JP7117879B2 - レンズユニット - Google Patents

Description

本発明は、監視カメラや車載カメラ等で使用されるレンズユニットに関し、特にレンズを鏡筒内に組み込み収納する手段として、圧入固定を行うレンズユニットに関する。

近年、監視カメラや車載カメラ等が普及している。監視カメラや車載カメラ（以下、車載カメラ等という）に搭載するレンズユニットは、使用環境が多岐に亘り、寒冷地から熱帯地方での使用を考慮に入れなければならず、低温から高温までの使用環境温度範囲で安定した性能が望まれる。

鏡筒へのレンズ収納方法としては、レンズの外径を鏡筒の内径よりも小さくし、鏡筒の開口部より螺子固定される押え環（リテーナ）を用いてレンズを挟み込む方法や、レンズの外径を鏡筒の内径よりも大きくして、圧力を加えて組み込む圧入固定方法が採用されている。

前者の押え環としては、鏡筒内に複数枚のレンズを挿入後、接着剤にて固定し、最終的に押え環に締め付ける方法が提案されている（特許文献１）。
一方、後者の圧入方法は、部品点数も少なく、簡便な組み込み方法ではあるが、圧入量の制御が難しい。圧入量を大きくするとレンズに対して大きな負荷が発生し、レンズに歪みが生じて光学性能を劣化させてしまう。逆に圧入量を少なくすると、高温環境下では、鏡筒とレンズ素材の線膨張率の違いから、レンズと鏡筒との嵌合部に緩み（ガタ）が発生する場合もあった。また、振動を受ける環境下にある場合、熱と振動とが相まってレンズ間の緩みがより大きくなる場合がある。そのため、レンズと鏡筒の間に緩衝部を設けて圧入することも提案されている（特許文献２）。

さらに、鏡筒へレンズを接着固定する方法は、部品点数が少なくなる反面、接着剤の多くは紫外線硬化型が使用されているため、硬化が不十分であると接着力の低下が生じ、ガタを発生させるおそれがある。また、接着が均等に行われなかったり、接着剤の成分が気化してレンズに付着して曇りを生じるなどのおそれもある。
一方、緩衝部材を用いた圧入方式では、部品点数を抑えることができず、結果的にはコストアップになる恐れもあった。

それゆえ、鏡筒にレンズを圧入方式で組み込む際に、鏡筒やレンズに生じる圧力を低減させ、且つ振動時や高温環境下においても圧入後にガタが生じないレンズユニットが望まれている。

特開２００９－２４４３９３号公報 特許６１８２３８０号公報

本発明の課題は、レンズを鏡筒に圧入方式で組込む際に、鏡筒およびレンズに生じる圧力を低減させ、且つ圧入後に鏡筒とレンズとの間にガタが生じないレンズユニットを提供することである。

上記課題を解決するための本発明の実施形態は、以下のような構成を有する。
（１）複数のレンズが樹脂製の鏡筒内に組み込まれたレンズユニットであって、前記複数のレンズが、前記鏡筒内に圧入された中間レンズ群と、この中間レンズ群の光軸方向両側に配置され、リテーナにより前記鏡筒内に締結された両末端レンズと、を含むことを特徴とするレンズユニット。
（２）前記リテーナが弾性体で構成されている（１）記載のレンズユニット。
（３）前記鏡筒の内周面には、鏡筒内に弦状に突出し、組み込まれた中間レンズ群が圧入される少なくとも１つの突出部が形成されている（１）または（２）に記載のレンズユニット。
（４）前記鏡筒は、肉厚部と肉薄部とを有し、前記肉薄部には、内周面に前記突出部が形成された部位を含む領域の外周面に凹部が形成されている（３）に記載のレンズユニット。
（５）前記突出部が、前記鏡筒の内周面に所定間隔で形成される（３）または（４）に記載のレンズユニット。
（６）前記鏡筒の内周面には、鏡筒両端部よりレンズを組み込む際にレンズの一方の面の周縁が当接する基準位置となる突出部が形成されている（３）から（５）のいずれかに記載のレンズユニット。

本発明によれば、鏡筒内に最低限の圧入圧で中間レンズ群が組み込まれており、且つ中間レンズ群の光軸方向両側に配置され、リテーナにより前記鏡筒内に両末端レンズが締結されているので、鏡筒やレンズに生じる圧力を低減させることができる。さらに、樹脂製の鏡筒が環境温度変化に伴う線膨張を吸収できるので、圧入後に温度変化によってレンズにガタが生じることはない。

本発明の一実施形態に係るレンズユニットを有するカメラを示す斜視図である。 図１に示すレンズユニットの断面図である。 図１に示すレンズユニットの破断斜視図である。 図１に示すレンズユニットの鏡筒を示す斜視断面図である。 本発明の別の実施形態に係るレンズユニットを示す断面図である。 図５に示すレンズユニットの斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るレンズユニット１０を含むカメラ１００示している。このレンズユニット１０は樹脂製の鏡筒２と、この鏡筒２内に組み込まれた複数のレンズ１（第１レンズ１１～第６レンズ１６）とから構成される。

図２に示すように、複数のレンズ１は、第２レンズ１２～第５レンズ１５（以下、中間レンズ群１ａという）と、この中間レンズ群１ａの光軸方向両側に配置される第１レンズ１１および第６レンズ１６（以下、それぞれを両末端レンズ１ｂという）とを含む。中間レンズ群１ａは鏡筒２内にそれぞれ圧入して組み込まれている。両末端レンズ１ｂは、それぞれ最も被写体（物体）側の第１レンズ１１および最も像面（センサー）側の第６レンズ１６を含み、リテーナ３により鏡筒２内に締結される。

レンズ１の材質は特に限定されず、例えばガラスレンズ、薄肉ガラスレンズ、樹脂レンズなどが用いられ、用途に応じて適宜組み合わせて使用される。レンズ１の枚数、径、厚みなども鏡筒２に組み込むことが可能であればそれぞれ異なっていてもよい。

鏡筒２は内部にレンズ１を収容する樹脂製の筒状部材であり、物体側および像面側の両末端に開口部を有する。

鏡筒２は、使用環境温度範囲にてレンズを鏡筒に保持可能な必要最低限の圧入圧（光軸と直角方向にレンズに生じる圧力）をシミュレーションして設計されるのがよい。圧入圧は２０～７０ＭＰａ、さらに好ましくは２０～６０ＭＰａであるのがよい。圧入圧を設定することで、レンズ１へ与える悪影響が抑制され、線膨張係数の異なる硝材を使用することもできる。鏡筒２の使用環境温度範囲は－４０～＋１０５℃、さらに好ましくは－４０～＋１２５℃である。なお、この温度範囲はレンズ１を含む他の部材にも適用されてもよい。

このような鏡筒２は、射出成形（モールド成形）などによる成形の容易さ、軽さ、およびコストの点から樹脂製である。例えばポリカーボネート（ＰＣ）樹脂やポリフェチレンサルフェイド（ＰＰＳ）樹脂などがよい。特に、ＰＰＳ樹脂は、剛性や強度が高く、好適に使用される。また、より高強度、低線膨張にするために、例えばガラス繊維を樹脂中に混入してもよい。

図２および図３に示すように、鏡筒２の端部には、レンズ１１およびレンズ１６がリテーナ３により装着される。リテーナ３は環状部材であり、鏡筒２の物体側および像面側の端部に光軸方向と平行に取り付けられ、鏡筒２の端部の第１レンズ１１、第６レンズ１６の両末端レンズ１ｂをそれぞれ鏡筒２に挟み込むように締結するものである。リテーナ３は、両末端レンズ１ｂを押さえるだけではなく、中間レンズ群１ａを鏡筒２の内側方向へ押さえてもよい。すなわち、両末端レンズ１ｂが当接する第２レンズ１２および第５レンズ１５を鏡筒２の内側方向へ押さえることができる。さらに、中間レンズ群１ａは、後述するように隣り合うレンズ同士が間隔環６に当接している場合、レンズ１全体を押さえることができる。

鏡筒２へのリテーナ３の締結方法は、締結するレンズにガタが生じなければ特に限定されず、例えばリテーナ３の内周面側および鏡筒２の両末端の外周面側にそれぞれネジを切って螺合する方法や、リテーナ３と鏡筒２とを嵌合させた後、外側からネジ（図示せず）でネジ止めする方法などが挙げられる。

リテーナ３は、レンズユニットに対して環境温度変化に伴う線膨張を吸収し、安定した光軸方向の押圧力を付与するため弾性体で形成されているのがよい。このリテーナ３の弾性変形による応力で両末端レンズ１ｂを鏡筒２内へ押圧して、より確実に固定することができる。例えばアルミニウムなどの金属素材やＰＰＳなどの樹脂素材などが挙げられる。また、リテーナ３には、開口部側から内側へレンズ１１、１６を押圧するような押さえ部（例えば板バネ）などが設けられていてもよい。

図３および図４に示すように、鏡筒２の内面のうち、圧入される中間レンズ群１ａが組み込まれる箇所の内周面は、圧入されるレンズを受けるための突出部５が設けられ、略円周面形状（多角形状）となっているのがよい。この突出部５は、圧入されたレンズ１の外径を保持するため、鏡筒２内に弦状（Ｄ字型）に突出している。突出部５の突出量は、絞り４で絞り込まれた光線を遮ることが無い程度の突出量であるのがよい。突出部５の突出方向の高さは０．１１５～０．１０５ｍｍであり、その厚みはレンズのコバ以上であるのがよい。また、突出部５とレンズとの接触面積は大きい程よい。接触面積が大きいと応力が低くなり、レンズ保持が確実となり、小さいと応力が大きくなり突出部５が塑性変形してレンズガタが生じる恐れがある。。

突出部５は、鏡筒２の内面の全周にわたって設ける必要はなく、レンズ１の外径を保持するために少なくとも１つあればよく、より好ましくは、内周面の突出部５同士の間に所定間隔を空けて設けるのがよい。例えば鏡筒２の内周を３等分や４等分するように、所定間隔を空けて３箇所や４箇所設けるのがよい。所定間隔を空けて突出部５を設ける場合、レンズ１の外周面と突出部５とが当接する状態であっても、レンズ１の外周面と鏡筒２の内周面との間に空気を通す隙間が生じる。そのため、隣り合うレンズ１同士の間が密閉された状態とならず、圧力を逃すことができ、鏡筒２の形状が変形するのをより抑制できる。

突出部５は、圧入される中間レンズ群１ａのレンズ毎に設けられ、レンズの径に応じて、形状や設置箇所が異なっていてもよい。また、突出部５は、鏡筒２と樹脂成形などで一体成形されていてもよいし、鏡筒２に別部材を取り付けてもよい。

図４に示すように、鏡筒２は、中間レンズ群１ａが圧入される外周面がレンズの外径に対応して鏡筒２の厚みが異なり、肉厚部２ａと肉薄部２ｂとを有する。この肉薄部２ｂには、鏡筒２内周面に突出部５が形成された部位を含む領域の外周面に凹部８が形成される。凹部８は、突出部５が形成された部位を含む領域の鏡筒２の外周面を例えば肉抜きして設けることができる。この凹部８は、鏡筒２における突出部５の配置箇所と配置数に対応させるのがよい。

従来、鏡筒２に中間レンズ群１ａを圧入すると、鏡筒２の剛性が大きいため、鏡筒２の内径と圧入するレンズ１の外径との差によって、大きな応力が発生してしまう。しかしながら、凹部８を設けることで、レンズ収容箇所の鏡筒２の剛性を緩和してレンズ１の圧入圧を下げることができる。これにより、従来は圧入により大きな負荷が発生して、歪みが生じ光学性能が劣化していた樹脂レンズや薄肉ガラスレンズなどのレンズを、中間レンズ群１ａとして鏡筒２に圧入して使用することができる。

鏡筒２は、上記した他にも基準位置９、間隔環６などを有していてもよい。

絞り４は、第２レンズ１２と第３レンズ１３との間に設けられ、所定の口径を開口させてレンズに入る光量を制御する薄板部材である。絞り４としては、透過光量を制限し、明るさの指標となるＦ値を決定する開口絞り、あるいはゴーストや収差の原因となる光線を遮光する遮光絞りがある。絞り４には間隔環６または第３レンズ１３が当接していてもよく、この事によりレンズ間隔の保持という効果がある。この絞り４の材質としては、耐久性などの点から金属製がよく、金属としては例えばステンレス鋼、アルミニウム等が挙げられ、ステンレス鋼であるのが好ましい。

基準位置９は、中間レンズ群１ａを鏡筒２に圧入する際、レンズの配置の基準となるもので、最初にレンズを配置するレンズ面の当接箇所を指す。本実施例では、この基準位置９は、鏡筒２の線膨張に対して、レンズ１の変化量と鏡筒２の変化量とを折り合いをつけるために、レンズ全体の略中間位置（第３レンズ１３と第４レンズ１４との間の位置）に設けるのがよい。基準位置９をレンズの略中間位置に設ける方が、絞り位置やレンズ全体の一方側に設けるよりもレンズユニット１０をコンパクト化できるという効果がある。なお、基準位置９はレンズの枚数や性能などに応じて適宜変更してもよいが、基準位置９を中心にした前後のレンズ枚数が同じ方が、歪みが発生しにくい。

図４に示すように、基準位置９は、鏡筒２内に、第３レンズ当接基準面９３と第４レンズ当接基準面９４とがそれぞれ像面側と物体側とに傾斜して屋根型に突出して形成される。この第３レンズ当接基準面９３および第４レンズ当接基準面９４に、それぞれ第３レンズ１３および第４レンズ１４が当接し適切な位置で保持される。この基準位置９の内周面は円形状となっている。第３レンズ当接基準面９３と第４レンズ当接基準面９４とが、それぞれ傾斜しているのは、撮像に影響が出てしまう内面反射を防止するためであり、また鏡筒２との一体成型時に金型を引き抜くのを容易にするためである。

基準位置９に基づいて、レンズユニットの基準温度（約２０℃）に対して、環境温度が低温側（－４０℃）から高温側（１２５℃）へ変化した場合に生じる、レンズ焦点距離変動と鏡筒２の膨張・収縮とを光学的に補償できるように光学設計を行う。このとき、基準位置９をレンズ全体の略中間位置に配置すると、物体側もしくは像面側端部に基準を設定するよりも、少ない変化量を考慮した補償設計が可能となる。そのため、レンズユニットの光学設計が容易となり、より安定した光学性能を得ることができる。例えば、鏡筒２に第１レンズ１１～第６レンズ１６を設置する場合、まず、この基準位置９に、鏡筒２の物体側より第３レンズ１３を組み込み、像面側より第４レンズ１４を組み込む。次に、第１レンズ１１および第２レンズ１２を鏡筒２の物体側より、第５レンズ１５および第６レンズ１６を像面側より組み込むのがよい。このとき、第１レンズ１１および第２レンズ１２を含む負の屈折力を有する前群は、第３レンズ１３～第６レンズ１６を含む正の屈折力を有する後群と、開口した絞り４を挟んで構成される。このように、レンズ全体で、前群と後群との光軸上長さに不均衡が生じる場合、レンズ全体の略中間位置に基準位置９を設けると、環境温度が変化した場合に生じる、レンズ焦点距離変動と鏡筒２の膨張・収縮とを光学的に補償でき、光学性能が安定する。一方、基準位置９が上記の条件を満たさない場合、光学的に補償できなくなることがあり、光学性能が悪化する場合がある。

間隔を空けて配置される第２レンズ１２と第３レンズ１３、第４レンズ１４と第５レンズ１５間には、それぞれ隣り合うレンズ同士の間隔を保持するための間隔環６が設けられていてもよい。間隔環６は鏡筒２内に配置される部材であり、鏡筒２と一体成型されていてもよいし、別部材であってもよい。この間隔環６の外周面は鏡筒２の内周面と当接する。間隔環６は温度変化に対する変化量が少なく、且つ剛性が大きくなることから、金属で形成するのがよい。金属製の間隔環６は、広い温度領域において安定した光学性能を確保することができる。このような間隔環６の材質としては、例えばアルミニウム、チタン、マグネシウム、ステンレス鋼等、またはそれらを主成分とする合金等が挙げられ、特にアルミニウムが軽量化と低コストの面から好ましい。なお、第２レンズ１２および第３レンズ１３間では、この間隔環６と第３レンズ１３間に絞り４が設けられている。

第５レンズ１５および第６レンズ１６は、接合されたレンズ（以下、接合レンズという）であってもよい。接合レンズは温度変化に伴う光軸方向の応力が接合面に作用しないように、第６レンズ１６より小径の第５レンズ１５を物体側に配置して保護するのがよい。また、第５レンズ１５および第６レンズ１６を貼り合わせることで、色収差の発生を改善すると共に、レンズ枚数が増えた場合であってもレンズ組み込み時に発生するズレの影響を小さく、つまり組み込み感度がより低くなるよう設計することができる。この接合レンズと第４レンズ１４とは、間隔環６にて間隔規定されているのがよい。

以上の本発明の説明では、５群６枚構成の光学系を例に説明したが、レンズ枚数や構成については限定されるものではなく、用途に応じて適宜変更可能である。

（実施例）
これまでの説明では、５群６枚の光学系をベースに説明したが、本実施例では、図５および図６に示すような、７群７枚のレンズ７（第１レンズ７１～第７レンズ７７）および鏡筒２０を用いたレンズユニット１１０を使用して、レンズおよび鏡筒にかかる応力の負荷のシミュレーションを実施した。また本実施例における組み込み基準位置９は、第２レンズ７２と第３レンズ７３の間に設定した。

実施例として、図５および図６に示すレンズユニット１１０を用意した。レンズユニット１１０の７枚のレンズ７１～７７は、鏡筒２０内に圧入される第２レンズ７２～第６レンズ７６（以下、中間レンズ群７ａという）と、鏡筒２０の両末端に締結される最も物体側の第１レンズ７１および最もイメージセンサー９９側（像面側）の第７レンズ７７（以下、両末端レンズ７ｂという）とを含む。中間レンズ群７ａは、鏡筒２０内にそれぞれ圧入して組み込まれ、鏡筒２０内の弦状の突出部５で外径を保持される。中間レンズ群７ａの各レンズ間には、レンズ同士の間隔を保持するための間隔環６が設置される。また、第２レンズ７２の後端に設けられた間隔環６の後端には絞り４が設置される。鏡筒２０の内周面には、鏡筒２０の両端部よりレンズ７を組み込む際に、レンズ７全体の略中間位置に、組み込まれたレンズ７の一方の面の周縁が当接する基準位置となる突出部分が形成されている。本実施例では、第２レンズ７２および第３レンズ７３の間に形成した突出部分が基準位置９である。この基準位置９に対して、第２レンズ７２の像面側周縁が、間隔環６および絞り４を介して押圧され、第３レンズ７３の物体側周縁は直接当接して、それぞれ位置付けられている。一方、両末端レンズ７ｂは鏡筒２０の両末端にそれぞれリテーナ３で挟み込んで締結される。鏡筒２０は物体側から像面側へかけて厚みが厚くなっており、肉厚部２０ａと肉薄部２０ｂとを有する。

レンズ７を鏡筒２０に取り付ける際、変形量（圧入量）がそれぞれ０．０１５ｍｍになるよう応力を負荷した。実施例においてレンズ７としては光学ガラスレンズ、鏡筒２０は材質がＰＰＳ樹脂であり、内面に突出部５を一体成型した。また、リテーナ３は材質がＰＰＳ樹脂、間隔環６は材質がアルミ合金であった。また、レンズ７の各径、レンズ７の鏡筒２の内周面および突出部５への各接触面積は表１に示す通りである。ここで、接触面積とは、レンズ７の外周部（コバ）が突出部５に圧入された部分の面積を意味し、レンズ７の外径やレンズコバの肉厚によって異なっている。

鏡筒２０の外周面には図６に示すように、内周面に突出部５が形成された肉薄部２０ｂを含む領域形成されている。この領域に形成した凹部８は、鏡筒２０の内部に圧入されるレンズ７の外径の相違による圧入量を制御するためのもので、内周面に突出部５が形成された部位を含む領域の外周面に、レンズ７の外径に合わせて他の鏡筒２の外周面（肉厚部２０ａ）より厚みが０．７５～０．８５ｍｍ薄くなるように肉薄部２０ｂに前後に３箇所の肉抜きを、鏡筒２０の周方向にそれぞれ３箇所行い形成した。その結果を表１に示す。

実施例のレンズユニットは、レンズ圧入時に、共にレンズおよび鏡筒にかかる応力を低減したため、レンズや鏡筒の破壊や破損は起こらなかった。
さらに、表１に示すように、突出部５の外周面の肉薄部２０ｂに凹部８を設けたことで、肉薄部２０ｂがより薄肉構造となってレンズ収容部における鏡筒２０の剛性が下がる。そのため、鏡筒２０に圧入された中間レンズ群７ａの接地面積あたりの力が抑制され、レンズ７にかかる力のばらつきをより抑制できることがわかった。

以上、本発明の実施形態に係るレンズユニットを説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改善や改良が可能である。例えば、本発明のレンズユニットは、耐振動性だけではなく温度変化に対しても鏡筒とレンズとの間にガタが生じないため、車載カメラ等だけではなく、例えばスキャナやプロジェクタなど、光源からの熱でレンズや鏡筒に大きな温度変化が生じる機器にも好適に用いることができる。

１ レンズ
１ａ 中間レンズ群
１ｂ 両末端レンズ
２ 鏡筒
２ａ 肉厚部
２ｂ 肉薄部
３ リテーナ
４ 絞り
５ 突出部
６ 間隔環
８ 凹部
９ 基準位置
１０ レンズユニット
７ レンズ
７ａ 中間レンズ群
７ｂ 両末端レンズ
２０ 鏡筒
１００ カメラ
１１０ レンズユニット

Claims (5)

1. 複数のレンズが鏡筒内に組み込まれたレンズユニットであって、
   前記複数のレンズが、前記鏡筒内に圧入された中間レンズ群と、この中間レンズ群の光軸方向両側に配置され、リテーナにより前記鏡筒内に締結された両末端レンズと、を含み、
   前記鏡筒の内周面には、前記鏡筒の両端部よりレンズを組み込む際に各レンズの一方の面の周縁が当接し、かつ、像面側と物体側の両側に傾斜して屋根型に突出するとともに光軸と平行な面を持たない基準位置が形成されていることを特徴とするレンズユニット。
2. 前記リテーナが弾性体で構成されている請求項１記載のレンズユニット。
3. 前記鏡筒は樹脂製であって、
   前記中間レンズ群は前記鏡筒に圧入され、
   前記鏡筒の内周面には、鏡筒内に弦状に突出し、組み込まれた前記中間レンズ群が圧入される少なくとも１つの突出部が形成されている請求項１または２に記載のレンズユニット。
4. 前記鏡筒は、肉厚部と肉薄部とを有し、
   前記肉薄部には、内周面に前記突出部が形成された部位を含む領域の外周面に凹部が形成されている請求項３に記載のレンズユニット。
5. 前記突出部が、前記鏡筒の内周面に所定間隔で形成される請求項３または４に記載のレンズユニット。

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