(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量百分率で、
２０〜４４％のＳｉＯ２と、
２６〜５０％のＰｂＯと、
１６〜２０％のＦｅ２Ｏ３及び／又はＦｅＯと、
０〜１２％のＫ２Ｏと、
０〜１０％のＮａ２Ｏと、
０〜３％のＴｉＯ２と、
０〜４％のＭｎＯ２と、
を含み、Ｋ２Ｏ及びＮａ２Ｏの含有率の合計が重量百分率で９〜１２％であることを特徴とするファイバオプティックプレート用吸収体ガラス。
【請求項２】
ＴｉＯ２及び／又はＭｎＯ２をさらに含有し、ＳｉＯ２と、ＰｂＯと、Ｆｅ２Ｏ３及び／又はＦｅＯとの含有率の和が重量百分率で８４〜９１％であり、ＴｉＯ２とＭｎＯ２との含有率の和が重量百分率で７％以下であることを特徴とする、請求項１に記載のファイバオプティックプレート用吸収体ガラス。
【請求項３】
熱膨張係数が９８．５×１０−７℃−１以下であり、ガラス転移点が５１５℃以下であり、屈伏点が５７０℃以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のファイバオプティックプレート用吸収体ガラス。
【請求項４】
複数の光ファイバを束ねた状態で一体化することによって形成され、
コアガラスからなり、入射した光を伝搬する複数のコアと、
前記コアガラスよりも屈折率が低いクラッドガラスからなり、前記コアのそれぞれの外周部を覆うクラッドと、
前記複数のコアの間に配置され、前記コアから漏れ前記クラッドに入射した迷光を吸収する吸収体と、
を備え、
前記吸収体は、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のファイバオプティックプレート用吸収体ガラスを用いて構成されていることを特徴とするファイバオプティックプレート。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファイバオプティックプレートなどに用いることができる吸収体ガラス、並びにその吸収体ガラスを用いたファイバオプティックプレートに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ファイバオプティックプレート（ＦＯＰ）は、複数のオプティカルファイバで構成された板状のイメージ素子であり、イメージインテンシフィアやＣＲＴのフェースプレート、ＣＣＤカップリングなど、光学機器の光導波路として利用されている。
【０００３】
ＦＯＰは、例えば以下のようにして製造される。すなわち、コアガラスをクラッドガラスで被覆した細いシングルファイバと、吸収体ファイバとの集合体を、ファイバ方向に整列させ、この集合体を所定の寸法に線引した後、その複数本を束ねてさらに線引する。この操作を複数回繰り返した後、得られる集合体を高温真空下で圧力を加えながら融着させる。この融着体をファイバ方向に対して垂直に切断してＦＯＰが得られる。
【０００４】
このＦＯＰに光が入射すると、ファイバ内で光の全反射が繰り返されるため、入射面から出射面に高い解像度で効率よく光を伝達することができる。このとき、全反射せずにコアガラスから漏れる光（迷光）が一部生じるが、この迷光を吸収体ガラスに吸収させることによって他のコアガラスへの入射が防止される。
【０００５】
この吸収体ガラスの迷光吸収特性は、所定の吸収波長帯を有する酸化物着色剤の配合により得ることができる。例えば特開平２−３８３４３号公報には、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、ＢａＯ、ＴｉＯ2の５成分を基本成分し、ＣｏＯ、Ｆｅ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5、Ｃｒ2Ｏ3などを配合した吸収体ガラスが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年では可視光域のみならず近赤外域によるイメージ伝達も多様されるようになっている。しかしながら、従来の吸収体ガラスは、可視光域（例えば５５０ｎｍ付近）での吸収性は有するものの、近赤外域での迷光吸収特性が不足している。従って、このような吸収体ガラスを用いたＦＯＰにおいては、近赤外域でのイメージ伝達を行う際に解像度が劣化してしまう。
【０００７】
また、酸化物着色剤の種類及び含有率によってはガラス化状態が不安定となり、ＦＯＰ製造の際の高温高圧下での融着やファイバ化の線引などの工程において、退色を生じたり、拡散等によりコアの失透を生じたりする。さらに、製造時又は使用時に割れが生じるなど、強度が不十分となる場合がある。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、可視光域から近赤外域にわたる光に対して十分な吸収特性を有すると共に、安定且つ強固な吸収体ガラス、並びにその吸収体ガラスを用いたファイバオプティックプレートを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、吸収体ガラスにおけるＳｉＯ2の含有率と、ＦｅＯとＦｅ2Ｏ3との含有率の和とがそれぞれ所定の条件を満たす場合に、近赤外域（例えば７９０ｎｍ）において良好な吸収特性を示すことを見出し、上記の組成を有する吸収体ガラスを特開平９−７１４３６号公報に開示している。そして、本発明者は、かかる知見に基づいてさらに研究を重ねた結果、ＳｉＯ2と、ＰｂＯと、Ｆｅ2Ｏ3及び／又はＦｅＯとを含む吸収体ガラスにおいて、所定量のＫ2Ｏ及び／又はＮａ2Ｏを配合することによって上記課題が解決されることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明のファイバオプティックプレート用吸収体ガラス（以下、場合により単に「吸収体ガラス」という。）は、重量百分率で、２０〜４４％のＳｉＯ２と、２６〜５０％のＰｂＯと、１６〜２０％のＦｅ２Ｏ３及び／又はＦｅＯと、０〜１２％のＫ２Ｏと、０〜１０％のＮａ２Ｏと、０〜３％のＴｉＯ２と、０〜４％のＭｎＯ２と、を含み、Ｋ２Ｏ及びＮａ２Ｏの含有率の合計が重量百分率で９〜１２％であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のファイバオプティックプレートは、複数の光ファイバを束ねた状態で一体化することによって形成され、コアガラスからなり、入射した光を伝搬する複数のコアと、コアガラスよりも屈折率が低いクラッドガラスからなり、コアのそれぞれの外周部を覆うクラッドと、複数のコアの間に配置され、コアから漏れクラッドに入射した迷光を吸収する吸収体と、を備え、該吸収体は、上記本発明のファイバオプティックプレート用吸収体ガラスを用いて構成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の吸収体ガラスでは、ＳｉＯ2と、ＰｂＯと、Ｆｅ2Ｏ3及び／又はＦｅＯとを配合することによって、吸収体ガラスの吸収特性が可視光域から近赤外域にわたって十分に高められる。また、これらの成分は非常に高い融点を有するものであるが、重量百分率で９〜１２％のＫ2Ｏ及び／又はＮａ2Ｏを配合することによって、吸収体ガラスの製造時においてこれらの高融点物質を十分に低い温度で溶融させることができ、その結果、吸収体ガラスの安定性と強度とを十分に高めることができる。従って、本発明により可視光域から近赤外域にわたる光に対して十分な吸収特性を有すると共に、安定且つ強固な吸収体ガラスが実現され、当該吸収体ガラスを用いた本発明のファイバオプティックプレートによって、可視光域から近赤外域までの広い範囲で良好な解像度を維持しつつイメージを伝送することが可能となる。
【００１３】
また、本発明の吸収体ガラスは、ＴｉＯ2及び／又はＭｎＯ2をさらに含有し、ＳｉＯ2と、ＰｂＯと、Ｆｅ2Ｏ3及び／又はＦｅＯとの含有率の和が重量百分率で８４〜９１％であり、ＴｉＯ2とＭｎＯ2との含有率の和が重量百分率で７％以下であることを特徴としてもよい。ＴｉＯ2及び／又はＭｎＯ2を上記の含有率で含有させることによって、可視光域から近赤外域にわたる吸収特性をさらに高めることができる。
【００１５】
また、本発明の吸収体ガラスは、熱膨張係数が９８．５×１０-7℃-1以下であり、ガラス転移点が５１５℃以下であり、屈伏点が５７０℃以下であることを特徴としてもよい。これらの条件を満たすことによって、熱的歪の発生が十分に防止されるので、加熱延伸加工や加熱融着などの工程において望ましい芯形状を維持することができ、また、変質によるＦＯＰの解像度の低下を防止することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、場合により図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の実施形態において、「％」は重量百分率で示したものである。
【００１７】
本発明の吸収体ガラスにおいて、ＳｉＯ2及びＰｂＯはガラスを形成するための酸化物である。これらの含有率は、吸収体ガラスの吸収特性、安定性及び強度を損なわない限り特に制限されないが、ＳｉＯ2の含有率は２０〜４４％であることが好ましく、ＰｂＯの含有率は２６〜５０％であることが好ましい。ＳｉＯ2及びＰｂＯの含有率がそれぞれ前記下限値未満であると、後述するＦｅ2Ｏ3及びＦｅＯを多量に含有させることが困難となる傾向にあり、他方、前記上限値を越えると、吸収体ガラスにおける着色剤の含有率が不十分となるため、十分な吸収特性が得られにくくなる傾向にある。
【００１８】
Ｆｅ2Ｏ3及びＦｅＯは、幅広い吸収波長帯を有する酸化物着色剤であり、これらの添加により可視光域から近赤外域にわたる吸収特性が達成される。本発明においては、Ｆｅ2Ｏ3又はＦｅＯのうちのいずれか一方を配合してもよく、両者を併用してもよいが、可視光域において特に良好な吸収特性を示すＦｅ2Ｏ3と、近赤外域において特に良好な吸収特性を示すＦｅＯとを併用すると、広い範囲でより優れた吸収特性が得られるので好ましい。
【００１９】
また、Ｆｅ2Ｏ3とＦｅＯとの含有率の和は、１６〜２０％であることが好ましい。これらの含有率の和が１６％未満であると、可視光域から近赤外域にわたって十分な吸収特性が得られにくくなる傾向にあり、２０％を越えると、結晶化を起こしやすくガラス化が困難となる傾向にある。
【００２０】
さらに、ＳｉＯ2と、ＰｂＯと、Ｆｅ2Ｏ3及び／又はＦｅＯとの含有率の和は８４〜９１％であることが好ましい。これらの含有率の和が８４％未満であると、可視光域から近赤外域までの吸収特性、安定性及び強度の全てをバランスよく達成することが困難となる傾向にある。他方、９１％を越えると、後述するＫ2Ｏ及びＮａ2Ｏの含有率が不十分となり、これらのガラス成分を溶融するために非常に高温に加熱しなければならなくなる。
【００２１】
Ｋ2Ｏ及びＮａ2Ｏは、吸収体ガラスの熱膨張係数を高めると共に、ガラス転移点及び屈伏点を低める作用を有するもので、本発明の吸収体ガラスにおいては９〜１２％配合される。これにより、吸収体ガラスの製造時において、非常に高い融点を有する上記の成分を十分に低い温度で溶融させることができ、その結果、吸収体ガラスの安定性と強度とを十分に高めることができる。なお、これらの含有率の和が９％未満であると、吸収体ガラスの熱膨張係数が低下したり、ガラス転移点及び軟化点が上昇して、安定性及び強度が不十分となる。また、Ｋ2Ｏ及びＮａ2Ｏの含有率の和が１２％を越えると、可視光域から近赤外域までの吸収特性が不十分となる。
【００２２】
また、本発明においては、Ｋ2Ｏ又はＮａ2Ｏのいずれか一方を単独で用いてもよく、双方を組み合わせて用いてもよいが、Ｋ2Ｏの含有率は０〜１２％、Ｎａ2Ｏの含有率は０〜１０％であることが好ましい。なお、Ｎａ2Ｏの含有率が１０％を超えると、可視光域から近赤外域までの吸収特性が低下する傾向にある。
【００２３】
このように、本発明の吸収体ガラスは、ＳｉＯ2と、ＰｂＯと、Ｆｅ2Ｏ3及び／又はＦｅＯと、９〜１２％のＫ2Ｏ及び／又はＮａ2Ｏとを必須成分として含有するものであるが、これらの成分に加えてＴｉＯ2及び／又はＭｎＯ2をさらに含有してもよい。ＴｉＯ2及びＭｎＯ2をＦｅ2Ｏ3及び／又はＦｅＯと共存させることによって、可視光域から近赤外域にわたる吸収特性をさらに高めることができる。本発明においては、ＴｉＯ2及びＭｎＯ2のうちのいずれか一方を単独で用いてもよく、双方を組み合わせて用いてもよいが、これらの含有率の和は７％以下であることが好ましい。また、ＴｉＯ2の含有率は０〜３％、ＭｎＯ2の含有率は０〜４％であることが好ましい。ＴｉＯ2又はＭｎＯ2の含有率が前記上限値を超えると、吸収体ガラスのガラス化が困難となる傾向にある。さらに、前記上限値を越える含有率でこれらを配合するためにＦｅ2Ｏ3及び／又はＦｅＯの含有率を低減すると、可視光域から近赤外域にわたる吸収特性が低下する傾向にある。
【００２４】
また、本発明の吸収体ガラスは、熱膨張係数が９８．５×１０-7℃-1以下であり、ガラス転移点が５１５℃以下であり、屈伏点が５７０℃以下であることが好ましい。これらの条件を満たすことによって、熱的歪の発生が十分に防止されるので、加熱延伸加工や加熱融着などの工程において望ましい芯形状を維持することができ、また、変質によるＦＯＰの解像度の低下を防止することができる。
【００２５】
次に、本発明に係る吸収体ガラスファイバの製造方法の一例について説明する。先ず、ＳｉＯ2と、ＰｂＯと、Ｆｅ2Ｏ3及び／又はＦｅＯと、９〜１２％のＫ2Ｏ及び／又はＮａ2Ｏと、を均一に混合した後、石英坩堝に投入し、１２００〜１２５０℃に加熱してラフメルトを行う。このとき、必要に応じてＴｉＯ2及び／又はＭｎＯ2を配合してもよい。ほぼ全ての成分が溶融したところで、石英坩堝から溶融物を取り出し、急冷してカレットとする。この操作を繰り返し、最終的に得られたカレットを白金坩堝に投入し、１３５０〜１４５０℃に加熱して２〜６時間溶融する。このとき、白金棒で溶融物を攪拌し、溶融物の均質化を行う。その後、徐冷し、溶融物が適当な粘度に至ったところで、棒状のキャビティーを有する方に溶融物を流し込む。この溶融物を、炉内温度が予め５００〜５５０℃に設定された電気炉内に型ごと入れてアニール処理を行う。そして、電気炉内で溶融物が所定の温度となったところで加熱を停止し、溶融物を自然冷却する。このようにして得られる棒状の吸収体ガラスを、所定の寸法に研削、研磨した後、線引などの加工により吸収体ガラスファイバが得られる。
【００２６】
上記の構成を有する本発明の吸収体ガラスは、幅広い波長領域で良好な吸収特性を示すと共に、安定性及び強度に優れるものであり、ファイバオプティックプレートの吸収体として用いた場合に優れた効果を発揮する。
【００２７】
図１は本発明のファイバオプティックプレートの好適な一実施形態を示す断面図である。図１はファイバオプティックプレートの光路方向に垂直な断面図を示すもので、ファイバオプティックプレート１は、高屈折率のコアガラスからなる複数のコア２と、コアガラスよりも低屈折率のクラッドガラスからなり、コア２のそれぞれの外周部を被覆するクラッド３と、上記した本発明の吸収体ガラスからなり、コア２の間に配置された吸収体４とで構成されている。
【００２８】
ファイバオプティックプレート１に入射した光は、コア２内で全反射を繰り返し、入射面から出射面に伝達される。このとき、全反射しないでコア２から漏れる光（迷光）が生じる場合があるが、吸収体３は可視光域から近赤外域にわたって良好な吸収特性を有しているため、迷光が他のコア２に入射する現象を十分に防止することができ、可視光域のみならず近赤外域においても高解像度を維持しつつイメージを伝達することができる。
【００２９】
このように優れた特性を有する本発明のファイバオプティックプレートは、イメージインテンシフィアやＣＲＴのフェースプレート、ＣＣＤカップリング等、光学機器の光導波路として非常に有用である。また、指紋検出器に用いた場合には、従来の静電容量検出方式の指紋検出器では達成が困難であった、静電気耐圧に強い、乾燥指の検出が可能である等の利点がある。
【００３０】
【実施例】
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【００３１】
実施例１
ＳｉＯ2、ＰｂＯ、ＦｅxＯy（Ｆｅ2Ｏ3とＦｅＯとの混合物）及びＫ2Ｏを表１に示す組成で均一に混合した後、石英坩堝に投入し、１２５０℃に加熱してラフメルトを行った。ほぼ全ての成分が溶融したところで、石英坩堝から溶融物を取り出し、急冷してカレットとした。この操作を繰り返し、最終的に得られたカレットを白金坩堝に投入し、白金棒で撹拌しながら１４５０℃に加熱して６時間溶融した。その後、徐冷し、溶融物が適当な粘度に至ったところで、棒状のキャビティーを有する方に溶融物を流し込み、この溶融物を、炉内温度が予め５５０℃に設定された電気炉内に型ごと入れてアニール処理を行った。そして、電気炉内で溶融物が５５０℃となったところで加熱を停止し、溶融物を自然冷却して棒状の吸収体ガラスを得た。得られた吸収体ガラスの熱膨張係数、ガラス転移点、屈伏点及びガラス化状態を表１に示す。
【００３２】
この吸収体ガラスの吸効能を以下の手順で評価した。すなわち、吸収体ガラスを所定の寸法に研削し、０．１ｍｍの厚さに両面研磨して、波長６７０ｎｍ及び８９０ｎｍでの透過率を測定した。得られた測定値より吸光度を求め、これを試料の厚さで除して規格化し、後述する比較例１の吸収体ガラスの波長６７０ｎｍでの吸光度を１００としたときの相対値を吸光能とした。得られた結果を表１に示す。
【００３３】
実施例２〜１７、比較例１
ガラス組成をそれぞれ表１〜４に示す通りにしたこと以外は実施例１と同様にして、吸収体ガラスを作製し、その吸光能を評価した。各吸収体ガラスの熱膨張係数、ガラス転移点、屈伏点、ガラス化状態及び吸光能を表１〜４に示す。
【００３４】
【表１】
0004060568.tif 000002
【００３５】
【表２】
0004060568.tif 000003
【００３６】
【表３】
0004060568.tif 000004
【００３７】
【表４】
0004060568.tif 000005
【００３８】
表１〜４に示す通り、実施例１〜１７の吸収体ガラスは、６７０ｎｍ、８９０ｎｍの両波長に対して十分に高い吸光能を有していることが確認された。
【００３９】
実施例１８
実施例１で得られた吸収体ガラスを用いて、図１に示したファイバオプティックプレートを作製した（厚さ：３．０ｍｍ）。本実施例で用いたコアガラス、クラッドガラス及び吸収体ガラスのガラス組成、屈折率、熱膨張係数、ガラス転移点、屈伏点及び密度を表５に示す。また、得られたファイバオプティックプレートについて平行光及び拡散光を用いて分光透過率を測定した。得られた透過率と波長との相関を図２に示す。
【００４０】
比較例２
比較例１で得られた吸収体ガラスを用いたこと以外は実施例１と同様にして、ファイバオプティックプレートを作製し、その分光透過率を測定した。得られた透過率と波長との相関を図３に示す。
【００４１】
【表５】
0004060568.tif 000006
【００４２】
図３に示すように、比較例２のファイバオプティックプレートでは、近赤外域での吸収体ガラスの迷光吸収能力の不足に起因する分光透過率の増加が見られた。これに対して、図２に示すように、実施例１８のファイバオプティックプレートではこのような分光透過率の増加は見られず、可視光域だけでなく近赤外域のイメージをも高解像度で伝送できることが確認された。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の吸収体ガラスでは、ＳｉＯ2と、ＰｂＯと、Ｆｅ2Ｏ3及び／又はＦｅＯとを配合することによって、吸収体ガラスの吸収特性が可視光域から近赤外域にわたって十分に高められる。また、これらの成分は非常に高い融点を有するものであるが、重量百分率で９〜１２％のＫ2Ｏ及び／又はＮａ2Ｏを配合することによって、吸収体ガラスの製造時においてこれらの高融点物質を十分に低い温度で溶融させることができ、その結果、吸収体ガラスの安定性と強度とを十分に高めることができる。従って、本発明により可視光域から近赤外域にわたる光に対して十分な吸収特性を有すると共に、安定且つ強固な吸収体ガラスが実現され、当該吸収体ガラスを用いた本発明のファイバオプティックプレートによって、可視光域から近赤外域までの広い範囲で良好な解像度を維持しつつイメージを伝送することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のファイバオプティックプレートの好適な一実施形態を示す断面図である。
【図２】実施例１８で得られたファイバオプティックプレートの透過率と波長との相関を示すグラフである。
【図３】比較例２で得られたファイバオプティックプレートの透過率と波長との相関を示すグラフである。
【符号の説明】
１…ファイバオプティックプレート、２…コア、３…クラッド、４…吸収体。
【図１】
0004060568.tif 000007
【図２】
0004060568.tif 000008
【図３】
0004060568.tif 000009