JP6999447B2 - 内視鏡システム、及びプロセッサ - Google Patents

内視鏡システム、及びプロセッサ Download PDF

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Description

本発明は、内視鏡システム、及び内視鏡システムに用いられるプロセッサに関する。
内視鏡システムでは、内視鏡本体にはCMOSセンサやCCDなどの撮像素子が搭載され、内視鏡本体に接続されるプロセッサにもICチップや電源回路など様々な電子回路が搭載され、様々な電圧や信号が入力され出力される。このため、内視鏡システムにおいては、安全性の確保のための絶縁対策が施されるとともに、画質劣化や誤動作などを抑止するためのEMC(Electromagnetic Capability)対策が採られている(例えば、特許文献1参照)。
内視鏡関連製品に関するEMCの新規格が発行され、それに伴い、従来規格よりも過大な静電気ノイズが静電気放電試験において内視鏡システムに印加されることとなった。従来の内視鏡システムの回路構成では、静電気ノイズに基づく電流が流れる経路上にICチップ等の電子回路が存在するため、過大な静電気ノイズが発生すると、試験中の各種回路の誤動作や動作停止が生じ、更には電子回路の故障が発生する虞がある。
特開2017-158948号公報
本発明は、過大な静電気ノイズが発生した場合でも各種回路の誤動作、動作停止、故障などを防止することができる内視鏡システム、及びプロセッサを提供することを目的とするものである。
上記の課題を解決するため、本発明に係る内視鏡システムは、撮像部を有する内視鏡と、前記撮像部からの信号に所定の信号処理を行うプロセッサとを備えた内視鏡システムである。前記プロセッサは、前記内視鏡からの信号を受信するよう構成される第1回路と、前記第1回路から信号を受信するように構成される第2回路と、前記第1回路と前記第2回路との間に接続されるアイソレータを備える。前記第1回路は、前記内視鏡からの信号を入力するための信号入力端子と、電力を供給される電源端子と、前記信号入力端子から前記信号を入力されて所定の信号処理を実行するICチップと、前記第1回路と前記第2回路との間に接続されるコンデンサとを備える。前記信号入力端子と前記コンデンサとの間の距離、及び前記信号入力端子と前記電源端子との間の距離は、前記信号入力端子と前記ICチップとの間の距離よりも短く設定されている。
また、本発明に係るプロセッサは、内視鏡からの信号を受信するよう構成される第1回路と、前記第1回路から信号を受信するように構成される第2回路と、前記第1回路と前記第2回路との間に接続されるアイソレータと、を備える。前記第1回路は、前記内視鏡からの信号を入力するための信号入力端子と、電力を供給される電源端子と、前記信号入力端子から前記信号を入力されて所定の信号処理を実行するICチップと、前記第1回路と前記第2回路との間に接続されるコンデンサとを備え、前記信号入力端子と前記コンデンサとの間の距離、及び前記信号入力端子と前記電源端子との間の距離は、前記信号入力端子と前記ICチップとの間の距離よりも短く設定されている。
前記第2回路は、前記内視鏡から見て前記第1回路よりも遠い位置にある第1領域と、前記内視鏡から見て前記第1回路よりも近い位置にある第2領域とを有し、前記コンデンサは、前記第2領域にある前記第2回路と、前記第2領域に近接する前記第1回路との間に接続されることができる。
本発明に係る内視鏡システム又はプロセッサにおいて、前記第1回路は、前記第1回路に与えられる各種電圧又は信号の基準電圧を供給される第1接地回路を備え、前記第2回路は、前記第2回路に与えられる各種電圧又は信号の基準電圧を供給される第2接地回路を備えることができる。この場合、前記第2接地回路は、前記第1領域及び前記第2領域に位置し、前記第2領域に位置する前記第2接地回路は、前記第1接地回路と前記コンデンサにより接続され得る。
また、前記第1接地回路及び前記第2接地回路は、第1スリットにより分断することができる。この場合、前記電源端子及び前記信号入力端子は、前記第1スリットに沿って配置され得る。
また、前記第1回路は、前記電源端子及び前記信号入力端子を、前記ICチップと分断する第2スリットを更に備えることができる。前記第2スリットの幅は、前記第1スリットの幅よりも小さくすることができる。
また、前記第2領域にある第2回路と第1回路との間において、前記コンデンサと平行に接続される抵抗素子を更に備えることができる。
本発明の内視鏡システム及びプロセッサによれば、過大な静電気ノイズが発生した場合でも各種回路の誤動作、動作停止、故障などを防止することができる。
本発明の第1の実施の形態に係る内視鏡システム1の構成を示すブロック図である。 第1の実施の形態に係るプロセッサ側信号処理回路201のレイアウトを説明する概略図である。 従来の信号処理回路のレイアウトを説明する概略図である。 第2の実施の形態に係るプロセッサ側信号処理回路201のレイアウトを説明する概略図である。 第3の実施の形態に係るプロセッサ側信号処理回路201のレイアウトを説明する概略図である。
以下、添付図面を参照して本実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。
本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る内視鏡システム1の構成を示すブロック図である。図1に示されるように、内視鏡システム1は、内視鏡100、プロセッサ200、モニタ300及び入力部400を備えている。
内視鏡100は、光ファイバ101と、導光レンズ102と、対物レンズ103と、撮像素子104と、スコープ信号処理回路105とを備えている。光ファイバ101は、プロセッサ200内の光源ユニット202からの光を伝送するための光伝送路であり、内視鏡100の長手方向に沿って延びている。導光レンズ102は、光ファイバ101の光出射面から出射された光を集光させて外部に射出させるレンズである。
対物レンズ103は、被写体からの光を集光させて撮像素子104に結像させるためのレンズである。撮像素子104は、例えばCMOSイメージセンサ、又はCCDであり、光信号を電気信号に変換する。スコープ信号処理回路105は、撮像素子104で得られた電気信号に所定の信号処理を行う。一例として、スコープ信号処理回路105は、撮像素子104から入力される画素信号に対して増幅処理等の信号処理を施して出力する回路とすることができる。
なお、内視鏡100は、周知の通り、患者の体内に挿入される可撓管、オペレータにより操作される操作部、操作部とプロセッサ200との間に接続されるユニバーサルケーブル、ユニバーサルケーブルとプロセッサとを接続するコネクタなどを有しているが、図1ではこれらの構造の詳細は省略している。また、内視鏡100は、水や空気を供給するための送水・送水チャネル(図示せず)を備えていてもよい。
プロセッサ200は、プロセッサ側信号処理回路201と、光源ユニット202とを有する。
プロセッサ側信号処理回路201は、内視鏡100のスコープ信号処理回路105から入力された信号を処理してモニタ300において表示させる画像に対応する画像信号を生成する回路である。プロセッサ側信号処理回路201は、患者回路203(第1回路)と、二次回路204(第2回路)と、フォトカプラ205とを備える。
患者回路203は、内視鏡100内のスコープ信号処理回路105と電気的に接続されてスコープ信号処理回路105から信号を受信するように構成され、スコープ信号処理回路105とは電気的に絶縁されていない回路であり、スコープ信号処理回路105から直接電気信号の入力を受ける。患者回路203は、各種信号(クロック信号、データ、各種命令など)を入力するための信号入力端子211と、電力を供給するための電源端子212と、ICチップ213と、Yコンデンサ214とを備えている。
ICチップ213は、スコープ信号処理回路105で処理され出力された電気信号を処理する信号処理回路であり、電源端子212や信号入力端子211と接続されている。例えば、ICチップ213は、スコープ信号処理回路105より1フレーム周期で入力される画素信号に対してデモザイク処理、マトリックス演算、Y/C分離等の所定の信号処理を施して画像信号を生成する。画像信号は、フォトカプラ205を介して二次回路204に入力される。この図1の例では、患者回路203に1つのICチップ213が搭載されているが、このICチップ213は、単一のチップに限らず、複数のチップの集合であってもよい。
二次回路204は、患者回路203とはフォトカプラ205を介して接続されており、患者回路203や内視鏡100とは電気的に(直流電流に対して)絶縁されている回路である。フォトカプラ205は、アイソレータの一例であり、患者回路203の電気信号を光信号に変換して、二次回路204に向けて出力する。このフォトカプラ205の存在により、二次回路204は、患者回路203及び内視鏡100を介して患者の人体に電気的な影響を与えることが防止される。二次回路204は、図示しない光電検出器を備えており、フォトカプラ205が出力した光信号を再び電気信号に変換する。この例では、アイソレータとしてフォトカプラ205を採用しているが、フォトカプラに代えて、他のアイソレータ、例えばパルストランスを用いたアイソレータ、GMR(Giant Magneto Resistance)アイソレータ等が使用され得る。
二次回路204は、詳細は省略するが、光電検出器に加え、内視鏡システム1の全体の制御を司るプロセッサ、メモリ、後段信号処理回路等(図示せず)を備え、患者回路203からの入力信号に対し更なる処理を行って撮像された画像をモニタ300に出力するための各種制御を行うための回路である。
患者回路203は、導体からなる患者基板SB1(第1接地回路)を備え、この患者基板SB1上に絶縁材を介して上述した各種端子や素子を搭載して構成されている。具体的に患者基板SB1は、積層方向に層間絶縁膜を挟んで積層された複数の導電層を備えており、これら導電層が接地基板や信号配線又は電源配線として機能するものである。また、二次回路204は、導体からなる二次基板SB2(第2接地回路)を備え、この二次基板SB2上に絶縁材を介して各種端子や素子を搭載して構成されている。具体的に二次基板SB2は、患者基板SB1と同様に、積層方向に層間絶縁膜を挟んで積層された複数の導電層を備えており、これら導電層が接地基板や信号配線又は電源配線として機能するものである。患者基板SB1及び二次基板SB2は、それぞれ接地電位(基準電位)を与えられる。この基準電位は、患者回路203及び二次回路204に与えられる各種電圧又は信号の基準電圧となる。
二次基板SB2は、内視鏡100から見て患者回路203よりも遠い領域AR1も備えている一方で、内視鏡100から見て患者回路203よりも近い位置にある第2領域AR2をも有している。図1の例では、二次基板SB2は、患者基板SB1を領域的に包含するように形成されているが、二次基板SB2はこれに限定されるものではなく、少なくとも第1領域AR1と第2領域AR2の両方に二次基板SB2が存在していれば足りる。
患者基板SB1と二次基板SB2とは、独立した基板であるが、両者の間にはいわゆるYコンデンサ(Yコン)214が接続されている。Yコンデンサ214は、2つの基板SB1及びSB2の間に接続されることにより、基板SB1とSB2の間のインピーダンスを低下させるとともに、患者回路203や二次回路204で発生する電圧に基づく漏れ電流が患者に流れることを防止し、高周波信号が外部に放射することを防止する役割を有する。第1の実施の形態では、Yコンデンサ214は、第2領域AR2にある二次基板SB2と、この第2領域AR2にある二次基板SB2とスリットST1を挟んで対向する患者基板SB1との間に接続されている。
光源ユニット202は、ドライバ206、LED207、及び集光レンズ208を備えている。LED207は、ドライバ206により駆動されて照射光Lを射出する。LED207より射出された照射光Lは、集光レンズ208により光ファイバ101の入射端面に集光される。
次に、図2を参照して、第1の実施の形態に係るプロセッサ側信号処理回路201のレイアウトを説明する。
前述の通り、二次回路204の二次基板SB2は、第1領域AR1と第2領域AR2との2つの領域に設けられており、第2領域AR2の二次基板SB2と患者基板SB1とはスリットST1により分断されている。
そして、スリットST1に沿って、複数の信号入力端子211、及び電源端子212が配列されている。高電圧の静電気ノイズが発生した場合に、複数の信号入力端子211の配列方向に沿って静電気ノイズに基づく電流ISを流すことができるよう、複数の信号入力端子211の大きさ及び配列ピッチが決定され得る。電源端子212は、ICチップ213に比べ、複数の信号入力端子211に対し近接した位置に配置されている。また、Yコンデンサ214も、ICチップ213との比較において、複数の信号入力端子211に対し近接した位置に配置される。
一方、ICチップ213は、Yコンデンサ214及び電源端子212と比べ、信号入力端子211から離間した位置に配置される。Yコンデンサ214と信号入力端子211との間の距離d1、及び電源端子212と信号入力端子211との間の距離d2は、信号入力端子211とICチップ213との間の距離d3よりも短く設定されている。これにより、信号入力端子211に高電圧の静電気ノイズが入力された場合にも、その静電気ノイズに基づく電流ISは、図2の矢印に示すように、Yコンデンサ214に向かう方向、又は電源端子212に向かう方向に流れ、より遠い位置にあるICチップ213には流れない。
図3は、比較例として、従来の信号処理回路の構成と、その問題点を示している。この図3の比較例の信号処理装置では、二次基板SB2は、患者基板SB1よりも内視鏡100に近い側には存在せず、患者基板SB1よりも内視鏡100から見て遠い側にのみ位置する。また、Yコンデンサ214cも、信号入力端子211cとはICチップ213cから見て反対側の、ICチップ213cよりも内視鏡100から見て遠い位置に位置する。このような構成の場合に、信号入力端子211cに高電圧の静電気ノイズが入力されると、その静電気ノイズ信号に基づく電流ISは、ICチップ213cを経由してYコンデンサ214cに流れ得る。このような電流が流れると、ICチップ213cの誤動作や劣化、更には故障が発生し得る。
以上説明したように、この第1の実施の形態によれば、過大な静電気ノイズが生じた場合でも、その静電気ノイズに基づく電流をYコンデンサ214や電源端子212に逃がし、ICチップ213等に流れるのを回避することができるので、その各種回路の誤動作、動作停止、故障などを防止することができる。なお、上記の具体例では、Yコンデンサ214は第2領域AR2の2次基板SB2と患者基板SB1との間に接続されるが、Yコンデンサ214の位置はこれに限定されるものではなく、Yコンデンサ214が信号入力端子211に対しICチップ213に比べ近接する位置となっていればよい。例えば、Yコンデンサ214は、信号入力端子211の配列方向の延長線上などに配置されていても、同様の効果を奏することができる。
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態に係る内視鏡システム、及びプロセッサについて、図4を参照して説明する。この第2の実施の形態の内視鏡システムは、プロセッサ200の構成が第1の実施の形態と異なっている。内視鏡システムの全体構成は第1の実施の形態(図1)と同一であるので、重複する説明は省略する。
図4は、第2の実施の形態のプロセッサ200(プロセッサ側信号処理回路201)の構成を示している。図2と同一の構成要素については、図4において図2と同一の参照符号を付しているので、以下では重複する説明は省略する。相違点は、ICチップ213と信号入力端子211との間にスリットST2が設けられている点である。スリットST2は、患者基板SB1に形成され、その内部にはエポキシ樹脂等の絶縁材料が埋め込まれる。スリットST2よりもスリットST1に近い側にある患者基板SB1上に、信号入力端子211及び電源端子212が配置され、スリットST2よりも第1領域AR1の二次基板SB2に近い側にある患者基板SB1上に、ICチップ213が配置される。
なお、スリットST2は、上述の静電気ノイズに基づく電流を遮断する機能があれば十分であり、このため、スリットST2の幅は、スリットST1よりも小さくすることができる。
この構成によれば、高電圧の静電気ノイズが信号入力端子211に入力されると、第1の実施の形態と同様に、信号入力端子211に近接して配置されたYコンデンサ214に静電気ノイズに基づく電流が流れるとともに、同様に信号入力端子211に近接して配置された電源端子212にも静電気ノイズに基づく電流が流れ得る。一方、スリットST2が設けられているため、静電気ノイズに基づく電流が信号入力端子211からICチップ213に流れる可能性は、第1の実施の形態と比べ更に抑制され得る。
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態に係る内視鏡システム、及びプロセッサについて、図5を参照して説明する。この第3の実施の形態の内視鏡システムは、プロセッサ200の構成が第1の実施の形態と異なっている。内視鏡システムの全体構成は第1の実施の形態(図1)と同一であるので、重複する説明は省略する。
図5は、第3の実施の形態のプロセッサ200(プロセッサ側信号処理回路201)の構成を示している。図2と同一の構成要素については、図5において図2と同一の参照符号を付しているので、以下では重複する説明は省略する。相違点は、スリットST1において、第2領域AR2にある二次基板SB2と患者基板SB1とを接続する抵抗素子215が更に設けられている点である。この抵抗素子215は、Yコンデンサ214と平行に接続され、静電気ノイズに基づく電流がYコンデンサ214の方向に流れ易くする役割を有する。抵抗素子215の抵抗値は、スリットST1による抵抗値よりも2~3桁程度小さい値、例えば数MΩ~数十MΩ程度に設定され得る。信号入力端子211、電源端子212、及びICチップ213の位置関係及び距離の関係は、第1の実施の形態と同様である。
Yコンデンサ214は、その容量が小さく、既に充電されている場合には十分に静電気ノイズに基づく電流を流すことができない場合がある。しかし、上述のような抵抗素子215が設けられることにより、Yコンデンサ214の充電電荷は抵抗素子215に向けて逐次放電される。このため、この第3の実施の形態によれば、Yコンデンサ214の放電が促進される結果、より静電気ノイズに基づく電流を流しやすくなる。
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…内視鏡システム、100…内視鏡、101…光ファイバ、102…導光レンズ、103…対物レンズ、104…撮像素子、105…スコープ信号処理回路、200…プロセッサ、201…プロセッサ側信号処理回路、202…光源ユニット、203…患者回路、204…二次回路、205…フォトカプラ、206…ドライバ、207…LED、208…集光レンズ、211,211C…信号入力端子、212,212C…電源端子、213,213c…ICチップ、214,214c…Yコンデンサ、215…抵抗素子、300…モニタ、400…入力部、AR1…第1領域、AR2…第2領域、SB1…患者基板、SB2…二次基板、ST1,ST2…スリット。

Claims (14)

  1. 撮像部を有する内視鏡と、
    前記撮像部からの信号に所定の信号処理を行うプロセッサと
    を備えた内視鏡システムであって、
    前記プロセッサは、
    前記内視鏡から各種電圧又は信号を受信するよう構成され、前記各種電圧又は信号の基準電圧を供給される第1接地回路を備える第1回路と、
    前記第1回路から各種電圧又は信号を受信するように構成され、前記各種電圧又は信号の基準電圧を供給される第2接地回路を備える第2回路と、
    前記第1回路と前記第2回路との間に接続されるアイソレータと
    を備え、
    前記第1回路は、
    前記内視鏡からの信号を入力するための信号入力端子と、
    電力を供給される電源端子と、
    前記信号入力端子から前記信号を入力されて所定の信号処理を実行するICチップと、
    前記第1接地回路と前記第2接地回路との間に接続されるコンデンサと
    を備え、
    前記信号入力端子と前記コンデンサとの間の距離、及び前記信号入力端子と前記電源端子との間の距離は、前記信号入力端子と前記ICチップとの間の距離よりも短く設定されている
    ことを特徴とする、内視鏡システム。
  2. 前記第2回路は、前記内視鏡から見て前記第1回路よりも遠い位置にある第1領域と、前記内視鏡から見て前記第1回路よりも近い位置にある第2領域とを有し、
    前記コンデンサは、前記第2領域にある前記第2接地回路と、前記第2領域に近接する前記第1接地回路との間に接続される、請求項1に記載の内視鏡システム。
  3. 記第2接地回路は、前記第1領域及び前記第2領域に位置し、
    前記第2領域に位置する前記第2接地回路は、前記第1接地回路と前記コンデンサにより接続されている、請求項2に記載の内視鏡システム。
  4. 前記第1接地回路及び前記第2接地回路は、第1スリットにより分断され、
    前記電源端子及び前記信号入力端子は、前記第1スリットに沿って配置されている、請求項3に記載の内視鏡システム。
  5. 前記第1回路は、前記電源端子及び前記信号入力端子を、前記ICチップと分断する第2スリットを更に備える、請求項4に記載の内視鏡システム。
  6. 前記第2スリットの幅は、前記第1スリットの幅よりも小さい、請求項5に記載の内視鏡システム。
  7. 前記第2領域にある第2接地回路と第1接地回路との間において、前記コンデンサと平行に接続される抵抗素子を更に備える、請求項2に記載の内視鏡システム。
  8. 内視鏡から各種電圧又は信号を受信するよう構成され、前記各種電圧又は信号の基準電圧を供給される第1接地回路を備える第1回路と、
    前記第1回路から各種電圧又は信号を受信するように構成され、前記各種電圧又は信号の基準電圧を供給される第2接地回路を備える第2回路と
    前記第1回路と前記第2回路との間に接続されるアイソレータと、
    を備え、
    前記第1回路は、
    前記内視鏡からの信号を入力するための信号入力端子と、
    電力を供給される電源端子と、
    前記信号入力端子から前記信号を入力されて所定の信号処理を実行するICチップと、
    前記第1接地回路と前記第2接地回路との間に接続されるコンデンサと
    を備え、
    前記信号入力端子と前記コンデンサとの間の距離、及び前記信号入力端子と前記電源端子との間の距離は、前記信号入力端子と前記ICチップとの間の距離よりも短く設定されている
    ことを特徴とするプロセッサ。
  9. 前記第2回路は、前記内視鏡から見て前記第1回路よりも遠い位置にある第1領域と、前記内視鏡から見て前記第1回路よりも近い位置にある第2領域とを有し、
    前記コンデンサは、前記第2領域にある前記第2接地回路と、前記第2領域に近接する前記第1接地回路との間に接続される、請求項8に記載のプロセッサ。
  10. 記第2接地回路は、前記第1領域及び前記第2領域に位置し、
    前記第2領域に位置する前記第2接地回路は、前記第1接地回路と前記コンデンサにより接続されている、請求項9に記載のプロセッサ。
  11. 前記第1接地回路及び前記第2接地回路は、第1スリットにより分断され、
    前記電源端子及び前記信号入力端子は、前記第1スリットに沿って配置されている、請求項10に記載のプロセッサ。
  12. 前記第1回路は、前記電源端子及び前記信号入力端子を、前記ICチップと分断する第2スリットを更に備える、請求項11に記載のプロセッサ。
  13. 前記第2スリットの幅は、前記第1スリットの幅よりも小さい、請求項12に記載のプロセッサ。
  14. 前記第2領域にある第2接地回路と第1接地回路との間において、前記コンデンサと平行に接続される抵抗素子を更に備える、請求項9に記載のプロセッサ。
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