JP2006126343A

JP2006126343A - 円筒成形体用成形装置とこれを用いた円筒成形体の成形方法

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Publication number: JP2006126343A
Application number: JP2004312458A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Sakurai; 弘樹櫻井; Takayoshi Morooka; 高義諸岡
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】円筒成形体の内外径の寸法精度が向上でき、機械仕上げ加工が殆ど必要なく製品作製時間大幅に削減され、コストの低減を実現できた。
【解決手段】セラミック原料を成形して得られた軸方向に貫通孔を有する予備円筒成形体１０を成形して円筒成形体を得るための円筒成形体用成形装置であって、上記予備円筒成形体１０を載置し、回転させることにより予備円筒成形体１０の外周１０ａを成形するための複数の第１ロール２０と、予備円筒成形体１０の貫通孔１０ｂ内に挿入することにより予備円筒形成体１０の内周を成形するための第２ロール４０とからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ミクロン単位の高い寸法精度が要求される光通信用のフェルールやスリーブ等の円筒成形体を成形するための円筒成形体用成形装置またこれを用いた円筒成形体の成形方法に関する。

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。

例えば、光ファイバ同士を接続するコネクタの場合、図３（ａ）、（ｂ）に示すようにフェルール１に形成された貫通孔１ａに光ファイバ３の端部を保持し、一対のフェルール１をスリーブ４の両端から挿入して、内部で凸球面状に加工した先端面１ｄ同士を当接させる構造となっている。

上記フェルール１の材質としてはセラミックス焼結体、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を高く加工することが出来るため、内径、外径の公差を１μｍ以下と高精度にすることができ、またセラミックス焼結体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。

フェルールとして要求される寸法精度は、図３（ａ）に示すように外周１ｃの円筒度、真円度及び貫通孔１ａの真円度、同芯度が各μｍ単位の要求寸法公差となる。また、形状は内径部のＣ面１ｂのコーン加工やＰＣ面１ｄの加工が必要である。

このフェルールは、図４に示すように、出発原料の不純物を除去して安定化剤や焼結助剤等を混合して、バインダを添加した成形前原料を、セラミックス焼結体の特定個所が所望の寸法になるように平均的な収縮率に基づき成形金型を選定して、押出成形、乾燥、焼成し、必要な部分を研削や研磨等の種々の加工工程からなる機械仕上げ加工を行って検査することで製品化していた。

上記工程において、フェルールとなる円筒成形体を得るための成形方法では、押出成形金型に原料を流し込む状態から円柱状に連続成形していくが、金型の面粗さや流し角の調整で寸法精度にばらつきが出てくることと異形形状を加工修正する目的で機械による仕上げ研磨や研削といった加工をする必要がある。

そのため、図５に示すような成形方法にて寸法精度の高い円筒成形体を得ることが用いられている（特許文献１参照）。

これは、先ず出発原料にバインダ樹脂を混合し成形前原料を形成する工程と、この混合物を押出成形して予備円筒成形体を形成する工程と、この成形体を金型に供給する工程と、この金型を加熱し前記成形体に第２のプレス成形をする工程からなるセラミックス成形方法がある。この方法では予備円筒成形体を第２プレス成形する際、金型を加熱することにより、予備円筒成形体が軟化して金型へ形状変形して成形する方法で、金型への転写性及び金型精度が良ければ、寸法精度を高めることができる（特許文献１参照）。
特開２００１−１４５９０９号公報

しかし、押出成形は、精度良く連続した成形ができることで製品コストを低減できるものの特殊な形状を成形することが出来ないというデメリットをもっており研削や研磨といった仕上げ機械加工で異形形状を作ることが、必要不可欠であった。

また、超高精度といえるμｍ単位以下の寸法公差が必要な部品では、連続押出成形時のばらつきから仕上げ研磨といった機械加工が必要不可欠であった。

さらに、特許文献１に示すような成形方法を用いた場合には、金型を成形可能な高い温度に加熱してプレス成形した後、冷却した金型から収縮した成形体を取り出すが、前記成形体は収縮差から、毎回寸法精度のばらつきが生じるという問題があった。

そのため、寸法精度のばらつきから機械仕上げ加工を十分に必要とし、さらに、加工分の取り代を必要としていた。

本発明は、セラミック原料を成形して得られた軸方向に貫通孔を有する予備円筒成形体を成形して円筒成形体を得るための円筒成形体用成形装置であって、上記予備円筒成形体を載置し、回転することにより予備円筒成形体の外周を成形するための複数の第１ロールと、予備円筒成形体の貫通孔内に挿入することにより予備円筒形成体の内周を成形するための第２ロールとからなることを特徴とする。

また、上記第１ロールの外径が予備円筒成形体の外径の２００〜３００％の範囲であり、上記第２ロールの外径が予備円筒成形体の内径の４０〜７０％の範囲であることを特徴とする。

さらに、上記第１ロールは、回転数１０ｒｐｍ〜１００ｒｐｍで回転することを特徴とする。

またさらに、上記第１ロールは、温度調整手段を有することを特徴とする。

さらにまた、上記円筒成形体用成形装置を用いた円筒成形体の成形方法であって、予備円筒成形体の外周および内周を成形することを特徴とする。

また、上記円筒成形体が、光通信用のフェルールまたはスリーブであることを特徴とする。

本発明は、セラミック原料を成形して得られた軸方向に貫通孔を有する予備円筒成形体を成形して円筒成形体を得るための円筒成形体用成形装置であって、上記予備円筒成形体を載置し、回転することにより予備円筒成形体の外周を成形するための複数の第１ロールと、予備円筒成形体の貫通孔内に挿入することにより予備円筒形成体の内周を成形するための第２ロールとからなることから、予備円筒成形体の内外径の寸法精度が安定しでき、機械仕上げ加工が殆ど必要なく、製品化できる。

次いで、本発明の実施形態を説明する。

本発明は、予め、ジルコニア、アルミナ、チタニア等のセラミック原料を押出成形等により成形して得られた軸方向に貫通孔を有する予備円筒成形体を成形して円筒成形体を得るための円筒成形体用成形装置である。

図１に本発明の円筒成形体用成形装置を用いて円筒成形体を得る様子を示す概略斜視図を示す。

本発明の円筒成形体用成形装置は、上記予備円筒成形体１０を載置し、回転することにより予備円筒成形体１０の外周を成形するための複数の第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄと、予備円筒成形体１０の貫通孔１０ｂ内に挿入することにより予備円筒形成体１０の内周を成形するための第２ロール４０とからなる。

上記第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄおよび第２ロール４０は、アルミナ、ジルコニア等のセラミックス等からなるが、熱伝導率の点からアルミナであることが好ましい。

また、予備円筒成形体１０は、第１ロール２０ａ、２０ｂの間で回転して成形した後、第１ロール２０ｂ、２０ｃと順次成形され、円筒成形体１０が真円となって成形されていく。第１ロール２０を回転させるためには、各ロールにモータを駆動させて回転させている。

また、上記第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの外径は、予備円筒成形体１０の外径の２００〜３００％の範囲であることが好ましく、予備円筒成形体１０が第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの２００％未満であれば、予備円筒成形体１０が第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄから転写がされなく、第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄから外れて成形できず、３００％を超えると、予備円筒成形体１０が第１ロール２０ａと２０ｂ、２０ｃと２０ｄの間に挟まり変形を生じてしまうからである。さらに、上記第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの外径は、予備円筒成形体１０の外径の２４０〜２６０％の範囲であることが好ましい。

また、上記第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、４本以上で構成されることが好ましい。

さらに、上記第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄおよび第２ロール４０は、回転数１０ｒｐｍ〜１００ｒｐｍで回転することが好ましい。

これは、１０ｒｐｍ未満となると、予備円筒成形体１０への負荷が小さくなり円筒成形体１０の形状を整えることができず、１００ｒｐｍを超えると円筒成形体１０に負荷がかかってしまい生クラックが発生してしまうという問題がある。さらに、好ましくは５０〜７０ｒｐｍである。

またさらに、上記第１ロールおよび第２ロールは、温度調整手段を有することが好ましい。

これは、予備円筒成形体１０を第１ロール２０ａと２０ｂ間で回転して成形した後、次に第１ロール２０ｂと２０ｃ、第１ロール２０ｃと２０ｄとの間で順次成形され、得られた円筒成形体が真円となって成形され、予備円筒成形体１０は、熱可塑性材料であるセラミックスからなるため、熱を加えると軟化して、形状を自由に変えることができ、また冷却すると軟化していた予備円筒成形体１０が固化して形状維持できる。

そのため、第１ロール２０は、温度が調整できるよう中心に温水、冷水が通るパイプを有しており、第１ロール２０ａ、２０ｂには温水３０ａ、３０ｂを、第１ロール２０ｃ、２０ｄには冷水３０ｃ、３０ｄを流れるようにしている。

上記温水３０ａ、３０ｂの温度は５０℃〜９０℃が好ましく、５０℃未満では予備円筒成形体１０が軟化せず硬くて成形できない、また９０℃を超えると、逆に軟化し過ぎて成形できないという問題から５０℃〜９０℃、好ましくは７０℃程度である。

また、冷水３０ｃ、３０ｄの温度は２５℃以下が好ましく、２５℃を超えると予備円筒成形体１０が固化できない。また、２０℃以下がより好ましい。

上述から第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄが加熱、冷却と２工程あるため４本以上あることが好ましく、成形の時間を考慮して４〜８本がより好ましい。

さらに、第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの真円度、円筒度は１μｍ以下が好ましい。真円度、円筒度が１μｍを超えると、予備円筒成形体１０を回転させながら成形するので、第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの真円度、円筒度の悪さで予備円筒成形体１０の外周精度が悪くなるからである。

また、第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの表面粗さはＲａで０．５μｍ〜３．０μｍが好ましい。表面粗さはＲａが３．０μｍを超えると、円筒成形体１０が軟化、固化する際、予備円筒成形体１０の外周面１０ａとでアンカ−効果が発生して、くっついてしまうため成形できない。またＲａ０．５μｍ未満では、第１ロール２０を作製する際、Ｒａ０．５μｍ以下にラップ仕上げすることは不可能である。しかしながら、成形する際の不具合は無いことからＲａ０．５μｍ以下で加工が可能であれば、本発明同様な効果を得ることができる。

さらに、第１ロール２０ａ、２０ｂの間隔は、予備円筒成形体１０の外径によって決まるが、ジルコニア製のフェルールを成形する場合には、第１ロール２０ａと２０ｂ、第１ロール２０ｂと２０ｃ、第１ロール２０ｃと２０ｄの各間隔は１．８〜２.２ｍｍが好ましい。

予備円筒成形体１０の貫通孔１０ｂ内に挿入する第２ロール４０は、その外径が円筒成形体１０の内径の４０〜７０％であることが好ましい。

第２ロール４０の外径が７０％を超えると、予備円筒成形体１０の内周内でうまく回転することができず、４０％未満となると、回転するものの貫通孔内で一定の場所で回転できない。より好ましくは第２ロール４０の外径は、予備円筒成形体１０の内径の３０〜５０％である。

また、表面粗さにおいても、第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄと同様な理由からＲａ０．５μｍ〜３．０μｍで、よりＲａ０．５μｍが好ましく、真円度、円筒度も１μｍ以下が好ましい。

なお、真円度とは円形形体の幾何学的に正しい円からの狂いの大きさであり、円筒度とは直線形体の幾何学的に正しい直線からの差の大きさを意味し、いずれもＪＩＳ−Ｂ０６２１に規定されている。

さらに、第２ロール４０は予備円筒成形体１０の貫通孔１０ｂに挿入されるだけで回転しない。予備円筒成形体１０は第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄにて回転するため、第２ロール４０は予備円筒成形体１０の内周部の一部に接触して固定すれば、予備円筒成形体１０自体が回転するので、第２ロール４０の外周面が円筒成形体１０の内周面に沿って自転して成形されるからである。

このような円筒成形体用成形装置は、特に、得られる円筒成形体が光通信用のフェルールまたはスリーブとなる場合に好適に用いられる。これにより、フェルール、スリーブの寸法精度をμｍ単位で非常に高精度に作製することができるとともに、精密な機械加工を施すとなく安価な方法で作製できる。

このような円筒成形体用成形装置を用いて円筒成形体を得るには、図２に示すように、
予備円筒成形体１０を温度をかけて軟化させ、第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを回転させながら、第２ロール４０を挿入することで予備円筒成形体１０の内外周を成形する方式であるが、セラミック原料に添加するバインダに樹脂を使用しているため、軟化温度範囲が広く自由に形状を変化させる事ができ、且つ軟化温度範囲以下にすれば形状はそのまま保つことができる。バインダは、加熱されることにより溶融してセラミック粉末を流動させる作用を有するものであれば特に限定はされないが、各種高分子樹脂、各種界面活性剤、パラフインなどから一種以上混合しても問題はない。

さらに、バインダに樹脂系を使用しているが、水系、ポリスチレン系等使用しても軟化温度範囲はことなるが、本発明と同様な効果を得ることができる。

そして、円筒成形体用成形装置を用いて得られた円筒成形体は、脱バイ・焼成を行って、セラミック焼結体とし、これに外周ラップ加工、コーン加工等の最終仕上げ加工を行って製品化する。

一般的にジルコニアの焼成条件では、焼成のピーク温度は１３００℃〜１５００℃で焼成されており、脱バイに関しては、バインダの種類によってかわるが一般的に３００℃〜５００℃である。

なお、本発明は、光ファイバ同士を接続するための光コネクタ用フェルールに適用することができるが、上記フェルールは、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、光ファイバ同士、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。

このように本発明の円筒成形体用成形装置を用いた場合、製品コストの大幅な低減を実現するために、第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄにて円筒成形体の外周精度を向上させ、第２ロール４０にて円筒成形体の内周精度を向上させることにより外周ラップ加工、コーン加工等の部分機械仕上げ加工のみで信頼性の高い製品が提供できる。

以下、本発明の実施例を説明する。

本発明の実施例として、図１に示す円筒成形体用成形装置を用いて円筒成形体を作製した。

先ず、予備円筒成形体として、ジルコニアに熱可塑性バインダを使用し、押出成形にて外径３．３３ｍｍ、内径１．６７ｍｍ、長さ１４ｍｍの予備円筒成形体を１００個作製した。

そして、この予備円筒成形体を図１に示すような円筒成形体用成形装置を用いて成形した。円筒成形体用成形装置は、アルミナ製、外径７ｍｍの第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄが、長手方向に２ｍｍ間隔で４本並んで回転数５０ｒｐｍで回転し、第１ロール２０上にはジルコニアセラミックスからなる予備円筒成形体１０の外周面１０ａが接触して載置される。

また、第１ロール２０ａ、２０ｂには、温度７０℃の温水３０ａ、温水３０ｂが、第１ロール２０ｃ、２０ｄには温度２５℃の冷水３０ｃ、３０ｄが流れており、予備円筒成形体１０の貫通孔内にはアルミナ製、外径０．４２ｍｍの第２ロール４０を挿入する。

第１ロール２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ及び第２ロール４０の表面粗さはＲａ０．５μｍである。また、第１ロール２０、第２ロール４０の寸法精度は、円筒度、真円度ともに１μｍである。

成形後、脱バインダを４００℃で２４時間行い、焼成温度１３５０℃で２４時間を経て、ジルコニア焼結体１００個を作製した。

また、比較例１として、図４に示すように同様な原料を用いて、成形金型を選定して、押出成形した後、乾燥、焼成を行った。

さらに、比較例２として、図５に示すように同様な原料を押出成形して予備円筒成形体を作製した後、この円筒成形体を金型に供給する工程と、この金型を加熱し円筒成形体に第２プレス成形を行った後、同様に脱バイ、焼成した。

以降、脱バイ、焼成を本発明と同条件にて実施した。

そして、本発明の実施例、比較例１、比較例２を機械加工無しで、各サンプルのジルコニア焼結体の外周円筒度、外周真円度及び内周真円度、内周同心度を測定して比較した。

なお、円筒度、同心度、真円度は、各サンプル１００個の平均値である。

以上より、比較例１では、外周平均円筒度７μｍ、外周平均真円度５μｍ、内周平均真円度２μｍ、内周平均同心度６μｍとなった。また、比較例２では、外周平均円筒度５μｍ、外周平均真円度３μｍ、内周平均真円度１μｍ、内周平均同心度４μｍとなった。

これに対し、本発明の実施例では、外周平均円筒度０．７μｍ、外周平均真円度０．５μｍ、内周平均真円度０．３μｍ、内周平均同心度１μｍとなり、機械加工無しで、円筒成形体の内外径精度をだすことができた。

つまり、この後、端面ラップ、コーン加工等の機械仕上げ加工を行うが、内外径の寸法精度がでているので、仕上げ加工のみで信頼性の高い製品が提供できる。

本発明の円筒成形体用成形装置を用いて円筒成形体を得る方法を示す概略斜視図である。本発明の円筒成形体用成形装置を用いて円筒成形体から円筒体を得る製造方法を示す流れ図である。（ａ）は光通信用のフェルールを示す部分断面図であり、（ｂ）はフェルールを用いた光通信用コネクタを示す構造断面図である。従来の円筒体の製造方法を示す流れ図である。従来の円筒体の製造方法を示す流れ図である。

符号の説明

１：フェルール
１ａ：貫通孔
１ｂ：Ｃ面
１ｃ：外周
１ｄ：ＰＣ面
２：支持体
３：光ファイバ
４：スリーブ
１０：予備円筒成形体
１０ａ：外周面
１０ｂ：貫通孔
２０ａ：第１ロール
２０ｂ：第１ロール
２０ｃ：第１ロール
２０ｄ：第１ロール
３０ａ：温水
３０ｂ：温水
３０ｃ：冷水
３０ｄ：冷水
４０：第２ロール

Claims

セラミック原料を成形して得られた、軸方向に貫通孔を有する予備円筒成形体を成形して円筒成形体を得るための円筒成形体用成形装置であって、上記予備円筒成形体を載置し、回転させることにより予備円筒成形体の外周を成形するための複数の第１ロールと、予備円筒成形体の貫通孔内に挿入することにより予備円筒形成体の内周を成形するための第２ロールとを備えたことを特徴とする円筒成形体用成形装置。
上記第１ロールの外径が予備円筒成形体の外径の２００〜３００％の範囲であり、上記第２ロールの外径が予備円筒成形体の内径の４０〜７０％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の円筒成形体用成形装置。
上記第１ロールは、回転数１０〜１００ｒｐｍで回転することを特徴とする請求項１または２に記載の円筒成形体用成形装置。
上記第１ロールは、温度調整手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の円筒成形体用成形装置。
請求項１〜４の何れかに記載の円筒成形体用成形装置を用いて、予備円筒成形体の外周および内周を成形することを特徴とする円筒成形体の成形方法。
上記円筒成形体が、光通信用のフェルールまたはスリーブであることを特徴とする請求項５に記載の円筒成形体の成形方法。