JP2014241209A - ケーブルおよびその接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】柔軟性を損なうことなく、ケーブル端末に設けられる端末部材の温度上昇を抑制することが可能なケーブルおよびその接続構造を提供する。【解決手段】複数本の内部ケーブル２と、複数本の内部ケーブル２の外周に巻回され複数本の内部ケーブル２を束ねる押え巻きテープ３と、押え巻きテープ３の外周に設けられ、複数本の素線４ａを編み組みして構成される編組シールド４と、を備え、編組シールド４を構成する素線４ａとして、金属材料からなる金属線を用い、押え巻きテープ３として、テープ状の金属箔である金属箔テープを用いたものである。【選択図】図１

Description

本発明は、ケーブルおよびその接続構造に関するものである。

超音波診断装置のプローブケーブルとして用いられるケーブルは、内部に複数本（例えば数百本）の極細同軸ケーブルを束ねて構成されており、多数の同軸ケーブルを用いることで画像信号の高密度伝送に対応している。

プローブケーブル（以下、単にケーブルという）は、複数本の極細同軸ケーブルと、複数本の極細同軸ケーブルを束ねる押え巻きテープと、押え巻きテープの外周に設けられたノイズ低減のための編組シールドと、その全体を被覆するシースと、で構成されている。ケーブルの先端部には、振動子（圧電素子）が組み込まれたプローブヘッド（探触子）が設けられる。

複数本の極細同軸ケーブルを束ねる押え巻きテープとしては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などからなる樹脂テープが一般に用いられている。

また、押え巻きテープの外周に設けられる編組シールドとしては、複数本の銅箔糸を編み組みして構成されたものが一般に用いられている。銅箔糸とは、ポリエステル、アラミド、あるいはナイロン繊維に銅箔をスパイラルラッピングしたワイヤーであり、これを複数本束ねた状態で編み込むことにより、編組シールドが構成されている。銅箔糸は極細の樹脂繊維と薄い銅箔とで構成されるワイヤーであるため、ケーブルの柔軟性を十分に確保することができる。

ところで、超音波診断装置では、プローブヘッドの内部の先端側に組み込まれた振動子（圧電素子）に電圧を印加することにより、超音波を発振する。振動子に電圧を印加すると、振動子が発熱し、プローブヘッドが発熱してしまう。プローブヘッドのケースの温度には上限値が規定されているため、その規定温度を超えない範囲で電圧を調整し、プローブヘッド内での発熱量が過大とならないように調整しながら使用しているのが現状である。

しかしながら、超音波診断装置で得られる画像の画質を向上させるためには、プローブヘッド内になるべく多くの振動子を配列し、より高い電圧パワーで使用することが望ましい。そのため、プローブヘッド内での発熱量が大きくなった場合であっても、ケースの温度上昇を抑制できる方法が望まれている。

プローブヘッドのケースの温度上昇を抑制する方法として、プローブヘッド内部で発生した熱をケーブル側に吸熱することが考えられる。具体的には、ケーブルのシールド部分（編組シールド）をプローブヘッド内部の発熱部分（振動子）に近づけるか、あるいは直接熱的な接続をもたせることで、シールドで吸熱を行うことが考えられる。

特開２０１０−２５９６９５号公報 特開平９−２９４７４４号公報

しかしながら、従来のケーブルでは、樹脂繊維と薄い銅箔からなる銅箔糸で構成される編組シールドを用いているため、編組シールドの熱容量が非常に小さく、熱吸収効果が期待できない。また、従来のケーブルでは、押え巻きテープが樹脂からなるため、押え巻きテープでの熱吸収効果も期待できない。

プローブケーブルとして用いられるケーブルは、医療現場で人為的に取扱われるため、高い柔軟性が要求される。そのため、柔軟性を損なうことなく、かつプローブヘッド内の発熱を効果的に吸収して温度上昇を抑制することが可能なケーブルが望まれている。

特許文献１では、ケーブル内部に複数本のチューブを内蔵し、そのチューブに冷却液あるいは空気を循環させることにより、プローブヘッドを冷却する構造が提案されている。

しかしながら、特許文献１の構造では、経年劣化によりチューブが破損して液漏れ等が発生してしまうおそれがある。また、特許文献１の構造では、複数本のチューブを内蔵することによりケーブルの外径が大きくなってしまい、ケーブルの柔軟性を大きく損なってしまうという問題がある。

そこで、本発明は、柔軟性を損なうことなく、ケーブル端末に設けられる端末部材の温度上昇を抑制することが可能なケーブルおよびその接続構造を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、複数本の内部ケーブルと、前記複数本の内部ケーブルの外周に巻回され前記複数本の内部ケーブルを束ねる押え巻きテープと、前記押え巻きテープの外周に設けられ、複数本の素線を編み組みして構成される編組シールドと、を備え、前記編組シールドを構成する前記素線として、金属材料からなる金属線を用い、前記押え巻きテープとして、テープ状の金属箔である金属箔テープを用いたケーブルである。

前記金属箔テープに用いる金属箔として、銅またはアルミニウムからなるものを用いてもよい。

前記金属箔テープとして、前記金属箔に樹脂をコーティングしたものを用いてもよい。

前記編組シールドを構成する前記素線として、銅または銅合金からなる金属線を用いてもよい。

前記内部ケーブルが、中心導体の外周に絶縁体、外部導体、ジャケットを順次設けた同軸ケーブルからなってもよい。

前記編組シールドの外周に設けられた樹脂からなるシースをさらに備え、前記シースには、熱伝導性を向上させるためのフィラーが配合されていてもよい。

また、本発明は、複数本の内部ケーブルと、前記複数本の内部ケーブルの外周に巻回され前記複数本の内部ケーブルを束ねる押え巻きテープと、前記押え巻きテープの外周に設けられ、複数本の素線を編み組みして構成される編組シールドと、を備えたケーブルを、端末部材に接続する際のケーブルの接続構造であって、前記編組シールドを構成する前記素線として、金属材料からなる金属線を用い、前記押え巻きテープとして、テープ状の金属箔である金属箔テープを用い、前記押え巻きテープと前記編組シールドとを、前記端末部材の発熱部分に熱的に接続したケーブルの接続構造である。

前記端末部材は、ケースと、前記ケースに支持されると共に前記発熱部分に熱的に接続される熱伝導性の材料からなるインナーケースと、を備え、前記押え巻きテープと前記編組シールドとを、前記インナーケースを介して、前記発熱部分に熱的に接続してもよい。

前記インナーケースと前記ケースとの間に、断熱材を設けてもよい。

前記インナーケースは、樹脂の表面に金属層を形成して構成されてもよい。

本発明によれば、柔軟性を損なうことなく、ケーブル端末に設けられる端末部材の温度上昇を抑制することが可能なケーブルおよびその接続構造を提供できる。

本発明の一実施の形態に係るケーブルを示す図であり、（ａ）は横断面図および内部ケーブルの横断面図、（ｂ）は編組シールドと編組シールドを構成する素線を説明する図、（ｃ）は押え巻きテープと編組シールドの積層状態を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るケーブルの接続構造を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は熱経路を説明する図である。 （ａ），（ｂ）は、図２のケーブルの接続構造の変形例を示す断面図である。 本発明でシミュレーションに用いたモデルを説明する図である。 図４のモデルを用いたシミュレーション結果を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係るケーブルを示す図であり、（ａ）は横断面図および内部ケーブルの横断面図、（ｂ）は編組シールドと編組シールドを構成する素線を説明する図、（ｃ）は押え巻きテープと編組シールドの積層状態を示す断面図である。

図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、ケーブル１は、複数本の内部ケーブル２と、複数本の内部ケーブル２の外周に巻回され複数本の内部ケーブル２を束ねる押え巻きテープ３と、押え巻きテープ３の外周に設けられ、複数本の素線４ａを編み組みして構成される編組シールド４と、編組シールド４の外周に設けられた樹脂からなるシース５と、を備えている。

ここでは、ケーブル１が、超音波診断装置のプローブケーブルである場合を説明する。ケーブル１の端末には、端末部材２２としてのプローブヘッド（探触子）２３が接続される（図２参照）。

内部ケーブル２は、中心導体２ａの外周に絶縁体２ｂ、外部導体２ｃ、ジャケット２ｄを順次設けた極細同軸ケーブルからなる。ケーブル１は、例えば数百本の極細同軸ケーブルからなる内部ケーブル２を束ねて構成されている。

押え巻きテープ３は、その一部が１周前の押え巻きテープ３上に重なるように螺旋状に巻回されて、複数本の内部ケーブル２の周囲に巻きつけられている。

さて、本実施の形態に係るケーブル１では、編組シールド４を構成する素線４ａとして金属材料からなる金属線を用い、押え巻きテープ３として、テープ状の金属箔である金属箔テープを用いる。

編組シールド４を構成する素線４ａとして金属材料からなる金属線を用いることで、従来のように素線４ａとして銅箔糸を用いた場合と比較して、樹脂繊維を含まないために同体積であっても熱容量を大きくすることができ、編組シールド４の熱吸収効果を向上させることが可能になる。

編組シールド４を構成する素線４ａとしては、熱伝導性、屈曲性が高い金属材料からなるものを用いるとよく、銅または銅合金、あるいはアルミニウムなどからなるものを用いるとよい。好ましくは、柔軟かつ熱伝導率の高い銅または銅合金からなる金属線を素線４ａとして用いるとよい。本実施の形態では、素線４ａとして、その表面にＳｎからなるめっき層４ｂが形成された外径８０μｍの銅−錫系銅合金（ＮＮ合金（登録商標））からなる金属線を用いた。

また、押え巻きテープ３として金属箔テープを用いることで、従来のように押え巻きテープ３として樹脂テープを用いた場合と比較して、編組シールド４の熱吸収効果を向上させることが可能になる。金属箔テープに用いる金属箔としては、熱伝導率の高い材料を用いることが好ましく、銅またはアルミニウムからなるものを用いるとよい。

押え巻きテープ３として用いる金属箔テープが金属箔のみで構成される場合、機械的強度が十分に得られず、内部ケーブル２の外周に巻回する際に破れてしまうおそれがある。そのため、金属箔テープとしては、金属箔の表面に高強度かつ摩擦の小さいＰＥＩ（ポリエーテルイミド）などの樹脂をコーティングしたものを用いることが望ましい。

また、金属箔テープにおける金属箔の厚さは、６μｍ以下とすることが望ましい。これは、金属箔の厚さが６μｍを超えると、ケーブル１の柔軟性が悪化し、屈曲性や取り扱い性が劣化してしまうためである。本実施の形態では、金属箔テープとして、厚さ６μｍの銅からなる金属箔に、厚さ７μｍのＰＥＩからなる樹脂をコーティングしたものを用いた。

シース５は、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）などの樹脂からなる。シース５には、ケーブル１の内部の熱を外部に放熱させる機能をもたせるようにしてもよい。

例えば、シース５として、押え巻きテープ３および編組シールド４で吸熱した熱を外部に放熱しやすいように、熱伝導性が高い材料からなるものを用いることができる。シース５には、熱伝導性を向上させるためのカーボン、黒鉛、アルミナなどのフィラーが配合されていてもよい。

また、放熱性を向上させるために、シース５の厚さを薄く形成することもできる。屈曲性を向上させるという観点からも、シース５は、使用する材料の性質を考慮し、十分な絶縁性および機械的強度が確保される範囲内で、できるだけ薄い厚さに形成されることが望ましい。このように、ケーブル１の内部の熱を外部に放熱させる機能は、シース５の材質や厚さを適宜選択することで達成できる。

次に、本実施の形態に係るケーブルの接続構造を説明する。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、ケーブルの接続構造２１は、ケーブル１を、端末部材２２（ここではプローブヘッド２３）に接続する際の接続構造であり、金属箔テープからなる押え巻きテープ３と、金属材料からなる金属線を素線４ａに用いた編組シールド４とを、端末部材２２の発熱部分に熱的に接続したものである。

端末部材２２であるプローブヘッド２３は、ケース２４と、ケース２４内に収容される振動子（圧電素子）２５と、を備えている。プローブヘッド２３では、振動子２５が発熱部分となるため、この振動子２５に対して、押え巻きテープ３と編組シールド４とが熱的に接続される。振動子２５は、ケース２４内に配置された回路基板２６に電気的に接続されている。ケース２４内に導入されたケーブル１の端部から延出された内部ケーブル２は、回路基板２６に電気的に接続される。

振動子２５は、プローブヘッド２３のケーブル１の導入側と反対側の端部に設けられるのが一般的である。そのため、ケーブル１の端部から延出した押え巻きテープ３と編組シールド４を振動子２５に直接接触させようとすると、プローブヘッド２３の内部構造が複雑となり、接続作業が繁雑となってしまう。

そこで、本実施の形態では、プローブヘッド２３のケース２４内に、ケース２４に支持されると共に発熱部分である振動子２５に熱的に接続されるインナーケース２７を備え、押え巻きテープ３と編組シールド４とを、インナーケース２７を介して、発熱部分である振動子２５に熱的に接続した。振動子２５および振動子２５の基端側（ケーブル１側）に設けられたバッキング材２８は、絶縁性の熱伝導シート２９を介してインナーケース２７と接触するように構成されている。

インナーケース２７としては、銅やアルミニウムなどの熱伝導性の材料からなるものを用いるとよい。プローブヘッド２３の軽量化を図るためには、樹脂の表面（押え巻きテープ３と編組シールド４を接続する側の表面）に銅やアルミニウムなどの金属層を形成したものをインナーケース２７として使用することがより望ましい。

インナーケース２７は、ケース２４の内周面に沿って、振動子２５の近傍（プローブヘッド２３の先端側）からケーブル１の近傍（プローブヘッド２３の基端側）まで延びるように設けられる。インナーケース２７とケース２４とを直接接触させると、ケース２４の温度が上昇してしまうため、インナーケース２７とケース２４との間には、断熱材３０が設けられる。

ケーブルの接続構造２１では、ケーブル１の押え巻きテープ３と編組シールド４とが、インナーケース２７にはんだ３１により接続されている。これにより、図２（ｂ）に示すように、発熱部分である振動子２５から、熱伝導シート２９、インナーケース２７、はんだ３１を介して、押え巻きテープ３と編組シールド４に熱が伝わり、振動子２５で発生した熱がケーブル１側に吸熱されることになり、ケース２４の温度上昇が抑えられる。

なお、ケーブル１のシース５として放熱性の高いものを用いた場合、ケーブル１のプローブヘッド２３からの延出部分の温度が高くなってしまうことが考えられる。ケーブル１のプローブヘッド２３からの延出部分の温度が問題となる場合には、ケーブル１のプローブヘッド２３からの延出部分を覆うように断熱材を設けるようにしてもよい。

なお、本実施の形態では、押え巻きテープ３と編組シールド４を、はんだ３１によりインナーケース２７に接続したが、押え巻きテープ３と編組シールド４をインナーケース２７に接続する形態はこれに限定されるものではない。例えば、図３（ａ）に示すように、押え巻きテープ３と編組シールド４を、ねじ３２を用いてインナーケース２７にねじ止め固定してもよいし、図３（ｂ）に示すように、押え巻きテープ３と編組シールド４を、ストップリング３３を用いてインナーケース２７に加締め固定してもよい。ただし、ねじ止め固定や加締め固定では接続部分の熱抵抗が比較的大きくなるため、押え巻きテープ３および編組シールド４とインナーケース２７との接続部分を隙間無く埋めて、接続部分の熱抵抗を抑制することが可能なはんだ接続を行うことが、より好ましい。

次に、本実施の形態に係るケーブル１を用いることによる端末部材２２の温度上昇の抑制効果について説明する。

図４に示すように、ケーブル１の端部に端末部材２２を模したヒートブロック４２を設けたモデル４１を作成し、ヒートブロック４２に熱流を与えたときのヒートブロック４２の温度をシミュレーションにより求めた。モデル４１では、ケーブル１の長さは２０００ｍｍとし、ヒートブロック４２と反対側の端部は２６℃で一定とした。また、ヒートブロック４２は直径１０ｍｍ、長さ１０ｍｍの柱状とし、その先端部から０．２Ｗの熱流を与えたときのヒートブロック４２の温度（定常状態となったときの温度）を求めた。

また、押え巻きテープ３を樹脂テープ、編組シールド４の素線４ａを銅箔糸とした従来例、および、押え巻きテープ３を樹脂テープ、編組シールド４の素線４ａを銅合金線とした比較例についても、同様にシミュレーションを行った。結果をまとめて図５に示す。

図５に示すように、従来例ではヒートブロック４２の温度が１０３．５℃と非常に高くなったが、編組シールド４の素線４ａを銅合金線に変更した比較例では、ヒートブロック４２の温度が７４．２℃となり、従来例と比較してヒートブロック４２の温度を２８．３％抑制できた。さらに、押え巻きテープ３を金属箔テープに変更した本発明のケーブル１では、ヒートブロック４２の温度が６９．１℃となり、従来例と比較してヒートブロック４２の温度を３３．２％抑制できた。

以上説明したように、本実施の形態に係るケーブル１では、編組シールド４を構成する素線４ａとして、金属材料からなる金属線を用い、押え巻きテープ３として、テープ状の金属箔である金属箔テープを用いている。

このように構成することで、従来のように押え巻きテープ３を樹脂テープ、編組シールド４の素線４ａを銅箔糸とした場合と比較して、同体積でも押え巻きテープ３と編組シールド４の熱容量を大きくすることが可能となる。その結果、ケーブル内部の構成部品を増加させずに、柔軟性を損なうことなく、ケーブル１の端末に設けられる端末部材２２の冷却効率を向上させて、端末部材２２の温度上昇を抑制することが可能になる。

端末部材２２としてプローブヘッド２３を用いる場合、本発明によれば、プローブヘッド２３内での発熱量が大きくなった場合であってもケース２４の温度上昇を抑制することが可能となり、プローブヘッド２３内に多くの振動子２５を配列したり、より高い電圧パワーで使用することが可能となり、超音波診断装置で得られる画像の画質を向上させることが可能になる。

また、ケーブル１では、編組シールド４の素線４ａとして銅または銅合金からなる金属線を用いているため、従来のように素線４ａとして銅箔糸を用いた場合と比較して、容易にはんだ接続が可能であり、編組シールド４をインナーケース２７に熱的に密接させる作業を容易かつ確実に行うことが可能になる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、ケーブル１がプローブケーブルである場合、すなわち端末部材２２がプローブヘッド２３である場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、端末部材２２がコネクタであり、コネクタの接点部分で発生する熱をケーブル１で吸熱するなど、種々の応用が可能である。なお、内部ケーブル２は同軸ケーブルでなくてもよい。

また、上記実施の形態では、ケーブル１の押え巻きテープ３と編組シールド４の両方をインナーケース２７に接続する場合を説明したが、これに限らず、例えば、延出のしやすい編組シールド４のみをインナーケース２７に接続するように構成してもよい。この場合、押え巻きテープ３は、編組シールド４とインナーケース２７とを介して、発熱部分（振動子２５）と熱的に接続されることになる。

１ ケーブル
２ 内部ケーブル
３ 押え巻きテープ
４ 編組シールド
４ａ 素線
５ シース

Claims (10)

1. 複数本の内部ケーブルと、
   前記複数本の内部ケーブルの外周に巻回され前記複数本の内部ケーブルを束ねる押え巻きテープと、
   前記押え巻きテープの外周に設けられ、複数本の素線を編み組みして構成される編組シールドと、を備え、
   前記編組シールドを構成する前記素線として、金属材料からなる金属線を用い、
   前記押え巻きテープとして、テープ状の金属箔である金属箔テープを用いた
   ことを特徴とするケーブル。
2. 前記金属箔テープに用いる金属箔として、銅またはアルミニウムからなるものを用いる
   請求項１記載のケーブル。
3. 前記金属箔テープとして、前記金属箔に樹脂をコーティングしたものを用いる
   請求項１または２記載のケーブル。
4. 前記編組シールドを構成する前記素線として、銅または銅合金からなる金属線を用いる
   請求項１〜３いずれかに記載のケーブル。
5. 前記内部ケーブルが、中心導体の外周に絶縁体、外部導体、ジャケットを順次設けた同軸ケーブルからなる
   請求項１〜４いずれかに記載のケーブル。
6. 前記編組シールドの外周に設けられた樹脂からなるシースをさらに備え、
   前記シースには、熱伝導性を向上させるためのフィラーが配合されている
   請求項１〜５いずれかに記載のケーブル。
7. 複数本の内部ケーブルと、前記複数本の内部ケーブルの外周に巻回され前記複数本の内部ケーブルを束ねる押え巻きテープと、前記押え巻きテープの外周に設けられ、複数本の素線を編み組みして構成される編組シールドと、を備えたケーブルを、端末部材に接続する際のケーブルの接続構造であって、
   前記編組シールドを構成する前記素線として、金属材料からなる金属線を用い、
   前記押え巻きテープとして、テープ状の金属箔である金属箔テープを用い、
   前記押え巻きテープと前記編組シールドとを、前記端末部材の発熱部分に熱的に接続した
   ことを特徴とするケーブルの接続構造。
8. 前記端末部材は、ケースと、前記ケースに支持されると共に前記発熱部分に熱的に接続される熱伝導性の材料からなるインナーケースと、を備え、
   前記押え巻きテープと前記編組シールドとを、前記インナーケースを介して、前記発熱部分に熱的に接続した
   請求項７記載のケーブルの接続構造。
9. 前記インナーケースと前記ケースとの間に、断熱材を設けた
   請求項８記載のケーブルの接続構造。
10. 前記インナーケースは、樹脂の表面に金属層を形成して構成される
    請求項８または９記載のケーブルの接続構造。