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JP7679782B2 - Manufacturing method for rare earth garnet type transparent ceramics - Google Patents
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Description

本発明は、希土類ガーネット型透明セラミックスの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing rare earth garnet-type transparent ceramics.

セラミックスは古くからタイル、陶器等、生活の必需品として広く用いられている。セラミックスの多くは不透明であるが、近年、光学的に等方な結晶構造を有し、気泡を徹底的に除去し、かつ粒界等への異相の発生を極限まで抑制することにより、単結晶に匹敵する透明度を有する透明セラミックスを作製することが可能となった。透明セラミックスは、レーザー材料、シンチレータ材料、蛍光体、磁気光学素子、高耐久性窓等に展開され、単結晶とは異なる新たな光学材料として期待されている。 Ceramics have long been widely used in everyday life, such as tiles and pottery. Most ceramics are opaque, but in recent years, it has become possible to produce transparent ceramics with an optically isotropic crystal structure, transparency comparable to that of single crystals, by thoroughly removing air bubbles and minimizing the occurrence of heterogeneous phases at grain boundaries. Transparent ceramics are being developed for use in laser materials, scintillator materials, phosphors, magneto-optical elements, highly durable windows, and more, and are expected to become a new optical material different from single crystals.

また、透明セラミックスは光学的に等方な結晶構造を有する必要があり、C型希土類構造やガーネット構造、パイロクロア構造、スピネル構造が透明セラミックスとなる例として挙げられる。その中で特にガーネット構造は、YAG:Ce蛍光体、TGG磁気光学素子、Nb:YAGレーザーなど、幅広い分野に応用されている。一方、ガーネット構造は、A3512の組成からわずかなずれも許されず、ストイキオ組成から0.2%ほどずれると光の透過率が低下するという文献も存在している(X.W. Ba, et al., J. Eur. Ceram. Soc. 35(2015)3127-3136(非特許文献1))。ガーネット構造の組成通りに秤量し、調合することが、高度に透明なガーネット型セラミックスを作る第一歩となる。 In addition, transparent ceramics must have an optically isotropic crystal structure, and examples of transparent ceramics include C-type rare earth structures, garnet structures, pyrochlore structures, and spinel structures. Among these, the garnet structure in particular is used in a wide range of fields, such as YAG:Ce phosphors, TGG magneto-optical elements, and Nb:YAG lasers. On the other hand, there is a document that states that the garnet structure cannot tolerate even a slight deviation from the composition of A 3 B 5 O 12 , and that a deviation of about 0.2% from the stoichiometric composition reduces the light transmittance (X.W. Ba, et al., J. Eur. Ceram. Soc. 35 (2015) 3127-3136 (Non-Patent Document 1)). Weighing and mixing according to the composition of the garnet structure is the first step in creating highly transparent garnet-type ceramics.

ここで、ガーネット型透明セラミックスの製造方法は、大別して2通りに分けられる。
特開2019-199386号公報(特許文献1)では、YAGセラミックスの高品質化を、各種原料粉末を混合し、成形、焼結処理を施すことにより達成している。
また、特許第6438588号公報(特許文献2)では、粉末の混合ではなく、各種元素の前駆体溶液を共沈プロセスで合成することで高透過率ガーネット型透明セラミックスの合成を達成している。
Here, methods for producing garnet-type transparent ceramics can be roughly divided into two types.
In JP 2019-199386 A (Patent Document 1), high quality YAG ceramics are achieved by mixing various raw material powders and performing molding and sintering processes.
In addition, in Japanese Patent No. 6438588 (Patent Document 2), the synthesis of highly transmittance garnet-type transparent ceramics is achieved by synthesizing precursor solutions of various elements through a coprecipitation process, rather than by mixing powders.

特開2019-199386号公報JP 2019-199386 A 特許第6438588号公報Patent No. 6438588

X.W. Ba, et al., J. Eur. Ceram. Soc. 35(2015)3127-3136X.W. Ba, et al., J. Eur. Ceram. Soc. 35 (2015) 3127-3136

しかしながら、特許文献1のセラミックスの製造において、各種原料粉末は、その粉末固有の比表面積を有し、表面に吸着している水分量が異なる。また水分量だけでなく、その粉末の合成方法により、有機物、窒化物、硫化物等の主成分とは関係のない成分(不純物成分)が含まれていることもある。更に、例えばTb酸化物は、常温ではTb23の状態は不安定であり、Tb47の状態で販売されているが、そのTb酸化物が真にTb47であるという保証がなく、製造メーカ、製造方法、あるいは保管方法によってその組成は大きく変わってしまうことがある。そのため、そのような原料粉末を目標組成通りに秤量して用いても製造される焼結体において組成がずれてしまい、透明にならない、あるいは高透過率が得られないという事態が発生する。このような場合、各種粉末の秤量を試行錯誤の上、決定すれば高度に透明なガーネット型透明セラミックスを製造することは可能であるが、同じ比表面積の粉末など全く同じ粉末を再度得ることは困難であり、ある一種類の原料粉末の在庫が切れて新しい粉末に切り替えた場合など製造ロットの異なる原料粉末を用いるときには、再度秤量条件を調整する必要があった。
また、特許文献2における共沈プロセスでのメリットは、完全に均一な粉末を得ることができることだけでなく、粉末の混合のように表面吸着水等の影響を考える必要はないことである。しかしながら、前駆体溶液の濃度測定の誤差、秤量の誤差により、完全に所望通りの組成となる保証がなかった。結局、上記原料粉末の混合による製造の場合と同じように試行錯誤の上で透明化が図れる条件を詰めていくしか方法はなかった。
However, in the production of ceramics in Patent Document 1, various raw material powders have their own specific surface areas and different amounts of moisture adsorbed on the surface. In addition to the amount of moisture, depending on the synthesis method of the powder, impurity components unrelated to the main components such as organic substances, nitrides, and sulfides may be contained. Furthermore, for example, Tb oxide is unstable in the state of Tb 2 O 3 at room temperature, and is sold in the state of Tb 4 O 7 , but there is no guarantee that the Tb oxide is truly Tb 4 O 7 , and the composition may change significantly depending on the manufacturer, production method, or storage method. Therefore, even if such raw material powder is weighed and used according to the target composition, the composition of the sintered body produced will deviate, resulting in a situation where the product is not transparent or does not have a high transmittance. In such cases, it is possible to manufacture highly transparent garnet-type transparent ceramics by determining the weighing amounts of various powders through trial and error; however, it is difficult to obtain the exact same powder, such as a powder with the same specific surface area, and when using raw material powders from a different production lot, such as when a certain type of raw material powder runs out of stock and is replaced with a new powder, it is necessary to adjust the weighing conditions again.
The advantage of the coprecipitation process in Patent Document 2 is that not only can a completely uniform powder be obtained, but also that there is no need to consider the effects of surface adsorbed water, as in the case of powder mixing. However, due to errors in measuring the concentration of the precursor solution and errors in weighing, there was no guarantee that the composition would be completely as desired. In the end, there was no way to avoid finding the conditions for achieving transparency through trial and error, just as in the case of production by mixing the raw material powders.

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、厳しい組成管理が求められるガーネット構造のセラミックスにおいても再現性良く高度な透明化が可能な希土類ガーネット型透明セラミックスの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a method for producing rare earth garnet-type transparent ceramics that can be made highly transparent with good reproducibility even in garnet-structure ceramics, which require strict composition control.

本発明は、上記目的を達成するため、下記の希土類ガーネット型透明セラミックスの製造方法を提供する。
1.
出発原料としてSc、Y及びランタノイド元素から選ばれる少なくとも1種の酸化物粉末と、第13族元素から選ばれる1種の酸化物粉末とを用いて、下記式(1)
(A1 1-x-y2 xScy3(B1-zScz512 (1)
(式(1)中、A1、A2はY及びランタノイド元素から選ばれる互いに異なる元素であり、Bは第13族元素から選ばれる1種であり、0≦x≦0.4、0≦y<0.08、0≦z<0.16であり、z=0のとき、y=0であり、z>0のとき、y>0である。)
で表される複合酸化物の焼結体である希土類ガーネット型透明セラミックスを製造する希土類ガーネット型透明セラミックスの製造方法であって、
上記A 1 、A 2 がTb、Y、Ce、Lu及びDyから選ばれる互いに異なる元素であり、BがAlであり、
上記出発原料として、各々の純度が99.9質量%以上のTb、、Ce、Lu及びDyから選ばれる互いに異なる元素の酸化物粉末を下記式(2-1)、(2-2)で求められる質量mA1、mA2だけ秤量し、純度が99.9質量%以上のAlの酸化物粉末を下記式(2-3)で求められる質量mBだけ秤量し、純度が99.9質量%以上の酸化スカンジウム粉末を下記式(2-4)で求められる質量mScだけ秤量して用いる希土類ガーネット型透明セラミックスの製造方法。
A1=3/2×(1-x-y)MA1/MG×W×100/(100-aA1) (2-1)
A2=3/2×xMA2/MG×W×100/(100-aA2) (2-2)
B=5/2×(1-z)MB/MG×W×100/(100-aB) (2-3)
Sc=(3y/2+5z/2)(MSc/MG)×W×100/(100-aSc) (2-4)
(式中、MA1、MA2Tb、、Ce、Lu及びDyから選ばれる互いに異なる元素の酸化物のモル質量(g/mol)であり、MBAlの酸化物のモル質量(g/mol)であり、MScは酸化スカンジウムのモル質量(g/mol)であり、MGは式(1)で表される複合酸化物のモル質量(g/mol)であり、Wは上記出発原料の予定合計質量(g)であり、aA1、aA2は上記出発原料のTb、、Ce、Lu及びDyから選ばれる互いに異なる元素の酸化物粉末を不活性ガス雰囲気中で室温(20±10℃)から1100℃まで加熱したときの質量減少率(%)であり、aBは上記出発原料のAlの酸化物粉末を不活性ガス雰囲気中で室温(20±10℃)から1100℃まで加熱したときの質量減少率(%)であり、aScは上記出発原料の酸化スカンジウム粉末を不活性ガス雰囲気中で室温(20±10℃)から1100℃まで加熱したときの質量減少率(%)である。x、y、zは上記と同じである。)

上記焼結体が焼結助剤としてSiO2を0質量%超0.1質量%以下含有する1に記載の希土類ガーネット型透明セラミックスの製造方法。

上記式(1)におけるA1がTbであり、0.6≦1-x-y≦1である1又は2に記載の希土類ガーネット型透明セラミックスの製造方法。

上記出発原料を用いて成形した後、得られた成形体を脱脂し、焼結して複合酸化物の焼結体を得る1~のいずれかに記載の希土類ガーネット型透明セラミックスの製造方法。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following method for producing a rare earth garnet-type transparent ceramic.
1.
Using at least one oxide powder selected from Sc, Y, and a lanthanoid element and one oxide powder selected from a Group 13 element as starting materials, a powder represented by the following formula (1) was prepared.
(A 1 1-xy A 2 x Sc y ) 3 (B 1-z Sc z ) 5 O 12 (1)
(In formula (1), A 1 and A 2 are different elements selected from Y and lanthanoid elements, B is one element selected from Group 13 elements, 0≦x≦0.4, 0≦y<0.08, 0≦z<0.16, and when z=0, y=0, and when z>0, y>0.)
A method for producing a rare earth garnet-type transparent ceramic, which is a sintered body of a complex oxide represented by the following formula:
The above A 1 and A 2 are different elements selected from Tb, Y, Ce, Lu and Dy, and B is Al;
The method for producing a rare earth garnet-type transparent ceramics uses, as the starting materials, oxide powders of different elements selected from Tb, Y , Ce, Lu and Dy, each having a purity of 99.9% by mass or more, weighed out in amounts of m A1 and m A2 calculated by the following formulas (2-1) and (2-2): an oxide powder of Al having a purity of 99.9% by mass or more, weighed out in an amount of m B calculated by the following formula (2-3): and a scandium oxide powder having a purity of 99.9% by mass or more, weighed out in an amount of m Sc calculated by the following formula (2-4):
m A1 = 3/2 x (1-x-y) M A1 / M G x W x 100/(100-a A1 ) (2-1)
m A2 = 3/2×xM A2 /M G ×W×100/(100-a A2 ) (2-2)
m B =5/2×(1-z) M B /M G ×W×100/(100-a B ) (2-3)
m Sc = (3y/2+5z/2) (M Sc /M G )×W×100/(100-a Sc ) (2-4)
(In the formula, M A1 and M A2 are the molar masses (g/mol) of oxides of elements different from each other selected from Tb, Y , Ce, Lu and Dy , M B is the molar mass (g/mol) of an oxide of Al , M Sc is the molar mass (g/mol) of scandium oxide, M G is the molar mass (g/mol) of the composite oxide represented by formula (1), W is the planned total mass (g) of the starting materials, a A1 and a A2 are the mass reduction rates (%) when the starting material oxide powders of elements different from each other selected from Tb, Y , Ce, Lu and Dy are heated in an inert gas atmosphere from room temperature (20±10° C.) to 1100° C., a B is the mass reduction rate (%) when the starting material oxide powder of Al is heated in an inert gas atmosphere from room temperature (20±10° C.) to 1100° C., a Sc is the mass reduction rate (%) when the starting scandium oxide powder is heated from room temperature (20±10°C) to 1100°C in an inert gas atmosphere. x, y, and z are the same as above.
2 .
2. The method for producing a rare earth garnet-type transparent ceramic according to 1 , wherein the sintered body contains more than 0 mass % and 0.1 mass % or less of SiO 2 as a sintering aid.
3 .
3. The method for producing a rare earth garnet-type transparent ceramic according to 1 or 2 , wherein A 1 in the above formula (1) is Tb and 0.6≦1−x−y≦1.
4 .
4. The method for producing a rare earth garnet-type transparent ceramic according to any one of 1 to 3 , comprising molding the starting materials, degreasing the resulting molded body, and sintering it to obtain a sintered body of the composite oxide.

本発明によれば、原料として出発粉末を混合して複合酸化物の焼結体からなる透明セラミックスを製造する際に、各出発原料粉末についてあらかじめ測定したセラミックス組成に関与しない吸着物の量に基づいて使用質量を補正することによりセラミックスの組成に対応した必要量を正確に秤量することができるので再現性良く高度に透明化された希土類ガーネット型透明セラミックスを製造できる。 According to the present invention, when manufacturing transparent ceramics consisting of sintered composite oxides by mixing starting powders as raw materials, the required amount corresponding to the ceramic composition can be accurately weighed by correcting the mass used based on the amount of adsorbate not related to the ceramic composition measured in advance for each starting raw material powder, so that highly transparent rare earth garnet-type transparent ceramics can be manufactured with good reproducibility.

本発明で製造した透明セラミックスをファラデー回転子として用いた光アイソレータの構成例を示す断面模式図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of an optical isolator using the transparent ceramic produced in accordance with the present invention as a Faraday rotator.

以下に、本発明に係る希土類ガーネット型透明セラミックスの製造方法について説明する。 The manufacturing method for the rare earth garnet-type transparent ceramics according to the present invention is described below.

本発明に係る希土類ガーネット型透明セラミックスの製造方法は、出発原料としてSc、Y及びランタノイド元素から選ばれる少なくとも1種の酸化物粉末と、第13族元素から選ばれる1種の酸化物粉末とを用いて、下記式(1)
(A1 1-x-y2 xScy3(B1-zScz512 (1)
(式(1)中、A1、A2はY及びランタノイド元素から選ばれる互いに異なる元素であり、Bは第13族元素から選ばれる1種であり、0≦x≦0.4、0≦y<0.004、0≦z<0.004であり、z=0のとき、y=0であり、z>0のとき、y>0である。)
で表される複合酸化物の焼結体である希土類ガーネット型透明セラミックスを製造する希土類ガーネット型透明セラミックスの製造方法であって、
上記出発原料として、Y及びランタノイド元素から選ばれる互いに異なる元素の酸化物粉末を下記式(2-1)、(2-2)で求められる質量mA1、mA2だけ秤量し、第13族元素から選ばれる1種の酸化物粉末を下記式(2-3)で求められる質量mBだけ秤量し、酸化スカンジウム粉末を下記式(2-4)で求められる質量mScだけ秤量して用いることを特徴とするものである。
A1=3/2×(1-x-y)MA1/MG×W×100/(100-aA1) (2-1)
A2=3/2×xMA2/MG×W×100/(100-aA2) (2-2)
B=5/2×(1-z)MB/MG×W×100/(100-aB) (2-3)
Sc=(3y/2+5z/2)(MSc/MG)×W×100/(100-aSc) (2-4)
(式中、MA1、MA2はY及びランタノイド元素から選ばれる互いに異なる元素の酸化物のモル質量(g/mol)であり、MBは第13族元素から選ばれる1種の酸化物のモル質量(g/mol)であり、MScは酸化スカンジウムのモル質量(g/mol)であり、MGは式(1)で表される複合酸化物のモル質量(g/mol)であり、Wは上記出発原料の予定合計質量(g)であり、aA1、aA2は上記出発原料のY及びランタノイド元素から選ばれる互いに異なる元素の酸化物粉末を不活性ガス雰囲気中で室温(20±10℃)から1100℃まで加熱したときの質量減少率(%)であり、aBは上記出発原料の第13族元素から選ばれる1種の酸化物粉末を不活性ガス雰囲気中で室温(20±10℃)から1100℃まで加熱したときの質量減少率(%)であり、aScは上記出発原料の酸化スカンジウム粉末を不活性ガス雰囲気中で室温(20±10℃)から1100℃まで加熱したときの質量減少率(%)である。x、y、zは上記と同じである。)
The method for producing a rare earth garnet-type transparent ceramic according to the present invention comprises using, as starting materials, a powder of at least one oxide selected from Sc, Y and a lanthanoid element, and a powder of one oxide selected from a group 13 element, and reacting the powder with an oxide represented by the following formula (1):
(A 1 1-xy A 2 x Sc y ) 3 (B 1-z Sc z ) 5 O 12 (1)
(In formula (1), A 1 and A 2 are different elements selected from Y and lanthanoid elements, B is one element selected from Group 13 elements, 0≦x≦0.4, 0≦y<0.004, 0≦z<0.004, when z=0, y=0, and when z>0, y>0.)
A method for producing a rare earth garnet-type transparent ceramic, which is a sintered body of a complex oxide represented by the following formula:
The starting materials used are oxide powders of different elements selected from Y and the lanthanoid elements in amounts of m A1 and m A2 calculated by the following formulas (2-1) and (2-2): an oxide powder of one type selected from the Group 13 elements in an amount of m B calculated by the following formula (2-3): and a scandium oxide powder in an amount of m Sc calculated by the following formula (2-4):
m A1 = 3/2 x (1-x-y) M A1 / M G x W x 100/(100-a A1 ) (2-1)
m A2 = 3/2×xM A2 /M G ×W×100/(100-a A2 ) (2-2)
m B =5/2×(1-z) M B /M G ×W×100/(100-a B ) (2-3)
m Sc = (3y/2+5z/2) (M Sc /M G )×W×100/(100-a Sc ) (2-4)
(wherein, M A1 and M A2 are the molar masses (g/mol) of oxides of different elements selected from Y and a lanthanoid element, M B is the molar mass (g/mol) of one oxide selected from Group 13 elements, M Sc is the molar mass (g/mol) of scandium oxide, M G is the molar mass (g/mol) of the composite oxide represented by formula (1), W is the planned total mass (g) of the starting materials, a A1 and a A2 are the mass reduction rates (%) when the starting material oxide powders of different elements selected from Y and a lanthanoid element are heated in an inert gas atmosphere from room temperature (20±10° C.) to 1100° C., a B is the mass reduction rate (%) when the starting material oxide powder of one oxide selected from Group 13 elements is heated in an inert gas atmosphere from room temperature (20±10° C.) to 1100° C., a Sc is the mass reduction rate (%) when the starting scandium oxide powder is heated from room temperature (20±10°C) to 1100°C in an inert gas atmosphere. x, y, and z are the same as above.

(希土類ガーネット型透明セラミックス)
本発明で製造される希土類ガーネット型透明セラミックス(以下、単に透明セラミックスということがある)は、下記式(1)で表される複合酸化物の透明焼結体である。
(A1 1-x-y2 xScy3(B1-zScz512 (1)
(式(1)中、A1、A2はY及びランタノイド元素から選ばれる互いに異なる元素であり、Bは第13族元素から選ばれる1種であり、0≦x≦0.4、0≦y<0.004、0≦z<0.004であり、z=0のとき、y=0であり、z>0のとき、y>0である。)
(Rare earth garnet type transparent ceramics)
The rare earth garnet-type transparent ceramics (hereinafter sometimes simply referred to as transparent ceramics) produced in the present invention are transparent sintered bodies of a complex oxide represented by the following formula (1).
(A 1 1-xy A 2 x Sc y ) 3 (B 1-z Sc z ) 5 O 12 (1)
(In formula (1), A 1 and A 2 are different elements selected from Y and lanthanoid elements, B is one element selected from Group 13 elements, 0≦x≦0.4, 0≦y<0.004, 0≦z<0.004, when z=0, y=0, and when z>0, y>0.)

なお、式(1)で表されるガーネット結晶構造において元素A1、A2、Scが配位する側、即ち式(1)の左側の括弧内に入る側をAサイト、元素B、Scが配位する側、即ち式(1)の右側の括弧内に入る側をBサイトと称する。 In the garnet crystal structure represented by formula (1), the side where the elements A1 , A2 , and Sc are coordinated, i.e., the side in the parentheses on the left side of formula (1), is referred to as the A site, and the side where the elements B and Sc are coordinated, i.e., the side in the parentheses on the right side of formula (1), is referred to as the B site.

ここで、実際に製造されるセラミックスにおけるAサイト、Bサイトの組成比(即ち、3:5)のずれは、許容されない。製造されるセラミックスにおいて組成比が多少ずれても透明化することはあるが、その透明度は悪くなる。セラミックスのガーネット構造はその組成が所望通りでなければ高度な透明化を実現できないため、式(1)を必ず満たす必要がある。 Here, deviations in the composition ratio of the A site and the B site (i.e., 3:5) in the ceramics that are actually manufactured are not permitted. Even if the composition ratio in the manufactured ceramics deviates slightly, the ceramics may become transparent, but the transparency will be poor. The garnet structure of the ceramics cannot achieve a high degree of transparency unless the composition is as desired, so formula (1) must be satisfied.

また、本発明で製造される透明セラミックスは、少なくともテルビウム(Tb)とアルミニウム(Al)を含有したガーネット型複合酸化物の焼結体であることが好ましい。この場合、上記式(1)における元素BがAlである。更に、焼結助剤としてSiO2を0質量%超0.1質量%以下含有していることがより好ましい。 The transparent ceramics produced by the present invention is preferably a sintered body of a garnet-type composite oxide containing at least terbium (Tb) and aluminum (Al). In this case, the element B in the above formula (1) is Al. Furthermore, it is more preferable that the sintering aid contains more than 0 mass% and 0.1 mass% or less of SiO2 .

また、上記式(1)におけるA1がTbであり、0.6≦1-x-y≦1であることが好ましい。式(1)のAサイトにおいて、Tbが40mоl%以上含まれる場合は、得られた透明セラミックスが磁気光学素子として使用される。Tbは鉄(Fe)を除く常磁性元素群の中で最大のベルデ定数を有する元素であり、ファイバーレーザーで使用する波長1064nm領域で吸収が存在しないため、この波長域の光アイソレータ用材料に用いるには最も適している元素である。ただし、Tbは空気中の酸素と容易に反応し、4価Tbが発生する。この4価Tbは吸光性を有するため、できる限り排除することが望ましい。この4価Tbを完全に排除するには、4価Tbが発生しない結晶構造を狙う必要があり、ガーネット構造となる組成を狙うことが最も好ましい。 In addition, it is preferable that A 1 in the above formula (1) is Tb, and 0.6≦1−x−y≦1. When Tb is contained at 40 mol% or more in the A site of formula (1), the obtained transparent ceramic is used as a magneto-optical element. Tb is an element with the largest Verdet constant among the paramagnetic elements except for iron (Fe), and since there is no absorption in the 1064 nm wavelength region used in fiber lasers, it is the most suitable element for use as an optical isolator material in this wavelength region. However, Tb easily reacts with oxygen in the air, generating tetravalent Tb. Since this tetravalent Tb has light absorption properties, it is desirable to eliminate it as much as possible. To completely eliminate this tetravalent Tb, it is necessary to aim for a crystal structure in which tetravalent Tb does not occur, and it is most preferable to aim for a composition that becomes a garnet structure.

式(1)のAサイトにTbが含まれる場合おいて、Tbだけでも透明化は可能であるが、より透明化を容易にするためにTbを他元素で置換してもよい。Tbから置換される元素はYまたはランタノイドの群から選ばれる少なくとも1種類が好ましく、使用波長帯に吸収が存在しないという観点からYまたはLu、Laが好ましく、コストと安定性の観点からはYが最も好ましい。Yはガーネット構造を安定化させる元素であり、置換すればするだけ安定化し、製造が容易となる。しかし、入れすぎてしまうとベルデ定数が小さくなりすぎてしまい、TGGよりもベルデ定数が小さくなってしまう。そのため、Yは、Tb100モル%に対して0モル%以上40モル%以下となる範囲で置換することが好ましい。 When Tb is included in the A site of formula (1), transparency is possible with Tb alone, but Tb may be substituted with other elements to make transparency easier. The element substituted for Tb is preferably Y or at least one selected from the group of lanthanides, and Y, Lu, or La is preferred from the viewpoint of no absorption in the wavelength band used, and Y is the most preferred from the viewpoint of cost and stability. Y is an element that stabilizes the garnet structure, and the more it is substituted, the more stable it becomes and the easier it is to manufacture. However, if too much is added, the Verdet constant becomes too small, and the Verdet constant becomes smaller than that of TGG. Therefore, it is preferable to substitute Y in the range of 0 mol% to 40 mol% with respect to 100 mol% Tb.

式(1)のBサイトにおいては、第13族元素から選ばれる1種(元素B)が入るが、上述のとおりAlが好ましい。第13族のGaは揮発性が高く、焼結途中で揮発して量が減ってしまうため特別な対応が必要となるが、Alは焼結途中で揮発することもなく、また熱伝導率も高いので、最も好ましい。 At the B site of formula (1), one element (element B) selected from Group 13 elements is placed, with Al being preferred as mentioned above. Group 13 element Ga is highly volatile and volatilizes during sintering, reducing its amount, so special measures are required, but Al does not volatilize during sintering and has high thermal conductivity, making it the most preferred.

ここで、構成元素がTb、Y、ランタノイド元素及び13族元素だけからなる複合酸化物では各原料の微妙な秤量誤差によってガーネット構造を呈さない場合があり、光学用途に使用可能な透明セラミックスを安定に製造することが難しい。そこで、本発明では構成元素としてスカンジウム(Sc)を添加することにより各原料の微妙な秤量誤差による組成ずれを解消することが好ましい。Scは、ガーネット構造を有する酸化物中でAサイトにも、Bサイトにも固溶することができる中間的なイオン半径を有する材料であり、Tb、Y、ランタノイド元素からなる希土類元素と13族元素との配合比が秤量時のばらつきによって化学量論比からずれた場合に、ちょうど化学量論比に合うように、そしてこれにより結晶子の生成エネルギーを最小にするように、自らAサイト(Tb、Y、ランタノイド元素からなる希土類サイト)とBサイト(13族元素からなるサイト)への分配比を調整して固溶することのできるバッファ材料である。 Here, in a composite oxide whose constituent elements are only Tb, Y, lanthanoid elements, and group 13 elements, subtle weighing errors of each raw material may cause the oxide to not have a garnet structure, making it difficult to stably manufacture transparent ceramics that can be used for optical applications. Therefore, in the present invention, it is preferable to add scandium (Sc) as a constituent element to eliminate the composition deviation caused by subtle weighing errors of each raw material. Sc is a material with an intermediate ionic radius that can be dissolved in both the A site and the B site in an oxide having a garnet structure, and is a buffer material that can adjust the distribution ratio to the A site (rare earth site consisting of Tb, Y, and lanthanoid elements) and the B site (site consisting of group 13 elements) to exactly match the stoichiometric ratio and thereby minimize the energy of crystallite formation when the compounding ratio of rare earth elements consisting of Tb, Y, and lanthanoid elements and group 13 elements deviates from the stoichiometric ratio due to variations in weighing.

Scの含有量はAサイトでは0モル%以上0.08モル%未満が好ましく、Bサイトでは0モル%以上0.16モル%未満が好ましい。Scを添加しなくても高度に透明化する場合は特に添加する必要もないが、安定生産の観点からはある程度添加したほうが好ましい。一方、前記含有量上限以上であると透明化することはより容易にはなるが、高価なScを多量に使用することになり、コスト的に採算が合わなくなるので好ましくない。 The Sc content is preferably 0 mol% or more and less than 0.08 mol% at the A site, and 0 mol% or more and less than 0.16 mol% at the B site. If a high degree of transparency can be achieved without adding Sc, there is no particular need to add it, but from the viewpoint of stable production, it is preferable to add a certain amount. On the other hand, if the content is above the upper limit mentioned above, it will be easier to achieve transparency, but it will be undesirable because a large amount of expensive Sc will be used, which will not be cost-effective.

以上のことを踏まえると、本発明で製造する透明セラミックスは、下記式(1’)で表される複合酸化物の透明焼結体であることが好ましい。
(Tb1-x’-y’x’Scy’3(Al1-z’Scz’512 (1’)
(式中、0.05≦x’≦0.4、0≦y’<0.08、0.52≦1-x’-y’<0.95、0≦z’<0.16、0.001<y’+z’<0.2である。)
In view of the above, the transparent ceramic produced in the present invention is preferably a transparent sintered body of a complex oxide represented by the following formula (1').
(Tb 1-x'-y' Y x' Sc y' ) 3 (Al 1-z' Sc z' ) 5 O 12 (1')
(In the formula, 0.05≦x′≦0.4, 0≦y′<0.08, 0.52≦1−x′−y′<0.95, 0≦z′<0.16, and 0.001<y′+z′<0.2.)

式(1’)中、x’の範囲は0.05≦x’≦0.4であり、0.1≦x’≦0.4が好ましく、0.2≦x’≦0.4が更に好ましい。x’がこの範囲にあると、ペロブスカイト型異相をX線回折(XRD)分析で検出されないレベルまで減少させることができる。 In formula (1'), the range of x' is 0.05≦x'≦0.4, preferably 0.1≦x'≦0.4, and more preferably 0.2≦x'≦0.4. When x' is in this range, the perovskite-type heterophase can be reduced to a level that is not detectable by X-ray diffraction (XRD) analysis.

式(1’)中、y’の範囲は0≦y’<0.08であり、0.001<y’<0.04が好ましく、0.002<y’<0.04がより好ましい。y’がこの範囲にあると、ペロブスカイト型異相をX線回折(XRD)分析で検出されないレベルまで減少させることができるため好ましい。更にまた、焼結体の均質性や粒界散乱に起因する熱伝導率の過度な低下を防止できるため好ましい。 In formula (1'), the range of y' is 0≦y'<0.08, preferably 0.001<y'<0.04, and more preferably 0.002<y'<0.04. When y' is in this range, it is preferable because the perovskite-type heterophase can be reduced to a level that is not detectable by X-ray diffraction (XRD) analysis. Furthermore, it is preferable because it is possible to prevent an excessive decrease in thermal conductivity due to the homogeneity of the sintered body and grain boundary scattering.

式(1’)中、1-x’-y’の範囲は0.52≦1-x’-y’<0.95であり、0.6≦1-x’-y’<0.8がより好ましい。1-x’-y’がこの範囲にあると大きなベルデ定数を確保できると共に波長1064nmにおいて高い透明性が得られる。 In formula (1'), the range of 1-x'-y' is 0.52≦1-x'-y'<0.95, and more preferably 0.6≦1-x'-y'<0.8. When 1-x'-y' is in this range, a large Verdet constant can be ensured and high transparency can be obtained at a wavelength of 1064 nm.

(1’)式中、z’の範囲は0≦z’<0.16であり、0.001<z’<0.004がより好ましく、0.02≦z’<0.004が更に好ましい。z’がこの範囲にあると、ペロブスカイト型異相をX線回折(XRD)分析で検出されないレベルまで減少させることができるため好ましい。更にまた、焼結体の均質性や粒界散乱に起因する熱伝導率の過度な低下を防止できるため好ましい。 In formula (1'), the range of z' is 0≦z'<0.16, more preferably 0.001<z'<0.004, and even more preferably 0.02≦z'<0.004. When z' is in this range, it is preferable because the perovskite-type heterophase can be reduced to a level that is not detectable by X-ray diffraction (XRD) analysis. Furthermore, it is preferable because it is possible to prevent an excessive decrease in thermal conductivity due to the homogeneity of the sintered body and grain boundary scattering.

(1’)式中、y’+z’の範囲は0.001<y’+z’<0.2であり、0.002<y’+z’<0.03がより好ましく、0.003<y’+z’<0.025が更に好ましい。y’+z’がこの範囲にあると、ペロブスカイト型異相をX線回折(XRD)分析で検出されないレベルまで減少させることができるため好ましい。更にまた、焼結体の均質性や粒界散乱に起因する熱伝導率の過度な低下を防止できるため好ましい。 In formula (1'), the range of y' + z' is 0.001 < y' + z' < 0.2, more preferably 0.002 < y' + z' < 0.03, and even more preferably 0.003 < y' + z' < 0.025. When y' + z' is in this range, it is preferable because the perovskite-type heterophase can be reduced to a level that is not detectable by X-ray diffraction (XRD) analysis. Furthermore, it is preferable because it is possible to prevent an excessive decrease in thermal conductivity due to the homogeneity of the sintered body and grain boundary scattering.

本発明で製造される透明セラミックスは、上記式(1)又は式(1’)で表される複合酸化物を主成分として含有し、副成分として、焼結助剤の役割をはたすSiO2を金属Si換算で0.1質量%を限度として、それ以下の範囲で含有する。焼結助剤としてSiO2を微量添加すると、ペロブスカイト型の異相やアルミナ異相等の析出が抑制されるため、常磁性ガーネット型透明セラミックスの透明性が更に向上する。さらに、微量添加されたSiO2は1400℃以上での焼結中にガラス化して液相焼結効果をもたらし、ガーネット型セラミックス焼結体の緻密化を促進することができる。 The transparent ceramics produced by the present invention contain the composite oxide represented by the above formula (1) or formula (1') as the main component, and contain SiO2, which plays the role of a sintering aid, as a subcomponent in a range of up to 0.1 mass% in terms of metal Si. When a small amount of SiO2 is added as a sintering aid, the precipitation of perovskite-type heterophases and alumina heterophases is suppressed, and the transparency of the paramagnetic garnet-type transparent ceramics is further improved. Furthermore, the small amount of SiO2 added is vitrified during sintering at 1400°C or higher, resulting in a liquid phase sintering effect, and can promote the densification of the garnet-type ceramic sintered body.

ところで、「主成分として含有する」とは、上記式(1)又は式(1’)で表される複合酸化物を90質量%以上含有することを意味する。式(1)又は式(1’)で表される複合酸化物の含有量は99質量%以上であることが好ましく、99.9質量%以上であることがより好ましく、99.99質量%以上であることが更に好ましく、99.999質量%以上であることが特に好ましい。 Incidentally, "containing as a main component" means containing 90% by mass or more of the composite oxide represented by the above formula (1) or formula (1'). The content of the composite oxide represented by formula (1) or formula (1') is preferably 99% by mass or more, more preferably 99.9% by mass or more, even more preferably 99.99% by mass or more, and particularly preferably 99.999% by mass or more.

本発明で製造される透明セラミックスは、上記の主成分と副成分とで構成されるが、本発明の作用効果を阻害しない範囲で更に他の元素を含有していてもよい。その他の元素としては、鉄(Fe)、クロム(Cr)等の重金属、あるいは様々な不純物群(不可避的成分)として、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、燐(P)等が典型的に例示できる。
その他の元素の含有量は、焼結体において100ppm以下であることが好ましい。
The transparent ceramics produced by the present invention are composed of the above-mentioned main components and subcomponents, but may further contain other elements within a range that does not impair the effects of the present invention. Typical examples of other elements include heavy metals such as iron (Fe) and chromium (Cr), and various impurities (unavoidable components) such as sodium (Na), potassium (K), and phosphorus (P).
The content of other elements in the sintered body is preferably 100 ppm or less.

ところで、透明セラミックス製造用原料粉末の準備に当たって、各種酸化物粉末を混合する方法と、水溶液から化学反応を利用して均一な酸化物粉末を合成する方法があるが、本発明は前者の各種酸化物粉末を混合する製造方法に関連する。各種酸化物粉末は、その比表面積に応じた吸着水分、出発原料の合成方法に由来する残留有機物や窒化物といった構成酸化物以外の成分を含んでおり、その比率は酸化物粉末ごとに異なる。その構成酸化物以外の成分の影響により、目標組成通りに酸化物粉末を秤量しても製造されるセラミックスにおいて組成ずれが生じてしまい、高度な透明化に至らない。
そこで本発明では、上記のような希土類ガーネット型透明セラミックスを以下のようにして製造する。
By the way, when preparing raw material powders for transparent ceramics, there are two methods: mixing various oxide powders and synthesizing uniform oxide powders from an aqueous solution using a chemical reaction. The present invention relates to the former manufacturing method of mixing various oxide powders. Various oxide powders contain components other than the constituent oxides, such as adsorbed moisture according to their specific surface area, residual organic matter derived from the synthesis method of the starting materials, and nitrides, and the ratio of these components varies depending on the oxide powder. Due to the influence of components other than the constituent oxides, even if the oxide powder is weighed according to the target composition, the composition of the manufactured ceramics will vary, and a high level of transparency will not be achieved.
In the present invention, the above rare earth garnet-type transparent ceramics are produced as follows.

[希土類ガーネット型透明セラミックスの製造方法]
(出発原料)
本発明で用いる出発原料としては、上記式(1)を構成する元素のそれぞれの単一酸化物粉末、例えば式(1’)で表される複合酸化物の場合、テルビウム、イットリウム、スカンジウム、アルミニウムの各酸化物粉末(即ち、酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末)を利用する。これらをガーネット型複合酸化物用原料粉末という。該ガーネット型複合酸化物用原料粉末の純度は99.9質量%以上が好ましく、99.99質量%以上が特に好ましい。以下、式(1’)で表される複合酸化物に対応した酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末を用いる場合を例にとり説明する。
[Method of manufacturing rare earth garnet-type transparent ceramics]
(Starting material)
As the starting materials used in the present invention, single oxide powders of the elements constituting the above formula (1) are used. For example, in the case of a composite oxide represented by formula (1'), powders of oxides of terbium, yttrium, scandium, and aluminum (i.e., terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder, and aluminum oxide powder) are used. These are called raw material powders for garnet-type composite oxides. The purity of the raw material powders for garnet-type composite oxides is preferably 99.9% by mass or more, and particularly preferably 99.99% by mass or more. Hereinafter, an example will be described in which terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder, and aluminum oxide powder corresponding to the composite oxide represented by formula (1') are used.

本発明では、出発原料としての酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末を上記式(1’)で表される複合酸化物の組成となるように精密秤量するが、上述したように、これら出発原料の酸化物粉末には構成酸化物以外の成分が含まれていることから、出発原料の酸化物粉末それぞれにおける構成酸化物以外の成分の含有量を考慮して秤量する。具体的には以下のことを行う。 In the present invention, the starting materials terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder, and aluminum oxide powder are precisely weighed to obtain the composite oxide composition represented by the above formula (1'). However, as described above, these starting oxide powders contain components other than the constituent oxides, so they are weighed taking into consideration the content of components other than the constituent oxides in each of the starting oxide powders. Specifically, the following is carried out.

(酸化物粉末の1100℃における質量減少率(構成酸化物以外の成分の含有量)の測定)
本発明において、出発原料の酸化物粉末における上記構成酸化物以外の成分の含有量(重量比率)を測定する方法として、不活性雰囲気下での熱重量変化率の測定を行うことが好ましい。熱重量変化率の測定方法は、熱重量分析装置(TG装置)を用いてin-situに測定する方法、焼成炉を利用して1000℃以上で焼成する前後の重量比較から測定する方法とあるが、構成酸化物以外の成分の重量を正確に測定する必要があるため、TG装置を使用し測定することが最も好ましい。雰囲気は不活性雰囲気下が好ましく、アルゴン、窒素、ヘリウムが例示されるが、正確に重量変化率を測定できれば特に限定されない。
(Measurement of mass reduction rate of oxide powder at 1100°C (content of components other than constituent oxides))
In the present invention, as a method for measuring the content (weight ratio) of components other than the above-mentioned constituent oxides in the starting oxide powder, it is preferable to measure the thermogravimetric change rate under an inert atmosphere. The thermogravimetric change rate can be measured in-situ using a thermogravimetric analyzer (TG device) or by measuring the weight before and after firing at 1000°C or higher using a firing furnace, but since it is necessary to accurately measure the weight of components other than the constituent oxides, it is most preferable to measure using a TG device. The atmosphere is preferably an inert atmosphere, and examples of the atmosphere include argon, nitrogen, and helium, but there is no particular limitation as long as the weight change rate can be accurately measured.

ここで、TG装置を用いた重量減少率(質量減少率)は、室温(20±10℃)から1100℃まで加熱したときの重量変化(質量減少)から算出することが好ましい。1100℃より低い温度では、残留吸着水分や、Tb47の場合には、残留酸素が残ってしまい、正しい重量変化をとらえることができず、組成が合わなくなってしまうおそれがある。1100℃より高い温度、例えば1300℃の質量減少は大半の酸化物では1100℃と大差ないが、Ga23のような揮発性の高い酸化物では、1300℃では揮発に伴う余計な質量減少を観測することがある。本発明者らが希土類ガーネットの骨格元素の酸化物すべての質量減少率の測定を精度よく測定可能な温度を調査した結果、1100℃が最も好ましい加熱温度と判明した。即ち、本発明でいう「1100℃における質量減少率」とは、出発原料である酸化物粉末を不活性雰囲気下で室温(20±10℃)から1100℃まで加熱したときの該酸化物粉末の室温(20±10℃)における質量(100%)に対する質量減少の割合(%)のことである。 Here, the weight reduction rate (mass reduction rate) using a TG device is preferably calculated from the weight change (mass reduction) when heated from room temperature (20±10°C) to 1100°C. At temperatures lower than 1100 °C, residual adsorbed moisture or, in the case of Tb4O7 , residual oxygen remains, making it impossible to capture the correct weight change, and the composition may not match. For most oxides, the mass reduction at temperatures higher than 1100°C, for example 1300°C, is not significantly different from that at 1100° C , but for highly volatile oxides such as Ga2O3 , an extra mass reduction due to volatilization may be observed at 1300°C. As a result of the inventors' investigation into the temperature at which the mass reduction rate of all oxides of the framework elements of rare earth garnets can be measured with high accuracy, it was found that 1100°C is the most preferable heating temperature. In other words, the "mass reduction rate at 1100°C" in the present invention refers to the percentage of mass reduction of the oxide powder, which is the starting material, when the oxide powder is heated from room temperature (20±10°C) to 1100°C under an inert atmosphere, relative to the mass (100%) of the oxide powder at room temperature (20±10°C).

本発明では、出発原料として使用する全ての酸化物粉末(酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末)それぞれについて上記1100℃における質量減少率を測定する。 In the present invention, the mass reduction rate at 1100°C is measured for each of the oxide powders used as starting materials (terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder, and aluminum oxide powder).

(使用質量の算出)
上記のように測定した出発原料として使用する酸化物粉末それぞれの質量減少率を用いて、使用質量を算出する。なお、酸化物粉末における酸化物の分子構造は必ずA1 23、A2 23、B23、Sc23として計算するものとする。例えば、Tb酸化物はTb47の形で販売されていることが多いが、本計算においてはTb47では成立しないため、Tb23で計算する必要がある。
(Calculation of mass used)
The mass used is calculated using the mass reduction rate of each oxide powder used as a starting material measured as above. Note that the molecular structures of the oxides in the oxide powders must be calculated as A12O3 , A22O3 , B2O3 , and Sc2O3 . For example , Tb oxide is often sold in the form of Tb4O7 , but this calculation does not work with Tb4O7 , so it is necessary to calculate with Tb2O3 .

即ち、上記出発原料として、「Y及びランタノイド元素から選ばれる互いに異なる元素の酸化物粉末」の使用質量mA1、mA2を下記式(2-1)、(2-2)から求める。また、「第13族元素から選ばれる1種の酸化物粉末」の使用質量mBを下記式(2-3)から求める。更に、「酸化スカンジウム粉末」の使用質量mScを下記式(2-4)から求める。

A1=3/2×(1-x-y)MA1/MG×W×100/(100-aA1) (2-1)
A2=3/2×xMA2/MG×W×100/(100-aA2) (2-2)
B=5/2×(1-z)MB/MG×W×100/(100-aB) (2-3)
Sc=(3y/2+5z/2)(MSc/MG)×W×100/(100-aSc) (2-4)
(式中、MA1、MA2はY及びランタノイド元素から選ばれる互いに異なる元素の酸化物のモル質量(g/mol)であり、MBは第13族元素から選ばれる1種の酸化物のモル質量(g/mol)であり、MScは酸化スカンジウムのモル質量(g/mol)であり、MGは式(1)で表される複合酸化物のモル質量(g/mol)であり、Wは上記出発原料の予定合計質量(g)であり、aA1、aA2は上記出発原料のY及びランタノイド元素から選ばれる互いに異なる元素の酸化物粉末を不活性ガス雰囲気中で室温(20±10℃)から1100℃まで加熱したときの質量減少率(%)であり、aBは上記出発原料の第13族元素から選ばれる1種の酸化物粉末を不活性ガス雰囲気中で室温(20±10℃)から1100℃まで加熱したときの質量減少率(%)であり、aScは上記出発原料の酸化スカンジウム粉末を不活性ガス雰囲気中で室温(20±10℃)から1100℃まで加熱したときの質量減少率(%)である。x、y、zは上記式(1)におけるx、y、zと同じである。)
That is, the masses m A1 and m A2 of "powder of oxides of different elements selected from Y and lanthanoid elements" used as the starting materials are calculated from the following formulas (2-1) and (2-2). The mass m B of "powder of one oxide selected from Group 13 elements" is calculated from the following formula (2-3). Furthermore, the mass m Sc of "scandium oxide powder" is calculated from the following formula (2-4).

m A1 = 3/2 x (1-x-y) M A1 / M G x W x 100/(100-a A1 ) (2-1)
m A2 = 3/2×xM A2 /M G ×W×100/(100-a A2 ) (2-2)
m B =5/2×(1-z) M B /M G ×W×100/(100-a B ) (2-3)
m Sc = (3y/2+5z/2) (M Sc /M G )×W×100/(100-a Sc ) (2-4)
(wherein, M A1 and M A2 are the molar masses (g/mol) of oxides of different elements selected from Y and a lanthanoid element, M B is the molar mass (g/mol) of one oxide selected from Group 13 elements, M Sc is the molar mass (g/mol) of scandium oxide, M G is the molar mass (g/mol) of the composite oxide represented by formula (1), W is the planned total mass (g) of the starting materials, a A1 and a A2 are the mass reduction rates (%) when the starting material oxide powders of different elements selected from Y and a lanthanoid element are heated in an inert gas atmosphere from room temperature (20±10° C.) to 1100° C., a B is the mass reduction rate (%) when the starting material oxide powder of one oxide selected from Group 13 elements is heated in an inert gas atmosphere from room temperature (20±10° C.) to 1100° C., a Sc is the mass reduction rate (%) when the starting scandium oxide powder is heated from room temperature (20±10°C) to 1100°C in an inert gas atmosphere. x, y, and z are the same as x, y, and z in the above formula (1).

なお、式(1)で示される複合酸化物において、元素A2を含まない場合(x=0)、mA2=0となり、Scを含まない場合(y=z=0)、mSc=0となる。 In the composite oxide represented by formula (1), when the element A2 is not contained (x=0), m A2 =0, and when Sc is not contained (y=z=0), m Sc =0.

上記出発原料として、酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末を用いる場合は、酸化テルビウム粉末の使用質量mTb、酸化イットリウム粉末の使用質量mY、酸化アルミニウム粉末の使用質量mAL、酸化スカンジウム粉末の使用質量mScは以下の式から求められる。

Tb=3/2×(1-x’-y’)MTb/MG×W×100/(100-aTb
Y=3/2×x’MY/MG×W×100/(100-aY
AL=5/2×(1-z’)MAL/MG×W×100/(100-aAl
Sc=(3y’/2+5z’/2)(MSc/MG)×W×100/(100-aSc
(式中、MTb、MYはTb、Yの酸化物のモル質量(MTb=365.8(g/mol)、MY=225.8(g/mol))であり、MALはAlの酸化物のモル質量(MAL=102.0(g/mol))であり、MScは酸化スカンジウムのモル質量(MSc=137.9(g/mol))であり、MGは式(1’)で表される複合酸化物のモル質量(g/mol)であり、Wは上記出発原料の予定合計質量(g)であり、aTb、aYは上記出発原料のTb、Yの酸化物粉末を不活性ガス雰囲気中で室温(20±10℃)から1100℃まで加熱したときの質量減少率(%)であり、aAlは上記出発原料のAl酸化物粉末を不活性ガス雰囲気中で室温(20±10℃)から1100℃まで加熱したときの質量減少率(%)であり、aScは上記出発原料の酸化スカンジウム粉末を不活性ガス雰囲気中で室温(20±10℃)から1100℃まで加熱したときの質量減少率(%)である。x’、y’、z’は上記式(1’)におけるx’、y’、z’と同じである。)
When terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder and aluminum oxide powder are used as the starting materials, the mass of terbium oxide powder used, m Tb , the mass of yttrium oxide powder used, m Y , the mass of aluminum oxide powder used, m AL , and the mass of scandium oxide powder used, m Sc , can be calculated from the following formulas.

m Tb = 3/2 x (1-x'-y') M Tb / M G x W x 100/(100-a Tb )
m Y =3/2×x'M Y /M G ×W×100/(100-a Y )
m AL =5/2×(1-z') M AL /M G ×W×100/(100-a Al )
m Sc = (3y'/2+5z'/2) (M Sc /M G ) x W x 100/(100-a Sc )
(wherein, M Tb and M Y are the molar masses of the oxides of Tb and Y (M Tb = 365.8 (g/mol), M Y = 225.8 (g/mol)), M AL is the molar mass of the oxide of Al (M AL = 102.0 (g/mol)), M Sc is the molar mass of scandium oxide (M Sc = 137.9 (g/mol)), M G is the molar mass (g/mol) of the composite oxide represented by formula (1'), W is the planned total mass (g) of the starting materials, a Tb and a Y are the mass reduction rates (%) when the starting oxide powders of Tb and Y are heated in an inert gas atmosphere from room temperature (20±10°C) to 1100°C, a Al is the mass reduction rate (%) when the starting Al oxide powder is heated in an inert gas atmosphere from room temperature (20±10°C) to 1100°C, a Sc is the mass reduction rate (%) when the starting scandium oxide powder is heated from room temperature (20±10°C) to 1100°C in an inert gas atmosphere. x', y', and z' are the same as x', y', and z' in the above formula (1').

(秤量)
上記のようにして求めた使用質量に基づいて、出発原料である酸化物粉末それぞれを精密秤量する。このとき、小数点第4位まで測定可能な精密天秤を用いるとよい。
(Weighing)
Based on the masses of the starting oxide powders obtained as above, the starting oxide powders are precisely weighed using a precision balance capable of measuring to four decimal places.

(混合工程)
秤量した出発原料である酸化物粉末を均一に混ぜる、また必要に応じて凝集して二次粒子となった粉末を一次粒子の状態まで粉砕するために、混合処理を施す。混合処理は湿式、乾式と存在するが、均一に混ぜることができれば特に限定されない。また、湿式においてはボールミル、ジェットミル、ビーズミル、超音波分散、ホモジナイザー処理が例示され、その分散媒は水、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、またはそれらを任意の割合に混合した分散媒が例示される。混合処理の効率を上げるために有機分散剤を添加してもよく、ポリエチレングリコール系分散剤、スルホン酸系分散剤、リン酸系分散剤が例示される。その後の成形工程の保形性を高めるために必要なバインダーは、この混合処理の段階で添加する。バインダー構造は分散媒に溶ける構造を選択することが必須であり、分散媒が水の場合、ポリビニルアルコール系バインダーが例示され、エタノール等の低級アルコールの場合、ポリビニルブチラールやポリ酢酸ビニル、あるいはそれらの共重合体が例示される。添加量はその後の成形工程で保形性が保たれる限り特に限定されない。
(Mixing process)
The weighed oxide powder, which is the starting material, is mixed uniformly, and if necessary, the powder that has aggregated to become secondary particles is pulverized to the state of primary particles, so that a mixing process is performed. There are wet and dry mixing processes, but there is no particular limitation as long as the powder can be mixed uniformly. In addition, in the wet process, examples include ball mills, jet mills, bead mills, ultrasonic dispersion, and homogenizer processing, and examples of the dispersion medium include water, methanol, ethanol, propyl alcohol, or a dispersion medium obtained by mixing them in any ratio. In order to increase the efficiency of the mixing process, an organic dispersant may be added, and examples of the organic dispersant include polyethylene glycol-based dispersants, sulfonic acid-based dispersants, and phosphoric acid-based dispersants. A binder required to improve the shape retention in the subsequent molding process is added at the stage of this mixing process. It is essential to select a binder structure that dissolves in the dispersion medium. When the dispersion medium is water, a polyvinyl alcohol-based binder is exemplified, and when the dispersion medium is a lower alcohol such as ethanol, examples of the binder include polyvinyl butyral, polyvinyl acetate, or copolymers thereof. The amount of addition is not particularly limited as long as the shape retention is maintained in the subsequent molding process.

なお、焼結助剤としてSiO2を添加する場合、SiO2原料は、例えばオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)、又はシリコンの酸化物粉末などのSiO2原料が好ましい。その添加量は、オルトケイ酸テトラエチル(TEOS)であれば、SiO2換算で原料粉末(ガーネット型複合酸化物用原料粉末+焼結助剤)全体において0ppm超1,000ppm以下(0質量%超0.1質量%以下)となる量であり、シリコンの酸化物粉末(SiO2粉末)であれば、原料粉末(ガーネット型複合酸化物用原料粉末+焼結助剤)全体において0ppm超1,000ppm以下(0質量%超0.1質量%以下)となる量であることが好ましい。添加量が1,000ppm超では過剰に含まれるSiによる結晶欠陥により微量な光吸収が発生するおそれがある。シリコンの酸化物粉末(SiO2粉末)の場合、その一次粒子径は特に限定されないが、1μm未満の微粉を用いると出発原料中に焼結助剤を均質に分散させられるため好ましい。 In addition, when SiO2 is added as a sintering aid, the SiO2 raw material is preferably a SiO2 raw material such as tetraethyl orthosilicate (TEOS) or silicon oxide powder. The amount of tetraethyl orthosilicate (TEOS) added is an amount that is more than 0 ppm and less than 1,000 ppm (more than 0 mass% and less than 0.1 mass%) in terms of SiO2 in the entire raw material powder (raw material powder for garnet-type complex oxide + sintering aid), and the amount of silicon oxide powder ( SiO2 powder) is preferably more than 0 ppm and less than 1,000 ppm (more than 0 mass% and less than 0.1 mass%) in terms of SiO2 in the entire raw material powder (raw material powder for garnet-type complex oxide + sintering aid). If the amount of addition exceeds 1,000 ppm, there is a risk of slight light absorption occurring due to crystal defects caused by the excessive Si contained. In the case of silicon oxide powder (SiO 2 powder), the primary particle size is not particularly limited, but it is preferable to use fine powder of less than 1 μm, since the sintering aid can be uniformly dispersed in the starting material.

(成形工程)
混合処理後に所定の形状となるように成形を施す。成形方法にも湿式、乾式とあるが、所定の形状に成形されれば特に限定されない。湿式には鋳込み成形、遠心鋳込み成形、押出成形、テープ成形が例示され、乾式では乾式一軸プレス成形、および冷間静水圧加圧(CIP(Cold Isostatic Pressing))成形が例示される。これら成形方法は2種類以上を組み合わせてもよく、乾式一軸プレス成形後のCIP成形や、鋳込み成形後のCIP成形を施してもよい。成形後の真密度に対する相対密度は、45%以上65%以下が好ましく、50%以上60%以下がより好ましい。
(molding process)
After the mixing process, the mixture is molded into a predetermined shape. There are wet and dry molding methods, but the method is not particularly limited as long as the mixture is molded into a predetermined shape. Examples of wet molding include casting, centrifugal casting, extrusion, and tape molding, and examples of dry molding include dry uniaxial press molding and cold isostatic pressing (CIP (Cold Isostatic Pressing)) molding. Two or more of these molding methods may be combined, and CIP molding after dry uniaxial press molding or CIP molding after casting molding may be performed. The relative density to the true density after molding is preferably 45% to 65%, more preferably 50% to 60%.

本発明では、上記混合工程において精密秤量した出発原料としての酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末と、焼結助剤であるSiO2原料とを湿式混合してスラリーとした後、該スラリーをスプレードライ処理して顆粒状原料とし、該顆粒状原料を用いて成形することが好ましい。この場合、通常のプレス成形工程を好適に利用できる。 In the present invention, it is preferable to wet mix the terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder and aluminum oxide powder as starting materials precisely weighed in the above mixing process with the SiO2 raw material as the sintering aid to form a slurry, then spray dry the slurry to form a granular raw material, and use the granular raw material to form a molded product. In this case, a normal press molding process can be suitably used.

(脱脂工程)
得られた成形体にはバインダー等の有機物が多量に含まれているため、脱脂処理を施す。脱脂は酸素18vol%以上の雰囲気で施すのが好ましく、また脱脂温度及び時間は有機物が完全に分解できる条件を選択すれば、特に限定はされないが、250℃以上が好ましく、300℃以上がより好ましく、400℃以上が更に好ましい。脱脂温度の上限は、緻密化が進行しない温度が好ましく、1000℃以下が好ましい。脱脂時間は1時間以上24時間以下が好ましい。
(Degreasing process)
The obtained molded body contains a large amount of organic matter such as binder, so it is subjected to a degreasing treatment. The degreasing is preferably performed in an atmosphere of 18 vol% or more of oxygen, and the degreasing temperature and time are not particularly limited as long as the conditions are selected so that the organic matter can be completely decomposed, but are preferably 250°C or more, more preferably 300°C or more, and even more preferably 400°C or more. The upper limit of the degreasing temperature is preferably a temperature at which densification does not progress, and is preferably 1000°C or less. The degreasing time is preferably 1 hour or more and 24 hours or less.

(焼結工程)
脱脂済の成形体を透明化するため、焼結処理を施す。焼結による透明化の方法として、大気圧下での焼結だけで透明化する方法と、相対密度93%以上99%以下に大気圧下で予備焼結し、その後に熱間等方圧プレス(HIP)処理を施すことで透明化する方法があるが、本発明においてはいずれの手法を使用してもよい。焼結温度は目的の焼結密度、あるいは高度に透明化が可能となれば特に限定されない。また、焼結の雰囲気は、透明化とした際に気泡が残らない条件であれば特に限定されず、真空下、酸素雰囲気下、大気下が例示される。HIP処理を施す場合には、圧媒はアルゴン、窒素、1vol%以下の酸素を含むアルゴンが好ましく、圧力は100MPa以上200MPa以下が好ましい。
(Sintering process)
In order to make the degreased molded body transparent, a sintering process is performed. As a method of making the molded body transparent by sintering, there is a method of making the molded body transparent only by sintering under atmospheric pressure, and a method of making the molded body transparent by pre-sintering the molded body to a relative density of 93% to 99% under atmospheric pressure and then performing a hot isostatic pressing (HIP) process. Either method may be used in the present invention. The sintering temperature is not particularly limited as long as it is possible to achieve the desired sintered density or to make the molded body highly transparent. In addition, the sintering atmosphere is not particularly limited as long as no bubbles remain when the molded body is made transparent, and examples of the sintering atmosphere include a vacuum atmosphere, an oxygen atmosphere, and air. When performing the HIP process, the pressure medium is preferably argon, nitrogen, or argon containing 1 vol% or less of oxygen, and the pressure is preferably 100 MPa to 200 MPa.

(アニール工程)
得られた焼結体は多少の酸素欠損を含んでいる場合があるため、酸素量が15vol%以上の雰囲気下でアニール処理を施す必要がある。アニール温度は酸素欠陥がなくなるのならば特に限定はされないが、1200℃以上1500℃以下が好ましい。1200℃未満では酸素欠陥を除去するだけの熱が足りず、一方1500℃超では、アニールにより気泡が再発生してしまうことがあり、好ましくない。アニール時間も酸素欠陥がなくなるまで行えばよく、20時間以上100時間以下が好ましい。
(Annealing process)
The obtained sintered body may contain some oxygen deficiencies, so it is necessary to perform annealing treatment in an atmosphere with an oxygen content of 15 vol% or more. The annealing temperature is not particularly limited as long as the oxygen deficiencies are eliminated, but it is preferably 1200°C or more and 1500°C or less. If it is less than 1200°C, there is not enough heat to remove the oxygen deficiencies, while if it is more than 1500°C, bubbles may re-occur due to annealing, which is not preferable. The annealing time may be performed until the oxygen deficiencies are eliminated, and it is preferably 20 hours or more and 100 hours or less.

(加工工程)
本発明の製造方法においては、上記一連の製造工程を経た焼結体(希土類ガーネット型透明セラミックス)について、その光学的に利用する軸上にある両端面を光学研磨することが好ましい。このときの光学面精度は測定波長λ=633nmの場合、λ/8以下が好ましく、λ/10以下が特に好ましい。なお、光学研磨された面に適宜反射防止膜を成膜することで光学損失を更に低減させることも可能である。
(Processing process)
In the manufacturing method of the present invention, it is preferable to optically polish both end faces on the optically utilized axis of the sintered body (rare earth garnet-type transparent ceramics) that has undergone the above-mentioned series of manufacturing steps. In this case, the optical surface accuracy is preferably λ/8 or less, particularly preferably λ/10 or less, when the measurement wavelength λ=633 nm. It is also possible to further reduce optical loss by appropriately forming an anti-reflection film on the optically polished surface.

以上のようにして、再現性良く高度に透明化された希土類ガーネット型透明セラミックスが得られる。また、出発原料として酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末及び酸化アルミニウム粉末を用いて式(1’)で表される常磁性ガーネット型複合酸化物の焼結体からなるものであって、実装長20mmでの波長1064nmの光の吸収や散乱が最小限に抑えられた、高出力用のファラデー回転子として使用可能な透明セラミックスが得られる。 In this manner, rare earth garnet-type transparent ceramics with high transparency can be obtained with good reproducibility. In addition, a transparent ceramic that can be used as a high-output Faraday rotator is obtained, which is made of a sintered body of a paramagnetic garnet-type composite oxide represented by formula (1') using terbium oxide powder, yttrium oxide powder, scandium oxide powder, and aluminum oxide powder as starting materials, and in which the absorption and scattering of light with a wavelength of 1064 nm at a mounting length of 20 mm is minimized.

[磁気光学デバイス]
更に、本発明で得られた上記希土類ガーネット型透明セラミックスは磁気光学材料として利用することを想定しているため、該常磁性ガーネット型透明セラミックスにその光学軸と平行に磁場を印加したうえで、偏光子、検光子とを互いにその光学軸が45度ずれるようにセットして磁気光学デバイスを構成利用することが好ましい。即ち、本発明の磁気光学材料は、磁気光学デバイス用途に好適であり、特に波長0.9~1.1μmの光アイソレータのファラデー回転子として好適に使用される。
[Magneto-optical devices]
Furthermore, since the rare earth garnet-type transparent ceramic obtained in the present invention is intended to be used as a magneto-optical material, it is preferable to apply a magnetic field parallel to the optical axis of the paramagnetic garnet-type transparent ceramic, and then set a polarizer and an analyzer so that their optical axes are shifted by 45 degrees from each other to form a magneto-optical device. That is, the magneto-optical material of the present invention is suitable for use in magneto-optical devices, and is particularly suitable for use as a Faraday rotator in an optical isolator with a wavelength of 0.9 to 1.1 μm.

図1は、本発明で得られた透明セラミックスからなるファラデー回転子を光学素子として有する光学デバイスである光アイソレータの一例を示す断面模式図である。
図1において、光アイソレータ100は、本発明で得られた常磁性ガーネット型透明セラミックスからなるファラデー回転子110を備え、該ファラデー回転子110の前後には、偏光材料である偏光子120及び検光子130が備えられている。また、光アイソレータ100は、その光学軸上に偏光子120、ファラデー回転子110、検光子130の順序で配置され、それらの側面のうちの少なくとも1面に磁石140が載置されていることが好ましい。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an optical isolator, which is an optical device having, as an optical element, a Faraday rotator made of the transparent ceramic obtained according to the present invention.
1, an optical isolator 100 includes a Faraday rotator 110 made of the paramagnetic garnet-type transparent ceramic obtained by the present invention, and a polarizer 120 and an analyzer 130, which are polarizing materials, are provided in front of and behind the Faraday rotator 110. Moreover, it is preferable that the optical isolator 100 has the polarizer 120, the Faraday rotator 110, and the analyzer 130 arranged in this order on its optical axis, and that a magnet 140 is placed on at least one of the side surfaces of these elements.

また、上記光アイソレータ100は産業用ファイバーレーザー装置に好適に利用できる。即ち、レーザー光源から発したレーザー光の反射光が光源に戻り、発振が不安定になるのを防止するのに好適である。 The optical isolator 100 can also be used effectively in industrial fiber laser devices. In other words, it is effective in preventing reflected light from the laser light emitted from the laser light source from returning to the light source, causing the oscillation to become unstable.

以下に、実施例、比較例及び参考例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below with reference to examples, comparative examples, and reference examples, but the present invention is not limited to these examples.

[試験例1]
(出発原料の1100℃における質量減少率の測定)
本実施例で出発原料として用いる各種の酸化物粉末について、(株)リガク製の熱重量・示唆熱分析装置(Thermo Plus Evo)を用いて、1100℃における質量減少率を測定した。即ち、白金容器に酸化物粉末を入れ、投入した粉末の重量を、小数点第4位まで測定できる精密天秤にて測定した。正確に重量を測定したのち、出発原料を入れた白金容器を熱重量・示唆熱分析装置にセットした。雰囲気はHe下で行い、15℃/分の昇温速度で室温(20℃)から1200℃まで加熱した後、室温まで空冷し、その間の熱重量(TG)測定を行った。測定データから、1100℃における質量減少率を取得し、その値をa(%)とした。
[Test Example 1]
(Measurement of mass loss rate of starting material at 1100°C)
The mass reduction rate at 1100°C was measured for various oxide powders used as starting materials in this example using a thermogravimetric/differential thermal analyzer (Thermo Plus Evo) manufactured by Rigaku Corporation. That is, the oxide powder was placed in a platinum container, and the weight of the powder was measured using a precision balance capable of measuring to the fourth decimal point. After accurately measuring the weight, the platinum container containing the starting material was set in the thermogravimetric/differential thermal analyzer. The atmosphere was He, and the material was heated from room temperature (20°C) to 1200°C at a heating rate of 15°C/min, and then air-cooled to room temperature, during which thermogravimetric (TG) measurements were performed. The mass reduction rate at 1100°C was obtained from the measurement data, and the value was designated as a (%).

測定した酸化物粉末の明細を以下に示す。
・Tb47(微粉):信越化学工業(株)製、比表面積大タイプ、粒径180nm、純度99.9質量%
・Y23(微粉):信越化学工業(株)製、比表面積大タイプ、粒径180nm、純度99.9質量%
・Sc23:信越化学工業(株)製、粒径3μm、純度99.9質量%
・CeO2:信越化学工業(株)製、比表面積大タイプ、粒径180nm、純度99.9質量%
・Lu23:信越化学工業(株)製、比表面積大タイプ、粒径180nm、純度99.9質量%
・Dy23:信越化学工業(株)製、比表面積大タイプ、粒径180nm、純度99.9質量%
・Al23:大明化学(株)製、タイミクロン、粒径300nm、純度99.9質量%
・Tb47(粗粉):信越化学工業(株)製、標準タイプ、粒径3μm、純度99.9質量%
・Y23(粗粉):信越化学工業(株)製、標準タイプ、粒径3μm、純度99.9質量%
The details of the measured oxide powders are shown below.
Tb 4 O 7 (fine powder): manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., large specific surface area type, particle size 180 nm, purity 99.9% by mass
Y2O3 (fine powder): manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., large specific surface area type, particle size 180 nm, purity 99.9% by mass
Sc2O3 : manufactured by Shin -Etsu Chemical Co., Ltd., particle size 3 μm, purity 99.9% by mass
CeO 2 : manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., large specific surface area type, particle size 180 nm, purity 99.9% by mass
Lu2O3 : manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., large specific surface area type, particle size 180 nm, purity 99.9% by mass
Dy 2 O 3 : manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., large specific surface area type, particle size 180 nm, purity 99.9% by mass
Al 2 O 3 : Taimicron, manufactured by Taimei Chemical Industry Co., Ltd., particle size 300 nm, purity 99.9% by mass
Tb 4 O 7 (coarse powder): manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., standard type, particle size 3 μm, purity 99.9% by mass
Y2O3 (coarse powder): manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., standard type, particle size 3 μm, purity 99.9% by mass

表1に、本発明で用いる出発原料(酸化物粉末)の1100℃における質量減少率を示す。表1より、出発原料の種類によって1100℃における質量減少率の値は大きく異なり、それぞれ固有の比表面積、吸着成分を有していることが分かった。 Table 1 shows the mass reduction rate at 1100°C of the starting material (oxide powder) used in the present invention. Table 1 shows that the mass reduction rate at 1100°C varies greatly depending on the type of starting material, and each has its own specific surface area and adsorbed components.

Figure 0007679782000001
Figure 0007679782000001

[実施例1]
上記出発原料のうち、Tb47(微粉)、Y23(微粉)、Sc23、CeO2、Lu23、Dy23、Al23を用いて、以下の手順で透明セラミックスを作製した。
[Example 1]
Among the above starting materials , transparent ceramics were produced using Tb4O7 (fine powder), Y2O3 (fine powder), Sc2O3 , CeO2 , Lu2O3 , Dy2O3 , and Al2O3 in the following manner.

(秤量及び原料調製工程)
目標組成ごとに、上記試験例1で測定した1100℃における質量減少率a(%)を用いて以下のように使用質量を求めた。なお、いずれも出発原料の予定合計質量W=50gとした
(Weighing and raw material preparation process)
For each target composition, the mass used was calculated as follows using the mass reduction rate a (%) at 1100°C measured in Test Example 1. In each case, the planned total mass W of the starting materials was 50 g.

(1)目標組成:Tb3Al512
(実施例1-1)
Tb(微粉)=3/2×MTb/MG1-1×W×100/(100-aTb(微粉))=36.63(g)
AL=5/2×MAL/MG1-1×W×100/(100-aAl)=16.24(g)
(比較例1-1)
m’Tb(微粉)=3/2×MTb/MG1-1×W=34.14(g)
m’AL=5/2×MAL/MG1-1×W=15.86(g)
(MTb=365.8、MAL=102.0、MG1-1=803.7、aTb(微粉)=6.8、aAl=2.2)
(1) Target composition: Tb 3 Al 5 O 12
(Example 1-1)
m Tb (fine powder) = 3/2 x M Tb / M G1-1 x W x 100/(100-a Tb (fine powder) ) = 36.63 (g)
m AL =5/2×M AL /M G1-1 ×W×100/(100-a Al )=16.24(g)
(Comparative Example 1-1)
m' Tb (fine powder) = 3/2 x M Tb /M G1-1 x W = 34.14 (g)
m' AL = 5/2 x M AL /M G1-1 x W = 15.86 (g)
(M Tb = 365.8, M AL = 102.0, M G1-1 = 803.7, a Tb (fine powder) = 6.8, a Al = 2.2)

(2)目標組成:Y3Al512
(実施例1-2)
Y(微粉)=3/2×MY/MG1-2×W×100/(100-aY(微粉))=31.91(g)
AL=5/2×MAL/MG1-2×W×100/(100-aAl)=21.96(g)
(比較例1-2)
m’Y(微粉)=3/2×MY/MG1-2×W=28.53(g)
m’AL=5/2×MAL/MG1-2×W=21.48(g)
(MY=225.8、MAL=102.0、MG1-2=593.6、aY(微粉)=10.6、aAl=2.2)
(2) Target composition: Y 3 Al 5 O 12
(Example 1-2)
m Y (fine powder) = 3/2 x M Y / M G1-2 x W x 100/(100-a Y (fine powder) ) = 31.91 (g)
m AL =5/2×M AL /M G1-2 ×W×100/(100-a Al )=21.96(g)
(Comparative Example 1-2)
m' Y (fine powder) = 3/2 x M Y /M G1-2 x W = 28.53 (g)
m' AL = 5/2 x M AL /M G1-2 x W = 21.48 (g)
(M Y =225.8, M AL =102.0, M G1-2 =593.6, a Y (fine powder) = 10.6, a Al = 2.2)

(3)目標組成:(Tb0.80.23Al512
(実施例1-3)
Tb(微粉)=3/2×0.8×MTb/MG1-3×W×100/(100-aTb(微粉))=30.92(g)
Y(微粉)=3/2×0.2×MY/MG1-3×W×100/(100-aY(微粉))=4.97(g)
AL=5/2×MAL/MG1-3×W×100/(100-aAl)=17.12(g)
(比較例1-3)
m’Tb(微粉)=3/2×0.8×MTb/MG1-3×W=28.81(g)
m’Y(微粉)=3/2×0.2×MY/MG1-3×W=4.45(g)
m’AL=5/2×MAL/MG1-3×W=16.74(g)
(MTb=365.8、MY=225.8、MAL=102.0、MG1-3=761.7、aTb(微粉)=6.8、aY(微粉)=10.6、aAl=2.2)
(3) Target composition: (Tb 0.8 Y 0.2 ) 3 Al 5 O 12
(Examples 1 to 3)
m Tb (fine powder) = 3/2 x 0.8 x M Tb / M G1-3 x W x 100/(100-a Tb (fine powder) ) = 30.92 (g)
m Y (fine powder) = 3/2 x 0.2 x M Y /M G1-3 x W x 100/(100-a Y (fine powder) ) = 4.97 (g)
m AL =5/2×M AL /M G1-3 ×W×100/(100-a Al )=17.12(g)
(Comparative Example 1-3)
m' Tb (fine powder) = 3/2 x 0.8 x M Tb /M G1-3 x W = 28.81 (g)
m' Y (fine powder) = 3/2 x 0.2 x M Y /M G1-3 x W = 4.45 (g)
m' AL = 5/2 x M AL /M G1-3 x W = 16.74 (g)
(M Tb = 365.8, M Y = 225.8, M AL = 102.0, M G1-3 = 761.7, a Tb (fine powder) = 6.8, a Y (fine powder) = 10.6, a Al = 2.2)

(4)目標組成:(Tb0.60.43Al512
(実施例1-4)
Tb(微粉)=3/2×0.6×MTb/MG1-4×W×100/(100-aTb(微粉))=24.54(g)
Y(微粉)=3/2×0.4×MY/MG1-4×W×100/(100-aY(微粉))=10.53(g)
AL=5/2×MAL/MG1-4×W×100/(100-aAl)=18.11(g)
(比較例1-4)
m’Tb(微粉)=3/2×0.6×MTb/MG1-4×W=22.87(g)
m’Y(微粉)=3/2×0.4×MY/MG1-4×W=9.41(g)
m’AL=5/2×MAL/MG1-4×W=17.72(g)
(MTb=365.8、MY=225.8、MAL=102.0、MG1-4=719.7、aTb(微粉)=6.8、aY(微粉)=10.6、aAl=2.2)
(4) Target composition: (Tb 0.6 Y 0.4 ) 3 Al 5 O 12
(Examples 1 to 4)
m Tb (fine powder) = 3/2 x 0.6 x M Tb / M G1-4 x W x 100/(100-a Tb (fine powder) ) = 24.54 (g)
m Y (fine powder) = 3/2 x 0.4 x M Y /M G1-4 x W x 100/(100-a Y (fine powder) ) = 10.53 (g)
m AL =5/2×M AL /M G1-4 ×W×100/(100-a Al )=18.11(g)
(Comparative Examples 1 to 4)
m' Tb (fine powder) = 3/2 x 0.6 x M Tb /M G1-4 x W = 22.87 (g)
m' Y (fine powder) = 3/2 x 0.4 x M Y /M G1-4 x W = 9.41 (g)
m' AL = 5/2 x M AL /M G1-4 x W = 17.72 (g)
(M Tb = 365.8, M Y = 225.8, M AL = 102.0, M G1-4 = 719.7, a Tb (fine powder) = 6.8, a Y (fine powder) = 10.6, a Al = 2.2)

(5)目標組成:(Tb0.60.38Sc0.023(Al0.998Sc0.002512
(実施例1-5)
Tb(微粉)=3/2×0.6×MTb/MG1-5×W×100/(100-aTb(微粉))=25.08(g)
Y(微粉)=3/2×0.38×MY/MG1-5×W×100/(100-aY(微粉))=10.22(g)
AL=5/2×0.998×MAL/MG1-5×W×100/(100-aAl)=18.47(g)
Sc=(3×0.02/2+5×0.002/2)(MSc/MG1-5)×W×100/(100-aSc)=0.35(g)
(比較例1-5)
m’Tb(微粉)=3/2×0.6×MTb/MG1-5×W=23.38(g)
m’Y(微粉)=3/2×0.38×MY/MG1-5×W=9.14(g)
m’AL=5/2×0.998×MAL/MG1-5×W=17.99(g)
m’Sc=(3×0.02/2+5×0.002/2)(MSc/MG1-5)×W=0.34(g)
(MTb=365.8、MY=225.8、MAL=102.0、MSc=137.9、MG1-5=704.2、aTb(微粉)=6.8、aY(微粉)=10.6、aAl=2.2、aSc=1.4)
(5) Target composition: (Tb 0.6 Y 0.38 Sc 0.02 ) 3 (Al 0.998 Sc 0.002 ) 5 O 12
(Examples 1 to 5)
m Tb (fine powder) = 3/2 x 0.6 x M Tb / M G1-5 x W x 100/(100-a Tb (fine powder) ) = 25.08 (g)
m Y (fine powder) = 3/2 x 0.38 x M Y /M G1-5 x W x 100/(100-a Y (fine powder) ) = 10.22 (g)
m AL =5/2×0.998×M AL /M G1-5 ×W×100/(100-a Al )=18.47(g)
m Sc = (3 x 0.02/2 + 5 x 0.002/2) (M Sc / M G1-5 ) x W x 100/(100-a Sc ) = 0.35 (g)
(Comparative Example 1-5)
m' Tb (fine powder) = 3/2 x 0.6 x M Tb /M G1-5 x W = 23.38 (g)
m' Y (fine powder) = 3/2 x 0.38 x M Y /M G1-5 x W = 9.14 (g)
m' AL = 5/2 x 0.998 x M AL /M G1-5 x W = 17.99 (g)
m' Sc = (3 x 0.02/2 + 5 x 0.002/2) (M Sc /M G1-5 ) x W = 0.34 (g)
(M Tb = 365.8, M Y = 225.8, M AL = 102.0, M Sc = 137.9, M G1-5 = 704.2, a Tb (fine powder) = 6.8, a Y (fine powder) = 10.6, a Al = 2.2, a Sc = 1.4)

(6)目標組成:(Y0.999Ce0.0013Al512
(実施例1-6)
Y(微粉)=3/2×0.999×MY/MG1-6×W×100/(100-aY(微粉))=31.87(g)
Ce=3/2×0.001×MCe/MG1-6×W×100/(100-aCe)=0.04(g)
AL=5/2×MAL/MG1-6×W×100/(100-aAl)=21.95(g)
(比較例1-6)
m’Y(微粉)=3/2×0.999×MY/MG1-6×W=28.49(g)
m’Ce=3/2×0.001×MCe/MG1-6×W=0.04(g)
m’AL=5/2×MAL/MG1-6×W=21.47(g)
(MY=225.8、MCe=328.2、MAL=102.0、MG1-6=593.8、aY(微粉)=10.6、aCe=5.9、aAl=2.2)
(6) Target composition: (Y 0.999 Ce 0.001 ) 3 Al 5 O 12
(Examples 1 to 6)
m Y (fine powder) = 3/2 x 0.999 x M Y /M G1-6 x W x 100/(100-a Y (fine powder) ) = 31.87 (g)
m Ce = 3/2 x 0.001 x M Ce /M G1-6 x W x 100/(100-a Ce ) = 0.04 (g)
m AL =5/2×M AL /M G1-6 ×W×100/(100-a Al )=21.95(g)
(Comparative Example 1-6)
m' Y (fine powder) = 3/2 x 0.999 x M Y /M G1-6 x W = 28.49 (g)
m' Ce = 3/2 x 0.001 x M Ce /M G1-6 x W = 0.04 (g)
m' AL = 5/2 x M AL /M G1-6 x W = 21.47 (g)
(M Y =225.8, M Ce =328.2, M AL =102.0, M G1-6 =593.8, a Y (fine powder) = 10.6, a Ce = 5.9, a Al = 2.2)

(7)目標組成:Lu3Al512
(実施例1-7)
Lu=3/2×MLu/MG1-7×W×100/(100-aLu)=36.31(g)
AL=5/2×MAL/MG1-7×W×100/(100-aAl)=15.30(g)
(比較例1-7)
m’Lu=3/2×MLu/MG1-7×W=35.04(g)
m’AL=5/2×MAL/MG1-7×W=14.97(g)
(MLu=398.0、MAL=102.0、MG1-7=851.9、aLu=3.5、aAl=2.2)
(7) Target composition: Lu 3 Al 5 O 12
(Examples 1 to 7)
m Lu = 3/2 x M Lu /M G1-7 x W x 100/(100-a Lu ) = 36.31 (g)
m AL =5/2×M AL /M G1-7 ×W×100/(100-a Al )=15.30(g)
(Comparative Example 1-7)
m' Lu = 3/2 x M Lu /M G1-7 x W = 35.04 (g)
m' AL = 5/2 x M AL /M G1-7 x W = 14.97 (g)
(M Lu =398.0, M AL =102.0, M G1-7 =851.9, a Lu =3.5, a Al =2.2)

(8)目標組成:Dy3Al512
(実施例1-8)
Dy=3/2×MDy/MG1-8×W×100/(100-aDy)=35.45(g)
AL=5/2×MAL/MG1-8×W×100/(100-aAl)=16.01(g)
(比較例1-8)
m’Dy=3/2×MDy/MG1-8×W=34.35(g)
m’AL=5/2×MAL/MG1-8×W=15.66(g)
(MDy=373.0、MAL=102.0、MG1-8=814.4、aDy=3.1、aAl=2.2)
(8) Target composition: Dy 3 Al 5 O 12
(Examples 1 to 8)
m Dy = 3/2 x M Dy / M G1-8 x W x 100/(100-a Dy ) = 35.45 (g)
m AL =5/2×M AL /M G1-8 ×W×100/(100-a Al )=16.01(g)
(Comparative Example 1-8)
m' Dy = 3/2 x M Dy /M G1-8 x W = 34.35 (g)
m' AL = 5/2 x M AL /M G1-8 x W = 15.66 (g)
(M Dy =373.0, M AL =102.0, M G1-8 =814.4, a Dy =3.1, a Al =2.2)

(9)目標組成:Tb3.014Al4.98612
(参考例1)
Tb(微粉)=3.014/2×MTb/MG1-9×W=34.22(g)
AL=4.986/2×MAL/MG1-9×W=15.79(g)
(MTb=365.8、MAL=102.0、MG1-9=805.4)
(9) Target composition: Tb 3.014 Al 4.986 O 12
(Reference example 1)
m Tb (fine powder) = 3.014/2 x M Tb / M G1-9 x W = 34.22 (g)
m AL =4.986/2 x M AL /M G1-9 x W = 15.79 (g)
(M Tb =365.8, M AL =102.0, M G1-9 =805.4)

目標組成ごとに、出発原料を上記のようにして求めた使用質量分を秤量した。秤量は小数点第4位まで測定可能な精密天秤を用いた。
秤量した出発原料(酸化物粉末)をボールミル容器に投入した。その後、酸化物粉末の濃度が30質量%となるようにエタノールを入れ、分散剤としてポリエチレングリコールを0.01質量%、焼結助剤としてTEOS(キシダ化学(株)製)をSi換算で100ppmとなるように添加した。次いで、ボールミル容器に直径2mmのアルミナボールをいれ、回転台にセットし、ボールミル混合を20時間行った。
得られたスラリーにバインダーとしてポリビニルアルコール系バインダー((株)クラレ製)を粉末量に対して1.5質量%分を添加し、さらに4時間ボールミル混合をした。
最後にスラリーとアルミナボールとを分離し、スプレードライによって原料を顆粒化した。
For each target composition, the starting materials were weighed out in the amount determined as above. A precision balance capable of measuring to four decimal places was used for the weighing.
The weighed starting material (oxide powder) was placed in a ball mill container. Then, ethanol was added so that the concentration of the oxide powder was 30 mass%, and 0.01 mass% of polyethylene glycol was added as a dispersant, and TEOS (Kishida Chemical Co., Ltd.) was added as a sintering aid so that the concentration was 100 ppm in terms of Si. Next, alumina balls with a diameter of 2 mm were placed in the ball mill container, which was then set on a rotating table, and ball mill mixing was performed for 20 hours.
To the obtained slurry, a polyvinyl alcohol binder (manufactured by Kuraray Co., Ltd.) was added as a binder in an amount of 1.5 mass % based on the powder amount, and the mixture was further mixed in a ball mill for 4 hours.
Finally, the slurry was separated from the alumina balls, and the raw material was granulated by spray drying.

(成形工程)
前工程で得られた顆粒を円筒状金型に充填し、乾式一軸プレス成形によって所定の形状となるように成形した。成形体の形状は直径8mm×長さ40mmの円柱形状である。次いで、一軸プレス成形体について圧力198MPaの条件でCIP処理を施し、成形体の相対密度を60%とした。
(脱脂工程)
得られたCIP成形体を270℃、3時間の条件で脱脂した。なお、有機物の除去の確認及び脱脂による酸素吸収量の測定は上記TG分析により決定した。有機物の分解は400℃までの重量減少により判断し、また酸素吸収量は400℃付近の重量上昇量で比較した。
(焼結工程)
予備焼結処理-HIP処理の2段階焼結工程により行った。即ち、まず上記の脱脂済み成形体を真空焼結炉にセットし、真空度1×10-4Pa、昇温速度100℃/h、1600℃2時間保持の条件で予備焼結処理を行った。予備焼結後の密度はいずれのサンプルも93%以上となった。続いて透明化を図るために、予備焼結体サンプルについて圧力198MPaのAr雰囲気下、1600℃、3時間の条件でHIP処理を施した。HIP後のサンプルは透明化しているが、酸素欠陥による黒色化が見られるので、大気中1450℃、30時間の酸化アニール処理を行った。酸化アニール後のサンプルはいずれも無色透明となった。
(研磨・加工工程)
アニール処理済みのHIP焼結体サンプルを外径5mmとなるように円筒研削し、さらに長さ20mmとなるように光学研磨を施した。その際、研磨面精度はλ/8(λ=633nm)となるように加工条件を調整した。
(molding process)
The granules obtained in the previous step were filled into a cylindrical mold and molded into a predetermined shape by dry uniaxial press molding. The molded body was a cylinder with a diameter of 8 mm and a length of 40 mm. The uniaxial press molded body was then subjected to CIP treatment at a pressure of 198 MPa, and the relative density of the molded body was set to 60%.
(Degreasing process)
The obtained CIP molded body was degreased at 270°C for 3 hours. The removal of organic matter was confirmed and the amount of oxygen absorbed by degreasing was measured by the above-mentioned TG analysis. The decomposition of organic matter was judged by the weight loss up to 400°C, and the amount of oxygen absorbed was compared by the weight increase around 400°C.
(Sintering process)
The sintering was carried out in a two-stage sintering process of pre-sintering and HIP. That is, the above-mentioned degreased compact was first set in a vacuum sintering furnace, and pre-sintering was carried out under the conditions of a vacuum degree of 1×10 −4 Pa, a heating rate of 100° C./h, and a holding time of 1600° C. for 2 hours. The density of each sample after pre-sintering was 93% or more. Next, in order to achieve transparency, the pre-sintered samples were subjected to HIP treatment under the conditions of 1600° C. for 3 hours in an Ar atmosphere with a pressure of 198 MPa. Although the samples after HIP were transparent, blackening due to oxygen defects was observed, so oxidation annealing was carried out in the atmosphere at 1450° C. for 30 hours. All samples after oxidation annealing became colorless and transparent.
(polishing/processing process)
The annealed HIP sintered sample was cylindrically ground to an outer diameter of 5 mm, and then optically polished to a length of 20 mm. At that time, the processing conditions were adjusted so that the polished surface precision was λ/8 (λ=633 nm).

以上のようにして得られた透明セラミックスサンプルについて以下の評価を行った。
(透過率測定)
光学研磨された透明セラミックスサンプルの透明性として、JIS K7136:2000を参考に測定した。即ち、積分球に光を通過する入口開口と出口開口を設け、入口開口部に試料(透明セラミックスサンプル)を設置する。出口開口部に反射板を取り付けることにより、試料から出射された光をすべて積分球で検知することが可能となり、この検知した出射光の強度と試料に入射する光強度の比から全光線透過率を測定した。装置は日本分光社製の分光光度計(V-670)を用い、付属されている積分球を使用して測定した。その際、照射する光のスポット径は3mmとなるようにピンホールを設けた。なお、測定波長は1064nmに固定した。
以上の結果を表2に示す。
The transparent ceramic samples obtained as described above were evaluated as follows.
(Transmittance measurement)
The transparency of the optically polished transparent ceramic sample was measured with reference to JIS K7136:2000. That is, an entrance opening and an exit opening through which light passes are provided in an integrating sphere, and a sample (transparent ceramic sample) is placed at the entrance opening. By attaching a reflector to the exit opening, it becomes possible to detect all the light emitted from the sample with the integrating sphere, and the total light transmittance was measured from the ratio of the intensity of the detected emitted light to the intensity of the light incident on the sample. The device used was a spectrophotometer (V-670) manufactured by JASCO Corporation, and the measurement was performed using the attached integrating sphere. At that time, a pinhole was provided so that the spot diameter of the irradiated light was 3 mm. The measurement wavelength was fixed at 1064 nm.
The results are shown in Table 2.

Figure 0007679782000002
Figure 0007679782000002

以上の結果、実施例1-1~1-8のように、出発原料について1100℃における質量減少率(a(%))により補正した使用質量で秤量した場合はすべて高度に透明なものとなった。一方、比較例1-1~1-8のように、出発原料について1100℃における質量減少率(a(%))による補正をすることなく従来とおりに求めた使用質量分を秤量した場合は、セラミックスの組成のずれによるみられる透過率の低下が認められた。なお、参考例1のように、出発原料について1100℃における質量減少率(a(%))による補正をしなくても、目標組成を理想的な比率からずらすことにより高度に透明なセラミックスを得ることが可能である。これらの結果から、出発原料の酸化物粉末に吸着した水分等の影響により、目標としていた組成とは異なる組成のセラミックスができていることを示唆している。なお、ここでいう高度に透明というのは、透過率が82%以上であることを指している。また、備考欄の「異相あり」は倍率100倍の光学顕微鏡観察により異相が認められたことを意味する(以下、同じ)。 As a result of the above, when the starting materials were weighed by the mass used corrected by the mass loss rate (a(%)) at 1100°C as in Examples 1-1 to 1-8, all were highly transparent. On the other hand, when the starting materials were weighed by the mass used calculated as in the conventional manner without correcting by the mass loss rate (a(%)) at 1100°C as in Comparative Examples 1-1 to 1-8, a decrease in transmittance due to deviation in the ceramic composition was observed. It should be noted that, as in Reference Example 1, it is possible to obtain highly transparent ceramics by shifting the target composition from the ideal ratio even without correcting by the mass loss rate (a(%)) at 1100°C for the starting materials. These results suggest that ceramics with a composition different from the target composition are produced due to the influence of moisture adsorbed on the oxide powder of the starting materials. Note that "highly transparent" here refers to a transmittance of 82% or more. Also, "hereinafter, there is a different phase" in the remarks column means that a different phase was observed by observation with an optical microscope at a magnification of 100 times.

[実施例2]
実施例1-1、比較例1-1において、出発原料のTb酸化物粉末を、Tb47(粗粉)として以下のように使用質量を求め、それ以外は実施例1-1、比較例1-1と同様にして透明セラミックスサンプルを作製した。また、参考例1において、出発原料のTb酸化物粉末を、Tb47(粗粉)とし、それ以外は参考例1と同様にして透明セラミックスサンプルを作製した。その結果を表3に示す。
・目標組成:Tb3Al512
(実施例2)
Tb(粗粉)=3/2×MTb/MG2×W×100/(100-aTb(粗粉))=35.12(g)
AL=5/2×MAL/MG2×W×100/(100-aAl)=16.22(g)
(比較例2)
m’Tb(粗粉)=3/2×MTb/MG2×W=34.14(g)
m’AL=5/2×MAL/MG2×W=15.86(g)
(MTb=365.8、MAL=102.0、MG2=803.7、aTb(粗)=2.8、aAl=2.2)
・目標組成:Tb3.014Al4.98612
(参考例2)
Tb(粗粉)=3.014/2×MTb/MG1-9×W=34.22(g)
AL=4.986/2×MAL/MG1-9×W=15.79(g)
(MTb=365.8、MAL=102.0、MG1-9=805.4)
[Example 2]
In Example 1-1 and Comparative Example 1-1, the starting Tb oxide powder was Tb 4 O 7 (coarse powder) and the mass used was calculated as follows, and transparent ceramic samples were produced in the same manner as in Example 1-1 and Comparative Example 1-1. In Reference Example 1, the starting Tb oxide powder was Tb 4 O 7 (coarse powder) and the transparent ceramic sample was produced in the same manner as in Reference Example 1. The results are shown in Table 3.
・Target composition: Tb 3 Al 5 O 12
Example 2
m Tb (coarse powder) = 3/2 x M Tb / M G2 x W x 100/(100-a Tb (coarse powder) ) = 35.12 (g)
m AL =5/2×M AL /M G2 ×W×100/(100-a Al )=16.22(g)
(Comparative Example 2)
m' Tb (coarse powder) = 3/2 x M Tb /M G2 x W = 34.14 (g)
m' AL = 5/2 x M AL /M G2 x W = 15.86 (g)
(M Tb = 365.8, M AL = 102.0, M G2 = 803.7, a Tb (coarse) = 2.8, a Al = 2.2)
・Target composition: Tb 3.014 Al 4.986 O 12
(Reference example 2)
m Tb (coarse powder) = 3.014/2 x M Tb / M G1-9 x W = 34.22 (g)
m AL =4.986/2 x M AL /M G1-9 x W = 15.79 (g)
(M Tb =365.8, M AL =102.0, M G1-9 =805.4)

Figure 0007679782000003
Figure 0007679782000003

以上の結果、実施例2では高度に透明化できたのに対し、比較例2では透過率が低くなった。また、参考例2では、参考例1で高度に透明化した目標組成(秤量条件)にもかかわらず、透過率が悪くなっている。出発原料の酸化物粉末における吸着水分量等の差により、参考例1と参考例2との間で差が生じたものと考えられる。
このように、本発明の製造方法によれば、出発原料の酸化物粉末の種類やロットが変わっても、再現性良く高度に透明なガーネット型セラミックスを作製することが可能となる。
As a result of the above, high transparency was achieved in Example 2, whereas the transmittance was low in Comparative Example 2. Moreover, in Reference Example 2, the transmittance was poor despite the target composition (weighing conditions) that achieved high transparency in Reference Example 1. It is believed that the difference between Reference Example 1 and Reference Example 2 was due to differences in the amount of adsorbed moisture in the oxide powder as the starting material.
As described above, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to produce highly transparent garnet-type ceramics with good reproducibility even if the type or lot of the starting oxide powder is changed.

[実施例3]
上記実施例1-3、1-4、並びに比較例1-3、1-4において、Tb酸化物粉末、Y酸化物粉末の組み合わせをそれぞれ、Tb47(微粉)-Y23(粗粉)、Tb47(粗粉)-Y23(微粉)に変更して以下のように使用質量を求め、それ以外は実施例1-3、1-4、比較例1-3、1-4と同様にして透明セラミックスサンプルを作製した。
(1)目標組成:(Tb0.80.23Al512
(実施例3-1)
Tb(微粉)=3/2×0.8×MTb/MG3(1)×W×100/(100-aTb(微粉))=30.92(g)
Y(粗粉)=3/2×0.2×MY/MG3(1)×W×100/(100-aY(粗粉))=4.60(g)
AL=5/2×MAL/MG3(1)×W×100/(100-aAl)=17.12(g)
(比較例3-1)
m’Tb(微粉)=3/2×0.8×MTb/MG3(1)×W=28.81(g)
m’Y(粗粉)=3/2×0.2×MY/MG3(1)×W=4.45(g)
m’AL=5/2×MAL/MG3(1)×W=16.74(g)
(実施例3-2)
Tb(粗粉)=3/2×0.8×MTb/MG3(1)×W×100/(100-aTb(粗粉))=29.64(g)
Y(微粉)=3/2×0.2×MY/MG3(1)×W×100/(100-aY(微粉))=4.97(g)
AL=5/2×MAL/MG3(1)×W×100/(100-aAl)=17.12(g)
(比較例3-2)
m’Tb(粗粉)=3/2×0.8×MTb/MG3(1)×W=28.81(g)
m’Y(微粉)=3/2×0.2×MY/MG3(1)×W=4.45(g)
m’AL=5/2×MAL/MG3(1)×W=16.74(g)
(MTb=365.8、MY=225.8、MAL=102.0、MG3(1)=761.7、aTb(微粉)=6.8、aTb(粗粉)=2.8、aY(微粉)=10.6、aY(粗粉)=3.4、aAl=2.2)
[Example 3]
In the above Examples 1-3 and 1-4 and Comparative Examples 1-3 and 1-4, the combinations of Tb oxide powder and Y oxide powder were changed to Tb 4 O 7 (fine powder)-Y 2 O 3 (coarse powder) and Tb 4 O 7 (coarse powder)-Y 2 O 3 (fine powder), respectively, and the masses used were calculated as follows. Otherwise, transparent ceramic samples were prepared in the same manner as in Examples 1-3 and 1-4 and Comparative Examples 1-3 and 1-4.
(1) Target composition: (Tb 0.8 Y 0.2 ) 3 Al 5 O 12
(Example 3-1)
m Tb (fine powder) = 3/2 x 0.8 x M Tb /M G3(1) x W x 100/(100-a Tb (fine powder) ) = 30.92 (g)
m Y (coarse powder) = 3/2 x 0.2 x M Y /M G3(1) x W x 100/(100-a Y (coarse powder) ) = 4.60 (g)
m AL =5/2×M AL /M G3(1) ×W×100/(100-a Al )=17.12(g)
(Comparative Example 3-1)
m' Tb (fine powder) = 3/2 x 0.8 x M Tb /M G3(1) x W = 28.81 (g)
m' Y (coarse powder) = 3/2 x 0.2 x M Y /M G3(1) x W = 4.45 (g)
m' AL = 5/2 x M AL /M G3(1) x W = 16.74 (g)
(Example 3-2)
m Tb (coarse powder) = 3/2 x 0.8 x M Tb /M G3(1) x W x 100/(100-a Tb (coarse powder) ) = 29.64 (g)
m Y (fine powder) = 3/2 x 0.2 x M Y /M G3(1) x W x 100/(100-a Y (fine powder) ) = 4.97 (g)
m AL =5/2×M AL /M G3(1) ×W×100/(100-a Al )=17.12(g)
(Comparative Example 3-2)
m' Tb (coarse powder) = 3/2 x 0.8 x M Tb /M G3(1) x W = 28.81 (g)
m' Y (fine powder) = 3/2 x 0.2 x M Y /M G3(1) x W = 4.45 (g)
m' AL = 5/2 x M AL /M G3(1) x W = 16.74 (g)
(M Tb = 365.8, M Y = 225.8, M AL = 102.0, M G3(1) = 761.7, a Tb (fine powder) = 6.8, a Tb (coarse powder) = 2.8, a Y (fine powder) = 10.6, a Y (coarse powder) = 3.4, a Al = 2.2)

(2)目標組成:(Tb0.60.43Al512
(実施例3-3)
Tb(微粉)=3/2×0.6×MTb/MG3(2)×W×100/(100-aTb(微粉))=24.54(g)
Y(粗粉)=3/2×0.4×MY/MG3(2)×W×100/(100-aY(粗粉))=9.74(g)
AL=5/2×MAL/MG3(2)×W×100/(100-aAl)=18.11(g)
(比較例3-3)
m’Tb(微粉)=3/2×0.6×MTb/MG3(2)×W=22.87(g)
m’Y(粗粉)=3/2×0.4×MY/MG3(2)×W=9.41(g)
m’AL=5/2×MAL/MG3(2)×W=17.72(g)
(実施例3-4)
Tb(粗粉)=3/2×0.6×MTb/MG3(2)×W×100/(100-aTb(粗粉))=23.53(g)
Y(微粉)=3/2×0.4×MY/MG3(2)×W×100/(100-aY(微粉))=10.53(g)
AL=5/2×MAL/MG3(2)×W×100/(100-aAl)=18.11g)
(比較例3-4)
m’Tb(粗粉)=3/2×0.6×MTb/MG3(2)×W=22.87(g)
m’Y(微粉)=3/2×0.4×MY/MG3(2)×W=9.41(g)
m’AL=5/2×MAL/MG3(2)×W=17.72(g)
(MTb=365.8、MY=225.8、MAL=102.0、MG3(2)=719.7、aTb(微粉)=6.8、aTb(粗粉)=2.8、aY(微粉)=10.6、aY(粗粉)=3.4、aAl=2.2)
(2) Target composition: (Tb 0.6 Y 0.4 ) 3 Al 5 O 12
(Example 3-3)
m Tb (fine powder) = 3/2 x 0.6 x M Tb /M G3(2) x W x 100/(100-a Tb (fine powder) ) = 24.54 (g)
m Y (coarse powder) = 3/2 x 0.4 x M Y /M G3(2) x W x 100/(100-a Y (coarse powder) ) = 9.74 (g)
m AL =5/2×M AL /M G3(2) ×W×100/(100-a Al )=18.11(g)
(Comparative Example 3-3)
m' Tb (fine powder) = 3/2 x 0.6 x M Tb /M G3(2) x W = 22.87 (g)
m' Y (coarse powder) = 3/2 x 0.4 x M Y /M G3(2) x W = 9.41 (g)
m' AL = 5/2 x M AL /M G3(2) x W = 17.72 (g)
(Example 3-4)
m Tb (coarse powder) = 3/2 x 0.6 x M Tb /M G3(2) x W x 100/(100-a Tb (coarse powder) ) = 23.53 (g)
m Y (fine powder) = 3/2 x 0.4 x M Y /M G3(2) x W x 100/(100-a Y (fine powder) ) = 10.53 (g)
m AL =5/2×M AL /M G3(2) ×W×100/(100-a Al )=18.11g)
(Comparative Example 3-4)
m' Tb (coarse powder) = 3/2 x 0.6 x M Tb /M G3(2) x W = 22.87 (g)
m' Y (fine powder) = 3/2 x 0.4 x M Y /M G3(2) x W = 9.41 (g)
m' AL = 5/2 x M AL /M G3(2) x W = 17.72 (g)
(M Tb = 365.8, M Y = 225.8, M AL = 102.0, M G3(2) = 719.7, a Tb (fine powder) = 6.8, a Tb (coarse powder) = 2.8, a Y (fine powder) = 10.6, a Y (coarse powder) = 3.4, a Al = 2.2)

上記のようにして得られた透明セラミックスサンプルについて、上記透過率を測定すると共に、以下のようにアイソレータ搭載を前提としてベルデ定数を測定した。
(ベルデ定数)
Tbを含むガーネット型透明セラミックスは磁気光学効果を有するため、アイソレータ用材料として用いることができる。得られた透明セラミックスがアイソレータとして使用可能か調査するために、ベルデ定数を測定した。
図1に示すように、得られた各セラミックスサンプルを外径32mm、内径6mm、長さ40mmのネオジム-鉄-ボロン磁石の中心に挿入し、その両端に偏光子を挿入した後、IPGフォトニクスジャパン(株)製ハイパワーレーザー(ビーム径1.6mm)を用いて、両端面から、波長1064nmのハイパワーレーザー光線を入射して、ファラデー回転角θを決定した。ファラデー回転角θは出射側の偏光子を回転させた時に、最大の透過率を示す角度とした。以下の式に基づき、ベルデ定数を算出した。なお、サンプルに印加される磁界の大きさ(H)は、上記測定系の寸法、残留磁束密度(Br)及び保持力(Hc)からシミュレーションにより算出した値を用いた。
θ=V×H×L
(式中、θはファラデー回転角(Rad)、Vはベルデ定数(Rad/(T・m))、Hは磁界の大きさ(T)、Lはファラデー回転子の長さ(この場合、0.020m)である。)
以上の結果を、実施例1-1、1-3、1-4、1-5、2、並びに比較例1-1、1-3、1-4、1-5、2の透明セラミックスサンプルについて測定したベルデ定数の結果と共に以下に示す。
For the transparent ceramic sample obtained as described above, the transmittance was measured, and the Verdet constant was also measured on the assumption that an isolator was installed as described below.
(Verde constant)
Since the garnet-type transparent ceramics containing Tb have a magneto-optical effect, they can be used as materials for isolators. To investigate whether the obtained transparent ceramics can be used as an isolator, the Verdet constant was measured.
As shown in FIG. 1, each of the obtained ceramic samples was inserted into the center of a neodymium-iron-boron magnet with an outer diameter of 32 mm, an inner diameter of 6 mm, and a length of 40 mm, and polarizers were inserted at both ends. Then, a high-power laser beam with a wavelength of 1064 nm was incident from both end faces using a high-power laser (beam diameter 1.6 mm) manufactured by IPG Photonics Japan Co., Ltd., to determine the Faraday rotation angle θ. The Faraday rotation angle θ was defined as the angle showing the maximum transmittance when the polarizer on the output side was rotated. The Verdet constant was calculated based on the following formula. The magnitude (H) of the magnetic field applied to the sample was calculated by simulation from the dimensions of the measurement system, the residual magnetic flux density (Br), and the coercive force (Hc).
θ=V×H×L
(In the formula, θ is the Faraday rotation angle (Rad), V is the Verdet constant (Rad/(T·m)), H is the magnitude of the magnetic field (T), and L is the length of the Faraday rotator (0.020 m in this case).)
The above results are shown below together with the results of the Verdet constants measured for the transparent ceramic samples of Examples 1-1, 1-3, 1-4, 1-5, and 2 and Comparative Examples 1-1, 1-3, 1-4, 1-5, and 2.

Figure 0007679782000004
Figure 0007679782000004

Figure 0007679782000005
Figure 0007679782000005

いずれの場合も実施例と比較例とでベルデ定数が同じとはならなかった。これは、比較例において出発原料についての1100℃における質量減少率(a(%))による補正がないことにより、目標組成からTbとそのほかの元素とのバランスがくずれることとなり実施例のベルデ定数と差異を生じたものと思われる。即ち、従来の製造方法では、目標組成を理想の比率に固定した場合、出発原料のTb酸化物粉末やそのほかの酸化物粉末の種類(比表面積など)の影響によりベルデ定数がばらつくことが予想されるが、ベルデ定数がばらついてしまうと、アイソレータの品質に影響し、戻り光の消光比が悪化する可能性もあるため、好ましくない。
以上のように、本発明によれば、透明セラミックスの高度透明化だけでなく、磁気光学素子としての性能を保証する上でも有効である。
In either case, the Verdet constant was not the same between the Example and the Comparative Example. This is thought to be because the comparative example did not correct for the mass reduction rate (a (%)) of the starting material at 1100°C, which caused the balance between Tb and other elements to be lost from the target composition, resulting in a difference from the Verdet constant of the Example. In other words, in the conventional manufacturing method, when the target composition is fixed to an ideal ratio, it is expected that the Verdet constant will vary due to the influence of the type (specific surface area, etc.) of the Tb oxide powder and other oxide powders in the starting material. If the Verdet constant varies, it is not preferable because it may affect the quality of the isolator and may deteriorate the extinction ratio of the return light.
As described above, the present invention is effective not only in making transparent ceramics highly transparent, but also in ensuring the performance of magneto-optical elements.

なお、これまで本発明を上述した実施形態をもって説明してきたが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。 Although the present invention has been described above using the above-mentioned embodiment, the present invention is not limited to this embodiment, and can be modified within the scope of what a person skilled in the art can imagine, such as other embodiments, additions, modifications, deletions, etc., and any aspect is within the scope of the present invention as long as it provides the effects of the present invention.

100 光アイソレータ
110 ファラデー回転子
120 偏光子
130 検光子
140 磁石
100 Optical isolator 110 Faraday rotator 120 Polarizer 130 Analyzer 140 Magnet

Claims (4)

出発原料としてSc、Y及びランタノイド元素から選ばれる少なくとも1種の酸化物粉末と、第13族元素から選ばれる1種の酸化物粉末とを用いて、下記式(1)
(A1 1-x-y2 xScy3(B1-zScz512 (1)
(式(1)中、A1、A2はY及びランタノイド元素から選ばれる互いに異なる元素であり、Bは第13族元素から選ばれる1種であり、0≦x≦0.4、0≦y<0.08、0≦z<0.16であり、z=0のとき、y=0であり、z>0のとき、y>0である。)
で表される複合酸化物の焼結体である希土類ガーネット型透明セラミックスを製造する希土類ガーネット型透明セラミックスの製造方法であって、
上記A 1 、A 2 がTb、Y、Ce、Lu及びDyから選ばれる互いに異なる元素であり、BがAlであり、
上記出発原料として、各々の純度が99.9質量%以上のTb、、Ce、Lu及びDyから選ばれる互いに異なる元素の酸化物粉末を下記式(2-1)、(2-2)で求められる質量mA1、mA2だけ秤量し、純度が99.9質量%以上のAlの酸化物粉末を下記式(2-3)で求められる質量mBだけ秤量し、純度が99.9質量%以上の酸化スカンジウム粉末を下記式(2-4)で求められる質量mScだけ秤量して用いる希土類ガーネット型透明セラミックスの製造方法。
A1=3/2×(1-x-y)MA1/MG×W×100/(100-aA1) (2-1)
A2=3/2×xMA2/MG×W×100/(100-aA2) (2-2)
B=5/2×(1-z)MB/MG×W×100/(100-aB) (2-3)
Sc=(3y/2+5z/2)(MSc/MG)×W×100/(100-aSc) (2-4)
(式中、MA1、MA2Tb、、Ce、Lu及びDyから選ばれる互いに異なる元素の酸化物のモル質量(g/mol)であり、MBAlの酸化物のモル質量(g/mol)であり、MScは酸化スカンジウムのモル質量(g/mol)であり、MGは式(1)で表される複合酸化物のモル質量(g/mol)であり、Wは上記出発原料の予定合計質量(g)であり、aA1、aA2は上記出発原料のTb、、Ce、Lu及びDyから選ばれる互いに異なる元素の酸化物粉末を不活性ガス雰囲気中で室温(20±10℃)から1100℃まで加熱したときの質量減少率(%)であり、aBは上記出発原料のAlの酸化物粉末を不活性ガス雰囲気中で室温(20±10℃)から1100℃まで加熱したときの質量減少率(%)であり、aScは上記出発原料の酸化スカンジウム粉末を不活性ガス雰囲気中で室温(20±10℃)から1100℃まで加熱したときの質量減少率(%)である。x、y、zは上記と同じである。)
Using at least one oxide powder selected from Sc, Y, and a lanthanoid element and one oxide powder selected from a Group 13 element as starting materials, a powder represented by the following formula (1) was prepared.
(A 1 1-xy A 2 x Sc y ) 3 (B 1-z Sc z ) 5 O 12 (1)
(In formula (1), A 1 and A 2 are different elements selected from Y and lanthanoid elements, B is one element selected from Group 13 elements, 0≦x≦0.4, 0≦y<0.08, 0≦z<0.16, and when z=0, y=0, and when z>0, y>0.)
A method for producing a rare earth garnet-type transparent ceramic, which is a sintered body of a complex oxide represented by the following formula:
The above A 1 and A 2 are different elements selected from Tb, Y, Ce, Lu and Dy, and B is Al;
The method for producing a rare earth garnet-type transparent ceramics uses, as the starting materials, oxide powders of different elements selected from Tb, Y , Ce, Lu and Dy, each having a purity of 99.9% by mass or more, weighed out in amounts of m A1 and m A2 calculated by the following formulas (2-1) and (2-2): an oxide powder of Al having a purity of 99.9% by mass or more, weighed out in an amount of m B calculated by the following formula (2-3): and a scandium oxide powder having a purity of 99.9% by mass or more, weighed out in an amount of m Sc calculated by the following formula (2-4):
m A1 = 3/2 x (1-x-y) M A1 / M G x W x 100/(100-a A1 ) (2-1)
m A2 = 3/2×xM A2 /M G ×W×100/(100-a A2 ) (2-2)
m B =5/2×(1-z) M B /M G ×W×100/(100-a B ) (2-3)
m Sc = (3y/2+5z/2) (M Sc /M G )×W×100/(100-a Sc ) (2-4)
(In the formula, M A1 and M A2 are the molar masses (g/mol) of oxides of elements different from each other selected from Tb, Y , Ce, Lu and Dy , M B is the molar mass (g/mol) of an oxide of Al , M Sc is the molar mass (g/mol) of scandium oxide, M G is the molar mass (g/mol) of the composite oxide represented by formula (1), W is the planned total mass (g) of the starting materials, a A1 and a A2 are the mass reduction rates (%) when the starting material oxide powders of elements different from each other selected from Tb, Y , Ce, Lu and Dy are heated in an inert gas atmosphere from room temperature (20±10° C.) to 1100° C., a B is the mass reduction rate (%) when the starting material oxide powder of Al is heated in an inert gas atmosphere from room temperature (20±10° C.) to 1100° C., a Sc is the mass reduction rate (%) when the starting scandium oxide powder is heated from room temperature (20±10°C) to 1100°C in an inert gas atmosphere. x, y, and z are the same as above.
上記焼結体が焼結助剤としてSiO2を0質量%超0.1質量%以下含有する請求項1に記載の希土類ガーネット型透明セラミックスの製造方法。 2. The method for producing a rare earth garnet-type transparent ceramic according to claim 1 , wherein the sintered body contains more than 0 mass % and 0.1 mass % or less of SiO2 as a sintering aid. 上記式(1)におけるA1がTbであり、0.6≦1-x-y≦1である請求項1又は2に記載の希土類ガーネット型透明セラミックスの製造方法。 3. The method for producing a rare earth garnet-type transparent ceramic according to claim 1, wherein A 1 in the above formula (1) is Tb, and 0.6≦1−x−y≦1. 上記出発原料を用いて成形した後、得られた成形体を脱脂し、焼結して複合酸化物の焼結体を得る請求項1~のいずれか1項に記載の希土類ガーネット型透明セラミックスの製造方法。 The method for producing a rare earth garnet-type transparent ceramic according to any one of claims 1 to 3 , wherein the starting materials are molded, and then the obtained molded body is degreased and sintered to obtain a sintered body of the composite oxide.
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