JP6062713B2 - 光学素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明で用いられる光学ガラスは、ガラス転移点(Tg)と屈伏点(At)との間の温度範囲における線膨張係数の最大値(αmax)が1500×10−7K−1以下であるガラスを用いる。これにより、ガラス転移点より高い温度に加熱してプレス成形を行ってもガラスが割れ難くなるため、光学素子の生産性を高めることができる。
従って、本発明で用いられる光学ガラスでは、ガラス転移点(Tg)と屈伏点(At)との間の温度範囲における線膨張係数の最大値(αmax)の上限は、好ましくは1500×10−7K−1、より好ましくは1450×10−7K−1、さらに好ましくは1400×10−7K−1、さらに好ましくは980×10−7K−1とする。この線膨張係数の最大値(αmax)の下限は、好ましくは500×10−7K−1、より好ましくは600×10−7K−1、さらに好ましくは700×10−7K−1としてもよい。
ここで、ガラスのガラス転移点(Tg)及び屈伏点(At)は、日本光学硝子工業会規格JOGIS08−2003「光学ガラスの熱膨張の測定方法」に従い、温度と試料の伸びとの関係を測定することで得られる熱膨張曲線より求める。
本発明の光学素子の製造方法で用いられるガラス素材は、ガラス転移点(Tg)と屈伏点(At)との間の温度範囲における、線膨張係数の最大値(αmax)が所定以下であれば所期の課題が解決されるため、本質的にはその組成によって限定されない。しかし、特に以下のような、P2O5を含有するガラス素材や、Bi2O3成分を多く含有するガラス素材を用いることが好ましい。本願発明の光学素子の製造方法では、特にP2O5を含有するガラスや、Bi2O3成分を多く含有するガラス素材を用いたときに、プレス成形によるガラス成形体の損傷をより大きく低減できる。このようにガラス成形体の損傷を大きく低減できる理由として、これらのガラス素材はヌープ硬さが小さいことが多く、プレス成形時のプレス成形温度からの冷却の際に、成形型との熱収縮の差によってガラス成形体の表面に傷が生じ易いガラス素材であるが、線膨張係数の最大値(αmax)を所定以下にすることで、特に線膨張係数が最大値(αmax)になる温度の近傍において、成形型とガラス素材の線膨張率の差が大きく低減されることで、成形型とガラス素材の摩擦が低減されるため、成形型の表面への傷や、それに起因した成形型の割れ等を低減できるためであると推察される。
以下、本発明で好ましく用いられるフツリン酸塩ガラスを構成する各成分について説明する。フツリン酸塩ガラスとしては、カチオン成分としてP5+、Al3+及びCa2+を含有し、アニオン成分としてO2−及びF−を含有するガラスを用いることが好ましい。
なお、各成分のイオン価は便宜的に代表値を用いているに過ぎないため、他のイオン価のものと区別するものではない。光学ガラス中に存在する各成分のイオン価は、代表値以外である可能性がある。例えば、Pは、通常イオン価が5価の状態でガラス中に存在するので、本明細書中では「P5+」と表しているが、他のイオン価の状態で存在する可能性がある。このように、厳密には他のイオン価の状態で存在するものであっても、本明細書では、各成分が代表値のイオン価でガラス中に存在するものとして扱う。
一方で、P5+の含有率を55.0%にすることで、P5+による屈折率やアッベ数の低下を抑えられる。従って、P5+の含有率は、好ましくは55.0%、より好ましくは48.0%、さらに好ましくは40.0%、さらに好ましくは35.0%、さらに好ましくは32.0%を上限とする。
一方で、Al3+の含有率を30.0%以下にすることで、Al3+による屈折率やアッベ数の低下を抑えられる。従って、Al3+の含有率の上限は、好ましくは30.0%、より好ましくは25.0%、さらに好ましくは23.0%を上限とする。
一方で、Ca2+の含有率を35.0%以下にすることで、Ca2+の過剰な含有によるガラスの耐失透性や屈折率の低下を抑えられる。従って、Ca2+の含有率は、好ましくは35.0%、より好ましくは30.0%、さらに好ましくは28.0%を上限とする。
一方で、Mg2+の含有率を20.0%以下にすることで、ガラスの線膨張係数の最大値を低くでき、且つ、ガラスの屈折率の低下を抑えられる。従って、Mg2+の含有率は、好ましくは20.0%、より好ましくは15.0%、さらに好ましくは13.0%、さらに好ましくは11.0%を上限とする。
一方で、Sr2+の含有率を30.0%以下にすることで、Sr2+の過剰な含有によるガラスの耐失透性や屈折率の低下を抑えられる。従って、Sr2+の含有率は、好ましくは30.0%、より好ましくは25.0%、さらに好ましくは21.0%を上限とする。
一方で、Ba2+の含有率を30.0%以下にすることで、Ba2+の過剰な含有によるガラスの耐失透性の低下を抑えられる。従って、Ba2+の含有率は、好ましくは30.0%を上限とし、より好ましくは20.0%未満、さらに好ましくは15.0%未満、さらに好ましくは10.0%未満、さらに好ましくは9.0%未満とする。
一方で、R2+を30.0%以上含有することで、より耐失透性の高いガラスを得ることができる。従って、R2+の合計含有率は、好ましくは30.0%、より好ましくは40.0%、さらに好ましくは45.0%、さらに好ましくは48.0%を下限とする。
なお、この比率の上限は1.00であってもよい。
一方で、この比率の上限は、より耐失透性を高める観点から、好ましくは3.00、より好ましくは2.00、さらに好ましくは1.50を上限としてもよい。
Bi3+及びTe4+は、原料としてBi2O3、TeO2等を用いることができる。
一方で、F−の含有率を80.0%以下にすることで、ガラスの磨耗度の低下を抑えられる。従って、F−の含有率は、好ましくは80.0%、より好ましくは75.0%、より好ましくは70.0%、さらに好ましくは67.0%を上限とする。
一方で、O2−の含有率を70.0%以下にすることで、ガラスの線膨張係数の最大値を低く抑えることができ、且つ、他のアニオン成分による効果を得易くできる。従って、O2−の含有率の上限は、好ましくは70.0%、より好ましくは60.0%、さらに好ましくは50.0%、さらに好ましくは45.0%、さらに好ましくは40.0%とする。
また、ガラスの失透を抑制する観点から、O2−の含有率とF−の含有率の合計は、好ましくは98.0%、より好ましくは99.0%を下限とし、さらに好ましくは100%とすることが好ましい。
しかし、Pb、As、Th、Cd、Tl、Os、Be及びSeのカチオンは、近年有害な化学物質として使用を控える傾向にあり、ガラスの製造工程のみならず、加工工程、及び製品化後の処分に至るまで環境対策上の措置が必要とされる。従って、環境上の影響を重視する場合には、不可避な混入を除き、これらを実質的に含有しないことが好ましい。これにより、光学ガラスに環境を汚染する物質が実質的に含まれなくなる。そのため、特別な環境対策上の措置を講じなくとも、この光学ガラスを製造し、加工し、廃棄できる。
上述のような組成を有するガラスから、例えば以下のようにして、プレス成形後のガラス成形体と等しい質量を有し、且つガラス成形体の形状に応じた球状や回転楕円体状等の形状を有するプリフォームを作製する。すなわち、上記原料を各成分が所定の含有率の範囲内になるように均一に混合し、作製した混合物を石英坩堝又はアルミナ坩堝又は白金坩堝に投入して粗溶融した後、白金坩堝、白金合金坩堝又はイリジウム坩堝に入れて900〜1200℃の温度範囲で2〜10時間溶融し、攪拌均質化して泡切れ等を行った後、850℃以下の温度に下げてから仕上げ攪拌を行って脈理を除去することで溶融ガラスを作製する。この溶融ガラスを適当な温度に下げた鋳型に鋳込み、これを徐冷して得られる板状のガラスを切断、研削、研磨することで、プリフォームが作製される。或いは、この溶融ガラスをパイプから滴下して、得られたガラス滴を成形型で受けつつ、成形型の底部にガスを上向きに噴出してガラス滴をランダムな方向に回転することで、プリフォームが作製される。
表1に本願実施例で用いるガラスの組成を示す。これらのガラスは、いずれも各成分の原料として各々相当する酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、弗化物、水酸化物、メタ燐酸化合物等の通常の光学ガラスに使用される高純度原料を選定し、表に示した各実施例の組成で、ガラス重量が400gになるように秤量して均一に混合した後、金坩堝に投入し、ガラス組成の熔融難易度に応じて電気炉で750℃〜1000℃の温度範囲で2〜3時間溶解し、攪拌均質化して泡切れ等を行った後、850〜650℃に温度を下げて1時間程度経過した後、金型に鋳込んで徐冷することによりガラスを作製した。また、比較例で用いるガラスとして、株式会社オハラ製のS−FPL51を使用した。
上述のように作製されたガラスに対して、切断、研削及び研磨を行ってプリフォームを作製した。次いで、作製したプリフォームを、スリーブ型の貫通孔内に挿入した金型の下型の成形面の中心に配置し、金型の上型をスリーブ型の貫通孔内に挿入した。ここで、上型及び下型の成形面は、各々直径約15mmの円形とした。次に、窒素ガス雰囲気中で、プリフォームと金型とを(At+約50℃)のプレス成形温度でプリフォームと金型とを一緒に加熱してプリフォームを軟化させた後、上型及び下型でプリフォームを加圧することでプレスを行い、非球面レンズの形状に成形した。プレス時の加重を100Nとして、加圧時間は45秒間とした。その後、冷却速度−0.5℃/Sで除冷しながら100Nの加重で加圧し、ガラス成形体の温度が室温に下がったところでガラス成形体を取り出した。この工程を繰り返すことで、同一の成形型でプリフォームのプレス成形を20回連続して行い、プレス成形されたガラス成形体のうち、割れやクラックが発生して破損したガラス成形体の割合を求めた。
Claims (6)
- ガラス転移点(Tg)と屈伏点(At)との間の温度範囲における線膨張係数の最大値(αmax)が980×10−7K−1以下であり、1.40以上2.00以下の屈折率(nd)と、60以上のアッベ数(νd)を有するガラス素材を、加熱により軟化した状態で、成形型によってプレス成形する工程を含む光学素子の製造方法。
- 前記プレス成形は、前記ガラス素材を屈伏点(At)以上の温度への加熱により軟化した状態で行う請求項1記載の光学素子の製造方法。
- 前記ガラス素材が、カチオン成分として
P5+を15.0〜55.0%、
Al3+を5.0〜30.0%及び
Ca2+を0%超〜35.0%
含有し、
アニオン成分として
O2−を20.0〜70.0%及び
F−を30.0〜80.0%
含有する請求項1又は2記載の光学素子の製造方法。 - 前記ガラス素材が、カチオン成分として
Mg2+ 0〜20.0%
Sr2+ 0〜30.0%
Ba2+ 0〜30.0%
である請求項1から3のいずれか記載の光学素子の製造方法。 - 前記光学素子として非球面レンズを作製する請求項1から4のいずれか記載の光学素子の製造方法。
- 請求項1から5のいずれか記載の光学素子の製造方法で製造された光学素子を用いて光学機器を作製する光学機器の製造方法。
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