JP2007274569A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像素子を効果的に冷却すると共に、撮像素子の受光面に結露が生じさせ難くする。
【解決手段】ペルチェ素子４の吸熱部４ａに熱的に結合されたＣＣＤ素子２と、ＣＣＤ素子２及びペルチェ素子４を収容し、且つ乾燥した気体が封入された気密容器部２０と、ペルチェ素子４の放熱部４ｂに熱的に結合され、気密容器部２０を貫通して気密容器部２０の外部に突出したスペーサ５と、気密容器部２０の外部で、スペーサ５に熱的に結合された帯状ヒートパイプ８，９とを備え、気密容器部２０は、ＣＣＤ素子２及びペルチェ素子４を包囲し、且つＣＣＤ素子２の光軸Ｓ上に光学ガラス１３が装着された筐体部７と、光学ガラス１３の縁に当接する金属製窓枠部１５と、金属製窓枠部１５を筐体部７に固定し、且つ筐体部７を貫通して帯状ヒートパイプ８，９に熱的に結合されたねじ１６とを有する撮像装置１とした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、撮像素子を冷却するペルチェ素子を備えた撮像装置に関する。

ＣＣＤ素子やＣ−ＭＯＳセンサ等の撮像素子を用いた撮像装置では、撮像素子の温度が上昇すると暗電流成分の増加によってノイズが増加し、撮像装置の性能が低下する。そのため、撮像素子をペルチェ素子によって冷却し、且つペルチェ素子の放熱部で生じた熱を伝熱部材を経由して放熱させる撮像装置が知られている（特許文献１参照）

特開２００２−３２９９９１号公報

しかしながら、従来の撮像装置では、ペルチェ素子で撮像素子を冷却することによって、大気も冷却され、大気中の水分が結露して撮像素子の受光面が曇り、被写体の撮像が困難になる場合があった。

本発明は、撮像素子を効果的に冷却すると共に、撮像素子の受光面に結露が生じ難い撮像装置を提供することを目的とする。

本発明に係る撮像装置は、ペルチェ素子の吸熱部に熱的に結合された撮像素子と、撮像素子及びペルチェ素子を収容し、且つ乾燥した気体が封入された気密容器部と、ペルチェ素子の放熱部に熱的に結合され、気密容器部を貫通して気密容器部の外部に突出した熱伝導支持部と、気密容器部の外部で、熱伝導支持部に熱的に結合された板状ヒートパイプとを備え、気密容器部は、撮像素子及びペルチェ素子を包囲し、且つ撮像素子の光軸上に光学ガラスが装着された筐体部と、光学ガラスの縁に当接し、筐体部との間で光学ガラスを支持する金属製窓枠部と、金属製窓枠部を筐体部に固定し、且つ筐体部を貫通して板状ヒートパイプに熱的に結合された金属製ねじ部とを有することを特徴とする。

この撮像装置によれば、撮像素子で発生する熱がペルチェ素子によって吸熱され、ペルチェ素子から放熱される熱は、板状ヒートパイプによって移送され放散される。さらに、撮像素子及びペルチェ素子が収容された気密容器部内には、乾燥した気体が封入されているため、撮像素子を冷却しても、撮像素子の受光面に結露が生じ難い。さらに、板状ヒートパイプから放散される熱の一部は、金属製ねじ部及び金属製窓枠部を経由して光学ガラスに達し、光学ガラスを加温する。その結果として、筐体部内の温度が低下しても光学ガラスを大気温以上に維持し易くなり、光学ガラスも結露を生じ難くなる。以上により、撮像素子の効果的な冷却を可能にすると共に、撮像素子の受光面及び光学ガラスに結露が生じ難くなる。

さらに、筐体部内で、撮像素子及びペルチェ素子を囲む環状の真空断熱管部を更に備えると好適である。撮像素子を大気から断熱することにより、撮像素子を効果的に冷却できる。

さらに、光学ガラスは、真空部を挟んで重なる二重のガラス部からなると好適である。真空部を挟むことによって断熱効果を期待でき、外側のガラス部が加温されても、内側のガラス部には熱が伝わり難く、筐体部内の温度上昇を防止して撮像素子を効果的に冷却できる。

さらに、板状ヒートパイプは、作動液が循環する蛇行細管を内蔵する自励振動式ヒートパイプであると好適である。自励振動式ヒートパイプとは、蛇行細管に充填された作動液が熱吸収する際に相変化し、蒸気の移動を利用して潜熱を輸送する核沸騰により液相が振動し、この振動を利用して顕熱を輸送するヒートパイプある。自励振動式ヒートパイプからなる板状ヒートパイプにすれば、ウイックを装填した従来のヒートパイプに比べて、軽量で屈曲加工が容易であり、熱伝導率が高いという特徴を備えている。さらに、配置上の制約が少なく、どの向きにしても熱伝導率に影響を与え難いという特徴を有するために、撮像装置の向きに影響され難くなって幅広い用途に用いることが可能になる。

本発明によれば、撮像素子を効果的に冷却すると共に、撮像素子の受光面に結露が生じさせ難くできる。

以下、図面を参照して本発明に係る撮像装置の好適な実施の形態について詳細に説明をする。

[第１の実施の形態]
図１及び図２に示すように、撮像装置１は、ＣＣＤ素子（撮像素子）２によって被写体を撮像する装置であり、主として、顕微鏡や天体望遠鏡などの精密光学機器に取り付けられる。ＣＣＤ素子２は、光量に応じて蓄積された電荷を、時系列に沿って順番に出力する電子結合素子であり、長時間の撮像によって熱を帯びる。この熱によって、ＣＣＤ素子２の温度が上昇すると、暗電流によるノイズが生じるため、ＣＣＤ素子２を冷却するために、ＣＣＤ素子２の背面２ａには、ペルチェ素子４の吸熱部４ａを当接させ、ＣＣＤ素子２の背面２ａとペルチェ素子４の吸熱部４ａとを熱的に結合させている。

ペルチェ素子４は、直流電流を通電することにより、吸熱部４ａで吸収した熱を放熱部４ｂから放出する半導体素子である。ＣＣＤ素子２は、ペルチェ素子４を挟むようにして銅製で四角柱状のスペーサ（熱伝導支持部）５にねじ止めされ、ペルチェ素子４の放熱部４ｂは、スペーサ５の前端部５ａに当接して熱的に結合されている。なお、ＣＣＤ素子２及びペルチェ素子４は、端子６を介して図示しない回路基板に電気的に接続される。回路基板上には、ＣＣＤ素子２から出力された電気画像信号を処理する回路が実装されている。

図２に示すように、スペーサ５は、インサート成形によって筐体部７に一体成形されている。筐体部７は、ガスバリア性能の高いポリエチレンナフタレート等の樹脂製で、且つ有底円筒状（図３参照）である。スペーサ５は、筐体部７の底部７ａの中央を貫通して後側に突出している。スペーサ５の後端部５ｂは、前側帯状ヒートパイプ（板状ヒートパイプ）８の中央部分に当接している。

図１及び図２に示すように、前側帯状ヒートパイプ８は、長尺板状の振動励起式ヒートパイプ（通称「ヒートレーン」、「蛇行細管型ヒートパイプ」ともいう。）であり、中央部分を挟んで一方側部分８ａと他方側部分８ｂとを同一方向後側に向けて直角に屈曲させた形状をなす。振動励起式ヒートパイプは、蛇行細管に充填された作動液が熱吸収する際に相変化し、蒸気の移動を利用して潜熱を輸送する核沸騰により液相が振動し、この振動を利用して顕熱を輸送するヒートパイプある。自励振動式ヒートパイプによれば、ウイックを装填した従来のヒートパイプに比べて、軽量で屈曲加工が容易である。

前側帯状ヒートパイプ８の中央部分の背面には、後側帯状ヒートパイプ（板状ヒートパイプ）９が交差し、熱伝導性の高い接着剤で接着されている。後側帯状ヒートパイプ９は、前側帯状ヒートパイプ８と同じ振動励起式ヒートパイプであり、且つ、同一形状である。前側帯状ヒートパイプ８及び後側帯状ヒートパイプ９の一方側部分８ａ，９ａと他方側部分８ｂ，９ｂとには、ペルチェ素子４から伝わった熱を放散させるヒートシンク部１０が熱的に結合されている。

図２及び図３に示すように、筐体部７の周壁部７ｂ内には、環状で、且つ真空のガラス管（真空断熱管部）１２が収容されている。ガラス管１２は、ＣＣＤ素子２及びペルチェ素子４を囲むようにして配置され、周壁部７ｂの内面に当接している。ガラス管１２は、外気の熱が周壁部７ｂを通ってＣＣＤ素子２に伝達するのを防止する。

周壁部７ｂの前端には、円形のガラス装着部７ｃが形成されている。ガラス装着部７ｃは、周壁部７ｂの前端内側の窪みであり、ガラス装着部７ｃの座には、円周方向に延在する環状の尖形部７ｄが複数形成されている。ガラス装着部７ｃに光学ガラス１３を装着すると、尖形部７ｄは光学ガラス１３に押しつぶされ、光学ガラス１３に密着して筐体部７の内部をシールする。なお、ガラス装着部７ｃは、ＣＣＤ素子２の光軸Ｓを囲むようにして形成されており、光学ガラス１３はＣＣＤ素子２の光軸Ｓ上に配置されている。レンズユニット（図示省略）の光学系は、ＣＣＤ素子２の光軸Ｓ上に配置され、レンズユニットによって取り込まれた被写体光は、光学ガラス１３を透過してＣＣＤ素子２の受光面２ｂに結像される。

光学ガラス１３は、同じ素材からなる二枚の円形ガラス部１３ａ，１３ｂが真空部１３ｃを介して重なる二重ガラス構造になっている。光学ガラス１３を製造する場合には、まず、真空状態で、円形ガラス部１３ａ，１３ｂを隙間を空けて重ねる。この隙間には、円形ガラス部１３ａ，１３ｂの縁に沿って、封止用ガラス１３ｄが配置されている。封止用ガラス１３ｄは、円形ガラス部１３ａ，１３ｂの素材よりも融点が低く、封止用ガラス１３ｄのみが溶ける程度の熱を加えた後に冷却する。すると、封止用ガラス１３ｄが固化して隙間を真空状態で封鎖し、光学ガラス１３が形成される。

筐体部７の周壁部７ｂには、周壁部７ｂの延在方向に沿って貫通円孔７ｅが形成されている。貫通円孔７ｅは、周壁部７ｂの円周方向に沿って等間隔になる四カ所に形成されている。周壁部７ｂの前端には、環状で、且つ周壁部７ｂと同一外径の金属製窓枠部１５が当接する。金属製窓枠部１５は、ガラス装着部７ｃに嵌め込まれた光学ガラス１３の縁にも当接する。金属製窓枠部１５には、周壁部７ｂの四個の貫通円孔７ｅに対応した四カ所に、円孔１５ａが形成されている。この円孔１５ａ及び周壁部７ｂの貫通円孔７ｅには、熱伝導性の高い鉄などの金属製のねじ（金属製ねじ部）１６が差し込まれる。

ねじ１６は、金属製窓枠部１５及び周壁部７ｂを貫通し、前側帯状ヒートパイプ８及び後側帯状ヒートパイプ９の押さえ板１７に螺合する。押さえ板１７は、熱伝導性の高いアルミなどの金属製で、且つ円形であり、中央に十字状の溝が形成されている。この十字状の溝には、前側帯状ヒートパイプ８及び後側帯状ヒートパイプ９の交差部分が嵌め込まれ、押さえ板１７は、前側帯状ヒートパイプ８及び後側帯状ヒートパイプ９に熱的に結合される。

ねじ１６を締め付けることによって、金属製窓枠部１５は筐体部７に押しつけられ、且つ筐体部７から突出するスペーサ５は押さえ板１７に押しつけられて固定される。さらに、光学ガラス１３は、金属製窓枠部１５と周壁部７ｂとの間で支持され、且つ金属製窓枠部１５に押圧されてガラス装着部７ｃの尖形部７ｄを押しつぶす。すると、尖形部７ｄは変形して光学ガラス１３に密着し、筐体部７内をシールする。なお、光学ガラス１３とガラス管１２との間には、樹脂性のＯリング１９が配置されており、光学ガラス１３でＯリング１９を押圧することによってガラス管１２は筐体部７の底部７ａに押しつけられて位置決めされる。筐体部７、光学ガラス１３、金属製窓枠部１５及びねじ１６によって気密容器部２０が構成される。

筐体部７内には、窒素や空気などの乾燥した気体が封入されている。そのため、ペルチェ素子４によってＣＣＤ素子２を冷却しても、筐体部７内の水分が結露することなく、ＣＣＤ素子２の受光面２ｂが曇り難くなって撮像精度を向上できる。

また、ＣＣＤ素子２は真空のガラス管１２に囲まれており、外気から断熱されている。そのため、ＣＣＤ素子２は、外気によって暖められ難く、ペルチェ素子４によって効果的に冷却される。その結果として、暗電流の発生を抑え易くなり、暗電流に起因してＣＣＤ素子２に生じるノイズを効果的に抑えることが可能になる。

逆に、筐体部７もガラス管１２によって冷却が防止されるため、筐体部７の外周面には結露が発生し難くなる。さらに、筐体部７内には、窒素や空気などの乾燥した気体が封入されているために、筐体部７の内と外とで圧力差が少ない。そのため、筐体部７内の全体を真空にして結露の発生を防止する場合に比べて、外部から結露の原因となる水分が浸入し難い。さらに、ＣＣＤ素子２やペルチェ素子４の周囲は真空ではないため、例えば、熱伝導率を上げるために、ダイヤモンドやカーボン等を含む物質をペースト状または箔状に加工して利用することもできる。さらに、樹脂、金属及びガラスの組み合わせといった熱膨張率が異なる部材を組み合わせた真空容器に比べ、ガラス管１２は単一材料からなるために温度変化による影響を受け難く、真空状態を維持し易い。

さらに、光学ガラス１３に当接する金属製窓枠部１５は、金属製のねじ１６に熱的に結合され、ねじ１６は筐体部７を貫通して押さえ板１７に熱的に結合され、押さえ板１７は前側帯状ヒートパイプ８及び後側帯状ヒートパイプ９に熱的に結合されている。その結果として、前側帯状ヒートパイプ８及び後側帯状ヒートパイプ９で移送される熱の一部は、押さえ板１７、ねじ１６及び金属製窓枠部１５を経由して光学ガラス１３に伝わり、光学ガラス１３を加温する。筐体部７内は、ペルチェ素子４によって冷却されるが、光学ガラス１３を加温することによって、光学ガラス１３が外気よりも低温になることが防止され、光学ガラス１３に結露を生じさせ難くできる。特に、光学ガラス１３は、真空部１３ｃを挟んだ二重ガラス構造になっているため、外と内のガラス１３ａ，１３ｂ同士は断熱され、光学ガラス１３を通して熱が入り難く、外気によって暖められ難くなっている。さらに、ねじ１６の本数を調整することで、光学ガラス１３に伝わる熱量を容易に調節でき、光学ガラス１３の結露を一層防止できる。

以上の撮像装置１によれば、ＣＣＤ素子２で発生する熱がペルチェ素子４によって吸熱され、ペルチェ素子４から放熱される熱は、前側帯状ヒートパイプ８及び後側帯状ヒートパイプ９を経由してヒートシンク部１０から放散される。さらに、ＣＣＤ素子２及びペルチェ素子４が収容された気密容器部２０内には、乾燥した気体が封入されているため、ＣＣＤ素子２を冷却しても、ＣＣＤ素子２の受光面２ａに結露が生じ難い。さらに、前側帯状ヒートパイプ８及び後側帯状ヒートパイプ９から放散される熱の一部は、金属製のねじ１６を経由して光学ガラス１３に達し、光学ガラス１３を加温する。その結果として、筐体部７内の温度が低下しても光学ガラス１３を大気温以上に維持し易くなり、光学ガラス１３も結露を生じ難くなる。以上により、ＣＣＤ素子２の効果的な冷却を可能にすると共に、ＣＣＤ素子２の受光面２ｂ及び光学ガラス１３に結露が生じ難くなる。

さらに、筐体部７内で、ＣＣＤ素子２及びペルチェ素子４を囲むガラス管１２備えるため、ＣＣＤ素子２を大気から断熱してＣＣＤ素子２を効果的に冷却できる。さらに、光学ガラス１３は、真空部１３ｃを挟んで重なる二重の円形ガラス部１３ａ，１３ｂからなるため、真空部１３ｃを挟むことによって断熱効果を期待でき、外側の円形ガラス部１３ａが加温されても、内側の円形ガラス部１３ｂには熱が伝わり難く、筐体部７内の温度上昇を防止してＣＣＤ素子２を効果的に冷却できる。

さらに、前側帯状ヒートパイプ８及び後側帯状ヒートパイプ９は、作動液が循環する蛇行細管を内蔵する自励振動式ヒートパイプであるため、銅に比べて３０倍程度の極めて高い熱伝導率を有する。そのため、局所的に高温になったペルチェ素子４から、熱を素早くヒートシンク部１０に移送して放散させることができ、撮像装置１の内部に熱がこもることを防止する。さらに、自励振動式ヒートパイプは折り曲げ加工も容易であり、自励振動式ヒートパイプによって前側帯状ヒートパイプ８及び後側帯状ヒートパイプ９を形成すると、撮像装置１の使用方向に応じた自然対流を生じ易い形状に加工し易く、効果的な熱放散が可能になる。

本発明は、上記の実施形態に限定されず、例えば、撮像素子はＣ−ＭＯＳセンサであってもよい。さらに、金属製ねじ部の本数は、４本に限定されず、２本または３本、あるいは５本以上であってもよく、金属製ねじ部の本数によって、光学ガラスに伝わる熱量を調整して、光学ガラスの温度を調整できるようにしてもよい。さらに、金属製ねじ部の太さ（径）を変えて光学ガラスに伝わる熱量を調整できるようにしたり、金属製ねじ部として用いる材質（熱伝導率）を変えて光学ガラスに伝わる熱量を調整できるようにしてもよい。

本発明に係る撮像装置の第１実施形態を示す斜視図である。 気密容器部の拡大断面図である。 図１のIII―III線に沿った断面図である。

符号の説明

１…撮像装置、２…ＣＣＤ素子（撮像素子）、４…ペルチェ素子、４ａ…吸熱部、４ｂ…放熱部、５…スペーサ（熱伝導支持部）、７…筐体部、８…前側帯状ヒートパイプ（板状ヒートパイプ）、９…後側帯状ヒートパイプ（板状ヒートパイプ）、１２…ガラス管（真空断熱管部）、１３…光学ガラス、１３ａ，１３ｂ…円形ガラス部（ガラス部）、１５…金属製窓枠部、１６…ねじ（金属製ねじ部）、２０…気密容器部、Ｓ…光軸。

Claims (4)

1. ペルチェ素子の吸熱部に熱的に結合された撮像素子と、
   前記撮像素子及び前記ペルチェ素子を収容し、且つ乾燥した気体が封入された気密容器部と、
   前記ペルチェ素子の放熱部に熱的に結合され、前記気密容器部を貫通して前記気密容器部の外部に突出した熱伝導支持部と、
   前記気密容器部の外部で、前記熱伝導支持部に熱的に結合された板状ヒートパイプと、を備え、
   前記気密容器部は、
   前記撮像素子及び前記ペルチェ素子を包囲し、且つ前記撮像素子の光軸上に光学ガラスが装着された筐体部と、
   前記光学ガラスの縁に当接し、前記筐体部との間で前記光学ガラスを支持する金属製窓枠部と、
   前記金属製窓枠部を前記筐体部に固定し、且つ前記筐体部を貫通して前記板状ヒートパイプに熱的に結合された金属製ねじ部と、を有することを特徴とする撮像素子。
2. 前記筐体部内で、前記撮像素子及び前記ペルチェ素子を囲む環状の真空断熱管部を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記光学ガラスは、真空部を挟んで重なる二重のガラス部からなること特徴とする請求項１または２記載の撮像装置。
4. 前記板状ヒートパイプは、作動液が循環する蛇行細管を内蔵する自励振動式ヒートパイプであることを特徴とする請求項１〜３記載の撮像装置。

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