JP2008245668A - 電子内視鏡の撮像装置、および電子内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な構成で、固体撮像素子に取り付けられたカバーガラスの結露を効率的且つ確実に防止することができる電子内視鏡を提供する。
【解決手段】カバーガラス２６の上面近傍には、第一回路基板２８が配置されている。第一回路基板２８には、アルミナを主成分とする回路基板よりも、熱伝導率が低いものが用いられている。第一回路基板２８の熱伝導率は、少なくともアルミナを主成分とする回路基板の１／５以下、好ましい範囲として１／５ないし１／４以下である。第一回路基板２８には、アルミナが４０％〜６０％、ガラスが４０％〜６０％の割合（但し、アルミナとガラスの割合を合わせて１００％を超えない）で混入され、高温焼成して形成したアルミナガラス基板が用いられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、体腔内撮影用の電子内視鏡の撮像装置、およびこの撮像装置が内蔵された電子内視鏡に関する。

従来から、医療分野において、電子内視鏡を利用した医療診断が盛んに行われている。電子内視鏡の体腔内に挿入される挿入部先端には、ＣＣＤなどの固体撮像素子を有する撮像装置が内蔵されている。体腔内の画像は、ＣＣＤから出力される撮像信号に対して、プロセッサ装置で各種信号処理を施すことで、モニタで観察することができる。

撮像装置は、上述のＣＣＤと、挿入部先端に設けられた観察窓から入射する体腔内の被観察部位の像光を取り込むための対物光学系とを有する。ＣＣＤの撮像面上には、空隙（エアーギャップ）を空けてカバーガラスが配されている。

ところで、体腔内に挿入された電子内視鏡の挿入部先端は、体温と同程度の温度（約３７℃）となる。これに対して、挿入部内の温度は、ＣＣＤなどの電子部品の駆動熱によって、時には４０℃以上と体温よりも高温になる。加えて、挿入部先端には、観察窓が汚れた場合に洗浄水やエアーが噴射されることがあるため、挿入部先端表面と内部とに温度差が生じる。このため、挿入部内に湿気が含まれていると、対物光学系やカバーガラスに結露が生じることがあった。

特に、カバーガラスの内面はＣＣＤの撮像面に近いので高温になり易く、一方、カバーガラスの外面は洗浄水の噴射などにより急激に冷やされることがあるため、エアーギャップに含まれる湿気によって、カバーガラスの内面に結露が生じる。

また、保管してあった電子内視鏡を使用するにあたり、プロセッサ装置に接続して電源をオンすると、その直後に固体撮像素子の温度はすぐに上昇するのに対して、対物光学系やカバーガラスといった部材は、固体撮像素子や周辺回路の熱を得て徐々に温度が上昇することになる。このため、電源をオンした直後は、固体撮像素子とカバーガラスとの温度差が大きく、結露が生じやすい。

対物光学系に結露が生じた場合は、単にぼやけた画像となって観察にそれほど影響を及ぼすことはないが、上記のようにカバーガラスの内面に結露が生じると、画像に水滴が視認できる程著しく画質が劣化し、観察が困難になってしまう。このような背景を踏まえて、カバーガラス内面の結露を防止するための様々な提案がなされている（特許文献１参照）。

特許文献１は、固体撮像素子の周辺回路などの発熱体をカバーガラスの近傍に配置し、カバーガラスの外面を温めるようにした内視鏡の撮像装置について開示している。特許文献１には、発熱体として周辺回路のみを用いた第１の実施形態に加えて、カバーガラスの三方の周囲を囲むように略コの字形状に延設された延長基板を用いた第２の実施形態、および周辺回路に代えてヒーターを設けた第３の実施形態が記載されている。
特開２００３−２８４６８６号公報

特許文献１に記載の発明では、周辺回路が基板に実装されている。この基板は、安価で製造し易いなどの理由から、一般的にアルミナを主成分とする材料からなる。アルミナを主成分とする材料からなる基板は、概して熱伝導率が高いので、周辺回路の熱が周辺回路に接続された配線を介して電子内視鏡の手元の操作部側に逃げてしまう。したがって、周辺回路の熱でカバーガラスの表面を温めようとしても、カバーガラスの表面に効率よく熱が伝わらない。このため、特許文献１に記載の発明は、特殊な形状の延長基板を用いたり、ヒーターを設けたりする必要があり、製造コスト、部品コストが嵩むという問題があった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、安価な構成で、固体撮像素子に取り付けられたカバーガラスの結露を効率的且つ確実に防止することができる電子内視鏡の撮像装置、および電子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に、請求項１に記載の発明は、体腔内の被観察部位の像光を撮像して撮像信号を出力する固体撮像素子と、前記固体撮像素子の撮像面上に空隙を空けて配されたカバーガラスと、前記カバーガラスの上面近傍に配置され、前記固体撮像素子の周辺回路が実装された第一回路基板とを有し、電子内視鏡の先端に内蔵される電子内視鏡の撮像装置において、前記第一回路基板は、アルミナを主成分とする回路基板よりも、熱伝導率が低いことを特徴とする。

前記第一回路基板の熱伝導率は、少なくともアルミナを主成分とする回路基板の１／５以下であることが好ましい。

前記第一回路基板は、低温焼成されたアルミナとガラスの混合材料を主成分とする材料からなることが好ましい。この場合、前記アルミナが４０％〜６０％、前記ガラスが４０％〜６０％の割合（但し、アルミナとガラスの割合を合わせて１００％を超えない）で混入されていることが好ましい。

前記固体撮像素子の下面、または側面に配置され、前記固体撮像素子の周辺回路が実装された第二回路基板をさらに有し、前記第二回路基板は、アルミナを主成分とする回路基板よりも、熱伝導率が高いことが好ましい。

前記第二回路基板の熱伝導率は、少なくともアルミナを主成分とする回路基板の５倍以上であることが好ましい。

前記第二回路基板は、高温焼成された窒化アルミニウムを主成分とする材料からなることが好ましい。

請求項８に記載の発明は、電子内視鏡であって、請求項１ないし７のいずれかに記載の撮像装置が先端に内蔵されていることを特徴とする。

本発明の電子内視鏡の撮像装置、および電子内視鏡によれば、アルミナを主成分とする回路基板よりも熱伝導率が低い基板でカバーガラスを温めるので、安価な構成で、固体撮像素子に取り付けられたカバーガラスの結露を効率的且つ確実に防止することができる。

図１において、電子内視鏡システム２は、電子内視鏡１０、プロセッサ装置１１、および光源装置（図示せず）などから構成される。電子内視鏡１０は、体腔内に挿入される挿入部１２と、挿入部１２の基端部分に連設された操作部１３と、プロセッサ装置１１や光源装置に接続されるコード１４とを備えている。

挿入部１２の先端に連設された先端部１２ａには、体腔内撮影用の撮像装置１５（図２参照）が内蔵されている。また、先端部１２ａの後方には、複数の湾曲駒を連結した湾曲部１６が設けられている。湾曲部１６は、操作部１３に設けられたアングルノブ１３ａが操作されて、挿入部１２内に挿設されたワイヤが押し引きされることにより、上下左右方向に湾曲動作する。これにより、先端部１２ａが体腔内の所望の方向に向けられる。

操作部１３には、処置具が挿通される鉗子口１７が設けられている。鉗子口１７は、点線で示すように、挿入部１２内に配設された鉗子チャンネル１８に接続される。

プロセッサ装置１１には、撮像装置１５で取得した撮像信号に各種処理を施す回路（後述）などが設けられている。光源装置には、コード１４を通して電子内視鏡１０に照明光を供給する光源などが搭載されている。撮像装置１５で撮像した体腔内の画像は、プロセッサ装置１１に接続されたモニタ１９に表示される。

撮像装置１５の構成を示す図２において、先端部１２ａには、観察窓２０が設けられている。観察窓２０の内部には、体腔内の被観察部位の像光を取り込むための対物光学系（レンズ群）２１を保持する鏡筒２２が配設されている。鏡筒２２は、挿入部１２の中心軸１２ｂに対物光学系２１の光軸２１ａが平行となるように取り付けられている。なお、図示はしていないが、先端部１２ａには、観察窓２０の他に、体腔内の被観察部位に光源装置からの照明光を照射するための照明窓や、鉗子チャンネル１８を介して鉗子口１７と連通した鉗子出口、送気・送水ボタン１３ｂ（図１参照）を操作することによって観察窓２０の汚れを落とすための洗浄水やエアーが噴射されるノズルなどが設けられている。

鏡筒２２の後端には、対物光学系２１を経由した被観察部位の像光をＣＣＤ２３の撮像面２３ａに導光するプリズム２４が接続されている。プリズム２４は、その入射面が対物光学系２１に、出射面が後述するカバーガラス２６にそれぞれ接続されている。これにより、対物光学系２１の光軸２１ａと撮像面２３ａとが平行となるように配置される。

ＣＣＤ２３は、例えばインターライン型のＣＣＤからなり、撮像面２３ａが表面に設けられたベアチップが用いられる。図３にも示すように、撮像面２３ａ上には、四角枠状のスペーサ２５を介して矩形板状のカバーガラス２６が取り付けられている。これらＣＣＤ２３、スペーサ２５、およびカバーガラス２６は、接着剤で互いに接着されて組み付けられる。

カバーガラス２６の上面近傍には、周辺回路２７が実装された第一回路基板２８が配置されている。周辺回路２７には、端子２９を介してケーブル３０が接続されている。周辺回路２７は、例えば、信号減衰や不要な反射が起きないよう出力インピーダンスを下げるとともに、インピーダンスマッチングを図る回路などからなる。周辺回路２７は、一液硬化性のエポキシ樹脂などの封止剤３１により封止されている。封止剤３１は、カバーガラス２６の後端に接触しており、これにより第一回路基板２８が図示する位置に保持される。

第一回路基板２８には、アルミナを主成分とする回路基板（アルミナ９０％以上、熱伝導率１０〜３０Ｗ／ｍＫ、例えば、アルミナ９６％、熱伝導率１４〜１８Ｗ／ｍＫ）よりも、熱伝導率が低いものが用いられている。具体的には、少なくともアルミナを主成分とする回路基板の１／５以下、好ましい範囲として１／５ないし１／４以下の熱伝導率を有する。上記のような条件を満たす材料としては、例えば、アルミナが４０％〜６０％、ガラスが４０％〜６０％の割合（但し、アルミナとガラスの割合を合わせて１００％を超えない）で混入され、高温焼成して形成したアルミナガラス基板（熱伝導率２〜３Ｗ／ｍＫ）が挙げられる。アルミナとガラスの割合は、アルミナ５０％、ガラス５０％が好ましいが、これに数％の他の成分が混入されていても、同様の効果を得ることができる。

ＣＣＤ２３の下面には、第二回路基板３２が設けられている。第二回路基板３２は、ＣＣＤ２３の下面、および側面を覆うように、ＣＣＤ２３を保持している。第二回路基板３２には、例えば、ＣＣＤ２３を駆動させるための駆動信号を伝達する回路（図示せず）などが周辺回路として実装されている。挿入部１２の後端に向けて延設された第二回路基板３２の後端部には、複数の入出力端子３３が設けられている。入出力端子３３には、コード１４を介してプロセッサ装置１１との各種信号の遣り取りを媒介するための信号線３４が半田付けされる。

図４において、ＣＣＤ２３には、プロセッサ装置１１に設けられた増幅器（以下、ＡＭＰと略す）４０およびＣＣＤドライバ４１が接続されている。ＡＭＰ４０は、ＣＣＤ２３から出力された撮像信号に所定のゲインで増幅を施し、これを相関二重サンプリング／プログラマブルゲインアンプ（以下、ＣＤＳ／ＰＧＡと略す）４２に出力する。

ＣＤＳ／ＰＧＡ４２は、ＡＭＰ４０から出力された撮像信号をＣＣＤ２３の各セルの蓄積電荷量に正確に対応したＲ、Ｇ、Ｂの画像データとして出力し、この画像データに増幅を施してＡ／Ｄ変換器（以下、Ａ／Ｄと略す）４３に出力する。Ａ／Ｄ４３は、ＣＤＳ／ＰＧＡ４２から出力されたアナログの画像データを、デジタルの画像データに変換する。画像処理部４４は、Ａ／Ｄ４３でデジタル化された画像データに対して各種画像処理を施し、モニタ１９に体腔内の画像を出力する。

ＣＣＤドライバ４１には、ＣＰＵ４５によって制御されるタイミングジェネレータ（以下、ＴＧと略す）４６が接続されている。ＣＣＤドライバ４１は、ＴＧ４６から入力されるタイミング信号（クロックパルス）により、ＣＣＤ２３の電子シャッタのシャッタ速度などを制御する。

上記のように構成された電子内視鏡システム２で体腔内を観察する際には、光源装置をオンして、挿入部１２を体腔内に挿入し、体腔内を照明しながら、ＣＣＤ２３による体腔内の画像をモニタ１９で観察する。

電子内視鏡１０の電源がオンされると、ＣＣＤドライバ４１などが起動され、ＣＣＤ２３による被観察部位の像光の撮像が行われる。対物光学系２１から取り込まれた被観察部位の像光は、プリズム２４を介して撮像面２３ａに結像され、これによりＣＣＤ２３から撮像信号が出力される。

ＣＣＤ２３から出力された撮像信号は、ＡＭＰ４０で増幅され、ＣＤＳ／ＰＧＡ４２で相関二重サンプリングおよび増幅が施されて、Ａ／Ｄ４３でデジタルの画像データに変換される。Ａ／Ｄ４３でデジタル化された画像データは、画像処理部４４で各種画像処理が施された後、モニタ１９に画像として表示される。

ＣＣＤ２３が駆動されると、その周辺回路２７が発熱し、周辺回路２７が実装された第一回路基板２８が熱せられる。第一回路基板２８は、アルミナを主成分とする回路基板よりも、熱伝導率が低いものであるため、アルミナを主成分とする回路基板を用いた場合と比べて、周辺回路２７からの熱がより蓄熱される。すなわち、周辺回路２７の熱がケーブル３０へ伝わりにくく、操作部１３側へ熱が逃げにくい。第一回路基板２８は、カバーガラス２６の上面近傍に配置されているので、第一回路基板２８の熱がカバーガラス２６の外面（プリズム２４が接続される側の面）に達して温められる。

ここで、カバーガラスの外面は、電子内視鏡１０の電源がオンされたときに冷えていたり、観察窓２０に洗浄水やエアーが噴射されたときに冷やされたりするのに対し、カバーガラスの内面（ＣＣＤ２３側の面）は、ＣＣＤ２３や第二回路基板３２の駆動熱によって熱せられる。このため、カバーガラス２６の外面と内面との間に温度差が生じ、カバーガラス２６の内面に結露が生じてしまう。しかしながら、アルミナを主成分とする回路基板よりも熱伝導率が低い第一回路基板２８の熱で、カバーガラス２６の外面が温められるので、カバーガラス２６の外面と内面とが熱平衡状態となり、結露が防止される。

以上説明したように、カバーガラス２６の上面近傍に配置された第一回路基板２８を、アルミナを主成分とする回路基板よりも熱伝導率が低いものとするので、特殊な形状の基板やヒーターを設けることなく、カバーガラス２６の結露を確実に防止することができる。

また、特殊な形状の基板やヒーターといった余計な部材を設ける必要がないので、省スペースを実現することができ、先端部１２ａ、延いては挿入部１２の細径化に寄与することができる。さらに、第一回路基板２８の材料を替えるだけでよいので、大幅な仕様変更をすることなく、既存の電子内視鏡に適用することができる。

なお、アルミナを主成分とする回路基板よりも熱伝導率が低い第一回路基板２８を用いることに加えて、第二回路基板３２に、アルミナを主成分とする回路基板よりも熱伝導率が高いものを用いてもよい。具体的には、少なくともアルミナを主成分とする回路基板の５倍以上、好ましい範囲として５倍ないし１０倍以上の熱伝導率を有する第二回路基板３２を用いる。上記のような条件を満たす材料としては、例えば、窒化アルミニウムを主成分とする材料を高温焼成して形成した窒化アルミニウム基板（熱伝導率８０〜１５０Ｗ／ｍＫ）が挙げられる。

第一回路基板２８に加えて、上記のような第二回路基板３２を用いれば、アルミナを主成分とする回路基板を用いた場合と比べて、ＣＣＤ２３、および第二回路基板３２自体の駆動熱が、信号線３４を伝って外部に効率よく放熱される。このため、結果的にカバーガラス２６の外面と内面との間の温度差が少なくなる。したがって、アルミナを主成分とする回路基板よりも熱伝導率が低い第一回路基板２８のみを用いる場合と比較して、カバーガラス２６の結露をより確実に防止することができる。

上記実施形態では、ＣＣＤ２３とカバーガラス２６との間に空隙を空けるために、スペーサ２５を使用しているが、スペーサ２５の代わりに透明接着剤を用いてもよく、カバーガラス２６に脚を形成してもよい。また、プロセッサ装置１１側にＡＭＰ４０やＣＣＤドライバ４１などの回路を搭載しているが、電子内視鏡１０側に設けてもよい。

また、上記実施形態では、挿入部１２の中心軸１２ｂに対物光学系２１の光軸２１ａが平行となるように取り付けた、いわゆる直視型の電子内視鏡１０を例に挙げて説明したが、中心軸１２ｂと光軸２１ａとが垂直となった側視型の電子内視鏡についても、本発明を適用することが可能である。

電子内視鏡システムの構成を示す概略図である。 電子内視鏡の挿入部先端の構成を示す拡大部分断面図である。 ＣＣＤ、スペーサ、カバーガラス、および第二回路基板の構成を示す分解斜視図である。 電子内視鏡システムの電気的構成を示すブロック図である。

符号の説明

２ 電子内視鏡システム
１０ 電子内視鏡
１５ 撮像装置
２３ ＣＣＤ
２６ カバーガラス
２７ 周辺回路
２８ 第一回路基板
３２ 第二回路基板

Claims (8)

1. 体腔内の被観察部位の像光を撮像して撮像信号を出力する固体撮像素子と、前記固体撮像素子の撮像面上に空隙を空けて配されたカバーガラスと、前記カバーガラスの上面近傍に配置され、前記固体撮像素子の周辺回路が実装された第一回路基板とを有し、電子内視鏡の先端に内蔵される電子内視鏡の撮像装置において、
   前記第一回路基板は、アルミナを主成分とする回路基板よりも、熱伝導率が低いことを特徴とする電子内視鏡の撮像装置。
2. 前記第一回路基板の熱伝導率は、少なくともアルミナを主成分とする回路基板の１／５以下であることを特徴とする請求項１に記載の電子内視鏡の撮像装置。
3. 前記第一回路基板は、低温焼成されたアルミナとガラスの混合材料を主成分とする材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の電子内視鏡の撮像装置。
4. 前記アルミナが４０％〜６０％、前記ガラスが４０％〜６０％の割合（但し、アルミナとガラスの割合を合わせて１００％を超えない）で混入されていることを特徴とする請求項３に記載の電子内視鏡の撮像装置。
5. 前記固体撮像素子の下面、または側面に配置され、前記固体撮像素子の周辺回路が実装された第二回路基板をさらに有し、
   前記第二回路基板は、アルミナを主成分とする回路基板よりも、熱伝導率が高いことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電子内視鏡の撮像装置。
6. 前記第二回路基板の熱伝導率は、少なくともアルミナを主成分とする回路基板の５倍以上であることを特徴とする請求項５に記載の電子内視鏡の撮像装置。
7. 前記第二回路基板は、高温焼成された窒化アルミニウムを主成分とする材料からなることを特徴とする請求項５または６に記載の電子内視鏡の撮像装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の撮像装置が先端に内蔵されていることを特徴とする電子内視鏡。

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