JP5144871B2 - 硼珪酸塩ガラスおよびその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、特殊な遮断波長を有する硼珪酸塩ガラスおよびその使用方法に関する。

一般に４００ｎｍ未満で定義されかつ３つの下部範囲ＵＶＡ、ＵＶＢおよびＵＶＣに区分することができるＵＶ範囲を意図的に濾波するために、定義された遮断波長を有する所謂白色ガラスまたは光学ガラスが使用される。カットオフまたは遮断波長λ_ｃは、遮断領域と透過領域との間のスペクトル透過率の最大値（Reintransmissionsmaximalwert）の半分に相当する。

欧州特許第０１５１３４６号明細書Ｂ１の記載から、３２５ｎｍ〜３３５ｎｍの範囲内のＵＶ遮断波長を有する眼鏡レンズは、公知である。このために、レンズには、ＴｉＯ_２が添加されている。この場合、ＴｉＯ_２の含量は、酸化物に対して４〜６質量％である。

この種のガラスは、高い転移温度（例えば、５６０℃を上廻る）および／または安定した拡張係数の場合にも形状安定性が要求されているような工業的使用の場合には、不適当である。

安定した拡張係数は、構造部材中へのレンズの設置または構造部材中でのレンズの交換を簡易化する。

レンズにとって本質的なことは、このような工業的使用の場合には、ＵＶ遮断波長を含めての透過率曲線でもある。ＵＶ範囲内では、使用目的に相応して定義された傾斜が急なＵＶ遮断波長が必要とされる。例えば、照明テーブルのためには、画像スクリーンユニット中での燐単位の焼付けのために３２０ｎｍを上廻るＵＶ線が必要とされる。植物栽培における植物での実験のためには、２８０ｎｍを上廻る透過度の大きいＵＶ線も十分に使用される。品質の制御のための耐候装置は、要求に応じてＵＶ範囲、ひいてはフィルターを交換する。

特開昭５２−０６６５１２号公報には、ＣｅＯ_２を強制的におよびさらにＴｉＯ_２との組合せで含有する硼珪酸塩ガラスからなる、約３７０ｎｍの遮断波長を有するＵＶフィルターガラスが記載されている。ＣｅＯ_２は、ガラスにおける材料費を著しく高価なものにする。その上、ＣｅＯ_２は、ガラスのソラジゼーションに対して不利に作用する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第６３９４４５６号明細書Ａ１には、比較的に幅広の組成範囲のガラスからなるランプ用ガラスが記載されており、この場合には、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３が成分であり、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＢｅＯ、Ｎａ_２ＯおよびＫ_２Ｏが含有されていてよい。このガラスは、定義されたＵＶ遮断波長または光学的状態を全く必要としない。

英国特許第２００２３４１号明細書には、比較的に幅広の組成範囲を有する光学的繊維ガラスが記載されており、この場合には、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３が成分であり、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ、Ｎａ_２ＯおよびＫ_２Ｏが含有されていてよい。このガラスは、同様に定義されたＵＶ遮断波長を全く必要としないが、屈折率勾配を有するガラス／繊維を必要とする。

米国特許第２８３２４９１号明細書の記載は、ガラス板の調質に適した方法の特許に相当する。調質に適したガラスの組成は、再びＳｉＯ_２およびＢ_２Ｏ_３を成分として比較的に幅広の範囲で含有する。正確なＵＶ遮断波長および光学的状態は、前記ガラスでは調節することができない。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５３２８００号明細書Ａ１は、消毒のためのガラスの使用を含む。このガラスによって、ＶＩＳ範囲内およびＩＲ範囲内で減少された透過率を有するＵＶＢ範囲内およびＵＶＣ範囲内での高い透過率が保証されている。即ち、通過範囲内での高い透過率を有するガラスは、不可能である。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第３８２２７３３号明細書Ａ１には、比較的に幅広の組成範囲のガラスからなる溶融ガラスが記載されており、この場合には、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３が成分であり、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＺｎＯ、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２ＯおよびＫ_２Ｏが含有されていてよく、この場合には、最大１質量％のアルカリ土類金属酸化物が含有されていてよい。少なくとも１質量％のアルカリ土類金属含量は、良好な化学耐性を保証し、この化学耐性は、前記のフィルターガラスの使用を湿った気候中で可能にする。ドイツ連邦共和国特許出願公開第３８２２７３３号明細書Ａ１のガラスは、定義されたＵＶ遮断波長の調節を不可能にする。

欧州特許出願公開第０５０５０６１号明細書Ａ１には、３２０ｎｍ未満の波長範囲内の高いＵＶ吸収率を有するヒ化ガリウム太陽電池のための保護被覆用ガラスが記載されている。このガラスは、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_２、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２ＯおよびＣｅＯ_２を成分として含有する。自由選択的にＡｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＰｂＯ、Ｌｉ_２Ｏ、Ａｓ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３およびＦが含有されている。高いＵＶ透過率は、記載されたガラスの場合には、意図的に阻止される。

欧州特許出願公開第０９５３５４９号明細書Ａ１には、ガラス板および電子工学において使用される基質が記載されている。この場合、本質的なことは、物理的性質、例えば膨脹係数、下限の冷却温度、密度および酸素原子密度である。しかし、ＵＶ遮断波長または光学的性質は、前記のガラスにとって適切なものではない。
欧州特許第０１５１３４６号明細書Ｂ１ 特開昭５２−０６６５１２号公報 ドイツ連邦共和国特許出願公開第６３９４４５６号明細書Ａ１ 英国特許第２００２３４１号明細書 米国特許第２８３２４９１号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５３２８００号明細書Ａ１ ドイツ連邦共和国特許出願公開第３８２２７３３号明細書Ａ１ 欧州特許出願公開第０５０５０６１号明細書Ａ１ 欧州特許出願公開第０９５３５４９号明細書Ａ１

本発明の課題は、遮断波長が２８０〜３２５ｎｍの範囲内で定義されて簡単に調節することができるＵＶ透過性ガラスを得ることであり、この場合には、このガラスは、高い運転状態で形状安定性であり、比較的に一定の膨脹係数を有する。

この課題は、請求項１記載のガラスを用いて解決される。

使用された硼珪酸塩ガラスは、温度安定性および形状安定性についての要件を満たす。この場合、硼珪酸塩ガラスは、２８０〜３２５ｎｍの定義された遮断波長で通過領域内での高い透過率、遮断領域内での高い光学的密度ならびに一定の屈折率およびアッベ数で準備することができる。これは、単にガラス系中のＴｉＯ_２の含量を変えることによって可能になる。

このガラスにとって本質的なことは、２８０〜３２５ｎｍの遮断波長λ_ｃでの連続的な生産である。この連続的な生産は、単一の基礎ガラスに基づいて保証されている。望ましい傾斜が急な遮断波長のためには、ドーピング剤としてＴｉＯ_２が利用され、その際、２９０ｎｍ未満の極めて低い遮断波長の場合には、添加は不要である。この種の生産は、費用と時間を節約し、即ち使用不可能なガラスが生産される長い再溶融段階は回避される。

本明細書中に記載の全てのガラスは、一定の遮断波長を有する白色ガラスとして使用される以外に、定義された屈折率ｎ_ｄおよび分散度ｖ_ｄを有する光学ガラスとしても使用される。従って、結像光学部品、投影、遠距離通信、光学情報処理およびマイクロリソグラフィーの範囲内での使用に可能である。

望ましい光学的性質および物理的性質を有するガラスは、特にＳｉＯ_２６０〜７０質量％、Ｂ_２Ｏ_３１０〜１５質量％、Ｎａ_２Ｏ５〜１５質量％、Ｋ_２Ｏ５〜１０質量％、ＣａＯ０．１〜１質量％、ＢａＯ０．５〜３質量％および自由選択的にＬｉＯ_２０〜５質量％（有利にＬｉ不含）、ＴｉＯ_２０〜２質量％、Ｓｂ_２Ｏ_３０〜０．５質量％および常用の純化剤からなる。

本発明によるガラスは、ＳｉＯ_２を６０〜７５の質量％の範囲内、有利に６５〜７５質量％の範囲内で含有し、ガラス形成剤として機能する。よりいっそう高い含量は、溶融可能性を劣化させるであろうし、よりいっそう低い含量の場合には、ガラスの形成を困難にする。また、ガラス中の僅かなＳｉＯ_２含量は、少ないアッベ数を結果として生じる。

Ｂ_２Ｏ_３は、まさにＳｉＯ_２と同様にガラス形成剤であり、粘度の減少によって溶融可能性を改善する。本発明によるガラスにおいては、Ｂ_２Ｏ_３５〜１５質量％、有利に１０〜１３質量％が含有されている。Ｂ_２Ｏ_３５質量％よりも少ない含量は、ガラスの溶融可能性を劣化させるであろうが、これに対してＢ_２Ｏ_３１５質量％よりも高い含量は、ガラスの化学的安定性を劣化させる。

含有されているアルカリ金属酸化物Ｎａ_２Ｏ（５〜１５質量％、有利に６〜１２質量％）およびＫ_２Ｏ（５〜１０質量％）は、溶融可能性の改善、即ち粘度の減少に使用される。高すぎるアルカリ金属含量の場合には、なかんずく加水分解安定性が劣化されるであろうし、アルカリ金属含量がよりいっそう僅かな程度の場合には、アルカリ液安定性が劣化されるであろう。しかし、なかんずくアッベ数は、極めて減少する。

アルカリ土類金属酸化物の中で、ＣａＯは、０．１〜１質量％、有利に０．１〜０．５質量％で、およびＢａＯは、０．５〜３質量％、有利に０．５〜２．５質量％で本発明によるガラス中に含有されている。アルカリ土類金属酸化物は、溶融粘度を減少させ、結晶化を再び促進させ、アルカリ金属耐性の改善に貢献する。従って、ＣａＯは、少なくとも０．１質量％で、およびＢａＯは、少なくとも０．５質量％でガラス中に存在する。これら双方の酸化物は、同様に光学的状態の調節に欠くことができない。よりいっそう高い含量の場合には、再びアッベ数は、極めて減少する可能性がある。

ＴｉＯ_２は、選択可能な成分として２８０ｎｍ以上のＵＶ遮断波長の調節のために必要とされる。しかし、ガラス中での１．７質量％を上廻るＴｉＯ_２により、前記ガラス系中での長波長の範囲内でのＵＶ遮断波長の著しい移動は恐らく生じることはなく、脱ガラス化を促進する。更に、ＴｉＯ_２の高すぎる含量により、屈折率を著しく上昇させ、アッベ数を著しく減少させることが記載されるであろう。

ガラスは、不純物として含まれる場合を除き、Ａｓ _２ Ｏ _３ 、ＰｂＯおよびＣｅＯ _２ を含まないで完成させることができる。これは、遮断領域から通過領域への移行の際に透過曲線の傾斜度およびソラリゼーション安定性にとって有利である。

更に、ガラスは、不純物として含まれる場合を除き、Ａｓ _２ Ｏ _３ 、ＰｂＯおよびＣｅＯ _２ を含まない。従って、ガラスは、毒性の成分を含まず、したがって生態学的に懸念する必要はない。

Ｓｂ_２Ｏ_３は、自由選択的な成分であり、純化剤としての使用の際に使用される。それにも拘わらず、別の常用の純化剤も同様に可能である。

例示的なガラスの製造のために、通常の光学的原料が使用された。

良好に均質化された混合物を実験室においてＰｔ坩堝中で１４２０℃で溶融し、純化し、均質化した。引続き、ガラスを注型し、２０Ｋ／ｈで冷却した。

こうして得られたガラスの性質は、第２表、例３に記載されている。

第２表は、組成（酸化物に対して質量％で）および本質的な性質を有する本発明によるガラス（１〜９）の９つの例を示す。

図１では、記載されたガラスの組成に関連してＴｉＯ_２含量に依存する遮断波長がプロットされている。この図１から明らかなように、遮断波長は、意図的に再現可能であるようにＴｉＯ_２の供給に応じて調節することができる。

記載されたガラスの組成に関連してＴｉＯ_２含量に依存する遮断波長がプロットされた線図。

Claims (12)

1. ＳｉＯ_２ ６０〜７５、
   Ｂ_２Ｏ_３ １０〜１５、
   Ｎａ_２Ｏ ５〜１５、
   Ｋ_２Ｏ ５〜１０、
   ＣａＯ ０．１〜１、
   ＢａＯ ０．５〜３、
   ＴｉＯ_２ ＞０〜１．７、
   Ｓｂ_２Ｏ_３ ０〜０．５の組成（酸化物に対して質量％で）および常用の純化剤を有する硼珪酸塩ガラスであって、
   ２８０ｎｍ〜３２５ｎｍの傾斜が急な遮断波長λ _ｃ および９８％を上廻る通過領域内での純粋な透過率τ _ｉｐ および２ｍｍの試験体の厚さの際の１×１０ ^−５ の遮断領域内での光学的密度を有する、硼珪酸塩ガラス。
2. ＳｉＯ_２ ６５〜７５、
   Ｂ_２Ｏ_３ １０〜１３、
   Ｎａ_２Ｏ ６〜１２、
   Ｋ_２Ｏ ５〜１０、
   ＣａＯ ０．１〜０．５、
   ＢａＯ ０．５〜２．５、
   ＴｉＯ_２ ＞０〜１．７、
   Ｓｂ_２Ｏ_３ ０〜０．５の組成（酸化物に対して質量％で）および常用の純化剤を有する、請求項１記載の硼珪酸塩ガラス。
3. 付加的に
   ＳｒＯ ０．５〜２．５、
   ＭｇＯ ０．１〜１、
   Ｌｉ_２Ｏ ０〜５を含有する（酸化物に対して質量％で）、請求項１または２記載の硼珪酸塩ガラス。
4. 不純物として含まれる場合を除き、Ａｓ₂Ｏ₃、ＰｂＯおよびＣｅＯ₂を含まない、請求項１から３までのいずれか１項に記載の硼珪酸塩ガラス。
5. ２８０〜２９５ｎｍの範囲内の遮断波長で酸化物に対してＴｉＯ_２＞０〜０．１質量％の含量を有する、請求項１から４までのいずれか１項に記載の硼珪酸塩ガラス。
6. ２９０〜３０５ｎｍの範囲内の遮断波長で酸化物に対してＴｉＯ_２０．０５〜０．３質量％の含量を有する、請求項１から４までのいずれか１項に記載の硼珪酸塩ガラス。
7. ３００〜３１５ｎｍの範囲内の遮断波長で酸化物に対してＴｉＯ_２０．１６〜０．８質量％の含量を有する、請求項１から４までのいずれか１項に記載の硼珪酸塩ガラス。
8. ３１０〜３２５ｎｍの範囲内の遮断波長で酸化物に対してＴｉＯ_２０．５〜１．７質量％の含量を有する、請求項１から４までのいずれか１項に記載の硼珪酸塩ガラス。
9. ＵＶＢ範囲内および／またはＵＶＣ範囲内でのＵＶ遮断フィルター用のフィルターガラスを製造するための請求項１から８までのいずれか１項に記載のガラスの使用方法。
10. 照明テーブルまたは耐候装置用のフィルターガラスを製造するための請求項１から８までのいずれか１項に記載のガラスの使用方法。
11. 結像光学部品、投影、遠距離通信、光学情報処理およびマイクロリソグラフィー用の光学的ガラスを製造するための請求項１から８までのいずれか１項に記載のガラスの使用方法。
12. ５６０℃を上廻る転移温度Ｔｇ、７．５〜８．８ １０^−６／Ｋの熱的膨脹係数α_{（２０／３００）}、２７５ｎｍ〜３２５ｎｍの傾斜が急な遮断波長を有する請求項１から８までのいずれか１項に記載の硼珪酸塩ガラス。

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