(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア部品の製造方法であって、
サファイア基板を入手する工程と、
レーザー及び第１のガス媒質を使用して前記サファイア基板を切断輪郭に沿って切断する工程であって、前記第１のガス媒質が実質的に不活性ガスで構成される、工程と、
前記レーザー及び第２のガス媒質を使用して前記サファイア基板に前記切断輪郭の近くに照射する工程であって、前記第２のガス媒質が、前記第１のガス媒質とは異なり、少なくとも１５体積％の酸素を含む、工程と、
前記サファイア基板から前記サファイア部品を分離する工程と、
を含む製造方法。
【請求項２】
前記レーザーを使用して前記サファイア基板上で最終切断を実施し、前記サファイア基板からの前記サファイア部品の前記分離をもたらす工程を更に含み、前記最終切断が、前記第２のガス媒質を使用して前記サファイア基板が照射された後に実施される、請求項１に記載のサファイア部品の製造方法。
【請求項３】
前記レーザーを使用して前記サファイア基板上で最終切断を実施し、前記サファイア基板からの前記サファイア部品の前記分離をもたらす工程を更に含み、前記最終切断が、前記第２のガス媒質を使用して前記サファイア基板が照射される前に実施される、請求項１に記載のサファイア部品の製造方法。
【請求項４】
前記第２のガス媒質を使用した前記照射する工程が、前記第１のガス媒質を使用して前記サファイア基板を切断するために使用される切断レーザー出力よりも低い照射レーザー出力で実施される、請求項１に記載のサファイア部品の製造方法。
【請求項５】
前記切断レーザー出力が９５０ワットよりも低く、前記照射レーザー出力が、前記切断レーザー出力よりも少なくとも５００ワット低い、請求項４に記載のサファイア部品の製造方法。
【請求項６】
前記第１のガス媒質を使用して前記サファイア基板を切断するために使用される切断レーザー出力よりも高い最終切断レーザー出力を使用して、最終切断が実施される、請求項１に記載のサファイア部品の製造方法．
【請求項７】
前記不活性ガスが窒素ガスである、請求項１に記載のサファイア部品の製造方法。
【請求項８】
前記サファイア基板を前記切断輪郭に沿って切断する工程が、
前記レーザーを使用して前記サファイア基板の一部分を前記切断輪郭に沿って溶融させる工程と、
前記サファイア基板の溶融した前記部分に前記第１のガス媒質の流れを吹き付けることによって、前記サファイア基板の前記部分を前記切断輪郭に沿って除去する工程と、
を含む、請求項１に記載のサファイア部品の製造方法。
【請求項９】
前記サファイア基板に前記切断輪郭の近くに照射する工程が、
前記レーザーを使用して前記サファイア基板の一部分を前記切断輪郭に沿って加熱する工程と、
前記サファイア基板の加熱される前記部分を前記第２のガス媒質に晒す工程と、
を含む、請求項１に記載のサファイア部品の製造方法。
【請求項１０】
前記サファイア基板が、複数の層及びサファイアから作られた少なくとも１つの層を有する、積層構造を備える、請求項１に記載のサファイア部品の製造方法。
【請求項１１】
前記第１のガス媒質が、少なくとも９９体積％の不活性ガスを含む、請求項１に記載のサファイア部品の製造方法。
【請求項１２】
サファイア部品の製造方法であって、
サファイア基板を入手する工程と、
レーザーを使用して前記サファイア基板に第１の切断輪郭に沿って照射する工程と、
実質的に不活性ガスで構成される第１のガス媒質を使用して、前記サファイア基板の少なくとも一部分を前記第１の切断輪郭に沿って除去する工程と、
前記レーザー及び第２のガス媒質を使用して前記サファイア基板に第２の切断輪郭に沿って照射する工程であって、
前記第２のガス媒質が前記第１のガス媒質とは異なり、
前記第２のガス媒質が少なくとも１５体積％の酸素を含み、
前記第２の切断輪郭が前記第１の切断輪郭からオフセットしている、
工程と、
前記サファイア基板から前記サファイア部品を分離する工程と、
を含む製造方法。
【請求項１３】
前記レーザーを使用して前記サファイア基板上で最終切断を実施し、前記サファイア基板からの前記サファイア部品の前記分離をもたらす工程を更に含み、前記最終切断が、前記第２の切断輪郭に沿って前記サファイア基板が照射された後に実施される、請求項１２に記載のサファイア部品の製造方法。
【請求項１４】
前記レーザーを使用して前記サファイア基板上で最終切断を実施し、前記サファイア基板からの前記サファイア部品の前記分離をもたらす工程を更に含み、前記最終切断が、前記第２の切断輪郭に沿って前記サファイア基板が照射される前に実施される、請求項１２に記載のサファイア部品の製造方法。
【請求項１５】
前記第１の切断輪郭に沿った照射は、第１のレーザー出力で行われ、
前記第２の切断輪郭に沿った照射は、第２のレーザー出力で行われ、
前記第１のレーザー出力は、前記第２のレーザー出力よりも大きい、請求項１２に記載のサファイア部品の製造方法。
【請求項１６】
前記サファイア基板に前記第１の切断輪郭に沿って照射する工程が、
前記レーザーを使用して前記サファイア基板の一部分を前記第１の切断輪郭に沿って溶融させる工程と、
前記サファイア基板の溶融した前記部分に前記第１のガス媒質の流れを吹き付けることによって、前記サファイア基板の前記部分を除去する工程と、
を含む、請求項１２に記載のサファイア部品の製造方法。
【請求項１７】
前記サファイア基板に前記第２の切断輪郭に沿って照射する工程が、
前記レーザーを使用して前記サファイア基板の一部分を前記第２の切断輪郭に沿って加熱する工程と、
前記サファイア基板の加熱された前記部分を前記第２のガス媒質に晒す工程と、
を含む、請求項１２に記載のサファイア部品の製造方法。
【請求項１８】
ポータブル電子デバイスの製造方法であって、
サファイア部品を入手する工程であって、前記サファイア部品が、
サファイア基板を入手する工程と、
レーザー及び第１のガス媒質を使用して前記サファイア基板に切断輪郭に沿って照射する工程であって、前記第１のガス媒質が実質的に不活性ガスで構成される、工程と、
前記レーザー及び第２のガス媒質を使用して前記サファイア基板に前記切断輪郭に沿って照射する工程であって、前記第２のガス媒質が、前記第１のガス媒質とは異なり、少なくとも１５体積％の酸素を含む、
工程と、
前記サファイア基板から前記サファイア部品を分離する工程と、により形成される、工程と、
前記サファイア部品を前記ポータブル電子デバイスの外面に取り付ける工程と、
を含む、製造方法。
【請求項１９】
前記ポータブル電子デバイスが、携帯電話、ポータブルメディアプレーヤ、ウェアラブルデバイス、又はタブレットコンピューティングデバイスのうちのいずれか１つである、請求項１８に記載のポータブル電子デバイスの製造方法。
【請求項２０】
前記第１のガス媒質が、少なくとも９９体積％の不活性ガスを含む、請求項１８に記載のポータブル電子デバイスの製造方法。
【請求項２１】
サファイア部品を製作するためのシステムであって、前記システムが、
ガス送出デバイスであって、レーザービームにより照射されるサファイア基板の一部分にガス流を提供するように構成されるガス送出デバイスと、
前記サファイア基板の前記部分に入射する前記レーザービームを生成するように構成されたレーザーであって、
前記ガス送出デバイスにより第１のガス媒質が提供される間に、前記サファイア基板に切断輪郭に沿って照射する工程であって、前記第１のガス媒質が実質的に不活性ガスで構成される、工程と、
前記ガス送出デバイスにより第２のガス媒質が提供される間に、前記サファイア基板に前記切断輪郭に沿って照射する工程であって、前記第２のガス媒質が、前記第１のガス媒質とは異なり、少なくとも１５体積％の酸素を含む、工程と
を行うように更に構成される、レーザーと、
を備える、システム。
【請求項２２】
前記レーザーが、１，５００ワットの最高出力及び０．２ｍｓ〜１０ｍｓの範囲の可変パルス持続時間を有する赤外線レーザーである、請求項２１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示の主題は、概してサファイア部品を製造することに関し、特に、サファイア基板を切断しサファイア部品を製作するためにレーザー及び２つ以上のガス媒質を使用することに関する。サファイア部品は、ポータブル電子デバイス用の保護カバーとして使用され得る。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
この特許協力条約特許出願は、「Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ｃｕｔｔｉｎｇ  Ｓａｐｐｈｉｒｅ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｇａｓ  Ｍｅｄｉａ」と題する２０１４年１月３０日出願の米国通常出願第１４／１６８，２８５号に対する優先権を主張しており、その内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
コランダムは、酸化アルミニウムの結晶体であり、各種の異なる色で見付けられ、それらの大部分は、一般にサファイアと称される。サファイアは、モーズ硬度９．０の硬度を伴う硬質で頑丈な材料であり、よって他の殆ど全ての鉱物を削ることが可能である。その硬度及び強度のため、サファイアは、ガラス又はポリカーボネートのような他の半透明材料の魅力的な代替品となり得る。しかし、その脆い性質によって、サファイアは、部品の表面又は縁の小さな欠陥により急激な強度低下を生じ易い。丈夫で長持ちするサファイア部品を製作するためには、製造中に起き得る小さな欠陥を最小化することが一般に望ましい。
【０００４】
殆ど欠陥のないサファイア部品を製造することは、固有の課題を呈し得る。サファイアなどの脆い材料の強度は、部品の表面又は縁における傷の集中によって制限される。一貫性がなく又は不適切な表面若しくは縁の仕上げは、微小クラックの伝播を招き、脆弱な部品をもたらし得る。ケイ酸塩ガラスのような従来の半透明材料は、これらの傷の影響を最小化するためにかなりの深さまで化学的に強化可能であるが、サファイアなどの極めて硬質の材料については、同様のプロセスを容易に利用することができない。加えて、サファイアの硬度は、従来の加工技術が実施されるときには、材料の切断及び研磨を困難で時間を要するものにする。更に、カッターなどの従来の加工具は、サファイアについて使用されるときに比較的急速に摩耗する。このことは、サファイア部品を表面仕上げするときのリソース要求を更に増加させる。
【０００５】
一般に、部品の縁及び表面に最小の微小欠陥を有し、強度を向上させ経時的な信頼性をもたらす、サファイア部品を製作するためのシステム及び方法に対するニーズがある。効率的な量のリソースを使用しながら急速かつ繰返し可能な様式で、サファイア部品の高品質な縁切断を生じさせるためのシステム及び方法に対するニーズもある。
【発明の概要】
【０００６】
例示的な一実施形態は、サファイア部品の製造方法に向けられる。レーザー切断作業を実施するためのサファイア基板が入手される。サファイア基板は、レーザー及び第１のガス媒質を使用して切断輪郭に沿って切断される。第１のガス媒質は、実質的に不活性ガスで構成される。サファイア基板は、次いで、レーザー及び第２のガス媒質を使用して切断輪郭又はその近くに照射される。第２のガス媒質は、第１のガス媒質とは異なり、少なくとも１５体積％の酸素を含む。サファイア部品は、サファイア基板から最終的に分離される。幾つかの実施形態において、不活性ガスは窒素ガスである。幾つかの場合において、第１のガス媒質は、少なくとも９９体積％の不活性ガスを含む。
【０００７】
幾つかの実施形態において、最終切断は、レーザーを使用してサファイア基板上で実施される。最終切断は、サファイア基板からのサファイア部品の分離をもたらしてもよく、代わりに、最終切断は、更なる材料をサファイア部品から除去してもよい。幾つかの場合において、最終切断は、第２のガス媒質を使用してサファイア基板が照射された後に実施される。他の場合において、最終切断は、第２のガス媒質を使用してサファイア基板が照射される前に実施される。
【０００８】
幾つかの実施形態において、第２のガス媒質を使用した照射は、第１のガス媒質を使用してサファイア基板を切断するために使用される切断レーザー出力よりも低い照射レーザー出力で実施される。幾つかの実施形態において、切断レーザー出力は９５０ワットよりも低く、照射レーザー出力は、切断レーザー出力よりも少なくとも５００ワット低い。
【０００９】
幾つかの実施形態において、最終切断は、第１のガス媒質を使用してサファイア基板を切断するために使用される切断レーザー出力よりも高い最終切断レーザー出力を使用して実施される。
【００１０】
例示的な一実施形態において、サファイア基板を切断輪郭に沿って切断する工程は、（１）レーザーを使用してサファイア基板の一部分を切断輪郭に沿って溶融させる工程と、（２）第１のガス媒質の流れを溶融したサファイア基板の部分に吹き付けることによって、サファイア基板の部分を切断輪郭に沿って除去する工程と、を含む。
【００１１】
例示的な一実施形態において、サファイア基板に切断輪郭に沿って照射する工程は、（１）レーザーを使用してサファイア基板の一部分を切断輪郭に沿って加熱する工程と、（２）サファイア基板の加熱される部分を第２のガス媒質に晒す工程と、を含む。
【００１２】
幾つかの実施形態において、サファイア部品は、ポータブル電子デバイスに保護カバーとして組み込まれ得る。幾つかの場合において、ポータブル電子デバイスは、携帯電話、ポータブルメディアプレーヤ、ウェアラブルデバイス、又はタブレットコンピューティングデバイスのうちのいずれか１つである。
【００１３】
例示的な一実施形態は、サファイア部品を製作するためのシステムに向けられる。システムは、レーザービームにより照射されるサファイア基板の一部分にガス流を提供するように構成されるガス送出デバイスを含む。システムは、サファイア基板の部分に入射するレーザービームを生成するように構成されたレーザーも含む。幾つかの場合において、レーザーは、ガス送出デバイスにより第１のガス媒質が提供される間に、サファイア基板に切断輪郭に沿って照射するように更に構成される。第１のガス媒質は、実質的に不活性ガスで構成される。レーザーは、ガス送出デバイスにより第２のガス媒質が提供される間に、サファイア基板に切断輪郭に沿って照射するように更に構成される。第２のガス媒質は、第１のガス媒質とは異なり、少なくとも１５体積％の酸素を含む。幾つかの実施形態において、レーザーは、１，５００ワットの最高出力及び０．２ｍｓ〜１０ｍｓの範囲の可変パルス持続時間を有する赤外線レーザーである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】サンプル電子デバイスの前面を描写している。
【図１Ｂ】サンプル電子デバイスの背面を描写している。
【図２】サファイア部品を製造するための例示的なプロセスを描写している。
【図３Ａ】切断されたサファイア基板を描写している。
【図３Ｂ】切断され照射されたサファイア基板を描写している。
【図３Ｃ】サファイア基板から除去されたサファイア部品を描写している。
【図４】サファイア部品を製作するための例示的なシステムの概略図を描写している。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
多数の民生用及び非民生用デバイスが、サファイアのような硬質材料から形成された保護覆い、窓、及び／又は表面を利用する。ケイ酸塩ガラスなどの光学的に透明な他の材料と比べて、サファイアは、向上された引っ掻き抵抗及び強度を提示する。しかし、前述されたように、サファイアは、また比較的脆く、目立たない欠陥が製造プロセス中にもたらされる場合に不良になる場合がある。また、材料の高い強度及び硬度のため、切断及び研磨プロセスは、コスト及び製造の困難性を低減するように最適化されるべきである。本明細書で議論されるように、各種の実施形態によれば、材料の除去及び切断プロセス中に起き得る変色の制御を助けるために、２つ以上のガス媒質を使用するレーザー切断プロセスを使用して、サファイア部品を製造することができる。
【００１６】
特に、縁及び表面の許容可能な仕上げを有するサファイア部品を製作するために、溶融レーザー切断プロセスを使用することができる。溶融切断中、サファイア材料の一部分を加熱し、部分的に溶融させるために、レーザービームが使用される。溶融材料を除去してサファイア材料中に空隙又は窪みを残すために、次いで定方向のガス流が使用される。溶融切断による効率及び溶融切断により生成された縁仕上げは、例えば、アブレーションレーザー切断技術又はレーザースクライビングを含む他のタイプのレーザー切断技術よりも優れる場合がある。
【００１７】
レーザー溶融切断に使用されるガス媒質のタイプは、縁の品質に影響を及ぼし得、サファイア材料との酸化などの化学反応を制御することも助け得る。例えば、溶融レーザー切断中の不活性ガス（例えば窒素）の使用は、微小クラック、欠け、又は他の物理的不連続の殆どない縁仕上げをもたらし得る。しかし、不活性ガスの使用は、部品の縁の近くに茶色又は暗色の色合いも生じさせ得、それは、視覚的又は光学的透明度の理由から望ましくない場合がある。酸化を増加させ、発生する熱量を増加させるために、酸素などの他のガスを溶融レーザー切断プロセス中に使用することができ、これは切断スピードの増加をもたらし得る加えて、酸素ガスの使用は、窒素ガスを使用して実施された従前のレーザー切断により生じた茶色又は暗色の色合いを除去し得る。しかし、生じ得る熱のレベルの増加によって、酸素ガスの使用は、部品の縁での微小クラック、欠け、又は他の物理的不連続のリスクも増加させ得る。潜在的な欠点を最小化しながら異なるタイプのガス媒質の利点を利用するために、本明細書に記述される技術を使用することができる。後述される各種の実施形態によれば、サファイア部品製造プロセスは、許容可能な縁仕上げ及び外観を有するサファイア部品を製作するために、レーザー及び２つ以上のガス媒質を使用し得る。
１．サファイア保護カバーシートを伴うデバイス
【００１８】
各種の実施形態によれば、図１Ａ〜図１Ｂは、デバイスの外側に複数の硬質保護シートを有するデバイスを描写している。本例において、保護シートは、１つ以上のサファイア部品から形成され、顕著な引っ掻き抵抗性をもたらし、デバイスの機械的完全性を高める。保護シートは、光透過性窓としても機能し、表示スクリーン又はグラフィック要素など、下にある構成要素に対する視認性をもたらし得る。典型的な実施において、保護シートの光学的及び機械的特性の両方は、デバイスの品質及び性能の認知にとって重要となり得る。
【００１９】
図１Ａに示されるように、デバイス１００は、サファイア部品から形成され光透過性保護層として使用される、保護カバーシート１０１を含む。カバーシート１０１は、典型的に、光透過性接着剤又は他の接合技術を使用してデバイス１００に取り付けられる。この例において、カバーシート１０１は、感圧接着剤（ＰＳＡ）フィルムを使用して取り付けられる。カバーシート１０１は、表示スクリーン１１０の面に取り付けられ、表示スクリーン１１０を傷又は他の物理的ダメージから保護し得る。表示スクリーン１１０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機ＬＥＤディスプレイ、又は同様なディスプレイ要素を含み得る。カバーシート１０１が表示スクリーン１１０に被さるため、光学的透明度及び物理的強度は、カバーシート１０１の機能の重要な側面である。カバーシート１０１は、また、表示スクリーン１１０に被さる透明電子センサに取り付けられてもよく、透明電子センサと一体化されてもよい。幾つかの場合において、電子センサは、表示スクリーン１１０の全体を覆い、ユーザ用の主要な入力デバイスとして使用される。幾つかの実施において、カバーシート１０１は、指又はスタイラスによるカバーシート１０１の表面上の接触を検出するために使用される容量性タッチセンサと一体化されてもよい。
【００２０】
図１Ａに描写されるカバーシート１０１は、３ｍｍ未満の全体厚さを有するサファイア部品から形成される。典型的に、カバーガラス１０１の全体厚さは凡そ１ｍｍであるが、この厚さは、デバイスの間及び／又は実施形態の間で変化してもよい。カバーガラス１０１は、サファイア材料の単一シートから形成されてもよく、代わりに、複数の層から作られサファイアのシートから形成された少なくとも１つの層を有する、積層材料から形成されてもよい。本例において、カバーシート１０１の一側には、周縁部分に沿って連続した不透明な枠が印刷される。カバーシート１０１の中央部分は、光透過性を保つ。カバーシート１０１の印刷された側は、典型的に、印刷部分の傷又はダメージを防ぐためにデバイス１００の外側面の反対側にある。デバイスの外側となるカバーシート１０１の側は、カバーガラス１０１の光学特性を高めるために反射防止又は他のタイプのコーティングを含んでもよい。
【００２１】
図１Ａに示されるように、デバイス１００の前面は、制御ボタン１１２の表面を保護するために使用されるボタンシート１０２も含む。例えば、ボタンシート１０２は、サファイア部品から形成され光透過性保護層として使用される。ボタンシート１０２は、制御ボタン１１２の表面を保護し、制御ボタン１１２に印刷される任意のグラフィック要素の視認を可能にする。幾つかの場合において、ボタンシートは、必ずしも光透過性でなくてもよい。この例において、ボタンシート１０２は、不透明であり、それ自体がグラフィック要素又は記号を印刷されてもよい。この場合において、ボタンシート１０２は平坦なシートであるが、他の実施形態において、ボタンシートは、成形面又は湾曲面として形成されてもよい。
【００２２】
ボタンシート１０２は、デバイス１００に対する入力部として使用される制御ボタン１１２の機械的強度を高め得る。本例において、制御ボタン１１２は、制御ボタン１１２を押下することにより操作される触覚スイッチを含む。制御ボタン１１２は、また、容量性タッチセンサ又は生体認証センサなどの電子タッチセンサを含んでもよく、電子タッチセンサに関連付けられてもよい。ボタンシート１０２は、制御ボタン１１２のハウジングに直接取り付けられてもよく、代わりに、制御ボタン１１２の電子タッチセンサに取り付けられるか電子タッチセンサと一体化されてもよい。
【００２３】
特定の実施形態において、図１Ａに描写されるボタンシート１０２は、３ｍｍ未満、典型的に凡そ１ｍｍの全体厚さを有するサファイア部品から形成される。カバーシート１０１と同様に、ボタンシート１０２は、サファイア材料の単一シートから形成されてもよく、代わりに、サファイアシートから形成された少なくとも１つの層を有する積層材料から形成されてもよい。幾つかの場合において、ボタンシート１０２は、カバーシート１０２と同じ材料から形成されるが、このことは必ずしも必要ではない。ボタンシート１０２の片側又は両側は、また、サファイア部品の光学特性を向上させるために印刷又はコーティングされてもよい。
【００２４】
図１Ｂに示されるように、デバイス１００の背面は、バックシート１０３により保護される。カバーシート１０１と同様に、バックシート１０３もサファイア部品から形成され、光透過性保護層として使用される。この場合において、バックシート１０３は、デバイス１００の背面に印刷されたグラフィック要素の視認性をもたらす。また、カバーシート１０１と同様に、バックシート１０３は、サファイア材料の単一シートから形成されてもよく、代わりに、サファイアのシートから形成された少なくとも１つの層を有する積層材料から形成されてもよい。この場合において、バックシート１０３は、カメラレンズ１１４の近くのエリアを除いて、デバイス１００の背面全体を覆う。カメラレンズ１１４を保護するために、別個のサファイア部品が使用されてもよい。代替的な実施形態において、バックシート１０３がカメラレンズ１１４も覆い、別個のサファイア部品は使用されない。
【００２５】
この例において、保護カバーシート（１０１、１０２、１０３）は、コランダムとも称されるアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の結晶体から作られたサファイアシート部品から形成される。サファイアシートは、３ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲の厚さでもよく、モーズ硬度凡そ９．０の硬度を有してもよいが、代替的な実施形態は、異なる厚さのシートを有してもよい。上で議論されたように、保護カバーシート（１０１、１０２、１０３）のうちのいずれか１つは、複数の材料シートの積層体として形成されてもよく、部品の光学的又は機械的特性を高めるために１つ以上の材料でコーティングされてもよい。幾つかの場合において、製造プロセスを簡略化するために保護カバーシート（１０１、１０２、１０３）の全てを同じサファイア基板から形成することが有益であり得る。しかし、各部品に望まれる光学的及び／又は機械的特性に応じて、異なるタイプのサファイア基板が各カバーシートについて使用されてもよい。
【００２６】
図１Ａ〜図１Ｂに示されるように、デバイス１００はポータブル電子デバイスである。デバイス１００は、覆い、窓、及び／又は表面として硬質基板を利用する各種のデバイスのうちのいずれか１つであり得る。例えば、デバイス１００は、携帯電話、ポータブルメディアプレーヤ、又は他のハンドヘルド機器などのポータブル電子デバイスであってもよい。例えば、タブレットコンピュータ、ノートブックコンピュータ、及びウェアラブルデバイスを含む他の電子デバイスに、同様のタイプの保護カバーが適用されてもよい。加えて、保護カバーは、文字盤を覆う光透過性面を利用する機械式時計などの非電子デバイスを含む他のタイプのデバイスに適用されてもよい。代わりに、保護カバーは、特に、表面が表示スクリーン、カメラ、又は他の光学要素を含む場合に、硬質な外面を含む任意のデバイスと一体化されてもよい。
２．サファイア部品を製造するための方法
【００２７】
図１Ａ〜図１Ｂに描写されるような、１つ以上のサファイア保護カバーシートを有するデバイスの一貫した又は長期間の頻繁な使用は、表面にダメージをもたらし得る。保護カバーシートに対する環境的ダメージがなくても、カバーシートが傷又は微小クラックを伴って製造された場合、それらの傷又はクラックは、部品を通じて経時的に伝播し、早期の機械的不良をもたらし得る。したがって、カバーシートとして使用されるサファイア部品を、部品の縁又は表面の傷又は微小クラックを最小化する方法で製造することが一般に有益である。後述される製造システム及び方法は、デバイスの保護カバーとして機能するのに十分な品質及び信頼性のレベルを有するサファイア部品を製作するために使用され得る。
【００２８】
図２は、サファイア部品を製造するために使用できる例示的なプロセス２００を描写している。例示的なプロセス２００は、例えば、図４に関して後述されるシステム４００上で実施され得る。また、製作されるサファイア部品は、図１Ａ〜図１Ｂに関して上で提示された例によるデバイスの保護カバーシートとして使用され得る。また、構造積層体、光学プレート、光学レンズなどを含む、各種の他の用途で使用されるサファイア部品を製作するために、プロセス２００を使用することもできる。
【００２９】
作業２０２において、サファイア基板が入手される。本例において、サファイア基板は、サファイア材料の円柱状ブールから切り出された、厚さ凡そ１ｍｍの合成サファイアシートである。図３Ａを参照すると、サファイア基板３００は、平坦なディスク形状シートとして形成され得る。典型的に、サファイア基板３００は、厚さ３ｍｍ未満のサファイア材料のシートを含み、各種の、天然及び合成、の供給源から入手される。幾つかの場合において、サファイア基板３００は、複数の層及びサファイア材料から作られた少なくとも１つの層を有する、積層複合体である。サファイア基板積層体の他の層は、例えば、ケイ酸塩ガラス、ポリマーシート、又は追加のサファイア材料層を含み得る。サファイア基板は、基板の光学的又は機械的特性を向上させるための１つ以上のコーティングも含み得る。本例のサファイア基板は平坦であるが、代替的な実施形態において、サファイア基板は、成形形状又は他の非平面形状を有してもよい。
【００３０】
作業２０４において、サファイア基板が切断される。この例において、サファイア基板は、ガスアシストを伴うレーザー溶融プロセスを使用して切断される。典型的なレーザー溶融プロセスにおいて、基板の表面の一部分に照射するためにレーザービームが使用される。レーザービームは、レーザービームが表面に入射する箇所及びその近くにあるサファイア基板の部分を加熱し溶融させる。本例において、サファイア基板は、１，５００ワットの最高出力、１０７０ｎｍの波長、０．２〜１０ｍｓの範囲のパルス幅を有する赤外線レーザーを使用して切断される。例示的な一切断作業において、少なくとも９５０ワットのレーザー出力が使用される。典型的に、サファイア基板の表面を切断するために１０μｍ以下のビーム幅を有するレーザーが使用される。これらのパラメータは、例として提示される。レーザー出力、レーザー波長、パルス幅、及びビーム幅は、全て許容可能な値の範囲内で変化してもよく、サファイア基板の厚さ、スピード、及び望まれる切断品質に部分的に依存してもよい。
【００３１】
更に、作業２０４において、溶融部分を除去し、サファイア基板の表面に切断部分を作り出すために、ガス流が使用される。特に、ガス流は、基板の溶融部分に向けられ、サファイア基板から溶融材料を吹き飛ばすために使用される。この例において、ガス流は、実質的に不活性ガス媒質で構成される。幾つかの場合において、不活性ガスは、サファイア基板を切断するために使用されるガス媒質のうちの少なくとも１００体積％を含む。幾つかの場合において、不活性ガスは、サファイア基板を切断するために使用されるガス媒質のうちの少なくとも９９．９９体積％を含む。幾つかの場合において、不活性ガスは、サファイア基板を切断するために使用されるガス媒質のうちの最小で９８体積％を含む。本例において、９９体積％の窒素ガスで構成されるガス媒質が使用される。他の許容可能な不活性ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、及び、レーザー切断状況下でサファイア基板と化学反応を起こし難い他のガスを含む。
【００３２】
作業２０４において作り出される切断の深さは、レーザービームの出力、レーザービームの移動（例えばフィード速度）、及び、材料を除去するために使用されるガス媒質の流れの特性に部分的に依存する。幾つかの場合において、切断プロセスは、サファイア基板の表面に小さな窪み又は空隙をもたらす。他の場合において、切断プロセスは、サファイア基板を完全に貫く切断をもたらす。
【００３３】
作業２０４において、サファイア基板は、サファイア部品の所望の形状に概ね対応する幾何学形状を有する切断輪郭に沿って切断される。図３Ａを参照すると、サファイア基板３００は、レーザー及び不活性ガス媒質を用いて、カバーシート１０１の輪郭形状（図１Ａに描写される）に概ね対応する切断輪郭３０２に沿って切断される。単一のサファイア基板３００は、複数のサファイア部品を作り出すのに十分なほど大きい場合があるため、２つ以上の切断輪郭が作り出されてもよい。図３Ａに示されるように、作業２０４によりサファイア基板３００に別の切断輪郭３０４が作り出される。
【００３４】
作業２０４において、切断輪郭は、例えば、サファイア基板の表面に対してレーザービームを移動させることにより、作り出されてもよい。幾つかの場合において、レーザー及びサファイア基板は固定され、切断輪郭は、レーザービームの経路を向けるように鏡などの光学要素を操作することによって作り出される。図４は、以下でより詳細に議論され、切断輪郭に沿ってサファイア基板に照射するために使用できる例示的なシステムの概略を提示する。
【００３５】
一般に、作業２０４による、不活性ガスを使用する溶融レーザー切断は、許容可能な少量の欠陥又は微小クラックを伴う切断又は窪みをもたらし得る。幾つかの場合において、溶融レーザー切断は、欠陥又は微小クラックが実質的にない切断又は窪みをもたらす。よって、許容可能な縁品質を伴うサファイア部品を作り出すために、作業２０４を使用することができる。しかし、幾つかの場合において、不活性ガス媒質を溶融レーザー切断に使用することは、切断輪郭又はその近くにサファイア基板の変色をもたらす。幾つかの場合において、切断輪郭の近くに暗色領域又は茶色の色合いが作り出される。
【００３６】
用途に応じては、最終部品上に暗色領域を有することが望ましくない場合がある。例えば、サファイア部品が白色デバイス上に使用される予定である場合、暗色領域は、視覚的に望ましくなく、印刷枠又は他のグラフィック要素を使用して隠すのが難しい場合がある。よって、プロセス２００によると、サファイア基板は、暗色領域を除去するために異なるガス媒質を使用して第２の時間にわたり照射される。
【００３７】
作業２０６において、サファイア基板は、レーザー及び第２の異なるガス媒質を用いて照射される。従前の切断作業と同様に、レーザービームは、レーザービームが表面に入射する箇所及びその近くにあるサファイア基板の部分を加熱し溶融させる。しかし、この例において、レーザーの出力は、照射の箇所で溶融される材料の量を低減させるように低下される。本例において、サファイア基板は、１０７０ｎｍの波長、０．２〜１０ｍｓの範囲のパルス幅を有する赤外線レーザーを使用して切断される。典型的に、サファイア基板の表面を切断するために、１０μｍ以下のビーム幅を有するレーザーが使用される。これらのパラメータは、例として提示されており、レーザー波長、パルス幅、及びビーム幅は、全て値の範囲内で変化してもよく、照射のスピード及び望まれる照射の程度に部分的に依存してもよい。
【００３８】
典型的に、照射作業２０６のためのレーザー出力は、切断作業２０４のために使用されるレーザー出力よりも凡そ６００ワット低い。幾つかの場合において、作業２０６のためのレーザー出力は、切断作業２０４のために使用されるレーザー出力よりも凡そ７５０ワットも低い。幾つかの場合において、照射作業２０６のためのレーザー出力は、切断作業２０４のために使用されるレーザー出力よりも凡そ５００ワット低い。
【００３９】
切断作業２０４のために使用される最高出力が変化し得るため、照射作業２０６のために使用されるレーザー出力を最高出力の割合で表現することが、より役に立つ場合がある。例えば、幾つかの場合において、照射作業２０６のためのレーザー出力は、切断作業２０４のために使用されるレーザー出力の凡そ２０％である。幾つかの場合において、照射作業２０６のためのレーザー出力は、切断作業２０４のために使用されるレーザー出力の凡そ３５％である。幾つかの場合において、照射作業２０６のためのレーザー出力は、切断作業２０４のために使用されるレーザー出力の凡そ５０％である。幾つかの場合において、作業２０６のためのレーザー出力は、切断作業２０４の場合と同じか、それより高くてもよい。幾つかの場合において、レーザーのパルス幅などの他のパラメータは、照射作業２０６のために低減されてもよい。
【００４０】
作業２０６において、サファイア基板の照射部分を晒すために、ガス流が使用される。この例において、凡そ２１体積％の酸素を含む第２のガス媒質が作業２０６中に使用される。典型的に、第２のガス媒質は、少なくとも１５体積％であるが２５体積％以下の酸素を含む。照射作業２０６中、第２のガス媒質中の酸素は、サファイア基板の表面の酸化反応を促進する。典型的に、酸化反応は、従前の作業２０４中に作り出された可能性がある暗色領域を除去する。幾つかの場合において、変色領域を作り出した材料は、酸化プロセスにより焼失され、サファイア部品の外観を向上させる。酸化は、照射位置に白色又は曇った残留物を生成し得る。しかし、幾つかの用途において、白色又は曇った残留物は、印刷枠又は他のグラフィック要素によって、より容易にマスキング又は隠すことができるので、暗色領域よりも好ましい。
【００４１】
作業２０６において、サファイア基板は、従前の作業２０４の切断輪郭経路に近いか概ね対応する、輪郭経路に沿って照射される。幾つかの場合において、この輪郭経路は、作業２０４において作り出された切断輪郭経路と実質的に同じである。他の場合において、作業２０６の輪郭経路は、切断輪郭経路からオフセットされる。図３Ｂを参照すると、輪郭経路３１２は、切断輪郭３０２からオフセットされ、別の輪郭経路３１４は、他の切断輪郭３０４からオフセットされる。輪郭経路をオフセットすることによって、作業２０６の照射及び酸化プロセスをサファイア部品の暗色領域に、より直接的に適用することができる。
【００４２】
作業２０８において、サファイア部品は、サファイア基板から除去される。本例において、基板とサファイア部品の間の材料を完全に除去するために、サファイア基板上で最終溶融切断が実施される。典型的に、レーザーの出力は凡そ１３００ワットであり、切断作業２０４のために使用される第１のガス媒質と同様な不活性ガス媒質を使用して別の溶融切断が実施される。幾つかの場合において、第２の溶融切断は、作業２０４において実施される第１の切断輪郭から僅かにオフセットされる。一部の場合において、作業２０８は追加の溶融切断を伴う一方、他の場合において、サファイア部品は、切断作業２０４により完全に又はほぼ完全に分離されてもよい。このような場合において、サファイア部品は、既に基板から物理的に分離されており、基板からの除去のみが必要とされる。サファイア部品が切断作業２０４により基板から分離されていた場合、第２の溶融切断は、サファイア部品の周縁から更なる材料を除去し得る。
【００４３】
図３Ｃは、プロセス２００を使用して製作され得る例示的なサファイア部品３５０を描写している。この例において、サファイア部品３５０は、カバーシート１０１（図１Ａに描写される）に対応する。サファイア部品３５０上で、それがデバイスにカバーシートとして組み込まれる前に、追加の加工及びレーザー切断が実施されてもよい。例えば、サファイア部品３５０上の制御ボタンの位置で、またプロセス２００による別のレーザー切断が実施されてもよい。よって、プロセス２００の作業は、最終製品を作り出すために、基板部品上で複数回実施されてもよい。
【００４４】
プロセス２００の作業の順序は、図２のフローチャートに関して記述されたものとは異なってもよい。例えば、幾つかの場合において、照射プロセス２０６は、作業２０８においてサファイア部品が基板から除去された後に実施されてもよい。つまり、サファイア部品は、任意の暗色領域を除去するために作業２０６の酸化プロセスが実施される前に、基板から完全に溶融切断されてもよい。
３．サファイア部品を製造するためのシステム
【００４５】
図４は、サファイア部品を製造するために使用できるシステムの概略表現を描写している。特に、図２に関して上述されたプロセス２００によりサファイア部品を作り出すために、図４に描写されるシステム４００を使用することができる。図１Ａ〜図１Ｂに関して上述されたように、携帯電話などのポータブル電子デバイス用の保護カバーとしてサファイア部品を使用することができる。
【００４６】
図４に示されるように、システム４００は、レーザー４０２と、同軸ガス送出ノズル４０４ａ及び側方ガス送出ノズル４０４ｂを備えるガス送出デバイス４０４とを含む。システム４００は、レーザー４０２、ガス送出デバイス４０４を制御するために使用されるコントローラ４１０も含む。システム４００は、典型的に、レーザー４０２の下方にサファイア基板３００を保持し位置決めするための支持構造又は位置決め機構も含む。図４に描写されるシステムは、サファイア基板３００の上方に位置決めされたレーザー４０２を示しているが、サファイア基板３００に対するレーザー４０２の向きは、実施に応じて変化してもよい。
【００４７】
本例において、レーザー４０２は、凡そ１０７０ｎｍを中心とする波長及び０．２〜１０ｍｓの範囲のパルス持続時間でレーザービームを生成するように構成されたファイバレーザーである。サファイア基板３００は、１０７０ｎｍ付近の放射を吸収し得るため、レーザー４０２は、サファイア基板３００を加熱し切断するように構成される。典型的に、平均出力１０ワット〜１５０ワットの範囲の出力（最大で最高出力１，５００ワットを伴う）でレーザービームを生成するようにレーザー４０２を構成することができる。
【００４８】
システム４００は、レーザー４０２により生成されたレーザービームをサファイア基板３００の表面に向けるための機構も含む。機構は、レーザー４０２を位置決めしてもよく、サファイア基板３００を位置決めしてもよく、レーザービームの経路を操作してもよく、又は３つの組合せでもよい。概して、機構は、サファイア基板３００の表面の１つ以上の切断経路（３０２、３０４）に沿ってレーザービームを向けることが可能である。例えば、サファイア基板３００は、サファイア基板３００を幾何学平面内の様々な位置に位置決めするように構成される２次元的にサーボ制御されるステージに載せられてもよい。また、鏡などのサーボ制御される光学要素が、レーザービームをサファイア基板３００の表面の様々な位置に向けるように構成されてもよい。
【００４９】
図４に示されるように、システム４００は、ガス媒質の１つ又は複数の流れをサファイア基板３００の表面に向けるための同軸ガス送出ノズル４０４ａ及び側方ガス送出ノズル４０４ｂを有する、ガス送出デバイス４０４も含む。典型的に、ガス送出デバイス４０４は、レーザービームがサファイア基板３００の表面に入射する位置又はその近くに、ガス流を向けるように構成される。よって、レーザービーム及び入射レーザービームの近くにあるサファイア基板３００の表面は、ガス送出デバイス４０４により提供されたガス媒質に晒される。ガス送出デバイス４０４は、概して、上述されたプロセス２００によるエッチング、切断、及び照射の作業を容易にするために、ある範囲の流れ速度及び質量流量を提供するように構成可能である。具体的に、同軸ガス送出ノズル４０４ａは、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲の直径を有するノズルを使用して、５バール〜１５バールの範囲の圧力でガス媒質の流れを生成するように構成される。一例において、ガス送出デバイス４０４は、０．３ｍｍの直径を有する同軸ガス送出ノズル４０４ａを使用して、８バールの圧力で同軸ガス流を生成するように構成される。
【００５０】
ガス送出デバイス４０４は、複数のタイプのガス媒質の流れを送出するようにも構成される。特に、ガス送出デバイス４０４は、図２に関して上述された作業２０４により、不活性ガスを含む第１の成分を有するガス媒質を送出するように構成される。ガス送出デバイス４０４は、図２に関して上述された作業２０４により、酸素ガスを含む第２の異なるガス媒質を送出するようにも構成される。ガス送出デバイス４０４は、上述されたのとは異なる成分を有する他のガス媒質を送出するように構成されてもよい。
【００５１】
図４に示されるように、ガス送出デバイス４０４は、基板に入射するレーザービームと実質的に同じ角度又は実質的に同軸で、ガス流を送出するように構成されてもよい。具体的に、ガス送出デバイス４０４は、レーザービームと実質的に同軸であるガス流を生成するために同軸ガス送出ノズル４０４ａを使用してもよい。代わりに又は加えて、ガス送出デバイス４０４は、ガス送出ノズル４０４ｂを使用して、基板に入射するレーザービームに対してある角度でガス流を送出するように構成されてもよい。同軸ガス送出ノズル４０４ａ及び側方ガス送出ノズル４０４ｂは、協働して使用されてもよく、代わりに別々に使用されてもよい。つまり、幾つかの場合において、同軸ガス送出ノズル４０４ａは、レーザー切断及び照射の作業のために使用されるガス媒質の全て又は実質的に全てを提供する。
【００５２】
図４に示されるように、システム４００はコントローラ４１０も含む。本実施形態において、コントローラは、コンピュータプロセッサ（例えばマイクロコントローラ）と、コンピュータ読取可能な命令を記憶するためのコンピュータメモリとを含む。コンピュータ読取可能な命令は、コンピュータプロセッサ上で実行され、図２に関して上述されたプロセス２００をシステム４００に実施させ得る。コントローラ４１０は、レーザー４０２及びガス送出デバイス４０４を含む、システム４００の他の要素と通信するための入力／出力部（Ｉ／Ｏ）も含む。
【００５３】
システム４００の動作は、例えば、本開示によるプロセスを実施するようにコンピュータシステム（又は他の電子装置）をプログラムするために使用され得る命令を記憶させた、コンピュータ読取可能な記憶媒体又は非一時的な機械読取可能な媒体を含み得る、コンピュータプログラム製品又はソフトウェアとして提供されてもよい。非一時的な機械読取可能な媒体は、機械（例えばコンピュータ）によって読取可能な形態（例えば、ソフトウェア、処理アプリケーション）で情報を記憶するための任意の機構を含む。非一時的な機械読取可能な媒体は、非限定的に、磁気記憶媒体（例えばフロッピーディスケット、ビデオカセットその他）、光記憶媒体（例えばＣＤ−ＲＯＭ）、磁気光記憶媒体、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、消去可能プログラマブルメモリ（例えばＥＰＲＯＭ及びＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリその他の形態をとってもよい。
【００５４】
各種の実施形態を参照して、本開示を記述してきたが、これらの実施形態は例示的なものであり、本開示の範囲は、それらに限定されるものではないことが理解されるであろう。多くの変形、修正、追加、及び改良が可能である。より全般的には、特定の実施形態のコンテキストで本開示による実施形態が記述されてきた。本開示の各種の実施形態において、手順内で機能を異なるように分離又は組み合わせてもよく、異なる専門用語で記述してもよい。これらの変形、修正、追加、及び改良、並びに他の変形、修正、追加、及び改良は、以下の請求項に定義されるような、本開示の範囲内に属し得る。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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