JP6957613B2

JP6957613B2 - 内視鏡

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Publication number: JP6957613B2
Application number: JP2019523345A
Authority: JP
Inventors: 洋和市原
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2017-06-08
Filing date: 2018-03-06
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2038-03-06
Also published as: WO2018225317A1; US20200178766A1; JPWO2018225317A1

Description

本発明は、先端部に複数の光学系を備えた内視鏡に関する。

近年、医療用内視鏡や工業用内視鏡の分野において、ステレオ撮像ユニットを用いて被験体を立体観察するニーズが高まっている。

このようなニーズに対し、先端部にステレオ撮像ユニットを内蔵した内視鏡が提案されている。内視鏡に用いられるステレオ撮像ユニットは、一般に、対物レンズ等のレンズ群からなる光学レンズ系と、固体撮像素子と、各種回路部品が実装された実装基板と、を備えた撮像ユニットが、左右方向に対をなして配設されることにより構成されている。

ここで、このようなステレオ撮像ユニットを備えた内視鏡では、一対の撮像装置を並べて配置する必要があるため、先端部が太径化する傾向にある。このような太径化を抑制するためには、２つの撮像ユニットの光軸間距離を短く設定する必要があるが、光軸間距離を短くした場合、各光学系の最先端に位置する光学部材の全周を筐体に対してそれぞれ液密に接合するためのスペースを確保することが困難となる。

これに対し、例えば、日本国特開２０００−１００２３号公報に開示されているように、一対の光学系の最先端に位置する光学部材（前置レンズ）を、平面視形状が長方形の光学部材によって一体形成することも考えられる。

ところで、このような長方形の光学部材に対応する保持孔をフライス加工等によって形成する場合、当該保持孔の４隅はフライスの外径に応じた円弧状に形成される（すなわち、保持孔の４隅をフライスの外径以下に加工することができないため、保持孔の４隅には所謂「隅Ｒ」が形成される）。従って、このような隅Ｒを解消し、矩形の光学部材の収容を可能とするため、上述のような保持孔の各隅には、一般に、対角線方向に突出する加工逃げ用の溝部が形成される。

しかしながら、保持孔の各隅に対角線方向に突出する溝部を形成した場合、半田や接着剤等の接合部材を用いて光学部材を保持孔に固定する際に、接合部材の収縮による大きな荷重が各溝部に発生する。

すなわち、光学部材を保持孔に固定する際に、溝部には他の部分よりも多くの接合部材が留まるため、当該溝部における接合部材の硬化時の収縮は他の部分よりも大きくなる。そして、特に、このような接着部材の収縮荷重に起因する応力が、長さの異なる２つの辺の角部に集中すると光学部材が破損する虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、長さの異なる２対の各辺の交差部に加工逃げ用の溝部を有する保持孔に光学部材を固定する際に、光学部材の破損を防止することができる内視鏡を提供することを目的とする。

本発明の一態様による内視鏡は、挿入部の先端部に先端面が形成され、互いに対向する一対の直線である長辺と互いに対向する一対の直線である短辺とによって開口形状が規定された保持孔が形成された筐体と、前記保持孔の前記長辺と前記短辺とがそれぞれ交わる四隅に形成された溝部と、前記保持孔の開口形状と相似する平面視形状をなし、前記保持孔に挿入された光学部材と、前記保持孔の内周面と前記光学部材の外周面との間及び前記溝部に充填された接着部と、を有し、前記各溝部は、前記短辺に接し、且つ、前記溝部に充填された前記接着部の収縮荷重を前記光学部材の長辺側の面のみに伝達させるよう、前記短辺の接線方向であってかつ前記長辺からのみ前記保持孔の外方に突出するように形成されている。

内視鏡システムの全体構成を示す斜視図内視鏡の先端部の端面図図２のIII−III断面図先端部に保持されるステレオ撮像ユニット及び照明ユニットの分解斜視図フライスによって加工される観察用貫通孔の説明図図３のVI部において発生する応力の説明図観察用レンズの長辺側において応力を受ける断面積を示す説明図第１の変形例に係り、フライスによって加工される観察用貫通孔の説明図第２の変形例に係り、内視鏡の先端部の端面図第３の変形例に係り、内視鏡の先端部の端面図

以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図面は本発明の一実施形態に係り、図１は内視鏡システムの全体構成を示す斜視図、図２は内視鏡の先端部の端面図、図３は図２のIII−III断面図、図４は先端部に保持されるステレオ撮像ユニット及び照明ユニットの分解斜視図、図５はフライスによって加工される観察用貫通孔の説明図、図６は図３のVI部において発生する応力の説明図、図７は観察用レンズの長辺側において応力を受ける断面積を示す説明図である。

図１に示す内視鏡システム１は、被験体を異なる視点からステレオ撮像することが可能な内視鏡２（立体内視鏡）と、この内視鏡２が着脱自在に接続されるプロセッサ３と、プロセッサ３により生成された画像信号を内視鏡画像として表示する表示装置としてのモニタ５と、を有して構成されている。

本実施形態の内視鏡２は、例えば、腹腔鏡手術に適用される硬性内視鏡である。この内視鏡２は、細長の挿入部６と、この挿入部６の基端側に連設する操作部７と、操作部７から延出してプロセッサ３に接続されるユニバーサルケーブル８と、を有して構成されている。

挿入部６には、主にステンレス等の金属製部材によって構成された先端部１１、湾曲部１２、及び、ステンレス等の金属管によって構成された硬性管部１３が、先端側から順に連設されている。

この挿入部６は体内に挿入する部分となっており、先端部１１には、被験体内をステレオ撮像するためのステレオ撮像ユニット３０（図３等参照）が内蔵されている。また、湾曲部１２及び硬性管部１３の内部には、ステレオ撮像ユニット３０と電気的に接続する撮像ケーブル束３９ｌ，３９ｒ（図３参照）、先端部１１に照明光を伝送するライトガイドバンドル４５ｌ，４５ｒ（図４参照）等が挿通されている。なお、本実施形態の内視鏡２は、湾曲部１２よりも基端側が硬性管部１３によって構成された硬性内視鏡を例示しているが、これに限定されることなく、湾曲部１２よりも基端側が可撓性を備えた可撓管部によって構成された軟性内視鏡であっても良い。

操作部７には、湾曲部１２を遠隔操作するためのアングルレバー１５が設けられ、さらに、プロセッサ３の光源装置やビデオシステムセンタ等を操作するための各種スイッチ１６が設けられている。

アングルレバー１５は、挿入部６の湾曲部１２を、ここでは上下左右の４方向に湾曲操作可能な湾曲操作手段である。なお、湾曲部１２は、上下左右の４方向に湾曲可能な構成に限定されることなく、例えば、上下のみ、或いは、左右のみの２方向に湾曲操作可能な構成としても良い。

次に、このような内視鏡２の先端部１１の構成について、図２，３を参照して詳細に説明する。

図３に示すように、先端部１１は、略円柱形状をなす筐体としての先端部本体２０と、この先端部本体２０に先端が固定された略円筒形状をなす先端筒体２１と、を有して構成されている。ここで、先端部本体２０の外周には先端筒体２１の先端が嵌合されており、この先端筒体２１から露出する先端部本体２０の端面によって、先端部１１の先端面１１ａが形成されている。

図２，３に示すように、先端部本体２０には、先端面１１ａに開口する保持孔としての観察用貫通孔２２が設けられている。この観察用貫通孔２２は、例えば、互いに対向する上下一対の長辺ｓ１と、互いに対向する左右一対の短辺ｓ２と、によって開口形状が規定された貫通孔によって構成されている。すなわち、本実施形態の観察用貫通孔２２は、開口形状が横長な長方形（すなわち、湾曲部１２による左右の湾曲方向に長い長方形）に形成された貫通孔によって構成されている。

観察用貫通孔２２には、光学部材としての観察用レンズ２４が水密に固定され、これにより、先端部１１の先端面１１ａには観察窓２３が形成されている。なお、本実施形態における観察用レンズ２４は、例えば、平板ガラス、及び、所定の光学的パワーを持った曲面ガラス等を含む広義の意味でのレンズである。本実施形態において、観察用レンズ２４は、例えば、観察用貫通孔２２の開口形状と相似形状をなす平板ガラスによって構成されている。すなわち、観察用レンズ２４は、互いに対向する上下一対の長辺ｓ３と、互いに対向する左右一対の短辺ｓ４と、によって平面視形状が規定された観察用貫通孔２２と相似形状をなす（ｓ１：ｓ３＝ｓ２：ｓ４の関係を有する）平板ガラスによって構成されている。

そして、この観察用レンズ２４（すなわち、観察窓２３）の裏面側には、ステレオ撮像ユニット３０を構成する一対の対物光学系（第１，第２の対物光学系３１ｌ，３１ｒ）の先端側を配置することが可能となっている。

また、例えば、図２に示すように、観察用貫通孔２２よりも上方（すなわち、湾曲部１２による上下の湾曲方向の上方）において、先端部本体２０には、先端面１１ａに開口する一対の照明用貫通孔２５ｌ，２５ｒが左右に並んで設けられている。左右の各照明用貫通孔２５ｌ，２５ｒには、一対のライトガイドバンドル４５ｌ，４５ｒとそれぞれ光学的に接続する一対の照明光学系２７ｌ，２７ｒがそれぞれ保持され、これにより、先端部１１の先端面１１ａには照明窓２６ｌ，２６ｒが形成されている。

図２，４に示すように、ステレオ撮像ユニット３０は、観察窓２３の内側に左右に並んで配置される上述の第１の対物光学系３１ｌ及び第２の対物光学系３１ｒと、第１の対物光学系３１ｌが形成する光学像（第１の光学像）を受光する第１の撮像素子３２ｌと、第２の対物光学系３１ｒが形成する光学像（第２の光学像）を受光する第２の撮像素子３２ｒと、第１，第２の光学像の光路上に配置され、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒの各受光面３２ｌａ，３２ｒａ側が接着によって位置決め固定された光学部材としての単一の芯出しガラス３４と、芯出しガラス３４を介して第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒを保持する保持枠３５と、を有して構成されている。

第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒは、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の固体撮像素子によって構成されている。これら第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒには、受光面３２ｌａ，３２ｒａを保護するためのカバーガラス３３ｌ，３３ｒが貼着されている。

また、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒに設けられた端子部（不図示）にはフレキシブルプリント回路基板（ＦＰＣ基板）３８ｌ，３８ｒがそれぞれ電気的に接続されている。各ＦＰＣ基板３８ｌ，３８ｒには、例えば、撮像素子の駆動信号を発生させるためのデジタルＩＣ、デジタルＩＣの駆動電源を安定化させるためのＩＣ駆動電源安定化用コンデンサ、及び、抵抗等の各種電子部品がハンダ付け等によってそれぞれ実装されている。また、各ＦＰＣ基板３８ｌ，３８ｒには、撮像ケーブル束３９ｌ，３９ｒが電気的に接続されている。

なお、本実施形態において、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒ、各種電子部品を実装した各ＦＰＣ基板３８ｌ，３８ｒ、及び、各ＦＰＣ基板３８ｌ，３８ｒに電気的に接続する各撮像ケーブル束３９ｌ，３９ｒの先端側は、単一のカバー体４２によって一体的に覆われている。

芯出しガラス３４は、先端部１１の左右方向に延在する透明なガラス基板によって構成されている。この芯出しガラス３４には、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒの受光面３２ｌａ，３２ｒａ側が、カバーガラス３３ｌ，３３ｒを介してそれぞれ固定されている。

より具体的には、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒは、受光面３２ｌａ，３２ｒａに貼着されたカバーガラス３３ｌ，３３ｒが、紫外線硬化型透明接着剤（ＵＶ接着剤）等を介して芯出しガラス３４に接着されることにより、互いに所定間隔離間された状態にて位置決め固定されている。さらに、ガラス保持部３６には、カバー体４２の先端側が固設されている。

保持枠３５は、例えば、断面形状が略角丸長方形をなす柱状の金属部材によって構成されている（例えば、図４参照）。保持枠３５の基端側にはガラス保持部３６が凹設され、このガラス保持部３６には、芯出しガラス３４が、接着剤等によって固定されている。

また、例えば、図３，４に示すように、保持枠３５には、第１の対物光学系保持孔３７ｌと、第２の対物光学系保持孔３７ｒと、が予め設定された間隔を隔てて左右に並んで設けられている。これら第１，第２の対物光学系保持孔３７ｌ，３７ｒは、先端側が保持枠３５の端面（先端面１１ａ）において開放されるとともに、基端側がガラス保持部３６に連通する貫通孔によって構成されている。

これら第１，第２の対物光学系保持孔３７ｌ，３７ｒには、第１，第２の対物光学系３１ｌ，３１ｒが、第１，第２の対物光学系ユニット４０ｌ，４０ｒとしてユニット化された状態にて、それぞれ保持されている。

すなわち、第１，第２の対物光学系３１ｌ，３１ｒは、第１，第２のレンズ枠４１ｌ，４１ｒにそれぞれ保持されることによって第１，第２の対物光学系ユニット４０ｌ，４０ｒを構成する。そして、これら第１，第２の対物光学系ユニット４０ｌ，４０ｒが第１，第２の対物光学系保持孔３７ｌ，３７ｒ内に接着剤等を介して位置決め固定されることにより、第１，第２の対物光学系３１ｌ，３１ｒは、第１，第２の撮像素子３２ｌ，３２ｒとともに、単一の保持枠３５によって一体的に保持されている。

次に、上述のようなステレオ撮像ユニット３０を備えた先端部１１において、第１，第２の対物光学系３１ｌ，３１ｒを一体的に覆う観察窓２３の構成について、より詳細に説明する。

本実施形態の観察窓において、観察用レンズ２４を保持するための観察用貫通孔２２は、例えば、先端部本体２０に対し、フライス６０等の工具を用いた切削加工を行うことにより形成されている。

この場合において、本実施形態の観察用貫通孔２２は開口形状が長方形であり、各長辺ｓ１と各短辺ｓ２とが交わる４隅には、円弧状の所謂隅Ｒが形成されること解消するための、加工逃げ用の溝部５０が形成されている。すなわち、観察用貫通孔２２の４隅には、観察用レンズ２４の挿入を阻害する隅Ｒを除去するための加工逃げ用の溝部５０が形成されている。

これら各溝部５０は、短辺ｓ２に接し、且つ、長辺ｓ１から観察用貫通孔２２の外方に突出するように形成されている。より具体的には、各溝部５０は、長辺ｓ１と短辺ｓ２との仮想的な交点において、短辺ｓ２の接線方向（短辺ｓ２の延出方向）に突出するように形成されている。その際、図５に示すように、隅Ｒを的確に除去するため、各溝部５０の長辺ｓ１からの突出量ｐは、フライス６０の半径ｒよりも大きく設定されていることが望ましい。

ここで、本実施形態の観察用貫通孔２２の加工時において、当該観察用貫通孔２２の内周には、観察用レンズ２４の光軸方向の位置決めを行うための内向フランジ２２ａが一体的に形成されている。なお、内向フランジ２２ａに隅Ｒが形成されたとしても観察用レンズ２４の挿入性等に特段問題となることはないため、当該内向フランジ２２ａの４隅には加工逃げ用の溝部は形成されていない。

図２，３に示すように、このように形成された観察用貫通孔２２には観察用レンズ２４が挿入され、観察用レンズ２４は、これら観察用貫通孔２２の内周面と観察用レンズ２４の外周面との間に周設された半田等の接着部５１を介して、観察用貫通孔２２に接合されている。なお、接着部５１は、半田に代えて接着剤によって構成することも可能である。

このように構成された観察窓２３において、半田等からなる接着部５１は硬化時に収縮するため、例えば、図６に示すように、観察用レンズ２４の側面には、接着部５１の収縮荷重により、垂直方向の成分、及び、曲げ方向の成分を有する応力が作用する。

この場合において、溝部５０における接着部５１の体積は他の部分に比べて体積が大きいため、溝部５０には他の部分よりも大きな収縮荷重が発生するが、本実施形態の溝部５０は観察用貫通孔２２の長辺ｓ１側から突出するように設けられており、この溝部５０に発生する大きな荷重を断面積の大きい長辺ｓ３側の面によって受けることにより、観察用レンズ２４に短辺s４側に過剰な応力が作用することが防止されている。

すなわち、観察用レンズ２４のある側面に所定の収縮荷重が作用した場合、当該側面には断面積に反比例した垂直応力が作用するため、短辺ｓ４側よりも長辺ｓ３側の方が、単位面積あたりの垂直応力が小さくなる。

より具体的には、例えば、図７に示すように、観察用レンズ２４の長辺ｓ３側の辺の長さは短辺ｓ４側よりも長いため、辺の長さをｂ、高さをｈとしたときの長辺ｓ３側の断面積（ｂ×ｈ）は、短辺ｓ４側の断面積よりも大きくなる。そして、単位面積あたりの垂直応力は、断面積に反比例することが知られているため（垂直応力＝荷重÷断面積）、同様の収縮荷重が発生した場合であっても、短辺ｓ４側より長辺ｓ３側の方が、単位面積あたりの垂直応力を小さくすることができる。

また、観察用レンズ２４のある側面に所定の収縮荷重に基づく曲げモーメントが作用した場合、当該側面には断面係数に反比例した曲げ応力が作用するため、短辺ｓ４側よりも長辺ｓ３側の方が、単位面積あたりの曲げ応力が小さくなる。

より具体的には、観察用レンズ２４の長辺ｓ３側の辺の長さは短辺ｓ４側よりも長いため、辺の長さをｂ、高さをｈとしたときの長辺ｓ３側の断面係数（ｂ×ｈ^２÷６）は、短辺ｓ４側の断面係数よりも大きくなる。そして、単位面積あたりの曲げ応力は、断面係数に反比例することが知られているため（曲げ応力＝曲げモーメント÷断面係数）、同様の曲げモーメントが発生した場合であっても、短辺ｓ４側より長辺ｓ３側の方が、単位面積あたりの曲げ応力を小さくすることができる。

このような実施形態によれば、挿入部６の先端部１１に先端面１１ａを形成する先端部本体２０に設けられ、互いに対向する一対の長辺ｓ１と互いに対向する一対の短辺ｓ２とによって開口形状が規定された観察用貫通孔２２と、観察用貫通孔２２の加工時に長辺ｓ１と短辺ｓ２とがそれぞれ交わる四隅に形成された加工逃げ用の溝部５０と、観察用貫通孔２２の開口形状と相似する平面視形状をなし、観察用貫通孔２２に挿入された観察用レンズ２４と、観察用貫通孔２２の内周面と観察用レンズ２４の外周面との間に周設された接着部５１と、を有する内視鏡２において、各溝部５０を、短辺ｓ２に接し、且つ、長辺ｓ１から観察用貫通孔２２の外方に突出するように形成することにより、長さの異なる２対の各辺の交差部に加工逃げ用の溝部５０を有する観察用貫通孔２２に観察用レンズ２４を固定する際に、接着部５１の収縮による観察用レンズ２４の破損を防止することができる。

すなわち、加工逃げ用の各溝部５０を長辺ｓ１側から突出させ、溝部５０に充填された接着部５１の収縮荷重を、観察用レンズ２４において断面積（及び、断面係数）の大きい長辺ｓ３側の面のみによって受けることにより、観察用レンズ２４の短辺ｓ４側に大きな応力が作用することを防止することができ、観察用レンズ２４の破損を防止することができる。

ここで、例えば、図８に示すように、観察用貫通孔２２の一対の短辺ｓ２（及び、観察用レンズ２４の一対の短辺ｓ４）を円弧状とすることも可能である。この場合においても、各溝部５０は、短辺ｓ２に接し、且つ、長辺ｓ１から観察用貫通孔２２の外方に突出するように形成されている。より具体的には、各溝部５０は、長辺ｓ１と短辺ｓ２との仮想的な交点において、短辺ｓ２の接線方向（短辺ｓ２の延出方向）に突出するように形成されている。なお、このような構成においては、各短辺ｓ２（及び、各短辺ｓ４）が、互いに同心上の円弧であることが望ましい。

また、上述の実施形態においては、本発明を立体内視鏡に対して適用する構成の一例について説明したが、例えば、図９に示すように、単眼の通常観察用の観察光学系１３１を備えた内視鏡に対して適用することも可能である。この場合、観察窓２３を上下方向に縦長となるように配置し、当該観察窓２３の裏面側に、例えば、観察光学系１３１と照明光学系１２７とを配置することが可能である。なお、図９中に示す内視鏡は、先端面１１ａにおいて、観察光学系１３１及び照明光学系１２７の側方に、図示しない処置具チャンネルに連通するチャンネル開口部７０が設けられている。

さらに、例えば、図１０に示すように、単眼の通常観察用の観察光学系１３１と、単眼の特殊観察用の観察光学系２３１とを備えた内視鏡に対して適用することも可能である。この場合、観察窓２３を上下方向に縦長となるように配置し、当該観察窓２３の裏面側に、例えば、観察光学系１３１，２３１を配置することが可能である。なお、図１０に示す内視鏡は、先端面１１ａにおいて、観察光学系１３１，２３１の側方に、照明光学系１２７及びチャンネル開口部７０が設けられている。

なお、本発明は、以上説明した各実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲内である。

本出願は、２０１７年６月８日に日本国に出願された特願２０１７−１１３５９０号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲に引用されるものとする。

Claims

挿入部の先端部に先端面が形成され、互いに対向する一対の直線である長辺と互いに対向する一対の直線である短辺とによって開口形状が規定された保持孔が形成された筐体と、
前記保持孔の前記長辺と前記短辺とがそれぞれ交わる四隅に形成された溝部と、
前記保持孔の開口形状と相似する平面視形状をなし、前記保持孔に挿入された光学部材と、
前記保持孔の内周面と前記光学部材の外周面との間及び前記溝部に充填された接着部と、を有し、
前記各溝部は、前記短辺に接し、且つ、前記溝部に充填された前記接着部の収縮荷重を前記光学部材の長辺側の面のみに伝達させるよう、前記短辺の接線方向であってかつ前記長辺からのみ前記保持孔の外方に突出するように形成されていることを特徴とする内視鏡。
前記光学部材は、前記筐体の内部に保持される２つの光学系の先端を一体的に覆うことを特徴とする請求項１に記載の内視鏡。