JP2008295188A - 電流制限回路および内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通常動作時の電流を大きくすることができる電流制限回路および内視鏡装置を提供する。
【解決手段】抵抗１４は、後段の回路へ出力される負荷電流量を検出する。ツエナーダイオード１０は、抵抗１４の一端の電圧にオフセット電圧Ｖｏｆを印加した電圧を出力する。トランジスタ１５は、ツエナーダイオード１０から出力された電圧および抵抗１４の他端の電圧の差に応じた制御電圧を発生する。ＦＥＴ１３は、制御電圧に応じて負荷電流量を制限する。
【選択図】図２

Description

本発明は、後段の回路へ出力される負荷電流量を制限する電流制限回路に関する。また、本発明はこの電流制限回路を備えた内視鏡装置にも関する。

プラントやビルのパイプのメンテナンス、ジェトエンジンの内部の検査、ボイラの内部の検査等を行うための工業用内視鏡が広く用いられている。また、ＬＥＤ等の発光素子やレンズを内蔵した光学アダプタを細長の挿入部の先端に着脱可能な工業用内視鏡も用いられている（例えば特許文献１参照）。

このような工業用内視鏡を、可燃性の気体または粉塵がある雰囲気中で使用する場合には、装置の構造を防爆構造とすることが好ましい。装置には、ＬＥＤやモータ、撮像素子など、電力を供給して駆動する部位が存在する。これらの部位もしくは電力供給用の信号線が、外部から衝撃を受けたり他の機器へ挟み込まれたりするなどの要因で故障することが想定される。このとき、故障部で電力供給用の信号線がショートして火花が点火したり、さらに温度上昇などの要因で爆発を誘発したりする危険性がある。このような爆発の危険を回避する設計を一般に防爆構造設計と呼ぶ。

非特許文献１に示されるように、防爆構造の設計には幾つかの方法がある。内視鏡の挿入部のように細く軟性を有する構造に対応する設計方法としては、本質安全防爆構造設計が想定される。これは、周囲が可燃性のガス等の危険領域にさらされる装置部分と、そうでは無い安全な領域に設置される装置部分との間に、エネルギーを制限するためのバリア回路を設ける方法である。バリア回路には、ツエナーダイオード等により電圧を制限する回路と、抵抗あるいは半導体回路を用いて電流を制限する回路とが含まれる。この方法の場合、前述した故障が発生しても、バリア回路部分で電圧や電流が制限されるため、爆発を回避することができる。

また、例えば前述したように照明用のＬＥＤが搭載された光学アダプタを取り付けたり取り外したりする場合に、内視鏡装置のアース部分と導通用の端子が意図せず接触することがある。図７は、このような異常が発生する様子を示している。電源７や電流制限回路８を備えたメインユニット１に挿入部３が接続されており、挿入部３の先端にはＬＥＤ９を備えた光学アダプタを接続することが可能となっている。

何らかの理由により、挿入部３の先端における電源供給ラインの端子またはＬＥＤ９の端子が挿入部３の外装を介してアースに接触すると、過大な異常電流が流れる（図７の電流Ａ，Ｂ）。この場合にも、ＬＥＤ９を駆動するラインに電流制限回路８を入れることは有効である。また、ＬＥＤに限らず導通部を持ち、意図しない接地がある装置の場合にも同様のことが言える。

図８は従来の電流制限回路８の構成を示している。この電流制限回路８は例えば非特許文献２に開示されている。正常動作時にはトランジスタ２４，２５のうち、トランジスタ２４のみがＯＮとなり、抵抗２３を通る経路で電流が流れる。一方、異常電流が流れた場合、異常電流によって抵抗２３に発生する電圧がトランジスタ２５のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅを超えるため、ベース電流が流れ、トランジスタ２５がＯＮとなる。このため、トランジスタ２４のベース電圧が低下し、電流が制限される。
特開２００５−６６３５６号公報 「工場電気設備防爆指針」、独立行政法人 産業安全研究所、NIIS-TR-NO.40(2006) 「本質安全防爆構造電気機器の解説と設計の基本」、社団法人 産業安全技術協会、TIIS-ST-0504

しかし、図８に示した電流制限回路８では、制限する電流値（制限電流値）のばらつきが大きいという問題があった。この電流制限回路の場合、おおよそ、トランジスタ２５のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅと、ベース端子Ｂおよびエミッタ端子Ｅの間に設けられた電流検出抵抗２３の抵抗値Ｒｓとの比率に応じて制限電流値Ｉｌｉｍが以下の（１）式のように決まる。
Ｉｌｉｍ＝Ｖｂｅ／Ｒｓ ・・・（１）

トランジスタ２５のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅの温度変化は大きく、工業用内視鏡の使用温度範囲の場合、０．４Ｖ〜０．７Ｖ程度の変化が想定される。つまり、制限電流値の変動比率は（１）式より（０．７Ｖ／０．４Ｖ）＝１．７５程度となる。

このように制限電流値のばらつきが大きいと、以下の点が問題となる。当然のことながら、制限電流値が最大値方向にばらついても、爆発や装置の故障等の異常を回避する必要がある。そのため、電流制限回路８の電流検出抵抗２３の抵抗値を大きくして、平均的な制限電流値が小さくなるように設定することが考えられる。

ところが、この電流制限回路８は異常時ではない通常時の動作でも作用するので、制限電流値が最小値方向にばらついても通常動作が可能なようにするために設計が制限される。すなわち、図４の左側に示すように、制限電流値のばらつきに応じた制限電流変動領域が大きくなるため、通常動作領域が制限される。これが影響して、意図した装置の仕様を満足できなくなることがある。例えば、照明用のＬＥＤの場合には光量の低下につながり、挿入部の先端を湾曲させるための湾曲用モータの場合には駆動力の低下につながる。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、通常動作時の電流を大きくすることができる電流制限回路および内視鏡装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、後段の回路へ出力される負荷電流量を検出する抵抗成分を有する電流検出素子と、前記電流検出素子の一端の電圧にオフセット電圧を印加した電圧を出力するオフセット電圧印加手段と、前記オフセット電圧印加手段から出力された電圧および前記電流検出素子の他端の電圧の差に応じた制御電圧を発生する制御電圧発生素子と、前記制御電圧に応じて前記負荷電流量を制限する電流制限素子とを備えたことを特徴とする電流制限回路である。

また、本発明の電流制限回路において、前記オフセット電圧は、ダイオードもしくはツエナーダイオードの両端電圧、または前記両端電圧を分圧した電圧であることを特徴とする。

また、本発明の電流制限回路において、前記ダイオードまたは前記ツエナーダイオードの両端電圧の、温度に応じた変化の割合を示す温度変化係数が前記制御電圧発生素子の前記温度変化係数と逆符号であることを特徴とする。

また、本発明の電流制限回路において、前記オフセット電圧は、前記電流検出素子の一端の電圧と基準電圧の電位差を分圧した電圧であることを特徴とする。

また、本発明は、上記の電流制限回路を備えたことを特徴とする内視鏡装置である。

本発明によれば、オフセット電圧を印加することにより、異常時の制限電流値のばらつきを小さくすることが可能となるので、通常動作時の電流を大きくすることができるという効果が得られる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）

まず、本発明の第１の実施形態を説明する。図１は、本実施形態による内視鏡装置の外観を示している。この内視鏡装置は、メインユニット１と、このメインユニット 1に接続されるスコープユニット２とを備えている。メインユニット１は、内視鏡装置全体の制御を行うユニットであり、システム制御部のほか、電源や画像処理回路等を備えている。スコープユニット２には、可撓性の挿入チューブからなる挿入部３が設けられ、この挿入部３の先端に位置する先端部４にはＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子が設けられている。

撮像素子の前面には通常、被検体からの反射光を集光するためのレンズが設けられている。また、レンズは、焦点距離やＦ値、視野角等の特性が換えられるように交換式にすることもある。撮像素子からの画像信号はメインユニット１に送られ、表示部６に被検体の撮影画像が表示される。

また、良好な観察画像を得るために、照明が行われる。照明の方法として、メインユニット１内にランプ光源を設け、そのランプ光源から出射された光を光ファイバ等のライトガイドにより先端部４まで導く方法や、先端部４にＬＥＤを設け、そのＬＥＤを発光させる方法等がある。本実施形態では、光学系（レンズ）や照明用のＬＥＤを内蔵した光学アダプタ５が先端部４に着脱可能となっており、ＬＥＤを発光させることで照明が行われる。

また、挿入部３の挿入性を高めたり観察視野を広くしたりするために、先端部４を湾曲させる機構も設けられる。挿入部３内に設けられた複数のワイヤを適宜牽引し、任意の方向に湾曲させる。ワイヤの牽引をユーザが手動で行うこともあるが、長尺の挿入部３の場合、必要な牽引力が大きくなるため、メインユニット１もしくはスコープユニット２に設けた湾曲用モータの駆動力を利用することもある。

図２は、メインユニット１内に設けられる電流制限回路８ａの回路構成を示している。電流制限回路８ａの出力端に接続される負荷抵抗１７は、内視鏡装置内にあって負荷電流Ｉｌの供給により駆動するもの全般（具体的にはＬＥＤやモータ等）を示している。

電源７から負荷電流Ｉｌが入力される入力端には、負荷電流Ｉｌを検出するための抵抗１４（電流検出素子）と、オフセット電圧Ｖｏｆを印加するためのツエナーダイオード１０（オフセット印加手段）とが接続されている。抵抗１４には負荷電流Ｉｌが流れ、その量に比例した電圧降下Ｖｒｓが抵抗１４の両端に発生する。通常動作において、この電圧降下Ｖｒｓが大きすぎると問題となることがあるため、通常、抵抗１４には数Ω〜数十Ω程度の小さなものが使用される。また、負荷電流Ｉｌが大電流となることも想定されるため、抵抗１４の電力定格は十分に大きなものとする。図２では抵抗１４を抵抗器として描いているが、抵抗器に限定されず、抵抗成分を有する素子であればよい。

抵抗１４の出力端には、ソース・ドレイン間のインピーダンスが制御可能で負荷電流 Ｉｌを制限するためのＦＥＴ１３（電流制限素子）のソース端子Ｓが接続されていると共に、そのＦＥＴ１３の制御電圧を生成するトランジスタ１５（制御電圧発生素子）のベース端子Ｂがベース抵抗１８を介して接続されている。ＦＥＴ１３も、抵抗１４と同様に負荷電流Ｉｌに見合った電力定格のものを使用する。

トランジスタ１５のコレクタ端子Ｃには、コレクタ電流を電圧に変換する抵抗１６が接続されている。トランジスタ１５のコレクタ端子Ｃの電圧Ｖｃはベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅに応じて変動し、ＦＥＴ１３のゲート端子Ｇに制御電圧として印加される。通常、抵抗１６には抵抗値が数百ｋΩの大きなものを使用し、トランジスタ１５のコレクタ電流が小さくても制御動作が可能なようにする。

一方、ツエナーダイオード１０には、ダイオードのバイアス電流を決定するための抵抗１１と、トランジスタ１５のエミッタ端子Ｅが接続されている。抵抗１１は、ツエナーダイオード１０の動作がＯＮとなるために必要なツエナー電流を与えるものである。ツエナー電流は通常数ｍＡ前後のオーダである。トランジスタ１５のＯＮ／ＯＦＦが切り替わりツエナー電流が変化してもツエナー電圧が変動しないように、抵抗１１の抵抗値が設定される。ツエナーダイオード１０は、抵抗１４の入力端の電圧にオフセット電圧を印加した電圧（＝Ｖｉｎ−Ｖｏｆ）をトランジスタ１５のエミッタ端子Ｅへ出力する。

次に、各部の動作を説明しながら、電流制限機能が動作する仕組みを説明する。まず、負荷抵抗１７の抵抗値が十分に大きい場合、つまり、負荷電流Ｉｌが小さい場合の通常動作から説明する。電源７から流れ込む電流が小さい場合、抵抗１４での電圧降下Ｖｒｓは小さくなる。このとき、トランジスタ１５のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅが、トランジスタ１５の動作がＯＮとなる電圧よりも小さければ、コレクタ電流は流れない。通常、トランジスタ１５の動作がＯＮとなるＶｂｅの値は０．５Ｖ前後である。したがって、抵抗１６での電圧降下が無く、ＦＥＴ１３のゲート電圧ＶｇがＧＮＤレベルとなるため、ゲート・ソース間電圧Ｖｇｓが大きくなり、ＦＥＴ１３は完全にＯＮとなる。つまり、ＦＥＴ１３のソース・ドレイン間インピーダンスＲｓｄはほぼ０Ωとなり、負荷電流Ｉｌが制限されることは無い。

一方、負荷抵抗１７の抵抗値が小さい場合、つまり故障等のために電流制限回路８ａの出力端子がＧＮＤなどに接触し、過大な電流が流れようとする場合の動作を説明する。この場合、電源７から流れ込む電流が大きくなるため、抵抗１４での電圧降下Ｖｒｓが大きくなる。このとき、抵抗１４の両端電圧（Ｖｒｓ）からツエナーダイオード１０の両端電圧（Ｖｏｆ）を差し引いた分の電圧、つまりトランジスタ１５のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅが、トランジスタ１５の動作がＯＮとなる電圧よりも大きくなると、コレクタ電流が流れ出す。その結果、抵抗１６での電圧降下によりＦＥＴ１３のゲート電圧Ｖｇが大きくなり、ゲート・ソース間電圧Ｖｇｓが小さくなる。このとき、ＦＥＴ１３のソース・ドレイン間インピーダンスＲｓｄが大きくなり、負荷電流Ｉｌが増加しないように作用するため、一定の電流量が保持される。

図３は、上記の回路各部の特性量の変化を示している。図３（ａ）に示すように負荷抵抗１７の抵抗値（負荷インピーダンスＲｌ）が小さくなると負荷電流Ｉｌが大きくなり、図３（ｂ）に示すようにトランジスタ１５のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅもそれに応じて増加する。Ｖｂｅの値が０．５Ｖを上回ると、トランジスタ１５のコレクタ電流が流れ出し、図３（ｃ）に示すようにＦＥＴ１３のゲート電圧Ｖｇが大きくなる。その結果、図３（ｄ）に示すようにＦＥＴ１３のソース・ドレイン間インピーダンスＲｓｄが大きくなり、負荷電流Ｉｌが一定の値で制限される。

以下の（２）式は、上述した電流制限動作の条件を表現している。Ｉｌｉｍは（１）式と同様に制限電流値を示している。実際には、抵抗１８で電圧降下が生じるが、トランジスタ１５のコレクタ電流がμＡオーダの小さな値であり、さらにトランジスタ１５の増幅率ｈｆｅ分の１の小さな電流がトランジスタ１５のベース電流として流れることになるため、抵抗１８で生じる電圧降下は十分に小さく、無視しても差し支えない。
Ｉｌｉｍ＝（Ｖｏｆ＋Ｖｂｅ）／Ｒｓ ・・・（２）

前述したように、トランジスタ１５がＯＮとなっているときのベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅは温度による変化が大きく、内視鏡使用温度下における電圧変化の範囲は０．４Ｖ〜０．７Ｖ程度となる。一方、ツエナーダイオード１０として、数Ｖ〜数十Ｖの幅広い電圧範囲から所望のツエナー電圧（Ｖｏｆ）を有するものを選択することが可能である。ツエナー電圧はトランジスタ１５のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅと同様に温度に応じて変化する。その変動特性はツエナーダイオードにより異なるが、仮に一般的なもので温度変化を少し大きめに見積もり、ツエナー電圧が４．５Ｖ〜５．５Ｖの範囲でばらつくと仮定する。

その場合、制限電流値Ｉｌｉｍの変動比率は（２）式から、（５．５Ｖ＋０．７Ｖ）／（４．５Ｖ＋０．４Ｖ）＝１．２７となる。これは、従来のようにオフセット電圧Ｖｏｆが印加されない場合の変動比率（０．７Ｖ／０．４Ｖ）＝１．７５よりも特性が改善されることを意味する。このため、図４に示すように、従来の電流制限回路と比較して制限電流値のばらつく範囲（制限電流変動領域）を小さくし、制限電流値の中心狙い値を高く設定することができると共に、制限電流値のばらつき範囲が小さくなる分、通常動作領域を大きくすることができる。

さらに、ツエナーダイオードの代わりにバンドギャップ型の基準電圧ダイオードを使用すれば、温度変化や駆動電流に起因する素子状態のばらつきや初期の素子ばらつき等が極めて小さくなるため、制限電流値の変動範囲をさらに小さくすることができる。例えば、ダイオードでの電圧降下のばらつきがなく、常にオフセット電圧Ｖｏｆが５Ｖであると仮定した場合の制限電流値の変動比率は、（５．０Ｖ＋０．７Ｖ）／（５・０Ｖ＋０．４Ｖ）＝１．０６となり、極めて小さくなる。

また、トランジスタ１５のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅは負の温度変化係数（温度に応じた電圧値の変化の割合）を持ち、温度が高くなるとＶｂｅの値が小さくなるように変化するが、ツエナーダイオードの中にはツエナー電圧の温度変化係数が正のものがあり、この特性を利用してさらに制限電流値の変動範囲を小さくすることができる。すなわち、Ｖｂｅの値の変動分をツエナー電圧値の変動分でキャンセルするのである。この場合、双方の変動レンジを合わせるため、ツエナーダイオード１０の両端電圧をさらに分圧するとよい。図５はこの場合の回路例を示しており、抵抗１９と抵抗２０によってツエナーダイオード１０の両端電圧を分圧した電圧がオフセット電圧Ｖｏｆとなっている。

上述したように、本実施形態によれば、オフセット電圧Ｖｏｆを印加することにより、異常時の制限電流値のばらつきを小さくすることが可能となるので、通常動作時の電流を大きくすることができる（図４参照）。すなわち、機器の故障等が発生しないようにしながら、通常動作時に各負荷に供給可能な電流をより高めることができる。したがって、装置全体の各種性能をより高めることができるようになる。

なお、図１に示した電流制限回路８ａでは、制御用の素子としてトランジスタ１５を利用しているが、ＦＥＴを利用しても同様の電流制限効果や、オフセット電圧Ｖｏｆの印加による制限電流値のばらつき抑圧効果が得られる。ＦＥＴは、ゲート・ソース間の電圧差がしきい電圧Ｖｔｈを上回った場合にドレイン電流が流れる特性を有するが、そのＶｔｈをＶｂｅの代わりに（２）式に当てはめて考えればよい。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。図６は、本実施形態による電流制限回路８ｂの回路構成を示している。図２に示した電流制限回路８ａと比較して、ツエナーダイオード１０が抵抗２１で置き換わっている。この回路におけるオフセット電圧Ｖｏｆは、電流制限回路８ｂの入力電圧Ｖｉｎを抵抗２１，２２で分圧した電圧となる。したがって、入力電圧Ｖｉｎの変動がオフセット電圧Ｖｏｆに影響することになるが、Ｖｉｎのばらつきが十分に小さく、制限電流への影響が無視できる場合には、このような回路構成でもよい。

図２に示したようにツエナーダイオード１０を利用した回路の場合には、ツエナー電圧やその温度特性を含め、部品選択の自由度に制限が生じることがあったが、抵抗を用いる場合には、抵抗２１，２２の組合せでオフセット電圧Ｖｏｆを任意の値に設定することができる。また、高精度の抵抗を利用すれば、温度変化もほとんど考慮する必要が無くなる。さらに、図２に示した回路と比較して、回路が簡単で安価になるという利点もある。

以上の説明のように、本実施形態によれば、電流制限回路８ｂへの入力電圧の変動が十分に小さいという条件下において、第１の実施形態と同様の効果を得ることができ、さらに回路を簡単かつ安価にすることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、内視鏡装置に限らず、装置内を流れる電流を制限する必要がある各種の装置に上記の電流制限回路８ａ，８ｂを適用することが可能である。

本発明の第１の実施形態による内視鏡装置の外観図である。 本発明の第１の実施形態による内視鏡装置が備える電流制限回路の回路図である。 本発明の第１の実施形態による内視鏡装置が備える電流制限回路の各部の特性量の変化を示す参考図である。 本発明の第１の実施形態による内視鏡装置が備える電流制限回路と従来の電流制限回路の動作領域を示す参考図である。 本発明の第１の実施形態による内視鏡装置が備える電流制限回路の回路図である。 本発明の第２の実施形態による内視鏡装置が備える電流制限回路の回路図である。 異常電流が流れる原理を示す原理図である。 従来の電流制限回路の回路図である。

符号の説明

１・・・メインユニット、２・・・スコープユニット、３・・・挿入部、４・・・先端部、５・・・光学アダプタ、６・・・表示部、７・・・電源、８，８ａ，８ｂ・・・電流制限回路、９・・・ＬＥＤ、１０・・・ツエナーダイオード、１１，１４，１６，１８，１９，２０，２１，２２，２３・・・抵抗、１３・・・ＦＥＴ、１５，２４，２５・・・トランジスタ、１７・・・負荷抵抗

Claims (5)

1. 後段の回路へ出力される負荷電流量を検出する抵抗成分を有する電流検出素子と、
   前記電流検出素子の一端の電圧にオフセット電圧を印加した電圧を出力するオフセット電圧印加手段と、
   前記オフセット電圧印加手段から出力された電圧および前記電流検出素子の他端の電圧の差に応じた制御電圧を発生する制御電圧発生素子と、
   前記制御電圧に応じて前記負荷電流量を制限する電流制限素子と、
   を備えたことを特徴とする電流制限回路。
2. 前記オフセット電圧は、ダイオードもしくはツエナーダイオードの両端電圧、または前記両端電圧を分圧した電圧であることを特徴とする請求項１に記載の電流制限回路。
3. 前記ダイオードまたは前記ツエナーダイオードの両端電圧の、温度に応じた変化の割合を示す温度変化係数が前記制御電圧発生素子の前記温度変化係数と逆符号であることを特徴とする請求項２に記載の電流制限回路。
4. 前記オフセット電圧は、前記電流検出素子の一端の電圧と基準電圧の電位差を分圧した電圧であることを特徴とする請求項１に記載の電流制限回路。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の電流制限回路を備えたことを特徴とする内視鏡装置。

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