(57)【要約】【課題】撮像素子を効果的に冷却して撮像精度を向上させ、且つ小型化し易い撮像装置を提供することを目的とする。【解決手段】ペルチェ素子４に熱的に結合された撮像素子２と、ペルチェ素子４に熱的に結合された放熱器２０とを備え、放熱器２０は、交差して配置された二枚の帯状ヒートパイプ６，７を含んで構成され、交差部９ａがペルチェ素子４に結合され、且つ交差部９ａから突出した四本の帯部６ａ，６ｂが回路基板１２を囲むようにして同一方向に延在する熱移送部９と、撮像素子２及び熱移送部９を包囲し、内面には、帯部６ａ，７ａの外面が熱的に結合され、外面には、熱放散用の複数の突出部１３ａが形成された熱放散部１９とを有し、隣接して延在する帯部６ａ，７ａ同士の間には、通気用の隙間ＳＬが形成され、熱放散部１９には、隙間ＳＬに連通する通気口１６ｂ，１８ａが形成されている撮像装置１とした。【選択図】  図２
2007274565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子と、
前記撮像素子の光軸上に配置されたレンズユニットと、
前記撮像素子に電気的に接続された回路基板と、
前記撮像素子側に吸熱部を向け、前記撮像素子に熱的に結合されたペルチェ素子と、
前記ペルチェ素子の放熱部に熱的に結合された放熱器と、を備え、
前記放熱器は、
交差して配置された二枚の帯状ヒートパイプを含んで構成され、前記各帯状ヒートパイプの交差部が前記ペルチェ素子に結合され、且つ前記交差部から突出した四本の帯部が前記回路基板を囲むようにして同一方向に延在する熱移送部と、
前記撮像素子及び前記熱移送部を包囲し、内面には、前記帯部の外面が熱的に結合され、外面には、熱放散用の複数の突出部が形成された熱放散部と、を有し、
隣接して延在する前記帯部同士の間には、通気用の隙間が形成され、前記熱放散部には、前記隙間に連通する通気口が形成されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記帯状ヒートパイプは、作動液が循環する蛇行細管を内蔵する自励振動式ヒートパイプであることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
前記熱放散部は、前記帯部の長手方向に沿って延在し、且つ前記帯部の外面に当接する筒状ヒートシンク部と、前記筒状ヒートシンク部の前側開口を閉塞するようにして前記筒状ヒートシンク部の前端に固定され、且つ前記撮像素子の光軸上に窓部が形成された前面ヒートシンク部と、前記筒状ヒートシンク部の後側開口を閉塞するようにして前記筒状ヒートシンク部の後端に固定されたカバー部とを有し、
前記通気口は、前記前面ヒートシンク部及び前記カバー部に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子を冷却するペルチェ素子を備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ素子やＣ−ＭＯＳセンサ等の撮像素子を用いた撮像装置では、撮像素子の温度が上昇すると暗電流成分の増加によってノイズが増加し、撮像装置の性能が低下する。そのため、撮像素子をペルチェ素子によって冷却し、且つペルチェ素子の放熱部で生じた熱を伝熱部材を経由して放熱させると共に、ファンモータによって、熱を持った空気を排出する撮像装置が知られている（特許文献１参照）
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３２９９９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
撮像素子を冷却するためのペルチェ素子は局所的に高温になるため、ペルチェ素子で生じた熱を効果的に放散させる必要がある。そのために、ファンモータをペルチェ素子に近づけると、撮像素子とファンモータとの距離が近づき、ファンモータの振動によって撮像素子の撮像精度が低下する。一方、モータファンを使用せずに、水冷式の放熱器でペルチェ素子を冷却しようとすると、撮像装置が大型になってしまい、撮像精度の向上と小型化とを両立させることは困難であった。
【０００５】
本発明は、撮像素子を効果的に冷却して撮像精度を向上させ、且つ小型化し易い撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る撮像装置は、撮像素子と、撮像素子の光軸上に配置されたレンズユニットと、撮像素子に電気的に接続された回路基板と、撮像素子側に吸熱部を向け、撮像素子に熱的に結合されたペルチェ素子と、ペルチェ素子の放熱部に熱的に結合された放熱器とを備え、放熱器は、交差して配置された二枚の帯状ヒートパイプを含んで構成され、各帯状ヒートパイプの交差部がペルチェ素子に結合され、且つ交差部から突出した四本の帯部が回路基板を囲むようにして同一方向に延在する熱移送部と、撮像素子及び熱移送部を包囲し、内面には、帯部の外面が熱的に結合され、外面には、熱放散用の複数の突出部が形成された熱放散部とを有し、隣接して延在する帯部同士の間には、通気用の隙間が形成され、熱放散部には、隙間に連通する通気口が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
この撮像装置によれば、撮像素子で発生する熱がペルチェ素子によって吸熱され、ペルチェ素子からの放熱は、放熱器の熱移送部を経由して熱放散部から放散される。熱移送部は、二本の帯状ヒートパイプの交差部がペルチェ素子に結合され、交差部から突出した四本の帯部が回路基板を囲むようにして同一方向に延在する。そして、帯部の外面には、熱放散部の内面が熱的に結合され、熱放散部の外面には、熱放散用の複数の突出部が形成されており、回路基板のある内側ではなく、外側に向けて効果的に熱が放散される。さらに、隣接して延在する帯部同士の間には、通気用の隙間が形成され、熱放散部には、隙間に連通する通気口が形成されているため、帯部の内側も通気され、帯部の内部も熱がこもり難くなっている。その結果として、ペルチェ素子からの放熱を効果的に放散させて撮像素子を効果的に冷却してノイズの発生を抑え、撮像精度の向上と小型化とを両立させ易くなっている。
【０００８】
さらに、帯状ヒートパイプは、作動液が循環する蛇行細管を内蔵する自励振動式ヒートパイプであると好適である。自励振動式ヒートパイプとは、蛇行細管に充填された作動液が熱吸収する際に相変化し、蒸気の移動を利用して潜熱を輸送する核沸騰により液相が振動し、この振動を利用して顕熱を輸送するヒートパイプある。自励振動式ヒートパイプからなる帯状ヒートパイプによれば、ウイックを装填した従来のヒートパイプに比べて、軽量で屈曲加工が容易であり、熱伝導率が高くて熱移送効果が高まる。さらに、配置上の制約が少なく、どの向きにしても熱伝導率に影響を与え難いという特徴を有するために、撮像装置の向きに影響され難くなって幅広い用途に用いることが可能になる。
【０００９】
さらに、熱放散部は、帯部の長手方向に沿って延在し、且つ帯部の外面に当接する筒状ヒートシンク部と、筒状ヒートシンク部の開口を閉塞するようにして筒状ヒートシンク部の前端に固定され、且つ撮像素子の光軸上に窓部が形成された前面ヒートシンク部と、筒状ヒートシンク部の後側開口を閉塞するようにして筒状ヒートシンク部の後端に固定されたカバー部とを有し、通気口は、前面ヒートシンク部及びカバー部に形成されていると好適である。筒状ヒートシンク部は、帯部の長手方向に沿って延在し、筒状ヒートシンク部の前端側と後端側に通気口が形成され、且つ隣接の帯部同士の間の隙間は、筒状ヒートシンク部に沿って形成されるため、筒状ヒートシンク部内を空気が流動し易くなって筒状ヒートシンク部の内部に熱がこもり難い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、撮像素子を効果的に冷却して撮像精度を向上させ、且つ容易に小型化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明に係る撮像装置の好適な実施の形態について詳細に説明をする。
【００１２】
[第１の実施の形態]
図１及び図２に示すように、撮像装置１は、ＣＣＤ素子（撮像素子）２によって被写体を撮像する装置であり、主として、顕微鏡や天体望遠鏡などの精密光学機器に取り付けられる。ＣＣＤ素子２は、光量に応じて蓄積された電荷を、時系列に沿って順番に出力する電子結合素子であり、長時間の撮像によって熱を帯びる。この熱によって、ＣＣＤ素子２の温度が上昇すると、暗電流によるノイズが生じるため、ＣＣＤ素子２の背面２ａには、銅製で四角形状の吸熱側ブロック３を介してペルチェ素子４が熱的に結合されている。
【００１３】
ＣＣＤ素子２の背面２ａは、吸熱側ブロック３の前面３ａに当接し、吸熱側ブロック３の背面３ｂは、ペルチェ素子４の吸熱部４ａに当接する。ＣＣＤ素子２とペルチェ素子４との間に熱伝導部材である吸熱側ブロック３を挟み込むことにより、ＣＣＤ素子２の背面２ａとペルチェ素子４の吸熱部４ａとの形状の違いを吸収でき、機械的及び熱的な結合を安定させることができる。また、熱伝導部材は、熱伝導性の高いアルミや銀などの金属製部材、あるいは、アルミ、銅及び銀などの金属を融合させて作った合金製部材であってもよく、さらに、ダイヤモンドやカーボン等を含む物質をペースト状または箔状に加工した部材であってもよい。また、吸熱側ブロック３を挟まずに、ＣＣＤ素子２の背面２ａとペルチェ素子４の吸熱部４ａとを、熱伝導性の高いエポキシ樹脂に代表されるような接着剤で固定するようにしてもよい。
【００１４】
ペルチェ素子４は、直流電流を通電することにより、吸熱部４ａで吸収した熱を放熱部４ｂから放出する半導体素子である。ペルチェ素子４の放熱部４ｂは、熱伝導部材である銅製で四角形状の放熱側ブロック５の前面５ａに当接している。ＣＣＤ素子２は吸熱側ブロック３にねじ止めされ、吸熱側ブロック３は、ペルチェ素子４を挟んで放熱側ブロック５にねじ止めされている。そして放熱側ブロック５の背面５ｂは、第１帯状ヒートパイプ６の中央に当接し、熱伝導性の高い接着剤で接着されている。第１帯状ヒートパイプ６は、長尺板状の自励振動式ヒートパイプの中央部分を挟んで一方側部分と他方側部分とを同一方向に直角に屈曲させた部材である。なお、放熱側ブロック５も、吸熱側ブロック３と同様に、ペルチェ素子４と第１帯状ヒートパイプ６との形状の違いを吸収し、ペルチェ素子３と第１の帯状ヒートパイプ６との間の機械的及び熱的な結合を安定させる。
【００１５】
図３に示すように、第１帯状ヒートパイプ６の中央背面には、第１帯状ヒートパイプ６と同一形状の第２帯状ヒートパイプ７が直交するように交差し、熱伝導性の高い接着剤で接着されている。交差して配置された第１帯状ヒートパイプ６と第２帯状ヒートパイプ７とによって熱移送部９が構成される。第１帯状ヒートパイプ６と第２帯状ヒートパイプ７との交差部９ａには、放熱側ブロック５を介してペルチェ素子４が熱的に結合されている（図２参照）。さらに、交差部９ａから突出する第１帯状ヒートパイプ６の２本の帯部６ａは、後側に屈曲し、互いに平行になるように前後方向に沿って延在している。同様にして、交差部９ａから突出する第２帯状ヒートパイプ７の２本の帯部７ａも、後側に屈曲し、帯部６ａと同一方向に沿って延在している。さらに、隣接して同一方向に延在している帯部６ａ，７ａ同士の間には、通気用の隙間ＳＬが形成されている。
【００１６】
第１帯状ヒートパイプ６及び第２帯状ヒートパイプ７は、自励振動式ヒートパイプ（通称「ヒートレーン」、「蛇行細管型ヒートパイプ」ともいう。）であり、蛇行細管に充填された作動液が熱吸収する際に相変化し、蒸気の移動を利用して潜熱を輸送する核沸騰により液相が振動し、この振動を利用して顕熱を輸送するヒートパイプある。自励振動式ヒートパイプによれば、ウイックを装填した従来のヒートパイプに比べて、軽量で屈曲加工が容易であり、容易に第１帯状ヒートパイプ６及び第２帯状ヒートパイプ７を加工できる。
【００１７】
図２及び図３に示すように、第１及び第２帯状ヒートパイプ６，７の交差部９ａの背面側には、矩形の四隅を切り欠いて通気溝を形成した断熱板１１が接着されている。さらに、断熱板１１の背面側で、且つ、第１及び第２帯状ヒートパイプ６，７の四本の帯部６ａ，７ａで囲まれた空間内には、回路基板１２が固定されている。回路基板１２は、ＣＣＤ素子２に電気的に接続され、回路基板１２上には、ＣＣＤ素子２から出力された電気画像信号を処理する回路が実装されている。
【００１８】
第１及び第２帯状ヒートパイプ６，７の各帯部６ａ，７ａの外面には、それぞれ矩形のヒートシンク部１３の内面が熱伝導性の高い接着剤で接着されおり、且つ四個のヒートシンク部１３（図１参照）は、各帯部６ａ，７ａの長手方向に沿って延在し、第１及び第２帯状ヒートパイプ６，７、ペルチェ素子４及びＣＣＤ素子２を囲んでいる。各ヒートシンク部１３の外面には、前後方向に延在する平板状の突出部１３ａが並列に複数形成されている。帯部６ａ，７ａからヒートシンク部１３に伝わった熱は、この突出部１３ａから放散される。第１及び第２帯状ヒートパイプ６，７及びＣＣＤ素子２を囲む四個のヒートシンク部１３によって筒状ヒートシンク部１４が構成される。なお、第１及び第２帯状ヒートパイプ６，７の各帯部６ａ，７ａとヒートシンク部１３との固定は、ロウ付けであってもよく、また、アルミ製の板を使用して各帯部６ａ，７ａとヒートシンク部１３とを挟み込んでねじ止めしてもよい。
【００１９】
図１及び図２に示すように、筒状ヒートシンク部１４の前端には、筒状ヒートシンク部１４の前側開口を閉塞するようにして、矩形の前面ヒートシンク部１６がねじ止めされている。前面ヒートシンク部１６の中央には、窓部１６ａが形成され、四隅には通気口１６ｂが形成されている。さらに、前面ヒートシンク部１６の前面には、上下方向に沿って延在する平板状の突出部１６ｃが並列に複数形成されている。窓部１６ａは、ＣＣＤ素子２の光軸Ｓ上に配置され、窓部１６ａには、レンズユニット１７が螺合して固定される。レンズユニット１７の光学系は、被写体光を取り込んでＣＣＤ素子２の受光面２ａに結像させる。
【００２０】
前面ヒートシンク部１６には、筒状ヒートシンク部１４から熱が伝わり、突出部１６ｃから放散される。ＣＣＤ素子２の背面２ａは、ペルチェ素子４によって−２０°Ｃ〜−１０°Ｃの範囲で冷却される。そして、ＣＣＤ素子２の受光面２ａが外気温以下になった場合には、結露で曇り、撮像できなくなってしまう。しかしながら、本実施形態では、前面ヒートシンク部１６が熱を持ち、その熱によってＣＣＤ素子２の受光面２ｂ近接を外気温以上に保つので、結露の発生を効果的に防止できる。
【００２１】
筒状ヒートシンク部１４の後端には、筒状ヒートシンク部１４の後側開口を閉塞するようにして、矩形のカバー部１８がねじ止めされている。カバー部１８の四隅には、通気口１８ａが形成されている。カバー部１８の通気口１８ａと、前面ヒートシンク部１６の通気口１６ｂとは、隣接して延在する各帯部６ａ，７ａ同士の間の隙間ＳＬに連通し、且つ、この隙間ＳＬは、両方の通気口１６ｂ，１８ａ同士を結ぶ直線上に在る。そのため、両方の通気口１６ｂ，１８ａを流動する空気は隙間ＳＬに沿ってスムーズに流れ易く、回路基板１２を収容した帯部６ａ，７ａ内に熱がこもるのを防止する。筒状ヒートシンク部１４、前面ヒートシンク部１６及びカバー部１８によって熱放散部１９が構成され、熱放散部１９及び熱移送部９によって放熱器２０が構成される。
【００２２】
以上の撮像装置１によれば、ＣＣＤ素子２で発生する熱がペルチェ素子４によって吸熱され、ペルチェ素子４から放熱される熱が放熱器２０の熱移送部９を経由して熱放散部１９から放散される。熱移送部９は、第１，第２帯状ヒートパイプ６，７を含んで構成され、第１，第２帯状ヒートパイプ６，７の交差部９ａがペルチェ素子４に結合され、交差部９ａから突出した四本の帯部６ａ、７ａが回路基板１２を囲むようにして同一方向に延在している。そして、帯部６ａ、７ａの外面６ｂ，７ｂには、熱放散部１９が熱的に結合され、熱放散部１９の外面には、熱放散用の複数の突出部１３ａが形成されているため、回路基板１２のある内側ではなく、外側に向けて効果的に熱が放出される。さらに、隣接して延在する帯部６ａ、７ａ同士の間には、通気用の隙間ＳＬが形成され、熱放散部１９には、隙間ＳＬに連通する通気口１６ｂ，１８ａが形成されているため、帯部１６ｂ，１８ａの内側も通気され、帯部１６ｂ，１８ａの内部も熱がこもり難くなっている。その結果として、ペルチェ素子４から放熱される熱を効果的に放散させてノイズの発生を抑え、撮像精度の向上と小型化とを両立させ易くなっている。
【００２３】
さらに、熱移送部９を構成する第１，第２帯状ヒートパイプ６，７は、自励振動式ヒートパイプであるため、銅に比べて３０倍程度の極めて高い熱伝導率を有する。そのため、局所的に高温になったペルチェ素子４から、熱を素早く熱放散部１９に移送して放散させることができ、撮像装置１の内部に熱がこもることを防止する。さらに、自励振動式ヒートパイプは折り曲げ加工も容易であり、自励振動式ヒートパイプによって第１，第２帯状ヒートパイプ６，７を形成すると、撮像装置１の使用方向に応じた自然対流を生じ易い形状に加工し易く、効果的な熱放散が可能になる。
【００２４】
さらに、水冷式の放熱器を用いなくても効果的な熱放散が可能になるため、小型、軽量化が容易になり、且つ水を用いて冷却する場合に比べて取り扱いが容易である。さらに、ファンモータを用いなくても効果的な熱放散が可能になるため、撮像装置１を小型化し易く、また、ファンモータの振動によって生じるノイズを防止できる。
【００２５】
また、ウイックを装填した従来のヒートパイプでは熱伝導に鉛直上下方向の制限があり、設置使用方向が定まらない撮像装置に従来のヒートパイプを採用する場合には、ヒートパイプの取り付けスペースに余裕を持たせて設計する必要があり、さらに、設置使用方向が変わっても熱伝導性能を維持するためには、ヒートパイプの本数を増やす必要があった。そのため、従来のヒートパイプを用いた場合には、小型化し難く、製造コストも増大し易い。しかしながら、自励振動式ヒートパイプを用いて熱移送部９を形成することにより、使用方向による熱伝導性の低下が非常の小さくなり、自然対流を促す配置にし易い。
【００２６】
さらに、従来のヒートパイプでは、設置方向によって熱伝導率が異なるため、設置使用方向が変化する撮像装置では、放散される熱量を考慮した設計を行い難いが、自励振動式ヒートパイプを用いて熱移送部９を形成することにより、設置方向によって熱伝導率が変わらず、放散される熱量を考慮した設計を行い易い。
【００２７】
（変形例）  
上記の撮像装置１では、熱放散部１９の筒状ヒートシンク部１４及び前面ヒートシンク部１６の突出部１３ａ、１６ｃが平板状であった。本変形例では、筒状ヒートシンク部２０に複数の棒状の突出部２０ａが形成されている。このような、複数の棒状の突出部２０ａとすることにより、熱を放散させる自然対流の向きに影響され難くなり、効果的な熱の放散が可能になる。
【００２８】
本発明は、上記の実施形態に限定されず、例えば、撮像素子はＣ―ＭＯＳセンサであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る撮像装置の第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１のII−II線に沿った断面図である。
【図３】熱移送部の斜視図である。
【図４】筒状ヒートシンク部に形成された突出部の変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…撮像装置、２…ＣＣＤ素子（撮像素子）、４…ペルチェ素子、４ａ…吸熱部、４ｂ…放熱部、６…第１帯状ヒートパイプ、６ａ…帯部、７…第２帯状ヒートパイプ、７ａ…帯部、９…熱移送部、９ａ…交差部、１２…回路基板、１３ａ，２０ａ…突出部、１４…筒状ヒートシンク部、１６…前面ヒートシンク部、１６ａ…窓部、１６ｂ…通気口、１７…レンズユニット、１８…カバー部、１８ｂ…通気口、１９…熱放散部、２０…放熱器、Ｓ…光軸、ＳＬ…隙間。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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