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    本發明的解決手段在於一種透明陶瓷，其係以莫耳比為40%以上的氧化鋱(化學式：Tb2O3)與由釔氧化物、鈧氧化物及鑭系稀土類氧化物中選出的至少1種氧化物為主成分之陶瓷，其中(1)前述氧化鋱系的陶瓷之結晶構造不含有立方晶以外的異相，(2)平均結晶粒徑係在0.5~100μm的範圍，(3)含有不使前述氧化鋱系的陶瓷之結晶構造中析出立方晶以外的異相之燒結助劑。效果為本發明的透明陶瓷係可提供具有與如既存的鋱鎵石榴石等之單結晶材料同等或其以上的性能之磁性光學元件。在光學損失、光學的均一性方面，也雙折射成分非常少，散射亦非常少，可提供500nm以上1.5μm以下的紅外線區域之光隔離器的機能元件
    公开号:TW201300588A
    申请号:TW101109112
    申请日:2012-03-16
    公开日:2013-01-01
    发明作者:Shinji Makikawa；Akira Yahagi；Akio Ikesue
    申请人:Shinetsu Chemical Co；
    IPC主号:G02F1-00
    专利说明:
    透明陶瓷及其製造方法以及磁性光學裝置
    本發明關於用於構成光隔離器等之磁性光學裝置，作為磁性光學裝置用有效之透明陶瓷及其製造方法。
    又，本發明關於法拉第旋轉器及光隔離器等之磁性光學裝置。
    近年來，隨著雷射加工機之進展，利用光與磁性的相互作用之磁性光學裝置係受到注目。其中1個具有隔離器，此係抑制當自雷射光源所振盪的光被途中的光學系反射而返回到光源時，擾亂自雷射光源所振盪的光，成為不安定的振盪狀態之現象。因此，利用該作用，光隔離器係配置於雷射光源與光學零件之間而利用。
    光隔離器具有法拉第旋轉器、配置於法拉第旋轉器之光入射側的偏光鏡、與配置於法拉第旋轉器之光出射側的檢偏鏡這3個零件。光隔離器係利用在與光的行進方向呈平行地對法拉第旋轉器施加磁場之狀態下，將光入射於法拉第旋轉器時，在法拉第旋轉器之中偏光面旋轉之性質，即所謂法拉第效果。即，於入射光之中，具有與偏光鏡相同的偏光面之光係通過偏光鏡，入射於法拉第旋轉器。此光係在法拉第旋轉器之中，相對於光的行進方向而言，被旋轉+45度而出射。
    相對於其，自與入射方向相反的方向，入射於法拉第旋轉器而返回的光，在最初通過檢偏鏡時，僅具有與檢偏鏡相同的偏光面之成分的光穿透檢偏鏡，入射於法拉第旋轉器。其次，在法拉第旋轉器之中，返回的光之偏光面，由於自最初的+45度進一步旋轉+45度，故成為與偏光鏡的+90度直角之偏光面，返回的光係無法穿透偏光鏡。
    法拉第旋轉角θ係由下述式(A)表示。
    θ=V×H×L (A)
    式(A)中，V係伐得常數(Verdet constant)，由法拉第旋轉器的材料所決定之常數，H為磁束密度，L為法拉第旋轉器的長度。作為光隔離器時，以成為θ=45度之方式，決定L。
    作為如上述之光隔離器的法拉第旋轉器使用之材料，重要的是法拉第效果大，而且於其使用之波長中，穿透率高。
    再者，若在出射光內發生與入射光不同的偏光成分，則由於此不同的偏光成分穿透偏光鏡，而返回的光之遮斷變不充分。
    作為此不同的偏光成分之發生狀態的評價，對於作為法拉第旋轉器使用的材料，入射0度~90度的偏光，使出射光通過偏光鏡而入射於受光器，以受光器測定光的強度，自最大值(Imax)與最小值(Imin)，藉由下式來計算消光比(S)而評價。
    S=-10 log(Imin/Imax) [單位dB]
    消光比大者係重要，一般要求30dB以上。
    近年來，作為該材料，於日本特開2010-285299號公報(專利文獻1)中，揭示作為伐得(Verdet)常數大的素材，(TbxRe1-x)2O3：0.4≦x≦1.0之氧化物單結晶及透明氧化物陶瓷。
    又，日本發明專利第4033451號公報(專利文獻2)中，記載通式R2O3(R為稀土類元素)所示之稀土類氧化物，係其結晶構造為立方晶，沒有雙折射。因此，藉由完全去除氣孔或雜質的偏析，可得到透明性優異之燒結體。
    另外，如日本特開平5-330913號公報(專利文獻3)所示，為了去除氣孔，燒結助劑之添加係有效。再者，如在日本發明專利第2638669號公報(專利文獻4)中，亦揭示在進行熱均壓成形步驟後，進行再燒結，而去除氣孔之方法。作為燒結助劑，添加一種或複數之日本特開平5-330913號公報(專利文獻5)等所揭示的燒結助劑，於混合、成形、預燒結後，在真空下燒結，更HIP處理而製造。
    然而，於日本特開2010-285299號公報(專利文獻6)中，(TbxRe1-x)2O3：0.4≦x≦1.0之透明氧化物陶瓷，基本上結晶構造為立方晶，但藉由加入燒結助劑，燒結助劑與主成分反應，與立方晶不同的相係在結晶粒內或粒界中析出，而會稍微顯示雙折射。因此，消光比會降低。
    又，由於其析出物為1μm以下之微小的大小，若照雷射光，則雷射光在該處散射，由於散射而插入損失會降低。
    又，將陶瓷燒結時，主成分的(TbxRe1-x)2O3之組成或燒結助劑之濃度係在陶瓷的內部與外周部發生偏析，於陶瓷面內發生消光比或插入損失之偏差。 [先前技術文獻] [專利文獻]
    [專利文獻1]日本特開2010-285299號公報
    [專利文獻2]日本發明專利第4033451號公報
    [專利文獻3]日本特開平5-330913號公報
    [專利文獻4]日本發明專利第2638669號公報
    [專利文獻5]日本特開平5-330913號公報
    [專利文獻6]日本特開2010-285299號公報
    本發明之目的在於提供在波長1.06μm範圍(0.9~1.1μm)的伐得常數大之含有氧化鋱的稀土類氧化物之有效於磁性光學材料的透明陶瓷，於面內均勻且透明性高，散射少，因此可減小插入損失，且可增大消光比，而可提高磁性光學材料之特性的透明陶瓷及其製造方法。本發明之進一步之目的係在於提供適用於加工機用纖維雷射的高品質之磁性光學裝置。
    以鋱氧化物與稀土類(鈧、釔、鑭、銪、釓、鐿、鈥及鎦)氧化物為主成分的陶瓷，係容易發生散射，插入損失變大，相反地消光比變小，故應用於對光學特性有嚴格要求的光隔離器等之光學材料係極困難。
    相對於此，於本發明中，藉由(1)使用燒結性優異的具有特定粒度分布之起始原料，(2)使用燒結性優異且可將陶瓷的結晶構造維持在立方晶之燒結助劑，(3)在最合適溫度下真空燒結或在不含有氧的非氧化性環境下燒結，進行HIP(Hot Isostatic Press：熱均壓加工)，(4)將前述(3)所得之燒結體加壓燒成，而可減低成為散射之原因的異相析出物或氣孔，可提供組成變動少的光學均勻之以稀土類氧化物為主成分的光學陶瓷。
    即，本發明提供下述的透明陶瓷及其製造方法以及使用該透明陶瓷的磁性光學元件。
    [1]一種透明陶瓷，其係以莫耳比為40%以上的氧化鋱(化學式：Tb2O3)與由釔氧化物、鈧氧化物及鑭系稀土類氧化物中選出的至少1種氧化物為主成分之陶瓷，其特徵為：(1)前述氧化鋱系的陶瓷之結晶構造不含有立方晶以外的異相，(2)平均結晶粒徑係在0.5~100μm的範圍，(3)含有不使前述氧化鋱系的陶瓷之結晶構造中析出立方晶以外的異相之燒結助劑。
    [2]如[1]記載之透明陶瓷，其中燒結助劑係由鈦、鋯、鉿、鈣中選出的元素之氧化物、氟化物或氮化物。
    [3]如[1]或[2]記載之透明陶瓷，其中在厚度10mm的試料之厚度方向中，(1)波長1,000nm的直線穿透率為70%以上，(2)波長600nm的直線穿透率為55%以上。
    [4]如[1]~[3]中任一項記載之透明陶瓷，其中在波長1,065nm中，測定面的90%以上之面內的包含端面的反射損失之插入損失為1.2dB以下。
    [5]如[1]~[4]中任一項記載之透明陶瓷，其中在波長1,065nm中，測定面的90%以上之面內的消光比為30dB以上。
    [6]如[1]~[5]中任一項記載之透明陶瓷，其中厚度10mm的測定面之90%以上的區域中之透過波面測定時的折射率分布係在波長633nm中為5×10-5以內。
    [7]一種透明陶瓷之製造方法，其係製造透明陶瓷之方法，其特徵為包含：(1)藉由將含有(a)氧化鋱、(b)由釔氧化物、鈧氧化物及鑭系稀土類氧化物中選出的至少1種氧化物、(c)不使氧化鋱系的陶瓷之結晶構造中析出立方晶以外的異相之燒結助劑，而且平均初級粒徑為30~2,000nm的各原料粉末粉碎．混合處理後，進行成形，而得到成形體之第1步驟，(2)藉由將前述成形體在200~1,000℃且非氧化性或氧化性環境下預燒結而得到預燒結體之第2步驟，(3)藉由將前述預燒結體在1,400~1,700℃且非氧化性環境下燒成而得到燒成體之第3步驟，(4)藉由將前述燒成體在1,400~1,800℃且19~196MPa的壓力下加壓燒成而得到加壓燒成體之第4步驟。
    [8]一種透明陶瓷之製造方法，其係製造透明陶瓷之方法，其特徵為包含：(1)藉由將含有(a)氧化鋱、(b)由釔氧化物、鈧氧化物及鑭系稀土類氧化物中選出的至少1種氧化物、(c)不使氧化鋱系的陶瓷之結晶構造中析出立方晶以外的異相之燒結助劑，而且平均初級粒徑為30~2,000nm的各原料粉末粉碎．混合處理後，在200~1,000℃且非氧化性或氧化性環境下經預燒結的粉末予以成形，而得到成形體之第1步驟，(2)藉由將前述成形體在1,400~1,700℃且非氧化性環境下燒成而得到燒成體之第2步驟，(3)藉由將前述燒成體在1,400~1,800℃且19~196MPa的壓力下加壓燒成而得到加壓燒成體之第3步驟。
    [9]一種透明陶瓷之製造方法，其係製造透明陶瓷之方法，其特徵為包含：(1)藉由將含有(d)鋱離子、(e)由釔離子、鈧離子及鑭系稀土類離子中選出的至少1種稀土類離子之水溶液經由共沈澱、過濾、預燒結，以預先製作平均初級粒徑為30~2,000nm的混合粉末之第1步驟，其中上述混合粉末含有莫耳比為40%以上的氧化鋱以及含有由釔氧化物、鈧氧化物及鑭系稀土類氧化物中選出的氧化物，(2)藉由將上述混合粉末與作為燒結助劑的由鈦、鋯、鉿、鈣中選出的元素之氧化物、氟化物或氮化物粉碎．混合處理後，進行成形，而得到成形體之第2步驟，(3)藉由將前述成形體在1,400~1,700℃且非氧化性環境下燒成而得到燒成體之第3步驟，(4)藉由將前述燒成體在1,400~1,800℃且19~196MPa的壓力下加壓燒成而得到加壓燒成體之第4步驟。
    [10]如申請專利範圍第[7]、[8]或[9]記載之製造方法，其中在得到加壓燒成體後，將此在不含有氧的環境下於1,500~2,000℃予以退火。
    [11]一種磁性光學裝置，其係使用如[1]~[6]中任一項之透明陶瓷所構成。
    [12]一種磁性光學裝置，其使用如[1]~[6]中任一項之透明陶瓷當作法拉第旋轉元件。
    [13]如[12]記載之磁性光學裝置，其係在法拉第旋轉元件的前後具備偏光材料，在波長1,065nm的波長區域使用之光隔離器用的磁性光學裝置。
    本發明的透明陶瓷係以日本特開2010-285299號公報中報告的同組成陶瓷所得不到，以在可見~紅外線區域得到優異的光學特性之方式，可提供具有與如既存的鋱鎵石榴石等之單結晶材料同等或其以上之性能的磁性光學元件。
    又，於光學損失、光學的均一性中，由於亦比以往的陶瓷材料還優異，雙折射成分非常少，散射亦非常少，可提供約500nm以上1.5μm以下的紅外線區域之光隔離器的機能元件。[實施發明的形態] 透明陶瓷
    本發明的透明陶瓷係以莫耳比為40%以上的氧化鋱(化學式：Tb2O3)與波長1.065μm中吸收為1%以下的由釔氧化物、鈧氧化物及鑭系稀土類氧化物中選出的至少1種氧化物為主成分之陶瓷，其特徵為：(1)前述氧化鋱系的陶瓷之結晶構造不含有立方晶以外的異相，(2)平均結晶粒徑在0.5~100μm的範圍，(3)含有不使前述氧化鋱系的陶瓷之結晶構造中析出立方晶以外的異相之燒結助劑。
    此時，(a)氧化鋱與(b)氧化物，當其總和以莫耳比計為1(100莫耳%)時，(a)氧化鋱為40莫耳%以上，較佳為40~60莫耳%，剩餘部分為(b)成分的氧化物。實質上，本發明的陶瓷係由上述(a)、(b)成分與燒結助劑所構成。
    於氧化鋱單體中，據稱在1,400~1,600℃附近，自立方晶進行相轉移至單斜晶。因此，當將含有氧化鋱的稀土類氧化物之陶瓷燒結時，由於在1,400~1,600℃進行，故怎麼作也會在燒結時或冷卻時，發生自單斜晶進行相轉移至立方晶。因此，若不進行此相轉移，則單斜晶會一部分殘留，該部分係作為異相變成析出物，成為散射之原因。又，單斜晶由於具有異向性，而顯示雙折射。因此，可添加能使單斜晶圓滑地相轉移至立方晶之燒結助劑。作為該燒結助劑，可使用鈦、鋯、鉿等的4A族元素、鈣以及鈧、釔、在波長1.06μm附近未確認到吸收的鑭系元素等。
    首先，此等係在波長1.06μm附近沒有吸收。又，4A元素由於在將氧化釔燒結時作為安定化材料使用，故作為本發明之含有氧化鋱的稀土類氧化物之安定化材料亦有效。鈣由於離子性強，而反應活性度高，容易固溶於稀土類氧化物中。此等以外的元素例如有以下的問題：由於在波長1.06μm附近確認到吸收，或難以與稀土類氧化物固溶，作為燒結助劑不反應，而單獨析出，或活性度過高，結晶粒的大小無法在最合適範圍，或於長期間中，徐徐地與水分反應，該陶瓷顯示吸濕性而透明消失等。
    作為燒結助劑，於此等之中，較佳為由鈦、鋯、鉿、鈣中選出的元素。再者，將此等元素當作燒結助劑加入時，最佳為氧化物，但亦可為氟化物、氮化物、碳化物。
    再者，將此等元素當作燒結助劑加入之量，宜為透明陶瓷全體的0.001~1質量%，較佳為0.01~1質量%。未達此範圍時，作為燒結助劑，得不到安定的效果，相反地大於此範圍時，無法固溶，會單獨析出，成為散射之原因。
    本發明的陶瓷係多結晶。其平均結晶粒徑通常在0.5~100μm之範圍，較佳為1~50μm之範圍。平均結晶粒徑超過100μm時，在粒界部雜質容易析出，在粒子內部或粒界部氣泡容易殘留，不僅成為光散射之原因，而且有熱機械特性差之缺點。再者，於本發明中，平均結晶粒徑係藉由掃描電子顯微鏡或光學顯微鏡的觀察，在任意的視野中之100個結晶粒子的長徑之平均值。
    本發明的陶瓷係在厚度10mm的試料之厚度方向中，宜為(1)在波長1,000nm的光透過之基線中的直線穿透率為70%以上(較佳為72%以上)，(2)在波長600nm的光透過之基線中的直線穿透率為55%以上，較佳為60%以上(更佳為65%以上)。
    於前述(1)的直線穿透率未達70%時，或前述(2)的直線穿透率未達55%時，在結晶粒或粒界的光散射係非常大，或在結晶粒的光吸收係非常大，難以使用在本發明的用途等。再者，於本發明中，所謂的「基線」，就是在波長-穿透率的透過光譜中，展現燒結助劑或氧化鋱等的稀土類氧化物之吸收時，作為沒有該吸收者，顯示外插的透過光譜。於本發明中，上述的直線穿透率係使用分光分析裝置「Spectrometer，商品名U3500」(日立製作所(股)製)，使用表面粗糙度Rms經研磨至1nm以下的直徑6mmΦ且厚度10mm之試料，以1~3mmΦ之大小測定光束直徑。
    本發明的陶瓷係在厚度10mm的試料之厚度方向中，較佳為(1)於波長1,065nm中，在測定面的90%以上之面內中，插入損失為1.2dB以下，尤其1dB以下，(2)於波長1,065nm中，在測定面的90%以上之面內中，消光比為30dB以上。
    當前述(1)的插入損失超過1.2dB時，在結晶粒或粒界的光散射係非常大，或在結晶粒的光吸收係非常大，使用於本發明的用途等時會有困難。前述(2)的消光比未達30dB時，在結晶粒或粒界的雙折射係非常大，使用於本發明的用途等時會有困難。
    於本發明中，上述的插入損失係將該陶瓷載置於V塊，將波長1.065μm之數mW的相干光對陶瓷垂直地入射，以半導體受光器測定光強度。此時，以未插入該陶瓷時的光強度為基準，將相對於其的光強度之降低以dB單位表現者。再者，使用已將表面粗糙度Rms研磨至1nm以下，將表面的平面度研磨至λ/4以下，將兩端面的平行度研磨至0.5°以下之直徑6mm且厚度10mm之試料。又，測定值包含兩端面的表面反射。
    又，載置有陶瓷的V塊，係可在對於入射光而言垂直的方向中移動，藉此，可測定陶瓷的面內分布。因此，測定面的90%以上之面內分布，係一邊將V字塊移動至直徑的95%為止，一邊在各測定點中測定之結果。
    於本發明中，上述的消光比係將該陶瓷載置於V塊，對於材料，入射波長1.065μm之數mW的0度及90度之偏光相干光，使出射光通過偏光鏡，以半導體受光器測定光的強度，自最大值(Imax)與最小值(Imin)，以dB單位表現者。再者，使用已將表面粗糙度Rms研磨至1nm以下，將表面的平面度研磨至λ/4以下，將兩端面的平行度研磨至0.5°以下之直徑6mm且厚度10mm之試料。又，載置有陶瓷的V塊，係可在對於入射光而言垂直的方向中移動，藉此，可測定陶瓷的面內分布。因此，測定面的90%以上之面內分布，係一邊將V字塊移動至直徑的95%為止，一邊在各測定點中測定之結果。
    又，厚度10mm中的測定面之90%以上的區域之透過波面測定時的折射率分布，係於波長633nm為5×10-5以內，更佳為1×10-6~2×10-5。再者，折射率分布係可使用富士照相軟片製光干涉計G102，測定在波長633nm的樣品透過波面而求得。 透明陶瓷之製造方法
    本發明的透明陶瓷較佳為藉由下述第一~第三中任一種方法者。 <第一方法>固相反應
    於製造透明陶瓷之方法中，含有以下步驟之方法：(1)藉由將含有(a)氧化鋱、(b)由釔氧化物、鈧氧化物及鑭系稀土類氧化物中選出的至少1種氧化物、(c)不使氧化鋱系的陶瓷之結晶構造中析出立方晶以外的異相之燒結助劑，而且平均初級粒徑為30~2,000nm的各原料粉末粉碎．混合處理後，進行成形，而得到成形體之第1步驟，(2)藉由將前述成形體在200~1,000℃且非氧化性或氧化性環境下預燒結而得到預燒結體之第2步驟，(3)藉由將前述預燒結體在1,400~1,700℃且非氧化性環境下燒成而得到燒成體之第3步驟，(4)藉由將前述燒成體在1,400~1,800℃且19~196MPa的壓力下加壓燒成而得到加壓燒成體之第4步驟。 <第二方法>固相反應
    於製造透明陶瓷之方法中，含有以下步驟之方法：(1)藉由將含有(a)氧化鋱、(b)由釔氧化物、鈧氧化物及鑭系稀土類氧化物中選出的至少1種氧化物、(c)不使氧化鋱系的陶瓷之結晶構造中析出立方晶以外的異相之燒結助劑，而且平均初級粒徑為30~2,000nm的各原料粉末粉碎．混合處理後，在200~1,000℃且非氧化性或氧化性環境下經預燒結的粉末予以成形，而得到成形體之第1步驟，(2)藉由將前述成形體在1,400~1,700℃且非氧化性環境下燒成而得到燒成體之第2步驟，(3)藉由將前述燒成體在1,400~1,800℃且19~196MPa的壓力下加壓燒成而得到加壓燒成體之第3步驟。 <第三方法>
    於製造透明陶瓷之方法中，含有以下步驟之方法：(1)藉由將含有(d)鋱離子、(e)由釔離子、鈧離子及鑭系稀土類離子中選出的至少1種稀土類離子之水溶液經由共沈澱、過濾、預燒結，以預先製作平均初級粒徑為30~2,000nm的混合粉末之第1步驟，其中上述混合粉末含有莫耳比為40%以上的氧化鋱以及含有由釔氧化物、鈧氧化物及鑭系稀土類氧化物中選出的氧化物，(2)藉由將上述混合粉末與作為燒結助劑的由鈦、鋯、鉿、鈣中選出的元素之氧化物、氟化物或氮化物粉碎．混合處理後，進行成形，而得到成形體之第2步驟，(3)藉由將前述成形體在1,400~1,700℃且非氧化性環境下燒成而得到燒成體之第3步驟，(4)藉由將前述燒成體在1,400~1,800℃且19~196MPa的壓力下加壓燒成而得到加壓燒成體之第4步驟。
    於上述第一及第二方法之第1步驟中，使用(a)氧化鋱、(b)在波長1.065μm中幾乎不吸收(1%以下)之由釔氧化物、鈧氧化物及鑭系稀土類氧化物中選出的至少1種氧化物、(c)前述不使氧化鋱系的陶瓷之結晶構造中析出立方晶以外的異相之燒結助劑，此情況下使用平均初級粒徑為30~2,000nm、較佳100~2,000nm之原料粉末，將此等粉碎．混合處理。
    上述(a)的氧化鋱與(b)的氧化物之莫耳比，係(a)的氧化鋱為40莫耳%以上，較佳為40~60莫耳%，(b)的氧化物為剩餘部分。
    氧化鋱係可藉由眾所周知的製造方法所調製者或使用市售品，一般地不是化學式Tb2O3，而多為Tb4O7。因此，變成使用Tb4O7當作原料，可在1,000℃以上之含氫的高溫氣體環境下還原處理，或在1,000℃以上的高溫大氣環境下保存後，急速冷卻，成為Tb2O3後而用於原料。氧化鋱的純度宜為99質量%以上，但為了作為光學用途使用，較佳為99.9質量%以上。
    作為原料使用的在波長1.065μm中幾乎沒有吸收的釔氧化物、鈧氧化物或鑭系稀土類氧化物之純度，亦宜為99質量%以上，為了作為光學用途使用，較佳為99.9質量%以上。
    作為不使前述氧化鋱系的陶瓷之結晶構造的立方晶以外之異相析出的燒結助劑，可舉出鈦、鋯、鉿等的4A族元素、鈣，以及鈧、釔、在波長1.06μm附近未確認到吸收的鑭系元素，特佳為鈦、鋯、鉿、鈣。於使用此等的高純度者中，較佳為氧化物之形態，而且純度宜為99質量%以上，為了作為光學用途使用，較佳為99.9質量%以上。再者，將此等元素作為燒結助劑加入之量宜為0.001~1質量%，較佳為0.01~1質量%。
    第1步驟所使用的原料粉末之初級粒徑宜為30~2,000nm，較佳為100~2,000nm，特佳為200~1,000nm。於上述初級粒徑未達30nm時，處理係困難，例如有成形困難，壓粉體的密度低，燒結時的收縮率大，容易引入裂紋之問題。又，於上述初級粒徑超過2,000nm時，原料缺乏燒結性，難以得到高密度且透明的燒結體。再者，此初級粒徑之測定係可藉由與前述平均結晶粒徑之測定同樣的方法來進行。
    混合此等的各成分時，可藉由使用球形磨等的一般的混合.粉碎介質來實施。粉碎介質宜為部分安定化的氧化鋯球。此係因為氧化鋯亦可作為燒結助劑使用，故不需要介意來自氧化鋯球的氧化鋯之混入。
    於此球形磨中，除了原料粉末及燒結助劑，按照需要可添加分散劑、黏結劑等之至少一者，更且可使用純水或乙醇等之有機溶劑作為溶劑，進行數~十數小時的混合。再者，作為分散劑、黏結劑，可使用此種陶瓷之製造時所用的任何者，例如可使用常用量的聚丙烯酸銨、聚羧酸銨等的分散劑、甲基纖維素、乙基纖維素、聚乙烯醇等之黏結劑。
    所得之漿體係藉由噴霧乾燥裝置進行溶劑去除與造粒，成形為數十μm之顆粒後，將所製作的顆粒，在指定的模具中，藉由進行一次成形、CIP(Cold Isostatic Press：冷均壓加工)法所致的二次成形，可合適地製作成形體。
    此處，於第一方法中，在上述粉碎．混合處理後，藉由成形而得到成形體，將此成形體在200~1,000℃且非氧化性或氧化性環境中預燒結後，在1,400~1,700℃且非氧化性環境下燒成而得到燒成體。另一方面，於第二方法中，在上述粉碎．混合處理後，於200~1,000℃且非氧化性或氧化性環境下預燒結，藉由將此預燒結粉末予以成形而得到成形體，將此成形體在1,400~1,700℃且非氧化性環境下燒成而得到燒成體。
    此時，若依照第一方法，則具有可藉由預燒結而氧化去除成形時所使用的黏結劑之優點，若依照第二方法，則具有可在非氧化性環境下燒成，而抑制氧化鋱的價數變化之優點。
    於上述第一方法中，作為得到成形體之方法，可採用使用模具進行加壓成形，然後進行CIP(冷均壓加壓)法而成形之方法。
    於第一及第二方法中，上述預燒結係在200~1,000℃進行，尤佳在400~1,000℃，更佳在600~1,000℃。預燒結環境係可為氧化性環境或非氧化性環境，氧化性環境可為大氣中，非氧化性環境可為真空(例如102Pa~10-5Pa)、還原環境、惰性氣體環境。預燒結時間亦取決於預燒結溫度，但一般可為60~180分鐘左右。
    所得之預燒結粉末的成形，係可藉由與上述第一方法所說明的同樣方法來進行。又，於將成形體燒成時，藉由將前述成形體以1,400~1,800℃、較佳1,400~1,600℃進行燒成而得到燒成體。燒成環境只要是將氧化鋱的Tb4O7改變成Tb2O3之環境，則沒有特別的限定，例如可為真空中、還原環境中、惰性氣體環境中等之任一者。再者，於真空中實施時，可為102Pa~10-5Pa之條件下。燒成時間亦取決於燒成溫度，但一般可為30~480分鐘左右。於此步驟中，燒成體的相對密度宜成為90%以上，更佳成為95%以上。
    其次，於上述第一及第二方法中，藉由將所得之燒成體在1,400~1,800℃且非氧化性環境下中加壓燒成而得到加壓燒成體。加壓燒成的方法係沒有特別的限定，例如可為HP(Hot Press)法、HIP(Hot Isostatic Press)法等中的任一者。特別地，於本發明中，可合適地使用壓力均勻施加且不易引入應變之HIP法。例如，使用氬氣作為壓力介質，壓力在19~196MPa之範圍內，以1~10小時，尤其1~5小時，在1,400~1,800℃加壓燒成，可得到透明的陶瓷。
    第三方法係以藉由氨使碳酸氫鹽的水溶液沈澱之方法來使鋱離子與由釔離子、鈧離子及鑭系稀土類離子中選出的稀土類離子共沈澱，將此過濾後，以與上述第二方法說明的同樣方法來預燒結所得之共沈澱物，而得到含有氧化鋱與由釔氧化物、鈧氧化物及鑭系稀土類氧化物中選出的氧化物之預燒結混合粉末。此時，混合粉末由於必須含有莫耳比計40%以上的氧化鋱，故以得到該莫耳比之方式，調整及使含有上述水溶液中的鋱離子。又，上述混合粉末的平均初級粒徑較佳為30~2,000nm，更佳為30~1,000nm，特佳為30~800nm。
    其次，將所得之混合粉末與作為燒結助劑的由鈦、鋯、鉿、鈣中選出的之元素的氧化物、氟化物或氮化物予以粉碎．混合處理後，在1,400~1,700℃，更佳在1,400~1,600℃，於非氧化性環境下與第一及第二方法同樣地燒成，而得到燒成體，更且與第一及第二方法同樣地得到加壓燒成體。
    於本發明中，視需要宜更實施下述的步驟。即，將前述所得之加壓燒成體在不含氧的環境下，以1,500~2,000℃進行退火。以下稱為退火步驟。
    於經過得到加壓燒成體的步驟之階段，在含有氧化鋱的陶瓷中，有一個可能性為鋱的價數不全部變成3價，而且發生伴隨其的結晶缺陷，茲認為彼等係成為發生光吸收的原因。另一個據稱是在氧化鋱單體中，於1,400~1,600℃附近，自立方晶進行相轉移至單斜晶。因此，於燒結時或冷卻時，發生自單斜晶進行相轉移至立方晶，但若不進行此相轉移，而單斜晶一部分殘留，則該部分係作為異相變成析出物，成為散射之原因。
    因此，為了解決此等問題，藉由將加壓燒成體在不含有氧的環境下，於1,500~2,000℃進行退火，而鋱的價數全部成為3價，在退火步驟中，自單斜晶完全相轉移至立方晶。作為退火步驟之條件，退火環境只要是不含有氧的環境下，則可為任何者，例如可為真空中、還原環境中、惰性氣體環境中等之任一者。再者，於真空中實施時，可為102Pa~10-5Pa之條件下。退火溫度宜為1,500~2,000℃，較佳為1,500~1,800℃。又，退火時間亦取決於退火溫度，但一般可為2~100小時，較佳為10~80小時。退火後的冷卻時間，只要是不出現裂紋的時間即可，一般宜為2~100小時，較佳為2~50小時。
    如此所得之透明陶瓷係在陶瓷外周部上，於預燒結步驟、燒成步驟、加壓燒成步驟、退火步驟中，附著來自經加熱的加熱器之加熱器材料的碳、鎢、或絕熱材料的鋁、矽、鈣等，作為雜質進行作用，使透明陶瓷失去透明，故必須藉由化學蝕刻、機械研削或研磨來去除厚度方向的兩端面。
    化學蝕刻若為酸性水溶液，則可為鹽酸、硝酸、硫酸、磷酸等無機酸，或蘋果酸、檸檬酸等的有機酸。例如，當為鹽酸時，加熱60℃以上，可蝕刻去除數百μm的外周面。
    於機械研削時，若為外周面，可為無心研削裝置或圓筒研削裝置，若為兩端面，可使用平面研削裝置，磨削數百μm~數mm。
    若為研磨，在使用鑽石漿體、SiC漿體等進行粗研磨後，進行膠態矽石等的精密研磨，可研磨數百μm~數mm。
    藉由此等化學蝕刻、機械研削或研磨，可形成光學特性優異之光學元件。 磁性光學材料
    本發明的氧化物、氧化物單結晶及陶瓷係適合磁性光學材料用途。特別地，本發明的氧化物、氧化物單結晶及陶瓷係適合作為波長0.9~1.1μm、尤其波長1,065nm的光隔離器之法拉第旋轉器。
    圖3係顯示具有法拉第旋轉器作為光學元件的光裝置之光隔離器的一例之截面模型圖。
    於圖3中，光隔離器300具備法拉第旋轉器310，於該法拉第旋轉器310之前後，具備偏光材料的偏光鏡320及檢偏鏡330。又，光隔離器300係在光軸312上依順序配置偏光鏡320-法拉第旋轉器310-檢偏鏡330，在彼等的側面中之至少一面上載置磁石340，磁石340較佳為收納在殼體350之內部。
    又，前述隔離器係可適用於加工機用纖維雷射。即，適合於防止自雷射元件所發出的雷射光之反射光返回至元件，而振盪變成不安定者。 〔實施例〕
    以下，顯示實施例及比較例來進一步說明本發明，惟本發明不受以下的實施例所限定。 [實施例1~63及比較例1~15]
    按照圖1所示的方法，於表1~7(實施例)及表8~9(比較例)所示的原料及條件下，分別製造含有氧化鋱的稀土類氧化物透明陶瓷。再者，實施例1~9係不實施退火。
    對各原料粉末，添加指定量的燒結助劑，更且在添加有效量之作為分散劑及黏結劑的乙基纖維素與聚乙烯醇後，藉由球形磨來混合此等而得到混合物。其次，藉由將上述混合物噴霧乾燥，而得到粒徑數十μm的顆粒。使用前述顆粒，作為一次成形，進行模具成形後，作為二次成形，進行CIP而得到成形體。將所得之成形體在大氣中以200~1,000℃預燒結後，於指定的環境中以1,600~1,800℃來燒成(正式燒成)。再者，更對所得的燒成體進行HIP處理，按照需要的退火處理，藉此得到本發明的陶瓷(大小：直徑6mmΦ、長度10mm)。各表中分別顯示所得之陶瓷的物性。
    表1~表9中所示之“燒結後的結晶構造”，係藉由EBSD或TEM-XRD來分析經光學顯微鏡所觀察之析出物，表示僅為立方晶或是否可檢測出其以外的相。
    於表1~9所示的穿透率測定中，以樣品厚度為10mm，將兩面予以光學研磨，進行測定。對於插入損失，同樣地以樣品厚度為10mm，將兩面予以光學研磨，進行測定。此時，由於沒有進行無反射塗覆，而含有反射損失。對於消光比，同樣地以樣品厚度為10mm，將兩面予以光學研磨，藉由有無偏光狀態來進行測定。
    加壓燒結及退火後的樣品尺寸為直徑6mmΦ、長度12mm，對於外周加工、端面加工，將外周加工2mm，而且將兩端面各加工1mm，以完工尺寸成為直徑4mmΦ、長度10mm之方式，藉由研削、研磨、蝕刻等來加工。
    依照本發明，藉由製作規定的平均粒徑、特定波長之穿透率、插入損失、消光比之含有氧化鋱的氧化物，可提供能使用於加工機用纖維雷射的光隔離器之高品質化。
    再者，圖2係對於含有使用波長的633nm與1,065nm之測定波長與穿透率之關係，顯示「透明陶瓷的穿透率測定輪廓」者。各自的曲線係在實施例1及實施例11的穿透率與波長之關係中繪製者，皆在含有使用波長的633nm與1,065nm之測定波長500~1,500nm之間，顯示50%以上之穿透率，可確認在本發明指定的波長600nm及1,000nm中，穿透率係各自達到55%以上及70%以上。




    300‧‧‧光隔離器
    310‧‧‧法拉第旋轉器
    312‧‧‧光軸
    320‧‧‧偏光鏡
    330‧‧‧檢偏鏡
    340‧‧‧磁石
    350‧‧‧殼體
    圖1係顯示多結晶透明稀土類氧化物陶瓷之製造方法的一例之流程圖。
    圖2係透明陶瓷的穿透率測定輪廓。
    圖3係隔離器的概念圖。
    权利要求:
    Claims (13)
    [1] 一種透明陶瓷，其係以莫耳比為40%以上的氧化鋱(化學式：Tb2O3)與由釔氧化物、鈧氧化物及鑭系稀土類氧化物中選出的至少1種氧化物為主成分之陶瓷，其特徵為：(1)前述氧化鋱系的陶瓷之結晶構造不含有立方晶以外的異相，(2)平均結晶粒徑係在0.5~100μm的範圍，(3)含有不使前述氧化鋱系的陶瓷之結晶構造中析出立方晶以外的異相之燒結助劑。
    [2] 如申請專利範圍第1項之透明陶瓷，其中燒結助劑係由鈦、鋯、鉿、鈣中選出的元素之氧化物、氟化物或氮化物。
    [3] 如申請專利範圍第1或2項之透明陶瓷，其中在厚度10mm的試料之厚度方向中，(1)波長1,000nm的直線穿透率為70%以上，(2)波長600nm的直線穿透率為55%以上。
    [4] 如申請專利範圍第1或2項之透明陶瓷，其中在波長1,065nm中，測定面的90%以上之面內的包含端面的反射損失之插入損失為1.2dB以下。
    [5] 如申請專利範圍第1或2項之透明陶瓷，其中在波長1,065nm中，測定面的90%以上之面內的消光比為30dB以上。
    [6] 如申請專利範圍第1或2項之透明陶瓷，其中厚度10mm的測定面之90%以上的區域中之透過波面測定時的折射率分布係在波長633nm中為5×10-5以內。
    [7] 一種透明陶瓷之製造方法，其係製造透明陶瓷之方法，其特徵為包含：(1)藉由將含有(a)氧化鋱、(b)由釔氧化物、鈧氧化物及鑭系稀土類氧化物中選出的至少1種氧化物、(c)不使氧化鋱系的陶瓷之結晶構造中析出立方晶以外的異相之燒結助劑，而且平均初級粒徑為30~2,000nm的各原料粉末粉碎．混合處理後，進行成形，而得到成形體之第1步驟，(2)藉由將前述成形體在200~1,000℃且非氧化性或氧化性環境下預燒結而得到預燒結體之2步驟，(3)藉由將前述預燒結體在1,400~1,700℃且非氧化性環境下燒成而得到燒成體之第3步驟，(4)藉由將前述燒成體在1,400~1,800℃且19~196MPa的壓力下加壓燒成而得到加壓燒成體之第4步驟。
    [8] 一種透明陶瓷之製造方法，其係製造透明陶瓷之方法，其特徵為包含：(1)藉由將含有(a)氧化鋱、(b)由釔氧化物、鈧氧化物及鑭系稀土類氧化物中選出的至少1種氧化物、(c)不使氧化鋱系的陶瓷之結晶構造中析出立方晶以外的異相之燒結助劑，而且平均初級粒徑為30~2,000nm的各原料粉末粉碎．混合處理後，在200~1,000℃且非氧化性或氧化性環境下經預燒結的粉末予以成形，而得到成形體之第1步驟，(2)藉由將前述成形體在1,400~1,700℃且非氧化性環境下燒成而得到燒成體之第2步驟，(3)藉由將前述燒成體在1,400~1,800℃且19~196MPa的壓力下加壓燒成而得到加壓燒成體之第3步驟。
    [9] 一種透明陶瓷之製造方法，其係製造透明陶瓷之方法，其特徵為包含：(1)藉由將含有(d)鋱離子、(e)由釔離子、鈧離子及鑭系稀土類離子中選出的至少1種稀土類離子之水溶液經由共沈澱、過濾、預燒結，以預先製作平均初級粒徑為30~2,000nm的混合粉末之第1步驟，其中上述混合粉末含有莫耳比為40%以上的氧化鋱以及含有由釔氧化物、鈧氧化物及鑭系稀土類氧化物中選出的氧化物，(2)藉由將上述混合粉末與作為燒結助劑的由鈦、鋯、鉿、鈣中選出的元素之氧化物、氟化物或氮化物粉碎．混合處理後，進行成形，而得到成形體之第2步驟，(3)藉由將前述成形體在1,400~1,700℃且非氧化性環境下燒成而得到燒成體之第3步驟，(4)藉由將前述燒成體在1,400~1,800℃且19~196MPa的壓力下加壓燒成而得到加壓燒成體之第4步驟。
    [10] 如申請專利範圍第7、8或9項之製造方法，其中在得到加壓燒成體後，將此在不含有氧的環境下於1,500~2,000℃予以退火。
    [11] 一種磁性光學裝置，其係使用如申請專利範圍第1~6項中任一項之透明陶瓷所構成。
    [12] 一種磁性光學裝置，其使用如申請專利範圍第1~6項中任一項之透明陶瓷當作法拉第旋轉元件。
    [13] 如申請專利範圍第12項之磁性光學裝置，其係在法拉第旋轉元件的前後具備偏光材料，在波長1,065nm的波長區域使用之光隔離器用的磁性光學裝置。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP2011057766||2011-03-16||
    JP2012058150A|JP5704097B2|2011-03-16|2012-03-15|透明セラミックス及びその製造方法並びに磁気光学デバイス|
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