JP6270350B2 - ガラスおよび光学素子の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、透過率に優れたガラスおよび光学素子の製造方法に関する。
近年、撮像光学系、投射光学系等の装置の高機能化、コンパクト化に伴い、有効な光学素子の材料として、高屈折率の光学ガラスの需要が高まってきている。
高屈折率の光学ガラスは、通常、ガラス成分としてTi、Nb、W、Bi等の高屈折率成分を多量に含有している。これらの成分は、ガラスの熔融過程で還元されやすく、還元されたこれらの成分は、可視光域の短波長側の光を吸収するため、ガラスの着色(以下、「還元色」ということがある)が増加する。
また、上記還元されやすい高屈折率成分は、坩堝の材料として広く用いられる白金等の貴金属材料と反応(酸化)し、貴金属が酸化されて生じた貴金属イオンが熔融ガラス中に溶け込む原因となる。熔融ガラス中に溶け込んだ貴金属イオンは可視光を吸収するため、ガラスの着色が増加する。
高屈折率成分を多く含有している高屈折率の光学ガラスでは、上述のようにガラスの着色、特に可視域の短波長側の透過率が低下しやすいという問題があった。このような問題を解決する手段として、特許文献1では、ガラス熔融中に非酸化性ガスをバブリングする技術や、一旦得られたガラスを再度加熱して熱処理する技術が提案されている。
しかし、Ti、Nb、W、Biなどの高屈折率成分を多量に含有するガラスを熔融するに際して、特許文献1に記載されている一酸化炭素、水素などの還元性ガスでバブリングすると、酸化物として添加される高屈折率成分が還元されて金属化し、熔融容器を構成する白金などの金属材料と合金を作り、熔融容器の強度、耐久性が著しく低下するという問題が起きる。また、ヘリウムやアルゴン等の不活性ガスは高価であるため、生産コストの増大の観点から長時間のバブリングには適さない問題があった。
また、一般にガラスの熔融は大気雰囲気中で行われるため、大気中の酸素が熔融容器の材料である白金等の貴金属材料と反応することがある。特に、熔融容器が白金系材料である場合、二酸化白金(PtO)が生成し熔融物中に溶け込む、あるいは、熔融物と白金系材料との界面から白金イオン(Pt4+)として熔融物に溶け込むことがあり、これによりガラスの着色を生じることがある。
そのため、特許文献1のような非酸化性ガスをバブリングする技術だけでは、ガラス中に白金等の貴金属が溶け込むことを十分に抑制できず、依然として高屈折率の光学ガラスの着色を大幅に低減することは困難であった。
特開2011−246344号公報
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、透過率に優れたガラスおよび光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
このような課題の解決を目的とした本発明の要旨は以下の通りである。
〔1〕 TiO、Nb、WOおよびBiの少なくとも一種以上の成分を含むガラス原料を熔融容器内にて加熱、熔融し、熔融ガラスを得る熔融工程(i)において、熔融ガラス中の水分量を高める操作を行うガラスの製造方法。
〔2〕 前記ガラス原料が、TiO、Nb、WOおよびBiを合計で20モル%以上含む上記〔1〕に記載のガラスの製造方法。
〔3〕 前記熔融ガラス中の水分量を高める操作が、熔融雰囲気に水蒸気を付加する処理および熔融物内に水蒸気を含むガスをバブリングする処理の少なくともいずれか一方により行われる上記〔1〕または〔2〕に記載のガラスの製造方法。
〔4〕 前記熔融容器が金属材料からなる上記〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載のガラスの製造方法。
〔5〕 前記熔融工程(i)における熔融容器内の酸素分圧が、大気中の酸素分圧よりも低い上記〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載のガラスの製造方法。
〔6〕 前記熔融ガラスを前記熔融容器外に流出する工程(ii)、
前記熔融ガラスを成形する工程(iii)をさらに有し、
前記工程(ii)および前記工程(iii)の少なくともいずれか一つの工程を酸化性雰囲気下で行う上記〔1〕〜〔5〕のいずれかに記載のガラスの製造方法。
〔7〕 前記ガラスを熱処理する工程(iv)をさらに有し、
前記工程(iv)を酸化性雰囲気下で行う上記〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載のガラスの製造方法。
〔8〕 前記酸化性雰囲気が、大気雰囲気、または大気よりも酸素分圧が高い雰囲気である上記〔6〕または〔7〕に記載のガラスの製造方法。
〔9〕 前記ガラスが、リン酸ガラスである上記〔1〕〜〔8〕のいずれかに記載のガラスの製造方法。
〔10〕 上記〔1〕〜〔9〕のいずれかに記載の製造方法によりガラスを製造する工程と、
前記ガラスを、さらに成形または加工する工程と、を有する光学素子の製造方法。
本発明のガラスの製造方法によれば、ガラスの透過率を劇的に改善できる。また、ガラス中に白金等の貴金属が溶け込む量を大幅に低減できる。
本発明の一実施形態に係る、バッチ原料の調合からガラスの製造までの工程をフローチャートで表したものである。 表1に示すNo.1の組成からなる光学ガラスのβOH値を変化させた場合において、βOH値に対して、厚さ5mmの光学ガラスに対してその厚み方向と平行に光を入射した際の波長450nmにおける外部透過率(T450)の変化を示したグラフである。 表1に示すNo.3の組成からなる光学ガラスのβOH値を変化させた場合において、βOH値に対して、厚さ5mmの光学ガラスに対してその厚み方向と平行に光を入射した際の波長450nmにおける外部透過率(T450)の変化を示したグラフである。 実施例2において、試料55および試料55bについて、透過率を測定した結果を示したグラフである。
本実施形態のガラスの製造方法は、TiO、Nb、WOおよびBiの少なくとも一種以上の成分を含むガラス原料を熔融容器内にて加熱、熔融し、熔融ガラスを得る熔融工程(i)において、熔融ガラス中の水分量を高める操作を行うことを特徴とする。
本実施形態のガラスの製造方法において、熔融ガラス中の水分を高める操作は、好ましくは、熔融容器内に水分を供給すること(以下、第一の実施態様)、または、ガラス原料が水分を含むとともに、加熱・熔融工程において、熔融容器が略密閉されていること(第二の実施態様)により行われる。
なお、熔融ガラス中の水分量を高める操作とは、このような操作を行わなかった場合の熔融ガラス中の水分量よりも、熔融ガラス中の水分量を高めることである。熔融ガラス中の水分量を高める操作を行わない場合、熔融ガラス中の水分量は時間の経過とともに減少する。このような熔融ガラス中の水分量の減少を低減、抑制する操作も、熔融ガラス中の水分量を高める操作に含まれる。
このような本実施形態の製造方法によって作製されたガラスは、高屈折率成分(TiO、Nb、WOおよびBiの少なくとも一種以上の成分)を含み、ガラスが濃く着色している場合であっても、後工程において、このガラスに対し、酸化性雰囲気中で熱処理することにより、ガラスの着色を大幅に低減できる。すなわち、熱処理後において、本実施形態の製造方法により得られたガラスは、着色が少なく、極めて優れた透過率を有する。このような効果が得られる理由については、本発明者は以下の通りであると推定している。
まず、白金などの貴金属製の熔融容器を用いて、TiO、Nb、WOおよびBiなどの高屈折率成分を含む高屈折率のガラスを熔融する際、熔融ガラスを還元側にして熔融すると熔融ガラスへの金属イオン(熔融容器を構成する金属のイオン)の溶け込みを抑制することができる。しかし、熔融ガラスを過剰に還元側にすると、既述したように熔融容器が合金化されてしまう。また、熔融ガラスを過剰に還元しないまでも高屈折率成分が還元されることによってガラスの着色度合が強まると、後工程にてこのガラスに対して熱処理を行っても着色の低減度合は小幅なものにとどまる。
このような問題を解決するには、熔融容器を構成する金属材料がイオン化して熔融ガラスに溶け込まない状態を作りつつ、一旦得られたガラスを熱処理することで着色を大幅に低減することができるガラスを作ればよい。
本発明者は、熱処理によりガラスの着色が低減される現象について次のように考えた。まず、ガラスを酸化性雰囲気で熱処理することにより得られる光学ガラスの着色は少なくなるが、これは還元状態のTi、Nb、W、Biなどの各イオンが酸化され、各イオンの可視光吸収が弱まることによると考えられる。ガラスを熱処理してもTi、Nb、W、Biを酸化する速度が遅いと着色の改善は小幅なものにとどまる。ガラスの着色を大幅に低減するには、熱処理時のTi、Nb、W、Biの酸化速度を大きくすればよい。
仮に、ガラス中を移動しやすいイオンがあり、このイオンが直接着色に影響を与えるものでなければ、熱処理時にこのようなイオンがガラス中を速やかに移動して電荷を受け渡し、還元されたTi、Nb、W、Biを速やかに酸化し、着色を短時間で低減することが可能になる。このようなイオンとしてはHが適していると考えられるが、Hをより移動しやすくするには、ガラス構造中にOHを導入し、OHを起点にHがホッピングできるようにすることで、熱処理時の酸化速度を増加させることができると考えられる。
したがって、ガラスを熱処理した際に、その着色を大幅に低減するためには、ガラス中にできるだけ多くのHとOHとを導入する、すなわち、ガラスの含水量をできるだけ大きくすればよい。
ここで、ガラス原料からガラスを作製する場合において、ガラス原料として正リン酸、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウムなどの水酸化物のように含水量の多い原料成分を用いてもよいが、ガラス原料を熔解して熔融ガラスとする過程や、高温の熔融ガラスの状態において水分が蒸散してしまう。また、化合物を調合してバッチ原料とし、このバッチ原料を粗熔解してカレットを作り、このカレットを再調合して熔融容器中で再熔融することでガラスを得る場合でも、バッチ原料中に当初含まれていた水分はカレット化する際に失われ、さらに熔融容器中で再熔融する過程でも、水分が失われる。よって、いずれの方法を採用してガラスを作製したとしても、通常であれば、ガラスの含水量は極めて小さくなる。そして結果的に、このガラスを熱処理して着色を大幅に低減することはできなくなる。
しかしながら、熔融ガラスに対して外部から水分を供給すれば、高温の熔融ガラスから蒸散して失われた水分を補うことができ、ガラスの含水量を大きくすることが容易となる。
あるいは、水分を含むガラス原料を使用すると共に、加熱・熔融工程において、熔融容器を略密閉してもよい。この場合も熔融容器の気密性が高まるため、熔融容器中でガラス原料を加熱、熔融する際、ガラス原料に含まれる水分が熔融容器の外へ蒸散するのを抑制できる。それゆえ、結果的に、ガラスの含水量を大きくすることが容易となる。
なお、水分を含むガラス原料は、上記のように正リン酸や水酸化物などを用いて得ることができる。また、この他にも、水分を含むガラス原料は、粗熔解して得た熔解物を水に導入してカレット化することによっても得ることができる。このようにして作製したカレット原料(水分を含むガラス原料)では、その表面に付着した水分はカレットを乾燥する際に除去される。しかし、カレットの内部に取り込まれた水分は再熔融(加熱・熔融工程)によって得られる熔融ガラス中の水分量の増加に寄与する。
また、ガラスの含水量をできるだけ大きくするためには、ガラス中に水分を取り込んだり保持する作用の強いガラス成分、すなわちリン酸成分(例えば、正リン酸塩、メタリン酸塩、ピロリン酸塩など)をガラス原料として用いることも有効である。
それゆえ、本実施形態のガラスの製造方法では、リン酸成分を含むガラス原料を用いることが特に好ましい。ここでリン酸成分としては、代表的には正リン酸(HPO)が挙げられるが、その他にも、ピロリン酸(H)や各種のリン酸塩(特に水和物)など各種公知のリン酸化合物も利用でき、2種類以上を組み合わせて利用してもよい。
また、本実施形態のガラスの製造方法では、得られるガラスの含水量が高く、結果的にガラスを熱処理した際に、着色を大幅に低減することが可能となる。特に、本実施形態のガラスの製造方法において、熔融ガラス中の水分を高める操作が、第一の実施態様により行われる場合は、第二の実施態様を単独で行った場合よりもガラスの含水量を一層高めることができ、着色の低減効果も高い。
なお、上述した第一の実施態様では、熔融ガラス中の水分を高める操作が、加熱・熔融工程において、熔融容器内に水分を供給することにより行われる。これにより熔融ガラスに対して外部から水分を供給でき、結果的にガラスの含水量を大きくすることができる。熔融容器内への水分の供給態様としては特に限定されないが、熔融ガラスの液面近傍の雰囲気中へ水蒸気を供給する第一の供給態様、熔融ガラス中に水蒸気をバブリングしながら供給する第二の供給態様、および、第一の供給態様と第二の供給態様とを組み合わせた第三の供給態様、から選択されるいずれかであることが好ましい。なお、水分は、通常、水蒸気(気体)の形態で供給されることが好ましいが、たとえば、水分を除いた残り成分がガラスと略同一の成分からなる含水量の多いガラス原料粉末(固体)の形態で供給してもよい。
一方、熔融ガラスの液面近傍の雰囲気の水蒸気分圧が低い場合は、熔融ガラス中の水分が外部へと蒸散し易くなる。しかしながら上述した第二の実施態様では、熔融ガラス中の水分を高める操作が、水分を含むガラス原料を使用すると共に、加熱・熔融工程において、熔融容器を略密閉することにより行われる。すなわち、水分を含む熔融ガラスは熔融容器という極めて狭い空間内に密閉される。このため、熔融ガラスの液面近傍の雰囲気の水蒸気分圧を高くして水分が蒸散するのを抑制できる。その結果、ガラスの含水量を高めることができる。
なお、熔融容器を略密閉する方法としては特に限定されないが、たとえば、熔融容器が開口部を有する容器であれば、熔融容器の開口部に蓋をすればよい。この場合、熔融容器と蓋とで囲まれた密閉空間内に熔融ガラスを閉じ込めた状態で加熱・熔融工程を実施する。なお、蓋は熔融容器の開口部を塞ぐように熔融容器上に載置するだけでもよい。この場合、密閉された熔融容器内の圧力が高まれば、熔融容器のガスが外部へと少しづつ漏れるものの略密閉した状態を確保できる。しかしながら、熔融容器の開口部に蓋をした後、蓋が開口部に圧接するように押圧力を加えて蓋を熔融容器に対して強く固定したり、あるいは、開口部を封止処理するなどによって、熔融容器内の気密性をさらに高めてもよい。
また、「熔融容器を略密閉する」ことには、(1)熔融容器の開口部に直接蓋をしたりあるいは開口部を直接封止する実施態様以外にも、(2)開口部が開口した状態の熔融容器を、この熔融容器を収納する収納容器内に配置した上で、この収納容器の開口部に直接蓋をしたりあるいは開口部を直接封止する実施態様、および、(3)開口部が開口した状態の熔融容器を、この熔融容器を熔解炉内の密閉式の熔融容器収納室に配置する実施態様、も含まれる。そして、上記(1)〜(3)の実施態様を適宜組み合わせて実施してもよい。
なお、熔融ガラス中の水分量を効率よく高める観点から、本実施形態のガラスの製造方法において、熔融ガラス中の水分量を高める操作としては、上記第一の実施態様により行われることがより好ましい。すなわち、熔融ガラス中の水分量を高める操作として、少なくとも、熔融雰囲気に水蒸気を付加する処理および熔融物内に水蒸気を含むガスをバブリングする処理のいずれか一方を行うことが好ましい。
熔融雰囲気に水蒸気を付加する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、熔融装置に設けた開口部から連結パイプを坩堝内へ挿入し、必要に応じてこのパイプを通して水蒸気を含むガスを坩堝内の空間へと供給する方法等が挙げられる。
坩堝内の空間に供給する水蒸気を含むガスの流量は、特に限定されず、試験的に作製したガラスのβOHの測定結果をもとに調整することができる。例えば、略密閉された熔融容器内に水蒸気を供給する場合は、比較的少量の水蒸気を供給すれば、所望のβOHを有するガラスを得ることができる。一方、蓋をしない坩堝をガラス熔融炉内に配置してガラスを熔融する場合は、ガラス熔融炉内の体積が坩堝内の体積に比べて大きくなるため、βOHを所望の値にするには、ガラス熔融炉内に比較的多量の水蒸気を供給することになる。このような実験結果に基づいて、水蒸気の供給量、すなわち、ガスの流量を次の生産にフィードバックすることで、所望のβOHを有するガラスを生産できる。なお、以下、ガスの流量、水蒸気の流量、雰囲気付加流量、水蒸気の供給量は、25℃、1気圧に換算した値である。
また、バブリング方法としては、特に限定されるものではなく、公知の方法を用いることができる。例えば、白金製または白金合金製のパイプを熔融容器中の熔融物中に差込み、パイプを通して水蒸気を含むガスを熔融物中に吹き込む方法、熔融容器の底部付近に熔融容器の材料と同じ材料からなるパイプを取り付け、このパイプから熔融物中に水蒸気を含むガスを吹き込む方法などが挙げられる。
熔融物中に吹き込む水蒸気を含むガスの気泡径は、好ましくは直径0.01〜100mmであり、より好ましくは0.1〜30mmである。上記範囲とすることで、熔融ガラス中の水分量を効果的に高めることができると考えられる。なお、気泡径が小さすぎる場合には、熔融物に挿入するバブリング用の管が詰まりやすい等の問題がある。
熔融物中に吹き込む水蒸気を含むガスの流量は、特に限定されず、試験的に作製したガラスのβOHの測定結果をもとに調整することができる。例えば、試験的に作製したガラスのβOHを測定し、測定結果が所望の値よりも小さい場合は、ガスの流量を増加させ、逆に測定結果が所望のβOH値より大きい場合は、ガスの流量を減少させる調整を行う。このように試験的にガラスのβOHを求め、測定結果からガスの流量を調整すればよい。このように、試験的に作製したガラスのβOHの測定値に基づいて、水蒸気の供給量、すなわち、ガスの流量を次の生産にフィードバックすることで、所望のβOHを有するガラスを生産できる。
水蒸気を含むガス中の水蒸気の含有量は、好ましくは10体積%以上、より好ましくは20体積%以上、さらに好ましくは30体積%以上、一層好ましくは40体積%以上、より一層好ましくは50体積%以上、さらに一層好ましくは60体積%以上、なお一層好ましくは70体積%以上、特に好ましくは80体積%以上、さらに特に好ましくは90体積%以上である。水蒸気の含有量は、高いほど好ましく、特に上記範囲とすることで、最終的に得られるガラスにおいて、着色の低減効果を高めることができると共に、貴金属の含有量を低減でき、かつ清澄性を改善することができる。
なお、水蒸気を含むガスは、生成したものや、市販のものを用いることができ、他のガスとの混合ガスであってもよい。他のガスとしては、例えば、空気等が挙げられる。
また、熔融ガラス中の水分量を高めるため、水蒸気を付加した熔融雰囲気中で、熔融物を攪拌してもよい。
なお、ガラス中の含水量を高めて、酸化性雰囲気中での熱処理により着色の低減がより容易となる観点からは、本実施形態において、熔融ガラス中の水分を高める操作は、第一の実施態様と第二の実施態様とを組み合わせて実施することが特に好ましい。
また、本実施形態のガラスの製造方法によれば、熔融容器等に由来する貴金属(例えば白金等)のガラス中への溶け込みを有効に防止でき、貴金属イオンに由来する着色も一層低減される。
以下の説明では、熔融容器が白金(Pt)の場合を例にとるが、白金以外の貴金属等の金属材料からなる熔融容器等を用いる場合についても同様である。
通常、ガラスの熔融は大気雰囲気中で行われ、大気中の酸素が熔融容器の材料である白金等の貴金属材料と反応することがある。特に、熔融容器が白金系材料である場合、二酸化白金(PtO)が生成し熔融物中に溶け込む、あるいは、熔融物と白金系材料との界面から白金イオン(Pt4+)として熔融物に溶け込むことがある。熔融ガラス中に溶け込んだ貴金属イオンは可視光を吸収するため、ガラスの着色が増加する傾向にある。
このような白金イオンに由来する着色を低減するためには、熔融雰囲気を還元雰囲気にすることで、熔融ガラスへの金属イオンの溶け込みを抑制する方法等が挙げられる。しかし、熔融ガラスを過剰に還元側にすると、熔融容器が合金化し、熔融容器の強度、耐久性が著しく低下する。また、熔融雰囲気を不活性ガスで置換する方法等もあるが、Arなどの不活性ガスは高価で、長時間の熔融に適さない。
これに対し、本実施形態に係るガラスの製造方法では、熔融ガラス中の水分量を高める操作を行うことで、熔融ガラスへの金属イオンの溶け込みを抑制できる。
すなわち、熔融ガラス中の水分量を高める操作(例えば、熔融容器内に水分を供給する等)により、熔融雰囲気中の酸素分圧が低減され、熔融容器(坩堝等)等の材料である白金材料等が酸化されるのを防止する。その結果、熔融雰囲気中の酸素が白金材料等と反応して生成する二酸化白金や白金イオン(Pt4+)が、熔融物(ガラス)中に溶け込むことを有効に防止でき、得られるガラスにおいて、白金(Pt)の溶け込み量が一層低減される。
このように本実施形態の製造方法により作製されたガラスは、熔融容器等の製造器具に由来するPtなどの貴金属の含有量が極めて少ない。したがって、ソラリゼーションと呼ばれる紫外線照射によるガラスの着色が少ない。そのため、このようなガラスを例えば光学素子として用いた場合には、透過率の経年変化が少ない。また、紫外線硬化型接着剤を用いて光学素子を固定するとき、光学素子に紫外線を照射しても、透過率が低下しないという効果も得ることができる。
貴金属イオンに起因するガラスの着色の低減、透過率の改善、ソラリゼーションの低減、貴金属異物の低減などの観点から、好ましくは、得られるガラス中の貴金属の含有量は、4ppm以下である。貴金属の含有量の上限値は低いほど好ましく、3ppm、2.7ppm、2.5ppm、2.2ppm、2.0ppm、1.8ppm、1.6ppm、1.4ppm、1.2ppm、1.1ppm、1.0ppm、0.9ppmの順に上限値が低いほどより一層好ましい。貴金属の含有量の下限は、特に制限されないが不可避的に0.001ppm程度は含まれる。
貴金属としては、Pt、Au、Rh、Ir等の金属単体、Pt合金、Au合金、Rh合金、Ir合金などの合金を例示することができる。熔融容器材料や熔融器具材料としては、貴金属の中でも耐熱性、耐蝕性に優れるPtまたはPt合金が好ましい。したがって、PtまたはPt合金製の熔融容器、熔融器具を用いて作製したガラスについては、ガラス中に含まれるPtの含有量が4ppm以下であることが好ましい。Ptの含有量のより好ましい上限については、ガラス中に含まれる貴金属の含有量のより好ましい上限と同じである。また、Ptの含有量の下限は、特に制限されないが、不可避的に0.001ppm程度は含まれる。
さらに、本実施形態のガラスの製造方法によれば、清澄性を大幅に改善できる。
一般に、ガラスの製造では、均質で泡の少ないガラスが求められる。このような泡の少ないガラスを得るためには、通常、熔融ガラス中の溶存ガスを放出(脱泡)させる清澄工程が設けるのが一般的であるが、ガラスの清澄性は、熔融ガラス中の溶存ガス量に依存する。このような溶存ガス量は、ガラスの組成(特に原材料の種類)や、ガラスの熔融時間や熔融回数に大きな影響を受ける。しかし、熔融工程において溶存ガスを補うことができれば、清澄性の問題は解決される。
本実施形態の製造方法により作製されるガラスは、熔融ガラス中の水分量を高める操作(例えば、熔融容器内に水分を供給する等)を行うことにより、熔融ガラス中の溶存ガス量を高めることができると考えられる。すなわち、熔融ガラス中に積極的に導入された水分(例えば、水蒸気)は、溶存ガスとしての役割を果たし、ガラスの清澄性を改善すると考えられる。
このような本実施形態のガラスの製造方法によれば、ガラスが優れた清澄性を有することから、清澄工程に要する時間を短縮でき、生産性が向上する。
なお、清澄工程を行う清澄槽も、白金や白金合金等の金属材料により構成されているのが一般的である。そのため、清澄工程が長時間になるほど、白金イオンの熔融物への溶け込みによる透過率劣化等の問題が顕著となる。しかし、本実施形態のガラスの製造方法によれば、清澄工程に要する時間を短縮することができるため、熔融ガラスと熔融容器等との接触時間を低減でき、白金等の貴金属イオンの熔融物への溶け込みも、より低減できると考えられる。
本実施形態の製造方法により得られるガラスの用途は、特に限定されるものではないが、例えば光学ガラスとして好適に用いることができる。
上述のように、高屈折率成分(Ti、Nb、W、Bi等)を多量に含有した光学ガラスは、ガラスの着色(還元色)の問題が顕著であるが、本実施形態の製造方法によれば、高屈折率でありながら、優れた透過率を有する光学ガラスを容易に得ることができる。
すなわち、本実施形態の製造方法により得られる光学ガラスは、上記のような高屈折率成分を多量に含有した場合であっても、熱処理によって効率よく還元色を低減できる。さらに、熔融容器等として白金等の貴金属材料を用いた場合であっても、貴金属材料が熔融ガラス中に溶け込むことを効果的に抑制でき、貴金属イオンに由来する着色も極めて少ない。このような本実施形態の製造方法により得られる光学ガラスは、優れた透過性を有する。
また、本実施形態の製造方法によれば、熔融ガラス中の水分量を高める操作により、熔融ガラス中の溶存ガス量を高めることができ、清澄性を大幅に改善できる。その結果、泡の少ない均質な光学ガラスを短時間で得ることができる。
本実施形態のガラスの製造方法において、本願明細書において説明した事項以外については、ガラス原料の調整法、ガラス原料の加熱法、熔融法、熔融ガラスの成形法については公知の方法が適宜採用できる。また、本実施形態のガラスの製造方法に用いられるガラス原料や熔融容器を構成する材料についても公知の材料が適宜利用できる。
ここで、ガラスの作製に際して用いられる熔融容器等を構成する材料としては、通常、熔融ガラスを熔融する温度・雰囲気において耐熱性と耐侵蝕性と有する材料(例えば、金属材料や石英材料等)を適宜利用できる。
ただし、作製しようとするガラス組成によっては、著しい侵蝕性を示す熔融生成物が生成したり、熔融ガラスが熔融容器等を構成する材料と反応し、熔融容器が溶けたりする場合もある。そのため、熔融容器等を構成する材料を選択する際には、ガラス組成に応じて適宜材料を選択することが好ましい。
例えば、高屈折率成分を含有するリン酸塩ガラス(Pと、TiO、Nb、WOおよびBiから選択される少なくとも1種の酸化物とを含むガラス)の場合、特に、バッチ原料を加熱・熔解する際に、著しい侵蝕性を示す熔解生成物が生成する。このような熔融生成物は、白金等の耐蝕性に優れた材料をも侵蝕する傾向があるため、白金等の貴金属材料は、上記熔融生成物により侵蝕され、熔融物中に溶け込み、異物として生成したり、ガラスの着色を増大させたりする問題がある。
そのため、高屈折率成分を含有するリン酸塩ガラスの場合には、バッチ原料を加熱・熔解する際の熔融容器は、熔融工程の後半や清澄工程等とは別に、熔融容器等の材料を選択することが好ましい。バッチ原料を加熱・熔解する際に用いる熔融容器等としては、石英製など、耐火物製の容器や器具が好適である。石英などの耐火物は、上記熔融生成物により侵蝕されるが、侵食されて熔融物中に混入してもガラス組成物の一部となるため、貴金属材料のような問題は少ないためである。熔融工程の後半や清澄工程等では、熔融生成物が貴金属材料をも侵蝕するという問題は少ないため、白金製や白金合金製等の貴金属製の容器や器具を用いるのが好適である。
他方、Bと、高屈折率成分を含有するホウ酸塩ガラス(TiO、Nb、WOおよびBiから選択される少なくとも1種の酸化物を含むガラス)の場合には、上記リン酸塩ガラスのような熔融生成物が貴金属材料をも侵蝕するという問題は少ない。むしろ、ホウ酸ガラスの場合、石英などの耐火物容器は著しく侵蝕される傾向にある。そのため、熔融容器等としては、ガラスの製造過程で侵蝕され難い白金製や白金合金製等の貴金属製の容器や器具を用いるのが好適である。
本実施形態のガラスの製造方法では、ガラスの作製に際して用いられる熔融容器を構成する材料としては、金属材料を使用することが好ましい。ここで、金属材料は、貴金属および貴金属合金から選択される少なくとも1種を使用することが好ましい。本実施形態のガラスの製造方法では、一般的なガラスの製造方法と比べて熔融ガラス中の含水量が高く維持される。これにより、熔融ガラスによって上述の貴金属あるいは貴金属合金が侵蝕されることもなく、且つ還元された高屈折率成分が熔融容器を構成する材料と合金化することもない酸化還元状態に、熔融ガラスを維持することができる。なお、耐侵蝕性、耐熱性が特に優れる観点から、貴金属としては白金、金などを、貴金属合金としては白金合金、金合金などを用いることが好ましい。
本実施形態のガラスの製造方法では、加熱・熔融工程は、通常、ガラス原料を加熱することで熔解して熔融ガラスにする熔解工程に加えて、熔融ガラスの脱泡を促進する清澄工程と、清澄後の熔融ガラスを降温して成形に適した粘度にするとともに撹拌して均質化する均質化工程とを含むことが好ましい。
ガラス原料としては、所望の特性の光学ガラスが得られるように、ガラス成分に対応する原材料を秤量し、十分混合して得られた調合原料(バッチ原料)や、調合カレットを用いることができる。
ガラス原料としてカレットを使用する場合には、バッチ原料を粗熔解してカレット化するカレット化工程(ラフメルト工程)が、熔解工程(リメルト工程)の前に実施される。また、カレットは、好ましくは事前に屈折率測定の測定が行われている。屈折率の測定値が所望の値と等しい場合、カレットをそのまま調合カレットとし、屈折率の測定値が所望の値からずれている場合、所望の値より高い屈折率を有するカレットと所望の値より低い屈折率を有するカレットを混合して、調合カレットとする。
なお、カレットはガラスからなるが、均質なガラスである必要はない。また、カレットは気泡を含むものであってもよい。さらに、バッチ原料の未熔解物を含むものであってもよい。カレットの組成、光学特性(例えば、屈折率、アッベ数など)は、カレットを再熔融して均質で泡を含まないガラスを作り、このガラスの組成、光学特性をそれぞれカレットの組成、光学特性とする。
カレットを作製する方式(ラフメルトーリメルト方式)であっても、バッチ原料を直接熔解工程で熔解する方式(バッチダイレクト方式)であっても、Ti、Nb、WおよびBiの過剰な還元を抑えるとともに、熔融容器が金属材料から構成される場合にその金属材料のイオン化を抑制し、ガラス中の含水量を確保する観点から、加熱・熔融工程中のガラスの加熱温度は、800〜1500℃に維持することが好ましく、より好ましくは1400℃以下、さらに好ましくは1300℃以下に維持することが好ましい。さらに清澄性を改善しつつ、ガラスを酸化性雰囲気中で熱処理した際の着色の大幅な低減を容易とする観点からは、加熱・熔融工程中のガラスの加熱温度が清澄工程で最も高くなるように設定する、すなわち、清澄温度以下でガラスを熔融することが好ましい。
また、加熱・熔融工程の開始から終了までの時間を長くすると、高屈折率成分の還元、熔融容器が金属材料からなる場合においてその金属材料のイオン化を助長し、ガラス中の含水量も低下傾向を示すことになる。このため、加熱・熔融工程の開始から終了までの時間は100時間以内にすることが好ましい。なお、加熱・熔融工程の開始から終了までの時間は熔融容器の容量の大小などにより適宜調整すればよい。
本実施形態のガラスの製造方法は、より好ましくは、ラフメルト−リメルト方式で行われる。
すなわち、本実施形態のガラスの製造方法は、好ましくは、
調合材料を熔融してカレットを得るラフメルト工程と、前記カレットを再熔融してガラスを得るリメルト工程と、を有し、
前記ラフメルト工程および前記リメルト工程のうち少なくともいずれか一方において、熔融ガラス中の水分量を高める操作を行うことを特徴とする。
特に、ラフメルト−リメルト方式でガラスを作製する場合には、ラフメルト時のバッチ原料の熔解温度(粗熔解温度)は、800〜1400℃の範囲とすることが好ましい。ただし、溶存ガスの溶解度は熔融物の温度上昇とともに減少するため、清澄効果をより高める上で、ラフメルト工程における熔融物の温度は、リメルト工程におけるカレットの熔融温度(再熔解温度)と同じ、もしくはカレットの熔解温度未満であることが好ましく、特にリメルト工程における清澄温度よりも低くすることが好ましい。
また、ラフメルト工程における熔解時間は、坩堝の容量、バッチ原料の坩堝への投入量を考慮して適宜調整することができ、例えば、熔解時間を0.1〜100時間、より好ましくは0.1〜20時間の範囲としてもよい。
また、リメルト工程における調合カレットの熔解温度(再熔解温度)は、800〜1500℃の範囲にすることが好ましい。ただし、清澄効果をより高める上から、この再熔解温度を清澄温度よりも低くすることが好ましい。リメルト工程における熔解時間は坩堝の容量、調合カレットの坩堝への投入量を考慮して適宜調整することができ、例えば、再熔融時の熔解時間を0.1〜100時間、より好ましくは2〜20時間の範囲としてもよい。
なお、本実施形態のガラスの製造方法において、熔融時の雰囲気は、特に限定されるものではないが、熔融ガラス中の水分量を効果的に高める観点から、熔融雰囲気に水蒸気が付加されていることが好ましい。
熔融雰囲気は、はじめ大気雰囲気や窒素雰囲気などの水蒸気以外の熔融雰囲気で熔融を開始し、熔融ガラス中の水分量を高める操作により、途中から熔融雰囲気に水蒸気が付加されてもよいし、熔融雰囲気を予め水蒸気雰囲気に調整しておいてもよい。
熔融ガラス中の水分量を高める操作を行う際の、熔融雰囲気の水蒸気分圧は、大気中の水蒸気分圧よりも高く、より好ましくは酸素分圧よりも高い。さらに、水蒸気分圧の上限は、特に限定されるものではなく、例えば熔融雰囲気を全て水蒸気で置換することもできる。
また、熔融工程全体を通して、熔融雰囲気中の水蒸気分圧が高いことで、酸素が白金等の貴金属材料からなる熔融容器と反応することを有効に防止でき、ガラス中へのPt等の溶け込み量を低減でき、透過率の劣化(低下)を効果的に防ぐことができる。さらに、溶存ガス量を清澄工程の直前まで維持することで、清澄性の改善効果が高まる。
また、熔融工程は、熔融物の均質化を目的として、熔融物の攪拌を伴うこともできる。攪拌方法としては、公知の方法を用いることができ、例えば、気体を熔融物にバブリングする方法や攪拌棒により攪拌する方法などが挙げられる。
特に、水蒸気を含むガスを用いたバブリングや、水蒸気を付加した熔融雰囲気中での熔融物の攪拌は、熔融物の均質化を図ると共に、熔融ガラス中の水分量を高める観点で好適である。
また、本実施形態のガラスの製造方法は、好ましくは、TiO、Nb、WOおよびBiの少なくとも一種以上の成分を含むガラス原料を熔融容器内にて加熱、熔融し、熔融ガラスを得る熔融工程(i)の後に、さらに前記熔融ガラスを前記熔融容器外に流出する工程(ii)、および前記熔融ガラスを成形する工程(iii)を有する。
流出工程(ii)では、清澄・均質化した熔融ガラスを熔融容器底部に取り付けたガラス流出パイプより流出する。ガラス流出パイプの温度は、流れる熔融ガラスが失透しない温度域であって、成形に適した粘度になるように調整、維持する。
成形工程(iii)では、熔融容器内の熔融ガラスを所定の形状に成形できるのであれば公知の如何様な成形方法も利用できる。たとえば、熔融ガラスを、鋳型に流し込んでブロック状としてもよく、パイプから流下させた線状の熔融ガラス流を、一定の長さ(一定の量)毎に切断してガラス塊としてもよい。また、後工程において、より精度の高い形状加工を行う場合は、成形工程を経て得られる個々のガラスの形状は大きくばらついていてもよい。また、得られたガラスは濃く着色していてもよく、後工程において、熱処理を行うことにより着色は低減することができる。
本実施形態のガラスの製造方法では、流出工程(ii)および成形工程(iii)の少なくともいずれか一つの工程を酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。これにより、ガラスの還元色を効率よく低減できる。
通常、高屈折率成分に由来する還元色は、ガラスを酸化性雰囲気で熱処理することで低減できる。特に、Ti、Nb、WおよびBi等の酸化は、ガラスの温度が高いほど速やかに進む傾向にある。
そのため、できるだけ高温のガラス、すなわち熔融工程(i)のガラスを酸化性雰囲気に晒すと良いとも考えられる。しかし、熔融容器や清澄槽等が貴金属材料等で構成されている場合、熔融工程(i)のガラスは、貴金属材料と接する状態にあるため、熔融雰囲気を酸化性雰囲気にすると、貴金属材料が雰囲気中の酸素と反応し、ガラス中に貴金属のイオンが溶け込む等の問題がある。
一方、流出工程(ii)および成形工程(iii)のガラスは、熔融工程(i)のガラスに比べて温度が低いが、成形後に降温したガラスに比べれば、なお十分に高温に保たれているといえる。そのため、これらの工程でも、ガラスを酸化性雰囲気に晒すことによるガラスの着色低減の効果は十分に期待できる。さらに、流出工程(ii)および成形工程(iii)では、ガラスが熔融容器等を構成する貴金属材料と接触することもないため、上記のような問題は生じにくいと考えられる。
そのため、流出工程(ii)および成形工程(iii)の少なくともいずれか一つの工程を酸化性雰囲気とすることで、熔融ガラスへの貴金属材料等の溶け込みを危惧することなく、効率よく還元色を低減できる。
また、熔融ガラス流の方が、鋳型中のガラスブロックよりも、単位体積当たり、酸化性雰囲気に晒されるガラスの表面積が大きくなるため、より効率よく還元色を低減することができる。
また、流出工程(ii)および成形工程(iii)の少なくともいずれか一つの工程で、ガラスの還元色の低減が図られていることにより、成形工程(iii)後のガラスについて、気泡や析出物の有無などガラス内部の検査が容易にできる。その結果、早い段階で良質のガラスを精査でき、歩留まりも向上する。
また、本実施形態のガラスの製造方法は、好ましくは、製造されたガラスを熱処理する熱処理工程(iv)を有する。熱処理は、酸化性雰囲気中で行うことが好ましい。これにより得られるガラスの着色を大幅に低減することが可能となる。熱処理工程を経て得られたガラスは、着色が少なく透明度が高い、すなわち、可視域における透過率が高い。
熱処理工程(iv)において、熱処理温度および熱処理時間は、所望の光学特性が得られるように適宜設定すればよい。例えば、熱処理温度は、ガラスの軟化点よりも低く、ガラス転移温度Tgよりも100℃低い温度(Tg−100℃)以上の温度が好ましい。
なお、ガラスの着色を所定のレベルまで低減する際、熱処理温度が高ければ、熱処理時間を短縮することができる。また、酸化性雰囲気中の酸素分圧を高めても熱処理時間を短縮することができる。このように熱処理時間は、熱処理温度や酸化性雰囲気中の酸素分圧により変わるが、ガラスの着色が所望のレベルになるように設定すればよい。熱処理時間は、典型的には、0.1時間〜100時間であることが好ましい。
なお、上記流出工程(ii)、成形工程(iii)および熱処理工程(iv)において、酸化性雰囲気とは、大気雰囲気、または大気よりも酸素分圧が高い雰囲気であり、好ましくは大気よりも酸素分圧が高い雰囲気である。
酸化性雰囲気とするための方法は、特に限定されるものではないが、例えば酸化性雰囲気ガスを供給する方法などが挙げられる。酸化性雰囲気ガスとしては、酸素を含むガスであればよく、酸素濃度は、たとえば、空気と同程度前後かそれ以上であればよい。このような酸化性雰囲気ガスとしては、たとえば、空気、空気に酸素を加えたガス、実質的に酸素のみからなるガスなどを挙げることができる。
本実施形態の製造方法で得られたガラスは、熔融ガラス中の水分量を高める操作により、水分を多く含み、上述のように、熱処理工程(iv)を経た後は、着色が低減され、優れた透過率を有する。このようなガラス中に含まれる水分(ガラス中の含水量)は、OHに起因する赤外線吸収量として、分光光度計によって定量的に把握することが可能である。
ガラス中の含水量は、たとえば、下式(1)に示すβOH値により把握できる。
βOH=−[ln(B/A)]/t ・・・(1)
ここで、上記式(1)中、tは外部透過率の測定に用いる前記ガラスの厚み(mm)を表し、Aは前記ガラスに対してその厚み方向と平行に光を入射した際の波長2500nmにおける外部透過率(%)を表し、Bは前記ガラスに対してその厚み方向と平行に光を入射した際の波長2900nmにおける外部透過率(%)を表す。また、上記式(1)中、lnは自然対数である。βOHの単位はmm−1である。
なお、「外部透過率」とは、ガラスに入射する入射光の強度Iinに対するガラスを透過した透過光の強度Ioutの比(Iout/Iin)、すなわち、ガラスの表面における表面反射も考慮した透過率であり、後述する「内部透過率」とは、ガラスの表面における表面反射が無い場合の透過率(すなわちガラスを構成するガラス材料自体の透過率)である。それぞれの透過率は、分光光度計を用いて、透過スペクトルを測定することにより得られる。
上記式(1)で表されるβOHは、水酸基に起因する吸光度を意味する。そのため、βOHを評価することにより、ガラス中に含まれる水分(および/または水酸化物イオン、以下、単に「水」という。)の濃度を評価することができる。すなわち、βOHが高いほど、ガラス中の含水量が高いことを意味する。
一般に、ガラスのβOHは、ガラス組成や製造条件等によって異なる。例えば、同じ製造条件で作製されたガラスの場合、水を取り込みやすいガラス組成のガラスは、水を取り込みにくいガラス組成のガラスに比べて、βOHが高くなる傾向にある。また、同じガラス組成で比較した場合、熔融ガラス中の水分量を高める操作が行われることにより、βOHは高くなる傾向にある。
したがって、本実施形態の製造方法により得られるガラスについて、ガラス中の水分量が高められているか否かを評価する際にも、水の取り込み易さが同程度のもので比較する必要がある。
本実施形態の製造方法においては、ガラスのβOHの値は、調整できる限り、特に制限されるものではないが、ガラスの着色低減やガラス中の貴金属含有量の低減等の効果を高める観点から、βOHの値は高いほど好ましい。
特に、熱処理後のガラスの透過率改善の観点からは、本実施形態の製造方法により作製されるガラスは、下記式(1−2)を満足することが好ましい。
βOH≧0.4891×ln(1/HR)+2.48 ・・・(1−2)
ここで、上記式(1−2)中、lnは自然対数である。また、上記式(1−2)中、HRは、前記ガラス中の、TiO、Nb、WOおよびBiの各成分の含有量の合計量(モル%)を表す。また、βOHの単位はmm−1である。
本実施形態の製造方法においては、得られるガラスのβOHが、上記(1−2)式を満足する程度まで、熔融ガラス中の水分量を高める操作を行うことが好ましい。これにより、得られるガラスの熱処理後における、ガラスの着色低減効果をさらに一層高めることができる。
なお、熔融工程(i)において、熔融ガラス中の水分量を高める操作を行わない場合には、得られるガラスは上記(1−2)式を満足しない傾向にある。したがって、ガラスがこれらの式を満足するか否の結果は、熔融ガラス中の水分量を高める操作が行われたか否かを判断するための指標にもなり得ると考えられる。
また、特に、ガラス中の貴金属含有量の低減の観点からは、本実施形態の製造方法により作製されるガラスは、下記式(1−3)を満足することが好ましい。
βOH≧181.39×nd−3−325.75×nd−2+194.85×nd−1−38.1 ・・・(1−3)
ここで、上記式(1−3)中、ndは、前記ガラスの屈折率を表す。βOHの単位はmm−1である。
本実施形態の製造方法においては、得られるガラスのβOHが、上記(1−3)式を満足する程度まで、熔融ガラス中の水分量を高める操作を行うことが好ましい。これにより、熔融雰囲気中の酸素分圧が十分に低減され、熔融容器が貴金属材料等で構成された場合であっても、熔融雰囲気中の酸素と貴金属材料とが反応することを有効に防止でき、得られるガラス中の貴金属含有量をより一層低減できる。
なお、熔融工程(i)において、熔融ガラス中の水分量を高める操作を行わない場合には、得られるガラスは上記(1−3)式を満足しない傾向にある。したがって、ガラスがこれらの式を満足するか否の結果は、熔融ガラス中の水分量を高める操作が行われたか否かを判断するための指標にもなり得ると考えられる。
また、本実施形態のガラスの製造方法により得られるガラスのβOHの上限も、ガラスの種類や製造条件によって異なり、調整できる限り、特に制限されるものではない。βOHを高めていくと、熔融ガラスからの揮発物量が増加する傾向にあるため、熔融ガラスからの揮発を抑制する上から、好ましくはβOHが10mm−1以下、より好ましくは8mm−1以下、さらに好ましくは6mm−1以下、一層好ましくは5mm−1以下、より一層好ましくは4mm−1以下、さらに一層好ましくは3mm−1以下、なお一層好ましくは2mm−1以下とすることができる。
なお、赤外光は、濃く着色したガラスであっても透過するため、ガラスのβOHはガラスの着色の有無(還元色の有無)によらず評価できる。また、通常、熱処理工程(iv)はガラスの軟化点よりも低い温度で行われるため、その前後でガラスのβOHの値は実質的に変化せず、熱処理工程(iv)の前後何れで測定してもよい。したがって、ガラスのβOHは、熱処理工程(iv)を経た透明なガラス、および熱処理工程(iv)を経ていない濃く着色しているガラスの何れで測定してもよい。
本実施形態のガラスの製造方法により得られるガラスの屈折率ndは、1.75以上であることが好ましい。また、屈折率ndのより好ましい下限は1.80、さらに好ましくは1.85、特に好ましくは1.90である。また、屈折率ndの上限は、ガラスが得られる限り制限はないが、例えば2.5程度とすることができる。屈折率の高いガラスからなる光学素子を用い、光学系を構成することによって、光学系のコンパクト化、高機能化が可能なる。このような観点から、屈折率ndは高いほど好ましい。しかし、屈折率を高めるとガラスの耐失透性が低下する傾向を示す。そのため、耐失透性を維持する上から、屈折率ndの好ましい上限は2.4、より好ましくは2.3である。
ガラス組成について
以下、特記しない限り、ガラス成分の含有量、合計含有量、添加剤の含有量は酸化物換算のモル%で表示する。
本実施形態の製造方法により得られるガラスは、ガラス成分として、TiO、Nb、WOおよびBiから選択される少なくともいずれか1種の酸化物(以下、「高屈折率成分」ということがある)を含有する。好ましくは、ガラス中に含まれるTiO、Nb、WOおよびBiの合計含有量は、20%以上であり、より好ましくは25%以上であり、さらに好ましくは30%以上、一層好ましくは35%以上である。TiO、Nb、WOおよびBiの合計含有量が85%を超えると耐失透性が悪化傾向を示すため、耐失透性を維持する観点から、TiO、Nb、WOおよびBiの合計含有量は85%以下であることが好ましく、80%以下であることがより好ましく、75%以下であることがさらに好ましい。
ガラス中のTiO、Nb、WOおよびBiの含有量を高める観点から、本実施形態の製造方法では、得られるガラスはP含有ガラスであることが好ましい。P含有ガラス中では、加熱処理時のHの移動速度が速く、他の組成系に比べると短時間の加熱処理で着色を低減することができる。
本実施形態の製造方法により得られるガラスは、好ましくは高屈折率成分を含むリン酸ガラスである。すなわち、ガラス成分として、TiO、Nb、WOおよびBiから選択される少なくとも1種の酸化物と、Pとを含む酸化物ガラスであることがより好ましい。
このようなガラスとしては、モル%表示において、Pの含有量がSiOの含有量よりも大きくかつBの含有量よりも多いガラスや、Pの含有量がSiOとBの合計含有量よりも多いガラスを挙げることができる。
本実施態様は、実施例に例示する組成に加え、TiO、Nb、WOおよびBiの含有量が上記範囲にある公知の組成を含むガラス組成に適用することができる。
次に、本実施態様における好ましいガラス組成について説明する。
は、ガラスネットワーク形成成分であり、ガラスの熱的安定性を維持する働きがある。Pの含有量が7%未満であると、熱的安定性が低下傾向を示すため、Pの含有量を7%以上にすることが好ましい。ガラスに含まれるPの含有量を7%以上とすることにより、ガラス中の含水量を高めることができ、結果的にガラスを酸化性雰囲気中で熱処理した際に、着色を低減する効果もより一層大きくすることが容易となる。
一方、Pの含有量が40%より大きいと、屈折率が低下する。ガラスに含まれるPの含有量を40モル%以下とすることにより、ガラスを酸化性雰囲気中で熱処理して得られた光学ガラスの屈折率を高い値に維持することが容易となる。
したがって、Pの含有量を7〜40%の範囲にすることが好ましい。なお、Pの含有量のより好ましい下限は10%、さらに好ましい下限は12%、一層好ましい下限は15%、より一層好ましい下限は18%である。Pの含有量のより好ましい上限は35%、さらに好ましい上限は33%、一層好ましい上限は30%、より一層好ましい上限は28%である。
SiOは、P系組成のガラスには溶けにくく、多量に導入すると溶け残りが生じてガラスの均質性が悪化する傾向を示す。そのため、SiOの含有量は、Pの含有量(M)よりも少ないことが好ましい。SiOの含有量を上記M(Pの含有量[%])との関係を表すと、より好ましいSiOの含有量の範囲は0%〜0.8×M[%]であり、さらに好ましい範囲は0%〜0.5×M[%]、一層好ましい範囲は0%〜0.3×M[%]、より一層好ましい範囲は0%〜0.15×M[%]である。
は、少量を含有させることにより耐失透性を改善する働きをする。Bの含有量を上記M(Pの含有量[%])との関係を表すと、好ましいBの含有量の範囲は0%以上、M[%]未満であり、より好ましい範囲は0%〜0.9×M[%]、さらに好ましい範囲は0%〜0.7×M[%]、一層好ましい範囲は0%〜0.6×M[%]、より一層好ましい範囲は0%〜0.5×M[%]、さらに一層好ましい範囲は0%〜0.4×M[%]、なお一層好ましい範囲は0%〜0.35×M[%]である。
TiO、Nb、WOおよびBiは屈折率を高めるとともに、分散を高める働きをし、化学的耐久性を改善する働きをする成分である。しかし、TiO、Nb、WOおよびBiの含有量がそれぞれ多くなると耐失透性が悪化する傾向を示す。
耐失透性を維持する観点から、TiOの含有量の好ましい上限は40%、より好ましい上限は35%、さらに好ましい上限は33%、一層好ましい上限は30%である。TiOの導入効果を得る上から、TiOの含有量の好ましい下限は1%、より好ましい下限は3%である。TiOの含有量を0%にすることもできる。
耐失透性を維持する観点から、Nbの含有量の好ましい上限は45%、より好ましい上限は40%、さらに好ましい上限は35%である。Nbの導入効果を得る上から、Nbの含有量の好ましい下限は5%、より好ましい下限は8%、さらに好ましい下限は11%である。Nbの含有量を0%にすることもできる。
WOの含有量の好ましい範囲は0〜30%である。上記WOの導入効果を得る観点から、WOの含有量の好ましい下限は1%、より好ましい下限は3%、さらに好ましい下限は5%である。一方、耐失透性を維持する観点から、WOの含有量の好ましい上限は27%、より好ましい上限は24%、さらに好ましい上限は20%、一層好ましい上限は18%である。WOの含有量を0%にすることもできる。
Biの含有量の好ましい範囲は0〜35%である。上記Biの導入効果を得る観点から、Biの含有量の好ましい下限は1%、より好ましい下限は3%、さらに好ましい下限は5%である。一方、耐失透性を維持する観点から、Biの含有量の好ましい上限は30%、より好ましい上限は28%、さらに好ましい上限は24%である。Biの含有量を0%にすることもできる。
BaO、SrO、CaO、MgO、ZnO等の二価金属成分は、ガラスの熔融性を改善し、ガラスの着色を低減する働きをする。また、適量であれば耐失透性を改善する働きをする。しかし、過剰量の含有により屈折率が低下し、耐失透性が悪化する傾向を示すため、BaO、SrO、CaO、MgOおよびZnOの合計含有量が0〜40%であることが好ましく、0〜32%であることがより好ましい。BaO、SrO、CaO、MgOおよびZnOの合計含有量の好ましい上限は30%、より好ましい上限は27%、さらに好ましい上限は25%である。BaO、SrO、CaO、MgOおよびZnOの合計含有量の好ましい下限は0.1%、より好ましい下限は0.5%、さらに好ましい下限は1%である。
これら2価金属成分のうち、BaOは高屈折率を維持する上で有効な成分であることから、BaOの含有量を0〜40%の範囲にすることが好ましく、0〜32%の範囲にすることがより好ましい。BaOの含有量の好ましい上限は30%、より好ましい上限は27%、さらに好ましい上限は25%である。BaOの含有量の好ましい下限は0.1%、より好ましい下限は0.5%、さらに好ましい下限は1%である。BaOの含有量を0%にすることもできる。
LiO、NaO、KO等のアルカリ金属酸化物はガラスの熔融性を改善し、ガラスの着色を低減する働きをする。またガラス転移温度、軟化温度を低下させ、ガラスの加熱処理温度を低下させる働きもする。しかし、過剰量の含有により屈折率が低下し、耐失透性が悪化する傾向を示すため、LiO、NaOおよびKOの合計含有量が0〜40%であることが好ましく、0〜35%であることがより好ましく、0〜32%であることがさらに好ましく、0〜30%であることが一層好ましい。LiO、NaO、KOの含有量をそれぞれ0%にすることもできる。
特に、アルカリ金属酸化物としてLiOを用いる場合、高屈折率ガラスを得る観点から、その含有量は製造されるガラス中において0%を超え10%未満であることがより好ましく、0%を超え9%以下であることがさらに好ましく、0%を超え8%以下であることが特に好ましい。
Alは少量であれば耐失透性を改善する働きをするが、過剰量の含有により屈折率が低下する。したがって、Alの含有量の好ましい範囲は0〜12%、より好ましい範囲は0〜7%、さらに好ましい範囲は0〜3%である。
ZrOは屈折率を高める働きをし、少量であれば耐失透性を改善する働きをする。しかし、過剰量の含有により、耐失透性や熔融性が悪化傾向を示すため、ZrOの含有量の好ましい範囲は0〜16%、より好ましい範囲は0〜12%、さらに好ましい範囲は0〜7%、一層好ましい範囲は0〜3%である。
GeOは耐失透性を維持しつつ、屈折率を高める働きをする。また、GeOは屈折率を高める働きを有するが、TiO、Nb、WOおよびBiと異なり、ガラスの着色を増大させない。しかし、他の成分と比較して非常に高価な成分であるため、ガラスの製造コストを低減する上からGeOの含有量は少ないほどよい。したがって、高屈折率ガラス製品を広く普及するためには、GeOの含有量を削減しつつ、透過率の優れた高屈折率ガラスを提供することが望まれる。本実施態様によれば、TiO、Nb、WOおよびBiの合計含有量を20%以上とすることにより、多量のGeOを使用しなくても、透過率の優れた高屈折率ガラスを提供することができる。
このような観点から、GeOの含有量の好ましい範囲は0〜10%、より好ましい範囲は0〜5%、さらに好ましい範囲は0〜3%、一層好ましい範囲は0〜2%、より一層好ましい範囲は0〜1%、さらに一層好ましい範囲は0〜0.5%であり、GeOを含有しなくてもよい。なお、製造コストを考慮しなければ、有効量で好適に用いることができる。
TeOは耐失透性を維持しつつ、屈折率を高める働きをする。しかし、環境への負荷を軽減する上からTeOの含有量の好ましい範囲は0〜10%、より好ましい範囲は0〜5%、さらに好ましい範囲は0〜3%、一層好ましい範囲は0〜2%、より一層好ましい範囲は0〜1%、さらに一層好ましい範囲は0〜0.5%であり、TeOを含有しなくてもよい。
Sbは酸化作用を有し、TiO、Nb、WOおよびBiの還元を抑制する働きをする。そのため、従来、熔融中の高屈折率成分の還元を抑制するために、酸化アンチモンの添加が用いられてきた。しかし、Sb自体が可視域に吸収を有するとともに、その酸化作用により貴金属製の熔融容器を酸化して貴金属イオンの熔融ガラスへの溶け込みを助長するため、最終的に得られるガラスの着色の原因となる。
このため、本実施形態のガラスの製造方法では、得られるガラス中において、Sbに換算して、酸化アンチモンの含有量が1000ppm未満となるように、ガラス原料を調合することが好ましい。本実施形態のガラスの製造方法によれば、酸化アンチモンの酸化作用を利用しなくても、ガラスを酸化性雰囲気中で熱処理して得られるガラスの着色を小さくできる。
したがって、Sbの含有量の好ましい範囲は0ppm以上1000ppm未満である。上記観点から、Sbの含有量の上限は、900ppm、800ppm、700ppm、600ppm、500ppm、400ppm、300ppm、200ppm、100ppmの順に少ない値ほど一層好ましい。Sbを含有させなくてもよい。
上記成分以外の成分を多量に含有させると、ガラスの耐失透性が悪化し、液相温度が上昇する傾向を示す。そのため、ガラス熔融温度を高めなければならず、貴金属製熔融容器の侵蝕が増大し、ガラスに溶け込む貴金属の量が増加する。また、TiO、Nb、WOおよびBiの還元色も増大する。
こうした貴金属量の増加を抑制し、ガラスの着色を抑制する上から、P、SiO、B、TiO、Nb、WOおよびBi、MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO、LiO、NaO、KO、Al、ZrO、GeO、TeOおよびSbの合計含有量を90%以上とすることが好ましく、92%以上とすることがより好ましく、95%以上とすることがさらに好ましく、96%以上とすることが一層好ましく、97%以上とすることがより一層好ましく、98%以上とすることがさらに一層好ましく、99%超とすることがなお一層好ましい。なお、上記合計含有量を100%としてもよい。
Ta、Y、La、Gd、Yb、In、Ga、SnO、CeO、Fなども少量であれば含有させることができる。Ta、Y、La、Gd、Yb、In、GaおよびFの合計含有量を0〜10%とすることが好ましく、0〜7%とすることがより好ましく、0〜5%とすることがさらに好ましく、0〜3%とすることが一層好ましく、0〜1%とすることがより一層好ましく、0〜0.5%とすることがさらに一層好ましい。
Fは、熔融ガラスの揮発性を高め、均質なガラスを得る上からも、安定した光学特性を有するガラスを得る上からも、多量に含有させるべき成分ではない。Fの含有量の好ましい範囲は0〜3%、より好ましい範囲は0〜1%、さらに好ましい範囲は0〜0.5%であり、実質的にFを含まないことが一層好ましい。
環境への負荷を低減する上から、Pb、As、Cd、U、Th、Tlを実質的に含有しないことが好ましい。
ガラスの着色を低減する上から、Cu、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、V、Mo、Nd、Eu、Er、Tb、Ho、Prなどの可視域に吸収を有する成分、添加剤を実質的に含有しないことが好ましい。
但し、本実施形態のガラスの製造方法において、不可避的不純物の含有を排除するものではない。したがって、上述した成分は、ガラス原料中の使用量が完全にゼロであることが最も好ましいものの、使用量が実質的にゼロ、すなわち不純物として不可避的にガラス原料中に微量混入する場合も十分に好ましい。
なお、ガラス原料としては、ガラス成分に応じて、酸化物、リン酸、リン酸塩(ポリリン酸塩、メタリン酸塩、ピロリン酸塩など)、ホウ酸、無水ホウ酸、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、水酸化物など、公知のガラス原料を使用することができる。
光学素子の製造
本実施形態の製造方法により得られるガラスの用途は、特に限定されるものではないが、例えば光学ガラスとして好適に用いることができる。本実施形態の製造方法により作製した光学ガラスを使用して光学素子を作るには、公知の方法を適用すればよい。例えば、熔融ガラスを成形してプレス成形用ガラス素材を作製する。次に、このガラス素材を再加熱、プレス成形して光学素子ブランクを作製する。さらに光学素子ブランクの研磨を含む工程により加工して光学素子を作製する。
あるいは、熔融ガラスを成形してプレス成形用ガラス素材を作製し、このガラス素材を加熱、精密プレス成形して光学素子を作製する。
上記の各工程において、熔融ガラスを成形してガラス成形体を作製し、ガラス成形体を加工してプレス成形用ガラス素材を作製してもよい。
あるいは、熔融ガラスを成形してガラス成形体を作製し、この成形体を加工して光学素子を作製する。
作製した光学素子の光学機能面には使用目的に応じて、反射防止膜、全反射膜などをコーティングしてもよい。
光学素子としては、球面レンズ、非球面レンズ、マクロレンズ、レンズアレイなどの各種レンズ、プリズム、回折格子などを例示することができる。
光学ガラスの製造方法
以下、本実施形態の実施の別形態として、光学ガラスの製造方法を説明する。なお、下記の光学ガラスの製造方法は、好ましい別形態の一つであって、本発明のガラスの製造方法は、下記の光学ガラスの製造方法に限定されるものではない。
本実施形態に係る光学ガラスの製造方法では、上記第一の実施態様のガラスの製造方法および/または第二の実施態様のガラスの製造方法を利用して製造された光学ガラス用素材を、酸化性雰囲気中で熱処理する熱処理工程(iv)を少なくとも経て、屈折率ndが1.9以上である光学ガラスを作製する。
以下では、「光学ガラス用素材」とは、熔融容器内の熔融ガラスを所定の形状に成形する成形工程を経て作製されたガラスであって、かつ、熱処理を受ける前の濃く着色した状態のガラスを意味する。また、「光学ガラス」とは、濃く着色した状態の光学ガラス用素材を、熱処理したガラスを意味する。すなわち、「光学ガラス」は「光学ガラス用素材」よりも熱処理により着色が低減されたガラスである。また、「光学ガラス用素材」および「光学ガラス」、ならびに、「光学ガラス用素材」または「光学ガラス」を用いて作製された「プレス成形用ガラス素材」、「光学素子」および「その他のガラス物品」は、いずれもアモルファス状のガラスであり、結晶化ガラスではない。
ここで、酸化性雰囲気ガスとしては、酸素を含むガスであればよく、酸素濃度は、たとえば、空気と同程度前後かそれ以上であればよい。このような酸化性雰囲気ガスとしては、たとえば、空気、空気に酸素を加えたガス、実質的に酸素のみからなるガスなどを挙げることができる。また、熱処理温度および熱処理時間は、所望の光学特性が得られるように適宜設定すればよい。
なお、熱処理工程を経て得られた光学ガラスは、着色が少なく透明度が高いため、光学ガラス中に含まれる水分を、OHに起因する赤外線吸収量として、分光光度計によって定量的に把握することが可能である。
また、光学ガラスは光学ガラス用素材を酸化性雰囲気中で熱処理することにより得られたものであるため、光学ガラス中の含水量は、光学ガラス用素材中の含水量や光学ガラス用素材を製造する際の熔融ガラス中の含水量と比例又は強い相関関係にあることは明らかである。
このため、光学ガラス中の含水量の値を把握することで、光学ガラス用素材を製造する際の好適な製造条件、すなわち、熔融容器内への水分の供給方法・供給量や、ガラス原料として用いる材料種・配合量(特にリン酸成分の配合量)を把握することが極めて容易となる。したがって、光学ガラスの光学的特性(特に透過率)と含水量と測定し、把握すれば、この結果に基づいて光学ガラス用素材を製造する際の好適な製造条件を容易に決定できる。
なお、光学ガラス中の含水量は、たとえば、上記式(1)に示すβOH値により把握できる。
図2は、表1に示すNo.1の組成からなる光学ガラスのβOH値を変化させた場合において、βOH値に対して、厚さ5mmの光学ガラスに対してその厚み方向と平行に光を入射した際の波長450nmにおける外部透過率(T450)の変化を示したグラフである。
図2に示すグラフの測定に用いたNo.1の組成からなる光学ガラスは、No.1の組成からなる光学ガラス用素材を大気中にて600℃で1時間熱処理したものである。
また、図3は、表1に示すNo.3の組成からなる光学ガラスのβOH値を変化させた場合において、βOH値に対して、厚さ5mmの光学ガラスに対してその厚み方向と平行に光を入射した際の波長450nmにおける外部透過率(T450)の変化を示したグラフである。図3に示すグラフの測定に用いたNo.2の組成からなる光学ガラスは、No.2の組成からなる光学ガラス用素材を大気中にて570℃で4.5時間熱処理したものである。
また、図2、図3および表1中に示すβOH値、屈折率ndおよびアッベ数νdは、熱処理後の光学ガラスの状態で測定した値である。また、表1に示すNo.1〜No.4のガラス組成はTiO、Nb、WOおよびBiの合計含有量が30mol%以上であり、さらに、Pを含むものである。
Figure 0006270350
さらに、図2に示す複数点のβOH値は、光学ガラス用素材の製造に際して、熔融ガラスの液面近傍に水蒸気を導入した際の単位時間当たりの水蒸気量を調整することによって設定された値である。この際、水蒸気量以外の製造条件は全て同一とした。すなわち、水蒸気量の増減によって、βOH値を増減させた。なお、この点は図3に示す複数点のβOH値についても同様である。図2および図3から明らかなように、βOH値の増加に伴い外部透過率(T450)も増加していることがわかる。
以上に説明したように、光学ガラスの光学的特性(特に透過率)と含水量と測定し、把握すれば、この結果に基づいて光学ガラス用素材を製造する際の好適な製造条件を容易に決定できる。
なお、光学ガラスの着色度合は、着色度を示す指標であるλτ80により定量化することができる。λτ80とは、光学ガラスに対してその厚み方向と平行に光を入射した際の波長280〜700nmの範囲における内部透過率を測定した後、当該測定された内部透過率に基づいて光学ガラスの厚みが10mmであると仮定して計算した内部透過率(内部透過率τ)が、80%となる波長(nm)を意味する。言い換えれば、波長280〜700nmの範囲においてλτ80以上の波長域では厚み10mmでの内部透過率は80%以上となることを意味する。ここで、内部透過率τは、入射側及び出射側における表面反射損失を除いた透過率であり、厚さの異なる2つの試料を用いて、各試料の表面反射損失を含む透過率T1、T2、すなわち、外部透過率T1、T2を波長280nm〜1550nmの範囲にて行い、それら測定値を用いて下式(2)に基づいて算出される値である。
logτ=−(logT1−logT2)×10/Δd ・・・(2)
ここで、式(2)中、T1は、厚みがd1(mm)の第一の試料について、その厚み方向と平行に光を入射した際の波長280nm〜1550nmの範囲内において測定した表面反射損失を含む透過率(%)を表し、T2は、第一の試料と同一のガラスからなる厚みがd2(mm)の第二の試料について、その厚み方向と平行に光を入射した際の波長280nm〜1550nmの範囲内において測定した表面反射損失を含む透過率(%)を表す。なお、λτ80は波長280〜700nmにおける透過率測定の結果を用いて算出されるので、透過率T1、T2の測定は波長280〜700nmの範囲で行ってもよい。また、Δdは、厚みd1と厚みd2との差d2−d1(mm)を表し、厚みd1と厚みd2とは、d1<d2なる関係を満たす。
λτ80はTiO、Nb、WOおよびBiの合計含有量が増加するに伴って増加する。mol%表示によるTiO、Nb、WO3およびBiの合計含有量をXとすると、酸化性雰囲気中での熱処理に先立ち光学ガラス用素材中の含水量を増加させずに、この光学ガラス用素材を熱処理して作製された光学ガラスでは、Xとλτ80との関係は下式(3)に示す関係となる。このため、λτ80の大幅な改善は難しい。
λτ80>aX+b ・・・(3)
なお、式(3)中、aは、定数(1.8359nm/mol%)を表し、bは、定数(351.06nm)を表す。
一方、本実施形態の光学ガラスの製造方法では、含水量の高い光学ガラス用素材を用いて熱処理工程を実施するため、下式(4)を満たすことが容易である。ここで、熱処理工程における熱処理温度・熱処理時間については、下記(4)式を満たすように適宜設定できる。
λτ80<aX+b ・・・(4)
なお、式(4)中、aおよびbは式(3)に示したものと同様である。
なお、光学ガラスのλτ80は、さらに下式(5)を満たすことがより好ましく、下式(6)を満たすことがさらに好ましい。この場合、熱処理工程における熱処理温度・熱処理時間を適宜選択することで、下式(5)または下式(6)を満たす光学ガラスを作製することができる。
λτ80<aX+c ・・・(5)
λτ80<aX+d ・・・(6)
ここで式(5)中、aは式(3)に示したものと同様であり、cは定数(348.06nm)を表す。また、式(6)中、aは式(3)に示したものと同様であり、dは定数(345.06nm)を表す。
また、作製された光学ガラス用素材を用いて、(光学ガラス用素材の着色の低減を目的として)酸化性雰囲気中で熱処理する熱処理工程(着色低減目的の熱処理工程)を少なくとも経ることにより、屈折率がndが1.9以上である光学ガラスを含むプレス成形用ガラス素材あるいは光学素子を作製することもできる。ここで、着色低減目的の熱処理工程以外のその他必要に応じて実施される後工程;たとえば、プレスや鋳型への流し込みによる成形工程、切削工程、研磨工程、熱処理工程(但し、着色低減目的の熱処理工程を除く)の各種公知の工程は、着色低減目的の熱処理工程の前後で適宜実施できる。
なお、プレス成形用ガラス素材は、プレス成形品、具体的には光学素子ブランクあるいは光学素子などを得るためのガラス素材である。プレス成形用ガラス素材の作製法としては、たとえば、(1)流出する熔融ガラス流を分離して熔融ガラス塊とし、この熔融ガラス塊を冷却する過程で最終的に得られるプレス成形用ガラス素材と同一形状・サイズの光学ガラス用素材を成形した後、この光学ガラス用素材に対して着色低減目的の熱処理工程を実施してプレス成形用ガラス素材を作製する方法や、(2)熔融ガラスを鋳型に鋳込んでガラスブロック(光学ガラス用素材)を成形し、このガラスブロックを着色低減目的の熱処理工程を含む後加工工程によりプレス成形用ガラス素材を作製する方法などが挙げられる。
光学素子の例としては、球面レンズ、非球面レンズなどの各種のレンズ、プリズムなどが挙げられる。光学素子を作製する方法としては、たとえば、下記(1)〜(3)に示す方法が挙げられる。(1)光学ガラス用素材に対して着色低減目的の熱処理工程を実施して光学ガラス(あるいはプレス成形用ガラス素材)を作製した後、この光学ガラス(あるいはプレス成形用ガラス素材)を加熱、軟化してプレス成形して光学素子ブランクを作製し、最後にこの光学素子ブランクを加工して光学素子を作製する方法。(2)光学ガラス用素材からプレス成形用ガラス素材を作製後、このプレス成形用ガラス素材を加熱、軟化して精密プレス成形して光学素子を作製する方法。(3)熔融ガラスをプレス成形して光学素子ブランクを作製し、この光学素子ブランクを加工して光学素子を作製する過程において、光学素子ブランクの加工前または加工後に着色低減目的の熱処理工程を実施する方法。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
本発明の実施形態では光学ガラスを例示しているが、還元成分による着色が問題となるガラス製品であれば、光学素子によらず、種々のガラス製品の製造に好適に用いることができる。このようなガラス製品としては、例えば光学窓材、太陽電池用ガラス、カバーガラス等が挙げられる。
また、本実施形態に係るガラスは、光学素子用の材料として好適であるため、非晶質性(アモルファス)のガラスであることが好ましい。ガラス製の光学素子を作製する方法には、例えば、ガラス材料を加熱、軟化させて成形する方法がある。ガラス質の中に結晶相が分散した結晶化ガラスは、上記成形方法には不向きである。また、結晶化ガラス中の結晶相が光を散乱し、光学素子としての性能を低下させることもある。非晶質性ガラスには、このような問題はない。
また、本実施形態は、光学ガラスの製造方法の一例として、主として坩堝を用いて原材料を熔融する方法を例示しているが、熔融容器としては、両端が開口した石英製のチューブ等を用いてもよい。
具体的には、ガラス熔解炉内に、石英製等のチューブを傾斜状態で固定する。ガラス熔解炉の底部には、チューブの低位置側の開口端の下方に相当する位置に開口部を設けておく。チューブの高位置側の開口端からチューブ内に原料材料(バッチ原料、またはカレット)を導入し、チューブ内で熔解(または熔融)して熔融物とする。熔融物はチューブ中をゆっくりと流動し、チューブの低位置側の開口側から次々に流出する。
例えば、ラフメルト工程では、流出物は炉底の開口部を通過し、予めガラス熔解炉の底部の開口部下方に配置した水槽中の水へと、次々に滴下され、カレットになる。
上記の方法では、石英製等のチューブを用いて原材料を熔融したが、チューブの替わりに、石英製等の坩堝を用いてもよい。まず石英製等の坩堝の中に原材料を入れて加熱、熔融し、熔融物とし、次いで、熔融物を水中にキャストしたり、冷却した耐熱板上に流し出したりしてカレットを作製してもよい。
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、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)
[バッチ原料の調製]
まず、所望の特性を備えた光学ガラスを作製するにあたり、ガラスの原材料として、リン酸、メタリン酸バリウム、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ビスマス、ホウ酸、炭酸バリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムおよび酸化ケイ素をそれぞれ準備した。次に、最終的に得られる光学ガラスのガラス組成が、表2に示す酸化物組成I〜VIIIとなるように、上記原材料を適宜選択、秤量し、十分混合してバッチ原料I〜VIIIを作製した。
Figure 0006270350
[カレットおよび調合カレットの作製(ラフメルト工程)]
調合されたバッチ原料I〜VIIIを、各光学ガラスのガラス原料とした。このガラス原料を石英製坩堝に投入し、大気雰囲気中で900〜1350℃で熔解して熔融物を得た。このようにして得られた熔融物を水中に滴下してカレットを得た。
水中から取り出したカレットを乾燥させ、カレットの一部を屈折率測定用にサンプリングし、白金製坩堝に入れて熔解し、得られたガラス融液を清澄、均質化した後、鋳型に鋳込んで成形し、ガラス転移温度付近の温度で保持した後、30℃/時の降温速度で冷却した。このようにして得た屈折率測定用試料の屈折率ndを日本光学硝子工業会規格で定められた屈折率測定法により測定した。
次に、測定した屈折率ndに応じて、所望の屈折率となるようにカレットを調合し、光学ガラス製造用の調合カレットを得た。
[光学ガラスの作製(リメルト工程)]
次に、調合カレットを白金製坩堝(熔融容器)に投入し、800〜1350℃の範囲内で白金製坩堝内の調合カレットを加熱、熔融し、熔融ガラスとした(熔融工程)。
その後、坩堝の温度を清澄温度(900〜1450℃の範囲)にまで昇温し、清澄した(清澄工程)。続けて、坩堝の温度を均質化温度にまで降温し、攪拌器具で攪拌して均質化した(均質化工程)。
なお、熔融炉内の容積(坩堝を収納する耐火物製の炉内の空間の体積)、および熔融炉内での熔融物の滞在時間(白金熔融容器にカレットを投入してから、熔融容器から熔融ガラスを流出するまでの時間)は、表3に示す。
また、熔融工程、清澄工程、均質化工程の実施に際しては、必要に応じて熔融ガラス中の水分量を高める操作を行った。
具体的には、熔融炉外から白金製パイプを、炉内に配置した白金製坩堝内に挿入し、この白金製パイプを通して、水蒸気(HO 100体積%)を白金製坩堝内の空間へと供給した。このように、熔融雰囲気への水蒸気の付加は、大気に水蒸気を付加することにより行った。供給した水蒸気の流量は、表3に示す。
また、必要に応じて、坩堝の下部に設置した管から、熔融物中に水蒸気(HO 100体積%)をバブリングした。このように、熔融物内への水蒸気バブリングは、大気雰囲気中の熔融物、または、大気に水蒸気を付加した熔融雰囲気中の熔融物に対して水蒸気バブリングすることにより行った。供給した水蒸気の流量は、表3に示す。
なお、表3中に示す、水蒸気の流量は常温、常圧での流量に換算した値であり、単位はリットル/分である。
また、坩堝内に水蒸気を供給しない場合は、白金製の蓋はせずに、熔融容器を開放した状態で、熔解工程から清澄工程を経て均質化工程に至るまで、全て大気雰囲気下で行った。
Figure 0006270350
このようにして均質化した熔融ガラスを、大気雰囲気中で、坩堝底部に取り付けた白金製のガラス流出パイプより流出し(流出工程)、流出パイプの下方に配置した鋳型に流し込むことで、長尺のガラスブロック(幅150mm×厚10mm)を成形した(成形工程)。
その後、上記ガラスブロックを、大気雰囲気中で、+100℃/時の速度で昇温し、それぞれのガラス転移温度付近で1.5〜8時間保持し、−10℃/時の速度で降温して(アニール工程)、歪を除去した光学ガラスサンプルを得た。
[光学ガラスの評価]
得られた光学ガラスサンプル(試料11〜試料84)の各種物性は、以下のように測定、評価した。
[1]ガラス組成
光学ガラスサンプルを適量採取し、これを酸およびアルカリ処理し、誘導結合プラズマ質量分析法(ICP−MS法)、イオンクロマトグラフフィー法を用いて、各成分の含有量を定量することで測定し、酸化物組成I〜VIIIと一致していることを確認した。
[2]屈折率nd、アッベ数νdおよびガラス転移温度Tg
光学ガラスサンプルを作製する際の、均質化工程を経た熔融ガラスを、鋳型に鋳込んで成形し、ガラス転移温度付近の温度で保持した後、10℃/時の降温速度で冷却し、測定用試料を作製した。得られた測定用試料について、日本光学硝子工業会規格で定められた屈折率測定法により、屈折率nd、ng、nF、ncを測定した。さらに、これら屈折率の測定値より、アッベ数νdを算出した。
次に、光学ガラスサンプルを加工して、円柱形状の測定用試料(直径5mm、高さ20mm)を作製した。得られた測定用試料について、熱機械分析装置(TMA)を用い、昇温速度+10℃/分の条件で、ガラス転移温度Tgを測定した。
なお、これらの特性値は、ガラス組成に起因する為、同じバッチ原料をガラス原料としている光学ガラスサンプルでは、実質的に同じ値となることが確認された。結果を表4に示す。
Figure 0006270350
[3]βOH
光学ガラスサンプルを加工して、両面が互いに平行かつ平坦に光学研磨された厚さ1mmの板状ガラス試料を準備した。この板状ガラス試料の研磨面に垂直方向から光を入射して、波長2500nmにおける外部透過率Aおよび波長2900nmにおける外部透過率Bを、分光光度計を用いてそれぞれ測定し、下記式(1)により、βOHを算出した。
βOH=−[ln(B/A)]/t ・・・(1)
上記式(1)中、lnは自然対数であり、厚さtは上記2つの平面の間隔に相当する。また、外部透過率は、ガラス試料表面における反射損失も含み、ガラス試料に入射する入射光の強度に対する透過光の強度の比(透過光強度/入射光強度)である。また、βOHの値は、高いほど、ガラス中に水が多く含まれていることを意味する。結果を表7に示す。
[4]T450(H)
光学ガラスサンプルを、大気雰囲気中で、+100℃/時の速度で昇温し、所定の保持温度で100時間保持して、−30℃/時の速度で降温して、熱処理した。なお、保持温度は、組成に応じて異なるため、それぞれの光学ガラスサンプルの酸化物組成に応じて、表5に示す温度とした。
Figure 0006270350
熱処理後の光学ガラスサンプルを加工して、両面が互いに平行かつ平坦に光学研磨された厚さ10mmの板状ガラス試料を準備した。このようにして得られた板状ガラス試料について、分光光度計を用いて450nmにおける外部透過率T450(H)を求めた。T450(H)の値が大きいほど、透過率に優れ、ガラスの着色は低減されていることを意味する。結果を表7に示す。
[5]Pt含有量
光学ガラスサンプルを適量採取し、これをアルカリ融解して、Ptを分離する処理した後、ICP−MS法によりガラス中のPt量を定量した。結果を表7に示す。
[6]着色度λ80およびλ70
まず、光学ガラスサンプルを、T450(H)の場合と同様の条件で熱処理した。
熱処理後の光学ガラスサンプルを加工して、両面が互いに平行かつ平坦に光学研磨された厚さ10mm±0.1mmの板状ガラス試料を準備した。この板状ガラス試料の研磨面に垂直方向から光を入射して、波長280nm〜700nmの範囲で表面反射損失を含む分光透過率を、分光光度計を用いて測定し、分光透過率(外部透過率)が80%および70%になる波長を、それぞれ着色度λ80およびλ70とした。λ80およびλ70の値は、いずれも小さいほど、ガラスの着色が少ないことを意味する。結果を表7に示す。なお、λ80により評価した試料については、表7に示す結果に下線を付した。
[7]T450(L)
光学ガラスサンプルを作製する際の、均質化工程を経た熔融ガラスを、0.5〜0.7cc採取し、浮上成形用の鋳型(熔融ガラスを受ける凹部が多孔質体で形成され、多孔質体を通して凹部表面からガスが噴出する構造になっている鋳型)の凹部に流し込み、凹部からガスを噴出し、凹部上の熔融ガラス塊に上向きの風圧を加え、ガラス塊を浮上状態で成形した。
その後、上記ガラス塊を、+100℃/時の速度で昇温し、所定の保持温度および保持時間で保持し、−30℃/時の速度で降温して、熱処理後の球状光学ガラスサンプルを得た。なお、保持温度および保持時間は、組成に応じて異なるため、それぞれの光学ガラスサンプルの酸化物組成に応じて、表6に示す温度および時間とした。
Figure 0006270350
得られた球状光学ガラスサンプルを加工して、両面が互いに平行かつ平坦に光学研磨された厚さ5mmの板状ガラス試料を準備した。このようにして得られた板状ガラス試料について、分光光度計を用いて450nmにおける外部透過率T450(L)を求めた。T450(L)の値は、大きいほど透過率に優れ、短時間の熱処理でもガラスの着色が低減されていることを意味する。
[8]泡切れ
光学ガラスサンプルを作製する際の、清澄工程を開始する前の熔融ガラス(ガラス融液)を40cc採取し、大気中で別の白金坩堝で一定時間清澄し、ガラス融液を白金坩堝中で冷却し、固化させた。この過程で、ガラス中に含まれる泡の数をカウントできる程度に着色を低減した。次に固化したガラスを白金坩堝から取り出した。
このようにして得られた測定用サンプルについて、光学顕微鏡(倍率20〜100倍)を用いてガラス内部を拡大観察(100倍)し、ガラス中に含まれる泡の数をカウントした。清澄時間の異なる測定用サンプルのそれぞれについて同様の観察を行い、ガラス中に残留する泡数が100個/kg以下になる測定用試料の清澄時間を、泡切れの時間として評価した。泡切れ時間は、短いほど清澄性に優れている。結果を表7に示す。
Figure 0006270350
表7に示すように、本発明の製造方法によれば、βOHが高い光学ガラスサンプルが得られることが確認された(試料13〜試料16、試料24〜試料26、試料33〜試料35、試料43〜試料46、試料53〜試料56、試料63〜試料66、試料72、試料73、および試料82〜試料84)。すなわち、本発明の製造方法により作製された光学ガラスサンプルは、ガラス中の水分量が高いことが予想される。
また、表7に示されるように、本発明の製造方法により作製された光学ガラスサンプルにおいて、熱処理後の光学ガラスサンプルの透過率を示す値であるT450(H)、T450(L)の値は大きく、またλ70(またはλ80)の値は小さい。これらの結果から、本発明の製造方法により作製された光学ガラスサンプルは、熱処理後において、優れた透過率を有していることが確認された。
特に、T450(L)の結果に示されるように、本発明の製造方法により作製された光学ガラスサンプルの場合には、短時間の熱処理で劇的に透過率が改善され、測定サンプルの肉厚を考慮すると、その透過率は100時間熱処理後の透過率(T450(H)の値)と同等であることが確認された。
また、本発明の製造方法により作製された光学ガラスサンプルは、Ptの含有量も非常に低減されていることが確認された。この結果は、本発明の製造方法により作製された光学ガラスサンプルにおいて、Ptイオンによる透過率劣化が防止されていると考えられ、本発明の製造方法により作製された光学ガラスサンプルが優れた透過率を有することとも一致する。
さらに、本発明の製造方法によれば、清澄性を大きく改善することができ、短時間の清澄で、泡の少ない均一なガラスを得ることができることが確認された。
一方、本発明の比較例に相当する製造方法により作製された光学ガラスサンプルは、熔融ガラス中の水分量を高める操作が行われていないため、本発明の製造方法により同じ酸化物組成で作製された光学ガラスサンプルに比べて、βOHの値が小さいことが確認された(試料11、試料12、試料21〜試料23、試料31、試料32、試料41、試料42、試料51、試料52、試料61、試料62、試料71、および試料81)。すなわち、本発明の比較例に相当する製造方法により作製された光学ガラスサンプルは、本発明の製造方法により作製された光学ガラスサンプルに比べて、ガラス中の水分量が低いことが予想される。
このような、本発明の比較例に相当する製造方法により作製された光学ガラスサンプルは、本発明の製造方法により同じ酸化物組成で作製された光学ガラスサンプルに比べて、熱処理後のガラスの透過率が低く、Ptの溶け込み量が多く、泡切れに要する時間も長くなることが確認された。
このように、本発明の製造方法によれば、熱処理後において優れた透過率を有する光学ガラスが得られる。また、本発明の製造方法によれば、清澄工程や熱処理工程に要する時間を短縮しても良好な光学ガラスが得られるため、生産コストを大幅に低減でき、生産性も向上する。
(実施例2)
ガラス原料として、バッチ原料Vに酸化アンチモン(Sb)を添加した以外は、実施例1の試料51〜試料56と同様の条件で光学ガラスサンプルを作製した(試料51a〜試料56a)。酸化アンチモンの添加量を表8に示す。なお、単位は、バッチ原料100質量%に対するppmである。
[光学ガラスの評価]
得られた光学ガラスサンプル(試料51a〜試料56a)の各種物性は、実施例1の場合と同様の条件により測定、評価した。
その結果、屈折率nd、アッベ数νdおよびガラス転移温度Tgは、実施例1の酸化物組成Vに示す値と実質的に同じであった。その他の結果を表8に示す。
Figure 0006270350
表8に示されるように、ガラス中の酸化アンチモンの有無によっては、ガラスのβOHの値は実質的に変化しないことが確認された(試料51〜試料56および試料51a〜試料56a)。
また、酸化アンチモン添加したバッチ原料を用いた場合であっても、本発明の製造方法により作製された光学ガラスサンプルでは、熱処理後において優れた透過率が確認され、ガラス中のPtの溶け込み量を低減されていることが確認された(試料53a〜試料56a)。
(実施例3)
実施例1の試料55と同様の方法で作製された熔融ガラス(流出工程を開始する直前の熔融ガラス)を、大気雰囲気中で、流出し(流出工程)、鋳型に流し込んで成形し(成形工程)、−100℃/時の降温速度でアニール(アニール工程)し、光学ガラスサンプル(試料55b)を作製した。
次に、上記流出工程および成形工程を行う際の各処理雰囲気を、大気雰囲気に換えて酸化性雰囲気(空気に酸素を付加し、酸素分圧を高めた雰囲気)とした以外は、試料55bと同様の方法で、別の光学ガラスサンプル(試料55c)を作製した。
なお、上記酸化性雰囲気は、次のようにして調整した。熔融ガラスを流出、成形するゾーンをカバーで覆い、カバー内に酸素ガスを供給し、カバー内、すなわち、熔融ガラスを流出、成形する雰囲気の酸素分圧を大気における酸素分圧よりも高めた。熔融ガラスを流出、成形する雰囲気内の酸素の体積比は概ね30%〜40%であった。
得られた光学ガラスサンプル(試料55bおよび試料55c)の各種物性は、実施例1の場合と同様の条件により測定、評価した。
その結果、屈折率nd、アッベ数νdおよびガラス転移温度Tgは、実施例1の酸化物組成Vに示す値と実質的に同じであった。また、βOHは1.31mm−1であった。
さらに、試料55bおよび試料55cについて、以下の測定を行った。
[9]分光透過率
光学ガラスサンプルを加工して、両面が互いに平行かつ平坦に光学研磨された同じ厚みの板状ガラス試料を準備した。この板状ガラス試料の研磨面(板厚方向)に垂直方向から光を入射して、波長280nm〜700nmの範囲で表面反射損失を含む分光透過率を、分光光度計を用いて測定した。結果を図4に示す。図4の横軸は波長、縦軸は外部透過率である。
図4に示されるように、熔融ガラスを流出、成形する際の雰囲気の酸素分圧を、大気における酸素分圧より高めて作製した試料55cは、熔融ガラスを大気雰囲気中で流出、成形して作製した試料55bと比較して、可視域における透過率が高く、着色が少ないことが確認された。
(実施例4)
実施例1〜3で作製した光学ガラスサンプル(ガラスブロック)を分割し、必要に応じて、さらに加工を施し、各光学ガラスに対応するプレス成形用ガラス素材を得た。
このようにして得たプレス成形用ガラス素材を、大気中で加熱、軟化してプレス成形し、レンズ形状に近似する光学素子ブランクを作製した。
次に、得られた光学素子ブランクを、大気中でアニールし、さらに研削、研磨等の加工を行い、実施例1〜3の各試料に対応したレンズ、プリズム等のガラス製光学素子を作製した。
なお、アニール時の降温速度は、光学素子の屈折率が所望の値になるように設定した。
また、ガラスのプレス成形方法、レンズブランクのアニール方法、研削方法、研磨方法には、いずれも公知の方法を用いた。
本発明の製造方法により作製された光学ガラスサンプル(試料13〜試料16、試料24〜試料26、試料33〜試料35、試料43〜試料46、試料53〜試料56、試料63〜試料66、試料72、試料73、試料82〜試料84、試料53a〜試料56a、試料55bおよび試料55c)を用いて作製された光学素子は、熔融ガラスの成形から光学素子ブランクの加工までの間に、大気等の酸化性雰囲気中で熱処理されることにより、着色が大幅に低減されていることが確認された。
一方、本発明の比較例に相当する製造方法により作製された光学ガラスサンプルガラス(試料11、試料12、試料21〜試料23、試料31、試料32、試料41、試料42、試料51、試料52、試料61、試料62、試料71、試料81、試料51bおよび試料52b)を用いて作製された光学素子は、熔融ガラスの成形から光学素子ブランクの加工までの間に、大気等の酸化性雰囲気中での熱処理を経ていても、着色が残り、着色の低減効果が低いことが確認された。
次に、本発明の別実施形態に係る実施例について説明する。
(実施例A1〜A6および実施例B1〜B6)
バッチ原料を粗熔解してカレットを作製し、カレットを白金製坩堝に入れて加熱、熔融、成形して、表1に示すNo.1〜No.4の組成の各光学ガラスを以下の手順で作製した。まず最初に、リン酸塩、正リン酸、酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩を秤量し、十分混合して調合した原料(バッチ原料)とした。次に、このバッチ原料を石英製容器に入れて、No.1およびNo.2のガラスについては液相温度LT〜1400℃の範囲で加熱し、No.3およびNo.4のガラスについては液相温度LT〜1300℃の範囲で加熱することで、熔融ガラスとし、この熔融ガラスを水中に滴下してカレット原料を作製した。
次に、No.1およびNo.2のガラスについては、カレット原料を乾燥させた後、カレット原料を再調合し、白金製坩堝(熔融容器)に投入して白金製の蓋をした。この状態で、白金製坩堝内のカレット原料を、当該カレット原料のガラス組成の液相温度LT〜1300℃の範囲内で加熱し、カレット原料を熔解して熔融ガラス化(熔解工程)した。さらに熔融ガラスを液相温度LT〜1400℃の範囲内にて昇温して清澄(清澄工程)した後、液相温度LT〜1300℃の範囲内にて降温して撹拌、均質化(均質化工程)し、清澄、均質化した熔融ガラスをガラス流出パイプから流出させて鋳型に鋳込むことで、ガラスブロック(光学ガラス用素材)を成形した。
また、No.3およびNo.4のガラスについては、カレット原料を乾燥させた後、カレット原料を再調合し、白金製坩堝(熔融容器)に投入して白金製の蓋をした。この状態で、白金製坩堝内のカレット原料を、当該カレット原料のガラス組成の液相温度LT〜1250℃の範囲内で加熱し、カレット原料を熔解して熔融ガラス化(熔解工程)した。さらに熔融ガラスを液相温度LT〜1300℃の範囲内にて昇温して清澄(清澄工程)した後、液相温度LT〜1250℃の範囲内にて降温して撹拌、均質化(均質化工程)し、清澄、均質化した熔融ガラスをガラス流出パイプから流出させて鋳型に鋳込むことで、ガラスブロック(光学ガラス用素材)を成形した。
なお、熔解工程、清澄工程、均質化工程の実施に際しては、白金製の蓋に設けた開口部から白金製パイプを白金製坩堝内へ挿入し、必要に応じてこの白金製パイプを通して水蒸気を白金製坩堝内の空間へ供給可能にした。白金製坩堝内に供給した単位時間あたりの水蒸気流量を表9および表10に示す。なお、表9および表10中に示す、水蒸気流量は常温での流量に換算した値であり、単位はリットル/分である。また、坩堝内へ水蒸気を供給しない場合は、開口部のない白金製の蓋で白金製坩堝を密閉し、熔解工程から清澄工程を経て均質化工程に至までの間、白金製坩堝内を密閉して熔解過程にあるカレット原料および熔融ガラスからの水分の蒸散を抑制した。
次にNo.1のガラスおよびNo.2ガラスからなる各ガラスブロック(光学ガラス用素材)を大気中で25℃から2時間かけて600℃まで昇温し、600℃にてアニール(熱処理)し、ガラスブロック(光学ガラス用素材)の着色を低減する操作を行った。その後、ガラスブロックを降温速度−30℃/時で常温まで冷却した。なお、No.1のガラスおよびNo.2のガラスからなる各ガラスブロックを600℃で保持した時間は1時間である。同様にNo.3のガラスおよびNo.4のガラスからなる各ガラスブロック(光学ガラス用素材)を大気中で25℃から2時間かけて570℃まで昇温し、570℃にてアニール(熱処理)し、ガラスブロック(光学ガラス用素材)の着色を低減する操作を行った。その後、ガラスブロックを降温速度−30℃/時で常温まで冷却した。なお、No.3のガラスおよびNo.4のガラスの各ガラスブロックを570℃で保持した時間は4時間30分である。
アニール後、No.1およびNo.3のガラス組成のガラスブロック(光学ガラス)のβOH値、λτ80、屈折率nd、アッベ数νd、ガラス転移温度Tg、を測定した。No.1の光学ガラスについて、βOH値、T450、λτ80の値を表9に、No.3の光学ガラスについて、βOH値、T450、λτ80の値を表10に、No.1〜No.4の各光学ガラスの屈折率nd、アッベ数νd、ガラス転移温度Tgを表1に示す。
なお、表1に示した屈折率nd、アッベ数νdの測定値は、毎時30℃の冷却速度で冷却した試料を用いて測定した値であり、液相温度LTの測定値については、試料を再加熱して、2時間保持後、室温まで冷却し、光学顕微鏡によるガラス内部の結晶析出の有無を確認し、結晶が認められない最低温度を液相温度としたものである。
表9の実施例A1〜実施例A3は白金製パイプから熔融容器内へと水蒸気を導入しないで作製した光学ガラスについてのデータ、実施例A4〜実施例A6は白金製パイプから熔融容器内へと水蒸気を導入して作製した光学ガラスについてのデータである。実施例A1〜実施例A3は正リン酸原料を使用するとともに熔融容器の気密性を高めることにより、熔融ガラスに水分を導入するとともに熔融容器からの水蒸気の散逸を抑制している。さらに、実施例A4〜実施例A6では熔融容器内の水蒸気分圧も積極的に高めている。
実施例A1〜実施例A3の光学ガラスのT450、λτ80と実施例A4〜実施例A6の光学ガラスとのT450、λτ80を比較すると、熔融容器内の水蒸気分圧を積極的に高めた実施例A4〜実施例A6の光学ガラスのほうがβOH値も大きい。そして、後述する熱処理前後のガラスブロックの目視観察の結果から一層大幅な着色度合の低減がなされていることがわかる。
また、表10の実施例B1〜実施例B3は白金製パイプから熔融容器内へと水蒸気を導入しないで作製した光学ガラスについてのデータ、実施例B4〜実施例B6は白金製パイプから熔融容器内へと水蒸気を導入して作製した光学ガラスについてのデータである。実施例B1〜実施例B3は正リン酸原料を使用するとともに熔融容器の気密性を高めることにより、熔融ガラスに水分を導入するとともに熔融容器からの水蒸気の散逸を抑制している。さらに、実施例B4〜実施例B6では熔融容器内の水蒸気分圧も積極的に高めている。
実施例B1〜実施例B3の光学ガラスのT450、λτ80と実施例B4〜実施例B6の光学ガラスとのT450、λτ80を比較すると、熔融容器内の水蒸気分圧を積極的に高めた実施例B4〜実施例B6の光学ガラスのほうがβOH値も大きい。そして、後述する熱処理前後のガラスブロックの目視観察の結果から一層大幅な着色度合の低減がなされていることがわかる。
以上に説明したように、No.1およびNo.3のガラス組成の光学ガラス用素材を酸化性雰囲気中で熱処理することによってその着色を大幅に低減でき、着色の少ない光学ガラスが得られた。
Figure 0006270350
Figure 0006270350
なお、実施例A1〜A6および実施例B1〜B6では、熔融容器として白金製坩堝を使用したが、白金合金製坩堝、金製坩堝、金合金製坩堝を使用して光学ガラス用素材を作製し、得られた光学ガラス用素材を酸化性雰囲気中で熱処理しても、その着色を大幅に低減でき、その結果、着色の少ない光学ガラスを得ることができた。さらに、実施例A4〜A6および実施例B4〜B6では、蓋をした白金坩堝内にパイプを介して水蒸気を供給したが、白金坩堝内の熔融ガラス中に水蒸気を吹き込んでバブリングしても同様の効果を得ることができる。なお、作製する光学ガラスの組成を表1に示すNo.2またはNo.4のガラス組成に変更した場合も、No.1およびNo.3のガラス組成の場合と同様の結果が得られる。
また、実施例A4〜A6、B4〜B6において、白金製坩堝内へ供給した水蒸気としては、ボイラーを使用して水を沸騰させることで得られた水蒸気を使用した。しかしながら、光学ガラス用素材の作製に際しては、他の方法により得られた水蒸気も適宜利用できる。たとえば、白金製坩堝などの熔融容器を収容する耐火物製のガラス熔解炉内へ水をミスト状に噴射して水蒸気化し、ガラス熔解炉内部および熔融容器内部の雰囲気の水蒸気分圧を高めてもよい。あるいは、ポンプを用いてガラス熔解炉中に水を供給し、熔解炉内の熱により水を沸騰させることで、水蒸気化し、ガラス熔融雰囲気中の水蒸気分圧を高めてもよいし、その他の方法を用いてもよい。これらの方法を利用しても光学ガラス用素材中の含水量を高めることができる。
(比較例A1)
熔融容器に蓋をせず開放状態とした以外は実施例A1〜A3と同様にしてガラスブロック(光学ガラス用素材)を作製した後、実施例A1〜A6と同様にして熱処理を行った。しかしながら、熱処理されたガラスブロック(光学ガラス)の着色度合は、実施例A1〜A6よりも大きかった。
また、ガラス組成を表1に記載のNo.1の組成の代わりにNo.2の組成とした以外は、比較例A1と同様にガラスブロック(光学ガラス用素材)を作製し、熱処理した。しかしながら、熱処理されたガラスブロック(光学ガラス)の着色度合は、実施例A1〜A6よりも大きかった。
(比較例B1)
熔融容器に蓋をせず開放状態とした以外は実施例B1〜B3と同様にしてガラスブロック(光学ガラス用素材)を作製した後、実施例B1〜B6と同様にして熱処理を行った。しかしながら、熱処理されたガラスブロック(光学ガラス)の着色度合は、実施例B1〜B6よりも大きかった。
また、ガラス組成を表1に記載のNo.3の組成の代わりにNo.4の組成とした以外は、比較例B1と同様にガラスブロック(光学ガラス用素材)を作製し、熱処理した。しかしながら、熱処理されたガラスブロック(光学ガラス)の着色度合は、実施例B1〜B6よりも大きかった。
(比較例A2)
熔融容器内に水蒸気の代わりに窒素ガスを導入した以外は実施例A4〜A6と同様にしてガラスブロック(光学ガラス用素材)を作製した後、実施例A1〜A6と同様にして熱処理を行った。しかしながら、熱処理したガラスブロック(光学ガラス)の着色度合は、比較例A1のガラスブロック(光学ガラス)よりも非常に大きくなった。
また、ガラス組成を表1に記載のNo.1の組成の代わりにNo.2の組成とした以外は、比較例2と同様にガラスブロック(光学ガラス用素材)を作製し、熱処理した。しかしながら、結果は比較例A2と同様であった。
(比較例B2)
熔融容器内に水蒸気の代わりに窒素ガスを導入した以外は実施例B4〜B6と同様にしてガラスブロック(光学ガラス用素材)を作製した後、実施例B1〜B6と同様にして熱処理を行った。しかしながら、熱処理したガラスブロック(光学ガラス)の着色度合は、比較例B1のガラスブロック(光学ガラス)よりも非常に大きくなった。
また、ガラス組成を表1に記載のNo.3の組成の代わりにNo.4の組成とした以外は、比較例B2と同様にガラスブロック(光学ガラス用素材)を作製し、熱処理した。しかしながら、結果は比較例B2と同様であった。
(比較例3)
熔融容器内に水蒸気の代わりに一酸化炭素ガスなどの還元性ガスを導入した以外は実施例A4〜A6と同様にしてガラスブロック(光学ガラス用素材)を作製した後、実施例A1〜A6と同様にして熱処理を行った。しかしながら、熱処理したガラスブロック(光学ガラス)の着色度合は、比較例1のガラスブロック(光学ガラス)よりも非常に大きくなった。
なお、還元性ガスの濃度を高くすると還元されたガラス成分が白金坩堝と合金化し、坩堝の破壊が起こる。これは、ガラス組成を表1に記載のNo.2〜No.4の組成に変更した場合ついても同様である。
(熱処理前後におけるガラスブロックの着色度合の観察結果の詳細)
表11に、各実施例および比較例で作製したガラスブロックの熱処理前後の着色度合の観察結果を示す。なお、着色度合は、白色の用紙上に、平面形状が略円形状のガラスブロックを配置して、室内光下にて目視観察することにより評価した。なお、観察に用いたいずれの実施例および比較例のガラスブロックも厚みはほぼ同じである。また、表11中に示す透明度の評価基準は以下の通りである。A:ガラスブロック(光学ガラス)が薄く着色しているものの、ガラスブロック(光学ガラス)の下方に位置する用紙の白さも十分に認識できる程に透明度が高い(高透明度)。B:ガラスブロック(光学ガラス)が着色しているが、ガラスブロック(光学ガラス)の下方に位置する用紙は十分に認識できる程度の透明度はある(中透明度)。C:ガラスブロック(光学ガラス)が濃く着色しており、ガラスブロック(光学ガラス)の下方に位置する用紙が僅かに認識できる程度の低い透明度しかない(低透明度)。D:ガラスブロック(光学ガラス)は完全に不透明であり、ガラスブロック(光学ガラス)の下方に位置する用紙の存在は全く認識できない(不透明)。
Figure 0006270350
(白金混入等の確認)
実施例A1〜A6、B1〜B6および比較例A1、A2、B1、B2、3で用いた熱処理後のガラスブロックのうち、透明度の評価がDのものを除いてガラスブロックの内部を光学顕微鏡により観察した。その結果、いずれのガラスブロックにおいてもその内部に、混入した白金異物および析出した結晶は確認されなかった。また、実施例A1〜A6、B1〜B6および比較例A1、A2、B1、B2、3で用いたガラスブロック中の白金溶解量をICP発光分光法により測定したところ、いずれも2ppm未満であった。
(実施例7)
実施例A1〜A6および実施例B1〜B6で作製した光学ガラスをプレス成形用ガラス素材に加工し、加熱、軟化してプレス成形し、光学素子ブランクを作製した。さらに光学素子ブランクを加工して球面レンズ、プリズムなどの光学素子を作製した。さらにレンズ表面、プリズム表面に反射防止膜をコートして最終製品を得た。表1に記載のNo.2およびNo.4の光学ガラスについても同様にしてプレス成形用ガラス素材、光学素子ブランク、光学素子を作製した。
以下、総括する。
本実施の別形態の好ましいものは、熔融ガラスを得るために、熔融容器内にてガラス原料を加熱・熔融する加熱・熔融工程と、
前記熔融容器内の前記熔融ガラスを所定の形状に成形する成形工程とを、少なくとも経ることにより、
ガラス成分として、TiO、Nb、WOおよびBiから選択される少なくとも1種の酸化物を含む酸化物ガラスであり、TiO、Nb、WOおよびBiの合計含有量が30mol%以上である光学ガラス用素材を製造し、
前記加熱・熔融工程において、前記熔融容器内に水分を供給することを特徴とする光学ガラス用素材の製造方法である。
本実施の形態において、前記熔融容器内への水分の供給態様が、熔融ガラスの液面近傍の雰囲気中へ水蒸気を供給する第一の供給態様、熔融ガラス中に水蒸気をバブリングしながら供給する第二の供給態様、および、第一の供給態様と第二の供給態様とを組み合わせた第三の供給態様、から選択されるいずれかであることが好ましい。
本実施の形態において、前記ガラス原料中に、リン酸成分が含まれることが好ましい。
本実施の別形態の好ましいものは、熔融ガラスを得るために、熔融容器内にてガラス原料を加熱・熔融する加熱・熔融工程と、
前記熔融容器内の前記熔融ガラスを所定の形状に成形する成形工程とを、少なくとも経ることにより、
ガラス成分として、TiO、Nb、WOおよびBiから選択される少なくとも1種の酸化物を含む酸化物ガラスであり、TiO、Nb、WOおよびBiの合計含有量が30mol%以上である光学ガラス用素材を製造し、
前記ガラス原料が水分を含むとともに、
前記加熱・熔融工程において、前記熔融容器が略密閉されることを特徴とする光学ガラス用素材の製造方法である。
本実施の形態において、前記ガラス原料中に、リン酸成分が含まれることが好ましい。
本実施の形態において、前記光学ガラス用素材がさらにPを含み、かつ、
前記光学ガラス用素材に含まれるPの含有量が、10mol%〜35mol%の範囲内であることが好ましい。
本実施の形態において、前記熔融容器を構成する材料が、貴金属および貴金属合金から選択される少なくとも1種の金属材料であることが好ましい。
さらに別の実施の形態の好ましいものは、上記いずれか1つに記載の光学ガラス用素材の製造方法により光学ガラス用素材を作製し、前記光学ガラス用素材を酸化性雰囲気中で熱処理する熱処理工程を少なくとも経て、屈折率ndが1.9以上である光学ガラスを作製することを特徴とする光学ガラスの製造方法である。
本実施の形態において、前記光学ガラスのλτ80が、下式(4)を満たすように前記熱処理工程を行うことが好ましい。
λτ80<aX+b ・・・(4)
〔式(4)中、λτ80は、前記光学ガラスに対してその厚み方向と平行に光を入射した際の波長280〜700nmの範囲における内部透過率を測定した後、当該測定された内部透過率に基づいて前記光学ガラスの厚みが10mmであると仮定して計算した内部透過率が、80%となる波長(nm)を表し、aは、定数(1.8359nm/mol%)を表し、bは、定数(351.06nm)を表し、Xは、TiO、Nb、WOおよびBiの合計含有量(mol%)を表す。〕
さらに別の実施の形態の好ましいものは、上記いずれか1つに記載の光学ガラス用素材の製造方法により光学ガラス用素材を作製し、前記光学ガラス用素材を酸化性雰囲気中で熱処理する熱処理工程を少なくとも経て、屈折率がndが1.9以上である光学ガラスからなるプレス成形用ガラス素材を作製することを特徴とするプレス成形用ガラス素材の製造方法である。
本実施の形態において、前記光学ガラスのλτ80が、下式(4)を満たすように前記熱処理工程を行うことが好ましい。
λτ80<aX+b ・・・(4)
〔式(4)中、λτ80は、前記光学ガラスに対してその厚み方向と平行に光を入射した際の波長280〜700nmの範囲における内部透過率を測定した後、当該測定された内部透過率に基づいて前記光学ガラスの厚みが10mmであると仮定して計算した内部透過率が、80%となる波長(nm)を表し、aは、定数(1.8359nm/mol%)を表し、bは、定数(351.06nm)を表し、Xは、TiO、Nb、WOおよびBiの合計含有量(mol%)を表す。〕
さらに別の実施の形態の好ましいものは、上記いずれか1つに記載の光学ガラス用素材の製造方法により光学ガラス用素材を作製し、前記光学ガラス用素材を酸化性雰囲気中で熱処理する熱処理工程を少なくとも経て、屈折率がndが1.9以上である光学ガラスからなる光学素子を作製することを特徴とする光学素子の製造方法である。
本実施の形態において、前記光学ガラスのλτ80が、下式(4)を満たすように前記熱処理工程を行うことが好ましい。
λτ80<aX+b ・・・(4)
〔式(4)中、λτ80は、前記光学ガラスに対してその厚み方向と平行に光を入射した際の波長280〜700nmの範囲における内部透過率を測定した後、当該測定された内部透過率に基づいて前記光学ガラスの厚みが10mmであると仮定して計算した内部透過率が、80%となる波長(nm)を表し、aは、定数(1.8359nm/mol%)を表し、bは、定数(351.06nm)を表し、Xは、TiO、Nb、WOおよびBiの合計含有量(mol%)を表す。〕

Claims (11)

  1. TiO、Nb、WOおよびBiの少なくとも一種以上の成分を含み、TiO、Nb、WOおよびBiを合計で20モル%以上含むガラス原料を熔融容器内にて加熱、熔融し、熔融ガラスを得る熔融工程(i)において、熔融ガラス中の水分量を高める操作を行うガラス(ただし、モル%表示で、SnO 30〜70%、P 15〜40%、ZnO 0〜20%、MgO 0〜20%、Al 0〜10%、SiO 0〜15%、B 0〜30%、WO 0〜20%、およびLiO+NaO+KO+CsO 0〜20%含有する封止ガラス、Bi 20〜55%、B 10〜40%、ZnO 0〜30%、BaO+SrO 0〜15%、CuO 0〜20%、およびAl 0〜10%含有する封止ガラス、並びに 20〜60%、P 10〜40%、Bi 0〜30%、TeO 0〜40%、Sb 0〜25%、LiO+NaO+KO+CsO 0〜20%、およびMgO+CaO+SrO+BaO 0〜30%含有する封止ガラスを除く)の製造方法。
  2. TiO、Nb、WOおよびBiの少なくとも一種以上の成分を含むガラス原料を熔融容器内にて加熱、熔融し、熔融ガラスを得る熔融工程(i)において、熔融ガラス中の水分量を高める操作を行うリン酸ガラス(ただし、モル%表示で、SnO 30〜70%、P 15〜40%、ZnO 0〜20%、MgO 0〜20%、Al 0〜10%、SiO 0〜15%、B 0〜30%、WO 0〜20%、およびLiO+NaO+KO+CsO 0〜20%含有する封止ガラス、Bi 20〜55%、B 10〜40%、ZnO 0〜30%、BaO+SrO 0〜15%、CuO 0〜20%、およびAl 0〜10%含有する封止ガラス、並びに 20〜60%、P 10〜40%、Bi 0〜30%、TeO 0〜40%、Sb 0〜25%、LiO+NaO+KO+CsO 0〜20%、およびMgO+CaO+SrO+BaO 0〜30%含有する封止ガラスを除く)の製造方法。
  3. TiO、Nb、WOおよびBiの少なくとも一種以上の成分を含むガラス原料を熔融容器内にて加熱、熔融し、熔融ガラスを得る熔融工程(i)において、熔融ガラス中の水分量を高める操作を行うガラス(ただし、質量百分率でSiO 50〜70%、Al 10〜25%、B 8.4〜20%、MgO 0〜10%、CaO 3〜15%、BaO 0〜10%、SrO 0〜10%、ZnO 0〜10%、TiO 0〜5%、および 0〜5%含有する無アルカリガラス、モル%表示で、SnO 30〜70%、P 15〜40%、ZnO 0〜20%、MgO 0〜20%、Al 0〜10%、SiO 0〜15%、B 0〜30%、WO 0〜20%、およびLiO+NaO+KO+CsO 0〜20%含有する封止ガラス、モル%表示で、Bi 20〜55%、B 10〜40%、ZnO 0〜30%、BaO+SrO 0〜15%、CuO 0〜20%、およびAl 0〜10%含有する封止ガラス、並びに、モル%表示で、V 20〜60%、P 10〜40%、Bi 0〜30%、TeO 0〜40%、Sb 0〜25%、LiO+NaO+KO+CsO 0〜20%、およびMgO+CaO+SrO+BaO 0〜30%含有する封止ガラスを除く)の製造方法。
  4. 前記熔融ガラス中の水分量を高める操作が、熔融雰囲気に水蒸気を付加する処理および熔融物内に水蒸気を含むガスをバブリングする処理の少なくともいずれか一方により行われる請求項1〜3のいずれかに記載のガラスの製造方法。
  5. 前記熔融容器が金属材料からなる請求項1〜4のいずれかに記載のガラスの製造方法。
  6. 前記熔融工程(i)における熔融容器内の酸素分圧が、大気中の酸素分圧よりも低い請求項1〜5のいずれかに記載のガラスの製造方法。
  7. 前記熔融ガラスを前記熔融容器外に流出する工程(ii)、
    前記熔融ガラスを成形する工程(iii)をさらに有し、
    前記工程(ii)および前記工程(iii)の少なくともいずれか一つの工程を酸化性雰囲気下で行う請求項1〜6のいずれかに記載のガラスの製造方法。
  8. 前記ガラスを熱処理する工程(iv)をさらに有し、
    前記工程(iv)を酸化性雰囲気下で行う請求項1〜7のいずれかに記載のガラスの製造方法。
  9. 前記酸化性雰囲気が、大気雰囲気、または大気よりも酸素分圧が高い雰囲気である請求項7または8に記載のガラスの製造方法。
  10. TiO、Nb、WOおよびBiの少なくとも一種以上の成分を含むガラス原料を熔融容器内にて加熱、熔融し、熔融ガラスを得る熔融工程(i)において、熔融ガラス中の水分量を高める操作を行うガラスの製造方法によりガラスを製造する工程と、
    前記ガラスを、さらに成形または加工する工程と、を有する光学素子の製造方法。
  11. 請求項1〜9のいずれかに記載の製造方法によりガラスを製造する工程と、
    前記ガラスを、さらに成形または加工する工程と、を有する光学素子の製造方法。
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