(57)【要約】  より薄い区域の最大中央張力が、より厚い区域のものより小さい、厚さの異なる区域を有するガラス系物品が開示されている。その物品は、各区域の厚さの少なくとも一部に沿って変動する独立した非ゼロ濃度を有するアルカリ金属酸化物を含む。家庭用電気製品は、厚さの異なる区域を有するガラス系物品を含むことがある。
2020536837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス系物品において、
第１の厚さ（ｔ１）および第１の区域表面を有する第１の区域、
ｔ１より小さい第２の厚さ（ｔ２）および第２の区域表面を有する第２の区域、
前記第１の区域の第１の応力プロファイルであって、
第１の圧縮応力領域と、
第１の最大中央張力（ＣＴ１）を有する第１の中央張力領域と、
を含む第１の区域の第１の応力プロファイル、
前記第２の区域の第２の応力プロファイルであって、
第２の圧縮応力領域と、
第２の最大中央張力（ＣＴ２）を有する第２の中央張力領域と、
を含む第２の区域の第２の応力プロファイル、および
前記第１の区域表面からｔ１の少なくとも一部分中に前記第１の区域内で変動する第１の非ゼロ濃度と、前記第２の区域表面からｔ２の少なくとも一部分中に前記第２の区域内で変動する第２の非ゼロ濃度とを有するアルカリ金属酸化物、
を含み、
ＣＴ２はＣＴ１より小さい、ガラス系物品。
【請求項２】
ソーダ石灰ケイ酸塩、アルカリアルミノケイ酸塩、アルカリ含有ホウケイ酸塩、アルカリ含有アルミノホウケイ酸塩、またはアルカリ含有リンケイ酸塩を含む、請求項１記載のガラス系物品。
【請求項３】
前記第２の区域が前記ガラス系物品の全エッジからずれている、請求項１または２記載のガラス系物品。
【請求項４】
ｔ１が０．３ｍｍから２．５ｍｍの範囲にあり、ｔ２が０．０２５ｍｍから２．４ｍｍの範囲にある、請求項１から３いずれか１項記載のガラス系物品。
【請求項５】
前記第１の応力プロファイルが、０．１５・ｔ１以上の深さに位置する第１の圧縮深さ（ＤＯＣ１）をさらに含み、前記第２の応力プロファイルが、０．０７５・ｔ２以上の深さに位置する第２の圧縮深さ（ＤＯＣ２）をさらに含む、請求項１から４いずれか１項記載のガラス系物品。
【請求項６】
前記第１の応力プロファイルが、４５０ＭＰａ以上の前記第１の圧縮応力領域内の第１の表面圧縮応力（ＣＳ１）をさらに含み、前記第２の応力プロファイルが、４５０ＭＰａ以上の前記第２の圧縮応力領域内の第２の表面圧縮応力（ＣＳ２）をさらに含む、請求項１から５いずれか１項記載のガラス系物品。
【請求項７】
前記第１の応力プロファイルの一部が、前記第１の区域表面から屈曲部まで延在し、該屈曲部が、約２から約３０マイクロメートルの範囲の該第１の区域表面からの深さに位置しており、該第１の区域表面と該屈曲部との間に位置する該第１の応力プロファイルの全ての点が、１０ＭＰａ／マイクロメートル以上の値を有する正接を含む、請求項１から６いずれか１項記載のガラス系物品。
【請求項８】
家庭用電気製品において、
前面、背面、および側面を有する筐体、
前記筐体内に少なくとも部分的に設けられた電気部品であって、少なくとも制御装置、メモリ、および該筐体の前面にまたはそれに隣接して設けられているディスプレイを含む電気部品、および
前記ディスプレイの上に配置されたカバープレート、
を備え、
前記筐体および前記カバープレートの少なくとも一方の一部は、請求項１から７いずれか１項記載のガラス系物品から作られている、家庭用電気製品。
【請求項９】
ガラス系物品を製造する方法において、
ガラス系基板の、第１の厚さ（ｔ１）および第１の区域表面を有する第１の区域と、第２の厚さ（ｔ２）および第２の区域表面を有する第２の区域を、アルカリ金属イオンを含む浴に暴露して、該ガラス系基板をイオン交換し、前記第１の区域表面からｔ１の少なくとも一部分中に前記第１の区域内で変動する第１の非ゼロ濃度と、前記第２の区域表面からｔ２の少なくとも一部分中に前記第２の区域内で変動する第２の非ゼロ濃度とを有するアルカリ金属酸化物を含むガラス系物品を形成する工程、
を有してなり、
ｔ２はｔ１より小さく、前記ガラス系物品は、第１の最大中央張力（ＣＴ１）を有する第１の中央張力領域を含む前記第１の区域の第１の応力プロファイルおよび第２の最大中央張力（ＣＴ２）を有する第２の中央張力領域を含む前記第２の区域の第２の応力プロファイルを有し、ＣＴ２はＣＴ１より小さい、方法。
【請求項１０】
前記ガラス系基板が、第１の期間に亘りアルカリ金属イオンを含む第１の浴に暴露され、その後、第２の期間に亘りアルカリ金属イオンを含む第２の浴に暴露される、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、その内容が依拠され、ここに全てが引用される、２０１７年１０月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／６７０３４４号の優先権の恩恵を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示の実施の形態は、広く、厚さの異なる区域を有するガラス系物品およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ガラス系物品が、家庭用電化製品、輸送、建築、防衛、医療、および包装を含む多くの様々な産業界に使用されている。家庭用電化製品について、携帯電話、スマートフォン、タブレット、ビデオプレーヤー、情報端末（ＩＴ）機器、ラップトップコンピュータ、ナビゲーションシステムなどの、移動式または携帯型電子通信および娯楽装置用のカバープレートまたは窓として電子機器に、ガラス系物品が使用されている。建築において、ガラス系物品は、窓、シャワーパネル、およびカウンタートップに含まれており；輸送において、ガラス系物品は、自動車、列車、航空機、および船舶に存在する。ガラス系物品は、破壊抵抗が優れているが、薄く軽量の物品を要求する任意の用途に適している。各産業界にとって、ガラス系物品の機械的および／または化学的信頼性は、一般に、機能性、性能、および費用により決定される。これらの物品の機械的および／または化学的信頼性を改善することは、継続している目標である。
【０００４】
化学処理は、以下のパラメータ：圧縮応力（ＣＳ）、圧縮深さ（ＤＯＣ）、および最大中央張力（ＣＴ）の１つ以上を有する所望の／設計された応力プロファイルを与える強化方法である。設計された応力プロファイルを有するものを含む多くのガラス系物品は、ガラス表面で最高またはピークにあり、表面から離れて移動するにつれてピーク値から減少する圧縮応力を有し、ガラス系物品内の応力が引張になる前に、ガラス系物品のある内部位置で応力がゼロになる。アルカリ含有ガラスのイオン交換（ＩＯＸ）による化学強化は、この分野で実証された方法である。
【０００５】
家庭用電化製品産業において、化学強化ガラスは、プラスチックと比べて良好な美的感覚と耐引掻性、および非強化ガラスと比べて良好な落下性能に加え、良好な耐引掻性のために、ディスプレイカバーの好ましい材料として使用されている。過去には、カバーガラスの厚さは、ほとんど均一であった（エッジ近くを除いて）。しかし、最近は、厚さがエッジから離れると不均一になるカバーガラスデザインが関心を集めるようになってきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
不均一な厚さを有する化学強化ガラス物品が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の態様は、厚さの異なる区域を有するガラス系物品およびその製造方法に関する。
【０００８】
態様（１）によれば、ガラス系物品が提供される。そのガラス系物品は、第１の厚さ（ｔ１）および第１の区域表面を有する第１の区域；ｔ１より小さい第２の厚さ（ｔ２）および第２の区域表面を有する第２の区域；第１の圧縮応力領域と、第１の最大中央張力（ＣＴ１）を有する第１の中央張力領域とを含む第１の区域の第１の応力プロファイル；第２の圧縮応力領域と、第２の最大中央張力（ＣＴ２）を有する第２の中央張力領域とを含む第２の区域の第２の応力プロファイル；および第１の区域表面からｔ１の少なくとも一部分中に第１の区域内で変動する第１の非ゼロ濃度と、第２の区域表面からｔ２の少なくとも一部分中に第２の区域内で変動する第２の非ゼロ濃度とを有するアルカリ金属酸化物を含み、ＣＴ２はＣＴ１より小さい。
【０００９】
態様（２）によれば、ソーダ石灰ケイ酸塩、アルカリアルミノケイ酸塩、アルカリ含有ホウケイ酸塩、アルカリ含有アルミノホウケイ酸塩、またはアルカリ含有リンケイ酸塩を含む、態様（１）のガラス系物品が提供される。
【００１０】
態様（３）によれば、リチウム含有アルミノケイ酸塩を含む、態様（２）のガラス系物品が提供される。
【００１１】
態様（４）によれば、第２の区域がガラス系物品の全エッジからずれている、態様（１）から（３）のいずれか１つのガラス系物品が提供される。
【００１２】
態様（５）によれば、ｔ２が少なくとも１００マイクロメートルだけｔ１より小さい、態様（１）から（４）のいずれか１つのガラス系物品が提供される。
【００１３】
態様（６）によれば、ｔ２が０．０５・ｔ１から０．９６・ｔ１の範囲にある、態様（１）から（５）のいずれか１つのガラス系物品が提供される。
【００１４】
態様（７）によれば、ｔ１が０．３ｍｍから２．５ｍｍの範囲にあり、ｔ２が０．０２５ｍｍから２．４ｍｍの範囲にある、態様（１）から（６）のいずれか１つのガラス系物品が提供される。
【００１５】
態様（８）によれば、第１の応力プロファイルが、０．１５・ｔ１以上の深さに位置する第１の圧縮深さ（ＤＯＣ１）をさらに含む、態様（１）から（７）のいずれか１つのガラス系物品が提供される。
【００１６】
態様（９）によれば、ＤＯＣ１が０．１５・ｔ１から０．２３・ｔ１の範囲にある、態様（８）のガラス系物品が提供される。
【００１７】
態様（１０）によれば、第２の応力プロファイルが、０．０７５・ｔ２以上の深さに位置する第２の圧縮深さ（ＤＯＣ２）をさらに含む、態様（１）から（９）のいずれか１つのガラス系物品が提供される。
【００１８】
態様（１１）によれば、ＤＯＣ２が０．０７５・ｔ２から０．１５・ｔ２の範囲にある、態様（１０）のガラス系物品が提供される。
【００１９】
態様（１２）によれば、第１の応力プロファイルが、４５０ＭＰａ以上の第１の圧縮応力領域内の第１の表面圧縮応力（ＣＳ１）をさらに含み、第２の応力プロファイルが、４５０ＭＰａ以上の第２の圧縮応力領域内の第２の表面圧縮応力（ＣＳ２）をさらに含む、態様（１）から（１１）のいずれか１つのガラス系物品が提供される。
【００２０】
態様（１３）によれば、第１の応力プロファイルの一部が、第１の区域表面から屈曲部まで延在し、その屈曲部が、約２から約３０マイクロメートルの範囲の第１の区域表面からの深さに位置しており、第１の区域表面と屈曲部との間に位置する第１の応力プロファイルの全ての点が、１０ＭＰａ／マイクロメートル以上の値を有する正接を含む、態様（１）から（１２）のいずれか１つのガラス系物品が提供される。
【００２１】
態様（１４）によれば、第１の応力プロファイルの一部が、屈曲部から第１の圧縮深さ（ＤＯＣ１）まで延在し、屈曲部とＤＯＣ１との間に位置する第１の応力プロファイルの全ての点が、約０と２ＭＰａ／マイクロメートルの間にある値を有する正接を含む、態様（１３）のガラス系物品が提供される。
【００２２】
態様（１５）によれば、アルカリ金属酸化物が、リチウム、カリウム、およびナトリウムの１つ以上を含む、態様（１）から（１４）のいずれか１つのガラス系物品が提供される。
【００２３】
態様（１６）によれば、銀、銅、亜鉛、チタン、ルビジウム、およびセシウムからなる群より選択される１種類以上の金属をさらに含む、態様（１）から（１５）のいずれか１つのガラス系物品が提供される。
【００２４】
態様（１７）によれば、家庭用電気製品が提供される。その家庭用電気製品は、前面、背面、および側面を有する筐体；その筐体内に少なくとも部分的に設けられた電気部品であって、少なくとも制御装置、メモリ、およびその筐体の前面にまたはそれに隣接して設けられているディスプレイを含む電気部品；およびそのディスプレイの上に配置されたカバープレートを備え、その筐体およびカバープレートの少なくとも一方の一部は、態様（１）から（１６）の内の１つのガラス系物品から作られている。
【００２５】
態様（１８）によれば、ガラス系物品を製造する方法が提供される。その方法は、ガラス系基板の、第１の厚さ（ｔ１）および第１の区域表面を有する第１の区域と、第２の厚さ（ｔ２）および第２の区域表面を有する第２の区域を、アルカリ金属イオンを含む浴に暴露して、そのガラス系基板をイオン交換し、第１の区域表面からｔ１の少なくとも一部分中に第１の区域内で変動する第１の非ゼロ濃度と、第２の区域表面からｔ２の少なくとも一部分中に第２の区域内で変動する第２の非ゼロ濃度とを有するアルカリ金属酸化物を含むガラス系物品を形成する工程を有してなり、ｔ２はｔ１より小さく、そのガラス系物品は、第１の最大中央張力（ＣＴ１）を有する第１の中央張力領域を含む第１の区域の第１の応力プロファイルおよび第２の最大中央張力（ＣＴ２）を有する第２の中央張力領域を含む第２の区域の第２の応力プロファイルを有し、ＣＴ２はＣＴ１より小さい。
【００２６】
態様（１９）によれば、ガラス系基板が、第１の期間に亘りアルカリ金属イオンを含む第１の浴に暴露され、その後、第２の期間に亘りアルカリ金属イオンを含む第２の浴に暴露される、態様（１８）の方法が提供される。
【００２７】
態様（２０）によれば、ガラス系基板がリチウム含有アルミノケイ酸塩であり、浴がカリウムおよびナトリウムのイオンを含む、態様（１８）の方法が提供される。
【００２８】
本明細書に含まれ、その一部を構成する添付図面は、下記に記載されるいくつかの実施の形態を示している。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】例示のガラス系物品の説明図
【図２】物品のポケットを示す説明図
【図３】図２のポケットの断面図
【図４Ａ】図１の物品の断面図
【図４Ｂ】厚さが異なる図１の物品の一部の拡大断面図
【図５Ａ】ここに開示された強化された積層ガラス系物品のいずれかを組み込んだ例示の電子機器の平面図
【図５Ｂ】図５Ａの例示の電子機器の斜視図
【図６】スケーリングされた拡散距離の関数としての、３つのパラメータ：圧縮応力（ＣＳ）、中央張力（ＣＴ）、および圧縮深さ（ＤＯＣ）のグラフ
【図７】正規化位置に対するスケーリングされた濃度のグラフ
【図８】正規化位置に対する応力のグラフ
【図９】実施例１および比較例Ａに関する絶対位置に対する応力のグラフ
【図１０】実施例１および比較例Ａに関する正規化位置に対する応力のグラフ
【図１１】中心（０．５ｔ）位置まで拡大された図１０のグラフ
【発明を実施するための形態】
【００３０】
いくつかの例示の実施の形態を記載する前に、本開示は、以下の開示に述べられた構成または工程段階の詳細に限定されないことを理解すべきである。ここに与えられる開示は、他の実施の形態も可能であり、様々な様式で実施するまたは実行することができる。
【００３１】
本明細書を通じての「１つの実施の形態」、「特定の実施の形態」、「様々な実施の形態」、「１つ以上の実施の形態」または「ある実施の形態」への言及は、その実施の形態に関して記載された特定の特徴、構造、材料、または特性が、本開示の少なくとも１つの実施の形態に含まれることを意味する。それゆえ、本明細書に亘る様々な場所における「１つ以上の実施の形態」、「特定の実施の形態」、「様々な実施の形態」、「１つの実施の形態」、または「ある実施の形態」などの句の出現は、必ずしも、同じ実施の形態を称するものではない。さらに、その特定の特徴、構造、材料、または特性は、１つ以上の実施の形態において、どの適切な様式で組み合わされてもよい。
【００３２】
「ガラス系物品」および「ガラス系基板」という用語は、ガラスセラミック（非晶相および結晶相を含む）を含む、ガラスから全てがまたは部分的に製造された任意の物体を含むために使用される。積層ガラス系物品は、ガラス材料と結晶質材料の積層体などのガラス材料と非ガラス材料の積層体を含む。１つ以上の実施の形態によるガラス系基板は、ソーダ石灰ケイ酸塩ガラス、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス、アルカリ含有ホウケイ酸ガラス、アルカリ含有アルミノホウケイ酸塩ガラス、およびアルカリ含有リンケイ酸塩から選択されることがある。
【００３３】
「基礎組成」は、任意のイオン交換（ＩＯＸ）処理の前の基板の化学的組成である。すなわち、基礎組成は、ＩＯＸからのどのイオンもドープされていない。
【００３４】
「実質的に」および「約」という用語は、任意の定量比較、値、測定、または他の表現に帰することがある不確実さの固有の程度を表すためにここに利用されることがある。これらの用語は、定量的表現が、問題となっている主題の基本機能に変化を生じずに、述べられた言及から変動することのある程度を表すためにもここに利用されることがある。それゆえ、例えば、「ＭｇＯを実質的に含まない」ガラス系物品は、ＭｇＯが、ガラス系物品に能動的に添加されたり、バッチ配合されたりしていないが、０．０１モル％未満の量など、汚染物質として非常に少量存在することがあるものである。
【００３５】
特に明記のない限り、ここに記載された全ての組成は、酸化物基準のモルパーセント（モル％）で表されている。
【００３６】
「応力プロファイル」は、ガラス系物品またはその任意の部分の位置に関する応力である。圧縮応力領域は、物品の第一面から圧縮深さ（ＤＯＣ）まで延在し、ここで、その物品は、圧縮応力下にある。中央張力領域は、ＤＯＣから延在し、物品が引張応力下にある領域を含む。
【００３７】
ここに用いられているように、圧縮深さ（ＤＯＣ）は、ガラス系物品内の応力が圧縮応力から引張応力に変化する深さを称する。ＤＯＣでは、応力は正の（圧縮）応力から負の（引張）応力に交差し、それゆえ、ゼロの応力値を示す。機械の技術分野に通常使用される慣例によれば、圧縮は、負の（＜０）応力として表され、張力は、正の（＞０）応力として表される。しかしながら、本記載に亘り、圧縮応力（ＣＳ）は、正の値または絶対値として表される−すなわち、ここに挙げられているように、ＣＳ＝｜ＣＳ｜である。それに加え、引張応力は、ここでは、負の（＜０）応力として表される、または引張応力が具体的に特定されているある状況では、絶対値として表される。中央張力（ＣＴ）は、ガラス系物品の中央領域または中央張力領域における引張応力を称する。最大中央張力（最大ＣＴまたはＣＴｍａｘ）は、中央張力領域で生じ、大抵、０．５・ｈに位置し、ここで、ｈは物品の厚さである。厚さが異なり、それぞれ、第１の厚さ（ｔ１）および第２の厚さ（ｔ２）を有する第１と第２の区域を有する物品の本開示について、第１の区域における第１の最大中央張力（ＣＴ１）は、名目上は、０．５・ｔ１にあり、第２の区域における第２の最大中央張力（ＣＴ２）は、名目上は、０．５・ｔ２にある。「名目上」０．５・ｈ、０．５・ｔ１、および０．５・ｔ２への言及により、最大引張応力の位置の正確な中心からの変動を可能にする。
【００３８】
応力プロファイルの「屈曲部」は、応力プロファイルの勾配が急から穏やかに移行する物品の深さである。この屈曲部は、勾配が変化する深さの範囲に亘る移行区域を称することがある。
【００３９】
物品の厚さ（ｈ）、第１の区域の厚さ（ｔ１）、または第２の区域の厚さ（ｔ２）の少なくともかなりの部分に沿って変動する非ゼロのアルカリ金属酸化物濃度は、イオン交換の結果として、応力が、それぞれ、物品、第１の区域、または第２の区域内で生じていることを示す。金属酸化物濃度の変動は、ここでは、金属酸化物濃度勾配と称されることがある。濃度が非ゼロであり、厚さの一部に沿って変動する金属酸化物は、ガラス系物品内に応力を生じると記載されることがある。１つ以上の金属酸化物の濃度勾配または変動は、ガラス系基板内の複数の第１の金属イオンが複数の第２の金属イオンと交換される、ガラス系基板の化学強化により生じる。
【００４０】
特に明記のない限り、ＣＴおよびＣＳは、ここでは、メガパスカル（ＭＰａ）で表され、一方で、厚さおよびＤＯＣは、ミリメートルまたはマイクロメートルで表される。
【００４１】
ＣＳおよびＤＯＣは、Ｇｌａｓｓｔｒｅｓｓ（エストニア国）からのＳＣＡＬＰ−５測定システムを使用する散乱偏光分析法などによって、当該技術分野に公知の手段を使用して測定される。ＣＳおよびＤＯＣを測定するための他の可能性のある技術に、有限会社小原製作所（日本国）により製造されているＦＳＭ−６０００などの市販の機器を使用する表面応力測定（ＦＳＭ）がある。表面応力測定は、ガラスの複屈折に関係する応力光学係数（ＳＯＣ）の精密測定に依存する。ＳＯＣは、次に、その内容がここに全て引用される、「Standard Test Method for Measurement of Glass Stress-Optical Coefficient」と題する、ＡＳＴＭ標準Ｃ７７０−１６に記載された手順Ｃ（ガラスディスク法）などの当該技術分野に公知の方法にしたがって測定される。
【００４２】
アルカリ含有ガラスの最新式のイオン交換（ＩＯＸ）は、均一な厚さのガラス系物品に焦点を当てている。しかしながら、ガラス系物品は、今では、エッジから離れた区域における厚さが不均一であるように設計されている。１つの例示の用途は、指紋センサを受け入れるための従来の貫通孔またはスロットを置き換えるために、指紋センサを収容するためにガラス系カバー内に凹部を有することがある。強化ガラス内に指紋センサを収容することによって、従来の高分子指紋センサカバーはなくなり、改善された耐引掻性および良好なユーザ・エクスペリエンスが可能になる。何故ならば、カバーガラス上に突出したまたは穴のある特徴がないからである。エッジから離れた区域の厚さが不均一な基板が、最新式のＩＯＸ方法で化学強化される場合、より薄い区域はより厚い区域よりも高い中央張力（ＣＴ）を有し得る。より薄い区域におけるより高いＣＴは、最終的なガラス系物品の信頼性にとって有害であり得、多くの場合、その物品を壊れやすくし得、このことは、以前に認識されなかった問題である。
【００４３】
ここに開示されたガラス系物品は、第１の厚さを有する第１の区域における第１の中央張力および第２の厚さを有する第２の区域における第２の中央張力を含む圧縮プロファイルとの組合せで、厚さの異なる区域を有し、その第２の厚さは第１の厚さより小さく、第２の中央張力は第１の中央張力より小さいという点で有益である。このガラス系物品は、基礎組成に１種類以上のアルカリ金属を有する基板から形成され、その基板は、その物品が１種類以上のイオン交換された金属を含むようにイオン交換が施されている。その１種類以上のイオン交換された金属は、リチウム、カリウム、およびナトリウムの内の１つ以上を含むことがある。さらに、イオン交換された金属は、銀、銅、亜鉛、チタン、ルビジウム、およびセシウムからなる群より選択される１種類以上の金属を含むことがある。
【００４４】
ガラス系基板は、一段階、二段階、または多段階イオン交換（ＩＯＸ）により強化されることがある。浸漬の間に洗浄工程および／または徐冷工程がある、多数のイオン交換浴中にガラスが浸漬される、イオン交換過程の非限定例が、ガラスが、異なる濃度の塩浴中の多数の連続したイオン交換処理における浸漬により強化される、「Glass with Compressive Surface for Consumer Applications」と題するDouglas C. Allan等による米国特許第８５６１４２９号明細書；およびガラスが、流出イオンで希釈された第１の浴中のイオン交換により強化され、続いて、第１の浴より小さい濃度の流出イオンを有する第２の浴に浸漬される、「Dual Stage Ion Exchange for Chemical Strengthening of Glass」と題する２０１２年１１月２０日に発行されたChristopher M. Lee等による米国特許第８３１２７３９号明細書に記載されている。米国特許第８５６１４２９号および同第８３１２７３９号の各明細書の内容が、ここに全て引用される。
【００４５】
ガラス系物品において、ｔ１の少なくとも一部に沿った第１の区域、およびｔ２の少なくとも一部に沿った第２の区域の両方において、独立して変動する非ゼロ濃度を有するアルカリ金属酸化物がある。各区域におけるその応力プロファイルは、各厚さの一部に沿って変動する金属酸化物の非ゼロ濃度のために生じる。いくつかの実施の形態において、金属酸化物の濃度は、非ゼロであり、約０・（ｔ１またはｔ２）から約０．３・（ｔ１またはｔ２）までの厚さ範囲の両方に沿って変動する。いくつかの実施の形態において、金属酸化物の濃度は、非ゼロであり、約０・（ｔ１またはｔ２）から約０．３５・（ｔ１またはｔ２）まで、約０・（ｔ１またはｔ２）から約０．４・（ｔ１またはｔ２）まで、約０・（ｔ１またはｔ２）から約０．４５・（ｔ１またはｔ２）まで、約０・（ｔ１またはｔ２）から約０．４８・（ｔ１またはｔ２）まで、または約０・（ｔ１またはｔ２）から約０．５０・（ｔ１またはｔ２）までの厚さ範囲に沿って変動する。濃度の変動は、上述した厚さ範囲に沿って連続的であることがある。濃度の変動は、約１００マイクロメートルの厚さ区分に沿った少なくとも約０．２モル％の金属酸化物濃度の変化を含むことがある。金属酸化物濃度の変化は、約１００マイクロメートルの厚さ区分に沿って、少なくとも約０．３モル％、少なくとも約０．４モル％、または少なくとも約０．５モル％であることがある。この変化は、マイクロプローブを含む、当該技術分野に公知の方法によって測定されることがある。
【００４６】
いくつかの実施の形態において、濃度の変動は、約１０マイクロメートルから約３０マイクロメートルの範囲の厚さ区分に沿って連続的であることがある。いくつかの実施の形態において、金属酸化物の濃度は、第１または第２の区域の第一面から、その第一面と第二面との間の地点まで減少し、その地点から第二面まで増加する。
【００４７】
金属酸化物の濃度は、複数の金属酸化物（例えば、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの組合せ）を含むことがある。２種類の金属酸化物が使用され、イオンの半径が互いに異なる、いくつかの実施の形態において、浅い深さでは、半径が大きい方のイオンの濃度は、半径が小さい方のイオンの濃度より大きく、一方で、より深い深さでは、半径が小さい方のイオンの濃度は、半径が大きい方のイオンの濃度より大きい。例えば、イオン交換過程に、１つのＮａおよびＫ含有浴が使用される場合、ガラス系物品中のＫ＋イオンの濃度は、より浅い深さでは、Ｎａ＋イオンの濃度より大きく、一方で、Ｎａ＋の濃度は、より深い深さでは、Ｋ＋の濃度より大きい。これは、一部には、ガラス中により小さい一価イオンと交換される一価イオンのサイズのためである。そのようなガラス系物品において、表面またはその近くの領域は、表面またはその近くの大きい方のイオン（すなわち、Ｋ＋イオン）の量がより多いために、より大きいＣＳを有する。さらに、応力プロファイルの勾配は、一般に、所定の表面濃度からの化学拡散により達成される濃度プロファイルの性質のために、表面からの距離とともに減少する。
【００４８】
１つ以上の実施の形態において、金属酸化物の濃度勾配は、その区域の厚さｔ１またはｔ２のかなりの部分、もしくは全厚ｔ１またはｔ２を通じて延在する。いくつかの実施の形態において、金属酸化物の濃度は、第１および／または第２の区域の全厚に沿って約０．５モル％以上（例えば、約１モル％以上）であることがあり、第一面および／または第二面０・（ｔ１またはｔ２）で最大であり、第一面と第二面の間の地点まで、実質的に一定に減少する。その地点で、金属酸化物の濃度は、全厚ｔ１またはｔ２に沿って最小である；しかしながら、その濃度は、その地点で非ゼロである。言い換えると、その特定の金属酸化物の非ゼロ濃度は、厚さｔ１またはｔ２のかなりの部分（ここに記載されたような）、もしくは全厚ｔ１またはｔ２に沿って延在する。そのガラス系物品中の特定の金属酸化物の総濃度は、約１モル％から約２０モル％の範囲にあることがある。
【００４９】
その金属酸化物の濃度は、前記ガラス系物品を形成するようにイオン交換されたガラス系基板中の金属酸化物の基礎濃度から決定されることがある。
【００５０】
図面に移ると、図１は、エッジから離れて不均一な厚さを有するガラス系物品１００を示している。第１の区域１０２は、第１の厚さ（ｔ１）および第１の最大中央張力（ＣＴ１）を有する。線１１４は、物品１００の中線を示す。第２の区域１０４は、第２の厚さ（ｔ２）および第２の最大中央張力（ＣＴ２）を有する。一般に、ｔ１とｔ２との間の差は、少なくとも１００マイクロメートルである。１つ以上の実施の形態において、ｔ１は、少なくとも１００マイクロメートルだけｔ２より大きい。ｔ２は、０．０５・ｔ１から０．６９・ｔ１の範囲にあることがある。１つ以上の実施の形態において、ｔ２は、ｔ１に対して約２０％、または約３０％、約４０％、約５０％、約６０％、約７０％、約８０％、約９０％、約９５％、およびその間の全ての値と部分的範囲だけ小さい。ｔ１は、０．３ｍｍから２．５ｍｍの範囲、およびその間の全ての値と部分的範囲にあることがあり；ｔ２は、０．０２５ｍｍから２．４ｍｍの範囲、およびその間の全ての値と部分的範囲にあることがある。ＣＴ２はＣＴ１より小さく、このことは、第２の区域が、第１の区域と同じ条件下でイオン交換されたにもかかわらず、壊れやすくないことを確実にするのに都合よい。これらの図面は、物品の残りと異なる厚さを有する１つの区域を示しているが、同じ物品に深さの異なる区域またはポケットが多数あってもよいことに留意のこと。
【００５１】
この実施の形態において、第２の区域１０４は、物品１００の全てのエッジ１０６、１０８、１１０、および１１２からずれている。すなわち、第２の区域１０４は、エッジ１０６、１０８、１１０、および１１２のいずれとも交差していない。
【００５２】
図２は、側面１１６、１１８、１２０、および１２２により画成されている第２の区域１０４を示している。この実施の形態において、第２の区域１０４は、指紋センサなどを収容するように設計された薄いポケットである。線１２４は、第２の区域１０４の中心線を示す。図３は、図２の線１２４に沿った物品１００の断面を示している。側面１１６、１１８、１２０、および１２２は、第２の区域１０４の主要部１０５から第１の区域１０２への移行を与えている。いくつかの実施の形態において、この物品は、１４１．４ミリメートル×６８．４ミリメートルのサイズを有し、第１の区域の厚さは０．６ミリメートルである。いくつかの実施の形態において、ポケットは、５．６ミリメートル×１２．３ミリメートルのサイズを有し、第２の区域の厚さは０．３ミリメートルである。
【００５３】
図４Ａは、図１の中線１１４に沿った物品１００の断面および第２の区域１０４の位置を示している。図４Ｂは、第１の区域１０２に移行する側面１２０および１２２を有する第２の区域１０４の断面の拡大図を示している。
【００５４】
ここに開示されたガラス系物品は、ディスプレイを有する物品（またはディスプレイ物品）および／または筐体（例えば、携帯電話、タブレット、コンピュータ、ナビゲーションシステムなどを含む家庭用電化製品）、建築物品、輸送物品（例えば、自動車、列車、航空機、船舶など）、電気器具、またはある程度の透明性、耐引掻性、耐摩耗性またはその組合せを必要とする任意の物品などの別の物品に組み込まれることがある。ここに開示された強化物品のいずれかを組み込んだ例示の物品が、図５Ａおよび５Ｂに示されている。詳しくは、図５Ａおよび５Ｂは、前面３０４、背面３０６、および側面３０８を有する筐体３０２；その筐体内に少なくとも部分的に内部のまたは完全に中にある電気部品（図示せず）であって、少なくとも制御装置、メモリ、およびその筐体の前面またはそれに隣接したディスプレイ３１０を含む電気部品；およびディスプレイの上にあるように筐体の前面またはその上にあるカバープレート３１２を備えた消費者向け電子機器３００を示している。いくつかの実施の形態において、カバープレート３１２の少なくとも一部は、ここに開示された強化物品のいずれかを含むことがある。いくつかの実施の形態において、筐体３０２の少なくとも一部は、ここに開示された強化物品のいずれかを含むことがある。
【００５５】
様々な異なる過程を使用して、ガラス系基板を提供することができる。例えば、例示のガラス系基板を形成する方法に、フロートガラス法、およびフュージョンドロー法およびスロットドロー法などのダウンドロー法がある。溶融ガラスを溶融金属、典型的にスズの床の上に浮遊させるて、フロートガラスを製造することによって調製されるガラス系基板は、滑らかな表面および均一な厚さにより特徴付けられる。例示の過程において、溶融スズ床の表面上に供給される溶融ガラスが、浮遊するガラスリボンを形成する。このガラスリボンがスズ浴に沿って流れるときに、その温度は、ガラスリボンが、スズからローラに持ち上げられる固体のガラス系基板に固化するまで、徐々に低下する。一旦浴から離れたら、そのガラス系基板は、さらに冷却し、焼き鈍して、内部応力を減少させ、必要に応じて、研磨することができる。
【００５６】
ダウンドロー法では、比較的無垢な表面を有する均一な厚さを持つガラス系基板が製造される。ガラス系基板の平均曲げ強度は、表面傷の量とサイズにより制御されるので、無垢な表面はより高い初期強度を有する。次いで、この高強度ガラス系基板がさらに強化（例えば、化学的に）されると、結果として得られた強度は、ラップ仕上げされ研磨された表面を有するガラス系基板の強度よりも高くあり得る。ダウンドローされたガラス系基板は、約２ｍｍ未満の厚さまで板引きされることがある。その上、ダウンドローされたガラス系基板は、費用のかかる研削および研磨を行わずに最終用途に使用できる、非常に平らで滑らかな表面を有する。
【００５７】
フュージョンドロー法では、例えば、溶融ガラス原材料を受け入れるための通路を有するドロー用タンクを使用する。その通路には、通路の両側に通路の長さに沿って上部で開いた堰がある。その通路が溶融材料で満たされると、溶融ガラスが堰を越えて溢れる。溶融ガラスは、重力のために、２つの流れるガラス膜としてドロー用タンクの外面を下方に流れる。ドロー用タンクのこれらの外面は、ドロー用タンクの下の縁で接合するように、下方かつ内側に延在する。この２つの流れるガラス膜はこの縁で接合し、融合して、単一の流れるガラス系基板を形成する。このフュージョンドロー法は、通路を越えて流れる２つのガラス膜は互いに融合するので、結果として得られたガラス系基板の外面はその装置のどの部分とも接触しないという利点を提供する。したがって、フュージョンドロー法により形成されたガラス系基板の表面特性は、そのような接触により影響を受けない。
【００５８】
スロットドロー法は、フュージョンドロー法とは異なる。スロットドロー法において、溶融原材料ガラスがドロー用タンクに提供される。このドロー用タンクの下部には開放スロットがあり、このスロットの長さに亘りノズルが延在している。溶融ガラスは、このスロット／ノズルを通って流れ、連続した基板として下方に、焼き鈍し領域へと板引きされる。
【００５９】
基板の例示の基礎組成は、以下に限られないが、ソーダ石灰ケイ酸塩、アルカリアルミノケイ酸塩、アルカリ含有ホウケイ酸塩、アルカリ含有アルミノホウケイ酸塩、またはアルカリ含有リンケイ酸塩を含むことがある。ガラス系基板は、リチウム含有アルミノケイ酸塩を含むことがある。
【００６０】
基板として使用できるガラスの例に、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物またはアルカリ含有アルミノホウケイ酸塩ガラス組成物があるが、他のガラス組成物も考えられる。そのようなガラス組成物は、イオン交換可能であると特徴付けられることがある。ここに用いられているように、「イオン交換可能」とは、その組成物から作られた基板が、その基板の表面またはその近くに位置する陽イオンを、サイズが大きいかまたは小さいかのいずれかの同じ価数の陽イオンと交換できることを意味する。
【００６１】
ある実施の形態において、基礎ガラス組成物は、ソーダ石灰ケイ酸塩ガラスを含む。ある実施の形態において、そのソーダ石灰ケイ酸塩ガラスの組成は、酸化物基準で、７３．５質量％のＳｉＯ２、１．７質量％のＡｌ２Ｏ３、１２．２８質量％のＮａ２Ｏ、０．２４質量％のＫ２Ｏ、４．５質量％のＭｇＯ、７．４５質量％のＣａＯ、０．０１７質量％のＺｒＯ２、０．０３２質量％のＴｉＯ２、０．００２質量％のＳｎＯ２、０．０１４質量％のＳｒＯ、０．０９３質量％のＦｅ２Ｏ３、０．００１質量％のＨｆＯ２、０．０２８質量％のＣｌ酸化物、および０．２０３質量％のＳＯ３である。
【００６２】
特定の実施の形態において、前記基板に適したアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成は、アルミナ、少なくとも１種類のアルカリ金属、およびいくつかの実施の形態において、５０モル％超のＳｉＯ２、他の実施の形態において、少なくとも５８モル％のＳｉＯ２、さらに他の実施の形態において、少なくとも６０モル％のＳｉＯ２を含み、ここで、比（（Ａｌ２Ｏ３＋Ｂ２Ｏ３）／Σ改質剤）＞１であり、この比において、成分はモル％で表され、改質剤はアルカリ金属酸化物である。このガラス組成は、特定の実施の形態において、５８〜７２モル％のＳｉＯ２、９〜１７モル％のＡｌ２Ｏ３、２〜１２モル％のＢ２Ｏ３、８〜１６モル％のＮａ２Ｏ、および０〜４モル％のＫ２Ｏを含み、ここで、比（（Ａｌ２Ｏ３＋Ｂ２Ｏ３）／Σ改質剤）＞１である。
【００６３】
さらに別の実施の形態において、前記基板は、６４〜６８モル％のＳｉＯ２、１２〜１６モル％のＮａ２Ｏ、８〜１２モル％のＡｌ２Ｏ３、０〜３モル％のＢ２Ｏ３、２〜５モル％のＫ２Ｏ、４〜６モル％のＭｇＯ、および０〜５モル％のＣａＯを含み、ここで、６６モル％≦（ＳｉＯ２＋Ｂ２Ｏ３＋ＣａＯ）≦６９モル％、（Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ＋Ｂ２Ｏ３＋ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ）＞１０モル％、５モル％＜（ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ）≦８モル％、（Ｎａ２Ｏ＋Ｂ２Ｏ３）＜Ａｌ２Ｏ３＜２モル％、２モル％＜ＮａＯ＜Ａｌ２Ｏ３＜６モル％、および４モル％＜（Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）＜Ａｌ２Ｏ３≦１０モル％であるアルカリアルミノケイ酸塩ガラス組成物を含むことがある。
【００６４】
代わりの実施の形態において、前記基板は、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスから作られることがある。ある実施の形態において、そのアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、２モル％以上のＡｌ２Ｏ３および／またはＺｒＯ２または４モル％以上のＡｌ２Ｏ３および／またはＺｒＯ２を含む組成を有する。
【００６５】
別の実施の形態において、前記基板は、リチウム含有アルカリアルミノケイ酸塩ガラスから作られることがある。ある実施の形態において、そのリチウム含有アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、モル％で表して、約６０％から約７５％の範囲の量のＳｉＯ２、約１２％から約２０％の範囲の量のＡｌ２Ｏ３、約０％から約５％の範囲の量のＢ２Ｏ３、約２％から約８％の範囲の量のＬｉ２Ｏ、約４％超の量のＮａ２Ｏ、約０％から約５％の範囲の量のＭｇＯ、約０％から約３％の範囲の量のＺｎＯ、約０％から約５％の範囲の量のＣａＯ、および非ゼロ量のＰ２Ｏ５を含む組成を有し、このガラス基板は、イオン交換可能であり、非晶質であり、この組成中のＡｌ２Ｏ３およびＮａ２Ｏの総量は、約１５モル％超である。
【００６６】
基礎組成を有するガラス基板の化学強化は、ガラス中に拡散する陽イオン（Ｋ＋、Ｎａ＋、Ａｇ＋など）を含有する溶融浴中にイオン交換可能なガラス基板を入れ、その間に、ガラスのより小さいアルカリイオン（Ｎａ＋、Ｌｉ＋）が溶融浴中に拡散することによって行われる。大きい陽イオンによる小さい陽イオンの置換により、ガラスの上面近くに圧縮応力が生じる。その表面近くの圧縮応力を釣り合わせるために、ガラスの内部に引張応力が生じる。均一な厚さのガラスの平らな小片について、応力（σ（ｚ））は、式（Ｉ）：
【００６７】
【数１】
2020536837.tif 000003
【００６８】
にしたがう濃度プロファイルから計算することができ、式中、Ｃ（ｚ）は、ｚでの大きい陽イオンの濃度であり、Ｃａｖｇは物品中の大きいイオンの平均濃度であり、ｈはガラスの厚さであり、Ｂは網目構造膨張係数であり、Ｅはヤング率であり、νはポアソン比であり、ｚは、物品の表面での値が０およびｈである、厚さ方向の座標である。大きい方のイオンの濃度は、典型的に、表面で最大であり、厚さの中間で最小である。Ｃ（ｚ）＞Ｃａｖｇである、表面近くでは、応力は圧縮である、Ｃ（ｚ）＝Ｃａｖｇのときに、応力はゼロになり、この深さが圧縮深さ（ＤＯＣ）と称される。Ｃ（ｚ）＜Ｃａｖｇである、それより深い深さでは、応力は、引張であり、一般に、物品の厚さの中間で最大値に到達する。引張応力のこの最大値は、最大中央張力と称される。
【００６９】
ガラス系基板は、第１の期間に亘り、アルカリ金属イオンを含む第１の浴に暴露され、その後、第２の期間に亘り、アルカリ金属イオンを含む第２の浴に暴露されることがある。詳細な実施の形態において、そのガラス系基板はリチウム含有アルミノケイ酸塩であり、浴は、カリウムとナトリウムのイオンを含む。
【００７０】
耐引掻性および落下性能をより良くするためには、より高い圧縮応力（ＣＳ）が望ましい。より大きいＤＯＣも、落下性能を改善し、したがって、同様に好ましい。しかしながら、より高いＣＳおよびＤＯＣは、より高いＣＴをもたらし、このことは、亀裂の伝搬にとって望ましくなく、もし高すぎると、サンプルの壊れやすさがもたらされ得る。
【００７１】
図６は、スケーリングされた拡散距離、Ｓｑｒｔ（４Ｄｔ）／ｈの関数としての、３つのパラメータ：圧縮応力（ＣＳ）、最大中央張力（ＣＴ）、および圧縮深さ（ＤＯＣ）のグラフであり、ＤＯＣは、全厚ｈの割合として表され、Ｄは拡散率であり、ｔは時間である。１段階の３イオン拡散交換に関する傾向があり、第１の交換対（Ｌｉ−Ｎａ）は、放物線応力プロファイルを与え、第２の交換対（Ｎａ−Ｋ）はスパイクを与える。異なる厚さのガラス物品に関する曲線は、このように表された場合、重複する。曲線の正確な形状は、拡散率の濃度依存性、交換されるイオン対（例えば、Ｎａ＋に代えてＫ＋、Ｌｉ＋に代えてＮａ＋など）、および異なる浴組成および／または温度で行われるＩＯＸ工程の数に依存する。例えば、既にイオン交換されたガラス物品に浅い深さの高勾配の高いＣＳスパイクを加えると、一般に、ＤＯＣが減少する。他方で、図６のＣＳおよびＣＴ曲線のスケールは、項ＢＥΔＣ／（１−ν）により決まり、ここで、ΔＣは、大きい陽イオンの表面濃度と基礎基板組成の濃度との間の差である。Ｂは、網目構造膨張係数であり、イオン交換対に依存し、Ｅは、ヤング率であり、各ガラス組成について固定されている。ΔＣは、ＩＯＸ浴の組成と温度を変えることによって、調節できる。図６は、以下の傾向を示す。
【００７２】
ＤＯＣとＣＴの両方とも、最初に、項ｓｑｒｔ（４Ｄｔ）／ｈと共に増加し、最大値に到達し、次いで、さらなるイオン交換の際に減少する。１段階の２イオン交換の場合（図示せず）、ＤＯＣ対ｓｑｒｔ（４Ｄｔ）／ｈは、安定値（約０．２２）に到達するであろう。ピークを越えるＤＯＣの減少（図６）は、スパイクの効果による。圧縮応力は、ｓｑｒｔ（４Ｄｔ）／ｈと共に単調に減少する。
【００７３】
ＤＯＣに関して、最初に、益々イオンがガラス中に拡散するにつれて、Ｃ（ｚ）＝Ｃａｖｇである位置は、中心へとさらに向けられる。すなわち、ＤＯＣは、ＩＯＸ時間と共に増加する。図６に示されるように、１つのイオン対（例えば、Ｌｉ−Ｎａ）が応力プロファイルの深いまたは放物線部分を生じ、別の対（例えば、Ｎａ−Ｋ）がスパイクを生じる、３イオンのＩＯＸについて、ＤＯＣは、最初に、平坦域に到達し、次に、減少し始める。無限ＩＯＸ時間について、濃度はどこでも均一であろうことに留意のこと。ＤＯＣは、そのような状況下で、最終的に、１段階２イオン交換についてさえ、ゼロに到達するであろう。
【００７４】
ＣＴについて、最初に、ＩＯＸ時間が増加すると、厚さの中間での濃度Ｃ（ｚ＝ｈ／２）を増加させずに、Ｃａｖｇを増加させる。この期間中、ＣＴは、式Ｉにしたがって増加する。しかしながら、イオンが中心に到達し始めるにつれて、Ｃａｖｇの増加速度は、Ｃ（ｚ＝ｈ／２）の増加速度に上回られる。この地点から前方には、ＣＴは減少し始める。このように、ＤＯＣおよびＣＴは、同様の傾向（最初に増加し、次いで、ＩＯＸ時間と共に減少する）を示すが、ＤＯＣとＣＴのピークは、異なるＩＯＸ時間で到達する。
【００７５】
ＣＳに関して、ＩＯＸ時間の増加により、ガラス中の平均濃度は着実に増加し、表面濃度はほとんど対応して変化しない。したがって、表面ＣＳは、ＩＯＸ時間の増加により徐々に減少する。
【００７６】
図７は、０．０７５、０．１５、０．２５、および０．４０のｓｑｒｔ（４Ｄｔ）／ｈ値に関する、表面からの正規化位置に対するスケーリングされた濃度のグラフである。一点鎖線は、対応するｓｑｒｔ（４Ｄｔ）／ｈ値の曲線に関する平均濃度（スケーリングされた）値を示す。点線は、ｓｑｒｔ（４Ｄｔ）／ｈ＝０．２５および０．４０に関する放物線当て嵌め曲線を示す。一点鎖線と実線曲線の交差点は、ＤＯＣを表す。ＤＯＣは、ＩＯＸ時間と共に増加する。
【００７７】
図８は、図７の値に対応するｓｑｒｔ（４Ｄｔ）／ｈ値に関する、表面からの正規化位置に対する応力のグラフである。ｓｑｒｔ（４Ｄｔ）／ｈ＝０．２５、０．４０に関する放物線当て嵌め曲線も示されている。ｓｑｒｔ（４Ｄｔ）／ｈ＜０．２５について、表面からのイオンは、ガラスの中心に到達していない。この地点までは、濃度および応力プロファイルは、短い拡散時間に関する拡散のフィックの法則の解から得られる１つの誤差関数（ｅｒｆｃ）プロファイルに似ている。ｓｑｒｔ（４Ｄｔ）／ｈ＜０．２５について、フィックの法則の解は、多数のｅｒｆｃ項の追加を含み、結果として得られるプロファイルは、放物型方程式ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃにより近似できる。
【００７８】
図７〜８のグラフは、一対の交換種（Ｌｉ＋に代えてＮａ＋、Ｎａ＋に代えてＫ＋など）だけの１段階イオン交換過程を表す。しかしながら、これらの概念は、多数の対および／または多段階のイオン交換過程にも同様に適用できる。典型的なケースは、イオン交換の深い部分を説明する一対のイオン交換（例えば、Ｌｉ＋に代えてＮａ＋）または１段階、および急な表面スパイクを説明する別の対（Ｎａ＋に代えてＫ＋）のものであろう。
【００７９】
不均一な厚さのガラス物品（例えば、図１〜４）がイオン交換されると、全表面は、同じ温度で実質的に同じ表面濃度に暴露される。それゆえ、パラメータＣＳ、ＤＯＣ、およびＣＴの値は、同じ曲線から決定できる。ｓｑｒｔ（４Ｄｔ）／ｈの値が、ガラスの薄い区域について高いので、その薄い区域に関するＣＳ、ＣＴ、およびＤＯＣ値は、図６の曲線の右にシフトされる（厚い区域に対して）。例えば、０．６ｍｍの第１の厚さおよび０．３ｍｍの第２の厚さを選ぶと、薄い０．３ｍｍ区域のｓｑｒｔ（４Ｄｔ）／ｈ値は、厚い０．６ｍｍ区域の値の２倍である。この例において、物品の大部分は０．６ｍｍ厚であるので、ＤＯＣが曲線のピークにあるまたはそれに近いことが望ましい。ピークＣＴは、ピークＤＯＣの左側に位置しているので（図６）、ＣＴは、曲線の低下している側に近いか、またはすでにその側にある。したがって、０．３ｍｍ厚の領域について、ＣＴ値は、ピークよりもずっと低くなる。同じケースがＤＯＣに当てはまり、このことは望ましくない。しかしながら、より薄い領域が、より厚い領域のほんのわずかであるこのような物品について、壊れやすさの限界よりＣＴを低くすることが、わずかに減少したＤＯＣよりも重要である。
【００８０】
薄い区域の領域が、全領域のかなりの割合である設計について、特定のガラス組成について、より短いＩＯＸ時間にシフトすることによって、ＣＴを壊れやすさの限界より低く維持しつつ、ＤＯＣが増加させられることがある。これにより、より厚い区域のＤＯＣおよび／またはＣＴが減少するであろう。
【００８１】
厚い区域のＤＯＣは、０．１５ｈ超であることがあり、好ましくは０．１８ｈ超である。図６の例について、このことは、０．１８＜ｓｑｒｔ（４Ｄｔ／ｈ１）＜０．６７、好ましくは、０．２５＜ｓｑｒｔ（４Ｄｔ／ｈ１）＜０．５１とすることによって、達成でき、式中、ｈ１は、厚い区域の厚さであり、Ｄは拡散率である。薄い区域のＤＯＣは、０．０７５ｈ２超であることがあり、好ましくは０．１ｈ２より大きく、ここで、ｈ２は薄い区域の厚さである。図６の例について、これは、０．０７＜ｓｑｒｔ（４Ｄｔ／ｈ２）＜０．８５とすることによって、達成できる。別の実施の形態において、最も薄い区域のＤＯＣは、１０マイクロメートル超であり、好ましくは、２０マイクロメートル超である。
【００８２】
特定のＩＯＣ浴組成および温度について、ＩＯＸ時間は、ガラス中に拡散するより大きいイオン（ＫまたはＮａ）の拡散率および物品の最大厚と最小厚に基づいて計算することができる。最も厚い区域のＤＯＣにより最小ＩＯＸ時間が決定され、最も薄い区域のＤＯＣにより、最大ＩＯＸ時間が決定される、例えば、０．０１５６ｈ１／Ｄ＜ｔ＜０．１８ｈ２／Ｄ。
【００８３】
最も厚い区域と最も薄い区域の表面ＣＳは、４５０ＭＰａ超、好ましくは６５０ＭＰａ超であることがある。ＣＳは、イオン交換浴の濃度および温度を変えることによって、調節できる。
【００８４】
薄い区域の最大ＣＴ値は、壊れやすさの限界より低い。
【００８５】
物品は、約２〜３０マイクロメートルまたは約５〜２０マイクロメートルの深さに亘り延在する表面近くの圧縮応力プロファイルの高勾配（＞１０ＭＰａ／μｍ）を有することがある。４５０ＭＰａ超、好ましくは６５０ＭＰａ超のピーク圧縮応力が、この表面に存在することがある。この領域は、スパイクと称されることがある。
【００８６】
圧縮応力プロファイルの深い低勾配（＜２ＭＰａ／μｍ）領域は、約２０〜３０μｍの深さから物品の中心まで延在することがある。この領域は、放物型（応力＝ａｚ２＋ｂｚ＋ｃ）または近放物型形状により特徴付けられる。この領域の実際のプロファイルは、濃度依存拡散性などの、様々な要因のために、いくぶん逸脱するであろう。
【００８７】
不均一な厚さを有する基板を形成するために、様々な過程を使用してよい。厚さが第１の区域の所望の厚さである、実質的に均一な厚さの基板を得ることができる。厚さがより薄い第２の区域は、第１の区域の一部を除去することによって、厚さがより厚い第１の区域に形成することができる。その除去は、機械加工などの機械的処理、またはエッチングなどの化学的処理、または機械的処理と化学的処理の組合せにより、行うことができる。不均一な厚さを有する基板は、中に薄い区域が設計された成形型を使用することによって、形成されることがある。いくつかの実施の形態において、その成形型は、厚さが異なる区域を有する所望の基板プロファイルを製造するように選択されることがある。いくつかの実施の形態において、成形された基板は、次に、異なる厚さの区域を形成するために、機械加工、エッチング、またはその組合せなどのさらに別の加工が施されることがある。
【００８８】
次に、不均一な厚さの基板をイオン交換して、強化されたガラス系物品を形成する。そのイオン交換条件は、薄い区域が壊れやすくないことを確実にするために、薄い区域の中央張力（ＣＴ）を維持しつつ、厚い区域の所望の圧縮深さ（ＤＯＣ）を含む応力プロファイルを達成するように選択される。不均一な厚さの基板のイオン交換の際に、基礎組成および１種類以上のイオン交換された金属を含む、厚さの異なる区域を有するガラス系物品が形成される。
【００８９】
壊れやすい挙動は、強化済みガラス物品（例えば、プレートまたはシート）の多数の小片（例えば、１ｍｍ以下）への破壊；ガラス物品の単位面積当たりに形成された破片の数；ガラス物品における初期亀裂から枝分れした多数の亀裂；少なくとも１つの破片のその元の位置からの規定の距離（例えば、約５ｃｍ、または約２インチ）への激しい放出；並びに先の破壊（サイズおよび密度）、亀裂、および放出挙動のいずれかの組合せの内の少なくとも１つによって特徴付けられることがある。ここに用いられているように、「壊れやすい挙動」および「壊れやすさ」という用語は、コーティング、接着剤層などの、どのような外部的制約もない強化済みガラス物品の激しいまたはエネルギー的破砕の様式を称する。コーティング、接着剤層などを、ここに記載された強化済みガラス物品と共に使用してもよいが、そのような外部的制約は、ガラス物品の壊れやすさまたは壊れやすい挙動を決定する上では使用されない。
【００９０】
いくつかの実施の形態において、第１の区域における第１の圧縮深さ（ＤＯＣ１）は、０．１５・ｔ１以上の深さに位置する。ＤＯＣ１は、０．１５・ｔ１から０．２３・ｔ１の範囲、およびそれらの間の全ての値と部分的範囲にあることがある。
【００９１】
いくつかの実施の形態において、第２の区域における第２の圧縮深さ（ＤＯＣ２）は、０．０７５・ｔ２以上の深さに位置する。ＤＯＣ２は、０．０７５・ｔ２から０．１５・ｔ２の範囲、およびそれらの間の全ての値と部分的範囲にあることがある。
【００９２】
いくつかの実施の形態において、前記ガラス系物品は、４５０ＭＰａ以上の第１の区域の表面圧縮応力（ＣＳ１）、および４５０ＭＰａ以上の第２の区域の表面圧縮応力（ＣＳ２）を有することがある。ＣＳ１およびＣＳ２は、独立して、４５０ＭＰａから１．２ＧＰａ、７００ＭＰａから９５０ＭＰａ、または約８００ＭＰａ、およびそれらの間の全ての値と部分的範囲にあることがある。
【００９３】
いくつかの実施の形態において、第１の区域の応力プロファイルは、第１の区域表面以下から、約２から約３０マイクロメートルの範囲の屈曲部まで延在する圧縮応力領域をさらに含み、その第１の区域表面と屈曲部との間の圧縮応力領域の全ての点が、１０ＭＰａ／マイクロメートル以上の値を有する正接を含む。その正接値は、約１０から約５００ＭＰａ／マイクロメートルの範囲、およびそれらの間の全ての値と部分的範囲にあることがある。
【００９４】
いくつかの実施の形態において、第１の区域の応力プロファイルは、屈曲部から物品の中心まで延在する内部応力領域の全ての点が、約０と約５ＭＰａ／マイクロメートルの間、およびそれらの間の全ての値と部分的範囲にある値を有する正接を含むように減少する、屈曲部から延在する内部応力領域をさらに含む。
【実施例】
【００９５】
様々な実施の形態が、以下の実施例によりさらに明白になるであろう。実施例において、実施例は、強化前に、「基板」と称される。実施例は、強化が施された後に、「物品」または「ガラス系物品」と称される。
【００９６】
以下の実施例を設計し、有限要素モデル化に基づく、二次元（２Ｄ）平面歪みイオン交換（ＩＯＸ）モデルを使用して、応力プロファイルを生成した。
【００９７】
実施例１
イオン交換によって、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス基板から形成されたガラス系物品をモデル化した。その基板は、６３．６０モル％のＳｉＯ２、１５．６７モル％のＡｌ２Ｏ３、１０．８１モル％のＮａ２Ｏ、６．２４モル％のＬｉ２Ｏ、１．１６モル％のＺｎＯ、０．０４モル％のＳｎＯ２、および２．４８モル％のＰ２Ｏ５の基礎組成を有した。ＩＯＸは、２段階を含んだ。工程１は、１時間５０分に亘り３８０℃の浴温度の浴中で行われ、その浴は、３８質量％のＮａおよび６２質量％のＫを含有した。工程２は、３３分間に亘り３８０℃の温度の浴中で行われ、その浴は、９質量％のＮａおよび９１質量％のＫを含有した。したがって、イオン交換されたイオンは、ＫおよびＮａを含んだ。その物品は、０．６ミリメートルの厚さを有する第１の区域および０．３ミリメートルの厚さを有する第２の区域を有した。
【００９８】
比較例Ａ
イオン交換によって、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス基板から形成されたガラス系物品をモデル化した。その基板は、ここに引用される、米国特許第９１５６７２４号明細書にしたがって製造した。その基板は、５７．４３モル％のＳｉＯ２、１６．１０モル％のＡｌ２Ｏ３、１７．０５モル％、２．８１モル％のＭｇＯ、０．００３モル％のＴｉＯ２、６．５４モル％のＰ２Ｏ５、および０．０７モル％のＳｎＯ２の基礎組成を有した。シミュレーションしたＩＯＸは、２段階を含んだ。工程１は、８時間３０分に亘り４５０℃の浴温度の浴中で行われ、その浴は、５１質量％のＮａおよび４９質量％のＫを含有した。工程２は、１４分間に亘り３９０℃の温度の浴中で行われ、その浴は、０．５質量％のＮａおよび９９．５質量％のＫを含有した。したがって、イオン交換されたイオンは、ＫおよびＮａを含んだ。その物品は、０．６ミリメートルの厚さを有する第１の区域および０．３ミリメートルの厚さを有する第２の区域を有した。
【００９９】
実施例２
実施例１および比較例Ａの各区域（厚いおよび薄い）に関する応力プロファイルが、２Ｄ平面歪みモデルにしたがって、図９〜１１に与えられている。物品の表面からの絶対位置（マイクロメートル）に対するＭＰａで表された応力が図９に与えられており、正規化位置（ｚ／ｈ）に対する応力が、図１０および１１に与えられている。図１１は、物品の中心点（０．５ｈ）までの図１０の拡大版である。表１には、各例の各区域に関する、圧縮応力（ＣＳ）、最大中央張力（ＣＴｍａｘ）、および圧縮深さ（ＤＯＣ）が纏められている。試料の各区域の屈曲部深さは、屈曲部での圧縮応力（ＣＳｋ）と共に特定される。表面圧縮応力領域における勾配は、表面を通り屈曲部までの最良適合線により決定されることがある。内部応力領域における勾配は、屈曲部から中心までの最良適合線により決定されることがある。
【０１００】
【表１】
2020536837.tif 000004
【０１０１】
実施例１に関して、厚い区域のＣＴは−６３Ｍｐａであり、薄い区域のＣＴは−４０ＭＰａであった。それゆえ、ＣＴは、同じＩＯＸ処理について、厚い区域に対して薄い区域で減少している。対照的に、比較例Ａについては、厚い区域のＣＴは−４９ＭＰａであり、薄い区域のＣＴは−９３ＭＰａであり、それゆえ、ＣＴは、同じＩＯＸ処理について、厚い区域に対して薄い区域で増加している。比較例Ａの薄い区域は、その最大ＣＴに基づいて壊れやすい。比較例Ａの薄い区域を壊れにくくするには、薄い区域の最大ＣＴを減少させるために、ＩＯＸの程度を減少させる必要があるであろう。そのため、この厚い区域のＤＯＣが小さくなるという望ましくない結果がもたらされる。
【０１０２】
先は、様々な実施の形態に関するが、本開示の他とさらに別の実施の形態は、その基本的な範囲から逸脱せずに、考案されるであろう。その範囲は、以下の特許請求の範囲により決定される。
【０１０３】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【０１０４】
実施形態１
ガラス系物品において、
第１の厚さ（ｔ１）および第１の区域表面を有する第１の区域、
ｔ１より小さい第２の厚さ（ｔ２）および第２の区域表面を有する第２の区域、
前記第１の区域の第１の応力プロファイルであって、
第１の圧縮応力領域と、
第１の最大中央張力（ＣＴ１）を有する第１の中央張力領域と、
を含む第１の区域の第１の応力プロファイル、
前記第２の区域の第２の応力プロファイルであって、
第２の圧縮応力領域と、
第２の最大中央張力（ＣＴ２）を有する第２の中央張力領域と、
を含む第２の区域の第２の応力プロファイル、および
前記第１の区域表面からｔ１の少なくとも一部分中に前記第１の区域内で変動する第１の非ゼロ濃度と、前記第２の区域表面からｔ２の少なくとも一部分中に前記第２の区域内で変動する第２の非ゼロ濃度とを有するアルカリ金属酸化物、
を含み、
ＣＴ２はＣＴ１より小さい、ガラス系物品。
【０１０５】
実施形態２
ソーダ石灰ケイ酸塩、アルカリアルミノケイ酸塩、アルカリ含有ホウケイ酸塩、アルカリ含有アルミノホウケイ酸塩、またはアルカリ含有リンケイ酸塩を含む、実施形態１に記載のガラス系物品。
【０１０６】
実施形態３
リチウム含有アルミノケイ酸塩を含む、実施形態２に記載のガラス系物品。
【０１０７】
実施形態４
前記第２の区域が前記ガラス系物品の全エッジからずれている、実施形態１から３のいずれか１つに記載のガラス系物品。
【０１０８】
実施形態５
ｔ２が少なくとも１００マイクロメートルだけｔ１より小さい、実施形態１から４のいずれか１つに記載のガラス系物品。
【０１０９】
実施形態６
ｔ２が０．０５・ｔ１から０．９６・ｔ１の範囲にある、実施形態１から５のいずれか１つに記載のガラス系物品。
【０１１０】
実施形態７
ｔ１が０．３ｍｍから２．５ｍｍの範囲にあり、ｔ２が０．０２５ｍｍから２．４ｍｍの範囲にある、実施形態１から６のいずれか１つに記載のガラス系物品。
【０１１１】
実施形態８
前記第１の応力プロファイルが、０．１５・ｔ１以上の深さに位置する第１の圧縮深さ（ＤＯＣ１）をさらに含む、実施形態１から７のいずれか１つに記載のガラス系物品。
【０１１２】
実施形態９
ＤＯＣ１が０．１５・ｔ１から０．２３・ｔ１の範囲にある、実施形態８に記載のガラス系物品。
【０１１３】
実施形態１０
前記第２の応力プロファイルが、０．０７５・ｔ２以上の深さに位置する第２の圧縮深さ（ＤＯＣ２）をさらに含む、実施形態１から９のいずれか１つに記載のガラス系物品。
【０１１４】
実施形態１１
ＤＯＣ２が０．０７５・ｔ２から０．１５・ｔ２の範囲にある、実施形態１０のに記載ガラス系物品。
【０１１５】
実施形態１２
前記第１の応力プロファイルが、４５０ＭＰａ以上の前記第１の圧縮応力領域内の第１の表面圧縮応力（ＣＳ１）をさらに含み、前記第２の応力プロファイルが、４５０ＭＰａ以上の前記第２の圧縮応力領域内の第２の表面圧縮応力（ＣＳ２）をさらに含む、実施形態１から１１のいずれか１つに記載のガラス系物品。
【０１１６】
実施形態１３
前記第１の応力プロファイルの一部が、前記第１の区域表面から屈曲部まで延在し、該屈曲部が、約２から約３０マイクロメートルの範囲の該第１の区域表面からの深さに位置しており、該第１の区域表面と該屈曲部との間に位置する該第１の応力プロファイルの全ての点が、１０ＭＰａ／マイクロメートル以上の値を有する正接を含む、実施形態１から１２のいずれか１つに記載のガラス系物品。
【０１１７】
実施形態１４
前記第１の応力プロファイルの一部が、前記屈曲部から第１の圧縮深さ（ＤＯＣ１）まで延在し、該屈曲部とＤＯＣ１との間に位置する該第１の応力プロファイルの全ての点が、約０と２ＭＰａ／マイクロメートルの間にある値を有する正接を含む、実施形態１３に記載のガラス系物品。
【０１１８】
実施形態１５
前記アルカリ金属酸化物が、リチウム、カリウム、およびナトリウムの１つ以上を含む、実施形態１から１４のいずれか１つに記載のガラス系物品。
【０１１９】
実施形態１６
銀、銅、亜鉛、チタン、ルビジウム、およびセシウムからなる群より選択される１種類以上の金属をさらに含む、実施形態１から１５のいずれか１つに記載のガラス系物品。
【０１２０】
実施形態１７
家庭用電気製品において、
前面、背面、および側面を有する筐体、
前記筐体内に少なくとも部分的に設けられた電気部品であって、少なくとも制御装置、メモリ、および該筐体の前面にまたはそれに隣接して設けられているディスプレイを含む電気部品、および
前記ディスプレイの上に配置されたカバープレート、
を備え、
前記筐体および前記カバープレートの少なくとも一方の一部は、実施形態１から１６のいずれか１つに記載のガラス系物品から作られている、家庭用電気製品。
【０１２１】
実施形態１８
ガラス系物品を製造する方法において、
ガラス系基板の、第１の厚さ（ｔ１）および第１の区域表面を有する第１の区域と、第２の厚さ（ｔ２）および第２の区域表面を有する第２の区域を、アルカリ金属イオンを含む浴に暴露して、該ガラス系基板をイオン交換し、前記第１の区域表面からｔ１の少なくとも一部分中に前記第１の区域内で変動する第１の非ゼロ濃度と、前記第２の区域表面からｔ２の少なくとも一部分中に前記第２の区域内で変動する第２の非ゼロ濃度とを有するアルカリ金属酸化物を含むガラス系物品を形成する工程、
を有してなり、
ｔ２はｔ１より小さく、前記ガラス系物品は、第１の最大中央張力（ＣＴ１）を有する第１の中央張力領域を含む前記第１の区域の第１の応力プロファイルおよび第２の最大中央張力（ＣＴ２）を有する第２の中央張力領域を含む前記第２の区域の第２の応力プロファイルを有し、ＣＴ２はＣＴ１より小さい、方法。
【０１２２】
実施形態１９
前記ガラス系基板が、第１の期間に亘りアルカリ金属イオンを含む第１の浴に暴露され、その後、第２の期間に亘りアルカリ金属イオンを含む第２の浴に暴露される、実施形態１８に記載の方法。
【０１２３】
実施形態２０
前記ガラス系基板がリチウム含有アルミノケイ酸塩であり、前記浴がカリウムおよびナトリウムのイオンを含む、実施形態１８に記載の方法。
【符号の説明】
【０１２４】
１００    ガラス系物品
１０２    第１の区域
１０４    第２の区域
１０５    主要部
１０６、１０８、１１０、１１２    エッジ
１１４    中線
１１６、１１８、１２０、１２２    側面
１２４    中心線
３００    消費者向け電子機器
３０２    筐体
３０４    前面
３０６    背面
３０８    側面
３１０    ディスプレイ
３１２    カバープレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ−４Ｂ】
2020536837.tif 000008
【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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