JP2018047182A - 内視鏡用撮像装置、及び内視鏡用撮像装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1に記載の内視鏡装置は、生体内に挿入されて被写体像を取り込む挿入部(内視鏡)と、当該挿入部の接眼部に着脱自在に接続されて挿入部にて取り込まれた被写体像を撮像する内視鏡用撮像装置とを備える。
ところで、このような内視鏡用撮像装置は、使用前に、オートクレーブ処理(高温高圧蒸気滅菌処理)や、拭き取りや液浸での消毒処理が施される。すなわち、内視鏡用撮像装置は、オートクレーブ処理での高温高圧蒸気や、拭き取りや液浸での消毒処理の際に使用する薬液が内部に浸入し難くするように構成する必要がある。
このため、特許文献1に記載の内視鏡用撮像装置では、筒状の気密パッケージング内に撮像素子等を配設し、当該気密パッケージングの一端側の開口をろう接により光学素子(サファイア窓)にて気密に封止し、他端側の開口をろう接によりハーメチックコネクタにて気密に封止している。
気密パッケージング101は、ステンレス等の金属で構成されている。そして、気密パッケージング101において、一端の内周側には、当該一端から他端に向けて窪み、光学素子102が遊嵌される凹部1011が設けられている。
一方、光学素子102は、平板状のサファイアガラスで構成されている。そして、光学素子102の外周面には、ろう接可能な金属層1021が設けられている。
そして、光学素子102は、図9(a)に示すように、凹部1011に遊嵌された状態で、はんだSDを用いたろう接(はんだ付け)により凹部1011に固定される。これにより、気密パッケージング101の一端側の開口は、光学素子102にて封止される。
したがって、光学素子の歪みを低減することができる技術が要望されている。
すなわち、高温の環境下で第1の枠体と光学素子とのろう接を行った後、常温に戻った場合であっても、第1の枠体の熱膨張率と光学素子の熱膨張率とが近いため、第1の枠体及び光学素子間の熱膨張率の差に応じて光学素子に生じる歪みを低減することができる。
また、第2の枠体と光学素子との間に第1の枠体が介在しているため、高温の環境下で第1,第2の枠体のろう接を行った後、常温に戻った場合であっても、第2の枠体から第1の枠体を介して光学素子に作用し得る力を当該第1の枠体にて吸収または抑え込むことができる。
以上のことから、本発明に係る内視鏡用撮像装置によれば、光学素子に生じる歪みを低減することができる、という効果を奏する。
また、本発明に係る内視鏡用撮像装置の製造方法は、上述した内視鏡用撮像装置を製造する製造方法であるため、上述した内視鏡用撮像装置と同様の効果を奏する。
〔内視鏡装置の概略構成〕
図1は、本発明の実施の形態1に係る内視鏡装置1の概略構成を示す図である。
内視鏡装置1は、医療分野において用いられ、生体内等の被検体を観察する装置である。この内視鏡装置1は、図1に示すように、挿入部2と、光源装置3と、ライトガイド4と、内視鏡用撮像装置5と、第1伝送ケーブル6と、表示装置7と、第2伝送ケーブル8と、制御装置9と、第3伝送ケーブル10とを備える。
光源装置3は、ライトガイド4の一端が接続され、制御装置9による制御の下、当該ライトガイド4の一端に生体内を照明するための光を供給する。
ライトガイド4は、一端が光源装置3に着脱自在に接続されるとともに、他端が挿入部2に着脱自在に接続される。そして、ライトガイド4は、光源装置3から供給された光を一端から他端に伝達し、挿入部2に供給する。挿入部2に供給された光は、当該挿入部2の先端から出射され、生体内に照射される。生体内に照射された光(被写体像)は、挿入部2内の光学系により集光される。
なお、内視鏡用撮像装置5の詳細な構成については、後述する。
なお、第1伝送ケーブル6を介した内視鏡用撮像装置5から制御装置9への画像信号の伝送は、当該画像信号を光信号で伝送してもよく、あるいは、電気信号で伝送しても構わない。第1伝送ケーブル6を介した制御装置9から内視鏡用撮像装置5への制御信号、同期信号、クロックの伝送も同様である。
第2伝送ケーブル8は、一端が表示装置7に着脱自在に接続され、他端が制御装置9に着脱自在に接続される。そして、第2伝送ケーブル8は、制御装置9にて処理された映像信号を表示装置7に伝送する。
制御装置9は、CPU(Central Processing Unit)等を含んで構成され、光源装置3、内視鏡用撮像装置5、及び表示装置7の動作を統括的に制御する。
具体的に、制御装置9は、第1伝送ケーブル6を介して内視鏡用撮像装置5から取得した画像信号に対して所定の処理を施すことで映像信号を生成し、第2伝送ケーブル8を介して当該映像信号を表示装置7に出力する。そして、表示装置7は、当該映像信号に基づく観察用画像を表示する。また、制御装置9は、第1伝送ケーブル6や第3伝送ケーブル10を介して、内視鏡用撮像装置5や光源装置3に対して制御信号等を出力する。
第3伝送ケーブル10は、一端が光源装置3に着脱自在に接続され、他端が制御装置9に着脱自在に接続される。そして、第3伝送ケーブル10は、制御装置9からの制御信号を光源装置3に伝送する。
次に、内視鏡用撮像装置5の構成について説明する。
図2は、内視鏡用撮像装置5の構成を模式的に示す図である。
なお、以下に記載する「一端」は、挿入部2の基端(接眼部)が接続される側の端部を意味する。また、「他端」は、第1伝送ケーブル6が接続される側の端部を意味する。
内視鏡用撮像装置5は、図2に示すように、ケーシング51と、光学素子保持部材52と、光学素子53と、レンズユニット54と、撮像部55とを備える。
ケーシング51は、本発明に係る第2の枠体としての機能を有する。このケーシング51は、一端側及び他端側にそれぞれ開口を有する筒形状(例えば、円筒形状)を有する。そして、レンズユニット54及び撮像部55は、ケーシング51の内部に収納される。
このケーシング51において、一端の内周側には、図2に示すように、当該一端から他端に向けて窪み、光学素子保持部材52が遊嵌される第1凹部511が形成されている。
なお、ケーシング51において、他端には、第1伝送ケーブル6のコネクタCN2と着脱自在に接続するとともに、撮像部55と電気的に接続するハーメチックコネクタ(図示略)がろう接により固定されている。すなわち、ケーシング51の他端側の開口は、ハーメチックコネクタにより気密に封止されている。
保持枠521は、光学素子53を保持する部分である。この保持枠521において、一端の内周側には、図2に示すように、当該一端から他端に向けて窪み、光学素子53が遊嵌される第2凹部5211が形成されている。
遊嵌部522は、第1凹部511よりも小さい外径寸法(保持枠521の外径寸法よりも小さい外径寸法)を有し、第1凹部511に遊嵌される部分である。
本実施の形態1では、光学素子保持部材52は、耐薬品性を有するセラミック材(熱膨張率:7.7〜10.5×10−6/℃)で構成されている。また、光学素子保持部材52は、その材料及び径方向の厚み寸法等により、ケーシング51の剛性よりも高い剛性を有するように構成されている。
そして、第2凹部5211の側面、及び遊嵌部522の外周面には、図2に示すように、ろう接可能な金属層523(本発明に係る金属部に相当)が設けられている(メタライズされている)。
本実施の形態1では、光学素子53は、平板状に形成され、耐薬品性を有するサファイアガラス(熱膨張率:7.0〜7.7×10−6/℃)で構成されている。
すなわち、光学素子保持部材52は、ケーシング51の熱膨張率よりも光学素子53の熱膨張率に近い熱膨張率を有する。
そして、光学素子53の外周面には、図2に示すように、ろう接可能な金属層531が設けられている(メタライズされている)。
また、光学素子53は、挿入部2に内視鏡用撮像装置5が接続された状態で、挿入部2の基端(接眼部)の射出瞳位置の近傍に位置付けられる。
撮像部55は、制御装置9による制御の下、生体内を撮像する。この撮像部55は、挿入部2にて集光され、光学素子53を介してレンズユニット54が結像した被写体像を受光して電気信号に変換するCCD(Charge Coupled Device)またはCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等の撮像素子551(図3参照)、及び撮像素子551からの電気信号(アナログ信号)に対して信号処理(A/D変換等)を行って画像信号を出力する信号処理部(図示略)等が一体形成されたセンサチップを用いて構成され、A/D変換後の画像信号(デジタル信号)を出力する。なお、上述した信号処理部は、撮像素子551と一体形成せずに別体としても構わない。
撮像部55は、図3に示すように、撮像素子551と、保持ユニット552と、中間部材553と、基板554と、第1,第2はんだボール555,556と、アンダーフィル材557とを備える。
基板554は、上述したハーメチックコネクタと電気的に接続する回路基板である。本実施の形態1では、基板554は、例えば、常温下における実装面に沿った方向の熱膨張係数が12ppm/℃以上、40ppm/℃以下の有機材料を用いて構成されている。
本実施の形態1では、撮像素子551の有効画素数は、8メガピクセル(例えば3840×2160ピクセルの所謂4K解像度)以上で構成されている。
なお、撮像素子551は、基板554に電気的に接続されており、基板554との信号の送受信を行う回路部を内蔵している。
保持部5521は、片側有底筒状をなし、底部において、撮像素子551を保持する。この保持部5521は、熱膨張係数が基板554の熱膨張係数より小さく、例えば常温下における実装面に沿った方向の熱膨張係数が4ppm/℃以上、11ppm/℃以下の熱膨張係数を有するセラミック材を用いて構成されている。
環状部5522は、保持部5521の開口端から延びる環形状を有する。この環状部5522は、例えば、プラスチック等の樹脂を用いて構成されている。
蓋部5523は、板状に形成され、環状部5522の保持部5521側と反対側の端部に設けられ、保持部5521と環状部5522とが形成する有底筒状の開口を封鎖する。この蓋部5523は、光透過性を有する材料、例えば、ガラスを用いて構成されている。
そして、保持ユニット552には、レンズアダプタ5524(図3)が設けられており、当該レンズアダプタ5524を介してレンズユニット54が取り付けられる。そして、レンズユニット54からの光は、蓋部5523を介して撮像素子551に入射する。
以上説明した撮像素子551及び保持ユニット552により、イメージセンサ部550が構成される。なお、本実施の形態1では、イメージセンサ部550は、撮像素子551と保持ユニット552とで構成されているが、これに限られず、撮像素子551のみで構成しても構わない。
中間部材553に設けられたはんだパッド5531は、図4に示すように、それぞれ円形状を有し、マトリクス状に配列されている。一方、イメージセンサ部550のはんだパッド5501は、図4に示すように、中間部材553に設けられたはんだパッド5531に対応して、それぞれ円形状を有し、マトリクス状に配列されている。また、はんだパッド5501のうち四隅に位置する各はんだパッド5501A(以下、説明の便宜上、補強パッド5501Aと記載)は、はんだパッド5531のうち四隅に位置する各4つ分のはんだパッド5531Aを覆う矩形状にそれぞれ形成されている(図4,図5)。すなわち、イメージセンサ部550における四隅に位置する各補強パッド5501Aは、中間部材553における四隅に位置する各4つのはんだパッド5531Aにそれぞれ対応する。
そして、第1はんだボール555は、中間部材553に設けられたはんだパッド5531の数だけ設けられ、はんだパッド5531,5501をそれぞれ電気的に接続する。すなわち、イメージセンサ部550と中間部材553との四隅において、4つのはんだパッド5531Aと、1つの補強パッド5501Aとは、4つの第1はんだボール555にて電気的に接続される。
以上説明した第1,第2はんだボール555,556は、はんだのみで構成されていても、例えばコアに銅が設けられた所謂銅コアはんだボールやコアに樹脂が設けられた所謂樹脂コアはんだボール等の、異なる材料を含むはんだボールでもよい。なお、イメージセンサ部550と基板554との熱膨張係数の違いによる電気的接続不良の低減には、第1,第2はんだボール555,556として、所謂樹脂コアはんだボールを用いることが好ましい。
なお、アンダーフィル材557は、中間部材553の熱膨張係数と基板554の熱膨張係数との間の値の熱膨張係数を有する材料を用いて構成しても構わない。また、イメージセンサ部550と中間部材553との間にもアンダーフィル材557を充填しても構わない。
本実施の形態1では、イメージセンサ部550と基板554との間に中間部材553やアンダーフィル材557が設けられている。このため、オートクレーブ等の滅菌処理によって高温に曝された場合に、基板554の熱膨張による変形によって応力が基板554からイメージセンサ部550に伝わることが抑制される。具体的には、基板554の熱膨張に応じた応力は、アンダーフィル材557に伝わるが、アンダーフィル材557の変形により吸収され、さらに、中間部材553の熱膨張係数がイメージセンサ部550と同じか近いため、イメージセンサ部550側にほとんど伝達されない。このため、基板554に起因する応力によってイメージセンサ部550と中間部材553との接続(第1はんだボール555による接合状態)が破壊されることなく、イメージセンサ部550と基板554とを電気的に安定して接続することができる。逆に、イメージセンサ部550の熱膨張による変形も、同様にして基板554に伝わることが抑制される。
本実施の形態1では、イメージセンサ部550の四隅の位置に他のはんだパッド5501よりも面積の大きい補強パッド5501Aを設けている。そして、イメージセンサ部550と中間部材553との四隅において、4つのはんだパッド5531Aと、1つの補強パッド5501Aとは、4つの第1はんだボール555にて電気的に接続される。
このため、イメージセンサ部550と中間部材553との四隅における接合状態を強固なものとすることができる。したがって、当該四隅の歪み量を低減し、イメージセンサ部550と中間部材553との接続(特に四隅の位置での接続)が破壊されることなく、イメージセンサ部550と基板554とを電気的に安定して接続することができる。
次に、上述した内視鏡用撮像装置5の製造方法について説明する。
先ず、作業者は、ケーシング51内にレンズユニット54及び撮像部55を配設するとともに、はんだを用いたろう接(はんだ付け)により、当該ケーシング51における他端側の開口をハーメチックコネクタ(図示略)にて気密に封止する。
次に、作業者は、光学素子保持部材52における保持枠521の内周面(第2凹部5211の側面)と光学素子53の外周面とをはんだSD(図2)を用いたろう接(はんだ付け)により固定する(第1工程)。
最後に、作業者は、ケーシング51における一端側の内周面(第1凹部511の側面)と光学素子保持部材52における遊嵌部522の外周面とをはんだSD(図2)を用いたろう接(はんだ付け)により固定する(第2工程)。これにより、ケーシング51における一端側の開口は、光学素子保持部材52及び光学素子53にて気密に封止される。
すなわち、高温の環境下で光学素子保持部材52と光学素子53とのろう接を行った後、常温に戻った場合であっても、光学素子保持部材52の熱膨張率と光学素子53の熱膨張率とが近いため、各部材52,53間の熱膨張率の差に応じて光学素子53に生じる歪みを低減することができる。
また、光学素子保持部材52は、その材料及び径方向の厚み等により、ケーシング51の剛性よりも高い剛性を有する。このため、高温の環境下でケーシング51及び光学素子保持部材52のろう接を行った後、常温に戻った場合であっても、ケーシング51から光学素子保持部材52を介して光学素子53に作用し得る力を光学素子保持部材52の剛性により抑え込むことができる。
以上のことから、本実施の形態1に係る内視鏡用撮像装置5によれば、光学素子53に生じる歪みを低減することができる、という効果を奏する。
特に、光学素子53の歪みに応じた画質劣化は、撮像素子551の有効画素数が4K解像度以上となる場合に起こり易い。本実施の形態1では、撮像素子551の有効画素数が4K解像度以上である場合には、当該画質劣化を効果的に抑制することができる。
このため、光学素子保持部材52の熱膨張率が光学素子53の熱膨張率よりも小さい値を有している場合と比較して、光学素子保持部材52の熱膨張率とケーシング51の熱膨張率との差を縮めることができる。このように各部材51,52間の熱膨張率の差を小さくすることで、上述した光学素子53に生じる歪みを低減することができるという効果を好適に実現することができる。
次に、本発明の実施の形態2について説明する。
以下では、上述した実施の形態1と同様の構成には同一符号を付し、その詳細な説明は省略または簡略化する。
図6は、本発明の実施の形態2に係る内視鏡用撮像装置5Aの構成を模式的に示す図である。具体的に、図6は、図2に対応した断面図である。なお、図6では、説明の便宜上、図2で図示したレンズユニット54及び撮像部55の図示を省略している。
本実施の形態2に係る内視鏡用撮像装置5Aでは、上述した実施の形態1で説明した内視鏡用撮像装置5(図2)に対して、光学素子保持部材52とは形状及び材料が異なる光学素子保持部材52Aを採用している。
歪み吸収部524は、ケーシング51の歪みを吸収する部分である。この歪み吸収部524は、保持枠521における径方向の厚み寸法D1(図6)よりも小さい径寸法の厚み寸法D2(図6)を有する。すなわち、歪み吸収部524は、薄肉に構成されることにより、弾性変形可能とし、当該弾性変形によりケーシング51の歪みを吸収する。
本実施の形態2では、光学素子保持部材52Aは、コバール合金(熱膨張率:4.9×10−6/℃)、Fe−42Ni−Cr−Ti(熱膨張率:6.8×10−6/℃)、Incoloy(登録商標) Alloy 909(熱膨張率:7〜8×10−6/℃)、あるいは、Ti−6Al−4V(熱膨張率:8.8×10−6/℃)で構成されている。
すなわち、本実施の形態2においても上述した実施の形態1と同様に、光学素子保持部材52Aは、ケーシング51の熱膨張率よりも光学素子53の熱膨張率に近い熱膨張率を有する。
なお、光学素子保持部材52Aは、全体が金属材料で構成されている(全体が本発明に係る金属部となる)。このため、光学素子保持部材52Aでは、上述した実施の形態1で説明した金属層523が省略されている。
本実施の形態2に係る光学素子保持部材52Aは、歪み吸収部524を備える。このため、高温の環境下でケーシング51及び光学素子保持部材52Aのろう接を行った後、常温に戻った場合であっても、ケーシング51から光学素子保持部材52Aを介して光学素子53に作用し得る力を歪み吸収部524の弾性変形により吸収することができる。したがって、上述した実施の形態1と同様に、光学素子53に生じる歪みを低減することができる。
図7は、本発明の実施の形態2の変形例を示す図である。具体的に、図7は、図6に対応した断面図である。
上述した実施の形態2において、光学素子保持部材52Aが耐薬品性を持たない場合には、図7に示すように、光学素子保持部材52Aを覆うように、カバー部材56を設けても構わない。
カバー部材56は、図7に示すように、筒部561と、張出部562とを備える。
筒部561は、内視鏡用撮像装置5Aの一端側が挿入される筒形状(例えば、円筒形状)を有する。この筒部561は、光学素子保持部材52Aにおける中心軸Ax方向の長さ寸法よりも長い長さ寸法を有するとともに、ケーシング51の外径寸法より若干大きい内径寸法を有する。また、筒部561において、他端側の内周面には、OリングORが取り付けられている。
張出部562は、筒部561の一端の内周面から中心軸Axに向けて張り出した環状に形成され、光学素子53の外径寸法よりも小さい内径寸法を有する。この張出部562において、裏面(他端側の面)には、OリングORが取り付けられている。
そして、カバー部材56を内視鏡用撮像装置5Aの一端側に取り付けた状態では、筒部561とケーシング51との間がOリングORにて水密に封止され、張出部562と光学素子53との間がOリングORにて水密に封止される。すなわち、光学素子保持部材52Aは、カバー部材56にて水密に封止されるため、耐薬品性を持たない材料で構成することが可能となる。
上述した実施の形態2では、歪み吸収部524は、筒状(例えば、円筒状)に形成されていたが、これに限られず、図8に示す歪み吸収部524Bを採用しても構わない。
歪み吸収部524Bは、図8に示すように、断面視波状に形成された所謂蛇腹で構成されている。すなわち、歪み吸収部524Bは、蛇腹で構成されることにより、変形可能とし、上述した実施の形態2で説明した歪み吸収部524と同様に、当該変形によりケーシング51の歪みを吸収する。
ここまで、本発明を実施するための形態を説明してきたが、本発明は上述した実施の形態1,2及びこれらの変形例によってのみ限定されるべきものではない。
上述した実施の形態1,2及びこれらの変形例では、内視鏡用撮像装置5(5A)の外装は、ケーシング51と、光学素子保持部材52(52A)との2体で構成されていたが、これに限られない。すなわち、本発明に係る第1,第2の枠体を備えていれば、当該枠体の数は、3つ以上としても構わない。
2 挿入部
3 光源装置
4 ライトガイド
5,5A 内視鏡用撮像装置
6 第1伝送ケーブル
7 表示装置
8 第2伝送ケーブル
9 制御装置
10 第3伝送ケーブル
51 ケーシング
52,52A 光学素子保持部材
53 光学素子
54 レンズユニット
55 撮像部
56 カバー部材
100 内視鏡用撮像装置
101 気密パッケージング
102 光学素子
511 第1凹部
521 保持枠
522 遊嵌部
523 金属層
524,524B 歪み吸収部
531 金属層
550 イメージセンサ部
551 撮像素子
552 保持ユニット
553 中間部材
554 基板
555,556 第1,第2はんだボール
557 アンダーフィル材
561 筒部
562 張出部
1011 凹部
1021 金属層
5211 第2凹部
5501,5501A,5531,5531A はんだパッド
5521 保持部
5522 環状部
5523 蓋部
5524 レンズアダプタ
Ax0,Ax 中心軸
CN1,CN2 コネクタ
D1,D2 厚み寸法
OR Oリング
SD はんだ
Claims (6)
- 外周面にろう接可能な金属層が設けられた光学素子と、
少なくとも内周面及び外周面にろう接可能な金属部を有し、当該内周面に前記光学素子の外周面がろう接される第1の枠体と、
少なくとも内周面にろう接可能な金属部を有し、当該内周面に前記第1の枠体の外周面がろう接される第2の枠体とを備え、
前記第1の枠体の熱膨張率は、
前記第2の枠体の熱膨張率よりも前記光学素子の熱膨張率に近い
ことを特徴とする内視鏡用撮像装置。 - 前記第1の枠体は、
前記光学素子の外周面がろう接される保持枠と、
前記保持枠及び前記第2の枠体の間に位置し、当該第2の枠体の歪みを吸収する歪み吸収部とを備える
ことを特徴とする請求項1に記載の内視鏡用撮像装置。 - 前記保持枠及び前記歪み吸収部は、
前記第1の枠体の中心軸に沿って並設され、
前記歪み吸収部における径方向の厚み寸法は、
前記保持枠における径方向の厚み寸法よりも小さい
ことを特徴とする請求項2に記載の内視鏡用撮像装置。 - 前記第1の枠体の熱膨張率は、
前記光学素子の熱膨張率と前記第2の枠体の熱膨張率との間の値を有する
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の内視鏡用撮像装置。 - 前記光学素子は、
サファイアガラスである
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の内視鏡用撮像装置。 - 外周面にろう接可能な金属層が設けられた光学素子と、少なくとも内周面及び外周面にろう接可能な金属部を有する第1の枠体と、少なくとも内周面にろう接可能な金属部を有する第2の枠体とを備えた内視鏡用撮像装置の製造方法であって、
前記光学素子の外周面と前記第1の枠体の内周面とをろう接する第1工程と、
前記第1の枠体の外周面と前記第2の枠体の内周面とをろう接する第2工程とを備え、
前記第1の枠体の熱膨張率は、
前記第2の枠体の熱膨張率よりも前記光学素子の熱膨張率に近い
ことを特徴とする内視鏡用撮像装置の製造方法。
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