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JP2018150199A - 光学ガラス - Google Patents

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JP2018150199A JP2017047979A JP2017047979A JP2018150199A JP 2018150199 A JP2018150199 A JP 2018150199A JP 2017047979 A JP2017047979 A JP 2017047979A JP 2017047979 A JP2017047979 A JP 2017047979A JP 2018150199 A JP2018150199 A JP 2018150199A
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俣野 高宏
Takahiro Matano
高宏 俣野
高山 佳久
Yoshihisa Takayama
佳久 高山
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Abstract

【課題】耐失透性に優れた高屈折率の光学ガラスを提供する。【解決手段】質量%で、P2O525〜40%、SiO2+B2O3+Al2O30〜4%、ZnO 0〜11%、Li2O 1.5〜6%、Na2O 1〜20%、K2O 0〜7%、TiO21〜11%、Nb2O510〜30%、Bi2O30〜15%、WO30〜10%を含有することを特徴とする光学ガラス。【選択図】図1

Description

本発明は光学ガラスに関するものである。
CD、MD、DVDその他各種光ディスクシステムの光ピックアップレンズ、デジタルカメラ、ビデオカメラ、カメラ付き携帯電話機等の撮像用レンズ、光通信に使用される送受信用レンズ等の用途では、屈折率ndが1.65〜1.85の高屈折率ガラスレンズが必要とされる。従来、高屈折率ガラスレンズとして、例えば、B−ZnO−La系ガラスが使用されていた。(例えば、特許文献1参照)
特開2002−362938号公報
ガラスレンズの作製方法として、一旦、溶融ガラスをインゴットに成形し、これから適当な大きさに切りだした硝材を研磨した後、モールドプレスする方法と、溶融ガラスをノズル先端から滴下して液滴状にする、いわゆる液滴成形により成形した硝材を研磨した後、或いは研磨せずにモールドプレスする方法が知られている。
しかしながら、B−ZnO−La系ガラスは、失透性が高く液相粘度が低下するため、作業性が低いという問題がある。つまり、B−ZnO−La系ガラスは失透傾向が強いため、溶融ガラスを急冷鋳造してインゴットを作製する場合、その量産性が悪い。また、液滴成形では、溶融ガラスをノズル先端から滴下させることから、液滴成形が可能なガラスの成形粘度は、100.5dPa・s程度が下限となっている。ところが、B−ZnO−La系ガラスは100.5dPa・s以下の低粘度で失透してしまうため、液滴成形には不向きである。なお、100.5dPa・s以下の粘度で滴下すると、ガラスが連続流となって流出してしまい、液滴を成形できなくなる。
本発明の目的は上記課題に鑑み、耐失透性に優れた高屈折率の光学ガラスを提供することである。
本発明の光学ガラスは、質量%で、P 25〜40%、SiO+B+Al 0〜4%、ZnO 0〜11%、LiO 1.5〜6%、NaO 1〜20%、KO 0〜7%、TiO 1〜11%、Nb 10〜30%、Bi 0〜15%、WO 0〜10%を含有することを特徴とする。本発明では、Pを25質量%以上、SiO+B+Alを4質量%以下に規制することにより、優れた耐失透性を達成している。また、屈折率を高める成分であるTiOを1質量%以上、Nbを10質量%以上に規制することにより、高屈折率を達成している。ここで、「SiO+B+Al」とは、SiO、B及びAlの含有量の合量を意味する。
本発明の光学ガラスは、さらに、質量%で、MgO+CaO+SrO+BaO 0〜2%を含有することが好ましい。ここで、「MgO+CaO+SrO+BaO」とは、MgO、CaO、SrO及びBaOの含有量の合量を意味する。
本発明の光学ガラスは、さらに、質量%で、ZrO 0〜5%、La 0〜5%を含有することが好ましい。
本発明の光学ガラスは、PbO、As、GeOを実質的に含有しないことが好ましい。ここで、「PbO、As、GeOを実質的に含有しない」とは、これらの成分を意図的にガラス中に添加しないという意味であり、不可避的不純物まで完全に排除するということを意味するものではない。より客観的には、PbO、As及びGeOの含有量が各々0.1%未満であるということを意味する。
本発明の光学ガラスは、屈折率(nd)が1.65〜1.85であることが好ましい。なお、「nd」は、d線における屈折率である。
本発明の光学ガラスは、屈折率(n1310)が1.64〜1.84であることが好ましい。なお、「n1310」は、波長1310nmにおける屈折率である。
本発明の光学ガラスは、アッベ数が20〜35であることが好ましい。
本発明の光学ガラスは、ガラス転移点が500℃以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスは、30〜300℃における熱膨張係数が110×10−7/℃以上であることが好ましい。
本発明の光学ガラスは、450nmにおける内部透過率が98%以上であることが好ましい。なお、「内部透過率」とは、試料の入射側および出射側における表面反射損失を除いた透過率をいう。また、本発明における「内部透過率」は、厚さ10mmでの内部透過率を指し、具体的には、厚さ5mmおよび10mmのそれぞれの表面反射損失を含む透過率の測定値から算出する。
本発明の光学ガラスは、液相粘度が10dPa・s以上であることが好ましい。
本発明の光学ガラスは、プレス成型用であることが好ましい。
本発明の光学ガラスレンズは、上記の光学ガラスからなることを特徴とする。
本発明のレンズキャップは、円筒形状の側壁部と、側壁部の先端に設けられ且つその中心部にレンズ保持孔を有する端壁部とから構成された金属製シェルと、金属製シェルのレンズ保持孔に封着固定された上記の光学ガラスレンズと、金属製のシェルのレンズ保持孔に上記の光学ガラスレンズを固定する封着材料とを備えていることを特徴とする。
本発明によれば、耐失透性に優れた高屈折率の光学ガラスを提供することができる。
レンズキャップの構成を示す模式的断面図である。
本発明の光学ガラスは、質量%で、P 25〜40%、SiO+B+Al 0〜4%、ZnO 0〜11%、LiO 1.5〜6%、NaO 1〜20%、KO 0〜7%、TiO 1〜11%、Nb 10〜30%、Bi 0〜15%、WO 0〜10%を含有する。以下に、各成分の含有量を上記のように特定した理由を詳述する。なお、特に断りが無い場合、以下の「%」は「質量%」を意味する。
は、耐失透性を向上させ液相粘度を高め、またガラスの高温粘性を低下させ、さらにガラス転移点を低下させる効果がある。Pの含有量は25〜40%であり、26〜38%、27〜36%、特に28〜34%であることが好ましい。Pの含有量が少なすぎると、上記効果が得られにくくなる。一方、Pの含有量が多すぎると、耐候性が悪化しやすくなり、またプレス成型する際にガラスが金型に融着しやすくなる。
SiO、B及びAlは、耐候性を向上させる効果がある。SiO+B+Alの含有量は、0〜4%であり、0〜3%、特に0.1〜2%であることが好ましい。SiO+B+Alの含有量が多すぎると、耐失透性が悪化し液相粘度が低下しやすくなり、また屈折率が低下しやすくなり、さらにガラスの溶解性が悪化しやすくなる。
なお、SiO、B及びAlの含有量の好ましい範囲は以下の通りである。
SiOの含有量は0〜4%、0〜3%、特に0.1〜2%であることが好ましい。
の含有量は0〜4%、0〜3%、特に0.1〜2%であることが好ましい。
Alの含有量は0〜4%、0〜3%、特に0.1〜2%であることが好ましい。
ZnOは、耐候性を維持しながら、ガラスの高温粘性を低下させ、またガラス転移点を低下させる効果がある。ZnOの含有量は0〜11%であり、1〜8%、特に2〜5%であることが好ましい。ZnOの含有量が多すぎると、耐候性が悪化しやすくなり、またプレス成型する際にガラスが金型に融着しやすくなる。
LiOは、ガラスの高温粘性を低下させ、またガラス転移点を著しく低下させる効果がある。LiOの含有量は、1.5〜6%であり、2〜5%、特に2〜4%であることが好ましい。LiOの含有量が少なすぎると、上記効果が得られにくくなる。一方、LiOの含有量が多すぎると、耐候性が悪化しやすくなり、また耐失透性が悪化し液相粘度が低下しやすくなる。
NaOは、ガラスの高温粘性を低下させ、またガラス転移点を著しく低下させる効果がある。NaOの含有量は、1〜20%であり、3〜18%、5〜16%、特に7〜14%であることが好ましい。NaOの含有量が少なすぎると、上記効果が得られにくくなる。一方、NaOの含有量が多すぎると、耐候性が悪化しやすくなり、また耐失透性が悪化し液相粘度が低下しやすくなる。
Oは、ガラスの高温粘性を低下させ、またガラス転移点を低下させる効果がある。KOの含有量は、0〜7%であり、0〜6%、0〜5%、特に0.1〜4%であることが好ましい。KOの含有量が多すぎると、耐候性が悪化しやすくなり、また耐失透性が悪化し液相粘度が低下しやすくなる。
TiOは、屈折率を高め、また耐候性を向上させる効果がある。TiOの含有量は、1〜11%であり、2〜10%、特に3〜9%であることが好ましい。TiOの含有量が少なすぎると、上記効果が得られにくくなる。一方、TiOの含有量が多すぎると、ガラスが着色し透過率が低下したり、また耐失透性が悪化し液相粘度が低下しやすくなる。
Nbは、屈折率を高め、また耐候性を向上させる効果がある。Nbの含有量は、10〜30%であり、12〜28%、14〜26%、16〜24%、特に18〜22%であることが好ましい。Nbの含有量が少なすぎると、上記効果が得られにくくなる。一方、Nbの含有量が多すぎると、ガラスが着色し透過率が低下したり、また耐失透性が悪化し液相粘度が低下しやすくなる。
Biは、屈折率を高め、またガラス転移点を著しく低下させる効果がある。Biの含有量は、0〜15%であり、0〜12%、特に1〜9%であることが好ましい。Biの含有量が多すぎると、ガラスが着色し透過率が低下したり、またガラスがプレス金型に融着しやすくなる。
WOは、屈折率を高め、また耐候性を向上させる効果がある。WOの含有量は、0〜10%であり、3〜9%、特に6〜9%であることが好ましい。WOの含有量が多すぎると、ガラスが着色し透過率が低下したり、また耐失透性が悪化し液相粘度が低下しやすくなる。
上記成分以外にも、以下に示す種々の成分を含有させることができる。
MgO、CaO、SrO及びBaOは、耐候性を維持しながら、ガラスの高温粘性を低下させ、またガラス転移点を低下させる効果がある。MgO+CaO+SrO+BaOの含有量は0〜2%、特に0.1〜1%であることが好ましい。MgO+CaO+SrO+BaOの含有量が多すぎると、耐失透性が悪化し液相粘度が低下したり、また耐候性が悪化しやすくなり、さらにプレス成型する際にガラスが金型に融着しやすくなる。
なお、MgO、CaO、SrO及びBaOの含有量の好ましい範囲は以下の通りである。
MgOの含有量は0〜2%、特に0〜1%であることが好ましい。
CaOの含有量は0〜2%、特に0.1〜1%であることが好ましい。
SrOの含有量は0〜2%、特に0〜1%であることが好ましい。
BaOの含有量は0〜2%、特に0〜1%であることが好ましい。
ZrOは、屈折率を高め、また耐候性を向上させる効果がある。ZrOの含有量は、0〜5%、0〜3%、特に0〜1%であることが好ましい。ZrOの含有量が多すぎると、ガラスが着色し透過率が低下したり、また耐失透性が悪化し液相粘度が低下しやすくなる。
Laは、屈折率を高め、また耐候性を向上させる効果がある。Laの含有量は、0〜5%、0〜3%、特に0.1〜1%であることが好ましい。Laの含有量が多すぎると、ガラスが着色し透過率が低下したり、また耐失透性が悪化し液相粘度が低下しやすくなる。
Sbは脱泡の効果があり、またPtイオン(不純物としてガラス中に数ppm混入)による着色を抑える効果がある。Sbの含有量は、0〜1%、0〜0.09%、特に0〜0.08%であることが好ましい。Sbは強い酸化力を有するため、Sbの含有量が多すぎると、溶融容器に使用するPtやRhといった金属を酸化し、溶融容器の劣化を助長するため、量産性が低下しやすくなる。
SnOは脱泡の効果がある。SnOの含有量は、0〜1%、0〜0.09%、特に0〜0.08%であることが好ましい。SnOの含有量が多すぎると、失透しやすくなる。
PbO、Asは有害であるので、実質的に含有しないことが好ましい。
GeOは稀少原料であり原料コストの高騰に繋がるため、実質的に含有しないことが好ましい。
また、Cu、Ag、Pr、Brはガラスを着色させる成分であることから、実質的に含有しないことが好ましい。Cdは環境に対する影響を考慮し、実質的に含有しないことが好ましい。なお、「Cu、Ag、Pr、Br、Cdを実質的に含有しない」とは、これらの成分を意図的にガラス中に添加しないという意味であり、不可避的不純物まで完全に排除するということを意味するものではない。より客観的には、Cu、Ag、Pr、Br、Cdの含有量が0.1%未満であるということを意味する。
本発明の光学ガラスは、屈折率ndが1.65〜1.85、1.67〜1.83、特に1.68〜1.81であることが好ましく、1310nmにおける屈折率が1.64〜1.84、1.66〜1.82、特に1.69〜1.80であることが好ましい。また、アッベ数が20〜35、22〜33、特に24〜31であることが好ましい。
本発明の光学ガラスは、ガラス転移点が500℃以下、480℃以下、特に460℃以下であることが好ましい。ガラス転移点の下限は特に限定されないが、現実的には400℃以上である。また、軟化点が700℃以下、680℃以下、特に650℃以下になりやすい。軟化点の下限は特に限定されないが、現実的には550℃以上である。ガラス転移点、軟化点が低いと、プレス成型温度が低くなり金型の劣化を抑制しやすい。
本発明の光学ガラスは、30〜300℃の範囲における熱膨張係数が110×10−7/℃以上、120×10−7/℃以上、特に130×10−7/℃以上であることが好ましい。熱膨張係数の上限は特に限定されないが、現実的には170×10−7/℃以下である。熱膨張係数が低すぎると、プレス成型し、冷却した後、プレス金型から光学ガラスが離型しにくくなる。
本発明の光学ガラスは、450nmにおける内部透過率が98%、98.5%、特に99%以上であることが好ましい。
本発明の光学ガラスレンズは、液相粘度が10dPa・s以上であることが好ましい。液相粘度が10dPa・s以上であると、液滴成形に好適である。
次に、本発明の光学ガラスレンズを製造する方法を述べる。
まず、所望の組成になるようにガラス原料を調合した後、ガラス溶融炉で溶融する。均質なガラスを得るため、溶融温度は1150℃以上、1200℃以上、特に1250℃以上であることが好ましい。なお溶融容器を構成する白金金属からのPt溶け込みによるガラス着色を防止する観点から、溶融温度は1450℃以下、1400℃以下、1350℃以下、特に1300℃以下であることが好ましい。
また溶融時間が短すぎると、十分に脱泡できない可能性があるので、溶融時間は2時間以上、特に3時間以上であることが好ましい。ただし溶融容器からのPt溶け込みによるガラス着色を防止する観点から、溶融時間は8時間以内、特に5時間以内であることが好ましい。
次に、溶融ガラスをノズルの先端から滴下して液滴状ガラスを作製し、光学ガラスを得る。または、溶融ガラスを急冷鋳造して一旦ガラスブロックを作製し、研削、研磨、洗浄して光学ガラスを得る。
続いて、精密加工を施した金型中に光学ガラスを投入して軟化状態となるまで加熱しながらプレス成型し、金型の表面形状を光学ガラスに転写させる。このようにして、光学ガラスレンズを得ることができる。なお、レンズ形状は、特に限定されないが、両凸形状(例えば球状)、平凸形状、メニスカス形状等が挙げられる。
なお、透過率の向上を目的として、光学ガラスレンズの表面に、反射防止膜を形成してもよい。
次に、本発明の光学ガラスレンズを用いたレンズキャップの実施形態について説明する。
図1は、レンズキャップの構成を示す模式的断面図である。
レンズキャップ1は、円筒形状の側壁部2と、側壁部2の先端に設けられ且つその中心部にレンズ保持孔を有する端壁部3とから構成された金属製シェル4と、金属製シェル4のレンズ保持孔に封着材料5で封着された光学ガラスレンズ6とを備えている。
なお、金属製シェル4の材質としては、ハステロイ(登録商標)、インコネル(登録商標)、SUS等を使用することができる。また、封着材料5としては、低融点ガラス、接着剤、はんだ等を使用することができる。
以下、本発明の光学ガラスを実施例に基づいて詳細に説明する。
表1及び表2は本発明の実施例(試料No.1〜15)及び比較例(試料No.16、17)を示している。
各試料は、次のようにして作製した。
まず、表1及び表2に記載の組成となるように調合したガラス原料を白金ルツボに入れ、1300℃でそれぞれ2時間溶融した。次に、溶融ガラスをカーボン板上に流し出し、冷却固化した後、アニールを行ってガラスブロックを作製した。その後、研削、研磨、洗浄して光学ガラスを得た。このようにして得られた試料について、各種特性を評価した。結果を各表に示す。
屈折率ndは、屈折率計を用いて、d線(波長:587.6nm)における測定値で示した。
屈折率n1310は、屈折率計を用いて、1310nmにおける測定値で示した。
アッベ数νdは、上記したd線の屈折率と水素ランプのF線(486.1nm)、同じく水素ランプのC線(656.3nm)の屈折率の値を用い、νd=[(nd−1)/(nF−nC)]の式から算出した。
30〜300℃における熱膨張係数、ガラス転移点は、熱膨張測定装置(dilato meter)にて測定した。
内部透過率は、分光光度計(株式会社島津製作所製UV−3100)を用いて、厚さ5mm±0.1mmおよび10mm±0.1mmの研磨された各試料について、波長200〜800nmの範囲にて表面反射損失を含む透過率を測定し、得られた測定値から波長450nmにおける内部透過率を算出した。
液相粘度は次のようにして求めた。粒度300〜600μmとなるように粗砕した試料を白金容器に入れ、温度傾斜炉中で24時間保持した。白金容器の底面において界面結晶が析出している最高温度を液相温度とした。そして試料の粘度を測定し、液相温度における粘度を液相粘度とした。
表から明らかなように、本発明の実施例であるNo.1〜15の各試料は、屈折率ndが1.69〜1.79、屈折率n1310が1.67〜1.75、アッベ数が24〜31、30〜300℃における熱膨張係数が121〜152×10−7/℃であった。また、ガラス転移点は410〜470℃であり、液相粘度は10〜102.5dPa・sであった。これに対して比較例であるNo.16の試料は、ガラス転移点が551℃と高くプレス成型性に劣ることが分かった。No.17の試料は、液相粘度が100.3dPa・sと低く、量産性に劣り、また液滴成形できないことが分かった。
1 レンズキャップ
2 側壁部
3 端壁部
4 金属製シェル
5 封着材料
6 光学ガラスレンズ

Claims (14)

  1. 質量%で、P 25〜40%、SiO+B+Al 0〜4%、ZnO 0〜11%、LiO 1.5〜6%、NaO 1〜20%、KO 0〜7%、TiO 1〜11%、Nb 10〜30%、Bi 0〜15%、WO 0〜10%を含有することを特徴とする光学ガラス。
  2. さらに、質量%で、MgO+CaO+SrO+BaO 0〜2%を含有することを特徴とする請求項1に記載の光学ガラス。
  3. さらに、質量%で、ZrO 0〜5%、La 0〜5%を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の光学ガラス。
  4. PbO、As、GeOを実質的に含有しないことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光学ガラス。
  5. 屈折率(nd)が1.65〜1.85であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の光学ガラス。
  6. 屈折率(n1310)が1.64〜1.84であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の光学ガラス。
  7. アッベ数が20〜35であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の光学ガラス。
  8. ガラス転移点が500℃以下であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の光学ガラス。
  9. 30〜300℃における熱膨張係数が110×10−7/℃以上であることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の光学ガラス。
  10. 450nmにおける内部透過率が98%以上であることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の光学ガラス。
  11. 液相粘度が10dPa・s以上であることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の光学ガラス。
  12. プレス成型用であることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の光学ガラス。
  13. 請求項1〜12のいずれかに記載の光学ガラスからなることを特徴とする光学ガラスレンズ。
  14. 円筒形状の側壁部と、側壁部の先端に設けられ且つその中心部にレンズ保持孔を有する端壁部とから構成された金属製シェルと、金属製シェルのレンズ保持孔に封着固定された請求項13に記載の光学ガラスレンズと、金属製のシェルのレンズ保持孔に光学ガラスレンズを固定する封着材料とを備えていることを特徴とするレンズキャップ。
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