JP2020007214A - リヒートプレス用ガラス材料、それを用いたリヒートプレス済ガラス材料、研磨済ガラス及びそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[1] Li成分、Na成分、K成分、Rb成分及びCs成分の少なくとも一種を含むガラス組成を有するガラスと、
前記ガラスを被覆する表面改質層とを含み、
前記表面改質層は、前記ガラスのガラス組成に対して、Na成分、K成分、Rb成分、Cs成分及びFr成分の少なくとも一種を多く含む組成を有する、リヒートプレス用ガラス材料。
[2] 前記表面改質層の厚さは100μm以下である、[1]に記載のリヒートプレス用ガラス材料。
[3] [1]又は[2]に記載のリヒートプレス用ガラス材料由来のリヒートプレス済ガラス材料。
[4] [3]に記載のリヒートプレス済ガラス材料由来の研磨済ガラス。
[5] Li成分、Na成分、K成分、Rb成分及びCs成分の少なくも一種を含むガラス原料を熔融し、その後冷却することによりガラスを製造する工程と、
前記ガラスをNa成分、K成分、Rb成分、Cs成分及びFr成分の少なくとも一種を含む溶融塩に浸漬させることにより、前記ガラスの表面に表面改質層を形成させる工程と、を含むリヒートプレス用ガラス材料の製造方法。
[6] [5]に記載の製造方法により得られたリヒートプレス用ガラス材料をリヒートプレスする工程と、
リヒートプレス後のリヒートプレス済ガラス材料を研削及び研磨する工程と、を含む研磨済ガラスの製造方法。
[7] アルカリ金属成分を少なくとも一種含むガラス組成を有するガラスと、
前記ガラスを被覆する表面改質層とを含み、
前記ガラスに含まれるアルカリ金属成分のうち、最もイオン半径の小さいアルカリ金属をアルカリ金属(X)とし、アルカリ金属(X)のイオン半径よりも大きなイオン半径を有するアルカリ金属をアルカリ金属(Y)とした場合、前記ガラス中のアルカリ金属(X)の含有率(X1)は、前記表面改質層中のアルカリ金属(X)の含有率(X2)よりも大きく、および/または前記ガラス中のアルカリ金属(Y)の含有率(Y1)は、前記表面改質層中のアルカリ金属(Y)の含有率(Y2)よりも小さい、リヒートプレス用ガラス材料。
[8] Li成分、Na成分、K成分、Rb成分及びCs成分の少なくとも一種を含むガラス組成を有するガラスと、
前記ガラスを被覆する表面改質層とを含み、
前記表面改質層は、前記ガラスのガラス組成に対して、Na成分、K成分、Rb成分、Cs成分及びFr成分の少なくとも一種を多く含む組成を有する、リヒートプレス済ガラス材料。
[9] アルカリ金属成分を少なくとも一種含むガラス組成を有するガラスと、
前記ガラスを被覆する表面改質層とを含み、
前記ガラスに含まれるアルカリ金属成分のうち、最もイオン半径の小さいアルカリ金属をアルカリ金属(X)とし、アルカリ金属(X)のイオン半径よりも大きなイオン半径を有するアルカリ金属をアルカリ金属(Y)とした場合、前記ガラス中のアルカリ金属(X)の含有率(X1)は、前記表面改質層中のアルカリ金属(X)の含有率(X2)よりも大きく、および/または前記ガラス中のアルカリ金属(Y)の含有率(Y1)は、前記表面改質層中のアルカリ金属(Y)の含有率(Y2)よりも小さい、リヒートプレス済ガラス材料。
以下、リヒートプレス用ガラス材料について説明する。尚、本明細書では特に断らない限り、ガラス組成を表示する際に使用する「%」は、「質量%」を意味する。また、本明細書において、数値範囲を特定するときに用いる「〜」は、上限及び下限のいずれもその範囲に含まれるものとする。例えば、ガラス構成成分の含有量として「10〜20%」と表示する場合は、10質量%以上であり、かつ20質量%以下であることを意味する。
また、ガラス構成成分の含有量(含有率)は、公知の方法、例えば、誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP−AES)、誘導結合プラズマ質量分析法(ICP−MS)等の方法で定量することができ、本発明において、ガラス構成成分の含有量が0%とは、この構成成分を実質的に含まないことを意味し、当該成分が不可避的不純物レベルで含まれることを許容するものである。
また、本明細書において、「アルカリ金属」とは、Li(リチウム)、Na(ナトリウム)、K(カリウム)、Rb(ルビジウム)、Cs(セシウム)、Fr(フランジウム)を言う。
また、本明細書において、ガラス中に含まれるアルカリ金属(X)の含有率をX1とし(母体ガラス全体に対するアルカリ金属(X)の割合)、ガラス中に含まれるアルカリ金属(Y)の含有率をY1とする(母体ガラス全体に対するアルカリ金属(Y)の割合)。
また、本明細書において、表面改質層に含まれるアルカリ金属(X)の含有率をX2とし(表面改質層全体に対するアルカリ金属(X)の割合)、表面改質層中に含まれるアルカリ金属(Y)の含有率をY2とする(表面改質層全体に対するアルカリ金属(Y)の割合)。
また、本明細書においてリヒートプレス用ガラス材料とは、その材料を用いてリヒートプレス工程を経ることにより、最終的な製品であるガラスを得るための材料である。
また、本発明のリヒートプレス用ガラス材料は、アルカリ金属成分を少なくとも一種含むガラス組成を有するガラスと、前記ガラスを被覆する表面改質層とを含み、前記ガラスに含まれるアルカリ金属成分のうち、最もイオン半径の小さいアルカリ金属をアルカリ金属(X)とし、アルカリ金属(X)のイオン半径よりも大きなイオン半径を有するアルカリ金属をアルカリ金属(Y)とした場合、前記ガラス中のアルカリ金属(X)の含有率(X1)は、前記表面改質層中のアルカリ金属(X)の含有率(X2)よりも大きく、および/または前記ガラス中のアルカリ金属(Y)の含有率(Y1)は、前記表面改質層中のアルカリ金属(Y)の含有率(Y2)よりも小さい、ものである。
すなわち、ガラスに含まれるアルカリ金属のうち、もっともイオン半径の小さいアルカリ金属をアルカリ金属(X)とし、アルカリ金属(X)のイオン半径よりも大きなイオン半径を有するアルカリ金属をアルカリ金属(Y)としたとき、ガラス中のアルカリ金属(X)の含有率(X1)は、表面改質層中のアルカリ金属(X)の含有率(X2)より大きく、および/またはガラス中のアルカリ金属(Y)の含有量(Y1)は、表面改質層中のアルカリ金属(Y)の含有量(Y2)よりも小さいことにより、安定性を高め、表面の結晶化を抑制することができる。
熱的安定性の高い表面改質層を有する光学ガラス材料は、光学ガラスを軟化させた際の表面結晶層の形成を抑制することができ、加熱により端部や角が軟化させ、プレスしやすい形状にすることができる。
また、ガラス中のアルカリ金属成分のうち、最もイオン半径が小さいアルカリ金属がNa成分の場合(すなわち、アルカリ金属(X)がNa成分の場合)は、Na成分がより少なく、K成分、Rb成分、Cs成分又はFr成分(アルカリ金属(Y))をより多く含む表面改質層を設けることができる。
また、ガラス中のアルカリ金属成分のうち、最もイオン半径が小さいアルカリ金属がK成分の場合(すなわち、アルカリ金属(X)がK成分の場合)は、K成分がより少なく、Rb成分、Cs成分又はFr成分をより多く含む表面改質層を設けることができる。
アルカリ金属(X)が、Rb成分、Cs成分の場合も、上記と同様の考え方に基づく表面改質層を設けることができる。
表面改質層の厚さの下限については特に限定されないが、0.01μm以上であれば好ましく、0.10μm以上であればさらに好ましく、0.50μm以上であれば一層好ましく、1.00μm以上であればさらに一層好ましい。0.01μm以上であれば、リヒートプレス用ガラス材料の表面部分の安定性が高まり、加熱により軟化しやすくなる。
本発明のリヒートプレス用ガラス材料は、研磨済ガラス、特にガラス製の光学素子、例えば光学レンズを製造するための材料として好適である。リヒートプレス用ガラス材料から、研磨済ガラスを製造するためには、まずリヒートプレス用ガラス材料をリヒートプレスすることにより、リヒートプレス済ガラス材料を製造する。次に、リヒートプレス済ガラス材料を研削及び研磨等をすることにより、研磨済ガラスを製造する。本発明のリヒートプレス用ガラス材料を用いた製造は、リヒートプレスによりガラス内部に結晶層が混入しくいため、高品質で歩留まりが高く、加熱によって形成される結晶層をより薄くできるため、研削及び研磨により取り除かれるガラス量を低減することができる。
(浸漬工程)
リヒートプレス用ガラス材料の製造方法について説明する。リヒートプレス用ガラス材料は、板状又は棒状等のガラス材料を、所定の大きさになるように切断したもの(本明細書では、「カットピース」と称する場合もある)、又は熔融状態のガラスから直接得られるゴブなどをアルカリ金属(Y)の溶融塩(例えば、Na成分、K成分、Rb成分、Cs成分及びFr成分の少なくとも一種の成分を含む溶融塩)に浸漬させることで製造することができる。
次にガラスの成形について、説明する。本発明のリヒートプレス用ガラス材料は、リヒートプレスに好適である。
リヒートプレスについては、図面を用いて説明する。図1は、表面改質層を有さない材料をリヒートプレスしたときの概念図である。
リヒートプレス後、リヒートプレス済ガラス材料を、研削及び研磨することにより、最終製品の研磨済ガラスを製造することができる。得られた研磨済ガラスは光学レンズとして好適なものである。研削及び研磨は、従来から行われている方法により実施することができる。
なお、研削及び研磨に用いられる材料は、従来のものを使用することができる。
以下、実施例により本発明をさらに説明する。なお、本発明は実施例に限定されるものではない。なお、本実施例では、リヒートプレス用ガラス材料として、リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料を製造し、光学ガラスレンズを成形した。
まず、下記の組成を有するように、ガラス原料(含有割合は質量%)を調合し、1450℃で熔融し、金型にキャスト後、500℃でアニールすることにより、板状の光学ガラスを得た。
SiO2 23.69%
P2O5 1.08%
Li2O 5.23%
Na2O 4.98%
K2O 3.41%
ZrO2 7.53%
Nb2O5 49.133%
TiO2 4.97%
Sb2O3 0%
熱的特性として、Tg(ガラス転移点)は、566℃、nd(屈折率)は1.86、νd(アッベ数)は25.2、液相温度は1140℃であった。
(実施例1)
カットピース全体を、460℃に加熱した70mlの100モル%NaNO3溶融塩に浸漬させ、120分間浸漬させ、リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料1を得た。
浸漬時間を240分に変更した以外は、実施例1と同様にカットピースを浸漬させ、リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料2を得た。
浸漬時間を360分に変更した以外は、実施例1と同様にカットピースを浸漬させ、リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料3を得た。
100モル%硝酸ナトリウム(NaNO3)溶融塩を、50モル%硝酸ナトリウム(NaNO3)−50モル%硝酸カリウム(KNO3)溶融塩に変更した以外は、実施例1と同様にカットピースを浸漬させ、リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料4を得た。
浸漬時間を240分に変更した以外は、実施例4と同様にカットピースを浸漬させ、リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料5を得た。
浸漬時間を360分に変更した以外は、実施例4と同様にカットピースを浸漬させ、リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料6を得た。
100モル%NaNO3溶融塩を、100モル%硝酸カリウム(KNO3)溶融塩に変更した以外は、実施例1と同様にカットピースを浸漬させ、リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料7を得た。
浸漬時間を240分に変更した以外は、実施例7と同様にカットピースを浸漬させ、リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料8を得た。
浸漬時間を360分に変更した以外は、実施例7と同様にカットピースを浸漬させ、リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料9を得た。
リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料1〜9を、アニール炉内、795℃で5分間保持し、取り出して、加熱後のリヒートプレス用光学ガラスレンズ1〜9の高さを測定し、加熱前の高さ(7.5mm)からの減少量(Δt)を算出した。また、加熱後のリヒートプレス用光学ガラスレンズ1〜9はすべて表面が白くなっており、表面結晶層に覆われていることを確認した。また、同様に、浸漬していないカットピース(比較用リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料)を同様にリヒート実験し、カットピースの厚さを測定した。浸漬していないカットピースも表面結晶層に覆われていることを確認した。リヒート実験後のリヒートプレス用光学ガラスレンズ材料1〜9、及び比較用リヒートプレス用光学ガラスレンズの材料の写真を図3、図4、図5に示す。
加熱後のリヒートプレス用光学ガラスレンズ材料3を切断し、表面結晶層の厚さを写真撮影等により測定したところ65μmであった。同様に、比較用リヒートプレス用光学ガラスレンズを切断し、表面結晶層の厚さを写真撮影等により測定したところ、173μmであった。
リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料(リヒートプレス前)の表面改質層の成分の測定には、二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry、略称:SIMS)や走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope、略称:SEM)とエネルギー分散型X線分光法(Energy Dispersive X−ray Spectroscopy、略称:EDX)による分析機能を兼ね備えたSEMEDX(SEM−EDX)などを使用することができる。SIMS装置としては、例えば、ダイナミックSIMSやTOF−SIMSを用いることができる。SEMEDX(SEM−EDX)装置としては、例えば、日立ハイテクノロジーズ製のSEM(S−3400N)とEDX(HITACHI S3400N)からなる装置を用いることができる。
リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料3(リヒートプレス前)について、このような装置を用いて、表面改質層の成分を測定した。結果を図6に示す。表面から所定の距離はNa成分が多いことがわかった。また、表記しないが、表面付近はガラス内部よりLi成分が少ないことがわかった。
次に、表1に示す組成(含有割合は質量%)を有するガラスが得られるように、ガラス原料を調合し、加熱、熔融し、金型にキャスト後、アニールすることにより、板状の光学ガラスA〜Fを得た。光学ガラスA〜Eの熔融温度は1300〜1450℃、光学ガラスFの熔融温度は1050〜1150℃とした。また光学ガラスA〜Fのアニール温度は各ガラスのガラス転移点より50℃低い温度とした。
また、実施例4〜6と同様、硝酸ナトリウムと硝酸カリウムの混合溶融塩を使用し、光学ガラスA〜Fからなるカットピースを前記混合溶融塩に浸漬させ、リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料を得た。
さらに、実施例7〜9と同様、100モル%硝酸カリウム(KNO3)溶融塩を使用し、光学ガラスA〜Fからなるカットピースを、前記硝酸カリウム(KNO3)溶融塩に浸漬させ、リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料を得た。
このようにして溶融塩に浸漬した各リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料(カットピース)をアニール炉内に入れて加熱処理した後、取り出し、観察したところ、リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料1〜9と同様、すべてのカットピースの表面が白くなっており、表面結晶層に覆われていた。
加熱後の各リヒートプレス用光学ガラスレンズ材料を切断し、表面結晶層の厚さを写真撮影等により測定したところすべて100μm以下であった。
上記リヒートプレス成形した後のリヒートプレス済ガラス材料の表面について、リヒートプレス用ガラス材料の表面分析と同様の方法により表面分析を行うことによって、リヒートプレス用ガラス材料と同様の表面改質層が存在することを確認した。
次いで、上記レンズブランクを研削及び研磨し、各種光学レンズを作製した。レンズブランクにはガラス材料の端部や角の表面結晶層のガラス内部への侵入がないため、研削及び研磨する量を低減することができた。
なお、上記リヒートプレス成形、研削、研磨は公知の方法を適用することができる。
以上、光学レンズの作製について説明したが、本発明は、光学レンズ以外にもプリズムなどガラス製の各種光学素子の製造、光学素子以外のガラス物品の製造にも適用することができる。
11,21 ガラス
11a,21a 結晶層
11b 侵入結晶層
12,22 上型
13,23 下型
Claims (9)
- Li成分、Na成分、K成分、Rb成分及びCs成分の少なくとも一種を含むガラス組成を有するガラスと、
前記ガラスを被覆する表面改質層とを含み、
前記表面改質層は、前記ガラスのガラス組成に対して、Na成分、K成分、Rb成分、Cs成分及びFr成分の少なくとも一種を多く含む組成を有する、リヒートプレス用ガラス材料。 - 前記表面改質層の厚さは100μm以下である、請求項1に記載のリヒートプレス用ガラス材料。
- 請求項1又は2に記載のリヒートプレス用ガラス材料由来のリヒートプレス済ガラス材料。
- 請求項3に記載のリヒートプレス済ガラス材料由来の研磨済ガラス。
- Li成分、Na成分、K成分、Rb成分及びCs成分の少なくも一種を含むガラス原料を熔融し、その後冷却することによりガラスを製造する工程と、
前記ガラスをNa成分、K成分、Rb成分、Cs成分及びFr成分の少なくとも一種を含む溶融塩に浸漬させることにより、前記ガラスの表面に表面改質層を形成させる工程と、を含むリヒートプレス用ガラス材料の製造方法。 - 請求項5に記載の製造方法により得られたリヒートプレス用ガラス材料をリヒートプレスする工程と、
リヒートプレス後のリヒートプレス済ガラス材料を研削及び研磨する工程と、を含む研磨済ガラスの製造方法。 - アルカリ金属成分を少なくとも一種含むガラス組成を有するガラスと、
前記ガラスを被覆する表面改質層とを含み、
前記ガラスに含まれるアルカリ金属成分のうち、最もイオン半径の小さいアルカリ金属をアルカリ金属(X)とし、アルカリ金属(X)のイオン半径よりも大きなイオン半径を有するアルカリ金属をアルカリ金属(Y)とした場合、前記ガラス中のアルカリ金属(X)の含有率(X1)は、前記表面改質層中のアルカリ金属(X)の含有率(X2)よりも大きく、および/または前記ガラス中のアルカリ金属(Y)の含有率(Y1)は、前記表面改質層中のアルカリ金属(Y)の含有率(Y2)よりも小さい、リヒートプレス用ガラス材料。 - Li成分、Na成分、K成分、Rb成分及びCs成分の少なくとも一種を含むガラス組成を有するガラスと、
前記ガラスを被覆する表面改質層とを含み、
前記表面改質層は、前記ガラスのガラス組成に対して、Na成分、K成分、Rb成分、Cs成分及びFr成分の少なくとも一種を多く含む組成を有する、リヒートプレス済ガラス材料。 - アルカリ金属成分を少なくとも一種含むガラス組成を有するガラスと、
前記ガラスを被覆する表面改質層とを含み、
前記ガラスに含まれるアルカリ金属成分のうち、最もイオン半径の小さいアルカリ金属をアルカリ金属(X)とし、アルカリ金属(X)のイオン半径よりも大きなイオン半径を有するアルカリ金属をアルカリ金属(Y)とした場合、前記ガラス中のアルカリ金属(X)の含有率(X1)は、前記表面改質層中のアルカリ金属(X)の含有率(X2)よりも大きく、および/または前記ガラス中のアルカリ金属(Y)の含有率(Y1)は、前記表面改質層中のアルカリ金属(Y)の含有率(Y2)よりも小さい、リヒートプレス済ガラス材料。
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