유리에서는, 정확하게 측정되지 않는 깊이 10㎛ 이내에서도, 그것보다 깊은 부분의 응력의 분포를 유리 표면에 외삽하여도 정확한 응력을 추정할 수 있다.
그러나, 강화 유리(200)의 응력 분포가, 최표면 근방, 예를 들어 강화 유리(200)의 표면과 깊이 10㎛의 사이에서 급격하게 응력이 높아지는 강화 유리에 있어서는, 외삽에 의한 최표면 부근의 응력값의 추정값에 큰 오차가 생긴다. 특히, 최표면의 응력값은 오차가 크다. 그러나, 이 표면 산란광이 방해하는 영역 이외에서는, 절댓값으로서, 정확하게 응력 분포를 측정하는 것이 가능하다.
최표면의 응력값, 혹은 최표면 부근의 응력 분포를 응력 측정 장치(2)에서 측정한 응력값, 혹은 응력 분포와, 응력 측정 장치(1)에서 측정한 응력 분포 중, 표면 산란광으로 방해를 받지 않는 최표면으로부터 충분히 깊은 부분의 응력 분포를 합침으로써, 전체의 응력 분포를 고정밀도로 측정할 수 있다.
응력 측정 장치(1)의 충분히 신뢰를 둘 수 있는 깊이 영역과 응력 측정 장치(2)의 측정이 가능한 깊이 영역이 불연속인 경우에는, 강화 유리에 있어서, 이론적으로 예상되는 응력 분포 함수를 사용하여, 최소 제곱법으로, 근사 계산을 행함으로써, 불연속 영역의 응력도 정확하게 추정하는 것이 가능하다.
도 18은, 응력 측정 장치(1 및 2)에서 측정한 응력 분포를 동일한 그래프에 도시한 도면이다. 보다 구체적으로는, 표면으로부터 깊이 10㎛ 부근에 응력의 기울기가 갑자기 변화하는 영역을 갖는, 2단계로 화학 강화된 응력 분포를 갖는 강화 유리를, 응력 측정 장치(2)에서 측정한 최표면 부근의 응력 분포(영역 A)와, 응력 측정 장치(1)에서 측정한 충분히 신뢰를 둘 수 있는 영역에서의 응력 분포(영역 C)를 동일한 그래프에 도시하고 있다.
도 18의 예에서는, 중간에, 응력 측정 장치(1)로도 응력 측정 장치(2)로도 측정되지 않는 영역 B가 존재한다. 영역 A 및 C의 응력 분포에 기초하여, 영역 B에 있어서 예상되는 응력 분포의 함수에서 최소 제곱법으로 구한 곡선을 점선으로 나타낸다. 이 경우, 굴곡점이 포함되는 영역의 실 데이터가 없어도, 최소 제곱법으로 구해진 곡선으로부터, 굴곡점 위치도 추정하는 것이 가능하다.
(측정 플로우)
이어서, 도 19 및 도 20을 참조하면서 측정 플로우에 대하여 설명한다. 도 19는, 응력 측정 장치(2)의 측정 방법을 예시하는 흐름도이다. 도 20은, 응력 측정 장치(2)의 연산부(75)의 기능 블록을 예시하는 도면이다.
우선, 스텝 S407에서는, 강화 유리(200)의 표면층 내에 광원(15)으로부터의 광을 입사시킨다(광 공급 공정). 이어서, 스텝 S408에서는, 강화 유리(200)의 표면층 내를 전파한 광을 강화 유리(200)의 밖으로 출사시킨다(광 취출 공정).
이어서, 스텝 S409에서는, 광 변환 부재(45) 및 편광 부재(55)는, 출사된 광의, 출사면에 대하여 평행 및 수직으로 진동하는 2종의 광 성분(P 편광과 S 편광)에 대하여, 각각 적어도 2개 이상의 휘선을 갖는 2종의 휘선 열로서 변환한다(광 변환 공정).
이어서, 스텝 S410에서는, 촬상 소자(65)는, 광 변환 공정에 의해 변환된 2종의 휘선 열을 촬상한다(촬상 공정). 이어서, 스텝 S411에서는, 연산부(75)의 위치 측정 수단(751)은, 촬상 공정에서 얻어진 화상으로부터 2종의 휘선 열의 각 휘선의 위치를 측정한다(위치 측정 공정).
이어서, 스텝 S412에서는, 연산부(75)의 응력 분포 산출 수단(752)은, 2종의 휘선 열의 각각 적어도 2개 이상의 휘선의 위치로부터, 2종의 광 성분에 대응한 강화 유리(200)의 표면으로부터 깊이 방향에 걸친 굴절률 분포를 산출한다. 그리고, 2종의 광 성분의 굴절률 분포의 차와 유리의 광 탄성 상수에 기초하여, 강화 유리(200)의 표면으로부터 깊이 방향에 걸친 응력 분포를 산출한다(응력 분포 산출 공정).
이어서, 스텝 S413에서는, 연산부(75)의 합성 수단(753)은, 스텝 S412에서 산출한 응력 분포와, 응력 측정 장치(1)의 연산부(70)의 응력 분포 산출 수단(703)이 산출한 응력 분포를 합성한다.
응력 측정 장치(1)의 충분히 신뢰를 둘 수 있는 깊이 영역과 응력 측정 장치(2)의 측정이 가능한 깊이 영역이 불연속인 경우에는, 연산부(75)의 합성 수단(753)은, 예를 들어 도 18에 도시한 바와 같이, 응력 측정 장치(2)의 연산부(75)의 응력 분포 산출 수단(752)이 산출한 영역 A의 응력 분포와, 응력 측정 장치(1)의 연산부(70)의 응력 분포 산출 수단(703)이 산출한 영역 C의 응력 분포에 기초하여, 최소 제곱법 등으로 영역 B의 응력 분포를 산출한다.
또한, 연산부(75)는, 도 20의 구성에 추가하여, CT값을 산출하는 CT값 산출 수단이나, DOL_Zero값을 산출하는 DOL_Zero값 산출 수단 등을 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 합성 수단(753)이 산출한 응력 분포에 기초하여, CT값이나 DOL_Zero값을 산출할 수 있다.
이어서, 응력 분포의 각 특성값의 도출예에 대하여 설명한다. 도 21은, 강화 유리의 깊이 방향의 응력 분포를 예시하는 도면이다. 도 21에 있어서, CS2는 최표면의 응력값, CS_TP는 응력 분포가 굴곡된 위치의 응력값, CT는 유리 최심부에 있어서의 응력값, DOL_TP는 응력 분포가 굴곡된 위치의 유리 깊이, DOL_zero는 응력값이 제로로 되는 유리 깊이, DOL_tail은 응력값이 CT와 동일한 값으로 되는 유리 깊이이다.
도 22에 도시하는 바와 같이, 스텝 S501에 있어서 응력 분포를 측정하고, 스텝 S502에 있어서 스텝 S501에서 측정한 응력 분포에 기초하여 특성값을 도출할 수 있다. 이하에 의해 상세하게 설명한다.
도 23은, 측정된 응력 분포로부터 각 특성값을 도출한 예를 도시하고 있다. 예를 들어, 도 24의 스텝 S601에 있어서, 응력 분포의 전체 분포(도 23에 도시하는 실선 전체)를 응력 측정 장치(1)에서 측정한다. 그리고, 스텝 S604에서 각 특성값을 도출한다.
스텝 S604에서는, 예를 들어 이하와 같이 하여, 각 특성값을 도출한다. 즉, 도 23에 도시하는 바와 같이, CS2를 통과하는 선분, 및 DOL_zero를 통과하는 선분의 2개의 선분을 고려한다. 그리고, 2개의 선분과 측정한 응력 분포의 차가 최소로 되도록 하였을 때, 2개의 선분의 교점을 CS_TP 및 DOL_TP라고 한다. 또한, DOL_zero를 통과하는 선분과 CT의 교점을 DOL_tail이라고 한다.
이 방법은, 예를 들어 리튬ㆍ알루미노실리케이트계 강화 유리, 질산나트륨과 질산칼륨의 혼합염을 사용하여 1회의 화학 강화를 행한 강화 유리, 질산나트륨이 들어간 용융염과 질산칼륨이 들어간 용융염을 각각 1회 이상 사용하여 화학 강화를 행한 강화 유리, 풍랭 강화와 화학 강화의 양쪽을 행한 강화 유리 등에 적용 가능하다.
도 25는, 측정된 응력 분포로부터 각 특성값을 도출한 다른 예를 도시하고 있다. 예를 들어, 도 26의 스텝 S601에서는, 응력 분포의 전체 분포를 응력 측정 장치(1)에서 측정한다. 이어서, 스텝 S602에서는, DOL_TP보다 유리 표층측을 응력 측정 장치(2)에서 측정한다. 또한, 응력 측정 장치(2)에서 DOL_TP보다 심층측을 측정하는 것은 곤란하다. 스텝 S601과 스텝 S602는 순서부동이다.
이어서, 스텝 S603에서는, 스텝 S602에서 측정한 부분과, 그것보다 심층측의 스텝 S601에서 측정한 부분을 합성한다. 이에 의해, 도 25의 응력 분포가 얻어진다. 그 후, 예를 들어 도 24의 스텝 S604와 마찬가지로 하여, 각 특성값을 도출할 수 있다.
혹은, 스텝 S602는 상기와 마찬가지로 하여, 스텝 S601에서는 DOL_zero와 CT를 측정한다. 그리고, 스텝 S603에서는, 도 27에 도시하는 바와 같이, 스텝 S602에서 얻어진 CS_TP와 DOL_TP의 교점으로부터 스텝 S601에서 얻어진 DOL_zero를 통과하는 직선을 긋고, CT로 될 때까지를 응력 분포로 해도 된다.
응력 분포의 측정에서 얻어진 각 특성값을 사용하여 품질 판단을 행할 수 있다. 도 28은, 응력 분포의 측정에서 얻어진 각 특성값을 사용한 품질 판단의 흐름도의 일례이다. 도 28에서는, 우선, 도 26과 마찬가지로 스텝 S601 내지 S603을 실행한다. 이어서, 스텝 S604에서는, 스텝 S601 및 S602에서 얻어진 데이터에 기초하여, CS2, CS_TP, CT, DOL_TP, DOL_zero, DOL_tail의 6개의 특성값(이하, 간단히 6개의 측정값이라고 칭하는 경우가 있음)을 도출한다. 이어서, 스텝 S605에서는, 스텝 S604에서 도출한 6개의 특성값이, 사전의 요구 사양에 정해진 허용 범위에 들어가는지 여부를 판단한다. 이 방법에서는, 1회의 품질 판단에, 스텝 S601 및 S602의 2회의 측정이 필요하게 된다.
도 29는, 응력 분포의 측정에서 얻어진 각 특성값을 사용한 품질 판단의 흐름도의 다른 예이다. 도 29의 (a)에서는, 우선, 스텝 S600에서 예비 데이터를 취득한다. 구체적으로는, 예를 들어 1로트당, 소정의 수량에 대하여, 응력 측정 장치(1 및 2)를 사용하여, 6개의 특성값을 도출한다. 그리고, 제품의 요구 사양과 도출한 특성값에 기초하여, 특성값의 허용 범위를 결정한다.
이어서, 스텝 S601에서는, DOL_TP보다 유리 심층측을 응력 측정 장치(1)에서 측정한다. 그리고, 스텝 S604에서는, 스텝 S600의 응력 측정 장치(2)의 데이터와 스텝 S601의 응력 측정 장치(1)의 데이터에 기초하여, 6개의 특성값을 다시 도출한다.
이어서, 스텝 S605에서는, 스텝 S604에서 측정한 6개의 특성값이, 스텝 S600에서 결정한 허용 범위에 들어가는지 여부를 판단한다. 이 방법에서는, 예비 공정에서 측정한 수량 이외에 대해서는, 1회의 품질 판단에, 스텝 S601의 1회의 측정만이 필요로 된다. 따라서, 도 28의 경우보다 품질 관리 플로우를 간소화할 수 있다.
또한, 도 29의 (b)와 같이 해도 된다. 도 29의 (b)에서는, 도 29의 (a)와 마찬가지로, 우선, 스텝 S600에서 예비 데이터를 취득하고, 특성값의 허용 범위를 결정한다.
이어서, 스텝 S602에서는, DOL_TP보다 유리 표층측을 응력 측정 장치(2)에서 측정한다. 그리고, 스텝 S604에서는, 스텝 S600의 응력 측정 장치(1)의 데이터와 스텝 S602의 응력 측정 장치(2)의 데이터에 기초하여, 6개의 특성값을 다시 도출한다.
이어서, 스텝 S605에서는, 스텝 S604에서 측정한 6개의 특성값이, 스텝 S600에서 결정한 허용 범위에 들어가는지 여부를 판단한다. 이 방법에서는, 예비 공정에서 측정한 수량 이외에 대해서는, 1회의 품질 판단에, 스텝 S602의 1회의 측정만이 필요로 된다. 따라서, 이 경우에도, 도 29의 (a)와 마찬가지로, 도 28의 경우보다 품질 관리 플로우를 간소화할 수 있다.
도 30은, 리튬ㆍ알루미노실리케이트계 강화 유리와 같은 리튬 함유 유리(리튬이 2wt％ 이상 포함되는 유리)에 대하여 2회 이상의 강화를 행하는 경우의 품질 판단의 흐름도의 일례이다. 도 30에서는, 최종회 이외의 강화에 관한 강화 유리를 응력 측정 장치(1)의 측정 결과에 기초하여 합격 여부를 판정하고, 최종회의 강화에 관한 강화 유리를 응력 측정 장치(2)의 측정 결과에 기초하여 합격 여부를 판정한다.
구체적으로는, 우선, 스텝 S650에서 1회째 화학 강화를 행한다. 그리고, 스텝 S651에서, DOL_TP보다 유리 심층측의 응력 분포(이후, 제1 응력 분포라고 칭하는 경우가 있음)를 응력 측정 장치(1)에서 측정한다. 스텝 S651에서의 측정 결과에 문제가 있으면(NG인 경우), 그 강화 유리는 출하 대상 외로 된다. 한편, 스텝 S651에서의 측정 결과에 문제가 없으면(OK인 경우), 스텝 S652로 이행하여 2회째 화학 강화를 행한다. 스텝 S651에 있어서의 합격 여부 판정(OK/NG의 판정)은, 응력 측정 장치(1)의 측정 결과로부터 도출한 6개의 특성값의 전부 또는 일부(예를 들어, CT와 DOL_zero)에 기초하여 행할 수 있다.
이어서, 스텝 S653에서, DOL_TP보다 유리 표층측의 응력 분포(이후, 제2 응력 분포라고 칭하는 경우가 있음)를 응력 측정 장치(2)에서 측정한다. 스텝 S653에서의 측정 결과에 문제가 있으면(NG인 경우), 그 강화 유리는 출하 대상 외로 된다. 한편, 스텝 S653에서의 측정 결과에 문제가 없으면(OK인 경우), 스텝 S654의 다음 공정으로 진행한다. 스텝 S653에 있어서의 합격 여부 판정(OK/NG의 판정)의 구체적인 방법에 대해서는, 후술한다.
다음 공정으로서는, 예를 들어 터치 폴리시 공정을 들 수 있다. 터치 폴리시 공정은, 예를 들어 강화 유리(200)의 표면을 비교적 낮은 면압으로 연마하는 마무리 연마의 공정이다. 단, 터치 폴리시 공정을 마련하는 것은 필수는 아니며, 스텝 S653이 최종 공정이어도 된다.
또한, 스텝 S653 후에, 3회째 화학 강화 및 합격 여부 판정을 행해도 된다. 이 경우에는, 스텝 S653에 있어서 2회째 강화에 관한 강화 유리를 스텝 S651과 마찬가지로 응력 측정 장치(1)의 측정 결과에 기초하여 합격 여부를 판정하고, 3회째 강화(최종회의 강화)에 관한 강화 유리를 응력 측정 장치(2)의 측정 결과에 기초하여 합격 여부를 판정한다.
강화의 횟수가 더 늘어난 경우에도 마찬가지이며, 최종회 이외의 강화에 관한 강화 유리를 응력 측정 장치(1)의 측정 결과에 기초하여 합격 여부를 판정하고, 최종회의 강화에 관한 강화 유리를 응력 측정 장치(2)의 측정 결과에 기초하여 합격 여부를 판정한다. 이에 의해, 측정 재현성을 유지하면서, 평가 시간을 단축하는 것이 가능하게 된다.
여기서, 스텝 S653에 있어서의 합격 여부 판정(OK/NG의 판정)의 구체적인 방법에 대하여 설명한다.
(평가용 데이터 도출)
우선, 사전에 평가용 데이터 도출을 행한다. 구체적으로는, 도 31에 도시하는 바와 같이, 스텝 S660에서 1회째 화학 강화를 행한다. 그리고, 스텝 S661에서, DOL_TP보다 유리 심층측을 응력 측정 장치(1)에 의해 측정한다(1회째 측정). 계속해서, 스텝 S662에서 2회째 화학 강화를 행한다. 그리고, 스텝 S663에서, DOL_TP보다 유리 심층측을 응력 측정 장치(1)에 의해 측정한다(2회째 측정). 그리고, 스텝 S664에서, 스텝 S661에서 얻어진 1회째 측정 결과, 스텝 S663에서 얻어진 2회째 측정 결과 중 한쪽 또는 양쪽에 기초하여 평가용 데이터(제1 응력 분포)를 도출한다.
또한, 평가용 데이터 도출은, 1로트당 소정의 수량만을 사용하여 행한다. 또한, 평가용 데이터 도출에 있어서의 1회째 화학 강화 및 2회째 화학 강화는, 양산 시의 1회째 화학 강화 및 2회째 화학 강화와 동일 조건에서 행한다.
(스텝 S653에 있어서의 합격 여부 판정의 방법)
우선, 스텝 S653에서 얻어진 측정 결과와, 화학 강화하는 유리의 판 두께 t와, 도 31과 같이 구한 평가용 데이터에 기초하여, DOL_TP보다 유리 표층측의 응력 분포(제2 응력 분포)와, DOL_TP보다 유리 심층측의 응력 분포(제1 응력 분포)를 합성한다. 예를 들어, 도 32와 같은 결과가 얻어진다.
도 32에 있어서, 실선으로 나타낸 FSM은 DOL_TP보다 유리 표층측의 응력 분포(제2 응력 분포)를 나타내고, 파선으로 나타낸 SLP는 DOL_TP보다 유리 심층측의 응력 분포(제1 응력 분포)를 나타내고 있다. 또한, t/2는 유리의 판 두께 중심을 나타내고 있다. 또한, CS0은 제1 응력 분포(SLP)를 강화 유리의 표면측으로 연장하였을 때의 표면의 응력값을 나타내고 있다.
이어서, 합성 후의 응력 분포로부터 CT를 찾아 각 특성값을 도출하고, 각 특성값이 허용 범위에 들어가는지 여부에 따라 합격 여부 판정(출하 판단)을 행한다.
이때, 제2 응력 분포(도 32의 FSM)는 함수 근사시켜도 된다. 함수 근사의 일례로서는, 하기 식 (2)로 직선 근사시키는 것을 들 수 있다.
식 (2)에 있어서, σf(x)는 제2 응력 분포, a는 기울기, CS2는 최표면의 응력값이다.
함수 근사의 다른 예로서는, 하기 식 (3)으로 곡선 근사시키는 것을 들 수 있다.
식 (3)에 있어서, σf(x)는 제2 응력 분포, a는 기울기, CS2는 최표면의 응력값, erfc은 식 (4)에 나타내는 오차 함수이다.
함수 근사의 또 다른 예로서는, 다항식 근사시키는 것을 들 수 있다.
또한, 제1 응력 분포(도 32의 SLP)를 도 32의 상하 방향(응력값 축 방향)으로 이동시켜도 된다. 구체적으로는, 예를 들어 도 32에 도시하는 합성 후의 응력 분포에 있어서, 제1 응력 분포(SLP)를 응력값 축 방향으로 이동시키고, 합성 후의 응력 분포의 적분값이 제로로 되는 CT를 찾아 각 특성값을 도출한다. 그리고, 각 특성값이 허용 범위에 들어가는지 여부에 따라 합격 여부 판정(출하 판단)을 행할 수 있다.
또한, 합성 후의 응력 분포 σ(x)를 하기 식 (5)로 근사시켜, σ(x)의 적분값(x=0 내지 t/2: t는 유리의 판 두께)이 제로로 되는 CT를 찾아 각 특성값을 도출한다. 그리고, 각 특성값이 허용 범위에 들어가는지 여부에 따라 합격 여부 판정(출하 판단)을 행해도 된다.
식 (5)에 있어서, σ(x)는 합성 후의 응력 분포, σf(x)는 제2 응력 분포, t는 강화 유리의 판 두께, CS0 및 c는 제1 응력 분포에 기초하여 도출되는 파라미터이다.
식 (5)에 있어서, t는 기지이다. 또한, CS0 및 c는, 평가용 데이터 도출에 있어서의 응력 측정 장치(1)의 측정 결과로부터 얻을 수 있다.
CS0 및 c는, 강화 조건에 기초한 시뮬레이션으로부터 얻어도 된다.
혹은, CS0 및 c는, 양산에 있어서의 최종회의 1회 전의 강화에 관한 강화 유리의 응력 측정 장치(1)의 측정 결과로부터 도출한 CS0' 및 c', 그리고 하기 식 (6) 및 식 (7)에 의해 얻어도 된다.
식 (6)에 있어서, A1은 비례 상수이다.
식 (7)에 있어서, A2는 비례 상수이다.
여기서, A1 및 A2는, 평가용 데이터 도출에 있어서의 응력 측정 장치(1)의 측정 결과로부터 얻어도 되고, 시뮬레이션에 의해 얻어도 된다.
또한, σ(x)의 근사는 식 (5)에는 한정되지 않으며, 예를 들어 다항식 근사로 해도 된다.
[실시예]
실시예 1에서는, 2회의 화학 강화를 행한 강화 유리의 응력 분포의 특성값인 CS_TP(MPa)를, 도 28에서 설명한 방법에 의해 동일한 샘플에 대하여 3회 도출하고, 평가 시간과 측정 재현성을 조사하였다.
실시예 2에서는, 2회의 화학 강화를 행한 강화 유리의 응력 분포의 특성값인 CS_TP(MPa)를, 도 30 내지 도 32에서 설명한 방법에 의해 동일한 샘플에 대하여 3회 도출하고, 평가 시간과 측정 재현성을 조사하였다. 구체적으로는, 도 30의 스텝 S653에서 얻어진 측정 결과와, 화학 강화하는 유리의 판 두께 t와, 도 31과 같이 구한 평가용 데이터에 기초하여, 제2 응력 분포(FSM)와 제1 응력 분포(SLP)를 합성할 때, 제1 응력 분포(SLP)를 응력값 축 방향으로 이동시키고, 합성 후의 응력 분포의 적분값이 제로로 되는 CT를 찾아 CS_TP를 도출하였다.
실시예 3에서는, 2회의 화학 강화를 행한 강화 유리의 응력 분포의 특성값인 CS_TP(MPa)를, 도 30 내지 도 32에서 설명한 방법에 의해 동일한 샘플에 대하여 3회 도출하고, 평가 시간과 측정 재현성을 조사하였다. 구체적으로는, 도 30의 스텝 S653에서 얻어진 측정 결과와, 화학 강화하는 유리의 판 두께 t와, 도 31과 같이 구한 평가용 데이터에 기초하여, 제2 응력 분포(FSM)와 제1 응력 분포(SLP)를 합성할 때, 합성 후의 응력 분포 σ(x)를 식 (5)로 근사시켜, σ(x)의 적분값(x=0 내지 t/2: t는 유리의 판 두께)이 제로로 되는 CT를 찾아 CS_TP를 도출하였다.
비교예 1로서, 2회의 화학 강화를 행한 강화 유리의 응력 분포의 특성값인 CS_TP(MPa)를, 특허문헌 4에 기재된 방법에 의해 동일한 샘플에 대하여 3회 도출하고, 평가 시간(분)과 측정 재현성(최댓값과 최솟값의 차)을 조사하였다.
비교예 1 및 실시예 1 내지 3에서 구한 응력 분포를 도 33에, 결과의 정리를 표 2에 나타낸다. 또한, 도 33에 있어서, 응력 분포가 굴곡된 위치의 응력값이 CS_TP이다.
표 2로부터, 비교예 1에서는, 동일한 샘플에 대하여 3회 도출한 CS_TP의 값이 매회 변동되어, 측정 재현성이 좋지 않다. 이에 비해, 실시예 1 내지 3에서는, 동일한 샘플에 대하여 3회 도출한 CS_TP의 값의 변동이 적어, 비교예 1에 비하여 측정 재현성이 대폭 향상되어 있다. 특히, 실시예 2 및 3에서는, 측정 재현성이 우수하다. 또한, 실시예 1은 평가 시간이 길지만, 실시예 2 및 3에서는 응력 측정 장치(1)에 의한 측정 횟수가 줄었기 때문에, 평가 시간이 짧고, 또한 측정 재현성이 우수함을 확인할 수 있었다.
<제3 실시 형태>
제3 실시 형태에서는, 광 공급 부재와 강화 유리의 사이에 액체를 두는 예를 나타낸다. 또한, 제3 실시 형태에 있어서, 이미 설명한 실시 형태와 동일한 구성부에 대한 설명은 생략하는 경우가 있다.
도 34는, 제3 실시 형태에 관한 응력 측정 장치를 예시하는 도면이며, 광 공급 부재와 강화 유리의 계면 근방의 단면을 도시하고 있다.
도 34에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 광 공급 부재(40)와 강화 유리(200)의 사이에, 강화 유리(200)의 굴절률과 거의 동일한 굴절률을 갖는 액체(90)를 두고 있다. 이것은 강화 유리(200)의 굴절률은 강화 유리의 종류에 따라 약간 상이하기 때문에, 광 공급 부재(40)의 굴절률과 완전히 일치시키기 위해서는, 강화 유리의 종류별로 광 공급 부재(40)를 교환할 필요가 있다. 그러나 이 교환 작업은 비효율적이므로, 광 공급 부재(40)와 강화 유리(200)의 사이에 강화 유리(200)의 굴절률과 거의 동일한 굴절률을 갖는 액체(90)를 둠으로써, 강화 유리(200) 내에, 효율적으로 레이저광 L을 입사시킬 수 있다.
액체(90)로서는, 예를 들어 1-브로모나프탈렌(n=1.64)과 크실렌(n=1.50)의 혼합액을 사용할 수 있다. 액체(90)로서, 서로 구조가 상이한 복수의 실리콘 오일의 혼합액을 사용해도 된다. 예를 들어, 디메틸실리콘 오일(n=1.38 내지 1.41)이나 메틸페닐실리콘 오일(n=1.43 내지 1.57)은, 각각의 메틸기나 페닐기의 쇄상 길이를 바꿈으로써 굴절률을 조정할 수 있다. 이와 같이 굴절률을 조정한 복수의 실리콘 오일의 혼합액을 액체(90)로서 사용해도 된다. 액체(90)의 굴절률은, 각각의 혼합비로 정해지기 때문에, 용이하게 강화 유리(200)의 굴절률과 동일한 굴절률로 할 수 있다.
이때, 강화 유리(200)와 액체(90)의 굴절률차는 ±0.03 이하로 하는 것이 바람직하고, ±0.02 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, ±0.01 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 액체(90)가 없는 경우, 강화 유리(200)와 광 공급 부재의 사이에는 산란광이 발생하여, 약 20㎛ 정도의 범위에서 데이터를 취할 수 없다.
액체(90)의 두께는, 10㎛ 이상으로 하면, 산란광이 10㎛ 정도 또는 그 이하로 억제되기 때문에, 10㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 원리상, 액체(90)의 두께는 어느 정도 있어도 되지만 액체의 취급을 고려하면 500㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
도 35는, 광 공급 부재(40)와 강화 유리(200)의 계면을 진행하는 레이저광 L의 산란광 화상을 예시하는 도면이다. 도 35에 있어서, 점 A는 강화 유리의 표면 산란광이고, 점 D는 광 공급 부재(40)의 표면의 표면 산란광이다. 점 A와 점 D의 사이는 액체(90)로부터의 산란광이다.
액체(90)의 두께가 얇으면 점 A와 점 D는 거의 동일한 점으로 되고, 강화 유리(200)의 표면 산란과 광 공급 부재(40)의 표면 산란이 더해진 표면 산란광으로 된다. 광 공급 부재(40)는, 많은 강화 유리(200)를 측정해 가면, 표면의 흠집이 많이 발생해 버린다. 그렇게 되면, 매우 큰 표면 산란광이 발생한다.
그러나, 도 35와 같이, 액체(90)를 둠으로써, 광 공급 부재(40)와 강화 유리(200)의 간격을 유지함으로써, 광 공급 부재(40)의 표면 산란광이 강화 유리(200)의 최표면층 부근의 표면 산란광에 겹치는 것을 방지할 수 있다.
도 36은, 광 공급 부재(40)와 강화 유리(200)의 사이에 액체(90)를 두기 위한 구조부를 예시한 도면이다. 도 36의 (a)와 같이, 광 공급 부재(40)의 표면에 연마나 에칭에 의해 10㎛ 이상의 파임부(40x)를 형성하고, 파임부(40x) 내에 액체(90)를 충전함으로써, 액체(90)의 두께를 안정되게 10㎛ 이상으로 할 수 있다. 파임부(40x)의 깊이는, 원리상 어느 정도 있어도 되지만, 가공의 용이성을 고려하면 500㎛ 이하가 바람직하다.
또한, 광 공급 부재(40)의 표면에 파임부(40x)를 형성하는 대신에, 도 36의 (b)와 같이 진공 증착이나 스퍼터링 등의 박막 형성 기술 등에 의해, 광 공급 부재(40)의 표면에, 금속, 산화물, 수지 등에 의해 두께 10㎛ 이상의 랜드 부재(100)를 형성하고, 랜드 부재(100)로 보유 지지된 액체(90)의 랜드를 형성해도 된다. 랜드 부재(100)로 액체(90)를 유지함으로써, 액체(90)의 두께를 안정되게 10㎛ 이상으로 할 수 있다. 랜드 부재(100)의 두께는, 원리상 어느 정도 있어도 되지만, 가공의 용이성을 고려하면 500㎛ 이하가 바람직하다.
<제3 실시 형태의 변형예>
제3 실시 형태의 변형예에서는, 광 공급 부재(40)와 강화 유리(200)의 사이에 액체(90)를 두기 위한 구조부의 도 36과는 상이한 예를 나타낸다. 또한, 제3 실시 형태의 변형예에 있어서, 이미 설명한 실시 형태와 동일한 구성부에 대한 설명은 생략하는 경우가 있다.
도 37은, 광 공급 부재(40)와 강화 유리(200)의 사이에 액체(90)를 두기 위한 구조부의 제2 예를 도시한 도면이다. 도 37에 도시하는 바와 같이, 광 공급 부재(40)의 표면에 형성하는 파임부(40x)의 바닥은 평탄하지 않아도 된다. 파임부(40x)는, 예를 들어 오목 렌즈와 마찬가지의 구면상(球面狀)의 파임부로 할 수 있다.
파임부(40x)의 깊이는, 예를 들어 10㎛ 이상 500㎛ 이하로 할 수 있다. 일례로서, 파임부의 깊이를 50㎛, 파임부의 주위의 직경을 10mm로 한 경우에는, 곡률 반경 R은 200mm로 할 수 있다.
파임부(40x)는, 오목 렌즈와 동일한 제법에 의해, 용이하게 구면상의 파임부로 형성할 수 있다. 파임부(40x)에 충전되는 액체(90)는 광 공급 부재(40)의 굴절률과 동일하기 때문에, 구면상의 파임부 내의 액체(90)에 의한 렌즈의 효과는 없어, 레이저광의 궤적이나, 산란광을 촬상하는 카메라의 상에 영향은 없다.
도 38은, 광 공급 부재(40)와 강화 유리(200)의 사이에 액체(90)를 두기 위한 구조부의 제3 예를 도시한 도면이다. 도 38에 도시하는 바와 같이, 광 공급 부재(40)의 강화 유리(200)측의 표면에, 돌기부인 편 오목 렌즈(43)가 설치되어 있다. 편 오목 렌즈(43)는, 강화 유리(200)와 접한다.
편 오목 렌즈(43)는, 광 공급 부재(40)를 통하여 강화 유리(200) 내로 입사되는 레이저광의 광로의 일부가 된다. 편 오목 렌즈(43)에는, 예를 들어 구면상의 파임부(43x)가 형성되어 있다. 파임부(43x)의 깊이는, 예를 들어 10㎛ 이상 500㎛ 이하로 할 수 있다.
광 공급 부재(40)와 편 오목 렌즈(43)는, 각각 별체로서 형성되며, 광 공급 부재(40) 및 편 오목 렌즈(43)와 굴절률이 거의 동일한 광학 접착재에 의해 접착되어 있다.
일반적인 광학 소자의 가공에 있어서, 평면만으로 형성되는 프리즘 형성 공정과, 구면을 형성하는 렌즈 형성 공정은, 기술이 상이하며, 구면 형상의 파임부를 가진 프리즘을 형성하기가 어렵고, 많은 공정이 필요하여, 생산성이 나쁘고, 제조 비용이 매우 고가로 된다. 즉, 프리즘인 광 공급 부재(40)와 편 오목 렌즈(43)를 일체 구조로 하는 것은 곤란하다.
그러나, 프리즘인 광 공급 부재(40), 편 오목 렌즈(43) 단독에서는, 각각의 가공 기술로 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 광 공급 부재(40)와 편 오목 렌즈(43)의 사이에, 광 공급 부재(40) 및 편 오목 렌즈(43)와 굴절률이 거의 동일한 유리판이 삽입되어도 된다. 이 유리판은, 광 공급 부재(40)를 응력 측정 장치 본체에 설치하기 위해 사용할 수 있다.
도 39는, 광 공급 부재(40)와 강화 유리(200)의 사이에 액체(90)를 두기 위한 구조부의 제4 예를 도시한 도면이다. 도 39에 도시하는 바와 같이, 편 오목 렌즈(43)의 주위에 평탄한 외측 에지부(43e)를 형성해도 된다. 도 39에 도시하는 구조에서는, 평탄한 외측 에지부(43e)가 강화 유리(200)와 접하는 면으로 되기 때문에, 강화 유리(200)를 광 공급 부재(40)에 접촉시킬 때, 고정밀도로 평행으로 할 수 있고, 또한, 강화 유리(200)에 대한 흠집 등의 손상을 없앨 수 있다.
도 40은, 광 공급 부재(40)와 강화 유리(200)의 사이에 액체(90)를 두기 위한 구조부의 제5 예를 도시한 도면이다. 도 40에 도시하는 바와 같이, 광 공급 부재(40)와 편 오목 렌즈(43)를 광학적인 접착재로 고정하지 않고, 액체(90)와 같은 굴절률이 동일한 액체를 두고, 분리가 가능한 지지체(44)를 사용하여 움직이지 않도록 외주측면으로부터 고정해도 된다.
지지체(44)를 스프링 등을 사용하여 개폐 가능하게 구성함으로써, 편 오목 렌즈(43)만을 용이하게 교환 가능하게 된다. 예를 들어, 강화 유리(200)와의 접촉 등에 의해 편 오목 렌즈(43)에 파손이나 흠집이 생긴 경우, 혹은 다른 형상의 파임부를 구비한 편 오목 렌즈(43)로 변경하는 경우 등, 편 오목 렌즈(43)를 복수 제작하여, 교환하기만 하면 된다.
또한, 편 오목 렌즈(43)를 교환 가능하게 보유 지지할 수 있다면, 지지체(44)의 형상이나 구조는 어떠한 것이어도 상관없다.
도 41은, 광 공급 부재(40)와 강화 유리(200)의 사이에 액체(90)를 두기 위한 구조부의 제6 예를 도시한 도면이다. 도 41에 도시하는 바와 같이, 편 오목 렌즈(43)의 주위에 형성한 평탄한 외측 에지부(43e)에, 액체(90)를 배출하는 홈(43y)을 형성해도 된다. 홈(43y)은, 파임부(43x)와 연통되어 있다.
액체(90)를 파임부(43x)에 적하하고, 강화 유리(200)를 얹으면, 파임부(43x) 내에 기포가 남는 경우가 있다. 파임부(43x)의 주위에 액체(90)를 배출하는 홈(43y)을 마련함으로써, 액체(90)를 파임부(43x)에 적하하고, 강화 유리(200)를 얹을 때, 홈(43y)으로부터 액체(90)와 함께 기포도 배출되기 때문에, 파임부(43x) 내에 기포가 남기 어렵게 할 수 있다.
도 42에 도시하는 바와 같이, 광 공급 부재(40)의 강화 유리(200)와 접하는 측의 면에, 파임부(43x)와 연통되는 홈(40y)을 형성해도 된다. 도 41의 경우와 마찬가지로, 파임부(40x)의 주위에 액체(90)를 배출하는 홈(40y)을 마련함으로써, 액체(90)를 파임부(40x)에 적하하고, 강화 유리(200)를 얹을 때, 홈(40y)으로부터 액체(90)와 함께 기포도 배출되기 때문에, 파임부(40x) 내에 기포가 남기 어렵게 할 수 있다.
또한, 도 37 내지 도 42에 있어서, 파임부(40x나 43x) 내에 그려진 교차하는 곡선이나, 편 오목 렌즈(43)의 측면에 그려진 세로선은, 도면을 보기 쉽게 하기 위해 편의상 그린 것이며, 실재하는 선(좁은 홈이나 돌기 등)을 나타내는 것은 아니다.
또한, 이상에서는, 파임부(40x나 43x)를 구면상의 파임부로서 설명하였지만, 파임부(40x나 43x)는 구면상에 한정되지 않으며, 만곡되어 있는 부분을 구비한 면이면 된다. 파임부(40x나 43x)는, 예를 들어 비구면상 등의 파임부여도 상관없다. 또한, 홈(40y나 43y)의 홈 형상이나 개수는, 임의로 설정해도 상관없다.
<제4 실시 형태>
제4 실시 형태에서는, 강화 유리의 굴절률을 고려한 응력 측정 방법의 예를 나타낸다. 또한, 제4 실시 형태에 있어서, 이미 설명한 실시 형태와 동일한 구성부에 대한 설명은 생략하는 경우가 있다.
레이저광의 깊이 D에 있어서의 편광 위상차 Rt로부터 응력 St를 구하는 식은, 강화 유리의 광 탄성 상수를 C, 레이저광의 강화 유리(200)의 표면(210)과 이루는 각, 즉 입사 여각(굴절각)을 Ψ라고 하면, 하기 식 (8)과 같이 된다.
식 (8)에 있어서, 최후의 Ψ의 항은, 응력에 의한 복굴절의 레이저광에 대한 기여분의 보정이다. 즉, 강화 유리(200)의 강화에 의한 내부 응력은 표면(210)과 평행이며, 한편 레이저광은 표면(210)에 대하여 비스듬하게 입사된다. 그 때문에, 응력에 의한 복굴절의 레이저광에 대한 기여분의 보정이 필요하며, 식 (8)의 최후의 Ψ의 항이 보정분으로 된다. 또한, 이 식에서 St를 사용하고 있지만, 식 (1)과는 응력 분포의 좌표계가 상이하기 때문에, 편의상 다른 기호를 사용하고 있다.
도 43은, 레이저광 L이 강화 유리(200) 내로 입사되고 있는 것을 설명하는 도면이다. 도 43에서는, 광 공급 부재(40)의 상면에 강화 유리(200)의 표면이 접해 있고, 광 공급 부재(40)의 상면 및 광 공급 부재(40)의 상면과 접하는 강화 유리(200)의 표면을 XZ 평면으로 하는 xyz 좌표에 위치하고 있다. 그리고, 레이저광 L이 광 공급 부재(40)의 입사 단부면으로 입사되어, 광 공급 부재(40)의 상면과 강화 유리(200)의 표면의 경계를 통과하여, 강화 유리(200) 내로 입사되고 있다. 촬상 소자(60)는 기울기 45°밑에서부터 레이저 궤적(레이저광 L의 궤적)을 촬영하고 있다.
도 44는, 도 43의 촬상 소자(60)의 위치에서 촬영한 레이저 궤적의 화상을 설명하는 도면이다. 촬상 소자(60)가 촬영한 화상 상의 레이저 궤적을 Cpass, 길이를 Pc, 레이저 궤적의 화상 상의 각도를 χ, 화상 상의 횡방향의 거리를 Lx, 화상 상의 종방향의 거리를 V라고 한다. 응력 측정 장치(1)에서는, 레이저광 L(정확하게는 레이저광 L로부터의 산란광)의 촬상 소자(60)로부터의 화상으로부터 화상 해석을 행하여 최종적으로 강화 유리(200) 내의 응력을 측정한다.
그러나, 촬상 소자(60)가 취득하는 화상은 기울기 45°밑에서부터의 화상이기 때문에, 화상 상의 레이저 궤적 Cpass의 길이 Pc와, 레이저광 L의 실제의 길이는 동일하다고만은 할 수 없으며, 또한 화상 상의 각 χ도, 실제의 입사 여각 Ψ는 아니다. 그 때문에, 레이저광 L의 화상으로부터, 식 (8)을 사용하여 응력을 구하기 위해서는, 실제의 레이저광 L의 거리 P나, 입사 여각 Ψ를 구하는 환산식이 필요하다.
도 45는, 도 43의 광 공급 부재(40) 혹은 강화 유리(200) 내의 레이저광의 각도, 길이의 정의를 설명하는 도면이다. 여기서는, 정점이 abcdefgh인 직육면체를 생각한다. 변 bf의 길이를 Lx, 변 ab의 길이를 H, 변 fg의 길이를 D라고 한다. D는, 광 공급 부재(40) 혹은 강화 유리(200)의 깊이와 동일하다. 도 45에서는, 레이저광 L은 정점 c로부터 정점 e로 진행하고 있으며, Pass는 레이저광 L의 궤적을 나타내고 있다.
상면 abfe는, 도 43의 광 공급 부재(40)의 상면, 및 강화 유리(200)의 표면과 평행인 것으로 한다. 레이저광의 궤적 Pass의 길이 ce를 P라고 하고, Ψ는 강화 유리(200)의 표면에 대한 입사 여각으로 한다. 또한, 면 acge는 레이저광 L의 입사면과 동등하다.
도 46은, 도 45의 상면도, 정면도, 측면도이다. 레이저광 L의 상면으로부터 본 궤적을 Upass, 길이를 Pu, 정면으로부터 본 궤적을 Fpass, 길이를 Pf, 측면으로부터 본 궤적을 Lpass, 길이를 Pl이라고 한다. 측면으로부터 본 레이저광 L의 궤적 Lpass의 각도 ω는 레이저광 L의 입사면각으로 된다. φ는 레이저광 L의 Z축 회전각, θ는 Y축 회전각이다.
도 45에서, H=D인 경우, ω는 45°로 되고, 레이저광 L의 입사면은 45°로 된다. H=D인 경우, 도 46에서 레이저광 L의 Z축 회전각 φ와 Y축 회전각 θ는 동등하므로, 강화 유리(200) 내에서의 레이저광 L의 입사면을 45°로 하기 위해서는, 레이저광 L의 Z축 및 Y축의 회전각을 동등하게 하면 됨을 알 수 있다.
또한, 레이저광의 궤적 Pass의 길이 P는, 하기 식 (9)로 된다.
또한, Lx를 단위 길이, 예를 들어 1이라고 하면, φ, θ로부터 D, H, Pu는 구해지고, 레이저광의 강화 유리 표면에 대한 입사 여각 Ψ는 Pass와 Upass의 각이므로, 이들로부터, 레이저광 L의 길이 P, 강화 유리(200)의 표면에 대한 입사 여각 Ψ는 용이하게 구해진다.
(광 공급 부재의 굴절률 np=강화 유리의 굴절률 ng인 경우)
광 공급 부재(40)의 굴절률 np와 강화 유리(200)의 굴절률 ng가 동일하다면, 광 공급 부재(40) 내, 강화 유리(200) 내에서도, 이들 레이저의 각도나, 그 관계는 동일하다. 예를 들어, 광 공급 부재(40) 내, 혹은 강화 유리(200) 내의 레이저의 Y축 회전각 θ=15°, Z축 회전각 φ=15°, 강화 유리(200)의 굴절률 ng=1.516이고, 광 공급 부재(40)의 굴절률도 강화 유리와 동일한 np=1.516이라면, 강화 유리(200) 내의 입사면각 ω=45°로 되고, 입사 여각 Ψ=14.5°이다.
도 44로부터, 입사면이 45°이면, 화상은 입사면에 수직으로 본 화상으로 되고, 도 44에 도시하는 레이저의 궤적 Cpass의 거리 Pc는 실제의 레이저의 궤적 Pass의 거리 P와 동일하게 되고, 화상 상의 깊이 V로부터 실제의 깊이 D는, 하기 식 (10)에 의해 구할 수 있다.
이들로부터, 레이저광의 촬상 소자(60)의 화상으로부터, 강화 유리의 응력을 산출하는 것이 가능하다.
(광 공급 부재(40)의 굴절률 np≠강화 유리(200)의 굴절률 ng인 경우)
이상의 설명은, 광 공급 부재(40)와 강화 유리(200)가 동일한 굴절률인 경우이며, 광 공급 부재(40)와 강화 유리(200)의 경계면에서 굴절되지 않고 레이저광이 진행하며, 광 공급 부재(40)와 강화 유리(200) 내의 레이저광은 평행이다. 그러나, 실제로는 반드시 광 공급 부재(40)와 강화 유리(200)의 굴절률은 동일하지는 않다.
광 공급 부재(40)와 강화 유리(200)의 굴절률이 상이하면, 레이저광의 Z축 회전각은 바뀌지 않고, Y축 회전각만이 바뀐다. 그 때문에, 광 공급 부재(40)와 강화 유리(200)의 굴절률이 동일한 조건일 때에 강화 유리(200) 내의 레이저광의 입사면이 45°라도, 강화 유리(200)의 굴절률이 광 공급 부재(40)의 굴절률과 상이하면, 강화 유리(200)의 레이저광의 입사면은 45°로부터 어긋난다. 그렇게 되면, 도 44에 도시하는 레이저의 궤적 Cpass의 거리 Pc는 실제의 레이저의 궤적 Pass의 거리 P와 상이하며(Pc≠P), 또한 식 (10)도 성립하지 않는다.
강화 유리 내의 레이저광의 입사 여각 Ψ, 입사면각 ω를 직접 측정하는 것은 곤란하다. 그래서, 광 공급 부재(40)의 굴절률 np, 강화 유리(200)의 굴절률 ng가 상이한 경우의, 레이저광의 궤적을 생각해 본다.
또한, 레이저광은 공기 중에서 광 공급 부재(40)로 입사되기 때문에, 레이저광의 광 공급 부재(40)로 입사되기 전의 각도와 광 공급 부재(40)의 레이저광이 입사되는 입사 단부면의 레이저광이 이루는 각에 따라, 레이저광은 굴절되어, 광 공급 부재(40)로 입사된다. 그 때문에, 레이저광의 광 공급 부재(40)로 입사되기 전의 입사 여각, 광 공급 부재(40)의 입사 단부면의 각도 고려하여, 필요한 강화 유리(200) 내의 레이저광의 입사 여각, 입사면각을 생각한다.
도 46의 φ, θ를, 강화 유리(200) 내와 구분하기 위해, 강화 유리(200) 내를 φg, θg, 광 공급 부재(40) 내를 φp, θp, 광 공급 부재(40)로 입사되기 전을 φL, θL이라고 한다. 또한, 광 공급 부재(40)의 레이저가 입사되는 입사 단부면의 Z축 회전각을 β, Y축 회전각을 α라고 한다. 또한, 광 공급 부재(40)의 굴절률을 np, 강화 유리(200)의 굴절률을 ng라고 한다.
np와 ng가 상이하거나, 혹은 β, α가 φL, θL과 상이한 경우에는, Z축 회전각, φL, φp, β, 및 φp, φg, Y축 회전각, θL, θp, α, 및 θp, θg는, 각각 스넬의 법칙이 성립하며, 레이저광의 광 공급 부재(40)로 입사되기 전의 각도, φL, θL, 광 공급 부재(40)의 입사 단부면의 각도, α, β, 굴절률 ng, np가, 사전에 기지라면, 측정에 필요한 파라미터인, 강화 유리(200) 내의 레이저광의 회전각, φg, θg, 및 입사 여각 Ψ, 입사면각 ω를 용이하게 계산할 수 있다.
여기서, 레이저광의 광 공급 부재(40)의 입사되기 전의 회전각 φL, θL, 광 공급 부재(40)의 레이저광이 입사되는 입사 단부면의 회전각 β, α, 광 공급 부재(40)의 굴절률 np는, 장치 설계로 결정되며, 기지이다. 강화 유리(200)의 굴절률은, 일반적인 굴절률 측정 장치에 의해 알 수 있다.
그래서, 다른 수단에 의해 측정한, 강화 유리(200)의 굴절률과, 장치 설계로 결정되는, φL, θL, α, β, np와, 강화 유리(200)의 굴절률로부터 강화 유리(200) 내의 레이저광의 φg, θg, 및 입사 여각 Ψ, 입사면각 ω를 구하고, 레이저광의 촬상 소자(60)의 화상 Pc, χ로부터, 강화 유리(200) 내의 레이저광의 입사 여각 Ψ, 입사면각 ω에 대한 환산식을 얻어, 식 (8)로부터 강화 유리 내의 응력 분포를 측정하는 것이 가능하다. 이하에 구체예를 나타낸다.
도 47은, 광 공급 부재 및 강화 유리 내를 진행하는 레이저광의 개념도이다. 또한, 실제는 3차원적인 각도로 되어 있지만, 도 47에서는 편의상 2차원적으로 도시하고 있다. 도 48은, 강화 유리 내를 진행하는 레이저광의 개념도이며, 도면 부호 215는 촬상 소자(60)로부터 관측되는 관측면을 배껍질 무늬 모양으로 모식적으로 도시하고 있다.
도 47 및 도 48에 있어서, θL은 레이저 광원(10)으로부터 광 공급 부재(40)로 입사되는 레이저광과 광 공급 부재(40)의 입사면(40a)의 법선이 이루는 각(레이저측)이다. 또한, θp1은 레이저 광원(10)으로부터 광 공급 부재(40)로 입사되는 레이저광과 광 공급 부재(40)의 입사면(40a)의 법선이 이루는 각(광 공급 부재(40)측), θp2는 광 공급 부재(40)로부터 강화 유리(200)로 입사되는 레이저광과 광 공급 부재(40)의 출사면(40b)의 법선이 이루는 각(광 공급 부재(40)측)이다. 또한, 광 공급 부재(40)의 입사면(40a)과 광 공급 부재(40)의 출사면(40b)은 실제로는 직각은 아니기 때문에, θp1+θp2=90°라고만은 할 수 없다.
또한, θg는 광 공급 부재(40)로부터 강화 유리(200)로 입사되는 레이저광과 광 공급 부재(40)의 출사면(40b)의 법선이 이루는 각(강화 유리(200)측), Ψ는 강화 유리(200)의 표면(210)(평가면)과 강화 유리(200) 내의 레이저광이 이루는 입사 여각(90-θg)이다. 또한, χ는 촬상 소자(60)로부터 관측되는 레이저광의 기울기이다. 또한, θ나 Ψ 등을 3차원으로 생각할 때에는, 도 46에 도시한 바와 같이 나누어 생각해도 된다.
입사 여각 Ψ는, 예를 들어 도 49에 도시하는 흐름도에 따라 구할 수 있다. 즉, 우선, 스텝 S701에 있어서, θL과 np로부터 θp1을 도출한다. θp1은, θL과 np로부터 스넬의 식에 의해 구할 수 있다.
이어서, 스텝 S702에 있어서, θp1로부터 θp2를 도출한다. θp2는, 광 공급 부재(40)의 형상에 기초하여 θp1로부터 구할 수 있다. 이어서, 스텝 S703에 있어서, θp2, np, ng로부터 θg를 도출한다. θg는, θp2, np, ng로부터 스넬의 식에 의해 구할 수 있다.
이어서, 스텝 S704에 있어서, θg로부터 Ψ를 도출한다. Ψ는, 기하학적인 계산에 의해 θg로부터 구할 수 있다. 즉, Ψ=90-θg이다.
광 공급 부재(40)의 굴절률 np와 강화 유리(200)의 굴절률 ng는 동일하게 하는 것이 이상적이지만, 강화 유리는 여러 종류가 있으며, 굴절률이 상이하다. 그러나, 광 공급 부재(40)를 형성하는 광학 유리는, 반드시 강화 유리와 완전히 동일한 굴절률의 유리는 아니다.
예를 들어, 가장 많이 사용되는 광학 유리 S-BSL7(오하라사제)은 np=1.516이며, 아래는 S-FSL5(오하라사제)의 np=1.487, 위는 S-TIL6(오하라사제)의 np=1.5317 등을 입수할 수 있다.
그 때문에, 어떠한 범위의 굴절률의 강화 유리를 측정하는 경우, 그 범위에 가까운 굴절률의 광학 유리로 형성된 광 공급 부재(40)를 사용하여 측정할 필요가 있다. 예를 들어, 강화 유리의 굴절률 ng=1.51인 경우, 강화 유리 내의 입사 여각 Ψ는 13.7°, 입사면각 ω는 43°로 된다. 이로부터, 환산식을 얻어, 식 (8)에 의해, 정확한 응력을 구할 수 있다.
또한, 촬상 소자(60)의 레이저 화상의 각도 χ로부터, 반대로 강화 유리(200)의 굴절률 ng를 산출하는 것도 가능하다. 즉, 강화 유리(200)의 굴절률 ng는, 촬상 소자(60)로 취득한 레이저광의 화상에 기초하여 도출해도 된다.
구체적으로는, 우선, 도 50에 도시하는 흐름도의 스텝 S711에 있어서, 도 48에 도시하는 입사 여각 Ψ와 각도 χ의 관계를 도출한다. 입사 여각 Ψ와 각도 χ의 관계는, 기하학적인 계산에 의해 구할 수 있다. 이어서, 스텝 S712에 있어서, 촬상 소자(60)(카메라)로 각도 χ를 측정한다.
이어서, 스텝 S713에 있어서, 스텝 S712에서 측정한 각도 χ를 사용하여 스텝 S711에서 도출한 관계로부터 입사 여각 Ψ를 구한다. 또한, θg=90-Ψ를 구하고, 기지의 θp2, np, θg로부터 스넬의 식에 의해 ng를 도출할 수 있다.
이와 같이, 촬상 소자(60)의 레이저 화상의 각도 χ로부터, 강화 유리(200)의 굴절률 ng를 구하고, 그 강화 유리(200)의 굴절률 ng를 바탕으로, 환산식을 얻어, 강화 유리(200)의 응력 분포를 측정하는 것도 가능하다.
단, 광 공급 부재(40)에 강화 유리(200)를 탑재할 때의 기울기 등에 따라, 도 50의 방법으로 도출한 강화 유리(200)의 굴절률 ng의 값에는 오차가 생긴다. 그 때문에, 강화 유리 내의 응력 분포를 높은 정밀도로 안정적으로 측정하고자 하는 경우에는, 강화 유리(200)의 굴절률 ng를 다른 방법(굴절률 측정 장치에서의 측정 등)으로 미리 측정해 두는 것이 바람직하다.
또한, 촬상 소자(60)의 레이저 화상의 각도 χ로부터, 입사 여각 Ψ를 교정하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 51에 도시하는 흐름도의 스텝 S711에 있어서 도 50의 경우와 마찬가지로 하여 입사 여각 Ψ와 각도 χ의 관계를 도출하고, 스텝 S712에 있어서 도 50의 경우와 마찬가지로 하여 촬상 소자(60)에서 각도 χ를 측정한다. 그리고, 스텝 S714에 있어서, 스텝 S712에서 측정한 각도 χ를 사용하여 스텝 S711에서 도출한 관계로부터 입사 여각 Ψ를 도출한다. 스텝 S714에서 도출한 입사 여각 Ψ를 식 (8)에 적용함으로써, 정확한 응력을 구할 수 있다.
또한, 미리 강화 유리(200)의 굴절률 ng의 값이 기지인 경우, 강화 유리(200)의 굴절률 ng의 값을 고려하여, 최적의 광 공급 부재(40)를 설계하는 것도 유효하다.
강화 유리(200) 내의 입사 여각 Ψ나 입사면각 ω는 계산에 의해 알 수 있지만, 강화 유리(200)의 굴절률 ng와 광 공급 부재(40)의 굴절률 np의 차가 커지면, 입사면각 Ψ의 45°로부터의 어긋남이 많아진다. 이에 의해, 촬상 소자(60)의 렌즈의 초점 심도를 초과하면, 핀트가 어긋나고, 공간 분해가 떨어져, 올바른 응력 분포를 측정할 수 없게 된다.
예를 들어, 강화 유리(200)의 굴절률 ng=1.49인 경우, 강화 유리(200) 내의 레이저광의 입사 여각 Ψ는 10.3°, 입사면각 ω는 35°로 된다. 이 경우, 입사 여각 Ψ에 대해서는 계산으로 보정할 수 있지만, 입사면각 ω는 45°로부터 10°나 어긋나 있어, 계산으로의 보정만으로는 측정 정밀도 유지가 불가능하다.
그래서, 강화 유리(200)로 입사되는 레이저광의 입사면이 강화 유리(200)의 표면에 대하여 45±5°가 되도록, 광 공급 부재(40)의 레이저광이 입사되는 면의 각도를 설정하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 레이저 궤적의 거리가 300㎛인 경우, 입사면각 ω가 10°어긋나면, 촬상 소자(60)로부터 강화 유리(200) 내의 레이저광으로의 거리의 차는 52㎛로도 되며, 촬상 소자(60)에 상을 연결하는 렌즈의 초점 심도를 초과하여, 촬상 소자(60)에 촬상되는 레이저 궤적의 전체 거리에서 핀트가 균일하게 맞지 않게 되어, 측정 정밀도를 열화시킨다.
그래서, 예를 들어 도 52에 도시하는 흐름도의 스텝 S721에 있어서, 대상의 강화 유리(200)의 굴절률 ng의 값을 얻는다. 이어서, 스텝 S722에 있어서, 강화 유리(200)의 굴절률 ng와 광 공급 부재(40)의 굴절률 np를 고정하고, 레이저광이 통과하는 면과 관측면이 변하지 않는 θL을 구한다.
예를 들어, 강화 유리(200)의 굴절률 ng=1.49인 경우, 레이저광의 Y 회전각 θL=15°, Z 회전각 φL=15°는 동일하고, 광 공급 부재(40)의 입사 단부면의 회전각 β=15°, Z 회전각 α=24.5°로 형성하면, 강화 유리(200) 내에서는, 레이저광은 입사 여각 14.4°, 입사면각 44.8°로, 거의 설계대로의 각도로 할 수 있다. 그 때문에, 측정 정밀도를 열화시키는 일이 없다.
이 사양의 광 공급 부재(40)를 제작하여, 레이저 광원(10)의 설치는 그대로이고, 광 공급 부재(40)만을 교환하기만 하여, 광 공급 부재(40)의 굴절률 np와 크게 상이한 굴절률 ng의 강화 유리(200)의 응력 분포를 정확하게 측정하는 것이 가능하게 된다. 또한, 레이저 광원(10)에 대한 복귀광을 없애기 위해, 강화 유리(200)와, 레이저광이 광 공급 부재(40)로 입사되는 면을 약간(0.5 내지 1°정도) 어긋나게 하는 경우, 식 (8)로 보정을 행하는 것이 가능하다.
<제5 실시 형태>
제5 실시 형태에서는, 유리 두께를 측정하는 기능을 구비한 응력 측정 장치의 예를 나타낸다. 또한, 제5 실시 형태에 있어서, 이미 설명한 실시 형태와 동일한 구성부에 대한 설명은 생략하는 경우가 있다.
얇은 판형의 강화 유리에서는, 강화를 위해 표면에 압축 응력을 형성한다. 그렇게 하면, 전체로서 응력 균형을 잡기 위해서, 내부에서는 인장 응력이 발생한다.
도 53은, 강화 유리의 깊이 방향의 응력 분포를 예시하는 도면이다. 표면에 형성된 압축 응력에 대하여, 중심 부분에서는 인장 응력이 발생하고, 원리적으로, 전체로서 응력은 0으로 된다. 즉, 깊이 방향으로 표면에서 이면까지, 응력 분포의 적분값(응력 에너지)은 0으로 된다.
다른 표현을 사용하면, 표면의 압축 응력의 적분값(압축 에너지)과, 중심부의 인장 응력의 적분값(인장 에너지)은 동등하게 된다. 또한, 통상, 화학 강화 공정에서는, 유리의 양면의 화학 강화가 동일한 조건에서 행해지기 때문에, 응력 분포는 유리의 중심에 대하여, 대칭으로 되어 있다. 그 때문에, 깊이 방향으로 표면에서 유리 중점까지의 적분도 0으로 된다.
응력 측정 장치(1)에서는, 유리 깊이와 산란광 강도의 변화의 위상값(예를 들어, 도 7)의 미분값과 광 탄성 상수에 의해 응력값을 구한다(제1 실시 형태 참조). 그 때문에, 도 7의 유리 깊이와 산란광 강도의 변화의 위상은, 응력값의 적분값과 동일하다. 즉, 도 7에 있어서, 강화 유리의 중심점과, 강화 유리의 최표면의 위상값은 동일하다.
응력 측정 장치(1)에서는, 레이저광이 강화 유리의 최표면에서 난반사되어, 난반사광이 발생하면, 강화 유리의 최표면의 산란 강도 변화의 위상값을 올바르게 측정할 수 없다는 결점이 있다.
그래서, 강화 유리의 중심점의 위상값을 이용하여, 최표면의 산란 강도 변화의 위상값, 혹은 그 보정에 사용한다. 이에 의해, 예를 들어 강화 유리 최표면 및 최표면 부근의 응력값, 그리고 응력 분포를 정확하게 측정하는 것이 가능하다. 또한, 측정된 위상값이 강화 유리의 중심까지 달하지 않은 경우, 측정된 위상값을 강화 유리의 중심까지 외삽하여, 강화 유리 중심의 위상값으로 해도 된다.
이와 같이, 강화 유리의 두께가 기지인 경우, 산출된 응력 분포 및 강화 유리의 두께에 기초하여, 응력 균형을 잡을 수 있는 강화 유리의 최표면의 위상 변화량을 추정하여, 표면 응력값을 보정할 수 있다.
도 54는, 유리 두께 측정 장치를 설치한 응력 측정 장치를 예시하는 도면이다. 도 54에 도시하는 응력 측정 장치(3)는, 응력 측정 장치(1)에 유리 두께 측정 장치(120)를 설치한 구성이다.
유리 두께 측정 장치(120)는, 도시하지 않은 레이저 광원과 수광부와 연산부를 갖고 있다. 유리 두께 측정 장치(120)의 레이저 광원으로부터 출사된 레이저광 Lg는, 강화 유리(200)의 표면(210) 및 이면(220)에서 반사되어, 유리 두께 측정 장치(120)의 수광부에 의해 수광된다. 유리 두께 측정 장치(120)의 연산부는, 수광부에서 수광된 광에 기초하여, 강화 유리(200)의 두께를 측정한다. 유리 두께 측정 장치(120)로서는, 예를 들어 시판되는 유리 두께계를 사용할 수 있다.
응력 측정 장치(3)에서는, 레이저 광원(10)으로부터의 레이저광에 의한 강화 유리(200) 내의 산란광 강도 변화로부터, 강화 유리(200) 내의 표면으로부터 깊이 방향으로 위상값을 응력 측정 장치(1)에 의해 측정할 수 있다. 그와 동시에, 응력 측정 장치(3)에서는, 강화 유리(200)의 두께를 유리 두께 측정 장치(120)에 의해 측정할 수 있다.
유리 두께 측정 장치(120)에서 측정된 강화 유리(200)의 두께와 깊이 방향의 위상값으로부터, 강화 유리(200)의 중심의 위상값을 측정 혹은 외삽에 의해 얻을 수 있다. 그리고, 그 위상값에 기초하여, 강화 유리(200)의 최표면의 위상값으로 하거나, 혹은 보정을 행하여, 최표면이 보정된 깊이 방향의 위상값으로부터, 응력 분포를 구할 수 있다.
이와 같이, 강화 유리의 두께를 측정하는 수단을 구비한 응력 측정 장치(3)에서는, 응력 분포 및 강화 유리의 두께를 측정하고, 측정한 강화 유리의 두께에 기초하여, 강화 유리의 최표면의 위상 변화량을 추정할 수 있다.
이상, 바람직한 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만, 상술한 실시 형태에 제한되지 않고, 특허청구범위에 기재된 범위를 일탈하지 않고, 상술한 실시 형태에 다양한 변형 및 치환을 가할 수 있다.
예를 들어, 상기 각 실시 형태에서는, 응력 측정 장치(1 및 2)에 있어서, 광원을 구성 요소로서 설명하였지만, 응력 측정 장치(1 및 2)는 광원을 갖지 않은 구성으로 해도 된다. 광원은, 응력 측정 장치(1 및 2)의 사용자가 적당한 것을 준비하여 사용할 수 있다.
본 국제 출원은 2016년 9월 26일에 출원한 일본 특허 출원 제2016-187489호 및 2017년 2월 23일에 출원한 일본 특허 출원 제2017-032730호에 기초하는 우선권을 주장하는 것이며, 일본 특허 출원 제2016-187489호 및 일본 특허 출원 제2017-032730호의 전체 내용을 본 국제 출원에 원용한다.
1, 1A, 1B, 1C, 2, 3: 응력 측정 장치
10: 레이저 광원
15: 광원
20, 55: 편광 부재
25, 40, 41: 광 공급 부재
30, 30A: 편광 위상차 가변 부재
35, 42: 광 취출 부재
40a: 광 공급 부재의 입사면
40b: 광 공급 부재의 출사면
40x, 43x: 파임부
40y, 43y: 홈
43: 돌기부
43e: 외측 에지부
44: 지지체
45, 50, 50A: 광 변환 부재
60, 60A, 65: 촬상 소자
70, 75: 연산부
80, 80A: 광 파장 선택 부재
90: 액체
100: 랜드 부재
120: 유리 두께 측정 장치
200: 강화 유리
210: 강화 유리의 표면
215: 관측면
220: 강화 유리의 이면
250: 레이저광의 입사면
301: 디지털 데이터 기억 회로
302: 클럭 신호 발생 회로
303: DA 컨버터
304: 전압 증폭 회로
310: 편광 위상차 발생 재료
311, 313: 고정 지그
312: 피에조 소자
701: 휘도 변화 측정 수단
702: 위상 변화 산출 수단
703: 응력 분포 산출 수단
751: 위치 측정 수단
752: 응력 분포 산출 수단
753: 합성 수단
10: 레이저 광원
15: 광원
20, 55: 편광 부재
25, 40, 41: 광 공급 부재
30, 30A: 편광 위상차 가변 부재
35, 42: 광 취출 부재
40a: 광 공급 부재의 입사면
40b: 광 공급 부재의 출사면
40x, 43x: 파임부
40y, 43y: 홈
43: 돌기부
43e: 외측 에지부
44: 지지체
45, 50, 50A: 광 변환 부재
60, 60A, 65: 촬상 소자
70, 75: 연산부
80, 80A: 광 파장 선택 부재
90: 액체
100: 랜드 부재
120: 유리 두께 측정 장치
200: 강화 유리
210: 강화 유리의 표면
215: 관측면
220: 강화 유리의 이면
250: 레이저광의 입사면
301: 디지털 데이터 기억 회로
302: 클럭 신호 발생 회로
303: DA 컨버터
304: 전압 증폭 회로
310: 편광 위상차 발생 재료
311, 313: 고정 지그
312: 피에조 소자
701: 휘도 변화 측정 수단
702: 위상 변화 산출 수단
703: 응력 분포 산출 수단
751: 위치 측정 수단
752: 응력 분포 산출 수단
753: 합성 수단
Claims (44)
- 레이저광의 편광 위상차를, 상기 레이저광의 파장에 대하여 1파장 이상 가변하는 편광 위상차 가변 부재와,
상기 편광 위상차가 가변된 레이저광이 강화 유리로 입사됨으로써 발하는 산란광을, 소정의 시간 간격으로 복수회 촬상하여, 복수의 화상을 취득하는 촬상 소자와,
상기 복수의 화상을 사용하여 상기 산란광의 주기적인 휘도 변화를 측정하고, 상기 휘도 변화의 위상 변화를 산출하고, 상기 위상 변화에 기초하여 상기 강화 유리의 표면으로부터의 깊이 방향의 응력 분포를 산출하는 연산부를 갖는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 편광 위상차 가변 부재가 액정 소자인 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 편광 위상차 가변 부재는, 광 탄성 상수와 영률을 곱한 값이 0.1 이상이며, 가압에 의해 상기 편광 위상차를 발생시키는 투명 부재인 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제3항에 있어서,
상기 투명 부재는, 석영 유리 또는 폴리카르보네이트인 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저광의 최소 빔 직경의 위치는, 상기 강화 유리의 이온 교환층 내에 있고,
상기 최소 빔 직경은, 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강화 유리로 입사되는 상기 레이저광의 입사면이 상기 강화 유리의 표면에 대하여 45±5°인 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제6항에 있어서,
상기 편광 위상차가 가변된 상기 레이저광을, 피측정체인 강화 유리 내에 유리 표면에 대하여 비스듬하게 입사시키는 광 공급 부재를 갖고,
상기 강화 유리로 입사되는 상기 레이저광의 입사면이 상기 강화 유리의 표면에 대하여 45±5°가 되도록, 상기 광 공급 부재의 상기 레이저광이 입사되는 면의 각도를 설정한 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 편광 위상차가 가변된 상기 레이저광을, 피측정체인 강화 유리 내에 유리 표면에 대하여 비스듬하게 입사시키는 광 공급 부재를 갖고,
상기 광 공급 부재와 상기 강화 유리의 사이에, 상기 강화 유리의 굴절률과의 굴절률차가 0.03 이하인 액체를 구비하고,
상기 액체의 두께는, 10㎛ 이상 500㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제8항에 있어서,
상기 광 공급 부재의 상기 강화 유리에 접하는 면에는, 깊이가 10㎛ 이상 500㎛ 이하인 파임부가 형성되고,
상기 파임부 내에 상기 액체가 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제8항에 있어서,
상기 광 공급 부재의 표면에, 상기 강화 유리와 접하는 돌기부가 마련되고,
상기 돌기부는, 상기 광 공급 부재를 통하여 상기 강화 유리 내로 입사되는 상기 레이저광의 광로의 일부가 되고,
상기 돌기부의 상기 강화 유리에 접하는 측에는, 깊이가 10㎛ 이상 500㎛ 이하인 파임부가 형성되고,
상기 파임부 내에 상기 액체가 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제10항에 있어서,
상기 돌기부는, 상기 광 공급 부재의 표면에 교환 가능하게 보유 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제10항에 있어서,
상기 파임부의 주위에 평탄한 외측 에지부가 형성되고, 상기 평탄한 외측 에지부가 상기 강화 유리와 접하는 면으로 되는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제9항에 있어서,
상기 파임부는, 만곡되어 있는 부분을 구비한 면을 포함하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제9항에 있어서,
상기 파임부의 주위에 상기 액체를 배출하는 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제9항에 있어서,
상기 광 공급 부재의 굴절률과 상기 강화 유리의 굴절률이 상이한 경우,
상기 강화 유리의 굴절률을 취득하고,
상기 강화 유리의 굴절률에 기초하여 구한 상기 강화 유리 내의 상기 레이저광의 궤적과, 상기 촬상 소자로 취득한 상기 레이저광의 화상의 관계로부터, 상기 레이저광이 상기 강화 유리로 입사될 때의 입사 여각을 도출하고,
상기 입사 여각의 값에 기초하여, 상기 강화 유리의 표면으로부터의 깊이 방향의 응력 분포를 보정하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제15항에 있어서,
상기 강화 유리의 굴절률은, 상기 촬상 소자로 취득한 상기 레이저광의 화상에 기초하여 도출하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강화 유리의 두께가 기지인 경우, 산출된 상기 응력 분포 및 상기 강화 유리의 두께에 기초하여, 응력 균형을 잡을 수 있는 상기 강화 유리의 최표면의 위상 변화량을 추정하여, 표면 응력값을 보정하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강화 유리의 두께를 측정하는 수단을 구비하고,
상기 응력 분포 및 상기 강화 유리의 두께를 측정하고, 측정한 상기 강화 유리의 두께에 기초하여, 상기 강화 유리의 최표면의 위상 변화량을 추정하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강화 유리의 상기 레이저광의 출사측에 있어서, 상기 강화 유리 내의 상기 레이저광이 전반사의 조건을 만족시키고 있는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강화 유리의 압축 응력층을 갖는 표면층 내에, 제2 광원으로부터의 광을 입사시키는 제2 광 공급 부재와,
상기 표면층 내를 전파한 광을, 상기 강화 유리의 밖으로 출사시키는 광 취출 부재와,
상기 광 취출 부재를 통하여 출사된 광에 포함되는, 상기 강화 유리와 상기 광 취출 부재의 경계면에 대하여 평행 및 수직으로 진동하는 2종의 광 성분을, 각각이 2개 이상의 휘선을 갖는 2종의 휘선 열로 변환하는 광 변환 부재와,
상기 2종의 휘선 열을 촬상하는 제2 촬상 소자와,
상기 제2 촬상 소자에서 얻어진 화상으로부터 상기 2종의 휘선 열의 각각의 2개 이상의 휘선의 위치를 측정하는 위치 측정 수단을 갖고,
상기 연산부는, 상기 위치 측정 수단의 측정 결과에 기초하여 산출한 상기 2종의 광 성분에 대응한 상기 강화 유리의 표면으로부터 깊이 방향에 걸친 제1 영역의 응력 분포와, 상기 위상 변화에 기초하여 산출한 상기 제1 영역 이외의 응력 분포를 합성하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저광이 상기 촬상 소자로 입사되는 광로 상에, 상기 레이저광의 파장+100nm 이상과, -100nm 이하의 파장의 광을 50％ 이상 투과시키지 않는 광 파장 선택 부재가 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 장치. - 레이저광의 편광 위상차를, 상기 레이저광의 파장에 대하여 1파장 이상 가변하는 편광 위상차 가변 공정과,
상기 편광 위상차가 가변된 레이저광이 강화 유리로 입사됨으로써 발하는 산란광을, 소정의 시간 간격으로 복수회 촬상하여, 복수의 화상을 취득하는 촬상 공정과,
상기 복수의 화상을 사용하여 상기 산란광의 주기적인 휘도 변화를 측정하고, 상기 휘도 변화의 위상 변화를 산출하고, 상기 위상 변화에 기초하여 상기 강화 유리의 표면으로부터의 깊이 방향의 제1 응력 분포를 산출하는 연산 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 방법. - 제22항에 있어서,
편광 위상차 가변 공정에서는, 액정 소자에 의해 상기 편광 위상차를 가변하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 방법. - 제22항 또는 제23항에 있어서,
P 편광 및 S 편광의 휘선의 위치에 기초하여 각각의 굴절률 분포를 산출하고, 상기 P 편광과 상기 S 편광의 굴절률 분포차와 강화 유리의 광 탄성 상수에 기초하여 제2 응력 분포를 구하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 방법. - 동일한 제조 공정으로 만들어진 복수의 강화 유리 중, 적어도 1매 이상의 강화 유리에 대하여, 제24항에 기재된 강화 유리의 응력 측정 방법으로 구한 상기 제1 응력 분포와 상기 제2 응력 분포를 합성하여 응력 분포를 얻고, 나머지의 강화 유리에 대하여, 상기 제1 응력 분포 및 상기 제2 응력 분포 중 어느 한쪽만을 측정하여 응력 분포를 얻는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 응력 측정 방법.
- 레이저광의 편광 위상차를, 상기 레이저광의 파장에 대하여 1파장 이상 가변하는 편광 위상차 가변 공정과, 상기 편광 위상차가 가변된 레이저광이 강화 유리로 입사됨으로써 발하는 산란광을, 소정의 시간 간격으로 복수회 촬상하여, 복수의 화상을 취득하는 촬상 공정과, 상기 복수의 화상을 사용하여 상기 산란광의 주기적인 휘도 변화를 측정하고, 상기 휘도 변화의 위상 변화를 산출하고, 상기 위상 변화에 기초하여 상기 강화 유리의 표면으로부터의 깊이 방향의 제1 응력 분포를 산출하는 연산 공정을 갖는 강화 유리의 응력 측정 방법으로 얻어진 응력값으로부터 특성값을 구하고, 특성값이 관리값 내에 들어가는지 확인하고 나서 출하 판단을 행하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 방법.
- 제26항에 있어서,
상기 편광 위상차 가변 공정에서는, 액정 소자에 의해 상기 편광 위상차를 가변하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 방법. - 제26항 또는 제27항에 있어서,
P 편광 및 S 편광의 휘선의 위치에 기초하여 각각의 굴절률 분포를 산출하고, 상기 P 편광과 상기 S 편광의 굴절률 분포차와 강화 유리의 광 탄성 상수에 기초하여 제2 응력 분포를 구하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 방법. - 제28항에 있어서,
동일한 제조 공정으로 만들어진 복수의 강화 유리 중, 적어도 1매 이상의 강화 유리에 대하여, 상기 응력 측정 방법으로 구한 상기 제1 응력 분포와 상기 제2 응력 분포를 합성하여 응력 분포를 얻고, 나머지의 강화 유리에 대하여, 상기 제1 응력 분포 및 상기 제2 응력 분포 중 어느 한쪽만을 측정하여 응력 분포를 얻는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 방법. - 제26항 또는 제27항에 있어서,
리튬 함유 유리를 강화한 강화 유리를 제작하여 해당 강화 유리의 출하 판단을 행하는 강화 공정을 2회 이상 포함하고,
상기 각 강화 공정은, 상기 응력 측정 방법으로 얻어진 상기 제1 응력 분포에 기초하여 상기 출하 판단을 행하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 방법. - 제30항에 있어서,
최종회의 상기 강화 공정에서는, 상기 응력 측정 방법이 P 편광 및 S 편광의 휘선의 위치에 기초하여 각각의 굴절률 분포를 산출하고, 상기 P 편광과 상기 S 편광의 굴절률 분포차와 강화 유리의 광 탄성 상수에 기초하여 제2 응력 분포를 구하는 공정을 구비하고, 상기 응력 측정 방법으로 얻어진 제2 응력 분포에 기초하여 출하 판단을 행하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 방법. - 제31항에 있어서,
최종회를 제외한 상기 강화 공정에서는, 상기 제1 응력 분포로부터 도출한 유리 최심부에 있어서의 응력값(CT), 및 응력값이 제로로 되는 유리 깊이(DOL_zero)에 기초하여, 상기 출하 판단을 행하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 방법. - 제31항에 있어서,
최종회의 상기 강화 공정에서는, 상기 제2 응력 분포를 함수 근사시켜, 상기 출하 판단을 행하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 방법. - 제33항에 있어서,
상기 함수 근사를 하기 식 (2)로 행하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 방법.
단, σf(x)는 제2 응력 분포, a는 기울기, CS2는 최표면의 응력값이다. - 제33항에 있어서,
상기 함수 근사를 하기 식 (3)으로 행하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 방법.
단, σf(x)는 제2 응력 분포, a는 기울기, CS2는 최표면의 응력값, erfc는 오차 함수이다. - 제31항에 있어서,
최종회를 제외한 상기 강화 공정에서는, 해당 강화 공정에서 얻어진 제2 응력 분포와, 강화 유리의 판 두께 t와, 사전에 측정한 동일 조건의 강화 유리의 제1 응력 분포를 사용하여, 상기 제1 응력 분포와 상기 제2 응력 분포를 합성하고, 합성 후의 응력 분포로부터 유리 최심부에 있어서의 응력값(CT)을 찾아 특성값을 도출하고, 특성값이 허용 범위에 들어가는지 여부에 따라 상기 출하 판단을 행하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 방법. - 제31항에 있어서,
최종회를 제외한 상기 강화 공정에서는, 해당 강화 공정에서 얻어진 제2 응력 분포와, 강화 유리의 판 두께 t와, 사전에 측정한 동일 조건의 강화 유리의 제1 응력 분포를 사용하여, 상기 제1 응력 분포와 상기 제2 응력 분포를 합성하고, 합성 후의 응력 분포의 적분값이 제로로 되는 유리 최심부에 있어서의 응력값(CT)을 찾아 특성값을 도출하고, 특성값이 허용 범위에 들어가는지 여부에 따라 상기 출하 판단을 행하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 방법. - 제31항에 있어서,
최종회를 제외한 상기 강화 공정에서는, 해당 강화 공정에서 얻어진 제2 응력 분포와, 강화 유리의 판 두께 t와, 사전에 측정한 동일 조건의 강화 유리의 제1 응력 분포를 사용하여, 상기 제1 응력 분포와 상기 제2 응력 분포를 합성하고, 합성 후의 응력 분포를 하기 식 (5)로 근사시켜, σ(x)의 적분값(x=0 내지 t/2)이 제로로 되는 유리 최심부에 있어서의 응력값(CT)을 찾아 특성값을 도출하고, 특성값이 허용 범위에 들어가는지 여부에 따라 상기 출하 판단을 행하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 방법.
단, σ(x)는 합성 후의 응력 분포, σf(x)는 제2 응력 분포, t는 강화 유리의 판 두께, CS0 및 c는 제1 응력 분포에 기초하여 도출되는 파라미터이다. - 제38항에 있어서,
상기 CS0 및 c를, 사전에 측정한 동일 조건의 강화 유리의 제1 응력 분포에 기초하여 도출하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 방법. - 제38항에 있어서,
상기 CS0 및 c를, 최종회의 1회 전의 강화 공정에서 얻어진 상기 제1 응력 분포로부터 도출한 CS0' 및 c', 그리고 하기 식 (6) 및 식 (7)에 기초하여 도출하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 방법.
단, A1 및 A2는 비례 상수이다. - 제40항에 있어서,
A1 및 A2는, 사전에 측정한 동일 조건의 강화 유리의 제1 응력 분포에 기초하여 도출하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 방법. - 제26항 또는 제27항에 기재된 강화 유리의 제조 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 강화 유리.
- 제42항에 있어서,
리튬이 2wt％ 이상 포함되는 유리가 화학 강화된 것을 특징으로 하는 강화 유리. - 제42항에 있어서,
풍랭 강화된 후에 화학 강화되어 제조된 것을 특징으로 하는 강화 유리.
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