JP2008001551A - 光学ガラス、ガラス成形体、光学素子およびそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 質量%表示で、B2O3とSiO2を合計量で12〜30%、La2O3、Gd2O3、Y2O3、Yb2O3、ZrO2、Nb2O5およびWO3を合計量で55〜80%、ZrO2を2〜10%、Nb2O5を0〜15%、ZnOを0〜15%、Ta2O5を0%以上13%未満含み、La2O3、Gd2O3、Y2O3、Yb2O3、ZrO2、Nb2O5およびWO3の合計含有量に対するTa2O5含有量の比が0.23以下、B2O3とSiO2の合計含有量に対するLa2O3、Gd2O3、Y2O3およびYb2O3の合計含有量の比が2〜4であり、かつ屈折率ndが1.86以上で、アッベ数νdが38以上である光学ガラス、および該光学ガラスからなる棒状のガラス成形体と光学素子である。
【選択図】 なし
Description
上記目的を達成するには、屈折率ndが1.86以上かつアッベ数νdが38以上の光学ガラスが望まれる。
(1) 質量%表示で、B2O3とSiO2を合計量で12〜30%、La2O3、Gd2O3、Y2O3、Yb2O3、ZrO2、Nb2O5およびWO3を合計量で55〜80%、ZrO2を2〜10%、Nb2O5を0〜15%、ZnOを0〜15%、Ta2O5を0%以上13%未満含み、La2O3、Gd2O3、Y2O3、Yb2O3、ZrO2、Nb2O5およびWO3の合計含有量に対するTa2O5含有量の比が0.23以下、B2O3とSiO2の合計含有量に対するLa2O3、Gd2O3、Y2O3およびYb2O3の合計含有量の比が2〜4であり、かつ屈折率ndが1.86以上で、アッベ数
νdが38以上であることを特徴とする光学ガラス、
(2) Nb2O5を1〜15%含む上記(1)項に記載の光学ガラス、
(3) WO3を0〜15%含む上記(1)または(2)項に記載の光学ガラス、
(4) La2O3、Gd2O3、Y2O3およびYb2O3を合計含有量で30〜70%含む上記(1)〜(3)項のいずれか1項に記載の光学ガラス、
(5) B2O3を5〜25%、SiO2を1〜14%、La2O3を30〜60%、Gd2O3を0〜30%、Y2O3を0〜10%、Yb2O3を0〜5%、BaO 0〜20%、TiO2 0〜12%、Sb2O3を0〜1%含む上記(1)〜(4)項のいずれか1項に記載の光学ガラス、
(6) 上記(1)〜(5)項のいずれか1項に記載の光学ガラスからなることを特徴とする棒状のガラス成形体(以下、ガラス成形体Iと称する)、
(7) 屈折率ndが1.86以上、アッベ数νdが38以上、および結晶化ピーク温度Txとガラス転移温度Tgの差(Tx−Tg)が110℃以上である光学ガラスからなることを特徴とする棒状のガラス成形体(以下、ガラス成形体IIと称する)、
(8) 光学ガラスにおいて、Ta2O5の含有量が0%以上13質量%未満である上記(7)項に記載の棒状のガラス成形体、
(9) 光学ガラスにおいて、La2O3、Gd2O3、Y2O3、Yb2O3、ZrO2、Nb2O5およびWO3の合計含有量に対するTa2O5含有量の比が0.23以下である上記(7)または(8)項に記載の棒状のガラス成形体、
(10) 光学ガラスが、質量%表示で、Nb2O5を0〜15%、ZrO2を2〜10%およびZnOを0〜15%含む上記(7)〜(9)項のいずれか1項に記載の棒状のガラス成形体、
(11) 光学ガラスが、質量%表示で、B2O3とSiO2を合計量で12〜30%含むと共に、La2O3、Gd2O3、Y2O3、Yb2O3、ZrO2、Nb2O5およびWO3を合計量で55〜80%含み、B2O3とSiO2の合計含有量に対するLa2O3、Gd2O3、Y2O3およびYb2O3の合計含有量の比が2〜4である上記(7)〜(10)項のいずれか1項に記載の棒状のガラス成形体、
(12) 側面が熔融状態のガラスが固化して形成された面である上記(6)〜(11)項のいずれか1項に記載の棒状のガラス成形体、
(13) ガラス原料を加熱、熔融して得た熔融ガラスを鋳型に流し込んで光学ガラスからなるガラス成形体を成形するガラス成形体の製造方法において、
貫通孔を有する鋳型を用い、前記貫通孔に熔融ガラスを連続的に流し込みながら成形し、成形したガラスを貫通孔から連続的に引き出すとともに、
貫通孔内を移動する熔融ガラスを取り囲むように貫通孔内壁を接触させて熔融ガラスを冷却し、上記(1)〜(5)項のいずれか1項に記載の光学ガラスからなるガラス成形体を作製することを特徴とするガラス成形体の製造方法(以下、製造方法Iと称する)、
(14) ガラス原料を加熱、熔融して得た熔融ガラスを鋳型に流し込んで光学ガラスからなるガラス成形体を成形するガラス成形体の製造方法において、
貫通孔を有する鋳型を用い、前記貫通孔に熔融ガラスを連続的に流し込みながら成形し、成形したガラスを貫通孔から連続的に引き出すとともに、
貫通孔内を移動する熔融ガラスを取り囲むように貫通孔内壁を接触させて熔融ガラスを冷却し、屈折率ndが1.86以上、アッベ数νdが38以上、結晶化温度Txとガラス転移温度Tgの差(Tx−Tg)が110℃以上である光学ガラスからなるガラス成形体を作製することを特徴とするガラス成形体の製造方法(以下、製造方法IIと称する)、
(15) 上記(1)〜(5)項のいずれか1項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、
(16) 上記(1)〜(5)項のいずれか1項に記載の光学ガラスからなるガラス素材を加熱、軟化して成形する工程を含むことを特徴とする光学素子の製造方法、および
(17) 上記(13)または(14)項に記載の方法により作製したガラス成形体からガラス素材を作製し、前記ガラス素材を加熱、軟化して成形する工程を含むことを特徴と
する光学素子の製造方法、
を提供するものである。
また、高価なTa2O5を多量に使用しなくても上記効果を得ることもできる。
[光学ガラス]
本発明の光学ガラスは、質量%表示で、B2O3とSiO2を合計量で12〜30%、La2O3、Gd2O3、Y2O3、Yb2O3、ZrO2、Nb2O5およびWO3を合計量で55〜80%、ZrO2を2〜10%、Nb2O5を0〜15%、ZnOを0〜15%、Ta2O5を0%以上13%未満含み、La2O3、Gd2O3、Y2O3、Yb2O3、ZrO2、Nb2O5およびWO3の合計含有量に対するTa2O5含有量の比が0.23以下、B2O3とSiO2の合計含有量に対するLa2O3、Gd2O3、Y2O3およびYb2O3の合計含有量の比が2〜4であり、かつ屈折率ndが1.86以上で、アッベ数νdが38以上であることを特徴とする。
することがより好ましい。上記合計含有量のさらに好ましい範囲は6〜10%である。アルカリ土類金属酸化物とTiO2の合計含有量が多い態様では、Ta2O5をアルカリ土類金属酸化物、TiO2の少なくとも一種以上の成分に置換することで、再加熱時の耐失透性を良好にするが、さらにTa2O5をNb2O5に置換して、Nb2O5を1%以上導入することにより、再加熱時の耐失透性をよりいっそう良好にすることができる。この態様では、Ta2O5含有量の好ましい範囲は0〜11%、より好ましい範囲は0〜10%である。
低下するおそれがあるので、その含有量を0〜10%とすることが好ましい。好ましい下限は1%、好ましい上限は8%、より好ましい上限は6%、さらに好ましい上限は5%である。
この他、任意成分として導入可能なものとして、MgO、CaO、SrO、BaO、GeO2、Li2O、Na2O、K2O、Bi2O3、TiO2を例示することができる。
なおいずれの好ましい態様ともSB2O3を外割りで前記の範囲内で添加してもよい。
Pb、As、Cd、Cr、Th、Uは毒性や放射性のため、導入しないことが好ましい。
にすることが望ましい。また、熔融ガラスを成形する際に失透を防止する上からなるべく熔融ガラスの表面積を大きく、鋳型を接触させて急速にガラスから熱を奪うことによりガラスを急冷することが望ましい。これらの条件を満たすものとして、棒状のガラス成形体を成形することが望ましい。
[ガラス成形体]
本発明のガラス成形体には、ガラス成形体IおよびIIの2つの態様がある。ガラス成形体Iは、前記本発明の光学ガラスからなる棒状のガラス成形体である。本発明のガラス成形体によれば、前記効果が得られるとともに、脈理、失透防止のために無理に液相温度における粘度を低下しなくてもよいので、再加熱時における耐失透性をより良好にする点を重視したガラスの組成設定が可能になる。
ば、ブルカー・エイエックスエス(BRUKER axs)製の熱機械分析装置「TMA4000s」を使用して測定することができる。
なお、本発明のガラス成形体のいずれの態様においても、前述の効果を得る上で、側面が熔融状態のガラスが固化して形成された面であることが好ましい。
[ガラス成形体の製造方法]
本発明のガラス成形体の製造方法には、製造方法IおよびIIの2つの態様がある。
ガラス成形体の製造方法Iは、ガラス原料を加熱、熔融して得た熔融ガラスを鋳型に流し込んで光学ガラスからなるガラス成形体を成形するガラス成形体の製造方法において、
貫通孔を有する鋳型を用い、前記貫通孔に熔融ガラスを連続的に流し込みながら成形し、成形したガラスを貫通孔から連続的に引き出すとともに、
貫通孔内を移動する熔融ガラスを取り囲むように貫通孔内壁を接触させて熔融ガラスを冷却し、前記本発明の光学ガラスからなるガラス成形体を作製することを特徴とする。
貫通孔を有する鋳型を用い、前記貫通孔に熔融ガラスを連続的に流し込みながら成形し、成形したガラスを貫通孔から連続的に引き出すとともに、
貫通孔内を移動する熔融ガラスを取り囲むように貫通孔内壁を接触させて熔融ガラスを冷却し、屈折率ndが1.86以上、アッベ数νdが38以上、結晶化温度Txとガラス転移温度Tgの差(Tx−Tg)が110℃以上である光学ガラスからなるガラス成形体を作製することを特徴とする。この製造方法IIは、前記本発明のガラス成形体IIを製造する方法に相当する。
以下、ガラス成形体の製造方法に関する好ましい態様について説明する。
奪うとともに、前記ガラスの中心部と側面の温度を近づける。
ができる。なお、貫通孔内壁の温度は、鋳型に穴を開けて熱電対を貫通孔内壁に近いところまで挿入して測定することができる。
、(Tg−150℃)以上の環境下で行う。ガラスの中心部と側面の温度を近づける操作を行った後、すなわち歪みを低減した後に、ガラス成形体の割断あるいは切断を行うことで、ガラス成形体を所望の位置で破損させることなく分離することができる。
次に、使用する鋳型について説明する。
方法では、高温のガラスの雰囲気に曝される面の面積は、従来の成形方法のように大きくないので、パイプ先端と成形装置全体を密閉してその内部の雰囲気を置換しなくても、上記のように必要最小限の狭い範囲を囲んで内部雰囲気を所望のガスと置換すれば、雰囲気制御の目的を達成することができる。高温のガラス表面から揮発を抑制したり、パイプ先端の外周面へのガラスの濡れ上がりを低減、防止してガラス成形体の品質を向上させる上から、上記雰囲気を乾燥雰囲気、不活性ガス雰囲気、または乾燥状態の不活性ガス雰囲気にすることが好ましい。
次に、貫通孔出口からのガラスの取り出しについて説明する。
た液面の高さを比較して、その結果を取り出し速度にフィードバックする。ローラ3(図1参照)によるガラス側面の挟持により取り出し速度を制御する方法では、コントローラ5が出力する制御信号をローラ3を回転するモータのコントローラに入力し、ローラ3の回転速度を制御することができる。貫通孔出口から取り出されたガラスの先端部を支持して取り出し速度を制御する方法(図2参照)では、先端部を支持する機構(支持機構8)のアクチュエータにコントローラ5が出力する制御信号を入力して、ガラス先端部を支持する部材の移動速度が所望の速度になるように制御することができる。鋳型内の熔融ガラス液面の高さのモニターの方法は特に限定されず、温度計やレーザーセンサー等を用いる方法を例示することができる。
次に、取り出し中のガラス成形体の分離方法について説明する。
適であり、10mm以上の外径を有する棒状ガラスの成形により一層好適である。
次に、複数の鋳型を使用する態様について説明する。
このように、前記方法によれば、光学的に均質なガラス成形体を破損することなく、高い生産性のもとに製造することができる。
[光学素子]
本発明の光学素子は、前記本発明の光学ガラスからなる光学素子である。本発明の光学素子は、前述の光学ガラスが持つ優れた特質を有する。本発明の光学素子の例としては、球面レンズ、非球面レンズ、マイクロレンズなどの各種レンズ、プリズムなどがある。また、用途面からは、一眼レフカメラの交換レンズ、デジタルスチルカメラ用レンズ、デジタルビデオカメラ用レンズ、プロジェクタ用レンズなどに好適である。
これら光学素子の表面には必要に応じて反射防止膜などの光学薄膜を形成してもよい。
本発明の光学素子の製造方法は、上記光学ガラスからなるガラス素材を加熱、軟化して成形する工程を備える光学素子の製造方法である。
棒状ガラス成形体を使用する場合、棒状ガラス成形体の外径を光学素子の外径と等しくするか、または光学素子の外径に研削しろや研磨しろを加えた外径に成形することが好ましい。
実施例1
表1および表3の組成になるように、酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩などの原料を適宜用いて原料を秤量した。調合した原料を混合した後、白金坩堝中にて熔融した。実施例のガラスは1300〜1450℃で熔融した。ガラスの攪拌・清澄を行った後、鉄板状に流し出しブロックを成形した。ガラスブロックをガラス転移温度付近に加熱しておいた炉に移し、室温までアニールした。得られたガラスブロックより各種測定用のサンプルを切り出し、下記のように測定した。
着色度も日本光学硝子工業会規格JOGIS−02に基づいて測定した。表1には着色度をλ70、λ80によって表示した。λ70の測定は前記規格に準拠するが、まず、厚さ10mmの平行な両面を光学研磨したガラス試料を用意し、前記光学研磨面の一方に垂直に強度Iinの測定光を入射し、他方の光学研磨面から出射する光の強度Ioutを測定する。可視域における外部透過率(Iout/Iin)が70%になる波長をλ70とした。λ70よりも長波長側の可視域では外部透過率が70%超となる。厚さ10mmの試料を用意できない場合は、所定の厚さで外部透過率を測定し、その結果を換算してλ70を算出する手法を用いればよい。λ80はλ70の測定法と同様の測定を行い、外部透過率が80%となる波長とする。その他の点はλ70と同様である。
測定結果を表2および表4に示す。
合計量A: La2O3、Gd2O3、Y2O3、Yb2O3、ZrO2、Nb2O5およびWO3を合計量
比率A: Ta2O5/(La2O3+Gd2O3+Y2O3+Yb2O3+ZrO2+Nb2O5+WO3)
比率B: (La2O3+Gd2O3+Y2O3+Yb2O3)/(B2O3+SiO2)
実施例1で作製した光学ガラスと同じ各光学ガラスが得られるようにガラス原料を秤量し、十分混合した後、熔融容器内に導入し、加熱、熔解した。次いで、十分清澄、均質化した熔融ガラスを鉛直に配置したパイプ流出口から一定の流出速度で連続流出し、図1に示す位置に配置されたカーボン製の鋳型に設けられた貫通孔の入口中央に連続して途切れることなく流し込んだ。鋳型貫通孔の内径はφ20mm、貫通孔中心軸が鉛直方向に一致するようにし、パイプの中心軸と上記貫通孔の中心軸とが一致するようにした。鋳型貫通孔の長さは数百mmとし、良好な成形ができるように、鋳型の周囲に図示しないバンドヒータを巻いて加熱し、貫通孔内壁の温度を適宜制御した。貫通孔出口から取り出される丸棒状ガラスの側面を2つのローラで挟持し、丸棒状ガラスの取り出し速度を制御した。鋳型貫通孔内の熔融ガラス液面の高さを、レーザセンサーを用いてモニターし、前記センサーが出力するモニター信号をローラコントローラに入力し、前記液面が一定になるようにローラを回転するモータへの電気入力を制御した。本実施例では丸棒状ガラスの取り出し速度を次のように制御している。すなわち、上記液面の高さの変動に応じてローラの回転速度にフィードバックをかけ、液面の高さを一定に維持するようにした。
連続式徐冷炉から取り出した丸棒状ガラスを切断し、切断面を研磨して内部を観察したところ、脈理は表面から極浅い層内にのみ見られ、それよりも深い部分に脈理は認められなかった。つまり丸棒状ガラスの大部分は光学的に均質であった。
実施例2で作製した徐冷済みの各丸棒状ガラスを使用してプレス成形用ガラス素材を作製した。まず丸棒状ガラス側面の割断した部位にスクライブ加工によりケガキ線を形成した。そして高圧容器中に丸棒状ガラスを挿通し、容器内中央にケガキ線を形成した部位が
位置するようにし、中心軸方向の動きを制限しないよう丸棒状ガラスを容器開口部にゴムシールでチャックし、容器内に水を注入して内部に泡が入らないように容器内を水で満たした。
この状態で容器内の水圧を上昇してケガキ線の位置で丸棒状ガラスを中心軸に垂直にガラスを分断した。このようにして所定の間隔で丸棒状ガラスを割断し、カットピースを作製した。
次に、上記カットピースをバレル研磨して目的とするプレス成形品の重量と等しい重量に調整するとともに、鋭利なエッジを丸め、表面を粗面化してプレス成形用ガラス素材とした。
また、前記カットピースを研削、研磨して表面が滑らかな精密プレス成形用ガラス素材を作製した。
実施例3で作製したプレス成形用ガラス素材の全表面に窒化ホウ素からなる粉末状離型剤を均一に塗布し、加熱炉内に入れて炉内で移送しながら大気中で加熱、軟化させた。
軟化したガラス素材を上型、下型、胴型からなるプレス成形型に導入して大気中でプレス成形し、型を開いてプレス成形品を取り出し、徐冷炉に入れて精密アニールを行い、室温まで冷まして光学素子ブランクとした。
次に、上記ブランクを研削、研磨して各光学ガラスからなる球面レンズを作製した。レンズ内部には失透、脈理は見られず、光学的に均質な光学素子を得ることができた。
実施例3で作製した精密プレス成形用ガラス素材の全表面にカーボン膜を形成し、窒素と水素の混合ガス雰囲気中にて加熱し、SiC製の型材の成形面上に離型膜としてカーボン膜を付けたプレス成形型を用いて精密プレス成形した。次いで精密プレス成形品を徐冷して、各光学ガラスからなる非球面レンズを得た。
レンズ内部には失透、脈理は見られず、光学的に均質な光学素子を得ることができた。
実施例2で作製した精密アニール済みの丸棒状ガラスを側圧切断法で中心軸に垂直に分断し、カットピースを作製した。次いで、カットピースを研削、研磨して各光学ガラスからなる球面レンズを作製した。レンズ内部には失透、脈理は見られず、光学的に均質な光学素子を得ることができた。
また、高価なTa2O5を多量に用いなくても、上記の性状を有する光学ガラスを得ることができる。
2 鋳型
3 ローラ
4 液位センサ
5 コントローラ
6 ガラス側面
7 成形炉
8 支持機構
9 熔融ガラス
10 中実状のガラス
11 ガラス成形体
12 高圧容器
13 液体導入口
14 シール
Claims (17)
- 質量%表示で、B2O3とSiO2を合計量で12〜30%、La2O3、Gd2O3、Y2O3、Yb2O3、ZrO2、Nb2O5およびWO3を合計量で55〜80%、ZrO2を2〜10%、Nb2O5を0〜15%、ZnOを0〜15%、Ta2O5を0%以上13%未満含み、La2O3、Gd2O3、Y2O3、Yb2O3、ZrO2、Nb2O5およびWO3の合計含有量に対するTa2O5含有量の比が0.23以下、B2O3とSiO2の合計含有量に対するLa2O3、Gd2O3、Y2O3およびYb2O3の合計含有量の比が2〜4であり、かつ屈折率ndが1.86以上で、アッベ数νdが38以上であることを特徴とする光学ガラス。
- Nb2O5を1〜15%含む請求項1に記載の光学ガラス。
- WO3を0〜15%含む請求項1または2に記載の光学ガラス。
- La2O3、Gd2O3、Y2O3およびYb2O3を合計含有量で30〜70%含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- B2O3を5〜25%、SiO2を1〜14%、La2O3を30〜60%、Gd2O3を0〜30%、Y2O3を0〜10%、Yb2O3を0〜5%、BaO 0〜20%、TiO2 0〜12%、Sb2O3を0〜1%含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の光学ガラスからなることを特徴とする棒状のガラス成形体。
- 屈折率ndが1.86以上、アッベ数νdが38以上、および結晶化ピーク温度Txとガラス転移温度Tgの差(Tx−Tg)が110℃以上である光学ガラスからなることを特徴とする棒状のガラス成形体。
- 光学ガラスにおいて、Ta2O5の含有量が0%以上13質量%未満である請求項7に記載の棒状のガラス成形体。
- 光学ガラスにおいて、La2O3、Gd2O3、Y2O3、Yb2O3、ZrO2、Nb2O5およびWO3の合計含有量に対するTa2O5含有量の比が0.23以下である請求項7または8に記載の棒状のガラス成形体。
- 光学ガラスが、質量%表示で、Nb2O5を0〜15%、ZrO2を2〜10%およびZnOを0〜15%含む請求項7〜9のいずれか1項に記載の棒状のガラス成形体。
- 光学ガラスが、質量%表示で、B2O3とSiO2を合計量で12〜30%含むと共に、La2O3、Gd2O3、Y2O3、Yb2O3、ZrO2、Nb2O5およびWO3を合計量で55〜80%含み、B2O3とSiO2の合計含有量に対するLa2O3、Gd2O3、Y2O3およびYb2O3の合計含有量の比が2〜4である請求項7〜10のいずれか1項に記載の棒状のガラス成形体。
- 側面が熔融状態のガラスが固化して形成された面である請求項6〜11のいずれか1項に記載の棒状のガラス成形体。
- ガラス原料を加熱、熔融して得た熔融ガラスを鋳型に流し込んで光学ガラスからなるガ
ラス成形体を成形するガラス成形体の製造方法において、
貫通孔を有する鋳型を用い、前記貫通孔に熔融ガラスを連続的に流し込みながら成形し、成形したガラスを貫通孔から連続的に引き出すとともに、
貫通孔内を移動する熔融ガラスを取り囲むように貫通孔内壁を接触させて熔融ガラスを冷却し、請求項1〜5のいずれか1項に記載の光学ガラスからなるガラス成形体を作製することを特徴とするガラス成形体の製造方法。 - ガラス原料を加熱、熔融して得た熔融ガラスを鋳型に流し込んで光学ガラスからなるガラス成形体を成形するガラス成形体の製造方法において、
貫通孔を有する鋳型を用い、前記貫通孔に熔融ガラスを連続的に流し込みながら成形し、成形したガラスを貫通孔から連続的に引き出すとともに、
貫通孔内を移動する熔融ガラスを取り囲むように貫通孔内壁を接触させて熔融ガラスを冷却し、屈折率ndが1.86以上、アッベ数νdが38以上、結晶化温度Txとガラス転移温度Tgの差(Tx−Tg)が110℃以上である光学ガラスからなるガラス成形体を作製することを特徴とするガラス成形体の製造方法。 - 請求項1〜5のいずれか1項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1〜5のいずれか1項に記載の光学ガラスからなるガラス素材を加熱、軟化して成形する工程を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
- 請求項13または14に記載の方法により作製したガラス成形体からガラス素材を作製し、前記ガラス素材を加熱、軟化して成形する工程を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
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