JP2006206421A - Crystallized glass and device for optical communications using the same - Google Patents

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高宏 俣野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide crystallized glass which is easily formable and high in bending strength and a device for optical communications using the same. <P>SOLUTION: The crystallized glass comprises a main crystal composed of a β-quartz solid solution or a β-eucryptite solid solution, has -16×10<SP>-7</SP>-(-45×10<SP>-7</SP>)/°C average thermal expansion coefficient at -40 to 100°C, contains 0.5-2.9% by mass in total of TiO<SB>2</SB>, ZrO<SB>2</SB>and P<SB>2</SB>O<SB>5</SB>where the molar ratio (Li<SB>2</SB>O+ZnO)/SiO<SB>2</SB>is 0.15-0.35. The device for optical communications is the crystallized glass comprising a main crystal composed of a β-quartz solid solution or a β-eucryptite solid solution, having -16×10<SP>-7</SP>-(-45×10<SP>-7</SP>)/°C average thermal expansion coefficient at -40 to 100°C and containing 0.5-2.9% by mass in total of TiO<SB>2</SB>, ZrO<SB>2</SB>and P<SB>2</SB>O<SB>5</SB>where the molar ratio (Li<SB>2</SB>O+ZnO)/SiO<SB>2</SB>is 0.15-0.35 is used for a member for compensating temperature. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、β−石英固溶体またはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として析出した結晶化ガラス、およびそれを用いた光通信用デバイスに関するものである。   The present invention relates to a crystallized glass in which a β-quartz solid solution or a β-eucryptite solid solution is precipitated as a main crystal, and an optical communication device using the same.

近年、光通信技術の発達に伴い、光ファイバを用いたネットワークが急速に整備されつつある。このようなネットワークでは、複数の波長の光を一括して伝送する波長多重技術が用いられ、波長フィルタ、カプラ、導波路等が重要な光通信用デバイスとして使用されている。   In recent years, with the development of optical communication technology, networks using optical fibers are being rapidly developed. In such a network, a wavelength multiplexing technique that transmits light of a plurality of wavelengths at once is used, and wavelength filters, couplers, waveguides, and the like are used as important optical communication devices.

このような光通信用デバイスには、温度によって特性が変化し、屋外での使用に支障をきたすものがあるため、このような光通信用デバイスの特性を温度変化によらずに一定に保つ技術、いわゆる温度補償技術が必要とされている。   Some of these optical communication devices have characteristics that change depending on the temperature and interfere with outdoor use. Therefore, technology to maintain the characteristics of such optical communication devices constant regardless of temperature changes. What is called temperature compensation technology is needed.

温度補償技術を必要とする光通信用デバイスの代表的なものとして、ファイバブラッググレーティング(以下、FBGという)がある。FBGは、光ファイバのコア内に格子状に屈折率変化を持たせた部分、いわゆるグレーティング部分を形成した光通信用デバイスであり、特定の波長の光を反射する特性を有している。このため、波長の異なる光信号を1本の光ファイバで多重伝送される波長分割多重伝送方式の光通信システムにおいて、特定の波長だけを分離できる光通信用デバイスとして重要である。   A typical optical communication device that requires temperature compensation technology is a fiber Bragg grating (hereinafter referred to as FBG). The FBG is a device for optical communication in which a portion having a refractive index change in a lattice shape in a core of an optical fiber, that is, a so-called grating portion is formed, and has a characteristic of reflecting light of a specific wavelength. Therefore, it is important as an optical communication device capable of separating only a specific wavelength in an optical communication system of a wavelength division multiplex transmission system in which optical signals having different wavelengths are multiplexed and transmitted through a single optical fiber.

FBGは、温度が変化するとグレーティング部の格子間隔や屈折率が変化するため、反射波長が変動するという問題を有している。このような反射波長の変動を小さくするために、負の熱膨張係数を有する材料からなる基材にFBGを固定し、温度変化に応じた張力をFBGに印加することによって、格子間隔や屈折率の変化を小さくする方法が知られている。(例えば、特許文献1参照。)。   The FBG has a problem that the reflection wavelength fluctuates because the lattice spacing and refractive index of the grating portion change when the temperature changes. In order to reduce such fluctuations in the reflected wavelength, the lattice spacing and refractive index can be reduced by fixing the FBG to a base material made of a material having a negative coefficient of thermal expansion and applying a tension according to the temperature change to the FBG. There is a known method for reducing the change in. (For example, refer to Patent Document 1).

また、温度補償技術を必要とする光通信用デバイスとして上記したFBGの他に光導波路デバイスがあり、代表的なものにアレイドウエーブガイド(以下、AWGという)や平面光回路(以下、PLCという)がある。AWGやPLCは、平面基板上に導波層を有し、その導波層中にコアとクラッドが形成され、光の分岐、合波、分波等の処理を行なうことができるデバイスである。   In addition to the above-described FBG, there is an optical waveguide device as an optical communication device that requires temperature compensation technology. Typical examples include an arrayed waveguide (hereinafter referred to as AWG) and a planar optical circuit (hereinafter referred to as PLC). There is. An AWG or PLC is a device that has a waveguide layer on a planar substrate, a core and a cladding are formed in the waveguide layer, and can perform processing such as light branching, multiplexing, and demultiplexing.

しかし、このような光導波路デバイスは温度が変化すると導波路の光路長が変化するため、光が通過に要する時間が変動するという問題を有している。このような光の通過時間の変動を小さくするために、基板に負の熱膨張係数を有する材料を用いると、導波路の光路長の変化を小さくできることが知られている(例えば、特許文献2参照。)。   However, such an optical waveguide device has a problem that the time required for light to pass varies because the optical path length of the waveguide changes as the temperature changes. In order to reduce such fluctuations in the passage time of light, it is known that the change in the optical path length of the waveguide can be reduced by using a material having a negative thermal expansion coefficient for the substrate (for example, Patent Document 2). reference.).

また、上記した負の熱膨張係数を有する材料としてβ−石英固溶体またはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として析出した結晶化ガラスが知られている(例えば、特許文献1、2参照。)。
特表2000−503967号公報 特開2003−20254号公報
Moreover, crystallized glass in which β-quartz solid solution or β-eucryptite solid solution is precipitated as a main crystal is known as a material having the above negative thermal expansion coefficient (for example, see Patent Documents 1 and 2).
Special Table 2000-503967 JP 2003-20254 A

特許文献1に開示されている結晶化ガラスは、熱膨張に異方性を有する結晶が析出しており、結晶粒界に多数の空隙や亀裂が存在する。そのため、結晶の正の熱膨張成分は空隙や亀裂によって緩和されて、負の熱膨張成分の寄与が大きくなり、この結晶化ガラスは全体として負の熱膨張係数を有する。しかし、この結晶化ガラスは、結晶粒界に空隙や亀裂が多数存在するため、曲げ強度が低いという問題を有していた。   In the crystallized glass disclosed in Patent Document 1, crystals having anisotropy in thermal expansion are precipitated, and a large number of voids and cracks exist at the crystal grain boundaries. Therefore, the positive thermal expansion component of the crystal is relaxed by voids and cracks, and the contribution of the negative thermal expansion component is increased, and this crystallized glass has a negative thermal expansion coefficient as a whole. However, this crystallized glass has a problem that bending strength is low because there are many voids and cracks in the crystal grain boundary.

また、特許文献2に開示されている結晶化ガラスは、結晶粒界に空隙や亀裂はないが、ガラスマトリックス中に負の熱膨張係数を有するβ−石英固溶体またはβ−ユークリプタイト固溶体の結晶を多量に析出させることで、結晶の熱膨張挙動を反映されて負の熱膨張係数を有するようになる。しかし、この結晶化ガラスは、結晶粒界に空隙や亀裂が存在しないものの結晶粒径が小さいため曲げ強度が低く、また失透しやすいため所望の形状に成形しにくいという問題を有していた。   In addition, the crystallized glass disclosed in Patent Document 2 is a crystal of β-quartz solid solution or β-eucryptite solid solution having no negative thermal expansion coefficient in the glass matrix, although there are no voids or cracks in the crystal grain boundaries. By precipitating in a large amount, the thermal expansion behavior of the crystal is reflected to have a negative thermal expansion coefficient. However, this crystallized glass has a problem that although there are no voids or cracks in the crystal grain boundary, the crystal grain size is small, so the bending strength is low, and it is easy to be devitrified, so it is difficult to form into a desired shape. .

本発明の目的は、成形しやすく、曲げ強度が高い結晶化ガラス、およびそれを用いた光通信用デバイスを提供することである。   An object of the present invention is to provide a crystallized glass that is easy to mold and has high bending strength, and a device for optical communication using the same.

本発明者等は、種々の検討を重ねた結果、適量の核形成剤を含有させることによって、結晶化ガラスの曲げ強度が高く、成形しやすくなることを見いだし、本発明を提案するに至った。   As a result of various investigations, the present inventors have found that the inclusion of an appropriate amount of a nucleating agent makes the crystallized glass have a high bending strength and is easy to mold, leading to the present invention. .

すなわち、本発明の結晶化ガラスは、β−石英固溶体またはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として析出し、−40℃〜100℃における平均熱膨張係数が−16〜−45×10-7/℃である結晶化ガラスであって、質量%でTiO2とZrO2とP25の合量が0.5〜2.9%であり、モル比(Li2O+ZnO)/SiO2が0.15〜0.35であることを特徴とする。 That is, the crystallized glass of the present invention precipitates β-quartz solid solution or β-eucryptite solid solution as a main crystal, and has an average coefficient of thermal expansion at −40 ° C. to 100 ° C. of −16 to −45 × 10 −7 / The crystallized glass at 0 ° C., and the total amount of TiO 2 , ZrO 2 and P 2 O 5 is 0.5 to 2.9% by mass, and the molar ratio (Li 2 O + ZnO) / SiO 2 is 0 .15 to 0.35.

また、本発明の光通信用デバイスは、β−石英固溶体またはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として析出し、−40℃〜100℃における平均熱膨張係数が−16〜−45×10-7/℃である結晶化ガラスであって、質量%でTiO2とZrO2とP25の合量が0.5〜2.9%であり、モル比(Li2O+ZnO)/SiO2が0.15〜0.35である結晶化ガラスを温度補償用部材に使用してなることを特徴とする。 Moreover, the device for optical communication of the present invention precipitates β-quartz solid solution or β-eucryptite solid solution as a main crystal, and has an average thermal expansion coefficient of −16 to −45 × 10 −7 at −40 ° C. to 100 ° C. Is a crystallized glass having a molar ratio (Li 2 O + ZnO) / SiO 2 of 0.5 to 2.9% by mass%, and the total amount of TiO 2 , ZrO 2 and P 2 O 5 is% by mass. It is characterized by using crystallized glass of 0.15 to 0.35 as a member for temperature compensation.

本発明の結晶化ガラスは、β−石英固溶体またはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として析出し、−40℃〜100℃における平均熱膨張係数が−16〜−45×10-7/℃であるため、温度補償用部材として、特に、光通信用デバイスの温度補償部材として使用できる。 The crystallized glass of the present invention precipitates β-quartz solid solution or β-eucryptite solid solution as a main crystal, and has an average thermal expansion coefficient of −16 to −45 × 10 −7 / ° C. at −40 ° C. to 100 ° C. Therefore, it can be used as a temperature compensating member, particularly as a temperature compensating member for an optical communication device.

また、質量%でTiO2とZrO2とP25の合量が0.5〜2.9%であるため、液相温度が低くなり、失透しにくく成形が容易であるとともに、曲げ強度が高い。 Further, since the total amount of TiO 2 , ZrO 2 and P 2 O 5 by mass% is 0.5 to 2.9%, the liquidus temperature becomes low, it is difficult to be devitrified, and it is easy to mold and bend. High strength.

すなわち、核形成剤であるTiO2、ZrO2およびP25の合量が0.5〜2.9質量%であるため、液相温度が低くなり、ガラスを成形する際に失透しにくくなる。また、核形成剤であるTiO2、ZrO2およびP25が結晶核となるが、その含有量が少ないため、核形成剤の含有量が多い場合と比べて結晶粒径が大きくなるため、曲げ強度が高くなる。 That is, since the total amount of TiO 2 , ZrO 2 and P 2 O 5 that are nucleating agents is 0.5 to 2.9% by mass, the liquidus temperature becomes low and the glass is devitrified when it is molded. It becomes difficult. Moreover, TiO 2 , ZrO 2, and P 2 O 5 which are nucleating agents become crystal nuclei, but since the content thereof is small, the crystal grain size becomes larger than the case where the content of nucleating agent is large. , Bending strength is increased.

さらに、モル比(Li2O+ZnO)/SiO2が0.15〜0.35であるため結晶化度が高く、結晶粒界に空隙や亀裂が実質的に存在せず、−40〜100℃における平均熱膨張係数が−16〜−45×10-7/℃となりやすい。なお、結晶粒界に空隙や亀裂が実質的に存在しないためサブミクロンの厚みに加工ができ、光学研磨も可能であるとともに、図1に示すように−40℃から100℃へ1℃/分の割合で昇温する昇温過程と、100℃から−40℃へ1℃/分の割合で降温する降温過程における寸法の差(L2−L1)を寸法Lで除した熱膨張ヒステリシスが小さい。 Furthermore, since the molar ratio (Li 2 O + ZnO) / SiO 2 is 0.15 to 0.35, the degree of crystallinity is high, and there are substantially no voids or cracks at the grain boundaries, and at −40 to 100 ° C. The average thermal expansion coefficient tends to be −16 to −45 × 10 −7 / ° C. Since there are substantially no voids or cracks in the crystal grain boundary, it can be processed to a thickness of submicron, optical polishing is possible, and as shown in FIG. 1, from -40 ° C. to 100 ° C., 1 ° C./min. The thermal expansion hysteresis is obtained by dividing the difference in dimensions (L 2 -L 1 ) by the dimension L between the temperature increasing process that increases the temperature at a rate of 1% and the temperature decreasing process that decreases from 100 ° C. to −40 ° C. at a rate of 1 ° C./min. small.

すなわち、結晶化ガラスの結晶粒界に空隙や亀裂が発生するか否かは、結晶の種類に依存する。Li2O:Al23:SiO2=1:1:2のモル比からなる結晶は、結晶のa軸とc軸との間に熱膨張挙動の異方性が大きいため、この結晶が高結晶化度で析出した結晶化ガラスを結晶化温度から冷却することによって大きな熱膨張歪が生じ、結晶粒界に空隙や亀裂が発生する。 That is, whether or not voids or cracks occur in the crystal grain boundaries of crystallized glass depends on the type of crystal. A crystal having a molar ratio of Li 2 O: Al 2 O 3 : SiO 2 = 1: 1: 2 has a large anisotropy in thermal expansion behavior between the a-axis and the c-axis of the crystal. By cooling the crystallized glass precipitated at a high crystallinity from the crystallization temperature, a large thermal expansion strain is generated, and voids and cracks are generated at the crystal grain boundaries.

しかし、本願発明ではSiO2の割合を高めることで、析出する結晶のa軸とc軸との間に熱膨張挙動の異方性を小さくできるため、熱膨張歪が小さく、結晶粒界に空隙や亀裂が実質的に発生しない。 However, in the present invention, by increasing the proportion of SiO 2 , the anisotropy of the thermal expansion behavior can be reduced between the a-axis and the c-axis of the precipitated crystal, so that the thermal expansion strain is small and there are voids in the crystal grain boundaries. And cracks do not substantially occur.

なお、主結晶とは、析出量が比較的大きい結晶種全てを指す。すなわち、X線回折において、最も析出割合の多い結晶種のメインピークの強度を100とした時、析出した結晶種のうちでメインピークの強度比が5以上のもの全てを主結晶とする。   The main crystal refers to all crystal seeds having a relatively large amount of precipitation. That is, in X-ray diffraction, when the intensity of the main peak of the crystal seed having the highest precipitation ratio is 100, all of the precipitated crystal seeds having the main peak intensity ratio of 5 or more are defined as the main crystal.

本発明の結晶化ガラスは、質量%で、Na2O、K2O、MgO、CaO、SrO、およびBaOの合量が0〜0.8%であると、−40〜100℃における平均熱膨張係数が−16〜−45×10-7/℃となりやすいため好ましい。Na2O、K2O、MgO、CaO、SrO、およびBaOは、それぞれガラス中で熱膨張係数を正の方向にシフトさせる成分であるため、0.8%以上含まれると平均熱膨張係数が−16×10-7/℃よりも正の方向に大きくなりやすい。 When the crystallized glass of the present invention is in mass% and the total amount of Na 2 O, K 2 O, MgO, CaO, SrO, and BaO is 0 to 0.8%, the average heat at −40 to 100 ° C. The expansion coefficient is preferably −16 to −45 × 10 −7 / ° C. Since Na 2 O, K 2 O, MgO, CaO, SrO, and BaO are components that shift the thermal expansion coefficient in the positive direction in the glass, the average thermal expansion coefficient when 0.8% or more is contained. It tends to be larger in the positive direction than −16 × 10 −7 / ° C.

本発明の結晶化ガラスは、質量%で、SiO2 49〜70%、Al23 21〜34%、Li2O 3.8〜10.0%、ZrO2 0.5〜2.5%、TiO2 0〜1.0%、P25 0〜2.0%を含有すると、失透しにくく成形しやすいとともに、曲げ強度が高い。 Crystallized glass of the present invention, in mass%, SiO 2 49~70%, Al 2 O 3 21~34%, Li 2 O 3.8~10.0%, ZrO 2 0.5~2.5% When TiO 2 is contained in an amount of 0 to 1.0% and P 2 O 5 is contained in an amount of 0 to 2.0%, it is difficult to be devitrified and easy to mold, and the bending strength is high.

以下、本発明の結晶化ガラスの組成を限定した理由を説明する。   Hereinafter, the reason which limited the composition of the crystallized glass of this invention is demonstrated.

SiO2は、ガラスの網目を構成する主成分であるとともに、析出する結晶を構成する成分でもある。SiO2が49%より少ないと、ガラス化しにくくなるとともに、所望の結晶粒径のβ−石英固溶体またはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として析出させることが困難となる。また、結晶粒界における空隙や亀裂の発生を抑制することが困難になる。一方、70%より多いと、ガラスの溶融温度が高くなる。SiO2の好ましい範囲は、50〜69%、より好ましい範囲は、52〜68%である。 SiO 2 is a main component constituting the glass network and a component constituting the precipitated crystals. When the SiO 2 content is less than 49%, it becomes difficult to vitrify and it becomes difficult to precipitate a β-quartz solid solution or β-eucryptite solid solution having a desired crystal grain size as a main crystal. In addition, it becomes difficult to suppress the occurrence of voids and cracks at the grain boundaries. On the other hand, if it exceeds 70%, the melting temperature of the glass becomes high. A preferable range of SiO 2 is 50 to 69%, and a more preferable range is 52 to 68%.

Al23も、ガラスの網目を構成する成分であるとともに、結晶を構成する成分でもある。Al23が21%より少ないと、所望の結晶を析出させることが困難となる。一方、34%より多いと、ガラスが失透しやすくなる。Al23の好ましい範囲は、22.5〜33%、より好ましい範囲は、23〜32%である。 Al 2 O 3 is also a component constituting a glass network and a component constituting a crystal. When Al 2 O 3 is less than 21%, it is difficult to precipitate a desired crystal. On the other hand, if it exceeds 34%, the glass tends to be devitrified. A preferable range of Al 2 O 3 is 22.5 to 33%, and a more preferable range is 23 to 32%.

Li2Oは、β−石英固溶体結晶またはβ−ユークリプタイト固溶体結晶の構成成分である。Li2Oが3.8%より少ないと、結晶化度を70%以上にすることが困難となる。一方、10.0%より多くなると、ガラスが失透しやすくなるとともに、全てのLi原子を結晶に取り込ませることが難しい。また、取り込まれなかったLi原子は、ガラスマトリックスを構成する成分となり、熱膨張係数を正に大きくする作用を有するため、大きな負の熱膨張係数を得ることが困難となる。Li2Oの好ましい範囲は、4.2〜9.8%、より好ましい範囲は、4.4〜9.6%である。 Li 2 O is a constituent component of β-quartz solid solution crystal or β-eucryptite solid solution crystal. If the amount of Li 2 O is less than 3.8%, it becomes difficult to increase the crystallinity to 70% or more. On the other hand, if it exceeds 10.0%, the glass tends to devitrify and it is difficult to incorporate all Li atoms into the crystal. In addition, Li atoms that have not been incorporated become a component constituting the glass matrix and have a function of positively increasing the thermal expansion coefficient, making it difficult to obtain a large negative thermal expansion coefficient. A preferable range of Li 2 O is 4.2 to 9.8%, and a more preferable range is 4.4 to 9.6%.

ZrO2は、ガラス中に結晶核を形成する作用を有する成分である。ZrO2が0.5%より少ないと、核形成作用が不十分となり、所望の粒径を有する結晶を均一に析出させることができなくなる。一方、2.5%より多くなると、失透が発生しやすくなるためガラスの成形が困難となり好ましくない。また、結晶核とならなかったZr原子は、ガラスマトリックスを構成する成分となり、熱膨張係数を正に大きくする作用を有するため、大きな負の熱膨張係数を得ることが困難となる。ZrO2の好ましい範囲は、0.7〜2.5%、より好ましい範囲は、1〜2.5%である。 ZrO 2 is a component having an action of forming crystal nuclei in glass. If ZrO 2 is less than 0.5%, the nucleation action becomes insufficient, and crystals having a desired particle size cannot be uniformly deposited. On the other hand, if it exceeds 2.5%, devitrification tends to occur, so that it becomes difficult to form glass, which is not preferable. In addition, Zr atoms that have not become crystal nuclei become a component constituting the glass matrix and have a function of positively increasing the thermal expansion coefficient, making it difficult to obtain a large negative thermal expansion coefficient. A preferable range of ZrO 2 is 0.7 to 2.5%, and a more preferable range is 1 to 2.5%.

TiO2は、結晶核を形成する作用を有する成分である。TiO2が1%より多いと、β−スポジュメン固溶体が析出しやすくなり、負に大きな熱膨張係数を得ることが困難となるとともに、平均結晶粒径が小さく曲げ強度が低くなりやすい。 TiO 2 is a component having an action of forming crystal nuclei. When TiO 2 is more than 1%, β-spodumene solid solution is likely to precipitate, and it becomes difficult to obtain a negatively large thermal expansion coefficient, and the average crystal grain size is small and the bending strength tends to be low.

25は、結晶核の成長を促進する成分である。2.0%より多いと、結晶に取り込まれなかったP原子は、ガラスマトリックスを構成する成分となり、熱膨張係数を正に大きくする作用を有するため、大きな負の熱膨張係数を得ることが困難となる。P25の好ましい範囲は、0〜1.8%、より好ましい範囲は、0〜1.5%である。 P 2 O 5 is a component that promotes the growth of crystal nuclei. If it exceeds 2.0%, P atoms that have not been incorporated into the crystal become a component of the glass matrix and have a function of positively increasing the thermal expansion coefficient, so it is difficult to obtain a large negative thermal expansion coefficient. It becomes. A preferable range of P 2 O 5 is 0 to 1.8%, and a more preferable range is 0 to 1.5%.

核形成剤であるTiO2とZrO2とP25の合量が、0.5%よりも少ないとガラスマトリックス中に均一に結晶が析出しない。2.9%よりも多いとガラスが失透するため成形が困難となり、また、全ての核形成剤が結晶核にはならず、結晶核とならなかった核形成剤は、ガラスマトリックスを構成する成分となり、熱膨張係数を正に大きくする作用を有するため、大きな負の熱膨張係数を得ることが困難となる。好ましい範囲は0.5〜2.5%である。 When the total amount of nucleating agents TiO 2 , ZrO 2 and P 2 O 5 is less than 0.5%, crystals are not uniformly precipitated in the glass matrix. If it exceeds 2.9%, the glass becomes devitrified and molding becomes difficult, and all nucleating agents do not become crystal nuclei, and the nucleating agents that have not become crystal nuclei constitute a glass matrix. Since it becomes a component and has an action of increasing the thermal expansion coefficient positively, it is difficult to obtain a large negative thermal expansion coefficient. A preferable range is 0.5 to 2.5%.

本発明の結晶化ガラスは、質量%で、ZnO 0〜9%で、Li2OとZnOの合量が5.0〜18%であるであると好ましい。 The crystallized glass of the present invention is preferably% by mass, ZnO 0 to 9%, and the total amount of Li 2 O and ZnO is 5.0 to 18%.

ZnOは、Li2O同様にβ−石英固溶体結晶またはβ−ユークリプタイト固溶体結晶を構成する成分であり、結晶化度を高める働きを有する。ZnOが9%より多くなると、ガラスが失透しやすくなるとともに、全てのZnを結晶に取り込ませることが難しく、結晶に取り込まれなかったZnは、ガラスマトリックスを構成する成分となり、熱膨張係数を正に大きくする作用を有するため、大きな負の熱膨張係数を得ることが困難となりやすい。ZnOの好ましい範囲は、0〜8%、より好ましい範囲は、0〜7%である。 ZnO is a component constituting a β-quartz solid solution crystal or β-eucryptite solid solution crystal like Li 2 O, and has a function of increasing the crystallinity. If the ZnO content exceeds 9%, the glass tends to devitrify and it is difficult to incorporate all Zn into the crystal. The Zn that has not been incorporated into the crystal becomes a component constituting the glass matrix and has a coefficient of thermal expansion. Since it has an action of increasing positively, it is difficult to obtain a large negative thermal expansion coefficient. The preferable range of ZnO is 0 to 8%, and the more preferable range is 0 to 7%.

また、Li2OとZnOの合量が5.0%よりも少ないと、結晶化度が高くなりにくいため熱膨張係数が負になりにくく、18%よりも多いと、結晶に取り込まれなかったLiとZnは、ガラスマトリックスを構成する成分となり、熱膨張係数を正に大きくする作用を有するため、負の熱膨張係数を得ることが困難となりやすい。 Further, when the total amount of Li 2 O and ZnO is less than 5.0%, the degree of crystallinity is difficult to increase, so the thermal expansion coefficient is difficult to be negative, and when it exceeds 18%, it is not taken into the crystal. Li and Zn are components constituting the glass matrix and have an action of increasing the thermal expansion coefficient positively, so that it is difficult to obtain a negative thermal expansion coefficient.

なお、本発明では、必要に応じて他の成分、例えば清澄剤としてAs23、Sb23、SnO2をそれぞれ0〜2%添加しても良い。また、屈折率の調整としてWO3、La23、CeO2、GeO2、Ta25、Nb25、Gd23等の希土類を合量で0〜5%添加しても良い。 In the present invention, other components, for example, As 2 O 3 , Sb 2 O 3 and SnO 2 may be added as 0 to 2%, respectively, as a clarifier. Further, as a refractive index adjustment, a total amount of 0 to 5% of rare earth such as WO 3 , La 2 O 3 , CeO 2 , GeO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , Gd 2 O 3 may be added. good.

本発明の結晶化ガラスは、質量%で、結晶化度が70%以上であると、主結晶であるβ−石英固溶体またはβ−ユークリプタイト固溶体の熱膨張係数が大きく反映されて負に大きくなり、−40℃〜100℃における平均熱膨張係数が−16〜−45×10-7/℃となりやすいため好ましい。好ましい結晶化度の範囲は、80%以上である。 When the crystallized glass of the present invention is mass% and the degree of crystallinity is 70% or more, the thermal expansion coefficient of the main crystal β-quartz solid solution or β-eucryptite solid solution is largely reflected and negatively increased. Therefore, the average coefficient of thermal expansion at −40 ° C. to 100 ° C. is preferably −16 to −45 × 10 −7 / ° C. A preferable crystallinity range is 80% or more.

本発明の結晶化ガラスは、平均結晶粒径が0.2〜10.0μmであると好ましい。平均結晶粒径が0.2μmよりも小さいと、結晶化ガラスに負荷が加わってクラックが発生すると、クラックの伝播を結晶粒によって阻害しにくいため、曲げ強度が向上しにくい。また、10.0μmよりも大きいと、結晶化ガラスに加熱や冷却が繰り返される場合、結晶粒界に空隙や亀裂が生じやすく、曲げ強度が低くなりやすい。   The crystallized glass of the present invention preferably has an average crystal grain size of 0.2 to 10.0 μm. When the average crystal grain size is smaller than 0.2 μm, if a load is applied to the crystallized glass and a crack is generated, propagation of the crack is difficult to be inhibited by the crystal grain, so that the bending strength is difficult to improve. Moreover, when larger than 10.0 micrometers, when heating and cooling are repeated to crystallized glass, a space | gap and a crack are easy to produce in a crystal grain boundary, and bending strength will fall easily.

本発明の結晶化ガラスは、結晶の核形成剤であるTiO2とZrO2とP25の合量(A)と結晶を構成する成分であるLi2OとZnOの合量(B)の比B/Aが2.6〜10であると好ましい。核形成剤であるTiO2とZrO2とP25の合量(A)とLi2OとZnOの合量(B)の比B/Aが2.6よりも小さいと、つまり、核形成剤に対して結晶を構成する成分が少な過ぎると、結晶の粒径が0.2μmまで成長しにくいため曲げ強度が高くなりにくい。また、結晶核として取り込まれなかった核形成剤は、ガラスマトリックスを構成する成分となり、熱膨張係数を正に大きくする作用を有するため、大きな負の熱膨張係数を得ることが困難となりやすい。一方、10よりも大きいと、つまり、核形成剤に対して結晶を構成する成分が多すぎると、ガラスマトリックス中に均一に結晶が析出しにくいため、曲げ強度のムラが発生しやすい。好ましい範囲は2.6〜9.5、さらに好ましくは2.6〜9.0である。 The crystallized glass of the present invention comprises a total amount (A) of TiO 2 , ZrO 2, and P 2 O 5 which are crystal nucleating agents, and a total amount (B) of Li 2 O and ZnO which are components constituting the crystal. The ratio B / A is preferably 2.6 to 10. If the ratio B / A of the total amount (A) of TiO 2 , ZrO 2 and P 2 O 5 and the total amount (B) of Li 2 O and ZnO, which are nucleating agents, is smaller than 2.6, If the component constituting the crystal is too small relative to the forming agent, it is difficult to increase the bending strength because the crystal grain size is difficult to grow to 0.2 μm. In addition, the nucleating agent that has not been incorporated as crystal nuclei becomes a component constituting the glass matrix and has a function of positively increasing the thermal expansion coefficient, so that it is difficult to obtain a large negative thermal expansion coefficient. On the other hand, if it is larger than 10, that is, if there are too many components constituting the crystal with respect to the nucleating agent, it is difficult for the crystal to precipitate uniformly in the glass matrix, so that uneven bending strength tends to occur. The preferred range is 2.6 to 9.5, more preferably 2.6 to 9.0.

また、本発明の結晶化ガラスは、結晶性ガラスを850〜950℃で熱処理することが望ましい。すなわち結晶化温度が850℃未満では、主結晶であるβ−石英固溶体またはβ−ユークリプタイト固溶体の結晶化度を70質量%以上にしにくく、950℃より高いと、β−スポジュメン固溶体が析出しやすいからである。   Moreover, as for the crystallized glass of this invention, it is desirable to heat-process crystalline glass at 850-950 degreeC. That is, if the crystallization temperature is less than 850 ° C., the crystallinity of the β-quartz solid solution or β-eucryptite solid solution as the main crystal is difficult to be 70% by mass or more, and if it is higher than 950 ° C., β-spodumene solid solution is precipitated. It is easy.

熱伝導率は、大きいほど、温度変化に対する補償用部材の反応が鋭敏になるため好ましく、具体的には1.5W/K以上であると好ましい。   The larger the thermal conductivity, the more preferable the reaction of the compensation member with respect to the temperature change, and the more preferable is 1.5 W / K or more.

本発明の結晶化ガラスは、光通信用デバイス以外にも、赤外線(例えば、波長1500nm)の透過率が高いため赤外線透過フィルタや温度変化によって変形する部材の支持材として使用できる。また、サブミクロンの厚みに加工ができるとともに、光学研磨することができるため、精密機器の部品、例えば光学研磨面に反射膜を形成した反射板や、凹凸膜を形成した吸収板として使用可能である。また、粉末にして、PDPのバリアリブ、グリーンシートまたは多層基板のフィラーに、もしくは、封着材料等に用いられる接着剤のフィラーやエレクトロミックミラー等にも使用できる。   Since the crystallized glass of the present invention has a high transmittance of infrared rays (for example, wavelength 1500 nm) besides the device for optical communication, it can be used as a support material for an infrared transmission filter or a member that deforms due to temperature change. In addition, since it can be processed to a thickness of submicron and can be optically polished, it can be used as a precision instrument component, for example, a reflection plate with a reflection film formed on the optical polishing surface or an absorption plate with an uneven film. is there. It can also be used as a powder for PDP barrier ribs, green sheets or multilayer substrate fillers, or for adhesive fillers or electro-mirrors used for sealing materials.

本発明の結晶化ガラスは、β−石英固溶体またはβ−ユークリプタイトがβ−スポジュメン固溶体に結晶が転移する結晶転移温度が、1000℃以上であることが好ましく、転移しないことがさらに好ましい。1000℃よりも低いと高温に曝される精密機器の部品に用いた際に結晶の転移によって熱膨張係数が変化して、不具合が生じるおそれがある。なお、本発明の結晶化ガラスは、結晶化度が高くなるため結晶転移温度も高くなるものと考えられる。   In the crystallized glass of the present invention, the crystal transition temperature at which crystals are transferred from β-quartz solid solution or β-eucryptite to β-spodumene solid solution is preferably 1000 ° C. or more, and more preferably not. If the temperature is lower than 1000 ° C., the thermal expansion coefficient may change due to crystal transition when used in a precision instrument part that is exposed to high temperatures, which may cause problems. In addition, since the crystallized glass of this invention becomes high crystallinity, it is thought that a crystal transition temperature becomes high.

以下、本発明の結晶化ガラスを実施例に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the crystallized glass of the present invention will be described in detail based on examples.

表1、2は、実施例1〜7と、比較例1〜5を示す。   Tables 1 and 2 show Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5.

Figure 2006206421
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Figure 2006206421
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実施例1〜7および比較例1〜5は、次のようにして調製した。   Examples 1-7 and Comparative Examples 1-5 were prepared as follows.

まず表中の各組成が得られるように原料を調合した後、白金坩堝に入れ、1580℃で20時間溶融した。次いで、カーボン板上に5mmの厚さのスペーサーを2本設置、このスペーサーの間に溶融ガラスを流し出し、ローラーで表面をならすことによって、厚さ5mmのガラス板を成形し、室温まで冷却した。   First, raw materials were prepared so as to obtain each composition in the table, and then put in a platinum crucible and melted at 1580 ° C. for 20 hours. Next, two 5 mm thick spacers were placed on the carbon plate, molten glass was poured between the spacers, and the surface was smoothed with a roller to form a 5 mm thick glass plate and cooled to room temperature. .

次にガラス板に対し、780℃、2時間の核形成処理を施した後、表中の結晶化温度で1時間の結晶化処理し、室温まで冷却して、結晶化ガラスを作製した。なお、主結晶はすべてβ−ユークリプタイト固溶体であった。   Next, the glass plate was subjected to nucleation treatment at 780 ° C. for 2 hours, followed by crystallization treatment at the crystallization temperature in the table for 1 hour, and then cooled to room temperature to produce crystallized glass. The main crystals were all β-eucryptite solid solutions.

液相温度は、短冊状に切断加工した上記ガラス板を白金ボートに乗せて温度傾斜炉に入れ、18時間保持した後、白金ボートを取り出し失透が発生した最高の温度を測定して、その温度を液相温度とした。   The liquidus temperature was measured by measuring the highest temperature at which devitrification occurred, taking out the platinum boat after putting the glass plate cut into a strip shape on a platinum boat and placing it in a temperature gradient furnace and holding it for 18 hours. The temperature was taken as the liquidus temperature.

β−スポジュメン固溶体の有無および結晶化度は、X線回折法(リガク製X線回折装置)を用いて測定した。なお、β−スポジュメン固溶体は、23.8°付近のピークを用いて同定した。   Presence / absence and crystallinity of the β-spodumene solid solution were measured using an X-ray diffraction method (Rigaku X-ray diffractometer). The β-spodumene solid solution was identified by using a peak around 23.8 °.

平均結晶粒径及び結晶粒界の空隙や亀裂の有無は、走査型電子顕微鏡(日本電子製 JSM−5400)で測定した。なお、平均結晶粒径は、無作為に選んだ100個の結晶の粒径を測定した平均値である。   The average crystal grain size and the presence or absence of voids or cracks in grain boundaries were measured with a scanning electron microscope (JSM-5400, manufactured by JEOL Ltd.). The average crystal grain size is an average value obtained by measuring the grain sizes of 100 randomly selected crystals.

−40〜+100℃における熱膨張ヒステリシスおよび熱膨張係数は、ディラトメーター(マックサイエンス製 TD−5000S)を使用して測定した。なお、熱膨張ヒステリシスの測定では、−40〜100℃の間を1℃/分で昇温および降温させた。   The thermal expansion hysteresis and thermal expansion coefficient at −40 to + 100 ° C. were measured using a dilatometer (TD-5000S manufactured by Mac Science). In the measurement of thermal expansion hysteresis, the temperature was increased and decreased between 1 and 100 ° C. at 1 ° C./min.

曲げ強度は、3×4×36mmの試験片を作製し、曲げ試験機(島津製作所 EZTest−500N)を用いてJIS R 1601に準じ、支点間距離30mm、クロスヘッド速度0.5mm/minで3点曲げ試験を行なった。   The bending strength is 3 × 4 × 36 mm, and a 3 × 4 × 36 mm test piece is prepared according to JIS R 1601 using a bending tester (Shimadzu Corporation EZTest-500N) at a fulcrum distance of 30 mm and a crosshead speed of 0.5 mm / min. A point bending test was performed.

熱伝導率は、直径9.5mm、厚さ2mmに加工した各試料をレーザーフラッシュ法(真空理工製 TC−7000)を用いて測定した。   The thermal conductivity was measured using a laser flash method (TC-7000, manufactured by Vacuum Riko) for each sample processed to a diameter of 9.5 mm and a thickness of 2 mm.

結晶転移温度は、実施例1、2および比較例5について、作製した各試料を再度昇温速度2℃/分で加熱し、900℃から25℃間隔で試料を取り出した後、X線回折法(リガク製X線回折装置)を用いてβ−スポジュメン固溶体結晶の有無を測定し、β−スポジュメン固溶体が析出したなかで、取り出した温度が最も低い値を採用した。   Regarding the crystal transition temperature, for each of Examples 1, 2 and Comparative Example 5, each of the prepared samples was again heated at a heating rate of 2 ° C./min, and the samples were taken out at intervals of 25 ° C. from 900 ° C. The presence or absence of β-spodumene solid solution crystals was measured using a (Rigaku X-ray diffractometer), and the lowest temperature was taken out while β-spodumene solid solution precipitated.

誘電損失は、25℃において1MHzでの誘電率(ε)と損失tanδを測定し、その積である誘電損失(ε・tanδ)を算出した。尚、装置は、インピーダンスアナライザ(横河ヒューレットパッカード製4192A)を用いて測定した。   The dielectric loss was obtained by measuring the dielectric constant (ε) and loss tan δ at 1 MHz at 25 ° C., and calculating the dielectric loss (ε · tan δ), which is the product of these. The apparatus was measured using an impedance analyzer (Yokogawa Hewlett Packard 4192A).

透過率は、試料の厚さを3mmとして両面を光学研磨し、波長が500nm、780nm、1500nmの光における透過率を分光光度計(株式会社島津製作所製 UV3100PC)を使用して測定した。   The transmittance was measured by using a spectrophotometer (UV3100PC, manufactured by Shimadzu Corporation) to measure the transmittance of light having wavelengths of 500 nm, 780 nm, and 1500 nm by optically polishing both surfaces with a sample thickness of 3 mm.

表1、2から明らかなように、実施例1〜7は、熱膨張係数が−22×10-7/℃よりも負に大きく、曲げ強度は160MPa以上であった。また、いずれも液相温度が1440℃以下であった。また、β−スポジュメン固溶体の析出および粒界空隙や亀裂は認められなかった。さらに、熱膨張のヒステリシスも1ppm以下であり、結晶化度が86%以上であった。 As is clear from Tables 1 and 2, Examples 1 to 7 had a thermal expansion coefficient that was negatively greater than −22 × 10 −7 / ° C., and the bending strength was 160 MPa or more. In all cases, the liquidus temperature was 1440 ° C. or lower. Moreover, precipitation of β-spodumene solid solution and no intergranular voids or cracks were observed. Furthermore, the hysteresis of thermal expansion was 1 ppm or less, and the crystallinity was 86% or more.

また、実施例1および2は、熱伝導率が1.7W/m、結晶転移温度が1000℃、誘電損失がそれぞれ19×10-3、20×10-3であった。 In Examples 1 and 2, the thermal conductivity was 1.7 W / m, the crystal transition temperature was 1000 ° C., and the dielectric loss was 19 × 10 −3 and 20 × 10 −3 , respectively.

一方、表2から明らかなように、結晶粒界に空隙や亀裂のない比較例1〜3は、いずれも熱膨張係数が、−6〜−33×10-7/℃であり、曲げ強度は155MPa以下であった。 On the other hand, as apparent from Table 2, Comparative Examples 1 to 3 having no voids or cracks in the crystal grain boundaries all have a thermal expansion coefficient of −6 to −33 × 10 −7 / ° C., and the bending strength is It was 155 MPa or less.

また、結晶粒界に空隙や亀裂がある比較例4は、熱膨張係数が、−40×10-7/℃であり、曲げ強度は27MPa、熱伝導率は、0.9W/mであった。熱伝導率は、温度補償において熱伝導率が低いと温度変化に対して試料全体温度が追随できず、反射波長の変化量が大きくなる傾向があるため熱伝導率は、高い方が好ましい。この点においても実施例1、2は、良好な結果を示した。 Further, Comparative Example 4 having voids and cracks at the crystal grain boundaries had a thermal expansion coefficient of −40 × 10 −7 / ° C., a bending strength of 27 MPa, and a thermal conductivity of 0.9 W / m. . When the thermal conductivity is low in temperature compensation, the entire sample temperature cannot follow the temperature change, and the amount of change in the reflection wavelength tends to increase, so that the thermal conductivity is preferably high. In this respect as well, Examples 1 and 2 showed good results.

また、比較例1〜5、いずれも液相温度が1470℃以上であった。   Moreover, all of Comparative Examples 1-5 had liquidus temperature of 1470 degreeC or more.

以上のように、本発明の結晶化ガラスは、負に大きな熱膨張係数を有するとともに曲げ強度が高く、失透しにくく成形が容易であるため、FBGや光導波路デバイスのような光通信用デバイスの温度補償用部材に好適である。   As described above, since the crystallized glass of the present invention has a large negative thermal expansion coefficient and high bending strength, is hard to be devitrified and can be easily molded, an optical communication device such as an FBG or an optical waveguide device. It is suitable for the temperature compensation member.

−40〜100℃の範囲における熱膨張ヒステリシスを示すグラフである。It is a graph which shows the thermal expansion hysteresis in the range of -40-100 degreeC.

Claims (8)

β−石英固溶体またはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として析出し、−40℃〜100℃における平均熱膨張係数が−16〜−45×10-7/℃である結晶化ガラスであって、質量%でTiO2とZrO2とP25の合量が0.5〜2.9%であり、モル比(Li2O+ZnO)/SiO2が0.15〜0.35であることを特徴とする結晶化ガラス。 A crystallized glass in which a β-quartz solid solution or a β-eucryptite solid solution is precipitated as a main crystal, and an average coefficient of thermal expansion at −40 ° C. to 100 ° C. is −16 to −45 × 10 −7 / ° C., The total amount of TiO 2 , ZrO 2 and P 2 O 5 is 0.5 to 2.9% by mass%, and the molar ratio (Li 2 O + ZnO) / SiO 2 is 0.15 to 0.35. Characterized crystallized glass. 質量%で、Na2O、K2O、MgO、CaO、SrO、およびBaOの合量が0〜0.8%であることを特徴とする請求項1に記載の結晶化ガラス。 2. The crystallized glass according to claim 1, wherein the total amount of Na 2 O, K 2 O, MgO, CaO, SrO, and BaO is 0 to 0.8% by mass%. 質量%で、SiO2 49〜70%、Al23 21〜34%、Li2O 3.8〜10.0%、ZrO2 0.5〜2.5%、TiO2 0〜1.0%、P25 0〜2.0%を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の結晶化ガラス。 By mass%, SiO 2 49~70%, Al 2 O 3 21~34%, Li 2 O 3.8~10.0%, ZrO 2 0.5~2.5%, TiO 2 0~1.0 %, crystallized glass of claim 1 or 2, characterized in that it contains P 2 O 5 0 to 2.0%. 質量%で、ZnO 0〜9%で、Li2OとZnOの合量が5.0〜18%であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の結晶化ガラス。 By mass%, at 0 to 9% ZnO, crystallized glass according to any one of claims 1 to 3 the total amount of Li 2 O and ZnO is characterized in that it is a 5.0 to 18%. 結晶化度が、質量%で、70%以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の結晶化ガラス。   The crystallized glass according to any one of claims 1 to 3, wherein the crystallinity is 70% or more by mass%. 平均結晶粒径が0.2〜10.0μmであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の結晶化ガラス。   The crystallized glass according to any one of claims 1 to 5, wherein an average crystal grain size is 0.2 to 10.0 µm. TiO2とZrO2とP25の合量(A)と、Li2OとZnOの合量(B)の比B/Aが2.6〜10であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の結晶化ガラス。 The ratio B / A of the total amount (A) of TiO 2 , ZrO 2 and P 2 O 5 and the total amount (B) of Li 2 O and ZnO is 2.6-10. The crystallized glass in any one of -6. 請求項1〜7のいずれかに記載の結晶化ガラスを温度補償用部材に使用してなることを特徴とする光通信用デバイス。   An optical communication device comprising the crystallized glass according to claim 1 as a temperature compensating member.
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