窒化アルミニウム焼結体
【課題】本発明は、焼成後、未研磨の状態において平滑な表面を有し、光線透過特性が高い窒化アルミニウム焼結体を提供することを目的としている。
【解決手段】本発明に係る窒化アルミニウム焼結体は、酸素濃度が４５０ｐｐｍ以下、酸素、窒素、アルミニウム以外の不純物元素濃度が３５０ｐｐｍ以下であり、平均結晶粒径が２μｍ〜２０μｍであり、更に、焼成後、未研磨の状態において、表面の算術平均高さＲａが１μｍ以下であり、最大高さＲｚが１０μｍ以下であることを特徴としている。
【解決手段】本発明に係る窒化アルミニウム焼結体は、酸素濃度が４５０ｐｐｍ以下、酸素、窒素、アルミニウム以外の不純物元素濃度が３５０ｐｐｍ以下であり、平均結晶粒径が２μｍ〜２０μｍであり、更に、焼成後、未研磨の状態において、表面の算術平均高さＲａが１μｍ以下であり、最大高さＲｚが１０μｍ以下であることを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規な窒化アルミニウム焼結体に関する。詳しくは、特に、焼成後、未研磨の状態において、平滑な表面を有することにより、光線透過特性が高い焼結体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高圧放電ランプの発光管の材料として、耐熱温度が１１００℃以上と高く、比較的安価に製造できるために、石英に替わって透光性アルミナが用いられている。
しかしながら、アルミナからなる発光管を用いた高圧放電ランプは、寿命が約９０００時間と短い。これは、主に、アルミナの低い耐熱衝撃性に起因する。また、メタルハライドランプにおいては、アルミナのメタルハライドガスに対する耐食性が低いために、ランプの寿命が更に短くなる。
【０００３】
そこで、高い透光性を有する窒化アルミニウムを用いた発光管が提案されている（特許文献１、２等）。窒化アルミニウムは、アルミナよりも、耐熱衝撃性および耐食性に優れており、ランプの長寿命化が図られる。
【０００４】
上記のようなセラミックス製発光管は、アルミナや窒化アルミニウム粉末をバインダー樹脂と混合し、所定形状に成形した後、これを焼成することで得られる。発光管材料として用いる場合には、耐熱衝撃性、耐食性に加え、特に光線透過特性に優れていることが求められる。
【０００５】
窒化アルミニウム焼結体の光線透過特性を向上するため、たとえば特許文献１においては、原料粉末の粒径、金属不純物含量、酸素含量を特定した原料を用いて１７００〜２１００℃の不活性雰囲気で焼成した場合に０．２μｍ〜３０μｍの波長範囲で７５％の透過率を示すＡｌＮ焼結体が得られることが開示されている。
【０００６】
また、特許文献２においては、０．３Ｄ〜１．８Ｄ（Ｄ：平均粒子径）の径を有する粒子が７０％以上である粒度分布を有する原料窒化アルミニウム粉末を使用して製造される窒化アルミニウム焼結体よりなる透光性カバー（中空管）を備えた発光管が開示されている。そして、当該公報実施例には、全光線透過率８４％の窒化アルミニウム焼結体が示されている。
【０００７】
また、特許文献３には、酸素濃度が４００ｐｐｍ以下、金属不純物濃度が１５０ｐｐｍ以下、且つ炭素濃度が２００ｐｐｍ以下に抑制されているとともに、２μｍ〜２０μｍの平均結晶粒径を有していることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体が開示されている。この焼結体は、２６０〜３００ｎｍの波長領域における分光スペクトル曲線の傾きが１．０（％／ｎｍ）以上、４００〜８００ｎｍの波長領域における光透過率が８６％以上であり、分光スペクトルにおける光透過率が６０％に到達するときの波長が４００ｎｍ以下である。
【特許文献１】特開平２−２６８７１号公報
【特許文献２】特開昭６０−１９３２５４号公報
【特許文献３】特開２００５−１１９９５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように、窒化アルミニウム焼結体の光学的特性の改善については、さまざまな提案がなされている。
ところで、窒化アルミニウム等のセラミック材料は、研磨によりその光学的特性が改善されることが知られている。一般に、表面粗さが小さくなるほど、焼結体の光学的特性（光透過率）は向上すると言われており、焼結体表面を鏡面研磨することにより光透過性の向上が期待される。
【０００９】
しかしながら、発光管のような複雑な表面形状（立体面）を有する物品においては、その表面研磨、特に、鏡面研磨は容易ではない。また、前記のように、純度を高めることによって透光性を改良した窒化アルミニウム焼結体は知られているが、その表面は十分平滑とは言えず、未だ改善の余地が残されていた。
【００１０】
このため、焼成後、未研磨の状態において平滑な表面を有し、光線透過特性が高い窒化アルミニウム焼結体が求められる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明が提供する上記課題を解決するための手段は以下のとおりである。
（１）表面の算術平均高さＲａが１μｍ以下であり、最大高さＲｚが１０μｍ以下である窒化アルミニウム焼結体。
（２）酸素濃度が４５０ｐｐｍ以下、酸素、窒素、アルミニウム以外の不純物元素濃度が３５０ｐｐｍ以下であり、かつ平均結晶粒径が２μｍ〜２０μｍである（１）に記載の窒化アルミニウム焼結体。
（３）焼成後、研磨前の状態にある（１）に記載の窒化アルミニウム焼結体。
（４）上記（１）〜（３）の何れかに記載の窒化アルミニウム焼結体からなる発光管。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、焼成後、未研磨の状態において平滑な表面を有し、光線透過特性が高く、特に、発光効率の高い光源の発光管材料として好適に使用することができる窒化アルミニウム焼結体が提供される。このような窒化アルミニウム焼結体では、別途研磨工程を行なわなくても、発光管材料として使用できる。このため、複雑な形状で研磨の困難な発光管の製造においては、本発明の窒化アルミニウム焼結体が特に好ましく使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明について、最良の形態を含めて、さらに具体的に説明する。
本発明に係る窒化アルミニウム焼結体は、未研磨の状態において、その表面の算術平均高さＲａが１μｍ以下、好ましくは０．８μｍ以下、さらに好ましくは０．７μｍ以下、特に好ましくは０．５μｍ以下であり、最大高さＲｚが１０μｍ以下、好ましくは８μｍ以下、さらに好ましくは６μｍ以下、特に好ましくは５μｍ以下である。
【００１４】
ここで、算術平均高さＲａおよび最大高さＲｚは、いずれもＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１（ＩＳＯ４２８７−１９９７準拠）に基づいて測定される値であり、測定条件の詳細は後述する。
【００１５】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、上記のように、未研磨の状態において、その表面が滑らかであり、また、後述するように、不純物濃度（アルミニウム及び窒素以外の成分濃度）が著しく低い範囲に抑制されていることにより、優れた光透過性を示し、たとえばチューブ形状での全透過率は、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上にも達する。
【００１６】
尚、全透過率の具体的評価方法は、実施例において詳述する。
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、不純物濃度（アルミニウム及び窒素以外の成分濃度）が著しく低い範囲に抑制されている。具体的には、酸素濃度が好ましくは４５０ｐｐ
ｍ以下、特に好ましくは３００ｐｐｍ以下、またその他の不純物濃度が好ましくは３５０ｐｐｍ以下、特に好ましくは２００ｐｐｍ以下に抑制されている。
【００１７】
尚、その他の不純物濃度とは、酸素、窒素、アルミニウム以外の元素濃度を意味し、焼結助剤に由来する金属とその他の金属（例えば原料粉末中の不可避的不純物に由来する金属）、炭素等との合計濃度を意味する。
【００１８】
さらに、窒化アルミニウム焼結体は、炭素濃度が２００ｐｐｍ以下に抑制されていることが好ましい。
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、後述するように特定の焼結助剤を特定量用い、特定の加熱条件下で焼成することで得られ、これにより不純物濃度が、従来公知の窒化アルミニウム焼結体に比して著しく低減されており、しかも、焼結後未研磨の状態における平滑性に優れるものであり、この結果として、後述する実施例にも示されているように、優れた光学特性を示す。例えば、不純物濃度が上記範囲内に抑制されており、表面の平滑性が制御された本発明の窒化アルミニウム焼結体は、可視光領域における光全透過率が８０％以上であり高い光透過率を示す。
【００１９】
従来、公知の窒化アルミニウム焼結体では、不純物含量の増大による透光性の低下を回避するため、焼結助剤を使用せずに焼成を行うことにより製造されているが、この場合、不純物である酸素を十分除去することができず、また、仮に焼結助剤を用いても、焼成条件によって焼結助剤の一部が残留することが多く、これを十分除去しようとした場合、焼結体の表面が荒れ、未研磨の状態で平滑な表面を得ることができなかった。このように、従来の技術においては、不純物濃度を上記範囲内に抑制したり、表面平滑性を制御したりすることができなかったため、上記のような光学特性を得ることは困難であった。
【００２０】
また、本発明の窒化アルミニウム焼結体は、平均結晶粒径が２〜２０μｍ、特に、５〜１５μｍの範囲にあることも重要である。即ち、平均結晶粒径が２μｍ未満の場合、窒化アルミニウム焼結体の透光性が低下してしまい、平均結晶粒径が２０μｍを超えた場合は、窒化アルミニウム焼結体の強度低下が著しく、例えば、透光性カバーの用途において、実用上の強度が不足する。本発明の焼結体は、窒化アルミニウムの平均結晶粒径が上記範囲内にあるため、前述した優れた光学特性を有すると同時に、高強度であり、例えば３００ＭＰａ以上の抗折強度を示す。
【００２１】
このような窒化アルミニウム焼結体は、前述したように、優れた光透過性を有し、発光管材料として好ましく使用できる。
また、本発明に係る窒化アルミニウム焼結体は、その熱伝導率が好ましくは１７０Ｗ／ｍＫ以上、さらに好ましくは１９０Ｗ／ｍＫ以上、特に好ましくは２００Ｗ／ｍＫ以上であり、窒化アルミニウム焼結体が本来有する高熱伝導性をも兼ね備える。
【００２２】
上記特性を有する窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウムが元来有する高い熱伝導性や高い化学的耐食性に加え、上記のような高い表面平滑性に裏付けられた、優れた光学特性を有しているため、発光管材料として好ましく使用できる。
【００２３】
また、紫外線透過窓のような透光性カバーの用途に適用した場合においては、前記光学的特性により、高い紫外線透過率を実現できる。
尚、本発明の窒化アルミニウム焼結体における上記諸特性、特に算術平均高さＲａ、最大高さＲｚおよび光透過性は、焼成後、研磨前の状態、すなわち焼成直後（ａｓ ｆｉｒｅｄ）における物性を示す。
【００２４】
一般に、セラミック材料の研磨により、表面の算術平均高さＲａは低くなる。特に鏡面
研磨によってＲａの値を著しく低くすることができる。そして、セラミック材料の光学的特性は、算術平均高さＲａと関連していることが多く、算術平均高さＲａが小さくなるほどセラミック材料の光学的特性は向上する。したがって、光学用セラミックにおいては、多くの場合、研磨されている。
【００２５】
一方、砥石による通常の研磨においては、被研磨体である焼結体からの脱粒が起こり、表面の最大高さＲｚは、研磨前よりむしろ悪化（増加）する。脱粒とは、セラミック材料を構成する結晶粒が、研磨時の衝撃により脱落する現象であり、脱落した粒子の大きさに相当する空隙が表面に形成される。このため、表面の最大高さＲｚは研磨前よりも大きくなる。
【００２６】
これに対し、本発明の窒化アルミニウム焼結体は、焼成後、未研磨の状態でＲａ、Ｒｚが共に低いという、優れた表面平滑性を有する。したがって、本発明の窒化アルミニウム焼結体は、研磨、特に、鏡面研磨が困難な、湾曲面、屈曲面等の立体面を有する焼結体に優れた透光性を付与するために極めて効果的である。
【００２７】
勿論、本発明の焼結体は、その形状や、用途、要求物性に応じて、研磨を行なうことは当然に許容される。
次に本発明に係る窒化アルミニウム焼結体の製造方法について具体例をあげて説明するが、本発明の窒化アルミニウム焼結体は、上記物性を有する限り、その製造方法は特に限定はされない。
【００２８】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム粉末と特定量のカルシウムアルミネート系焼結助剤との混合物を所定形状（たとえば、発光管形状；具体的には、後述の筒状、球状、これらの組合せ等の形状）に成形し、成形体を還元雰囲気下で特定の温度条件において焼成することで得られる。
【００２９】
原料として用いる窒化アルミニウム粉末としては、焼結によって、２〜２０μｍの結晶粒径が達成可能な粒子径を有するものが好ましく使用される。一般には、焼成に際しての粒成長を考慮して、前記結晶粒径より若干小さい平均粒子径を有するものが好適に使用され、例えば、平均粒子径が０．５〜１５μｍ、０．５〜１０μｍのものが好適である。
【００３０】
また、焼結体中の不純物濃度を低濃度の範囲に抑制するため、窒化アルミニウム粉末は、純度９７重量％以上、望ましくは９９重量％以上の高純度のものが好ましく、最も好適には、金属不純物濃度（Ａｌ以外の金属の濃度）が５０ｐｐｍ以下であり、且つ酸素濃度が１重量％以下、特に０．８重量％以下に低減されている高純度の窒化アルミニウムが使用される。
【００３１】
さらに、焼結体中の酸素濃度を低減させるため、不純物成分として炭素を含有する窒化アルミニウム粉末を用いることもできる。即ち、炭素の存在下で焼成を行うことにより、不純物として含まれている酸素が炭素と反応し、炭酸ガスとして取り除かれるからである。但し、このような炭素が原料粉末中に多く含まれると、焼結体中に不純物として残存してしまい透光性を損なうおそれがあるため、窒化アルミニウム粉末中の炭素濃度は、１５００ｐｐｍ以下とするのがよい。
【００３２】
焼結助剤としては、前述したように、Ｃａ3Ａｌ2Ｏ6（３ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3）、ＣａＡ
ｌ2Ｏ4（ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3）等のカルシウムアルミネートが用いられる。特にＣａ3Ａｌ2Ｏ6を用いることで、原料窒化アルミニウム粉末に含まれる不純物酸素を効率良く除去で
きる。さらに、焼結助剤としてＣａ3Ａｌ2Ｏ6を用い、後述する特定の温度条件下で焼成
を行なうことで、焼結終了後に助剤が揮散され、各不純物濃度をさらに低減する上で好適
であり、これにより、焼結体の光学特性をさらに向上させることができる。
【００３３】
上述した焼結助剤の使用量は、一般に、窒化アルミニウム粉末１００重量部当り、１〜１５重量部、特に１〜１０重量部の範囲にあることが、各不純物濃度を前述した範囲に抑制し、透光性等の光学的特性に優れた窒化アルミニウム焼結体を得るために好ましい。
【００３４】
窒化アルミニウム粉末と焼結助剤粉末との混合は、公知の方法によって行なうことができる。例えば、ボールミル等の混合機によって、乾式または湿式により混合する方法が好適に採用できる。また、湿式混合では、アルコール類、炭化水素類等の分散媒を使用するが、分散性の点でアルコール類、炭化水素類を用いることが好ましい。
【００３５】
尚、この混合にあたっては、焼結助剤の水分吸着或いは凝集を生じないように、ドライエア中で保存され、必要により真空乾燥された焼結助剤の粉末を直ちに窒化アルミニウム粉末と混合するのがよい。
【００３６】
焼成に先立っては、上記混合粉末を、用途に応じて所定形状に成形するが、このような成形は、それ自体公知の手段で行うことができるが、強度の高い成形体を成形し、歩留まりを高めるためには、有機バインダーを用いて成形してもよい。
【００３７】
例えば、上記混合粉末を有機バインダーと、必要により分散剤、可塑剤、溶媒などと混合して成形用スラリー乃至ペーストを調製し、この成形用スラリー乃至ペーストを、ドクターブレード法、押出成形法、射出成形法、鋳込み成形法などの成形手段によって成形体を作製することができる。有機バインダーとしては、ポリビニルブチラール等のブチラール樹脂、ポリメタクリルブチル等のアクリル樹脂等を例示することができ、このような有機バインダーは、窒化アルミニウム粉末１００重量部当り、０．１〜３０重量部、特に１〜１５重量部の量で使用することができる。また、分散剤としては、グリセリン化合物類などを例示することができ、可塑剤としては、フタル酸エステル類などを挙げることができ、溶媒には、イソプロピルアルコールや炭化水素類などが使用される。
【００３８】
また、有機バインダーを用いずに、圧縮成形法により成形を行うこともできる。例えば、窒化アルミニウム粉末と焼結助剤粉末との混合粉末を、一軸成形機にて、仮成形体を製造し、これを、ＣＩＰ（冷間アイソスタテックプレス）成形機にて１〜４ｔ／ｃｍ2で加
圧成形することにより、成形体を作製することができる。
【００３９】
得られた成形体は、脱脂（脱バインダー）した後、焼成に付される。
脱脂は、空気中、窒素中、水素中等の任意の雰囲気で加熱することにより行うことができるが、残留炭素量の調整がし易い、窒素中で脱脂を行うことが好ましい。また、脱脂温度は、有機バインダーの種類によっても異なるが、一般には、３００〜９００℃、特に３００〜７００℃が好適である。尚、圧縮成形法のように、有機バインダーを用いずに成形を行った場合には、上記の脱脂工程は不要である。
【００４０】
焼結助剤の除去を有効に行い、焼結体中の金属不純物濃度や酸素濃度を低減するために、焼成は、還元雰囲気下で行われる。
上記還元性雰囲気での焼成を実現する方法としては、焼成用の容器として、非カーボン製、例えば、窒化アルミニウム焼結体、窒化ホウ素成形体等の容器を使用し、該容器の外部にカーボン発生源を存在させることにより、カーボンもしくは炭素化合物をガスの状態で焼成用の容器内に供給する方法が最も好適である。即ち、成形体とカーボン発生源とを焼成用の容器内に共存させた場合、還元濃度が高くなり過ぎ、強い還元力のため、焼結助剤の揮散速度が速くなることがある。このため、焼結後の窒化アルミニウム焼結体の表面粗度が大きくなってしまうおそれがある。
【００４１】
尚、前記容器内のカーボン濃度の調整は、容器と蓋との間に形成される隙間を利用しても良いし、容器に細孔を空けてもよい。
また、上記カーボンの発生源は特に制限されず、無定形炭素や黒鉛等の公知の形態のカーボンを用いることができ、固体状のカーボンが好適である。上記カーボンの形状としては、特に制限されず、粉末状、繊維状、フェルト状、シート状、板状のいずれもよく、またそれらを組み合わせてもよい。その中でも、より高い熱伝導率を得ることを勘案すると、板状の無定形炭素や黒鉛が好適である。
【００４２】
上記還元雰囲気下における焼成は、温度１５００〜２０００℃、好ましくは１６００〜１９５０℃、さらに好ましくは１７００〜１９００℃で、少なくとも３時間、特に１０時間以上実施することが好ましい。また、上記焼成は、長時間行うことによって、窒化アルミニウム焼結体の結晶粒子の成長を伴い、さらには、焼結体中の炭素濃度が増大してしまうため、還元雰囲気下での焼成時間を１００時間以内、特に５０時間以内、最も好適には、３０時間以内とすることが好ましい。還元雰囲気下での焼成を長時間行うと、金属不純物濃度は前述した範囲内に抑制されるとしても、炭素濃度が増大してしまい、結局、焼結体の光学特性が損なわれてしまうおそれがある。
【００４３】
上記の焼成工程を経ることで、本発明に係る窒化アルミニウム焼結体が得られる。
また、得られた焼結体を、高温分解性アルミニウム化合物の共存下で加熱処理（アニール処理）することで窒化アルミニウム焼結体の光透過性をさらに向上できる。共存させる高温分解性アルミニウム化合物は、窒化アルミニウムの焼成中期、さらには、焼成後期において安定に存在し尚且つ、アルミニウム系ガスを気相に放出する材料が好ましい。すなわち、１０００℃以上の温度において安定に存在し尚且つアルミニウム系ガスを放出する材料が好ましい。例えば、Ａｌ2Ｏ3、Ａｌ2Ｓ3、ＡｌＦ3、ＡｌＮなどが挙げられる。尚
、高温分解性アルミニウム化合物として用いられる窒化アルミニウムは、上記焼成工程を経て得られる本発明の焼結体とは異なり、１５００℃程度の温度においてアルミニウム系ガスを徐放する。高温分解性窒化アルミニウムのガス徐放性は、粒界相の組成や構造に起因するものと考えられる。これら高温分解性アルミニウム化合物は、粉末、成形体、焼結体などのいずれの形態であっても構わず、ガス化したアルミニウム系化合物を上記焼結体に曝すことによっても同様の効果が得られる。アニール工程では、Ｎ2ガスを０．１〜３
０Ｌ／ｍｉｎの条件でフローさせる。アニール温度は、１６００〜２０００℃で、１〜２００時間、緻密質なカーボン、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどの材質からなる焼成容器を用いて、高温分解性アルミニウム化合物を焼成容器内に共存させることにより行われる。
【００４４】
なんら理論的に拘束されるものではないが、上記のようなアニール処理により、焼結体中の空孔型欠陥に、アルミニウムが補完され、完全結晶あるいはそれに近い窒化アルミニウム結晶粒が形成され、光透過性等の光学特性が向上するものと考えられる。
【００４５】
このようにして得られる本発明の窒化アルミニウム焼結体は、透光性カバー等の用途における構造に応じて、種々の形状、例えば、チューブ状、板状、曲面状、球状、楕円球状、カップ状、お碗状等の形状で使用に供される。
【００４６】
本発明に係る発光管は、上記した窒化アルミニウム粉末、焼結助剤および有機バインダー等からなるスラリー乃至ペーストを用いて、押出成形法、射出成形法、鋳込み成形法などの成形手段によって発光管形状の成形体（グリーン体）を作製し、これを上記条件において脱脂、焼成、アニールすることで得られる。
【００４７】
発光管の形状は、使用分野において様々であり、たとえば単純な円筒形状であってもよ
く、また円筒の一部に球状の中空部が設けられた構造でもよく、またその他の形状であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明によれば、焼成後、未研磨の状態において平滑な表面を有し、光線透過特性が高く、特に、発光効率の高い光源の発光管材料として好適に使用することができる窒化アルミニウム焼結体が提供される。このような窒化アルミニウム焼結体では、別途研磨工程を行なわなくても、発光管材料として使用できる。このため、複雑な形状で研磨の困難な発光管の製造においては、本発明の窒化アルミニウム焼結体が特に好ましく使用される。
【００４９】
（実施例）
以下本発明を実施例により説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００５０】
尚、実施例および比較例における各種の物性の測定は次の方法により行った。
１）算術平均表面高さＲａ
表面粗さは、（株）東京精密製サーフコム４７０Ａを用いて、トレーシングスピード０．３ｍｍ／秒、カットオフ０．８、測定長さ２．５ｍｍの条件で測定した。
２）最大表面高さＲｚ
表面粗さは、（株）東京精密製サーフコム４７０Ａを用いて、トレーシングスピード０．３ｍｍ／秒、カットオフ０．８、測定長さ０．５ｍｍの条件で測定した。
３）不純物濃度
金属不純物濃度（金属元素濃度）は、窒化アルミニウム焼結体を粉砕し粉末状にした後、アルカリ溶融後、酸で中和し、島津製作所製「ＩＣＰ−１０００」を使用して溶液のＩＣＰ発光分析により定量した。
【００５１】
炭素濃度は、窒化アルミニウム焼結体を粉末状にした後、堀場製作所製「ＥＭＩＡ−１１０」を使用して、粉末を酸素気流中で燃焼させ、発生したＣＯ、ＣＯ2ガス量から定量
した。
【００５２】
酸素濃度は、窒化アルミニウム焼結体を粉砕し粉末状にした後、堀場製作所製「ＥＭＧＡ−２８００」を使用して、グラファイトるつぼ中での高温熱分解法により発生したＣＯガス量から求めた。
【００５３】
また、窒化アルミニウム粉末の各不純物濃度は、上記窒化アルミニウム焼結体の粉末と同様にして測定した。
４）熱伝導率
理学電気（株）製の熱定数測定装置ＰＳ−７を使用して、レーザーフラッシュ法により測定した。厚み補正は検量線により行った。
５）光透過率
チューブ形状の窒化アルミニウム焼結体の光透過率は、図１に示すように、積分球の中に光ファイバーでハロゲン光を導入し、光ファイバーの先端にサンプルを覆ったときに漏れ出した光量を測定した。サンプルを覆わなかったとき、つまり、空気をリファレンスとして、その比を透過率とした。サンプルの厚さは０．８ｍｍとした。
（実施例１）
内容積が２．４Ｌのナイロン製ポットに、鉄心をナイロンで被覆した、直径１５ｍｍのナイロンボール（表面硬度１００ｋｇｆ／ｍｍ2以下、密度３．５ｇ／ｃｍ3）を入れ、次いで、平均粒径が１．３μｍ、比表面積が３．３９ｍ2／ｇ、酸素濃度０．８ｗｔ％、金
属元素濃度３５ｐｐｍの窒化アルミニウム粉末１００重量部に対して、焼結助剤粉末として平均粒径が１．８μｍ、比表面積が３．７５ｍ2／ｇのカルシウムアルミネート化合物
（Ｃａ3Ａｌ2Ｏ6）を５部、次いで、エタノールを溶媒として４０重量部加えて湿式混合
した。この時、前記ナイロンボールはポットの内容積の４０％（見かけの体積）充填した。混合はポットの回転数７０ｒｐｍで３時間行った。更に、得られたスラリーを乾燥して窒化アルミニウム粉末を得た。
【００５４】
次に、得られた窒化アルミニウム粉末１０ｇを一軸成形機にて直径４０ｍｍ、厚み６ｍｍの成形体に仮成形した後、ＣＩＰ成形機にて３ｔ／ｃｍ2の荷重をかけて本成形を行っ
た。
【００５５】
上記、操作にて得られた成形体を窒化アルミニウム製のセッターを用いて窒素に還元性物質が含まれたガス雰囲気中で、焼成温度１８８０℃、３０時間で焼成し、直径３０ｍｍ、厚み５ｍｍの焼結体を得た。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００５６】
（実施例２）
最高温度保持時間を５０時間としたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００５７】
（実施例３）
最高温度保持時間を１００時間としたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００５８】
（実施例４）
実施例１により得られた焼結体を、さらに、高温分解性アルミニウム化合物としてアルミナ粉末を３ｇ入れた窒化アルミニウム製のセッターに入れ、温度１８８０℃、３０時間でアニールを行い、窒化アルミニウム焼結体を得た。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００５９】
（実施例５）
アニール処理における高温分解性アルミニウム化合物の種類をＡｌＮとしたこと以外は実施例４と同様の操作を行い、窒化アルミニウム焼結体を得た。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。尚、アニール処理で使用した高温分解性窒化アルミニウムは、ＳＨ３０（トクヤマ製窒化アルミニウム焼結体）である。
【００６０】
（実施例６）
焼結助剤の添加量を２部としたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００６１】
（実施例７）
焼結助剤の添加量を１０部としたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００６２】
（実施例８）
焼成用のセッターの材質を窒化ホウ素としたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００６３】
（比較例１）
焼結助剤を添加しないこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００６４】
（比較例２）
焼結助剤の添加量を０．５部としたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００６５】
（比較例３）
焼結助剤の添加量を２０部としたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００６６】
（比較例４）
焼結助剤の種類を酸化イットリウムとし、その添加量を５部としたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００６７】
（比較例５）
焼成用のセッターの材質をカーボンとしたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００６８】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】光線透過率の測定装置の概略を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規な窒化アルミニウム焼結体に関する。詳しくは、特に、焼成後、未研磨の状態において、平滑な表面を有することにより、光線透過特性が高い焼結体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高圧放電ランプの発光管の材料として、耐熱温度が１１００℃以上と高く、比較的安価に製造できるために、石英に替わって透光性アルミナが用いられている。
しかしながら、アルミナからなる発光管を用いた高圧放電ランプは、寿命が約９０００時間と短い。これは、主に、アルミナの低い耐熱衝撃性に起因する。また、メタルハライドランプにおいては、アルミナのメタルハライドガスに対する耐食性が低いために、ランプの寿命が更に短くなる。
【０００３】
そこで、高い透光性を有する窒化アルミニウムを用いた発光管が提案されている（特許文献１、２等）。窒化アルミニウムは、アルミナよりも、耐熱衝撃性および耐食性に優れており、ランプの長寿命化が図られる。
【０００４】
上記のようなセラミックス製発光管は、アルミナや窒化アルミニウム粉末をバインダー樹脂と混合し、所定形状に成形した後、これを焼成することで得られる。発光管材料として用いる場合には、耐熱衝撃性、耐食性に加え、特に光線透過特性に優れていることが求められる。
【０００５】
窒化アルミニウム焼結体の光線透過特性を向上するため、たとえば特許文献１においては、原料粉末の粒径、金属不純物含量、酸素含量を特定した原料を用いて１７００〜２１００℃の不活性雰囲気で焼成した場合に０．２μｍ〜３０μｍの波長範囲で７５％の透過率を示すＡｌＮ焼結体が得られることが開示されている。
【０００６】
また、特許文献２においては、０．３Ｄ〜１．８Ｄ（Ｄ：平均粒子径）の径を有する粒子が７０％以上である粒度分布を有する原料窒化アルミニウム粉末を使用して製造される窒化アルミニウム焼結体よりなる透光性カバー（中空管）を備えた発光管が開示されている。そして、当該公報実施例には、全光線透過率８４％の窒化アルミニウム焼結体が示されている。
【０００７】
また、特許文献３には、酸素濃度が４００ｐｐｍ以下、金属不純物濃度が１５０ｐｐｍ以下、且つ炭素濃度が２００ｐｐｍ以下に抑制されているとともに、２μｍ〜２０μｍの平均結晶粒径を有していることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体が開示されている。この焼結体は、２６０〜３００ｎｍの波長領域における分光スペクトル曲線の傾きが１．０（％／ｎｍ）以上、４００〜８００ｎｍの波長領域における光透過率が８６％以上であり、分光スペクトルにおける光透過率が６０％に到達するときの波長が４００ｎｍ以下である。
【特許文献１】特開平２−２６８７１号公報
【特許文献２】特開昭６０−１９３２５４号公報
【特許文献３】特開２００５−１１９９５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように、窒化アルミニウム焼結体の光学的特性の改善については、さまざまな提案がなされている。
ところで、窒化アルミニウム等のセラミック材料は、研磨によりその光学的特性が改善されることが知られている。一般に、表面粗さが小さくなるほど、焼結体の光学的特性（光透過率）は向上すると言われており、焼結体表面を鏡面研磨することにより光透過性の向上が期待される。
【０００９】
しかしながら、発光管のような複雑な表面形状（立体面）を有する物品においては、その表面研磨、特に、鏡面研磨は容易ではない。また、前記のように、純度を高めることによって透光性を改良した窒化アルミニウム焼結体は知られているが、その表面は十分平滑とは言えず、未だ改善の余地が残されていた。
【００１０】
このため、焼成後、未研磨の状態において平滑な表面を有し、光線透過特性が高い窒化アルミニウム焼結体が求められる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明が提供する上記課題を解決するための手段は以下のとおりである。
（１）表面の算術平均高さＲａが１μｍ以下であり、最大高さＲｚが１０μｍ以下である窒化アルミニウム焼結体。
（２）酸素濃度が４５０ｐｐｍ以下、酸素、窒素、アルミニウム以外の不純物元素濃度が３５０ｐｐｍ以下であり、かつ平均結晶粒径が２μｍ〜２０μｍである（１）に記載の窒化アルミニウム焼結体。
（３）焼成後、研磨前の状態にある（１）に記載の窒化アルミニウム焼結体。
（４）上記（１）〜（３）の何れかに記載の窒化アルミニウム焼結体からなる発光管。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、焼成後、未研磨の状態において平滑な表面を有し、光線透過特性が高く、特に、発光効率の高い光源の発光管材料として好適に使用することができる窒化アルミニウム焼結体が提供される。このような窒化アルミニウム焼結体では、別途研磨工程を行なわなくても、発光管材料として使用できる。このため、複雑な形状で研磨の困難な発光管の製造においては、本発明の窒化アルミニウム焼結体が特に好ましく使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明について、最良の形態を含めて、さらに具体的に説明する。
本発明に係る窒化アルミニウム焼結体は、未研磨の状態において、その表面の算術平均高さＲａが１μｍ以下、好ましくは０．８μｍ以下、さらに好ましくは０．７μｍ以下、特に好ましくは０．５μｍ以下であり、最大高さＲｚが１０μｍ以下、好ましくは８μｍ以下、さらに好ましくは６μｍ以下、特に好ましくは５μｍ以下である。
【００１４】
ここで、算術平均高さＲａおよび最大高さＲｚは、いずれもＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１（ＩＳＯ４２８７−１９９７準拠）に基づいて測定される値であり、測定条件の詳細は後述する。
【００１５】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、上記のように、未研磨の状態において、その表面が滑らかであり、また、後述するように、不純物濃度（アルミニウム及び窒素以外の成分濃度）が著しく低い範囲に抑制されていることにより、優れた光透過性を示し、たとえばチューブ形状での全透過率は、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上にも達する。
【００１６】
尚、全透過率の具体的評価方法は、実施例において詳述する。
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、不純物濃度（アルミニウム及び窒素以外の成分濃度）が著しく低い範囲に抑制されている。具体的には、酸素濃度が好ましくは４５０ｐｐ
ｍ以下、特に好ましくは３００ｐｐｍ以下、またその他の不純物濃度が好ましくは３５０ｐｐｍ以下、特に好ましくは２００ｐｐｍ以下に抑制されている。
【００１７】
尚、その他の不純物濃度とは、酸素、窒素、アルミニウム以外の元素濃度を意味し、焼結助剤に由来する金属とその他の金属（例えば原料粉末中の不可避的不純物に由来する金属）、炭素等との合計濃度を意味する。
【００１８】
さらに、窒化アルミニウム焼結体は、炭素濃度が２００ｐｐｍ以下に抑制されていることが好ましい。
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、後述するように特定の焼結助剤を特定量用い、特定の加熱条件下で焼成することで得られ、これにより不純物濃度が、従来公知の窒化アルミニウム焼結体に比して著しく低減されており、しかも、焼結後未研磨の状態における平滑性に優れるものであり、この結果として、後述する実施例にも示されているように、優れた光学特性を示す。例えば、不純物濃度が上記範囲内に抑制されており、表面の平滑性が制御された本発明の窒化アルミニウム焼結体は、可視光領域における光全透過率が８０％以上であり高い光透過率を示す。
【００１９】
従来、公知の窒化アルミニウム焼結体では、不純物含量の増大による透光性の低下を回避するため、焼結助剤を使用せずに焼成を行うことにより製造されているが、この場合、不純物である酸素を十分除去することができず、また、仮に焼結助剤を用いても、焼成条件によって焼結助剤の一部が残留することが多く、これを十分除去しようとした場合、焼結体の表面が荒れ、未研磨の状態で平滑な表面を得ることができなかった。このように、従来の技術においては、不純物濃度を上記範囲内に抑制したり、表面平滑性を制御したりすることができなかったため、上記のような光学特性を得ることは困難であった。
【００２０】
また、本発明の窒化アルミニウム焼結体は、平均結晶粒径が２〜２０μｍ、特に、５〜１５μｍの範囲にあることも重要である。即ち、平均結晶粒径が２μｍ未満の場合、窒化アルミニウム焼結体の透光性が低下してしまい、平均結晶粒径が２０μｍを超えた場合は、窒化アルミニウム焼結体の強度低下が著しく、例えば、透光性カバーの用途において、実用上の強度が不足する。本発明の焼結体は、窒化アルミニウムの平均結晶粒径が上記範囲内にあるため、前述した優れた光学特性を有すると同時に、高強度であり、例えば３００ＭＰａ以上の抗折強度を示す。
【００２１】
このような窒化アルミニウム焼結体は、前述したように、優れた光透過性を有し、発光管材料として好ましく使用できる。
また、本発明に係る窒化アルミニウム焼結体は、その熱伝導率が好ましくは１７０Ｗ／ｍＫ以上、さらに好ましくは１９０Ｗ／ｍＫ以上、特に好ましくは２００Ｗ／ｍＫ以上であり、窒化アルミニウム焼結体が本来有する高熱伝導性をも兼ね備える。
【００２２】
上記特性を有する窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウムが元来有する高い熱伝導性や高い化学的耐食性に加え、上記のような高い表面平滑性に裏付けられた、優れた光学特性を有しているため、発光管材料として好ましく使用できる。
【００２３】
また、紫外線透過窓のような透光性カバーの用途に適用した場合においては、前記光学的特性により、高い紫外線透過率を実現できる。
尚、本発明の窒化アルミニウム焼結体における上記諸特性、特に算術平均高さＲａ、最大高さＲｚおよび光透過性は、焼成後、研磨前の状態、すなわち焼成直後（ａｓ ｆｉｒｅｄ）における物性を示す。
【００２４】
一般に、セラミック材料の研磨により、表面の算術平均高さＲａは低くなる。特に鏡面
研磨によってＲａの値を著しく低くすることができる。そして、セラミック材料の光学的特性は、算術平均高さＲａと関連していることが多く、算術平均高さＲａが小さくなるほどセラミック材料の光学的特性は向上する。したがって、光学用セラミックにおいては、多くの場合、研磨されている。
【００２５】
一方、砥石による通常の研磨においては、被研磨体である焼結体からの脱粒が起こり、表面の最大高さＲｚは、研磨前よりむしろ悪化（増加）する。脱粒とは、セラミック材料を構成する結晶粒が、研磨時の衝撃により脱落する現象であり、脱落した粒子の大きさに相当する空隙が表面に形成される。このため、表面の最大高さＲｚは研磨前よりも大きくなる。
【００２６】
これに対し、本発明の窒化アルミニウム焼結体は、焼成後、未研磨の状態でＲａ、Ｒｚが共に低いという、優れた表面平滑性を有する。したがって、本発明の窒化アルミニウム焼結体は、研磨、特に、鏡面研磨が困難な、湾曲面、屈曲面等の立体面を有する焼結体に優れた透光性を付与するために極めて効果的である。
【００２７】
勿論、本発明の焼結体は、その形状や、用途、要求物性に応じて、研磨を行なうことは当然に許容される。
次に本発明に係る窒化アルミニウム焼結体の製造方法について具体例をあげて説明するが、本発明の窒化アルミニウム焼結体は、上記物性を有する限り、その製造方法は特に限定はされない。
【００２８】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム粉末と特定量のカルシウムアルミネート系焼結助剤との混合物を所定形状（たとえば、発光管形状；具体的には、後述の筒状、球状、これらの組合せ等の形状）に成形し、成形体を還元雰囲気下で特定の温度条件において焼成することで得られる。
【００２９】
原料として用いる窒化アルミニウム粉末としては、焼結によって、２〜２０μｍの結晶粒径が達成可能な粒子径を有するものが好ましく使用される。一般には、焼成に際しての粒成長を考慮して、前記結晶粒径より若干小さい平均粒子径を有するものが好適に使用され、例えば、平均粒子径が０．５〜１５μｍ、０．５〜１０μｍのものが好適である。
【００３０】
また、焼結体中の不純物濃度を低濃度の範囲に抑制するため、窒化アルミニウム粉末は、純度９７重量％以上、望ましくは９９重量％以上の高純度のものが好ましく、最も好適には、金属不純物濃度（Ａｌ以外の金属の濃度）が５０ｐｐｍ以下であり、且つ酸素濃度が１重量％以下、特に０．８重量％以下に低減されている高純度の窒化アルミニウムが使用される。
【００３１】
さらに、焼結体中の酸素濃度を低減させるため、不純物成分として炭素を含有する窒化アルミニウム粉末を用いることもできる。即ち、炭素の存在下で焼成を行うことにより、不純物として含まれている酸素が炭素と反応し、炭酸ガスとして取り除かれるからである。但し、このような炭素が原料粉末中に多く含まれると、焼結体中に不純物として残存してしまい透光性を損なうおそれがあるため、窒化アルミニウム粉末中の炭素濃度は、１５００ｐｐｍ以下とするのがよい。
【００３２】
焼結助剤としては、前述したように、Ｃａ3Ａｌ2Ｏ6（３ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3）、ＣａＡ
ｌ2Ｏ4（ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3）等のカルシウムアルミネートが用いられる。特にＣａ3Ａｌ2Ｏ6を用いることで、原料窒化アルミニウム粉末に含まれる不純物酸素を効率良く除去で
きる。さらに、焼結助剤としてＣａ3Ａｌ2Ｏ6を用い、後述する特定の温度条件下で焼成
を行なうことで、焼結終了後に助剤が揮散され、各不純物濃度をさらに低減する上で好適
であり、これにより、焼結体の光学特性をさらに向上させることができる。
【００３３】
上述した焼結助剤の使用量は、一般に、窒化アルミニウム粉末１００重量部当り、１〜１５重量部、特に１〜１０重量部の範囲にあることが、各不純物濃度を前述した範囲に抑制し、透光性等の光学的特性に優れた窒化アルミニウム焼結体を得るために好ましい。
【００３４】
窒化アルミニウム粉末と焼結助剤粉末との混合は、公知の方法によって行なうことができる。例えば、ボールミル等の混合機によって、乾式または湿式により混合する方法が好適に採用できる。また、湿式混合では、アルコール類、炭化水素類等の分散媒を使用するが、分散性の点でアルコール類、炭化水素類を用いることが好ましい。
【００３５】
尚、この混合にあたっては、焼結助剤の水分吸着或いは凝集を生じないように、ドライエア中で保存され、必要により真空乾燥された焼結助剤の粉末を直ちに窒化アルミニウム粉末と混合するのがよい。
【００３６】
焼成に先立っては、上記混合粉末を、用途に応じて所定形状に成形するが、このような成形は、それ自体公知の手段で行うことができるが、強度の高い成形体を成形し、歩留まりを高めるためには、有機バインダーを用いて成形してもよい。
【００３７】
例えば、上記混合粉末を有機バインダーと、必要により分散剤、可塑剤、溶媒などと混合して成形用スラリー乃至ペーストを調製し、この成形用スラリー乃至ペーストを、ドクターブレード法、押出成形法、射出成形法、鋳込み成形法などの成形手段によって成形体を作製することができる。有機バインダーとしては、ポリビニルブチラール等のブチラール樹脂、ポリメタクリルブチル等のアクリル樹脂等を例示することができ、このような有機バインダーは、窒化アルミニウム粉末１００重量部当り、０．１〜３０重量部、特に１〜１５重量部の量で使用することができる。また、分散剤としては、グリセリン化合物類などを例示することができ、可塑剤としては、フタル酸エステル類などを挙げることができ、溶媒には、イソプロピルアルコールや炭化水素類などが使用される。
【００３８】
また、有機バインダーを用いずに、圧縮成形法により成形を行うこともできる。例えば、窒化アルミニウム粉末と焼結助剤粉末との混合粉末を、一軸成形機にて、仮成形体を製造し、これを、ＣＩＰ（冷間アイソスタテックプレス）成形機にて１〜４ｔ／ｃｍ2で加
圧成形することにより、成形体を作製することができる。
【００３９】
得られた成形体は、脱脂（脱バインダー）した後、焼成に付される。
脱脂は、空気中、窒素中、水素中等の任意の雰囲気で加熱することにより行うことができるが、残留炭素量の調整がし易い、窒素中で脱脂を行うことが好ましい。また、脱脂温度は、有機バインダーの種類によっても異なるが、一般には、３００〜９００℃、特に３００〜７００℃が好適である。尚、圧縮成形法のように、有機バインダーを用いずに成形を行った場合には、上記の脱脂工程は不要である。
【００４０】
焼結助剤の除去を有効に行い、焼結体中の金属不純物濃度や酸素濃度を低減するために、焼成は、還元雰囲気下で行われる。
上記還元性雰囲気での焼成を実現する方法としては、焼成用の容器として、非カーボン製、例えば、窒化アルミニウム焼結体、窒化ホウ素成形体等の容器を使用し、該容器の外部にカーボン発生源を存在させることにより、カーボンもしくは炭素化合物をガスの状態で焼成用の容器内に供給する方法が最も好適である。即ち、成形体とカーボン発生源とを焼成用の容器内に共存させた場合、還元濃度が高くなり過ぎ、強い還元力のため、焼結助剤の揮散速度が速くなることがある。このため、焼結後の窒化アルミニウム焼結体の表面粗度が大きくなってしまうおそれがある。
【００４１】
尚、前記容器内のカーボン濃度の調整は、容器と蓋との間に形成される隙間を利用しても良いし、容器に細孔を空けてもよい。
また、上記カーボンの発生源は特に制限されず、無定形炭素や黒鉛等の公知の形態のカーボンを用いることができ、固体状のカーボンが好適である。上記カーボンの形状としては、特に制限されず、粉末状、繊維状、フェルト状、シート状、板状のいずれもよく、またそれらを組み合わせてもよい。その中でも、より高い熱伝導率を得ることを勘案すると、板状の無定形炭素や黒鉛が好適である。
【００４２】
上記還元雰囲気下における焼成は、温度１５００〜２０００℃、好ましくは１６００〜１９５０℃、さらに好ましくは１７００〜１９００℃で、少なくとも３時間、特に１０時間以上実施することが好ましい。また、上記焼成は、長時間行うことによって、窒化アルミニウム焼結体の結晶粒子の成長を伴い、さらには、焼結体中の炭素濃度が増大してしまうため、還元雰囲気下での焼成時間を１００時間以内、特に５０時間以内、最も好適には、３０時間以内とすることが好ましい。還元雰囲気下での焼成を長時間行うと、金属不純物濃度は前述した範囲内に抑制されるとしても、炭素濃度が増大してしまい、結局、焼結体の光学特性が損なわれてしまうおそれがある。
【００４３】
上記の焼成工程を経ることで、本発明に係る窒化アルミニウム焼結体が得られる。
また、得られた焼結体を、高温分解性アルミニウム化合物の共存下で加熱処理（アニール処理）することで窒化アルミニウム焼結体の光透過性をさらに向上できる。共存させる高温分解性アルミニウム化合物は、窒化アルミニウムの焼成中期、さらには、焼成後期において安定に存在し尚且つ、アルミニウム系ガスを気相に放出する材料が好ましい。すなわち、１０００℃以上の温度において安定に存在し尚且つアルミニウム系ガスを放出する材料が好ましい。例えば、Ａｌ2Ｏ3、Ａｌ2Ｓ3、ＡｌＦ3、ＡｌＮなどが挙げられる。尚
、高温分解性アルミニウム化合物として用いられる窒化アルミニウムは、上記焼成工程を経て得られる本発明の焼結体とは異なり、１５００℃程度の温度においてアルミニウム系ガスを徐放する。高温分解性窒化アルミニウムのガス徐放性は、粒界相の組成や構造に起因するものと考えられる。これら高温分解性アルミニウム化合物は、粉末、成形体、焼結体などのいずれの形態であっても構わず、ガス化したアルミニウム系化合物を上記焼結体に曝すことによっても同様の効果が得られる。アニール工程では、Ｎ2ガスを０．１〜３
０Ｌ／ｍｉｎの条件でフローさせる。アニール温度は、１６００〜２０００℃で、１〜２００時間、緻密質なカーボン、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどの材質からなる焼成容器を用いて、高温分解性アルミニウム化合物を焼成容器内に共存させることにより行われる。
【００４４】
なんら理論的に拘束されるものではないが、上記のようなアニール処理により、焼結体中の空孔型欠陥に、アルミニウムが補完され、完全結晶あるいはそれに近い窒化アルミニウム結晶粒が形成され、光透過性等の光学特性が向上するものと考えられる。
【００４５】
このようにして得られる本発明の窒化アルミニウム焼結体は、透光性カバー等の用途における構造に応じて、種々の形状、例えば、チューブ状、板状、曲面状、球状、楕円球状、カップ状、お碗状等の形状で使用に供される。
【００４６】
本発明に係る発光管は、上記した窒化アルミニウム粉末、焼結助剤および有機バインダー等からなるスラリー乃至ペーストを用いて、押出成形法、射出成形法、鋳込み成形法などの成形手段によって発光管形状の成形体（グリーン体）を作製し、これを上記条件において脱脂、焼成、アニールすることで得られる。
【００４７】
発光管の形状は、使用分野において様々であり、たとえば単純な円筒形状であってもよ
く、また円筒の一部に球状の中空部が設けられた構造でもよく、またその他の形状であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明によれば、焼成後、未研磨の状態において平滑な表面を有し、光線透過特性が高く、特に、発光効率の高い光源の発光管材料として好適に使用することができる窒化アルミニウム焼結体が提供される。このような窒化アルミニウム焼結体では、別途研磨工程を行なわなくても、発光管材料として使用できる。このため、複雑な形状で研磨の困難な発光管の製造においては、本発明の窒化アルミニウム焼結体が特に好ましく使用される。
【００４９】
（実施例）
以下本発明を実施例により説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００５０】
尚、実施例および比較例における各種の物性の測定は次の方法により行った。
１）算術平均表面高さＲａ
表面粗さは、（株）東京精密製サーフコム４７０Ａを用いて、トレーシングスピード０．３ｍｍ／秒、カットオフ０．８、測定長さ２．５ｍｍの条件で測定した。
２）最大表面高さＲｚ
表面粗さは、（株）東京精密製サーフコム４７０Ａを用いて、トレーシングスピード０．３ｍｍ／秒、カットオフ０．８、測定長さ０．５ｍｍの条件で測定した。
３）不純物濃度
金属不純物濃度（金属元素濃度）は、窒化アルミニウム焼結体を粉砕し粉末状にした後、アルカリ溶融後、酸で中和し、島津製作所製「ＩＣＰ−１０００」を使用して溶液のＩＣＰ発光分析により定量した。
【００５１】
炭素濃度は、窒化アルミニウム焼結体を粉末状にした後、堀場製作所製「ＥＭＩＡ−１１０」を使用して、粉末を酸素気流中で燃焼させ、発生したＣＯ、ＣＯ2ガス量から定量
した。
【００５２】
酸素濃度は、窒化アルミニウム焼結体を粉砕し粉末状にした後、堀場製作所製「ＥＭＧＡ−２８００」を使用して、グラファイトるつぼ中での高温熱分解法により発生したＣＯガス量から求めた。
【００５３】
また、窒化アルミニウム粉末の各不純物濃度は、上記窒化アルミニウム焼結体の粉末と同様にして測定した。
４）熱伝導率
理学電気（株）製の熱定数測定装置ＰＳ−７を使用して、レーザーフラッシュ法により測定した。厚み補正は検量線により行った。
５）光透過率
チューブ形状の窒化アルミニウム焼結体の光透過率は、図１に示すように、積分球の中に光ファイバーでハロゲン光を導入し、光ファイバーの先端にサンプルを覆ったときに漏れ出した光量を測定した。サンプルを覆わなかったとき、つまり、空気をリファレンスとして、その比を透過率とした。サンプルの厚さは０．８ｍｍとした。
（実施例１）
内容積が２．４Ｌのナイロン製ポットに、鉄心をナイロンで被覆した、直径１５ｍｍのナイロンボール（表面硬度１００ｋｇｆ／ｍｍ2以下、密度３．５ｇ／ｃｍ3）を入れ、次いで、平均粒径が１．３μｍ、比表面積が３．３９ｍ2／ｇ、酸素濃度０．８ｗｔ％、金
属元素濃度３５ｐｐｍの窒化アルミニウム粉末１００重量部に対して、焼結助剤粉末として平均粒径が１．８μｍ、比表面積が３．７５ｍ2／ｇのカルシウムアルミネート化合物
（Ｃａ3Ａｌ2Ｏ6）を５部、次いで、エタノールを溶媒として４０重量部加えて湿式混合
した。この時、前記ナイロンボールはポットの内容積の４０％（見かけの体積）充填した。混合はポットの回転数７０ｒｐｍで３時間行った。更に、得られたスラリーを乾燥して窒化アルミニウム粉末を得た。
【００５４】
次に、得られた窒化アルミニウム粉末１０ｇを一軸成形機にて直径４０ｍｍ、厚み６ｍｍの成形体に仮成形した後、ＣＩＰ成形機にて３ｔ／ｃｍ2の荷重をかけて本成形を行っ
た。
【００５５】
上記、操作にて得られた成形体を窒化アルミニウム製のセッターを用いて窒素に還元性物質が含まれたガス雰囲気中で、焼成温度１８８０℃、３０時間で焼成し、直径３０ｍｍ、厚み５ｍｍの焼結体を得た。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００５６】
（実施例２）
最高温度保持時間を５０時間としたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００５７】
（実施例３）
最高温度保持時間を１００時間としたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００５８】
（実施例４）
実施例１により得られた焼結体を、さらに、高温分解性アルミニウム化合物としてアルミナ粉末を３ｇ入れた窒化アルミニウム製のセッターに入れ、温度１８８０℃、３０時間でアニールを行い、窒化アルミニウム焼結体を得た。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００５９】
（実施例５）
アニール処理における高温分解性アルミニウム化合物の種類をＡｌＮとしたこと以外は実施例４と同様の操作を行い、窒化アルミニウム焼結体を得た。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。尚、アニール処理で使用した高温分解性窒化アルミニウムは、ＳＨ３０（トクヤマ製窒化アルミニウム焼結体）である。
【００６０】
（実施例６）
焼結助剤の添加量を２部としたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００６１】
（実施例７）
焼結助剤の添加量を１０部としたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００６２】
（実施例８）
焼成用のセッターの材質を窒化ホウ素としたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００６３】
（比較例１）
焼結助剤を添加しないこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００６４】
（比較例２）
焼結助剤の添加量を０．５部としたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００６５】
（比較例３）
焼結助剤の添加量を２０部としたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００６６】
（比較例４）
焼結助剤の種類を酸化イットリウムとし、その添加量を５部としたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００６７】
（比較例５）
焼成用のセッターの材質をカーボンとしたこと以外は、実施例１と同様の操作を行った。窒化アルミニウム焼結体の製造条件及び得られた窒化アルミニウム焼結体の特性を表１に示した。
【００６８】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】光線透過率の測定装置の概略を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の算術平均高さＲａが１μｍ以下であり、最大高さＲｚが１０μｍ以下である窒化アルミニウム焼結体。
【請求項２】
酸素濃度が４５０ｐｐｍ以下、酸素、窒素、アルミニウム以外の不純物元素濃度が３５０ｐｐｍ以下であり、かつ平均結晶粒径が２μｍ〜２０μｍである請求項１に記載の窒化アルミニウム焼結体。
【請求項３】
焼成後、未研磨の状態にある請求項１に記載の窒化アルミニウム焼結体。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の窒化アルミニウム焼結体からなる発光管。
【請求項１】
表面の算術平均高さＲａが１μｍ以下であり、最大高さＲｚが１０μｍ以下である窒化アルミニウム焼結体。
【請求項２】
酸素濃度が４５０ｐｐｍ以下、酸素、窒素、アルミニウム以外の不純物元素濃度が３５０ｐｐｍ以下であり、かつ平均結晶粒径が２μｍ〜２０μｍである請求項１に記載の窒化アルミニウム焼結体。
【請求項３】
焼成後、未研磨の状態にある請求項１に記載の窒化アルミニウム焼結体。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の窒化アルミニウム焼結体からなる発光管。
【図１】
【公開番号】特開２００７−７０２１８（Ｐ２００７−７０２１８Ａ）
【公開日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１５０６１（Ｐ２００６−２１５０６１）
【出願日】平成１８年８月７日（２００６．８．７）
【出願人】（０００００３１８２）株式会社トクヤマ (839)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月７日（２００６．８．７）
【出願人】（０００００３１８２）株式会社トクヤマ (839)
【Ｆターム（参考）】
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