JP4903067B2 - 固体撮像素子の放熱構造 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子を備えるテレビジョンカメラ、ビデオカメラなどの撮像装置に用いられる固体撮像素子の放熱構造に関する。

近年、固体撮像素子を３個用いる撮像装置として３板式カラーカメラ（以下３板カメラという）が開発され広く用いられるようになってきている。このような従来の３板カメラの構造について、図面を用いて説明する。

図１は、従来の３板カメラにおける撮像ブロック１０の模式断面図である。図１に示すように、撮像ブロック１０は、３板カメラにおける図示しない撮像レンズを通過して入射された光を所定の色成分に分解する色分解プリズムと、複数の固体撮像素子と、各々の固体撮像素子が搭載された撮像素子基板とにより構成されている。

図１に示すように、色分解プリズムは、３つのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂが互いに密着して接合されることより構成され、入射光を３つの色成分に分解する３色分解プリズム１である。それぞれのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂの接合界面は、ダイクロイックミラー４、５となっている。また、３つのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂの光の出射面には、個別に固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂが接着剤を介して固定されている。

図１において、３色分解プリズム１に入射した光束７は、ダイクロイックミラー４、５によって、３つの色成分、すなわち光の３原色の光束６ａ、６ｂ、６ｃに色分解され、各々の固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂに受光される。ダイクロイックミラー４、５にて３原色に分解反射された光束のうちの光束６ａ、６ｂは、それぞれのプリズム部材１ｇ、１ｂ内にて再度全反射されることで、裏返し像（鏡像）ではなく表像を形成する光束として固体撮像素子２ｇ、２ｂに受光される。それぞれの固体撮像素子２ｇ、２ｂ、２ｒにて受光されたそれぞれの光束は、それぞれの撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂにて撮像信号の処理がなされて、撮像信号が合成されたカラーテレビジョン信号が得られる。

このような構成を有する従来の３板カメラでは、３色の被写体像の重ね合わせを精度良く行う必要がある。重ね合わせの精度、すなわちレジストレーションの精度が悪いと色ずれやモアレ偽信号が発生し、画質は微妙に劣化する。従って、レジストレーションの精度低下が生じないように、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂへ加わる外力負荷を低減させる必要がある。

また、固体撮像素子は高温環境下で使用すると、白傷による画質劣化、寿命短縮、等々の問題が発生するため、所定の温度以下での使用する必要がある。近年特に、固体撮像素子が搭載される３板カメラに代表される撮像装置においては、軽薄短小、多機能・高機能化による消費電力の増加に伴って、固体撮像素子の周辺温度（装置筐体内部温度）は益々上昇する傾向にあり、固体撮像素子を冷却する手段が不可欠となっている。

そのため、従来の撮像装置においては、固体撮像素子へ加わる外力負荷を低減させながら、固体撮像素子を効率的に冷却するための様々な放熱構造が提案されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。

まず、特許文献１においては、伝熱部材にネジによって設置された熱電冷却素子が、それぞれの固体撮像素子の背面に接触するように配置された放熱構造が提案されている。このような放熱構造においては、各部材の熱膨張や熱収縮に伴う変形量を、ネジのバックラッシュにより吸収することができるため、冷却素子から固体撮像素子に対して熱変形に伴う力が加わらないようにすることができる。

また、特許文献２においては、熱伝導板に固定された熱電冷却素子を、熱伝導板の弾性を利用して、固体撮像素子の背面に適切な力にて密着させるように配置させた放熱構造が提案されている。このような放熱構造においては、熱伝導板の弾性を利用することで、冷却素子を固体撮像素子の背面に密着させることができ、効率的な放熱を実現することができる。

特許文献３においては、熱電冷却素子を用いない放熱構造として、固体撮像素子の背面と撮像素子基板との間に、金属部品を挿入配置させて、金属部品を通して固体撮像素子から熱を逃がすような放熱構造が提案されている。

特開平１−２９５５７５号公報 特開２００２−２４７５９４号公報 特開２００１−３０８５６９号公報

近年、このような３板カメラにおけるそれぞれの固体撮像素子の位置決めは、μｍオーダの精度が要求されつつあり、例えばそれぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの位置決めは光軸方向では焦点深度があるため数十μｍ、被写体映像面内方向ではμｍオーダの精度を必要とするようになりつつある。

しかしながら、特許文献１の放熱構造においては、ネジのバックラッシュにより外力の吸収を行っているため、微小な熱変形により生じる外力を十分に吸収することはできず、作用する外力の大きさによっては、撮像素子の位置決め精度に影響を与える場合があり、この位置ずれによるレジストレーションの精度低下が問題となる。また、特許文献２の放熱構造では、熱伝導板の弾性力により固体撮像素子に外力が付加され、その外力は熱膨張等により変化するため、位置決め精度に影響を与えてしまう場合がある。また、特許文献１及び２の放熱構造では、比較的高価な熱電冷却素子が用いられているため、撮像装置がコスト上昇するという問題もある。

また、冷却素子を用いない特許文献３の放熱構造においても、金属部品が固体撮像素子の背面に接触するように配置されているため、金属部材の熱膨張・収縮によるスプリングバックに起因する負荷が固体撮像素子に加わり、固体撮像素子とプリズム部材との接着面において位置ずれが生じ、この位置ずれによるレジストレーションの精度低下が問題となる。また、特許文献１〜３のいずれの放熱構造もその構造が複雑なものであり、取り付け作業や取り扱い作業が容易なものとは言えない。

また、固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの前面とプリズム１ｒ、１ｇ、１ｂとの接着にはＵＶ接着剤（紫外線硬化性接着剤）が用いられ、接着剤を接着面間に塗布した状態で各固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの位置調整（６軸）を実施した後に、紫外線を照射して接着剤を硬化させ、接着面を固定する工法が広く利用されている。

しかしながら、このようなＵＶ接着剤は高温クリープ特性（高温環境下で負荷を掛け続けるとクリープする特性）を有するため、特に固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの周辺温度（装置筐体内部温度）が高くなると、上記金属部品等のスプリングバックに起因する負荷が深刻な問題となる。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、固体撮像素子を備える撮像装置に用いられる固体撮像素子の放熱構造において、比較的簡単な構造にて、固体撮像素子に加わる外力負荷を低減させながら、固体撮像素子を冷却する固体撮像素子の放熱構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、撮像レンズを通過して入射された光を所定の色成分に分解するプリズムと、上記プリズムの光の出射面に固定される複数の固体撮像素子と、各々の固体撮像素子が搭載される撮像素子基板とを有する撮像装置に用いられる固体撮像素子の放熱構造において、上記プリズムの側面に、熱伝導性材料からなる柔軟性を有する箔状のシートで形成した放熱シートを配置し、上記放熱シートは、上記固体撮像素子の背面に固定される第１端部と、別の部材に固定される第２端部とを有し、さらに上記放熱シートは、上記第１端部から上記第２端部へ向かう方向に沿って上記放熱シートを幅方向に複数に分割する切り込み部を有する、固体撮像素子の放熱構造を提供する。

本発明の第２態様によれば、上記放熱シートにおいて、上記第２端部よりも上記第１端部に近い位置に、上記それぞれの切り込み部が形成されている、第１態様に記載の固体撮像素子の放熱構造を提供する。

本発明の第３態様によれば、上記放熱シートは、複数の上記固体撮像素子に対して個別に固定される複数の上記第１端部を有する、第１態様又は第２態様に記載の固体撮像素子の放熱構造を提供する。

本発明の第４態様によれば、上記切り込み部は、幅を有するスリット部である、第１態様から第３態様のいずれか１つに記載の固体撮像素子の放熱構造を提供する。

本発明の第５態様によれば、上記放熱シートにおいて、上記第１端部から上記第２端部まで連なるように上記それぞれの切り込み部が形成されている、第１態様から第４態様のいずれか１つに記載の固体撮像素子の放熱構造を提供する。

本発明の第６態様によれば、上記固体撮像素子と、上記固体撮像素子が搭載される撮像素子基板との間に上記放熱シートの上記第１端部が固定される、第１態様から第５態様のいずれか１つに記載の固体撮像素子の放熱構造を提供する。

本発明によれば、固体撮像素子に固定された第１端部と、別の部材に固定された第２端部とを有する熱伝導性材料からなる柔軟性を有する箔状のシートで形成した放熱シートにおいて、上記第１端部から上記第２端部へ向かう方向に沿って上記放熱シートを幅方向に複数に分割する切り込み部が形成されていることにより、上記切り込み部の形成方向に直交する方向において熱膨張等により生じる応力負荷を低減させることができる。また、上記それぞれの切り込み部を、熱の流れ方向に沿って形成すれば、上記放熱シートにおける熱伝導性を損なうこともない。従って、比較的簡単な構造で放熱特性を損なうことなく、放熱シートを通じて固体撮像素子へ負荷される負荷（応力負荷）を低減することができ、レジストレーションの精度低下を抑制可能な固体撮像素子の放熱構造を提供することができる。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像素子の放熱構造が採用される３板カメラにおける撮像ブロック２０（放熱構造が装備されていない状態）の模式斜視図を図２に示し、本第１実施形態の放熱構造が装備された状態の撮像ブロック２０の模式斜視図を図３に示す。なお、撮像ブロック２０の構造は、図１に示す撮像ブロック１０と同じ構造であるため、同じ構成部材には同じ参照符号を付してその説明を省略する。

図２及び図３に示すように、本第１実施形態の固体撮像素子の放熱構造は、高熱伝導性材料により形成された箔状の放熱シート８における３つの第１端部８ａ、８ｂ、８ｃ（第１固定部）をそれぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの背面に固定し、第２端部８ｄ（第２固定部）をＡＢＳ樹脂等により形成されたレンズ鏡筒ケース（図示しない）にネジ止め等により固定するものである。各固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂにて発生した熱は、放熱シート８を通ってレンズ鏡筒ケースに伝達され、その結果、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの温度は低減される。

放熱シート８は、高熱伝導性材料として、例えば銅若しくはグラファイトシートなどが用いられ、さらに、その厚み方向に高い柔軟性を有するように、箔状として例えば０．１ｍｍ以下の厚みで形成される。

また、放熱シート８の第１端部８ａ、８ｂ、８ｃは、各固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂと、撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂとの間に、その厚み方向に略９０度折り曲げられて挿入された状態にて固定されている。このような第１端部８ａ、８ｂ、８ｃの固定は、固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂと撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂとの間に挿入された放熱シート８が、固体撮像素子と撮像素子基板とによって軽く挟まれた状態とされている。このような状態においては、放熱シート８の第１端部８ａ、８ｂ、８ｃが固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの背面に接した状態とされている。なお、放熱シート８と固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂとの接触性をより良好なものとするためにグリスなどが用いられるような場合であってもよい。ここで、このような放熱シート８の第１端部８ａ、８ｂ、８ｃと固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂとの「固定」とは、一方の部材に力を加えたときに、その力が他方へ伝わる状態を言う。特に、本発明においては、放熱シート８の第１端部８ａ、８ｂ、８ｃの表面沿いの方向に力が加わった場合に、固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの背面沿いの方向に作用する摩擦力により、上記力が伝わる程度に、放熱シート８が軽く挟み込まれている状態を言う。

ここで、図３において、紙面左右方向をＸ方向とし、Ｘ方向と直交する紙面手前方向をＹ方向として、Ｘ方向及びＹ方向と直交する紙面上下方向をＺ方向とする。放熱シート８は、撮像ブロック２０の側面の略中央部に配置され、その側面中央部から３方向（Ｘ方向右向き、Ｚ方向上向き、Ｚ方向下向き）へと分岐されて個別に延在するそれぞれの第１端部８ａ、８ｂ、８ｃが略９０度Ｙ方向奥向きに折り曲げられた状態にて、固体撮像素子と撮像素子基板との間に挿入配置されている。一方、第２端部８ｄは、上記側面中央部から上記３方向とは異なる方向であるＸ方向左向きに延在し、かつ他の部材を避けるように複数回折り曲げられて、図示しないレンズ鏡筒ケースに固定されている。

さらに、図３に示すように、放熱シート８におけるそれぞれの第１端部８ａ、８ｂ、８ｃの近傍部分には、複数の切り込み部９ａ、９ｂ、９ｃが形成されている。それぞれの切り込み部９ａ、９ｂ、９ｃは、放熱シート８におけるそれぞれの第１端部８ａ、８ｂ、８ｃへの分岐部分において、第１端部８ａ、８ｂ、８ｃから第２端部８ｄへ向かう方向である熱の流れ方向（熱流束方向）ｈ１、ｈ２、ｈ３にそれぞれ平行となるように形成されている。すなわち、放熱シート８の幅方向に直交する方向に、複数本の切り込み部９ａ、９ｂ、９ｃが形成されている。

本発明の課題であるレジストレーションの精度低下が問題となるのは、固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂとプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂの接着面をせん断する方向に負荷（応力負荷）が加わる場合である。このような接着面をせん断する方向の負荷は、放熱シート８が熱膨張又は熱収縮することにより、その長手方向と幅方向とにおいて付加されることになるが、放熱シート８は、その長手方向において折り曲げ部分が形成されているため、長手方向の負荷は比較的吸収されやすく、逆に吸収され難い幅方向の負荷が問題となる。この幅方向におけるせん断方向の負荷は、放熱シート８の幅寸法の三乗に比例するため、幅方向に直交する方向に複数の切り込み部９ａ、９ｂ、９ｃを設けることによって、せん断方向の負荷を低減することができる。例えば、放熱シート８に９本の切り込み部を設け、その幅方向に１０分割した場合、切り込み部を設けない場合と比して、せん断応力は、約１００分の１程度まで低減することができる。

一方、このような切り込み部９ａ、９ｂ、９ｃは、放熱シート８の幅方向に直交する方向、すなわち、熱の流れ方向ｈ１、ｈ２、ｈ３に平行に形成されているため、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂより放熱シート８を通して伝達される熱は、切り込み部９ａ、９ｂ、９ｃに平行な方向に流れ、熱の流れを妨げることがない。従って、熱伝達量は切り込み部を形成しない場合と略同等であり、切り込み部が形成されることによる放熱シート８の放熱特性の低下はほとんど発生しない。

従って、本第１実施形態の固体撮像素子の放熱構造によれば、従来の放熱構造に対して、放熱特性をほとんど低下させること無く、レジストレーションの精度低下の主な要因であるせん断方向の負荷、特に放熱シート８の幅方向において生じるせん断応力負荷を、複数の切り込み部を形成することで低減することができる。また、このような放熱構造は、箔状の放熱シート８に複数の切り込み部９ａ、９ｂ、９ｃを形成することで実現することができるため、その構造を簡単なものとすることができ、複雑な調整部品、調整工程を必要とせず、その取り扱いを容易なものとすることができる。

なお、上記説明では、各固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂ近傍、すなわちそれぞれの第１端部８ａ、８ｂ、８ｃの近傍に切り込み部９ａ、９ｂ、９ｃを形成するような場合について説明したが、切り込み部の形成位置は、このような場合についてのみ限定されるものではなく、その他様々な位置に形成することができる。例えば、放熱シート８の第２端部８ｄの近傍に切り込み部９ｄが形成されるような場合であってもよい。このような切り込み部９ｄが熱の流れ方向ｈ４に沿って単独で形成されるような場合であっても良く、また、図４に示すように、それぞれの切り込み部９ａ、９ｂ、９ｃと組み合わせて設けるような場合であっても良い。ただし、せん断方向の負荷を低減させる目的位置の近傍、すなわちそれぞれの第１端部８ａ、８ｂ、８ｃの近傍に切り込み部９ａ、９ｂ、９ｃが設けられた構成を採用することで、固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂに付加される応力負荷をより効果的に低減させることができる。

また、上記説明では、放熱シート８に切り込み部９ａ、９ｂ、９ｃが設けられた構造を例として説明したが、このような切り込み部９ａ、９ｂ、９ｃとして、例えば０．１ｍｍ程度の幅寸法を有する複数のスリット部を設けても同様の効果を得ることができる。すなわち、本第１実施形態の切り込み部は、放熱シート８をその幅方向に複数に分割させるために形成されており、このような分割を実現できる形態であれば、幅を有さない切り込み部でも、幅を有する切り込み部（スリット部）であってもよい。また、これらの切り込み部は、必ずしも等間隔に形成される必要はなく、またその形成本数は、低減させる負荷や放熱シート８の強度などを考慮して決定されることが好ましい。

また、上記説明では、３つの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂのそれぞれに固定される全ての第１端部８ａ、８ｂ、８ｃの近傍に切り込み部９ａ、９ｂ、９ｃを設けるような場合について説明したが、このような場合に代えて、特定の固定撮像素子に固定される第１端部の近傍にのみ、切り込み部が形成されるような場合であってもよい。例えば、３つの固体撮像素子のうちの基準（光学特性を調整する際に基準）となる撮像素子が存在するような構成にあっては、基準となる撮像素子に固定される第１端部の近傍に切り込み部を設けて、それ以外の撮像素子に固定される放熱シートには切り込み部が形成されないような構成を採用することもできる。

（第２実施形態）
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像素子の放熱構造が装備された撮像ブロック２０の模式斜視図を図５に示す。なお、図５における撮像ブロック２０は、図２の撮像ブロック２０と同じ構成であるため、同じ参照符号を付してその説明を省略する。

図５に示すように、本第２実施形態の放熱構造においては、第１実施形態の放熱シート８に代えて、高熱伝導性材料により形成された複数の線状の放熱ライン（あるいは線状の放熱部材）１８が用いられている点において、上記第１実施形態の放熱構造とは相違する。

このような放熱ライン１８は、銅線、若しくは所定の幅を有するグラファイトシートにより形成することができる。複数の放熱ライン１８の一端である第１端部１８ａ、１８ｂ、１８ｃは図示しない複数の第１の放熱ベースに固定されて、各々の固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの背面に各々の第１の放熱ベースが固定されている。また、その他端である第２端部１８ｄは第２の放熱ベース１９に固定されており、この第２の放熱ベース１９が図示しないレンズ鏡筒ケースに固定されている。第１の放熱ベース及び第２の放熱ベース１９は、高熱伝導性材料により例えばシート状に形成されている。このように、線状の放熱ライン１８を直接的に固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂに固定することなく第１の放熱ベースが介在されていることにより、その取り付けや取り扱い性を良好なものとすることができる。

このような本第２実施形態の放熱構造によれば、上記第１実施形態の放熱構造と比して、放熱ライン１８の配置の自由度が向上するため、装置の軽薄短小化に伴って益々、高密度化する装置内部の複雑な部品レイアウトに柔軟に対応可能である。

また、上記説明では、線状の放熱ライン１８が用いられるような場合について説明したが、放熱ラインを、微小幅を有する短冊形状として形成することもできる。すなわち、上記第１実施形態の放熱シート８において、第１端部８ａ、８ｂ、８ｃの近傍から、第２端部８ｄの近傍まで連なるようにそれぞれの切り込み部を形成することで、このような線状又は短冊形状の放熱ラインを構成することができる。なお、所定の幅を有する箔状のグラファイトシートを捻ることで、放熱ラインの強度を向上させることもできる。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、特許請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

従来の３板式カラーカメラにおける撮像ブロックの模式構成図 本発明の第１実施形態の固体撮像素子の放熱構造が未装備状態の撮像ブロックの模式斜視図 図２の撮像ブロックに上記第１実施形態の放熱構造を装備した状態の模式斜視図 上記第１実施形態の変形例にかかる放熱構造の模式斜視図 本発明の第２実施形態の固体撮像素子の放熱構造が装備された状態の撮像ブロックの模式斜視図

符号の説明

１ ３色分解プリズム
１ｒ プリズム部材（赤色）
１ｇ プリズム部材（緑色）
１ｂ プリズム部材（青色）
２ｒ 固体撮像素子（赤色用）
２ｇ 固体撮像素子（緑色用）
２ｂ 固体撮像素子（青色用）
３ｒ 撮像素子基板（赤色用）
３ｇ 撮像素子基板（緑色用）
３ｂ 撮像素子基板（青色用）
４ ダイクロイックミラー
５ ダイクロイックミラー
６ａ 原色の光束（赤色用）
６ｂ 原色の光束（緑色用）
６ｃ 原色の光束（青色用）
７ 光束
８ 放熱シート
８ａ、８ｂ、８ｃ 第１端部
８ｄ 第２端部
９ａ 切り込み部（赤色固体撮像素子用）
９ｂ 切り込み部（緑色固体撮像素子用）
９ｃ 切り込み部（青色固体撮像素子用）
９ｄ 切り込み部
１０、２０ 撮像ブロック
１８ 放熱ライン
１９ 放熱ベース

Claims (6)

1. 撮像レンズを通過して入射された光を所定の色成分に分解するプリズムと、上記プリズムの光の出射面に固定される複数の固体撮像素子と、各々の固体撮像素子が搭載される撮像素子基板とを有する撮像装置に用いられる固体撮像素子の放熱構造において、
   上記プリズムの側面に、熱伝導性材料からなる柔軟性を有する箔状のシートで形成した放熱シートを配置し、
   上記放熱シートは、上記固体撮像素子の背面に固定される第１端部と、別の部材に固定される第２端部とを有し、
   さらに上記放熱シートは、上記第１端部から上記第２端部へ向かう方向に沿って上記放熱シートを幅方向に複数に分割する切り込み部を有する、固体撮像素子の放熱構造。
2. 上記放熱シートにおいて、上記第２端部よりも上記第１端部に近い位置に、上記それぞれの切り込み部が形成されている、請求項１に記載の固体撮像素子の放熱構造。
3. 上記放熱シートは、複数の上記固体撮像素子に対して個別に固定される複数の上記第１端部を有する、請求項１又は２に記載の固体撮像素子の放熱構造。
4. 上記切り込み部は、幅を有するスリット部である、請求項１から３のいずれか１つに記載の固体撮像素子の放熱構造。
5. 上記放熱シートにおいて、上記第１端部から上記第２端部まで連なるように上記それぞれの切り込み部が形成されている、請求項１から４のいずれか１つに記載の固体撮像素子の放熱構造。
6. 上記固体撮像素子と、上記固体撮像素子が搭載される撮像素子基板との間に上記放熱シートの上記第１端部が固定される、請求項１から５のいずれか１つに記載の固体撮像素子の放熱構造。

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