CN101855582A - 光学元件固定用部件和摄像单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及例如内窥镜用镜框(10)那样的光学元件固定用部件，该光学元件固定用部件设置于摄像单元前端，具有中空部分(例如照明用孔(12)、摄像用孔(16))。该部件具备由非晶态合金构成的成型品，该非晶态合金是通过将金属材料的熔液注射填充到成型模具内，并以10℃/秒以上的速度进行冷却而制作出的，并且该非晶态合金具有20℃以上的玻璃化转变区域和15×10-6/℃以下的线膨胀系数。此外，本发明还涉及一种摄像单元，该摄像单元具有光学元件固定用部件和光学元件(例如照明用透镜(13)、物镜(20))，该光学元件利用熔融温度小于上述非晶态合金的玻璃化转变温度的焊锡被固定于该光学元件固定用部件的至少1个中空部分。通过本发明可以得到强度、耐久性、耐蚀性、尺寸精度、形状稳定性和生产率优异的光学元件固定用部件以及使用光学元件固定用部件的摄像单元。

Description

光学元件固定用部件和摄像单元
技术领域
本发明涉及光学元件固定用部件和摄像单元。
本申请基于2007年11月12日于日本提交的日本特愿2007-293126号和于2008年1月21日于日本提交的日本特愿2008-10324号，要求优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
一般而言，用于内窥镜或照相机等光学设备的光学元件通过镜框(鏡枠)固定在设备上。这样的固定光学元件的镜框以往使用树脂材料或金属材料来制造。
使用树脂材料的镜框发挥树脂的良好成型性，通过注射成型法来制造，与使用金属材料的镜框相比，具有生产率优异这样的特征。作为这样的使用树脂材料的镜框，例如专利文献1公开的内窥镜用的镜框是众所周知的。
使用金属材料的镜框通过切削加工或压铸来制造，与使用树脂材料的镜框相比，具有强度、耐久性优异这样的特征。作为使用金属材料的镜框，例如专利文献2公开的内窥镜用的镜框是众所周知的。
并且，作为使用树脂材料或金属材料的镜框，例如专利文献3、4公开的照相机用的镜框是众所周知的。
专利文献1：日本特开2006-122498号公报
专利文献2：日本特开2006-075341号公报
专利文献3：日本特开2004-148525号公报
专利文献4：日本特开2007-140401号公报
专利文献5：日本特开2004-147032号公报
发明内容
但是，上述现有技术存在如下问题。
与使用金属材料的镜框相比，使用树脂材料的镜框的强度、耐久性较差。耐久性的不足或低强度导致的镜框变形与装配在镜框上后的光学元件的光轴偏移(ズレ)有关。
对于使用金属材料的镜框而言，如内窥镜用镜框那样，在具有中空部分的小型复杂的形状的情况下，利用压铸则在尺寸精度上存在问题。利用切削加工则切削所需要的工时增加，生产率降低。
此外，对于现有金属材料而言，由于晶界的存在，如内窥镜用镜框那样设置于摄像单元前端的情况下，对杀菌和灭菌处理的耐蚀性较差。
可是，在光学元件与镜框的接合方法中，利用焊锡的接合(参见专利文献4)、利用热铆接的接合(参见专利文献5)和利用接合剂的接合是众所周知的。使用现有的金属材料或树脂材料的镜框的膨胀系数(随温度的上升，物体的长度和体积发生膨胀的比例)大于光学元件，上述接合导致形状稳定性存在问题。
例如，利用焊锡或接合剂的接合的情况下，因接合时的温度上升造成镜框膨胀，因而产生应力，由于该应力，有时引起光学元件的破裂或光学元件从镜框脱落。特别是，焊锡接合的情况下，镜框因接合时的热量而膨胀，然后再次冷却时，镜框的应力转移并残存在光学元件中，其结果有时会发生光学元件的破裂。
并且，利用热铆接的接合的情况下，如果对热铆接后的部分再次加热，则由于光学元件与镜框的膨胀系数的差异，发生公差(中心轴)的偏移，其结果，有时出现光轴偏移或光学元件的脱落。
本发明是鉴于上述情况而作出的，其目的在于，提供光学元件固定用部件和使用光学元件固定用部件的摄像单元，该光学元件固定用部件设置于摄像单元前端，并且其强度、耐久性、耐蚀性、尺寸精度、形状稳定性和生产率优异。
为了实现上述的课题，在本发明中采用以下的构成。
(1)一种光学元件固定用部件，其为设置于摄像单元前端的光学元件固定用部件，其中，该光学元件固定用部件具备由非晶态合金构成的成型品，该非晶态合金是通过将金属材料的熔液注射填充到成型模具内，并以10℃/秒以上的速度进行冷却而制作出的，并且该非晶态合金具有20℃以上的玻璃化转变区域和15×10-6/℃以下的线膨胀系数，该成型品具有中空部分。
(2)如(1)所述的光学元件固定用部件，其中，上述金属材料为锆基合金。
(3)如(1)或(2)所述的光学元件固定用部件，其中，在上述成型品上形成有孔和/或槽，该孔和/或槽是将该成型品保持在不超过上述非晶态合金的结晶温度的温度而加工出的。
(4)一种摄像单元，该摄像单元具有(1)～(3)任一项所述的光学元件固定用部件和光学元件，该光学元件利用熔融温度小于上述非晶态合金的玻璃化转变温度的焊锡而固定于该光学元件固定用部件的至少1个中空部分。
(5)如(4)所述的摄像单元，其中，上述熔融温度为380℃以下。
本发明的光学元件固定用部件的强度、耐久性、耐蚀性、尺寸精度、形状稳定性和生产率优异。
并且，在本发明的光学元件固定用部件上固定了光学元件的摄像单元具有优异的强度、耐久性、耐蚀性、尺寸精度和形状稳定性，并且不易发生光学元件的光轴偏移、破裂和脱落。
附图说明
图1A是表示本发明的第1实施方式例的内窥镜用镜框的主视图。
图1B是图1A的沿X-X的截面图，表示本发明的第1实施方式例的内窥镜用镜框。
图2是表示本发明的第1实施方式例的内窥镜用镜框的注射成型工序的工序图。
图3A是本发明的第1实施方式例的摄像单元的主视图。
图3B是图3A的沿Y-Y的截面图，表示本发明的第1实施方式例的摄像单元。
图4是表示本发明的第1实施方式例的摄像单元中的内窥镜用镜框与光学元件(光纤、照明用透镜)的接合部周边的局部截面图。
图5A是表示焊锡接合到本发明的第1实施方式例的内窥镜用镜框上的光学元件(照明用透镜)的残余应力的模拟图。
图5B是表示焊锡接合到现有的不锈钢镜框上的光学元件(照明用透镜)的残余应力的模拟图。
图6是表示利用X射线衍射测定本发明的第2实施方式例的袖珍照相机用镜框的二次加工前和二次加工后的非晶状态变化所得到的结果的谱图(纵轴：衍射强度(CPS)、横轴：衍射角度(2θ(deg))。
符号说明
10内窥镜用镜框；11镜框固定用螺孔；12照明用孔；13照明用透镜；14焊锡；15槽；16摄像用孔；17处置具导通孔；18摄像单元盖；19光纤；20物镜；21摄像元件；30摄像单元
具体实施方式
作为本发明的光学元件固定用部件，可以举出，例如，设置于内窥镜、照相机等光学设备的摄像单元的前端并用于固定光学元件的镜框。作为光学元件，可以举出例如，玻璃透镜、塑料透镜、CCD、CMOS、光纤。此处，摄像单元表示由镜框、固定于镜框上的光学元件和根据需要组合的其他部件(配线、保护盖、螺钉、密封件等)构成的单元。
以下，使用第1～2实施方式例，对本发明的光学元件固定用部件和摄像单元进行详细说明。
<第1实施方式例>
作为本发明的第1实施方式例的内窥镜用镜框10设置于后述的摄像单元30的前端。该内窥镜用镜框10具有如图1A和图1B所示的形状，在其预定部位形成有镜框固定用螺孔11、槽15、照明用孔12、摄像用孔16、处置具导通孔17。
在照明用孔12中固定光纤和照明用透镜这样的照明用的光学元件。并且，在摄像用孔16中固定CCD等摄像元件和物镜这样的摄像用的光学元件。处置具导通孔17为用于使钳子等处置具通过的孔。
内窥镜用镜框10由在非晶态合金之中被分类为金属玻璃的锆(Zr)基合金(组成：Zr55Cu30Al10Ni5，结晶温度：约490℃，玻璃化转变温度：约400℃，玻璃化转变区域：约90℃)形成。
此处，非晶态合金是指2种以上的金属元素不形成结晶结构而凝固(无定形化)成的合金。非晶态合金是通过将由2种以上的金属元素形成的金属原料的熔液急速冷却到玻璃化转变温度以下而形成的。非晶态合金不具有在通常的晶态金属中观察到的那样的晶界，不会发生以晶界为起因的晶间腐蚀(腐蚀沿晶界发展的现象)，因此耐蚀性优异。
金属玻璃是指玻璃化转变区域(结晶温度减去玻璃化转变温度所得到的值)为20℃以上的非晶态合金。金属玻璃不会发生晶态金属那样的凝固收缩，因此对成型模具具有高精度的转印性，此外还能够注射成型，因此成型品的形状自由度、尺寸精度、生产率优异。并且，金属玻璃具有低杨氏模量和高强度的物性，此外热膨胀低。
作为金属玻璃，可以举出Zr基合金、Fe基合金、Ti基合金、Mg基合金等。其中，Zr基合金具有特别优异的低膨胀、尺寸精度。
接下来，对内窥镜用镜框10的制造方法进行说明。
将Zr基合金用于金属材料，利用注射成型法制作内窥镜用镜框10(成型品)的近似形状物，对该近似形状物实施二次加工，由此制造出本实施方式例的内窥镜用镜框10。需要说明的是，可用于本发明的金属材料优选满足以下3个条件。
(I)含有3种以上的金属元素。
(II)上述3种以上的金属元素之间的原子径的差异为12％以上。例如，大、中、小3种尺寸的金属元素相互之间的原子径的差异为12％以上。
(III)各元素易于化合物化。即，各金属元素具有相互吸引的性质。
只要是满足上述条件(I)～(III)的金属材料，利用以下给出的制造方法，易得到由玻璃化转变区域为20℃以上的非晶态合金(金属玻璃)形成的成型品。
使用成为玻璃化转变区域小于20℃的非晶态合金的金属材料的情况下，在后述的急速冷却金属材料的熔液的工序中，熔液中出现冷却不均，上述熔液变得易结晶化，难以得到被均一地非晶化的成型品。
如图2所示，上述注射成型法包括如下工序：制作金属材料的熔液的工序(A)；将熔液注射填充到成型模具内的工序(B)；在成型模具内将上述熔液急速冷却，以形成具有20℃以上的玻璃化转变区域的非晶态合金(金属玻璃)的工序(C)；和将通过急速冷却上述熔液而形成的成型品的近似形状物取出的工序(D)。
首先，在工序(A)中将Zr基合金加热熔解，制作熔液。接下来，在工序(B)中将上述熔液注射填充到成型模具内。注射填充可以使用公知的注射成型机。
接下来，在工序(C)中，以10℃/秒以上的速度将熔液连同上述成型模具急速冷却，由此使上述熔液以非晶的状态凝固，得到金属玻璃，形成内窥镜用镜框10的近似形状物。急速冷却可以使用例如超急冷凝固法等。需要说明的是，如果工序(C)中的熔液的冷却速度小于10℃/秒，则熔液并不非晶化，无法得到非晶化的成型品。
接下来，通过工序(D)从成型模具中取出近似形状物。然后，对该近似形状物实施二次加工(诸如去毛刺；镜框固定用螺孔11、槽15的切削等)，得到内窥镜用镜框10(成型品)。上述二次加工优选在将上述成型品的近似形状物保持于不超过Zr基合金的结晶温度(约490℃)的温度的状态下实施。
由此，能够防止二次加工的热量导致金属玻璃结晶化，并且能够得到维持非晶状态的成型品。
需要说明的是，上述工序(B)的注射填充时，优选通过设置于成型模具的旋转机构使成型模具以1000～5000rpm左右的转速旋转，由此施加离心力。由此，混入上述熔液中的空气等气体成分从熔液中脱出，能够提高上述熔液在成型模具中的填充率，以此能够得到无气孔的高品质成型品。需要说明的是，该施加离心力的同时进行注射成型的方式限于可利用旋转机构旋转的尺寸的成型模具，具体地说，适用于如内窥镜用镜框那样的模具尺寸小的小型部件。模具尺寸较小时，为了有效地得到离心力，优选模具的转速为4000～5000rpm。
如以上那样制造的内窥镜用镜框10(成型品)显示出低杨氏模量和高强度，低杨氏模量和高强度是Zr基合金具有的金属玻璃的物性，因此该内窥镜用镜框10(成型品)具有优异的机械强度和耐久性，不易变形。
并且，金属玻璃能够注射成型，并且不会引起晶态金属那样的凝固收缩，因此对成型模具显示出优异的转印性。因而，使用金属玻璃的本发明的成型品的尺寸精度优异。因此，能够削减注射成型后的二次加工的工时，能够提高生产率。需要说明的是，该实施方式例的内窥镜用镜框10是使用在金属玻璃之中注射成型能力特别优异的Zr基合金而制作出的，因此具有特别优异的尺寸精度。
如此，内窥镜用镜框10是通过将强度、耐久性、尺寸精度优异的金属玻璃注射成型而制造的，因此尽管形成了具有中空部分的小型复杂形状，依然具有优异的强度、耐久性、尺寸精度，即使施加外力，也不易变形。因此，对于内窥镜用镜框10而言，能够在其中空部分(照明用孔12、摄像用孔16)的所期望的位置精确地固定光学元件。并且，固定于内窥镜用镜框10的光学元件长时间难以出现光轴偏移。
接下来，参照图3A～图6，对在内窥镜用镜框10上固定有各种光学元件等的摄像单元30的一实施方式例进行说明。
如图3A所示，摄像单元30具有如下部件：设置于摄像单元30的前端的内窥镜用镜框10；固定于内窥镜用镜框10的正面的摄像单元盖18；以覆盖摄像用孔16的开口的方式被固定的物镜20(光学元件)；和固定于照明用孔12的照明用透镜13(光学元件)。并且，如图3B所示，摄像用孔16内固定着CCD、CMOS等摄像元件21(光学元件)。此外，从摄像元件21延伸出传输电缆(未图示)，传输电缆用于向监视器或录像装置等传输图像。
如图4所示，照明用孔12内固定有光纤19(光学元件)，该光纤19从照明用孔12的与照明用透镜13的固定侧背对的端部引出至照明用孔12外。引出至照明用孔12外的光纤19的前端设有光源(未图示)。
如图4所示，照明用透镜13用熔融温度为380℃的焊锡14固定于照明用孔12的一端，该焊锡14的熔融温度低于形成内窥镜用镜框10的Zr基合金的玻璃化转变温度(约400℃)。
如此，由于用熔融温度小于非晶态合金的玻璃化转变温度的焊锡14固定照明用透镜13，因此即使焊锡接合的热量施加到内窥镜用镜框10，也能够使内窥镜用镜框10的形状稳定性不易降低。更优选的是，如该实施方式例那样，在Zr基合金的玻璃化转变温度和焊锡14的熔融温度之间设置某种程度的温度宽度。由此能够进一步使内窥镜用镜框10的形状稳定性不易因焊锡接合的热量而降低。
可是，一般而言，固定于内窥镜用镜框(成型品)的光学元件的材质显示出8×10-6/℃～10×10-6/℃的线膨胀系数。并且，成型品的线膨胀系数越接近光学元件的线膨胀系数，施加到光学元件中的残余应力的松弛效果越大。具体地说，如果成型品的线膨胀系数为15×10-6/℃以下、膨胀系数比例(成型品/光学元件)为1.5以下，则施加于光学元件中的残余应力的松弛效果大。金属玻璃的线膨胀系数更优选为8×10-6/℃～10×10-6/℃，与光学元件同等(即，膨胀系数比例为1.0)。
本发明中，用具有线膨胀系数为15×10-6/℃以下的低膨胀特性的金属玻璃形成了内窥镜用镜框10(成型品)，因此内窥镜用镜框10(成型品)具有优异的形状稳定性。因此，施加于光学元件中的残余应力的松弛效果较大，不易引起光学元件的破裂。
在该实施方式例中，内窥镜用镜框10的线膨胀系数为10×10-6/℃，照明用透镜13的线膨胀系数为8.5×10-6/℃，内窥镜用镜框10与照明用透镜13的膨胀系数比例约为1.17。因此，照明用透镜13即使被焊锡接合在内窥镜用镜框10上，产生破裂的可能性极低。
此处，在内窥镜用镜框10上焊锡接合了照明用透镜13时，施加于照明用透镜13中的残余应力示于图5A。此外，在现有的不锈钢镜框上焊锡接合了照明用透镜13时，施加于照明用透镜13中的残余应力示于图5B。在图5A和5B中，残余应力越强烈被施加的部分，用越深的深浅度表示。如上所述，内窥镜用镜框10的线膨胀系数为10×10-6/℃，因此图5A所示的施加到照明用透镜13中的残余应力很少。另一方面可确认，不锈钢的线膨胀系数为17×10-6/℃，图5B所示的照明用透镜13中大范围内被施加了较强的残余应力。
用于内窥镜用镜框10的Zr基合金为非晶态合金。非晶态合金不具有晶界，不发生晶间腐蚀，因此显示出优异的耐蚀性。内窥镜用镜框10设置于摄像单元30的前端，因此暴露于在医疗用内窥镜的清洗中应用的各种杀菌和灭菌处理，但由于非晶态合金具有如上所述的特性，因此对这些处理具有优异的耐蚀性。所以，对于使用内窥镜用镜框10的摄像单元30而言，即使长期使用，也不易发生变形和劣化，难以出现光学元件的光轴偏移等。
需要说明的是，对于内窥镜用镜框10的耐蚀性，实施内窥镜用途中常规进行的杀菌和灭菌处理，进行质量增减测定、X射线衍射测定、腐蚀劣化的确认，结果，内窥镜用镜框10的质量几乎未增减，也未确认到内窥镜用镜框10的结晶化和腐蚀劣化。由此可以判断，内窥镜用镜框10具有优异的耐蚀性。需要说明的是，作为上述杀菌和灭菌处理，进行了聚乙烯吡咯烷酮碘溶液浸渍处理、高温高压蒸气灭菌处理、戊二醛溶液浸渍处理、EOG(环氧乙烷气体)灭菌处理、过氧化氢气体灭菌处理。
并且，内窥镜用镜框10对工业用内窥镜的使用环境(油类或食盐水)也具有优异的耐久性。对内窥镜用镜框10实施工业用内窥镜常规进行的在环境(介质)中浸渍30日的试验，进行质量增减的测定、X射线解析测定、腐蚀劣化的确认，结果，内窥镜用镜框10的质量在试验前后几乎没有变化，也未确认到内窥镜用镜框10的结晶化和腐蚀劣化。对于作为比较试样的实施了浸渍试验的SUS303(不锈钢)，通过在食盐水中的浸渍试验确认到发生了腐蚀。由此可以判断，内窥镜用镜框10具有优异的耐蚀性。并且，作为上述浸渍试验的介质，可以举出轻油、机油等油类、5％食盐水等。
需要说明的是，通过与内窥镜用镜框10同样地用金属玻璃构成摄像单元盖18，由此耐磨耗性和机械强度得到提高，因此能够提高在对铸物等金属部件检查时使用的情况下的摄像单元的耐久性。
<第2实施方式例>
接下来，对作为本发明的第2实施方式例的袖珍照相机用镜框(省略图示)进行说明。
该实施方式例的袖珍照相机用镜框使用组成为Zr50Cu17.5Al7.5Ni10Ti5Be10的Zr基合金(结晶温度：约490℃、玻璃化转变温度：约350℃、玻璃化转变区域：约140℃以上)，且利用与第1实施方式例同样的制造方法制作。袖珍照相机用镜框的形状为一般的袖珍照相机用镜框的形状。与前面的实施方式例同样，该实施方式例的袖珍照相机用镜框可良好地由成型模具转印，具有与使用树脂材料的袖珍照相机用镜框同等优异的尺寸精度。需要说明的是，在该袖珍照相机用镜框的制作中，对注射成型后的袖珍照相机用镜框的近似形状物实施去毛刺和切削等二次加工，形成孔和/或槽，此时，与上述第1实施方式例同样，保证近似形状物的温度不超过Zr基合金的结晶温度(约490℃)，由此能够防止金属玻璃的结晶化。
此处，对于二次加工是否产生结晶化，利用X射线衍射测定法对袖珍照相机用镜框进行X衍射分析，得到的结果见图6。图6中的(a)表示二次加工前的袖珍照相机用镜框的衍射结果，图6中的(b)表示二次加工后的袖珍照相机用镜框的衍射结果。如此，图6的(a)与(b)几乎没有差别。并且，在图6的谱图中没有发现结晶化了的金属所特有的峰。如此，袖珍照相机用镜框也不会因二次加工时的热量而结晶化，能够维持非晶状态。
与其他实施方式例同样，该袖珍照相机用镜框使用与光学元件的线膨胀系数接近的Zr基合金，具有优异的形状稳定性。因此，对于该袖珍照相机用镜框而言，用接合剂将光学元件固定于袖珍照相机用镜框后，即使经历处于接合剂的耐热温度范围内的100℃的热过程，也难以发生光学元件的破裂和光学元件从镜框脱落。此外，与其他实施方式例的成型品同样，该袖珍照相机用镜框具有优异的强度和耐久性。因此，袖珍照相机用镜框即使在由于设置于摄像单元前端而受到外力影响的情况下，也能够维持高强度和高耐久性。
本发明的技术范围并不限定于上述实施方式例，在不脱离本发明的精神的范围内，可以施加各种变形。例如，在上述实施方式例中，金属材料为Zr基合金，但是本发明不限于此，除实施例所示的Zr基合金以外，还可以使用例如Fe基合金、Ti基合金、Mg基合金等，只要是能够形成具有20℃以上的玻璃化转变区域和15×10-6/℃以下的线膨胀系数的非晶态合金(金属玻璃)并且能够赋予成型品优异的强度、耐久性、尺寸精度、形状稳定性和生产率的金属材料即可。并且，作为光学元件固定用部件，不限于上述实施方式例的镜框，也可以是其他部件。
如以上详细说明的那样，本发明的光学元件固定用部件由注射成型能力优异并且具有优异的强度、优异的耐蚀性、15×10-6/℃以下这样的低线膨胀系数和20℃以上的玻璃化转变区域的非晶态合金(金属玻璃)形成，因此强度、耐久性、耐蚀性、尺寸精度、形状稳定性和生产率优异。并且，在本发明的光学元件固定用部件上固定了光学元件的摄像单元的强度、耐久性、耐蚀性、尺寸精度和形状稳定性优异，不易发生光学元件的光轴偏移、破裂和脱落。
工业实用性
本发明可以得到强度、耐久性、耐蚀性、尺寸精度、形状稳定性和生产率优异的光学元件固定用部件。并且，本发明可以得到强度、耐久性、耐蚀性、尺寸精度和形状稳定性优异且不易发生光学元件的光轴偏移、破裂和脱落的摄像单元。

Claims (6)

1.一种光学元件固定用部件，其为设置于摄像单元前端的光学元件固定用部件，其中，
该光学元件固定用部件具备由非晶态合金构成的成型品，该非晶态合金是通过将金属材料的熔液注射填充到成型模具内，并以10℃/秒以上的速度进行冷却而制作出的，并且该非晶态合金具有20℃以上的玻璃化转变区域和15×10-6/℃以下的线膨胀系数，
该成型品具有中空部分。
2.如权利要求1所述的光学元件固定用部件，其中，所述金属材料为锆基合金。
3.如权利要求1所述的光学元件固定用部件，其中，在所述成型品上形成有孔和/或槽，该孔和/或槽是将该成型品保持在不超过所述非晶态合金的结晶温度的温度而加工出的。
4.如权利要求2所述的光学元件固定用部件，其中，在所述成型品上形成有孔和/或槽，该孔和/或槽是将该成型品保持在不超过所述非晶态合金的结晶温度的温度而加工出的。
5.一种摄像单元，其具有权利要求1～4任一项所述的光学元件固定用部件和光学元件，该光学元件利用熔融温度小于所述非晶态合金的玻璃化转变温度的焊锡而被固定于光学元件固定用部件的至少一个中空部分。
6.如权利要求5所述的摄像单元，其中，所述熔融温度为380℃以下。
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