JP3911451B2

JP3911451B2 - Ferrule manufacturing method

Info

Publication number: JP3911451B2
Application number: JP2002185114A
Authority: JP
Inventors: 善宏小林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: JP2004029353A

Description

【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の製造方法は、ＺｒＯ _２を主成分とし、安定化剤としてＹ _２Ｏ _３を含有する原料を所定形状に成形し、１１００〜１６００℃で焼結して得られた焼結体の先端表面部に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する熱処理後、急速冷却する冷却処理をすることにより、前記焼結体の先端表面部における結晶相を、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となるようにし、前記焼結体の他の部分を前記先端表面部よりも正方晶性の大きい結晶相としたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明のフェルールの製造方法は、前記熱処理を２０００〜６０００℃／秒で加熱し、前記冷却処理を５００〜１０００℃／秒で冷却することを特徴とする。
【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】

【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】

【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、ＺｒＯ _２を主成分とし、安定化剤としてＹ _２Ｏ _３を含有する原料を所定形状に成形し、１１００〜１６００℃で焼結して得られた焼結体の先端表面部に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する熱処理後、急速冷却する冷却処理をすることにより、前記焼結体の先端表面部における結晶相を、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となるようにし、前記焼結体の他の部分を前記先端表面部よりも正方晶性の大きい結晶相としたことにより、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、高靭性、高強度を維持したまま、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[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a ferrule made of a zirconia sintered body used for optical communication and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, optical communication using an optical fiber has been frequently used as the amount of information in communication increases. In this optical communication, an optical connector is used to connect optical fibers or connect an optical fiber and various optical elements.
[0003]
For example, in the case of an optical connector that connects optical fibers, the end of the optical fiber is held in a through-hole formed in the ferrule, the tip surface is processed into a convex spherical shape, and a pair of ferrules are inserted from both ends of the sleeve Thus, the convex spherical tip surface portions are brought into contact with each other.
[0004]
A zirconia sintered body is often used as a material for the ferrule and sleeve used in the optical connector, and since the Young's modulus is low, when the tip surface portions of two ferrules are brought into contact with each other, the adhesiveness is reduced with a small stress. The reliability can be improved because the strength and toughness are high (see Japanese Patent Publication No. 8-30775).
[0005]
For example, when the ferrule is a zirconia sintered body, ZrO ₂ is a main component and about 2.5 to 3.5 mol% (about 4.5 to 6.2 wt%) of Y ₂ O ₃ as a stabilizer. A partially stabilized zirconia sintered body mainly composed of a tetragonal crystal phase having an average crystal grain size of 0.4 to 0.6 μm is formed and fired into a predetermined shape. (See Kaihei 6-337327).
[0006]
Further, a tetragonal crystal phase obtained by forming and firing a raw material in which 0.2 to 0.3% by weight of Al ₂ O ₃ is added to a raw material containing ZrO ₂ as a main component and Y ₂ O ₃ as a stabilizer. A partially stabilized zirconia sintered body mainly used has been proposed (see Japanese Patent Laid-Open No. 10-260336).
[0007]
Furthermore, a partially stabilized zirconia sintered body containing ZrO ₂ as a main component, containing Y ₂ O ₃ as a stabilizer, and maintaining the Y ₂ O ₃ concentration in the tetragonal phase at 3.0 mol% or more is proposed. (See Journal of the Ceramic Society of Japan, September 1999 issue).
[0008]
However, in any of the above-described conventional examples, when the partially stabilized zirconia sintered body containing Y ₂ O ₃ is exposed to a high-temperature atmosphere in which moisture exists, the tetragonal crystal is transformed into a monoclinic crystal. Thus, there is a problem that properties such as strength and toughness deteriorate.
[0009]
In addition, since the optical connector using the above ferrule may be used in a bad environment for a long time depending on the use application, a pair of ferrules are inserted from both ends of the sleeve as an acceleration test, and are internally protruded. There is a case where a test is performed in which the optical connector in a state where the end surfaces processed into a spherical shape are in contact with each other is exposed to 85 ° C. hot water. At this time, the optical connector member such as a ferrule made of a zirconia sintered body tends to cause a phenomenon that the connected surface is deformed by the above-described phase transformation, and the radius of curvature of the convex spherical surface of the ferrule end surface is increased. As a result, there is a problem that connection failure or excessive connection loss occurs.
[0010]
As a solution to this problem, the present inventors have invented a ferrule having a two-layer structure mainly composed of a tetragonal phase inside and a surface portion mainly composed of a crystal phase having a tetragonality of 1.001 to 1.010. It has been proposed to produce a tetragonal crystal having low tetragonality on the surface by a method in which the entire ferrule is rapidly heated and then poured into water and rapidly cooled (see JP 2001-181031 A).
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a ferrule having a two-layer structure mainly composed of a tetragonal phase inside a conventional ferrule and a crystal phase mainly composed of a tetragonal crystallinity of 1.001 to 1.010, as a zirconia sintered body, Although a non-diffusible tetragonal phase that is stable against thermal degradation is formed on the surface, a tetragonal crystal with low tetragonality is obtained by rapidly heating the entire ferrule and then cooling it into water. Was produced on the surface. For this reason, the portion with low tetragonality in the surface portion of the entire ferrule is less likely to be formed with a stable thickness, and when the optical fiber is bonded and fixed to the ferrule, the surface portion is scraped by several tens of μm when the tip surface portion is finished and polished. Therefore, even if a portion with low tetragonality is formed on the surface portion, the portion with a thin thickness generated is scraped by finish polishing, and the portion with low tetragonality generated on the tip surface portion disappears. As a result, there is a problem that the heat deterioration property is deteriorated.
[0012]
In addition, after obtaining the zirconia sintered body by the above method, the outer periphery of the ferrule is processed with dimensional accuracy by grinding or polishing, but the surface is somewhat hard, so it takes processing time. Problems such as rapid wear of the grinding wheel occurred.
[0013]
Furthermore, since the zirconia sintered body was a method of rapidly heating the whole, even if it was put into water, only a few μm of the surface would be rapidly cooled, but it took time to cool to the inside, There has been a problem that a portion having different tetragonal properties cannot be formed to a necessary depth.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and the method for producing a ferrule of the present invention comprises forming a raw material containing ZrO ₂ as a main component and Y ₂ O ₃ as a stabilizer into a predetermined shape. Then, after the heat treatment for rapidly heating the sintered body obtained by sintering at 1100 to 1600 ° C. to the high temperature region of the cubic single phase by irradiating a laser to the tip surface portion, a cooling treatment for rapidly cooling is performed. Thus, the crystal phase at the tip surface portion of the sintered body is determined from the crystal constants a and c of the a-axis and c-axis of the crystal by the tetragonality = c / (√2 × a). 1.001 to 1.010, and the other part of the sintered body is a crystalline phase having a tetragonal crystallinity larger than that of the tip surface part .
[0015]
Moreover, the manufacturing method of the ferrule of this invention is characterized by heating the said heat processing at 2000-6000 degreeC / sec, and cooling the said cooling process at 500-1000 degree-C / sec.
[0016]
Furthermore, in the method for producing a ferrule of the present invention, a raw material containing ZrO ₂ as a main component and Y ₂ O ₃ as a stabilizer is formed into a predetermined shape and fired at 1100 to 1600 ° C. to obtain a sintered body. After that, a laser is irradiated from the front end side of the obtained sintered body to rapidly heat to a high temperature region of a cubic single phase, and then rapidly cool.
[0017]
That is, as a result of various experiments conducted by the present inventor, in a ferrule composed of a zirconia sintered body containing ZrO ₂ as a main component and Y ₂ O ₃ as a stabilizer, the inside is generally generated by a solid-phase reaction. By forming a two-layer structure mainly composed of a tetragonal phase known mainly in tetragonal phase with non-diffusive formation only on the tip surface part, and having a small tetragonal phase as the main component, the workability is good. It is possible to prevent deterioration of the shape of the tip surface portion in a high temperature where moisture exists. The reason for this is that the surface of the tip surface portion maintains high toughness and high strength because it forms a generally known tetragonal phase that is prone to general stress-induced transformations other than the tip surface portion. By forming a tetragonal phase having a small tetragonal property that is difficult to undergo stress-induced transformation, the portion can be prevented from being deteriorated in a high temperature where moisture exists.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
[0019]
As shown in FIG. 1, when used in an optical connector, the ferrule 1 has a through hole 1a for inserting an optical fiber in the center, and facilitates insertion of the optical fiber at the rear end side of the through hole 1a. For this purpose, a conical portion 1b is provided, and an outer peripheral portion 1c, a front end surface portion 1d, and a boundary thereof are provided with a guide portion 1e that becomes a guide surface when the sleeve is inserted.
[0020]
The ferrule 1 is formed of a zirconia sintered body, which will be described in detail later. As shown in FIG. 2, the rear side is joined to a metal support 2, and the optical fiber 3 is inserted into the through hole 1a and joined. After that, the tip surface portion 1d is polished into a convex spherical shape having a curvature radius of about 10 to 25 mm. By inserting such a pair of ferrules 1 from both ends of the sleeve 5 and pressing them with a spring or the like to bring the tip surface portions 1d into contact with each other, the optical fibers 3 can be connected to each other.
[0021]
The zirconia sintered body constituting the ferrule 1 contains ZrO ₂ as a main component, ₃ to 5 mol% of Y ₂ O ₃ as a stabilizer, an average particle size of 0.5 μm or less, and a relative density of 95% or more. In the zirconia sintered body, the inside is mainly composed of a tetragonal phase generated by a solid-phase reaction, and only the tip surface portion 1d is formed in a two-layer structure mainly composed of a tetragonal phase with a small tetragonality formed non-diffusively. By doing so, it is possible to prevent the tip surface portion 1d from deteriorating at high temperatures with high toughness, high strength and moisture.
[0022]
In general, a zirconia sintered body is formed into a monoclinic crystal when subjected to stress by forming and firing a raw material, mainly by a tetragonal phase generated by a solid phase reaction. The strength and toughness of the zirconia sintered body can be improved by a mechanism of stress-induced transformation that transforms and expands in volume and prevents the development of cracks.
[0023]
In the present invention, it is important that the crystal phase in the tip surface portion 1d of the ferrule 1 is a tetragonal crystal having a small tetragonal property. The sintered body mainly composed of tetragonal crystals formed by the solid phase reaction is heated to about 2370 ° C. or more, which is a high-temperature cubic single phase region, and rapidly cooled from the high-temperature cubic crystals. Can be generated diffusively. Unlike normal tetragonal crystals, tetragonal crystals with small tetragonality are unlikely to undergo stress-induced transformation, and therefore can prevent deterioration at high temperatures where moisture exists.
[0024]
As shown in FIG. 1, the tip surface portion 1d is a portion formed in a spherical shape up to the guide portion 1e that becomes a guide surface when the sleeve is inserted, and the pair of tip surface portions 1d are contacted in the sleeve. If the spherical surface of the tip surface portion 1d is deformed and the radius of curvature becomes large if it is poured into warm water while being in contact with and elastically deformed, a tetragonal crystal having a small tetragonality is formed only on the tip surface portion 1d. It is limited to that.
[0025]
Further, in the zirconia sintered body, the tip surface portion 1d is mostly a tetragonal phase having a small tetragonal property, whereas the inside contains 5 cubic crystals which are stable to the phase transformation in addition to the tetragonal phase. Contains ~ 40% by volume.
[0026]
The tip surface portion 1d where a tetragonal phase having a small tetragonal property exists is preferably in the range of 0.06 to 0.5 mm from the surface. If it is less than 0.06 mm, the moisture reaches a region susceptible to high temperature degradation through fine cracks generated on the surface portion, and phase transformation occurs from the inside, and if it exceeds 0.5 mm, stress-induced transformation occurs. This is because there are too many regions that do not occur, the number of cracks on the surface increases, and the overall strength decreases.
[0027]
Here, the tetragonal crystal generated by the solid phase reaction is a tetragonal crystal obtained by general sintering, and the non-diffusible tetragonal crystal generated by non-diffusivity is a cubic crystal that is a high-temperature phase. This refers to tetragonal crystals formed by phase transformation without diffusion due to rapid cooling.
[0028]
As described above, since the portion other than the tip surface portion 1d forms a general tetragonal phase, the tip surface portion 1d forms a tetragonal phase in which stress-induced transformation hardly occurs while maintaining high toughness and high strength. By doing so, it is possible to prevent deterioration in a high temperature where moisture exists.
[0029]
Next, a method for distinguishing between a general tetragonal crystal and a tetragonal crystal having a small tetragonal property will be described. First, an X-ray diffraction pattern is drawn on a sample using a powder X-ray diffractometer. FIG. 3 (a) shows an X-ray analysis figure mainly composed of tetragonal crystals with a small tetragonal surface, and FIG. 3 (b) shows an X-ray analysis mainly composed of general tetragonal crystals inside and slightly containing cubic crystals. Indicates a figure. FIG. 3A shows a sample with a very sharp peak because the composition distribution is suppressed by rapid cooling. In FIG. 3B, the peak intensity and the position of 2θ are shifted as compared with FIG. 3A, and there is another peak at the center. This means that it is a tetragonal crystal different from (a) and includes a cubic crystal.
[0030]
By further analyzing this profile, a typical tetragonal crystal has a lattice constant of a-axis = 0.3603 nm and c-axis = 0.5175 nm as a typical measurement value. Crystals can be distinguished from each other because lattice constants of a-axis = 0.3621 nm and c-axis = 0.5156 nm are obtained.
[0031]
Tetragonality is represented by the ratio of the lattice constants a and c between the a-axis and the c-axis. The smaller the value, the closer to the cubic crystal. Tetragonality = c / (√2 × a) It is what
[0032]
Here, the tetragonal crystallinity of the tetragonal crystal having a small tetragonality is 1.0068 when using the value of the above typical example, but it is in the range of 1.001 to 1.010 in consideration of the variation of the material, etc. Similarly, the tetragonality of a typical tetragonal crystal becomes 1.0155 when the value of the above typical example is used, but it becomes a range of 1.011 to 1.020 in consideration of variation of materials.
[0033]
As described above, although there is some variation depending on the material variation, it is possible to clearly discriminate the difference between tetragonal crystals having a small tetragonality and general tetragonal crystals.
[0034]
Next, a method for manufacturing the ferrule 1 will be described.
[0035]
First, ZrO _{2 as} a starting material contains Al ₂ O ₃ , SiO ₂ , TiO ₂ , CaO, Na ₂ O, Fe ₂ O _3, etc. as impurities. Or refined by techniques such as gravity beneficiation using the difference in specific gravity. Then, ₃ to 5 mol% of Y ₂ O ₃ is added to and mixed with the ZrO ₂ raw material, and the mixture is reacted and dissolved by a method such as neutralization coprecipitation or hydrolysis.
[0036]
Next, the obtained raw material is molded into a predetermined shape by extrusion molding, press molding, injection molding, or the like, and if necessary, cut or the like, and then fired in the atmosphere at a temperature of 1100 to 1600 ° C. At this time, the entire sintered body is a sintered body mainly composed of a general tetragonal phase generated by a solid phase reaction.
[0037]
Further, as a heat treatment step, as shown in FIG. 4 (a), the ferrule 1 is sandwiched between fixing jigs 12, and the surface portion of the front end surface portion 1d of the sintered body is formed with a high temperature cubic single phase using a laser 11. Rapid heating is performed at a speed of 2000 to 6000 ° C./sec.
[0038]
Here, a YAG laser, a CO ₂ laser, a HeNe laser, a maxima laser, or the like can be used as the laser, but it is particularly preferable to use a YAG laser in terms of heating capability.
[0039]
By rapid heating using a laser in this way, a predetermined temperature can be reached in a short time, only the tip surface portion 1d is heated with high efficiency, and the entire ferrule 1 is not heated. When stopped, the tip surface portion 1d is cooled in an instant due to the low temperature of the ferrule 1 itself. Therefore, no cooling means is required.
[0040]
Further, although the laser 11 is used as the heating means, the method is not limited to this, and any method capable of rapid heating at a speed of 2000 to 6000 ° C./second may be used, and an arc heater using plasma or the like may be used.
[0041]
Next, as shown in FIG.4 (b), rapid cooling is performed at 500-1500 degreeC / sec by spraying cooling gas from the cooler 13 to the surface part of the front-end | tip surface part 1d.
[0042]
Here, it is preferable to use liquid nitrogen that is relatively easily available as the cooling gas.
[0043]
As shown in FIG. 4 (a), rapid heating is performed only on the tip surface portion 1d, and the entire ferrule 1 is not heated. Therefore, heating is performed without using the cooling method shown in FIG. 4 (b). It can also be cooled instantly by stopping.
[0044]
When this cooling gas is not used, use of a sintered body having a large heat capacity for the fixing jig 12 or sandwiching most of the outer peripheral portion 1c of the ferrule 1 with the fixing jig 12 makes cooling more instantaneous. Is preferable.
[0045]
In any case, any method may be used as long as rapid cooling is performed at 500 to 1500 ° C./second.
[0046]
As described above, from the cubic crystal which is a high-temperature phase, a tetragonal crystal having a small tetragonal property can be generated non-diffusively on the surface portion of the tip surface portion 1d by rapid cooling. The crystal phase has a thickness of 0.1 to 0.6 mm from the surface.
[0047]
The tip surface portion 1d of the ferrule 1 can be obtained by further polishing and grinding it. Since the cutting allowance for grinding and polishing is 0.1 mm or less, a tetragonal phase with a small tetragonality remains about 0.05 to 0.5 mm, and therefore no deterioration occurs in a high temperature where moisture exists. .
[0048]
Thus, since the inside forms a general tetragonal phase, while maintaining high toughness and high strength, the surface portion of the tip surface portion 1d has a small tetragonal phase that is difficult to undergo stress-induced transformation. By forming the ferrule 1, it is possible to obtain the ferrule 1 that can prevent deterioration in a high temperature where moisture exists.
[0049]
Although FIG. 2 shows an optical connector for connecting the optical fibers 4 to each other, the ferrule 1 and the sleeve 2 may be used for an optical module that connects an optical element such as a laser diode or a photodiode and an optical fiber. it can.
[0050]
Moreover, the ferrule in this invention can be applied to the various members used for the connection between optical fibers mentioned above or an optical fiber and various optical elements, and is not restricted to the ferrule 1 mentioned above. For example, the present invention can be applied to a sleeve 5 for holding and fixing the ferrule 1, a splicer used for completely connecting optical fibers, a dummy ferrule used for an optical module, and the like.
[0051]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
[0052]
(Example 1)
In a zirconia sintered body for an optical connector containing ZrO ₂ as a main ingredient as a starting material and containing Y ₂ O ₃ as a stabilizer, the Y ₂ O ₃ concentration in the tetragonal phase is 3.1. A partially stabilized zirconia raw material maintained at mol% was prepared.
[0053]
A ferrule sample made of a sintered body obtained by extruding into a ferrule shape shown in FIG. 1 and firing this molded body at 1450 ° C. so that the final product has an outer diameter of 2.5 mm and a length of 10.5 mm. Forty samples were prepared, 20 of which were rapidly heated to about 2650 ° C. by using an arc image furnace as a sample of the conventional example, and rapidly cooled by putting them into water to prepare ferrule samples.
[0054]
On the other hand, the remaining 20 ferrule samples are YAG laser, the tip surface is irradiated with YAG laser and rapidly heated to 2500 ° C., and then liquid nitrogen is sprayed onto the tip surface for rapid cooling. went.
[0055]
Each ferrule sample is ground and polished, an optical fiber is inserted and held in the through hole, and the tip surface portion is polished so that the curvature radius of the convex spherical surface is about 15 mm on average, and then the tetragonal crystal at three locations on the tip surface is obtained. The formation thickness of tetragonal crystals with low properties was measured.
[0056]
Table 1 shows the minimum value of the generated thickness of each ferrule sample.
[0057]
[Table 1]

[0058]
As is clear from Table 1, in the conventional example, the average value of the tetragonal crystals having low tetragonality is 0.070 mm and the variation is 0.0149 mm, whereas in the present invention, the average value is 0.084 mm and the variation is 0. It can be seen that the generated thickness is .0135 mm. In the conventional example, a sample having a generated thickness of 0.06 mm or less occurs in six samples, but in the present invention, there is no sample of 0.06 mm or less.
[0059]
(Example 2)
Next, a ferrule sample produced by the same method as in Example 1 was inserted from both ends of the sleeve as shown in FIG. 2, and left in hot water at 85 ° C. for 14 days while being connected inside. Thereafter, the amount of change (increase) in the radius of curvature before and after the test of the tip surface portion of the ferrule sample was examined using a shape measuring device on the tip surface portion. Table 2 shows the amount of change in the radius of curvature under each condition.
[0060]
[Table 2]

[0061]
As is clear from Table 2, in the sample of the conventional example, the average value of the change amount of the radius of curvature is 0.01 mm, the variation is 0.58 mm, and the maximum change amount is 0.9 mm. It can be seen that the sample can greatly reduce the variation value with an average value of the variation of 0.01 mm, a variation of 0.176 mm, and a maximum variation of -0.3 mm.
[0062]
That is, in a ferrule containing ZrO ₂ as a main component and Y ₂ O ₃ as a stabilizer, tetragonality = c / (√2 × a) from the crystal constants a and c of the crystal a axis and c axis. The difference in the radius of curvature of the ferrule end face occurs even when a test in hot water is performed because the tetragonal value obtained by the above is different from the tetragonal value of the other part only in the surface part of the tip surface part. Absent.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a raw material containing ZrO ₂ as a main component and containing Y ₂ O ₃ as a stabilizer is formed into a predetermined shape and sintered at 1100 to 1600 ° C. The crystal phase at the tip surface portion of the sintered body is crystallized by performing a cooling process of rapid cooling after heat treatment to irradiate the tip surface portion of the body with a laser to rapidly heat to a high temperature region of a cubic single phase. From the lattice constants a and c of the a-axis and c-axis, the value of tetragonality obtained by tetragonality = c / (√2 × a) is 1.001 to 1.010, and the sintering By making the other part of the body a crystalline phase having a tetragonal crystallinity greater than that of the tip surface portion, the workability is good and the shape of the tip surface portion can be prevented from being deteriorated in a high temperature where moisture exists. The reason for this is that a generally known tetragonal phase that is prone to general stress-induced transformation other than the tip surface portion is formed, and thus the tip surface portion is maintained while maintaining high toughness and high strength. By forming a tetragonal phase having a small tetragonal property that hardly undergoes stress-induced transformation on the surface portion, deterioration in a high temperature where moisture exists can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial sectional view showing an embodiment of a ferrule of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an optical connector using the ferrule of the present invention.
FIG. 3 is an X-ray analysis chart of a zirconia sintered body forming a ferrule of the present invention, where (a) is a tetragonal phase having a small tetragonal property at the tip surface portion, and (b) is a portion other than the tip surface. A tetragonal phase slightly including cubic crystals.
4 (a) and 4 (b) are partial cross-sectional views for explaining a ferrule manufacturing method of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Ferrule 1a: Through-hole 1b: Conical part 1c: Outer peripheral part 1d: Front end surface part 1e: Guide part 2: Support body 3: Optical fiber 4: Adhesive 5: Sleeve 11: Laser 12: Fixing jig 13: Cooler

Claims

ZrO _２2 As a main component and Y as a stabilizer _２2 O _３3 After heat treatment of forming a raw material containing sinter into a predetermined shape and irradiating a laser on the tip surface portion of the sintered body obtained by sintering at 1100 to 1600 ° C. to rapidly heat to a high temperature region of a cubic single phase By carrying out a cooling treatment for rapid cooling, the crystal phase at the tip surface portion of the sintered body is converted into tetragonality = c / (√2 × a from the lattice constants a and c of the a-axis and c-axis of the crystal. The value of the tetragonal property obtained by (1) is 1.001 to 1.010, and the other part of the sintered body is a crystalline phase having a tetragonal property larger than that of the tip surface part. Ferrule manufacturing method.

2. The method for manufacturing a ferrule according to claim 1, wherein the heat treatment is heated at 2000 to 6000 ° C./second, and the cooling treatment is cooled at 500 to 1000 ° C./second.