JP2006174224A - 撮像ユニット及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像ユニット及び撮像装置において、特に長秒時撮影時に撮像素子チップ内部での発熱により、発熱源である出力アンプ近傍の画素の温度が大きく上昇することで、出力アンプ近傍の画素の出力が部分的に着色したり、ノイズがひどくて画像が鑑賞に堪えなくなったりする。
【解決手段】 小型の冷却素子で撮像素子チップの発熱部のみを部分的に冷却することで、簡単な構成で、小型で、低価格で、高い冷却効率を得ることができ、デジタルカメラ等の小型撮像装置に搭載するのに適した、冷却素子を備えた撮像ユニット及び撮像装置を提供できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像ユニット及び撮像装置に関する。特に、撮像素子を冷却する冷却素子を備えた撮像ユニット及び撮像装置に関するものである。

近年、デジタルカメラ等の撮像装置に用いられる撮像ユニットの高画素化、高画質化、高機能化、小型化が進むにつれて、ＣＣＤ等の撮像素子での画素の高密度化が顕著になっている。それに伴い、撮像素子チップ内部での発熱によって画質の劣化が発生し、問題となってきている。一般にＣＣＤ等の撮像素子では、撮像素子チップの温度が８℃上昇すると暗電流、つまり暗ノイズが２倍になることが知られている。そして、ＣＣＤ等の撮像素子内部の発熱源は画像信号をＣＣＤ等の撮像素子から外部に出力する出力アンプであることが知られている。従って、特に長秒時撮影で、発熱源である出力アンプ近傍の画素の温度が大きく上昇することで、出力アンプ近傍の画素の出力が部分的に着色したり、ノイズがひどくて画像が鑑賞に堪えなくなったりする問題が発生している。

これに対して、従来は、露出時間と同じ時間シャッタを閉じた状態で暗黒撮影を行い、画像出力との差分をとるノイズキャンセルを行っていたが、この方法では撮影時間が２倍かかり、例えば１５秒の長秒時撮影では３０秒もかかることになって、甚だしく撮影効率が悪くなるとともに、キャンセルするノイズが大きいためにノイズキャンセル後の画像信号のダイナミックレンジが狭くなるという欠点もある。

このため、特にノイズ低減が必要な天体観測や化学分析用のデジタルカメラで、撮像素子を冷却することにより暗電流を低減させてノイズそのものを減少させる方法が知られている。

そのために、ＣＣＤ等の撮像素子の冷却構造としてペルチェ素子を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。これによれば、ＣＣＤ等の撮像素子の冷却構造として、ＣＣＤ、ペルチェ素子、伝熱部材、および放熱部材を順番に配置して板バネで押しつけて密着させ、ＣＣＤからの熱をペルチェ素子で吸収するとともに、熱伝導によりペルチェ素子から伝熱部材、放熱部材を介してカメラ筐体に伝熱し、外部に放熱するように構成されている。

又、リードフレームの表側に固体撮像素子を設け、裏側にペルチェ素子を設け、固体撮像素子及びペルチェ素子をペルチェ素子の反固体撮像素子側の面が外部に露出するように樹脂からなるパッケージに実装することによって、著しく大型化することなくペルチェ素子による固体撮像素子に対する冷却効果を高めるものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

一方、ペルチェ素子をパルス電流で間欠駆動することで、ペルチェ素子の冷却効果を改善するものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。これによれば、ペルチェ素子がパルス電流で駆動されている時に撮像素子が冷却され、この時にペルチェ素子の発熱側に発生する熱をペルチェ素子の非駆動時に放熱フィンにより外部に放出することで、ペルチェ素子の発熱部の温度上昇によるペルチェ素子の冷却効果の低減を防止し冷却効果を改善できる、とされている。

更に、デジタルカメラ等のバッテリを電源とする機器でペルチェ素子等の冷却素子を用いる場合には、バッテリの容量から考えると、冷却素子の消費電力はかなり大きいので常時通電を行って冷却することは困難であり、レリーズ時のみ通電して冷却する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
特開平９−３７１６１号公報 特開平９−５５４８９号公報 特開平１０−２５６６１３号公報 特開２００３−３０４４２０号公報

しかしながら、特許文献１で提案された方法では、ペルチェ素子は駆動による発熱が大きく、吸熱した熱量と自身が発熱した熱量の両方を吸熱面と反対の側に放出するため、本方法では、非常に大きな放熱部材が必要となり、デジタルカメラ等の小型撮像装置に搭載するのは非常に難しい。

特許文献２で提案された方法では、ペルチェ素子で固体撮像素子チップ全体を冷却するため、ペルチェ素子の大きさを固体撮像素子チップの大きさ以下にすることはできないので小型化できずコストダウンにも繋がらない上に、専用のリードフレームや樹脂パッケージが必要なため汎用性に欠け高価格となる。

又、特許文献３で提案された方法では、ペルチェ素子をパルス電流で間欠駆動するために間欠駆動回路が必要となるため、装置の回路が複雑になり高価になる。更に、駆動時にペルチェ素子の発熱側に発生した熱が非駆動時に吸熱側に戻ることで逆に撮像素子を暖めることになり、それを防止するためには非常に大きな放熱部材が必要となり、デジタルカメラ等の小型撮像装置に搭載するのは非常に難しい。

更に、特許文献４で提案された方法では、ペルチェ素子の非駆動時に、ペルチェ素子の放熱側から撮像素子に熱が戻って撮像素子を暖めてしまうことがあり、これを防止するためには大きな放熱部材が必要となり、デジタルカメラ等の小型撮像装置に搭載するのは非常に難しい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、小型で、低価格で、高い冷却効率を得ることができ、デジタルカメラ等の小型撮像装置に搭載するのに適した、冷却素子を備えた撮像ユニット及び撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の目的は、下記構成により達成することができる。

（請求項１）
被写体を撮像する撮像素子を有する撮像ユニットにおいて、
前記撮像素子は少なくとも被写体像を電気信号に変換する半導体素子である撮像素子チップと、前記撮像素子チップを搭載するパッケージとから成り、
前記パッケージの前記撮像素子チップの搭載面の裏面の面積より小さい冷却面積を有する冷却素子を、前記撮像素子チップの発熱部近傍に配置したことを特徴とする撮像ユニット。

（請求項２）
前記冷却素子は、前記撮像素子チップの面積よりも小さい冷却面積を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。

（請求項３）
前記撮像素子チップと前記冷却素子の間に、前記パッケージの前記撮像素子チップの搭載面の裏面の面積と同等もしくはより小さい面積を有する冷却部材を配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像ユニット。

（請求項４）
前記冷却部材は、前記パッケージの前記撮像素子チップの搭載面の裏面部に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像ユニット。

（請求項５）
前記撮像素子チップは、少なくとも被写体像を電気信号に変換する光電変換部と、光電変換された電気信号の出力インピーダンスを下げるバッファリングを行う、もしくは電気信号を増幅する出力アンプ部とから成り、前記撮像素子チップの発熱部は出力アンプ部であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像ユニット。

（請求項６）
前記撮像素子チップは、被写体像を電気信号に変換する光電変換部と、少なくとも光電変換された電気信号の出力インピーダンスを下げるバッファリングを行う、もしくは電気信号を増幅して出力する出力アンプ部、各部の動作タイミングを制御する信号を発生させるタイミングジェネレータ部及び前記出力アンプ部で増幅された出力をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換部を構成要素とする周辺回路とから成り、発熱部は該周辺回路の構成要素から選ばれる出力アンプ部、タイミングジェネレータ部及びＡ／Ｄ変換部から選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。

（請求項７）
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像ユニットを搭載したことを特徴とする撮像装置。

（請求項８）
前記撮像装置において、前記撮像素子が被写体を撮像するときに前記冷却素子を動作させる制御手段を有することを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。

（請求項９）
前記撮像装置において、前記撮像素子が被写体を記録のために撮像するときに前記冷却素子を動作させる制御手段を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の撮像装置。

請求項１に記載の発明によれば、撮像素子のパッケージよりも小型の安価な冷却素子を用いて撮像素子チップの発熱部を選択的に冷却することで、高い冷却効率を得ることができ、デジタルカメラ等に搭載するのに適した撮像ユニット及び撮像装置が提供できる。

請求項２に記載の発明によれば、撮像素子チップよりも小型の安価な冷却素子を用いて撮像素子チップの発熱部を選択的に冷却することで、高い冷却効率を得ることができ、デジタルカメラ等に搭載するのに適した撮像ユニット及び撮像装置が提供できる。

請求項３に記載の発明によれば、撮像素子のパッケージよりも小型の冷却部材を介して、小型で安価な冷却素子を用いて撮像素子チップの発熱部を選択的に冷却するために、高い冷却効率を得ることができ、デジタルカメラ等に搭載するのに適した撮像ユニット及び撮像装置が提供できる。

請求項４に記載の発明によれば、撮像素子のパッケージの底面部に配置された小型の冷却部材を介して、小型で安価な冷却素子を用いて撮像素子チップの発熱部を選択的に冷却するために、高い冷却効率を得ることができ、デジタルカメラ等に搭載するのに適した撮像ユニット及び撮像装置が提供できる。

請求項５に記載の発明によれば、撮像素子チップ中の発熱部である出力アンプ部を選択的に冷却することで、小型で安価な冷却素子を用いても高い冷却効率を得ることができ、デジタルカメラ等に搭載するのに適した撮像ユニット及び撮像装置が提供できる。

請求項６に記載の発明によれば、撮像素子チップ中の発熱部である周辺回路を選択的に冷却することで、小型で安価な冷却素子を用いても高い冷却効率を得ることができ、デジタルカメラ等に搭載するのに適した撮像ユニット及び撮像装置が提供できる。

請求項７に記載の発明によれば、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像ユニットを搭載することで、小型で、低価格で、高い冷却効率を備えた、デジタルカメラ等に搭載するのに適した撮像ユニット及び撮像装置が提供できる。

請求項８に記載の発明によれば、撮像時のみ冷却素子を動作させて撮像素子を冷却することで消費電力を削減でき、特にバッテリで動作する機器に有効な撮像ユニット及び撮像装置が提供できる。

請求項９に記載の発明によれば、記録のための撮像時のみ冷却素子を動作させて撮像素子を冷却することで消費電力を更に削減でき、特にバッテリで動作する機器に有効な撮像ユニット及び撮像装置が提供できる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明に係る撮像装置として機能するデジタルカメラ１の外観模式図で、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は背面図である。

カメラ筐体１０の正面には、撮影レンズ２５１、フラッシュ発光部１３１ａ、ファインダ対物部１４１ａ、が設けられている。カメラ筐体１０の上部には、レリーズボタン１２１、カメラの動作モードを設定するモード設定ダイアル１１２が設けられており、カメラ筐体１０の内部でレリーズボタン１２１の下部には、ＡＦスイッチＳＷ１とレリーズスイッチＳＷ２を備えた２段スイッチが設けられている。

カメラ筐体１０の背面には、カメラの電源スイッチであるメインスイッチ１１１、ファインダ接眼部１４１ｂ、接眼表示部１４２、ライブビュー画像及び撮像された画像をアフタービュー表示するモニタ２３１、モニタへの表示のオン／オフを制御するモニタスイッチ１１３が備えられている。

図２は、本発明に係る撮像装置として機能するデジタルカメラ１の縦断面模式図（図１のＡ−Ａ’断面）である。図中、図１と同じ部分には同じ番号を付与した。

撮影レンズ２５１で集光された被写体からの光は、撮影レンズ２５１の光軸に垂直に表面を向けて配置された撮像素子２１１上に結像される。撮像素子２１１は図示しない撮像素子２１１を駆動制御するための回路が搭載された基板２６１上に実装され、撮像素子２１１の裏面２１１ａ（撮影レンズと反対側）にはペルチェ素子等の冷却素子２４１の冷却側２４１ａが熱的に密着される。冷却素子２４１の放熱側２４１ｂには放熱部材２４３が熱的に密着される。放熱部材２４３の一部はカメラ筐体１０の内部に熱的に密着される。従って、撮像素子２１１で発生した熱は、冷却素子２４１、放熱部材２４３を介してカメラ筐体１０に放熱される。

次に、本発明に係る撮像装置として機能するデジタルカメラ１の回路を、図３を用いて説明する。図３はデジタルカメラ１の回路ブロック図である。図中、図１、２と同じ部分には同じ番号を付与した。

制御部であるカメラコントローラ１０１は、図示しないＣＰＵ（中央処理装置）、ワークメモリ等から構成され、図示しない記憶部に記憶されているプログラムをワークメモリに読み出し、当該プログラムに従ってデジタルカメラ１の各部を集中制御する。

又、カメラコントローラ１０１は、メインスイッチ１１１，ＡＦスイッチＳＷ１、レリーズスイッチＳＷ２、モード設定ダイアル１１２、モニタスイッチ１１３からの入力を受けてカメラ各部の動作を制御すると共に、画像処理と画像の制御を行うデジタル処理部２０１と連携してレンズ制御部１７１を介したＡＦ制御、絞り制御、フラッシュ１３１の発光制御を行う。更に、カメラコントローラ１０１は、ファインダ接眼部１４１ｂ内部又は近傍に備えられた接眼表示部１４２に各種情報を表示する。

又、カメラコントローラ１０１は、後述するフローチャートに従って、撮像素子２１１を冷却するための冷却素子２４１への通電を制御する。

撮影レンズ２５１で集光された被写体からの光は撮像素子２１１上に結像される。撮像素子２１１に接して撮像素子２１１を冷却するための冷却素子２４１が配置される。撮像素子２１１で撮像された画像出力は、アナログ処理部２１２で所定の処理が施された後、Ａ／Ｄ変換部２１３でデジタルデータに変換され、デジタル処理部２０１で所定の信号処理、画像処理が施されて画像データとして画像メモリ２２１に一旦蓄えられると共に、モニタ２３１上にライブビュー画像として表示される。

レリーズスイッチＳＷ２がオンされると、後述のフローチャートに従って記録のための撮像（以下、撮影という）が行われ、画像データが画像メモリ２２１に一旦蓄えられた後、モニタ２３１上に撮影済み画像としてアフタービュー表示され、メモリカード２３１に保存される。撮像素子２１１、アナログ処理部２１２、Ａ／Ｄ変換部２１３の動作は、タイミングジェネレータ２１４とＶドライバ２１５によって制御される。制御の詳細については説明を省略する。撮像素子２１１、アナログ処理部２１２、Ａ／Ｄ変換部２１３、タイミングジェネレータ２１４、Ｖドライバ２１５を総称して撮像部２１０という。

カメラの各部の電源を制御する電源部１５１では、図示しない昇圧回路等を用いてバッテリ１６１からＶ１（＝１５Ｖ）、Ｖ２（＝５Ｖ）、Ｖ３（＝３．３Ｖ）、Ｖ４（＝−７．５Ｖ）等の電源電圧を生成し、カメラ各部に供給する。

次に、本発明の第１の実施の形態に係る撮像ユニットの構成の一例を、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、撮像素子２１１及びその周辺の、撮像素子２１１の表面側から見た平面図であり、図４（ｂ）は断面図である。ここでは、撮像素子チップ２１１ａとしてＣＣＤ（電荷結合素子）型撮像素子を例にとって説明する。

被写体像を電気信号に変換する半導体素子である撮像素子チップ２１１ａの表面には、被写体からの光を電気信号に変換する光電変換部２１１ｆ、光電変換部２１１ｆの出力を順次垂直方向に転送する垂直転送部２１１ｇ、垂直転送部２１１ｇの出力を順次水平方向に転送する水平転送部２１１ｈ及び水平転送部２１１ｈの出力信号の出力インピーダンスを下げるバッファリングを行う、もしくは出力信号の増幅を行って、撮像素子チップ２１１ａから外部に出力する出力アンプ部２１１ｉが配置されている。電源投入直後の撮像素子チップ２１１ａの温度は略室温であるが、撮像時は、光電変換部２１１ｆ、垂直転送部２１１ｇ、水平転送部２１１ｈも発熱はするものの、主に消費電力の多い出力アンプ部２１１ｉが発熱し、出力アンプ部２１１ｉとその近傍が撮像素子チップ２１１ａ全体の平均温度よりも高温となるため、出力アンプ２１１ｉ近傍の光電変換部の出力が部分的に着色したり、ノイズが多くなったりして画質を劣化させる要因となる。

撮像素子チップ２１１ａは、プラスチック等からなるパッケージ２１１ｂの表面凹部にダイボンドされ、リードフレーム２１１ｃの一端にボンディングワイヤ２１１ｄでワイヤボンドされて電気的に接続され、カバーガラス２１１ｅで封止されている。以上を総称して撮像素子２１１と呼ぶ。撮像素子２１１は、パッケージ２１１ｂの撮像素子チップ２１１ａが搭載された側を表面として、表面を撮影レンズ２５１に向けて撮影レンズ光軸に垂直に配置され、リードフレーム２１１ｃの他端で回路基板２６１に半田付け等により電気的に接続されている。回路基板２６１上には他の回路部品（図示せず）も搭載されており、撮像素子２１１と電気的に接続されている。

パッケージ２１１ｂの撮像素子チップ２１１ａの発熱部である出力アンプ部２１１ｉの裏面に相当する部分には、パッケージ２１１ｂの裏面の面積あるいは撮像素子チップ２１１ａの面積よりも小さい冷却面積を持つ冷却素子２４１の吸熱面２４１ａが当接されて熱的に密着されており、冷却素子２４１の放熱面２４１ｂは、放熱部材２４３と当接されて熱的に密着されている。パッケージ２１１ｂと放熱部材２４３は回路基板２６１を間に挟むことで熱的に分離されている。これによって、撮像時に出力アンプ部２１１ｉで発生した熱は、パッケージ２１１ｂを挟んですぐ裏面にある冷却素子２４１で効率よく吸熱、冷却される。

尚、本例では、放熱部材２４３の冷却素子２４１の放熱面２４１ｂに当接する部分２４３ａを、冷却素子２４１と回路基板２６１の厚みの差ｄ１に相当する高さを有する凸形状にすることで、放熱部材２４３と冷却素子２４１の放熱面２４１ｂの密着性が向上するようになしてあるが、放熱部材２４３と冷却素子２４１の放熱面２４１ｂの密着性が保てるのであれば、図７に示したように凹凸のない平面であってもよいし、逆に、図８に示したように凹面であってもよい。更に、上述の「熱的に密着」させるために、必要な場合は、各当接部に放熱用グリス、放熱用シート、熱伝導性フィラー、熱伝導性接着剤等の熱伝導材料を充填してもよい。

放熱部材２４３は、冷却素子２４１が吸熱する撮像素子チップ２１１ａの発する熱と、冷却時に冷却素子２４１自体の発する熱の両方を放熱できるに十分な放熱容量を持つ大きさに設定される。そのため、図２及び図４では放熱部材２４３に放熱フィン２４３ｂをつけることで放熱効率を大きくしたものを例示しているが、これに限るものではない。

次に、本発明の第１の実施の形態に係る撮像装置としてのデジタルカメラ１での撮像動作の制御を、図５を用いて説明する。図５は、デジタルカメラ１での撮影の流れを示すフローチャートである。

まず、ステップＳ０１でメインスイッチ１１１が操作されてカメラの電源がオンされると、ステップＳ０２で起動時の動作モードが判別される。ここでは、モード設定ダイアル１１２を用いて画像の撮影を行う「カメラモード」に設定されているとして、カメラモードが起動される。カメラモード以外の動作モード（例えば、再生モード）での制御については説明を省略する。

カメラモードが起動された場合は（ステップＳ０２；ＹＥＳ）、ステップＳ１１で撮像部２１０と冷却素子２４１の電源がオンされ、撮像が開始されると共に撮像素子２１１の冷却が開始される。ステップＳ１２でモニタ２３１上にライブビュー表示が行われ、ステップＳ１３でＡＦスイッチＳＷ１がオンされたかどうかが判断される。ＡＦスイッチＳＷ１がオンされるまで、ステップＳ１３で待機する。

ＡＦスイッチＳＷ１がオンされると（ステップＳ１３；ＹＥＳ）、ステップＳ１４でＡＦとＡＥが行われ、ステップＳ１５でレリーズスイッチＳＷ２がオンされたかどうかが判断される。レリーズスイッチＳＷ２がオンされるまで、ステップＳ１３からＳ１５が繰り返される。

レリーズスイッチＳＷ２がオンされると（ステップＳ１５；ＹＥＳ）、ステップＳ１６で撮影が行われ、ステップＳ１７で撮像素子２１１からアナログ処理部２１２に画像出力が転送されてＡ／Ｄ変換部２１３でデジタルデータに変換される。ステップＳ１８で、撮影された画像データが画像メモリ２２１に一旦蓄えられる。ステップＳ１９でモニタ２３１上に撮影された画像の表示（アフタービュー表示）が行われ、ステップＳ２０で撮影された画像データがメモリカード２２２に記録される。

ステップＳ２１でモニタ２３１上のアフタービュー表示が消灯されて、ステップＳ２２でモニタ２３１上に再度ライブビュー表示が行われる。ステップＳ２３でオートパワーオフ（ＡＰＯ：規定の時間、何の操作も行われなかった場合に、電源をオフする機能）時間が経過していないかどうかが判断され、経過していない場合は（ステップＳ２３；ＮＯ）、ステップＳ２４でメインスイッチ１１１がオフされていないかどうかが判断される。

オフされていない場合は（ステップＳ２４；ＮＯ）、ステップＳ２５で動作モードがカメラモードから変更されていないかどうかが判断される。変更されていなければ（ステップＳ２５；ＹＥＳ）、ステップＳ１２に戻って上述のシーケンスを繰り返す。動作モードが変更されている場合は（ステップＳ２５；ＮＯ）、変更されたモードでの制御に移行する。カメラモード以外の動作モード（例えば、再生モード）での制御については説明を省略する。

ステップＳ２３でＡＰＯ時間が経過していた場合（ステップＳ２３；ＹＥＳ）及びステップＳ２４でメインスイッチ１１１がオフされていた場合（ステップＳ２４；ＹＥＳ）、ステップＳ２６でモニタ２３１上のライブビューが消灯され、ステップＳ２７で撮像部２１０と冷却素子２４１の電源がオフされ、撮像が終了されると共に撮像素子２１１の冷却も終了される。以上で撮影終了となる。

次に、図５に示した処理の流れにおける撮像素子２１１及び冷却素子２４１周辺の回路の動作と、撮像素子チップ２１１ａの温度について、図６を用いて説明する。図６（ａ）は、図５の各ステップの動作タイミングを示したタイミングチャートであり、図６（ｂ）は、冷却素子２４１に通電しない場合の撮像素子チップ２１１ａの図６（ａ）に示した動作における温度の推移を示した模式図であり、図６（ｃ）は、本発明に係る撮像素子チップ２１１ａの図６（ａ）に示した動作における温度の推移を示した模式図である。

図６（ａ）において、ステップＳ０１でメインスイッチ１１１がＯＮされて、カメラモードで起動されると、ステップＳ１１で撮像部２１０の電源が投入され、同時に冷却素子２４１にも通電されて撮像素子２１１の冷却が開始される。ステップＳ１２でライブビューのための撮像が開始され、モニタ２２２上にライブビューが表示される。次に、ステップＳ１３でＡＦスイッチＳＷ１のオンが確認されると（ステップＳ１３；ＹＥＳ）、ＡＦ、ＡＥが行われる。続いて、ステップＳ１５でレリーズスイッチＳＷ２のオンが確認されると（ステップＳ１５；ＹＥＳ）、ステップＳ１６で撮影が行われる。

ステップＳ１７で画像データが画像メモリ２２１に記録され、ステップＳ１９で画像データがメモリカード２３１に記録されて撮影動作が完了する。

冷却素子２４１に通電されず、冷却が行われない場合には、撮像素子チップ２１１ａの出力アンプ部２１１ｉから離れた場所の光電変換部２１１ｆの温度Ｔ１は、図６（ｂ）に実線で示すようにステップＳ１１で撮像部２１０の電源が投入されてステップＳ１２でライブビューが開始されると同時に上がりはじめ、やがて熱平衡に達する。又、出力アンプ部２１１ｉ及びその近傍の光電変換部２１１ｆの温度Ｔ１’は、図６（ｂ）に波線で示すようにステップＳ１１で撮像部２１０の電源が投入されてステップＳ１２でライブビューが開始されると同時にＴ１よりもさらに急激に上がりはじめ、やがて熱平衡に達する。前述したように、この時の温度上昇により、撮像素子チップ２１１ａの温度が８℃上昇すると暗電流すなわち暗ノイズが２倍に増加する。仮に８０℃温度が上昇したと仮定すると、暗ノイズは１０００倍以上にも増加することになる。又、撮像素子チップ２１１ａ内部で温度ムラができることになり、場合によっては出力アンプ部２１１ｉ近傍の光電変換部２１１ｆの出力が部分的に着色したりする不具合が発生する。

一方、図５のように冷却が行われる場合は、図６（ｃ）のように、ステップＳ１１で撮像部２１０と冷却素子２４１の電源が投入されると同時に、撮像素子チップ２１１ａの温度Ｔ２は下がりはじめ、やがて熱平衡に達する。これによって、暗ノイズが低減され高画質化に寄与する。仮に２０℃温度が低下したと仮定すると、暗ノイズは約６分の１程度に減少することになる。従って、冷却を行うことによって、上述の例では８０℃温度が上昇するはずが２０℃温度が下がることになり、トータルとして約６０００分の１程度に暗ノイズが減少することになる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る撮像ユニットの構成の例を、図７を用いて説明する。図中、図２、４と同じ部分には同じ番号を付与し、図４と異なる部分のみを説明し、共通の部分は割愛する。図７（ａ）は、撮像素子２１１及びその周辺の、撮像素子２１１の表面側から見た平面図であり、図７（ｂ）は断面図である。ここでは、撮像素子チップ２１１ａは図４と同じＣＣＤ（電荷結合素子）型撮像素子を例にとっている。

被写体像を電気信号に変換する半導体素子である撮像素子チップ２１１ａは、プラスチック等からなるパッケージ２１１ｂの表面凹部にダイボンドされ、リードフレーム２１１ｃの一端にボンディングワイヤ２１１ｄでワイヤボンドされて電気的に接続され、カバーガラス２１１ｅで封止されている。パッケージ２１１ｂの撮像素子チップ２１１ａが搭載された面の裏面には金属等からなる冷却部材２４２が設けられている。以上を総称して撮像素子２１１と呼ぶ。

撮像素子２１１は、パッケージ２１１ｂの撮像素子チップ２１１ａが搭載された側を表面として、表面を撮影レンズ２５１に向けて撮影レンズ光軸に垂直に配置され、リードフレーム２１１ｃの他端で回路基板２６１に半田付け等により電気的に接続されている。回路基板２６１上には他の回路部品（図示せず）も搭載されており、撮像素子２１１と電気的に接続されている。

パッケージ２１１ｂの撮像素子チップ２１１ａの発熱部である出力アンプ部２１１ｉの裏面に相当する部分には、パッケージ２１１ｂの裏面の面積あるいは撮像素子チップ２１１ａの面積よりも小さい冷却面積を持つ冷却素子２４１の吸熱面２４１ａが冷却部材２４２に当接されて熱的に密着されており、冷却素子２４１の放熱面２４１ｂは、放熱部材２４３と当接されて熱的に密着されている。パッケージ２１１ｂと放熱部材２４３は回路基板２６１を間に挟むことで熱的に分離されている。これによって、撮像時に発熱部である出力アンプ部２１１ｉで発生した熱は、パッケージ２１１ｂと冷却部材２４２を挟んですぐ裏面にある冷却素子２４１で効率よく吸熱、冷却される。

本例では、放熱部材２４３の冷却素子２４１の放熱面２４１ｂに当接する部分２４３ａを平面となしているが、放熱部材２４３と冷却素子２４１の放熱面２４１ｂの密着性が保てるのであれば、図４に示したように凸面であってもよいし、逆に、図８に示したように凹面であってもよい。更に、上述の「熱的に密着」させるために、必要な場合は、各当接部に放熱用グリス、放熱用シート、熱伝導性フィラー、熱伝導性接着剤等の熱伝導材料を充填してもよい。放熱部材２４３は、冷却素子２４１が吸熱する撮像素子チップ２１１ａの発する熱と、冷却時に冷却素子２４１自体の発する熱の両方を放熱できるに十分な放熱容量を持つ大きさに設定される。尚、本例では、放熱部材２４３には放熱フィン２４３ｂは設けていない。

更に、本発明の第３の実施の形態に係る撮像ユニットの構成の例を、図８を用いて説明する。図中、図２、４、７と同じ部分には同じ番号を付与し、図４と異なる部分のみを説明し、共通の部分は割愛する。図８（ａ）は、撮像素子２１１及びその周辺の、撮像素子２１１の表面側から見た平面図であり、図８（ｂ）は断面図である。ここでは、第二の撮像素子チップ３０１としてＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）型撮像素子を例にとっている。

被写体像を電気信号に変換する半導体素子である第二の撮像素子チップ３０１の表面には、被写体からの光を電気信号に変換する光電変換部３０２、光電変換部３０２の出力を順次垂直方向に読み出すＶスキャナ３０３、Ｖスキャナ３０３で読み出された光電変換部３０２の出力をサンプルホールドしてＣＤＳ（相関二重サンプリング）処理することで画素ばらつきをキャンセルするためのＳＨ＆ＣＤＳ回路部３０４、ＣＤＳ処理された出力を順次水平方向に読み出すＨスキャナ３０５、Ｈスキャナ３０５の出力をバッファリングあるいは増幅するアンプ部３０６、アンプ部３０６で増幅された出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ部３０７、Ａ／Ｄ変換されたデジタルデータを画像処理する画像処理部３０８及び第二の撮像素子チップ３０１の動作タイミング信号を発生するＴＧ部３０９等が配置されている。

電源投入直後の第二の撮像素子チップ３０１の温度は略室温であるが、撮像時は、光電変換部３０２、Ｖスキャナ３０３、ＳＨ＆ＣＤＳ回路部３０４、Ｈスキャナ３０５も発熱はするものの、主に消費電力の多いアンプ部３０６、Ａ／Ｄ部３０７、画像処理部３０８、ＴＧ部３０９等の発熱部３１０が発熱し、これら発熱部３１０とその近傍が撮像素子チップ３０１全体の平均温度よりも高温となるため、これら発熱部３１０近傍の光電変換部３０２の出力が部分的に着色したり、ノイズが多くなったりして画質を劣化させる要因となる。

第二の撮像素子チップ３０１は、プラスチック等からなるパッケージ２１１ｂ表面凹部にダイボンドされ、リードフレーム２１１ｃの一端にボンディングワイヤ２１１ｄでワイヤボンドされて電気的に接続され、カバーガラス２１１ｅで封止されている。以上を総称して撮像素子２１１と呼ぶ。

撮像素子２１１は、パッケージ２１１ｂの撮像素子チップ３０１が搭載された側を表面として、表面を撮影レンズ２５１に向けて撮影レンズ光軸に垂直に配置され、リードフレーム２１１ｃの他端で回路基板２６１に半田付け等により電気的に接続されている。回路基板２６１上には他の回路部品（図示せず）も搭載されており、撮像素子２１１と電気的に接続されている。

パッケージ２１１ｂの第二の撮像素子チップ３０１の発熱部３１０であるアンプ部３０６、Ａ／Ｄ部３０７、画像処理部３０８及びＴＧ部３０９の裏面に相当する部分には、少なくとも発熱部３１０と略同等の面積を持つ冷却部材２４２が当接されて熱的に密着されており、冷却部材２４２のパッケージ２１１ｂと反対側の面には、パッケージ２１１ｂの底面積あるいは撮像素子チップ２１１ａの底面積よりも小さい冷却面積を持つ冷却素子２４１の吸熱面２４１ａが当接されて熱的に密着されており、冷却素子２４１の放熱面２４１ｂは、放熱部材２４３と当接されて熱的に密着されている。冷却部材２４２と放熱部材２４３は回路基板２６１を間に挟むことで熱的に分離されている。これによって、撮像時に第二の撮像素子チップ３０１の発熱部分で発生した熱は、パッケージ２１１ｂと冷却部材２４２を挟んですぐ裏面にある冷却素子２４１で効率よく吸熱、冷却される。

本例では、放熱部材２４３の冷却素子２４１の放熱面２４１ｂに当接する部分２４３ａを、冷却素子２４１と回路基板２６１の厚みの差ｄ２に相当する深さを有する凹形状にすることで、放熱部材２４３と冷却素子２４１の放熱面２４１ｂの密着性が向上するようになしてあるが、放熱部材２４３と冷却素子２４１の放熱面２４１ｂの密着性が保てるのであれば、図４に示したように凸面であってもよいし、逆に、図７に示したように平面であってもよい。更に、上述の「熱的に密着」させるために、必要な場合は、各当接部に放熱用グリス、放熱用シート、熱伝導性フィラー、熱伝導性接着剤等の熱伝導材料を充填してもよい。放熱部材２４３は、第二の撮像素子チップ３０１の発する熱と冷却素子２４１の発する熱の両方を放熱できるに十分な放熱容量を持つ大きさに設定される。尚、本例では、放熱部材２４３には放熱フィン２４３ｂは設けていない。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る撮像装置として働くデジタルカメラ１での撮像動作の制御を、図９を用いて説明する。図中、図５と同じ動作のステップには同じステップ番号を付与した。図９は、デジタルカメラ１での撮影の流れを示すフローチャートである。

まず、ステップＳ０１でメインスイッチ１１１が操作されてカメラの電源がオンされると、ステップＳ０２で起動時の動作モードが判別される。ここでは、モード設定ダイアル１１２を用いて画像の撮影を行う「カメラモード」に設定されているとして、カメラモードが起動される。カメラモード以外の動作モード（例えば、再生モード）での制御については説明を省略する。

カメラモードが起動された場合は（ステップＳ０２；ＹＥＳ）、ステップＳ３１で撮像部２１０の電源がオンされる。ステップＳ１２でモニタ２３１上にライブビュー表示が行われ、ステップＳ１３でＡＦスイッチＳＷ１がオンされたかどうかが判断される。ＡＦスイッチＳＷ１がオンされるまでステップＳ１３で待機する。

ＡＦスイッチＳＷ１がオンされると（ステップＳ１３；ＹＥＳ）、ステップＳ１４でＡＦとＡＥが行われ、ステップＳ１５でレリーズスイッチＳＷ２がオンされたかどうかが判断される。レリーズスイッチＳＷ２がオンされるまでステップＳ１３からＳ１５が繰り返される。

レリーズスイッチＳＷ２がオンされると（ステップＳ１５；ＹＥＳ）、ステップＳ３２で冷却素子２４１に通電され、撮像素子２１１の冷却が開始される。ステップＳ１６で撮影が行われ、ステップＳ１７で撮像素子２１１からアナログ処理部２１２に画像出力が転送されてＡ／Ｄ変換部２１３でデジタルデータに変換される。画像出力の転送が完了したら、ステップＳ３３で冷却素子２４１への通電が停止され、撮像素子２１１の冷却が終了される。

ステップＳ１８で、撮影された画像データが画像メモリ２２１に一旦蓄えられ、ステップＳ１９でモニタ２３１上に撮影された画像の表示（アフタービュー表示）が行われ、ステップＳ２０で撮影された画像データがメモリカード２２２に記録される。

ステップＳ１９でアフタービュー表示が行われてから一定時間経過後、ステップＳ２１でモニタ２３１上のアフタービュー表示が消灯されて、ステップＳ２２でモニタ２３１上に再度ライブビュー表示が行われる。ステップＳ２３でオートパワーオフ（ＡＰＯ：既定の時間、何の操作も行われなかった場合に、電源をオフする機能）時間が経過していないかどうかが判断され、経過していない場合は（ステップＳ２３；ＮＯ）、ステップＳ２４でメインスイッチ１１１がオフされていないかどうかが判断される。

オフされていない場合は（ステップＳ２４；ＮＯ）、ステップＳ２５で動作モードがカメラモードから変更されていないかどうかが判断される。変更されていなければ（ステップＳ２５；ＹＥＳ）、ステップＳ１２に戻って上述のシーケンスを繰り返す。動作モードが変更されている場合は（ステップＳ２５；ＮＯ）、変更されたモードでの制御に移行する。カメラモード以外の動作モード（例えば、再生モード）での制御については説明を省略する。

ステップＳ２３でＡＰＯ時間が経過していた場合（ステップＳ２３；ＹＥＳ）及びステップＳ２４でメインスイッチ１１１がオフされていた場合（ステップＳ２４；ＹＥＳ）、ステップＳ２６でモニタ２３１上のライブビューが消灯され、ステップＳ３４で撮像部２１０の電源がオフされる。以上で撮影終了となる。

次に、図９に示した処理の流れにおける撮像素子２１１及び冷却素子２４１周辺の回路の動作と、撮像素子チップ２１１ａの温度について、図１０を用いて説明する。図１０（ａ）は、図９の各ステップの動作タイミングを示したタイミングチャートであり、図１０（ｂ）は、本発明に係る撮像素子チップ２１１ａの図１０（ａ）に示した動作における温度の推移を示した模式図であり、図１０（ｃ）は、本発明に係る冷却部材２４２の図１０（ａ）に示した動作における温度の推移を示した模式図であり、図１０（ｄ）は、本発明に係る放熱部材２４３の図１０（ａ）に示した動作における温度の推移を示した模式図である。

まず、図１０（ａ）で、ステップＳ０１でメインスイッチ１１１がＯＮされて、カメラモードで起動されると、ライブビューのための撮像が開始され、モニタ２２２上にライブビューが表示される。次に、ステップＳ１３でＡＦスイッチＳＷ１のオンが確認されると（ステップＳ１３；ＹＥＳ）、ＡＦ、ＡＥが行われる。続いて、ステップＳ１５でレリーズスイッチＳＷ２のオンが確認されると（ステップＳ１５；ＹＥＳ）、ステップＳ３２で冷却素子２４１に通電が開始される。

カメラモードでの起動から冷却素子２４１への通電開始までは冷却素子２４１は作動していないので、図１０（ｂ）、（ｃ）に示したように、撮像素子チップ２１１ａ及び冷却部材２４２の温度は初めのうちは少しずつ上昇を続け、やがて温度平衡に達する。放熱部材２４３の温度も、冷却部材２４２と冷却素子２４１を介して撮像素子チップ２１１ａの熱が伝わるため、図１０（ｄ）に示したように撮像素子チップ２１１ａ、冷却部材２４２と同様の温度上昇カーブを描く。撮像素子チップ２１１ａの平衡温度が、「撮像素子チップ２１１ａの画像出力がライブビューやＡＦ／ＡＥに支障ないノイズレベルになるような温度Ｔ１」以下となるように、冷却部材２４２の放熱容量が設定されている。

ステップＳ３２で冷却素子２４１に通電が開始されると、撮像素子チップ２１１ａの温度が下がりはじめる。ステップＳ１６で撮影が行われる時点では、撮像素子チップ２１１ａの温度が「撮像素子チップ２１１ａの画像出力が、画像として鑑賞に堪えるに十分なノイズレベルになるような温度Ｔ２」以下になるように、冷却素子２４１は撮像素子チップ２１１ａの発生する熱と冷却部材２４２に残存している冷却素子２４１非駆動時の熱の両方の熱量を吸熱できる冷却能力を有するように、且つ、放熱部材２４３は冷却素子２４１が吸熱した撮像素子２１１と冷却部材２４２の両方の熱量と、冷却時に冷却素子２４１自体の出す熱量の両方を放熱できる放熱容量を有するように設定される。

次に、ステップＳ１６で撮影が行われ、ステップＳ１７で画像出力がアナログ処理部２１２へ転送されて処理され、Ａ／Ｄ変換部２１３でＡ／Ｄ変換される。この間、冷却素子２４１への通電が行われているため、図１０（ｂ）に示すように、撮像素子チップ２１１ａの温度はＴ２よりも下がり、やがて温度平衡に達する。これによって、暗ノイズが低減され高画質化に寄与する。図１０（ｃ）に示すように、冷却部材２４２も同様の温度カーブを示す。一方、放熱部材２４３は、図１０（ｄ）に示すように放熱のために温度が上昇し、やがて温度平衡に達する。

本例では、特に冷却素子２４１への通電の制御は行っていないが、例えば、撮像素子チップ２１１ａの温度がＴ２以下になった後は冷却素子２４１への通電を断続的に行うことで、消費電力の更なる削減を行ってもよい。

ステップＳ３３で冷却素子２４１への通電が終了されると、撮像素子チップ２１１ａの温度は再び上昇を始め、ステップＳ１９でのアフタービュー表示を経て、ステップＳ２２での次の撮影のためのライブビュー表示に進んで上記のステップを繰り返すことになり、温度的にも上記の温度遷移を繰り返すことになる。

なお、本実施の形態においては、冷却素子２４１への通電開始（ステップＳ３２）をステップＳ１５でレリーズスイッチＳＷ２がオンされた後に置いたが、その代わりに、ステップＳ１３でＡＦスイッチＳＷ１がオンされた後、あるいはステップＳ１４でＡＦとＡＥが行われた後に置いてもよい。

その他、本発明に係る撮像装置を構成する各構成の細部構成及び細部動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

本発明に係る撮像装置の外観模式図である。 図１に示した撮像装置の図１中 Ａ−Ａ’断面の模式図である。 本発明に係る撮像装置の回路ブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る撮像ユニットの構成例の模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る撮像装置における撮影の流れを示すフローチャートである。 図６（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る撮像装置各部の動作タイミングを示したタイミングチャートであり、図６（ｂ）は従来例に係る撮像素子チップの温度の推移を示した模式図であり、図６（ｃ）は本発明に係る撮像素子チップの温度の推移を示した模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る撮像ユニットの構成例の模式図である。 本発明の第３の実施の形態に係る撮像ユニットの構成例の模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る撮像装置における撮影の流れを示すフローチャートである。 図１０（ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る撮像装置各部の動作タイミングを示したタイミングチャートであり、図１０（ｂ）は撮像素子チップの温度の推移を示した模式図であり、図１０（ｃ）は冷却部材の温度の推移を示した模式図であり、図１０（ｄ）は放熱部材の温度の推移を示した模式図である。

符号の説明

１ デジタルカメラ
１０ カメラ筐体
１０１ カメラコントローラ
１１１ メインスイッチ
１１２ モード設定ダイアル
１１３ モニタスイッチ
１２１ レリーズボタン
ＳＷ１ ＡＦスイッチ
ＳＷ２ レリーズスイッチ
１３１ フラッシュ
１４１ ファインダ
１４１ａ ファインダ対物部
１４１ｂ ファインダ接眼部
１４２ 接眼表示部
１５１ 電源部
１６１ バッテリ
１７１ レンズ制御部
２０１ デジタル処理部
２１０ 撮像部
２１１ 撮像素子
２１１ａ 撮像素子チップ
２１１ｂ パッケージ
２１１ｃ リードフレーム
２１１ｄ ボンディングワイヤ
２１１ｅ カバーガラス
２１１ｆ 光電変換部
２１１ｇ 垂直転送部
２１１ｈ 水平転送部
２１１ｉ 出力アンプ部
２１２ アナログ処理部
２１３ Ａ／Ｄ変換部
２１４ タイミングジェネレータ
２１５ Ｖドライバ
２２１ 画像メモリ
２２２ メモリカード
２３１ モニタ
２４１ 冷却素子
２４１ａ 吸熱面
２４１ｂ 放熱面
２４２ 冷却部材
２４３ 放熱部材
２４３ａ 放熱部材の冷却素子への当接部
２４３ｂ 放熱フィン
２５１ 撮影レンズ
２５２ 絞り
２６１ 回路基板
３０１ 第二の撮像素子チップ
３０２ 画素部
３０３ Ｖスキャナ
３０４ ＳＨ＆ＣＤＳ回路部
３０５ Ｈスキャナ
３０６ アンプ部
３０７ Ａ／Ｄ部
３０８ 画像処理部
３０９ ＴＧ部
３１０ 発熱部

Claims (9)

1. 被写体を撮像する撮像素子を有する撮像ユニットにおいて、
   前記撮像素子は少なくとも被写体像を電気信号に変換する半導体素子である撮像素子チップと、前記撮像素子チップを搭載するパッケージとから成り、
   前記パッケージの前記撮像素子チップの搭載面の裏面の面積より小さい冷却面積を有する冷却素子を、前記撮像素子チップの発熱部近傍に配置したことを特徴とする撮像ユニット。
2. 前記冷却素子は、前記撮像素子チップの面積よりも小さい冷却面積を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。
3. 前記撮像素子チップと前記冷却素子の間に、前記パッケージの前記撮像素子チップの搭載面の裏面の面積と同等もしくはより小さい面積を有する冷却部材を配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像ユニット。
4. 前記冷却部材は、前記パッケージの前記撮像素子チップの搭載面の裏面部に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像ユニット。
5. 前記撮像素子チップは、少なくとも被写体像を電気信号に変換する光電変換部と、光電変換された電気信号の出力インピーダンスを下げるバッファリングを行う、もしくは電気信号を増幅する出力アンプ部とから成り、前記撮像素子チップの発熱部は出力アンプ部であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像ユニット。
6. 前記撮像素子チップは、被写体像を電気信号に変換する光電変換部と、少なくとも光電変換された電気信号の出力インピーダンスを下げるバッファリングを行う、もしくは電気信号を増幅して出力する出力アンプ部、各部の動作タイミングを制御する信号を発生させるタイミングジェネレータ部及び前記出力アンプ部で増幅された出力をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換部を構成要素とする周辺回路とから成り、発熱部は該周辺回路の構成要素から選ばれる出力アンプ部、タイミングジェネレータ部及びＡ／Ｄ変換部から選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像ユニットを搭載したことを特徴とする撮像装置。
8. 前記撮像装置において、前記撮像素子が被写体を撮像するときに前記冷却素子を動作させる制御手段を有することを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
9. 前記撮像装置において、前記撮像素子が被写体を記録のために撮像するときに前記冷却素子を動作させる制御手段を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の撮像装置。

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