JP2007147701A - 撮像モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像素子とシャッタを一体化した撮像モジュールの薄型化、軽量化を図る。
【解決手段】 受光素子１１２を備える撮像素子１１と、撮像素子１１の表面上に配設されて受光素子１１２での受光を制御するシャッタ機構１２とを備え、シャッタ機構１２は撮像素子の表面上に薄膜状に形成され、当該表面上で移動可能な遮光性のあるベース板１２１と、ベース板１２１に設けられて受光素子での受光を可能にする透光用開口１２８と、透光用開口１２８を受光素子１１２に対向する位置とこれを外れた位置とで移動可能な駆動部とを備える。撮像素子１１とシャッタ機構１２をモノリシックに構成でき、撮像モジュールの薄型化と軽量化を実現する。
【選択図】 図４

Description

本発明は静止画像を撮像するために用いる撮像素子に関し、特にメカニカルシャッタを一体化した撮像モジュールに関するものである。

ＣＣＤ撮像素子を用いたカメラでは撮像によって蓄積された電荷を転送する際に新たに電荷が蓄積され、この電荷が転送中の電荷に混入して、いわゆるスミア現象が生じるおそれがある。そのため、従来から電子シャッタ機能を備えているが、一眼レフカメラではこの電子シャッタ機能の有無にかかわらずスミア現象を防止することが難しいため、フォーカルプレンシャッタ等の機械式シャッタが必要になる。また、ＣＭＯＳ撮像素子を用いたカメラでは、ＣＭＯＳ撮像素子は電子シャッタ機能が存在しないので、シャッタ速度を制御するための機械式シャッタが必要になる。

このように、デジタルカメラでは撮像素子でのシャッタ速度を制御するための機械式シャッタが必要とされる場合があり、このような機械式シャッタを備える場合にはシャッタ機構を駆動するためのモータや駆動機構が必要になり、シャッタ機構と撮像素子を含めた撮像モジュールが大型化してしまう。このような問題に対し特許文献１では、撮像素子ユニットの表面側にシャッタユニットを一体化して撮像モジュールを構成しており、特にシャッタユニットの構成として、表面に複数の駆動用電極を有する固定部材と、当該駆動用電極の電荷により駆動力を受けて固定部材に対して移動可能な遮光性を有する移動部材とでフォーカルプレンシャッタと等価なシャッタユニットを構成したものが提案されている。特許文献１によれば、シャッタユニットと撮像素子ユニットとを一体化することで薄型化が可能になる。
特開２００５−１０２１６２号公報

特許文献１の撮像モジュールは、固定部材と移動部材とでシャッタ機構を構成しているため、従来のフォーカルプレンシャッタやレンズシャッタに比較してシャッタユニットを薄型化することは可能であるが、それぞれ独立に構成されている撮像素子ユニットとシャッタユニットとを一体化して撮像モジュールを構成するという技術思想の点では従来の撮像モジュールと同じであり、そのため光軸方向に重畳する固定部材と移動部材とが必要でとなって光軸方向の寸法を小さくすること、すなわち撮像モジュールの薄型化には限界があり、かつ構成部品点数が多いため軽量化を実現することも難しい。また、特許文献１の技術は移動部材を固定部材に対して移動させて撮像素子ユニットの撮像面を走査しながら撮像を行っているフォーカルプレンシャッタの一種であるため、撮像素子を構成している多数の画素間における撮像タイミングに差が生じることは避けられず、特に移動体を撮像した場合に、撮像画像にシャッタ走査方向の歪が生じることを回避することは困難である。

本発明の目的は、薄型化、軽量化を可能にした撮像モジュールを提供するものである。また、本発明の他の目的は移動体を撮像した場合でも撮像画像における歪を防止することが可能な撮像モジュールを提供するものである。

本発明は、表面に受光素子を備える撮像素子と、撮像素子の表面上に配設されて受光素子での受光を制御するシャッタ機構とを備える撮像モジュールであって、シャッタ機構は撮像素子の表面上に一体的に薄膜状に形成され、当該表面上で移動可能な遮光性のあるベース板と、ベース板に設けられて受光素子での受光を可能にする透光用開口と、透光用開口を受光素子に対向する位置とこれを外れた位置とに移動可能な駆動部とを備えることを特徴とする。

本発明において、撮像素子は多数の受光素子が表面に配列され、透光用開口は受光素子に対応して多数個がベース板に配列される。またこの場合、透光用開口には受光素子の受光面に焦点を結ぶマイクロレンズが設けられることが好ましい。一方、ベース板は両側部に設けられた第１及び第２の平行バネ部により撮像素子の表面に沿って平行移動可能に構成される。すなわち、ベース板は撮像素子の表面に対して所要の空隙で対峙され、第１及び第２の平行バネ部において撮像素子に一体化されたブリッジ構造に構成される。また、駆動部はベース板の一端に設けられた可動電極と、撮像素子に固定的に設けられた固定電極とで構成され、両電極間に印加する電圧により可動電極を移動する静電リニアアクチュエータで構成される。この場合、例えば、可動電極及び固定電極はそれぞれ複数の突起状電極が交互に配列した櫛歯電極で構成される。また、可動電極及び固定電極はそれぞれベース板を形成するための膜部材をエッチングして形成されることが好ましい。特に、ベース板はポリシリコンで構成されることが好ましい。本発明において、撮像素子はＣＣＤ撮像素子又はＣＭＯＳ撮像素子で構成される。

本発明によれば、撮像素子の表面に透光用開口を備えたベース板と駆動部を一体に設け、駆動部によりベース板を移動させて透光用開口の位置を制御し、受光素子での受光を制御するシャッタ機構を形成しているので、撮像素子とシャッタ機構をモノリシックに構成でき、撮像モジュールの薄型化を図るとともに、撮像モシュールの軽量化を実現することもできる。また、本発明によれば、ベース板に設けた多数の透光用開口を一体的に移動させて撮像素子を構成している多数の受光素子の受光タイミングを制御するので、多数の受光素子はそれぞれ同一タイミングで撮像を行うことができ、移動体を撮像した場合でもフォーカルプレンシャッタのような撮像画像の歪が生じることがない。

次に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例１の撮像モジュールＭの外観斜視図であり、パッケージ１の表面には透明なカバーガラス２が接着され、パッケージ１の裏面には多数本の外部接続端子３が突出されている。図２は前記カバーガラス２を除去した撮像モジュールＭの斜視図であり、前記パッケージ１の凹部１ａ内には、撮像素子にシャッタ機構を一体化したチップ状の素子（ここでは撮像・シャッタ素子と称する）１０を内装している。前記撮像・シャッタ素子１０を構成している撮像素子は、後述するようにシリコン等の半導体基板に公知の半導体製造プロセスを用いて多数の受光素子（撮像画素）がマトリクス状に配列されており、この受光素子としてここではＣＭＯＳ撮像素子で構成されている。また、シャッタ機構はバルクマイクロマシニング法等によって撮像素子の表面に一体的に形成されている。これにより、撮像・シャッタチップ１０は撮像素子とシャッタ機構とがモノリシックに構成されたチップとして構成される。

図３は前記撮像・シャッタ素子１０の平面図、図４はそのＡ−Ａ線に沿う拡大断面図である。図４に示すように、撮像・シャッタ素子１０は撮像素子１１の表面にシャッタ機構１２がモノリシックに構成されている。撮像素子１１は、Ｎ型シリコン基板１１０にＰ型ウェル１１１が形成されており、当該Ｎ型シリコン基板１１０の表面にＰ型不純物層からなるフォトダイオード１１２が形成され、マトリクス配置された多数の受光素子として構成される。また、前記Ｐ型ウェル１１１の表面にはＮ型ソース・ドレイン領域１１５と、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を積層した下層絶縁膜１１６の一部で構成されるゲート絶縁膜１１６ａと、その上に形成された配線層１１７の一部で構成されるゲート電極１１７ａとを有するフォトダイオード選択用のスイッチとしてのＭＯＳトランジスタ１１３が形成されている。また、前記Ｎ型シリコン基板１１０及びＰ型ウェル１１１には電荷が洩れ出すのを防止するためのいわゆるチャネルストッパ層１１４が設けられている。そして、前記下層絶縁膜１１６にはコンタクトホールが開口され、アルミニウム膜を所要のパターンに形成した配線層１１７によって前記フォトダイオード１１２及びＭＯＳトランジスタ１１３が相互に電気接続されている。また、上層には層間絶縁膜としてのＰＳＧ膜（リン・シリケート・ガラス）１１８が形成され、このＰＳＧ膜１１８上にはアルミニウム膜からなる遮光膜１１９が形成されている。この遮光膜１１９は前記フォトダイオード１１２の受光面の直上領域に矩形の窓１１９ａが開口されており、この窓１１９ａを透過した光を前記フォトダイオード１１２の受光面に入射させて受光することが可能である。前記窓１１９ａ以外の領域では光は遮光され、特にＭＯＳトランジスタ１１３に対して光が照射されることを防いでいる。遮光膜１１９の窓１１９ａを通して入射された光がフォトダイオード１１２に照射すると、フォトダイオード１１２で電荷が蓄積され、この電荷は配線層１１７を介してＭＯＳトランジスタ１１３のソース・ドレイン領域１１５の一方に伝達され、ＭＯＳトランジスタ１１３がオンしたときに他方に接続されている配線層１１７から外部に出力される。

前記シャッタ機構１２は前記遮光膜１１９の上側には所要の空隙をおいて配設されている。このシャッタ機構１２はポリシリコンからなるベース板１２１を有しており、このベース板１２１はポリシリコンに不純物を導入して導電性を持たせるとともに、表面にはアルミニウム等の遮光膜１２２を形成しており、その平面形状は図３に示したように、両側部に第１及び第２の平行バネ部１２３，１２４を有するほぼ矩形の平板として形成されている。第１の平行バネ部１２３は一対の真直かつ平行な細幅のバネ片１２３ａを有しており、一端においてベース板１２１に連結され、他端は図３に斜線で示す支持部１２３ｂに連結され、この支持部１２３ｂにおいて前記撮像素子１１に一体化されている。第２の平行バネ部１２４は一対の円弧状に湾曲した平行な細幅のバネ片１２４ａを有しており、一端においてベース板１２１に連結され、他端は図３に斜線で示す支持部１２４ｂに連結され、この支持部１２４ｂにおいて前記撮像素子１１に一体化されている。これにより、ベース板１２１は第１及び第２の平行バネ部１２３，１２４の各支持部１２３ｂ，１２４ｂにおいて撮像素子１１に一体化されるが中間部は撮像素子１１の表面上に微少空隙をもって対峙されたブリッジ構造で前記撮像素子１１に支持されることになり、しかも第１第２の平行バネ部１２３，１２４の各バネ片１２３ａ，１２４ａをそれぞれ幅方向に変形することによりベース板１２１は撮像素子１１の表面に沿って図３の矢印Ｐ方向に平行移動することが可能とされている。

前記ベース板１２１の一端部は複数の突起状電極を所要の間隔で配列して櫛歯状に形成した可動櫛歯電極１２６として構成される。また、この可動櫛歯電極１２６の各電極を挟み込む複数の突起状電極を支持部１２７ａにおいて一体に連結した櫛歯状をした固定櫛歯電極１２７が撮像素子１１の表面に一体的に設けられる。固定櫛歯電極１２７は図３の斜線領域において撮像素子１１に一体化される。そして、これら可動櫛歯電極１２６と固定櫛歯電極１２７とで駆動部１２５が構成される。この駆動部１２５では、可動櫛歯電極１２６と固定櫛歯電極１２７の各複数の突起状電極はベース板１２１の板厚方向の面内において平面方向に微少間隔で相互に対峙された構成とされており、可動櫛歯電極１２６と固定櫛歯電極１２７との間に図には表れない駆動回路を通して制御された電圧が印加されと、可動櫛歯電極１２６と固定櫛歯電極１２７との間に生じる静電力によって可動櫛歯電極１２６が図３のＰ方向に直線移動され、これと一体のベース板１２１を同方向に直線移動させる静電リニアアクチュエータとして構成されている。

また、前記ベース板１２１は、図４に示すように、前記各フォトダイオード１１２の直上位置よりも平面方向に左側に外れた位置においてフォトダイオード１１２と同様にマトリクス配列され、少なくとも前記撮像素子１１の遮光膜１１９の窓１１９ａよりも大きな寸法をした多数の矩形の透光用開口１２８が開けられており、この透光用開口１２８には光透過性のある透明樹脂で形成され、かつ表面が球面に加工されたマイクロレンズ１２９が形成されている。このマイクロレンズ１２９は前記フォトダイオード１１２の受光面に結像するように焦点距離が設計されており、撮像モジュールがモノクロ画像を撮像するモジュールの場合には無色透明な樹脂で形成されるが、撮像モジュールがカラー画像を撮像するモジュールの場合には、赤、青、緑の各色の透明樹脂で形成されている。

以上の構成の撮像・シャッタ素子１０の製造方法については、ここでは詳細な説明は省略するが、撮像素子１１については公知の半導体プロセスを用いることによってシリコン基板１１０にフォトダイオード１１２、ＭＯＳトランジスタ１１３、各絶縁膜１１６，１１８及び遮光膜１１９を製造することができる。シャッタ機構１２については、製造された撮像素子１１の表面上に、いわゆるマイクロマシニング法によって製造することができる。簡単に説明すれば、撮像素子１１の表面上に図には表れないレジスト層を表面が平坦になるように所要の厚さに形成する。このとき、ベース板１２１の第１及び第２の平行バネ部１２３，１２４の各支持部１２３ｂ，１２４ｂと固定櫛歯電極１２７にそれぞれ対応する領域（図３に斜線で示す領域）にはレジスト層を形成しないようにする。ついで、その上に不純物を導入したポリシリコン膜及び遮光用のアルミニウム膜を順次所要の厚さに積層した上で、これらアルミニウム膜とポリシリコン膜を選択エッチングして図３に示したベース板１２１と駆動部１２５を含む平面パターン形状にエッチングする。これにより前記ベース板１２１、第１及び第２の平行バネ部１２３，１２４、透光用開口１２８、可動櫛歯電極１２６及び固定櫛歯電極１２７からなる駆動部１２５がパターン形成される。しかる上でベース板１２１上に透過性の樹脂を堆積し、かつこれを透光用開口１２８を覆う領域にのみ残るようにエッチングし、さらに一旦溶融して自身の表面張力で半球状に成形してマイクロレンズ１２９を形成する。しかる上でベース板１２１の下層にあるレジスト膜をウェットエッチング等によって除去すると、ベース板１２１の下面と撮像素子１１の上面（遮光膜１１９の上面）との間のレジスト膜が除去されて両者の間に空隙が形成され、ベース板１２１は前記したように図３に斜線で示す領域でのみ撮像素子１１に一体化され、中間部が撮像素子１１に対して空隙をもって対峙されたブリッジ構造に形成される。なお、固定櫛歯電極１２７は撮像素子１１の上面に固定された状態に形成されることは言うまでもない。

このように構成された撮像・シャッタ素子１０は、図２に示したようにパッケージ１の表面の凹部１ａにダイボンディングされた上で、撮像素子１１のフォトダイオード１１２、ＭＯＳトランジスタ１１３につながる配線層１１７及びシャッタ機構１２の駆動部１２５の可動櫛歯電極１２６及び固定櫛歯電極１２７がリード線４によって外部接続端子３に電気接続される。その上でカバーガラス２が被せられてパッケージ１に接着されることで撮像・シャッタ素子１０はパッケージ１内に封止され、撮像モジュールＭが形成される。

以上の構成の撮像モジュールＭによれば、駆動部１２５に通電していないとき、すなわち可動櫛歯電極１２６と固定櫛歯電極１２７との間に所要の電圧を印加していないときには、シャッタ機構１２のベース板１２１は図４の状態、すなわちマイクロレンズ１２９がフォトダイオード１１２の直上位置よりも左側に寸法Ｌだけ偏った位置にある。そのため、フォトダイオード１１２の直上の窓１１９ａはベース板１２１の遮光膜１２２によって覆われ、またマイクロレンズ１２９を透過した光は遮光膜１１９によって遮光され、フォトダイオード１１２で受光されることはない。

駆動部１２５に通電して可動櫛歯電極１２６と固定櫛歯電極１２７との間に所要の電圧が印加されると、図５及び図６に平面図とそのＡ−Ａ線断面図を示すように、両電極１２６，１２７間での静電力によってベース板１２１は図５においてＰ１方向、すなわち同図の右方向に移動される。このとき、第１及び第２の平行バネ部１２３，１２４での変形によるパンタグラフ作用によってベース板１２１はＰ１方向に平行移動する。このときの移動量は印加した電圧により制御され、図４におけるマイクロレンズ１２９とフォトダイオード１１２との偏った寸法Ｌに等しい量だけ移動される。そのため、図６に示すように、ベース板１２１の移動によって透光用開口１２８及びマイクロレンズ１２９はフォトダイオード１１２の直上位置に移動されることになり、これによりマイクロレンズ１２９を透過した光は窓１１９ａを通してフォトダイオード１１２で受光されることになる。

ふたたび駆動部１２５への電圧の印加を停止すると、ベース板１２１は第１及び第２の平行バネ部１２３，１２４が常態に復帰するバネ力によって同図の左方向に移動され、図３に示したようにマイクロレンズ１２９がフォトダイオード１１２の直上位置から偏った位置となる。以上により、ベース板１２１が右側に移動している間だけフォトダイオード１１２に光が照射され、これが電荷蓄積時間となり、カメラのシャッタ開時間となる。したがって、ベース板１２１が右側に移動している時間を制御することでカメラのシャッタ速度を制御することが可能になる。

このように、実施例１の撮像モジュールＭは、撮像素子１１の表面にブリッジ構造をしたベース板１２１及び駆動部１２５を一体に設けてシャッタ機構１２を形成し、撮像素子１１とシャッタ機構１２をモノリシックに形成した撮像・シャッタ素子１０で構成しているので、シャッタ機構１２を薄く形成して撮像・シャッタ素子１０の薄型化を図り、ひいては撮像モジュールＭの薄型化を図るとともに、構成部品点数を削減して軽量化を実現することもできる。

また、実施例１の撮像モジュールＭは、ベース板１２１に設けた多数の透光用開口１２８及びマイクロレンズ１２９を一体的に移動させることによって撮像素子１１の多数の受光素子１１２における受光タイミングを制御しているので、多数の受光素子１１２はそれぞれ同一タイミングで撮像を行うことができ、移動体を撮像した場合でもフォーカルプレンシャッタのような撮像画像での歪が生じることがない。

なお、実施例１ではベース板１２１に遮光性を持たせるためにポリシリコン膜の表面にアルミニウムからなる遮光膜１２２を形成しているが、ポリシリコン膜に遮光性のある不純物を含有させて遮光性を持たせるようにしてもよく、この場合には遮光膜を省略することができる。また、ベース板はポリシリコンに限られるものではなく、所要の剛性、弾性を有して撮像素子１１上において薄膜技術によるマイクロマシニング加工が可能な材料であれば適用可能である。

実施例１では撮像素子をＣＭＯＳ撮像素子で構成した例を示したが、ＣＣＤ撮像素子で構成することもできる。この場合でも電荷蓄積部（フォトダイオード）の直上位置とこれを外れた位置との間でマイクロレンズを移動させるようにベース板と駆動電極部を構成すればよい。

実施例の撮像モジュールの外観斜視図である。 図１のガラスカバーを除去した斜視図である。 実施例の撮像・シャッタ素子の平面図である。 図３のＡ−Ａ線拡大断面図である。 シャッタ時における撮像・シャッタ素子の平面図である。 図５のＡ−Ａ線拡大断面図である。

符号の説明

Ｍ 撮像モジュール
１ パッケージ
２ カバーガラス
３ 外部接続端子
４ リード線
１０ 撮像・シャッタ素子
１１ 撮像素子
１２ シャッタ機構
１１１ シリコン基板
１１２ フォトダイオード（受光素子）
１１３ ＭＯＳトランジスタ
１１６，１１８ 絶縁膜
１１７ 配線層
１１９ 遮光膜
１２１ ベース板
１２２ 遮光膜
１２３，１２４ 平行バネ部
１２５ 駆動部
１２６ 可動櫛歯電極
１２７ 固定櫛歯電極
１２８ 透光用開口
１２９ マイクロレンズ

Claims (10)

1. 表面に受光素子を備える撮像素子と、前記撮像素子の表面上に配設されて前記受光素子での受光を制御するシャッタ機構とを備える撮像モジュールであって、前記シャッタ機構は前記撮像素子の表面上に一体的に薄膜状に形成され、当該表面上で移動可能な遮光性のあるベース板と、前記ベース板に設けられて前記受光素子での受光を可能にする透光用開口と、前記透光用開口を前記受光素子に対向する位置とこれを外れた位置とに移動可能な駆動部とを備えることを特徴とする撮像モジュール。
2. 前記撮像素子は多数の受光素子が表面に配列され、前記透光用開口は前記受光素子に対応して多数個が前記ベース板に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像モジュール。
3. 前記透光用開口には前記受光素子の受光面に焦点を結ぶマイクロレンズが設けられていることを特徴とする請求項２に記載の撮像モジュール。
4. 前記ベース板は両側部に設けられた第１及び第２の平行バネ部により前記撮像素子の表面に沿って平行移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の撮像モジュール。
5. 前記ベース板は前記撮像素子の表面に対して所要の空隙で対峙され、前記第１及び第２の平行バネ部において前記撮像素子に一体化されたブリッジ構造であることを特徴とする請求項４に記載の撮像モジュール。
6. 前記駆動部は前記ベース板の一端に設けられた可動電極と、前記撮像素子に固定的に設けられた固定電極とで構成され、両電極間に印加する電圧により可動電極を移動する静電リニアアクチュエータで構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の撮像モジュール。
7. 前記可動電極及び固定電極はそれぞれ複数の突起状電極が交互に配列した櫛歯電極で構成されていることを特徴とする請求項６に記載の撮像モジュール。
8. 前記可動電極及び固定電極はそれぞれ前記ベース板を形成するための膜部材をエッチングして形成されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の撮像モジュール。
9. 前記ベース板はポリシリコンで構成されていることを特徴とする請求項８に記載の撮像モジュール。
10. 前記撮像素子はＣＣＤ撮像素子又はＣＭＯＳ撮像素子であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の撮像モジュール。
    
    

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