JP5481176B2

JP5481176B2 - 内視鏡のレンズ位置制御装置

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Publication number: JP5481176B2
Application number: JP2009269033A
Authority: JP
Inventors: 哲弘伊東; 徹至小林
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-11-26
Also published as: JP2011112861A

Description

本発明は、トルクワイヤを用いて内視鏡のレンズ位置の制御を行うレンズ位置制御装置に関する。

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、トルクワイヤは数メートルもある挿入部の中を通されるため、トルクワイヤの回転には大きなトルクが必要とされる。トルクワイヤに加えられるトルクを大きくするには、モータ自身の出力トルクを大きくする方法や、モータを高速回転し減速機を用いる方法が考えられる。しかし、モータの出力トルクを大きくするには巻き線数を増やす必要があり、減速機を用いる場合にも、それなりに大きな減速機を用いる必要があるため小型化にとって不利である。一方、高速で回転するモータを直接用いると、撮像倍率が急激に変化し操作性が悪化する。例えば所望倍率での再撮影が必要な場合など、回転が速いと同じ倍率の撮影を再現することは困難である。

すなわち、トルクワイヤを用いて内視鏡のレンズを駆動する場合、トルク、レンズ移動速度、小型化を同時に満足することは困難である。

本発明は、トルクワイヤを用いてレンズを駆動する内視鏡装置において、トルクワイヤを回転するための十分なトルクを得ながらもレンズの位置調整が容易な小型なレンズ位置制御装置を得ることを課題としている。

本発明の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、モータに印加される電圧信号の周期、デューティ比の少なくとも一方を制御することによりトルクワイヤの先端を、モータの回転速度よりも低い回転速度で連続的に回転するモータ制御手段とを備えることを特徴としている。

レンズ位置調整機構が撮像倍率を変更するズーム機構であって、モータ制御手段は、トルクワイヤ先端の回転速度は、先端の回転角に対して撮像倍率の変化が相対的に大きい区間では相対的に遅く、相対的に小さい区間では相対的に速く設定される。レンズ位置調整機構が撮像倍率を変更するズーム機構であって、モータ制御手段は、撮像倍率の変化が一定になる様に、各ステップのモータ作動回転数、モータ停止時間の少なくとも一方を制御する。モータ制御手段は複数の望遠（ズームイン／Ｔｅｌｅ）から広角（ズームアウト／Ｗｉｄｅ）までの移動時間モードを備え、トルクワイヤの先端の回転速度が各モードで異なる。

レンズ位置制御装置は更に、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。

本発明によれば、トルクワイヤを用いてレンズを駆動する内視鏡装置において、トルクワイヤを回転するための十分なトルクを得ながらも操作者において撮像倍率の変更・調整が容易な小型なレンズ位置制御装置を得ることができる。

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。モータの駆動指令（駆動信号）の出力タイミングと、これに対応したトルクワイヤのモータ側のある位置における回転速度変化と、トルクワイヤのカム環側先端における回転速度変化の違いを示す。第１実施形態のレンズ位置制御におけるモータ制御の様子を示すグラフである。本実施形態におけるレンズ位置制御処理のフローチャートである。第１実施形態の変形例のレンズ位置制御におけるモータ制御の様子を示すグラフである。第２実施形態のレンズ位置制御におけるモータ制御の様子を示すグラフである。

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、本発明の第１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に小型な減速ギア２３を介して接続される（なお、減速ギア２３は省略することも可能である）。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Ａ_３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Ａ_２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Ａ_３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Ａ_３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Ａ_３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。

なお、Ｔｅｌｅ端およびＷｉｄｅ端の検出処理（ステップＳ１０２、Ｓ１０８）は、例えば、モータ回転速度をモニタし、閾値を設けて速度低下を検出したり、変化の割合を算出したりする事で行われる。

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Ａ_２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１２０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Ａ_２）は、１７０パルス（２０＋１２０＋３０）分の区間となる。

次に、図７〜図９を参照して、第１実施形態における点Ｐ３を原点とするＴｅｌｅ／Ｗｉｄｅスイッチ２６、２７の操作に基づく区間（使用領域）Ａ_２でのレンズ位置制御について説明する。

トルクワイヤは数メートルもある可撓管の中を通されるので、これを回転するには十分なトルクが必要である。しかし、大きなトルクを得るにはモータの巻き線数を増やす必要があるため大型化する。小型モータでも回転速度を増大すれば大きなトルクが得られるが、回転速度が速いと撮像倍率の微調整を行うことが困難になり操作性が悪化する。また、回転速度を落とすには、大きな減速機を用いる必要があり、やはり小型化に不利である。すなわち、従来、小型な構成で低速・高トルクを同時に実現することは困難であった。

本実施形態のレンズ位置制御では、モータの駆動にインターバル期間を設けてモータを間欠的に駆動しながらもトルクワイヤの回転を略一定に保つことで、小型モータで、低速回転・高トルクを実現している。図７には、モータ２２の駆動指令（駆動信号）の出力タイミングと、これに対応したトルクワイヤ２１のモータ側（基端側）のある位置における回転速度変化と、トルクワイヤ２１のカム環側の先端における回転速度変化が示される。

図７に示されるように、モータ駆動指令は、所定のデューティ比で周期的に出力される。すなわち、モータ駆動指令が出力されている間（パルスが立ち上がっている間）、３相駆動信号（Ｕ、Ｖ、Ｗ）がモータ２２へと出力される。モータ駆動指令のパルスの立ち上がりとともに、トルクワイヤ２１の基端側の回転速度は設定されたモータ２２の回転速度に向けて徐々に増大する。一方、モータ駆動指令がインターバル期間に入り、駆動信号の出力が停止されると、トルクワイヤ２１の回転は徐々に減速する。

また、トルクワイヤ２１の先端の回転速度は、ワイヤやカム環の慣性モーメントや抵抗の影響を受けて、基端側の速度変化に対して更に遅れを生じ、その変化も更に緩やかになる。したがって、トルクワイヤ２１の回転がモータ２２の回転速度に達する前にモータ２２の駆動を停止し、回転が大きく減速する前にモータ２２の回転を再開することを繰り返すことで、図７に示されるように、トルクワイヤ２１の先端はモータ２２の速度よりも低い略一定の速度で滑らかに連続的に回転される。したがって、モータ２２を高速で回転させて高いトルクを得ながらも（すなわち印加電圧を下げずに）、減速機を用いることなく、モータ駆動指令の周期、デューティ比を制御することで、実際のカム環１９の回転速度を十分に落とすことが可能である。

図８のグラフは、使用領域Ａ２（図５参照）における第１実施形態のレンズ位置制御（モータ２２の回転制御）の具体例を示す。図８において横軸は時間（ｓ）であり、縦軸の左側の目盛りはＦＧパルスのカウント値、縦軸の右側の目盛りはレンズ群１８の撮像倍率である。また、図８では、グラフの下側に、このレンズ位置制御におけるＦＧパルスの検出状況、すなわちモータ２２の駆動、停止状態が時間軸に沿って示される（図７のモータ駆動指令のパルスに対応する）。

ＦＧパルスは斜線が施された期間に検出され、所定の電圧がモータ２２に印加される。すなわち、モータ２２はこの期間、一定の速度、トルクで回転駆動される。一方、それ以外の期間では、モータ２２への電圧印加が停止され、モータ２２の回転駆動が停止される。

折れ線Ｌ１は、点Ｐ３からＴｅｌｅスイッチ２６が押し続けられた場合の経過時間（ｓ）と検出されたＦＧパルスの累計値（レンズ位置に対応するＦＧパルスのカウント値）の関係を示すグラフである。また曲線Ｓは、モータ２２を点Ｑ_１から上記一定速度で連続的に回転させたときの撮像光学系の倍率の変化を示す。なお点Ｑ_１（ＦＧパルス数＝３０）は、レンズ位置制御処理における原点Ｐ_３（図５参照）からＴｅｌｅ側へマージンとしての３０パルス分移動した位置に対応する。また、折れ線Ｌ１において、点Ｑ_２（ＦＧパルス数＝１５０）は、点Ｑ_１からＴｅｌｅ側へ１２０パルス分（可動範囲Ａ_３分）移動した位置に対応する。すなわち、点Ｑ_１〜Ｑ_２の範囲がカム環可動範囲Ａ_３に対応する。また、ＦＧパルス数が０〜１７０の範囲が使用領域Ａ_２に対応する。

撮像倍率の特性を表す曲線Ｓは、点Ｑ_１において最小倍率の１３倍であり、点Ｑ_３でカム環１９のＴｅｌｅ側可動限界であるＦＧパルス数１５０に達し、撮像倍率は最大値の９９倍となる。一般にカム環の位置（ＦＧパルス数）と撮像倍率の関係は非線形であり、倍率が小さい区間ではカム環の移動距離（ＦＧパルスの変化量）に略比例して増大するが、倍率が大きくなると徐々に増加率が減少する。

図８のグラフの例では、曲線ＳはＷｉｄｅ側の点Ｑ_１〜点Ｑ_４で略線形に増大し、Ｔｅｌｅ側の点Ｑ_４〜点Ｑ_３において増加率が徐々に減少する非線形な増大を示す。したがって、点Ｑ_４〜点Ｑ_３に対応する区間は、点Ｑ_１〜点Ｑ_４に対応する区間に比べ、カム環１９の回転（レンズの移動）に対する撮像倍率の増大が小さい。したがって、調整を容易にし操作性を向上するには、点Ｑ_１〜点Ｑ_４の領域におけるカム環１９の回転速度を点Ｑ_４〜点Ｑ_３の回転速度よりも遅くすることが望ましい。

したがって、第１実施形態では、ＦＧパルス数３０〜９５の区間に対応する区間Ｂ１と、ＦＧパルス数９５〜１５０の区間に対応する区間Ｂ２とでは、モータ駆動指令のパルス信号の周期を異ならせ、トルクワイヤ２１の先端での回転速度（カム環１９の回転速度）を異ならせている。すなわち、モータ２２の回転速度は区間Ｂ１、Ｂ２で同じであるが、区間Ｂ１ではデューティ制御の周期が相対的に短く（トルクワイヤ先端の回転は相対的に低速）、領域Ｂ２ではデューティ制御の周期が相対的に長く（トルクワイヤ先端の回転は相対的に高速）設定される。これにより、カム環１９の可動範囲Ａ_３全体に渡ってＴｅｌｅ／Ｗｉｄｅスイッチ２６、２７（図２）の操作に対する撮像倍率の変化が一定となるように構成される。なお、両区間Ｂ１、Ｂ２においてモータ２２に印加される電圧値は等しい。

図９は、図７、８を参照して説明されたＴｅｌｅ／Ｗｉｄｅスイッチ２６、２７の操作に基づくレンズ位置制御のフローチャートである。なお、本制御は制御部２５のマイコン３６等（図２、３）において実行される。

ステップＳ２００では、Ｔｅｌｅ／Ｗｉｄｅスイッチ２６、２７の何れかからの操作信号の有無が判断される。何れのスイッチも操作されず、操作信号がない場合には、ステップＳ２１０においてモータ２２の駆動が停止され、再びステップＳ２００において操作信号の有無が判断される。一方、ステップＳ２００において、Ｔｅｌｅ／Ｗｉｄｅスイッチ２６、２７の何れかが操作され、操作信号が得られた場合には、ステップＳ２０１において、入力された操作信号がＴｅｌｅ／Ｗｉｄｅスイッチ２６、２７の何であるかが判断される。

操作信号がＷｉｄｅスイッチ２７のものであると判断された場合には、ステップＳ２０２において現在の位置が使用領域Ａ２のＷｉｄｅ側端点に対応するか否かが、例えばＦＧパルス数から判断される。端点であると判断された場合には、ステップＳ２００に戻り同様の処理が繰り返され、端点でないと判断された場合には、ステップＳ２０３において、Ｗｉｄｅ側へ向けたモータ２２の駆動が開始される。すなわち、モータ２２に三相駆動信号（Ｕ、Ｖ、Ｗ）が供給され、モータ２２はＷｉｄｅ側に対応する方向に回転される。その後、ステップＳ２０４では、図７で示されるモータ駆動指令の１パルス分の出力が終了したか否かが判定され、ステップＳ２０４の判定は、１パルス分の出力が終了するまで繰り返される。なお、この判定においてパルスの幅は、ＦＧパルス数に基づいて各区間に対応した値が設定される。

一方、ステップＳ２０１において、入力された操作信号がＴｅｌｅスイッチ２６のものであると判断された場合には、ステップＳ２０７において現在の位置が使用領域Ａ２のＴｅｌｅ側端点に対応するか否かが、例えばＦＧパルス数から判断される。端点であると判断された場合には、ステップＳ２００に戻り同様の処理が繰り返され、端点でないと判断された場合には、ステップＳ２０８において、Ｔｅｌｅ側へ向けたモータ２２の駆動が開始される。すなわち、モータ２２に三相駆動信号（Ｕ、Ｖ、Ｗ）が供給され、モータ２２はＴｅｌｅ側に対応する方向に回転される。またその後、ステップＳ２０９では、図７で示されるモータ駆動指令の１パルス分の出力が終了したか否かが判定され、ステップＳ２０９の判定は、１パルス分の出力が終了するまで繰り返される。なお、この判定においてパルスの幅は、ＦＧパルス数に基づいて各区間に対応した値が設定される。

ステップＳ２０４、Ｓ２０９において１パルス分の出力が終了したと判定されると、処理はステップＳ２０５に移り、制御部２５（図２）などに内蔵されるインターバルタイマ（図示せず）が起動され、ステップＳ２０６においてタイマの終了が判定される。すなわち、インターバルタイマは、図７のインターバル期間に時間に設定され、ステップＳ２０６では、インターバル期間が経過したか否かが繰り返し判定される。

ステップＳ２０６において、インターバル期間が経過したと判定されると、処理はステップＳ２００に戻り、上述された各処理が繰り返し実行される。以上により、本実施形態のレンズ位置制御処理は終了する。

以上のように、本発明の第１実施形態によれば、内視鏡挿入部を通したトルクワイヤを介して内視鏡先端のレンズの位置制御に用いられる機構（ズーム機構など）を小型モータで駆動する構成において、トルクワイヤを回転するのに十分なトルクが得られる回転速度で小型モータを回転しながらも、減速機などの構成を用いずにトルクワイヤの先端の回転速度を十分に減速することができ、極めて小型な構成で、レンズ位置の調整（撮像倍率調整）を容易にすることができる。

また、本実施形態によれば、小型なセンサレス、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、挿入部先端にエンコーダなどの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、本実施形態によれば、モータ駆動指令（駆動信号）の周期とデューティ比を調整することで、簡単かつ自由にトルクワイヤ先端（カム環）の回転速度を制御でき、レンズ移動速度を調整できる。更に、本実施形態では、レンズ位置（カム環、トルクワイヤ先端の回転位置）に対する撮像倍率の変化の仕方に合わせて、トルクワイヤ先端の低倍率側の区間における回転速度を高倍率側の区間における回転速度よりも遅く設定することで、撮像倍率の変化をなるべく一定にしている。これにより、ズーム操作の操作性が向上され、例えば、同じ倍率での撮影を後日行う場合などでも、容易に同じ倍率での撮影が可能になる。

次に図１０を参照して、第１実施形態の変形例について説明する。図１０は、第１実施形態の図８に対応するもので、使用領域Ａ２（図５参照）における変形例のレンズ位置制御（モータ２２の回転制御）の具体例を示すグラフである。第１実施形態では、カム環１９の可動区間Ａ_３が、低倍率側と高倍率側の２区間に分割されてモータ駆動指令の周期、デューティ比が設定された。しかし、変形例では、曲線Ｓに対応して区間をより細かく分割し、スイッチ操作による撮像倍率の増減の速さの変化を更になくしたものである。なおその他の構成は、第１実施形態と同様である。

図１０の例では、ＦＧパルス数：３０〜５５に対応する区間Ｂ３、ＦＧパルス数：５５〜８５に対応する区間Ｂ４、ＦＧパルス数：８５〜９５に対応する区間Ｂ５、ＦＧパルス数：９５〜１５０に対応する区間Ｂ６の４つの区間が設けられる。各区間におけるモータ駆動指令の周期は、Ｔｅｌｅ側（高倍率側）に域ほど長くなり、トルクワイヤ先端での回転速度は速くなる。

以上のように、第１実施形態の変形例によれば、より曲線Ｓに適合した制御が可能となり、スイッチ操作による撮像倍率の増減の速さをより安定させることができ、操作性が向上する。

次に図１１を参照して第２実施形態のレンズ位置制御装置について説明する。第２実施形態のレンズ位置制御装置も、第１実施形態と同様の構成を備えるが、第２実施形態のレンズ位置制御では、例えば、モータ駆動指令の周期やデューティ比に複数のパターンを設け、撮像倍率の変更速度、すなわちカム環回転速度（レンズ移動速度）に、複数のモードを設ける。

図１１は、第１実施形態やその変形例の図８、図１０に対応するもので、点Ｐ３からＴｅｌｅスイッチ２６が押し続けられた場合の経過時間（ｓ）とＦＧパルス数（レンズ位置）の関係を示すグラフである。第２実施形態では、例えば高速、中速、低速の３つのモードが設けられ、図１１には、各モードに対応する折れ線Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３が示される。

第２実施形態では、各モードにおいてモータ駆動指令のインターバル期間を各モードで異ならせることで、撮像倍率の変更速度を異ならせている。すなわち、各区間においてモータ駆動指令のパルス幅は同じ幅に設定されるが、インターバル期間は高速モード（１０ｍｓ）よりも中速モード（４１ｍｓ）の方が長く設定され、中速モード（４１ｍｓ）よりも低速モード（６０ｍｓ）の方が長く設定される。また、モードの選択は、例えばプロセッサ装置１１に設けられた操作スイッチ（図示せず）を操作することにより行われる。なお、第２実施形態のその他の構成は第１実施形態と同様である。

以上のように第２実施形態においても第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、撮像倍率の変更速度として異なる速度モードを設けることができるので、ユーザの好みや状況に応じた最適なモード選択が可能となる。また、本実施形態では、モータ駆動信号の印加電圧及びパルス幅は変えずにインターバルのみを異ならせることで、モード毎に速度を異ならせているが、モードの違いは、モータ駆動信号の印加電圧の変更の組合せを含むものであってもよい。なお、これらの値は例えば内視鏡操作部、コネクタ部、あるいはプロセッサ装置などに設けられたメモリに記憶される。

また、第１実施形態の変形例を第２実施形態の各モード、あるいは一部モードとして採用することも可能である。更に、ユーザが、モータ駆動指令の周期やインターバル、モータへの印加電圧（折れ線グラフの傾きに対応）等を自由に設定できる構成とすることもできる。また、本実施形態は、ズーム機構以外のレンズ移動機構にも用いることが可能である。

なお、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
２６Ｔｅｌｅスイッチ
２７Ｗｉｄｅ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

レンズの位置を調整するためのレンズ位置調整機構と、
前記レンズ位置調整機構に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、
前記モータに印加される電圧信号の周期、デューティ比の少なくとも一方を制御することにより、前記トルクワイヤを回転するのに十分なトルクが得られる回転速度で前記モータを間欠的に回転駆動するとともに、前記トルクワイヤの先端を、前記モータの回転速度よりも低い回転速度で連続的に回転するモータ制御手段と、
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、
前記モータの可動範囲の端点を検出する端点検出手段と、
前記端点検出手段により検出される前記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、前記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、
前記レンズの可動範囲の中心が前記モータの可動範囲の中心に一致するものとして前記レンズの可動範囲と前記モータの回転量の対応を特定し、前記レンズの可動範囲に対応する回転量と前記モータの可動範囲に対応する回転量とから、前記レンズの可動範囲に対応する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
ことを特徴とする内視鏡のレンズ位置制御装置。
前記レンズ位置調整機構が、撮像倍率を変更するズーム機構であって、前記モータ制御手段が、前記トルクワイヤの先端の回転速度が、前記先端の回転に対して前記撮像倍率の変化が相対的に大きい区間では相対的に遅く、相対的に小さい区間では相対的に速く設定されることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡のレンズ位置制御装置。
前記レンズ位置調整機構が、撮像倍率を変更するズーム機構であって、前記モータ制御手段が、前記撮像倍率の変化の速度の変動が小さくなるように、前記周期、デューティ比の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１または２の何れか一項に記載の内視鏡のレンズ位置制御装置。
前記モータ制御手段が複数の速度モードを備え、前記トルクワイヤの先端の回転速度が前記各モードで異なることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の内視鏡のレンズ位置制御装置。