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【発明の名称】 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
【発明者】 【氏名】小林 勇太

【氏名】蜂谷 洋一

【氏名】金山 雄之進

【要約】 【課題】耐失透性の優れた高屈折率低分散光学ガラスおよび該光学ガラスからなるガラス成形体と光学素子を提供する

【構成】質量%表示で、BとSiOを合計量で12〜30%、La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOを合計量で55〜80%、ZrOを2〜10%、Nbを0〜15%、ZnOを0〜15%、Taを0%以上13%未満含み、La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOの合計含有量に対するTa含有量の比が0.23以下、BとSiOの合計含有量に対するLa、Gd、YおよびYb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。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量%表示で、BとSiOを合計量で12〜30%、La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOを合計量で55〜80%、ZrOを2〜10%、Nbを0〜15%、ZnOを0〜15%、Taを0%以上13%未満含み、La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOの合計含有量に対するTa含有量の比が0.23以下、BとSiOの合計含有量に対するLa、Gd、YおよびYb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。
【請求項2】
Nbを1〜15%含む請求項1に記載の光学ガラス。
【請求項3】
WOを0〜15%含む請求項1または2に記載の光学ガラス。
【請求項4】
La、Gd、YおよびYb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。
【請求項5】
を5〜25%、SiOを1〜14%、Laを30〜60%、Gdを0〜30%、Yを0〜10%、Ybを0〜5%、BaO 0〜20%、TiO 0〜12%、Sb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6】
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。
【請求項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。
【請求項8】
光学ガラスにおいて、Ta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。
【請求項9】
光学ガラスにおいて、La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOの合計含有量に対するTa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。
【請求項10】
光学ガラスが、質量%表示で、Nbを0〜15%、ZrO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。
【請求項11】
光学ガラスが、質量%表示で、BとSiOを合計量で12〜30%含むと共に、La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOを合計量で55〜80%含み、BとSiOの合計含有量に対するLa、Gd、YおよびYb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。
【請求項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。
【請求項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、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。
【請求項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。
【請求項15】
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16】
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17】
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。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は屈折率ndが1.86以上、アッベ数νdが38以上の高屈折率低分散光学ガラスと、前記光学ガラスからなるガラス成形体、および前記光学ガラスからなる光学素子とそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
カメラレンズなどの撮像光学系では、高分散ガラスからなるレンズと低分散ガラスからなるレンズを組合わせて色収差を補正する技法がしばしば利用されている。前記低分散ガラスの一例が特許文献1に開示されている。
【0003】
ところで、よりコンパクトな構成で色収差を補正するには、高分散ガラスと低分散ガラスのアッベ数差を大きくしつつ、低分散ガラスの屈折率を高めることが望ましい。屈折率を高めることにより所要の屈折力を得つつ、光学機能面の曲率を低減したレンズを作製することができる。
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。
【0004】
しかし、上記光学特性を満たすガラスは希土類成分を多量に含み、ガラスのネットワーク形成成分の含有量が相対的に減少するため、耐失透性が低下し、ガラスを加熱、軟化して成形する際に失透しやすいという問題がある。
【0005】
特許文献1に開示されている発明は、上記問題を解決するために多量のTaを含有させているが、Taは希少かつ高価な原料であるため、製造コストが増加してしまう。その結果、有用なガラスであるにもかかわらず、利用が制限されてしまうという問題があった。
【0006】
【特許文献1】特開昭54−90218号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、このような事情のもとで、耐失透性の優れた高屈折率低分散光学ガラスを提供すること、前記光学ガラスからなるガラス成形体および光学素子、ならびに前記ガラス成形体と光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、特定のガラス組成を有し、かつ屈折率およびアッベ数がある値以上の光学ガラスにより、その目的を達成し得ることを見出し、この知見に基づいて、本発明を完成するに至った。
【0009】
すなわち、本発明は、
(1) 質量%表示で、BとSiOを合計量で12〜30%、La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOを合計量で55〜80%、ZrOを2〜10%、Nbを0〜15%、ZnOを0〜15%、Taを0%以上13%未満含み、La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOの合計含有量に対するTa含有量の比が0.23以下、BとSiOの合計含有量に対するLa、Gd、YおよびYb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) Nbを1〜15%含む上記(1)項に記載の光学ガラス、
(3) WOを0〜15%含む上記(1)または(2)項に記載の光学ガラス、
(4) La、Gd、YおよびYb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) Bを5〜25%、SiOを1〜14%、Laを30〜60%、Gdを0〜30%、Yを0〜10%、Ybを0〜5%、BaO 0〜20%、TiO 0〜12%、Sb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、Ta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、La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOの合計含有量に対するTa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、Nbを0〜15%、ZrO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、BとSiOを合計量で12〜30%含むと共に、La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOを合計量で55〜80%含み、BとSiOの合計含有量に対するLa、Gd、YおよびYb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。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、耐失透性の優れた高屈折率低分散光学ガラス、前記光学ガラスからなる加熱軟化成形用ガラス素材および光学素子、ならびに前記ガラス素材と光学素子の製造方法を提供することができる。
また、高価なTaを多量に使用しなくても上記効果を得ることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
まず、本発明の光学ガラスについて説明する。
[光学ガラス]
本発明の光学ガラスは、質量%表示で、BとSiOを合計量で12〜30%、La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOを合計量で55〜80%、ZrOを2〜10%、Nbを0〜15%、ZnOを0〜15%、Taを0%以上13%未満含み、La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOの合計含有量に対するTa含有量の比が0.23以下、BとSiOの合計含有量に対するLa、Gd、YおよびYb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。
【0012】
本発明においては特記しない限り、各成分の含有量あるいは合計含有量を質量%にて表示し、含有量または合計含有量間の比を質量比にて表示するものとする。
【0013】
本発明の光学ガラスにおいて、B、SiOはともにネットワーク形成成分として機能する。BとSiOの合計含有量(B+SiO)が12%未満であると耐失透性が低下し、30%を超えると屈折率が低下するので、B+SiOを12〜30%とする。好ましい下限は14%、より好ましい下限は16%、さらに好ましい下限は17%である。一方、好ましい上限は28%、より好ましい上限は26%、さらに好ましい上限は25%、いっそう好ましい上限は24%である。
【0014】
後述するアルカリ土類金属酸化物およびTiOの合計含有量が5%以下の態様においては、B+SiOのよりいっそう好ましい上限は23%、さらにいっそう好ましい上限は22%、なおいっそう好ましい上限は21%、特に好ましい上限は20%、最も好ましい上限は19%である。
【0015】
La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOはいずれも屈折率を高める成分であり、Taの含有量を抑えてつつ所要の屈折率を得る上から、合計で55%以上含有させる必要があるが、80%を超えると耐失透性が低下するので、その合計含有量を55〜80%とする。アルカリ土類金属酸化物およびTiOの合計含有量が5%以下の態様では、好ましい下限は58%、より好ましい下限は60%、さらに好ましい下限は62%である。一方、好ましい上限は76%、より好ましい上限は74%、さらに好ましい上限は72%である。
【0016】
ただし、アルカリ土類金属酸化物およびTiOの合計含有量が5%超の態様では、La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOの合計含有量の好ましい下限は56%、より好ましい下限は58%、さらに好ましい下限は60%である。一方、好ましい上限は76%、より好ましい上限は74%、さらに好ましい上限は72%である。
【0017】
このうち、ZrOは少量導入することによりガラスの安定性を高めることができるので2%以上導入するが、10%を超えて導入すると分散が大きくなるため、その含有量を2〜10%とする。アルカリ土類金属酸化物およびTiOの合計含有量が5%以下の態様では、好ましい下限は3%、より好ましい下限は4%、さらに好ましい下限は5%、いっそう好ましい下限は5.2%、よりいっそう好ましい下限は5.5%である。一方、好ましい上限は8.5%、より好ましい上限は7.5%、さらに好ましい上限は6.8%である。
【0018】
Nbは、適量導入することにより加熱、軟化して成形する際の耐失透性(再加熱時の耐失透性という。)が改善される。しかし、15%を超えて導入すると耐失透性が低下してしまう。また、分散が大きくなる。よってその含有量を0〜15%とする。
【0019】
本発明のガラスにおいて、Nbは前記高屈折率付与成分の中でも特異な性質を有し、Taとの置換によって再加熱時の耐失透性が改善される。再加熱時の耐失透性の目安としては、結晶化ピーク温度Txとガラス転移温度Tgの差(Tx−Tg)が大きいものほど耐失透性が優れていると考えることができる。高屈折率特性を維持しつつ、Taを減量する場合、TaからNbへの置換がTx−Tgを大きく保つ上で最も好ましい。TaからMgO、CaO、SrO、BaO、ZnOへの置換は、Nbへの置換ほどではないものの、再加熱時の耐失透性維持に効果がある。一方、Taから希土類酸化物への置換は、再加熱時の耐失透性維持の面からは好ましいとは言えない。したがって、再加熱時の耐失透性を改善する上からNbの含有量を1〜15%の範囲にすることが好ましい。Nbを必須成分として導入する態様においては、アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量が5%以下の態様では、Nbの含有量を1〜8%とすることがより好ましく、2〜8%の範囲とすることがさらに好ましく、2.5〜8%の範囲とすることがいっそう好ましく、3〜8%の範囲とすることがよりいっそう好ましい。Nbの含有量の上限については、7%以下が好ましく、6%以下がより好ましく、5%以下がさらに好ましい。
【0020】
アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量が5%超の態様では、Nb含有量の上限は、6%とすることが好ましく、5%とすることがより好ましく、4%とすることがさらに好ましい。
【0021】
ZnOは高屈折率特性を維持しつつガラス転移温度を低下させる働きをする成分であるが、15%を超えて導入すると耐失透性が低下し、分散も大きくなるので、その含有量を0〜15%とする。好ましい上限は12%、より好ましい上限は9%、さらに好ましい上限は7%、いっそう好ましい上限は6%である。一方、好ましい下限は0.1%、より好ましい下限は0.5%、さらに好ましい下限は1%、いっそう好ましい下限は2%である。
【0022】
Taは高屈折率付与成分であるが、上記高屈折率付与成分と比べて原料コストが突出して高い。また、希少物質でもあるので、その含有量を13%未満とする。従来のガラスは、本発明のガラスの光学特性と同等の特性を達成するために15%以上のTaを必須としていたが、本発明では、後述するように各成分の含有量をバランスさせることにより、Taを他の高屈折率付与成分に置換することで所要の光学特性を維持しつつ、Taの減量を実現した。なお、上記観点からTa含有量の好ましい範囲は0〜12%、より好ましい範囲は0〜11%、さらに好ましい範囲は0〜10%である。
【0023】
なお、前記ガラスの諸性質を良好に維持しつつ、Taをより減量するには、アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量を5%超にすることが好ましく、6%以上に
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TiOの合計含有量が多い態様では、Taをアルカリ土類金属酸化物、TiO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TaをNbに置換して、Nb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、Ta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。
【0024】
Taを上記範囲に保ちながら、所要の屈折率を維持するために、La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOの合計含有量に対するTa含有量の比(Ta/(La+Gd+Y+Yb+ZrO+Nb+WO))を0.23以下とする。前記比の好ましい範囲は0.22以下、より好ましい範囲は0.21以下、さらに好ましい範囲は0.2以下、いっそう好ましい範囲は0.17以下、よりいっそう好ましい範囲は0.16以下である。
【0025】
本発明の光学ガラスは、屈折率ndが1.86以上かつアッベ数νdが38以上のガラスである。前記光学特性を維持しつつ耐失透性を良好に保つため、ネットワーク形成成分であるBとSiOの合計含有量に対するLa、Gd、YおよびYbを合計含有量の比((La+Gd+Y+Yb)/(B+SiO))を2〜4の範囲とする。高屈折率付与成分のうちLa、Gd、Y、Ybは分散を低く抑えつつ屈折率を高める働きをする。したがって、前記比が2より小さいと上記光学特性の維持が難しくなり、4より大きいと耐失透性が低下する。アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量が5%以下の態様において、前記比の好ましい下限は2.4、より好ましい下限は2.6、さらに好ましい下限は2.8である。前記比の好ましい上限は3.8、より好ましい上限は3.6、さらに好ましい上限は3.5である。一方、アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量が5%超の態様において、前記比の好ましい下限は2.5、より好ましい下限は2.7、さらに好ましい下限は2.9である。前記比の好ましい上限は3.9、より好ましい上限は3.7、さらに好ましい上限は3.6である。
【0026】
WOは高屈折率付与成分であるが、過剰の導入によって再加熱時の耐失透性が低下する。したがって、その含有量を15%以下にすることが好ましく、10%以下にすることがより好ましい。ただし、Nbを任意成分とする態様においては、Nb導入による再加熱時の耐失透性改善効果を得ることができないから、WOの量を0〜6%とすることが好ましい。また、WOの導入によりガラスが着色する傾向を示すので、Nbの有無によらず、その含有量を0〜4%とすることがより好ましく、0〜2%とすることがさらに好ましく、0〜1%とすることがいっそう好ましく、0〜0.5%とすることがよりいっそう好ましく、導入しないことが特に好ましい。
【0027】
前記光学特性を備え、よりガラスとしての安定性を高める上からLa、Gd、YおよびYbの合計含有量を30〜70%とすることが好ましい。アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量が5%以下の態様において、前記合計含有量の好ましい下限は45%、より好ましい下限は46%、さらに好ましい下限は47%、いっそう好ましい下限は48%、よりいっそう好ましい下限は49%、さらにいっそう好ましい下限は50%である。一方、前記合計含有量の好ましい上限は70%、より好ましい上限は69%、さらに好ましい上限は68%、いっそう好ましい上限は67%、よりいっそう好ましい上限は66%、さらにいっそう好ましい上限は65%、なおいっそう好ましい上限は64%である。
【0028】
アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量が5%超の態様において、La、Gd、YおよびYbの合計含有量の好ましい下限は47%、より好ましい下限は48%、さらに好ましい下限は49%、いっそう好ましい下限は50%、よりいっそう好ましい下限は51%、さらにいっそう好ましい下限は52%である。一方、前記合計含有量の好ましい上限は70%、より好ましい上限は69%、さらに好ましい上限は68%、いっそう好ましい上限は67%、よりいっそう好ましい上限は66%、さらにいっそう好ましい上限は65%、なおいっそう好ましい上限は64%である。
【0029】
ネットワーク形成成分のうち、Bは熔融性を改善し、ガラス転移温度を低下させる働きをする。このような効果を得るためには、5%以上含有させることが好ましいが、屈折率をより高めるには、その含有量を25%以下に抑えることが好ましい。したがって、Bの含有量の好ましい範囲は5〜25%である。アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量が5%以下の態様において、B含有量の好ましい範囲は5〜20%である。なお、B含有量の好ましい下限は7%、より好ましい下限は8%、さらに好ましい下限は9%である。一方、好ましい上限は19%、より好ましい上限は18%、さらに好ましい上限は17%である。
【0030】
アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量が5%超の態様において、B含有量の好ましい範囲は8〜25%である。なお、B含有量の好ましい下限は10%、より好ましい下限は11%、さらに好ましい下限は12%である。一方、好ましい上限は24%、より好ましい上限は23%、さらに好ましい上限は22%である。
【0031】
SiOは耐失透性を改善し、熔融ガラスを成形する際の粘度を上昇させる働きをする。このような効果を得るためには、1%以上含有させることが好ましいが、屈折率をより高めるには、その含有量を14%以下に抑えることが好ましい。したがって、SiOの含有量の好ましい範囲は1〜14%である。アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量が5%以下の態様において、SiO含有量の好ましい範囲は2〜14%である。なお、SiO含有量の好ましい下限は4%、より好ましい下限は5%、さらに好ましい下限は6%である。一方、好ましい上限は12%、より好ましい上限は10%、さらに好ましい上限は8%である。アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量が5%超の態様において、SiO含有量の好ましい範囲は1〜10%である。なお、SiO含有量の好ましい下限は1.5%、より好ましい下限は2%、さらに好ましい下限は2.5%である。一方、好ましい上限は9%、より好ましい上限は8%、さらに好ましい上限は7%である。
【0032】
Laは前述のように高屈折率低分散特性を付与する成分であるが、過剰の導入により耐失透性が低下するおそれがあるので、その含有量を30〜60%とすることが好ましい。好ましい下限は35%、より好ましい下限は38%である。一方、好ましい上限は55%、より好ましい上限は50%、さらに好ましい上限は47%である。アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量が5%以下の態様において、La含有量のさらに好ましい下限は40%である。アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量が5%超の態様において、La含有量のさらに好ましい上限は45%である。
【0033】
Gdも高屈折率低分散特性を付与する成分であるが、過剰の導入により耐失透性が低下するおそれがあるので、その含有量を0〜30%とすることが好ましい。好ましい下限は1%、より好ましい下限は3%、さらに好ましい下限は5%である。一方、好ましい上限は25%、より好ましい上限は22%、さらに好ましい上限は20%、いっそう好ましい上限は19%である。
【0034】
も高屈折率低分散特性を付与する成分であるが、過剰の導入により耐失透性が
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。
【0035】
Ybも高屈折率低分散特性を付与する成分であるが、過剰の導入により耐失透性が低下するおそれがあるので、その含有量を0〜5%とすることが好ましい。好ましい上限は3%、より好ましい上限は2%、さらに好ましい上限は1%である。
【0036】
Sbは適量添加することにより清澄剤として機能する。その添加量は外割りで0〜1%とすることが好ましく、0〜0.5%とすることがより好ましく、0〜0.3%とすることがさらに好ましく、0〜0.2%とすることがいっそう好ましい。
この他、任意成分として導入可能なものとして、MgO、CaO、SrO、BaO、GeO、LiO、NaO、KO、Bi、TiOを例示することができる。
【0037】
MgO、CaO、SrO、BaOは、熔融性を改善する働きをし、炭酸塩原料や硝酸塩原料として導入することができるので脱泡効果を高める働きもする。また、Taとの置換で再加熱時の耐失透性を比較的維持しやすい成分でもある。しかし、過剰の導入により屈折率が低下したり、ガラスとしての安定性が損なわれるおそれがなるので、MgO、CaO、SrOおよびBaOを合計含有量で0〜20%とすることが好ましく、0〜10%とすることがより好ましく、0〜7%とすることがさらに好ましく、0〜5%とすることがいっそう好ましい。
【0038】
MgO、CaO、SrO、BaOについては、TaをBやSiOに置換するよりも、MgO、CaO、SrO、BaOに置換するほうが光学特性を所要の範囲に維持しやすい。したがって、前記効果を得るために、上記範囲内でMgO、CaO、SrOおよびBaOを合計含有量で0.5%以上導入してもよい。
【0039】
上記観点から、MgOの好ましい範囲は0〜8%、より好ましい範囲は0〜4%、さらに好ましい範囲は0〜2%、いっそう好ましい範囲は0〜1%である。
【0040】
CaOの好ましい範囲は0〜10%、より好ましい範囲は0〜5%、さらに好ましい範囲は0〜3%、いっそう好ましい範囲は0〜1%である。
【0041】
SrOの好ましい範囲は0〜15%、より好ましい範囲は0〜8%、さらに好ましい範囲は0〜5%、いっそう好ましい範囲は0〜2%である。
【0042】
BaOの好ましい範囲は0〜20%、より好ましい範囲は0〜10%である。
【0043】
アルカリ土類金属酸化物とTiO2の合計含有量が5%以下の態様では、BaO含有量のさらに好ましい範囲は0〜5%、いっそう好ましい範囲は0〜3%である。一方、アルカリ土類金属酸化物とTiO2の合計含有量が5%超の態様では、BaOのさらに好ましい範囲は0〜10%、いっそう好ましい範囲は1〜8%である。BaOは光学ガラスを構成する成分として好適なアルカリ土類金属酸化物中、最も屈折率を高める働きが強いため、積極的に導入することが好ましい。
【0044】
GeOはネットワーク形成機能を有し、SiO、Bに比べて屈折率を高める働きが大きい任意成分である。しかし、過剰に導入すると屈折率が低下するとともに、非常に高価な成分でもあるので製造コストが増大してしまう。したがって、その含有量を0〜15%とすることが好ましく、0〜5%とすることがより好ましく、導入しないことがさらに好ましい。
【0045】
LiO、NaO、KOは、少量導入すると熔融性が改善し、ガラス転移温度や軟化温度も低下し、アニール温度や成形温度を低くすることができる。しかし、過剰の導入により屈折率が低下したり、耐失透性が悪化するので、LiOの含有量を0〜1%とすることが好ましく、0〜0.6%とすることがより好ましく、0〜0.4%とすることがさらに好ましく、0〜0.2%とすることがいっそう好ましい。NaOの含有量については、0〜2%とすることが好ましく、0〜1.2%とすることがより好ましく、0〜0.8%とすることがさらに好ましく、0〜0.4%とすることがいっそう好ましい。KOの含有量については0〜3%とすることが好ましく、0〜2%とすることがより好ましく、0〜1.5%とすることがさらに好ましく、0〜1%とすることがいっそう好ましい。
【0046】
Biは少量の導入でガラス転移温度、軟化温度を低下させ、屈折率も増加する働きをするが、過剰導入によりガラスの着色が強まり、耐失透性が低下してしまうので、その含有量を0〜6%とすることが好ましく、0〜4%とすることがより好ましく、0〜3%とすることがさらに好ましく、0〜2%とすることがいっそう好ましい。
【0047】
TiOは適量の導入により屈折率を増加させるが、過剰導入により分散が増大したり、ガラスが着色したり、耐失透性が低下するため、その含有量を0〜12%、好ましくは0〜10%、より好ましくは0〜8%、さらに好ましくは0〜7%とする。TiOは、単結合強度が高く、ネットワーク形成成分の一部と置き換わってネットワーク形成に加わるとともに修飾酸化物としての役割も果たすと考えられる。そして、TiOがネットワーク形成に関わることでガラスが安定になるとが考えられる。しかし、TiOの導入によってガラスの着色が増大することがあるので、TiOを導入するかはガラスの着色、安定性など、どの仕様を優先するかを考慮して決めればよい。TiOを導入する場合は、その量を上記範囲内で0.1%以上、好ましくは0.5%以上、より好ましくは1%以上、さらに好ましくは1.5%以上、いっそう好ましくは2%以上とする。一方、着色低減を優先する場合は、TiOを導入しないことが好ましい。
【0048】
アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量が5%以下の態様では、TiO含有量を0〜5%とすることが好ましく、0〜3%とすることがより好ましく、0〜2%とすることがさらに好ましく、0〜1%とすることがいっそう好ましい。
【0049】
一方、アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量が5%超の態様では、TiO含有量を1〜12%とすることが好ましく、2〜10%とすることがより好ましく、2.5〜9%とすることがさらに好ましく、3〜8%とすることがいっそう好ましい。
【0050】
なお、上記諸特性をより良好なものにする上から、アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量が5%以下の態様でも5%超の態様でもB、SiO、La、Gd、Y、Yb、ZrO、Nb、WO、Ta、MgO、CaO、SrO、BaO、LiO、NaO、KOおよびTiOの合計含有量を95%以上にすることが好ましく、96%以上にすることがより好ましく、98%以上にすることがさらに好ましく、99%以上にすることがいっそう好ましく、100%にすることがよりいっそう好ましい。
【0051】
さらに、B、SiO、La、Gd、Y、Yb、ZrO、Nb、WO、Ta、MgO、CaO、SrO、BaOおよびTiOの合計含有量を95%以上にすることが好ましく、96%以上にすることがより好ましく、98%以上にすることがさらに好ましく、99%以上にすることがいっそう好ましく、100%にすることがよりいっそう好ましい。
【0052】
中でも、アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量が5%以下の態様では、B、SiO、La、Gd、Y、ZrO、Nb、Ta、MgO、CaO、SrOおよびBaOの合計含有量を95%以上にすることが好ましく、96%以上にすることがより好ましく、98%以上にすることがさらに好ましく、99%以上にすることがいっそう好ましく、100%にすることがよりいっそう好ましい。特に、B、SiO、La、Gd、Y、ZrO、NbおよびTaの合計含有量を95%以上にすることが好ましく、96%以上にすることがより好ましく、98%以上にすることがさらに好ましく、99%以上にすることがいっそう好ましく、100%にすることがよりいっそう好ましい。
【0053】
一方、アルカリ土類金属酸化物とTiOの合計含有量が5%超の態様では、B、SiO、La、Gd、Y、ZrO、Nb、Ta、MgO、CaO、SrO、BaOおよびTiOの合計含有量を95%以上にすることが好ましく、96%以上にすることがより好ましく、98%以上にすることがさらに好ましく、99%以上にすることがいっそう好ましく、100%にすることがよりいっそう好ましい。特に、B、SiO、La、Gd、Y、ZrO、Nb、Ta、MgO、CaO、SrO、BaOおよびTiOの合計含有量を95%以上にすることが好ましく、96%以上にすることがより好ましく、98%以上にすることがさらに好ましく、99%以上にすることがいっそう好ましく、100%にすることがよりいっそう好ましい。
なおいずれの好ましい態様ともSB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。
【0054】
また、Hf、Lu、Sc、Ga、Inも導入可能であるが、本発明のガラスはこれら成分を導入しなくても発明の目的を達成することができる。そして、前記成分はいずれも高価であることから、コスト面に配慮するとHf、Lu、Sc、Ga、Inを導入しないことが好ましい。
【0055】
その他、清澄作用を高めるためSnOを1.0%以下導入することもできるが、SnOの導入は必須ではないので、SnOを導入しなくてもよい。
【0056】
Fも少量であれば導入可能ではあるが、揮発性を示し、脈理や光学恒数の変動要因になるおそれがあるため、導入しないことが好ましい。
【0057】
本発明の光学ガラスは、ガラス原料を加熱、熔融、清澄、均質化して得られる熔融ガラスを急冷して作られる。ガラス原料としては、ガラス成分に対応する酸化物、ホウ酸、炭酸塩、硝酸塩などを適宜、秤量し、十分攪拌して得られた調合原料を用いればよい。このようにして準備した原料を粗熔解してカレット原料を作り、カレット原料を所要の光学特性が得られるように調合して、本熔解、清澄、均質化して熔融ガラスを作ってもよいし、粗熔解を経ずに直接、粉体原料あるいはペレット原料などの未ガラス化原料を熔融容器に導入して、加熱、熔融、清澄、均質化して熔融ガラスを作ってもよい。
【0058】
本発明の光学ガラスは、再加熱時の耐失透性が優れているが、高屈折率低分散特性の付与によりネットワーク形成成分の量が相対的に少ないガラスであるため、屈折率が高くないガラスと比べると液相温度が高く、熔融ガラスを成形する際の温度も高くしないとガラスが失透してしまう。その結果、成形時の熔融ガラスの粘性が低くなり、ガラス成形体に脈理が発生しやすい。このような問題を解決するには、成形時における熔融ガラスの流れをできるだけ直線的にして、熔融ガラスの外側の流れと内側の流れが交じり合わないよう
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。
【0059】
なお、本発明の光学ガラスにおいては、ガラス転移温度Tgを730℃以下、後述する結晶化ピーク温度を810℃以上とすることができる。ただし、同一のガラスにおいては、Tx−Tgを110℃以上と大きくとれるので再加熱時における耐失透性を優れたものとすることができる。
【0060】
ガラス転移温度Tgの好ましい範囲は720℃以下、より好ましい範囲は710℃以下であり、結晶化ピーク温度の好ましい範囲は815℃以上、より好ましい範囲は820℃以上、さらに好ましい範囲は825℃以上、いっそう好ましい範囲は830℃以上である。
【0061】
また、Tx−Tgの好ましい範囲は120℃以上、より好ましい範囲は125℃以上、さらに好ましい範囲は130℃以上、いっそう好ましい範囲は135℃以上、よりいっそう好ましい範囲は140℃以上、さらにいっそう好ましい範囲は145℃以上、なおいっそう好ましい範囲は150℃以上である。
【0062】
次に、本発明のガラス成形体について説明する。
[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。
【0063】
ガラス成形体IIは、このような点に着目したものであり、屈折率ndが1.86以上、アッベ数νdが38以上であって、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、好ましくは120℃以上、より好ましくは125℃以上、さらに好ましくは130℃以上、いっそう好ましくは135℃以上、よりいっそう好ましくは140℃以上、さらにいっそう好ましくは145℃以上、なおいっそう好ましくは150℃以上である光学ガラスからなる棒状のガラス成形体である。このガラス成形体IIによっても、上記ガラス成形体Iと同様の効果を得ることができる。
【0064】
前記結晶化ピーク温度は次のようにして求める。示差走査熱量分析において、ガラス試料を昇温すると吸熱ピークが現れ、さらに昇温すると発熱ピークが現れる。この発熱ピークが生じ始める点が結晶化ピーク温度Txである。
【0065】
示差走査熱量分析では横軸を温度、縦軸を試料の発熱吸熱に対応する量とする示差走査熱量曲線(DSC曲線)が得られる。この曲線でベースラインから発熱ピークが現れる際に傾きが最大になる点における接線と前記ベースラインの交点を結晶化ピーク温度Txとする。
【0066】
結晶化ピーク温度Txの測定は、ガラスを乳鉢で十分粉砕したものを試料とし、例えば、株式会社リガク製の高温型示差走査熱量計「Thermo Plus 2/DSC8270」を使用して測定することができる。
【0067】
ガラス転移温度Tgは、直径5mm、長さ20mmの円柱状ガラス試料を用意し、例え
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。
【0068】
ガラス素材を加熱、軟化して所要の形状に成形する場合、ガラス素材をガラス転移温度より高温に加熱する必要がある。前記成形時のガラスの温度がガラスが結晶化する温度域に達するとガラスの失透がおきるので、Tx−Tgが小さいガラスでは、失透を防止しつつ成形を行う上で不利である。そこで、本発明では、Tx−Tgを上記範囲とする。高屈折率低分散ガラスではTx−Tgが大きくなるよう組成を設定すると、液相温度における粘性を増加させるための組成設定の自由度が制約を受けるため、液相温度における粘性が低いガラスでも光学的に均質かつ表面積が大きい形状のガラス成形体とすることによって、Tx−Tgを所要値以上にすることができる。
【0069】
本発明のガラス成形体IIを構成する光学ガラスとしては、前記本発明の光学ガラスの説明において示した理由から、Taの含有量が0%以上13質量%未満のものが好ましく、また、La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOの合計含有量に対するTa含有量の比が0.23以下であるものが好ましい。さらに、質量%表示で、Nbを0〜15%、ZrOを2〜10%およびZnOを0〜9%含むものや、BとSiOを合計量で12〜30%含むと共に、La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOを合計量で55〜80%含み、BとSiOの合計含有量に対するLa、Gd、YおよびYbの合計含有量の比が2〜4であるものが好ましい。
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。
【0070】
次に、本発明のガラス成形体の製造方法について説明する。
[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。
【0071】
一方、ガラス成形体の製造方法II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、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。
【0072】
前記態様では、貫通孔を有する鋳型を用い、パイプから流出する熔融ガラスを前記貫通孔の入口に連続的に流し込み、前記貫通孔の出口から連続的に取り出して中実状のガラスに成形する。前記貫通孔内の少なくとも一部の領域(冷却領域)において、前記貫通孔内のガラス側面を前記貫通孔の内壁に接触させることにより前記ガラスの熱を前記側面から
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。
【0073】
この方法では、貫通孔を有する鋳型を用い、パイプから流出する熔融ガラスを前記貫通孔の入口に連続的に流し込み、前記貫通孔の出口から連続的に取り出して中実状のガラスに成形する。
【0074】
光学的に均質なガラス成形体を成形するには、鋳型内においても熔融ガラスの流れを乱さないことが重要である。中空状のガラスを成形するには、中空部分、すなわちガラスを充填させない部分に熔融ガラスが流れ込まないよう、鋳型内にガラスの流れを部分的に阻止する機構を設けることになる。例えば、棒状ガラス成形体の中心軸部分を中空に成形したいときには、鋳型の中心軸に沿って鋳型同様、耐熱性の高い棒を配置し、この棒を囲むように熔融ガラスを流し込む。その際、上記棒に相当する中空部分へのガラスの充填を阻止する機構が熔融ガラスの流れを乱すことになる。光学的に均質なガラス成形体を得ることを目的とする場合では、そのためガラス成形体も中空部分が存在しない中実状のガラス成形体とする。
【0075】
使用する鋳型は、貫通孔を有し、前記貫通孔は、熔融ガラスを流し込む入口と中実状のガラスを取り出す出口を備えており、熔融ガラス流出パイプから流出する熔融ガラスを、貫通孔の入口に連続的に流し込む。そして、前記貫通孔内の少なくとも一部の領域(冷却領域)において、熔融状態から少なくとも表面が固化するまでのガラスの側面、すなわち、ガラスが全体として移動する方向に対して垂直方向を向く面を前記貫通孔の内壁に接触させることにより、ガラスの熱を側面から奪う。これにより、脈理の発生しやすいガラス、特に流出時の粘度が低いガラスにおける脈理発生を低減または防止することができる。特に、側面と貫通孔内壁との間に隙間が生じないように側面全周を貫通孔の内壁に接触させることにより、効率的にガラスを冷却することができる。
【0076】
後述するように、ガラスの失透を防ぐためには、パイプから流出して貫通孔入口に流し込まれる熔融ガラスの温度は、液相温度近傍以上の温度とすることが好ましい。具体的には、貫通孔入口に流し込む熔融ガラスの表面温度は、(液相温度+10℃)〜(液相温度+100℃)の範囲とすることが好ましい。貫通孔入口に流し込む熔融ガラス流の表面温度は、流出パイプ下端の温度と同じと見なすことができ、流出パイプ下端の温度は、熱電対で測定することができる。また、貫通孔入口に流し込む熔融ガラスの中心部の温度は、熔融ガラス内部に熱電対を差し込むことによって測定することができる。このように測定される熔融ガラス流の表面温度と中心部の温度との温度差を、120℃以内にすることが好ましく、60℃以内にすることがより好ましく、50℃以内にすることが更に好ましい。
【0077】
鋳型(貫通孔内壁)の温度は、(1)ガラスが融着しない、(2)熔融ガラスが貫通孔内に隙間なく広がる、等の点を考慮して決定することが好ましい。鋳型には、温度制御のために、必要に応じてヒーターを設けたり、冷却器を設けてもよい。貫通孔出口でのガラス成形体表面の温度が高すぎる場合には、鋳型を空冷したり、水冷板を設ける等して冷却することにより、また、温度が低すぎる場合には、ヒーターにより加熱することにより、調整することができる。
【0078】
前記冷却領域における貫通孔上部内壁の温度は、例えば、成形するガラスのガラス転移温度よりも50〜150℃低い温度とすることができる。後述するように貫通孔内のガラス流路全体を冷却領域とする場合、貫通孔内壁の温度は、入口付近において、成形するガラスのガラス転移温度よりも20〜50℃低い温度とすることができ、成形炉を使用する場合は、出口付近において、ガラス転移温度よりも100〜400℃低い温度とし、入口と出口の中間部において、入口付近の温度以下であって、出口付近の温度以上とすること
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。
【0079】
このように、冷却領域において、ガラス側面を貫通孔内壁に接触させて熱を奪うことにより、ガラスの冷却を促進し、脈理の発生を防止または低減することができる。しかし、先に説明したように、特に流出時の粘度が低いガラスでは、鋳型から取り出したガラスの内部と表面との温度差が過度に大きいと、内部応力によってガラスが破壊または破損することがある。そこで、前記冷却領域を通過したガラスを、前記ガラスの転移温度(Tg)よりも150℃低い温度(Tg−150℃)以上の環境下を通過させることにより、前記ガラスの中心部と側面の温度を近づけることが望ましい。これにより、脈理の低減、防止のために冷却領域において急速に冷却されたガラスが、冷却領域通過後に内部応力によって破壊または破損することを防ぐことができる。
【0080】
前記冷却領域は、貫通孔内のガラス流路全体であることができる。この場合、前記(Tg−150℃)以上の環境は、貫通孔出口から取り出されたガラスが曝される雰囲気であることができる。このように、貫通孔出口から取り出されたガラスを、(Tg−150℃)以上の雰囲気中を通過させて、ガラスの中心部と側面の温度を近づける場合、貫通孔出口から取り出されたガラスを即、前記雰囲気中に入れることが好ましい。
【0081】
また、貫通孔内を入口側と出口側の2つの領域に大別し、入口側の領域でガラス側面を貫通孔内壁に接触させてガラスの熱を側面から奪う操作を行うとともに、出口側の領域の貫通孔内壁温度を、ガラス転移温度Tgよりも150℃低い温度(Tg−150℃)以上に制御することもできる。この場合、前記(Tg−150℃)以上の環境は、上記温度制御された出口側の領域である。ここで、入口側の領域と出口側の領域を断熱して両領域における温度の制御を容易にするようにしてもよい。
【0082】
上記いずれの場合も、ガラスの中心部と側面の温度を近づける操作は、ガラス転移温度よりも100℃低い温度(Tg−100℃)以上の環境下にガラスを通過させて行うことが好ましく、ガラス転移温度よりも50℃低い温度(Tg−50℃)以上の環境下にガラスを通過させて行うことがより好ましく、ガラス転移温度Tgの環境下にガラスを通過させて行うことがさらに好ましい。
【0083】
前記環境下の温度を低くしすぎると、ガラスの中心部と側面の温度を近づける操作を成形炉内で行う場合は、炉を長大にしなければならなくなる。また、鋳型内でガラスの中心部と側面の温度を近づける操作を行う場合は、鋳型を長大にしなければならなくなる。その結果、大きなスペースが必要になったり、貫通孔出口からのガラスの取り出し速度を制御することが難しくなる。
【0084】
また、ガラス成形体を割断する場合は、ガラスの温度が低くなりすぎると、ガラスのヤング率が増加するので割断しにくくなる。本発明において、熔融ガラスからガラス成形体になるまでガラスは連続体であり、大きな力でガラス成形体を割断するとその衝撃が鋳型中の熔融ガラスにまで及び、ガラスの流れを乱すなど、高品質なガラス成形体を得る上で不具合を生じるおそれがある。ワイヤーソーや砥石などによる切断も可能ではあるが、ガラスを室温付近まで冷却しなければならず、このような冷却には、長さ数十mにも及ぶ徐冷のためのスペースが必要となるため好ましくない。ガラス成形体の割断を良好に行うためには、ガラスの温度は転移温度付近以下であることが好ましく、転移温度よりも150℃低い温度以上かつ転移温度以下であることがより好ましく、転移温度よりも100℃低い温度以上かつ転移温度以下であることが更に好ましく、転移温度よりも50℃低い温度以上かつ転移温度以下で行うことがより一層好ましく、転移温度付近で行うことが特に好ましい。以上の点を考慮し、本発明では、ガラスの中心部と側面の温度を近づける操作を
、(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。
【0085】
ガラスの内部と側面の温度を近づける操作を行うための温度の上限は、ガラス側面の急冷によって形作られたガラスの外径形状(取り出し方向に垂直な断面形状)が変形しない温度にすればよく、好ましくはガラスの軟化温度以下、より好ましくは軟化温度未満にすればよい。
【0086】
上記操作を雰囲気中で行う場合は、成形炉と呼ばれる炉を貫通孔出口に連接し、貫通孔の出口から連続して取り出されるガラスがそのまま炉内へと進み、中心部と側面の温度が近づいた状態になったときに炉外へと出るようにすればよい。また、炉内を通過する時間は、ガラス成形体の内部応力を爆発的な破壊が起きない程度、または僅かな熱的衝撃や機械的衝撃により破損しない程度にまで低減可能な時間とすればよい。そのためには、ガラスの取り出し速度と炉内通過時間を考慮して、ガラスの取り出し方向に沿う成形炉の長さを適宜、実験等により決めればよい。炉内の雰囲気温度制御は、例えば炉内に配置したヒーターに流す電流値または電流を流す時間をコントロールすることにより行うことができる。
【0087】
上記のように前記ガラスの中心部と側面の温度を近づける操作を行うことにより、ガラス中心部と側面の温度差を、例えば0〜150℃、好ましくは0〜100℃、より好ましくは0〜50℃とすることができる。なお、前記ガラスの中心部と側面の温度を近づける操作は、ガラスを室温付近まで徐冷する操作であるアニールとは異なり、ガラスの温度が室温よりもかなり高温の状態で終了するものである。
次に、使用する鋳型について説明する。
【0088】
ガラスの融着、広がり、曲がり等を防止するという観点から、鋳型において、貫通孔の長さに対する内径の比(内径/長さ)を、1/50〜3倍の範囲にすることが好ましい。より好ましくは1/20〜2倍の範囲である。また貫通孔内径は、得ようとするガラス成形体の外径を考慮して決定すべきであり、例えば、10〜100mmとすることができる。但し、この寸法に限定する意図ではない。
【0089】
鋳型内でのガラスの動きを妨げないようにするには、鋳型のガラスが通過する任意の部分のガラス移動方向に垂直な断面形状を、ガラス成形体の移動方向に垂直な断面形状と等しくすることが望ましい。鋳型の温度分布を制御しない場合は、成形中の鋳型の入口側の温度は出口側の温度よりも高くなるため、室温において貫通孔の内径を一定に形成すると、鋳型の熱膨張のため、成形時にはガラスの移動方向に沿った貫通孔の内径が一定にならなくなる。この方法では、入口から出口に行くにつれて、貫通孔内径を大きくし、成形時ガラスの移動方向に沿って前記内径が一定になるように、または出口に向けて僅かに拡大するように、熱膨張を考慮して貫通孔をテーパー状とし、テーパーの傾きを決めることが好ましい。特に、流出時の粘性が低いガラスを成形する場合やガラスの濡れ性が高い材質からなる鋳型を使用する場合、ガラスが鋳型に焼き付かないようにするため、テーパーの傾きを大きくすることが望ましい。
【0090】
鋳型の材質としては、カーボン、鋳物、ニッケルなどの耐熱性金属が好ましい。また、熔融ガラスからガラス成形体を作製する工程は、鋳型の劣化を防止するという観点から、不活性雰囲気中で行うことが好ましい。
【0091】
雰囲気がガラス成形体の品質に影響を及ぼす場合には、パイプ流出口と貫通孔入口との間の熔融ガラスの流れる経路を囲んで、その中の雰囲気を制御することが好ましい。この
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。
【0092】
この方法は、冷却領域を通過したガラスを、前記ガラスの転移温度よりも150℃低い温度以上の環境下を通過させて、前記ガラスの中心部と側面の温度を近づける操作の有無によらず、揮発成分、例えばホウ酸成分を含むガラスから成形体を作製する場合、脈理を低減、防止する方法として好適である。
【0093】
この態様におけるより好ましい態様は、入口と出口が直線的に連絡する貫通孔を備えた鋳型を用いる方法である。この方法では、入口が出口よりも高位置になるように鋳型を配置し、貫通孔内における熔融ガラス液面の高さが一定になるように、熔融ガラスの流し込みを行うことが好ましい。
【0094】
上記好ましい態様の一例を図1に示す。図1に示すように、パイプ1内を流下した熔融ガラス9を鋳型2に流し込んで高位置から低位置へとガラスが移動する過程で、ガラス成形体11に成形する。図1に示すように、流し込まれたガラスの通過する部分が入口と出口を直線的に連絡する貫通孔となっていれば、鋳型内においてより一層熔融ガラスの流れがスムーズになり、流れが乱れにくくなり、結果として光学的に均質なガラス成形体をより安定して作製することができる。
【0095】
この方法では、図1に示すように、貫通孔の中心軸が鉛直になるように(鉛直線に一致するように)鋳型2を配置することが好ましい。但し、前記中心軸を鉛直線に対して傾けて配置してもよい。中心軸を鉛直にして鋳型2を配置すると、パイプ1中を鉛直下方に流下した熔融ガラス9の流れが、全体としての流れの向きを変えずに鋳型2内を出口方向に向かって進むため、鋳型内の流れの乱れはより一層低減され、脈理低減効果をより一層高めることができる。
【0096】
また、入口と出口が直線的に連絡した貫通孔に熔融ガラス9を流し込むことにより、真っ直ぐなガラス成形体を得ることができる。真っ直ぐなガラス成形体は、ガラス成形体を加工してプレス成形用ガラス素材を作製したり、光学素子を作製する上で都合がよい。このように直線状の中心軸を有し、中心軸に対して垂直な断面の形状、寸法が任意の位置において等しいガラス成形体を得るためには、入口と出口を直線的に連絡する貫通孔を有する鋳型2を使用するとともに、鋳型2から取り出したガラスを均一に冷却することが望ましい。均一な冷却を行うことにより、ガラスの収縮を均等にし、ガラス成形体の直進性を維持することができる。また、本発明では、前述のようにガラスの中心部と側面の温度を近づける操作をすることにより、ガラス成形体の直進性を向上することができるという利点もある。
【0097】
成形条件を安定化するためには、貫通孔内における熔融ガラス9液面の高さを一定にすることが好ましい。そのためには、パイプ1からの熔融ガラス9の流出量を一定にし、ガラスを出口から取り出す速度を一定にすればよい。但し、熔融ガラスの流出量は時間経過とともに僅かながら変動することがあるため、常に上記液面の高さが一定になるように、ガラスを鋳型2から取り出す速度を制御することが望ましい。
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。
【0098】
この方法において貫通孔出口からのガラスの取り出し方法としては、ガラスの自重による下方移動、ガラスを貫通孔出口から引き出すこと、ガラスに働く重力に加え、ガラスに引き出しの力を加えて引き出すことのいずれの取り出し方法を用いることもできる。また、取り出しによってガラスはほとんど延びないので、ガラスの取り出し速度とは、上記取り出されたガラス成形体11の移動速度に相当する。取り出し速度の制御とは、取り出し速度が所望の速度になるようにガラス成形体を引き出す力を制御したり、ガラスが自重によって下方に所望の速度よりも大きな速度で移動する場合には、ガラス成形体が減速するような力を加え、取り出し速度が所望の速度になるよう制御することを意味する。
【0099】
貫通孔出口からのガラスの取り出し速度が大きすぎたり小さすぎると、貫通孔内における熔融ガラス9液面の高さが一定にならず、貫通孔内壁とガラスの間に隙間ができ、ガラス成形体の寸法が安定しない。極端な場合には、熔融ガラス9が鋳型2から溢れ出したり、ガラス成形体の形状が不良になってしまう。そのため、上記取り出し速度を制御することが好ましい。
【0100】
ガラス成形体の取り出し速度の制御の一例としては、図1に示すように、貫通孔出口から取り出されるガラスの、貫通孔内壁によって成形された面(側面)6を保持して、ガラス成形体11の出口から取り出される速度を制御する方法を挙げることができる。例えば、複数のローラ3でガラス成形体11の側面6を挟持して、ローラ3とガラス成形体側面6とが滑らないようにした状態で、ローラ3の回転速度を制御してガラス成形体の下方への移動速度を制御する。上記複数のローラ3をガラス成形体の移動経路に沿って複数組配置し、ガラス成形体に働く重力を複数組のローラで分散して支持することが望ましい。このようにすることで、ローラ3間をガラス成形体11が滑って取り出し速度の制御が不能になることを、より確実に防止することができる。上記ローラ3は上記成形炉7内に配置することが望ましい。成形炉7内を通過したガラス成形体は歪みが低減されており、かつ、ローラ3よりも下方のガラス成形体は、ローラ3による保持によって吊り下げ状態になっている。よって、ローラ3よりも下方のガラス成形体を、上部のガラスから分離しても、ガラスの取り出し速度の制御に悪影響を及ぼすことはない。また、成形炉7を出たガラス成形体は歪みが低減されているので、ガラス成形体の分離によってガラスを破損することもない。更に、アニールを行ったガラス成形体を、上記保持位置を通過した後の位置において切断または割断すれば、熔融ガラスの鋳型への流し込みを中断しなくてもよいので好都合である。このようにすれば、保持すべきガラス成形体の重量が過大にならずに済むため、ガラスの取り出し速度制御の面から有利であり、しかも、ガラス成形体を成形しながら切り離したガラス成形体を次の工程へ送ることができ、ガラス成形体の生産性を高めることもできる。
【0101】
他方、ガラス側面を保持して取り出し速度を制御する方法では、ガラスを挟持する力を大きくし過ぎるとガラスが破損するため、所定の力以上の力を加えることができない。そのため、ガラス成形体の重量が大きくなるとガラス成形体がローラ間を滑って、速度制御が困難となる。このような事態を避けるには、貫通孔の出口から取り出されたガラスの先端部を支持することにより、貫通孔からのガラスの取り出し速度を制御する方法を用いればよい。その一例を、図2に示す。この方法は、側面を保持する方法と異なり、摩擦力によってガラス成形体を保持するものではないため、大重量のガラス成形体の成形に好適である。
【0102】
上記いずれの取り出し速度制御法においても、取り出し速度の制御は鋳型2内の熔融ガラス9液面の高さを液面センサ4によってモニターし、前記モニター信号に基づき液面の高さが基準高さよりも高い場合は取り出し速度を増加し、液面の高さが基準高さよりも低い場合は取り出し速度を減少させる制御を行うことができる。例えば、上記モニター信号を取り出し速度コントローラ5に入力し、コントローラ5において基準高さとモニターし
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。
【0103】
ところで、貫通孔の中心軸と鉛直線のなす角を増加していくと、鋳型貫通孔とガラス成形体側面の摩擦力が増加し、ガラス成形体が大重量になってもガラス成形体側面を保持する方法でも取り出し速度の制御が可能になる。したがって、流出時における粘性が極端に低くないガラスから、大重量のガラス成形体を成形する場合は、貫通孔の中心軸を鉛直線に対して傾けて鋳型を配置することもできる。
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。
【0104】
貫通孔出口より取り出したガラスは、内部と側面の温度を近づける操作によって内部応力が低減され、爆発的な破壊、または僅かな熱的衝撃や機械的衝撃による破損の危険は解消されている。さらに、このガラスを室温まで冷却するには、鋳型からガラスを長く引き出さなければならない。そのためには、鋳型下方に大きなスペースが必要になったり、ガラス成形体の重量が過大になって取り出し速度の精密な制御が困難になるおそれがある。そこで、ガラス成形体の温度がガラス転移温度付近になったところでガラス成形体の切り離しを行うことが望ましい。
【0105】
切り離し方法の具体例を、図3〜図5に示す。図3に示すように、所定の位置においてガラス成形体の側面の一部に、スクライブ加工によってガラス成形体の取り出し方向に対して垂直な方向にケガキ線(刻線)を形成し、ガラス成形体の中心軸を挟んで前記スクライブ加工を施した位置の反対側の側面を局所的に支持する支点を置き、前記支点により支点より上部のガラス成形体の動きを制限しつつ、ガラス成形体側面のスクライブ加工位置の下方に水平方向に圧力を加えて、図4に示すように支点を中心にスクライブ加工を施した部分からガラス成形体を破断させてガラス成形体を割断する方法が好ましい。
【0106】
また、外径が大きいガラス成形体を割断する場合には、図5に示すように内部に水路が形成された金属製のジャケットをスクライブ加工部位に局所的に接触させて、熱衝撃によりケガキ線からガラス内部へと向かうクラックを発生させ、ガラス成形体の中心軸を挟んでケガキ線の反対側の側面を支点で支え、ケガキ線よりも下方のガラス成形体に力を加えて、クラックが支点により支えられている部位に向けて成長するようにトルクを働かせてガラス成形体を割断することが好ましい。
【0107】
冷却過程において発生する内部応力の大小は、ガラス成形体の形状やサイズによっても変わる。例えば、光ファイバのように極めて細いガラス成形体の場合は、内部と表面の温度差ができにくい。また、厚みが極めて薄いシート状のガラスでも、内部と表面の温度差ができにくい。逆に、外径が大きい棒状ガラスや厚い板状ガラスでは内部と表面の温度差が大きくなり、冷却過程において大きな内部応力が発生しやすい。このようなガラス成形体としては、3mm以上の厚みを有する板状ガラス、または3mm以上の外径を有する棒状ガラスがある。したがって、本発明は、3mm以上の厚みを有する板状ガラスの成形に好適であり、5mm以上の厚みを有する板状ガラスの成形により好適である。また、3mm以上の外径を有する棒状ガラスの成形に好適であり、5mm以上の外径を有する棒状ガラスの成形により好適であり、10mm以上の外径を有する棒状ガラスの成形にさらに好
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。
【0108】
なお、本明細書において、「棒状ガラス」とは、円、楕円、正方形、短辺長に対する長辺長の比(長辺長/短辺長)が2以下の長方形、多角形等の断面形状を有するガラス成形体をいう。また、「板状ガラス」とは、厚みに対する幅の比(幅/厚み)が2を超えるガラス板をいう。
【0109】
また、棒状ガラスの外径とは、棒状ガラスの中心軸に対し垂直な断面において、ガラスの厚みが最も薄い部分の長さを意味する。例えば、円柱状ガラスでは円柱の中心軸に対して垂直な断面は円になるので、外径は前記円の直径であり、楕円柱ガラスでは中心軸に対して垂直な断面は楕円になるので、外径は前記楕円の短径であり、正四角柱状ガラスでは中心軸に対して垂直な断面は正方形になるので、外径は前記正方形の一辺の長さになる。中心軸に対して垂直な断面が長方形の四角柱状ガラスは、外径が前記長方形の短辺の長さに相当する。
【0110】
これまで説明した方法は、パイプから流出する熔融ガラスを途切れることなしに鋳型に連続して流し込むものであり、熔融ガラスを流出するパイプの流出口の下方に鋳型を一つ配置することにより、ガラス成形体を連続して成形することを可能にするものである。
次に、複数の鋳型を使用する態様について説明する。
【0111】
本発明では、前記鋳型を複数用意するとともに、そのうちの一つを前記パイプの下方に配置し、前記パイプの下方に配置した鋳型に熔融ガラスを連続的に流し込んでガラス成形体を成形し、次いで鋳型への熔融ガラスの流し込みを中断して、熔融ガラスが流し込まれた鋳型を前記パイプ下方から搬出し、該搬出された鋳型からガラス成形体を取り出す工程、前記搬出後、前記熔融ガラスが流し込まれた鋳型とは異なる鋳型を前記パイプ下方に搬入、配置し、前記搬入した鋳型に熔融ガラスの流し込みを行う工程を繰り返し行うこともできる。
【0112】
この方法は、流出時の粘性が低いガラスからなる大重量のガラス成形体を成形する場合に好適である。この方法には、複数の鋳型と、それら鋳型を順次パイプの下方に移動する機構と、熔融ガラスの鋳型への流し込みを中断するための機構が必要になるが、鋳型への熔融ガラスの流し込みと、同じ鋳型からガラス成形体を完全に取り出す操作を同時に行わなくても済むという利点がある。そのため、ガラス成形体の長さが所定の長さに達した時点で鋳型への熔融ガラスの流し込みを中断し、パイプの下方からガラス成形体を鋳型ごと搬出してガラス成形体を切断、割断することなく、鋳型から取り出すことができる。したがって、ガラス成形体の先端部(下端部)を支持してガラス成形体の取り出す速度を制御することができるので、摩擦力を利用したガラス成形体側面を保持する方法とは異なり、大重量のガラス成形体の取り出し速度を高精度に制御することができる。
【0113】
上記熔融ガラスの流し込みを中断するには、例えば、パイプの流出口と貫通孔入口の間に流出時の粘性が低い熔融ガラス流の切断に好適な一枚刃からなる切断刃を入れて、熔融ガラス流の流れを切断し、鋳型の搬出、搬入が終わった時点で切断刃を退避して熔融ガラスの流し込みを再開すればよい。この方法も上記熔融ガラスの流し込み中断以外ではパイプから流出する熔融ガラスを途切れることなしに鋳型に流し込むことが好ましい。
【0114】
鋳型の移送は、例えば2つの鋳型を使用し、鋳型を交互にパイプ流出口に搬入、搬出したり、3つ以上の鋳型をターンテーブル等の複数の鋳型を同期して移送する機構上に載せ、上記テーブルをインデックス回転し、鋳型が順次、パイプ流出口の下方で停留するようにすることで行うことができる。
【0115】
1つの鋳型を使用する方法、複数の鋳型を使用する方法のいずれにおいても、パイプを鉛直に配置し、パイプ流出口の中心の鉛直下方に鋳型内の熔融ガラス液面の中心が位置するよう、鋳型を配置することが好ましい。このようにすることで、熔融ガラスを入口側から出口側に向かってそろった状態で鋳型内を流すことができ、光学的に均質なガラス成形体を得る上で好都合である。
【0116】
このガラス成形体の製造方法は、液相温度における粘度(以下、「液相粘度」という)が100dPa・s未満のガラスからなるガラス成形体を製造する方法として好適である。ガラスを失透させないためには、失透温度域よりも高い温度で熔融ガラスを流出し、ガラスを急冷する必要がある。ガラスの失透温度域は必ずしも液相温度と精密に一致するとは限らないが、目安として液相温度近傍をガラスが失透しない流出温度の下限と考えることができる。したがって、液相粘度が100dPa・s未満のガラスを失透させずに流出するには、流出時の粘度を100dPa・s未満にする必要がある。そのため、低粘性のガラスを流出することになり、この方法の適用が効果的となる。
【0117】
ガラスの貫通孔内壁との接触面積の割合を大きくしてガラスの熱を速やかに奪うことにより、ガラスの失透を防止する効果もある。
【0118】
ガラス成形体の脈理低減、防止を主要目的とする場合、貫通孔の中心軸が直線である(入口と出口が直線的に連絡した)鋳型を使用して、鋳型貫通孔の中心軸を鉛直にして鋳型を配置し、鋳型貫通孔の入口から熔融ガラスを連続して流し込み、ガラス成形体を作製することは有効である。鋳型貫通孔の形状、寸法、鋳型の材質については前述の条件をそのまま適用することができる。そして、貫通孔中では、ガラス側面の全周を貫通孔内壁に接触させてガラスの熱を前記側面から奪うことが好ましい。この態様でも、前述のように、熔融ガラスを流出するパイプを鉛直にすることが望ましい。このようにすることにより、パイプ中のガラスの流れ、鋳型中でのガラスの移動方向、およびガラスに働く重力の方向を揃えることができる。これにより、ガラス表面と内部とが混じり合わないようにすることができ、脈理低減、防止効果を向上させることができる。脈理低減、防止効果の向上という観点から、パイプの中心軸と鋳型貫通孔の中心軸とが一致するようにパイプと鋳型の位置関係を調整して、熔融ガラスの流し込みを行うことが好ましい。
【0119】
上記方法によれば、脈理をガラス成形体の表面層に局在化させ、内部が脈理を含まない光学的に均質なガラス成形体を大きい体積にわたって得ることができる。このようにして得たガラス成形体は、後述するように、プレス成形用ガラス素材に加工したり、光学素子に加工したり、上記プレス成形用ガラス素材を加熱し、プレス成形して光学素子ブランクや光学素子を作製したり、前記光学素子ブランクを加工して光学素子を作製することもできる。
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。
【0120】
次に、本発明の光学素子および該光学素子の製造方法について説明する。
[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。
【0121】
[光学素子の製造方法]
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。
【0122】
本発明の光学素子の製造方法の別の態様は、前記ガラス成形体の製造方法IまたはII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備える光学素子の製造方法である。
【0123】
いずれの製造方法とも再加熱時の耐失透性に優れたガラスを素材として使用するので、高屈折率低分散ガラスでありながら、再加熱による成形時にガラスが失透するのを防止することができ、高い生産性のもとに光学素子を製造することができる。
【0124】
ガラス素材を加熱、軟化して成形する工程における成形法としては、軟化したガラス素材をプレス成形型を使用してプレス成形する方法、複数のローラを使用して、回転するローラ間にガラス素材を挟んで加圧し、ロッド状ガラス成形体に成形する方法などを例示できる。
【0125】
プレス成形法は、さらに2つの態様に分けることができ、第一の方法はガラス素材を加熱、軟化し、プレス成形型内に導入してプレス成形し、プレス成形品を徐冷した後、研削、研磨して光学素子に仕上げる方法である。この方法では光学素子の形状に研削しろ、研磨しろを加えた形状にガラス素材をプレス成形する。加熱、軟化から徐冷までの工程を大気中で行うことができる。この方法ではバレル研磨などにより全表面が粗面化されたガラス素材を使用し、ガラス素材全表面に窒化ホウ素などの粉末状離型剤を均一に塗布する。そして加熱炉内に導入して加熱、軟化してプレス成形型に導入する。そして上型と下型で加圧して成形した後、型を開いてプレス成形品を取り出し、徐冷炉に入れて歪みを低減するとともにガラスの屈折率を目的とする値に精密に一致させる。成形品が室温まで冷めた後、ガラス製光学素子を作製するための研削、研磨法として周知の方法を用いて研削、研磨加工して光学素子に仕上げる。このようにして球面レンズ、プリズムなどの各種光学素子を作製する。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多層膜を形成してもよい。
【0126】
第二の方法は、表面が滑らかに仕上げられたガラス素材を加熱し、精密プレス成形して光学素子を作製する方法である。精密プレス成形はモールドオプティクス成形とも呼ばれ、精密に加工した成形面を有する型部材を備え、前記型部材が高精度に組まれたプレス成形型を使用し、光学素子全体の形状を成形するとともに、前記成形面を精密にガラスに転写して光学機能面を形成する方法である。この方法では複数の光学機能面の位置精度も高精度に成形することができる。例えば、レンズ両面の光学機能面の中心軸の傾き(チルト)および前記中心軸のずれ(ディセンター)を抑えたレンズの成形が可能である。第二の方法では光学機能面、すなわち、光線を屈折させたり、回折させたり、反射させたり、透過させたりする光学素子の表面を研削や研磨などの機械加工によらずに形成できるので、非球面レンズなどの機械加工では手間とコストがかかる光学素子を高い生産性のもとに製造することができる。精密プレス成形は公知の方法にしたがって行えばよい。例えば、プレス成形用ガラス素材の全表面にカーボン膜などの離型性を高め、ガラスと型成形面の滑りをよくする機能を有する膜を形成し、非酸化性雰囲気中にて前記ガラス素材を加熱し、同雰囲気中で精密プレス成形する。次いでプレス成形型を開いてプレス成形品を取り出し、徐冷して光学素子を得る。こうして得た光学素子に必要に応じて光学機能面の周囲の部分、例えばレンズの心取りなどの機械加工を行ってもよい。このような方法により、非球面レンズ、球面レンズ、レンズアレイ、マイクロレンズ、回折格子、プリズムなどの光学素子を高い生産性のもと製造することができる。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多層膜を形成してもよい。
【0127】
本発明の光学素子は前記製造方法でも製造することができるが、次のようにして製造してもよい。前記ガラス成形体を精密アニールし、屈折率を所望の値に精密にあわせるとともにガラス中の歪みを低減し、ガラス成形体を切断または割断してカットピースを作製する。ガラス成形体の形状としては前述の棒状ガラスなどを例示できる。棒状ガラスの中心軸に垂直にガラスの割断を行う場合には側圧切断法を適用することが望ましい。
【0128】
次にカットピースを研削して光学素子の形状に研磨しろを加えた光学素子ブランクを作製し、このブランクを研磨して光学素子に仕上げる。
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。
【0129】
このようにしてレンズ、プリズム、フィルターなどの各種光学素子を高い生産性のもとに製造することができる。光学素子の表面には反射防止膜などの光学多層膜を形成してもよい。
【実施例】
【0130】
以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。
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。
【0131】
屈折率ndとアッベ数νdは日本光学硝子工業会規格JOGIS−01に基づいて測定した。
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。
【0132】
ガラス転移温度Tgは、直径5mm、長さ20mmの円柱状ガラス試料を用意し、ブルカー・エイエックスエス(BRUKER axs)製の熱機械分析装置TMA4000sを使用して測定した。
【0133】
結晶化ピーク温度Txは、ガラスを乳鉢で十分粉砕したものを試料とし、株式会社リガク製の高温型示差走査熱量計「Thermo Plus 2/DSC8270」を使用して測定した。
測定結果を表2および表4に示す。
【0134】
このようにして、Taの含有量を13質量%未満に抑えつつ、再加熱時の耐失透性に優れ、屈折率ndが1.86以上かつアッベ数νdが38以上の高屈折率低分散ガラスを得ることができた。
【0135】
【表1】


【0136】
【表2】


【0137】
[注]
合計量A: La、Gd、Y、Yb、ZrO、NbおよびWOを合計量
比率A: Ta/(La+Gd+Y+Yb+ZrO+Nb+WO
比率B: (La+Gd+Y+Yb)/(B+SiO
【0138】
【表3】


【0139】
【表4】


【0140】
[注]合計量A、比率Aおよび比率Bは、表2の脚注と同じである。
【0141】
実施例2
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。
【0142】
このようにしてφ20mmの丸棒状ガラス棒を連続的に貫通孔出口より取り出した。鋳型の直下に成形炉を配置し、鋳型から取り出した丸棒状ガラスを即、成形炉内へと移動させた。成形炉内には図示しないヒータを配置し、炉内雰囲気の温度を丸棒状ガラスが破損しない温度域に維持した。上記ローラを成形炉内に配置した。成形炉の中を時間をかけて丸棒状ガラスは通過するが、その間に丸棒状ガラスの中心部と表面の温度が近づくため、丸棒状ガラス自体を爆発的に破壊するような内部応力は発生せず、ガラスを破損させずに丸棒状ガラスを成形することができた。
【0143】
次に成形炉から出た丸棒状ガラスの側面の一部に、丸棒状ガラスの中心軸に垂直な方向にスクライブ加工によってケガキ線を形成した。そしてケガキ線を形成した部分を局部的に冷やしてケガキ線から中心に向けてクラックが延びるように、内部水路に水を流した金属製ジャケットをケガキ線に接触させた。このとき、金属製ジャケットを丸棒状ガラスの動きに追従させて、ケガキ線と接触した状態を保つようにした。クラックが成長した時点で丸棒状ガラスの中心軸に対し、ケガキ線が形成された部位の反対側の部位を支点で支え、ケガキ線よりも下方のガラス成形体側面を押圧してケガキ線を形成した高さよりも上の丸棒状ガラスから下の丸棒状ガラスを分離した。なお、本実施例の丸棒状ガラスは外径が20mmと比較的細いので、金属製ジャケットを接触させることによる熱衝撃を加えなくても良好な分離を行うことができた。
【0144】
分離の際、分離する丸棒状ガラスの側面をロボットアームで保持し、分離後に前記アームで保持した状態で鋳型と成形炉の脇に置かれた連続式徐冷炉入口に丸棒状ガラスを移送した。連続式徐冷炉内にヒータとガラスを搬送するベルトコンベアを配置し、温度分布が制御された炉中でベルト上に載置した丸棒状ガラスを移動させながら徐冷して歪みを除いた。
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。
【0145】
実施例3
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。
【0146】
実施例4
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。
【0147】
実施例5
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。
【0148】
実施例6
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。
【産業上の利用可能性】
【0149】
本発明の光学ガラスは、耐失透性の優れた高屈折率低分散光学ガラスであり、この光学ガラスを用い、加熱軟化成形用ガラス素材および光学素子を提供することができる。
また、高価なTa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。
【図面の簡単な説明】
【0150】
【図1】本発明のガラス成形体の製造方法の一例を示す説明図である。
【図2】貫通孔からのガラスの取り出し速度を制御する方法の一例を示す説明図である。
【図3】ガラス成形体の切り離し方法の具体例を示す説明図である。
【図4】ガラス成形体の切り離し方法の具体例を示す説明図である。
【図5】ガラス成形体の切り離し方法の具体例を示す説明図である。
【図6】側圧切断法の一例を示す説明図である。
【図7】側圧切断法の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【0151】
1 パイプ
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
【出願人】 【識別番号】000113263
【氏名又は名称】HOYA株式会社
【出願日】 平成18年6月21日(2006.6.21)
【代理人】 【識別番号】100080850
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 静男


【公開番号】 特開2008−1551(P2008−1551A)
【公開日】 平成20年1月10日(2008.1.10)
【出願番号】 特願2006−171569(P2006−171569)