JP4009546B2 - 固体撮像素子カメラユニットとその組立方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、監視用途や、装置に組み込まれた部品の形状計測、位置認識、検査用途等に利用可能な固体撮像素子カメラユニット及びその組立方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
部品の形状計測、位置認識、検査などのFA用途のカメラとしては、白黒タイプのCCDカメラが広く利用されている。それは、白黒カメラはカラーカメラに比べ安価であると同時に、画素の情報が白黒の明暗の情報のみであるが故に、画像情報がシンプルで、画像処理が容易であるためである。このようなFA用途のカメラユニットのニーズは、サイズやコストを犠牲にしてでも、とにかく解像度を優先して要するものと、解像度を犠牲にしてでも、小型で安価なものに大別される。特に、FA用途では、近年、三次元画像計測や微細組立などのモニタ用として、カメラユニットを複数台使用する装置が多く、装置寸法を小型にし、装置に複数台組み込むにあたり、カメラユニットの小型化は必須の課題となっている。このように、小型のカメラユニットは、監視用や部品の形状計測、位置認識、検査などのFA用途のみならず、パーソナルコンピュータと組み合わせたOA分野や、携帯電話や家庭用ゲーム機などの家電の分野や、口内や体内などのモニタ用としての医療分野への応用も効き、産業上の貢献が非常に大きい。
【0003】
FA用途としてのカメラユニットは、このような小型化のニーズの中、小型化の改良が施され、中には駆動部を別体としてカメラヘッドのみを小型にした製品(従来例1)も出されている(例えば、特許文献1参照)が、駆動部を含めた小型カメラユニットの開発は、さほど進んでいない。
【0004】
また、近年、C−MOSセンサモジュールがCCDカメラに替わる固体撮像素子として、携帯電話やパソコンなどの組み込み用として提供されつつあるが、CCDカメラのようにしっかりした固定枠付きのカメラユニットとしては、まだ、普及していない状況にある。
【0005】
従来のFA用途の白黒タイプのCCDカメラユニットとしては、XC−ST30、XC−ST50およびXC−ST70(いずれも、ソニー株式会社製)などが広く知られ、また多数のメーカーが同等の製品を販売している。ここで、XC−ST30をはじめとする一般的な白黒タイプのCCDカメラユニットの駆動原理については図6を用い、構造については図7および図8を用いて説明する。
【0006】
図6において、CCDイメージセンサ106は、シグナルジェネレータ107により発生する垂直同期信号VDおよび水平同期信号HDに同期して、タイミングジェネレータ108で生成する読み出しパルスに応じて駆動するCCD駆動回路109により駆動される。CCDイメージセンサ106から出力されたそれぞれのフィールド信号は、CDS回路110、111を経て、AGC回路117、118でゲインコントロールされ、A/D回路119、120にてアナログ信号からデジタル信号に変換された後、フィールドメモリ113、114からなる記憶部112に記憶され、タイミングジェネレータ108に同期したメモリコントローラ115の読出制御に基づいて、同時に読み出される。そして、同時に読み出されたそれぞれのフィールド信号は、D/A回路121、122にてデジタル信号に再度変換され、信号合成回路116で互いに合成された後、プロセス123で所定の出力フォーマットに信号変換され、バッファアンプ124にて、バッファリングとインピーダンス整合され、フレーム信号として出力コネクタ125より出力される。
【0007】
このように、一般的な白黒タイプのCCDカメラユニットは、種々の電源、クロック、バイアスおよび複雑な信号処理回路などの周辺回路が必要になるため、オンチップに集積することが難しく、図7に示すように、駆動回路基板105a、105b、105c、105d、105eは複数枚に分割されて実装されている。また、図8の外観図に示すように、上記駆動回路基板105a〜105eは、固定枠101a、101b、101c、101d内に、図7に示した配置にて固定されている。さらに、前面の固定枠101bは、Cマウントの規格レンズがCCDに対して、Cマウント規格のフランジパックにて取り付くように、レンズのマウント部102を有し、後面の固定枠101cは、駆動用のDC電源供給コネクタ103および映像信号の出力コネクタ104を有する。なお、出力コネクタ104は、BNCコネクタと呼ばれる規格品のコネクタが使用されるのが一般的である。
【0008】
【特許文献1】
特開2001−186420号公報(第3−5頁)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記従来技術には、つぎのような問題点があった。すなわち、上記CCDカメラユニットでは、種々の電源、クロック、バイアスおよび複雑な信号処理回路などの周辺回路が必要になるため、オンチップに集積することが難しく、回路規模が大きくなり、複数枚の駆動回路基板を要すると同時に、駆動回路基板のサイズが大きくなり、その結果、カメラユニットとしてのサイズが大きくなるという欠点があった。
【0010】
また、このようなCCDカメラユニットでは、駆動回路規模が大きくなるのに伴い、駆動回路を構成する電気部品の点数が多くなるため部品のコストが高くなり、その結果、製品のコストも高くなるという欠点もあった。同時に、駆動回路規模が大きいのと、複数枚の回路基板を要するがゆえに、基板への部品の実装工数がかかり、また、固定枠への組み付け方が複雑で、組立工数もかかるという欠点もあった。
【0011】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、駆動回路基板のサイズを小型化し、組立が容易な小型で安価な固体撮像素子カメラユニットとその組立方法を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、固体撮像素子カメラユニットにおいて、光学像を撮像する固体撮像素子を収納して受像信号を取り出すセラミックパッケージを一方の面に装備し、前記固体撮像素子に電源供給する駆動回路と出力信号をNTSCもしくはPAL形式で取り出す出力コネクタとを他方の面に装備した駆動回路基板と、該駆動回路基板よりやや大きめの外形を有し、任意の光学倍率の光学レンズを装着するとともに前記セラミックパッケージを収納する空間を設け、前記駆動回路基板の一方の面に螺着された前側固定枠と、前記駆動回路基板と前記前側固定枠との側面を被覆し固定するとともに、前記駆動回路基板の他方の面に螺着された後側固定枠とを具備する。
【0013】
請求項2に係る発明は、請求項1に係る発明の固体撮像素子カメラユニットにおいて、固体撮像素子は、C−MOSセンサであることにした。
【0014】
請求項3に係る発明は、固体撮像素子カメラユニットの組立方法において、固体撮像素子をQFP、PLCCもしくはDIP形状のセラミックパッケージにワイヤボンデングする工程と、前記固体撮像素子のワイヤ部を保護するための封止材を塗布する工程と、前記セラミックパッケージの段差部に、固体撮像素子の保護効果および赤外光のカット効果を有するガラスリッドを載置し、前記セラミックパッケージに接着固定する工程と、前記セラミックパッケージおよび固体撮像素子からNTSCもしくはPAL形式の出力を取り出すのに必要な電子部品を駆動回路基板に実装する工程と、前記駆動回路基板を前側固定枠に螺着する工程と、互いに螺着された駆動回路基板と前側固定枠とに、駆動回路上の電子部品を保護するための後側固定枠を螺着する工程とを有する。
【0015】
本発明では、C−MOSセンサの単一電源、単一クロックで動作し、C−MOSプロセスにより、タイミング・制御信号、信号処理回路をオンチップ化できる利点に着目し、固体撮像素子にチップ状のC−MOSセンサを採用することにより、駆動回路規模を小さくし、駆動回路基板を小型化し、1枚で済むように構成する。また、出力コネクタにおいては、従来のように固定枠で固定するのではなく、駆動回路基板上に装備することで、固定枠自体の小型化を狙う。
【0016】
固定枠については、駆動回路基板を一枚で構成するのに伴い、必要最小限の寸法に抑えると同時に、C−MOSセンサがクロックやバイアスなどのアナログ値を無調整で行けるのと、オートゲインコントロールの機能をオンチップに盛り込むことにより、基板の無調整化を実現する。基板の無調整化から、固定枠は一度固定すれば、固体撮像素子や駆動回路基板の故障でもない限り、開ける必要性がなくなる。そこで、固定枠を従来のCCDカメラユニットのように開け閉めし易いように4体の構造にする必要がないので、駆動回路を一方の面に螺着した前側固定枠と、この前側固定枠の側面を被覆し、螺着される後側固定枠の2体の構造にすることにより、カメラユニットの小型化と組立時間の短縮を狙う。
【0017】
上記手段によれば、駆動回路基板の小型化に伴い、小型で安価な固体撮像素子カメラユニット、および、作業が容易な固体撮像素子カメラユニットの組立方法を実現することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、具体的な実施の形態について説明する。
【0019】
(実施の形態1)
図1〜図5は実施の形態1を示し、図1は固体撮像素子カメラユニットの分解構成図、図2はセラミックパッケージの縦断面図、図3は駆動回路基板の側面図、図4は変形例1のセラミックパッケージの側面図、図5は変形例2のセラミックパッケージの側面図である。
【0020】
図1において、、固体撮像素子カメラユニットは、主に、駆動回路基板2と、駆動回路基板2および光学レンズ4を駆動するために、駆動回路基板2の前面に配置された前側固定枠3と、駆動回路基板2の駆動回路を電気絶縁保護するために、駆動回路基板2の後面に配置された後側固定枠8とから構成されている。
【0021】
まず、駆動回路基板2の要部であるセラミックパッケージ1について説明する。図2において、セミックパッケージ1には、固体撮像素子としてのC−MOSセンサ21が実装されている。C−MOSセンサ21は、セル構造を有し、1つのセル内にフォトダイオード、電荷電圧変換部、リセットトランジスタ、アンプの機能を組み込み、メモリセルなどと同様にセルを縦横に配置したセル間をメタル配線し、セルアレイ周辺部のデコーダ、読み出し回路に接続され、デコーダはタイミング回路により制御され、読み出し回路は信号処理回路により制御される。C−MOSセンサ21では、これらの回路構成が、半導体プロセスにより1チップに集積されている。
【0022】
パッケージ枠20は、QFPリード20aを有し、C−MOSセンサ21がQFPリード20aにワイヤボンディング23により電気接続されている。パッケージ枠20は、パッケージ枠上部が段差部25になっていて、段差部25には、ワイヤボンディング23の保護および赤外線カット用のカバーガラス22が接着剤24により固定されている。セラミックパッケージ1は駆動回路基板2上に、QFPリード20aを介してハンダ接続されている。図3に示すように、駆動回路基板2の裏面には、C−MOSセンサ21の出力信号を、NTSCもしくはPAL形式に出力するための駆動回路用の電子部品2bが実装されている。NTSCもしくはPAL形式の出力信号は、出力コネクタ2cより出力される。また、図1および図3に示すように、駆動回路基板2の4隅には、駆動回路基板1を前側固定枠3に螺着するためのキリ孔2aが4ヶ所に穿設されている。
【0023】
図1において、前側固定枠3の前面中央には、任意の倍率の光学レンズ4を装着し、固定するためのネジ孔3cが螺刻されている。また後面には、ネジ孔3cと同心に、セラミックパッケージ1を光軸方向7に収納すると同時に光学像をC−MOSセンサ21に導くための角柱状および円筒状の空間としての開口穴3dが凹設されている。また、前側固定枠3の後面には、駆動回路基板2を固定ビス5により螺着するためのタップ穴3aが4ヶ所に穿設されている。さらに、互いに対向する側面には、後側固定枠8を固定ビス6により螺着するためのタップ穴3bが穿設されている。
【0024】
後側固定枠8は、升状の容器に形成されており、互いに対向する側面には、後側固定枠8を前側固定枠3に螺着するためのキリ孔8aが穿設されている。また、キリ孔8aが穿設されていない他の側面下部には長方形の通し孔8bが穿設され、この通し孔8bは、駆動回路基板2の出力コネクタ2cより出力されるNTSCもしくはPAL形式の映像信号線を引き出すために使用される。
【0025】
つぎに、図1〜図3を参照しつつ、固体撮像素子カメラユニットの組立方法について説明する。図2において、まず、ウェハ状態から所定の形状にカットされたC−MOSセンサ21を、セラミックパッケージ1上の所定パターンランド位置にワイヤボンディング23にて電気接続する。つぎに、ワイヤボンディングされたワイヤ部に封止材を塗布して保護する。つぎに、セラミックパッケージ1の段差部25に、C−MOSセンサ21の保護および赤外光のカットフィルタを有するガラスリッド22を載置し、接着剤24でセラミックパッケージ1上に接着固定する。C−MOSセンサ21が実装されたセラミックパッケージ1を、駆動回路基板2の表面の所定パターン位置にQFPリード20aを介してハンダ付け接続する。また、図3において、駆動回路基板2の裏面には、C−MOSセンサからNTSCもしくはPAL形式の映像信号を出力するための駆動回路用電子部品2bを実装し、さらに、C−MOSセンサの電源供給および映像信号を出力するための出力コネクタ2cを実装する。これにより、駆動回路基板2の組立作業が終了する。
【0026】
図1において、駆動回路基板2と前側固定枠3との外形寸法は同寸法、ないし駆動回路基板2の方をマイナス公差寸法とし、駆動回路基板2のセラミックパッケージ1の実装面上部に前側固定枠3を載置した状態で、駆動回路基板2のキリ孔2aと前側固定枠3aのタップ穴3aとを合致させ、固定ビス5により螺着する。これにより駆動回路基板2と前側固定枠3とが固定される。このとき、前側固定枠3には、セラミックパッケージ1を矢印7の光軸方向に収納すると同時に光学像をC−MOSセンサ21に導くための角柱状および円筒状の空間としての開口穴3dを凹設しているので、セラミックパッケージ1と前側固定枠3とは干渉することなく、光学レンズ4からの光学像が、C−MOSセンサ21(図2参照)に導かれる。
【0027】
後側固定枠8の升状の内形寸法は、前側固定枠3の外形寸法に対してプラス公差になっていて、固定された駆動回路基板2と前側固定枠3とに、後側固定枠8を嵌め込み、後側固定枠8上のキリ孔8aと、前側固定枠8上のタップ穴3bとを合致させて固定ビス6により螺着することにより固定され、本実施の形態の固体撮像素子カメラユニットの組立作業が終了する。これにより、駆動回路基板2上に実装された電子部品2bおよび出力コネクタ2cは保護される。
【0028】
固体撮像素子カメラユニットには、駆動回路基板2上の出力コネクタ2c(図3参照)の指定ピンに外部電力を供給することにより動作し、NTSCもしくはPAL形式の映像信号が同じく出力コネクタ2cの指定ピンに出力される。これらの供給電源線および映像出力線は、後側固定枠8上の通し孔8bにより外部に入出される。前側固定枠3は光学レンズ4が交換できるように、光学レンズ4の取り付けネジに螺合するネジ孔3cが設けてあるので、任意の倍率の光学レンズ4に交換することが可能である。
【0029】
本実施の形態の固体撮像素子カメラユニットによれば、固体撮像素子にC−MOSセンサ21を用いることにより、NTSCもしくはPAL形式などの映像信号を出力するための駆動回路が簡易な回路構成でよく、駆動回路用の電子部品2bがCCDに比べて、点数が少なくて済む。このため、駆動基板サイズが必要最小限にできると同時に、1枚の駆動回路基板で実現できるため、固体撮像素子カメラユニットを小型にでき、かつ、安価にすることができる。また、本実施の形態の固体撮像素子カメラユニットの組立方法によれば、組立作業が容易で、かつ、短時間で行うことができる。
【0030】
(変形例)
本実施の形態では、セラミックパッケージ1は、図2に示すように、QFP構造としたが、図4に示すように、PLCCリード20bを有するセラミックパッケージ1A(変形例1)や、図5に示すように、DIPリード20cを有するセラミックパッケージ1B(変形例2)の構造としてもよい。駆動回路基板2に対するセラミックパッケージ1A、1Bの取り付け構造を変更するのみで、実施の形態1と同様の効果を有する。
【0031】
また、レンズマウントについては、Cマウント規格が一般的であるが、Cマウウトの他に、フランジパックが小さく、小径のレンズが着脱できるようなオリジナルのマウントにしてもよい。また、。本実施の形態は、白黒のC−MOSセンサを使った白黒の小型カメラユニットであるが、カラータイプのC−MOSセンサを用い、カラーのNTSC出力小型カメラとしても良い。
【0032】
【発明の効果】
請求項1または2に係る発明によれば、駆動回路基板の小型化により、固定枠を必要最小限の寸法に抑え、基板の無調整化を実現し、小型で安価な固体撮像素子カメラユニットを得ることができる。これにより、監視用や部品の形状計測、位置認識、検査などのFA用途のみならず、パーソナルコンピュータと組み合わせたOA分野、携帯電話や家庭用ゲーム機などの家電分野および口内や体内などのモニタ用としての医療分野など、幅広い用途を開拓することができる。
【0033】
請求項2に係る発明によれば、上記効果に加え、固体撮像素子がC−MOSセンサであることにより、C−MOSセンサの単一電源、単一クロックで動作するC−MOSプロセスにより、タイミング・制御信号、信号処理回路をオンチップ化できる利点を利用して駆動回路規模を小さくし、小型で1枚の駆動回路基板で駆動回路を実現することができる。
【0034】
請求項3に係る発明によれば、セラミックパッケージに固体撮像素子を組み込んで駆動回路基板を完成し、駆動回路基板と前側固定枠とを互いに螺着し、さらに後側固定枠を螺着することにより、無調整で作業の容易な固体撮像素子カメラユニットの組立作業を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1の固体撮像素子カメラユニットの分解構成図である。
【図2】実施の形態1のセラミックパッケージの縦断面図である。
【図3】実施の形態1の駆動回路基板の側面図である。
【図4】実施の形態1の変形例1のセラミックパッケージの側面図である。
【図5】実施の形態1の変形例2のセラミックパッケージの側面図である。
【図6】従来技術の一般的な白黒CCDカメラユニットの駆動原理を示すブロック図である。
【図7】従来技術の一般的な白黒CCDカメラユニットの固定枠を取り外した際の外観図である。
【図8】従来技術の一般的な白黒CCDカメラユニットの外観図である。
【符号の説明】
1 セラミックパッケージ
2 駆動回路基板
3 前側固定枠
4 光学レンズ
8 後側固定枠
Claims (3)
- 光学像を撮像する固体撮像素子を収納して受像信号を取り出すセラミックパッケージを一方の面に装備し、前記固体撮像素子に電源供給する駆動回路と出力信号をNTSCもしくはPAL形式で取り出す出力コネクタとを他方の面に装備した駆動回路基板と、該駆動回路基板よりやや大きめの外形を有し、任意の光学倍率の光学レンズを装着するとともに前記セラミックパッケージを収納する空間を設け、前記駆動回路基板の一方の面に螺着された前側固定枠と、前記駆動回路基板と前記前側固定枠との側面を被覆し固定するとともに、前記駆動回路基板の他方の面に螺着された後側固定枠とを具備することを特徴とする固体撮像素子カメラユニット。
- 前記固体撮像素子は、C−MOSセンサであることを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子カメラユニット。
- 固体撮像素子をQFP、PLCCもしくはDIP形状のセラミックパッケージにワイヤボンデングする工程と、前記固体撮像素子のワイヤ部を保護するための封止材を塗布する工程と、前記セラミックパッケージの段差部に、固体撮像素子の保護効果および赤外光のカット効果を有するガラスリッドを載置し、前記セラミックパッケージに接着固定する工程と、前記セラミックパッケージおよび固体撮像素子からNTSCもしくはPAL形式の出力を取り出すのに必要な電子部品を駆動回路基板に実装する工程と、前記駆動回路基板を前側固定枠に螺着する工程と、互いに螺着された駆動回路基板と前側固定枠とに、駆動回路上の電子部品を保護するための後側固定枠を螺着する工程とを有することを特徴とする固体撮像素子カメラユニットの組立方法。
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