JP4655502B2

JP4655502B2 - 光学ガラス及び光学素子

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Publication number: JP4655502B2
Application number: JP2004122390A
Authority: JP
Inventors: 学出来
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2024-04-19
Also published as: US7541302B2; JP2005306627A; US20050233890A1

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。

近年、ＤＶＤなどの情報記録媒体が広く普及しつつある。そして情報記録媒体の高密度化に対応して、情報記録媒体から情報の読み取りを行うピックアップレンズの高速駆動が、市場から強く望まれている。ピックアップレンズの駆動を高速化するためには、ピックアップレンズに使用される光学ガラスの比重を小さくする必要がある。比重の小さい光学ガラスとしては種々のものが従来から提案されている（例えば特許文献１や特許文献２）。

一方、ガラスレンズの製造法としては、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直接レンズ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レンズ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レンズを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るようになっている。

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、屈伏温度(以下「Ａｔ」と記すことがある)についてもＴｇ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Ａｔ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３〜６）。
特開昭６０−３６３４８号公報（特許請求の範囲）特開昭６０−１２２７４７号公報（第１頁右欄、表−１）特開平８−１２３６８号公報（特許請求の範囲、（０００７）段）特開平９−７７５１９号公報（特許請求の範囲）特開２０００−３０２４７９号公報（特許請求の範囲）特開２００３−８９５４３号公報（特許請求の範囲）

しかしながら、特許文献１及び特許文献２の光学ガラスは、比重が比較的小さいものの、ガラス転移温度が高くプレス成形には適さない。反対に、特許文献３〜特許文献６の各光学ガラスはガラス転移温度が比較的低くプレス成形に適してはいるものの、比重が依然として大きいという問題がある。

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が低く、耐失透性に優れ、しかも比重が小さい、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、比重の小さい、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とＣａＯとを多く含有させることにより、Ｔｇを低くし且つ比重も小さくでき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、ＳｉＯ₂：２０〜４５％、Ｂ₂Ｏ₃：１５〜４０％、Ａｌ₂Ｏ₃：４〜１５％、ＭｇＯ：０〜１０％（ただし、ゼロを含む）、ＣａＯ：１３〜２５％、ＭｇＯ＋ＣａＯ：１３〜２５％、Ｌｉ₂Ｏ：１２．５〜１５．０％、Ｎａ₂Ｏ：０〜１０％（ただし、ゼロを含む）、Ｋ₂Ｏ：０〜１０％（ただし、ゼロを含む）、Ｌｉ₂Ｏ＋Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ：１２．５〜１５．０％、ＳｒＯ：０〜１０％（ただし、ゼロを含む）、ＢａＯ：０〜５％（ただし、ゼロを含む）、Ｓｂ₂Ｏ₃：０〜１％（ただし、ゼロを含む）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、溶融生産性及び成形性などの観点から、屈折率（ｎｄ）を１．５６〜１．６３の範囲、アッベ数（νｄ）を５６〜６３の範囲、比重（ρ）を２．７５ｇ／ｃｍ³以下、ガラス転移温度（Ｔｇ）を４８０℃以下とするのが好ましい。

また本発明によれば、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・低分散と低比重とを達成でき、しかもＴｇが低いので優れたプレス成形性が得られる。

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２０％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４５％を超えると耐失透性が悪化する。そこでＳｉＯ₂の含有量を２０〜４５％の範囲と定めた。より好ましいＳｉＯ₂の含有量は２０〜４０％の範囲である。

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％を超えると耐久性が低下する。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２０〜３５％の範囲である。

Ａｌ₂Ｏ₃はガラスの耐久性を向上させると共に、粘性を増大させる効果を奏する。Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が４％より少ないと、ガラスの耐久性が悪化するとともに粘性が低くなりプレス成形が困難になる。他方、Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が１５％を超えると、ガラスの耐失透性が悪化すると共に溶融性が悪化する。そこで、Ａｌ₂Ｏ₃の含有量を４〜１５％の範囲とした。より好ましいＡｌ₂Ｏ₃の含有量は５％〜１３％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。より好ましいＭｇＯの含有量は、０〜５％の範囲である。

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。ＣａＯの含有量が１３％より少ないと所望の光学恒数が得られない一方、含有量が２５％を超え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１３〜２５％の範囲と定めた。より好ましいＣａＯの含有量は１３〜２３％の範囲である。

またＭｇＯとＣａＯの総量が１３％より少ないと、屈折率が低くなり所望の光学恒数が得られないばかりかガラスの耐久性も悪化する。他方、ＭｇＯとＣａＯの総量が２５％を超えると、ガラスが不安定となり耐失透性が悪化する。そこでＭｇＯとＣａＯの総量を１３〜２５％の範囲と定めた。ＭｇＯとＣａＯの総量のより好ましい範囲は１４〜２３％の範囲である。

Ｌｉ₂Ｏはガラスの軽量化と低Ｔｇ化とに大きな効果を奏する。Ｌｉ₂Ｏの含有量が１２．５％より少ないと前記効果が十分には得られない。他方、Ｌｉ₂Ｏの含有量が２５％を超えるとガラスの耐久性が劣悪になるとともに屈折率が低下し、所望の光学恒数が得られなくなる。また耐失透性も悪化する。そこでＬｉ₂Ｏの含有量を１２．５〜２５％の範囲と定めた。より好ましいＬｉ₂Ｏの含有量は１２．５〜２２％の範囲である。但し、請求項１に記載の発明では、Ｌｉ ₂ Ｏの含有量を１２．５〜１５．０％とする。

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１０％を超えて含有させると比重が大きくなると共にガラスの耐久性が低下する。そこでＮａ₂ＯとＫ₂Ｏの含有量をそれぞれ０〜１０％（ゼロを含む）の範囲とした。Ｎａ₂Ｏのより好ましい含有量は０〜８％の範囲、Ｋ₂Ｏのより好ましい含有量は０〜５％の範囲である。

そして、Ｒ’₂Ｏ（Ｒ’＝Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ）成分の総量が１２．５％より少ないとＴｇを下げる効果が十分には得られない一方、Ｒ’₂Ｏ成分の総量が２５％を超えると耐久性が悪化すると共に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Ｒ’₂Ｏの総量を１２．５〜２５％の範囲と定めた。より好ましいＲ’₂Ｏの総量は１２．５〜２２％の範囲である。但し、請求項１に記載の発明では、Ｒ’ ₂ Ｏの総量を１２．５〜１５．０％とする。

ＳｒＯとＢａＯと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、含有量がそれぞれ１０％及び５％を超えるとガラスの比重が大きくなる。そこでＳｒＯの含有量を０〜１０％（ただし、ゼロを含む）の範囲とし、ＢａＯの含有量を０〜５％（ただしゼロを含む）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０〜１％（ただし、ゼロを含む）の範囲とした。

また、本発明の光学ガラスでは必要により、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＣｕＯ、Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＷＯ₃、ＺｒＯ₂、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２００ｋｇｆ／ｃｍ²〜６００ｋｇｆ／ｃｍ²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。成形時のガラスの粘性としては１０¹〜１０¹²ｐｏｉｓｅの範囲が好ましい。

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。また、実施例５〜８及び１０は本発明の単なる参考例であり、本発明に属さないものである。

実施例１〜１２、比較例１〜７
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及び表２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）、比重（ρ）、ガラス転移温度（Ｔｇ）、屈伏温度（Ａｔ）を測定した。測定結果を表１及び表２に合わせて示す。

なお、比較例１は前述の特許文献３（特開平８−１２３６８号公報）の実施例８、比較例２は特許文献１（特開昭６０−３６３４８号公報）の実施例５、比較例３は特許文献２（特開昭６０−１２２７４７号公報）の実施例５、比較例４は特許文献６（特開２００３−８９５４３号公報）の実施例１１、比較例５は特許文献１２（特開２０００−３０２４７９号公報）の実施例５、比較例６は特許文献４（特開平９−７７５１９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。屈折率（ｎ_d）とアッベ数（ν_d）とは−３０℃／時間で徐冷した時の値である。測定はカルニュー光学工業社製「KPR-200」を用いて行った。ガラス転移温度（Ｔｇ）、屈伏温度（Ａｔ）の測定は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。

表１から明らかなように、実施例１〜１２の光学ガラスでは、比重が２．７３以下と小さく、またＴｇが４８０℃以下とプレス成形に適しているものであった。以上から、実施例１〜１２の光学ガラスは、低比重で且つ低Ｔｇを満たしていた。これに対して、表２から明らかなように、比較例１，３〜６の光学ガラスは、比重が２．７８g/cm³以上と大きかった。また比較例１〜４，６の光学ガラスは、Ｔｇが４９７℃以上と高くプレス成形に適さないものであった。比較例７の光学ガラスはＬｉ₂Ｏの含有量が２８．０％と多すぎたため溶融中に失透してしまった。

Claims

重量％で、
ＳｉＯ₂：２０〜４５％、
Ｂ₂Ｏ₃：１５〜４０％、
Ａｌ₂Ｏ₃：４〜１５％、
ＭｇＯ：０〜１０％（ただし、ゼロを含む）、
ＣａＯ：１３〜２５％、
ＭｇＯ＋ＣａＯ：１３〜２５％、
Ｌｉ₂Ｏ：１２．５〜１５．０％、
Ｎａ₂Ｏ：０〜１０％（ただし、ゼロを含む）、
Ｋ₂Ｏ：０〜１０％（ただし、ゼロを含む）、
Ｌｉ₂Ｏ＋Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ：１２．５〜１５．０％、
ＳｒＯ：０〜１０％（ただし、ゼロを含む）、
ＢａＯ：０〜５％（ただし、ゼロを含む）、
Ｓｂ₂Ｏ₃：０〜１％（ただし、ゼロを含む）
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。
屈折率（ｎｄ）が１．５６〜１．６３の範囲、アッベ数（νｄ）が５６〜６３の範囲、比重（ρ）が２．７５ｇ／ｃｍ³以下、ガラス転移温度（Ｔｇ）が４８０℃以下である請求項１記載のプレス成形用光学ガラス。
請求項１又は２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。