JP5305668B2 - 撮像ユニット - Google Patents

Description

本発明は、撮像ユニットに関する。

一般に、内視鏡やカメラなどの光学機器に使用されている光学素子は、鏡枠を介して機器に固定されている。このような光学素子を固定する鏡枠は、従来、樹脂材料または金属材料を用いて製造されている。
樹脂材料を用いた鏡枠は、樹脂の良好な成形性を活かして、射出成形法により製造されており、金属材料を用いた鏡枠に比べて生産性が優れているという特徴がある。このような樹脂材料を用いた鏡枠としては、例えば特許文献１に示す内視鏡用の鏡枠が知られている。
金属材料を用いた鏡枠は、切削加工やダイカストにより製造されており、樹脂材料を用いた鏡枠に比べて強度、耐久性に優れているという特徴がある。金属材料を用いた鏡枠としては、例えば特許文献２に示す内視鏡用の鏡枠が知られている。
また、樹脂材料または金属材料を用いた鏡枠としては、例えば特許文献３、４に示すカメラ用の鏡枠が知られている。
特開２００６−１２２４９８号公報 特開２００６−０７５３４１号公報 特開２００４−１４８５２５号公報 特開２００７−１４０４０１号公報 特開２００４−１４７０３２号公報

しかしながら、前述した従来技術には、以下のような問題があった。
樹脂材料を用いた鏡枠は、金属材料を用いた鏡枠に比べて、強度、耐久性が劣るという問題があった。耐久性の不足や低強度による鏡枠の変形は、鏡枠に組み込まれた光学素子の光軸ズレに繋がる。
金属材料を用いた鏡枠は、内視鏡用鏡枠のように、中空部分を有した小型複雑な形状の場合、ダイカストでは寸法精度に問題があり、切削加工では切削に要する工数が増えて、生産性が低下するという問題があった。
さらに、従来の金属材料は、結晶粒界の存在により、内視鏡用鏡枠のように、撮像ユニット先端に設けられた場合、殺菌・滅菌処理に対する耐食性に劣るという問題があった。

ところで、光学素子と鏡枠との接合方法には、ハンダによる接合（特許文献４参照）、熱かしめによる接合（特許文献５参照）、および接着剤による接合が知られている。従来の金属材料や樹脂材料を用いた鏡枠は、膨張係数（温度の上昇によって物体の長さ・体積が膨張する割合）が光学素子と比較して大きく、前記接合による形状安定性に問題があった。
例えば、ハンダや接着剤による接合の場合には、接合時の温度上昇による鏡枠の膨張で応力を生じ、この応力によって光学素子の割れや、鏡枠からの光学素子の脱落が引き起こされることがあった。特に、ハンダ接合の場合には、接合時の熱で鏡枠が膨張してから再び冷却される際に、鏡枠の応力が光学素子に移行して残存し、光学素子の割れが引き起こされることがあった。
また、熱かしめによる接合の場合には、熱かしめされた部分に再び加温されると、光学素子と鏡枠との膨張係数差により、公差（中心軸）のズレが発生し、その結果、光軸ズレや光学素子の脱落が引き起こされることがあった。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであって、撮像ユニット先端に設けられ、強度、耐久性、耐食性、寸法精度、形状安定性および生産性に優れる光学素子固定用部品を用いた撮像ユニットを提供することを目的とする。

前記の課題を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
（１）光学素子と、該光学素子を内包する中空部を有し、前記光学素子の線膨張係数に対する比率が１．０以上１．５以下となり、かつ１５×１０ ^−６ ／℃以下である線膨張係数を有するガラス遷移領域が２０℃以上の非晶質合金からなる光学素子固定用部品と、前記非晶質合金のガラス遷移温度よりも低い溶解温度を有する接合材料からなり、前記中空部に配された前記光学素子を前記光学素子固定用部品に固定する接合層と、を備えることを特徴とする撮像ユニット。
（２）前記光学素子固定用部品に、前記非晶質合金の結晶化温度を超えない温度に保たれて除去加工が施されることにより非晶質状態が維持された加工部位を有することを特徴とする（１）に記載の撮像ユニット。

本発明の撮像ユニットは、強度、耐久性、耐食性、寸法精度、および形状安定性に優れ、光学素子の光軸ズレ、割れ、および脱落が生じにくい。

本発明の光学素子固定用部品は、例えば、内視鏡、カメラなどの光学機器の撮像ユニットの先端に設けられ、光学素子を固定するための鏡枠が挙げられる。該光学素子としては、例えば、ガラスレンズ、プラスチックレンズ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、光ファイバが挙げられる。ここで、撮像ユニットとは、鏡枠と、該鏡枠に固定された光学素子と、必要に応じて組み合わされるその他の部品（配線、保護カバー、ネジ、パッキンなど）とで構成されるものを表す。
以下、本発明の光学素子固定用部品および撮像ユニットについて、第１〜２の実施形態例を用いて詳細に説明する。

＜第１の実施形態例＞
本発明に係る第１の実施形態例である内視鏡用鏡枠１０は、後述する撮像ユニット３０の先端に設けられ、図１に示すような形状を有しており、その所定箇所に鏡枠固定用ネジ穴１１、溝１５、照明用孔１２、撮像用孔１６、処置具導通孔１７が形成されている。
照明用孔１２には、光ファイバおよび照明用レンズといった照明用の光学素子が固定される。また、撮像用孔１６には、ＣＣＤなどの撮像素子および対物レンズといった撮像用の光学素子が固定される。処置具導通孔１７は、鉗子などの処置具を通すための孔である。
内視鏡用鏡枠１０は、非晶質合金の中でも、金属ガラスに分類されるジルコニウム（Ｚｒ）基合金（組成：Ｚｒ_５５Ｃｕ_３０Ａｌ_１０Ｎｉ_５、結晶化温度：約４９０℃、ガラス遷移温度：約４００℃、ガラス遷移領域：約９０℃）で形成されている。
ここで、非晶質合金とは、複数の金属元素が結晶構造を形成せずに凝固（アモルファス化）した合金のことである。非晶質合金は、複数の金属元素からなる金属原料の溶湯を、ガラス遷移温度以下になるまで急速冷却することにより形成される。非晶質合金は、通常の結晶金属に見受けられるような結晶粒界を有さず、結晶粒界を起因とした粒界腐食（結晶粒界に沿って腐食が進行する現象）を生じないことから、耐食性に優れている。
金属ガラスとは、ガラス遷移領域（結晶化温度からガラス遷移温度を引いた値）が２０℃以上を有する非晶質合金のことである。金属ガラスは、結晶金属のような凝固収縮を生じないことから、成形金型に対する高精度な転写性を有し、さらに射出成形も可能であることから、成形品の形状自由度、寸法精度、生産性に優れている。また、金属ガラスは、その物性として低ヤング率・高強度であり、さらに熱に対して低膨張である。
金属ガラスとしては、Ｚｒ基合金、Ｆｅ基合金、Ｔｉ基合金、Ｍｇ基合金などが挙げられる。その中でもＺｒ基合金は、特に優れた低膨張、寸法精度を有する。

次に、内視鏡用鏡枠１０の製造方法について説明する。
本実施形態例に係る内視鏡用鏡枠１０は、金属材料にＺｒ基合金を用いて、射出成形法によって内視鏡用鏡枠１０（成形品）の近似形状物を作製し、この近似形状物に２次加工を施すことにより製造される。なお、本発明に用いられる金属材料は、以下の３条件を満たしていることが好ましい。
（Ｉ）３種以上の金属元素を含むこと。
（ＩＩ）前記３種以上の金属元素が、１２％以上異なる原子径を有すること。例えば、大、中、小の３種類の大きさの金属元素が、互いに１２％以上異なる原子径を有すること。
（ＩＩＩ）各元素が化合物化しやすいこと。すなわち、それぞれの金属元素が互いに引き合う性質を有すること。
前記（Ｉ）〜（ＩＩＩ）の条件を満たす金属材料であれば、下記に示す製造方法によりガラス遷移領域が２０℃以上の非晶質合金（金属ガラス）からなる成形品が得られやすい。
ガラス遷移領域が２０℃未満の非晶質合金となる金属材料を用いた場合、後述する金属材料の溶湯を急速冷却する工程において、該溶湯に対する冷却ムラが生じて、前記溶湯が結晶化されやすくなり、均一に非晶質化された成形品を得るのが困難となる。

前記射出成形法は、図２に示すように、金属材料の溶湯を作製する工程（Ａ）と、該溶湯を成形金型内に射出充填する工程（Ｂ）と、前記溶湯を成形金型内で急速冷却して２０℃以上のガラス遷移領域を有する非晶質合金（金属ガラス）とする工程（Ｃ）と、前記溶湯が急速冷却されることで形成される成形品の近似形状物を取り出す工程（Ｄ）とを備える。
まず、工程（Ａ）にてＺｒ基合金を加熱熔解し、溶湯を作製する。次いで、工程（Ｂ）にて前記溶湯を成形金型内に射出充填する。射出充填には公知の射出成形機を用いることができる。
次いで、工程（Ｃ）にて溶湯とともに前記成形金型を１０℃／秒以上で急速冷却することで、前記溶湯を非晶質の状態で凝固させて金属ガラスとし、内視鏡用鏡枠１０の近似形状物を形成する。急速冷却には、例えば超急冷凝固法などを用いることができる。なお、工程（Ｃ）における溶湯の冷却が１０℃／秒未満であると、溶湯が非晶質化せず、非晶質化された成形品が得られない。
次いで、該近似形状物を工程（Ｄ）によって成形金型から取り出す。そして、この近似形状物に、バリ取り、鏡枠固定用ネジ穴１１、溝１５の切削などの２次加工を施して、内視鏡用鏡枠１０（成形品）を得る。前記２次加工は、前記成形品の近似形状物がＺｒ基合金の結晶化温度（約４９０℃）を超えない温度に保たれた状態で施されるのが好ましい。これにより、２次加工の熱によって金属ガラスが結晶化されるのを防ぐことができ、非晶質の状態が維持された成形品を得ることができる。

なお、前記工程（Ｂ）の射出充填の際、成形金型に設けた該回転機構により成形金型を１０００〜３０００ｒｐｍ程度の回転数で回転させることで遠心力を付加するのが好ましい。これにより、前記溶湯に混入した空気などのガス成分が溶湯から抜け、該成形金型への前記溶湯の充填率を向上でき、以って鬆の無い高品質な成形品を得ることができる。なお、この遠心力を付加しながら射出成形する方式は、回転機構により回転可能な大きさの成形金型に限られ、具体的には内視鏡用鏡枠のような金型寸法の小さい小型の部品に適用される。

以上のようにして製造された内視鏡用鏡枠１０（成形品）は、Ｚｒ基合金の有する金属ガラスの物性として低ヤング率・高強度を示すことから、機械的に優れた強度と耐久性を有しており、変形しにくい。
また、金属ガラスは射出成形が可能であり、かつ結晶金属のような凝固収縮を起こさないため、成形金型に対する優れた転写性を示す。従って、金属ガラスを用いた本発明の成形品は、寸法精度に優れている。そのため、射出成形後の２次加工の工数を削減でき、生産性を向上できる。なお、この実施形態例の内視鏡用鏡枠１０は、金属ガラスの中でも特に射出成形能に優れたＺｒ基合金を用いて作製されているため、特に優れた寸法精度を有する。
このように、内視鏡用鏡枠１０は、強度、耐久性、寸法精度に優れた金属ガラスを射出成形することで製造されるため、中空部分を有した小型複雑な形状をしているにも係らず、優れた強度、耐久性、寸法精度を有し、外力が加わっても変形しにくい。そのため、内視鏡用鏡枠１０は、その中空部分（照明用孔１２、撮像用孔１６）の所望の位置に、正確に光学素子を固定でき、かつ該光学素子の光軸ズレが長期にわたり生じにくい。

次に、内視鏡用鏡枠１０に各種光学素子などが固定された撮像ユニット３０の一実施形態例について、図３〜６を参照して説明する。
撮像ユニット３０は図３（ｃ）に示すように、撮像ユニット３０の先端に設けられる内視鏡用鏡枠１０と、内視鏡用鏡枠１０の正面に固定された撮像ユニットカバー１８と、撮像用孔１６の開口を覆うように固定された対物レンズ２０（光学素子）と、照明用孔１２に固定された照明用レンズ１３（光学素子）とを有する。また、撮像用孔１６内には図５（ｄ）に示すように、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの撮像素子２１（光学素子）が固定されている。また、撮像素子２１からはモニターや録画装置などに映像を伝送するための伝送ケーブル（不図示）が延びている。
照明用孔１２内には、図４に示すように、光ファイバ１９（光学素子）が固定され、照明用レンズ１３の固定側とは反対の端部から照明用孔１２外に引き出されている。照明用孔１２外に引き出された光ファイバ１９の先端には、光源（不図示）が設けられている。

照明用レンズ１３は図４に示すように、照明用孔１２の片端に、内視鏡用鏡枠１０を形成するＺｒ基合金のガラス遷移温度（約４００℃）より低い、溶融温度が３８０℃のハンダ１４で固定されている。
このように、溶融温度が非晶質合金のガラス遷移温度未満のハンダ１４で照明用レンズ１３を固定することで、内視鏡用鏡枠１０にハンダ接合の熱が加わっても、内視鏡用鏡枠１０の形状安定性を損なわれにくくすることができる。より好ましくは、この実施形態例のように、Ｚｒ基合金のガラス遷移温度と、ハンダ１４の溶融温度との間に、ある程度の温度幅を設けるのが好ましい。これにより、ハンダ接合の熱で内視鏡用鏡枠１０の形状安定性をより損なわれにくくすることができる。

ところで、一般に、内視鏡用鏡枠（成形品）に固定される光学素子の材質は８〜１０×１０^−６／℃の線膨張係数を示す。また、成形品の線膨張係数が光学素子に近いほど、光学素子にかかる残留応力の緩和効果が大きい。具体的には、成形品の線膨張係数が１５×１０^−６／℃以下、膨張係数比率（成形品／光学素子）が１．５以下であると、光学素子にかかる残留応力の緩和効果が大きい。該金属ガラスの線膨張係数は、さらに好ましくは光学素子と同等（すなわち、膨張係数比率が１．０）の８〜１０×１０^−６／℃である。
本発明では、内視鏡用鏡枠１０（成形品）が、線膨張係数が１５×１０^−６／℃以下の低膨張な特性を有する金属ガラスで形成されているため、優れた形状安定性を有しており、光学素子にかかる残留応力の緩和効果が大きく、光学素子の割れが引き起こされにくい。
この実施形態例においては、内視鏡用鏡枠１０の線膨張係数は１０×１０^−６／℃であり、照明用レンズ１３の線膨張係数は８．５×１０^−６／℃であり、内視鏡用鏡枠１０と照明用レンズ１３との膨張係数比率は約１．１７となる。このため、照明用レンズ１３は、内視鏡用鏡枠１０にハンダ接合されても、割れを生じる可能性が極めて少ない。

ここで、内視鏡用鏡枠１０に照明用レンズ１３をハンダ接合した際に、照明用レンズ１３にかかる残留応力を図５（ｅ）に示す。また、従来のステンレス鏡枠に照明用レンズ１３をハンダ接合した際に、照明用レンズ１３にかかる残留応力を図５（ｆ）に示す。図５において、残留応力が強くかかっている部分ほど濃い濃淡で表している。内視鏡用鏡枠１０の線膨張係数は前述したように１０×１０^−６／℃であるため、図５（ｅ）に示す照明用レンズ１３にかかる残留応力は僅かである。一方、ステンレスの線膨張係数は１７×１０^−６／℃であり、図５（ｆ）に示す照明用レンズ１３には広範囲に強い残留応力がかかっていることが確認できる。

内視鏡用鏡枠１０に用いたＺｒ基合金は非晶質合金である。非晶質合金は結晶粒界を有さず、粒界腐食が発生しないことから、優れた耐食性を示す。内視鏡用鏡枠１０は、撮像ユニット３０の先端に設けられることから、医療用内視鏡の洗浄に用いられている各種殺菌・滅菌処理に曝されるが、非晶質合金が上記のような特性を有することから、これらの処理に対して優れた耐食性を有する。ゆえに、内視鏡用鏡枠１０を用いた撮像ユニット３０は、長期間使用しても変形および劣化が起こりにくく、光学素子の光軸ズレなどが生じにくい。
なお、内視鏡用鏡枠１０の耐食性について、内視鏡用に恒常的に行われている殺菌・滅菌処理を実施して、質量増減測定、Ｘ線回析測定、腐食劣化の確認を行ったところ、内視鏡用鏡枠１０の質量はほとんど増減せず、内視鏡用鏡枠１０の結晶化および腐食劣化も確認されなかった。このことから、内視鏡用鏡枠１０は優れた耐食性を有していると判断できる。なお、前記殺菌・滅菌処理としては、ポピドンヨード溶液浸漬処理、高温高圧蒸気滅菌処理、グルタルアルデヒド溶液浸漬処理、ＥＯＧ（エチレンオキサイドガス）滅菌処理、過酸化水素ガス滅菌処理を行った。

＜第２の実施形態例＞
次に、本発明の第２の実施形態例であるコンパクトカメラ用鏡枠（図略示）について説明する。
この実施形態例のコンパクトカメラ用鏡枠は、組成がＺｒ_５０Ｃｕ_１７．５Ａｌ_７．５Ｎｉ_１０Ｔｉ_５Ｂｅ_１０のＺｒ基合金（結晶化温度：約４９０℃、ガラス遷移温度：約３５０℃、ガラス遷移領域：約１４０℃以上）を用い、かつ第１の実施形態例と同様の製造方法にて作製される。該コンパクトカメラ用鏡枠の形状は、一般的なコンパクトカメラ用鏡枠の形状である。この実施形態例のコンパクトカメラ用鏡枠は、先の実施形態例と同様に成形金型からの転写性が良好であり、樹脂材料を用いたコンパクトカメラ用鏡枠と同等の優れた寸法精度を有している。なお、このコンパクトカメラ用鏡枠の作製において、射出成形後のコンパクトカメラ用鏡枠の近似形状物に、バリ取りや切削などの２次加工を施して、孔および／または溝を形成する際には、前記第１の実施形態例と同様に、該近似形状物がＺｒ基合金の結晶化温度（約４９０℃）を超えないように温度を保つことで、金属ガラスの結晶化を防ぐことができる。

ここで、２次加工による結晶化の有無について、コンパクトカメラ用鏡枠をＸ線回析測定法により回析した結果を図６に示す。図６中の（ｇ）が２次加工前のコンパクトカメラ用鏡枠の回析結果を表し、図６中の（ｈ）が２次加工後のコンパクトカメラ用鏡枠の回析結果を表す。このように、図６の（ｇ）と（ｈ）とではほとんど差がなかった。また、結晶化した金属に特有のピークが、図６のグラフには確認されなかった。このように、コンパクトカメラ用鏡枠は、２次加工時の熱によっても結晶化することなく、非晶質状態を維持することができる。

このコンパクトカメラ用鏡枠は、他の実施形態例と同様、光学素子の線膨張係数に近いＺｒ基合金を用いており、優れた形状安定性を有している。そのため、このコンパクトカメラ用鏡枠は、該コンパクトカメラ用鏡枠に光学素子を接着剤で固定した後に、接着剤の耐熱温度範囲内である１００℃の熱履歴をかけても、光学素子の割れや、鏡枠からの光学素子の脱落が生じにくい。また、このコンパクトカメラ用鏡枠は、他の実施形態例の成形品と同様に、優れた強度と耐久性を有している。従って、コンパクトカメラ用鏡枠が、撮像ユニット先端に設けられることによって外力の影響を受けた場合でも、高い強度と耐久性を維持することができる。

本発明の技術範囲は前記実施形態例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。例えば、前記実施形態例では、金属材料をＺｒ基合金としているが、本発明はこれに限らず、２０℃以上のガラス遷移領域および１５×１０^−６／℃以下の線膨張係数を有する非晶質合金（金属ガラス）を形成でき、成形品に優れた強度、耐久性、寸法精度、形状安定性および生産性を付与できる金属材料であれば、実施例に示したＺｒ基合金の他に、例えばＦｅ基合金、Ｔｉ基合金、Ｍｇ基合金などを用いても構わない。また、光学素子固定用部品としては、前記実施形態例の鏡枠に限らず、他の部品でも構わない。

以上、詳細に説明したように、本発明の光学素子固定用部品は、射出成形能に優れ、優れた強度、優れた耐食性、１５×１０^−６／℃以下という低い線膨張係数および２０℃以上のガラス遷移領域を有する非晶質合金（金属ガラス）から形成されているため、強度、耐久性、耐食性、寸法精度、形状安定性および生産性に優れている。また、本発明の光学素子固定用部品に光学素子を固定した撮像ユニットは、強度、耐久性、耐食性、寸法精度、および形状安定性に優れ、光学素子の光軸ズレ、割れ、および脱落が生じにくい。

（ａ）は本発明の第１の実施形態例に係る内視鏡用鏡枠を示す正面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。 本発明の第１の実施形態例に係る内視鏡用鏡枠の射出成形の工程を示す工程図である。 （ｃ）は本発明の第１の実施形態例に係る撮像ユニットの正面図、（ｄ）は（ｃ）のＹ−Ｙ断面図である。 本発明の第１の実施形態例に係る撮像ユニットにおける内視鏡用鏡枠と光学素子（光ファイバ、照明用レンズ）との接合部周辺を示す部分断面図である。 （ｅ）は本発明の第１の実施形態例に係る内視鏡用鏡枠にハンダ接合された光学素子（照明用レンズ）の残留応力を示し、（ｆ）は従来のステンレス鏡枠にハンダ接合された光学素子（照明用レンズ）の残留応力を示すシミュレーション図である。 本発明の第２の実施形態例に係るコンパクトカメラ用鏡枠の２次加工前と２次加工後とにおける非晶質状態の変化を、Ｘ線回析によって測定した結果を示すグラフ（縦軸：回析強度（ＣＰＳ）、横軸：回析角度（２θ（ｄｅｇ））である。

符号の説明

１０ 内視鏡用鏡枠
１１ 鏡枠固定用ネジ穴
１２ 照明用孔
１３ 照明用レンズ
１４ ハンダ
１５ 溝
１６ 撮像用孔
１７ 処置具導通孔
１８ 撮像ユニットカバー
１９ 光ファイバ
２０ 対物レンズ
２１ 撮像素子
３０ 撮像ユニット

Claims (2)

1. 光学素子と、
   該光学素子を内包する中空部を有し、前記光学素子の線膨張係数に対する比率が１．０以上１．５以下となり、かつ１５×１０ ^−６ ／℃以下である線膨張係数を有するガラス遷移領域が２０℃以上の非晶質合金からなる光学素子固定用部品と、
   前記非晶質合金のガラス遷移温度よりも低い溶解温度を有する接合材料からなり、前記中空部に配された前記光学素子を前記光学素子固定用部品に固定する接合層と、
   を備えることを特徴とする撮像ユニット。
2. 前記光学素子固定用部品に、前記非晶質合金の結晶化温度を超えない温度に保たれて除去加工が施されることにより非晶質状態が維持された加工部位を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。

Images