(57)【要約】【課題】各誘電体のＱ値が高く誘電率のコントラストが大きい複合構造体の製造方法の提供を図る。【解決手段】紫外線に対して透光性のあるアルミナ粉末と、光硬化性樹脂とを混合し、前記光硬化性樹脂とアルミナ粉末との混合物から光造形法により前記混合物の構造体を得て、前記混合物の構造体内で、アルミナ粉末を焼結させるとともに前記光硬化性樹脂を除去して、アルミナ焼結構造体を得て、アルミナ焼結構造体を収容した型内に、酸化チタンを含み、有機バインダーを含有しないスラリーを注入し、前記型内で、アルミナの焼結温度以下で酸化チタンを焼結させて、酸化チタン焼結構造体とアルミナ焼結構造体とが３次元に周期的に配置された複合構造体を得る。【選択図】図２
2007313749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線に対して透光性のある第１材料の粉末と、光硬化性樹脂とを混合する工程と、
前記光硬化性樹脂と前記第１材料の粉末との混合物から光造形法により前記混合物の構造体を得る工程と、
前記混合物の構造体内で、前記第１材料を焼結させるとともに前記光硬化性樹脂を除去して、前記第１材料の焼結構造体を得る工程と、
前記第１材料の焼結構造体を収容する型内に、第２材料の粉末を含むスラリーを注入する工程と、
前記型内で、前記第１材料の焼結温度以下で前記第２材料を焼結させて、前記第２材料の焼結構造体と前記第１材料の焼結構造体とが３次元に周期的に配置された複合構造体を得る工程と、を有する複合構造体の製造方法。
【請求項２】
前記第２材料は、酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウムのうちいずれかを含む請求項１に記載の複合構造体の製造方法。
【請求項３】
前記第１材料は、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、石英ガラス、酸化ハフニウムのうちいずれかを含む請求項１または２に記載の複合構造体の製造方法。
【請求項４】
前記第２材料の粉末を含むスラリーは、有機バインダーを含有しないスラリーである請求項１〜３のいずれかに記載の複合構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、互いに屈折率もしくは誘電率の異なる複数の材料が３次元に周期的に配置された複合構造体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
屈折率もしくは誘電率が周期的に変化する複雑な形状の３次元構造体は、電磁波干渉作用や共振作用を示し、特定周波数領域の電磁波に対する作用素子として用いることができる。特に結晶構造に欠損のない３次元構造体は、電磁波の照射方向によらずに電磁波干渉作用や共振作用を示すことで知られている。
【０００３】
また、誘電率の異なる３次元構造体を組み合わせた複合構造体は、空隙部分が存在しないため構造が堅固であることで知られている。
【０００４】
このような複合構造体が特許文献１に開示されている。図１に、特許文献１に示された複合構造体の構成を示す。
複合構造体５０は、高誘電率３次元構造体５１Ａと低誘電率３次元構造体５１Ｂとを交互に周期的に配置して構成される。高誘電率３次元構造体５１Ａと低誘電率３次元構造体５１Ｂとはそれぞれ屈曲率もしくは誘電率が大きく異なる誘電体物質からなる３次元構造体であり、それぞれは複数の極めて小さな立方体５２から構成されている。各立方体５２は一辺が数百ないし千数百ｎｍであり、対象とする特定周波数領域の電磁波の半波長に設定されている。
【０００５】
このような構成の複合構造体５０は、結晶構造に欠損の無い場合、特定周波数領域（特定波長）の電磁波をあらゆる方向に対して遮断する。また、結晶構造の一部に欠損がある場合、特定周波数領域の電磁波を特定方向にのみ低損失で伝搬させたり、低損失で屈曲させたりする。このように複合構造体５０は結晶構造に従って、特定周波数領域の電磁波に対して様々な電磁波伝搬特性を発現する。
【０００６】
このような複合構造体の製造には微細加工が必要であるため、従来、光造形法と鋳造法とを組み合わせて製造することが試みられている（特許文献２参照。）。特許文献２に示されている方法では、まず紫外線に対する透光性を有する低誘電率材料粉末を、光により硬化する光硬化性樹脂に混合（混練）する。次に、この光硬化性樹脂と低誘電率材料粉末との混合物を光造形装置によって硬化させることによって、所定の空隙を有する低誘電率３次元構造体を形成する。次に、この低誘電率３次元構造体を型として用いて、空隙部分に高誘電率材料粉末と樹脂とを混合した高誘電率３次元構造体を鋳造する。このようにして複合構造体を製造する。
【特許文献１】特開２００２−１６９０５２号公報
【特許文献２】特表２００１−５０２２５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように複合構造体は、高誘電率３次元構造体と、低誘電率３次元構造体とを組み合わせて構成される。このような複合構造体（フォトニック結晶）は、その結晶構造とともに誘電率のコントラストが重要であり、誘電率のコントラストを大きくすることで、結晶構造に起因して生じる電磁波伝搬特性を顕著化できる。
【０００８】
しかしながら、従来の複合構造体の製造方法では、高誘電率３次元構造体、低誘電率３次元構造体ともに樹脂を多く含んで構成されていたため、高誘電率３次元構造体の誘電率には上限があり、したがって高誘電率３次元構造体の誘電率を高めることができず、結晶構造に起因して生じる伝搬特性の顕著化にも限界があった。また、各誘電体のＱ値が低く、使用する際に大きな誘電損失が生じる問題もあった。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、各誘電体のＱ値が高く誘電率のコントラストが大きい複合構造体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）この発明の複合構造体は、紫外線に対して透光性のある第１材料の粉末と、光硬化性樹脂とを混合する工程と、前記光硬化性樹脂と前記第１材料の粉末との混合物から光造形法により前記混合物の構造体を得る工程と、前記混合物の構造体内で、前記第１材料を焼結させるとともに前記光硬化性樹脂を除去して、前記第１材料の焼結構造体を得る工程と、前記第１材料の焼結構造体を収容する型内に、第２材料の粉末を含むスラリーを注入する工程と、前記型内で、前記第１材料の焼結温度以下で前記第２材料を焼結させて、前記第２材料の焼結構造体と前記第１材料の焼結構造体とが３次元に周期的に配置された複合構造体を得る工程により製造する。
【００１１】
（２）この発明の複合構造体の前記第２材料は、酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウムのうちいずれかを含む。
【００１２】
（３）この発明の複合構造体の前記第１材料は、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、石英ガラス、酸化ハフニウムのうちいずれかを含む。
【００１３】
（４）この発明の複合構造体の前記第２材料の粉末を含むスラリーは、有機バインダーを含有しないスラリーである。
【発明の効果】
【００１４】
（１）紫外線に対して透光性のある第１材料の粉末を光硬化性樹脂に混練すると、その混合物は紫外線を透過する。したがって第１材料の粉末と光硬化性樹脂との混合物から光造形法により混合物の構造体を作成することが可能である。
【００１５】
その混合物の構造体に対して加熱処理を行うことで、光硬化性樹脂を燃焼、除去するとともに第１材料を焼結させる。したがって、光硬化性樹脂を含まない第１材料の焼結構造体を得ることができる。
【００１６】
さらに、この第１材料の焼結構造体を収容した型内に、第２材料の粉末を含むスラリーを注入し、そのスラリーと第１材料の焼結構造体とを収容した型内で、第２材料を焼結させる。これにより、上記型内の第１材料の焼結構造体以外の空間に第２材料による焼結構造体を設けることができる。
【００１７】
この第２材料の焼結工程では第１材料の焼結温度以下で第２材料を焼結させるが、このような温度では第１材料の焼結構造体に熱変形が殆んど生じない。したがって、この第１材料の焼結構造体を型として焼結される第２材料の焼結構造体の形状精度を高めることができる。
【００１８】
このようにして、第１材料の焼結構造体と第２材料の焼結構造体それぞれに樹脂を含まない複合構造体が構成できる。この複合構造体は樹脂を含まないフォトニック結晶であり、各焼結構造体の誘電率のコントラストが大きなものとなる。また、各焼結構造体を精度よく製造できるため、結晶構造に従った電磁波伝搬特性を顕著化できる。
【００１９】
（２）前記第２材料は、酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウムのうちいずれかを含む。これらの材料は、誘電率が極めて高く、また、焼結によっても誘電損失が大きくならないものである。したがってこのような材料を用いることで、誘電率が極めて高い第２材料の焼結構造体が得られ、電磁波伝搬特性を顕著化した複合構造体が得られる。なお、第２材料として酸化チタンを用いれば、使用の対象となるミリ波帯又はテラヘルツ帯の高周波帯域において、他の酸化チタン化合物の場合よりも誘電率がさらに高い第２材料の焼結構造体が得られ、結晶構造に従った伝搬特性をさらに顕著化した複合構造体が得られる。
【００２０】
（３）前記第１材料は、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、石英ガラス、酸化ハフニウムのうちいずれかを含む。これらの材料は、紫外線に対する透光性を有する。また、光硬化性樹脂の消失温度や第２材料（例えば酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウムなど）の焼結温度よりも高い焼結温度特性を有する。また、第２材料よりも低い誘電率を有する。また、第２材料に殆んど反応しない材料である。また、焼結により誘電損失が大きくならない材料である。したがって、電磁波伝搬特性をさらに顕著化した複合構造体が得られる。
【００２１】
（４）前記第２材料を含むスラリーは、有機バインダーを含有しないスラリーであることが望ましい。このスラリーを用いれば、第２材料を焼結する際に、有機バインダー、およびその炭素成分が残留することがない。また、有機バインダーには加熱による大きな収縮を引き起こす性質があるが、有機バインダーを用いないことで、収縮を小さなものにでき、高精度な結晶構造が得られる。したがって、電磁波伝搬特性をさらに顕著化した複合構造体が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
この発明の複合構造体の製造方法について図２を参照して説明する。
図２は、複合構造体を製造する各工程の一部での構造体の外観を図示したものである。
【００２３】
この複合構造体の製造の手順は次のとおりである。
平均粒径１０μｍで比重４．０の球状アルミナからなるアルミナ粉末（第１材料の粉末）６４ｇに対して比重１．１の光硬化性樹脂１３ｇを加え、撹拌脱泡装置に入れて１０分間撹拌脱泡して、アルミナ粉末の含有率約５７．５ｖｏｌ％のアルミナ混合光造形用樹脂を得る。なお、用いるアルミナ粉末の粒度によって、酸化チタンの焼結時の型としての精度が定まるので、得るべき複合構造体の精度に応じてアルミナ粉末の粒径を定めることが望ましい。例えば空隙部分の内径が１〜１０ｍｍ程度の複合構造体を製造する場合には数１０μｍ以下の粒径とすることが望ましい。
【００２４】
次に、平均粒径１．５μｍの酸化チタン粉末（第２材料の粉末）、水、および分散剤を、粉末１００ｇ、水１４ｇ、分散剤１ｇの割合で混ぜ、ボールミルにより２４時間粉砕、分散混合し、真空脱泡処理をしてエマルジョンスラリーを得る。この第２材料の粉末を含むスラリーは有機バインダーを含まないスラリーである。
【００２５】
次に、アルミナ混合光造形用樹脂を用い、光造形装置によって図２（ａ）に示すアルミナ混合光造形用樹脂構造体１を作成する。なお、このアルミナ混合光造形用樹脂構造体１の形状および寸法はＣＡＤにより設計されたものであり、例えば半径１ｍｍφで３ｍｍ高さの柱で構成されたテトラポット状の空隙を複数、３次元的、且つ周期的に配置したダイヤモンド型の結晶構造を有するものである。なお、この結晶構造はどのようなものでもよく、求める電磁波通過特性に応じて定める。
【００２６】
次に、このアルミナ混合光造形用樹脂構造体１を加圧脱脂炉に入れて脱脂処理する。まず、炉内に気圧０．５ＭＰａに加圧した窒素を充填する。そしてアルミナ混合光造形用樹脂構造体１を炉内で３８０℃まで加熱する。これにより、光硬化性樹脂の樹脂成分を酸化（燃焼・気化）して除去（消失）する。次に、この構造体を焼結炉に移し焼結処理する。焼結炉に流量１リットル／ｍｉｎで空気を供給しながら構造体を１７００℃まで加熱し、１７００℃になってから２時間、温度を維持する。これによりアルミナ粉末の焼結を行う。このようにしてアルミナ混合光造形用樹脂構造体１からアルミナ焼結構造体（第１材料の焼結構造体）２を得る。なお、アルミナは融点が２０００℃程度であって、その粉末は１７００℃程度で焼結する高温焼結材料である。この焼結温度は、アルミナ粉末の焼結条件を最も左右するが、焼結温度以外に焼結雰囲気や粒径、アルミナの含有率も関係がある。例えばアルミナの純度が高くなる程、焼結に要する温度が高くなる。逆にアルミナの純度が低くなる程、焼結に要する温度が低くなる。したがって、後述する酸化チタンの焼結を高温で行う場合には高純度アルミナを用いることが望ましい。一方、酸化チタンの焼結を低温で行う場合には低純度アルミナを用いることが望ましい。
【００２７】
次に、図２（ｂ）に示すように、アルミナ焼結構造体２をアルミナ製または樹脂製の外枠３の内部に入れ、外枠内で且つアルミナ焼結構造体２の空隙部分内に脱水成形機で前記エマルジョンスラリーを含浸させる。このエマルジョンスラリーを含浸させたアルミナ焼結構造体２を乾燥させて図２（ｃ）に示す酸化チタン注入体４を構成する。このエマルジョンスラリーには、分散剤以外の有機バインダーが含まれないため、酸化チタン注入体４に有機バインダーが含有されることが無く、酸化チタン注入体４の酸化チタン含有率が高まる。
【００２８】
次に、乾燥させた酸化チタン注入体４を外枠３から取り出し、電気炉に投入し、大気中雰囲気で３５０℃４時間の加熱の後、さらに７００℃で４時間加熱し、脱脂を行う。これにより、分散剤成分を酸化（燃焼・気化）して除去（消失）する。なお、この工程により樹脂の残留炭素もほとんど除去できる。続いて、１２５０℃で４時間本焼成を行う。これにより酸化チタンが焼結し、第２材料の焼結構造体が得られる。なお、アルミナは、１２５０℃程度では殆んど熱変形が生じない。また、酸化チタンとアルミナは１２５０℃程度では反応しない。
【００２９】
以上の工程により、図２の（ｄ）に示すようにアルミナ焼結構造体２と酸化チタン焼結構造体５を組み合わせた複合構造体を得る。このような方法により製造した複合構造体は誘電率のコントラストを所望のものにでき、結晶構造に起因する電磁波伝搬特性を所望の強さにすることができる。また空隙部分が無く雰囲気による影響を受けにくいものである。
【００３０】
なお、以上に示した実施形態では第２材料として酸化チタンを用いたが、その他にチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウムなどの酸化チタン化合物を用いて、本発明の複合構造体を製造、および構成することができる。
【００３１】
また、第１材料としてアルミナを用いたが、その他に酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、石英ガラス、酸化ハフニウムを用いて、本発明の複合構造体を製造、および構成することができる。
【００３２】
なお、発明者らは、以上のようにして製作したアルミナと酸化チタンによる複合構造体の、フォトニック結晶としての電磁波透過特性について実験を行った。以下に示す実験に用いたのは、上記製造方法により製造したアルミナと酸化チタンによる格子定数７ｍｍのダイヤモンド構造の複合構造体と、比較対象として従来手法で製造したアルミナのみによる格子定数７ｍｍのダイヤモンド構造の３次元構造体である。
【００３３】
図３（Ａ）にアルミナ−酸化チタン複合構造体の電磁波通過特性を、図３（Ｂ）にアルミナ３次元構造体の電磁波通過特性を示す。図の縦軸は減衰量を、横軸には周波数を表している。
【００３４】
本発明のアルミナ−酸化チタン複合構造体の場合、約０．６ＧＨｚの低周波から約７ＧＨｚの高周波まで１０ｄＢを超える遮断性能を、また、約１．２ＧＨｚの低周波から約６ＧＨｚの高周波まで３０ｄＢを超える遮断性能を示した。一方、従来のアルミナ３次元構造体の場合、約２．０ＧＨｚの低周波から約６．５ＧＨｚの高周波まで１０ｄＢを超える遮断性能を示したが、３０ｄＢを超える遮断性能を安定して得ることができなかった。
【００３５】
このように、本発明のアルミナ−酸化チタン複合構造体は、誘電率の極めて高い酸化チタンによる高誘電率３次元構造体と、比較的誘電率の低いアルミナの３次元構造体とによって、大きな誘電率のコントラストを実現するものである。この構成は、結晶構造に起因して生じる電磁波伝搬特性、ここでは、電磁波遮断性能を顕著化し、より広い周波数帯に対して、従来よりも強い電磁波通過特性を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】特許文献１に示されている複合構造体の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施形態に係る複合構造体を製造する工程の一部での構造体の外観を示す図である。
【図３】この発明の複合構造体と従来の３次元構造体それぞれの実験結果の電磁波遮断特性を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１−アルミナ混合光造形用樹脂構造体
２−アルミナ焼結構造体
３−外枠
４−酸化チタン注入体
５−酸化チタン焼結構造体
【図１】
2007313749.tif 000003
【図２】
2007313749.tif 000004
【図３】
2007313749.tif 000005