JP4890398B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子を備えるテレビジョンカメラ、ビデオカメラなどの撮像装置に関する。

近年、固体撮像素子を３個用いる撮像装置として３板式カラーカメラ（以下３板カメラという）が開発され広く用いられるようになってきている。このような従来の３板カメラの構造について、図面を用いて説明する。

図１は、従来の３板カメラにおける撮像ブロック１０の模式断面図である。図１に示すように、撮像ブロック１０は、３板カメラにおける図示しない撮像レンズを通過して入射された光を所定の色成分に分解する色分解プリズムと、複数の固体撮像素子と、各々の固体撮像素子が搭載された撮像素子基板とにより構成されている。

図１に示すように、色分解プリズムは、３つのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂが互いに密着して接合されることより構成され、入射光を３つの色成分に分解する３色分解プリズム１である。それぞれのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂの接合界面は、ダイクロイックミラー４、５となっている。また、３つのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂの光の出射面には、個別に固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂが接着剤を介して固定されている。

図１において、３色分解プリズム１に入射した光束７は、ダイクロイックミラー４、５によって、３つの色成分、すなわち光の３原色の光束６ａ、６ｂ、６ｃに色分解され、各々の固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂに受光される。ダイクロイックミラー４、５にて３原色に分解反射された光束のうちの光束６ａ、６ｂは、それぞれのプリズム部材１ｇ、１ｂ内にて再度全反射されることで、裏返し像（鏡像）ではなく表像を形成する光束として固体撮像素子２ｇ、２ｂに受光される。それぞれの固体撮像素子２ｇ、２ｂ、２ｒにて受光されたそれぞれの光束は、それぞれの撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂにて撮像信号の処理がなされて、撮像信号が合成されたカラーテレビジョン信号が得られる。

このような構成を有する従来の３板カメラでは、３色の被写体像の重ね合わせを精度良く行う必要がある。重ね合わせの精度、すなわちレジストレーションの精度が悪いと色ずれやモアレ偽信号が発生し、画質は微妙に劣化する。従って、レジストレーションの精度低下が生じないように、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂへ加わる外力負荷を低減させる必要がある。

また、固体撮像素子は高温環境下で使用すると、白傷による画質劣化、寿命短縮、等々の問題が発生するため、所定の温度以下での使用する必要がある。近年特に、固体撮像素子が搭載される３板カメラに代表される撮像装置においては、軽薄短小、多機能・高機能化による消費電力の増加に伴って、固体撮像素子の周辺温度（装置筐体内部温度）は益々上昇する傾向にあり、固体撮像素子を冷却する手段が不可欠となっている。

そのため、従来の撮像装置においては、固体撮像素子へ加わる外力負荷を低減させながら、固体撮像素子を効率的に冷却するための様々な放熱構造が提案されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。

まず、特許文献１においては、伝熱部材にネジによって設置された熱電冷却素子が、それぞれの固体撮像素子の背面に接触するように配置された放熱構造が提案されている。このような放熱構造においては、各部材の熱膨張や熱収縮に伴う変形量を、ネジのバックラッシュにより吸収することができるため、冷却素子から固体撮像素子に対して熱変形に伴う力が加わらないようにすることができる。

また、特許文献２においては、熱伝導板に固定された熱電冷却素子を、熱伝導板の弾性を利用して、固体撮像素子の背面に適切な力にて密着させるように配置させた放熱構造が提案されている。このような放熱構造においては、熱伝導板の弾性を利用することで、冷却素子を固体撮像素子の背面に密着させることができ、効率的な放熱を実現することができる。

特許文献３においては、熱電冷却素子を用いない放熱構造として、固体撮像素子の背面と撮像素子基板との間に、金属部品の一端を挿入配置させるとともに、金属部材の他端を金属フレームに固定させて、固体撮像素子から金属部品に伝達される熱を金属フレームへと逃がすような放熱構造が提案されている。

特開平１−２９５５７５号公報 特開２００２−２４７５９４号公報 特開２００１−３０８５６９号公報

近年、このような３板カメラにおけるそれぞれの固体撮像素子の位置決めは、μｍオーダの精度が要求されつつあり、例えばそれぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの位置決めは光軸方向では焦点深度があるため数十μｍ、被写体映像面内方向ではμｍオーダの精度を必要とするようになりつつある。

しかしながら、特許文献１の放熱構造においては、ネジのバックラッシュにより外力の吸収を行っているため、微小な熱変形により生じる外力を十分に吸収することはできず、作用する外力の大きさによっては、撮像素子の位置決め精度に影響を与える場合があり、この位置ずれによるレジストレーションの精度低下が問題となる。また、特許文献２の放熱構造では、熱伝導板の弾性力により固体撮像素子に外力が付加され、その外力は熱膨張等により変化するため、位置決め精度に影響を与えてしまう場合がある。また、特許文献１及び２の放熱構造では、比較的高価な熱電冷却素子が用いられているため、撮像装置がコスト上昇するという問題もある。

また、冷却素子を用いない特許文献３の放熱構造においても、金属フレームにその一端が固定された状態の金属部品が固体撮像素子の背面に接触するように配置されているため、金属部材の熱膨張・収縮によるスプリングバックに起因する負荷が固体撮像素子側の接触端部を通じて固体撮像素子に加わり、固体撮像素子とプリズム部材との接着面において位置ずれが生じ、この位置ずれによるレジストレーションの精度低下が問題となる。また、特許文献１〜３のいずれの放熱構造もその構造が複雑なものであり、取り付け作業や取り扱い作業が容易なものとは言えない。

また、固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの前面とプリズム１ｒ、１ｇ、１ｂとの接着にはＵＶ接着剤（紫外線硬化性接着剤）が用いられ、接着剤を接着面間に塗布した状態で各固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの位置調整（６軸）を実施した後に、紫外線を照射して接着剤を硬化させ、接着面を固定する工法が広く利用されている。

しかしながら、このようなＵＶ接着剤は高温クリープ特性（高温環境下で負荷を掛け続けるとクリープする特性）を有するため、特に固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの周辺温度（装置筐体内部温度）が高くなると、上記金属部品等のスプリングバックに起因する負荷が深刻な問題となる。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、固体撮像素子を備える撮像装置において、比較的簡単な構造にて、固体撮像素子に加わる外力負荷を低減させながら、固体撮像素子の温度上昇を抑制する撮像装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、複数のプリズム部材で構成され、光を複数の色成分に分解する色分解プリズムと、複数の上記プリズム部材に個別に固定された複数の固体撮像素子と、複数の上記固体撮像素子を個別に搭載した複数の撮像素子基板と、複数の上記撮像素子基板のそれぞれによって生成された撮像信号が入力される画像制御基板と、上記画像制御基板と接続されるフレキシブル基板とを備え、上記フレキシブル基板は、複数の上記撮像素子基板のそれぞれと接続され、上記撮像信号を上記画像制御基板に伝送する伝送経路を含む信号伝送層と、複数の上記固体撮像素子のそれぞれと接続され、かつ、絶縁層を介して上記信号伝送層上に積層され、上記固体撮像素子にて発生した熱を伝達する高熱伝導性材料からなる熱伝導層とから形成されていることを特徴とする、撮像装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、上記フレキシブル基板は、上記信号伝送層及び上記熱伝導層のそれぞれの表面に固定された保護層を、さらに含んでいる、第１態様に記載の撮像装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、上記フレキシブル基板の端部は、上記固体撮像素子と、上記固体撮像素子が搭載された上記撮像素子基板との間に配置され、上記保護層より露出された上記信号伝送層が、複数の上記撮像素子基板のそれぞれに接続され、上記保護層より露出された上記熱伝導層が、複数の上記固体撮像素子のそれぞれに接触されている、第２態様に記載の撮像装置を提供する。

本発明の第４態様によれば、上記熱伝導層は、撮像装置本体の筐体に接続されている、第１態様から第３態様のいずれか１つに記載の撮像装置を提供する。

本発明によれば、フレキシブル基板は、熱伝導層を含んで構成されているため、各固体撮像素子にて発生した熱を、熱伝導層に伝達させて、各固体撮像素子の温度上昇を抑制することができる。さらに、フレキシブル基板は、信号電送層と熱伝導層とが一体的に形成された構成を採用しているので、各層を別体で設けるような場合に比して、その総厚みを低減させることができる。その結果、固体撮像素子へ付加されるプリングバックなどの応力負荷を著しく低減させることができる。従って、比較的簡単な構造にて、必要な放熱性能を確保しながら、固体撮像素子へ付加される応力負荷を低減することができ、レジストレーションの精度低下を抑制可能な撮像装置を提供することができる。

以下に、本発明に係る実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

本発明の実施形態にかかる固体撮像素子とプリズムとが接合された固体撮像デバイスを備えた撮像装置の一例である３板カメラにおける撮像ブロック２０の模式斜視図を図２に示す。図２に示すように、本実施形態の撮像ブロック２０は、３つのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂが接着剤を介して接合され、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂが接着剤を介して接合された構造を有している。なお、図２に示す撮像ブロック２０の構造自体は、図１に示す撮像ブロック１０と同じ構造であるため、同じ構成部材には同じ参照符号を付してその説明を省略する。

ここで、図２に示すような構造を有する撮像ブロック２０が装備された撮像装置について説明する。本実施形態の撮像装置には、撮像ブロック２０と、この撮像ブロック２０が固定されて保持される構造体であり、撮像装置本体の筐体の一例であるプリズムベース１１と、その内側に撮像光軸が配置され、撮像ブロック２０の光軸と合致するように、プリズムベースが固定されて保持されたレンズ鏡筒（図示しない）とを備えている。

次に、図２に示すように、本実施形態の撮像装置に装備される撮像ブロック２０には、高熱伝導性材料を有するハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２が用いられている。ここで、本実施形態のハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２は、例えばＦＦＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｆｌａｔ Ｃａｂｌｅ）、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等のように電気信号を伝達するといういわゆるフレキシブル基板が有する信号伝達機能に加えて、熱を伝達させる機能が付加された複合的な機能を有するフレキシブル基板である。

ここで、本実施形態のハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２の構成を説明するための模式断面図を図３に示し、本実施形態のハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２について説明する。図３に示すように、ハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２は、カバー層２１、熱伝導層２２、絶縁層２３、信号伝送層２４、フィルムカバー層２５の５層構造から形成されている。

カバー層２１（本発明における保護層）は、ハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２を構成するベース（下地）であり、例えば絶縁性を有する部材で形成されている。

熱伝導層２２は、例えば銅若しくはグラファイトシートなどの剛性が低く、高い熱伝導率を有する高熱伝導性材料が用いられ、熱を伝導する。熱伝導層２２は、カバー層２１の表面に形成されている。

絶縁層２３は、熱伝導層２２と後述する信号伝送層２４との間に、絶縁性を有する部材で形成され、熱伝導層２２と信号伝送層２４とを絶縁している。

信号伝送層２４は、導体材料を含む材料にて形成されている。具体的には、信号伝送層２４は、例えば箔状の銅により、撮像信号を伝送する配線として機能する伝送経路を含んで形成されている。信号伝送層２４において、各撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂによって生成された撮像信号が伝送経路に伝送される。なお、信号伝送層２４には、撮像信号を伝送するための導体配線のみが形成されている場合に限らず、その他、所定の信号処理を行う回路が形成されているような場合であってもよい。

フィルムカバー層２５（本発明における保護層）は、信号伝送層２４の表面に形成されている。フィルムカバー層２５は、例えば絶縁性を有する部材で形成され、信号伝送層２４の表面を保護している。

また、ハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２において、カバー層２１、熱伝導層２２、絶縁層２３、信号伝送層２４、フィルムカバー層２５は、例えば接着剤を介して接合されており、一体的なシート状部材として柔軟性を有するように形成されている。例えば、カバー層２１は、０．２ｍｍ以下、熱伝導層２２は、０．２ｍｍ以下、絶縁層２３は、０．２ｍｍ以下、信号伝送層２４は、０．１ｍｍ以下、フィルムカバー層２５は、０．２ｍｍ以下の厚みで形成される。

ここで、ハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２の接続先を説明するための模式図を図４に示し、ハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２と各撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂとが接続されている模式図を図５に示す。図２、図４、図５を用いて、本実施形態のハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２の接続先について説明する。

図２に示すように、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂと、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂを搭載した撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂのそれぞれとの間（以下、固体撮像素子と撮像素子基板との間という）には、間隙が形成されており、この間隙には、３つの分岐されたハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２の端部（図２及び図５参照。なお、図４においては、分岐部分を省略して図示する。）が個別に配置されている。ハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２の端部において、フィルムカバー層２５より露出された信号伝送層２４の端子部分が、各撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂのそれぞれと、例えば半田付けにより電気的に接続されている。さらに、ハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２の端部において、カバー層２１より露出された熱伝導層２２が、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの背面（光束の受光面とは逆側の面）に直接的に接触されている。

さらに、図４に示すように、ハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２において、コネクタ１３は、信号伝送層２４と電気的に接続されている。固体撮像素子にて取得された画像情報の撮像信号の処理を行う画像処理回路を含んで構成される画像制御基板３１に接続されるコネクタ３３と、例えばケーブル３２（図示しない）を介して、コネクタ１３が接続されている。この結果、各固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂで受光したそれぞれの光が、各撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂによってそれぞれの撮像信号が生成され、撮像信号のそれぞれは、信号伝送層２４に含まれる伝送経路を通して伝送されて画像制御基板３１に入力される。

また、ハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２は、図５に示すように、コネクタ１３と接続されるルートとは、別に、プリズムベース１１と接続されるルートに分岐さている。ハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２において、この分岐された部分１２ａは、信号伝送層２４とは分離された状態にて、カバー層２１、熱伝導層２２、絶縁層２３の３層構造で形成されている。さらに、その端部においては、カバー層２１又は絶縁層２３のどちらか一方より露出された熱伝導層２２が、直接的にプリズムベース１１と接続されている。これにより、各固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂにて発生した熱は、熱伝導層２２と通して、プリズムベース１１に伝達される。

このような構造を有するハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２において、各固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂにて発生した熱は、熱伝導層２２に伝達され、さらに撮像装置本体の筐体（例えば、プリズムベース１１）に伝達される。その結果、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの温度を低減させることができる。さらに、このようなハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２において、各撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂのそれぞれによって生成された撮像信号のそれぞれは、信号伝送層２４に含まれる伝送経路を伝送して画像制御基板３１に入力される。また、ハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２において、熱伝導層２２と信号伝送層２４が一体的に形成されているので、例えば撮像装置内部の構造の複雑化を防ぐことができる。

また、上述では、ハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２の信号伝送層２４と各撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂが半田付けで接続されていると説明したが、ハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２において、各撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂに対応する部分の厚みを増して、ハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２と各撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂとが一体的に形成されていてもよい。

また、上述のように、本実施形態におけるハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２は、５層構造で構成されている。このような５層構造を採用していることにより、例えば、撮像信号を伝送するフレキシブル基板とは別体にて熱伝導層を備えた放熱シートを設けるような場合と比して、その総厚みを低減させることができる。すなわち、別体にてそれぞれの部材を設けるような場合であっては、表裏面の保護層を含めて、各部材を３層構造にて形成する必要がある。これに対して、本実施形態のハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２では、５層構造とすることができ、その総厚みを少なくとも１層分、低減させることができる。すなわち、固体撮像素子と撮像素子基板との間のそれぞれに配置される部材の総厚みを低減することできる。この結果、熱膨張・熱収縮によるスプリングバックにより固体撮像素子へ付加される応力負荷を著しく減少させることができる。

従って、本実施形態のような構造を有するハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２を採用することにより、各固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂにて発生した熱は、熱伝導層２２に伝達され、さらに撮像装置本体の筐体に伝達されるので、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの温度は低減される。さらに、このような構造を有するハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２は、フレキシブル基板とは別体にて熱伝導層を備えた放熱シートを設けるような場合と比して、総厚みを低減させて形成されるので、固体撮像素子へ付加される応力負荷を著しく減少させることができる。

以上のように、比較的簡単な構造にて、必要な放熱性能を確保しながら、固体撮像素子へ付加される応力負荷を低減することができ、レジストレーションの精度低下を抑制可能な撮像装置を提供することができる。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、特許請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

本発明に係る撮像装置は、比較的簡単な構造にて、必要な放熱性能を確保しながら、固体撮像素子へ付加される応力負荷を低減する効果を有し、固体撮像素子を備えるテレビジョンカメラ、ビデオカメラなどの撮像装置等に有用である。

従来の３板式カラーカメラにおける撮像ブロック１０の模式構成図 本実施形態の撮像装置に装備される撮像ブロック２０の模式斜視図 本実施形態のハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２の模式断面図 ハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２の接続先を説明するための模式図 ハイブリッド機能付きフレキシブル基板１２と各撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂと接続されている模式図

符号の説明

１ ３色分解プリズム
１ｒ プリズム部材（赤色）
１ｇ プリズム部材（緑色）
１ｂ プリズム部材（青色）
２ｒ 固体撮像素子（赤色用）
２ｇ 固体撮像素子（緑色用）
２ｂ 固体撮像素子（青色用）
３ｒ 撮像素子基板（赤色用）
３ｇ 撮像素子基板（緑色用）
３ｂ 撮像素子基板（青色用）
４ ダイクロイックミラー
５ ダイクロイックミラー
６ａ 原色の光束（赤色用）
６ｂ 原色の光束（緑色用）
６ｃ 原色の光束（青色用）
７ 光束
１０、２０ 撮像ブロック
１１ プリズムベース
１２ ハイブリッド機能付きフレキシブル基板
１３、３３ コネクタ
２１ カバー層
２２ 熱伝導層
２３ 絶縁層
２４ 信号伝送層
２５ フィルムカバー層
３０ 半田付け
３１ 画像制御基板
３２ ケーブル

Claims (4)

1. 複数のプリズム部材で構成され、光を複数の色成分に分解する色分解プリズムと、
   複数の上記プリズム部材に個別に固定された複数の固体撮像素子と、
   複数の上記固体撮像素子を個別に搭載した複数の撮像素子基板と、
   複数の上記撮像素子基板のそれぞれによって生成された撮像信号が入力される画像制御基板と、
   上記画像制御基板と接続されるフレキシブル基板とを備え、
   上記フレキシブル基板は、
   複数の上記撮像素子基板のそれぞれと接続され、上記撮像信号を上記画像制御基板に伝送する伝送経路を含む信号伝送層と、
   複数の上記固体撮像素子のそれぞれと接触され、かつ、絶縁層を介して上記信号伝送層上に積層され、上記固体撮像素子にて発生した熱を伝達する高熱伝導性材料からなる熱伝導層とから形成されていることを特徴とする撮像装置。
2. 上記フレキシブル基板は、上記信号伝送層及び上記熱伝導層のそれぞれの表面に固定された保護層を、さらに含んでいる、請求項１に記載の撮像装置。
3. 上記フレキシブル基板の端部は、上記固体撮像素子と、上記固体撮像素子が搭載された上記撮像素子基板との間に配置され、
   上記保護層より露出された上記信号伝送層が、複数の上記撮像素子基板のそれぞれに接続され、
   上記保護層より露出された上記熱伝導層が、複数の上記固体撮像素子のそれぞれに接触されている、請求項２に記載の撮像装置。
4. 上記熱伝導層は、撮像装置本体の筐体に接続されている、請求項１から３のいずれか１つに記載の撮像装置。

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