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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Kameramodul mit Kompensationselement.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Kameras bekannt, bei welchen ein Bildsensor auf einer Leiterplatte angeordnet ist.
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In der
DE 10 2005 028144 A1 wird beispielsweise eine Vorrichtung beschrieben, in welcher ein auf einer Leiterplatte angeordneter Bildsensor zu einem Objektiv ausrichtbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung beschreibt ein Kameramodul, umfassend eine Leiterplatte, einen Bildsensor und ein Kompensationselement. Der Bildsensor ist hierbei auf einer Vorderseite der Leiterplatte angebracht. Der Kern der Erfindung liegt darin, dass das Kompensationselement auf einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite der Leiterplatte angebracht ist.
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Die beiden beschriebenen Seiten bzw. Flächen der Leiterplatte, die Vorderseite und die Rückseite, entsprechen insbesondere den beiden größten Flächen der Leiterplatte. Diese ist bevorzugt als flacher (Höhe wesentlich kleiner als Breite und Länge) Quader ausgeführt.
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Das Kompensationselement kann von beliebiger Form und Größe sein und aus verschiedenen Materialien bestehen, beispielsweise aus Kunststoff, einer Keramik, Metall oder einer Kombination mehrerer Materialien. Das Kompensationselement kann zudem auf unterschiedliche Weise an der Leiterplatte befestigt sein, beispielsweise stoff-, form- und/oder kraftschlüssig. Hierfür bietet sich insbesondere eine Klebeverbindung, Lötverbindung, Klemmverbindung und/oder eine Schraubverbindung an.
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Diese Erfindung bietet den Vorteil, dass ein durch Temperaturänderungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten des Bildsensors und der Leiterplatte auftretender Temperaturdrift durch das Kompensationselement verkleinert oder gänzlich verhindert werden kann. Hierdurch lassen sich Kameramodule herstellen, deren Genauigkeit auch bei großen Temperaturschwankungen gewährleistet werden kann. Auch Verformungen aufgrund von Feuchtigkeit oder weiteren Umwelt- und Umfeldeinflüssen lassen sich hierdurch reduzieren. Zur Reduktion von Verzerrungen oder Verformungen aufgrund von Feuchtigkeit können Materialien mit entsprechenden feuchtigkeitsabhängigen Eigenschaften eingesetzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind das Kompensationselement und der Bildsensor gegenüberliegend auf der Leiterplatte angeordnet, insbesondere wobei das Kompensationselement und der Bildsensor derart angeordnet sind, dass sich die bei einer Aufsicht auf den Bildsensor zweidimensional darstellbaren Flächen des Kompensationselements und des Bildsensors überlappen.
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Unter einer Aufsicht auf den Bildsensor wird hierbei eine zweidimensionale orthogonale Projektion der Vorderseite (welche in Richtung einer optional anbringbaren Optik bzw. in Richtung des Lichteinfalls zeigt) des Bildsensors verstanden. Der Bildsensor wird dabei von oben betrachtet. Im Gegensatz zur Vogelperspektive handelt es sich bei der Aufsicht um eine planare Darstellung, aus der man (bei maßstäblicher Darstellung) die Dimensionen des Bildsensors und des Kompensationselements abmessen kann.
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Diese Ausführungsform der Erfindung bietet den Vorteil, dass sich an den überlappenden Stellen eventuell auftretende Kräfte aufgrund von Ausdehnungen des Bildsensors und des Kompensationselements gegenseitig aufheben. Hierdurch lässt sich eine Verbiegung der Leiterplatte verhindern.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind das Kompensationselement und der Bildsensor derart gegenüberliegend auf der Leiterplatte angeordnet, dass wenigstens eine der Flächen die andere Fläche vollständig überdeckt.
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Haben der Bildsensor und das Kompensationselement die gleichen Maße, liegen beide Elemente in diesem Fall bei einer Aufsicht vollständig übereinander.
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Diese Ausführungsform der Erfindung bietet den Vorteil, dass mögliche Verformungen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungen des Bildsensors und der Leiterplatte bei einer derartigen Anordnung stark reduzierbar sind.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegen die Mittelpunkte der beiden Flächen im Wesentlichen übereinander.
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Diese Ausführungsform der Erfindung bietet den Vorteil, dass ggf. eine symmetrische Anordnung erreicht wird, welche wiederum zur Reduzierung von Verformungen beiträgt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Kompensationselement einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten als die Leiterplatte auf.
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Unter dem Ausdehnungskoeffizienten oder Wärmeausdehnungskoeffizienten der Leiterplatte und/oder des Bildsensors und/oder des Kompensationselementes können beispielsweise mittlere Ausdehnungskoeffizienten dieser Elemente verstanden werden. Beispielsweise können Längen- und/oder Raumausdehnungskoeffizienten der Elemente für den Vergleich herangezogen werden. Sind die Elemente nur aus einem Material gefertigt, kann der Ausdehnungskoeffizienten auch durch Materialeigenschaften und die Maße der Elemente beschrieben werden.
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Diese Ausführungsform der Erfindung bietet den Vorteil, dass bei einer derartigen Ausführungsform das Kompensationselement entsprechend dem Bildsensor (vergleichbar mit dem Bimetall-Effekt) abhängig vom der Temperatur eine Kraft auf die Leiterplatte aufbringt, wobei die Kraft des Kompensationselementes entgegen der Kraft des Bildsensors gerichtet ist. Folglich wird eine Biegung der Leiterplatte reduziert bzw. kompensiert.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Kompensationselement einen im Wesentlichen identischen Ausdehnungskoeffizienten wie der Bildsensor auf. Insbesondere entsprechen hierbei die Maße des Kompensationselementes im Wesentlichen den Maßen des Bildsensors.
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Werden Elemente mit gleichartigen Ausdehnungskoeffizienten auf sich gegenüberliegende Seiten des Leitungsträgers aufgebracht, gleichen sich deren auf den Leitungsträger aufgebrachte Kräfte, aufgrund des ungleichen Ausdehnungskoeffizienten des Leitungsträgers, aus. Dieser Ausgleich ist insbesondere dann gegen, wenn der Bildsensor und das Kompensationselement gleiche Maße besitzen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Kompensationselement stoffschlüssig an der Leiterplatte angebracht.
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Diese Ausführungsform der Erfindung bietet den Vorteil, dass je nach verwendetem Bildsensor und verwendeter Leiterplatte ein auf diese Komponenten angepasstes Kompensationselement ausgewählt und angebracht werden kann. Durch die stoffschlüssige Verbindung wird eine gute Kontaktierung des Kompensationselements an die Leiterplatte gewährleistet, sodass eine optimale Kraftübertragung möglich ist. Verformt sich das Kompensationselement aufgrund von äußeren Einflüssen wie Wärme oder Feuchtigkeit stärker als die Leiterplatte, wird eine durch die Unterschiedliche Verformung eine Kraft aufgebracht, die eine Verformung hervorruft.
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Diese stoffschlüssige Verbindung kann insbesondere mittels einer Klebstoffverbindung hergestellt werden, sodass in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das Kompensationselement mittels einer Klebeverbindung an der Leiterplatte angebracht ist.
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Die Verwendung von Klebstoff bietet den Vorteil, dass die Auswahl des Klebstoffes abhängig von dem Bildsensor, der Leiterplatte und dem Kompensationselement erfolgen kann und hierdurch auch der Klebstoff als Kompensationselement fungiert. Dessen Ausdehnungseigenschaften / -koeffizient kann ebenfalls zu einem mittleren Ausdehnungskoeffizient des Kompensationselements beitragen. Hierdurch lässt sich eine wärmebedingte Verbiegung des Bildsensors und/oder der Leiterplatte minimieren und die Bildqualität verbessern.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Material des Kompensationselements Silizium, Glas und/oder Keramik auf.
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Diese Ausführungsform der Erfindung bietet den Vorteil, dass ein kostengünstiges Material zum Einsatz kommt, welches bereits vorteilhafte Eigenschaften bezüglich des Ausdehnungskoeffizients mit sich bringt. Werkstoffe wie z. B. Glas oder Keramik weisen einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizient als gängige Leiterplatten (bzw. Sensorträgersubstrate) auf. Durch die Wahl des Werkstoffs sowie Gestaltung der geometrischen Abmessungen des Kompensationselements lassen sich zu dem Art und Größenordnung steuern, so dass man einen Driftbereich einer Fokusebene steuern kann. Die Fokusebene bezeichnet hierbei insbesondere die Ebene, in welcher der Bildsensor bevorzugt in Bezug zu einer Optik angeordnet sein sollte, um ein möglichst gutes Bild zu erzeugen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Kompensationselement eingesenkt an der Leiterplatte angebracht. Die Leiterplatte ist hierbei insbesondere derart ausgebildet, dass sie das Kompensationselements zumindest teilweise aufnimmt.
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Diese Ausführungsform der Erfindung bietet den Vorteil, dass eine höhere Stabilität des Kompensationselementes gewährleistet wird und dieses ggf. ohne weitere Befestigungsmittel an der Leiterplatte befestigt werden kann. Zudem können durch eine mechanische Bearbeitung der Leiterplatte auch Einfluss auf dessen Eigenschaften bei einer Änderung von Umgebungsbedingungen genommen werden, sodass eine weitere Möglichkeit der Optimierung des Kameramoduls gegeben ist. Eingesenkt bedeutet hierbei, dass zumindest Teile des Kompensationselementes in die Leiterplatte eingelassen sind. Die Unterseite der Leiterplatte liegt in dieser Ausführungsform nicht in einer, sondern in wenigstens 2 Ebenen, die insbesondere parallel versetzt zueinander angeordnet sein können.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein Kameramodul ohne Kompensationselement.
- 2 zeigt ein Kameramodul mit Kompensationselement.
- 3 zeigt eine Aufsicht auf den Bildsensor, die Leiterplatte und das Kompensationselement.
- 4 zeigt ein Kameramodul mit Kompensationselement und Klebschichten.
- 5 zeigt unterschiedliche Ausführungen des Kameramoduls mit unterschiedlich dimensionierten und angebrachten Kompensationselementen.
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Ausführungsbeispiele
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In 1a und 1b ist beispielhaft eine Kamera bei unterschiedlichen Temperaturen dargestellt. Die Kamera weist einen Bildsensor 101, eine Leiterplatte 102, einen Optikhalter 106 und eine Optik 107 auf. Der Bildsensor 101 ist bei einer mittleren Temperatur des Betriebsbereichs, welche beispielsweise der Raumtemperatur entsprechen kann, derart positioniert, dass er ein einer Fokusebene 104 der Optik 107 liegt. Hierdurch wird ein bestmögliches Bild erzeugt. Verändern sich die Temperatur kann es aufgrund von Unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Bildsensors 101 und der Leiterplatte102 zu Verformungen kommen, sodass sich die Position des Bildsensors 101 relativ zur Optik 107 verändert und der Bildsensor 101 folglich nicht mehr in der Fokusebene 104 liegt. Ein ähnlicher Effekt kann auch aufgrund einer Veränderung der Luftfeuchtigkeit eintreten.
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Um eine Veränderung der Bildsensorlage zu vermeiden oder diese Veränderung zu verringern, wird deshalb in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Kamera ein Kompensationselement 203 verwendet. Die Kamera weist hierbei einen Bildsensor 201, eine Leiterplatte 202, ein Kompensationselement 203, einen Linsenhalter 204, eine Linsenfassung 205 und eine Optik 206 auf. Der Bildsensor 201 ist hierbei an die Leiterplatte 202 angeklebt. Optional kann dieser auch angelötet oder angelötet und angeklebt sein. Der Linsenhalter 204 ist in diesem Ausführungsbeispiel mittels einer Klebstoffverbindung 208 an der Leiterplatte 202 fixiert.
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Die Linsenfassung 205 ist derart zum Bildsensor 201 ausgerichtet, dass dieser in einer bevorzugten Bildebene liegt. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgte diese Ausrichtung mittels eines Active-Alignment-Verfahrens. Die Fixierung des Linsenhalters 106 in der ermittelten Position erfolgte in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls anhand einer Klebstoffverbindung 208.
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Das Kompensationselement 203 ist mittels eines Klebstoffs an einer Unterseite 202b einer Leiterplatte 202 befestigt. An der Oberseite 202a der Leiterplatte 202 ist der Bildsensor 201 angebracht. Das Kompensationselement 203 verfügt über einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten als die Leiterplatte 202. Hierdurch wird eine Durchbiegung der Leiterplatte 202 bei einer Temperaturänderung reduziert bzw. kompensiert. In diesem Ausführungsbeispiel besteht das Kompensationselement 203 aus Glas und weist einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizient als die Leiterplatte 202 auf.
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In diesem Ausführungsbeispiels sind Bildsensor 201 und Kompensationselement 203 derart angeordnet, dass sie sich bezüglich der Leiterplatte 202 gegenüberliegen. In diesem Ausführungsbeispiel überlappen sich die bei einer Aufsicht auf den Bildsensor 201 zweidimensional darstellbaren Flächen des Bildsensors 201 und des Kompensationselements 203.
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Die Aufsicht auf den Aufbau dieses Ausführungsbeispiels wird in 3b dargestellt. Die Fläche 303b des Kompensationselements 203 ist in diesem Beispiel größer als die Fläche 301b des Bildsensors 201 und überdeckt die Fläche 301b des Bildsensors 201 deshalb vollständig. Die in 3a und 3b dargestellten Flächen 302a und 302b entsprechen den bei einer Aufsicht darstellbaren Fläche der Leiterplatte 202.
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In alternativen Ausführungsformen kann auch keine Überdeckung der bei einer Aufsicht auf den Bildsensor darstellbaren Flächen vorliegen oder es überdecken sich nur Teile der Flächen, wie es in 3a dargestellt wird. In diesem Ausführungsbeispiel sind ein Bildsensor und ein Kompensationselement versetzt zueinander angeordnet, wobei der Bildsensor auf einer Vorderseite einer Leiterplatte und das Kompensationselement auf einer Rückseite der Leiterplatte angeordnet sind.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Kompensationselement 203 an die Unterseite 202b der Leiterplatte 202 gelötet und besteht aus einer Keramik.
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In einer alternativen Ausführungsform sind mehrere Kompensationselemente auf einer Rückseite einer Leiterplatte angeordnet.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, in welchem ein Bildsensor 401 und ein Kompensationselement 403 auf einer Vorderseite bzw. Rückseite einer Leiterplatte 402 angeordnet sind. In 4 wird eine Detailansicht A dargestellt, in welcher eine Klebstoffverbindung 408 zwischen Leiterplatte 402 und Bildsensor und einer Klebstoffverbindung 409 zwischen Leiterplatte 402 und Kompensationselement 403 zu sehen ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl die Dicke der Klebstoffverbindungen 408, 409 als auch der verwendete Klebstoff identisch. In hierzu alternativen Ausführungsbeispielen können die Klebstoffverbindungen 408, 409 auch unterschiedliche Dicken und Dimensionen aufweisen und durch unterschiedliche Klebstoffe gebildet werden.
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In 5 sind weitere Ausführungsbeispiele dargestellt, die speziell mögliche Dimensionierungen von auf einer Leiterplatte 502 angebrachten Kompensationselementen 503a, 503b, 503c, 503d im Vergleich zu einem Bildsensor 501 zeigen.
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In 5a ist das Kompensationselement 503a dünner und großflächiger als der Bildsensor 501 und entspricht in diesem Ausführungsbeispiel einer auf der Leiterplatte 502 angebrachten Schicht.
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In 5b haben das Kompensationselement 503b und der Bildsensor 501 die gleichen Ausmaße (gleiche Dicke und gleiche Fläche) und weisen einen gleichen Ausdehnungskoeffizient aus. Zudem sind Bildsensor 501 und Kompensationselement 503b derart angeordnet, dass sich die bei einer Aufsicht auf den Bildsensor 501 darstellbaren Flächen von Bildsensor 501 und Kompensationselement 503b vollständig überdecken. Folglich liegen bei der Aufsicht die Mittelpunkte beider Flächen übereinander. In diesem Ausführungsbeispiel werden aufgrund von Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen hervorgerufene Kräfte durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Leiterplatte 502 und Bildsensor 501 / Kompensationselement 503b durch die spezielle Anordnung und Materialwahl des Kompensationselements 503b vollständig aufgehoben.
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In dem in 5c dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Kompensationselement 503c Dicker und kleinflächiger als Bildsensor 501.
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In dem in 5d dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Bildsensor 501 auf einer Vorderseite einer Leiterplatte 502d und ein Kompensationselement 503d auf einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite der Leiterplatte 502d angeordnet. Das Kompensationselement 503d ist hierbei in die Leiterplatte 502d eingesenkt. Die Leiterplatte 503d weist hierfür eine Aufnahme auf, die dazu ausgebildet ist, das Kompensationselement 503d aufzunehmen. Das Kompensationselement 503d ist in diesem Ausführungsbeispiel mit der Leiterplatte 503d verklebt, kann alternativ oder ergänzend auch kraft- und/oder formschlüssig mit dieser verbunden sein. Beispielsweise können die Maße der Leiterplatte 502d und der Kompensationselements 503d derart aufeinander abgestimmt sein, dass das Kompensationselement 503d in die Leiterplatte 502d gepresst wird und keine weitere Fixierung notwendig ist.
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In weiteren Ausführungsbeispielen sind die in 5 dargestellten Variationen untereinander permutiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005028144 A1 [0003]
