JP2001181032A

JP2001181032A - 光コネクタ用ジルコニア焼結体及びその製造方法

Info

Publication number: JP2001181032A
Application number: JP36166699A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kobayashi; 善宏小林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2001-07-03

Abstract

(57)【要約】【課題】水分の存在する高温雰囲気中での耐久性に優れ
た光コネクタ用ジルコニア焼結体を得る。【解決手段】ＺｒＯ₂を主成分とし、Ｙ₂ Ｏ₃ を２．０
〜４．０モル％、かつ酸化マンガンもしくは酸化銅のう
ちいずれか一方を０．１〜１．０モル％含有した原料を
所定形状に成形し、１１５０〜１４００℃で焼成するこ
とにより光コネクタ用ジルコニア焼結体を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、フェルールやスリ
ーブなどの光コネクタ用部材に好適なジルコニア焼結体
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、通信における情報量の増大に伴
い、光ファイバを用いた光通信が使用されている。この
光通信において、光ファイバ同士の接続、あるいは光フ
ァイバと各種光素子との接続には光コネクタが用いられ
ている。

【０００３】例えば、光ファイバ同士を接続する光コネ
クタの場合、フェルールに形成された貫通孔に光ファイ
バの端部を保持し、一対のフェルールをスリーブの両端
から挿入して、内部で凸球面状に加工した端面同士を当
接させるようにした構造となっている。

【０００４】上記フェルールやスリーブの材質としては
セラミックス、金属、プラスチック、ガラス等、さまざ
まなものが試作されてきたが、現在は大半がセラミック
ス製となっている。その理由は、セラミックスは加工精
度が高いため、内径、外径の公差を１μｍ以下と高精度
にすることができ、またセラミックスは摩擦係数が低い
ため光ファイバの挿入性に優れ、剛性が高く熱膨張係数
が低いことから外部応力や温度変化に対して安定であ
り、耐食性にも優れているためである。

【０００５】さらに、セラミックスとしては、近年、ア
ルミナからジルコニアに大半が置き代わりつつある。こ
のジルコニア焼結体は、ヤング率がアルミナの約半分と
低いため、２個のフェルールの先端面同士を当接する際
に、小さな応力で密着性を高めることができ、また強
度、靱性が高いことから信頼性を向上できる（特公平８
−３０７７５号公報参照）。

【０００６】上記光コネクタ用ジルコニア焼結体とし
て、ＺｒＯ₂を主成分として安定化剤として２．５〜
３．５モル％程度（約４．５〜６．２重量％）のＹ₂Ｏ₃
を含有する原料を成形し、焼成して平均結晶粒径０．４
〜０．６μｍとした正方晶の結晶相を主体とした部分安
定化ジルコニア焼結体が提案されている（特開平６−３
３７３２７号公報参照）。

【０００７】又ＺｒＯ₂を主成分とし、安定化剤として
Ｙ₂Ｏ₃を含有する原料にＡｌ₂Ｏ₃を０．２〜０．３重量
％添加した原料を成形し、焼成した正方晶の結晶相を主
体とした部分安定化ジルコニアが提案されている（特開
平１０−２６０３３６号公報参照）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のＹ₂
Ｏ₃を含む部分安定化ジルコニア焼結体は、水分の存在
する高温雰囲気中に曝されると、正方晶の結晶が単斜晶
に相変態して強度、靱性等の特性が劣化するという問題
があった。

【０００９】また、上記の光コネクタは、使用用途によ
っては、悪環境中で長時間使用されることがあるため、
通常使用の３年分に相当する加速試験として、８５℃の
熱水中に曝す試験が行われることがある。この際に、ジ
ルコニア焼結体からなるフェルール等の光コネクタ用部
材は、上述した相変態により接続した面が変形し、フェ
ルール端面の凸球面の曲率半径が大きくなってしまうと
いう現象が生じやすく、その結果、接続不良や過大な接
続損失が生じるという課題があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、ＺｒＯ
₂を主成分としてＹ₂Ｏ₃を２．０〜４．０モル％、かつ
酸化マンガンもしくは酸化銅のうちいずれか一方を０．
１〜１．０モル％含有したことを特徴とする。

【００１１】又、上記ジルコニア焼結体において、Ｚｒ
Ｏ₂を主成分とした出発原料を精製した後、Ｙ₂Ｏ₃を
２．０〜４．０モル％、かつ酸化マンガンもしくは酸化
銅のうちいずれか一方を０．１〜１．０モル％添加して
得られた原料を所定形状に成形した後、１１５０〜１４
００℃で焼成することを特徴とする。

【００１２】即ち、本発明者等が種々実験を行った結
果、Ｙ₂Ｏ₃を含む部分安定化ジルコニア焼結体におい
て、Ｙ₂Ｏ₃の含有量を２．０〜４．０モル％、かつ酸化
マンガンもしくは酸化銅のうちいずれか一方を０．１〜
１．０モル％含有させ、しかも１１５０〜１４００℃の
比較的低温で焼結させることにより、平均結晶粒径が小
さく、しかも緻密なジルコニア焼結体を得ることが出
来、それによって高温水中での耐久性を向上させること
を見出したのである。

【００１３】この理由は、酸化マンガンもしくは酸化銅
を添加することにより、焼結課程での粒成長を抑制し、
しかも低温焼成が可能となり、結晶粒径の小さい緻密な
焼結体とすることで、高温水中での相変態を低減させた
ものと考えられる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態を説明す
る。

【００１５】図１（ａ）に示すように、フェルール１
は、中央に光ファイバを挿入する貫通孔１ａを有し、該
貫通孔１ａの後端側には光ファイバの挿入を容易にする
ために円錐部１ｂを備え、先端外周にはスリーブ挿入時
にガイド面となる球面部１ｃを備えている。

【００１６】また、図１（ｂ）に示すように、スリーブ
２は筒状体であり、その軸方向にスリット２ａを有する
ことにより、フェルール１を弾性的に保持するものであ
るが、スリット２ａはなくても良い。さらに、内周面に
３箇所程度の凸部を形成し、この凸部でフェルール１を
支持することもできる。

【００１７】上記フェルール１は詳細を後述するジルコ
ニア焼結体で形成され、図２に示すように、その後方を
金属製の支持体３に接合し、上記貫通孔１ａに光ファイ
バ４を挿入して接合した後、先端面１ｄを曲率半径１０
〜２５ｍｍ程度の凸球面状に研摩する。このような一対
のフェルール１をスリーブ２の両端から挿入し、バネ等
で押圧して先端面１ｄ同士を当接させることによって、
光ファイバ４同士の接続を行うことができる。

【００１８】上記フェルール１やスリーブ２を成すジル
コニア焼結体は、ＺｒＯ₂を主成分とし、Ｙ₂Ｏ₃を２．
０〜４．０モル％、かつ酸化マンガンもしくは酸化銅の
うちいずれか一方を０．１〜１．０モル％含有させたも
のである。

【００１９】このジルコニア焼結体は結晶相が主として
正方晶からなり、正方晶相の割合が６０〜９０体積％あ
り、残部が高温劣化に対し安定な立方晶からなってい
る。

【００２０】又、平均結晶粒径は０．１５〜０．５０μ
ｍとなっており、この様に平均結晶粒径を小さくするこ
とにより、焼結体の結晶が緻密化し、それにより高温水
中での耐久性を向上することができる。

【００２１】このように、Ｙ₂Ｏ₃の含有量を２〜４モル
％とし、結晶を緻密化させるのに有効な添加物である酸
化マンガンもしくは酸化銅を添加することによって、水
分の存在する高温中での相変態を防止できる。

【００２２】又、低温焼結が可能となるので、電力コス
トが低減できうることと、焼成炉のヒータの寿命を格段
と伸ばすことが出来、フェルールの価格低減に寄与でき
るという効果も生じる。

【００２３】更に、気孔欠陥であるボイドを気孔率３％
以下に低減することが出来る。これは、酸化マンガンも
しくは酸化銅が粉末の凝集粒子表面にコートされた状態
で存在し、成型時に凝集粒子間に生成する大きな気孔を
焼結時に消滅させる働きをもっているからである。

【００２４】ここでＹ₂Ｏ₃の含有量を２モル％以上とし
たのは、２モル％未満では焼結過程において焼成時にク
ラックが入ってしまうか、もしくはクラックが入らなく
とも単斜晶量が多くなり強度が低下すると共に高温水中
での相変態が生じ、必要な特性が得られなくなるためで
ある。又、酸化マンガンもしくは酸化銅を含有させない
ジルコニア焼結体はＹ₂Ｏ₃を３モル％以上含有させない
とクラックが発生してしまうが、酸化マンガンもしくは
酸化銅を含有させることにより、Ｙ₂Ｏ₃を最低２モル％
以上含有させればクラックの発生が無くなり、しかも低
温で焼結が可能となる。一方４モル％以下としたのは、
４モル％を越えると、粒成長を抑制させるための酸化マ
ンガンもしくは酸化銅を添加しても焼成温度を下げるこ
とが出来ず、平均結晶粒径が大きくなるために、緻密な
焼結体を得ることが困難であるためである。

【００２５】次に、酸化マンガンもしくは酸化銅のうち
いずれか一方を０．１モル％以上としたのは、０．１モ
ル％未満では１１５０〜１４００℃で焼成した場合には
相対密度が９７％以下となり、強度の低下及び気孔欠陥
の増大を生じさせるの為に構造材料である光コネクタ用
ジルコニア焼結体には適用出来ない。一方、１．０モル
％を越えるとジルコニア焼結体の内部に酸化マンガンも
しくは酸化銅が偏析し斑点状となり、外観上好ましくは
なく、又強度の低下、気孔欠陥の増大も伴い光コネクタ
用ジルコニア焼結体には適用出来ないからである。

【００２６】酸化マンガンと酸化銅は共に、低温での焼
結を可能にする役目を果たし、その結果、平均結晶粒径
を小さくでき、緻密な焼結体を得ることが可能となる点
では同一であるが、酸化銅の方が酸化マンガンに比べ平
均結晶粒径は若干大きくなる傾向にある。

【００２７】本発明のジルコニア焼結体は、上記ジルコ
ニア、Ｙ₂Ｏ₃、酸化マンガンもしくは酸化銅の他に、Ａ
ｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＣａＯ、Ｎａ₂Ｏ、Ｆｅ₂Ｏ
₃等を含有しているが、これらは不純物としてジルコニ
ア原料中に含まれているもので、精製することにより各
々０．１重量％以下の微量含有となっている。これら不
純物の含有量は限りなく０重量％にすることが望まし
い。これは焼結助剤としては酸化マンガンもしくは酸化
銅のみで十分で他の成分が含有されると低温焼結性が悪
化するためである。

【００２８】次に、上記フェルール１やスリーブ２の製
造方法について説明する。

【００２９】まず、出発原料には不純物としてＡｌ₂Ｏ₃
やＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、あるいはＣａＯ、Ｎａ₂Ｏ、Ｆｅ₂
Ｏ₃等が含まれているが、この原料を精製することによ
ってそれら不純物の含有量を各々０．１重量％以下とし
た後、出発原料であるＺｒＯ ₂原料にＹ₂Ｏ₃を混合し、
中和共沈または加水分解等の方法により反応・固溶させ
た粉末に酸化マンガンもしくは酸化銅のいずれか一方を
加え混合し添加物含有粉末を得る。なお、具体的な精製
方法としては、酸やアルカリ等の薬品で処理したり、あ
るいは比重差を利用した重力選鉱等の手法を用いる。

【００３０】そして、得られた原料を押出成形や射出成
形やプレス成形等により所定形状に成形し、必要があれ
ば切削等を行った後、大気雰囲気中で焼成する。

【００３１】また、酸化マンガンもしくは酸化銅を用い
ず、酢酸マンガンもしくは酢酸銅のエタノール溶液を原
料粉末に加えボールミルにより混合後、蒸発乾固して添
加物含有粉末を得る方法を用いた場合、更に均一な混合
が加工となる。この場合、添加物の酢酸塩はこの焼成時
に酸化物へと変化する。

【００３２】この時に小さな平均結晶粒径をもつ緻密な
焼結体を得るために、１１５０〜１４００℃という低温
で焼成する必要がある。

【００３３】ここで１１５０℃以上としたのは、１１５
０゜Ｃ未満では焼結に必要な熱量が得られなく緻密な焼
結体が得られないばかりか強度も不充分となり、又、１
４００℃以下としたのは、１４００℃を越えると焼結過
程において焼結体の結晶の粒成長が促進し、平均結晶粒
径が大きくなり、高温水中での劣化が生じてしまうから
である。

【００３４】なお、図２では光ファイバ４同士を接続す
るための光コネクタを示したが、上記フェルール１やス
リーブ２は、レーザダイオードやフォトダイオード等の
光素子と光ファイバを接続する光モジュールに用いるこ
ともできる。

【００３５】また、本発明における光コネクタ用ジルコ
ニア焼結体は、上述した光ファイバ同士、又は光ファイ
バと各種光素子との接続に用いるさまざまな部材に適用
することができ、上述したフェルール１やスリーブ２に
限らない。例えば、光ファイバ同士を完全に接続するた
めに用いるスプライサや、光モジュールに用いるダミー
フェルール等にも適用することができる。

【００３６】

【実施例】以下本発明の実施例を説明する。

【００３７】出発原料としてＺｒＯ₂へのＹ₂Ｏ₃の添加
量および酸化マンガンの添加量を変えることによって、
表１に示すように、種々の組成からなるジルコニア原料
を用意した。それぞれ、最終製品の寸法が外径２．５ｍ
ｍ、長さ１０．５ｍｍとなるように、図１に示すフェル
ール１の形状に押出成形し、この成形体を１２５０℃で
焼成し、平均結晶粒径を表１に示すように変えてフェル
ール１を作製した。なお、平均結晶粒径は走査型電子顕
微鏡で撮影した像を用いてコード法により測定した。

【００３８】それぞれの組成についてフェルール１を作
製し、光ファイバ４を接着し、先端面１ｄを凸球面の曲
率半径が平均１５ｍｍ程度となるように研磨した後、図
２に示すように一対のフェルール１をスリーブ２内部で
接続させた状態で、８５℃の熱水中に１４日間放置し
た。その後、形状測定器により、フェルール１の先端面
１ｄの試験前後の曲率半径の変化量（増加量）を調べ
た。表１にそれぞれの条件における曲率半径の変化量を
示した。

【００３９】

【表１】

【００４０】この結果より、Ｙ₂Ｏ₃の含有量が２モル％
未満のもの（Ｎｏ．１〜５）では、焼結体にクラックが
生じるか、もしくは、曲率半径変化量が７８．２ｍｍ以
上と大きい結果となった。また、Ｙ₂Ｏ₃の含有量が４モ
ル％を越える試料（ＮＯ．２１〜２５）でも、平均結晶
粒径が大きくなり、曲率半径変化量も３５．９ｍｍ以上
と大きい。

【００４１】又、Ｙ₂Ｏ₃の含有量が２モル％〜４モル％
であっても、酸化マンガン添加量が０．１モル％未満及
び１．０モル％を越えるもの（Ｎｏ．６、１０、１１、
１５、１６、２０）は曲率半径変化量が９．６ｍｍ以上
と大きい結果となった。

【００４２】これらに対し、本発明のＹ₂Ｏ₃の含有量が
２．０〜４．０モル％、かつ酸化マンガンの含有量が
０．１〜１．０モル％のもの（Ｎｏ．７、８、９、１
２、１３、１４、１７、１８、１９）は曲率半径変化量
０．８ｍｍ以下の測定誤差程度しかなく、飛躍的に曲率
半径の変化を防止出来ることがわかる次に、上記同様に酸化銅の添加量を変えることによっ
て、フェルール１の先端面１ｄの試験前後の曲率半径の
変化量を調べた。その結果を表２に示す。

【００４３】

【表２】

【００４４】この結果より、酸化マンガンに比較して結
晶粒径は若干大きい値を示しているものの、曲率半径の
変化については同様の結果が得られ、Ｙ₂Ｏ₃の含有量が
２．０〜４．０モル％、かつ酸化銅の含有量が０．１〜
１．０モル％のもの（Ｎｏ．３、４、７、８、１０、１
１）は曲率半径変化量が０．９ｍｍ以下の測定誤差程度
しかなく、飛躍的に曲率半径の変化を防止出来ることが
わかる。

【００４５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ＺｒＯ₂
を主成分としてＹ₂Ｏ₃を２．０〜４．０モル％、かつ酸
化マンガンもしくは酸化銅のうちいずれか一方を０．１
〜１．０モル％含有することによって、水分の存在する
高温雰囲気中での耐久性に優れた光コネクタ用ジルコニ
ア焼結体を得ることができる。

【００４６】また、この光コネクタ用ジルコニア焼結体
は、出発原料であるＺｒＯ₂にＹ₂Ｏ ₃及び酸化マンガン
もしくは酸化銅を添加混合して、得られた原料を所定形
状に成形し、１１５０〜１４００℃で焼成する工程によ
って、容易に製造することができる。

【００４７】さらに、本発明によれば、上記ジルコニア
焼結体で光コネクタ用部材を形成することによって、熱
水中での試験を行ってもフェルールの先端面の曲率半径
の変化量を飛躍的に小さくすることができ、長期間良好
に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）（ｂ）は本発明のジルコニア焼結体を用
いた光コネクタ用部材を示す図である。

【図２】本発明のジルコニア焼結体からなる光コネクタ
用部材を用いた光コネクタを示す断面図である。

【符号の説明】

１：フェルール１ａ：貫通孔１ｂ：円錐部１ｃ：球面部１ｄ：先端部２：スリーブ３：支持体４：光ファイバ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＺｒＯ₂を主成分とし、Ｙ₂Ｏ₃を２．０〜
４．０モル％、かつ酸化マンガンもしくは酸化銅のうち
いずれか一方を０．１〜１．０モル％含有したことを特
徴とする光コネクタ用ジルコニア焼結体。
【請求項２】ＺｒＯ₂を主成分とした出発原料を精製し
た後、Ｙ₂Ｏ₃を２．０〜４．０モル％、かつ酸化マンガ
ンもしくは酸化銅のうちいずれか一方を０．１〜１．０
モル％添加して得られた原料を所定形状に成形した後、
１１５０〜１４００℃で焼成することを特徴とする光コ
ネクタ用ジルコニア焼結体の製造方法。