专利名称：光学部件保持构件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种由陶瓷制成的光学部件保持构件和该光学部件保持构件的制造 方法。
背景技术：
带有照相机的便携式电话已经普及，并且照相机越来越多地被安装在汽车中用于 倒行确认。对于构成被安装在配备有照相机的便携式电话和配备有照相机的汽车中的照相 机的摄像透镜单元，需要相当高的可靠度。特别是，由于汽车全部在户外使用并且便携式电 话经常在户外使用，因此必需提供在严酷的环境条件比如高温、低温和由温度急剧变化引 起的热震下的性能稳定性和耐久性。因此，由受到温度变化影响最小的陶瓷制成的透镜保持构件已经吸引了注意。这里，作为保持光学部件比如透镜的保持构件，报道了其中使用拥有低热膨胀、刚 性和耐磨性并且显示出黑色的Sposhmen或堇青石(cordierite)的陶瓷的情况(日本专利 申请公布2002-220277)。此外，例如，提出了用于保持光学部件的陶瓷，该陶瓷由于碳内容 物和堇青石基体(base)而显示黑色(日本专利申请公布H11-343168)。另外，尽管没有应用于光学部件保持构件，但是报道了通过使紧密堆积的陶瓷变 黑抑制了在烧结时的不均勻着色等。然而，在紧密堆积的陶瓷的情况下，烧结体的精度由于在烧结时大的收缩而变化， 这导致在例如其被用作需要高均勻性和高精度的光学部件保持构件时必须进行二次加工， 并且造成成本增加的问题等。此外，提出了一种这样的技术，该技术通过结合使用多孔陶瓷部件的精密成型技 术能够在实际应用中以低成本提供陶瓷制成的保持构件，所述多孔陶瓷部件在烧结之后在 没有加工的情况下显示出黑色(日本专利申请公布2007-238430)。但是，专利文献中的任何一个均没有描述在陶瓷的脱脂和烧制过程中伴随有收缩 的尺寸变化。甚至在其中尺寸变化小的反应烧结的氮化硅中，也产生约的收缩率。
发明内容
考虑到上述情形，本发明的目的是提供一种光学部件保持构件和制造该光学部件 保持构件的方法，所述光学部件保持构件由陶瓷制成，该陶瓷在经过脱脂和烧结加工之后 具有小的相对于模具尺寸的尺寸变化。根据本发明的一个方面，制造光学部件保持构件的方法是一种制造用于保持光学 部件的光学部件保持构件的方法，所述光学部件保持构件由氮化硅陶瓷基复合材料制成， 该氮化硅陶瓷基复合材料通过其中使硅和氮反应而被氮化的方法制备，并且作为构成在氮 化加工之前的混合粉末的粉末，包含硅粉、碳化硅粉末和氧化铁(iron oxide)粉末。这里，通过将上述混合粉末成型，然后氮化的方法得到的氮化硅陶瓷基复合材料 必然地由氮化硅、碳化硅和硅化铁组成，所述硅化铁由硅和氧化铁的反应制备。
这里，在根据本发明的该方面的制造光学部件保持构件的方法中，优选在得到的 氮化硅陶瓷基复合材料中对可见光的反射率为以下，并且表面粗糙度Ra为Iym以下。这里，在根据本发明的该方面的制造光学部件保持构件的方法中，当形成成型体 时，优选使用其中将大于等于20质量％且小于等于50质量％的碳化硅粉末和大于等于5 质量％且小于等于15质量％的氧化铁Fe3O4粉末混合到硅粉末中的混合粉末。更优选地，通过使用其中将大于等于20质量％且小于等于50质量％以下的碳化 硅粉末和大于等于5质量％且小于等于15质量％的氧化铁Fe3O4粉末混合到硅粉末中的混 合粉末作为形成上述成型体的混合粉末的组合物，可以获得一种光学部件保持构件，该光 学部件保持构件在氮化后具有与烧结体的尺寸相同的尺寸。具体地，更优选使用其中将大 于等于20质量％且小于等于30质量％的碳化硅粉末和大于等于5质量％且小于等于10 质量％的氧化铁Fe3O4粉末混合到硅粉末中的混合粉末作为形成上述成型体的混合粉末的 组合物，从而可以获得一种光学部件保持构件，其中在烧结后的烧结体相对于模具的精度 是优异的。而且，在根据本发明的该方面的制造光学部件保持构件的方法中，通过注射成型 形成成型体，可以获得具有复杂形状的光学部件保持构件，该光学部件保持构件由氮化硅 陶瓷基复合材料制成，该复合材料具有这样的尺寸变化使得在烧结后未加工的情况下，烧 结后的尺寸落入相对于用于形成成型体的模具的尺寸的0. 的公差内。此外，根据本发明的另一个方面，光学部件保持构件是用于保持光学部件的光学 部件保持构件，其由氮化硅陶瓷基复合材料制成，该氮化硅陶瓷基复合材料通过其中使硅 和氮反应而氮化的方法制备并且含有碳化硅和铁化合物。根据本发明，可以实现一种复杂形状的由陶瓷制成的部件，所述陶瓷在烧结后未 进行加工的情况下具有小的相对于模具尺寸的尺寸变化，并且还具有光学保持构件所必需 的特性。
图1是示出配置有由陶瓷制成的透镜保持器的透镜单元的构造的图；图2是示出添加有碳化硅的氮化硅陶瓷基复合材料的4点弯曲强度的图；图3是示出各种材料的反射率的图；图4是示出添加有氧化铁Fe3O4的氮化硅陶瓷基复合材料的强度的图；图5是示出添加有氧化铁Fe3O4的氮化硅陶瓷基复合材料的反射率的图；图6是示出在反射率与氧化铁的Fe3O4混合比率之间的关系的图，所述氧化铁 Fe3O4的混合比率是相对于其中以7 3的重量比混合了硅和碳化硅的材料的比率；图7是示出在烧结体表面粗糙度Ra与氧化铁Fe3O4的混合比率之间的关系的图， 所述氧化铁Fe3O4的混合比率是相对于其中以7 3的重量比混合了硅和碳化硅的材料的 比率；图8是示出在尺寸变化与氧化铁Fe3O4的混合比率之间的关系的图，所述氧化铁 Fe3O4的混合比率是相对于其中以7 3的重量比混合了硅和碳化硅的材料的比率；图9是示出在4点弯曲强度与氧化铁Fe3O4的混合比率之间的关系的图，所述氧化 铁Fe3O4的混合比率是相对于其中以7 3的重量比混合了硅和碳化硅的材料的比率；
图10是示出在反射率与碳化硅在材料中的添加量(质量％)之间的关系的图，该 材料是通过将10质量％的氧化铁Fe3O4加入到90质量％的其中混合有硅和碳化硅的混合 材料中而得到的；图11是示出在烧结体粗糙度Ra与碳化硅SiC在材料中的添加量(质量％ )之间 的关系的图，该材料是通过将10质量％的氧化铁Fe3O4加入到90质量％的其中混合有硅和 碳化硅的混合材料中而得到的；和图12是示出在尺寸变化与碳化硅在材料中的添加量(质量％)之间的关系的图， 该材料是通过将10质量％的氧化铁Fe3O4加入到90质量％的其中混合有硅和碳化硅的混 合材料中而得到的。
具体实施例方式下面描述本发明的示例性实施方案。图1是示出配置有由陶瓷制成的透镜保持器的透镜单元的构造的图。在图1中示出的透镜单元1配置有透镜保持器10，并且透镜保持器10具有中空 部100，中空部100具有物体侧开口 101和图像形成侧开口 102。在透镜保持器10的物体 侧外围上形成的是阳螺纹SR1。从物体侧开口 101，将透镜Ll至L4和间隔环SPl至SP3在 沿着光轴对准的同时插入。在该实例中，透镜Ll至L4和间隔环SPl至SP3交替地设置并 依次插入透镜保持器10的中空部100内。备选地，存在具有以下这样的构造的透镜单元 省略间隔环SPl至SP3，并且每一个透镜的定位是通过使得透镜边缘相互接触来进行的。此外，在图1中示出的透镜单元1配置有保持器盖11，该保持器盖11用于保持插 入透镜保持器10的中空部100的透镜Ll至L4和间隔环SPl至SP3，以从物体侧开口 101 将它们固定。保持器盖11具有装配开口 110，在所述装配开口 110中插入有透镜保持器 10的物体侧部分；和光学开口 111，其用于暴露透镜Ll的中央部分，所述透镜Ll是在插入 透镜保持器的多个透镜之中最接近于物体侧插入的。在装配开口 110内部的内壁上形成的 是与阳螺纹SRl啮合的阴螺纹SR2。通过将阳螺纹SRl啮合在阴螺纹SR2中，按压被设置在 最接近物体侧的位置上的透镜Ll的物体侧表面的边缘。组装图1的透镜单元1，使得保持器盖11按压透镜保持器10中的透镜Ll至L4和 间隔环SPl至SP3朝向图像形成侧开口。这里，考虑到将透镜单元1安装在汽车中，将陶瓷用于透镜保持器10并且将玻璃 透镜用于透镜Ll至L4。而且，另外对于保持器盖11，使用与透镜保持器10的陶瓷相同质 量的陶瓷。另外，在该实例中，也使用由陶瓷制成的间隔环SPl至SP3。在图1的这种实例中，透镜保持器10(或透镜保持器10和保持器盖11的组合) 对应本发明的光学部件保持构件的一个实例。对于透镜保持器10和保持器盖11，使用含有碳化硅和铁化合物的氮化硅陶瓷基 复合材料。这种陶瓷是多孔的，并且这种烧结的氮化硅基陶瓷的线性膨胀系数为约3X10_6， 并且几乎等于用作透镜Ll至L4的材料的玻璃的线性膨胀系数(5-10X 10_6)。此外，间隔 环SPl至SP3由具有锆的陶瓷作为原料制成，并且其线性膨胀系数为约8-11 X ΙΟ"6,这几乎 等于玻璃的线性膨胀系数(5-10X10_6)。这样，在图1中示出的透镜单元1的情况下，对于构成透镜单元1的透镜保持器10、保持器盖11、透镜L 1至L4和间隔环SPl至SP3中的任何一个中，使用其线性膨胀系数 显著小并且也接近彼此相等的材料，从而实现可在宽范围的温度环境中使用的结构体。另外，作为除了收缩率之外的特性，在透镜保持器10和保持器盖11中，优选反射 率为以下且表面粗糙度Ra为Iym以下。实施例 下面，将通过用于寻找适用于上述透镜保持器10 (或，透镜保持器10和透镜盖11) 的材料目的而进行一系列实验的说明来解释本发明的实施例。在下面，将说明各种类型的陶瓷材料。各种类型的测量的结果都是测量氮化硅陶 瓷基复合材料的结果，该氮化硅陶瓷基复合材料是通过以下方法获得的将各种原料粉末 混合，添加有机粘合剂，通过注射成型制备成型体，然后脱脂和氮化。下面，材料比率的％全部指质量％。图2是示出添加有碳化硅的氮化硅陶瓷基复合材料的4点弯曲强度的图。图2中的横轴表示在烧结之前碳化硅SiC粉末(质量％)与硅粉末的混合比率， 而纵轴表示Jis R1601细陶瓷的弯曲强度在室温的测试方法中所述的4点弯曲强度的测试结果。此外，图3是示出各种材料的反射率的图。图3中的横轴表示四种类型的各种材料，而纵轴表示反射率(％ )。在横轴上的 “氮化硅+SiC”是通过将烧结之前由70质量％的Si和30质量％的SiC混合的材料烧结而 得到的，而"+Fe3O4”是进一步将10质量％的Fe3O4混合到待烧结的90质量％混合物中而得 到的，所述混合物在烧结之前含有70质量％硅和30质量％碳化硅。反射率是对每一种波 长示出的。从图2发现，在发生烧结和氮化之前，通过将碳化硅SiC添加到采用反应烧结得到 的氮化硅中，将强度提高至一定比率。但是，此时的反射率(图3)表示在仅添加SiC的情 况下(在图3中从右边起第2个)，反射率高于仅含有氮化硅的情况(在图3中从右边起第 3个)，因而得不到具有低反射率的陶瓷。因此，本发明人研究了抑制反射率的成分，并且发 现了通过使用混合有Fe3O4粉末的原料粉末和进行氮化可以将反射率抑制得较低(在图3 中最右边)。稍后描述其中同时添加有碳化硅SiC和氧化铁Fe3O4的情况下的细节。图4是示出添加有氧化铁Fe3O4的烧结氮化硅陶瓷基复合材料的强度的图。图4的横轴表示在烧结之前Fe3O4与Si的添加量，而纵轴表示4点弯曲强度。应 注意，在此不添加碳化硅SiC。此外，图5是示出添加有氧化铁Fe3O4的氮化硅陶瓷基复合材料的反射率的图。与图4类似，图5的横轴表示在烧结之前氧化铁Fe3O4相对于硅的添加量，而纵轴 表示反射率。与图3类似，示出对于每一种波长的反射率。在图5中也一样，没有添加碳化 硅SiC。在仅添加Fe3O4的情况下，如从图5发现的，尽管在可见光短波长侧(400nm)的反射 率更低，但是在另一可见光范围(540至830nm)内的波长的反射率几乎不变化，因此没有发 现反射率的足够下降。此外，从图4发现强度也在下降。因此，明显的是，通过仅添加Fe3O4， 不能预期强度的升高和反射率的下降。接着，将说明在烧结之前将碳化硅SiC和氧化铁Fe3O4这两者添加到硅中的情况。图6至图9分别示出氧化铁Fe3O4相对于由硅和碳化硅以7 3的重量比混合的材料的混合比率与反射率(图6)、烧结体表面粗糙度Ra(图7)、尺寸变化(图8)和4点弯 曲强度(图9)之间的关系。在图8中的尺寸变化表示烧结之后相对于在脱脂后且在烧结前的尺寸的尺寸比 率。与用于注射成型的模具的尺寸相比，由于当脱脂时尺寸收缩约0. 4至0. 8%，因此随着 膨胀至与在烧结时的收缩率大致相同的程度，获得了尺寸与用于注射成型的模具的尺寸相 同的烧结体。将氧化铁Fe3O4进一步添加到其中碳化硅SiC加入硅中而形成的混合物中，并且证 实了由于增加氧化铁Fe3O4的量而引起反射率变化(图6)。从该结果，证实了反射率大体 上由于添加氧化铁而下降。尽管仅仅在以很小的量(1%)添加氧化铁Fe3O4的情况下发现 反射率的略微上升，但是在更多地添加氧化铁Fe3O4的情况下，获得了与不添加氧化铁Fe3O4 的情况相比显示更低的反射率的结果。由于在氧化铁Fe3O4的添加量为15%以上的情况下 增加添加量的效果变得较小，因此15%以下被认为是适合的。通常，通常使用的对策是使表面粗糙来降低反射率。如图7中所示，添加氧化铁 Fe3O4减小表面粗糙度，并且通过碳化硅和氧化铁Fe3O4的组合，没有由粗糙表面引入组装容 易性的降低，因此可以在抑制表面粗糙度的同时降低反射率。类似地，对于表面粗糙度，当 Fe3O4的添加量很小(1%)时，发现反射率略微升高，但是在更多地添加氧化铁Fe3O4时，获 得了更低反射率的结果。此外，对于尺寸变化，如图8中所示，相对于在脱脂时0. 4%至0. 8%的收缩量，在 烧结时的体积由于添加氧化铁Fe3O4而升高，并且当氧化铁Fe3O4添加至占5%以上时，获得 了其尺寸大致等于成型体的尺寸的烧结体。因此，氧化铁Fe3O4的添加量优选为5%以上。但 是，当氧化铁Fe3O4的添加量为5%以下时，烧结体的尺寸变化大，原因在于添加量的误差， 因为尺寸变化量相对于添加量的变化是大的。此外，对于图6中所示的反射率，当氧化铁的 添加量为5%时，与在氧化铁的添加量为10%的情况相比，反射率略高。因此，氧化铁Fe3O4 的添加量优选为10%以上。此外，对于图9中所示的弯曲强度，当将氧化铁Fe3O4进一步添加到其中添加有碳 化硅的混合物中时，弯曲强度显示几乎高达15%，S卩比其中什么都没有添加的氮化硅(参 见图2)更高的值，并且显示出高值，特别是约7. 5%至10%。当添加量为15%时，尽管超过 10%，但是4点弯曲强度下降，几乎与在添加量为5%时的强度相同。因此，氧化铁Fe3O4的 添加量优选为15%以下。图10至图12分别显示了 SiC在材料中的添加量(质量％)与反射率(图10)、烧 结体粗糙度Ra(图11)和尺寸变化(图12)之间的关系，所述材料是通过将10质量％的氧 化铁Fe3O4加入到90质量％的含有硅和碳化硅的混合物中而得到的。在图10至图12各自的横轴表示碳化硅SiC的添加量。这里，氧化铁Fe3O4的添加 量为10质量％并且恒定，并且硅Si和碳化硅SiC共占其余90质量％。即，例如，在横轴上 的20质量％的碳化硅SiC是指Si为70质量％，SiC为20质量％且Fe3O4为10质量％。如从图10发现的，与在仅添加氧化铁Fe3O4时的情况(参见图5)相比，反射率在 整个波长范围均下降直至将碳化硅SiC添加到约50%时为止。但是，在80%时，反射率大 大增加。尽管在50%至80%之间未进行证实，但是在碳化硅SiC占约50%以下时，至少反 射率降低。因此，碳化硅的混合量优选为50%以下。
另外，如从图11发现，此时(at this point)，表面粗糙度Ra随着添加量增加变得 更小，从而获得了精细的平滑表面。对于尺寸变化，如图12中所示，尽管由于添加量的增加 出现了略微下降的趋势，但是在添加量为10%以上时，几乎都获得了所预期的精确尺寸变 化。但是，当碳化硅SiC的添加量为10%时，如从图10发现的，反射率的降低量小，尽管几 乎获得了所预期的精确尺寸。因此，SiC的添加量优选为20%以上。
权利要求
一种用于保持光学部件的光学部件保持构件，其中所述光学部件保持构件由氮化硅陶瓷基复合材料制成，所述氮化硅陶瓷基复合材料通过其中使硅和氮反应而氮化的方法制备，并且在所述氮化硅陶瓷基复合材料中含有碳化硅和铁化合物。
2.根据权利要求1所述的光学部件保持构件，其中在所述氮化硅陶瓷基复合材料中含 有的所述铁化合物为硅化铁。
3.根据权利要求1所述的光学部件保持构件，其中对可见光的反射率为以下，并且 表面粗糙度Ra为Iym以下。
4.根据权利要求2所述的光学部件保持构件，其中对可见光的反射率为以下，并且 表面粗糙度Ra为Iym以下。
5.—种制造光学部件保持构件的方法，所述光学部件保持构件用于保持光学部件，所 述光学部件保持构件由氮化硅陶瓷基复合材料制成，所述氮化硅陶瓷基复合材料通过其中 使硅和氮反应而氮化的方法制备，其中所述氮化硅陶瓷基复合材料是通过以下步骤获得 的在通过将碳化硅粉末和氧化铁粉末添加到硅粉末中制备出混合粉末之后，接着将通过添加有机粘合剂制造的成型体脱脂；和在氮气氛中引起硅和氮反应。
6.根据权利要求5所述的制造光学部件保持构件的方法，其中在形成所述成型体时， 将大于等于20质量％且小于等于50质量％的碳化硅和大于等于5质量％且小于等于15 质量％以下的氧化铁Fe3O4混合到硅中以进行成型。
7.根据权利要求5所述的制造光学部件保持构件的方法，其中所述成型体是通过注射 成型形成的。
8.根据权利要求6所述的制造光学部件保持构件的方法，其中所述成型体是通过注射 成型形成的。
9.根据权利要求5所述的制造光学部件保持构件的方法，其中在将所述成型体脱脂 并且烧结时，形成所述氮化硅陶瓷基复合材料，使得在烧结后不加工的情况下，所述氮化硅 陶瓷基复合材料在烧结后的尺寸落入相对于用于形成成型体的模具的尺寸的0. 的公差 内。
10.根据权利要求6所述的制造光学部件保持构件的方法，其中在将所述成型体脱脂 并且烧结时，形成所述氮化硅陶瓷基复合材料，使得在烧结后不加工的情况下，所述氮化硅 陶瓷基复合材料在烧结后的尺寸落入相对于用于形成成型体的模具的尺寸的0. 的公差 内。
11.根据权利要求7所述的制造光学部件保持构件的方法，其中在将所述成型体脱脂 并且烧结时，形成所述氮化硅陶瓷基复合材料，使得在烧结后不加工的情况下，所述氮化硅 陶瓷基复合材料在烧结后的尺寸落入相对于用于形成成型体的模具的尺寸的0. 的公差 内。
全文摘要
本发明涉及一种由陶瓷制成的光学部件保持构件及其制造方法，并且提供一种这样的光学部件保持构件及其制造方法，所述光学部件保持构件由陶瓷制成，使得在脱脂并且烧结处理后的烧结体具有小的相对于模具尺寸的尺寸变化。实例包括用于保持光学部件的透镜保持器，所述透镜保持器由氮化硅陶瓷基复合材料制成，所述氮化硅陶瓷基复合材料通过其中使硅和氮反应而氮化的方法制备，并且含有碳化硅和铁化合物。
文档编号G02B7/00GK101921115SQ20101020008
公开日2010年12月22日 申请日期2010年6月8日 优先权日2009年6月11日
发明者北英纪, 日向秀树, 泷郁夫, 田中康则 申请人:富士胶片株式会社;富士能株式会社