JP2006348327A

JP2006348327A - 粉末冶金法による光デバイス用金属筺体の製造方法

Info

Publication number: JP2006348327A
Application number: JP2005173434A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Hara; 俊弘原; Yukinobu Ogino; 幸伸荻野; Hironobu Suzuki; 裕宣鈴木
Original assignee: Suruga Seiki Co Ltd
Current assignee: Suruga Seiki Co Ltd
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2006-12-28

Abstract

【課題】空孔の少ない、加圧方向と垂直方向に横穴を有する３次元形状の光デバイス用金属筺体を粉末冶金法により可能とする製造方法を提供すること。
【解決手段】このため、本発明では、光デバイス用金属筺体を粉末冶金法で製造する光デバイス用金属筺体の製造方法において、原料粉として1 〜１０μｍの微細粉末を有機バインダにより結合させて得た平均粒子径で５０〜１５０μｍの造粒粉末を用い、この造粒粉末を金型２に入れて圧粉成形するに際し、コンピュータコントロールにより加圧方向と垂直な方向に金型パンチを駆動させるコンピュータ数値制御プレスを用いて圧粉成形を行い、次いで焼結、サイジイングの工程を経ることにより、金属筺体に横穴部を形成した金属焼結体を製造することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光デバイス用金属筺体を粉末冶金法により製造する製造方法に係り、特に原料粉末に微粉末の造粒粉を用い、圧粉成形にＣＮＣ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ）プレスを用いて成形した光デバイス用金属筺体の製造方法に関する。

光信号伝送路では、信号を長距離の伝送路を伝送するために、減衰した信号を増幅したり、信号を分岐することが要求され、そのためにレーザダイオードやホトダイオード等のＰＯＮ（ＰａｓｓｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋ）デバイスが使用されている。このようなデバイスを取付けるため、図４に示す如き、例えば１３×７×３．３ｍｍ（ＨＷＤ）のステンレス製の金属筺体が使用される。デバイスと金属筺体とはレーザ溶接により接合される。

ＰＯＮシステム向けの光デバイス用金属筺体は従来ステンレス鋼材の切削加工で製造されていたがステンレス鋼材を切削加工する場合、量産になると材料歩留まりが悪くコスト高になる。

（１）従来例１
ステンレス鋼材を切削加工する場合は、前記の如き欠点があるので、試作加工のように数量の少ない場合には適しているが、量産になると材料歩留まりが悪くコスト高となるため、金属射出成形法が使用されている。

金属射出成形法は３次元的な形状の成形が可能であるが、射出時の流動性をよくするため、原料の金属粉末に３０〜４０ｖｏｌ％もの有機バインダを含有している。（特許文献１参照）
（２）従来例２
粉末冶金法は材料歩留まりが良く、量産に適した方法である。（特許文献２参照）
従来の粉末冶金法による光デバイス用金属筺体の製造工程を図５により説明する。

図５（Ａ）に示す如く、出発材料として１０〜１５０μｍの粉末を使用し、（Ｂ）に示す如く、横穴のない成形である一軸プレス成形で金属筺体を加圧成形する。次に図５（Ｃ）に示す如く、これを焼結して金型でわずかに加圧して寸法を整えるサイジング工程を行う。

それから図５（Ｄ）に示す如く、横穴を作るための機械加工を行い、図５（Ｅ）に示す如く、バレル研磨してバリを取り、図４に示す如き、縦穴のみならず横穴の形成された金属筺体を製品として得る。
特許第２６５５００１号公報特開平１１−１０６８０４号公報

前記筺体射出成形法では、原料の金属粉末に３０〜４０ｖｏｌ％もの有機バインダを含有しており、射出成形後、通常の粉末冶金と同じように焼結を行うから、焼結に際して有機バインダは完全に飛散することとなる。

したがって焼結後の収縮率は１０数％と通常の粉末焼結の１〜２％に比較してはるかに大きくなり、高い寸法精度が要求される前記金属筺体に適用すると、歩留まりが悪く、コスト高を招いていた。

また粉末冶金法は、通常使用する粉末が平均粒径で１００μｍ程度と大きいため、図６に示す如く、焼結体の空孔のサイズが数百μｍにもなり、さらにこの空孔は、空孔同士で連通していることが多く、しかも表面まで到達していることもある。

したがってデバイスを金属筺体に取付けのために、金属筺体にレーザ溶接を行うと、ボイドや、金属片の蒸発であるスパッタなどの不良が発生し、ボイドの発生では取付け強度がきわめて低くなる、またスパッタの発生ではデバイスの動作不良を起こすことがある、という問題がある。

さらに従来の粉末冶金のプレス成形では、２次元的な複雑形状に対しては成形可能であるが、加圧方向と垂直な方向に止まり穴を有するような３次元的な形状の複雑さのものに対しては、圧粉成形がきわめて困難であるという問題があった。

本発明の目的は、このような問題点を解決した、すなわちレーザ溶接性に悪影響を及ぼしている焼結体の空孔をできるだけ小さくし、空孔の貫通をなくすこと、及び加圧方向と垂直な方向にも止まり孔もしくは通り穴を形成するような３次元的な形状の圧粉成形を可能にした粉末冶金法による光デバイス用金属筺体の製造方法を提供することである。

前記課題を解決するため、本発明は、光デバイス用金属筺体を粉末冶金法で製造する光デバイス用金属筺体の製造方法において、原料粉として1 〜１０μｍの微細粉末を有機バインダにより結合させて得た平均粒子径で５０〜１５０μｍの造粒粉末を用い、この造粒粉末を金型に入れて圧粉成形するに際し、圧粉加圧方向と垂直方向に横穴ピンが通る孔を空けた金型コアを用い、コンピュータコントロールにより加圧方向と垂直な方向に金型パンチを駆動させるコンピュータ数値制御プレスを用いて圧粉成形を行い、次いで焼結、サイジイングの工程を経ることにより、金属筺体に横穴部を形成した金属焼結体を製造することを特徴とする。

本発明では、原料粉として平均粒子径で１〜１０μｍの微細粉末を有機バインダにより結合させた平均粒子径５０〜１５０μｍの造粒粉末を用いるので、粉末粒径が微小になる程粒子間に形成される空孔が小さく、しかも粒子間に形成される空孔は小さくなり、粒子径が微細であるほど、金属粉末の焼結性は高いので、粒子間の焼結が強固になされ、空孔はクローズされるようになり、空孔の連通は起こりにくくなる。これによりレーザ溶接に際して発生するボイドやスパッタの問題は解決できる。

なお微細粉末のままではなく造粒粉末としたのは、圧粉成形時に粉末の流動性をよくして、金型への粉末の均一な充填を容易にすること、また、粉末の充填密度が高くなることから金型の成形ハイトつまり金型の高さを短くすることができ、金型の高さを短くすることにより金型を小型にしてそのコストを下げることができる。

また圧粉成形にあたって、加圧方向と垂直な方向に金型パンチの駆動機構を備えたＣＮＣ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ）プレスを用いたので、ダイスと各パンチの位置制御が正確にできるようになり、圧粉成形中に加圧方向と垂直な方向へパンチの抜き差しを行い、成形後には、加圧方向と垂直な方向に止まり孔を形成可能とするものである。

本発明の一実施の形態を図１、図２、図３にもとづき説明する。図 1は本発明による光デバイス用金属筺体の製造工程を示し、図 2は本発明におけるＣＮＣプレスを用いた横穴成形工程を示し、図３は本発明により得られた焼結体の断面観察写真を示す。

図１（Ａ）に示す如く、水アトマイズ法により、1 〜１０μｍに微粉末化されたステンレス（ＳＵＳ３０４Ｌ）粉末を得て、同（Ｂ）に示す如く、これに有機バインダを加えて５０〜１５０μｍの粒径に造粒した。造粒法としては、ボールミルによる混合造粒法を用いた。バインダとしては、ポリビニールアルコール、ワックスなどの有機物を金属原料粉末の重量に対して０．５〜２％の範囲で添加した。

前記造粒粉末を、図１（Ｃ）に示す如く、ＣＮＣプレスにより成形した。すなわち、造粒粉末をＣＮＣプレスに設けた３次元形状の金型に充填し、４〜６ｔ／ｃｍ²の範囲の成形圧にて圧粉成形した。

図２において、１は上パンチ、２は下パンチ、３はダイ、５、６はそれぞれ横穴ピン、７はコア、８は横穴ピンが通る孔、９は金属粉末、１０は数値制御コンピュータ、１１は成形体である。

数値制御コンピュータ１０は、上パンチ１、下パンチ２、ダイ３、横穴ピン５、６等の位置情報を監視するとともに、上パンチ１、ダイ３、横穴ピン５、６等の位置を数値制御方式で正確に制御可能なものであり、３次元的な形成を正確にできるようにするため、数値制御によるコンピュータコントロールにより、圧粉成形中に加圧方向と垂直な方向へ金型パンチを駆動させる機構を設けることができ、成形後には、加圧方向と垂直な方向に止まりの孔を形成することができる。また数値制御コンピュータ１０は、図２（Ｃ）〜（Ｆ）の工程を順次制御することができ、正確に横穴成形された金属筺体を製造することができる。なおＣＮＣプレスは市販品である。

前記図１（Ｃ）に示すＣＮＣプレス工程を図２により詳述する。図２はＣＮＣプレスにより横穴成形された金属筺体を製造する工程を示す。

図２（Ａ）に示す如く、金属粉末９として前記造粒粉末を使用し、これを下パンチ２の上方に粉末充填する。このとき上パンチ１はダイ３より外れており、また横穴ピン５、６は造粒粉末の中に挿入されていない。

この粉末充填された状態で図２（Ｂ）に示す如く移送され、上パンチ１がダイ３の中に充填された造粒粉末上に挿入され、わずかに加圧される。

つぎに図２（Ｃ）に示す如く、横穴を形成するための横軸となる横穴ピン５をコア７に形成された孔８に挿入し、余分の造粒粉末を排出する。この余分の造粒粉末は、ダイ４に形成された穴を通して排出される。

その後、図２（Ｄ）に示す如く、所定の圧力を上パンチ１に加えて加圧成形する。この加圧成形後、図２（Ｅ）に示す如く、減圧し、同（Ｆ）に示す如く、横穴ピン５を抜き出し、同（Ｇ）に示す如く、成形体１０を抜き出す成形体抜き出しの工程を経て、成形体を得、ＣＮＣプレス工程が終了する。なお図２（Ｈ）は上パンチ１を除いた同（Ｂ）の部分拡大図である。

それから図１（Ｄ）に示す如く、前記成形体を５００〜８００℃で３０〜６０分間、還元雰囲気中にて加熱して造粒粉末工程で使用した有機バインダを飛散させ、次いで１１５０〜１３００℃の温度範囲で、３０〜６０分間、還元雰囲気中にて焼結を行った。その後、サイジング工程により寸法を整え、バレル処理工程により、バリ取りを行ったのち、製品が完成し、製造工程が終了する。

得られた焼結体の密度を表１に示す。密度は６ｔ／ｃｍ²の成形圧で１１５０〜１２５０℃までの焼結温度で、真密度に対して９５％以上の密度が得られ、３次元形状の通常の焼結体で得られる焼結密度が８５％程度であることに比較して高密度となっていることがわかる。

本発明における焼結体の断面を研摩した写真を図３に示す。図３にみられる空孔（図の黒い部分）は１０〜２０μｍと小さくしかもこの空孔はクローズして独立している。

これに対して従来の製造にもとづく焼結体では、平均粉末粒径１００μｍで焼結したものでは、図６に示す如く、空孔は数百μｍと大きく、しかも空孔は連結している。

本発明者等は、空孔の小形化とそのクローズ化をはかるため鋭意研究の結果金属粉末として１０μｍ以下の微細粉末を使用してこれを造粒化することで可能になることを見出した。なお 1μｍ未満の微細粉末は高価である。

これら焼結品を用いてレーザ溶接した場合の結果を表２に示す。

表２より明らかなように、本発明による焼結体では、空孔、スパッタが認められず、良好な結果を示している。

なお本発明において数値限定の理由は下記の通りである。

（１）粒子径が１μｍ未満となると、水噴霧法などの一般的な金属粉末製造法では、収率が低くなり、結果的に粉末の価格が高価となる。

（２）粒子径が１０μｍより大きくなると、粒子間の空隙は大きくなる。さらに粒子の表面積は同じ体積の粒子間で比較すると小さくなる。このため、原子の拡散に寄与する表面活性度が低くなり、結果的に空孔が多くなる。

（３）５０〜１５０μｍサイズの造粒粉末とする理由は、この範囲の大きさにすると、光デバイス用金属筺体のようにｍｍサイズの製品を圧粉成形するに際して、粉末の充填密度を高めることができるからである。すなわち粒径が１５０μｍより大きくなると、金型に充填できる粒子数は少なくなる。また、粒径が５０μｍより小さくなると、所定の高さの製品を得るのに、金型ハイトが高くなりコストアップになるという欠点がある。

本発明による光デバイス用金属筺体の製造工程説明図である。ＣＮＣ横穴成形工程説明図である。本発明にかかる焼結体の断面観察写真である。光デバイス用金属筺体の例である。従来の粉末冶金法による光デバイス用金属筺体の製造工程説明図である。従来例における焼結体の断面観察写真である。

符号の説明

１上パンチ
２下パンチ
３ダイ
５横穴ピン
６横穴ピン
７コア
８孔
９金属粉末
１０数値制御（ＣＮＣ）コンピュータ
１１成形体

Claims

光デバイス用金属筺体を粉末冶金法で製造する光デバイス用金属筺体の製造方法において、
原料粉として1 〜１０μｍの微細粉末を有機バインダにより結合させて得た平均粒子径で５０〜１５０μｍの造粒粉末を用い、この造粒粉末を金型に入れて圧粉成形するに際し、圧粉加圧方向と垂直方向に横穴ピンが通る孔を空けた金型コアを用い、コンピュータコントロールにより加圧方向と垂直な方向に金型パンチを駆動させるコンピュータ数値制御プレスを用いて圧粉成形を行い、次いで焼結、サイジイングの工程を経ることにより、金属筺体に横穴部を形成した金属焼結体を製造することを特徴とする光デバイス用金属筺体の製造方法。