JP2014194509A - Light collection optical system - Google Patents
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Description
本発明は、人工衛星等に搭載される集光光学系に関するものである。詳しくは、人工衛星等に搭載される集光光学系や大型光学望遠鏡等の集光光学系に用いられる、集光用ミラーガラスとその支持体とを強固に接着した集光光学系に関するものである。 The present invention relates to a condensing optical system mounted on an artificial satellite or the like. Specifically, the present invention relates to a condensing optical system in which a condensing mirror glass and its support are firmly bonded and used in a condensing optical system mounted on an artificial satellite or the like, or a condensing optical system such as a large optical telescope. is there.
人工衛星に搭載される集光光学系、もしくは地上に設置される大型光学望遠鏡などの集光光学系は反射光学系で形成されている。これらの反射光学系では従来よりも、高解像度で明るい、もしくはさらに暗い対象を鮮明に見ることが要求される（例えば、特許文献１参照）。 A condensing optical system such as a condensing optical system mounted on an artificial satellite or a large optical telescope installed on the ground is formed by a reflection optical system. In these reflection optical systems, it is required to clearly view a bright or darker object with a higher resolution than before (for example, see Patent Document 1).
光学センサを搭載し画像を撮影する光学衛星や大型光学望遠鏡に搭載する集光光学系においては、１次鏡が年々大型化しており、高い分解能を有するためには精密な形状加工と形状維持を行うことが課題となっている。このため、製造過程や製造後に加わる熱や応力による変形が少ないことが集光光学系には必須となっている。熱による変形は熱膨張率の小さな低膨張ガラスをミラー母材に用いることや低膨張率の支持体および構造体を用いることで影響を最小限に留めることが行われている。 In condensing optical systems that are mounted on optical satellites and large optical telescopes that are equipped with optical sensors to capture images, the primary mirrors are getting larger year by year. In order to have high resolution, precise shape processing and shape maintenance are required. It is a challenge to do. For this reason, it is essential for the condensing optical system that the deformation due to heat and stress applied after the manufacturing process or after manufacturing is small. The effects of heat deformation are minimized by using low-expansion glass having a small thermal expansion coefficient as a mirror base material and using a support and structure having a low expansion coefficient.
通常、集光用ミラーガラスとその支持体の接合には接着剤が用いられ、接着剤により集光用ミラーガラスとその支持体を強固に接合する必要がある。
ここで、接着材で接着された支持体を集光用ミラーガラスから力をかけて無理に剥がすと、通常は接着剤の部分ではなくガラス側が破断する。これはガラスの破断強度が接着剤の破断強度よりも小さいためであり、ガラスの破断強度により接着強度が制限されている。
Usually, an adhesive is used for joining the condensing mirror glass and its support, and it is necessary to firmly join the condensing mirror glass and its support using an adhesive.
Here, if the support bonded with the adhesive is forcibly peeled off from the condensing mirror glass, the glass side is usually broken instead of the adhesive portion. This is because the breaking strength of the glass is smaller than the breaking strength of the adhesive, and the bonding strength is limited by the breaking strength of the glass.
ガラスの破断強度のような弱い力で集光用ミラーガラスを支持するためには、支持体の数を増やす必要があるが、この場合大きな振動を光学系に加えると、結果として１次鏡の表面形状が複雑に変動し分解能が大きく低下するという課題があった。 In order to support the condensing mirror glass with a weak force such as the breaking strength of the glass, it is necessary to increase the number of supports. In this case, if a large vibration is applied to the optical system, the result is that of the primary mirror. There was a problem that the surface shape changed in a complicated manner and the resolution was greatly reduced.
この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、集光用ミラーガラスとその支持体の接合力を増強し、少ない支持体により、高い剛性を有して表面で歪みが発生しにくい集光光学系を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and enhances the bonding force between the condensing mirror glass and its support, and has a low rigidity and high rigidity and is less likely to cause distortion on the surface. An object of the present invention is to provide a condensing optical system.
本発明に係る集光光学系は、集光用ミラーガラスと支持体からなる集光光学系であって、前記集光用ミラーガラスと前記支持体との間には前記集光用ミラーガラスと前記支持体とを接合する接着剤からなる接着層を備え、前記集光用ミラーガラスの少なくとも前記支持体との接合部分に化学強化層が形成されている。 The condensing optical system according to the present invention is a condensing optical system comprising a condensing mirror glass and a support, and the condensing mirror glass and the support are between the condensing mirror glass and the support. An adhesive layer made of an adhesive that joins the support is provided, and a chemically strengthened layer is formed at least on the joining portion of the condensing mirror glass with the support.
この発明に係る集光光学系によれば、支持体と接合する集光用ミラーガラスを部分的に化学強化ガラス化することで破断強度を引き上げ、集光用ミラーガラスとその支持体との接合力を増強することができる。
これにより、高い剛性でミラーを保持することが可能となり、少ない支持体数で集光用ミラーガラスを保持できて、表面の変形の小さな集光用ミラーガラスを得ることができる。大きな力でミラーが変形する場合も、支持体数が少ないため単純な形状の変形となるため、低次のアス成分を他のミラーで補正することが容易になる。
According to the condensing optical system of the present invention, the condensing mirror glass to be bonded to the support is partially chemically strengthened to raise the breaking strength, and the condensing mirror glass and the support are bonded to each other. Power can be strengthened.
This makes it possible to hold the mirror with high rigidity, hold the condensing mirror glass with a small number of supports, and obtain a condensing mirror glass with a small surface deformation. Even when the mirror is deformed by a large force, since the number of supports is small, the shape is simply deformed. Therefore, it is easy to correct low-order asphalt components with other mirrors.
また、通常はガラスが破断する領域でも化学強化ガラス化された部位では破断しないため、通常の化学強化ガラス化していないガラスでは破断しやすいラフネスをもった表面でも、化学強化ガラスでは破断せず、大きなラフネスによって支持体との接着力を向上させることができる。 In addition, since it does not break in the region where the glass is usually broken even in the chemically tempered vitrified region, even the surface having a roughness that is easy to break in the glass that is not chemically tempered vitrified does not break in the chemically tempered glass, A large roughness can improve the adhesive strength with the support.
実施の形態１．
以下、実施の形態１に係る集光光学系について図を参照して説明する。図１は実施の形態１に係る集光光学系の構造の断面を示す図である。図１において集光光学系１０は、集光用ミラーガラス１と支持体２から構成される。集光用ミラーガラス１は、少なくとも支持体２との接合部のガラス表面の一部に化学強化層３を有するガラス基板で形成されている。化学強化層３と支持体２とは接着剤により図の接着層４を介して接着される。
Hereinafter, the condensing optical system according to
一般に、衛星搭載用ミラーや大口径の光学望遠鏡では低膨張ガラスが用いられる。本実施の形態に係る集光用ミラーガラス１においても低膨張ガラスが用いられる。これらの低膨張ガラスは通常の膨張率を有するガラスに比べて破断しにくいが、ガラス表面のクラック等によりその破断強度は理論的な破断強度に到達しない。
ガラスを割れ難くする圧縮応力層（化学強化層３）は、１）ガラス基板に焼入れという物理強化処理、又は２）イオン交換という化学強化処理を施すことにより形成することができる。
本実施の形態に係る集光光学系では、１）化学強化処理により機械的強度の高い圧縮応力層が得られること、２）衛星搭載用の大きな変形が許されない光学系であり、物理強化処理は適さないことから、化学強化処理を施すことによりガラス基板に圧縮応力層（化学強化層３）を形成することとした。
In general, low-expansion glass is used in satellite-mounted mirrors and large-diameter optical telescopes. Low expansion glass is also used in the
The compressive stress layer (chemical strengthening layer 3) that makes glass difficult to break can be formed by applying 1) physical strengthening treatment called quenching to the glass substrate or 2) chemical strengthening treatment called ion exchange.
In the condensing optical system according to the present embodiment, 1) a compressive stress layer with high mechanical strength can be obtained by chemical strengthening treatment, and 2) an optical system that is not allowed to be greatly deformed for mounting on a satellite. Since it is not suitable, a compressive stress layer (chemical strengthening layer 3) is formed on the glass substrate by performing a chemical strengthening treatment.
一方、低膨張ガラスを化学強化ガラス化した場合、化学強化ガラス化前では破断しやすいラフネスを持った表面であっても、ガラスの破断強度が向上する。一般に接着剤の接着強度を向上させるためには、表面ラフネスをある程度大きくする必要がある（いわゆるアンカー効果という）。
化学強化ガラスではガラスの破断強度が向上し、通常ガラスが破断する領域でも破断しないため、接着剤の接着強度が十分に生かせる領域で接着剤を使用することができ、接着剤本来が持つ接着強度を生かすことが可能となる。
接着剤の強度にも依存するが、一般に、化学強化ガラスは通常のガラスに比べて５〜１０倍の接合力が実現できる。この特性は低膨張ガラスを化学強化ガラス化した際にも発現される。
On the other hand, when the low expansion glass is chemically strengthened glass, the breaking strength of the glass is improved even on a surface having a roughness that is easily broken before the chemically strengthened glass. In general, in order to improve the adhesive strength of the adhesive, it is necessary to increase the surface roughness to some extent (so-called anchor effect).
Chemically tempered glass improves the breaking strength of glass and does not break even in areas where glass usually breaks, so it can be used in areas where the adhesive strength of the adhesive can be fully utilized, and the adhesive strength inherent to the adhesive Can be utilized.
Although it depends on the strength of the adhesive, generally, chemically strengthened glass can realize a bonding force 5 to 10 times that of ordinary glass. This property is also manifested when low expansion glass is made into chemically strengthened glass.
表１は、ガラスの表面ラフネスと破断強度の評価結果を示したものである。ガラスの側面のラフネスを変化させ、その値で破断強度が異なるかを調べている。この評価ではガラスの棒の引っ張り試験を行い、破断した時の強度を求めている。従来の低膨張ガラスに比べて、化学強化ガラス化されたガラスでは破断強度が格段に向上していることがわかる。 Table 1 shows the evaluation results of the surface roughness and breaking strength of the glass. The roughness of the side surface of the glass is changed, and it is examined whether the breaking strength differs depending on the value. In this evaluation, a tensile test of a glass rod is performed to determine the strength when it breaks. It can be seen that the breaking strength of the glass that has been made into chemically strengthened glass is remarkably improved as compared with the conventional low expansion glass.
表２は、ガラスの表面ラフネスと接着剤の破断強度の評価結果を示す。同じラフネスで表面を荒らしたスーパーインバーの棒の間に、Scotch-Weld（登録商標）製品番号：DP-460EG（住友スリーエム株式会社製）を２００μｍ厚で塗布して評価を行った。表面ラフネスが増加すると接着強度が向上することが判明した。 Table 2 shows the evaluation results of the surface roughness of the glass and the breaking strength of the adhesive. Evaluation was performed by applying Scotch-Weld (registered trademark) product number: DP-460EG (manufactured by Sumitomo 3M Co., Ltd.) at a thickness of 200 μm between Super Invar rods having the same roughness. It has been found that the adhesion strength improves as the surface roughness increases.
表３は、ガラスとスーパーインバーの棒の間に、Scotch-Weld（登録商標）製品番号：DP-460EG（住友スリーエム株式会社製）を２００μｍ厚で塗布して、接着剤の破断強度の評価を行った結果を示す。
スーパーインバーのラフネスＲaは５０μｍとし、ガラスのラフネスを変化させて評価を行っている。表３の結果は同じラフネスにおいて、表１と表２に示した値のうち、強度的に弱い値と一致する。また、破断箇所は従来の強化ガラスがほとんどガラス面で破断していたのに対して、化学強化ガラスはラフネス５μｍ以下では接着剤が破断していた。
Table 3 shows the evaluation of adhesive breaking strength by applying Scotch-Weld (registered trademark) product number: DP-460EG (manufactured by Sumitomo 3M Co., Ltd.) with a thickness of 200 μm between glass and Super Invar bars. The results are shown.
The roughness Ra of Super Invar is 50 μm, and the evaluation is performed by changing the roughness of the glass. The results in Table 3 coincide with weak values among the values shown in Tables 1 and 2 at the same roughness. Moreover, the conventional tempered glass was almost broken on the glass surface at the break, whereas the chemically tempered glass was broken at an roughness of 5 μm or less.
以上のように本実施の形態に係る集光光学系１０は、集光用ミラーガラス１と支持体２から構成され、集光用ミラーガラス１は少なくとも支持体２との接合部のガラス表面の一部に化学強化層３を有するガラス基板で形成されている。
そして、支持体２と接着剤で接着する部分の集光用ミラーガラス１のラフネスＲaは０．０２〜１００μｍであることが好ましく、さらに好ましくは０．０５〜２０μｍが望ましい。
As described above, the condensing optical system 10 according to the present embodiment includes the
The roughness Ra of the
支持体２と集光用ミラーガラス１の接合力が増加することにより、支持体２に加えることのできる力が増大し、従来よりも少ない支持体２で集光用ミラーガラス１を保持することが可能となり、集光用ミラーガラス１の表面形状の変動を抑えることができる。
これにより大口径の集光光学系でも集光用ミラーガラス１の形状の変動を抑え、高い分解能を維持することが可能となる。
By increasing the bonding force between the support 2 and the
As a result, even with a large-diameter condensing optical system, it is possible to suppress a change in the shape of the
ここで、化学強化層３の形成方法について以下説明する。
化学強化層３はガラス中のアルカリイオンを置換することでガラス表面に圧縮応力層が、ガラス内部に引っ張り応力層が形成される。ガラス内部の引っ張り応力層によりガラス欠陥の成長が抑制され、ガラスの破断強度が通常の１０倍程度まで引き上げられる。一部の低膨張ガラスもアルカリイオンを含有しており、化学強化層が可能である。
Here, the formation method of the
The
集光用ミラーガラス１の組成はSiO2を４５〜８０モル％、Al2O3を５〜２５モル％、SiO2とAl2O3の和が５０〜８５モル％、K2Oが０〜１５モル％、Na2Oが０〜２５モル％、K2OとNa2Oの和が３〜２０モル％である集光用ミラーガラス１を有することを特徴とする。
また、集光用ミラーガラス１の基板中にLi2Oを０〜２７モル％含有し、P2O5を０〜１０モル％含有し、SiO2とP2O5の和が５５〜７５モル％を有することを特徴とする。
更に、集光用ミラーガラス１がCaOを０〜１５モル％、ZnOを０〜１９モル％、MgO2を１〜１２モル％、ZrO2を０〜１０モル％含み、かつCaO、ZnO、MgO2、ZrO2の和で２〜４０%を含有し、BaOを１〜１０モル％含有することを特徴とする。
The composition of the condensing
Further, the substrate of the condensing
Further, the condensing
SiO2 はガラスの網目構造形成酸化物として働き、ガラス構造の安定化即ち失透に対する結晶化安定性を増す成分である。またSiO2 はAl2O3などの中間酸化物と組み合わせることによってガラスの強度、剛性度などの機械的物性を高めることができ、ガラスの耐熱性を向上させることもできる。しかし、ガラスの主成分が８０％を超えると化学強化ガラス化しても強度向上の効果が少なくなるため、SiO2 の含有量は８０％以下であることが適当である。一方、SiO2 の含有量が４０％未満では、ガラスの結晶化安定性が相当悪化し、量産化できるほどの安定なガラスが造れない。そこで、SiO2 の下限は４０％である。そこで、SiO2 の含有量は、４５〜８０％の範囲、好ましくは５０〜７０％の範囲であることが適当である。 SiO2 functions as a glass network-forming oxide and is a component that increases the stability of the glass structure, that is, the crystallization stability against devitrification. Further, when SiO2 is combined with an intermediate oxide such as Al2O3, mechanical properties such as strength and rigidity of the glass can be improved, and the heat resistance of the glass can be improved. However, if the main component of the glass exceeds 80%, the effect of improving the strength is reduced even if the glass is chemically strengthened, so that the content of SiO2 is suitably 80% or less. On the other hand, if the content of SiO2 is less than 40%, the crystallization stability of the glass is considerably deteriorated, and a stable glass that can be mass-produced cannot be produced. Therefore, the lower limit of SiO2 is 40%. Therefore, the content of SiO2 is suitably in the range of 45 to 80%, preferably in the range of 50 to 70%.
Al2O3はガラスに高耐熱性と高耐久性を寄与する成分としても、SiO2と共にガラス構造の安定化及びその剛性度を高める成分としても非常に重要である。しかし、Al2O3の含有量が５％より少ないとガラスの高耐熱性と高耐久性を十分に向上させることができない。また、Al2O3の含有量が２５％を超えると、ガラスの比弾性率の向上に寄与する成分であるMgO がガラスに解けなくなるため、ガラスの高温溶融性も悪化する。そこで、Al2O3の含有量は５〜２５％の範囲、好ましくは８〜２０％の範囲であることが適当である。 Al2O3 is very important not only as a component that contributes to high heat resistance and durability to glass but also as a component that stabilizes the glass structure and increases its rigidity together with SiO2. However, if the Al2O3 content is less than 5%, the high heat resistance and high durability of the glass cannot be sufficiently improved. On the other hand, if the content of Al2O3 exceeds 25%, MgO, which is a component that contributes to the improvement of the specific elastic modulus of the glass, cannot be dissolved in the glass, so that the high-temperature meltability of the glass also deteriorates. Therefore, the content of Al2O3 is suitably in the range of 5-25%, preferably in the range of 8-20%.
SiO2とAl2O3の合計含有量は５０〜８５％の範囲であり、好ましくは５７〜７９％の範囲である。この合計含有量が５０％未満ではガラスの耐久性が不十分となるおそれがある。一方、８５％を越えると、ヤング率及び熱膨張係数が低くなり、また、高温粘性が高くなるので熔解性が悪化する。 The total content of SiO2 and Al2O3 is in the range of 50 to 85%, preferably 57 to 79%. If the total content is less than 50%, the durability of the glass may be insufficient. On the other hand, if it exceeds 85%, the Young's modulus and the thermal expansion coefficient become low, and the high temperature viscosity becomes high, so the meltability deteriorates.
P2O5はSiO2と共存することでガラスの高温熔解性を調整するために添加される成分である。例えば、少量のP2O5をガラスに導入するとガラスの比弾性率が大きな変化がないのに対し、ガラスの高温粘性がかなり低くなるのでガラスの熔解を容易にする効果が大きい。P2O5は、ガラスの熔解性の改善とガラスの結晶化安定性及び物理的特性の調整という観点から、１０％以下、好ましくは５％以下であることが適当である。さらにガラスの高温熔解性を著しく向上させるには、SiO2とP2O5の合計が５５〜７５%の範囲にあることが望ましい。 P2O5 is a component added to adjust the high-temperature melting property of glass by coexisting with SiO2. For example, when a small amount of P2O5 is introduced into the glass, the specific elastic modulus of the glass does not change greatly, whereas the high-temperature viscosity of the glass is considerably lowered, so that the effect of facilitating the melting of the glass is great. P2O5 is suitably 10% or less, preferably 5% or less, from the viewpoint of improving the meltability of the glass and adjusting the crystallization stability and physical properties of the glass. Further, in order to remarkably improve the high temperature melting property of the glass, it is desirable that the total of SiO2 and P2O5 is in the range of 55 to 75%.
MgOはガラスの剛性及び強度を向上させ、高温熔解性を改善するために導入される成分である。また、ガラスの結晶化安定性の向上やガラス均質性の改善にも寄与する。特にAl2O3の含有量が２０％より少ない場合、ガラスの高比弾性率を維持するために多くのMgOを導入することが好ましい。しかし、MgO の含有量が１２％を超えると、量産化できるほどの結晶化安定性をもつガラスが造れない。また、MgO の含有量を１％より少なくするとガラスのヤング率が低下し、ガラス内のひずみが増加して破断強度が低下する傾向がある。そこで、MgO の含有量は１〜１５％の範囲、好ましくは２〜８％の範囲にすることが適当である。 MgO is a component introduced to improve the rigidity and strength of the glass and improve the high-temperature meltability. It also contributes to the improvement of crystallization stability and glass homogeneity. In particular, when the content of Al2O3 is less than 20%, it is preferable to introduce a large amount of MgO in order to maintain the high specific modulus of glass. However, if the MgO content exceeds 12%, a glass having crystallization stability sufficient for mass production cannot be produced. On the other hand, if the MgO content is less than 1%, the Young's modulus of the glass decreases, the strain in the glass increases, and the breaking strength tends to decrease. Therefore, the MgO content is suitably in the range of 1 to 15%, preferably in the range of 2 to 8%.
TiO2 はガラス骨格形成成分としても修飾成分としても働き、ガラスの高温粘性を低め溶融性を改善し、構造の安定化及びその耐久性を増す。また、TiO2 は成分としてガラスに導入すると、ガラスの比重はあまり増加しないのに対し、ガラスのヤング率は大きく向上できる。特に、MgOやAl2O3を多く導入するガラスに対しては、TiO2 はガラスの高温熔解性及び結晶化安定性を向上させ、MgOとAl2O3などの酸化物との組み合わせによってガラスの比弾性率を高めることが大いに期待できる。但し、TiO2 を多く導入し過ぎると、ガラスの分相傾向が強まり、かえってガラスの結晶化安定性及びその均質性を悪化させる傾向がある。そこで、TiO2 の含有量は、５％以下、好ましくは４％以下とすることが適当である。尚、TiO2 の明らかな添加効果を得るためには、TiO2 の含有量を０．２％以上とすることが好ましい。 TiO2 acts as both a glass skeleton-forming component and a modifying component, lowers the high-temperature viscosity of glass, improves its meltability, stabilizes its structure and increases its durability. When TiO2 is introduced as a component into glass, the specific gravity of the glass does not increase so much, but the Young's modulus of the glass can be greatly improved. Especially for glass that introduces a lot of MgO and Al2O3, TiO2 improves the high-temperature melting and crystallization stability of the glass and increases the specific modulus of the glass by combining MgO and oxides such as Al2O3. Can be greatly expected. However, when too much TiO2 is introduced, the phase separation tendency of the glass becomes stronger, and on the contrary, the crystallization stability and homogeneity of the glass tend to be deteriorated. Therefore, it is appropriate that the content of TiO2 is 5% or less, preferably 4% or less. In order to obtain a clear addition effect of TiO2, the content of TiO2 is preferably 0.2% or more.
CaO はMgO と共にガラスの剛性及び強度を向上させ、高温熔解性を改善するために導入される成分である。また、CaO は、MgO と同様に、ガラスの結晶化安定性の向上やガラス均質性の改善にも寄与する。前述のように、Al2O3の含有量が５％より少ない場合、ガラスの高比弾性率を維持するために多くのMgOを導入することが好ましく、この場合のCaO は主にガラスの高温溶融性、結晶化安定性を改善するために導入される成分となる。しかし、CaO の含有量が１５％を超えると量産化できるほどの結晶化安定性をもつガラスが造れない。そこで、CaO の含有量は２％以下、好ましくは１０％以下とすることが適当である。 CaO is a component introduced together with MgO to improve the rigidity and strength of the glass and improve the high-temperature meltability. CaO, like MgO, contributes to improving the crystallization stability of glass and glass homogeneity. As described above, when the content of Al2O3 is less than 5%, it is preferable to introduce a large amount of MgO in order to maintain the high specific modulus of the glass. In this case, CaO mainly contains the high-temperature melting property of the glass, It is a component introduced to improve crystallization stability. However, if the CaO content exceeds 15%, a glass having crystallization stability sufficient for mass production cannot be produced. Therefore, the CaO content is suitably 2% or less, preferably 10% or less.
ZrO2 は主にガラスの耐久性及び剛性を高めるために添加される成分である。少量のZrO2 を添加する場合はガラス耐熱性を向上させる効果があり、結晶化安定性も向上する。しかし、ZrO2 が１０％を超えるとガラスの高温熔解性が著しく悪化し、ガラスの表面平滑性も悪くなり、比重も増加する。そこで、ZrO2 の含有量は１０％以下、好ましくは６％以下とすることが適当である。 ZrO2 is a component added mainly to increase the durability and rigidity of the glass. When a small amount of ZrO2 is added, there is an effect of improving the heat resistance of the glass, and the crystallization stability is also improved. However, if ZrO2 exceeds 10%, the high-temperature melting property of the glass is remarkably deteriorated, the surface smoothness of the glass is also deteriorated, and the specific gravity is also increased. Therefore, the ZrO2 content is suitably 10% or less, preferably 6% or less.
尚、CaO、ZnO、MgO2、ZrO2の和は２〜４０%の範囲であることが適当である。これらの成分は、ガラスのヤ
ング率の向上及び結晶化安定性の向上に寄与する成分である。これらの成分の合計が２％未満では、ガラスのヤング率が低くなる傾向があり、かつガラスの結晶化安定性も低下する傾向がある。一方、これらの成分は、いずれもガラスの比重を増加させるものであり、多量に導入しすぎるとガラスの比弾性率が小さくなってしまう。そこで、CaO、ZnO、MgO2、ZrO2の和は、２〜４０%の範囲、好ましくは５〜２０％の範囲であることが適当である。
The sum of CaO, ZnO, MgO2, and ZrO2 is suitably in the range of 2 to 40%. These components are components that contribute to the improvement of the Young's modulus and the crystallization stability of the glass. If the total of these components is less than 2%, the Young's modulus of the glass tends to be low, and the crystallization stability of the glass tends to decrease. On the other hand, any of these components increases the specific gravity of the glass, and if it is introduced in a large amount, the specific elastic modulus of the glass becomes small. Therefore, the sum of CaO, ZnO, MgO2 and ZrO2 is suitably in the range of 2 to 40%, preferably in the range of 5 to 20%.
BaOは主にガラスの耐久性及び剛性を高めるために添加される成分である。少量のBaOを添加する場合はガラス耐熱性を向上させる効果があり、結晶化安定性も向上する。しかし、BaOが１０％を超えるとガラスの高温熔解性が著しく悪化し、ガラスの表面平滑性も悪くなり、比重も増加する。そこで、ZrO2 の含有量は１０％以下、好ましくは５％以下とすることが適当である。尚、BaOの明らかな添加効果を得るためには、BaOの含有量を１％以上とすることが好ましい。 BaO is a component added mainly to increase the durability and rigidity of glass. When a small amount of BaO is added, there is an effect of improving the heat resistance of the glass, and the crystallization stability is also improved. However, when BaO exceeds 10%, the high-temperature melting property of the glass is remarkably deteriorated, the surface smoothness of the glass is also deteriorated, and the specific gravity is also increased. Therefore, the ZrO2 content is suitably 10% or less, preferably 5% or less. In order to obtain an apparent effect of adding BaO, the BaO content is preferably set to 1% or more.
As2O3はガラスの均質化を図るために脱泡剤として添加させる成分である。各ガラスの高温粘性に応じて適量量のAs2O3をガラスに添加するとより均質なガラスが得られる。しかし、脱泡剤の添加量を多すぎると、ガラスの比重が上昇して比弾性率を低下させる傾向があり、また熔解用白金るつぼと反応してるつぼにダメージを与える傾向もある。そこで、その添加量は１％以下、好ましくは０．５％以下とすることが適当である。
SnO2も同様に脱泡剤として添加させる成分である。各ガラスの高温粘性に応じて適量量のSnO2をガラスに添加するとより均質なガラスが得られる。しかし、脱泡剤の添加量を多すぎると、ガラスの比重が上昇して比弾性率を低下させる傾向がある。そこで、その添加量は５％以下、好ましくは１％以下とすることが適当である。
As2O3 is a component added as a defoaming agent in order to homogenize the glass. When an appropriate amount of As2O3 is added to the glass according to the high temperature viscosity of each glass, a more homogeneous glass can be obtained. However, if the amount of the defoamer added is too large, the specific gravity of the glass tends to increase and the specific elastic modulus tends to decrease, and there is also a tendency to react with the melting platinum crucible and damage the crucible. Therefore, the addition amount is suitably 1% or less, preferably 0.5% or less.
Similarly, SnO2 is a component added as a defoaming agent. When an appropriate amount of SnO2 is added to the glass according to the high temperature viscosity of each glass, a more homogeneous glass can be obtained. However, if the amount of the defoamer added is too large, the specific gravity of the glass tends to increase and the specific modulus tends to decrease. Therefore, the addition amount is suitably 5% or less, preferably 1% or less.
Na2O、K2Oはガラス熔解時の粘性を下げ、熔解を促進するとともに、熱膨張を大きく上昇させる有用な成分である。 Na2O and K2O are useful components that lower the viscosity during glass melting, promote melting, and greatly increase thermal expansion.
特に、Na2Oは、ガラス転移温度を低下させずに、化学強化を可能にするための重要な成分であり、Na2Oはイオン交換に利用され、ガラス中のナトリウムイオンはイオン交換により溶融塩中のカリウムイオンと置換されることで強化が行われる。Na2Oはヤング率を低下させるが、液相温度も低下させる効果がある成分であり、TiO2 が共存する場合に特に有効である。TiO2 が多量に含まれるガラスの場合でもNa2Oを添加することにより、液相温度を１２５０℃以下にすることができる。一方、Na2Oは、ガラス表面への析出の度合が大きくなり、Naイオンの接着層への拡散などにより接着層の接着力の低下を促すおそれがある。そのため、含有量の上限は２０％とする。従って、ガラスにおいて、Na2Oの含有量は１〜１５％であり、好ましくは１〜９％であり、より好ましくは１〜８％であり、さらに好ましくは１〜７％であり、より一層好ましくは１〜５％である。なお、Na2Oの含有量は化学処理後には元のガラスの組成に比べて低下する。 In particular, Na2O is an important component for enabling chemical strengthening without lowering the glass transition temperature, Na2O is used for ion exchange, and sodium ions in glass are converted to potassium in molten salt by ion exchange. Strengthening is performed by replacing ions. Na2O is a component that lowers the Young's modulus but also lowers the liquidus temperature, and is particularly effective when TiO2 coexists. Even in the case of a glass containing a large amount of TiO2, the liquidus temperature can be reduced to 1250 ° C. or less by adding Na2O. On the other hand, Na2O has a high degree of precipitation on the glass surface, and there is a possibility that the adhesive force of the adhesive layer is reduced due to diffusion of Na ions into the adhesive layer. Therefore, the upper limit of the content is 20%. Therefore, in the glass, the content of Na2O is 1 to 15%, preferably 1 to 9%, more preferably 1 to 8%, still more preferably 1 to 7%, and still more preferably. 1-5%. In addition, the content of Na2O is lower than the original glass composition after chemical treatment.
K2Oは、熱膨張係数の増加に効果が大きく、ガラス表面への析出の度合も小さいため重要な成分である。K2Oは溶融性を向上させる成分であるとともに、化学強化におけるイオン交換速度を大きくする作用がある。K2Oを好ましくは０％超、より好ましくは１％以上、さらに好ましくは２％以上含有することにより、所望の熱膨張特性並びにガラス熔解性を付与しつつ、アルカリ溶出量を低レベルに抑えることができる。しかし、１５％を超えて含有すると、ガラスの耐久性を低下させ、ガラス転移温度の低下による耐熱性の悪化を引き起こす。そこで、ガラスにおいて、K2Oの含有量は、０〜１５％の範囲であり、好ましくは１〜１５％の範囲であり、さらに好ましくは２〜１５％の範囲である。 K2O is an important component because it is highly effective in increasing the thermal expansion coefficient and has a small degree of precipitation on the glass surface. K2O is a component that improves the meltability and has the effect of increasing the ion exchange rate in chemical strengthening. By containing K2O preferably in excess of 0%, more preferably 1% or more, and even more preferably 2% or more, the alkali elution amount can be suppressed to a low level while providing desired thermal expansion characteristics and glass melting property. it can. However, if the content exceeds 15%, the durability of the glass is lowered, and the heat resistance is deteriorated due to the lowered glass transition temperature. Therefore, in the glass, the content of K2O is in the range of 0 to 15%, preferably in the range of 1 to 15%, and more preferably in the range of 2 to 15%.
Na2OとK2Oの含有量が合計で２０％を超えると、化学的耐久性が悪化する。また、アルカリがガラス表面に多く析出するようになるため、接着層への拡散などにより接着層の接着力の低下を促すおそれがある。同時にガラス転移温度が低下し必要な耐熱性が得られなくなる場合がある。一方、その含有量が合計で３％より少なくなると、良好な化学強化が困難となり、また、ガラスの熔解性が低下したり、所定の熱膨張特性を得ることが困難になる。従って、ガラスＩにおいて、Na2OとK2Oの合計量は３〜１６％とし、好ましくは３〜１５％とし、より好ましくは４〜１４％である。 When the content of Na2O and K2O exceeds 20% in total, chemical durability deteriorates. In addition, since a large amount of alkali is deposited on the glass surface, there is a risk of promoting a decrease in the adhesive strength of the adhesive layer due to diffusion to the adhesive layer. At the same time, the glass transition temperature is lowered and the required heat resistance may not be obtained. On the other hand, when the content is less than 3% in total, it is difficult to perform good chemical strengthening, and it becomes difficult to reduce the meltability of the glass or to obtain predetermined thermal expansion characteristics. Therefore, in the glass I, the total amount of Na2O and K2O is 3 to 16%, preferably 3 to 15%, and more preferably 4 to 14%.
Li2Oはヤング率を低下させることなく、ガラスの高温粘性を下げて熔解を容易にする成分である。例えば、少量のLi2Oをガラスに導入するとガラスの比弾性率が大きな変化がないのに対し、ガラスの高温粘性がかなり低くなるのでガラスの熔解を容易にする効果が大きい。Li2Oは、ガラスの熔解性の改善とガラスの結晶化安定性及び物理的特性の調整という観点から、２７％以下、好ましくは１８％以下であることが望ましい。 Li2O is a component that facilitates melting by lowering the high temperature viscosity of glass without lowering the Young's modulus. For example, when a small amount of Li2O is introduced into the glass, the specific elastic modulus of the glass does not change greatly, whereas the high-temperature viscosity of the glass is considerably lowered, so that the effect of facilitating the melting of the glass is great. Li2O is desirably 27% or less, preferably 18% or less, from the viewpoint of improving the meltability of the glass and adjusting the crystallization stability and physical properties of the glass.
上記組成を持つ集光用ミラーガラス１への化学強化するための処理は、公知の方法で行うことができる。成形した集光用ミラーガラス１をアルカリ金属溶融塩、好ましくはカリウムを含む溶融塩（例えば硝酸カリウム溶融塩）に浸漬し、集光用ミラーガラス１中のアルカリ金属イオン（特にガラス表面付近）と溶融塩中のLiやNaなどのアルカリ金属イオンをイオン交換して、ガラス表面に圧縮応力層を形成（化学強化）することにより行うことができる。溶融塩としては硝酸カリウムを含むものを使用することが好ましく、具体的には１００％〜９０％のKNO3 硝酸塩、６０％KNO3 と４０％NaNO3 、８５％KNO3 と１５％Ca(NO3)2 及び８５％KNO3 と１５％Sr(NO3)2 などの混合硝酸塩などがある。浴温度が３５０〜５５０℃であるような通常の塩浴に、０．５〜２０時間にわたって浸漬する。塩浴は、その融点を下げる他の成分を含有することができる。塩浴はイオン交換のためにカリウム含量が低減し、所望のイオン交換深さが得られなくなった時点で交換する。こうした状況となるのは、通常、アルカリ塩が９０重量％となった時点である。最初から、１０重量％以下の他の塩を使用して、浴の融点を下げた状態で開始することも可能である。このことは、もちろん、浴のイオン交換能力が、その分早めに消耗することを意味する。
The process for chemically strengthening the condensing
集光用ミラーガラス１は全面を溶融塩に漬けて化学強化する手法をとる以外にも、支持体２の接着部付近のみを部分的に溶融塩にさらして化学強化する手法も取ってもよい。
In addition to the method of chemically strengthening the condensing
以上の処理により、化学強化層３が形成できる。
The
支持体２には室温付近での熱膨張率が2×10-6／℃以下である材料を用いることが望ましい。熱膨張率が大きいと集光用ミラーガラスに加える力が増大し、熱変形により破断させやすくなるリスクがある。支持体２に用いる材料系としてはFe-Ni合金やFe-Pd合金がある。その中でもインバー、スーパーインバー、ステンレスインバー 、EXEO-S10などが適している。 It is desirable to use a material having a thermal expansion coefficient of about 2 × 10 −6 / ° C. or less near room temperature for the support 2. When the coefficient of thermal expansion is large, the force applied to the condensing mirror glass increases, and there is a risk that it is easily broken by thermal deformation. Examples of the material system used for the support 2 include an Fe—Ni alloy and an Fe—Pd alloy. Among them, Invar, Super Invar, Stainless Invar, EXEO-S10, etc. are suitable.
接着層４を形成する接着剤には室温付近での熱膨張率が80×10-6／℃以下であることが望ましい。硬化収縮率も１０％以下の材料が好ましく、さらに好ましくは５％以下が望ましい。熱膨張率が大きいと集光用ミラーガラス１に加える力が増大し、熱変形により破断させやすくなるリスクがある。
接着剤には3M Inc. Scotch-Weld（登録商標）製品型番：DP-490、住友スリーエム株式会社製 Scotch-Weld（登録商標）製品型番：DP-460EG、東レ株式会社製 ケミットエポキシTE2210、味の素ファインテクノ株式会社製 AE-901、クラスターテクノロジー株式会社製 エポクラスターT CPE91、Master Bond Inc. EP30LTE-LOなどが適している。
The adhesive forming the
3M Inc. Scotch-Weld (registered trademark) product model number: DP-490, Sumitomo 3M Scotch-Weld (registered trademark) product model number: DP-460EG, Toray Industries, Inc. Chemit Epoxy TE2210, Ajinomoto Fine Techno Co., Ltd. AE-901, Cluster Technology Co., Ltd. Epocluster T CPE91, Master Bond Inc. EP30LTE-LO, etc. are suitable.
接着層４の厚さが５μｍ以下であると接着剤の強度を十分に発揮することができず、厚さが１０００μｍを超えると接着層４がもろくなる。このため、高い接着強度を維持するためには接着層４の厚さは５〜１０００μｍが必要であり、好ましくは２０〜４００μｍの範囲である。
When the thickness of the
実施例１〜５
以下、実施の形態１に係る実施例１〜５を説明する。
Examples 1-5
Examples 1 to 5 according to the first embodiment will be described below.
表４に示す組成のガラスを母材として集光用ミラーガラス１を所望の形状で加工した。支持体２との接着位置は番手２４０番のやすりで加工し、ラフネスＲaを２〜４μｍに調整した。この集光用ミラーガラス１について次のようにして化学強化処理を行った。すなわち、これらガラスを４５０℃のKNO3溶融塩にそれぞれ６時間浸漬し、化学強化処理した。実施例１〜５の化学強化処理後の各ガラスについて、ＥＰＭＡを用い深さ方向のカリウム濃度分析を行った結果、イオン交換による化学強化層２は、少なくとも４０μｍの深さに最適化されていることを確認した。
The condensing
支持体２はスーパーインバーを母材として、所望の形状に加工した。ミラーとの接合面は０．２μｍのラフネスであった。 The support 2 was processed into a desired shape using Super Invar as a base material. The joint surface with the mirror had a roughness of 0.2 μm.
支持体２側に接着剤として住友スリーエム株式会社製 Scotch-Weld（登録商標） DP-460EGを硬化後に２００μｍの厚さの接着層４になるよう、混合後３０分以内で塗布し、集光用ミラーガラス１の所定の位置に接着し、2日間放置し、接着層４を形成した。その後、60℃で2時間加熱し、硬化を促進させた。
Apply Scotch-Weld (registered trademark) DP-460EG manufactured by Sumitomo 3M Co., Ltd. as an adhesive on the support 2 side so that it becomes an
以上により図１に示す集光光学系用の構造体を得た。接着後に破断試験を行い、それぞれ４７．２〜５５．１ＭＰaで接着層４が破断することを確認した。
The structure for the condensing optical system shown in FIG. 1 was thus obtained. A fracture test was performed after bonding, and it was confirmed that the
実施例６〜１０
以下、実施の形態１に係る実施例６〜１０を説明する。
Examples 6-10
Hereinafter, Examples 6 to 10 according to
実施例１で示した表４に示す組成のガラスを母材として集光用ミラーガラス１を所望の形状で加工した。支持体２との接着位置は鏡面加工のままとした。ラフネスＲaは０．２μｍであった。この集光用ミラーガラス１について次のようにして化学強化処理を行った。すなわち、これらガラスを４５０℃のKNO3溶融塩にそれぞれ６時間浸漬し、化学強化処理した。実施例１〜５の化学強化処理後の各ガラスについて、ＥＰＭＡを用い深さ方向のカリウム濃度分析を行った結果、イオン交換による化学強化層２は、少なくとも４０μｍの深さに最適化されていることを確認した。
Using the glass having the composition shown in Table 4 shown in Example 1 as a base material, the condensing
支持体２はスーパーインバーを母材として、所望の形状に加工した。集光用ミラーガラス１との接合面は０．２μｍのラフネスであった。
The support 2 was processed into a desired shape using Super Invar as a base material. The joint surface with the condensing
支持体２側に接着剤として住友スリーエム株式会社製 Scotch-Weld（登録商標）製品番号：DP-460EGを硬化後に２００μｍの厚さの接着層４になるよう、混合後３０分以内で塗布し、集光用ミラーの所定の位置に接着し、２日間放置した。その後、60℃で2時間加熱し、硬化を促進させた。
Apply Scotch-Weld (registered trademark) product number: DP-460EG manufactured by Sumitomo 3M Co., Ltd. as an adhesive on the support 2 side within 30 minutes after mixing so that the
以上により図１に示す集光光学系用の構造体を得た。接着後に破断試験を行い、それぞれ４０．１〜４４．５ＭＰaで接着層４が破断することを確認した。
The structure for the condensing optical system shown in FIG. 1 was thus obtained. A fracture test was performed after bonding, and it was confirmed that the
以下では、この発明の実施の形態１に係る集光光学系の破断強度を比較する比較例ついて説明する。
Below, the comparative example which compares the breaking strength of the condensing optical system which concerns on
図２は、破断強度の比較のための他の集光光学系の構造を表す図である。
実施例1で示した表4に示す組成のガラスを母材として集光用ミラーガラス１を所望の形状で加工した。支持体２との接着位置は鏡面加工のままとした。ラフネスＲaは０．２μｍであった。
FIG. 2 is a diagram showing the structure of another condensing optical system for comparison of breaking strength.
Using the glass having the composition shown in Table 4 shown in Example 1 as a base material, the condensing
支持体２はスーパーインバーを母材として、所望の形状に加工した。集光用ミラーガラス１との接合面は０．２μｍのラフネスであった。
The support 2 was processed into a desired shape using Super Invar as a base material. The joint surface with the condensing
支持体２側に接着剤として住友スリーエム株式会社製 Scotch-Weld（登録商標）製品番号：DP-460EGを硬化後に４０μｍの厚さの接着層４になるよう、混合後３０分以内で塗布し、集光用ミラーの所定の位置に接着し、２日間放置した。その後、60℃で2時間加熱し、硬化を促進させた。
Apply Scotch-Weld (registered trademark) product number: DP-460EG manufactured by Sumitomo 3M Co., Ltd. as an adhesive on the support 2 side within 30 minutes after mixing so that the
図２に示す集光光学系用の構造体において接着後に破断試験を行い、それぞれ１０．３〜１３．７ＭＰaで集光用ミラーガラス１が破断することを確認した。
A fracture test was performed after bonding on the condensing optical system structure shown in FIG. 2, and it was confirmed that the condensing
１ 集光用ミラーガラス、２ 支持体、３ 化学強化層、４ 接着層、１０ 集光光学系、１１ 他の集光光学系。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記集光用ミラーガラスの少なくとも前記支持体との接合部分に化学強化層が形成されていることを特徴とする集光光学系。 A condensing optical system comprising a condensing mirror glass and a support, and an adhesive that joins the condensing mirror glass and the support between the condensing mirror glass and the support. With an adhesive layer
A condensing optical system, characterized in that a chemical strengthening layer is formed at least at a joint portion of the condensing mirror glass with the support.
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