JP2015015529A - 撮像ユニット及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】線膨張係数が互いに異なる材料を選択した場合でも、反りを防止する撮像ユニットを提供する。
【解決手段】複数の画素が配列された撮像領域１０１を有する撮像チップ１００と、撮像領域に対応して設けられた開口部１２５と他の構造体に取り付けられるための取付部１２４とを有すると共に、複数の画素から出力される画素信号を受信する回路基板１２０と、開口部を挟んで撮像領域と対向して配置された光学素子とを備え、撮像チップの線膨張係数と回路基板の線膨張係数の差は、回路基板の線膨張係数と光学素子の線膨張係数の差よりも小さい撮像ユニット１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像ユニット及び撮像装置に関する。

撮像チップを保護する保護ガラス、撮像チップ、他の構造体に取り付けるための取付枠体、および撮像チップから出力される画素信号を処理する電子回路が実装された回路基板を含む撮像ユニットが知られている。取付枠体と回路基板は、被写体光束が入射する方向に積層されている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２０１２−１２９８１６号公報

被写体光束が入射する方向の厚みを低減し、かつ部品点数を削減する目的で、取付枠体の役割を兼ねた回路基板を用いる場合がある。この場合には、撮像チップと保護ガラスの間に取付枠体の役割を兼ねた回路基板を介在させる。このような撮像ユニットの反りを防止という観点から、撮像チップの線膨張係数、回路基板の線膨張係数、および保護ガラスの線膨張係数は同一であることが好ましい。しかしながら、実際には、線膨張係数が互いに異なる材料を選択せざるを得ない場合がある。この場合、材料の組み合わせによっては撮像ユニットの反りを増幅させる。その結果、例えばバンプに応力が集中するという問題が生じ得る。

本発明の第一の態様における撮像チップは、複数の画素が配列された撮像領域を有する撮像チップと、撮像領域に対応して設けられた開口部と他の構造体に取り付けられるための取付部とを有すると共に、複数の画素から出力される画素信号を受信する回路基板と、開口部を挟んで撮像領域と対向して配置された光学素子とを備え、撮像チップの線膨張係数と回路基板の線膨張係数の差は、回路基板の線膨張係数と光学素子の線膨張係数の差よりも小さい。

本発明の第二の態様における撮像装置は、上記の撮像ユニットを備える。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る撮像ユニットの分解斜視図である。 図１における撮像ユニットのＡ−Ａ断面図である。 撮像ユニットのバリエーションを説明するための図である。 撮像ユニットのバリエーションを説明するための図である。 撮像ユニットのバリエーションを説明するための図である。 本実施形態に係る撮像ユニットを搭載する撮像装置の断面図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る撮像ユニット１０の分解斜視図である。撮像ユニット１０は、撮像チップ１００、回路基板１２０、および光学素子としての保護ガラス１４０を含んで構成される。図１において、被写体光束が撮像チップ１００へ入射する方向をｚ軸プラス方向とする。撮像チップ１００の長手方向をｘ軸方向、短手方向をｙ軸方向とする。ｘ軸プラス方向を右側、ｘ軸マイナス方向を左側、ｙ軸プラス方向を上側、ｙ軸マイナス方向を下側という。以降のいくつかの図においては、図１の座標軸を基準として、それぞれの図の向きがわかるように座標軸を表示する。

撮像チップ１００は、ＣＭＯＳ撮像センサである。撮像チップ１００は、中央部分に撮像領域１０１を有する。撮像領域１０１には、受光した被写体像を光電変換する画素が複数配列されている。撮像チップ１００は、撮像領域１０１の周辺に回路領域を有する。回路領域は、画素から出力される画素信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器を含む。

回路基板１２０は、撮像チップ１００上に配置される。回路基板１２０は、全体としてＸ軸方向に長い角丸長方形状である。回路基板１２０には、全体の長方形状に対して切欠部１２１が形成されている。本実施形態においては、切欠部１２１は、上端の中央部分に形成されている。切欠部１２１は、ファインダ光学系の迫り出し部分を避けるように設けられている。したがって、撮像ユニット１０がカメラに実装された場合には、撮像ユニット１０とファインダ光学系は、互いに干渉しない。

切欠部１２１を挟んだ紙面の左右の領域である左部領域１２２、右部領域１２３はそれぞれ、取付部として取付孔１２４を有する。本実施形態においては、取付孔１２４は、左部領域１２２の上部左端、右部領域１２３の上部右端にそれぞれ１つ形成されている。取付孔１２４はさらに、回路基板１２０の紙面下端の中央部分に形成されている。これら３つの取付孔１２４は、他の構造体を取り付けるために利用される。他の構造体は、取付孔１２４を介して回路基板１２０にビス止めされる。他の構造体としては、例えばミラーボックスが挙げられる。３つの取付孔１２４が可能な限りそれぞれの間を離間させて形成されているので、撮像ユニット１０が他の構造体に取り付けられる場合に、当該他の構造体に対する取付誤差を小さくできる。回路基板１２０は、他の構造体に取り付けるための取付枠体としての役割を担う。

一方で、回路基板は、撮像チップ１００から出力される画素信号を受信する。回路基板１２０にはＡＦＥ（アナログフロントエンド）等の電子回路が実装される。回路基板１２０は、電子回路を実装するための電子基板としての役割を担う。つまり、回路基板１２０は、取付枠体と電子基板の役割を兼ねている。

回路基板１２０は、撮像領域１０１に対応する位置に開口部１２５を有する。すなわち、開口部１２５は、撮像領域１０１へ入射する被写体光束を妨げないように、回路基板１２０の一部が切除されて設けられている。

回路基板１２０は、リジッド基板である。具体的には、回路基板１２０としてセラミック基板、樹脂にセラミックがインサートされた基板、樹脂に金属がインサートされた基板を用いることができる。インサートされる金属として、鉄、銅、アルミニウム等を挙げることができる。回路基板１２０は、取付枠体としての役割を担うので、要求される剛性に見合った厚みを有する。後述するように、撮像ユニット１０は、撮像装置の一例として一眼レフカメラに適用される場合を想定するが、回路基板１２０の厚さは、１ｍｍ以上が好ましい。１ｍｍ以上の厚さを持たせることにより、回路基板１２０そのものが、他の構造物が直接的に結合される構造体としての機能を担うことができる。

保護ガラス１４０は、回路基板１２０上に配置される。具体的には、保護ガラス１４０は、回路基板１２０の開口部１２５を挟んで撮像領域１０１と対向して配置される。回路基板１２０は、撮像チップ１００と保護ガラス１４０の間に介在している。回路基板１２０の厚みを適宜調整することにより、撮像チップ１００と保護ガラス１４０を予め定められた間隔に離間させることができる。これにより、保護ガラス１４０にゴミ、異物等が付着したり、保護ガラス１４０に傷がついたりする場合に、写りこみによる影響を低減できる。保護ガラス１４０としてホウケイ酸ガラス、石英ガラス、無アルカリガラス、耐熱ガラス等を用いることができる。

図２は、図１に示す撮像ユニット１０を組み立てた後のＡ−Ａ断面図である。撮像チップ１００は、撮像領域１０１の周辺領域に電極パッド１０２を有する。回路基板１２０は、電極パッド１０２に対応する位置に電極パッド１２６を有する。電極パッド１０２と電極パッド１２６は、バンプ１１２を介して電気的に接続される。電極パッド１０２と電極パッド１２６の接続部分は、接着剤１１３によって接着される。接着剤１１３は、撮像領域１０１を取り囲むように形成されている。ここで、接着剤１１３は電極パッド１０２と電極パッド１２６の電気的な接続を維持する目的で使用される。したがって、接着剤１１３の材料として熱硬化性接着剤、紫外線硬化性接着剤等の硬化性の接着剤を用いる。

接着剤１３１は、回路基板１２０のうち被写体光束が入射する側の面に形成されている。接着剤１３１は、開口部１２５を取り囲むように形成されている。接着剤１３１は、撮像チップ１００と保護ガラス１４０を接着する。接着剤１３１は、接着剤１１３とは異なり、電気的な接続を維持する目的で使用されるものではない。したがって、接着剤１３１として弾性接着剤を用いることができる。弾性接着剤として、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂等を用いることができる。

以上のように、接着剤１１３の材料として硬化性の接着剤を用いるので、回路基板１２０と撮像チップ１００の線膨張係数の差に起因して応力が発生した場合に、接着剤１１３により応力を吸収することはできない。したがって、バンプ１１２に応力が集中し、電気的な接続が破壊される恐れがある。一方、接着剤１３１の材料として弾性接着剤を用いることができるので、回路基板１２０と保護ガラス１４０の線膨張係数の差に起因して応力が発生した場合に、接着剤１３１により応力を吸収することができる。したがって、線膨張係数が互いに異なる材料を選択せざるを得ない場合、撮像チップ１００、回路基板１２０、保護ガラス１４０の材料を以下のように選択するとよい。すなわち、回路基板１２０の線膨張係数と撮像チップ１００の線膨張係数の差が、回路基板１２０の線膨張係数と保護ガラスの線膨張係数の差よりも小さくなるように、それぞれの材料を選択する。具体的には、回路基板１２０の材料を選択する場合には、撮像チップ１００の線膨張係数と保護ガラス１４０の線膨張係数の中間の線膨張係数を持つ材料を選択するのではなく、撮像チップ１００の線膨張係数寄りの線膨張係数を持つ材料を選択する。

上述のようにそれぞれの材料を選択すると、回路基板１２０と撮像チップ１００の線膨張係数の差を小さくすることにより当該差に起因して発生する応力を低減させつつ、回路基板１２０と保護ガラス１４０の線膨張係数の差に起因して生じる応力を接着剤１３１により吸収させることができる。回路基板１２０と撮像チップ１００の線膨張係数の差に起因して発生する応力が低減されるので、結果としてバンプ１１２にかかる応力を低減することができる。

図示するように、撮像ユニット１０が組み上げられると、密封空間１８０が形成される。密封空間１８０は、接着剤１１３、接着剤１３１で囲われ、保護ガラス１４０に閉塞された、撮像領域１０１が面する空間である。撮像領域１０１が面する空間を密封することにより、外部からの湿気、塵埃等の進入を防ぎ、各画素を保護する。

コンデンサ、レジスタ、抵抗等の電子部品１１１は、回路基板１２０に実装されている。本実施形態においては、電子部品１１１は、回路基板１２０の撮像チップ１００側の面、および回路基板１２０の内部に実装されている。これらの電子部品１１１によって、上記のＡＦＥ等の電子回路が構成される。

図３は、撮像ユニットのバリエーションを説明するための図である。上述のように、電子部品１１１が回路基板１２０の内部に実装される場合には、回路基板１２０には、内部に電子部品１１１を実装するのに十分な厚さが必要になる。加えて、回路基板１２０の剛性を高めるという観点からも、回路基板１２０の厚みは厚いほうが好ましい。一方、回路基板１２０の厚みが厚すぎると、撮像チップ１００の周辺部に対して斜め方向から入射する光が届かない場合がある。

そこで、図３（ａ）に示すように、回路基板１２０の撮像チップ１００側の面とは反対側の面において保護ガラス１４０が配置される部分を、他の部分より薄くするとよい。換言すると、回路基板１２０の開口部１２５の内壁にリブ１２７を形成するともいえる。撮像チップ１００は、開口部１２５の内壁に形成されたリブ１２７に配置される。リブ１２７の厚さを調整することにより、撮像チップ１００と保護ガラス１４０の間隔を確保しつつ、撮像チップ１００の周辺部に対して斜め方向から入射する光を撮像領域１０１に取り込むことができる。加えて、保護ガラス１４０の側面と回路基板１２０を接着することができるので、回路基板１２０と保護ガラス１４０をより強固に接着できる。なお、ここでは、保護ガラス１４０の表面は回路基板１２０の表面と面一であるが、保護ガラス１４０の表面は回路基板１２０の表面より高くてもよいし、低くてもよい。

また、図３（ｂ）に示すように、回路基板１２０の撮像チップ１００側の面とは反対側の面において保護ガラス１４０が配置される部分を他の部分より突出させることもできる。これにより、回路基板１２０の厚みを全体的に薄くすることにより軽量化を図りつつ、撮像チップ１００と保護ガラス１４０の間隔を広く確保できる。

図４は、撮像ユニットのバリエーションを説明するための図である。撮像領域１０１は、動作時に熱を発生させる。熱が撮像領域１０１に滞留すると、当該熱に起因して暗電流が増加する。また、回路領域に形成される回路のうちＡＤ変換器は、特に発熱量が多い。ＡＤ変換器で発生した熱が撮像領域１０１に伝わることにより、撮像領域１０１において暗電流が増加する。以上の理由により増加する暗電流は、画素信号に対するノイズとなり得る。そこで、撮像チップ１００の回路基板１２０が配された面と反対側の面に放熱部材を配するとよい。なお、電子部品１１１も熱を発生させる。本実施形態においては、図４に示すように、撮像チップ１００と電子部品１１１を纏めて覆うように放熱部材としてグラファイトシート１５１が配されている。これにより、撮像チップ１００および電子部品１１１で発生した熱を外部に放熱できる。

図５は、撮像ユニットのバリエーションを説明するための図である。図５は、撮像チップ１００と回路基板１２０を抽出して表した分解斜視図である。上述したように、開口部１２５は、回路基板１２０の一部が切除されて設けられている。切除によってパーティクルが発生し得る。そこで、図５に示すように、開口部１２５の内壁を例えば樹脂１２９によりコーティングするとよい。これにより、内壁の剥離を防止できるので、パーティクルが撮像領域１０１に付着することを防止できる。

また、入射する被写体光束は、回路基板１２０の開口部１２５の内壁で反射、散乱して不要光となって撮像領域１０１に到達し得る。樹脂１２９として黒色の樹脂を用いることにより、反射を防止することもできる。なお、黒色の樹脂を用いる以外にも、植毛紙の貼着、表面の粗面化、遮光線の刻設などによって反射防止の効果を得ることができる。

図６は、本実施形態に係る撮像ユニットを搭載する撮像装置の一例としての一眼レフカメラ４００の断面図である。一眼レフカメラ４００は、カメラボディ６００にレンズユニット５００が装着されてカメラとしての機能を発揮する。レンズユニット５００は、鏡筒内に配列された複数のレンズを備え、入射する被写体光束をカメラボディ６００の撮像ユニット１０へ導く。

カメラボディ６００は、レンズマウント５５０に結合されるボディマウント６６０の後方にメインミラー６７２およびサブミラー６７４を備える。メインミラー６７２は、レンズユニット５００から入射した被写体光束に斜設される斜設位置と、被写体光束から退避する退避位置との間で回動可能に軸支される。サブミラー６７４は、メインミラー６７２に対して回動可能に軸支される。

メインミラー６７２が斜設位置にある場合、レンズユニット５００を通じて入射した被写体光束の多くはメインミラー６７２に反射されてピント板６５２に導かれる。ピント板６５２は、撮像チップ１００の受光面と共役な位置に配されて、レンズユニット５００の光学系が形成した被写体像を可視化する。ピント板６５２に形成された被写体像は、ペンタプリズム６５４およびファインダ光学系６５６を通じてファインダ６５０から観察される。

斜設位置にあるメインミラー６７２に入射した被写体光束の一部は、メインミラー６７２のハーフミラー領域を透過しサブミラー６７４に入射する。サブミラー６７４は、ハーフミラー領域から入射した光束の一部を、合焦光学系６８０に向かって反射する。合焦光学系６８０は、入射光束の一部を焦点検出センサ６８２に導く。焦点検出センサ６８２は、検出結果をボディ側ＣＰＵ６２２へ出力する。

ピント板６５２、ペンタプリズム６５４、メインミラー６７２、サブミラー６７４は、構造体としてのミラーボックス６７０に支持される。このようにミラーボックス６７０は、種々の構造体が取り付けられる、一眼レフカメラ４００において中心となる構造体である。このため、ミラーボックス６７０は、金属等の剛性の高い材料により形成される。上述したように、ミラーボックス６７０は、取付孔１２４を介して撮像ユニット１０に取り付けられる。ミラーボックス６７０に撮像ユニット１０が直接取り付けられるので、ミラーボックス６７０と撮像チップ１００の相対的な位置関係の誤差を低減できる。ミラーボックス６７０は、基準となる構造体であるので、光軸に対して厳密に位置合わせできる。メインミラー６７２およびサブミラー６７４が退避位置に退避し、シャッタユニット３４０の先幕および後幕が開状態となれば、レンズユニット５００を透過する被写体光束は、撮像チップ１００の受光面に到達する。

撮像ユニット１０の後方（ｚ軸プラス方向）には、背面表示部６３４が配置される。液晶パネル等が採用される背面表示部６３４は、カメラボディ６００の背面に現れる。背面表示部６３４は、撮像チップ１００から出力される画素信号から生成される画像を表示する。

撮像ユニット１０の紙面奥行き方向（ｘ軸マイナス方向）には、ボディ基板６２０が配置される。すなわち、ボディ基板６２０は、ｘｙ平面上において撮像ユニット１０と並列に配置される。これにより、一眼レフカメラ４００のｚ軸方向の厚みを薄くできる。ボディ基板６２０には、ＣＰＵ６２２、画像処理ＡＳＩＣ６２４等の電子回路が実装される。

光学素子として保護ガラス１４０を用いたが、保護ガラス１４０に替えてローパスフィルタ、ＩＲカットフィルタ等を用いてもよい。

以上説明した一眼レフカメラ４００を撮像装置として捉えることができる。また、以上説明した撮像ユニット１０は、カメラボディ６００に搭載されるので、カメラボディ６００を撮像装置として捉えてもよい。カメラボディ６００は、さまざまな実施形態を採用し得る。上述の例以外にも、ミラーユニットを備えないミラーレスタイプのカメラボディであってもよい。また、撮像装置は、レンズ一体型カメラであってもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０ 撮像ユニット、１００ 撮像チップ、１０１ 撮像領域、１０２ 電極パッド、１１１ 電子部品、１１２ バンプ、１１３ 接着剤、１２０ 回路基板、１２１ 切欠部、１２２ 左部領域、１２３ 右部領域、１２４ 取付孔、１２５ 開口部、１２６ 電極パッド、１２７ リブ、１２９ 樹脂、１３１ 接着剤、１４０ 保護ガラス、１５１ グラファイトシート、１８０ 密封空間、３４０ シャッタユニット、４００ 一眼レフカメラ、５００ レンズユニット、５５０ レンズマウント、６００ カメラボディ、６２０ ボディ基板、６２２ ＣＰＵ、６２４ 画像処理ＡＳＩＣ、６３４ 背面表示部、６５０ ファインダ、６５２ ピント板、６５４ ペンタプリズム、６５６ ファインダ光学系、６６０ ボディマウント、６７０ ミラーボックス、６７２ メインミラー、６７４ サブミラー、６８０ 合焦光学系、６８２ 焦点検出センサ

Claims (11)

1. 複数の画素が配列された撮像領域を有する撮像チップと、
   前記撮像領域に対応して設けられた開口部と他の構造体に取り付けられるための取付部とを有すると共に、前記複数の画素から出力される画素信号を受信する回路基板と、
   前記開口部を挟んで前記撮像領域と対向して配置された光学素子と
   を備え、
   前記撮像チップの線膨張係数と前記回路基板の線膨張係数の差は、前記回路基板の線膨張係数と前記光学素子の線膨張係数の差よりも小さい撮像ユニット。
2. 前記撮像チップと前記回路基板は、前記撮像領域の周辺の周辺領域に設けられたバンプを介して電気的に接続される請求項１に記載の撮像ユニット。
3. 前記光学素子は、弾性を有する接着剤により前記回路基板に接着されている請求項１または２に記載の撮像ユニット。
4. 前記回路基板は、リジッド基板である請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像ユニット。
5. 前記回路基板は、セラミック基板、樹脂にセラミックがインサートされた基板、および樹脂に金属がインサートされた基板のいずれかである請求項４に記載の撮像ユニット。
6. 前記開口部の内壁には、前記光学素子を配置するためのリブが形成されている請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像ユニット。
7. 前記回路基板の前記撮像チップ側の面とは反対側の面において前記光学素子が配置される部分は、他の部分より突出している請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像ユニット。
8. 前記開口部の内壁には、当該内壁の剥離を防止するためのコーティング処理が施されている請求項１から７のいずれか１項に記載の撮像ユニット。
9. 前記撮像チップの前記回路基板が配された面と反対側の面に配された放熱部材をさらに備える請求項１から８のいずれか１項に記載の撮像ユニット。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の撮像ユニットを備える撮像装置。
11. 光軸に直交する面方向に前記撮像ユニットと並列に配置された、画像処理ＡＳＩＣが実装された電子基板をさらに備える請求項１０に記載の撮像装置。

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