JP4997990B2 - 光学ガラス及び光学素子 - Google Patents
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Description
この発明は、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、より詳細にはモールド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。
ガラスレンズなどの光学素子の製造法としては、屈伏温度（以下、「Ａｔ」と記すことがある）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モールドプレス成形法が、従来のガラスを研削・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。
このモールド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製品形状とする方式である。
これらいずれの方式のモールド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、モールド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、モールドプレス成形時及び成形品の冷却時において、１００℃から３００℃の範囲でガラスの線膨張係数が大きいと熱応力が大きくなり、成形品の割れやカケが発生しやすい。特に成形品の急冷を伴うダイレクトプレス方式においては成形品の割れが頻繁に発生するために、成形品の割れやカケを防止するにはガラスの線膨張係数が小さい方が望ましい。
そこで、これまでにガラスのＴｇを低くする技術が種々検討され、特許文献１〜３に示すものが提案されている。
特開２０００−１１９０３６号公報（特許請求の範囲）
特開２０００−１６８３１号公報（特許請求の範囲）
特開２００１−１３０９２４号公報（特許請求の範囲）
しかしながら、前記特許文献に提案の光学ガラスは、ガラスのＴｇが低くなっているものがあるが、線膨張係数が大きく、モールドプレス成形時及び成形品の冷却時において成形品の割れやカケが発生する問題がある。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、本発明は、ガラスのＴｇが低く、線膨張係数が小さいモールドプレス成形に適した光学ガラス及び光学素子を提供することを目的とする。
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、所定の屈折率、分散の光学恒数からなり、Ｂ2Ｏ3、Ｌｉ2Ｏ、ＺｎＯ、Ｌｎ2Ｏ3（ＬｎはＬａ、Ｇｄ、Ｙのいずれかの元素をひとつ以上有する）を基本組成とし、光学ガラス成分を所定の範囲内にすることにより、モールドプレス成形に適した低いＴｇと小さい線膨張係数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、本発明の光学ガラスは、 重量％で、ＳｉＯ2：０〜８％、Ｂ2Ｏ3：３４．５〜４６％、Ｌｉ2Ｏ：２．６〜６％、ＺｎＯ：２１〜３８％、Ｌａ2Ｏ3：０〜４０％、Ｇｄ2Ｏ3：０〜３５％、Ｙ2Ｏ3：０〜１５％、Ｌａ2Ｏ3＋Ｇｄ2Ｏ3＋Ｙ2Ｏ3：１０〜４０％、Ｎａ2Ｏ：０〜１％、Ｋ2Ｏ：０〜１％、ＭｇＯ：０〜５％、ＣａＯ：０〜８％、ＳｒＯ：０〜１０％、ＢａＯ：０〜１０％、ＴｉＯ2：０〜５％、ＺｒＯ2：０〜５％、Ｎｂ2Ｏ5：０〜６％、Ｔａ2Ｏ5：０〜１０％（ただし、ゼロを含む）、ＷＯ3：０〜１０％、Ｓｂ2Ｏ3：０〜１％、Ｂｉ2Ｏ3：０〜３％、の各ガラス成分を有し、光学ガラスの屈折率（ｎｄ）とアッベ数（νｄ）の分布図において屈折率（ｎｄ）とアッベ数（νｄ）を示す座標を（ｎｄ、νｄ）で表すとき、屈折率（ｎｄ）とアッベ数（νｄ）が（１．７３０、５２．０）、（１．６８０、５５．０）、（１．６８０、５０．０）及び（１．７３０．５０．０）で囲まれる範囲にあり、ガラス転移温度（Ｔｇ）が５２０℃以下であり、温度１００〜３００℃における線膨張係数（α）が８０×１０-7／Ｋ以下であることを特徴とする。なお、以下の説明において「％」は特に断りのない限り「重量％」を意味するものとする。
また本発明によれば、前記光学ガラスからなる光学素子および前記光学ガラスをモールドプレス成形して作製したことを特徴とす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、Ｂ2Ｏ3、Ｌｉ2Ｏ、ＺｎＯ、Ｌｎ2Ｏ3（ＬｎはＬａ、Ｇｄ、Ｙのいずれかの元素をひとつ以上有する）の各ガラス成分を特定量含有させることにより、所定の屈折率、分散等の光学恒数からなり、小さな線膨張係数を達成でき、ガラスの冷却時において成形品の割れやカケの発生を抑制し、しかもＴｇが低いので、優れたモールドプレス成形性を得ることができる。
本発明の光学ガラスを構成する各成分の組成範囲を前記のように限定した理由について以下に説明する。
まず、ＳｉＯ2は、ガラス形成酸化物であり、化学的耐久性を向上させるのに有効な成分であるが、その含有量が８％を超えるとガラス転移温度（Ｔｇ）を上昇させる。そこでＳｉＯ2の含有量を８％以下と定めた。
Ｂ2Ｏ3は、本発明の光学ガラスの基本組成であり、その含有量を３４．５％以上で使用することにより温度１００〜３００℃における線膨張係数（α）を８０×１０-7／Ｋ以下にすることができ、その含有量が４６％を超えると屈折率が所定の範囲より小さくなり、また化学的耐久性が低下する。そこでＢ2Ｏ3の含有量を３４．５〜４６％の範囲と定めた。より好ましいＢ2Ｏ3の含有量は３５〜４３％の範囲である。
Ｌｉ2Ｏは、本発明の光学ガラスの基本組成であり、Ｔｇを低くする効果を奏し、その含有量が２．６％より少ないとＴｇを低くすることが困難であり、その含有量が６％を超えると温度１００〜３００℃における線膨張係数（α）が８０×１０-7／Ｋを超えることになる。そこでＬｉ2Ｏの含有量を２．６〜６％の範囲と定めた。より好ましいＬｉ2Ｏの含有量は３〜５．５％の範囲である。
ＺｎＯは、本発明の光学ガラスの基本組成であり、その含有量を２１％以上で使用することによりＴｇを低くかつ温度１００〜３００℃における線膨張係数（α）を小さくすることができ、その含有量が３８％を超えるとガラスが失透しやすくなる。そこでＺｎＯの含有量を２１〜３８％の範囲と定めた。より好ましいＺｎＯの含有量は２２〜２８％の範囲である。
Ｌａ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3は、屈折率を大きくする効果を奏し、それらの成分の合計含有量を１０〜４０％の範囲にすると本発明の目的とする屈折率を得ることができる。Ｌａ2Ｏ3の含有量が４０％を超えるとガラスが失透しやすくなり、Ｇｄ2Ｏ3の含有量が３５％を超えると、またＹ2Ｏ3の含有量が１５％を超えるとそれぞれガラスが失透しやすくなる。そこでＬａ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3の合計含有量を１０〜４０％の範囲とし、Ｌａ2Ｏ3の含有量を４０％以下、Ｇｄ2Ｏ3の含有量を３５％以下、Ｙ2Ｏ3の含有量を１５％以下と定めた。
Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏは、ガラス転移温度（Ｔｇ）を低く効果を奏するが、それぞれの含有量が１％を超えると屈折率が低下する。そこでＮａ2Ｏ、Ｋ2Ｏのそれぞれの含有量を１％以下と定めた。
ＭｇＯは、ガラスの屈折率を調整する効果を奏するが、ＭｇＯの含有量が５％を超えるとガラスが失透しやすくなる。そこでＭｇＯの含有量を５％以下と定めた。
ＣａＯは、ガラスの屈折率を調整する効果を奏するが、ＣａＯの含有量が８％を超えると温度１００〜３００℃における線膨張係数（α）を８０×１０-7／Ｋ以下にすることが困難になる。そこでＣａＯの含有量を８％以下と定めた。
ＳｒＯ、ＢａＯは、ガラスの屈折率を調整する効果を奏するが、ＳｒＯとＢａＯのそれぞれの含有量が１０％を超えると温度１００〜３００℃における線膨張係数（α）を８０×１０-7／Ｋ以下にすることが困難になる。そこでＳｒＯ、ＢａＯの含有量をそれぞれ１０％以下と定めた。
ＴｉＯ2は、ガラスの屈折率を大きくする効果を奏するが、ＴｉＯ2の含有量が５％を超えるとガラスのアッベ数を５０以上にすることが困難になる。そこでＴｉＯ2の含有量を５％以下と定めた。
ＺｒＯ2は、ガラスの屈折率を大きくする効果を奏するが、ＺｒＯ2の含有量が５％を超えるとガラスが失透しやすくなる。そこでＺｒＯ2の含有量を５％以下と定めた。
Ｎｂ2Ｏ5は、ガラスの屈折率を大きくする効果を奏するが、Ｎｂ2Ｏ5の含有量が６％を超えるとガラスのアッベ数を５０以上にすることが困難になる。そこでＮｂ2Ｏ5の含有量を６％以下と定めた。
Ｔａ2Ｏ5、ＷＯ3は、ガラスの屈折率を大きくする効果を奏するが、Ｔａ2Ｏ5とＷＯ3のそれぞれの含有量が１０％を超えるとガラスのアッベ数を５０以上にすることが困難になる。そこでＴａ2Ｏ5、ＷＯ3の含有量をそれぞれ１０％以下と定めた。
Ｓｂ2Ｏ3は、レンズを脱泡する効果を奏するが、Ｓｂ2Ｏ3の含有量が１％以下で脱泡の効果を得るこことができる。Ｂｉ2Ｏ3は、屈折率を大きくしてＴｇを低くする効果を奏するが、Ｂｉ2Ｏ3の含有量が３％を超えるとガラスが着色しやすくなり、そこでＢｉ2Ｏ3の含有量を３％以下と定めた。
光学ガラスを構成する各成分の組成範囲を前記のように限定することにより、モールドプレス成形に適するとともに、図１に示す所定の屈折率とアッベ数を有する光学ガラスになる。図１は、光学ガラスの屈折率（ｎｄ）とアッベ数（νｄ）の分布図であり、縦軸が屈折率（ｎｄ）、横軸がアッベ数（νｄ）を示す。屈折率とアッベ数を図１において座標（ｎｄ、νｄ）で表すとき、本発明の各成分の組成範囲にある光学ガラスは点Ａ（１．７３０、５２．０）、点Ｂ（１．６８０、５５．０）、点Ｃ（１．６８０、５０．０）及び点Ｄ（１．７３０．５０．０）で囲まれる範囲内に屈折率とアッベ数を有する。
本発明の光学素子は前記光学ガラスをモールドプレス成形することによって作製される。このモールド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削・研磨工程が不要となり、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２００〜６００ｋｇｆ／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。
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。
炭酸塩、硝酸塩、酸化物等を調合原料として粉末で十分に混合し、これらを１０００〜１３００℃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金属製の鋳型に鋳込み、室温まで徐冷して各実施例を製造した。製造した実施例の組成と測定結果を表１及び表２に示す。
表１及び表２には、各実施例（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２０）の組成を示し、表１及び表２の下欄に、各実施例で得られたｄ線に対するガラスの屈折率（ｎｄ）とアッベ数（νｄ）、ガラス転移温度（Ｔｇ）、屈伏温度（Ａｔ）、及び温度１００〜３００℃における線膨張係数（α）を１０-7／Ｋの単位で示した。また、表３には、前述した特許文献１の実施例７、特許文献２の実施例６、特許文献３の実施例４をそれぞれ比較例（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３）として、それらの組成と表１、表２で示したものと同様の測定結果とを示した。
前記ガラス特性の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（ｎｄ）とアッベ数（νｄ）は、溶融し鋳型に鋳込んだ時の温度から室温まで−２０℃／時間で徐冷したガラスを「ＫＰＲ−２００」（カルニュー光学工業社製）で測定した。ガラス転移温度（Ｔｇ）、屈伏温度（Ａｔ）、線膨張係数（α）は、熱機械的分析装置「ＴＭＡ／ＳＳ６０００」（Ｓｅｉｋｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃ．社製）を用いて毎分１０℃の昇温条件で測定した。
表１及び表２から明らかなように、実施例１〜２０の光学ガラスは、屈折率（ｎｄ）が１．６８１１〜１．７２１の範囲、アッベ数（νｄ）が５０．１〜５４．７の範囲にあり、図１においては点Ａから点Ｄで囲む範囲の屈折率（ｎｄ）とアッベ数（νｄ）を有し、またガラス転移温度（Ｔｇ）が５１９℃以下、屈伏温度（Ａｔ）が５７１℃以下、線膨張係数（α）が８０×１０-7／Ｋ以下とモールドプレス成形に適したものであった。
これに対して、比較例１〜３の光学ガラスでは、線膨張係数がいずれも大きくモールドプレス成形に適さないものであった。
Claims (3)
- 重量％で、
ＳｉＯ2：０〜８％、
Ｂ2Ｏ3：３４．５〜４６％、
Ｌｉ2Ｏ：２．６〜６％、
ＺｎＯ：２１〜３８％、
Ｌａ2Ｏ3：０〜４０％、
Ｇｄ2Ｏ3：０〜３５％、
Ｙ2Ｏ3：０〜１５％、
Ｌａ2Ｏ3＋Ｇｄ2Ｏ3＋Ｙ2Ｏ3：１０〜４０％、
Ｎａ2Ｏ：０〜１％、
Ｋ2Ｏ：０〜１％、
ＭｇＯ：０〜５％、
ＣａＯ：０〜８％、
ＳｒＯ：０〜１０％、
ＢａＯ：０〜１０％、
ＴｉＯ2：０〜５％、
ＺｒＯ2：０〜５％、
Ｎｂ2Ｏ5：０〜６％、
Ｔａ2Ｏ5：０〜１０％、
ＷＯ3：０〜１０％、
Ｓｂ2Ｏ3：０〜１％、
Ｂｉ2Ｏ3：０〜３％、
の各ガラス成分を有し、光学ガラスの屈折率（ｎｄ）とアッベ数（νｄ）の分布図において屈折率（ｎｄ）とアッベ数（νｄ）を示す座標を（ｎｄ、νｄ）で表すとき、屈折率（ｎｄ）とアッベ数（νｄ）が（１．７３０、５２．０）、（１．６８０、５５．０）、（１．６８０、５０．０）及び（１．７３０．５０．０）で囲まれる範囲にあり、ガラス転移温度（Ｔｇ）が５２０℃以下であり、温度１００〜３００℃における線膨張係数（α）が８０×１０-7／Ｋ以下であることを特徴とする光学ガラス。 - 請求項１に記載の光学ガラスからなることを特徴とする光学素子。
- 請求項１に記載の光学ガラスをモールドプレス成形して作製されたことを特徴とする光学素子。
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