JP2018061754A - 超音波プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】熱を効率的に拡散させることができる。【解決手段】本実施形態に係る超音波プローブは、熱源と、第１放熱部材と、第１熱伝導部材とを含む。熱源は、前記筐体内の先端側に配置され、発熱する。第１熱放熱部材は、前記熱源の背面側に配置され、前記熱源と熱的に接触する。第１熱伝導部材は、前記第１放熱部材の背面および側面のうちの少なくとも１つに沿って延在し、前記第１放熱部材と熱的に接触する第１部分と、該第１部分が該第１放熱部材から受けた熱を前記筐体の後端側に伝導する第２部分とを含む。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、超音波プローブに関わるものである。

近年、超音波診断装置などにおいて利用される超音波プローブとして、複数の超音波振動子を２次元状に配列して構成された２次元アレイプローブなどの高性能な超音波プローブが普及している。２次元アレイプローブでは、サブアレイ単位でのフォーカシングや信号増幅などの信号処理のため、電子回路が超音波振動子の背面に組み込まれる。このように電子回路が組み込まれる超音波プローブには、少なくとも超音波振動子と電子回路との２つの熱源がプローブ内に存在することになる。また、画質改善の要求による電子回路の処理量の増加または機器の小型化や高密度化によって、さらに発熱密度が増加する傾向にある。

一方、超音波プローブは被検体の体表に接する器具であるため、規格により筐体の材質、構造、表面温度の上限値などが規定されている。よって、規格を満たすために、上述のような超音波プローブにおいて、筐体内の熱源により発生した熱をどのように放熱するかが問題となりうる。超音波プローブの放熱手法としては、いわゆるヒートパイプを用いる手法がある。

特開２０１５−２０２４０１号公報 実開平１−８０１０７号公報 特開平９−２９４７４４号公報

しかし、従前の手法では、２次元アレイプローブのような発熱量は想定されていないため、上述のヒートパイプを用いる手法を適用しても規格を満たすような放熱性能は得られない。

本実施形態の目的は、筐体内の熱を効率的に拡散させることができる超音波プローブを提供することを目的とする。

本実施形態に係る超音波プローブは、熱源と、第１放熱部材と、第１熱伝導部材とを含む。熱源は、前記筐体内の先端側に配置され、発熱する。第１熱放熱部材は、前記熱源の背面側に配置され、前記熱源と熱的に接触する。第１熱伝導部材は、前記第１放熱部材の背面および側面のうちの少なくとも１つに沿って延在し、前記第１放熱部材と熱的に接触する第１部分と、該第１部分が該第１放熱部材から受けた熱を前記筐体の後端側に伝導する第２部分とを含む。

本実施形態に係る超音波プローブの外観図。 本実施形態に係る超音波プローブを示す断面図。 図１の超音波プローブの筐体の一部分を図２の断面で切断したときの内部構造を示す斜視図。 第１放熱部材の成形例を示す図。 第１放熱部材および第１熱伝導部材の構造の一例を示す図。 第１放熱部材および第１熱伝導部材の構造の第１の変形例を示す図。 第１の変形例の斜視図。 第１放熱部材および第１熱伝導部材の構造の第２の変形例を示す図。 第１放熱部材および第１熱伝導部材の構造の第２の変形例を示す図。 第１放熱部材および第１熱伝導部材の構造の第３の変形例を示す図。 本実施形態に係る超音波プローブの筐体内の温度分布を示す図。 従来例となる超音波プローブの筐体内の温度分布を示す図。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る超音波プローブについて説明する。以下の実施形態では、同一の参照符号を付した部分は同様の動作をおこなうものとして、重複する説明を適宜省略する。

なお、本実施形態においては、説明を具体的にするため、複数の振動子がマトリックス状に配列された２次元アレイプローブである場合を例とする。しかしながら、２次元アレイプローブの例に拘泥されず、本実施形態に係るプローブ内の熱拡散のための構成は、１次元アレイプローブ、１．５次元アレイプローブについても適用可能である。

本実施形態に係る超音波プローブ１００の外観の一例は図１に示すものであり、超音波診断装置本体（図示せず）とケーブル１５０を介して接続される。なお、便宜上、超音波プローブ１００のうち被検体へ向けて超音波が送受信される側を先端側と呼び、ケーブル１５０が接続される側を後端側と呼ぶ。

次に、本実施形態に係る超音波プローブについて図２を参照して説明する。
図２は、超音波プローブ１００を長手方向に沿って切断したときの断面図である。
図２に示す超音波プローブ１００は、筐体２０１と、音響レンズ２０２と、圧電素子２０３と、フレキシブル基板２０４と、インターポーザ基板２０５と、電子回路２０６と、第１放熱部材２０７と、制御基板２０８と、コネクタ２０９と、第１熱伝導部材２１０と、第２放熱部材２１１と、第３放熱部材２１２と、第２熱伝導部材２１３とを含む。

筐体２０１は、一般的な超音波プローブの筐体の材質、例えば樹脂で形成される。また、洗浄などに対する耐水性を得るために、筐体２０１は密閉構造となるように形成される。

音響レンズ２０２は、例えばシリコーンなどで形成され、筐体２０１の先端側に配置される。音響レンズ２０２は、スライス方向に超音波のビームを絞る。

複数の圧電素子２０３は、圧電セラミックス等の音響／電気可逆的変換素子である。圧電素子は、ここでは振動子とも呼ぶ。複数の圧電素子は、基板にアレイ状に配置され、超音波プローブ１００の先端側に配置される。

フレキシブル基板２０４は、圧電素子２０３からの被検体への超音波の送受信方向とは反対側の面である背面に配置され、圧電素子２０３のそれぞれに電気的に接続される信号線路を引き出すために配線パターンが設けられる。

インターポーザ基板２０５は、フレキシブル基板２０４の背面に接続され、フレキシブル基板２０４の配線パターンと、後述の電子回路２０６とを電気的に接続するための中間層である。

電子回路２０６は、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：Application Specific Integrated Circuits）であり、インターポーザ基板２０５の背面に接続される。電子回路２０６は、サブアレイ単位でのフォーカシングや信号増幅などの信号処理を行う。

第１放熱部材２０７は、熱源に熱的に接触する。熱源とは、本実施形態では筐体２０１の先端側に配置される複数の圧電素子２０３および電子回路２０６であるが、熱源には一定温度以上の発熱量を有する部品を含む。「熱的に接触」とは、２つの部材が直接接触した状態で熱を伝導可能な場合と、２つの部材の間に第３の部材が介在した状態で熱を伝導可能な状態である場合を含む。また、第１放熱部材２０７は、本実施形態ではアルミプレートなどの金属または合金などの導体を想定しているが、これに限らず、グラファイトブロックまたは積層されたグラファイトシートなど、熱伝導率が所定値以上の材料であればよい。

制御基板２０８は、フレキシブル基板２０４と接続され、筐体２０１の内側に配置される。制御基板２０８は、圧電素子２０３からの信号を伝達するための信号パターンが形成される。

コネクタ２０９は、制御基板２０８と接続され（具体的には、信号パターンと接続され）、超音波診断装置本体側へ信号を伝達する。

第１熱伝導部材２１０は、第１放熱部材２０７の背面および側面のうちの少なくとも１つに沿って延在し、第１放熱部材２０７と熱的に接触する第１部分と、第１部分が第１放熱部材２０７から受けた熱を筐体２０１の後端側に伝導する第２部分とを含む。第１熱伝導部材２１０は、例えば、単一の第１部分２２０に対して複数の第２部分２３０が形成されるＵ字形状のヒートパイプである。第２部分２３０は、超音波プローブ１００の長手方向に沿って延在する部材であり、一端が第１部分２２０と接続され、他端が第２放熱部材２１１と熱的に接触する。なお、第２部分２３０の形状は、例えば円筒や角柱状であり、長手方向に直線的に延在してもよいし、折れ曲がった形状で延在してもよい。
なお、第２部分２３０の他端は、第２放熱部材２１１と熱的に接触する場合に限らず、筐体２０１の後端側において筐体２０１の内壁と熱的に接触してもよい。

第１熱伝導部材２１０は、第１部分２２０と第２部分２３０とが銅などの金属で形成される場合を想定するが、熱伝導率が所定値以上の材料であればよく、グラファイトブロックまたは積層されたグラファイトシートで第１部分２２０と第２部分２３０とが形成されてもよい。また、第１熱伝導部材２１０は、１本の棒状の金属を折り曲げることにより第１部分２２０および第２部分２３０を一体としたヒートパイプとして形成されてもよい。

また、第１熱伝導部材２１０は、第１部分２２０と第２部分２３０とが異なる材質、例えば第１部分２２０はグラファイトブロックまたは積層されたグラファイトシートで形成され、第２部分２３０は金属で形成され、それぞれが接続されたものでもよい。また、第１熱伝導部材２１０は、第１放熱部材２０７と一体成形されてもよい。
さらに、第１熱伝導部材２１０は、Ｕ字形状に限らず、Ｌ字形状など筐体２０１の先端側から後端側に熱を伝導できるような形状であればよい。また、第１熱伝導部材２１０は、円柱のような筒状を想定しているが楕円形状であってもよい。第１熱伝導部材２１０の内部は、空洞でもよいし、液体（作動液）が封入されている状態でもよい。

第２放熱部材２１１は、いわゆるヒートシンクであり、超音波プローブの後端側に配置される。第２放熱部材２１１は、第１熱伝導部材２１０の第２部分２３０と熱的に接触し、第２部分２３０から受けた熱を拡散させる。

第３放熱部材２１２は、筐体２０１の内壁に沿って配置される。第３放熱部材２１２は、第２放熱部材２１１と熱的に接触し、第２放熱部材から受けた熱を筐体２０１内に拡散させる。第３放熱部材２１２はさらに、ケーブル１５０または第２熱伝導部材２１３の少なくともいずれか一方と熱的に接触し、超音波診断装置本体側に熱を拡散させてもよい。なお、第３放熱部材２１２は、音響放射面に被らないように筐体２０１内壁全体に層状に配置されることが望ましいが、これに限らず、例えば筐体２０１の中心から後端側の内壁に沿って配置されるなど、筐体２０１の内壁の一部分に配置されてもよい。また、第３放熱部材２１２は、高熱伝導率および軽量化の観点からグラファイトシートで形成されることが望ましいが、アルミシートなど金属でもよく、熱伝導率が所定値以上の材料であればどのようなものでもよい。

ケーブル１５０は、一端がコネクタ２０９、第２放熱部材２１１および筐体２０１と接続され、他端が超音波診断装置本体と電気的に接続される。ケーブル１５０を介して、信号が超音波診断装置本体に送信され、超音波診断装置本体からの制御信号が超音波プローブ１００に送信される。

第２熱伝導部材２１３は、例えばグラファイトシートのような導体層であり、ケーブル１５０の内部にケーブルの延在方向に沿って挿入（内挿）され、第２放熱部材２１１および第３放熱部材２１２から受けた熱を超音波診断装置本体側に拡散させる。

次に、図１の超音波プローブ１００の筐体２０１の一部分を、図２の断面で切断したときの内部構造の斜視図を図３に示す。
図３では、筐体２０１内部に第１部分２２０および第２部分２３０で形成されるＵ字形状の第１熱伝導部材２１０が２本配置される、すなわち第１部分２２０が２本、第２部分２３０が４本配置される例を示す。なお、第１部分２２０を第１放熱部材２０７の背面に層状に１枚配置し、１つの第１部分２２０から複数の第２部分２３０が延在するような形状でもよい。
図３に示すように、筐体２０１の中央部分ではなく第１熱伝導部材２１０を筐体２０１の内壁に寄せて配置することで、筐体２０１の中央部分に空間を設けることができる。よって、部品の配置を邪魔せずに熱源（圧電素子および電子回路）から筐体２０１の後端側に熱を伝導できるとともに、中央部分の空間にさらに回路などの部品を収納することもできる。

次に、第１放熱部材２０７および第１熱伝導部材２１０の構造の一例について図４および図５を参照して説明する。
図４に示すように第１放熱部材２０７は、第１熱伝導部材２１０が接触する背面に凹構造を有する。凹構造は、例えば、第１放熱部材２０７に溝を形成したり、第１放熱部材２０７を形成する板をＭ字に折り曲げたりすることにより形成すればよく、凹構造を形成できればどのような手法を用いてもよい。図５に示すように第１熱伝導部材２１０の第１部分２２０が、第１放熱部材２０７の凹構造に沿った形状で嵌め込まれるように結合する。これにより、第１放熱部材２０７と第１熱伝導部材２１０との接触面積が大きくなるので、熱源からの熱を筐体２０１の後端側に効率よく伝導することができる。

なお、第１放熱部材２０７の凹構造と第１部分２２０とが反対の形状でもよい。すなわち、第１放熱部材２０７の背面が凸構造であり、第１熱伝導部材２１０の第１部分２２０が凸構造に沿って嵌め込まれるような凹形状であってもよい。

（第１放熱部材２０７および第１熱伝導部材２１０の構造の変形例）
上述した第１熱伝導部材２１０は、第１放熱部材２０７の背面に熱的に接触する例を示すが、第１放熱部材２０７の側面に熱的に接触してもよい。
第１放熱部材２０７および第１熱伝導部材２１０の構造の第１の変形例について図６Ａおよび図６Ｂを参照して説明する。
図６Ａは、図５と同じ方向から見た第１熱伝導部材２１０と第１放熱部材２０７との接触状態を示す図であり、図６Ｂは図６Ａの斜視図である。
図６Ａおよび図６Ｂに示すように、第１放熱部材２０７の側面に第１熱伝導部材２１０の第１部分２２０が熱的に接触し、第２部分２３０が第１部分２２０から延在する。
なお、図６Ａおよび図６Ｂでは、第１熱伝導部材２１０が第２部分２３０を２本有するＵ字形状である場合を想定しているが、第２部分２３０が１本であってもよい。また、第１放熱部材２０７の一方の側面に限らず、複数の側面に第１熱伝導部材２１０が熱的に接触してもよい。

次に、第１放熱部材２０７および第１熱伝導部材２１０の構造の第２の変形例について図７Ａおよび図７Ｂを参照して説明する。
図７Ａに示すように、第１熱伝導部材２１０の第２部分２３０が折れ曲がって筐体２０１の後端側に延在してもよい。また、図７Ｂに示すように、第２部分２３０が第１部分２２０と直線状ではなく、第２部分２３０が、筐体２０１の長手方向から曲がって（傾いて）延在してもよい。

さらに、第１放熱部材２０７および第１熱伝導部材２１０の構造の第３の変形例について図８に示す。図８に示すように、第１熱伝導部材２１０の第１部分２２０が第１放熱部材２０７の側面および背面の両方と熱的に接触してもよい。
このようにすることで、筐体内部の回路配置に応じて、適宜第１熱伝導部材２１０の配置を変更しつつ、筐体内の熱を効率的に拡散させることができる。

次に、本実施形態に係る超音波プローブの筐体内の温度分布について図９を参照して説明する。
図９は、本実施形態に係る超音波プローブの断面における筐体内の温度分布を示したものである。図９に示すように、筐体内には高温（例えば超音波プローブを被検体に長時間接触させると火傷などの影響が出る温度）となる領域は無く、全体的に一定の温度以下に保たれていることが分かる。

以上に示した本実施形態によれば、圧電素子や電子回路などの筐体の先端側に存在する熱源で発生する熱を、第１熱伝導部材が筐体の後端側に伝導させ、第３放熱部材が筐体内部またはケーブル方向に熱を拡散させることで、筐体内の熱を効率的に拡散させることができるため、筐体内の温度を一定の温度以下に保つことができる。よって、例えば２次元超音波プローブなどの熱源を多く含む超音波プローブであっても、規格で設定された表面温度以下となるように超音波プローブ全体の温度を低温に保つことができる。

一方、本実施形態の構造を有しない一般的な超音波プローブの筐体内の温度分布について図１０を参照して説明する。
図１０に示すように、超音波プローブの先端側に熱源が集中しているため、先端側の温度が非常に高くなっている。このような場合、超音波プローブを被検体に接触させることによる火傷など被検体への悪影響も考えられ、放熱ができていない状態では使用が困難である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００…超音波プローブ、１５０…ケーブル、２０１…筐体、２０２…音響レンズ、２０３…圧電素子、２０４…フレキシブル基板、２０５…インターポーザ基板、２０６…電子回路、２０７…第１放熱部材、２０８…制御基板、２０９…コネクタ、２１０…第１熱伝導部材、２１１…第２放熱部材、２１２…第３放熱部材、２１３…第２熱伝導部材、２２０…第１部分、２３０…第２部分。

Claims (11)

1. 筐体と、
   前記筐体内の先端側に配置され、発熱する熱源と、
   前記熱源の背面側に配置され、前記熱源と熱的に接触する第１放熱部材と、
   前記第１放熱部材の背面および側面のうちの少なくとも１つに沿って延在し、前記第１放熱部材と熱的に接触する第１部分と、該第１部分が該第１放熱部材から受けた熱を前記筐体の後端側に伝導する第２部分とを含む第１熱伝導部材と、
   を具備する超音波プローブ。
2. 前記第１熱伝導部材は、前記第１部分と前記第２部分とで形成されたヒートパイプを含む、請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記第１熱伝導部材は、単一の前記第１部分に対して複数の前記第２部分を含む、請求項１または請求項２に記載の超音波プローブ。
4. 前記筐体内の後端側に配置され、前記第２部分と熱的に接触する第２放熱部材をさらに具備する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
5. 前記筐体の内壁に沿って配置され、前記第２放熱部材と熱的に接触する第３放熱部材をさらに具備する、請求項４に記載の超音波プローブ。
6. 前記第２部分は、前記筐体の後端側において、前記筐体の内壁と熱的に接触する、請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の超音波プローブ。
7. 超音波診断装置本体と接続するためのケーブルをさらに具備し、
   前記第２放熱部材は、前記ケーブル、および前記ケーブル内に設けられた第２熱伝導部材の少なくともいずれか１つと熱的に接触する、請求項４または請求項５に記載の超音波プローブ。
8. 前記第１放熱部材の背面および側面のうちの少なくとも１つは、凹構造または凸構造を有し、
   前記第１部分は、前記凹構造または前記凸構造に沿って延在する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
9. 前記熱源は、超音波を送受信する振動子、および前記振動子に電気的に接続される電子回路のうちの少なくとも１つを含む、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
10. 前記第１放熱部材は、前記振動子の背面側に配置される、請求項９に記載の超音波プローブ。
11. 前記第１部分および前記第２部分は、積層されたグラファイトシートにより形成される、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の超音波プローブ。