JP2006053232A - 電子撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子から発生する熱の温度上昇を防ぎ、良好なＳ／Ｎ比の画像信号を出力できるレンズブロックを備えた電子撮像装置を得ること。
【解決手段】本発明の電子撮像装置におけるレンズブロック１Ａは、レンズ鏡筒１１Ａの前面にレンズ１２が、その背面に少なくとも１個の固体撮像素子１４が取り付けられており、そのレンズ鏡筒１１Ａが熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上の樹脂材で成形されていることを特徴とする。その樹脂材としてＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート、ＰＰＳ樹脂などの樹脂に熱伝導率の高いフィラーを混入したものである。そしてその熱伝導率の高いフィラーとしては炭素繊維、カーボンナノチューブ、セラミックス粒子、低融点合金などの何れか、またはそれらの組合せからなるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、前面にレンズが、背面には少なくとも１個の固体撮像素子が取り付けられたレンズ鏡筒からなるレンズブロックを備えた電子撮像装置に関するものである。

ビデオカメラ、デジタルカメラなどの電子撮像装置には、図６に分解斜視図で示したように、そして図７にその側面図で示したように、レンズブロック１００が組み込まれている。このレンズブロック１００はレンズ鏡筒１１０の前面にレンズ１２０が、その背面にフィルター、プリズムなどの光学部品１３０を介してＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの固体撮像素子１４０が取り付けられており、この固体撮像素子１４０の背後に電子回路基板１５０が、そしてこの電子回路基板１５０にドライバーＩＣ１６０が半田付けされた構造で構成されている。

このような電子撮像装置１００では、撮影中に固体撮像素子１４０の温度上昇が生じ易い。この固体撮像素子１４０の温度が上昇すると、暗電流が増加する。固体撮像素子１４０の暗電流はビデオ信号にノイズを発生させる原因になることから、暗電流の増加は撮像画像の画質を低下することになる。

従って、固体撮像素子１４０を備えた電子撮像装置においては、Ｓ／Ｎの良好なビデオ信号を得るために、その固体撮像素子１４０での発生熱を効果的に放出して、その固体撮像素子１４０の上昇温度を適正な温度に抑制する必要がある。

固体撮像素子１４０からの熱は、レンズ鏡筒１１０へ伝達し、レンズ鏡筒１１０を通じて放熱されればよいが、レンズ鏡筒１１０は、通常、ＡＢＳ樹脂とポリカーボネート（ＰＣ）樹脂の組合せ、ＰＣとガラス繊維との組合せなどを成形して形成されていて、これらの樹脂材は一般に熱伝達性能が低く、固体撮像素子１４０で発生した熱を吸収し難い。

そこで、固体撮像素子１４０の発生熱を放熱するために、ペルチェ素子を用いて積極的に固体撮像素子１４０を冷却し、ヒートパイプのようなデバイスを用いて別の場所に放熱することが行われているものもある。ペルチェ素子は異なる金属または半導体の接合部に電流を流すことによって、両金属間に温度差を生じる現象（ペルチェ効果）を利用した冷却素子であり、ペルチェ素子の低温側（吸熱側）に固体撮像素子１４０を接触させ、高温側（放熱側）を放熱板やヒートパイプなどにより放熱させることにより、固体撮像素子１４０の冷却を行っている。

しかし、この放熱構造は電子撮像装置においてもＡＣ電源を持つか、大型のバッテリーを持つ大型のデジタルビデオカメラやデジタルカメラには用いられているが、現行のペルチェ素子の冷却効率が低く、消費電力が大きいために携帯型のデジタルビデオカメラやデジタルカメラには内蔵する内部バッテリーが大きくなって、携帯性に難を生じたり、或いは供給電力の制約のために充分な冷却を行うことができず、良好なＳ／Ｎの画像信号を得ることが難しかった。

このようにペルチェ素子を駆動するにはかなり多くの電力が必要となるため、これまではＡＣ電源を使用できる業務用の電子撮像装置の冷却に限定されてきた。

また、ヒートパイプも長さが６、７ｃｍ以上の長さでなければ、銅パイプの熱伝導性を超えることがない。

従って、ペルチェ素子やヒートパイプを用いて固体撮像素子を冷却する方法は、或る程度は有効であるが、携帯用の電子撮像装置においては放熱する場所を確保することが困難である。

そこで、レンズ鏡筒１１０の素材をマグネシウム合金などのダイカスト製に置き換えて撮像素子から発生する熱を分散することも考えられるが、重量の点や複雑な成型ができず、また高価になるという課題があるために現実的ではない。

そのため、現状では図８に示したように、固体撮像素子１４０からの熱を放熱シート１７０を介して銅やステンレスなどの放熱板１８０に分散させている場合が多い（下記の［特許文献１］）。

また、図９に示したレンズブロック１００Ｂは赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）用の３個の固体撮像素子１４０Ｒ、１４０Ｇ、１４０Ｂが取り付けられている。この３板式のレンズブロック１００Ｂは色分解プリズム１９０の３つの光射出面にそれぞれ赤色用固体撮像素子１４０Ｒ、緑色用固体撮像素子１４０Ｇ、青色用固体撮像素子１４０Ｂが固着されたものであり、それらの固体撮像素子１４０Ｒ、１４０Ｇ、１４０Ｂはそれぞれの背面側に配置された電子回路基板１４０にリード線により接続されている。この色分解プリズム１９０はレンズ鏡筒１１０に台座２００を介して固定されている。

なお、通常、色分解プリズム１９０は溶融石英ガラス、合成石英ガラス、ホウ珪クラウンガラスの何れかのガラスで形成されており、台座２００はガラス繊維入りポリカーボネート（ＰＣ）、ＡＢＳ樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド＝Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅの略）樹脂の何れかで形成されている。

このようなレンズブロック１００Ｂにおいても、図示していないが、前記のレンズブロック１００Ａと同様に、各固体撮像素子１４０Ｒ、１４０Ｇ、１４０Ｂから発生する熱を放散するための放熱板が取り付けられていて、これらの放熱板、レンズ鏡筒１１０を介して、電子撮像装置本体の外部に放熱させるようにしている（下記の［特許文献２］）。

また、固体撮像素子から発生する熱を放熱シート、レンズ鏡筒を介して電子撮像装置本体の外部に放熱させる技術は下記の［特許文献３］にも開示されている。
特開２００４−２０７９８号公報（第１頁要約、図２） 特開２００１−１１９６１５号公報（第１頁要約、図１） 特開２００２−７２３４１号公報（第３頁、図１）

しかし、前記のレンズブロック１００Ａのような構造は、電子撮像装置を小型化しようとするような場合、設計上、放熱板１８０を置くスペースが確保できなかったり、固体撮像素子１４０やドライバーＩＣから発生するノイズが放熱板１８０をアンテナとして外部に放出される不要輻射の問題がある。

また、３個の固体撮像素子を備えたレンズブロック１００Ｂは個体撮像素子そのものが３個存在するため発熱量が多く、かつ放熱板で放熱しようにも個体撮像素子全てに放熱板を取り付けることになり、レンズ鏡筒１１０に機械的なストレスが掛かり易くなり、光学的にずれが生ずるという問題がある。

本発明は、これらの課題を解決しようとするものであって、レンズ鏡筒の素材に熱伝導率の高い樹脂を用い、各固体撮像素子から発生する熱をそのレンズ鏡筒に伝達し、熱を分散するようにして温度上昇を防ぎ、良好なＳ／Ｎ比の画像信号を出力できるレンズブロックを備えた電子撮像装置を得ることを目的とする。

それ故、本発明の電子撮像装置は、レンズ鏡筒の前面にレンズが、その背面に少なくとも１個の固体撮像素子が取り付けられたレンズブロックを備えて構成されている電子撮像装置において、前記レンズ鏡筒が熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上の樹脂材で成形されていることを特徴とする。

前記レンズブロックには、前記レンズ鏡筒の前面にレンズが、その背面に台座を介して色分解プリズムが取り付けられており、その色分解プリズムの３つの光射出面にそれぞれ赤色用固体撮像素子、緑色用固体撮像素子、赤色用固体撮像素子が固着されていて、前記色分解プリズムも熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上のガラス材で形成されていることを特徴とする。そして前記色分解プリズムは溶融石英ガラス、合成石英ガラス、ホウ珪クラウンガラスの何れかのガラス材で形成されている。

そして前記樹脂材としてＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ＰＰＳ樹脂などの樹脂に熱伝導率の高いフィラーが混入されているものが好ましい。

そしてまた、前記熱伝導率の高いフィラーとしては炭素繊維、カーボンナノチューブ、セラミックス粒子、低融点合金などの何れか、またはそれらの組合せからなるものが好ましい。

また、前記低融点合金としては銅、銀、ビスマス、錫、亜鉛、インジウムの内の３種類以上を組合せたものであることが好ましい。

更に、前記レンズ鏡筒の樹脂の表面が高絶縁性材の層で被覆されていることが好ましい。

その高絶縁性材の層がＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ＵＶ硬化樹脂などであることが望ましい。

更にまた、前記固体撮像素子のパッケージ材がアルミナ、窒化珪素、窒化アルミなどの高熱伝導性セラミックス材で成形されていることが好ましい。

従って、本発明の電子撮像装置によれば、固体撮像素子で発生する熱をレンズ鏡筒を通じて外部に放散させることができる。

そしてレンズ鏡筒の表層をＤＬＣ、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ＵＶ硬化樹脂などの高抵抗率材料でコーティングすることにより、静電気がレンズ鏡筒を突き抜けたり、熱ノイズが固体撮像素子に悪影響を及ぼす危険性を低下させることができる。

更に、ＣＣＤなどの固体撮像素子のパッケージ材に、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミなどの高熱伝導性セラミックスを用いることにより、固体撮像素子から発生する熱をレンズ鏡筒により一層伝え易くでき、その固体撮像素子の温度を低下させることができる。

従って、本発明の電子撮像装置は、そのレンズブロックのレンズ鏡筒に熱伝導性の高い樹脂材を使用することにより固体撮像素子からの熱をレンズ鏡筒全体に分散させることができ、個体撮像素子の温度を低下させることができる。これにより固体撮像素子の熱ノイズも低減させることができる。また、レンズ鏡筒を成形で製作することができる。

以下、図を用いて、本発明の電子撮像装置に装着して好適な幾つかのレンズブロックを説明する。

図１は本発明の第１実施形態のレンズブロックを略線で示した側面図、図２は本発明におけるレンズ鏡筒の熱伝導率の変化に対する固体撮像素子の温度変化を示したグラフ、図３は本発明の第２実施形態のレンズブロックを略線で示した側面図、図４は図３に示したレンズブロックの各部の温度を示したグラフ、そして図５は本発明の第３実施形態の携帯電話用レンズブロックを略線で示した斜視図である。

先ず、図１を用いて本発明の第１実施形態のレンズブロックについて説明する。図１において、符号１Ａはレンズブロックを指す。このレンズブロック１Ａの構成、構造は図６及び図７に示したレンズブロック１００と同一である。即ち、このレンズブロック１Ａは、レンズ鏡筒１１Ａの前面にレンズ１２が、その背面にフィルター、プリズムなどの光学部品（不図示）を介して固体撮像素子１４が取り付けられており、この固体撮像素子１４の背後に電子回路基板１５が、そしてこの電子回路基板１５にドライバーＩＣ１６が半田付けされた構造で構成されている。しかし、このレンズ鏡筒１１Ａはその素材の点で従来のレンズ鏡筒１１０と異なり、熱伝導性の高い樹脂材で形成されている。

図２は本発明の第２実施形態のレンズブロック１Ｂである。このレンズブロック１Ｂの構成、構造は、図９に示したレンズブロック１００Ｂと同一である。即ち、このレンズブロック１Ｂも、レンズ鏡筒１１Ｂの前面にレンズ（不図示）が、その背面に台座２０を介して色分解プリズム１９が取り付けられており、その色分解プリズム１９の３つの光射出面にそれぞれ赤色用固体撮像素子１４Ｒ、緑色用固体撮像素子１４Ｇ、青色用固体撮像素子１４Ｂが固着されており、それらの固体撮像素子１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂのそれぞれの背面側には電子回路基板１５がリード線により接続されている。しかし、このレンズ鏡筒１１Ｂもその素材の点で従来のレンズ鏡筒１９０と異なり、熱伝導性の高い樹脂材で形成されている。

また、このレンズブロック１Ｂにおける台座２０の素材は、放熱性能を改善するために、炭素繊維、セラミックス、低融点合金などを含有したガラス繊維入りの熱伝導性樹脂で形成されている。その熱伝導率は、約２Ｗ／ｍＫである。なお、ガラス繊維を混入した理由は、剛性を持たせるためと熱伝導係数を色分解プリズム材に合わせるためである。

そして色分解プリズム１９も従来技術の色分解プリズム１９０と同様に、その材質は溶融石英ガラス、合成石英ガラス、ホウ珪クラウンガラスの何れかのガラスで形成されており、その熱伝導率は約１Ｗ／ｍＫを超えるものである。

図３は本発明の第３実施形態のレンズブロック１Ｃで、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡなどの小型、薄型携帯電子機器に用いて好適であって、このレンズブロック１Ｃは、レンズ鏡筒１１Ｃの上面（前面）にレンズ１２が、その下端部内に固体撮像素子１４が取り付けられている。この固体撮像素子１４は電子回路基板１５にリード線で接続されている。このレンズ鏡筒１１Ｃもその素材の点で従来のレンズ鏡筒１１０と異なり、熱伝導性の高い樹脂材で形成されている。

これらのレンズ鏡筒１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ（以下、レンズ鏡筒１１と記す）は熱伝導性の高い樹脂材を用いて成形する。この熱伝導性の高い樹脂製レンズ鏡筒１１は、従来技術におけるマグネシウム合金などのダイカストよりも安価で高精度に作製することができる。また、このレンズ鏡筒１１の熱伝達性能が従来のＡＢＳ樹脂やポリカーボネート樹脂などよりも高く、固体撮像素子１４から発生する熱を吸収してレンズ鏡筒１１での熱分散及び外部に放熱し易くなり、結果的に固体撮像素子１４の温度を下げることができるものである。

その熱伝導性の高い樹脂材としては、炭素繊維、カーボンナノチューブ、セラミックス粒子、低融点合金などの何れか、またはそれらの組合せからなる熱伝導率の高いフイラーと、べ一スとしてＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ＰＰＳ樹脂などが好適であるが、樹脂としては、前記の樹脂に限られるものではない。

前記セラミックス粒子としては、アルミナ、酸化亜鉛、窒化珪素、窒化アルミ、炭化珪素の単独またはそれら２種以上の組合せたものである。

また、前記低融点金属としては、銅、銀、ビスマス、錫、亜鉛、インジウムの内の３種類以上を組合せたものである。

なお、低融点金属や炭素繊維等のフイラーが添加された樹脂をレンズ鏡筒に用いた場合は、導電性も高くなるために、外部からの静電気を伝えたり、電子回路内部のノイズを固体撮像素子１４などに伝達したりする可能性がある。

そのため、レンズ鏡筒１１の表層をＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）やエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ＵＶ硬化樹脂などの高抵抗率材料でコーティングすることにより、静電気がレンズ鏡筒１１を突き抜けたり、ノイズが固体撮像素子１４に悪影響を及ぼす危険性を低下させることができる。

また、固体撮像素子１４、例えば、ＣＣＤのパッケージ材に、樹脂の代わりにアルミナ、窒化珪素、窒化アルミなどの高熱伝導性セラミックスを用いることが好ましい。パッケージ材の熱伝導性能が高くなることにより、ＣＣＤから発生する熱をレンズ鏡筒１１により一層伝え易くなり、ＣＣＤの温度を低下させることができる。

図４はレンズ鏡筒１１の樹脂材としてポリカーボネート（ＰＣ）樹脂と２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を持つ炭素繊維の組合せからなる高熱伝導性の樹脂に置き換えた場合のグラフである。

横軸はレンズ鏡筒１１の熱伝導率（単位：Ｗ／ｍＫ）、縦軸はＣＣＤ１４とレンズ鏡筒１１の温度（単位：℃）である。実際に樹脂に添加するフイラーの種類と量を調節することにより熱伝導率を変えた場合、熱伝導率が０．２Ｗ／ｍＫであるＡＢＳ樹脂やＰＣ樹脂などをレンズ鏡筒１１の材料に用いた場合に比べ、熱伝導率の上昇とともに各部の温度が低下することが判る。ＣＣＤ１４そのものが熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上で４℃以上は低下し、放熱効率が高いことが判る。この図４から判るように、樹脂材の熱伝導率を増加させると、ＣＣＤ１４の温度をより一層下げることができるということが判る。

図５は前記第２実施形態のレンズブロック１Ｂのレンズ鏡筒１１Ｂの樹脂材を高熱伝導性の樹脂に置き換えた湯合のグラフである。なお、レンズ鏡筒１１Ｂと台座２０の熱伝導率は共に２Ｗ／ｍＫである。色分解プリズム１９の熱伝導率は、元々、１Ｗ／ｍＫを超えるため、台座２０の熱伝導率が従来樹脂に比べ熱伝導率が高いと、レンズ鏡筒１１Ｂに熱を伝え易い構造となる。

横軸は図２に示したレンズ鏡筒１１Ｂにおける各温度測定位置で、縦軸は前記各温度測定位置における温度（単位：℃）である。

樹脂材の熱伝導率を下げた結果、各ＣＣＤ１４の温度はそれぞれ３℃程度低下し、逆にレンズ鏡筒１１Ｂ側の温度が若干上昇していて、レンズ鏡筒１１Ｂに熱が分散していることが判る。

図３に示した携帯電話等に用いられるレンズブロック１Ｃを例に採る。１１．０ｍｍ×１１．０ｍｍ×６．５ｍｍのレンズ鏡筒１１Ｃを熱伝導性が２Ｗ／ｍＫの樹脂を用いることにより、従来の０．２Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率を持つ樹脂を使用した場合に比べ、ＣＣＤ１４の温度を４℃程度低下させることができた。

なお、前記実施例では、ビデオカメラと携帯電話用のレンズブロックを例に採った。その他、固体撮像素子が搭載される電子機器としては、デジタルカメラ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）、自動車のバックカメラなどを挙げることができるが、本発明はこれらに限定されるものではないことを付言しておく。

本発明は、精密光学機器産業、電子機器産業で利用することができる。

本発明の第１実施形態のレンズブロックを概念図で表した側面図である。 本発明におけるレンズ鏡筒の熱伝導率の変化に対する固体撮像素子の温度変化を示したグラフである。 本発明の第２実施形態のレンズブロックを概念図で表した側面図である。 図３に示したレンズブロックの各部の温度を示したグラフである。 本発明の第３実施形態の携帯電話用レンズブロックを概念図で表した側面図である。 電子撮像装置に装着されている一般的なレンズブロックを概念図で示した分解斜視図である。 図６に示したレンズブロックの側面図である。 従来技術の第１形態のレンズブロックにおける固体撮像素子の放熱構造を概念図で示した側面図である。 従来技術の第２形態のレンズブロックを概念図で示した側面図である。

符号の説明

１Ａ…本発明の電子撮像装置における第１実施形態のレンズブロック、１Ｂ…本発明の電子撮像装置における第２実施形態のレンズブロック、１Ｃ…本発明の電子撮像装置における第３実施形態のレンズブロック、１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ…レンズ鏡筒、１２…レンズ、１４…固体撮像素子、１５…電子回路基板、１６…ドライバーＩＣ、１９…色分解プリズム、２０…台座

Claims (9)

1. レンズ鏡筒の前面にレンズが、その背面に少なくとも１個の固体撮像素子が配設されたレンズブロックを備え、前記レンズ鏡筒が熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上の樹脂材で成形されていることを特徴とする電子撮像装置。
2. 前記レンズブロックには、前記レンズ鏡筒の前面にレンズが、その背面に台座を介して色分解プリズムが取り付けられており、該色分解プリズムの３つの光射出面にそれぞれ赤色用固体撮像素子、緑色用固体撮像素子、青色用固体撮像素子が固着されていて、前記色分解プリズムも熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上のガラス材で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子撮像装置。
3. 前記樹脂材がＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド樹脂などの樹脂に熱伝導率の高いフィラーが混入されていることを特徴とする請求項１に記載の電子撮像装置。
4. 前記色分解プリズムが溶融石英ガラス、合成石英ガラス、ホウ珪クラウンガラスの何れかのガラス材で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電子撮像装置。
5. 前記熱伝導率の高いフィラーが炭素繊維、カーボンナノチューブ、セラミックス粒子、低融点合金などの何れか、またはそれらの組合せからなることを特徴とする請求項３に記載の電子撮像装置。
6. 前記低融点合金が銅、銀、ビスマス、錫、亜鉛、インジウムの内の３種類以上を組合せたものであることを特徴とする請求項５に記載の電子撮像装置。
7. 前記レンズ鏡筒の樹脂の表面が高絶縁性材の層で被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の電子撮像装置。
8. 前記高絶縁性材の層がＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ＵＶ硬化樹脂などであることを特徴とする請求項７に記載の電子撮像装置。
9. 前記固体撮像素子のパッケージ材がアルミナ、窒化珪素、窒化アルミなどの高熱伝導性セラミックス材で成形されていることを特徴とする請求項１に記載の電子撮像装置。
   

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