JP2008214123A - スピネル焼結体、その製造方法、透明基板と液晶プロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】可視光線に対しても十分に使用が可能な安定した透光性を有するスピネル構造の焼結体を提供する。
【解決手段】本発明は、組成が、ＭｇＯ・ｎＡｌ₂Ｏ₃ （１．０５≦ｎ≦１．３０）であり、Ｓｉ元素の含有量が２０ｐｐｍ以下であるスピネル焼結体の製造方法であって、Ｓｉ元素の含有量が５０ｐｐｍ以下であり、純度が９９.５質量％以上であるスピネル粉末から成形体を形成する工程と、成形体を真空中において１５００℃〜１７００℃で焼結することにより、密度９５％以上の焼結体を形成する第１の焼結工程と、焼結体を１６００℃〜１８００℃で加圧焼結する第２の焼結工程とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、透明性とその安定性に優れたスピネル焼結体およびその製造方法に関する。また、そのスピネル焼結体からなる透明基板と、その透明基板を備える液晶プロジェクターに関する。

スピネル焼結体は、結晶型が偏光性を持たない立方晶であり、酸化物セラミックスの中では比較的高い熱伝導性を持ち、中赤外領域から可視領域で透明性を示す材料であるため、液晶プロジェクターまたはリアプロジェクションテレビといった各種の電子デバイスなどの偏光板もしくは防塵窓などの光透過窓またはレンズなどの透明基板材料として注目されている。

液晶プロジェクターの一般的な構造を図２に示す。図２に示すように、メタルハライドランプまたはキセノンランプなどの光源１から投射された光は、リフレクター２により反射され、紫外線カットフィルター３などを透過した後、インテグレータ偏光変換光学系４に導かれる。つぎに、光の波長に応じて透過と反射を行なうダイクロイックミラー５により、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各原色に分解し、全反射ミラー６を利用して、それぞれの分解光は個別に、偏光板７と防塵窓８を通過し、クロスダイクロイックプリズム９で合成した後、投射レンズ系１０により拡大し、前方のスクリーンに画像１１を投影する。このような構造を有する液晶プロジェクター用の偏光板もしくは防塵窓などの光透過窓または光透過レンズなどの透明基板の材料には、厚みのある素材であっても、安定した高い光透過率が求められる。

たとえば、Ａｌ₂Ｏ₃とＭｇＯの組成比が、０．５３：０．４７から０．５８：０．４２の範囲であり、波長６００ｎｍの光線による厚さ１ｍｍの直線透過率が７５％以上の多結晶透明スピネル焼結体が報告されている（特許文献１参照）。しかし、このスピネル焼結体の波長６００ｎｍの光線による最高の直線透過率は８４％程度以下であり、また波長４５０ｎｍの光線による直線透過率が低いため、中赤外領域では使用できるが、高い透過特性が要求される可視領域で利用することは困難である。

また、純度が９９.５％以上で、比表面積が１０ｍ²／ｇ以上のスピネル粉末を、真空中において１２００℃〜１７００℃でホットプレスした後、ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing；熱間等方圧加工法）を行なう透光性スピネル焼結体の製造方法が報告されている（特許文献２参照）。この方法により製造されたスピネル焼結体は、波長３μｍ〜５μｍの赤外領域では最高８５％の直線透過率を示すが、波長０.４μｍ〜３μｍの光線による直線透過率は平均７５％であるため、このスピネル焼結体も、高い光透過特性が要求される可視領域では利用することが困難である。

一方、純度９９.９％以上のスピネル粉末を、予備成形後、ホットプレスを行ない、得られたスピネル焼結体にＨＩＰを行なう透明多結晶体の製造方法が報告されている（特許文献３参照）。この透明多結晶体は、波長４００ｎｍ〜８００ｎｍの光線による直線透過率は平均８４％であるが、このスピネル焼結体の透過性にはバラツキがあり、測定サンプルによっては直線透過率が８０％以下になるなど、焼結体の安定性に問題がある。また、焼結体の厚さが１０ｍｍ以上になると、中心部に異相が生じ、直線透過率が低下してしまうという問題がある。
特開昭５９−１２１１５８号公報 特開平２−１８３５４号公報 特開２００５-７０７３４号公報

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、波長３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの可視光線に対しても十分に使用が可能な８０％以上の直線透過率を有し、安定して高い透過率が得られるスピネル焼結体を提供することにある。また、厚みのある素材でも可視領域の光線に対して安定した高い透過率が得られるスピネル焼結体およびその製造方法を提供することにある。また、上記スピネル焼結体からなる液晶プロジェクター用の透明基板およびその透明基板を備える液晶プロジェクターを提供することにある。

本発明のスピネル焼結体は、組成が、ＭｇＯ・ｎＡｌ₂Ｏ₃ （１．０５≦ｎ≦１．３０）であり、Ｓｉ元素の含有量が２０ｐｐｍ以下である。この焼結体は、厚さ１ｍｍでの波長３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの光線による直線透過率が８０％以上である態様が好ましい。

本発明は、組成が、ＭｇＯ・ｎＡｌ₂Ｏ₃ （１．０５≦ｎ≦１．３０）であり、Ｓｉ元素の含有量が２０ｐｐｍ以下であるスピネル焼結体の製造方法であって、Ｓｉ元素の含有量が５０ｐｐｍ以下であり、純度が９９.５質量％以上であるスピネル粉末から成形体を形成する工程と、成形体を真空中において１５００℃〜１７００℃で焼結することにより、密度９５％以上の焼結体を形成する第１の焼結工程と、焼結体を１６００℃〜１８００℃で加圧焼結する第２の焼結工程とを備える。

第１の焼結工程により形成する焼結体は、Ｓｉ元素の含有量を２０ｐｐｍ以下とすることができる。また、第１の焼結工程は、圧力が５０Ｐａ以下で行ない、焼結体の中心部から焼結体の外側までの最短の厚さをＤ（ｍｍ）とし、１０００℃から最高温度に到達するまでの昇温時間をｔ分とするとき、
Ｄ＝ａ×ｔ^1/2
１≦ａ≦３
の関係を有する態様が好適である。

本発明の透明基板は、スピネル焼結体からなり、液晶プロジェクター用の透明基板として好適であり、特に、表面にコーティング層を有する態様が好ましい。本発明の液晶プロジェクターは、かかる透明基板と、可視光線を発する光源を備えることを特徴とする。

可視光線に対しても十分に使用が可能な安定した透光性を有するスピネル構造の焼結体を提供することができる。また、光透過性が高いため、光源からの光による熱吸収も少なく、液晶の昇温を熱放散できる。この特性により、液晶プロジェクター用の透明基板として有用である。

（スピネル焼結体）
本発明のスピネル焼結体は、組成が、ＭｇＯ・ｎＡｌ₂Ｏ₃ （１．０５≦ｎ≦１．３０）であり、Ｓｉ元素の含有量が２０ｐｐｍ以下である。このスピネル焼結体は、厚さ１ｍｍでの波長３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの可視光線による直線透過率が、好ましくは８０％以上であり、より好ましくは８２％以上であり、特に好ましくは８４％以上であり、直線透過率が十分に高い。また、安定して高い光透過率が得られ、バラツキが小さい。さらに、厚みのある素材でも、可視光線に対して安定した高い透過率が得られる。したがって、発光ダイオード、レーザデバイス、液晶プロジェクター、リアプロジェクションテレビまたはデジタルマイクロミラーデバイスなどの発光装置用の偏光板もしくは防塵窓などの光透過窓または光透過レンズを含む透明基板の材料として好適である。このため、本発明の透明基板を備える液晶プロジェクターは、光源からの可視光線の直線透過率が高く、照度ムラが小さい。

直線透過率は、入射する光線の光軸と平行な直線上における、入射光の強度に対する透過光の強度の割合であり、ＣＣＤを用いて測定できる。したがって、各波長の光線に対して直線透過率が高いほど、強い透過光が得られ、透過するレンズまたは透過窓に吸収される光エネルギーが小さくなるため、レンズまたは透過窓の発熱を抑制することができる。

スピネル焼結体には、組成が、ＭｇＯ・ｎＡｌ₂Ｏ₃ （１．０５≦ｎ≦１．３０）であり、ＭｇＯ（マグネシア）とＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）とからなる酸化物が含まれる。スピネル焼結体は、結晶型が立方晶であるため、結晶粒界での光の散乱が起こりにくく、高密度に焼結すると、良好な光透過性が得られる。１．０５≦ｎ≦１．３０とすることにより、ＭｇＯの固溶量を少なくして、微視的な結晶格子のバラツキと歪みを小さくし、透光性を改善することができる。かかる観点から、１．０７≦ｎ≦１．１２５が好ましい。

一般に、スピネル焼結体の光透過性を低下させる要因として、金属不純物の混入があり、金属不純物としては、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｃなどが挙げられる。これらの金属不純物は、原料粉末に由来して焼結体中に混入する。これらの金属不純物のうち、Ｓｉ元素の含有量を２０ｐｐｍ以下とすることにより、高い光透過性を安定して得ることができるようになる。かかる観点から、Ｓｉ元素の含有量は、１０ｐｐｍ以下がより好ましく、５ｐｐｍ以下が特に好ましい。Ｓｉ元素の含有量をこのように制御することにより、厚さ１０ｍｍ以上のスピネル焼結体においても、均一な光透過性を得ることができる。Ｓｉ元素は、焼結時にスピネル粉末と反応して液相を生成する。この液相は、スピネル粉末の焼結性を早める効果があるが、この液相が粒界に残存すると、異相となり、光透過率を低下させる。

Ｓｉ元素以外の金属不純物、たとえば、Ｎａ、Ｋ、ＣａまたはＦｅなどを含め、不純物の混入により、スピネル焼結体の光透過性、そのバラツキおよび製造上の安定性が悪影響を受ける。このため、スピネル粉末におけるＭｇＯ・ｎＡｌ₂Ｏ₃の純度は、９９.５質量％以上とし、９９.９質量％以上が好ましく、９９.９９質量％以上がよりに好ましい。

スピネル焼結体からなる液晶プロジェクター用の透明基板は、光透過性と表面安定性を高める点で、表面にコーティング層を有する態様が好ましい。コーティング層は、単層でも有効であるが、一般に使用される波長４００ｎｍ〜７００ｎｍという領域で安定した透過特性を得る点で、複層のコーティング層を有する態様がより好ましい。複数のコーティング層を設ける場合、コーティング材料は、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂などの金属酸化物、または、ＭｇＦ₂、ＹＦ₃、ＬａＦ₃、ＣｅＦ₃、ＢａＦ₂などの金属フッ化物が好ましい。かかるコーティング層の膜厚は、合計で５μｍ以下が好ましい。このようにして得られたコーティング層を片面に有するスピネル焼結体の平均透過率は、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの領域で、９０％以上が好ましく、９１％以上がより好ましく、９２％以上が特に好ましい。

（スピネル焼結体の製造方法）
本発明のスピネル焼結体の製造方法は、Ｓｉ元素の含有量が５０ｐｐｍ以下で、純度が９９.５質量％以上であるスピネル粉末から成形体を形成する工程と、成形体を真空中において１５００℃〜１７００℃で焼結することにより、密度９５％以上の焼結体を形成する第１の焼結工程と、焼結体を１６００℃〜１８００℃で加圧焼結する第２の焼結工程とを備える。この方法により、組成が、ＭｇＯ・ｎＡｌ₂Ｏ₃ （１．０５≦ｎ≦１．３０）であり、Ｓｉ元素の含有量が２０ｐｐｍ以下であるスピネル焼結体を製造することができ、安定して高い光透過率を有し、光透過率のバラツキが小さいレンズまたは光透過窓を提供することができる。

まず、スピネル粉末を、プレス成形またはＣＩＰ（Cold Isostatic Pressing；冷間等方圧加工法）により成形する。その後、第１の焼結工程では、真空中において１５００℃〜１７００℃で成形体を焼結し、密度９５％以上の焼結体を形成する。真空雰囲気で焼結することにより、不純物であるＳｉ元素から生成した液相を真空中で蒸発させ、除去することが可能となる。かかる観点から、真空度は、５０Ｐａ以下が好ましく、２０Ｐａ以下がより好ましい。

第１の焼結工程の条件は、Ｓｉ元素の量や焼結体の厚さにより異なるが、焼結体の中心部から焼結体の外側までの最短の厚さをＤ（ｍｍ）とし、１０００℃から最高温度に到達するまでの昇温時間をｔ分とするとき、
Ｄ＝ａ×ｔ^1/2
１≦ａ≦３
の関係を有する態様が好ましい。

後述する実施例２の結果から明らかなとおり、このような範囲内で昇温することにより、スピネル粉末におけるＳｉ元素の含有量が５０ｐｐｍ以下であるときは、第１の焼結工程の終了後に、Ｓｉ元素の含有量を２０ｐｐｍ以下に低減することが可能であり、高い光透過率のスピネル焼結体が得られる。焼結体中のＳｉ元素含有量を一層低減し、スピネル焼結体の光透過率を高める点で、スピネル粉末中のＳｉ元素含有量は、３０ｐｐｍ以下が好ましい。スピネル粉末中のＳｉ元素の含有量が５０ｐｐｍ以上の場合には、第１の焼結工程における真空雰囲気中での昇温時間をさらに長くすることにより、焼結体中のＳｉ元素含有量を低減することは可能である。

また、第１の焼結工程における温度は、密度９５％以上の高密度焼結体を得る点で、１５００℃以上が好ましい。焼結体の密度は、焼結体の光透過率を高める点で、９５％以上がより好ましい。本明細書において、密度は、アルキメデス法により計算される相対密度を指す。一方、焼結温度は、真空中でのＭｇＯの蒸発を抑え、冷却時にＡｌ₂Ｏ₃が第２相として析出するのを防止し、光透過性を高く維持する点で、１７００℃以下が好ましく、１６５０℃以下がより好ましい。

第１の焼結工程の終了後、第２の焼結工程において、ＨＩＰなどにより焼結体を１６００℃〜１８００℃で加圧焼結する。温度１６００℃〜１８００℃、圧力１００ＭＰａ程度でＨＩＰすると、組成変形と拡散機構により空孔の除去が促進されるため、さらに高密度化することができ、光透過率が一層向上する。ＨＩＰに用いるガスは、Ａｒガス、Ｎ₂ガスなどの不活性ガス、Ｏ₂ガスまたはこれらの混合ガスが好ましく、Ｏ₂ガスを混合すれば、脱酸素による透光性の低下を防止することができる。

透明基板の表面へのコーティング層の形成は、物理的蒸着法による態様が好ましく、スパッタリング法、イオンプレーティング法、真空蒸着法などを実施することができ、イオンアシストまたはプラズマアシストを行なうと、膜性能が向上するので好ましい。

（実施例１〜７）
本実施例では、原料であるスピネル粉末中のＳｉ元素の含有量を５０ｐｐｍ以下で種々変更し、スピネル焼結体を形成後、光透過率を検討した。まず、純度が９９．５質量％であり、表１に示すような不純物元素含有量のスピネル粉末を用い、成形後、ＣＩＰによりφ９５ｍｍ×Ｌ９５ｍｍに加工した。つぎに、１℃／分の昇温条件で、圧力２０Ｐａの真空中、１６００℃で第１の焼結工程を実施した。得られた焼結体の密度は９５％〜９７％であった。

第１の焼結工程における昇温条件については、焼結体の中心部から焼結体の外側までの最短の厚さＤが３９ｍｍであり、１０００℃から最高温度１６００℃に到達するまで１℃／分で昇温したため、昇温時間ｔは６００分であった。したがって、Ｄ＝ａ×ｔ^1/2により、ａは１．６と計算され、１≦ａ≦３を満たしていた。

つぎに、Ａｒガスを用い、１７００℃、１００ＭＰａでＨＩＰを行ない、第２の焼結工程を実施した。得られた焼結体は、φ８２ｍｍ×Ｌ７８ｍｍであり、組成はＩＣＰ発光分析(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry)により、ＭｇＯ・１．０７Ａｌ₂Ｏ₃であり、１．０５≦ｎ≦１．３０であった。この焼結体の中央部を切断後、研磨し、分光計（日立ハイテク社製Ｕ-４１００）を用い、厚さ１ｍｍでの波長３５０ｎｍと４５０ｎｍの光線による直線透過率を測定した。またその中心部を粉砕し、ＩＣＰ発光分析によりＳｉ元素の含有量を測定した。測定結果を表１に示す。

表１の結果から明らかなとおり、Ｓｉ元素の含有量が５０ｐｐｍ以下のスピネル粉末を用い、本発明の方法により、ＭｇＯ・ｎＡｌ₂Ｏ₃ （１．０５≦ｎ≦１．３０）であり、Ｓｉ元素の含有量が２０ｐｐｍ以下であるスピネル焼結体を製造することができた。また、スピネル焼結体の直線透過率はいずれも８０％以上であり、光透過率のバラツキが小さいことがわかった。

（実施例８〜１０と参考例１）
本実施例では、第１の焼結工程における昇温時間ｔを変更し（Ｄは一定）、
Ｄ＝ａ×ｔ^1/2
により求まるａ値と、Ｓｉ元素含有量および焼結体の光透過性との関係を検討した。

実施例５で使用したスピネル粉体を用い、第１の焼結工程において、Ｄ値を変更することなく、昇温時間ｔを変更することにより、表２に示すようにａの値を変化させ、他の条件は、実施例５と同様にしてスピネル焼結体を製造した。測定は、実施例５と同様に行ない、第１の焼結工程により形成した焼結体のＳｉ元素含有量と、第２の焼結工程終了後の焼結体の直線透過率を測定した。測定結果を表２に示す。

表２の結果から明らかなとおり、１≦ａ≦３を満たす場合は、スピネル粉末におけるＳｉ元素の含有量が５０ｐｐｍ以下であるときは、第１の焼結工程の終了後に、Ｓｉ元素の含有量を２０ｐｐｍ以下に低減することができ、スピネル焼結体の直線透過率はいずれも８０％以上であった。

実施例２と４および参考例１のスピネル焼結体を厚さ方向に５ｍｍおきに切断し、各サンプルを厚さ１ｍｍに仕上げ、波長３５０ｎｍの光線による直線透過率とＳｉ元素の含有量との関係について測定した。その結果を図１に示す。図１の結果から明らかなとおり、Ｓｉ元素の含有量が多いサンプルでは、直線透過率のバラツキが多いのに対し、Ｓｉ元素の含有量が２０ｐｐｍ以下のサンプルでは、安定して高い透過特性を示すことがわかった。

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。

本発明のスピネル焼結体は、安定した高い透光性を有するため、発光ダイオード、レーザデバイス、液晶プロジェクター、リアプロジェクションテレビまたはデジタルマイクロミラーデバイスなどの発光装置用の光透過窓または光透過レンズの材料として好適である。

波長３５０ｎｍの光線による直線透過率とＳｉ元素の含有量との関係を示す図である。 液晶プロジェクターの一般的な構造を示す図である。

符号の説明

１ 光源、２ リフレクター、３ 紫外線カットフィルター、４ インテグレータ偏光変換光学系、５ ダイクロイックミラー、６ 全反射ミラー、７ 偏光板、８ 防塵窓、９ クロスダイクロイックプリズム、１０ 投射レンズ系、１１ 画像。

Claims (8)

1. 組成が、ＭｇＯ・ｎＡｌ₂Ｏ₃ （１．０５≦ｎ≦１．３０）であり、Ｓｉ元素の含有量が２０ｐｐｍ以下であるスピネル焼結体。
2. 前記焼結体は、厚さ１ｍｍでの波長３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの光線による直線透過率が８０％以上である請求項１に記載のスピネル焼結体。
3. 組成が、ＭｇＯ・ｎＡｌ₂Ｏ₃ （１．０５≦ｎ≦１．３０）であり、Ｓｉ元素の含有量が２０ｐｐｍ以下であるスピネル焼結体の製造方法であって、
   Ｓｉ元素の含有量が５０ｐｐｍ以下であり、純度が９９.５質量％以上であるスピネル粉末から成形体を形成する工程と、
   前記成形体を真空中において１５００℃〜１７００℃で焼結することにより、密度９５％以上の焼結体を形成する第１の焼結工程と、
   前記焼結体を１６００℃〜１８００℃で加圧焼結する第２の焼結工程と
   を備えるスピネル焼結体の製造方法。
4. 第１の焼結工程により形成する前記焼結体は、Ｓｉ元素の含有量が２０ｐｐｍ以下である請求項３に記載のスピネル焼結体の製造方法。
5. 前記第１の焼結工程は、
   圧力が５０Ｐａ以下で行ない、
   焼結体の中心部から焼結体の外側までの最短の厚さをＤ（ｍｍ）とし、１０００℃から最高温度に到達するまでの昇温時間をｔ分とするとき、
   Ｄ＝ａ×ｔ^1/2
   １≦ａ≦３
   の関係を有する請求項３または４に記載のスピネル焼結体の製造方法。
6. 請求項１または２に記載のスピネル焼結体からなる液晶プロジェクター用の透明基板。
7. 前記基板は、表面にコーティング層を有する請求項６に記載の透明基板。
8. 請求項６または７に記載の透明基板と、可視光線を発する光源を備える液晶プロジェクター。

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