專利名稱：光學部件保持構件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種由陶瓷制成的光學部件保持構件和該光學部件保持構件的制造 方法。
背景技術：
帶有照相機的便攜式電話已經(jīng)普及，并且照相機越來越多地被安裝在汽車中用于 倒行確認。對于構成被安裝在配備有照相機的便攜式電話和配備有照相機的汽車中的照相 機的攝像透鏡單元，需要相當高的可靠度。特別是，由于汽車全部在戶外使用并且便攜式電 話經(jīng)常在戶外使用，因此必需提供在嚴酷的環(huán)境條件比如高溫、低溫和由溫度急劇變化引 起的熱震下的性能穩(wěn)定性和耐久性。因此，由受到溫度變化影響最小的陶瓷制成的透鏡保持構件已經(jīng)吸引了注意。這里，作為保持光學部件比如透鏡的保持構件，報道了其中使用擁有低熱膨脹、剛 性和耐磨性并且顯示出黑色的Sposhmen或堇青石(cordierite)的陶瓷的情況(日本專利 申請公布2002-220277)。此外，例如，提出了用于保持光學部件的陶瓷，該陶瓷由于碳內(nèi)容 物和堇青石基體(base)而顯示黑色(日本專利申請公布H11-343168)。另外，盡管沒有應用于光學部件保持構件，但是報道了通過使緊密堆積的陶瓷變 黑抑制了在燒結時的不均勻著色等。然而，在緊密堆積的陶瓷的情況下，燒結體的精度由于在燒結時大的收縮而變化， 這導致在例如其被用作需要高均勻性和高精度的光學部件保持構件時必須進行二次加工， 并且造成成本增加的問題等。此外，提出了一種這樣的技術，該技術通過結合使用多孔陶瓷部件的精密成型技 術能夠在實際應用中以低成本提供陶瓷制成的保持構件，所述多孔陶瓷部件在燒結之后在 沒有加工的情況下顯示出黑色(日本專利申請公布2007-238430)。但是，專利文獻中的任何一個均沒有描述在陶瓷的脫脂和燒制過程中伴隨有收縮 的尺寸變化。甚至在其中尺寸變化小的反應燒結的氮化硅中，也產(chǎn)生約的收縮率。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述情形，本發(fā)明的目的是提供一種光學部件保持構件和制造該光學部件 保持構件的方法，所述光學部件保持構件由陶瓷制成，該陶瓷在經(jīng)過脫脂和燒結加工之后 具有小的相對于模具尺寸的尺寸變化。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，制造光學部件保持構件的方法是一種制造用于保持光學 部件的光學部件保持構件的方法，所述光學部件保持構件由氮化硅陶瓷基復合材料制成， 該氮化硅陶瓷基復合材料通過其中使硅和氮反應而被氮化的方法制備，并且作為構成在氮 化加工之前的混合粉末的粉末，包含硅粉、碳化硅粉末和氧化鐵(iron oxide)粉末。這里，通過將上述混合粉末成型，然后氮化的方法得到的氮化硅陶瓷基復合材料 必然地由氮化硅、碳化硅和硅化鐵組成，所述硅化鐵由硅和氧化鐵的反應制備。
這里，在根據(jù)本發(fā)明的該方面的制造光學部件保持構件的方法中，優(yōu)選在得到的 氮化硅陶瓷基復合材料中對可見光的反射率為以下，并且表面粗糙度Ra為Iym以下。這里，在根據(jù)本發(fā)明的該方面的制造光學部件保持構件的方法中，當形成成型體 時，優(yōu)選使用其中將大于等于20質(zhì)量％且小于等于50質(zhì)量％的碳化硅粉末和大于等于5 質(zhì)量％且小于等于15質(zhì)量％的氧化鐵Fe3O4粉末混合到硅粉末中的混合粉末。更優(yōu)選地，通過使用其中將大于等于20質(zhì)量％且小于等于50質(zhì)量％以下的碳化 硅粉末和大于等于5質(zhì)量％且小于等于15質(zhì)量％的氧化鐵Fe3O4粉末混合到硅粉末中的混 合粉末作為形成上述成型體的混合粉末的組合物，可以獲得一種光學部件保持構件，該光 學部件保持構件在氮化后具有與燒結體的尺寸相同的尺寸。具體地，更優(yōu)選使用其中將大 于等于20質(zhì)量％且小于等于30質(zhì)量％的碳化硅粉末和大于等于5質(zhì)量％且小于等于10 質(zhì)量％的氧化鐵Fe3O4粉末混合到硅粉末中的混合粉末作為形成上述成型體的混合粉末的 組合物，從而可以獲得一種光學部件保持構件，其中在燒結后的燒結體相對于模具的精度 是優(yōu)異的。而且，在根據(jù)本發(fā)明的該方面的制造光學部件保持構件的方法中，通過注射成型 形成成型體，可以獲得具有復雜形狀的光學部件保持構件，該光學部件保持構件由氮化硅 陶瓷基復合材料制成，該復合材料具有這樣的尺寸變化使得在燒結后未加工的情況下，燒 結后的尺寸落入相對于用于形成成型體的模具的尺寸的0. 的公差內(nèi)。此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，光學部件保持構件是用于保持光學部件的光學 部件保持構件，其由氮化硅陶瓷基復合材料制成，該氮化硅陶瓷基復合材料通過其中使硅 和氮反應而氮化的方法制備并且含有碳化硅和鐵化合物。根據(jù)本發(fā)明，可以實現(xiàn)一種復雜形狀的由陶瓷制成的部件，所述陶瓷在燒結后未 進行加工的情況下具有小的相對于模具尺寸的尺寸變化，并且還具有光學保持構件所必需 的特性。


圖1是示出配置有由陶瓷制成的透鏡保持器的透鏡單元的構造的圖；圖2是示出添加有碳化硅的氮化硅陶瓷基復合材料的4點彎曲強度的圖；圖3是示出各種材料的反射率的圖；圖4是示出添加有氧化鐵Fe3O4的氮化硅陶瓷基復合材料的強度的圖；圖5是示出添加有氧化鐵Fe3O4的氮化硅陶瓷基復合材料的反射率的圖；圖6是示出在反射率與氧化鐵的Fe3O4混合比率之間的關系的圖，所述氧化鐵 Fe3O4的混合比率是相對于其中以7 3的重量比混合了硅和碳化硅的材料的比率；圖7是示出在燒結體表面粗糙度Ra與氧化鐵Fe3O4的混合比率之間的關系的圖， 所述氧化鐵Fe3O4的混合比率是相對于其中以7 3的重量比混合了硅和碳化硅的材料的 比率；圖8是示出在尺寸變化與氧化鐵Fe3O4的混合比率之間的關系的圖，所述氧化鐵 Fe3O4的混合比率是相對于其中以7 3的重量比混合了硅和碳化硅的材料的比率；圖9是示出在4點彎曲強度與氧化鐵Fe3O4的混合比率之間的關系的圖，所述氧化 鐵Fe3O4的混合比率是相對于其中以7 3的重量比混合了硅和碳化硅的材料的比率；
圖10是示出在反射率與碳化硅在材料中的添加量(質(zhì)量％)之間的關系的圖，該 材料是通過將10質(zhì)量％的氧化鐵Fe3O4加入到90質(zhì)量％的其中混合有硅和碳化硅的混合 材料中而得到的；圖11是示出在燒結體粗糙度Ra與碳化硅SiC在材料中的添加量(質(zhì)量％ )之間 的關系的圖，該材料是通過將10質(zhì)量％的氧化鐵Fe3O4加入到90質(zhì)量％的其中混合有硅和 碳化硅的混合材料中而得到的；和圖12是示出在尺寸變化與碳化硅在材料中的添加量(質(zhì)量％)之間的關系的圖， 該材料是通過將10質(zhì)量％的氧化鐵Fe3O4加入到90質(zhì)量％的其中混合有硅和碳化硅的混 合材料中而得到的。
具體實施例方式下面描述本發(fā)明的示例性實施方案。圖1是示出配置有由陶瓷制成的透鏡保持器的透鏡單元的構造的圖。在圖1中示出的透鏡單元1配置有透鏡保持器10，并且透鏡保持器10具有中空 部100，中空部100具有物體側開口 101和圖像形成側開口 102。在透鏡保持器10的物體 側外圍上形成的是陽螺紋SR1。從物體側開口 101，將透鏡Ll至L4和間隔環(huán)SPl至SP3在 沿著光軸對準的同時插入。在該實例中，透鏡Ll至L4和間隔環(huán)SPl至SP3交替地設置并 依次插入透鏡保持器10的中空部100內(nèi)。備選地，存在具有以下這樣的構造的透鏡單元 省略間隔環(huán)SPl至SP3，并且每一個透鏡的定位是通過使得透鏡邊緣相互接觸來進行的。此外，在圖1中示出的透鏡單元1配置有保持器蓋11，該保持器蓋11用于保持插 入透鏡保持器10的中空部100的透鏡Ll至L4和間隔環(huán)SPl至SP3，以從物體側開口 101 將它們固定。保持器蓋11具有裝配開口 110，在所述裝配開口 110中插入有透鏡保持器 10的物體側部分；和光學開口 111，其用于暴露透鏡Ll的中央部分，所述透鏡Ll是在插入 透鏡保持器的多個透鏡之中最接近于物體側插入的。在裝配開口 110內(nèi)部的內(nèi)壁上形成的 是與陽螺紋SRl嚙合的陰螺紋SR2。通過將陽螺紋SRl嚙合在陰螺紋SR2中，按壓被設置在 最接近物體側的位置上的透鏡Ll的物體側表面的邊緣。組裝圖1的透鏡單元1，使得保持器蓋11按壓透鏡保持器10中的透鏡Ll至L4和 間隔環(huán)SPl至SP3朝向圖像形成側開口。這里，考慮到將透鏡單元1安裝在汽車中，將陶瓷用于透鏡保持器10并且將玻璃 透鏡用于透鏡Ll至L4。而且，另外對于保持器蓋11，使用與透鏡保持器10的陶瓷相同質(zhì) 量的陶瓷。另外，在該實例中，也使用由陶瓷制成的間隔環(huán)SPl至SP3。在圖1的這種實例中，透鏡保持器10(或透鏡保持器10和保持器蓋11的組合) 對應本發(fā)明的光學部件保持構件的一個實例。對于透鏡保持器10和保持器蓋11，使用含有碳化硅和鐵化合物的氮化硅陶瓷基 復合材料。這種陶瓷是多孔的，并且這種燒結的氮化硅基陶瓷的線性膨脹系數(shù)為約3X10_6， 并且?guī)缀醯扔谟米魍哥RLl至L4的材料的玻璃的線性膨脹系數(shù)(5-10X 10_6)。此外，間隔 環(huán)SPl至SP3由具有鋯的陶瓷作為原料制成，并且其線性膨脹系數(shù)為約8-11 X ΙΟ"6,這幾乎 等于玻璃的線性膨脹系數(shù)(5-10X10_6)。這樣，在圖1中示出的透鏡單元1的情況下，對于構成透鏡單元1的透鏡保持器10、保持器蓋11、透鏡L 1至L4和間隔環(huán)SPl至SP3中的任何一個中，使用其線性膨脹系數(shù) 顯著小并且也接近彼此相等的材料，從而實現(xiàn)可在寬范圍的溫度環(huán)境中使用的結構體。另外，作為除了收縮率之外的特性，在透鏡保持器10和保持器蓋11中，優(yōu)選反射 率為以下且表面粗糙度Ra為Iym以下。實施例 下面，將通過用于尋找適用于上述透鏡保持器10 (或，透鏡保持器10和透鏡蓋11) 的材料目的而進行一系列實驗的說明來解釋本發(fā)明的實施例。在下面，將說明各種類型的陶瓷材料。各種類型的測量的結果都是測量氮化硅陶 瓷基復合材料的結果，該氮化硅陶瓷基復合材料是通過以下方法獲得的將各種原料粉末 混合，添加有機粘合劑，通過注射成型制備成型體，然后脫脂和氮化。下面，材料比率的％全部指質(zhì)量％。圖2是示出添加有碳化硅的氮化硅陶瓷基復合材料的4點彎曲強度的圖。圖2中的橫軸表示在燒結之前碳化硅SiC粉末(質(zhì)量％)與硅粉末的混合比率， 而縱軸表示Jis R1601細陶瓷的彎曲強度在室溫的測試方法中所述的4點彎曲強度的測試結果。此外，圖3是示出各種材料的反射率的圖。圖3中的橫軸表示四種類型的各種材料，而縱軸表示反射率(％ )。在橫軸上的 “氮化硅+SiC”是通過將燒結之前由70質(zhì)量％的Si和30質(zhì)量％的SiC混合的材料燒結而 得到的，而"+Fe3O4”是進一步將10質(zhì)量％的Fe3O4混合到待燒結的90質(zhì)量％混合物中而得 到的，所述混合物在燒結之前含有70質(zhì)量％硅和30質(zhì)量％碳化硅。反射率是對每一種波 長示出的。從圖2發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生燒結和氮化之前，通過將碳化硅SiC添加到采用反應燒結得到 的氮化硅中，將強度提高至一定比率。但是，此時的反射率(圖3)表示在僅添加SiC的情 況下(在圖3中從右邊起第2個)，反射率高于僅含有氮化硅的情況(在圖3中從右邊起第 3個)，因而得不到具有低反射率的陶瓷。因此，本發(fā)明人研究了抑制反射率的成分，并且發(fā) 現(xiàn)了通過使用混合有Fe3O4粉末的原料粉末和進行氮化可以將反射率抑制得較低(在圖3 中最右邊)。稍后描述其中同時添加有碳化硅SiC和氧化鐵Fe3O4的情況下的細節(jié)。圖4是示出添加有氧化鐵Fe3O4的燒結氮化硅陶瓷基復合材料的強度的圖。圖4的橫軸表示在燒結之前Fe3O4與Si的添加量，而縱軸表示4點彎曲強度。應 注意，在此不添加碳化硅SiC。此外，圖5是示出添加有氧化鐵Fe3O4的氮化硅陶瓷基復合材料的反射率的圖。與圖4類似，圖5的橫軸表示在燒結之前氧化鐵Fe3O4相對于硅的添加量，而縱軸 表示反射率。與圖3類似，示出對于每一種波長的反射率。在圖5中也一樣，沒有添加碳化 硅SiC。在僅添加Fe3O4的情況下，如從圖5發(fā)現(xiàn)的，盡管在可見光短波長側(400nm)的反射 率更低，但是在另一可見光范圍(540至830nm)內(nèi)的波長的反射率幾乎不變化，因此沒有發(fā) 現(xiàn)反射率的足夠下降。此外，從圖4發(fā)現(xiàn)強度也在下降。因此，明顯的是，通過僅添加Fe3O4， 不能預期強度的升高和反射率的下降。接著，將說明在燒結之前將碳化硅SiC和氧化鐵Fe3O4這兩者添加到硅中的情況。圖6至圖9分別示出氧化鐵Fe3O4相對于由硅和碳化硅以7 3的重量比混合的材料的混合比率與反射率(圖6)、燒結體表面粗糙度Ra(圖7)、尺寸變化(圖8)和4點彎 曲強度(圖9)之間的關系。在圖8中的尺寸變化表示燒結之后相對于在脫脂后且在燒結前的尺寸的尺寸比 率。與用于注射成型的模具的尺寸相比，由于當脫脂時尺寸收縮約0. 4至0. 8%，因此隨著 膨脹至與在燒結時的收縮率大致相同的程度，獲得了尺寸與用于注射成型的模具的尺寸相 同的燒結體。將氧化鐵Fe3O4進一步添加到其中碳化硅SiC加入硅中而形成的混合物中，并且證 實了由于增加氧化鐵Fe3O4的量而引起反射率變化(圖6)。從該結果，證實了反射率大體 上由于添加氧化鐵而下降。盡管僅僅在以很小的量(1%)添加氧化鐵Fe3O4的情況下發(fā)現(xiàn) 反射率的略微上升，但是在更多地添加氧化鐵Fe3O4的情況下，獲得了與不添加氧化鐵Fe3O4 的情況相比顯示更低的反射率的結果。由于在氧化鐵Fe3O4的添加量為15%以上的情況下 增加添加量的效果變得較小，因此15%以下被認為是適合的。通常，通常使用的對策是使表面粗糙來降低反射率。如圖7中所示，添加氧化鐵 Fe3O4減小表面粗糙度，并且通過碳化硅和氧化鐵Fe3O4的組合，沒有由粗糙表面引入組裝容 易性的降低，因此可以在抑制表面粗糙度的同時降低反射率。類似地，對于表面粗糙度，當 Fe3O4的添加量很小(1%)時，發(fā)現(xiàn)反射率略微升高，但是在更多地添加氧化鐵Fe3O4時，獲 得了更低反射率的結果。此外，對于尺寸變化，如圖8中所示，相對于在脫脂時0. 4%至0. 8%的收縮量，在 燒結時的體積由于添加氧化鐵Fe3O4而升高，并且當氧化鐵Fe3O4添加至占5%以上時，獲得 了其尺寸大致等于成型體的尺寸的燒結體。因此，氧化鐵Fe3O4的添加量優(yōu)選為5%以上。但 是，當氧化鐵Fe3O4的添加量為5%以下時，燒結體的尺寸變化大，原因在于添加量的誤差， 因為尺寸變化量相對于添加量的變化是大的。此外，對于圖6中所示的反射率，當氧化鐵的 添加量為5%時，與在氧化鐵的添加量為10%的情況相比，反射率略高。因此，氧化鐵Fe3O4 的添加量優(yōu)選為10%以上。此外，對于圖9中所示的彎曲強度，當將氧化鐵Fe3O4進一步添加到其中添加有碳 化硅的混合物中時，彎曲強度顯示幾乎高達15%，S卩比其中什么都沒有添加的氮化硅(參 見圖2)更高的值，并且顯示出高值，特別是約7. 5%至10%。當添加量為15%時，盡管超過 10%，但是4點彎曲強度下降，幾乎與在添加量為5%時的強度相同。因此，氧化鐵Fe3O4的 添加量優(yōu)選為15%以下。圖10至圖12分別顯示了 SiC在材料中的添加量(質(zhì)量％)與反射率(圖10)、燒 結體粗糙度Ra(圖11)和尺寸變化(圖12)之間的關系，所述材料是通過將10質(zhì)量％的氧 化鐵Fe3O4加入到90質(zhì)量％的含有硅和碳化硅的混合物中而得到的。在圖10至圖12各自的橫軸表示碳化硅SiC的添加量。這里，氧化鐵Fe3O4的添加 量為10質(zhì)量％并且恒定，并且硅Si和碳化硅SiC共占其余90質(zhì)量％。即，例如，在橫軸上 的20質(zhì)量％的碳化硅SiC是指Si為70質(zhì)量％，SiC為20質(zhì)量％且Fe3O4為10質(zhì)量％。如從圖10發(fā)現(xiàn)的，與在僅添加氧化鐵Fe3O4時的情況(參見圖5)相比，反射率在 整個波長范圍均下降直至將碳化硅SiC添加到約50%時為止。但是，在80%時，反射率大 大增加。盡管在50%至80%之間未進行證實，但是在碳化硅SiC占約50%以下時，至少反 射率降低。因此，碳化硅的混合量優(yōu)選為50%以下。
另外，如從圖11發(fā)現(xiàn)，此時(at this point)，表面粗糙度Ra隨著添加量增加變得 更小，從而獲得了精細的平滑表面。對于尺寸變化，如圖12中所示，盡管由于添加量的增加 出現(xiàn)了略微下降的趨勢，但是在添加量為10%以上時，幾乎都獲得了所預期的精確尺寸變 化。但是，當碳化硅SiC的添加量為10%時，如從圖10發(fā)現(xiàn)的，反射率的降低量小，盡管幾 乎獲得了所預期的精確尺寸。因此，SiC的添加量優(yōu)選為20%以上。
權利要求
一種用于保持光學部件的光學部件保持構件，其中所述光學部件保持構件由氮化硅陶瓷基復合材料制成，所述氮化硅陶瓷基復合材料通過其中使硅和氮反應而氮化的方法制備，并且在所述氮化硅陶瓷基復合材料中含有碳化硅和鐵化合物。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學部件保持構件，其中在所述氮化硅陶瓷基復合材料中含 有的所述鐵化合物為硅化鐵。
3.根據(jù)權利要求1所述的光學部件保持構件，其中對可見光的反射率為以下，并且 表面粗糙度Ra為Iym以下。
4.根據(jù)權利要求2所述的光學部件保持構件，其中對可見光的反射率為以下，并且 表面粗糙度Ra為Iym以下。
5.—種制造光學部件保持構件的方法，所述光學部件保持構件用于保持光學部件，所 述光學部件保持構件由氮化硅陶瓷基復合材料制成，所述氮化硅陶瓷基復合材料通過其中 使硅和氮反應而氮化的方法制備，其中所述氮化硅陶瓷基復合材料是通過以下步驟獲得 的在通過將碳化硅粉末和氧化鐵粉末添加到硅粉末中制備出混合粉末之后，接著將通過添加有機粘合劑制造的成型體脫脂；和在氮氣氛中引起硅和氮反應。
6.根據(jù)權利要求5所述的制造光學部件保持構件的方法，其中在形成所述成型體時， 將大于等于20質(zhì)量％且小于等于50質(zhì)量％的碳化硅和大于等于5質(zhì)量％且小于等于15 質(zhì)量％以下的氧化鐵Fe3O4混合到硅中以進行成型。
7.根據(jù)權利要求5所述的制造光學部件保持構件的方法，其中所述成型體是通過注射 成型形成的。
8.根據(jù)權利要求6所述的制造光學部件保持構件的方法，其中所述成型體是通過注射 成型形成的。
9.根據(jù)權利要求5所述的制造光學部件保持構件的方法，其中在將所述成型體脫脂 并且燒結時，形成所述氮化硅陶瓷基復合材料，使得在燒結后不加工的情況下，所述氮化硅 陶瓷基復合材料在燒結后的尺寸落入相對于用于形成成型體的模具的尺寸的0. 的公差 內(nèi)。
10.根據(jù)權利要求6所述的制造光學部件保持構件的方法，其中在將所述成型體脫脂 并且燒結時，形成所述氮化硅陶瓷基復合材料，使得在燒結后不加工的情況下，所述氮化硅 陶瓷基復合材料在燒結后的尺寸落入相對于用于形成成型體的模具的尺寸的0. 的公差 內(nèi)。
11.根據(jù)權利要求7所述的制造光學部件保持構件的方法，其中在將所述成型體脫脂 并且燒結時，形成所述氮化硅陶瓷基復合材料，使得在燒結后不加工的情況下，所述氮化硅 陶瓷基復合材料在燒結后的尺寸落入相對于用于形成成型體的模具的尺寸的0. 的公差 內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由陶瓷制成的光學部件保持構件及其制造方法，并且提供一種這樣的光學部件保持構件及其制造方法，所述光學部件保持構件由陶瓷制成，使得在脫脂并且燒結處理后的燒結體具有小的相對于模具尺寸的尺寸變化。實例包括用于保持光學部件的透鏡保持器，所述透鏡保持器由氮化硅陶瓷基復合材料制成，所述氮化硅陶瓷基復合材料通過其中使硅和氮反應而氮化的方法制備，并且含有碳化硅和鐵化合物。
文檔編號G02B7/00GK101921115SQ20101020008
公開日2010年12月22日 申請日期2010年6月8日 優(yōu)先權日2009年6月11日
發(fā)明者北英紀, 日向秀樹, 瀧郁夫, 田中康則 申請人:富士膠片株式會社;富士能株式會社