JP6411731B2 - 撮像装置及び内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子と前記撮像素子と接合された伝熱部材とが筐体内に収容されている撮像装置、及び、前記撮像装置を有する内視鏡に関する。

受光部が主面に形成された半導体からなる撮像素子は小型であるため、電子内視鏡等に使用されている。しかし、撮像素子の温度が作動時に上昇することで、撮像素子が劣化したり、また熱ノイズにより画像品質が悪化したりすることがある。

このため、撮像素子が発生する熱を熱伝導性の高い部材で伝熱することで、撮像素子の温度上昇を抑制する撮像装置が報告されている。

例えば、特開２０１１−２００３３８号公報には、ＣＣＤ（撮像素子）にフレキシブル基板の一端部が接続され、フレキシブル基板の他端が、熱伝導性が高い金属からなる保護枠の内壁面に密接されている撮像装置を有する電子内視鏡が開示されている。保護枠はバネ部を有し円筒部の内周面に確実に接触する。これによりＣＣＤから発生した熱が保護枠に放熱される。

しかし、上記撮像装置では、撮像素子から保護枠への伝熱経路の途中に、熱伝導率の低い樹脂からなるフレキシブル基板を介している。このため、撮像素子が発生した熱が、保護枠へ十分には伝熱されないおそれがあった。

特開２０１１−２００３３８号公報

本発明は、撮像素子が発生した熱を効率的に放熱する撮像装置、及び、前記撮像装置を有する内視鏡を提供することを目的とする。

本発明の実施形態の撮像装置は、第１の主面と第２の主面とを有し、前記第１の主面に受光部が形成されている撮像素子と、前記撮像素子の外部接続端子と接続されている素子電極パッドと、前記素子電極パッドと一端が接続されている配線と、を有する配線板と、前記撮像素子の前記第２の主面に接合されている接合部と、前記接合部から延設された屈曲部と、前記屈曲部から延設された固定部とを含む、熱伝導率が、１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料からなる伝熱部材と、内部に収容された前記伝熱部材の前記固定部の一部と内面が当接している金属からなる筐体と、を具備し、前記配線板は、前記撮像素子の主面の投影面内に納められ、矩形の前記接合部の異なる端面から延設されている複数の屈曲部及び複数の固定部を含む前記伝熱部材が弾性材料からなり、付勢力を有し、前記固定部が、前記屈曲部の付勢力により前記筐体の内面の一部に当接する。

また、本発明の別の実施形態の内視鏡は、第１の主面と第２の主面とを有し、前記第１の主面に受光部が形成されている撮像素子と、前記撮像素子の外部接続端子と接続されている素子電極パッドと、前記素子電極パッドと一端が接続されている配線と、を有する配線板と、前記撮像素子の前記第２の主面に接合されている接合部と、前記接合部から延設された屈曲部と、前記屈曲部から延設された固定部とを含む、熱伝導率が、１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料からなる伝熱部材と、内部に収容された前記伝熱部材の前記固定部の一部と内面が当接している金属からなる筐体と、を具備し、前記配線板は、前記撮像素子の主面の投影面内に納められ、矩形の前記接合部の異なる端面から延設されている複数の屈曲部及び複数の固定部を含む前記伝熱部材が弾性材料からなり、付勢力を有し、前記固定部が、前記屈曲部の付勢力により前記筐体の内面の一部に当接する撮像装置を有する。

本発明の実施形態によれば、撮像素子が発生した熱を効率的に放熱する撮像装置、及び、前記撮像装置を有する内視鏡を提供できる。

第１実施形態の撮像装置の斜視透過図である。 第１実施形態の撮像装置の断面図である。 第１実施形態の撮像装置の分解図である。 第１実施形態の撮像装置の伝熱部材の平面図である。 第１実施形態の変形例１の撮像装置の伝熱部材の平面図である。 第１実施形態の変形例２の撮像装置の伝熱部材の平面図である。 第１実施形態の変形例３の撮像装置の伝熱部材の平面図である。 第２実施形態の撮像装置の断面図である。 第２実施形態の撮像装置の伝熱部材の断面図である。 第３実施形態の撮像装置の断面図である。 第３実施形態の変形例の撮像装置の断面図である。 第４実施形態の撮像装置の断面図である。 第５実施形態の内視鏡外観図である。

＜第１実施形態＞
本実施の形態の撮像装置１は、例えば電子内視鏡の先端部に配設されるため細径で超小型である。

図１、図２、図３に示すように、撮像装置１は、カバーガラス１０と、撮像素子２０と、伝熱部材３０と、配線板４０と、ケーブル５０と、筐体６０と、を具備する。カバーガラス１０と、撮像素子２０と、伝熱部材３０と、配線板４０とを含む撮像ユニットは、筐体６０の内部に収容されている。なお、図２等に示すように、筐体６０の内部には樹脂６２が充填されているが、図１等では図示していない。

撮像素子２０は、配線板４０を介してケーブル５０と接続されているプロセッサ（不図示）と電気信号のやりとりをする。すなわち、撮像素子２０の複数の外部接続端子２３は、電子部品４４が実装されている配線板４０の配線４３の一端のそれぞれの素子電極パッド４２（以下「電極パッド４２」という）と接合されている。配線４３の他端の複数のケーブル電極用パッド４５（以下「電極パッド４５」という）は、それぞれが信号ケーブル５０の導線５２と接続されている。

そして、撮像装置１は伝熱部材３０を有する。伝熱部材３０は、一部が撮像素子２０と接合されており、他の一部が当接している筐体６０に撮像素子２０が発生した熱を伝熱する。

以下、撮像装置１の構成要素について説明する。

撮像素子２０は、第１の主面２０ＳＡに固体撮像回路からなる受光部２１が形成されている略直方体のチップである。なお、固体撮像回路は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ等からなる。撮像素子２０は裏面照射型であってもよい。

受光部２１と信号のやりとりをするための外部接続端子２３は貫通配線２２を介して第２の主面２０ＳＢに形成されている。すなわち複数の外部接続端子２３はアレイ状に第２の主面２０ＳＢに配置されている。なお、第１の主面２０ＳＡには、受光部２１から貫通配線２２までの配線があり、第２の主面２０ＳＢには貫通配線２２から外部接続端子２３までの配線があるが、図示していない。

カバーガラス１０は、撮像素子２０の第１の主面２０ＳＡに接着層（不図示）を介して接合されている。後述するように、撮像装置１では、複数の受光部等が形成された半導体ウエハに透明ウエハを接合後に、ダイシングにより個片化されているため、撮像素子２０の平面視寸法と、カバーガラス１０の平面視寸法とは同じである。なお、カバーガラス１０は受光部２１の保護機能を有するが、撮像装置１の必須の構成要素ではない。

配線板４０は、ポリイミド等の可撓性樹脂を基材とし、銅等からなる配線４３を有するフレキシブル配線板である。配線板４０は、単層配線板でもよいし、少なくとも両面に配線層が形成されている多層配線板であってもよい。配線板４０の先端側には電極パッド４２が、後端側には電極パッド４５（図２参照）が形成されており、電極パッド４２と電極パッド４５とは配線４３により電気的に接続されている。配線板４０の配線４３には接続パッド（不図示）が形成されており、チップコンデンサ等の電子部品４４が実装されている。すなわち、配線４３は撮像素子２０から入力した信号を処理して信号ケーブル５０に出力する電子回路を構成している。

なお、図１〜図３等に示すように、配線板４０は、途中で折り曲げられて、撮像素子２０の主面の投影面内に納められている。

そして、伝熱部材３０は、撮像素子２０の第２の主面２０ＳＢに接合されている接合部３０Ｘと、接合部３０Ｘから延設された屈曲部３０Ｖ１、３０Ｖ２と、それぞれの屈曲部３０Ｖ１、３０Ｖ２から延設された固定部３０Ｙ１、３０Ｙ２とを含む。なお、以下、同じ機能の複数の構成要素をいうときには、その符号の最後の数字１文字を省略することがある。例えば、屈曲部３０Ｖ１、３０Ｖ２のそれぞれを、屈曲部３０Ｖという。

伝熱部材３０が筐体６０の内部に収容されると、固定部３０Ｙは、付勢力により筐体６０の内面に押圧されている状態となり、確実に金属からなる筐体６０の内面と当接する。すなわち、バネである屈曲部３０Ｖは固定部３０Ｙを筐体６０の内面に押圧する。

撮像素子２０が発生した熱は、熱伝導率が高い伝熱部材３０を介して筐体６０に伝熱されるので、効率的に放熱される。そのため、撮像素子２０は、作動時に温度が過度に上昇することがないため、劣化したり、また熱ノイズにより画像品質が悪化したりすることがない。

なお、撮像装置１では、撮像素子２０の第２の主面２０ＳＢに外部接続端子２３があるため、伝熱部材３０の外部接続端子２３と対向する位置、言い換えれば、配線板４０の電極パッド４２と対向する位置に貫通孔３０Ｈがある。

図４に示すように伝熱部材３０の接合部３０Ｘの平面視形状は、撮像素子２０と同じように略矩形であり、屈曲部３０Ｖ及び固定部３０Ｙは接合部３０Ｘの４辺のうち対向する２辺から延出している。すなわち、伝熱部材３０は、延設された複数の屈曲部３０Ｖ及び複数の固定部３０Ｙを含むが、これらは一体であり、その境界は明瞭に区別できるものではない。

伝熱部材３０は、ステンレス、銅、りん青銅、銅合金等の熱伝導率が高く、弾性のある金属材料からなる薄板である。そして、図３に示すように、屈曲部３０Ｖは筐体６０の内部に収容される前に、曲げられて塑性変形している。

図３では、屈曲部３０Ｖが塑性変形した伝熱部材３０の固定部３０Ｙ１の端部と固定部３０Ｙ２の端部との長さをＷ３として図示している。そして、長さＷ３は、筐体６０の内寸Ｗ１よりも長い。

このため、筐体６０の内部に収容されると、固定部３０Ｙは、付勢力により筐体６０の内面に押圧されている状態となり、確実に筐体６０と当接する。

伝熱部材３０の材料は、熱伝導率λが１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。すなわち、伝熱部材３０としては、例えば、銅（λ＝３９８Ｗ／（ｍ・Ｋ））、アルミニウム（λ＝２３７Ｗ／（ｍ・Ｋ））鉄（λ＝８４Ｗ／（ｍ・Ｋ））、リン青銅（λ＝６０Ｗ／（ｍ・Ｋ））、又は、ステンレス（λ＝１７Ｗ／（ｍ・Ｋ））等を用いる。

筐体６０には、伝熱部材３０の材料と同じ材料を用いることができる。なお、伝熱部材３０の材料には、筐体６０よりも熱伝導率λが高い材料を用いることが好ましい。例えば、筐体６０をステンレスで、伝熱部材３０を銅で構成することが特に好ましい。

なお、伝熱部材３０と撮像素子２０とを接合する接合部材には、熱伝導率が高い樹脂からなる接着剤を用いることが好ましい。接合部材の熱伝導率は、１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が好ましく、１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが特に好ましい。

また、接合部材として、半田等の低融点金属を用いても良い。樹脂に比べてより熱伝導率の高い金属により接合することで、より効率的に伝熱できる。金属材料等の導電性材料を接合に用いた場合には、電気接続部との接触を防止する必要があることは言うまでも無い。

次に、撮像装置１の製造方法について説明する。

最初に、シリコン基板に公知の半導体プロセスを用いて受光部２１を有する固体の撮像素子２０が複数形成される。そしてシリコン基板と略同サイズのガラスウエハを保護材として受光部２１の形成面に接合後、シリコン基板の裏面側から研削加工が行われる。研削加工によりシリコン基板の厚さを薄くした後、裏面側からエッチング等により貫通孔を形成する。形成した貫通孔の側壁に絶縁膜を成膜し、内部を導電性ペーストやめっき法やスパッタ法等により導電化することで貫通配線２２が形成される。その後、ガラスウエハが接合されたシリコン基板を切断により個片化することにより、カバーガラス１０が接合された撮像素子２０が作製される。

配線板４０は銅箔と基材であるポリイミド等を貼り合わせエッチングしたり、めっき法等を用いたりして電極パッド４２、４５、配線４３が作製され、電子部品４４が実装される。

伝熱部材３０は、例えば、銅板をプレス加工したり、エッチング加工したりして作製される。屈曲部３０Ｖの折り曲げ加工を容易にするように、屈曲部３０Ｖだけにレーザー照射等により局所的熱処理等が施されていても良い。そして、固定部３０Ｙ１の端部と固定部３０Ｙ２の端部との長さがＷ３となるように、屈曲部３０Ｖを折り曲げ加工し塑性変形する。

長さＷ３は、筐体６０の内寸のＷ１よりも大きければ良いが、筐体内への挿入の容易さと、付勢力の強さとのバランスを考慮すると、Ｗ１の１１０％以上２００％以下であることが好ましい。

なお、伝熱部材３０の材料にチタンニッケル合金等の形状記憶合金を用いてもよい。すなわち、屈曲部３０Ｖが変形し固定部３０Ｙが大きく開いた状態を記憶した伝熱部材３０の屈曲部３０Ｖを折り曲げてから筐体内に収容した後に、所定温度に加熱することで、固定部３０Ｙを付勢力により筐体６０の内面に押圧できる。

撮像素子２０の第２の主面２０ＳＢに、伝熱部材３０の接合部３０Ｘが接合部材により接合される。このとき、伝熱部材３０の貫通孔３０Ｈの内部に、撮像素子２０の外部接続端子２３が位置するように接合される。

次に、ケーブル５０が接続された配線板４０の電極パッド４２と撮像素子２０の外部接続端子２３とが接合される。貫通孔３０Ｈ内に樹脂が注入されるように、接合部３０Ｘの周囲を樹脂封止してもよい。

そして、カバーガラス１０と撮像素子２０と伝熱部材３０と配線板４０と信号ケーブル５０とが一体化した撮像ユニットが、筐体６０の内部に挿入される。筐体６０の平面視形状及び内寸は、撮像素子２０の平面視形状及び外寸よりも略同じで僅かに大きい。例えば、図３に示す筐体６０の縦方向の内寸Ｗ１は、撮像素子２０の縦方向の外寸Ｗ２と略同じである。

そして、筐体６０の内部に樹脂６２が充填されることにより撮像装置１が完成する。

すでに説明したように、伝熱部材３０は、金属からなる筐体６０に押圧された状態で当接している。なお、伝熱部材３０は、その材質として弾性体を用い、厚さ・寸法や形状等を調整することによって、筐体６０の内面に押圧されることで変形し、筐体６０と面接触させることができる。面接触させることで、撮像素子２０で発生した熱をより効率的に筐体６０へ伝熱させることが可能になる。

撮像装置１は、撮像素子２０が発生した熱を効率的に放熱できる。また、伝熱部材３０及び配線板４０が撮像素子２０の外寸と同じ内寸の筐体に収容されているため細径である。

＜第１実施形態の変形例＞
図４に示したように、撮像装置１の伝熱部材３０は、接合部３０Ｘの対向する２辺から、それぞれ屈曲部３０Ｖ１、３０Ｖ２、及び固定部３０Ｙ１、３０Ｙ２が延設していた。

これに対して、図５に示す変形例１の伝熱部材３０Ａは接合部３０Ｘの１辺から、屈曲部３０Ｖ１及び固定部３０Ｙ１が延設している。

また、図６に示す変形例２の伝熱部材３０Ｂは接合部３０Ｘの３辺から、屈曲部３０Ｖ１、３０Ｖ２、３０Ｖ３及び固定部３０Ｙ１、３０Ｙ２、３０Ｙ３が延設している。

また、図７に示す変形例３の伝熱部材３０Ｃは接合部３０Ｘの直交する２辺から、屈曲部３０Ｖ１、３０Ｖ３及び固定部３０Ｙ１、３０Ｙ３が延設している。

伝熱部材３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃを具備する変形例１〜３の撮像装置も、第１実施形態の撮像装置１と同じ効果を有する。なお、筐体６０の内部に配置される配線板４０、電子部品４４、及び信号ケーブル５０の配置、撮像素子の発熱量、すなわち、放熱すべき熱量等に応じて伝熱部材の形状は選択される。

＜第２実施形態＞
次に第２実施形態の撮像装置１Ｄについて説明する。撮像装置１Ｄは撮像装置１等と類似しているので同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図８及び図９に示すように撮像装置１Ｄの伝熱部材３０Ｄは、固定部３０Ｙに屈曲部３０ＹＶを有する。屈曲部３０ＹＶは、伝熱部材３０Ｄが筐体６０に収容されたときに、固定部３０Ｙの先端部３０ＹＡが筐体６０の内面と平行になるように予め塑性変形加工されている。このため、先端部３０ＹＡは全面が筐体６０の内面と面接触している。

撮像装置１Ｄは、撮像装置１と同じ効果を有し、さらに伝熱部材３０Ｄと筐体６０との接触面積が広いために、撮像素子２０が発生した熱をより効率的に放熱できる。

＜第３実施形態＞
次に第３実施形態の撮像装置１Ｅについて説明する。撮像装置１Ｅは撮像装置１等と類似しているので同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図１０に示すように、撮像装置１Ｅの筐体６０Ｅの内面には、筐体６０Ｅの内部における固定部３０Ｙの長手方向の位置、すなわち撮像ユニットの長手方向の位置を、規定する位置決め部６３が配設されている。

すでに説明したように、カバーガラス１０と撮像素子２０と伝熱部材３０と配線板４０と信号ケーブル５０とが一体化した撮像ユニットが、筐体６０Ｅの内部に先端側から挿入される。このとき撮像ユニットの長手方向の配設位置が、位置決め部６３により規定される。

位置決め部６３は、別部材を配置することで形成してもよいし、筐体６０Ｅの一部を加工して形成してもよい。また、固定部３０Ｙの一部を加工して、位置決め部６３に係止または係合するように凸部を設けてもよい。

撮像装置１Ｅは、撮像装置１等の効果を有し、さらに、撮像ユニット、例えば撮像素子２０の配置位置の精度を簡単に担保できる。

＜第３実施形態の変形例＞
図１１に示す変形例の撮像装置１Ｆでは、筐体６０Ｆの伝熱部材３０Ｆの当接面に細長い孔６０ＦＨが形成されている。そして、伝熱部材３０Ｆの固定部３０Ｙの一部が孔６０ＦＨと嵌合するように凸部３０ＦＨに加工されている。すなわち、筐体６０Ｆの孔６０ＦＨが固定部の位置を規定する位置決め部材の機能を有する位置決め部である。

なお、伝熱部材３０Ｆと筐体６０Ｆとを嵌合した後に、孔６０ＦＨに高熱伝導樹脂、半田、又はＡｇペーストなど伝熱性の高い材料を注入して、筐体６０Ｆと伝熱部材３０Ｆとが当接している部位を固定し封止しても良い。

変形例の撮像装置１Ｆは、撮像装置１Ｅの効果を有し、さらに筐体６０Ｆの孔６０ＦＨと固定部３０Ｙの凸部３０ＦＨとは嵌合しているため、接触面積が広い。また、筐体６０Ｆと伝熱部材３０Ｆの凸部３０ＦＨとの当接部が高熱伝導率材料で封止されている場合には、より効率的に伝熱される。

＜第４実施形態＞
次に第４実施形態の撮像装置１Ｇについて説明する。撮像装置１Ｇは撮像装置１等と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図１２に示すように、撮像装置１Ｇの撮像素子２０Ｇは、第１の主面２０ＳＡに外部接続端子２３Ｇが配設されている。そして、配線板４０Ｇは一端部が撮像素子２０Ｃの第１の主面２０ＳＡの外部接続端子２３Ｇと接続され、他端部は、折り曲げ部を介して後端側に配置されている。

撮像装置１Ｇは、撮像装置１等の効果を有する。更に、貫通配線のない撮像素子２０Ｇは作製が容易である。また、伝熱部材３０Ｇの接合部３０ＸＧには、貫通孔３０Ｈが無い。このため、伝熱部材３０Ｇの作製が容易である。更に、撮像素子２０Ｇと伝熱部材３０Ｇとの接触面積が広いため、撮像素子２０Ｇが発生した熱をより効率的に放熱できる。

＜第５実施形態＞
次に第５実施形態の内視鏡９について説明する。図１３に示すように、内視鏡９は挿入部３の先端部２に撮像装置１を有する電子内視鏡である。

内視鏡９は、挿入部３の基端側に配設された操作部４と、操作部４から延出するユニバーサルコード５と、を具備する。操作部４は術者が把持しながら操作する各種のスイッチ等が配設されている。撮像装置１のケーブル５０は、挿入部３及びユニバーサルコード５を挿通し、ユニバーサルコード５の基端部に配設されたコネクタ６を介して、画像処理等を行う本体部（不図示）と接続される。

撮像装置１は、細径で超小型であるため、撮像装置１を先端部に有する内視鏡９は、低侵襲である。そして、内視鏡９は、撮像装置１が過度の昇温によって劣化したり、また熱ノイズによって画像品質が悪化したりするおそれがない。

なお、第１実施形態の撮像装置１に替えて、上述した、実施形態又は変形例の撮像装置等を有する内視鏡であっても、本実施形態の内視鏡９と同じ効果を有することは言うまでも無い。

本発明は上述した実施形態又は変形例等に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等ができる。

１、１Ｄ〜１Ｆ…撮像装置
２…内視鏡
１０…カバーガラス
２０…撮像素子
２１…受光部
３０…伝熱部材
３０Ｖ…屈曲部
３０Ｘ…接合部
３０Ｙ…固定部
４２…素子電極パッド
４３…配線
４４…電子部品
４５…ケーブル電極パッド
５０…ケーブル
６０…筐体

Claims (7)

1. 第１の主面と第２の主面とを有し、前記第１の主面に受光部が形成されている撮像素子と、
   前記撮像素子の外部接続端子と接続されている素子電極パッドと、
   前記素子電極パッドと一端が接続されている配線と、を有する配線板と、
   前記撮像素子の前記第２の主面に接合されている接合部と、前記接合部から延設された屈曲部と、前記屈曲部から延設された固定部とを含む、熱伝導率が、１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料からなる伝熱部材と、
   内部に収容された前記伝熱部材の前記固定部の一部と内面が当接している金属からなる筐体とを具備し、
   前記配線板は、前記撮像素子の主面の投影面内に納められ、
   矩形の前記接合部の異なる端面から延設されている複数の屈曲部及び複数の固定部を含む前記伝熱部材が弾性材料からなり、付勢力を有し、
   前記固定部が、前記屈曲部の付勢力により前記筐体の内面の一部に当接することを特徴とする撮像装置。
2. 前記固定部が、前記筐体と面接触している平坦面を有するように、予め塑性変形加工されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記筐体の内部における前記固定部の長手方向の位置を規定する位置決め部が前記筐体にあることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記固定部が、前記筐体と当接している凸部を有することを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記撮像素子が、前記第１の主面と前記第２の主面とを貫通する貫通配線を有し、前記外部接続端子が前記第２の主面に配設されており、
   前記伝熱部材の前記外部接続端子と対向する位置に貫通孔があることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記外部接続端子が前記撮像素子の前記第１の主面に配設されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の撮像装置を有することを特徴とする内視鏡。

Images