JP6363896B2 - 撮像ユニットの製造方法および撮像ユニット - Google Patents

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Description

本発明は、撮像ユニットの製造方法および撮像ユニットに関し、特に、細径の内視鏡に内蔵される極小の内視鏡用撮像ユニットの製造方法および内視鏡用撮像ユニットに関するものである。
カメラの撮像ユニットの組み立て時には、対物レンズの結像面が撮像素子の撮像面に一致するように、対物レンズと撮像素子との位置合わせを行う必要がある(例えば、特許文献1,2参照。)。
特開2006−270264号公報 特開2005−12327号公報
対物レンズおよび撮像素子が、数ミリメートル程度の極小である場合には、これらを直接把持して取り扱うことが困難である。さらに、対物レンズと撮像素子との相対位置がわずかでもずれてしまうと、撮像素子によって取得される画像にピントボケや光軸ずれが顕著に発生させてしまうため、対物レンズと撮像素子との位置合わせにはマイクロメートル単位の厳密な精度が要求される。そこで、極小の撮像ユニットの組み立てには、以下のような方法が用いられている。
まず、対物レンズを鏡枠で保持した対物レンズユニットと、撮像素子を鏡枠で保持した撮像素子ユニットとを、それぞれ数センチメートルの比較的大きなホルダに保持させ、ホルダをそれぞれ治具に取り付ける。次に、接合剤を塗布した鏡枠同士を入れ子式に嵌合し、治具によってホルダの位置を微調整することによって、対物レンズと撮像素子との相対位置が最適となるようにホルダ同士を位置合わせする。次に、接合剤を硬化させることによって鏡枠同士を結合し、ホルダから各ユニットを取り外す。以上の手順によって、対物レンズと撮像素子とが高精度に位置合わせされた撮像ユニットを製造することができる。
しかしながら、製造ラインにおいては、ホルダ同士の位置合わせと接合剤の硬化とは、別々の装置によって別々の場所で行われるため、互いに位置合わせされたホルダを移動させなければならない。このときに、ホルダ同士の相対位置が変化しないようにホルダ同士を仮固定した後に移動させる。しかしながら、接合剤が未硬化であるため、仮固定の際にホルダ同士の相対位置にわずかながらずれが生じ易い。この相対位置のずれは、上述したように、極小の撮像ユニットにおいては品質に大きな影響を与えてしまう。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、対物レンズおよび撮像素子が極小であってもこれらが厳密に位置合わせされた高品質の撮像ユニットを安定的に製造することができる撮像ユニットの製造方法および撮像ユニットを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、撮像素子または対物レンズのどちらか一方を保持する筒状の第1の鏡枠を備え、該第1の鏡枠の外周面または外周面から突出した部分に第1の締結部を一体的に備える第1のユニットと、前記撮像素子または前記対物レンズのどちらか他方を保持する筒状の第2の鏡枠を備え、該第2の鏡枠の外周面から突出した部分に前記第1の締結部と機械的に締結可能な第2の締結部を一体的に備える第2のユニットとを、前記第1の鏡枠内に前記第2の鏡枠を嵌入させることで組み立てる撮像ユニットの製造方法であって、前記鏡枠の嵌合部分に接合剤を塗布する塗布ステップと、前記第1の鏡枠内に前記第2の鏡枠を嵌合させ、前記第1のユニットと前記第2のユニットとの相対位置合わせを行う位置合わせステップと、該位置合わせステップにおいて相対位置を合わせられた前記第1のユニットおよび前記第2のユニットの前記第1の締結部と前記第2の締結部とを機械的に締結する締結ステップと、前記接合剤を硬化させることによって、前記第1の締結部と前記第2の締結部とが締結された前記第1のユニットおよび前記第2のユニットの前記鏡枠同士を固定する硬化ステップと、前記接合剤の硬化後に、前記第1の締結部および前記第2の締結部のうち、前記第1の鏡枠の外周面から突出した部分を切除する切除ステップとを含む撮像ユニットの製造方法を提供する。
本発明によれば、塗布ステップにおいて鏡枠の嵌合部分に接合剤を塗布した対物レンズユニットと撮像素子ユニットとを、位置合わせステップにおいて組み立てて位置合わせする。対物レンズおよび撮像素子は、光軸が鏡枠の長手方向の中心軸と略一致するようにそれぞれ鏡枠に保持されており、互いに入れ子式に嵌合させた2つの鏡枠の相対位置を微調整することによって対物レンズの結像面が撮像素子の撮像面に厳密に一致するように、ユニット同士を位置合わせすることができる。このときに、各鏡枠の外側に設けられている締結部の位置で各ユニットを直接把持し、締結部の位置を微調整することによって、ユニット同士を位置合わせすることができる。
続いて、締結ステップにおいて、締結部同士を機械的に締結することによってユニット同士を仮固定する。このときに、各ユニットの一部分である締結部同士を直接締結するので、位置合わせステップにおいて厳密に位置合わせされたユニット同士の相対位置にずれを生じさせることなく、ユニット同士を仮固定することができる。次の硬化ステップにおいても、ユニット同士の相対位置は維持されるので、対物レンズおよび撮像素子が極小であってもこれらが厳密に位置合わせされた高品質の撮像ユニットを安定的に製造することができる。また、接合剤の硬化後は、撮像ユニットとしては不要な締結部を切除ステップにおいて切除することによって、小型の撮像ユニットを製造することができる。
上記発明においては、前記第1の締結部が、前記第1の鏡枠の外周面から半径方向に突出した部分に設けられ、半径方向外側に位置する第1の厚肉領域と、前記第1の鏡枠の外周面と前記第1の厚肉領域との間に位置する第1の薄肉領域とを備え、前記第2の締結部が、前記第2の鏡枠の外周面から半径方向に突出した部分に設けられ、半径方向外側に位置する第2の厚肉領域と、前記第2の鏡枠の外周面と前記第2の厚肉領域との間に位置する第2の薄肉領域とを備え、前記第1の薄肉領域が、前記半径方向に交差する方向に、前記第1の厚肉領域よりも小さな寸法を有しし、前記第2の薄肉領域が、前記半径方向に交差する方向に、前記第2の厚肉領域よりも小さな寸法を有することが好ましい。
このようにすることで、薄肉領域において締結部を容易に切除することができる。薄肉領域の前記半径方向に交差する方向の寸法は、締結部の前記半径方向に交差する方向の寸法の80%以下であることが好ましい。
また、上記発明においては、前記第1の締結部の、前記第1の鏡枠の外周面からの前記半径方向の突出量が、1mm以上であり、前記第2の締結部の、前記第2の鏡枠の外周面からの前記半径方向の突出量が、1mm以上であることが好ましい。
このようにすることで、締結部同士の機械的な締結に十分な寸法を確保することができる。突出量が1mm未満である場合には、締結部が小さすぎて締結部同士の締結が困難になる。
また、本発明は、上記いずれかに記載の撮像ユニットの製造方法によって製造された撮像ユニットを提供する。
本発明によれば、対物レンズおよび撮像素子が極小であってもこれらが厳密に位置合わせされた高品質の撮像ユニットを安定的に製造することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る撮像ユニットの製造方法において使用される対物レンズユニットおよび撮像素子ユニットの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る撮像ユニットの製造方法を示すフローチャートである。 図1の対物レンズユニットと撮像素子ユニットとを組み立てた状態を示す斜視図である。 図3の対物レンズユニットと撮像素子ユニットとの組み立て体の、A線における断面図である。 図3の対物レンズユニットと撮像素子ユニットとの組み立て体の、B線における断面図である。 図1の対物レンズユニットおよび撮像素子ユニットの変形例の斜視図である。 図6の対物レンズユニットと撮像素子ユニットとを組み立てた状態を示す斜視図である。 図7の対物レンズユニットと撮像素子ユニットとの組み立て体の、C線における断面図である。 図7の対物レンズユニットと撮像素子ユニットとの組み立て体の、D線における断面図である。 図1の対物レンズユニットおよび撮像素子ユニットのもう1つの変形例の斜視図である。 図10の対物レンズユニットと撮像素子ユニットとを組み立てた状態を示す斜視図である。 図11の対物レンズユニットと撮像素子ユニットとの組み立て体の、E線における断面図である。 図11の対物レンズユニットと撮像素子ユニットとの組み立て体の、F線における断面図である。
以下に、本発明の一実施形態に係る撮像ユニットの製造方法について図面を参照して説明する。
まず、本実施形態に係る撮像ユニットの製造方法において使用される対物レンズユニット10および撮像素子ユニット20について、図1を参照して説明する。なお、以下の説明においては、各ユニット10,20の光軸P,Q方向をZ方向と定義し、光軸P,Qに垂直な方向をX方向およびY方向と定義する直交座標系を用いる。特に、締結部3,6の、鏡枠2,5からの突出方向をY方向とする。
対物レンズユニット10は、対物レンズ1と、該対物レンズ1を内部に保持する略円筒状の鏡枠2と、該鏡枠2の外側に設けられた締結部(第2の締結部)3とを備えている。
対物レンズ1は、全体として円筒状であり、本例においては、1mmの外形寸法と、5mmの全長寸法とを有する極小のものを想定している。
鏡枠2は、長手方向に貫通する円柱状の穴2aを有している。対物レンズ1は、該対物レンズ1の光軸Pが鏡枠2の長手方向の中心軸と略一致するように穴2a内に収容され、穴2aの内周面に接着剤によって固定されている。
締結部3は、鏡枠2の外周面の周方向の一部から、該外周面の長さ方向の全長にわたって半径方向のY方向に突出した矩形の薄い平板状であり、鏡枠2と一体的に形成されている。
撮像素子ユニット20は、CCDイメージセンサまたはCMOSイメージセンサのような撮像素子4と、該撮像素子4を保持する略円筒状の鏡枠5と、該鏡枠5の外側に設けられた締結部(第1の締結部)6とを備えている。
撮像素子4は、矩形の平板状であり、本例においては、一辺が2mmの極小のものを想定している。
鏡枠5は、長手方向に貫通する略円柱状の穴5aを有している。撮像素子4は、該撮像素子4の光軸Qが穴5aの長手方向の中心軸と略一致するように、鏡枠5の一方の端面(基端面)に形成された矩形状の開口部内に嵌合し、接着剤によって固定されている。また、穴5aは、対物レンズユニット10の鏡枠2が、径方向に遊びを有した状態で長手方向に入れ子式に嵌合可能なように、鏡枠2の外径寸法よりも若干大きな内径寸法を有している。
締結部6は、鏡枠5の外周面から半径方向のY方向に離れた位置に設けられた、鏡枠5と並列に延びる角柱状の厚肉領域6aと、鏡枠5の外周面と厚肉領域6aとを連結する薄肉領域6bとからなり、厚肉領域6aおよび薄肉領域6bは、鏡枠5と一体に形成されている。
厚肉領域6aは、Z方向およびX方向に鏡枠5と同等の寸法を有している。また、締結部6の鏡枠5の外周面からのY方向の突出量(鏡枠5の外周面から厚肉領域6aの半径方向外側の端までの寸法)は、2mmである。
薄肉領域6bのX方向の厚さ寸法は、厚肉領域6aのX方向の厚さ寸法の80%以下であり、本例においては50%に設計されている。
また、締結部6には、穴5aに鏡枠2を嵌合する際に締結部3をZ方向に案内する溝7が形成されている。溝7は、締結部6をY方向に貫通しており、穴5a内に鏡枠2が嵌合した状態において、締結部3の半径方向外側の端部が溝7から突出するようになっている。また、溝7は、締結部6のZ方向の途中位置で終端しており、締結部3が溝7の終端に突き当たった状態において、対物レンズ1の結像面が撮像素子4の撮像面にほぼ一致するようになっている。また、溝7は、締結部3が、X方向に遊びを有した状態で挿入可能なように、締結部3の厚さ寸法よりも若干大きな幅寸法を有している。
また、締結部3には通し穴3cが、締結部6の厚肉領域6aにはねじ8と締結されるねじ穴6cが、それぞれX方向に貫通形成されている。通し穴3cおよびねじ穴6cは、溝7に締結部3が挿入されて締結部6と締結部3とがX方向に重なった状態において互いに対応する位置に形成されており、通し穴3cを介してねじ穴6cにねじ8を挿入可能になっている。ここで、通し穴3cは、ねじ8がY方向およびZ方向に遊びを有した状態で通し穴3cに貫通するように、ねじ8の外径寸法よりも若干大きな内径寸法を有している。
次に、対物レンズユニット10と撮像素子ユニット20とを用いた本実施形態に係る撮像ユニットの製造方法について説明する。
本実施形態に係る撮像ユニットの製造方法は、図2に示されるように、鏡筒2,5同士の嵌合部分に接合剤を塗布する塗布ステップS1と、鏡筒2,5同士を嵌合させてユニット10,20同士を相対位置合わせする位置合わせステップS2と、締結部3,6同士をねじ8で締結する締結ステップS3と、接合剤を硬化させる硬化ステップS4と、締結部3,6を切除する切除ステップS5とを含む。
各ユニット10,20は、数ミリメートル規模の微小な部材であり、手作業による取り扱いが困難である。したがって、各ユニット10,20の後述する取り扱いには、各ユニット10,20をそれぞれ保持および操作する治具を使用する。治具は、各ユニット10,20の締結部3,6を把持可能であるとともに、把持している締結部3,6を、ローラテーブルのような微動機構によって各ユニット10,20のX,Y,Z方向に対応する3軸方向にマイクロメートル単位で移動および位置決め可能である。
まず、塗布ステップS1において、対物レンズユニット10の鏡枠2および締結部3の外表面に接合剤9を塗布する。このときに、この後の位置合わせステップS2においてユニット10,20同士を組み付けたときに、鏡枠2の外周面と鏡枠5の内周面との隙間、および、締結部3の外表面と溝7の内表面との隙間が接合剤9で満たされるように、十分な量の接合剤9を塗布する。接合剤9は、高温に加熱されることによって硬化する熱硬化型樹脂製である。
次に、位置合わせステップS2において、図3から図5に示されるように、締結部3を、溝7の終端に突き当たるまで該溝7内に挿入することによって、鏡枠2を鏡枠5内に嵌合し、撮像素子ユニット20に対物レンズユニット10を組み付ける。さらに、通し穴3cを介してねじ穴6cにねじ8を挿入し、ねじ8を緩めた状態にする。この状態において、対物レンズユニット10および撮像素子ユニット20は、対物レンズ1の結像面が撮像素子4の撮像面にほぼ一致する相対位置に配置され、さらに、穴5a内の鏡枠2の遊びと、溝7内の締結部3の遊びとによって、撮像素子ユニット20に対して対物レンズユニット10をわずかにX,Y,Z方向に移動可能である。
さらに、位置合わせステップS2において、治具に備え付けられた微動機構を使用し、対物レンズユニット10と撮像素子ユニット20とのX,Y,Z方向の位置の微調整を、マイクロメートル単位の精度で行う。具体的には、撮像素子4によって撮影される画像を観察しながら、対物レンズ1によって形成された像にピントが最も合う位置に締結部3をZ方向に位置決めし、対物レンズ1の像の中心が画像の中心に一致する位置に締結部3をX方向およびY方向に位置決めする。これにより、対物レンズ1の結像面が撮像素子4の撮像面に正確に一致するように、対物レンズユニット10と撮像素子ユニット20とが厳密に位置合わせされる。このときの各方向の位置の微調整量は、1μm〜100μm程度である。
次に、締結ステップS3において、ねじ穴6cに挿入されているねじ8をきつく締めることによって締結部3,6同士を機械的に締結し、対物レンズユニット10と撮像素子ユニット20とを仮固定する。これにより、位置合わせステップS2において高精度に調整された対物レンズユニット10と撮像素子ユニット20との相対位置が、一定に維持される。
締結後、各ユニット10,20を治具からそれぞれ取り外し、対物レンズユニット10と撮像素子ユニット20との組み立て体を硬化炉に移動する。そして、硬化ステップS4において、組み立て体を硬化炉内で加熱することによって、接合剤9を硬化させる。これにより、鏡枠2,5同士が強固に固定され、対物レンズ1と撮像素子4との相対位置が完全に固定される。
次に、切除ステップS5において、硬化炉から取り出した組み立て体を、鏡枠5の外周面に隣接する薄肉領域6bの位置でX方向に切断し、ねじ8が締結されている締結部3,6を組み立て体から切除する。図3および図4において、二点鎖線Lは、切断位置を示している。薄肉領域6bは、X方向に薄いので、X方向に容易に切断することができる。これにより、鏡枠2,5と、各鏡枠2,5内に保持された対物レンズ1および撮像素子4とからなる撮像ユニット100(図3および図4において、切断位置Lよりも左側の部分)が製造される。
このように、本実施形態によれば、鏡枠2,5の外側に数ミリメートル規模の寸法を有する締結部3が設けられているので、ユニット10,20の組み立て作業において、各ユニット10,20を保持するホルダのような別の部材が不要となる。すなわち、各ユニット10,20を、締結部3,6の位置で治具に直接把持させて操作することができ、また、締結部3,6の位置でねじ8で直接締結することができる。これにより、位置合わせステップS2において厳密に位置合わせされたユニット10,20の相対位置にずれを生じさせることなく、ユニット10,20同士を仮固定し、その相対位置を保ったまま接合剤9を硬化させることができる。これにより、対物レンズ1と撮像素子4とが厳密に位置合わせされた高品質な撮像ユニット100を安定的に製造することができるという利点がある。
また、硬化した接合剤9によって、鏡枠2と鏡枠5との隙間、および、締結部3と溝7との隙間が密封されるので、対物レンズ1と撮像素子4との間に洗浄液や薬液等の液体が侵入することがないように、撮像ユニット100の防水性を確保することができるという利点がある。
また、鏡枠2,5の外側に設けられた締結部3,6は、接合剤9の硬化後に切除されるので、極細の内視鏡に内蔵可能な極小の撮像ユニット100を最終的に製造することができるという利点がある。
なお、本実施形態においては、締結部3,6の形態およびねじ8の締結方向は、適宜変更可能である。対物レンズユニット10および撮像素子ユニット20の第1の変形例を図6から図9に、第2の変形例を図10から図13に示す。
第1の変形例において、対物レンズユニット10の締結部3は、図6から図9に示されるように、鏡枠2の外周面からY方向に延びる薄肉領域3bと、該薄肉領域3bの先端に設けられて該薄肉領域3bに直交してX方向に延びる厚肉領域3aとからなる。本例において、薄肉領域3bのX方向の厚さ寸法は、厚肉領域3aのX方向の厚さ寸法の20%である。また、締結部3の鏡枠2の外周面からのY方向の突出量(鏡枠2の外周面から厚肉領域3aの半径方向外側の端までの寸法)は、1mmである。
撮像素子ユニット20の締結部6は、鏡枠5の外周面の一部分からなる。すなわち、本変形例において、鏡枠5は、半円筒状であり、湾曲した側面の端同士を接続する平坦面(XY平面において弦に対応する面)が締結部6となっている。この平坦面には、対物レンズユニット10の薄肉領域3bが挿入可能な溝7が、先端面からZ方向に形成されている。通し穴3cおよびねじ穴6cは、各締結部3,6にY方向に形成され、ねじ8は、Y方向に通し穴3cおよびねじ穴6cに挿入および締結される。切除ステップS5における切断位置Lは、図7および図8に示されるように、締結部3と締結部6との境界であり、薄肉領域3bは、X方向に容易に切断可能となっている。
第2の変形例において、対物レンズユニット10および撮像素子ユニット20は、図10から図13に示されるように、各鏡枠2,5の外周面からY方向の両側に突出する2つの締結部3,6をそれぞれ有している。締結部3,6の、鏡枠2,5の外周面からのY方向の突出量は、1.5mmである。
各締結部3,6は、半径方向外側に位置する厚肉領域3a,6aと、鏡枠2,5と厚肉領域3a,6aとを連結する薄肉領域3b,6bとからそれぞれなる。本例において、薄肉領域3b,6bのZ方向の厚さ寸法は、厚肉領域3a,6aのZ方向の厚さ寸法の30%である。通し穴3cおよびねじ穴6cは、各締結部3,6にZ方向に形成され、ねじ8は、Z方向に締結される。切除ステップS5における切断位置Lは、図12に示されるように、薄肉領域3b,6bの位置であり、該薄肉領域3b,6bは、Z方向に容易に切断可能となっている。符号11は、締結部3,6を互いに離間する方向に付勢する弾性部材(図示する例ではバネ)である。締結部3,6間に弾性部材11を配置することによって、ねじ8の締結時および締結後のがたつきを防止することができる。
1 対物レンズ
2,5 鏡枠
2a,5a 穴
3,6 締結部
3a,6a 厚肉領域
3b,6b 薄肉領域
3c 通し穴
4 撮像素子
6c ねじ穴
7 溝
8 ねじ
9 接合剤
10 対物レンズユニット
20 撮像素子ユニット
100 撮像ユニット
S1 塗布ステップ
S2 位置合わせステップ
S3 締結ステップ
S4 硬化ステップ
S5 切除ステップ

Claims (5)

  1. 撮像素子または対物レンズのどちらか一方を保持する筒状の第1の鏡枠を備え、該第1の鏡枠の外周面または外周面から突出した部分に第1の締結部を一体的に備える第1のユニットと、前記撮像素子または前記対物レンズのどちらか他方を保持する筒状の第2の鏡枠を備え、該第2の鏡枠の外周面から突出した部分に前記第1の締結部と機械的に締結可能な第2の締結部を一体的に備える第2のユニットとを、前記第1の鏡枠内に前記第2の鏡枠を嵌入させることで組み立てる撮像ユニットの製造方法であって、
    前記鏡枠の嵌合部分に接合剤を塗布する塗布ステップと、
    前記第1の鏡枠内に前記第2の鏡枠を嵌合させ、前記第1のユニットと前記第2のユニットとの相対位置合わせを行う位置合わせステップと、
    該位置合わせステップにおいて相対位置を合わせられた前記第1のユニットおよび前記第2のユニットの前記第1の締結部と前記第2の締結部とを機械的に締結する締結ステップと、
    前記接合剤を硬化させることによって、前記第1の締結部と前記第2の締結部とが締結された前記第1のユニットおよび前記第2のユニットの前記鏡枠同士を固定する硬化ステップと、
    前記接合剤の硬化後に、前記第1の締結部および前記第2の締結部のうち、前記第1の鏡枠の外周面から突出した部分を切除する切除ステップとを含む撮像ユニットの製造方法。
  2. 前記第1の締結部が、前記第1の鏡枠の外周面から半径方向に突出した部分に設けられ、半径方向外側に位置する第1の厚肉領域と、前記第1の鏡枠の外周面と前記第1の厚肉領域との間に位置する第1の薄肉領域とを備え、
    前記第2の締結部が、前記第2の鏡枠の外周面から半径方向に突出した部分に設けられ、半径方向外側に位置する第2の厚肉領域と、前記第2の鏡枠の外周面と前記第2の厚肉領域との間に位置する第2の薄肉領域とを備え、
    前記第1の薄肉領域が、前記半径方向に交差する方向に、前記第1の厚肉領域よりも小さな寸法を有し、
    前記第2の薄肉領域が、前記半径方向に交差する方向に、前記第2の厚肉領域よりも小さな寸法を有する請求項1に記載の撮像ユニットの製造方法。
  3. 前記切除ステップにおいて、前記第1の締結部を前記第1の薄肉領域において切除するとともに記第2の締結部を前記第2の薄肉領域において切除する請求項に記載の撮像ユニットの製造方法。
  4. 前記第1の締結部の、前記第1の鏡枠の外周面からの前記半径方向の突出量が、1mm以上であり、
    前記第2の締結部の、前記第2の鏡枠の外周面からの前記半径方向の突出量が、1mm以上である請求項1から請求項のいずれかに記載の撮像ユニットの製造方法。
  5. 請求項1から請求項のいずれかに記載の撮像ユニットの製造方法によって製造された撮像ユニット。
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