特許 7269957 ガラス組成物

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-26

(45)【発行日】2023-05-09

(54)【発明の名称】ガラス組成物

(51)【国際特許分類】

   C03C 3/091 20060101AFI20230427BHJP

   C03C 3/095 20060101ALI20230427BHJP

   C03C 8/14 20060101ALI20230427BHJP

   G11B 5/73 20060101ALI20230427BHJP

【ＦＩ】

C03C3/091

C03C3/095

C03C8/14

G11B5/73

【請求項の数】 24

(21)【出願番号】P 2020559548

(86)(22)【出願日】2019-04-10

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-08-30

(86)【国際出願番号】 CN2019082035

(87)【国際公開番号】W WO2019205938

(87)【国際公開日】2019-10-31

【審査請求日】2020-12-18

(31)【優先権主張番号】201810380182.8

(32)【優先日】2018-04-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(31)【優先権主張番号】201810380183.2

(32)【優先日】2018-04-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】512264046

【氏名又は名称】成都光明光▲電▼股▲分▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＣＨＥＮＧＤＵ ＧＵＡＮＧ ＭＩＮＧ ＧＵＡＮＧ ＤＩＡＮ ＧＬＡＳＳ ＣＯ．，ＬＴＤ．

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．３５９，Ｓｅｃ．３，Ｃｈｅｎｇｌｏｎｇ Ａｖｅｎｕｅ，Ｌｏｎｇ ｑｕａｎ ｙｉ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】毛 露路

(72)【発明者】

【氏名】孫 偉

(72)【発明者】

【氏名】匡 波

【審査官】須藤 英輝

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６０－２１５５４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０９６４６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３０２２８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－００８５０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５５－００３３９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５００９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０１４５１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１２５７８７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－０８３５３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／０９９９７０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０７－３００３３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１５６９５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６４－０６１３２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】日本硝子製品工業会，３．食器用及び工芸用ガラス，ガラス組成データブック，vol.1，1991年，pp.29-48

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０３Ｃ １／００－１４／００

ＩＮＴＥＲＧＬＡＤ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

組成をモル濃度で示したとき、SiO₂ 52-70%、B₂O₃ 5-10%、Al₂O₃ 5-15%、CaO 8-20%、MgO 5-18%を含有し、CaO、MgO、およびAl₂O₃の含有量が、以下の4つの条件を満たす、ガラス組成物。
CaO/MgO：0.9-2.0；
(CaO+MgO)/Al₂O₃：2.5-6.0;
Al₂O₃/SiO₂ ：0.15-0.30;
Al ₂ O ₃ /B ₂ O ₃ ：0.5-1.6。

【請求項2】

更に、SrO 0-5%、BaO 0-5%、ZnO 0-5%、La₂O₃ 0-3%、Y₂O₃ 0-5%、TiO₂ 0-10%、ZrO₂ 0-5%、Sb₂O₃ 0-2%、CeO₂ 0-2%、SnO₂ 0-2%を含有する、請求項１に記載のガラス組成物。

【請求項3】

組成をモル濃度で示したとき、SiO₂ 52-70%、B₂O₃ 5-10%、Al₂O₃ 5-15%、CaO 8-20%、MgO 5-18%、SrO 0-5%、BaO 0-5%、ZnO 0-5%、La₂O₃ 0-3%、Y₂O₃ 0-5%、TiO₂ 0-10%、ZrO₂ 0-5%、Sb₂O₃ 0-2%、CeO₂ 0-2%、SnO₂ 0-2%を含有し、CaO、MgO、およびAl₂O₃の含有量が、以下の4つの条件を満たす、ガラス組成物。
CaO/MgO：0.9-2.0；
(CaO+MgO)/Al₂O₃：2.5-6.0;
Al₂O₃/SiO₂ ：0.15-0.30;
Al ₂ O ₃ /B ₂ O ₃ ：0.5-1.6。

【請求項4】

組成をモル濃度で示したとき、SiO₂ 52-65%、B₂O₃ 5-10%、Al₂O₃ 5-15%、CaO 8-20%、MgO 5-18%を含有し、CaO、MgO、およびAl₂O₃の含有量が、以下の4つの条件を満たし、
ヤング率が80GPa以上であり、密度が3.10g/cm³以下である、ガラス組成物。
CaO/MgO：0.9-2.0；
(CaO+MgO)/Al₂O₃：2.5-6.0；
Al₂O₃/SiO₂ ：0.15-0.30;
Al ₂ O ₃ /B ₂ O ₃ ：0.5-1.6。

【請求項5】

組成をモル濃度で示したとき、SrO 0-5%、BaO 0-5%、ZnO 0-5%、La₂O₃ 0-3%、Y₂O₃ 0-5%、TiO₂ 0-10%、ZrO₂ 0-5%、Sb₂O₃ 0-2%、CeO₂ 0-2%、SnO₂ 0-2%、R₂O 10%未満（R₂OはNa₂O、K₂O、Li₂Oの合計値である。）を含有する、請求項４に記載のガラス組成物。

【請求項6】

組成をモル濃度で示したとき、SiO₂ 53-65%、及び/又はB₂O₃ 5-8%、及び/又はAl₂O₃ 7-13%、及び/又はCaO 10-18%、及び/又はMgO 7-16%、及び/又はSrO 0-3%、及び/又はBaO 0-3%、及び/又はZnO 0-2%、及び/又はLa₂O₃ 0-1%、及び/又はY₂O₃ 0.2-3%、及び/又はTiO₂ 0-5%、及び/又はZrO₂ 0-2%、及び/又はSb₂O₃ 0-1%、及び/又はCeO₂ 0-1%、及び/又はSnO₂ 0-1%を含有する、請求項１～５のいずれかに記載のガラス組成物。

【請求項7】

各成分の含有量が以下の2つの条件のうち1つ以上の条件を満たす、請求項１～５のいずれかに記載のガラス組成物。
(1) SiO₂+Al₂O₃：60-75%；
(2) (CaO+MgO+BaO+SrO)/SiO₂：0.2-0.7。

【請求項8】

組成をモル濃度で示したとき、SiO₂ 54-62%、及び/又はB₂O₃ 5-7%、及び/又はAl₂O₃ 8-12%、及び/又はCaO 12-17%、及び/又はMgO 8-15%、及び/又はBaO 0-1%、及び/又はY₂O₃ 0.3-1%、及び/又はTiO₂ 0-2%、及び/又はSb₂O₃ 0-0.5%、及び/又はCeO₂ 0-0.5%、及び/又はSnO₂ 0-0.5%を含有する、請求項１～５のいずれかに記載のガラス組成物。

【請求項9】

各成分の含有量が以下の6つの条件のうち1つ以上の条件を満たす、請求項１～５のいずれかに記載のガラス組成物。
(1) SiO₂+Al₂O₃：62-73%；
(2) Al₂O₃/SiO₂：0.15-0.25；
(3) Al₂O₃/B₂O₃：0.8-1.6；
(4) CaO/MgO：1.0-2.0；
(5) (CaO+MgO+BaO+SrO)/SiO₂：0.3-0.6；
(6) (CaO+MgO)/Al₂O₃：2.5-5.5。

【請求項10】

各成分の含有量が以下の6つの条件のうち1つ以上の条件を満たす、請求項１～５のいずれかに記載のガラス組成物。
(1) SiO₂+Al₂O₃：64-70%；
(2) Al₂O₃/SiO₂：0.15-0.20；
(3) Al₂O₃/B₂O₃：1.0-1.6；
(4) CaO/MgO：1.1-2.0；
(5) (CaO+MgO+BaO+SrO)/SiO₂：0.4-0.6；
(6) (CaO+MgO)/Al₂O₃：2.5-5.0。

【請求項11】

組成をモル濃度で示したとき、Na₂O、K₂O、Li₂Oの合計値であるR₂Oが10%以下である、請求項１、２、４、５のいずれかに記載のガラス組成物。

【請求項12】

組成をモル濃度で示したとき、Na₂O、K₂O、Li₂Oの合計値であるR₂Oが5%以下である、請求項１、２、４、５のいずれかに記載のガラス組成物。

【請求項13】

組成をモル濃度で示したとき、Na₂O、K₂O、Li₂Oの合計値であるR₂Oが3%以下である、請求項１、２、４、５のいずれかに記載のガラス組成物。

【請求項14】

組成をモル濃度で示したとき、Na₂O、K₂O、Li₂Oの合計値であるR₂Oが1%以下である、請求項１、２、４、５のいずれかに記載のガラス組成物。

【請求項15】

ヤング率が80-100GPaであり、密度が2.80g/cm³以下である、請求項１～５のいずれかに記載のガラス組成物。

【請求項16】

ヤング率が82-100GPaであり、密度が2.70g/cm³以下である、請求項１～５のいずれかに記載のガラス組成物。

【請求項17】

ヤング率が84-100GPaであり、密度が2.65g/cm³以下である、請求項１～５のいずれかに記載のガラス組成物。

【請求項18】

耐水作用安定性がクラス2以上であり、耐酸作用安定性がクラス2以上である、請求項１～５のいずれかに記載のガラス組成物。

【請求項19】

耐水作用安定性がクラス1であり、耐酸作用安定性がクラス1である、請求項１～５のいずれかに記載のガラス組成物。

【請求項20】

ガラス転移温度が670℃以上であり、
1400℃における溶融状態での粘度が400ポアズ以下である、請求項１～５のいずれかに記載のガラス組成物。

【請求項21】

ガラス転移温度が675℃以上であり、
1400℃における溶融状態での粘度が350ポアズ以下である、請求項１～５のいずれかに記載のガラス組成物。

【請求項22】

ガラス転移温度が680℃以上であり、
1400℃における溶融状態での粘度が350ポアズ以下である、請求項１～５のいずれかに記載のガラス組成物。

【請求項23】

請求項１～２２のいずれかに記載のガラス組成物からなるハードディスク基板。

【請求項24】

半導体封止用に用いられる、請求項１～２２のいずれかに記載のガラス組成物。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガラス組成物、特にヤング率が高く、密度が低いガラス組成物に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、ビッグデータクラウドストレージなどの産業の急速発展に伴って、ハードディスクの読み取り速度に対する要求が高まっている。ハードディスクの読み取り速度を向上させる最も効果的な方法は、ハードディスクの回転速度を向上させることである。現在、市場に出回っているハードドライブの回転速度は通常5200rpm-7200rpmであり、ハードドライブの転送速度をさらに向上させるには、ハードドライブの回転速度が10000rpm以上に達するようにし、長期間変形しないようにする必要がある。高速回転によるディスク変形はハードディスクにとって致命的な欠陥であり、ディスクを製造するための材料は非常に高い比弾性率を必要する。比弾性率とは、材料のヤング率と密度との比であり、材料の比弾性率が大きいほど、その材料で作られた基板は高速回転時の変形量が小さくなる。従来のアルミニウム合金ディスクはヤング率が約70GPaと小さいため、高速回転のハードディスクの製造には適していない。

【0003】

このような理由から、ハードドライブメーカーは、アルミニウム合金材の代わりに高ヤング率のガラスをハードドライブとして使用する傾向がある。ハードディスク基板としてのガラス材料にとって、ヤング率が80GPa以上、せん断率が35GPa以上、ヤング率と密度との比であるE（GPa）/ρの値が30以上であることが一般的に要求される。また、高温環境下でガラス基板上に磁性材料をスパッタリングする必要があるため、ガラスは600℃以上で変形しない必要がある。さらに重要なのは、ガラス中に泡を多く含んではならず、泡が多いと基板が高速回転中に乱れてしまう。そのため、このようなガラスは、製造工程において泡を排除しやすいように、組成設計において高温粘度を下げることを考慮する必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】中国特許出願公開第1207086号明細書

【文献】中国特許出願公開第102432171号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

2003年に発表された文献「ハードディスク基板用微結晶ガラス材料の研究」には、ヤング率100GPa、密度2.60g/cm³未満のLi₂O-Al₂O₃-SiO₂-P₂O₅系の微結晶ガラスが記載されており、このような数値はハードディスクの回転速度を上げるのに非常に有利である。しかし、微結晶ガラスの機構はガラス組成物から周囲のガラス相と異なる結晶粒を析出させてガラスのヤング率と強度を高めることであるため、析出した結晶粒と周囲のガラス相の組成は一致せず、その加工性能が大きく異なる。現在、ハードディスク基板の表面粗さは約1オングストロームであることが求められているが、微結晶ガラスでは現在の加工条件でこの基準を満たすことは非常に困難であり、更に重要なのは、ガラス基板の表面に結晶粒が存在すると記憶データの損失を招くため、ガラスハードディスク基板の分野で微結晶ガラスを幅広く利用することは困難である。

【0006】

中国特許出願公開第1207086号明細書には、SiO₂-Al₂O₃-ROアルカリフリーガラスが記載されており、ROは、110GPa以上のヤング率を達成することができるアルカリ土類金属酸化物を意味する。しかし、このようなガラスは高温粘度が非常に高く、泡を排除することが非常に困難である。また、このようなガラスは1600℃程度の溶融温度を必要とし、ガラス内部に介在物が発生して廃棄されやすく、また清澄剤としてAs₂O₃を添加することで比較的泡の良好なガラスを得られる。これらは2つの問題をもたらす。一方、1600℃の作動温度に耐えられる炉体は特殊な設計を必要とし、オーバーホールの間隔時間は1500℃の作動条件より50%以上短く、多くのエネルギー消費と廃弃物の排出をもたらしてしまう。一方、As₂O₃は既存の環境規制によりガラスへの添加が禁止されており、環境要件を満たしていない。

【0007】

中国特許出願公開第102432171号明細書には、SiO₂-Al₂O₃-RO-R₂0システムガラスが記載されており、ROとはアルカリ土類金属酸化物のことで、R₂Oとはアルカリ金属酸化物のことで、アルカリ金属が10モル%以上含まれている。特に5モル%以上のLi₂Oを含む場合、大量のアルカリ金属酸化物は高温粘度を低下させ、泡を排除しやすいが、ガラスの耐熱性は急速に低下する。特にLi₂Oを大量に使用すると、ガラスのTg温度は急速に低下し、ガラス基板の耐熱性は低下し、磁気ディスク製造工程ではそれ以上の温度に耐えられない。一方、アルカリ金属含有量の増加に伴い、ガラスの耐水耐酸性が大きく劣化し、加工工程の洗浄過程で表面品質が低下してしまう。更に重要なのは、アルカリ金属含有ガラスは、磁気ディスク製造工程において高温処理を行うと、アルカリ金属成分が析出しやすく、致命的な欠陥をもたらす。

【0008】

本発明で解決しようとする技術的課題は、ヤング率が高く、密度が低いガラス組成物を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明のガラス組成物は、その組成はモル比で示し、SiO₂ 52-70%、B₂O₃ 5-10%、Al₂O₃ 5-15%、CaO 8-20%、MgO 5-18%が含有される。

【0010】

更に、その組成はモル比で示し、SrO 0-5%、BaO 0-5%、ZnO 0-5%、La₂O₃ 0-3%、Y₂O₃ 0-5%、TiO₂ 0-10%、ZrO₂ 0-5%、Sb₂O₃ 0-2%、CeO₂ 0-2%、SnO₂ 0-2%が含有される。

【0011】

本発明のガラス組成物は、その組成はモル比で示し、SiO₂ 52-70%、B₂O₃ 5-10%、Al₂O₃ 5-15%、CaO 8-20%、MgO 5-18%、SrO 0-5%、BaO 0-5%、ZnO 0-5%、La₂O₃ 0-3%、Y₂O₃ 0-5%、TiO₂ 0-10%、ZrO₂ 0-5%、Sb₂O₃ 0-2%、CeO₂ 0-2%、SnO₂ 0-2%が含有される。

【0012】

本発明のガラス組成物は、その組成は、SiO₂、B₂O₃、Al₂O₃、CaO及びMgOが含有され、ヤング率が80GPa以上、密度が3.10g/cm³以下である。

【0013】

更に、その組成はモル比で示し、SiO₂ 52-70%、B₂O₃ 5-10%、Al₂O₃ 5-15%、CaO 8-20%、MgO 5-18%、SrO 0-5%、BaO 0-5%、ZnO 0-5%、La₂O₃ 0-3%、Y₂O₃ 0-5%、TiO₂ 0-10%、ZrO₂ 0-5%、Sb₂O₃ 0-2%、CeO₂ 0-2%、SnO₂ 0-2%、R₂O 10%未満（R₂OはNa₂O、K₂O、Li₂Oの合計値）が含有される。

【0014】

更に、SiO₂ 53-65%、及び/又はB₂O₃ 5-8%、及び/又はAl₂O₃ 7-13%、及び/又はCaO 10-18%、及び/又はMgO 7-16%、及び/又はSrO 0-3%、及び/又はBaO 0-3%、及び/又はZnO 0-2%、及び/又はLa₂O₃ 0-1%、及び/又はY₂O₃ 0.2-3%、及び/又はTiO₂ 0-5%、及び/又はZrO₂ 0-2%、及び/又はSb₂O₃ 0-1%、及び/又はCeO₂ 0-1%、及び/又はSnO₂ 0-1%である。

【0015】

更に、その組成含有量は以下の6つの条件のうち1つ以上の条件を満たす。
(1) SiO₂+Al₂O₃：60-75%；
(2) Al₂O₃/SiO₂：0.05-0.30；
(3) Al₂O₃/B₂O₃：0.5-2.5；
(4) CaO/MgO：0.9-3.5；
(5) (CaO+MgO+BaO+SrO)/SiO₂：0.2-0.7；
(6) (CaO+MgO)/Al₂O₃：1.5-6.0。

【0016】

更に、SiO₂ 54-62%、及び/又はB₂O₃ 5-7%、及び/又はAl₂O₃ 8-12%、及び/又はCaO 12-17%、及び/又はMgO 8-15%、及び/又はBaO 0-1%、及び/又はY₂O₃ 0.3-1%、及び/又はTiO₂ 0-2%、及び/又はSb₂O₃ 0-0.5%、及び/又はCeO₂ 0-0.5%、及び/又はSnO₂ 0-0.5%である。

【0017】

更に、その組成含有量は以下の6つの条件のうち1つ以上の条件を満たす。
(1) SiO₂+Al₂O₃：62-73%；
(2) Al₂O₃/SiO₂：0.10-0.25；
(3) Al₂O₃/B₂O₃：0.8-1.8；
(4) CaO/MgO：1.0-2.5；
(5) (CaO+MgO+BaO+SrO)/SiO₂：0.3-0.6；
(6) (CaO+MgO)/Al₂O₃：2.0-5.5。

【0018】

更に、その組成含有量は以下の6つの条件のうち1つ以上の条件を満たす。
(1) SiO₂+Al₂O₃：64-70%；
(2) Al₂O₃/SiO₂：0.15-0.20；
(3) Al₂O₃/B₂O₃：1.0-1.6；
(4) CaO/MgO：1.1-2.0；
(5) (CaO+MgO+BaO+SrO)/SiO₂：0.4-0.6；
(6) (CaO+MgO)/Al₂O₃：2.5-5.0。

【0019】

更に、上記のガラス組成物は、その組成はモル比で示し、Na₂O、K₂O、Li₂Oの合計値であるR₂Oを10%以下、好ましくは5%以下、より好ましくは3%以下、さらに好ましくは1%以下とする。

【0020】

更に、上記ガラス組成物のヤング率は80-100GPaとし、好ましくは82-100GPa、より好ましくは84-100GPaとする。密度は2.70g/cm³以下とし、好ましくは2.70g/cm³以下、さらに好ましくは2.65g/cm³以下とする。

【0021】

更に、前記ガラス組成物の耐水作用安定性は2類以上とし、好ましくは1類とする。耐酸作用安定性は2類以上とし、好ましくは1類とする。

【0022】

更に、前記ガラス組成物の転移温度は670℃以上とし、好ましくは675℃以上、より好ましくは680℃以上とする。ガラスの1400℃における溶融状態での粘度は400ポアズ以下とし、好ましくは350ポアズ以下、より好ましくは300ポアズ以下とする。

【0023】

本発明のハードディスク基板は、前記のガラス組成物から成る。

【0024】

前記の本発明のガラス組成物は、半導体封止用に用いられる。

【発明の効果】

【0025】

一般的な化学原料を使用し、各成分の含有量を合理的に調整することにより、本発明のガラスは、ヤング率は高く、密度は低く、耐熱性及び化学的安定性が良好で、高温粘度が小さく、原料コストが低く、製造中にスジ及び泡が容易に排除され、特にハードディスク基板の製造及びその他の高ヤング率材料を必要とする分野に適している。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明のガラスの各組成について説明するが、別途説明のない限り、各組成の含有量はモル%で表す。

【0027】

SiO₂はガラスの主要なネットワーク形成体であり、ガラスを構成する骨組である。
本発明のシステムガラスにおいて、その含有量が70%より高いと、ガラスの溶融性能が低下し、高温粘度が急激に上昇する。その含有量が52%未満では、ガラスの化学的安定性は低下し、ガラスの密度は設計の予想を超えてしまう。したがって、良好な原料性能を維持し、低い高温粘度が得られ、低い密度が得られ、良好な化学的安定性を維持するには、SiO₂の含有量は52-70%に限定し、好ましくは53-65%、さらに好ましくは54-62%に限定される。

【0028】

B₂O₃もガラス形成体の1つであり、同時に良好な助溶剤でもある。適量のB₂O₃を添加することにより、ガラス原料の融解性が著しく向上し、ガラスの密度が低下し、ガラスの高温粘度が低下される。しかし、ガラスにB₂O₃を過剰に添加すると、ガラスのヤング率が大幅に低下し、ガラスの化学的安定性が低下してしまう。そのため、B₂O₃の添加量が5%未満では、ガラス原料は極めて溶融しにくくなり、ガラスの高温粘度が高くなってしまい、生産における泡は排除しにくくなる。B₂O₃の添加量が10%より高いと、ガラスのヤング率が著しく低下し、ガラスの化学的安定性、特に耐水性が低下してしまう。そのため、その含有量を5-10%に限定し、好ましくは5-8%、さらに好ましくは5-7%とする。

【0029】

本発明のシステムガラスにAl₂O₃を添加すると、ガラスのヤング率を向上させると同時に、ガラスの密度を低下させることができる。その含有量が5%未満の場合、ガラスのヤング率は設計の予想よりも低くなり、ガラスの密度も増大してしまう。その含有量が15%より高いと、Al₂O₃が非常に不溶性であるため、ガラスの原料の溶融性が急下に低下してしまい、ガラスの高温粘度が急激に上昇する。したがって、ガラスのヤング率、密度、溶融性、高温粘度のバランスをとるために、添加されるAl₂O₃の量は5-15%に限定し、好ましくは7-13%、さらに好ましくは8-12%とする。

【0030】

更に、本発明者らによる多数の実験研究によれば、上記3種類の酸化物はガラス骨組の本体組成であり、その相互の比例関係はガラスの構造に重大な影響を与え、ひいてはガラスの性能、例えば溶融性能、高温粘度、ヤング率、密度、化学的安定性、耐熱性等に極めて強い相関性があることが見つかった。

【0031】

本発明において、SiO₂及びAl₂O₃はいずれも難溶融酸化物であり、その合計含有量SiO₂+Al₂O₃が75%を超えると、ガラスの溶融性能が急激に低下し、高温粘度が上昇し、ガラス中に不溶融物及び泡が発生しやすい。SiO₂及びAl₂O₃の合計含有量SiO₂+Al₂O₃が60%未満では、ガラスのヤング率と化学的安定性は設計要件を満たさなくなる。溶融性とヤング率とを両立させるために、SiO₂+Al₂O₃は60-75%とし、好ましくは62-73%、さらに好ましくは64-70%とする。

【0032】

更に重要なのは、このシステムガラスでは、従来技術では、ガラスの溶融性能と高温粘度はAl₂O₃の増加に伴って直線的に増加すると一般的に考えられている。本発明者らは大量の実験を経て、Al₂O₃とSiO₂との比Al₂O₃/SiO₂が0-0.05の範囲内にある場合、ガラスの溶融性能はAl₂O₃含有量の増加に伴って直線的に急激に低下することを見つけた。しかし、Al₂O₃/SiO₂が0.05-0.30の範囲内にある時、ガラスの高温粘度はこれ以上激しく上昇せず、ガラスの溶融性能も明らかに低下しなくなる。一方、Al₂O₃/SiO₂の値が0.30を超えると、ガラスの高温粘度は急激に上昇し続け、ガラスの溶解性は急激に低下し続ける。簡単に言えば、Al₂O₃/SiO₂が0.05-0.30の範囲にある場合、Al₂O₃の増加に伴うガラスの溶解性及び高温粘度の変化は小さい。また、本発明者らは、Al₂O₃/SiO₂が0.05-0.30の範囲にあるとき、Al₂O₃/SiO₂の値が大きくなるにつれてガラスのヤング率及び耐熱性が急激に大きくなることを見出した。これにより、Al₂O₃/SiO₂が0.05-0.30の範囲においては、好ましくは0.10-0.25の範囲、さらに好ましくは0.15-0.20の範囲にあれば、高温粘度が小さく溶融性が良好で、より大きなヤング率と良好な耐熱性を得ることができる。

【0033】

更に、Al₂O₃とB₂O₃は本システムガラス中でガラス成分の変化に伴って構造変化が発生する。従来技術では、B₂O₃の添加はガラスの溶融性を高め、高温粘度を低下させるが、ガラスのヤング率を低下させると考えられていたので、高ヤング率のガラスを得るためには、B₂O₃の導入を低減し、B₂O₃を添加しなくても溶融性と高温粘度を犠牲にして高ヤング率のガラスを得ることが一般的であった。しかし、本発明者らの研究では、Al₂O₃とB₂O₃との比Al₂O₃/B₂O₃が0.5-2.5、好ましくは0.8-1.8、さらに好ましくは1.0-1.6の範囲にあれば、ガラスは設計されたヤング率を達成することができ、良好な溶融性と低い高温粘度を得ることができることを見出した。

【0034】

CaO、MgO、SrO及びBaOはアルカリ土類金属酸化物に属する。適量のアルカリ土類金属酸化物をガラスに添加することにより、ガラスのヤング率を上げ、ガラスの高温粘度を低下させ、同時にガラス組成をバランスさせ、ガラスの溶融性能を改善することができる。但し、アルカリ土類金属酸化物が多すぎると、ガラスの耐結晶化性を低下させてしまう。ハードディスク基板用のガラスにとってガラスの耐結晶化性は非常に重要である。ハードディスク基板用のガラスブランクを制作する中では、ガラスの軟化点近くでガラスブランクを軟化した後に、薄いブランクを圧縮する必要があり、耐結晶化性が悪いとガラス中に結晶粒子ができてしまう。結晶粒の硬度などの物性は周囲のガラスとは大きく異なるため、加工中に欠陥が発生し、基板の表面粗さが仕様に達しない。したがって、本発明において、（CaO+MgO+BaO+SrO/SiO₂の値が0.2-0.7、好ましくは0.3-0.6、さらに好ましくは0.4-0.6の範囲であるとき、ガラスの耐晶析性、高温粘度、ヤング率が最もバランスが取れる。

【0035】

上記の4つのアルカリ土類金属酸化物の共通点は、高温粘度を下げることができるということで、ガラスの溶融性能を改善するが、高温粘度を下げる能力、ガラスの耐晶析性能に影響する程度、及びガラス密度に影響する程度とヤング率及び耐熱性の向上の度合いは一致せず、大きな違いがある。

【0036】

本発明者らの研究では、MgOをガラスに添加することで、ガラスのヤング率を高め、ガラスの高温粘度を下げることができるが、その含有量が5%未満であれば、密度の低減、ヤング率上昇効果は明らかではないことを見出した。その含有量が18%を超えると、ガラスの耐結晶性は明らかに低下する。したがって、その含有量を5-18%に限定し、好ましくは7-16%、さらに好ましくは8-15%限定される。

【0037】

CaOは、これら4種類のアルカリ土類金属酸化物の中で高温粘度を低下させる作用が最も顕著であると同時に、ガラスのヤング率を上昇させる作用があり、MgOに比べてヤング率を上昇させる作用がやや低く、ガラス密度を低下させる能力もMgOに比べてやや低い。本発明において、CaO添加量が8%未満であれば、ガラスのヤング率は設計要件を満たせず、ガラスの高温粘度を下げる効果は明らかではない。その含有量が20%より高いと、ガラスの耐結晶性が急激に低下し、ガラスの化学的安定性、特に耐水性が急速に低下される。したがって、その含有量を8-20%に限定し、好ましくは10-18%、さらに好ましくは12-17%に限定される。

【0038】

SrOはガラスのヤング率を高めて、ガラスの密度を下げる能力はCaOとMgOより低く、少量の添加はガラスの耐晶析性能を高めることができる。その含有量が5%より高いと、ガラスの耐結晶化能力が低下し、化学的安定性が低下され、ガラスのコストが大幅に上昇してしまう。したがって、その含有量を0-5%、好ましくは0-3%に制限され、より好ましくは添加しないことである。

【0039】

BaOは、他の3つのアルカリ土類金属酸化物と比較して、ガラスの密度を大幅に増加させることができ、ガラスの化学的安定性を大幅に低下させることができる。少量のBaO添加はガラスのヤング率及び耐晶析性能を向上させるが、その含有量が5%を超えるとガラスの密度が著しく向上し、化学的安定性，特に耐水性が著しく低下する。したがって、その含有量を0-5%に限定し、好ましくは0-3%、より好ましくは0-1%とし、さらに好ましくは添加しないことである。

【0040】

更に、本発明者らによる多数の実験研究によれば、CaOとMgOとを共存させ、CaOとMgOとの比CaO/MgOが0.9-3.0の範囲にあると、ある種のアルカリ土類金属酸化物を単独で添加した構造に対して、ガラスの内部構造が引き締まる方向に変化するため、ヤング率が高く、ガラスの耐結晶性は強く、高温粘度が低く、化学的安定性に優れている。したがって、CaO/MgOの値を0.9-3.5に限定し、好ましくは1.0-2.5、さらに好ましくは1.1-2.0に限定される。

【0041】

更に、本発明者らの研究では、ガラスのヤング率、高温粘度、密度、化学的安定性は、ガラス中のCaO、MgOの合計値とAl₂O₃の相対含有量と著しく関係があることを見出した。その理由は、この2種類の主要なアルカリ土類金属酸化物の含有量がAl₂O₃の構造をガラス内部で著しく変化させ、それによってガラスのヤング率、高温粘度、密度、化学安定性などの性能を変化させるからである。ガラスのヤング率、高温粘度、密度、化学的安定性などの重要な指標は、CaO、MgOの合計値とAl₂O₃との比（CaO+MgO）/Al₂O₃が1.5-6.0を満たした際、好ましくは2.0-5.5、さらに好ましくは2.5-5.0の間で最もバランスがとれている。

【0042】

ZnOをガラスに少量添加すると、ガラスの耐晶析温度と化学的安定性が向上し、同時にガラスの高温粘度が低下する。しかし、その含有量が5%を超えると、ガラスの密度は著しく上昇し、設計要件を満たさなくなってしまう。したがって、その含有量を0-5%、好ましくは0-2%に制限され、より好ましくは添加しないことである。

【0043】

ガラスに少量のZrO₂を追加すると、ガラスの耐結晶化能力が向上し、ガラスの化学的安定性が向上する。しかし、その含有量が5%を超えると、ガラスの溶融性能が著しく低下され、ガラスの高温粘度が著しく上昇し、ガラス中に不溶融物が出やすくなる。したがって、その含有量を0-5%、好ましくは0-2%に制限され、より好ましくは添加しないことである。

【0044】

La₂O₃をガラスに少量添加することにより、ガラスのヤング率を上昇させることができ、ガラスのTg温度も上昇させることができ、ガラスの耐熱性を向上させ、ガラスの高温粘度を低下させることができる。しかし、その含有量が3%を超えると、ガラスの密度は著しく上昇し、設計要件を満たせず、ガラスの耐晶析性能は著しく低下してしまう。したがって、その含有量を0-3%に限定し、好ましくは0-1%とし、さらに好ましくは添加しないことである。

【0045】

ガラスにY₂O₃を少量添加することにより、ガラスのヤング率や耐熱性を大幅に向上させることができるとともに、ガラスの高温粘度を低下させることができ、泡を容易に排除することができる。しかし、その含有量が5%を超えると、ガラスの耐結晶性が著しく低下し、密度も著しく上昇する。したがって、その含有量を0-5%に限定し、好ましくは0.2-3%、さらに好ましくは0.3-1%に限定される。

【0046】

ガラスにTiO₂を少量添加することにより、ガラスのヤング率を向上させるとともに、ガラスの高温粘度を低下させることができる。しかし、その含有量が10%を超えると、ガラスの耐結晶性が著しく低下すると同時に、Al₂O₃の構造が疎方向に変化し、ヤング率が低下してしまう。また、ガラスにAl₂O₃を過剰に添加すると、ガラスの青色可視光透過率が急速に低下し、青色帯域の高い透過率を必要とするアプリケーションには適しなくなる。したがって、その含有量を0-10%に限定し、好ましくは0-5%、さらに好ましくは0-2%に限定される。

【0047】

本発明では、アルカリ金属酸化物Na₂O、K₂O及びLi₂Oの合計値をR₂Oと呼ぶ。アルカリ金属酸化物を本発明のガラスに添加することにより、ガラスの高温粘度を低下させることができ、ガラスの化成性を向上させることができ、ガラス中の泡及び介在物の排除をより容易にすることができる。本発明では、アルカリ金属酸化物の合計量が10%を超えると、ガラスのTg温度が急激に低下し、さらに深刻なことに、ガラス基板は製造過程でアルカリ金属イオンを析出しやすくなり、ディスクの磁気媒体層を汚染してしまい、製品の廃棄につながる。ガラスの製造難度を低減するためには、一定のアルカリ金属酸化物を添加する必要があるが、R₂Oの含有量は10%を超えないものとし、好ましくは5%以下、より好ましくは3%以下、さらに好ましくは1%以下である。また、アルカリ金属酸化物の種類としてはLi₂Oを優先し、次にNa₂Oを選択し、K₂Oはなるべく選択しないようにする。

【0048】

また、本発明のガラスには、0-2%、好ましくは0-1%、さらに好ましくは0-0.5の清澄剤を導入することができ、これらの清澄剤としては、Sb₂O₃及び/又はSnO₂を選択することができる。

【0049】

次に、本発明の光学ガラスの性能について説明する。

【0050】

[ヤング率]
ガラスのヤング率（E）は、P波とS波の速度を超音波で測定し、次の式に従って計算される。

【数1】

そのうち、

【数2】

【0051】

式において：
Eはヤング率、Pa；
Gはせん断弾性率、Pa；
V_Tは横波速度、m/s；
V_Sは縦波速度、m/s；
ρはガラスの密度、g/cm³；

【0052】

[ガラスの密度]
ガラスの密度（ρ）は、GB/T7962.20-2010規定の方法により測定する。

【0053】

[転移温度]
ガラス転移温度（Tg）は、GB/T7962.16-2010に規定の方法により測定する。

【0054】

[高温粘度]
ガラスの高温粘度は、THETA Rheotronic II高温粘度計により回転法で測定され、数値の単位はdPaS（ポアズ）で示し、数値が小さいほど粘度は小さくなる。

【0055】

[化学的安定性]
ガラスの耐水作用安定性(DW)の測定は、GB/T17129による。
ガラスの耐酸作用安定性(DA)の測定は、GB/T17129による。

【0056】

本発明の光学ガラスは、ヤング率(E)が80GPa以上、好ましくは80-100GPa、より好ましくは82-100GPa、より好ましくは84-100GPaであることを試験した結果、以下の性能を有することを特徴とする。ガラスの密度（ρ）は3.10g/cm³以下、好ましくは2.80g/cm³以下、より好ましくは2.7g/cm³以下、さらに好ましくは2.65g/cm³以下である。ガラス転移温度（Tg）は670℃以上、好ましくは675℃以上、さらに好ましくは680℃以上である。ガラスの1400℃の溶融状態における粘度(K)は400ポアズ以下、好ましくは350ポアズ以下、さらに好ましくは300ポアズ以下である。ガラスの粉末法耐水作用安定性(DW)は、クラス2以上、好ましくはクラス1である。ガラスの粉末法耐酸作用安定性(DA)はクラス2以上、好ましくはクラス1である。

【0057】

本発明の光学ガラスは、上記の性質を有するため、ハードディスク基板の製造に用いることができ、半導体封止にも適用することができる。

【実施例】

【0058】

本発明の技術的解決手段をさらに理解するために、以下に本発明の光学ガラスの実施例を説明する。これらの実施例は、本発明の範囲を限定しないことに留意されたい。

【0059】

表1に示す実施例1～20の光学ガラスは、一般的な光学ガラス用原料（例えば、酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩等）を表1に示す各実施例の比で計量混合した混合原料をプラチナるつぼに入れ、1400-1500℃で4-6時間溶融し、清澄、攪拌、均質化した後、泡や溶け残りのない均質な溶融ガラスを得、この溶融ガラスを型に流し込み、アニールして得た。

【0060】

本発明の実施例1～20の組成、ヤング率(E)、密度（ρ）、転移温度（Tg）、1400℃における粘度(K)、耐水安定性(DW)、耐酸安定性(DA)を示す。SiO₂+Al₂O₃はAで表され、Al₂O₃/SiO₂はBで表され、Al₂O₃/B₂O₃はCで表され、CaO/MgOはDで表され、（CaO+MgO+BaO+SrO）/SiO₂はFで表され、（CaO+MgO）/Al₂O₃はGで表される。

【0061】

【表1】

【0062】

【表2】