JP2006256957A

JP2006256957A - ジルコニア焼結体とその製造方法及びこれを用いた光コネクタ用部材とスリーブ及びフェルール

Info

Publication number: JP2006256957A
Application number: JP2006107386A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Matsushita; 伸彦松下; Yoshihiro Kobayashi; 善宏小林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-04-10
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【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フェルールやスリーブ用ジルコニア焼結体及びその製造方法を得る。
【解決手段】ＺｒＯ₂を主成分とし、Ｙ₂ Ｏ₃ を２〜４モル％とＡｌ₂ Ｏ₃ を０．０５〜１重量％含有し、ＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂、ＣａＯ、ＮａＯ、及びＦｅ_２Ｏ_３の各々の含有量を０．１重量％以下として、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フェルール１やスリーブ２に供されるジルコニア焼結体を構成する。
【選択図】図１

Description

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、及びこれに好適なジルコニア焼結体に関する。

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。

例えば、光ファイバ同士を接続するコネクタの場合、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、内部で端面同士を当接させるようにした構造となっている。

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。

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）。

上記ジルコニア焼結体は、ＺｒＯ₂ を主成分として安定化剤として３モル％程度のＹ₂ Ｏ₃を含む原料を成形し焼成してなるものであり、平均結晶粒径２μｍ以下で、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である。

ところが、上記のＹ₂Ｏ₃ 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してしまうという問題があった。

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表面変形や表面荒れが生じやすく、その結果、接続不良や過大な接続損失を生じるという問題があった。また、このジルコニア焼結体からなる光コネクタ用部材は、表面に１〜５μｍ程度の黒斑点が発生して外観不良になってしまうという不都合もあった。

そこで本発明は、ＺｒＯ₂ を主成分とし、Ｙ₂ Ｏ₃ を２〜４モル％とＡｌ₂ Ｏ₃を０．０５〜１重量％含有し、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＣａＯ、ＮａＯ、及びＦｅ_２Ｏ_３のそれぞれの含有量を０．１重量％以下としたことを特徴とする。

また上記ＺｒＯ₂ 、Ｙ₂ Ｏ₃ 等の出発原料を精製処理して、ＳｉＯ₂ 、ＴｉＯ₂、ＣａＯ、ＮａＯ、及びＦｅ_２Ｏ_３のそれぞれの含有量を各々０．１重量％以下とし、得られた原料を所定形状に成形した後、１３００〜１６００℃で焼成する工程からなることを特徴とする。

また上記ＺｒＯ₂を主成分とし、Ｙ₂ Ｏ₃ を２〜４モル％とＡｌ₂Ｏ₃を０．０５〜１重量％含有し、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＣａＯ、ＮａＯ、及びＦｅ_２Ｏ_３のそれぞれの含有量を０．１重量％以下としたジルコニア焼結体からなることを特徴とする光コネクタ用部材。

また上記ジルコニア焼結体からなる筒状体の軸方向にスリットを有することを特徴とする。

また上記筒状体の内周面に複数の凸部を形成したことを特徴とする。

また上記ジルコニア焼結体からなり、中央に光ファイバを挿入する貫通孔を有し、該貫通孔の後端側には光ファイバを挿入するための円錐部を備え、先端外周には球面部を備えてなることを特徴とする。

また上記ジルコニア焼結体の正方晶の含有量を８０％以上としたことを特徴とする。

即ち、本発明者等が種々実験を行った結果、Ｙ₂ Ｏ₃ を含む部分安定化ジルコニア焼結体において、ＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂、ＣａＯ、ＮａＯ、及びＦｅ_２Ｏ_３の含有量を減らすことによって、高温での耐久性を向上させるとともに、黒斑点の発生を防止できることを見出したのである。この理由は、ＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂ の含有量が多いと結晶粒界に液相が発生し、この液相中にＹ₂ Ｏ₃ が固溶して偏析しやすくなり、その結果として高温での耐久性が低くなったり黒い斑点が生じるものと考えられる。

なお、ＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂とＣａＯ、ＮａＯ、及びＦｅ_２Ｏ_３の含有量をそれぞれ０．１重量％以下としたのは、いずれか一方の含有量が０．１重量％を超えると、高温での耐久性を向上する効果に乏しいためである。なお、ＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂とＣａＯ、ＮａＯ、及びＦｅ_２Ｏ_３は、ＺｒＯ₂ やＹ₂ Ｏ₃ 等の出発原料粉末中に不純物として通常０．１重量％以上存在するものであるが、後述する製造方法により予めこれらの不純物を除いておけば良い。

また、Ｙ₂ Ｏ₃ の含有量を２〜４モル％としたのは、正方晶の結晶を主体として、強度や靱性を高くするためである。

さらに、Ａｌ₂ Ｏ₃ の含有量を０．０５〜１重量％としたのは、Ａｌ₂ Ｏ₃ は焼結助剤として作用するため、０．０５重量％未満では低温での焼成が困難となるためであり、１重量％を超えると過焼成となるためである。なお、Ａｌ₂ Ｏ₃は上記ＺｒＯ₂ 等の出発原料中に含まれているが、必要に応じて添加することにより、最終的に上記範囲内となるようにすればよい。

なお、上記ジルコニア焼結体において、さらにＣａＯ、Ｎａ₂ Ｏ、及びＦｅ₂Ｏ3 の各々の含有量を０．１重量％以下とすることが好ましい。これは、上述したＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂、ＣａＯ、ＮａＯ、及びＦｅ_２Ｏ_３と同様に、液相の形成を防止するためである。

また、上記ジルコニア焼結体は、結晶相が主として正方晶からなることが好ましい。具体的には、公知のＸ線回折法により分析した時に、正方晶の含有量を８０％以上としておくことが好ましい。これは、正方晶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、靱性を向上できるためである。

さらに、上記ジルコニア焼結体は、平均結晶粒径を２μｍ以下と小さくしておくことによって、強度、靱性を向上できる。

即ち、本発明のジルコニア焼結体の出発原料であるＺｒＯ₂ やＹ₂ Ｏ₃ 粉末には、通常０．１重量％を超えるＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂ が含まれているが、予め上記出発原料を酸処理することによって、ＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂ を溶かして除去することができ、それぞれの含有量が０．１重量％以下となるようにしておけば、得られた焼結体についても、ＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂ の各々の含有量を０．１重量％以下とすることができる。

上述したように、このようなジルコニア焼結体はＹ₂ Ｏ₃ の偏析がなく、耐久性に優れていることから、水分の存在する高温雰囲気中に曝されても特性の劣化を防止できる。そのため、このジルコニア焼結体で光コネクタ用部品を形成すれば、８５℃の熱水中での試験を行っても、正方晶から単斜晶への相変態を防止して、表面荒れや表面変形を起こすことがない。

なお、本発明における光コネクタ用部材とは、光ファイバ同士、又は光ファイバと各種光素子とを接続するために用いる部材のことを意味する。

以上のように本発明によれば、ＺｒＯ₂ を主成分とし、Ｙ₂ Ｏ₃ を２〜４モル％とＡｌ₂ Ｏ₃ を０．０５〜１重量％含有し、ＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂、ＣａＯ、ＮａＯ、及びＦｅ_２Ｏ_３の各々の含有量を０．１重量％以下としてジルコニア焼結体を構成したことによって、水分の存在する高温雰囲気中での耐久性に優れたジルコニア焼結体を得ることができる。

また、このジルコニア焼結体は、出発原料であるＺｒＯ₂ とＹ₂ Ｏ₃ の原料を精製して、ＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂、ＣａＯ、ＮａＯ、及びＦｅ_２Ｏ_３の含有量を各々０．１重量％以下とし、得られた原料を所定形状に成形し、１３００〜１６００℃で焼成する工程によって、容易に製造することができる。

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表面荒れや表面変形が生じることなく、また変色等が生じることもなく、長期間良好に使用することができる。

以下本発明の実施形態を説明する。

図１（ａ）に示すように、光コネクタ用のフェルール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。

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。

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程度の凸曲面状に研摩する。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。

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、Ｙ₂ Ｏ₃ を２〜４モル％とＡｌ₂ Ｏ₃ を０．０５〜１重量％含有し、ＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂の各々の含有量を０．１重量％以下とし、さらにＣａＯ、Ｎａ₂Ｏ、及びＦｅ₂ Ｏ₃ の各々の含有量を０．１重量％以下としたものである。また、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、平均結晶粒子径が２μｍ以下となっている。

このように、ＳｉＯ₂ 、ＴｉＯ₂、ＣａＯ、ＮａＯ、及びＦｅ_２Ｏ_３の含有量をそれぞれ０．１重量％以下としてあることにより、粒界に液相がほとんど形成されず、そのためＹ₂ Ｏ₃ の偏析を防止することができ、黒斑点の発生を防止できるとともに、水分の存在する高温中での相変態を防止し、表面荒れや表面変形を防止できる。

なお、上記フェルール１やスリーブ２の製造方法は以下の通りである。

まず、ＺｒＯ₂ やＹ₂ Ｏ₃ 等の出発原料には不純物としてＳｉＯ₂やＴｉＯ₂、あるいはＣａＯ、Ｎａ₂ Ｏ、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、ＳｉＯ₂ やＴｉＯ₂ 等の含有量を各々０．１重量％以下とすることができる。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。そして、得られた原料を押出成形や射出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、１３００〜１６００℃で焼成し、さらに研摩、研削を行うことによって得ることができる。

このように、予め出発原料を酸処理等で精製することによって、ＳｉＯ₂ やＴｉＯ₂等の含有量を容易に減らすことができるのである。

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。

また、本発明における光コネクタ用部材とは、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部材のことを言い、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。

さらに、上記実施形態では光コネクタ用部材についてのみ説明したが、上述した本発明のジルコニア焼結体は、特に水分の存在する高温での耐久性に優れることから、光コネクタ用部材以外にも生体用インプラント部材や、ポンプ部材等の各種産業機械用部材のように、さまざまな用途に使用することができる。

以下本発明の実施例を説明する。

出発原料としてＺｒＯ₂ 、Ｙ₂ Ｏ₃ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ を用い、酸処理の条件を変えることによって、表１に示すように、最終焼結体中でのＳｉＯ₂ 、ＴｉＯ₂ 等の含有量が異なる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２．５ｍｍ、長さ１０．５ｍｍとなるような図１に示すフェルールの形状に押出成形し、この成形体を１４３０℃で焼成してフェルール１を作製した。

それぞれの組成について２０個のフェルール１を作製し、光ファイバ４を接続し先端面１ｄを研摩した後、８５℃の熱水中に１４日間放置した。その後、フェルール１の先端面１ｄを光学顕微鏡で観察し、表面荒れ又は表面変形の有無を調べた。また、Ｘ線回折法によりフェルール１の単斜晶相の含有量を分析した。その結果、表面荒れや表面変形が発生するか、または単斜晶相の含有量が５０％を超えたものは劣化発生とした。

表１にそれぞれの組成における劣化発生の個数を示す。

この結果より、ＳｉＯ₂ 又はＴｉＯ₂ の少なくとも一方の含有量が０．１重量％を超えるもの（Ｎｏ．９〜１２、２１〜３６）では、２０個中２〜１０個の劣化が発生した。また、その他の試料でも、Ａｌ₂ Ｏ₃ 量が０．０５〜１重量％の範囲外のもの（Ｎｏ．１，４，５，８，１３，１６，１７，２０）は２０個中２〜７個の劣化が発生した。

これらに対し、ＳｉＯ₂ 、ＴｉＯ₂ の含有量が各々０．１重量％以下であり、かつＡｌ₂ Ｏ₃ 含有量が０．０５〜１重量％であるもの（Ｎｏ．２，３，６，７，１４，１５，１８，１９）は全て劣化の発生数が０であり、優れた結果を示した。

（ａ）（ｂ）は本発明の光コネクタ用部材を示す図である。本発明の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
２：スリーブ
３：支持体
４：光ファイバ

Claims

ＺｒＯ₂ を主成分とし、Ｙ₂ Ｏ₃ を２〜４モル％とＡｌ₂ Ｏ₃を０．０５〜１重量％含有し、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＣａＯ、ＮａＯ、及びＦｅ_２Ｏ_３のそれぞれの含有量を０．１重量％以下としたことを特徴とするジルコニア焼結体。
ＺｒＯ₂ 、Ｙ₂ Ｏ₃ 等の出発原料を精製処理して、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＣａＯ、ＮａＯ、及びＦｅ_２Ｏ_３のそれぞれの含有量を各々０．１重量％以下とし、得られた原料を所定形状に成形した後、１３００〜１６００℃で焼成する工程からなることを特徴とする請求項１に記載のジルコニア焼結体の製造方法。
ＺｒＯ₂ を主成分とし、Ｙ₂ Ｏ₃ を２〜４モル％とＡｌ₂ Ｏ₃を０．０５〜１重量％含有し、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＣａＯ、ＮａＯ、及びＦｅ_２Ｏ_３のそれぞれの含有量を０．１重量％以下としたジルコニア焼結体からなることを特徴とする光コネクタ用部材。
請求項１に記載のジルコニア焼結体からなる筒状体の軸方向にスリットを有することを特徴とするスリーブ。
上記筒状体の内周面に複数の凸部を形成したことを特徴とする請求項４に記載のスリーブ。
請求項１に記載のジルコニア焼結体からなり、中央に光ファイバを挿入する貫通孔を有し、該貫通孔の後端側には光ファイバを挿入するための円錐部を備え、先端外周には球面部を備えてなることを特徴とするフェルール。
上記ジルコニア焼結体の正方晶の含有量を８０％以上としたことを特徴とする請求項４または５に記載のスリーブ。
上記ジルコニア焼結体の正方晶の含有量を８０％以上としたことを特徴とする請求項６に記載のフェルール。