JP2019203951A - レンズユニットおよびカメラモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化に伴う樹脂製鏡筒の変形に起因して、レンズユニットの光学特性が劣化するのを抑制する。【解決手段】このレンズユニット１００は、第１基準と第２基準との間の距離に相当する鏡筒１０の軸方向寸法をＬ１とし、第１のレンズ２２が中間環３１に接触する接触面と第１基準との間の第１のレンズ２２の軸方向寸法をＬ３とし、第２のレンズ２１が中間環３１に接触する接触面と第２基準との間の第２のレンズ２１の軸方向寸法をＬ４とし、中間環３１の軸方向寸法をＬ２とし、鏡筒１０、中間環３１、第１のレンズ２２、第２のレンズ２１の線膨張係数をそれぞれ、α１、α２、α３、α４とした場合に、｜｛Ｌ１×α１−（Ｌ３×α３＋Ｌ４×α４）｝−Ｌ２×α２｜≦Ｌ１×０．０５％という関係を満たすα２に基づいて、中間環３１に用いる材料が選定されている。【選択図】図２

Description

本発明は、レンズユニットおよびカメラモジュールに関する。

車両に搭載されたカメラ（車載カメラ）が車外の風景等を撮像し、その撮像画像が車内に搭載されたモニタ等に表示される技術が知られている。車載カメラのレンズユニットは、撮像対象に向けられる側（物体側）が車外に露出した状態となるので、強度、防水性、耐薬品性、高温耐久性等が要求される。また、温度変化によるレンズの曇りを防止する必要等がある。

特許文献１には、レンズの曇りを防止するために、気密状態を実現したレンズユニットが開示されている。このレンズユニットでは、４つのレンズが鏡筒内に光軸方向に沿って並べて配置されている。物体側では、最も物体側のレンズと鏡筒の内周面との間にＯリングを配置することで、シール性が実現されている。また、像側（撮像素子側）では、接着剤を介して光学フィルタを鏡筒に取り付けることで、シール性が実現されている。鏡筒の物体側のシールと結像側のシールとにより鏡筒内の気密性が確保され、レンズの曇りが防止されるようになっている。

特許第４９９９５０８号公報

ところで、上記レンズユニットの鏡筒は樹脂製であるが、樹脂製の鏡筒は、環境温度の変化に伴い、膨張または収縮する変形をすることがある。ここで、図５を用いて、鏡筒が変形をする場合に生じる問題について説明する。図５は、レンズユニット６００の軸方向断面図である。なお、図５では、断面図であることを示すハッチングを一部省略している。
レンズユニット６００は、円筒状の鏡筒３００を備えている。鏡筒３００は、樹脂で形成されている。鏡筒３００の内部には、レンズ４０１〜４０４、中間環５０１，５０２等が配置されている。レンズ４０１〜４０４は、円形状のガラス製レンズであり、鏡筒３００の内周側に圧入されている。レンズ４０１〜４０４は、それぞれの光軸が一致するように、光軸に沿って並べられた状態で配置されている。中間環５０１，５０２は、レンズ間に配置される環状の部品であり、樹脂で形成されている。中間環５０１，５０２は、径方向において、外周面と鏡筒３００の内周面との間に微小な隙間が形成されるようにして、鏡筒３００の内周側に配置されている。以下、鏡筒３００におけるレンズ４０１側を像側といい、レンズ４０４側を物体側という。

鏡筒３００は、像側の端部に形成され、径方向内側に向かって、内径が小さくなるように突出して形成された支持部３０１を備えている。支持部３０１は、レンズ４０１におけるフランジ部の像側の面と当接するようになっている。レンズのフランジ部とは、レンズ有効径の外周側に形成された平坦面を備える部位である。また、鏡筒３００は、物体側の端部に形成され、レンズ４０４における物体側の面の外周部に当接する保持部３０２を備えている。保持部３０２は、鏡筒３００の内部に部品が収容された後、カシメにより形成される部位である。鏡筒３００の内部に収容されるレンズ４０１〜４０４と、中間環５０１，５０２とは、保持部３０２と支持部３０１との間に挟まれるようにして支持されている。これにより、各部品の間に隙間が形成されないようになっている。

図５を参照しながら、鏡筒３００と、レンズ４０１，４０２と、中間環５０１との間で生じる問題について説明する。鏡筒３００が軸方向に膨張した場合、当該膨張に伴い、圧入固定されているレンズ４０１，４０２が中間環５０１から離れる方向に移動する。このとき、レンズ４０１と中間環５０１との間、中間環５０１とレンズ４０２との間に隙間が形成される。このような隙間が形成されると、レンズ４０１，４０２は圧入固定されているものであるが、車両の振動等によってレンズ４０１，４０２が傾くことがある。その場合、撮像範囲がずれるとともに、レンズユニットの光学特性が劣化するという問題が生じる。

一方、鏡筒３００が軸方向に収縮した場合、当該収縮に伴い、圧入固定されているレンズ４０１，４０２が中間環５０１を押圧する方向に移動する。このとき、レンズ４０１，４０２は、中間環５０１を押圧する力の反力として、中間環５０１から圧力を受けることとなる。このようにレンズ４０１，４０２が中間環５０１から圧力を受けると、レンズ４０１，４０２が歪む変形をする。これにより、撮像範囲がずれたり、レンズユニットの光学特性が劣化するという問題が生じる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、温度変化に伴う樹脂製鏡筒の変形に起因して、レンズユニットの光学特性が劣化するのを抑制することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のレンズユニットは、
樹脂製の鏡筒と、
前記鏡筒の内周側に圧入され、前記鏡筒の軸方向に沿って並べて配置される少なくとも２枚のガラス製のレンズと、
前記鏡筒の内周側に挿入され、前記鏡筒の軸方向に隣り合う前記レンズの間に配置される樹脂製の中間環とを備え、
前記中間環の一方に隣接する第１のレンズの外周面が、前記鏡筒の内周面に接触する箇所の軸方向に対する長さの中間位置を第１基準とし、
前記中間環の他方に隣接する第２のレンズの外周面が、前記鏡筒の内周面に接触する箇所の軸方向に対する長さの中間位置を第２基準とし、
前記第１基準と前記第２基準との間の距離に相当する前記鏡筒の軸方向寸法をＬ１とし、
前記第１のレンズが前記中間環に接触する接触面と前記第１基準との間の前記第１のレンズの軸方向寸法をＬ３とし、
前記第２のレンズが前記中間環に接触する接触面と前記第２基準との間の前記第２のレンズの軸方向寸法をＬ４とし、
前記中間環の軸方向寸法をＬ２とし、
前記鏡筒、前記中間環、前記第１のレンズ、前記第２のレンズの線膨張係数をそれぞれ、α１、α２、α３、α４とした場合に、
｜｛Ｌ１×α１−（Ｌ３×α３＋Ｌ４×α４）｝−Ｌ２×α２｜≦Ｌ１×０．０５％
という関係を満たすα２に基づいて、前記中間環に用いる材料が選定されていることを特徴とする。

このような構成によれば、環境温度が変化する際における鏡筒およびレンズの変形量を考慮して、中間環に用いる材料（線膨張係数）が決定されているため、環境温度の変化に伴い鏡筒が変形した場合でも、当該変形に起因してレンズユニットの光学特性が劣化するのを抑制できる。すなわち、鏡筒の膨張した場合に、第１のレンズと中間環との間、または第２のレンズと中間環との間に隙間が形成されることがない。また、鏡筒が収縮した場合に、第１のレンズ、第２のレンズが中間環から圧力を受けて歪む変形をすることがない。これにより、レンズユニットの光学特性が劣化するのを抑制することができる。

本発明のカメラモジュールは、前記構成のレンズユニットと、前記レンズユニットで結像された画像を撮像する撮像素子とを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、カメラモジュールは、上述の本発明のレンズユニットと同様の作用効果を奏することができる。

本発明によれば、温度変化に伴う樹脂製鏡筒の変形に起因して、レンズユニットの光学特性が劣化するのを抑制することができる。

本発明の実施の形態に係るレンズユニットを示す断面図である。 同、中間環の材料の選定について説明するための図である。 同、中間環の材料の選定について説明するための図である。 同、レンズの圧入について説明するための図である。 従来の課題を説明するための参考断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態に係るレンズユニット１００の軸方向断面図である。なお、図１では、断面であることを示すハッチングを省略している。レンズユニット１００は、例えば、車載カメラに用いられる。

図１に示すように、レンズユニット１００は、鏡筒１０、複数のレンズ２１，２２，２３，２４、中間環（スペーサ）３１，３２等を備えている。また、図示を省略しているが、レンズユニット１００は、レンズ２１〜２４が像を結ぶ側（像側）の端部に配置される光学フィルタを備えている。

鏡筒１０内には、鏡筒１０の軸方向に沿って１つのレンズ群を構成するレンズ２１〜２４が並べて配置されている。レンズ２１〜２４は、それぞれの光軸を一致させた状態で、かつ光軸に沿って並べられた状態で配置されている。このとき、鏡筒１０の軸とレンズ群の光軸（光軸ＯＡとする）とは略一致するようになっている。以下、光軸ＯＡという場合に、各レンズ２１〜２４の光軸を指すとともにレンズ群の光軸を指すものとする。

鏡筒１０は、軸方向における一方の端部が、像側として撮像素子（不図示）を向くようにして配置され、軸方向における他方の端部が、物体側として撮像対象を向くようにして配置されている。本実施形態では、レンズ２１側が像側であり、レンズ２４側が物体側である。なお、撮像素子は、レンズユニット１００で結像された画像を撮像するために、レンズユニット１００が取り付け相手となるカメラケース（不図示）に配置されている。

レンズ２１〜２４、中間環３１，３２は、鏡筒１０の内部に像側から物体側に向かって、レンズ２１、中間環３１、レンズ２２、中間環３２、レンズ２３、レンズ２４の順で配置されている。隣接する各部材は互いに当接している。

鏡筒１０は、円筒状である。鏡筒１０の内周面は、軸方向から見て多角形状となっている。多角形状とは、例えば、１２角形である。鏡筒１０の内周面の多角形の角の数は８〜２０程度となっている。鏡筒１０の内周面を多角形とすることにより、内周面が円形状となっている鏡筒に比べて、圧入されたレンズに生じる内部応力が少なくなり光学性能の劣化が抑制される。鏡筒１０は、樹脂製であり、ナイロン系の樹脂をガラス繊維で強化したものが用いられている。このナイロン系の樹脂とは、ポリアミド樹脂である。ポリアミド樹脂は、耐薬品性に優れるとともに、優れた強靭性、耐衝撃性、柔軟性を示す。

鏡筒１０は、像側の端部に形成され、径方向内側に向かって、内径が小さくなるように突出して形成された支持部１１を備えている。支持部１１は、レンズ２１におけるフランジ部の像側の面と当接するようになっている。

鏡筒１０は、物体側の端部に形成され、レンズ２４における物体側の面の外周部に当接する保持部１２を備えている。保持部１２は、鏡筒１０の内部に部品が収容された後、カシメにより形成される部位である。保持部１２の内径は、レンズ２４の外径より小さくなっている。鏡筒１０の内部に収容されるレンズ２１〜２４と、中間環３１，３２とは、保持部１２と支持部１１との間に挟まれるようにして支持されている。換言すると、鏡筒１０の内部に収容される部品は、保持部１２によって支持部１１側に向かって押し付けられた状態となっている。これにより、各部品の間に隙間が形成されないようになっている。

レンズ２１〜２４は、鏡筒１０の内部に圧入される円形状のレンズである。レンズ２１〜２４はガラス製であり、いわゆる光学用ガラスからなっている。また、レンズ２１〜２４は、鏡筒１０の内周側に圧入固定されているため、光軸ＯＡ方向と直交する方向に対して位置決めされている。

レンズ２４の外周面のうち像側の部分には、他の部分より径が小さく形成された縮径部２４ａが設けられている。縮径部２４ａと鏡筒１０の内周面との間には、Ｏリング４０が配置されている。Ｏリング４０は隙間を封止し、鏡筒１０の内部に水や埃等が侵入するのを防いでいる。

中間環３１，３２は、鏡筒１０の内部に挿入される環状の部品である。中間環３１，３２は、樹脂製であり、例えば、ポリカーボネート樹脂で形成されている。中間環３１，３２は、径方向において、外周面と鏡筒３００の内周面との間に微小な隙間が形成されるようにして、鏡筒３００の内周側に配置されている。

レンズユニット１００は、撮像素子、配線基板、信号処理回路、フレキシブル配線シートおよびコネクタ等とともに、カメラモジュールを構成する。なお、カメラモジュールとは、少なくともレンズユニット１００と撮像素子とを備えたものをいう。本実施形態に係るカメラモジュールにおいては、レンズユニット１００の像側に撮像素子（不図示）が配置され、レンズユニット１００で結像される画像を撮像することが可能となっている。

カメラモジュールは次のように動作する。物体側から入射する光は、レンズユニット１００のレンズ群を介して撮像素子に入射する。撮像素子は、入射した像を電気信号に変換する。信号処理回路は、撮像素子からの電気信号に対して信号処理（Ａ／Ｄ変換、画像補正処理等）を実行する。信号処理回路から出力される電気信号は、フレキシブル配線シートおよびコネクタを介して外部の電子機器に接続される。

本実施形態では、鏡筒１０の変形量を考慮して中間環３１，３２の材料を選定する。ここで、図２を用いて中間環３１の材料の選定について説明する。
レンズユニット１００が設置されている環境において、温度変化が生じる前の環境温度をＴ１（℃）とする。また、温度変化が生じた後の環境温度をＴ２（℃）とする。温度変化量をΔＴとすると、ΔＴ＝｜Ｔ１−Ｔ２｜となる。

図２は、温度変化が生じる前の状態を示している。
中間環３１の一方に隣接するレンズ２２（第１のレンズ）の外周面が鏡筒１０の内周面に接触する箇所の軸方向に対する長さの中間位置を第１基準とする。換言すると、第１基準は、レンズ２２の外周面が鏡筒１０の内周面に接触する箇所における、接触上端部と接触下端部との間の区間の中間位置である。
また、中間環３１の他方に隣接するレンズ２１（第２のレンズ）の外周面が鏡筒１０の内周面に接触する箇所の軸方向に対する長さの中間位置を第２基準とする。換言すると、第２基準は、レンズ２１の外周面が鏡筒１０の内周面に接触する箇所における、接触上端部と接触下端部との間の区間の中間位置である。
ここで、図２に示す寸法Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４について説明する。
Ｌ１（ｍｍ）は、第１基準と第２基準との間の距離に相当する鏡筒１０の軸方向寸法である。
Ｌ３（ｍｍ）は、レンズ２２（第１のレンズ）が中間環３１に接触する接触面と、第１基準との間のレンズ２２の軸方向寸法である。
Ｌ４（ｍｍ）は、レンズ２１（第２のレンズ）が中間環３１に接触する接触面と、第２基準との間のレンズ２１の軸方向寸法である。
Ｌ２（ｍｍ）は、中間環３１の軸方向寸法である。
また、鏡筒１０、中間環３１、レンズ２２、レンズ２１の線膨張係数（１／℃）をそれぞれ、α１、α２、α３、α４とする。

ここで、環境温度の変化に伴う鏡筒１０の軸方向寸法変化量をΔＬ１とすると、ΔＬ１は次の式（１）で表される。
ΔＬ１＝Ｌ１×α１×ΔＴ （１）
また、環境温度の変化に伴うレンズ２２の軸方向寸法変化量をΔＬ３とすると、ΔＬ３は次の式（２）で表される。
ΔＬ３＝Ｌ３×α３×ΔＴ （２）
また、環境温度の変化に伴うレンズ２１の軸方向寸法変化量をΔＬ４とすると、ΔＬ４は次の式（３）で表される。
ΔＬ４＝Ｌ４×α４×ΔＴ （３）

レンズ２１とレンズ２２の間の寸法変化量は、式（４）で表される。
ΔＬ１−（ΔＬ３＋ΔＬ４） （４）

一方、環境温度の変化に伴う中間環３１の軸方向寸法変化量をΔＬ２とすると、ΔＬ２は次の式（５）で表される。
ΔＬ２＝Ｌ２×α２×ΔＴ （５）

よって、以下の式（６）を満たすΔＬ２を算出し、算出したΔＬ２に基づいて中間環３１に使用する材料の線膨張係数α２を決定すればよい。
ΔＬ１−（ΔＬ３＋ΔＬ４）≒ΔＬ２ （６）

換言すると、式（４）の値とΔＬ２との差分の絶対値が、Ｌ１の０．０５％の値以下となっていること（以下の式（７）を満たすこと）を条件とする
｜｛ΔＬ１−（ΔＬ３＋ΔＬ４）｝−ΔＬ２｜≦Ｌ１×０．０５％ （７）

式（７）は以下のように表すことができる。
｜｛Ｌ１×α１−（Ｌ３×α３＋Ｌ４×α４）｝−Ｌ２×α２｜≦Ｌ１×０．０５％
（７´）

上記のようにして算出した結果を踏まえ、中間環３１に用いる材料を選定することで、鏡筒１０の膨張変形または収縮変形に起因する上述の問題を回避できる。すなわち、鏡筒１０が軸方向に膨張した場合には、中間環３１が軸方向に膨張するため、レンズ２１，２２と中間環３１との間に隙間が生じることがない。また、鏡筒１０が軸方向に収縮した場合には、中間環３１が軸方向に収縮するため、レンズ２１，２２が中間環３１から圧力を受けて変形することがない。

図３は、中間環３１に用いる材料の選定の一例を説明するための図である。図３に示す条件の場合、上述の式（４）の値は２．０Ｅ−０２（Ａとする）となる。一方、線膨張係数α２が６．５Ｅ−０５である材料を中間環３１の材料として用いた場合、式（５）の値は２．０８Ｅ−０２（Ｂとする）となる。このとき、ＡとＢとの差（絶対値）は０．０８Ｅ−０２となり、Ｌ１の０．０５％が０．４Ｅ−０２であるため、式（７）の条件を満たすこととなる。よって、かかる物性を持つ材料を中間環３１の材料とすることができる。

上記では、中間環３１に用いる材料を選定する場合について説明したが、中間環３２に用いる材料も同様の方法により選定することができる。

次に、図４を用いて、レンズ２２の鏡筒２の内部への圧入について説明する。
ガラス製のレンズ２２は芯取りを行うため、外周面が研磨面となり、図４に示すように外周面は微細な凹凸が形成された凹凸面となっている。このため、レンズ２２を樹脂製の鏡筒２の内部に圧入した場合、当該凹凸面が鏡筒２の内周面を傷付け、内周面の樹脂が削られて切粉が発生することがある。この切粉によって異物混入が発生した場合、レンズユニット１００の光学特性が劣化してしまう。また、ガラス製レンズと樹脂製鏡筒との間の摩擦が、樹脂製レンズと樹脂製鏡筒との間の摩擦より大きいことに起因して、レンズ２２の圧入不足や傾きが発生すると、レンズユニット１００の光学特性が劣化してしまう。

本実施形態では、レンズ２２の外周面にはコーティングが施されている。コーティングは、塗料の塗布または薄膜の形成によって実現されている。コーティングの工法には、墨塗り、蒸着コート等がある。蒸着コートは、例えば、ＡＲ(Anti Reflection)コートである。
以下、墨塗りを施す場合について説明する。墨塗りには、黒色塗料を用いる。黒色塗料は、例えば、ＧＴ−７II、ＧＴ−２０００（ともにキヤノン化成株式会社製）を用いる。図４に示すように、レンズ２２に形成された微細な凹凸を埋めるようにして墨（レンズ内面反射防止塗料）が塗布される。このとき、レンズ２２の外周面は滑らかな面となっているため、レンズ２２を鏡筒２の内部に圧入した際に、鏡筒１０の内周面の樹脂が削られて切粉が発生することがなくなる。また、レンズ２２を圧入する際の摩擦が低減されるため、圧入作業がし易くなるとともに、レンズ２２の圧入不足や傾きの発生が抑制される。これにより、レンズユニット１００の光学特性の劣化が抑制される。

上記では、レンズ２２の外周にコーティングを施す場合について説明したが、他のレンズ２１，２３，２４の外周面にコーティングを施した場合にも同様の効果を奏する。

以上のように、本実施形態によれば、環境温度が変化する際における鏡筒１０、レンズ２１、レンズ２２の変形量を考慮して、中間環３１に用いる材料（線膨張係数）が決定されている。このため、環境温度が変化し、鏡筒１０が膨張した場合でも、レンズ２１と中間環３１との間、またはレンズ２２と中間環３１との間に隙間が形成されることがない。また、環境温度が変化し、鏡筒１０が収縮した場合でも、レンズ２１、レンズ２２が中間環３１から圧力を受けて歪む変形をすることがない。これにより、レンズユニット１００の光学特性が劣化するのを抑制することができる。

１０ 鏡筒
２１，２２，２３ レンズ
３１ 中間環

Claims (2)

1. 樹脂製の鏡筒と、
   前記鏡筒の内周側に圧入され、前記鏡筒の軸方向に沿って並べて配置される少なくとも２枚のガラス製のレンズと、
   前記鏡筒の内周側に挿入され、前記鏡筒の軸方向に隣り合う前記レンズの間に配置される樹脂製の中間環とを備え、
   前記中間環の一方に隣接する第１のレンズの外周面が、前記鏡筒の内周面に接触する箇所の軸方向に対する長さの中間位置を第１基準とし、
   前記中間環の他方に隣接する第２のレンズの外周面が、前記鏡筒の内周面に接触する箇所の軸方向に対する長さの中間位置を第２基準とし、
   前記第１基準と前記第２基準との間の距離に相当する前記鏡筒の軸方向寸法をＬ１とし、
   前記第１のレンズが前記中間環に接触する接触面と前記第１基準との間の前記第１のレンズの軸方向寸法をＬ３とし、
   前記第２のレンズが前記中間環に接触する接触面と前記第２基準との間の前記第２のレンズの軸方向寸法をＬ４とし、
   前記中間環の軸方向寸法をＬ２とし、
   前記鏡筒、前記中間環、前記第１のレンズ、前記第２のレンズの線膨張係数をそれぞれ、α１、α２、α３、α４とした場合に、
   ｜｛Ｌ１×α１−（Ｌ３×α３＋Ｌ４×α４）｝−Ｌ２×α２｜≦Ｌ１×０．０５％
   という関係を満たすα２に基づいて、前記中間環に用いる材料が選定されていることを特徴とするレンズユニット。
2. 請求項１に記載のレンズユニットと、前記レンズユニットで結像された画像を撮像する撮像素子とを備えることを特徴とするカメラモジュール。

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