JP2014000294A - 内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペースに制限のある内視鏡先端部を効果的に冷却させる。
【解決手段】内視鏡先端部において、撮像素子２１および基板２２から構成される撮像モジュール２０を配置し、先端部とは反対側の基板後方部に円筒状ペルチェ素子３０を配置する。基板本体２２Ａから延びた配線ＣＬをカバーするケーシング部２２Ｂを設け、ペルチェ素子３０の中空部に嵌合させて密着させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、器官内壁などの被写体を撮像する内視鏡装置に関し、特に、内視鏡先端部における冷却機構に関する。

電子内視鏡装置では、ビデオスコープの先端部にイメージセンサ（撮像素子）および回路基板等を含む撮像モジュールが備えられており、イメージセンサから読み出される画素信号に基づいて観察画像を生成し、モニタ等に表示する。

内視鏡作業中に撮像モジュールで生じる熱は、画像ノイズの発生を引き起こす。これを防ぐ方法として、撮像モジュール側面にペルチェ冷却素子を配置させて放熱することが考えられる（例えば、特許文献１参照）。ペルチェ素子は、放熱面と吸熱面との間にＮ型、Ｐ型半導体を交互に直列接続させた平面、スクウェア型構造を採用している。

撮像モジュールの基板には、コンデンサなど様々な電子部品が配設され、また、数多くの配線が内視鏡軸方向に沿って延びている。そのため、ペルチェ素子を撮像モジュール裏側にそのまま実装させることはスペースの狭い内視鏡先端部において難しい。これを回避するため、撮像モジュールの基板に対して軸方向に延びる延出部分を形成し、その側面にペルチェ素子を配置する構成が提案されている（引用文献２参照）。

特開２０１０−２２８１５号公報 特開２０１０−３５８１５号公報

基板の一部側面に平面型、スクウェア型を配置した冷却構造では、基板側面からしか熱を吸収することができず、基板全体に発生する熱を効果的に吸収することができない。

このような構造で冷却機能を向上させるためには、その構造上それらを積層させる必要がある。しかしながら、厚みのある平面型ペルチェ冷却素子を、配置スペースに制限のある内視鏡先端部に積層させることは難しい。

したがって、冷却機能が優れるとともに、内視鏡先端部に容易に実装可能なペルチェ素子が必要とされる。

本発明の内視鏡は、撮像素子と、撮像素子が配設される基板と、基板の裏面側に配置され、吸熱部を内周面側に形成し、放熱部を外周面側に形成する筒状のペルチェ素子とを備える。そして、ペルチェ素子は、その一方の端面と基板裏面とが対向するように配置されている。例えば、ペルチェ素子を円筒状に形成可能である。

撮像モジュールに発生する熱は、素子が実装された基板の裏側から先端部反対側（プロセッサ側）に向けて伝達されやすい。ペルチェ素子は、その軸方向が内視鏡先端部の軸方向あるいは先端部に配置された対物光学系の光軸方向に沿った方向で端面が基板裏側を向くように設置されている。

そのため、熱が中空部に伝わると、吸熱部として作用する内周面から放熱部として作用する外周面に向けて熱が移動し、ペルチェ素子は放射状に熱を拡散させる。その結果、撮像モジュールに発生した熱が、その後方側で均一に放出することが可能となる。

基板には、ペルチェ素子の中空部において基板裏面から延出する熱伝導性部分を設けることが可能である。例えば、中空状の部材として基板から延びる配線を覆うケーシング部材を構成することが可能であり、配線経路を確保する配線カバーおよび伝熱部材として機能させることができる。

熱伝導性部分からペルチェ素子へ効率よく熱を輸送させることを考えると、熱伝導性部分とペルチェ素子とを接触させる構成にすることが可能である。例えば、ペルチェ素子に熱伝導性部分を嵌合させて密着させるようにすることができる。

ペルチェ素子と基板裏面とを接触させてもさせなくてもよい。軸方向に沿って基板から直接熱を移動させるとともに、ペルチェ素子から基板に熱が移動することを防ぐことを考慮すれば、吸熱部を基板裏面側と一方の端面において接触させる一方、放熱部が基板裏面側と接触させないようにするのがよい。

ペルチェ素子の構造としては、吸熱板としての内側筒体と、放熱板としての外側筒体とを設け、その間に複数のＰ型半導体と複数のＮ型半導体を直列接続させればよい。＋、−２つの端子だけで配線を構成することも可能であり、複数のＰ型半導体と複数のＮ型半導体を、素子の軸方向に沿って交互に螺旋状に配置することによって実現可能である。

ペルチェ素子からより効果的に放熱することを考慮すると、ペルチェ素子を覆う筒状の放熱部材を設けることが可能である。

本発明の他の局面におけるペルチェ冷却素子は、内視鏡、プローブその他の細径スコープに組み込み可能な撮像モジュールに適用可能であり、熱伝導性をもつ内側筒体と、熱伝導性をもち、内側筒体を覆う外側筒体と、内側筒体と外側筒体との間に軸方向に沿って交互に螺旋状に配置され、直列接続されている複数のＰ型半導体と複数のＮ型半導体とを備え、放熱部と吸熱部を内側筒体と外側筒体に形成する。

撮像モジュールとしては、撮像素子と、撮像素子が設置される基板とを備え、基板が、上記ペルチェ素子の中空部において、基板裏面から延出する熱伝導性部分を有する。

このように本発明によれば、スペースに制限のある内視鏡先端部を効果的に冷却させることができる。

本実施形態である電子内視鏡装置のビデオスコープ（内視鏡）のブロック図である。 撮像モジュールとペルチェ素子の構成を示した斜視図である。 ペルチェ素子の平面図である。 ペルチェ素子内部の半導体配置構成を模式的に示した図である。

以下では、図面を参照して本実施形態である電子内視鏡装置について説明する。

図１は、本実施形態である電子内視鏡装置のビデオスコープ（内視鏡）のブロック図である。

ビデオスコープ１０は、図示しないプロセッサに着脱自在に接続可能であり、その先端部１０Ｔに撮像モジュール２０を備える。ビデオスコープ１０内に設けられたライトガイド（図示せず）は、プロセッサに設けられた光源部からの照明光を観察部位に伝達する。

撮像モジュール２０は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの撮像素子２１と基板２２とを備え、基板２２には、撮像素子２１とともにコンデンサ等の電子部品が設置されている。被写体に反射した光は、対物レンズ２３を通って撮像素子２１の受光面に結像する。これにより撮像素子２１で生じる画素信号は、基板２２に接続された信号ケーブル５０を介してプロセッサ（図示せず）へ送信される。

基板２２は、撮像素子の搭載される矩形状基板本体２２Ａと、基板本体２２Ａの裏面側から突出する円筒状ケーシング部２２Ｂとを備える。ケーシング部２２Ｂの周囲には、円筒状ペルチェ素子３０が配置されており、ペルチェ素子３０の周囲には、金属などからなる円筒状の放熱部材４０が配置されている。

図２は、撮像モジュール２０とペルチェ素子３０の構成を示した斜視図である。ただし、ここでは放熱部材４０を図示していない。

基板２２は、基板本体２２Ａの裏面に円筒状ケーシング部２２Ｂを取り付けたセラミック基板として構成されており、撮像素子２１と一体化したパッケージモジュールとなっている。ケーシング部２２Ｂの一方の端部２２Ｃ側から電源線、信号線など様々な配線Ｃが延びており、これら配線ＣＬが信号ケーブル５０を構成する。ケーシング部２２Ｂは内部に配線ＣＬを通すように筒状に形成されており、配線ＣＬをカバーして配線経路を確保する。

基板本体２２Ａの裏面２２Ｓに対向するペルチェ素子３０の端面３０Ａは、基板本体２２に対向しており、その軸方向は内視鏡軸方向、そして対物レンズ２３の光軸に概ね沿っている。また、円筒状ペルチェ素子３０は、その中空部３０Ｔにケーシング部２２Ｂが嵌るように装着されており、ケーシング部２２Ｂとペルチェ素子３０の内周面全体が密着している。ペルチェ素子３０は、電力（図示せず）が供給されると、撮像モジュール２０に生じる熱を周囲に放出するように動作する。

次に、図３、４を用いて、本実施形態におけるペルチェ素子の内部構造について説明する。図３は、ペルチェ素子３０の平面図である。図４は、ペルチェ素子内部の半導体配置構成を模式的に示した図である。

ペルチェ素子３０は、基板２２のケーシング部２２Ｂと密着する内側の円筒状吸熱板３２Ａと、吸熱板３２Ａを覆う円筒状放熱板３２Ｂを備え、その間には、複数のＮ型半導体Ｔ１と、Ｐ型半導体Ｔ２が規則的に配置されている。吸熱板３２Ａ、放熱板３２Ｂは、熱伝導性の高い金属などの物質から成る。

複数のＮ型半導体Ｔ１、Ｐ型半導体Ｔ２は、ペルチェ素子３０の軸Ｃ方向に関して螺旋状に交互に並んでおり、吸熱板３２Ａと放熱板３２Ｂの内表面に沿って形成された薄膜電極Ｌに沿って直列に接続されている。図３では、ペルチェ素子３０の端面３０Ａから見たときの半導体配列を一部示しており、また、図４では、Ｎ型半導体Ｔ１、Ｐ型半導体Ｔ２の螺旋状配列を示している。

円筒状吸熱板３２Ａは、一方の端面側に放熱板３２Ｂよりも軸方向Ｃに沿って突出した接続部３２Ｔを形成しており、基板本体２２Ａと密接する。一方、放熱板３２Ｂは基板本体２２Ａと接しない。

このような半導体の螺旋直列配置構造をもつペルチェ素子３０の中空部３０Ｔにケーシング部２２Ｂを挿入、嵌合させることにより、放熱作用が働く。

具体的に説明すると、ケーシング部２２Ｂは熱伝導性をもつことから、内視鏡作業中に撮像素子２１および基板本体２２Ａに発生した熱は、ケーシング部２２Ｂに伝わり、また、配線ＣＬが延びるその内部空間に伝わって、ケーシング端部２２Ｃに向け移動する。

ペルチェ素子３０は、その内周面（吸熱板３２Ａ）が吸熱部、外周面（放熱板３２Ｂ）が発熱部となるように動作するため、ケーシング部２２Ｂに伝達された熱は、ペルチェ素子３０に吸収され、ペルチェ素子３０の外周面全体から放射状に放出される。さらにペルチェ素子３０と密着する放熱部材４０により、熱は放熱部材４０全体から放出される。

このように本実施形態によれば、内視鏡先端部において、撮像素子２１および基板２２から構成される撮像モジュール２０を配置し、先端部とは反対側の基板後方部に円筒状ペルチェ素子３０が配置される。そして、基板本体２２Ａから延びた配線ＣＬをカバーするケーシング部２２Ｂは、ペルチェ素子３０の中空部３０Ｔに嵌合して密着している。これにより、撮像素子２１、基板２２から生じた熱が基板後方側へ移動し、放熱部材４０を通じて内視鏡先端部において径方向に拡散される。

従来のスクウェア型ペルチェ素子ではなく円筒状のペルチェ素子３０を構成するとともに、ペルチェ素子３０の中空部３０Ｔに熱伝導性のある基板ケーシング部２２Ｂを嵌めることにより、小スペースながらも十分な放熱面を確保することができ、冷却効果が高まる。

特に、ケーシング部２２Ｂが配線カバーと伝熱を兼用するため、スペースに無駄のない小型の冷却機構を実現している。また、熱を基板裏側のビデオスコープ軸方向に沿って効果的に伝達させるため、内視鏡先端面側、すなわち被写体側へ熱を拡散することを防ぎ、人体への熱の影響を低減することができる。

さらに、ケーシング部２２Ｂとペルチェ素子３０が密着し、さらにペルチェ素子３０と放熱部材４０が密着しているため、速やかに熱が放射状に拡散し、内視鏡先端部に熱が溜まることを防ぐ。一方、ペルチェ素子３０はその吸熱板３２Ａのみ基板本体２２Ａと接するため、放熱板３２Ｂから熱が基板２２へ再び伝わることを防ぐ。

また、ペルチェ素子３０に設けられるＮ型半導体Ｔ１、Ｐ型半導体Ｔ２の交互直列接続を螺旋状にしているため、１組の＋、−端子のみで、すべてのＮ型半導体Ｔ１、Ｐ型半導体Ｔ２を動作させることができる。

また、撮像素子モジュールを内視鏡先端部に組み込む場合、放熱部材のサイズに合わせて内視鏡先端部に丸穴を開けるだけでよいため、簡単な加工によって冷却機構を取り付けた撮像素子モジュールを実装させることができる。

ペルチェ素子の形状については、筒状であれば厳密な円筒状でなくてもかまわない。また、半導体配置構成については、平面型ペルチェ素子のようにＮ型半導体、Ｐ型半導体を２次元配列および交互直列接続させた平面モジュールを階層化させ、円筒状ペルチェ素子を構成することも可能である。

ペルチェ素子は基板本体およびケーシング部ともに密着しているが、部分的に接するようにすることも可能であり、あるいは、ペルチェ素子を基板本体、ケーシング部に接しないようにすることも可能である。さらには、ケーシング部を設けない構成にすることも可能であり、基板からペルチェ素子の中空部に伝わる熱を吸収し、外周面から拡散させることができる。また、スペースの制限から放熱部材を設けない構成にすることも可能である。

１０ ビデオスコープ(内視鏡)
２０ 撮像モジュール
２１ 撮像素子
２２ 基板
２２Ａ 基板本体
２２Ｂ ケーシング部（熱伝導性部分）
２２Ｓ 基板裏面
３０ ペルチェ素子
３０Ａ 一方の端面
３０Ｔ 中空部
３２Ａ 吸熱板（内側筒体、吸熱部）
３２Ｂ 放熱板（外側筒体、放熱部）
３２Ｔ 接続部
４０ 放熱部材
５０ 信号ケーブル
ＣＬ 配線
Ｔ１ Ｎ型半導体
Ｔ２ Ｐ型半導体

Claims (9)

1. 撮像素子と、
   前記撮像素子が設置される基板と、
   前記基板の裏面側に配置され、吸熱部を内周面側に形成し、放熱部を外周面側に形成する筒状のペルチェ素子とを備え、
   前記ペルチェ素子が、その一方の端面と基板裏面とが対向するように配置されていることを特徴とする内視鏡。
2. 前記基板が、前記ペルチェ素子の中空部において、基板裏面から延出する熱伝導性部分を有することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
3. 前記熱伝導性部分が、前記基板から延びる配線を覆うケーシング部を有することを特徴とする請求項２に記載の内視鏡。
4. 前記ペルチェ素子が、前記熱伝導性部分とその内周面において接していることを特徴とする請求項２に記載の内視鏡。
5. 前記吸熱部が前記基板と一方の端面において接する一方、前記放熱部が前記基板と接していないことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内視鏡。
6. 前記ペルチェ素子が、吸熱板としての内側筒体と、放熱板としての外側筒体と、内側筒体と外側筒体との間に設けられる複数のＰ型半導体と複数のＮ型半導体とを有し、
   前記複数のＰ型半導体と複数のＮ型半導体が、軸方向に沿って交互に螺旋状に配置され、そして直列接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内視鏡。
7. 前記ペルチェ素子を覆う筒状の放熱部材をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の内視鏡。
8. 熱伝導性をもつ内側筒体と、
   熱伝導性をもち、内側筒体を覆う外側筒体と、
   前記内側筒体と外側筒体との間に軸方向に沿って交互に螺旋状に配置され、直列接続されている複数のＰ型半導体と複数のＮ型半導体とを備え、
   放熱部と吸熱部を前記内側筒体と前記外側筒体に形成することを特徴とするペルチェ素子。
9. 撮像素子と、
   前記撮像素子が設置される基板とを備え、
   前記基板が、請求項８に記載されたペルチェ素子の中空部において、基板裏面から延出する熱伝導性部分を有することを特徴とする撮像モジュール。

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