WO2022254659A1 - 撮像ユニット、および、内視鏡 - Google Patents
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Definitions
- the base material of the three-dimensional wiring board 10 is a non-conductive resin, especially an engineering plastic that can be molded.
- the base material is, for example, PA (polyamide), PC (polycarbonate), LCP (liquid crystal polymer), PEEK (polyetheretherketone), nylon, PPA (polyphthalamide), ABS (acrylonitrile/butadiene/styrene), or It consists of a composite resin in which an inorganic filler is blended with these resins.
- the sealing resin 20 fills the gap between the wall surface of the concave portion H10 of the three-dimensional wiring board 10 and the side surface of the laminated element 30 .
- the sealing resin 20 seals the side surfaces of the laminated element 30 and at the same time relaxes the stress generated in the laminated element 30 as described later.
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Abstract
撮像ユニット１は、凹部Ｈ１０を有する立体配線板１０と、前記凹部Ｈ１０に収容された複数の光学部材３１、３２と撮像素子３４とを含む積層素子３０と、前記凹部Ｈ１０と前記積層素子３０との隙間を充填する封止樹脂２０と、を具備し、前記複数の光学部材３１、３２は、第１の光学部材３１Ａ、３２Ａに第２の光学部材３１Ｂ、３２Ｂが配設された複合素子を含み、前記第２の光学部材３１Ｂ、３２Ｂの弾性率は、前記第１の光学部材３１Ａ、３２Ａの弾性率および前記撮像素子３４の弾性率未満であり、前記封止樹脂２０の弾性率以上であり、前記封止樹脂２０の熱膨張率は、前記第１の光学部材３１Ａ、３２Ａの熱膨張率および前記撮像素子３４の熱膨張率超であり、前記第２の光学部材３１Ｂ、３２Ｂの熱膨張率未満である。
Description
本発明は、積層素子を含む撮像ユニット、および、先端部に積層素子を含む撮像ユニットが配設された内視鏡に関する。
内視鏡の挿入部の先端部に配設される撮像ユニットは低侵襲化のため細径化が重要である。
日本国特開２０１２－１８９９３号公報には、細径の撮像ユニットを効率良く製造できる積層素子が開示されている。積層素子は、それぞれが複数のレンズを含む複数のレンズウエハと、複数の撮像素子とを樹脂を用いて接着後に、切断することで作製されている。
国際公開第２０１５／０８２３２８号（特許６５３３７８７号）には、積層素子をＭＩＤの溝に収容した撮像ユニットが開示されている。
積層素子は、熱膨張率の異なる複数の素子が積層されている。このため、温度変化が生じると熱応力によって積層素子が損傷する場合があり、積層素子を搭載した撮像ユニットの信頼性を低下させることがあった。
本発明の実施形態は、信頼性に優れた撮像ユニットおよび信頼性に優れた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ユニットは、凹部を有する立体配線板と、前記凹部に収容された、複数の光学素子と撮像素子とを含む積層素子と、前記凹部と前記積層素子との隙間を充填する封止樹脂と、を具備し、前記複数の光学素子は、第１の光学部材に第２の光学部材が配設された複合素子を含み、前記第２の光学部材の弾性率は、前記第１の光学部材の弾性率および前記撮像素子の弾性率未満であり、前記封止樹脂の弾性率以上であり、前記封止樹脂の熱膨張率は、前記第１の光学部材の熱膨張率および前記撮像素子の熱膨張率超であり、前記第２の光学部材の熱膨張率未満である。
別の実施形態の内視鏡は、撮像ユニットを含み、前記撮像ユニットは、凹部を有する立体配線板と、前記凹部に収容された、複数の光学素子と撮像素子とを含む積層素子と、前記凹部と前記積層素子との隙間を充填する封止樹脂と、を具備し、前記複数の光学素子は、第１の光学部材に第２の光学部材が配設された複合素子を含み、前記第２の光学部材の弾性率は、前記第１の光学部材の弾性率および前記撮像素子の弾性率未満であり、前記封止樹脂の弾性率以上であり、前記封止樹脂の熱膨張率は、前記第１の光学部材の熱膨張率および前記撮像素子の熱膨張率超であり、前記第２の光学部材の熱膨張率未満である。
本発明の実施形態によれば、信頼性に優れた撮像ユニットおよび信頼性に優れた内視鏡を提供できる。
＜第１実施形態＞
図１および図２に示すように、本実施形態の撮像ユニット１は、立体配線板１０と、封止樹脂２０と、積層素子３０と、を具備する。
図１および図２に示すように、本実施形態の撮像ユニット１は、立体配線板１０と、封止樹脂２０と、積層素子３０と、を具備する。
なお、実施形態に基づく図面は、模式的なものである。各部分の厚みと幅との関係、夫々の部分の厚みの比率などは現実のものとは異なる。図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。一部の構成要素の図示、符号の付与を省略する場合がある。光が入射する方向を「上」という。
立体配線板１０は、平板ではない配線板、例えば、成形回路部品（ＭＩＤ：Molded Interconnect Device）であり、上面１０ＳＡに開口のある有底の凹部（キャビティ）Ｈ１０を有する。凹部Ｈ１０に収容されている積層素子３０は、光学系を構成している複数の光学素子３１、３２、３３と、撮像部品である撮像素子（イメージセンサ）３４とが積層されている。封止樹脂２０は、凹部Ｈ１０と積層素子３０のとの隙間に充填されている。
光学素子３１は、第１の光学部材３１Ａであるガラス板と、第１の光学部材３１Ａの下面に配設された第２の光学部材３１Ｂである樹脂レンズと、を有するハイブリッドレンズ素子（複合素子）である。光学素子３２は、第１の光学部材３２Ａであるガラス板と、第１の光学部材３２Ａの上面に配設された第２の光学部材３２Ｂである樹脂レンズと、を有するハイブリッドレンズ素子である。光学素子３３は、ガラス板、例えば赤外線を遮断するガラスからなる赤外線カットフィルタ素子である。
なお、断面図では、積層素子３０の光学素子等を平板として図示する。また、積層された光学素子を接着している接着層は薄く、熱応力に及ぼす影響は無視できるため、図示していない。
ハイブリッドレンズ素子は、ガラス板に、樹脂レンズ／樹脂スペーサを配設することで作製される。例えば、未硬化で液体状またはゲル状の、透明な紫外線硬化型の樹脂をガラス板に配設し、所定の内面形状の凹部のある金型を押し当てた状態で、紫外線を照射して樹脂を硬化する。樹脂レンズの外面形状は金型の内面形状が転写されるために、非球面レンズであっても容易に作製できる。
第１の光学部材３１Ａ、３１Ｂ、および、光学素子３３は、例えば、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス、サファイアガラスである。第２の光学部材３１Ｂ、３２Ｂ、封止樹脂２０は、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂である。
立体配線板１０の母材は、非導電性樹脂、特に、モールド成形できるエンジニアリングプラスチックである。母材は、例えば、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ナイロン、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＡＢＳ（アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン）、または、これらの樹脂に無機充填剤を配合した複合樹脂からなる。
なお、光学系の構成、すなわち、光学素子（第１の光学部材／第２の光学部材）の構成（厚さ、形状）、種類、数、および積層順序は、仕様に応じて種々の変形が可能である。例えば、第１の光学部材と第２の光学部材とは、交互に配置されなくてもよい。光学素子の主面に絞りとしてパターニングされた遮光膜が配設されていてもよい。また、撮像ユニット１の外形は円柱であるが、角柱またはこれらを複合した形状であってもよい。
シリコンを母材とする撮像素子３４は、ＣＣＤ等からなる受光部を有する。撮像素子３４は、下面の半田３９および立体配線板１０のスルホール配線１９を介して、駆動信号を受信し撮像信号を送信する。
なお、撮像部品は、撮像素子５３の下面に撮像信号を処理する半導体素子が積層されていてもよいし、撮像素子５３の上面にカバーガラスが配設されていてもよい。
封止樹脂２０は、立体配線板１０の凹部Ｈ１０の壁面と積層素子３０の側面との間の隙間を充填している。封止樹脂２０は、積層素子３０の側面を封止すると同時に、後述するように、積層素子３０に生じる応力を緩和する。
隙間の幅、言い替えれば、封止樹脂２０の厚さＤは、積層素子３０に生じる応力を緩和するために、所定超の厚さを有していることが望ましい。このため、隙間の幅は、例えば、１００μｍ－８００μｍが好ましい。
なお、積層素子３０の側面から外光が進入するのを防止するため、封止樹脂２０は、遮光粒子を含んでいることなどにより、遮光性を有することが好ましい。
撮像ユニット１は、以下の表１に示すように、積層素子３０の複数の構成部材の弾性率Ｅおよび熱膨張率αが所定の条件を満たしている。弾性率Ｅは、ＪＩＳ Ｋ７１１３に準拠して測定された引張弾性率（２５℃）である。熱膨張率は、ＪＩＳ Ｋ７１９７、ＪＩＳ Ｒ３２５１、ＪＩＳ Ｚ ２２８５に準拠して測定された線膨張率である。
すなわち、第２の光学部材３１Ｂ、３２Ｂである樹脂の弾性率Ｅ２は、第１の光学部材であるガラス板の弾性率Ｅ１および撮像素子３４の弾性率Ｅ３未満であり、封止樹脂２０の弾性率Ｅ４以上である。さらに、封止樹脂２０の熱膨張率α４は、第１の光学樹脂であるガラス板３１Ａ、３２Ａ、３３の熱膨張率α１および撮像素子３４の熱膨張率α３超であり、第２の光学部材３１Ｂ、３２Ｂである樹脂レンズの熱膨張率α２未満である。
例えば、熱膨張率α１は、５ｐｐｍ／Ｋ－１０ｐｐｍ／Ｋであり、弾性率Ｅ１は７０ＧＰａ－１００ＧＰａである。熱膨張率α２は、６０ｐｐｍ／Ｋ－１００ｐｐｍ／Ｋであり、弾性率Ｅ２は、２．６ＧＰａ－１０ＧＰａである。なお、例えば、「Ｘ１－Ｘ２」は、「Ｘ１超Ｘ２未満」を示している。
なお、立体配線板１０の母材である、例えば、ＰＥＥＫ樹脂は、熱膨張率αが１８ｐｐｍ／Ｋ－２６ｐｐｍ／Ｋ、弾性率Ｅが１０－２０ＧＰａである。半田３９は、熱膨張率αが、２０ｐｐｍ／Ｋ－３０ｐｐｍ／Ｋ、弾性率Ｅが５０ＧＰａ－１００ＧＰａである。
撮像ユニット１では、積層素子３０と立体配線板１０の隙間に封止樹脂２０が充填されている。このために、撮像ユニット１に衝撃等の機械的負荷が作用した際、封止樹脂２０も負荷を受けるため、積層素子３０への応力が緩和されている。
また、外部温度変化および駆動に伴い撮像ユニッ１トに温度変化が生じると、積層素子３０には、第１の光学部材３１Ａ、３２Ａ、第２の光学部材３１Ｂ、３２Ｂ、および、撮像素子３４の熱膨張率に差があるため、熱ひずみが生じる。しかし、撮像ユニット１では、積層素子３０（第１の光学部材３１Ａ、３２Ａ、第２の光学部材３１Ｂ、３２Ｂ、撮像素子３４）よりも弾性率が小さい封止樹脂２０が変形し応力を吸収するために、積層素子３０に発生する応力が緩和されている。
封止樹脂２０は、積層素子３０を保護するために、熱膨張率α４が、４５ｐｐｍ／Ｋ－８０ｐｐｍ／Ｋであり、弾性率Ｅ４が、１．０ＧＰａ－２．５ＧＰａであることが好ましい。
なお、積層素子３０における第１の光学部材の専有率（光軸方向の厚さの合計）は、第２の光学部材の専有率よりも小さいことが、熱膨張によるひずみが小さいため、好ましい。
＜第１実施形態の変形例＞
図３に示す変形例の撮像ユニット１Ａは、撮像ユニット１と類似し同じ効果を有するため、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
図３に示す変形例の撮像ユニット１Ａは、撮像ユニット１と類似し同じ効果を有するため、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
撮像ユニット１Ａの積層素子３０Ａでは、光学素子３２は、第１の光学部材３２Ａであるガラス板と、第１の光学部材３２Ａの上面に配設された第２の光学部材３２Ｃである樹脂レンズと、下面に配設された第２の光学部材３２Ｂである樹脂レンズおよび樹脂スペーサと、を有するハイブリッドレンズ素子である。
撮像ユニット１Ａでは、立体配線板１０Ａの凹部Ｈ１０は、開口の面積が底面の面積よりも広い。すなわち、凹部Ｈ１０Ａの壁面は上面１０ＳＡに対して垂直ではなく傾斜している。前述したように、外部温度変化および駆動によって、撮像ユニットに温度変化が生じると、積層素子には熱ひずみが発生する。積層素子では積層された各光学部材に生じるひずみは累積する。積層素子は下部の撮像素子３４が、凹部Ｈ１０の底面に固定されているため、上部ほど熱ひずみが大きくなる。
弾性率が小さい封止樹脂２０の変形による応力緩和効果は封止樹脂２０の厚さＤが厚いほど大きい。撮像ユニット１Ａでは、立体配線板１０Ａの凹部Ｈ１０が、底面から開口に近づくにつれて断面積が広くなっているため、封止樹脂２０の厚さＤは、底面から開口に近づくにつれてより厚くなる。熱ひずみの大きさに対応して、封止樹脂の厚さＤが変化しているため、撮像ユニット１Ａは、撮像ユニット１よりも信頼性が高い。
凹部Ｈ１０の壁面の傾斜角度θは、例えば、１度超５度未満程度が望ましい。傾斜角度θが前記範囲超であれば、封止樹脂２０による応力緩和効果が顕著である。傾斜角度θが前記範囲未満であれば、撮像ユニットの光軸直交方向の寸法の増加が小さい。
＜第２実施形態＞
図４に示す本実施形態の内視鏡９は、挿入部９１と、操作部９２と、ユニバーサルコード９３と、内視鏡コネクタ９４と、を具備する。
図４に示す本実施形態の内視鏡９は、挿入部９１と、操作部９２と、ユニバーサルコード９３と、内視鏡コネクタ９４と、を具備する。
細長管形状の挿入部９１は、生体の体腔内に挿入される。挿入部９１は、先端側から順に先端部９１Ａ、湾曲部９１Ｂ、可撓管９１Ｃが連設されており、全体として可撓性を備えている。
先端部９１Ａは、内部に各種のユニットを有する硬質部材９１Ａ１を有している。各種のユニットは、撮像ユニット１、１Ａト、処置具挿通チャンネル、照明ユニット等である。
湾曲部９１Ｂは、湾曲操作を行うための操作部９２の湾曲ノブの回動操作に応じて、上下左右方向へと湾曲する。
可撓管９１Ｃは、受動的に可撓自在である柔軟性を有する管状部材である。可撓管９１Ｃの内部には、処置具挿通チャンネル、各種の電気信号線、ライトガイドファイバー束等が挿通されている。電気信号線は、先端部９１Ａに内蔵される撮像ユニットから延出され操作部９２を経てユニバーサルコード９３へと延設される。ライトガイドファイバー束は、外部機器である光源装置からの光を先端部９１Ａの先端面へと導光する。
操作部９２は、挿入部９１の基端部に連設されており、複数の操作部材等を有する。ユニバーサルコード９３は、可撓性を有し、操作部９２から延出する管状部材である。内視鏡コネクタ９４は、ユニバーサルコード９３と、外部機器とを接続するための接続部材である。
内視鏡９は、挿入部９１の先端部９１Ａに配設された撮像ユニット１、１Ａを具備する。すでに説明したように、撮像ユニット１、１Ａは、信頼性が高いため、内視鏡９は信頼性が高い。
内視鏡は、挿入部が軟性の軟性鏡でも、挿入部が硬性の硬性鏡でもよい。また内視鏡の用途は、医療用でも工業用でもよい。
本発明は、上述した実施形態等に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、組み合わせおよび応用が可能である。
１、１Ａ・・・撮像ユニット
９・・・内視鏡
１０・・・立体配線板
１９・・・スルホール配線
２０・・・封止樹脂
３０・・・積層素子
３１、３２、３３・・・光学素子
３１Ａ、３２Ａ・・・第１の光学部材
３１Ｂ、３２Ｂ・・・第２の光学部材
３４・・・撮像素子
３９・・・半田
９・・・内視鏡
１０・・・立体配線板
１９・・・スルホール配線
２０・・・封止樹脂
３０・・・積層素子
３１、３２、３３・・・光学素子
３１Ａ、３２Ａ・・・第１の光学部材
３１Ｂ、３２Ｂ・・・第２の光学部材
３４・・・撮像素子
３９・・・半田
Claims (7)
- 凹部を有する立体配線板と、
前記凹部に収容された、複数の光学素子と撮像素子とを含む積層素子と、
前記凹部と前記積層素子との隙間を充填する封止樹脂と、を具備し、
前記複数の光学素子は、第１の光学部材に第２の光学部材が配設された複合素子を含み、
前記第２の光学部材の弾性率は、前記第１の光学部材の弾性率および前記撮像素子の弾性率未満であり、前記封止樹脂の弾性率超であり、
前記封止樹脂の熱膨張率は、前記第１の光学部材の熱膨張率および前記撮像素子の熱膨張率超であり、前記第２の光学部材の熱膨張率以下であることを特徴とする撮像ユニット。 - 前記積層素子における、前記第１の光学部材の専有率は、前記第２の光学部材の専有率よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。
- 前記封止樹脂は、熱膨張率が、４５ｐｐｍ／Ｋ－８０ｐｐｍ／Ｋであり、弾性率が１．０ＧＰａ－２．５ＧＰａであることを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。
- 前記封止樹脂は、遮光性を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。
- 前記第１の光学部材は、樹脂レンズであり、
前記第２の光学部材は、ガラス板であり、
前記複合素子は、ハイブリッドレンズ素子であることを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。 - 前記封止樹脂の厚さは、前記凹部の底面から開口に近づくにつれてより厚いことを特徴とする請求項１に記載の撮像ユニット。
- 挿入部の先端部に撮像ユニットを含み、
前記撮像ユニットは、
凹部を有する立体配線板と、
前記凹部に収容された、複数の光学素子と撮像素子とを含む積層素子と、
前記凹部と前記積層素子との隙間を充填する封止樹脂と、を具備し、
前記複数の光学素子は、第１の光学部材に第２の光学部材が配設された複合素子を含み、
前記封止樹脂の弾性率は、前記第１の光学部材の弾性率および前記撮像素子の弾性率未満であり、前記第２の光学部材の熱膨張率超であり、
前記第２の光学部材の熱膨張率は、前記第１の光学部材の熱膨張率および前記撮像素子の熱膨張率超であり、前記封止樹脂の熱膨張率以下であることを特徴とする内視鏡。
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