JP2006114770A - 光学デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】光学部品及び光学チップの取り付け位置精度を確保しつつ、組立作業の簡単な光学デバイスを提供する。
【解決手段】光学デバイスＯＤは、基台１０と、基台１０に取り付けられた光学チップ１５及び透光板１６とを備えている。光学デバイスＯＤの基台１０の上には、撮像光学系３３が組み込まれた鏡筒３０が装着され、鏡筒３０の下面には、１対の位置決めピン３０が設けられている。光学デバイスＯＤの基台１０には、基台１０への鏡筒３０の取り付け位置を規定するための第１位置決め孔１０ｂと、第１位置決め孔１０ｂよりも小径で光学チップ１５の基台１０への取り付け位置を規定するための第２位置決め孔１０ｃとが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビデオカメラ，デジタルカメラ，デジタルスチルカメラ等のカメラ類や、ＣＤ，ＤＶＤ，ＭＤなどの光ピックアップシステムに用いられる光学チップを搭載して構成される光学デバイスに関する。
近年、ビデオカメラ，デジタルカメラ，デジタルスチルカメラ等のカメラ類や、ＣＤ，ＤＶＤ，ＭＤなどの光ピックアップシステムに配置される光学デバイスは、光学チップを絶縁性材料からなる基台に搭載した状態で、主面を透光板で覆ってパッケージされ、パッケージ体として提供される。
図５は、従来の光学デバイスの一種である固体撮像装置の構造を示す断面図である（特許文献１参照）。同図に示すように、固体撮像装置は、主要部材として、熱硬化性樹脂からなり、中央部に開口部１３２を有する枠状の基台１３１と、基台１３１の下面側に取り付けられたＣＣＤ等からなる固体撮像素子１３５と、基台１３１の上面側に開口部１３２を挟んで固体撮像素子１３５に対向するように取り付けられたガラスからなる透光板１３６と、透光板１３６と基台１３１とを機械的に接続するための接着剤層１４０とを備えている。
また、基台１３１の下面には、樹脂内に埋め込まれた金メッキ層からなる配線１３４が設けられている。固体撮像素子１３５は、基台１３１の下面に取り付けられており、受光領域１３５ａが開口１３２に露出するように配置されている。
また、固体撮像素子１３５には、固体撮像素子１３５と外部機器との間で信号を授受するための電極パッド（図示せず）が設けられている。また、配線１３４における開口部１３２に隣接した端部に内部端子部が樹脂から露出されており、配線１３４の内部端子部と固体撮像素子の電極パッドとがバンプ（突起電極）１３８を挟んで電気的に接続されている。さらに、配線１３４の外部端子部に半田ボール１４１が付設されている。そして、固体撮像素子１３５，配線１３４及びバンプ１３８は、基台１３１の下面上で固体撮像素子１３５の周囲に設けられたシール樹脂１３７によって密封されている。
この固体撮像装置は、同図に示されるように、透光板１３６を上方に向けた状態で回路基板上に搭載される。そして、基台１３１の上には、同図の破線に示すように、撮像光学系が組み込まれた鏡筒が装着される。
以上のように、固体撮像素子１３５の受光領域１３５ａは、平面視で開口部１３２内に配置されている。そして、鏡筒に組み込まれた撮像光学系を通して、被撮像対象からの光が固体撮像素子１３５の受光領域１３５ａに集光され、固体撮像素子１３５によって光電変換される。
なお、図５に示される基台１３１の構造とは異なり、固体撮像素子が搭載される面に凹部が形成されている基台を用いた固体撮像装置の例も知られている（例えば、特許文献２を参照）。
なお、受光素子と発光素子とを配置する場合には、比較的小さい発光素子を受光素子の上に搭載した構造を採るのが一般的である。
また、最近では、受光素子と発光素子とを配置した光学デバイスも実用化されており、その場合、透光板１３６に代えて、基台１３１の上にホログラムを取り付けることになる（ホログラムユニット）。
特開２００２−４３５５４号公報 特開２０００−５８８０５号公報
しかしながら、図５に示される従来の固体撮像装置の構造において、鏡筒に組み込まれているレンズ系と光学デバイスとの位置関係は、極めて高い精度が要求されるので、光学デバイスに鏡筒を取り付けた状態で光軸の調整を行う必要がある。そして、光軸の調整には、多大の手間を要しているのが現状である。
透光板１３６に代えてホログラムを基台１３１上に載置する構造においても、同様の不具合がある。
本発明の目的は、光学部品及び光学チップの取り付け位置精度を確保しつつ、組立作業の簡単な光学デバイスを提供することにある。
本発明の光学デバイスは、光学デバイスに付設される部材の取り付け位置の基準となる位置決め孔や、基台に対する光学チップの相対的な位置の基準となる位置決め孔が設けられてることにより、光学デバイスをその利用システムに組立む際の手間が簡素化され、かつ、組立精度が向上する。
基台に配線パターンを設けた場合には、光学チップは配線パターンにフリップチップ状態で電気的に接続されていてもよいし、金属細線を介して電気的に接続されていてもよい。
基台に沿って折り曲げられた，配線パターンを有するフレキシブル基板と、基台とフレキシブル基板とを固定するための枠体とをさらに備えている場合には、光学チップを基台に固定し、フレキシブル基板の配線パターンに電気的に接続することができる。
光学チップは、配線パターンにフリップチップ状態で電気的に接続されていてもよいし、金属細線を介して電気的に接続されていてもよい。
光学部品用位置決め孔及び光学チップ用位置決め孔は、互いに同心位置に形成されて、ストレート形状の段付き孔，テーパ付きの段付き孔，テーパ付きの段なし孔などを構成することができる。
光学部品用位置決め孔及び光学チップ用位置決め孔がテーパ付きである場合には、テーパが、基台のモールド金型の抜け勾配に等しいことにより、製造工程の簡略化を図ることができる。
透光性部材は、ホログラムであってもよいし、ガラス又は樹脂からなる透光板であってもよい。
本発明の光学デバイスによると、全体の厚みを薄く維持しつつ、基台と透光性部材との間の接着剤層を厚くして信頼性の高い光学デバイスが得られる。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光学デバイスＯＤ及び鏡筒３０の断面図である。本実施形態の光学デバイスＯＤは、主要部材として、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなり、中央部に開口部１２を有する枠状の基台１０と、基台１０の下面側に取り付けられた光学チップ１５と、基台１０の上面１０ａ上に、開口部１２を挟んで光学チップ１５に対向するように、接着剤層（図示せず）を介して取り付けられたガラスからなる透光板１６とを備えている。ここで、本実施形態の光学チップ１５は、固体撮像素子等の受光素子のみである。ただし、受光素子及び半導体レーザ（発光素子）を搭載したものであってもよい。その場合には、本実施形態の光学デバイスＯＤと光ピックアップ等に組み込む際に、透光板１６をはずしてから、ホログラムを基台１０上に取り付けることになる（ホログラムユニット）。
また、基台１０の下面には、樹脂内に埋め込まれた金メッキ層からなる配線１４が設けられている。光学チップ１５は、基台１０の下面に取り付けられており、主面１５ａが開口部１２に露出するように配置されている。
また、光学チップ１５には、光学チップ１５と外部機器との間で信号を授受するための電極パッド（図１には図示せず、図２参照）が設けられている。また、配線１４における開口部１２に隣接した端部に内部端子部が形成されており、配線１４の内部端子部と電極パッドとがバンプ（突起電極）１８を挟んで電気的に接続されている。さらに、配線１４の外部端子部に半田ボール２１が付設されている。そして、光学チップ１５，配線１４及びバンプ１８は、基台１０の下面上で光学チップ１５の周囲に設けられたシール樹脂２２によって密封されている。この光学デバイスＯＤは、同図に示されるように、透光板１６を上方に向けた状態で回路基板上に搭載される。
そして、光学デバイスＯＤの基台１０の上には、撮像光学系３３が組み込まれた鏡筒３０が装着されている。また、鏡筒３０の下面には、１対の位置決めピン３０が設けられている。光学デバイスＯＤの基台１０には、基台１０への鏡筒３０の取り付け位置を規定するための光学部品用位置決め孔である１対の第１位置決め孔１０ｂが形成されている。さらに、第１位置決め孔１０ｂとは同心位置に、第１位置決め孔１０ｂよりも小径で光学チップ１５の基台１０への取り付け位置を規定するための光学チップ用位置決め孔である１対の第２位置決め孔１０ｃが形成されている。本実施形態においては、基台１０への光学チップ１５の搭載の際には、各第２位置決め孔１０ｃの内周の位置から各第２位置決め孔１０ｃの各センター位置を求め、各センター位置の中間点と光学チップ１５の中心点とが一致するように、光学チップ１５と基台１０との相対的位置を規定する。したがって、本実施形態においては、第２位置決め孔１０ｃが光学チップ１６の位置決めの基準となる。
各位置決め孔１０ｂ，１０ｃは、それぞれモールド金型の抜き勾配に相当するテーパを有しており、各位置決め孔１０ｂ，１０ｃにより段付き孔が構成されている。そして、光学デバイスＯＤに鏡筒３０を取り付けた状態では、鏡筒３０の各ピン３２と各第１位置決め孔１０ｂ，１０ｂとが互いに嵌合することで、鏡筒３０の取り付け位置が規定されることになる。
以上のように、光学チップ１５の主面１５ａは、平面視で開口部１２内に配置されている。そして、鏡筒３０に組み込まれた光学系３３を通して、被撮像対象からの光が光学チップ１５の主面１５ａに集光される。
図２は、本実施形態の光学デバイス及び鏡筒のｘ，ｙ，ｚ位置決め精度を説明するための断面図である。同図においては、各部材の形状は概略的に描かれている。
同図において、鏡筒３０及び光学デバイスＯＤの構造は、図１とは異なり、概略的にしか示されていない。撮像光学系３３の光軸中心Ｃopと鏡筒３０のピン３２の中心Ｃpiとの距離の精度を±ａ（μｍ）とし、光学チップ１５（センサ）の中心Ｃseと第２位置決め孔１０ｃの中心Ｃh2との距離の精度を±ｋ１（μｍ）とし、光学チップ１５の搭載精度を±ｋ２（μｍ）とし、ピン３２の径の公差を±ｂ（μｍ）とし、第１位置決め孔１０ａの径の公差を±ｋ３（μｍ）（つまり、ピン３２と第１位置決め孔１０ｂとのクリアランスを±ｋ３＋ｂ（μｍ））とし、第１位置決め孔１０ａと第２位置決め孔１０ｄとの中心精度を±ｋ４（μｍ）とする。
ここで、第１位置決め孔１０ｂの最大径を１５００μｍとし、第２位置決め孔１０ｃの最小径を１００μｍとすると、現在の製造技術では、ｋ１≒１０（μｍ），ｋ２≒１０（μｍ），ｋ３≒１０（μｍ），ｋ４≒２（μｍ）である。したがって、鏡筒３０を含む光軸のｘ−ｙ精度（最小自乗公差）は、
±（１０２＋１０２＋２２＋（１０＋ｂ）２＋ａ２）−１／２
となる。その結果、本実施形態の光学デバイスＯＤにより、±４０（μｍ）の光軸精度を保証することが可能になった。また、基台１０の上面の平坦度は、５〜１５μｍ程度が可能であり、これにより光軸のｚ軸精度を確保することができる。
本実施形態によると、段付き孔である第１位置決め孔１０ｂ及び第２位置決め孔１０ｃを設け、第１位置決め孔１０ｂにより鏡筒３０の取り付け位置を規定するとともに、第１位置決め孔１０ｂよりも小径の第２位置決め孔１０ｃにより光学デバイス１５の取り付け位置を規定するようにしたので、基台１０の２つの位置決め孔１０ｂ，１０ｃを介して、光学チップ１５と鏡筒３０の撮像光学系３３との間の位置精度，つまり光軸精度の向上を図ることができる。
ここで、一般に、位置決め孔の径は小さいほど中心位置の検出精度も高くなる。ところが、第１位置決め孔１０ｂには、鏡筒３０のピンが嵌合するので、ある程度の大きさを確保する必要がある。一方、第２位置決め孔１０ｃは単に光学的に中心位置を検出するために用いるだけなので、原理的には光学的な中心位置の検出が可能であればいくらでも小さくすることができる。このような各位置決め孔１０ｂ，１０ｃの機能に着目して、第１位置決め孔１０ｂの径よりも第２位置決め孔１０ｃの径を小さくすることにより、光学デバイスＯＤに取り付けられる鏡筒３０の光軸精度を高く維持しつつ，簡易迅速な組立を図ることができるのである。
なお、透光性部材として透光板１６の代わりにホログラムを搭載した場合にも、ホログラムの上に対物レンズなどを配置するための光学部品を基台１０に取り付ける必要があるので、本実施形態と同様の効果を発揮することができる。
−位置決め孔の形状のバリエーション−
図３（ａ）〜（ｃ）は、各位置決め孔１０ｂ，１０ｃの採りうる形状のバリエーションを示す図である。
図３（ａ）に示すように、第１，第２位置決め孔１０ｂ，１０ｃがそれぞれストレート形状の段付き孔を構成していてもよい。この場合、光学チップ１５が基台１０の上方に取り付けられる場合には、第２位置決め孔１０ｃの上端位置を光学的に検出して中心位置を検出することができる。
図３（ｂ）に示すように、第１，第２位置決め孔１０ｂ，１０ｃが１つのテーパ孔に一体化されていてもよい。この場合、１つのテーパ孔の上部（図に示す破線よりも上方の部分）が第１位置決め孔１０ｂであり、下部が第２位置決め孔１０ｃである。
図３（ｃ）に示す形状は、図１について説明したとおり、第１，第２位置決め孔１０ｂ，１０ｃがテーパ付きの段付き孔を構成している場合である。図３（ｂ）に比べて、図３（ｃ）に示す形状では、第１位置決め孔１０ｂと第２位置決め孔１０ｃとの間に平坦部Ｆlaが存在するので、鏡筒３０のピン３２の下端が到達する位置が定まる。よって、図３（ｃ）に示す形状では、鏡筒３０の組立の安定性が向上する。また、図３（ｃ）の形状では、第２位置決め孔１０ｃの下端部の径（最小径）をできるだけ小さくすることができるので、光学チップ１５の位置決め精度の向上を図ることができる。
特に、各位置決め孔１０ｂ，１０ｃのテーパがモールド工程における抜け勾配に一致していることにより、製造工程の簡素化を図ることができる。
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る光学デバイスの構造を示す斜視図である。ただし、図４においては、ホログラム又はガラス窓の図示は省略されている。
図４に示すように、本実施形態の光学デバイスは、冷却機能を有する基台である銅板５０と、銅板５０の上面５０ａの上に搭載された受光素子５１及び発光素子５２を搭載した光学チップと、銅板５０の上面及び側面の各一部を覆うように折り曲げられたフレキシブル基板５３と、フレキシブル基板５３と銅板５０とを互いに固定するための金属製の枠体である位置決め枠５４とを備えている。フレキシブル基板５３には、受光素子５１及び発光素子５２との信号接続のための内部端子５３ａと、外部機器との信号接続のための外部端子５３ｂと、内部端子５３ａと外部端子５３ｂとを接続する配線（プリント配線）５３ｃとからなる配線パターンが設けられている。そして、フレキシブル基板５３の内部端子５３ａと受光素子５１の外側パッド電極５１ｂとは信号接続部材である金属細線５６によって電気的に接続されており、光学チップの内側パッド電極５１ａと発光素子のパッド電極５２ａとは、信号接続部材である金属細線５５によって電気的に接続されている。つまり、受光素子５１及び発光素子５２のいずれも、フレキシブル基板５３の配線パターンに電気的に接続されている。そして、フレキシブル基板５３の両側部は、銅板５０の上面に対して実質的に垂直方向に延びている。実質的に垂直方向に延びているとは、実際には製造時の誤差やばらつきによって多少の傾きはあっても、垂直方向に延びるように設計されているという意味である。ただし、多少斜めに延びるように、つまり、銅板５０の上面と交差するように延びていてもよい。
また、銅板５０には、鏡筒などの光学部品を取り付ける位置を規定するための光学部品用位置決め孔である１対の第１位置決め孔５０ｂと、光学チップを搭載する位置を規定するための光学チップ用位置決め孔である１対の第２位置決め孔５０ｃとが、１つの段付き孔を構成するように設けられている。
本実施形態に係る光学デバイスの組み立て工程は、例えば、以下の手順によって行なわれる。まず、銅板５０の上に、平板状のフレキシブル基板５３を載置して、接着剤により両者を固定する。次に、フレキシブル基板５３を銅板５０の上面及び側面に沿うように折り曲げた後、金属製の位置決め枠５４により銅板５０とフレキシブル基板５３とを固定する。ここで、銅板５０の側面には、図示しないが、フレキシブル基板５３の幅にほぼ一致する浅い溝が形成されていて、この溝によってフレキシブル基板５３の位置決めがなされている。そして、位置決め枠５４の側部の中央部５４ａと銅板５０とが接着剤を介して嵌合し、位置決め枠５４の側部の両端部とフレキシブル基板５３とが接着剤を介して嵌合する。
次に、受光素子５１を内蔵した光学チップを接着剤を介して銅板５０に固着した後、発光素子５２を接着剤を介して光学チップに固着する。光学チップを銅板５０に固着する前に、各第２位置決め孔５０ｃの上端部を光学的に検出して、各第２位置決め孔５０ｃの中心位置を検出する。そして、光学チップの中心位置が各第１位置決め孔５０ｃの中心位置に一致するように、光学チップの位置決めを行なってから、光学チップ５０を銅板に固着する。
その後、ワイヤボンディングにより、フレキシブル基板５３の内部端子５３ａと光学チップの外側パッド電極５１ｂとを金属細線５５によって電気的に接続し、光学チップの内側パッド電極５１ａと発光素子５２のパッド電極５２ａとを金属細線５６によって電気的に接続する。これにより、図４に示す光学デバイスの構造が得られる。
その後の工程は、ホログラムの有無によって異なるが、位置決め枠５４の上にホログラム，ガラス窓等を載置する。
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、光学デバイスに取り付けられる鏡筒などの光学部品の取り付け精度を高く維持しつつ，簡易迅速な組立を図ることができる。
（その他の実施形態）
本発明の位置決め孔の構造を適用の対象は、上記第１，第２の実施形態に係る構造を有する光学デバイスに限定されるものではない。また、基台に直接光学チップが取り付けられるものではなくても、基台との間に他の部材を介して光学チップが取り付けられるものであっても、基台に鏡筒などの光学部品が取り付けられるものであれば、本発明の効果を発揮することができる。
本発明に係る光学デバイスＯＤは、ビデオカメラ，デジタルカメラ，デジタルスチルカメラ等のカメラ類や、ＣＤ，ＤＶＤ，ＭＤなどの光ピックアップシステムに用いられる光学チップを搭載して構成される，イメージセンサ，ホログラムユニットなどとして利用することができる。
第１の実施形態に係る第１の実施形態に係る光学デバイス及び鏡筒の断面図である。 第１の実施形態の光学デバイス及び鏡筒のｘ，ｙ，ｚ位置決め精度を説明するための断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、各位置決め孔の採りうる形状のバリエーションを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光学デバイスの構造を示す斜視図である。 従来の光学デバイスの構造を示す断面図である。
符号の説明
１０ 基台
１０ａ 環状凸部
１０ｂ 第１位置決め孔
１０ｃ 第２位置決め孔
１０ｄ 環状溝部
１０ｅ 縁領域
１０ｆ 荒仕上げ領域
１１ａ 平坦部
１１ｂ 斜面状凹部
１１ｃ 溝状凹部
１２ 開口部
１４ 配線
１５ 光学チップ
１５ａ 主面
１６ 透光板
１７ ホログラム
１８ バンプ
２０ 接着剤層
２１ 半田ボール
２２ シール樹脂
３０ 鏡筒
３２ ピン
３３ 撮像光学系

Claims (12)

  1. 基台と、
    上記基台に直接又は間接に固定された光学チップと、
    上記基台の上面上又は上面よりも上方に取り付けられた透光性部材と、
    上記基台に上記光学チップを挟んで形成され、上記透光性部材の上方に配置される光学部品の取り付け位置を規定する１対の光学部品用位置決め孔と、
    上記基台に上記光学チップを挟んで形成され、上記各光学部品用位置決め孔よりも小さい径を有し、上記光学チップの取り付け位置を規定する１対の光学チップ用位置決め孔と
    を備えている光学デバイス。
  2. 請求項１記載の光学デバイスにおいて、
    上記基台に設けられた配線パターンをさらに備え、
    上記光学チップは、上記配線パターンにフリップチップ状態で電気的に接続されている，光学デバイス。
  3. 請求項１記載の光学デバイスにおいて、
    上記基台に設けられた配線パターンをさらに備え、
    上記光学チップは、上記配線パターンに金属細線を介して電気的に接続されている，光学デバイス。
  4. 請求項１記載の光学デバイスにおいて、
    上記基台に沿って折り曲げられて配置され、配線パターンを有するフレキシブル基板と、
    上記基台とフレキシブル基板とを固定するための枠体とをさらに備え、
    上記光学チップは上記基台に固定され、上記フレキシブル基板の配線パターンに電気的に接続されている，光学デバイス。
  5. 請求項４記載の光学デバイスにおいて、
    上記光学チップは、上記配線パターンにフリップチップ状態で電気的に接続されている，光学デバイス。
  6. 請求項４記載の光学デバイスにおいて、
    上記光学チップは、上記配線パターンに金属細線を介して電気的に接続されている，光学デバイス。
  7. 請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の光学デバイスにおいて、
    上記光学部品用位置決め孔及び光学チップ用位置決め孔は、互いに同心位置に形成されて、ストレート形状の段付き孔を構成している，光学デバイス。
  8. 請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の光学デバイスにおいて、
    上記光学部品用位置決め孔及び光学チップ用位置決め孔は、互いに同心位置に形成されて、テーパ付きの段付き孔を構成している，光学デバイス。
  9. 請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の光学デバイスにおいて、
    上記光学部品用位置決め孔及び光学チップ用位置決め孔は、互いに同心位置に形成されて、テーパ付きの段なし孔を構成している，光学デバイス。
  10. 請求項８又は９記載の光学デバイスにおいて、
    上記光学部品用位置決め孔及び光学チップ用位置決め孔のテーパは、基台のモールド金型の抜け勾配に等しい，光学デバイス。
  11. 請求項１〜１０のうちいずれか１つに記載の光学デバイスにおいて、
    上記光学チップは、受光素子と発光素子とを含み、
    上記透光性部材は、ホログラムである，光学デバイス。
  12. 請求項１〜１０のうちいずれか１つに記載の光学デバイスにおいて、
    上記透光性部材は、透光板である，光学デバイス。

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