JP6314108B2 - 光学レンズの取付構造 - Google Patents

Description

本発明は、光学レンズの取付構造に関し、更に詳細には、接着剤を使用することなく光学レンズをレンズ枠に取り付ける取付構造に関する。

接着剤を使用することなく光学レンズをレンズ枠に取り付ける取付構造としては、円環状のレンズ枠（レンズマウント）に、当該レンズ枠より軸線方向（光軸方向）に延出した片持ち梁による複数個の弾性セグメントが形成され、各弾性セグメントの自由端が光学レンズの外周面（リム面）に形成されている周溝に係合することにより、弾性セグメントの弾性変形のもとに光学レンズを半径方向および軸線方向に保持する構造のもの（例えば、特許文献１）や、レンズ枠の周方向の３箇所にスリットによって略周方向に延在する両持ち梁によるばね梁が形成され、ばね梁が光学レンズの外周面に形成されている周溝に係合することにより、ばね梁の弾性変形のもとに光学レンズを半径方向および軸線方向に保持する構造のもの（例えば、特許文献１）が知られている。

その他のレンズ取付構造として、レンズ保持部材の本体部に形成されているレンズ挿入孔の周りの３箇所に本体部より突出柱が軸線方向に突出形成され、突出柱が外方に撓んだ状態で光学レンズの外周面に当接することにより、光学レンズを半径方向に保持する構造のもの（例えば、特許文献２）が知られている。

特開２００１−１４１９７４号公報 特開平９−６３０８４号公報

上述の如きレンズ取付構造は、複数個の弾性セグメント、ばね梁あるいは突出柱の弾性変形によって光学レンズを保持するから、倒れを生じることなく且つレンズ中心が所定位置に位置するように、つまり正しくセンタリングされた状態に光学レンズを位置決め保持するためには、複数個の弾性セグメント、ばね梁あるいは突出柱のばね特性（弾性変形特性）が互いに均等である必要がある。しかし、弾性セグメント、ばね梁あるいは突出柱は、レンズ枠あるいはレンズ保持部材の本体部と一体で、切削加工等によって形成されるので、加工誤差により、ばね特性にばらつきが生じ易い。このため、光学レンズを、倒れを生じることなく正しくセンタリングされた状態に、高精度に位置決め保持することが難しい。なお、光学レンズの倒れとは、レンズ枠あるいはレンズ保持部材の中心軸線に対して光学レンズの光軸が傾斜することを云う。

特に、弾性セグメントやばね梁を光学レンズの周溝に係合させることにより、光学レンズの半径方向の保持と軸線方向の保持を同時に行うものは、半径方向の位置精度と軸線方向の位置精度とが影響し合い、光学レンズを高精度に位置決め保持することが難しい。

また、弾性セグメント、ばね梁あるいは突出柱は、レンズ枠あるいはレンズ保持部材の本体部と一体であるから、レンズ枠やレンズ保持部材と光学レンズとに線膨張率の差があると、これらの温度変化によって光学レンズの保持力が変動する不具合を生じる。例えば、光学レンズよりレンズ枠の線膨張率が大きいと、高温時に光学レンズの保持力が低減し、光学レンズの保持位置が不安定になり、位置精度が悪化する虞がある。これとは逆に、光学レンズよりレンズ枠の線膨張率が小さいと、高温時に光学レンズの保持力が過剰に増大し、光学レンズの変形、破損をもたらす虞がある。このため、レンズ取付構造が、温度変化が過酷な雰囲気中で使用される場合には、レンズ枠やレンズ保持部材を構成する材質を、光学レンズの線膨張率に近い線膨張率を有するものにする必要が生じる。

本発明が解決しようとする課題は、光学レンズを、倒れを生じることなく正しくセンタリングされた状態に、高精度に安定して位置決め保持することである。

本発明による光学レンズの取付構造は、円環状のレンズ枠（１０）の内側に光学レンズ（５０）を取り付ける取付構造であって、前記レンズ枠（１０）の円周方向の複数箇所において、前記レンズ枠（１０）の内周面と前記光学レンズ（５０）の外周面（５２）との間に、自身の中心軸線が前記光学レンズ（５０）の光軸と平行になるように、且つ常温下において自身の径方向に弾性変形した状態で配置された横断面の外輪郭が円形の円筒形状のフィッタ（３０）を有する。

この構成によれば、フィッタ（３０）が円筒形状であることにより、光軸方向と平行な直線をもって光学レンズ（５０）の外周面（５２）に線接触すると共に、光学レンズ（５０）の光軸方向と平行な直線をもってレンズ枠（１２）の内周面に線接触するので、光学レンズ（５０）が倒れを生じることなく正しくセルフセンタリングされた状態で、高精度に安定して位置決め保持される。また、フィッタ（３０）がレンズ枠１０とは別部品であるから、フィッタ（３０）をレンズ枠（１０）とは異なった材質のもので構成することができ、レンズ枠（１０）の材質が光学レンズ（５０）の線熱膨張率によって制限されることがない。

本発明による光学レンズの取付構造は、好ましくは、前記レンズ枠（１０）の線膨張率が前記光学レンズ（５０）の線膨張率より大きい場合には、前記フィッタ（３０）が前記レンズ枠（１０）の線熱膨張率より大きい材料によって構成されている。

この構成によれば、フィッタ（３０）の熱膨張による径方向寸法の変化によってフィッタ（３０）の径方向の圧縮弾性変形量が大きく変化することがなく、温度変化が過酷な雰囲気中で使用されても、光学レンズ（５０）の保持力が変動することが抑制される。

本発明による光学レンズの取付構造は、好ましくは、前記レンズ枠（１０）の線熱膨張率が前記光学レンズ（５０）の線熱膨張率より小さい場合には、前記フィッタ（３０）が前記レンズ枠（１０）の線熱膨張率より小さい材料によって構成されている。

この構成によれば、フィッタ（３０）の熱膨張による径方向寸法の変化によってフィッタ（３０）の径方向の圧縮弾性変形量が大きく変化することがなく、温度変化が過酷な雰囲気中で使用されても、光学レンズ（５０）の保持力が変動することが抑制される。

本発明による光学レンズの取付構造は、好ましくは、前記レンズ枠は前記光学レンズ（５０）の一方のレンズ面（５６）の外周縁部が当接するフランジ面（１８）を有し、前記レンズ枠（１０）には前記光学レンズ（５０）の前記一方のレンズ面（５６）を前記フランジ面（１８）に押し付けるばね部材（２４）が取り付けられている。

この構成によれば、光学レンズ（５０）の光軸方向の位置決めが、径方向の位置決めとは別に高精度に行われる。

本発明による光学レンズの取付構造は、好ましくは、前記光学レンズ（５０）の外周面（５２）には周溝（５４）が形成されており、前記レンズ枠（１０）には、前記周溝（５４）に係合する位置決め板（３６）と、弾性変形した状態で前記周溝（５４）の一方の側面（５４Ａ）に当接し、前記周溝（５４）の他方の側面（５４Ｂ）を前記位置決め板（３６）に当接させるように前記光学レンズ（５０）を押し付ける板ばね（２４）とが取り付けられている。

この構成によれば、光学レンズ（５０）の光軸方向の位置決めが、径方向の位置決めとは別に、しかも光学レンズ（５０）がレンズ枠（１０）等に当接することなく行われ、レンズ面（５６）に歪みが生じる虞がない。

本発明による光学レンズの取付構造は、好ましくは、前記レンズ枠（１０）には光軸方向で見て前記フィッタ（３０）の外径より大きい内径の略半円形をして前記レンズ枠（１０）の中心に向けて開口した凹部（２０）が前記フィッタ（３０）毎に形成され、当該凹部（２０）に前記フィッタ（３０）が係合している。

この構成によれば、フィッタ（３０）のレンズ枠円周周りの位置が変動することなく、安定した位置決め精度が得られる。

本発明による光学レンズの取付構造によれば、横断面の外輪郭が円形の円筒形状の複数個のフィッタによって光学レンズが倒れを生じることなく正しくセンタリングされた状態に、高精度に位置決め保持される。

本発明による光学レンズの取付構造の実施形態１を示す正面図 実施形態１による光学レンズの取付構造の、押え枠を取り外した状態の正面図 図１の線III−IIIに沿った断面図 本発明による光学レンズの取付構造の実施形態２を示す正面図 実施形態２による光学レンズの取付構造の、押え枠を取り外した状態の正面図 図４の線VI−VIに沿った断面図 図４の線VII−VIIに沿った断面図

以下に、本発明による光学レンズの取付構造の実施形態１を、図１〜図３を参照して説明する。

実施形態１による光学レンズの取付構造はレンズ枠１０を有する。レンズ枠１０は、ステンレス鋼、チタン、インバ、セラミック等により構成され、取付対象の光学レンズ５０の外径より少し大きい内径による円形のレンズ装着孔１２と、レンズ装着孔１２の軸線方向の一方の側に連続し且つレンズ装着孔１２と同心で、光学レンズ５０の外径より少し小さい内径による円形の貫通孔１４とを有し、これらによって軸線方向に貫通した円形開口を形成する円環状をなしている。なお、レンズ枠１０の軸線方向と、レンズ枠１０に装着された光学レンズ５０の光軸方向とは同じ方向である。ここで、レンズ枠１０のレンズ装着孔１２の側の端面を前面１６とする。

レンズ装着孔１２と貫通孔１４との境界部には、これらの孔の内径違いによってレンズ装着孔１２の内周縁より径方向内方に延出した円環状のフランジ面１８が形成されている。フランジ面１８はレンズ枠１０の軸線に直交する方向に延在する平面である。

レンズ枠１０にはフィッタ用凹部２０がレンズ枠１０の円周方向の３箇所に等間隔に形成されている。３個のフィッタ用凹部２０は、互いに同一形状且つ同一寸法の凹部であり、レンズ枠１０の軸線方向で見て後述するフィッタ３０の外径より少し大きい内径の略半円形をしており、その弦側がレンズ枠１０の径方向内方にあってレンズ枠１０の中心に向けて開口し、且つレンズ装着孔１２の軸線方向長さと同じ軸線方向長さを有してレンズ枠１０の前面１６に開口している。

レンズ装着孔１２には光学レンズ５０が挿入され、各フィッタ用凹部２０にはフィッタ３０が配置されている。フィッタ３０は、横断面の外輪郭形状が真円形の一定肉厚の円筒形状のものであり、レンズ枠１０の円周方向の配置位置をフィッタ用凹部２０によって決められている。フィッタ用凹部２０は、フィッタ３０の外径より大きい内径の略半円形をしているから、フィッタ用凹部２０の内壁がフィッタ３０の径方向の弾性変形を阻害することがない。

フィッタ３０は、常温且つ自由状態（取付前の状態）で、３個のフィッタ用凹部２０の底を通る円形の仮想内周面と光学レンズ５０の外周面をなすリム面５２との径方向の間隙より少し大きい外径を有しており、径方向に弾性変形（圧縮変形）した状態で、レンズ枠１０と光学レンズ５０との間に配置され、光学レンズ５０をレンズ枠１０に取り付けている。

３個のフィッタ３０は、互いに同一形状、同一寸法であってよく、光学レンズ５０の中心光軸がレンズ枠１０の中心軸線に合致するように、３点支持方式で、光学レンズ５０をレンズ枠１０に対して自動的にセンタリングして支持している。これにより、光学レンズ５０の径方向の位置決めがセルフセンタリングのもとに行われる。３個のフィッタ３０は、個別に加工された円筒体により構成されていても、１個の円筒体（パイプ材）を３個に切断したものによって構成されていてよい。この場合、１個の中空円筒体が高精度加工されるだけで、高精度に同一形状且つ同一寸法の３個のフィッタ３０が容易に得られる。このようにしてフィッタ３０の形状精度および寸法精度が高いことにより、光学レンズ５０の径方向の位置決め精度（センタリング精度）が向上する。

光学レンズ５０は、常温下で、フィッタ３０の径方向の圧縮弾性変形によってレンズ枠１０と光学レンズ５０とに弾発的に押し付けられていることにより、予圧を与えられた状態でレンズ枠１０に支持されている。この予圧はフィッタ３０の径方向の圧縮弾性変形量とフィッタ３０の圧縮方向のばね特性により決まる。フィッタ３０の径方向の圧縮弾性変形量は、前述したレンズ枠１０の仮想円周面と光学レンズ５０のリム面５２との間隙の径方向寸法と、フィッタ３０の外径との寸法差により決まる。フィッタ３０の圧縮方向のばね特性は、フィッタ３０の材質、フィッタ３０の外径、更には肉厚により決まるから、ばね特性の設定の自由度が高い。

そして、フィッタ３０は、円筒形状であることにより、光学レンズ５０のリム面５２に光軸方向に沿った直線をもってリム面５２に線接触し、リム面５２との線接触部よりフィッタ３０の中心周りに１８０度回転変位した位置にて前記光軸方向と平行な直線をもってフィッタ用凹部２０の底面に線接触するので、光学レンズ５０は、倒れを生じることなく正しくセルフセンタリングされた状態で、高精度に安定して位置決め保持される。なお、フィッタ３０は、厳密に云えば、圧縮弾性変形によって横断面形状が楕円形に変形している。

また、３個のフィッタ３０は各々個別のフィッタ用凹部２０に配置されているから、フィッタ３０のレンズ枠円周周りの位置が変動することなく、１８０度間隔の３点支持状態が変動することなく、安定した位置決め精度（センタリング精度）が得られる。

フィッタ３０は、レンズ枠１０とは別部品であるから、レンズ枠１０とは異なった材質のもので構成することができる。フィッタ３０として好適な材料としては、アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン、インバー等の金属あるいはポリエーテルエーテルケルト（ＰＥＥＫ）等の合成樹脂が挙げられる。３個のフィッタ３０は、互いに、同一材料によって構成されていてよく、レンズ枠１０の線膨張率と光学レンズ５０の線膨張率とが略同じであれば、これらと略同じ線膨張率の材料によって構成され、レンズ枠１０の線膨張率が光学レンズ５０の線膨張率より大きい場合には、レンズ枠１０の線熱膨張率より大きい材料によって構成され、レンズ枠１０の線熱膨張率が光学レンズ５０の線熱膨張率より小さい場合には、フィッタ３０がレンズ枠１０の線熱膨張率より小さい材料によって構成されていればよい。

この設定により、レンズ枠１０の線膨張率と光学レンズ５０の線膨張率との大小関係があって、これらの熱膨張によってレンズ枠１０と光学レンズ５０とで径方向寸法が互いに異なって変化しても、フィッタ３０自身の熱膨張による径方向寸法の変化によってフィッタ３０の径方向の圧縮弾性変形量が大きく変化することがない。これにより、本実施形態のレンズ取付構造は、温度変化が過酷な雰囲気中で使用されても、光学レンズ５０の保持力の変動が少なく、光学レンズ５０は、倒れを生じることなく正しくセンタリングされた状態で、安定して保持される。

そして、フィッタ用凹部２０の内壁がフィッタ３０の径方向の弾性変形を阻害することがないから、熱膨張時のフィッタ３０の変形が阻害されることがなく、フィッタ３０が円筒形状を壊すような「いびつ」な形状に変形することがない。このことにより、フィッタ３０が熱膨張しても、３点支持方式による光学レンズ５０のセルフセンタリング性が損なわれることがない。

レンズ枠１０の前面１６には板ばね用凹部２２がレンズ枠１０の円周方向の３箇所に等間隔に形成されている。３個の板ばね用凹部２２は、フィッタ用凹部２０とは異なった円周方向位置にあり、各々、レンズ枠１０の軸線方向で見て略矩形で、所定の深さをもって前面１６を径方向に直線状に横切って延在している。板ばね用凹部２２には矩形の板ばね２４が板ばね用凹部２２に係合している。板ばね２４のレンズ枠１０の径方向内方の先端部２４Ａはレンズ枠１０から径方向内方に突出しており、光学レンズ５０のリム面５２に形成されている周溝５４に係合している。

レンズ枠１０の前面１６には、ねじ孔２６に螺合するボルト２８によって押え枠３２が固定されている。押え枠３２は、レンズ枠１０と同一外径且つ同一内径のものであり、レンズ枠１０との間に板ばね２４を挟み込んで当該板ばね２４をレンズ枠１０に固定している。板ばね２４の先端部２４Ａは、この固定によって弾性変形した状態で周溝５４の一方の側面５４Ａに当接し、光学レンズ５０の一方のレンズ面５６の外周縁部に形成されている円環状のフランジ面５８を対向するフランジ面１８に当接させるように光学レンズ５０を押し付ける。これにより、光学レンズ５０の光軸方向の位置決めが高精度に行われる。

光学レンズ５０の光軸方向の位置決めに際して光学レンズ５０のレンズ枠１０に対する光軸方向の移動が生じた場合、その移動は、３個のフィッタ３０と光学レンズ５０との光軸方向に延在する線接触部の摺動変位によってフィッタ３０を変形させることなく円滑に行われる。これにより、光学レンズ５０の光軸方向の位置決めが、光学レンズ５０の径方向の位置決めに影響を与えることがなく、３点支持方式による光学レンズ５０のセルフセンタリング性を損ねることがない。

レンズ枠１０に対する光学レンズ５０の取り付けは、フィッタ３０および光学レンズ５０を室温状態に保ち或いは冷却し、レンズ枠１０を加熱して熱膨張させる。熱膨張によってレンズ枠１０に内径と光学レンズ５０の外径との寸法差がフィッタ３０の外径に合致するか少し大きくなれば、光学レンズ５０を前側からレンズ枠１０のレンズ装着孔１２にフランジ面５８が対応するフランジ面１８に当接するまで挿入し、各フィッタ用凹部２０にフィッタ３０をセットする。

フィッタ３０のセット完了後、室温雰囲気で放置し、レンズ枠１０を室温に戻す。温度低下によってレンズ枠１０が元の寸法に収縮することにより、フィッタ３０が弾性変形し、フィッタ３０に予荷重を与えられた状態で、光学レンズ５０がフィッタ３０を介してレンズ枠１０に支持される。このように、焼きばめ式（あるいは冷やしばめ式）にフィッタ３０のセットが行われることにより、フィッタ３０のセットの際に光学レンズ５０に歪みや損傷を与える虞がない。

次に、各板ばね用凹部２２に板ばね２４を入れ、先端部２４Ａを光学レンズ５０の周溝５４に係合させる。この後に、レンズ枠１０の前側に押え枠３２をボルト２８によって固定する。これにより、レンズ枠１０に対する光学レンズ５０の取り付けが完了する。

次に、本発明による光学レンズの取付構造の実施形態２を、図４〜図７を参照して説明する。なお、図４〜図７において、図１〜図３に対応する部分は、図１〜図３に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

実施形態２は、フィッタ３０による光学レンズ５０の径方向の位置決めについては実施形態１と同じであるが、光学レンズ５０の光軸方向の位置決めが実施形態１とは異なる。実施形態２では、レンズ装着孔１２が一定の内径をもってレンズ枠１０の軸線方向の全体に延在しており、実施形態１におけるフランジ面１８が存在しない。

レンズ枠１０の前面１６には位置決め板用凹部３４がレンズ枠１０の円周方向の３箇所に等間隔に形成されている。３個の位置決め板用凹部３４は、フィッタ用凹部２０および板ばね用凹部２２の双方と異なった円周方向位置にあり、各々、レンズ枠１０の軸線方向で見て略矩形で、所定の深さをもって前面１６を径方向に直線状に横切って延在している。位置決め板用凹部３４には曲げ剛性が高い矩形の位置決め板３６が係合している。位置決め板３６も板ばね２４と同様に押え枠３２によってレンズ枠１０に固定され、レンズ枠１０の径方向内方の先端部３６Ａはレンズ枠１０から径方向内方に突出しており、光学レンズ５０の周溝５４に係合している。

板ばね２４は、弾性変形した状態で周溝５４の一方の側面５４Ａに当接し、光学レンズ５０を図６で見て右方へばね付勢している。これにより、周溝５４の側面５４Ａとは反対の側の側面５４Ｂが位置決め板３６の先端部３６Ａに押し付けられ、光学レンズ５０の光軸方向の位置決めが行われる。

この光軸方向の位置決めでは、光学レンズ５０のレンズ面５６がレンズ枠１０等に当接することがないから、光学レンズ５０の外周縁領域も光学的に有効に使用され得ると共にレンズ面５６に歪みや損傷を与える虞がない。また、光学レンズ５０のフランジ面５８の加工を省略することもできる。その他のことは実施形態１と同等の作用、効果が得られる。

以上、本発明を、その好適な実施形態について説明したが、当業者であれば容易に理解できるように、本発明はこのような実施形態により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、フィッタ３０は、横断面の外輪郭が円形であればよく、中実の円柱体によって構成されていてもよい。また、横断面の外輪郭が真円形に限られることはなく、横断面の外輪郭が楕円形であってもよい。光学レンズ５０の一方のレンズ面５６をフランジ面１８に押し付けるばね部材は周溝５４に係合する板ばね２４に限られることはなく、圧縮コイルばね等によって光学レンズ５０を光軸方向に付勢するものであってもよい。

また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

１０ レンズ枠
１２ レンズ装着孔
１４ 貫通孔
１６ 前面
１８ フランジ面
２０ フィッタ用凹部
２２ 板ばね用凹部
２４ 板ばね
２６ ねじ孔
２８ ボルト
３０ フィッタ
３２ 押え枠
３４ 位置決め板用凹部
３６ 位置決め板
５０ 光学レンズ
５２ リム面（外周面）
５４ 周溝
５４Ａ 側面
５４Ｂ 側面
５６ レンズ面
５８ フランジ面

Claims (6)

1. 円環状のレンズ枠の内側に光学レンズを取り付ける取付構造であって、
   前記レンズ枠の円周方向の複数箇所において、前記レンズ枠の内周面と前記光学レンズの外周面との間に、自身の中心軸線が前記光学レンズの光軸と平行になるように、且つ常温下において自身の径方向に弾性変形した状態で配置された横断面の外輪郭が円形のフィッタを有する光学レンズの取付構造。
2. 前記レンズ枠の線膨張率が前記光学レンズの線膨張率より大きい場合には、前記フィッタが前記レンズ枠の線熱膨張率より大きい材料によって構成されている請求項１に記載の光学レンズの取付構造。
3. 前記レンズ枠の線熱膨張率が前記光学レンズの線熱膨張率より小さい場合には、前記フィッタが前記レンズ枠の線熱膨張率より小さい材料によって構成されている請求項１に記載の光学レンズの取付構造。
4. 前記レンズ枠は前記光学レンズの一方のレンズ面の外周縁が当接するフランジ面を有し、前記レンズ枠には前記光学レンズを前記フランジ面に押し付けるばね部材が取り付けられている請求項１から３の何れか一項に記載の光学レンズの取付構造。
5. 前記光学レンズの外周面には周溝が形成されており、
   前記レンズ枠には、前記周溝に係合する位置決め板と、弾性変形した状態で前記周溝の一方の側面に当接し、前記周溝の他方の側面を前記位置決め板に当接させるように前記光学レンズを押し付ける板ばねとが取り付けられている請求項１から３の何れか一項に記載の光学レンズの取付構造。
6. 前記レンズ枠には軸線方向で見て前記フィッタの外径より大きい内径の略半円形をして前記レンズ枠の中心に向けて開口した凹部が前記フィッタ毎に形成され、当該凹部に前記フィッタが係合している請求項１から５の何れか一項に記載の光学レンズの取付構造。

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