JP5540036B2

JP5540036B2 - 内視鏡

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Publication number: JP5540036B2
Application number: JP2012069235A
Authority: JP
Inventors: 一昭 ▲高▼橋
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2032-03-26
Also published as: US20130253272A1; JP2013198642A; CN203341708U; EP2644084A1; EP2644084B1

Description

本発明は、挿入部の先端部に設けられた撮像素子に放熱機構を備えた内視鏡に関する。

従来から、医療分野において内視鏡を利用した医療診断が行われている。内視鏡は、被験者の体内に挿入される挿入部と、挿入部の基端に設けられた操作部とを備えている。挿入部の先端部の内部空間には、撮像機構が備えられている。

挿入部の先端部では、撮像機構に設けられている撮像素子などから発生した熱が内部にこもることにより温度が上昇する。最近特に、撮像素子の画素数が増加し、それに伴い光電信号の高速読み出しが行われるため、撮像素子から発生する熱はより多くなってきている。この熱により先端部の温度が過度に上昇すると、撮像素子の動作が不安定になって出力画像信号にノイズが発生し、撮影画像の画質が低下してしまう。さらに撮像素子の寿命を縮めるおそれもある。そのため、内視鏡の先端部にある撮像素子には、さまざまな型の放熱機構が備え付けられている。

特許文献１記載の内視鏡は、撮像素子に対し絶縁部材を介して大掛かりな放熱部材を備えている。特許文献２記載の内視鏡は、撮像素子に対し絶縁部材を介して設けられた放熱部材を鉗子チャンネルに固着させている。特許文献３記載の内視鏡は、撮像素子に平行となるように冷却素子を備えている。特許文献４記載の内視鏡は、撮像素子付近に冷却用流体を流すことができる配管を備えている。特許文献５記載の内視鏡は、撮像素子に対し高熱伝導セラミックスを接触させている。特許文献６記載の内視鏡は、撮像素子の付近に相変化に伴う潜熱により熱吸収を生じる蓄熱材料を備えている。

特開２００９−２９６５４２号公報特開２０１１−２００４０１号公報特開２０１０−０３５８１５号公報特開２００９−０６６１１８号公報特開２０１０−２７９５２７号公報特開２０１０−２０１０２３号公報

しかしながら、いずれの特許文献に記載の内視鏡も、撮像素子の放熱特性を向上させるために新たに大掛かりな部材を設けているため、内視鏡の製造に係る材料コストの観点で望ましくない。また、このような部材を設けるための特別な製造工程が別途必要となってしまう。それにより、内視鏡の挿入部が太径化してしまったり重量化してしまったりしてしまう可能性がある。一方、被験者の負担を軽減するために、先行技術と同等以上の放熱機構を備えつつ、内視鏡の挿入部の細径化及び軽量化が求められている。

本発明はこのような課題を解決するものであり、体積や重量の大きい部材を新たに設けることなく、所望の撮像素子の放熱特性を備えた内視鏡を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の内視鏡は、被検体の体腔内に挿入される挿入部の先端部に設けられ、体腔内を撮像する撮像面が挿入の方向と略平行に配された撮像素子と、撮像素子の撮像面と反対側の面に設けられた回路基板と、回路基板の撮像素子と反対側の面に設けられ、電気伝導性をもつ高熱伝導層を有する放熱基板と、撮像素子から得られる撮像信号を伝送する信号線を被覆する第一被覆材の束を被覆し、電気絶縁材で形成された最内層及び最外層、並びに電気伝導材で形成される中央層を有する第二被覆材と、高熱伝導層と中央層の一部とを伝熱させる、電気伝導性をもつ接続部材とを備えるものである。

放熱基板は、ポリマーからなるフィルムベースと高熱伝導性セラミックスとのうちいずれか一方である電気絶縁性の層を回路基板と高熱伝導層との間に有することが好ましい。

放熱基板は、電気伝導性をもつ第２の高熱伝導層を回路基板と電気絶縁性の層との間に有することが好ましい。

回路基板と第２の高熱伝導層とは、電気伝導性を有する材料を用いて接着されることが好ましい。

本発明の内視鏡は、上記の構成を満たしているために、体積や重量の大きい部材を新たに設けることなく、所望の撮像素子の放熱特性を備えることができる。そのため、被験者への負担が抑えられ、撮像素子の動作が不安定になることが抑えられた内視鏡が提供される。

本発明に係る内視鏡を用いた内視鏡システムを示す斜視図である。本発明に係る内視鏡の挿入部の先端カバーを示す正面図である。本発明に係る内視鏡の挿入部の可撓管部を示す断面図である。本発明の第１の実施形態に係る内視鏡の先端部を示す断面図である。本発明の第１の実施形態の変形例に係る内視鏡の先端部を示す断面図である。本発明の第１の実施形態あるいはその変形例に係る内視鏡に用いられる放熱基板の例を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る内視鏡の先端部を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る内視鏡に用いられる放熱基板の例を示す断面図である。

図１及び図２に示すように、内視鏡システム２は、内視鏡１０、プロセッサ装置１１、光源装置１２、及び送気・送水装置１３などから構成されている。送気・送水装置１３は、光源装置１２に内蔵され、エアーや洗浄水といった流体の送出圧を発生する周知の送気ポンプ１３Ａと、光源装置１２の外部に設けられ、洗浄水を貯留する洗浄水タンク１３Ｂとから構成されている。内視鏡１０は、被検体内に挿入される挿入部１４と、挿入部１４の基端（後端）部分に連設された操作部１５と、プロセッサ装置１１や光源装置１２に接続されるユニバーサルコード１６とを備えている。

挿入部１４は、その先端に設けられ、被検体の体腔内を撮像する撮像機構を備えた先端部１４Ａと、先端部１４Ａの基端に連設された湾曲自在な湾曲部１４Ｂと、湾曲部１４Ｂの基端に連設された可撓性を有する可撓管部１４Ｃとからなる。以下、挿入部１４の先端側を単に「先端側」といい、挿入部１４の基端側を単に「基端側」という。

先端部１４Ａの先端カバー２０には、観察窓２１、照明窓２２Ａ，２２Ｂ、鉗子の先端が突出する鉗子出口２３、及び噴射ノズル２４が設けられている。観察窓２１の奥には、被験者の体腔内を撮像する撮像機構が取り付けられている。照明窓２２Ａ，２２Ｂは、観察窓２１を基準に対称な位置に２つ配されており、被検体内の被観察部位に光源装置１２からの照明光を照射する。鉗子出口２３は、操作部１５に設けられた鉗子口２６に連通している。この鉗子口２６には、注射針や高周波メスなどが先端に配された各種処置具（鉗子）が挿入される。噴射ノズル２４は、送気・送水装置１３から供給されたエアーや洗浄水を観察窓２１に向けて噴射して、観察窓２１に付着した汚れを払拭する。

ユニバーサルコード１６の一端には、コネクタ２８が取り付けられている。コネクタ２８は複合タイプのコネクタであり、プロセッサ装置１１、及び光源装置１２にそれぞれ接続されている。

プロセッサ装置１１は、ユニバーサルコード１６及びコネクタ２８を介して撮像機構により入力された撮像信号に各種画像処理を施して、内視鏡画像を生成する。プロセッサ装置１１で生成された内視鏡画像は、プロセッサ装置１１にケーブル接続されたモニタ２９に表示される。プロセッサ装置１１は、光源装置１２と通信ケーブルによって接続されており、光源装置１２との間で各種の制御情報を通信する。

図３に示すように、可撓管部１４Ｃの内部には、ライトガイド３１Ａ，３１Ｂ、鉗子チャンネル３２、送気・送水チャンネル３３、多芯ケーブル３４が配されている。ライトガイド３１Ａ，３１Ｂは、光源装置１２からの光を照明窓２２Ａ，２２Ｂまで導光する。鉗子チャンネル３２は、熱伝導性を有する金属製のパイプから構成され、鉗子出口２３と鉗子口２６とを連通する。送気・送水チャンネル３３は、送気・送水装置１３から供給されたエアーや洗浄水を噴射ノズル２４へ送る。多芯ケーブル３４は、プロセッサ装置１１と撮像機構とを電気的に接続する。

可撓管部１４Ｃは、内側より順に可撓性を保ちながら内部を保護するフレックスと呼ばれる螺管３６と、この螺管３６の上に被覆され螺管３６の伸張を防止するブレードと呼ばれるネット３７と、このネット３７上に被覆された柔軟性のあるゴム３８との３層で構成されている。

図４に示すように、先端部１４Ａの内部には、熱伝導性を有し、鉗子チャンネル３２や撮像機構を収容する金属製の収容パイプ４１と、この収容パイプ４１の先端側の開口を塞ぐ先端カバー２０とが配され、収容パイプ４１及び先端カバー２０は、ゴム３８により被覆されている。

収容パイプ４１の内部には、ライトガイド３１Ａ，３１Ｂ、鉗子チャンネル３２、送気・送水チャンネル３３、多芯ケーブル３４が挿通されている。

先端カバー２０の鉗子出口２３には鉗子チャンネル３２が接続している。なお、照明窓２２Ａ，２２Ｂの背後には照明用レンズ（図示せず）が組み込まれており、この照明用レンズにはライトガイド３１Ａ，３１Ｂの出射端が面している。また、噴射ノズル２４には、送気・送水チャンネル３３が接続している。これら鉗子チャンネル３２、ライトガイド３１Ａ，３１Ｂ、送気・送水チャンネル３３は、一端が先端カバー２０に固定され、他端が湾曲部１４Ｂ、可撓管部１４Ｃ、操作部１５などの内部を通って、鉗子口２６、光源装置１２、送気・送水装置１３にそれぞれ接続している。

図３に示すように、多芯ケーブル３４は、複数の信号線３４Ａと、これら複数の信号線３４Ａのそれぞれを被覆する第一被覆材３４Ｂと、信号線３４Ａ及び第一被覆材３４Ｂからなるこれら複数の信号ケーブルを一つにまとめて被覆する第二被覆材３４Ｃと、を備える。第一被覆材３４Ｂ及び第二被覆材３４Ｃは、電気シールド層及び電磁シールド層として機能しており、最内及び最外の層が電気絶縁材で形成され、中央層が電気伝導材で形成される。図４に示すように、第二被覆材３４Ｃは、最内層３４Ｃ１と、中央層３４Ｃ２と、最外層３４Ｃ３とを備える。

本発明の第１の実施形態に係る内視鏡の先端部は、図４に示すような構造の撮像機構を備える。その撮像機構は、対物光学系５１と、プリズム５２と、撮像素子５４と、を備える。対物光学系５１は、観察窓２１から取り込まれる観察部位の像光をプリズム５２に入射する。プリズム５２は、対物光学系５１からの像光を内部で略垂直方向に屈曲し、撮像素子５４の撮像面に結像する。撮像素子５４は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどからなり、撮像面の反対側には回路基板５５が設けられている。回路基板５５は、撮像素子５４と同等あるいはそれ以上の大きさであることが望ましい。回路基板５５は信号線３４Ａと電気的に接続される。また、撮像素子５４の撮像面側がカバーガラス５６により保護されている。

撮像素子５４の撮像面と反対側の面には、撮像素子５４と平行になるように、回路基板５５を介して放熱基板５７が配される。なお、本実施形態では、撮像素子５４に対して回路基板５５を介して放熱基板５７を設けたが、本発明ではこれに限ることはなく、撮像素子５４の撮像面と反対側の面に直接放熱基板５７を設けてもかまわない。放熱基板５７は、その面方向に高熱伝導層５７Ａ，５７Ｂを備えている。なお、本実施例では高熱伝導層５７Ａは電気絶縁性を備えた材料が用いられ、高熱伝導層５７Ｂは電気伝導性を備えた材料が用いられるとしたが、本発明はこれに限らない。

また、撮像素子５４の撮像面と反対側の面と、高熱伝導層５７Ａとが電気絶縁性を備えた接着剤により接着されている。この接着剤には、熱伝導性の高い接着剤を用いることが放熱特性の観点で望ましい。つまり、放熱基板５７は高熱伝導層５７Ｂが高熱伝導層５７Ａを介して回路基板５５の反対側に備えられるように配されている。また、放熱基板５７は、その先端側が回路基板５５に揃えてまたははみ出して配されることが望ましく、その基端側が回路基板５５からはみ出して配されることが望ましい。また、高熱伝導層５７Ｂは、その基端側が高熱伝導層５７Ａに対してはみ出していることが望ましい。

また、本発明の第１の実施形態では、放熱基板５７は電気伝導性を備えた材料からなる高熱伝導層５７Ｂが電気絶縁性を備えた材料からなる高熱伝導層５７Ａを介して回路基板５５の反対側に備えられるように配されているとしたが、電気絶縁性を備えた接着剤を用いた場合に限り、図５に示すように、高熱伝導層５７Ａと高熱伝導層５７Ｂとの配置を逆にすることができる（第１の実施形態の変形例）。他の第１の実施形態と同様の部分については、同じ符号を付し、説明は省略する。

第１の実施形態の変形例においては、電気伝導性を備えた材料からなる高熱伝導層５７Ａが信号線３４Ａと電気的に接続しないようにする必要がある。一方、この変形例においては、放熱基板５７が鉗子チャンネル３２などに対して電気絶縁性を備えた材料からなる高熱伝導層５７Ａを対向させることができるため、放熱基板５７における電気伝導性を備えた材料からなる高熱伝導層５７Ｂが鉗子チャンネル３２などと電気的に接続しないという利点がある。なお、本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、撮像素子５４に対して回路基板５５を介して放熱基板５７を設けたが、これに限ることはなく、撮像素子５４の撮像面と反対側の面に電気絶縁性を備えた接着剤のみを介して放熱基板５７を設けてもかまわない。

放熱基板５７には、図６（Ａ）に示すように、ポリイミドなどの比較的熱伝導性が高く電気絶縁性を備えるポリマーからなるベース層６５の表面に、電気伝導性が高い金属からなる金属層６６Ａが形成されたフレキシブル放熱基板６７が用いられる。この場合、ベース層６５が高熱伝導層５７Ａとして、金属層６６Ａが高熱伝導層５７Ｂとして、機能する。例えば、ベース層６５にはポリイミドが用いられ、金属層６６Ａには銅が用いられる。フレキシブル放熱基板６７の具体的な例としては、ダイヤファイン（商標登録第４９０１６７６号）などの公知のものが挙げられる。

また、放熱基板５７には、図６（Ｂ）に示すように、比較的熱伝導性が高く電気絶縁性を備えるセラミックスからなるベース層６８の表面に、銅やアルミニウムなどの金属層６９Ａが形成されたセラミックス放熱基板７０を用いることもできる。この場合、ベース層６８が高熱伝導層５７Ａとして、金属層６９Ａが高熱伝導層５７Ｂとして、機能する。例えば、ベース層６８にはアルミナや窒化アルミニウムや窒化珪素が用いられる。セラミックス放熱基板７０の具体的な例としては、前述のセラミックスに金属層をメタライズしたものや、前述のセラミックの表面に銅を接合させたＤＢＣ（登録商標第１８７７６４９）や、前述のセラミックの表面にアルミニウムを接合させたＤＢＡ（商標登録出願２０１１−０８２３２６）などの公知のものが挙げられる。

高熱伝導層５７Ｂの基端部と、第二被覆層３４Ｃの中央層３４Ｃ２の一部とが、接続部材７２によって伝熱されている。接続部材７２は良好な電気伝導性を有していれば熱伝導性が向上するため望ましく、銀ペーストなどの金属ペーストや、はんだ、ワイヤボンディング、テープボンディングなどにより形成されている。また、接続部材７２はそれぞれの様態について、公知のものを用いることができる。なお、高熱伝導層５７Ｂは、その基端側が高熱伝導層５７Ａに対してはみ出していれば、接続部材７２を設ける工程が簡便化できるので望ましい。

本発明の第１の実施形態に係る内視鏡の作用について説明する。内視鏡１０の挿入部１４が被検体に挿入され、プロセッサ装置１１を起動させることで、先端部１４Ａの内部に設けられた撮像機構が起動する。プロセッサ装置１１から、コネクタ２８、ユニバーサルコード１６、操作部１５、可撓管部１４Ｃ、湾曲部１４Ｂ、の内部に通じている信号線３４Ａを通して撮像素子５４に信号が送られることで、撮像素子５４が起動する。また、逆の方向に向かって、対物光学系５１及びプリズム５２を通して撮像素子５４の撮像面に結像される観察部位の像光の光電信号が伝達される。

撮像素子５４が起動したり、観察部位の像光の光電信号を伝達したりすると、撮像素子５４から熱が発生する。この発生した熱は、比較的熱伝導率の高い高熱伝導層５７Ａを介して、高熱伝導性を有する高熱伝導層５７Ｂに伝達される。その熱は、さらに高熱伝導層５７Ｂの先端側から基端側に向かって伝達され、さらに接続部材７２を介して中央層３４Ｃ２に伝達される。中央層３４Ｃ２に伝達された熱は、観察部位の像光の光電信号の伝達経路と同様の伝達経路を通って伝えられ、内視鏡１０の外に放出される。

放熱基板５７は、その先端側が撮像素子５４に揃えてまたははみ出して配されたり、その基端側が撮像素子５４からはみ出して配されたりしている場合には、撮像素子５４から発せられる熱を受け止める容量が大きくなるので望ましい。高熱伝導層５７Ｂが銅などの熱容量の大きい金属からなる場合は、撮像素子５４から発せられ高熱伝導層５７Ａを介して伝えられる熱の多くが高熱伝導層５７Ｂにて取り込むことが可能であるため、望ましい。

次に、本発明の第２の実施形態に係る内視鏡について説明する。この内視鏡の先端部は、図７に示すような構造の撮像機構を備える。第１の実施形態との違いは、撮像素子５４の撮像面と反対側の面には、撮像素子５４と平行になるように、回路基板５５を介して放熱基板７５が配される点のみである。放熱基板７５は、その面方向に高熱伝導層７５Ａ，７５Ｂ，７５Ｃを備えており、２つの高熱伝導層７５Ｂ，７５Ｃが高熱伝導層７５Ａを挟み込むような構成をしている。本実施例では高熱伝導層７５Ａは電気絶縁性を備えた材料が用いられ、高熱伝導層７５Ｂ，７５Ｃは電気伝導性を備えた材料が用いられるとしたが、本発明はこれに限らない。なお、他の第１の実施形態と同様の部分については、同じ符号を付し、説明は省略する。

回路基板５５と高熱伝導層７５Ｃとが接着されている。接着方法は、絶縁性のある接着剤によるものでも構わないが、回路基板５５の撮像素子５４が設けられている側と反対の面にメタライズ処理が施されている場合には、この面と高熱伝導層７５Ｃとを金属粒子含有ペーストまたははんだなどの電気伝導性材料を用いて接着することが、接着強度及び接着信頼性の観点から望ましい。また、この場合は、接着剤層を介さないで熱を伝達することができることから、熱伝導性の観点からも望ましい。

また、放熱基板７５は、放熱基板５７と同様に、その先端側が回路基板５５に揃えてまたははみ出して配されることが望ましく、その基端側が回路基板５５からはみ出して配されることが望ましい。また、高熱伝導層７５Ｂは、その基端側が高熱伝導層７５Ａに対してはみ出していることが望ましい。一方、高熱伝導層７５Ｃは、その基端側において高熱伝導層７５Ａより短いことが望ましい。

放熱基板７５には、図８（Ａ）に示すように、上記で説明した様態のベース層６５の両面に、上記で説明した様態の金属層６６Ａ，６６Ｂが形成されたフレキシブル放熱基板７６が用いられる。この場合、ベース層６５，金属層６６Ａ，６６Ｂがそれぞれ高熱伝導層７５Ａ，７５Ｂ，７５Ｃとして機能する。また、放熱基板７５には、図８（Ｂ）に示すように、上記で説明した様態のベース層６８の両面に、上記で説明した様態の金属層６９Ａ，６９Ｂが形成されたセラミックス放熱基板７７が用いられてもよい。この場合、ベース層６８，金属層６９Ａ，６９Ｂがそれぞれ高熱伝導層７５Ａ，７５Ｂ，７５Ｃとして機能する。

第１の実施形態と同様に、高熱伝導層７５Ｂの基端部と、第二被覆層３４Ｃの中央層３４Ｃ２の一部とが、接続部材７２によって電気的に接続されている。接続部材７２は良好な電気伝導性を有していれば望ましく、銀ペーストなどの金属ペーストや、はんだ、ワイヤボンディング、テープボンディングなどにより形成されている。また、接続部材７２はそれぞれの様態について、公知のものを用いることができる。なお、高熱伝導層７５Ｂは、その基端側が高熱伝導層７５Ａに対してはみ出していれば、接続部材７２を設ける工程が簡便化できるので望ましい。また、高熱伝導層７５Ｃは、その基端側において高熱伝導層７５Ａより短ければ、接続部材７２を設ける工程がさらに簡便化できるので望ましい。一方、高熱伝導層７５Ｃが、高熱伝導層７５Ｂ及び信号線３４Ａと電気的に接続しないようにする必要がある。

第２の実施形態では、第１の実施形態の作用に加えて、撮像素子５４から発せられる熱の一部を高熱伝導層７５Ｃにて取り込むことが可能であるため、特に望ましい。この効果により、より高い放熱特性が実現される。回路基板５５の撮像素子５４が設けられている側と反対の面にメタライズ処理が施されており、この面と高熱伝導層７５Ｃとを金属粒子含有ペーストまたははんだなどの電気伝導性材料を用いて接着される場合には、この高熱伝導層７５Ｃによる熱を取り込む効果が更に上昇するため、望ましい。

本発明を実施するための形態としては、以上の実施形態について説明したが、これに限ることなく、同様の技術的思想の範囲内で設計変更を加えたものも、本発明の範囲内である。

１０内視鏡
１４挿入部
１４Ａ先端部
３４多芯ケーブル
３４Ａ信号線
３４Ｂ第一被覆材
３４Ｃ第二被覆材
３４Ｃ１最内層
３４Ｃ２中央層
３４Ｃ３最外層
５１対物光学系
５２プリズム
５４光学素子
５５回路基板
５６カバーガラス
５７，７５放熱基板
５７Ａ，５７Ｂ，７５Ａ，７５Ｂ，７５Ｃ高熱伝導層
６５，６８ベース層
６６Ａ，６６Ｂ，６９Ａ，６９Ｂ金属層
６７，７６フレキシブル放熱基板
７０，７７セラミックス放熱基板
７２接続部材

Claims

被検体の体腔内に挿入される挿入部の先端部に設けられ、前記体腔内を撮像する撮像面が前記挿入の方向と略平行に配された撮像素子と、
前記撮像素子の前記撮像面と反対側の面に設けられた回路基板と、
前記回路基板の前記撮像素子と反対側の面に設けられ、電気伝導性をもつ高熱伝導層を有する放熱基板と、
前記撮像素子から得られる撮像信号を伝送する信号線を被覆する第一被覆材の束を被覆し、電気絶縁材で形成された最内層及び最外層、並びに電気伝導材で形成される中央層を有する第二被覆材と、
前記高熱伝導層と前記中央層の一部とを伝熱させる、電気伝導性をもつ接続部材とを備えることを特徴とする内視鏡。
前記放熱基板は、ポリマーからなるフィルムベースと高熱伝導性セラミックスとのうちいずれか一方である電気絶縁性の層を前記回路基板と前記高熱伝導層との間に有することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
前記放熱基板は、電気伝導性をもつ第２の高熱伝導層を前記回路基板と前記電気絶縁性の層との間に有することを特徴とする請求項２に記載の内視鏡。
前記回路基板と前記第２の高熱伝導層とは、電気伝導性を有する材料を用いて接着されることを特徴とする請求項３に記載の内視鏡。