JP2008179500A - 光学ガラス及び光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛化合物、砒素化合物、フッ素化合物を含有させることなく、ガラスのＴｇが低く、線膨張係数が小さいモールドプレス成形に適した光学ガラス及び光学素子を提供する。
【解決手段】重量％で、ＳｉＯ₂：１０〜３５％、Ｂ₂Ｏ₃：８〜３０％、Ｌｉ₂Ｏ：４〜９％、ＺｎＯ：２６〜４０％、Ｌａ₂Ｏ₃：１〜２５％、Ｎｂ₂Ｏ₅：６〜２２％、Ｇｄ₂Ｏ₃：０〜１０％、Ｙ₂Ｏ₃：０〜１０％、ＴｉＯ₂：０〜１０％、ＺｒＯ₂：０〜１０％、ＣａＯ：０〜７％、ＢａＯ：０〜１０％、Ｓｂ₂Ｏ₃：０〜１％、の各ガラス成分を有し、屈折率（ｎｄ）が１．６９〜１．７４の範囲にあり、アッベ数（νｄ）４０〜４５の範囲にあり、ガラス転移温度（Ｔｇ）が５００℃以下であり、温度１００〜３００℃における線膨張係数（α）が９５×１０^-7／Ｋ以下である構成とする。
【選択図】なし

Description

この発明は、光学ガラス及びこの光学ガラスからなる光学素子に関し、より詳細にはモールドプレス成形に適した光学ガラス及びこの光学ガラスからなる光学素子に関するものである。

ガラスレンズなどの光学素子の製造法としては、屈伏温度（以下、「Ａｔ」と記すことがある）以上に加熱したガラスを、加熱した一対の上型・下型からなる成形金型を用いてプレスすることにより直接レンズ成形を行ういわゆるモールドプレス成形法が、従来のガラスを研削・研磨するレンズ成形法に比べて製造工程が少なく、その結果短時間且つ安価にレンズを製造することができることから、近年、ガラスレンズなどの光学素子の製造方法として広く使用されるようになっている。

このモールドプレス成形法は再加熱方式とダイレクトプレス方式とに大別できる。再加熱方式は、ほぼ最終製品形状を有するゴブプリフォームあるいは研磨プリフォームを作成した後、これらのプリフォームを軟化点以上に再び加熱し、加熱した上下一対の金型によりプレス成形して最終製品形状とする方式である。一方、ダイレクトプレス方式は、加熱した金型上にガラス溶融炉から溶融ガラス滴を直接滴下し、プレス成形することにより最終製品形状とする方式である。

これらいずれの方式のモールドプレス成形法でもガラスを成形する場合に、プレス金型をガラス転移温度(以下、「Ｔｇ」と記すことがある)近傍またはそれ以上の温度に加熱する必要がある。このため、ガラスのＴｇが高いほどプレス金型の表面酸化や金属組成の変化が生じやすく、金型寿命が短くなるため、生産コストの上昇を招く。窒素などの不活性ガス雰囲気下で成形を行うことにより金型劣化を抑制することもできるが、雰囲気制御をするためには成形装置が複雑化し、また不活性ガスのランニングコストも必要となるため生産コストが上昇する。したがって、モールドプレス成形法に用いるガラスとしてはＴｇのできるだけ低いものが望ましい。また、モールドプレス成形時及び成形品の冷却時において、１００℃から３００℃の範囲でガラスの線膨張係数が大きいと熱応力が大きくなり、成形品の割れやカケが発生しやすい。特に成形品の急冷を伴うダイレクトプレス方式においては成形品の割れが頻繁に発生し問題になっている。したがって成形品の割れやカケを防止するには、ガラスの線膨張係数が小さい方が望ましい。また、ガラスのＴｇを低く、線膨張係数を小さくするために鉛化合物が使用されてきたが、鉛化合物について人体への悪影響が近年懸念され始めた。同様に、砒素化合物、フッ素化合物についても人体への悪影響が懸念され、これらの化合物を使用しないことが市場の強い要請となってきた。

そこで、これまでにガラスのＴｇを低くする技術が種々検討され、特許文献１〜３に示すものが提案されている。
特開２００３−５４９８３号公報（特許請求の範囲） 特開２００６−１３１４７６号公報（特許請求の範囲） 特開２００６−１３７６２８号公報（特許請求の範囲）

しかしながら、前記特許文献に提案の光学ガラスは、ガラスのＴｇが低くなっているものがあるが、線膨張係数が大きく、モールドプレス成形時及びガラスの冷却時において成形品の割れやカケが発生する問題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、本発明は、鉛化合物、砒素化合物、フッ素化合物を含有させることなく、ガラスのＴｇが低く、線膨張係数が小さいモールドプレス成形に適した光学ガラス及び光学素子を提供することを目的とする。

本発明者は前記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、所定の屈折率、分散の光学恒数からなり、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ｌｉ₂Ｏ、ＺｎＯ、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅を基本組成とし、光学ガラス成分を所定の範囲内にすることにより、モールドプレス成形に適した低いＴｇと小さい線膨張係数が得られることを見出し、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明の光学ガラスは、重量％で、ＳｉＯ₂：１０〜３５％、Ｂ₂Ｏ₃：８〜３０％、Ｌｉ₂Ｏ：４〜９％、ＺｎＯ：２６〜４０％、Ｌａ₂Ｏ₃：１〜２５％、Ｎｂ₂Ｏ₅：６〜２２％、Ｇｄ₂Ｏ₃：０〜１０％、Ｙ₂Ｏ₃：０〜１０％、ＴｉＯ₂：０〜１０％、ＺｒＯ₂：０〜１０％、ＣａＯ：０〜７％、ＢａＯ：０〜１０％、Ｓｂ₂Ｏ₃：０〜１％、の各ガラス成分を有し、屈折率（ｎｄ）が１．６９〜１．７４の範囲にあり、アッベ数（νｄ）４０〜４５の範囲にあり、ガラス転移温度（Ｔｇ）が５００℃以下であり、温度１００〜３００℃における線膨張係数（α）が９５×１０^-7／Ｋ以下であることを特徴とする。なお、以下の説明において「％」は特に断りのない限り「重量％」を意味するものとする。

また本発明によれば、前記光学ガラスからなる光学素子および前記光学ガラスをモールドプレス成形して作製したことを特徴とする光学素子が提供される。このような光学素子としてはレンズやプリズム、ミラーが好ましい。

本発明の光学ガラスでは、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ｌｉ₂Ｏ、ＺｎＯ、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅の各ガラス成分を特定量含有させることにより、所定の屈折率、分散等の光学恒数からなり、小さな線膨張係数を達成でき、ガラスの冷却時において成形品の割れやカケの発生を抑制し、しかもＴｇが低いので、優れたモールドプレス成形性を得ることができる。

本発明の光学ガラスを構成する各成分の組成範囲を前記のように限定した理由について以下に説明する。

まず、ＳｉＯ₂は、本発明の光学ガラスのガラス形成酸化物である基本組成であり、化学的耐久性を向上させる効果を奏するが、その含有量が１０％より少ないと化学的耐久性を向上させる効果が十分でなく、その含有量が３５％を超えるとガラス転移温度（Ｔｇ）を上昇させる。そこでＳｉＯ₂の含有量を１０〜３５％以下と定めた。より好ましいＳｉＯ₂の含有量は１１〜３１％の範囲である。

Ｂ₂Ｏ₃は、本発明の光学ガラスの基本組成であり、その含有量が８％より少ないとガラスが失透しやすくなり、その含有量が３０％を超えると屈折率が所定の範囲から小さくなり、また化学的耐久性が低下する。そこでＢ₂Ｏ₃の含有量を８〜３０％の範囲と定めた。より好ましいＢ₂Ｏ₃の含有量は１０〜２５％の範囲である。

Ｌｉ₂Ｏは、本発明の光学ガラスの基本組成であり、Ｔｇを低くする効果を奏し、その含有量が４％より少ないとＴｇを低くすることが困難であり、その含有量が９％を超えると温度１００〜３００℃における線膨張係数（α）を９５×１０^-7／Ｋ以下にすることが困難になる。そこでＬｉ₂Ｏの含有量を４〜９％の範囲と定めた。より好ましいＬｉ₂Ｏの含有量は５〜８％の範囲である。

ＺｎＯは、本発明の光学ガラスの基本組成であり、その含有量を２６％以上で使用することによりＴｇを低くかつ温度１００〜３００℃における線膨張係数（α）を小さくすることができ、その含有量が４０％を超えるとガラスが失透しやすくなる。そこでＺｎＯの含有量を２６〜４０％の範囲と定めた。より好ましいＺｎＯの含有量は２７〜３７％の範囲である。

Ｌａ₂Ｏ₃は、本発明の光学ガラスの基本組成であり、屈折率を大きくし、また化学的耐久性を向上させる効果を奏するが、その含有量が１％より少ないとそれらの効果を十分に得られず、その含有量が２５％を超えると温度１００〜３００℃における線膨張係数（α）が大きくなり、またガラスが失透しやすくなる。そこでＬａ₂Ｏ₃の含有量を１〜２５％の範囲と定めた。より好ましいＬａ₂Ｏ₃の含有量は１０〜２２％の範囲である。

Ｎｂ₂Ｏ₅は、本発明の光学ガラスの基本組成であり、その含有量を６％以上で使用することにより屈折率を大きくし、かつ化学的耐久性を向上させることができ、その含有量が２２％を超えるとガラスが失透しやすくなる。そこでＮｂ₂Ｏ₅の含有量を６〜２２％の範囲と定めた。より好ましいＮｂ₂Ｏ₅の含有量は７〜１８％の範囲である。

Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃は、屈折率を調整する効果を奏し、それぞれの含有量が１０％を超えるとＴｇが高くなる。そこでＧｄ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃のそれぞれの含有量を１０％以下と定めた。

ＴｉＯ₂は、屈折率を大きくしてガラスを安定させる効果を奏するが、その含有量が１０％を超えるとガラスが着色しやすくなる。そこでＴｉＯ₂の含有量を１０％以下と定めた。

ＺｒＯ₂は、化学的耐久性を向上させる効果を奏するが、その含有量が１０％を超えるとＴｇが高くなり、またガラスが失透しやすくなる。そこでＺｒＯ₂の含有量を１０％以下と定めた。

ＣａＯは、ガラスのＴｇを低くする効果を奏するが、その含有量が７％を超えると温度１００〜３００℃における線膨張係数が大きくなる。そこでＣａＯの含有量を７％以下と定めた。

ＢａＯは、屈折率を調整する効果を奏するが、その含有量が１０％を超えるとＴｇだ高くなる。そこでＢａＯの含有量を１０％以下と定めた。Ｓｂ₂Ｏ₃は、レンズを脱泡する効果を奏するが、Ｓｂ₂Ｏ₃の含有量が１％以下で脱泡の効果を得ることができる。

光学ガラスを構成する各成分の組成範囲を前記のように限定することにより、モールドプレス成形に適するとともに、屈折率が１．６９〜１．７４、アッベ数が４０〜４５の所定の光学恒数を有する光学ガラスになる。

本発明の光学素子は前記光学ガラスをモールドプレス成形することによって作製される。このモールドプレス成形法としては、溶融したガラスをノズルから、所定温度に加熱された金型へ滴下しプレス成形するダイレクトプレス成形法、及びプリフォーム材を金型に載置してガラス軟化点以上に加熱してプレス成形する再加熱成形法が挙げられる。このような方法によれば研削・研磨工程が不要となり、生産性が向上し、また自由曲面や非球面といった加工困難な形状の光学素子を得ることができる。

成形条件としては、ガラス成分や成形品の形状などにより異なるが一般に、金型温度は３５０〜６００℃の範囲が好ましく、中でもガラス転移温度に近い温度域が好ましい。プレス時間は数秒〜数十秒の範囲が好ましい。またプレス圧力はレンズの形状や大きさにより２００〜６００ｋｇｆ／ｃｍ²の範囲が好ましく、高圧力でプレスするほど高精度の成形ができる。

本発明の光学素子は、例えばデジタルカメラのレンズやレーザービームプリンタなどのコリメータレンズ、プリズム、ミラーなどとして用いることができる。

以下に本発明を実施例により更に具体的に説明する。なお、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。

炭酸塩、硝酸塩、酸化物等を調合原料として粉末で十分に混合し、これらを１１００〜１３００℃に加熱された溶融炉に投入し、溶融・清澄後、撹拌均質化して予め加熱された金属製の鋳型に鋳込み、室温まで徐冷して各実施例を製造した。製造した実施例の組成と測定結果を表１に示す。

表１には、各実施例（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０）の組成を示し、表１の下欄に、各実施例で得られたｄ線に対するガラスの屈折率（ｎｄ）とアッベ数（νｄ）、ガラス転移温度（Ｔｇ）、屈伏温度（Ａｔ）、及び温度１００〜３００℃における線膨張係数（α）を１０^-7／Ｋの単位で示した。また、表２には、前述した特許文献１の実施例１、特許文献２の実施例１６、特許文献３の実施例１０をそれぞれ比較例（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３）として、それらの組成と表１で示したものと同様の測定結果とを示した。

前記ガラス特性の測定は日本光学硝子工業会規格（ＪＯＧＩＳ）の試験方法に準じて行った。屈折率（ｎｄ）とアッベ数（νｄ）は、溶融し鋳型に鋳込んだ時の温度から室温まで−５０℃／時間で徐冷したガラスを「ＫＰＲ−２００」（カルニュー光学工業社製）で測定した。ガラス転移温度（Ｔｇ）、屈伏温度（Ａｔ）、線膨張係数（α）は、熱機械的分析装置「ＴＭＡ／ＳＳ６０００」（Ｓｅｉｋｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃ．社製）を用いて毎分１０℃の昇温条件で測定した。

表１から明らかなように、実施例１〜１０の光学ガラスは、屈折率（ｎｄ）が１．６９２〜１．７３８の範囲、アッベ数（νｄ）が４０〜４５の範囲を有し、またガラス転移温度（Ｔｇ）が４９２℃以下、屈伏温度（Ａｔ）が５３７℃以下、線膨張係数（α）が９４×１０^-7／Ｋ以下とモールドプレス成形に適したものであった。

これに対して、比較例１〜３の光学ガラスでは、線膨張係数がいずれも大きくモールドプレス成形に適さないものであった。

Claims (3)

1. 重量％で、
   ＳｉＯ₂：１０〜３５％、
   Ｂ₂Ｏ₃：８〜３０％、
   Ｌｉ₂Ｏ：４〜９％、
   ＺｎＯ：２６〜４０％、
   Ｌａ₂Ｏ₃：１〜２５％、
   Ｎｂ₂Ｏ₅：６〜２２％、
   Ｇｄ₂Ｏ₃：０〜１０％、
   Ｙ₂Ｏ₃：０〜１０％、
   ＴｉＯ₂：０〜１０％、
   ＺｒＯ₂：０〜１０％、
   ＣａＯ：０〜７％、
   ＢａＯ：０〜１０％、
   Ｓｂ₂Ｏ₃：０〜１％、
   の各ガラス成分を有し、屈折率（ｎｄ）が１．６９〜１．７４の範囲にあり、アッベ数（νｄ）４０〜４５の範囲にあり、ガラス転移温度（Ｔｇ）が５００℃以下であり、温度１００〜３００℃における線膨張係数（α）が９５×１０^-7／Ｋ以下であることを特徴とする光学ガラス。
2. 請求項１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。
3. 請求項１に記載の光学ガラスをモールドプレス成形して作製されたことを特徴とする光学素子。