JP2006332841A - 撮像素子組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像素子の冷却能力を増大させることによって、撮像素子の高速動作を可能とする。
【解決手段】撮像素子１を素子格納部３よりも熱伝導率の高い部材で構成された素子搭載部７に搭載するとともに、前記撮像素子と前記撮像素子を制御する制御回路基板１３とを電気的に接続する入出力用ピン５を前記素子搭載部７と吸熱機構８との接触部分に干渉しない方向に設けることにより、前記撮像素子と前記吸熱機構の熱伝導率の向上と吸熱部分の面積の増大が図れ、その結果、素子の冷却能力が増大して従来よりもさらに高速な条件で撮像素子を駆動させることが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入射光の輝度に応じた信号を発生する画素を備え、撮影対象の画像を撮影する素子組立体に関するものであり、特に、爆発、破壊、燃焼等の現象を撮影するため好適な高速撮影用の撮像素子組立体に関するものである。

従来、撮影対象の画像を撮像する素子として、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の撮像素子が使用されており、近年では、爆発、破壊、燃焼、衝突、放電などの高速の現象を撮影するための高速撮影装置も開発されている。さらに、従来の一般的なＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の撮像素子では対応し得ないような、１００万枚／秒程度のきわめて高速度の撮影を可能にするために、例えば特許文献１に記載のような特殊な構造の撮像素子も開発されている。

このような撮像素子は一般的にパッケージに搭載して撮像素子組立体を構成することによって、外力による破損および塵や水分等による汚染から保護される。図３は、撮像素子をパッケージに搭載した撮像素子組立体の断面図であり、撮像素子１４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の絶縁体で構成された素子格納部１６の底面に貼付されている。また、撮像素子からの信号の取り出しおよび撮像素子を動作させるための信号入力は、撮像素子内に作製された電極１５と素子格納部底面に作製された電極１７をワイヤボンディング等によって接続し、電極１７と電気的に導通し、素子格納部の裏面に突出するように作成された入出力用ピン１８を介して制御回路基板２１に接続することによって行われる。さらに、素子格納部１６には光を透過する窓材１９が貼付され、外部からの塵等の進入を防いでいる。

このような撮像素子を搭載した高速度撮影装置で撮影を行う場合、撮像素子には撮影速度に応じた駆動周波数で電圧が印加され、それによって撮像素子は発熱する。特に特許文献1に記載された構造をもつ撮像素子の場合、発熱量は印加電圧および印加電圧の周波数に比例して増加するため、１００万枚／秒程度の高速度撮影を行う場合には、発熱量が膨大になり、過度の温度上昇によって撮像素子が破壊されてしまう。

この対策として、通常、撮像素子の冷却が行われる。撮像素子の冷却は図３に示すように素子が搭載されている素子格納部の裏面に冷却装置２０を設けることによって行われる。冷却装置としては、素子格納部の裏面に放熱板を設置し、ファン等によって放熱板への送風を行う空冷式や、素子格納部裏面の冷却部とは別に熱交換器を設け、冷却部と熱交換器の間で水の循環を行うことによって冷却を行う水冷式、ペルチェ効果によって吸熱を行う電子式等の方式が使用される。

特開平９−５５８８９号

従来のパッケージでは、撮像素子が搭載されている素子格納部は、その内側に製作された電極１７の電気的絶縁を確保するため、窒化アルミナ等の絶縁体で作製せざるを得ない。これらの絶縁体は金属等の導電性材料と比較すると熱伝導率が低く、したがって、撮像素子で発生した熱を効率良く素子格納部裏面に伝えることが出来ない。また、撮像素子への駆動電圧の印加や、撮像素子からの信号取り出しを行う入出力用ピン１８が素子格納部裏面に飛び出す構造となっているため、冷却機構８を入出力用ピン１８と干渉せずに設置しようとすると、取り付け面積が制限されてしまい、その結果、冷却能力が制限されることにより撮像素子の動作速度にも制限が生じてしまう。

そこで、本発明は、撮像素子の冷却能力を増大させることによって、１００枚／秒以上の高速動撮影が可能な撮像素子組立体を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明は、撮像素子を内部に格納する素子格納部と、前記素子格納部の一面を穿ち前記撮像素子の前面に設けられる窓材と、前記素子格納部よりも熱伝導率が高い材料で作成され前記窓材とは反対側の前記素子格納部の他面を貫通するように設けられて前記撮像素子を搭載する素子搭載部と、前記素子格納部の前記素子搭載部が貫通する面以外の面に設けられて前記撮像素子と外部の回路とを電気的に接続するための入出力用ピンを備えることを特徴としている。

素子搭載部は撮像素子で発生した熱を効率良く伝達し、また、入出力用ピンを受光面に対して裏面となる方向以外の個所に設けることによって、冷却機構を素子等細部に取り付ける際に入出力用ピンが干渉しない。

本発明の撮像素子組立体は素子格納部よりも熱伝導率の高い部材で素子搭載部を構成し、さらに、素子搭載部の吸熱部分と入出力ピンの干渉を無くすことにより、撮像素子と吸熱機構の熱伝導率の向上と吸熱部分の面積の増大が図れることにより、冷却能力が増大し、従来よりもさらに高速な条件で撮像素子を駆動させることが可能となる。

図１は、本発明装置の一実施例（実施例１）の断面図である。撮像素子１は、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等の薄膜形成技術または、エッチング等の薄膜加工技術によって製作され、入射光の輝度に応じた信号を発生する受光素子を備える複数の画素からなる受光面と画素内またはその近傍に設けられ、撮影中に各受光素子が発生する信号を蓄積する信号蓄積部を有している。また、撮影終了後に信号蓄積部に蓄積された信号を出力する構造となっている。

素子搭載部７は銅タングステン合金で製作されており、素子格納部３は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で製作されている。これらは気密接着することによって一体化されている。撮像素子１は素子搭載部７に貼付されている。銅タングステン合金の熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋであり、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の熱伝導率（１５０Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高いことから、素子搭載部７で発生した熱を効率的に外部に排出することが出来る。

撮像素子を動作させるための駆動電圧の印加および撮像素子に蓄積された信号の外部への取り出しのための電極２は素子格納部内側に製作された電極４とワイヤボンディングによって接続される。電極４と撮像素子１を制御する制御回路基板１３との接続は受光面側に設けられた入出力用ピン５によって行われる。

素子搭載部７の裏面には冷却機構８が接触している。冷却機構８は撮像素子１で発生した熱を吸収する吸熱部９、吸熱部９で吸収した熱を大気中に放熱する放熱部１０、吸熱部９および発熱部１０を接続する配管１１、配管内の冷却水を循環させるポンプ１２より構成されている。なお、冷却機構８に関しては、本実施例とは別の冷却機構、たとえば、素子格納部の裏面に放熱板を設置し、ファン等によって放熱板への送風を行う空冷式や、ペルチェ効果によって吸熱を行う電子式等、慣用技術として使用されている他の方式への置換が可能である。

撮像素子１の受光面に対向する部分には透明なガラス製の窓材６が貼付されている。窓材を貼付することによって撮像素子の受光面に塵や埃が付着することによって撮像素子が劣化することを防止している。また、本実施例では素子格納部３と窓材６を乾燥窒素雰囲気内で気密接着することによって、素子格納部内に窒素を封入し、水分の浸入による素子の劣化も防止している。

本発明の他の実施例（実施例２）を図２に示す。図２では図１と同一の構成要素には同一符号を付して詳しい説明を省略する。実施例２では入出力ピン５aを素子格納部３の側面に設けている。入出力ピン５ａを素子格納部３の側面に設けることによって、窓材１３の前面に制御回路基板１３を取り付ける必要がなくなるため、レンズ等の光学系をより撮像素子組立体に近接して取り付けることが可能となる。

なお、上記実施例は信号蓄積部を有する撮像素子について記載されているが、これ以外の撮像素子を搭載しても本願請求の範囲に含まれることは当然である。

本発明の撮像素子組立体を示した説明図である。(実施例１) 本発明の撮像素子組立体を示した説明図である。（実施例２） 従来の撮像素子組立体を示した説明図である。

符号の説明

１ 撮像素子、 ２ 電極、 ３ 素子格納部、４ 電極、 ５ 入出力用ピン、
５ａ 入出力用ピン、 ６ 窓材、 ７ 素子搭載部、 ８ 冷却機構、 ９ 吸熱部
１０ 放熱部、 １１ 配管、 １２ ポンプ、 １３ 制御回路基板、１４撮像素子
１５ 電極、 １６ 素子格納部、 １７ 電極、 １８ 入出力用ピン、 １９窓材
２０ 冷却機構、 ２１ 制御回路基板

Claims (2)

1. 入射光の強度に応じた信号を発生する複数の画素からなる撮像素子を有する撮像素子組立体において、前記撮像素子を内部に格納する素子格納部と、前記素子格納部の一面を穿ち前記撮像素子の前面に設けられる窓材と、前記素子格納部よりも熱伝導率が高い材料で作成され前記窓材とは反対側の前記素子格納部の他面を貫通するように設けられて前記撮像素子を搭載する素子搭載部と、前記素子格納部の前記素子搭載部が貫通する面以外の面に設けられて前記撮像素子と外部の回路とを電気的に接続するための入出力用ピンを備えることを特徴とする撮像素子組立体。
2. 請求項１に記載された撮像素子組立体において、前記撮像素子のうちの各画素は入射光の強度に応じた信号を発生する信号発生部と、該信号発生部の近傍に設けられて信号発生部が発生する信号を所定のタイミングで蓄積する複数の信号蓄積部を有し、信号読み出し時には前記信号蓄積部に蓄積された信号を順次出力することを特徴とする撮像素子。

Images