JP2021046354A - ガラス材の製造方法及びガラス材 - Google Patents

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【課題】高屈折率かつ低分散、或いは高分散の光学特性を有し、かつ粒径の大きいガラス材を作製することが可能な方法を提供する。【解決手段】屈折率nd及びアッベ数νdが下記式(1)及び(2)の関係を満たし、粒径が1.2mmより大きいガラス材を製造するための方法であって、成形型の成形面に開口するガス噴出孔からガスを噴出させることにより、ガラス原料を成形面上で浮遊させて保持した状態で、ガラス原料を加熱融解させて溶融ガラスを得た後に、溶融ガラスを冷却することを特徴とする。nd≧−0.00861νd+2.26 ・・・(1)15≦νd≦98 ・・・(2)【選択図】図1

Description

本発明は、カメラ、顕微鏡及び内視鏡等に用いられるガラス材の製造方法に関する。
近年、カメラ、顕微鏡及び内視鏡等に用いられる光学系の小型化や軽量化に伴い、使用される光学レンズ用ガラスの光学特性として、より高屈折率、低分散(高アッベ数)、或いはより高屈折率、高分散(低アッベ数)が求められている。
ガラスをより高屈折率、低分散或いは高分散にするためには、ガラスネットワーク成分であるSiOの含有量を少なくし、La、Gd、Ta等の希土類酸化物を多量に含有させる必要がある(例えば特許文献1参照)。
米国特許第6558316号公報
光学ガラスをレンズ等の光学素子として実用化するためには、粒径をある程度大きくする(大径化)必要がある。しかしながら、高屈折率で、低分散或いは高分散のガラスを大径化すると、溶融時または成形時に結晶が発生しやすく、ガラス化することが困難である。
以上に鑑み、本発明は、高屈折率かつ低分散、或いは高分散の光学特性を有し、かつ粒径の大きいガラス材を作製することが可能な方法を提供することを目的とする。
本発明のガラス材の製造方法は、屈折率nd及びアッベ数νdが下記式(1)及び(2)の関係を満たし、粒径が1.2mmより大きいガラス材を製造するための方法であって、成形型の成形面に開口するガス噴出孔からガスを噴出させることにより、ガラス原料を成形面上で浮遊させて保持した状態で、ガラス原料を加熱融解させて溶融ガラスを得た後に、溶融ガラスを冷却することを特徴とする。
nd≧−0.00861νd+2.26 ・・・(1)
15≦νd≦98 ・・・(2)
一般に、光学ガラス等のガラス材は、原料を坩堝等の溶融容器内で溶融し、冷却することで作製されるが、ガラスネットワーク成分が少ないガラス系では、溶融容器との接触界面を起点として結晶化が進行しやすくなる。一方、本発明の製造方法では、ガラス原料を成形面上で浮遊させて保持した状態で、ガラス原料を加熱融解させて溶融ガラスを得るため、溶融ガラスが溶融容器等の部材にほとんど接触することがないため、結晶化を抑制することができ、ガラス化が可能となる。また、本発明では、成形型の成形面に開口するガス噴出孔からガスを噴出させ、当該ガスの気流を利用してガラス原料を浮遊させる手法をとっており、ガラス原料塊の浮遊状態が安定しやすく、溶融ガラスが成形面に接触しにくい。また、溶融ガラスに対して直接ガスが吹き付けられているため、溶融ガラスを内部まで急冷することが可能である。そのため、ガラス材の粒径を大きくした場合であっても、結晶化を極力抑制することができる。
本発明のガラス材の製造方法において、成形型の成形面に複数のガス噴出孔が開口していることが好ましい。このようにすれば、ガラス原料塊の浮遊状態がより一層安定し、溶融中に成形面に接触しにくくなる。よって、より粒径の大きいガラス材を得ることが可能となる。
本発明のガラス材の製造方法において、ガラス材の形状は例えば略球形である。
本発明のガラス材の製造方法において、ガラス材の屈折率ndが1.9以上であることが好ましい。
本発明のガラス材の製造方法において、ガラス材におけるPt含有量が15ppm以下であることが好ましい。
本発明のガラス材の製造方法において、ガラス材におけるFe含有量が30ppm以下であることが好ましい。
本発明のガラス材は、前記方法により製造されたことを特徴とする。
本発明のガラス材は、屈折率nd及びアッベ数νdが下記式(1)及び(2)の関係を満たし、粒径が1.2mmより大きいことを特徴とする。
nd≧−0.00861νd+2.26 ・・・(1)
15≦νd≦98 ・・・(2)
本発明によれば、高屈折率かつ低分散或いは高分散の光学特性を有し、かつ粒径の大きいガラス材を作製することが可能となる。
本発明の方法によりガラス材を製造するための製造装置の一実施形態を示す模式的断面図である。 本発明の方法によりガラス材を製造するための製造装置の別の実施形態を示す模式的断面図である。 図2の製造装置における成形面の一部分を示す略図的平面図である。 実施例で得られたガラス材の屈折率ndとアッベ数νdとの関係を示すグラフである。
本発明のガラス材の製造方法は、成形型の成形面に開口するガス噴出孔からガスを噴出させることにより、ガラス原料を成形面上で浮遊させて保持した状態で、ガラス原料を加熱融解させて溶融ガラスを得た後に、溶融ガラスを冷却することを特徴とする。
図1は、本発明の方法によりガラス材を製造するための製造装置の一実施形態を示す模式的断面図である。以下、図1に基づき、ガラス材の製造装置について説明する。
ガラス材の製造装置1は、成形型10を有する。成形型10は溶融容器としての役割も果たす。成形型10は、成形面10aと、成形面10aに開口しているガス噴出孔10bとを有する。ガス噴出孔10bは、ガスボンベなどのガス供給機構11に接続されている。このガス供給機構11からガス噴出孔10bを経由して、成形面10aにガスが供給される。ガスの種類は特に限定されず、例えば、空気や酸素であってもよいし、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスであってもよい。
製造装置1を用いてガラス材を製造するに際しては、まず、ガラス原料塊12を成形面10a上に配置する。ガラス原料塊12としては、例えば、原料粉末をプレス成形等により一体化したものや、原料粉末をプレス成形等により一体化した後に焼結させた焼結体や、目標ガラス組成と同等の組成を有する結晶の集合体等が挙げられる。
次に、ガス噴出孔10bからガスを噴出させることにより、ガラス原料塊12を成形面10a上で浮遊させる。すなわち、ガラス原料塊12を、成形面10aに接触していない状態で保持する。その状態で、レーザー光照射装置13からレーザー光をガラス原料塊12に照射する。これによりガラス原料塊12を加熱溶融してガラス化させ、溶融ガラスを得る。その後、溶融ガラスを冷却することにより、ガラス材を得ることができる。ガラス原料塊12を加熱溶融する工程と、溶融ガラス、さらにはガラス材の温度が少なくとも軟化点以下となるまで冷却する工程とにおいては、少なくともガスの噴出を継続し、ガラス原料塊12、溶融ガラス、さらにはガラス材と成形面10aとの接触を抑制することが好ましい。なお、加熱溶融する方法としては、レーザー光を照射する方法以外にも、輻射加熱であってもよい。
図2は、本発明の方法によりガラス材を製造するための製造装置の別の実施形態を示す模式的断面図である。図2に示すガラス材の製造装置1aでは、成形面10aに複数のガス噴出孔10bが開口している点で、図1に示すガラス材の製造装置1と異なっている。具体的には、図3に示すように、複数のガス噴出孔10bが、成形面10aの中心から放射状に配列されている。本実施形態のように、成形面10aにおいて複数のガス噴出孔10bを設けることにより、ガラス原料塊12の浮遊状態がより一層安定し、溶融中に成形面10aに接触しにくくなる。よって、溶融中または成形中におけるガラス材の結晶化がさらに抑制され、より粒径の大きいガラス材を得ることが可能となる。
成形面10aにおけるガス噴出孔10bの数は5個以上であることが好ましく、10個以上であることがより好ましく、100個以上であることがさらに好ましく、250個以上であることが特に好ましい。
成形面10aにおけるガス噴出孔10bの占める面積割合((ガス噴出孔10bの総面積)/(成形面10aの面積))は、0.1%以上であることが好ましく、1.0%以上であることがより好ましく、10%以上であることがさらに好ましい。ただし、成形面10aにおけるガス噴出孔10bの占める面積割合が大きすぎると、ガラス原料塊を安定して浮上できない場合がある。従って、成形面10aにおけるガス噴出孔10bの占める面積割合は、50%以下であることが好ましく、30%以下であることがより好ましく、20%以下であることがさらに好ましい。
以下に、本発明の製造方法により得られるガラス材(以下、「本発明のガラス材」という)について説明する。
本発明のガラス材は、高屈折率かつ低分散、或いは高分散の光学特性を有する。具体的には、本発明のガラス材は、屈折率nd及びアッベ数νdが下記式(1)及び(2)の関係を満たす。
nd≧−0.00861νd+2.26 ・・・(1)
15≦νd≦98 ・・・(2)
本発明のガラス材の屈折率ndは1.9以上であることが好ましく、1.92以上であることがより好ましく、1.95以上であることがさらに好ましく、2以上であることが特に好ましい。
本発明のガラス材の屈折率νdは15≦νd≦98であり、18〜90であることが好ましく、20〜80であることがより好ましい。
なお、高屈折率かつ低分散の光学特性を有するガラス材としては、1.9以上、さらには1.92以上の屈折率ndを有し、かつ、30以上、さらに35以上のアッベ数を有するものが好ましい。
また、高屈折率かつ高分散の光学特性を有するガラス材としては、2.15以上、さらには2.2以上の屈折率ndを有し、かつ、30以下、さらには25以下、特には20以下のアッベ数を有するものが好ましい。
本発明のガラス材の組成は、上記の光学特性を満たすものであれば特に限定されない。具体例としては、La−B系ガラス、La−Nb系ガラス、La−Ta系ガラス、Al−RO系ガラス(RはMg、Ca、Sr及びBaから選択される少なくとも1種)、Al−La系ガラス、WO−La系ガラス、WO−RO系ガラス等が挙げられる。
La−B系ガラスとしては、モル%で、La 43〜78%、及びB 22〜57%を含有するものが挙げられる。La−B系ガラスには、さらに、モル%で、SiO 0〜30%、Gd 0〜30%、Nb 0〜30%、Ta 0〜30%、ZrO 0〜30%、Al 0〜30%、Y 0〜30%、またはYb 0〜30%を含有させても構わない。
La−Nb系ガラスとしては、モル%で、La 15〜65%、Nb 0.1〜75%含有するものが挙げられる。La−Nb系ガラスには、さらに、モル%で、Ta 0〜60%、TiO 0〜40%、SiO 0〜50%、SnO 0〜45%を含有させても構わない。
La−Ta系ガラスとしては、モル%で、La 15〜65%、Ta 0.1〜60%含有するものが挙げられる。La−Ta系ガラスには、さらに、モル%で、TiO 0〜40%、SiO 0〜50%、SnO 0〜45%を含有させても構わない。
Al−RO系ガラスとしては、モル%で、Al 15〜55%、RO 45〜85%含有するものが挙げられる。Al−RO系ガラスには、さらに、モル%で、SiO 0〜10%を含有させても構わない。
Al−La系ガラスとしては、モル%で、Al 15〜55%、La 25〜50%含有するものが挙げられる。Al−La系ガラスには、さらに、モル%で、ZrOを15〜35%、SnO 15〜45%、SiO 0〜20%を含有させても構わない。
WO−La系ガラスとしては、モル%で、WO 25〜85%、La 15〜25%含有するものが挙げられる。WO−La系ガラスには、さらに、モル%で、TiO 0〜55%、SiO 0〜10%を含有させても構わない。
WO−RO系ガラスとしては、モル%で、WO 25〜85%、RO 15〜25%含有するものが挙げられる。WO−La系ガラスには、さらに、モル%で、TiO 0〜55%、SiO 0〜10%を含有させても構わない。
なお、いずれのガラスにおいても、清澄剤としてSbを添加することができる。ただし、着色を避けるため、あるいは環境面を考慮して、Sbの含有量はモル%で0.1%以下であることが好ましく、含有しないことがより好ましい。
PbOは環境面から含有させないことが好ましい。
なお、本発明の製造方法によると、溶融ガラスが溶融容器等の部材にほとんど接触することなくガラス材を作製することができるため、ガラス材において、溶融容器等から混入する不純物の含有量を非常に少なくすることができる。ガラス材における不純物の含有量を少なくすることにより、光透過率を向上させることが可能となる。例えば、本発明のガラス材におけるPtの含有量は15ppm以下であることが好ましく、5ppm以下であることがより好ましく、1ppm以下であることがさらに好ましい。また、本発明のガラス材におけるFeの含有量は30ppm未満であることが好ましく、20ppm以下であることがより好ましい。なお、Feは原料等からも混入しやすい成分であるため、現実的にはその含有量は0.01ppm以上である。
本発明のガラス材の粒径は1.2mmより大きく、1.5mm以上であることが好ましく、2mm以上であることがより好ましく、3mm以上であることがさらに好ましく、3.6mm以上であることが特に好ましい。ガラス材の粒径が大きいほど、適用可能な用途が多様化するため好ましい。なお、ガラス材の粒径は、形状が球状以外の場合(楕球状等)は長径を指す。
本発明のガラス材の形状は特に限定されないが、通常、球状または楕球状である。
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
モル比で、0.45・La−0.35・Nb−0.20・Taのガラス組成となるように原料粉末を秤量、混合して原料バッチを調製し、得られた原料バッチを1000℃前後で仮焼成することで焼結体を得た。焼結体から所定の体積分を切り出し、ガラス原料塊を作製した。
次に、図2に準じた製造装置を用いてガラス原料塊を溶融し、ガラス材を得た。具体的には、製造装置における成形型の成形面に開口する複数のガス噴出孔から酸素ガスを噴出させることにより、ガラス原料塊を成形面の上方に浮上させた状態で、出力100Wの二酸化炭素レーザーを照射し、ガラス原料塊を2000℃まで加熱し溶解させた。その後、レーザー照射を停止し、冷却させた。それにより、粒径4.0mmの略球形のガラス材を得た。
得られたガラスの屈折率ndは2.2152、アッベ数νdは28.2であった。また、Pt含有量は1ppb未満(検出限界以下)であった。なお、光学特性及びPt含有量は以下のようにして測定した。
屈折率は、KPR−2000(島津製作所製)用いて、ヘリウムランプのd線(587.6nm)に対する測定値で評価した。
アッベ数は上記d線の屈折率と、水素ランプのF線(486.1nm)及びC線(656.3nm)の屈折率の値を用い、アッベ数(νd)={(nd−1)/(nF−nC)}の式から算出した。
Pt含有量はICP−MS(誘導結合プラズマ質量分析)装置を用いて測定した。
(実施例2)
モル比で、0.35・Al−0.45・La−0.20・ZrOのガラス組成となるように原料粉末を秤量、混合して原料バッチを調製し、得られた原料バッチを1000℃前後の温度で仮焼成することで焼結体を得た。焼結体から所定の体積分を切り出し、ガラス原料塊を作製した。得られたガラス原料塊を用い、レーザー照射による加熱温度を1900℃としたこと以外は、実施例1と同様の方法によりガラス材を得た。
得られたガラス材の粒径は3.1mm、屈折率ndは1.8702とアッベ数νdは57.0、Pt含有量は1ppb未満であった。
(実施例3)
モル比で、0.25・WO−0.15・La−0.60・TiOのガラス組成となるように原料粉末を秤量、混合して原料バッチを調製し、得られた原料バッチを1000℃前後の温度で仮焼成することで焼結体を得た。焼結体から所定の体積分を切り出し、ガラス原料塊を作製した。得られたガラス原料塊を用い、レーザー照射による加熱温度を1600℃としたこと以外は、実施例1と同様の方法によりガラス材を得た。
得られたガラス材の粒径は2.1mm、屈折率ndは2.162とアッベ数νdは30.1、Pt含有量は1ppb未満であった。
(実施例4)
モル比で、0.35・SrO−0.55・Al−0.10・SiOのガラス組成となるように原料粉末を秤量、混合して原料バッチを調製し、得られた原料バッチを1000℃前後の温度で仮焼成することで焼結体を得た。焼結体から所定の体積分を切り出し、ガラス原料塊を作製した。得られたガラス原料塊を用い、レーザー照射による加熱温度を1700℃としたこと以外は、実施例1と同様の方法によりガラス材を得た。
得られたガラス材の粒径は5.2mm、屈折率ndは1.6535とアッベ数νdは73.4、Pt含有量は1ppb未満であった。
(実施例5)
モル比で、0.63La−0.37・Bのガラス組成となるように原料粉末を秤量、混合して原料バッチを調製し、得られた原料バッチを1100〜1400℃で仮焼成することで焼結体を得た。焼結体から所定の体積分を切り出し、ガラス原料塊を作製した。得られたガラス原料塊を用い、実施例1と同様の方法によりガラス材を得た。
得られたガラス材の粒径は5.0mm、屈折率ndは1.91310とアッベ数νdは40.32、Pt含有量は1ppb未満であった。
(実施例6)
次に、図1に準じた製造装置を用いてガラス原料塊を溶融したこと以外は、実施例5と同様の方法によりガラス材を作製した。その結果、粒径1.5mmのガラス材が得られた(屈折率nd、アッベ数νd、Pt含有量は実施例5のガラス材と同じ)。なお、粒径2mm以上のガラス材を作製しようとしたところ、結晶が析出してガラス化しなかった。
図4は、実施例で得られたガラス材の屈折率ndとアッベ数νdとの関係を示すグラフである。図4に示すように、実施例で得られたガラス材の光学特性は、上記式(1)及び(2)の関係式を満たしていることがわかる。
(比較例)
実施例5で調製した原料バッチをアルミナ坩堝中で1450〜1580℃で30分間溶融し、溶融ガラスをカーボン板状に流し出したところ、結晶が析出してガラス化しなかった。
1、1a:ガラス材の製造装置
10:成形型
10a:成形面
10b:ガス噴出孔
11:ガス供給機構
12:ガラス原料塊
13:レーザー光照射装置

Claims (9)

  1. モル%で、La 43〜78%、B 22〜57%を含有し、
    屈折率nd及びアッベ数νdが下記式(1)及び(2)の関係を満たし、粒径が2.1mm以上であることを特徴とするガラス材。
    nd≧−0.00861νd+2.26 ・・・(1)
    15≦νd≦98 ・・・(2)
  2. モル%で、La 15〜65%、Nb 0.1〜75%を含有し、
    屈折率nd及びアッベ数νdが下記式(1)及び(2)の関係を満たし、粒径が2.1mm以上であることを特徴とするガラス材。
    nd≧−0.00861νd+2.26 ・・・(1)
    15≦νd≦98 ・・・(2)
  3. モル%で、Al 15〜55%、RO(RはMg、Ca、Sr及びBaから選択される少なくとも1種) 45〜85%を含有し、
    屈折率nd及びアッベ数νdが下記式(1)及び(2)の関係を満たし、粒径が2.1mm以上であることを特徴とするガラス材。
    nd≧−0.00861νd+2.26 ・・・(1)
    15≦νd≦98 ・・・(2)
  4. モル%で、Al 15〜55%、La 25〜50%を含有し、
    屈折率nd及びアッベ数νdが下記式(1)及び(2)の関係を満たし、粒径が2.1mm以上であることを特徴とするガラス材。
    nd≧−0.00861νd+2.26 ・・・(1)
    15≦νd≦98 ・・・(2)
  5. モル%で、WO 25〜85%、La 15〜25%を含有し、
    屈折率nd及びアッベ数νdが下記式(1)及び(2)の関係を満たし、粒径が2.1mm以上であることを特徴とするガラス材。
    nd≧−0.00861νd+2.26 ・・・(1)
    15≦νd≦98 ・・・(2)
  6. 屈折率ndが1.9以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のガラス材。
  7. 形状が略球形であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のガラス材。
  8. Pt含有量が15ppm以下であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のガラス材。
  9. Fe含有量が30ppm以下であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載のガラス材。
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