JP2010278603A - 撮像モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】 放熱効率を向上させることができ、小型化を可能とする撮像モジュールを提供する。
【解決手段】 ケース5と、ケース5の内部に収容された撮像素子2と、外周部がケース5の内面に保持され、主面を撮像素子2の被写体側の表面に当接させて設置された透明放熱板6とを具備する撮像モジュール1である。撮像素子2で生じた熱が、撮像素子2の被写体側の表面に当接された透明放熱板6に良好に伝わる。そして、撮像素子2から透明放熱板6に伝わった熱は、透明放熱板6の外周部を保持しているケース5に良好に伝わる。その結果、撮像素子2で生じた熱を効率的に撮像モジュール1の外部に放熱することが可能となる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、放熱効率を向上させることができ、小型化を可能とする撮像モジュールに関する。
携帯電話およびデジタルカメラ等に内蔵される撮像素子は、被写体の光を光学レンズにより撮像素子に集光させるように焦点を調整して、撮像素子とレンズとの位置を固定して撮像基板に実装される。
この撮像素子は、レンズに対する熱的な影響を小さくするために撮像素子で生じた熱を放熱することが重要であることから、例えば、撮像素子が実装された撮像基板の、レンズと反対側の主面にヒートシンクが設けられている構成が採用されている(例えば、特許文献1を参照。)。この構成により、撮像素子において発生した熱がヒートシンクに伝わって放熱される。
また、携帯電話およびデジタルカメラ等においては、その筐体にヒートシンクが接するような構成とした場合には、さらに良好な放熱効果も期待できることから、一般的には、ヒートシンクを有する携帯電話およびデジタルカメラ等を用いる構成が採用されている。
特開2008−245144号公報
一方、自動車等で使用される撮像モジュールは、高温時には70〜80℃程度の高温の動作環境で使用され、また、防水の要求を満たすために密封した構造であることが多いので、熱が撮像モジュールの内部に留まりやすく、放熱の要求を満たすことがさらに重要となる。
しかしながら、携帯電話およびデジタルカメラ等で採用されていた構成のように、ヒートシンクを撮像基板におけるレンズとは反対側の主面に設置することによって放熱効率を向上させようとすると、撮像モジュールを小型化することが困難になる。
また、撮像素子で発生した熱がレンズに伝わりにくいようにするために、レンズおよび撮像素子の間の間隔を大きくしていたので、撮像モジュールを小型化することがさらに困難になるという問題点があった。
本発明は以上のような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、小型化および放熱効率を向上させることを可能とする撮像モジュールを供給することにある。
本発明の撮像モジュールは、ケースと、該ケースの内部に収容された撮像素子と、外周部が前記ケースの内面に保持され、主面を前記撮像素子の被写体側の表面に当接させて設置された透明放熱板とを具備することを特徴とするものである。
また、本発明の撮像モジュールは、上記構成において、前記透明放熱板の被写体側に間隔を空けて設置されたレンズユニットを具備することを特徴とするものである。
本発明の撮像モジュールによれば、ケースと、ケースの内部に収容された撮像素子と、外周部がケースの内面に保持され、主面を撮像素子の被写体側の表面に当接させて設置された透明放熱板とを具備することから、撮像素子で生じた熱が、撮像素子の被写体側の表面に当接された透明放熱板に良好に伝わる。そして、撮像素子から透明放熱板に伝わった熱は、透明放熱板を介して透明放熱板の外周部を保持しているケースに良好に伝わる。その結果、撮像素子で生じた熱を効率的に撮像モジュールの外部に放熱することが可能となる。
また、本発明の撮像モジュールによれば、透明放熱板の被写体側に間隔を空けて設置されたレンズユニットを具備するときには、透明放熱板およびレンズユニットの間には間隔が存在するので、撮像素子で発生して透明放熱板に伝わった熱が、レンズユニットに伝わるのを抑制することができる。
また、外周部がケースの内面に保持され、主面を撮像素子の被写体側の表面に当接させて設置された透明放熱板を具備することから、撮像素子で生じた熱を効率的に撮像モジュールの外部に放熱することが可能となるので、撮像素子で生じた熱がレンズユニットに伝わるのを抑制することができる。従って、レンズユニットおよび撮像素子の間隔を小さくすることができ、小型化が可能な撮像モジュールを提供することができる。
本発明の撮像モジュールについて実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明の撮像モジュールについて実施の形態の他の例を示す断面図である。
以下に、本発明の撮像モジュールについて図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は、本発明の撮像モジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。なお、以下の説明においては、撮像モジュールの被写体側を前面側と呼び、その反対側を背面側と呼ぶ。
図1に示す本例の撮像モジュール1は、ケース5と、ケース5の内部に収容された撮像素子2と、外周部がケース5の内面に保持され、主面を撮像素子2の被写体側の表面に当接させて設置された透明放熱板6とを具備する。
このような構成により、撮像素子2で生じた熱が、撮像素子2の被写体側の表面に当接された透明放熱板6に良好に伝わる。そして、撮像素子2から透明放熱板6に伝わった熱は、透明放熱板6を介して透明放熱板6の外周部を保持しているケース5に良好に伝わる。その結果、撮像素子2で生じた熱を透明放熱板6およびケース5を介して効率的に撮像モジュール1の外部に放熱することができる。
このような撮像モジュール1は、例えば車載用として用いられる撮像モジュール1であり、道路上の白線の撮像あるいは車両を運転する運転手の死角を撮像する機能を有る。その撮像機能については、例えば自動車の走行の制御を行なうエレクトロニック・コントロール・ユニット(ECU)により動作が制御される。なお、撮像モジュール1から出力された電気信号は、ECUによって画像信号に変換され、例えば運転席の前方に設置されたディスプレイに表示されることとなる。
撮像素子2は、CCDイメージセンサ,CMOSイメージセンサ等の半導体イメージセンサ素子である。
撮像基板3は、例えばガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させて形成した、あるいはエポキシ樹脂にガラスフィラーを添加して形成したプリント配線基板により構成されている。撮像基板3の表面や内部には、搭載される撮像素子2と異なる他の部品等の端子との電気的接続あるいはこれらを固定する配線導体およびアース用のグランド配線が形成されている。このような配線導体およびグランド配線は、銅,金等の導電性金属をメッキ法により形成する方法、あるいは予め配線導体およびグランド配線のパターン形状に形成した金属箔を接着する方法、あるいは全面に金属箔を被着した基板からエッチングにより不要な部分を除去して形成する方法等を用いることにより、プリント配線基板の表面および内部に形成される。
このような撮像基板3は、例えば市販の表裏全面に銅箔を被着した銅貼基板を準備し、この銅貼基板を所望の大きさに切断するとともに、表面に被着した銅箔を希塩酸等の酸性溶液で所望のパターンとなるようにエッチングすることにより製作される。なお、必要に応じてレーザ光またはドリルを用いて貫通孔を撮像基板3に形成し、この貫通孔に金属ペーストを充填し加熱して硬化させることによって貫通導体を形成して、撮像基板3の表裏面の配線導体間を電気的に接続することも可能である。
撮像基板3の背面側の主面には、撮像素子2からの電気信号を処理するIC(図示せず)、および撮像基板3の配線導体とECUとを電気的に接続するケーブル(図示せず)を接続するためのコネクタ(図示せず)等の部品が搭載されている。
本例の撮像モジュール1のレンズユニット4は、図1に示すように、透明放熱板6の被写体側に間隔9を空けて設置されているのが好ましい。このように透明放熱板6およびレンズユニット4の間には間隔9が存在すると、撮像素子2で発生して透明放熱板6に伝わった熱が、レンズユニット4に伝わるのを抑制することができる。
また、このレンズユニット4は、被写体からの光を撮像素子2に集光する機能を有し、例えば、光を広角度で集光するために前面側を凸形状とした第1レンズ41と、第1レンズ41を通過した光を光線として平行に近づけるための第2レンズ42と、第3レンズ43とのレンズ群により構成されている。レンズ4が上述の3枚のレンズからなる場合は、例えば、前面側から第1レンズ41、第2レンズ42、第3レンズ43の順で重なるように配置される。
また、本発明の撮像モジュール1は、レンズユニット4を有さないものであってもよい。例えば、ピンホールカメラ等のようにレンズを有さず、被写体側のケースに所定の大きさの貫通孔を設けた構成の撮像モジュールであってもよい。
また、レンズを有することなく、自動で被写体との焦点を調整することが可能な撮像素子を使用した撮像モジュールであってもよい。
いずれの場合であっても、外周部がケース5の内面に保持された透明放熱板6を、その主面を撮像素子2の被写体側の表面に当接させて設置することができる。
ケース5は、内部に撮像素子2を収容しており、内面に透明放熱板6を保持しているものである。また、本例の撮像モジュール1では、図1に示すように、撮像素子2が搭載された撮像基板3を内面に支持ピン7で固定して保持しているものである。なお、リテーナ8により、最も外側に配置された第1レンズ41をケース5に押さえ付けるようにして、第1レンズ41が固定されている。
また、本例の撮像モジュール1では、ケース5およびレンズユニット4のホルダは一体に形成されているが、ケース5とレンズユニット4のホルダとは独立した部材同士であってもよい。
本例の場合では、ホルダは、前面側に配置されている押え治具としてのリテーナ8と、背面側に配置されるレンズ保持具としてのバレル(ケース5と一体に構成されている)とから構成されている。ホルダのバレルに第2レンズ42および第3レンズ43が固定され、第1レンズ41はリテーナ8によりバレルに押さえ付けるようにして固定されている。
これらリテーナ8およびバレルは、例えば次に述べる方法により作製される。
バレルは、その形状に合わせて、本例ではケース5と一体の形状に形成されたキャビティを有する射出成形用の型を準備して、このキャビティ内にバレル用の原材料を流し込んで固化させて成形することにより所定の形状に形成する射出成形法を用いて作製することができる。また同様に、リテーナ8は、リテーナ8の形状に合わせた形状に形成されているキャビティを有する射出成形用の型を準備して、このキャビティ内にリテーナ8用の原材料を流し込んで固化させて成形することにより所定の形状に形成して作製することができる。このようなリテーナ8およびバレルは、例えばポリカーボネイト(PC)やポリフタルアミド(PPA)等の絶縁性の樹脂により構成されて軽量化が図られている。なお、通常は、リテーナ8およびバレルの熱膨張および熱収縮を合わせるために、両者に同一の材料を用いることが好ましい。
また、本例の撮像モジュール1では、図1に示すように、ケース5はバレルと一体になった前面側ケース51および背面側ケース52で構成されており、撮像基板3および透明放熱板6は前面側ケース51に保持されているが、背面側ケース52に保持されていてもよい。
また、ケース5は、前面側ケース51および背面側ケース52ではなく、光軸を含む面を境界として、両側に2つに分割されるものであってもよい。
また、本例の撮像モジュール1における、撮像素子2のケース5の内部への収納形態を以下に説明する。
まず、撮像素子2が搭載された撮像基板3を準備し、次に、前面側ケース51と一体的に設けられているとともに背面側へ延伸している複数の支持ピン7を、撮像基板3に貫通させ、撮像基板3の貫通孔の内側面と支持ピン7の側面とを、例えば半田等により接合する。なお、半田等による固定をより堅固にするために、予め撮像基板3の貫通孔の内側面と支持ピン7の側面とに、金属を主成分としたメッキ膜を形成しておくことが望ましい。
なお、前面側ケース51と一体的に設けられた支持ピン7は、略棒状に形成されたものであり、例えば直径が0.4〜1.5mmの棒状のものである。また、支持ピン7は、撮像基板3を安定に固定するという観点から撮像基板3の外周部に3本以上配置されてあることが好ましい。
透明放熱板6は、外周部がケース5の内面に保持され、主面を撮像素子2の被写体側の表面に当接させて設置されているものである。
この構成によって、撮像素子2で生じた熱が、撮像素子2の被写体側の表面に当接された透明放熱板6に良好に伝わる。そして、撮像素子2から透明放熱板6に伝わった熱は、透明放熱板6を介して透明放熱板6の外周部を保持しているケース5に良好に伝わる。その結果、撮像素子2で生じた熱を透明放熱板6およびケース5を介して効率的に撮像モジュール1の外部に放熱することが可能となる。
さらに、レンズユニット4は透明放熱板6とは間隔9を空けて設置されており、撮像素子2で生じた熱がレンズユニット4に伝わるのを抑制することができることから、レンズユニット4および撮像素子2の間隔を小さくすることができる。その結果、撮像モジュール1を小型化することが可能となる。
図1に示す例において、透明放熱板6は、外周部を前面側ケース51の内面に当接させた状態で、前面側に力を加えることによって前面側ケース51の内部空間に圧入して、前面側ケース51の内面に保持される状態としている。
また、図1に示す構成以外にも、アルミニウム等の金属の放熱体によって形成された透明放熱板6の支持部(図示せず)を前面側ケース51の内面に設置してもよい。この場合には、支持部は透明放熱板6よりも熱伝導性が高いものとなるため、撮像素子2で生じて透明放熱板6に伝わった熱を、支持部を介してより良好に前面側ケース51へ伝熱させることができ、より良好に撮像モジュール1の外部へ放熱することができる。
また、前面側ケース51の内部における透明放熱板6を支持している部位およびその周囲のみに、熱伝導性の高い金属粒子を多く含有するように形成された前面側ケース51を使用してもよい。この場合も、熱伝導性の高い金属粒子を多く含有することによってケース5の熱伝導性が高められるので、透明放熱板6から伝わった熱をより良好に撮像モジュール1の外部へ放熱することができる。
また、一方の端部が透明放熱板6の外周部に当接しているとともに、他方の端部が撮像モジュール1の外部に露出しており、前面側ケース51の外周部を貫通している棒状放熱体(図示せず)を有する構成であってもよい。この場合も、この棒状放熱板を通してより良好に撮像モジュール1の外部へ放熱することができる。
透明放熱板6の寸法の概略を以下に示す。なお、以下の説明においては、図1における縦方向を縦といい、図1における横方向を横といい、図1における奥行方向を奥行という。
例えば、縦が50mmで、横が40mmで、奥行が40mmである略直方体形状の撮像モジュール1に使用する場合であれば、透明放熱板6の寸法は、例えば縦が5mmで、横が25mmで、奥行が25mmである。
透明放熱板6の形状は、光軸方向からみた場合に、正方形状,長方形状,円形状,楕円形状または菱形状等のいずれであってもよい。
また、撮像素子2の被写体側の表面の形状に合わせて、撮像素子2の被写体側の表面と当接している透明放熱板6の主面の形状を変形させることが好ましい。例えば、撮像素子2の被写体側の表面が凸面状に隆起した形状である場合であれば、対応する透明放熱板6の主面は、その凸面状に合致した凹面状の形状であることが好ましい。このような場合には、撮像素子2の被写体側の表面および対応する透明放熱板6の主面が双方とも平坦な面であり、それら平面な面同士が当接している場合と比較して、撮像素子2の被写体側の表面および対応する透明放熱板6の主面の接触面積を大きくすることができる。従って、撮像素子2で生じた熱を良好に透明放熱板6に伝えることができる。
透明放熱板6は、結晶ガラス,水晶ガラス,ダイヤモンドガラス,サファイアガラスまたは石英ガラスのいずれかから成るとよい。これらの材料は、透明である上に熱伝導性が高いので、撮像素子2で生じた熱を良好に前面側ケース51に伝え、撮像モジュール1の外部へ放熱することができる。また、これらの材料は、透明なので、図1に示すように、撮像素子2およびレンズユニット4の間に位置するように、外周部が前面側ケース51の内面に保持されていても、撮像素子2にレンズユニット4からの被写体光が入射するのを妨げない。
また、透明放熱板6には、例えば、赤外線カットフィルタとして機能する膜が被覆されていてもよい。
例えば、具体的には、レンズユニット4側の透明放熱板6の表面に、波長750nm以上の近赤外線をカットする、TiO層およびSiO層の誘電体を交互に積層してなる光学多層薄膜フィルタを真空蒸着するとよい。
この場合は、レンズユニット4から撮像素子2への入射光に含まれる赤外線を、透明放熱板6において吸収して撮像モジュール1の外部へより効率的に放熱させることができるので、撮像モジュール1内の温度上昇を抑制することができ、好ましい。
ここで、撮像素子2で生じた熱が透明放熱板6を介して前面側ケース51に伝わった場合に、熱が前面側ケース51を通ってレンズユニット4に伝わってしまう虞がある。そこで、レンズユニット4の前面側ケース51への設置の形態は、図2に示す例のようにしてもよい。図2は、本発明の撮像モジュール1の実施の形態の他の例を示す断面図であり、図2において図1と同様の箇所には同じ符号を付してある。
図2に示す例では、前面側ケース51はレンズユニット4を保持している、バレルとして機能するレンズユニット保持部10を有しており、レンズユニット保持部10と前面側ケース51の内面との間には環状の溝11が形成されている。この例のような構成とすると、透明放熱板6を介して前面側ケース51に伝わった熱は、レンズユニット4に至るには環状の溝11を迂回しなければならず、レンズユニット4に伝熱しにくいため、撮像素子2で生じた熱が透明放熱板6を介してケース5からレンズユニット4に伝わるのを抑制することができる。さらに、撮像素子2で生じた熱がレンズユニット4に伝わるのを抑制することができることから、レンズユニット4および撮像素子2の間隔を小さくすることができる。その結果、撮像モジュール1を小型化させることが可能となる。
また、レンズユニット保持部10に対向する前面側ケース51の内面となる環状の溝11の側面に1以上の段差(図示せず)を形成してもよく、その場合には、撮像素子2で生じた熱が透明放熱板6および前面側ケース51を経てレンズユニット4に至る伝熱経路がより長くなるので、撮像素子2で生じた熱がレンズユニット4に伝わるのを抑制することができる。
このレンズユニット保持部10は、図2に示す例のように前面側ケース51に一体的に形成されていてもよく、あるいは、前面側ケース51の前面側に設けられた貫通孔にバレルとして挿入されて設置されていてもよく、また、前面側ケース51の前面側に設けられたねじ孔にバレルとしてねじ込まれて設置されていてもよい。
本発明の撮像モジュール1の実施例を以下に説明する。なお、本実施例においては、図1に示す構成の撮像モジュール1を作製した。
まず、ケース5は、前面側ケース51および背面側ケース52で構成された、ポリカーボネートから成るものとした。
また、ケース5の内部に収容される撮像素子2としては、CCDイメージセンサを使用した。
また、外周部がケース5の内面に保持されている透明放熱板6は、サファイアガラスから成るものとした。この透明放熱板6の熱伝導率は34(W/m・K)であった。また、レンズユニット4側の透明放熱板6の主面に、TiO層およびSiO層の誘電体層を交互に積層してなる光学多層薄膜フィルタを真空蒸着させた。
また、撮像素子2が実装される撮像基板3は、ガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させて形成したものを用いた。また、撮像基板3は、前面側ケース51に形成された支持ピン7に固定されるようにした。
また、レンズユニット4は、第1レンズ41,第2レンズ42および第3レンズ43から成るものとした。
それぞれの部材の主な寸法は、以下に示す通りとした。なお、以下の説明においては、図1における縦方向を縦といい、図1における横方向を横といい、図1における奥行方向を奥行という。
前面側ケース51の全体の大きさは、縦を30mmとし、横を25mmとし、奥行を25mmとした。また、背面側ケース52の全体の大きさは、縦を10mmとし、横を25mmとし、奥行を25mmとし、側面および底面の厚さを2mmとした。また、撮像基板3は、縦を2mmとし、横を25mmとし、奥行を25mmとした。また、透明放熱板6は、縦を1mmとし、横を17mmとし、奥行を17mmとした。また、撮像素子2は、縦を1mmとし、横を10mmとし、奥行を10mmとした。
レンズユニット4の第1レンズ41,第2レンズ42および第3レンズ43の直径は、それぞれ15mm,10mmおよび10mmとした。また、レンズユニット4と透明放熱板6との間の間隔9は、3mmとした。
さらに、比較例である従来の構成の撮像モジュールとして、透明放熱板6に代えて、アクリル樹脂にCuイオンをドープさせてなる、一般的な赤外線除去フィルタをレンズユニット4および撮像素子2の間に、撮像素子2の表面には当接させずに設置した撮像モジュールを準備した。この赤外線除去フィルタの寸法は、縦を1mmとし、横を15mmとし、奥行を15mmとした。
この比較例の撮像モジュールにおけるそれぞれの部材の主な寸法は、実施例の撮像モジュールと同様とした。
これら実施例および比較例の撮像モジュールについて、それぞれ撮像基板3の電源回路に150mAの定格電流を入力し、撮像モジュールの周辺温度を85℃に保ち、撮像モジュールにおける撮像素子2およびレンズユニット4の第3レンズ43の温度を計測した。
温度の計測の具体的な方法は以下に示す。
まず、前面側ケース51の側壁における、撮像素子2および第3レンズ43に対応する位置に、それぞれ直径0.3mmの貫通孔を形成した。
次に、それらの貫通孔に直径が0.3mmよりわずかに小さい白金熱電対を挿入し、白金熱電対の先端を、それぞれ撮像素子2および第3レンズ43に当接させるものとした。
計測の結果、撮像素子2および第3レンズ43の温度は、比較例の撮像モジュールにおいては120℃および106℃であり、これに対して実施例の撮像モジュール1においては116℃および100℃であった。
従って、実施例の撮像モジュール1における撮像素子2およびレンズユニット4における温度は、比較例の撮像モジュールにおける撮像素子2およびレンズユニット4における温度より、それぞれ4℃および6℃低いことが分かった。
この結果より、本発明の実施例の撮像モジュール1は、外周部がケース5の内面に保持され、主面を撮像素子2の被写体側の表面に当接させて設置された透明放熱板6を有していることから、撮像素子2で生じた熱を効率的に撮像モジュール1の外部に放熱することが可能となることが分かった。
また、一般的に撮像モジュールのレンズユニットの温度が105℃より小さい値であれば、撮像素子で生じた熱がレンズに及ぼす影響は無視できるものとみなされていることから、実施例の撮像モジュール1はレンズユニット4の第3レンズ43が100℃であったことにより、実施例の撮像モジュール1における撮像素子2で生じた熱の放熱効果が実用的に十分であることが分かった。
また、図1に示すように、レンズユニット4のレンズの中で、第1レンズ41および第2レンズ42は、第3レンズ43と比較して、熱の発生源である撮像素子2から離れている。従って、第3レンズ43が100℃であったことより、第1レンズ41および第2レンズ42の温度は100℃以下であることが分かった。従って、撮像素子2で生じた熱が第1レンズ41および第2レンズ42に及ぼす影響も、当然に実用上は無視できるものとみなされる。
なお、本発明は、以上の実施の形態の例および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施しても何ら差し支えない。例えば、本発明の撮像モジュール1は、前面側ケース51および背面側ケース52の間にゴム等から成る防水用パッキンが配置されていてもよい。この場合には、自動車用または船舶用等の防水性が要求される用途に撮像モジュール1を好適に使用することができる。
このとき、防水用パッキンによる気密性の向上に伴い、撮像モジュール1の内部の温度が上昇しても、外周部がケース5の内面に保持され、主面を撮像素子2の被写体側の表面に当接させて設置された透明放熱板6を有していることから、撮像素子2で生じた熱を透明放熱板6を介してケース5から効率的に撮像モジュール1の外部に放熱することが可能となる。従って、防水性および放熱性を兼ね備える撮像モジュール1となる。
1:撮像モジュール
2:撮像素子
3:撮像基板
4:レンズユニット
41:第1レンズ
42:第2レンズ
43:第3レンズ
5:ケース
51:前面側ケース
52:背面側ケース
6:透明放熱板
7:支持ピン
8:リテーナ
9:間隔
10:レンズユニット保持部
11:溝

Claims (2)

  1. ケースと、
    該ケースの内部に収容された撮像素子と、
    外周部が前記ケースの内面に保持され、主面を前記撮像素子の被写体側の表面に当接させて設置された透明放熱板と
    を具備することを特徴とする撮像モジュール。
  2. 前記透明放熱板の被写体側に間隔を空けて設置されたレンズユニットを具備することを特徴とする請求項1に記載の撮像モジュール。
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