JP2004292229A

JP2004292229A - セラミックス焼結体の製造方法

Info

Publication number: JP2004292229A
Application number: JP2003085946A
Authority: JP
Inventors: Koichi Yamada; 光一山田; Hiroki Sakurai; 弘樹櫻井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】曲がり、そり等の変形やクラックを発生することなく高寸法精度の焼結体を得る。
【解決手段】出発原料に安定化剤、焼結助剤等を混合しバインダーを添加した成形前原料を棒状に成形したセラミックス成形体の焼結方法において、台板の溝に固体潤滑材を塗布し、その上に製品となる上記セラミックス成形体を載置した後、そのセラミックス成形体を覆うように固体潤滑材を覆い被せ埋没させ焼結を行う。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、曲がり、そりの少ない棒状のセラミックス成形体の焼結方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、セラミックス焼結体は、高強度、耐磨耗性、高剛性、低熱膨張性、耐熱性、高硬度などの特性を利用して、機械材料として工作機械部品、測定装置、エンジン、送風機、軸受け、工具、潤滑剤、もしくは光通信用部品等に用いられてきている。また化学的な安定性を利用して化学装置や断熱性あるいは伝熱性を利用した機器への応用も図られてきている。
【０００３】
この中で、精密機械や精密測定器のように、常温環境下で使用される精密機器の重要要素部品にセラミックス焼結体が採用されるようになってきた。その背景には、半導体に代表される電子部品の超精密化、微細化が急速に進み、それらを製造する加工機や測定器にサブミクロンもしくはそれ以下の精度が要求されるようになってきたからである。
【０００４】
これら精密機器の構造用部材として、かつてステンレス、アルミ系合金、防錆処理した鉄系材料及び石材が使われてきたが、加工精度がミクロン以下を要求する超精密や超微細加工分野においては、構造体の自重による変形や温度、湿度変化による微小な変形も問題になるほど要求仕様が厳しく、しかも能率化のために機械の高速化、軽量化の要求も強い。このような、高性能の品質要求に対し、従来の材料では様々な問題点が指摘され、セラミックス焼結体が使われ始めている。
【０００５】
しかしながら、セラミックス焼結体のセラミックス成形体を焼結する際に大きく収縮するという課題があるために、得られた焼結体の寸法精度は低下する傾向があり、このような問題を解決するために、以下のような技術が提案されている。
【０００６】
従来の第一例として、セラミックス成形体を焼結する際に、セラミックス成形体と同じ材質の平板状セラミックス成形体からなる表面の平面度が１ｍｍ以内の成形板を敷板として使用する。両者の焼結収縮挙動が殆ど同じであるため、焼結収縮時に変形等の相互干渉による歪みの発生が抑えられる（特許文献１）。
【０００７】
次に第二の従来例として、セラミックス焼結体の変形防止方法は、セラミックス成形体を焼結する際に、成形体の下に球状あるいは砕石状のセラミックス粉体を敷いて、成形体の荷重を均一に支持するもので、成形体の変形を防止している（特許文献２）。
【０００８】
更には、第三の従来例として、上記第一従来例と第二従来例を組み合わせた方法で、焼結治具内にセラミックス粉体を充填しておき、成形体と同一のセラミックス材料からなるセラミックス成形板を介してセラミックス成形体を載置するので、成形板と成形体との収縮率の差による影響を防ぐことができる。そのため、複雑形状の成形体であっても、クラックの発生が無く、変形が極めて少なく、形状精度が良好で高強度の焼結体を得ることができる（特許文献３）。
【０００９】
以上、一般的なセラミックス成形体の焼結方法について述べてきたが、次に光通信用コネクタ部材に用いられるセラミックス焼結体の従来例について説明する。
【００１０】
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。
【００１１】
例えば、光ファイバ同士を接続するコネクタの場合、図２及び図３に示すフェルール１１に形成された貫通孔１１ａに光ファイバ１３の端部を保持し、一対のフェルール１１をスリーブ１４の両端から挿入して、内部で凸球面状に加工した先端面１１ｄ同士を当接させるようにした構造となっている。
【００１２】
上記フェルール１１の材質としてはセラミックス焼結体、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を高く加工することが出来るため、内径、外径の公差を１μｍ以下と高精度にすることができ、またセラミックス焼結体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。
【００１３】
さらに、上記フェルール１１のセラミックス焼結体としては、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（特許文献４）。
【００１４】
このフェルールの成形体の焼結方法は、図４示す様にセラミックス成形体４を得た後、台板１の溝１ａにフェルール１１の成形体４を直接載置した後、焼結を行いフェルール１の焼結体を得ていた。
【００１５】
〔特許文献１〕特開平６−２７９０９２号参照
〔特許文献２〕特開平７−２７８６０８号参照
〔特許文献３〕特開平１０−２５１０７３号参照
〔特許文献４〕特公平８−３０７７５号参照
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の第一従来例であるセラミックス焼結体の製造方法においては、平板状成形板を入れる焼結治具の底部が熱履歴のために変形してくると、その変形の影響を受けてセラミックス焼結体も変形するという問題がある。
【００１７】
また、第二の従来例においては、焼結収縮中に成形体の一部が粉体層内に潜り込もうとすることにより、収縮に対する抵抗が生じ、収縮変形していく過程で荷重が不均一になり、やはり得られる焼結体に大きな変形やクラックが発生するという問題がある。
【００１８】
更に、上記２つの従来例の組み合わせ策である第三の従来例においては、円筒形状であれば問題はないが、光通信用コネクタ部材であるフェルール等の棒状に成形したセラミックス成形体においては、全長を外径寸法で割った値である細長比が大きくなると、成形板が平板状のために変形を防ぐ手立てがないために、上記同様やはり曲がり、そり等の変形が生じてしまい、更にはやはりクラックが生じてしまうという課題が生じる。
【００１９】
これらの課題は、セラミックス成形体の焼成における焼結収縮によるものであるが、この焼結収縮は成形前原料に添加されたバインダーが焼成時に加熱放出除去されていく事で収縮していく要因が大きい。
【００２０】
又、最後に図４に示すフェルールの成形体の焼結方法においては、溝により横方向の曲がりはなくなったものの、焼結収縮に伴い長手方向に反ってしまうという問題が生じた。
【００２１】
従って本発明の目的は、上記問題点を解消し、棒状のセラミックス成形体において、曲がり、そり等の変形やクラックを発生することなく高寸法精度の焼結体を得ることができる焼結方法を提供することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、セラミックス粉体及びバインダーを含む成形前原料で棒状セラミックス成形体を作製するとともに、該セラミックス成形体を台板の表面に形成した溝に固体潤滑材を介して載置した後、上記セラミックス成形体を上記固体潤滑材で覆い被せて埋没させ、しかる後、焼結することを特徴とする。
【００２３】
また、上記セラミックス成形体の焼成に使用する上記台板の溝の深さがセラミックス成形体の外径寸法に対し１／２以下であることを特徴とする。
【００２４】
また、上記固体潤滑材がセラミックス成形体よりも高融点である物質であることを特徴とする。
【００２５】
さらに、上記固体潤滑材として炭化物、窒化物、硼化物、窒化物、珪化物、酸化物の少なくとも１種を使用することを特徴とする。
【００２６】
さらにまた、上記セラミックス成形体の外径寸法に対する全長の比である細長比が４以上であることを特徴とする。
【００２７】
そして、上記セラミックス焼結体がジルコニアセラミックスからなることを特徴とする。
【００２８】
また、上記セラミックス焼結体が光通信用コネクタ部材に使用されることを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を説明する。
【００３０】
図１は本発明のセラミックス成形体を台板に載置した状態を示す断面図である。
【００３１】
セラミックス粉体、バインダー、安定化剤、焼結助剤等を添加してなる成形前原料を棒状に成形したセラミックス成形体の焼結方法であって、台板１の溝１ａに固体潤滑材２を塗布し、その上に製品となる上記セラミックス成形体４を載置した後、更に固体潤滑剤パウダー３を覆い被せ上記セラミックス成形体４を埋没させ、焼結を行う方法である。
【００３２】
本発明によれば、セラミックス成形体と台板１の溝１ａの間に固体潤滑材２を介在させているために、焼成での収縮時に各部材が滑りやすくなる。
【００３３】
更に、そのセラミックス成形体を埋没させるかたちで固体潤滑材３を覆い被せて埋没させている為、成形前原料に添加されたバインダーが焼成時にセラミックス成形体内部から次々と加熱放出除去されていく方向性を上下均一にすると同時に放出速度も低下させる事で焼結収縮時の曲がりやソリ等の変形を防止することができ高寸法精度の焼結体を得ることができる。
【００３４】
また、セラミックス成形体としては、上述のように棒状のものを示しているが、これは筒状も含むものである。また、材料としてはＺｒＯ２とＹ２Ｏ３を添加した部分安定化ジルコニアを用いることが光通信用コネクタ部材に適しているので好ましいが、これらに限定されるものでもない。なお、この部分安定化ジルコニアとして用いる材料がＺｒＯ２とＹ２Ｏ３に加えて成形しやすくするために水とワックスエマルジョン、セルロース等で構成される水系のバインダーや樹脂系のバインダーを加え混合したものを用いても良い。
【００３５】
また、台板１としては、板状体の表面に溝が形成されており、この板状体の材料としては、アルミナなどである。台板１に形成される溝１ａの深さ寸法は、セラミックス成形体４の外径に対し１／２以下にすることで成形前原料に添加されたバインダーが焼成時にセラミックス成形体内部から次々と加熱放出除去されていく方向性を上方向に加え横方向に促進できることからより高精度な焼結体を得ることができる。
【００３６】
また、上記セラミックス成形体の外径寸法に対する全長の比である細長比が４以上の場合、それ以下に比べて焼結収縮時の曲がりやソリ等の変形が大きくなる。
【００３７】
次に、本発明の固体潤滑材２及び３としては、セラミックス粉体よりも高融点の物で材種として炭化物、窒化物、硼化物、窒化物、珪化物、酸化物を使用する。殊に、炭化物、窒化物、硼化物は、高い硬度を有すると共に、摺動性にすぐれる点で好適である。炭化物には、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化モリブデン（Ｍｏ_２Ｃ）、炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化珪素（ＳｉＣ）など、及び窒化物には窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化硼素（ＢＮ）など、及び硼化物には、硼化チタン（ＴｉＢ_２）、硼化モリブデン（ＭｏＢ）、硼化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）、硼化バナジウム（ＶＢ_２）、硼化ニオブ（ＮｂＢ_２）、硼化タンタル（ＴａＢ_２）、硼化クロム（ＣｒＢ）、硼化タングステン（ＷＢ）等が好ましい例として挙げられる。この中でも、炭化珪素（ＳｉＣ）など、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）が特に望ましい。
【００３８】
また、これら固体潤滑材の粒径は、その上に配置するセラミックス成形体との滑りが良い限りいかなる粒径のものでも良いが、実用上の観点から０．５〜１５００μｍ程度の粒径を有し、粉砕・分級により粒径をそろえていることが望ましい。固体潤滑材の粒径が１５００μｍ超であると、セラミックス成形体とのスムーズな滑りが得られない。なお粒径の下限は単に取扱い時の舞い上がりを防止するため等の実用上の観点から定まるものである。粉砕・分級をせずパウダーの凝集や粒径が均一にそろっていない場合は粒間の隙間が減少する傾向になる為、成形前原料に添加されたバインダーが焼成時にセラミックス成形体内部から次々と加熱放出除去されていく現象が妨げられる。
【００３９】
固体潤滑材はセラミックス成形体の焼結に使用した後でもリサイクルすることができる。
【００４０】
次に、本発明のセラミックス成形体の焼結方法の具体例として、光コネクタ用のフェルールを用いて説明する。
【００４１】
図２に示すように、光コネクタ用のフェルール１１は、中央に光ファイバを挿入する貫通孔１１ａを有し、該貫通孔１１ａ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１１ｂを備え、先端外周にはスリーブ挿入時にガイド面となるＣ面部１１ｃを備えている。
【００４２】
上記フェルール１１は、詳細を後述するジルコニア焼結体で形成され、図５に示すように、その後方を金属製の支持体１２に接合し、上記貫通孔１１ａに光ファイバ１３を挿入して接合した後、先端面１１ｄ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１１をスリーブ１４の両端から挿入し、バネ等で押圧して先端面１１ｄ同士を当接させることによって、光ファイバ１３同士の接続を行うことができる。
【００４３】
上記フェルール１１を成すジルコニア焼結体は、ＺｒＯ２を主成分とし、安定化剤としてＹ２Ｏ３を含有し、正方晶の結晶相を主体とし、平均結晶粒径を０．３〜０．５μｍ、ビッカース硬度を１２４０〜１３００としており、このようにすることによって、フェルール１１の先端面１１ｄの研磨性を良好にしている。
【００４４】
本発明のジルコニア焼結体は、正方晶相を主体とすることによって、応力を受けた際に、この正方晶結晶が単斜晶結晶に変態して体積膨張し、クラックの進展を防止するという応力誘起変態のメカニズムによって、焼結体の強度、靱性を向上でき、部分安定化ジルコニアと呼ばれている。
【００４５】
また、本発明のジルコニア焼結体は、単斜晶相を含まず、主体をなす正方晶相の他に相変態に対して安定な立方晶を含むことで、前記応力誘起変態のメカニズムをほとんど損なわずに高温水中での相変態特性を大きく向上させることができる。
【００４６】
次に、上記フェルール１１の製造方法について説明する。
【００４７】
まず、出発原料のＺｒＯ２には不純物としてＡｌ２Ｏ３やＳｉＯ２、ＴｉＯ２、あるいはＣａＯ、Ｎａ２Ｏ、Ｆｅ２Ｏ３等が含まれているが、この原料を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にて精製し純度を高める。そして、ＺｒＯ２にＹ２Ｏ３を３〜５モル％添加混合し、中和共沈または加水分解等の方法により反応・固溶させる。
【００４８】
次に、得られた原料に、成形しやすくするために水系、樹脂系、もしくはエマルジョン系等のバインダーを混合し、成形前原料を作成し、金型を用いて内径を有した棒状のセラミックス成形体を得る。
【００４９】
次の焼結工程において、台板１の溝１ａに固体潤滑材とセラミックス粉体とを混合したパウダー２を塗布し、その上に製品となる上記フェルール１１の成形体４を載置した後、そのセラミックス成形体を覆うように固体潤滑材を覆い被せ埋没させ焼結を行いフェルール１の焼結体を得る。
【００５０】
このあと、外周面、先端面、Ｃ面部等の必要部分を研削もしくは研磨等の機械仕上げ加工を行い完成品のフェルール１１を得る。
【００５１】
本発明によれば、成形方法として、押し出し成形、プレス成形、射出成形等いずれの成形方法を用いることが出来、焼結方法もバッチ炉、連続炉等様々な焼結方法を用いても、同一の効果を得ることが出来る。
【００５２】
なお、図３では光ファイバ１３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１１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。
【００５３】
また、本発明における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１１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。
【００５４】
更には、本発明は上記一例の光通信用コネクタ部材に限ることなく様々なセラミックス成形体に適用することが出来る。
【００５５】
【実施例】
以下本発明の実施例を説明する。
【００５６】
原料はＺｒＯ２へＹ２Ｏ３を添加した部分安定化ジルコニアを用い、それぞれ、焼結後の外径の寸法がφ２．５１０ｍｍ、長さが１００ｍｍの内径を有した棒状のセラミックス焼結体となるようにし、本発明の図１に示すセラミックス成形体を台板に載置して焼結する方法と比較例として図５に示すセラミックス成形体を台板に載置して焼結する方法にてサンプルを作製した。
【００５７】
ここで長さを１００ｍｍとしたのは、焼結後にフェルールの長さである仕上げ寸法１０．５ｍｍになるように短尺に切断して、複数個のフェルールを作製するからである。
【００５８】
本発明の図１に示す方法にて、押し出し成形にてセラミックス成形体４を得た後、焼結工程において、アルミナからなる台板１の溝１ａ（深さは、セラミックス成形体４の外径に対し１／２以下となる寸法）に二硫化モリブデン製の固体潤滑材２を塗布し、その上にフェルール１１の成形体４を載置した後、そのフェルール１１の成形体４を覆うように上記と同様の固体潤滑材３を覆い被せ埋没させ焼結を行いフェルール１１の焼結体を得た。
【００５９】
ここで、パウダー２及び３の粒径は５０〜２００μｍのものを使用し、その塗布厚みは０．５〜１．０ｍｍとした。
【００６０】
比較例として、従来の図４に示す方法にて、押し出し成形にてセラミックス成形体４を得た後、焼結工程において、アルミナからなる台板１の溝１ａにフェルール１１の成形体４を直接載置した後、焼結を行いフェルール１１の焼結体を得た。
【００６１】
各サンプルを２０本作製し、それぞれのそりを測定した。
【００６２】
ここで、棒状のセラミックス焼結体のそり測定は、そりを持った棒状のセラミックス焼結体を定盤上に乗せると、定盤と棒状セラミック焼結体の間に隙間ができる。棒状セラミック焼結体を回転させると、あるところでこの隙間が最大になる。この最大隙間を「そり」と定義し、この最大隙間は隙間に隙間ゲージを挿入して測定した。
【００６３】
測定した結果を表１に示す。
【００６４】
【表１】

【００６５】
以上より、図４に示す従来の製造方法で作製したサンプルでは、そりの平均値が外径の平均値が１３２．６μｍ、ばらつきが７２．８２μｍと大きくばらついていたのにたいし、本発明の図１に示す製造方法では、そりの平均値が３８．３μｍ、ばらつきが１１．７６μｍと大幅にそりを小さくすることが出来た。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、出発原料に安定化剤、焼結助剤等を混合しバインダーを添加した成形前原料を棒状に成形したセラミックス成形体の焼結方法において、台板の溝に固体潤滑材を塗布し、その上に上記セラミックス成形体を載置した後、そのセラミックス成形体を覆うように固体潤滑材を覆い被せ埋没させ焼結を行うことにより、曲がり、そり等の変形やクラックを発生することなく高寸法精度の焼結体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックス成形体を台板に載置した状態を示す断面図である。
【図２】本発明のセラミックス焼結体を用いた光コネクタ用部材を示す図である。
【図３】本発明のセラミックス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。
【図４】従来のセラミックス成形体を台板に載置した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１：台板
１ａ：溝
２：パウダー
３：パウダー
４：セラミックス成形体
１１：フェルール
１１ａ：貫通孔
１１ｂ：円錐部
１１ｃ：Ｃ面部
１１ｄ：先端面
１２：支持体
１３：光ファイバ
１４：スリーブ

Claims

セラミックス粉体及びバインダーを含む成形前原料で棒状セラミックス成形体を作製するとともに、該セラミックス成形体を台板の表面に形成した溝に固体潤滑材を介して載置した後、上記セラミックス成形体を上記固体潤滑材で覆い被せて埋没させ、しかる後、焼結することを特徴とするセラミックス焼結体の製造方法。
上記台板の溝の深さがセラミックス成形体の外径寸法に対し１／２以下としたことを特徴とする請求項１記載のセラミックス焼結体の製造方法。
上記固体潤滑材が上記セラミックス紛体よりも高融点のものを用いることを特徴とする請求項１もしくは２記載のセラミックス焼結体の製造方法。
上記固体潤滑材として炭化物、窒化物、硼化物、窒化物、珪化物、酸化物の少なくとも１種を使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックス焼結体の製造方法。
上記セラミックス成形体の外径寸法に対する全長の比である細長比が４以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックス焼結体の製造方法。
上記セラミックス成形体がジルコニアセラミックスからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセラミックス焼結体の製造方法。
上記セラミックス成形体が光通信用コネクタ部材に使用されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のセラミックス焼結体の製造方法。