JP4550328B2 - 半導電性ジルコニア焼結体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度を維持しつつ半導電性を有するとともに、ジルコニアが本来持つ明るいアイボリー色を呈し、かつロッド毎の体積固有抵抗値のバラツキが少ない半導電性ジルコニア焼結体とその製造方法に関するものであり、例えば、半導体装置、磁気ヘッド、電子部品等の製造工程で使用される各種治工具や治具、テープガイド、画像記録装置に用いられる分離爪などの静電気除去作用を必要とする用途に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、構造部品材料として使用されているアルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素等を主成分とするセラミック焼結体は、高強度でかつ高硬度を有するとともに、耐熱性や耐食性に優れることから、様々な分野で使用されているが、特に優れた機械的強度や摺動特性が要求されるような用途ではジルコニア焼結体が用いられている。
【０００３】
ところで、ジルコニア焼結体は高絶縁材料であるため、半導体製造装置等で使用される搬送アームやウェハ把持用ピンセット、磁気ヘッドや電子部品の製造工程で使用される試料保持台、あるいはプリンタなどの画像記録装置において使用される分離爪、さらには磁気テープなどのテープ状体を搬送、案内するのに用いられるテープガイドなど、静電気の除去作用が必要とされる用途に使用するには、ジルコニア焼結体の体積固有抵抗値（以下、抵抗値と略称する。）を１０７Ω・ｍ以下とする必要があり、そのため、ジルコニア焼結体に導電性付与剤を含有させ、抵抗値を小さくすることが試みられている。ただし、抵抗値が小さくなり過ぎると、静電気が一気に除去されるため、大気摩擦によって超高電圧の放電が発生し、被加工物や被搬送物に悪影響を与える恐れがあるため、静電気の除去作用が必要とされる用途では、抵抗値を１０３〜１０７Ω・ｍとすることが要求されていた。
【０００４】
そこで、このような特性を満足するものとして、特開平１０−２９７９６８号公報には、安定化剤を含むＺｒＯ2６０〜９０重量％に対し、導電性付与材として、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒの酸化物のうち一種以上を１０〜４０重量％の範囲で含有し、その体積固有抵抗値を１０3〜１０7Ω・ｍとした半導電性ジルコニア焼結体が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開平１０−２９７９６８号公報に開示された半導電性ジルコニア焼結体はいずれも色調が暗色であり、ジルコニアが本来持つ明るいアイボリー色が得られないといった課題があった。
【０００６】
即ち、導電性付与材として含有される、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒの酸化物は、ジルコニア焼結体に導電性を付与するだけでなく着色材としても作用し、例えば、ＦｅやＣｏの酸化物を用いた時には黒色に、ＮｉやＣｒの酸化物を用いた時には濃緑色にそれぞれジルコニア焼結体を着色するため、その色調が暗色であった。
【０００７】
そのため、このような半導電性ジルコニア焼結体を、半導体装置、磁気ヘッド、電子部品の製造工程で使用される治工具や治具に用いた場合、被加工物や被搬送物が黒色を呈するものであると、治工具や治具から被加工物や被搬送物への異物の混入や付着が判別できなくなるとともに、画像処理装置を用いて位置決めや製品形状を判断するような場合、その識別ができないといった課題があった。
【０００８】
例えば、薄膜磁気ヘッドの製造工程では、磁気ヘッドの材質として主に黒色を呈するＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系焼結板が用いられているのであるが、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系焼結板を保持する治具としての試料保持台に特開平１０−２９７９６８号公報に開示された半導電性ジルコニア焼結体を用いると、色調が同じであるため、異物の混入を嫌う磁気ヘッドの製造工程では、半導電性ジルコニア焼結体からＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系焼結板への異物の混入や付着が判別できず、また、画像処理装置では、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系焼結板と試料保持台との境界を判断できないため、自動化することができなかった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで上記課題に鑑み、本発明の半導電性ジルコニア焼結体は、安定化剤を含むＺｒＯ２ 粉末６０〜９０重量％に対し、ＺｎをＺｎＯ換算で１０〜４０重量％添加し、かつ上記安定化剤を含むＺｒＯ 2 とＺｎＯの合計１００重量部に対し、Ａｌ 2 Ｏ 3 を０．５〜５重量部添加してなるセラミック原料を焼成してなる焼結体中に上記ＺｎとＡｌとの反応生成物であるＺｎＡｌ２Ｏ４を生成させ、焼結体の体積固有抵抗値を１０３〜１０７Ω・ｍとしたことを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、上記半導電性ジルコニア焼結体をＸ線回折にて測定した時の２θ＝３６．８°付近における上記ＺｎＡｌ２Ｏ４のピーク強度をＩａ、２θ＝３０．２°付近における上記ＺｒＯ２のピーク強度をＩｂとした時、これらのピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）が０．００５以上となるようにしたものが良く、さらに上記半導電性ジルコニア焼結体のＪＩＳ Ｚ８７２２−１９９４のＸＹＺ表色系における刺激値Ｙが７０以上であるものが好ましい。
【００１１】
また、本発明は、上記半導電性ジルコニア焼結体を製造するにあたり、安定化剤を含むＺｒＯ２粉末６０〜９０重量％に対し、ＺｎをＺｎＯ換算で１０〜４０重量％添加し、かつ上記安定化剤を含むＺｒＯ２とＺｎＯの合計１００重量部に対し、Ａｌ２Ｏ３を０．５〜５重量部添加したセラミック原料を所定形状に成形した後、１２５０〜１４００℃の温度で１〜３時間焼成し、ジルコニア焼結体中にＺｎＡｌ２Ｏ４を生成させるようにしたことを特徴とする。
【００１２】
即ち、本発明の半導電性ジルコニア焼結体は、安定化剤を含むＺｒＯ２ 粉末６０〜９０重量％に対し、ＺｎをＺｎＯ換算で１０〜４０重量％添加し、かつ上記安定化剤を含むＺｒＯ 2 とＺｎＯの合計１００重量部に対し、Ａｌ 2 Ｏ 3 を０．５〜５重量部添加してなるセラミック原料を焼成してなる焼結体であって、ジルコニア焼結体中に上記ＺｎとＡｌの反応生成物であるＺｎＡｌ２Ｏ４を生成させたことを特徴とする。
【００１３】
ここで、副成分のＺｎは導電性付与材として作用するもので、このＺｎの化合物が焼結体の粒界相を形成することで、ジルコニアの持つ強度を大きく低下させることなく、焼結体の体積固有抵抗値を１０3〜１０7Ω・ｍと、半導電性を持たせることができる。
【００１４】
そのため、静電気を適度な速度で逃がすことができるため、ジルコニア焼結体と当接する物体が電気的な影響を受け易いものであっても、破壊することなく静電気を除去することができる。
【００１５】
また、副成分のＺｎは導電性付与材として作用だけでなく、ジルコニア焼結体の色を、ジルコニアが本来持つアイボリー色とすることができるとともに、その明るさをＪＩＳ Ｚ８７２２−１９９４に規定されているＸＹＺ表色系色度図における刺激値Ｙ（視感反射率とも呼ばれる）で５０以上とすることができる。
【００１６】
この色度図における刺激値Ｙとは、物体色の明るさを表す尺度であり、最も明るい色ではＹ＝１００、最も暗い色ではＹ＝０となり、値が大きいほど明るい色の度合が高いことを表している。そして、本発明の半導電性ジルコニア焼結体は刺激値Ｙが５０以上と、ジルコニア原料に近似又は同等の明るさを得ることができる。
【００１７】
そのため、本発明の半導電性ジルコニア焼結体を、半導体装置、磁気ヘッド、電子部品の製造工程で使用される治工具や治具に用いれば、被加工物や被搬送物が黒色を呈するものである場合、治工具や治具から被加工物や被搬送物への異物の混入や付着を容易に判別することができるとともに、画像処理装置を用いて位置決めや製品形状を判断する場合でも確実に識別することができる。
【００１８】
しかも、ジルコニア焼結体の表面を鏡面加工すれば、凹凸の少ない極めて滑らかな表面が得られるため、アイボリー色を持った装飾部材としても用いることができる。
【００１９】
なお、刺激値Ｙが５０以上あれば、黒色を呈する被加工物や被搬送物への異物の混入や付着を判別したり、画像処理装置を用いて位置決めや製品形状を識別することが可能であるが、これらの判別や識別をより容易に行うようにしたり、装飾部材として用いる場合には、刺激値Ｙが７０以上、さらには刺激値Ｙが７５以上のものを用いることが良い。
【００２０】
また、他の副成分のＡｌは、本発明のジルコニア焼結体の特性を安定化させるために含有するもので、色調を高めるとともに、１０3〜１０7Ω・ｍの所望の体積固有抵抗値を安定して得るには、ジルコニア焼結体中に上記ＺｎとＡｌの反応生成物であるＺｎＡｌ2Ｏ4を含有することが重要である。
【００２１】
即ち、副成分として含有するＺｎは、焼成時に昇華し易く、焼成炉の内壁や焼成用棚板等と反応して化合物を作ることから、ジルコニア焼結体中に残留するＺｎ量が減少し、所望の体積固有抵抗値が得られなくなるとともに、焼成炉の内壁面に近い外周部と内壁面から離れた中央部では、ジルコニア焼結体中に残留するＺｎ量が異なり、ロッド毎に体積固有抵抗値がばらつくのであるが、本件発明者は、この焼成時におけるＺｎの昇華を防止するため、種々研究を重ねたところ、ＺｎとともにＡｌを含有させ、ジルコニア焼結体中にＺｎＡｌ2Ｏ4を生成させることでＺｎの昇華を防ぎ、１０3〜１０7Ω・ｍの所望の体積固有抵抗値が得られるとともに、焼成炉内の配置位置に関係なく、各ジルコニア焼結体の体積固有抵抗値を安定させることがきることを見出し、本発明に至った。
【００２２】
なお、ジルコニア焼結体中におけるＺｎＡｌ2Ｏ4の存在は、Ｘ線回折を用い、図１に示すように２θ＝３６．８°付近に第一ピークが存在し、かつ２θ＝３１．２°付近に第二ピークが存在することで確認することができる。
【００２３】
そして、このような効果を発揮するためには、ジルコニア焼結体をＸ線回折にて測定した時の２θ＝３６．８°付近におけるＺｎＡｌ2Ｏ4のピーク強度をＩａ、２θ＝３０．２°付近におけるＺｒＯ2のピーク強度をＩｂとした時、これらのピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）が０．００５以上であることが好ましい。
【００２４】
なぜなら、上記ピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）が０．００５未満であると、ジルコニア焼結体中におけるＺｎＡｌ2Ｏ4の含有量が少ないため、体積固有抵抗値のばらつきを抑える効果が小さいからである。
【００２５】
また、主成分であるＺｒＯ2は、Ｙ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3及びＣｅＯ2の安定化剤で部分安定化したものを使用する。
【００２６】
具体的には、安定化剤としてＹ2Ｏ3を用いる時には、ＺｒＯ2に対して３．０〜９．０ｍｏｌ％の範囲で添加し、安定化剤としてＤｙ2Ｏ3を用いる時には、ＺｒＯ2に対して０．５〜４．５ｍｏｌ％の範囲で添加し、安定化剤としてＣｅＯ2を用いる時には、ＺｒＯ2に対して２〜８ｍｏｌ％の範囲で添加し、安定化剤としてＤｙ2Ｏ3とＣｅＯ2を用いる場合には、その合計含有量がＺｒＯ2に対して６ｍｏｌ％以上の範囲で添加したものを用いれば良く、これらの範囲で安定化剤を添加すれば、全ジルコニア量に対する単斜晶以外のジルコニア（正方晶ジルコニア及び立方晶ジルコニア）量を９５％以上とすることができるため、副成分であるＺｎやＡｌを含有したことによるジルコニア焼結体の強度低下を抑え、曲げ強度６００ＭＰａ以上を実現することができる。
【００２７】
即ち、ジルコニアの結晶状態には立方晶、正方晶、単斜晶の３つの状態があり、特に、正方晶ジルコニアは外部応力に対し、応力誘軌変態を受けて単斜晶ジルコニアに相変態し、この時に生じる体積膨張によってジルコニアの周囲に微小なマイクロクラックを形成して外部応力の進行を阻止できるため、ジルコニア焼結体の強度を高めることができる。
【００２８】
そのため、本発明の半導電性ジルコニア焼結体により、半導体装置、磁気ヘッド、電子部品等の製造工程で使用される、搬送アーム、ウェハ把持用ピンセット、試料保持台等の治工具や治具、あるいはプリンタなどの画像記録装置において紙をローラから分離するのに使用される分離爪、さらには磁気テープなどのテープ状体を搬送、案内するのに用いられるテープガイド等を形成すれば、短期間で摩耗したり、熱劣化を生じて破損することがないため、長期間にわたって好適に使用することができる。
【００２９】
また、本発明の半導電性ジルコニア焼結体は、ジルコニアが本来持つ明るいアイボリー色を呈することから、例えば、半導体装置、磁気ヘッド、電子部品等の製造工程において、被加工物や被搬送物が黒色を呈するものであっても画像処理装置を用いて識別が可能であるとともに、被加工物や被搬送物への異物の混入や付着を容易に判別することができる。
【００３０】
なお、上述した強度を達成するには、ジルコニア焼結体中におけるＺｒＯ2結晶の平均結晶粒子径は０．３〜１．０μｍ、好ましくは０．４〜０．８μｍとすることが良い。
【００３１】
また、ジルコニア焼結体中における全ジルコニア量に対し、単斜晶以外のジルコニア量を算出するには、Ｘ線回折により単斜晶ジルコニアのＸ線回折強度と、正方晶ジルコニア及び立方晶ジルコニアのＸ線回折強度をそれぞれ測定し、数１により算出すれば良い。
【００３２】
また、本発明の半導電性セラミック焼結体中には、原料粉末中や製造工程中から、ＭｎＯ、ＳｉＯ2、Ｎａ、Ｆｅ等が不純物として混入する恐れがあるが、これらは４．０重量％以下の範囲であれば含有していても構わない。
【００３３】
ところで、本発明の半導電性ジルコニア焼結体を製造するには、主成分として、平均粒子径が０．５〜１．０μｍのＺｒＯ2粉末と安定化剤としてのＹ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、ＣｅＯ2の粉末を、副成分としてＺｎＯの粉末を用いるか、あるいは焼成中にこれらの材料に変化し得る水酸化物粉末や炭酸化物粉末等を用い、安定化剤を含むＺｒＯ2が６０〜９０重量％、ＺｎＯ換算でのＺｎが１０〜４０重量％となるように調合し、これら安定化剤を含むＺｒＯ2とＺｎＯとの合計１００重量部に対し、Ａｌ2Ｏ3の粉末を０．５〜５重量部の範囲で添加してセラミック原料を作製する。
【００３４】
ここで、副成分として添加するＺｎの添加量をＺｎＯ換算で、１０〜４０重量％としたのは、Ｚｎの添加量が１０重量％未満（安定化剤を含むＺｒＯ2の添加量が９０重量％を超える）となると、ジルコニア焼結体の体積固有抵抗値を１０7Ω・ｍ以下に下げる効果が小さく、半導電性を得ることができないからであり、逆にＺｎの添加量が４０重量％を超える（安定化剤を含むＺｒＯ2の添加量が６０重量％未満）と、ジルコニア焼結体の体積固有抵抗値が１０3Ω・ｍ未満となり、静電気が一気に逃げ易くなるために、大気摩擦による超高電圧の放電が発生する恐れがあるとともに、ジルコニア焼結体の機械的特性（曲げ強度、破壊靱性値、硬度など）が大きく低下するため、ジルコニア焼結体本来の機械的特性を発揮できなくなるからである。
【００３５】
なお、好ましくは、安定化剤を含むＺｒＯ2が７０〜８０重量％、ＺｎＯ換算でのＺｎが２０〜３０重量％となるように調合することが良い。
【００３６】
また、安定化剤を含むＺｒＯ2とＺｎＯの合計１００重量部に対し、Ａｌ2Ｏ3の添加量を０．５〜５重量部としたのは、Ａｌ2Ｏ3の添加量が０．５重量部未満となると、ジルコニア焼結体中にＺｎＡｌ2Ｏ4が生成されなかったり、生成される含有量が少ないため、ジルコニア焼結体をＸ線回折にて測定した時の２θ＝３６．８°付近におけるＺｎＡｌ2Ｏ4のピーク強度（Ｉａ）と、２θ＝３０．２°付近におけるＺｒＯ2のピーク強度（Ｉｂ）とのピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）を０．００５以上とすることができず、焼成時におけるＺｎの昇華を防ぐ効果が小さいからであり、逆に、Ａｌ2Ｏ3の添加量が５重量部を超えると、Ｚｎを上述した範囲で添加してもジルコニア焼結体の体積固有抵抗値が１０7Ω・ｍより高くなり、半導電性が得られなくなるからである。
【００３７】
なお、ＺｒＯ2と安定化剤との混合にあたっては共沈法を用いても良く、共沈法を用いれば、微細でかつ均一に安定化剤が分散されたＺｒＯ2を得ることができる。
【００３８】
また、Ａｌ2Ｏ3は、ＺｒＯ2粉末やＺｎＯ粉末等の出発原料中や後述する混合／粉砕工程中からも混入することから、これら出発原料中や混合／粉砕工程中から混入する量を考慮してＡｌ2Ｏ3粉末の含有量が０．５〜５重量％となるように調整すれば良い。
【００３９】
そして、このセラミック原料を乾式又は湿式で混合し、湿式の場合はスプレードライヤー等で乾燥造粒して顆粒を製作する。
【００４０】
次に、乾式による原料粉末や湿式による顆粒を型内に充填し、メカプレス成形法やラバープレス成形法等の公知の成形手段により所定の形状に成形するか、あるいは湿式による泥漿を押出成形法や射出成形法、テープ成形法等の公知の成形手段により所定の形状に成形した後、大気雰囲気中や酸化雰囲気中にて１〜３時間程度焼成する。
【００４１】
この時、焼成温度が１２５０℃未満であると完全に焼結させることができず、１４００℃より高くなるとシンターオーバーとなるために、いずれもジルコニア焼結体の強度や硬度を高めることができない。そのため、１２５０〜１４００℃の温度で焼成することが重要である。
【００４２】
このような条件にて製作すれば、ジルコニア焼結体中にＺｎＡｌ2Ｏ4を生成させることができるとともに、Ｘ線回折における２θ＝３６．８°付近のＺｎＡｌ2Ｏ4のピーク強度（Ｉａ）と、２θ＝３０．２°付近におけるＺｒＯ2のピーク強度（Ｉｂ）とのピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）を０．００５以上とすることができ、さらには全ジルコニア量に対する単斜晶以外のジルコニア量を９５％以上とすることができ、曲げ強度６００ＭＰａ以上、１０3〜１０7Ω・ｍの体積固有抵抗値を有し、かつ色度図における刺激値Ｙが５０以上であるアイボリー色を呈した半導電性ジルコニア焼結体を得ることができる。
【００４３】
しかも、本発明によれば、副成分にＺｎとＡｌとを用いるようにしたことから、大気雰囲気中や酸化雰囲気中での焼成が可能であることから、焼成に特殊な装置を用いる必要がなく、上記副成分はそれぞれ安価に入手することができるため、簡単かつ安価に製造することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００４５】
平均粒子径０．８μｍのＺｒＯ2粉末に対し、Ｄｙ2Ｏ3粉末を１．５ｍｏｌ％とＣｅＯ2粉末を６．０ｍｏｌ％添加したもの７０重量％と、導電性剤としてＺｎＯ粉末を３０重量％添加し、さらにこれら１００重量部に対し、Ａｌ2Ｏ3を２重量部添加したセラミック原料に、バインダーと溶媒を加えて混練乾燥することにより顆粒を製作した。そして、この顆粒を金型中に充填してメカプレス成形法により１．０ｔｏｎ／ｃｍ2のプレス圧にてジルコニア成形体を成形し、しかる後、１３００℃の大気雰囲気中にて２時間程度焼成することによりジルコニア焼結体を得た。
【００４６】
そして、このジルコニア焼結体をＸ線回折により単斜晶ジルコニアのＸ線回折強度と単斜晶以外のジルコニア（正方晶ジルコニア及び立方晶ジルコニア）のＸ線回折強度をそれぞれ測定し、全ジルコニア量に対する単斜晶以外のジルコニア量を前述した数１より算出したところ、９９．２％であった。さらに、Ｘ線回折にて２θ＝３１．２°付近と３６．８°付近のピークの有無を確認したところ、２θ＝３６．８°付近に大きなピークがあり、かつ２θ＝３１．２°付近に小さいピークがあり、ジルコニア焼結体中にＺｎＡｌ2Ｏ4が生成されていることを確認した。
【００４７】
また、得られたジルコニア焼結体を、３ｍｍ×４ｍｍ×５０ｍｍの角柱状体に切削した後、表面を算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍに研摩して試験片を作製し、この試験片をＪＩＳ Ｒ１６０１に基づく３点曲げ試験により３点曲げ強度と破壊靭性値を測定したところ、３点曲げ強度７５４ＭＰａ、破壊靱性値５．４ＭＰａ1/2を有していた。
【００４８】
また、得られたジルコニア焼結体から別の試料を切り出し、四端子法にて、体積固有抵抗値を測定したところ、３．４×１０4Ω・ｍであった。
【００４９】
そこで、静電気の除去具合を見るために、２．５ｍｍ×６ｍｍ×４０ｍｍの角柱状体をしたジルコニア焼結体を用意し、一方端に１０００Ｖの電圧を印加し、他方端における電圧値が１００Ｖとなるまでの降下時間を測定したところ、０．１〜２０秒の時間を要し、大気摩擦による放電を生じることなく適度な速度で静電気を逃がすことができ良好であった。
【００５０】
さらに、得られたジルコニア焼結体の表面を研磨して算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍとし、その色調をミノルタ製色彩色差計ＣＲ−２２１にて測定し、ＪＩＳ Ｚ８７２２−１９９４に準拠してＸＹＺ表色系における刺激値Ｙを測定したところ７２と、十分な明るさを有し、またアイボリー色を呈するものであった。
【００５１】
【実施例】
そこで、上記実施形態におけるジルコニア焼結体において、副成分として添加するＺｎＯ粉末とＡｌ2Ｏ3粉末の添加の含有量をそれぞれ異ならせ、それぞれ最適と思われる１１８０〜１４８０℃の温度で焼成した時のジルコニア焼結体中における単斜晶以外のジルコニア量、ＺｎＡｌ2Ｏ4の有無、Ｘ線回折における２θ＝３０．２°付近と３６．８°付近とのピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）、色度図における刺激値Ｙと、機械的特性（３点曲げ強度、破壊靭性値、ビッカース硬度）、及び電気的特性（体積固有抵抗値及び静電気の除去具合）についてそれぞれ実施形態と同様の条件にて測定する実験を行った。
【００５２】
また、焼成炉内に同じ組成を有する２７個のジルコニア成形体を図２に示すうように配置して焼成した時のロッド毎における体積固有抵抗値を測定し、その最大値と最小値の差を抵抗値のばらつきとして測定する実験も行った。
【００５３】
なお、本実験の焼成には、丸祥電器製の炉床昇降式電気炉ＳＰＢ−２０２４−１８型を用い、一つのジルコニア成形体の大きさは、外径３５ｍｍ×厚さ３ｍｍの円板状体とした。
【００５４】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００５５】
【表１】
【００５６】
この結果、表１より判るように、ＺｒＯ2にＺｎＯを添加することで、ジルコニア焼結体の色を、ジルコニアが本来持つアイボリー色とすることができ、また、ＺｎＯの添加量を少なくすることでジルコニア焼結体の明るさを示す刺激値Ｙを高くすることができることが判る。
【００５７】
ただし、ＺｎＯの添加量が１０重量％未満である試料Ｎｏ．１〜３は、ジルコニア焼結体の持つ優れた機械的特性を維持することができるものの、体積固有抵抗値が１０10Ω・ｍ以上と絶縁性が高いために、静電気の除去効果が得られなかった。
【００５８】
また、ＺｎＯの含有量が４０重量％より多い試料Ｎｏ．１６〜１８では、曲げ強度が６００ＭＰａ未満、破壊靱性値５．０ＭＰａｍ1/2未満、ビッカース硬度（Ｈｖ）１１．０ＧＰａ未満と、機械的特性の低下が見られた。しかも、ＺｎＯの含有量が多すぎるために、体積固有抵抗値が１０2Ω・ｍにまで低下した結果、静電気が一気に逃げてしまうといった問題があった。
【００５９】
さらに、試料Ｎｏ．２，４，１０，１６では、ＺｎＯ2とＺｎＯの合計１００重量部に対するＡｌ2Ｏ3の添加量が０．５重量部未満であるため、ジルコニア焼結体中のＺｎＡｌ2Ｏ4の生成が少なく、それ故、Ｘ線回折における２θ＝３０．２°付近と３６．８°付近とのピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）が０．００５未満と小さく、その結果、焼成炉内の位置によってジルコニア焼結体の体積固有抵抗値にバラツキが発生し、安定して所望の抵抗値を得ることができなかった。
【００６０】
また、試料Ｎｏ．７では、Ａｌ2Ｏ3の添加量が多すぎるため、体積固有抵抗値が１０8Ω・ｍ以上となり、静電気除去具合が悪かった。
【００６１】
これに対し、ＺｎＯの添加量が１０〜４０重量％の範囲にあり、かつＺｎＯ2とＺｎＯとの合計１００重量部に対し、Ａｌ2Ｏ3を０．５〜５重量部の範囲で添加し、１２５０〜１４００℃の温度で焼成した試料Ｎｏ．５，６，８，９，１１〜１４は、いずれもジルコニア焼結体中における単斜晶以外のジルコニア量が９５％以上を有するため、曲げ強度６００ＭＰａ以上、破壊靱性値５．０ＭＰａｍ1/2以上、ビッカース硬度（Ｈｖ）１１ＧＰａ以上と優れた機械的特性を有していた。しかも、ジルコニア焼結体中にＺｎＡｌ2Ｏ4の生成が見られ、Ｘ線回折における２θ＝３０．２°付近と３６．８°付近のピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）も０．００５以上を有していた。そのため、体積固有抵抗値を、静電気を逃がすのに好ましい１０3〜１０7Ω・ｍとすることができる。また、焼成炉内の位置に関係なく、所望の抵抗値を持ったジルコニア焼結体を安定して焼成することができた。
【００６２】
この結果、安定化剤を含むＺｒＯ2粉末６０〜９０重量％に対し、ＺｎをＺｎＯ換算で１０〜４０重量％添加し、かつ上記安定化剤を含むＺｒＯ2とＺｎＯの合計１００重量部に対し、Ａｌ2Ｏ3を０．５〜５重量部添加したセラミック原料を所定形状に成形した後、１２５０〜１４００℃の温度で焼成すれば、ジルコニア焼結体中における単斜晶以外のジルコニア量を９５％以上とすることができ、曲げ強度６００ＭＰａ以上、破壊靱性値５．０ＭＰａｍ1/2以上、ビッカース硬度（Ｈｖ）１１ＧＰａ以上の優れた機械的特性が得られるとともに、ジルコニア焼結体中にＺｎＡｌ2Ｏ4を生成することができ、Ｘ線回折における２θ＝３０．２°付近と３６．８°付近のピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）を０．００５以上とできるため、ジルコニア焼結体の体積固有抵抗値を、静電気を逃がすのに好ましい１０3〜１０7Ω・ｍとすることができ、さらには焼成炉内の位置に関係なく、所望の抵抗値を持ったジルコニア焼結体を安定して得ることができる。
【００６３】
しかも、Ｚｎを含有することから、ジルコニア焼結体の色を、ジルコニアが本来有する明るいアイボリー色とすることができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、安定化剤を含むＺｒＯ2粉末６０〜９０重量％に対し、ＺｎをＺｎＯ換算で１０〜４０重量％添加し、かつ上記安定化剤を含むＺｒＯ2とＺｎＯの合計１００重量部に対し、Ａｌ2Ｏ3を０．５〜５重量部添加したセラミック原料を所定形状に成形した後、１２５０〜１４００℃の温度で１〜３時間焼成することによりジルコニア焼結体を製造するようにしたことから、その体積固有抵抗値を１０3〜１０7Ω・ｍと、静電気を適度な速度で逃がすのに好ましい半導電性を持たせることができるとともに、上記ジルコニア焼結体中にはＺｎとＡｌとの反応生成物であるＺｎＡｌ2Ｏ4を含有させることができるため、焼成時のＺｎの昇華を防ぎ、焼成炉の設置位置に関係なく、所望の抵抗値を持った半導電性ジルコニア焼結体を安定して得ることができる。
【００６５】
しかも、半導電性ジルコニア焼結体の色を、ジルコニアが本来持つ明るいアイボリー色とすることができる。
【００６６】
その上、半導電性ジルコニア焼結体を製造するにあたり、大気雰囲気や酸化雰囲気中での焼成が可能であり、特殊な装置を必要とせず、さらに、副成分として添加する原料自体が安価に入手できるため、簡単かつ安価に製造することができる。
【００６７】
また、本発明の半導電性ジルコニア焼結体は、安定化剤を含むＺｒＯ2 粉末６０〜９０重量％に対し、ＺｎをＺｎＯ換算で１０〜４０重量％添加し、かつ上記安定化剤を含むＺｒＯ 2 とＺｎＯの合計１００重量部に対し、Ａｌ 2 Ｏ 3 を０．５〜５重量部添加してなるセラミック原料を焼成してなる焼結体中に上記ＺｎとＡｌとの反応生成物であるＺｎＡｌ2Ｏ4を生成させ、焼結体の体積固有抵抗値を１０3〜１０7Ω・ｍとしたことから、ジルコニアの持つ機械的特性を大きく低下させることなく、静電気を適度な速度で逃がすことができるため、半導体製造装置で使用される搬送アームやウェハ把持用ピンセット、あるいはプリンタなどの画像記録装置において使用される分離爪、さらには磁気テープなどのテープ状体を搬送、案内するのに用いられるテープガイド等を形成すれば、静電気による悪影響を受けることがなく、かつ短期間で摩耗したり、熱処理にも強く破損することがないため、長期間にわたって好適に使用することができる。
【００６８】
さらに、本発明の半導電性ジルコニア焼結体は刺激値Ｙが５０以上、好ましくは７０以上と色調が明色系であるため、黒色を有する部材との識別が要求される用途に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導電性ジルコニア焼結体をＸ線回折にて測定した一例を示すチャート図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は実験条件を説明するための概略説明図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度を維持しつつ半導電性を有するとともに、ジルコニアが本来持つ明るいアイボリー色を呈し、かつロッド毎の体積固有抵抗値のバラツキが少ない半導電性ジルコニア焼結体とその製造方法に関するものであり、例えば、半導体装置、磁気ヘッド、電子部品等の製造工程で使用される各種治工具や治具、テープガイド、画像記録装置に用いられる分離爪などの静電気除去作用を必要とする用途に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、構造部品材料として使用されているアルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素等を主成分とするセラミック焼結体は、高強度でかつ高硬度を有するとともに、耐熱性や耐食性に優れることから、様々な分野で使用されているが、特に優れた機械的強度や摺動特性が要求されるような用途ではジルコニア焼結体が用いられている。
【０００３】
ところで、ジルコニア焼結体は高絶縁材料であるため、半導体製造装置等で使用される搬送アームやウェハ把持用ピンセット、磁気ヘッドや電子部品の製造工程で使用される試料保持台、あるいはプリンタなどの画像記録装置において使用される分離爪、さらには磁気テープなどのテープ状体を搬送、案内するのに用いられるテープガイドなど、静電気の除去作用が必要とされる用途に使用するには、ジルコニア焼結体の体積固有抵抗値（以下、抵抗値と略称する。）を１０７Ω・ｍ以下とする必要があり、そのため、ジルコニア焼結体に導電性付与剤を含有させ、抵抗値を小さくすることが試みられている。ただし、抵抗値が小さくなり過ぎると、静電気が一気に除去されるため、大気摩擦によって超高電圧の放電が発生し、被加工物や被搬送物に悪影響を与える恐れがあるため、静電気の除去作用が必要とされる用途では、抵抗値を１０３〜１０７Ω・ｍとすることが要求されていた。
【０００４】
そこで、このような特性を満足するものとして、特開平１０−２９７９６８号公報には、安定化剤を含むＺｒＯ2６０〜９０重量％に対し、導電性付与材として、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒの酸化物のうち一種以上を１０〜４０重量％の範囲で含有し、その体積固有抵抗値を１０3〜１０7Ω・ｍとした半導電性ジルコニア焼結体が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開平１０−２９７９６８号公報に開示された半導電性ジルコニア焼結体はいずれも色調が暗色であり、ジルコニアが本来持つ明るいアイボリー色が得られないといった課題があった。
【０００６】
即ち、導電性付与材として含有される、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒの酸化物は、ジルコニア焼結体に導電性を付与するだけでなく着色材としても作用し、例えば、ＦｅやＣｏの酸化物を用いた時には黒色に、ＮｉやＣｒの酸化物を用いた時には濃緑色にそれぞれジルコニア焼結体を着色するため、その色調が暗色であった。
【０００７】
そのため、このような半導電性ジルコニア焼結体を、半導体装置、磁気ヘッド、電子部品の製造工程で使用される治工具や治具に用いた場合、被加工物や被搬送物が黒色を呈するものであると、治工具や治具から被加工物や被搬送物への異物の混入や付着が判別できなくなるとともに、画像処理装置を用いて位置決めや製品形状を判断するような場合、その識別ができないといった課題があった。
【０００８】
例えば、薄膜磁気ヘッドの製造工程では、磁気ヘッドの材質として主に黒色を呈するＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系焼結板が用いられているのであるが、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系焼結板を保持する治具としての試料保持台に特開平１０−２９７９６８号公報に開示された半導電性ジルコニア焼結体を用いると、色調が同じであるため、異物の混入を嫌う磁気ヘッドの製造工程では、半導電性ジルコニア焼結体からＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系焼結板への異物の混入や付着が判別できず、また、画像処理装置では、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系焼結板と試料保持台との境界を判断できないため、自動化することができなかった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで上記課題に鑑み、本発明の半導電性ジルコニア焼結体は、安定化剤を含むＺｒＯ２ 粉末６０〜９０重量％に対し、ＺｎをＺｎＯ換算で１０〜４０重量％添加し、かつ上記安定化剤を含むＺｒＯ 2 とＺｎＯの合計１００重量部に対し、Ａｌ 2 Ｏ 3 を０．５〜５重量部添加してなるセラミック原料を焼成してなる焼結体中に上記ＺｎとＡｌとの反応生成物であるＺｎＡｌ２Ｏ４を生成させ、焼結体の体積固有抵抗値を１０３〜１０７Ω・ｍとしたことを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、上記半導電性ジルコニア焼結体をＸ線回折にて測定した時の２θ＝３６．８°付近における上記ＺｎＡｌ２Ｏ４のピーク強度をＩａ、２θ＝３０．２°付近における上記ＺｒＯ２のピーク強度をＩｂとした時、これらのピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）が０．００５以上となるようにしたものが良く、さらに上記半導電性ジルコニア焼結体のＪＩＳ Ｚ８７２２−１９９４のＸＹＺ表色系における刺激値Ｙが７０以上であるものが好ましい。
【００１１】
また、本発明は、上記半導電性ジルコニア焼結体を製造するにあたり、安定化剤を含むＺｒＯ２粉末６０〜９０重量％に対し、ＺｎをＺｎＯ換算で１０〜４０重量％添加し、かつ上記安定化剤を含むＺｒＯ２とＺｎＯの合計１００重量部に対し、Ａｌ２Ｏ３を０．５〜５重量部添加したセラミック原料を所定形状に成形した後、１２５０〜１４００℃の温度で１〜３時間焼成し、ジルコニア焼結体中にＺｎＡｌ２Ｏ４を生成させるようにしたことを特徴とする。
【００１２】
即ち、本発明の半導電性ジルコニア焼結体は、安定化剤を含むＺｒＯ２ 粉末６０〜９０重量％に対し、ＺｎをＺｎＯ換算で１０〜４０重量％添加し、かつ上記安定化剤を含むＺｒＯ 2 とＺｎＯの合計１００重量部に対し、Ａｌ 2 Ｏ 3 を０．５〜５重量部添加してなるセラミック原料を焼成してなる焼結体であって、ジルコニア焼結体中に上記ＺｎとＡｌの反応生成物であるＺｎＡｌ２Ｏ４を生成させたことを特徴とする。
【００１３】
ここで、副成分のＺｎは導電性付与材として作用するもので、このＺｎの化合物が焼結体の粒界相を形成することで、ジルコニアの持つ強度を大きく低下させることなく、焼結体の体積固有抵抗値を１０3〜１０7Ω・ｍと、半導電性を持たせることができる。
【００１４】
そのため、静電気を適度な速度で逃がすことができるため、ジルコニア焼結体と当接する物体が電気的な影響を受け易いものであっても、破壊することなく静電気を除去することができる。
【００１５】
また、副成分のＺｎは導電性付与材として作用だけでなく、ジルコニア焼結体の色を、ジルコニアが本来持つアイボリー色とすることができるとともに、その明るさをＪＩＳ Ｚ８７２２−１９９４に規定されているＸＹＺ表色系色度図における刺激値Ｙ（視感反射率とも呼ばれる）で５０以上とすることができる。
【００１６】
この色度図における刺激値Ｙとは、物体色の明るさを表す尺度であり、最も明るい色ではＹ＝１００、最も暗い色ではＹ＝０となり、値が大きいほど明るい色の度合が高いことを表している。そして、本発明の半導電性ジルコニア焼結体は刺激値Ｙが５０以上と、ジルコニア原料に近似又は同等の明るさを得ることができる。
【００１７】
そのため、本発明の半導電性ジルコニア焼結体を、半導体装置、磁気ヘッド、電子部品の製造工程で使用される治工具や治具に用いれば、被加工物や被搬送物が黒色を呈するものである場合、治工具や治具から被加工物や被搬送物への異物の混入や付着を容易に判別することができるとともに、画像処理装置を用いて位置決めや製品形状を判断する場合でも確実に識別することができる。
【００１８】
しかも、ジルコニア焼結体の表面を鏡面加工すれば、凹凸の少ない極めて滑らかな表面が得られるため、アイボリー色を持った装飾部材としても用いることができる。
【００１９】
なお、刺激値Ｙが５０以上あれば、黒色を呈する被加工物や被搬送物への異物の混入や付着を判別したり、画像処理装置を用いて位置決めや製品形状を識別することが可能であるが、これらの判別や識別をより容易に行うようにしたり、装飾部材として用いる場合には、刺激値Ｙが７０以上、さらには刺激値Ｙが７５以上のものを用いることが良い。
【００２０】
また、他の副成分のＡｌは、本発明のジルコニア焼結体の特性を安定化させるために含有するもので、色調を高めるとともに、１０3〜１０7Ω・ｍの所望の体積固有抵抗値を安定して得るには、ジルコニア焼結体中に上記ＺｎとＡｌの反応生成物であるＺｎＡｌ2Ｏ4を含有することが重要である。
【００２１】
即ち、副成分として含有するＺｎは、焼成時に昇華し易く、焼成炉の内壁や焼成用棚板等と反応して化合物を作ることから、ジルコニア焼結体中に残留するＺｎ量が減少し、所望の体積固有抵抗値が得られなくなるとともに、焼成炉の内壁面に近い外周部と内壁面から離れた中央部では、ジルコニア焼結体中に残留するＺｎ量が異なり、ロッド毎に体積固有抵抗値がばらつくのであるが、本件発明者は、この焼成時におけるＺｎの昇華を防止するため、種々研究を重ねたところ、ＺｎとともにＡｌを含有させ、ジルコニア焼結体中にＺｎＡｌ2Ｏ4を生成させることでＺｎの昇華を防ぎ、１０3〜１０7Ω・ｍの所望の体積固有抵抗値が得られるとともに、焼成炉内の配置位置に関係なく、各ジルコニア焼結体の体積固有抵抗値を安定させることがきることを見出し、本発明に至った。
【００２２】
なお、ジルコニア焼結体中におけるＺｎＡｌ2Ｏ4の存在は、Ｘ線回折を用い、図１に示すように２θ＝３６．８°付近に第一ピークが存在し、かつ２θ＝３１．２°付近に第二ピークが存在することで確認することができる。
【００２３】
そして、このような効果を発揮するためには、ジルコニア焼結体をＸ線回折にて測定した時の２θ＝３６．８°付近におけるＺｎＡｌ2Ｏ4のピーク強度をＩａ、２θ＝３０．２°付近におけるＺｒＯ2のピーク強度をＩｂとした時、これらのピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）が０．００５以上であることが好ましい。
【００２４】
なぜなら、上記ピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）が０．００５未満であると、ジルコニア焼結体中におけるＺｎＡｌ2Ｏ4の含有量が少ないため、体積固有抵抗値のばらつきを抑える効果が小さいからである。
【００２５】
また、主成分であるＺｒＯ2は、Ｙ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3及びＣｅＯ2の安定化剤で部分安定化したものを使用する。
【００２６】
具体的には、安定化剤としてＹ2Ｏ3を用いる時には、ＺｒＯ2に対して３．０〜９．０ｍｏｌ％の範囲で添加し、安定化剤としてＤｙ2Ｏ3を用いる時には、ＺｒＯ2に対して０．５〜４．５ｍｏｌ％の範囲で添加し、安定化剤としてＣｅＯ2を用いる時には、ＺｒＯ2に対して２〜８ｍｏｌ％の範囲で添加し、安定化剤としてＤｙ2Ｏ3とＣｅＯ2を用いる場合には、その合計含有量がＺｒＯ2に対して６ｍｏｌ％以上の範囲で添加したものを用いれば良く、これらの範囲で安定化剤を添加すれば、全ジルコニア量に対する単斜晶以外のジルコニア（正方晶ジルコニア及び立方晶ジルコニア）量を９５％以上とすることができるため、副成分であるＺｎやＡｌを含有したことによるジルコニア焼結体の強度低下を抑え、曲げ強度６００ＭＰａ以上を実現することができる。
【００２７】
即ち、ジルコニアの結晶状態には立方晶、正方晶、単斜晶の３つの状態があり、特に、正方晶ジルコニアは外部応力に対し、応力誘軌変態を受けて単斜晶ジルコニアに相変態し、この時に生じる体積膨張によってジルコニアの周囲に微小なマイクロクラックを形成して外部応力の進行を阻止できるため、ジルコニア焼結体の強度を高めることができる。
【００２８】
そのため、本発明の半導電性ジルコニア焼結体により、半導体装置、磁気ヘッド、電子部品等の製造工程で使用される、搬送アーム、ウェハ把持用ピンセット、試料保持台等の治工具や治具、あるいはプリンタなどの画像記録装置において紙をローラから分離するのに使用される分離爪、さらには磁気テープなどのテープ状体を搬送、案内するのに用いられるテープガイド等を形成すれば、短期間で摩耗したり、熱劣化を生じて破損することがないため、長期間にわたって好適に使用することができる。
【００２９】
また、本発明の半導電性ジルコニア焼結体は、ジルコニアが本来持つ明るいアイボリー色を呈することから、例えば、半導体装置、磁気ヘッド、電子部品等の製造工程において、被加工物や被搬送物が黒色を呈するものであっても画像処理装置を用いて識別が可能であるとともに、被加工物や被搬送物への異物の混入や付着を容易に判別することができる。
【００３０】
なお、上述した強度を達成するには、ジルコニア焼結体中におけるＺｒＯ2結晶の平均結晶粒子径は０．３〜１．０μｍ、好ましくは０．４〜０．８μｍとすることが良い。
【００３１】
また、ジルコニア焼結体中における全ジルコニア量に対し、単斜晶以外のジルコニア量を算出するには、Ｘ線回折により単斜晶ジルコニアのＸ線回折強度と、正方晶ジルコニア及び立方晶ジルコニアのＸ線回折強度をそれぞれ測定し、数１により算出すれば良い。
【００３２】
また、本発明の半導電性セラミック焼結体中には、原料粉末中や製造工程中から、ＭｎＯ、ＳｉＯ2、Ｎａ、Ｆｅ等が不純物として混入する恐れがあるが、これらは４．０重量％以下の範囲であれば含有していても構わない。
【００３３】
ところで、本発明の半導電性ジルコニア焼結体を製造するには、主成分として、平均粒子径が０．５〜１．０μｍのＺｒＯ2粉末と安定化剤としてのＹ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、ＣｅＯ2の粉末を、副成分としてＺｎＯの粉末を用いるか、あるいは焼成中にこれらの材料に変化し得る水酸化物粉末や炭酸化物粉末等を用い、安定化剤を含むＺｒＯ2が６０〜９０重量％、ＺｎＯ換算でのＺｎが１０〜４０重量％となるように調合し、これら安定化剤を含むＺｒＯ2とＺｎＯとの合計１００重量部に対し、Ａｌ2Ｏ3の粉末を０．５〜５重量部の範囲で添加してセラミック原料を作製する。
【００３４】
ここで、副成分として添加するＺｎの添加量をＺｎＯ換算で、１０〜４０重量％としたのは、Ｚｎの添加量が１０重量％未満（安定化剤を含むＺｒＯ2の添加量が９０重量％を超える）となると、ジルコニア焼結体の体積固有抵抗値を１０7Ω・ｍ以下に下げる効果が小さく、半導電性を得ることができないからであり、逆にＺｎの添加量が４０重量％を超える（安定化剤を含むＺｒＯ2の添加量が６０重量％未満）と、ジルコニア焼結体の体積固有抵抗値が１０3Ω・ｍ未満となり、静電気が一気に逃げ易くなるために、大気摩擦による超高電圧の放電が発生する恐れがあるとともに、ジルコニア焼結体の機械的特性（曲げ強度、破壊靱性値、硬度など）が大きく低下するため、ジルコニア焼結体本来の機械的特性を発揮できなくなるからである。
【００３５】
なお、好ましくは、安定化剤を含むＺｒＯ2が７０〜８０重量％、ＺｎＯ換算でのＺｎが２０〜３０重量％となるように調合することが良い。
【００３６】
また、安定化剤を含むＺｒＯ2とＺｎＯの合計１００重量部に対し、Ａｌ2Ｏ3の添加量を０．５〜５重量部としたのは、Ａｌ2Ｏ3の添加量が０．５重量部未満となると、ジルコニア焼結体中にＺｎＡｌ2Ｏ4が生成されなかったり、生成される含有量が少ないため、ジルコニア焼結体をＸ線回折にて測定した時の２θ＝３６．８°付近におけるＺｎＡｌ2Ｏ4のピーク強度（Ｉａ）と、２θ＝３０．２°付近におけるＺｒＯ2のピーク強度（Ｉｂ）とのピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）を０．００５以上とすることができず、焼成時におけるＺｎの昇華を防ぐ効果が小さいからであり、逆に、Ａｌ2Ｏ3の添加量が５重量部を超えると、Ｚｎを上述した範囲で添加してもジルコニア焼結体の体積固有抵抗値が１０7Ω・ｍより高くなり、半導電性が得られなくなるからである。
【００３７】
なお、ＺｒＯ2と安定化剤との混合にあたっては共沈法を用いても良く、共沈法を用いれば、微細でかつ均一に安定化剤が分散されたＺｒＯ2を得ることができる。
【００３８】
また、Ａｌ2Ｏ3は、ＺｒＯ2粉末やＺｎＯ粉末等の出発原料中や後述する混合／粉砕工程中からも混入することから、これら出発原料中や混合／粉砕工程中から混入する量を考慮してＡｌ2Ｏ3粉末の含有量が０．５〜５重量％となるように調整すれば良い。
【００３９】
そして、このセラミック原料を乾式又は湿式で混合し、湿式の場合はスプレードライヤー等で乾燥造粒して顆粒を製作する。
【００４０】
次に、乾式による原料粉末や湿式による顆粒を型内に充填し、メカプレス成形法やラバープレス成形法等の公知の成形手段により所定の形状に成形するか、あるいは湿式による泥漿を押出成形法や射出成形法、テープ成形法等の公知の成形手段により所定の形状に成形した後、大気雰囲気中や酸化雰囲気中にて１〜３時間程度焼成する。
【００４１】
この時、焼成温度が１２５０℃未満であると完全に焼結させることができず、１４００℃より高くなるとシンターオーバーとなるために、いずれもジルコニア焼結体の強度や硬度を高めることができない。そのため、１２５０〜１４００℃の温度で焼成することが重要である。
【００４２】
このような条件にて製作すれば、ジルコニア焼結体中にＺｎＡｌ2Ｏ4を生成させることができるとともに、Ｘ線回折における２θ＝３６．８°付近のＺｎＡｌ2Ｏ4のピーク強度（Ｉａ）と、２θ＝３０．２°付近におけるＺｒＯ2のピーク強度（Ｉｂ）とのピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）を０．００５以上とすることができ、さらには全ジルコニア量に対する単斜晶以外のジルコニア量を９５％以上とすることができ、曲げ強度６００ＭＰａ以上、１０3〜１０7Ω・ｍの体積固有抵抗値を有し、かつ色度図における刺激値Ｙが５０以上であるアイボリー色を呈した半導電性ジルコニア焼結体を得ることができる。
【００４３】
しかも、本発明によれば、副成分にＺｎとＡｌとを用いるようにしたことから、大気雰囲気中や酸化雰囲気中での焼成が可能であることから、焼成に特殊な装置を用いる必要がなく、上記副成分はそれぞれ安価に入手することができるため、簡単かつ安価に製造することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００４５】
平均粒子径０．８μｍのＺｒＯ2粉末に対し、Ｄｙ2Ｏ3粉末を１．５ｍｏｌ％とＣｅＯ2粉末を６．０ｍｏｌ％添加したもの７０重量％と、導電性剤としてＺｎＯ粉末を３０重量％添加し、さらにこれら１００重量部に対し、Ａｌ2Ｏ3を２重量部添加したセラミック原料に、バインダーと溶媒を加えて混練乾燥することにより顆粒を製作した。そして、この顆粒を金型中に充填してメカプレス成形法により１．０ｔｏｎ／ｃｍ2のプレス圧にてジルコニア成形体を成形し、しかる後、１３００℃の大気雰囲気中にて２時間程度焼成することによりジルコニア焼結体を得た。
【００４６】
そして、このジルコニア焼結体をＸ線回折により単斜晶ジルコニアのＸ線回折強度と単斜晶以外のジルコニア（正方晶ジルコニア及び立方晶ジルコニア）のＸ線回折強度をそれぞれ測定し、全ジルコニア量に対する単斜晶以外のジルコニア量を前述した数１より算出したところ、９９．２％であった。さらに、Ｘ線回折にて２θ＝３１．２°付近と３６．８°付近のピークの有無を確認したところ、２θ＝３６．８°付近に大きなピークがあり、かつ２θ＝３１．２°付近に小さいピークがあり、ジルコニア焼結体中にＺｎＡｌ2Ｏ4が生成されていることを確認した。
【００４７】
また、得られたジルコニア焼結体を、３ｍｍ×４ｍｍ×５０ｍｍの角柱状体に切削した後、表面を算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍに研摩して試験片を作製し、この試験片をＪＩＳ Ｒ１６０１に基づく３点曲げ試験により３点曲げ強度と破壊靭性値を測定したところ、３点曲げ強度７５４ＭＰａ、破壊靱性値５．４ＭＰａ1/2を有していた。
【００４８】
また、得られたジルコニア焼結体から別の試料を切り出し、四端子法にて、体積固有抵抗値を測定したところ、３．４×１０4Ω・ｍであった。
【００４９】
そこで、静電気の除去具合を見るために、２．５ｍｍ×６ｍｍ×４０ｍｍの角柱状体をしたジルコニア焼結体を用意し、一方端に１０００Ｖの電圧を印加し、他方端における電圧値が１００Ｖとなるまでの降下時間を測定したところ、０．１〜２０秒の時間を要し、大気摩擦による放電を生じることなく適度な速度で静電気を逃がすことができ良好であった。
【００５０】
さらに、得られたジルコニア焼結体の表面を研磨して算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍとし、その色調をミノルタ製色彩色差計ＣＲ−２２１にて測定し、ＪＩＳ Ｚ８７２２−１９９４に準拠してＸＹＺ表色系における刺激値Ｙを測定したところ７２と、十分な明るさを有し、またアイボリー色を呈するものであった。
【００５１】
【実施例】
そこで、上記実施形態におけるジルコニア焼結体において、副成分として添加するＺｎＯ粉末とＡｌ2Ｏ3粉末の添加の含有量をそれぞれ異ならせ、それぞれ最適と思われる１１８０〜１４８０℃の温度で焼成した時のジルコニア焼結体中における単斜晶以外のジルコニア量、ＺｎＡｌ2Ｏ4の有無、Ｘ線回折における２θ＝３０．２°付近と３６．８°付近とのピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）、色度図における刺激値Ｙと、機械的特性（３点曲げ強度、破壊靭性値、ビッカース硬度）、及び電気的特性（体積固有抵抗値及び静電気の除去具合）についてそれぞれ実施形態と同様の条件にて測定する実験を行った。
【００５２】
また、焼成炉内に同じ組成を有する２７個のジルコニア成形体を図２に示すうように配置して焼成した時のロッド毎における体積固有抵抗値を測定し、その最大値と最小値の差を抵抗値のばらつきとして測定する実験も行った。
【００５３】
なお、本実験の焼成には、丸祥電器製の炉床昇降式電気炉ＳＰＢ−２０２４−１８型を用い、一つのジルコニア成形体の大きさは、外径３５ｍｍ×厚さ３ｍｍの円板状体とした。
【００５４】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００５５】
【表１】
この結果、表１より判るように、ＺｒＯ2にＺｎＯを添加することで、ジルコニア焼結体の色を、ジルコニアが本来持つアイボリー色とすることができ、また、ＺｎＯの添加量を少なくすることでジルコニア焼結体の明るさを示す刺激値Ｙを高くすることができることが判る。
【００５７】
ただし、ＺｎＯの添加量が１０重量％未満である試料Ｎｏ．１〜３は、ジルコニア焼結体の持つ優れた機械的特性を維持することができるものの、体積固有抵抗値が１０10Ω・ｍ以上と絶縁性が高いために、静電気の除去効果が得られなかった。
【００５８】
また、ＺｎＯの含有量が４０重量％より多い試料Ｎｏ．１６〜１８では、曲げ強度が６００ＭＰａ未満、破壊靱性値５．０ＭＰａｍ1/2未満、ビッカース硬度（Ｈｖ）１１．０ＧＰａ未満と、機械的特性の低下が見られた。しかも、ＺｎＯの含有量が多すぎるために、体積固有抵抗値が１０2Ω・ｍにまで低下した結果、静電気が一気に逃げてしまうといった問題があった。
【００５９】
さらに、試料Ｎｏ．２，４，１０，１６では、ＺｎＯ2とＺｎＯの合計１００重量部に対するＡｌ2Ｏ3の添加量が０．５重量部未満であるため、ジルコニア焼結体中のＺｎＡｌ2Ｏ4の生成が少なく、それ故、Ｘ線回折における２θ＝３０．２°付近と３６．８°付近とのピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）が０．００５未満と小さく、その結果、焼成炉内の位置によってジルコニア焼結体の体積固有抵抗値にバラツキが発生し、安定して所望の抵抗値を得ることができなかった。
【００６０】
また、試料Ｎｏ．７では、Ａｌ2Ｏ3の添加量が多すぎるため、体積固有抵抗値が１０8Ω・ｍ以上となり、静電気除去具合が悪かった。
【００６１】
これに対し、ＺｎＯの添加量が１０〜４０重量％の範囲にあり、かつＺｎＯ2とＺｎＯとの合計１００重量部に対し、Ａｌ2Ｏ3を０．５〜５重量部の範囲で添加し、１２５０〜１４００℃の温度で焼成した試料Ｎｏ．５，６，８，９，１１〜１４は、いずれもジルコニア焼結体中における単斜晶以外のジルコニア量が９５％以上を有するため、曲げ強度６００ＭＰａ以上、破壊靱性値５．０ＭＰａｍ1/2以上、ビッカース硬度（Ｈｖ）１１ＧＰａ以上と優れた機械的特性を有していた。しかも、ジルコニア焼結体中にＺｎＡｌ2Ｏ4の生成が見られ、Ｘ線回折における２θ＝３０．２°付近と３６．８°付近のピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）も０．００５以上を有していた。そのため、体積固有抵抗値を、静電気を逃がすのに好ましい１０3〜１０7Ω・ｍとすることができる。また、焼成炉内の位置に関係なく、所望の抵抗値を持ったジルコニア焼結体を安定して焼成することができた。
【００６２】
この結果、安定化剤を含むＺｒＯ2粉末６０〜９０重量％に対し、ＺｎをＺｎＯ換算で１０〜４０重量％添加し、かつ上記安定化剤を含むＺｒＯ2とＺｎＯの合計１００重量部に対し、Ａｌ2Ｏ3を０．５〜５重量部添加したセラミック原料を所定形状に成形した後、１２５０〜１４００℃の温度で焼成すれば、ジルコニア焼結体中における単斜晶以外のジルコニア量を９５％以上とすることができ、曲げ強度６００ＭＰａ以上、破壊靱性値５．０ＭＰａｍ1/2以上、ビッカース硬度（Ｈｖ）１１ＧＰａ以上の優れた機械的特性が得られるとともに、ジルコニア焼結体中にＺｎＡｌ2Ｏ4を生成することができ、Ｘ線回折における２θ＝３０．２°付近と３６．８°付近のピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）を０．００５以上とできるため、ジルコニア焼結体の体積固有抵抗値を、静電気を逃がすのに好ましい１０3〜１０7Ω・ｍとすることができ、さらには焼成炉内の位置に関係なく、所望の抵抗値を持ったジルコニア焼結体を安定して得ることができる。
【００６３】
しかも、Ｚｎを含有することから、ジルコニア焼結体の色を、ジルコニアが本来有する明るいアイボリー色とすることができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、安定化剤を含むＺｒＯ2粉末６０〜９０重量％に対し、ＺｎをＺｎＯ換算で１０〜４０重量％添加し、かつ上記安定化剤を含むＺｒＯ2とＺｎＯの合計１００重量部に対し、Ａｌ2Ｏ3を０．５〜５重量部添加したセラミック原料を所定形状に成形した後、１２５０〜１４００℃の温度で１〜３時間焼成することによりジルコニア焼結体を製造するようにしたことから、その体積固有抵抗値を１０3〜１０7Ω・ｍと、静電気を適度な速度で逃がすのに好ましい半導電性を持たせることができるとともに、上記ジルコニア焼結体中にはＺｎとＡｌとの反応生成物であるＺｎＡｌ2Ｏ4を含有させることができるため、焼成時のＺｎの昇華を防ぎ、焼成炉の設置位置に関係なく、所望の抵抗値を持った半導電性ジルコニア焼結体を安定して得ることができる。
【００６５】
しかも、半導電性ジルコニア焼結体の色を、ジルコニアが本来持つ明るいアイボリー色とすることができる。
【００６６】
その上、半導電性ジルコニア焼結体を製造するにあたり、大気雰囲気や酸化雰囲気中での焼成が可能であり、特殊な装置を必要とせず、さらに、副成分として添加する原料自体が安価に入手できるため、簡単かつ安価に製造することができる。
【００６７】
また、本発明の半導電性ジルコニア焼結体は、安定化剤を含むＺｒＯ2 粉末６０〜９０重量％に対し、ＺｎをＺｎＯ換算で１０〜４０重量％添加し、かつ上記安定化剤を含むＺｒＯ 2 とＺｎＯの合計１００重量部に対し、Ａｌ 2 Ｏ 3 を０．５〜５重量部添加してなるセラミック原料を焼成してなる焼結体中に上記ＺｎとＡｌとの反応生成物であるＺｎＡｌ2Ｏ4を生成させ、焼結体の体積固有抵抗値を１０3〜１０7Ω・ｍとしたことから、ジルコニアの持つ機械的特性を大きく低下させることなく、静電気を適度な速度で逃がすことができるため、半導体製造装置で使用される搬送アームやウェハ把持用ピンセット、あるいはプリンタなどの画像記録装置において使用される分離爪、さらには磁気テープなどのテープ状体を搬送、案内するのに用いられるテープガイド等を形成すれば、静電気による悪影響を受けることがなく、かつ短期間で摩耗したり、熱処理にも強く破損することがないため、長期間にわたって好適に使用することができる。
【００６８】
さらに、本発明の半導電性ジルコニア焼結体は刺激値Ｙが５０以上、好ましくは７０以上と色調が明色系であるため、黒色を有する部材との識別が要求される用途に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導電性ジルコニア焼結体をＸ線回折にて測定した一例を示すチャート図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は実験条件を説明するための概略説明図である。
Claims (4)
- 安定化剤を含むＺｒＯ２ 粉末６０〜９０重量％に対し、ＺｎをＺｎＯ換算で１０〜４０重量％添加し、かつ上記安定化剤を含むＺｒＯ 2 とＺｎＯの合計１００重量部に対し、Ａｌ 2 Ｏ 3 を０．５〜５重量部添加してなるセラミック原料を焼成してなる焼結体であって、該焼結体中には上記ＺｎとＡｌとの反応生成物であるＺｎＡｌ2Ｏ4を有し、かつ上記焼結体の体積固有抵抗値が１０3〜１０7Ω・ｍであることを特徴とする半導電性ジルコニア焼結体。
- 上記半導電性ジルコニア焼結体をＸ線回折にて測定した時の２θ＝３６．８°付近における上記ＺｎＡｌ2Ｏ4のピーク強度をＩａ、２θ＝３０．２°付近における上記ＺｒＯ2のピーク強度をＩｂとした時、これらのピーク強度比（Ｉａ／Ｉｂ）が０．００５以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導電性ジルコニア焼結体。
- 上記半導電性ジルコニア焼結体のＪＩＳ Ｚ８７２２−１９９４のＸＹＺ表色系における刺激値Ｙが７３以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導電性ジルコニア焼結体。
- 安定化剤を含むＺｒＯ2粉末６０〜９０重量％に対し、ＺｎをＺｎＯ換算で１０〜４０重量％添加し、かつ上記安定化剤を含むＺｒＯ2とＺｎＯの合計１００重量部に対し、Ａｌ2Ｏ3を０．５〜５重量部添加してなるセラミック原料を所定形状に成形した後、１２５０〜１４００℃の温度で１〜３時間焼成し、ジルコニア焼結体中にＺｎＡｌ2Ｏ4を生成させるようにしたことを特徴とする半導電性ジルコニア焼結体の製造方法。
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