JP2005280086A

JP2005280086A - セラミック成形体の押出成形機及び押出成形方法

Info

Publication number: JP2005280086A
Application number: JP2004097185A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Tetsuya; 淳鉄谷
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: JP4726427B2

Abstract

【課題】押出成形体の金型の転写性を向上させることができないことは高精度の内径及び内径真円度を要求される光コネクタ用セラミックフェルール焼結体で要求される寸法を満足させることができないため後加工に大幅な時間がかかるという問題を抱えていた。
【解決手段】出発原料に焼結助剤等を混合しバインダーを添加した成形前原料を、押出スクリューを回転して成形前原料に圧力を加え、該成形前原料を外ダイと内ダイとからなる金型の間を通過させて成形するセラミック焼結体の押出成形機において、押出成形機本体先端の金型を加熱させる機構と該成形前原料を冷却させる機構を有すること特徴とするセラミックス焼結体の押出成形機。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信等に使用される光ファイバを固定するための光コネクタ用セラミックフェルール成形体の押出成形機および押出成形方法に関するものである。

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４２同士の接続、あるいは光ファイバと各種光素との接続には図３に示すような光コネクタが用いられている。
例えば、光ファイバ４２同士を接続するコネクタの場合、フェルール４１に形成された貫通孔に光ファイバ４２の端部を保持し、一対のフェルール４１をスリーブ４３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。

前記フェルール４１や割スリーブ４３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４２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。

前記フェルール４１は、光ファイバ４２をフェルール４１の中心に保持する必要があるため内径精度と内径の真円度が重要である。これは光接続損失を小さくするために、スリーブ４３の内部でフェルール４１の端面同士を精度良く当接させる必要があるためであり、１μｍ以下の内径精度を要求される。このため前記のようにセラミックスを用いて加工しているが、加工に供するセラミック焼結体の内径精度及び内径真円度も良いことが要求される。

前記セラミック焼結体は、セラミック材料を押出成形、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、焼成温度１３５０℃〜１４５０℃の範囲の大気雰囲気中で焼成することで得る。

プレス成形や射出成形がフェルール４１の外周部を形成する外ダイとフェルール４１の光ファイバ４２の挿入孔を形成する内ダイを１回の成形ショット毎に分離する構造であるため、セラミック焼結体の内径と外径の同心度を良くすることが困難であるのに対して、押出成形は前記外ダイと内ダイを固定した構造であるため、セラミック焼結体の同心度を比較的高精度にすることが可能である。

押出成形に使用する金型１３は、フェルール４１の外周部を形成する外ダイ１１と光ファイバ４２の挿入孔を形成する内ダイ１２からなり、内ダイ１２はスパイダー１９と呼ばれる支持部で外ダイ１１と接着固定される。この時、外ダイ１１の内径部と内ダイ１２の外径部の同心度が０となるように内ダイ１２の位置調整を行う。

押出成形機は、図１に示すような構造をしており、供給ホッパー３１から投入されたセラミック成形前原料は、上段スクリュー部３２で混練を受けた後、真空室３３に入る。この真空室３３は、押出成形機内部を通過するセラミック材料の真空脱気を行うためのものであり、エア管３５で、押出成形機内部の架台に設置された真空ポンプ装置３４に接続され、真空引きできる構造となっている。

真空脱気されたセラミック材料は、押出スクリュー部１４の回転によって圧力が加えられ、金型１３で圧縮されて、所定の内径寸法を有する成形体を形成して押し出される。

押出成形機での成形材料温度の調整方法は、成形機の構造、冷却方法等により異なるが、一般的には、成形機内部及びオーガバレル７内部等に冷却水を通し、その冷却水の温度を上下させることにより行う。

成形機内部への通水は例えば、成形機本体のジャケット部１５に、ジャケット部用冷却水注入口２６から冷却水を供給し、ジャケット部１５内の空間を通した後ジャケット部用冷却水排出口２７から排出する。

また、押出スクリュー部１４に、押出スクリュー部用冷却水注入口２２から冷却水を供給し、押出スクリュー部１４内に設けられた空間を通した後、押出スクリュー部用冷却水排出口２３から排出する。また、オーガバレル７内に、オーガバレル用冷却水注入口２４から冷却水を供給し、オーガバレル７内に設けられた空間を通した後オーガバレル用冷却水排出口２５から排出する。この時、最初の排出口から出た冷却水を次の注入口へと順番に通し、同じ冷却水を用いてもかまわないし、順番に通す場合、通す順序は特に限定されない。

従来は、成形圧力を一定に保つためオーガバレル７に設置されたオーガバレル温度計３によって計測し、成形前原料を冷却水により温度を５〜５０℃に調整していた（特許文献１参照）。
特開２００３−１０４７７６号公報

しかし、押出成形体の金型の転写性を良くするため成形前原料を冷却し低温に維持した場合、バインダーが硬化し成形前原料の流動性が悪くなることで成形の圧力が上昇し金型が破損することが頻発に起こった。

以上の原因により、押出成形体の金型の転写性を向上させることができないので高精度の内径及び内径真円度を要求される光コネクタ用セラミックフェルール焼結体で寸法を満足させるため後加工に大幅な時間をかけるという問題を抱えていた。

上記に鑑みて本発明のセラミックス成形体の押出成形機は、出発原料に焼結助剤を混合しバインダーを添加した成形前原料に、押出スクリューを回転して圧力を加え、上記成形前原料を外ダイと内ダイとからなる金型の間を通過させて成形するセラミック成形体の押出成形機において、上記金型を加熱させる機構と上記成形前原料を冷却させる機構を有すること特徴とする。

また、前記金型に電熱線を埋め込み金型温度を調整する機能を有することを特徴とする。

また、上記成形前原料を冷却させる機構がドライ窒素による直接空冷であることを特徴とする。

また、押出成形機を用いて、前記金型部の外ダイの温度を２０〜３５℃、成形前原料の温度を０〜２０℃に制御し、外ダイの温度が成形前原料の温度以上とすることを特徴とする。

以上のように本発明によれば、原料が冷却されバインダが常温よりも硬い状態でも原料の金型接触面を暖めることで原料表面の流動性を向上させ、成型圧力を増加させることなくセラミックス内周面に金型形状をボイドなしで精度よく転写することができるのでセラミックス焼結体の寸法精度が向上し後工程の大幅な時間削減を行うことができた。

発明の実施する為の最良の形態

以下本発明の実施形態を図を用いて説明する。

図１は本発明の実施形態による押出成形機全体を示す断面図である。

出発原料に焼結助剤等を混合しバインダーを添加した成形前原料の一部分を供給ホッパー３１から投入し、上段スクリュー３２によって混練されたあと、真空室３３に入り真空ポンプ３４によって真空脱気される。さらに押出スクリュー１４によって圧縮されながら金型１３に押し出される。

一般的に金型１３は、ホルダー１７、ダイスキャップ２１及びオーガバレル７を介して押出成形機本体先端部に取り付けられる。

金型１３は、外ダイ１１および内ダイ１２によって構成されている。そして外ダイ１１は、固定手段１８によって押出成形機に固定されたホルダー１７の内側に収納されている。

本発明の成形機は、成形前原料を冷却する成形機本体部分１と成形体を加熱することができる金型部２から構成されている。

温度を調整する部分が成形機本体１のみであると、金型の転写性を向上させるために成形前原料を冷却し成形圧力を上げた場合に、その成形圧力のために金型を破損することが頻発するためである。

金型１３に加熱機能を付加することで、金型１３と接触する成形体の外周表面部のみバインダが軟化し流動性が良くなることで、成形圧力が低下し金型１３を破損することなく押出成形を行うことができる。

また、上記内容より金型温度は成形前原料の温度よりも高くなければならない。

成形材料の温度測定方法は、オーガバレル７に設置されたオーガバレル部温度計３によって計測している。オーガバレル７には圧力計４も設置されており、原料の温度が測定される場所とほぼ同じ位置で計測されており、圧力が一定になるように温度が調整されている。

一方、金型１３の温度の調整方法は、外ダイ１１にらせん状に溝をあけその中に電熱線２０などの発熱体を埋め込むことで温度調整する。

または、金型内部にらせん状の空洞をあけ、その中に温水を通すことで温度を調整する。

金型１３の温度測定方法は、外ダイ１１の外周部から内周部寸前まで穴をあけ、その中に金型部温度計６を挿入することで温度を測定する。

金型温度を測定する際は、なるべく成形材料接触部の金型温度を測定したいため金型に空けた穴は金型外ダイ１１の内周部近くまで空ける方がよい。

このとき、外ダイ１１の温度を２０〜３５℃、成形前原料の温度を０〜２０℃に制御する。

成形前原料の温度が０℃以下になると、成形前原料に含まれるバインダが凍結するため、バインダを溶かすのに余分にエネルギーが必要となるため金型接触部分だけでは成形圧力を下げることができなくなり、金型１３が破損してしまう。

また、２０℃以上になってしまうと成形前原料が柔らかくなり、金型１３の転写性が悪く内径精度が大きくなってしまう。

また、外ダイ１１の温度が２０℃以下になると成形時の圧力が高くなりすぎるため金型１３の破損が起こりやすくなり、３５℃以上になると成形体の表面のバインダが蒸発し、焼成を行ったときにボイドが発生してしまう。

上記押出成形機を用いセラミックスを成形することで、金型の転写性に優れた高精度の内径を有するセラミックス成形体を得ることができる。

実施例として、以下に示す方法で実験を行った。

製品形状は、図３に示す光コネクタ用のジルコニアセラミック製のフェルール４１とし、図１に示す本発明の光コネクタ用セラミックス成形体の成形方法と比較例として図２に示す従来の光コネクタ用セラミック成形体の成形方法によって、次の条件で各サンプルの成形を行い成形圧力とセラミックス成形体の内径精度および内径真円度を比較した。

まず、ＺｒＯ_２へＹ₂ Ｏ₃ を添加した部分安定化ジルコニアに必要なバインダーを混合した成形前原料を図１に示す押出成形機に投入し、外ダイ温度／成形前原料温度として３５／−５、１５／０、２０／０、３５／０、４０／０、１５／１０、２０／１０、３５／１０、４０／１０、１５／２０、２０／２０、３５／２０、４０／２０、１５／２５、４０／２５となるように押出成形した（サンプルＡ〜Ｏ）。

次に図２に示す従来の押出成形機で成形温度を室温２３℃に調整し成形した（サンプルＰ）。

各サンプルは同一条件で乾燥および焼成した後、Ｌ寸カット加工を行い、５０個ずつ作製した。

なお、サンプルの形状は、金型１３において、外ダイ１１の内周面を内径寸法φ３とし、さらに、内ダイ１２の外周面を外径寸法φ０．１５ｍｍとすることによって、外径寸法φ２．５〜３．０ｍｍ、内径寸法φ０．１２５ｍｍとし、カット加工で長さ１２ｍｍの円筒形状とした。

この円筒形状のサンプルについて、各サンプルの内径精度及び内径真円度、外観を調べた。

外観については実体顕微鏡４０倍にて観察した。

結果を表１に示す。

はじめに成形前原料温度が本発明の製造方法の範囲外の−５℃であるサンプルＡは、外ダイ１１の温度が高くしても成形圧力が３８．２ＭＰａと高くなり金型１３が破損してしまい成形できなかった。

また、外ダイ１１の温度が１５℃で有るサンプルＢ，Ｆ、Ｊ、Ｎについても成形圧力が３１.２ＭＰａ以上と高く、金型が破損した。これは、外ダイ１１の温度が低いため、外ダイ１１の内周表面の成形前原料が熱により軟化せず原料の流動性が向上しなかったことが原因であると考えられる。

また、成形前原料の温度が本発明の製造方法の範囲外である２５℃のサンプルＮ、Ｏでは、内径精度Rが３．２〜４．２μｍ、内径真円度が０．３２〜０．３８μｍと悪化していた。

これは成形前原料の温度が高くなるほど内径精度Ｒ及び内径真円度が悪くなっていることから成形前原料の温度が高いと成形前原料が柔らかくなるため成形体内径の内ダイ１２の転写性が悪くなったと考えられる。

また、外ダイ１１の温度が本発明の製造方法の範囲外で有る４０℃のサンプルＥ、Ｉ、Ｍ、Ｏでは、成形前材料温度が同じであるそれぞれのサンプルと内径精度、内径真円度はほぼ同じであるが、外周面にボイドが観察された。

これは、外ダイ１１の温度が高いと成形前原料中に含まれる水分が蒸発し、その気泡がボイドの原因となっていると考えられる。

次に、本発明の製造方法の範囲内であるサンプルのデータについて説明する。

従来方法で作成したサンプルＰは内径精度Ｒが３μｍ、内径真円度が０．３μｍであるのに対し本発明の製造方法の範囲内である成形前原料温度が０〜２０℃、外ダイ１１の温度が２０〜３５℃のサンプルＣ、Ｄ、Ｇ、Ｈ、Ｋ、Ｌのサンプルでは内径精度Ｒが１．８μｍ以下、内径真円度０．１５以下であり大幅に改善することができた。

特に成形前原料の温度が範囲内で低いサンプルＣ，Ｄは内径精度Ｒが１．０〜１．２μｍ、内径真円度が０．１２μｍ以下と特に優れたサンプルを得ることができた。これは成形時に内ダイ１２側の原料の温度が低い方が内ダイ１２の転写性が良く精度が出やすいと考えられる。

さらに、成形圧力が２９ＭＰａと金型１３に無理な圧力をかけることなく押出成形を行うことができた。

以上の様に、外ダイ１１の温度を２０〜３５℃、成形前原料の温度を０〜２０℃に制御し、外ダイ１１の温度を成形前原料の温度以上にすることで、従来方法では成形することができなかった、硬い原料を金型１３に無理な圧力をかけることなく成形することができるようになり、内周部の内ダイ１２の転写性を向上させ、従来方法で成形されたフェルールよりも内径精度及び内径真円度において優れたフェルールを得ることができた。
なお本発明の押出成形機及びそれを用いた押出成形方法は、前記光コネクタ用セラミックフェルール成形体に限られるものではなく、円筒形状を有し、内径精度を必要とするセラミック成形体に適用できる。

例として、キャピラリ、ノズル、スリーブ等が挙げられる。

（ａ）は本発明の実施形態による押出成形機を示す断面図、（ｂ）は要部拡大図である。従来の押出成形機を示す断面図、（ｂ）は要部拡大図である。

である。
光ファイバ同士を接続する一般的な光コネクタの構造を示す断面図である。

符号の説明

１：成形機本体
２：金型部
３：オーガバレル部温度計
４：圧力計
６：金型部温度計
７：オーガバレル
１１：外ダイ
１２：内ダイ
１３：金型
１４：押出スクリュー部
１５：ジャケット部
１７：ホルダー
１８：固定手段
１９：スパイダー
２０：電熱線
２１：ダイスキャップ
２２：押出スクリュー部用冷却水注入口
２３：押出スクリュー部用冷却水排出口
２４：オーガバレル部用冷却水注入口
２５：オーガバレル部用冷却水排出口
２６：ジャケット用冷却水注入口
２７：ジャケット用冷却水排出口
３１：供給ホッパー
３２：上段スクリュー
３３：真空室
３４：真空ポンプ装置
３５：エア管
３６：押出スクリューバレル
４１：フェルール
４２：光ファイバ
４３：割スリーブ

Claims

出発原料に焼結助剤を混合しバインダーを添加した成形前原料に、押出スクリューを回転して圧力を加え、上記成形前原料を外ダイと内ダイとからなる金型の間を通過させて成形するセラミック成形体の押出成形機において、上記金型を加熱させる機構と上記成形前原料を冷却させる機構を有すること特徴とするセラミックス成形体の押出成形機。
前記金型に電熱線を埋め込み金型温度を調整する機能を有することを特徴とする請求項１記載のセラミックス成形体の押出成形機。
上記成形前原料を冷却させる機構がドライ窒素による直接空冷であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス成形体の押出成形機。
請求項１または２のいずれかの押出成形機を用いて、前記金型部の外ダイの温度を２０〜３５℃、成形前原料の温度を０〜２０℃に制御し、外ダイの温度が成形前原料の温度以上とすることを特徴とするセラミックス成形体の押出成形方法。