JP5271820B2 - 光学部品保持部材およびその作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミック製の光学部品保持部材およびその作製方法に関する。

携帯電話にはカメラ付きのものが一般化しており、また自動車にも後方確認用のカメラが搭載されてきている。これらカメラ付き携帯電話やカメラ付き自動車等に搭載されるカメラを構成する撮影レンズユニットには、極めて高い信頼性が要求されている。特に、自動車は専ら屋外で利用され、携帯電話も屋外で利用されることも多く、高温や低温、急激な温度変化による温度ショックまで、厳しい環境条件下での性能安定性や耐久性が必要とされている。

そこで、温度変化の影響が極めて小さいセラミック製のレンズ保持部材が注目を受けてきている。

ここで、レンズ等の光学部品を保持するための保持部材として、スポシュメンやコージェライトで低熱膨張性、剛性及び耐磨耗性を兼ね備え、黒色を呈するセラミックスを使用する事例が報告されている（特許文献１）。また、例えば、コージェライトをベースとしてカーボンを含有することにより黒色を呈する光学部品保持用セラミックスが提案されている（特許文献２）。

また、光学部品保持部材への応用では無いが、緻密質のセラミックスを黒色化し、焼結時の色むら等を抑制する報告例もある。

しかし、緻密質のセラミックスの場合、焼結時の収縮が大きいため、焼結体の精度がばらつき、そのために、二次的加工が必要となり、例えば、これを高均一性と高精度が求められる光学部品保持部材として使用する場合においては、コスト高になるなどの問題がある。

さらに、多孔質で黒色を呈するセラミックス部品を焼結後未加工で使用する精密成形技術と組み合わせることで、セラミックス製保持部材を実用上低コストで提供可能な技術が提案されている（特許文献３）。

また、屋外利用の場合、結露防止も重要な課題である。

特許文献４，５により、カメラ装置においてレンズユニット構成部分に通気性材料を用いることが結露に対して有効であることが明らかにされているが、穴を開けてその穴に通気性材料を設置するなど複雑な工程と特殊な材料を必要としている。

温度変動に対し寸法変化の小さいセラミックは、環境変化に対して性能安定のために有効であるが、強度は高くもろい性質を有するため、通気のための、先行技術のような追加工および部品の組み込みを行なうことは困難である。

そこで、全体を通気性を持った素材で構成することは後加工を不要とし有効な手段となるが、従来の素材では部品全体を構成できない。

また、いずれの特許文献においても、セラミックスの脱脂、焼成のプロセスにおいて生成される気孔とその気孔による通気性に関しての言及は無く、結露に対する有効性も示されていない。

特開２００２−２２０２７７号公報 特開平１１−３４３１６８号公報 特開２００７−２３８４３０号公報 特開２００６−１９８９４号公報 特開２００６−３５０１８７号公報

本発明は、上記事情に鑑み、結露防止に有効な通気性を有するセラミック製の光学部品保持部材およびその作製方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の光学部品保持部材は、ケイ素と窒素を反応させ窒化せしめる焼結工程を経て作製された窒化ケイ素セラミックス基複合材料からなる、光学部品を保持するための光学部品保持部材であって、
上記窒化ケイ素セラミックス基複合材料中に炭化ケイ素および鉄化合物を含有し、その窒化ケイ素基セラミックスの厚さ１ｍｍのサンプルの両面間に気圧差０．４ＭＰａの気圧を加えたときの有効通気面積１．５ｃｍ^２での１分間あたりの通気量が５０ミリリットル以上であることを特徴とする。

ここで、厚さ１ｍｍのサンプルの両面間に気圧差０．４ＭＰａの気圧を加えたときの有効通気面積１．５ｃｍ^２での１分間あたりの通気量が５０ミリリットル以上である上記窒化ケイ素セラミックス基複合材料で作製された光学部品保持部材の場合、結露の十分な防止が確認されている。

また、上記目的を達成する本発明の光学部品保持部材の作製方法は、成形体主成分のケイ素と窒素を反応させ窒化せしめる工程を経て作製される窒化ケイ素セラミックス基複合材料からなる、光学部品を保持するための光学部品保持部材の作製方法であって、
上記光学部品保持部材を得るためには、ケイ素粉末に対して炭化ケイ素及び鉄化合物粉末を混合、成形後に窒素中にて主成分のケイ素を窒化せしめる工程を経ることで、それらの含有量に応じて通気量がコントロールされた窒化ケイ素セラミックス基複合材料が作製される。

ここで、上記光学部品保持部材の作製方法において、上記成形体を作製するにあたり、ケイ素粉末に対して炭化ケイ素粉末と１０ｍａｓｓ％未満の酸化鉄Ｆｅ_３Ｏ_４粉末を混合した原料粉末を作製した後、成形することが好ましく、好適には上記成形体を作製するにあたり、ケイ素粉末に対して、３０ｍａｓｓ％の炭化ケイ素粉末と、５ｍａｓｓ％以下の酸化鉄Ｆｅ_３Ｏ_４粉末を混合した原料粉末を作製した後、成形することが望ましい。

さらに好適には、本発明の光学部品保持部材の作製方法において、上記原料粉末を用い、適量の有機バインダーを添加した後、射出成形によって作製された成形体を用い、有機バインダーを除去した後、窒素中にて主成分のケイ素を窒化せしめる工程を経ることで、複雑形状を有し、通気量がコントロールされた窒化ケイ素セラミックス基複合材料の光学部品を保持するための光学部品保持部材を得ることができる。

以上の本発明によれば、結露防止に有効な通気性を有するセラミック製の光学部品保持部材が作製される。

セラミック製のレンズホルダを備えたレンズユニットの構成を示す図である。 ケイ素と炭化ケイ素の混合材料にさらに酸化鉄を加えた場合の通気量を示す図である。 ケイ素と炭化ケイ素の混合材料にさらに酸化鉄を加えた場合の開気孔率を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、セラミック製のレンズホルダを備えたレンズユニットの構成を示す図である。

図１のレンズユニット１にはレンズホルダ１０が備えられており、そのレンズホルダ１０には対物側開口１０１と結像側開口１０２とを有する中空部１００が設けられている。このレンズホルダ１０の対物側外周には雄ネジＳＲ１が形成され、その対物側開口１０１から複数のレンズＬ１〜Ｌ４，複数の間隔環ＳＰ１〜ＳＰ３が光軸を揃えて装入される。なお、この例では、複数のレンズＬ１〜Ｌ４と複数の間隔環ＳＰ１〜ＳＰ３とが交互に配置されるようにしてレンズホルダ１０の中空部１００に順次に装入される構成のレンズユニットが示されているが、間隔環ＳＰ１〜ＳＰ３が省略されレンズの周縁部どうしを接触させることで各レンズの位置決めを行なう構成のレンズユニットもある。

更に図１のレンズユニット１には、レンズホルダ１０の中空部１００の内部に装入された複数のレンズＬ１〜Ｌ４および間隔環ＳＰ１〜ＳＰ３を、対物側開口１０１から押さえ込んで固定するためのホルダキャップ１１が備えられている。このホルダキャップ１１は、レンズホルダ１０の対物側の部分が入り込む装着開口１１０とレンズホルダ内に装入された複数のレンズのうちの最も対物側に装入されたレンズＬ１の中央部を露出させる光学開口１１１とを有し、装着開口内側の内壁に、上記雄ネジＳＲ１と螺合する雌ネジＳＲ２が形成され、その雄ネジＳＲ１とその雌ネジＳＲ２との螺合により最も対物側に位置するレンズＬ１の対物側の面の周縁部を押えている。

このホルダキャップ１１によってレンズホルダ１０内の複数のレンズＬ１〜Ｌ４および複数の間隔環ＳＰ１〜ＳＰ３が結像側開口側に向かって押さえ込まれることにより図１のレンズユニットが組み立てられている。

ここで、このレンズユニット１には、自動車に搭載することを考慮してレンズホルダ１０にセラミックが用いられ、複数のレンズＬ１〜Ｌ４にガラスレンズが用いられている。さらにホルダキャップ１１にもレンズホルダ１０と同質のセラミックが用いられている。さらに、ここに示す例では、間隔環ＳＰ１〜ＳＰ３も、セラミック製のものが用いられている。

この図１に示す例では、レンズホルダ１０（あるいはレンズホルダ１０とホルダキャップ１１とを合わせたもの）が本発明にいう光学部品保持部材の一例に相当する。

このレンズホルダ１０およびホルダキャップ１１としては、炭化ケイ素および鉄化合物を含有する窒化ケイ素セラミックス基複合材料が用いられている。この焼結窒化ケイ素基セラミックスの線膨張係数は、約３×１０^−６であってレンズＬ１〜Ｌ４の材料であるガラスの線膨張係数（５〜１０×１０^−６）にほぼ等しい。また、間隔環ＳＰ１〜ＳＰ３はジルコニアを原料とするセラミック製であって、線膨張係数は８〜１１×１０^−６であり、こちらもガラスの線膨張係数（５〜１０×１０^−６）にほぼ等しい。

このように、この図１に示すレンズユニット１の場合、そのレンズユニット１を構成する、レンズホルダ１０、ホルダキャップ１１、レンズＬ１〜Ｌ４、および間隔環ＳＰ１〜ＳＰ３のいずれにも線膨張係数の極めて小さい材料を用い、かつほぼ等しい線膨張係数の材料で構成することで、広範囲の温度環境で使用可能な構造となっている。

また、レンズホルダ１０およびホルダキャップ１１として用いられている焼結窒化ケイ素基セラミックスは多孔質セラミックであり、厚さ１ｍｍのサンプルの両面間に気圧差０．４ＭＰａの気圧を加えたときの有効通気面積１．５ｃｍ^２での１分間あたりの通気量が５０ミリリットル以上である。この多孔質による通気性により、結露も有効に防止されている。

以下では、上記レンズホルダ１０（又は、レンズホルダ１０とレンズキャップ１１）の好適な材料を探る一連の実験を説明することで、本発明の実施例を説明する。

図２は、ケイ素粉末と炭化ケイ素粉末に対して、さらに酸化鉄Ｆｅ_３Ｏ_４を加えた混合粉末を成形後、窒素中にてケイ素を窒化せしめる工程を経た後、得られた窒化ケイ素セラミックス基複合材料の通気量を示す図であり、加えたＦｅ_３Ｏ_４の割合に対する通気量の変化を表している。

尚、ここで測定に用いたセラミックス基複合材料の各種測定結果は上記原料粉末に対して有機バインダーを添加した後、射出成形により板状の成形品を、脱脂および窒化により得られた厚さ１ｍｍ、直径１４ｍｍφの円盤について、有効通気面積が１．５ｃｍ^２の測定装置を使用した測定した結果である。この測定装置は、サンプルをＯリングで固定して測定する、有効通気範囲が１３．８ｍｍφの測定装置であって、その有効通気範囲を有効通気面積に換算すると１．５ｃｍ^２となる。

また、以下における材料比率の％は全てｍａｓｓ％である。

この図２の横軸は、１ｍｍ厚の焼結体板材の両面間に加えたエアー圧力（ＭＰａ）であり、縦軸は１分間あたりのエアー流量（ミリリットル）である。

また、この図２には、ケイ素７０％と炭化ケイ素３０％の混合材料に対する酸化鉄Ｆｅ_３Ｏ_４の添加割合を変えた種々の材料の焼成体の通気量を示している。

例えば、「酸化鉄＋５％」は、ケイ素７０％と炭化ケイ素３０％の混合材料が９５％、酸化鉄ＦｅＯ_４が５％であることを意味している。また、この図２中の「ケイ素＋炭化ケイ素３０％」は、酸化鉄が０％（混合していない）であることを意味し、「ケイ素のみ」は、ケイ素１００％であって、炭化ケイ素も酸化鉄も含まれていないことを意味している。

また、図３はケイ素と炭化ケイ素の混合材料にさらに酸化鉄を加えた場合の開気孔率を示す図である。

この図３は、図２と同様、ケイ素７０％と炭化ケイ素３０％の混合材料に対する酸化鉄Ｆｅ_３Ｏ_４の添加割合を変えた種々の材料の焼成体の開気孔率を示している。

この図３の横軸は、酸化鉄Ｆｅ_３Ｏ_４の添加量（ｍａｓｓ％）であり、縦軸は開気孔率（％）である。

酸化鉄Ｆｅ_３Ｏ_４の添加量を増やしていくと、開気孔率は、図３に示すように、添加量が少ないときは添加量の増加に伴って急激に低下し、その後は緩やかに低下するが、通気量は、図２に示すように、添加量の増加に伴って急激に低下し、「１０％酸化鉄Ｆｅ_３Ｏ_４添加」で、通気量はほぼゼロとなっている。

ここで、図１に示すレンズホルダ１１およびホルダキャップ１２を「５％酸化鉄Ｆｅ_３Ｏ_４」の原料粉末を用い、有機バインダーを添加後、射出成形、脱脂、窒化することによって得られた窒化ケイ素セラミックス基複合材料で、図１に示すレンズユニット１を組み立てた場合に、十分な結露防止性能が得られた。

この図２，図３は、ケイ素粉末７０％に炭化ケイ素粉末３０％に対して、酸化鉄Ｆｅ_３Ｏ_４粉末の添加量を変えた場合の例であるが、酸化鉄Ｆｅ_３Ｏ_４粉末の添加量を一定としてケイ素粉末と炭化ケイ素粉末の混合比率を変えることにより通気量の調整を行なうこともできる。ただし、図２に示すように混合粉末中にしめる酸化鉄Ｆｅ_３Ｏ_４粉末の量が１０％では、得られた窒化ケイ素セラミックス基複合材料の通気が阻害されるため、混合粉末中にしめる酸化鉄Ｆｅ_３Ｏ_４粉末の量は１０％未満であることが好ましい。

さらには、ケイ素粉末７０％と炭化ケイ素粉末３０％に対して、添加する酸化鉄Ｆｅ_３Ｏ_４粉末の量は５％以下であることが好ましい。

１ レンズユニット
１０ レンズホルダ
１１ ホルダキャップ
１００ 中空部
１０１ 対物側開口
１１０ 装着側開口
Ｌ１〜Ｌ４ レンズ
ＳＰ１〜ＳＰ３ 間隔環
ＳＲ１ 雄ネジ

Claims (4)

1. 窒化ケイ素セラミックス基複合材料からなる、光学部品を保持するための光学部品保持部材であって、
   前記窒化ケイ素セラミックス基複合材料中に炭化ケイ素および鉄化合物を含有し、該窒化ケイ素セラミックス基複合材の厚さ１ｍｍのサンプルの両面間に気圧差０．４ＭＰａの気圧を加えたときの有効通気面積１．５ｃｍ^２での１分間あたりの通気量が５０ミリリットル以上であり、
   前記窒化ケイ素セラミックス基複合材料は、ケイ素粉末に対して、３０ｍａｓｓ％の炭化ケイ素粉末を添加し、さらに、それらケイ素粉末と炭化ケイ素粉末の総和に対して５ｍａｓｓ％以下の酸化鉄Ｆｅ _３ Ｏ _４ 粉末を添加して混合し、得られた混合粉末を用いて成形体を作製、窒素と反応させ窒化せしめる工程を経て作製されるものであることを特徴とする光学部品保持部材。
2. 前記窒化ケイ素セラミックス基複合材料中に含まれる鉄化合物がケイ化鉄であることを特徴とする請求項１記載の光学部品保持部材。
3. ケイ素粉末に対して、３０ｍａｓｓ％の炭化ケイ素粉末を添加し、さらに、それらケイ素粉末と炭化ケイ素粉末の総和に対して５ｍａｓｓ％以下の酸化鉄Ｆｅ _３ Ｏ _４ 粉末を添加して混合し、得られた混合粉末を用いて成形体を作製、窒素と反応させ窒化せしめる工程を経て作製される窒化ケイ素セラミックス基複合材料からなる光学部品保持部材において、前記窒化ケイ素セラミックス基複合材料からなる光学部品保持部材の厚さ１ｍｍのサンプルの両面間に気圧差０．４ＭＰａの気圧を加えたときの有効通気面積１．５ｃｍ^２での１分間あたりの通気量が５０ミリリットル以上である窒化ケイ素セラミックス基複合材料からなる光学部品保持部材を作製することを特徴とする光学部品保持部材の作製方法。
4. 前記混合粉末を用いて、射出成形により成形体を作製することを特徴とする請求項３記載の光学部品保持部材の作製方法。
   

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