JP2016056025A - 光学ガラスフィルタ - Google Patents
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Abstract
【課題】薄肉化しても十分な強度を発揮する光学ガラスフィルタを提供する。【解決手段】酸化物換算の重量比で、ＳｉＯ２５０〜７０％、Ｂ２Ｏ３０〜１４％、Ａｌ２Ｏ３０〜４％、Ｌｉ２Ｏ ０〜４％、Ｎａ２Ｏ ５〜２０％、Ｋ２Ｏ ５〜１０％、ＢａＯ ０〜１０％を含有すると共に、 ＣｅＯ２０〜５％、ＴｉＯ２０〜１０％、ＣａＯ ０〜１０％、ＺｎＯ ０〜１０％の何れか一以上の成分を含有する一方、ＺｒＯ２を含有せず、光学研磨によって厚さ２ｍｍの平板に形成した上記組成のサンプルに対して、１．２７ｍの高さから、重さ１１１．９ｇの鋼球を自然落下させる衝撃試験でも破損しない強度とする。【選択図】図２
Description
本発明は、薄肉化しても所望の強度を発揮する光学ガラスフィルタに関し、特に、紫外線カット機能を発揮する光学ガラスフィルタに関する。
光学ガラスとは、一般に、光学機器のレンズやプリズムやフィルタなどに使用する高い均質度を有するガラスを意味する。この光学ガラスのうちカメラ用フィルタに関して、出願人は、先に、紫外線をカットし演色性にも優れるＵＶカットフィルタを提案している。
この発明は、米国国家規格（ＡＮＳＩ）に適合する強度を有してレンズを保護すると共に、優れたＵＶカット性能を有することで好評を博している。
しかしながら、光学機器の更なる軽量化の要請に対応して、薄肉化しても十分な強度を発揮する光学ガラスフィルタが強く望まれている。
本発明は、上記の要請に鑑みてなされたものであって、薄肉化しても十分な強度を発揮する光学ガラスフィルタを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明者は、ガラスの組成を種々変更して実験を繰り返した結果、所定の材料を所定比率で組み合わせることで、化学強化処理を施すか否かに拘わらず、優れた衝撃強度を発揮できることを発見して本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、酸化物換算の重量比で、ＳｉＯ２ ５０〜７０％、Ｂ２Ｏ３ ０〜１４％、Ａｌ２Ｏ３ ０〜４％、Ｌｉ２Ｏ ０〜４％、Ｎａ２Ｏ ５〜２０％、Ｋ２Ｏ ５〜１０％、ＢａＯ ０〜１０％を含有すると共に、 ＣｅＯ２ ０〜５％、ＴｉＯ２ ０〜１０％、ＣａＯ ０〜１０％、ＺｎＯ ０〜１０％の何れか一以上の成分を含有する一方、ＺｒＯ２を含有せず、光学研磨によって厚さ２ｍｍの平板に形成した上記組成のサンプルを、外径Φ３２ｍｍ×内径Φ２４ｍｍの円環状に形成された厚さ２ｍｍの緩衝ゴム材の上を載置した状態で、１．２７ｍ上方から、重さ１１１．９ｇの鋼球を自然落下させる衝撃試験でも破損しない強度を有することを特徴とする。
例えば、サングラスに関するＡＮＳＩ Ｚ８０．３−２００１によれば、基本衝撃試験（basic impact test ）として、１インチの鋼球を、５０インチの高さから落下させて破損しないことを要求している。そこで、本発明では、この基準に準拠して、更に過酷な条件として、１１１．９ｇの鋼球を、５０インチ（＝５０＊２５．４ｍｍ）の高さから落下させて衝撃試験を実施した。
本発明の組成によれば、何れのサンプルでも上記の衝撃試験において破損しない強度を有している。なお、実施例では、同一組成で同一ロットの複数（１０個）のサンプルを用意し、各サンプルについて同一の衝撃試験を連続して５回繰り返した。そして、各サンプルが破損（あるいは目視可能な傷が付く）までの耐久回数を計数し、同一組成で同一ロットの複数のサンプルについて、耐久回数の平均値を求めた。
そして、耐久回数の平均値が２を超える場合は、その組成のガラスが破損しないと評価した。なお、実施例の場合、破損しないと評価されたサンプルは、耐久回数の平均値が殆ど４以上である。すなわち、本発明は、好適には、上記した衝撃試験が４回連続されても破損しない光学ガラスフィルタである。
本発明は、上記の各成分の総量が、不可避成分の除き、１００％となるのが好適であり、各成分は、上記の範囲内で含有率が調製される。但し、ＳｉＯ２の含有率は、好ましくは、６０〜７０％、より好ましくは、６４〜７０％である。Ｂ２Ｏ３の含有率は、好ましくは、０〜１３％、より好ましくは、５〜１２％である。ここで、ＳｉＯ２とＢ２Ｏ３の含有比ＳｉＯ２／Ｂ２Ｏ３が４以上であるのが好ましい。
Ａｌ２Ｏ３の含有率は、好ましくは、０〜２．５％、より好ましくは０％である。Ｌｉ２Ｏの含有率は、好ましくは、４％以下、より好ましくは、２％以下である。Ｎａ２Ｏの含有率は、好ましくは、５〜１５％、より好ましくは、４〜１５％である。
ＣｅＯ２、ＴｉＯ２、ＣａＯ、及びＺｎＯの総量が、１０％以下であるのが好ましく、より好ましくは、ＣａＯ及びＺｎＯを含有せず、ＣｅＯ２及びＴｉＯ２の総量が５％以下であるべきである
また、光学研磨された後に、硝酸カリウム融液に浸漬することで化学強化されることで、表面に圧縮応力層が形成されているのが好ましい。この場合、各サンプルは、ガラス表面応力計で計測した場合、表面の圧縮応力が２００Ｍｐ（好ましくは３００ＭＰａ）以上で、圧縮応力層の厚みが５μｍ（好ましくは１０μｍ）以上であるのが典型的である。
また、光学研磨された後に、硝酸カリウム融液に浸漬することで化学強化されることで、表面に圧縮応力層が形成されているのが好ましい。この場合、各サンプルは、ガラス表面応力計で計測した場合、表面の圧縮応力が２００Ｍｐ（好ましくは３００ＭＰａ）以上で、圧縮応力層の厚みが５μｍ（好ましくは１０μｍ）以上であるのが典型的である。
また、化学強化された光学ガラスフィルタには、反射防止膜などの薄膜がコーティングされているのが好ましい。この場合、一般的なコーティング工程では、加熱による応力緩和が生じることが本発明者によって発見されている。そのため、好ましくは、応力緩和を回避するべく、加熱温度を抑制するのが好ましく、ガラス表面の温度（コーティング時の環境温度）を３００°以下に管理するのが好ましく、より好ましくは、１００°以下に管理するべきである。
上記した本発明によれば、薄肉化しても十分な強度を発揮する光学ガラスフィルタを実現することができる。
以下、実施例に基づいて本発明を更に説明するが、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではない。
図１は、実施例１〜実施例８の組成を示す図面であり、重量比で各成分の含有率を重量比で示している。このような粉体原料を秤量して混合し、混合した粉体原料を電気炉又はガス炉を使用して溶解させる。
＜第１群サンプル＞
そして、完成した試料をサイズに合わせて型押し、その後、光学ガラスレンズとして商品化できるレベルまで表裏面を平面状に光学研磨した上で、直径５５ｍｍ厚さ２ｍｍの円板状に形成する。
そして、完成した試料をサイズに合わせて型押し、その後、光学ガラスレンズとして商品化できるレベルまで表裏面を平面状に光学研磨した上で、直径５５ｍｍ厚さ２ｍｍの円板状に形成する。
この工程を実施例１〜実施例８について実行し、実施例毎に必要枚数のサンプルを確保した。そして、実施例毎に１０枚、全体で８０枚を第１群の試験サンプルとした。
＜第２群サンプル＞
次に、実施例毎に確保した残りの全てのサンプルに対して化学強化処理を施した。化学強化液は、液温３５０℃〜５００℃程度に管理された硝酸カリウム融液（硝酸カリウム液１００％）であり、浸漬時間は、１６時間程度である。
次に、実施例毎に確保した残りの全てのサンプルに対して化学強化処理を施した。化学強化液は、液温３５０℃〜５００℃程度に管理された硝酸カリウム融液（硝酸カリウム液１００％）であり、浸漬時間は、１６時間程度である。
このようにして得られた実施例毎のサンプルのうち、各１０枚、全体で合計８０枚を第２群サンプルとした。
＜第３群サンプル＞
化学強化処理が施された実施例毎のサンプルの各５枚について、通常のコーティング工程によって、表面に反射防止膜をコーティングした。なお、反射防止膜は、ＡＲマルチコート膜であり、この工程時の加熱温度は、約３５０℃である。
化学強化処理が施された実施例毎のサンプルの各５枚について、通常のコーティング工程によって、表面に反射防止膜をコーティングした。なお、反射防止膜は、ＡＲマルチコート膜であり、この工程時の加熱温度は、約３５０℃である。
一般的なコーティング時の加熱温度は３５０℃程度であるが、このような工程を経ると応力緩和が生じていることは、別の応力測定実験で確認済みであるのでサンプル数は５枚に留めた。
＜第４群サンプル＞
加熱温度を下げるほど、応力緩和の影響が軽減されることは、別の応力測定実験で確認済みである。そこで、化学強化処理が施された第８実施例のサンプルについて、加熱温度と加熱時間の影響を評価するべく合計１５枚のサンプルについてコーティング処理実験した。
加熱温度を下げるほど、応力緩和の影響が軽減されることは、別の応力測定実験で確認済みである。そこで、化学強化処理が施された第８実施例のサンプルについて、加熱温度と加熱時間の影響を評価するべく合計１５枚のサンプルについてコーティング処理実験した。
すなわち、加熱温度３５０℃で加熱時間１時間の処理を経た第８実施例の組成のサンプル５枚、及び、同じ加熱温度で加熱時間５時間の処理を経た第８実施例の組成のサンプル５枚について、加熱温度７０℃で加熱時間１０時間の処理を経た第８実施例の組成のサンプル５枚との差異を検討するべく、この合計１５枚を第４群のサンプルとした。
＜衝撃試験＞
上記のようにして製造した第１群〜第４群サンプルについて、ＡＮＳＩ Ｚ８０．３−２００１に準拠した衝撃試験を実施した。図２は、この衝撃試験を説明する概略図であり、支持ベース１の水平面の上に、円筒形の支持台２を配置し、緩衝ゴム材３を介して、供試サンプルＳＡを配置した。ここで、支持台２の外径はΦ３２ｍｍ、内径はΦ２５ｍｍであり、高さは５０ｍｍである。また、緩衝ゴム材３は、円環状に形成されたプロピレンゴムであり、その外径は、Φ３２ｍｍ、内径はΦ２４ｍｍ、厚みは２ｍｍである。
上記のようにして製造した第１群〜第４群サンプルについて、ＡＮＳＩ Ｚ８０．３−２００１に準拠した衝撃試験を実施した。図２は、この衝撃試験を説明する概略図であり、支持ベース１の水平面の上に、円筒形の支持台２を配置し、緩衝ゴム材３を介して、供試サンプルＳＡを配置した。ここで、支持台２の外径はΦ３２ｍｍ、内径はΦ２５ｍｍであり、高さは５０ｍｍである。また、緩衝ゴム材３は、円環状に形成されたプロピレンゴムであり、その外径は、Φ３２ｍｍ、内径はΦ２４ｍｍ、厚みは２ｍｍである。
なお、供試サンプルＳＡは、直径Φが５５ｍｍ、厚さが２ｍｍであり、支持台２及び緩衝ゴム材３と同心に配置される。
そして、供試サンプルＳＡより１２７０ｍｍ上方の位置に、重さ１１１．９ｇの鋼球４を配置した。ここで、鋼球４の中心が供試サンプルの中心に一致するよう、電磁石５で鋼球４を保持し、この電磁石５への通電を切ることで、鋼球４を落下させた。
具体的には、第１群サンプル〜第４群サンプルに属する実施例１〜実施例８の供試サンプル各１枚毎に、落下試験を５回連続して実施し、各サンプルが破損ないし目視可能な傷が付くまでの耐久回数を計数した。
＜試験結果＞
（１）第１群サンプルについて
耐久回数は、各実施例１０個の供試サンプルに対する平均値として、実施例１＝５．０、実施例２＝２．１、実施例３＝３．５、実施例４＝３．５、実施例５＝３．６、実施例６＝５．０、実施例７＝２．７、実施例８＝３．２であった。
（１）第１群サンプルについて
耐久回数は、各実施例１０個の供試サンプルに対する平均値として、実施例１＝５．０、実施例２＝２．１、実施例３＝３．５、実施例４＝３．５、実施例５＝３．６、実施例６＝５．０、実施例７＝２．７、実施例８＝３．２であった。
ここで、平均値が１を超える場合には、少なくとも初回の衝撃試験では破損しないことを意味している。したがって、この実施例では、耐久回数の平均値が２を超える場合には、その組成のガラスが上記の衝撃試験では破損しないと評価した。したがって、実施例１〜実施例８は本発明の規定する強度を有していることになる。
（２）第２群サンプルについて
全ての実施例において、耐久回数の平均値が５．０であった。したがって、本発明の組成においても、機械研磨された後に、硝酸カリウム融液に浸漬することで衝撃強度が大幅に増加することが確認される。
全ての実施例において、耐久回数の平均値が５．０であった。したがって、本発明の組成においても、機械研磨された後に、硝酸カリウム融液に浸漬することで衝撃強度が大幅に増加することが確認される。
なお、ガラス表面応力計で計測した場合、サンプルごとに数値が一定しないが、表面の圧縮応力が３００ＭＰａ以上、圧縮応力層の厚みが１０μｍ以上であった。
（３）第３群サンプルについて
全ての実施例において、耐久回数の平均値が第２群サンプルの平均値を下回った。但し、第１群サンプルよりは好成績であり、化学強化の効果が否定されほどの応力劣化ではない。
全ての実施例において、耐久回数の平均値が第２群サンプルの平均値を下回った。但し、第１群サンプルよりは好成績であり、化学強化の効果が否定されほどの応力劣化ではない。
（４）第４群サンプルについて
加熱温度が７０℃から３５０℃に増加すると、耐久回数の平均値が優位に低下した。すなわち、加熱温度７０℃では、耐久回数の平均値＝５であるのに対して、加熱温度３５０℃では加熱時間（１時間／５時間）に拘わらず耐久回数の平均値＝２．３に低下した。
加熱温度が７０℃から３５０℃に増加すると、耐久回数の平均値が優位に低下した。すなわち、加熱温度７０℃では、耐久回数の平均値＝５であるのに対して、加熱温度３５０℃では加熱時間（１時間／５時間）に拘わらず耐久回数の平均値＝２．３に低下した。
但し、加熱温度が３５０℃である限り、その加熱時間の差異は、耐久回数の影響を与えていないことが確認された。
＜透過率曲線＞
ところで、図３は、実施例１〜８の透過率曲線を示す図面である。図示の通り、何れの実施例も、鋭い紫外線カット特性を有しており、４００ｎｍ以上の波長域において、８０％以上の透過率を示している。
ところで、図３は、実施例１〜８の透過率曲線を示す図面である。図示の通り、何れの実施例も、鋭い紫外線カット特性を有しており、４００ｎｍ以上の波長域において、８０％以上の透過率を示している。
なお、好ましい実施例では、３５０ｎｍ以上の波長域において、８５％以上の透過率を発揮している。
また、実施例１，２，６，７，８は、可視域（４００ｎｍ〜８００ｎｍ）での透過率の偏差が４％未満であり、実施例３〜５では、４５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長域での透過率の偏差が３％未満であり、各々、カメラに装着する光学フィルタ（ＵＶカットフィルタ）として最適である。
Claims (11)
- 酸化物換算の重量比で、
ＳｉＯ２ ５０〜７０％、
Ｂ２Ｏ３ ０〜１４％、
Ａｌ２Ｏ３ ０〜４％、
Ｌｉ２Ｏ ０〜４％、
Ｎａ２Ｏ ５〜２０％、
Ｋ２Ｏ ５〜１０％、
ＢａＯ ０〜１０％を含有すると共に、
ＣｅＯ２ ０〜５％、ＴｉＯ２ ０〜１０％、ＣａＯ ０〜１０％、ＺｎＯ ０〜１０％の何れか一以上の成分を含有する一方、ＺｒＯ２を含有せず、
光学研磨によって厚さ２ｍｍの平板に形成した上記組成のサンプルを、外径Φ３２ｍｍ×内径Φ２４ｍｍの円環状に形成された厚さ２ｍｍの緩衝ゴム材の上を載置した状態で、１．２７ｍ上方から、重さ１１１．９ｇの鋼球を自然落下させる衝撃試験でも破損しない強度を有することを特徴とする光学ガラスフィルタ。 - ＳｉＯ２の含有率が６０〜７０％である請求項１に記載の光学ガラスフィルタ。
- Ｂ２Ｏ３の含有率が１３％以下である請求項１又は２に記載の光学ガラスフィルタ。
- ＳｉＯ２とＢ２Ｏ３の含有比が４以上である請求項１〜３の何れかに記載の光学ガラスフィルタ。
- ＣｅＯ２、ＴｉＯ２、ＣａＯ、及びＺｎＯの総量が、１０％以下である請求項１〜４の何れかに記載の光学ガラスフィルタ。
- ＣａＯ及びＺｎＯを含有せず、ＣｅＯ２及びＴｉＯ２の総量が５％以下である請求項１〜５の何れかに記載の光学ガラスフィルタ。
- Ａｌ２Ｏ３の含有率が２．５％以下である請求項１〜６の何れかに記載の光学ガラスフィルタ。
- 前記衝撃試験が４回連続されても破損しない請求項１〜７の何れかに記載の光学ガラスフィルタ。
- 機械研磨された後に、硝酸カリウム溶液に浸漬することで化学強化されることで、表面に圧縮応力層が形成されており、を有する光学ガラスフィルタであって、表面の圧縮応力が２００ＭＰａ以上で圧縮応力層の厚みが５μｍ以上である請求項１〜７の何れかに記載の光学ガラスフィルタ。
- 化学強化された光学ガラスフィルタには、薄膜がコーティングされている請求項８に記載の光学ガラスフィルタ。
- 薄膜コーティング処理では、ガラス表面の温度が１００°以下に管理されている請求項９に記載の光学ガラスフィルタ。
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