JP6203010B2 - 内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、硬性先端部に配設された光伝送モジュールの光ファイバが挿入部を挿通している軟性内視鏡に関する。

内視鏡は、細長い可撓性の挿入部の硬性先端部にＣＣＤ等の撮像素子を有する。近年、高画素数の撮像素子の内視鏡への使用が検討されている。高画素数の撮像素子を使用した場合には、撮像素子から信号処理装置（プロセッサ）へ伝送する信号量が増加するため、電気信号によるメタル配線を介した電気信号伝送に替えて光信号による細い光ファイバを介した光信号伝送が好ましい。光信号伝送には、電気信号を光信号に変換するＥ／Ｏモジュール（電気−光変換器）と、光信号を電気信号に変換するＯ／Ｅモジュール（光−電気変換器）とが用いられる。

例えば、特開２０１３−０２５０９２号公報には、光信号の入力または出力を行う光素子と、光素子が実装される基板と、光素子から入出力される光信号を伝送する光ファイバ挿入用の貫通孔を有し、光素子の厚さ方向に並べて配置される保持部と、を具備する光伝送モジュールが開示されている。

ここで、光ファイバは、長手方向に対する強度が強くはない。このため、内視鏡の可撓性の挿入部が変形することにより、光ファイバの長手方向に引張応力／圧縮応力が繰り返して印加されると、破損したり、折れたりする可能性がある。また、挿入部にある他部材と光ファイバとが、絡まり合い、光ファイバが破損したり、ねじり応力を受けたりする可能性もある。光ファイバが破損等すると光信号の伝送が困難になる。

特開２０１３−０２５０９２号公報

本発明の実施形態は、安定して光信号を伝送できる内視鏡を提供することを目的とする。

本発明の実施形態の内視鏡は、硬性先端部と、前記硬性先端部の方向を変えるための湾曲部と、軟性部と、が連接された挿入部と、前記挿入部の内部を挿通している光信号を伝送する光ファイバと、を具備し、前記硬性先端部内の中心からずれた周辺位置に、撮像素子と、前記撮像素子が出力する電気信号を前記光信号に変換する発光部を有する光素子と、前記光ファイバの先端部が挿入された貫通孔を有し前記発光部の上に前記貫通孔が位置するように配置されている保持部材と、前記光素子が実装され前記保持部材が接合されている配線板と、が配設されている内視鏡であって、前記光ファイバは、前記周辺位置に配設された保持部材から中心に向かって前記硬性先端部内を傾斜して配設されており、前記湾曲部では中心を挿通している。

本発明の実施形態によれば、安定して光信号を伝送できる内視鏡を提供できる。

第１実施形態の内視鏡の斜視図である。 第１実施形態の内視鏡の光伝送モジュールの断面図である。 従来の内視鏡の湾曲部の動作を示す断面図である。 従来の内視鏡の湾曲部の動作を示す断面図である。 第１実施形態の内視鏡の湾曲部の長手方向の断面図である。 第１実施形態の内視鏡の湾曲部の図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 第１実施形態の内視鏡の湾曲部の動作を示す断面図である。 第１実施形態の変形例の内視鏡の光伝送モジュールの断面図である。 第２実施形態の内視鏡の湾曲部の長手方向の断面図である。 第２実施形態の内視鏡の湾曲部の図９のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。 第３実施形態の内視鏡の湾曲部の長手方向の断面図である。 第３実施形態の内視鏡の湾曲部の図９のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図である。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、本実施形態の内視鏡２は、挿入部８０と、挿入部８０の基端部側に配設された操作部８４と、操作部８４から延設されたユニバーサルコード９２と、ユニバーサルコード９２の基端部側に配設されたコネクタ９３と、を具備する軟性の電子内視鏡である。

挿入部８０は、硬性先端部８１と、硬性先端部８１の方向を変えるための湾曲部８２と、可撓性の細長い軟性部８３と、が順に連接されている。

硬性先端部８１には、図示しない撮像光学ユニットと、撮像素子９０（図３）と、撮像素子９０（図３）からの撮像信号（電気信号）を光信号に変換するＥ／Ｏモジュールである光伝送モジュール１が配設されている。撮像素子９０は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ、又は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等である。

図２に示すように、光伝送モジュール１は、光素子１０と、配線板２０と、保持部材（フェルールとも言う）４０と、光ファイバ５０と、を具備する。光伝送モジュール１では、光素子１０と配線板２０と保持部材４０とが、光素子１０の厚さ方向（Ｚ方向）に並べて配置されている。すなわち、配線板２０には、光素子１０が実装され保持部材４０が接合されている。

光素子１０は、光信号の光を出力する発光部１１を有する面発光レーザーチップである。例えば、平面視寸法が２５０μｍ×３００μｍと超小型の光素子１０は、直径が２０μｍの発光部１１と、発光部１１に駆動信号を供給する電極１２とを主面に有する。

一方、例えば、径が１２５μｍの光ファイバ５０は、光を伝送する径が５０μｍのコアと、コアの外周を覆うクラッドとからなる。

光素子１０の上に接着されている略直方体の保持部材４０の貫通孔４０Ｈに、光ファイバ５０の先端部が挿入され、接着剤５５で固定されている。光ファイバ５０を貫通孔４０Ｈに挿入することで、光素子１０の発光部１１と光ファイバ５０との位置決めが行われる。

第１の主面２０ＳＡと第２の主面２０ＳＢとを有する平板状の配線板２０には、光路となる、孔２０Ｈがある。そして、第１の主面２０ＳＡには光素子１０が、その発光部１１が配線板２０の孔２０Ｈと対向する位置に配置された状態で、フリップチップ実装されている。すなわち、配線板２０は光素子１０の複数の電極１２と、それぞれが接合された電極パッド２１を有する。配線板２０の基体には、ＦＰＣ基板、セラミック基板、ガラスエポキシ基板、ガラス基板、シリコン基板等が使用される。

例えば、光素子１０の電極１２であるＡｕバンプが、配線板２０の電極パッド２１と超音波接合されている。なお、接合部にはアンダーフィル材やサイドフィル材等の接着剤が注入されてもよい。

配線板２０に、半田ペースト等を印刷し、光素子１０を所定位置に配置した後、リフロー等で半田を溶融して実装してもよい。なお、配線板２０は撮像素子９０（図３）とメタル配線９０Ｍ（図３）で接続されている電極パッド（不図示）及び撮像素子９０から伝送されてくる電気信号を電極パッド２１に伝達する配線（不図示）を有する。また、配線板２０は、撮像素子９０から伝送されてくる電気信号を光素子１０の駆動信号に変換するための処理回路が含まれていてもよい。

すでに説明したように、保持部材４０には、挿入される光ファイバ５０の外径と、内径が略同じ円柱状の貫通孔４０Ｈが形成されている。ここで「略同じ」とは、光ファイバ５０の外周面と貫通孔４０Ｈの壁面とが当接状態となるような、双方の径が実質的に「同じ」サイズであることを意味する。例えば、光ファイバ５０の外径に対して、貫通孔４０Ｈの内径は１μｍ〜５μｍだけ大きく作製される。

貫通孔４０Ｈは、円柱状のほか、その壁面で光ファイバ５０を保持できれば、角柱状であってもよい。保持部材４０の材質はセラミック、Ｓｉ、ガラス又はＳＵＳ等の金属部材等である。なお、保持部材４０は、略円柱状又は略円錐状等であってもよい。

保持部材４０は、貫通孔４０Ｈが配線板２０の孔２０Ｈと対向する位置に配置された状態で、配線板２０の第２の主面２０ＳＢに接着層３０を介して接合されている。なお、例えば、熱硬化性樹脂からなる接着層３０は、貫通孔４０Ｈと孔２０Ｈとの対向領域には配設されていない。

そして、操作部８４には湾曲部８２を操作するアングルノブ８５が配設されているとともに、光信号を電気信号に変換する光伝送モジュールであるＯ／Ｅモジュール９１が配設されている。コネクタ９３は、プロセッサ（不図示）と接続される電気コネクタ部９４と、光源と接続されるライトガイド接続部９５と、を有する。ライトガイド接続部９５は硬性先端部８１まで照明光を導光する光ファイババンドルと接続されている。なお、コネクタ９３は電気コネクタ部９４とライトガイド接続部９５が一体となっても良い。

内視鏡２では、撮像信号は硬性先端部８１の光伝送モジュール１で光信号に変換されて、挿入部８０を挿通する細い光ファイバ５０を介して操作部８４まで伝送される。そして、操作部８４に配設されているＯ／Ｅモジュール９１により光信号は再び電気信号に変換され、ユニバーサルコード９２を挿通するメタル配線５０Ｍを介して電気コネクタ部９４に伝送される。すなわち、細径の挿入部８０内においては光ファイバ５０を介して信号が伝送され、体内に挿入されず外径の制限の小さいユニバーサルコード９２内においては光ファイバ５０よりも太いメタル配線５０Ｍを介して伝送される。

なお、O/Eモジュール９１がコネクタ部９４に配置されている場合には、光ファイバ５０を電気コネクタ部９４までユニバーサルコード９２を挿通していてもよい。また、Ｏ／Ｅモジュール９１がプロセッサに配設されている場合には、光ファイバ５０をコネクタ９３まで挿通していてもよい。

内視鏡２の挿入部８０を挿通している光ファイバ５０には、挿入部８０が変形すると応力が印加されるおそれがある。光ファイバ５０が大きな応力を受けるおそれがあるのは、特に、湾曲部８２の湾曲操作による変形である。

例えば、図３に示すように、従来の内視鏡１０２において、湾曲部８２が直線状態の（Ａ）のときの光ファイバ５０が挿通している経路長ＬをＬ０とする。これに対して、湾曲部８２が（Ｂ）方向に湾曲すると、経路長Ｌは短くなるため、光ファイバ５０には圧縮応力が印加されるおそれがある。一方、湾曲部８２が（Ｃ）方向に湾曲すると、経路長Ｌは長くなるため、光ファイバ５０には引張応力が印加されるおそれがある。

ここで、図４に示すように、従来の内視鏡１０２において、湾曲部８２が（Ｂ）方向に湾曲し、湾曲角が角度φの場合について説明する。前提として、スコープが湾曲しても、スコープ中央（ｘ＝０）の長さはＬ０のまま変わらないものとする。光ファイバ５０の中心の挿通経路が湾曲部８２の中心線（中心軸）Ｏから、偏移量ｘ離れていると、経路長Ｌは、Ｌ０からＬ１に減少する。

Ｌ１＝Ｌ０ーΔＬ （式１）
但し、ΔＬ＝２πｘ（φ／３６０）

すなわち、ΔＬは、偏移量ｘ、及び湾曲角φに依存する。例えば、偏移量ｘ＝５ｍｍ、湾曲角φ＝１８０度ではΔＬ≒１５ｍｍとなる。なお、湾曲部８２の最大湾曲角φｍａｘは、仕様により異なるが、３６０度以上の場合もある。

そして、図５、図６に示すように、実施形態の内視鏡２では、湾曲部８２の外周部８０Ｓの内部には、複数の孔路７０Ｈ１〜７０Ｈ５が形成されたマルチルーメンチューブ７０が配設されている。そして、湾曲部８２の中心を挿通している孔路７０Ｈ１に、光ファイバ５０が挿通している。

なお、孔路７０Ｈ２〜７０Ｈ４には、図示しないが、電気配線、チャンネル等が挿通しており、４本の孔路７０Ｈ５には、それぞれ湾曲部８２の湾曲動作のための操作ワイヤ８２Ｍが挿通している。

マルチルーメンチューブ７０は、ポリアミド、ポリエステル、ポリウレタン、ポリスチレンー、フッ素系樹脂、シリコーンゴム、又はラテックスゴム等の可撓性樹脂からなる。

図７に示すように、実施形態の内視鏡２では、光ファイバ５０が、湾曲部８２の中心を挿通している。ここで、中心とは、湾曲部８２の長手方向に直交する断面の円の中心を意味する。すなわち、偏移量ｘ≒０となるように、光ファイバ５０が配置されている。

内視鏡２は、図５において、湾曲部８２が（Ａ）方向に湾曲しても、（Ｂ）方向に湾曲しても、ΔＬ＝０であり、光ファイバ５０に応力が印加されない。

なお、偏移量ｘは、小さいほど光ファイバ５０に印加される応力が小さいため、ｘ＝０が最も好ましいが、ｘ＝０でなくともよい。すなわち、偏移量ｘは内視鏡の仕様等に応じて選択可能であるが、例えば、ｘは３ｍｍ以下であれば良く、１ｍｍ以下であると好ましい。

内視鏡２は、湾曲部８２が変形しても光ファイバ５０に大きな応力が印加されることがないため、安定して光信号を伝送できる。

なお、軟性部８３を挿通している部分の光ファイバ５０も、軟性部８３の中心を挿通していることが好ましい。軟性部８３の変形により光ファイバ５０に応力が印加されることがないためである。

＜第１実施形態の変形例＞
変形例の内視鏡２Ａは、図８に示す光伝送モジュール１Ａを具備している。

光伝送モジュール１Ａでは、配線板２０Ａの片面に光素子１０Ａと保持部材４０Ａとが配設されている。光素子１０Ａの電極１２Aと、配線板２０Ａの電極パッド２１Aとは、ワイヤボンディング配線４９で接続されている。

光素子１０Ａが収容された凹部のある保持部材４０Ａは、貫通孔４０Ｈが光素子１０Ａの発光部１１と対向するように配線板２０Ａに接着層（不図示）を介して接合されている。

光伝送モジュール１Ａは、配線板に光路となる孔を設ける必要がなく、また、光素子１０Ａと保持部材４０Ａとの２者の位置合わせですむため製造が容易である。

すなわち、内視鏡２Ａの配線板は、光素子１０Ａが実装され保持部材４０Ａが接合されていればよい。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の内視鏡２Ｂは、内視鏡２等と類似しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図９及び図１０に示すように、内視鏡２Ｂの湾曲部８２には、孔路７２Ｈのあるチューブ７２が、複数の支持部材７３により湾曲部８２の中心に配設されている。４本のアームが湾曲部８２の外周部８０Ｓの内面に固定されている支持部材７３は、所定間隔で配置されている。支持部材７３の配置間隔は、例えば、湾曲部８２の長さの１／３〜１／１０である。

そして、光ファイバ５０はチューブ７２の孔路７２Ｈを挿通している。

内視鏡２Ｂは、内視鏡２と同様に光ファイバ５０が湾曲部８２の中心を挿通しているため、湾曲部８２が変形しても光ファイバ５０に大きな応力が印加されることがないため、安定して光信号を伝送できる。

また、内視鏡２Ｂの湾曲部８２はルーメンチューブではないため、湾曲部８２の内部に他部材を配置する自由度が、内視鏡２よりも高いため、設計が容易である。

なお、軟性部８３にも支持部材７３により保持されているチューブ７２が配設されていてもよい。軟性部８３における支持部材７３の配置間隔は、湾曲部８２よりも長くてもよい。

＜第３実施形態＞
第３実施形態の内視鏡２Ｃは、内視鏡２等と類似しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図１１及び図１２に示すように、内視鏡２Ｃの湾曲部８２には、リング部７４Ｒを有する複数の支持部材７４が、湾曲部８２の中心にリング部７４Ｒが位置するように外周部８０Ｓに固定されている。３本のアームが湾曲部８２の内面に固定されている支持部材７４は、所定間隔で配置されている。支持部材７４の配置間隔は、例えば、湾曲部８２の長さの１／３〜１／１０である。

そして、光ファイバ５０は複数のリング部７４Ｒを挿通している。

内視鏡２Ｃは、内視鏡２、２Ｂと同様に光ファイバ５０が湾曲部８２の中心を挿通しているため、湾曲部８２が変形しても光ファイバ５０に大きな応力が印加されることがないため、安定して光信号を伝送できる。

また、内視鏡２Ｃは、光ファイバ５０を挿通するためのチューブ等が不要である。

なお、軟性部８３にも複数の支持部材７４が配設されていてもよい。軟性部８３における支持部材７４の配置間隔は、湾曲部８２よりも長くてもよい。

本発明は、上述した実施形態及び変形例等に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、組み合わせ及び応用が可能である。

１・・・光伝送モジュール
２、２Ａ〜２Ｃ・・・内視鏡
１０・・・光素子
２０・・・配線板
４０・・・保持部材
５０・・・光ファイバ
７０・・・マルチルーメンチューブ
７２・・・チューブ
８０・・・挿入部
８１・・・硬性先端部
８２・・・湾曲部
８３・・・軟性部
９０・・・撮像素子
９１・・・Ｏ／Ｅモジュール

Claims (6)

1. 硬性先端部と、前記硬性先端部の方向を変えるための湾曲部と、軟性部と、が連接された挿入部と、前記挿入部の内部を挿通している光信号を伝送する光ファイバと、を具備し、
   前記硬性先端部内の中心からずれた周辺位置に、撮像素子と、前記撮像素子が出力する電気信号を前記光信号に変換する発光部を有する光素子と、前記光ファイバの先端部が挿入された貫通孔を有し前記発光部の上に前記貫通孔が位置するように配置されている保持部材と、前記光素子が実装され前記保持部材が接合されている配線板と、が配設されている内視鏡であって、
   前記光ファイバは、前記周辺位置に配設された前記保持部材から中心に向かって前記硬性先端部内を傾斜して配設されており、前記湾曲部では中心を挿通していることを特徴とする内視鏡。
2. 前記湾曲部の中心を挿通している孔路のあるチューブを具備し、
   前記孔路に、前記光ファイバが挿通していることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
3. 前記チューブが、複数の孔路のあるマルチルーメンチューブであることを特徴とする請求項２に記載の内視鏡。
4. 前記湾曲部の中心に配置されたリングを、それぞれが含む複数のガイド部材を具備し、
   前記複数のガイド部材の前記リングに、前記光ファイバが挿通していることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
5. 前記湾曲部が湾曲変形しても、前記光ファイバに応力が印加されないことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の内視鏡。
6. 前記挿入部の内部を挿通している、照明光を導光する光ファイババンドルを更に具備し、
   前記光ファイババンドルが、前記湾曲部では前記周辺位置を挿通していることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の内視鏡。

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