JPH04367538A - 耐熱性セラミックス成形体及びその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面の平滑性が良好な
耐熱性セラミックス成形体およびその製造法に関するも
のである。本発明はまた、耐熱性が良く高温度での使用
に耐える反射鏡基材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】照明装置、映写機等の光源ランプは、そ
れが高輝度のものになるほど発熱も著しく、したがって
、ランプと組み合わせて使用される反射鏡の温度上昇も
激しい。特に、近年はランプの高輝度化と小型化が多く
の分野で進んでおり、反射鏡部分で５５０℃を超えるこ
ともあるようになった。反射鏡は基材とその表面にコー
ティングされた反射膜からなり、そのいずれもが反射鏡
の耐熱性を支配することは言うまでもないが、基材部分
の耐熱性について考えると、最高使用温度と耐熱衝撃性
の二つが重要である。基材としてよく使われるガラスの
場合、最高使用温度は転移点以下の温度となるため、最
高度の耐熱性を有するパイレックス級ガラスでも５５０
℃以下でしか使用できず、耐熱衝撃性はムク棒（直径５
ｍｍ）による試験でも温度差２５０℃が限界であるから
、上述のような苛酷な条件では安心して使用することが
できない。また、基材の耐熱限界によってランプや反射
鏡の小型化が制限されてしまうことになる。

【０００３】より耐熱性の高い材料としては石英ガラス
があるが、このガラスは成形加工が容易でなく、量産が
困難できわめて高価なものとなる欠点がある。セラミッ
クスは、一般に耐熱性は優れているが、十分な光学特性
を備えた反射鏡を製造するのに必要な高精度曲面を形成
することが難しく、また表面平滑性にも問題があり、反
射鏡基材として実用化された例はない。Ｌｉ２Ｏ、Ａｌ
２Ｏ３およびＳｉＯ２の３成分を基本成分とする低熱膨
張率ガラスを熱処理してβ−スポジュウメン固溶体（Ｌ
ｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−４ＳｉＯ２）またはβ−ユークリ
プタイト固溶体（Ｌｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−２ＳｉＯ２）
を生じさせることにより得られるセラミックス（いわゆ
る結晶化ガラス）は、優れた耐熱性を有し、また反射鏡
基材とするのに必要な成形および研磨は結晶化させる前
のガラスの段階で容易に行うことができるので、反射鏡
基材として好ましい材料である。しかしながら、ガラス
の段階でいかに平滑に仕上げておいた表面も結晶化にと
もない粗面化してしまうことが、反射鏡基材として利用
する場合の欠点となる。すなわち、反射鏡基材に真空蒸
着等の手段でコーティングされる多層反射膜は全体でも
２μｍ程度の薄いものであるから、基材の表面が平滑性
が悪いと反射膜もまた平滑にならず、反射率の高い反射
膜は得られないが、従来の結晶化ガラスの表面は平均粗
さが０．１μ前後、場所によっては０．５μを超える粗
さであるから、高反射率反射鏡の基材として使用するこ
とはできなかった（パイレックスガラス系反射鏡基材の
研磨された反射面の平均粗さは通常０．００１〜０．０
０３μｍ程度である。ただし、“平均粗さ”はＪＩＳ　
Ｂ０６０１の「中心線平均粗さＲａ」である。）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
のように反射鏡基材として有利な性質を備えているにも
かかわらず表面の平滑度が不十分なために高反射率反射
鏡の基材として使用することができなかった結晶化ガラ
ス製品の表面平滑性を改良することにある。本発明の他
の目的は、反射鏡基材以外の用途にも有用な、本質的に
平滑な光沢表面を有する結晶化ガラス系耐熱性セラミッ
クス成形体およびその製造法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明が提供することに
成功した耐熱性セラミックス成形体およびそれよりなる
反射鏡基材は、マグネシウム、カルシウム、亜鉛、鉛、
およびバナジウムからなる群から選ばれた金属の１種以
上を酸化物として０．３〜７．０％（重量％；以下同じ
）含有するβ−スポジュウメン固溶体もしくはβ−ユー
クリプタイト固溶体からなり、その表面の平均粗さが本
質的に０．０３μｍ以下であることを特徴とする。ここ
で、“平均粗さが本質的に０．０３μｍ以下である”と
は、β−スポジュウメン固溶体もしくはβ−ユークリプ
タイト固溶体を生成させる結晶化処理後いかなる研磨処
理も施されていない本来の表面が０．０３μｍ以下の平
均粗さを示すことをいう。

【０００６】本発明はまた、酸化物組成がＳｉＯ２　５
０〜６５％、Ａｌ２Ｏ３　１８〜３０％、Ｌｉ２Ｏ　３
〜８％、ＴｉＯ２＋ＺｒＯ２３〜５％、Ｐ２Ｏ５および
（または）Ｂ２Ｏ３を合計量で８重量％以下、ＲＯ（た
だしＲはマグネシウム、カルシウム、亜鉛、鉛、および
バナジウムからなる群から選ばれた金属原子を表す）０
．３〜７．０％、Ｒ２Ｏ（ただしＲはカリウム原子また
はナトリウム原子を表す）３．０％以下のガラスを成形
し、得られたガラス成形体を、上記ガラスの変形温度以
下の温度で熱処理して結晶核を生成させた後、昇温して
β−スポジュウメン固溶体またはβ−ユークリプタイト
固溶体を生成させることを特徴とする上記表面平滑な耐
熱性セラミックス成形体の製造法を提供するものである
。ただし、直径５ｍｍ、長さ３０ｍｍの丸棒状にしたガ
ラスを垂直に支持し、頂部より５ｇの荷重をかけた状態
で毎分５℃の昇温速度で温度を上昇させたとき試料棒が
曲がり始める温度をガラスの変形温度とする。

【０００７】

【作用】マグネシウム、カルシウム、亜鉛、鉛、バナジ
ウムからなる群から選ばれた金属の１種以上を酸化物と
して０．３〜７．０％含有するβ−スポジュウメン固溶
体もしくはβ−ユークリプタイト固溶体からなり、表面
の平均粗さが本質的に０．０３μｍ以下である本発明の
セラミックス成形体は、β−スポジュウメン固溶体また
はβ−ユークリプタイト固溶体からなる結晶化ガラス特
有の優れた耐熱性を示すとともに、本質的に優れた表面
平滑性により、困難な研磨仕上げを要することなしに、
反射鏡基材等、耐熱性と高度の表面平滑性を要求される
分野に使用することができる。以下、上記セラミックス
成形体の製造法を工程順に説明しながら本発明につき詳
述する。

【０００８】まず、酸化物組成がＳｉＯ２　５０〜６５
％、Ａｌ２Ｏ３　１８〜３０％、Ｌｉ２Ｏ　５〜８％、
ＴｉＯ２＋ＺｒＯ２　３〜５％、Ｐ２Ｏ５および（また
は）Ｂ２Ｏ３を合計量で８％以下、ＲＯ（ただしＲはマ
グネシウム、カルシウム、亜鉛、鉛、バナジウムからな
る群から選ばれた金属原子を表す）０．３〜７．０％、
Ｒ２Ｏ（ただしＲはカリウム原子またはナトリウム原子
を表す）３．０％以下のガラスを得るのに必要な原料鉱
物を用意し、これをガラス製造の常法に従って粉砕、混
合し、さらに加熱して溶融状態で混合することによりガ
ラス化させる。上記ガラス組成の特徴の第一は、従来の
この種ガラスと比べて溶融温度がやや低いことであり、
このため、約１５００℃以下の温度で溶融してガラス化
させることができる。ＲＯ成分の配合は、表面平滑性の
よい製品を得るのに特に重要な意味を持ち、高反射率反
射鏡の基材になり得るような表面平滑性のよい結晶化ガ
ラス製品は適量のＲＯ成分を配合しかつ後述するやや低
い温度で結晶化を進めることによって初めて製造可能で
ある。ＲＯ成分として特に好ましいのは、ＰｂＯおよび
ＶＯである。

【０００９】その他の成分の比率も、本発明の目的を達
成するためには上記範囲に限定される。ＳｉＯ２は、５
０％未満ではガラスが成形中に失透し易く、６５％を超
えると溶融が困難になる。Ａｌ２Ｏ３は１７％未満では
熱膨張係数が大きくなって耐熱衝撃性が悪くなり、３０
％を超えると溶融が困難になる。Ｌｉ２Ｏは、３％未満
では溶融が困難であり、８％を超えると熱膨張係数が大
きくなりすぎる。ＴｉＯ２およびＺｒＯ２は結晶核形成
剤として配合される成分であって、これらの合計量が３
％未満では結晶化に時間がかかりすぎるが、５％を超え
ると、溶融が困難になるとともにガラス成形中に失透を
起こしやすくなる。その他、Ｐ２Ｏ５、Ｂ２Ｏ３、およ
びＲ２Ｏは溶融性と作業性の向上に有効な成分であるが
、多すぎると、失透、ガラス成形体の変形等、好ましく
ない結果を生じるので、過剰量の配合は避ける。Ｐ２Ｏ
５およびＢ２Ｏ３は、単独では５％を超えないことが望
ましい。

【００１０】得られたガラスは、通常のガラスの場合と
同様に、ブロー法、プレス法、ロール法、キャスト法等
、任意の方法で、所定の形状に成形する。その後、成形
精度および表面平滑度を重要視する部分、たとえば反射
鏡基材とする場合における反射膜コーティング面には、
必要に応じて研磨仕上げを施す。次いでガラス成形体を
加熱炉に入れ、結晶化のための二段の熱処理を施す。第
一段の熱処理は、β−ユークリプタイトまたはβ−スポ
ジュウメンの微結晶を均一に生成させるための、結晶核
形成工程である。熱処理を二段に分けて行うことにより
均一な微結晶を生じさせることは従来の結晶化ガラス製
造法においても行われているが、従来の製造法における
第一段熱処理ではもっぱら結晶核生成促進の観点からの
み条件が選ばれて通常７５０〜８００℃に達する高温で
行われている。これに対し、本発明の製造法においては
、ここでの処理温度を上記組成のガラスの変形温度（標
準的な組成のもので約４５０〜６５０℃）よりも低い温
度、望ましくは約５０〜１００℃低い温度にするので、
第一段熱処理温度が６５０℃を超えることはない。この
温度条件は最終的に得られる結晶化ガラスの表面を平滑
性のよい光沢面にするために重要であって、理由は定か
でないが、上記組成のガラス成形体でも処理温度が高す
ぎると粗い表面のものになってしまう。

【００１１】上記温度に約３０分〜２時間保持して結晶
核を生成させた後、温度を約６５０〜８５０℃、望まし
くは７００〜８００℃に上昇させ、この温度に約３０分
〜数時間保持すると、β−ユークリプタイト固溶体、次
いでβ−スポジュウメン固溶体が生成する。β−スポジ
ュウメン固溶体は、β−ユークリプタイト固溶体よりも
熱膨張係数がやや高いが強度が優れている。従来の結晶
化ガラスの場合、β−スポジュウメン固溶体を生成させ
るには結晶化工程において約９００〜１２００℃という
高温での熱処理を必要としていたが、本発明による上述
のガラス組成の場合、熱処理温度は高くても８００℃で
よいから、熱エネルギーの消費がはるかに少なくて済む
。

【００１２】得られる結晶化ガラスは、β−スポジュウ
メン固溶体の場合、結晶化にともない完全に失透してい
るが、それによる表面の荒れは最小限度に抑えられてい
て、平均粗さは通常０．０３μ以下である。表面の平均
粗さが０．０２μの結晶化ガラスからなる基材を用いて
製作された反射鏡は、平均粗さが０．００２以下の耐熱
性ガラスを基材として同様に製作された反射鏡の反射率
の９０％以上の反射率を示し、反射鏡基材として十分使
用可能である。β−スポジュウメン固溶体からなる製品
の軟化変形温度は９００℃以上であり、７００℃までの
温度で連続使用に耐える。耐熱衝撃性にも優れ、６００
℃に加熱してから冷水中に投入する試験によっても破損
しなかった。

【００１３】

【実施例】

実施例１ ＳｉＯ２　６０％、Ａｌ２Ｏ３　２１％、Ｌｉ２Ｏ　５
．５％、ＴｉＯ２＋ＺｒＯ２　４％、Ｐ２Ｏ５　５％、
Ｂ２Ｏ３　２．５％、ＺｎＯ＋ＭｇＯ　４％、Ｋ２Ｏ＋
Ｎａ２Ｏ１．５％の組成になるよう原料を調合し、１５
００℃で溶融してガラス化し、これをプレス法により直
径８０ｍｍの反射鏡の基材形状に成形した。変形温度が
６６０℃のこのガラス成形体を５７０℃に１時間保持し
た後、毎分３℃の昇温速度で７７０℃に昇温し、この温
度で１時間保持してから冷却した。熱処理前透明であっ
た成形体は乳白色になっており、Ｘ線回折図から、β−
スポジュウメン固溶体になったことが確認された。熱膨
張係数（室温〜４００℃の平均値）は６×１０−７／℃
、曲げ強度は９００ｋｇｆ／ｃｍ２であった。また、６
００℃に加熱して冷水中に投入しても破損せず、耐熱衝
撃性も優れていることが確認された。表面は美麗な光沢
面で、その平均粗さは０．０３μｍ以下であった。製品
の所定の位置にＴａ２Ｏ−ＳｉＯ２交互多層膜を蒸着し
て得られた反射鏡の反射率は、上記と同じガラスの反射
鏡基材に熱処理を施さずに同じ反射膜を蒸着して得られ
た反射鏡の反射率を１００とすると全可視光領域にわた
り９０以上であった。

【００１４】実施例２ ＳｉＯ２　５３％、Ａｌ２Ｏ３　２５％、Ｌｉ２Ｏ　６
％、ＴｉＯ２＋ＺｒＯ２　４．３％、Ｐ２Ｏ５　３％、
Ｂ２Ｏ３　３％、ＰｂＯ＋ＭｇＯ　３．５％、Ｋ２Ｏ＋
Ｎａ２Ｏ　１．４％の組成になるよう原料を調合し、１
４７０℃で溶融してガラス化し、これをプレス法により
直径８０ｍｍの反射鏡の基材形状に成形した。変形温度
が６５０℃のこのガラス成形体を６００℃に１時間保持
した後、毎分５℃の昇温速度で７５０℃に昇温し、この
温度で１時間保持してから冷却した。熱処理前透明であ
った成形体は半透明の乳白色になっており、Ｘ線回折図
から、β−スポジュウメン固溶体になったことが確認さ
れた。熱膨張係数は１５×１０−７／℃、曲げ強度は９
５０ｋｇｆ／ｃｍ２であった。また、６００℃に加熱し
て冷水中に投入しても破損せず、耐熱衝撃性も優れてい
ることが確認された。表面は美麗な光沢面で、その平均
粗さは０．０２５μｍ以下であった。製品の所定の位置
にＴａ２Ｏ−ＳｉＯ２交互多層膜を蒸着して得られた反
射鏡の反射率は、上記と同じガラスの反射鏡基材に熱処
理を施さずに同じ反射膜を蒸着して得られた反射鏡の反
射率を１００とすると全可視光領域にわたり９０以上で
あった。

【００１５】比較例１ ＰｂＯおよびＭｇＯを含まないほかは実施例２の場合と
同様の原料、すなわちＳｉＯ２　５３％、Ａｌ２Ｏ３　
２５％、Ｌｉ２Ｏ　６％、ＴｉＯ２＋ＺｒＯ２　４．３
％、Ｐ２Ｏ５　３％、Ｂ２Ｏ３　３％、Ｋ２Ｏ＋Ｎａ２
Ｏ　１．４％の原料を１４７０℃で溶融してガラス化し
、これを実施例２の場合と同様にして直径８０ｍｍの反
射鏡の基材形状に成形した。変形温度が６５０℃のこの
ガラス成形体を６００℃に１時間保持した後、毎分５℃
の昇温速度で７５０℃に昇温し、この温度で１時間保持
してから冷却した。熱処理前透明であった成形体は半透
明の乳白色になっており、β−スポジュウメン固溶体の
生成が確認されたが、製品の表面粗さにむらがあり、粗
いところは０．３μｍを超えた。また、全体としても変
形していることが認められた。その結果、これに実施例
２の場合と同様に多層反射膜を蒸着して得られた反射鏡
の反射率は、研磨ガラス面に同じ反射膜を蒸着して得ら
れた反射鏡の反射率を１００とすると、全可視光領域に
おいて９０に達しなかった。

【００１６】比較例２ 実施例２と同様にして得られたガラス成形体を、６５０
℃で１時間保持した後、８３０℃に昇温して１時間熱処
理した。熱処理前透明であった成形体は乳白色になって
おり、Ｘ線回折図からβ−スポジュウメン固溶体になっ
たことが確認され、曲げ強度は１４００ｋｇｆ／ｃｍ２
と高かったが、熱膨張係数は２０×１０−７／℃、耐熱
衝撃性は５００℃以下であった。表面の平均粗さは０．
０５μｍ以上であり、さらに、肉眼で認められるシワも
あった。この成形体に実施例２の場合と同様にして多層
反射膜を蒸着して得られた反射鏡の反射率は、研磨ガラ
ス面に同じ反射膜を蒸着して得られた反射鏡の反射率を
１００とすると全可視光領域において８０前後であった
。

【００１７】

【発明の効果】上述のように、耐熱性、耐熱衝撃性およ
び機械的強度にすぐれ、しかも従来の結晶化ガラスと違
ってきわめて平滑な光沢表面を本質的に有する本発明の
セラミックス成形体は、反射鏡基材として優れているだ
けでなく、その特長を生かして、各種光学材料、電気絶
縁体、電子部品材料など、多くの用途に利用することが
できる。また、本発明の製造法によれば、従来の結晶化
ガラスを製造する場合よりもずっと低い温度で結晶化を
起こさせて安価に提供することができ、しかも製品は通
常研磨仕上げを必要としないほど高度の平滑性を有する
表面のものであるから、本発明により、多くの分野で従
来よりも容易に平滑度の高い耐熱性材料を利用すること
が可能になる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　マグネシウム、カルシウム、亜鉛、鉛
   、およびバナジウムからなる群から選ばれた金属の１種
   以上を酸化物として０．５〜７．０重量％含有するβ−
   スポジュウメン固溶体もしくはβ−ユークリプタイト固
   溶体からなり、表面の平均粗さが本質的に０．０３μｍ
   以下であることを特徴とする耐熱性セラミックス成形体
   。
2. 【請求項２】　　酸化物組成がＳｉＯ２　５０〜６５重
   量％、Ａｌ２Ｏ３　１８〜３０重量％、Ｌｉ２Ｏ　３〜
   ８重量％、ＴｉＯ２＋ＺｒＯ２　３〜５重量％、Ｐ２Ｏ
   ５および（または）Ｂ２Ｏ３を合計量で８重量％以下、
   ＲＯ（ただしＲはマグネシウム、カルシウム、亜鉛、鉛
   、およびバナジウムからなる群から選ばれた金属原子を
   表す）０．３〜７．０重量％、Ｒ２Ｏ（ただしＲはカリ
   ウム原子またはナトリウム原子を表す）３．０重量％以
   下のガラスを成形し、得られたガラス成形体を、上記ガ
   ラスの変形温度以下の温度で熱処理して結晶核を生成さ
   せた後、昇温してβ−スポジュウメン固溶体またはβ−
   ユークリプタイト固溶体を生成させることを特徴とする
   表面平滑な耐熱性セラミックス成形体の製造法。
3. 【請求項３】　　マグネシウム、カルシウム、亜鉛、鉛
   、およびバナジウムからなる群から選ばれた金属の酸化
   物の１種以上を０．３〜７．０重量％含有するβ−スポ
   ジュウメン固溶体もしくはβ−ユークリプタイト固溶体
   からなり表面の平均粗さが本質的に０．０３μｍ以下で
   あることを特徴とする反射鏡基材。