JPS63242949A - ガラス体のイオン交換処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ｊ　発明の詳細、な＃１．＃ｉ ｒ立景仁＾６１　Ｗム紅１ 本発明は、屈折率分布型レンズ等、一般にイオン濃度分
布を有するガラス体を製造する技術の改良に関する。

〔従来技術〕

一般に、外部からガラス体内部に特定のイオンを拡散侵
入させて、このイオン分布によってガラス体の性質改変
を行なう技術は広く用いられている。

例えば、屈折率が相対的に大なガラスからなるガラスロ
ッドの表面からガラスの屈折率減少に効果のあるに等の
イオンを内部に拡散させて、断面内で中心から外周に向
けて屈折率が漸減する屈折率分布をもつ屈折率分布型レ
ンズを製造する方法、ガラス基板表面の特定領域からガ
ラスの屈折率増大に寄与するイオンをガラス内部に拡散
させて、このイオン濃度分布に基づく屈折率勾配をもっ
たレンズ、光導波路等の光学素子を基板内に形成する方
法、あるいはイオンの拡散によりガラス体の表面近＜　
ＫＦＥｍ歪層を形成してガラスの強度を高めスいわゆ石
イヒ学強什法などがある。

上記のようにガラス体内部にイオンを拡散侵入させる方
法としては、−価陽イオンを含む溶融塩等の媒質をガラ
ス表面に接触させて、ガラス中の一価陽イオンと上記媒
質中の陽イオンとを交換させるイオン交換処理が最も簡
単である。

このイオン交換処理においては、ガラス中での一価陽イ
オンの拡散が律速となっており、通常これらのイオンの
拡散速度は非常に遅く、例えば１ＩＩＩＩ程度のイオン
交換層を得るのに７０日前後と長時間の処理が必要であ
り、この方法の最大の欠点となっている。この欠点を解
決する手段として、イオン交換処理温度を高くする方法
、あるいはガラス基板の両面に直流電圧を印加して、電
場の力を利用してイオンの移動を促進する方法等が考え
られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このうちイオン交換処理温度を高める方法は、イオンの
拡散速度が温度とともに指数関数的に上昇することから
極めて有効であるが、他方、温度が高くなるとガラスの
粘性が低下し変形を招くことになるため、通常はＩＯの
１０乗ないし７７乗ポアズよりも低粘性になる湿度以上
では処理が不可能になる。

本発明者等は、先に特願昭ｔ／−≠Ｊ、？／りにおいて
、被処理ガラス体を、多孔質層で保形被覆してこの多孔
質層を通してイオン交換を行なう方法を提案した。

上記方法を用いると、従来方法よりもイオン交換処理温
度を１００℃程度高くでき、通常の一価陽イオンの拡散
係数の温度依存性より推定すると拡散速度を１０倍程度
に増加させることができる。

イオンの侵入距離は拡散係数とイオン交換処理時間の積
の７７２乗に比例するから、イオン交換処理時間で表現
すれば、イオン交換処理時間は約／／１０に短縮できる
ことＫなる。

しかしながら、イオン交換処理時間をさらに短かくする
ために、ガラスの粘度がＩＯの７〜ｌｒ乗ポアズとなる
温度よりも高い温度でイオン交換した場合には、ガラス
体と多孔質体が融着して、イオン交換処理後に十分な徐
冷を行なってもガラス体の表面が剥離したり、ガラス体
が割れたりする問題が生じた。

イオン交換処理時間を短縮する他の方法としては、−価
陽イオンの拡散速度が大きく、かつ屈伏点が高いガラス
を選定することが考えられる。

アルミノシリケート系ガラスは一価陽イオンの拡散速度
が大きく、かつ屈伏点も高く、イオン交換処理時間を短
縮するということに関しては極めて有効である。

しかし、屈伏点が高いということは溶融温度も高くなる
ことを意味し、ガラスの屈折率分布を形成させるのに貢
献するリチウム（Ｌｉ）　、ルビジウム（Ｒｂ）、セシ
ウム（Ｏ８）、およびタリウム（ＴＪ？）などの−価陽
イオンを含むガラス、特にタリウムヲ含むガラスでは溶
融時の揮発が著しく大きくなり、均質なガラスを得るこ
とが極めて困難になる。光学用ガラスにおいて、均質な
ガラスを得ることができないということは致命的欠陥と
なる。

〔問題点を解決するための手段〕

イオン交換を行なう被処理ガラス体を、芯体ガラスの外
周面を芯体ガラスとは別種の被覆ガラスで被覆した構造
と成し、且つ被覆ガラスとして、芯体ガラスよりも高い
屈伏点を有するガラスを用いた。

ここで芯体ガラスは、リチウム、ルビジウム、セシウム
およびタリウムを低６度から高温度含むガラス、被数ガ
ラスとしては主にカリウムを含むガラスが好ましく、例
えば組成の範囲なモル％で表わすと次の通りである。

（芯体ガラス） Ｓｉ０２　　１０へ６３モル％　　　ＭｇＯＯ〜コｊＬ
ｉ２０　　０〜／　ｊ　　　　　ｃａｏ　　□−１ＯＮ
ａ２０　　　ｊＡ−コ０ＢａＯＯ〜１０Ｋ２０　　０ン
！　　　　　　ＺｎＯ０−２１ａｈ２ｏ　　　ＯＰ−／
ｊ　　　　　ＰｂＯＯん１０ＣＢ２０　　０Ｐ−／　ｊ
　　　　　Ｂ２Ｏ３０Ｐ−／　０Ｔ１２００Ａ−コＯＡ
ｌ２Ｏ３０んｔ Ｔｉ０２　０〜１ｓ Ｚｒ０２　０〜コ 但し、Ｌｉ２Ｏ＋Ｒｂ２Ｏ＋Ｃｓ２Ｏ＋ＴＪ２０−０．
　ｊ〜２よ（被覆ガラス） Ｓｉ０２　　　ｔｏ〜６！モル％　　　ＭｇＯＯ〜２！
Ｌｉ２Ｏｏ−ｔ　　　　　　ｃａｏ　　　Ｏ〜／　。

Ｎａ２Ｏ０〜ｊ　　　　　　ＢａＯＯ−／　０Ｋ２０　
　　１０−２１　　　　　　　ＺｎＯＯ〜λよＲｂ２Ｏ
−ＰｂＯＯ〜ｉ。

０８２０　　　ｏ〜ｊ　　　　　　ｐ、、ｏ３０−１０
　　′’ｒ１２ｏ　　　　　　　　　　Ａｌ２Ｏ３０〜
’／２’ｒ：１ｏ２０〜ｌ！ Ｚｒ０２０−ｊ 伏点程度であり、その温度以上ではガラス体は変形を生
じ、所望する形状のガラス体を得ることは困難となる。

また屈伏点の高いガラスは溶融温度も高くなり、屈折率
分布を形成させる一価陽イオンを含むガラスの揮発が激
しく、均質なガラスを得ることは困難である。

本発明は、製品の主体となる芯体ガラスには溶、敵性に
優れたガラス組成を選ぶことによって高均質なガラスを
容易に得ることができ、かつ被覆ガラスには芯体ガラス
よりも高い屈伏点を有するガラスを用いるので、実質的
なイオン交換温度の上限は、被覆ガラスの屈伏点迄高め
ることが可能となる。芯体ガラスを被覆ガラスで覆う方
法は、二重ポット法やロッドインチ為−プ法など周知の
方法を採用することができる。

本発明の方法は、断面内で屈折率分布を持つ大口径の円
柱レンズを作製する場合に特に有用であり、この場合、
芯体ガラスの直径は−〜４　Ｑ　ＩＩＩＩ、且つ被覆ガ
ラス層の厚味は、芯体ガラス直径に対して２〜２ｊ％の
範囲が好ましい。

すなわち、芯体ガラスの直径が、２１１ｍ１未満であれ
ば従来のイオン交換処理方法によってもそれほど長時間
を要せず、本発明の効果が小さい。一方、芯体ガラスの
直径が４９ｗ５を越えると、本発明方法によってもイオ
ン交換処理に時間がかかりすぎて実生産への適用に無理
がある。

従って、芯体ガラスの直径はλ〜ｔｏ閤の範囲が好まし
く、さらに望ましいのはト→０ＩＩｌＩＩの範囲である
。

被覆ガラス層の厚味は、芯体ガラス直径に対して２％未
満であれば、芯体ガラスの変形を防止する効果は少なく
、コ！メ以上になるとレンズの有効視野が狭くなり過ぎ
る。このことから、好ましい被覆ガラスの厚味は芯体ガ
ラス直径に対してλ〜２！％の範囲であり、さらに好ま
しくはコ、Ｊ〜／ｊ％である。

〔作　用〕 本発明方法でイオン交換処理を行なうガラス体は、芯体
ガラスの周囲を芯体ガラスよりも高い屈伏点を持つ被覆
ガラスで覆った構造となっており、この様な構造を持つ
ガラス体では、実質的なイオン交換処理可能な上限温度
は芯体ガラスの屈伏点には左右されず、被覆ガラスの屈
伏点で快定されるＯ 従って、芯体ガラスには溶融性に優れたガラス組成を選
ぶことＫよって、高品質なガラスを容易に得ることがで
き、且つイオン交換処理可能な上限温度は被覆ガラスの
屈伏点進上げることが可能になる。

通常、溶融性の優れた屈折率分布型レンズ用の母材ガラ
スの屈伏点はおよそ！λＯ〜Ｚ４ｔＯ℃程度のものが多
いが、本発明では該母材ガラスの外周部は屈折点の高い
被覆ガラスで覆う構成罠なっているから、例えばｒ弘Ｏ
℃程度の屈伏点を持つ被覆ガラスを用いた場合、上記母
材ガラスのイオン交換処理が可能な上限温度はｔ弘グＣ
程度まで高めることができる。このことはイオン１交換
処理温度をおよそ３００℃高くすることになり、通常の
一価陽イオンの拡散速度の温度依存性より推定すると、
拡散速度は数百倍も大きくなることを意味する。またイ
オン交換処理時間で表現すれば数百分の−の時間に短縮
できることになる。

即ち、本発明方法によれば、母材ガラス（芯体ガラス）
の溶融性を損うことなく、イオン交換処理時間を著しく
短縮することができるため、高品質で且つ大口径の屈折
率分布型レンズを短時間に製作することが可能になる。

〔実　施　例〕

以下本発明を図面に示した実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明方法でイオン交換処理に付するガラス体
ｌを示し、円柱状の芯ガラスλの外周を一定厚みの被覆
ガラスＷ！３で被覆した構造となっており、また一端側
も同様の被覆ガラス３で覆っである。被覆ガラス３は芯
体ガラス層に比べてより高い屈伏点を持つガラスから成
る。

上記のような二重構造の被処理ガラス体ｌは、例えば第
一図（ａ）に示すように、底部に溶融ガラス流出ノズル
４ｃａを有する芯体ガラス用内側ポット弘と、同じく底
部にノズル！ａを有する被覆ガラス用外側ボットｊとを
同心状に配置して、ノズルｐａ、　ｊａを通して両ボッ
トｕ、ｊ中の溶融ガラスを引き出し冷却固化した後、バ
ーナー７等で溶断することによって成形することができ
る。

また第一図（ｂ）のように、芯体ガラス層を成すガラス
ロッドを、被覆ガラス３を成すガラスパイプ中に入れて
両者を加熱軟化させて延伸しつつ融着することによって
も成形できる。芯体ガラスに対するＶ覆ガラスの融着は
上記以外に種々の周知の方法を用いることができ、本発
明では特に制限はない。

次に、以上のようにして成形された芯体ガラスλを被覆
ガラス３で被覆した被処理ガラス体／を第３図に示すよ
うに、−価陽イオンを含む硫酸墳等の溶融塩を中に、被
覆ガラス層で覆った端部側を下側として浸漬しイオン交
換処理を行なう。

次に１本発明の具体的な数値例について説明する。

実施例１ モル襲で表わして、母材ガラス（芯体ガラス）として、
Ｓｉｏ２　ａｏ％、Ｂ２Ｏ３ｔ％、ＺｎＯ／１％。

Ｎａ２ｏ　１０％、ＴＡ２０１０％の組成、被覆ガラス
として、８１０２４（７％　＋　Ｂ２Ｏ３ｊ　％　、Ｚ
ｎＯ／　ｊ　％　、に２０２０％の組成のガラスを用い
た。これらガラスの屈伏点は芯体ガラスが１２０℃、被
覆ガラスの屈伏点は７４Ａｊ’ｃである。上記ガラスを
使用して、母材ガラスの直径が／　Ｑｗｓ　、被覆ガラ
ス層の厚みが０．３ｕで全長１０關のガラスロッドな二
重ポットで成形し、このロッド下端をバーナーで溶断す
ることＫよって、母材ガラスの下端部も被覆ガラスで覆
われた状態にした。

上記の被Ｗｉ層付きガラスロッドを、モル襲で表わしテ
に２ｓＯ４４０％＊　ｚｎｓｏ４　Ｆ　Ｏ％　’ｅ　ル
組成を有する溶融塩中に６≠よ℃で７２時間浸漬してイ
オン交換処理を行なった。イオン交換後、上記ガラスロ
ッドを溶融塩上方で１１分間徐冷した後、ロッドを切断
、研磨して断面内での半径方向における一価陽イオンの
濃度分布をＸ線マイクロアナライザー　（ＸＭＡ）で測
定した。被覆ガラスを除いた母材ガラスの最外周からカ
リウムイオンが侵入した距離を測定したところＪ、ＪＪ
ｗｓであった。

比較例として、全く同じ母材ガラスを被覆ガラスで被覆
しない従来方法で、上記実施例と同一の条件でイオン交
換処理したところ、完全に軟化変形して円板状になって
いた。

また母材ガラスの屈伏点である３２０℃で７λ時間イオ
ン交換したガラスロッド試料では、変形はなかったが１
カリウムの侵入距離なＸＭＡで調べたところ僅かＯｏｔ
り關であった。

実施例コ モル襲で表わして、５ｉ０２６２％＋Ｂ２０３４Ｌ％。

Ａｌ２Ｏ３／％、ＺｎＯ／　７７％　ｒ　ＭｇＯ唱１Ｚ
ｒ０２　／　％　。

Ｎａ２Ｏ／Ｊ−％　、に２０．２％　、　ＴＪ２０　ｊ
％なる組成を有する母材ガラス（芯体ガラス）と、５１
０２６１％。

１１２０３　／　０％　、　ＺｎＯ／％、Ｍｇｏｉｏ％
、ｚｒｏ２／％。

１ｃ２０ＪＯ％なる組成を有する被覆ガラスを使って、
前者は研磨加工で直径２！闘の丸棒に仕上げ、後者は内
径、２７１１ｍ１．外径３λ、μ關のガラス管を作製し
て、四ツドインチューブ法によって融着一体化した。こ
のガラスロッドをバーナーで溶断して母材の一方の端部
も被覆ガラスで被覆された状態にした。

上記のガラスロッドの全長は１００闘である。

このガラスロッドな、実施例１と同組成の溶融塩を用い
て、被覆ガラスの屈伏点ＣＩ≠λ℃）で７２時間イオン
交換処理を行ない、被覆ガラスを除いた母材ガラスの最
外周からのカリウムイオンの侵入距離を測定したところ
／Ｑ、、１Ｊｆｌｌ！ＩＩＩであった。

比較例として、母材ガラスの屈伏点（ｊ　４　ｊ’ｑ　
）で７２時間イオン交換した試料では、カリウムイオン
の侵入距離はｉ、ｚｔｗｓであった。

実施例３．弘 実施例１と同様に二重ゲット法で芯体ガラスと被覆ガラ
スとから成るガラスロンドを作製した。

第１表にこれら結果と実施例／、２の結果をまとめて示
す。また比較例は第１表の最下段に示し、それぞれの母
材ガラス（芯体ガラス）の屈伏点で７λＢ’？　間イオ
ン交換したときのカリウムイオンの侵入距離を示す。

〔発明の効果〕

本発明によれば、溶融性に優れた高品質のガラス母材に
対して、この母材の屈伏点温度に制約されず、より高い
湿度で変形を生じることなくイオン交換処理を行なうこ
とができ、したがってイオン交換処理時間を従来に比べ
て大幅に短縮できるので、従来イオン交換処理時間の面
で製造が困難であった大口径の屈折率分布型レンズも容
易に製造できるようになった。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、＃！／ｆは被処理ガラ
ス体の側断面および横断面図、第２図（ａ）。 （ｂ）は第１図の構造のガラス体を成形する方法の例を
示す断面図、第３図はイオン交換処理工程を示す断面図
である。 ｌ・・・・・・被処理ガラス体　λ・・・・・・芯体ガ
ラス３・・・・・・被覆ガラス　６・・・・・・溶融塩
第１図 第２図 （０）　　　　　　　（ｂ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガラス体と一価陽イオンを含む媒質とを接触させ
   て、該イオンとガラス体中に含まれる一価陽イオンとを
   交換させるイオン交換処理方法において、前記ガラス体
   を芯体ガラスとこれを被覆する被覆ガラスとで形成する
   とともに、前記被覆ガラスを芯体ガラスよりも高い屈伏
   点を有するガラス組成としたことを特徴とするガラス体
   のイオン交換処理方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記ガラス体は
   円柱形状を成し、芯体ガラスの直径は２〜６０ｍｍであ
   って、且つ被覆ガラス層の厚味が芯体ガラス直径に対し
   て２〜２５％の範囲であるガラス体のイオン交換処理方
   法。