JP2023109324A - Method of producing paramagnetic garnet type transparent ceramic - Google Patents

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Masanori Ikari
恵多 田中
Keita Tanaka
卓士 松本
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Abstract

To provide a method of producing paramagnetic garnet type transparent ceramic, i.e., a sintered body of a paramagnetic garnet type oxide containing Tb and Y, which ceramic is highly transparent, is of extremely high and stable production reproducibility, and is truly practically usable.SOLUTION: The method of producing paramagnetic garnet type transparent ceramic constituted of a sintered body of a composite oxide of a prescribed composition including Tb, Y, Sc and Al, by wet-blending terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder and aluminum oxide powder as starting materials, and silicon dioxide as a sintering aid to prepare slurry, molding the slurry and sintering the molding, is characterized in that the mean particle diameters of terbium oxide powder and yttrium oxide powder are each 3 μm or more, and the mean particle diameters of scandium oxide powder and aluminum oxide powder are each smaller than 1 μm, the particle size distributions of the terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder and aluminum oxide powder in the slurry each have a single peak, the median diameter (D50 value) in each of the particle diameter distributions is 400 nm or more, and the value of cumulative volume-based 95% mean particle diameter from the smallest value side in the particle size distribution (D95 value), is 2 μm or less.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法に関し、より詳細には、光アイソレータなどの磁気光学デバイスを構成するのに好適なテルビウム及びイットリウムを含むガーネット型透明セラミックス常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a paramagnetic garnet-type transparent ceramic, and more particularly, a garnet-type transparent ceramic containing terbium and yttrium suitable for forming a magneto-optical device such as an optical isolator. It relates to a manufacturing method.

近年、ファイバーレーザーの高出力化が可能となってきたこともあり、該ファイバーレーザーを用いたレーザー加工機の普及が目覚しい。ところで、レーザー加工機に組み込まれるレーザー光源は、外部からの光が入射すると共振状態が不安定化し、発振状態が乱れる現象が起こる。特に発振された光が途中の光学系で反射されて光源に戻ってくると、発振状態は大きく撹乱される。これを防止するために、通常光アイソレータがレーザー光源と光ファイバーの間など光源の光出射側に設けられる。 In recent years, it has become possible to increase the output of fiber lasers, and the spread of laser processing machines using such fiber lasers is remarkable. By the way, when light from the outside enters a laser light source incorporated in a laser processing machine, the resonance state becomes unstable, and a phenomenon occurs in which the oscillation state is disturbed. In particular, when the oscillated light is reflected by an optical system on the way and returns to the light source, the oscillation state is greatly disturbed. To prevent this, an optical isolator is usually provided on the light exit side of the light source, such as between the laser light source and the optical fiber.

光アイソレータは、ファラデー回転子と、ファラデー回転子の光入射側に配置された偏光子と、ファラデー回転子の光出射側に配置された検光子とからなる。また、ファラデー回転子は、光の進行方向に平行に磁界を加えて利用する。このとき、光の偏波線分はファラデー回転子中を前進しても後進しても一定方向にしか回転しなくなる。更に、ファラデー回転子は光の偏波線分が丁度45度回転される長さに調整される。ここで、偏光子と検光子の偏波面を前進する光の回転方向に45度ずらしておくと、前進する光の偏波は偏光子位置と検光子位置で一致するため透過する。他方、後進する光の偏波は検光子位置から45度ずれている偏光子の偏波面のずれ角方向とは逆回転に45度回転することになる。すると、偏光子位置における戻り光の偏波面は偏光子の偏波面に対して45度-(-45度)=90度のずれとなり、偏光子を透過できない。こうして前進する光は透過、出射させ、後進する戻り光は遮断する光アイソレータとして機能する。 The optical isolator comprises a Faraday rotator, a polarizer arranged on the light incident side of the Faraday rotator, and an analyzer arranged on the light exit side of the Faraday rotator. Also, the Faraday rotator applies a magnetic field parallel to the light traveling direction. At this time, the polarization line segment of the light rotates only in a fixed direction regardless of whether it moves forward or backward in the Faraday rotator. In addition, the Faraday rotator is adjusted to a length such that the polarization line segment of the light is rotated exactly 45 degrees. Here, if the planes of polarization of the polarizer and the analyzer are shifted by 45 degrees in the direction of rotation of the advancing light, the polarization of the advancing light matches the position of the polarizer and that of the analyzer, and is thus transmitted. On the other hand, the polarized wave of the backward traveling light is rotated 45 degrees in the direction opposite to the shift angle direction of the plane of polarization of the polarizer which is shifted by 45 degrees from the position of the analyzer. Then, the plane of polarization of the return light at the position of the polarizer deviates from the plane of polarization of the polarizer by 45 degrees - (-45 degrees) = 90 degrees, and cannot pass through the polarizer. In this way, it functions as an optical isolator that transmits and emits advancing light and blocks backward returning light.

上記光アイソレータを構成するファラデー回転子として用いられる材料では、従来からTGG結晶(Tb3Ga512)とTSAG結晶((Tb(3-x)Scx)Sc2Al312)が知られている(特開2011-213552号公報(特許文献1)、特開2002-293693号公報(特許文献2))。TGG結晶は現在標準的なファイバーレーザー装置用として広く搭載されている。他方TSAG結晶のベルデ定数はTGG結晶の1.3倍程度あるとされており、こちらもファイバーレーザー装置に搭載されてもおかしくない材料であるが、Scが極めて高価な原料であるため、製造コストの面から採用が進んでいない。 TGG crystal (Tb 3 Ga 5 O 12 ) and TSAG crystal ((Tb (3-x) Sc x )Sc 2 Al 3 O 12 ) are conventionally known materials for use as the Faraday rotator constituting the optical isolator. (JP-A-2011-213552 (Patent Document 1), JP-A-2002-293693 (Patent Document 2)). TGG crystals are now widely installed for standard fiber laser devices. On the other hand, the Verdet constant of TSAG crystal is said to be about 1.3 times that of TGG crystal. Recruitment has not progressed from the aspect of

上記以外では、TSAGより更にベルデ定数が大きなファラデー回転子として、昔からTAG結晶(Tb3Al512)も知られている。ただしTAG結晶は分解溶融型結晶であるため、固液界面においてまずペロブスカイト相が最初に生成され、その後にTAG相が生成されるという制約があった。つまりTAG結晶のガーネット相とペロブスカイト相は常に混在した状態でしか結晶育成することができず、良質で大サイズのTAG結晶育成は実現していない。 In addition to the above, TAG crystal (Tb 3 Al 5 O 12 ) has long been known as a Faraday rotator having a Verdet constant larger than that of TSAG. However, since the TAG crystal is a decomposition melting type crystal, there is a limitation that the perovskite phase is first generated at the solid-liquid interface, and then the TAG phase is generated. In other words, the garnet phase and the perovskite phase of the TAG crystal can only be grown in a state where they are always mixed, and the TAG crystal growth of good quality and large size has not been realized.

特許第3642063号公報(特許文献3)や特許第4107292号公報(特許文献4)には、この混晶を抑制する手段として、FZ育成用の多結晶原料棒、ないしは種結晶を多孔質とすることで、初相であるペロブスカイト相を多孔質媒体中に優先的に析出させる方式が提案されている。ただし、実際には溶融位置が移動するにつれてペロブスカイト相が析出しやすい位置も移動してしまうため、種結晶と多結晶原料棒の界面だけを多孔質化したからといって、ペロブスカイト相の析出を完全に抑制することは本質的に不可能であった。 In Japanese Patent No. 3642063 (Patent Document 3) and Japanese Patent No. 4107292 (Patent Document 4), as means for suppressing this mixed crystal, a polycrystalline raw material rod for FZ growth or a seed crystal is made porous. Therefore, a method has been proposed in which the perovskite phase, which is the primary phase, is preferentially precipitated in the porous medium. However, in reality, as the melting position moves, the position where the perovskite phase is likely to precipitate also moves. Complete suppression was essentially impossible.

このような制約がある中で、最近、組成が(Tbx1-x3Al512(x=0.5~1.0)である緻密なセラミックス焼結体が既存のTGG結晶に比べて消光比が高く(既存の35dBが39.5dB以上に改善し)、挿入損失も低減できる(既存の0.05dBが0.01~0.05dBに改善する)ことが開示された(Yan Lin Aung, Akio Ikesue, Development of optical grade (Tbx1-x3Al512 ceramics as Faraday rotator material, J.Am.Ceram.Soc.,(2017),100(9),4081-4087(非特許文献1))。この非特許文献1で開示された材料は、まずセラミックスであるため、TGG結晶で問題となっていたペロブスカイト異相の析出もなく、更にTbイオンの一部をYイオンで置換することで、更なる低損失化が可能になったものであり、きわめて高品質のガーネット型ファラデー回転子を得ることのできる材料である。 Under these constraints, a dense ceramic sintered body having a composition of (Tb x Y 1-x ) 3 Al 5 O 12 (x = 0.5 to 1.0) has recently been developed as an existing TGG crystal. (existing 35 dB is improved to 39.5 dB or more) and insertion loss can be reduced (existing 0.05 dB is improved to 0.01 to 0.05 dB). Yan Lin Aung, Akio Ikesue, Development of optical grade ( TbxY1 -x ) 3Al5O12 ceramics as Faraday rotator material, J.Am.Ceram.Soc., (2017), 1 00(9), 4081- 4087 (Non-Patent Document 1)). Since the material disclosed in Non-Patent Document 1 is first of all ceramics, there is no precipitation of the perovskite heterogeneous phase, which has been a problem with TGG crystals. It is a material that has made it possible to reduce the loss and is a material from which a very high-quality garnet-type Faraday rotator can be obtained.

更にまた、特開2019-199386号公報(特許文献5)には、(Tb1-x-yxScy3(Al1-zScz512(式中、0.05≦x<0.45、0<y<0.1、0.5<1-x-y<0.95、0.004<z<0.2である。)という組成の常磁性ガーネット型透明セラミックスが開示されている。この材料は非特許文献1と類似の組成の材料であるが、Scが有意に添加されている点が異なる。当該材料は、消光比が40dB以上と非特許文献1より更に改善され、100Wレーザーを照射しても熱レンズによる焦点位置の変化量が小さく、実用に耐え得るレベルの光アイソレータとして用いることができ、セラミックス製のためスケールアップも容易な、真に実用的な常磁性ガーネット型透明セラミックスであるとしている。 Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2019-199386 (Patent Document 5) describes (Tb 1-xy Y x Sc y ) 3 (Al 1-z Sc z ) 5 O 12 (where 0.05≦x< 0.45, 0<y<0.1, 0.5<1-xy<0.95, 0.004<z<0.2). It is This material has a composition similar to that of Non-Patent Document 1, but differs in that Sc is significantly added. This material has an extinction ratio of 40 dB or more, which is even more improved than that of Non-Patent Document 1. Even when irradiated with a 100 W laser, the amount of change in the focal position due to the thermal lens is small. , It is said that it is a truly practical paramagnetic garnet-type transparent ceramic that is easy to scale up because it is made of ceramic.

ところで、特許第6119528号公報(特許文献6)には、透明セスキオキサイド焼結体の製造方法が開示されており、希土類元素の酸化物粒子の粒度分布(該粒子が凝集して二次粒子化している場合はこの二次粒子の粒度分布である。)において最小値側からの累積2.5体積%の粒子径(D2.5値)が180nm以上2000nm以下である原料粉末、更にD2.5値が180nm以上280nm以下であり、かつメジアン径であるD50値が950nm以下である原料粉末を用いたセスキオキサイド焼結体が、透光性を阻害する残存気泡を内在しない、真に透光性のある透明焼結体を安定して提供することができるとしている。 By the way, Japanese Patent No. 6119528 (Patent Document 6) discloses a method for producing a transparent sesquioxide sintered body, in which the particle size distribution of oxide particles of a rare earth element (the particles aggregate to form secondary particles If it is, it is the particle size distribution of this secondary particle.) In the raw material powder whose cumulative particle diameter (D2.5 value) of 2.5% by volume from the minimum value side is 180 nm or more and 2000 nm or less, further D2.5 180 nm or more and 280 nm or less, and the D50 value, which is the median diameter, is 950 nm or less. It is possible to stably provide a transparent sintered body with

特開2011-213552号公報JP 2011-213552 A 特開2002-293693号公報JP-A-2002-293693 特許第3642063号公報Japanese Patent No. 3642063 特許第4107292号公報Japanese Patent No. 4107292 特開2019-199386号公報JP 2019-199386 A 特許第6119528号公報Japanese Patent No. 6119528

Yan Lin Aung, Akio Ikesue, Development of optical grade (TbxY1-x)3Al5O12 ceramics as Faraday rotator material, J.Am.Ceram.Soc.,(2017),100(9),4081-4087Yan Lin Aung, Akio Ikesue, Development of optical grade (TbxY1-x)3Al5O12 ceramics as Faraday rotator material, J.Am.Ceram.Soc., (2017), 100(9), 40 81-4087

しかしながら、本発明者らが非特許文献1及び特許文献5の条件で実際に追試してみると、再現性がかなり乏しく、TGG結晶よりも挿入損失が小さい高品質なセラミックス焼結体はなかなか得られないことが確認された。 However, when the inventors of the present invention actually repeated experiments under the conditions of Non-Patent Document 1 and Patent Document 5, the reproducibility was considerably poor, and it was difficult to obtain a high-quality ceramic sintered body with a smaller insertion loss than the TGG crystal. It was confirmed that

また、特許文献6における透明セスキオキサイド焼結体は、常磁性ガーネット型透明セラミックス焼結体とは組成も結晶構造も異なるが、透明な焼結体を安定して再現性良く作製するためには、使用する原料粉末の粒子径や粒度分布の管理が重要であることを示唆している。ただし、これまで常磁性ガーネット型透明セラミックス焼結体を、再現性良く安定して高度に透明な焼結体に仕上げるための原料粉末の粒子径や粒度分布についての情報は一切開示されていない。 In addition, the transparent sesquioxide sintered body in Patent Document 6 differs from the paramagnetic garnet-type transparent ceramics sintered body in composition and crystal structure. , suggesting that it is important to control the particle size and particle size distribution of the raw material powder used. However, no information has been disclosed about the particle size and particle size distribution of the raw material powder for finishing the paramagnetic garnet-type transparent ceramics sintered body into a highly transparent sintered body stably with good reproducibility.

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、テルビウム及びイットリウムを含有する常磁性ガーネット型酸化物の焼結体であって、その透明性が極めて高く、かつ、その製造再現性が極めて高く安定している、真に実用的な常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a sintered body of a paramagnetic garnet-type oxide containing terbium and yttrium, which has extremely high transparency, extremely high reproducibility in production, and is stable. An object of the present invention is to provide a truly practical method for producing paramagnetic garnet-type transparent ceramics.

本発明者らは、上記目的を達成するため、前記公知例の知見を基に、特にテルビウム及びイットリウムを含有する常磁性ガーネット型酸化物の焼結体の安定製造方法について鋭意検討を行い、本発明を成すに至った。 In order to achieve the above object, the present inventors have made intensive studies on a method for stably producing a sintered body of a paramagnetic garnet-type oxide containing terbium and yttrium based on the knowledge of the above known examples. I came up with the invention.

即ち、本発明は、下記の常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法を提供する。
1.
出発原料としての酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末と、焼結助剤であるSiO2原料とを湿式混合してスラリーとし、該スラリーを用いて成形した後、得られた成形体を脱脂し、焼結して、下記式(1)

(Tb1-x-yxScy3(Al1-zScz512 (1)
(式中、0.05≦x≦0.4、0≦y<0.08、0.52<1-x-y<0.95、0≦z<0.2、0.001<y+z<0.2である。)

で表される複合酸化物の焼結体であり、焼結助剤としてSiO2を0質量%超0.1質量%以下含有する常磁性ガーネット型透明セラミックスを得る常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法において、
上記出発原料の酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末それぞれの平均粒子径が3μm以上であり、上記出発原料の酸化スカンジウム粉末、酸化アルミニウム粉末それぞれの平均粒子径が1μm未満であって、上記スラリーにおける酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末の粒度分布が単一ピークを有し、該粒度分布のメジアン径であるD50値が400nm以上であり、かつ該粒度分布の最小値側からの累積95体積%の値であるD95値が2μm以下であることを特徴とする常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法。
2.
上記湿式混合がボールミル又はビーズミルによるものである1に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法。
3.
上記ボールミル又はビーズミルによる混合時間が1時間以上15時間以下である2に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法。
4.
上記湿式混合の分散媒が炭素数1~3の低級アルコールである1~3のいずれかに記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法。
5.
上記粒度分布は、結合剤を含まないスラリーについてのものである1~4のいずれかに記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法。
6.
上記スラリーは、湿式混合後に静置すると、その直後に酸化テルビウム粉末及び/又は酸化イットリウム粉末が沈降してその堆積層を形成するものである1~5のいずれかに記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法。
7.
上記スラリーをスプレードライ処理して顆粒状原料とし、該顆粒状原料を用いて成形する1~6のいずれかに記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法。
That is, the present invention provides the following method for producing paramagnetic garnet-type transparent ceramics.
1.
Terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder, and aluminum oxide powder as starting materials and SiO2 raw material as a sintering aid are wet-mixed to form a slurry, and after molding using the slurry, the obtained The molded body is degreased and sintered, and the following formula (1)

( Tb1 -xyYxScy ) 3 ( Al1 -zScz ) 5O12 (1)
(Wherein, 0.05 ≤ x ≤ 0.4, 0 ≤ y < 0.08, 0.52 < 1-xy < 0.95, 0 ≤ z < 0.2, 0.001 < y + z < 0.2.)

Manufacture of paramagnetic garnet - type transparent ceramics to obtain paramagnetic garnet-type transparent ceramics which is a sintered body of a composite oxide represented by in the method
The average particle size of the terbium oxide powder and the yttrium oxide powder as the starting materials is 3 μm or more, and the average particle size of the scandium oxide powder and the aluminum oxide powder as the starting materials is less than 1 μm, and the terbium oxide in the slurry The particle size distribution of the powder, the yttrium oxide powder, the scandium oxide powder, and the aluminum oxide powder has a single peak, the D50 value, which is the median diameter of the particle size distribution, is 400 nm or more, and the minimum value side of the particle size distribution A method for producing paramagnetic garnet-type transparent ceramics, characterized in that the D95 value, which is the cumulative value of 95% by volume, is 2 μm or less.
2.
2. The method for producing paramagnetic garnet-type transparent ceramics according to 1, wherein the wet mixing is by a ball mill or a bead mill.
3.
3. The method for producing paramagnetic garnet-type transparent ceramics according to 2, wherein the mixing time in the ball mill or bead mill is 1 hour or more and 15 hours or less.
4.
3. The method for producing paramagnetic garnet-type transparent ceramics according to any one of 1 to 3, wherein the dispersion medium for wet mixing is a lower alcohol having 1 to 3 carbon atoms.
5.
5. The method for producing paramagnetic garnet-type transparent ceramics according to any one of 1 to 4, wherein the particle size distribution is for slurry containing no binder.
6.
6. The paramagnetic garnet-type transparent material according to any one of 1 to 5, wherein when the slurry is allowed to stand after being wet-mixed, the terbium oxide powder and/or yttrium oxide powder precipitate immediately after that to form a deposited layer. Manufacturing method of ceramics.
7.
7. The method for producing paramagnetic garnet-type transparent ceramics according to any one of 1 to 6, wherein the slurry is spray-dried to obtain a granular raw material, and the granular raw material is used for molding.

本発明によれば、テルビウム及びイットリウムを含有する常磁性ガーネット型酸化物焼結体を、安定して高度に透明な状態に再現性良く仕上げることが可能となり、高出力レーザー装置に適用できる真に実用的な常磁性ガーネット型酸化物透明セラミックスを提供できる。 According to the present invention, a paramagnetic garnet-type oxide sintered body containing terbium and yttrium can be stably and highly transparently finished with good reproducibility. Practical paramagnetic garnet-type oxide transparent ceramics can be provided.

本発明で製造した常磁性ガーネット型透明セラミックスをファラデー回転子として用いた光アイソレータの構成例を示す断面模式図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structural example of the optical isolator using the paramagnetic garnet-type transparent ceramics manufactured by this invention as a Faraday rotator. 実施例における酸化物原料No.3を使用したスラリーの混合時間ごとの粒度分布を示す図である。Oxide raw material No. in the examples. 3 is a diagram showing the particle size distribution for each mixing time of the slurry using No. 3. FIG. 実施例における酸化物原料No.6を使用したスラリーの混合時間ごとの粒度分布を示す図である。Oxide raw material No. in the examples. 6 is a diagram showing the particle size distribution for each mixing time of the slurry using No. 6. FIG.

以下に、本発明に係る常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法の構成について説明する。
本発明の常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法は、出発原料としての酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末と、焼結助剤であるSiO2原料とを湿式混合してスラリーとし、該スラリーを用いて成形した後、得られた成形体を脱脂し、焼結して、下記式(1)

(Tb1-x-yxScy3(Al1-zScz512 (1)
(式中、0.05≦x≦0.4、0≦y<0.08、0.52<1-x-y<0.95、0≦z<0.2、0.001<y+z<0.2である。)

で表される複合酸化物の焼結体であり、焼結助剤としてSiO2を0質量%超0.1質量%以下含有する常磁性ガーネット型透明セラミックスを得る常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法において、
(a)上記出発原料の酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末それぞれの平均粒子径が3μm以上であり、上記出発原料の酸化スカンジウム粉末、酸化アルミニウム粉末それぞれの平均粒子径が1μm未満であって、
(b)上記スラリーにおける酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末の粒度分布が単一ピークを有し、該粒度分布のメジアン径であるD50値が400nm以上であり、かつ該粒度分布の最小値側からの累積95体積%の値であるD95値が2μm以下であることを特徴とするものである。
The configuration of the method for producing paramagnetic garnet-type transparent ceramics according to the present invention will be described below.
In the method for producing the paramagnetic garnet-type transparent ceramics of the present invention, terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder and aluminum oxide powder as starting materials and SiO2 raw material as a sintering aid are wet-mixed. After forming a slurry using the slurry, the obtained formed body is degreased and sintered to obtain the following formula (1)

( Tb1 -xyYxScy ) 3 ( Al1 -zScz ) 5O12 (1)
(Wherein, 0.05 ≤ x ≤ 0.4, 0 ≤ y < 0.08, 0.52 < 1-xy < 0.95, 0 ≤ z < 0.2, 0.001 < y + z < 0.2.)

Manufacture of paramagnetic garnet - type transparent ceramics to obtain paramagnetic garnet-type transparent ceramics which is a sintered body of a composite oxide represented by in the method
(a) the average particle size of each of the terbium oxide powder and the yttrium oxide powder as the starting materials is 3 μm or more, and the average particle size of each of the scandium oxide powder and the aluminum oxide powder as the starting materials is less than 1 μm,
(b) the particle size distribution of the terbium oxide powder, the yttrium oxide powder, the scandium oxide powder, and the aluminum oxide powder in the slurry has a single peak, and the D50 value, which is the median diameter of the particle size distribution, is 400 nm or more; The D95 value, which is the cumulative 95 volume % value from the minimum value side of the particle size distribution, is 2 μm or less.

(透明セラミックス)
本発明で製造される透明セラミックスは、Tb及びYを含む常磁性ガーネット型複合酸化物の焼結体からなるものであり、上記組成式(1)で表される複合酸化物の透明焼結体である。上記式(1)で表される範囲の組成の常磁性ガーネット型透明セラミックスを製造すると、極めて光学散乱が小さく、歪みや吸収も極小であり、かつファラデー回転子として十分なベルデ定数を有するものとすることができる。
(transparent ceramics)
The transparent ceramic produced in the present invention is a sintered body of a paramagnetic garnet-type composite oxide containing Tb and Y, and is a transparent sintered body of the composite oxide represented by the above composition formula (1). is. When a paramagnetic garnet-type transparent ceramic having a composition within the range represented by the above formula (1) is produced, it has extremely small optical scattering, minimal distortion and absorption, and has a sufficient Verdet constant as a Faraday rotator. can do.

具体的には、式(1)で表される濃度範囲でテルビウム(Tb)を添加することで十分なベルデ定数を担保し、式(1)で表される濃度範囲でイットリウム(Y)を添加することで異相の抑制と内部歪みの極小化を担保できる。また、スカンジウム(Sc)を式(1)で表される濃度範囲で添加することで異相の完全消滅を達成している。更に、アルミニウム(Al)を式(1)で表される濃度範囲で添加することで十分なベルデ定数の担保、並びに比較的高い熱伝導率を付与させている。 Specifically, terbium (Tb) is added in the concentration range represented by formula (1) to ensure a sufficient Verdet constant, and yttrium (Y) is added in the concentration range represented by formula (1). By doing so, it is possible to secure suppression of heterogeneous phases and minimization of internal strain. Further, by adding scandium (Sc) within the concentration range represented by the formula (1), the heterogeneous phase is completely eliminated. Furthermore, by adding aluminum (Al) within the concentration range represented by formula (1), a sufficient Verdet constant is ensured and a relatively high thermal conductivity is imparted.

なお、式(1)におけるx、y、zに関する数値範囲は詳しくは以下のとおりである。
式(1)中、xの範囲は0.05≦x≦0.4であり、0.1≦x≦0.4が好ましく、0.2≦x≦0.4が更に好ましい。xがこの範囲にあると、ペロブスカイト型異相をX線回折(XRD)分析で検出されないレベルまで減少させることができる。
The numerical ranges of x, y, and z in formula (1) are detailed below.
In formula (1), the range of x is 0.05≦x≦0.4, preferably 0.1≦x≦0.4, and more preferably 0.2≦x≦0.4. With x in this range, the perovskite heterophase can be reduced to a level that is undetectable by X-ray diffraction (XRD) analysis.

xが0.05未満の場合、イットリウムでテルビウムの一部を置換する効果が得られず実質TAGを作製する条件と変わらなくなり、そのため低散乱、低吸収の高品質なセラミックス焼結体を安定製造することが困難となるため好ましくない。また、xが0.4よりも大きい場合、波長1064nmでのベルデ定数が32rad/(T・m)未満となるため好ましくない。更にテルビウムの相対濃度が過剰に薄まると、波長1064nmのレーザー光を45度回転させるのに必要な全長が25mmを超えて長くなり、製造が難しくなるため好ましくない。 If x is less than 0.05, the effect of replacing part of terbium with yttrium cannot be obtained, and the conditions are substantially the same as those for producing TAG. It is not preferable because it becomes difficult to Moreover, when x is larger than 0.4, the Verdet constant at a wavelength of 1064 nm becomes less than 32 rad/(T·m), which is not preferable. Furthermore, if the relative concentration of terbium is excessively diluted, the total length required to rotate the laser beam with a wavelength of 1064 nm by 45 degrees becomes longer than 25 mm, which is not preferable because the manufacturing becomes difficult.

式(1)中、yの範囲は0≦y<0.08であり、0.001<y<0.004が好ましく、0.002<y<0.004がより好ましい。yがこの範囲にあると、ペロブスカイト型異相をX線回折(XRD)分析で検出されないレベルまで減少させることができるため好ましい。更にまた、焼結体の均質性や粒界散乱に起因する熱伝導率の過度な低下を防止できるため好ましい。 In formula (1), the range of y is 0≦y<0.08, preferably 0.001<y<0.004, more preferably 0.002<y<0.004. When y is in this range, the perovskite heterogeneous phase can be reduced to a level that is not detected by X-ray diffraction (XRD) analysis, which is preferable. Furthermore, it is preferable because it can prevent an excessive decrease in thermal conductivity due to homogeneity of the sintered body and grain boundary scattering.

yが0.08以上の場合、ペロブスカイト型異相、ないしはアルミナ異相の析出抑制効果が飽和して変わらない中、スカンジウムの焼結抑制効果が過度に効くことに起因する焼結ムラや焼結歪みの残存、ないしは粒界散乱の残存が生じ、その結果、消光比の局所低下や熱伝導率の平均値の低下が生じるため好ましくない。 When y is 0.08 or more, while the effect of suppressing the precipitation of the perovskite-type heterogeneous phase or the alumina heterophase is saturated and does not change, sintering unevenness and sintering distortion due to the sintering suppressing effect of scandium are excessively effective. Residual or residual grain boundary scattering occurs, resulting in a local decrease in extinction ratio and a decrease in the average value of thermal conductivity, which is not preferable.

式(1)中、1-x-yの範囲は0.52<1-x-y<0.95であり、0.6≦1-x-y<0.8がより好ましい。1-x-yがこの範囲にあると大きなベルデ定数を確保できると共に波長1064nmにおいて高い透明性が得られる。 In formula (1), the range of 1-xy is 0.52<1-xy<0.95, more preferably 0.6≦1-xy<0.8. When 1-xy is within this range, a large Verdet constant can be secured and high transparency can be obtained at a wavelength of 1064 nm.

(1)式中、zの範囲は0≦z<0.2であり、0.001<z<0.004が好ましく、0.02≦z<0.004がより好ましい。zがこの範囲にあると、ペロブスカイト型異相をX線回折(XRD)分析で検出されないレベルまで減少させることができるため好ましい。更にまた、焼結体の均質性や粒界散乱に起因する熱伝導率の過度な低下を防止できるため好ましい。 In formula (1), the range of z is 0≦z<0.2, preferably 0.001<z<0.004, more preferably 0.02≦z<0.004. When z is within this range, the perovskite heterogeneous phase can be reduced to a level that is not detected by X-ray diffraction (XRD) analysis, which is preferable. Furthermore, it is preferable because it can prevent an excessive decrease in thermal conductivity due to homogeneity of the sintered body and grain boundary scattering.

zが0.2以上の場合、ペロブスカイト型異相、ないしはアルミナ異相の析出抑制効果が飽和して変わらない中、スカンジウムの焼結抑制効果が過度に効くことに起因する焼結ムラや焼結歪みの残存、ないしは粒界散乱の残存が生じ、その結果、消光比の局所低下や熱伝導率の平均値の低下が生じるため好ましくない。 When z is 0.2 or more, while the effect of suppressing the precipitation of the perovskite type heterophase or the alumina heterophase is saturated and does not change, the sintering suppression effect of scandium is excessively effective, resulting in uneven sintering and sintering distortion. Residual or residual grain boundary scattering occurs, resulting in a local decrease in extinction ratio and a decrease in the average value of thermal conductivity, which is not preferable.

(1)式中、y+zの範囲は0.001<y+z<0.2であり、0.002<y+z<0.005がより好ましく、0.003<z<0.005が更に好ましい。y+zがこの範囲にあると、ペロブスカイト型異相をX線回折(XRD)分析で検出されないレベルまで減少させることができるため好ましい。更にまた、焼結体の均質性や粒界散乱に起因する熱伝導率の過度な低下を防止できるため好ましい。 In formula (1), the range of y+z is 0.001<y+z<0.2, more preferably 0.002<y+z<0.005, and still more preferably 0.003<z<0.005. When y+z is in this range, the perovskite heterogeneous phase can be reduced to a level not detected by X-ray diffraction (XRD) analysis, which is preferable. Furthermore, it is preferable because it can prevent an excessive decrease in thermal conductivity due to homogeneity of the sintered body and grain boundary scattering.

y+zが0.001以下の場合、ペロブスカイト型異相やアルミナ異相が析出するリスクが高まるため好ましくない。またy+zが0.2以上の場合、ペロブスカイト型異相、ないしはアルミナ異相の析出抑制効果が飽和して変わらない中、スカンジウムの焼結抑制効果が過度に効くことに起因する焼結ムラや焼結歪みの残存、ないしは粒界散乱の残存が生じ、その結果、消光比の局所低下や熱伝導率の平均値の低下が生じるため好ましくない。 If y+z is 0.001 or less, the risk of precipitation of perovskite type heterophase or alumina heterophase increases, which is not preferable. In addition, when y+z is 0.2 or more, while the effect of suppressing the precipitation of the perovskite-type heterogeneous phase or the alumina heterophase is saturated and does not change, the sintering suppressing effect of scandium is excessively effective, resulting in uneven sintering and sintering distortion. or grain boundary scattering, resulting in a local decrease in the extinction ratio and a decrease in the average value of thermal conductivity.

ところで本発明で得られる常磁性ガーネット型透明セラミックスは、式(1)で表される範囲の組成の成分を主成分として含有し、副成分として、焼結助剤の役割をはたすSiO2を0.1質量%を限度として、それ以下の範囲で含有する。焼結助剤としてSiO2を微量添加すると、ペロブスカイト型異相やアルミナ異相等の析出が抑制されるため、常磁性ガーネット型透明セラミックスの透明性が更に向上する。更に、微量添加されたSiO2は1400℃以上での焼結中にガラス化して液相焼結効果をもたらし、ガーネット型セラミックス焼結体の緻密化を促進することができる。ただし、SiO2を0.1質量%超添加すると、長さ(光路長)25mmの常磁性ガーネット型透明セラミックスに波長1064nmでビーム径1.6mmの100Wレーザー光線を入射した場合の該ビーム径の変化量が10%を超えてしまうため好ましくない。 By the way, the paramagnetic garnet-type transparent ceramics obtained in the present invention contains, as a main component, a component having a composition within the range represented by the formula (1), and as an auxiliary component, 0 SiO 2 which functions as a sintering aid. .1% by mass as a limit, and contained in a range not more than 1% by mass. When a small amount of SiO 2 is added as a sintering aid, the precipitation of perovskite-type heterogeneous phases, alumina heterophases, etc. is suppressed, so that the transparency of the paramagnetic garnet-type transparent ceramics is further improved. Furthermore, the SiO 2 added in a small amount vitrifies during sintering at 1400° C. or higher to bring about a liquid-phase sintering effect, and can promote densification of the garnet-type ceramic sintered body. However, if more than 0.1% by mass of SiO2 is added, the beam diameter changes when a 100 W laser beam with a wavelength of 1064 nm and a beam diameter of 1.6 mm is incident on a paramagnetic garnet type transparent ceramic with a length (optical path length) of 25 mm. Since the amount exceeds 10%, it is not preferable.

ここで、「主成分として含有する」とは、上記式(1)で表される複合酸化物を90質量%以上含有することを意味する。式(1)で表される複合酸化物の含有量は99質量%以上であることが好ましく、99.9質量%以上であることがより好ましく、99.99質量%以上であることが更に好ましく、99.999質量%以上であることが特に好ましい。 Here, "containing as a main component" means containing 90% by mass or more of the composite oxide represented by the above formula (1). The content of the composite oxide represented by formula (1) is preferably 99% by mass or more, more preferably 99.9% by mass or more, and even more preferably 99.99% by mass or more. , 99.999% by mass or more.

また、本発明で得られる常磁性ガーネット型透明セラミックスは、上記の主成分と副成分とで構成されるが、更に他の元素を含有していてもよい。その他の元素としては、ルテチウム(Lu)、セリウム(Ce)等の希土類元素、あるいは様々な不純物群として、ナトリウム(Na)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、燐(P)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)等が典型的に例示できる。 Moreover, the paramagnetic garnet-type transparent ceramic obtained in the present invention is composed of the above main component and subcomponents, but may further contain other elements. Other elements include rare earth elements such as lutetium (Lu) and cerium (Ce), and various impurity groups such as sodium (Na), calcium (Ca), magnesium (Mg), phosphorus (P), tungsten (W ), molybdenum (Mo) and the like can be typically exemplified.

その他の元素の含有量は、Tb及びYの全量を100質量部としたとき、10質量部以下であることが好ましく、0.1質量部以下であることが更に好ましく、0.001質量部以下(実質的にゼロ)であることが特に好ましい。 The content of other elements is preferably 10 parts by mass or less, more preferably 0.1 parts by mass or less, and 0.001 parts by mass or less when the total amount of Tb and Y is 100 parts by mass. (substantially zero) is particularly preferred.

(出発原料)
本発明で用いる出発原料としては、テルビウム、イットリウム、スカンジウム、アルミニウムの各酸化物粉末(即ち、酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末)を利用する。これらをガーネット型複合酸化物用原料粉末という。該ガーネット型複合酸化物用原料粉末の純度は99.9質量%以上が好ましく、99.99質量%以上が特に好ましい。
(starting material)
Terbium, yttrium, scandium, and aluminum oxide powders (that is, terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder, and aluminum oxide powder) are used as starting materials for use in the present invention. These powders are called raw material powders for garnet-type composite oxides. The purity of the raw material powder for garnet-type composite oxide is preferably 99.9% by mass or more, particularly preferably 99.99% by mass or more.

本発明では、出発原料としての酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末を上記式(1)で表される複合酸化物の組成となるように精密秤量してそのまま、あるいはこれらを精密秤量して混合して調合した混合粉末を常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造に供する。最終的に合成されるテルビウム及びイットリウムを含有する常磁性ガーネット型透明セラミックス(酸化物焼結体)の各構成元素を個別の酸化物原料として精密に秤量してから混ぜ合わせると、共沈などの方法で混合するよりも格段に秤量精度がアップするため好ましい。 In the present invention, terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder, and aluminum oxide powder as starting materials are precisely weighed so as to obtain the composition of the composite oxide represented by the above formula (1), or they are used as they are. are precisely weighed and mixed to prepare a mixed powder for the production of paramagnetic garnet type transparent ceramics. When each constituent element of paramagnetic garnet-type transparent ceramics (oxide sintered body) containing terbium and yttrium finally synthesized is precisely weighed as individual oxide raw materials and then mixed, coprecipitation etc. It is preferable because the weighing accuracy is remarkably improved compared to mixing by the method.

なお、本発明で用いる酸化物粉末原料中には、その後のセラミックス製造工程での品質安定性や歩留り向上の目的で、各種の有機添加剤が添加される場合がある。本発明においては、これらについても特に限定されない。即ち、各種の分散剤、結合剤、潤滑剤、可塑剤等が好適に利用できる。ただし、これらの有機添加剤としては、不要な金属イオンが含有されない、高純度のタイプを選定することが好ましい。また、それぞれの有機添加剤の添加順序は、製造しようとする原料の性状(粒度分布等)を管理することを阻害しないよう、適切に設計される必要がある。 Various organic additives may be added to the oxide powder raw material used in the present invention for the purpose of stabilizing the quality and improving the yield in the subsequent ceramic manufacturing process. In the present invention, these are also not particularly limited. That is, various dispersants, binders, lubricants, plasticizers, and the like can be suitably used. However, as these organic additives, it is preferable to select high-purity types that do not contain unnecessary metal ions. In addition, the order of addition of each organic additive must be appropriately designed so as not to hinder the control of the properties (particle size distribution, etc.) of the raw material to be produced.

前記出発原料のうち、特に酸化テルビウム粉末及び酸化イットリウム粉末としては、その混合前の平均粒子径が3μm以上、好ましくは3μm以上6μm以下である粗粉末のものを選択する。これによりこれら2種の酸化物粉末(酸化テルビウム粉末及び酸化イットリウム粉末)の比表面積を極めて小さく抑え、これにより吸着水分や吸着ガスの影響、並びに昇温中の価数変化の影響を最小限に抑えられることから、ちょうどガーネット組成となるように各酸化物元素を精密に秤量し混合することが可能となるため好ましい。更にまた、酸化テルビウム粉末に関しては、昇温中の価数変化に伴う該粉末の嵩密度の急激な上昇が抑えられるため好ましい。 Among the starting materials, the terbium oxide powder and the yttrium oxide powder are selected from coarse powders having an average particle size of 3 μm or more, preferably 3 μm or more and 6 μm or less before mixing. As a result, the specific surface areas of these two oxide powders (terbium oxide powder and yttrium oxide powder) are kept extremely small, thereby minimizing the effects of adsorbed moisture and adsorbed gases, as well as the effects of changes in valence during temperature rise. Since it is suppressed, it is possible to accurately weigh and mix each oxide element so as to obtain a garnet composition, which is preferable. Furthermore, terbium oxide powder is preferable because it suppresses a rapid increase in the bulk density of the powder due to a change in valence during temperature rise.

また、前記出発原料のうち、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末としては、その混合前の平均粒子径が1μm未満、好ましくは200nm以上600nm以下である微粉末のものを選択する。これにより混合原料を焼結する際の焼結性が促進されるため、たとえ粗粉末の酸化テルビウム粉末及び酸化イットリウム粉末を用いても混合原料全体としての焼結性は維持される。 Among the starting materials, the scandium oxide powder and the aluminum oxide powder are fine powders having an average particle size of less than 1 μm, preferably 200 nm or more and 600 nm or less before mixing. This promotes sinterability when sintering the mixed raw material, so that even if coarse powders of terbium oxide powder and yttrium oxide powder are used, the sinterability of the mixed raw material as a whole is maintained.

なお、ここでいう平均粒子径は、出発原料の酸化物原料粉末が凝集していない状態の一次粒子径の平均値のことであって、例えば粉末SEM像を取得し、画像データ上に写る複数個(好ましくは20個以上)の一次粒子の各粒子径を画像解析により測定して平均値を算出することにより決定できる。 The average particle size here means the average value of the primary particle size in a state where the oxide raw material powder of the starting material is not agglomerated. It can be determined by measuring the particle size of individual (preferably 20 or more) primary particles by image analysis and calculating the average value.

(湿式混合)
前記精密秤量した出発原料としての酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末と、焼結助剤であるSiO2原料とを湿式混合してスラリーとする。該湿式混合は、前記出発原料及び焼結助剤であるSiO2原料をすべて分散媒中に分散させて混合する処理であり、ボールミル又はビーズミルによるものであることが好ましい。
(wet mixing)
The terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder and aluminum oxide powder as the precisely weighed starting raw materials and the SiO 2 raw material as the sintering aid are wet-mixed to form a slurry. The wet mixing is a process of dispersing and mixing the starting material and the SiO 2 material as a sintering aid in a dispersion medium, preferably using a ball mill or bead mill.

焼結助剤となるSiO2原料は、例えばオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)、又はシリコンの酸化物粉末などのSiO2原料が好ましい。その添加量は、オルトケイ酸テトラエチル(TEOS)であれば、SiO2換算で原料粉末(ガーネット型複合酸化物用原料粉末+焼結助剤)全体において0ppm超1,000ppm以下(0質量%超0.1質量%以下)となる量であり、シリコンの酸化物粉末(SiO2粉末)であれば、原料粉末(ガーネット型複合酸化物用原料粉末+焼結助剤)全体において0ppm超1,000ppm以下(0質量%超0.1質量%以下)となる量であることが好ましい。添加量が1,000ppm超では過剰に含まれるSiによる結晶欠陥により微量な光吸収が発生するおそれがある。シリコンの酸化物粉末(SiO2粉末)の場合、その一次粒子径は特に限定されないが、1μm未満の微粉を用いると出発原料中に焼結助剤を均質に分散させられるため好ましい。 The SiO 2 raw material that serves as the sintering aid is preferably SiO 2 raw material such as tetraethyl orthosilicate (TEOS) or silicon oxide powder. In the case of tetraethyl orthosilicate (TEOS), the amount added is more than 0 ppm and less than 1,000 ppm (more than 0% by mass and 0 .1% by mass or less), and if it is a silicon oxide powder ( SiO powder), it is more than 0 ppm and 1,000 ppm in the entire raw material powder (garnet-type composite oxide raw material powder + sintering aid). or less (more than 0% by mass and 0.1% by mass or less). If the added amount exceeds 1,000 ppm, there is a possibility that a minute amount of light absorption may occur due to crystal defects due to the excessively contained Si. In the case of silicon oxide powder (SiO 2 powder), the primary particle size is not particularly limited, but fine powder of less than 1 μm is preferable because the sintering aid can be uniformly dispersed in the starting material.

上記湿式混合により得られるスラリーにおいて、酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末の粒度分布が単一ピークを有し、該粒度分布のメジアン径であるD50値が400nm以上、好ましくは450nm以上800nm以下であり、かつ該粒度分布の最小値側からの累積95体積%の値であるD95値が2μm以下、好ましくは1μm以上2μm以下である。 In the slurry obtained by wet mixing, the particle size distribution of the terbium oxide powder, the yttrium oxide powder, the scandium oxide powder, and the aluminum oxide powder has a single peak, and the D50 value, which is the median diameter of the particle size distribution, is preferably 400 nm or more. is 450 nm or more and 800 nm or less, and the D95 value, which is the value of cumulative 95% by volume from the minimum value side of the particle size distribution, is 2 μm or less, preferably 1 μm or more and 2 μm or less.

本発明者らが鋭意検討した結果、湿式混合により得られるスラリーの粒度分布がシャープな単一ピークで現れる限り、その平均粒度に相当するメジアン径はできるだけ大きい側にあるほど、酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末の混合粉末を用いて焼結して得られる常磁性ガーネット型透明セラミックスの透明性は向上し、かつ安定する。具体的には、使用する酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末を湿式混合して得られるスラリーの粒度分布が単一ピークであって、かつそのメジアン径であるD50値が400nm以上であり、更に該粒度分布の最小値側からの累積95体積%の値であるD95値が2μm以下であると、テルビウム及びイットリウムを含有する常磁性ガーネット型透明セラミックスを、安定して高度に透明な状態に再現性良く仕上げることが可能となる。 As a result of extensive studies by the present inventors, as long as the particle size distribution of the slurry obtained by wet mixing appears as a sharp single peak, the median diameter corresponding to the average particle size is as large as possible, the terbium oxide powder, the oxide The transparency of paramagnetic garnet-type transparent ceramics obtained by sintering a mixed powder of yttrium powder, scandium oxide powder and aluminum oxide powder is improved and stabilized. Specifically, the particle size distribution of the slurry obtained by wet-mixing the terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder, and aluminum oxide powder used has a single peak, and the D50 value, which is the median diameter, is When the particle diameter is 400 nm or more and the D95 value, which is the cumulative value of 95% by volume from the minimum value side of the particle size distribution, is 2 μm or less, the paramagnetic garnet-type transparent ceramics containing terbium and yttrium can be stably and highly It is possible to finish in a transparent state with good reproducibility.

ここで、上記D50値が400nm未満の場合でもテルビウム及びイットリウムを含有する透明な常磁性ガーネット型酸化物焼結体が得られることはある。ただし、その再現性は低く、例えば出発原料が曝される外気の温度や湿度の影響、入手する出発原料の各粉末の粒度のバラツキ、添加する焼結助剤の量のバラツキなど、わずかな条件の変動の影響を受けて常磁性ガーネット型酸化物焼結体の透明性が低下してしまう。
更に、上記粒度分布の最小値側からの累積95体積%の値であるD95値が2μm超の場合、これは即ち粗粉末である酸化テルビウム粉末及び酸化イットリウム粉末の粒度のバラツキが大きいことを意味しており、該出発原料を用いたテルビウム及びイットリウムを含有する常磁性ガーネット型酸化物焼結体の光学品質は急激に劣化する。具体的には得られた透明セラミックスの光学有効面内における屈折率ムラが激しくなり、該透明セラミックスを磁気光学材料として透過させたビーム品質が著しく低下してしまう。
Here, even when the D50 value is less than 400 nm, a transparent paramagnetic garnet-type oxide sintered body containing terbium and yttrium may be obtained. However, the reproducibility is low, for example, the influence of the temperature and humidity of the outside air to which the starting material is exposed, the variation in the particle size of each powder of the starting material to be obtained, the variation in the amount of sintering aid added, etc. , the transparency of the paramagnetic garnet-type oxide sintered body is lowered.
Furthermore, when the D95 value, which is the value of cumulative 95% by volume from the minimum value side of the particle size distribution, exceeds 2 μm, this means that the coarse powders of terbium oxide powder and yttrium oxide powder have a large variation in particle size. The optical quality of the terbium- and yttrium-containing paramagnetic garnet-type oxide sintered body obtained from this starting material rapidly deteriorates. Specifically, the unevenness of the refractive index within the optically effective surface of the obtained transparent ceramics becomes severe, and the quality of the beam transmitted through the transparent ceramics as a magneto-optical material is significantly degraded.

なお、ここでいう粒度分布は、スラリーにおける凝集していない状態の出発原料である酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末の粒子径の存在比率の分布のことであって、例えば粉末SEM像を取得し、画像データ上に写る複数個(好ましくは20個以上)の一次粒子の各粒子径を画像解析により測定して平均値を算出することにより決定できる。 The particle size distribution referred to here is the distribution of the abundance ratio of the particle sizes of the terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder, and aluminum oxide powder, which are the starting materials in a non-agglomerated state in the slurry, For example, it can be determined by acquiring a powder SEM image, measuring each particle size of a plurality of (preferably 20 or more) primary particles appearing on the image data by image analysis, and calculating the average value.

本発明では、湿式混合について、混合して得られるスラリーにおける酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末の粒度分布(該スラリーを乾燥させる前に粒度分布評価したもの)が単一ピークを有し、該粒度分布のメジアン径であるD50値が400nm以上であり、かつ該粒度分布の最小値側からの累積95体積%の値であるD95値が2μm以下であるように管理することが好ましい。これは粗粉末の酸化テルビウム粉末及び酸化イットリウム粉末と、それ以外の微粉末の酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末とを混合して分散媒中に分散させ、ボールミル又はビーズミルなどの湿式混合によりこれらの出発原料を極短時間だけ粉砕させることで達成できる。
即ち、湿式混合の混合時間を極力短めに管理することが好ましい。具体的には、混合時間は1時間以上15時間以下であることが好ましく、2時間以上10時間以下であることがより好ましい。
In the present invention, for wet mixing, the particle size distribution of the terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder, and aluminum oxide powder in the slurry obtained by mixing (the particle size distribution is evaluated before drying the slurry) is uniform. It has a peak, the D50 value, which is the median diameter of the particle size distribution, is 400 nm or more, and the D95 value, which is the cumulative 95 volume% value from the minimum value side of the particle size distribution, is managed so that it is 2 μm or less. is preferred. This is carried out by mixing coarse powders of terbium oxide powder and yttrium oxide powder with other fine powders of scandium oxide powder and aluminum oxide powder, dispersing them in a dispersion medium, and wet-mixing them in a ball mill or bead mill. This can be achieved by pulverizing the raw material for a very short period of time.
That is, it is preferable to manage the mixing time of wet mixing as short as possible. Specifically, the mixing time is preferably 1 hour or more and 15 hours or less, more preferably 2 hours or more and 10 hours or less.

上記湿式混合の分散媒は、炭素数1~3の低級アルコールであることが好ましく、エタノールであることがより好ましい。 The dispersion medium for wet mixing is preferably a lower alcohol having 1 to 3 carbon atoms, more preferably ethanol.

なお、ここでいうところの粒度分布は、結合剤を含まないスラリーについてのものであり、最終的にスラリーに添加される有機添加剤のうち分散剤についてのみ添加してあってもよい(分散剤を添加していなくてもよい)が、他の有機添加剤を添加していないスラリーについてのものであることが好ましい。一般にセラミックス作製用スラリー中には、分散剤、結合剤、潤滑剤、可塑剤等の各種の有機添加剤が添加される。これらの有機添加剤の中にはスラリー中の酸化物粒子の分散に適するもの(分散剤等)もあれば、スラリー中の酸化物粒子を一気に凝集させてしまうもの(結合剤等)もある。特に結合剤にはその名が示す通り、スラリー中の酸化物粒子同士を強く結合(凝集)させる作用があり、粒度分布測定前に該結合剤を添加してしまうと、スラリー本来の粒度分布が示されず、正しい測定ができなくなる弊害があることから注意を要する。 It should be noted that the particle size distribution referred to here is for a slurry that does not contain a binder, and among the organic additives that are finally added to the slurry, only the dispersant may be added (the dispersant may not be added), but it is preferable for the slurry to which no other organic additives are added. In general, various organic additives such as dispersants, binders, lubricants and plasticizers are added to slurry for producing ceramics. Some of these organic additives are suitable for dispersing the oxide particles in the slurry (dispersants, etc.), while others aggregate the oxide particles in the slurry at once (binders, etc.). In particular, as the name suggests, the binder has the effect of strongly binding (aggregating) the oxide particles in the slurry. It is necessary to pay attention to the fact that there is an adverse effect that it is not displayed and correct measurement cannot be performed.

本発明の常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法における最大の特徴の一つに混合後のスラリー状態の非均質性が挙げられる。粗粉末の酸化テルビウム粉末及び酸化イットリウム粉末と、微粉末の酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末とを出発原料として利用し、かつボールミル又はビーズミル等による湿式混合の混合時間を極力短めに管理すると、結果的にスラリー中の酸化テルビウム粉末及び酸化イットリウム粉末が酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末に比べて粗大な粒子のままの粒子の大きさが非均質な状態となっている。この場合、湿式混合を終了してスラリーを静置させると直後から酸化テルビウム粉末及び酸化イットリウム粉末の粒子が選択的に沈降しやすい状態にある。そして、酸化テルビウム粉末及び酸化イットリウム粉末の粒子が選択的に沈降を開始するとスラリー下部にその堆積層が形成され、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末の粒子がスラリー全体に均質に分散したままであることから、たかだか静置後数分間で酸化テルビウム粉末及び酸化イットリウム粉末と酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末とが分離した状態となり易い。 One of the greatest features of the method for producing the paramagnetic garnet-type transparent ceramics of the present invention is the non-homogeneity of the slurry state after mixing. Coarse powders of terbium oxide powder and yttrium oxide powder and fine powders of scandium oxide powder and aluminum oxide powder are used as starting materials, and if the mixing time of wet mixing by a ball mill or bead mill is controlled as short as possible, the result is In addition, the terbium oxide powder and the yttrium oxide powder in the slurry are coarser than the scandium oxide powder and the aluminum oxide powder, and the particle size is non-uniform. In this case, the particles of the terbium oxide powder and the yttrium oxide powder are likely to sediment selectively immediately after the wet mixing is finished and the slurry is allowed to stand. When the particles of terbium oxide powder and yttrium oxide powder start to selectively settle, a sediment layer is formed at the bottom of the slurry, and the particles of scandium oxide powder and aluminum oxide powder remain homogeneously dispersed throughout the slurry. Therefore, the terbium oxide powder and the yttrium oxide powder tend to separate from the scandium oxide powder and the aluminum oxide powder within a few minutes after being left still.

本発明の常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法における別の特徴の一つに、こうした非均質性の特徴を有するスラリーであるにも関わらず、湿式の粒度分布測定を行うと綺麗な単一ピークの粒度分布が得られる点が挙げられる。この理由については判然としないが、おそらく粗粉末の粗大粒子と微粉末の微小粒子の粒度差(粒子径の差)が十分(過剰)に大きいため、微粉末の微粒子同士が凝集するよりも、該微粒子が粗粉末の粗大粒子表面に吸着した方が安定化すること、及びそのように吸着した結果、粗粉末である酸化テルビウム粉末及び酸化イットリウム粉末の2種の粗大粒子の粒子径にプラスアルファした見かけの粒度が湿式の粒度分布測定で検出されたこと、から見かけ上綺麗な単一ピークの粒度分布が得られているものと推定される。 Another feature of the method for producing the paramagnetic garnet-type transparent ceramics of the present invention is that despite the slurry having such non-homogeneous characteristics, a clean single peak is obtained when wet particle size distribution measurement is performed. of particle size distribution can be obtained. The reason for this is not clear, but probably because the difference in particle size (difference in particle size) between the coarse particles of the coarse powder and the fine particles of the fine powder is sufficiently (excessively) large, rather than the fine particles of the fine powder aggregating with each other, The fine particles are more stable when they are adsorbed on the surface of the coarse particles of the coarse powder, and as a result of such adsorption, the particle diameters of the two types of coarse particles, terbium oxide powder and yttrium oxide powder, which are coarse powders, are improved. From the fact that the apparent particle size was detected by wet particle size distribution measurement, it is presumed that an apparently clean single-peak particle size distribution was obtained.

なお、酸化テルビウム粉末及び酸化イットリウム粉末はそれら自体が凝集する可能性がほとんどないほど十分に粒子径の大きな粗粉末であるため、結果として2次凝集、3次凝集由来のブロードな粒度分布が発生することを防止している可能性もある。とはいえ、粗粉末の酸化テルビウム粉末及び酸化イットリウム粉末と微粉末の酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末とを混合したスラリーを静置すると、直ちに粗粉末である酸化テルビウム粉末及び酸化イットリウム粉末が沈降し始める傾向がある。このとき、粗粉末の酸化物にしっかり吸着した微粉以外のその他の微粉は沈降することなくスラリー中に留まる。このため、見かけ上綺麗な単一ピークの粒度分布を呈するにもかかわらず、該スラリーは静置させることによって容易に沈降する粉末と容易には沈降しない粉末とに相分離する場合があり得る。本発明では、上記スラリーが、湿式混合後に静置すると、その直後に酸化テルビウム粉末及び/又は酸化イットリウム粉末が沈降してその堆積層を形成するものであることが好ましい。 In addition, since the terbium oxide powder and the yttrium oxide powder are coarse powders with sufficiently large particle diameters that there is almost no possibility that they themselves aggregate, a broad particle size distribution derived from secondary aggregation and tertiary aggregation occurs. It may prevent you from doing so. However, when the slurry obtained by mixing the coarse powders of terbium oxide powder and yttrium oxide powder and the fine powders of scandium oxide powder and aluminum oxide powder is allowed to stand, the coarse powders of terbium oxide powder and yttrium oxide powder settle immediately. tend to start. At this time, the fine powder other than the fine powder firmly adsorbed on the oxide of the coarse powder stays in the slurry without settling. Therefore, although the slurry apparently exhibits a clear single-peak particle size distribution, the slurry may undergo phase separation into powder that easily settles and powder that does not easily settle upon standing. In the present invention, it is preferable that the terbium oxide powder and/or the yttrium oxide powder precipitate to form a sediment layer immediately after the slurry is allowed to stand after wet mixing.

上述のとおり、原料粉末(ガーネット型複合酸化物用原料粉末+焼結助剤)には、その分散性を上げるために有機添加剤を分散剤として添加してもよく、ポリオキシエチレンアルキルエーテル系分散剤、ドデシルベンゼンスルホン酸、ポリエチレングリコール系分散剤が例示され、特に限定はされない。また、成形の保形性を上げるために結合剤を使用する場合はこのタイミングで添加することが好ましく、ポリビニルアルコール系、ポリアクリル酸系、ポリ酢酸ビニル系、ポリビニルブチラール系のバインダーが例示されるが、保形性が保てれば特に限定されない。
以上のようにして原料粉末の全てが均一に混合されたスラリー(成形用原料粉末スラリー)を得る。
As described above, the raw material powder (raw material powder for garnet-type composite oxide + sintering aid) may be added with an organic additive as a dispersant in order to increase its dispersibility. Examples include dispersants, dodecylbenzenesulfonic acid, and polyethylene glycol-based dispersants, but are not particularly limited. In addition, when a binder is used to improve the shape retention of molding, it is preferable to add it at this timing, and polyvinyl alcohol-based, polyacrylic acid-based, polyvinyl acetate-based, and polyvinyl butyral-based binders are exemplified. However, it is not particularly limited as long as the shape retention can be maintained.
As described above, a slurry (molding raw material powder slurry) in which all the raw material powders are uniformly mixed is obtained.

(成形)
続いて、上記成形用原料粉末スラリーを用いて所定の形状となるように成形を行う。成形方法は湿式と乾式があるが、本発明においては透明化可能であれば特に限定されない。湿式成形には鋳込み成形、遠心鋳込み成形、押出成形、テープ成形が例示されるが、目的の形状とすることができれば特に限定されない。また、乾式成形では、原料粉末スラリーから顆粒を作製し、所定の形になるように冶具を用いて一軸プレス成形を施す。顆粒化の方法はスプレードライ、振動乾燥後ふるい分けなどが例示されるが、2μm以上1000μm以下の顆粒径となれば特に限定されない。顆粒径が2μm未満では1粒ごとの顆粒が軽いものとなり、成形性が悪くなる場合がある。また、1000μm超では成形後の顆粒間の空隙が大きくなり、成形体内部に粗大気泡として残るおそれがある。
(molding)
Subsequently, molding is performed using the raw material powder slurry for molding so as to obtain a predetermined shape. The molding method includes a wet method and a dry method, but is not particularly limited in the present invention as long as it can be made transparent. Wet molding is exemplified by cast molding, centrifugal cast molding, extrusion molding, and tape molding, but is not particularly limited as long as the desired shape can be obtained. In dry molding, granules are produced from raw material powder slurry and uniaxially press-molded using a jig so as to have a predetermined shape. The method of granulation is exemplified by spray drying, sieving after vibration drying, etc., but is not particularly limited as long as the granule diameter is 2 μm or more and 1000 μm or less. If the granule diameter is less than 2 µm, each granule becomes light and the moldability may deteriorate. On the other hand, if it exceeds 1000 μm, the voids between the granules after molding become large, and there is a possibility that they remain as coarse air bubbles inside the molded body.

本発明では、スラリーをスプレードライ処理して顆粒状原料とし、該顆粒状原料を用いて成形することが好ましい。この場合、通常のプレス成形工程を好適に利用できる。即ち、ごく一般的な、型に充填して一定方向から加圧する一軸プレス工程や変形可能な防水容器に密閉収納して静水圧で加圧する冷間静水圧加圧(CIP(Cold Isostatic Pressing))工程や温間静水圧加圧(WIP(Warm Isostatic Pressing))工程が好適に利用できる。なお、印加圧力は得られる成形体の相対密度を確認しながら適宜調整すればよく、特に制限されないが、例えば市販のCIP装置やWIP装置で対応可能な300MPa以下程度の圧力範囲で管理すると製造コストが抑えられてよい。あるいはまた、成形時に成形工程のみでなく一気に焼結まで実施してしまうホットプレス工程や放電プラズマ焼結工程、マイクロ波加熱工程なども好適に利用できる。更にプレス成形法ではなく、鋳込み成形法による成形体の作製も可能である。 In the present invention, it is preferred that the slurry is spray-dried to form a granular raw material, and the granular raw material is used for molding. In this case, a normal press molding process can be preferably used. That is, a very common uniaxial pressing process in which the mold is filled and pressurized from a certain direction, and cold isostatic pressing (CIP) in which the material is sealed and housed in a deformable waterproof container and pressurized with hydrostatic pressure (CIP). A warm isostatic pressing (WIP) process can be suitably used. The applied pressure may be adjusted as appropriate while checking the relative density of the obtained molded body, and is not particularly limited. can be suppressed. Alternatively, a hot pressing process, a discharge plasma sintering process, a microwave heating process, or the like, in which not only the molding process but also sintering is performed at once during molding, can be suitably used. Furthermore, it is also possible to produce a molded body by a cast molding method instead of a press molding method.

(脱脂)
本発明の製造方法においては、通常の脱脂工程を好適に利用できる。即ち、加熱炉による昇温脱脂工程を経ることが可能である。また、このときの雰囲気ガスの種類も特に制限はなく、空気、酸素、水素等が好適に利用できる。脱脂温度も特に制限はないが、もしも有機添加剤が混合されている原料を用いる場合には、その有機成分が分解除去できる温度まで昇温することが好ましい。
(degreasing)
In the production method of the present invention, a normal degreasing step can be suitably used. That is, it is possible to go through a temperature rising degreasing process using a heating furnace. Also, the type of atmosphere gas at this time is not particularly limited, and air, oxygen, hydrogen, etc. can be suitably used. The degreasing temperature is not particularly limited, but if a raw material mixed with an organic additive is used, it is preferable to raise the temperature to a temperature at which the organic component can be decomposed and removed.

(焼結)
本発明の製造方法においては、一般的な焼結工程を好適に利用できる。即ち、抵抗加熱方式、誘導加熱方式等の加熱焼結工程を好適に利用できる。このときの雰囲気は特に制限されず、不活性ガス、酸素ガス、水素ガス、ヘリウムガス等の各種雰囲気、あるいはまた、減圧下(真空中)での焼結も可能である。ただし、最終的に酸素欠損の発生を防止することが好ましいため、より好ましい雰囲気としては、酸素ガス、減圧酸素ガス雰囲気が例示される。
(sintering)
In the manufacturing method of the present invention, a general sintering process can be suitably used. That is, a heating sintering process such as a resistance heating method or an induction heating method can be preferably used. The atmosphere at this time is not particularly limited, and sintering in various atmospheres such as inert gas, oxygen gas, hydrogen gas, helium gas, etc., or under reduced pressure (in vacuum) is also possible. However, since it is preferable to ultimately prevent the occurrence of oxygen vacancies, more preferable atmospheres include an oxygen gas atmosphere and a reduced-pressure oxygen gas atmosphere.

本発明の焼結工程における焼結温度は、1440~1780℃が好ましく、1470~1730℃が特に好ましい。焼結温度がこの範囲にあると、異相析出を抑制しつつ緻密化が促進されるため好ましい。 The sintering temperature in the sintering step of the present invention is preferably 1440 to 1780°C, particularly preferably 1470 to 1730°C. When the sintering temperature is within this range, densification is promoted while suppressing the precipitation of heterogeneous phases, which is preferable.

本発明の焼結工程における焼結保持時間は数時間程度で十分だが、焼結体の相対密度は最低でも94%以上に緻密化させなければいけない。また10時間以上長く保持させて焼結体の相対密度を99%以上に緻密化させておくと、最終的な透明性が向上するため、更に好ましい。 The sintering holding time in the sintering step of the present invention is sufficient for several hours, but the relative density of the sintered body must be densified to at least 94%. It is more preferable to keep the sintered body for 10 hours or more to densify the relative density of the sintered body to 99% or more, because the final transparency is improved.

(熱間等方圧プレス(HIP))
本発明の製造方法においては、焼結工程を経た後に更に追加で熱間等方圧プレス(HIP)処理を行う工程を設けることができる。
(Hot isostatic pressing (HIP))
In the production method of the present invention, a step of performing a hot isostatic pressing (HIP) treatment can be additionally provided after the sintering step.

なお、このときの加圧ガス媒体種類は、アルゴン、窒素等の不活性ガス、又はAr-O2が好適に利用できる。加圧ガス媒体により加圧する圧力は、50~300MPaが好ましく、100~300MPaがより好ましい。圧力50MPa未満では透明性改善効果が得られない場合があり、300MPa超では圧力を増加させてもそれ以上の透明性改善が得られず、装置への負荷が過多となり装置を損傷するおそれがある。印加圧力は市販のHIP装置で処理できる196MPa以下であると簡便で好ましい。 At this time, an inert gas such as argon or nitrogen, or Ar--O 2 can be suitably used as the type of pressurized gas medium. The pressure applied by the pressurized gas medium is preferably 50-300 MPa, more preferably 100-300 MPa. If the pressure is less than 50 MPa, the effect of improving transparency may not be obtained, and if the pressure exceeds 300 MPa, even if the pressure is increased, no further improvement in transparency can be obtained, and the load on the device becomes excessive, which may damage the device. . It is preferable that the applied pressure is 196 MPa or less, which can be processed by a commercially available HIP device, because of its simplicity.

また、その際の処理温度(所定保持温度)は1100~1780℃、好ましくは1200~1730℃の範囲で設定される。熱処理温度が1780℃超では酸素欠損発生リスクが増大するため好ましくない。また、熱処理温度が1100℃未満では焼結体の透明性改善効果がほとんど得られない。なお、熱処理温度の保持時間については特に制限されないが、あまり長時間保持すると酸素欠損発生リスクが増大するため好ましくない。典型的には1~3時間の範囲で好ましく設定される。 The treatment temperature (predetermined holding temperature) at that time is set in the range of 1100 to 1780°C, preferably 1200 to 1730°C. If the heat treatment temperature exceeds 1780° C., the risk of generating oxygen deficiency increases, which is not preferable. Also, if the heat treatment temperature is less than 1100° C., the effect of improving the transparency of the sintered body is hardly obtained. The holding time of the heat treatment temperature is not particularly limited, but holding for too long increases the risk of generating oxygen deficiency, which is not preferable. Typically, it is preferably set within the range of 1 to 3 hours.

なお、HIP処理するヒーター材、断熱材、処理容器は特に制限されないが、グラファイト、ないしはモリブデン(Mo)、タングステン(W)、白金(Pt)が好適に利用でき、処理容器として更に酸化イットリウム、酸化ガドリニウムも好適に利用できる。特に処理温度が1500℃以下である場合、ヒーター材、断熱材、処理容器として白金(Pt)が使用でき、かつ加圧ガス媒体をAr-O2とすることができるため、HIP処理中の酸素欠損の発生を防止できるため好ましい。処理温度が1500℃を超える場合にはヒーター材、断熱材としてグラファイトが好ましいが、この場合は処理容器としてグラファイト、モリブデン(Mo)、タングステン(W)のいずれかを選定し、更にその内側に二重容器として酸化イットリウム、酸化ガドリニウムのいずれかを選定したうえで、容器内に酸素放出材を充填しておくと、HIP処理中の酸素欠損発生量を極力少なく抑えられるため好ましい。 The heater material, heat insulating material, and treatment container for HIP treatment are not particularly limited, but graphite, molybdenum (Mo), tungsten (W), and platinum (Pt) can be suitably used. Gadolinium is also suitable for use. In particular, when the treatment temperature is 1500° C. or lower, platinum (Pt) can be used as the heater material, the heat insulating material, and the treatment container, and the pressurized gas medium can be Ar—O 2 . It is preferable because it can prevent the occurrence of chipping. When the processing temperature exceeds 1500 ° C., graphite is preferable as a heater material and a heat insulating material. It is preferable to select either yttrium oxide or gadolinium oxide as the heavy container and then fill the container with an oxygen release material so as to minimize the amount of oxygen deficiency generated during the HIP treatment.

(酸化アニール)
本発明の製造方法においては、HIP処理を終えた後に、得られた透明セラミックス焼結体中に酸素欠損が生じてしまい、かすかに薄灰色の外観を呈する場合がある。その場合には、前記HIP処理温度以下、典型的には1000~1500℃にて、酸素雰囲気ないしは大気下で酸化アニール処理(酸素欠損回復処理)を施すことが好ましい。この場合の保持時間は特に制限されないが、酸素欠損が回復するのに十分な時間以上で、かつ無駄に長時間処理して電気代を消耗しない時間内で選択されることが好ましい。該酸化アニール処理により、たとえHIP処理工程でかすかに薄灰色の外観を呈してしまった透明セラミックス焼結体であっても、すべて無色透明の欠陥吸収のない常磁性ガーネット型透明セラミックスとすることができる。
(oxidation annealing)
In the manufacturing method of the present invention, oxygen deficiency occurs in the transparent ceramic sintered body obtained after the HIP treatment, and the appearance may be faintly light gray. In that case, it is preferable to perform an oxidation annealing treatment (oxygen deficiency recovery treatment) in an oxygen atmosphere or air at a temperature lower than the HIP treatment temperature, typically 1000 to 1500°C. Although the holding time in this case is not particularly limited, it is preferably selected to be a time longer than a time sufficient to recover oxygen deficiency and a time within which the electricity cost is not wasted due to an unnecessarily long treatment. By the oxidizing annealing treatment, even a transparent ceramic sintered body that has exhibited a faint light gray appearance in the HIP treatment process can be converted into a colorless transparent paramagnetic garnet type transparent ceramic that does not absorb defects. can.

(光学研磨)
本発明の製造方法においては、上記一連の製造工程を経た常磁性ガーネット型透明セラミックスについて、その光学的に利用する軸上にある両端面を光学研磨することが好ましい。このときの光学面精度は測定波長λ=633nmの場合、λ/2以下が好ましく、λ/8以下が特に好ましい。なお、光学研磨された面に適宜反射防止膜を成膜することで光学損失を更に低減させることも可能である。
(optical polishing)
In the production method of the present invention, the paramagnetic garnet-type transparent ceramics that have undergone the series of production steps described above are preferably optically polished on both end faces on the optically utilized axis. At this time, the optical surface precision is preferably λ/2 or less, particularly preferably λ/8 or less, when the measurement wavelength λ is 633 nm. The optical loss can be further reduced by appropriately forming an antireflection film on the optically polished surface.

以上のようにして、テルビウム及びイットリウムを含有する常磁性ガーネット型透明セラミックスを提供することができる。該透明セラミックスは波長帯0.9μm以上1.1μm以下で動作可能なファラデー回転子として利用できる。この常磁性ガーネット型透明セラミックスは、前述の条件の組成で製造することにより波長1064nmでのベルデ定数が32rad/(T・m)以上を確保することができる。なお、上記式(1)中のイットリウム(Y)の濃度xを減らしていき、該ベルデ定数を36rad/(T・m)以上とすることもできる。ベルデ定数が36rad/(T・m)以上であると、既存材料であるTGG単結晶との置き換えを、部品の設計変更無しに行えるため簡便で好ましい。また、ベルデ定数が32rad/(T・m)以上であれば、外筒磁石の設計と工夫により、アイソレータ全体の外形を大きくせずにTGG単結晶を用いたアイソレータとの互換が可能であるため好ましい。更に、この常磁性ガーネット型透明セラミックスは、前述の条件の組成で製造することにより熱伝導率を4.8W/m・K以上に仕上げることができる。熱伝導率の測定はJIS R1611に準拠し、レーザーフラッシュ法にて評価できる。 As described above, paramagnetic garnet-type transparent ceramics containing terbium and yttrium can be provided. The transparent ceramics can be used as a Faraday rotator operable in the wavelength range of 0.9 μm to 1.1 μm. This paramagnetic garnet-type transparent ceramic can ensure a Verdet constant of 32 rad/(T·m) or more at a wavelength of 1064 nm by producing the composition under the conditions described above. The Verdet constant can be increased to 36 rad/(T·m) or more by decreasing the concentration x of yttrium (Y) in the above formula (1). When the Verdet constant is 36 rad/(T·m) or more, it is convenient and preferable because it can be replaced with the TGG single crystal, which is an existing material, without changing the design of parts. Also, if the Verdet constant is 32 rad/(T·m) or more, compatibility with an isolator using a TGG single crystal is possible without enlarging the outer shape of the entire isolator by designing and devising the outer cylinder magnet. preferable. Furthermore, this paramagnetic garnet-type transparent ceramic can be finished with a thermal conductivity of 4.8 W/m·K or more by manufacturing it with the composition under the conditions described above. The thermal conductivity can be measured according to JIS R1611 and can be evaluated by the laser flash method.

[磁気光学デバイス]
更に、本発明では常磁性ガーネット型透明セラミックスを磁気光学材料として利用することを想定しているため、該常磁性ガーネット型透明セラミックスをその光学軸と平行に磁場を印加したうえで、偏光子、検光子とを互いにその光軸が45度ずれるようにセットして磁気光学デバイスとして構成利用することが好ましい。即ち、本発明で製造した常磁性ガーネット型透明セラミックスは、磁気光学デバイス用途に好適であり、特に波長0.9~1.1μmの光アイソレータのファラデー回転子として好適に使用される。
[Magneto-optical device]
Furthermore, in the present invention, since it is assumed that paramagnetic garnet-type transparent ceramics are used as a magneto-optic material, a magnetic field is applied to the paramagnetic garnet-type transparent ceramics in parallel with its optical axis, and then a polarizer, It is preferable to configure and utilize the analyzer as a magneto-optical device by setting the optical axes of the analyzer and the analyzer so that their optical axes are shifted from each other by 45 degrees. That is, the paramagnetic garnet-type transparent ceramics produced according to the present invention are suitable for use in magneto-optical devices, particularly as Faraday rotators of optical isolators with wavelengths of 0.9 to 1.1 μm.

図1は、本発明で製造した常磁性ガーネット型透明セラミックスからなるファラデー回転子を光学素子として有する光学デバイスである光アイソレータの一例を示す断面模式図である。図1において、光アイソレータ100は、本発明で製造した常磁性ガーネット型透明セラミックスからなるファラデー回転子110を備え、該ファラデー回転子110の前後には、偏光材料である偏光子120及び検光子130が備えられている。また、光アイソレータ100は、偏光子120、ファラデー回転子110、検光子130の順序で配置され、それらの側面のうちの少なくとも1面に磁石140が載置されていることが好ましい。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an optical isolator, which is an optical device having a Faraday rotator made of paramagnetic garnet-type transparent ceramics manufactured according to the present invention as an optical element. In FIG. 1, an optical isolator 100 comprises a Faraday rotator 110 made of paramagnetic garnet-type transparent ceramics manufactured according to the present invention. is provided. Also, in the optical isolator 100, it is preferable that the polarizer 120, the Faraday rotator 110, and the analyzer 130 are arranged in this order, and the magnet 140 is mounted on at least one of the side surfaces thereof.

また、上記光アイソレータ100は産業用ファイバーレーザー装置に好適に利用できる。即ち、レーザー光源から発したレーザー光の反射光が光源に戻り、発振が不安定になるのを防止するのに好適である。 Also, the optical isolator 100 can be suitably used in an industrial fiber laser device. In other words, it is suitable for preventing the reflected light of the laser light emitted from the laser light source from returning to the light source and causing the oscillation to become unstable.

以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
なお、出発原料の各粉末の平均粒子径は、マイクロトラック(レーザー回折錯乱法)による体積平均粒子径(累積平均径D50(メディアン径)であり、日機装(株)製マイクロトラックMT3300WXIIにより測定した。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the examples.
The average particle size of each powder of the starting material is the volume average particle size (cumulative average size D50 (median size)) measured by Microtrac (laser diffraction and scattering method), which was measured by Microtrac MT3300WXII manufactured by Nikkiso Co., Ltd.

[実施例1~10、比較例1~8]
出発原料として、信越化学工業(株)製の酸化テルビウム微粉末(Tb47)、酸化イットリウム微粉末(Y23)、酸化スカンジウム微粉末(Sc23)、及び商社経由で中国製の酸化テルビウム粗粉末(Tb47)、酸化イットリウム粗粉末(Y23)を入手した。これらの平均粒子径は、信越化学工業(株)製のものが上記の順に200nm、200nm、600nmであり(これらを微粉末と称する)、中国製のものがいずれも4μmであった(これらを粗粉末と称する)。また大明化学(株)製の酸化アルミニウム粉末(Al23、平均粒子径300nm;微粉末)も入手し、更にキシダ化学(株)製のオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)の液体を入手した。純度は粉末原料がいずれも99.95質量%以上、液体原料が99.999質量%以上であった。
上記出発原料のうちテルビウム及びイットリウムの酸化物粉末については粗粉末を用いて、混合比率を調整して表1に示す5種類の最終組成となるように(即ち、テルビウム、イットリウム、スカンジウム及びアルミニウムのモル数がそれぞれ表1の各組成のモル比率となるように)秤量して混合し、続いてTEOSを、その添加量がSiO2換算で表1の質量%になるように秤量して加えて湿式混合用の複合酸化物原料を用意した(これらを出発原料の酸化物粉末の組み合わせ(Tb,Y-Sc,Al)が粗粉末-微粉末のものと称する)。また、テルビウム及びイットリウムの各酸化物粉末を粗粉末から微粉末に変更して酸化物原料No.3と同一組成の湿式混合用の複合酸化物原料を用意し、これを酸化物原料No.6とした(これを出発原料の酸化物粉末の組み合わせ(Tb,Y-Sc,Al)が微粉末-微粉末のものと称する)。こうして合計6種類の混合用の複合酸化物原料を用意した。
[Examples 1 to 10, Comparative Examples 1 to 8]
As starting materials, terbium oxide fine powder (Tb 4 O 7 ), yttrium oxide fine powder (Y 2 O 3 ), scandium oxide fine powder (Sc 2 O 3 ) manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.; Coarse terbium oxide powder (Tb 4 O 7 ) and coarse yttrium oxide powder (Y 2 O 3 ) were obtained. These average particle sizes were 200 nm, 200 nm and 600 nm in the above order from Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. (these are referred to as fine powders), and those from China were all 4 μm (these are coarse powder). Aluminum oxide powder (Al 2 O 3 , average particle size 300 nm; fine powder) manufactured by Taimei Chemical Co., Ltd. was also obtained, and liquid tetraethyl orthosilicate (TEOS) manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd. was also obtained. Purity was 99.95% by mass or more for the powder raw materials and 99.999% by mass or more for the liquid raw materials.
For the terbium and yttrium oxide powders among the above starting materials, coarse powders are used, and the mixing ratio is adjusted so that the five types of final compositions shown in Table 1 are obtained (that is, terbium, yttrium, scandium and aluminum They were weighed and mixed so that the number of moles would be the molar ratio of each composition shown in Table 1), and then TEOS was weighed and added so that the amount to be added would be the mass % shown in Table 1 in terms of SiO 2 . A composite oxide raw material for wet mixing was prepared (the combination of oxide powders (Tb, Y--Sc, Al) of the starting raw materials is called coarse powder-fine powder). In addition, each oxide powder of terbium and yttrium was changed from coarse powder to fine powder, and Oxide Raw Material No. A composite oxide raw material for wet mixing having the same composition as that of No. 3 was prepared. 6 (this is referred to as a fine powder-fine powder combination (Tb, Y--Sc, Al) of the starting raw material oxide powders). In this way, a total of six types of composite oxide raw materials for mixing were prepared.

Figure 2023109324000002
Figure 2023109324000002

(湿式混合)
用意した湿式混合用の複合酸化物原料を、それぞれ互いの混入を防止するよう注意しながらエタノール中でアルミナ製ボールミル装置にて分散・混合処理(湿式混合)した。このとき、各原料につき混合時間を5時間、10時間、20時間の3水準で変化させ合計18種類の混合原料スラリーを用意した。
なお、各スラリーについて、湿式混合の後、静置直後の堆積層の形成の有無について観察した。
(wet mixing)
The prepared composite oxide raw materials for wet mixing were dispersed and mixed (wet mixed) in ethanol with an alumina ball mill device while taking care to prevent mutual mixing. At this time, a total of 18 types of mixed raw material slurries were prepared by changing the mixing time for each raw material at three levels of 5 hours, 10 hours, and 20 hours.
For each slurry, after wet mixing, the presence or absence of the formation of a sediment layer immediately after standing was observed.

また、得られた各スラリーについては以下の方法で粒度分布を測定した。
(粒度分布の測定方法)
スラリーの粒度分布はJIS Z8825-2:2013を参考に日機装(株)製マイクロトラックMT3300WXIIを用いて次のように測定した。
測定範囲は0.021~2000μm(132ch)の湿式モードを選定し、循環溶媒はエタノールとした。ここに測定するスラリーを滴下し、30秒×2回の測定条件で、超音波洗浄はかけずに粒度分布を測定した。なお、屈折率は代表値として混合組成の成分がガーネット構造で固溶した際の屈折率値を代入した。ちなみにエタノール中には特段の分散剤を添加していないが、水と異なりエタノール中では微粉末が凝集しにくいため、粒度分布の測定には問題がないと判断した。
なお、測定した粒度分布の状態が単一ピークであるか、複数ピーク(スプリット)であるかを確認した。酸化物原料No.3、No.6それぞれの混合時間ごとのスラリーの粒度分布を図2、3に示す。図2において混合時間5時間(5h)のものが実施例5、10時間(10h)のものが実施例6、20時間(20h)のものが比較例3であり、図3において混合時間5時間(5h)のものが比較例6、10時間(10h)のものが比較例7、20時間(20h)のものが比較例8である。図2の酸化物原料No.3では全てのスラリーの粒度分布が単一ピークであった。図3の酸化物原料No.6では混合時間5時間と10時間の粒度分布がスプリットし、20時間の粒度分布が単一ピークであった。
また、測定により得られたデータについて、粒度分布のメジアン径であるD50値と粒度分布の最小値側からの累積95体積%の値であるD95値を抽出した。
Further, the particle size distribution of each obtained slurry was measured by the following method.
(Method for measuring particle size distribution)
The particle size distribution of the slurry was measured as follows using Microtrac MT3300WXII manufactured by Nikkiso Co., Ltd. with reference to JIS Z8825-2:2013.
A wet mode with a measurement range of 0.021 to 2000 μm (132 ch) was selected, and ethanol was used as the circulating solvent. The slurry to be measured was dropped here, and the particle size distribution was measured under the measurement conditions of 30 seconds×2 times without applying ultrasonic cleaning. As a representative value of the refractive index, the refractive index value when the components of the mixed composition form a solid solution with a garnet structure is substituted. By the way, no special dispersant was added to ethanol, but unlike water, the fine powder does not aggregate easily in ethanol, so it was judged that there was no problem in measuring the particle size distribution.
In addition, it was confirmed whether the state of the measured particle size distribution was a single peak or multiple peaks (split). Oxide raw material no. 3, No. The particle size distribution of the slurry for each of the six mixing times is shown in Figures 2 and 3. In FIG. 2, the mixing time of 5 hours (5 h) is Example 5, the mixing time of 10 hours (10 h) is Example 6, and the mixing time of 20 hours (20 h) is Comparative Example 3. In FIG. 3, the mixing time is 5 hours. (5 hours) is Comparative Example 6, 10 hours (10 hours) is Comparative Example 7, and 20 hours (20 hours) is Comparative Example 8. Oxide raw material No. in FIG. In 3, the particle size distribution of all slurries had a single peak. Oxide raw material No. in FIG. 6, the particle size distribution was split between 5 hours and 10 hours of mixing, and the particle size distribution of 20 hours had a single peak.
In addition, the D50 value, which is the median diameter of the particle size distribution, and the D95 value, which is the cumulative 95% by volume value from the minimum value side of the particle size distribution, were extracted from the data obtained by the measurement.

(成形及び脱脂)
その後、得られたスラリーについてスプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状原料を作製した。得られた18種類の顆粒状原料につき、それぞれ一軸プレス成形、198MPaの圧力での静水圧プレス処理を施して円柱形状のCIP成形体を得た。なお、製造安定性を確認するため、各々の条件でサンプルを3個ずつ成形した。得られた成形体をマッフル炉中で1000℃、3時間の条件にて脱脂処理して脱脂済成形体を得た。
(焼結)
続いて、当該脱脂済成形体を真空焼結炉に仕込み、1500~1600℃で3時間処理して合計18種類の焼結体を得た。なお、出発原料の酸化物粉末の組み合わせ(Tb,Y-Sc,Al)が微粉末-微粉末の成形体は低めの焼結温度、粗粉末-微粉末の成形体は高めの焼結温度で処理した。この結果、サンプルの焼結相対密度はいずれも94.5~98%の範囲におさまった。
(HIP及び酸化アニール)
得られた各焼結体をカーボンヒーター製HIP炉に仕込み、Ar中、200MPa、1600℃、2時間の条件でHIP処理した。得られた焼結体はいずれも外見上ほとんど灰色化(酸素欠損吸収)は確認されなかった。ただし念のため、得られた各セラミックス焼結体について、各々のロット管理をしながら大気加熱炉にて、1450℃で30時間アニール処理して、酸素欠損を十分に回復させる処置をほどこした。こうして実施例と比較例の合計18種類の焼結体を各3セットずつ用意した。
(研削及び研磨)
続いて、得られた各セラミックス焼結体を、直径5mm、長さ25mmのロッド(円柱)状となるように各々研削及び研磨処理し、更にそれぞれのサンプルの光学両端面を光学面精度λ/8(測定波長λ=633nmの場合)で最終光学研磨した。
(Molding and degreasing)
After that, the obtained slurry was subjected to a spray drying treatment to prepare a granular raw material having an average particle size of 20 μm. The obtained 18 types of granular materials were each subjected to uniaxial press molding and isostatic pressing at a pressure of 198 MPa to obtain cylindrical CIP molded bodies. In order to confirm manufacturing stability, three samples were molded under each condition. The resulting compact was degreased in a muffle furnace at 1000° C. for 3 hours to obtain a degreased compact.
(sintering)
Subsequently, the degreased compacts were placed in a vacuum sintering furnace and treated at 1500 to 1600° C. for 3 hours to obtain a total of 18 types of sintered compacts. The combination of oxide powders (Tb, Y—Sc, Al) of the starting materials is fine powder-fine powder compacts at a lower sintering temperature, and coarse powder-fine powder compacts at a higher sintering temperature. processed. As a result, the sintered relative densities of all samples fell within the range of 94.5 to 98%.
(HIP and oxidation annealing)
Each sintered body thus obtained was placed in a HIP furnace made of a carbon heater, and HIP-treated under the conditions of 200 MPa, 1600° C. and 2 hours in Ar. Almost no graying (absorption of oxygen deficiency) was observed in any of the obtained sintered bodies. However, just to make sure, each ceramic sintered body obtained was annealed at 1450° C. for 30 hours in an atmospheric heating furnace while controlling each lot to sufficiently recover oxygen deficiency. In this way, a total of 18 types of sintered bodies of Examples and Comparative Examples were prepared, three sets each.
(grinding and polishing)
Subsequently, each of the obtained ceramic sintered bodies was ground and polished so as to have a rod (cylindrical) shape with a diameter of 5 mm and a length of 25 mm. 8 (in the case of measurement wavelength λ=633 nm) for final optical polishing.

上記のようにして得られた透明セラミックスのサンプルについて、全光線透過率、前方散乱率、消光比をそれぞれ以下のように測定した。
(全光線透過率及び前方散乱率の測定方法)
全光線透過率、並びに前方散乱率はJIS K7105(ISO 13468-2:1999)及びJIS K7136(ISO 14782:1999)を参考に測定した。
日本分光(株)製の分光光度計V-670を用いて、波長1064nmについて測定した。まず全光線透過率の測定は、該分光光度計V-670にワーク(サンプル)をセットせずに分光器で分光させた光を照射し、該光を予め装置にセットされている積分球で受けて、集光された光を検知器で受光する。得られた照度をI0とし、続いてワークを装置にセットして、今度は分光させた光をワークに入射し、透過してきた光を再度積分球で集めて検知器で受光する。得られた照度をIとして次式により求めた。

全光線透過率(%/25mm)=I/I0×100

次に前方散乱率の測定は、前記のワークがセットされた状態から積分球裏面の反射板を取り除いた以外はすべて同じ測定系で、再び分光された光をワークに入射し、透過してきた光を再度積分球で集めて検知器で受光する。得られた照度は直線透過成分以外の散乱成分を表し、これをISとして次式により求めた。

前方散乱率(%/25mm)=IS/I0×100

なお、再現性やバラツキの影響を考慮するため、作製した18種類全てのサンプルにつき各々3個ずつ測定し、その平均値を算出して各々のサンプルの全光線透過率、並びに前方散乱率の値とした。
The total light transmittance, forward scattering rate, and extinction ratio of the transparent ceramic samples obtained as described above were measured as follows.
(Method for measuring total light transmittance and forward scattering rate)
Total light transmittance and forward scattering rate were measured with reference to JIS K7105 (ISO 13468-2:1999) and JIS K7136 (ISO 14782:1999).
Measurement was performed at a wavelength of 1064 nm using a spectrophotometer V-670 manufactured by JASCO Corporation. First, the measurement of the total light transmittance is carried out by irradiating light dispersed by a spectroscope without setting a work (sample) on the spectrophotometer V-670, and applying the light with an integrating sphere set in advance in the device. A detector receives the collected light. The obtained illuminance is assumed to be I 0 , and then the workpiece is set in the apparatus, and this time the spectrally divided light is incident on the workpiece, and the transmitted light is again collected by the integrating sphere and received by the detector. The resulting illuminance was determined by the following equation as I.

Total light transmittance (%/25 mm) = I/I 0 ×100

Next, the forward scattering rate was measured using the same measurement system except that the reflecting plate on the back of the integrating sphere was removed from the above-mentioned state in which the work was set. is again collected by the integrating sphere and received by the detector. The obtained illuminance represents the scattering component other than the linear transmission component, which was determined as IS by the following equation.

Forward scattering rate (%/25 mm) = I S /I 0 ×100

In addition, in order to consider the effect of reproducibility and variation, each of the 18 types of samples prepared was measured three times, and the average value was calculated to calculate the total light transmittance and forward scattering rate of each sample. and

(消光比の測定方法)
以下のようにして、ファラデー回転子としての消光比をJIS C5877-2:2012を参考に測定した。
消光比は、NKT Photonics社製の光源と、コリメータレンズ、偏光子、ワークステージ、検光子、Gentec社製のパワーメータ並びにGeフォトディテクタを用いて内製した光学系を用い、波長1064nmの光をビーム径3mmφと大きく設定した状態でサンプル中を透過させ、この状態で検光子の偏光面を偏光子の偏光面と一致させた際の光の強度I0’(レーザー光強度として最大値)を測定し、続いて検光子の偏光面を90度回転して偏光子の偏光面と直交させた状態で再度受光強度I’(レーザー光強度として最小値)を測定したうえで、以下の式に基づいて計算により求めた。

消光比(dB)=-10×log10(I’/I0’)

なお、ビーム径を3mmφより太くすると、直径5mmφのサンプルの外周でビームの裾が蹴られはじめるため、このビーム径3mmφを事実上のワーク全面に光を入射させた状態と定義した。
消光比についても作製した18種類のサンプル3個ずつを前記要領で測定し、その平均値を各々のサンプルの消光比とした。
以上の結果を表2に示す。
(Method for measuring extinction ratio)
The extinction ratio as a Faraday rotator was measured in the following manner with reference to JIS C5877-2:2012.
The extinction ratio was measured using an optical system made in-house using a light source made by NKT Photonics, a collimator lens, a polarizer, a work stage, an analyzer, a power meter made by Gentec, and a Ge photodetector, and a beam of light with a wavelength of 1064 nm. The light is transmitted through the sample with a large diameter of 3 mmφ, and in this state, the light intensity I 0 ' (maximum laser light intensity) when the polarization plane of the analyzer is aligned with that of the polarizer is measured. Then, after rotating the polarization plane of the analyzer by 90 degrees and making it orthogonal to the polarization plane of the polarizer, the received light intensity I' (minimum value as the laser light intensity) was measured again, and based on the following formula was obtained by calculation.

Extinction ratio (dB) = -10 x log 10 (I'/I 0 ')

If the beam diameter is made larger than 3 mm, the skirt of the beam begins to be kicked at the outer periphery of the sample with a diameter of 5 mm.
The extinction ratio was also measured for each of the 18 kinds of samples prepared in the same manner as described above, and the average value was taken as the extinction ratio of each sample.
Table 2 shows the above results.

Figure 2023109324000003
Figure 2023109324000003

以上の結果から、本発明の常磁性ガーネット型透明セラミックスを作製するにあたり、まず出発原料の酸化物粉末の組み合わせ(Tb,Y-Sc,Al)が微粉末-微粉末の酸化物原料No.6の群(比較例6~8)は、スラリーの混合時間に関わらず全てにおいて得られた透明セラミックスの全光線透過率が低く、前方散乱率が大きくなっており、光学品質が不良であった。
出発原料の酸化物粉末の組み合わせ(Tb,Y-Sc,Al)が粗粉末-微粉末の酸化物原料No.1~5の群については、湿式混合の混合時間が20時間の場合(比較例1~5)、いずれも得られた透明セラミックスの前方散乱率が1%以上、消光比40dB未満となり光学品質が不良であった。
酸化物原料No.1~5の群の湿式混合の混合時間が10時間以下の場合(実施例1~10)、得られた透明セラミックスでは全光線透過率84%以上、前方散乱率1%未満、消光比40dB以上となり、光学品質が良好であった。
From the above results, in producing the paramagnetic garnet-type transparent ceramics of the present invention, first, the combination of oxide powders (Tb, Y--Sc, Al) as starting materials was fine powder-fine powder oxide raw material No. 1. In Group 6 (Comparative Examples 6 to 8), the total light transmittance of the transparent ceramics obtained was low, the forward scattering rate was large, and the optical quality was poor regardless of the mixing time of the slurry. .
The combination (Tb, Y--Sc, Al) of the oxide powders of the starting materials is coarse powder-fine powder oxide raw material No. Regarding Groups 1 to 5, when the wet mixing time was 20 hours (Comparative Examples 1 to 5), the transparent ceramics obtained had a forward scattering rate of 1% or more and an extinction ratio of less than 40 dB, indicating poor optical quality. was bad.
Oxide raw material no. When the wet mixing time of Groups 1 to 5 is 10 hours or less (Examples 1 to 10), the obtained transparent ceramics have a total light transmittance of 84% or more, a forward scattering rate of less than 1%, and an extinction ratio of 40 dB or more. Thus, the optical quality was good.

これら実施例、比較例についてスラリーの粒度分布の観点で整理してみると、メジアン径であるD50値が400nm以上であり、かつ粒度分布の最小値側からの累積95体積%の値であるD95値が2μm以下である場合(実施例1~10)にすべて光学品質良好であり、逆に、D50値が350nm以下(比較例1~5、7、8)、又はD95値が3μm以上(比較例6)のものはすべて光学品質が不良となっていた。
即ち、出発原料の酸化物粉末の組み合わせ(Tb,Y-Sc,Al)を粗粉末-微粉末として所望の組成比で秤量して湿式混合してスラリーを作製し、該スラリーの粒度分布が単一ピークとなると共に、D50値が400nm以上となり、かつ、D95値が2μm以下となる場合に、所定のプロセスで成形、焼結、アニール処理することにより、高い光学品質の常磁性ガーネット型透明セラミックスを歩留り良く安定して製造することができる。
When these examples and comparative examples are arranged from the viewpoint of the particle size distribution of the slurry, the D50 value, which is the median diameter, is 400 nm or more, and the D95, which is the cumulative value of 95% by volume from the minimum value side of the particle size distribution. When the value is 2 μm or less (Examples 1 to 10), all optical quality is good, and conversely, the D50 value is 350 nm or less (Comparative Examples 1 to 5, 7, 8), or the D95 value is 3 μm or more (Comparative All of Example 6) had poor optical quality.
That is, a combination of oxide powders (Tb, Y—Sc, Al) as starting materials is weighed as a coarse powder and a fine powder at a desired composition ratio and wet-mixed to prepare a slurry, and the particle size distribution of the slurry is uniform. Paramagnetic garnet-type transparent ceramics with high optical quality by molding, sintering, and annealing in a predetermined process when one peak is reached, the D50 value is 400 nm or more, and the D95 value is 2 μm or less. can be produced stably with good yield.

[実施例1、3、5、7、9の後処理]
前記の要領で作製した実施例1、3、5、7、9の透明セラミックスのサンプル(各々3セット)につき、その光学両端面に中心波長が1064nmとなるように設計された反射防止膜(ARコート)をコートした。得られたARコート付き透明セラミックスのサンプルにつき以下の要領でベルデ定数を測定した。
[Post-treatment of Examples 1, 3, 5, 7 and 9]
For the transparent ceramic samples (three sets each) of Examples 1, 3, 5, 7, and 9 prepared in the manner described above, antireflection coatings (AR coat) was coated. The Verdet constant of the obtained transparent ceramic sample with AR coating was measured in the following manner.

(ベルデ定数の測定方法)
ベルデ定数Vは、以下の式に基づいて求めた。なお、サンプルに印加される磁界の大きさ(H)は、上記測定系の寸法、残留磁束密度(Br)及び保持力(Hc)からシミュレーションにより算出した値を用いた。
θ=V×H×L
(式中、θはファラデー回転角(rad)、Vはベルデ定数(rad/(T・m))、Hは磁界の大きさ(T)、Lはファラデー回転子の長さ(この場合、0.025m)である。)
なお、各々の条件で作製したサンプル3個のベルデ定数の平均値を、それぞれの条件でのベルデ定数とした。
得られた結果を表3にまとめて示す。いずれの実施例においてもベルデ定数が32rad/(T・m)以上確保されることが確認された。
(Method for measuring Verdet constant)
The Verdet constant V was obtained based on the following formula. For the magnitude (H) of the magnetic field applied to the sample, a value calculated by simulation from the dimensions of the measurement system, residual magnetic flux density (Br) and coercive force (Hc) was used.
θ=V×H×L
(where θ is the Faraday rotation angle (rad), V is the Verdet constant (rad/(T m)), H is the magnitude of the magnetic field (T), and L is the length of the Faraday rotator (in this case, 0 .025 m).)
The average value of the Verdet constants of three samples prepared under each condition was taken as the Verdet constant under each condition.
The obtained results are summarized in Table 3. It was confirmed that the Verdet constant of 32 rad/(T·m) or more was ensured in any of the examples.

Figure 2023109324000004
Figure 2023109324000004

なお、これまで本発明を上記実施形態をもって説明してきたが、本発明は該実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。 Although the present invention has been described with the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and other embodiments, additions, changes, deletions, etc. can be conceived by those skilled in the art. It is included in the scope of the present invention as long as it can be changed within the scope and the effects of the present invention can be exhibited in any aspect.

100 光アイソレータ
110 ファラデー回転子
120 偏光子
130 検光子
140 磁石
100 optical isolator 110 Faraday rotator 120 polarizer 130 analyzer 140 magnet

Claims (7)

出発原料としての酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末と、焼結助剤であるSiO2原料とを湿式混合してスラリーとし、該スラリーを用いて成形した後、得られた成形体を脱脂し、焼結して、下記式(1)

(Tb1-x-yxScy3(Al1-zScz512 (1)
(式中、0.05≦x≦0.4、0≦y<0.08、0.52<1-x-y<0.95、0≦z<0.2、0.001<y+z<0.2である。)

で表される複合酸化物の焼結体であり、焼結助剤としてSiO2を0質量%超0.1質量%以下含有する常磁性ガーネット型透明セラミックスを得る常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法において、
上記出発原料の酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末それぞれの平均粒子径が3μm以上であり、上記出発原料の酸化スカンジウム粉末、酸化アルミニウム粉末それぞれの平均粒子径が1μm未満であって、上記スラリーにおける酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末の粒度分布が単一ピークを有し、該粒度分布のメジアン径であるD50値が400nm以上であり、かつ該粒度分布の最小値側からの累積95体積%の値であるD95値が2μm以下であることを特徴とする常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法。
Terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder, and aluminum oxide powder as starting materials and SiO2 raw material as a sintering aid are wet-mixed to form a slurry, and after molding using the slurry, the obtained The molded body is degreased and sintered, and the following formula (1)

( Tb1 -xyYxScy ) 3 ( Al1 -zScz ) 5O12 (1)
(Wherein, 0.05 ≤ x ≤ 0.4, 0 ≤ y < 0.08, 0.52 < 1-xy < 0.95, 0 ≤ z < 0.2, 0.001 < y + z < 0.2.)

Manufacture of paramagnetic garnet - type transparent ceramics to obtain paramagnetic garnet-type transparent ceramics which is a sintered body of a composite oxide represented by in the method
The average particle size of the terbium oxide powder and the yttrium oxide powder as the starting materials is 3 μm or more, and the average particle size of the scandium oxide powder and the aluminum oxide powder as the starting materials is less than 1 μm, and the terbium oxide in the slurry The particle size distribution of the powder, the yttrium oxide powder, the scandium oxide powder, and the aluminum oxide powder has a single peak, the D50 value, which is the median diameter of the particle size distribution, is 400 nm or more, and the minimum value side of the particle size distribution A method for producing paramagnetic garnet-type transparent ceramics, characterized in that the D95 value, which is the cumulative value of 95% by volume, is 2 μm or less.
上記湿式混合がボールミル又はビーズミルによるものである請求項1に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法。 2. The method for producing paramagnetic garnet-type transparent ceramics according to claim 1, wherein said wet mixing is by a ball mill or a bead mill. 上記ボールミル又はビーズミルによる混合時間が1時間以上15時間以下である請求項2に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法。 3. The method for producing paramagnetic garnet-type transparent ceramics according to claim 2, wherein the mixing time in the ball mill or bead mill is 1 hour or more and 15 hours or less. 上記湿式混合の分散媒が炭素数1~3の低級アルコールである請求項1~3のいずれか1項に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法。 4. The method for producing paramagnetic garnet-type transparent ceramics according to any one of claims 1 to 3, wherein the dispersion medium for wet mixing is a lower alcohol having 1 to 3 carbon atoms. 上記粒度分布は、結合剤を含まないスラリーについてのものである請求項1~4のいずれか1項に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法。 The method for producing paramagnetic garnet-type transparent ceramics according to any one of claims 1 to 4, wherein the particle size distribution is for slurry containing no binder. 上記スラリーは、湿式混合後に静置すると、その直後に酸化テルビウム粉末及び/又は酸化イットリウム粉末が沈降してその堆積層を形成するものである請求項1~5のいずれか1項に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法。 The slurry according to any one of claims 1 to 5, wherein when left to stand after wet mixing, the terbium oxide powder and/or yttrium oxide powder precipitate immediately after that to form a sediment layer. A method for producing magnetic garnet-type transparent ceramics. 上記スラリーをスプレードライ処理して顆粒状原料とし、該顆粒状原料を用いて成形する請求項1~6のいずれか1項に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法。 The method for producing paramagnetic garnet-type transparent ceramics according to any one of claims 1 to 6, wherein the slurry is spray-dried to form a granular raw material, and the granular raw material is used for molding.
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