JP2000226227A - 屈折率1.7の強化ガラスレンズ - Google Patents

屈折率1.7の強化ガラスレンズ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 無機ガラスにおいて、薄い眼鏡レンズを作製
したときに、十分な機械的強度および耐衝撃性を有す
る。 【解決手段】 イオン交換によって強化が可能であり、
1.67と1.72の間の屈折率を有し、酸化物基準の
重量%で表すと次の組成を有する: SiO 33〜37 B 7.5〜13 SiO+B 44〜48 LiO 5〜8 NaO >2.5〜7.5 KO 0〜2 LiO+NaO+KO <14 CaO 0〜<8 Al 0〜6 Nb 8〜13 ZrO 4〜6 TiO 5〜10 La 12〜19 SrO 2〜4 As及び/又はSb 0〜0.8

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、約1.7の屈折率
を有し、好ましくはイオン交換によって強化された無機
ガラス、並びに前記ガラスの眼鏡レンズにも関する。
【0002】
【従来の技術】本発明は、米国特許第4,839,314
号(Boudot等)によるガラスを改良した新規ガラ
スを実際に提案するものであり;前記新規ガラスは、特
に、薄い眼鏡レンズ(厚さ約1.5mm)を作製するた
めに化学強化することが出来る。
【0003】本発明のいろいろな態様−新規のガラス、
新規の強化ガラス、眼鏡レンズ−を本明細書の中で更に
詳細に説明する。
【0004】眼鏡レンズの構成材料として無機ガラスに
は、明らかに、プラスチックよりかなり重いとう欠点が
ある。従って、無機ガラス製の眼鏡レンズの重量を最小
限に抑えることが長年にわたって研究されてきた。
【0005】第1の方法は、前記無機ガラスの密度を小
さくすることにある。前記のように密度を小さくするこ
とは、所要の屈折率を得ることが出来る元素を無機ガラ
スの中に含ませる必要性によって矢張り制約される。
【0006】論理的であるもう1つの方法は、より薄い
無機ガラスのレンズを作ることにあり、より薄いレンズ
では、より美感も得られる。しかしながら、このような
薄いレンズの機械的強度や耐衝撃性と言う必要事項を満
たすには前記レンズを強化する必要がある。このような
レンズをイオン交換によって強化することは、かなり詳
細に精力的に研究されてきた。このようなイオン交換に
よる強化−化学強化によって行なわれる−の過程では、
イオン、通常はアルカリイオン、がガラスの表面で交換
される。こうして、前記表面に強い圧縮応力が発生し、
従って前記眼鏡のレンズの機械的強度を高めることが出
来る。
【0007】このような強化方法は、1.523又は
1.6の屈折率を有する慣用の眼鏡レンズで行なわれて
いて成功している。しかしながら、前記の比較的小さい
屈折率のガラスから作製された前記の慣用の薄いレンズ
では、満足出来る矯正率を得ることが出来ない。
【0008】同様な強化方法は、比較的大きい屈折率
(従って、かなり大きい矯正率を得ることが可能であ
る)を有する別の無機ガラスでは、特に米国特許第4,
839,314号に記載されているような、約1.7の
屈折率を有するガラスでは満足出来る結果は得られてい
ない。
【0009】前記特許は、眼鏡レンズの作製に特に適合
する無機ガラスを記載している。これらのガラスは、酸
化物を基準として重量パーセントで表して次の様に表さ
れる組成のものである: SiO 33〜37 B 7.5〜13 SiO+B 44〜48 Nb 8〜10.5 ZrO 4〜6 TiO 5〜7 La 12.3〜14.5 LiO 5〜8 NaO 0〜2.5 KO 0〜2 LiO+NaO+KO 5〜8 CaO 8〜9.5 SrO 2〜4 As 0〜0.8 前記ガラスは次の事項が特徴である: − 約1.7の屈折率(n):このような高屈折率値
は、比較的薄い状態で著しい矯正率を得ることが可能で
あると言う点で興味を引く。前記ガラスのレンズの曲率
半径を大きくすることが出来る; − 少なくとも41のアッベ数:この高アッベ数値も興
味を引く。このことは低分散と、従って、レンズの外縁
部での色収差が殆ど無いことを意味する; − 3.25より小さい密度; − 優れた耐酸性。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】従って、これらのガラ
スから作製される眼鏡レンズは、これらの光学的特性の
観点から完全に満足出来る。しかしながら、薄い場合に
は所要の機械的特性を持つことが出来ない限り、その使
用は依然として限定される。前述のようにイオン交換に
よって、問題となっているガラスを強化することは出来
ないことが実際に明らかである。
【0011】従って、イオン交換によって強化された低
屈折率のレンズ(前記を参照されたい)が約1.5mm
まで薄くされた状態で米国で施行中の落球試験に合格す
るとしても高屈折率の前記ガラスの眼鏡レンズは、前記
試験に合格するには最低2.0mmの厚さでなければな
らない。
【0012】
【課題を解決するための手段】本出願人は、(約1.7
の)高屈折率を有し、イオン交換が可能な(化学強化)
無機ガラスの構想の技術的問題に直面して、本発明を構
成する解決策を今回提案するものであり、前記発明は、
米国特許第4,839,314号による発明の改良として
充分に検討出来る。
【0013】米国特許第4,839,314号によるガラ
スの組成及び特性に似ているが、イオン交換によって驚
くほど(化学強化による)強化することが出来る組成及
び特性を有する新規の無機ガラスを、本出願人は提案す
る。
【0014】前記の新規の無機ガラスは、今回、特許請
求の範囲で請求される発明の第1の対象を構成してい
る。特徴として、前記の新規の無機ガラスは、酸化物基
準の重量パーセントで表して次の組成を有する: SiO 33〜37 B 7.5〜13 SiO+B 44〜48 LiO 5〜8 NaO 0〜2.5 KO 0〜2 LiO+NaO+KO 5〜8 CaO 8〜9.5 Al 0〜6 Nb 8〜13 ZrO 4〜6 TiO 5〜10 La 12〜19 SrO 2〜4 As及び/又はSb 0〜0.8 (清澄剤) 前記の組成(米国特許第4,839,314号によるガラ
スの組成に近い組成)を有する本発明のガラスは、先行
技術の前記ガラスに比較して極めて興味ある光学的特性
を持っている: − 約1.7の屈折率:1.67と1.72の間; − 約40のアッベ数:少なくとも38; − 3.3未満の密度; − 優れた耐酸性; 並びに、更に、このガラスはイオン交換による強化が可
能である。これらのガラスは化学強化が可能であること
が判ったのは驚きであった(一方、米国特許第4,83
9,314号によるガラスは化学強化が可能でない)。
【0015】検討した目標は、主に、ガラスの中でナト
リウム(NaO)の濃度を大幅に高めることと、それ
に平行してカルシウム(CaO)の濃度を大幅に抑える
ことにより達成された。このような組成の修正によって
発生する光学的特性の修正を補うために、La
Nb及びTiOの許容濃度を高めた。このよう
な修正によって生じる結果−ガラスが化学強化によりイ
オン交換によって強化される可能性−はイオン交換が主
にリチウムイオンに関係することを無視出来ない当業者
には予測出来なかった。本発明のガラスは米国特許第
4,839,314号によるガラスほどしかリチウムを含
んでいない。経験上、カルシウムイオンがリチウムイオ
ンの易動度にマイナスの影響を及ぼすことを考えると、
カルシウム濃度を下げることには有効な効果が期待され
る。
【0016】今、本発明のガラスについて前述した組成
にやや立ち返って考えると、このガラスは、興味ある光
学的特性と、イオン交換による強化が容易であることを
合わせ持つと言う点に於いて特に効率がよい。
【0017】前記のガラスは、必須成分(SiO、B
、LiO、NaO、Nb 、ZrO
TiO、La及びSrO)および、随意成分
(KO、CaO、Al、As、Sb
)として位置付けられる成分を含む。このことから、
随意成分について言えば、事実上、随意成分が著しい効
果を発揮する最少含有量は約0.5%が一般的であるこ
とが説明される。従って、本発明のガラスは前記の随意
成分を含むことはないし、もし含むとしても概ね0.5
%の最少量である(重量パーセント)。
【0018】更に、本発明のガラスは、勿論、前記の諸
成分から実質的に成る。しかしながら、本発明のガラス
は、その内部にその他の成分を含むことは差し支えな
い。そのような他の成分−即ち、着色若しくは脱色要素
(黄色度指数を改善するために)、又は前記の組成物の
中に記載されている以外の清澄剤−は少量でいつでも組
み入れることが出来、検討している諸特性にさほど大き
い影響を及ぼさない。
【0019】SiO及びBは本発明のガラスを
形成する酸化物である。Bによって溶融が容易に
なるが、化学的耐久性、特に耐酸性に悪影響を及ぼすの
で、Bの量は制限される。
【0020】Alは化学強化に好ましい影響を及
ぼすが、化学的耐久性には好ましくない影響を及ぼす。
Al23は、6重量%以下で許容されるが、組み入れな
いのが好ましい。従って、好ましい変更によると、本発
明の無機ガラスはAlを含まない。
【0021】La、Nb及びTiOは、
ガラスに光学的特性を付与する成分である。これらの各
々の含有量は: − Laは重い成分であり、 − Nbも比較的重い成分であり、そのうえ高価
な成分であり、 − TiOガラスを黄変させる、 が故に厳密な最低値に制限される。
【0022】にも拘らず、NaOの含有量増加とCa
Oの含有量の減少に連動する屈折率の値の減少を補うた
めに、これらの3種類の成分のうちの1種類の含有量は
増加させなければならない(米国特許第4,839,31
4号によるガラスのこれらの成分の含有量と比較し
て)。
【0023】屈折率の値に寄与するため、およびガラス
の耐久性を改善するためには少なくとも4%のZrO
が必要である。しかしながら、ZrOによって失透の
傾向が高まってしまうので、ZrOの含有量は6%に
制限される。
【0024】LiO、KO、SrO及びAs
及び/又はSb(清澄剤)の諸特性に関しては、
本発明のガラスは、前記の諸成分を含むか、或いは米国
特許第4,839,314号によるガラスと同じ様な含有
量で前記成分を含むことが可能であることが注目され
る。
【0025】既に述べたように、米国特許第4,839,
314号による前記ガラスの組成物に関しての重要な修
正は、NaOを増やしてCaOを減らすことである。
イオン交換による極めて高いレベル、従ってガラスが充
分なレベルの強化を得るには前記の修正が必要であるこ
とを、本出願人は見い出した。従って、NaOの含有
量は2.5より多く、7.5%以下で維持されなければ
ならず、一方、CaOは8%未満で維持されなければな
らない。CaOが存在することは必須ではなく、CaO
が5%未満の含有量で組み入れられるのは好ましい。
【0026】特に好ましい方法では、本発明の無機ガラ
スは全くAlを含まずに5重量%未満の割合だけ
CaOを含むことが可能である。前記の好ましい無機ガ
ラスは、次の組成を有する: SiO 33〜37 B 7.5〜13 SiO+B 44〜48 LiO 5〜8 NaO >2.5〜7.5 KO 0〜2 LiO+NaO+KO <14 CaO 0〜<5 Nb 8〜13 ZrO 4〜6 TiO 5〜10 La 12〜19 SrO 2〜4 As及び/又はSb 0〜0.8 (清澄剤) 本発明のガラスの作製には何等の困難も生じない:この
作製には、独特な条件又は測定は何等必要でない。その
作製は当業者の守備範囲である。酸化物、炭酸塩及び硝
酸塩のような伝統的な出発原料は溶融しようとするフィ
ラー(filler)を調製するために使用することが
出来る。前記の介在型出発原料の純度について通常の注
意をすれば光学的特性のガラスを調製するのに充分であ
る。
【0027】イオン交換による強化が好ましく出来るよ
うに本発明のガラスを配合することは既に説明した。従
って、本発明の第2の対象は、イオン交換によって強化
される前記ガラス、即ちその物質内には前記で定義され
た組成を有し、そしてそのガラスの表面には圧縮層を有
する無機ガラスから成ることが考えられる。
【0028】好ましくは、前記ガラスの圧縮層は少なく
とも60μmであり、その表面には少なくとも2,50
0nm/cmの複屈折が発生する。本出願人は、薄い眼
鏡レンズとして好適なガラスのこのような明細書を作成
したのであって、この薄い眼鏡レンズは、本明細書の導
入部で説明した落球試験に合格するために適する機械的
強度を有している。
【0029】本発明のガラスは、旨く強化されていて、
即ち、本発明の第1の対象及び好ましくは第2の対象に
従って、当業者は既に判っている様に、極めて効能の良
い眼鏡レンズを構成することが出来る。このようなレン
ズは本発明のもう1つの対象を構成している。
【0030】本発明の前記レンズは、前記で定義したよ
うに好ましくは強化無機ガラスであって、いろいろな厚
さにすることが出来る。このレンズは特に、2mm未
満、好ましくはおよそ1.5mmか、或るいは1.5m
mに等しい厚さにすることが出来る。
【0031】従って、本発明によって、約1.7の屈折
率を有し、適切な機械的特性を有する薄い眼鏡レンズを
得ることが出来ることが今回判った。
【0032】本発明の最後の形態(対象)、即ち前記発
明の第1の対象を構成する無機ガラスをイオン交換によ
って強化するのに使用される方法を今から概略説明する
ことにする。前記方法は、それ自体は斬新ではない。こ
の方法は伝統的な化学強化である。この方法は本発明の
新規なガラスを用いて行なうと言う点で斬新である。
【0033】本発明の強化ガラスを作製する場合、本発
明のガラスは先ず、適切な出発原料から作製された後、
次に前記ガラスは化学強化にかけられる。
【0034】前記化学強化の過程で−溶融塩(類)浴の
中で−イオンが、前記浴と前記ガラスの表面との間で交
換される。前記ガラスの小さい粒度の少なくとも1個の
イオンがガラスの歪点(ガラスの粘度が1013.5
a.s(1014.5p)となる温度)より低い(好ま
しくは約50℃未満)温度に保たれている溶融塩(類)
浴の少なくとも1個の大きいイオンと交換される。概
ね、この方法は、ガラスのリチウムイオン又はナトリウ
ムイオンと、浴のナトリウムイオン又はカリウムイオン
とを交換することにある。冷却の後、処理済みガラスの
表面は、前記ガラスの芯に対して圧縮がかけられるよう
に置かれ、これによって、耐破壊性が向上して前記ガラ
スの強化が発現される。圧縮の過程でこうして形成され
る層は均質である。前述のように、イオン交換による、
即ち化学強化によって行なわれるガラスの強化は、それ
自体、当業者には周知の方法である。本発明の明細書で
次の条件のもとで前記方法を実施することが好ましい: − ナトリウムイオンを含む溶融塩(類)浴の中で少な
くとも400℃の温度で10ないし20時間;そして更
に好ましくは: − 硝酸ナトリウム(NaNO)の浴の中で、又は少
なくとも30重量%の硝酸ナトリウム(NaNO)を
含む、硝酸ナトリウム(NaNO)と硝酸カリウム
(KNO)との混合物の浴の中で少なくとも400℃
の温度で10ないし20時間。
【0035】後記の実施例1ないし6によって本発明を
今から説明する。米国特許第4,839,314号の方法
は比較例7によって説明する。
【0036】ガラスは、米国特許第4,839,314号
に記載されているガラスと類似の方法でガラス作製作業
において普通の出発原料(酸化物、炭酸塩、硝酸塩)か
ら新たに作製されている。各々の場合、3kgの出発原
料を白金るつぼの中で1,350℃で2時間溶融した。
こうして生成したガラスを注型して棒状にした後、ガラ
ス組成によって時間当たり60℃の冷却速度で約550
℃と600℃の間でアニーリングした。
【0037】後記の表1は、重量パーセントでの本発明
の6種類のガラス(実施例1ないし6)及び先行技術の
ガラス(実施例7)の組成並びにある特性も示してい
る。
【0038】密度及び光学的特性の測定は、米国特許第
4,839,314号に記載されている慣用の方法に従っ
て実施した。実際に、ここでそれを説明する:Tcは歪
点、Trはアニーリング温度、そしてTlは軟化温度で
ある。
【0039】耐酸性は、20容量%のHClの沸騰水溶
液の中で3時間浸漬した、研磨済みの試験片の損失質量
を測定することにより決めた。
【0040】化学強化のしやすさは、450℃の浴に1
6時間ガラス試料を浸漬することにより決めた。2種類
の浴を使用した:即ち、重量で次の組成を有する浴;6
0%KNO〜40%NaNO、もう1種類は硝酸ナ
トリウム(NaNO100%)である。次に、厚さ2
00μmの断面が得られるように、強化済みガラスを切
断した。次いで、この断面についてイオン交換した層の
厚さ及び表面の複屈折を光学的に測定した。イオン交換
済みのガラス(イオン交換完了)は、その表面の複屈折
が少なくとも2,500nm/cmであり、イオン交換
によって生成した厚さが少なくとも60μmならば眼鏡
レンズとして充分使用出来る機械的特性を保持すると本
出願人は見なす。
【0041】
【表1】 この表を考察すると、本発明のガラスの重要性が実証さ
れる。先行技術のガラス(実施例7)では、交換深さが
極めて浅いので強化につながらなことが判る。
【0042】前述の化学強化の実験条件は決して限定的
なものではない。強化の最適温度は、ガラスの歪点(T
c)より約50℃低いことが一般的に認められている。
従って、本発明の実施例5のガラスのように比較的低い
歪点を有するガラスでは、450℃未満の温度が極めて
有効であることが実証される(前記の表1を参照された
い)。
【0043】本出願人は、(表1の)実施例1のガラス
について化学強化の条件を更に詳しく研究した。表2及
び表3は、このガラスを用いて得られた結果を示してお
り、このガラスはいろいろな組成の浴の中において、表
2では400℃で、一方、表3では450℃で強化され
ている。
【0044】
【表2】
【表3】 これらの数値を考察すると、強化の最良の結果は、45
0℃(試験したガラスの歪点Tcは496℃である)
で、浴がナトリウムイオンを含む時に得られることが判
る。ナトリウムイオンを含む浴の機能に関する優位性
は、ガラスの中の極めて大量のリチウムイオンによって
直感的に説明される。リチウムとナトリウムとの交換
は、リチウムとカリウムとの交換よりも容易である。
【0045】このことにより、前記の実施例は実験室の
実験だけを反映しているけれども、本発明のガラス及び
レンズは、ガラス産業における伝統的方法(溶融)によ
って、容易に工業的に作製出来ることがこれによって説
明される。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 イオン交換によって強化が可能であり、
    1.67と1.72の間の屈折率、及び酸化物基準の重
    量パーセントで表して次の組成を有することを特徴とす
    る無機ガラス: SiO 33〜37 B 7.5〜13 SiO+B 44〜48 LiO 5〜8 NaO >2.5〜7.5 KO 0〜2 LiO+NaO+KO <14 CaO 0〜<8 Al 0〜6 Nb 8〜13 ZrO 4〜6 TiO 5〜10 La 12〜19 SrO 2〜4 As及び/又はSb 0〜0.8
  2. 【請求項2】 Alを含まないことを特徴とする
    請求項1記載の無機ガラス。
  3. 【請求項3】 前記ガラスのCaOの含有量が5重量パ
    ーセント未満であることを特徴とする請求項1又は2記
    載の無機ガラス。
  4. 【請求項4】 表面強化無機ガラスであって、前記ガラ
    ス内部には請求項1ないし3のいずれか1項記載のガラ
    スの組成を有し、かつ前記ガラスの表面には圧縮を受け
    る層を有することを特徴とする表面強化無機ガラス。
  5. 【請求項5】 前記圧縮を受ける層が少なくとも60μ
    mの厚さを有し、かつ前記ガラスの表面で少なくとも
    2,500nm/cmの複屈折を有することを特徴とす
    る請求項4記載の表面強化無機ガラス。
  6. 【請求項6】 請求項1ないし5のいずれか1項記載の
    無機ガラス、好ましくは請求項4又は5記載の強化無機
    ガラスの眼鏡レンズ。
  7. 【請求項7】 請求項4又は5記載の強化無機ガラスの
    眼鏡レンズであって、2mm未満、好ましくは約1.5
    mm又は1.5mmに等しい厚さを有することを特徴と
    する眼鏡レンズ。
  8. 【請求項8】 請求項4又は5記載の表面強化無機ガラ
    スの作製方法であって、 請求項1ないし3のいずれか1項記載の無機ガラスを作
    製し前記無機ガラスを化学強化する、各工程を含むこと
    を特徴とする方法。
  9. 【請求項9】 前記化学強化が、ナトリウムイオンを含
    む溶融塩浴の中で少なくとも400℃の温度で10ない
    し20時間行なわれることを特徴とする請求項8記載の
    方法。
  10. 【請求項10】 前記溶融塩浴が、硝酸ナトリウム(N
    aNO)の浴、又は少なくとも30重量%の硝酸ナト
    リウム(NaNO)を含む、硝酸ナトリウム(NaN
    )と硝酸カリウム(KNO)との混合物の浴であ
    ることを特徴とする請求項9記載の方法。
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