JP2004025753A

JP2004025753A - セラミック成型用金型

Info

Publication number: JP2004025753A
Application number: JP2002188667A
Authority: JP
Inventors: Naoya Tsurumaki; 鶴巻　直哉
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】光コネクタ用フェルール製作に適した、高精度なジルコニア成型体４を成型するためのセラミック成型用金型１を得る。
【解決手段】テーパ２ａとこれに接続する円筒部を有するダイス２と、その中心に配置されるテーパと細径部３ａを有するピン３からなるセラミック成型用金型１において、円筒部２ｂでの流路断面積Ｓ１とピンテーパ終端部３ｂにおける流路断面積Ｓ２の比Ｓ２／Ｓ１が１．１以上とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、光ファイバを接続する光コネクタの主要部品として用いられるセラミックス製フェルールなどを製造するセラミック成型用金型に関するものである。
【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。
【０００３】
例えば、光ファイバ同士を接続するコネクタの場合に、円柱体の中心に、光ファイバの端部を収納する貫通孔が形成されたフェルールが用いられる。このフェルールの２つ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るようにした構造となっている。
【０００４】
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。
【０００５】
このようなセラミックス製フェルールを製造するには、例えば、押出成型法により成形体を製作している。従来の押出成型法を説明するために図１に基づいて説明する。即ち、セラミック成型用の金型１は、入り口２０の開口２０ａが先端になるにつれて小さくなるテーパー状流路２ａと、そのテーパー状流路２ａの先端に連設された円柱状流路２ｂとから成る貫通流路２００を有したダイス２と、貫通流路２００の中心に配置し、先端になるにつれて径が小さくなるテーパー部３ｃとテーパー部３ｃの先端に連設した円柱状の細径部３ａとから成る軸体３とで構成されている。
【０００６】
そして、この金型１の内部にセラミック原料を注入するとともに、金型１の入り口２０側から押圧力をかけることでセラミック原料が貫通流路２００と軸体３間を通過し、円柱状通路の出口が円形であるので、中心に貫通孔を有した円柱状の成形体が押し出されて形成される。その後、この成形体を乾燥して焼成することで図２に示す円柱体状のフェルール用磁器４が製造される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、フェルールは、ファイバ接続時の接続損失を低減するため、中心部の貫通口と外周の同心度について高い精度が要求される。従来の押し出し成型では、軸体３のテーパー部３ｃの先端３ｂは円柱状流路２ｂ側に位置していることから（図１では説明上、本発明のものを用いているので異なっている）、押圧力によってはセラミック原料の流れが乱れ、円柱流路２ｂで成形中に、軸体３の細径部３ａが振れ、細径部３ａにより形成される貫通孔４ｂは円柱体４ｂの外周４０の中心からずれてしまう。すなわち、円柱体４ａの外周４ｂに対する貫通孔４ａの同心度が低下してしまうのである。
【０００８】
従って、フェルール用磁器４においてこの同心度が悪かったため、この同心度を高めるための加工に多大な工数を要するという問題点があった。
【０００９】
本発明は上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、中心部の貫通口と外周の同心度について高い精度を有するフェルール用磁器を製造出来るセラミック用成形金型を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題に鑑み、本発明は、入り口の開口径が先端に近づくにつれて小さくなるテーパー状流路と、該テーパー状流路の先端に連設した円柱状流路とから成る貫通流路を有したダイスと、前記貫通流路の中心に配置し、先端に近づくにつれて径が小さくなるテーパー部と該テーパー部の先端に連設した円柱状の細径部とから成る軸体とで構成され金型において、前記軸体のテーパー部は前記ダイスのテーパー流路側に、前記軸体の細径部は前記ダイスのテーパー流路から円柱状流路側にかけてそれぞれ配置してなるセラミックス用成形金型を提供する。
【００１１】
そして、前記円柱状流路の流路断面積Ｓ１と、前記軸体のテーパー部先端位置におけるテーパー状流路の流路断面積Ｓ２との比（Ｓ２／Ｓ１）を１．１以上としても良い。
また、前記ダイスのテーパー状流路先端と円柱状流路の連設部位を曲面状に形成しても良い。
更に、前記曲面状に形成した連設部位の曲率半径Ｒ（ｍｍ）と前記ダイスのテーパー状流路のテーパー角θ（ｄｅｇ）との比Ｒ／θ（ｍｍ／ｄｅｇ）を０．１以上としても良い。
また、前記貫通流路の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）で０．２μｍ以下としても良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図を用いて説明する。
【００１３】
本発明のセラミックス製フェルール用磁器の製造に用いる金型の構成について図１を用いて説明する。図１（ａ）は本発明のセラミックス製フェルールの製造に用いられる金型１を説明する中央断面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。
セラミック用成型金型１は、雌型に相当するダイス２と、円柱体の中心に貫通孔を形成するための軸体３とから構成されている。
【００１４】
ダイス２は、超硬で構成されており、内部を貫通する貫通流路２００を有している。貫通流路２００は、セラミック原料を入れる円柱状の入り口２０側を有し、この入り口２０に連設し、入り口２０の開口２０ａの径が先端に近づくにつれて小さくなるテーパー状流路２ａを有している。また、テーパー状流路２ａの先端に連設され、最終の成形体を押し出すための円柱状流路２ｂを有している。
【００１５】
軸体３は、ダイス２と同様の材質で構成されており、貫通流路２００の中心に配置し、一端が軸受５に軸支され、不図示の固定体で固定された円柱状の太径部３ｄと、この太径部３ｄの他端と連設し、先端に近づくにつれて径が小さくなるテーパー部３ｃと、テーパー部３ｃの先端に連設した円柱状の細径部３ａとから成る。
【００１６】
軸受５は、ダイス２と同じ材質で構成されており、ダイス２の開口２０にキッチリ嵌合させている。
【００１７】
先ず、金型１を構成するダイス２の入り口２０側からセラミック原料を注入するとともに、ダイス２の入り口２０側から内部に押圧力をかける。これにより、セラミック原料が貫通流路２００と軸体３間を通過して、所定の圧力で成形しながら円柱状通路２ｂを通過するので、中心に円柱状の貫通孔を有する成形体が一度に押し出される。その後、この成形体を乾燥して焼成することで図２に示すフェルール用磁器が製造される。
【００１８】
なお、セラミック原料として、セラミックスの粉末にバインダ、溶剤、必要に応じて分散剤を加えたものが用いられる。そして、焼成されたフェルール用磁器の貫通孔４ｂは、円柱体４ａの外周に対して貫通孔４ｂが高い同心度を要求される。そのため、軸体３はその先端の細径部３ａが円柱状流路２ｂの中心に来るように金型１内に配置される。
【００１９】
しかし、従来の押し出し成型では、押圧力によってはセラミック原料の流れが乱れ、円柱流路２ｂで成形中に、軸体３の細径部３ａが振れ、細径部３ａにより形成される貫通孔４ｂは円柱体４ｂの外周４０の中心からずれてしまう。すなわち、円柱体４ａの外周４ｂに対する貫通孔４ａの同心度が低下してしまうのである。
【００２０】
金型１内におけるセラミック原料の流れの乱れは、軸体３の側面に沿って流れていたセラミック原料が軸体３のテーパ部３ｃの先端３ｂで合流すること、及びダイス２のテーパ状流路２ａの表面に沿って流れてきた原料がテーパ状流路２ａと円柱状流路２ｂの接続部で流れの方向が大きく変えられることによって生じるものと考えられる。
【００２１】
一般的な流体が流路を通過する際に、流速が小さいほど合流により生じる流れの乱れは小さくなることが知られている。また、テーパ状流路２ａにおいて、流体の密度を一定とすれば、質量保存則により、以下に示す式（１）のようにその流速は流路断面積に反比例する。
ρ・Ｓ・ｖ・ｄｔ＝ｃｏｎｓｔ．（質量保存則）・・・・・・・・・（１）
ρ　　　　　　：流体の密度（ｋｇ／ｍ^３）
Ｓ　　　　　　：流路断面積（ｍ^２）
ｖ　　　　　　：流速（ｍ／ｓｅｃ）
ｄｔ　　　　　　：微小時間（ｓｅｃ）
従って、軸体３の側面に沿って流れてきたセラミック原料が合流するテーパ部３ｃの先端３ｂでの流路断面積を大きくすることによって、合流時の流速が小さくなり、結果的にその時に生じる流れの乱れを小さく抑えることができる。
【００２２】
本発明者は鋭意検討の結果、軸体３の側面に沿って流れてきたセラミック原料が合流するテーパ部３ｃの先端３ｂでの流路断面積Ｓ２と円柱状流路２ｂの流路断面積Ｓ１の比（Ｓ２／Ｓ１）を１以上、即ち、軸体３のテーパー部３ｃは前記ダイス２のテーパー流路２ａ側に、軸体３の細径部３ａはダイス２のテーパー流路２ａから円柱状流路２ｂ側にかけてそれぞれ配置するような軸体３及び貫通流路２００を形成することによって、合流時の流速が小さくできて、流れの乱れが抑えられ、その結果、成型中に軸体３の先端の細径部３ａが振れるのを抑え、押し出された成型体の外周に対する貫通孔の同心度が大きく改善するとともに、焼成後のフェルール４の外周４０に対する貫通孔４ｂの同心度を改善できることを見出した。
【００２３】
また、流路断面積Ｓ２と流路断面積Ｓ１の比（Ｓ２／Ｓ１）を１．１以上とするのが好ましい。即ち、１．１よりも小さい場合は、軸体３の側面に沿って流れてきたセラミック原料がテーパー部３ｃの先端３ｂで合流する時に流速が速くなるり、流れの乱れも大きくなる。その結果、成型中、軸体３の細径部３ａの振れが大きくなり、形成された円柱体４ａの外周４０に対する貫通孔４ｂの同心度は低下してしまう。
【００２４】
尚、押し出し成型においては、流路断面積Ｓ１に対して流路断面積Ｓ２が大きくなりすぎると、セラミック原料の圧縮が過剰となり安定した成型が困難になる。そこで流路断面積Ｓ２と流路断面積Ｓ１の比（Ｓ２／Ｓ１）はおおよそ１０以下が望ましい。
【００２５】
また、本発明では、ダイス２のテーパー状流路２ａに沿って流れてきたセラミック原料が、テーパ状流路２ａと円柱状流路２ｂとの連設部位で流れの方向が大きく変わることで生じる流れの乱れを、その接続部位２ｃに十分大きな曲率を有する曲面状に形成し、流れの方向を徐々に、かつ滑らかに変化させることによって小さくしている。
【００２６】
更に、テーパー状流路２ａのテーパ角２ｄが大きいほど流れの方向の変化が大きくなるため、その影響を抑えるために大きな接続部位２ｃの曲率半径が要求されるが限界がある。
【００２７】
従って、本願発明者は鋭意検討の結果、曲面状に形成した接続部位２ｃの曲率半径Ｒ（ｍｍ）とテーパー状流路２ａのテーパー角θ（ｄｅｇ）との比Ｒ／θ（ｍｍ／ｄｅｇ）を０．１と成るようにする。これにより、テーパ状流路２ａに沿って流れてきたセラミック原料が接続部位２ｃにおいて流れの方向を大きく変えられたとしてもセラミック原料の流れの乱れは十分に抑えることができ、その結果、押し出された成型体の外周に対する貫通孔の同心度が大きく改善される。
【００２８】
従って、曲率半径Ｒ（ｍｍ）とテーパー角θ（ｄｅｇ）との比Ｒ／θ（ｍｍ／ｄｅｇ）が０．１より小さい場合は、テーパ状流路２ａに沿って流れてきたセラミック原料が、接続部位２ｃにおいて、その流れの方向を大きく、かつ急激に変えられてしまう。その結果、成型中、ピン３先端の細径部３ａの振れが大きくなるものである。一方、曲率半径Ｒ（ｍｍ）とテーパー角θ（ｄｅｇ）との比Ｒ／θ（ｍｍ／ｄｅｇ）が大きくしすぎると、大きく湾曲したＲがダイス２の内側にせり出し、流路を絞ることになる。このため流路抵抗が大きくなり、安定な成型が困難になる。そこで、曲率半径Ｒ（ｍｍ）とテーパー角θ（ｄｅｇ）との比Ｒ／θ（ｍｍ／ｄｅｇ）はおおよそ２以下が望ましい。
【００２９】
さらに、セラミック原料の流れの乱れは貫通流路２００の内面の表面荒れによっても生じる。すなわち表面荒れは流路抵抗を増すが、一般に表面荒れは不均一現象なので、表面荒れが大きくなると流路抵抗の不均一性が大きくなる。このような場合、テーパー状流路２ａを流れるセラミック原料の各部分は、異なる流路抵抗を受け、その流速は不均一となり、これがセラミック原料の流れの乱れとなるのである。
【００３０】
貫通流路２００の内面の表面荒れによって原料流れに乱れが生じると、成型中に軸体３先端の細径部３ａの振れが大きくなり、押し出されたジルコニア成形体４の外周に対する貫通孔の同心度は低下してしまうのである。
そこで、ダイス２の内面の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．２μｍ以下とするのが望ましい。但し、表面荒れを極限まで抑えることは加工上の負担が大きく、製作コストの点から困難であり、現実的にはおおよそ算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍとするのが下限となる。
【００３１】
尚、本発明によるセラミック用成型金型は、光通信用セラミック部品にて説明してきたが、これに限ることなく、高精度な焼結体が要求されるセラミック部品全般に広く使用することが出来る。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の効果を確認するために以下の実験を行った。
（実験１）
フェルール１の同心度を充分に得ることができる以下の金型１を作製した。なお、セラミック原料としてジルコニアのみを用いて実験した。
【００３３】
流路断面積の比（Ｓ２／Ｓ１）値の設定は以下のように行った。即ち、軸体３は着脱可能に構成しており、軸体３の細径部３ａの長さの異なるものを数種類作製し、細径部３ａの先端の位置を一定にした状態で軸体３を前後（図１では左右）に移動可能に構成した。これにより、異なる長さの細径部３ａの軸体３を形成して、軸体３を交換することでテーパー部３ｃの先端３ｂにおける流路断面積Ｓ２を変えられるようにした。なお、円柱状流路２ｂの断面積は一定なので、結果としてＳ２／Ｓ１を任意の値に設定させた。
【００３４】
但し、それぞれの場合において、細径部３ａは、円柱状流路２ｂの周囲（内周）に対して細径部３ａの同心度が約１μｍになるように配置した。
【００３５】
このようなそれぞれの構成により押し出した成型体を乾燥させ、脱脂、焼成工程を経てフェルール用磁器を作製した。更に、これを所定長さにカットしフェルール１の外周４０に対する貫通孔４ｂの同心度を測定した。なお、同心度の測定には一般に用いられる両センタ同心度測定機を用いた。
【００３６】
図３に、流路断面積の比（Ｓ２／Ｓ１）と作製したフェルール１の平均同心度の関係を示す。平均同心度は、各（Ｓ２／Ｓ１）値で、３２個のカットしたフェルール１の測定値を平均して求めた。図３より、Ｓ２／Ｓ１値が１．０よりも大きくなる位置、即ち、軸体３のテーパー部３ｃはダイス２のテーパー流路２ａ側に配置し、また、軸体３の細径部３ａはダイス２のテーパー流路２ａから円柱状流路３ａ側にかけてそれぞれ配置することで良好な同心度が得られることが理解できる。なお、更に好ましくは（Ｓ２／Ｓ１）値が１．１以上である。
【００３７】
これは、軸体３側面に沿って流れてきたセラミック原料がテーパ部３ｃの先端３ｂで合流する時、流速が十分小さく、そのため合流により生じる流れの乱れも小さく、その結果、押し出し成型中の細径部３ａの振れが小さくなるためと考えられる。
（実験２）
実験２と同様に、フェルール１の同心度を更に得ることができる以下の金型１を作製した。なお、セラミック原料としてジルコニアのみを用いて実験した。
図１に示す金型１を用い、ダイス２のテーパ状流路２ａと円柱状流路２ｂの接続部位２ｃの曲率半径Ｒ（ｍｍ）とテーパー角θ（ｄｅｇ）との比Ｒ／θ（ｍｍ／ｄｅｇ）を以下に示すような方法で様々な値に設定した金型１により、セラミック原料で押し出し成型した試験を行った。本実験に使用したセラミック押し出し用金型のテーパー角θは約３０度である。
【００３８】
Ｒ／θ（ｍｍ／ｄｅｇ）値の設定は、ダイス２のテーパー角θが一定で、ダイス２の接続部位２ｃのＲが異なる数種類のダイスを製作することによって行った。
【００３９】
なお、それぞれの場合において、軸体３は、ダイス２の円柱状流路２ｂの表面（内周）に対して細径部３ａの同心度が約１μｍになるようにダイス２内に配置した。
【００４０】
金型１により押し出した成型体を乾燥させ、脱脂、焼成工程を経てフェルール４を作製した。更に、これを約１４ｍｍにカットし、フェルール４の外周４０に対する貫通孔４ｂの同心度を測定した。なお、同心度の測定には上述のように両センタ同心度測定機を用いた。
【００４１】
図４に、Ｒ／θと平均同心度の関係を示す。平均同心度は、各Ｒ／θ値で、上述と同様に３２個のカット磁器の測定値を平均して求めた。図４よりＲ／θ値が０．１以上の時、良好な磁器同心度を得ることができる。
【００４２】
これは、このようにダイス２のテーパ状流路２ａと円柱状流路２ｂの接続部位２ｃに十分大きなＲが設けられた場合、テーパー状流路２ａに沿って流れてきたセラミック原料が接続部位２ｃで流れの方向が変化し、徐々に、かつ滑らかにおこるので、ダイスのテーパと円筒部の接続部で生じる流れの乱れも小さく、その結果押し出し成型中、ピンの細径部の振れが小さくなるためと考えられる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、テーパとこれに接続する円筒部を有するダイスと、その中心に配置されるテーパと細径部を有するピンからなるセラミック成型用金型において、円筒部での流路断面積Ｓ１とピンのテーパ終端部における流路断面積Ｓ２の比Ｓ２／Ｓ１を１．１以上とすることによって、また、ダイスのテーパと円筒部の接続部にＲを設け、さらに、上記Ｒ（ｍｍ）とダイスのテーパ角θ（ｄｅｇ）との比Ｒ／θ（ｍｍ／ｄｅｇ）を０．１以上にすることによって、光コネクタ用フェルール製作に適した高精度なジルコニア成型体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明のセラミックス製フェルールの製造に用いられる金型を説明する中央断面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である
【図２】本発明のセラミックス製フェルールを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。
【図３】流路断面積Ｓ２／Ｓ１と平均同心度の関係を示す図である
【図４】Ｒ／θと平均同心度の関係を示す図である
【符号の説明】
１　　金型
２　　ダイス
２ａ　テーパー状流路
２ｂ　円筒状流路
２ｃ　接続部位
２ｄ　テーパー角θ
３　　軸体
３ａ　細径部
３ｂ　テーパー部先端
３ｃ　テーパー部
４　　フェルール
４ａ　円柱体
４ｂ　貫通孔

Claims

入り口の開口径が先端に近づくにつれて小さくなるテーパー状流路と、該テーパー状流路の先端に連設した円柱状流路とから成る貫通流路を有したダイスと、前記貫通流路の中心に配置し、先端に近づくにつれて径が小さくなるテーパー部と該テーパー部の先端に連設した円柱状の細径部とから成る軸体とで構成されるセラミック成型用金型において、
前記軸体のテーパー部は前記ダイスのテーパー流路側に、前記軸体の細径部は前記ダイスのテーパー流路から円柱状流路側にかけてそれぞれ位置していることを特徴とするセラミック成型用金型。
前記円柱状流路の流路断面積Ｓ１と、前記軸体のテーパー部先端位置における前記ダイスのテーパー状流路の流路断面積Ｓ２との比（Ｓ２／Ｓ１）を１．１以上としたことを特徴とする請求項１記載のセラミック成形用金型。
前記ダイスのテーパー状流路先端と円柱状流路の連設部位を曲面状に形成したことを特徴とする請求項２又は３いずれかに記載のセラミック成型用金型。
前記曲面状に形成した連設部位の曲率半径Ｒ（ｍｍ）と前記ダイスのテーパー状流路のテーパー角θ（ｄｅｇ）との比Ｒ／θ（ｍｍ／ｄｅｇ）を０．１以上としたことを特徴とする請求項３記載のセラミック成型用金型。
前記貫通流路の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．２μｍ以下とすることを特徴とする請求項２〜４いずれかに記載のセラミック成型用金型。