JP6322348B1

JP6322348B1 - 撮像ユニット

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Publication number: JP6322348B1
Application number: JP2018500949A
Authority: JP
Inventors: 寛雲財
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2016-06-07
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2037-04-12
Also published as: WO2017212779A1; JPWO2017212779A1; CN108463155A; US20180317756A1; US10499799B2

Abstract

ケーブル７０の延出方向と直交する方向に外力Ｆが作用した場合、この外力Ｆにより、剛体である回路基板６０全体がイメージセンサ４２の電極部４７に対して相対的に変位する。この回路基板６０の変位に対して、接続用基板５０は、イメージセンサ４２に接続される第１ランド部５１と回路基板６０に接続される第２ランド部５２との間で、屈曲部５３の屈曲半径が変化するように変位して、ケーブル７０から回路基板６０を通してイメージセンサ４２に伝達される外力による負荷を低減することができる。その結果、イメージセンサ４２の撮像面４２ａとガラスリッド４３との接合層に剥離を生じさせるような無理な力が掛かることがなく、剥離等の不具合の発生を防止することができる。

Description

本発明は、イメージセンサの電極部に硬質の回路基板を接続した撮像ユニットに関する。

一般に、撮像ユニットは、ＣＣＤ，ＣＭＯＳ等の固体撮像素子を用いたイメージセンサに、駆動及び信号処理用の回路基板を接続したユニットとして構成されている。このような撮像ユニットを、例えば、細長の挿入部を被検体内に挿入して観察部位を撮像する内視鏡に搭載する場合、例えば、特開平１０−３３４７４号公報に開示されているように、回路基板としてフレキシブル基板を用い、このフレキシブル基板にケーブルを接続して外部の機器と接続する場合が多い。

近年では、イメージセンサを小型軽量で高密度実装が可能なチップサイズパッケージで形成する場合が多く、このチップサイズパッケージにおいては、パッケージの表面側に撮像素子の撮像面が配置され、パッケージの裏面に撮像素子の電極部が配置されている。

また、回路基板の耐熱性向上や機械的強度の向上をはかるため、セラミック基板等の硬質の回路基板を用いることも多く、チップサイズパッケージの電極部にセラミック基板を接続する場合、パッケージ裏面のバンプを形成する半田ボールを介して基板を直接接続することができる。

このようなチップサイズパッケージのイメージセンサを内視鏡の先端部に内蔵する場合、例えば図８に示すように、イメージセンサ２００の撮像面２００ａが配置されるパッケージ表面側に保護用のガラスリッド２０１を接着剤等で接合し、更に、このガラスリッド２０１に位置決め用のカバーガラス（図示せず）を接合し、このカバーガラスを内視鏡の先端部に配設される保持枠（図示せず）で保持している。

そして、イメージセンサ２００のパッケージ裏面の電極部２００ｂに、セラミック基板３００の電極部３００ａを接合し、更に、セラミック基板３００の基端側にケーブル３１０を接続して内視鏡の操作部側に延出している。イメージセンサ２０の電極部２００ｂからセラミック基板３００にかけての周辺部には、樹脂材が充填されて固定されている。

しかしながら、このようなチップサイズパッケージのイメージセンサに、セラミック基板等の硬質の回路基板を直接接合した場合、内視鏡の使用に伴ってイメージセンサや回路基板が発熱し、イメージセンサの周囲の樹脂材が軟化する。このため、挿入部の湾曲操作等によってケーブル３１０の屈曲や捩り、煽り等が生じると、図８に示すように、回路基板３００の基端側に外力Ｆが作用する。この外力Ｆがイメージセンサ２００に伝達されると、イメージセンサ２００とガラスリッド２０１との接合層に過大な負荷がかかり、剥離が発生する虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、ケーブルから硬質の回路基板を介して伝達される外力によるイメージセンサへの負荷を低減して不具合発生を防止することのできる撮像ユニットを提供することを目的としている。

本発明の一態様による撮像ユニットは、パッケージの表面側に撮像素子の撮像面を配置すると共に、前記パッケージの裏面に前記撮像素子の電極部を配置した撮像素子パッケージを有するイメージセンサと、第１ランド部と第２ランド部とを有し、前記第１ランド部が前記イメージセンサの電極部に接続される接続用基板と、第１接続部と第２接続部とを有し、前記第１接続部が前記接続用基板の第２ランド部へ接続される硬質の回路基板と、前記回路基板の第２接続部に接続されるケーブルと、前記接続用基板および前記イメージセンサの周囲に配設された保護部材と、を有し、前記イメージセンサと前記回路基板とは、前記イメージセンサの電極部と前記第１接続部とが対向するように配置され、前記接続用基板は、前記第１ランド部と前記第２ランド部との間に、前記ケーブルから前記回路基板を介して伝達される外力によって変位可能に屈曲された屈曲部を有し、前記保護部材は、第１の保護部材と、前記第１の保護部材より軟質の第２の保護部材とから構成され、前記第２の保護部材は、少なくとも前記屈曲部内に配設されている。

本発明の実施の第１形態に係り、内視鏡装置の構成図同上、内視鏡の先端部に設けた撮像ユニットを示す説明図同上、イメージセンサと基板との接続を示す説明図同上、イメージセンサにかかる負荷の作用を模式的に示す説明図同上、接続用基板の第１の変形例を示す説明図同上、接続用基板の第２の変形例を示す説明図本発明の実施の第２形態に係り、撮像素子保持枠を示す説明図従来の撮像ユニットを示す説明図

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

（第１形態）
図１は、本発明が適用される内視鏡装置の一例を示している。本実施の形態においては、内視鏡装置１は、撮像ユニットを有する内視鏡２と、内視鏡２に照明光を供給する光源装置３と、内視鏡２に搭載された撮像ユニットに対する信号処理を行う信号処理装置としてのビデオプロセッサ４と、内視鏡画像を表示する表示装置としてのカラーモニタ５と、を備えて構成されている。

内視鏡２は、被検体内に挿入される細長の挿入部６と、この挿入部６の基端に設けられた操作部７と、この操作部７から延出されたユニバーサルコード８と、このユニバーサルコード８の端部に設けられた内視鏡コネクタ９と、を有する。内視鏡コネクタ９は、光源装置３に着脱自在に接続されることにより、光源装置３から照明光が内視鏡２内の図示しないライトガイドに供給される。また、内視鏡コネクタ９には接続ケーブル１０の一端が接続され、この接続ケーブル１０の他端に設けられた電気コネクタ１０ａが、ビデオプロセッサ４に着脱自在に接続される。ビデオプロセッサ４は、図示しない映像ケーブルを介してカラーモニタ５と接続される。

内視鏡２の挿入部６は、先端に設けられた硬質の先端部１１と、この先端部１１の後端に設けられた湾曲自在の湾曲部１２と、湾曲部１２の後端から操作部７の前端まで延びる可撓性を有する可撓管部１３と、を備えて構成されている。

先端部１１の先端面には、観察窓１５と、複数の照明窓１６（図１では１つのみ示す）と、処置具チャンネル（図示せず）の先端開口１７ａと、図示しない洗浄用ノズルが設けられている。観察窓１５の内側（背面側）には、図２に示すように先端部１１内に設けた撮像ユニット３０が配設されている。

また、照明窓１６には照明レンズが取り付けられ、この照明レンズには光源装置３からの照明光を伝送するためのライトガイドが連設されている（何れも図示せず）。このライトガイドにより伝送された照明光は、照明レンズを介して先端面の前方側に出射され、これにより、撮像ユニット３０による視野範囲となる被検体内の観察対象部位が照明される。

操作部７には、挿入部６の基端が延出される部分に対する折れ止め部１８ａと、下部側の側部に配設される処置具挿入口１８ｂと、中途部に設けられたグリップ部を構成する操作部本体１８ｃと、上部側に設けられた２つの湾曲操作ノブ１９ａ，１９ｂからなる湾曲操作部１９と、送気送水制御部２１と、吸引制御部２２と、複数のスイッチから構成された主に撮像機能を操作するスイッチ部２３と、が設けられている。

尚、操作部７の処置具挿入口１８ｂは、その内部において、挿入部６内に挿通された処置具チャンネルと連通し、先端部１１の先端開口１７ａにおいて開口している。

次に、内視鏡２の先端部１１内に配置される撮像ユニット３０について、図２に基づいて説明する。

撮像ユニット３０は、先端部１１を形成する硬質な先端硬性部材に嵌挿されて配置され、側面方向からビス等により先端硬性部材に固定されている。撮像ユニット３０は、観察窓１５を含む対物光学系を構成する観察光学系ユニット３１と、この観察光学系ユニット３１の後端側に連設された撮像部としての撮像素子ユニット４０と、を有して構成されている。

観察光学系ユニット３１は、本実施の形態においては、レンズを保持するレンズ枠３２と、このレンズ枠３２に保持されている複数の固定レンズからなるレンズ群３３と、を有して構成されている。レンズ枠３２は、略円筒形状に形成され、この円筒形状の内部の先端側に、観察窓１５を形成する第１レンズ３３ａが配設されている。レンズ群３３は、第１レンズ３３ａの後方に、第２レンズ３３ｂ、第３レンズ３３ｃ、第４レンズ３３ｄ、第５レンズ３３ｅが光軸Ｏに沿って順に配置されて構成され、各レンズがレンズ枠３２に接着剤等で固定されている。

尚、第１レンズ３３ａの後方、第２レンズ３３ｂの後方には、それぞれ、絞り３４，３５が配設されている。また、第３レンズ３３ｃと第４レンズ３３ｄとは、スペーサ３６を介して配置されている。

以上の観察光学系ユニット３１は、撮像素子ユニット４０に結合されており、レンズ群３３を介して入射する入射光が撮像素子ユニット４０のイメージセンサ４２の受光面（撮像面）で結像する。そして、イメージセンサ４２で被写体の光学像が光電変換され、光電変換された撮像信号がケーブル７０を介して後段の信号処理回路に伝送される。

撮像素子ユニット４０は、イメージセンサ４２を保持する略円筒形状の撮像素子保持枠４１を有しており、この撮像素子保持枠４１の先端側内径部に、観察光学系ユニット３１のレンズ枠３２の基端側を挿入して嵌合し、互いに水密接合することで観察光学系ユニット３１と撮像素子ユニット４０とが結合される。

イメージセンサ４２は、ＣＣＤ，ＣＭＯＳ等からなる固体撮像素子を樹脂等で封止した撮像素子パーケージとして構成され、本実施の形態においては、小型軽量で高密度実装を可能にしたチップサイズパッケージ（Chip Size Package;CSP）で構成されている。このイメージセンサ４２は、パッケージの表面側に撮像素子の撮像面４２ａが配置され、この撮像面４２ａ側に、保護用のガラスリッド４３が接着剤等により接合されて固定されている。更に、ガラスリッド４３に位置決め用のカバーガラス４４が接着剤等により固定されており、このカバーガラス４４が撮像素子保持枠４１の基端側内径部に接着剤等により固定されている。

また、イメージセンサ４２の撮像面４２ａの背面側となるパッケージの裏面には、複数の電極端子を配置した電極部４７が設けられている。イメージセンサ４２の電極部４７には、接続用基板５０が接続され、更に、この接続用基板５０に、硬質の回路基板６０が接続されている。

接続用基板５０は、イメージセンサ４２と回路基板６０との間の電気的な接続を中継する基板であり、予め形成されたプリントパターン（図示せず）により、イメージセンサ４２への接続部と回路基板６０への接続部とが互いに電気的に接続されている。この接続用基板５０は、本実施の形態においては、可撓性を有する樹脂フィルム等からなるフレキシブル基板で形成されている。

回路基板６０は、イメージセンサ４２の駆動及び信号処理用の各種回路チップが実装された回路基板であり、セラミック基板等の硬質で強度の高い剛体の基板として形成されている。この回路基板６０の基端側にはケーブル７０から延出される複数のリード線８０が接続されており、ケーブル７０が内視鏡２の内部に挿通配置され、電気コネクタ１０ａを介してビデオプロセッサ４と電気的に接続される。

尚、撮像素子保持枠４１の基端外周部には金属製の筒状の補強枠４５が連設されている。ケーブル７０の外皮７１は、先端側で金属線やテグス糸等からなる結束糸８６で緊縛されて固定されている。

また、補強枠４５の外周には、ケーブル７０の先端側までを被覆する保護チューブとしての熱収縮チューブ４６が設けられており、撮像素子保持枠４１の基端部分から補強枠４５及び熱収縮チューブ４６にて形成される空間内に、イメージセンサ４２の保持及び保護のための絶縁性の封止樹脂等の保護部材９０が充填されている。

次に、イメージセンサ４２と接続用基板５０と回路基板６０との接続部の詳細について説明する。

図３に示すように、ＣＳＰのパッケージを有するイメージセンサ４２は、撮像面４２ａの背面側に形成される電極部４７に、複数の電極パッド４７ａをアレイ状に配置した構成を有している。電極部４７の各電極パッド４７ａには、球状の半田からなるハンダボール４７ｂがそれぞれ接合され、バンプが形成されている。

一方、接続用基板５０は、１枚のフレキシブル基板の両側に、第１ランド部５１と第２ランド部５２とを有し、第１，第２ランド部５１，５２に、それぞれ、電極端子となる複数のランド５１ａ，５２ａが形成されている。第１ランド部５１の各ランド５１ａと第２ランド部５２の各ランド５２ａとは、予め互いに対応付けされ、図示しないプリントパターンで接続されている。

また、回路基板６０は、接続用基板５０が接続される第１接続部６１とケーブル７０が接続される第２接続部６２とを有し、第１接続部６１，第２接続部６２に、それぞれ、複数の電極端子６１ａ，６２ａが形成されている。第１接続部６１の各電極端子６１ａは、主として、図示しないプリントパターンを介して各回路部品からイメージセンサ４２への駆動出力や撮像信号入力等の端子に接続され、第２接続部６２の各電極端子６２ａは、主として、図示しないプリントパターンを介して各回路部品のビデオプロセッサ４に対する信号入出力等の端子に接続されている。尚、第１接続部６１は、イメージセンサ４２の電極部４７と同様のバンプ電極として構成されている。

イメージセンサ４２と接続用基板５０とは、電極部４７の各ハンダボール４７ｂと第１ランド部５１の各ランド５１ａとを加熱接合する等して電気的に接続されている。また、接続用基板５０は、第２ランド部５２の複数のランド５２ａと回路基板６０の第１接続部６１の各電極端子６１ａとが互いに接合されて電気的に接続されている。回路基板６０の第２接続部６２の各電極端子６２ａには、ケーブル７０から延出された複数のリード線８０が半田付け或いは導電性の接着材で接合され、電気的に接続されている。

ここで、接続用基板５０は、第１ランド部５１と第２ランド部５２との間に、ケーブル７０から剛体の回路基板６０を介して伝達される外力によって変位可能に屈曲された屈曲部５３を有している。この屈曲部５３により、ケーブル７０側から回路基板６０を介して、イメージセンサ４２の撮像面４２ａとガラスリッド４３との接合面に無理な負荷がかかることを防止することができる。

本実施の形態においては、回路基板６０は、第１接続部６１の電極配置面と第２接続部６２の電極配置面とが互いに直交し、且つ第１接続部６１の電極配置面がイメージセンサ４２の電極部４７の電極配置面と対向するように配置されている。イメージセンサ４２の電極部４７と回路基板６０の第１接続部６１との間に介在される接続用基板５０は、第１ランド部５１と第２ランド部５２との間でＵ字の溝状に屈曲された屈曲部５３を有しており、この屈曲部５３により、ケーブル７０から剛体の回路基板６０を介してイメージセンサ４２に伝達される負荷を低減することができる。

すなわち、ケーブル７０の屈曲や捩り、煽り等により、回路基板６０の第２接続部６２に外力が作用した場合、特に、内視鏡２の使用に伴ってイメージセンサ４２や回路基板６０が発熱し、イメージセンサ４２の周囲の保護部材９０が軟化する。このような状況では、ケーブル７０にかかる外力によって剛体である回路基板６０が変位し、回路基板６０に連設される他の部品に負荷がかかる。

例えば、図４に示すようにケーブル７０の延出方向と直交する方向に外力Ｆが作用した場合、この外力Ｆにより、剛体である回路基板６０全体がイメージセンサ４２の電極部４７に対して相対的に変位する。この回路基板６０の変位に対して、接続用基板５０は、イメージセンサ４２に接続される第１ランド部５１と回路基板６０に接続される第２ランド部５２との間で、屈曲部５３が変位して屈曲形状が変化する。

従って、回路基板６０が外力によって変位しても、その変位に対して接続用基板５０の屈曲部５３付近のみが変位することで、外力を吸収して低減することができ、これにより、ケーブル７０から回路基板６０を通してイメージセンサ４２に伝達される外力による負荷を低減することができる。その結果、イメージセンサ４２の撮像面４２ａとガラスリッド４３との接合層に剥離を生じさせるような無理な力が掛かることがなく、剥離等の不具合の発生を有効に防止することができる。

この場合、イメージセンサ４２及び屈曲部５３の周囲に充填される封止樹脂等の保護部材９０は、一種類の部材でも良いが、図２に例示するように、第１の保護部材９０ａと、この第１の保護部材９０ａより軟質な第２の保護部材９０ｂとによって構成するようにしても良い。第２の保護部材９０ｂは、少なくとも屈曲部５３によって形成される空間内に配設される。

第１，第２の保護部材９０ａ，９０ｂは、樹脂材で形成する場合、第１の保護部材９０ａとしての樹脂材よりも第２の保護部材９０ｂとしての樹脂材を軟質の樹脂として、この軟質の樹脂材を屈曲部５３によって形成される空間内に配設することで、屈曲部５３をより効果的に機能させることができる。

また、屈曲部５３内に配設される第２の保護部材９０ｂは、樹脂材ではなく、スポンジ等の軟質の部材を用いることも可能である。更には、屈曲部５３の周囲には何も配設せず、空洞としても良い。

また、本実施の形態においては、１枚のフレキシブル基板からなる接続用基板５０を、第１ランド部５１と第２ランド部５２との間でＵの字状に折り曲げて屈曲部５３を形成しているが、屈曲部５３は、第１ランド部５１と第２ランド部５２との間で接続用基板５０を複数回屈曲させて形成するようにしても良い。

図５は、接続用基板５０の第１の変形例を示し、この第１の変形例の接続用基板５０Ａは、１枚のフレキシブル基板を、第１ランド部５１と第２ランド部５２との間で上下方向に２回折り曲げている。すなわち、接続用基板５０Ａの屈曲部５３Ａは、第１ランド部５１と第２ランド部５２との間で上下方向の２回の屈曲によって形成した２つの屈曲部５３ｕ，５３ｄを配置して形成されており、２つの屈曲部５３ｕ，５３ｄにより、更に効果的に外力を低減することが可能となる。

また、図６は、接続用基板５０の第２の変形例を示し、この第２の変形例の接続用基板５０Ｂは、１枚のフレキシブル基板を、第１ランド部５１と第２ランド部５２との間で、上下左右といったように互いに異なる方向に２回折り曲げている。この接続用基板５０Ｂの屈曲部５３Ｂは、第１ランド部５１と第２ランド部５２との間に上下左右の２回の屈曲によって形成された２つの屈曲部５３ｘ，５３ｙを配置して形成されており、より多くの方向からの外力を低減することが可能となる。

尚、接続用基板５０（５０Ａ，５０Ｂ）は、フレキシブル基板と硬質基板を一体化したリジッドフレキシブル基板で形成しても良く、可撓性を有する部位で屈曲させることにより、屈曲部５３（５３Ａ，５３Ｂ）を形成することができる。更には、接続用基板５０として、例えば弾性を有するメタル基板等を用いることも可能であり、円弧状の断面ではなく、断面が山谷状になるように鋭角的に折り曲げて屈曲部部５３を形成するようしても良い。

このように本実施の形態においては、ＣＳＰのパッケージからなるイメージセンサ４２にセラミック基板等の剛体の回路基板６０を接続した撮像ユニットに対して、ケーブル７０の屈曲や捩り、煽り等によって剛体の回路基板６０を介してイメージセンサ４２に伝達される負荷を、イメージセンサ４２と回路基板６０との間に介在させた接続用基板５０の屈曲部５３で低減することができる。その結果、イメージセンサ４２の撮像面４２ａとガラスリッド４３との接合層にかかる負荷を低減することができ、接合層の剥離を防止することができる。

（第２形態）
次に、本実施の形態の第２形態について説明する。第２形態は、イメージセンサ４２を保持する撮像素子保持枠４１の形状を若干変更し、接続用基板５０側に延出する延出部を設けるものである。

詳細には、図７に示すように、第２形態の撮像素子保持枠１００は、カバーガラス４４を固定する基端側を延出し、ガラスリッド４３及びイメージセンサ４２を内包してイメージセンサ４２よりも基端側に延出される延出部１００ａを有している。

具体的には、カバーガラス４４とガラスリッド４３との接合面から延出部１００ａの先端までの距離（突出長）をＬａとすると、この延出部１００ａの突出長Ｌａは、カバーガラス４４とガラスリッド４３との接合面からイメージセンサ４２の電極部４７を含む電極面までの距離Ｌｂに対して、Ｌａ＞Ｌｂの関係に設定されている。

延出部１００ａは、イメージセンサ４２の電極部４７側を覆うような延出長さを有する筒形状、或いは、イメージセンサ４２よりも基端側に延出される部分的な爪形状に形成され、延出部１００ａの内部に保護部材１１０が配設されている。保護部材１１０としては、第１形態で説明した第１の保護部材９０ａを用いても良く、或いは、より耐熱性の高い樹脂材等の保護部材を用いても良い。

第２形態の撮像素子保持枠１００は、延出部１００ａの突出長Ｌａがイメージセンサ４２の電極部４７に対してＬａ＞Ｌｂの関係に設定されているため、第１形態よりも大きい負荷がかかった場合、この負荷を保護部材１１０を介して延出部１００ａで受け止めることができる。

このように、第２形態では、第１形態に対して、万一、接続用基板５０の屈曲部５３で低減しきれない大きさの負荷がかかっても、この負荷を保護部材１１０を介して延出部１００ａで受け止め、イメージセンサ４２の撮像面４２ａとガラスリッド４３との接合層にかかる負荷を低減することができる。

本出願は、２０１６年６月７日に日本国に出願された特願２０１６−１１３７７８号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものである。

Claims

パッケージの表面側に撮像素子の撮像面を配置すると共に、前記パッケージの裏面に前記撮像素子の電極部を配置した撮像素子パッケージを有するイメージセンサと、
第１ランド部と第２ランド部とを有し、前記第１ランド部が前記イメージセンサの電極部に接続される接続用基板と、
第１接続部と第２接続部とを有し、前記第１接続部が前記接続用基板の第２ランド部へ接続される硬質の回路基板と、
前記回路基板の第２接続部に接続されるケーブルと、
前記接続用基板および前記イメージセンサの周囲に配設された保護部材と、
を有し、
前記イメージセンサと前記回路基板とは、前記イメージセンサの電極部と前記第１接続部とが対向するように配置され、
前記接続用基板は、前記第１ランド部と前記第２ランド部との間に、前記ケーブルから前記回路基板を介して伝達される外力によって変位可能に屈曲された屈曲部を有し、
前記保護部材は、第１の保護部材と、前記第１の保護部材より軟質の第２の保護部材とから構成され、前記第２の保護部材は、少なくとも前記屈曲部内に配設されている
ことを特徴とする撮像ユニット。
前記接続用基板は可撓性を有するフレキシブル基板で形成した
ことを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。
前記イメージセンサを保持する保持枠に、前記イメージセンサよりも基端側に延出する延出部を設け、前記延出部内に前記保護部材を充填する
ことを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。