JP6655891B2 - レンズユニットおよび車載カメラ - Google Patents

Description

本発明は、自動車等の車両に搭載される車載カメラに適したレンズユニットおよび車載カメラに関する。

近年、自動車に車載カメラを搭載し、駐車をサポートしたり、画像認識により衝突防止を図ったりすることが行われており、さらに自動運転への応用が試みられている。
このような車載カメラは、自動車が寒冷や暑熱の環境に曝されることにより同様に過酷な温度環境に曝され、さらに、自動車の外側に配置された車載カメラは、寒風や雪の影響を受けたり、太陽光により過熱状態とされたりする可能性がある。

したがって、自動車使用時に使用される車載カメラは低温から高温まで安定して使用できることが望まれ、様々な温度対策が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
近年、携帯電話（スマートフォン）等にカメラが組み込まれることなどにより、高性能でかつ低コストのカメラの需要が多く、比較的安価な樹脂レンズが普及している。
車載カメラにおいても樹脂レンズや樹脂製の鏡筒等の部材を使用可能であるが、車外に配置される車載カメラでは、上述のように低温や高温になったり、雨、雪、雹等に晒されたり、さらに跳ねた石や自動車からの落下物等が当たる可能性等があることから、耐久性を重視した場合に、ガラスレンズと金属製の鏡筒が採用されることも多い。

２００８−２９８９６８号公報

ところで、ある程度高性能のカメラの場合に、レンズとして例えば４枚以上のレンズからなるレンズ群を用い、このレンズ群の複数のレンズが鏡筒に光軸方向をそれぞれ揃えて一列に並べられた状態に保持されることになる。また、鏡筒内では、レンズの外周面が鏡筒の内周面に接触して沿った状態となるとともに、レンズ群の物体（被写体）側と撮像センサ側とが鏡筒の外側に出ないように挟まれた状態で鏡筒内に保持されている。したがって、レンズ群のレンズは、光軸方向に積み重ねられた状態であり、個々のレンズが鏡筒に固定された状態とはなっていない。

このような複数のレンズからなるレンズ群を光軸方向に並べた状態に鏡筒が保持する場合に、鏡筒の光軸方向に沿った長さが長くなり、鏡筒を膨張率が比較的大きな金属とした場合に、温度変化による光軸方向に沿った長さの変化量が大きくなる。それに対してガラスレンズの線膨張率が一般的に金属より小さく、例えば、鏡筒の温度上昇による光軸方向の伸び量が、レンズ群全体の光軸方向の伸び量より大きくなる。

この場合に、レンズ群のレンズ間に隙間が生じる可能性があり、これによりレンズが少しだけ倒れるように傾いた状態となり、鏡筒の軸方向に対してレンズの光軸方向が少しだけずれる可能性がある。このように鏡筒内のレンズが動いた場合に、例えば、車載カメラで撮影された映像をモニタ上に映した場合に、レンズが少し動くことにより、モニタ上の映像が少し動くことになる。すなわち、レンズ間の隙間によりレンズが動くことで、撮像範囲にずれが生じ、これにより撮像された映像の位置がずれることになる、

単に映像を見ながら撮影し、撮影した映像を表示するだけなら、撮影時にカメラを動かすことにより撮像範囲を決められるので、このような映像の少しの動きは大きな問題とならないが、上述の駐車のアシストや画像認識による衝突防止に車載カメラを用いている場合に、問題となる場合がある。例えば、駐車のアシストでは、モニタ上に、車載カメラで撮影した映像とともに運転者の駐車操作を案内するためのガイドライン（太いラインの表示）が表示される場合が多いが、上述のようにモニタ上の映像が動くと、ガイドラインと映像との位置関係にずれが生じ、ガイドラインに沿って適切な位置に駐車することが困難になる虞がある。また、衝突防止においては、映像に基づいて、車両と外部の物体との位置関係を求めているので、映像がずれると問題が生じる虞がある。なお、鏡筒やレンズが樹脂製であっても、鏡筒とレンズとの材質の違いにより上述のような温度変化による問題が生じる可能性がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、温度変化によって鏡筒に支持されたレンズが動くのを防止できるレンズユニットおよび車載カメラを提供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、
少なくとも４枚以上の複数のレンズが当該レンズの光軸に沿って並べられたレンズ群と、前記レンズ群を一体に支持する鏡筒と、前記レンズ群を構成する前記複数のレンズの間でレンズ面間距離に対する結像の感度である面間感度が最も低くなる位置に配置される環状のスペーサとを備え、
前記スペーサが前記レンズの光軸方向に伸長可能になっていることを特徴とする。

このような構成によれば、温度上昇による鏡筒とレンズとの線膨張率の違いによりレンズ群のレンズ同士の間に光軸方向に沿った隙間が生じるような場合にスペーサが光軸方向に伸長し、レンズ間に隙間が生じるのを防止することができる。これによりレンズ間の隙間が生じた際に例えば一部のレンズが斜めになって、撮像範囲が変化するのを抑制することができる。これにより、車載カメラを用いた駐車のアシスト、衝突防止、自動運転等において、高温時の信頼性を向上することが可能になる。なお、光軸方向に伸長可能なスペーサは、例えば、ゴムやばね等の弾性部材からなり、光軸方向に圧縮された状態で配置されていることが好ましい。また、スペーサは、高分子アクチュエータのように光軸方向に伸縮可能な部材であってもよい。

本発明の上記構成において、前記スペーサが弾性体であることが好ましい。
このような構成によれば、例えば、各種ゴムやゴム状の樹脂や、各種ばね（金属製の皿ばねや波ばね等）を用いることができ、比較的低コストで、温度上昇時にレンズ間に隙間が生じるのを防止することができる。なお、基本的にスペーサは圧縮された状態でレンズ間に配置されるので、レンズ等に弾性力が作用するが、特に問題が生じないレベルの弾性力で高温時に、レンズ間に隙間が生じるのを抑制できる。

本発明上記構成において、前記スペーサがばねであることが好ましい。
このような構成によれば、前記伸縮可能なスペーサを金属製とすることが容易であり、耐久性を得易い構造とすることができる。すなわち、ばねの場合に金属製の製品が多く、伸長可能なスペーサを金属製とすることにより、耐久性の向上を図り易くなる。

本発明の前記構成において前記スペーサが波ばねであることが好ましい。
このような構成によれば、伸長するスペーサとして波ばね用いることにより、圧縮時の光軸方向に沿った長さが短く、かつ、熱膨張によるレンズ間の隙間を埋めるのに十分な長さを伸長させることが可能であり、伸長するスペーサを配置するためにレンズ間の間隔が長くなるような設計をする必要がない。

本発明の車載カメラは、前記構成の前記レンズユニットを備えることを特徴とする。
このような構成によれば、上述のレンズユニットの作用効果を車載カメラで得ることができる。

本発明によれば、自動車等の車両に搭載される車載カメラのように高温や低温で使用される可能性があるレンズユニットにおいて、低温時に十分使用可能で、高温時に撮像範囲がずれるのを抑制できる。

本発明の第１の実施の形態の車載カメラのレンズユニットを示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態の車載カメラのレンズユニットを示す断面図である。

以下、本発明の第１の実施の形態について説明する。
本実施の形態のレンズユニットは、車載カメラ用のものであり、例えば、自動車の外表面側に固定して設置され、配線は自動車内に引き込まれてディスプレイやその他の装置に接続される。

図１に示すように、この実施の形態の車載カメラのレンズユニット２０は、円筒状の鏡筒１と、鏡筒１内に配置される複数（６枚）のレンズ２，３，４，５，６，７と、鏡筒１のレンズ２，３，４，５，６，７が像を結ぶ（結像）側（撮像センサ８が配置される側）の一方の端部に配置される光学フィルタ９と、撮影される物体側の他方の端部で鏡筒１内のレンズ２を押さえる押え部材１８と、３つの絞り部材１０，１１，１２と、３つのスペーサ（中間環）１３，１４，１５とを備える。本実施の形態の車載カメラは、上述のレンズユニット２０と、撮像センサ８を有する基板１６と、撮像センサ８を備える基板１６に対して鏡筒１を位置決めした状態に支持する支持部材（マウント）１７と、当該基板１６を自動車に設置する図示しない設置部材とを備えるものである。

鏡筒１に固定されて支持されている複数のレンズ２．３．４．５．６．７は、それぞれの光軸を一致させた状態に配置されており、１つの光軸に沿って各レンズ２，３，４，５，６，７が並べられた状態となって、撮像に用いられる１群のレンズ群１９を構成している。したがって、以下に単に光軸と記載した場合に、各レンズ２，３，４，５，６，７の光軸を示すとともにレンズ群１９の光軸を示すものである。

３つの絞り部材１０，１１，１２のうちの物体側（鏡筒１の他方の端部）から１番目の絞り部材１０は、物体側から１番目のレンズ２と２番目のレンズ３との間に配置されている。物体側から２番目の絞り部材１１は、物体側から２番目のレンズ３と３番目のレンズ４との間で、これらレンズ３，４の間に光軸方向に沿って並んで配置されたスペーサ１３とスペーサ１４との間に配置されている。物体側から３番目の絞り部材１２は、物体側から４番目のレンズ５と６番目のレンズ７との間に配置されたスペーサ１５と、６番目のレンズ７との間に配置されている。

中間環である環状のスペーサ１３，１４，１５のうちの物体側から１番目のスペーサ１３と２番目のスペーサ１４は、上述のように２番目のレンズ３と３番目のレンズ４との間に配置されている。この二つスペーサ１３．１４のうちの物体側の１つのスペーサ１３が弾性部材からなるとともに、圧縮された状態で、レンズ３とレンズ４との間に配置されている。詳細には、スペーサ１３がレンズ３と、スペーサ１４を介してレンズ４との間に配置されている。

スペーサ１３は、弾性部材としてばねからなっている。また、スペーサ１３は、環状の波ばね（ウェーブワッシャ）からなっている。波ばねは、例えば、円板状で中央部に孔があいた環状となっているとともに、上述の円板に直交する軸方向に沿う位置が周方向の位置によって変化することで周方向に沿って波打った形状となっている。

波バネは、板ばねの一種であり、上述の軸方向に圧縮した場合に軸方向に伸長可能となるので、温度上昇時に鏡筒１とレンズ２〜７との線膨張率の違いにより、レンズ２〜７間に隙間が生じた場合に、光軸方向に圧縮されてレンズ２〜７間に配置されたスペーサ１３が伸長することにより、レンズ２〜７間に隙間が発生するのを防止するようになっている。

鏡筒１は、物体側の他方の端部の外周に雄ねじ部が形成され、この雄ねじ部に環状の押え部材１８の内周に形成された雌ねじ部が螺合して、押え部材１８が鏡筒１の他方の端部に固定されている。この押え部材１８の内径が小さくなった係止部１８ａと、鏡筒１の一方の端部の内周側に内径が小さくなるように内側に突出して形成された係止部１ａとの間に挟まれた状態で、上述の６つのレンズ２，３，４，５，６，７と３つの絞り部材１０．１１．１２と、３つのスペーサ１３，１４，１５とが配置されている。

鏡筒１は、支持部材１７の内周面に接合されて支持部材１７に支持されている。また、支持部材１７は、概略円筒状に形成され、その内側に鏡筒１が配置され、鏡筒１の外周側と支持部材１７の内周側が接合されている。また、支持部材１７の撮像センサ８側の端部は、撮像センサ８が搭載された基板１６に固定されている。これにより支持部材１７は、鏡筒１を有するレンズユニット２０を撮像センサ８に位置決めした状態で支持している。

また、本実施の形態において、各レンズ２〜７は、ガラス製であり、例えば、所謂光学用ガラスからなっており、鏡筒１およびスペーサ１４，１５は、金属製であり、例えば、アルミ合金からなっている。

このようなレンズユニット２０および車載カメラにおいては、上述のように。押え部材１８の係止部１８ａと、鏡筒１の一方の端部の係止部１ａとの間に６つのレンズ２，３，４，５，６，７と３つの絞り部材１０．１１．１２と、３つのスペーサ１３，１４，１５とが挟まれた状態で配置されている。このような車載カメラでは、使用可能な温度範囲が広いことが好ましく。例えば、-４０℃〜１０５℃までの範囲で使用できることが好ましい。この場合に、例えば、常温の範囲である２５℃を基準にして設計を行った場合に、１０５℃までの範囲内であっても、温度が上昇すると、積み重ねるように配置されたレンズ２，３，４，５，６，７と３つの絞り部材１０．１１．１２と、３つのスペーサ１３，１４，１５との光軸方向に沿った長さの総和の熱膨張による変化量と、鏡筒１の光軸方向に沿った長さ（係止部１８ａから係止部１ａまでの長さ）の熱膨張による変化量とに差が生じ、レンズ２〜７間に隙間が生じることになる。

この場合に、レンズ群１９のレンズ２，３，４，５，６，７間に隙間が生じ、各レンズ２，３，４，５，６，７または一部のレンズ２，３，４，５，６，７が、光軸方向が傾くように移動する虞がある。この場合に、撮像範囲が変化してしまう。車載カメラでなく、撮影者がカメラを動かしながら撮影範囲を確認して撮影する場合には、上述のようにレンズ２，３，４，５，６，７が移動することで撮影範囲が変わっても、撮影者がカメラを動かして撮影範囲を決めるので問題ない。しかし、車載カメラは、車両に位置決めして固定されており、例えば、車載カメラの映像を用いて駐車を案内する場合に、モニタに表示されるガイドラインの位置と表示される映像の位置とがずれることで、駐車の操作が難しくなる虞がある。

また、衝突防止や自動運転の場合のように画像認識により外部の物体と車体との接触を防止するような場合に撮影方向がずれることで、精度が低下する虞がある。本実施の形態のレンズユニット２０および車載カメラでは、レンズ２，３，４，５，６，７間に隙間が生じるような状態になると、光軸方向に圧縮して配置された波ばねからなるスペーサ１３が光軸方向に伸長し、レンズ２，３，４，５，６，７間に隙間が生じるのを防止する。これにより、温度が上昇してもレンズ２，３，４，５，６，７が動くようなことがなく、上述のように車載カメラを用いた駐車の案内、衝突防止、自動運転等において、レンズ２，３，４，５，６，７が動くことによる問題の発生を防止することができる。

なお、スペーサ１３としては、光軸方向に伸長させることが可能な高分子アクチュエータ等の使用も可能であるが、コストを考慮した場合に弾性体を用いることが好ましい。弾性対としては、例えば、ゴムやゴム状の樹脂を用いることができる。

また、スペーサ１３をばねとする場合に、波ばね以外に皿ばねやその他の板ばねを有効に利用可能である、また、ばねとしてコイルスプリングを用いてもよい。

また、本実施の形態では、レンズ２，３，４，５，６，７をガラス製とし、鏡筒１を金属としたが、これらが樹脂であっても、材質の違い等による熱膨張率の違いによって、上述のようにレンズ群１９の熱膨張による変位量と、鏡筒１の熱膨張による変位量との間に差が生じる場合には、本発明を適用することが可能である。

光軸方向に伸長可能なスペーサ１３の配置位置は、基本的に伸長した場細にレンズ２，３，４，５，６，７を光軸方向に押圧するようになっていればよいが、各レンズ２，３，４，５，６，７の間で最も面間感度が低くなる位置に配置することが好ましい。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
第２の実施の形態のレンズユニット２０は、図２に示すように、第１の実施の形態の波ばねからなるスペーサ１３に代えて、例えば、スペーサ１４，１５と同様の材質からなるスペーサ１３ａを備える。また、レンズ群１９の物体側の端部に配置されるレンズ２と、鏡筒１の物体側端部に接合された押え部材１８の係止部１８ａとの間に弾性体としての波ばねからなる環状のスペーサ１３ｂが配置されている。すなわち、第２の実施の形態におけるレンズユニット２０は、第１の実施の形態の波ばねからなるスペーサ１３に代えて波ばねからなるスペーサ１３ｂが備えられたものである。以下の説明において、第１の実施の形態と同様の構成要素は、図２に図１の符号と同じ符号を付して、その説明を省略する。

スペーサ１３ｂは、レンズ群１９と押え部材１８との間に圧縮した状態で配置されており、光軸方向に伸長可能な状態となっている。したがって、レンズ群１９は、鏡筒１内で常時物体側から結像側（センサ側）に押された状態となっている。すなわち、レンズ群１９は、スペーサ１３ｂにより、全体が鏡筒１の係止部１ａに向かって押し付けられた状態となっている。

このようなレンズユニットによれば、温度上昇時に鏡筒１が熱膨張して光軸方向にレンズ群１９より延びた場合に、レンズ群１９を結像側の係止部１ａに押し付けることで、レンズ群１９の各レンズ２，３，４，５，６，７間に隙間が生じるのが防止され、第１の実施の形態と同様の優れた作用効果を奏することができる。

また、第１の実施の形態では、弾性を有して伸長可能な波ばねからなるスペーサ１３が
レンズ２とレンズ３との間、すなわち、レンズ群１９のレンズ間に配置されていたのに対して、第２の実施の形態では、波ばねからなるスペーサ１３ｂがレンズ群１９の物体側と、レンズ群１９の物体側を押さえてレンズ群１９を鏡筒１内に保持する係止部１８ａとの間に配置されている。

これにより、第１の実施の形態では、温度上昇時に鏡筒１が光軸方向に沿ってレンズ群１９より伸びた場合にスペーサ１３が光軸方向に伸長することにより、レンズ２とレンズ３との間の距離がレンズ群１９の熱膨張による伸びに基づく変化量より大きく変化することになり、これがレンズ群１９の結像に影響することになる。

それに対して、第２の実施の形態では、例えば、温度上昇時に鏡筒１が光軸方向に沿ってレンズ群１９より伸びた場合にスペーサ１３ｂが光軸方向に伸長することにより、レンズ群１９全体が鏡筒１の結像側の係止部１ａに押し付けられるので、レンズ群１９において、レンズ間の距離がスペーサ１３の部分だけ大きく伸びるようなことがなく、レンズ群１９へのスペーサ１３ｂの伸長による影響が小さくなる。

また、レンズ群１９は、スペーサ１３ｂにより結像側に押し付けられているので、レンズ群１９と鏡筒１の係止部１ａとに間にスペーサを配置して、このスペーサが伸長した場合に比較して、レンズ群１９と撮像センサ８との間の距離の変化が少なく、スペーサ１３ｂの伸長による影響を抑止できる。

なお、上述のようにレンズ群１９と撮像センサ８との距離が伸びる虞があるが、波バネ等の弾性体からなるスペーサをレンズ群１９の撮像側の端部に配置するものとしてもよく、第１の実施の形態と略同様の作用効果を得ることができる。

１ 鏡筒
２，３，４，５，６，７ レンズ
１３ スペーサ（伸長可能なスペーサ）
１９ レンズ群
２０ レンズユニット

Claims (8)

1. 少なくとも４枚以上の複数のレンズが当該レンズの光軸に沿って並べられたレンズ群と、前記レンズ群を一体に支持する鏡筒と、前記レンズ群を構成する前記複数のレンズの間でレンズ面間距離に対する結像の感度である面間感度が最も低くなる位置に配置される環状のスペーサとを備え、
   前記スペーサが前記レンズの光軸方向に伸長可能になっていることを特徴とするレンズユニット。
2. 前記スペーサが弾性体であることを特徴とする請求項１に記載のレンズユニット。
3. 前記スペーサがばねであることを特徴とする請求項１に記載のレンズユニット。
4. 前記スペーサが波ばねであることを特徴とする請求項３に記載のレンズユニット。
5. 前記鏡筒が金属製であり、前記レンズ群を構成する前記複数のレンズが光学ガラス製であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のレンズユニット。
6. 前記スペーサは、圧縮されて配置されるとともに、温度変化による前記鏡筒と前記レンズ群との光軸方向に沿う相対的な移動に伴って前記レンズ間に隙間が生じないように伸長することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のレンズユニット。
7. 少なくとも４枚以上の複数のレンズが当該レンズの光軸に沿って並べられたレンズ群と、前記レンズ群を一体に支持する鏡筒と、前記レンズ群を構成する前記複数のレンズの間でレンズ面間距離に対する結像の感度である面間感度が最も低くなる位置に配置される弾性部材からなるスペーサとを備えることを特徴とするレンズユニット。
8. 請求項７に記載のレンズユニットと、
   撮像センサを有する基板と、
   前記基板に対して前記レンズユニットを位置決めした状態に支持する支持部材と、
   を備えることを特徴とする車載カメラ。

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