JP2003192385A - Glass-ceramics and temperature-compensated member - Google Patents

Glass-ceramics and temperature-compensated member

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JP2003192385A
JP2003192385A JP2001385401A JP2001385401A JP2003192385A JP 2003192385 A JP2003192385 A JP 2003192385A JP 2001385401 A JP2001385401 A JP 2001385401A JP 2001385401 A JP2001385401 A JP 2001385401A JP 2003192385 A JP2003192385 A JP 2003192385A
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    • C03C10/0018Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition containing SiO2, Al2O3 and monovalent metal oxide as main constituents
    • C03C10/0027Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition containing SiO2, Al2O3 and monovalent metal oxide as main constituents containing SiO2, Al2O3, Li2O as main constituents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide glass-ceramics that have a negative coefficient of thermal expansion and can be stably produced in composition and physical properties at a low cost, and to provide a temperature-compensated member. <P>SOLUTION: The glass-ceramics comprises 40-70% of SiO<SB>2</SB>, 10-42% of Al<SB>2</SB>O<SB>3</SB>, 1-13% of Li<SB>2</SB>O, 0-5% of B<SB>2</SB>O<SB>3</SB>, more than 4% to less than 10% of P<SB>2</SB>O<SB>5</SB>, 0-2% of ZrO<SB>2</SB>and 0.5-5.5% of TiO<SB>2</SB>+ZrO<SB>2</SB>, by mass. The glass-ceramics has a main crystal phase comprising at least one or more selected from the group consisting of β-eucryptite (β-Li<SB>2</SB>O-Al<SB>2</SB>O<SB>3</SB>-2SiO<SB>2</SB>), a β-eucryptite solid solution (β-Li<SB>2</SB>O-Al<SB>2</SB>O<SB>3</SB>-2 SiO<SB>2</SB>solid solution), β-quartz (β-SiO<SB>2</SB>) and a β-quartz solid solution (β-SiO<SB>2</SB>solid solution). The glass-ceramics has a coefficient of thermal expansion in a temperature range from -40°C to +80°C of -5×10<SP>-7</SP>to -90×10<SP>-7</SP>/k. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、情報通信分野、エ
ネルギー関連分野、エレクトロニクス分野等の幅広い用
途に使用でき、特に光通信分野においてファイバーグレ
ーティング(fiber grating)やコネクタなど光ファイ
バーを含むデバイスの一部として使用され、負の熱膨張
係数を有しデバイスに温度補償を与えるガラスセラミッ
クスおよびこれを利用した温度補償部材に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention can be used in a wide range of applications in the fields of information and communication, energy, electronics, etc., and particularly in the field of optical communication, a part of a device including an optical fiber such as a fiber grating and a connector. The present invention relates to a glass-ceramic having a negative coefficient of thermal expansion and providing temperature compensation to a device, and a temperature compensation member using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、光通信分野などにおいて光ファイ
バーが多用されている。光ファイバー関連のデバイスは
温度により光ファイバー自体の特性に悪影響を与えない
ことが求められる。
2. Description of the Related Art Currently, optical fibers are widely used in the field of optical communication. Optical fiber related devices are required to have no adverse effect on the characteristics of the optical fiber itself due to temperature.

【0003】例えば、光ファイバーのコネクタは、光電
送装置や光測定器の入出力端子として、あるいは光通信
線路内で光ケーブル同士を接続するものとして、利用さ
れるものである。このような光ファイバーの固定、接続
や保護を目的とするデバイスは、温度変化によるデバイ
スの膨張・収縮による歪みが、光ファイバーに悪影響を
及ぼさないようにする為、所望の熱膨張係数を持つ材料
を組み合わせる等の工夫が必要である。
For example, an optical fiber connector is used as an input / output terminal of an optical transmission device or an optical measuring device, or as a connector for connecting optical cables within an optical communication line. Such devices for fixing, connecting or protecting optical fibers are combined with materials having a desired coefficient of thermal expansion in order to prevent strain due to expansion / contraction of the device due to temperature change from adversely affecting the optical fibers. It is necessary to devise such as.

【0004】またファイバーグレーティングは、波長多
重通信システムにおいて、狭帯域の波長選択特性を利用
した、分散補償、半導体レーザーの波長安定化などを行
うデバイスとして用途が拡大しつつある。しかし、コア
部分の実効屈折率が温度によって変化するため、中心波
長が温度依存性を持つことが知られている。よって、こ
のようなファイバーグレーティングにおいても、温度変
化による影響を極力軽減することが求められている。
Further, the use of the fiber grating is expanding as a device for performing dispersion compensation, wavelength stabilization of a semiconductor laser, etc. by utilizing a wavelength selection characteristic of a narrow band in a wavelength division multiplexing communication system. However, it is known that the central wavelength has temperature dependence because the effective refractive index of the core portion changes with temperature. Therefore, even in such a fiber grating, it is required to reduce the influence of temperature change as much as possible.

【0005】更に、光ファイバー関連の分野だけでな
く、エネルギー関連分野や情報分野等で使用される各種
装置、機器等においても、温度差から発生する歪みや内
部応力の発生を防止するために、これら装置、機器等を
構成するデバイスや精密部品の熱膨張係数を適切な値に
調整することができ、さらに、寸法精度や寸法安定性、
強度、熱的安定性なども満足させることができる材料が
必要とされる。
Further, in order to prevent the generation of strain and internal stress caused by a temperature difference, not only in the fields related to optical fibers but also in various devices and equipment used in the fields related to energy and information, etc. It is possible to adjust the coefficient of thermal expansion of devices and precision parts that make up equipment, equipment, etc. to appropriate values.
Materials that can satisfy strength, thermal stability and the like are required.

【0006】従来においては、上記で述べたような温度
変化の点で各種デバイスに適した材料としては、耐熱性
が高く、熱膨張係数の値が小さい等の点から、セラミッ
クス、ガラスセラミックス、ガラスおよび金属等が使用
されている。
Conventionally, materials suitable for various devices in terms of temperature change as described above are ceramics, glass ceramics, and glass because of their high heat resistance and small coefficient of thermal expansion. And metals are used.

【0007】しかし、これらの材料は、熱膨張係数の大
きなもの、すなわち温度が上昇すると膨張する性質を有
し、これらの材料と共にデバイスに使用される他の材料
の多くは正の熱膨張係数を有することから、デバイス全
体の温度変化による影響を防ぐには、最適な材料である
とは必ずしも言えない。したがって、温度変化に対抗す
る材料としては、正の大きな熱膨張係数を打ち消すよう
な、負の熱膨張係数、つまり温度が上昇すると収縮する
性質をもつ材料が望まれているのである。
However, these materials have a large coefficient of thermal expansion, that is, they have the property of expanding when the temperature rises, and many of the other materials used for devices together with these materials have a positive coefficient of thermal expansion. Therefore, it is not necessarily the optimum material for preventing the influence of the temperature change of the entire device. Therefore, a material having a negative coefficient of thermal expansion that cancels a large positive coefficient of thermal expansion, that is, a material having a property of contracting when the temperature rises is desired as a material that resists a temperature change.

【0008】しかし、上記負の熱膨張係数を持つ材料は
熱膨脹係数が負の方向に行くにつれて、マイクロクラッ
クが多くなる傾向があり、十分な機械的強度が得られ
ず、加工時の研削液、及び有機系低粘性接着剤などを含
浸し、セラミックスの本来の負膨張係数が打ち消され、
所望の熱膨張係数が得られないことになり、上記のよう
な温度補償材料として使用ができなくなる。このような
問題点を解決するには、研削液、接着剤を含浸しない緻
密化された材料で、より負膨張な材料が望まれている。
However, the above-mentioned material having a negative coefficient of thermal expansion tends to have many microcracks as the coefficient of thermal expansion goes in the negative direction, and sufficient mechanical strength cannot be obtained. Also, by impregnating with an organic low-viscosity adhesive, the original negative expansion coefficient of ceramics is canceled out,
Since a desired coefficient of thermal expansion cannot be obtained, it cannot be used as the temperature compensation material as described above. In order to solve such a problem, a densified material which is not impregnated with a grinding liquid or an adhesive and has a more negative expansion is desired.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】負熱膨張係数を有する
材料としては、一般に、β−ユークリプタイト、β−ユ
ークリプタイト固溶体、β−石英およびβ−石英固溶
体、あるいは該結晶を含むLi2O−Al23−SiO2
系セラミックス、Li2O−Al23−SiO2系ガラス
セラミックス、ZnO−Al23−SiO2系ガラスセ
ラミックス、チタン酸鉛、チタン酸ハフニウム、タング
ステン酸ジルコニウム、タングステン酸タンタルなどの
無機物質などが知られている
Materials having a negative coefficient of thermal expansion are generally β-eucryptite, β-eucryptite solid solution, β-quartz and β-quartz solid solution, or Li 2 containing the crystals. O-Al 2 O 3 -SiO 2
System ceramics, Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 based glass ceramics, ZnO-Al 2 O 3 -SiO 2 based glass ceramics, lead titanate, titanium hafnium, zirconium tungstate, inorganic substances such as tungsten tantalum Are known

【0010】特表2000−503967号公報には、
非感熱性光学素子とその製造方法が記述されている。こ
の素子は、負膨張性基板と、この基板の表面に取り付け
られ、格子を有する光ファイバーとからなる。光ファイ
バー反射格子は、負膨張性基板に接合されることによ
り、格子の中心波長の変化が、接合しない場合は1.9
nmであったものが0.2nmまでおさえられている。
上記負膨張性基板はβ−ユークリプタイト結晶を有する
ガラスセラミックスからなり、−40〜85℃の温度範
囲において、熱膨張係数が−20×10-7〜−100×
10-7/Kであり、熱膨張ヒステリシスも20ppm以
下に抑えられている。
Japanese Patent Publication No. 2000-503967 discloses that
Non-thermosensitive optical elements and methods of making the same are described. The device consists of a negative expansion substrate and an optical fiber having a grating attached to the surface of the substrate. The optical fiber reflection grating is bonded to the negative expansion substrate, so that the change of the central wavelength of the grating is 1.9 when it is not bonded.
What was nm was suppressed to 0.2 nm.
The negative expansive substrate is made of glass ceramics having β-eucryptite crystal and has a coefficient of thermal expansion of −20 × 10 −7 to −100 × in a temperature range of −40 to 85 ° C.
It is 10 −7 / K, and the thermal expansion hysteresis is suppressed to 20 ppm or less.

【0011】しかし、ここで用いられているガラスセラ
ミックスは、負の熱膨張係数を得るために多数の微小亀
裂を含み、結晶粒径は微小亀裂を形成すべく5μmより
も大きいものである。このような材料は十分な機械的強
度が得られないうえに、加工時に薬品の含浸等が起こり
易い。また微小亀裂を含むために、粘性の低い有機系接
着剤を使用すると、微小亀裂部分に大きな熱膨脹係数を
持つ有機系接着剤が含浸し、よりセラミックス本来の負
の熱膨張性が打ち消され、結局所望の熱膨張係数が得ら
れないことになる。
However, the glass-ceramic used here contains a large number of microcracks in order to obtain a negative coefficient of thermal expansion, and the crystal grain size is larger than 5 μm to form the microcracks. Such materials do not have sufficient mechanical strength, and are easily impregnated with chemicals during processing. In addition, if an organic adhesive with low viscosity is used because it contains microcracks, the organic adhesive with a large coefficient of thermal expansion is impregnated into the microcracks, and the negative thermal expansion of ceramics is canceled out. The desired coefficient of thermal expansion cannot be obtained.

【0012】また結晶相にはAl2TiO5を含む。Al
2TiO5は、著しい熱膨張異方性を持つため、焼結体の
熱膨張収縮曲線にヒステリシスを生じ、繰り返し測定の
結果が一般に一致せず、また亀裂の存在が不可欠である
ため、強度を大きくすることが困難であることが知られ
ている。さらに、製造工程においては、結晶化させるた
めにガラス体を少なくとも1300℃において3時間以
上熱処理しないと、十分な負の熱膨張係数が得られてお
らず、製造時のコストが高くなる。
The crystal phase contains Al 2 TiO 5 . Al
2 TiO 5 has a remarkable thermal expansion anisotropy, which causes hysteresis in the thermal expansion and contraction curve of the sintered body, the results of repeated measurements do not generally match, and the presence of cracks is essential, so the strength is It is known to be difficult to grow. Furthermore, in the manufacturing process, unless the glass body is heat-treated at 1300 ° C. for at least 3 hours in order to crystallize, a sufficient negative thermal expansion coefficient is not obtained, and the manufacturing cost becomes high.

【0013】特開2000−313654号公報には、
結晶粉末、ガラス粉末等を焼成し、結晶粒界中にマイク
ロクラックを多数発生させることにより、−30×10
-7〜−85×10-7/Kの負の熱膨張係数のセラミック
焼成体からなる温度補償用部材が開示されている。しか
し、焼成セラミックスは粒子径が比較的大きく、また、
マイクロクラックを生じているので、研削液、接着剤等
を含浸したときに熱膨張係数が大きく変化してしまい、
実用化は困難である。
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-313654 discloses that
By burning a crystal powder, a glass powder or the like to generate a large number of microcracks in a crystal grain boundary, -30 × 10
A temperature compensating member made of a ceramic fired body having a negative coefficient of thermal expansion of −7 to −85 × 10 −7 / K is disclosed. However, fired ceramics have a relatively large particle size, and
Since micro cracks are generated, the thermal expansion coefficient changes greatly when impregnated with grinding fluid, adhesive, etc.,
Practical application is difficult.

【0014】特開平2−208256号公報には、主結
晶相がβ―石英固溶体および/または亜鉛ペタライト固
溶体である、ZnO−Al23−SiO2系の低熱膨張
性セラミックスが開示されているが、このセラミックス
は、実施例に見られるとおり、熱膨張係数がもっとも低
いものでも−2.15×10-6/K(−21.5×10
-7/K)であり、充分に低い負の熱膨張係数を有してい
るとは言い難い。
Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 2-208256 discloses ZnO-Al 2 O 3 -SiO 2 -based low thermal expansion ceramics whose main crystal phase is β-quartz solid solution and / or zinc petalite solid solution. However, even if the ceramic has the lowest coefficient of thermal expansion, as seen in the examples, -2.15 × 10 −6 / K (−21.5 × 10)
-7 / K), and it is hard to say that it has a sufficiently low negative thermal expansion coefficient.

【0015】さらに、このセラミックスは、高温で昇華
しやすいZnO成分を多量に含有しているため、上記公
報には、親ガラス(原ガラス)を形成する際に、長時間
の溶融は好ましくないと記載され、上記公報の実施例に
見られるとおり、その溶融時間は10分と極端に短いも
のである。しかし、このような短時間では、高温であっ
てもSiO2およびAl23成分が充分に溶融せず溶け
残るため、均質な親ガラスを得ることができず、このよ
うに不均質な親ガラスを結晶化しても均質なセラミック
スを得ることはできない。
Further, since this ceramic contains a large amount of ZnO component which easily sublimes at high temperature, in the above publication, long-time melting is not preferable when forming the parent glass (original glass). As described and seen in the examples of the above publication, the melting time is extremely short at 10 minutes. However, in such a short time, even if the temperature is high, the SiO 2 and Al 2 O 3 components are not sufficiently melted and remain unmelted, so that a homogeneous parent glass cannot be obtained, and such a heterogeneous parent glass is not obtained. Even if glass is crystallized, homogeneous ceramics cannot be obtained.

【0016】仮に、ガラスを溶融する際、通常行われる
ように数時間溶融すれば、溶け残りについては解消でき
るが、その場合、ZnO成分が昇華して親ガラスの組成
が変動してしまい、やはり、均質なセラミックスを安定
して得ることができない。また、上記実施例の溶融温度
は1620℃と高温であり、製造コストが高くなる。
If the glass is melted, the unmelted residue can be eliminated by melting it for several hours as usual, but in that case, the ZnO component sublimes and the composition of the parent glass fluctuates. However, homogeneous ceramics cannot be stably obtained. In addition, the melting temperature of the above-mentioned example is as high as 1620 ° C., which increases the manufacturing cost.

【0017】また米国特許5694503号公報は、屈
折率グレーティングを具備した光ファイバーを負の熱膨
張係数を有する支持部材に取り付けたパッケージを提供
している。負膨張材料としては、Zr−タングステン酸
塩またはHf−タングステン酸塩ベースの組成物を使用
しており、−4.7〜−9.4×10-6/Kの熱膨張係
数を持つZrW28を調整して、−9.4×10-6/K
の材料を得ている。この材料を支持部材としその上に適
切な応力をかけた状態で光ファイバーを固定することに
より、温度変化による波長の変化をなくすことができる
としている。
US Pat. No. 5,694,503 also provides a package in which an optical fiber having a refractive index grating is attached to a support member having a negative coefficient of thermal expansion. As the negative expansion material, a composition based on Zr-tungstate or Hf-tungstate is used, and ZrW 2 having a coefficient of thermal expansion of −4.7 to −9.4 × 10 −6 / K is used. Adjust O 8 to -9.4 × 10 -6 / K
Are getting the ingredients. It is said that by using this material as a supporting member and fixing an optical fiber with appropriate stress applied thereto, it is possible to eliminate a change in wavelength due to a temperature change.

【0018】しかし、ZrW28やHfW28の材料で
は、熱膨張係数を調整するために、粉末状態のAl
23、SiO2、ZrO2、MgO、CaO、Y23など
の正の熱膨張係数を有する材料を、適宜に加えてその混
合物を焼結体とするという煩雑な手順を踏まなければな
らならず、量産に適しているとは言い難い。また異なる
材料を混合しなければならないため、相応の技術や設備
を必要とし、また均質なものであるとは限らない。これ
に加えて、ZrW28やHfW28は157℃付近で相
転移がおき、熱膨張曲線には屈曲がみられるため、広範
な温度域において熱的に安定であるとは言えない。
However, in the case of materials such as ZrW 2 O 8 and HfW 2 O 8 , in order to adjust the coefficient of thermal expansion, Al in powder state is used.
2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , MgO, CaO, Y 2 O 3 and other materials having a positive coefficient of thermal expansion are appropriately added to the mixture to form a sintered body. It is hard to say that it is suitable for mass production. Moreover, since different materials must be mixed, appropriate techniques and equipment are required, and the materials are not always homogeneous. In addition, ZrW 2 O 8 and HfW 2 O 8 undergo a phase transition near 157 ° C. and the thermal expansion curve shows a bend, so it cannot be said that they are thermally stable in a wide temperature range. .

【0019】その他に、負の熱膨張係数を有する物質と
して、WO97/14983号公報や特開平10−90
555号公報に液晶ポリマーが記載されている。しか
し、液晶ポリマーは結晶性樹脂であることから、結晶の
配向性が強く、たとえば射出成形品ではソリなどの問題
がある。また配向方向の熱膨張係数が−100×10-7
/K程度という非常に大きい負の値を持つものは、配向
方向以外の熱膨張係数は大きな正の値を有するという欠
点があり、曲げ強さや弾性率などの物性値も方向により
大きく異なってしまい、デバイスには使いにくい材料で
ある。
Other substances having a negative coefficient of thermal expansion are disclosed in WO97 / 14983 and JP-A-10-90.
A liquid crystal polymer is described in Japanese Patent No. 555. However, since the liquid crystal polymer is a crystalline resin, the crystal orientation is strong, and there is a problem such as warpage in an injection molded product. Also, the thermal expansion coefficient in the orientation direction is −100 × 10 −7
/ K having a very large negative value, such as about / K, has the drawback that the coefficient of thermal expansion other than the orientation direction has a large positive value, and the physical properties such as bending strength and elastic modulus also greatly differ depending on the direction. , The material is difficult to use for the device.

【0020】以上のように、従来の負の熱膨張係数を有
する材料は、いくつかの問題点を有しているため、光通
信分野、エネルギー関連分野、情報分野、その他の各種
分野であまり使用されていないのが実状である。
As described above, the conventional materials having a negative coefficient of thermal expansion have some problems, so that they are not often used in the fields of optical communication, energy-related fields, information fields and other various fields. The reality is that it has not been done.

【0021】本発明の目的は、上記実状に鑑み、光通信
分野、エネルギー関連分野や情報分野等で使用される際
の一般的な温度範囲である−40℃〜+80℃におい
て、緻密性から研削液、接着剤等を含浸せず、負の熱膨
張係数を有し、低コストで、組成・物性の点で安定的に
生産できるガラスセラミックスおよびこれを用いた温度
補償部材を提供することである。
In view of the above situation, an object of the present invention is to grind due to its fineness in a temperature range of -40 ° C to + 80 ° C, which is a general temperature range used in the fields of optical communication, energy-related fields, information fields and the like. It is an object to provide a glass ceramic which does not impregnate a liquid, an adhesive, etc., has a negative coefficient of thermal expansion, can be stably produced at a low cost in terms of composition and physical properties, and a temperature compensation member using the same. .

【0022】[0022]

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成するため種々の試験研究を重ねた結果、特定組成
範囲のLi2O−Al23−SiO2系ガラスを熱処理し
て、微細な結晶粒子を析出させることにより、材料の安
定性を向上させ、微小亀裂の発生を抑制し、かつ異方性
を持たないガラスセラミックスを得ることに成功し、こ
れが温度補償用材料として好適であることを見いだし本
発明をなすに至った。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted various test studies in order to achieve the above-mentioned object, and as a result, heat treated Li 2 O--Al 2 O 3 --SiO 2 type glass having a specific composition range. By precipitating fine crystal particles, we succeeded in improving the stability of the material, suppressing the generation of microcracks, and obtaining glass ceramics without anisotropy. The inventors have found that they are suitable and have completed the present invention.

【0023】すなわち、請求項1に記載の発明は、4質
量%以上のP25を含有し、主結晶相が、β−ユークリ
プタイト(β−Li2O・Al23・2SiO2)、β−
ユークリプタイト固溶体(β−Li2O・Al23・2
SiO2固溶体)、β−石英(β−SiO2)およびβ−
石英固溶体(β−SiO2固溶体)の中から選ばれる少
なくとも1種以上であることを特徴とするガラスセラミ
ックスであり、請求項2に記載の発明は、−40℃〜+
80℃の温度範囲における熱膨張係数が−5×10-7
−90×10-7/Kであることを特徴とする、請求項1
記載のガラスセラミックスであり、請求項3に記載の発
明は、−40℃〜+80℃の温度範囲における熱膨張係
数が−5×10-7〜−80×10-7/Kであることを特
徴とする、請求項1または2記載のガラスセラミックス
であり、請求項4に記載の発明は、−40℃〜+80℃
の温度範囲における熱膨張係数が−5×10-7〜−60
×10-7/Kであることを特徴とする、請求項1から3
のうちいずれか一項記載のガラスセラミックスであり、
請求項5に記載の発明は、ヤング率が20GPa以上で
あることを特徴とする、請求項1から4のうちいずれか
一項記載のガラスセラミックスであり、請求項6に記載
の発明は、ヤング率が60GPa以上であることを特徴
とする、請求項1から5のうちいずれか一項記載のガラ
スセラミックスであり、請求項7に記載の発明は、光通
信部材用の熱硬化エポキシ系接着剤付着後の、−40℃
〜+80℃の温度範囲における熱膨張係数変化が−5×
10-7/K〜+5×10-7/Kであることを特徴とす
る、請求項1から6のうちいずれか一項記載のガラスセ
ラミックスであり、請求項8に記載の発明は、−40℃
〜+80℃の温度範囲における熱膨張ヒステリシスが2
0ppm以下であることを特徴とする請求項1から7の
うちいずれか一項記載のガラスセラミックスであり、請
求項9に記載の発明は、主結晶相の平均粒径が5μm未
満であることを特徴とする、請求項1から8のうちいず
れか一項記載のガラスセラミックスであり、請求項10
に記載の発明は、結晶相は、Al2TiO5結晶を含有し
ないことを特徴とする請求項1から9のうちいずれか一
項記載のガラスセラミックスであり、請求項11に記載
の発明は、PbO、Na2OおよびK2Oを実質的に含有
しないことを特徴とする請求項1から10のうちいずれ
か一項記載のガラスセラミックスであり、請求項12に
記載の発明は、質量%で、 SiO2 40〜70% Al23 10〜42% Li2O 1〜13% B23 0〜5% BaO 0〜3% SrO 0〜3% MgO 0〜10% CaO 0〜2% ZnO 0〜10% P25 4%を越えて10%未満 ZrO2 0〜2% TiO2 0〜4% TiO2+ZrO2 0.5〜5.5% HfO2 0〜3% As23+Sb23 0〜2% の各成分を含有することを特徴とする、請求項1から1
1のうちいずれか一項記載のガラスセラミックスであ
り、請求項13に記載の発明は、原ガラスを溶融、成
形、徐冷後、550〜800℃で0.5〜50時間、第
1の熱処理を行い、次いで、600〜950℃で0.5
〜30時間、第2の熱処理して得られることを特徴とす
る請求項1から12のうちいずれか一項記載のガラスセ
ラミックスであり、請求項14に記載の発明は、請求項
1から13のうちいずれか一項記載のガラスセラミック
スを用いることを特徴とする温度補償部材である。
That is, the invention according to claim 1 contains 4% by mass or more of P 2 O 5 , and the main crystal phase is β-eucryptite (β-Li 2 O.Al 2 O 3 .2SiO). 2 ), β-
Eucryptite solid solution (β-Li 2 O ・ Al 2 O 3・ 2
SiO 2 solid solution), β-quartz (β-SiO 2 ) and β-
At least one selected from quartz solid solutions (β-SiO 2 solid solutions) is a glass-ceramic, and the invention according to claim 2 is -40 ° C to +.
The thermal expansion coefficient in the temperature range of 80 ° C. is −5 × 10 −7
-90 × 10 −7 / K. 3.
The glass ceramics according to claim 3, wherein the invention according to claim 3 has a coefficient of thermal expansion of −5 × 10 −7 to −80 × 10 −7 / K in a temperature range of −40 ° C. to + 80 ° C. The glass ceramics according to claim 1 or 2, wherein the invention according to claim 4 is -40 ° C to + 80 ° C.
Coefficient of thermal expansion in the temperature range of −5 × 10 −7 to −60
X 10 -7 / K, characterized in that
The glass ceramic according to any one of the above,
The invention according to claim 5 is the glass-ceramic according to any one of claims 1 to 4, wherein the Young's modulus is 20 GPa or more, and the invention according to claim 6 is Young. The glass ceramics according to any one of claims 1 to 5, wherein the ratio is 60 GPa or more, and the invention according to claim 7 is a thermosetting epoxy adhesive for optical communication members. -40 ℃ after adhesion
Change in thermal expansion coefficient in the temperature range of + 80 ° C is -5x
The glass-ceramic according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it is 10 −7 / K to + 5 × 10 −7 / K, and the invention according to claim 8 is −40. ℃
Thermal expansion hysteresis is 2 in the temperature range of + 80 ° C
It is 0 ppm or less, It is glass ceramics as described in any one of Claim 1 to 7, Comprising: The invention of Claim 9 WHEREIN: The average particle diameter of a main crystal phase is less than 5 micrometers. The glass ceramic according to any one of claims 1 to 8, which is characterized in that:
The invention according to claim 1 is the glass-ceramic according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the crystal phase does not contain Al 2 TiO 5 crystals, and the invention according to claim 11 is The glass-ceramic according to any one of claims 1 to 10, which is substantially free of PbO, Na 2 O and K 2 O, and the invention according to claim 12 is mass%. , SiO 2 40-70% Al 2 O 3 10-42% Li 2 O 1-13% B 2 O 3 0-5% BaO 0-3% SrO 0-3% MgO 0-10% CaO 0-2% ZnO 0-10% P 2 O 5 More than 4% and less than 10% ZrO 2 0-2% TiO 2 0-4% TiO 2 + ZrO 2 0.5-5.5% HfO 2 0-3% As 2 O characterized in that it contains a 3 + Sb 2 O 3 0~2% of each component Claims 1 1
1 is a glass-ceramic according to any one of claims 1 to 14, and the invention according to claim 13 is such that the raw glass is melted, molded, and slowly cooled, and then the first heat treatment is performed at 550 to 800 ° C. for 0.5 to 50 hours. And then 0.5 at 600-950 ° C.
The glass-ceramic according to any one of claims 1 to 12, which is obtained by performing a second heat treatment for up to 30 hours, and the invention according to claim 14 is the glass-ceramic according to any one of claims 1 to 13. A temperature compensating member comprising the glass ceramic according to any one of them.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】以下、本発明の負熱膨張性ガラス
セラミックスについて、詳細を説明する。なお、本発明
において、ガラスセラミックスとは、ガラスを熱処理す
ることによりガラス相中に結晶相を析出させて得られる
材料であり、ガラス相および結晶相から成る材料のみな
らず、ガラス相すべてを結晶相に相転移させた材料、す
なわち、材料中の結晶量(結晶化度)が100質量%の
ものも含む。また構成成分の組成については全て質量%
である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The negative thermal expansion glass-ceramics of the present invention will be described in detail below. In the present invention, the glass ceramics is a material obtained by precipitating a crystal phase in the glass phase by heat-treating the glass, and not only the material consisting of the glass phase and the crystal phase, but also the entire glass phase is crystallized. A material having a phase transition to a phase, that is, a material having a crystal amount (crystallinity) of 100% by mass is also included. In addition, the composition of all constituents is% by mass.
Is.

【0025】また、本明細書において主結晶相とは、析
出比が比較的大きい結晶相全てを指す。すなわち、X線
回折におけるX線チャート(縦軸はX線回折強度、横軸
は回折角度)において、もっとも析出割合の多い結晶相
のメインピーク(最も高いピーク)のX線回折強度を1
00とした場合、各析出結晶相のメインピーク(各結晶
相における最も高いピーク)のX線回折強度の比(以
下、X線強度比という)が、30以上あるもの全てを主
結晶相という。ここで、主結晶相以外の結晶のX線強度
比は20未満が好ましく、更に好ましくは10未満、最
も好ましくは5未満である。
In the present specification, the main crystal phase means all the crystal phases having a relatively large precipitation ratio. That is, in the X-ray chart in X-ray diffraction (the vertical axis is the X-ray diffraction intensity, the horizontal axis is the diffraction angle), the X-ray diffraction intensity of the main peak (highest peak) of the crystal phase with the highest precipitation ratio is 1
When it is set to 00, all those having a ratio of X-ray diffraction intensities (hereinafter, referred to as X-ray intensity ratio) of main peaks (highest peaks in each crystal phase) of each precipitated crystal phase of 30 or more are referred to as main crystal phases. Here, the X-ray intensity ratio of crystals other than the main crystal phase is preferably less than 20, more preferably less than 10, and most preferably less than 5.

【0026】また、本発明の負熱膨張性ガラスセラミッ
クスの主結晶相は、β−ユークリプタイト(β−Li2
O・Al23・2SiO2)、β−ユークリプタイト固
溶体(β−Li2O・Al23・2SiO2固溶体)、β
−石英(β−SiO2)、β−石英固溶体(β−SiO2
固溶体)の中から選ばれる少なくとも1種以上からな
る。ここで、固溶体とは、β−ユークリプタイト、ある
いはβ−石英それぞれの結晶において、一部が結晶を構
成する元素以外の元素に置換されていたり、結晶間に原
子が侵入しているものを言う。
The main crystal phase of the negative thermal expansion glass ceramics of the present invention is β-eucryptite (β-Li 2
O.Al 2 O 3 .2SiO 2 ), β-eucryptite solid solution (β-Li 2 O ・ Al 2 O 3 .2SiO 2 solid solution), β
-Quartz (β-SiO 2 ), β-quartz solid solution (β-SiO 2
At least one selected from the group of solid solutions). Here, the solid solution refers to a crystal in which β-eucryptite or β-quartz is partially substituted with an element other than the element constituting the crystal, or atoms penetrate into the crystal. To tell.

【0027】これら主結晶相は、本発明の負熱膨張性ガ
ラスセラミックスの熱膨張係数に寄与する重要な要素で
ある。特定組成を有する原ガラスを所定の条件で熱処理
することにより、正の熱膨張係数を有するガラス相中
に、負の熱膨張係数を有する上記主結晶相を析出させ、
または、ガラス相すべてを上記主結晶相を含む結晶相に
相転移させて、ガラスセラミックス全体として熱膨張係
数を所望の負の数値範囲内に制御する事が可能となる。
These main crystal phases are important factors contributing to the coefficient of thermal expansion of the negative thermal expansion glass-ceramics of the present invention. By heat-treating the raw glass having a specific composition under predetermined conditions, in the glass phase having a positive coefficient of thermal expansion, the main crystal phase having a negative coefficient of thermal expansion is precipitated,
Alternatively, it becomes possible to control the thermal expansion coefficient of the glass ceramic as a whole within a desired negative numerical value range by causing all the glass phases to undergo a phase transition to a crystal phase including the main crystal phase.

【0028】これらの主結晶相の種類およびガラスセラ
ミックス全体に対する結晶化度は、特定組成範囲内にお
けるLi2O、Al23およびSiO2の含有割合、およ
び後述する結晶化のための全ての熱処理温度によって決
定される。
The types of these main crystal phases and the crystallinity with respect to the whole glass ceramics are determined according to the content ratios of Li 2 O, Al 2 O 3 and SiO 2 within the specific composition range, and all of the crystallizing conditions described later. It is determined by the heat treatment temperature.

【0029】平均結晶粒径とは、多結晶体を構成する結
晶粒子の大きさの平均値を表す。測定はSEM観察によ
り行う。平均結晶粒径が大きいと、表面状態が粗くな
り、緻密な材料が得にくくなり、また微小亀裂の原因と
なり易い。そのため、粒径(平均)は5μm未満が好ま
しく、さらに好ましい範囲は3μm未満、最も好ましい
範囲は2μm未満である。
The average crystal grain size means the average value of the size of the crystal grains constituting the polycrystal. The measurement is performed by SEM observation. When the average crystal grain size is large, the surface state becomes rough, it is difficult to obtain a dense material, and microcracks are easily caused. Therefore, the particle size (average) is preferably less than 5 μm, more preferably less than 3 μm, and most preferably less than 2 μm.

【0030】本明細書において、熱膨張係数(coeffici
ent of thermal expansion)とは、平均線膨張係数(av
erage liner thermal expansion)を指している。各種
デバイスの温度補償部材として使用するためには、熱膨
張係数は−5×10-7〜−90×10-7/Kが好まし
く、光通信関連のデバイスに用いる場合は−5×10-7
〜−85×10-7/Kが好ましく、−5×10-7〜−8
0×10-7/Kがより好ましい。特にファイバーグレー
ティングデバイスの温度補償用材料として熱膨張係数が
変化しないよう、熱膨張係数は−5×10-7〜−60×
10-7/Kが好ましく、−5×10-7〜−40×10-7
/Kがより好ましく、−5×10-7〜−30×10-7
Kが特に好ましい。
In the present specification, the coefficient of thermal expansion (coeffici)
ent of thermal expansion is the average linear expansion coefficient (av
erage liner thermal expansion). For use as a temperature compensating member for various devices, the thermal expansion coefficient is preferably −5 × 10 −7 to −90 × 10 −7 / K, and −5 × 10 −7 when used for optical communication related devices.
To −85 × 10 −7 / K are preferable, and −5 × 10 −7 to −8.
0 × 10 −7 / K is more preferable. In particular, as a temperature compensating material for fiber grating devices, the coefficient of thermal expansion is -5 × 10 −7 to −60 × so that the coefficient of thermal expansion does not change.
10 −7 / K is preferable, and −5 × 10 −7 to −40 × 10 −7.
/ K is more preferable, and -5 × 10 -7 to -30 × 10 -7 /
K is particularly preferred.

【0031】本発明のガラスセラミックスのヤング率は
20GPa以上であることが好ましく、40GPa以上で
あることがより好ましく、60GPa以上であることが
特に好ましい。
The Young's modulus of the glass-ceramic of the present invention is preferably 20 GPa or more, more preferably 40 GPa or more, and particularly preferably 60 GPa or more.

【0032】本発明のガラスセラミックスは、有機系接
着剤や水分等が付着しても熱膨張係数変化が−5×10
-7/K〜+5×10-7/Kと小さいことが好ましい。具
体的には、光通信部材用の熱硬化エポキシ系接着剤付着
後の熱膨張係数変化が−5×10-7/K〜+5×10-7
/Kであることが好ましく、−3×10-7/K〜+3×
10-7/Kであることがより好ましい。
The glass-ceramics of the present invention have a coefficient of thermal expansion change of −5 × 10 5 even when an organic adhesive or water adheres thereto.
It is preferable -7 / K~ + 5 × small as 10 -7 / K. Specifically, the change in the thermal expansion coefficient after adhesion of the thermosetting epoxy adhesive for optical communication members is −5 × 10 −7 / K to + 5 × 10 −7.
/ K is preferable, and -3 × 10 -7 / K to + 3 ×
More preferably, it is 10 −7 / K.

【0033】熱膨張ヒステリシスとは、熱膨張係数の測
定において、低温から高温へ、そして高温から低温への
測定を行いΔL/L曲線を描いた場合、昇温時と降温時
で最も曲線が離れている温度におけるΔL/L値の差
(すなわち各温度における昇温および降温時の熱膨張率
差の極大値)である。各種温度補償用部材として使用す
る場合、昇温時と降温時の熱膨張係数が大きく異なる、
つまり昇降温において材料形状が変化するということ
は、温度補償を行うことができない。この熱膨張ヒステ
リシスについて、種々検討した結果、熱膨張ヒステリシ
スを20ppm以下とすることにより温度補償用部材と
して適用できることを見出した。なお、より好ましい熱
膨張ヒステリシスは18ppm以下であり、さらに好ま
しい範囲は15ppm以下であり、特に好ましくは13
ppm以下であり、最も好ましくは5ppm以下であ
る。
Thermal expansion hysteresis is the measurement of the coefficient of thermal expansion from low temperature to high temperature and from high temperature to low temperature, and when a ΔL / L curve is drawn, the curve is the most distant between the temperature rise and the temperature decrease. It is the difference between the ΔL / L values at different temperatures (that is, the maximum value of the difference in the coefficient of thermal expansion during temperature increase and decrease at each temperature). When used as various temperature compensating members, the coefficient of thermal expansion during temperature rise and temperature decrease greatly,
In other words, the fact that the material shape changes when the temperature is raised or lowered does not allow temperature compensation. As a result of various studies on this thermal expansion hysteresis, it was found that it can be applied as a temperature compensating member by setting the thermal expansion hysteresis to 20 ppm or less. A more preferable thermal expansion hysteresis is 18 ppm or less, a more preferable range is 15 ppm or less, and a particularly preferable range is 13 ppm.
ppm or less, and most preferably 5 ppm or less.

【0034】本発明のガラスセラミックスのSiO2
Li2OおよびAl23成分は、主結晶相であるβ−ユ
ークリプタイト、β−ユークリプタイト固溶体、β−石
英、β−石英固溶体の構成要素となる重要な成分であ
る。
SiO 2 of the glass-ceramic of the present invention,
The Li 2 O and Al 2 O 3 components are important components that are constituent elements of the main crystal phases β-eucryptite, β-eucryptite solid solution, β-quartz, and β-quartz solid solution.

【0035】SiO2成分は、負の熱膨張係数をもつ上
記主結晶の主成分であるが、その量が40%未満の場合
には所望の主結晶相が十分に析出し難くなり、70%を
超えると、ガラスの溶融清澄が困難になる上に、所望主
結晶相以外の結晶相が析出することから、SiO2成分
量の好ましい範囲は40〜70%であり、より好ましい
範囲は45〜65%である。
The SiO 2 component is the main component of the above-mentioned main crystal having a negative coefficient of thermal expansion, but if the amount is less than 40%, the desired main crystal phase will not be sufficiently precipitated, and 70% When it exceeds the above, melting and refining of the glass becomes difficult, and a crystal phase other than the desired main crystal phase precipitates. Therefore, the preferable range of the SiO 2 component amount is 40 to 70%, and the more preferable range is 45 to 70%. 65%.

【0036】Al23成分は、10%未満では、ガラス
の溶融が困難となるため原ガラスの均質性が低下し、ま
た、所望の主結晶相が必要量生成しにくくなる。一方、
42%を超えると融点が高温になりすぎ、ガラスの溶融
清澄が困難になるため、Al 23成分の望ましい範囲
は、10〜42%であり、さらに好ましい範囲は15〜
40%、最も好ましい範囲は18〜35%である。
Al2O3Ingredient is less than 10% glass
Since it becomes difficult to melt the glass, the homogeneity of the raw glass decreases and
Further, it becomes difficult to generate a desired amount of the desired main crystal phase. on the other hand,
If it exceeds 42%, the melting point becomes too high and the glass melts.
Since refining becomes difficult, Al 2O3Desired range of ingredients
Is 10 to 42%, and a more preferable range is 15 to 42%.
40%, and the most preferred range is 18-35%.

【0037】Li2O成分は、1%未満であると原ガラ
スの熔融が困難となり、必要な量の所望の主結晶相が得
られなくなる。また、13%を超えると、ガラス化しに
くくなり、その上、熱処理後のガラスセラミックスの強
度が低下するため、好ましい範囲は1〜13%であり、
最も好ましい範囲は3〜10%である。
If the Li 2 O content is less than 1%, it will be difficult to melt the raw glass and the required amount of the desired main crystal phase cannot be obtained. Further, if it exceeds 13%, vitrification becomes difficult, and the strength of the glass ceramics after heat treatment decreases, so the preferable range is 1 to 13%,
The most preferable range is 3 to 10%.

【0038】B23成分は、原ガラスの溶融性改善等の
目的で任意に添加できるが、本発明の負熱膨張性ガラス
セラミックスのガラス相部分となる成分であり、その量
が5%を超えると、所望の主結晶相の生成に支障をきた
し、ガラスセラミックスの耐熱性が悪化する。
The B 2 O 3 component can be optionally added for the purpose of improving the meltability of the raw glass, but it is a component forming the glass phase portion of the negative thermal expansion glass ceramics of the present invention, and its amount is 5%. When it exceeds, the production of a desired main crystal phase is hindered and the heat resistance of the glass ceramic is deteriorated.

【0039】BaO成分は、β−ユークリプタイト固溶
体(β−Li2O・Al23・2SiO2固溶体)および
β−石英固溶体(β−SiO2固溶体)の構成要素とな
る重要な成分であるが、これら各成分の量が3%を超え
るとガラスの熱膨張係数が大きくなり、ガラスセラミッ
クスの熱膨脹係数が大きくなる。また0.5%以上添加
することにより、原ガラスの溶解時に、るつぼの白金と
原ガラス中の他の金属元素とが合金化するのを防ぐとと
もに、原ガラスの耐失透性を維持する効果があるため、
できれば0.5%以上含有することが好ましく、さらに
好ましくは0.5〜2.5%、最も好ましい範囲は0.
5〜2.0%である。
[0039] BaO component, beta-Yuktobanian descriptor important component as a component of the tight solid solution (β-Li 2 O · Al 2 O 3 · 2SiO 2 solid solution) and beta-quartz solid solution (β-SiO 2 solid solution) However, if the amount of each of these components exceeds 3%, the coefficient of thermal expansion of glass increases, and the coefficient of thermal expansion of glass ceramics increases. Further, the addition of 0.5% or more prevents the platinum in the crucible from alloying with other metal elements in the raw glass at the time of melting the raw glass, and maintains the devitrification resistance of the raw glass. Because there is
If possible, the content is preferably 0.5% or more, more preferably 0.5 to 2.5%, and the most preferable range is 0.
5 to 2.0%.

【0040】SrO成分もβ−ユークリプタイト固溶体
(β−Li2O・Al23・2SiO2固溶体)およびβ
−石英固溶体(β−SiO2固溶体)の構成要素となる
重要な成分であるが、これら各成分の量が3%を超える
とガラスの熱膨張係数が大きくなり、ガラスセラミック
スの熱膨脹係数が大きくなる。しかし他のRO(金属酸
化物)成分と組み合わせることにより熱膨張ヒステリシ
スを小さくする効果があるため、できれば0.5%以上
含有することが好ましく、さらに好ましくは0.5〜
2.5%、最も好ましい範囲は0.5〜2.0%であ
る。
[0040] SrO component also β- eucryptite solid solution (β-Li 2 O · Al 2 O 3 · 2SiO 2 solid solution) and beta
-It is an important component that constitutes a quartz solid solution (β-SiO 2 solid solution), but if the amount of each of these components exceeds 3%, the coefficient of thermal expansion of glass increases, and the coefficient of thermal expansion of glass ceramics increases. . However, since it has the effect of reducing the thermal expansion hysteresis by combining with other RO (metal oxide) components, it is preferably contained in an amount of 0.5% or more, more preferably 0.5 to
2.5%, and the most preferable range is 0.5 to 2.0%.

【0041】またMgO成分はガラスの溶融清澄を向上
させる効果を有するが、ガラスセラミックスの熱膨張係
数を大きくする効果が有るため、10%を越えると、ガ
ラスの安定性が悪くなる。好ましくは5%まで、さらに
好ましくは2%以下であることが、望ましい。
The MgO component has the effect of improving the melting and refining of the glass, but has the effect of increasing the coefficient of thermal expansion of the glass ceramics, so if it exceeds 10%, the stability of the glass will deteriorate. It is desirable that it is preferably up to 5%, more preferably 2% or less.

【0042】CaO成分はガラスの溶融清澄を向上させ
る効果を有するが、2%を越えると、十分な負の熱膨張
係数が得られなくなるため、好ましくは2%まで、さら
に好ましくは1.5%以下がよい。
The CaO component has the effect of improving the melting and refining of the glass, but if it exceeds 2%, a sufficient negative thermal expansion coefficient cannot be obtained, so it is preferably up to 2%, more preferably 1.5%. The following is good.

【0043】ZnO成分は、ガラスの溶融清澄を向上さ
せる効果およびガラスセラミックスの熱膨張係数を負に
する効果を有するが、10%を越えるとガラスの安定性
が悪くなる。好ましい範囲は6%を超えない範囲であ
り、さらに好ましくは0.5〜5%である。
The ZnO component has the effect of improving the melting and refining of the glass and the effect of making the thermal expansion coefficient of the glass ceramic negative, but if it exceeds 10%, the stability of the glass deteriorates. The preferred range is not more than 6%, more preferably 0.5 to 5%.

【0044】P25成分は結晶核形成剤として作用し、
かつガラスフォーマーとして作用する。原ガラスの失透
性を防止する為に4%以上が好ましく、4%を越えるこ
とがより好ましい。また、10%を超えると原ガラスの
熔融清澄が困難となり、未熔融物が発生することがある
為、10未満が好ましく、9%以下がより好ましく、8
%以下が特に好ましい。
The P 2 O 5 component acts as a crystal nucleating agent,
And acts as a glass former. In order to prevent devitrification of the raw glass, it is preferably 4% or more, more preferably more than 4%. On the other hand, if it exceeds 10%, melting and refining of the raw glass becomes difficult and unmelted matter may be generated, so less than 10 is preferable, 9% or less is more preferable, and 8
% Or less is particularly preferable.

【0045】ZrO2およびTiO2の各成分は、いずれ
も結晶核形成剤として作用するが、これら各成分の量
が、それぞれ2%、3%を超えると、原ガラスの溶融清
澄が困難となり、未溶融物が発生することがある。尚、
ZrO2の好ましい範囲は0〜2.0%、最も好ましい
範囲は1.0〜1.5%であり、TiO2の好ましい範
囲は0〜4.0%、最も好ましい範囲は0.5〜2.5
%である。またTiO2+ZrO2が5.5%をこえると
所望の熱膨張係数が得られにくくなるため5.5%まで
とするのが望ましい。
Each of the components ZrO 2 and TiO 2 acts as a crystal nucleating agent. However, if the amount of each of these components exceeds 2% and 3%, it is difficult to melt and clarify the raw glass. Unmelted material may be generated. still,
The preferred range of ZrO 2 is 0 to 2.0%, the most preferred range is 1.0 to 1.5%, the preferred range of TiO 2 is 0 to 4.0%, the most preferred range is 0.5 to 2%. .5
%. Further, if TiO 2 + ZrO 2 exceeds 5.5%, it becomes difficult to obtain a desired thermal expansion coefficient, so it is desirable to set it to 5.5%.

【0046】HfO2成分は、原ガラスの熱膨張係数を
小さくする成分であるが、3%を超えると溶融性が悪化
する。もっとも好ましい範囲は2%以下である。
The HfO 2 component is a component that reduces the coefficient of thermal expansion of the raw glass, but if it exceeds 3%, the meltability deteriorates. The most preferable range is 2% or less.

【0047】As23およびSb23成分は、均質な製
品を得るためガラス溶融の際の清澄剤として添加し得る
が、これらの成分の量は、合計で2%までで十分であ
る。なお、上記成分の他に本発明のガラスセラミックス
の所望の特性を損なわない範囲で、F2、La23、T
25、GeO2、Bi23、WO3、Y23、Gd
23、SnO2、CoO、NiO、MnO2、Fe23
Cr23、Nb25、V25、Yb23、CeO2、C
2O等を各々3%まで添加することができる。
The As 2 O 3 and Sb 2 O 3 components can be added as fining agents during glass melting in order to obtain a homogeneous product, but a total amount of these components of up to 2% is sufficient. . In addition to the above components, F 2 , La 2 O 3 , and T may be added within a range that does not impair the desired properties of the glass ceramics of the present invention.
a 2 O 5, GeO 2, Bi 2 O 3, WO 3, Y 2 O 3, Gd
2 O 3 , SnO 2 , CoO, NiO, MnO 2 , Fe 2 O 3 ,
Cr 2 O 3 , Nb 2 O 5 , V 2 O 5 , Yb 2 O 3 , CeO 2 , C
s 2 O etc. can be added up to 3% each.

【0048】なお、PbO成分は、環境上好ましくない
成分であり、また、Na2OおよびK2O成分は、成膜や
洗浄などの後工程において、これらのイオンが拡散して
本発明の負熱膨張性ガラスセラミックスの物性が変化し
てしまうので、PbO、Na2OおよびK2O成分を実質
的に含有しないことが好ましい。
The PbO component is an environmentally unfavorable component, and the Na 2 O and K 2 O components are diffused by these ions in the subsequent steps such as film formation and cleaning, so that the negative ions of the present invention. Since the physical properties of the heat-expandable glass ceramics are changed, it is preferable that the PbO, Na 2 O and K 2 O components are not substantially contained.

【0049】以上の組成を有する本発明のガラスセラミ
ックスは、以下の方法により製造する。まず、上述した
組成になるように酸化物、炭酸塩、水酸化物、硝酸塩な
どのガラス原料を秤量、調合し、坩堝などに入れ、約1
300〜1550℃で約6時間〜8時間、撹拌しながら
溶融し、清澄な状態の原ガラスを得る。次に以下の方法
で、結晶化を行う。
The glass ceramics of the present invention having the above composition is manufactured by the following method. First, glass raw materials such as oxides, carbonates, hydroxides, and nitrates are weighed and mixed so as to have the above-described composition, put into a crucible, etc.
Melt with stirring at 300 to 1550 ° C. for about 6 to 8 hours to obtain a raw glass in a clear state. Next, crystallization is performed by the following method.

【0050】前述のように、原ガラスを溶融した後、金
型等にキャストして成形および徐冷する。
As described above, after melting the raw glass, it is cast in a mold or the like to be molded and gradually cooled.

【0051】次に、熱処理を行う。まず、550〜80
0℃の温度で保持し、核形成を促す(第1の熱処理)。
この核形成温度は550℃より低くても、あるいは80
0℃より高くても所望の結晶核が生成し難い。さらに好
ましくは580〜750℃、最も好ましい範囲は600
〜700℃である。また熱処理時間については、所望の
特性を得るためには、0.5〜50時間に設定すること
が望ましく、より好ましい特性および生産性・コストの
点から1〜30時間であれば更に好ましい。
Next, heat treatment is performed. First, 550-80
Hold at a temperature of 0 ° C. to promote nucleation (first heat treatment).
This nucleation temperature is below 550 ° C or even 80
Even if the temperature is higher than 0 ° C, it is difficult to generate a desired crystal nucleus. More preferably, it is 580-750 degreeC, and the most preferable range is 600.
~ 700 ° C. Further, the heat treatment time is preferably set to 0.5 to 50 hours in order to obtain desired characteristics, and more preferably 1 to 30 hours from the viewpoint of more preferable characteristics, productivity and cost.

【0052】核形成後、600〜950℃の温度で、結
晶化する(第2の熱処理)。この結晶化温度が600℃
より低いと十分な量の主結晶相が成長し難く、950℃
より高いと原ガラスが軟化変形もしくは再溶解し易くな
るため望ましくない。好ましくは600〜900℃、最
も好ましい範囲は650〜800℃である。結晶化後
は、50℃/h以下、さらに好ましくは25℃/h以下
の速度で徐冷することが望ましい。
After nucleation, crystallization is performed at a temperature of 600 to 950 ° C. (second heat treatment). This crystallization temperature is 600 ℃
If it is lower, it is difficult to grow a sufficient amount of main crystal phase, and it is 950 ° C
If the ratio is higher, the raw glass tends to be softened, deformed or remelted, which is not desirable. The preferred range is 600 to 900 ° C, and the most preferred range is 650 to 800 ° C. After crystallization, it is desirable to gradually cool at a rate of 50 ° C./h or less, more preferably 25 ° C./h or less.

【0053】結晶化温度についても、0.5〜30時間
に設定することが望ましく、第1の熱処理と同様の理由
から1〜20時間であれば、更に好ましい。
The crystallization temperature is also preferably set to 0.5 to 30 hours, and more preferably 1 to 20 hours for the same reason as in the first heat treatment.

【0054】[0054]

【実施例】次に本発明の負熱膨張性ガラスセラミックス
の実施例を説明する。なお、本発明は、これら実施例に
限定されるものではない。
EXAMPLES Examples of the negative thermal expansion glass ceramics of the present invention will be described below. The present invention is not limited to these examples.

【0055】[0055]

【表1】 [Table 1]

【0056】[0056]

【表2】 [Table 2]

【0057】表1および表2には、本発明のガラスセラ
ミックスの実施例No.1〜No.6について、組成
比、溶解温度、核形成温度、核形成時間、核成長温度、
核成長時間、熱膨張係数、エポキシ系接着剤付着後の熱
膨張係数、ヤング率、剛性率、ポアソン比、曲げ強度を
示した。また、図1に実施例1の接着剤付着前後の熱膨
張曲線を示す。
Tables 1 and 2 show the glass ceramics of Example No. 1 of the present invention. 1-No. 6, the composition ratio, the melting temperature, the nucleation temperature, the nucleation time, the nucleus growth temperature,
The nuclear growth time, the coefficient of thermal expansion, the coefficient of thermal expansion after the epoxy adhesive was attached, the Young's modulus, the rigidity, the Poisson's ratio, and the bending strength were shown. Further, FIG. 1 shows the thermal expansion curves before and after the adhesion of the adhesive in Example 1.

【0058】実施例1〜6のガラスセラミックスは、次
のように製造した。まず、表1および表2の組成となる
ように酸化物、炭酸塩、水酸化物、硝酸塩等のガラス原
料を秤量、調合し、白金ルツボに入れ、これを通常の溶
解装置を用いて表1、2に記した溶解温度で6〜8時間
溶融、撹拌した。
The glass ceramics of Examples 1 to 6 were manufactured as follows. First, glass raw materials such as oxides, carbonates, hydroxides, and nitrates were weighed and prepared so as to have the compositions shown in Tables 1 and 2, put into a platinum crucible, and the glass raw materials were put into a platinum crucible using a normal melting apparatus. It melted and stirred at the melting temperature described in 2 for 6 to 8 hours.

【0059】次に、溶融した原ガラスを金型にキャスト
して成形した後、徐冷し、それぞれガラス成形体を得
た。この後、ガラス成形体をそのまま結晶化炉に入れ
て、加熱、昇温し、表1、表2に示した核形成温度、核
形成時間にて結晶核を形成した。続いて加熱、昇温し
て、同じく表1、表2で示した核成長温度、核成長時間
にて結晶化した後、50℃/h以下の速度で徐冷してガ
ラスセラミックスを得た。
Next, the melted raw glass was cast into a mold and molded, and then gradually cooled to obtain a glass molded body. Then, the glass molded body was put into a crystallization furnace as it was, heated and heated to form crystal nuclei at the nucleation temperature and the nucleation time shown in Tables 1 and 2. Subsequently, the mixture was heated and heated to crystallize at the nucleus growth temperature and the nucleus growth time also shown in Tables 1 and 2, and then gradually cooled at a rate of 50 ° C./h or less to obtain glass ceramics.

【0060】所望の形状になるように切断研磨などの加
工を行い、加工後に150℃/h程度の速度で昇温し、
200〜400℃で3時間程度保温し、その後50℃/
h、好ましくは5〜10℃/h程度の降温速度で冷却し
た。
Processing such as cutting and polishing is performed to obtain a desired shape, and after the processing, the temperature is raised at a rate of about 150 ° C./h,
Incubate at 200-400 ℃ for about 3 hours, then 50 ℃ /
It was cooled at a cooling rate of h, preferably 5 to 10 ° C./h.

【0061】以上のようにして得られた各実施例のガラ
スセラミックスから、直径5mm、長さ20mmの試料
を切り取り、(株)リガク製TAS200熱機械分析装
置により、−40℃〜+80℃の温度範囲における熱膨
張係数及びヒステリシスを測定した。その後、測定した
材料に市販の光通信部材用の熱硬化エポキシ系接着剤を
付着させ、100℃/hで昇温し100℃、1hにて熱
硬化した後、室温まで徐冷した。このサンプルを、再度
(株)リガク製TAS200熱機械分析装置により、温
度範囲−40℃〜+80℃における熱膨張係数を測定し
た。
A sample having a diameter of 5 mm and a length of 20 mm was cut out from the glass ceramics of the respective examples obtained as described above, and a temperature of −40 ° C. to + 80 ° C. was measured by a TAS200 thermomechanical analyzer manufactured by Rigaku Corporation. The coefficient of thermal expansion and the hysteresis in the range were measured. Then, a commercially available thermosetting epoxy adhesive for optical communication members was adhered to the measured material, the temperature was raised at 100 ° C./h to heat cure at 100 ° C. for 1 h, and then gradually cooled to room temperature. The thermal expansion coefficient of this sample was measured again in the temperature range of −40 ° C. to + 80 ° C. by the TAS200 thermomechanical analyzer manufactured by Rigaku Corporation.

【0062】以下に比較例の説明をする。 (比較例1)比較として、質量%でSiO2 50.3%、Al2O3
36.7%、Li2O 9.7%、TiO2 3.3%の原料を秤量、調合
した後、1600℃で溶解し、ガラス成形体を得て、1
300℃、4hにて結晶化を行い、熱膨張係数が−78
×10-7/Kのガラスセラミックスを得た。また、実施
例と同様に接着剤付着後の熱膨張係数は1.0×10 -7
/Kであった。図2に接着剤付着前後の熱膨張曲線を示
す。
A comparative example will be described below. (Comparative example 1) As a comparison, SiO in mass%2  50.3%, Al2O3
  36.7%, Li2O 9.7%, TiO2  3.3% raw material is weighed and blended
After that, melt at 1600 ° C. to obtain a glass molded body,
Crystallization was performed at 300 ° C for 4 hours, and the thermal expansion coefficient was -78.
× 10-7A glass ceramic of / K was obtained. Also implemented
Similar to the example, the coefficient of thermal expansion after adhesion of the adhesive is 1.0 x 10 -7
Was / K. Figure 2 shows the thermal expansion curves before and after the adhesive is applied.
You

【0063】[0063]

【発明の効果】以上述べたとおり、本発明のガラスセラ
ミックスは、特定組成範囲のLi2O−Al23−Si
2−TiO2系ガラスを熱処理して、結晶化することに
より、−40℃〜+80℃の温度範囲において負膨張の
熱膨張係数を有し、かつ水や有機系接着剤を付着させて
も熱膨張係数の変化が−5×10-7〜+5×10-7/K
である。したがって光通信分野でしばしば利用される、
ファイバーブラッググレーティングやコネクタ、光ファ
イバーのカプラ、光導波路などの光デバイスにおいて、
熱膨張係数が正である材料と有機系接着剤により、組み
合わせて使用することによりデバイスに温度補償を与え
ることができる。
As described above, the glass-ceramic of the present invention has a specific composition range of Li 2 O-Al 2 O 3 -Si.
By heat-treating the O 2 —TiO 2 glass to crystallize it, the glass has a negative thermal expansion coefficient in the temperature range of −40 ° C. to + 80 ° C. and has water or an organic adhesive attached. Change in thermal expansion coefficient is -5 × 10 -7 to + 5 × 10 -7 / K
Is. Therefore, it is often used in the optical communication field,
In optical devices such as fiber Bragg gratings, connectors, optical fiber couplers, and optical waveguides,
A material having a positive coefficient of thermal expansion and an organic adhesive can be used in combination to provide temperature compensation to the device.

【0064】また、熱的安定性を有し、また各種特性の
点で異方性を持たない材料である上に、微細な結晶粒子
を析出させることで、微小亀裂の発生を抑制し、機械的
強度に優れている。更には、今まで問題となっていた洗
浄、ファイバー接着による熱膨張係数変化という問題も
なくなり、加工性に優れるため、コネクタのフェルール
などへの使用も可能である。
Further, in addition to being a material having thermal stability and not having anisotropy in terms of various characteristics, by precipitating fine crystal grains, generation of microcracks can be suppressed and Excellent in strength. Furthermore, the problems of cleaning and changes in the coefficient of thermal expansion due to fiber bonding, which have been problems so far, are eliminated, and the processability is excellent, so that it can be used for ferrules of connectors.

【0065】たとえば、直径(φ)1.25mm、長さ
6.5mmの円筒にφ0.125mmの細穴を形成する
場合、一般的な加工方法では非常に難しい。本発明のガ
ラスセラミックスでは、まず半円筒に研削し、その表面
を鏡面研磨してから、中央に深さ0.063mm程度の
半円形もしくはV字状の溝を形成し、これを2個はりあ
わせれば、所望の細穴を得ることができる。またこの
際、溝の端部側を深く(例えば0.45mm)し徐々に
浅くなるようにテーパを形成し、細穴の端部がラッパ状
になるように加工しておくと、ファイバーをスムーズに
挿入することができる。
For example, in the case of forming a small hole of φ0.125 mm in a cylinder having a diameter (φ) of 1.25 mm and a length of 6.5 mm, it is very difficult by a general processing method. In the glass-ceramic of the present invention, first, it is ground into a semi-cylinder, the surface thereof is mirror-polished, and then a semi-circular or V-shaped groove having a depth of about 0.063 mm is formed in the center, and two of these are bonded together. If so, a desired fine hole can be obtained. At this time, if the end of the groove is deep (for example, 0.45 mm) and tapered so that it gradually becomes shallow, and the end of the small hole is processed into a trumpet shape, the fiber will be smooth. Can be inserted into.

【0066】光通信分野の他にもエネルギー関連分野、
情報通信分野、エレクトロニクス分野など、幅広い用途
に、バルク状で温度補償部材として使用できる。
In addition to the optical communication field, energy related fields,
It can be used as a temperature compensating member in bulk form in a wide range of applications such as information and communication fields and electronics fields.

【0067】また、本発明のガラスセラミックスは、従
来に比べて、比較的低温で原ガラスを溶融して製造する
ことができ、さらに結晶化の熱処理温度も低いため、低
コストで生産できる。しかも、組成中に不安定な成分を
含まず、組成比を容易に制御できる成分であることか
ら、組成・物性の点においても安定的に生産できる。
Further, the glass ceramics of the present invention can be produced by melting the raw glass at a relatively low temperature as compared with the conventional one, and the heat treatment temperature for crystallization is low, so that it can be produced at a low cost. Moreover, since the composition does not contain unstable components and the composition ratio can be easily controlled, stable production can be achieved in terms of composition and physical properties.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】実施例1の接着剤付着前後の熱膨張曲線FIG. 1 is a thermal expansion curve of Example 1 before and after adhesion of an adhesive.

【図2】比較例1の接着剤付着前後の熱膨張曲線。FIG. 2 is a thermal expansion curve of Comparative Example 1 before and after an adhesive is attached.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G015 EA02 4G062 AA11 BB06 BB09 CC04 DA05 DA06 DB04 DB05 DC01 DC02 DD03 DE01 DE02 DE03 DF01 EA03 EA04 EB01 EC01 ED01 ED02 ED03 EE01 EE02 EE03 EF01 EF02 EF03 EG01 EG02 EG03 FA01 FA10 FB01 FB02 FB03 FC01 FC02 FC03 FD01 FE01 FF01 FG01 FH01 FJ01 FK01 FL01 GA01 GA10 GB01 GC01 GD01 GE01 HH01 HH03 HH05 HH07 HH09 HH11 HH13 HH15 HH17 HH18 HH20 JJ01 JJ03 JJ04 JJ05 JJ07 JJ10 KK01 KK03 KK05 KK07 KK10 MM04 NN01 NN30 NN33 QQ01 QQ02 QQ09 QQ11    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F-term (reference) 4G015 EA02                 4G062 AA11 BB06 BB09 CC04 DA05                       DA06 DB04 DB05 DC01 DC02                       DD03 DE01 DE02 DE03 DF01                       EA03 EA04 EB01 EC01 ED01                       ED02 ED03 EE01 EE02 EE03                       EF01 EF02 EF03 EG01 EG02                       EG03 FA01 FA10 FB01 FB02                       FB03 FC01 FC02 FC03 FD01                       FE01 FF01 FG01 FH01 FJ01                       FK01 FL01 GA01 GA10 GB01                       GC01 GD01 GE01 HH01 HH03                       HH05 HH07 HH09 HH11 HH13                       HH15 HH17 HH18 HH20 JJ01                       JJ03 JJ04 JJ05 JJ07 JJ10                       KK01 KK03 KK05 KK07 KK10                       MM04 NN01 NN30 NN33 QQ01                       QQ02 QQ09 QQ11

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 4質量%以上のP25を含有し、主結晶
相が、β−ユークリプタイト(β−Li2O・Al23
・2SiO2)、β−ユークリプタイト固溶体(β−L
2O・Al23・2SiO2固溶体)、β−石英(β−
SiO2)およびβ−石英固溶体(β−SiO2固溶体)
の中から選ばれる少なくとも1種以上であることを特徴
とするガラスセラミックス。
1. A P 2 O 5 content of 4% by mass or more, wherein the main crystal phase is β-eucryptite (β-Li 2 O.Al 2 O 3
・ 2SiO 2 ), β-eucryptite solid solution (β-L
i 2 O ・ Al 2 O 3・ 2SiO 2 solid solution), β-quartz (β-
SiO 2 ) and β-quartz solid solution (β-SiO 2 solid solution)
At least one selected from the above is a glass-ceramic.
【請求項2】 −40℃〜+80℃の温度範囲における
熱膨張係数が−5×10-7〜−90×10-7/Kである
ことを特徴とする、請求項1記載のガラスセラミック
ス。
2. The glass-ceramic according to claim 1, which has a coefficient of thermal expansion of −5 × 10 −7 to −90 × 10 −7 / K in a temperature range of −40 ° C. to + 80 ° C.
【請求項3】 −40℃〜+80℃の温度範囲における
熱膨張係数が−5×10-7〜−80×10-7/Kである
ことを特徴とする、請求項1または2記載のガラスセラ
ミックス。
3. The glass according to claim 1, which has a coefficient of thermal expansion of −5 × 10 −7 to −80 × 10 −7 / K in the temperature range of −40 ° C. to + 80 ° C. Ceramics.
【請求項4】 −40℃〜+80℃の温度範囲における
熱膨張係数が−5×10-7〜−60×10-7/Kである
ことを特徴とする、請求項1から3のうちいずれか一項
記載のガラスセラミックス。
4. The thermal expansion coefficient in the temperature range of −40 ° C. to + 80 ° C. is −5 × 10 −7 to −60 × 10 −7 / K, which is any one of claims 1 to 3. The glass-ceramics according to item 1.
【請求項5】 ヤング率が20GPa以上であることを
特徴とする、請求項1から4のうちいずれか一項記載の
ガラスセラミックス。
5. The glass-ceramic according to claim 1, which has a Young's modulus of 20 GPa or more.
【請求項6】 ヤング率が60GPa以上であることを
特徴とする、請求項1から5のうちいずれか一項記載の
ガラスセラミックス。
6. The glass-ceramic according to claim 1, which has a Young's modulus of 60 GPa or more.
【請求項7】 光通信部材用の熱硬化エポキシ系接着剤
付着後の、−40℃〜+80℃の温度範囲における熱膨
張係数変化が−5×10-7/K〜+5×10 -7/Kであ
ることを特徴とする、請求項1から6のうちいずれか一
項記載のガラスセラミックス。
7. A thermosetting epoxy adhesive for optical communication members.
Thermal expansion in the temperature range of -40 ℃ to + 80 ℃ after adhesion
Change in tension coefficient is -5 x 10-7/ K ~ +5 x 10 -7/ K
One of claims 1 to 6, characterized in that
The glass-ceramics according to the item.
【請求項8】 −40℃〜+80℃の温度範囲における
熱膨張ヒステリシスが20ppm以下であることを特徴
とする請求項1から7のうちいずれか一項記載のガラス
セラミックス。
8. The glass-ceramic according to claim 1, which has a thermal expansion hysteresis of 20 ppm or less in a temperature range of −40 ° C. to + 80 ° C.
【請求項9】 主結晶相の平均粒径が5μm未満である
ことを特徴とする、請求項1から8のうちいずれか一項
記載のガラスセラミックス。
9. The glass-ceramic according to claim 1, wherein the main crystal phase has an average grain size of less than 5 μm.
【請求項10】 結晶相は、Al2TiO5結晶を含有し
ないことを特徴とする請求項1から9のうちいずれか一
項記載のガラスセラミックス。
10. The glass-ceramic according to any one of claims 1 to 9, wherein the crystal phase does not contain Al 2 TiO 5 crystals.
【請求項11】 PbO、Na2OおよびK2Oを実質的
に含有しないことを特徴とする請求項1から10のうち
いずれか一項記載のガラスセラミックス。
11. The glass-ceramic according to claim 1, which is substantially free of PbO, Na 2 O and K 2 O.
【請求項12】 質量%で、 SiO2 40〜70% Al23 10〜42% Li2O 1〜13% B23 0〜5% BaO 0〜3% SrO 0〜3% MgO 0〜10% CaO 0〜2% ZnO 0〜10% P25 4%を越えて10%未満 ZrO2 0〜2% TiO2 0〜4% TiO2+ZrO2 0.5〜5.5% HfO2 0〜3% As23+Sb23 0〜2% の各成分を含有することを特徴とする、請求項1から1
1のうちいずれか一項記載のガラスセラミックス。
12. In mass%, SiO 2 40-70% Al 2 O 3 10-42% Li 2 O 1-13% B 2 O 3 0-5% BaO 0-3% SrO 0-3% MgO 0 10% CaO 0-2% ZnO 0-10% P 2 O 5 More than 4% and less than 10% ZrO 2 0-2% TiO 2 0-4% TiO 2 + ZrO 2 0.5-5.5% HfO the 2 0~3% as 2 O 3 + Sb 2 O 3 0~2% of each component is characterized by containing from claim 1 1
1. The glass ceramic according to any one of 1.
【請求項13】 原ガラスを溶融、成形、徐冷後、55
0〜800℃で0.5〜50時間、第1の熱処理を行
い、次いで、600〜950℃で0.5〜30時間、第
2の熱処理して得られることを特徴とする請求項1から
12のうちいずれか一項記載のガラスセラミックス。
13. The raw glass is melted, shaped and gradually cooled, and then 55
The first heat treatment is performed at 0 to 800 ° C. for 0.5 to 50 hours, and then the second heat treatment is performed at 600 to 950 ° C. for 0.5 to 30 hours. 12. The glass ceramics according to any one of 12.
【請求項14】 請求項1から13のうちいずれか一項
記載のガラスセラミックスを用いることを特徴とする温
度補償部材。
14. A temperature compensating member comprising the glass-ceramic according to any one of claims 1 to 13.
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