JP2000247729A

JP2000247729A - アルミナ基焼結体

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Publication number: JP2000247729A
Application number: JP11045143A
Authority: JP
Inventors: Kuniharu Tanaka; 邦治田中; Katsura Matsubara; 桂松原; Sadahiro Yamamoto; 禎広山元
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 1999-02-23
Publication date: 2000-09-12
Anticipated expiration: 2019-02-23
Also published as: JP4807711B2

Abstract

(57)【要約】【目的】７００℃付近の高温下で高い絶縁性とバラツキ
の少ない耐電圧性を要求されるセラミック製品の材料と
して好適な、アルミナ基焼結体及びその製造方法を提供
する。【構成】アルミナ基焼結体の切断面における気孔の面積
割合が４％以下、該気孔の最大長径が１５μｍ以下と
し、更に、該アルミナ基焼結体中の各気孔の長径（単
位；μｍ）を確率変数としたときの面積分布を対数正規
分布で表した場合の標準偏差が２μｍ以下とする。該ア
ルミナ基焼結体に希土類元素ＲＥ（ランタン、プラセオ
ジウム、ネオジウム等）を添加し、焼結体中にＲＥ−β
−アルミナ（ＲＥＡｌ₁₁Ｏ₁₈）の結晶相を生成させるこ
とで耐電圧特性を更に向上できる。該アルミナ基焼結体
の耐電圧値は６０ｋＶ／ｍｍ以上の高い値を示し、スパ
ークプラグ等に用いる絶縁碍子に好適である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミック製品の材料
として好適な、高い絶縁性、バラツキの少ない耐電圧性
を有するアルミナ基焼結体に関するものである。特に
は、スパークプラグ等に用いる絶縁碍子のように、高温
下（例えば７００℃）での耐電圧性を要求されるアルミ
ナ基焼結体として好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】アルミナセラミックスは、耐電圧性、耐
熱性及び機械的特性等に優れ、安価であるため、スパー
クプラグ用の絶縁碍子やＩＣパッケージの多層配線基板
などのセラミック製品の材料として用いられている。特
に、スパークプラグの絶縁碍子に於いては室温から７０
０℃付近の高温まで高い絶縁性とバラツキの少ない耐電
圧性が要求される。

【０００３】アルミナ基焼結体中に残留気孔が存在する
と、高電圧印加時に残留気孔で絶縁破壊が起こるため、
アルミナ基焼結体の耐電圧特性が低下する。そこで、ア
ルミナ基焼結体の緻密化を目的として、種々の方法が検
討されている。

【０００４】例えば、特開昭６２−１００４７４号公報
では造粒子の粒径を制御することにより、また、特開昭
６２−１４３８６６号公報では、粒径の異なる２種類の
アルミナ原料を使用することにより、焼結体中の残留気
孔を減少させ耐電圧性を向上させる方法が開示されてい
る。また、特許第２０３５９６５号公報では、Y_２O_３、
Ｌａ_２Ｏ_３といった希土類やＺｒＯ_２等を含む焼結助剤
を用い、また、焼結体の空孔率を６％以下にして高耐電
圧化を達成している。

【０００５】ところが、上記の従来の技術のように焼結
体の緻密化の促進を目的とする方法では、耐電圧性のレ
ベル自体は向上することができるが、製品の信頼性に大
きく影響する耐電圧性のバラツキを十分に抑制、制御す
ることはできなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、アルミナ絶
縁層の肉厚を薄くしても７００℃付近の高温下で十分か
つバラツキの少ない耐電圧性が得られるアルミナ基焼結
体を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、アル
ミナ基焼結体の鏡面研磨面に露出した気孔の特性を所定
の範囲に規定したアルミナ基焼結体を要旨とする。ここ
で規定する気孔の特性とは、（ａ）気孔の面積率（４％
以下）、（ｂ）気孔の最大長径Ｄ_max（１５μm以下）、
（ｃ）気孔の面積分布を対数正規分布で表示した際の標
準偏差σ（２μm以下）である。気孔の特性を係る範囲
に規定することでアルミナ基焼結体の耐電圧性のバラツ
キを大幅に低減可能となる。

【０００８】ここにいう「焼結体の鏡面研磨面」とは、
焼結体の表面或いは切断面を以下の方法を用いて研磨加
工した面をいう。すなわち、４５μmのダイヤモンド砥
石を用いて平面に加工し、順次９μｍ、３μｍ、０．２５
μmのダイヤモンドペーストを用いて鏡面研磨を行い、Ｒ
ａ＝０．０１μm程度まで研磨加工した面である。

【０００９】前記（ａ）にいう「面積率で１００％」と
は、原則として、観察視野の具体的面積値を１００％と
することをいう。例えば、倍率５００倍のＳＥＭ写真に
基づいて気孔の諸特性を得る場合、原則としてＳＥＭ写
真の観察部の面積を１００％とする。次いで、該ＳＥＭ
写真上に観察される気孔の総面積を画像処理装置を用い
て求め、得られた気孔の総面積を観察部の面積で除して
百分率にて面積率を算出する。気孔の面積割合が４％以
下になると、耐電圧性が６０ｋＶ／ｍｍ以下に低下す
る。

【００１０】前記（ｂ）にいう「気孔の最大長径
Ｄ_max」とは、観察対象となった全気孔の気孔周縁上の
２点間の直線距離のうち、最も大きい値のものをいう。
気孔の最大長径Ｄ_maxが１５μm以上になると、耐電圧性
のバラツキ幅が大きくなったり、耐電圧性が６０ｋＶ／
ｍｍ以下に低下したり不安定な挙動となる。

【００１１】前記（ｃ）にいう「対数正規分布」とは、
しばしば粒度分布を表すのに用いられるものである。対
数正規分布による標準偏差σを用いることで気孔の大き
さのばらつきを容易に判断できる。気孔の面積分布に基
づく標準偏差σが２μｍ以上になると、耐電圧性自体が
問題無い場合でも、耐電圧性のバラツキ幅が大きくな
る。

【００１２】したがって、上記の（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）の３種類のすべての特性を所定の範囲にコントロ
ールすれば、バラツキ幅の少ない優れた耐電圧性を有す
るアルミナ基焼結体が得られる。

【００１３】請求項２の発明は、希土類元素ＲＥ．のう
ちＬａ（ランタン）、Ｐｒ（プラセオジウム）、Ｎｄ
（ネオジウム）のうち少なくとも一種類を含むアルミナ
基焼結体を要旨とし、請求項１に記載の発明のより好ま
しい構成を例示したものである。希土類元素のうちこれ
ら３種類を用いれば、気孔の発生量を減らして、気孔径
をある程度均一にすることができる。更に、アルミナ粒
界の耐熱性を上げて耐電圧性を向上できる。希土類元素
の添加量としては、０．０１〜２０重量部の範囲が特性
面及びコスト面から望ましい。

【００１４】これら３種類の希土類元素は、硝酸塩、炭
酸塩、水酸化物等の様々な形態で入手可能なため、製造
方法の選択の幅を広くできる。また、ＨＩＰ法(ホット
アイソスタチックプレス法）、真空又は大気以外の雰囲
気中での焼成、２０００℃近い高温条件下での焼成等の
特殊な条件を用いることなく、大気中で通常の温度範囲
での焼成が可能になる。

【００１５】上記希土類を添加したアルミナ基焼結体中
には、ＲＥ．−β−アルミナ（組成式：ＲＥ．Ａｌ₁₁Ｏ
₁₈）若しくはＲＥ．ＡｌＯ₃から選ばれる少なくとも一
種類の結晶相を析出させてもよい。係る結晶相を析出さ
せることで、アルミナ粒界の耐熱性を上げて耐電圧性を
更に向上できるからである。これらの結晶相は、焼成過
程で反応焼成により析出させても、あらかじめ反応させ
て結晶相を析出させてから添加しても同様の効果が得ら
れる。

【００１６】

【実施例】（１）アルミナ基焼結体の製作平均粒径０．４μｍのアルミナ原料粉末に、焼結助剤と
して平均粒径０.６μｍのＳｉＯ_２粉末、平均粒径０.８
μｍのＣａＣＯ_３粉末、平均粒径０.３μｍのＭｇＯ粉
末及び表１に示す平均粒径１．０μｍの各種希土類元素
の酸化物を、表１に示す量比となるように秤量し配合し
た粉末を製造する。尚、希土類元素の添加量は、全て
「ＲＥ．₂Ｏ₃換算」で求めた。

【００１７】これらの配合粉末をそれぞれボールミルに
て、２０ｍｍφのアルミナボールを使用しエタノール中
１６時間混合した後、湯煎にて乾燥し混合粉末を得る。
これらの混合粉末をそれぞれ１５０ＭＰａの静水圧プレ
スで５０×５０×２０ｍｍの成形体に成形し、次に大気
雰囲気下において表１に示す焼成温度（１４７５℃から
１６００℃）で２時間保持して焼成する。また、試料番
号１１及び試料番号１３については、大気中での焼成の
後に、１４５０℃×１０００気圧×1時間の条件でＨＩ
Ｐ処理（ホットアイソスタチックプレス処理）する。

【００１８】（２）気孔率の測定（１）で得られた各焼結体の切断面を４５μmのダイヤ
モンド砥石を用いて平面に加工し、順次９μｍ、３μｍ、
０．２５μmのダイヤモンドペーストを用いて鏡面研磨
を行い、Ｒａ＝０．０１μm程度まで研磨する。この鏡面
研磨面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察する。倍
率５００倍にて撮影したＳＥＭ写真をもとに個々の気孔
の長径、面積及び最大長径と視野面積を画像処理装置
（機種名；ニレコ社製LUZEX３）を用いて測定する。結
果を「気孔率」、「最大長径Ｄ_max」として表２に示
す。

【００１９】（３）標準偏差σの算出測定した個々の長径及び面積を、長径について分級し
(各分級の最大値をBmax(μm)、最小値をBmin(μm)とした
とき、Log(Bmax)−Log(Bmin)＝０．１５）、各階級に属
する気孔の面積を階級毎に合計した面積分布に対して対
数正規分布を適用し、以下の数式１を用いて標準偏差σ
を求める。結果を「標準偏差σ」として表２に示す。

【００２０】

【数１】

【００２１】（４）耐電圧性の評価耐電圧性は、７００℃における耐電圧値で評価する。ア
ルミナ基焼結体を１６ｍｍ×１６ｍｍ×０．６５ｍｍに
加工した試験片１を用いて、図１に示す構成の装置によ
り測定する。具体的な方法は以下のようである。まず、
試験片１をアルミナ製碍筒２ａとアルミナ製碍筒２ｂと
ではさんだ状態で、ＳｉＯ_２系の封着ガラス３を用いて
１４００℃に加熱溶融し、ガラス接合体７を作製する。
加熱用ヒータ５を有する加熱用ボックス８中にガラス接
合体７をセットした後、高電圧発生装置６に接続された
電極４ａと接地された電極４ｂとで試験片１をはさむ。
その後、加熱用ヒータ５で７００℃まで加熱した状態で
高電圧を印加し、絶縁破壊が発生したときの値を耐電圧
値として計測する。結果は、「耐電圧平均値」、「耐電
圧バラツキ幅（耐電圧値の最大値から最小値を引いた
値）」として表２に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】本発明の実施例である試料番号３、試料番
号４、試料番号６、試料番号７、試料番号１１乃至試料
番号１５では、気孔率、最大長径、標準偏差が規定の範
囲内にあるため、耐電圧平均値が６０ｋＶ／ｍｍ以上、
耐電圧バラツキ幅が２０ｋＶ／ｍｍ以下の優れた耐電圧
性を示す。

【００２５】希土類元素を含む実施例である試料番号
３、試料番号４、試料番号６、試料番号７、試料番号１
２、試料番号１４、試料番号１５では、ＨＩＰ法（ホッ
トアイソスタチックプレス法）を用いなくとも良好な焼
結体が得られることがわかる。ＨＩＰ法を用いた実施例
である試料番号１１及び試料番号１３は、どちらも良好
な耐電圧性が得られる。両者を比較すると、希土類元素
を含む試料番号１３の方が良好な耐電圧性を示すことが
わかる。

【００２６】本発明の比較例である試料番号１及び試料
番号２は、最大長径が規定範囲内にあるものの、気孔率
及び標準偏差が規定範囲外のため、耐電圧性が劣る。同
じく比較例である試料番号５は、気孔率及び最大長径は
規定範囲内であるものの、標準偏差が規定範囲外のた
め、耐電圧バラツキ幅が大きい。同じく比較例である試
料番号８は、気孔率、最大長径及び標準偏差の全てが規
定範囲外であるため、耐電圧性が劣る。同じく比較例で
ある試料番号９は、標準偏差は規定範囲内であるもの
の、気孔率及び最大長径が規定範囲外であるため、耐電
圧平均値が劣る。同じく比較例である試料番号１０は、
気孔率及び標準偏差が規定範囲内であるものの、最大長
径が規定範囲外であるため、耐電圧バラツキ幅が大き
い。すなわち、気孔率、最大長径、標準偏差のいずれか
が欠けても良好な耐電圧性が得られないことがわかる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、セラミック製品の材料
として好適な、高い絶縁性、バラツキ幅の小さい耐電圧
性を有するアルミナ基焼結体を提供することができる。
特には、スパークプラグ等のように高温下（例えば７０
０℃）で使用される絶縁碍子に用いるアルミナ基焼結体
として好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に使用した耐電圧性評価方法の模式図で
ある。

【符号の説明】

１アルミナ基焼結体からなる試験片２ａアルミナ製碍筒２ｂアルミナ製碍筒３封着ガラス４ａ電極４ｂ電極５加熱用ヒータ６高電圧発生装置７ガラス接合体８加熱用ボックス

フロントページの続きＦターム(参考） 4G030 AA08 AA11 AA13 AA36 BA10 BA12 BA18 CA01 GA29 5G059 AA05 FF01 FF02 FF14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】焼結体の任意の鏡面研磨面に露出した気
孔が以下の特徴を有するアルミナ基焼結体。（ａ）前記鏡面研磨面を面積率で１００％とした場合の
前記気孔の面積率が４％以下である。（ｂ）前記気孔の最大長径Ｄ_maxが１５μｍ以下であ
る。（ｃ）前記気孔の各長径（単位；μｍ）を確率変数とし
た場合の面積分布を対数正規分布で表示した際の標準偏
差σが２μｍ以下である。
【請求項２】請求項１に記載のアルミナ基焼結体であ
って、希土類元素ＲＥ．のうちＬａ（ランタン）、Ｐｒ
（プラセオジウム）、Ｎｄ（ネオジウム）のうち少なく
とも一種類を含むことを特徴とするアルミナ基焼結体。