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(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】6897270
(24)【登録日】2021年6月14日
(45)【発行日】2021年6月30日
(54)【発明の名称】化学強化ガラス
(51)【国際特許分類】
C03C 21/00 20060101AFI20210621BHJP
【ＦＩ】
C03C21/00 101
【請求項の数】4
【全頁数】32
(21)【出願番号】特願2017-83319(P2017-83319)
(22)【出願日】2017年4月20日
(65)【公開番号】特開2018-177610(P2018-177610A)
(43)【公開日】2018年11月15日
【審査請求日】2020年2月6日
(73)【特許権者】
【識別番号】000000044
【氏名又は名称】ＡＧＣ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】大神 聡司
【審査官】
有田 恭子
(56)【参考文献】
【文献】
米国特許出願公開第２０１６／０１０２０１１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特表２０１３−５３６１５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１６／０３７６１８６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
国際公開第２０１６／１８５９３４（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｃ０３Ｃ ２１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
リチウム含有アルミノシリケートガラスが化学強化された化学強化ガラスであって、
前記化学強化ガラスの板厚をｔ（μｍ）とし、前記化学強化ガラスの表面からの深さｘ（μｍ）における内部応力をσ（ｘ）（ＭＰａ）としたとき、
以下の式（３）から求めたｒＥ（ｋＪ／ｍ２）と、ｒＥｌｉｍｉｔ＝１６×ｔ／１０００＋３との比Ｃ＝ｒＥ／ｒＥｌｉｍｉｔの値が０．７以上かつ１．０未満であることを特徴とする化学強化ガラス。
但し、式（３）において、ＤＯＬは、化学強化ガラスの圧縮応力深さ（μｍ）である。
前記化学強化ガラスの板厚をｔ（μｍ）とし、前記化学強化ガラスの表面からの深さｘ（μｍ）における内部応力をσ（ｘ）（ＭＰａ）としたとき、
以下の式（３）から求めたｒＥ（ｋＪ／ｍ２）と、ｒＥｌｉｍｉｔ＝１６×ｔ／１０００＋３との比Ｃ＝ｒＥ／ｒＥｌｉｍｉｔの値が０．７以上かつ１．０未満であることを特徴とする化学強化ガラス。
【数3】
【請求項2】
表面圧縮応力ＣＳが６００（ＭＰａ）以上であることを特徴とする請求項１に記載の化学強化ガラス。
【請求項3】
圧縮応力深さＤＯＬが５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の化学強化ガラス。
【請求項4】
板厚ｔが１５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の化学強化ガラス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、化学強化ガラスに関する。
【背景技術】
【0002】
携帯電話やスマートフォン等の電子機器において、表示部や、筐体本体にガラスが用いられることが多く、そのガラスは強度を上げるために、ガラス表面にイオン交換による表面層（イオン交換層）を形成することにより強度を上げた、所謂化学強化ガラスが使用されている。表面層は、少なくともガラス表面側に存在しイオン交換による圧縮応力が発生している圧縮応力層を含み、ガラス内部側に該圧縮応力層に隣接して存在し引張応力が発生している引張応力層を含んでいる。
【0003】
近年、化学強化ガラスとして、イオン交換がしやすくて化学強化の時間が短く、化学強化されたガラスの表面応力値が高くかつ応力層の深さが深い、リチウム含有アルミノシリケートガラスが注目されている。
【0004】
リチウム含有アルミノシリケートガラスを化学強化する際、硝酸ナトリウムや硝酸カリウムを含有する溶融塩に浸漬する。ここで、ナトリウムイオンはガラス中へ拡散しやすいため、初めに溶融塩中のナトリウムイオンとガラス中のリチウムイオンとが交換され、次に溶融塩中のカリウムイオンとガラス中のナトリウムイオンとが交換される。
【0005】
この結果、ガラスの板厚方向から見ると、ガラス表面にはカリウムイオンが多く、ガラス内部に向かってナトリウムイオンが多くなり、ガラスのより内部にリチウムイオンが多くなる。
【0006】
ここで、ガラスの屈折率は、カリウムイオンが多いと高くなり、ナトリウムイオンが多いと低くなり、リチウムイオンが多いと高くなる。つまり、ガラスの板厚方向から見ると、ガラス表面の屈折率が高く、ガラス内部に向かってだんだん低くなり、ガラスのより内部に向かって高くなる。
【0007】
ここで、化学強化されたアルミノシリケートガラスの応力分布を用い、ガラスの持っている性能を十分に引き出すことのできる限界値（ＣＴ値の上限）を規定した発明がなされている（特許文献１）。
【0008】
特許文献１では、圧縮層内で応力が屈曲するような非誤差関数圧縮応力プロファイルによるイオン交換ガラスについて、応力プロファイルを元に引張エネルギー密度ｒＥ（単位：ｋＪ／ｍ２）を式（１）及び式（２）で導出し、ｒＥ≦２３．３×ｔ／１０００＋１５の範囲であることを推奨している。これは実質的にＣＴ５の上限を提案している。
【0009】
【数1】
【0010】
【数2】
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【特許文献1】国際公開第２０１６／１８５９３４号
【非特許文献】
【0012】
【非特許文献1】Yogyo-Kyokai-Shi（窯業協会誌）８７｛３｝１９７９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
しかしながら、特許文献１の実施例は単なるアルミノシリケートガラスを開示しているに過ぎず、リチウム含有アルミノシリケートガラスに適用できるが、リチウム含有アルミノシリケートガラス限界値をより正しく示していない。
【0014】
そのため、従来の手法で化学強化されたリチウム含有アルミノシリケートガラスは、そのガラスが本来持っている性能を十分に発揮できず、ＣＳ値やＤＯＬ値が不足しているという問題点があった。
【0015】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、ガラス本来の持っている性能を十分に発揮できる化学強化ガラスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0016】
本化学強化ガラスは、リチウム含有アルミノシリケートガラスが化学強化された化学強化ガラスであって、前記化学強化ガラスの板厚をｔ（μｍ）とし、前記化学強化ガラスの表面からの深さｘ（μｍ）における内部応力をσ（ｘ）（ＭＰａ）としたとき、後述の式（３）から求めたｒＥ（ｋＪ／ｍ２）と、ｒＥｌｉｍｉｔ＝１６×ｔ／１０００＋３との比Ｃ＝ｒＥ／ｒＥｌｉｍｉｔの値が０．７以上かつ１．０未満である。
【発明の効果】
【0017】
開示の技術によれば、ガラス本来の持っている性能を十分に発揮できる化学強化ガラスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】応力プロファイルの測定装置の第１の例を示す図である。
【図3】液晶素子の印加電圧と偏光位相差との関係を例示する図である。
【図4】液晶素子に偏光位相差が時間的に直線的に変化するような駆動電圧を発生させる回路を例示する図である。
【図5】撮像素子に結像されたレーザ光Ｌのある瞬間の散乱光像を例示する図である。
【図7】ガラス深さに応じた散乱光変化の位相を例示する図である。
【図9】異なる時刻ｔ１、ｔ２の実際の散乱光像を例示する図である。
【図10】化学強化ガラス中のレーザ光Ｌの入射面の好ましくない設計例を示す図である。
【図11】化学強化ガラス中のレーザ光Ｌの入射面の好ましい設計例を示す図である。
【図12】応力測定装置１の測定方法を例示するフローチャートである。
【図13】応力測定装置１の演算部７０の機能ブロックを例示する図である。
【図14】応力プロファイルの測定装置の第２の例を示す図である。
【図15】応力プロファイルの測定装置の第３の例を示す図である。
【図16】光弾性効果を利用した偏光位相差可変部材の説明図である。
【図17】応力測定装置１で測定した応力分布を示した図である。
【図18】応力プロファイルの測定装置の第５の例を示す図である。
【図19】光供給部材と化学強化ガラスとの界面を進むレーザ光Ｌの散乱光画像を例示する図である。
【図20】光供給部材と化学強化ガラスとの間に液体を挟むための構造部を例示した図である。
【図21】本実施の形態に係る化学強化ガラスの応力分布を例示する図である。
【図22】本実施の形態に係る化学強化ガラスの破砕数の観測方法を説明する図である。
【図23】化学強化ガラスの板厚とｒＥ値の関係と従来のｒＥｌｉｍｉｔを説明する図である。
【図24】リチウム含有アルミノシリケートガラスの化学強化ガラスの板厚とｒＥ値の関係と、新しいｒＥｌｉｍｉｔを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【0020】
〈化学強化ガラス〉本実施の形態に係る化学強化ガラスは、通常、板形状をしているが、平板でも曲げ加工を施したガラス板でもよい。本実施の形態に係る化学強化ガラスは、フロート法、フュージョン法、スロットダウンドロー法等、既知のガラス成形方法によって平板形状に成形されたガラス板であり、１３０ｄＰａ・ｓ以上の液相粘度を有することが好ましい。
【0021】
本実施の形態に係る化学強化ガラスは、タブレットＰＣ、ノートＰＣ、スマートフォン及び電子書籍リーダー等の情報機器に備えられたタッチパネルディスプレイのカバーガラス及びタッチセンサーガラス、液晶テレビ及びＰＣモニタ等のカバーガラス、自動車インパネ等のカバーガラス、太陽電池用カバーガラス、建材の内装材、並びにビルや住宅の窓に用いられる複層ガラス等に用いることができる。
【0022】
本実施の形態に係る化学強化ガラスは、既存の成形法で成形可能な寸法を有する。すなわち、フロート法で成形すれば、フロート成形幅の連続したリボン状のガラスが得られる。又、本実施の形態に係る化学強化ガラスは、最終的には使用目的に適した大きさに切断される。
【0023】
すなわち、タブレットＰＣ又はスマートフォン等のディスプレイの大きさであったり、太陽電池用カバーガラスであったり、それぞれの用途に応じた大きさとなる。本実施の形態に係る化学強化ガラスは、一般的には矩形に切断されているが、円形又は多角形等の他の形状でも問題なく、穴あけ加工を施したガラスも含まれる。
【0024】
本実施の形態に係る化学強化ガラスの板厚ｔは、軽量化に寄与するため１５００μｍ以下であることが好ましい。板厚ｔは１０００μｍ以下、７００μｍ以下、５００μｍ以下、４００μｍ以下、３００μｍ以下、２００μｍ以下、１００μｍ以下であることがより好ましい。
【0025】
本実施の形態に係る化学強化ガラスは、イオン交換処理によって表面に圧縮応力層を備える。圧縮応力が高いとガラスが湾曲するモードにより破壊されにくくなるため、化学強化ガラスの表面圧縮応力（ＣＳ）は６００ＭＰａ以上であることが好ましく、７００ＭＰａ以上、８００ＭＰａ以上、８５０ＭＰａ以上、９００ＭＰａ以上、９５０ＭＰａ以上、１０００ＭＰａ以上、１０５０ＭＰａ以上、１１００ＭＰａ以上、１１５０ＭＰａ以上、１２００ＭＰａ以上、１３００ＭＰａ以上、１４００ＭＰａ以上、１５００ＭＰａ以上であることがより好ましい。
【0026】
又、化学強化ガラスの使用時に圧縮応力層の深さＤＯＬの値を超える深さの傷がつくと化学強化ガラスの破壊につながるため、化学強化ガラスのＤＯＬは深い方が好ましく、３０μｍ以上であることが好ましく、４０μｍ以上、５０μｍ以上、５５μｍ以上、６０μｍ以上、６５μｍ以上、７０μｍ以上、７５μｍ以上、８０μｍ以上、８５μｍ以上、９０μｍ以上、９５μｍ以上、１００μｍ以上、１１０μｍ以上、１２０μｍ以上、１３０μｍ以上、１４０μｍ以上、１５０μｍ以上であることがより好ましい。
【0027】
化学強化ガラスの内部引張応力ＣＴの値を大きくすると、ＣＳを大きく、ＤＯＬを深くできるため好ましい。換言すれば、ＣＳまたはＤＯＬを大きくしようとすると、必然的にＣＴも大きくなる。例えば、同様の応力プロファイルを有するガラスであれば、ＣＳまたはＤＯＬの値を１０％大きくする（値を１．１倍にする）と、一般的にＣＴの値も約１０％上がる。したがって、ＣＴの値を大きくすることで、ＣＳやＤＯＬをより好ましい値に近付けることができる。
【0028】
化学強化ガラスの内部エネルギー密度ｒＥの値を大きくすると、同じＤＯＬであればＣＳを大きくできるため好ましい。
【0029】
ここで、本実施の形態の化学強化ガラスの内部引張応力ＣＴと内部エネルギー密度は、リチウム含有アルミノシリケートガラスであるため、従来方法の式（１）及び式（２）では導出できない。リチウム含有化学強化ガラスの導出方法については後述する。
【0030】
本実施の形態に係る化学強化ガラスは、大きいＣＳ値と深いＤＯＬ値を達成するために、応力プロファイルは図２１のように、ナトリウムとカリウム、リチウムとナトリウムの二組が化学強化により置換されて、全体として圧縮応力プロファイルは屈曲しているが、置換された領域によって屈折率や光弾性定数が変わるため、二つの応力場について正確な応力分布測定は難しい。したがって、化学強化によりほとんど置換がされない引張応力場を測定することが好ましい。
【0031】
又、本実施の形態に係る化学強化ガラスは、爆発的に粉々に割れるのを防ぐため、ＤＯＬ値の半値の深さにおける圧縮応力値が、好ましくは表面応力値（ＣＳ値）の４０％以下、より好ましくは３０％以下、更に好ましくは２０％以下、特に好ましくは１０％以下である。
【0032】
又、本実施の形態に係る化学強化ガラスは、表面応力値（ＣＳ値）の半値（ＨＷ）となる位置は８μｍ未満であることが好ましい。より好ましくは７μｍ以下、更に好ましくは６μｍ以下、最も好ましくは５μｍ以下である。表面応力値（ＣＳ値）の半値（ＨＷ）となる位置が８μｍ未満であることで、大きいＣＳ値と深いＤＯＬ値を達成することができ、化学強化ガラスが破壊した時に、爆発的に粉々に割れるのを防ぐことができる。
【0033】
本実施の形態に係る化学強化ガラスの内部エネルギー密度ｒＥは、式（３）により定義される。ここで、σ（ｘ）は化学強化ガラスの深さ方向の位置ｘ（μｍ）における圧縮応力値（ＭＰａ）、ＤＯＬは圧縮応力層の深さ（μｍ）であり、ｔは板厚（μｍ）である。なお、ＤＯＬは内部引張応力が働き始める深さとも言い換えることができる。
【0034】
【数3】
【0035】
式（３）により求められる内部エネルギー密度ｒＥは、式（４）を満たすことにより、ガラスが割れたときに細かく飛散しにくくなっている。
【0036】
【数4】
【0037】
（化学強化処理）化学強化処理により、大きなイオン半径のアルカリ金属イオン（リチウム含有のアルミノシリケートガラスの場合には、ＫイオンとＮａイオン）を含むアルカリ金属塩（例えば、硝酸カリウム塩と硝酸ナトリウム塩）の融液に浸漬等によって、ガラス基板を接触させることにより、ガラス基板中の小さなイオン半径の金属イオン（リチウム含有のアルミノシリケートガラスの場合には、ＮａイオンとＬｉイオン）が大きなイオン半径の金属イオンと置換される。
【0038】
化学強化処理は、例えば、３５０〜５００℃のアルカリ金属溶融塩にガラス板を５分〜６０時間浸漬することによって行うことができる。
【0039】
イオン交換処理を行うための溶融塩としては、例えば、硝酸カリウム塩、硫酸カリウム塩、炭酸カリウム塩及び塩化カリウム塩等のアルカリ硝酸塩、アルカリ硫酸塩及びアルカリ塩化物塩等が挙げられる。これらの溶融塩は単独で用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。又、化学強化特性を調整するために、ナトリウム（Ｎａイオン）やリチウム（Ｌｉイオン）を含む塩を混ぜてもよい。又、条件を変えて複数回行ってもよい。
【0040】
本実施の形態に係る化学強化ガラスにおいて、化学強化処理の処理条件は、特に限定されず、ガラスの特性及び溶融塩等を考慮して最適な条件を選択できる。
【0041】
本実施の形態に係る化学強化ガラスは、例えば、以下の工程（１）〜（３）により製造される。以下、各工程について説明する。
【0042】
（１）ガラスをイオン交換処理することにより、ガラス表面に圧縮応力層を形成する第１の化学強化工程工程（１）は、化学強化処理に供するガラスをそのガラス中に含まれるアルカリ金属イオン（例えば、ＮａイオンとＬｉイオン）よりイオン半径の大きなアルカリ金属イオンを含む溶融塩（例えば、カリウム塩とナトリウム塩）とガラスの転移温度を超えない温度域で接触させて、ガラス中のアルカリ金属イオンとアルカリ金属塩のイオン半径の大きなアルカリ金属イオンとをイオン交換させ、アルカリ金属イオンの占有面積の差によりガラス表面に圧縮応力を発生させ圧縮応力層を形成する工程である。
【0043】
工程（１）においてガラスとアルカリ金属イオンを含む溶融塩とを接触させる処理温度及び処理時間は、ガラス及び溶融塩の組成に応じて適宜調整する。溶融塩の加熱温度は、通常３５０℃以上が好ましく、３７０℃以上がより好ましい。又、通常５００℃以下が好ましく、４５０℃以下がより好ましい。溶融塩の加熱温度を３５０℃以上とすることにより、イオン交換速度の低下により化学強化が入りにくくなるのを防ぐ。又、５００℃以下とすることにより溶融塩の分解・劣化を抑制することができる。
【0044】
工程（１）においてガラスを溶融塩に接触させる時間は、十分な圧縮応力を付与するためには、通常０．５時間以上が好ましく、１時間以上、２時間以上、３時間以上、４時間以上がより好ましい。又、長時間のイオン交換では、生産性が落ちるとともに、緩和により圧縮応力値が低下するため、２００時間以下が好ましく、１５０時間以下、１００時間以下、９０時間以下、８０時間以下がより好ましい。
【0045】
（２）ガラスを加熱処理する加熱工程工程（２）は、工程（１）で得られたガラス表面に圧縮応力層を形成したガラスを加熱処理することにより、圧縮応力層に存在するより大きなアルカリ金属イオン、例えば、カリウムイオンとナトリウムイオンをガラスの表面からガラス内部の方向に移動させることにより、圧縮応力層の最深部をガラス表面からガラス内部の方向に移動させる工程である。この工程は省略することもできる。
【0046】
圧縮応力層の最深部がガラス表面からガラス内部の方向に移動することにより、ガラス表面の圧縮応力が低下するが、ガラス表面から好ましくは３０μｍ以上の圧縮応力層が形成される。
【0047】
ガラスを加熱処理する温度はガラス転移点より５０℃以上、好ましくは７０℃以上、より好ましくは１００℃以上低い温度とする。ガラス転移点より５０℃以上低い温度でガラスを加熱処理することにより、ガラスの応力緩和を防ぐことができる。
【0048】
ガラスを加熱処理する時間は、加熱処理温度により適宜調整することが好ましく、通常３０分〜２０００分であることが好ましく、３０〜３００分であることがより好ましい。
【0049】
（３）ガラスをイオン交換処理することにより、ガラス表面の圧縮応力層を変化させる第２の化学強化工程工程（３）は工程（２）で得られたガラスをイオン交換することにより、ガラス表面の圧縮応力層を変化させる工程である。工程（３）において再度イオン交換することにより、ガラス表面及びその内部の圧縮応力層を変化させることができる。工程（３）のイオン交換処理は工程（１）において上述したイオン交換処理と同様の方法により行ってもよいし、別の方法であってもよい。又、別の溶融塩を用いてもよい。
【0050】
工程（３）においてガラスとアルカリ金属イオンを含む溶融塩とを接触させる処理温度及び処理時間は、ガラス及び溶融塩の組成に応じて適宜調整する。溶融塩の加熱温度は、通常３５０℃以上が好ましく、３７０℃以上がより好ましい。又、通常５００℃以下が好ましく、４５０℃以下がより好ましい。溶融塩の加熱温度を３５０℃以上とすることにより、イオン交換速度の低下により化学強化が入りにくくなるのを防ぐ。又、５００℃以下とすることにより溶融塩の分解・劣化を抑制することができる。
【0051】
工程（３）においてガラスを溶融塩に接触させる時間は、十分な圧縮応力を付与するためには、通常５分以上が好ましく、６分以上、７分以上、８分以上、９分以上、１０分以上がより好ましい。又、長時間のイオン交換では、生産性が落ちるとともに、緩和により圧縮応力値が低下するため、５時間以下が好ましく、３時間以下、２時間以下、１時間以下がより好ましい。
【0052】
工程（１）〜（３）は、連続的な工程、例えばガラス板製造工程において連続的に移動するガラスリボンに対してオンラインで順次行ってもよいし、又は非連続的にオンラインで行ってもよい。又、作業効率の点からは工程（２）を省いた方が好ましい。
【0053】
イオン交換処理を行うための溶融塩は、少なくともカリウムイオンまたはナトリウムイオンを含む処理塩を用いることが好ましい。このような処理塩としては、例えば、硝酸カリウムを５０質量％以上含有する塩が好適に挙げられる。又、混合溶融塩には、その他の成分を含有してもよい。その他の成分としては、例えば、硫酸ナトリウム及び硫酸カリウム等のアルカリ硫酸塩、並びに塩化ナトリウム及び塩化カリウム等のアルカリ塩化塩等が挙げられる。
【0054】
〈応力プロファイルの測定方法（１）〉上記の実施の形態に係る化学強化ガラスの応力プロファイルを測定するための装置および方法について詳説する。
【0055】
図１は、応力プロファイルの測定装置の第１の例を示す図である。図１に示すように、応力測定装置１は、レーザ光源１０と、偏光部材２０と、偏光位相差可変部材３０と、光供給部材４０と、光変換部材５０と、撮像素子６０と、演算部７０と、光波長選択部材８０とを有する。
【0056】
２００は、被測定体となる化学強化ガラスである。化学強化ガラス２００は、例えば、化学強化法により強化処理が施されたガラスである。
【0057】
レーザ光源１０は、光供給部材４０から化学強化ガラス２００の表面層にレーザ光Ｌを入射するように配置されており、レーザ光源１０と光供給部材４０との間に、偏光位相差可変部材３０が挿入されている。
【0058】
レーザ光源１０としては、例えば、半導体レーザ、ヘリウムネオンレーザ、アルゴンレーザを用いることができる。半導体レーザは通常偏光があり、４０５ｎｍ、５２０ｎｍ、６３０ｎｍ等の波長の半導体レーザが実用化されている。レーザ光の波長が短いほどビーム径を絞れ、空間分解能を高くできる。
【0059】
化学強化ガラス２００の深さ方向の分解能を上げるためには、レーザ光の最小ビーム径の位置が化学強化ガラス２００のイオン交換層内にあり、最小ビーム径が２０μｍ以下であることが好ましい。レーザ光の最小ビーム径の位置を、化学強化ガラス２００の表面２１０とすると、更に好ましい。なお、レーザ光のビーム径が深さ方向の分解能となるため、必要な深さ方向の分解能以下のビーム径にする必要がある。ここで、ビーム径とはビーム中央の輝度が最大になる時の１／ｅ２（約１３．５％）の幅を意味し、ビーム形状が楕円形状やシート状の場合、ビーム径は最小幅を意味する。但し、この場合は、ビーム径の最小幅がガラス深さ方向を向いている必要がある。
【0060】
偏光部材２０は、必要に応じて、レーザ光源１０と偏光位相差可変部材３０との間に挿入される。具体的には、レーザ光源１０の出射するレーザ光Ｌが偏光でない場合、レーザ光源１０と偏光位相差可変部材３０との間に偏光部材２０が挿入される。レーザ光源１０の出射するレーザ光Ｌが偏光である場合、偏光部材２０は挿入されても、挿入されなくてもよい。又、レーザ光Ｌの偏光面が化学強化ガラス２００の表面２１０に対して４５°になるよう、レーザ光源１０、及び、偏光部材２０が設置される。偏光部材２０としては、例えば、回転可能な状態で配置された偏光板等を用いることができるが、同様の機能を備えた他の部材を用いてもよい。
【0061】
光供給部材４０は、被測定体である化学強化ガラス２００の表面２１０に光学的に接触した状態で載置されている。光供給部材４０は、レーザ光源１０からの光を化学強化ガラス２００に入射させる機能を備えている。光供給部材４０としては、例えば、光学ガラス製のプリズムを用いることができる。この場合、化学強化ガラス２００の表面２１０において、光線がプリズムを介して光学的に入射するために、プリズムの屈折率は化学強化ガラス２００の屈折率とほぼ同じ（±０．２以内）にする必要がある。
【0062】
光供給部材４０と化学強化ガラス２００との間に、化学強化ガラス２００の屈折率とほぼ同じ屈折率を持つ液体を挟んでもよい。これにより、化学強化ガラス２００内に、効率よくレーザ光Ｌを入射することができる。これについては、応力プロファイルの測定方法（５）で詳しく説明する。
【0063】
化学強化ガラス２００を通過するレーザ光Ｌは、微量の散乱光ＬＳを発生する。散乱光ＬＳの輝度は、レーザ光Ｌの散乱する部分の偏光位相差で変化する。又、レーザ光Ｌの偏光方向が、化学強化ガラス２００の表面２１０に対して図２のθｓ２が４５°（±５°以内）になるように、レーザ光源１０が設置されている。そのため、化学強化ガラス２００の面内方向にかかる応力の光弾性効果により複屈折を起こし、レーザ光Ｌが化学強化ガラス中を進むにつれ、偏光位相差も変化し、その変化に伴い散乱光ＬＳの輝度も変化する。なお、偏光位相差とは、複屈折により生じる位相差（retardation）である。
【0064】
又、レーザ光Ｌは、化学強化ガラスの表面２１０に対して、θｓ１は１０°以上３０°以下に設定される。これは１０°を下回ると、光導波効果によりレーザ光がガラス表面を伝播し、ガラス内部の情報を取ることができなくなるからである。逆に３０°を超えると、レーザ光路長に対するガラス内部の深さ分解能が下がり、測定方法として好ましくない。よって、好ましくはθｓ１＝１５°±５°に設定する。
【0065】
次に、撮像素子６０について、図２を用いて説明する。図２は、応力測定装置１を図１のＨ方向から見た図であり、撮像素子６０の位置関係を示す図である。レーザ光Ｌの偏光が化学強化ガラス２００の表面２１０に対して４５°の角度で入射するため、散乱光ＬＳも化学強化ガラス２００の表面２１０に対して４５°角度で放射される。そのため、この化学強化ガラスの面に対して４５°で放射される散乱光ＬＳを捉えるために、撮像素子６０が、図２において、化学強化ガラス２００の表面２１０に対して４５°の方向に設置されている。すなわち、図２において、θｓ２＝４５°である。
【0066】
又、撮像素子６０と、レーザ光Ｌの間に、レーザ光Ｌによる散乱光ＬＳの画像を撮像素子６０に結像するよう光変換部材５０が挿入されている。光変換部材５０としては、例えば、ガラス製の凸レンズや、複数の凸レンズや凹レンズを組み合わせたレンズを用いることができる。
【0067】
又、複数のレンズを組み合わせたレンズについて、主光線が光軸に平行であるテレセントリックレンズにすることにより、レーザ光Ｌより四方に散乱する散乱光中、主に化学強化ガラス２００のガラス表面に対して４５°方向（撮像素子方向）に散乱する光のみで結像することができ、ガラス表面の乱反射等の不必要な光を低減する効果がある。
【0068】
又、レーザ光Ｌと撮像素子６０との間に、少なくともレーザ光の波長＋１００ｎｍ以上と、−１００ｎｍ以下の波長の光を５０％以上、好ましくは９０％透過させない光波長選択部材８０を挿入してもよい。光波長選択部材８０を挿入することにより、レーザ光Ｌより発生した蛍光光や外来光を除去し、散乱光ＬＳだけを撮像素子６０に集めることができる。光波長選択部材８０としては、例えば、誘電体膜を多層にしたバンドパスフィルタや、ショートパスフィルタを用いることができる。
【0069】
撮像素子６０としては、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）素子やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサ素子を用いることができる。図１及び図２には図示していないが、ＣＣＤ素子やＣＭＯＳセンサ素子は、その素子を制御し、素子から画像の電気信号を取出す制御回路、電気信号をデジタル画像データにするデジタル画像データ生成回路、デジタル画像データを複数枚記録するデジタル記録装置に接続されている。更に、デジタル画像データ生成回路、デジタル記録装置は、演算部７０に接続されている。
【0070】
演算部７０は、撮像素子６０、或いは、上記撮像素子６０に接続された、デジタル画像データ生成回路、デジタル記録装置から画像データを取り込み、画像処理や数値計算をする機能を備えている。演算部７０は、これ以外の機能（例えば、レーザ光源１０の光量や露光時間を制御する機能等）を有する構成としてもよい。演算部７０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、メインメモリ等を含むように構成することができる。
【0071】
この場合、演算部７０の各種機能は、ＲＯＭ等に記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることによって実現できる。演算部７０のＣＰＵは、必要に応じてＲＡＭからデータを読み出したり、格納したりできる。但し、演算部７０の一部又は全部は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。又、演算部７０は、物理的に複数の装置等により構成されてもよい。演算部７０としては、例えば、パーソナルコンピュータを用いることができる。又、演算部７０にデジタル画像データ生成回路、デジタル記録装置の機能を持たせても良い。
【0072】
偏光位相差可変部材３０は、化学強化ガラス２００へ入射するときの偏光位相差を時間的に変化させる。変化させる偏光位相差は、レーザ光の波長λの１倍以上である。偏光位相差は、レーザ光Ｌの波面に対して均一でなければいけない。例えば、水晶楔は、楔の傾斜面のついた方向には偏光位相差が均一でないためレーザ光の波面は均一でない。そのため、偏光位相差可変部材３０として水晶楔を用いることは好ましくない。
【0073】
レーザ光の波面に均一で偏光位相差を電気的に１λ以上可変できる偏光位相差可変部材３０としては、例えば、液晶素子を挙げることができる。液晶素子は、素子に印加する電圧により偏光位相差を可変することができ、例えば、レーザ光の波長が６３０ｎｍである場合、３〜６波長の可変が可能である。液晶素子において、印加する電圧で可変できる偏光位相差の最大値は、セルギャップの寸法で決まる。
【0074】
通常の液晶素子は、セルギャップが数μｍであるため、最大の偏光位相差は１／２λ（数１００ｎｍ）程度である。又、液晶を使ったディスプレイ等では、それ以上の変化は要求されない。これに対して、本実施の形態で使用する液晶素子は、レーザ光の波長が例えば６３０ｎｍである場合、６３０ｎｍの約３倍の約２０００ｎｍの偏光位相差を可変する必要があり、２０〜５０μｍのセルギャップが必要となる。
【0075】
液晶素子に印加する電圧と偏光位相差は比例しない。一例として、セルギャップが３０μｍの液晶素子の印加電圧と偏光位相差との関係を図３に示す。図３において、縦軸は偏光位相差（波長６３０ｎｍに対しての波長数）、横軸は液晶素子に印加する電圧（対数で描かれている）である。
【0076】
液晶素子に印加する電圧が０Ｖから１０Ｖで、約８λ（５０００ｎｍ）の偏光位相差を可変できる。しかし、液晶素子は、一般的に０Ｖから１Ｖまでの低電圧では液晶の配向が安定せず、温度変化等で偏光位相差が変動する。又、液晶素子に印加する電圧が５Ｖ以上では、電圧の変化に対して偏光位相差の変化が少ない。この液晶素子の場合、１．５Ｖから５Ｖの印加電圧で使用することで、４λ〜１λ、すなわち約３λの偏光位相差を安定に可変することができる。
【0077】
偏光位相差可変部材３０として液晶素子を用いる場合、偏光位相差可変部材３０は液晶を制御する液晶制御回路に接続され、撮像素子６０と同期して制御される。この際、偏光位相差を時間的に直線的に可変させ、撮像素子６０の撮像のタイミングに同期することが必要である。
【0078】
図３は、液晶素子の印加電圧と偏光位相差との関係を例示する図である。図３で示すように、液晶素子の印加電圧と偏光位相差は直線的な変化をしない。そのため、偏光位相差がある時間内で直線的に変化するような信号を発生させ、液晶素子への駆動電圧として印加する必要がある。
【0079】
図４は、液晶素子に偏光位相差が時間的に直線的に変化するような駆動電圧を発生させる回路を例示する図である。
【0080】
図４において、デジタルデータ記憶回路３０１には、使用する液晶素子の印加電圧と偏光位相差とを予め測定したデータに基づいて、偏光位相差を一定間隔で変化させるための、偏光位相差に対応する電圧値が、必要な偏光位相差変化の範囲でデジタルデータとしてアドレス順に記録されている。表１に、デジタルデータ記憶回路３０１に記録されるデジタルデータの一部を例示する。表１の電圧の列が、記録されるデジタルデータであり、偏光位相差１０ｎｍの変化毎の電圧値である。
【0081】
【表1】
【0082】
ＤＡコンバータ３０３は、デジタルデータ記憶回路３０１からのデジタルデータをアナログ信号に変換する回路である。クロック信号発生回路３０２の発生したクロック信号に従って、デジタルデータ記憶回路３０１から順次記憶された電圧値のデジタルデータが読み出され、ＤＡコンバータ３０３へ送られる。
【0083】
ＤＡコンバータ３０３では、一定時間間隔で読み出された電圧値のデジタルデータをアナログ電圧に変換する。ＤＡコンバータ３０３から出力されるアナログ電圧は、電圧増幅回路３０４を通して、偏光位相差可変部材３０として用いる液晶素子へ印加される。
【0084】
なお、図４では図示していないが、この液晶素子の駆動回路は、図２の撮像素子６０を制御する回路と同期がとられ、液晶素子への駆動電圧の印加の開始とともに、撮像素子６０で時間的に連続な撮像を開始する。
【0085】
図５は、撮像素子に結像されたレーザ光Ｌのある瞬間の散乱光像を例示する図である。図５では、上に行くほど化学強化ガラス２００の表面２１０からの深さが深くなる。図５において、点Ａは化学強化ガラス２００の表面２１０であり、化学強化ガラス２００の表面２１０の散乱光が強いため、散乱光像は楕円状に広がっている。
【0086】
化学強化ガラス２００の表面部には強い圧縮応力がかかっているため、光弾性効果による複屈折により、レーザ光Ｌの偏光位相差が深さとともに変化する。そのため、レーザ光Ｌの散乱光輝度も深さとともに変化する。なお、レーザ光の散乱光輝度が、化学強化ガラスの内部応力により変化する原理については、例えば、Yogyo-Kyokai-Shi（窯業協会誌）８０｛４｝１９７２、等に説明されている。
【0087】
偏光位相差可変部材３０により、化学強化ガラス２００に入射する前のレーザ光Ｌの偏光位相差を時間的に連続して変化させることができる。これにより、図５の散乱光像の各点において、偏光位相差可変部材３０で変化させた偏光位相差に応じて散乱光輝度が変化する。
【0088】
図６は、図５の点Ｂと点Ｃでの散乱光の輝度（散乱光輝度）の時間的な変化を例示する図である。散乱光輝度の時間的な変化は、偏光位相差可変部材３０の変化させた偏光位相差に応じ、レーザ光の波長λの周期で、周期的に変化する。例えば、図６において、点Ｂと点Ｃでは、散乱光輝度の変化の周期は同じであるが、位相が異なっている。これは、レーザ光Ｌが点Ｂから点Ｃへ進むときに、化学強化ガラス２００中の応力による複屈折で更に偏光位相差が変化したためである。点Ｂと点Ｃとの位相差δは、点Ｂから点Ｃへレーザ光Ｌが進んだときに変化した偏光位相差を行路差で表現したものをｑ、レーザ光の波長をλとすると、δ＝ｑ／λとなる。
【0089】
局所的に考えると、レーザ光Ｌ上の任意の点Ｓでの、偏光位相差可変部材３０の時間的な偏光位相差の変化に伴う、周期的な散乱光輝度の変化の位相Ｆを、レーザ光Ｌに沿った位置ｓで表した関数Ｆ（ｓ）に対して、ｓに対する微分値ｄＦ／ｄｓが化学強化ガラス２００の面内応力により発生した複屈折量である。化学強化ガラス２００の光弾性定数Ｃと、ｄＦ／ｄｓ、ガラス表面からの深さｘに対する微分量ｄｓ／ｄｘを用い、下記の式（５）により、ガラス表面からの深さｘに対する化学強化ガラス２００の面内方向の応力σを計算することができる。
【0090】
【数5】
【0091】
この散乱光像の各点の散乱光の変化は周期的であり、その周期は場所によらず一定である。そこで、その周期Ｔをある点の散乱光輝度の変化から測定する。或いは、複数の点での周期の平均を周期Ｔとしてもよい。
【0092】
偏光位相差可変部材３０では偏光位相差を１波長以上（１周期以上）変化させるため、散乱光輝度も１周期以上変化する。そのため、複数のピークやバレーの差、或いは、振幅の中点を通る時刻の差等から周期Ｔの測定が可能である。なお、１周期以下でのデータでは、１周期を知ることは原理的に不可能である。
【0093】
ある点での散乱光の周期的な変化のデータにおいて、上記で決めた周期Ｔを基に、三角関数の最小二乗法やフーリエ積分により、その点での位相Ｆを正確に求めることができる。
【0094】
予め既知である周期Ｔでの三角関数の最小二乗法やフーリエ積分では、既知である周期Ｔでの位相成分だけが抽出され、他の周期のノイズを除去可能である。又、その除去能力は、データの時間的変化が長ければ長いほど高くなる。通常、散乱光輝度は弱く、又、実際に変化する位相量も小さいため、数λの偏光位相差の可変によるデータでの測定が必要となる。
【0095】
撮像素子６０により撮影した画像上のレーザ光Ｌに沿った散乱光像の各点での散乱光の時間的変化のデータを測定し、それぞれについて、上記と同様の方法で位相Ｆを求めると、レーザ光Ｌに沿った、散乱光輝度の位相Ｆを求めることができる。図７は、ガラス深さに応じた散乱光変化の位相の例である。
【0096】
このレーザ光Ｌに沿った散乱光輝度の位相Ｆにおいて、レーザ光Ｌ上の座標での微分値を計算し、式（５）により、レーザ光Ｌ上の座標ｓでの応力値を求めることができる。更に、座標ｓをガラス表面からの距離に換算すれば、化学強化ガラスの表面からの深さに対する応力値を算出することができる。図８は、図７の散乱光変化の位相データを基に、式（５）より応力分布を求めた例である。
【0097】
図９は、異なる時刻ｔ１、ｔ２の実際の散乱光像の例であり、図９の点Ａは化学強化ガラスの表面であり、化学強化ガラスの表面の荒れにより、表面散乱光が映っている。この表面散乱光像の中心が化学強化ガラスの表面に相当する。
【0098】
図９において、レーザ光の散乱光像が各点で輝度が異なっていることがわかり、又、同じ点であっても、時刻ｔ２での輝度分布は、時刻ｔ１での輝度分布と同じでないことがわかる。これは、周期的な散乱光輝度変化の位相がずれているためである。
【0100】
図１０は、化学強化ガラス中のレーザ光Ｌの入射面の好ましくない設計例を示す図である図１０では、化学強化ガラス２００中のレーザ光Ｌの入射面２５０が化学強化ガラスの表面２１０に対して垂直である。
【0101】
図１０（ｂ）は図１０（ａ）の方向Ｈから見た図である。図１０（ｂ）に示すように、撮像素子６０は、化学強化ガラス２００の表面２１０に対して４５°傾けて設置されており、レーザ光Ｌを斜め４５°から観察する。図１０の場合、レーザ光Ｌ上の異なる２点、点Ａ、点Ｂから撮像素子６０までの距離を距離Ａ、距離Ｂとすると、その距離が異なる。すなわち、点Ａと点Ｂとで同時にピントを合わせることができず、必要な領域のレーザ光Ｌの散乱光像を良好な画像として取得することができない。
【0102】
図１１は、化学強化ガラス中のレーザ光Ｌの入射面の好ましい設計例を示す図である。図１１では、化学強化ガラス２００中のレーザ光Ｌの入射面２５０が化学強化ガラス２００の表面２１０に対して４５°傾いている。
【0103】
図１１（ｂ）は図１１（ａ）の方向Ｈから見た図である。図１１（ｂ）に示すように、撮像素子６０は、化学強化ガラス２００の表面２１０に対して４５°傾けて設置されているが、レーザ光Ｌの通る面である入射面２５０も同様に４５°傾いている。そのため、レーザ光Ｌ上のどの点においても撮像素子６０までの距離（距離Ａと距離Ｂ）が同じとなり、必要な領域のレーザ光Ｌの散乱光像を、良好な画像として取得することができる。
【0104】
特に、最小ビーム径が２０μｍ以下であるレーザ光を用いる場合、焦点深度が浅く、せいぜい数１０μｍ程度であるため、化学強化ガラス２００中のレーザ光Ｌの入射面２５０を化学強化ガラス２００の表面２１０に対して４５°傾け、レーザ光Ｌ上のどの点においても撮像素子６０までの距離を同じにすることは、良好な画像を取得する上で極めて重要である。
【0105】
（測定のフロー）次に、図１２及び図１３を参照しながら測定のフローについて説明する。図１２は、応力測定装置１の測定方法を例示するフローチャートである。図１３は、応力測定装置１の演算部７０の機能ブロックを例示する図である。
【0106】
まず、ステップＳ４０１では、偏光のあるレーザ光源１０、或いは偏光をかけたレーザ光源１０からのレーザ光の偏光位相差を、偏光位相差可変部材３０により、時間的に連続してレーザ光の波長に対して１波長以上可変する（偏光位相差可変工程）。
【0107】
次に、ステップＳ４０２では、偏光位相差が可変されたレーザ光を、光供給部材４０を介して、被測定体である化学強化ガラス２００内に表面２１０に対して斜めに入射させる（光供給工程）。
【0108】
次に、ステップＳ４０３では、撮像素子６０は、化学強化ガラス２００中を進む偏光位相差が可変されたレーザ光による散乱光を、所定の時間間隔で複数回撮像し、複数の画像を取得する（撮像工程）。
【0109】
次に、ステップＳ４０４では、演算部７０の輝度変化測定手段７０１は、撮像工程で得られた散乱光の時間的に間隔を置いた複数の画像を用いて、偏光位相差可変工程により可変された偏光位相差の時間的変化に伴う散乱光の周期的な輝度変化を測定する（輝度変化測定工程）。
【0110】
次に、ステップＳ４０５では、演算部７０の位相変化算出手段７０２は、化学強化ガラス２００中に入射されたレーザ光に沿った、散乱光の周期的な輝度変化の位相変化を算出する（位相変化算出工程）。
【0111】
次に、ステップＳ４０６では、演算部７０の応力分布算出手段７０３は、化学強化ガラス２００中に入射されたレーザ光に沿った、散乱光の周期的な輝度変化の位相変化に基づいて、化学強化ガラス２００の表面２１０からの深さ方向の応力分布を算出する（応力分布算出工程）。なお、算出した応力分布を、表示装置（液晶ディスプレイ等）に表示させてもよい。
【0112】
このように、応力測定装置１では、表面の導波光を利用した応力測定装置とは異なり、化学強化ガラスの屈折率分布に依存した応力測定を行わず、散乱光に基づいた測定を行う。そのため、化学強化ガラスの屈折率分布にかかわらず（化学強化ガラスの屈折率分布とは無関係に）、化学強化ガラスの応力分布を、化学強化ガラスの最表面から従来よりも深い部分まで測定可能となる。例えば、ある深さから、深さとともに屈折率が高くなる特徴を持つリチウム・アルミノシリケート系の化学強化ガラス等についても、応力測定が可能である。
【0113】
又、レーザ光の偏光位相差を、偏光位相差可変部材３０により、時間的に連続してレーザ光の波長に対して１波長以上可変する。そのため、散乱光の周期的な輝度変化の位相を、三角関数の最小二乗法や、フーリエ積分により求めることが可能となる。三角関数の最小二乗法やフーリエ積分では、従来のように波のピークやバレーの位置の変化により位相を検知する方法とは異なり、波の全データが扱われ、又、予めわかっている周期に基づいているため、他の周期のノイズを除去可能である。その結果、散乱光の周期的な輝度変化の位相を容易かつ正確に求めることが可能となる。
【0114】
〈応力プロファイルの測定方法（２）〉応力プロファイルの測定方法（２）では、上記の実施の形態に係る化学強化ガラスの応力プロファイルを測定するための装置および方法の第２の例を示す。なお、応力プロファイルの測定方法（２）において、既に説明した応力プロファイルの測定方法（１）と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【0115】
図１４は、応力プロファイルの測定装置の第２の例を示す図である。図１４（ａ）に示すように、応力測定装置１Ａは、光波長選択部材８０、光変換部材５０、及び撮像素子６０が、化学強化ガラス２００に対して、光供給部材４１とは反対側に配置され、更に、化学強化ガラス２００の裏面２２０と接するように光取出し部材４２が配置された点が、応力測定装置１（図１参照）と相違する。なお、図１４において、演算部の図示は省略している。
【0116】
応力測定装置１Ａでは、化学強化ガラス２００の裏面２２０側で生じた散乱光ＬＳ２を、プリズム等である光取出し部材４２、光波長選択部材８０、及び光変換部材５０を介して、撮像素子６０に入射させ、撮像素子６０で一定時間内、時間的に間隔を置き複数撮像する。これ以外の構成及び動作は、応力測定装置１と同様である。
【0117】
なお、光供給部材４１を設けることで、レーザ光Ｌの化学強化ガラス２００の表面２１０での反射を低減できるが、レーザ光Ｌの化学強化ガラス２００の表面２１０での反射が問題ない程度であれば、光供給部材４１を設けずに、レーザ光Ｌを直接化学強化ガラス２００に入射してもよい。
【0118】
化学強化ガラス２００は、一般に、表裏面側が同一の応力分布であるため、応力測定装置１のように、化学強化ガラス２００の表面２１０側（レーザ光Ｌの入射側）の散乱光Ｌｓを検出してもよいし、応力測定装置１Ａのように、化学強化ガラス２００の裏面２２０側（レーザ光Ｌの出射側）の散乱光ＬＳ２を検出してもよい。
【0119】
なお、化学強化ガラス２００の裏面２２０側の散乱光ＬＳ２を検出する場合において、化学強化ガラス２００中のレーザ光が全反射の条件を満たしていることが好ましい。化学強化ガラス２００の裏面２２０においてレーザ光を全反射させると、化学強化ガラス２００の裏面２２０での乱反射を低減でき、撮像素子６０に不要光が入射することを防止できるためである。化学強化ガラス２００へのレーザ光の入射角度を調整することで、化学強化ガラス２００の裏面２２０で、レーザ光が全反射の条件を満たすことができる。
【0120】
或いは、図１４（ｂ）に示す応力測定装置１Ｂのように、化学強化ガラス２００の表面２１０側で生じて裏面２２０側に出射した散乱光ＬＳ３を、プリズム等である光取出し部材４２、光波長選択部材８０、及び光変換部材５０を介して、撮像素子６０に入射させ、撮像素子６０で一定時間内、時間的に間隔を置き複数撮像してもよい。これ以外の構成及び動作は、応力測定装置１と同様である。
【0121】
なお、応力測定装置１Ａと同様に、光供給部材４１を設けることで、レーザ光Ｌの化学強化ガラス２００の表面２１０での反射を低減できるが、レーザ光Ｌの化学強化ガラス２００の表面２１０での反射が問題ない程度であれば、光供給部材４１を設けずに、レーザ光Ｌを直接化学強化ガラス２００に入射してもよい。
【0122】
応力測定装置１Ａ及び１Ｂの何れの場合にも、応力測定装置１と同様に、化学強化ガラス２００中に入射されたレーザ光Ｌに沿った、散乱光の周期的な輝度変化の位相変化から、化学強化ガラス２００の裏面２２０からの深さ方向の応力分布を算出することができる。
【0123】
特に、応力測定装置１Ｂによれば、ガラス板厚に依存することなくレーザの焦点がガラス表層から同じ位置に設定されるため、同じような応力分布を有する化学強化ガラスを測定するときでも、レーザの焦点位置を調整する必要がなくなったり、微調整で済んだりするため、測定時間が短かったり繰り返し精度がより向上したりするという効果を奏する。
【0124】
〈応力プロファイルの測定方法（３）〉応力プロファイルの測定方法（３）では、上記の実施の形態に係る化学強化ガラスの応力プロファイルを測定するための装置および方法の第３の例を示す。なお、応力プロファイルの測定方法（３）において、既に説明した応力プロファイルの測定方法（１）及び（２）と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【0125】
図１５は、応力プロファイルの測定装置の第３の例を示す図である。図１５に示すように、応力測定装置１Ｃは、光波長選択部材８０Ａ、光変換部材５０Ａ、及び撮像素子６０Ａが、化学強化ガラス２００に対して、光供給部材４０とは反対側に配置され、更に、化学強化ガラス２００の裏面２２０と接するように光取出し部材４２が配置された点が、応力測定装置１（図１参照）と相違する。なお、図１５において、演算部の図示は省略している。
【0126】
応力測定装置１Ｃでは、応力測定装置１と同様に、化学強化ガラス２００の表面２１０側から出射した散乱光ＬＳを検出できる。更に、応力測定装置１Ｃでは、化学強化ガラス２００の裏面２２０側から出射した散乱光ＬＳ２を、プリズム等である光取出し部材４２、光波長選択部材８０Ａ、及び光変換部材５０Ａを介して、撮像素子６０Ａに入射させ、撮像素子６０Ａで一定時間内、時間的に間隔を置き複数撮像する。これ以外の動作は、応力測定装置１と同様である。
【0127】
応力測定装置１Ｃでは、図１５の構成により、化学強化ガラス２００の表面２１０からの深さ方向の応力分布、及び化学強化ガラス２００の裏面２２０からの深さ方向の応力分布を同時に算出することができる。表裏面側が同一の応力分布でない化学強化ガラスを測定する場合や、任意の化学強化ガラスにおいて表裏面側が同一の応力分布であるか否かを確認したい場合等に有効である。
【0128】
〈応力プロファイルの測定方法（４）〉応力プロファイルの測定方法（４）では、上記の実施の形態に係る化学強化ガラスの応力プロファイルを測定するための装置および方法の第４の例を示す。なお、応力プロファイルの測定方法（４）において、既に説明した応力プロファイルの測定方法（１）〜（３）と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【0129】
偏光位相差可変部材として、透明材料の光弾性効果を利用し、加圧により偏光位相差を可変することもできる。図１６は、光弾性効果を利用した偏光位相差可変部材の説明図である。
【0130】
図１６に示す偏光位相差可変部材３０Ａにおいて、略直方体の偏光位相差発生材料３１０の一面が固定治具３１１で固定され、偏光位相差発生材料３１０の反対面がピエゾ素子３１２の一面に接し、ピエゾ素子３１２の反対面が固定治具３１３で固定されている。
【0131】
偏光位相差発生材料３１０のピエゾ素子３１２に接している面と直角方向の対向する２つの面３１０ａ及び３１０ｂは鏡面に加工してあり、偏光のある光線Ｑが通過できるようなっている。偏光位相差発生材料３１０としては、透明で光弾性効果が大きな材料、例えば、ガラスでは石英ガラス、樹脂ではポリカーボネートを用いることができる。
【0132】
ピエゾ素子３１２は、電圧が印加されると電圧印加方向に伸び縮みする。伸びるか縮むかは電圧の正負で決まる。図１６には図示していないが、ピエゾ素子３１２に印加する電圧を制御するピエゾ素子駆動電圧発生回路がピエゾ素子３１２に接続されている。
【0133】
ピエゾ素子３１２は、ピエゾ素子駆動電圧発生回路によりピエゾ素子３１２が伸びる電圧が印加されると、電圧が印加される方向に長さが伸びようとするが、その伸びる方向に偏光位相差発生材料３１０が位置されるようピエゾ素子３１２が配置されている。
【0134】
ピエゾ素子駆動電圧発生回路によりピエゾ素子３１２が伸びる方向の電圧が印加されると、ピエゾ素子３１２は偏光位相差発生材料３１０の方向に伸びる。固定治具３１１及び３１３で固定されているので、偏光位相差発生材料３１０が縮み圧縮応力がかかる。偏光位相差発生材料３１０の圧縮応力により、光線Ｑが通過する方向に複屈折が生じ、光線Ｑには偏光位相差が発生する。その偏光位相差の量はピエゾ素子３１２に印加する電圧に比例し、ピエゾ素子３１２に駆動電圧を印加するピエゾ素子駆動電圧発生回路で偏光位相差を制御することが可能である。
【0135】
例えば、偏光位相差発生材料３１０として、１０ｍｍの立方体のポリカーボネートを使用する。ポリカーボネートの光弾性定数は約７００ｎｍ／ｃｍ／ＭＰａ、ヤング率は約２．５ＧＰａである。
【0136】
ピエゾ素子３１２としては、例えば、ピエゾ効果の大きなチタン酸ジルコン酸鉛等のペロブスカイト結晶構造を有する高誘電体セラミックを電極と交互に積み重ねた積層ピエゾ素子を用いることができる。例えば、積層ピエゾ素子において、１層の厚みが２００μｍで１００層、長さ２０ｍｍ程度にすることで、印加電圧１００Ｖで１０μｍ以上の伸びを得ることができる。
【0137】
ピエゾ素子３１２の材料であるチタン酸ジルコン酸鉛のヤング率はポリカーボネートに比べて１０倍以上あるので、ピエゾ素子３１２の伸びは、ほぼ全てポリカーボネートの圧縮になり、ピエゾ素子３１２が１０μｍ伸びると、１０ｍｍの立方体のポリカーボネートは０．１％圧縮され、その時の圧縮応力は２．５ＭＰａとなる。１０ｍｍの偏光位相差発生材料３１０を光線Ｑが通過すると、１７５０ｎｍの偏光位相差が発生し、波長６３０ｎｍであれば、２．８λの偏光位相差を可変できる。
【0138】
例えば、偏光位相差発生材料３１０として、１０ｍｍの立方体の石英ガラスを使用する。石英ガラスの光弾性定数は約３５ｎｍ／ｃｍ／ＭＰａ、ヤング率は約７０ＧＰａである。ピエゾ素子３１２の材料であるチタン酸ジルコン酸鉛のヤング率は石英とほぼ同じレベルなので、ピエゾ素子３１２の伸びは、ほぼ半分が石英ガラスの圧縮になり、ピエゾ素子３１２が１０μｍ伸びると、１０ｍｍの立方体のポリカーボネートは約０．０５％圧縮され、その時の圧縮応力は約３５ＭＰａとなる。１０ｍｍの偏光位相差発生材料３１０を光線Ｑが通過すると、１２２５ｎｍの偏光位相差が発生し、波長６３０ｎｍであれば、１．９λの偏光位相差を可変できる。
【0139】
このように材料を変形させて偏光位相差を作る場合は、光弾性定数とヤング率を乗じた値が重要で、ポリカーボネートの場合０．１８（単位無し）、石英の場合０．２６（単位無し）となる。つまり、この値を０．１以上の透明部材を偏光位相差発生材料３１０として用いることが重要になる。
【0140】
このように、偏光位相差可変部材は液晶素子に限定されるものではなく、化学強化ガラス２００へ入射するときの偏光位相差を時間的に変化させることができ、かつ、変化させる偏光位相差がレーザ光の波長λの１倍以上であることを実現できれば、ピエゾ素子を応用した形態であってもよいし、それ以外の任意の形態であってもよい。
【0141】
〈応力プロファイルの測定方法（５）〉応力プロファイルの測定方法（５）では、上記の実施の形態に係る化学強化ガラスの応力プロファイルを測定するための装置および方法の第５の例を示す。なお、応力プロファイルの測定方法（５）において、既に説明した応力プロファイルの測定方法（１）〜（４）と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【0142】
図１８は、応力プロファイルの測定装置の第５の例を示す図であり、光供給部材と化学強化ガラスとの界面近傍の断面を図示している。
【0143】
図１８に示すように、第５の例では、光供給部材４０と化学強化ガラス２００との間に、化学強化ガラス２００の屈折率とほぼ同じ屈折率を持つ液体９０を挟んでいる。これは化学強化ガラス２００の屈折率は化学強化ガラスの種類によって若干異なるため、光供給部材４０の屈折率と完全に一致させるには、化学強化ガラスの種類ごとに光供給部材４０を取り換える必要がある。しかしこの交換作業は非効率なので、光供給部材４０と化学強化ガラス２００との間に化学強化ガラス２００の屈折率とほぼ同じ屈折率を持つ液体９０を挟むことにより、化学強化ガラス２００内に、効率よくレーザ光Ｌを入射することができる。
【0144】
液体９０としては、例えば、１−ブロモナフタレン（ｎ＝１．６４）とキシレン（ｎ＝１．５０）との混合液を用いることができる。液体９０の屈折率は、それぞれの混合比で決まるため、容易に化学強化ガラス２００の屈折率と同じ屈折率にすることができる。
【0145】
このとき、化学強化ガラス２００と液体９０との屈折率差は±０．０３以下にすることが好ましく、±０．０２以下にすることがより好ましく、±０．０１以下にすることが更に好ましい。液体９０が無い場合、化学強化ガラス２００と光供給部材の間には散乱光が発生し、約２０μｍ程度の範囲でデータが取れない。
【0146】
液体９０の厚みは、１０μｍ以上にすると、散乱光が１０μｍ程度又はそれ以下に抑制されるため、１０μｍ以上にすることが好ましい。原理上、液体９０の厚みはいくらあっても良いが液体の取扱いを考えると５００μｍ以下とすることが好ましい。
【0147】
図１９は、光供給部材４０と化学強化ガラス２００との界面を進むレーザ光Ｌの散乱光画像を例示する図である。図１９において、点Ａは化学強化ガラスの表面散乱光であり、点Ｄは光供給部材４０の表面の表面散乱光である。点Ａと点Ｄとの間は液体９０からの散乱光である。
【0148】
液体９０の厚みが薄いと点Ａと点Ｄとはほぼ同じ点となり、化学強化ガラス２００の表面散乱と光供給部材４０の表面散乱が加わった表面散乱光となる。光供給部材４０は、多くの化学強化ガラス２００を測定していくと、表面の傷付が多く発生してしまう。そうすると、非常に大きな表面散乱光が発生する。
【0149】
しかし、図１９のように、液体９０を挟むことで、光供給部材４０と化学強化ガラス２００との間隔を保つことにより、光供給部材４０の表面散乱光が化学強化ガラス２００の最表面層付近の測定にかぶることを防ぐことができる。
【0150】
図２０は、光供給部材４０と化学強化ガラス２００との間に液体９０を挟むための構造部を例示した図である。図２０（ａ）のように、光供給部材４０の表面に研磨やエッチングにより１０μｍ以上の窪み４０ｘを形成し、窪み４０ｘ内に液体９０を充填することで、液体９０の厚みを安定して１０μｍ以上とすることができる。窪み４０ｘの深さは、原理上いくらあっても良いが、加工のしやすさを考えると５００μｍ以下が好ましい。
【0151】
又、光供給部材４０の表面に窪み４０ｘを形成する代わりに、図２０（ｂ）のように真空蒸着やスパッタ等の薄膜形成技術等で、光供給部材４０の表面に、金属、酸化物、樹脂等により厚み１０μｍ以上のランド部材１００を形成し、ランド部材１００に保持された液体９０のランドを形成してもよい。ランド部材１００で液体９０を保持することで、液体９０の厚みを安定して１０μｍ以上とすることができる。ランド部材１００の厚さは、原理上いくらあっても良いが、加工のしやすさを考えると５００μｍ以下が好ましい。
【0152】
以上の測定装置及び測定方法により、化学強化ガラスの表面から深さ方向の応力分布を算出する。図１７に測定装置で測定したときの応力分布を示す。
【0153】
［実施例］本実施の形態に係る化学強化ガラスに対応する実施例を示す。
【0154】
＜評価方法＞本実施例における各種評価は以下に示す分析方法により行った。
【0155】
（ガラスの評価：表面応力）本実施例の化学強化ガラスの応力分布は、前述の実施の形態に記載の方法により算出した。具体的には、前述の〈応力プロファイルの測定方法〉の項で説明した計算方法により、応力分布を算出した。
【0156】
ここで、該応力分布において、ガラス表面から深さｘ（μｍ）の深さにおける圧縮応力をσ（ｘ）（ＭＰａ）としたとき、本実施例の化学強化ガラスの圧縮応力層のガラス内部において応力値が０ＭＰａとなるガラス深さの最小値（単位はμｍ）を、圧縮応力層の深さ（ＤＯＬ）とした。又、式（３）を用いて内部エネルギー密度ｒＥ（ｋＪ／ｍ２）を求めた。
【0157】
（化学強化ガラスの評価：割れ挙動）化学強化ガラスの割れ挙動は次のように評価した。図２２に評価方法を概略図により示す。まず、圧子４１０を、その先端部４１１が化学強化ガラスの表面２１０に対して垂直となるように静的荷重条件下で押し込んだ。圧子４１０が取り付けられるビッカース硬さ試験機４００は、フューチュアテック社製ＦＬＳ−ＡＲＳ９０００を用いた。圧子４１０は、先端部４１１の対面角度が６０°のものを用い、化学強化ガラスの表面２１０に６０μｍ／秒の速度で圧子４１０に４ｋｇｆ（≒３９．２Ｎ）の荷重がかかるよう押し込み、当該荷重に達した状態で１５秒間保持し、その後圧子を除荷し６０秒後の化学強化ガラス２００を観察した。これにより割れた化学強化ガラス２００の破片の数（破砕数）を計量し、化学強化ガラス２００の割れ挙動を評価した。
【0158】
＜実施例１〜２０＞（第１の化学強化工程）
ＳＵＳ製のカップに硝酸カリウム（ＫＮＯ３）と硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）を、その合計量が４０００ｇとなり、かつＫＮＯ３の濃度（質量％）がそれぞれ表２の第１の化学強化工程の項に示す通りとなるよう加え、マントルヒーターで所定の温度まで加熱して、硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合溶融塩を調製した。ここに、５０ｍｍ×５０ｍｍで板厚が表２へ記載したように異なるリチウム含有アルミノシリケートガラスを３５０℃まで予熱した後、溶融塩に所定の時間浸漬し、イオン交換処理した後、室温付近まで冷却することにより第１の化学強化処理を行った。第１の化学強化処理の条件は、表２に記載の通りである。得られた化学強化ガラスは水洗いし、次の工程に供した。
【0159】
リチウム含有アルミノシリケートガラス（比重：２．４４）組成（モル％表示）：ＳｉＯ２ ６９％、Ａｌ２Ｏ３ ９％、ＭｇＯ ６％、ＺｒＯ２ １％、Ｌｉ２Ｏ ９．５％、Ｎａ２Ｏ ４．５％、Ｋ２Ｏ １％（第２の化学強化工程）
ＳＵＳ製のカップに硝酸カリウム（ＫＮＯ３）と硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）を、その合計量が４０００ｇとなり、かつＫＮＯ３の濃度（質量％）がそれぞれ表２の第２の化学強化工程の項に示す通りとなるよう加え、マントルヒーターで所定の温度まで加熱して、硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合溶融塩、もしくは１００％質量％の硝酸カリウム溶融塩を調製した。ここに、第１の化学強化工程に供されたガラスを３５０℃まで予熱した後、溶融塩に所定の時間浸漬し、イオン交換処理した後、室温付近まで冷却することにより第２の化学強化処理を行った。第２の化学強化処理の条件は、表２に記載の通りである。得られた化学強化ガラスを純水で数回洗浄した後、エアブローにより乾燥した。以上より、実施例１〜２０の化学強化ガラスを得た。
【0160】
【表2】
（第１の化学強化工程）
ＳＵＳ製のカップに硝酸カリウム（ＫＮＯ３）と硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）を、その合計量が４０００ｇとなり、かつＫＮＯ３の濃度（質量％）がそれぞれ表３の第１の化学強化工程の項に示す通りとなるよう加え、マントルヒーターで所定の温度まで加熱して、硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合溶融塩を調製した。ここに、５０ｍｍ×５０ｍｍで板厚が表３へ記載したように異なるアルミノシリケートガラスを３５０℃まで予熱した後、溶融塩に所定の時間浸漬し、イオン交換処理した後、室温付近まで冷却することにより第１の化学強化処理を行った。第１の化学強化処理の条件は、表３に記載の通りである。得られた化学強化ガラスは水洗いし、次の工程に供した。
【0161】
アルミノシリケートガラス（比重：２．４１）組成（モル％表示）：ＳｉＯ２ ６８％、Ａｌ２Ｏ３ １０％、Ｎａ２Ｏ １４％、ＭｇＯ ８％（第２の化学強化工程）
ＳＵＳ製のカップに硝酸カリウム（ＫＮＯ３）と硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）を、その合計量が４０００ｇとなり、かつＫＮＯ３の濃度（質量％）がそれぞれ表３の第２の化学強化工程の項に示す通りとなるよう加え、マントルヒーターで所定の温度まで加熱して、硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合溶融塩、もしくは１００％質量％の硝酸カリウム溶融塩を調製した。ここに、第１の化学強化工程に供されたガラスを３５０℃まで予熱した後、溶融塩に所定の時間浸漬し、イオン交換処理した後、室温付近まで冷却することにより第２の化学強化処理を行った。第２の化学強化処理の条件は、表３に記載の通りである。得られた化学強化ガラスを純水で数回洗浄した後、エアブローにより乾燥した。以上より、比較例２１〜３５の化学強化ガラスを得た。
【0162】
【表3】
【0163】
【表4】
【0164】
【表5】
【0165】
図２３には、表４と表５の板厚とｒＥ値の関係に加え、文献１に示された内部エネルギー密度ｒＥの上限値をｒＥｌｉｍｉｔ０＝２３．３×ｔ／１０００（ｋＪ／ｍ２）として加えた。しかし、化学強化ガラスの内部エネルギー密度ｒＥが従来通りの臨界値を超えることなく破壊した際に破砕数が多くなることが分かった。
【0166】
つまり、内部エネルギーとその限界値の比ｒＥ／ｒＥｌｉｍｉｔ０をＣ０としたとき、アルミノシリケートガラスは表５の通りＣ０が１を超えるときに破砕数が１５を超えるが、リチウム含有アルミノシリケートガラスは、表４に示す通りＣ０が１を超えることなく破砕数が１５を超える（実施例１３、実施例２０）。
【0167】
そこで、リチウム含有アルミノシリケートガラスだけに適用できる内部エネルギーの臨界値ｒＥｌｉｍｉｔを導出したところ、その数値は直線で結ぶことができ、この線を超える内部エネルギー密度を有するリチウム含有アルミノシリケートガラスの化学強化ガラスでは、破砕数が多くなっている。
【0168】
そこで、本明細書ではリチウム含有アルミノシリケートガラスの化学強化ガラスの内部エネルギー密度ｒＥの上限値をｒＥｌｉｍｉｔ＝１６×ｔ／１０００＋３（ｋＪ／ｍ２）と定義した。内部エネルギー密度ｒＥは、前述の式（４）を満たすことが、ガラスが割れたときに細かく飛散しにくいため好ましい。
【0169】
この条件は、本願の発明者らが鋭意検討の結果見出した、化学強化ガラスの内部エネルギー密度ｒＥ値の上限値である。この上限値は、実施例で示した通り２回化学強化された、所謂相補誤差関数プロファイルを有さない化学強化ガラスであっても適用可能である。
【0170】
この結果より、式（４）を満たす数値範囲内に内部エネルギー密度ｒＥを制御することで、化学強化ガラスの割れ挙動を管理できる。ｒＥは大きい方が強度の強いガラスが作れるため、ｒＥ／ｒＥｌｉｍｉｔ＝Ｃとしたとき、Ｃは１未満であるとともに、０．７以上が好ましく、より好ましくは０．８以上が好ましく、さらに好ましくは０．９以上が好ましい。
【0171】
以上、好ましい実施の形態及び実施例について詳説したが、上述した実施の形態及び実施例に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。又、上記の各実施の形態は、適宜組み合わせることができる。
【符号の説明】
【0172】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 応力測定装置１０ レーザ光源
２０ 偏光部材
４０、４１ 光供給部材
３０、３０Ａ 偏光位相差可変部材
４２ 光取出し部材
４０ｘ 窪み
５０、５０Ａ 光変換部材
６０、６０Ａ 撮像素子
７０ 演算部
８０、８０Ａ 光波長選択部材
９０ 液体
１００ ランド部材
２００ 化学強化ガラス
２１０ 化学強化ガラスの表面
２２０ 化学強化ガラスの裏面
２５０ 入射面
３０１ デジタルデータ記憶回路
３０２ クロック信号発生回路
３０３ ＤＡコンバータ
３０４ 電圧増幅回路
３１０ 偏光位相差発生材料
３１１、３１３ 固定治具
３１２ ピエゾ素子
４００ 試験機
４１０ 圧子
４１１ 先端部
７０１ 輝度変化測定手段
７０２ 位相変化算出手段
７０３ 応力分布算出手段