光学ガラス
【課題】一般の光学ガラスでは実現できなかった、高い硬度と高いヤング率とを有し、かつ高屈折率で低分散の光学ガラスを提供する。
【解決手段】本発明の光学ガラスは、ｍｏｌ％で示す組成が次の条件を満たす：４０％≦Ａｌ2Ｏ3≦５４％；２０％≦Ｌａ2Ｏ3＋Ｙ2Ｏ3≦３０％；０％≦Ｌａ2Ｏ3≦３０％；０％≦Ｙ2Ｏ3≦３０％；１６％≦ＺｒＯ2＋Ｎｂ2Ｏ5＋Ｔａ2Ｏ5＋ＭｇＯ≦３０％；０％≦ＺｒＯ2≦２５％；０％≦Ｎｂ2Ｏ5≦１０％；０％≦Ｔａ2Ｏ5≦１０％；０％≦ＭｇＯ≦１５％；０％≦Ｓｃ2Ｏ3≦１０％；０％≦Ｙｂ2Ｏ3≦５％；０≦ＳｉＯ2≦１５％。
【解決手段】本発明の光学ガラスは、ｍｏｌ％で示す組成が次の条件を満たす：４０％≦Ａｌ2Ｏ3≦５４％；２０％≦Ｌａ2Ｏ3＋Ｙ2Ｏ3≦３０％；０％≦Ｌａ2Ｏ3≦３０％；０％≦Ｙ2Ｏ3≦３０％；１６％≦ＺｒＯ2＋Ｎｂ2Ｏ5＋Ｔａ2Ｏ5＋ＭｇＯ≦３０％；０％≦ＺｒＯ2≦２５％；０％≦Ｎｂ2Ｏ5≦１０％；０％≦Ｔａ2Ｏ5≦１０％；０％≦ＭｇＯ≦１５％；０％≦Ｓｃ2Ｏ3≦１０％；０％≦Ｙｂ2Ｏ3≦５％；０≦ＳｉＯ2≦１５％。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学材料として好適に用いられる光学ガラス、特に高い強度を有する光学ガラスに関する。
【背景技術】
【０００２】
カメラ、顕微鏡、望遠鏡、あるいは内視鏡といった光学機器に用いられる光学系は、光学特性（主に屈折率と、その波長分散を表わすアッベ数）の異なる材料で形成されたレンズを組み合わせて、収差を補正している。屈折率とアッベ数との組み合わせの幅が広いほど光学設計の自由度が増すので有利であり、特に高屈折率材料や低分散材料（アッベ数の大きい材料）は収差補正に有用である。
【０００３】
また、これらの光学機器において最も外側に位置するレンズ面は、常に外気にさらされていることから、ゴミや指紋の付着、あるいは結露による汚れがつきやすく、これらの汚れを拭き取る操作も頻繁に行なわれる。また、レンズ面が、誤って金属、ガラス、セラミックスといった硬い物体と衝突する可能性もある。従って、最も外側に位置するレンズの材料には、傷が付きにくいガラス材料を用いることが好ましい。ガラス材料の「傷つきにくさ」に関連する特性としては、「硬度」と「ヤング率」とがあり、これらの数値は高いほど好ましい。
【０００４】
このような理由により、高屈折率および低分散に加え、さらに高い硬度と高いヤング率とを有する光学ガラスは、レンズ材料として非常に有用である。現在市販されている光学ガラスの中で、硬度あるいはヤング率の特に大きいものを表１に示す。出典は、２０１０年４月における各社の公開カタログである。
【０００５】
【表１】
【０００６】
表１に記載の市販光学ガラスのうち、（株）オハラのＬ−ＢＢＨ１はヤング率が飛びぬけて大きいものの、ヌープ硬度が非常に小さいので例外とすると、
硬度（ビッカース硬度あるいはヌープ硬度）：７．０ＧＰａ以上
ヤング率：１２０ＧＰａ以上
であれば、現状の光学ガラスとしては最高クラスといえる。
【０００７】
光学ガラスの組成を改良して光学特性や物理的強度を向上させるにあたって、最も大きな障害となるのは、ガラスの結晶化である。光学ガラスは、ルツボで熔融した原料を冷却して固化させることによって作られるが、結晶化しやすい組成の場合は冷却中に結晶が析出するため、透明で均一なガラス塊とすることができない。このような現象は、「結晶化」あるいは「失透」と呼ばれる。結晶化は、ガラス中に生じた微小な結晶を起点として、これが成長することによって起こることもあるが、ガラスが固体（例えばルツボ材料としての粘土や白金）と接触していると、その界面を核生成点としての結晶化が非常に起こりやすいことが知られている。
【０００８】
ガラスの結晶化が進行するのは、熔融状態と固体状態との中間の温度域である。熔融状態では原子がある程度自由に動けるので結晶は析出せず、また、固体状態では原子が動かないので結晶は成長しない。したがって、急冷により結晶化の起こる温度領域を短時間で通過してしまえば、結晶化を防ぐことができるといえる。急冷の具体的な方法としては、熔融状態の原料を、「金属ローラーの間に挟む」、「水中に投入する」、といった方法が用いられている。しかしながら、このような急冷法によって得られるガラスは、微細な粉状あるいはフレーク状といった形態となるので、例えばレンズのような光学素子として用いることが難しい、という問題点があった。レンズの材料とするためには、ある程度の大きさ（少なくとも最小径（最小部分の長さ）が０．５ｍｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上の大きさ）を有する、均質なガラス体を用意する必要がある。
【０００９】
結晶化しやすい組成でありながら、ある程度の大きさのガラスを製造する方法として、原料を上向きのガスノズルにより空中に浮遊させ、その状態でレーザを照射してガラス化する、無容器凝固法によるガラス製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、ガラスをルツボ等の容器と接触させないまま熔融および凝固させることができるため、界面を核生成点とする結晶化を防ぐことができる。その結果、非常に結晶化しやすい強誘電体であるチタン酸バリウムを組成とする重量２０ｍｇのガラス球が得られている。
【００１０】
また、特許文献２には、上記無容器凝固法により作製されたガラスの組成が多数列挙されている。例えば、無容器凝固法を用いて作製されたＬａ2Ｏ3−ＴｉＯ2−ＺｒＯ2系組成を有するガラス（ＺｒＯ2を含まない場合もある）の例が、複数示されている。
【００１１】
特許文献３には、上記無容器凝固法と同様の方法により作製されたガラスとして、Ａｌ2Ｏ3−ＲＥ2Ｏ3系およびＡｌ2Ｏ3−ＲＥ2Ｏ3−ＳｉＯ2系のガラス組成(ＲＥは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる１種以上の元素を意味する)を有する、単相のガラスが開示されている。
【００１２】
また、特許文献４には、高い硬度が要求される歯科用材料として、Ａｌ2Ｏ3を多く含む組成を有するガラスまたはガラス−セラミックが開示されている。また、光学的用途に適したガラスの例として、特許文献５には、Ｎｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＲＥＯ（rare-earth oxide）などを含む組成を有するガラスが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−２４８８０１号公報
【特許文献２】国際公開第２００８／０３２７８９号パンフレット
【特許文献３】米国特許第６,４８２,７５８号公報
【特許文献４】特表２００７−５０４２８６号公報
【特許文献５】特表２００７−５０５８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記特許文献１および２に具体的な実施例として記載されているガラス組成は、すべて多量のＴｉＯ2を含んでおり、ＴｉＯ2をガラス形成の基幹としている。ＴｉＯ2は屈折率を非常に高くする成分であるが、その反面、波長による分散を大きくする働きも大きい。したがって、ＴｉＯ2を多く含むガラスは、アッベ数が３０未満の高分散材料となってしまい、光学系全体での色収差補正が難しくなる、という問題点がある。
【００１５】
特許文献３には、Ｌａ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、およびＹ2Ｏ3を主成分とするガラスの組成が多数開示されている。しかし、特許文献３には、硬度、ヤング率、屈折率およびアッベ数といった特性は開示されておらず、高屈折率および低分散に加え、さらに高い硬度と高いヤング率とを実現できるガラス組成は認識されていない。
【００１６】
特許文献４には、歯科用材料に使用できるガラスの組成範囲が広く開示されている。しかし、特許文献４に開示されている、実際に得られたガラス（実施例のガラス）は、直径１５０μｍ以下のビーズ状の塊であり、光学部品の材料には適さない。また、特許文献４には、屈折率およびアッベ数といった特性は開示されていない。したがって、特許文献４においては、高屈折率および低分散に加え、さらに高い硬度と高いヤング率とを実現できるガラス組成は認識されていない。
【００１７】
特許文献５には、光学的用途に使用できるガラスの組成範囲が広く開示されている。しかし、特許文献５に開示されている、実際に得られたガラス（実施例のガラス）は、大きさ２５０μｍ以下の球形粒子であり、光学部品の材料には適さない。また、特許文献５には、硬度、ヤング率、屈折率およびアッベ数といった特性は開示されていない。したがって、特許文献５においては、高屈折率および低分散に加え、さらに高い硬度と高いヤング率とを実現できるガラス組成は認識されていない。
【００１８】
そこで、本発明は、高屈折率および低分散の光学的特性に加え、さらに高い硬度および高いヤング率をも備えた、高い強度を有する新規な光学ガラス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】
【００１９】
本発明は、ｍｏｌ％で示す組成が以下の条件を満たす、光学ガラスを提供する。
４０％≦Ａｌ2Ｏ3≦５４％
２０％≦Ｌａ2Ｏ3＋Ｙ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｌａ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｙ2Ｏ3≦３０％
１６％≦ＺｒＯ2＋Ｎｂ2Ｏ5＋Ｔａ2Ｏ5＋ＭｇＯ≦３０％
０％≦ＺｒＯ2≦２５％
０％≦Ｎｂ2Ｏ5≦１０％
０％≦Ｔａ2Ｏ5≦１０％
０％≦ＭｇＯ≦１５％
０％≦Ｓｃ2Ｏ3≦１０％
０％≦Ｙｂ2Ｏ3≦５％
０≦ＳｉＯ2≦１５％
【発明の効果】
【００２０】
本発明の光学ガラスは、従来のガラス組成では実現することが困難であった、硬度およびヤング率が高く、かつ高屈折率および低分散である、という特性を実現することができる。したがって、本発明の光学ガラスを、例えば光学装置の外側のレンズの材料として用いた場合、レンズに傷が付きにくくなる。その結果、本発明の光学ガラスによれば、光学装置の耐久性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施例によって得られた光学ガラスおよび市販されている光学ガラスの光学特性と、本発明による好ましい光学特性の範囲とを示す図である。
【図２】実施例において、無容器凝固法によってガラス原料を熔融する際に用いた装置を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の光学ガラスは、一般の光学ガラスでは実現できなかった、高い硬度と高いヤング率とを有し、かつ高屈折率で低分散の光学ガラスを提供することを課題としてなされたものである。このような課題を受け、本発明者らは、酸化アルミニウム（アルミナ（Ａｌ2Ｏ3））を主要な成分とする組成を検討し、本発明の光学ガラスの組成に至った。以下、本発明の光学ガラスの実施の形態について説明する。
【００２３】
本実施の形態の光学ガラスは、ｍｏｌ％で示す組成が以下の条件を満たす。
４０％≦Ａｌ2Ｏ3≦５４％
２０％≦Ｌａ2Ｏ3＋Ｙ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｌａ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｙ2Ｏ3≦３０％
１６％≦ＺｒＯ2＋Ｎｂ2Ｏ5＋Ｔａ2Ｏ5＋ＭｇＯ≦３０％
０％≦ＺｒＯ2≦２５％
０％≦Ｎｂ2Ｏ5≦１０％
０％≦Ｔａ2Ｏ5≦１０％
０％≦ＭｇＯ≦１５％
０％≦Ｓｃ2Ｏ3≦１０％
０％≦Ｙｂ2Ｏ3≦５％
０≦ＳｉＯ2≦１５％
【００２４】
この組成によれば、高い硬度と高いヤング率とを有し、かつ高屈折率で低分散のガラスを実現できる。したがって、光学特性の領域をより広げることが可能であって、かつ高い強度を備えた光学ガラスの提供が可能となる。
【００２５】
Ａｌ2Ｏ3は、その透明な結晶であるサファイアの特性（屈折率１．７７、アッベ数７２、ビッカース硬度２２．５ＧＰａ、ヤング率４７０ＧＰａ）からわかるように、非常に低分散であり、かつビッカース硬度およびヤング率が非常に高く、ガラスの成分として用いる場合でもこれらの特性は残っている。そこで、本実施の形態の光学ガラスは、Ａｌ2Ｏ3の特性を生かすために、４０％≦Ａｌ2Ｏ3≦５４％を満たすようにＡｌ2Ｏ3を含む（成分の単位は、以下すべてｍｏｌ％である）。Ａｌ2Ｏ3量が４０％未満であると、上記特性の作用が小さくなる。また、５４％を超えると、結晶化が起こりやすくなり、透明なガラスを得ることが困難となるため、好ましくない。
【００２６】
Ａｌ2Ｏ3を多量に含む組成をガラス化しやすくするために、本実施の形態の光学ガラスは、Ｌａ2Ｏ3およびＹ2Ｏ3から選ばれる少なくともいずれか１種を含む。Ｌａ2Ｏ3およびＹ2Ｏ3の合計を、２０％〜３０％の範囲内とする。Ｌａ2Ｏ3およびＹ2Ｏ3の合計が２０％未満、もしくは３０％を超えると、結晶化が起こりやすくなるので、不適当である。また、Ｌａ2Ｏ3およびＹ2Ｏ3は、どちらもガラスの硬度やヤング率を高くする成分であるので、この点でも好ましい成分である。また、結晶化を起こさないために、Ｌａ2Ｏ3およびＹ2Ｏ3の合計を、２１％〜２７％の範囲内とすることが好ましい。
【００２７】
ただし、Ｌａ2Ｏ3およびＹ2Ｏ3の量は、それぞれ、
０％≦Ｌａ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｙ2Ｏ3≦３０％
の範囲内である。上記範囲を超えると、ガラスが結晶化しやすくなる。Ｌａ2Ｏ3およびＹ2Ｏ3の量の好ましい範囲は、それぞれ、
１１％≦Ｌａ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｙ2Ｏ3≦１７％
の範囲内である。
【００２８】
さらに、本実施の形態の光学ガラスは、ＺｒＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5およびＭｇＯから選ばれる少なくともいずれか１種を含む。ＺｒＯ2、Ｎｂ2Ｏ5およびＴａ2Ｏ5は、ガラスの硬度やヤング率を高くする効果がある成分である。また、ＭｇＯは、ガラスの融点を下げてガラス化しやすくする効果がある。さらに、Ｍｇは、アルカリ土類金属の中ではイオン半径が小さいので、イオン密度が大きくなり、ガラスの構造を堅牢にする効果がある。
【００２９】
これらの成分の合計は、１６％≦ＺｒＯ2＋Ｎｂ2Ｏ5＋Ｔａ2Ｏ5＋ＭｇＯ≦３０％の範囲を満たす。これらの成分の合計が１６％未満であると、硬度およびヤング率を高くするという効果が小さくなるので、不適当である。また、３０％を超えると、ガラスの結晶化が起こりやすくなるので、不適当である。結晶化を起こさないための好ましい範囲は、２１％≦ＺｒＯ2＋Ｎｂ2Ｏ5＋Ｔａ2Ｏ5＋ＭｇＯ≦２６％である。
【００３０】
また、特定成分を多くするとガラスの結晶化が起こるので、それぞれの量は、
０％≦ＺｒＯ2≦２５％
０％≦Ｎｂ2Ｏ5≦１０％
０％≦Ｔａ2Ｏ5≦１０％
０％≦ＭｇＯ≦１５％
の範囲内とする。また、結晶化を防ぐための好ましい範囲は、
１５％≦ＺｒＯ2≦２５％
０％≦Ｎｂ2Ｏ5≦５％
０％≦Ｔａ2Ｏ5≦５％
０％≦ＭｇＯ≦５％
である。
【００３１】
Ｓｃ2Ｏ3およびＹｂ2Ｏ3も、ガラスの硬度およびヤング率を高くする、好ましい成分である。したがって、それぞれ、
０％≦Ｓｃ2Ｏ3≦１０％
０％≦Ｙｂ2Ｏ3≦５％
の範囲で添加してもよい。ただし、添加量が上記の量を超えると結晶化が起こりやすくなるため、不適当である。また、結晶化を防ぐための好ましい範囲は、
０％≦Ｓｃ2Ｏ3≦５％
である。
【００３２】
ＳｉＯ2は、ガラス化しやすくする効果が大きいので、１５％以下の範囲で添加してもよい。ＳｉＯ2は、ガラスの硬度およびヤング率を低下させる成分でもあるので、１５％を超える量とするとことは好ましくない。高い硬度およびヤング率をより確実に実現するために、ＳｉＯ2量を４％以下とすることが好ましい。
【００３３】
なお、本実施の形態の光学ガラスは、上記各成分のみから構成されることが望ましいが、光学特性、ガラス化しやすさ、化学的耐久性等を改良する目的、あるいは不純物として、上記成分以外の他の成分が少量（１０ｍｏｌ％以下）含まれることも許容される。
【００３４】
たとえば融点を下げてガラス化しやすくするためには、他の成分として、Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｒｂ2ＯおよびＣｓ2Ｏといったアルカリ金属酸化物、または、Ｂ2Ｏ3を添加すればよい。これらの成分には、屈折率を低くする作用もある。また、光学特性（屈折率や分散）の調整、化学的耐久性等の改良、あるいは失透を防止する目的で添加される成分としては、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｐ2Ｏ5、ＺｎＯ、ＧｅＯ2、ＭｏＯ3、ＡｇＯ、ＣｄＯ、Ｓｂ2Ｏ3、ＷＯ3、Ｔｌ2Ｏ、ＰｂＯおよびＢｉ2Ｏ3等の酸化物が挙げられる。さらに、希土類元素であるＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕ等の酸化物を添加すると、発光特性などを付与することもできる。
【００３５】
また、本実施の形態の光学ガラスは、実質的に上記成分のみからなるものであってもよい。ここでの、「実質的に上記成分のみからなる」とは、不純物として不可避に混入する成分を除き、上記成分以外の他の成分が含まれないということを意味する。なお、この場合に不純物として混入する成分の含有量は、例えば１ｍｏｌ％以下、好ましくは０．５ｍｏｌ％以下である。
【００３６】
本実施の形態の光学ガラスにおいて、好ましいビッカース硬度Ｈｖおよびヤング率Ｅは、それぞれ
７．４ＧＰａ≦Ｈｖ
１３０ＧＰａ≦Ｅ
である。これらは、光学ガラスとしては非常に高い数値であり、物理的強度が極めて大きいことを示している。物理的強度の観点から、これらの数値は高いほど好ましいので、上限値の設定は不要である。ただし、後述の実施例の結果等から、本実施の形態の光学ガラスによって得られるビッカース硬度Ｈvおよびヤング率Ｅの上限値を、例えばＨｖ≦１０ＧＰａ、Ｅ≦２００ＧＰａ程度としてもよい。
【００３７】
本実施の形態の光学ガラスは、好ましい光学特性として、屈折率ｎdが１．７５≦ｎd≦１．９５で、アッベ数νdが１６０−（２００／３）ｎd≦νd≦１７０−（２００／３）ｎdを満たすガラスとすることができる。図１は、本実施の形態の光学ガラスによって実現できる屈折率ｎdおよびアッベ数νdの領域（図中、「本発明の好ましい範囲」として示されている領域）と、具体的な実施例の数値とを、光学ガラスメーカー（株式会社住田光学ガラス）から市販されている約１００種類の光学ガラスと共に示すものである。点がプロットされている領域が、現在、光学ガラスとして実現可能な範囲である。なお、この領域は、他の光学ガラスメーカーの製品の場合でもほとんど一致している。図１より、本実施の形態における光学ガラスは、一般の光学ガラスの領域の左半分（低分散側）と重なる低分散ガラスであることがわかる。したがって、本実施の形態の光学ガラスは、光学設計上の収差補正に有用である。
【００３８】
本実施の形態の光学ガラスは、例えば最小部分の長さが０．５ｍｍ以上の比較的大きなサイズとすることも可能であるため、レンズ等の光学素子の材料として適用可能である。
【００３９】
次に、本発明の光学ガラスの製造方法について説明する。本発明の光学ガラスの組成は、一般の光学ガラスよりも結晶化しやすいので、通常のルツボによる熔融および冷却（凝固）ではガラス化が困難な場合がある。その場合でも、例えば、後述する実施例に示すように、無容器凝固法を利用することにより、ある程度の大きさを有する透明で均質なガラスを得ることができる。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明について実施例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明は、本発明の要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。また、以下の実施例において、各成分の含有量は全てｍｏｌ％で示される。
【００４１】
実施例では、表２に示す組成１〜２０について、無容器凝固法による熔融を行った。
【００４２】
まず、本実施例で用いた無容器凝固法について説明する。図２は、無容器凝固法によってガラス原料を熔融するために本実施例で用いた装置の全体を示す模式図である。この装置は、ガラス原料（熔融物）を浮遊させるために気体を流出させる噴出ノズル１を備えている。噴出ノズル１は支柱２に固定されており、気体を供給するためのチューブ３と接続されている。チューブ３は、流量を調整するためのレギュレータ４および流量計５を介して、高圧ガスボンベ（図示せず）に接続されている。この装置は、さらに、ガラス原料にレーザ光を照射するためのレーザ発振器６を備えている。レーザ発振器６は、噴出ノズル１が固定されている支柱２の横枝７に固定されている。レーザ発振器６から出射したレーザ光８は、横枝７に固定されたミラー９によって進行方向が変えられて、凸レンズ１０によって浮遊体１１（ガラス原料）に焦点を結ぶ。また、横枝７において、レーザ発振器６固定側と反対側には、浮遊体１１の状態を観察するためのＣＣＤカメラ１２が設置されている。
【００４３】
以下、図２に示す装置による本実施例のガラス製造の手順を説明する。最初に、別途原料ペレットを作製した。原料ペレットは、ガラスの材料（金属酸化物等）の粉体（試薬特級品）を、得られるガラスの組成が表２に示す組成１〜２０となるように、それぞれ所定のモル比率で調合してガラス原料としたものである。調合したガラス原料を乳鉢ですりつぶし、エタノールを加えて充分に混合してからセラミックス製ルツボに入れて、電気炉中で１０００℃、１２時間の焼成（第１回）を行なった。焼成後のガラス原料を再び乳鉢ですりつぶし、エタノールを加えて粘度を調整してから、プレス加工用ダイスを用いて、約１．６×１０7Ｐａの圧力をかけて直径４ｍｍ、厚さ約３ｍｍの円盤状に成型した。円盤状に成型したものを、電気炉中にて１１００℃、１２時間の焼成（第２回）を行ない、充分冷めたものを原料ペレットとした。
【００４４】
このように作製したペレットを、図２の噴出ノズル１に置き、レギュレータ４と流量計５とにより気体の流量を適量として浮遊させてから、レーザ発振器６を起動してペレットにレーザ光を照射して、ペレットを加熱した。ペレットは数秒で熔融し、自らの表面張力により球状となった状態でノズル１内に浮遊した。均一な熔融体となったところでレーザ光照射を止めると、熔融体は急冷されて球状ガラスとなった。球状ガラスの温度は数秒で室温まで低下したので、ピンセットで噴出ノズル１から取り出すことができた。
【００４５】
レーザ発振器６には、コヒレント・ジャパン社の炭酸ガスレーザー装置「E−４００」型を用いた。発振波長は１０．６μｍ、最大出力は公称４００Ｗであった。
【００４６】
本実施例では、原料ペレットを図２の装置の噴出ノズル１内に置き、乾燥空気を約２リットル／分の流量で流して、原料ペレットを浮遊させた。この状態でレーザ光を照射して原料ペレットを熔融した後、レーザ光照射を止めることによって冷却した。その結果、直径２．８〜３．２ｍｍの無色透明な球状ガラスが得られ、失透や脈理は認められなかった。
【００４７】
得られた球状ガラスについて、ビッカース硬度Ｈｖ、ヤング率Ｅ、屈折率ｎd、アッベ数νd、を、それぞれ以下の方法で測定した。その結果を、表２および図１に示す。
【００４８】
【表２】
【００４９】
表２に示された結果より、本発明の組成範囲に含まれる組成１〜２０のガラスは、
ビッカース硬度Ｈv：７．５ＧＰａ≦Ｈv≦８．６７ＧＰａ
ヤング率Ｅ：１３４ＧＰａ≦Ｅ≦１６０ＧＰａ
の範囲にあることがわかる。
【００５０】
また、屈折率ｎdおよびアッベ数νdについて、本発明の組成範囲に含まれる組成１〜２０のガラスは、表２および図１に示された結果より、
屈折率ｎd：１．７５≦ｎd≦１．９５
アッベ数νd：１６０−（２００／３）ｎd≦νd≦１７０−（２００／３）ｎd
の範囲にあることがわかる。
【００５１】
＜屈折率の測定方法＞
得られた球状ガラスを研磨して互いに直交する２面を作製し、測定サンプルとした。この測定サンプルについて、屈折計により屈折率を測定した。使用した屈折計は、島津デバイス製造（株）製のＫＰＲ−２００型であった。
【００５２】
＜アッベ数の測定方法＞
アッベ数はｄ線、Ｃ線、Ｆ線の波長における屈折率（ｎd、ｎC、ｎF）から、以下の計算式を用いて求めた。
νd＝（ｎd−１）／（ｎF−ｎC）
【００５３】
＜ビッカース硬度の測定方法＞
ビッカース硬度Ｈｖの荷重は、直径約３ｍｍの球状ガラスを平行平面研磨して厚さ約１．２ｍｍの円盤を測定サンプルとして作製し、マイクロビッカース硬度計（Ａｋａｓｈｉ製、型番：ＭＶＫ−Ｇ２）により測定した。
【００５４】
＜ヤング率の測定方法＞
ビッカース硬度の測定サンプルと同様に、厚さ約１．２ｍｍの円盤を作製し、測定サンプルとした。超音波厚さ計（日本パナメトリクス株式会社製）を用いて、測定サンプル中の縦波と横波の反射速度を測定し、測定サンプルの厚みおよび密度と合わせて算出した。
【００５５】
（比較例１）
表３に示す、本発明の組成を満たさない比較組成１−１〜１−５について、実施例と同様の方法でガラス熔融を行った。また、実施例と同様の方法で、ビッカース硬度Ｈｖとヤング率Ｅとを測定した。その結果を、表３に併せて示す。
【００５６】
【表３】
【００５７】
比較組成１−１〜１−３はガラス化したものの、ビッカース硬度Ｈｖとヤング率Ｅの範囲は、表３に示すように、
ビッカース硬度Ｈｖ：６．４９ＧＰａ≦Ｈｖ≦６．７４ＧＰａ
ヤング率Ｅ：１１５ＧＰａ≦Ｅ≦１１７ＧＰａ
の範囲であり、実施例の組成１〜２０のガラスと比較して物理的な耐久性が不十分であった。また、比較組成１−４および１−５は、ビッカース硬度Ｈｖとヤング率Ｅの値が大きいものの、全体が分相により乳白色となり、光学用途のガラス材料としては不適当であった。なお、比較組成１−５は分相のためヤング率の測定ができなかった。
【００５８】
（比較例２）
表４に示す、本発明の組成を満たさない比較組成２−１〜２−２３について、実施例と同様の方法でガラス熔融を行ったが、すべて結晶化して白色不透明の球体となり、ガラス化しなかった。
【００５９】
【表４】
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明によって得られる光学ガラスは、光学特性および物理的強度に優れており、さらにある程度大きなサイズであっても実現可能である。したがって、レンズ等の光学素子等に好適に利用でき、光学機器の最外面に用いられるレンズなどの材料としても好適に利用できる。
【符号の説明】
【００６１】
１ 噴出ノズル
２ 支柱
３ チューブ
４ レギュレータ
５ 流量計
６ レーザ発振器
７ 横枝
８ レーザ光
９ ミラー
１０ 凸レンズ
１１ 浮遊体（ガラス原料）
１２ ＣＣＤカメラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学材料として好適に用いられる光学ガラス、特に高い強度を有する光学ガラスに関する。
【背景技術】
【０００２】
カメラ、顕微鏡、望遠鏡、あるいは内視鏡といった光学機器に用いられる光学系は、光学特性（主に屈折率と、その波長分散を表わすアッベ数）の異なる材料で形成されたレンズを組み合わせて、収差を補正している。屈折率とアッベ数との組み合わせの幅が広いほど光学設計の自由度が増すので有利であり、特に高屈折率材料や低分散材料（アッベ数の大きい材料）は収差補正に有用である。
【０００３】
また、これらの光学機器において最も外側に位置するレンズ面は、常に外気にさらされていることから、ゴミや指紋の付着、あるいは結露による汚れがつきやすく、これらの汚れを拭き取る操作も頻繁に行なわれる。また、レンズ面が、誤って金属、ガラス、セラミックスといった硬い物体と衝突する可能性もある。従って、最も外側に位置するレンズの材料には、傷が付きにくいガラス材料を用いることが好ましい。ガラス材料の「傷つきにくさ」に関連する特性としては、「硬度」と「ヤング率」とがあり、これらの数値は高いほど好ましい。
【０００４】
このような理由により、高屈折率および低分散に加え、さらに高い硬度と高いヤング率とを有する光学ガラスは、レンズ材料として非常に有用である。現在市販されている光学ガラスの中で、硬度あるいはヤング率の特に大きいものを表１に示す。出典は、２０１０年４月における各社の公開カタログである。
【０００５】
【表１】
【０００６】
表１に記載の市販光学ガラスのうち、（株）オハラのＬ−ＢＢＨ１はヤング率が飛びぬけて大きいものの、ヌープ硬度が非常に小さいので例外とすると、
硬度（ビッカース硬度あるいはヌープ硬度）：７．０ＧＰａ以上
ヤング率：１２０ＧＰａ以上
であれば、現状の光学ガラスとしては最高クラスといえる。
【０００７】
光学ガラスの組成を改良して光学特性や物理的強度を向上させるにあたって、最も大きな障害となるのは、ガラスの結晶化である。光学ガラスは、ルツボで熔融した原料を冷却して固化させることによって作られるが、結晶化しやすい組成の場合は冷却中に結晶が析出するため、透明で均一なガラス塊とすることができない。このような現象は、「結晶化」あるいは「失透」と呼ばれる。結晶化は、ガラス中に生じた微小な結晶を起点として、これが成長することによって起こることもあるが、ガラスが固体（例えばルツボ材料としての粘土や白金）と接触していると、その界面を核生成点としての結晶化が非常に起こりやすいことが知られている。
【０００８】
ガラスの結晶化が進行するのは、熔融状態と固体状態との中間の温度域である。熔融状態では原子がある程度自由に動けるので結晶は析出せず、また、固体状態では原子が動かないので結晶は成長しない。したがって、急冷により結晶化の起こる温度領域を短時間で通過してしまえば、結晶化を防ぐことができるといえる。急冷の具体的な方法としては、熔融状態の原料を、「金属ローラーの間に挟む」、「水中に投入する」、といった方法が用いられている。しかしながら、このような急冷法によって得られるガラスは、微細な粉状あるいはフレーク状といった形態となるので、例えばレンズのような光学素子として用いることが難しい、という問題点があった。レンズの材料とするためには、ある程度の大きさ（少なくとも最小径（最小部分の長さ）が０．５ｍｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上の大きさ）を有する、均質なガラス体を用意する必要がある。
【０００９】
結晶化しやすい組成でありながら、ある程度の大きさのガラスを製造する方法として、原料を上向きのガスノズルにより空中に浮遊させ、その状態でレーザを照射してガラス化する、無容器凝固法によるガラス製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、ガラスをルツボ等の容器と接触させないまま熔融および凝固させることができるため、界面を核生成点とする結晶化を防ぐことができる。その結果、非常に結晶化しやすい強誘電体であるチタン酸バリウムを組成とする重量２０ｍｇのガラス球が得られている。
【００１０】
また、特許文献２には、上記無容器凝固法により作製されたガラスの組成が多数列挙されている。例えば、無容器凝固法を用いて作製されたＬａ2Ｏ3−ＴｉＯ2−ＺｒＯ2系組成を有するガラス（ＺｒＯ2を含まない場合もある）の例が、複数示されている。
【００１１】
特許文献３には、上記無容器凝固法と同様の方法により作製されたガラスとして、Ａｌ2Ｏ3−ＲＥ2Ｏ3系およびＡｌ2Ｏ3−ＲＥ2Ｏ3−ＳｉＯ2系のガラス組成(ＲＥは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる１種以上の元素を意味する)を有する、単相のガラスが開示されている。
【００１２】
また、特許文献４には、高い硬度が要求される歯科用材料として、Ａｌ2Ｏ3を多く含む組成を有するガラスまたはガラス−セラミックが開示されている。また、光学的用途に適したガラスの例として、特許文献５には、Ｎｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＲＥＯ（rare-earth oxide）などを含む組成を有するガラスが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−２４８８０１号公報
【特許文献２】国際公開第２００８／０３２７８９号パンフレット
【特許文献３】米国特許第６,４８２,７５８号公報
【特許文献４】特表２００７−５０４２８６号公報
【特許文献５】特表２００７−５０５８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記特許文献１および２に具体的な実施例として記載されているガラス組成は、すべて多量のＴｉＯ2を含んでおり、ＴｉＯ2をガラス形成の基幹としている。ＴｉＯ2は屈折率を非常に高くする成分であるが、その反面、波長による分散を大きくする働きも大きい。したがって、ＴｉＯ2を多く含むガラスは、アッベ数が３０未満の高分散材料となってしまい、光学系全体での色収差補正が難しくなる、という問題点がある。
【００１５】
特許文献３には、Ｌａ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、およびＹ2Ｏ3を主成分とするガラスの組成が多数開示されている。しかし、特許文献３には、硬度、ヤング率、屈折率およびアッベ数といった特性は開示されておらず、高屈折率および低分散に加え、さらに高い硬度と高いヤング率とを実現できるガラス組成は認識されていない。
【００１６】
特許文献４には、歯科用材料に使用できるガラスの組成範囲が広く開示されている。しかし、特許文献４に開示されている、実際に得られたガラス（実施例のガラス）は、直径１５０μｍ以下のビーズ状の塊であり、光学部品の材料には適さない。また、特許文献４には、屈折率およびアッベ数といった特性は開示されていない。したがって、特許文献４においては、高屈折率および低分散に加え、さらに高い硬度と高いヤング率とを実現できるガラス組成は認識されていない。
【００１７】
特許文献５には、光学的用途に使用できるガラスの組成範囲が広く開示されている。しかし、特許文献５に開示されている、実際に得られたガラス（実施例のガラス）は、大きさ２５０μｍ以下の球形粒子であり、光学部品の材料には適さない。また、特許文献５には、硬度、ヤング率、屈折率およびアッベ数といった特性は開示されていない。したがって、特許文献５においては、高屈折率および低分散に加え、さらに高い硬度と高いヤング率とを実現できるガラス組成は認識されていない。
【００１８】
そこで、本発明は、高屈折率および低分散の光学的特性に加え、さらに高い硬度および高いヤング率をも備えた、高い強度を有する新規な光学ガラス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】
【００１９】
本発明は、ｍｏｌ％で示す組成が以下の条件を満たす、光学ガラスを提供する。
４０％≦Ａｌ2Ｏ3≦５４％
２０％≦Ｌａ2Ｏ3＋Ｙ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｌａ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｙ2Ｏ3≦３０％
１６％≦ＺｒＯ2＋Ｎｂ2Ｏ5＋Ｔａ2Ｏ5＋ＭｇＯ≦３０％
０％≦ＺｒＯ2≦２５％
０％≦Ｎｂ2Ｏ5≦１０％
０％≦Ｔａ2Ｏ5≦１０％
０％≦ＭｇＯ≦１５％
０％≦Ｓｃ2Ｏ3≦１０％
０％≦Ｙｂ2Ｏ3≦５％
０≦ＳｉＯ2≦１５％
【発明の効果】
【００２０】
本発明の光学ガラスは、従来のガラス組成では実現することが困難であった、硬度およびヤング率が高く、かつ高屈折率および低分散である、という特性を実現することができる。したがって、本発明の光学ガラスを、例えば光学装置の外側のレンズの材料として用いた場合、レンズに傷が付きにくくなる。その結果、本発明の光学ガラスによれば、光学装置の耐久性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施例によって得られた光学ガラスおよび市販されている光学ガラスの光学特性と、本発明による好ましい光学特性の範囲とを示す図である。
【図２】実施例において、無容器凝固法によってガラス原料を熔融する際に用いた装置を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の光学ガラスは、一般の光学ガラスでは実現できなかった、高い硬度と高いヤング率とを有し、かつ高屈折率で低分散の光学ガラスを提供することを課題としてなされたものである。このような課題を受け、本発明者らは、酸化アルミニウム（アルミナ（Ａｌ2Ｏ3））を主要な成分とする組成を検討し、本発明の光学ガラスの組成に至った。以下、本発明の光学ガラスの実施の形態について説明する。
【００２３】
本実施の形態の光学ガラスは、ｍｏｌ％で示す組成が以下の条件を満たす。
４０％≦Ａｌ2Ｏ3≦５４％
２０％≦Ｌａ2Ｏ3＋Ｙ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｌａ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｙ2Ｏ3≦３０％
１６％≦ＺｒＯ2＋Ｎｂ2Ｏ5＋Ｔａ2Ｏ5＋ＭｇＯ≦３０％
０％≦ＺｒＯ2≦２５％
０％≦Ｎｂ2Ｏ5≦１０％
０％≦Ｔａ2Ｏ5≦１０％
０％≦ＭｇＯ≦１５％
０％≦Ｓｃ2Ｏ3≦１０％
０％≦Ｙｂ2Ｏ3≦５％
０≦ＳｉＯ2≦１５％
【００２４】
この組成によれば、高い硬度と高いヤング率とを有し、かつ高屈折率で低分散のガラスを実現できる。したがって、光学特性の領域をより広げることが可能であって、かつ高い強度を備えた光学ガラスの提供が可能となる。
【００２５】
Ａｌ2Ｏ3は、その透明な結晶であるサファイアの特性（屈折率１．７７、アッベ数７２、ビッカース硬度２２．５ＧＰａ、ヤング率４７０ＧＰａ）からわかるように、非常に低分散であり、かつビッカース硬度およびヤング率が非常に高く、ガラスの成分として用いる場合でもこれらの特性は残っている。そこで、本実施の形態の光学ガラスは、Ａｌ2Ｏ3の特性を生かすために、４０％≦Ａｌ2Ｏ3≦５４％を満たすようにＡｌ2Ｏ3を含む（成分の単位は、以下すべてｍｏｌ％である）。Ａｌ2Ｏ3量が４０％未満であると、上記特性の作用が小さくなる。また、５４％を超えると、結晶化が起こりやすくなり、透明なガラスを得ることが困難となるため、好ましくない。
【００２６】
Ａｌ2Ｏ3を多量に含む組成をガラス化しやすくするために、本実施の形態の光学ガラスは、Ｌａ2Ｏ3およびＹ2Ｏ3から選ばれる少なくともいずれか１種を含む。Ｌａ2Ｏ3およびＹ2Ｏ3の合計を、２０％〜３０％の範囲内とする。Ｌａ2Ｏ3およびＹ2Ｏ3の合計が２０％未満、もしくは３０％を超えると、結晶化が起こりやすくなるので、不適当である。また、Ｌａ2Ｏ3およびＹ2Ｏ3は、どちらもガラスの硬度やヤング率を高くする成分であるので、この点でも好ましい成分である。また、結晶化を起こさないために、Ｌａ2Ｏ3およびＹ2Ｏ3の合計を、２１％〜２７％の範囲内とすることが好ましい。
【００２７】
ただし、Ｌａ2Ｏ3およびＹ2Ｏ3の量は、それぞれ、
０％≦Ｌａ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｙ2Ｏ3≦３０％
の範囲内である。上記範囲を超えると、ガラスが結晶化しやすくなる。Ｌａ2Ｏ3およびＹ2Ｏ3の量の好ましい範囲は、それぞれ、
１１％≦Ｌａ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｙ2Ｏ3≦１７％
の範囲内である。
【００２８】
さらに、本実施の形態の光学ガラスは、ＺｒＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5およびＭｇＯから選ばれる少なくともいずれか１種を含む。ＺｒＯ2、Ｎｂ2Ｏ5およびＴａ2Ｏ5は、ガラスの硬度やヤング率を高くする効果がある成分である。また、ＭｇＯは、ガラスの融点を下げてガラス化しやすくする効果がある。さらに、Ｍｇは、アルカリ土類金属の中ではイオン半径が小さいので、イオン密度が大きくなり、ガラスの構造を堅牢にする効果がある。
【００２９】
これらの成分の合計は、１６％≦ＺｒＯ2＋Ｎｂ2Ｏ5＋Ｔａ2Ｏ5＋ＭｇＯ≦３０％の範囲を満たす。これらの成分の合計が１６％未満であると、硬度およびヤング率を高くするという効果が小さくなるので、不適当である。また、３０％を超えると、ガラスの結晶化が起こりやすくなるので、不適当である。結晶化を起こさないための好ましい範囲は、２１％≦ＺｒＯ2＋Ｎｂ2Ｏ5＋Ｔａ2Ｏ5＋ＭｇＯ≦２６％である。
【００３０】
また、特定成分を多くするとガラスの結晶化が起こるので、それぞれの量は、
０％≦ＺｒＯ2≦２５％
０％≦Ｎｂ2Ｏ5≦１０％
０％≦Ｔａ2Ｏ5≦１０％
０％≦ＭｇＯ≦１５％
の範囲内とする。また、結晶化を防ぐための好ましい範囲は、
１５％≦ＺｒＯ2≦２５％
０％≦Ｎｂ2Ｏ5≦５％
０％≦Ｔａ2Ｏ5≦５％
０％≦ＭｇＯ≦５％
である。
【００３１】
Ｓｃ2Ｏ3およびＹｂ2Ｏ3も、ガラスの硬度およびヤング率を高くする、好ましい成分である。したがって、それぞれ、
０％≦Ｓｃ2Ｏ3≦１０％
０％≦Ｙｂ2Ｏ3≦５％
の範囲で添加してもよい。ただし、添加量が上記の量を超えると結晶化が起こりやすくなるため、不適当である。また、結晶化を防ぐための好ましい範囲は、
０％≦Ｓｃ2Ｏ3≦５％
である。
【００３２】
ＳｉＯ2は、ガラス化しやすくする効果が大きいので、１５％以下の範囲で添加してもよい。ＳｉＯ2は、ガラスの硬度およびヤング率を低下させる成分でもあるので、１５％を超える量とするとことは好ましくない。高い硬度およびヤング率をより確実に実現するために、ＳｉＯ2量を４％以下とすることが好ましい。
【００３３】
なお、本実施の形態の光学ガラスは、上記各成分のみから構成されることが望ましいが、光学特性、ガラス化しやすさ、化学的耐久性等を改良する目的、あるいは不純物として、上記成分以外の他の成分が少量（１０ｍｏｌ％以下）含まれることも許容される。
【００３４】
たとえば融点を下げてガラス化しやすくするためには、他の成分として、Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｒｂ2ＯおよびＣｓ2Ｏといったアルカリ金属酸化物、または、Ｂ2Ｏ3を添加すればよい。これらの成分には、屈折率を低くする作用もある。また、光学特性（屈折率や分散）の調整、化学的耐久性等の改良、あるいは失透を防止する目的で添加される成分としては、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｐ2Ｏ5、ＺｎＯ、ＧｅＯ2、ＭｏＯ3、ＡｇＯ、ＣｄＯ、Ｓｂ2Ｏ3、ＷＯ3、Ｔｌ2Ｏ、ＰｂＯおよびＢｉ2Ｏ3等の酸化物が挙げられる。さらに、希土類元素であるＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕ等の酸化物を添加すると、発光特性などを付与することもできる。
【００３５】
また、本実施の形態の光学ガラスは、実質的に上記成分のみからなるものであってもよい。ここでの、「実質的に上記成分のみからなる」とは、不純物として不可避に混入する成分を除き、上記成分以外の他の成分が含まれないということを意味する。なお、この場合に不純物として混入する成分の含有量は、例えば１ｍｏｌ％以下、好ましくは０．５ｍｏｌ％以下である。
【００３６】
本実施の形態の光学ガラスにおいて、好ましいビッカース硬度Ｈｖおよびヤング率Ｅは、それぞれ
７．４ＧＰａ≦Ｈｖ
１３０ＧＰａ≦Ｅ
である。これらは、光学ガラスとしては非常に高い数値であり、物理的強度が極めて大きいことを示している。物理的強度の観点から、これらの数値は高いほど好ましいので、上限値の設定は不要である。ただし、後述の実施例の結果等から、本実施の形態の光学ガラスによって得られるビッカース硬度Ｈvおよびヤング率Ｅの上限値を、例えばＨｖ≦１０ＧＰａ、Ｅ≦２００ＧＰａ程度としてもよい。
【００３７】
本実施の形態の光学ガラスは、好ましい光学特性として、屈折率ｎdが１．７５≦ｎd≦１．９５で、アッベ数νdが１６０−（２００／３）ｎd≦νd≦１７０−（２００／３）ｎdを満たすガラスとすることができる。図１は、本実施の形態の光学ガラスによって実現できる屈折率ｎdおよびアッベ数νdの領域（図中、「本発明の好ましい範囲」として示されている領域）と、具体的な実施例の数値とを、光学ガラスメーカー（株式会社住田光学ガラス）から市販されている約１００種類の光学ガラスと共に示すものである。点がプロットされている領域が、現在、光学ガラスとして実現可能な範囲である。なお、この領域は、他の光学ガラスメーカーの製品の場合でもほとんど一致している。図１より、本実施の形態における光学ガラスは、一般の光学ガラスの領域の左半分（低分散側）と重なる低分散ガラスであることがわかる。したがって、本実施の形態の光学ガラスは、光学設計上の収差補正に有用である。
【００３８】
本実施の形態の光学ガラスは、例えば最小部分の長さが０．５ｍｍ以上の比較的大きなサイズとすることも可能であるため、レンズ等の光学素子の材料として適用可能である。
【００３９】
次に、本発明の光学ガラスの製造方法について説明する。本発明の光学ガラスの組成は、一般の光学ガラスよりも結晶化しやすいので、通常のルツボによる熔融および冷却（凝固）ではガラス化が困難な場合がある。その場合でも、例えば、後述する実施例に示すように、無容器凝固法を利用することにより、ある程度の大きさを有する透明で均質なガラスを得ることができる。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明について実施例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明は、本発明の要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。また、以下の実施例において、各成分の含有量は全てｍｏｌ％で示される。
【００４１】
実施例では、表２に示す組成１〜２０について、無容器凝固法による熔融を行った。
【００４２】
まず、本実施例で用いた無容器凝固法について説明する。図２は、無容器凝固法によってガラス原料を熔融するために本実施例で用いた装置の全体を示す模式図である。この装置は、ガラス原料（熔融物）を浮遊させるために気体を流出させる噴出ノズル１を備えている。噴出ノズル１は支柱２に固定されており、気体を供給するためのチューブ３と接続されている。チューブ３は、流量を調整するためのレギュレータ４および流量計５を介して、高圧ガスボンベ（図示せず）に接続されている。この装置は、さらに、ガラス原料にレーザ光を照射するためのレーザ発振器６を備えている。レーザ発振器６は、噴出ノズル１が固定されている支柱２の横枝７に固定されている。レーザ発振器６から出射したレーザ光８は、横枝７に固定されたミラー９によって進行方向が変えられて、凸レンズ１０によって浮遊体１１（ガラス原料）に焦点を結ぶ。また、横枝７において、レーザ発振器６固定側と反対側には、浮遊体１１の状態を観察するためのＣＣＤカメラ１２が設置されている。
【００４３】
以下、図２に示す装置による本実施例のガラス製造の手順を説明する。最初に、別途原料ペレットを作製した。原料ペレットは、ガラスの材料（金属酸化物等）の粉体（試薬特級品）を、得られるガラスの組成が表２に示す組成１〜２０となるように、それぞれ所定のモル比率で調合してガラス原料としたものである。調合したガラス原料を乳鉢ですりつぶし、エタノールを加えて充分に混合してからセラミックス製ルツボに入れて、電気炉中で１０００℃、１２時間の焼成（第１回）を行なった。焼成後のガラス原料を再び乳鉢ですりつぶし、エタノールを加えて粘度を調整してから、プレス加工用ダイスを用いて、約１．６×１０7Ｐａの圧力をかけて直径４ｍｍ、厚さ約３ｍｍの円盤状に成型した。円盤状に成型したものを、電気炉中にて１１００℃、１２時間の焼成（第２回）を行ない、充分冷めたものを原料ペレットとした。
【００４４】
このように作製したペレットを、図２の噴出ノズル１に置き、レギュレータ４と流量計５とにより気体の流量を適量として浮遊させてから、レーザ発振器６を起動してペレットにレーザ光を照射して、ペレットを加熱した。ペレットは数秒で熔融し、自らの表面張力により球状となった状態でノズル１内に浮遊した。均一な熔融体となったところでレーザ光照射を止めると、熔融体は急冷されて球状ガラスとなった。球状ガラスの温度は数秒で室温まで低下したので、ピンセットで噴出ノズル１から取り出すことができた。
【００４５】
レーザ発振器６には、コヒレント・ジャパン社の炭酸ガスレーザー装置「E−４００」型を用いた。発振波長は１０．６μｍ、最大出力は公称４００Ｗであった。
【００４６】
本実施例では、原料ペレットを図２の装置の噴出ノズル１内に置き、乾燥空気を約２リットル／分の流量で流して、原料ペレットを浮遊させた。この状態でレーザ光を照射して原料ペレットを熔融した後、レーザ光照射を止めることによって冷却した。その結果、直径２．８〜３．２ｍｍの無色透明な球状ガラスが得られ、失透や脈理は認められなかった。
【００４７】
得られた球状ガラスについて、ビッカース硬度Ｈｖ、ヤング率Ｅ、屈折率ｎd、アッベ数νd、を、それぞれ以下の方法で測定した。その結果を、表２および図１に示す。
【００４８】
【表２】
【００４９】
表２に示された結果より、本発明の組成範囲に含まれる組成１〜２０のガラスは、
ビッカース硬度Ｈv：７．５ＧＰａ≦Ｈv≦８．６７ＧＰａ
ヤング率Ｅ：１３４ＧＰａ≦Ｅ≦１６０ＧＰａ
の範囲にあることがわかる。
【００５０】
また、屈折率ｎdおよびアッベ数νdについて、本発明の組成範囲に含まれる組成１〜２０のガラスは、表２および図１に示された結果より、
屈折率ｎd：１．７５≦ｎd≦１．９５
アッベ数νd：１６０−（２００／３）ｎd≦νd≦１７０−（２００／３）ｎd
の範囲にあることがわかる。
【００５１】
＜屈折率の測定方法＞
得られた球状ガラスを研磨して互いに直交する２面を作製し、測定サンプルとした。この測定サンプルについて、屈折計により屈折率を測定した。使用した屈折計は、島津デバイス製造（株）製のＫＰＲ−２００型であった。
【００５２】
＜アッベ数の測定方法＞
アッベ数はｄ線、Ｃ線、Ｆ線の波長における屈折率（ｎd、ｎC、ｎF）から、以下の計算式を用いて求めた。
νd＝（ｎd−１）／（ｎF−ｎC）
【００５３】
＜ビッカース硬度の測定方法＞
ビッカース硬度Ｈｖの荷重は、直径約３ｍｍの球状ガラスを平行平面研磨して厚さ約１．２ｍｍの円盤を測定サンプルとして作製し、マイクロビッカース硬度計（Ａｋａｓｈｉ製、型番：ＭＶＫ−Ｇ２）により測定した。
【００５４】
＜ヤング率の測定方法＞
ビッカース硬度の測定サンプルと同様に、厚さ約１．２ｍｍの円盤を作製し、測定サンプルとした。超音波厚さ計（日本パナメトリクス株式会社製）を用いて、測定サンプル中の縦波と横波の反射速度を測定し、測定サンプルの厚みおよび密度と合わせて算出した。
【００５５】
（比較例１）
表３に示す、本発明の組成を満たさない比較組成１−１〜１−５について、実施例と同様の方法でガラス熔融を行った。また、実施例と同様の方法で、ビッカース硬度Ｈｖとヤング率Ｅとを測定した。その結果を、表３に併せて示す。
【００５６】
【表３】
【００５７】
比較組成１−１〜１−３はガラス化したものの、ビッカース硬度Ｈｖとヤング率Ｅの範囲は、表３に示すように、
ビッカース硬度Ｈｖ：６．４９ＧＰａ≦Ｈｖ≦６．７４ＧＰａ
ヤング率Ｅ：１１５ＧＰａ≦Ｅ≦１１７ＧＰａ
の範囲であり、実施例の組成１〜２０のガラスと比較して物理的な耐久性が不十分であった。また、比較組成１−４および１−５は、ビッカース硬度Ｈｖとヤング率Ｅの値が大きいものの、全体が分相により乳白色となり、光学用途のガラス材料としては不適当であった。なお、比較組成１−５は分相のためヤング率の測定ができなかった。
【００５８】
（比較例２）
表４に示す、本発明の組成を満たさない比較組成２−１〜２−２３について、実施例と同様の方法でガラス熔融を行ったが、すべて結晶化して白色不透明の球体となり、ガラス化しなかった。
【００５９】
【表４】
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明によって得られる光学ガラスは、光学特性および物理的強度に優れており、さらにある程度大きなサイズであっても実現可能である。したがって、レンズ等の光学素子等に好適に利用でき、光学機器の最外面に用いられるレンズなどの材料としても好適に利用できる。
【符号の説明】
【００６１】
１ 噴出ノズル
２ 支柱
３ チューブ
４ レギュレータ
５ 流量計
６ レーザ発振器
７ 横枝
８ レーザ光
９ ミラー
１０ 凸レンズ
１１ 浮遊体（ガラス原料）
１２ ＣＣＤカメラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｍｏｌ％で示す組成が以下の条件を満たす、光学ガラス。
４０％≦Ａｌ2Ｏ3≦５４％
２０％≦Ｌａ2Ｏ3＋Ｙ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｌａ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｙ2Ｏ3≦３０％
１６％≦ＺｒＯ2＋Ｎｂ2Ｏ5＋Ｔａ2Ｏ5＋ＭｇＯ≦３０％
０％≦ＺｒＯ2≦２５％
０％≦Ｎｂ2Ｏ5≦１０％
０％≦Ｔａ2Ｏ5≦１０％
０％≦ＭｇＯ≦１５％
０％≦Ｓｃ2Ｏ3≦１０％
０％≦Ｙｂ2Ｏ3≦５％
０≦ＳｉＯ2≦１５％
【請求項２】
ｍｏｌ％で示す組成が以下の条件を満たし、かつ、実質的に以下の成分のみからなる、請求項１に記載の光学ガラス。
４０％≦Ａｌ2Ｏ3≦５４％
２０％≦Ｌａ2Ｏ3＋Ｙ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｌａ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｙ2Ｏ3≦３０％
１６％≦ＺｒＯ2＋Ｎｂ2Ｏ5＋Ｔａ2Ｏ5＋ＭｇＯ≦３０％
０％≦ＺｒＯ2≦２５％
０％≦Ｎｂ2Ｏ5≦１０％
０％≦Ｔａ2Ｏ5≦１０％
０％≦ＭｇＯ≦１５％
０％≦Ｓｃ2Ｏ3≦１０％
０％≦Ｙｂ2Ｏ3≦５％
０≦ＳｉＯ2≦１５％
【請求項３】
ビッカース硬度が７．４ＧＰａ以上であり、かつ、ヤング率が１３０ＧＰａ以上である、請求項１または２に記載の光学ガラス。
【請求項４】
屈折率ｎdとアッベ数νdの値が、
１．７５≦ｎd≦１．９５
１６０−（２００／３）ｎd≦νd≦１７０−（２００／３）ｎd
を満たす、請求項１〜３の何れか１項に記載の光学ガラス。
【請求項５】
最小部分の長さが０．５ｍｍ以上である、請求項１〜４の何れか１項に記載の光学ガラス。
【請求項１】
ｍｏｌ％で示す組成が以下の条件を満たす、光学ガラス。
４０％≦Ａｌ2Ｏ3≦５４％
２０％≦Ｌａ2Ｏ3＋Ｙ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｌａ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｙ2Ｏ3≦３０％
１６％≦ＺｒＯ2＋Ｎｂ2Ｏ5＋Ｔａ2Ｏ5＋ＭｇＯ≦３０％
０％≦ＺｒＯ2≦２５％
０％≦Ｎｂ2Ｏ5≦１０％
０％≦Ｔａ2Ｏ5≦１０％
０％≦ＭｇＯ≦１５％
０％≦Ｓｃ2Ｏ3≦１０％
０％≦Ｙｂ2Ｏ3≦５％
０≦ＳｉＯ2≦１５％
【請求項２】
ｍｏｌ％で示す組成が以下の条件を満たし、かつ、実質的に以下の成分のみからなる、請求項１に記載の光学ガラス。
４０％≦Ａｌ2Ｏ3≦５４％
２０％≦Ｌａ2Ｏ3＋Ｙ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｌａ2Ｏ3≦３０％
０％≦Ｙ2Ｏ3≦３０％
１６％≦ＺｒＯ2＋Ｎｂ2Ｏ5＋Ｔａ2Ｏ5＋ＭｇＯ≦３０％
０％≦ＺｒＯ2≦２５％
０％≦Ｎｂ2Ｏ5≦１０％
０％≦Ｔａ2Ｏ5≦１０％
０％≦ＭｇＯ≦１５％
０％≦Ｓｃ2Ｏ3≦１０％
０％≦Ｙｂ2Ｏ3≦５％
０≦ＳｉＯ2≦１５％
【請求項３】
ビッカース硬度が７．４ＧＰａ以上であり、かつ、ヤング率が１３０ＧＰａ以上である、請求項１または２に記載の光学ガラス。
【請求項４】
屈折率ｎdとアッベ数νdの値が、
１．７５≦ｎd≦１．９５
１６０−（２００／３）ｎd≦νd≦１７０−（２００／３）ｎd
を満たす、請求項１〜３の何れか１項に記載の光学ガラス。
【請求項５】
最小部分の長さが０．５ｍｍ以上である、請求項１〜４の何れか１項に記載の光学ガラス。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−１７２５４（Ｐ２０１２−１７２５４Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３０２２５（Ｐ２０１１−１３０２２５）
【出願日】平成２３年６月１０日（２０１１．６．１０）
【出願人】（０００００４００８）日本板硝子株式会社 (853)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１０日（２０１１．６．１０）
【出願人】（０００００４００８）日本板硝子株式会社 (853)
【Ｆターム（参考）】
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