JP2014226432A - 内視鏡の挿入部のシールド放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】挿入部内に設けた撮像素子をシールド部材によって電磁的にシールド可能で、しかもシールド部材を利用して撮像素子の熱を効率よく放熱することが可能な内視鏡の挿入部のシールド放熱構造を提供する。【解決手段】操作部１１から前方に延びる挿入部１２の先端部１８内に設けた、上記先端部の表面において露出する対物レンズ系４１と、先端部内に設けた、挿入部の軸線方向に延び両端が開口する筒状をなし、かつ接地回路３０に接地導通する金属製シールド部材２２と、対物レンズを透過した観察像を撮像する撮像面２８を前面に備え、かつ、自身の内部回路と導通する複数のグランド端子２７ａが外周面から放射状に突出する、シールド部材の内部に配設した撮像素子２７と、を具備し、グランド端子をシールド部材の内面に半田付けＡした。【選択図】図２

Description

本発明は内視鏡の挿入部のシールド放熱構造に関する。

図４は内視鏡の従来例である。
この内視鏡は、術者が手で把持する操作部と、操作部から前方に延びる挿入部と、操作部から挿入部と反対側に延びるユニバーサルチューブと、ユニバーサルチューブの端部に設けたコネクタ部と、を備えている。
挿入部の先端部内には、複数の光学素子からなりかつ前端の光学素子が当該先端部の前端面において露出する対物レンズ系と、対物レンズ系の後方に位置する撮像素子と、撮像素子の外周側に位置しかつ前後両端が開口する金属製の筒状シールド部材と、を具備している。

撮像素子の後面には回路基板が固定状態で取り付けてある。回路基板の表面には回路パターンと接地パターンが形成してあり、回路パターン及び接地パターンは撮像素子の内部回路と電気的に導通している。さらに回路基板からは、多数の信号線と多数のグランド線が共に後方に向かって延びている。各信号線は上記回路パターンに接続しており、各グランド線は上記接地パターンに接続している。
各信号線は束ねられた状態で後方に延びている。この信号線束は、挿入部、操作部、ユニバーサルチューブの内部空間を通ってコネクタ部の内部空間まで延びている。
各グランド線も束ねられた状態で後方に延びており、グランド線束の前端近傍部はシールド部材の内周面の後部に対して半田付けしてある。

内視鏡は、そのコネクタ部を画像処理兼光源装置（プロセッサ）に接続して使用する。対物レンズ系によって被写体を観察すると、対物レンズ系を透過した観察像（光束）が撮像素子（撮像面）によって撮像される。撮像素子が生成した撮像データは、回路基板及び信号線束を介してコネクタ部から画像処理兼光源装置の画像処理手段に送られ、画像処理手段によって画像処理された後に、画像処理手段と接続するモニタに表示される。

上記したように、回路基板の接地パターンに接続するグランド線束の一部をシールド部材の内周面の後部に対して半田付けしている。そのため、シールド部材によって、撮像素子に外部ノイズが入ったり撮像素子のノイズが外部に漏れるのを抑制できる。

さらに撮像素子は撮像動作中に発熱する。
撮像素子の周辺には熱伝導性が低い樹脂部材が配置してある。そのため、撮像素子の熱をこの樹脂部材を介して放熱するのは難しい。
しかし、グランド線束の後部がシールド部材の内周面の後部に半田付けしてあるので、撮像素子の熱の一部は回路基板及びグランド線束を介して金属製のシールド部材に流れ、シールド部材から放熱される。そのため、撮像素子が高温化して、撮像した画像の品質が落ちるのを抑制できる。

特開２０１１−２４８００号公報

近年、撮像素子の高集積化が進んでいるため撮像素子の発熱量は多くなっている（特にＣＭＯＳイメージセンサーは発熱量が多い）。
しかし上記構造では、グランド線束がある程度の長さを有しているので（回路基板からシールド部材の内周面の後部までの距離が長いので）、撮像素子から回路基板に伝わった熱をシールド部材に効率よく伝達するのが難しい。
そのため、撮像素子の温度上昇を十分に抑制できず、撮像素子の温度上昇に起因して撮像画像が劣化するおそれがある。

本発明は、挿入部内に設けた撮像素子をシールド部材によって電磁的にシールド可能で、しかもシールド部材を利用して撮像素子の熱を効率よく放熱することが可能な内視鏡の挿入部のシールド放熱構造を提供することを目的とする。

本発明の内視鏡の挿入部のシールド放熱構造は、操作部から前方に延びる挿入部の先端部内に設けた、上記先端部の表面において露出する対物レンズ系と、上記先端部内に設けた、上記挿入部の軸線方向に延び両端が開口する筒状をなし、かつ接地回路に接地導通する金属製シールド部材と、上記対物レンズを透過した観察像を撮像する撮像面を前面に備え、かつ、自身の内部回路と導通する複数のグランド端子が外周面から放射状に突出する、上記シールド部材の内部に配設した撮像素子と、を具備し、上記グランド端子を上記シールド部材の内面に半田付けしたことを特徴としている。

上記シールド部材が、筒状をなし、かつ上記撮像素子の上記外周面と対向する部位に貫通孔が形成された本体部と、上記貫通孔と対応する形状をなし、該貫通孔に嵌合した状態で上記グランド端子に半田付けされ、かつ上記本体部と電気的に導通する導通板と、を有してもよい。

上記導通板を構成する金属の熱伝導率が、上記本体部を構成する金属より高く、上記本体部を構成する金属が、上記導通板を構成する金属より柔らかくてもよい。

上記導通板が上記貫通孔より小寸であり、上記グランド端子と上記導通板を接合する上記半田が、上記貫通孔の内周縁部と上記導通板の外周縁部の間の隙間を埋めてもよい。

撮像素子の周囲を金属製シールド部材が囲んでおり、かつシールド部材が接地回路に接地導通している。そのため、シールド部材によって、撮像素子に外部ノイズが入ったり撮像素子のノイズが外部に漏れるのを抑制できる。
さらに、撮像素子の外周面から放射状に（シールド部材の内周面側に向かって）突出する複数のグランド端子をシールド部材の内面に半田付けしているので、撮像素子の熱の一部はグランド端子からシールド部材へ直接流れる。一般的に撮像素子の外周面からシールド部材の内周面までの距離は短いので（グランド端子の長さは短いので）、撮像素子で発生した熱はグランド端子からシールド部材へ効率よく伝わり、シールド部材から効率よく放熱される。そのため、撮像素子が高温化して、撮像した画像の品質が落ちるのを効果的に抑制できる。

本発明の一実施形態の内視鏡の全体図である。 挿入部の先端部及び先端部の直後に位置する部位の縦断側面図である。 撮像ユニットの前方から見た斜視図である。 従来例の図２と同様の縦断側面図である。

以下、図１から図３を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。以下の説明中の前後方向は、内視鏡１０の挿入部１２の先端側を「前方」、ユニバーサルチューブ１３の先端側（コネクタ部１４側）を「後方」と定義している。
医療用の内視鏡１０は、硬質樹脂からなる操作部１１と、操作部１１から前方に延びる挿入部１２と、操作部１１から後方に延びるユニバーサルチューブ１３と、ユニバーサルチューブ１３の後端に固定したコネクタ部１４と、を備えている。

次に挿入部１２の詳細な構造について説明する。
挿入部１２は、操作部１１から前方に延びかつ可撓性を有する可撓管部１６と、可撓管部１６の前端部に接続する湾曲部１７と、湾曲部１７の前端部に接続する先端部１８と、を具備している。湾曲部１７は、操作部１１に設けた湾曲操作レバー１５の回転操作に連動して湾曲する部位である。
先端部１８の外周面は、挿入部１２全体の外周面を構成する可撓性樹脂材料からなる外皮材１９の先端部により構成してある。外皮材１９の先端部の内周側には、実質的に弾性変形不能な硬質樹脂材料（例えば、ＡＢＳ、変性ＰＰＯ、ＰＳＵなど）によって構成した先端硬質部２０が設けてある。先端硬質部２０の前端面には、先端硬質部２０を前後方向に貫通する断面円形の収納孔２０ａが形成してある。収納孔２０ａは、断面円形をなす前部孔２０ａ１と、断面略方形をなす後部孔２０ａ２と、からなるものである。

収納孔２０ａには、シールド部材２２（本体部２３、第一導通板２４、第二導通板２５）、撮像素子２７、カバーガラス２９、回路基板３０、画像信号用ケーブル３２、グランド線束３３、被覆チューブ３４、エポキシ樹脂製接着剤３６、レンズホルダ３８、及び対物レンズ系４１（第１レンズ３９、レンズ４０）を具備する撮像ユニット２１が嵌合固定してある。
シールド部材２２は断面略方形をなす筒状部材である。シールド部材２２は、本体部２３、第一導通板２４、及び第二導通板２５を具備している。
本体部２３は熱伝導率が高い金属製（例えば、真鍮やＳＵＳなど）の板材から成形した筒状部材である。本体部２３の軸線は前後方向（挿入部１２の軸線方向）に延びており、本体部２３の両端は開口している。図２及び図３に示すように本体部２３を構成する四面の一つの面の後端部には貫通孔２３ａ（切り欠き）が形成してあり、二つの面には貫通孔２３ａの前方に位置する貫通孔２３ｂがそれぞれ形成してある。
第一導通板２４は貫通孔２３ａと略同一形状であり、厳密には貫通孔２３ａより僅かに小寸である。二枚の第二導通板２５は貫通孔２３ｂと略同一形状であり、厳密には貫通孔２３ａより僅かに小寸である。第一導通板２４及び第二導通板２５は熱伝導率が高い金属製（例えば真鍮など）の平板である。

前後両端が開口するレンズホルダ３８は樹脂製である。レンズホルダ３８の後端部には断面略方形の接続部３８ａが形成してあり、接続部３８ａの直前に位置する部位は接続部３８ａより大寸の断面略方形部からなるストッパ部３８ｂとなっている。さらにレンズホルダ３８のストッパ部３８ｂより前方に位置する部位は円筒部３８ｃにより構成してある。
レンズホルダ３８の円筒部３８ｃの内部には、第１レンズ３９とレンズ４０とからなる対物レンズ系４１が固定状態で支持してある。
対物レンズ系４１を支持したレンズホルダ３８は、その接続部３８ａを本体部２３の前端部に挿入（嵌合）し、かつストッパ部３８ｂの後面を本体部２３の前面に当接させることにより、シールド部材２２に対して相対回転不能に接続してある。

本体部２３の内部には正面視略矩形の撮像素子２７が配設してある。撮像素子２７の外周面を構成する二面からは、撮像素子２７の内部回路（図示略）と導通する複数のグランド端子２７ａが放射状に突出している。撮像素子２７の前面は撮像面２８を構成している。
撮像素子２７の撮像面２８には透光性のカバーガラス２９が固定してある。さらに撮像素子２７の後面には回路基板３０が固定状態で取り付けてある。回路基板３０の表面には回路パターンと接地パターン（接地回路）（いずれも図示略）が形成してあり、回路パターン及び接地パターンは撮像素子２７の上記内部回路と電気的に導通可能である。
回路基板３０の回路パターンから後方に延びる可撓性材料からなる複数の画像信号用ケーブル３２の後端部は、挿入部１２、操作部１１、ユニバーサルチューブ１３を通り抜けてコネクタ部１４の内部空間に位置している。コネクタ部１４の内部には（回路基板３０とは別個の）回路基板３１が固定してある（図１参照）。この回路基板３１の表面にも回路パターンと接地パターン（いずれも図示略）が形成してある。画像信号用ケーブル３２の後端部は、回路基板３１の回路パターンに半田付けしてある。また、回路基板３１の接地パターンには、多数の金属線材を束ねて構成したグランド線束３３の後端が半田付けしてある。グランド線束３３の前端部は、コネクタ部１４、ユニバーサルチューブ１３、操作部１１、及び湾曲部１６を通り抜けて先端部１８の内部空間に位置している。また各画像信号用ケーブル３２及びグランド線束３３の前後両端部を除く部分は、可撓性材料からなる被覆チューブ３４によって束ねてある。さらに画像処理用接続スリーブ１４Ａ内には画像信号用ケーブル（図示略）が位置しており、当該画像信号用ケーブルの一端が回路基板３１の回路パターンに半田付けしてある。
グランド線束３３の前端部の一部である基板接続部３３ａは回路基板３０の上記接地パターンに半田付けしてある。一方、グランド線束３３の前端部の残部であるシールド部材接続部３３ｂは、被覆チューブ３４の前端付近で被覆チューブ３４の周方向に巻かれ、さらに貫通孔２３ａ側に向かって延びている。
回路基板３０、各画像信号用ケーブル３２、基板接続部３３ａ、及びシールド部材接続部３３ｂを本体部２３に対して取り付けるには、まず本体部２３の外側で回路基板３０、各画像信号用ケーブル３２、基板接続部３３ａ、及びシールド部材接続部３３ｂに対してエポキシ樹脂製接着剤３６（図２の斜線部）を付着させ、エポキシ樹脂製接着剤３６全体を固化させる。エポキシ樹脂製接着剤３６が固化したとき、各グランド端子２７ａの先端部（外周側端部）及びシールド部材接続部３３ｂの先端部（外周側端部）はエポキシ樹脂製接着剤３６の表面から外周側（本体部２３の内周面側）に突出する。次いで、固化したエポキシ樹脂製接着剤３６、回路基板３０、各画像信号用ケーブル３２、基板接続部３３ａ、及びシールド部材接続部３３ｂからなる一体物を本体部２３の後部に挿入し、シールド部材接続部３３ｂの先端部を貫通孔２３ａと対向させ、かつグランド端子２７ａの先端部を各貫通孔２３ｂと対向させる。するとエポキシ樹脂製接着剤３６の外周面が本体部２３の内周面に接触するので、本体部２３とエポキシ樹脂製接着剤３６は実質的に相対移動不能になる。

グランド線束３３のシールド部材接続部３３ｂの先端部（外周側端部）には半田ペースト（例えばＢＧＡなど）が塗布してある。第一導通板２４を貫通孔２３ａに嵌めて第一導通板２４の内面を当該半田ペーストに接触させた状態で、本体部２３の外側から半田ごて（図示略）を第一導通板２４の外面に当てると、半田ごてから第一導通板２４に伝わる熱によって上記半田ペーストが溶融する。このとき、溶融した半田ペーストの一部が貫通孔２３ａの内周縁部と第一導通板２４の外周縁部の間の隙間に流れ込み、当該隙間を埋める。従って、溶融した半田ペーストが固化すると、固化した半田（図示略）によってシールド部材接続部３３ｂの先端部と第一導通板２４の内面が電気的に接合し、かつ、貫通孔２３ａの内周縁部と第一導通板２４の外周縁部が電気的に接合する。
また、各グランド端子２７ａの先端部（外周側端部）にも半田ペースト（例えばＢＧＡなど）が塗布してある。二枚の第二導通板２５を対応する貫通孔２３ｂにそれぞれ嵌めて各第二導通板２５の内面を半田ペーストに接触させた状態で、シールド部材２２の外側から半田ごてを各第二導通板２５の外面に当てると、半田ごてから第二導通板２５に伝わる熱によって半田ペーストが溶融する。このとき、溶融した半田ペーストの一部が貫通孔２３ｂの内周縁部と第二導通板２５の外周縁部の間の隙間に流れ込み、当該隙間を埋める。従って、溶融した半田ペーストが固化すると、固化した半田Ａによってグランド端子２７ａの先端部と第二導通板２５の内面が電気的に接合し、かつ、貫通孔２３ｂの内周縁部と第二導通板２５の外周縁部が電気的に接合する。
なお、例えば、初めにシールド部材接続部３３ｂの先端部と第一導通板２４の半田付けを行い、その後に各グランド端子２７ａの先端部と第二導通板２５の半田付けを行う場合に、シールド部材接続部３３ｂと第一導通板２４の半田付け作業が完了した際に、固化したエポキシ樹脂製接着剤３６が本体部２３に対して（僅かに）前後方向に位置ずれする可能性がある。しかしこのような事態が生じても、作業者は貫通孔２３ｂを通じて各グランド端子２７ａの位置を視認できるので、固化したエポキシ樹脂製接着剤３６の本体部２３に対する前後位置を再調整しグランド端子２７ａの先端部を各貫通孔２３ｂと対向させた上で、グランド端子２７ａの先端部と第二導通板２５の半田付け作業を行うことが可能である。
また、第一導通板２４側の上記半田や半田Ａが固化したときに、第一導通板２４側の上記半田や半田Ａの一部が、本体部２３、第一導通板２４、及び第二導通板２５の表面から外側に盛り上がる（出っ張る）場合がある。この場合は、第一導通板２４側の上記半田や半田Ａの盛り上がった（出っ張った）部分をヤスリ等によって削って、シールド部材２２の表面全体を平坦にするのがよい。

以上構成の撮像ユニット２１は、収納孔２０ａ（後部孔２０ａ２）の後端開口から収納孔２０ａに挿入する。するとレンズホルダ３８の円筒部３８ｃが前部孔２０ａ１に嵌合し、ストッパ部３８ｂの前面が後部孔２０ａ２の前端面に当接し、かつストッパ部３８ｂ及びシールド部材２２の前部が後部孔２０ａ２に相対回転を規制された状態で嵌合する。さらに対物レンズ系４１の第１レンズ３９が挿入部１２（先端部１８）の先端面において露出する。

続いて内視鏡１０の使用要領について説明する。
まずは内視鏡１０のコネクタ部１４（画像処理用接続スリーブ１４Ａ）を図示を省略した画像処理兼光源装置（プロセッサ）に接続し、さらに画像処理兼光源装置をケーブルを介してモニタ（図示略）に接続する。その上で、画像処理兼光源装置に設けた電源スイッチをＯＮにして、画像処理兼光源装置に内蔵した光源を点灯させ、さらに画像処理兼光源装置に内蔵した画像処理手段を作動させる。光源で発生した光は、内視鏡１０の内部に配設したライトガイドファイバ（図示略）に供給され、かつライトガイドファイバから先端部１８の前端面に設けた照明レンズ（図示略）に供給され、照明レンズから外部に照射される。
挿入部１２を被験者の口から体腔に挿入すると、体腔内の被写体（例えば患部）によって反射された反射光（観察像）は対物レンズ系４１を透過しながら後方に向かい、カバーガラス２９を通って撮像素子２７（撮像面２８）によって受光（撮像）される。さらに撮像素子２７が生成した撮像データが、回路基板３０（回路パターン）、画像信号用ケーブル３２、回路基板３１、及び画像処理用接続スリーブ１４Ａ内に位置する上記画像信号用ケーブルを介して上記画像処理手段に送られ、画像処理手段によって画像処理された画像が上記モニタに表示される。

撮像素子２７は撮像動作中に熱を発生する。特に撮像素子としてＣＭＯＳイメージセンサーを利用した場合は多量の熱を発生する。
しかし、撮像素子２７で発生した熱の一部は、回路基板３０、基板接続部３３ａ、及びシールド部材接続部３３ｂ（半田）を介して第一導通板２４に流れ、さらに第一導通板２４の外周縁部と貫通孔２３ａの内周縁部を接続する上記半田を介して本体部２３に伝わる。
また、撮像素子２７で発生した熱の一部は、撮像素子２７のグランド端子２７ａ（及び半田Ａ）から二枚の第二導通板２５に直接流れ、さらに第二導通板２５の外周縁部と貫通孔２３ｂの内周縁部を接続する半田Ａを介して本体部２３に伝わる。図示するように撮像素子２７の外周面からシールド部材２２（第二導通板２５）の内周面までの距離は短いので（グランド端子２７ａの長さが短いので）、撮像素子２７で発生した熱はグランド端子２７ａ（及び半田Ａ）から第二導通板２５へ効率良く流れ、さらに半田Ａを介して本体部２３に伝わる。
シールド部材２２（本体部２３、第一導通板２４、第二導通板２５）に伝わった熱は、シールド部材２２から効率よく外部に放熱されるので、撮像素子２７が高温化して、撮像した画像の品質が落ちるのを効果的に抑制できる。

さらに撮像素子２７の周囲を囲む金属製のシールド部材２２の第二導通板２５に撮像素子２７のグランド端子２７ａが接続し、かつシールド部材２２（第一導通板２４）がグランド線束３３を介して回路基板３１の上記接地パターンに接地導通している。そのためシールド部材２２によって、撮像素子２７に外部ノイズが入ったり撮像素子２７のノイズが外部に漏れるのを効果的に抑制できる。

以上、上記実施形態を利用して本発明を説明したが、本発明は様々な変形を施しながら実施可能である。
例えば、第一導通板２４及び第二導通板２５を構成する金属の熱伝導率を本体部２３を構成する金属より高くし、かつ、本体部２３を構成する金属を第一導通板２４及び第二導通板２５を構成する金属より柔らかい材料により構成してもよい。このようにすれば、第一導通板２４及び第二導通板２５から本体部２３により熱が伝わり易くなるので、シールド部材２２全体の放熱機能が向上する。さらに本体部２３を曲げ易くなるので、本体部２３を筒状に加工するのが容易になる。
さらに本体部２３に形成する貫通孔２３ａ（第一導通板２４）及び貫通孔２３ｂ（第二導通板２５）の数、形状、位置は上記実施形態のものには限定されない。
またシールド部材２２を本体部２３と第一導通板２４と第二導通板２５に分けずに一体成形品としてもよい。
さらに斜視型の内視鏡、超音波内視鏡、或いは工業用内視鏡に対して本発明を適用してもよい。

１０ 内視鏡
１１ 操作部
１２ 挿入部
１３ ユニバーサルチューブ
１４ コネクタ部
１４Ａ 画像処理用接続スリーブ
１５ 湾曲操作レバー
１６ 可撓管部
１７ 湾曲部
１８ 先端部
１９ 外皮材
２０ 先端硬質部
２０ａ 収納孔
２０ａ１ 前部孔
２０ａ２ 後部孔
２１ 撮像ユニット
２２ シールド部材
２３ 本体部
２３ａ 貫通孔（切り欠き）
２３ｂ 貫通孔
２４ 第一導通板
２５ 第二導通板
２７ 撮像素子
２７ａ グランド端子
２８ 撮像面
２９ カバーガラス
３０ 回路基板
３１ 回路基板（接地回路）
３２ 画像信号用ケーブル
３３ グランド線束
３３ａ 基板接続部
３３ｂ シールド部材接続部
３４ 被覆チューブ
３６ エポキシ樹脂製接着剤
３８ レンズホルダ
３８ａ 接続部
３８ｂ ストッパ部
３８ｃ 円筒部
３９ 第１レンズ
４０ レンズ
４１ 対物レンズ系
Ａ 半田

Claims (4)

1. 操作部から前方に延びる挿入部の先端部内に設けた、上記先端部の表面において露出する対物レンズ系と、
   上記先端部内に設けた、上記挿入部の軸線方向に延び両端が開口する筒状をなし、かつ接地回路に接地導通する金属製シールド部材と、
   上記対物レンズを透過した観察像を撮像する撮像面を前面に備え、かつ、自身の内部回路と導通する複数のグランド端子が外周面から放射状に突出する、上記シールド部材の内部に配設した撮像素子と、
   を具備し、
   上記グランド端子を上記シールド部材の内面に半田付けしたことを特徴とする内視鏡の挿入部のシールド放熱構造。
2. 請求項１記載の内視鏡の挿入部のシールド放熱構造において、
   上記シールド部材が、
   筒状をなし、かつ上記撮像素子の上記外周面と対向する部位に貫通孔が形成された本体部と、
   上記貫通孔と対応する形状をなし、該貫通孔に嵌合した状態で上記グランド端子に半田付けされ、かつ上記本体部と電気的に導通する導通板と、
   を有する内視鏡の挿入部のシールド放熱構造。
3. 請求項２記載の内視鏡の挿入部のシールド放熱構造において、
   上記導通板を構成する金属の熱伝導率が、上記本体部を構成する金属より高く、
   上記本体部を構成する金属が、上記導通板を構成する金属より柔らかい内視鏡の挿入部のシールド放熱構造。
4. 請求項２または３記載の内視鏡の挿入部のシールド放熱構造において、
   上記導通板が上記貫通孔より小寸であり、
   上記グランド端子と上記導通板を接合する上記半田が、上記貫通孔の内周縁部と上記導通板の外周縁部の間の隙間を埋めている内視鏡の挿入部のシールド放熱構造。

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