JP4009546B2

JP4009546B2 - 固体撮像素子カメラユニットとその組立方法

Info

Publication number: JP4009546B2
Application number: JP2003079999A
Authority: JP
Inventors: 武司野田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP2004289572A

Description

【０００１】
【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

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。