JP7121337B2 - Glass material manufacturing method and glass material - Google Patents
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Description
本発明は、ガラス材の製造方法及びガラス材に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for manufacturing a glass material and the glass material.
常磁性化合物である酸化テルビウム(Tb2O3)を含むガラス材は、磁気光学効果の一つであるファラデー効果を示すことが知られている。ファラデー効果とは、磁場中におかれた材料を通過する直線偏光の偏光面を回転させる効果である。このような効果は光アイソレータや磁界センサなどに利用されている。 A glass material containing terbium oxide (Tb 2 O 3 ), which is a paramagnetic compound, is known to exhibit the Faraday effect, which is one of the magneto-optical effects. The Faraday effect is the effect of rotating the plane of polarization of linearly polarized light passing through a material placed in a magnetic field. Such effects are utilized in optical isolators, magnetic field sensors, and the like.
ファラデー効果による旋光度(偏光面の回転角)θは、磁場の強さをH、偏光が通過する物質の長さをLとして、以下の式(1)により表される。式(1)において、Vは物質の種類に依存する定数であり、ベルデ定数と呼ばれる。ベルデ定数は反磁性体の場合は正の値、常磁性体の場合は負の値となる。ベルデ定数の絶対値が大きいほど、旋光度の絶対値も大きくなり、結果として大きなファラデー効果を示す。 The optical rotation (angle of rotation of the plane of polarization) θ due to the Faraday effect is expressed by the following formula (1), where H is the strength of the magnetic field and L is the length of the substance through which the polarized light passes. In Equation (1), V is a constant dependent on the type of substance and is called the Verdet constant. The Verdet constant has a positive value in the case of a diamagnetic material and a negative value in the case of a paramagnetic material. The greater the absolute value of the Verdet constant, the greater the absolute value of the optical rotation, resulting in a greater Faraday effect.
θ=VHL 式(1) θ=VHL Formula (1)
例えば、特許文献1、2において、Tb2O3を含有する常磁性体ガラスが開示されている。一般に、含有させるTb2O3が多いほど、ベルデ定数は大きくなり、大きなファラデー効果を示す。 For example, Patent Documents 1 and 2 disclose paramagnetic glass containing Tb 2 O 3 . In general, the more Tb 2 O 3 is contained, the larger the Verdet constant and the greater the Faraday effect.
上記文献に記載のガラス材は、原料を坩堝等の溶融容器内で溶融し、冷却することにより製造される。ところが、この方法は溶融容器との接触界面を起点として結晶化が進行しやすく、失透しやすいという問題がある。特に、Tb2O3はガラスを形成しづらい成分であるため、容易に結晶化が進行してしまい、ガラス材が得にくいという問題があった。 The glass materials described in the above documents are produced by melting raw materials in a melting container such as a crucible and cooling them. However, this method has a problem that crystallization tends to progress starting from the contact interface with the melting vessel, and devitrification tends to occur. In particular, since Tb 2 O 3 is a component that hardly forms glass, crystallization easily progresses, and there is a problem that it is difficult to obtain a glass material.
そこで、溶融法以外の方法を用いることにより、より多くのTb2O3を含有させ、より大きなベルデ定数を有するガラス材を製造する方法が提案されている。例えば、特許文献3では、Tb2O3を48%超含有するガラス材が開示されている。上記文献において、ガラス材は原料を浮遊させた状態で溶融し、冷却することにより製造される(無容器浮遊法)。この方法では、溶融ガラスが溶融容器にほとんど接触することがなく、溶融容器との界面を起点とする結晶化を防止することができるため、大量のTb2O3を含有するガラス化しにくい組成でもガラス材を得ることができる。 Therefore, a method has been proposed for producing a glass material having a larger Verdet constant by containing more Tb 2 O 3 by using a method other than the melting method. For example, Patent Document 3 discloses a glass material containing more than 48% Tb 2 O 3 . In the above document, the glass material is manufactured by melting raw materials in a floating state and cooling them (containerless floating method). In this method, the molten glass hardly comes into contact with the melting vessel , and crystallization starting from the interface with the melting vessel can be prevented. A glass material can be obtained.
ところで、上述した無容器浮遊法は、原料粉末を混合する混合工程、前記原料粉末を一体化して原料塊を得る一体化工程、原料塊を浮遊させて保持した状態で、原料塊を加熱融解させて溶融ガラスを得る溶融工程、溶融ガラスを得た後に、前記溶融ガラスを冷却する冷却工程を備える。この方法では、溶融工程で原料塊が溶解している間、坩堝等の溶融容器内で溶融する方法のように原料を撹拌することができず、得られたガラス材に組成のばらつきが生じ、不均質になる可能性がある。ガラス材が不均質になると、例えば、ベルデ定数がばらつきやすくなるという問題がある。また、組成のばらつきに起因して失透物が生じ、失透しやすくなる。そのため、ガラス材を均質にするために、あらかじめ溶融工程の前に原料を十分に混合しておく必要がある。 By the way, the above-described containerless floating method includes a mixing step of mixing the raw material powders, an integration step of integrating the raw material powders to obtain a raw material lump, and heating and melting the raw material lump while holding the raw material lump in a floating state. and a cooling step of cooling the molten glass after the molten glass is obtained. In this method, unlike the method in which the raw material is melted in a melting vessel such as a crucible, the raw material cannot be stirred while the raw material lump is being melted in the melting process, and the composition of the obtained glass material varies. can be uneven. If the glass material becomes inhomogeneous, there is a problem that, for example, the Verdet constant tends to vary. In addition, devitrification occurs due to variations in composition, and devitrification tends to occur. Therefore, in order to homogenize the glass material, it is necessary to sufficiently mix the raw materials in advance before the melting process.
しかしながら、原料を十分に混合した場合でも、ガラスに失透物が生じるという問題がある。失透物が生じたガラス材を用いて磁気光学素子を製造すると、透過性の低下だけでなく、失透物が発熱起点になるおそれがあり、大きなベルデ定数が有効に活かされないばかりか、発熱で磁気光学素子の機能を果たせなくなるおそれがある。 However, even when the raw materials are sufficiently mixed, there is a problem that devitrification occurs in the glass. When a magneto-optical element is manufactured using a glass material with devitrification, not only does the transparency decrease, but the devitrification may become a source of heat generation. There is a possibility that the function of the magneto-optical element may not be fulfilled.
以上に鑑み、本発明は、均質性が高く、かつ失透物が生じにくいガラス材の製造方法及びガラス材を提供することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a method for producing a glass material that has high homogeneity and is less likely to cause devitrification, and the glass material.
本発明のガラス材の製造方法は、原料粉末を混合する混合工程、前記原料粉末を一体化して原料塊を得る一体化工程、前記原料塊を浮遊させながら加熱融解させて溶融ガラスを得る溶融工程、前記溶融ガラスを冷却する冷却工程、を備えるガラス材の製造方法であって、ガラス材におけるZrO2の含有量が500ppm以下になるように、ジルコニア製器具を用いて前記原料粉末を混合することを特徴とする。 The method for producing a glass material of the present invention includes a mixing step of mixing raw material powders, an integration step of integrating the raw material powders to obtain a raw material lump, and a melting step of heating and melting the raw material lumps while floating to obtain molten glass. and a cooling step of cooling the molten glass, wherein the raw material powder is mixed using a zirconia tool so that the content of ZrO 2 in the glass material is 500 ppm or less. characterized by
上記構成によれば、耐摩耗性に優れたジルコニア製器具を用いているため、十分に原料の混合を行うことができ、均質性の高いガラス材を得ることができる。そして、ガラス材におけるZrO2の含有量を500ppm以下となるように原料粉末を混合することで、原料を十分に混合した場合であっても、失透物の発生を抑制することができる。 According to the above configuration, since a tool made of zirconia having excellent wear resistance is used, the raw materials can be sufficiently mixed, and a glass material with high homogeneity can be obtained. By mixing the raw material powders so that the content of ZrO 2 in the glass material is 500 ppm or less, generation of devitrified matter can be suppressed even when the raw materials are sufficiently mixed.
本発明のガラス材の製造方法において、ガラス材が、モル%で、Tb2O3を48%超含有することが好ましい。 In the method for producing a glass material of the present invention, the glass material preferably contains more than 48% Tb 2 O 3 in terms of mol %.
本発明のガラス材の製造方法において、ガラス材が、モル%で、Tb2O3を80%以下含有することが好ましい。 In the method for producing a glass material of the present invention, the glass material preferably contains 80% or less of Tb 2 O 3 in terms of mol %.
本発明のガラス材の製造方法において、ガラス材が、さらにモル%で、SiO2 0~50%、B2O3 0~50%、Al2O3 0~50%、P2O5 0~50%を含有することが好ましい。SiO2、B2O3、Al2O3、P2O5はガラス骨格を構成する成分であるため、これらの成分を含有させることにより、比較的容易にガラス化を行うことができる。 In the method for producing a glass material of the present invention, the glass material further contains, in mol %, SiO 2 0 to 50%, B 2 O 3 0 to 50%, Al 2 O 3 0 to 50%, P 2 O 5 0 to It preferably contains 50%. Since SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , and P 2 O 5 are components that constitute the glass skeleton, vitrification can be performed relatively easily by including these components.
本発明のガラス材の製造方法において、前記ガラス材が、ファラデー素子として用いられることが好ましい。 In the method for producing a glass material of the present invention, it is preferable that the glass material is used as a Faraday element.
本発明のガラス材は、モル%で、Tb2O3を48%超、ZrO2を0.1~500ppm含有することを特徴とする。 The glass material of the present invention is characterized by containing more than 48% Tb 2 O 3 and 0.1 to 500 ppm ZrO 2 in mol %.
上記構成によれば、大きなベルデ定数を有しながら、均質性が高く、失透物が生じにくいガラス材を得ることができる。 According to the above configuration, it is possible to obtain a glass material that has a high Verdet constant, high homogeneity, and is less susceptible to devitrification.
本発明によれば、均質性が高く、かつ失透物が生じにくいガラス材の製造方法及びガラス材を提供することができる。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a glass material that has high homogeneity and is less prone to devitrification, and the glass material.
以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。 Preferred embodiments are described below. However, the following embodiments are merely examples, and the present invention is not limited to the following embodiments. Also, in each drawing, members having substantially the same function may be referred to by the same reference numerals.
(ガラス材の製造方法)
本発明のガラス材の製造方法は、原料粉末を混合する混合工程、前記原料粉末を一体化して原料塊を得る一体化工程、前記原料塊を浮遊させながら加熱融解させて溶融ガラスを得る溶融工程、前記溶融ガラスを冷却する冷却工程を備える。
(Manufacturing method of glass material)
The method for producing a glass material of the present invention includes a mixing step of mixing raw material powders, an integration step of integrating the raw material powders to obtain a raw material lump, and a melting step of heating and melting the raw material lumps while floating to obtain molten glass. and a cooling step of cooling the molten glass.
混合工程は、原料粉末をジルコニア製器具により混合する工程である。ジルコニアはメノウやアルミナと比較して耐摩耗性に優れ、かつ比重が大きいため、原料を均質に混合することが容易であり、組成のばらつきに起因する失透物の発生を低減することができる。本発明におけるジルコニア製器具とは、ジルコニア(ZrO2)を主成分とする器具を包括的に意味するものである。そのため、イットリア(Y2O3)などの酸化物を導入しジルコニアの結晶構造を安定化させた、ジルコニアを主成分とする酸化物(安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア)からなる器具であってもよい。ジルコニア製器具は特に限定されないが、容器回転型(ボールミルなど)や固定容器型(らいかい機など)の器具を用いることが好ましい。また、ジルコニア製乳鉢などを用いて混合してもよい。なお、メノウ製器具やアルミナ製器具を用いた場合、それぞれSiO2、Al2O3が混合時に器具から混入する可能性があり、これらの混入物は失透物の核となりうる。このような混入物は耐摩耗性が低いほど生じやすくなるため、そのような観点からも、耐摩耗性に優れるジルコニア製器具を用いることが好ましい。 The mixing step is a step of mixing raw material powders with a tool made of zirconia. Zirconia has excellent wear resistance and a large specific gravity compared to agate and alumina, so it is easy to mix the raw materials homogeneously, and the occurrence of devitrification due to variations in composition can be reduced. . A zirconia-made instrument in the present invention comprehensively means an instrument containing zirconia (ZrO 2 ) as a main component. Therefore, a device made of an oxide (stabilized zirconia, partially stabilized zirconia) containing zirconia as a main component, in which an oxide such as yttria (Y 2 O 3 ) is introduced to stabilize the crystal structure of zirconia. good too. The zirconia tool is not particularly limited, but it is preferable to use a rotating container type (ball mill, etc.) or a fixed container type (rubbing machine, etc.). Alternatively, they may be mixed using a zirconia mortar or the like. When an agate instrument or an alumina instrument is used, there is a possibility that SiO 2 and Al 2 O 3 may be mixed from the instrument during mixing, and these contaminants may become the core of devitrified substances. Since such contaminants are more likely to occur the lower the wear resistance is, it is preferable to use zirconia instruments that are excellent in wear resistance from this point of view as well.
また、混合工程では、ガラス材におけるZrO2の含有量が500ppm以下、100ppm以下、特に20ppm以下になるように原料粉末を混合することが好ましい。ZrO2はガラス材の中で失透物の核となるため、ZrO2の含有量が多くなると失透物が生じやすくなる。このようなZrO2は、原料の混合時に器具から混入するものである。ZrO2の含有量は、混合器具への印加圧力、混合速度、混合時間を調整することで制御することができる。例えば、混合器具への印加圧力、混合速度、混合時間がそれぞれ大きくなるほど、ZrO2の含有量が多くなる。なお、ガラス材におけるZrO2の含有量の下限は特に限定されないが、現実的には0.1ppm以上である。また、本発明における印加圧力とは、乳鉢を用いた場合に原料粉末をすりつぶすために加える圧力のことを示している。なお、ZrO2は原料の不純物として混入することもある。本発明では不純物として混入するZrO2も含めて500ppm以下となるように調整する。 In addition, in the mixing step, the raw material powders are preferably mixed so that the content of ZrO 2 in the glass material is 500 ppm or less, 100 ppm or less, particularly 20 ppm or less. Since ZrO 2 forms the core of devitrified substances in the glass material, devitrified substances are likely to occur when the content of ZrO 2 increases. Such ZrO 2 is mixed from the equipment when mixing the raw materials. The content of ZrO2 can be controlled by adjusting the applied pressure to the mixing device, mixing speed and mixing time. For example, the higher the pressure applied to the mixing device, the higher the mixing speed, and the higher the mixing time , the higher the content of ZrO2. Although the lower limit of the ZrO 2 content in the glass material is not particularly limited, it is practically 0.1 ppm or more. Further, the applied pressure in the present invention indicates the pressure applied to grind the raw material powder when using a mortar. Note that ZrO 2 may be mixed as an impurity in the raw material. In the present invention, it is adjusted to 500 ppm or less including ZrO 2 mixed as an impurity.
本発明のガラス材の製造方法において、ガラス材は、モル%でTb2O3を48%以上含有し、49%以上が好ましく、特に50%以上含有することが好ましい。Tb2O3の含有量が少なすぎると、ベルデ定数の絶対値が小さくなり、十分なファラデー効果が得られにくくなる。一方、Tb2O3の含有量が多すぎると、ガラス化が困難になる傾向があるため、80%以下、75%以下、特に70%以下であることが好ましい。 In the method for producing a glass material of the present invention, the glass material contains 48% or more, preferably 49% or more, and particularly preferably 50% or more of Tb 2 O 3 in terms of mol %. If the content of Tb 2 O 3 is too small, the absolute value of the Verdet constant becomes small, making it difficult to obtain a sufficient Faraday effect. On the other hand, if the content of Tb 2 O 3 is too high, vitrification tends to be difficult, so it is preferably 80% or less, 75% or less, particularly 70% or less.
なお、Tbについては3価の酸化物の含有量を規定しているが、3価以外の酸化物については、3価の酸化物に換算した場合の含有量が上記範囲内であることが好ましい。 Although the content of trivalent oxides is specified for Tb, the content of oxides other than trivalent oxides is preferably within the above range when converted to trivalent oxides. .
Tbについてベルデ定数の起源となる磁気モーメントはTb4+よりもTb3+の方が大きい。よって、ガラス材におけるTb3+の割合が大きいほど、ファラデー効果が大きくなるため好ましい。具体的には、全Tb中Tb3+の割合は、モル%で50%以上、60%以上、70%以上、80%以上、特に90%以上であることが好ましい。なお、Tb3+は波長400~1100nmの範囲で光吸収が比較的少ないのに対し、Tb4+は波長400~1100nmの範囲で幅広い光吸収を持つため、光透過率低下の原因となる。その様な観点からも、ガラス材におけるTb3+の割合が大きいことが好ましい。透過率は、具体的には、波長633nmにおける光路長1mmでの透過率が50%以上、60%以上、70%以上、特に80%以上であることが好ましい。 The magnetic moment, which is the origin of the Verdet constant for Tb, is larger for Tb 3+ than for Tb 4+ . Therefore, the larger the proportion of Tb 3+ in the glass material, the larger the Faraday effect, which is preferable. Specifically, the ratio of Tb 3+ in the total Tb is preferably 50% or more, 60% or more, 70% or more, 80% or more, particularly 90% or more in terms of mol %. Incidentally, Tb 3+ has relatively little light absorption in the wavelength range of 400 to 1100 nm, whereas Tb 4+ has wide light absorption in the wavelength range of 400 to 1100 nm, which causes a decrease in light transmittance. Also from such a point of view, it is preferable that the proportion of Tb 3+ in the glass material is large. Specifically, the transmittance at a wavelength of 633 nm and an optical path length of 1 mm is preferably 50% or more, 60% or more, 70% or more, and particularly preferably 80% or more.
本発明のガラス材の製造方法において、ガラス材は、上記成分の他に以下に示す種々の成分を含有させることができる。なお、以下の各成分の含有量に関する説明において、特に断りのない限り、「%」は「モル%」を意味する。 In the method for producing a glass material of the present invention, the glass material can contain various components shown below in addition to the components described above. In the following description of the content of each component, "%" means "mol %" unless otherwise specified.
SiO2、B2O3及びP2O5はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、これらの成分はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、SiO2、B2O3及びP2O5の含有量は各々0~50%、1~45%、特に2~40%であることが好ましい。また、SiO2とB2O3の合量は0~52%、15~51%、特に20~50%であることが好ましい。B2O3とP2O5の合量は0~52%、15~51%、特に20~50%であることが好ましい。SiO2、B2O3及びP2O5の合量は0~52%、15~51%、特に20~50%であることが好ましい。 SiO 2 , B 2 O 3 and P 2 O 5 are components that form a glass skeleton and widen the vitrification range. However, since these components do not contribute to the improvement of the Verdet constant, if the content is too large, it becomes difficult to obtain a sufficient Faraday effect. Therefore, the contents of SiO 2 , B 2 O 3 and P 2 O 5 are preferably 0-50%, 1-45%, particularly 2-40%, respectively. Also, the total amount of SiO 2 and B 2 O 3 is preferably 0 to 52%, 15 to 51%, particularly 20 to 50%. The total amount of B 2 O 3 and P 2 O 5 is preferably 0-52%, 15-51%, especially 20-50%. The total amount of SiO 2 , B 2 O 3 and P 2 O 5 is preferably 0-52%, 15-51%, especially 20-50%.
Al2O3は中間酸化物としてガラス骨格を形成し、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Al2O3はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Al2O3の含有量は0~50%、0.1~40%、1~30%、1~20%、特に1~10%であることが好ましい。 Al 2 O 3 is a component that forms a glass skeleton as an intermediate oxide and widens the vitrification range. However, since Al 2 O 3 does not contribute to the improvement of the Verdet constant, if its content is too large, it becomes difficult to obtain a sufficient Faraday effect. Therefore, the content of Al 2 O 3 is preferably 0-50%, 0.1-40%, 1-30%, 1-20%, especially 1-10%.
La2O3、Gd2O3、Yb2O3、Y2O3はガラスを安定化する効果があるが、その含有量が多すぎるとかえってガラス化しにくくなる。よって、La2O3、Gd2O3、Yb2O3、Y2O3の含有量は各々10%以下、特に5%以下であることが好ましい。 La 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Yb 2 O 3 and Y 2 O 3 have the effect of stabilizing the glass, but if the content is too high, vitrification becomes rather difficult. Therefore, the content of La 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Yb 2 O 3 and Y 2 O 3 is preferably 10% or less, particularly 5% or less.
Dy2O3、Eu2O3、Ce2O3はガラスを安定化するとともに、ベルデ定数の向上にも寄与する。ただし、その含有量が多すぎるとかえってガラス化しにくくなる。よって、Dy2O3、Eu2O3、Ce2O3の含有量は各々15%以下、特に10%以下であることが好ましい。なお、Dy、Eu、Ceについては3価の酸化物の含有量を規定しているが、3価以外の酸化物(例えばCeO2等)については、3価の酸化物に換算した場合の含有量が上記範囲内であることが好ましい。 Dy 2 O 3 , Eu 2 O 3 and Ce 2 O 3 stabilize the glass and also contribute to improving the Verdet constant. However, if the content is too large, vitrification becomes rather difficult. Therefore, the contents of Dy 2 O 3 , Eu 2 O 3 and Ce 2 O 3 are each preferably 15% or less, particularly 10% or less. In addition, although the content of trivalent oxides is specified for Dy, Eu, and Ce, the content of oxides other than trivalent oxides (e.g., CeO2, etc.) is converted to trivalent oxides. Preferably the amount is within the above range.
MgO、CaO、SrO、BaOはガラスの安定性と化学的耐久性を高める効果がある。ただし、ベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、これらの成分の含有量は各々0~10%、特に0~5%であることが好ましい。 MgO, CaO, SrO and BaO are effective in enhancing the stability and chemical durability of glass. However, since it does not contribute to the improvement of the Verdet constant, if the content is too large, it becomes difficult to obtain a sufficient Faraday effect. Therefore, the content of each of these components is preferably 0 to 10%, particularly preferably 0 to 5%.
Ga2O3はガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると失透物が生じやすくなる。また、Ga2O3はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ga2O3の含有量は0~6%、特に0~5%であることが好ましい。 Ga 2 O 3 has the effect of increasing the glass-forming ability and widening the vitrification range. However, if the content is too large, devitrification is likely to occur. Moreover, since Ga 2 O 3 does not contribute to the improvement of the Verdet constant, if its content is too large, it becomes difficult to obtain a sufficient Faraday effect. Therefore, the content of Ga 2 O 3 is preferably 0-6%, particularly 0-5%.
フッ素はガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると溶融中に揮発して組成変動し、ガラスの安定性に影響を及ぼす恐れがある。従って、フッ素の含有量(F2換算)は好ましくは0~10%、より好ましくは0~7%、さらに好ましくは0~5%である。 Fluorine has the effect of increasing the glass-forming ability and widening the vitrification range. However, if the content is too large, it may volatilize during melting and change the composition, affecting the stability of the glass. Therefore, the fluorine content (as converted to F2) is preferably 0 to 10%, more preferably 0 to 7%, still more preferably 0 to 5%.
還元剤としてSb2O3を添加することができる。ただし、着色を避けるため、あるいは環境への負荷を考慮して、Sb2O3の含有量は0.1%以下であることが好ましい。 Sb 2 O 3 can be added as a reducing agent. However, in order to avoid coloration or consider the load on the environment, the content of Sb 2 O 3 is preferably 0.1% or less.
一体化工程は、原料粉末から原料塊を得る工程である。ここで、原料塊とは、例えば、原料粉末をプレス成形等により一体化したものや、原料粉末をプレス成形等により一体化した後に焼結させた焼結体や、目標ガラス組成と同等の組成を有する結晶の集合体等が挙げられる。また、上記焼結体を切断したものを原料塊として用いてもよい。 The integration step is a step of obtaining a raw material lump from the raw material powder. Here, the raw material lump is, for example, a material powder integrated by press molding or the like, a sintered body obtained by integrating the raw material powder by press molding or the like and then sintered, or a composition equivalent to the target glass composition. An aggregate of crystals having Moreover, you may use what cut|disconnected the said sintered compact as a raw material lump.
溶融工程は、原料塊を浮遊させ、加熱溶解させることで溶融ガラスを得る工程である。また、冷却工程は、溶融ガラスを冷却することでガラス材を得る工程である。図1は、無容器浮遊法によりガラス材を製造するための製造装置の一例を示す模式的断面図である。ガラス材の製造装置1は成形型10を有する。成形型10は溶融容器としての役割も果たす。成形型10は、成形面10aと、成形面10aに開口している複数のガス噴出孔10bとを有する。ガス噴出孔10bは、ガスボンベなどのガス供給機構11に接続されている。このガス供給機構11からガス噴出孔10bを経由して、成形面10aにガスが供給される。ガスの種類は特に限定されず、例えば、空気や酸素であってもよいし、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素を含有した還元性ガスであってもよい。
The melting step is a step of floating raw material lumps and heating and melting them to obtain molten glass. Moreover, a cooling process is a process of obtaining a glass material by cooling a molten glass. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a manufacturing apparatus for manufacturing a glass material by the containerless floating method. A glass manufacturing apparatus 1 has a
製造装置1を用いてガラス材を製造するには、まず、原料塊12を成形面10a上に配置する。次に、ガス噴出孔10bからガスを噴出させることにより、原料塊12を成形面10a上で浮遊させる。すなわち、原料塊12を、成形面10aに接触していない状態で保持する。その状態で、レーザー光照射装置13からレーザー光を原料塊12に照射する。これにより原料塊12を加熱溶融してガラス化させ、溶融ガラスを得る。その後、溶融ガラスを冷却することにより、ガラス材を得ることができる。
To manufacture a glass material using the manufacturing apparatus 1, first, the
溶融工程と冷却工程においては、少なくともガスの噴出を継続し、原料塊12、溶融ガラス、さらにはガラス材と成形面10aとの接触を抑制することが好ましい。なお、ガスの噴出に代えて、あるいはガスの噴出とともに磁場を印加することにより、発生する磁力を利用して原料塊12を成形面10a上に浮遊させてもよい。また、加熱溶融する方法としては、レーザー光を照射する方法以外にも、輻射加熱であってもよい。なお、冷却工程では、ガラス材の温度が少なくとも軟化点以下となるまでガスの噴出を継続して冷却することが好ましい。
In the melting process and the cooling process, it is preferable to continue blowing out gas at least to suppress contact between the
本発明で製造されるガラス材は、ファラデー素子に用いることができる。また、ファラデー素子を用いたファラデー回転子や、ファラデー回転子を用いた光アイソレータ、光サーキュレータなどの磁気光学素子へ用いることができる。 The glass material produced by the present invention can be used for Faraday elements. It can also be used for magneto-optical elements such as a Faraday rotator using a Faraday element, an optical isolator using a Faraday rotator, and an optical circulator.
(ガラス材)
本発明のガラス材は、モル%で、Tb2O3を48%超、ZrO2を0.1~500ppmを含有することを特徴とする。本発明のガラス材の組成については既出の通りであり、ここでは説明を省略する。
(glass material)
The glass material of the present invention is characterized by containing more than 48% Tb 2 O 3 and 0.1-500 ppm ZrO 2 in mol %. The composition of the glass material of the present invention is as described above, and the description is omitted here.
本発明のガラス材において、ZrO2の含有量は500ppm以下であり、100ppm以下が好ましく、特に20ppm以下であることが好ましい。なお、ZrO2の含有量は少ないほど好ましいが、ジルコニア器具による混合や原料からの不純物を考慮すると、下限値は0.1ppm以上である。ZrO2量を0.1ppm未満にしようとすると、ガラス原料の混合が不十分となり、また、原料コストが高くなりすぎる。 In the glass material of the present invention, the content of ZrO 2 is 500 ppm or less, preferably 100 ppm or less, particularly preferably 20 ppm or less. The lower the content of ZrO 2 is, the better, but the lower limit is 0.1 ppm or more in consideration of mixing by zirconia equipment and impurities from raw materials. Attempting to reduce the amount of ZrO 2 to less than 0.1 ppm results in insufficient mixing of the glass raw materials and excessive raw material costs.
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described below based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
表1~表3は本発明の実施例(試料2~6、試料9~13、試料16~20)及び比較例(試料1、試料7、試料8、試料14、試料15、試料21)を示している。 Tables 1 to 3 show examples of the present invention (samples 2 to 6, samples 9 to 13, samples 16 to 20) and comparative examples (samples 1, 7, 8, 14, 15, and 21). showing.
各試料は次のようにして作製した。表1~表3に示すガラス組成になるように調合した原料を、メノウ乳鉢(混合容器A)を用いて30分間手作業で混合、または、YTZ(イットリア安定化ジルコニア)製乳鉢(混合容器B)を用いて30分~1200分間らいかい機で混合した。ZrO2の含有量は混合時間で調整した。混合した原料をプレス成型し、0.5gの小片を得た。得られた小片を700~1400℃で6時間焼結することにより原料塊を得た。 Each sample was produced as follows. Raw materials prepared to have the glass compositions shown in Tables 1 to 3 are manually mixed for 30 minutes using an agate mortar (mixing container A), or a YTZ (yttria-stabilized zirconia) mortar (mixing container B ) was used for 30 minutes to 1200 minutes and mixed with a mortar machine. The content of ZrO2 was adjusted with the mixing time. The mixed raw materials were pressed to obtain 0.5 g pieces. The obtained small piece was sintered at 700 to 1400° C. for 6 hours to obtain a raw material ingot.
次に、得られた原料塊を用いて、図1に準じた装置を用いた無容器浮遊法によって円板状のガラス材(直径約5mm)を作製した。なお、熱源としては100W CO2レーザー発振器を用いた。また、原料塊を浮遊させるためのガスとして窒素ガスを用い、流量1~30L/分で供給した。各条件に対して20個ずつ試料を作製し、以下に示すベルデ定数のばらつき及び失透物の発生確率について評価した。 Next, a disk-shaped glass material (about 5 mm in diameter) was produced from the obtained raw material lump by a containerless floating method using an apparatus according to FIG. A 100 W CO 2 laser oscillator was used as a heat source. Nitrogen gas was used as a gas for floating the raw material mass, and was supplied at a flow rate of 1 to 30 L/min. Twenty samples were prepared for each condition, and the variation in the Verdet constant and the probability of occurrence of devitrified matter were evaluated as described below.
カー(Kerr)効果測定装置(日本分光(株)製、品番:K-250)を用いてベルデ定数を測定した。具体的には、得られたガラス材を1mm程度の厚さとなるよう研磨加工し、15kOeの磁場中で波長1060~1068nmでのファラデー回転角を測定し、波長1064nmにおけるベルデ定数を算出した。なお、波長の掃引速度は2nm/分とした。ベルデ定数のばらつき幅は、各ガラス材を測定して得られたベルデ定数の最大値から最小値を差し引くことで算出した。結果を表1~表3に示す。 The Verdet constant was measured using a Kerr effect measuring device (manufactured by JASCO Corporation, product number: K-250). Specifically, the obtained glass material was polished to a thickness of about 1 mm, the Faraday rotation angle was measured at a wavelength of 1060 to 1068 nm in a magnetic field of 15 kOe, and the Verdet constant at a wavelength of 1064 nm was calculated. The wavelength sweep speed was set to 2 nm/min. The variation width of the Verdet constant was calculated by subtracting the minimum value from the maximum value of the Verdet constant obtained by measuring each glass material. The results are shown in Tables 1-3.
実体顕微鏡(ニコン(株)製、品番:SMZ1000)を用いてガラス材内部の失透物の有無を確認することで失透物の発生確率を評価した。失透物の発生確率が0~30%の場合:◎、失透物の発生確率が30~50%の場合:○、失透物の発生確率が50~80%の場合:△、失透物の発生確率が80~100%の場合:×とした。結果を表1~表3に示す。 The presence or absence of devitrified substances inside the glass material was confirmed using a stereoscopic microscope (manufactured by Nikon Corporation, product number: SMZ1000), and the probability of occurrence of devitrified substances was evaluated. When the probability of occurrence of devitrified matter is 0 to 30%: ◎, When the probability of occurrence of devitrified matter is 30 to 50%: ○, When the probability of occurrence of devitrified matter is 50 to 80%: △, Devitrification When the probability of occurrence of an object is 80 to 100%: x. The results are shown in Tables 1-3.
表1~表3から明らかなように、ジルコニア製器具で混合したガラス材は、メノウ乳鉢で混合したガラス材と比較して、ベルデ定数のばらつき幅が小さくなった。また、メノウ乳鉢で混合したガラス材は、混合時間が短いにもかかわらず失透物の発生確率が高くなった。これは、メノウ乳鉢で混合したガラス材の混合が不十分なためであり、組成のばらつきに起因する失透物が生じたためと考えられる。 As is clear from Tables 1 to 3, the glass material mixed with the zirconia tool has a smaller variation width of the Verdet constant than the glass material mixed with the agate mortar. In addition, the glass material mixed in the agate mortar had a high probability of devitrification even though the mixing time was short. This is probably because the glass materials mixed in the agate mortar were not sufficiently mixed, and devitrified substances were generated due to variations in composition.
また、表1~表3から明らかなように、ZrO2含有量が500ppm以下のガラス材は、失透物の発生確率が80%以下であり、失透物が出にくくなっていた。一方、ZrO2含有量が500ppm以上のガラス材は、失透物の発生確率が80%以上と高くなった。 Moreover, as is clear from Tables 1 to 3, the glass materials with a ZrO 2 content of 500 ppm or less had a probability of generating devitrified matter of 80% or less, and the devitrified matter was less likely to occur. On the other hand, in glass materials with a ZrO 2 content of 500 ppm or more, the probability of occurrence of devitrification was as high as 80% or more.
本発明のガラス材は、光アイソレータ、光サーキュレータ、磁気センサ等の磁気デバイスを構成する磁気光学素子として好適である。 The glass material of the present invention is suitable as a magneto-optical element that constitutes a magnetic device such as an optical isolator, an optical circulator, or a magnetic sensor.
1 ガラス材の製造装置
10 成形型
10a 成形面
10b ガス噴出孔
11 ガス供給機構
12 原料塊
13 レーザー光照射装置
REFERENCE SIGNS LIST 1 glass
Claims (6)
前記ガラス材が、モル%で、Tb 2 O 3 を48%超、SiO 2 、B 2 O 3 及びP 2 O 5 を合量で15~51%含有し、
ガラス材におけるZrO2の含有量が0.1~51ppmになるように、ジルコニア製器具を用いて前記原料粉末を混合することを特徴とする、ガラス材の製造方法。 A mixing step of mixing the raw material powders, an integrating step of integrating the raw material powders to obtain a raw material lump, a melting step of heating and melting the raw material lumps while floating to obtain molten glass, a cooling step of cooling the molten glass, A method for manufacturing a glass material comprising
The glass material contains, in mol %, more than 48% Tb 2 O 3 and a total of 15 to 51% SiO 2 , B 2 O 3 and P 2 O 5 ,
A method for producing a glass material, characterized by mixing the raw material powders using a zirconia tool such that the content of ZrO 2 in the glass material is 0.1 to 51 ppm.
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