JP6230388B2 - 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、を備え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、光ファイバに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、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が形成された光素子と、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、が配設されている光伝送モジュールを、前記硬性先端部に有し、前記保持部材の前記貫通孔に先端部が挿入され固定されている前記光ファイバの、前記湾曲部における長さが、前記湾曲部の長さよりも長く、一端が前記硬性先端部において固定されている、湾曲部内における長さが、前記光ファイバよりも短い線材を更に具備し、前記光ファイバが、前記湾曲部の基端部側において前記線材に固定されている。

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光伝送モジュールを有す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。 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構成を示す断面図である。 第１実施形態の内視鏡の湾曲部の構成を示す断面図である。 第１実施形態の内視鏡の湾曲部の構成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ガイド部材の上面図である。 第２実施形態の内視鏡の湾曲部の構成を示す断面図である。 第２実施形態の内視鏡の別のガイド部材の上面図である。 第３実施形態の内視鏡の湾曲部の構成を示す断面図である。

＜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、細長い可撓性の軟性部８３と、が順に連接されている。

硬性先端部８１には、撮像光学ユニット９０Ｌと、撮像素子９０と、撮像素子９０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（フェルールともいう）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。

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とが一体となっていても良い。

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が電気コネクタ部９４に配置されている場合には、光ファイバ５０は電気コネクタ部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はコネクタ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。光ファイバ５０が大きな応力を受けるのは、特に、湾曲部８２の湾曲操作による変形である。

図３に示すように、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、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の挿通経路が湾曲部８２の中心線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である。なお、湾曲部８２の最大湾曲角φは、仕様により異なるが、３６０度以上の場合もある。

図５に示すように、内視鏡２では、光ファイバ５０の湾曲部８２における長さが、湾曲部の長さＬ０よりも長くなるように、言い替えれば、湾曲部８２の内部を挿通している部分の長さが、いわゆる「遊び」をもつように、設計されている。すなわち、図５に示すように、湾曲部８２が直線状態のときの長さＬ０に対して、光ファイバ５０は蛇行しながら湾曲部８２の内部を挿通している。

光ファイバ５０の湾曲部８２における長さは、Ｌ０＋ΔＬｍａｘ以上になるように設計されている。ΔＬｍａｘは最大湾曲角φｍａｘのときの変形量である。

なお、想定外の変形を考慮すると、光ファイバ５０の湾曲部８２における長さは、Ｌ０＋２×ΔＬｍａｘ以上であることがより好ましい。ただし、他部材との絡み合いを防止するため、Ｌ０＋５×ΔＬｍａｘ以下であることが好ましい。

図６に示すように、湾曲部８２が湾曲変形しても、光ファイバ５０に強い応力が印加されることがない。このため、内視鏡２は、安定して光信号を伝送できる。

また、軟性部８３を挿通している部分の光ファイバ５０の長さも、軟性部８３の長さよりも長いことが好ましく、例えば、軟性部８３の長さの１１０％以上１５０％以下であることが特に好ましい。前記下限以上であれば軟性部８３の変形により光ファイバ５０に強い応力が印加されることがなく、前記上限以下、光ファイバ５０が、挿入部８０にある他部材、例えば、操作ワイヤ等と絡まったりするおそれがない。

図５に示すように、内視鏡２は、硬性先端部８１に配設されている光伝送モジュール１に一端が固定されている線材７１を更に有する。線材７１は湾曲部８２における長さが、光ファイバ５０よりも短く、弾性変形しにくいワイヤである。そして、光ファイバ５０は、湾曲部８２の基端部側において線材７１と固定部７１Ｐにより固定されているため、挿入部８０との位置が固定されている。

固定部７１Ｐは、接着剤、結束バンド、熱収縮チューブ、又は、クリップ等からなる。また、固定部７１Ｐとしては、光ファイバ５０を既存の部材に巻き付けることで、動きにくい構成としてもよい。固定部７１Ｐの位置は湾曲部８２の基端部近傍であれば、軟性部８３の湾曲部側でも、よい。

内視鏡２は、湾曲部８２の湾曲変形により、線材７１が伸びきると、それ以上は湾曲できない。このため、湾曲部８２が想定外の変形をしても、光ファイバ５０に強い応力が印加されることがない。

また、図３に示すように、湾曲部８２が（Ｃ）方向に湾曲すると、経路長Ｌは、ΔＬだけ増加する。すると、光ファイバ５０は、湾曲部８２において大きく、たるんだ状態になる。しかし、固定部７１Ｐにより固定されているため、光ファイバ５０の軟性部８３を挿通している部分には湾曲変形の影響は及ばない。また、光ファイバ５０の湾曲部８２に配置されている部分が軟性部８３に移動することがない。

このため、光ファイバ５０が、挿入部８０を挿通している他部材、例えば、操作ワイヤ等と絡まったりするおそれがない。

なお、線材７１として、湾曲部８２を挿通している既存の部材、例えば、電気配線、チャンネル、送気チューブ又は送水チューブ等を利用してもよい。

光ファイバ５０は、波状に蛇行していてもよいし、線材７１に巻回させて螺旋状に蛇行していてもよい。巻回させる場合は、図７に示すように、光ファイバ５０と線材７１との間に少し余裕をもたせることが望ましく、巻回のピッチ（巻き周期）Ｐは１０ｍｍ以上であることが望ましい。この場合、線材７１は光ファイバ５０より太くてもよいし細くてもよい。

また、軟性部８３においても、光ファイバ５０を所定間隔で軟性部８３との位置を固定していてもよい。

＜第１実施形態の変形例＞
本変形例の内視鏡２Ａは、図８に示す光伝送モジュール１Ａを有する。

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２０Ａに光路となる孔がなく、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。また、光素子１０Ａの厚さ分だけ厚くならずに済むため、光伝送モジュール１Ａを小型化できる。さらに、保持部材４０Ａと配線板２０Ａとの接着面積が小さく、接着強度が弱い構成ではあるが、光ファイバ５０への応力緩和により、保持部材４０Ａの接着箇所が剥れるおそれがない。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の内視鏡２Ｂは、内視鏡２、２Ａ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。

内視鏡２Ｂは、挿入部８０を挿通している光ファイバ５０の位置を規定する複数のガイド部材７４を湾曲部８２に具備する。図９に示すように、略円板状のガイド部材７４は、光ファイバ５０が挿通する凹部５０Ｈと、その他部材が挿通する孔部７４Ｈとを有する。

そして、図１０に示すように、複数のガイド部材７４は、凹部５０Ｈが交互に上下（対向位置）に位置するように、所定間隔で挿入部８０（湾曲部８２）の内部に配設されている。このため、それぞれの凹部５０Ｈを挿通している光ファイバ５０は、大きく蛇行しながら挿入部８０を挿通している。ガイド部材７４の配置間隔は、例えば、湾曲部８２の長さの１／２〜１／５である。

そして、引張応力が印加されると、光ファイバ５０は点線で示したように挿通経路を変えることで、応力を解放する。

なお、複数のガイド部材７４は、それぞれの凹部５０Ｈを挿通する光ファイバ５０が蛇行するように配置されていればよい。また、ガイド部材は、共に挿入部８０を挿通している光ファイバ５０の位置と他部材の位置とを分離する機能を有していることが、他部材と絡まり合いにくいため好ましい。そして、光ファイバ５０の位置を規定する機能を有していれば、例えば、図１１に示す、光ファイバ５０が挿通する孔部５０ＨＡと、その他部材が挿通する複数の孔部７４ＨＡとを有するガイド部材７４Ａ等でもよい。

また、軟性部８３にも、ガイド部材７４が配設されていてもよい。軟性部８３における。ガイド部材７４の配置間隔は、湾曲部８２よりも長くてもよい。

さらに、ガイド部材として、湾曲部８２を挿通している１本のマルチルーメンチューブを用いてもよい。すなわち、マルチルーメンチューブの場合には、ガイド部材は１本でよい。

＜第３実施形態＞
第３実施形態の内視鏡２Ｃは、内視鏡２、２Ａ、２Ｂ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１２に示すように、内視鏡２Ｃは、硬性先端部８１が挿入されている狭い空間の特定方向を観察可能なように、２つの湾曲部８２Ａ１、８２Ａ３を有する。湾曲部８２Ａ１、８２Ａ３は、例えば、中間部８２Ａ２を介して連接されている。

光ファイバ５０は、湾曲部８２Ａ３の基端部側において、固定部７１Ｐ２により挿入部８０との位置が固定されているだけでなく、２つの湾曲部の間の中間部８２Ａ２においても固定部７１Ｐ１により挿入部８０との位置が固定されている。

内視鏡２Ｃは、２つの湾曲部８２Ａ１、８２Ａ３を有し、それぞれが湾曲変形するが、内部を挿通している光ファイバ５０は、内視鏡２等と同様に大きな応力を受けたり、他部材に絡まったりするおそれがない。このため、内視鏡２Ｃは、安定して光信号を伝送できる。

なお、３個以上の湾曲部を有する内視鏡であっても、複数の湾曲部の間において、光ファイバ５０が挿入部８０との位置が固定されていれば内視鏡２Ｃと同じ効果を有することは言うまでも無い。

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、１Ａ・・・光伝送モジュール
２、２Ａ〜２Ｃ・・・内視鏡
１０、１０Ａ・・・光素子
１１・・・発光部
２０、２０Ａ・・・配線板
４０・・・保持部材
４０Ｈ・・・貫通孔
５０・・・光ファイバ
５０Ｈ・・・凹部
５０Ｍ・・・メタル配線
５５・・・接着剤
７１・・・線材
７１Ｐ・・・固定部
７４・・・ガイド部材
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 (3)

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、
   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が形成された光素子と、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、が配設されている光伝送モジュールを、前記硬性先端部に有する内視鏡であって、
   前記保持部材の前記貫通孔に先端部が挿入され固定されている前記光ファイバの、前記湾曲部における長さが、前記湾曲部の長さよりも長く、
   一端が前記硬性先端部において固定されている、湾曲部内における長さが、前記光ファイバよりも短い線材を更に具備し、
   前記光ファイバが、前記湾曲部の基端部側において前記線材に固定されていることを特徴とする内視鏡。
2. 第１の主面と第２の主面とを有し、前記光素子と前記第１の主面が固定されており、前記保持部材と前記第２の主面が固定されており、前記貫通孔及び前記発光部と対向する位置に孔のある配線板を具備することを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。
3. 連接された複数の前記湾曲部を有し、
   前記複数の湾曲部の間において、前記光ファイバが前記挿入部との位置が固定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内視鏡。

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