JP5240722B2

JP5240722B2 - セラミック製フェルールとその製造方法

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Publication number: JP5240722B2
Application number: JP2009175665A
Authority: JP
Inventors: 弘樹櫻井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2029-07-28
Also published as: JP2010152312A

Description

本発明は、光ファイバを保持するセラミック製フェルールとその製造方法に関するものである。

光通信において、光ファイバ同士を結合させるため、光ファイバを保持するフェルールが用いられている。このフェルールの中でセラミック製のフェルールは、機械的、化学的、熱的性質に優れていることから、広く用いられるようになった。

従来のセラミック製フェルール２１は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、一端から他端にかけて光ファイバが保持される内孔２２が形成され、該内孔２２の他端側開口部には光ファイバを内孔２２内に導くコーン部２３を備えた円筒状構造になっていた（たとえば特許文献１参照）。

従来のセラミック製フェルール２１は、外周表面部分および内孔２２内に研磨加工が施される。外周表面部分は、ダイヤモンド砥石を用いて研削加工を行なうことができ、比較的時間をかけずに加工が可能である。しかし、内孔２２の研磨加工は、焼結品の内孔２２にダイヤモンド砥粒を付着させたワイヤを通して、内孔２２の長手方向に前後させて研磨する方法を用いており、非常に時間のかかる工程となっていた。

特開平８−２６２２６７号公報

このように、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す従来のセラミック製フェルール２１は、一様に緻密な焼結体構造となっていることにより、機械的な強度は十分に満足できるものの、高寸法精度に加工するには加工に時間を要し、それにより生産性が低下してコストを高騰させる要因となっていた。

したがって、本発明は上記問題点に鑑み案出されたものであり、研磨加工の生産性向上を図れるセラミック製フェルールおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のセラミック製フェルールは、一端から他端にかけて光ファイバが保持される内孔が形成され、該内孔の他端側開口部に光ファイバを前記内孔内に導くコーン部を備えた筒状の一体焼結ジルコニア質セラミック製フェルールであって、前記一端から前記他端における外周面側のジルコニア質セラミック密度がその内側のジルコニア質セラミック密度より大きくなるようにされていることを特徴とする。

また、上記セラミック製フェルールにおいて、前記内側より前記外周面側のボイドが少ないのが好ましい。

また、上記セラミック製フェルールにおいて、前記外周面側のボイド数が７００個/ｍ
^２以下、前記内側が１５００個/ｍ^２以上であるのが好ましい。

また、上記セラミック製フェルールにおいて、前記外周面の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以下、前記内孔の内周面の算術平均粗さＲａが１．０μｍ以上であるのが好ましい。

また、上記セラミック製フェルールにおいて、前記外周面側とともに前記一端の表面もセラミック密度が内側のセラミック密度より大きいのが好ましい。

さらに、本発明のセラミック製フェルールの製造方法は、ジルコニア質セラミック粉体と熱可塑性バインダとが混合された混合体の内側の温度が外周面側の温度より低い状態に熱プレス成形して成形体を作製する工程と、該成形体を一体焼結する工程を有することを特徴とする。

また、上記製造方法において、セラミック製フェルールの内孔を形成する円柱状のコアが中央部に立設されたコア金型と、前記コアの一部が挿入される貫通孔が設けられた上パンチ型と、前記セラミック製フェルールの外周を形成するダイス金型とを用い、前記コア金型の温度を前記ダイス金型の温度より低い温度に設定し、その後に前記混合体が仕込まれた前記ダイス金型に前記上パンチ型を圧入して、前記混合体を熱プレス成形するのが好ましい。

本発明のセラミック製フェルールによれば、外周面側のセラミック密度が内孔の内周面側のセラミック密度より大きくなるように一体焼結されていることにより、機械的強度を確保しつつ、内孔の加工時間を大幅に削減できる。これにより、信頼性が高く生産性のよいセラミック製フェルールを提供することができる。

本発明のセラミック製フェルールの実施の形態の一例を示し、（a）は側面図、（ｂ）は断面図である。本発明のセラミック製フェルールの実施の形態の他の例を示し、（ａ）は臆面図、（ｂ）は断面図である。（a），（ｂ），（ｃ）は本発明のセラミック製フェルールの製造方法を説明する模式図である。従来のセラミック製フェルールの例を示し、（a）は側面図、（ｂ）は断面図である。

以下、本発明の実施形態の詳細について図面を用いて説明する。

図１（ａ）は本発明の一実施形態に係るセラミック製フェルール１を示す側面図である。セラミック製フェルール１は、光ファイバを保持する内孔４と光ファイバを内孔４に挿入する際のガイドとなるコーン部５とから構成されている。図１（ｂ）は図１（ａ）の断面図を示している。

本発明の一実施形態において、セラミック製フェルール１は円筒状の形状を有し、その一端２から他端３にかけて光ファイバが保持される内孔４が内側に形成されている。また、内孔４は、他端３側開口部に光ファイバを内孔４内に導くための、内孔４から後端３にかけて次第に内径が大きくなる円錐状のコーン部５を備えている。そして、内孔４を取り囲む内側のセラミック体１ａのセラミック密度が外周面６側のセラミック体１ｂのセラミック密度より小さい状態で一体焼結されている。

セラミック製フェルール１は、セラミック密度の大きい外周面６側の全周面に形成されたセラミック体１ｂと、セラミック密度の小さい外周面６より中心軸側となる内周面７側のセラミック体１ａとで形成され、その間には境界８を有する一体焼結構造体となっている。一体焼結構造体となっているため、境界８におけるセラミック体１ａとセラミック体１ｂとの密着強度は、従来の一様構造に比べて優劣はない。

内周面７側のセラミック体１ａのセラミック密度は小さく、軟質化されていることにより、内孔４の内周の研磨加工に要する時間を削減できる。且つ、外周面７側のセラミック体１ｂによってセラミック製フェルール１の機械的強度を維持することができる。

セラミック製フェルール１において、外周面６側のセラミック体１ｂはボイドが少なく、内周面７側のセラミック体１ａはボイドが多い構造となっている。ここで、ボイドとは、セラミック粒子間に存在する空隙のことを意味する。ボイドが少ないと、セラミック密度が大きくなる傾向があり、ボイドが多いと、逆にセラミック密度が小さくなる傾向になる。本実施形態のセラミック製フェルール１においては、大きさが１μｍ以上５０μｍ以下のボイドは、外周面６側のセラミック体１ｂ部で７００個/ｍ^２以下であり、内周面７側のセラミック体１ａ部で１５００個/ｍ^２以上になっている。

なお、ボイドの計測方法として、ボイドの数は、セラミック製フェルール１の一端２から他端３にかけて平面研削で内孔４を露出させた断面状態まで研削した後、ダイヤモンドフィルム等を用いて鏡面研磨し、スケール付き実体顕微鏡にて倍率を２００倍に設定して単位面積当たりのボイドの個数を数えることによって行なう。また、ボイドの大きさは実体顕微鏡のスケールによって計測すればよい。なお、ボイドの大きさは、実体顕微鏡で観察した時の２次元像において、最も長い部分の距離をそのボイドの大きさと定義する。また実体顕微鏡のスケールは、ボイドの大きさを測定する前に、目盛のついた校正用の基準器を測定して、値に問題がないことを確認しておく。

外周面６側のセラミック体１ｂのセラミック密度が大きく、内周面７側のセラミック体１ａのセラミック密度が小さいことにより、機械加工がし易く且つ機械的強度の強いセラミック製フェルール１を得ることができる。

また、本実施形態のセラミック製フェルール１では、セラミック体１ｂの算術平均粗さＲａは０．２μｍ以下であり、セラミック体１ｂより内側のセラミック体１ａの算術平均粗さＲａは１．０μｍ以上である。

これは、外周面６側のセラミック体１ｂは、粒子間同士が密に焼成されているので、面粗さが小さくなり、逆に内周面７側のセラミック体１ａは、粒子間同士が疎になっているので面粗さが大きくなる傾向にある。

セラミック体１aの算術平均粗さＲａは、セラミック製フェルール１の一端２から他端３にかけて平面研削し、内孔４を露出させた後、表面粗さ測定器を用いて、内孔４の表面を触針でトレースして計測する。また、セラミック体１ｂの算術平均粗さＲａは、セラミック製フェルール１の一端２から他端３にかけて、外周部６の表面を同様に表面粗さ測定器にて計測すればよい。

さらに、内孔４表面の算術平均粗さＲａが大きいことから、光ファイバを内孔４内に接着にて保持する際、接着剤が内孔４の内周面の凹部に入り込み、光ファイバとの接着強度を向上することができる。

図２は、本発明の他の一実施形態に係るセラミック製フェルール１を示し、図２（ａ）はセラミック製フェルール１の側面図、図２（ｂ）は図１（ａ）の断面図を示す。

図２に示すセラミック製フェルール１において、外周面６側とともに一端２の表面もセラミック密度が内側のセラミック密度より大きいセラミック体１ｂで覆うようにされているのが好ましい。一端２のセラミック体１ｂは内側のセラミック体１ａと一体焼結されているので、一端２の硬度が保たれている。そのため、セラミック製フェルール１の一端２同士を当接させて光コネクタとして使用する際に、一端２の表面でカケ等の発生がなく、さらに一端２同士の摩耗が小さいため、接続特性も安定させることができる。

本実施形態のセラミック製フェルール１は、ジルコニア質セラミックス、アルミナ質セラミックス、窒化珪素質セラミックス等のセラミックスを使用することができるが、中でもジルコニア質セラミックスがもっとも良い。

ジルコニア質セラミック製フェルール１は、ジルコニアを主成分とし、安定化剤としてイットリアを含有する。ジルコニアには、正方晶の結晶相を主体とし、平均結晶粒子径が０．３〜０．５μｍのものが用いられる。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、応力誘起変態のメカニズムによって、焼結体の強度、靱性を向上できる。このようにして部分安定化ジルコニアとなる。

部分安定化ジルコニアを用いて、外周面６側のセラミック密度が大で、且つ内周面７側のセラミック密度が小となるように一体焼結することにより、内孔４の内周の機械加工の精度が良好で、機械的強度も良好なフェルール１を得ることができる。

次に、本発明のセラミック製フェルール１の製造方法について説明する。

図３は、本発明におけるセラミック製フェルール１の製造方法を模式的に図示するもので、図３（ａ）は金型の断面図、図３（ｂ）は金型にセラミック粉体と熱可塑性バインダとの混合体を充填した断面図、図３（ｃ）は金型成形の様子を示す断面図である。

先ず、図３（ａ）に示すように、上パンチ型１０とダイス金型１２とコア金型１１とを準備する。上パンチ型１０は、コア金型１１のコア部１１aが挿入される貫通孔１０aが設けられた円筒形状を有している。コア金型１１にはセラミック製フェルール１の内孔４を形成する円柱状のコア１１aが中央部に立設するように設けられている。コア１１ａの基部は、コーン部５が形成されるように円錐状に形成されている。ダイス金型１２は、セラミック製フェルール１の外周を形成する貫通孔１２aを有した円筒形状のものである。

次に、セラミック原料に熱可塑性バインダを添加し、十分に混合してセラミック製フェルールの原料となる混合体１３を準備する。

その後、図３（ｂ）に示すように、ダイス金型１２の貫通孔１２ａ内にコア部１１ａが挿入されるようにコア金型１１上にダイス金型１２を設置する。次いで熱可塑性バインダを含んだ混合体１３をダイス金型１２の貫通孔１２ａ内に投入する。混合体１３の投入量は製品によって異なるが、例えば、本発明の実施形態においては５０〜５００ｇを投入する。次いでダイス金型１２を外側から加熱し、同時にコア金型１１は冷却する。これによって、コア金型１１のコア部１１ａの温度は低く、ダイス金型１２の温度は高い状態となり、投入された混合体１３の内孔４の内周面７側と外周面７側において温度差が生る。

例えば、コア金型１１とダイス金型１２の温度差は２０℃〜１００℃とすればよい。好ましくは、３０℃〜５０℃とする。また、コア金型１１に具備している断熱体１１ｂにて、ダイス金型１２とコア金型１１の熱移動を防いでいる。

そして、図３（ｃ）に示すように、上パンチ型１０をダイス金型１２の貫通孔１２a内に挿入する。ダイス金型１２の貫通孔１２ａの内周に上パンチ型１０の外周面をガイドさせながら、上パンチ型１０の貫通孔１０a内にコア金型１１のコア部１１aが挿入されるようにして、混合体１３に上下方向に圧力を加えながら混合体１３をプレス成形する。プレス成形の圧力は出来上がる製品の形状によっても異なるが、本実施形態では、例えば２０〜５００Ｍｐａとした。なお、図２に示す実施形態のセラミック製フェルール１の場合は、上パンチ型１０もダイス金型１２同様に加熱する。

その後、ダイス金型１２の外周部の加熱を止めるとともに、コア金型１１を冷却する。冷却温度は、常温以下が望ましい。

最後に、ダイス金型１２から上パンチ型１０、コア金型１１を抜いて、プレス成形された混合体１３をダイス金型１２から離型して、成形体１４を取り出す。

この成形体１４を１３６０℃において２４時間焼成することによって焼結させれば、外周面６側６のセラミック密度が高く、内周面７側のセラミック密度が低い一体焼結体を得ることができる。次いで、この一体焼結体に機械加工を施し、本実施形態のセラミック製フェルール１が完成される。

なお、上述のダイス金型１２、上パンチ型１０、コア金型１１の材料には、超硬合金，ＳＫＤ，ステンレス，白金，銅等を使用できるが、中でも耐摩耗性の点から超硬合金がもっとも好ましい。

以上のように、本発明によれば、内孔４の内周面の機械加工がし易く、且つ機械的強度が十分な生産性および信頼性の高いセラミック製フェルール１を提供することができる。

本発明の一実施形態によるセラミック製フェルール１は、光ファイバ同士を接続するための光通信用フェルールに適用することができる。また、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内に用いることもできる。

その他、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も適用することができ、上述したフェルールに限らず、たとえば、光モジュール内に用いるダミーフェルールとしても適用することができる。

１：セラミック製フェルール
２：一端
３：他端
４：内孔
５：コーン部
６：外周面
７：内周面
８：境界
１０：上パンチ型
１０a:貫通孔
１１：コア金型
１１a：コア部
１２：ダイス金型
１２a：貫通孔
１３：混合体
１４：成形体

Claims

一端から他端にかけて光ファイバが保持される内孔が形成され、該内孔の他端側開口部に光ファイバを前記内孔内に導くコーン部を備えた筒状の一体焼結ジルコニア質セラミック製フェルールであって、
前記一端から前記他端における外周面側のジルコニア質セラミック密度がその内側のジルコニア質セラミック密度より大きくなるようにされていることを特徴とするセラミック製フェルール。
前記内側より前記外周面側のボイドが少ないことを特徴とする請求項１記載のセラミック製フェルール。
前記外周面側のボイド数が７００個/ｍ２以下、前記内側が１５００個/ｍ２以上であることを特徴とする請求項２記載のセラミック製フェルール。
前記外周面の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以下、前記内孔の内周面の算術平均粗さＲａが１．０μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセラミック製フェルール。
前記外周面側とともに前記一端の表面もセラミック密度が内側のセラミック密度より大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のセラミック製フェルール。
請求項１乃至５のいずれかに記載のジルコニア質セラミック製フェルールの製造方法であって、
ジルコニア質セラミック粉体と熱可塑性バインダとが混合された混合体の内側の温度が外周面側の温度より低い状態に熱プレス成形して成形体を作製する工程と、該成形体を一体焼結する工程を有することを特徴とするセラミック製フェルールの製造方法。
セラミック製フェルールの内孔を形成する円柱状のコアが中央部に立設されたコア金型と、前記コアの一部が挿入される貫通孔が設けられた上パンチ型と、前記セラミック製フェルールの外周を形成するダイス金型とを用い、前記コア金型の温度を前記ダイス金型の温度より低い温度に設定し、その後に前記混合体が仕込まれた前記ダイス金型に前記上パンチ型を圧入して、前記混合体を熱プレス成形することを特徴とする請求項６記載のセラミック製フェルールの製造方法。