JPH1192173A

JPH1192173A - 光ファイバー用ガラス

Info

Publication number: JPH1192173A
Application number: JP27641697A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Onozawa; 雅浩小野沢
Original assignee: Ohara Inc
Current assignee: Ohara Inc
Priority date: 1997-09-24
Filing date: 1997-09-24
Publication date: 1999-04-06
Anticipated expiration: 2017-09-24
Also published as: JP3960668B2

Abstract

(57)【要約】【課題】１．６３以上の高い屈折率（ｎｄ）を有し、
光ファイバーのＮＡをより高めることが可能であり、か
つ、クラッドガラスに適合する熱的特性、すなわち、軟
化点（ＳＰ）が７１０〜７７０℃、平均線膨張係数（α
₁₀₀〜₃₀₀℃）が８５〜１１０×１０^-7／℃の範囲の熱的
特性を有し、容易に紡糸することがが可能であって、コ
ア材として使用するのに好適な光ファイバー用ガラスを
提供する。【解決手段】重量％で、ＳｉＯ₂２０〜４０％、Ｂ₂
Ｏ₃ ０〜１０％、Ａｌ₂Ｏ₃ ３〜１０％、ＺｒＯ₂ ０．
５〜７％、Ｔａ₂Ｏ₅ ０〜１０％、ＺｎＯ０．１〜１５
％、ＣａＯ５〜２０％、ＰｂＯ０〜１％未満、ＢａＯ
３１〜５５％、Ｎａ₂Ｏ０．５〜８％、Ｋ₂Ｏ０〜８
％、Ｓｂ₂Ｏ₃ ０〜１％の組成からなり、屈折率（ｎ
ｄ）が１．６３以上であり、軟化点（ＳＰ）が７１０〜
７７０℃であり、平均線膨張係数（α₁₀₀〜₃₀₀℃）が８
５〜１１０×１０^-7／℃であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバー用ガ
ラスに関し、特に、内視鏡用イメージスコープ、ライト
ガイド、センサー用等に使用される開口数（ＮＡ）が大
きい光ファイバーのコア材に適した光ファイバー用ガラ
スに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、光ファイバーは、透光性に優れ
たコア材およびその周囲を被覆する耐候性に優れたクラ
ッド材により構成されている。コア材はクラッド材より
も大きな屈折率を有しており、光ファイバーの一端面か
ら光が入射すると、光はコア材とクラッド材の界面で全
反射を繰り返しながら他端面へと伝送される。ここで、
光が入射する際、光ファイバーの端面における受光角度
が大きいほど、光ファイバーと光源との結合効率が良く
なる。受光角度は開口数（ＮＡ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ
Ａｐｅｒｔｕｒｅ）として表され、このＮＡは、コア材
の屈折率をｎ₁、クラッド材の屈折率をｎ₂とすると、下
記の式で示される。

【０００３】ＮＡ＝（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）^1/2

【０００４】したがって、ＮＡを大きくするためには、
コア材とクラッド材との屈折率差を大きくすればよく、
クラッド材の屈折率が一定の場合、コア材の屈折率が高
いほどＮＡは大きくなる。そこで、光ファイバーのＮＡ
を大きくするため、屈折率の高いコア材が要望されてい
る。

【０００５】多成分系ガラスをコア材およびクラッド材
に用いた光ファイバーは、石英系ガラスをそれらに用い
た光ファイバーと比べ、その光伝送損失が大きいため、
長距離の光伝送には適していないが、ファイバーの径を
太くしたり、ＮＡを大きくすることが石英系ガラスを用
いたものと比べて容易にできるので、光源やセンサーと
の結合効率が良好であり、短距離の光伝送用や内視鏡用
イメージスコープ、ライトガイド、センサー用等に使用
されている。

【０００６】上記多成分系ガラスを用いた光ファイバー
において、一般に、クラッド材に用いられるガラス（ク
ラッドガラス）としては、耐候性に優れたソーダ・ライ
ム・シリケートガラスが使用されている。また、コア材
用いられるガラス（コアガラス）としては、十分な耐失
透性を有し、ソーダ・ライム・シリケートガラスよりも
屈折率が高い点から、たとえば、特開昭５０−１６０３
１０号公報に記載されているようなＳｉＯ₂−ＰｂＯ−
Ｒ₂Ｏ系（Ｒ₂Ｏはアルカリ金属酸化物）のガラスが従来
から使用されている。しかし、このガラスは、後述する
図１に示すとおり、短波長域での光線透過率が低いた
め、光ファイバーとして用いるのに重要な特性である演
色性が悪く、伝送経路が長くなると透過光が黄色味を帯
びるという問題がある。

【０００７】また、二重ルツボ法やロッドイン・チュー
ブ法等により行われる光ファイバーの紡糸工程では、コ
アガラスは紡糸温度において十分な耐失透性を持つこと
が必要であり、さらに、コアガラスとクラッドガラスの
熱的特性が適合していることが必要である。すなわち、
前述のソーダ・ライム・シリケートガラスからなるクラ
ッドガラスは、軟化点（ＳＰ）が７１０〜７７０℃、平
均線膨張係数（α₁₀₀〜₃₀₀℃）が８０〜１００×１０^-7
／℃の範囲の熱的特性を有しているが、紡糸する際の温
度制御を容易にするためには、コアガラスの軟化点はで
きるだけ上記クラッドガラスの軟化点に近いことが望ま
しい。また、熱膨張差によるコアガラスとクラッドガラ
スとの構造不整やクラックの発生等を防止するために
は、コアガラスとクラッドガラスの１００〜３００℃の
範囲における平均線膨張係数（α₁₀₀〜₃₀₀℃）ができる
だけ近いことが望ましいが、光ファイバーの曲げ強度等
を考慮すると、コアガラスの平均線膨張係数（α₁₀₀〜
₃₀₀℃）は、上記クラッドガラスの平均線膨張係数（α
₁₀₀〜₃₀₀℃）より若干大きな値であることが最も好まし
い。

【０００８】また、上述した従来のＳｉＯ₂−ＰｂＯ−
Ｒ₂Ｏ系ガラスの他に、コア材に用いるガラスとして、
たとえば、特開昭６２−７０２４５号公報には、ＳｉＯ
₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂−ＢａＯ−Ｂ₂Ｏ₃−Ｒ₂Ｏ−ＲＯ
系のガラスが開示され、また、特開平２−２９３３４６
号公報には、ＳｉＯ₂−Ｎａ₂Ｏ−Ｋ₂Ｏ−ＢａＯ−Ｚｎ
Ｏ−Ｌａ₂Ｏ₃系のガラスが開示されているが、これらの
ガラスの軟化点は７００℃未満であり、上記クラッドガ
ラスの軟化点と比べて低すぎる。また、これらのガラス
は屈折率が低く、近年要望されているＮＡがより大きい
光ファイバーのコア材として使用するには不十分であ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
従来のガラスにみられる諸欠点を改善し、１．６３以上
の高い屈折率（ｎｄ）を有し、光ファイバーのＮＡをよ
り高めることが可能であり、かつ、クラッドガラスに適
合する熱的特性、すなわち、軟化点（ＳＰ）が７１０〜
７７０℃、平均線膨張係数（α₁₀₀〜₃₀₀℃）が８５〜１
１０×１０^-7／℃の範囲の熱的特性を有し、容易に紡糸
することがが可能であって、コア材として使用するのに
好適な光ファイバー用ガラスを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明者は、鋭意試験研究を重ねた結果，従来、具体
的に開示されていない特定組成範囲のＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ
₃−ＺｒＯ₂−ＺｎＯ−ＣａＯ−ＢａＯ−Ｎａ₂Ｏ系ガラ
スにおいて、屈折率（ｎｄ）が１．６３以上であり、か
つ、前記所定の範囲の熱的特性を有する光ファイバー用
ガラスが得られることを見出し、本発明をなすに至っ
た。

【００１１】すなわち、前記目的を達成するための本発
明にかかる光ファイバー用ガラスの特徴は、請求項１に
記載のとおり、重量％で、ＳｉＯ₂２０〜４０％、Ｂ₂
Ｏ₃ ０〜１０％、Ａｌ₂Ｏ₃ ３〜１０％、ＺｒＯ₂ ０．
５〜７％、Ｔａ₂Ｏ₅ ０〜１０％、ＺｎＯ０．１〜１５
％、ＣａＯ５〜２０％、ＰｂＯ０〜１％未満、ＢａＯ
３１〜５５％、Ｎａ₂Ｏ０．５〜８％、Ｋ₂Ｏ０〜８
％、Ｓｂ₂Ｏ₃ ０〜１％の組成からなり、屈折率（ｎ
ｄ）が１．６３以上であり、軟化点（ＳＰ）が７１０〜
７７０℃であり、平均線膨張係数（α₁₀₀〜₃₀₀℃）が８
５〜１１０×１０^-7／℃であるところにある。

【００１２】また、本発明にかかる光ファイバー用ガラ
スの特に好ましい態様は、請求項２に記載のとおり、重
量％で、ＳｉＯ₂２５〜３５％、Ｂ₂Ｏ₃ １〜８％、Ａ
ｌ₂Ｏ₃ ３〜８％、ＺｒＯ₂ ０．５〜７％、Ｔａ₂Ｏ₅ ０
〜８％、ＺｎＯ０．１〜１５％、ＣａＯ５〜１５％、
ただし、ＺｎＯ＋ＣａＯ７％以上、ＰｂＯ０〜１％
未満、ＢａＯ３１〜５０％、Ｎａ₂Ｏ０．５〜８％、
Ｋ₂Ｏ０〜８％、ただし、Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ０．５〜１
０％、Ｓｂ₂Ｏ₃ ０〜１％の組成からなり、屈折率（ｎ
ｄ）が１．６３以上であり、軟化点（ＳＰ）が７２０〜
７７０℃であり、平均線膨張係数（α₁₀₀〜₃₀₀℃）が８
５〜１１０×１０^-7／℃であるところにある。

【００１３】

【発明の実施の形態】各成分の組成範囲を前記のとおり
限定した理由を以下に述べる。ＳｉＯ₂成分は、ガラス
形成酸化物であり、また、化学的耐久性を向上させる効
果がある。本発明の目標とする軟化点（ＳＰ）を維持す
るため、その量を２０〜４０％の範囲とするが、特に、
化学的耐久性が優れたガラスを得るためには、その量を
２５％以上とすることが好ましい。また、ＳｉＯ₂は屈
折率を低める成分であることから、特に、屈折率の高い
ガラスを得るためには、その量を３５％以下とすること
が好ましい。

【００１４】Ｂ₂Ｏ₃成分は、軟化点（ＳＰ）を調整する
ために任意に添加することができるが、その量が１０％
を超えると、ガラスの化学的耐久性が悪化する。特に、
化学的耐久性のよいガラスを得るためには、その量を８
％までとすることが好ましい。また、Ｂ₂Ｏ₃成分は、ガ
ラス化範囲を拡大させる効果があるので、より安定なガ
ラスを得るためには、１％以上添加することが特に好ま
しい。

【００１５】Ａｌ₂Ｏ₃成分は、耐酸性、耐水性等のガラ
スの化学的耐久性を総合的に向上させる成分であるが、
その量が３％未満ではその効果が小さく、１０％を超え
るとガラスが失透しやすくなる。また、Ａｌ₂Ｏ₃成分
は、軟化点（ＳＰ）を大きく上昇させるので、目標とす
る軟化点（ＳＰ）の維持をさらに容易にするには、その
量を３〜８％の範囲とすることが特に好ましい。

【００１６】ＺｒＯ₂成分は、ガラスの化学的耐久性、
特に耐酸性を向上させる効果が大きい成分であるが，そ
の量が０．５％未満では上記効果が得られず、また、７
％を超えるとガラスは急激に失透しやすくなる。

【００１７】Ｔａ₂Ｏ₅成分は、光学恒数の調整とガラス
の安定化のため任意に添加し得るが、その量は１０％以
下で十分である。また、より耐失透性に優れたガラスを
得るためには、その量を８％以下とすることが特に好ま
しい。

【００１８】ＺｎＯおよびＣａＯ成分は、これらの２成
分を共存させることにより、後述の図２に示すとおり、
溶融時におけるガラスの粘性を従来のガラスと同程度に
低く抑えることにより低温でのガラス溶融を可能にし、
炉材等が溶融ガラス中に溶け込んでおこる不純物汚染を
防止するとともに、ガラスの軟化点（ＳＰ）を従来のガ
ラスより高くする効果を有することを見出した重要な成
分である。上記効果は、ＺｎＯおよびＣａＯ成分を、そ
れぞれ、０．１％以上および５％以上共存させることに
より得られるが、これら２成分の合計量を７％以上とす
ることがより好ましい。また、ＺｎＯおよびＣａＯ成分
の量が、それぞれ、１５％および２０％を超えるとガラ
スは失透しやすくなる。さらに、目標とする軟化点（Ｓ
Ｐ）を維持しやすくするためには、ＣａＯ成分の量を１
５％以下にすることが特に好ましい。

【００１９】ＰｂＯ成分は、ガラスのソーラリゼーショ
ン防止のため任意に添加し得るが、その量は１％までで
十分である。

【００２０】ＢａＯ成分は、ガラスを安定化し、かつ、
目標とする屈折率を得るために必須の成分であるが、そ
の量が３１％未満では、目標とする屈折率を有するガラ
スが得難く、また、５５％を超えるとガラスが失透しや
すくなる。より安定なガラスを得るためにはその量を５
０％以下にすることが特に好ましい。

【００２１】Ｎａ₂Ｏ成分は、軟化点（ＳＰ）および平
均線膨張係数（α₁₀₀〜₃₀₀℃）の調整に重要な成分であ
り、軟化点（ＳＰ）を下げ、平均線膨張係数（α₁₀₀〜
₃₀₀℃）を大きくすることが容易にでき、また、ガラス
の溶融性を向上させる効果がある。目標の平均線膨張係
数（α₁₀₀〜₃₀₀℃）を維持するためにはＮａ₂Ｏ成分を
０．５％以上にすることが必要である。Ｋ₂Ｏ成分は、
Ｎａ₂Ｏ成分と同様の効果を有し、任意に添加し得る。
ただし、Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏ成分の量がそれぞれ８％を
超えるとガラスが失透しやすくなる。また、ガラスの化
学的耐久性を維持するため、Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏ成分の
合計量を１０％以下にすることが特に好ましい。

【００２２】Ｓｂ₂Ｏ₃成分は、ガラス溶融の際の清澄剤
として任意に添加し得るが、その量は１％以下で十分で
ある。

【００２３】

【実施例】次に、本発明の光学ガラスにかかる実施組成
例（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１３）および前記従来のガラスの
比較組成例（Ｎｏ．ＡおよびＢ）を、これらのガラスの
屈折率（ｎｄ）、軟化点（ＳＰ）、平均線膨張係数（α
₁₀₀〜₃₀₀℃）、着色度および失透試験の測定結果ととも
に表１および表２に示した。

【００２４】着色度は、日本光学硝子工業会規格（ＪＯ
ＧＩＳ０２−１９７５）に基づき、両面研磨した厚さ
１０ｍｍのガラス試料の分光透過率を測定し、透過率８
０％および５％を示す波長を、それぞれ整数第１位を四
捨五入し１０ｎｍ単位として表示した。

【００２５】失透試験は、白金製の５０ｃｃポットにガ
ラス原料１５０ｇを入れて、各ガラスの溶融性の難易度
に応じて、電気炉中で１１００〜１３００℃の温度で５
時間溶融した後、降温して各ガラス試料を１０００℃お
よび９００℃で５時間保温した後、炉外に取り出して失
透の有無を顕微鏡により観察したもので、その結果、失
透が認められなかったガラスを○印で示した。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】表１および表２にみられるとおり、本発明
の実施組成例のガラスは、いずれも従来知られているコ
アガラスと同等の耐失透性を維持しつつ、本発明が目標
とする所定の屈折率（ｎｄ）、軟化点（ＳＰ）および平
均線膨張係数（α₁₀₀〜₃₀₀℃）を有している。また、ガ
ラス溶融時に均質化しやすく上記実施組成例のガラスは
製造が容易であり、ＮＡの大きい光ファイバー用コアガ
ラスとして適している。

【００２９】図１は、上記表２中の本発明の実施組成例
Ｎｏ．１０のガラスおよび比較組成例Ｎｏ．Ｂのガラス
を両面研磨した厚さ１０ｍｍの試料の分光透過率を測定
した結果を示す図である。図１に見られるとおり、本発
明にかかる上記実施組成例のガラスの分光透過率曲線
は、上記比較組成例のガラスの分光透過率曲線より短波
長側にシフトしており、上記実施組成例のガラスは上記
比較組成例のガラスと比べて、短波長域での光線透過性
が良く演色性が優れていることがわかる。

【００３０】また、図２は、上記表２中の本発明の実施
組成例Ｎｏ．１０のガラスおよび比較組成例Ｎｏ．Ａの
ガラスの粘性を測定した結果を示す。表２および図２に
見られるとおり、本発明の実施組成例Ｎｏ．１０のガラ
スは、ガラスの軟化点（ＳＰ）、すなわち、ガラスの粘
性（ｌｏｇη）が７．５ポイズを示す温度が、上記比較
組成例のガラスと比べて６０℃高いが、約１０００℃以
上の高温域では、上記実施組成例のガラスの粘性は、上
記比較組成例のガラスの粘性とほぼ同等の値を示し、上
記実施組成例のガラスは、上記比較組成例のガラスより
高い軟化点を有するにもかかわらず、溶融性は同等で、
低温での溶融が可能であることがわかる。

【００３１】なお、表１および表２に記載の本発明にか
かる実施組成例のガラスは、いずれも酸化物、炭酸塩お
よび硝酸塩等の原料を所定の割合で秤量混合した後、白
金坩堝等に投入し、組成による溶融性に応じて約１１５
０〜１３００℃の温度で２〜４時間溶融し、攪拌、均質
化した後、降温し、金型等に鋳込み、徐冷することによ
り容易に得ることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたとおり、本発明にかかる光フ
ァイバー用ガラスは、ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂−Ｚ
ｎＯ−ＣａＯ−ＢａＯ−Ｎａ₂Ｏ系の特定組成範囲を有
するものであるから、軟化点（ＳＰ）が７１０〜７７０
℃、平均線膨張係数（α₁₀₀〜₃ ₀₀℃）が８５〜１１０×
１０^-7／℃の範囲を有し、かつ、失透傾向が小さいため
ファイバー紡糸を容易に行うことが出来る。また、屈折
率（ｎｄ）が１．６３以上で、低温溶融が可能であり、
さらに短波長域の光線透過性が優れているため、演色性
に優れ、光伝送損失が小さく、かつ、ＮＡの大きい光フ
ァイバーの製造が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施組成例Ｎｏ．１０のガラスおよび
比較組成例Ｎｏ．Ｂのガラスの分光透過率を測定した結
果を示す図。

【図２】本発明の実施組成例Ｎｏ．１０のガラスおよび
比較組成例Ｎｏ．Ａのガラスの粘性を測定した結果を示
す図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、ＳｉＯ₂２０〜４０％、Ｂ₂Ｏ₃
０〜１０％、Ａｌ₂Ｏ₃ ３〜１０％、ＺｒＯ₂ ０．５〜
７％、Ｔａ₂Ｏ₅ ０〜１０％、ＺｎＯ０．１〜１５％、
ＣａＯ５〜２０％、ＰｂＯ０〜１％未満、ＢａＯ３
１〜５５％、Ｎａ₂Ｏ０．５〜８％、Ｋ₂Ｏ０〜８％、
Ｓｂ₂Ｏ₃ ０〜１％の組成からなり、屈折率（ｎｄ）が
１．６３以上であり、軟化点（ＳＰ）が７１０〜７７０
℃であり、平均線膨張係数（α₁₀₀〜₃₀₀℃）が８５〜１
１０×１０^-7／℃であることを特徴とする光ファイバー
用ガラス。
【請求項２】重量％で、ＳｉＯ₂２５〜３５％、Ｂ₂Ｏ₃
１〜８％、Ａｌ₂Ｏ₃ ３〜８％、ＺｒＯ₂ ０．５〜７
％、Ｔａ₂Ｏ₅ ０〜８％、ＺｎＯ０．１〜１５％、Ｃａ
Ｏ５〜１５％、ただし、ＺｎＯ＋ＣａＯ７％以上、
ＰｂＯ０〜１％未満、ＢａＯ３１〜５０％、Ｎａ₂Ｏ
０．５〜８％、Ｋ₂Ｏ０〜８％、ただし、Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂
Ｏ０．５〜１０％、Ｓｂ₂Ｏ₃ ０〜１％の組成からな
り、屈折率（ｎｄ）が１．６３以上であり、軟化点（Ｓ
Ｐ）が７２０〜７７０℃であり、平均線膨張係数（α
₁₀₀〜₃₀₀℃）が８５〜１１０×１０^-7／℃であることを
特徴とする請求項１に記載の光ファイバー用ガラス。