(57)【要約】【課題】加工性がよく、しかも水分の存在する高温中においても先端表面部の形状の劣化のないフェルールを提供する。【解決手段】ＺｒＯ２を主成分とし、安定化剤としてＹ２Ｏ３を含有したジルコニア焼結体からなるフェルール１であって、先端表面部１ｄにおける結晶相は結晶のａ軸とｃ軸の格子定数ａ、ｃから、正方晶性＝ｃ／（√２×ａ）により求めた正方晶性の値が１．００１〜１．０１０であり、他の部分はこれよりの正方晶性の値が大きい結晶相からなる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＺｒＯ２を主成分とし、安定化剤としてＹ２Ｏ３を含有したジルコニア焼結体からなるフェルールであって、先端表面部における結晶相は結晶のａ軸とｃ軸の格子定数ａ、ｃから、正方晶性＝ｃ／（√２×ａ）により求めた正方晶性の値が１．００１〜１．０１０であり、他の部分がこれよりも正方晶性の値が大きい結晶相からなることを特徴とするフェルール。
【請求項２】
上記ジルコニア焼結体は固層反応により生成した正方晶相を主体とし、先端表面部は無拡散的に生成した正方晶相を主体とする二層構造としたことを特徴とする請求項１に記載のフェルール。
【請求項３】
ＺｒＯ２を主成分とし、安定化剤としてＹ２Ｏ３を含有する原料を所定形状に成形し、１１００〜１６００℃で焼成して焼結体を得た後、得られた焼結体の先端側よりレーザを照射して立方晶単一相の高温領域まで急速加熱したのち急速冷却することを特徴とする請求項１または２に記載のフェルールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、光通信に用いられるジルコニア焼結体からなるフェルールおよびその製造方法に関する。
【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多用されている。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その先端表面部を凸球面状に加工し、一対のフェルールをスリーブの両端から挿入して、凸球面状の先端表面部同士を当接させる構造となっている。
【０００４】
上記光コネクタに用いられるフェルールやスリーブを構成する材質として、ジルコニア焼結体が多用されており、ヤング率が低いため２つのフェルールの先端表面部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することができる（特公平８−３０７７５号公報参照）。
【０００５】
例えば、上記フェルールをジルコニア焼結体としては、ＺｒＯ２を主成分とし、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、所定形状に成形、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用いられている（特開平６−３３７３２７号公報参照）。
【０００６】
また、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、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焼結体が提案されている（特開平１０−２６０３３６号公報参照）。
【０００７】
さらに、ＺｒＯ２を主成分とし、安定化剤としてＹ２Ｏ３を含有し、正方晶相中のＹ２Ｏ３濃度を３．０モル％以上に保持した部分安定化ジルコニア焼結体が提案されている（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ｊａｐａｎ誌、１９９９年９月号参照）。
【０００８】
ところが、上記のいずれの従来例においても、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するという問題があった。
【０００９】
また、上記のフェルールを用いた光コネクタは、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、加速試験として、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た状態での光コネクタを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を生じるという問題があった。
【００１０】
その解決方法として本発明者は、内部は正方晶相を主体とし、表面部分は正方晶性が１．００１〜１．０１０の結晶相を主体とした二層構造としたフェルールを発明するに至り、フェルール全体を急加熱した後、水に投入し急冷する方法によって正方晶性の低い正方晶を表面に生成して作製することが提案されている（特開２００１−１８１０３１号公報参照）。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のフェルールの内部は正方晶相を主体とし、表面部分は正方晶性が１．００１〜１．０１０の結晶相を主体とした二層構造としたフェルールでは、ジルコニア焼結体としては表面部分に熱劣化に対し安定性のある無拡散的に生成した正方晶相が形成されているものの、フェルール全体を急加熱した後、水に投入し急冷する方法によって正方晶性の低い正方晶を表面に生成して作製されていた。そのため、フェルール全体の表面部分における正方晶性の低い部分は安定した厚さに生成されにくく、フェルールに光ファイバを接着固定後、先端表面部を仕上げ研磨した際、表面部分が数十μｍ削られてしまうため、表面部に正方晶性の低い部分を形成させていても、生成された厚みが薄い部分は仕上げ研磨により削られてしまい、先端表面部に生成した正方晶性の低い部分が消失してしまうことから、熱劣化性が悪くなってしまうという問題を生じている。
【００１２】
また、上記方法にてジルコニア焼結体を得た後、フェルールの外周部を研削加工もしくは研磨加工にて寸法精度よく加工するが、表面が幾分固くなっているために加工時間がかかる、ダイヤモンド砥石の磨耗が早い等の問題を生じた。
【００１３】
さらに、上記ジルコニア焼結体は、全体を急速加熱する方法であったために、水に投入しても表面の数μｍのみが急速冷却とはなるが、内部までの冷却に時間がかかるために、必要な深さまで正方晶性の異なる部分を形成することができないという問題を生じていた。
【００１４】
【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、本発明のフェルールは、ＺｒＯ２を主成分とし、安定化剤としてＹ２Ｏ３を含有したジルコニア焼結体からなるフェルールであって、先端表面部における結晶相は結晶のａ軸とｃ軸の格子定数ａ、ｃから、正方晶性＝ｃ／（√２×ａ）により求めた正方晶性の値が１．００１〜１．０１０であり、他の部分はこれよりもの正方晶性の値が大きい結晶相からなることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明のフェルールは、上記ジルコニア焼結体が固層反応により生成した正方晶相を主体とし、先端表面部は無拡散的に生成した正方晶相を主体とする二層構造としたことを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、本発明のフェルールの製造方法は、ＺｒＯ２を主成分とし、安定化剤としてＹ２Ｏ３を含有する原料を所定形状に成形し、１１００〜１６００℃で焼成して焼結体を得た後、得られた焼結体の先端側よりレーザを照射して立方晶単一相の高温領域まで急速加熱したのち急速冷却することを特徴とするものである。
【００１７】
即ち、本発明者が種々実験を行った結果、ＺｒＯ２を主成分とし、安定化剤としてＹ２Ｏ３を含有したジルコニア焼結体からなるフェルールにおいて、内部は固相反応により生成した一般的に知られている正方晶相を主体とし、先端表面部のみを無拡散的に生成した正方晶性が小さい正方晶相を主体とした二層構造に形成することにより、加工性がよく、しかも水分の存在する高温中においての先端表面部の形状の劣化を防止できる。この理由は、先端表面部以外は一般的な応力誘起変態の生じやすい一般的に知られている正方晶相を形成しているために高靱性、高強度を保持したまま、先端表面部の表面部分は応力誘起変態のしにくい正方晶性の小さい正方晶相を形成することにより、水分の存在する高温中での劣化を防止することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を説明する。
【００１９】
図１に示すように、フェルール１は、光コネクタに用いられる場合、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、外周部１ｃと先端表面部１ｄとその境界にはスリーブ挿入時にガイド面となるガイド部１ｅを備えている。
【００２０】
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、先端表面部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５の両端から挿入し、バネ等で押圧して先端表面部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。
【００２１】
上記フェルール１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３〜５モル％含有し、平均粒径０．５μｍ以下、相対密度９５％以上であるジルコニア焼結体において、内部は固相反応により生成した正方晶相を主体とし、先端表面部１ｄのみが無拡散的に生成した正方晶性の小さい正方晶相を主体とした二層構造に形成しており、このようにすることによって、高靱性、高強度でしかも水分の存在する高温中での先端表面部１ｄの劣化を防止できる。
【００２２】
一般にジルコニア焼結体は、原料を成形し、焼成する事で、固相反応により生成した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、ジルコニア焼結体の強度、靱性を向上できる。
【００２３】
本発明では、フェルール１の先端表面部１ｄにおける結晶相が正方晶性の小さい正方晶とすることが重要である。上記固相反応により生成した正方晶を主体とする焼結体を、高温立方晶単一相の領域である約２３７０℃以上に加熱し、高温相である立方晶から、急速冷却することにより無拡散的に生成できる。この正方晶性の小さい正方晶は、通常の正方晶とは違い応力誘起変態が生じにくく、その為に水分の存在する高温中での劣化を防止できる。
【００２４】
なお、上記先端表面部１ｄとは、図１に示すように、スリーブ挿入時にガイド面となるガイド部１ｅまでの球面状に形成された部分を示し、一対の先端表面部１ｄがスリーブ内で当接し弾性変形をした状態で、温水中に投入されていると、先端表面部１ｄの球面が変形し、曲率半径が大きくなるため、正方晶性の小さい正方晶は先端表面部１ｄのみに形成されることに限定される。
【００２５】
また、上記ジルコニア焼結体は、先端表面部１ｄは大部分が正方晶性の小さい正方晶相であるのに対し、内部は正方晶相の他に相変態に対して安定な立方晶を５〜４０体積％含んでいる。
【００２６】
正方晶性の小さい正方晶相が存在する先端表面部１ｄは表面から０．０６〜０．５ｍｍの範囲であることが好ましい。これは０．０６ｍｍ未満であると表面部分に生じた微細なクラックを通じて水分が高温劣化に弱い領域まで到達してしまい、内部から相変態が生じることと、０．５ｍｍを越えると応力誘起変態の起こらない領域が多すぎて、表面のクラックが多くなり、全体の強度が低下してしまうことによる。
【００２７】
ここで、固相反応により生成された正方晶とは一般的な焼結で得られる正方晶であり、無拡散的に生成された正方晶性の小さい正方晶とは高温相である立方晶から急速冷却により拡散しないままに相変態することによって生じた正方晶をいう。
【００２８】
このように、先端表面部１ｄ以外の部分は一般的な正方晶相を形成しているために高靱性、高強度を保ちながら、先端表面部１ｄは応力誘起変態の起きにくい正方晶相を形成することにより、水分の存在する高温中での劣化を防止することができる。
【００２９】
次に、一般的な正方晶と正方晶性の小さい正方晶との区別の方法について説明する。先ず、試料を粉末Ｘ線回折装置を用いてＸ線回折図形を描かせる。図３の（ａ）に表面部の正方晶性の小さい正方晶が主体のＸ線解析図形、（ｂ）に内部の一般的な正方晶が主体で立方晶を僅かに含んでいるＸ線解析図形を示す。図３（ａ）は試料のピークが非常にシャープのもので、これは急速冷却によって組成の分布が抑制されたためである。又、図３（ｂ）は（ａ）に比べピークの強度及び２θの位置にずれがあり、中央部に他のピークがある。これは（ａ）とは違う正方晶で有ることと立方晶が含まれていることを意味する。
【００３０】
このプロファイルを更に分析することによって、典型的な測定値として、一般的な正方晶はａ軸＝０．３６０３ｎｍ、ｃ軸＝０．５１７５ｎｍの格子定数が得られ、また、正方晶性が小さい正方晶はａ軸＝０．３６２１ｎｍ、ｃ軸＝０．５１５６ｎｍの格子定数が得られることから区別をすることができる。
【００３１】
正方晶性とは、ａ軸とｃ軸との格子定数ａ、ｃの比で表し、値が小さいほど立方晶に近いことを意味し、正方晶性＝ｃ／（√２×ａ）で示されるものである。
【００３２】
ここで、正方晶性の小さい正方晶の正方晶性は上記典型例の値を用いると１．００６８となるが材料のバラツキ等を考慮して１．００１〜１．０１０の範囲となり、また一般的な正方晶の正方晶性は同様に上記典型例の値を用いると１．０１５５となるが材料のバラツキ等を考慮して１．０１１〜１．０２０の範囲となる。
【００３３】
このように材料のバラツキにより多少の変動はあるが、正方晶性の小さい正方晶と一般的な正方晶とは明らかに違いを判別することができる。
【００３４】
次に、上記フェルール１の製造方法について説明する。
【００３５】
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する。そして、上記ＺｒＯ２原料に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。
【００３６】
次に、得られた原料を押出成形やプレス成形及び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、１１００〜１６００℃の温度で大気雰囲気中で焼成する。この時点では、焼結体全体が固相反応で生成された一般的な正方晶相が主体となった焼結体である。
【００３７】
更に、熱処理工程として、図４（ａ）に示すように、フェルール１を固定治具１２に挟み込んで、レーザ１１を用いて焼結体の先端表面部１ｄの表面部分を高温立方晶単一相の領域である約２３７０℃以上の温度に２０００〜６０００℃／秒の早さで急速加熱する。
【００３８】
ここでレーザは、ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、ＨｅＮｅレーザ、マキシマレーザ等を用いることができるが、加熱能力上はＹＡＧレーザを用いることが特に好ましい。
【００３９】
このようにレーザを用いて急速加熱をすることにより、短時間で所定の温度に達することができ、先端表面部１ｄのみを高効率に加熱し、フェルール１全体は加熱されていないため、レーザを停止した際に、フェルール１自体の低温度により先端表面部１ｄが一瞬の内に冷却されることとなる。そのために、特に冷却手段を必要としない。
【００４０】
また、加熱手段としてレーザ１１としているが、これに限ることなく２０００〜６０００℃／秒の早さで急速加熱できる方法であればよく、プラズマを用いたアークヒータ等を用いることでもよい。
【００４１】
次に、図４（ｂ）に示すように、クーラ１３から先端表面部１ｄの表面部分に冷却気体を吹き付けることで５００〜１５００℃／秒で急速冷却を行う。
【００４２】
ここで、冷却気体は、比較的に容易に入手可能な液体窒素を用いることが好ましい。
【００４３】
なお、図４（ａ）に示すように急速加熱は先端表面部１ｄのみであり、フェルール１全体が加熱されてはいないことから、図４（ｂ）に示す冷却方法を用いることなく、加熱を停止することにより瞬時に冷却することもできる。
【００４４】
また、この冷却気体を用いない場合、固定治具１２に熱容量の大きな焼結体を用いること、もしくは固定治具１２でフェルール１の外周部１ｃの大半を挟み込むこと等がより瞬時に冷却することができることになるので好ましい。
【００４５】
いずれにしても、５００〜１５００℃／秒で急速冷却を行う方法であればいかなる方法であってもかまわない。
【００４６】
以上より、高温相である立方晶から、急速冷却することにより無拡散的に正方晶性の小さい正方晶を先端表面部１ｄの表面部分に生成でき、フェルール１２においては、正方晶性の小さい正方晶相は表面から０．１〜０．６ｍｍの厚さとなる。
【００４７】
フェルール１の先端表面部１ｄは、これを更に研磨、研削を行うことによって得ることができる。研削、研磨の削り代は０．１ｍｍ以下のため、正方晶性の小さい正方晶相は約０．０５〜０．５ｍｍ程度残り、このために水分の存在する高温中において劣化が生じることはない。
【００４８】
この様に、内部は一般的な正方晶相を形成しているために高靱性、高強度を保持しながら、先端表面部１ｄの表面部分は応力誘起変態のしにくい正方晶の小さい正方晶相を形成することにより、水分の存在する高温中での劣化を防止することが出来るフェルール１を得ることができる。
【００４９】
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。
【００５０】
また、本発明におけるフェルールは、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に限らない。例えば、フェルール１を保持固定するスリーブ５や、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。
【００５１】
【実施例】
以下本発明の実施例を説明する。
【００５２】
（実施例１）
出発原料として、従来例に示したＺｒＯ２を主成分とし、安定化剤としてＹ２Ｏ３を含有する光コネクタ用ジルコニア焼結体において、正方晶相中のＹ２Ｏ３濃度を３．１モル％に保持した部分安定化ジルコニア原料を用意した。
【００５３】
最終製品の寸法が外径２．５ｍｍ、長さ１０．５ｍｍとなるように、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１４５０℃で焼成した焼結体からなるフェルール試料を４０個作成し、内２０個は従来例の試料としてアークイメージ炉を用いてフェルール全体を約２６５０℃に急速加熱し、水中に投入することで急速冷却を行いフェルール試料を作製した。
【００５４】
これに対し本発明のフェルール試料は残り２０個をＹＡＧレーザを用いて、先端表面部をＹＡＧレーザを照射して２５００℃に急速加熱をした後、液体窒素を先端表面部に吹き付けて急速冷却を行った。
【００５５】
各フェルール試料について研削、研磨仕上げを行い、貫通孔に光ファイバを挿通保持し、先端表面部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、先端表面の３ヶ所の正方晶性の低い正方晶の生成厚みを測定した。
【００５６】
各フェルール試料の生成厚みのうち最小値を表１に示す。
【００５７】
【表１】
2004029353.tif 000003
【００５８】
表１より明らかなように、従来例では正方晶性の低い正方晶の生成厚みの平均値は０．０７０ｍｍ、ばらつき０．０１４９ｍｍであるのに対し、本発明では平均値０．０８４ｍｍ、ばらつき０．０１３５ｍｍと生成厚みが大きくなっていることがわかる。また、従来例では生成厚みが０．０６ｍｍ以下のものは６個の試料で生じているが、本発明では０．０６ｍｍ以下の試料はなかった。
【００５９】
（実施例２）
次に、実施例１と同様の方法で作製したフェルール試料を図２に示すようにスリーブの両端より挿入し、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、先端表面部の形状測定器により、フェルール試料の先端表面部の試験前後の曲率半径の変化量（増加量）を調べた。表２にそれぞれの条件における曲率半径の変化量を示した。
【００６０】
【表２】
2004029353.tif 000004
【００６１】
表２より明らかなように、従来例の試料では曲率半径の変化量の平均値が０．０１ｍｍ、バラツキが０．５８ｍｍ、変化量最大値が０．９ｍｍであるのに対して、本発明の試料は変化量の平均値が０．０１ｍｍ、バラツキが０．１７６ｍｍ、変化量最大値が−０．３ｍｍと大幅に変動値を小さくできることがわかる。
【００６２】
即ち、ＺｒＯ２を主成分とし、安定化剤としてＹ２Ｏ３を含有したフェルールにおいて、結晶のａ軸とｃ軸の格子定数ａ、ｃから、正方晶性＝ｃ／（√２×ａ）により求めた正方晶性の値が、先端表面部の表面部分のみが他の部分の正方晶性の値と異なることにより、熱水中の試験を行ってもフェルール端面の曲率半径の変化が生じない。
【００６３】
【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、安定化剤としてＹ２Ｏ３を含有したジルコニア焼結体において、内部は固相反応により生成した一般的に知られている正方晶相を主体とし、先端表面部のみを無拡散的に生成した正方晶性が小さい正方晶相を主体とした二層構造に形成することにより、加工性がよく、しかも水分の存在する高温中においての先端表面部の形状の劣化を防止できる。この理由は、先端表面部以外は一般的な応力誘起変態の生じやすい一般的に知られている正方晶相を形成しているために高靱性、高強度を保持したまま、先端表面部の表面部分は応力誘起変態のしにくい正方晶性の小さい正方晶相を形成することにより、水分の存在する高温中での劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフェルールの一実施形態を示す部分断面図である。
【図２】本発明のフェルールを用いた光コネクタを示す断面図である。
【図３】本発明のフェルールを形成するジルコニア焼結体のＸ線解析チャート図であり、（ａ）は先端表面部の正方晶性の小さい正方晶相、（ｂ）は先端面以外の部分の立方晶をわずかに含む正方晶相を示す。
【図４】（ａ）、（ｂ）は本発明のフェルールの製造方法を説明する部分断面図である。
【符号の説明】
１：フェルール
１ａ：貫通孔
１ｂ：円錐部
１ｃ：外周部
１ｄ：先端表面部
１ｅ：ガイド部
２：支持体
３：光ファイバ
４：接着剤
５：スリーブ
１１：レーザ
１２：固定治具
１３：クーラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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