特許 6347160 ガラス物品及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6347160

(24)【登録日】2018年6月8日

(45)【発行日】2018年6月27日

(54)【発明の名称】ガラス物品及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C03C 21/00 20060101AFI20180618BHJP

【ＦＩ】

   C03C21/00 101

【請求項の数】6

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2014-123945(P2014-123945)

(22)【出願日】2014年6月17日

(65)【公開番号】特開2016-3158(P2016-3158A)

(43)【公開日】2016年1月12日

【審査請求日】2017年3月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000232243

【氏名又は名称】日本電気硝子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001232

【氏名又は名称】特許業務法人 宮▲崎▼・目次特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】木下 清貴

【審査官】 原 和秀

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭４８−０００７１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１６７０８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０９７９２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−００１１２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５１８８００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５１９３４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０３Ｃ ２１／００

Ｃ０３Ｃ １５／００

Ｃ０３Ｃ １９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

主面及び端面に圧縮応力層を有する板状のガラス物品であって、
前記ガラス物品の端面は、外側に向かって突出した曲面状の曲面部を有し、
ｔ（ｍｍ）：前記ガラス物品の厚み、
Ｒ（ｍｍ）：前記曲面部の頂部の曲率半径、
ｃ（μｍ）：前記端面におけるクラックの深さの最深値（但し、ｃ＞０）、
Ｄ（μｍ）：前記端面における前記圧縮応力層の平均深さ、
としたときに、下記の式（１）
Ｄ≧ｃ（６．６３７（ｔ／Ｒ）＋１．１２３） ……… （１）
が満たされる、ガラス物品。

【請求項2】

下記の式（２）
Ｄ≦ｃ（６．６３７（ｔ／Ｒ）＋４．１２２） ……… （２）
がさらに満たされる、請求項１に記載のガラス物品。

【請求項3】

下記の式（３）
０．５７１≦Ｒ／ｔ≦２．８５７ ……… （３）
がさらに満たされる、請求項１又は２に記載のガラス物品。

【請求項4】

厚みｔが、０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内にある、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガラス物品。

【請求項5】

前記端面の全体が前記曲面部により構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガラス物品。

【請求項6】

板状のガラス物品の端面に、外側に向かって突出した曲面状の曲面部を形成する工程と、
前記曲面部が形成されたガラス物品と強化液とを接触させることにより前記ガラス物品を化学強化する強化工程と、
を備え、
前記強化工程における前記強化液の濃度、前記強化液と前記ガラス物品とを接触させる時間、及び前記強化液の温度の少なくともひとつを、前記ガラス物品の厚み、前記曲面部の頂部における曲率半径及び前記端面におけるクラックの深さの最深値に応じて調整し、
ｔ（ｍｍ）：前記ガラス物品の厚み、
Ｒ（ｍｍ）：前記曲面部の頂部の曲率半径、
ｃ（μｍ）：前記端面におけるクラックの深さの最深値（但し、ｃ＞０）、
Ｄ（μｍ）：前記端面における前記圧縮応力層の平均深さ、
としたときに、下記の式（１）
Ｄ≧ｃ（６．６３７（ｔ／Ｒ）＋１．１２３） ……… （１）
が満たされるように強化工程を行う、ガラス物品の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガラス物品及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、携帯情報端末等の電子デバイスのカバー部材として、ガラス板が用いられている。携帯情報端末等のカバー部材として用いられるガラス板には、端面に衝撃が加わった時にも破損しにくいこと、すなわち端面の耐衝撃性に優れていることが求められる。これに鑑み、例えば、特許文献１では、ガラス板の端面をポリマーで覆うことが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１２−５２７３９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１の方法は、ポリマーが衝撃を吸収するものであり、ガラス板自体の端面の耐衝撃性を向上することはできない。また、特許文献１に記載のように、ガラス板の端面にポリマーコートを施す方法は、ポリマーコートを形成するための樹脂原料が必要となり、ガラス板の端面に樹脂原料を付着させる工程を行う必要がある。従って、特許文献１に記載の方法では、ガラス板を用いた製品の製造効率が低下したり、製造コストが高くなったりするという問題がある。

【0005】

本発明の主な目的は、端面の耐衝撃性に優れたガラス物品を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係るガラス物品は、主面に圧縮応力層を有するガラス物品である。本発明に係るガラス物品の端面は、外側に向かって突出した曲面状の曲面部を有する。本発明に係るガラス物品では、下記の式（１）
Ｄ≧ｃ（６．６３７（ｔ／Ｒ）＋１．１２３） ……… （１）
が満たされる。

【0007】

式（１）において、
ｔ（ｍｍ）：ガラス物品の厚み、
Ｒ（ｍｍ）：曲面部の頂部の曲率半径、
ｃ（μｍ）：端面におけるクラックの深さの最深値、
Ｄ（μｍ）：端面における圧縮応力層の平均深さ、
である。

【0008】

本発明に係るガラス物品において、下記の式（２）
Ｄ≦ｃ（６．６３７（ｔ／Ｒ）＋４．１２２） ……… （２）
がさらに満たされることが好ましい。この場合、ガラス物品の端面に衝撃が加わった時の耐衝撃性のみならず、ガラス物品の主面に衝撃が加わった時の耐衝撃性も向上することができる。

【0009】

本発明に係るガラス物品において、下記の式（３）
０．５７１≦Ｒ／ｔ≦２．８５７ ……… （３）
がさらに満たされることが好ましい。この場合、ガラス物品の主面に衝撃が加わった時の耐衝撃性をさらに向上することができる。

【0010】

本発明に係るガラス物品は、板状であってもよい。本発明に係るガラス物品の厚みｔは、０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内にあることが好ましい。

【0011】

本発明に係るガラス物品の端面の全体が曲面部により構成されていてもよい。

【0012】

本発明に係るガラス物品の製造方法では、ガラス物品の端面に、外側に向かって突出した曲面状の曲面部を形成する。曲面部が形成されたガラス物品と強化液とを接触させることによりガラス物品を化学強化する強化工程を行う。強化工程における強化液の濃度、強化液とガラス物品とを接触させる時間、及び強化液の温度の少なくともひとつを、ガラス物品の厚み、曲面部の頂部における曲率半径及び端面におけるクラックの深さの最深値に応じて調整する。

【0013】

本発明に係るガラス物品の製造方法では、下記の式（１）
Ｄ≧ｃ（６．６３７（ｔ／Ｒ）＋１．１２３） ……… （１）
が満たされるように強化工程を行うことが好ましい。

【0014】

式（１）において、
ｔ（ｍｍ）：ガラス物品の厚み、
Ｒ（ｍｍ）：曲面部の頂部の曲率半径、
ｃ（μｍ）：端面におけるクラックの深さの最深値、
Ｄ（μｍ）：端面における圧縮応力層の平均深さ、
である。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、端面の耐衝撃性に優れたガラス物品を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態に係るガラス物品の模式的断面図である。

【図2】変形例に係るガラス物品の模式的断面図である。

【図3】サンプル１の端面の断面形状を表す断面図である。

【図4】サンプル７の端面の断面形状を表す断面図である。

【図5】サンプル１３の端面の断面形状を表す断面図である。

【図6】サンプル１９の端面の断面形状を表す断面図である。

【図7】端面の耐衝撃性の評価方法を説明するための模式図である。

【図8】サンプル１〜６の滑走距離Ｌを表すグラフである。

【図9】サンプル７〜１２の滑走距離Ｌを表すグラフである。

【図10】サンプル１３〜１８の滑走距離Ｌを表すグラフである。

【図11】サンプル１９〜２４の滑走距離Ｌを表すグラフである。

【図12】ｔ／Ｒと臨界圧縮応力深さ（ＤＯＬ）との関係を表すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

【0018】

図１は、本実施形態に係るガラス物品の模式的断面図である。図１に示すガラス物品１０は、第１の主面１０ａと、第２の主面１０ｂと、端面１０ｃとを有する。本実施形態では、第１の主面１０ａと、第２の主面１０ｂとは、平面である。端面１０ｃは、第１の主面１０ａと、第２の主面１０ｂとを接続している。本実施形態では、ガラス物品１０は、板状であり、詳細には、平板状である。但し、本発明において、ガラス物品が平板状である必要は必ずしもない。ガラス物品は、例えば、曲板状、管状、筐状等であってもよい。

【0019】

ガラス物品１０の厚みは、例えば、０．１ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましく、０．３ｍｍ〜２ｍｍであることがより好ましく、０．４ｍｍ〜１．５ｍｍであることがさらに好ましい。

【0020】

ガラス物品１０は、第１及び第２の主面１０ａ、１０ｂのそれぞれに圧縮応力層１１，１２を有する。圧縮応力層１１，１２は、例えば、イオン交換法等で化学強化されることにより形成されたものであってもよいし、風冷強化により形成されたものであってもよい。本実施形態では、圧縮応力層１１，１２が、化学強化により形成されたものである例について説明する。

【0021】

ガラス物品１０の端面１０ｃは、断面視において外側方向（図１の矢印Ａで示される方向）に向かって突出した曲面状の曲面部１０ｃ１を有する。曲面部１０ｃ１は、端面１０ｃの断面視における最頂部に形成されている。端面１０ｃの一部が曲面部１０ｃ１により構成されていてもよい。例えば、端面１０ｃが、曲面部１０ｃ１及びテーパー部を有していてもよい。この場合、図２に示されるように、曲面部１０ｃ１は、各々、テーパー部１０ｃ２，１０ｃ３を介して第１及び第２の主面１０ａ、１０ｂと接続されている。また、端面１０ｃの全体が曲面部１０ｃ１により構成されていてもよい。この場合、第１の主面１０ａと第２の主面１０ｂとが曲面部１０ｃ１により接続されている。

【0022】

曲面部１０ｃ１の横断面形状は、円弧状であってもよいし、楕円弧状、長円弧状等であってもよい。また、曲面部１０ｃ１は、相互に異なる曲率半径を有する複数の曲面部により構成されていてもよい。

【0023】

ガラス物品１０の製造方法は、特に限定されない。例えば、ガラス物品１０は、以下の要領で製造することができる。

【0024】

まず、組成として、アルカリ金属を含む未強化ガラス物品を用意する。具体的には、例えば、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ_２を５０％〜８０％、Ａｌ_２Ｏ_３を５％〜３５％、Ｂ_２Ｏ_３を０〜１５％、Ｎａ_２Ｏを１％〜２０％、Ｋ_２Ｏを０％〜１０％及びＭｇＯを０％〜１０％を含有するガラスとなるようにガラス原料を混合及び溶融し、溶融ガラスをオーバーフローダウンドロー法やフロート法等の成形方法で板状に成形して未強化ガラス物品を得る。

【0025】

次いで、得られた未強化ガラス物品の端面に、外側に向かって突出した曲面状の曲面部１０ｃ１を形成する。曲面部１０ｃ１の形成方法としては、例えば、未強化ガラス物品の端面を溝付砥石の溝部に押し当てて研削加工することによって曲面部１０ｃ１を形成する方法等が挙げられる。

【0026】

その後、曲面部が形成された未強化ガラス物品と強化液とを接触させることにより、未強化ガラス物品を化学強化する（強化工程）。この際、形成される圧縮応力層の深さ等が以下に説明する条件を満たすように未強化ガラス物品を化学強化することによって、強化ガラス物品であるガラス物品１０を完成させることができる。

【0027】

ところで、強化ガラス物品において、端面に存在するマイクロクラックからクラックが進展することに起因する破損を抑制する観点からは、マイクロクラックの先端部における圧縮応力を大きくしておくことが好ましいと考えられる。マイクロクラックの先端部における圧縮応力を大きくしておくと、端面に衝撃が加わった際にマイクロクラックの先端部に引張応力が作用し難いためである。このため、端面の耐衝撃性を向上する観点からは、圧縮応力深さ（ＤＯＬ）を深くしてマイクロクラックの先端部における圧縮応力を大きくしておくことが好ましいと考えられる。

【0028】

そして、圧縮応力深さ（ＤＯＬ）を大きくするほど端面の耐衝撃性が向上すると考えられる。しかしながら、本発明者らは、上述した端面形状を有する強化ガラス物品においては、圧縮応力深さ（ＤＯＬ）を所定の閾値以上に大きくすると、端面の耐衝撃性があまり向上しなくなることを見出した。以下の説明では、このような所定の閾値を「臨界圧縮応力深さ（ＤＯＬ）」と呼ぶこととする。

【0029】

本発明者らは、さらに鋭意研究の結果、臨界圧縮応力深さ（ＤＯＬ）は、曲面部１０ｃ１の頂部の曲率半径（Ｒ）に対する、ガラス物品１０の厚み（ｔ）の比（ｔ／Ｒ）と相関することを見出した。より具体的には、下記の実験例の結果からも分かるとおり、臨界圧縮応力深さ（ＤＯＬ）と、曲面部１０ｃ１の頂部の曲率半径（Ｒ）に対する、ガラス物品１０の厚み（ｔ）の比（ｔ／Ｒ）とは、下記の式（Ａ）を実質的に満たすことを見出した。

【0030】

臨界圧縮応力深さ（ＤＯＬ）＝ｃ（６．６３７（ｔ／Ｒ）＋１．１２３） ……… （Ａ）
但し、
ｔ（ｍｍ）：ガラス物品の厚み、
Ｒ（ｍｍ）：曲面部の頂部の曲率半径、
ｃ（μｍ）：端面におけるクラックの深さの最深値、
Ｄ（μｍ）：端面における圧縮応力層の平均深さ、
である。

【0031】

なお、本発明において、端面におけるクラックの深さの最深値ｃ（μｍ）の測定は、端面に形成された複数のクラック各々の深さを測定し、それらの平均値および標準偏差に基づき求めた９９％信頼区間におけるクラックの最深値を示すものとする。

【0032】

本発明者らは、上記知見に基づき、強化工程における強化液の濃度、強化液とガラス物品とを接触させる時間、及び強化液の温度の少なくともひとつを、ガラス物品１０の厚み（ｔ）、曲面部１０ｃ１の頂部における曲率半径及び端面１０ｃにおけるクラックの深さの最深値に応じて調整することにより、端面における耐衝撃性に優れたガラス物品１０を製造し得ることに想到した。

【0033】

具体的には、本発明者らは、上記知見に基づき、下記の式（１）を満たすようにすることにより、圧縮応力深さ（ＤＯＬ）が十分に大きく、端面における耐衝撃性に優れたガラス物品１０を実現できることに想到した。

【0034】

Ｄ≧ｃ（６．６３７（ｔ／Ｒ）＋１．１２３） ……… （１）
ところで、強化ガラス物品の主面の耐衝撃性は、圧縮応力（ＣＳ）に大きく左右される。圧縮応力（ＣＳ）が大きいほど、強化ガラス物品の主面の耐衝撃性は向上する。このことから、強化ガラス物品の主面の耐衝撃性と、強化ガラス物品の端面の耐衝撃性との両方を向上するためには、圧縮応力深さ（ＤＯＬ）と圧縮応力（ＣＳ）との両方を大きくすることが好ましい。

【0035】

しかしながら、圧縮応力深さ（ＤＯＬ）と圧縮応力（ＣＳ）とは、トレードオフの関係にある。圧縮応力深さ（ＤＯＬ）を大きくすると圧縮応力（ＣＳ）が小さくなる傾向にある。一方、圧縮応力（ＣＳ）を大きくすると圧縮応力深さ（ＤＯＬ）が小さくなる傾向にある。このため、圧縮応力深さ（ＤＯＬ）と圧縮応力（ＣＳ）との両方を大きくすることは困難である。

【0036】

その点、上記式（１）を満たす範囲で、端面における圧縮応力層の平均深さＤを小さくすれば、端面における優れた耐衝撃性を維持しつつ、圧縮応力（ＣＳ）を大きくすることができる。従って、端面における優れた耐衝撃性と、主面における優れた耐衝撃性との両立を図ることができる。また、端面における圧縮応力層の平均深さＤを小さくするために、強化処理の時間を短縮するなどすれば、ガラス物品１０の生産性を向上することができる。この観点からは、ガラス物品１０が、下記の式（２）を満たすことが好ましい。また、ガラス物品１０が、下記の式（１−１）を満たすことが好ましく、下記の式（１−２）を満たすことがより好ましい。

【0037】

Ｄ≦ｃ（６．６３７（ｔ／Ｒ）＋４．１２２） ……… （２）
Ｄ≦ｃ（６．６３７（ｔ／Ｒ）＋３．１２１） ……… （１−１）
Ｄ≦ｃ（６．６３７（ｔ／Ｒ）＋２．１２０） ……… （１−２）
また、ガラス物品１０は、下記の式（３）を満たすことがより好ましく、下記の式（３−１）を満たすことがより好ましい。

【0038】

０．５７１≦Ｒ／ｔ≦２．８５７ ……… （３）
１．１４２≦Ｒ／ｔ≦１．５７１ ……… （３−１）
Ｒ／ｔが小さすぎると、曲面部１０ｃ１の先端部が尖鋭になりすぎ、曲面部１０ｃ１に他の物体が衝突したときに曲面部１０ｃ１の先端に大きな応力が加わりやすくなるためである。一方、Ｒ／ｔが大きすぎると、端面１０ｃと主面１０ａ、１０ｂとの間の稜線部が尖鋭になりすぎ、当該稜線部に他の物体が衝突したときに稜線部に大きな応力が加わりやすくなるためである。

【0039】

（実験例）
まず、下記のサンプル１〜２４を作製した。サンプル１，７，１３，１９の端面の断面形状を表す断面図を図３〜図６に示す。各サンプルは、ガラス組成として質量％で、ＳｉＯ_２を６６％、Ａｌ_２Ｏ_３を１４．２％、Ｎａ_２Ｏを１３．４％、Ｋ_２Ｏを０．６％、Ｌｉ_２Ｏを０．１％、Ｂ_２Ｏ_３を２．３％、ＭｇＯを３．０％及びＳｎＯ_２を０．４％含有する。

【0040】

〔サンプル１〜６〕
寸法：４０ｍｍ×２２ｍｍ×０．７ｍｍ
端面を構成している曲面部の先端部における曲率半径：２ｍｍ
端面における圧縮応力深さ（ＤＯＬ）：
サンプル１：０μｍ（未強化）
サンプル２：１０μｍ
サンプル３：２０μｍ
サンプル４：３０μｍ
サンプル５：４０μｍ
サンプル６：５０μｍ
〔サンプル７〜１２〕
寸法：４０ｍｍ×２２ｍｍ×０．７ｍｍ
端面を構成している曲面部の先端部における曲率半径：１．１ｍｍ
端面における圧縮応力深さ（ＤＯＬ）：
サンプル７：０μｍ（未強化）
サンプル８：１０μｍ
サンプル９：２０μｍ
サンプル１０：３０μｍ
サンプル１１：４０μｍ
サンプル１２：５０μｍ
〔サンプル１３〜１８〕
寸法：４０ｍｍ×２２ｍｍ×０．７ｍｍ
端面を構成している曲面部の先端部における曲率半径：０．８ｍｍ
端面における圧縮応力深さ（ＤＯＬ）：
サンプル１３：０μｍ（未強化）
サンプル１４：１０μｍ
サンプル１５：２０μｍ
サンプル１６：３０μｍ
サンプル１７：４０μｍ
サンプル１８：５０μｍ
〔サンプル１９〜２４〕
寸法：４０ｍｍ×２２ｍｍ×０．７ｍｍ
端面を構成している曲面部の先端部における曲率半径：０．４ｍｍ
端面における圧縮応力深さ（ＤＯＬ）：
サンプル１９：０μｍ（未強化）
サンプル２０：１０μｍ
サンプル２１：２０μｍ
サンプル２２：３０μｍ
サンプル２３：４０μｍ
サンプル２４：５０μｍ
［端面におけるクラックの深さの最深値ｃ（μｍ）の測定］
各サンプルにつき、５つの断面を露出させ、その各断面を、金属顕微鏡を用いて５００倍に拡大してクラックを観察した。その結果、観察されたクラック数が２０以下である場合には、他の断面を露出させ、同様にクラックを観察した。そして、クラック数が２０以上である５つの断面において、観察された各クラックの深さを測定した。そして、最も深いクラックの深さを、端面におけるクラックの深さの最深値ｃ（μｍ）として求めた。具体的には、各端面に形成された複数のクラックの深さの平均値および標準偏差に基づき求めた９９％信頼区画において最も深いクラックの深さを最深値ｃ（μｍ）として求めた。その結果、サンプル１〜２４の全てにおいて、端面におけるクラックの深さの最深値ｃ（μｍ）は、５．７μｍであった。

【0041】

［端面の耐衝撃性の評価］
図７は、端面の耐衝撃性の評価方法を説明するための模式図である。図７に示すように、水平方向に対して３２°傾斜した傾斜面３０の下端部に、板面方向が傾斜面３０と平行となるようにサンプルＳを固定した。傾斜面３０の上方から、先端部が曲率半径２．５ｍｍの半円筒状である１９０ｇのＳＵＳ製ヘッド３１を傾斜面３０に沿って滑り落とし、サンプルＳが破損したときのＳＵＳ製ヘッド３１の滑走距離Ｌを求めた。結果を、図８〜図１１に示す。

【0042】

図８及び図１１に示す結果から、曲面部の頂部の曲率半径Ｒ（ｍｍ）が、２．０ｍｍ、１．１ｍｍ、０．８ｍｍのときの臨界圧縮応力深さ（ＤＯＬ）を決定した。結果を図１２に示す。

【0043】

なお、臨界圧縮応力深さ（ＤＯＬ）は、あるサンプルの滑走距離が、そのサンプルの圧縮応力深さよりも１０μｍ小さな圧縮応力深さのサンプルの滑走距離の１１５％以下であるときに、そのサンプルの圧縮応力深さを臨界圧縮応力深さ（ＤＯＬ）とした。曲面部の頂部の曲率半径Ｒ（ｍｍ）が０．４ｍｍのサンプル１９〜２４では、そのようなサンプルが存在しなかったため、臨界圧縮応力深さ（ＤＯＬ）が決定できなかった。

【0044】

図１２に示すように、ｔ／Ｒと臨界圧縮応力深さ（ＤＯＬ）とは、ほぼ一次相関していることが分かる。近似直線Ｌ１は、下記の式（４）で表された。

【0045】

臨界圧縮応力深さ（ＤＯＬ）＝５．７×（６．６３７（ｔ／Ｒ）＋１．１２３） ……… （４）

【符号の説明】

【0046】

１０ ガラス物品
１０ａ 第１の主面
１０ａ，１０ｂ 第２の主面
１０ａ 第２の主面
１０ｃ 端面
１０ｃ１ 曲面部
１０ｃ２，１０ｃ３ テーパー部
１１，１２ 圧縮応力層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】