(57)【要約】【課題】近紫外から近赤外領域の光に対し、透過及び吸収ロスを少なくして高効率に反射させることができ、かつ開気孔の少ない緻密質なリフレクタ用セラミックス焼結体を提供すること。【解決手段】マトリックスとしてのガラスの中に、アルミナと、ジルコニア及びイットリアのいずれか一方又は両方とからなる分散粒子が、合計で６０体積％以上の割合で分散されており、前記分散粒子の径は、１μｍ以下の範囲にある割合が全分散粒子に対して５０体積％以上であり、吸水率が１質量％以下である、リフレクタ用セラミックス焼結体である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックスとしてのガラスの中に、アルミナと、ジルコニア及びイットリアのいずれか一方又は両方とからなる分散粒子が、合計で６０体積％以上の割合で分散されており、前記分散粒子の径は、１μｍ以下の範囲にある割合が全分散粒子に対して５０体積％以上であり、吸水率が１質量％以下である、リフレクタ用セラミックス焼結体。
【請求項２】
前記アルミナが７０〜８５体積％の割合で分散され、前記ジルコニア及びイットリアのいずれか一方又は両方が合計で３〜１０体積％の割合で分散されている請求項１に記載のリフレクタ用セラミックス焼結体。
【請求項３】
前記アルミナの原料は、一次粒子径が０．２μｍ以下のα−アルミナ粒子である請求項１又は２に記載のリフレクタ用セラミックス焼結体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ用のリフレクタ、レーザ発振機のリフレクタ等に使用されるセラミックス焼結体に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の省エネルギー傾向、ＬＥＤの発明と白色ＬＥＤの実現化に伴い、これからの照明はＬＥＤのコストダウンとともに、ＬＥＤ照明に移りゆくと考えられている。今まではＬＥＤチップの激しい開発競争であったが、その周りの技術、パーケージ化やモジュール化の技術も今後発展、競争が続くと思われる。
【０００３】
この周辺技術として、素子により発光した光を効率良く、投光方向へ反射するリフレクタ用材料の開発も進展しなければならない。例えばリフレクタ用材料として銀膜を用いた場合、波長４５０ｎｍ以下の近紫外領域の反射率が急激に低下するという欠点があり、ＬＥＤ市場の急速な発展のなかで、欠点を有しながらも実用化されてはいるが、近紫外から近赤外領域までの光を効率的に反射するリフレクタ用材料の出現が望まれる。
【０００４】
一方、ＬＥＤは光変換効率が高いといわれているが、やはり発熱もあり、かつ周りの電源モジュールからの発熱も無視できず、高機能なＬＥＤを求めるほど、耐熱性も要求される。また、場合によってはＬＥＤ製作時にガラス接合可能な仕様も求められ、この点、セラミックスは耐熱性のリフレクタ用材料として好適である。勿論、市場の意思、つまり低価格指向を考えると樹脂、金属製のものが大半を占めていくであろうが、高機能ＬＥＤにとってはセラミックスもリフレクタ用材料として欠かせない材料となろう。
【０００５】
最近になりセラミックス製のＬＥＤ用リフレクタが開発、採用されるようになってきた。２０１１年現在で、日本のこの分野に対するシェアは９０％以上で、日本独自の比較的新しい分野といえる（非特許文献１）。
【０００６】
その作製例としてアルミナを主成分とした場合、適度に空隙をいれることにより反射率が緻密質のアルミナより格段に優れることが知られている（特許文献１）。
【０００７】
しかしながら、ＬＥＤをパッケージ化ないしはモジュール化する過程で、メッキなど湿式工程を経る場合や、有機物に触れる場合がある。この場合、空隙に入った夾雑物が変色を起こしやすく、洗浄しても空隙のある多孔質体は一般に洗浄しづらく色ムラになりやすい傾向がある。このため、セラミックスとしては開気孔の少ない緻密体が望ましく、また緻密体であることにより熱伝導率が高くなり、放熱しやすい特徴も併せ持つ効果が得られる。
【０００８】
リフレクタ用セラミックス焼結体の他の例として、アルミナとガラス質成分とからなるセラミックス焼結体も知られている（特許文献２）。
【０００９】
上記特許文献１及び２では反射率は改善されてはいるものの、より高い反射率を発揮するセラミックス焼結体が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１０８１８０号公報
【特許文献２】特許第４７４７０６７号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】「西日本がリードするＬＥＤ先進国・日本へ」日本政策投資銀行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、近紫外から近赤外領域の光に対し、透過及び吸収ロスを少なくして高効率に反射させることができ、かつ開気孔の少ない緻密質なリフレクタ用セラミックス焼結体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のリフレクタ用セラミックス焼結体は、マトリックスとしてのガラスの中に、アルミナと、ジルコニア及びイットリアのいずれか一方又は両方とからなる分散粒子が、合計で６０体積％以上の割合で分散されており、前記分散粒子の径は、１μｍ以下の範囲にある割合が全分散粒子に対して５０体積％以上であり、吸水率が１質量％以下であることを特徴とするものである。
【００１４】
すなわち、本発明は、透明なガラス相に対して、散乱体（分散粒子）としてアルミナとともに、ジルコニア及びイットリアのいずれか一方又は両方を加えてリフレクタ用セラミックス焼結体を構成する。アルミナ、ジルコニア及びイットリアは、いずれも対象波長領域（近紫外から近赤外領域）で吸収のない透明材料であり、アルミナとジルコニア及びイットリアとでは屈折率が異なる。したがって、上記特許文献２のようにガラス相にアルミナのみを分散させた場合よりも高い反射率を得ることができる。
【００１５】
更に、本発明では、分散粒子の隙間にガラスがマトリックスとして存在するので、上記特許文献１とは異なり、開気孔の少ない緻密質のセラミックス焼結体となる。本発明において、緻密質とは開気孔が少ないことを意味するので、緻密質の程度は吸水率で評価する。具体的には本発明は、吸水率が１質量％以下であることを要件とする。吸水率が１質量％を超えると、閉気孔と開気孔が繋がる確率が高まり、上述したメッキなど湿式工程において空隙（開気孔）に入った夾雑物が変色を起こしやすく、色ムラになりやすい。
【００１６】
本発明においてガラス相に加える分散粒子の量は多いほど良いが、仮に分散粒子１００％の材料を使用して緻密体を作製すると、結晶粒子が数μｍまで発達し、透明性がでてしまう。また、反対に分散粒子の量が６０体積％未満の組成とすると、ガラス相の量が過大となり、やはり透明性が出現し不良となる。したがって、本発明ではガラス相に分散粒子を分散させることとし、その量は６０体積％以上であることを要件とする。分散粒子の量の上限は、当然１００体積％未満であるが、高反射率と緻密質を得る点から７５〜８５体積％とすることが好ましい。
【００１７】
上記説明は、分散粒子が一定の大きさ（径）以下でなければならないことに繋がるが、実験上（後述する実施例参照）、分散粒子の径は１μｍ以下の範囲にある割合が全分散粒子に対して５０体積％であれば問題はなく、光散乱の観点から５５体積％以上であることが好ましい。
【００１８】
上述のとおり、本発明は、ガラス相に対する分散粒子として、アルミナとともにジルコニア及びイットリアのいずれか一方又は両方を加える。例えばジルコニアを配合すると反射率は増すが、熱伝導率が落ちる。アルミナはジルコニア、イットリアに比べ価格が現在１／１０以下とアルミナが非常に安価で、実用的にはこれら価格及び反射率以外の物性を勘案しながら配合を決めていく。つまり、ジルコニア、イットリアは、反射率の改良剤、調整剤として添加する。
【００１９】
これらの分散粒子の好ましい配合割合は、上記の諸事情を勘案すると、セラミックス焼結体１００体積％に占める割合で、アルミナが７０〜８５体積％、ジルコニア及びイットリアのいずれか一方又は両方が合計で３〜１０体積％である。
【００２０】
本発明においてアルミナの原料としては、一次粒子径が０．２μｍ以下のα−アルミナ粒子を使用することが好ましい。上記特許文献２では遷移アルミナの使用を推奨しているが、遷移アルミナを使用すると、焼結時の収縮が余りに大きく、焼結のままでは製品寸法合格が困難になる。このため、高温まで焼成したアルミナ、すなわちα−アルミナを使用することにより、焼結時の収縮を抑え、寸法的観点で良好なリフレクタ用セラミックス焼結体が得られる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のセラミックス焼結体によれば、ガラスのマトリックス中に、分散粒子として、アルミナとともにジルコニア及びイットリアのいずれか一方又は両方を分散させているので、近紫外から近赤外領域の光に対し、透過及び吸収ロスを少なくして高効率に反射させることができる。
【００２２】
また、分散粒子の隙間にガラスがマトリックスとして存在するので、開気孔の少ない緻密質のセラミックス焼結体となる。したがって、リフレクタの製造過程で、メッキなど湿式工程を経たり、有機物に触れたりしても、夾雑物などが侵入しづらく、色ムラも生じにくく、良好なリフレクタを提供できる。更に、緻密質であることにより、熱伝導率が高くなり、放熱しやすい特徴も併せ持つ効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のリフレクタ用セラミックス焼結体の実施例及び比較例の反射率の測定結果を示す。
【図２】本発明のリフレクタ用セラミックス焼結体の組織（走査電子顕微鏡写真）に一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明のリフレクタ用セラミックス焼結体は、マトリックスとしてのガラスの中に、アルミナと、ジルコニア及びイットリアのいずれか一方又は両方とからなる分散粒子が、合計で６０体積％以上の割合で分散されてなる。また、分散粒子の径は、１μｍ以下の範囲にある割合が全分散粒子に対して５０体積％以上であり、吸水率は１質量％以下である。
【００２５】
この本発明のリフレクタ用セラミックス焼結体は、ガラス及び分散粒子（アルミナ、ジルコニア、イットリア）の原料を混合し、成形及び焼成することで得られる。これらの原料としては、粒度が細かく、純度が高い（光を吸収する不純物が少ない）ものが好ましく、いずれも市販品を使用することができる。
【００２６】
これらの原料粒子を例えば懸濁液として混合し、乾燥後、所定の大きさに成形する。その成形品を１２００〜１５００℃程度で焼成する。ここで、焼成温度に１２００〜１５００℃と範囲があるのは、原料の配合に応じて最適な焼成温度が変わるということである。具体的には、得られるセラミックス焼結体の分散粒子の径が、１μｍ以下の範囲にある割合が全分散粒子に対して５０体積％以上であり、吸水率が１質量％以下となる焼成温度が、最適焼成温度である。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明の実施例を比較例とともに示す。
【００２８】
＜実施例１＞
分散粒子の原料として、一次粒子径０．２μｍ以下のα−アルミナ７４質量％、一次粒子径０.１μｍ以下のジルコニアゾルを酸化ジルコニウムとして１１質量％、及びシリカ系ガラスの原料として、シリカゾルをシリカとして１０質量％、炭酸カルシウムをカルシアとして５質量％配合した。これに通常の分散材、バインダ、離型材を添加して濃度約３０％の懸濁液を調製した。この懸濁液を塔頂温度約１４０℃、塔底温度約８０℃の条件でスプレードライヤ装置に供給し、顆粒を得た。この顆粒をハンドプレス成形機で圧力１．０ｔｏｎ／ｃｍ２の条件下で成形し、直径２０ｍｍ、厚み約２ｍｍの成形品を得た。これを温度１２００〜１５００℃、キープ２時間で大気雰囲気下焼成し、吸水率１質量％以下の焼成温度のものをサンプルとし、反射率を測定した。
【００２９】
すなわち上述のとおり、本発明では吸水率が１質量％以下になる焼成温度が過焼成のない最適焼成温度であり、本実施例及び以下の実施例においては、吸水率が１質量％以下になる最適焼成温度でそれぞれ焼成し、その温度範囲が１２００〜１５００℃ということである。
【００３０】
ここで、吸水率は、真空脱泡のアルキメデス法により測定した。また、反射率は、ダブルビーム方式、全波長同時補償方式による分光式色差計により測定した。また、反射率の測定においては、上記サンプルを厚み０．８ｍｍに研削後、研削液除去のため１０００℃で有機分を酸化除去した後、反射率を測定した。なお、実際の製品としては焼き放し面を想定しているが、これは、正確に秤量、収縮率を吟味したもので焼き放し面を作製し、研削品と比較する予備実験で、上述の研削及び１０００℃処理が反射率に影響を及ぼさない、又は誤差範囲内であることを確認しておいた。
【００３１】
本実施例のサンプルの反射率を図１に示す。近紫外から近赤外領域まで高い反射率が得られている。
【００３２】
また、本実施例のサンプルの走査電子顕微鏡写真を図２に示す。概ね１μｍ以下のアルミナ粒子及びジルコニア粒子が観察されるが、３μｍ以上のアルミナ粒子も存在する。分散粒子（アルミナ粒子及びジルコニア粒子）を画像解析したところ、分散粒子全体の中で粒径１μｍ以下のものは５３体積％であった。
【００３３】
また、本実施例のサンプルの吸水率は０．０質量％であった。更に、２０個のサンプルを作製し、収縮後の直径のばらつきを確認したところ、そのばらつきは直径平均から０．５％以内に収まっていた。なお、アルミナの原料をα−アルミナから遷移アルミナに変更して、同様に収縮後の直径のばらつきを確認したところ、そのばらつきは０．７６％であった。
【００３４】
本実施例のサンプルの分散粒子（アルミナ粒子及びジルコニア粒子）の体積割合は、画像解析した結果、焼結体全体に対し、７８体積％（アルミナ粒子が７１体積％、ジルコニア粒子が７体積％）であった。
【００３５】
＜実施例２＞
アルミナ７０質量％、ジルコニア１５質量％とこれらの配合量だけが異なり、後は実施例１と同じ条件でサンプルを作製した。その反射率を図１に示す。実施例１と同様な反射率であった。このことから、ジルコニアの配合量は１５質量％までであれば、十分な反射率を得ることができると言える。ジルコニアの配合量が過剰であると、上述のとおり熱伝導率が落ち、またコストアップの方向でもある。
【００３６】
なお、本実施例のサンプルの吸水率は０．０質量％、また、画像解析の結果、分散粒子全体の中で粒径１μｍ以下のものは５８体積％、分散粒子の体積割合は焼結体全体に対し、７８体積％（アルミナ粒子が６８体積％、ジルコニア粒子が１０体積％）であった。
【００３７】
＜実施例３＞
実施例１において、ジルコニアをイットリアに置き換えて、実施例１と同様にサンプルを作製した。イットリアの原料としては、あらかじめビーズミルにて０．７μｍ以下に粉砕したものを用いた。反射率を図１に示す。実施例１、２と同様な反射率であった。
【００３８】
なお、本実施例のサンプルの吸水率は０．０質量％、また、画像解析の結果、分散粒子全体の中で粒径１μｍ以下のものは５５体積％、分散粒子の体積割合は焼結体全体に対し、
７８体積％（アルミナ粒子が７０体積％、イットリア粒子が８体積％）であった。
【００３９】
＜比較例１＞
市販の銀反射膜を購入し、反射率を測定した。その結果を図１に示す。波長４５０ｎｍ以下の近紫外領域の反射率が急激に低下することがわかる。
【００４０】
＜比較例２＞
従来のアルミナ焼結体の反射率を図１に示す。これは、市販のリフレクタ用アルミナ材料を調査し、その成分に近いものの焼結体を作製し、反射率を測定したものである。本発明の実施例より反射率は低かった。これが本発明による効果であると言える。
【００４１】
＜比較例３＞
配合をアルミナ６２質量％、ジルコニア１０質量％、シリカ２１質量％、カルシア７質量％とし、実施例１と同様な操作をしてサンプルを作製した。そのサンプルの分散粒子の体積割合は、画像解析の結果、焼結体全体に対し、５９．５体積％であった。
【００４２】
この比較例３のサンプルの反射率を図１に示す。ガラス成分を増加させた比較例３では、反射率が低下した。
【図１】
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【図２】
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