JPH0821901A - ジルコニア質焼結体よりなる遮光部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 １５０〜８００nmの波長の光を遮光し、又ジ
ルコニアの高強度・高靭性の性質により、ナイフエッジ
等の精密な加工を可能とする。 【構成】 周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物、
窒化物、炭窒化物、ホウ化物の少なくとも１種以上を５
〜５０体積％含み、残部が実質的にジルコニアよりなる
焼結体であることを特徴とするジルコニア質遮光部品。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光透過率の少ないジル
コニア質焼結体よりなる遮光部品に関する。レーザー・
紫外線・可視光等の光を使用している光関連装置では、
これらの光を遮光する精密形状部品が求められており、
遮光性が良好で精密加工が可能な本焼結体よりなる部品
はこのような用途に広く利用できる。

【０００２】なお、本文中の透過率とは一般に 入射光＝透過光＋反射光＋吸収光 …………………（１） 光透過率＝透過光／入射光×１００ …………………（２） 遮光率＝１００−透過率 …………………（３） が成立する。従って本発明は遮光率を高めること、換言
すれば透過率を低下させたセラミックスを遮光部品に使
用する用途発明に関する。

【０００３】

【従来の技術】黒色ジルコニア基焼結体については特開
昭５９−２２７７７０号公報に着色剤として、（１）周
期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属および鉄族金属の中か
ら選択された少なくとも１種以上の金属および／または
合金、（２）周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化
物、ホウ化物、ケイ化物およびこれらの相互固溶体の中
から選択された少なくとも１種以上の化合物、を使用す
ることが開示されている。しかし、その用途については
時計用外装部品・ネクタイピン・ブローチ・カフスボタ
ン等の装飾部品用材料と釣具部品・摺動部品等の耐摩耗
材料に適することが開示されているが、本発明における
遮光部品用途については言及されていない。

【０００４】また、このような精密遮光部品としては
（１）アルミニウム合金の表面をアルマイト処理したも
の、（２）真鍮・銅・ステンレス等の金属の表面にブラ
ッククロムメッキをしたもの、（３）真鍮・銅等の表面
にクロム蒸着膜をつけたもの等がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の金属製部品では共通して、剛性が低いため形状精度
が保てない、熱膨張係数が高いため温度変化による精
度低下が発生しやすい、塑性変形しやすいため、部品
の変形が発生する可能性がある、残留応力等により経
時変化が発生しやすい、長期間光をあてることにより
遮光性劣化が発生する等の問題がある。

【０００６】さらに（１）のアルミニウム合金は塑性変
形しやすく、また剛性が低く、難加工性材料のため精密
な加工部品が作製しずらい。またアルマイト処理は遮光
性は良好だが、処理により表面精度が悪くなるため、超
精密部品の作製には不適である。

【０００７】（２）の真鍮・銅等は易加工性で比較的精
密加工が可能であるが、ブラッククロムメッキのメッキ
厚みは〜５μｍもあり超精密な部品の作製時には問題が
発生する。

【０００８】（３）のクロム蒸着膜は膜厚が非常に薄い
ため精密部品のコート膜としては良好であるが、クロム
蒸着膜は非常に薄く弱いため、僅かな引っかきでも膜が
除去されやすく、また強い光の長時間の照射によりクロ
ムが劣化して膜に穴があいてしまう等の問題があり、そ
の解決が望まれている。

【０００９】このように金属材料では種々の問題がある
が、セラミックスの中に光透過率の少ない材料として、
例えば、黒色アルミナ・炭化ホウ素・ＺｒＢ₂ ・ＴｉＢ
₂ ・ＴｉＣ・ＨｆＣ等の黒色系セラミックス焼結体が一
般に知られている。しかし、これらのセラミックスは靭
性が低いため精密な加工を実施した場合チッピングやカ
ケが発生しやすく、またチッピングやカケを防止しよう
とすると加工時間が非常に長くなり、非常に高価な部品
となってしまうという欠点が未解決の課題として残って
いた。

【００１０】本発明はこのような問題点を解決し、精密
な加工が可能となる、ジルコニア質焼結体よりなる遮光
部品を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は次の通り
である。 （１）周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物、窒化
物、炭窒化物、ホウ化物の少なくとも１種以上を５〜５
０体積％含み、残部が実質的にジルコニアよりなる焼結
体であることを特徴とするジルコニア質遮光部品。 （２）上記記載の遮光部品に使用されているセラミック
ス焼結体が、１５μｍの厚みにおいて、１５０〜８００
nm波長の光に対して、その光透過率が２％以下であるこ
とを特徴とする、（１）記載の遮光部品。 （３）上記セラミックス焼結体の積分反射率が、１５０
〜８００nm波長光において２０％以下であることを特徴
とする、（１）または（２）記載の遮光部品。 （４）上記セラミックス焼結体中のジルコニアが１００
〜８０重量％の部分安定化ジルコニアと０〜２０重量％
のアルミナよりなることを特徴とする、（１）〜（３）
のいずれか１項記載の遮光部品。 （５）ナイフエッジ形状を有することを特徴とする、
（１）〜（４）のいずれか１項記載の遮光部品。 （６）上記セラミックス焼結体がホットプレス、ガス圧
焼結、ＨＩＰで製造されることを特徴とする、（１）〜
（５）のいずれか１項記載の遮光部品。 （７）上記セラミックス焼結体の室温での３点曲げ強度
が、１０００MPa 以上で、破壊靭性（ＩＭ法）が７ MNm
^-3/2以上であることを特徴とする、（１）〜（６）のい
ずれか１項記載の遮光部品。

【００１２】以下、本発明の詳細を説明する。まず、本
発明では上記した従来技術の問題点は、周期律表４ａ，
５ａ，６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ化
物の１種または数種を５〜５０体積％含み、残部が実質
的にジルコニアよりなる焼結体をこれらの部品の材料と
して使用することにより解決される。ここで言う周期律
表４ａ，５ａ，６ａ族金属とはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，
Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗを指す。部分安定化ジルコ
ニア焼結体はそれ自身は透光性であり、遮光部品として
は使用できないが、ジルコニアはセラミックスの中では
靭性が高く精密な加工が可能である。

【００１３】また上記の炭化物、窒化物、炭窒化物、ホ
ウ化物は殆どが遮光性の材料であるが、これらの材料は
難焼結性であり、またできた焼結体は靭性や強度が低
く、精密な加工には不適である。そこで、部分安定化ジ
ルコニアと上記炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ化物の
１種または数種を組み合わせて焼結すると遮光性で、精
密な加工のできる材料が得られ、精密遮光部品として使
用できる。

【００１４】材料は精密加工の必要性から、気孔が少な
く、高強度・高靭性であることが好ましく、そのためホ
ットプレス、ガス圧焼結、ＨＩＰ等の圧力焼結したもの
が好ましい。強度としては室温での３点曲げ強度が１０
００MPa 以上（好ましくは１２００MPa 以上）で、破壊
靭性値（ＩＭ法）としては、７ MNm^-3/2以上であること
が必要である。

【００１５】上記炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ化物
の添加量は５体積％以下では遮光性が十分ではなく、光
透過率が２％以上になってしまう。また５０体積％以上
では焼結体の靭性や強度が低下して精密な加工ができな
くなってしまうので、５〜５０体積％の必要があり、特
に１０〜４０体積％の範囲が好ましい。

【００１６】ここで言う体積％とは、ジルコニアの比重
をρ_z 、重量をＷ_z とし、炭化物等の比重をρ_c 、重量
をＷ_c とした場合、 体積％＝〔（Ｗ_c ／ρ_c ）／（Ｗ_c ／ρ_c ＋Ｗ_z ／
ρ_z ）〕×１００ として求めるものとする。

【００１７】またジルコニアは高強度・高靭性が求めら
れるので部分安定化ジルコニアが良い。この部分安定化
ジルコニアには２０重量％までのアルミナを含んでも良
い。この２０重量％までのアルミナは靭性の低下をもた
らさずに部分安定化ジルコニアをさらに高強度化させる
からである。

【００１８】また、これらの遮光部品にはその高精度要
求から比剛性が求められる場合があり、そのような場合
にはＨｆ・Ｔａ・Ｗの炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ
化物のような高比重品は好ましくない。

【００１９】これらの遮光部品はシャッターやスリッタ
ーのように遮光境界部の明瞭な遮光性が要求される場合
がありこの場合、境界部に非常に薄い形状が求められ
る。例えば５０〜３０°の鋭角なナイフエッジ形状で先
端厚みが１０〜３０μｍといったものである。従ってこ
れらの部品に使用される材料には薄板での遮光性が必要
で、１５μｍ厚みでの光の透過率は２％以下である必要
がある（好ましくは０．２％以下）。

【００２０】また、遮光境界部での明瞭な遮光性を必要
とする場合には、その遮光部品からの反射光（乱反射
光）も問題となる場合があり、この場合部品には低反射
率が要求される。実用上、こういった場合の部品の積分
反射率は２０％以下であることが望ましい。ここで言う
積分反射率とは入射光に対して乱反射も含めた１８０°
全方向に反射した光の総和の割合を意味する。

【００２１】使用される光としてはレーザーや紫外線、
水銀灯等があり、その波長は紫外線のｇ線で４３６nm、
ｉ線で３６５nm、ＫｒＦエキシマレーザーで２４８nm、
ＡｒＦエキシマレーザーで１９３nm、Ｆ₂ エキシマレー
ザーで１５７nm、Ｈｅ−Ｎｅレーザーで６３３nmであ
り、遮光する光の波長は１５０〜８００nmをカバーする
必要がある。

【００２２】

【実施例】以下、実施例によって本発明を具体的に説明
する。 〔実施例１〕ＴｉＣ４０体積％を含む部分安定化ジルコ
ニア（ＰＳＺ）のＨＩＰ焼結体は曲げ強度が１６００MP
a で破壊靭性は９．１ MNm^-3/2で、１５μｍ厚みに加工
して透過率を測定した。Ｆ₂ エキシマレーザーの透過率
は０．０２％以下で、積分反射率は９．５％であった。
また、この０．５mm厚の焼結体に３５°先端１０μｍの
ナイフエッジ加工をした場合の先端チッピング幅は３μ
ｍ以下であった。

【００２３】〔実施例２〕ＺｒＢ₂ ３０体積％と２０重
量％のアルミナを含む部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）
７０体積％よりなるＨＩＰ焼結体は、曲げ強度が１９０
０MPa で破壊靭性は８．４ MNm^-3/2で、１５μｍ厚みに
加工して透過率を測定した。紫外線ｉ線の透過率は０．
１０％で、積分反射率は１０．２％であった。また、こ
の０．５mm厚の焼結体に３５°先端１０μｍのナイフエ
ッジ加工をした場合の先端チッピング幅は１０μｍ以下
であった。

【００２４】〔実施例３〕ＮｂＣ２０体積％とＣｒ₃ Ｃ
₂ １０重量％を含む部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）の
ＨＩＰ焼結体は、曲げ強度が１５００MPa で、破壊靭性
は８．７ MNm^-3/2で、１５μｍ厚みに加工して透過率を
測定した。Ｈｅ−Ｎｅレーザーの透過率は０．０５％
で、積分反射率は８．９％であった。また、この０．５
mm厚の焼結体に３５°先端１０μｍのナイフエッジ加工
をした場合の先端チッピング幅は８μｍ以下であった。

【００２５】〔実施例４〕ＴｉＣＮ（ＴｉＣ−ＴｉＮ
５０：５０の固溶体）５０重量％を含む部分安定化ジル
コニア（ＰＳＺ）のＨＩＰ焼結体は、曲げ強度が１７０
０MPa で、破壊靭性は１０．２ MNm^-3/2で、１５μｍ厚
みに加工して透過率を測定した。ＫｒＦエキシマレーザ
ーの透過率は０．０２％以下で積分反射率は７．９％で
あった。また、この０．５mm厚の焼結体に３５°先端１
０μｍのナイフエッジ加工をした場合の先端チッピング
幅は１２μｍ以下であった。

【００２６】〔実施例５〕表１の組成の焼結体を１５μ
ｍ厚みに加工し、紫外線ｇ線の透過率と積分反射率を測
定し、結果を表１に示した。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【発明の効果】本発明は１５０〜８００nmの光に対する
遮光性と低反射率を有し、精密な加工のできるジルコニ
ア質焼結体によりなる遮光部品を提供するものであり、
エキシマレーザー、紫外線、その他レーザー等の光関連
装置用の精密遮光部品として使用できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清野 省二 東京都千代田区大手町２−６−３ 新日本 製鐵株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化
   物、窒化物、炭窒化物、ホウ化物の少なくとも１種以上
   を５〜５０体積％含み、残部が実質的にジルコニアより
   なる焼結体であることを特徴とするジルコニア質遮光部
   品。
2. 【請求項２】 上記記載の遮光部品に使用されているセ
   ラミックス焼結体が、１５μｍの厚みにおいて、１５０
   〜８００nm波長の光に対して、その光透過率が２％以下
   であることを特徴とする、請求項１記載の遮光部品。
3. 【請求項３】 上記セラミックス焼結体の積分反射率
   が、１５０〜８００nm波長光において２０％以下である
   ことを特徴とする、請求項１または２記載の遮光部品。
4. 【請求項４】 上記セラミックス焼結体中のジルコニア
   が１００〜８０重量％の部分安定化ジルコニアと０〜２
   ０重量％のアルミナよりなることを特徴とする、請求項
   １〜３のいずれか１項記載の遮光部品。
5. 【請求項５】 ナイフエッジ形状を有することを特徴と
   する、請求項１〜４のいずれか１項記載の遮光部品。
6. 【請求項６】 上記セラミックス焼結体がホットプレ
   ス、ガス圧焼結、ＨＩＰで製造されることを特徴とす
   る、請求項１〜５のいずれか１項記載の遮光部品。
7. 【請求項７】 上記セラミックス焼結体の室温での３点
   曲げ強度が、１０００MPa 以上で、破壊靭性（ＩＭ法）
   が７ MNm^-3/2以上であることを特徴とする、請求項１〜
   ６のいずれか１項記載の遮光部品。