(57)【要約】【課題】より強度の高い、透明基板などの透光性構造体を形成する材料としての透光性スピネルセラミックス、および当該透光性スピネルセラミックスを用いた透光性スピネルセラミックス構造体の製造方法を提供する。【解決手段】透光性スピネルセラミックス構造体を形成するための透光性スピネルセラミックス２０は、スピネル粒子と、α型アルミナ粒子２２とを備えており、スピネル粒子中に、ＴｉＯ２、Ｐ２Ｏ５からなる群から選択される少なくとも１種をさらに含む。透光性スピネルセラミックス２０におけるα型アルミナ粒子は、スピネル粒子とα型アルミナ粒子２２との質量の和の３ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下であることが好ましい。【選択図】図２
2011037639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性スピネルセラミックス構造体を形成するための透光性スピネルセラミックスであって、
スピネル粒子と、
α型アルミナ粒子とを備えており、
前記スピネル粒子中に、ＴｉＯ２、Ｐ２Ｏ５からなる群から選択される少なくとも１種をさらに含む、透光性スピネルセラミックス。
【請求項２】
前記透光性スピネルセラミックスにおける前記α型アルミナ粒子は、前記スピネル粒子と前記α型アルミナ粒子との質量の和の３ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下である、請求項１に記載の透光性スピネルセラミックス。
【請求項３】
前記透光性スピネルセラミックスにおける前記α型アルミナ粒子の平均粒径は３０ｎｍ以下である、請求項１または２に記載の透光性スピネルセラミックス。
【請求項４】
前記スピネル粒子はＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、Ｍｇ（１−ｘ）ＺｎｘＡｌ２Ｏ４からなる群から選択される少なくとも１種を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の透光性スピネルセラミックス。
【請求項５】
前記ＴｉＯ２および前記Ｐ２Ｏ５の、前記透光性スピネルセラミックス全体に対する含有量の割合は０．１ｍｏｌ％以上２．５ｍｏｌ％以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の透光性スピネルセラミックス。
【請求項６】
スピネルを構成する金属元素を含む第１の原料と、Ａｌを含む第２の原料と、Ｔｉ、Ｐからなる群から選択される少なくとも１種を含む第３の原料とを調合する工程と、
前記第１の原料と前記第２の原料と前記第３の原料とを混合して混合体にする工程と、
前記混合体を加熱して溶融体にする工程と、
前記溶融体を冷却して非晶質体とする工程と、
前記非晶質体からα型アルミナ粒子を析出させる工程とを備える、透光性スピネルセラミックス構造体の製造方法。
【請求項７】
前記α型アルミナ粒子を析出させる工程においては、熱処理を行なう、請求項６に記載の透光性スピネルセラミックス構造体の製造方法。
【請求項８】
前記熱処理において６００℃以上７５０℃以下に加熱する、請求項７に記載の透光性スピネルセラミックス構造体の製造方法。
【請求項９】
前記スピネルを構成する金属元素としてＡｌ、Ｍｇ、Ｚｎからなる群から選択される少なくとも１種を用いる、請求項６〜８のいずれか１項に記載の透光性スピネルセラミックス構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透光性スピネルセラミックスおよび透光性スピネルセラミックス構造体の製造方法に関するものであり、より特定的には、液晶プロジェクター用透光性スピネルセラミックス構造体を形成するための透光性スピネルセラミックス、および当該構造体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、たとえば液晶プロジェクターの投射型表示装置に用いられる液晶画面は、表面を汚れや外気から保護する目的で、何らかの保護層を備えている。たとえばＣＲＴに用いる場合は、上記保護層として透明プラスチックを用いても十分な効果を奏する。また、たとえば携帯電話などの画面に用いる保護層は、特に強度を要求される。このため、当該保護層としてたとえばガラスを用いることがある。最近では、このような保護層を備える液晶画面は、表裏を透明化し、液晶パネルとして用いられることが多い。この場合、当該液晶パネルは、たとえば液晶画面の裏側の主表面に対向する方向から、当該液晶画面に向かって当てた光を集光、調整するための液晶プロジェクターを構成する一部品として市販される。
【０００３】
たとえば液晶画面を保護する透明基板が使用の際に昇温すれば、当該透明基板が積載された液晶プロジェクターの機能が低下することがあることがある。このため、このような液晶プロジェクターにおける、液晶画面を保護する保護層としての透明基板には、単に液晶画面の汚れや外気から保護する目的だけでなく、当該透明基板に近接する光源が発する熱による昇温を抑制する目的や、当該光により、液晶画面が吸熱した熱を放熱する目的とが加わる。すなわち、透明基板自身も昇温するため、透明基板には耐熱性が要求される。
【０００４】
以上のような使用用途における透明基板には、通常ガラスを用いることが考えられる。しかし、透明基板の放熱性を向上するために、たとえば特開２０００−２８４７００号公報（以下「特許文献１」という）において、透明基板としてガラスの代わりに単結晶サファイアを使用した投射型表示装置が開示されている。単結晶サファイアは、ガラスの２０倍から３０倍の熱伝導性を有するため、単結晶サファイアを用いた透明基板は、ガラスを用いた透明基板に比べて、放熱性を格段に向上することができる。さらに特許文献１には、単結晶サファイアは高価であるため、ガラスと単結晶サファイアとを組み合わせた材料を用いて透明基板を形成してもよいとの旨の開示もなされている。
【０００５】
ところが単結晶サファイアには複屈折と呼ばれる特性がある。このため、単結晶サファイアを用いて透明基板などを形成する際には、形状を形成するための組立て時に結晶軸の方位を揃える処理を行なう必要がある。このため、単結晶サファイアを用いて透明基板などを形成する工程は、他の材質を用いて形成する工程に比べて作業が煩雑になる。このため、単結晶サファイアからなる透明基板は高価になる傾向がある。
【０００６】
そこで、より安価な焼結セラミックスとして、特開２００７−６５６９６号公報（以下「特許文献２」という）において、スピネルセラミックスを用いた液晶プロジェクター用透明基板が提案されている。スピネルセラミックスは、化学式がＭｇＡｌ２Ｏ４（ＭｇＯ・ｎＡｌ２Ｏ３（１≦ｎ≦３））である立方晶セラミックスであり、熱伝導率が高く透明な材料である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２８４７００号公報
【特許文献２】特開２００７−６５６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしスピネルセラミックスは一般的に、ガラスや単結晶サファイアに比べて強度が高くない。このため、液晶プロジェクター用透明基板（光学基板）として液晶プロジェクターの装置に当該透明基板をセットした際に大きな機械的応力が加われば、当該透明基板が欠けたり傷がついたりすることがあるという問題がある。
【０００９】
本発明は、以上の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、より強度の高い、透明基板などの透光性構造体を形成する材料としての透光性スピネルセラミックス、および当該透光性スピネルセラミックスを用いた透光性スピネルセラミックス構造体の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る透光性スピネルセラミックスは、透光性スピネルセラミックス構造体を形成するための透光性スピネルセラミックスであって、スピネル粒子と、α型アルミナ粒子とを備えている。上記スピネル粒子中に、ＴｉＯ２、Ｐ２Ｏ５からなる群から選択される少なくとも１種をさらに含む。
【００１１】
上記透光性スピネルセラミックスには、通常のスピネルセラミックスよりもアルミナ粒子（α型アルミナ粒子）が多く含まれている。すなわち、スピネルを構成するアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）粒子のほかに、余分にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）粒子が含まれている。上記透光性スピネルセラミックスは、この余分に含まれるアルミナ粒子が、当該スピネルセラミックス中に多数分散された構成となっている。この分散された余分なアルミナ粒子の存在により、透光性スピネルセラミックスを強度の高い粒子分散型複合材料とすることができる。言い換えれば、当該透光性スピネルセラミックスの材料を用いて、たとえば液晶プロジェクターに用いる透明基板を形成した場合、当該透明基板に加わる機械的応力に対する耐性を高めることができる。また、上記分散された余分なアルミナ粒子の存在により、当該透光性スピネルセラミックスの透明性を維持することもできる。
【００１２】
また、透光性スピネルセラミックスに添加する酸化チタン（ＴｉＯ２）粒子または酸化リン（Ｐ２Ｏ５）粒子は、これらに含まれるチタン（Ｔｉ）元素またはリン（Ｐ）元素が、当該透光性スピネルセラミックス中の余分なアルミナ粒子が粒成長して、粒が巨大化することを抑制する役割を有する。粒成長の結果アルミナ粒子が巨大化すると、当該透光性スピネルセラミックスの屈折率が大きくなり、当該透光性スピネルセラミックスの透光性が劣化する。このため、透光性スピネルセラミックス中にＴｉＯ２、Ｐ２Ｏ５からなる群から選択される少なくとも１種を含めることにより、当該透光性スピネルセラミックスの透光性を確保することができる。
【００１３】
このようにして形成された透光性スピネルセラミックスは、液晶画面を保護する保護層としての役割だけでなく、高い熱伝導性により昇温を抑制することができる。したがって、液晶画面が搭載された液晶プロジェクターなどにおける機能の低下を抑制することができる。
【００１４】
上述した透光性スピネルセラミックスにおけるα型アルミナ粒子は、スピネル粒子と前記α型アルミナ粒子との質量の和の３ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下であることが好ましい。
【００１５】
上述した透光性スピネルセラミックスにおけるα型アルミナ粒子が上記質量の和の３ｍｏｌ％以下であれば、α型アルミナ粒子が透光性スピネルセラミックスの強度を向上させる効果が小さくなる。また上述した透光性スピネルセラミックスにおけるα型アルミナ粒子が上記質量の和の５０ｍｏｌ％を超えれば、α型アルミナ粒子が透光性スピネルセラミックスの内部において独立したα型アルミナ粒子として存在することが困難になる。α型アルミナ粒子がスピネルセラミックスの内部にて独立に存在せず、たとえばスピネルセラミックスの内部に固溶した状態になれば、スピネルセラミックスの内部に固溶したα型アルミナ粒子が、可視光を散乱させてしまう。すなわち当該固溶したα型アルミナ粒子により、当該透光性スピネルセラミックスの透光性が劣化する。したがって、このような透光性の劣化を抑制するため、α型アルミナ粒子は上記質量の和の５０ｍｏｌ％以下であることが好ましい。
【００１６】
上述した透光性スピネルセラミックスにおいて、透光性スピネルセラミックスにおけるα型アルミナ粒子の平均粒径は３０ｎｍ以下であることが好ましい。ここでα型アルミナ粒子の粒径とは、α型アルミナ粒子の断面のなす径の最大値（長軸方向の断面の長さ）と最小値（短軸方向の断面の長さ）との平均値であり、各粒子の当該粒径の平均値が、上記α型アルミナ粒子の平均粒径である。
【００１７】
当該α型アルミナ粒子の平均粒径が３０ｎｍを超えると、上述したように透光性スピネルセラミックスの透光性が劣化する。このため、当該平均粒径を３０ｎｍとすることにより、当該透光性スピネルセラミックスの透光性を確保することができる。
【００１８】
上述した透光性スピネルセラミックスにおいて、スピネル粒子はＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、Ｍｇ（１−ｘ）ＺｎｘＡｌ２Ｏ４からなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。
【００１９】
以上に述べた群から選択される少なくとも１種を含むスピネル粒子は、熱伝導率が高く、透光性に優れた材料である。
【００２０】
したがって、当該スピネル粒子を用いて形成した透明基板は、液晶画面を保護する保護層としての役割だけでなく、高い熱伝導性により昇温を抑制することができる。したがって、液晶画面が搭載された液晶プロジェクターなどにおける機能の低下を抑制することができる。
【００２１】
上述した透光性スピネルセラミックスにおいて、ＴｉＯ２およびＰ２Ｏ５の、透光性スピネルセラミックス全体に対する含有量の割合は０．１ｍｏｌ％以上２．５ｍｏｌ％以下であることが好ましい。
【００２２】
上記含有量の割合が０．１ｍｏｌ％以下であると、透光性スピネルセラミックス全体におけるＴｉやＰの元素の量の割合が所望量に対して不足する。このため、当該ＴｉやＰの元素が透光性スピネルセラミックス中に余分に含有させたα型アルミナ粒子の粒成長を抑制する働きが十分でなくなる。したがってα型アルミナ粒子が粒成長を起こしやすくなり、その結果、当該透光性スピネルセラミックスの透光性が劣化することがある。逆に上記含有量の割合が２．５ｍｏｌ％以上である場合も、当該透光性スピネルセラミックスの透光性が劣化することがある。この理由については明確ではないが、透光性スピネルセラミックス全体に対するチタンやリンの割合が増加することにより、スピネルの結晶中にチタンやリンの原子が固溶して、スピネルのスピネルとしての結晶構造を損なうためであると推察される。
【００２３】
本発明に係る透光性スピネルセラミックス構造体の製造方法は、スピネルを構成する金属元素を含む第１の原料と、Ａｌを含む第２の原料と、Ｔｉ、Ｐからなる群から選択される少なくとも１種を含む第３の原料とを調合する工程と、第１の原料と第２の原料と第３の原料とを混合して混合体にする工程と、混合体を加熱して溶融体にする工程と、溶融体を冷却して非晶質体とする工程と、非晶質体からα型アルミナ粒子を析出させる工程とを備える。
【００２４】
スピネルを構成する金属元素を含む第１の原料のみに対して、加熱して溶融体にし、溶融体を冷却して非晶質体にすることによっても、透光性スピネルの透明基板などの構造体を形成することはできる。しかし上述したように本発明に係る製造方法においては、第１の原料に、Ａｌを含む第２の原料と、Ｔｉ、Ｐからなる群から選択される少なくとも１種を含む第３の原料とを混合して混合体にしたものを用いて構造体を形成する。Ａｌを含む第２の原料は、透光性スピネルセラミックス中にα型アルミナ粒子が多数分散された状態で形成されるようにすることを目的として、スピネルからなる第１の原料に余分にＡｌ元素を含有させるために混合するものである。
【００２５】
また第３の原料に含まれるＴｉやＰは、たとえば第２の原料を混合することにより最終的に形成させる透光性スピネルセラミックス構造体中に多数分散されるように形成されるα型アルミナ粒子の粒成長を抑制するために混合体中に添加するものである。
【００２６】
したがって上記方法により形成された透光性スピネルセラミックス構造体は、通常の透光性スピネルセラミックスよりもα型アルミナ粒子が多数分散された状態となるため、強度が高くなる。また、ＴｉやＰを含むことにより、α型アルミナ粒子の透光性が劣化することが抑制される。このため、通常の透光性スピネルセラミックス構造体よりも強度が高く、透光性が高い透光性スピネルセラミックス構造体を形成することができる。
【００２７】
上述した透光性スピネルセラミックス構造体の製造方法において、α型アルミナ粒子を析出させる工程においては、熱処理を行なうことが好ましい。当該熱処理において、６００℃以上７５０℃以下に加熱することが好ましい。
【００２８】
第１の原料であるスピネル中に、α型アルミナ粒子が固溶される割合は、混合体の温度が上がるに従い大きくなる。しかし加熱によりα型アルミナ粒子が大きな割合で固溶された混合体を急冷、あるいは自然冷却しても、当該α型アルミナ粒子はいわゆる過冷却と同様の状況（過飽和状態）となり、非晶質体からα型アルミナ粒子が析出される割合は小さい。しかし、たとえば一旦冷却して過飽和状態となった当該非晶質体を再び熱処理により加熱すると、非晶質体中に含まれるα型アルミナ粒子の割合は、過飽和状態ではなくなり、加熱した温度において固溶する割合に追随するようになる。そこでこのとき、たとえば当該非晶質体を６００℃以上７５０℃以下の温度に加熱する場合を考える。この温度範囲内では、アルミナ粒子はスピネル中にほとんど固溶されない。したがって、それまで過飽和状態によりスピネル中にほとんど固溶されていたアルミナ粒子が、α型アルミナ粒子として非晶質体から析出し始める。たとえば加熱する温度を６００℃未満にすれば、過飽和状態が存続し、α型アルミナ粒子がスムーズに析出されなくなる。逆に加熱する温度を７５０℃よりも高くした場合は、α型アルミナ粒子がスピネル中に固溶される割合が高くなる。このため、加熱する温度範囲を上述した６００℃以上７５０℃以下とすることが好ましい。
【００２９】
上述した透光性スピネルセラミックス構造体の製造方法において、第１の原料としてのスピネルを構成する金属元素としてＡｌ、Ｍｇ、Ｚｎからなる群から選択される少なくとも１種を用いることが好ましい。以上の第１の原料を用いれば、形成される透光性スピネルセラミックス構造体を構成する土台としてのスピネル粒子は、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、Ｍｇ（１−ｘ）ＺｎｘＡｌ２Ｏ４からなる群から選択される少なくとも１種を含むことができる。
【００３０】
以上に述べた群から選択される少なくとも１種を含むスピネル粒子は、熱伝導率が高く、透光性に優れた材料である。したがって、当該スピネル粒子を用いて形成した透明基板は、液晶画面を保護する保護層としての役割だけでなく、高い熱伝導性により昇温を抑制することができる。したがって、液晶画面が搭載された液晶プロジェクターなどにおける機能の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、より強度の高い、透明基板などの透光性構造体を形成する材料としての透光性スピネルセラミックス、および当該透光性スピネルセラミックスを用いた透光性スピネルセラミックス構造体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】透光性スピネルセラミックスを利用したカラー液晶プロジェクターの外観を示す概略図である。
【図２】本発明に係る透光性スピネルセラミックスの構造を示す概略図である。
【図３】本発明に係る透光性スピネルセラミックスの製造方法の各工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照しながら、本発明の各実施の形態について説明する。なお、各実施の形態において、同一の機能を果たす要素には同一の参照符号を付し、その説明は、特に必要がなければ繰り返さない。
【００３４】
図１を参照して、本発明の一実施の形態におけるカラー液晶プロジェクター１００においては、メタルハライドランプやキセノンランプなどの光源１から出射された光は、リフレクター２により反射され、紫外線カットフィルター３などを透過した後、インテグレータ偏光変換光学系４に導かれる。インテグレータ偏光変換光学系４を通過した光は、光の波長に応じて透過する光と反射する光とを選択可能なダイクロイックミラー５により、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色に分解される。次に、３原色に分解された光のそれぞれは、必要に応じて全反射ミラー６において反射され、偏光板７および防塵窓８を通過した後、液晶パネル１１を通過し、クロスダイクロイックプリズム９において合成される。そして、合成された光は、投射レンズ系１０を通して、カラー液晶プロジェクター１００の外部に投射されることにより、画像の投影が実現される。
【００３５】
ここで、上記カラー液晶プロジェクター１００に含まれる防塵窓８などの光学素子には、透光性を確保しつつ、近接して配置される光源１の熱から液晶パネル１１を保護し、かつ放熱する機能も求められる。また、光源１の熱によって温度も上昇するため、防塵窓８には耐熱性が求められる。さらに、防塵窓８は、カラー液晶プロジェクター１００にセットする際の機械的な応力等によって、欠けたり傷がついたりすることが抑制される程度の強度も必要とされる。これに対し、本実施の形態における光学素子である防塵窓８は、以下に示す構成を有する透明基板であることにより、当該要求に対応することが可能となっている。
【００３６】
すなわち、カラー液晶プロジェクター１００に含まれる防塵窓８は、図２を参照して、スピネルからなる母相２１と、母相２１中に分散したα型アルミナ粒子２２とを備えた透光性スピネルセラミックス２０からなっている。母相２１を構成するスピネルは、熱伝導率が高く、かつ透明な材料である。そのため、防塵窓８は、透光性を確保しつつ、近接して配置される光源１の熱から液晶パネル１１を保護し、かつ放熱する機能を有している。また、上記透光性スピネルセラミックス２０からなっていることにより、防塵窓８は、十分な耐熱性も有している。さらに、上記透光性スピネルセラミックス２０は、母相２１中に強度の高いα型アルミナ粒子２２が分散した構造を有する粒子分散型複合材料となっているため、高い強度が実現されている。その結果、防塵窓８は、カラー液晶プロジェクター１００にセットする際の機械的な応力等による欠けや傷などの損傷の発生が抑制されている。
【００３７】
透光性スピネルセラミックス２０は上述したように、スピネル粒子と、α型アルミナ粒子２２とを備えている。α型アルミナ粒子２２が透光性スピネルセラミックス２０の内部に分散されていることにより、透光性スピネルセラミックス２０からなる防塵窓８は十分な強度を有することになる。
【００３８】
また透光性スピネルセラミックス２０にはＴｉＯ２、Ｐ２Ｏ５からなる群から選択される少なくとも１種をさらに含むことが好ましい。言い換えれば、ＴｉＯ２またはＰ２Ｏ５の粉末のうち、少なくともいずれか一方を含むことが好ましい。
【００３９】
ＴｉＯ２またはＰ２Ｏ５の粉末は、透光性スピネルセラミックス２０の内部にα型アルミナ粒子２２を多数分散させるための核形成剤としての作用を有するものである。すなわち、ＴｉＯ２やＰ２Ｏ５の粉末が透光性スピネルセラミックス２０の内部に多数分散されると、分散された粉末が存在する箇所の近辺に存在するＡｌの元素を核としてそこからα型アルミナ粒子２２が形成される。すなわちＴｉＯ２やＰ２Ｏ５の粉末により、透光性スピネルセラミックス２０を形成するための原料に含まれる、スピネルを構成するためのＡｌよりも多く含まれるＡｌから、より多くの個数のα型アルミナ粒子２２が形成される。
【００４０】
このように透光性スピネルセラミックス２０の内部にＴｉＯ２またはＰ２Ｏ５の粉末が含まれれば、当該粉末が含まれない場合に比べて多数のα型アルミナ粒子２２が形成されることから、当該粉末の存在により、透光性スピネルセラミックス２０の内部に形成される個々のα型アルミナ粒子２２の粒径は小さくなる。個々のα型アルミナ粒子２２の粒径が大きくなると、当該粒子が可視光を散乱する割合が大きくなる。すなわち可視光をスムーズに透過する割合が小さくなり、透光性スピネルセラミックス２０の透光性を劣化させることがある。このため上記粉末の存在により、α型アルミナ粒子２２の粒径を小さくし、透光性スピネルセラミックス２０の透光性を確保することができる。
【００４１】
なお、ＴｉＯ２およびＰ２Ｏ５に含まれる酸素原子の、透光性スピネルセラミックス２０全体に対する含有量の割合は０．１ｍｏｌ％以上２．５ｍｏｌ％以下であることが好ましい。また、このα型アルミナ粒子２２の平均粒径は３０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４２】
なお、透光性スピネルセラミックス２０におけるα型アルミナ粒子２２は、スピネル粒子とα型アルミナ粒子２２との質量の和の３ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下であることが好ましい。ここでスピネル粒子にはＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、Ｍｇ（１−ｘ）ＺｎｘＡｌ２Ｏ４のうち１種類以上の材質を含み、上述したいずれの材質もアルミナの成分であるＡｌ２Ｏ３を含む。しかしここでは、上述したスピネル粒子に含まれるアルミナの成分はスピネル粒子の質量として考え、上述したα型アルミナ粒子２２の質量には含まれないものとする。
【００４３】
次に、上述した本発明に係る透光性スピネルセラミックス２０の製造方法について述べる。図３のフローチャートに示すように、まず原料調合工程（Ｓ１０）を行なう。具体的には、第１の原料としてのスピネル粉末と、第２の原料としてのアルミナ粉末とを用意する。ここで、スピネル粉末としてはＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、Ｍｇ（１−ｘ）ＺｎｘＡｌ２Ｏ４のうち１種類以上の材質を含む粉末であってもよいが、上記材質を形成するための金属元素を含む第１の原料、具体的にはＭｇまたはＺｎを含む水酸化物や塩化物などを第１の原料としてもよい。スピネル粒子を形成するための金属元素はＭｇだけでもよいが、Ｚｎを添加すれば、スピネルの融点を低下させる。したがって、Ｚｎを添加することにより、後の加熱工程における溶融時の加熱温度を低下させることができる。
【００４４】
また、アルミナ粉末としてはＡｌ２Ｏ３の粉末であってもよいが、Ａｌ２Ｏ３を形成するための金属元素であるＡｌを含む水酸化物や塩化物などを第２の原料としてもよい。さらに核形成剤として使用するためのＴｉＯ２またはＰ２Ｏ５の粉末を第３の原料として準備する。ここで、ＴｉＯ２の粉末とＰ２Ｏ５の粉末とのいずれか一方のみを第３の原料として準備してもよいし、両方を準備してもよい。また第３の原料についてもＴｉＯ２またはＰ２Ｏ５である必要はなく、たとえばＴｉまたはＰを含む水酸化物、塩化物などであってもよい。
【００４５】
なお、上述の第１の原料、第２の原料および第３の原料は、最終的に形成される透光性スピネルセラミックス２０におけるα型アルミナ粒子２２が、スピネル粒子とα型アルミナ粒子との質量の和の３ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下となるように、また第３の原料としてＴｉＯ２またはＰ２Ｏ５を用いた場合の、透光性スピネルセラミックス２０全体に対する含有量の割合が酸素原子の含有量に換算した際に０．１ｍｏｌ％以上２．５ｍｏｌ％以下となるように調合することが好ましい。
【００４６】
次に図３に示すように、原料混合工程（Ｓ２０）として、上述した工程（Ｓ１０）で調合した第１の原料、第２の原料および第３の原料を混合して混合体とする。混合方法は一般周知の方法を用いることができ、たとえばボールミルなどを用いて混合することが好ましい。このときＡｌを含有する第２の原料を混合することにより、スピネルとしての化学量論組成（ＭｇＡｌ２Ｏ４やＺｎＡｌ２Ｏ４など）よりもややＡｌ（アルミナ）の量が多くなることが好ましい。
【００４７】
続いて図３に示すように加熱工程（Ｓ３０）を行なう。これは具体的には、混合体を加熱して溶融する工程である。混合体（混合粉末）を２１５０℃以上に加熱すると、当該混合体の全体が溶融して液状（溶融体）となる。溶融するための加熱は大気中で行なってもよいが、混合粉末の各原料間に存在する気孔を除去するために真空下で加熱することが好ましい。また加熱した混合体の溶融には、たとえばアーク式電気炉などの炉を用いることが好ましい。
【００４８】
次に図３に示す冷却工程（Ｓ４０）において、工程（Ｓ３０）にて準備した溶融体を、たとえば冷却金型に流し込んで急冷する。急冷することにより当該溶融体は、主として非晶質成分からなる固体となる。このように冷却金型において溶融体を急冷、あるいは自然冷却も含めて冷却した場合には、溶融体からα型アルミナ粒子がほとんど析出しない。すなわち上記非晶質成分からなる固体（非晶質体）中にα型アルミナ粒子が過飽和した状態で固溶する。もしここでα型アルミナ粒子が析出されると、当該α型アルミナ粒子は過度に粒成長し、結果として形成される透光性スピネルセラミックス２０の透光性を劣化させる原因となる。したがって、冷却工程（Ｓ４０）においてはα型アルミナ粒子が析出しないよう冷却することが好ましい。
【００４９】
次に図３に示すα型アルミナ粒子析出工程（Ｓ５０）を実施する。具体的にはここで、固溶されているα型アルミナ粒子の一部が析出するように、工程（Ｓ４０）において形成された非晶質体を加熱する工程である。
【００５０】
ここで上述したように、非晶質体の温度が上がるにつれて、当該非晶質体の内部に固溶しうる、析出されればα型アルミナ粒子となるアルミナ粒子の量が多くなる。したがって当該非晶質体を、α型アルミナ粒子を多数析出しうる温度に過熱することが好ましい。具体的には６００℃以上７５０℃以下に加熱することが好ましい。
【００５１】
以上の手順を踏むことにより、粒成長されていないα型アルミナ粒子が多数析出された透光性スピネルセラミックス２０を形成することができる。当該透光性スピネルセラミックス２０は、粒成長されていないα型アルミナ粒子が多数分散された構成となっていることにより、たとえばＴｉやＰなどの核形成剤が含まれず、α型アルミナ粒子が分散されていない透光性スピネルセラミックスに比べて強度が高く、たとえば可視光に対する透光性が高いものとなっている。またこのため当該透光性スピネルセラミックス２０は、たとえばカラー液晶プロジェクター１００の一部品として使用されることが好ましい。
【実施例１】
【００５２】
上述した製造方法を用いて透光性スピネルセラミックスの試料を作製し、３点曲げ強度を測定、比較した。以下、各試料の作製方法について、上述した製造方法を参酌しながら説明する。
【００５３】
試料Ａ１〜Ａ１４、および試料Ｂ１〜Ｂ３まで、合計１７種類の異なる加工条件を用いて作製された試料を、それぞれ１台ずつ準備した。なお、試料Ａ１〜Ａ１４は本発明に係る、核形成剤としてのＴｉまたはＰを所望量含む透光性スピネルセラミックスの試料であり、試料Ｂ１〜Ｂ３は本発明の比較例として作製した、核形成剤としての所望量のＴｉまたはＰを含まない透光性スピネルセラミックスの試料である。これらの各試料に含まれる各原料の含有量を以下の表１に示す。
【００５４】
【表１】
2011037639.tif 000003
【００５５】
表１を参照して、これらの試料を形成するために、原料調合工程（Ｓ１０）において、試料Ａ１〜Ａ１１および試料Ｂ１〜Ｂ３については、「Ａｌ源以外の第１の原料」の欄に示すように、第１の原料として１００ｍｏｌ％のＭｇＯ（すなわちＭｇＯのみ）を準備した。ただし試料Ａ１２〜Ａ１４は第１の原料として８０ｍｏｌ％のＭｇＯ（第１成分）と２０ｍｏｌ％のＺｎＯ（第２成分）とを混合させたものを用いた。また、上記全種の試料に対してＡｌ２Ｏ３を、試料ごとに異なる調合量となるように準備した。具体的にはたとえば試料Ａ１〜Ａ３および試料Ｂ２、Ｂ３においては、表１中の「Ａｌ源以外の第１の原料」の「第１の原料割合（ｍｏｌ％）」の欄に４９．４％、「第２の原料Ａｌ２Ｏ３」の「第２の原料割合（ｍｏｌ％）」の欄に５０．６％と記載している。これは第１の原料（ＭｇＯおよびＺｎＯの和）と第２の原料（Ａｌ２Ｏ３）との合計に対する、第１の原料の割合が「第１の原料割合（ｍｏｌ％）」すなわち４９．４％であることを示す。同様に第１の原料（ＭｇＯおよびＺｎＯの和）と第２の原料（Ａｌ２Ｏ３）との合計に対する、第２の原料の割合が「第２の原料割合（ｍｏｌ％）」すなわち５０．６％であることを示す。このような比率となるように第１の原料、および第２の原料を準備した。他の試料についてもそれぞれ、第１の原料すなわちスピネルを構成するためのＭｇＯおよびＺｎＯの量の和と、第２の原料すなわちＡｌ２Ｏ３の量との合計に対する、第１の原料の割合および第２の原料の割合がそれぞれ表１の「第１の原料割合（ｍｏｌ％）」「第２の原料割合（ｍｏｌ％）」の欄に示す割合となるように、それぞれ異なる量のＡｌ２Ｏ３を準備した。すなわちここでの第２の原料割合（ｍｏｌ％）としてのＡｌ２Ｏ３の量は、最終的にスピネル粒子を構成するＡｌ２Ｏ３と、最終的にα型スピネル粒子を構成するＡｌ２Ｏ３との量の合計である。
【００５６】
さらに第３の原料としては表１に示すように各試料に対して核形成剤となるＴｉＯ２またはＰ２Ｏ５を、形成される透光性スピネルセラミックス全体に対する含有量の割合が表１の「核形成剤添加量（ｍｏｌ％）」の欄に示す割合となるように準備した。なお表１に示すように、比較用である試料Ｂ１およびＢ２については、核形成剤を添加しなかった。
【００５７】
なお以上のＭｇＯ、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３の各粉末はいずれも平均粒径が１００μｍであり、核形成剤としてのＴｉＯ２およびＰ２Ｏ５の各粉末は、いずれも平均粒径が０．５μｍであった。またこれらの原料はすべて純度が９９．９９％以上であった。
【００５８】
原料混合工程（Ｓ２０）において、各試料用に調合した原料を、すべての種類の試料がそれぞれ重量１０００ｇとなるように秤量した後、これらの原料をボールミルで１時間混合した。混合した各試料用の混合体を、加熱工程（Ｓ３０）においてアーク式電気炉で加熱して溶融した。そのときの加熱温度の条件、およびその後の工程における熱処理の温度条件を以下の表２に示す。
【００５９】
【表２】
2011037639.tif 000004
【００６０】
表２の「Ｓ３０溶融温度（℃）」「Ｓ３０溶融時間（ｈｒ）」の欄に示すように、たとえば試料Ａ１〜Ａ１１については、２２００℃に加熱し、３時間溶融させた。その後冷却工程（Ｓ４０）において上述したように冷却金型を用いて各試料の溶融体から固体としての非晶質体を形成した。
【００６１】
そしてα型アルミナ粒子析出工程（Ｓ５０）として、形成した非晶質体を試料ごとに、表２の「Ｓ５０熱処理温度（℃）」「Ｓ５０熱処理時間（ｈｒ）」の欄に示す条件で加熱し、α型アルミナ粒子を析出させた。なお、この熱処理は大気中で行なっている。
【００６２】
以上のようにして各条件の１７種類の試料を準備した後、各試料を評価した。完成した試料に関する測定データを以下の表３に示す。
【００６３】
【表３】
2011037639.tif 000005
【００６４】
評価方法としては、まず各試料の組織を、透過電子顕微鏡観察（ＴＥＭ）により観察し、当該試料を構成するα型アルミナ粒子およびスピネル粒子を確認した。当該試料を構成する材質がα型アルミナ粒子やスピネル粒子であることは、Ｘ線回折により同定した。この粉末Ｘ線回折によりα型アルミナ粒子の強度の検量線を測定した。この検量線の測定結果を基に、当該試料中に含まれるα型アルミナ粒子の量を決定した。α型アルミナ粒子の量がわかったところで、α型アルミナ粒子とスピネル粒子との真密度を用いて、当該各試料を構成する複合材の理論密度を計算した。その後、試料のかさ密度から、当該各試料の相対密度を計算した。そして、特にα型アルミナ粒子の平均粒径を測定した。（表３の「α型アルミナ粒子平均粒径（ｎｍ）」）また、試料を構成するα型アルミナ粒子の、α型アルミナ粒子とスピネル粒子との質量の和に対する割合（表３の「α型アルミナ粒子／（α型アルミナ粒子＋スピネル粒子）（ｍｏｌ％）」）を試料ごとに測定した。この各粒子の質量の割合と、アルミナ粒子やスピネル粒子の真密度とを基に、各試料の相対密度を算出した。（表３の「試料の相対密度（％）」）
以上の測定に続き、各試料を厚み１ｍｍの試験片に加工し、ダイヤモンドスラリーを用いて試験片の表面を鏡面研磨した。そして分光光度計にて各試験片に対する光の透過率を測定した。このとき、厚み１ｍｍ分を光が透過する割合を調べるため、各試験片の厚み方向に平行な方向に進行するように光を透過させた。透過させる光の波長を、可視光の波長範囲である４２０ｎｍから６８０ｎｍの範囲で変化させ、各波長における光の透過率を測定した。その結果、波長４２０ｎｍの光の透過率が最も低くなることがわかった。このため表３においては、透過率が試験片の特性に最も大きく影響される、波長４２０ｎｍの光の透過率を試験片ごとに測定した結果を「４２０ｎｍ透過率（％）」の欄に示している。
【００６５】
さらに、各試験片を３ｍｍ×４ｍｍ×５０ｍｍの直方体状に切断加工した小試験片とし、当該小試験片を用いて、支点間距離を３０ｍｍとして３点曲げ強度を測定した。その結果を表３の「試料の曲げ強度（ＭＰａ）」の欄に示した。
【００６６】
以上の表１、表２、表３を比較対照すれば、本発明の実施の形態のように、透光性スピネルセラミックスの構造体（試料）を形成する材料として、核形成剤であるＴｉＯ２やＰ２Ｏ５の粉末を所定量添加した試料Ａ１〜Ａ１４は、当該粉末を添加しない、あるいは所定量以下のみ添加した比較用の試料Ｂ１〜Ｂ３に比べて、試料の曲げ強度や、４２０ｎｍ透過率が高いことがわかる。具体的には表３に示すように、試料Ａ１〜Ａ１４はすべて曲げ強度が４４０ＭＰａ以上となっているのに対し、比較用の試料Ｂ１〜Ｂ３はいずれも曲げ強度が４４０ＭＰａ未満である。このことから、本発明の実施の形態のように核形成剤であるＴｉＯ２やＰ２Ｏ５の粉末を所定量添加すれば、形成される試料の曲げ強度が高くなるといえる。
【００６７】
ただし試料Ａ１〜Ａ１４のなかでも、試料Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ８、Ａ１１については、上記曲げ強度が４８０ＭＰａに満たず、試料Ａ１〜Ａ１４のうち上記以外の試料の多くが５００ＭＰａ以上の曲げ強度を形状している事情と異なる。これは試料Ａ１、Ａ２、Ａ３については試料を構成するα型アルミナ粒子の、α型アルミナ粒子とスピネル粒子との質量の和に対する割合（表３の「α型アルミナ粒子／（α型アルミナ粒子＋スピネル粒子）（ｍｏｌ％）」）の値が３ｍｏｌ％に満たず、α型アルミナ粒子による補強が充分でないためであると考えられる。また試料Ａ８および試料Ａ１１は、α型アルミナ粒子の平均粒径が３０ｎｍを超えているために、α型アルミナ粒子の粒成長による強度低下が起こったと考えられる。
【００６８】
また試料Ａ１〜Ａ１４は試料Ａ８を除いていずれも４２０ｎｍ透過率が８０％以上となっており、試料Ａ３、Ａ８を除いていずれも８４％以上である。試料Ａ８において透過率が低いのは、α型アルミナ粒子の質量の、α型アルミナ粒子とスピネル粒子との質量の和に対する割合が５０％を超えており、α型アルミナ粒子の平均粒径が比較的大きいために光の透過が阻害されているものと考えられる。Ａ３については、核形成剤添加量が３ｍｏｌ％と、好ましい上限値である２．５ｍｏｌ％を超えているために透光性が劣化したものと考えられる。
【００６９】
これに対して比較用の試料は、試料Ｂ１は８５％以上の透過率を有しているが、Ｂ２およびＢ３については透過率が低い。特にＢ２は７２．２％となっている。このことから、また、試料Ｂ１についてはα型アルミナ粒子が形成されていないが、Ｂ２およびＢ３について形成されたα型アルミナ粒子の平均粒径は、試料Ａ１〜Ａ１４の平均粒径に比べて有意に大きくなっている。これは試料Ｂ１〜Ｂ３については、適量の核形成剤を添加しなかったために、α型アルミナ粒子を形成するための分散が進まず、個々のα型アルミナ粒子が粒成長した結果、当該試料における透光性が劣化したものと考えられる。
【００７０】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、今回開示した実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、透光性スピネルセラミックス構造体の強度や透光性を向上する技術として、特に優れている。
【符号の説明】
【００７２】
１  光源、２  リフレクター、３  紫外線カットフィルター、４  インテグレータ偏光変換光学系、５  ダイクロイックミラー、６  全反射ミラー、７  偏光板、８  防塵窓、９  クロスダイクロイックプリズム、１０  投射レンズ系、１１  液晶パネル、２０  透光性スピネルセラミックス、２１  母相、２２  α型アルミナ粒子、１００  カラー液晶プロジェクター。
【図１】
2011037639.tif 000006
【図２】
2011037639.tif 000007
【図３】
2011037639.tif 000008