(57)【要約】【課題】可塑性が必要な成形法においても、機械的強度の良いジルコニア焼結体を得る。【解決手段】ジルコニア原料粉体と安定化剤からなるジルコニア焼結体の製造方法において、ジルコニア原料粉体にバインダと該バインダが可溶な有機溶媒を混合し、成形、脱脂、焼成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジルコニア粉体と安定化剤からなる原料粉体にバインダと該バインダが可溶な有機溶媒を混合し、混合したスラリーを、高温、真空雰囲気中で、攪拌しながら有機溶媒を蒸発除去した後、所定形状に成形し、脱脂、焼成することを特徴とするジルコニア焼結体の製造方法。
【請求項２】
上記バインダが、１２−ヒドロキシステアリン酸、ミリスチン酸セチル、ポリエチレングリコールのうち１種以上を含む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。
【請求項３】
上記有機溶媒が、アセトン、エタノール、イソプロピルアルコールの少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１又は２記載のジルコニア焼結体の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法により得られたジルコニア焼結体に研削及び／又は研磨加工を行うことにより得られることを特徴とする光通信用部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はジルコニア焼結体の製造方法及びそれを用いた光通信用部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的にセラミックス焼結体を得る場合、原料粉末に、バインダを添加し、流動性を付与させ、所望の形に成形する方法がある。このバインダには、水系バインダとワックス系バインダとがあり、安全性、乾燥面での手軽さなどから、水系バインダが用いられてきた。しかし、主成分が水ということで、環境による変動が大きく均一な焼結体が得られにくい。
【０００３】
ところが、ワックス系バインダ、なかでも樹脂系バインダを添加すると、乾燥面での工程が増えるが、環境による変動はほとんどなく、更に流動性の温度依存と、成形体の強度向上という利点がある。従来、バインダとセラミック原料粉末を混合する際は、熱溶解させた樹脂系バインダに原料粉末を少量ずつ投入していく方法であった。この混合工程それも、混練の工程で、バインダが均一に分散されなければ、均一な密度の成形体は得ることはできず、ひいては、焼成収縮に伴う変形は避けられない。また、焼結体の密度や強度の向上を考えると、５０体積％以上の高い原料充填率及び、それが均一に分散されていることが好ましいとされている。これは、焼成体の充填率が１に近くなるものについては、成形体の気孔率がそのまま焼成収縮率となるため、高充填の成形体は焼成収縮が小さく、寸法安定性に優れた複雑な形状の製品の製造が可能となる。さらには難焼結性のセラミックについては、高充填の成形品を作ることにより焼成温度を低くすることもできるためである。
【０００４】
上記ジルコニア原料粉体の混合方法としては、特許文献１には、樹脂系バインダと原料粉体、更に有機溶媒を添加して溶解させ、混合を行い、その溶媒を含んだまま成形し、乾燥、焼成を行う方法が示されている。この方法の場合、溶媒を加えることには、テープ成形を行うに適した液状を組成物に付与する目的がある。しかし、成形後の乾燥で、バインダ中の溶媒と有機溶媒を除去しているので、乾燥時の変形の可能性が多い。
【０００５】
また、特許文献２には、ジルコニア原料粉体の製造方法にも、焼結助剤を均一にコーティングさせるのにも、一度、助剤を溶媒に溶解させその溶液と、ジルコニア粉末を混合することで、助剤のジルコニア粉末への均一な披着をさせている方法が示されている。
【０００６】
また、特許文献３には、アルミナ質焼結体の製造方法で、溶媒を加え、混合を行い、テープ成形している方法が示されている。アルミナのような、粒径が大きく、テープ成形のように多量のバインダを要する成形方法でも、溶媒を加えることにより、混合を容易にし、原料スラリー中のアルミナ粉末とバインダの均一な分散を得ている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２０３９４１号公報
【特許文献２】
特開平６−２１１５７０号公報
【特許文献３】
特開２００１―３４８２６５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の湿式混合方法では、成形後に乾燥工程を設けているため、成形体の生密度が低く、乾燥時の収縮が大きい、つまりは、乾燥時の変形が大きく、せっかくの成形の効果が薄れてしまう。また、収縮が大きいため、乾燥後の密度が低く、焼結に高い温度を要し、更に、機械的強度も低い焼結体しか得られないという課題があった。
【０００９】
【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、ジルコニア粉体と安定化剤からなる原料粉体にバインダと該バインダが可溶な有機溶媒を混合し、混合したスラリーを、高温、真空雰囲気中で、攪拌しながら有機溶媒を蒸発除去した後、所定形状に成形し、脱脂、焼成することを特徴とする。
【００１０】
また、上記バインダが、１２−ヒドロキシステアリン酸、ミリスチン酸セチル、ポリエチレングリコールのうち１種以上を含むことを特徴とする。
【００１１】
更に、上記有機溶媒が、アセトン、エタノール、イソプロピルアルコールの少なくとも１種からなることを特徴とする。
【００１２】
加えて、請求項１〜３のいずれかに記載の混合方法により得られたジルコニア焼結体に研削及び／又は研磨加工を行うことにより光通信用部品を得ることを特徴とする。
【００１３】
すなわち、有機溶媒を加えたことで、原料粉末に対する溶媒量を増やし、充填率が低いセラミック組成物として混合する。この場合、混合、混練は、比較的容易に飽和する。そして混合が飽和した後、加えた有機溶媒をバインダが気化しにくい、温度、気圧で混合しながら蒸発除去することにより、バインダが均一に分散されたセラミック組成物だけを得ることを特徴とする。
【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】
本発明の目的は、ジルコニア原料粉体と焼結助剤を含む安定化剤からなるジルコニア焼結体を得る場合、ジルコニア原料粉体にバインダと該バインダが可溶な有機溶媒を混合し、成形、脱脂、焼成することにより、混合の容易化、機械的強度の上昇を図るものである。
【００１６】
ここで、ジルコニア原料粉体の粒径の範囲は、０．１μｍ〜０．３μｍが好ましい。また、ジルコニアの量は、全ての原料粉体、バインダ、溶媒を加えた混合物に対して、５０体積％以上あることが好ましい。これは、上記のように、高充填の成形体は焼成収縮が小さく、寸法安定性に優れた複雑な形状の製品の製造が可能となるためである。
【００１７】
また、バインダとしては、１２−ヒドロキシステアリン酸、ミリスチン酸セチル、ポリエチレングリコールの１種以上用いることが好ましい、これらは、熱可塑性を有する物質であり、成形体の保形成、強度を温度によって制御することができ、成形後の寸法精度を後の工程で悪化を防げるため用いられる。
【００１８】
また、有機溶媒としては、アセトン、エタノール、イソプロピルアルコールの１種を用いる。これらは、沸点が低く、常温、常圧で揮発しやすい特性と、多くの溶媒に用いているように、高い溶解性を持つ物質である。よって、樹脂バインダ中の結合剤、１２−ヒドロキシステアリン酸、ミリスチン酸セチル、ポリエチレングリコール等を容易に溶解することができる。このことにより、バインダ分の体積が有機溶媒により一時的に増加したことになり、原料充填率が低下したことになり、分散が偏ることなく、均一な混合組成物が容易に得られる。
【００１９】
その後、元の組成に戻すため、有機溶媒を除去しなくてはならない。
【００２０】
この有機溶媒除去の方法としては、加温、真空雰囲気中で攪拌しながら蒸発除去する。温度については、バインダ中に含まれる溶媒の沸点以下にし、組成を変化させない温度が望ましい。真空度については、０Ｔｏｒｒ以下が望ましい。どちらについても、高温、高真空にしすぎると、元のバインダ組成を変化させてしまう恐れがある。
【００２１】
また、混合後のスラリーは、粒径が小さなジルコニア原料のため、分子間力が大きく、ジルコニア粒子の再凝集が起こりやすいため、攪拌しながら乾燥することにより、分散性を失うことなく原料組成物を得ることができる。更に、高充填の原料を欲する場合、溶媒除去後の原料組成物の粘度が高くミキサーの周速は、１０ｍ／ｓ以上で混合しなければならない。このようにして得られた組成物を成形し、焼成することにより、ジルコニア焼結体が得られる。
【００２２】
具体例として、ジルコニア原料粉末を用いた光通信用部品の製造例を挙げる。ジルコニア原料粉末としては、ジルコニア（ＺｒＯ２　）を主成分とし、相変態の抑制を目的とする安定化剤としてのイットリア（Ｙ２Ｏ３）及び主に焼結助剤としてのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）を含有し、Ｙ２Ｏ３が４〜７重量％、Ａｌ２Ｏ３が０．１〜０．４重量％、ＳｉＯ２が０．００５〜０．１重量％である。
【００２３】
本発明のジルコニア焼結体の一実施例である光コネクタ用のフェルール１は、詳細を後述するジルコニア焼結体で形成され、図１に示すように、中央に光ファイバ３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３の挿入を容易にするために円錐部１ｂを備え、外周部１ｃと凸球面状の先端面１ｄの境界にはスリーブ挿入時にガイド面となる面取部１ｅを備えている。
【００２４】
また図２に示すように、スリーブ４は筒状体であり、その軸方向にスリット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。
【００２５】
上記フェルール１は、その後方を金属製の支持体２に接合し、上記貫通孔１ａに光ファイバ３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磨する。このような一対のフェルール１をスリーブ４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３同士の接続を行うことができる。
【００２６】
次に上記フェルール１及びスリーブ４の製造方法について説明する。
【００２７】
まず、出発原料である、ジルコニア原料粉体は粒径が０．２μｍと細かく、粒子間の結合エネルギーが大きい。そのため、バインダを均一に分散するためにも、必要とするバインダの量は多くなければならない。更に、光コネクタ用部品の製造には、押し出し成形という成形法が適しているが、粉体プレスに比べると、混合組成物に多大な可塑性をもたせなければならない。つまり、ジルコニア原料粉末に対する、バインダ量が多いことが要求される。
【００２８】
混合方法ついては、バインダ中の結合剤を、湯煎により熱溶解させ液状化させた後、原料粉体を投入し、混合することで、セラミック組成物を得る。この、ジルコニア原料粉体とバインダの組成物を１００体積％としたとき、原料粉体を５０体積％以上の組成にすると、液体量が少なすぎて、混合に多大な時間を要し、更に、バインダが均一に分散されていない組成物となってしまうことが分かっている。
【００２９】
次に得られた原料を押出成形やプレス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、焼成温度１３５０℃〜１４５０℃の範囲の大気雰囲気中で焼成する。
【００３０】
フェルール１やスリーブ４はこの焼結体をさらに研削及び／又は研磨加工を行うことによって得ることができる。研削加工は通常ダイヤモンド砥石またはダイヤモンド砥粒を用いて行われる。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
以上、本発明のジルコニア焼結体の例として光通信用部品であるフェルール１及びスリーブ４を紹介してきたが、これに限ることなくノズル等、各種産業用構造部材に使用するジルコニア焼結体に用いることができる。
【００３４】
【実施例】
以下本発明の実施例を説明する。
用いるジルコニア原料粉体は、上述した、各種焼結助剤を含むものである。また、ワックスバインダの組成は、結合剤として１２ヒドロキシステアリン酸が４５重量％、溶媒にはｎ−パラフィンが４５重量％、分散剤にＣＣ―５５が１０重量％のものを用いた。また、混合組成物中のジルコニア原料粉体が５０体積％となるよう秤量した。
【００３５】
次に、上記秤量したバインダを、ミキサー容器に入れ、更にエタノールを原料粉体に対し２０重量％になるよう添加し、溶液を攪拌し、バインダ中の結合剤を全てエタノール中に溶解させた。
【００３６】
上記溶液に原料粉体を全量投入し、ミキサーで混合、混練を行った。このとき、ミキサーは、４０℃、１Ｔｏｒｒの真空に保ちつつ、周速は１０ｍ／ｓにて、１時間攪拌し、混合、乾燥除去を行った。エタノールの沸点は７８．３度だが、４０℃に加温し、更に、真空引きを行うことにより、エタノールは全量除去できた。このようにして、実施例の混合組成物を得た。
【００３７】
更に、比較例１として、上記と同じ組成にて、エタノールを添加し、上記と同じ条件にて、ミキサーを用いて、５分間混合を行った。その後、４０℃、１Ｔｏｒｒの雰囲気下において、４時間溶媒の乾燥除去を行った。ここでは、攪拌しながらの乾燥でないため、実施例より多く乾燥時間をとった。このようにして比較例１の混合組成物を得た。
【００３８】
更に、比較例２として、水系バインダを使用した原料を用いた。この水系バインダは、水、セロゲン、マルレックスを含み、大部分を水が占めているものである。この混合組成物中のジルコニア原料粉体が５０体積％となるようそれぞれ秤量した。
【００３９】
次に、秤量したバインダとジルコニア原料粉体をミキサーへ投入し、周速１０ｍ／ｓ、常温、常圧にて混合し、比較例２の混合組成物を得た。
【００４０】
上記３種の混合組成物を押し出し成形機にて、外形φ４．３０．ｍｍ、内径φ０．１６ｍｍ、長さ５００ｍｍの筒状に成形した。実施例、比較例ともに、１０サンプル作成し、ヘリウム比重計（島津製）によりそれぞれの成形体の生密度を測定した。
【００４１】
また、上記筒状成形体を、最終製品の寸法が外径２．５ｍｍ、長さ１０．５ｍｍとなるように、この成形体を焼成温度１４００℃の条件で焼成して磁器を得た。次にこの磁器を加工してフェルール１を作製した。このフェルールについて、ＪＩＳ規格にある３点曲げ強度試験を行い、実施例、比較例との機械的強度の比較を行った。
【００４２】
表１に各サンプルの生密度と３点曲げ強度の結果を示す。
【００４３】
まず、比較例２の水系バインダを用いたものは、押出し成形できる粘度よりも、はるかに高粘度となり成形できず、サンプルが得られなかった。これにより、従来の水系バインダでは、高充填率の成形体が得られないことが分かった。
【００４４】
また、ワックスを用いた比較例１の生密度は、平均値が２．８１ｇ／ｃｍ３であるのに対し、本実施例では、２．９０ｇ／ｃｍ３であった。このことより、実施例のものは、成形対中の空隙が少なく、それは、バインダが均一に分散され、成形圧が均一に伝達されたためであることがわかった。
【００４５】
また、比較例１の曲げ強度では、平均値１３０６ＭＰａであるのに対し、本発明の実施例では、平均値１４６６ＭＰａであり、機械的強度が良いことがわかった。これらのことより、本発明の製造方法が優れていることがわかった。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、可塑性が必要な成形法においても、充填率を低下させることなく、成形体を得られる。更に、生密度が高いことより、焼成時間の短縮を図り、機械的強度の良いジルコニア焼結体及び、それを用いた光通信用部品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）（ｂ）本発明の製造方法により得られたジルコニア焼結体を用いた光コネクタ用部材を示す断面図である。
【図２】図１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：支持体
３：光ファイバ
４：スリーブ
【図１】
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【図２】
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