JP4253557B2

JP4253557B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP4253557B2
Application number: JP2003347315A
Authority: JP
Inventors: 龍一平野
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2023-10-06
Also published as: EP1523044B1; JP2005117258A; US20050073815A1; EP1523044A2; US7120025B2; EP1523044A3

Description

本発明は、撮像素子の冷却および結露防止機能を備えた撮像装置に関するものである。

従来、固体撮像素子を用いて撮像する撮像装置では、固体撮像素子の温度が上昇するに従い画像が劣化することが知られている。

そこで、このような固体撮像素子を使用する場合、固体撮像素子の温度上昇を抑制するため素子全体を冷却するようにしており、このための冷却手段として、例えばペルチェ素子が用いられている。

図３は、従来のペルチェ素子を用いた冷却構造を備えた撮像装置を示している。

図において、４１は画像を撮像するための固体撮像素子で、この固体撮像素子４１には、ペルチェ素子４２が設けられている。ペルチェ素子４２は、固体撮像素子４１を冷却するためのもので、ＣＯＯＬ面が固体撮像素子４１に密着して設けられている。ペルチェ素子４２は、ＨＯＴ面が外装部４３の基体４３ａ面に密着して設けられている。外装部４３には、固体撮像素子４１の周囲を覆うように外装カバー４３ｂが設けられている。この外装カバー４３ｂは、固体撮像素子４１の撮像面に対応する位置に窓部４３ｅが設けられるとともに、パッキン４３ｄを介在させてネジ４３ｃにより基体４３ａ上に気密に取り付けられている。外装カバー４３ｂの窓部４３ｅには、カバーガラス４４が設けられている。カバーガラス４４は、接着剤等を用いて窓部４３ｅに密閉状態で接着されている。固体撮像素子４１およびペルチェ素子４２は、それぞれリード線４５，４６が接続されている。これらのリード線４５，４６は、外装部４３の基体４３ａを貫通して外部に導出されており、図示しない電源などに接続されている。この場合、リード線４５，４６が貫通される基体４３ａは、空気の出入りが発生しないようにシリコン樹脂等を注入して密閉されている。なお、４７は、固体撮像素子４１を含む外装カバー４３ｂで密閉された空間を除湿する為のシリカゲルである。

このように構成される撮像装置では、撮像時に温度上昇する固体撮像素子４１がペルチェ素子４２により冷却される。ペルチェ素子４２は固体撮像素子４１が吸収した熱を外装部４３に放熱し、外装部４３は、さらに外気に放熱するようになっている。

しかしながら、外装部４３は、外気に放熱すると同時に、固体撮像素子４１を含む外装カバー４３ｂの空間にも放熱する。このため、外装カバー４３ｂ内部でも温度上昇が起こり、この結果、固体撮像素子４１を温度上昇させる熱の内部循環が発生していた。

ところで、固体撮像素子４１の冷却は簡易的に次式で表わされる。

固体撮像素子の冷却量（Ｗ）＝外気への放熱量−熱の内部循環量
この式から明らかなように、例えば、図４に示すようにペルチェ素子４２によるペルチェ出力を上げ、同図ａに示すように固体撮像素子４１の冷却温度を上げていくと、外装部４３の温度上昇とともに、同図ｂに示すように外気への放熱量が増加するが、同図ｃに示す外装カバー４３ｂ内部での内部循環量も大きくなり、冷却効率を悪化させていた。この状態から、さらにペルチェ出力を上げると、外気への放熱量と熱の内部循環量の差ΔＷが飽和状態となり、固体撮像素子４１の冷却温度も飽和してしまう。

そこで、従来、このような不都合を解消するため、例えば、特許文献１および第２の特許文献にそれぞれ開示されるものが知られている。

図５は、特許文献１に開示される撮像装置の概略構成を示すものである。この場合、上述した図３と同一部分には、同符号を付している。

この特許文献１のものは、外装部４３の基体４３ａの外側面に第２のペルチェ素子５１のＣＯＯＬ面が密着して配置されている。第２のペルチェ素子５１のＨＯＴ面には、放熱板５２が密着して配置されている。放熱板５２と基体４３ａの外側面との間に、第２のペルチェ素子５１を囲むように断熱材５３が配置されている。そして、これら基体４３ａ、断熱材５３および放熱板５２は、固定ネジ５４により一体に固定されている。なお、５５は、第２のペルチェ素子５１のリード線である。

このような構成によれば、ペルチェ素子４２を介して固体撮像素子４１の熱を外装部４３に放熱していた熱の一部を、第２のペルチェ素子５１により、さらに放熱板５２に放熱することが可能となる。

この場合の熱の移動を簡易的な式で表わすと、
固体撮像素子の冷却量（Ｗ）＝放熱板による外部への放熱量＋外装部による外部への放熱量−熱の内部循環量
となる。これにより、固体撮像素子４１を強く冷却する（ペルチェ素子４２の出力を大きくする）にしたがい、第２のペルチェ素子５１により放熱板５２への放熱量を大きくして、外装部４３による放熱を一定にし、且つ熱の内部循環を小さくすることにより、固体撮像素子４１の冷却効率を改善し、冷却温度もより大きくできるようにしている。

一方、図６は、特許文献２に開示される撮像装置の概略構成を示すものである。この場合、上述した図３と同一部分には、同符号を付している。

この特許文献２のものは、外装部４３の基体４３ａと外装カバー４３ｂの内面に断熱材６１が設けられている。

このような構成によれば、追加された断熱材６１の断熱効果により、外装部４３内部への熱の放熱を減少させることができ、その分熱の内部循環を小さくできることから、固体撮像素子４１の冷却効率を改善し、冷却温度もより大きくできる。
特開平７−２１１８２３号公報実公平５−４６３８１号公報

ところが、特許文献１は、熱の内部循環が小さくなったとはいえ発生しており、また、特許文献２のものについても、内部への放熱は小さくなったとはいえ発生している。つまり、これら特許文献１及び２のものは、いずれも固体撮像素子４１が外装部４３からの放熱による熱を吸収している状態であり、依然として固体撮像素子４１の冷却を妨げているという問題があった。また、これら特許文献１及び２のものは、ともに固体撮像素子４１を冷却するようにしているため、撮像面に結露が発生し撮像に支障が発生するという問題があった。この場合、シリカゲルにより除湿は行なってはいるが、完全に除湿するのは難しく、内部の空気に残っている微小な水分が、最も温度の低い固体撮像素子４１の撮像面に結露してしまっていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、撮像素子の冷却効率の向上を図ることができ、さらに撮像素子への結露も防止できる撮像装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、画像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子を収容する外装部材と、前記外装部材の内部に配置され、前記撮像素子を収容する内装部材と、前記外装部材と前記内装部材との間に配置され、前記外装部材と内装部材の間を熱的に遮断する断熱手段と、前記撮像素子および前記内装部材を各別に冷却し、これら撮像素子および内装部材からの吸熱を前記外装部材に放熱する冷却手段と、を具備し、前記冷却手段は、第１および第２のペルチェ素子からなり、前記第１のペルチェ素子は、前記撮像素子からの吸熱を前記外装部材に放熱し、前記第２のペルチェ素子は、前記内装部材からの吸熱を前記外装部材に放熱し、前記第２のペルチェ素子の駆動後しばらくしてから、前記第１のペルチェ素子を駆動することを特徴としている。

本発明によれば、撮像素子の冷却により外装部材の温度が上昇しても、外装部材から内部への放熱を内部部材により吸熱でき、さらに内部部材の冷却によって、内部部材内部の空気が冷却され、撮像素子周辺の空気温度を低く保つことができるので、撮像素子を所望する低い温度まで容易に冷却でき、撮像素子の冷却効率を飛躍的に向上させることができる。

また、本発明によれば、撮像素子よりも内部部材の冷却温度を低くすることにより、内装部材の内部の水分を内装部材に結露させることができるので、撮像素子への結露を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

（第1の実施の形態）
図１は、本発明が適用される撮像装置の概略構成を示している。図において、１は撮像素子としての画像を撮像するための固体撮像素子で、この固体撮像素子１には、冷却手段としての第１のペルチェ素子２が設けられている。この第１のペルチェ素子２は、固体撮像素子１を冷却するためのもので、ＣＯＯＬ面が固体撮像素子１に密着して設けられている。また、第１のペルチェ素子２は、ＨＯＴ面が、外装部材としての外装部３の基体３ａ面に密着して設けられている。外装部３は、固体撮像素子１を収容するもので、固体撮像素子１の周囲を覆う外装カバー３ｂを有している。

外装カバー３ｂは、固体撮像素子１の撮像面に対応する位置に窓部３ｅが設けられている。この窓部３ｅには、カバーガラス４が設けられている。カバーガラス４は、接着剤等を用いて窓部３ｅに密閉状態で接着されている。このような外装カバー３ｂは、パッキン３ｄを介在させてネジ３ｃにより基体３ａに気密に取り付けられている。この場合、外装部３を構成する基体３ａおよび外装カバー３ｂには、熱伝導率の高い材質、例えぱアルミや銅が用いられる。

外装部３の基体３ａおよび外装カバー３ｂの内側面には、断熱手段としての断熱材８が設けられている。この断熱材８は、外装部３と後述する内部カバー９との間を熱的に遮断するためのものである。。ここで、断熱材８には、熱伝導の低い材質、例えば樹脂等が用いられる。

断熱材８の内側面には、内装部材としての内部カバー９が配置されている。この内部カバー９内部には、固体撮像素子１が位置されている。内部カバー９には、熱伝導率の高い材質で、且つ薄い形状のものが用いられる。このようなものを用いるのは、内部カバー９そのものを冷やすことが目的でなく、内部カバー９内部の部品や空気から熱を吸収することが目的であるからである。

内部カバー９と外装部３の基体３ａとの間には、冷却手段としての第２のペルチェ素子１０が配置されている。第２のペルチェ素子１０は、内部カバー９を冷却するためのもので、ＣＯＯＬ面が内部カバー９に密着して設けられ、ＨＯＴ面が基体３ａ面に密着して設けられている。

固体撮像素子１、第１及び第２のペルチェ素子２、１０には、それぞれリード線５，６および１１が接続されている。これらリード線５，６および１１は、外装部３の基体３ａを貫通して外部に導出されており、図示しない電源などに接続されている。この場合、リード線５，６および１１が貫通される基体３ａは、これら貫通部から空気の出入りが発生しないようにシリコン樹脂等を注入して密閉されている。

なお、７は、固体撮像素子１を含む外装カバー３ｂで密閉された空間を除湿するためのシリカゲルである。この場合、断熱材８および内部カバー９は、シリカゲル７に対応する部分に透穴８ａ、９ａが形成されている。

このように構成された撮像装置は、撮像時に温度上昇する固体撮像素子１が第１のペルチェ素子２により冷却される。第１のペルチェ素子２は、固体撮像素子１から吸収した熱を外装部３の基体３ａ側に放熱する。外装部３は、第１のペルチェ素子２からの熱を外気に放熱すると同時に、断熱材８にも放熱する。断熱材８は、内部カバー９側に僅かな放熱を行なう。

この状態で、第２のペルチェ素子１０により内部カバー９を固体撮像素子１よりも低い温度に冷却する。すると、内部カバー９の熱は、第２のペルチェ素子１０により外装部３に放熱されるが、このとき、断熱材８から内部カバー９へ伝わる熱も、内部カバー９内部の空間に放熱されることなく、全て外装部３で放熱される。また、固体撮像素子１を含む内部カバー９内部を固体撮像素子１と同程度以下の温度まで冷却することで、第２のペルチェ素子１０からの放熱の一部は、外装部３→断熱材８→内部カバー９を経由して内部循環されるが、外装部３と内部カバー９の間に断熱材８を設けることで、熱の内部循環量は低減される。

このようにして、内部カバー９内の温度を固体撮像素子１と同程度以下の温度に冷却すると、第１のペルチェ素子２は、固体撮像素子１のみの冷却に専念することとなり、固体撮像素子１をさらに低い温度まで冷却することが可能となる。また、さらに強く冷却したい場合には、第１のペルチェ素子２の出力をアップさせればよい。この場合、外装部３の温度が上昇することで外気への放熱が増大すると同時に、外装部３内部（内部カバー９側）への放熱も増大するが、その熱は固体撮像素子１まで届くことなく、上述したように、内部カバー９が吸熱して外装部３に放熱してしまう。また、内部カバー９の吸熱容量が不足する場合は、第２のペルチェ素子１０の出力を上げて対応すればよい。

従って、このようにすれば、固体撮像素子１を冷却する第１のペルチェ素子２からの放熱により外装部３の温度が上昇しても、第２のペルチェ素子１０により内部カバー９を固体撮像素子１よりも低い温度に冷却することにより、外装部３内部（固体撮像素子１側）への放熱を内部カバー９で吸熱でき、さらに、内部カバー９と内部の空気層も冷却することができるので、固体撮像素子１周辺の空気温度を低く保つことができる。

これにより、従来では、ペルチェ素子の放熱の一部が内部循環していたり、外気からの放熱をペルチェ素子が吸熱するようになっていたため、ベルチェ素子の性能の全てを固体撮像素子の冷却に使用できなかったのに比べ、第１のペルチェ素子２の性能の全を固体撮像素子１の冷却に利用することができるので、固体撮像素子１を所望する低い温度まで容易に冷却できるなど、固体撮像素子１の冷却効率を飛躍的に向上させることができる。

また、第２のペルチェ素子１０により内部カバー９を固体撮像素子１よりも低い温度に冷却することができ、内部カバー９内部の水分を内部カバー９に結露させることができるので、固体撮像素子１の撮像面での結露を確実に防止することができる。

また、結露防止の別手段として、第２のペルチェ素子１０が駆動されてしばらくしてから第１のペルチェ素子２が駆動されるようにしてもよい。この場合、初めに第２のペルチェ素子１０が駆動されるため内部の水分は内部カバー９に結露する。その後、カバー内部の余分な全ての水分が内部カバー９に結露してから第１のペルチェ素子２の駆動を行なう。内部の水分は、全て内部カバー９に結露しているため、固体撮像素子１の撮像面の結露を防止することができる。この場合、内部カバー９を固体撮像素子１よりも低い温度に冷却する必要はない。

(第２の実施の形態)
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。

図２は、本発明の第２の実施の形態の概略構成を示すもので、図１と同一部分には、同符号を付している。

この場合、外装部３の基体３ａおよび外装カバー３ｂの内面には、断熱効果の高い材料からなるスペーサ２１を介して内部カバー２２が配置されている。つまり、外装部３と内部カバー２２の間にスペーサ２１を介在させて若干の隙間を形成し、この隙間部分を断熱手段としての空気層２３に形成するようにしている。この場合、空気層２３は、内部カバー２２の内部空間に対し密閉されている。

内部カバー２２と外装部３の基体３ａとの間には、第２のペルチェ素子２４が配置されている。第２のペルチェ素子２４は、内部カバー２２を冷却するためのもので、ＣＯＯＬ面が内部カバー２２に密着して設けられ、ＨＯＴ面が基体３ａ面に密着して設けられている。また、ペルチェ素子２４のリード線２５は、外装部３の基体３ａを貫通して外部に導出され、図示しない電源などに接続されている。この場合も、リード線２５が貫通される基体３ａは、ここからから空気の出入りが発生しないようにシリコン樹脂等を注入して密閉されている。

その他は、図１と同様である。

従って、このようにしても、固体撮像素子１を冷却するための第１のペルチェ素子２からの放熱により外装部３の温度が上昇しても、第２のペルチェ素子２４により内部カバー２２を固体撮像素子１よりも低い温度に冷却することにより、外装部３から内部（固体撮像素子１側）への放熱を内部カバー２２で吸熱でき、さらに、内部カバー２２自身と内部の空気層も冷却することができ、固体撮像素子１周辺の空気温度を低く保つことができる。これにより、第１の実施の形態で述べたと同様な効果を得ることができる。、
なお、上述した第２の実施の形態では、外装部３と内部カバー２２の間にスペーサ２１を介して空気層２３を形成したが、この空気層２３に代えて、真空層や窒素ガスを充填した層を断熱手段として形成しても同様の効果が得られる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。

さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

本発明の第１の実施の形態の撮像装置の概略構成を示す図。本発明の第２の実施の形態の撮像装置の概略構成を示す図。従来の撮像装置の一例の概略構成を示す図。従来の撮像装置の一例を説明するための図。従来の撮像装置の他の例の概略構成を示す図。従来の撮像装置の他の例の概略構成を示す図。

符号の説明

１…固体撮像素子、２…第１のペルチェ素子
３…外装部、３ａ…基体、３ｂ…外装カバー
３ｃ…ネジ、３ｄ…パッキン、３ｅ…窓部
４…カバーガラス、５．６…リード線
７…シリカゲル、８…断熱材
８ａ．９ａ…透穴、９…内部カバー、１０…第２のペルチェ素子
１１…リード線、２１…スペーサ
２２…内部カバー、２３…空気層
２４…第２のペルチェ素子、２５…リード線、

Claims

画像を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子を収容する外装部材と、
前記外装部材の内部に配置され、前記撮像素子を収容する内装部材と、
前記外装部材と前記内装部材との間に配置され、前記外装部材と内装部材の間を熱的に遮断する断熱手段と、
前記撮像素子および前記内装部材を各別に冷却し、これら撮像素子および内装部材からの吸熱を前記外装部材に放熱する冷却手段と、
を具備し、
前記冷却手段は、第１および第２のペルチェ素子からなり、前記第１のペルチェ素子は、前記撮像素子からの吸熱を前記外装部材に放熱し、前記第２のペルチェ素子は、前記内装部材からの吸熱を前記外装部材に放熱し、
前記第２のペルチェ素子の駆動後しばらくしてから、前記第１のペルチェ素子を駆動することを特徴とする撮像装置。