JP6118554B2 - 光走査型内視鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、走査光学ユニット内の温度を制御する温度制御装置を備えた光走査型内視鏡装置に関する。

医師が患者の体腔内を観察するときに使用する装置として、一般的に電子内視鏡が知られている。従来の一般的な電子内視鏡の撮像素子には、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などが用いられている。近年、これらの代替となるものとして、特許文献１に開示される次世代の光走査装置が提案されている。この光走査装置では、片持ち支持された光ファイバの先端部（自由端部）を共振させて、光ファイバの先端から放射される照明光を所定の軌跡（例えば螺旋状の軌跡）で走査させながら被写体に照射する。そして、被写体からの戻り光（反射光や蛍光）を連続的に検出して、照明光の位置と戻り光の強度とをマッピングすることにより、被写体を画像化している。

特許文献１の光走査装置においては、光ファイバの自由端部を駆動するマイクロアクチュエータの駆動特性や光ファイバの材料力学的性質が温度に依存する。そのため、光ファイバの自由端部の振動は、光走査素子（光ファイバの自由端部及びマイクロアクチュエータを含む）が収容されるハウジング内の温度の影響を受ける。従って、撮像中にハウジング内の温度が変動すると、照明光の軌跡が歪み、撮像によって得られる画像にも歪みが生じてしまう。

そのため、特許文献１の光走査装置には、光走査素子が収容されたハウジング内の温度を通常のＰＩＤ制御により設定温度に保つ温度制御システムが設けられている。通常のＰＩＤ制御を使用した温度制御は、外部温度の変化（外乱）が比較的に小さい場合には、良好な温度制御が可能である。

光走査型内視鏡装置では、光走査素子が収容された内視鏡の挿入部を体内に挿入する際に、光走査素子の環境温度が急激に上昇し、これによりハウジング内の温度も上昇する。通常のＰＩＤ制御を行う従来の装置では、時定数の大きな積分制御による操作量（例えばヒータに入力する電圧値）が急激な温度変化に追従せずに、温度が上昇しても暫く高い操作量が維持されるために制御量のオーバーシュート（行き過ぎ量）が発生する。光走査素子には強制冷却装置が設けられていないため、オーバーシュートが解消されるまでには長時間を要し、その間、内視鏡画像の歪みが継続する。

また、特許文献２には、温度範囲に対応した複数のＰＩＤパラメータを保持し、温度に応じてＰＩＤパラメータを変更することで、環境温度が変化したときにも制御の安定性が維持される装置が開示されている。

国際公開第２００８／０３３１６８号 特開２００９−４３０８０号公報

しかしながら、特許文献２の制御方法では、ＰＩＤパラメータが切り換えられると、再び操作量が蓄積されるまで制御が不安定になる、すなわち、光走査型内視鏡装置に適用した場合、内視鏡画像の歪みが暫く継続するという問題があった。

本発明の実施形態によれば、片持ち支持された光ファイバの自由端を振動させて、自由端から出射する照明光を被写体上で周期的に走査させる走査光学ユニットを備えた光走査型内視鏡装置であって、走査光学ユニット内の温度を検出する温度センサと、走査光学ユニット内を加熱するヒータと、温度センサが検出する温度を制御量としてＰＩＤ制御計算を行い、ヒータに供給する電流の値を操作量として出力するＰＩＤ制御部と、操作量に基づいてヒータに電流を供給する電流ドライバと、を備え、ＰＩＤ制御部は、制御量と予め設定された目標値とを比較する比較手段と、比較手段によって制御量が目標値よりも大きいと判断された場合、操作量から所定の補正量を減じて新たな操作量を求め、新たな操作量を操作量として出力する操作量補正部と、を備えた光走査型内視鏡装置が提供される。

この構成によれば、制御量のオーバーシュート発生時（制御量が目標値を超えている時）に補正を行うことにより操作量が低減されるため、例えば環境温度が急変したような場合に発生する制御量のオーバーシュートが抑制され、制御量の目標値への収束時間を短縮することができる。また、ＰＩＤパラメータを変更しないため、ＰＩＤパラメータと過去の操作量とのミスマッチによる定常状態での制御の不安定化も生じない。これにより走査光学ユニット内の温度変動による内視鏡画像の歪みが抑制される。

また、操作量補正部が、次の数式１を用いて新たな操作量を求める第１補正処理を実行する第１操作量補正部を含む構成としてもよい。

但し、
ΔＭＶ_ｎ＝ＭＶ_ｎ−ＭＶ_ｎ−１
ｎ：制御番号（自然数）
Ａ：第１補正係数（正数）
ＭＶ_ｎ：今回（ｎ回目）のＰＩＤ制御計算による操作量
ＭＶ_ｎ−１：前回（ｎ−１回目）のＰＩＤ制御計算による操作量

この構成によれば、操作量の差分量ΔＭＶ_ｎに応じた補正が行われるため、制御量のオーバーシュートの程度に応じた補正が可能になり、過剰補正を防止しつつ、収束時間を短縮することができる。

また、操作量補正部が、次の数式２を用いて新たな操作量を求める第２補正処理を実行する第２操作量補正部を含む構成としてもよい。

但し、
ｎ：制御番号（自然数）
Ｂ：第２補正係数（正数）
ＭＶ_ｎ：今回（ｎ回目）のＰＩＤ制御計算による操作量

この構成によれば、第２補正係数Ｂに大きな値を設定することにより、オーバーシュートの確実かつ強力な抑制が可能になる。

また、ＰＩＤ制御部は、目標値から制御量を減じた偏差を計算する偏差計算部と、偏差が所定の負の基準値を下回っているか否かを判定する判定部と、を備え、第１操作量補正部による第１補正処理を実行し、判定部によって偏差が所定の負の基準値を下回っていると判定されたときにのみ、さらに第２操作量補正部による第２補正処理を実行するように構成されていてもよい。

この構成によれば、偏差が所定の負の基準値を下回っているときにのみ強力な操作量の補正を行い、偏差が所定の負の基準値を下回っていないときには過剰補正が起こらないような緩やかな操作量の補正を行うことが可能になり、収束時間の短縮と過剰補正のより効果的な防止を両立した制御が実現する。

また、第２操作量補正部による第２補正処理は、判定部によって偏差が最初に所定の負の基準値を下回っていると判定されたときにのみ、１回限り実行されるように構成されていてもよい。

この構成によれば、第２補正係数Ｂに大きな値を設定することにより、オーバーシュートを強力に抑制しつつ、過剰補正をより確実に防止することが可能になる。

本発明の実施形態の構成によれば、光走査型内視鏡を体内に挿入したときに発生する走査光学ユニット内の温度制御のオーバーシュートに起因する内視鏡画像の歪みを抑制する。

本発明の実施形態に係る光走査型共焦点内視鏡装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る共焦点走査光学ユニットの概略構成を示す側断面図である。 本発明の実施形態に係る温度制御システムの回路構成の概略を示すブロック図である。 温度検出回路における増幅器の効果を説明するグラフである。 温度調節回路（演算処理回路）が実行する処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る修正速度型ＰＩＤ制御の手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る修正速度型ＰＩＤ制御の手順を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る修正速度型ＰＩＤ制御の手順を示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態に係る修正速度型ＰＩＤ制御の手順を示すフローチャートである。 周辺温度を急速に変化させたときに検出されたハウジング内温度Ｔの時間変化を示すグラフである。 本発明の実施例６と比較例におけるハウジング内温度Ｔの時間変化と操作量ＭＶ_ｎの時間変化とを対比した図である。 本発明の別の実施形態に係る共焦点プローブ内蔵型電子内視鏡（先端部）の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る光走査型共焦点内視鏡装置１の概略構成を示すブロック図である。光走査型共焦点内視鏡装置１は、共焦点顕微鏡の原理を応用して設計された、被写体を高倍率かつ高解像度で観察可能な医療用観察システムである。また、光走査型共焦点内視鏡装置１は、特定のがん組織に特有の物質と選択的に結合する蛍光色素を予め観察部位に散布し、蛍光色素の励起光を観察野に照射して、がん組織に結合した蛍光色素から放射される蛍光を用いてがん組織を観察する蛍光内視鏡検査法（色素法）を行うように構成されている。

図１に示すように、光走査型共焦点内視鏡装置１は、プロセッサ１００、共焦点プローブ２００及びモニタ３００を備えている。共焦点プローブ２００は、図示しない電子内視鏡の処置具挿通チャンネルを介して、患者の体内（例えば消化管内）に挿入される可撓性を有する細長い挿入部２００ｂを備えている。光走査型共焦点内視鏡装置１を用いた内視鏡観察は、共焦点プローブ２００の挿入部２００ｂの先端面を被写体に押し付けた状態で行われる。

プロセッサ１００は、ＣＰＵ１０２、メインメモリ１０４、光源１０６、光検出器１０８、光カプラ１１０、映像信号処理回路１１２及び画像メモリ１１４を備えている。共焦点プローブ２００は、プロセッサ１００に接続される接続部（制御ボックス）２００ａ及び被検者の体内に挿入される可撓性を有する細長いケーブル状の挿入部２００ｂから構成される。挿入部２００ｂは、その先端に設けられた共焦点走査光学ユニット２２０と、共焦点走査光学ユニット２２０と接続部２００ａとを接続するケーブル部２１０から構成される。

本実施形態の共焦点プローブ２００は、電子内視鏡の処置具挿通チャンネルに通して観察野にアクセスできるよう、挿入部２００ｂの直径は約２ｍｍ（シース内径は約１．４ｍｍ）の細径に形成されている。また、ケーブル部２１０には、共焦点走査光学ユニット２２０と接続部２００ａとを接続するＳＭＦ（シングルモード光ファイバ）２１１及び複数（少なくとも合計１２本）のワイヤ２１２ａ〜ｄが収容されている。ＳＭＦ２１１の外径は約２５０μｍである。ケーブル部２１０内の狭い空間には、ＳＭＦ２１１及び多数のワイヤ２１２ａ〜ｄを収容し、且つワイヤ２１２ａ〜ｄの導体抵抗を一定水準に抑えることが要求される。そのため、各ワイヤ２１２ａ〜ｄには導体径４６ＡＷＧ（American Wire Gage）（約４０μｍ）の導体が使用され、絶縁被覆厚は大凡４０〜５０μｍに設定されている。各ワイヤ２１２ａ〜ｄの長さは５〜６ｍであり、約１００Ωの電気抵抗を有する。

なお、本実施形態の共焦点プローブ２００は、内視鏡とは別体のプローブとして構成されている。別の実施形態では、例えば図１２に示すように、共焦点プローブ２００’と内視鏡（図示しないライトガイドとＣＣＤ等の撮像素子４１０を備えた電子内視鏡）とを一体化した共焦点プローブ内蔵型内視鏡４００とすることもできる。共焦点プローブを内視鏡と一体化した構成の場合、挿入部２００ｂに相当する部分の外径は大凡３〜４ｍｍ、内径は大凡２〜３ｍｍ程度に仕上げられる。

また、接続部２００ａは、ＣＰＵ２０２、メインメモリ２０４、走査制御回路２０６及び温度調節回路２３０を備えている。プロセッサ１００と共焦点プローブ２００（接続部２００ａ）とは、光コネクタ１５２及び電気コネクタ１５４により、それぞれ光学的及び電気的に接続されている。

プロセッサ１００のＣＰＵ１０２は、プロセッサ１００の各部及び共焦点プローブ２００を統合的に制御する。また、共焦点プローブ２００のＣＰＵ２０２は、プロセッサ１００のＣＰＵ１０２による制御下で、共焦点プローブ２００の各部を統合的に制御する。

光源１０６は、観察部位に散布される蛍光色素の励起光である青色の光を発生する半導体レーザ光源である。光源１０６から出射した励起光は、ＳＭＦ１１０ａを介して、光カプラ１１０の分岐ポート（後述）の一方に入力される。

光カプラ１１０は、１つの共通ポートと２つの分岐ポートを有する１×２分岐の光カプラである。分岐ポートの一方がＳＭＦ１１０ａを介して光源１０６に接続され、他方がＳＭＦ１１０ｂを介して光検出器１０８に接続されている。また、光カプラ１１０の共通ポートは、ＳＭＦ１１０ｃを介して、共焦点プローブ２００のＳＭＦ２１１に接続されている。光源１０６から出力された励起光は、分岐ポートの一方から光カプラ１１０に入力され、共通ポートから出力される。光カプラ１１０の共通ポートから出力された励起光は、共通ポートに接続されたＳＭＦ１１０ｃを介して、光コネクタ１５２によりＳＭＦ１１０ｃに接続された共焦点プローブ２００のＳＭＦ２１１に結合する。

後述（図２）のように、共焦点プローブ２００のＳＭＦ２１１の先端（自由端２１１ａ）は、共焦点走査光学ユニット２２０内に収容されている。ＳＭＦ２１１を伝搬した励起光は、共焦点走査光学ユニット２２０から被写体（例えば消化管内壁）に照射される。被写体の組織に結合した蛍光色素は、励起光を吸収して励起し、蛍光を放射する。蛍光色素から放射された蛍光の一部（観察光）は、共焦点走査光学ユニット２２０内の自由端２１１ａに入射し、照射時の励起光の進行方向と逆向きにＳＭＦ２１１及びＳＭＦ１１０ｃを伝搬して、共通ポートから光カプラ１１０に入力される。光カプラ１１０により２分岐された観察光の一方が光検出器１０８に入力され、光検出器１０８により検出された観察光の強度に基づいて後段の映像信号処理回路１１２が蛍光観察像を形成する。

次に、共焦点プローブ２００の挿入部２００ｂの先端に設けられた共焦点走査光学ユニット２２０の詳細を説明する。図２は、共焦点走査光学ユニット２２０の概略構成を示す側断面図である。以下の共焦点走査光学ユニット２２０の説明において、共焦点走査光学ユニット２２０の長手方向（中心軸ＡＸの方向）をＺ方向とし、Ｚ方向に直交しかつ互いに直交する二方向をＸ方向及びＹ方向とする。また、共焦点走査光学ユニット２２０の長手方向（Ｚ軸方向）における、ケーブル部２１０（図１）に接続された一端（Ｚ軸負方向端）を基端といい、他端（Ｚ軸正方向端）を先端という。

図２に示すように、共焦点走査光学ユニット２２０は、ハウジング２２１、マウント部材２２２、ＸＹ軸アクチュエータ２２３、対物光学系２２４、サーミスタ２２５、ヒータ２２６、Ｚ軸アクチュエータ２２７及びＺ軸変位センサ２２８を備えている。

ハウジング２２１は、共焦点走査光学ユニット２２０を構成する各部を収容するケースであり、略円筒状の金属部材である内筒２２１Ａ及び外筒２２１Ｂを備えている。内筒２２１Ａは、外筒２２１Ｂ内に同軸に略隙間無く収容されており、外筒２２１Ｂの内周面によりガイドされて、外筒２２１Ｂ内を中心軸ＡＸ方向へスライド可能に構成されている。

内筒２２１Ａの先端部には、複数のレンズから構成される対物光学系２２４が中空部内で保持されている。また、内筒２２１Ａの内周面には、ＸＹ軸アクチュエータ２２３を同軸に支持するマウント部材２２２が取り付けられている。

ＸＹ軸アクチュエータ２２３は、その中空部にＳＭＦ２１１の一部（自由端部２１１ｂに隣接する部分）が挿し込まれて接着固定された略円筒形状の圧電素子２２３ａと、この圧電素子２２３ａの外周面に設けられた図示しない２組の電極対（Ｘ軸駆動用電極対、Ｙ軸駆動用電極対）を備えている。ＳＭＦ２１１の先端部（自由端部）２１１ｂは、ＸＹ軸アクチュエータ２２３の先端から所定の長さ突出し、ＸＹ軸アクチュエータ２２３により片持ち支持されている。ＸＹ軸アクチュエータ２２３は、逆圧電効果により、Ｘ軸駆動用電極対にＸ軸駆動電圧を印加するとＸ軸方向に（Ｙ軸周りに）湾曲し、Ｙ軸駆動用電極対にＹ軸駆動電圧を印加するとＹ軸方向に（Ｘ軸周りに）湾曲するように構成されている。ＸＹ軸アクチュエータ２２３の湾曲駆動により、片持ち支持されたＳＭＦ２１１の自由端部２１１ｂが揺動するように構成されている。

ＳＭＦ２１１を伝搬した励起光は、自由端２１１ａから出射する。なお、ＳＭＦ２１１の自由端２１１ａにおいて、励起光は直径数μｍのコアに閉じ込められており、ＳＭＦ２１１の自由端２１１ａにおけるコアは共焦点光学系の点光源（光源側ピンホール）として機能する。また、ＳＭＦ２１１の自由端２１１ａは、自由端２１１ａから放射される励起光の発散角が小さく（理想的には平行光に）なるように、球面状に成形されている。自由端２１１ａから出射した励起光は、対物光学系２２４によって集光されて、共焦点走査光学ユニット２２０の外部でスポット（集光点）を形成する。励起光のスポットは対物光学系２２４の直近に形成されるため、被写体に共焦点プローブ２００の先端を押し当てると、被写体の表層部に励起光のスポットが照射される。

ＸＹ軸アクチュエータ２２３に供給されるＸ軸駆動電圧及びＹ軸駆動電圧は、モニタ３００に出力されるビデオ信号のフレームレートに同期した交流電圧である。Ｘ軸駆動電圧及びＹ軸駆動電圧をＸＹ軸アクチュエータ２２３に印加することにより、ＳＭＦ２１１の自由端２１１ａ（そして、自由端２１１ａから放射された励起光のスポット）がＺ軸に垂直なＸＹ平面上で所定の軌跡を描いて走査するようにＸＹ軸アクチュエータ２２３が駆動される。なお、厳密には、自由端２１１ａ（励起光のスポット）は曲面上に走査軌跡を描くが、ＳＭＦ２１１の自由端部２１１ｂの長さに対する自由端２１１ａの走査幅が十分に小さいため、自由端２１１ａ（励起光のスポット）がＺ軸と垂直なＸＹ平面上を走査するものと近似することができる。

Ｘ軸駆動電圧及びＹ軸駆動電圧の波形を変更することにより、スポットの走査軌跡を様々に変えることができる。二次元走査方式としては、例えば、中心軸ＡＸを中心とした螺旋軌道を走査するスパイラル走査、走査範囲の水平方向を往復走査するラスタスキャン方式、走査範囲を正弦波的に走査するリサージュスキャン方式など、種々の走査方式を採用することができる。

外筒２２１Ｂの基端部には内側に突出した基端壁部２２１Ｂｗが設けられており、内筒２２１Ａの基端面２２１Ａｆと外筒２２１Ｂの基端壁部２２１Ｂｗとが、Ｚ軸アクチュエータ２２７及びＺ軸変位センサ２２８によって連結されている。Ｚ軸アクチュエータ２２７は、外筒２２１Ｂ（及び外筒２２１Ｂの先端が押し当てられた被写体）に対して内筒２２１ＡをＺ軸方向（被写体の深さ方向）に移動させることで、共焦点走査光学ユニット２２０の走査面（すなわち観察面）の深度を調整する。

Ｚ軸アクチュエータ２２７は、ニチノール（Ｎｉ−Ｔｉ合金）等の形状記憶合金から形成された棒状部材であり、通電加熱時に発生する形状回復力により長手方向（Ｚ軸方向）に伸長するように構成されている。Ｚ軸アクチュエータ２２７は、一対のワイヤ２１２ａ２（２１２ａ）によって接続部２００ａ内の走査制御回路２０６に接続されており、走査制御回路２０６から供給されるＺ軸駆動電流によって通電加熱されて、Ｚ軸方向に伸長する。なお、Ｚ軸アクチュエータ２２７は、上記の形状記憶合金を使用したものに限らず、他の駆動機構（例えば、ナットに設けられた圧電素子を振動させることで送りねじを駆動する機構）を用いた各種リニアアクチュエータを使用することができる。

Ｚ軸変位センサ２２８は、細径の絶縁電線から形成された二重コイルがウレタン等の伸縮性を有する樹脂に埋め込まれた略円柱状の素子であり、長さ（Ｚ軸方向寸法）に応じて２つのコイル間の静電容量が変化するように構成されている。Ｚ軸変位センサ２２８の長さ（伸縮量）と静電容量との関係は予め測定されており、走査制御回路２０６内のメモリ（不図示）にルックアップテーブルとして格納されている。Ｚ軸変位センサ２２８は、一対のワイヤ２１２ｂによって接続部２００ａ内の走査制御回路２０６に接続されている。走査制御回路２０６内に設けられたＺ軸変位計測回路（不図示）によりＺ軸変位センサ２２８の静電容量が計測され、当該静電容量がルックアップテーブルを用いてＺ軸変位センサ２２８の長さに変換される。なお、Ｚ軸変位センサ２２８は、上記の二重コイルを使用したものに限らず、他の検出機構を用いた各種位置センサ（例えば、ホール素子）を使用することができる。

また、Ｚ軸アクチュエータ２２７は、非加熱時においては、Ｚ軸方向における自然長がＺ軸変位センサ２２８よりも少し長く形成されており、また軟らかいマルテンサイト相を示すため、Ｚ軸変位センサ２２８による圧縮力を受けて自然長よりも短くなる。Ｚ軸アクチュエータ２２７を通電加熱すると、硬いオーステナイト相への逆変態が起こり、強い形状回復力が発生してＺ軸アクチュエータ２２７が伸長する。

走査制御回路２０６は、Ｚ軸変位センサ２２８の長さがＣＰＵ２０２から指定された設定値となるように、Ｚ軸アクチュエータ２２７に供給するＺ軸駆動電流を調節する。これにより、Ｚ軸方向における外筒２２１Ｂに対する内筒２２１Ａの位置（すなわち、励起光のスポットの位置）が制御され、励起光のスポット走査面の深度（すなわち、光走査型共焦点内視鏡装置１によって観察される観察面の深度）が調節される。

メインメモリ２０４（図１）は、共焦点プローブ２００の識別情報や各種特性に関する情報（プロパティ）を含むプローブ情報を格納している。ＣＰＵ２０２は、システム起動時にメインメモリ２０４からプローブ情報を読み出して、共焦点プローブ２００とプロセッサ１００とを電気的に接続する電気コネクタ１５４を介してＣＰＵ１０２に送信する。ＣＰＵ１０２は、ＣＰＵ２０２から受信したプローブ情報をメインメモリ１０４に格納する。ＣＰＵ１０２は、メインメモリ１０４に格納したプローブ情報を必要に応じて読み出し、共焦点プローブ２００の制御に必要な信号を生成して、ＣＰＵ２０２に送信する。ＣＰＵ２０２は、ＣＰＵ１０２からの制御信号に従ってＸＹ軸アクチュエータ２２３及びＺ軸アクチュエータ２２７を駆動するための設定値を計算して、走査制御回路２０６に送信する。

走査制御回路２０６は、ＣＰＵ２０２から受信した設定値に応じてＸ軸駆動電圧、Ｙ軸駆動電圧及びＺ軸駆動電流を生成し、ワイヤ２１２ａ（２１２ａ１、２１２ａ２）を介して、共焦点走査光学ユニット２２０に供給する。具体的には、走査制御回路２０６は、ＸＹ軸アクチュエータ２２３を駆動するＸ軸駆動電圧及びＹ軸駆動電圧を、２対のワイヤ２１２ａ１を介してＸＹ軸アクチュエータ２２３に供給し、Ｚ軸アクチュエータ２２７を駆動するＺ軸駆動電流を、１対のワイヤ２１２ａ２を介してＺ軸アクチュエータ２２７に供給する。また、走査制御回路２０６は、Ｚ軸変位センサ２２８によって検出されたＺ軸アクチュエータ２２７の長さに基づいて、Ｚ軸駆動電流をフィードバック制御する。走査制御回路２０６は、ＸＹ軸アクチュエータ２２３による自由端２１１ａのＸＹ平面上での周期的な駆動とＺ軸アクチュエータ２２７によるＺ軸方向の進退とを併せることにより、励起光のスポットを三次元走査する。

ＸＹ軸アクチュエータ２２３の特性やＳＭＦ２１１の材料力学的性質に温度依存性があるため、自由端２１１ａの軌跡はＸＹ軸アクチュエータ２２３の周辺温度（ハウジング内温度）Ｔの影響を受ける（すなわち、温度特性を有する）。そのため、ハウジング内温度Ｔを一定温度（例えば、４１℃）に調節できるよう、共焦点走査光学ユニット２２０にはサーミスタ（ＮＴＣサーミスタ）２２５及びヒータ（コイルヒータ）２２６が設けられている（図２）。サーミスタ２２５及びヒータ２２６は、それぞれ一対のワイヤ２１２ｃ及び２１２ｄを介して、接続部２００ａ内に配置された温度調節回路２３０に接続されている。そして、温度調節回路２３０によってハウジング内温度Ｔの制御が行われるようになっている。温度調節回路２３０による温度調節の詳細は後述する。

上述のように、被写体に励起光が照射されると、被写体の組織に結合した蛍光色素が励起光を吸収して励起し、蛍光を放射する。蛍光色素から放射された蛍光の一部（観察光）は、共焦点走査光学ユニット２２０の対物光学系２２４に入射し、ＳＭＦ２１１の自由端２１１ａに集光される。ＳＭＦ２１１の自由端２１１ａにおけるコアの位置と、励起光のスポットの位置とは共役関係にあるため、励起光のスポットの位置で発生した蛍光のみがＳＭＦ２１１の自由端２１１ａにおけるコアに集光し、観察光としてＳＭＦ２１１を伝搬して、光検出器１０８によって検出される。すなわち、ＳＭＦ２１１の自由端２１１ａにおけるコアは、共焦点光学系の光検出器側ピンホールとしても機能する。また、この構成により、励起光の微小なスポット位置で発生した蛍光のみが選択的に検出されるため、極めて位置分解能が高く、迷光等によるノイズの少ない観察像の取得が可能になる。

光検出器１０８は、検出した観察光の強度に応じた光検出信号を出力する。光検出信号は、映像信号処理回路１１２に入力される。映像信号処理回路１１２は、光検出信号を一定のレートでサンプルホールド及びＡＤ変換して点像のデジタル画素信号を生成する。デジタル画素信号のサンプリングは、励起光の走査と同期して行われるため、各サンプリング期間における励起光のスポットの位置と、その位置から放射された蛍光の強度（デジタル画素信号）とが対応づけられる。映像信号処理回路１１２は、この画素に対応する画像メモリ１１４のアドレスに、デジタル画素信号を格納する。このように、映像信号処理回路１１２は、各点像の空間的配列によって構成される三次元画像データを画像メモリ１１４に格納する。また、映像信号処理回路１１２は、画像メモリ１１４から三次元画像データを読み出し、三次元画像データからＣＰＵ１０２から指定された深さ（Ｚ軸座標）における２次元画像データを切り出して、画像メモリ１１４にバッファリングする。

バッファリングされた２次元画像データは、所定のタイミングで画像メモリ１１４から掃き出されて、所定の規格に準拠したビデオ信号に変換された後、モニタ３００に出力される。そして、モニタ３００は、プロセッサ１００が出力したビデオ信号に基づいて、被写体の画像（内視鏡画像）を画面に表示する。

次に、ＸＹ軸アクチュエータ２２３の温度を制御するための温度制御システムについて説明する。図３は、本発明の第１実施形態に係る光走査型内視鏡用温度制御システムＴＣ（以下、単に「温度制御システムＴＣ」という。）の回路構成の概略を示すブロック図である。温度制御システムＴＣは、主に、共焦点プローブ２００の接続部２００ａに設けられた温度調節回路２３０と、共焦点走査光学ユニット２２０に設けられたサーミスタ２２５及びヒータ２２６から構成される。また、温度制御システムＴＣを構成する回路は、サーミスタ２２５を使用してハウジング内温度Ｔを検出する温度検出回路ＴＤと、ヒータ２２６を駆動するヒータ駆動回路ＨＤに大別することができる。温度調節回路２３０は、ＬＤＯ（低ドロップアウトレギュレータ）２３２、ＡＤコンバータ２３３、演算処理回路２３４、ＤＡコンバータ２３５及び電流ドライバ２３６を備えている。演算処理回路２３４は、温度検出回路ＴＤが検出したハウジング内温度Ｔに基づいて、ヒータ２２６に供給する駆動電流−ＩｄのＰＩＤ（Proportional Integral and Differential）制御を行う。また、温度調節回路２３０には、４つの端子２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ及び２３０ｄが設けられている。端子２３０ａ及び２３０ｂには、１対のワイヤ２１２ｃを介してサーミスタ２２５が接続されており、端子２３０ｃ及び２３０ｄには、１対のワイヤ２１２ｄを介してヒータ２２６が接続されている。

端子２３０ｂには、ＬＤＯ２３２が接続されている。ＬＤＯ２３２は、低いドロップアウト電圧（入出力間の電圧差）で動作する三端子レギュレータであり、サーミスタ２２５に高精度の定電圧Ｖ_ｃｃを供給する。ＬＤＯ２３２を用いることにより、サーミスタ２２５による温度の検出精度が向上する。なお、定電圧源Ｖ_０（共焦点プローブ２００のシステム電源）から必要な精度の電圧が供給される場合には、ＬＤＯ２３２を設けなくても良い。

端子２３０ａには、増幅器２３１ａを介してＡＤコンバータ２３３が接続されており、端子２３０ａの電位Ｖ_ａは、増幅器２３１ａにより処理された後、ＡＤコンバータ２３３によりデジタル信号に変換されて、演算処理回路２３４に入力される。

図４は増幅器２３１ａの効果を説明するグラフである。具体的には、図４（ａ）はハウジング内温度Ｔと端子２３０ａの電位Ｖ_ａとの関係を示すグラフであり、図４（ｂ）はハウジング内温度Ｔと増幅器２３１ａの出力電圧Ｖ_ａ’との関係を示すグラフである。図４（ａ）に示すように、ハウジング内温度Ｔの変化（Ｔ_１→Ｔ_２）に対する電位Ｖ_ａの変化量は小さい。そのため、ＡＤコンバータ２３３に電位Ｖ_ａを直接入力すると、ハウジング内温度Ｔを高い分解能で計測することができない。図４（ｂ）に示すように、増幅器２３１ａを通すことにより、同じ温度変化（Ｔ_１→Ｔ_２）でも大きな出力電圧Ｖ_ａ’の変化が生じるため、ハウジング内温度Ｔを高い分解能で計測することが可能になる。また、増幅器２３１ａは、電位Ｖ_ａを所定の利得で増幅すると共に、オフセット電圧を与える機能も備えている。これにより、高い利得に設定しても、出力電圧Ｖ_ａ’の範囲をＡＤコンバータ２３３のダイナミックレンジ内に収めることが可能になり、ハウジング内温度Ｔをより高い分解能で計測することが可能になる。なお、必ずしも増幅器２３１ａを設ける必要は無く、高い温度検出確度が必要な場合には増幅器２３１ａを設けない方が有利な場合もある。

端子２３０ａは、抵抗Ｒ_ｖを介してグランドに接続されている。従って、サーミスタ２２５の抵抗値をＲ_ｔとすると、端子２３０ａの電位Ｖ_ａは次の数式３により表される。

従って、サーミスタ２２５の抵抗値Ｒ_ｔは、数式３を変形した次の数式４により表される。

演算処理回路２３４は、増幅器２３１ａの利得及びオフセット電圧の値を用いて、ＡＤコンバータ２３に入力された増幅器２３１ａの出力電圧Ｖ_ａ’から端子２３０ａの電位Ｖ_ａを計算し、更に数式４によりサーミスタ２２５の抵抗値Ｒ_ｔを計算する。更に、演算処理回路２３４は、次の数式５を用いて、サーミスタ２２５の抵抗値Ｒ_ｔからＸＹ軸アクチュエータ２２３のハウジング内温度Ｔを計算する。なお、数式５における定数Ｂはサーミスタ２２５の特性係数であり、定数Ｒ_０は温度Ｔ_０における抵抗値である。定数Ｂ、Ｒ_０及びＴ_０は、予め実験的に取得され、演算処理回路２３４内のメモリ（不図示）に格納されている。

演算処理回路２３４は、このようにして取得したＸＹ軸アクチュエータ２２３のハウジング内温度Ｔに基づいて、ＸＹ軸アクチュエータ２２３のハウジング内温度Ｔ（制御量Ｙ_ｎ、但し、ｎは制御番号）が設定温度Ｔ_Ｓ（目標値Ｒ_ｎ）に保たれるように、ヒータ２２６に流す駆動電流−Ｉｄを制御する。具体的には、演算処理回路２３４は、ヒータ２２６に流すべき駆動電流−Ｉｄに対応するデジタル値（後述する操作量ＭＶ_ｎのデジタル値）を制御信号として出力する。すなわち、本実施形態の温度制御システムＴＣは、ヒータ２２６に供給する電力を、電流制御方式によって制御する。なお、本実施形態では、演算処理回路２３４は、１２ビット符号無し整数（０〜４０９５）の制御信号を出力するように構成されている。なお、制御信号のビット数は、必要な駆動電流−Ｉｄの分解能等に応じて適宜設定される。

演算処理回路２３４の出力は、ＤＡコンバータ２３５を介して電流ドライバ２３６に接続されている。ＤＡコンバータ２３５は、定電圧源Ｖ_０から給電を受けて、演算処理回路２３４が出力した制御信号（駆動電流量の大きさを示すデジタル信号）をアナログ電圧信号（０〜Ｖ_０）に変換して出力する。電流ドライバ２３６は、負の印加電圧−Ｖ_０で駆動され、ＤＡコンバータ２３５が出力したアナログ電圧信号に応じて駆動電流−Ｉｄを出力する（すなわち電流Ｉｄを吸い込む）。電流ドライバ２３６の出力は、ＰＴＣサーミスタ２３７を介して、端子２３０ｄに接続されている。また、端子２３０ｃはグランドに接続されている。従って、電流ドライバ２３６が出力した駆動電流−Ｉｄは、ＰＴＣサーミスタ２３７及びワイヤ２１２ｄを介して、ヒータ２２６に供給される。

本実施形態においては、電流ドライバ２３６と端子２３０ｄとの間に電流制限器としてＰＴＣサーミスタ２３７等の抵抗体を設けることにより、駆動電流−Ｉｄが流れるワイヤ２１２ｄ等の配線部に短絡が生じても一定量以上の電流が流れないようになっている。特に、ＰＴＣサーミスタ２３７は、温度の上昇（ジュール熱の発生）に伴って抵抗値が増大する性質を有しており、ｍＡ（ミリアンペア）単位での優れた電流制限（過電流防止）効果を発揮する。また、ＰＴＣサーミスタ２３７は、電流量が減少して温度が低下すると、元の抵抗値に戻り、繰り返し使用することができる。なお、ＰＴＣサーミスタ２３７に替えてヒューズや通常の固定抵抗器を使用することもできる。

本実施形態では、細径（例えば、導体径４６ＡＷＧ）且つ長尺（例えば５ｍ以上）のワイヤ２１２ａ〜ｄが使用されるため、配線抵抗のバラツキが大きい。本実施形態の温度制御システムＴＣは、従来の電圧制御に替えて電流制御を行うため、配線抵抗の大きなバラツキによらず、ヒータ２２６に供給する電力を正確に制御することができる。

また、本実施形態においては、電流制御を行うため、配線部に短絡が生じても、演算処理回路２３４が暴走しない限りは、電流ドライバ２３６が過電流を出力することがない。

また、本実施形態の共焦点プローブ２００を含むＳＦＥ（Scanning Fiber Endoscope）では、狭い挿入部２００ｂ内にＳＭＦ２１１及び多数のワイヤ２１２ａ〜ｄを収容するため、ワイヤ２１２ａ〜ｄの絶縁被覆が極めて薄く形成されている。例えば、本実施形態では、挿入部２００ｂの外径が約２ｍｍ（内視鏡一体型の場合は約３．５ｍｍ）であり、内径約１．４ｍｍ（内視鏡一体型の場合は約２．５ｍｍ）のシース内に、外径０．２５ｍｍのＳＭＦ２１１と、導体径ＡＷＧ４６（約０．０４ｍｍ）のワイヤ２１２ａ〜ｄを複数（少なくとも合計１２本）収容する必要があり、ワイヤ２１２ａ〜ｄの絶縁被覆厚が大凡４０〜５０μｍに設定されている。そのため、例えば挿入部２００ｂが繰り返し屈曲されることにより、例えば、挿入部２００ｂ内で撚り合わされたワイヤ２１２ａ〜ｄ同士が擦れるため、絶縁被覆が剥離してワイヤ２１２ａ〜ｄ間等で短絡が発生し易い。また、各ワイヤ２１２ａ〜ｄの条長は５ｍ以上と長く、本数も多いため、短絡が発生する頻度が少なくない。本実施形態には、上記のような過電流を防止する様々な仕組みが導入されているため、ヒータ２２６の配線部に短絡が生じても、過電流による損傷の拡大が防止される。

なお、絶縁被覆厚が５０μｍ以下になると剥離の発生頻度が増える。従って、このように薄い絶縁被覆厚のワイヤを使用する場合には、上述した過電流防止の仕組みの導入が特に有効である。また、挿入部２００ｂの外径が約４ｍｍ（内径が約３ｍｍ）以下になると、シース内に収容されるワイヤの密度が高く（ワイヤ間の隙間が狭く）なり、絶縁被覆の剥離が発生しやすくなる。そのため、上述した過電流防止の仕組みの導入により顕著な効果が得られる。

次に、温度調節回路２３０の演算処理回路２３４によって実行される、ハウジング内温度Ｔの制御の手順について説明する。図５は、演算処理回路２３４が実行する処理の手順を示すフローチャートである。演算処理回路２３４は、まずＡＤコンバータ２３３から所定の変換サイクルで連続的に出力される端子２３０ａの電位Ｖ_ａのデジタル値を取得し（Ｓ１）、直近の予め設定された個数のデジタル値Ｖ_ａの平均（移動平均）を計算する平滑化処理を行う（Ｓ２）。

次に、演算処理回路２３４は、数式４を用いて、平滑化した電位値Ｖ_ａをサーミスタ２２５の抵抗値Ｒ_ｔに変換し（Ｓ３）、更に、数式５を用いて、抵抗値Ｒ_ｔを温度偏差ΔＴに変換する（Ｓ４）。但し、温度偏差ΔＴは、サーミスタ２２５によって検出されるハウジング内温度Ｔ（制御量Ｙ_ｎ）と設定温度Ｔ_Ｓ（目標値Ｒ_ｎ）との差分Ｔ−Ｔ _Ｓ 、すなわち偏差ｅ_ｎ＝Ｙ_ｎ−Ｒ_ｎである。

なお、演算処理回路２３４は、温度偏差計算部２３４ａ及びＰＩＤ制御部２３４ｂを備えており、以上の処理Ｓ１〜Ｓ４は温度偏差計算部２３４ａにより行われ、以下に説明する処理Ｓ５〜Ｓ８はＰＩＤ制御部２３４ｂにより行われる。

次に、ハウジング内温度Ｔを用いて後述の修正速度型ＰＩＤ制御を行い（Ｓ５）、修正速度型ＰＩＤ制御Ｓ５の結果得られた操作量ＭＶ_ｎをＤＡコンバータ２３５に出力する（Ｓ６）。

次に、ＣＰＵ２０２から制御終了の指令が出されているか否かを判断し（Ｓ７）、制御終了の指令が出されていなければ（Ｓ７：ＮＯ）、制御番号ｎをインクリメントしてから（Ｓ８）、処理Ｓ１に戻る。ＣＰＵ２０２から制御終了の指令が出される（Ｓ７：ＹＥＳ）まで、上記の処理Ｓ１〜Ｓ８が繰り返し実行される。

次に、本発明の実施形態に係る修正速度型ＰＩＤ制御Ｓ５について説明する。図６は、修正速度型ＰＩＤ制御Ｓ５の手順を示すフローチャートである。本発明の第１実施形態に係る修正速度型ＰＩＤ制御Ｓ５は、通常のＰＩＤ制御における手順の一部を変更することで、非定常外乱に対する制御系の安定性を向上させた制御方法である。

通常のＰＩＤ制御の操作量ＭＶ_ｎは次の数式６により与えられる。

但し、
n：制御番号
P_n：比例制御による操作量
I_n：積分制御による操作量
D_n：微分制御による操作量
K_p：比例ゲイン
Δt：制御間隔
e_n：偏差
T_i：積分時間
T_d：微分時間

上記の数式６より、通常の速度型ＰＩＤ制御における操作量ＭＶ_ｎの差分値ΔＭＶ_ｎを与える次の数式７が得られる。

修正速度型ＰＩＤ制御Ｓ５では、処理Ｓ４で取得した偏差ｅ_ｎに基づいて、先ず上記の数式７を用いて操作量の差分値ΔＭＶ_ｎが計算される（Ｓ５１）。なお、本実施形態では、ΔＭＶ_ｎは整数型の変数として定義されており、数式７の計算結果を小数点以下で四捨五入した値がΔＭＶ_ｎに入力される。

そして、次の数式８を用いて操作量ＭＶ_ｎが計算される（Ｓ５２）。

次に、ハウジング内温度Ｔ（制御量Ｙ_ｎ）が設定温度Ｔ_Ｓ（目標値Ｒ_ｎ）を超えているか否か、すなわち、偏差ｅ_ｎ＝Ｒ_ｎ−Ｙ_ｎの正負が判定される（Ｓ５３）。ハウジング内温度Ｔが設定温度Ｔ_Ｓを超えている場合（すなわち、操作量Ｙ_ｎのオーバーシュート時）には、偏差ｅ_ｎは負となる（Ｓ５３：ＹＥＳ）。この場合、制御量ＭＶ_ｎの第１補正処理が行われる（Ｓ５４）。第１補正処理Ｓ５４は、操作量の差分値ΔＭＶ_ｎを定数（第１補正係数Ａ）倍したものを操作量ＭＶ_ｎに加える処理である。すなわち、第１補正処理Ｓ５４は、次の数式９により行われる。

第１補正係数Ａは、ＰＩＤパラメータと同様に、予め実験的に、或いはシミュレーションにより求められる値である。なお、第１補正係数Ａは正の整数であり、また、この時（オーバーシュート時）の差分値ΔＭＶ_ｎは負の値であるため、第１補正処理Ｓ５４は、操作量ＭＶ_ｎ（すなわち、ヒータ２２６に供給する駆動電流−Ｉｄ）を通常のＰＩＤ制御における操作量よりも低減する処理となる。

第１補正処理Ｓ５４の後に、修正速度型ＰＩＤ制御Ｓ５における最終処理であるリミット処理Ｓ５８が行われる。また、ハウジング内温度Ｔ（制御量Ｙ_ｎ）が設定温度Ｔ_Ｓ（目標値Ｒ_ｎ）よりも低く、偏差ｅ_ｎ＝Ｒ_ｎ−Ｙ_ｎがゼロ以上の値となる場合には（Ｓ５３：ＮＯ）、補正処理Ｓ５４を飛ばして、リミット処理Ｓ５８が行われる。

リミット処理Ｓ５８は、操作量ＭＶ_ｎ（整数）の値を、演算処理回路２３４が出力可能な制御信号の数値範囲内（自然数０〜４０９５）の値に変更する処理である。具体的には、ＭＶ_ｎ＜０の場合にはＭＶ_ｎ＝０に変更し、４０９５＜ＭＶ_ｎの場合にはＭＶ_ｎ＝４０９５に変更する。

本実施形態の温度制御システムＴＣのように強制冷却手段を備えていない制御系においては、オーバーシュートが発生すると、ハウジング内温度Ｔ（制御量Ｙ_ｎ）が設定温度Ｔ_Ｓ（目標値Ｒ_ｎ）に収束するまでに長時間を要する。また、熱の伝達速度が遅いため、外乱の影響がハウジング内温度Ｔの変化となって現れるまでの時間は、温度制御システムＴＣの処理サイクルに比べて格段に長い。そのため、外乱の影響が伝わるまでの間に出力される大きな操作量ＭＶ_ｎによって制御量Ｙ_ｎのオーバーシュートが促進されることが多い。本実施形態では、オーバーシュート時に、操作量ＭＶ_ｎを低減する第１補正処理Ｓ５４を行うことで、設定温度Ｔ_Ｓ（目標値Ｒ_ｎ）への収束時間が短縮される。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下に説明する本発明の第２、第３及び第４実施形態の構成は、それぞれ修正速度型ＰＩＤ制御処理Ｓ５のみが上述した第１実施形態の構成と異なる。以下の第２、第３及び第４実施形態の説明においては、第１実施形態と共通する構成要素に対しては同一又は対応する符号を使用して、詳細な説明を省略する。

図７は、本発明の第２実施形態に係る修正速度型ＰＩＤ制御Ｓ５の手順を示すフローチャートである。第２実施形態の修正速度型ＰＩＤ制御Ｓ５（図７）は、第１実施形態における操作量ＭＶ_ｎの第１補正処理Ｓ５４（図６）に替えて操作量ＭＶ_ｎの第２補正処理Ｓ５７を行う点で第１実施形態のものと異なる。本実施形態の第２補正処理Ｓ５７では、オーバーシュート時に操作量ＭＶ_ｎから一定値（第２補正係数Ｂ）を引くことで、操作量ＭＶ_ｎを低減して、ハウジング内温度Ｔ（制御量Ｙ_ｎ）の設定温度Ｔ_Ｓ（目標値Ｒ_ｎ）への収束を促進する処理である。すなわち、第２実施形態では、次の数式１０により第２補正処理Ｓ５７が行われる。なお、第２補正係数Ｂは正の整数である。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図８は、本発明の第３実施形態に係る修正速度型ＰＩＤ制御Ｓ５の手順を示すフローチャートである。第３実施形態の修正速度型ＰＩＤ制御Ｓ５は、操作量ＭＶ_ｎの第１補正処理Ｓ５４の後段に条件判断処理Ｓ５５及び操作量ＭＶ_ｎの第２補正処理Ｓ５７が追加された点で第１実施形態の修正速度型ＰＩＤ制御Ｓ５（図６）と異なる。

具体的には、第３実施形態（図８）では、第１実施形態と同じく、上述の数式９による操作量ＭＶ_ｎの第１補正処理Ｓ５４が行われる。

次に、偏差ｅ_ｎ＝Ｒ_ｎ−Ｙ_ｎが予め設定された基準値−Ｃ未満であるか否かが判定される（Ｓ５５）。基準値−Ｃは、ＰＩＤパラメータと同様に、予め実験的に、或いはシミュレーションにより求められる負の整数値である。偏差ｅ_ｎが基準値−Ｃ未満であれば（Ｓ５５：ＹＥＳ）、オーバーシュート量が大きいと判断されるため、更に操作量ＭＶ_ｎを低減する第２補正処理Ｓ５７が行われる。本実施形態における操作量ＭＶ_ｎの第２補正処理Ｓ５７は、上述した第２実施形態のものと同じ処理である。

第２補正処理Ｓ５７の次に、リミット処理Ｓ５８が行われる。また、偏差ｅ_ｎが基準値−Ｃ以上であれば（Ｓ５５：ＮＯ）、オーバーシュート量が小さいと判断されるため、第２補正処理Ｓ５７は行われずに、リミット処理Ｓ５８が行われる。

オーバーシュートが大きい場合に追加的に操作量ＭＶ_ｎの第２補正処理Ｓ５７を行う構成により、大きなオーバーシュートが発生した場合の設定温度Ｔ_Ｓ（目標値Ｒ_ｎ）への収束時間が更に短縮される。また、この構成の場合には、第１補正処理Ｓ５４の第１補正係数Ａを、基準値−Ｃ以下の小さなオーバーシュートに適合させて、小さな値に設定することができるため、過剰補正が発生しにくくなっている。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図９は、本発明の第４実施形態に係る修正速度型ＰＩＤ制御Ｓ５の手順を示すフローチャートである。第４実施形態の修正速度型ＰＩＤ制御Ｓ５は、条件判断処理Ｓ５５と第２補正処理Ｓ５７の間に、条件判断処理Ｓ５６が追加された点で上述した第３実施形態の修正速度型ＰＩＤ制御Ｓ５（図８）と異なる。

具体的には、第４実施形態では、オーバーシュート量が大きく、偏差ｅ_ｎが基準値−Ｃ未満となった場合に（Ｓ５５：ＹＥＳ）、条件判断処理Ｓ５６が行われる。条件判断処理Ｓ５６では、偏差ｅ_ｎの第２補正処理Ｓ５７が未だ実行されていないか否かが判定される。第２補正処理Ｓ５７が一度も実行されていない場合は（Ｓ５６：ＹＥＳ）、第２補正処理Ｓ５７が実行される。また、偏差ｅ_ｎの第２補正処理Ｓ５７が既に一度実行されている場合には（Ｓ５６：ＮＯ）、偏差ｅ_ｎの第２補正処理Ｓ５７が行われずに、リミット処理Ｓ５８が行われる。すなわち、本実施形態の修正速度型ＰＩＤ制御Ｓ５では、大きなオーバーシュートが発生した場合に、第２補正処理Ｓ５７が１回のみ行われるように構成されている。

一般に、ＰＩＤ制御等のフィードバック制御においては、操作量ＭＶ_ｎに対して制御量Ｙ_ｎが応答するまでにタイムラグが生じる。特に、熱の伝達速度は、温度調節回路２３０による処理サイクルに比べて格段に遅い。また、第２補正係数Ｂは、大きなオーバーシュートが早期に解消されるように大きな値が設定されるため、第２補正処理Ｓ５７を複数回実行すると過剰補正になる可能性が高い。そのため、第４実施形態では、第２補正処理Ｓ５７を１回のみ実行する構成により、過剰補正を防止している。

次に、上述した本発明の各実施形態の実施例について、比較例と共に説明する。表１は、実施例１〜６及び比較例における操作量ＭＶ_ｎの補正処理のパラメータ（第１補正処理Ｓ５４（数式９）の第１補正係数Ａ、第２補正処理Ｓ５７（数式１０）の第２補正係数Ｂ、及び条件判定処理Ｓ５５の基準値−Ｃの絶対値）の一覧である。なお、ＰＩＤパラメータは、各実施例及び比較例において同じパラメータを使用した。

表１に示すように、実施例１、２は本発明の第１実施形態の実施例であり、実施例３、４は本発明の第２実施形態の実施例であり、実施例５は本発明の第３実施形態の実施例であり、実施例６は本発明の第４実施形態の実施例である。また、比較例は、操作量ＭＶ_ｎの補正処理を行わない通常のＰＩＤ制御（具体的には、図６〜図９のフローチャートにおける処理Ｓ５３〜Ｓ５７の処理を省いた制御）を行った実験例である。

図１０は、実施例１〜６及び比較例において、ハウジング内温度Ｔの制御中に、共焦点走査光学ユニット２２０の環境温度Ｔ_Ｅを低温（１０℃）から高温（３８．５℃）に急速に変化させたときに検出されたハウジング内温度Ｔの時間変化を示すグラフである。環境温度Ｔ_Ｅの上昇を開始した時刻を０秒としている。

比較例（波形Ｃ）では、環境温度Ｔ_Ｅの上昇後、ハウジング内温度Ｔが設定温度Ｔ_Ｓ（４１℃）を大きく上回る４７℃付近まで上昇し（オーバーシュート量：約６℃）、また、設定温度Ｔ_Ｓに収束するまでに約３２０秒の長い収束時間を要した。

第１実施形態の実施例１（波形Ｅ１）では、比較例（波形Ｃ）に対して大幅にオーバーシュートが低減した。具体的には、実施例１のオーバーシュート量は約４℃であり、比較例よりも約２℃低下した。また、設定温度Ｔ_Ｓへの収束時間は約２５０秒であり、比較例よりも約７０秒短縮された。

第１実施形態の実施例２（波形Ｅ２）では、実施例１（波形Ｅ１）よりも更にオーバーシュートが低減した。具体的には、実施例２のオーバーシュート量は約２．７℃であり、比較例よりも約３℃低下した。また、設定温度Ｔ_Ｓへの収束時間は約２１０秒であり、比較例よりも約１１０秒短縮された。

第２実施形態の実施例３（波形Ｅ３）及び実施例４（波形Ｅ４）では、オーバーシュートは実施例２（波形Ｅ２）よりも更に大幅に低減した。具体的には、実施例３と実施例４のオーバーシュート量は約１．５℃であり、比較例よりも約４℃以上低下した。しかしながら、過剰補正により約−９℃の大きなアンダーシュートが発生した。実施例３及び実施例４の設定温度Ｔ_Ｓへの収束時間は共に約２２０秒であり、比較例よりも約１００秒短縮された。

第３実施形態の実施例５（波形Ｅ５）では、実施例２（波形Ｅ２）と同程度にオーバーシュートが低減した。

第４実施形態の実施例６（波形Ｅ６）では、実施例２（波形Ｅ２）や実施例５（波形Ｅ５）よりも更にオーバーシュートが低減した。具体的には、実施例６のオーバーシュート量は約２．３℃であり、比較例よりも４℃近く低下した。また、設定温度Ｔ_Ｓへの収束時間は約２００秒であり、比較例よりも約１２０秒短縮された。

図１１は、オーバーシュートが最も小さい実施例６（波形Ｅ６）と、最も大きい比較例（波形Ｃ）について、ハウジング内温度Ｔの時間変化と操作量ＭＶ_ｎの時間変化とを対比した図である。図１１（Ａ）はハウジング内温度Ｔの時間変化を示すグラフであり、図１１（Ｂ）は操作量ＭＶ_ｎの時間変化を示すグラフである。

図１１（Ｂ）に示すように、通常のＰＩＤ制御を行う比較例（波形Ｃ）においては、時定数が長い積分動作の操作量Ｉ_ｎの影響により、操作量ＭＶ_ｎは急激な環境温度Ｔ_Ｅの変化に追従せず、緩やかに減少する。そのため、操作量ＭＶ_ｎが過剰な状態が長時間にわたって継続し、大きなオーバーシュートが発生する。

実施例６（波形Ｅ６）では、オーバーシュートが発生するまでの時間帯αにおいては、通常のＰＩＤ制御が行われる。次に、オーバーシュート発生後の時間帯βにおいては、操作量の差分値ΔＭＶ_ｎに応じて第１補正処理Ｓ５４が行われるため、操作量ＭＶ_ｎの減少の傾きが大きくなる。更に、偏差ｅ_ｎが基準値−Ｃを下回る時間帯γにおいては、第２補正処理Ｓ５７が追加されるため、ステップ関数的に操作量ＭＶ_ｎが急減する。引き続き、第１補正処理Ｓ５４による操作量ＭＶ_ｎの減少が継続して、温度制御システムＴＣにより共焦点走査光学ユニット２２０に供給される熱量が、共焦点走査光学ユニット２２０から外部に放出される熱量を下回ると、ハウジング内温度Ｔが減少し始め、第１補正処理Ｓ５４及び第２補正処理Ｓ５７が適用されなくなり、徐々に設定温度Ｔ_Ｓに収束する。

以上に説明したように、本発明の各実施例は、いずれも比較例に対して、環境温度を急激に上昇させたときに発生するオーバーシュートを顕著に低減する効果があることが確認された。

以上が本発明の実施形態の説明であるが、本発明は、上記の実施形態の構成に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で様々な変形が可能である。

上記の実施形態は、本発明を光走査型共焦点内視鏡に適用した一例であるが、本発明はこの構成に限定されず、非共焦点型の光走査型内視鏡装置に適用することもできる。また、内視鏡装置に限らず、内視鏡用の各種処置具（例えば電気メス）やカテーテルにも適用することができる。更に、本発明は医療用機器に限定されず、工業用、民生用の様々な機器に適用することができる。

１ 光走査型共焦点内視鏡装置
１００ プロセッサ
１０２，２０２ ＣＰＵ
１０４，２０４ メインメモリ
１０６ 光源
１０８ 光検出器
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，２１１ ＳＭＦ
１１２ 映像信号処理回路
２００ 共焦点プローブ（光走査型内視鏡）
２０６ 走査制御回路
２１２ａ〜ｄ ワイヤ（被覆電線）
２２０ 共焦点走査光学ユニット（光走査ユニット）
２２１ ハウジング
２２２ マウント部材
２２３ ＸＹ軸アクチュエータ
２２４ 対物光学系
２２５ サーミスタ
２２６ ヒータ
２２７ Ｚ軸アクチュエータ
２２８ Ｚ軸変位センサ
２３０ 温度調節回路
３００ モニタ

Claims (5)

1. 片持ち支持された光ファイバの自由端を振動させて、該自由端から出射する照明光を被写体上で周期的に走査させる走査光学ユニットを備えた光走査型内視鏡装置であって、
   前記走査光学ユニット内の温度を検出する温度センサと、
   前記走査光学ユニット内を加熱するヒータと、
   前記温度センサが検出する検出温度を制御量としてＰＩＤ制御計算を行い、前記ヒータに供給する電流の値を操作量として出力するＰＩＤ制御部と、
   前記操作量に基づいて前記ヒータに電流を供給する電流ドライバと、
   を備え、
   前記ＰＩＤ制御部は、
   前記検出温度と目標値である設定温度とを比較し、該検出温度が該設定温度を超えている場合には、前記走査光学ユニット内の温度が上昇しないように、予め求められた補正係数によって決まる補正値を用いて前記操作量を補正する操作量補正部
   を備えた、
   光走査型内視鏡装置。
2. 前記操作量補正部が、次の数式１を用いて前記操作量を補正する第１補正処理を実行する第１操作量補正部を含む、
   請求項１に記載の光走査型内視鏡装置。
   

   

   但し、
   ΔＭＶ_ｎ＝ＭＶ_ｎ−ＭＶ_ｎ−１
   ｎ：制御番号（自然数）
   Ａ：第１補正係数（正数）
   ＭＶ_ｎ：今回（ｎ回目）の前記ＰＩＤ制御計算による操作量
   ＭＶ_ｎ−１：前回（ｎ−１回目）の前記ＰＩＤ制御計算による操作量
   ＭＶ _ｎ ’：前記第１補正処理による補正後の前記ＰＩＤ制御計算による操作量
3. 前記操作量補正部が、次の数式２を用いて前記操作量を補正する第２補正処理を実行する第２操作量補正部を含む、
   請求項１又は請求項２に記載の光走査型内視鏡装置。
   

   

   但し、
   ｎ：制御番号（自然数）
   Ｂ：第２補正係数（正数）
   ＭＶ_ｎ：今回（ｎ回目）の前記ＰＩＤ制御計算による操作量
   ＭＶ _ｎ ”：前記第２補正処理による補正後の前記ＰＩＤ制御計算による操作量
4. 前記ＰＩＤ制御部は、
   前記目標値から前記制御量を減じた偏差を計算する偏差計算部と、
   前記偏差が所定の負の基準値を下回っているか否かを判定する判定部と、
   を備え、
   前記第１操作量補正部による前記第１補正処理を実行し、
   前記判定部によって前記偏差が前記所定の負の基準値を下回っていると判定されたときにのみ、さらに前記第２操作量補正部による前記第２補正処理を実行する、
   請求項２を引用する請求項３に記載の光走査型内視鏡装置。
5. 前記第２操作量補正部による前記第２補正処理は、前記判定部によって前記偏差が最初に前記所定の負の基準値を下回っていると判定されたときにのみ、１回限り実行される、
   請求項４に記載の光走査型内視鏡装置。

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