JP6655634B2

JP6655634B2 - 撮像装置および内視鏡

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Publication number: JP6655634B2
Application number: JP2017563489A
Authority: JP
Inventors: 誠一郎岡村
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2020-02-26
Anticipated expiration: 2036-01-29
Also published as: JPWO2017130371A1; WO2017130371A1; US20180325364A1

Description

本発明は、撮像装置、特に内視鏡の先端部内に内蔵する撮像装置と、この撮像装置を備えた内視鏡に関する。

生体の体内や構造物の内部などの観察が困難な箇所を観察するために、生体や構造物の外部から内部に導入可能であって、光学像を撮像するための撮像ユニットなどを具備した電子内視鏡が、例えば医療分野または工業分野において利用されている。

電子内視鏡の撮像ユニットは、被写体像を結像する対物レンズと、対物レンズの結像面に配設されたイメージセンサを具備している。

このような電子内視鏡は、挿入部の先端部に、例えば、特開２０１１−１８８３７５号公報に開示されるような撮像装置が内蔵される。

特開２０１１−１８８３７５号公報の撮像装置は、配線板と信号ケーブルとの接続の信頼性を高くする技術が開示されている。

この撮像装置は、貫通配線を介して撮像素子と接続された外部接続端子を裏面に有する撮像素子チップを備え、外部接続端子と接続される電極部のある多層配線層を有する配線板が設けられている。

ところで、内視鏡は、被写体となる被検体に挿入される挿入部の硬質部となる先端部を極力小型化することが望まれている。特に、挿入部の長手軸に沿った先端部の硬質長を短くすることで、挿入部の被検体への挿入性を向上させることができる。

そのため、先端部に内蔵される撮像装置も、小型化が要求されており、特に、基板の厚み、およびケーブルランド構造によってはイメージセンサの受光面に対して直交する厚さ方向が長くなってしまい、先端部の小型化、特に、挿入部の硬質長を短尺化するのに限界があるという課題がある。

そこで、本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、イメージセンサの受光面に対して直交する厚さ方向をより小型化した撮像装置およびこの撮像装置を備えた内視鏡を提供することである。

本発明の一態様の撮像装置は、被写体像を受光する受光部を備えたイメージセンサチップと、前記イメージセンサチップに積層された駆動用回路チップと、前記駆動用回路チップに積層された薄膜コンデンサチップと、を備え、前記イメージセンサチップ、前記駆動用回路チップおよび前記薄膜コンデンサチップを積層して接合したカメラアッセンブリと、を具備する。

本発明の一態様の内視鏡は、被写体像を受光する受光部を備えたイメージセンサチップと、前記イメージセンサチップに積層された駆動用回路チップと、前記駆動用回路チップに積層された薄膜コンデンサチップと、を備え、前記イメージセンサチップ、前記駆動用回路チップおよび前記薄膜コンデンサチップを積層して接合したカメラアッセンブリと、を備えた撮像装置と、前記撮像装置が内蔵する先端部を有する被検体内に挿入される挿入部と、を具備する。

以上に記載の本発明によれば、イメージセンサの受光面に対して直交する厚さ方向をより小型化した撮像装置となり、内視鏡の先端部の小型化を実現可能である。

本発明の一態様に係る内視鏡システムの構成を示す斜視図同、撮像ユニットの構成を示す斜視図同、撮像ユニットの構成を示す側面図同、撮像ユニットの構成を示す断面図同、積層型薄膜コンデンサチップの構成を示す断面図同、配線が接続された撮像ユニットの構成を示す断面図同、第１の変形例の撮像ユニットの構成を示す断面図同、第２の変形例の撮像ユニットの構成を示す断面図同、第３の変形例の撮像ユニットの構成を示す断面図同、第４の変形例の撮像ユニットの構成を示す断面図

以下に、本発明の好ましい形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図においては、各構成要素を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、構成要素毎に縮尺を異ならせてあるものであり、本発明は、これらの図に記載された構成要素の数量、構成要素の形状、構成要素の大きさの比率、および各構成要素の相対的な位置関係のみに限定されるものではない。また、以下の説明においては、図の紙面に向かって見た上下方向を構成要素の上部および下部として説明している場合がある。

先ず、本発明の一態様の撮像ユニットおよび電子内視鏡について、図面に基づいて、以下に説明する。なお、図１は、内視鏡の構成を示す図、図２は撮像ユニットの構成を示す斜視図、図３は撮像ユニットの構成を示す側面図、図４は撮像ユニットの構成を示す断面図、図５は積層型薄膜コンデンサチップの構成を示す断面図、図６は配線が接続された撮像ユニットの構成を示す断面図である。

先ず、図１を参照して、本発明に係る撮像装置１を具備する内視鏡１０１の構成の一例を説明する。

本実施形態の内視鏡１０１は、人体などの被検体内に導入可能であって被検体内の所定の観察部位を光学的に撮像する構成を有している。

なお、内視鏡１０１が導入される被検体は、人体に限らず、他の生体であっても良いし、機械、建造物などの人工物であっても良い。

内視鏡１０１は、被検体の内部に導入される挿入部１０２と、この挿入部１０２の基端に位置する操作部１０３と、この操作部１０３の側部から延出するユニバーサルコード１０４とで主に構成されている。

挿入部１０２は、先端に配設される先端部１１０、この先端部１１０の基端側に配設される湾曲自在な湾曲部１０９およびこの湾曲部１０９の基端側に配設され操作部１０３の先端側に接続される可撓性を有する可撓管部１０８が連設されて構成されている。

なお、内視鏡１０１は、挿入部１０２に可撓性を有する部位を具備しない、所謂硬性鏡と称される形態のものであってもよい。

詳しくは後述するが、先端部１１０には、撮像装置１が設けられている。また、操作部１０３には、湾曲部１０９の湾曲を操作するためのアングル操作ノブ１０６が設けられている。

ユニバーサルコード１０４の基端部には、外部装置１２０に接続される内視鏡コネクタ１０５が設けられている。内視鏡コネクタ１０５が接続される外部装置１２０は、モニタなどの画像表示部１２１にケーブルを介して接続されている。

また、内視鏡１０１は、ユニバーサルコード１０４、操作部１０３および挿入部１０２内に挿通された複合ケーブル１１５および外部装置１２０に設けられた光源部からの照明光を伝送する光ファイバ束（不図示）を有している。

複合ケーブル１１５は、内視鏡コネクタ１０５と撮像装置１とを電気的に接続するように構成されている。内視鏡コネクタ１０５が外部装置１２０に接続されることによって、撮像装置１は、複合ケーブル１１５を介して外部装置１２０に電気的に接続される。

この複合ケーブル１１５を介して、外部装置１２０から撮像装置１への電力の供給および外部装置１２０と撮像装置１との間の通信が行われる。

外部装置１２０には、画像処理部が設けられている。この画像処理部は、撮像装置１から出力された撮像素子出力信号に基づいて映像信号を生成し、画像表示部１２１に出力する。即ち、本実施形態では、撮像装置１により撮像された光学像（内視鏡像）が、映像として画像表示部１２１に表示される。

なお、内視鏡１０１は、外部装置１２０または画像表示部１２１に接続する構成に限定されず、例えば、画像処理部またはモニタの一部または全部を有する構成であっても良い。

また、光ファイバ束は、外部装置１２０の光源部から発せられた光を、先端部１１０の照明光出射部としての照明窓まで伝送するように構成されている。さらに、光源部は、内視鏡１０１の操作部１０３または先端部１１０に配設される構成であってもよい。

次に、先端部１１０に設けられる撮像装置１の構成を説明する。なお、以下の説明においては、撮像装置１から被写体へ向かう物体側の方向（各図において左方）を先端または前方と称し、その反対の像側の方向を基端または後方と称する場合がある。

図２および図３に示すように、本実施の形態の撮像装置１は、前方側にカバーガラス１１が設けられ、イメージセンサチップ１２、駆動用回路チップ１３および積層型薄膜コンデンサチップ１４が積層されたＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｃａｌｅＰａｃｋｅｇｅ）サイズのカメラアッセンブリ１０を備え、このカメラアッセンブリ１０の基端側の積層型薄膜コンデンサチップ１４の駆動用回路チップ１３との接合面とは反対側の背面（以下、単に積層型薄膜コンデンサチップ１４の背面という。）に接続されて、後方に延出する複合ケーブル１１５の複数の配線１６を覆うように接着剤などによって形成された補強用樹脂部１５を有している。

イメージセンサチップ１２は、前面に撮影光軸Ｏを有する被写体像の光を受光する受光部２１を備え、図４に示すように、複数の貫通配線２２が設けられている。このイメージセンサチップ１２は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの厚さ寸法が例えば、５０μｍ〜１００μｍの撮像素子チップである。

駆動用回路チップ１３は、イメージセンサチップ１２の複数の貫通配線２２と電気的に接続され、内部に設けられる図示しない電気的素子に接続される複数の貫通配線２２を備えている。この駆動用回路チップ１３は、例えば、各電気的素子を同期させるクロック信号を発生させて、イメージセンサチップ１２を駆動制御する厚さ寸法が例えば、５０μｍ〜１００μｍの駆動回路チップである。

積層型薄膜コンデンサチップ１４は、図５に示すように導電層３１，３２と誘電層３３が交互に積層され、駆動用回路チップ１３の複数の貫通配線２２と電気的に接続される複数の貫通配線２４を備えている。

この積層型薄膜コンデンサチップ１４は、例えば、電源の安定化などをするバックアップ回路、イメージセンサチップ１２で光電変換された撮像信号のノイズを除去するカップリング素子、フィルターなどが含まれた厚さ寸法が例えば、５０μｍ〜１００μｍのコンデンサ素子チップである。

これらイメージセンサチップ１２、駆動用回路チップ１３および積層型薄膜コンデンサチップ１４は、それぞれが積層されて同時または個々に接合されたＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｃａｌｅＰａｃｋｅｇｅ）サイズのカメラアッセンブリ１０となっている。

なお、イメージセンサチップ１２、駆動用回路チップ１３および積層型薄膜コンデンサチップ１４が形成されたウエハを積層して接合した後、ダイシングによってカメラアッセンブリ１０を切り出す構成としてもよい。

ここで積層型薄膜コンデンサチップ１４について、さらに詳しく説明する。
図５に示したように、積層型薄膜コンデンサチップ１４は、導電層３１，３２と誘電層３３が交互に積層されたコンデンサ層４１が絶縁層３６を介してシリコン層４２上に形成されている。コンデンサ層４１の導電層３１，３２は、それぞれ、導電配線３４，３５を介して貫通配線２４と電気的に接続される。

シリコン層４２の背面部には、外部接続端子２６が配設された複数の配線接合用穴部２５が形成されている。また、外部接続端子２６は、貫通配線２４と電気的に接続されている。

なお、配線接合用穴部２５は、配線１６の芯線１７の外径に対して、１．５〜２．０倍の孔径を備え、外部接続端子２６と共にＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ−ＳｉｌｉｃｏｎＶｉａ／シリコン貫通電極）によって形成される。

また、配線接合用穴部２５は、深さ寸法が積層型薄膜コンデンサチップ１４の厚さに影響されるが５０μｍ〜１００μｍ程度に形成される。

これら配線接合用穴部２５には、被覆が例えば、０．２ｍｍ程度剥がされた配線１６の芯線１７が挿入され、半田などのろう接によって接続される。

そして、積層型薄膜コンデンサチップ１４に配線１６が接続され、イメージセンサチップ１２の前面にカバーガラス１１が接合されたカメラアッセンブリ１０は、積層型薄膜コンデンサチップ１４の背面に配線１６の芯線１７を覆うような厚さを有して補強用樹脂部１５が形成される。

以上のように構成された本実施の形態の撮像装置１は、イメージセンサチップ１２、駆動用回路チップ１３および積層型薄膜コンデンサチップ１４が積層されて接合されたＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｃａｌｅＰａｃｋｅｇｅ）サイズのカメラアッセンブリ１０を備えることで、撮影光軸Ｏに平行であって、イメージセンサチップ１２の受光部２１の受光面に対して直交する軸Ｘ方向を短尺化することができる。

特に、撮像装置１は、シリコン層４２上に形成されたコンデンサ層４１を有する積層型薄膜コンデンサチップ１４を含むカメラアッセンブリ１０がＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｃａｌｅＰａｃｋｅｇｅ）サイズとなり、従来に設けられたコンデンサが実装される基板などが不必要となり、従来よりも非常に小型化でき、特に図２および図３の撮影光軸Ｏ（図６におけるＸ軸）方向の厚さを薄くすることができる。

さらに、撮像装置１は、ＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｃａｌｅＰａｃｋａｇｅ）サイズのカメラアッセンブリ１０の積層型薄膜コンデンサチップ１４の背面にＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ−ＳｉｌｉｃｏｎＶｉａ）技術を使った配線接合用穴部２５が形成されており、配線接合用穴部２５へ配線１６の芯線１７を接合する構成であるため、従来のように配線接合するために必要だったバンプなどが設けられていない構成となっている。

これにより、撮像装置１は、図２および図３の撮影光軸Ｏ（図６におけるＸ軸）方向の厚さに影響する構造を取り除く事が可能になり、図２および図３の撮影光軸Ｏ（図６におけるＸ軸）方向の厚さを薄くすることができる。

これにより、本実施の形態の撮像装置１を内蔵する内視鏡１０１の先端部１１０の小型化、特に、挿入部１０２の硬質となる先端部１１０の短尺化を実現することができる。

また、撮像装置１は、カメラアッセンブリ１０の積層型薄膜コンデンサチップ１４の背面に配線接合用穴部２５を設けることで、配線１６の接合位置を容易に把握でき高精度に配線１６を接続できると共に、配線接合用穴部２５に配線１６の芯線１７を挿入して嵌め込む構造であるため配線１６の接合強度も向上する。

（第１の変形例）
次に、本発明の内視鏡１０１に搭載される撮像装置１の第１の変形例について説明する。なお、図７は、第１の変形例の撮像ユニットの構成を示す断面図である。
図７に示すように、本変形例の撮像装置１は、配設接続部である配線接合用穴部２５の孔軸Ｈが撮影光軸Ｏに沿ったＸ軸に対して、外方に所定の角度θを有するようにＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｃａｌｅＰａｃｋａｇｅ）サイズのカメラアッセンブリ１０の積層型薄膜コンデンサチップ１４の背面にＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ−ＳｉｌｉｃｏｎＶｉａ）によって形成されている。

このように、撮像装置１は、配線１６をカメラアッセンブリ１０の積層型薄膜コンデンサチップ１４に所定の角度θを有するように斜めに接続することで、アンカ効果により、積層型薄膜コンデンサチップ１４への配線１６の接続強度を向上させることができる。

なお、本変形例では、撮影光軸Ｏに沿ったＸ軸に対して、外方側に所定の角度θを有するように積層型薄膜コンデンサチップ１４の背面に配線接合用穴部２５を形成しているが、勿論、Ｘ軸に対して、内方側に所定の角度θを有するように積層型薄膜コンデンサチップ１４の背面に配線接合用穴部２５の孔軸Ｈを形成してもよい。

（第２の変形例）
次に、本発明の内視鏡１０１に搭載される撮像装置１の第２の変形例について説明する。なお、図８は、第２の変形例の撮像ユニットの構成を示す断面図である。
図８に示すように、本変形例の撮像装置１は、ＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｃａｌｅＰａｃｋａｇｅ）サイズのカメラアッセンブリ１０の積層型薄膜コンデンサチップ１４の背面にＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ−ＳｉｌｉｃｏｎＶｉａ）によって形成する配線接合用穴部２５を積層型薄膜コンデンサチップ１４の背面側が細くなるようなテーパ状に形成されている。

このように、撮像装置１は、配線１６をカメラアッセンブリ１０の積層型薄膜コンデンサチップ１４への接続時において、配線接合用穴部２５をテーパ状とすることで、アンカ効果により、積層型薄膜コンデンサチップ１４への配線１６の接続強度を向上させることができる。

（第３の変形例）
次に、本発明の内視鏡１０１に搭載される撮像装置１の第３の変形例について説明する。なお、図９は、第３の変形例の撮像ユニットの構成を示す断面図である。
図９に示すように、本変形例の撮像装置１は、ＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｃａｌｅＰａｃｋａｇｅ）サイズのカメラアッセンブリ１０に接続する配線１６，１８の芯線１７をイメージセンサチップ１２、駆動用回路チップ１３または積層型薄膜コンデンサチップ１４の各チップ回路に近接した位置で接続されている。

ここでのカメラアッセンブリ１０は、イメージセンサチップ１２または駆動用回路チップ１３から積層型薄膜コンデンサチップ１４に亘ってＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ−ＳｉｌｉｃｏｎＶｉａ）によってスルーホール電極２７，２８が形成されており、これらスルーホール電極２７，２８に配線１６，１８の芯線１７が挿入されて接続されている。また、配線１８は、ＧＮＤ（グランド）線であって、他の配線１６よりも太径のグランド用芯線としての芯線１７を有している。

このように、撮像装置１は、積層型薄膜コンデンサチップ１４を介す必要のない信号を授受するための配線１６，１８をイメージセンサチップ１２または駆動用回路チップ１３に近接する位置で電気的に接続することで、ノイズ低減、信号安定化などを向上させることができる。さらに、配線１６，１８の芯線１７とスルーホール電極２７，２８との接続面積が大きくなり、電気的な接続の不具合が生じる可能性を低減することができる。

（第４の変形例）
次に、本発明の内視鏡１０１に搭載される撮像装置１の第４の変形例について説明する。なお、図１０は、第４の変形例の撮像ユニットの構成を示す断面図である。
図１０に示すように、本変形例の撮像装置１は、ＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｃａｌｅＰａｃｋａｇｅ）サイズのカメラアッセンブリ１０に接続する配線１６，１９のうち、配線１９の芯線１７を発熱量の多い回路、特に駆動用アンプなどの近傍または直接的に接続することで、配線１９の芯線１７がヒートシンクの代わりとなり放熱を効率化することができる。

なお、ここでは、駆動用回路チップ１３から積層型薄膜コンデンサチップ１４に亘ってＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ−ＳｉｌｉｃｏｎＶｉａ）によってスルーホール電極２９が形成されており、このスルーホール電極２９に配線１９の芯線１７が挿入されて接続されている。

また、配線１９は、放熱がより期待できるように、他の配線１６よりも太径の芯線１７を有していることが好ましい。特に、放熱の大きいところに、放熱効果が高い太径のＧＮＤ（グランド）用のケーブルを接続して放熱することが好ましい。

このように、撮像装置１は、カメラアッセンブリ１０における発熱体からの放熱効果を向上させることができる。

なお、以上に記載した実施の形態および第１〜第４の変形例で述べた各種構成に関しては、それぞれを組み合わせた構成要素を有する撮像装置１および内視鏡１０１としてもよい。

以上に記載した実施の形態および各変形例は、それぞれの構成を組み合わせてもよい。即ち、上述の実施の形態に記載した発明は、その実施の形態および変形例に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得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、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得るものである。

例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、述べられている課題が解決でき、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され得るものである。

Claims

被写体像を受光する受光部を備えたイメージセンサチップと、
前記イメージセンサチップに積層された駆動用回路チップと、
前記駆動用回路チップに積層された薄膜コンデンサチップと、
を備え、
前記イメージセンサチップ、前記駆動用回路チップおよび前記薄膜コンデンサチップを積層して接合したカメラアッセンブリと、
前記薄膜コンデンサチップの前記駆動用回路チップとの接合面と反対側となる背面にケーブルの配線の芯線が挿入して接続されるシリコン貫通電極によって穴部状に形成された複数の配線接続部と、
を具備することを特徴とする撮像装置。
前記配線接続部は、前記受光部の受光面に対して直交する軸に対して所定の角度を有する孔軸を有していることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記配線接続部は、前記薄膜コンデンサチップの前記背面側が細くなるようなテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の撮像装置。
前記イメージセンサチップまたは前記駆動用回路チップから前記薄膜コンデンサチップまでシリコン貫通電極によって形成されたスルーホール電極を備えていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記スルーホール電極は、前記カメラアッセンブリにおける発熱量の多い回路の近傍に形成されることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
前記スルーホール電極には、グランド用配線のグランド芯線が挿入して接続されることを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
請求項１、請求項３から請求項７のいずれか１項に記載された撮像装置と、
前記撮像装置が内蔵する先端部を有する被検体内に挿入される挿入部と、
を具備することを特徴とする内視鏡。