JP2007145615A - 光学ガラス及び光学素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】鉛や砒素などの化合物を実質的に含有せず、所定の光学恒数を有し、Tg及びTLが低く、耐失透性に優れた、プレス成形に適した光学ガラスを提供する。
【解決手段】重量%で、SiO2:10〜38%、Al2O3:0〜20%(ただし、ゼロを含む)、B2O3:15〜40%、Li2O:4〜14%、Na2O:0〜5%(ただし、ゼロを含む)、K2O:0〜5%(ただし、ゼロを含む)、ただし、Li2O+Na2O+K2O:4〜20%、MgO:0〜10%(ただし、ゼロを含む)、CaO:0〜10%(ただし、ゼロを含む)、BaO:0〜10%(ただし、ゼロを含む)、SrO:0〜10%(ただし、ゼロを含む)、ZnO:15〜39%、ただし、MgO+CaO+BaO+SrO+ZnO:15〜39%の各ガラス成分を有する構成とする。
【選択図】なし
【解決手段】重量%で、SiO2:10〜38%、Al2O3:0〜20%(ただし、ゼロを含む)、B2O3:15〜40%、Li2O:4〜14%、Na2O:0〜5%(ただし、ゼロを含む)、K2O:0〜5%(ただし、ゼロを含む)、ただし、Li2O+Na2O+K2O:4〜20%、MgO:0〜10%(ただし、ゼロを含む)、CaO:0〜10%(ただし、ゼロを含む)、BaO:0〜10%(ただし、ゼロを含む)、SrO:0〜10%(ただし、ゼロを含む)、ZnO:15〜39%、ただし、MgO+CaO+BaO+SrO+ZnO:15〜39%の各ガラス成分を有する構成とする。
【選択図】なし
Description
本発明は光学ガラス及びこの光学ガラスからなる光学素子に関し、より詳細にはプレス成形に適した光学ガラス及びこの光学ガラスからなる光学素子に関するものである。
ガラス光学素子の製造法としては、屈伏温度(At)以上に加熱したガラスを、加熱した一対の上型・下型からなる成形金型を用いてプレスすることにより成形を行ういわゆるプレス成形法が、従来のガラスを研磨する成形法に比べて製造工程が少なく、その結果短時間且つ安価に製造することができることから、近年、ガラスレンズなどの光学素子の製造方法として広く使用されている。
このプレス成形法は再加熱方式とダイレクトプレス方式とに大別できる。再加熱方式は、ほぼ最終製品形状を有するゴブプリフォームあるいは研磨プリフォームを作成した後、これらのプリフォームを軟化点以上に再び加熱し、加熱した上下一対の金型によりプレス成形して最終製品形状とする方式である。一方、ダイレクトプレス方式は、加熱した金型上にガラス溶融炉から溶融ガラス滴を直接滴下し、プレス成形することにより最終品形状とする方式である。これらいずれの方式のプレス成形法でもガラスを成形する場合に、プレス金型をガラス転移温度(以下「Tg」と記すことがある)近傍またはそれ以上の温度に加熱する必要がある。このため、ガラスのTgが高いほどプレス金型の表面酸化や金属組成の変化が生じやすく、金型寿命が短くなるため、生産コストの上昇を招く。窒素などの不活性ガス雰囲気下で成形を行うことにより金型劣化を抑制することもできるが、雰囲気制御をするためには成形装置が複雑化し、また不活性ガスのランニングコストも必要となるため生産コストが上昇する。したがって、プレス成形法に用いるガラスとしてはTgのできるだけ低いものが望ましい。また、耐失透性を向上させる観点からは液相温度(以下「TL」と記すことがある)についてもTgと同様に低い方が望ましい。
ところが、Tgを低くするために従来から用いられてきた鉛化合物について人体への悪影響が近年懸念され始めた。このため鉛化合物を使用しないことが市場の強い要請となってきた。そこで鉛化合物を用いずにガラスのTgおよびTLを低くする技術が種々検討され提案されている(例えば特許文献1〜3)。
特開平03−5341号公報(特許請求の範囲)
特開平6−107425号公報(特許請求の範囲)
特開2003−176151号公報(特許請求の範囲)
しかしながら、特許文献1〜3の光学ガラスでは、Tgが満足できるほどには低くないため金型寿命が短くなる問題があり、またTLが未だ高く耐失透性に問題がある。
本発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、鉛や砒素などの化合物を実質的に含有せず、Tg及びTLが低く、耐失透性に優れ、プレス成形に適した光学ガラスを提供することにある。
また本発明の他の目的は、所定の光学恒数を有し、鉛や砒素などの化合物を実質的に含有せず、生産性の高い光学素子を提供することにある。
本発明者は前記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、SiO2−B2O3系のガラス組成において、Li2Oなどのアルカリ成分を所定以上含有させることによりTgを低くでき、ZnOを比較的多量に含有させることにより、所定の光学恒数を維持しながらプレス成形に適した粘性が得られることを見出し本発明をなすに至った。
すなわち、本発明のプレス成形用光学ガラスは、重量%で、SiO2:10〜38%、Al2O3:0〜20%(ただし、ゼロを含む)、B2O3:15〜40%、Li2O:4〜14%、Na2O:0〜5%(ただし、ゼロを含む)、K2O:0〜5%(ただし、ゼロを含む)、ただし、Li2O+Na2O+K2O:4〜20%、MgO:0〜10%(ただし、ゼロを含む)、CaO:0〜10%(ただし、ゼロを含む)、BaO:0〜10%(ただし、ゼロを含む)、SrO:0〜10%(ただし、ゼロを含む)、ZnO:15〜39%、ただし、MgO+CaO+BaO+SrO+ZnO:15〜39%の各ガラス成分を有することを特徴とする。なお、以下「%」は特に断りのない限り「重量%」を意味するものとする。
ここで、ガラスの安定性向上や光学恒数の調整などの観点から、重量%で、Y2O3:0〜5%、La2O3:0〜5%、Gd2O3:0〜5%、TiO2:0〜5%、ZrO2:0〜5%、Nb2O5:0〜5%、Ta2O5:0〜5%、WO3:0〜10%、Sb2O3:0〜2%、Bi2O3:0〜5%、のガラス成分の1種または2種以上をさらに含有させてもよい。
また溶融生産性及び成形性などの観点から、屈折率(nd)を1.55〜1.62の範囲、アッベ数(νd)を54〜60の範囲、ガラス転移温度(Tg)を500℃以下とするのが好ましい。
また、耐失透性や成形性などの観点から、液相温度(TL)を1,000℃以下とし、液相温度における粘度を0.5ポアズ以上とするのが好ましい。
本発明によれば、前記光学ガラスからなる光学素子が提供される。このような光学素子としてはレンズやプリズム、ミラーなどが好ましい。
本発明の光学ガラスでは、所定のガラス成分を特定量含有させることにより、人体への悪影響が懸念される鉛や砒素などの化合物を用いることなく、中屈折率・低分散の光学恒数が得られる。またTgが低くプレス成形性に優れ、さらにはTLが低く耐失透性にも優れる。
また本発明の光学素子は、前記光学ガラスをプレス成形することにより作製するので、前記光学ガラスの特性を有し、また生産効率が高く低コスト化が図れる。
本発明の光学ガラスの各成分を前記のように限定した理由について以下説明する。まず、SiO2はガラス骨格を構成する成分(ガラスフォーマー)であり、その含有量が10%未満であるとガラスの耐久性が悪化する。他方、SiO2の含有量が38%を超えると耐失透性が悪化する。また屈折率の高いガラスが得られ難くなる。そこでSiO2の含有量を10〜38%の範囲と定めた。より好ましいSiO2の含有量は10〜36%の範囲である。
Al2O3は粘性を向上させる効果を有するが、その含有量が20%を超えるとガラスの耐失透性が悪化するとともに溶融性が悪化する。そこでAl2O3の含有量は0〜20%の範囲と定めた。
B2O3はSiO2と同様にガラス骨格を構成する成分であり、B2O3の含有量が15%未満であるとガラスが失透しやすくなる。他方、含有量が40%を超えると屈折率が低下し所望の光学恒数が得られなくなる。そこでB2O3の含有量を15〜40%の範囲と定めた。より好ましい含有量は15〜39%の範囲である。
Li2OはTgを低くする効果が非常に大きい。Li2Oの含有量が4%未満であると前記効果が十分には得られない。他方、Li2Oの含有量が14%を超えると屈折率の高いガラスを得ることが困難になるとともにガラスの耐久性が低下する。そこでLi2Oの含有量を4〜14%の範囲と定めた。より好ましい含有量は4〜13%の範囲である。
またNa2OとK2OはTgを低下させる成分として有用であるが、それぞれ5%を超えて含有させると耐失透性が顕著に悪化する。そこでNa2OとK2Oの含有量をそれぞれ0〜5%(ゼロを含む)の範囲とした。
そして、R2O(R=Li,Na,K)成分の総量が4%未満であると、Tgを低下させる効果が不十分となる。他方、R2O成分の総量が20%を超えると、屈折率の高いガラスを得ることが困難になるとともにガラスの耐久性が悪化する。そこでR2Oの総量を4〜20%の範囲と定めた。より好ましいR2Oの総量は4〜18%の範囲である。
MgOはガラスの軽量化と屈折率の向上、さらに分散を低くする効果を奏するが、10%を超えて含有させるとガラスが不安定となって耐失透性が悪化する。そこでMgOの含有量を0〜10%(ただし、ゼロを含む)の範囲とした。
CaOは、ガラスの軽量化と、屈折率の向上、ガラスの耐久性の向上という効果を奏するが、10%を超えて含有させるとガラスが不安定となり耐失透性が悪化する。そこでCaOの含有量を0〜10%(ただし、ゼロを含む)の範囲と定めた。
BaOは屈折率を調整すると共にガラスの安定性を向上させる効果を奏するが、含有量が10%を超えると耐失透性が悪化する。そこでBaOの含有量を0〜10%(ただしゼロを含む)の範囲とした。
SrOはTLを低下させる共にガラスの安定性を向上させる効果を奏するが、含有量が10%を超えると耐失透性が悪化する。そこでSrOの含有量を0〜10%(ただし、ゼロを含む)の範囲とした。
ZnOは屈折率を高めると共に分散を維持し、TLを低下させる効果を奏する。またTgを低下させ、粘性を確保する効果を奏し、本発明の光学ガラスにおいて重要な成分である。ZnOの含有量が15%より少ないと屈折率が低下し所望の光学恒数が得られなくなる。一方、含有量が39%を超えると耐失透性が悪化する。そこでZnOの含有量を15〜39%の範囲と定めた。より好ましいZnOの含有量は15〜38%の範囲である。
そして、R’O(R’=Mg,Ca,Ba,Sr,Zn)成分の総量が15%より少ないと、屈折率が低下し所望の光学恒数が得られなくなる。一方、R’O成分の総量が39%を超えると耐失透性が悪化する。そこでR’Oの総量を15〜39%の範囲と定めた。より好ましいR’Oの総量は15〜38%の範囲である。
また、本発明の光学ガラスでは、Y2O3、La2O3、Gd2O3、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5、WO3、Sb2O3、Bi2O3のガラス成分の1種または2種以上を必要によりさらに特定量含有させてもよい。これら成分に限定した理由をそれぞれ以下に説明する。
Y2O3はガラスの屈折率を高める効果を奏するが、含有量が5%を超えると、ガラスの耐失透性が悪化しTLが高くなる。そこで、Y2O3の含有量を0〜5%の範囲とした。
La2O3はガラスの屈折率を高めると共に分散を維持する効果を奏するが、その含有量が5%を超えると、分相が強くなりTLが高くなる。そこでLa2O3の含有量を0〜5%の範囲とした。
Gd2O3はガラスの屈折率を高め、耐候性を向上させ、TLを低下させる効果を奏するが、その含有量が5%を超えると、ガラスの耐失透性が悪化する。そこでGd2O3の含有量を0〜5%の範囲とした。
TiO2は屈折率を高める効果を奏するが、含有量が5%を超えると、ガラスの耐失透性が悪化しTLが高くなる。そこで、TiO2の含有量を0〜5%の範囲とした。
ZrO2は屈折率を高め、ガラスの耐候性を高める効果を奏するが、含有量が5%を超えると、ガラスの耐失透性が悪化しTLが高くなる。そこで、ZrO2の含有量を0〜5%の範囲とした。
Nb2O5はガラスの屈折率を高め、ガラスの溶融性を向上させる効果を奏するが、含有量が5%を超えると所定の分散を維持できなくなる。そこで、Nb2O5の含有量を0〜5%の範囲とした。
Ta2O5はガラスの屈折率を高め、ガラスの耐候性を向上させる効果を奏するが、含有量が5%を超えると、ガラスの耐失透性が悪化しTLが高くなる。そこで、Ta2O5の含有量を0〜5%の範囲とした。
WO3はガラスの屈折率を高め、TLを低くする効果を奏するが、含有量が10%を超えると、ガラスの着色度が悪化する。そこで、WO3の含有量を0〜10%の範囲とした。
Bi2O3は、ガラスの屈折率を高める効果を奏するが、含有量が5%を超えるとガラスの着色度が悪化する。そこで、Bi2O3の含有量を0〜5%の範囲とした。
Sb2O3は、少量添加されることにより清澄作用を向上させる効果を奏する。そこで、Sb2O3の含有量を0〜2%の範囲とした。
また、本発明の光学ガラスでは必要により、CuO、GeO2などの従来公知のガラス成分及び添加剤を本発明の効果を害しない範囲で添加してももちろん構わない。
本発明の光学素子は前記光学ガラスをプレス成形することによって作製される。このプレス成形法としては、溶融したガラスをノズルから、所定温度に加熱された金型へ滴下しプレス成形するダイレクトプレス成形法、及びプリフォーム材を金型に載置してガラス軟化点以上に加熱してプレス成形する再加熱成形法が挙げられる。このような方法によれば研磨、研削工程が不要となり、生産性が向上し、また自由曲面や非球面といった加工困難な形状の光学素子を得ることができる。
成形条件としては、ガラス成分や成形品の形状などにより異なるが一般に、金型温度は350〜600℃の範囲が好ましく、中でもガラス転移温度に近い温度域が好ましい。プレス時間は数秒〜数十秒の範囲が好ましい。またプレス圧力はレンズの形状や大きさにより2×107N/m2〜6×107N/m2の範囲が好ましく、高圧力でプレスするほど高精度の成形ができる。
本発明の光学素子は、例えばデジタルカメラのレンズやレーザービームプリンタなどのコリメータレンズ、プリズム、ミラーなどとして用いることができる。
以下に本発明を実施例により更に具体的に説明する。なお、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。
実施例1〜10、比較例1〜3
酸化物原料、炭酸塩、硝酸塩など一般的なガラス原料を用いて、表1に示す目標組成となるように、ガラスの原料を調合し、粉末で十分に混合して調合原料とした。これを1,000〜1,300℃に加熱された溶融炉に投入し、溶融・清澄後、撹拌均質化して予め加熱された鉄製又はカーボン製の鋳型に鋳込み、徐冷して各サンプルを製造した。これら各サンプルについてのd線に対する屈折率(nd)およびアッベ数(νd)、ガラス転移温度(Tg)、線熱膨張係数(α)、液相温度(TL)、液相温度における粘度を測定した。測定結果を表1に合わせて示す。
酸化物原料、炭酸塩、硝酸塩など一般的なガラス原料を用いて、表1に示す目標組成となるように、ガラスの原料を調合し、粉末で十分に混合して調合原料とした。これを1,000〜1,300℃に加熱された溶融炉に投入し、溶融・清澄後、撹拌均質化して予め加熱された鉄製又はカーボン製の鋳型に鋳込み、徐冷して各サンプルを製造した。これら各サンプルについてのd線に対する屈折率(nd)およびアッベ数(νd)、ガラス転移温度(Tg)、線熱膨張係数(α)、液相温度(TL)、液相温度における粘度を測定した。測定結果を表1に合わせて示す。
なお、比較例1は前述の特許文献1(特開平3−5341号公報)の実施例1、比較例2は特許文献2(特開平6−107425号公報)の実施例1、比較例3は特許文献3(特開2003−176151号公報)の実施例11をそれぞれ追試したものである。
上記の物性測定は日本光学硝子工業会規格(JOGIS)の試験方法に準じて行った。具体的には次のようにして測定した。
イ)屈折率(nd)とアッベ数(νd)
前記のように、溶融し鋳型に流し込んだガラスを室温まで−30℃/時間で徐冷してサンプルとし、これをカルニュー光学工業社製「KPR-200」を用いて行った。
ロ)ガラス転移温度(Tg)と線熱膨張係数(α)
セイコーインスツルメンツ社製の熱機械的分析装置「TMA/SS6000」を用いて毎分10℃の昇温条件で行った。
ハ)液相温度(TL)
溶融炉を用いて、1,200℃で融液にしたガラスを−100℃/時間で所定の温度まで降温させ所定温度で12時間保持した後、ガラスを鋳型に流し込み室温まで冷却し、ガラス内部に失透(結晶)が確認されない温度とした。ガラス内部はオリンパス社製の光学顕微鏡「BX50」の倍率100倍を用いて観察した。
ニ)粘性
アドバンテスト社製の高温粘度測定装置「TVB−20H型粘度計」を用いて測定した。
イ)屈折率(nd)とアッベ数(νd)
前記のように、溶融し鋳型に流し込んだガラスを室温まで−30℃/時間で徐冷してサンプルとし、これをカルニュー光学工業社製「KPR-200」を用いて行った。
ロ)ガラス転移温度(Tg)と線熱膨張係数(α)
セイコーインスツルメンツ社製の熱機械的分析装置「TMA/SS6000」を用いて毎分10℃の昇温条件で行った。
ハ)液相温度(TL)
溶融炉を用いて、1,200℃で融液にしたガラスを−100℃/時間で所定の温度まで降温させ所定温度で12時間保持した後、ガラスを鋳型に流し込み室温まで冷却し、ガラス内部に失透(結晶)が確認されない温度とした。ガラス内部はオリンパス社製の光学顕微鏡「BX50」の倍率100倍を用いて観察した。
ニ)粘性
アドバンテスト社製の高温粘度測定装置「TVB−20H型粘度計」を用いて測定した。
表1から明らかなように、実施例1〜10の光学ガラスでは、屈折率が1.558〜1.616、アッベ数が54.4〜58.8と中屈折率・低分散の光学恒数を有し、しかもTgが492℃以下とプレス成形に適しているものであった。またTLが950℃以下で、TLにおける粘度が1.0ポアズ以上と、耐失透性および成形性に優れたものであった。
これに対してSiO2が40.0%と多く、またZnOを含有しない比較例1の光学ガラスは、アッベ数が61.0と大きく、またTgが545℃、TLが1050℃といずれも高かった。SiO2が55.0%と多く、B2O3が10.0%と少なく、さらにZnOを含有しない比較例2の光学ガラスは、Tgが525℃と高くプレス成形に適さないものであった。また、液相温度TLが1030℃と高く耐失透性に劣るものであった。SiO2が41.0%と多く、ZnOが4.0%と少ない比較例3の光学ガラスも、Tgが596℃以上と高くプレス成形に適さないものであった。また液相温度TLが1080℃と高く耐失透性に劣るものであった。
Claims (5)
- 重量%で、
SiO2:10〜38%、
Al2O3:0〜20%(ただし、ゼロを含む)、
B2O3:15〜40%、
Li2O:4〜14%、
Na2O:0〜5%(ただし、ゼロを含む)、
K2O:0〜5%(ただし、ゼロを含む)、
ただし、Li2O+Na2O+K2O:4〜20%、
MgO:0〜10%(ただし、ゼロを含む)、
CaO:0〜10%(ただし、ゼロを含む)、
BaO:0〜10%(ただし、ゼロを含む)、
SrO:0〜10%(ただし、ゼロを含む)、
ZnO:15〜39%、
ただし、MgO+CaO+BaO+SrO+ZnO:15〜39%、
の各ガラス成分を有することを特徴とするプレス成形用光学ガラス。 - 重量%で、
Y2O3:0〜5%、
La2O3:0〜5%、
Gd2O3:0〜5%、
TiO2:0〜5%、
ZrO2:0〜5%、
Nb2O5:0〜5%、
Ta2O5:0〜5%、
WO3:0〜10%、
Sb2O3:0〜2%、
Bi2O3:0〜5%、
のガラス成分の1種または2種以上をさらに含有する請求項1記載のプレス成形用光学ガラス。 - 屈折率(nd)が1.55〜1.62の範囲、アッベ数(νd)が54〜60の範囲、ガラス転移温度(Tg)が500℃以下である請求項1又は2記載のプレス成形用光学ガラス。
- 液相温度(TL)が1,000℃以下で、液相温度における粘度が0.5ポアズ以上である請求項1〜3のいずれかに記載のプレス成形用光学ガラス。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のプレス成形用光学ガラスからなることを特徴とする光学素子。
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