JP5424752B2 - 電子内視鏡のレンズ位置制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学系に移動機構を設けた電子内視鏡に関し、特にトルクワイヤを用いたレンズ位置制御機構に関する。

電子内視鏡の撮像光学系にズーム機構を設け、観察倍率を可変とした拡大内視鏡が知られている。内視鏡挿入部先端に設けられたズームレンズは、例えば操作部に設けられたモータの回転駆動力を、トルクワイヤを介して挿入部先端まで伝達することにより駆動される。ズームレンズの位置は、例えば挿入部先端に設けられたエンコーダを用いて検出される。しかし、センサを挿入部先端に設ける構成では、内視鏡挿入部の細径化において不利であり構造も複雑となる。このような問題に対して、ズームレンズが駆動端の間を移動するのに掛かる時間と、変倍スイッチの操作時間から、レンズ位置を把握する構成が提案されている（特許文献１）。

特許第３９３６５１２号公報

しかし、特許文献１のような構成では、モータやトルクワイヤの経時的な劣化による速度変化に対応することはできない。また、モータの回転角からレンズ位置を把握することも考えられるが、ワイヤには捩りが発生するため、モータの回転範囲はレンズの機械的な可動範囲よりも広く、正確なレンズ位置の制御を行うにはこの点を考慮する必要がある。

本発明は、トルクワイヤを用いてレンズの駆動を行う電子内視鏡装置において、簡略・小型な構成で、挿入部の細径化を図るとともに、高い精度でのレンズ位置制御を行うことを課題としている。

本発明の電子内視鏡のレンズ位置制御装置は、レンズの位置を調整するためのレンズ位置調整機構と、レンズ位置調整機構に動力を供給するモータと、モータの動力をレンズ位置調整機構に伝達するトルクワイヤと、モータの回転を検知し、回転量を算出する回転量検出手段と、モータの可動範囲の端点を検出する端点検出手段と、端点検出手段により検出されたモータの可動範囲の一端から他端に渡り前記モータを駆動して、モータの可動範囲に対応する回転量を検出する初期化手段とを備え、レンズの可動範囲に対応する回転量とモータの可動範囲に対応する回転量とから、レンズの可動範囲に対応する回転範囲内でモータの回転を制御してレンズの位置調整を行うとともに、位置調整において、モータの回転量がレンズの可動範囲の一端に至った場合、端点検出手段を再度実行することを特徴としている。

端点検出手段を実行した後、モータをレンズの可動範囲の一端に対応する位置まで回転してレンズの位置調整における原点とする。レンズ位置調整機構は例えばズーム用のレンズ位置調整機構であり、原点がレンズの可動範囲のズームアウト側（Ｗｉｄｅ）の端に位置することが好ましい。初期化手段において、レンズの可動範囲の中心がモータの可動範囲の中心に一致するものとして、レンズの可動範囲とモータの回転量の対応を特定する。

端点検出手段は、モータの可動範囲の端点をモータの回転速度に基づき検出する。端点検出手段は、モータが所定回転する間に計数される基準クロックの数に基づいて前記回転速度をモニタする。また、回転量検出手段は、モータの所定回転毎または、一回転毎及び一回転に数回のパルス信号を生成し、端点検出手段は、パルス信号のタイミングに合わせて基準クロックの数を計数して回転速度をモニタする。端点検出手段は、例えば回転速度が閾値よりも遅くなったときに端点に達したと判断する。またあるいは、端点検出手段は、回転速度の減速を検知して端点に達したと判断する。

モータの回転が制御されるレンズの可動範囲に対応する回転範囲は、両側にマージンとなる領域が設けられることが好ましい。モータは小型化する上で、センサレスＤＣブラシレスモータもしくはＤＣブラシレスモータであることが好ましい。センサレスＤＣブラシレスモータの場合、モータ回転量の検出は、１つの相の誘導起電力に基づいて生成されるパルス信号を用いて検出されることが好ましい。回転量は、例えばパルス信号のパルス数のカウント値で表される。

本発明によれば、トルクワイヤを用いてレンズの駆動を行う電子内視鏡装置において、簡略・小型な構成で、挿入部の細径化を図り、かつ高い精度でレンズ位置制御を行うことができる。

本発明の一実施形態である電子内視鏡システムの構成を示す概略図である。 本実施形態の電子内視鏡（スコープ本体）の電気的、機械的な構成を模式的に示すブロック図である。 モータ駆動回路および制御部の構成を示すブロック図である。 モータ駆動回路から出力される３相駆動信号（Ｕ、Ｖ、Ｗ）とモータ駆動回路において生成される１回転検出信号の対応を示すタイミングチャートである。 初期化動作におけるモータの回転と、カム環の位置(レンズ位置)の関係を示す図である。 本実施形態の初期化動作処理のフローチャートである。 モータの回転が略一定のトルクの下で実行されるときに、始動されてからトルクワイヤが捩られて停止するまでのモータ回転周波数の変化を示すグラフである。 １回転検出信号ＦＧと、一定周期で出力される基準クロック（パルス）信号ＣＬＫの関係を示すタイミングチャートである。 端点(検出点)の検出方法を説明するためのグラフである。 Ｔｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理のフローチャートである。 変形例における端点(検出点)の検出方法を説明するためのグラフである。 カム環の係止機構への突当て後、減速区間における１回転検出信号ＦＧの時系列の変化を示す図である。 変形例におけるＴｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理のフローチャートである。 本実施形態の原点再検出処理を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態である電子内視鏡システムの構成を示すブロック図である。

電子内視鏡システムは、一般にスコープ本体（電子内視鏡）１０と、スコープ本体が着脱自在に取り付けられるプロセッサ装置１１と、内視鏡画像を表示するモニタ装置１２を備える。スコープ本体１０は、可撓管からなり体内や管孔内に挿入される挿入部１３と、ユーザにより把持・操作され、挿入部１３の基端部が連結される操作部１４と、プロセッサ装置１１に着脱され、スコープ本体１０とプロセッサ装置１１とを電気的、光学的に接続するコネクタ部１５と、操作部１４とコネクタ部１５の間を連絡するユニバーサルコード１６とから構成される。

プロセッサ装置１１には、例えば、画像処理ユニットとともに光源部（図示せず）が設けられ、光源部からはコネクタ部１５から挿入部１３の先端部まで配設されたライトガイドファイバ（図示せず）を通して照明光が伝送され照射される。挿入部１３の先端部に設けられた撮像素子で撮影された映像は、挿入部１３、操作部１４、ユニバーサルコード１６、コネクタ部１５を介してプロセッサ装置１１へと送られ、所定の画像処理が施された後、モニタ装置１２に表示される。

図２は、図１に示されたスコープ本体１０の電気的な構成およびレンズ駆動系の機械的な構成を模式的に示すブロック図である。

挿入部１３の先端部には、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子１７が配置される。本実施形態において、撮像素子１７はＣＣＤであり、ＣＣＤ１７の撮像面には、レンズ(レンズ群)１８を介した映像が投影される。レンズ１８はズーム用のレンズ（レンズ群）を備え（図示せず）、ズーム用レンズは、光軸方向に摺動自在なレンズ保持枠（図示せず）に保持される。従来周知のように、レンズ保持枠に設けられたピンと、カム環１９に設けられたカム溝との係合により、カム環１９の光軸周りの回転運動が、レンズ保持枠の光軸方向の直線運動に変換され、ズーム用レンズの位置が調整される（レンズ位置調整機構）。これにより、ＣＣＤ１７ではズーム用レンズ（図示せず）の位置に応じた倍率の画像が撮影される。

また、カム環１９の外周面には周方向に沿ってギア部（図示せず）が形成され、ギア部には、ギア２０が係合される。ギア２０には、挿入部１３内に配設されるトルクワイヤ２１の一端が接続され、他端は操作部１４に設けられたモータ２２に減速ギア２３を介して接続される。すなわち、モータ２２の回転力がトルクワイヤ２１を介してギア２０に伝達され、カム環１９は光軸周りに回転される。

モータ２２は、例えば３相のセンサレス・ブラシレス・ＤＣモータであり、コネクタ部１５に設けられたモータ駆動回路２４からユニバーサルコード１６（図１参照）を介して送られる３相駆動信号（Ｕ、Ｖ、Ｗ）により制御される。モータ駆動回路２４は、コネクタ部１５に設けられた制御部２５により制御され、モータ駆動回路２４は、後述するようにモータ２２の回転を検知して制御部２５へと出力する。

なお、操作部１４には、ズーム機能における望遠（ズームイン／Ｔｅｌｅ）、広角（ズームアウト／Ｗｉｄｅ）をそれぞれ指示するためのＴｅｌｅスイッチ２６およびＷｉｄｅスイッチ２７を含む入力部２８が設けられる。Ｔｅｌｅスイッチ２６、Ｗｉｄｅスイッチ２７の操作信号は、制御部２５へと送られ、制御部２５はこの操作信号に従ってモータ駆動回路２４を通して、モータ２２の回転方向を含めた駆動を制御する。

ＣＣＤ１７の駆動は、コネクタ部１５に設けられたＣＣＤ駆動回路２９から出力されるＣＣＤ駆動パルス信号により制御され、ＣＣＤ駆動回路２９は、制御部２５により制御される。またＣＣＤ１７で生成された画像信号は、コネクタ部１５に設けられたＣＣＤ信号処理部３０へと出力される。ＣＣＤ信号処理部３０はアナログフロントエンドに対応し、ＣＣＤ１７からのアナログ画像信号に対して、初段増幅、相関二重サンプリング、ＡＤ変換を施し、制御部２５へと出力する。

また、制御部２５には、通信制御部３１が接続されており、通信制御部３１は、制御部２５に入力されたデジタルの画像信号や各種制御信号をプロセッサ装置１１（図１参照）の画像処理ユニットへ出力するとともに、プロセッサ装置１１から受信した各種制御信号を制御部２５へ入力する。

次に図３、図４を参照して、本実施形態におけるモータ駆動回路２４および制御部２５の構成の詳細について説明する。なお、図３は、モータ駆動回路２４および制御部２５の構成を示すブロック図であり、図４は、モータ駆動回路２４から出力される３相駆動信号（Ｕ、Ｖ、Ｗ）とモータ駆動回路２４において生成される１回転検出信号ＦＧの対応を示すタイミングチャートである。

本実施形態において、モータ駆動回路２４は、３相センサレスモータ制御ロジック回路３２、ドライブ回路３３、位相検出回路３４などから構成される。３相センサレスモータ制御ロジック回路３２は、モータ２２の起動シーケンス及びモータ２２に与えるＵ、Ｖ、Ｗ相のパルス波形を生成し、ドライブ回路３３は、このパルス波形に基づいて、モータ２２のＵ、Ｖ、Ｗ端子に実際に印加されるＵ、Ｖ、Ｗ相の電圧を出力する。また、モータ２２と３相センサレスモータ制御ロジック回路３２を結ぶＵ、Ｖ、Ｗ信号線は、３つのコンパレータ３５Ｕ、３５Ｖ、３５Ｗの一方の入力端子にそれぞれ接続され、他方の入力端子には参照電圧Ｖ_ＲＥＦが入力される。

ＵＶＷ各相に印加される電圧がオフ状態のとき、対応する相では回転速度に応じた誘導起電力により電圧が発生する。本実施形態では、コンパレータ３５Ｕ、３５Ｖ、３５Ｗの各々で、各相の誘導起電力の発生を検知し位相検出回路３４においてモータ２２の位相を検出する。また、ある１つの相に対する上記コンパレータからの出力は、モータ２２の一回転に対応する周期のパルス信号となるため、本実施形態ではこれを１回転検出信号ＦＧとして制御部２５へと出力する。なお図４には、各相における位相検出のタイミングも示される。

制御部２５は、マイコン（または、ＦＰＧＡ）３６、基準クロック計数回路３７を備え、３相センサレスモータ制御ロジック回路３２は、マイコン３６によって制御される。マイコン３６には位相検出回路３４から、例えばＵＶＷの各相に対応した誘導起電力検出パルスのうちの少なくとも１つが入力される。本実施形態ではＵ相が１回転検出信号ＦＧとして利用され、マイコン３６に入力される。マイコン３６では、１回転検出信号ＦＧに基づいてモータ２２の回転角に対応する回転量が算出され、モータ回転量からレンズ位置の制御が行われる。

また、基準クロック計数回路３７には、タイミングジェネレータ(図示せず)から基準クロック信号ＣＬＫが入力されるとともに、位相検出回路３４から１回転検出信号ＦＧが入力される。基準クロック計数回路３７では、モータ２２が１回転し、ＦＧパルスの立ち上がりが検出される毎に、その間のクロックパルス数が計数され、１回転の間の基準クロック信号ＣＬＫのパルス数がマイコン３６へと出力される（なお、ＦＧパルスの立下りを利用してもよい）。なお、この計数値は、モータ２２の回転速度や回転周波数に対応し、後述する端点Ｐ１、Ｐ２の検出処理において利用される。

次に図５、図６を参照して、本実施形態におけるレンズ位置の初期化動作について説明する。図５は、初期化動作におけるモータ２２の回転と、カム環１９の位置(レンズ位置)の関係を示すもので、横軸はモータ２２の回転量に対応し、縦軸は時間に対応する。また、図６は本実施形態の初期化動作処理のフローチャートである。初期化動作は、電子内視鏡の電源投入時など、レンズ位置制御処理に先立ってマイコン３６において実行される。

トルクワイヤを用いて回転力をレンズ駆動機構に伝達する構成では、レンズの移動（本実施形態ではカム環の回転）が係止機構により停止しても、モータはワイヤが捻られて一定のトルクが発生するまで回転する。このため、モータの回転範囲（可動範囲）はレンズの機械的な可動範囲よりも広くなる。すなわち、モータ２２の回転量からレンズ位置を制御する場合、モータ２２の回転量とカム環１９の位置（レンズ位置）の間の対応を求める必要がある（図２参照）。

図５において、左側はＴｅｌｅ（望遠）側、右側はＷｉｄｅ（広角）側に対応し、時間は上から下へと経過する。また、本実施形態では、モータ２２の回転量は、１回転検出信号ＦＧのカウント値（例えば正転時Ｔｅｌｅ側への回転時に加算、反転時Ｗｉｄｅ側への回転時に減算して求めるパルス数）として求められる。

区間Ａ１は、トルクワイヤ２１の捩りによる変位も含めたモータ２２の可動領域（回転可能な範囲）を示し、区間Ａ３は、モータ２２とカム環１９の回転比（ギア２０、２３を含めたギア比）から計算されるカム環１９の可動範囲に対応するモータ２２の回転範囲である。例えば、モータ側ギア比が１：７９である時、モータ２２は７９回転に付きカム環１９が１回転し、トルクワイヤとカム環のギア比が１：３である場合、カム環１９が機械的に回転可能な範囲が０．５回転（１８０°）の時、トルクワイヤは、１．５回転を要する。上記例の場合、カム環１９の可動範囲に渡る１回転検出信号ＦＧのカウント数は１１８．５（＝７９×１．５）となる。

また区間Ａ２は、モータ２２の回転制御に使用される領域を示す。すなわち、カム環１９をＴｅｌｅ端やＷｉｄｅ端の機械的可動範囲を確実に動作させる為に、機械的可動範囲に対して、Ｔｅｌｅ側やＷｉｄｅ側に余分な可動範囲を設ける事が望ましい。本実施形態では、設計値から計算されるカム環１９の回転可能範囲は、Ｔｅｌｅ端側に２０パルス分、Ｗｉｄｅ端側に３０パルス分のマージンを設けている。

内視鏡起動時などの初期状態において、レンズ１８やカム環１９の位置は不明である。カム環１９が起動時に図５の点Ｐ０にあるとき、本実施形態の初期化動作処理では、まずステップＳ１００において、モータ２２のＴｅｌｅ方向へ回転が開始される。次にステップＳ１０２において、Ｔｅｌｅ側端点Ｐ１の検出処理が開始され、モータ２２は、Ｔｅｌｅ側端点Ｐ１が検出されるまで、Ｔｅｌｅ方向へと回転される。ステップＳ１０２において、Ｔｅｌｅ側端点Ｐ１が検出されると、モータのＴｅｌｅ方向への回転は停止される。

次にステップＳ１０４において、Ｗｉｄｅ方向へモータ２２を回転させ、略同時にステップＳ１０６において、１回転検出信号（パルス信号）ＦＧの計数が開始される。また、ステップＳ１０８において、Ｗｉｄｅ側端点Ｐ２の検出処理が開始される。モータ２２は、Ｗｉｄｅ側端点Ｐ２が検出されるまで、Ｗｉｄｅ方向へと回転され、Ｗｉｄｅ側端点Ｐ２が検出されると、モータのＷｉｄｅ方向への回転が停止される。このとき点Ｐ１〜点Ｐ２へ至るまでのＦＧパルスの数が計数される。

Ｔｅｌｅ側端点Ｐ１およびＷｉｄｅ側端点Ｐ２の間のパルス数は、略ワイヤ可動領域Ａ１に対応し、トルクワイヤ２１の捩り特性は左右の回転に対して対称なので、カム環１９の機械的な可動範囲Ａ３の中心は、点Ｐ１、Ｐ２の中心に一致する。このことから、本実施形態の初期化動作では、ステップＳ１１０において、端点Ｐ１、Ｐ２間の中心からＷｉｄｅ側へ９０パルス（可動範囲Ａ３の半分である６０パルス＋Ｗｉｄｅ側マージン３０パルス）移動した位置Ｐ３をレンズ位置制御処理における原点とし、モータ２２をこの位置まで回転する。

すなわち、モータ２２は、Ｗｉｄｅ側端点Ｐ２から再びＴｅｌｅ側へ回転され、端点Ｐ１、Ｐ２間の全パルス数からカム環可動範囲Ａ３の半分の区間のパルス数とＷｉｄｅ側マージンのパル数とを差し引いたパルス数分、モータ２２の回転が戻され、このときのＦＧパルスのカウント値が位置情報として不揮発性メモリ等に記憶されこの初期化動作処理は終了する。

この後、点Ｐ３を原点として、Ｔｅｌｅ／Ｗｉｄｅスイッチ２６、２７の操作に基づいて、区間Ａ２でレンズ位置制御が実行され、ＦＧパルスのカウント値は、位置情報としてメモリに随時更新、記憶される。なお、カム環１９の可動範囲に渡る１回転検出信号ＦＧのカウント数が１１８．５で、Ｔｅｌｅ端側マージンが２０パルス、Ｗｉｄｅ端側マージンが３０パルスのとき、制御に使用される領域（区間Ａ２）は、１６８パルス（２０＋１１８＋３０）分の区間となる。

次に、図７、図８を参照して、本実施形態のＴｅｌｅ側端点およびＷｉｄｅ側端点の検出処理（Ｔｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理）における端点検出の原理について説明する。

図７は、モータ２２のＴｅｌｅ方向、あるいはＷｉｄｅ方向への回転が略一定のトルクの下で実行されるときに、駆動が開始されてからカム環１９の回転が係止機構により停止され、トルクワイヤ２１が捻られてモータ２２の回転が略停止されるまでのモータ２２の回転周波数（回転速度）の時間変化を模式的に示すグラフである。すなわち、図７において、横軸は時間、縦軸はモータ２２の回転周波数を示す。

モータ２２の回転が略一定のトルクの下で開始されると、初め、回転周波数（回転速度）は急激に上昇し（モータの立ち上がり時間Ｔ_０）、その後一定の周波数となり、回転は安定する。その後、カム環１９が係止機構に突き当たり、カム環１９の回転が停止されると、トルクワイヤ２１が捻られ始め、回転周波数（回転速度）が低下し始め、トルクワイヤ２１の捩りトルクがモータトルクに達すると、原理的にはモータ２２の回転は停止し、回転周波数（回転速度）は０となる。

しかし、実際、モータのトルクは、磁石のＮ極とＳ極の狭間にて、低下する事があり、この当て付け動作では、モータ２２の回転トルクがトルクワイヤ捻れトルクの限界に達するあたりで、この現象が発生し、モータ２２が瞬間的に逆転されてワイヤの捩りが緩み、再びモータ２２が正転される現象が繰り返される。このため、モータ２２の回転は端点近くで振動を繰り返し、回転周波数は０にはならない。したがって、本実施形態では、モータ２２が停止する位置(回転周波数０)ではなく、漸減する回転周波数、すなわち回転速度をモニタして端点（図５のＰ１、Ｐ２に対応する点）の検出を行う。

図８は、１回転検出信号ＦＧと、制御部内部で生成される基準クロック（パルス）信号ＣＬＫの関係を示すタイミングチャートである。モータの２２の回転周波数は、１回転検出信号ＦＧのパルスの立ち上がりから次の立ち上がりまでの期間（クロックパルス計数期間）Ｔの間に出力される基準クロック信号のパルス数（計数値）に基づいて算出できる。すなわち、基準クロック計数回路３７（図３参照）で計数される基準クロック信号ＣＬＫの計数値Ｎは、モータ２２が一回転に要する時間に比例し、回転周波数は、その逆数に対応する。したがって、計数値Ｎをモニタすることにより、回転周波数、すなわち回転速度の変化（低減）を検知することができる。

次に図９、図１０を参照して、Ｔｅｌｅ側、Ｗｉｄｅ側端部の検出方法（Ｔｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理１）について説明する。図９は、第１実施形態における端点(検出点)の検出方法を説明するためのグラフである。また、図１０は、Ｔｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理１のフローチャートである。なお、図１０のＴｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理１は、図６のＴｅｌｅ端検出処理（ステップＳ１０２）およびＷｉｄｅ端検出処理（ステップＳ１０８）の双方に対応する。

図９に示されるように、本実施形態では、モータ２２の回転速度が低下し、所定の回転周波数ｆｃとなったときに端点(検出点)Ｐ１、Ｐ２に達したものとする。しかし、上述したように本実施形態では、回転周波数の代わりにクロックパルス計数期間（ＦＧパルスのパルス間隔）Ｔにおいて計数されたクロックパルス数Ｎが直接にはモニタされるので、計数値Ｎの値に基づいて端点の検出処理が行われる。計数値Ｎは、モータ２２の回転周波数（回転速度）が低減するときに増大するので、Ｔｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理１においては、計数値Ｎが所定値よりも大きくなったときに端点（Ｐ１またはＰ２）が検出されたものとする。

図１０に示されるように、まずステップＳ２００では、ＦＧパルスが検出されたか否かが判定され、モータ２２の回転が開始されてから最初のＦＧパルスが検出されるまでのあいだ待機状態とされる。モータ２２の始動後、最初のＦＧパルスが検出されると、ステップＳ２０２において、基準クロックパルス信号ＣＬＫのモータ１回転当たりの計数値Ｎがマイコン３６（図３）において更新される。すなわち、図３に示される基準クロック計数回路３７から、クロックパルス計数期間Ｔの間に計数された基準クロックＣＬＫのパルス数がマイコン３６に入力され計数値Ｎとされる。

ステップＳ２０４では、計数値Ｎが所定値よりも大きいか否かが判定される。所定値は、閾値とされる回転速度、すなわち図９の回転周波数ｆｃに対応するパルス数であり、ステップＳ２０４の判定は、モータ２２の回転速度が閾値よりも低下したか否かの判定に対応する。なお、回転速度（あるいは回転周波数）の閾値は、トルクワイヤが捻られる区間における端部近傍でのモータ２２の挙動を予め調べることにより設定され、これに基づいて計数値Ｎの所定値（閾値）が設定される。計数値Ｎが所定値よりも大きくないときには、モータ２２の１回転に要する時間は短く、その速度は端部に達したと考えるにはまだ速いので、処理はステップＳ２０２に戻され、計数値Ｎの更新が行われる。

ステップＳ２０２、２０４の処理は、ステップＳ２０４において、計数値Ｎが所定値よりも大きいと判定されるまで続けられる。Ｎ＞所定値となると、モータ２２の回転速度は閾値よりも低く、端点Ｐ１またはＰ２に達したと判断される。すなわち、ステップＳ２０６において、モータ２２の駆動が停止され、このＴｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理１は終了する。

次に、図１１〜図１３を参照して、Ｔｅｌｅ側、Ｗｉｄｅ側端部の検出方法の変形例（Ｔｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理２）について説明する。

図１１は、図９に対応するもので、モータ２２の駆動開始から、一方の端点に至るまでのモータ２２の回転周波数の時間的な変化を示すグラフであり、変形例における端点(検出点)の検出方法を説明するためのグラフである。Ｔｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理１では、モータ２２の一回転当たりに計数されるクロックパルスの計数値（１回転当たりの時間、回転速度、回転周波数に対応）そのものをモニタしたが、変形例であるＴｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理２では、計数値Ｎの差分値をモニタして端点の検出を行う。すなわち、図１１に示されるように、モータ２２の回転速度の低減を検知して端点の検出を行う。

図１２は、カム環の係止機構への突当て後、図１１の減速区間ΔＴにおける１回転検出信号ＦＧの時系列の変化を示すもので、横軸は時間ｔである。例えば図１１に示されるように、減速区間ΔＴでは、モータ２２の回転速度は単調に減速し、ＦＧパルスの間隔も回転速度に比例して大きくなる。ＦＧパルスの間隔は、基準クロック信号ＣＬＫのパルス計数値Ｎに対応するので、最新のパルス間隔を最新の計数値Ｎ_０、1つ前のパルス間隔を１つ前の計数値Ｎ_−１、２つ前のパルス間隔を２つ前の計数値Ｎ_−２、３つ前のパルス間隔を３つ前の計数値Ｎ_−３で表すと、減速している間において、Ｎ_−３＜Ｎ_−２＜Ｎ_−１＜Ｎ_０となる。したがって、変形例では、計数値の差Ｎ_−ｉ−Ｎ_{−（ｉ＋１）}の値をモニタすることによりモータ２２の減速を検知し、これを利用して端点検出を行う。

図１３は、変形例において採用されるＴｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理２のフローチャートである。ステップＳ３００では、Ｔｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理１のステップＳ２００（図１０）と同様に、モータ２２の回転が開始されてからの最初のＦＧパルスが検出（波形立ち上がり又は、立ち下がり）されたか否かが判定され、最初のＦＧパルスが検出されるまでこの処理が繰り返される。

次に、ステップＳ３０２では、ステップＳ３０４の条件が満たされるまで、マイコン３６における４つの計数値Ｎ_０、Ｎ_−１、Ｎ_−２、Ｎ_−３の値が更新し続けられ、ステップＳ３０４の条件が満たされると、ステップＳ３０６においてモータ２２の駆動が停止されて、この処理を終了する。すなわち、Ｔｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理２では、ステップＳ３０４の条件、Ｎ_０−Ｎ_−１＞Ｎ_−１−Ｎ_−２、かつＮ_−１−Ｎ_−２＞Ｎ_−２−Ｎ_−３が満たされたときに端点（Ｐ１またはＰ２）が検出されたものとする。

なお、マイコン３６において計数値Ｎ_０、Ｎ_−１、Ｎ_−２、Ｎ_−３には、初期値として０が与えられており、最初のステップＳ３０２では、計数値Ｎ_０に基準クロック計数回路３７（図３）からの値が入力され、その後、計数値Ｎ_０が更新されると、古い計数値Ｎ_０の値は順次Ｎ_−１、Ｎ_−２、Ｎ_−３へとシフトされる。

次に、図１４のフローチャートを参照して、制御部２５において実行される本実施形態の原点再検出処理について説明する。本実施形態では、電子内視鏡の電源投入時に、図５、図６を参照して説明した初期化動作が行われ、その中で原点移動処理（ステップＳ１１０）が実行される。すなわち、本実施形態では、Ｔｅｌｅ／Ｗｉｄｅスイッチ２６、２７（図２）の操作に基づく通常のレンズ位置制御処理に先立って、モータ２２が点Ｐ３に対応する位置まで回転される。レンズ位置制御処理では、Ｐ３を原点として、区間Ａ２の範囲でモータ２２が制御される。

しかし、モータ２２の１回転検出信号ＦＧに基づく位置制御では、モータの起動特性などから、レンズ位置制御処理実行中に、位置ズレが発生する。このため本実施形態では、レンズ位置制御処理中に、モータ２２の回転位置が原点Ｐ３（区間Ａ２におけるＷｉｄｅ側端点）に達したと判定されると再度Ｗｉｄｅ側端点Ｐ２が検出され、改めて図６のステップＳ１１０と同様の方法で、原点Ｐ３までモータ２２が回転される。

図１４は、本実施形態における原点再検出処理（Ｓ４０２〜Ｓ４１４）の流れ説明するためのフローチャートであり、レンズ位置制御処理において、ユーザによるＷｉｄｅスイッチ２６の操作が検出されたときから、原点再検出処理が終了するまでの間の流れを示す。

ユーザによるＷｉｄｅスイッチ２６の操作が検出されると、ステップＳ４００において、現在の位置が区間Ａ２のＷｉｄｅ端であるか、すなわち原点Ｐ３であるか否かが判定される。現在位置が原点Ｐ３でなければ、ステップＳ４１６において、通常の拡大動作、すなわち、モータ２２がＷｉｄｅ側へと所定量回転されて内視鏡画像はズームアウトされこの処理は終了する。

一方、ステップＳ４００において、現在位置が原点Ｐ３であると判定されると、ステップＳ４０２において、Ｔｅｌｅ／Ｗｉｄｅスイッチ２６、２７（図２）の操作に基づく信号の制御部２５への入力を不許可とし、ステップＳ４０４において、Ｗｉｄｅ側へ向けてモータ２２の回転を開始する。

すなわち、ステップＳ４０６では、Ｔｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理１におけるステップＳ２０２、Ｓ２０４、あるいはＴｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理２におけるステップＳ３０２、Ｓ３０４に対応する処理が実行され、Ｗｉｄｅ端の検出が行われる。ステップＳ４０６においてＷｉｄｅ端が検出されると、ステップＳ４０８において、レンズ位置制御処理においてレンズ位置情報として用いられるＦＧパルスのカウント値がリセットされる。なお、このとき急激な負荷がトルクワイヤ２１に掛からないように、モータ２２を一瞬（例えば５００ｍｓ）停止する構成としてもよい。

ステップＳ４１０では、Ｔｅｌｅ側へ向けたモータ２２の回転が開始され、ステップＳ４１２では、図６の原点移動処理（ステップＳ１１０）と同様の方法で、原点位置Ｐ３までモータ２２が回転される。ステップＳ４１２において、原点位置Ｐ３に達したと判定されると、ステップＳ４１４において、ステップＳ４０２においてＴｅｌｅ／Ｗｉｄｅスイッチ２６、２７操作に基づく制御部２５への信号入力が許可され、本実施形態の原点再検出処理（Ｓ４０２〜Ｓ４１４）は終了する。

なお、ステップＳ４１４において、Ｔｅｌｅ／Ｗｉｄｅスイッチ２６、２７操作に基づく入力を許可する際、原点再検出処理が連続して繰り返されないように、Ｗｉｄｅスイッチ２７による連続入力は認めない構成とすることも可能である。

以上のように、本実施形態によれば、トルクワイヤを用いてレンズの駆動を行う電子内視鏡装置において、簡略・小型な構成で、挿入部の細径化を図るとともに、高い精度でのレンズ位置制御を行うことができる。

以上のように、本実施形態によれば、センサレス、ＤＣブラシレスモータを利用しながらも、簡略な構成でモータの回転を把握し、ワイヤの捩りを考慮してカム環あるいはレンズの位置との対応を取ることができるので、挿入部先端にセンサを設けることなく、高い精度でレンズ位置の制御を行うことができ、挿入部の細径化を図るとともに、駆動部の小型化も図ることができる。また、原点再検出処理が、原点に対応するモータの回転制御に使用される領域Ａ２のＷｉｄｅ側端点に達する度に、原点の位置合わせが行われるので、使用中に位置ズレが発生しても修正することが可能であり、位置決め精度を維持できる。

また、本実施形態では、トルクワイヤに負荷を掛け過ぎることなく端点の検出を行うことができ、端点検出に係るモータやトルクワイヤの負担を抑え、耐久性を向上させることができる。

また、変形例では、時系列に４つの計数値を用い、隣接する計数値の差分が２回連続して増大しているときにモータの回転数が減速しているとしているので、より早いタイミングで端点の検出を行うことができる。また、回転速度の変動による誤検知を防止でき、より正確な端点の検出が可能になる。

なお、Ｔｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理１とＴｅｌｅ／Ｗｉｄｅ端検出処理２の中間的な方法として、２つの計数値Ｎ_０、Ｎ_−１や、３つの計数値Ｎ_０、Ｎ_−１、Ｎ_−２、あるいは４つの計数値Ｎ_０、Ｎ_−１、Ｎ_−２、Ｎ_−３の大小からモータの減速を検出して端点を検知することもできるし、３つの計数値Ｎ_０、Ｎ_−１、Ｎ_−２の差分の比較からモータの減速を検出して端点を検知することも、これらや実施形態で説明された比較方法を組み合わせることも可能である。また、計数値Ｎや１／Ｎ等に係る時間微分に閾値を設定して端点を検知することも可能である。

また、本実施形態では、Ｗｉｄｅ側でのみ原点再検出処理を行ったが、これに替えて、モータの位置情報が、モータの回転制御に使用される領域Ａ２のＴｅｌｅ側端点にあるときに、Ｔｅｌｅ側端点Ｐ１を再探索した後、領域Ａ２のＴｅｌｅ側端点に戻す構成とすることも可能であり、両側において再位置合わせを行うことも可能である。

また、本実施形態では、ズームレンズを例に説明を行ったが、トルクワイヤを用いてレンズの駆動を行う構成であれば、ズームレンズの駆動に限定されるものではない。また、本実施形態ではレンズ駆動にカム環を用いたが、従来周知の他の方式であってもトルクワイヤを用いる構成であれば本願発明を適用することができる。

本実施形態では、３相ブラシレス、センサレスＤＣモータの１回転毎の回転を検知する構成としたが、ｎ相のモータにおいて１回転毎にｎ個のパルスを検出する構成とすることもでき、この場合には、モータの回転速度（回転周波数）の検出に１／ｎ回転中に計数される基準クロックのパルス数を用いることも可能である。またモータの回転速度（回転周波数）の検出に、２パルス以上の１回転検出信号の間の基準クロックのパルスの計数値を用いることもできる。更に、センサ付のモータを用いることも可能であるが、この場合には、センサ検出信号を用いる。

１０ スコープ本体（電子内視鏡）
１１ プロセッサ装置
１２ モニタ装置
１３ 挿入部
１４ 操作部
１５ コネクタ部
１７ 撮像素子（ＣＣＤ）
１８ レンズ
１９ カム環（レンズ位置調整機構）
２０ ギア
２１ トルクワイヤ
２２ モータ
２４ モータ駆動回路
２５ 制御部
２６ Ｔｅｌｅスイッチ
２７ Ｗｉｄｅスイッチ
３４ 位相検出回路
３６ マイコン
３７ 基準クロック計数回路

Claims (12)

1. レンズの可動範囲を規定する２つの係止機構の間でレンズの位置を調整するレンズ位置調整機構と、
   前記レンズ位置調整機構に前記レンズを移動するための動力を供給するモータと、
   前記モータの動力を前記レンズ位置調整機構に伝達するトルクワイヤと、
   前記モータの回転を検知し、回転量を算出する回転量検出手段と、
   前記モータの回転可能範囲の端点を検出する端点検出手段と、
   前記モータを一方向へ回転させ、前記端点検出手段により前記モータの回転可能範囲の一端を検出した後、前記モータを反転させて前記端点検出手段により前記モータの回転可能範囲の他端を検出するとともに、前記回転量検出手段により前記モータの回転可能範囲に亘る回転に必要な前記モータの回転量を検出する初期化手段とを備え、
   前記レンズの可動範囲に亘り前記レンズを移動させるのに必要な前記モータの回転量と前記初期化手段において検出された前記モータの回転可能範囲に対応する前記モータの回転量に基づき、前記レンズの可動範囲における各位置と前記モータの回転位置の間の対応付けを行い、前記レンズの可動範囲に対応する前記モータの回転範囲内で前記モータの回転を制御して前記レンズの位置調整を行うとともに、
   前記位置調整において、前記モータの回転位置が前記レンズの可動範囲の一端に対応する場合に、前記モータを回転させ、前記端点検出手段により前記回転可能範囲の端点を再度検出する
   ことを特徴とする電子内視鏡のレンズ位置制御装置。
2. 前記初期化手段において前記端点検出手段により前記回転可能範囲の両端点を検出した後、前記レンズの可動範囲の一端に対応する位置まで前記モータを回転して前記レンズの位置調整における原点とすることを特徴とする請求項２に記載の電子内視鏡のレンズ位置制御装置。
3. 前記レンズ位置調整機構がズーム用のレンズ位置調整機構であり、前記原点が前記レンズの可動範囲のズームアウト側の端に位置することを特徴とする請求項２に記載の電子内視鏡のレンズ位置制御装置。
4. 前記初期化手段における前記レンズの可動範囲における各位置と前記モータの回転位置の間の対応付けが、前記レンズの可動範囲の中心が前記モータの回転可能範囲の中心に一致するものとして行われることを特徴とする請求項３に記載の電子内視鏡のレンズ位置制御装置。
5. 前記端点検出手段が、前記モータの可動範囲の端点を前記モータの回転速度の低減を検知して検出することを特徴とする請求項４に記載の電子内視鏡のレンズ位置制御装置。
6. 前記端点検出手段が、前記モータが所定回転する間に計数される基準クロック信号のパルスの数に基づいて前記回転速度をモニタすることを特徴とする請求項５に記載の電子内視鏡のレンズ位置制御装置。
7. 前記回転量検出手段が、前記モータの所定回転毎にパルス信号を生成し、前記端点検出手段が、前記パルス信号のタイミングに合わせて前記基準クロックの数を計数して前記回転速度をモニタすることを特徴とする請求項６に記載の電子内視鏡のレンズ位置制御装置。
8. 前記端点検出手段は、前記回転速度が閾値を下回るときに前記端点に達したと判断することを特徴とする請求項７に記載の電子内視鏡のレンズ位置制御装置。
9. 前記端点検出手段は、前記回転速度の減速を検知して前記端点に達したと判断することを特徴とする請求項７に記載の電子内視鏡のレンズ位置制御装置。
10. 前記モータの回転が制御される前記レンズの可動範囲に対応する前記モータの回転範囲の両側にマージンとなる前記モータの回転領域が設けられ、前記位置調整における前記モータの回転範囲に対応する回転量は、前記レンズの可動範囲に対応する前記モータの回転量よりも大きいことを特徴とする請求項９に記載の電子内視鏡のレンズ位置制御装置。
11. 前記モータがセンサレスＤＣモータであり、前記モータの回転が、１つの相の誘導起電力に基づいて生成されるパルス信号を用いて検出されることを特徴とする請求項１〜１０に記載の電子内視鏡のレンズ位置制御装置。
12. 前記回転量を、前記パルス信号のパルス数のカウント値で表すことを特徴とする請求項１１に記載の電子内視鏡のレンズ位置制御装置。

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