JP2009022589A - 撮像装置 - Google Patents

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誠二 岩▲崎▼
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Abstract

【課題】SMAワイヤを用いたアクチュエータの冷却時の応答性を向上させる。
【解決手段】図4(a)の状態において(第2の押圧バネ21のバネ力)<(第1の押圧バネ16のバネ力)、図4(b)の状態において(第2の押圧バネ21のバネ力)≦(第1の押圧バネ16のバネ力)、図4(c)の状態において(第2の押圧バネ21のバネ力)<(第1の押圧バネ16のバネ力)になるように構成されている。
【選択図】図4

Description

本発明は、電子内視鏡の先端に内蔵される撮像装置に関するものである。
例えば、特開2004−184775号公報では、レンズ枠内部に移動用レンズ保持枠を挟むようにリング上の形状記憶合金(Shape Memory Alloys で以下SMAと称す)製伸縮部材とバネを内在させ、前記SMA製伸縮部材を加熱することによりSMA製伸縮部材を伸張させ移動用レンズ保持枠を摺動させるという技術が開示されている。
また、例えば特開2000−205113号公報では、複数のバイアスバネと複数のSMA部材を用いて、駆動体の位置を自由に制御する技術が開示されている。
特開2004−184775号公報 特開2000−205113号公報
しかしながら、前記特開2004−184775号公報に示された従来技術では、リング上のSMA製伸縮部材になると熱容量が大きく、加熱・冷却させるのに時間がかかり、どうしてもレスポンスが悪くなるという欠点があった。
また、前記特開2000−205113号公報では、自由に位置制御出来るが、アクチュエータの応答性を良くする機構は搭載されていなかった。特に冷却時の応答性が悪いという欠点があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、SMAワイヤを用いたアクチュエータの冷却時の応答性を向上させることのできる撮像装置を提供することを目的としている。
本発明の撮像装置は、
光学レンズと、
前記光学レンズを光軸方向の前後に移動させるアクチュエータと
を備え、
前記アクチュエータが、
前記光学レンズに取り付けられた連結桿に接続された形状記憶合金部材よりなる形状記憶合金ワイヤと、
弾性力が異なる2つ以上の伸縮自在な弾性体と
よりなる
ことを特徴として構成される。
本発明によれば、SMAワイヤを用いたアクチュエータの冷却時の応答性を向上させることができるという効果がある。
以下、図面を参照しながら本発明の実施例について述べる。
図1ないし図5は本発明の実施例1に係わり、図1は電子内視鏡の内視鏡先端の断面を示す図、図2は図1のA一A線断面を示す図、図3は図1のガイドパイプを示す図、図4は図1の内視鏡先端の作用を説明する図、図5は図1の駆動用SMAワイヤの温度−ひずみ曲線を示す図である。
(構成)
図1に示すように、本実施例の電子内視鏡の内視鏡先端1においては、前後に移動する、光学レンズとしての移動レンズ7が取り付けられた移動レンズ枠6に連結桿8が取り付けられている。
なお、本実施例の内視鏡先端1は、管腔内に挿入可能な挿入部の先端に位置し、この挿入部内には挿入軸に沿って、内視鏡先端1にて先端が開口した、例えば処置具(図示せず)を挿通させるチャンネル2が設けられている。
また、内視鏡先端1は、先端ホルダ4により撮像装置を内蔵している。この撮像装置は、内視鏡先端1の先端側より、第1レンズ3、移動レンズ7、後群レンズ9、CCDあるいはCMOSセンサ等のイメージャ10及び電気回路11より構成されている。第1レンズ3及び後群レンズ9は、レンズ枠5により保持され、移動レンズ7はレンズ枠5に対して進退可能な移動レンズ枠6により保持されている。さらにイメージャ10は電気回路11に接続され、電気回路11はケーブル12に接続されている。
図1に示す駆動用SMAワイヤ14は加熱されると収縮し、冷却されると膨張する形状記憶合金(Shape Memory Alloys で以下SMAと称す)よりなる直径数十ミクロンのワイヤである。
図1及び図2に示すように、この駆動用SMAワイヤ14は、連結桿8に設けられた溝を通され、連結桿8の位置で折り返すように固着されている。
駆動用SMAワイヤ14には第1の絶縁チューブ17が取り付けられている。
第1の絶縁チューブ17は、第1のガイドパイプ15に一部挿入されて固着されている。
また、前記第1の絶縁チューブ17と連結桿8の間には第1の押圧バネ16が連結桿8を前方に押圧するように第1のガイドパイプ15内に挿入されている。
なお、第1のガイドパイプ15は、先端側より、カバー24、熱収縮チューブ34、保護チューブ22により覆われている。
図3に示すように、前記第1のガイドパイプ15には、切り欠き30が設けられていて、連結桿8はこの切り欠き30部分を進退する。
図1及び図2に戻り、駆動用SMAワイヤ14の端部は、円筒状の内面が導電材、外周が絶縁体のリングよりなるアンカー19に電気的に導通固着されている。そして、第1のカシメ25に半田付けされた延長ケーブル20の他端がアンカー19に半田により取り付けられており、その周りを接着剤により補強接着されている。
また、第2の押圧バネ21がアンカー19を後方に押圧するように第2のガイドパイプ18内に取り付けてあり、第2の押圧バネ21の内側には、絶縁材よりなる切り替えパイプ35が収納されている。
第1のカシメ25の取り付け位置は、内視鏡の湾曲部(湾曲駒によりアングル操作される位置)を越えた位置に設けられている。
ここで、本実施例の撮像装置の移動レンズ7(光学レンズ)を、連結桿8を介して進退駆動するアクチュエータは、上述した、形状記憶合金ワイヤとしての駆動用SMAワイヤ14、弾性力が異なる弾性体としての第1の押圧バネ16及び第2の押圧バネ21とを備えて構成される。
また、図2に示すように、GND用SMAワイヤ33は、絶縁ボール13で折り返されていて、さらに、GND用SMAワイヤ33は第2の絶縁チューブ31に通されている。そして、GND用SMAワイヤ33の端部は、第2のカシメ29にてかしめられている。そして、第2のカシメ29側面にGND用ケーブル28が半田付けされている。
また、図4(a)の状態において、
(第2の押圧バネ21のバネ力)<(第1の押圧バネ16のバネ力)
図4(b)の状態において、
(第2の押圧バネ21のバネ力)≦(第1の押圧バネ16のバネ力)
図4(c)の状態において、
(第2の押圧バネ21のバネ力)<(第1の押圧バネ16のバネ力)
になるように構成されている。
(作用)
駆動用SMAワイヤ14は、第2のガイドパイプ18、第1の絶縁チューブ17、絶縁ボール13、絶縁キャップ23、第2の絶縁チューブ31により絶縁されている。
次に、アクチュエータを駆動する場合は、電源ケーブル群27内の駆動用ケーブル26に電流を流す。この電流は駆動用ケーブル26→第1のカシメ25→アンカー19→駆動用SMAワイヤ14→GND用SMAワイヤ33→第2のカシメ29→GND用ケーブル28と流れ、駆動用SMAワイヤ14およびGND用SMAワイヤ33は発熱し収縮する。
すると、図4(a)の状態において、(第2の押圧バネ21のバネ力)<(第1の押圧バネ16のバネ力)なので、アンカー19は、駆動用SMAワイヤ14の収縮により引っ張られIa→Ibcの位置まで動く(図4(b)の状態)。
ここで、アンカー19は切り替えパイプ35が邪魔になりこれ以上移動できないので、駆動用SMAワイヤ14の収縮に呼応し連結桿8が動き始める。そしてIIab→IIcの位置まで動く(図4(c)の状態)。
また、駆動用SMAワイヤ14への通電(加熱)を止めると、第1の押圧バネ16と第2の押圧バネ21のバネ力により駆動用SMAワイヤ14は伸長され収縮時とは逆の動作をする。つまり、図4(c)の状態から、連結桿8がIIc→IIabの位置まで動く(図4(b)の状態)。次に、アンカー19がIbc→Iaの位置まで動く(図4(a)の状態)。
ここで、図5の駆動用SMAワイヤ14の温度−ひずみ曲線を用いて、作用の特徴を説明する。ξaは図4(a)の状態、ξbは図4(b)の状態、ξcは図4(c)の状態である。
図5より、ひずみ曲線の傾きが直線ではないので、ひずみξc(図4(c)の状態)→ひずみξb(図4(b)の状態)の変化は速いが、ひずみξb(図4(b)の状態→ひずみξa(図4(a)の状態)の変化速度が遅いことがわかる。
SMAを用いたアクチュエータにおいて、収縮速度を上げるには、電流をどんどん流せば実現できるが、伸張速度は、自然冷却なので(冷却装置を設けると小型化が困難)、応答速度の遅いひずみξb→ひずみξaを使うと応答性の悪いアクチュエータになる。
そこで、本実施例では、応答速度の速いひずみξc→ひずみξbの変化を移動レンズ7の摺動に使い、応答速度の遅いひずみξb→ひずみξaの変化を移動レンズ7の摺動に関係のないアンカー19を動かす。
(効果)
このように本実施例では、応答速度の速い変化部分のみを移動レンズ7の摺動に用いることにより、応答速度の良いアクチュエータを備えた撮像装置を実現することが出来る。
図6ないし図9は本発明の実施例2に係わり、図6は電子内視鏡の内視鏡先端の断面を示す図、図7は図6のB一B線断面を示す図、図8は図6のC一C線断面を示す図、図9は図6の内視鏡先端の作用を説明する図である。
実施例2は、実施例1とほとんど同じであるので、異なる点のみ説明し、同一の構成には同じ符号をつけ説明は省略する。
(構成)
本実施例では、図6ないし図8に示すように、第2の押圧バネ21の代わりに弾性チューブ40がアンカー19に押圧が掛かる状態で第2のガイドパイプ18に挿入されている。
駆動用SMAワイヤ14の先端は導電材よりなるアンカー42にメカ及び電気的に接続されている。また、前記アンカー42は、絶縁材よりなる中継バネ41のバネ部分に差し込むように取り付けてある。アンカー42にはカール部分を持つ中継ケーブル43aが半田付けされており、ストレート部分を持つ中継ケーブル43bが第1のガイドパイプ15に電気的に接続されている。
第1のガイドパイプ15外周には電気接続部36と電気接続部37以外の部分に絶縁コートが設けられていて、中継ケーブル43bとGND用ケーブル28は第1のガイドパイプ15を介して電気的導通がとられている。
また、図9(a)の状態において、
(弾性チューブ40の弾性力)<(第1の押圧バネ16のバネ力)
図9(b)の状態において、
(弾性チューブ40の弾性力)=(第1の押圧バネ16のバネ力)
図9(c)の状態において、
(弾性チューブ40の弾性力)=(第1の押圧バネ16のバネ力)
になるように構成されている。
(作用)
実施例1とほぼ同様なので相違点のみ説明する。
アクチュエータを駆動する場合は、実施例1と同様に、駆動用ケーブル26に電流を流す。この電流は駆動用ケーブル26→第1のカシメ25→アンカー19→駆動用SMAワイヤ14→アンカー42→中継ケーブル43a→中継ケーブル43b→第1のガイドパイプ15→GND用ケーブル28と流れ、駆動用SMAワイヤ14は発熱し収縮する。
すると、図9(a)の状態において(弾性チューブ40の弾性力)<(第1の押圧バネ16のバネ力)なので、アンカー19は駆動用SMAワイヤ14の収縮により引っ張られIa→Ibの位置まで動く(図4(b)の状態)。
ここで、(弾性チューブ40の弾性力)=(第1の押圧バネ16のバネ力)となるので、駆動用SMAワイヤ14の収縮に呼応し連結桿8とアンカー19が動き始める。そして、連結桿8はIIab→IIc、アンカー19はIb→Icの位置まで動く(図4(c)の状態)。
また、駆動用SMAワイヤ14への通電(加熱)を止めると、第1の押圧バネ16と弾性チューブ40の反発力により駆動用SMAワイヤ14は伸張され収縮時とは逆の動作をする。
(効果)
このように、本実施例では、実施例1の効果に加え、応答性としては実施例1に対して多少劣るものの、切り替えパイプ35の部品を減らすことができシンプルな構造を実現できる。
図10は本発明の実施例3に係る内視鏡先端の作用を説明する図である。
実施例3は、実施例1とほとんど同じであるので、異なる点のみ説明し、同一の構成には同じ符号をつけ説明は省略する。
(構成)
図10に示すように、駆動用SMAワイヤ14の先端側は、連結桿8に設けられた連結桿孔50を通りアンカー52に電気的に接続されている。また、第1の押圧バネ16の内側に通された補助バネ51も連結桿8に設けられた連結桿孔50を通りアンカー52にメカ的に固着されている。
また、駆動用SMAワイヤ14の後端側は直接第1のカシメ25に電気的に接続されている。
(作用)
実施例1との相違点のみ説明する。
アクチュエータを駆動する場合には、駆動用ケーブル26に電流を流す。この電流は駆動用ケーブル26→第1のカシメ25→駆動用SMAワイヤ14→GND用SMAワイヤ33→GND用ケーブル28と流れ、駆動用SMAワイヤ14およびGND用SMAワイヤ33は発熱し収縮する。
すると、図10(a)の状態において、アンカー52は駆動用SMAワイヤ14の収縮により引っ張られIa→Ibの位置まで動く(図9(b)の状態)。
ここで、アンカー52は連結桿8に突き当たるので、更に駆動用SMAワイヤ14を収縮させると連結桿8はアンカー52により押されて、連結桿8はIIab→IIc、アンカー19はIb→Icの位置まで動く(図10(c)の状態)。
また、駆動用SMAワイヤ14への通電(加熱)を止めると、第1の押圧バネ16と補助バネ51のバネ力により駆動用SMAワイヤ14は伸張され収縮時とは逆の動作をする。
(効果)
このように、本実施例では、実施例1の効果に加え、応答性としては実施例1に対して多少劣るものの、アクチュエータ後方の硬質部を短くすることができる。
図11は本発明の実施例4に係る内視鏡先端の作用を説明する図である。
実施例4は、実施例3とほとんど同じであるので、異なる点のみ説明し、同一の構成には同じ符号をつけ説明は省略する。
本実施例では、図11に示すように、駆動用SMAワイヤ14の先端側は、連結桿8に設けられた連結桿孔50を通りアンカー52に電気的に接続されている。また、連結桿8とアンカー52の間には補助バネ54が設置されている。
また、連結桿8前方には円筒よりなるストッパ55が取り付けてあり、補助バネ54の収縮によりアンカー52がストッパ55に突き当たる構成になっている。
また、図11(a)の状態において、
(補助バネ54のバネ力)<(第1の押圧バネ16のバネ力)
図11(b)の状態において、
(補助バネ54のバネ力)≦(第1の押圧バネ16のバネ力)
図11(c)の状態において、
(補助バネ54のバネ力)<(第1の押圧バネ16のバネ力)
になるように構成されている。
(作用)
実施例3との相違点のみ説明する。
アクチュエータを駆動する場合は、駆動用ケーブル26に電流を流す。この電流は駆動用ケーブル26→第1のカシメ25→駆動用SMAワイヤ14→アンカー52→GND用SMAワイヤ33→GND用ケーブル28と流れ、駆動用SMAワイヤ14およびGND用SMAワイヤ33は発熱し収縮する。
すると、図11(a)の状態において、(補助バネ54のバネ力)<(第1の押圧バネ16のバネ力)なので、アンカー52は駆動用SMAワイヤ14の収縮により引っ張られIa→Ibの位置まで動く(図11(b)の状態)。
ここで、アンカー52はストッパ55に突き当たりこれ以上移動できないので、駆動用SMAワイヤ14の収縮に呼応し連結桿8が動き始める。そして、連結桿8は、IIab→IIcの位置まで動く(図11(c)の状態)。
また、駆動用SMAワイヤ14への通電(加熱)を止めると、補助バネ54と第1の押圧バネ16のバネ力により駆動用SMAワイヤ14は伸張され収縮時とは逆の動作をする。
(効果)
このように本実施例では、実施例1と同様の効果が得られる。
図12は本発明の実施例5に係る内視鏡先端の作用を説明する図である。
実施例5は、実施例1とほとんど同じであるので、異なる点のみ説明し、同一の構成には同じ符号をつけ説明は省略する。
(構成)
本実施例では、図12に示すように、アクチュエータ部には、直接バネなどの弾性体などは取り付けられてなく、押圧バネ64は移動レンズ枠6と後群レンズ9の間に押圧が掛かるように設置されている。また、先端ホルダ4には溝60が設けてあり、溝60にはストップバネ61がストップボール62を上方に押すように設置されている。そしてストップボール62は連結桿8に設けられた凹部63にはまり込むようになっている。
(作用)
アクチュエータを駆動する場合は、駆動用ケーブル26に電流を流す。この電流は駆動用ケーブル26→第1のカシメ25→駆動用SMAワイヤ14→GND用SMAワイヤ33→GND用ケーブル28と流れ、駆動用SMAワイヤ14およびGND用SMAワイヤ33は発熱し収縮する。
すると、図12(a)の状態において、駆動用SMAワイヤ14が加熱されると、駆動用SMAワイヤ14は収縮し、移動レンズ7は後方に引っ張られ連結桿8に設けられた凹部63にストップボール62がはまり込み移動レンズ7は後方の位置に固定される。(図12(b)の状態)。
この状態では、駆動用SMAワイヤ14が連結桿8を引く力に多少のフラツキがあってもストップボール62により固定されているので移動レンズ7がふらつくことはないので、駆動用SMAワイヤ14を過剰に加熱する必要がない。
次に、駆動用SMAワイヤ14への通電(加熱)をやめると、押圧バネ64の移動レンズ7を前方に押す力に負けて連結桿8はストップボール62から外れて図12(a)の状態になる。
(効果)
このように本実施例では、実施例1の効果に加え、図12(b)の状態において駆動用SMAワイヤ14を過剰に加熱することがないので、駆動用SMAワイヤ14の冷却に要する時間は少なくて済むので、応答性の良いアクチュエータを実現することができる。
図13は本発明の実施例6に係る内視鏡先端の作用を説明する図である。
実施例6は、実施例1とほとんど同じであるので、異なる点のみ説明し、同一の構成には同じ符号をつけ説明は省略する。
(構成)
本実施例では、図13に示すように、負圧バネ65は、移動レンズ枠6と間隔管66に引圧になる状態で取り付けてある。
(作用)
アクチュエータを駆動する場合は、駆動用ケーブル26に電流を流す。電流は駆動用ケーブル26→第1のカシメ25→駆動用SMAワイヤ14→GND用SMAワイヤ33→GND用ケーブル28と流れ、駆動用SMAワイヤ14およびGND用SMAワイヤ33は発熱し収縮する。
すると、図13(a)の状態において、駆動用SMAワイヤ14が加熱されると、駆動用SMAワイヤ14は収縮し、移動レンズ7は後方に引っ張られる(図13(b)の状態)。
次に、駆動用SMAワイヤ14への通電(加熱)をやめると、負圧バネ65の移動レンズ枠6を前方に引く力により図13(a)の状態になる。
(効果)
本実施例では、応答性は実施例5に多少劣るものの、アクチュエータ前方の構成部品が少ないので、よりコンパクトなアクチュエータが実現できる。
以上、実施例1ないし実施例6により説明したように本発明は、次のように換言するとことができる。
構成:
・SMAワイヤの一方が摺動体により取り付けてある。
・前記摺動体には、SMAワイヤにより摺動する向きと同一方向に2つ以上の弾性体が作用するように設けられている。
・前記2つ以上の弾性体は、SMAワイヤの収縮により、圧縮もしくは引張り力を受ける。
・前記2つの弾性体を弾性体A(摺動体に直接作用する力)と弾性体B(摺動体に直接作用しない力)とすると、
(弾性体Aの作用力)>(弾性体Bの作用力)
とした。
・また、本効果を最大限に引き出すには、
(弾性体Aの最小の作用力)≧(弾性体Bの最大の作用力)
とする。
作用:
SMAワイヤが十分に加熱されている状態では、SMAワイヤは弾性体A、Bと共に収縮している。次に、SMAワイヤの加熱をやめ冷却させると、(弾性体Aの作用力)>(弾性体Bの作用力)なので、まず、弾性体A側が伸張し、続いて弾性体Bが伸張する。
弾性体Aが十分伸張した状態では(例え弾性体Bが完全に伸張しなくても)、摺動体は完全にその動作が完了していることになる。
効果:
よって、SMAワイヤの完全伸張を待たなくてもアクチュエータの動作は完了しているので、応答速度の良いアクチュエータを実現することができる。
すなわち、駆動用SMAワイヤの応答速度の速い部分のみを摺動に用いることにより、応答速度の良いアクチュエータを実現することができる。
本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。
本発明の実施例1に係る電子内視鏡の内視鏡先端の断面を示す図 図1のA一A線断面を示す図 図1のガイドパイプを示す図 図1の内視鏡先端の作用を説明する図 図1の駆動用SMAワイヤの温度−ひずみ曲線を示す図 本発明の実施例2に係る電子内視鏡の内視鏡先端の断面を示す図 図6のB一B線断面を示す図 図6のC一C線断面を示す図 図6の内視鏡先端の作用を説明する図 本発明の実施例3に係る内視鏡先端の作用を説明する図 本発明の実施例4に係る内視鏡先端の作用を説明する図 本発明の実施例5に係る内視鏡先端の作用を説明する図 本発明の実施例6に係る内視鏡先端の作用を説明する図
符号の説明
1…内視鏡先端
2…チャンネル
3…第1レンズ
4…先端ホルダ
5…レンズ枠
6…移動レンズ枠
7…移動レンズ
8…連結桿
9…後群レンズ
10…イメージャ
11…電気回路
12…ケーブル
13…絶縁ボール
14…駆動用SMAワイヤ
15…第1のガイドパイプ
16…第1の押圧バネ
17…第1の絶縁チューブ
18…第2のガイドパイプ
19…アンカー
20…延長ケーブル
21…第2の押圧バネ
22…保護チューブ
23…絶縁キャップ
24…カバー
25…第1のカシメ
26…駆動用ケーブル
27…電源ケーブル群
28…GND用ケーブル
29…第2のカシメ
30…切り欠き
31…第2の絶縁チューブ
33…GND用SMAワイヤ
34…熱収縮チューブ
35…切り替えパイプ

Claims (4)

  1. 光学レンズと、
    前記光学レンズを光軸方向の前後に移動させるアクチュエータと
    を備え、
    前記アクチュエータは、
    前記光学レンズに取り付けられた連結桿に接続された形状記憶合金部材よりなる形状記憶合金ワイヤと、
    弾性力が異なる2つ以上の伸縮自在な弾性体と
    よりなる
    ことを特徴とする撮像装置。
  2. 少なくとも、前記弾性体の第1の弾性体部は摺動するレンズ枠に取り付けられ、
    前記第1の弾性体部の弾性力は、摺動する前記レンズ枠に取り付けられてない、前記弾性体の第2の弾性体部より弾性力が小さくない
    ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
  3. 前記弾性体がバネよりなる
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の撮像装置。
  4. 前記形状記憶合金ワイヤおよび2つ以上の前記弾性体の力が作用する方向が、同軸上である
    ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1つに記載の撮像装置。
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JPH11169336A (ja) * 1997-12-10 1999-06-29 Asahi Optical Co Ltd 拡大内視鏡
JP2004321792A (ja) * 2003-04-14 2004-11-18 Optiscan Pty Ltd 深度制御またはz軸駆動の方法とその装置
JP2008023275A (ja) * 2005-10-31 2008-02-07 Olympus Corp 内視鏡装置

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