JP3421284B2 - Negatively heat-expandable glass ceramics and method for producing the same - Google Patents
Negatively heat-expandable glass ceramics and method for producing the sameInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、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等の幅広い用
途に使用でき、特に光通信分野において光ファイバー屈
折率回折格子やコネクタなど光ファイバーを含むデバイ
スにおいて温度補償部材として使用される、負熱膨張性
ガラスセラミックスおよびその製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention can be used in a wide range of applications such as energy-related fields, information and communication fields, and electronics fields, and particularly in the field of optical communication, a temperature compensating member for a device including an optical fiber such as an optical fiber refractive index diffraction grating or a connector. The present invention relates to a negative thermal expansion glass ceramics and a method for producing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、光技術は、通信システムの分野の
みならず精密加工技術、医療技術、家電製品あるいは産
業用エレクトロニクスなど、幅広い分野において応用さ
れている。このような光技術では光ファイバを利用し
て、発光、集光、光の伝送および分岐などを行ってい
る。ところで、光ファイバを利用した各種デバイスは、
光ファイバ自体の特性を損なわない構造を有することが
必要とされる。つまり、温度変化によって光ファイバが
膨張、収縮等することにより光学的な性質が変化するこ
とを防ぐため、所望の熱膨張係数を持つ材料を組み合わ
せる必要があり、たとえば、熱膨張係数が負である材料
を使用しているデバイスも提案されている。2. Description of the Related Art In recent years, optical technology has been applied not only in the field of communication systems, but also in a wide range of fields such as precision processing technology, medical technology, home appliances and industrial electronics. In such an optical technique, an optical fiber is used to perform light emission, light collection, light transmission, and branching. By the way, various devices using optical fiber are
It is necessary to have a structure that does not impair the characteristics of the optical fiber itself. In other words, it is necessary to combine materials having a desired coefficient of thermal expansion in order to prevent the optical properties from changing due to expansion and contraction of the optical fiber due to temperature changes. For example, the coefficient of thermal expansion is negative. Devices using materials have also been proposed.
【0003】たとえば、特開平10−90555号公報
には、単心光コネクタにおいて、正の熱膨張係数を有す
るジルコニアやステンレスからなるフェルールのフラン
ジ部に、負の熱膨張係数を持つ材料、具体的には液晶ポ
リマーを用いることが開示されている。また、WO97
/14983号公報には、正の熱膨張係数を有する光フ
ァイバの温度変化による伸縮を防ぐために、その周囲を
負の熱膨張係数を有する液晶高分子により被覆した光フ
ァイバ回折格子が開示されている。ここで開示されてい
る液晶高分子(ポリエステルアミド)の熱膨張係数は、
−1.8×10-5/℃〜−7.2×10-6/℃である。
さらに、特開平10−96827号公報には、屈折率グ
レーティングを具備した光ファイバを負の熱膨張係数を
有する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からなる支持部材に取り付けたパ
ッケージが開示されている。具体的には、−4.7〜−
9.4×10-6/℃の熱膨張係数を有するZrW2O8の
粉末から−12.4×10-6/℃の焼結体を形成してい
る。For example, Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-90555 discloses a single-core optical connector in which a flange portion of a ferrule made of zirconia or stainless steel having a positive coefficient of thermal expansion has a negative coefficient of thermal expansion. It is disclosed to use a liquid crystal polymer. Also, WO97
/ 14983 discloses an optical fiber diffraction grating whose periphery is coated with a liquid crystal polymer having a negative coefficient of thermal expansion in order to prevent expansion and contraction of the optical fiber having a positive coefficient of thermal expansion due to temperature change. . The thermal expansion coefficient of the liquid crystal polymer (polyester amide) disclosed herein is
It is -1.8 * 10 < -5 > / [deg.] C. to -7.2 * 10 < -6 > / [deg.] C.
Further, in Japanese Patent Laid-Open No. 10-96827, an optical fiber having a refractive index grating is attached to a support member made of a Zr-tungstate or Hf-tungstate-based composition having a negative coefficient of thermal expansion. Packages are disclosed. Specifically, -4.7-
A ZrW 2 O 8 powder having a coefficient of thermal expansion of 9.4 × 10 −6 / ° C. forms a sintered body of −12.4 × 10 −6 / ° C.
【0004】また、その他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、機器等でも、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。さらに、上記各種デバイ
ス、精密部品等に使用される有機物質や無機物質、たと
えば接着剤や封着材等に混合されて、これら物質の熱膨
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。このような材料とし
ては、耐熱性が高く、熱膨張係数の値が小さい、などの
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。しかし、これらの材料
は、正の熱膨張係数、すなわち、温度が上昇すると膨張
する性質を有し、最適な材料であるとは必ずしも言えな
い。In addition, in various devices and equipment used in the fields of energy and information, etc., devices constituting these devices and equipment in order to prevent distortion and internal stress caused by temperature difference. Materials that can adjust the coefficient of thermal expansion of precision components to appropriate values and that also satisfy dimensional accuracy, dimensional stability, strength, thermal stability, and the like are required. Furthermore, by mixing with organic substances or inorganic substances used in the above various devices, precision parts, etc., such as adhesives and sealing materials, the thermal expansion coefficient of these substances can be adjusted to an appropriate value. Materials that can satisfy dimensional accuracy, dimensional stability, strength, thermal stability, etc. are required. As such a material, ceramics, glass ceramics, glass, metal and the like are used because of their high heat resistance and small coefficient of thermal expansion. However, these materials have a positive coefficient of thermal expansion, that is, have the property of expanding when the temperature rises, and are not necessarily optimum materials.
【0005】したがって、上記に挙げたような各種デバ
イス等に使用される材料や、上記各種デバイス等に使用
される物質に混合される材料としては、上記材料ととも
に使用される他の材料や、上記有機物質や無機物質が有
する正の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。このような負の熱膨張係数を有する材料
としては、一般に、β−ユークリプタイト結晶、あるい
は該結晶を含むLi2O−Al2O3−SiO2系セラミッ
クス、Li2O−Al2O3−SiO2系ガラスセラミック
ス、ZnO−Al2O3−SiO 2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
が知られている。Therefore, various devices such as those listed above are used.
Used in materials such as chairs and various devices mentioned above
The materials to be mixed with the substances
Other materials used for
Negative coefficient of thermal expansion that cancels the positive coefficient of thermal expansion
Number, that is, a material that has the property of shrinking when the temperature rises
Is desired. Material with such a negative coefficient of thermal expansion
Is generally a β-eucryptite crystal, or
Is Li containing the crystal2O-Al2O3-SiO2System ceramic
Cous, Li2O-Al2O3-SiO2Glass ceramic
ZnO-Al2O3-SiO 2Glass ceramic
, Lead titanate, hafnium titanate, tungstic acid
Inorganic substances such as zirconium and tantalum tungstate
It has been known.
【0006】たとえば、特開昭63−201034号公
報には、火山ガラス質堆積物粉末に特定範囲量のAl2
O3およびLi2O粉末を混合し、加熱溶融した後、歪を
除去する処理を施し、さらに特定範囲の温度の下で12
〜24時間再加熱した後、徐冷することにより、負の熱
膨張係数を有する結晶化ガラス(ガラスセラミックス)
を製造する方法が開示されている。この方法では、熱処
理時間と熱処理温度の条件を変えて、絶対値がもっとも
大きい結晶化ガラスとして、負の熱膨張係数が−60×
10-7/℃程度のものを得ている。For example, Japanese Patent Laid-Open No. 63-201034 discloses that volcanic glassy deposit powder contains Al 2 in a specific range.
O 3 and Li 2 O powders are mixed, heated and melted, and then subjected to a treatment for removing strain, and further under a temperature within a specific range.
Crystallized glass (glass-ceramics) having a negative coefficient of thermal expansion by reheating for ~ 24 hours and then slowly cooling
A method of manufacturing is disclosed. In this method, the negative thermal expansion coefficient is −60 × as the crystallized glass having the largest absolute value by changing the conditions of the heat treatment time and the heat treatment temperature.
It has been obtained about 10 -7 / ° C.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記で
挙げた公報中の各種負の熱膨張係数を有する材料は以下
のように、各種問題点を有している。上述の特開平10
−90555号公報およびWO97/14983号公報
において、負熱膨張性材料として使用されている液晶ポ
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、熱膨張係数、曲げ強さ、弾性率等の物性値も液晶
分子の方向によって異なる点も問題であった。また、上
記特開平10−96827号公報において温度補償部材
として使用されているZrW2O8やHfW2O8は、15
7℃付近で相転移が起き、熱膨張曲線に屈曲が生じるた
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, the materials having various negative coefficients of thermal expansion described in the above publications have various problems as described below. The above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No.
-90555 and WO97 / 14983, the liquid crystal polymer used as the negative thermal expansion material is a crystalline resin, so that the crystal orientation is strong, and there is a problem such as warpage in an injection molded product. There is.
Another problem is that physical properties such as the coefficient of thermal expansion, bending strength, and elastic modulus also differ depending on the direction of liquid crystal molecules. In addition, ZrW 2 O 8 and HfW 2 O 8 used as temperature compensating members in the above-mentioned JP-A-10-96827 are 15
Since the phase transition occurs at around 7 ° C. and the thermal expansion curve is bent, it cannot be said that it is thermally stable in a wide temperature range.
【0008】また、上述の特開昭63−201034号
公報に開示されている結晶化ガラスは、火山ガラス質堆
積物を原料としていて、主結晶相を析出させるために必
要な主成分であるSiO2ならびにLi2O以外のアルカ
リ金属酸化物、アルカリ土類酸化物および遷移金属酸化
物等の各成分の含有量を調整することができないため、
組成変動をまぬがれ得ず、所望の結晶相を所定量析出さ
せることが困難であり、物性および品質の点で安定し
た、結晶化ガラスを製造することができないという欠点
がある。さらに、上記公報の実施例に見られるように、
その製造方法は、混合粉末を溶融してカレットをつく
り、そのカレットを粉砕して再び1600℃で溶融して
おり、工程が複雑であるうえに、ガラスの溶融温度が非
常に高温であるため、製造に手間を要し、コストがかか
るという問題がある。Further, the crystallized glass disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 63-201034 uses a volcanic glassy deposit as a raw material and is a main component necessary for precipitating a main crystal phase. 2 and the content of each component other than Li 2 O such as alkali metal oxides, alkaline earth oxides and transition metal oxides cannot be adjusted,
There are drawbacks that the composition cannot be changed, it is difficult to deposit a desired amount of a crystal phase in a predetermined amount, and it is not possible to produce a crystallized glass that is stable in terms of physical properties and quality. Furthermore, as seen in the examples of the above publications,
The manufacturing method is such that the mixed powder is melted to form a cullet, the cullet is crushed and melted again at 1600 ° C., the process is complicated, and the melting temperature of the glass is extremely high. There is a problem that manufacturing requires labor and cost.
【0009】また、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−Al2O3−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/℃(−21.
5×10-7/℃)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。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、長すぎる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Al2O3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。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、安定に均質なセラミックスを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、前述した特開昭63−201034号公報に開示さ
れている製造方法と同様の問題を有している。Further, Japanese Patent Laid-Open 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 this ceramic has the lowest coefficient of thermal expansion, it is -2.15 × 10 -6 / ° C (-21.
It is 5 × 10 −7 / ° C.), and it cannot be said that it has a sufficiently low negative thermal expansion coefficient. Further, since this ceramic contains a large amount of ZnO component that easily sublimes at high temperature, it is described in the above publication that excessively long melting is not preferable when forming the parent glass (raw glass). As seen in the examples of the 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. If the glass is melted, if it is melted for several hours as is usually done,
Although the unmelted residue can be eliminated, in that case, the ZnO component sublimes and the composition of the parent glass fluctuates, so that a stable and homogeneous ceramic cannot be obtained.
Further, the melting temperature of the above-mentioned example is as high as 1620 ° C., and it has the same problem as the manufacturing method disclosed in the above-mentioned JP-A-63-201034.
【0010】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、エネ
ルギー関連分野や情報分野、光通信分野、その他の各種
分野では、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, and therefore, they are not so well used in the energy-related field, the information field, the optical communication field and other various fields. The fact is that it is not used.
【0011】本発明の目的は、上記実状に鑑み、エネル
ギー関連分野や情報分野、光通信分野等で使用される際
の一般的な温度範囲である、−40℃〜+160℃にお
いて、十分に大きな絶対値の負の熱膨張係数を有し、し
かも、低コストで、組成・物性の点で安定的に生産で
き、温度補償用部材として使用できる、負熱膨張性ガラ
スセラミックスとその製造方法を提供することにある。In view of the above situation, the object of the present invention is sufficiently large in a general temperature range of −40 ° C. to + 160 ° C. when used in the fields of energy-related fields, information fields, optical communication fields and the like. Provided is a negative thermal expansion glass ceramics which has a negative coefficient of thermal expansion of absolute value, can be stably produced at low cost in terms of composition and physical properties, and can be used as a temperature compensating member, and a manufacturing method thereof. To do.
【0012】[0012]
【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−Al2O3−SiO2−BaO系ガラスを
熱処理して、結晶化することにより、異方性がなく大き
な絶対値の負の熱膨張係数を有するガラスセラミックス
が得られ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 object, and as a result, have selected Li 2 O--Al 2 O 3 --SiO 2 --BaO type glass having a specific composition range. It was found that a glass ceramic having no anisotropy and a large absolute value of a negative thermal expansion coefficient can be obtained by heat treatment and crystallization, and the present invention has been completed.
【0013】すなわち、前記課題を解決すべく、請求項
1に記載の発明は、−40℃〜+160℃の温度範囲に
おいて、熱膨張係数が−25〜−100×10-7/℃で
あり、 主結晶相が、β−ユークリプタイト固溶体(β−
Li 2 O・Al 2 O 3 ・2SiO 2 固溶体)、β−ユークリ
プタイト(β−Li 2 O・Al 2 O 3 ・2SiO 2 )、β−
石英固溶体(β−SiO 2 固溶体)およびβ−石英(β
−SiO 2 )から選ばれる1種または2種以上である負
熱膨張性ガラスセラミックスであって、質量%で、Ba
O成分を0.5〜4%含有することを特徴とする。[0013] That is, in order to solve the above problems, the invention according to claim 1, in a temperature range of -40 ℃ ~ + 160 ℃, thermal expansion coefficient at -25~-100 × 10 -7 / ℃
Yes , the main crystalline phase is β-eucryptite solid solution (β-
Li 2 O ・ Al 2 O 3 ・ 2SiO 2 solid solution), β-Eucli
Putite (β-Li 2 O ・ Al 2 O 3 ・ 2SiO 2 ), β-
Quartz solid solution (β-SiO 2 solid solution) and β-quartz (β
-SiO 2 ) one or more selected from negative
A thermally expansive glass-ceramic having a mass% of Ba
It is characterized by containing 0.5 to 4% of O component .
【0014】また、請求項2に記載の発明は、請求項1
に記載の負熱膨張性ガラスセラミックスにおいて、質量%で、 SiO 2
40〜65% Al 2 O 3
25〜45% Li 2 O
5〜15% を含有する
ことを特徴とする。The invention described in claim 2 is the same as claim 1
The negative thermal expansion glass-ceramics described in (1) above are characterized by containing , in mass%, SiO 2 40 to 65% Al 2 O 3 25 to 45% Li 2 O 5 to 15% .
【0015】請求項3に記載の発明は、請求項2に記載
の負熱膨張性ガラスセラミックスにおいて、前記主結晶
相の合計結晶量が、質量%で、70〜100%であるこ
とを特徴とする。According to a third aspect of the present invention, in the negative thermal expansion glass-ceramic according to the second aspect, the total crystal amount of the main crystal phase is 70 to 100% by mass. To do.
【0016】請求項4に記載の発明は、請求項1、2ま
たは3のいずれかに記載の負熱膨張性ガラスセラミック
スにおいて、質量%で、
SiO2 40〜65%
Al2O3 25〜45%
Li2O 5〜15%
B2O3 0〜3%
BaO 0.5〜4%
MgO 0〜2%
CaO 0〜3%
ZnO 0〜6%
P2O5 0〜4%
ZrO2 0〜4%
TiO2 0〜4%
As2O3+Sb2O3 0〜2%
の割合でこれら各成分を含有し、かつ、PbO、Na2
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを、熱処
理することにより得られることを特徴とする。According to a fourth aspect of the present invention, in the negative thermal expansion glass-ceramic according to any one of the first, second and third aspects, the mass% is SiO 2 40 to 65% Al 2 O 3 25 to 45. % Li 2 O 5 to 15% B 2 O 3 0 to 3% BaO 0.5 to 4% MgO 0 to 2% CaO 0 to 3% ZnO 0 to 6% P 2 O 5 0 to 4% ZrO 2 0 to 4 % TiO 2 0 to 4% As 2 O 3 + Sb 2 O 3 0 to 2% of each of these components, and PbO and Na 2
It is characterized in that it is obtained by heat-treating a raw glass that does not substantially contain O and K 2 O.
【0017】請求項5に記載の発明は、請求項1、2、
3または4のいずれかに記載の負熱膨張性ガラスセラミ
ックスにおいて、質量%で、
SiO2 40〜65%
Al2O3 25〜45%
Li2O 5〜15%
B2O3 0〜3%
BaO 0.5〜4%
MgO 0〜2%
CaO 0〜3%
ZnO 0〜6%
P2O5 0〜4%
ZrO2 0〜4%
TiO2 0〜4%
As2O3+Sb2O3 0〜2%
の割合でこれら各成分を含有し、かつ、PbO、Na2
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを、溶融
し、急冷した後、粉末にしてから成形し、次に、焼成に
よって結晶化させて得られることを特徴とする。The invention according to claim 5 is the invention as defined in claims 1, 2 and
In the negative thermal expansion glass ceramic according to any one of 3 or 4, in mass%, SiO 2 40~65% Al 2 O 3 25~45% Li 2 O 5~15% B 2 O 3 0~3% BaO 0.5 to 4% MgO 0 to 2% CaO 0 to 3% ZnO 0 to 6% P 2 O 5 0 to 4% ZrO 2 0 to 4% TiO 2 0 to 4% As 2 O 3 + Sb 2 O 3 Each of these components is contained in a proportion of 0 to 2%, and PbO and Na 2
It is characterized in that it is obtained by melting a raw glass substantially free of O and K 2 O, melting it, quenching it, making it into a powder, shaping it, and then crystallizing it by firing.
【0018】請求項6に記載の発明は、請求項1、2、
3または4のいずれかに記載の負熱膨張性ガラスセラミ
ックスにおいて、質量%で、
SiO2 40〜65%
Al2O3 25〜45%
Li2O 5〜15%
B2O3 0〜3%
BaO 0.5〜4%
MgO 0〜2%
CaO 0〜3%
ZnO 0〜6%
P2O5 0〜4%
ZrO2 0〜4%
TiO2 0〜4%
As2O3+Sb2O3 0〜2%
の割合でこれら各成分を含有し、かつ、PbO、Na2
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを溶融
し、成形し、必要に応じて徐冷した後、加熱によって結
晶化させて得られることを特徴とする。The invention described in claim 6 is the same as in claims 1, 2 and
In the negative thermal expansion glass ceramic according to any one of 3 or 4, in mass%, SiO 2 40~65% Al 2 O 3 25~45% Li 2 O 5~15% B 2 O 3 0~3% BaO 0.5 to 4% MgO 0 to 2% CaO 0 to 3% ZnO 0 to 6% P 2 O 5 0 to 4% ZrO 2 0 to 4% TiO 2 0 to 4% As 2 O 3 + Sb 2 O 3 Each of these components is contained in a proportion of 0 to 2%, and PbO and Na 2
It is characterized by being obtained by melting a raw glass containing substantially no O and K 2 O, shaping it, gradually cooling it if necessary, and then crystallizing it by heating.
【0019】請求項1〜6のいずれかに記載の負熱膨張
性ガラスセラミックスは、大きな絶対値の負の熱膨張係
数を有する。加えて、本発明の請求項1〜6のいずれか
に記載の負熱膨張性ガラスセラミックスは、結晶化領域
を有してはいるものの材料全体としては特定の配向性を
有さず、請求項9に記載されているように、ほとんど異
方性を有さない材料であることを特徴とする。The negative thermal expansion glass-ceramic according to any one of claims 1 to 6 has a large negative absolute thermal expansion coefficient. In addition, the negative thermal expansion glass-ceramic according to any one of claims 1 to 6 of the present invention has a crystallized region but does not have a specific orientation as a whole material, As described in No. 9, it is a material having almost no anisotropy.
【0020】したがって、請求項1〜6あるいは9記載
の負熱膨張性ガラスセラミックスは、請求項10に記載
の発明のように、熱膨張係数が正である材料と組み合わ
せて温度補償部材として使用される。特に、請求項11
に記載の発明のように、光ファイバーを固定するデバイ
スに好適に用いられる。請求項10、請求項11に記載
の発明によれば、本発明の負熱膨張性ガラスセラミック
スを熱膨張係数が正である材料と組み合わせて温度補償
部材として使用することによって、デバイスなどの温度
変化による悪影響を極力防ぐことができる。ここで、光
ファイバーを固定するデバイスとしては、たとえば、光
通信分野において使用される光ファイバー屈折率回折格
子や光コネクタ等が挙げられる。Therefore, the negative thermal expansion glass-ceramics according to any one of claims 1 to 6 or 9 are used as a temperature compensating member in combination with a material having a positive coefficient of thermal expansion, as in the invention according to claim 10. It In particular, claim 11
The invention is preferably used in a device for fixing an optical fiber, as in the invention described in 1. According to the tenth and eleventh aspects of the present invention, by using the negative thermal expansion glass-ceramics of the present invention in combination with a material having a positive coefficient of thermal expansion as a temperature compensation member, a temperature change of a device or the like can be achieved. It is possible to prevent the adverse effect caused by. Here, examples of the device for fixing the optical fiber include an optical fiber refractive index diffraction grating and an optical connector used in the optical communication field.
【0021】請求項7に記載の発明は、質量%で、
SiO2 40〜65%
Al2O3 25〜45%
Li2O 5〜15%
B2O3 0〜3%
BaO 0.5〜4%
MgO 0〜2%
CaO 0〜3%
ZnO 0〜6%
P2O5 0〜4%
ZrO2 0〜4%
TiO2 0〜4%
As2O3+Sb2O3 0〜2%
の割合でこれら各成分を含有し、かつ、PbO、Na2
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを溶融
し、急冷した後、粉末にしてから成形し、1200〜1
350℃の温度で焼成して結晶化させることを特徴とす
る負熱膨張性ガラスセラミックスの製造方法である。The invention according to claim 7 is, in mass%, SiO 2 40 to 65% Al 2 O 3 25 to 45% Li 2 O 5 to 15% B 2 O 3 0 to 3% BaO 0.5 to 4% MgO 0-2% CaO 0-3% ZnO 0-6% P 2 O 5 0-4% ZrO 2 0-4% TiO 2 0-4% As 2 O 3 + Sb 2 O 3 0-2% It contains each of these components in a proportion and contains PbO and Na 2
A raw glass that does not substantially contain O and K 2 O is melted, rapidly cooled, powdered, and then molded,
It is a method for producing a negative thermal expansion glass-ceramic, which comprises firing at a temperature of 350 ° C. for crystallization.
【0022】請求項8に記載の発明は、質量%で、
SiO2 40〜65%
Al2O3 25〜45%
Li2O 5〜15%
B2O3 0〜3%
BaO 0.5〜4%
MgO 0〜2%
CaO 0〜3%
ZnO 0〜6%
P2O5 0〜4%
ZrO2 0〜4%
TiO2 0〜4%
As2O3+Sb2O3 0〜2%
の割合でこれら各成分を含有し、かつ、PbO、Na2
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを溶融
し、成形し、必要に応じて徐冷した後、620〜800
℃の温度で核形成し、次いで、700〜950℃の温度
で結晶化させることを特徴とする負熱膨張性ガラスセラ
ミックスの製造方法である。The invention according to claim 8 is, in mass%, SiO 2 40 to 65% Al 2 O 3 25 to 45% Li 2 O 5 to 15% B 2 O 3 0 to 3% BaO 0.5 to 4% MgO 0-2% CaO 0-3% ZnO 0-6% P 2 O 5 0-4% ZrO 2 0-4% TiO 2 0-4% As 2 O 3 + Sb 2 O 3 0-2% It contains each of these components in a proportion and contains PbO and Na 2
A raw glass containing substantially no O and K 2 O is melted, shaped, and gradually cooled as necessary, and then 620 to 800
A method for producing a negative thermal expansion glass-ceramic, which comprises nucleating at a temperature of ° C and then crystallizing at a temperature of 700 to 950 ° C.
【0023】[0023]
【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、詳細に説明する。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なる材料のみな
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、材料中の結晶量が100質量%のものも含む。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-ceramic 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 the entire glass phase is crystallized. Also included are materials that have undergone a phase transition to a phase, that is, those in which the amount of crystals in the material is 100% by mass.
【0024】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−ユークリプタイト固溶体(β−Li2
O・Al2O3・2SiO2 固溶体)、β−ユークリプタ
イト(β−Li2O・Al2O3・2SiO2)、β−石英
固溶体(β−SiO2固溶体)およびβ−石英(β−S
iO2)から選ばれる1種または2種以上である。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 a β-eucryptite solid solution (β-Li 2
O · Al 2 O 3 · 2SiO 2 solid solution), beta-eucryptite (β-Li 2 O · Al 2 O 3 · 2SiO 2), β- quartz solid solution (β-SiO 2 solid solution) and beta-quartz (beta -S
One or two or more selected from iO 2 ). Here, the solid solution means β-eucryptite, or β-eucryptite.
Quartz is a crystal in which some of the crystals are substituted or atoms penetrate between the crystals.
【0025】これらの主結晶相は、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。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数値
範囲内に制御できる。これらの主結晶相の種類および析
出量は、特定組成範囲内におけるLi2O、Al2O3お
よびSiO2の含有割合、および後述する焼成結晶化温
度または結晶化温度によって決定される。本発明の目標
とする熱膨張係数を得るためには、上記主結晶相の合計
結晶量が、質量%で70〜100%の範囲であることが
好ましく、70%未満では、熱膨張係数が本発明の目標
とする範囲より高くなってしまうことがある。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 under predetermined conditions, in the glass phase having a positive coefficient of thermal expansion, the main crystalline phase having a negative coefficient of thermal expansion is precipitated, or all the glass phases are the main crystalline phase. Phase transition to the containing crystal phase,
The coefficient of thermal expansion of the glass ceramic as a whole can be controlled within a desired numerical range. The types and precipitation amounts of these main crystal phases are determined by the content ratios of Li 2 O, Al 2 O 3 and SiO 2 in the specific composition range, and the firing crystallization temperature or crystallization temperature described later. In order to obtain the target thermal expansion coefficient of the present invention, the total crystal amount of the main crystalline phase is preferably in the range of 70 to 100% by mass%, and when it is less than 70%, the thermal expansion coefficient is the main value. It may be higher than the target range of the invention.
【0026】本発明の負熱膨張性ガラスセラミックスの
酸化物組成は、その原ガラスの酸化物組成によって表さ
れるが、原ガラスの組成範囲を上記のように限定した理
由を以下に述べる。The oxide composition of the negative thermal expansion glass-ceramics of the present invention is represented by the oxide composition of the original glass. The reason why the composition range of the original glass is limited as described above will be described below.
【0027】SiO2、Li2OおよびAl2O3成分は、
主結晶相であるβ−ユークリプタイト固溶体、β−ユー
クリプタイト、β−石英固溶体およびβ−石英の構成要
素となる重要な成分である。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4
0%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、65%を超えると、ガラスの熔融清澄が困難にな
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40〜65%であ
る。The SiO 2 , Li 2 O and Al 2 O 3 components are
It is an important component as a constituent element of the main crystal phase of β-eucryptite solid solution, β-eucryptite, β-quartz solid solution and β-quartz. The SiO 2 component is the main component of the main crystal having a negative coefficient of thermal expansion, but its amount is 4
When it is less than 0%, it becomes difficult to precipitate the desired main crystal phase sufficiently, and when it exceeds 65%, it becomes difficult to clarify the glass melt and crystal phases other than the desired main crystal phase precipitate. , The preferred range of the amount of SiO 2 component is 40 to 65%.
【0028】Al2O3成分は、25%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、45%を超えると融点が高温になりすぎ、ガラスの
熔融清澄が困難になるため、Al2O3成分の量の望まし
い範囲は、25〜45%である。If the Al 2 O 3 component content is less than 25%, it will be difficult to melt the glass and the homogeneity of the raw glass will deteriorate, and it will be difficult to generate the desired main crystal phase in the required amount. On the other hand, if it exceeds 45%, the melting point becomes too high, and it becomes difficult to clarify the glass by melting. Therefore, the desirable range of the amount of the Al 2 O 3 component is 25 to 45%.
【0029】Li2O成分は、5%未満であると必要な
量の所望の主結晶相が得られなくなる。また、15%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5〜15%である。If the Li 2 O content is less than 5%, the required amount of the desired main crystal phase cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds 15%, vitrification tends to be difficult, and the strength of the glass ceramics after heat treatment decreases, so the preferable range is 5 to 15%.
【0030】B2O3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3%を超えると、所望の主結晶相の生成に支障をきた
し、熱膨張係数が目標とする値より大きくなる。The B 2 O 3 component can be optionally added for the purpose of improving the melting property 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 3%. If it exceeds, the production of the desired main crystal phase is hindered, and the coefficient of thermal expansion becomes larger than the target value.
【0031】BaO、MgO、ZnOおよびCaOの各
成分は、β−ユークリプタイト固溶体(β−Li2O・
Al2O3・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、それぞれ、4%、2%、
6%および3%を超えると熱膨張係数が大きくなり、目
標とする熱膨張係数が得難くなる。また、上記各成分の
うち、BaO成分は、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。
しかし、その量が0.5%未満であると、この効果が充
分に得られず、原ガラスの耐失透性が悪化することか
ら、0.5%以上含有することが好ましい。Each of the components BaO, MgO, ZnO and CaO is a β-eucryptite solid solution (β-Li 2 O.
Al 2 O 3 .2SiO 2 solid solution) and β-quartz solid solution (β-SiO 2 solid solution) are important constituents, but the amount of each of these components is 4%, 2%,
If it exceeds 6% and 3%, the coefficient of thermal expansion becomes large, and it becomes difficult to obtain the target coefficient of thermal expansion. Of the above components, the BaO component prevents the platinum in the crucible from alloying with other metal elements in the raw glass during melting of the raw glass and maintains the devitrification resistance of the raw glass. effective.
However, if the amount is less than 0.5%, this effect is not sufficiently obtained and the devitrification resistance of the raw glass deteriorates, so 0.5% or more is preferably contained.
【0032】P2O5、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4%を超えると、原ガラスの熔融
清澄が困難となり、未溶融物が発生することがある。そ
のため、上記各成分のうち、TiO2成分は3.5%ま
で、ZrO2成分は2%までとするのが特に好ましい。Each of the components P 2 O 5 , ZrO 2 and TiO 2 acts as a crystal nucleating agent, but if the amount of each of these components exceeds 4%, it is difficult to clarify the melting of the raw glass. And unmelted matter may be generated. Therefore, it is particularly preferable that the TiO 2 component is up to 3.5% and the ZrO 2 component is up to 2% among the above components.
【0033】As2O3およびSb2O3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、着色成分等の他の成
分を添加させることができる。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, other components such as a coloring component can be added as long as the desired properties of the glass ceramics of the present invention are not impaired.
【0034】なお、PbO成分は、環境対策にコストを
要する成分であり、また、Na2OおよびK2O成分を含
有していると、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。It should be noted that the PbO component is a component which requires cost for environmental measures, and when the Na 2 O and K 2 O components are contained, these ions will be generated in the post-process such as film formation and cleaning. Since the physical properties of the negative thermal expansion glass-ceramics of the present invention change due to diffusion, PbO, Na 2 O
And it is preferable that the K 2 O component is not substantially contained.
【0035】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2つの方法により製造することが好ま
しい。まず、いずれの方法においても、、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140
0〜1500℃で約6時間〜8時間、攪拌しながら溶融
し、清澄な状態の原ガラスを得る。次に以下の2つの方
法で、結晶化を行う。The glass ceramics of the present invention having the above composition is preferably produced by the following two methods. First, in any of the methods, 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, and the like.
It melts at 0 to 1500 ° C. for about 6 to 8 hours with stirring to obtain a raw glass in a clear state. Next, crystallization is performed by the following two methods.
【0036】まず、第1の方法では、前記で得られた溶
融状態の原ガラスを、ロール急冷法や水中急冷法等によ
り急冷する。次に、急冷後のガラスを、ボールミル、遊
星ボールミル、ローラーミル等の公知の粉砕装置を用
い、湿式法または乾式法などの公知の粉砕方法により粉
末とする。ガラス粉末の粒径は最大で100μm以下、
平均粒径は10μm以下が望ましく、平均粒径が5μm
以下であることが特に望ましい。最大粒径が100μm
をこえると、後述する焼成結晶化に必要な温度が高くな
り、また得られるガラスセラミックスの均質性、緻密性
も悪くなる。First, in the first method, the raw glass in a molten state obtained above is quenched by a roll quenching method, an underwater quenching method, or the like. Next, the rapidly cooled glass is made into powder by a known pulverizing method such as a wet method or a dry method using a known pulverizing device such as a ball mill, a planetary ball mill, or a roller mill. The maximum particle size of glass powder is 100 μm or less,
The average particle size is preferably 10 μm or less, and the average particle size is 5 μm.
The following is particularly desirable. Maximum particle size is 100 μm
If it exceeds, the temperature required for firing and crystallization, which will be described later, becomes high, and the homogeneity and denseness of the obtained glass ceramics deteriorate.
【0037】次いで、このようにして得られたガラス粉
末をプレス成形等の公知の成形方法により所望形状に成
形する。この成形時に、有機バインダーとしてポリビニ
ルアルコール、ステアリン酸、ポリエチレングリコール
等を添加することができる。特に大きなブロック状に成
形する場合には有機バインダーを混合することが望まし
く、たとえば粉末100質量%に対し、1〜5%程度の
濃度のポリビニルアルコール等の有機バインダー水溶液
を5〜15%加えることが好ましい。Next, the glass powder thus obtained is molded into a desired shape by a known molding method such as press molding. At the time of this molding, polyvinyl alcohol, stearic acid, polyethylene glycol or the like can be added as an organic binder. In the case of molding into a particularly large block, it is desirable to mix an organic binder, and for example, 5 to 15% of an aqueous organic binder solution such as polyvinyl alcohol having a concentration of about 1 to 5% is added to 100% by mass of powder. preferable.
【0038】上記成形後、焼成によって結晶化させる処
理を行う。成形したものを、昇温後、1200〜135
0℃の温度で約2〜10時間維持して焼成する。これに
より、所望の主結晶相が析出する。焼成して結晶化させ
た後は、負の熱膨張係数を持つ結晶が析出しているため
に、急冷するとクラックが入る。そのため50℃/hr
以下の速度で徐冷することが望ましい。なお、ここで焼
成して結晶化させる場合には、後述する第2の方法とは
異なり、核形成温度での保持は必要ない。After the above-mentioned molding, a treatment for crystallization by firing is performed. The molded product is heated to 1200 to 135
Baking is performed by maintaining the temperature at 0 ° C. for about 2 to 10 hours. As a result, the desired main crystal phase is precipitated. After firing and crystallization, crystals having a negative coefficient of thermal expansion are deposited, so cracking occurs when rapidly cooled. Therefore, 50 ℃ / hr
It is desirable to gradually cool at the following rates. When firing and crystallization are performed here, it is not necessary to maintain the nucleation temperature, unlike the second method described later.
【0039】上記の第1の方法では、絶対値が非常に大
きな負の熱膨張係数を容易に得ることができる。しか
も、粉末から成形体を作製するため大型品の製造が可能
である。According to the first method described above, a negative coefficient of thermal expansion having a very large absolute value can be easily obtained. Moreover, since a molded product is produced from powder, a large product can be manufactured.
【0040】次に第2の方法について述べる。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
形し、成形したガラスの除歪等の必要に応じて徐冷す
る。次に、結晶化の処理を行う。まず、620〜800
℃の温度で保持し、核形成を促す。この核形成温度は6
20℃より低くても、あるいは800℃より高くても結
晶核が生成しない。核形成後、700〜950℃の温度
で、結晶化させる。この結晶化温度が700℃より低い
と十分な量の主結晶相が成長せず、950℃より高いと
原ガラスが溶解するとともに、β−スポジュメンなどの
熱膨張係数の大きい結晶が析出するため望ましくない。
結晶化後は、前記第1の方法で述べたように、50℃/
hr以下の速度で徐冷することが望ましい。Next, the second method will be described. As described above, the raw glass is melted, cast into a mold or the like to be molded, and then gradually cooled as necessary for removing the strain of the molded glass. Next, crystallization processing is performed. First, 620-800
Hold at a temperature of ℃ to promote nucleation. This nucleation temperature is 6
Even if the temperature is lower than 20 ° C or higher than 800 ° C, crystal nuclei do not form. After nucleation, it is crystallized at a temperature of 700 to 950 ° C. If the crystallization temperature is lower than 700 ° C, a sufficient amount of the main crystal phase does not grow, and if it is higher than 950 ° C, the raw glass is melted and crystals having a large coefficient of thermal expansion such as β-spodumene are precipitated, which is desirable. Absent.
After crystallization, as described in the first method, 50 ° C. /
It is desirable to gradually cool at a rate not higher than hr.
【0041】この第2の方法では、粉末を成形して焼成
する第1の方法と比べて、原ガラスを粉砕し、粉末を成
形する工程を必要としないため、製造に要するコストお
よび時間を少なくすることができる上に、成形体に気孔
を含まないため、より高強度のガラスセラミックスを得
ることができる。The second method does not require the steps of crushing the raw glass and molding the powder, as compared with the first method of molding and firing the powder, so that the cost and time required for the production can be reduced. In addition, since the molded body does not contain pores, it is possible to obtain a glass ceramic of higher strength.
【0042】[0042]
【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.
【0043】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.7について、組成
比、焼成結晶化温度と保持時間、あるいは核形成温度、
結晶化温度と保持時間等を示したものである。実施例N
o.1〜No.7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1400〜1550℃の温度で6〜8時間溶
融、攪拌した。Tables 1 and 2 show the glass ceramics of Example No. 1 of the present invention. 1-No. 7, the composition ratio, the firing crystallization temperature and the holding time, or the nucleation temperature,
The crystallization temperature and the holding time are shown. Example N
o. 1-No. The glass ceramic of No. 7 was manufactured as follows. First, glass raw materials such as oxides, carbonates, hydroxides, and nitrates are weighed and mixed so as to have the compositions shown in Tables 1 and 2, put into a platinum crucible, and this is put into a 1400 to 1400 using an ordinary melting apparatus. The mixture was melted and stirred at a temperature of 1550 ° C. for 6 to 8 hours.
【0044】この後、実施例No.1、No.2および
No.3については、溶融した状態の原ガラスを水中に
投下して急冷した。次いで、得られたガラス成形体をア
ルミナ質ボールミルによって、平均粒径5μm程度にな
るように粉砕した。次に、有機バインダーを加えて、一
軸プレスにより成形した。この後、得られた成形体を焼
成炉に入れて、加熱、昇温し、表1に示した焼成結晶化
温度で所定時間保持して焼成し、結晶化させた後、50
℃/hr以下の速度で徐冷してガラスセラミックスを得
た。After this, Example No. 1, No. 2 and No. Regarding No. 3, the raw glass in a molten state was dropped into water to be rapidly cooled. Next, the obtained glass molded body was pulverized by an alumina ball mill so that the average particle diameter was about 5 μm. Next, an organic binder was added and the mixture was molded by a uniaxial press. After that, the obtained molded body is put into a firing furnace, heated and heated, held at the firing crystallization temperature shown in Table 1 for a predetermined time and fired to be crystallized.
Glass ceramics were obtained by slow cooling at a rate of not more than ° C / hr.
【0045】また、実施例No.4、No.5、No.
6およびNo.7については、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、ガラス成形体を粉砕せずに、その
まま焼成炉に入れて、加熱、昇温し、表2に示した核形
成温度で所定時間保持して、結晶核を形成した。続い
て、加熱、昇温して、同じく表2で示した結晶化温度で
所定時間保持して結晶化させた後、50℃/hr以下の
速度で徐冷してガラスセラミックスを得た。In addition, in Example No. 4, No. 5, No.
6 and No. 6 As for No. 7, the molten raw glass was cast into a mold, molded, and then gradually cooled to obtain a glass molded body. Then, the glass molded body was put into a firing furnace as it was without being crushed, heated and heated, and kept at the nucleation temperature shown in Table 2 for a predetermined time to form crystal nuclei. Subsequently, the temperature was raised by heating, the temperature was kept at the crystallization temperature shown in Table 2 for a predetermined time for crystallization, and then the glass was gradually cooled at a rate of 50 ° C./hr or less to obtain glass ceramics.
【0046】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、温度範囲−40℃〜+160℃における熱膨
張係数を測定した。また、これらのガラスセラミックス
の主結晶相の合計結晶量を、粉末X線回折法によるピー
ク面積から算出した。この結果を、表1、および表2に
示した。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 range of −40 ° C. to + 160 ° C. was measured by a TAS200 thermomechanical analyzer manufactured by Rigaku Corporation. The coefficient of thermal expansion was measured. Further, the total crystal amount of the main crystal phase of these glass ceramics was calculated from the peak area by the powder X-ray diffraction method. The results are shown in Tables 1 and 2.
【0047】また、従来のガラスセラミックスについ
て、比較例No.1〜No.3として、表1および表2
同様に、表3に示した。比較例No.1およびNo.2
のガラスセラミックスは、実施例No.4〜No.7と
同様の方法で製造し、比較例No.3のガラスセラミッ
クスは、実施例No.1〜No.3と同様の方法で製造
した。また、各比較例のガラスセラミックスの熱膨張係
数、主結晶相の合計結晶量を、上記同様に測定し、その
結果を表3に示した。Regarding the conventional glass ceramics, Comparative Example No. 1-No. 3 as Table 1 and Table 2
Similarly, shown in Table 3. Comparative Example No. 1 and No. Two
The glass ceramics of Example No. 4 to No. Comparative Example No. 7 was manufactured by the same method as in Example 7. The glass ceramics of No. 3 are those of Example No. 1-No. It was produced in the same manner as in 3. Further, the thermal expansion coefficient and the total crystal amount of the main crystal phase of the glass ceramics of each comparative example were measured in the same manner as above, and the results are shown in Table 3.
【0048】[0048]
【表1】 [Table 1]
【0049】[0049]
【表2】 [Table 2]
【0050】[0050]
【表3】 [Table 3]
【0051】表1および表2から分かるように、本発明
にかかる実施例のガラスセラミックスは熱膨張係数が−
26〜−96×10-7/℃と、非常に絶対値が大きい負
の値を示している。X線回折の結果、これらのガラスセ
ラミックスの主結晶相は、実施例No.1およびNo.
7ではβ−ユークリプタイト(β−Li2O・Al2O3
・2SiO2)、実施例No.2、No.3およびN
o.4ではβ−ユークリプタイト固溶体(β−Li2O
・Al2O3・2SiO2固溶体)、実施例No.5およ
びNo.6はβ−石英固溶体(β−SiO2固溶体)で
あった。As can be seen from Tables 1 and 2, the glass ceramics of the examples according to the present invention have a coefficient of thermal expansion of −.
It shows a negative value of 26 to −96 × 10 −7 / ° C., which is a very large absolute value. As a result of X-ray diffraction, the main crystal phase of these glass ceramics was found to be Example No. 1 and No.
In 7, β-eucryptite (β-Li 2 O.Al 2 O 3
.2SiO 2 ), Example No. 2, No. 3 and N
o. In No. 4, β-eucryptite solid solution (β-Li 2 O
.Al 2 O 3 .2SiO 2 solid solution), Example No. 5 and No. 6 was a β-quartz solid solution (β-SiO 2 solid solution).
【0052】これに対し、X線回折の結果、比較例N
o.1、No.2およびNo.3では、β−石英固溶体
が析出し、表3に示すように負の熱膨張係数を有するも
のの、絶対値が大きい負の係数を得ることができなかっ
た。On the other hand, as a result of X-ray diffraction, Comparative Example N
o. 1, No. 2 and No. In No. 3, a β-quartz solid solution was precipitated and had a negative coefficient of thermal expansion as shown in Table 3, but a negative coefficient having a large absolute value could not be obtained.
【0053】実施例No.4で得られたガラスセラミッ
クスを切断、研磨して、温度補償部材として、長さ30
mm×幅15mm×厚さ2mmの平面プレート1および
同じ寸法のカバープレート2を作製した。平面プレート
1の上面に光ファイバーをセットする為の溝をダイヤモ
ンド刃によって切った。次に長さ10mmの屈折率回折
格子3を有する石英系の光ファイバー4を上記溝の中に
填め込み、その際、屈折率回折格子3の部分が平面プレ
ート1の中心部に位置するようにセットした。次に、光
ファイバー4および屈折率回折格子3の上にカバープレ
ート2を被せた状態で、接着剤を用いて平面プレート1
とカバープレート2とを貼り合わせて結合させて、図1
に示す組立体5を作製した。この結合は、エポキシなど
の熱硬化樹脂等、従来公知の接着剤を使用することがで
き、本実施例では熱硬化性エポキシ接着剤を用いた。ま
た、比較例No.1のガラスセラミックスを用いて図1
と同様の組立体を作製した(図示せず)。Example No. The glass ceramics obtained in No. 4 was cut and polished to obtain a temperature compensating member having a length of 30.
A flat plate 1 having a size of mm × width 15 mm × thickness 2 mm and a cover plate 2 having the same dimensions were manufactured. A groove for setting an optical fiber was cut on the upper surface of the flat plate 1 with a diamond blade. Next, a silica-based optical fiber 4 having a refraction index diffraction grating 3 having a length of 10 mm is fitted into the groove, and at this time, the refraction index diffraction grating 3 is set so as to be located at the center of the flat plate 1. did. Next, while the cover plate 2 is covered on the optical fiber 4 and the refractive index diffraction grating 3, the flat plate 1 is coated with an adhesive.
1 and the cover plate 2 are pasted and combined to form
The assembly 5 shown in was produced. For this bonding, a conventionally known adhesive such as a thermosetting resin such as epoxy can be used, and a thermosetting epoxy adhesive was used in this example. In addition, Comparative Example No. Figure 1 using the glass ceramics of No. 1
An assembly similar to that was made (not shown).
【0054】図1の組立体5と比較例No.1の組立体
それぞれの屈折率回折格子から得られる反射波長を−4
0℃〜+100℃間で温度を変えながら測定し、比較し
た。その結果、本発明にかかるガラスセラミックスを使
用した組立体5は、比較例No.1のガラスセラミック
スを使用した組立体と比べて、屈折率回折格子から発せ
られる反射波長の温度依存性が大幅に減少し、前記温度
範囲間で安定した反射波長が得られた。The assembly 5 of FIG. The reflection wavelength obtained from the refractive index diffraction grating of each assembly of 1 is -4
The measurement was performed while changing the temperature between 0 ° C and + 100 ° C, and the results were compared. As a result, the assembly 5 using the glass-ceramics according to the present invention was compared with Comparative Example No. Compared with the assembly using the glass ceramic of No. 1, the temperature dependence of the reflection wavelength emitted from the refractive index diffraction grating was significantly reduced, and a stable reflection wavelength was obtained in the above temperature range.
【0055】実施例No.2のガラスセラミックスの表
面を鏡面研磨し、さらに、フッ化水素酸でエッチングし
た後に撮影したSEM写真(走査型電子顕微鏡写真)を
図2に示す。図2に見られるように、このガラスセラミ
ックスに析出している結晶粒子は、配向性を持たずに三
次元的に分散している。したがって、実施例2のガラス
セラミックスは内部にほとんど異方性がない、と考えら
れる。Example No. FIG. 2 shows an SEM photograph (scanning electron microscope photograph) taken after mirror-polishing the surface of the glass ceramic of No. 2 and further etching with hydrofluoric acid. As seen in FIG. 2, the crystal grains precipitated in this glass ceramic have three-dimensional dispersion without orientation. Therefore, it is considered that the glass ceramic of Example 2 has almost no anisotropy inside.
【0056】[0056]
【発明の効果】以上述べたとおり、本発明の負熱膨張性
ガラスセラミックスは、−40℃〜+160℃の温度範
囲において、熱膨張係数が−25〜−100×10-7/
℃であり、非常に絶対値が大きい負の熱膨張係数を有す
る。よって、光通信分野等の光ファイバー屈折率回折格
子や光ファイバーのコネクタ等の光ファイバ関連のデバ
イスにおいて、熱膨張係数が正である材料と組み合わせ
て使用することにより、温度変化による影響を極力防ぐ
ことができ、温度補償部材として機能することができ
る。また、材料として異方性を有さないことから、異方
性を原因とする成形時の不具合や、物性のばらつきとい
った問題も生じることはなく、従来の液晶ポリマーなど
と比較して、光ファイバー関連のデバイスに好適に用い
ることができる。As described above, the negative thermal expansion glass-ceramic of the present invention has a coefficient of thermal expansion of −25 to −100 × 10 −7 / in the temperature range of −40 ° C. to + 160 ° C.
C. and has a negative coefficient of thermal expansion with a very large absolute value. Therefore, in optical fiber related devices such as optical fiber refractive index diffraction gratings and optical fiber connectors in the field of optical communication, by using in combination with a material having a positive coefficient of thermal expansion, it is possible to prevent the effects of temperature changes as much as possible. It is possible to function as a temperature compensation member. In addition, since it does not have anisotropy as a material, it does not cause problems such as molding defects and dispersion of physical properties due to anisotropy. Can be suitably used for the device.
【0057】さらに、負熱膨張性を利用して、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、バルク状の材料として使用できる。
また、本発明の負熱膨張性ガラスセラミックスは、ボー
ルミル、振動ミル、ローラーミル、ジェットミル等、公
知の粉砕装置により粒径100μm以下、好ましくは5
0μm以下に粉砕し、上記各分野に使用される有機物質
および無機物質に混合することにより、これらの物質の
熱膨張係数を低下させ、寸法安定性に優れる、熱膨張低
下用充填材(フィラー)として使用することができる。
これら有機物質、無機物質は特に限定されるものではな
く、たとえばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミ
ド樹脂、ポリカーボネート樹脂等や低融点ガラスなどが
挙げられ、用途も一般工業用、建築用など、広範な用途
向けのものが可能である。Further, by utilizing the negative thermal expansion property, it can be used as a bulk material in a wide range of applications such as the energy-related field, the information communication field and the electronics field.
The negative thermal expansion glass-ceramics of the present invention have a particle size of 100 μm or less, preferably 5 or less by a known crushing device such as a ball mill, a vibration mill, a roller mill, a jet mill.
By pulverizing to 0 μm or less and mixing with organic substances and inorganic substances used in each of the above fields, the thermal expansion coefficient of these substances is reduced, and the filler (filler) for reducing thermal expansion, which is excellent in dimensional stability. Can be used as
These organic substances and inorganic substances are not particularly limited, and examples thereof include phenol resin, epoxy resin, polyamide resin, polycarbonate resin and the like, low melting point glass, etc., and also have a wide range of uses such as general industrial use and construction. Targeted is possible.
【0058】また、本発明の負熱膨張性ガラスセラミッ
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るので、低コストで生産できる。
しかも、組成比を容易に制御できる成分からなる上に、
組成中に不安定な成分を含まないことから、組成・物性
の点で安定的に生産できる。Further, the negative thermal expansion glass-ceramic of the present invention can be produced at a low cost because it can be produced by melting the raw glass at a relatively low temperature as compared with the prior art.
Moreover, in addition to being composed of components whose composition ratio can be easily controlled,
Since no unstable components are contained in the composition, stable production can be achieved in terms of composition and physical properties.
【図1】本発明にかかるガラスセラミックスを温度補償
部材として使用した組立体の側断面図である。FIG. 1 is a side sectional view of an assembly using a glass-ceramic according to the present invention as a temperature compensation member.
【図2】本発明にかかるガラスセラミックスの表面を示
すSEM写真(走査型電子顕微鏡写真)である。FIG. 2 is an SEM photograph (scanning electron microscope photograph) showing the surface of the glass ceramics according to the present invention.
1 平面プレート 2 カバープレート 3 屈折率回折格子 4 光ファイバー 5 組立体 1 flat plate 2 cover plate 3 Refractive index diffraction grating 4 optical fiber 5 assembly
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平11−287138 (32)優先日 平成11年10月7日(1999.10.7) (33)優先権主張国 日本(JP) (56)参考文献 特開 昭63−201034(JP,A) 特開 昭61−242931(JP,A) 特開2000−266943(JP,A) 米国特許4507392(US,A) Jiin−Jyh Shyu et al.,Sintering,Crys tallization,and Pr operties of B203/P205 −Doped Li20・Al203・4S i02 Glass−Ceramics, Journal of the Ame rican Ceramic Soci ety,1995年 8月 1日,Vol. 78,No.8,p.2161−2167 E.G.Wolff,Thermal Expansion in Meta l/Lithia−Alumina−S ilica(LAS)Composit es,International J ournal of Thermoph ysics,1988年 3月,Vol. 9,No.2,p.221−232 Gerd Muller et a l.,Glass−ceramics based on phases wi th NZP−typr struct ure,Glastech.Ber., 1994年 9月,Vol.67,No.9, p.255−259 堀 裕紀子 他,C−3−46 ファイ バ・グレーティングの温度補償パッケー ジ,1997年電子情報通信学会総合大会講 演論文集 エレクトロニクス1,1997年 3月 6日,p.231 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C03C 1/00 - 14/00 G02B 6/00 - 6/54 WPI JOIS─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (31) Priority claim number Japanese Patent Application No. 11-287138 (32) Priority date October 7, 1999 (October 7, 1999) (33) Priority claim country Japan (JP) (56) References JP-A-63-201034 (JP, A) JP-A-61-242931 (JP, A) JP-A-2000-266943 (JP, A) US Pat. No. 4507392 (US, A) Jiin-Jyh Shuyu et. al. , Sintering, Crystalization, and Properties of B203 / P205-Doped Li20.Al203.4Si02 Glass-Ceramics, Journal of the America No. 78, August 7, 1995. Soc. 8, p. 2161-2167 E. G. Wolff, Thermal Expansion in Metal / Lithia-Alumina-Silica (LAS) Composites, International J. of Journal of Thermophysics, March 1988, Vol. 2, p. 221-232 Gerd Muller et al. , Glass-ceramics based on phases with NZP-typr structure, Glatech. Ber. , September 1994, Vol. 67, No. 9, p. 255-259 Yukiko Hori et al., C-3-46 Temperature compensation package for fiber grating, Proc. Of IEICE General Conference 1997, Electronics 1, March 6, 1997, p. 231 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) C03C 1/00-14/00 G02B 6/00-6/54 WPI JOIS
Claims (11)
て、熱膨張係数が−25〜−100×10-7/℃であ
り、 主結晶相が、β−ユークリプタイト固溶体(β−Li 2
O・Al 2 O 3 ・2SiO 2 固溶体)、β−ユークリプタ
イト(β−Li 2 O・Al 2 O 3 ・2SiO 2 )、β−石英
固溶体(β−SiO 2 固溶体)およびβ−石英(β−S
iO 2 )から選ばれる1種または2種以上である負熱膨
張性ガラスセラミックスであって、質量%で、BaO成
分を0.5〜4%含有する ことを特徴とする負熱膨張性
ガラスセラミックス。1. A temperature range of -40 ℃ ~ + 160 ℃, thermal expansion coefficient of -25~-100 × 10 -7 / ℃ der
The main crystalline phase is β-eucryptite solid solution (β-Li 2
O · Al 2 O 3 · 2SiO 2 solid solution), beta-Yukuriputa
(Β-Li 2 O ・ Al 2 O 3 ・ 2SiO 2 ), β-quartz
Solid solution (β-SiO 2 solid solution) and β-quartz (β-S
negative thermal expansion of one or more selected from iO 2 ).
Tough glass-ceramics with BaO composition in mass%
A negative thermal expansion glass-ceramic containing 0.5 to 4% of a component.
性ガラスセラミックス。2. The negative thermal expansion glass-ceramic according to claim 1, characterized in that it contains, by mass%, SiO 2 40 to 65% Al 2 O 3 25 to 45% Li 2 O 5 to 15%. .
で、70〜100%であることを特徴とする請求項2に
記載の負熱膨張性ガラスセラミックス。3. The total crystal amount of the main crystal phase is% by mass.
And 70 to 100%, The negative thermal expansion glass-ceramics according to claim 2.
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを、熱処
理することにより得られることを特徴とする請求項1、
2または3のいずれかに記載の負熱膨張性ガラスセラミ
ックス。In 4. mass%, SiO 2 40~65% Al 2 O 3 25~45% Li 2 O 5~15% B 2 O 3 0~3% BaO 0.5~4% MgO 0~2% CaO 0 to 3% ZnO 0 to 6% P 2 O 5 0 to 4% ZrO 2 0 to 4% TiO 2 0 to 4% As 2 O 3 + Sb 2 O 3 0 to 2% And PbO, Na 2
2. A raw glass which does not substantially contain O and K 2 O, which is obtained by heat-treating the raw glass.
The negative thermal expansion glass-ceramic according to any one of 2 and 3.
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを、溶融
し、急冷した後、粉末にしてから成形し、次に、焼成に
よって結晶化させて得られることを特徴とする請求項
1、2、3または4のいずれかに記載の負熱膨張性ガラ
スセラミックス。5. In mass%, SiO 2 40-65% Al 2 O 3 25-45% Li 2 O 5-15% B 2 O 3 0-3% BaO 0.5-4% MgO 0-2% CaO 0 to 3% ZnO 0 to 6% P 2 O 5 0 to 4% ZrO 2 0 to 4% TiO 2 0 to 4% As 2 O 3 + Sb 2 O 3 0 to 2% And PbO, Na 2
A raw glass substantially free of O and K 2 O is obtained by melting, quenching, powdering, shaping, and then crystallization by firing. The negative thermal expansion glass-ceramic according to any one of 3 and 4.
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを溶融
し、成形し、必要に応じて徐冷した後、加熱によって結
晶化させて得られることを特徴とする請求項1、2、3
または4のいずれかに記載の負熱膨張性ガラスセラミッ
クス。6. mass%, SiO 2 40~65% Al 2 O 3 25~45% Li 2 O 5~15% B 2 O 3 0~3% BaO 0.5~4% MgO 0~2% CaO 0 to 3% ZnO 0 to 6% P 2 O 5 0 to 4% ZrO 2 0 to 4% TiO 2 0 to 4% As 2 O 3 + Sb 2 O 3 0 to 2% And PbO, Na 2
4. A glass obtained by melting a raw glass containing substantially no O and K 2 O, shaping it, slowly cooling it if necessary, and then crystallizing it by heating.
Alternatively, the negative thermal expansion glass-ceramic according to any one of 4 above.
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを溶融
し、急冷した後、粉末にしてから成形し、1200〜1
350℃の温度で焼成して結晶化させることを特徴とす
る負熱膨張性ガラスセラミックスの製造方法。7. In mass%, SiO 2 40-65% Al 2 O 3 25-45% Li 2 O 5-15% B 2 O 3 0-3% BaO 0.5-4% MgO 0-2% CaO 0 to 3% ZnO 0 to 6% P 2 O 5 0 to 4% ZrO 2 0 to 4% TiO 2 0 to 4% As 2 O 3 + Sb 2 O 3 0 to 2% And PbO, Na 2
A raw glass that does not substantially contain O and K 2 O is melted, rapidly cooled, powdered, and then molded,
A method for producing a negative thermal expansion glass-ceramic, which comprises firing at a temperature of 350 ° C. for crystallization.
OおよびK2Oを実質的に含有しない原ガラスを溶融
し、成形し、必要に応じて徐冷した後、620〜800
℃の温度で核形成し、次いで、700〜950℃の温度
で結晶化させることを特徴とする負熱膨張性ガラスセラ
ミックスの製造方法。8. In mass%, SiO 2 40-65% Al 2 O 3 25-45% Li 2 O 5-15% B 2 O 3 0-3% BaO 0.5-4% MgO 0-2% CaO 0 to 3% ZnO 0 to 6% P 2 O 5 0 to 4% ZrO 2 0 to 4% TiO 2 0 to 4% As 2 O 3 + Sb 2 O 3 0 to 2% And PbO, Na 2
A raw glass containing substantially no O and K 2 O is melted, shaped, and gradually cooled as necessary, and then 620 to 800
A method for producing a negative thermal expansion glass-ceramic, which comprises nucleating at a temperature of ° C and then crystallizing at a temperature of 700 to 950 ° C.
とを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の負熱膨
張性ガラスセラミックス。9. The negative thermal expansion glass-ceramic according to claim 1, which is a material having almost no anisotropy.
せて温度補償部材として使用されることを特徴とする請
求項1、2、3、4、5、6または9に記載の負熱膨張
性ガラスセラミックス。10. The negative thermal expansion property according to claim 1, which is used as a temperature compensation member in combination with a material having a positive coefficient of thermal expansion. Glass ceramics.
いられることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、
6、9または10に記載の負熱膨張性ガラスセラミック
ス。11. A device for fixing an optical fiber, wherein the device is used as a device.
The negative thermal expansion glass-ceramic according to 6, 9, or 10.
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| US4507392A (en) | 1983-12-08 | 1985-03-26 | Corning Glass Works | Transparent glass-ceramics of high negative expansion for use as decorative glazes |
| JP2000266943A (en) | 1999-03-12 | 2000-09-29 | Nippon Electric Glass Co Ltd | Temperature compensation device for optical communication |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001172048A (en) | 2001-06-26 |
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