JP2001064638A - 応力発光材料およびその製造方法 - Google Patents

応力発光材料およびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 摩擦力、せん断力、衝撃力、圧力などの機械
的な刺激によって効率的に発光するところの、これまで
に知られていたものとは異なる種類の応力発光材料を提
供する。 【解決手段】 メリライト型構造の酸化物CaYAl
、CaAlSiO、Ca(Mg、Fe)S
、CaSiO、CaNaAlSi
、CaMgSi、(Ca,Na)(Al,
Mg)(Si,Al)、およびCa(Mg,A
l)(Al,Si)SiOの1種類以上からなる母体
材料に、機械的エネルギーによって励起された電子が基
底状態に戻る場合に発光する希土類または遷移金属の1
種類以上の発光中心を添加することにより構成する。こ
の応力発光材料は、発光強度が応力依存性を示す。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、機械的な外力を加
えることによって発光する新規な応力発光材料およびそ
の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来から、物質が外部から刺激を与えら
れることによって室温付近で可視光を発する現象は、ト
ライボルミネッセンス現象として良く知られている。こ
のような蛍光現象を生じる物質、すなわち蛍光体は、蛍
光ランプなどの照明灯やCRT(Cathode Ray Tube)、
いわゆるブラウン管として使用されている。この蛍光現
象を生じさせる外部からの刺激は、通常、紫外線、電子
線、X線、放射線、電界、化学反応などによって与えら
れるが、これまで、外力等の機械的な刺激によって発光
する材料はあまり知られていない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、紫外
線、電子線、X線、放射線、電界、化学反応などによる
刺激とは異なり、外力などの機械的な刺激によって効率
的に発光する材料に関して長期にわたる研究を行った結
果、特に、メリライト型構造の母体材料に対する発光中
心の添加が有効であるばかりでなく、その発光中心の適
切な添加量および適切なドープ方法を見出し、結果的
に、機械的エネルギーを光エネルギーに変換する効率を
著しく向上させることに成功した。本発明は、かかる知
見に基づくものであり、その技術的課題は、摩擦力、せ
ん断力、衝撃力、圧力などの外力による機械的な刺激に
よって効率的に発光するところの、これまでに知られて
いたものとは異なる種類の新規な応力発光材料およびそ
の製造方法を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の応力発光材料は、メリライト型構造の酸化物
からなる母体材料に、機械的エネルギーによって励起さ
れた電子が基底状態に戻る場合に発光する希土類または
遷移金属の1種類以上からなる発光中心を添加したこと
を特徴とするものである。また、本発明の応力発光材料
の製造方法は、メリライト型構造の酸化物からなる母体
材料に、機械的エネルギーによって励起された電子が基
底状態に戻る場合に発光する希土類または遷移金属の1
種類以上からなる発光中心を0.001〜20wt%の
範囲で添加して混合した後、還元雰囲気中において60
0〜1800℃で焼成し、発光中心をドープすることを
特徴とするものである。
【0005】上述のメリライト型構造の酸化物として
は、CaYAl 、Ca Al SiO
Ca (Mg,Fe)Si 、Ca
iO、CaNaAlSi 、Ca MgSi
、(Ca,Na) (Al,Mg)(Si,
Al) 、およびCa (Mg,Al)(A
l,Si)SiO を挙げることができ、それらのい
ずれか、またはそれらの複数の混合体を母体材料とする
ことができる。
【0006】このような本発明によれば、摩擦力、せん
断力、衝撃力、圧力などの外力による機械的な刺激によ
って効率的に発光するところの応力発光材料およびその
製造方法を提供することができる。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明に係る応力発光材料は、母
体材料に発光中心を添加して構成するが、母体材料とし
ては、特に、メリライト型構造の物質、さらに具体的に
は、メリライト型構造の酸化物からなる材料が適し、そ
れらを用いた場合の発光強度が他の物質に比べて強くな
ることを確かめた結果に基づくものである。そのため、
母体材料は当然に上記メリライト型構造の酸化物のうち
から選択されるが、メリライト型構造グループの酸化物
としては、特に、CaYAl またはCa
SiO 、Ca (Mg,Fe)Si
、Ca SiO、Ca BeSi
、CaNaAlSi 、Ca Al(Al,
Si) 、Ca MgSi 、(Ca,
Na) (Al,Mg)(Si,Al) 、C
(Mg,Al)(Al,Si)SiO を主成分
とする材料が適し、それらのうちでも、特に、上記Ca
Al SiOまたはCa MgSi
適している。
【0008】また、上記の母体材料に、発光中心を添加
すると、発光強度を飛躍的に向上させることができる。
発光中心をドープするためには、発光中心となる材料を
母体材料と良く混合した後、還元雰囲気中で600〜1
800℃の高温で30分間以上焼成することによって達
成される。また、ほう酸などのフラックスを添加するこ
とによって、発光特性を向上させることができる。
【0009】発光中心となる材料としては、Sc,Y,
La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,T
b,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luの希土類イオ
ン、およびTi,Zr,V,Cr,Mn,Fe,Co,
Ni,Cu,Zn,Nb,Mo,Ta,Wの遷移金属イ
オンのうちの1種類またはそれ以上を用いるのが適して
いるが、母体材料によって最適発光中心は異なる。例え
ば、母体材料がCaAl SiO またはCa
MgSi の場合には、Ceが有効である。発光
中心となる材料の添加量は、0.001〜20wt%の
範囲で選ぶことができる。それが、0.001wt%に
満たない場合には、発光強度の向上が不十分であり、一
方、20wt%以上となると母体材料の結晶構造が維持
できなくなり、発光効率が低下して実用に適さない。
【0010】また、上記の発光材料の発光強度は、励起
源となる機械的な作用力の性質に依存するが、一般的に
は加えた機械的な作用力が大きいほど発光強度が強くな
る。したがって、発光強度を測定することによって、材
料に掛けられた機械的な作用力を知ることができる。こ
れによって、材料にかかる応力状態を無接触で検知でき
るようになり、応力状態を可視化することも可能である
ため、応力検知器その他の広い分野での応用が期待でき
る。
【0011】
【実施例】以下に本発明の実施例を示す。 [実施例1]本発明に係る応力発光材料の応力発光特性
を調べるために、その粉末試料をエポキシ樹脂の中に埋
め込み、ペレット状にして以下の測定を行った。供試粉
末試料は、母体材料であるCa Al SiO
に、発光中心となる0.05wt%のCe と、
フラックスとしての10wt%のほう酸とを添加し、そ
れを還元雰囲気(Ar+H ,5%)中、1300℃
で4時間焼成することによって得られた応力発光材料を
粉末にすることにより作製したものである。
【0012】図1には、上記ペレット状試料(Ca
Al SiO :Ce)に、万力により1000Nの
機械的作用力を掛けた場合の応力発光挙動(経時的変
化)を示している。上記試料(Ca Al SiO
:Ce)は、肉眼でも確認できるほどの青色の強い光
を放出した。また、図2には上記ペレット状試料(Ca
Al SiO :Ce)の発光強度の応力依存性
を調べた結果を示す。この結果によれば、発光強度は応
力に依存し、荷重が増加するに連れて発光強度も増加し
た。これより、発光強度の測定により応力の大きさを評
価できることがわかった。なお、他のメリライト型構造
の酸化物でも図1および図2と同様な傾向が得られた。
【0013】[実施例2]実施例1(試料NO.1)と
同様にして、CaYAl (試料NO.2)、C
(Mg,Fe)Si (試料NO.3)、
Ca SiO (試料NO.4)、CaNaA
lSi (試料NO.5)、CaMgSi
(試料NO.6)、(Ca,Na) (Al,M
g)(Si,Al) (試料NO.7)、Ca
(Mg,Al)(Al,Si)SiO (試料NO.
8)に、Ceイオンを0.05モル%含有させた発光材
料を作製し、発光強度を測定した。それらの結果を実施
例1(試料NO.1)と共に表1に示す。
【0014】
【表1】
【0015】
【発明の効果】以上に詳述したように、本発明によれ
ば、摩擦力、せん断力、衝撃力、圧力などの機械的な外
力によって効果的に発光する新しい応力発光材料および
その製造方法を得ることができ、また、上記機械的な外
力を、それが作用する材料自体の発光により、直接光に
変換することができるため、全く新しい光素子としての
利用の可能性など、広い応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るペレット状試料(Ca Al
SiO :Ce)に機械的作用力を掛けた場合の応力
発光挙動を示すグラフである。
【図2】本発明に係るペレット状試料(Ca Al
SiO :Ce)の発光強度の応力依存性を調べた結
果を示すグラフである。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C09K 11/64 CQE C09K 11/64 CQE 11/80 CPM 11/80 CPM (72)発明者 野中 一洋 佐賀県鳥栖市宿町字野々下807番地1 工 業技術院九州工業技術研究所内 (72)発明者 渡辺 忠彦 佐賀県鳥栖市宿町字野々下807番地1 工 業技術院九州工業技術研究所内 Fターム(参考) 4H001 XA05 XA08 XA11 XA12 XA13 XA14 XA20 XA26 XA39 YA21 YA22 YA23 YA24 YA25 YA26 YA27 YA28 YA29 YA30 YA39 YA40 YA41 YA42 YA57 YA58 YA59 YA60 YA61 YA62 YA63 YA64 YA65 YA66 YA67 YA68 YA69 YA70 YA71 YA73 YA74

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】メリライト型構造のCaYAl
    Ca Al SiO 、Ca(Mg,Fe)Si
    、Ca SiO 、CaNaAlSi
    、Ca MgSi 、(Ca,Na)
    (Al,Mg)(Si,Al) 、およびC
    (Mg,Al)(Al,Si)SiO の酸化物
    のうちの1種類以上からなる母体材料に、機械的エネル
    ギーによって励起された電子が基底状態に戻る場合に発
    光する希土類または遷移金属の1種類以上からなる発光
    中心を添加したことを特徴とする応力発光材料。
  2. 【請求項2】メリライト型構造のCaYAl
    Ca Al SiO 、Ca(Mg,Fe)Si
    、Ca SiO 、CaNaAlSi
    、Ca MgSi 、(Ca,Na)
    (Al,Mg)(Si,Al) 、およびC
    (Mg,Al)(Al,Si)SiO の酸化物
    のうちの1種類以上からなる母体材料に、機械的エネル
    ギーによって励起された電子が基底状態に戻る場合に発
    光する希土類または遷移金属の1種類以上からなる発光
    中心を0.001〜20wt%の範囲で添加して混合し
    た後、還元雰囲気中において600〜1800℃で焼成
    し、発光中心をドープすることを特徴とする応力発光材
    料の製造方法。
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