透光性セラミックス
【課題】本発明の目的は、簡易な方法により得られる透光性に優れたＭｇＯの固溶体からなる透光性セラミックスを提供することにある。
【解決手段】本発明の透光性セラミックスは、第１成分に第２成分が固溶した固溶体からなるものであって、該固溶体は、単結晶または多結晶体であり、該第１成分は、ＭｇＯであり、該第２成分は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｎ、およびＺｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素または該元素を含む化合物であることを特徴とする。
【解決手段】本発明の透光性セラミックスは、第１成分に第２成分が固溶した固溶体からなるものであって、該固溶体は、単結晶または多結晶体であり、該第１成分は、ＭｇＯであり、該第２成分は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｎ、およびＺｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素または該元素を含む化合物であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭｇＯに特定の成分が固溶した固溶体からなる透光性セラミックスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭｇＯ（酸化マグネシウムまたはマグネシア）は、その結晶構造が立方晶であり複屈折が無いため、気孔や不純物の偏析を除去することにより透光性に優れた焼結体を得ることが可能である。このようなＭｇＯは、融点が２８００℃と非常に高く、耐熱性、耐アルカリ性及び高熱伝導性を有する優れた素材であることが知られている。しかしながら、ＭｇＯはその融点が極めて高いため、既存の単結晶合成技術では光学的に優れた大型結晶を合成することは困難であった。
【０００３】
一方セラミックス（多結晶体）は、融点以下の比較的低い温度での合成が可能であるため、ＭｇＯ同様高融点の酸化イットリウム（イットリア）やその他希土類酸化物に関して、従来より赤外用高温窓材、放電ランプ用エンベロープ、耐食部材等に適用すべく検討が盛んに行われている。
【０００４】
多結晶透光性ＭｇＯ焼結体に関する報告例としては、ＭｇＯ粉末を有機溶媒に分散し、再仮焼して焼結性を改善する方法等が挙げられる（たとえば特許文献１）。また焼結助剤を添加する方法としては、溶液状のアルミニウム化合物を添加する方法（特許文献２）、ＳｉＯ2と微量のＢ2Ｏ3を添加する方法（特許文献３）、酸化スカンジウム、酸化イッテルビウム、酸化ゲルマニウムを０．０１〜０．５ｗｔ％添加し、不活性雰囲気で焼成する方法（特許文献４）等が挙げられる。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の手法では、充分な透光性の焼結体を得ることは非常に困難であると共に、ＭｇＯの緻密化を促進する有機溶剤の役割が未解明であり、粉末の製造履歴によっては有機溶媒の添加効果が発現しない場合がある。また、上記特許文献２の手法においては、透過率に関する記述が無いために詳細は不明であるが、Ａｌ2Ｏ3単独で透光性の高い焼結体を作製するためには、非常に焼結性に優れた原料粉末を使用する必要がある。
【０００６】
さらに、上記特許文献３の手法では、Ｂ2Ｏ3が微量であってもＭｇＯの高温での機械的強度を低下させる上、低融点物である硼素化合物によって焼成炉が激しく汚染されるという欠点がある。また、特許文献４の手法においては、１７００℃以上という比較的高温で焼成しているにもかかわらず、透光性も全透過率で８０％程度であり、理論透過率（約８８％）には遠く及ばないという欠点がある。 また、これら焼結助剤を添加する方法では、比表面積は記載されていないため詳細は不明であるが、非常に微細なＭｇＯ粉末を用いている。粉体の粒子径が小さくなるほど焼結活性は高くなるが、粒子間の摩擦力が大きくなり、均一な組織の成形体を作製することは難しくなる。また収縮が大きくなり、亀裂が発生しやすくなる等の欠点もある。
【０００７】
また、上記の諸事情に共通する最大の課題は、ＭｇＯ自体が極めて水分と反応しやすく、耐湿性・耐水性に大きな問題があり、例えばレンズ材料として長い時間使用するにつれ、表面が白濁し透過率が低下してしまうという致命的な問題もある。
【特許文献１】特開昭５１−８０３１３号公報
【特許文献２】特開昭５９−５００６８号公報
【特許文献３】特開２０００−２８１４２８号公報
【特許文献４】特開昭４８−２８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、簡易な方法により得られる透光性と耐湿性・耐水性に優れたＭｇＯの固溶体からなる透光性セラミックスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の透光性セラミックスは、第１成分に第２成分が固溶した固溶体からなるものであって、該固溶体は、単結晶または多結晶体であり、該第１成分は、ＭｇＯであり、該第２成分は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｎ、およびＺｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素または該元素を含む化合物であることを特徴とする。
【００１０】
ここで、上記透光性セラミックスは、その厚みが１ｍｍである場合において、４２０〜６８０ｎｍの波長領域の光の直線透過率が８５％以上であることが好ましく、さらに８７％以上であることが好ましい。また、上記透光性セラミックスは、焼結体であることが好ましい。
【００１１】
また、上記第２成分は、ＺｎＯ、ＮｉＯ、またはＣｕＯのいずれかであることが好ましく、該固溶体に占める第２成分の比率は、０．３ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であることが好ましい。
【００１２】
また、上記透光性セラミックスは、上記固溶体以外の第二相を含まないことが好ましい。
【００１３】
また、本発明は、上記の透光性セラミックスを用いたカラー液晶プロジェクター用の光学素子にも関し、さらにその光学素子を用いたカラー液晶プロジェクターにも関する。
【００１４】
さらに、本発明は、上記の透光性セラミックスを製造する製造方法であって、上記固溶体の粉末または該粉末に焼結助剤を添加した混合粉末を調製する工程と、上記粉末または上記混合粉末を成形することにより成形体を得る工程と、上記成形体を焼結することにより焼結体を得る工程と、上記焼結体を熱間静水圧プレスすることにより透光性セラミックスを完成する工程と、を含む透光性セラミックスを製造する製造方法にも関する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の透光性セラミックスは、簡易な方法により得ることができ、透光性と耐湿性・耐水性に優れるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
＜透光性セラミックス＞
本発明の透光性セラミックスは、第１成分に第２成分が固溶した固溶体からなり、該固溶体は単結晶であっても良いし、多結晶体であっても良い。このように本発明の透光性セラミックスは単結晶として作製してもよいし、多結晶体（焼結体）として作製してもよい。固溶体としたことにより融点が低下するので、サファイア単結晶の合成法として知られる安価なベルヌイ法やＣＺ法での合成も可能になる。また、焼結体を合成する場合でも、融点の低下により焼結温度が低下し、加圧焼結しなくても製造することが可能である。
【００１７】
本発明の透光性セラミックスは、カラー液晶プロジェクターを初めとする光学材料に要求される下記のような特性を有している。
（１）光学的等方性、すなわち結晶系が立方晶であるため透光性に優れること
（２）熱伝導率が高いこと
（３）化学的に安定であること
（４）融点が低いこと
一般にＭｇＯは、融点が２８００℃と極めて高いことから単結晶を合成する際でもチョクラルスキー（ＣＺ）法やベルヌイ法では困難であり、このため極めて高価な電融法を取らざるを得ず極めて高価な材料となっている。また、ＭｇＯの原料粉末を焼結させてセラミックスを合成する際にも、融点が高いことは焼結性の低下に通じるため、高温が必要で、かつ、ホットプレス等の加圧焼結を用いて強制的に緻密化を図らざるを得ない。
【００１８】
これに対して、図１に示すようにＭｇＯは、たとえばＺｎＯなどの第２成分に対して幅広い組成域で固溶体を形成し、また焼結助剤等を用いない場合はその固溶体は第二相を形成せず、立方晶を維持するので光学的等方性を確保することができ、かつ第二相が粒界に存在しないので透明になり易いという特性を有している。第二相が生成しない範囲は、ＺｎＯを第２成分とする系では、ＺｎＯが約２０ｍｏｌ％以下の範囲であり、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、またはＦｅを第２成分とする系では、第２成分の比率の多寡に係らず全比率範囲で固溶し第二相を生成することはない（全ての組成域に渡って固溶体を形成する）。
【００１９】
ＺｎＯを第二成分とする系において、ＺｎＯが２０ｍｏｌ％を超えると、ＭｇＯと屈折率の異なる六方晶型のＺｎＯが共析する（図１においてＭｇＯ（ＳＳ）＋ＺｎＯ（ＳＳ）で示される領域）ので光学的に透明になりにくく、複屈折も起こりやすくなる。また、ＺｎＯが０．３ｍｏｌ％未満では融点の低下の度合いが小さくなるので、単純なＭｇＯ焼結体と差がなくなる。
【００２０】
本発明の透光性セラミックスは、ＭｇＯのこのような特性を利用したものである。なお、本発明の透光性セラミックスは、透光性という観点からは該固溶体以外の第二相を含まないことが好ましい。
【００２１】
ところで、このようなＭｇＯの固溶体は、ＺｎＯ等の第２成分の固溶と共に融点および液相出現温度も低下するので単結晶も焼結セラミックス（多結晶体）も両者とも合成がしやすくなるというメリットを有している。
【００２２】
ここで、本発明の透光性セラミックスを構成する第１成分に第２成分が固溶した固溶体とは、第１成分であるＭｇＯと同じ結晶構造を有し、その粉末Ｘ線回折パターンはＭｇＯと実質的に同じであり、他のいかなる化合物の回折パターンも現れず、固溶している第２成分のイオン半径とその固溶量によって、わずかに回折角度がシフトするものを意味するものとする。基本的には、Ｍｇのイオン半径よりも小さなイオンが固溶した場合は、ＭｇＯの格子定数が小さくなるため、回折パターンは高角度側にシフトする。
【００２３】
通常、ＭｇＯは極めて水分と反応しやすいセラミックスであり、空気中の水分と反応してＭｇ（ＯＨ）2を形成し失透していくだけでなく、やがて崩壊していく性質を持つ。このようなＭｇＯを光学レンズとして使用すると、経時変化して表面が失透していく。この現象は特に焼結体に顕著であるが、ＺｎＯ等の第２成分を固溶させることで第１成分であるＭｇＯの表面活性が低下し水分との反応が抑制されるので、本発明の固溶体は長期的にも化学的に安定した材料となる。
【００２４】
このような本発明の透光性セラミックスは、焼結体であることが好ましい。
＜第１成分＞
上記固溶体を構成する本発明の第１成分は、ＭｇＯである。一般に、ＭｇＯ粉末は耐湿性が低く、空気中で自然に表面がＭｇ（ＯＨ）2に転化してしまう。このようなＭｇＯ粉末を成形後焼結すると、表面のＭｇ（ＯＨ）2が５００℃程度までの温度範囲でＭｇＯに再度転化する。この時、大きな体積収縮が生じるために成形体の相対密度は大きく低下して極めて焼結性の低い成形体となってしまう。
【００２５】
これに対して、本発明のようにＭｇＯの固溶体粉末は耐湿性や耐水性が改善されるため、体積収縮による成形体の相対密度低下が少なく焼結性が向上するという利点を有する。この効果は、原料粉末粒径がナノサイズまで小さくなった時に顕著となる。ナノサイズ粉末は極めて焼結性が高いために、焼結温度を低下させることができるという利点があるが、固溶体ではない純粋なＭｇＯの場合、表面が活性であるためＭｇ（ＯＨ）2への転化が激しい。これに対して、ＭｇＯ固溶体粉末を用いることにより、ナノサイズの粉末原料を使用した場合でも焼結性に優れた成形体を得ることができるという利点がある。
【００２６】
もちろん、このようなＭｇＯ固溶体からなる緻密な焼結体の耐湿性・耐水性自体も、純粋なＭｇＯからなる焼結体が有する耐湿性・耐水性に比し改善されることは言うまでもない。
【００２７】
＜第２成分＞
上記固溶体を構成する本発明の第２成分は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｎ、およびＺｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素または該元素を含む化合物である。上記の通り、このような第２成分は、ＭｇＯである第１成分に固溶することにより、その融点を低下させるとともに耐湿性や耐水性を改善するという優れた特性を付与するものである。
【００２８】
このような第２成分は、ＺｎＯ、ＮｉＯ、またはＣｕＯのいずれかであることが好ましく、特にＺｎＯであることが好ましい。ＺｎＯはそれ自体の熱伝導率が５６Ｗ／ｍＫ程度と高く、また、以下の表１の通りＺｎとＭｇとはイオン半径が近似しており、ＺｎＯがＭｇＯに固溶した場合に格子歪みの程度が小さく、ＭｇＯの熱伝導率を大きく低下させることがないというメリットを有しているためである。
【００２９】
なお、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕを用いても上記ＺｎＯと同様に、ＭｇＯの融点は低下し、かつ固溶体を形成する効果が得られる。しかし、ＭｇＯの高い熱伝導率が大きく低下しないか否かは、これらの元素のイオン半径を考慮する必要がある。ＭｇＯの結晶系は岩塩構造（ＮａＣｌ型）であり、金属原子は６配位の二価イオンとなる。以下の表１は各種元素のイオン半径（Å）、ならびにＭｇイオンとのイオン半径の整合性Δｒ（％）を示している。なお、Δｒは次の式で表わされ、その絶対値が小さいものほどＭｇイオンのイオン半径に近似することを示している。
Δｒ＝（Ｍｇのイオン半径−当該元素のイオン半径）／Ｍｇのイオン半径×１００（％）
【００３０】
【表１】
【００３１】
表１より明らかなように、整合性Δｒが最も高いのはＣｕであるが、ＣｕＯは光学バンドギャップ（Ｅｇ＝１．４ｅＶ）が小さいため、６０ｍｏｌ％以上固溶させると、ＭｇＣｕＯの光学バンドギャップが４００ｎｍ以上となり、一部の可視光が吸収されることがある。一方、ＺｎＯに続いて比較的イオン半径の整合性の高いＮｉは、ＮｉＯの光学バンドギャップ（Ｅｇ＝３．７ｅＶ）が大きく、組成に関わらずＭｇＮｉＯの光学バンドギャップは紫外域に存在するため好ましい。
【００３２】
これに対して、ＣｏはバンドギャップがＺｎＯとほぼ同じで（Ｅｇ＝３．２ｅＶ）、Ｎｉの場合と同様に、ＭｇＣｏＯは光学的に透明であるが、イオン半径の整合性が低いので少量の固溶でも熱伝導率は低下する傾向にある。Ｆｅ、Ｍｎはイオン半径の整合性が最も低いので熱伝導率の低下が大きくなる傾向にある。
【００３３】
経験的には、整合性Δｒの絶対値が５％以下であることが好ましく、この条件を満たすＺｎ、Ｎｉ、Ｃｕが好ましく、特に上記の通りＺｎＯ、ＮｉＯ、またはＣｕＯのいずれかを採用することが好ましい。
【００３４】
このような第２成分の上記固溶体に占める比率は、上記で定義したような本発明の固溶体が得られる範囲（図１においてＭｇＯ（ＳＳ）で示される領域）であれば特に限定されるものではないが、０．３ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下とすることが特に好ましい。５ｍｏｌ％を超えると熱伝導率の低下が大きく、０．３ｍｏｌ％未満では、熱伝導率はほとんど低下しないが、耐湿性や光学特性が純粋なＭｇＯと変わらなくなる。
【００３５】
＜直線透過率＞
本発明の透光性セラミックスは、条件を選べばその厚みが１ｍｍである場合において、４２０〜６８０ｎｍの波長領域の光の直線透過率が８５％以上という優れた透光性を有するものを作製することもできる。その直線透過率は、より好ましくは８７％以上である。
【００３６】
一方、この直線透過率の上限はＭｇＯの屈折率（１．７５）から算出され、約８８％となるのが理想である。ここで、この直線透過率とは、厚みが１ｍｍである透光性セラミックスの表面に対する垂直方向（すなわち厚みの深さ方向）の光の透過率を示す。このような直線透過率は、分光光度計により測定することができる。
【００３７】
＜用途＞
本発明の透光性セラミックスは、上記のような特性を有するため、通常の光学レンズに要求される物性を満足し、特にカラー液晶プロジェクター用の光学素子として用いることができる。そして本発明は、このような光学素子を用いたカラー液晶プロジェクターにも関する。
【００３８】
＜製造方法＞
本発明の透光性セラミックスを製造する製造方法は、上記第１成分に上記第２成分が固溶した固溶体の粉末または該粉末に焼結助剤を添加した混合粉末を調製する工程と、該粉末または該混合粉末を成形することにより成形体を得る工程と、該成形体を焼結することにより焼結体を得る工程と、該焼結体を熱間静水圧プレスすることにより透光性セラミックスを完成する工程と、含む。
【００３９】
上記本発明の製造方法において、固溶体の粉末または該粉末に焼結助剤を添加した混合粉末を調製する工程は、特に限定されることはなくこのような粉末を得ることができる調製方法であればいずれの方法をも採用することができる。たとえば、ＭｇＯと、ＺｎＯ等の第２成分との粉末を混合した後、一旦仮焼して固溶体に変化させ、再度粉砕することにより所望の粉末とすることができる。なお、ＭｇＯと第２成分の粉末とを用いることに代えて各元素を含む水酸化物や塩化物を原料として用いることにより所望の粉末を得ることもできる。なお、均一に混合する好ましい方法としては遊星ボールミルなどがある。遊星ボールミルで混合する場合、ボールとして汎用されるＦｅ製ボールを使うと、Ｆｅを自然に固溶させることも可能である。
【００４０】
次いで、上記で調製された粉末または混合粉末を成形することにより成形体を得る工程も、特に限定されることはなくこのような成形体を得ることができる方法であればいずれの方法をも採用することができる。
【００４１】
続いて、上記で得られた成形体を焼結することにより焼結体を得る工程における焼結温度は、上記で調製された固溶体の融点に依存して変化させればよい。焼結は一部に液相が出現する温度で行なうと液相焼結となり緻密化しやすい。もちろん、固相焼結でも焼結温度が融点に近づくほど緻密化はしやすい。液相焼結を行なうと、ホットプレスなどの加圧焼結をしなくても設備的に安価な常圧焼結でも容易に緻密化させることができる。もちろん、このような液相焼結の場合でもホットプレスしても構わない。
【００４２】
このような焼結体を得る工程において、一般的な焼結炉を使用することを考慮した場合、１２００〜２０００℃程度で焼結することが好ましいので、この温度で液相が出現するように固溶体中の固溶種、固溶量を調整することが好ましい。
【００４３】
なお、焼結を容易にするため、上記の固溶体の粉末を調製する工程において、固溶体の粉末に対して焼結助剤を添加して混合粉末を調製することもできる。この場合は、上記の焼結温度や後述のＨＩＰ温度は、焼結助剤が液相に変化する温度に依存して決めればよい。焼結助剤としては、例えば、ＳｃとＡｌの酸化物を適当な比率で添加する等の手段を採用することができる。なお、このような焼結助剤を用いた場合、最終的に得られる透光性セラミックスは固溶体以外の第二相を含むこととなるため、そのような第二相の含有が所望されない場合は焼結助剤を使用しないことが好ましい。
【００４４】
次いで、上記で得られた焼結体（一次焼成体）を熱間静水圧プレスすることにより透光性セラミックスを完成する工程を経て、本発明の透光性セラミックスを得ることができる。このように最終的に熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理を施すことにより透光性セラミックス中の気孔および残留ポアが十分に排除され、透光性（４２０〜６８０ｎｍの波長領域の光の直線透過率）が飛躍的に向上したものとなる。したがって、本発明において最終段階で熱間静水圧プレスすることは極めて重要なプロセスである。
【００４５】
この熱間静水圧プレスする工程において、圧力媒体は特に限定されるものではないが、工業的に入手可能な不活性ガスを用いることが好ましい。処理温度（ＨＩＰ温度）は、概ね１２００℃以上とすることが好ましい。１２００℃よりも低いと気孔を完全に除去することが出来ず、焼結温度を超えると粒成長が進行し、残留ポアを生じる傾向がある。このため、処理温度の上限は焼結温度を超えないことが好ましい。一方、処理圧力は５００気圧以上２０００気圧以下とすることが好ましい。５００気圧を下回ると充分な効果が得られず、また２０００気圧を超えても透光性をさらに向上させることにはならず、装置が大掛かりなものとなるため好ましくない。また、処理時間は０．５時間以上であれば充分であり、例えば０．５時間以上２時間以下とし、得られる透光性セラミックスの厚み等により種々時間を変更して行なえばよい。このような処理時間は最高温度での保持時間に依存して変化する。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４７】
＜実施例１＞
（ａ）固溶体の粉末を調製する工程
濃度０．５Ｍ（ｍｏｌ・ｄｍ-3）の高純度塩化マグネシウム溶液５Ｌと濃度０〜０．５Ｍ（ｍｏｌ・ｄｍ-3）の範囲でそれぞれ濃度を変えた各高純度塩化亜鉛溶液５Ｌとを濃度１．０Ｍ（ｍｏｌ・ｄｍ-3）の炭酸ナトリウム溶液１０Ｌに１００ｍｌ／ｍｉｎの速さで滴下し、４０℃で１日間養生を行なった。養生後、濾過及び超純水を用いた水洗を数回繰り返した後、１３５℃の乾燥機に入れて１日間乾燥した。得られた塩基性炭酸塩をアルミナ製坩堝に入れ、１３５０℃で１５時間仮焼することにより、比表面積１１ｍ2／ｇの高純度酸化マグネシウム・亜鉛系複合粉末（すなわち第１成分であるＭｇＯに第２成分であるＺｎＯが固溶した固溶体の粉末）を作製し、表２記載のサンプルＮｏ．１〜９の原料粉末を得た。
【００４８】
これらの複合粉末の粉末Ｘ線回折を行なうことにより生成相を同定した。ピクノメータで複合粉末の真密度を測定し、ＭｇＯとＺｎＯの真密度の値から、複合粉末の組成を計算した結果、仕込み原料のＭｇＣｌ2とＺｎＣｌ2の濃度と比例することが確認できた。
【００４９】
比較として、Ｚｎ（第２成分）を添加しない粉末も調製した（サンプルＮｏ．１０と１１）。また、原料粉末に対して、焼結助剤としてのＳｃ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3とを、それぞれＳｃが９５０ｗｔｐｐｍ、Ａｌが５５ｗｔｐｐｍの濃度となるように添加した原料も調製した（サンプルＮｏ．１１と１２）。
【００５０】
このようにして得られた各原料粉末のＭｇＯおよび第２成分の比率（ｍｏｌ％）、第２成分イオン半径、Δｒ等を表２に示す。
【００５１】
（ｂ）成形体を得る工程
上記で調製された各原料粉末５０ｇに、バインダーとして積水化学製ＰＶＢ−ＢＬ１（商品名）を０．２２ｇ添加してエタノール２０ｇを加え、ナイロンポット及びナイロンボールを用いて２４時間混合した後回収した。
【００５２】
回収後の原料粉末を成形型に装填し、直径２０ｍｍ、厚さ２ｍｍのディスク状成形体を作製した。このようにして得られた成形体の相対密度（ＭｇＯの理論値に対する密度を％表示したもの。以下同じ）をアルキメデス法により測定し、その結果を表２に示す。
【００５３】
（ｃ）焼結体を得る工程
上記で得られた各成形体を真空炉にて１００℃／ｈｒで所定の温度（表２記載の焼結温度）まで昇温し、その温度で１時間保持した後に炉内で自然冷却させた。焼成時の真空度は１０-2Ｐａ以下とした。焼結体の相対密度をアルキメデス法により測定した。また、生成相を粉末エックス線回折により確認した。それらの結果を表２に示す。なお、生成相の表記に関し、「ＭｇＯ」とは生成相がＭｇＯの立方晶であることを示し、「ＭｇＯ＋ＺｎＯ」とはＭｇＯの立方晶とＺｎＯの六方晶とが共析したことを示す。
【００５４】
（ｄ）透光性セラミックスを完成する工程
上記で得られた各焼結体をＡｒガス中８００℃／ｈｒで所定の温度（表２記載のＨＩＰ温度）まで昇温し、１０００気圧の圧力下で１時間保持してＨＩＰ処理（熱間静水圧プレス）を行なうことにより透光性セラミックス（厚み１ｍｍ）を得た。このようにして得られた透光性セラミックス（ＨＩＰ体とも記す）の相対密度をアルキメデス法により測定し、その結果を表２に示す。なお、表２記載のサンプルＮｏ．１〜９および１２が本発明の実施例であり、サンプルＮｏ．１０と１１が比較例である。
【００５５】
＜評価＞
（１）直線透過率
上記で得られた各透光性セラミックスは、ダイヤモンドスラリーを用いて鏡面研磨を行ない、分光光度計にて直線透過率（厚み１ｍｍ）を測定した。その結果、波長４２０ｎｍ〜６８０ｎｍにおける直線透過率は４２０ｎｍで最も低くなるため、各実施例及び比較例のサンプルにおいては４２０ｎｍにおける直線透過率を測定した。その結果を表２に示す。
【００５６】
（２）耐水性
上記で得られた各透光性セラミックスの耐水性の加速試験を行なうことにより耐水性を評価した。すなわち、各透光性セラミックスを遊星ボールミルで加速度が１５０Ｇで１０分間粉砕して、ＢＥＴ比表面積値が約０．３ｍ2／ｇになるまで粉末状にし、これを９８℃の沸騰水中に５時間浸漬することにより浸漬後の重量増加比率を測定した。重量増加が大きくなるほど耐水性に劣っていることを示す。その結果を表２（「耐水試験時重量増加率（ｗｔ％）」の項）に示す。
【００５７】
（３）熱伝導率
上記で得られた各透光性セラミックス（厚み１ｍｍ）から直径１０ｍｍの試験片を切り出し、レーザーフラッシュ法により室温での熱伝導率を測定した。その結果を表２に示す。
【００５８】
【表２】
【００５９】
表２より明らかなように、本発明の実施例の透光性セラミックスは、比較例の透光性セラミックス（サンプルＮｏ．１０と１１）に比し直線透過率に優れているとともに耐水性にも優れていた。しかもこのような本発明の実施例の透光性セラミックスは、比較的低温で作製することができることから簡易な方法により得られるものであることは明らかである。
【００６０】
＜実施例２＞
実施例１において、（ａ）固溶体の粉末を調製する工程における原料として、塩化亜鉛に代えて塩化コバルト（サンプルＮｏ．２１）、塩化ニッケル（サンプルＮｏ．２２）、塩化銅（サンプルＮｏ．２３）をそれぞれ用いた以外は全て実施例１と同様して透光性セラミックスを作製し、実施例１と同様にして評価を行なった。その結果を表３に示す（表記内容は表２と同じ意味である）。なお、サンプルＮｏ．２１〜２３の全てが本発明の実施例である。
【００６１】
【表３】
【００６２】
表３より明らかなように、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕを固溶させた場合でも実施例１のＺｎを固溶させた場合と同様に本発明の実施例の透光性セラミックス（サンプルＮｏ．２１〜２３）は、直線透過率に優れているとともに耐水性にも優れていた。しかもこのような本発明の実施例の透光性セラミックスは、比較的低温で作製することができることから簡易な方法により得られるものであることは明らかである。
【００６３】
以上の通り、本発明によれば、ＭｇＯの優れた熱伝導性、光学的透明性を生かし、耐水・耐湿性に優れた新規な透光性セラミックスを、通常よりも低温で作製することができる。
【００６４】
本発明の透光性セラミックスは可視光の透過率（直線透過率）が高く、かつ高熱伝導率に起因する高い放熱性を有するので、本発明の透光性セラミックスをカラー液晶プロジェクター用の光学素子として用いると、明るさと耐久性のいずれもが良好で、優れた画像を長時間安定的に表示できるカラー液晶プロジェクターが得られる。さらに高コントラストで均一性に優れた画像を長時間安定に表示できる。本発明の透光性セラミックスを偏光板や位相差板に応用することにより、セラミックスとしてはサファイヤに匹敵し得るほどに明るく、軸合わせが不要で、昇温が少ないため偏光層や１／２波長膜などの劣化を防止して、高輝度のカラー画像を長時間安定に表示することができる。
【００６５】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【００６６】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】ＭｇＯ−ＺｎＯ系固溶体の状態図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭｇＯに特定の成分が固溶した固溶体からなる透光性セラミックスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭｇＯ（酸化マグネシウムまたはマグネシア）は、その結晶構造が立方晶であり複屈折が無いため、気孔や不純物の偏析を除去することにより透光性に優れた焼結体を得ることが可能である。このようなＭｇＯは、融点が２８００℃と非常に高く、耐熱性、耐アルカリ性及び高熱伝導性を有する優れた素材であることが知られている。しかしながら、ＭｇＯはその融点が極めて高いため、既存の単結晶合成技術では光学的に優れた大型結晶を合成することは困難であった。
【０００３】
一方セラミックス（多結晶体）は、融点以下の比較的低い温度での合成が可能であるため、ＭｇＯ同様高融点の酸化イットリウム（イットリア）やその他希土類酸化物に関して、従来より赤外用高温窓材、放電ランプ用エンベロープ、耐食部材等に適用すべく検討が盛んに行われている。
【０００４】
多結晶透光性ＭｇＯ焼結体に関する報告例としては、ＭｇＯ粉末を有機溶媒に分散し、再仮焼して焼結性を改善する方法等が挙げられる（たとえば特許文献１）。また焼結助剤を添加する方法としては、溶液状のアルミニウム化合物を添加する方法（特許文献２）、ＳｉＯ2と微量のＢ2Ｏ3を添加する方法（特許文献３）、酸化スカンジウム、酸化イッテルビウム、酸化ゲルマニウムを０．０１〜０．５ｗｔ％添加し、不活性雰囲気で焼成する方法（特許文献４）等が挙げられる。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の手法では、充分な透光性の焼結体を得ることは非常に困難であると共に、ＭｇＯの緻密化を促進する有機溶剤の役割が未解明であり、粉末の製造履歴によっては有機溶媒の添加効果が発現しない場合がある。また、上記特許文献２の手法においては、透過率に関する記述が無いために詳細は不明であるが、Ａｌ2Ｏ3単独で透光性の高い焼結体を作製するためには、非常に焼結性に優れた原料粉末を使用する必要がある。
【０００６】
さらに、上記特許文献３の手法では、Ｂ2Ｏ3が微量であってもＭｇＯの高温での機械的強度を低下させる上、低融点物である硼素化合物によって焼成炉が激しく汚染されるという欠点がある。また、特許文献４の手法においては、１７００℃以上という比較的高温で焼成しているにもかかわらず、透光性も全透過率で８０％程度であり、理論透過率（約８８％）には遠く及ばないという欠点がある。 また、これら焼結助剤を添加する方法では、比表面積は記載されていないため詳細は不明であるが、非常に微細なＭｇＯ粉末を用いている。粉体の粒子径が小さくなるほど焼結活性は高くなるが、粒子間の摩擦力が大きくなり、均一な組織の成形体を作製することは難しくなる。また収縮が大きくなり、亀裂が発生しやすくなる等の欠点もある。
【０００７】
また、上記の諸事情に共通する最大の課題は、ＭｇＯ自体が極めて水分と反応しやすく、耐湿性・耐水性に大きな問題があり、例えばレンズ材料として長い時間使用するにつれ、表面が白濁し透過率が低下してしまうという致命的な問題もある。
【特許文献１】特開昭５１−８０３１３号公報
【特許文献２】特開昭５９−５００６８号公報
【特許文献３】特開２０００−２８１４２８号公報
【特許文献４】特開昭４８−２８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、簡易な方法により得られる透光性と耐湿性・耐水性に優れたＭｇＯの固溶体からなる透光性セラミックスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の透光性セラミックスは、第１成分に第２成分が固溶した固溶体からなるものであって、該固溶体は、単結晶または多結晶体であり、該第１成分は、ＭｇＯであり、該第２成分は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｎ、およびＺｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素または該元素を含む化合物であることを特徴とする。
【００１０】
ここで、上記透光性セラミックスは、その厚みが１ｍｍである場合において、４２０〜６８０ｎｍの波長領域の光の直線透過率が８５％以上であることが好ましく、さらに８７％以上であることが好ましい。また、上記透光性セラミックスは、焼結体であることが好ましい。
【００１１】
また、上記第２成分は、ＺｎＯ、ＮｉＯ、またはＣｕＯのいずれかであることが好ましく、該固溶体に占める第２成分の比率は、０．３ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であることが好ましい。
【００１２】
また、上記透光性セラミックスは、上記固溶体以外の第二相を含まないことが好ましい。
【００１３】
また、本発明は、上記の透光性セラミックスを用いたカラー液晶プロジェクター用の光学素子にも関し、さらにその光学素子を用いたカラー液晶プロジェクターにも関する。
【００１４】
さらに、本発明は、上記の透光性セラミックスを製造する製造方法であって、上記固溶体の粉末または該粉末に焼結助剤を添加した混合粉末を調製する工程と、上記粉末または上記混合粉末を成形することにより成形体を得る工程と、上記成形体を焼結することにより焼結体を得る工程と、上記焼結体を熱間静水圧プレスすることにより透光性セラミックスを完成する工程と、を含む透光性セラミックスを製造する製造方法にも関する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の透光性セラミックスは、簡易な方法により得ることができ、透光性と耐湿性・耐水性に優れるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
＜透光性セラミックス＞
本発明の透光性セラミックスは、第１成分に第２成分が固溶した固溶体からなり、該固溶体は単結晶であっても良いし、多結晶体であっても良い。このように本発明の透光性セラミックスは単結晶として作製してもよいし、多結晶体（焼結体）として作製してもよい。固溶体としたことにより融点が低下するので、サファイア単結晶の合成法として知られる安価なベルヌイ法やＣＺ法での合成も可能になる。また、焼結体を合成する場合でも、融点の低下により焼結温度が低下し、加圧焼結しなくても製造することが可能である。
【００１７】
本発明の透光性セラミックスは、カラー液晶プロジェクターを初めとする光学材料に要求される下記のような特性を有している。
（１）光学的等方性、すなわち結晶系が立方晶であるため透光性に優れること
（２）熱伝導率が高いこと
（３）化学的に安定であること
（４）融点が低いこと
一般にＭｇＯは、融点が２８００℃と極めて高いことから単結晶を合成する際でもチョクラルスキー（ＣＺ）法やベルヌイ法では困難であり、このため極めて高価な電融法を取らざるを得ず極めて高価な材料となっている。また、ＭｇＯの原料粉末を焼結させてセラミックスを合成する際にも、融点が高いことは焼結性の低下に通じるため、高温が必要で、かつ、ホットプレス等の加圧焼結を用いて強制的に緻密化を図らざるを得ない。
【００１８】
これに対して、図１に示すようにＭｇＯは、たとえばＺｎＯなどの第２成分に対して幅広い組成域で固溶体を形成し、また焼結助剤等を用いない場合はその固溶体は第二相を形成せず、立方晶を維持するので光学的等方性を確保することができ、かつ第二相が粒界に存在しないので透明になり易いという特性を有している。第二相が生成しない範囲は、ＺｎＯを第２成分とする系では、ＺｎＯが約２０ｍｏｌ％以下の範囲であり、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、またはＦｅを第２成分とする系では、第２成分の比率の多寡に係らず全比率範囲で固溶し第二相を生成することはない（全ての組成域に渡って固溶体を形成する）。
【００１９】
ＺｎＯを第二成分とする系において、ＺｎＯが２０ｍｏｌ％を超えると、ＭｇＯと屈折率の異なる六方晶型のＺｎＯが共析する（図１においてＭｇＯ（ＳＳ）＋ＺｎＯ（ＳＳ）で示される領域）ので光学的に透明になりにくく、複屈折も起こりやすくなる。また、ＺｎＯが０．３ｍｏｌ％未満では融点の低下の度合いが小さくなるので、単純なＭｇＯ焼結体と差がなくなる。
【００２０】
本発明の透光性セラミックスは、ＭｇＯのこのような特性を利用したものである。なお、本発明の透光性セラミックスは、透光性という観点からは該固溶体以外の第二相を含まないことが好ましい。
【００２１】
ところで、このようなＭｇＯの固溶体は、ＺｎＯ等の第２成分の固溶と共に融点および液相出現温度も低下するので単結晶も焼結セラミックス（多結晶体）も両者とも合成がしやすくなるというメリットを有している。
【００２２】
ここで、本発明の透光性セラミックスを構成する第１成分に第２成分が固溶した固溶体とは、第１成分であるＭｇＯと同じ結晶構造を有し、その粉末Ｘ線回折パターンはＭｇＯと実質的に同じであり、他のいかなる化合物の回折パターンも現れず、固溶している第２成分のイオン半径とその固溶量によって、わずかに回折角度がシフトするものを意味するものとする。基本的には、Ｍｇのイオン半径よりも小さなイオンが固溶した場合は、ＭｇＯの格子定数が小さくなるため、回折パターンは高角度側にシフトする。
【００２３】
通常、ＭｇＯは極めて水分と反応しやすいセラミックスであり、空気中の水分と反応してＭｇ（ＯＨ）2を形成し失透していくだけでなく、やがて崩壊していく性質を持つ。このようなＭｇＯを光学レンズとして使用すると、経時変化して表面が失透していく。この現象は特に焼結体に顕著であるが、ＺｎＯ等の第２成分を固溶させることで第１成分であるＭｇＯの表面活性が低下し水分との反応が抑制されるので、本発明の固溶体は長期的にも化学的に安定した材料となる。
【００２４】
このような本発明の透光性セラミックスは、焼結体であることが好ましい。
＜第１成分＞
上記固溶体を構成する本発明の第１成分は、ＭｇＯである。一般に、ＭｇＯ粉末は耐湿性が低く、空気中で自然に表面がＭｇ（ＯＨ）2に転化してしまう。このようなＭｇＯ粉末を成形後焼結すると、表面のＭｇ（ＯＨ）2が５００℃程度までの温度範囲でＭｇＯに再度転化する。この時、大きな体積収縮が生じるために成形体の相対密度は大きく低下して極めて焼結性の低い成形体となってしまう。
【００２５】
これに対して、本発明のようにＭｇＯの固溶体粉末は耐湿性や耐水性が改善されるため、体積収縮による成形体の相対密度低下が少なく焼結性が向上するという利点を有する。この効果は、原料粉末粒径がナノサイズまで小さくなった時に顕著となる。ナノサイズ粉末は極めて焼結性が高いために、焼結温度を低下させることができるという利点があるが、固溶体ではない純粋なＭｇＯの場合、表面が活性であるためＭｇ（ＯＨ）2への転化が激しい。これに対して、ＭｇＯ固溶体粉末を用いることにより、ナノサイズの粉末原料を使用した場合でも焼結性に優れた成形体を得ることができるという利点がある。
【００２６】
もちろん、このようなＭｇＯ固溶体からなる緻密な焼結体の耐湿性・耐水性自体も、純粋なＭｇＯからなる焼結体が有する耐湿性・耐水性に比し改善されることは言うまでもない。
【００２７】
＜第２成分＞
上記固溶体を構成する本発明の第２成分は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｎ、およびＺｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素または該元素を含む化合物である。上記の通り、このような第２成分は、ＭｇＯである第１成分に固溶することにより、その融点を低下させるとともに耐湿性や耐水性を改善するという優れた特性を付与するものである。
【００２８】
このような第２成分は、ＺｎＯ、ＮｉＯ、またはＣｕＯのいずれかであることが好ましく、特にＺｎＯであることが好ましい。ＺｎＯはそれ自体の熱伝導率が５６Ｗ／ｍＫ程度と高く、また、以下の表１の通りＺｎとＭｇとはイオン半径が近似しており、ＺｎＯがＭｇＯに固溶した場合に格子歪みの程度が小さく、ＭｇＯの熱伝導率を大きく低下させることがないというメリットを有しているためである。
【００２９】
なお、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕを用いても上記ＺｎＯと同様に、ＭｇＯの融点は低下し、かつ固溶体を形成する効果が得られる。しかし、ＭｇＯの高い熱伝導率が大きく低下しないか否かは、これらの元素のイオン半径を考慮する必要がある。ＭｇＯの結晶系は岩塩構造（ＮａＣｌ型）であり、金属原子は６配位の二価イオンとなる。以下の表１は各種元素のイオン半径（Å）、ならびにＭｇイオンとのイオン半径の整合性Δｒ（％）を示している。なお、Δｒは次の式で表わされ、その絶対値が小さいものほどＭｇイオンのイオン半径に近似することを示している。
Δｒ＝（Ｍｇのイオン半径−当該元素のイオン半径）／Ｍｇのイオン半径×１００（％）
【００３０】
【表１】
【００３１】
表１より明らかなように、整合性Δｒが最も高いのはＣｕであるが、ＣｕＯは光学バンドギャップ（Ｅｇ＝１．４ｅＶ）が小さいため、６０ｍｏｌ％以上固溶させると、ＭｇＣｕＯの光学バンドギャップが４００ｎｍ以上となり、一部の可視光が吸収されることがある。一方、ＺｎＯに続いて比較的イオン半径の整合性の高いＮｉは、ＮｉＯの光学バンドギャップ（Ｅｇ＝３．７ｅＶ）が大きく、組成に関わらずＭｇＮｉＯの光学バンドギャップは紫外域に存在するため好ましい。
【００３２】
これに対して、ＣｏはバンドギャップがＺｎＯとほぼ同じで（Ｅｇ＝３．２ｅＶ）、Ｎｉの場合と同様に、ＭｇＣｏＯは光学的に透明であるが、イオン半径の整合性が低いので少量の固溶でも熱伝導率は低下する傾向にある。Ｆｅ、Ｍｎはイオン半径の整合性が最も低いので熱伝導率の低下が大きくなる傾向にある。
【００３３】
経験的には、整合性Δｒの絶対値が５％以下であることが好ましく、この条件を満たすＺｎ、Ｎｉ、Ｃｕが好ましく、特に上記の通りＺｎＯ、ＮｉＯ、またはＣｕＯのいずれかを採用することが好ましい。
【００３４】
このような第２成分の上記固溶体に占める比率は、上記で定義したような本発明の固溶体が得られる範囲（図１においてＭｇＯ（ＳＳ）で示される領域）であれば特に限定されるものではないが、０．３ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下とすることが特に好ましい。５ｍｏｌ％を超えると熱伝導率の低下が大きく、０．３ｍｏｌ％未満では、熱伝導率はほとんど低下しないが、耐湿性や光学特性が純粋なＭｇＯと変わらなくなる。
【００３５】
＜直線透過率＞
本発明の透光性セラミックスは、条件を選べばその厚みが１ｍｍである場合において、４２０〜６８０ｎｍの波長領域の光の直線透過率が８５％以上という優れた透光性を有するものを作製することもできる。その直線透過率は、より好ましくは８７％以上である。
【００３６】
一方、この直線透過率の上限はＭｇＯの屈折率（１．７５）から算出され、約８８％となるのが理想である。ここで、この直線透過率とは、厚みが１ｍｍである透光性セラミックスの表面に対する垂直方向（すなわち厚みの深さ方向）の光の透過率を示す。このような直線透過率は、分光光度計により測定することができる。
【００３７】
＜用途＞
本発明の透光性セラミックスは、上記のような特性を有するため、通常の光学レンズに要求される物性を満足し、特にカラー液晶プロジェクター用の光学素子として用いることができる。そして本発明は、このような光学素子を用いたカラー液晶プロジェクターにも関する。
【００３８】
＜製造方法＞
本発明の透光性セラミックスを製造する製造方法は、上記第１成分に上記第２成分が固溶した固溶体の粉末または該粉末に焼結助剤を添加した混合粉末を調製する工程と、該粉末または該混合粉末を成形することにより成形体を得る工程と、該成形体を焼結することにより焼結体を得る工程と、該焼結体を熱間静水圧プレスすることにより透光性セラミックスを完成する工程と、含む。
【００３９】
上記本発明の製造方法において、固溶体の粉末または該粉末に焼結助剤を添加した混合粉末を調製する工程は、特に限定されることはなくこのような粉末を得ることができる調製方法であればいずれの方法をも採用することができる。たとえば、ＭｇＯと、ＺｎＯ等の第２成分との粉末を混合した後、一旦仮焼して固溶体に変化させ、再度粉砕することにより所望の粉末とすることができる。なお、ＭｇＯと第２成分の粉末とを用いることに代えて各元素を含む水酸化物や塩化物を原料として用いることにより所望の粉末を得ることもできる。なお、均一に混合する好ましい方法としては遊星ボールミルなどがある。遊星ボールミルで混合する場合、ボールとして汎用されるＦｅ製ボールを使うと、Ｆｅを自然に固溶させることも可能である。
【００４０】
次いで、上記で調製された粉末または混合粉末を成形することにより成形体を得る工程も、特に限定されることはなくこのような成形体を得ることができる方法であればいずれの方法をも採用することができる。
【００４１】
続いて、上記で得られた成形体を焼結することにより焼結体を得る工程における焼結温度は、上記で調製された固溶体の融点に依存して変化させればよい。焼結は一部に液相が出現する温度で行なうと液相焼結となり緻密化しやすい。もちろん、固相焼結でも焼結温度が融点に近づくほど緻密化はしやすい。液相焼結を行なうと、ホットプレスなどの加圧焼結をしなくても設備的に安価な常圧焼結でも容易に緻密化させることができる。もちろん、このような液相焼結の場合でもホットプレスしても構わない。
【００４２】
このような焼結体を得る工程において、一般的な焼結炉を使用することを考慮した場合、１２００〜２０００℃程度で焼結することが好ましいので、この温度で液相が出現するように固溶体中の固溶種、固溶量を調整することが好ましい。
【００４３】
なお、焼結を容易にするため、上記の固溶体の粉末を調製する工程において、固溶体の粉末に対して焼結助剤を添加して混合粉末を調製することもできる。この場合は、上記の焼結温度や後述のＨＩＰ温度は、焼結助剤が液相に変化する温度に依存して決めればよい。焼結助剤としては、例えば、ＳｃとＡｌの酸化物を適当な比率で添加する等の手段を採用することができる。なお、このような焼結助剤を用いた場合、最終的に得られる透光性セラミックスは固溶体以外の第二相を含むこととなるため、そのような第二相の含有が所望されない場合は焼結助剤を使用しないことが好ましい。
【００４４】
次いで、上記で得られた焼結体（一次焼成体）を熱間静水圧プレスすることにより透光性セラミックスを完成する工程を経て、本発明の透光性セラミックスを得ることができる。このように最終的に熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理を施すことにより透光性セラミックス中の気孔および残留ポアが十分に排除され、透光性（４２０〜６８０ｎｍの波長領域の光の直線透過率）が飛躍的に向上したものとなる。したがって、本発明において最終段階で熱間静水圧プレスすることは極めて重要なプロセスである。
【００４５】
この熱間静水圧プレスする工程において、圧力媒体は特に限定されるものではないが、工業的に入手可能な不活性ガスを用いることが好ましい。処理温度（ＨＩＰ温度）は、概ね１２００℃以上とすることが好ましい。１２００℃よりも低いと気孔を完全に除去することが出来ず、焼結温度を超えると粒成長が進行し、残留ポアを生じる傾向がある。このため、処理温度の上限は焼結温度を超えないことが好ましい。一方、処理圧力は５００気圧以上２０００気圧以下とすることが好ましい。５００気圧を下回ると充分な効果が得られず、また２０００気圧を超えても透光性をさらに向上させることにはならず、装置が大掛かりなものとなるため好ましくない。また、処理時間は０．５時間以上であれば充分であり、例えば０．５時間以上２時間以下とし、得られる透光性セラミックスの厚み等により種々時間を変更して行なえばよい。このような処理時間は最高温度での保持時間に依存して変化する。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４７】
＜実施例１＞
（ａ）固溶体の粉末を調製する工程
濃度０．５Ｍ（ｍｏｌ・ｄｍ-3）の高純度塩化マグネシウム溶液５Ｌと濃度０〜０．５Ｍ（ｍｏｌ・ｄｍ-3）の範囲でそれぞれ濃度を変えた各高純度塩化亜鉛溶液５Ｌとを濃度１．０Ｍ（ｍｏｌ・ｄｍ-3）の炭酸ナトリウム溶液１０Ｌに１００ｍｌ／ｍｉｎの速さで滴下し、４０℃で１日間養生を行なった。養生後、濾過及び超純水を用いた水洗を数回繰り返した後、１３５℃の乾燥機に入れて１日間乾燥した。得られた塩基性炭酸塩をアルミナ製坩堝に入れ、１３５０℃で１５時間仮焼することにより、比表面積１１ｍ2／ｇの高純度酸化マグネシウム・亜鉛系複合粉末（すなわち第１成分であるＭｇＯに第２成分であるＺｎＯが固溶した固溶体の粉末）を作製し、表２記載のサンプルＮｏ．１〜９の原料粉末を得た。
【００４８】
これらの複合粉末の粉末Ｘ線回折を行なうことにより生成相を同定した。ピクノメータで複合粉末の真密度を測定し、ＭｇＯとＺｎＯの真密度の値から、複合粉末の組成を計算した結果、仕込み原料のＭｇＣｌ2とＺｎＣｌ2の濃度と比例することが確認できた。
【００４９】
比較として、Ｚｎ（第２成分）を添加しない粉末も調製した（サンプルＮｏ．１０と１１）。また、原料粉末に対して、焼結助剤としてのＳｃ2Ｏ3とＡｌ2Ｏ3とを、それぞれＳｃが９５０ｗｔｐｐｍ、Ａｌが５５ｗｔｐｐｍの濃度となるように添加した原料も調製した（サンプルＮｏ．１１と１２）。
【００５０】
このようにして得られた各原料粉末のＭｇＯおよび第２成分の比率（ｍｏｌ％）、第２成分イオン半径、Δｒ等を表２に示す。
【００５１】
（ｂ）成形体を得る工程
上記で調製された各原料粉末５０ｇに、バインダーとして積水化学製ＰＶＢ−ＢＬ１（商品名）を０．２２ｇ添加してエタノール２０ｇを加え、ナイロンポット及びナイロンボールを用いて２４時間混合した後回収した。
【００５２】
回収後の原料粉末を成形型に装填し、直径２０ｍｍ、厚さ２ｍｍのディスク状成形体を作製した。このようにして得られた成形体の相対密度（ＭｇＯの理論値に対する密度を％表示したもの。以下同じ）をアルキメデス法により測定し、その結果を表２に示す。
【００５３】
（ｃ）焼結体を得る工程
上記で得られた各成形体を真空炉にて１００℃／ｈｒで所定の温度（表２記載の焼結温度）まで昇温し、その温度で１時間保持した後に炉内で自然冷却させた。焼成時の真空度は１０-2Ｐａ以下とした。焼結体の相対密度をアルキメデス法により測定した。また、生成相を粉末エックス線回折により確認した。それらの結果を表２に示す。なお、生成相の表記に関し、「ＭｇＯ」とは生成相がＭｇＯの立方晶であることを示し、「ＭｇＯ＋ＺｎＯ」とはＭｇＯの立方晶とＺｎＯの六方晶とが共析したことを示す。
【００５４】
（ｄ）透光性セラミックスを完成する工程
上記で得られた各焼結体をＡｒガス中８００℃／ｈｒで所定の温度（表２記載のＨＩＰ温度）まで昇温し、１０００気圧の圧力下で１時間保持してＨＩＰ処理（熱間静水圧プレス）を行なうことにより透光性セラミックス（厚み１ｍｍ）を得た。このようにして得られた透光性セラミックス（ＨＩＰ体とも記す）の相対密度をアルキメデス法により測定し、その結果を表２に示す。なお、表２記載のサンプルＮｏ．１〜９および１２が本発明の実施例であり、サンプルＮｏ．１０と１１が比較例である。
【００５５】
＜評価＞
（１）直線透過率
上記で得られた各透光性セラミックスは、ダイヤモンドスラリーを用いて鏡面研磨を行ない、分光光度計にて直線透過率（厚み１ｍｍ）を測定した。その結果、波長４２０ｎｍ〜６８０ｎｍにおける直線透過率は４２０ｎｍで最も低くなるため、各実施例及び比較例のサンプルにおいては４２０ｎｍにおける直線透過率を測定した。その結果を表２に示す。
【００５６】
（２）耐水性
上記で得られた各透光性セラミックスの耐水性の加速試験を行なうことにより耐水性を評価した。すなわち、各透光性セラミックスを遊星ボールミルで加速度が１５０Ｇで１０分間粉砕して、ＢＥＴ比表面積値が約０．３ｍ2／ｇになるまで粉末状にし、これを９８℃の沸騰水中に５時間浸漬することにより浸漬後の重量増加比率を測定した。重量増加が大きくなるほど耐水性に劣っていることを示す。その結果を表２（「耐水試験時重量増加率（ｗｔ％）」の項）に示す。
【００５７】
（３）熱伝導率
上記で得られた各透光性セラミックス（厚み１ｍｍ）から直径１０ｍｍの試験片を切り出し、レーザーフラッシュ法により室温での熱伝導率を測定した。その結果を表２に示す。
【００５８】
【表２】
【００５９】
表２より明らかなように、本発明の実施例の透光性セラミックスは、比較例の透光性セラミックス（サンプルＮｏ．１０と１１）に比し直線透過率に優れているとともに耐水性にも優れていた。しかもこのような本発明の実施例の透光性セラミックスは、比較的低温で作製することができることから簡易な方法により得られるものであることは明らかである。
【００６０】
＜実施例２＞
実施例１において、（ａ）固溶体の粉末を調製する工程における原料として、塩化亜鉛に代えて塩化コバルト（サンプルＮｏ．２１）、塩化ニッケル（サンプルＮｏ．２２）、塩化銅（サンプルＮｏ．２３）をそれぞれ用いた以外は全て実施例１と同様して透光性セラミックスを作製し、実施例１と同様にして評価を行なった。その結果を表３に示す（表記内容は表２と同じ意味である）。なお、サンプルＮｏ．２１〜２３の全てが本発明の実施例である。
【００６１】
【表３】
【００６２】
表３より明らかなように、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕを固溶させた場合でも実施例１のＺｎを固溶させた場合と同様に本発明の実施例の透光性セラミックス（サンプルＮｏ．２１〜２３）は、直線透過率に優れているとともに耐水性にも優れていた。しかもこのような本発明の実施例の透光性セラミックスは、比較的低温で作製することができることから簡易な方法により得られるものであることは明らかである。
【００６３】
以上の通り、本発明によれば、ＭｇＯの優れた熱伝導性、光学的透明性を生かし、耐水・耐湿性に優れた新規な透光性セラミックスを、通常よりも低温で作製することができる。
【００６４】
本発明の透光性セラミックスは可視光の透過率（直線透過率）が高く、かつ高熱伝導率に起因する高い放熱性を有するので、本発明の透光性セラミックスをカラー液晶プロジェクター用の光学素子として用いると、明るさと耐久性のいずれもが良好で、優れた画像を長時間安定的に表示できるカラー液晶プロジェクターが得られる。さらに高コントラストで均一性に優れた画像を長時間安定に表示できる。本発明の透光性セラミックスを偏光板や位相差板に応用することにより、セラミックスとしてはサファイヤに匹敵し得るほどに明るく、軸合わせが不要で、昇温が少ないため偏光層や１／２波長膜などの劣化を防止して、高輝度のカラー画像を長時間安定に表示することができる。
【００６５】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【００６６】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】ＭｇＯ−ＺｎＯ系固溶体の状態図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１成分に第２成分が固溶した固溶体からなる透光性セラミックスであって、
前記固溶体は、単結晶または多結晶体であり、
前記第１成分は、ＭｇＯであり、
前記第２成分は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｎ、およびＺｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素または該元素を含む化合物である、透光性セラミックス。
【請求項２】
前記透光性セラミックスは、その厚みが１ｍｍである場合において、４２０〜６８０ｎｍの波長領域の光の直線透過率が８５％以上である請求項１記載の透光性セラミックス。
【請求項３】
前記直線透過率は、８７％以上である請求項２記載の透光性セラミックス。
【請求項４】
前記透光性セラミックスは、焼結体である請求項１〜３のいずれかに記載の透光性セラミックス。
【請求項５】
前記第２成分は、ＺｎＯ、ＮｉＯ、またはＣｕＯのいずれかである請求項１〜４のいずれかに記載の透光性セラミックス。
【請求項６】
前記固溶体に占める前記第２成分の比率は、０．３ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下である請求項１〜５のいずれかに記載の透光性セラミックス。
【請求項７】
前記透光性セラミックスは、前記固溶体以外の第二相を含まない請求項１〜６のいずれかに記載の透光性セラミックス。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の透光性セラミックスを用いたカラー液晶プロジェクター用の光学素子。
【請求項９】
請求項８記載の光学素子を用いたカラー液晶プロジェクター。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれかに記載の透光性セラミックスを製造する製造方法であって、
前記固溶体の粉末または該粉末に焼結助剤を添加した混合粉末を調製する工程と、
前記粉末または前記混合粉末を成形することにより成形体を得る工程と、
前記成形体を焼結することにより焼結体を得る工程と、
前記焼結体を熱間静水圧プレスすることにより透光性セラミックスを完成する工程と、
を含む透光性セラミックスを製造する製造方法。
【請求項１】
第１成分に第２成分が固溶した固溶体からなる透光性セラミックスであって、
前記固溶体は、単結晶または多結晶体であり、
前記第１成分は、ＭｇＯであり、
前記第２成分は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｎ、およびＺｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素または該元素を含む化合物である、透光性セラミックス。
【請求項２】
前記透光性セラミックスは、その厚みが１ｍｍである場合において、４２０〜６８０ｎｍの波長領域の光の直線透過率が８５％以上である請求項１記載の透光性セラミックス。
【請求項３】
前記直線透過率は、８７％以上である請求項２記載の透光性セラミックス。
【請求項４】
前記透光性セラミックスは、焼結体である請求項１〜３のいずれかに記載の透光性セラミックス。
【請求項５】
前記第２成分は、ＺｎＯ、ＮｉＯ、またはＣｕＯのいずれかである請求項１〜４のいずれかに記載の透光性セラミックス。
【請求項６】
前記固溶体に占める前記第２成分の比率は、０．３ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下である請求項１〜５のいずれかに記載の透光性セラミックス。
【請求項７】
前記透光性セラミックスは、前記固溶体以外の第二相を含まない請求項１〜６のいずれかに記載の透光性セラミックス。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の透光性セラミックスを用いたカラー液晶プロジェクター用の光学素子。
【請求項９】
請求項８記載の光学素子を用いたカラー液晶プロジェクター。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれかに記載の透光性セラミックスを製造する製造方法であって、
前記固溶体の粉末または該粉末に焼結助剤を添加した混合粉末を調製する工程と、
前記粉末または前記混合粉末を成形することにより成形体を得る工程と、
前記成形体を焼結することにより焼結体を得る工程と、
前記焼結体を熱間静水圧プレスすることにより透光性セラミックスを完成する工程と、
を含む透光性セラミックスを製造する製造方法。
【図１】
【公開番号】特開２００９−１８４８９８（Ｐ２００９−１８４８９８Ａ）
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９３３７（Ｐ２００８−２９３３７）
【出願日】平成２０年２月８日（２００８．２．８）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月８日（２００８．２．８）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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