JP2013080177A

JP2013080177A - 水滴除去機能付カメラ

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Publication number: JP2013080177A
Application number: JP2011221188A
Authority: JP
Inventors: Katsuyoshi Shirai; 克佳白井; Naoya Oko; 直哉大子; Takehiko Sugiura; 岳彦杉浦
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2011-10-05
Filing date: 2011-10-05
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2031-10-05
Also published as: JP5948781B2

Abstract

【課題】簡易な構造でレンズに付着した水滴を除去することができる水滴除去機能付カメラを提供する。
【解決手段】撮像ユニット１は、レンズ１１と、レンズ１１を保持するレンズホルダ１２と、を有している。振動部２は、撮像ユニット１をレンズ１１の光軸が揺動する方向に振動させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、屋外で使用されるカメラの水滴除去技術に関する。

近年、車載カメラや防犯カメラ等の屋外で使用されるカメラが増加している。これらの屋外で使用されるカメラには雨等の水滴が付着するおそれがあり、レンズに水滴が付着すると十分な品質の画像が撮影できなくなる。この問題を解決するために、様々な技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、カメラのレンズの外側面の上部に親水処理を施し、下部に撥水処理を施す技術が記載されている。このレンズに雨滴が当たる場合には、雨滴の大部分は親水処理を施したレンズ上部に当たり、雨滴は下方に流れ落ち、撥水処理を施したレンズ下部により弾かれる。これにより、レンズ表面に雨滴が付着することを防止している。

また、特許文献２には、カメラのレンズの内面に円盤形状やリング形状の圧電部材を直接接合する技術が開示されている。この特許文献２の技術では、圧電素子を振動させることによってレンズを光軸方向に振動させ、レンズに付着した水滴を除去している。

より直接的にレンズに付着した水滴を除去するための技術として、例えば、特許文献３には、レンズ表面に洗浄液を噴射するレンズウォッシャや空気を噴射する空気噴射機構を設ける技術が開示されている。この特許文献３の技術では、所定の条件が充足されるとレンズウォッシャや空気噴射機構が作動し、洗浄液や空気が直接レンズ表面に付着した水滴に作用し、水滴を除去している。

特開２００９−２６５４７３号公報特開２００７−０８２０６２号公報特開２００９−２２０７１９号公報

上述の特許文献１の技術のように、レンズに親水処理を施した場合には、霧状の小さな水滴はレンズに浸透し、雨滴の量が多い場合には大きな水滴になるおそれがある。

一方、特許文献２の技術では、レンズに振動を加えて水滴を振り落としているため、特許文献１の技術に比べて水滴の除去能力は高いと考えられる。しかしながら、特許文献２では円盤形状やリング形状の圧電素子が用いられており、円盤形状の圧電素子の場合には光が圧電素子を通過するために撮影される像を歪ませるおそれがあり、リング形状の圧電素子の場合には製造コストが増大する、という問題がある。さらに、レンズの振動方向が光軸方向であるため、水滴に十分な力が作用しないおそれもある。

他方、特許文献３の技術では、水滴に対して洗浄液や空気を直接作用させているため、特許文献１，２の技術に比べて水滴の除去能力は高いと考えられる。しかしながら、特許文献３の技術ではレンズウォッシャや空気噴射機構といった特別な機構を備える必要があり、製造コストが増大する。また、所定の条件が満たされた場合にのみ、レンズ洗浄等の動作が行われるため、水滴等がレンズに浸透し、除去しにくくなるおそれがある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構造でレンズに付着した水滴を除去することができる水滴除去機能付カメラを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の水滴除去機能付カメラは、レンズと、前記レンズを保持するレンズホルダと、を有する撮像ユニットと、前記撮像ユニットを前記レンズの光軸が揺動する方向に振動させる振動部と、を備えている。

この構成では、撮像ユニットがレンズの光軸が揺動する方向に振動するように構成されている。すなわち、撮像ユニットが首振りのような状態で振動する。この振動により、レンズの表面に付着した水滴を振り落とすことができる。また、撮像ユニット全体を振動させているため、レンズのみを振動させる場合に比べて、レンズと他の工学部品との位置関係のずれを抑制することができる。

このように、撮像ユニットを振動させて水滴を振り落とすためには、振動の振幅を大きくすることが望ましい。そのため、本発明の水滴除去機能付カメラの好適な実施形態の一つでは、前記撮像ユニットは撮像素子を備え、前記揺動の支点が、前記レンズの中心よりも前記撮像素子側に引退した位置に設定されている。

本発明の水滴除去機能付カメラの好適な実施形態の一つでは、前記振動部は、前記撮像ユニットを第１の方向と当該第１の方向とは逆方向の第２の方向とに異なる加速度で揺動する。

第１方向への揺動時の加速度が第２方向への揺動時の加速度よりも大きいとすると、第１方向への加速度はレンズ表面に付着した水滴を振り落とせる程度の大きさ、第２方向への加速度はレンズ表面に付着した水滴を第１方向に移動させられる程度の大きさに設定することが望ましい。このように加速度を設定すると、撮像ユニットを第２方向に揺動した際には、レンズ表面に付着した水滴が第１方向に移動する。その後、撮像ユニットを第１方向に揺動すると、第１方向側に寄せ集められた水滴が振り落とされる。このとき、重力の作用を考慮するならば、この第１の方向と第２の方向は、重力方向に対する上下方向とすることが好ましい。

本発明の水滴除去機能付カメラを搭載した車両の斜視図である。本発明の水滴除去機能付カメラの要部側断面の模式図である。圧電素子に印加する電圧の時間変化を表す図である。別実施形態における圧電素子の配置を示す図である。

〔構成〕
以下に、図面を用いて本発明の水滴除去機能付カメラを説明する。図１は、本発明の水滴除去機能付カメラを搭載した車両Ｖの斜視図である。この車両Ｖには、車両Ｖの後方を撮影するリアカメラＣとして本発明の水滴除去機能付カメラが搭載されている。このリアカメラＣは、車両Ｖの後方のナンバープレートの上方、かつ、車両Ｖの左右方向の中心軸から側方へオフセットした位置に、光軸を下方（例えば水平から３０°下方）に向けて設置されている。また、リアカメラＣは、例えば視野角１１０〜１２０°の広角レンズを備えており、車両Ｖの後方約８ｍ程度までの領域を撮影可能となっている。なお、本実施形態では、リアカメラＣは、毎秒１５〜３０フレームの２次元画像が撮影可能なデジタルカメラにより構成されている。

また、図に示すように、車両Ｖの車内には各種表示を行うディスプレイＤが備えられている。本実施形態では、ディスプレイＤは、ナビゲーションシステムのモニタ装置を兼用している。

リアカメラＣにより撮影された画像は、ディスプレイＤに表示されて車両Ｖの後方監視に用いることができる。また、補助線等を重畳した画像をディスプレイＤに表示し、駐車支援画像として用いることもできる。

図２は、リアカメラＣの要部側断面図である。図に示すように、リアカメラ１は、撮像を行う撮像ユニット１，撮像ユニット１を振動させる振動部２を備えている。この撮像ユニット１は、レンズ１１，レンズ１１を保持するレンズホルダ１２，レンズ１１を透過した光を光電変換する撮像素子１３を備えている。なお、撮像素子１３としてはＣＣＤ（charge coupled device）やＣＩＳ（CMOS image sensor）等を用いることができる。

レンズ１１は、撥水性コーティングを施すよりも、撥水性材料を用いて形成すると、コーティングが剥がれることがなく、好ましい。また、雨粒がレンズ１１の表面上を転がり易くなり、上述する撮像ユニット１の振動により落ち易くなる。

振動部２は、撮像ユニット１をレンズ１１の光軸が揺動する方向に振動させる。本実施形態では、振動部２は２つの圧電素子２ａ，２ｂにより構成されており、図に示すように、圧電素子２ａ，２ｂはそれぞれ撮像ユニット１の背面の上端付近および下端付近に配置されている。また、圧電素子２ａ，２ｂのレンズ１１の光軸方向に出退するように配置されている。このように配置した圧電素子２ａ，２ｂに対して周期的に変化する電圧を正位相と逆位相とでそれぞれに印加すると、撮像ユニット１はレンズ１１の光軸が上下方向（本発明の第１の方向、および、第２の方向）へ揺動するように振動する。このとき、揺動の中心を、レンズ１１の中心の前後方向位置から所定の距離を隔てて後方（撮像素子１３側）に位置させると、レンズ１１の振動の振幅が大きくなるため好ましい。

なお、図示していないが、圧電素子２ａ，２ｂには駆動電圧を供給する給電回路が接続されており、また、給電回路には給電回路が供給する電圧を制御する制御部が接続されている。この制御部は、ＣＰＵ（central processing unit）を中核としてメモリ、その他の周辺回路と共に構成されたＥＣＵ（electronic control unit）により構成することができる。なお、制御部はリアカメラＣに組み込んでも、リアカメラＣと別体としても構わない。

〔水滴除去機能〕
レンズ１１の表面（撮像ユニット１の外方に露出している側の面）に雨滴等が当たると、水滴がレンズ１１の表面に付着する。このようにレンズ１１の表面に水滴が付着した状態で、上述したように撮像ユニット１をレンズ１１の光軸が上下方向に揺動するように振動させることにより、水滴を振り落とすことができる。

本実施形態では圧電素子２ａ，２ｂに印加する電圧として図３に示すようなのこぎり波形状の電圧を用いている。したがって、圧電素子２ａが伸張する際の加速度と縮退する際の加速度とに差が生じる。これにより、撮像ユニット１が上方向に揺動する際の加速度と下方向に揺動する際の加速度とに差が生じる。

本実施形態では、撮像ユニット１が下方向に揺動する際の加速度よりも、上方向に揺動する際の加速度を大きく設定している。このとき、撮像ユニット１の上方側への揺動によってレンズ１１の表面に付着した水滴が下側に移動し、撮像ユニット１の下方側への揺動によって下側に寄せ集められた水滴を振り落とせる程度にそれぞれの加速度を設定することが好ましい。なお、撮像ユニット１が上方側に揺動する際の加速度を下方側に揺動する際の加速度よりも大きくしても構わない。

本発明の発明者らの研究により、レンズ１１に付着している水滴の落ち易さは、撮像ユニット１に加える振動の周波数と、水滴の大きさと依存していることが判明している。そのため、本実施形態の制御部は給電回路が供給する電圧波形の周波数を変更可能に構成されている。

例えば、粒状の水滴（大きな水滴）の場合には、共振周波数が低いため、低周波数の振動を撮像ユニット１に加えると落ち易い。そのため、通常の雨等の場合には、制御部は低周波数ののこぎり波形状の電圧を印加するように給電回路を制御する。

一方、霧状の水滴（小さな水滴）の場合には、共振周波数が高く、低周波数の振動を加えても落ち難い。また、霧状の水滴の場合は、質量が小さいため、共振周波数の振動を加えても、粒状の水滴ほどは落ちない。ただし、霧状の水滴に対して共振周波数の振動を加えると、水滴が移動することにより、霧状の水滴同士が結合し粒状の水滴となる。そのため、本実施形態では、レンズ１１に霧状の水滴が付着している場合には、まず、霧状の水滴の共振周波数付近の高周波数の振動を加え、その後、低周波数の振動を加える。このとき、高周波数から低周波数に徐々に変化する振動を加えるようにしても構わない。これにより、様々な大きさの水滴に対して効果的に振動を作用させることができる。

なお、振動の周波数は、人間の視覚が知覚することができる周波数よりも高い周波数とすることが望ましい。

また、制御部は給電回路が供給する電圧の高さを変化させるように制御しても構わない。

本実施形態では、車両Ｖの運転者がディスプレイＤの表面に形成されたタッチパネルを操作することにより、その操作内容が制御部に伝達され、撮像ユニット１を振動させるように構成されている。そのため、制御部とディスプレイＤとの間には信号線が設けられている。

例えば、ディスプレイＤにリアカメラＣにより撮影された画像とともに、「水滴大」および「水滴小」のボタンを表示しておく。運転者は、画像に写っている水滴の大きさを見て、水滴が粒状の場合には「水滴大」を選択し、水滴が霧状の場合には「水滴小」を選択する。この選択結果はタッチパネルを介して制御部に伝達され、「水滴大」が選択された場合には、制御部は低周波数の振動を生じさせるように給電回路を制御する。一方、「水滴小」が選択された場合には、制御部は上述したように高周波の振動の後に低周波の振動を生じさせるように給電回路を制御する。

なお、本実施形態では、運転者が明示的に振動付与を指示したが、画像処理により画像中の水滴を認識し、その認識結果に応じて振動付与の制御を行うように構成しても構わない。このときの画像処理は、リアカメラＣに組み込まれている画像処理回路によって行われても構わないし、また、車両Ｖに搭載されている駐車支援ＥＣＵ等のＥＣＵを利用しても構わない。

また、レインセンサを設け、そのレインセンサの出力信号に応じて振動制御（電圧制御）を行っても構わないし、ワイパ等の作動状況に応じて制御しても構わない。

〔別実施形態〕
（１）上述の実施形態では、２つの圧電素子２ａ，２ｂを、その出退方向がレンズ１１の光軸方向となるように撮像ユニット１の背面側に配置したが、撮像ユニット１を振動させる構成はこれに限定されるものではなく、例えば、以下のような変形構成が可能である。

（ａ）圧電素子２ａ，２ｂを撮像ユニット１の背面ではなく、図４（ａ）に示すように、上面および下面に設けても構わない。この場合には、圧電素子２ａ，２ｂをその出退方向が上下方向となるように対向して配置する。

（ｂ）上述の実施形態、または、（ａ）の構成において、一つの圧電素子２ａのみを備える構成としても構わない。この場合には、圧電素子２ａと撮像ユニット１の外面とを接続し、圧電素子２ａの進出時の力と後退時の力とを撮像ユニット１に作用させる。

（ｃ）上述の実施形態、または、（ａ）の構成において、圧電素子２ｂに代えて弾性部材を用いても構わない。この場合には、圧電素子２ａは撮像ユニット１に対して進出時の力を作用させ、弾性部材はその力により弾性変形し、弾性復帰する際に撮像ユニット１に力を作用させる構成とすればよい。なお、この場合にも、撮像ユニット１が下方側に揺動する際の加速度が上方側に揺動する際の加速度よりも大きくなるような弾性率（バネ定数）の弾性部材を用いればよい。

（２）上述の実施形態や別実施形態では、圧電素子２ａ等により撮像ユニット１全体を揺動させたが、図４（ｂ）に示すように、レンズ１１のみを揺動させる構成としても構わない。この場合にも、上述の（ａ）から（ｃ）と同様の変形が可能である。なお、この場合には、揺動によってレンズ１１の光軸と撮像素子１３との位置関係が一時的にずれるため、撮影された像の歪み等が生じるおそれがある。その一方、レンズ１１を振動させるための力が小さくて済むため、低電圧で作動する圧電素子等を用いることができるという利点がある。

（３）上述の実施形態や別実施形態では、レンズ１１を揺動させるために圧電素子２ａ等を用いたが、それに代えて、アクチュエータ等の出退を制御可能な装置を用いても構わない。

（４）上述の実施形態では、レンズ１１の光軸が上下方向に揺動するように撮像ユニット１を振動させたが、揺動方向は左右、斜め等、他の方向でも構わない。

（５）上述の実施形態では、撮像ユニット１をレンズ１１の光軸が揺動する方向に振動させたが、レンズ１１の光軸に直交する方向に振動させる構成とすることもできる。

（６）上述の実施形態では、本発明を車載のリアカメラに適用したが、フロントカメラやサイドカメラ等に適用することもできる。また、車載カメラに限らず、屋外に設置され、雨等にさらされることにより水滴が付着するおそれがあるカメラに適用することができる。

本発明は、屋外で使用され、雨等の水滴が付着するおそれがある車載カメラや防犯カメラ等に適用することができる。

Ｃ：リアカメラ（水滴除去機能付カメラ）
１：撮像ユニット
１１：レンズ
１２：レンズホルダ
１３：撮像素子
２：振動部
２ａ：圧電素子
２ｂ：圧電素子

Claims

レンズと、前記レンズを保持するレンズホルダと、を有する撮像ユニットと、
前記撮像ユニットを前記レンズの光軸が揺動する方向に振動させる振動部と、を備えた水滴除去機能付カメラ。
前記撮像ユニットは撮像素子を備え、
前記揺動の支点が、前記レンズの中心よりも前記撮像素子側に引退した位置に設定されている請求項１記載の水滴除去機能付カメラ。
前記振動部は、前記撮像ユニットを第１の方向と当該第１の方向とは逆方向の第２の方向とに異なる加速度で揺動する請求項１または２記載の水滴除去機能付カメラ。
前記第１の方向と前記第２の方向とは、重力方向に対する上下方向である請求項３記載の水滴除去機能付カメラ。