JP4840675B2 - 冷却機能を付与したビデオカメラ - Google Patents

Description

製品の検査又は測定に用いるビデオカメラに係り、特に固体撮像素子やＬＳＩ等の回路素子の温度上昇に伴って増加する熱雑音や画素ずれ等の画質劣化を抑制するための冷却機能を付与したビデオカメラに関する。

最近のビデオカメラの小型化、高密度実装化の進展と、固体撮像素子の画素数の増加に伴ってビデオカメラの温度上昇が、熱雑音の増加によるＳＮ比の劣化や、固体撮像素子の微かな膨張による画素ずれの発生、暗電流の増加による画像むらの派生等の画質劣化を伴い、ひいては回路部品の劣化や破損にまで及ぶ問題を抱え込むようになってきている。殊に製品の検査又は測定に用いる小型ビデオカメラでは、固体撮像素子の温度変化による画素ずれが製品の検査や測定精度の低下につながることから、前記固体撮像素子は環境温度の変化に左右されない恒温動作が要求され、また暗部でのＳＮ比向上も望まれている。
固体撮像素子の冷却には、固体撮像素子パッケージの裏面にペルチェ素子を配し、さらにこのペルチェ素子とヘッド基板との間にヒートパイプを配し、固体撮像素子からの熱をキャビネットまで導いて外気に放熱するもの（特開平８−３１９９３号公報）や水冷式のものも存在するが、その多くはファンによってビデオカメラの筐体内に外気を送り込む空冷によるもの（例えば特開２００６−２９５８５５号公報）である。

特開平８−３１９９３号公報 特開２００６−２９５８５５号公報

上記背景技術に記載した固体撮像素子の冷却方法を小型カメラに適用するにあたっては次のような問題点が存在する。
すなわち、ペルチェ素子を使用する電子冷却では、ペルチェ素子を作動させるために大容量の直流電源を必要とするとか、放熱用の金属板が大きなものとなることから、小型のビデオカメラには適用できず、また、水冷式のものはカメラハウジング内部に配置されたパイプに水を循環させてカメラ全体を冷却するものであり、カメラの形状、質量ともに大きくなり、小型カメラには適用できず、また、水漏れが電気回路の故障原因となる問題も内包している。
そしてファンによって外気を筐体内に送り込んで冷却する空冷によるものも、カメラ本体が小型化するにつれてファンも小型化せざるを得ず、冷却に必要な風量が得られないという問題がある。
本発明は、カメラの小型化に伴ってより重要性を増した固体撮像素子の冷却に関する上記各冷却方式が抱える諸問題を解消し、固体撮像素子やＬＳＩ等の回路素子の温度上昇に伴って増加する熱雑音と画素ずれ、及び暗電流を抑制するための効果的な冷却機能を付与したビデオカメラの提供を課題とする。

本発明者らは上記課題を下記の手段により解決した。
（１）製品の検査又は測定に用いる小型ビデオカメラであって、搭載した固体撮像素子やＬＳＩの温度上昇に伴って増加する熱雑音や画素ずれ等の画質劣化を抑制するため、該ビデオカメラの筐体壁中に冷却媒体を流通させる流通路と、前記流通路に外部から冷却媒体を流通させるための注入口及び排出口とを備え、
前記冷却媒体の流通路が、前記筐体壁中に穿設された垂直方向、水平方向各２本の貫通孔を井桁状に組み合わされて形成されてなり、該貫通孔の合わせて８つの開口のいずれか１つを冷却媒体の注入口に、他のいずれか１つを冷却媒体の排出口とし、そして残りの６つの開口を封止部材で封じることによって形成されてなることを特徴とする冷却機能を付与したビデオカメラ。

（２）前記冷却媒体が、−６０℃〜１５℃の冷却空気であることを特徴とする前項（１）に記載の冷却機能を付与したビデオカメラ。

（３）ＣＣＤやＣ−ＭＯＳ等の固体撮像素子のパッケージ底面に、熱伝導率の高い素材でなる第１の放熱板が装着され、該第１の放熱板が前記筐体に固定されてなることを特徴とする前項（１）又は（２）に記載の冷却機能を付与したビデオカメラ。

（４）前記固体撮像素子のパッケージ底面に装着した第１の放熱板と前記固体撮像素子を装着する基板との間に、シリコン放熱シート等の熱伝導率の高い絶縁体が挟装されてなることを特徴とする前項（１）〜（３）のいずれか１項に記載の冷却機能を付与したビデオカメラ。

（５）前記基板の裏面に固体撮像素子の駆動回路や映像処理回路のＬＳＩ等の回路素子が配設され、該回路素子がシリコン放熱シート等の熱伝導率の高い絶縁体を介して、これも熱伝導率の高い素材でなる第２の放熱板に圧接され、該第２の放熱板が前記筐体に固定されてなることを特徴とする前項（１）〜（４）のいずれか１項に記載の冷却機能を付与したビデオカメラ。

本発明の冷却機能を付与したビデオカメラによって、下記の効果が発揮される。
〈１〉請求項１の発明によれば
製品の検査又は測定に用いる小型ビデオカメラの筐体壁中に冷却媒体を流通させる流通路と、前記流通路に外部から冷却媒体を流通させるための注入口及び排出口とが設けられているので、
（ａ）前記注入口から冷却媒体を流通路に注入して筐体を直接冷却することによって筐体内空間の温度が低下して固体撮像素子を冷却するため、従来のビデオカメラで行われてきた筐体内にファンによって外気を送り込む冷却方法に比べて格段に高い冷却効果が得られ、したがって、固体撮像素子の温度上昇に伴って増加する熱雑音、暗電流を効果的に低減でき、かつ固体撮像素子の恒温動作が可能となるので温度変化によって生ずる画素ずれが防止でき、高品質、高安定な画像信号が提供できる。
（ｂ）また、上記のように固体撮像素子の冷却が、格段に高い冷却効果を伴って実現できることから、近年高画素数化が進み、さらにＡ／Ｄ変換回路等が周囲に搭載されて高発熱源化している高画素数固体撮像素子の小型筐体への収容が容易となり、高画素数化と小型化が要求されるＦＡシステム用ビデオカメラに適合した小型ビデオカメラが提供できる。
（ｃ）さらに、前記冷却機能が付与された小型ビデオカメラは、筐体自体が冷却されるため周囲温度に左右されることなく、したがって、該ビデオカメラを収容するハウジング等が不要となりどんな場所にでも容易に設置して使用できる。

さらにまた、前記冷却媒体を流通させる流通路が、前記筐体壁中に穿設された垂直方向、水平方向各２本の貫通孔を井桁状に組み合わせて形成されてなり、該貫通孔の合わせて８つの開口のいずれか１つを冷却媒体の注入口に、他のいずれか１つを冷却媒体の排出口とし、そして残りの６つの開口を封止部材で封じることによって形成されているので、
（ｄ）前記筐体内部に穿設された井桁状の流通路に冷却媒体が注入されることによって、前記筐体が均等に冷却され、高発熱源である固体撮像素子の画素全域を四囲から均等に効率よく冷却するため、固体撮像素子の温度上昇に伴って増加する熱雑音、暗電流を効果的に低減することができる。
（ｅ）また、前記貫通孔の合わせて８つの開口のいずれか１つを冷却媒体の注入口に、他のいずれか１つを冷却媒体の排出口とすることができるため、前記ビデオカメラの取り付け場所、取り付け位置によって注入口と排出口の位置を任意に選択でき、該ビデオカメラを用いたシステムの構築自由度が高まる。
（ｆ）さらに、前記注入口及び排出口として使用しなかった残りの６つの開口をビス等の封止部材で封止する構成としたため、量産して多くの顧客の要望に対応できる多目的用途の小型カメラが提供できる。

〈２〉請求項２の発明によれば、
請求項１の効果に加えて、
前記冷却媒体が、−６０℃〜１５℃の冷却空気であり、前記筐体が前記の温度範囲の冷却空気に対応できるものであるため、前記ビデオカメラの設置位置周囲の環境温度によって前記冷却空気の温度を適正値に選択できるので、例えば、冷却空気の供給部材としてのボルテックチューブの大きさや、圧搾空気供給源としてのコンプレッサ装置を適正規模のものとして選択使用できる。

〈３〉請求項３の発明によれば、
請求項１及び２の効果に加えて、
ＣＣＤやＣ−ＭＯＳ等の固体撮像素子のパッケージ底面に、熱伝導率の高い素材でなる第１の放熱板が装着され、該第１の放熱板が前記筐体に固定されているので、
（ａ）前記固体撮像素子の冷却が、筐体壁中の流通路に注入された冷却媒体による筐体内部空間の冷却空気によるものに加え、さらに前記冷却媒体によって冷却された筐体に固定された前記第１の放熱板１を介して固体撮像素子パッケージの底面を直接冷却することができ、固体撮像素子のより効果的な冷却が可能となる。（ｂ）また、固体撮像素子パッケージの底面を直接冷却するため、固体撮像素子の全画素をほぼ均等な温度に冷却でき、したがって、全画素に亘って均一な熱雑音、暗電流となり、シェーディング等の画質低下のない高品質で高安定な画像信号が得られる。

〈４〉請求項４の発明によれば、
請求項１〜３の効果に加えて、
前記固体撮像素子のパッケージ底面に装着した第１の放熱板と前記固体撮像素子を装着する基板との間に、シリコン放熱シート等の熱伝導率の高い絶縁体が挟装されているので、
（ａ）前記基板上に装着されたＬＳＩ等回路素子の発熱は、前記シリコンゴム等の高い熱伝導率によって第１の放熱板に伝達され、冷却された筐体との間で熱交換による放熱が行われるため、筐体内の温度上昇を防止でき、固体撮像素子へ影響を及ぼすことはない。
（ｂ）また、前記第１の放熱板と前記基板との間に挟設されたシリコン放熱シート等の絶縁体が前記基板上に装着されたＬＳＩ等の回路素子が前記第１の放熱板に当接するのを防止しているため、電気的な接触事故の発生のおそれがない。

〈５〉請求項５の発明によれば、
請求項１〜４の効果に加えて、
前記基板の裏面に固体撮像素子の駆動回路や映像処理回路のＬＳＩ等の回路素子が配設され、該回路素子がシリコン放熱シート等の熱伝導率の高い絶縁体を介して、これも熱伝導率の高い素材でなる第２の放熱板に圧接され、該第２の放熱板が前記筐体に固定されているので、請求項４の発明の効果と同様に、
（ａ）前記基板の裏面に装着されたＬＳＩ等回路素子の発熱は、前記シリコン放熱シート等の高い熱伝導率によって第２の放熱板に伝達され、冷却された筐体との間の熱交換による放熱が行われるため、筐体内の温度上昇を防止でき、固体撮像素子へ影響を及ぼすことはない。
（ｂ）また、前記第１の放熱板と前記基板との間に配設されたシリコン放熱シート等の絶縁体が、前記基板上に装着されたＬＳＩ等回路素子が前記第２の放熱板に当接するのを防止しているため、電気的な接触事故の発生のおそれがない。

本発明の冷却機能を付与したビデオカメラの一実施例の斜視図 図１に示す冷却機能を付与したビデオカメラの断面図 筐体に穿設された流通路の形状と冷却媒体流通路の形成方法の説明図

本発明の冷却機能を付与したビデオカメラを実施するための形態を、実施例の図に基づいて説明する。
図１は本発明の冷却機能を付与したビデオカメラの一実施例の斜視図、図２は図１に示す冷却機能を付与したビデオカメラの断面図、図３は筐体に穿設された流通路の形状と冷却媒体流通路の形成方法の説明図である。
図において１は冷却機能を付与したビデオカメラ、２は筐体、３は注入口、４は排出口、５は封止部材、６は流通路、７は固体撮像素子、８は第１の放熱板、８’は第２の放熱板、９は絶縁体、１０は基板である。

本発明の冷却機能を付与したビデオカメラ１は、主に製品の検査又は測定に用いる小型ビデオカメラであって、搭載した固体撮像素子７やＬＳＩの温度上昇に伴って増加する熱雑音や画素ずれ等の画質劣化を抑制するため、該ビデオカメラ１の筐体２壁中に冷却媒体を流通させる流通路６と、前記流通路６に外部から冷却媒体を流通させるための注入口３及び排出口４とを設けている（図１）。

そして前記流通路６は、図３に示すように、前記筐体２壁中に穿設された垂直方向、水平方向各２本の貫通孔を井桁状に組み合わせて形成され、該貫通孔の合わせて８つの開口のいずれか１つを冷却媒体の注入口３に、他のいずれか１つを冷却媒体の排出口４とし、そして残りの６つの開口を封止部材５で封じることによって形成されている。
したがって、本発明の冷却機能を付与したビデオカメラは、取り付け場所、取り付け位置によって注入口３と排出口４の位置を任意に設定できる自由度を備えている。
例えば図１及び図３（ａ）に示すように、注入口３と排出口４をともに筐体２の上面に設けることや、図３（ｂ）のように注入口３を筐体２の上面に、排出口４を筐体２の底面に設けること、あるいは図３（ｃ）に示すように、注入口３を筐体２の上面に、排出口４を筐体２の側面下方の開口に設けることもできる。
その他図示しないが注入口３と排出口４をともに筐体２の底面や、同一側面に設けること、及び注入口３と排出口４を筐体２の左右の側面に分けて設けることもできる。ただし、注入口３と排出口４の位置の選択に当たっては、冷却媒体が井桁状の流通路６内をほぼ均等に流れ、固体撮像素子７をその四囲から均等に冷却できるように冷却媒体が流れるよう配慮すべきことは言うまでもない。

冷却媒体としては、ボルテックチューブ等で発生させた−６０℃〜１５℃の冷却空気であることが好ましい。冷却媒体としての空気は、何処でも何時でも入手できる利便性と、冷却媒体の万一の漏洩時にも、操作員やビデオカメラに重大な被害を与えるおそれはなく安全性の面でも他の冷却媒体より優れており、本発明の冷却機能を付加したビデオカメラは簡便性と安全性の面からも好ましいものとなっている。
また、高温雰囲気下で使用する場合には周囲温度によって筐体の冷却効果が損なわれるのを防止するため筐体の外側面に断熱材を装着することも好ましい。

本発明の冷却機能を付与したビデオカメラ１では、図２に示すようにＣＣＤやＣ−ＭＯＳ等の固体撮像素子７のパッケージは、その底面に熱伝導率の高い素材、例えば銅板からなる第１の放熱板８が装着され、この第１の放熱板８は前記筐体に固定され、前記固体撮像素子７から発生する熱を筐体に伝達して冷却されるようになされている。
そしてこの第１の放熱板８が装着された固体撮像素子７は、固体撮像素子７の駆動回路や、画像処理回路のＬＳＩなどとともに基板１０に搭載されるが、この基板１０と前記第１の放熱板８との間には、シリコン放熱シート等の熱伝導率の高い絶縁体９が挟設されており、前記基板１０に搭載されたＬＳＩなどからの発熱を前記第１の放熱板８に伝達するとともに、銅板などの熱伝導率の高い第１の放熱板８との電気的接触を防止している。
さらに、基板１０の裏面に配着されたＬＳＩ等の回路素子の発熱も、シリコン放熱シート等の熱伝導率の高い絶縁体９を介して圧接されたこれも熱伝導率の高い素材でなる第２の放熱板８’を介して前記筐体に伝達され放熱される構造となっている。
したがって、前記固体撮像素子７やＬＳＩなどの回路素子から発生した熱は、前記第１の放熱板８及び第２の放熱板８’を介して冷却された筐体に伝達されて放熱されるので、前記固体撮像素子７の温度上昇は避けられ、恒温動作が実現される。しかも第１の放熱板８が固体撮像素子７のパッケージ裏面に密着されているので、固体撮像素子７全体が均等に冷却されることになり、全画素に亘って均一な熱雑音、暗電流となり、シェーディング等の画質低下のない高品質で高安定な画像信号が得られる。

１：冷却機能を付与したビデオカメラ
２：筐体
３：注入口
４：排出口
５：封止部材
６：流通路
７：固体撮像素子
８：第１の放熱板
８’：第２の放熱板
９：絶縁体
１０：基板

Claims (5)

1. 製品の検査又は測定に用いる小型ビデオカメラであって、搭載した固体撮像素子（７）やＬＳＩの温度上昇に伴って増加する熱雑音や画素ずれ等の画質劣化を抑制するため、該ビデオカメラ（１）の筐体（２）壁中に冷却媒体を流通させる流通路（６）と、前記流通路（６）に外部から冷却媒体を流通させるための注入口（３）及び排出口（４）とを備え、
   前記冷却媒体の流通路（６）が、前記筐体（２）壁中に穿設された垂直方向、水平方向各２本の貫通孔を井桁状に組み合わされて形成されてなり、該貫通孔の合わせて８つの開口のいずれか１つを冷却媒体の注入口（３）に、他のいずれか１つを冷却媒体の排出口（４）とし、そして残りの６つの開口を封止部材（５）で封じることによって形成されてなることを特徴とする冷却機能を付与したビデオカメラ。
2. 前記冷却媒体が、−６０℃〜１５℃の冷却空気であることを特徴とする請求項１に記載の冷却機能を付与したビデオカメラ。
3. ＣＣＤやＣ−ＭＯＳ等の固体撮像素子（７）のパッケージ底面に、熱伝導率の高い素材でなる第１の放熱板（８）が装着され、前記第１の放熱板（８）が前記筐体（２）に固定されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却機能を付与したビデオカメラ。
4. 前記固体撮像素子（７）のパッケージ底面に装着した第１の放熱板（８）と前記固体撮像素子を装着する基板（１０）との間に、シリコン放熱シート等の熱伝導率の高い絶縁体（９）が挟装されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却機能を付与したビデオカメラ。
5. 前記基板（１０）の裏面に固体撮像素子（７）の駆動回路や映像処理回路のＬＳＩ等の回路素子が配設され、該回路素子がシリコン放熱シート等の熱伝導率の高い絶縁体（９）を介して、これも熱伝導率の高い素材でなる第２の放熱板（８’）に圧接され、該第２の放熱板（８’）が前記筐体（２）に固定されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却機能を付与したビデオカメラ。