JP2012001382A - 光学ガラス - Google Patents

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Abstract

【課題】高屈折率かつ低分散の特性を有すると共によりプレス成形性に優れた光学ガラスを提供する。
【解決手段】本発明の光学ガラスは、SiO2 とB2 3 とAl2 3 とBaOとCaOとZnOとLa2 3 とGd2 3 とY2 3 とを所定の割合で含む。さらに、SiO2 の含有率をA、B2 3 の含有率をB、La2 3 ,Gd2 3 およびY2 3 の合計の含有率をC、SiO2 およびB2 3 の合計の含有率をDとしたとき、以下の条件式(1)および(2)を満足する。
0.35<A/B<0.70 ……(1)
0.80<C/D<1.0 ……(2)
これにより、高屈折率および低分散が確保されつつ、屈伏温度(およびガラス転移温度)が低下する。また、Al2 3 を含むことにより構造の安定化が図られ、プレス成形時における曇りなどの外観不良が生じにくくなっている。
【選択図】なし

Description

本発明は、比較的低い温度での高精度なプレス成形に適した光学ガラスに関する。
近年、CCD(Charge Coupled Device:電荷結合素子)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などの撮像素子により画像情報を取り込むデジタルカメラやカメラ付携帯電話が急速に普及しつつある。特に最近では、高画質を達成するために画素数の大きな撮像素子が開発され、それに伴い撮像レンズに対しても高い光学性能が求められてきている。その一方で、小型化の要求も強まっている。
このような要求に応えるため、上記の撮像レンズとしては、高精度な寸法を有する金型によりプレス成形されたガラスのモールドレンズが採用されることが多い。このようなプレス成形によれば、研磨による加工に比べ、非球面を有する光学レンズや微小な寸法の光学レンズを容易かつ効率的に作製することができる。
ところで、このようなプレス成形は、原料となる光学ガラスの屈伏温度以上の高温で行われるので、熱や応力などの物理的負荷を大きく受ける金型は高い耐久性が必要とされる。当然ながら、光学ガラスの屈伏温度が高くなるほど金型への物理的負荷も増大するので、金型の長寿命化のためには光学ガラスの屈伏温度をできるだけ低く抑える必要がある。
その一方で、撮像レンズの小型化や広角化を進めるにあたり、高屈折率かつ低分散を有する光学ガラスも強く求められている。
こうした背景から、高屈折率かつ低分散でありながら、比較的低い屈伏温度(およびガラス転移温度)を有する光学ガラスの開発がいくつかなされている(例えば、特許文献1〜3参照)。これら特許文献1〜3に開示された光学ガラスは、酸化ケイ素(SiO2 ),酸化硼素(B2 3 ),酸化ランタン(La2 3)を主成分とするものである。
特開2000−16831号公報 特開2000−119036号公報 特開2001−130924号公報
しかしながら、最近では、撮像レンズの小型化および高性能化が著しく、光学ガラスのさらなる高屈折率化、低分散化および加工容易性が求められている。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、より高い屈折率およびより低い分散値を有すると共に、ガラス製造工程での量産性に優れ、よりプレス成形性に優れた光学ガラスを提供することにある。
本発明の光学ガラスは、10重量%以上17重量%以下の含有率であるSiO2 と、23重量%以上30重量%以下の含有率であるB2 3 と、0.1重量%以上1重量%以下の含有率であるAl2 3 と、2重量%以上3.5重量%以下の含有率であるLi2 Oと、1重量%以上4重量%以下の含有率であるBaOと、10重量%以上20重量%以下の含有率であるCaOと、0.5重量%以上6重量%以下の含有率であるZnOと、22重量%以上30重量%以下の含有率であるLa2 3 と、0.5重量%以上7重量%以下の含有率であるGd2 3 と、5重量%以上11重量%以下の含有率であるY2 3 とを含み、かつ、以下の条件式(1)および(2)を満足するものである。
0.35<A/B<0.70 ……(1)
0.80<C/D<1.0 ……(2)
但し、AはSiO2 の含有率(重量%)であり、BはB2 3 の含有率(重量%)であり、CはLa2 3 ,Gd2 3 およびY2 3 の合計の含有率(重量%)であり、DはSiO2 およびB2 3 の合計の含有率(重量%)である。
本発明の光学ガラスでは、上記の各種成分を所定の組成比で含むようにしたので、高屈折率および低分散が確保される。そのうえ、液相温度L.Tが990℃以下に抑えられるため、ガラス製造工程において結晶化による失透が生じにくく、ガラス構造が安定して維持され、優れた量産性が得られる。さらに、プレス成形の際、ガラスの屈伏温度Ts以上のプレス成形温度領域で加熱されることで、ガラス表面に僅かな結晶ができることで生じる、いわゆる微失透に起因する曇りなどの不具合が生じにくい。ここで、プレス成形温度領域とは、ガラスの屈伏温度Tsから、それを50℃程度上回る温度に至るまでの温度領域をいう。
本発明の光学ガラスでは、上記の各種成分に加え、さらに、任意成分としてNa2O,K2O,SrO,ZrO2 ,Nb2 5 ,WO3 およびSb2 3のうちの少なくとも1種を含んでもよい。その場合、Na2Oの含有率は0重量%以上3重量%以下であり、K2Oの含有率は0重量%以上3重量%以下であり、SrOの含有率は0重量%以上5重量%以下であり、 ZrO2 の含有率は0重量%以上4重量%以下であり、Nb2 5 の含有率は0重量%以上3重量%以下であり、WO3 の含有率は0重量%以上3重量%以下であり、Sb2 3 の含有率は0重量%以上1重量%以下であるとよい。
本発明の光学ガラスによれば、SiO2、B2 3 およびLa2 3 を主成分としつつ、Al2 3 ,Li2 O,BaO,CaO,ZnO,Gd2 3 およびY2 3 を含むようにしたので、屈折率特性および分散特性の改善と共に、屈伏温度(およびガラス転移温度)の低減を図ることができる。例えばd線に対し、1.68〜1.70の範囲の高い屈折率と54を超えるアッベ数とを確保しつつ、ガラス転移温度を570℃未満に抑えることができる。このような光学ガラスであれば、比較的低い温度でのプレス成形が可能となるので、小型でありながら高い光学性能を有するモールドレンズの量産に好適である。さらに、Al2 3 を少量添加することにより、プレス成形時に微失透に起因する曇りなどの不具合が生じにくい。そのうえ、液相温度L.Tは990℃以下に抑えられるため、ガラス製造工程では、結晶化によって失透せずガラス構造が安定して維持され、量産性に優れている。また、本発明の光学ガラスは、従来使用されていた砒素(As)や鉛(Pb)、あるいはテルル(Te)などの環境有害物質を含んでいないので、環境保全の観点からも好ましいものである。
以下、本発明を実施するための形態(以下、単に実施の形態という。)について詳細に説明する。
本発明の光学ガラスは、例えばデジタルスチルカメラや銀塩カメラ、あるいは携帯電話用のモジュールカメラなどに搭載される撮像レンズに好適なものである。
この光学ガラスは、酸化珪素(SiO2 )と、酸化硼素(B2 3 )と、酸化アルミニウム(Al2 3 )と、酸化リチウム(Li2 O)と、酸化バリウム(BaO)と、酸化カルシウム(CaO)と、酸化亜鉛(ZnO)と、酸化ランタン(La2 3 )と、酸化ガドリニウム(Gd2 3 )と、酸化イットリウム(Y2 3 )とを構成成分として含み、かつ、以下の条件式(1)および(2)を満足するものである。但し、AはSiO2 の含有率(wt%)であり、BはB2 3 の含有率(wt%)であり、CはLa2 3 ,Gd2 3 およびY2 3 の合計の含有率(wt%)であり、DはSiO2 およびB2 3 の合計の含有率(wt%)である。
0.35<A/B<0.70 ……(1)
0.80<C/D<1.0 ……(2)
上記(段落[0016]記載)の各構成成分を含み、かつ、条件式(1)および(2)を満足することにより、ガラス転移温度Tgおよび屈伏温度Tsがより低く抑えられると共に、より高い屈折率と、より低い分散とが得られる。しかも、ガラス構造が安定して維持され、ガラス製造工程での失透やプレス成形時における曇りなどの製造上の不具合を生じにくい。条件式(1)において、A/Bが0.35以上0.70以下にすることにより、ガラス構造の骨格が最も安定し、液相温度L.T.を990℃以下に抑えることができる。また、条件式(2)において、C/Dが0.80以下となるとアッベ数が低下(分散が増大)し、C/Dが1.0以上となると屈折率が低下する傾向がみられる。
以下、本発明の光学ガラスを構成する各成分について、詳細に説明する。
SiO2 は、ガラス構造の骨格を形成する主成分である。SiO2 の含有率は、10wt%以上17wt%以下にするとよい。含有率を10wt%以上とすることにより、ガラス構造が安定化する。含有率を17wt%以下とすることにより、ガラスの溶解性が良好に保たれる。
2 3 も、ガラス構造の骨格を形成する主成分である。B2 3 の含有率は、23wt%以上30wt%以下にするとよい。23wt%以上とすることにより、ガラス構造が安定化し、30wt%以下とすることにより(例えばd線に対する屈折率ndが1.68〜1.70程度の)高屈折率を実現しやすくなるからである。
Al2 3 は、ガラス構造の安定性を向上させる成分である。Al2 3 は、ガラスの粘性を増すと共に結晶の成長を遅らせることで、プレス成形温度域で保持されたときに微失透に起因する曇りなどの不具合が生じにくくするように機能する。Al2 3 の含有率を全体の0.1wt%以上1wt%以下とすることにより、上記の機能を効果的に発揮することができる。含有率が1wt%を超えると、むしろ微失透に起因する曇りが生じやすくなる。
Li2 Oは、ガラス転移温度Tgを低下させる効果を主に発揮する成分である。但し、過剰に添加すると屈折率の低下および液相温度L.T.が上昇してしまうため、ガラス製造工程では結晶化によって失透しやすくなる。Li2 Oの含有率を2wt%以上3.5wt%以下とするとよい。
BaOは、高屈折率・低分散の光学定数を得ながら、ガラス構造を安定化させる効果を発揮する。さらに、原料をBa(NO32として添加することで、原料からの離脱ガスにより、ガラス製造時に脱泡効果も期待できる。しかしながら、多量に含有させると逆に液相温度L.T.が上昇してしまうため、ガラス製造工程では結晶化によって失透しやすくなる。よって、所望の光学特性を得るには、BaOの含有量を1wt%以上4wt%以下にするとよい。
CaOは、高屈折率・低分散の光学定数を得ながら、ガラス構造を安定化させる効果が極めて大きい。しかしながら、多量に含有させると逆に液相温度L.T.が上昇してしまうため、ガラス製造工程では結晶化によって失透しやすくなる。よって、CaOの含有量を10wt%以上20wt%以下にするとよい。
ZnOは、ガラスの溶解性を向上させる機能を発揮する。その含有率を0.5wt%以上とすることにより溶解性を向上させることができる。また、その含有率を6wt%以下にすることにより(例えばd線に対する屈折率ndが1.68〜1.70程度の)高屈折率を実現しやすくなる。よって、ZnOの含有率を、0.5wt%以上6wt%以下にするとよい。
La2 3 は、この光学ガラスの屈折率を高めると共に分散を小さくする(すなわち、アッベ数を大きくする)効果をもたらす成分である。その含有率を22wt%以上とすることにより、その効果が十分に発揮される。但し、過剰に添加するとガラス転移温度Tgを570℃以下とすることが難しくなるので、その含有率を全体の30wt%以下とすることが望ましい。よって、La2 3 の含有率を22wt%以上30wt%以下にするとよい。
Gd2 3 は、La2 3 と同様に屈折率を高めると共に分散を小さくする(すなわち、アッベ数を大きくする)効果をもたらす成分である。効果を得るためには、少なくとも0.5wt%以上含有する必要がある。しかしながら、7wt%を超えると液相温度L.T.が上昇してしまうため、ガラス製造工程では結晶化によって失透しやすくなる。よって、その含有量を0.5wt%以上7wt%以下にするとよい。
2 3 もまた、屈折率を高めると共に分散を小さくする(アッベ数を大きくする)成分である。Y2 3 の含有率を全体の5wt%以上とすることにより、その効果が十分に発揮される。但し、過剰に添加すると液相温度L.T.が上昇してしまうため、ガラス製造工程では結晶化によって失透しやすくなる。よって、Y2 3 の含有率を5wt%以上11wt%以下にするとよい。
この光学ガラスは、任意成分として、酸化ナトリウム(Na2O),酸化カリウム(K2O),酸化ストロンチウム(SrO),酸化ジルコニウム(ZrO2 ),酸化ニオブ(Nb2 5 ),酸化タングステン(WO3 ),および酸化アンチモン(Sb2 3 )のうちの少なくとも1種をさらに含むようにしてもよい。
Na2OおよびK2Oは、Li2 Oと同様、ガラス転移温度Tgを低下させる効果を主に発揮する成分であるので、任意成分として添加してもよい。光学定数の調整、Li2 Oとの置換を考えて、含有量を0wt%以上3wt%以下にするとよい。
SrOは、BaO、CaOと同様に、高屈折率・低分散の光学定数を得ながら、耐失透性を向上させる効果をもち、任意成分としてBaO、CaOと置換できる。所望の光学特性を得るには、含有量を0wt%以上5wt%以下にするとよい。
ZrO2 は、屈折率をさらに向上させる成分である。但し、過剰に添加すると耐失透性が悪くなるので、その含有率を0wt%以上4wt%以下にするとよい。
Nb2 5 は、高屈折率を得るための有効な成分である。Nb2 5 の含有率を全体の3wt%以下とすることで、良好な溶解性が得られやすい。
WO3 もまた、高屈折率を得るために有効な成分である。WO3 の含有率を全体の3wt%以下とすることで、良好な溶解性が得られやすい。
Sb2 3 は、脱泡作用および消色作用を有する成分である。Sb2 3 の含有率は、0wt%以上1wt%以下であるとよい。
この光学ガラスは、例えば次のように製造することができる。具体的には、まず、上記(段落[0016]記載)した各構成成分の原料粉末を所定の割合で混合して混合原料を得る。次に、この混合原料を1100℃〜1350℃程度に加熱された坩堝に所定量ずつ投入し、坩堝の温度を維持しながら順次溶融させる(溶融処理)。さらに、坩堝の温度を維持しつつ、溶融した混合原料を所定時間に亘って攪拌したのち(攪拌処理)、所定時間、静止状態を保持することで泡を除去する(清澄処理)。最後に、坩堝の温度を維持した状態で攪拌しながら坩堝から流出させ、予め所定温度に加熱された型に流し込み、徐冷することにより本実施の形態の光学ガラスを得る。
さらに、この光学ガラスを用いてレンズを形成する場合には、次のように行う。まず、上記の光学ガラスをプレス成形する光学素子の大きさや形状に応じて、所望の大きさや形状に加工し、プリフォームを形成する。次に、所望の形状に高精度に加工された金型によってプリフォームを挟み込み、プレス成形を行う。この際、プリフォームの屈伏温度近傍まで金型およびプリフォームの双方を昇温したのち加圧を行い、その加圧状態を維持しながらガラス転移温度以下まで降温する。プレス成形されたレンズを金型から取り出したのち、必要に応じてアニーリングを行うなど所定の工程を経ることによりレンズの製造が完了する。
このように、本実施の形態の光学ガラスによれば、上記した各成分を所定量ずつ含むようにしたので、高屈折率かつ低分散を確保しつつ、屈伏温度(およびガラス転移温度)の低下を図ることができる。具体的には、例えばd線に対する屈折率ndを1.68〜1.70、アッベ数νdを54超としつつ、ガラス転移温度Tgを570℃以下とすることができる。そのうえ、ガラスの屈伏温度Tsの近傍の温度でプレス成形を行った場合であっても、微失透に起因する曇りが生じにくい。また、液相温度L.Tは990℃以下に抑えられ、ガラス製造工程において、結晶化によって失透せず、優れた量産性が得られる。また、Sb2 3 を添加するようにすれば、実用上、支障となるような着色や、泡の混入を回避することができる。
したがって、このような光学ガラスを用いることで、良好な光学特性を有するモールドレンズを、より効率的に製造することができる。さらに、この光学ガラスのプレス成形に用いる金型に加わる熱的な負荷を低減することができるので、金型の長寿命化に有利となる。さらに、この光学ガラスはヒ素(As)、鉛(Pb)あるいはテルル(Te)などの環境有害物質を含まないので、環境保全の観点からも好ましいものである。
次に、本発明における光学ガラスの具体的な実施例について説明する。
表1および表2は、本発明の実施例としての光学ガラス(実施例1〜12)を構成する各成分およびその含有率(wt%)を示したものである。さらに、表1および表2には、実施例1〜12の光学ガラスにおける各種の特性値を表す。具体的には、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(℃),および屈伏温度Ts(℃),液相温度L.T,プレス成形時の曇りにくさをそれぞれ示す。
Figure 2012001382
Figure 2012001382
実施例1〜12の光学ガラスは、いずれも、SiO2 ,B2 3 ,Al2 3 ,Li2 O,BaO,CaO,ZnO,La2 3 ,Gd2 3 ,Y2 3 を、以下に示す所定の含有率で含んでいる。
SiO2 :10wt%以上17wt%以下
2 3 :23wt%以上30wt%以下
Al2 3 :0.1wt%以上1wt%以下
Li2 O:2wt%以上3.5wt%以下
BaO:1wt%以上4wt%以下
CaO:10wt%以上20wt%以下
ZnO:0.5wt%以上6wt%以下
La2 3 :22wt%以上30wt%以下
Gd2 3 :0.5wt%以上7wt%以下
2 3 :5wt%以上11wt%以下
さらに、実施例7〜12の光学ガラスは、Na2O,K2O,SrO,ZrO2 ,Nb2 5 およびWO3 のうちの少なくとも1種をそれぞれ含んでいる。各成分の含有率は、以下の通りである。
Na2O:1.5wt%
2O :1.5wt%
SrO:4wt%
ZrO2 :3wt%
Nb2 5 :2wt%
WO3 :2wt%
また、実施例1〜12の光学ガラスには、1wt%以下のSb2 3 が含まれている。
また、実施例1〜12では、いずれも、上記した条件式(1)および(2)の要件を満たしている。
表1および表2に示した各数値データから明らかなように、実施例1〜12では、1.68〜1.70の範囲の高い屈折率ndと、54を超える高いアッベ数νdとが確保され、かつ、570℃を下回るガラス転移温度Tgが得られた。さらに、プレス温度域で保持しても微失透による曇りを生じにくく、液相温度L.Tは990℃以下に抑えられ、ガラス製造工程において結晶化によって失透せず優れた量産性を有していることが確認された。
これらの結果から、本実施例の成分を有する光学ガラスは、屈折率nd、アッベ数νdおよびガラス転移温度Tgのバランスが非常に良好であるうえ、プレス成形を行ったときに微失透による曇りが生じにくい。なおかつ、ガラス製造工程での量産性に優れている。すなわち、本実施例の光学ガラスは、量産性に優れ、比較的低い温度において高精度なプレス成形が可能であるとともに、高い光学性能を有するレンズの材料として好適なものであることが確認できた。
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、光学ガラスの成分は、上記各実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

Claims (2)

  1. 10重量%以上17重量%以下の含有率である酸化珪素(SiO2 )と、
    23重量%以上30重量%以下の含有率である酸化硼素(B2 3 )と、
    0.1重量%以上1重量%以下の含有率である酸化アルミニウム(Al2 3 )と、
    2重量%以上3.5重量%以下の含有率である酸化リチウム(Li2 O)と、
    1重量%以上4重量%以下の含有率である酸化バリウム(BaO)と、
    10重量%以上20重量%以下の含有率である酸化カルシウム(CaO)と、
    0.5重量%以上6重量%以下の含有率である酸化亜鉛(ZnO)と、
    22重量%以上30重量%以下の含有率である酸化ランタン(La2 3 )と、
    0.5重量%以上7重量%以下の含有率である酸化ガドリニウム(Gd2 3 )と、
    5重量%以上11重量%以下の含有率である酸化イットリウム(Y2 3 )と
    を含み、かつ、
    以下の条件式(1)および(2)を満足することを特徴とする光学ガラス。
    0.35<A/B<0.70 ……(1)
    0.80<C/D<1.0 ……(2)
    但し、AはSiO2 の含有率(重量%)であり、BはB2 3 の含有率(重量%)であり、CはLa2 3 ,Gd2 3 およびY2 3 の合計の含有率(重量%)であり、DはSiO2 およびB2 3 の合計の含有率(重量%)である。
  2. さらに、酸化ナトリウム(Na2O),酸化カリウム(K2O),酸化ストロンチウム(SrO),酸化ジルコニウム(ZrO2 ),酸化ニオブ(Nb2 5 ),酸化タングステン(WO3 ),および酸化アンチモン(Sb2 3 )のうちの少なくとも1種を含み、
    Na2Oの含有率は0重量%以上3重量%以下であり、
    2Oの含有率は0重量%以上3重量%以下であり、
    SrOの含有率は0重量%以上5重量%以下であり、
    ZrO2 の含有率は0重量%以上4重量%以下であり、
    Nb2 5 の含有率は0重量%以上3重量%以下であり、
    WO3 の含有率は0重量%以上3重量%以下であり、
    Sb2 3 の含有率は0重量%以上1重量%以下である
    ことを特徴とする請求項1記載の光学ガラス。
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