JPWO2019163720A1 - 内視鏡カメラ装置及び内視鏡カメラシステム - Google Patents

Abstract

固体撮像素子を含む複数の発熱素子を効率的に冷却することが可能であり、軽量且つコンパクトな内視鏡カメラ装置（１００）は、内視鏡（１１０）と；密閉空間を形成する筐体（１３１）を備える撮像装置（１３０）と；前記筐体に接続された空気供給管（１６４Ａ）及び空気排出管（１６４Ｂ）と；前記空気供給管を経由して前記筐体内に空気を強制供給し且つ前記空気排出管を経由して前記筐体内から空気を強制排気する給排気装置（１６０）と；前記空気供給管を流れる空気を冷却する空気冷却装置（１６２）と；を有し、前記筐体、前記空気供給管及び前記空気排出管は１つの密閉空間を形成するように接続されている。前記筐体内において、第１のヒートシンク（１３１６）を冷却する第１の空気流と第２のヒートシンク（１３３６）を冷却する第２の空気流が生成される。

Description

本発明は内視鏡カメラ装置及び内視鏡カメラシステムに関する。詳しくは、冷却機能を備えた８Ｋレベルの内視鏡カメラ装置及び内視鏡カメラシステムに関する。

本願の発明者達は８Ｋの内視鏡カメラの開発（非特許文献１）を行い、更に、超小型超軽量の８Ｋ内視鏡装置を開発（特願２０１６−１２３０４９）（未公開）した。このような超小型化及び超軽量化により内視鏡装置の操作が容易になると共に、高分解能の大画面モニタと組み合わせることにより、内視鏡手術の信頼性・確実性が飛躍的に高まった。

特開平０４−２４１８３０号公報 特開平０４−１０２４３５号公報

山下紘正「８Ｋテレビ技術の内視鏡手術への応用」、2015年度第１回光技術動向調査委員会、（2015年5月25日公開）

８Ｋの内視鏡カメラでは、手術空間に排気を放出しないように、超小型の気密性の撮像管筐体を設け、その内部に、８Ｋ用固体撮像素子を設ける。８Ｋになると撮像素子及び信号処理用回路素子の増加に起因して、発熱量が増大する。従って、冷却機構の冷却能力の増加が必要となる。他方、手術空間では、内視鏡カメラの操作性の自由度を確保するために、軽量化及び小型化が求められる。小型化された８Ｋの内視鏡カメラでは、筐体の内部空間が小さいため、筐体内の冷却機構は、回転機構が無く、またペルチエ素子もなく、できるだけ軽量且つコンパクトであることが必要である。本願の発明はかかる課題を解決する手段について鋭意に考察した。

非特許文献１には、発明者等による８Ｋ内視鏡装置を用いた手術の例が記載されている。特許文献１及び２には、内視鏡カメラ装置のカメラヘッド部に設けられた固体撮像素子を冷却するために、ファン等の回転機構は無いが、ペルチエ素子を設ける例が記載されている。しかしながら、冷却機構としてペルチエ素子を用いると、ペルチエ素子用の電源が必要となり、８Ｋの超小型の気密性の撮像装置の筐体には収納できない。

また、従来の４Ｋ以下の内視鏡カメラ装置では、固体撮像素子のみを冷却し、信号処理用の回路素子、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、電源ＩＣ等の冷却について考慮していない。しかし、８Ｋでは信号処理用のＦＰＧＡの発熱量は、固体撮像素子の発熱量より大きくなる場合がある。従って、固体撮像素子の発熱ばかりでなく、信号処理用の回路素子の発熱についても考慮することが必要である。

本発明の目的は、超小型の密封空間を有し発熱量が大きい８Ｋ内視鏡カメラに適合する冷却機構を有する、内視鏡カメラ装置及び内視鏡カメラシステムを提供することにある。
また、本発明の別の目的は、回転機構及びペルチエ素子を含まない冷却機構を有する内視鏡カメラ装置及び内視鏡カメラシステムを提供することにある。

本発明による内視鏡カメラ装置１００は、例えば図１及び図２に示すように、内視鏡１１０と；密閉空間を形成する筐体１３１を備える撮像装置１３０と；筐体１３１に接続された空気供給管１６４Ａ及び空気排出管１６４Ｂと；空気供給管１６４Ａを経由して筐体１３１内に空気を強制供給し且つ空気排出管１６４Ｂを経由して筐体１３１内から空気を強制排気する給排気装置１６０と；空気供給管を１６４Ａ流れる空気を冷却する空気冷却装置１６２と；を有し、
筐体１３１、空気供給管１６４Ａ及び空気排出管１６４Ｂは１つの密閉空間を形成するように接続され、
撮像装置１３０は、筐体１３１の端部に設けられた固体撮像素子１３１１と、該固体撮像素子１３１１に設けられた第１のヒートシンク１３１６と、筐体１３１内に設けられた信号処理用のＦＰＧＡ１３３１と、該ＦＰＧＡ１３３１に設けられた第２のヒートシンクと、該第２のヒートシンク１３３６を覆い空気排出管１６４Ｂに接続されたカバー部材１３３８と、を有し、
筐体１３１内において、第１のヒートシンク１３１６を冷却する第１の空気流と第２のヒートシンク１３３６を冷却する第２の空気流が生成され、第１の空気流は、空気供給管１６４Ａから供給された冷却空気が第１のヒートシンク１３１６に吹き付けられ、第１のヒートシンク１３１６のフィン１３１６Ｂ（図３Ａ参照）の間を通り第１のヒートシンク１３１６の周囲に発散するように構成され、第２の空気流は、第２のヒートシンク１３３６の周囲から第２のヒートシンク１３３６のフィン１３３６Ｂ（図３Ａ参照）の間を通りカバー部材１３３８を経由して、空気排出管１６４Ｂに流れるように構成されている、としてよい。このように構成すると、超小型の密封空間を有し発熱量が大きい８Ｋ内視鏡カメラに適合する冷却機構を有する、内視鏡カメラ装置及び内視鏡カメラシステムを提供できる。

本発明による内視鏡カメラ装置１００において、
固体撮像素子１３１１は、７６８０×４３２０画素を有するＣＭＯＳイメージセンサによって構成され、ＦＰＧＡ１３３１の消費電力は固体撮像素子１３１１の消費電力より大きい、としてよい。

本発明による内視鏡カメラ装置１００において、例えば図４Ａに示すように、
空気冷却装置１６２は、空気供給管１６４Ａの一部に設けられた放熱管１６２１と該放熱管１６２１の外面に装着されたヒートシンク１６２３を有する、としてよい。

本発明による内視鏡カメラ装置１００において、例えば図４Ｂに示すように、
空気冷却装置１６２は、空気供給管１６４Ａの一部に設けられた放熱管１６２１と該放熱管１６２１の外面に装着されたペルチエ素子１６２７を有する、としてよい。

本発明による内視鏡カメラ装置１００において、例えば図４Ｃに示すように、
空気冷却装置１６２は、空気供給管１６４Ａの一部に設けられた放熱管１６２１と該放熱管１６２１の内部に設けられた細管１６２９と、該細管１６２９内を流れる冷媒と、を有し、細管１６２９の両端は、放熱管１６２１の外側に配置されている、としてよい。

本発明による内視鏡カメラ装置１００において、例えば図２に示すように、
筐体１３１内にダクト１６６Ａが設けられ、該ダクト１６６Ａの一端は空気供給管１６４Ａに接続され、該ダクト１６６Ａの他端は第１のヒートシンク１３１６に向いている、としてよい。

本発明による内視鏡カメラ装置１００において、例えば図２及び図３Ｂに示すように、
カバー部材１３３８は、第２のヒートシンク１３３６の外形に対応した形状の蓋状部１３３８Ａと、空気排出管１６４Ｂに接続されたダクト部１３３８Ｂと、を有し、該ダクト部１３３８Ｂは蓋状部１３３８Ａの中央に開口している、としてよい。

本発明による内視鏡カメラ装置１００において、
給排気装置１６０は、−５〜−２０ｋPaの真空圧を生成する真空ポンプと＋５〜＋２０ｋPaの空気圧を生成するコンプレッサを組みわせた形式のポンプ装置（図示しない）によって構成されている、としてよい。

本発明による内視鏡カメラ装置１００において、筐体１３１内に回転機構又はペルチエ素子を有さない、としてよい。

本発明による内視鏡カメラ装置１００は、例えば図３に示すように、筐体１３１内に回転機構又はペルチエ素子を有さない、としてよい。このように構成すると、小型軽量の冷却機構を有する内視鏡カメラ装置を提供できる。

本発明による内視鏡１１０と；密閉空間を形成する筐体１３１を備える撮像装置１３０と；制御装置１４０と；表示装置１５０と；を備えた内視鏡カメラシステムにおいて、例えば図２に示すように、
更に、筐体１３１に接続された空気供給管１６４Ａ及び空気排出管１６４Ｂと；空気供給管１６４Ａを経由して筐体１３１体内に空気を供給し且つ空気排出管１６４Ｂを経由して筐体１３１内から空気を排気する給排気装置１６０と；空気供給管１６４Ａを流れる空気を冷却する空気冷却装置１６２と；を有し、
筐体１３１、空気供給管１６４Ａ及び空気排出管１６４Ｂは１つの密閉空間を形成するように接続され、
給排気装置１６０は、−５〜−２０ｋPaの真空圧を生成する真空ポンプと＋５〜＋２０ｋPaの空気圧を生成するコンプレッサを組みわせた形式のポンプ装置（図示しない）によって構成されている、としてよい。

本発明による内視鏡カメラシステムにおいて、例えば図２に示すように、
撮像装置１３０は、筐体１３１の端部に設けられた固体撮像素子１３１１と、該固体撮像素子１３１１に設けられた第１のヒートシンク１３１６と、筐体１３１内に設けられた信号処理用のＦＰＧＡ１３３１と、該ＦＰＧＡ１３３１に設けられた第２のヒートシンク１３３６と、該第２のヒートシンク１３３６を覆い空気排出管１６４Ｂに接続されたカバー部材１３３８と、を有し、
筐体１３１内において、第１のヒートシンク１３１６を冷却する第１の空気流と第２のヒートシンク１３３６を冷却する第２の空気流が生成され、第１の空気流は、空気供給管１６４Ａから供給された冷却空気が第１のヒートシンク１３１６に吹き付けられ、第１のヒートシンク１３１６のフィン１３１６Ｂ（図３Ａ参照）の間を通り第１のヒートシンク１３１６の周囲に発散するように構成され、第２の空気流は、第２のヒートシンク１３３６の周囲から第２のヒートシンク１３３６のフィン１３１６Ｂ（図３Ａ参照）の間を通りカバー部材１３３８を経由して、空気排出管１６４Ｂに流れるように構成されている、としてよい。

本発明によると内視鏡カメラシステムにおいて、
固体撮像素子１３１１は、７６８０×４３２０画素を有するＣＭＯＳイメージセンサによって構成され、ＦＰＧＡ１３３１の消費電力は固体撮像素子１３１１の消費電力より大きい、としてよい。

本発明によると、超小型の密封空間を有し発熱量が大きい８Ｋ内視鏡カメラに適合する冷却機構を有する、内視鏡カメラ装置及び内視鏡カメラシステムを提供することができる。
また、回転機構及びペルチエ素子を含まない冷却機構を有する内視鏡カメラ装置及び内視鏡カメラシステムを提供することができる。

本発明に係る内視鏡カメラ装置及び内視鏡カメラシステムの全体構成の例を示す模式図である。 本発明に係る内視鏡カメラ装置の冷却空気の流れを説明する説明図である。 本発明に係る内視鏡カメラ装置の固体撮像素子の冷却機構を説明するための図である。 本発明に係る内視鏡カメラ装置のＦＰＧＡの冷却機構の例を説明するための図である。 本発明に係る内視鏡カメラ装置の空気冷却装置の第１の例を説明するための図である。 本発明に係る内視鏡カメラ装置の空気冷却装置の第２の例を説明するための図である。 本発明に係る内視鏡カメラ装置の空気冷却装置の第３の例を説明するための図である。 本発明に係る内視鏡カメラ装置の制御装置の構成の例を示す模式図である。 冷却空気供給機構を設けない場合のＣＭＯＳイメージセンサの温度測定の結果を説明するための図である。 冷却空気供給機構を設けない場合のＣＭＯＳイメージセンサの温度測定の結果を説明するための図である。 本発明に係る内視鏡カメラ装置において、冷却空気供給機構を設けた場合のＦＰＧＡ、バイアス電源、及び、ＣＭＯＳイメージセンサの温度測定の結果を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１を参照して本発明に係る内視鏡カメラ装置及び内視鏡カメラシステムの例を説明する。本例の内視鏡カメラシステムは、８Ｋの内視鏡カメラ装置１００と表示装置１５０を有する。８Ｋとはスーパーハイビジョン（超高精細映像）システムの意味であり、水平７６８０（８Ｋ）画素、垂直４３２０ラインの画像を提供する。１フレームの画素数は約３３００万画素（３３メガピクセル）である。一方、従来のハイビジョンシステムでは、水平１９２０（２Ｋ）画素、垂直１０８０ラインの画像を提供する。従って、１フレームの画素数は約２００万画素（２メガピクセル）となる。スーパーハイビジョンの場合、従来のハイビジョンの１６倍の画素データ（１フレーム当たり）を高速で且つ並列処理する。更に、スーパーハイビジョンでは、毎秒６０〜１２０フレーム（ｆｐｓ）のフレーム速度で画素データを処理する。

一般に、６Ｋ程度の機器を、８Ｋレベル又は８Ｋ相当と表示され、又は、称されることがある。従って、本明細書では、８Ｋとは６Ｋ以上１２Ｋ以下をいうものとする。

内視鏡カメラ装置１００は、内視鏡１１０と、結像レンズ１１４を備えたレンズマウント１１６と、照明装置１２０と、撮像装置１３０と、制御装置１４０と、給排気装置１６０と、空気冷却装置１６２とを有する。給排気装置１６０は、空気供給管１６４Ａ及び空気排出管１６４Ｂを介して撮像装置１３０に接続されている。空気供給管１６４Ａに空気冷却装置１６２が設けられている。表示装置１５０は、８Ｋレベル以上のフレーム画像を表示する。表示装置１５０として、例えば３０インチ以上の大画面モニタを使用することにより、多数の人が同時に自然な画像を観察することができる。

撮像装置１３０、制御装置１４０、給排気装置１６０及び空気冷却装置１６２の詳細に以下に詳細に説明する。ここでは、内視鏡１１０の例として、硬性挿入部１１１を有する硬性鏡を例として説明するが、軟性挿入部を有する軟性鏡であってもよい。

照明装置１２０は、適当な光源、例えば、キセノンランプ又はＬＥＤ（Light Emitting
Diode）を備える。照明装置１２０には光ファイバー１２１が接続されている。光ファイバー１２１は、内視鏡１１０に設けられた接続部１１２に接続され、更に、硬性挿入部１１１の外面に沿って先端部１１０Ａまで延びている。照明装置１２０からの光は、光ファイバー１２１を介して、内視鏡１１０の先端部１１０Ａまで導かれる。先端部１１０Ａから出射した照明光は撮像対象を照射する。

内視鏡１１０の内端部１１０Ｂ、即ち、アイピースは、レンズマウント１１６に装着される。レンズマウント１１６は、撮像装置１３０のマウント部１３０Ａに装着される。

図２を参照して、本例の内視鏡カメラ装置１００の構成、冷却機能及び冷却空気の流れを説明する。本例では、撮像装置１３０は８Ｋレベル以上の解像度の高い画像、すなわち空間分解能の優れた画像を生成する。撮像装置１３０は筐体１３１を有する。筐体１３１の前端には結像レンズ１１４を備えたレンズマウント１１６が装着されている。結像レンズ１１４の背後に固体撮像素子１３１１が設けられている。固体撮像素子１３１１の前面には反射防止ガラス１３１５が装着されている。固体撮像素子１３１１は基板１３１２の上に搭載されている。固体撮像素子１３１１の裏面には第１のヒートシンク１３１６が装着されている。固体撮像素子１３１１として、ＣＭＯＳ(complementary metal oxide semiconductor)イメージセンサ、又は、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)イメージセンサが使用可能である。本例では、固体撮像素子１３１１として、ＣＭＯＳイメージセンサを用いる。

第１のヒートシンク１３１６の背後にはダクト１６６Ａが設けられている。ダクト１６６Ａの出口は、第１のヒートシンク１３１６を向いており、ダクト１６６Ａの入り口は、空気供給管１６４Ａに接続されている。ダクト１６６Ａ及び空気供給管１６４Ａ内の矢印は空気流の方向を示す。

筐体１３１の内部の密閉空間の下部には、信号処理用のＦＰＧＡ（Field Programmable
Gate Array）１３３１が設けられている。ＦＰＧＡ１３３１は基板１３３２の上に搭載されている。ＦＰＧＡ１３３１の表面には第２のヒートシンク１３３６が装着されている。

第２のヒートシンク１３３６の上側にカバー部材１３３８が設けられている。カバー部材１３３８の出口はダクト１６６Ｂに接続されている。ダクト１６６Ｂの反対側の端部は、空気排出管１６４Ｂに接続されている。ダクト１６６Ｂ及び空気排出管１６４Ｂ内の矢印は空気流の方向を示す。尚、ダクト１６６Ｂを設けずに、直接に、カバー部材１３３８の出口に空気排出管１６４Ｂを接続してもよい。

筐体１３１の内部の密閉空間には、固体撮像素子１３１１及びＦＰＧＡ１３３１以外に様々な電子部品、及び、電子素子が配置されている。例えば、筐体１３１の内部の上部には、バイアス電源（固体撮像素子用電源基板）、ＦＰＧＡ用電源基板が配置されている。筐体１３１の内部の下部の出口の近くには、ＦＰＧＡ１３３１に隣接して光伝送用の光モジュールが配置されている。本例では、撮像装置１３０と制御装置１４０の間の信号送信は光伝送を利用して行う。これらの基板及び光モジュールは、フレキシビルケーブルによって互いに接続されている。ＦＰＧＡ１３３１は、固体撮像素子１３１１から得られた生データ（光電変換による画素ごとの電圧値）を画像化するためのデジタル信号に変換する。光モジュールは、２４Ｇｂｐｓの大容量の信号を、カメラからカメラコントロールユニット（ＣＣＵ）に伝送するために、電気信号を光信号に変換する。カメラとＣＣＵをつなぐケーブルは３ｍ以上になるが、金属製の電気ケーブルでは、このような大容量の信号を超高速で送ろうとすると途中で減衰して届かない。そのため、光信号に変換し、光ファイバーで伝送する。

本例の内視鏡カメラ装置では、ＦＰＧＡ１３３１の消費電力は固体撮像素子１３１１の消費電力より大きい。従って、ＦＰＧＡ１３３１の発熱量は固体撮像素子１３１１の発熱量より大きい。本例の内視鏡カメラ装置では、ＦＰＧＡとＦＰＧＡ電源の消費電力の和は１０〜１５Ｗであり、ＣＭＯＳイメージセンサとバイアス電源の消費電力の和は４〜９Ｗである。本願の発明者が製造した内視鏡カメラ装置の例では、ＦＰＧＡとＦＰＧＡ電源の消費電力の和は約１１．５Ｗであった。ＣＭＯＳイメージセンサとバイアス電源の消費電力の和は約５．５Ｗであった。

本例の内視鏡カメラ装置では、撮像装置１３０とは別個に、給排気装置１６０と空気冷却装置１６２が設けられている。撮像装置１３０の筐体１３１と給排気装置１６０は、空気供給管１６４Ａ及び空気排出管１６４Ｂによって接続されている。空気冷却装置１６２は、空気供給管１６４Ａに設けられている。空気供給管１６４Ａ及び空気排出管１６４Ｂはシリコン樹脂製であってよい。

給排気装置１６０は、空気を強制供給する機能と空気を強制排気又は吸引する機能を有する装置であればどのようなものでもよい。例えば、強制排気と強制吸引を同時に行う単一の装置であってもよいが、空気供給装置と空気排出装置を組み合わせた形式のものであってもよい。本例では、給排気装置１６０は空気供給装置１６０Ａと空気排出装置１６０Ｂを組み合わせた形式のものを用いる。空気供給装置１６０Ａには、空気ポンプ、空気ブロア、空気ファン等がある。空気排出装置１６０Ｂには真空ポンプ等がある。本願の発明者は、コンプレッサと真空ポンプの兼用の形式のものを使用した。空気供給装置１６０Ａには、空気供給管１６４Ａが接続されている。空気排出装置１６０Ｂには空気排出管１６４Ｂが接続されている。

本実施形態によると、給排気装置１６０、即ち、空気供給装置１６０Ａによって生成される空気圧は＋５〜＋２０ｋＰａであり、好ましくは、＋１０〜＋２０ｋＰａである。給排気装置１６０、即ち、空気排出装置１６０Ｂによって生成される真空圧は−５〜−２０ｋＰａであり、好ましくは、−１０〜−２０ｋＰａである。

本例の内視鏡カメラ装置の密閉構造について説明する。本実施形態によると、撮像装置１３０の筐体１３１、空気供給管１６４Ａ、及び、空気排出管１６４Ｂは、それぞれ密閉構造を有し、且つ、互いに密閉構造によって接続されている。従って、撮像装置１３０の筐体１３１、空気供給管１６４Ａ、及び、空気排出管１６４Ｂによって１つの密閉空間が形成される。給排気装置１６０からの空気圧及び真空圧は、空気供給管１６４Ａ、ダクト１６６Ｂ及び空気排出管１６４Ｂによって殆ど変化することなく、筐体１３１の密閉空間に供給される。

筐体１３１の内部の空気の流れを説明する。以下に、説明の便宜のため、第１のヒートシンク１３１６を冷却する空気流を第１の空気流と称し、第２のヒートシンク１３３６を冷却する空気流を第２の空気流と称する。先ず第１の空気流を説明する。給排気装置１６０によって生成された空気流は、空気供給管１６４Ａを通るとき空気冷却装置１６２によって冷却される。冷却空気は、空気供給管１６４Ａを経由して、ダクト１６６Ａ内に導かれる。冷却空気は、ダクト１６６Ａから第１のヒートシンク１３１６に放射される。上述のようにダクト１６６Ａから放出される冷却空気の圧力は比較的高い。冷却空気は、第１のヒートシンク１３１６のフィン１３１６Ｂの間を通り、第１のヒートシンク１３１６の側部から出る。この空気は、筐体１３１内の密閉空間内を循環する。

次に、第２の空気流を説明する。カバー部材１３３８の上端は、ダクト１６６Ｂを介して空気排出管１６４Ｂが接続されている。上述のように、空気排出管１６４Ｂは、比較的高い真空度によって吸引する。従って、カバー部材１３３８の下側の空間は、比較的低圧である。一方、第２のヒートシンク１３３６の側面の空間は比較的高圧である。そのため、第２のヒートシンク１３３６の側面の空間から、カバー部材１３３８の下側の空間への空気の流れが生じる。カバー部材１３３８によって集められた空気流は、空気排出管１６４Ｂを経由して、給排気装置１６０、即ち、空気排出装置１６０Ｂに導かれ、そこから外気に放出される。

本例の内視鏡カメラ装置では、撮像装置１３０の筐体１３１の内部の密閉空間に設けられた冷却機構は、２つのヒートシンク１３１６、１３３６とカバー部材１３３８と２つのダクト１６６Ａ、ダクト１６６Ｂのみであり小型化が可能である。更に、本例の冷却機構は、筐体１３１の内部の密閉空間において回転機構も可動機構も有さない。従って、撮像装置１３０を手術空間にて自由に用いることができる。

図３Ａを参照して、固体撮像素子１３１１に設けた第１のヒートシンク１３１６について詳細に説明する。固体撮像素子１３１１の前面には反射防止ガラス１３１５が装着されている。固体撮像素子１３１１は基板１３１２の上に搭載されている。固体撮像素子１３１１の端子と基板１３１２の端子はボールグリッド１３１３によって電気的に接続されている。固体撮像素子１３１１の後面には熱伝導性接着材１３１４を介して第１のヒートシンク１３１６が装着されている。第１のヒートシンク１３１６は平板１３１６Ａと複数のフィン１３１６Ｂを有する。平板１３１６Ａは例えば正方形であってよいが矩形であってもよい。フィン１３１６Ｂの形状として、薄板状、波型状板、穴あき平板状、針状等が可能であるが、ここでは、針状とする。

第１の空気流を説明する。ダクト１６６Ａから供給された冷却空気は、矢印にて示すように、第１のヒートシンク１３１６のフィン１３１６Ｂに平行に吹き付けられ、平板１３１６Ａに衝突し、進路を変更し、フィン１３１６Ｂに直交する方向に進む。即ち、冷却空気は、フィン１３１６Ｂの周囲に発散する。冷却空気が第１のヒートシンク１３１６を通過する間に、第１のヒートシンク１３１６から熱を奪う。固体撮像素子１３１１は、第１のヒートシンク１３１６の平板１３１６Ａに接触している。従って、固体撮像素子１３１１が発生した熱は、は、第１のヒートシンク１３１６を介して外気に発散する。そのため、固体撮像素子１３１１の高温化を防止する。

図３Ｂを参照して、ＦＰＧＡ１３３１に設けた第２のヒートシンク１３３６について詳細に説明する。ＦＰＧＡ１３３１は基板１３３２の上に搭載されている。ＦＰＧＡ１３３１と基板１３３２はボールグリッド１３３３によって電気的に接続されている。ＦＰＧＡ１３３１の上面には熱伝導性接着材１３３４を介して第２のヒートシンク１３３６が装着されている。第２のヒートシンク１３３６は平板１３３６Ａと複数のフィン１３３６Ｂを有する。フィン１３３６Ｂの形状として、薄板状、針状等が知られているが、ここでは、針状とする。

フィン１３３６Ｂを被せるようにカバー部材１３３８が設けられている。カバー部材１３３８は、蓋状部１３３８Ａとダクト部１３３８Ｂを有する。蓋状部１３３８Ａは、フィン１３３６Ｂの上端を覆うように形成されている。蓋状部１３３８Ａは、第２のヒートシンク１３３６は平板１３３６Ａの外形に対応した形状の箱の蓋の形をしている。本例では、ＦＰＧＡ１３３１は正方形であり、第２のヒートシンク１３３６の平板１３３６Ａは正方形である。従って、蓋状部１３３８Ａは、正方形の箱の蓋の形状を有する。ダクト部１３３８Ｂは円形断面の曲がり管の形状を有する。蓋状部１３３８Ａの中央にダクト部１３３８Ｂの入り口が開口している。

第２の空気流を説明する。カバー部材１３３８のダクト部１３３８Ｂは、空気排出管１６４Ｂが接続されている。従って、カバー部材１３３８の下方の空間は比較的低圧となる。一方、第２のヒートシンク１３３６の周囲は、比較的高圧である。従って、第２のヒートシンク１３３６の周囲から、第２のヒートシンク１３３６のフィン１３３６Ｂの間を通り、カバー部材１３３８に向かう空気の流れが生じる。ＦＰＧＡ１３３１は、第２のヒートシンク１３３６の平板１３３６Ａに接触している。従って、ＦＰＧＡ１３３１が発生した熱は、第２のヒートシンク１３３６を介して空気流に発散する。そのため、ＦＰＧＡ１３３１の高温化を防止する。

図４Ａを参照して、空気冷却装置１６２の第１の例を説明する。図示のように、空気供給管１６４Ａの一部分に放熱管１６２１が設けられている。放熱管１６２１の両端は、空気供給管１６４Ａの端部に嵌め込められている。空気供給管１６４Ａはシリコン樹脂製であってよい。放熱管１６２１は鉄、銅等の熱伝導性の高い金属によって形成されるが、熱伝導性が高い材料であれば金属以外であってもよい。放熱管１６２１の外径は、空気供給管１６４Ａの内径より僅かに大きい。空気供給管１６４Ａの端部は弾性変形し、放熱管１６２１の両端を覆う。本実施形態では、空気冷却装置１６２を設けても、空気供給管１６４Ａの密閉構造は維持される。

本例の空気冷却装置１６２は、放熱管１６２１の外面に装着されたヒートシンク１６２３と、更にその外側に設けられた空冷ファン１６２５を有する。ヒートシンク１６２３は外部空間に晒されているから、高温化することはない。特に、空冷ファン１６２５によってヒートシンク１６２３は冷却される。放熱管１６２１はヒートシンク１６２３によって熱を奪われるから、放熱管１６２１の温度は高温化されることなく、常に低温に保持される。空気供給管１６４Ａの内部を移動する空気は、放熱管１６２１を通過する間に放熱管１６２１の内面に接触する。それによって空気は冷却化される。尚、本例では、空冷ファン１６２５を設けているが、空冷ファン１６２５を省略してもよい。

図４Ｂを参照して、空気冷却装置１６２の第２の例を説明する。図４Ａの例と同様に、空気供給管１６４Ａの一部分に放熱管１６２１が設けられている。本例の空気冷却装置１６２は、ペルチエ素子１６２７を有する。ペルチエ素子１６２７は、吸熱部と放熱部を有する。放熱管１６２１の外面にペルチエ素子１６２７の吸熱部を装着し、ペルチエ素子１６２７の放熱部を外部空間に露出させる。放熱管１６２１はペルチエ素子１６２７によって熱を奪われるから、放熱管１６２１の温度は高温化されることなく、常に低温に保持される。空気供給管１６４Ａの内部を移動する空気は、放熱管１６２１を通過する間に放熱管１６２１の内面に接触する。それによって空気は冷却化される。

図４Ｃを参照して、空気冷却装置１６２の第３の例を説明する。図４Ａに例と同様に、空気供給管１６４Ａの一部分に放熱管１６２１が設けられている。本例の空気冷却装置１６２は、細管１６２９を有する。細管１６２９は、放熱管１６２１の内部を蛇行するように延びており、細管１６２９の両端は、放熱管１６２１の外側に配置されている。細管１６２９内に冷媒が流れる。冷媒として冷水が用いられてよいが、液体窒素、液体空気を用いてもよい。空気供給管１６４Ａの内部を移動する空気は、放熱管１６２１を通過する間に細管１６２９の外面に接触する。それによって空気は冷却化される。

図４Ａ〜図４Ｃを参照して、空気冷却装置１６２の例として、ヒートシンク１６２３、空冷ファン１６２５、ペルチエ素子１６２７、及び、内部に冷媒が流れる細管１６２９を説明した。これらの空気冷却装置１６２の例は適宜組み合わせて用いることができる。例えば、図４Ａの例と図４Ｂの例又は図４Ｃの例を組み合わせてもよいし、図４Ｂの例と図４Ｃの例を組み合わせてもよい。

図５を参照して制御装置１４０の構成を説明する。制御装置１４０は、カメラコントロールユニット（ＣＣＵ）と称され、撮像装置１３０からの撮像信号（輝度データ）を映像信号（フレームデータ）に変換し、表示装置１５０に送信する。制御装置１４０は制御部１４１、画像処理部１４２、記憶部１４３、入出力ＩＦ１４４及び入力装置１４５を有する。制御部１４１は、内視鏡カメラ装置全体及び各部を制御する。制御部１４１は、撮像装置１３０から送信された画像データを順次受信し、記憶部１４３に順次格納する。画像処理部１４２は記憶部１４３に格納された画像データを拡大縮小（倍率調整）、ノイズ除去、鮮明化、画像変換等の加工処理を行う。フレームデータの倍率調整にはデジタルズームを使用する。

記憶部１４３は、制御部１４１の動作プログラム、画像処理部１４２の動作プログラム、撮像装置１３０から受信した画像データ、画像処理部１４２が再生したフレームデータ、処理したフレームデータ等を記憶する。

本例の内視鏡カメラ装置の小型化について説明する。本例の内視鏡カメラ装置では、従来のカメラ本体に設けられた素子を可能な限り制御装置１４０に移転し、照明装置１２０を撮像装置１３０の外部に設けることとした。更に、撮像装置１３０から冷却用ファン等が除去されている。従って、構造的に撮像装置１３０の軽量化が実現される。更に、カメラ本体の筐体１３１の材料を、アルミ合金等の軽金属、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、炭素繊維等の軽量材とすることにより筐体１３１の軽量化が図れる。

図６Ａ及び図６Ｂは、本願の発明者が行った実験の結果を示す。この実験では、冷却空気供給機構を設けない場合のＣＭＯＳイメージセンサの温度を測定した。筐体１３１よりカバー部材１３３８と２つのダクト１６６Ａ、ダクト１６６Ｂを除去した。外気温度は２６℃であった。電源を入れ、測定を開始した。図６Ａに示すように、測定開始から８分１３秒（４９３秒）で温度が９０℃となった。図６Ｂに示すように、測定開始から２０分過ぎると温度が１１０℃を超えた。

図７は、本願の発明者が行った実験の結果を示す。この実験では、本発明による冷却空気供給機構を設けた内視鏡カメラ装置を用いた。ＦＰＧＡの消費電力とＦＰＧＡ電源の消費電力の和は約１１．５Ｗであった。ＣＭＯＳイメージセンサの消費電力とバイアス電源の消費電力の和は約５．５Ｗであった。尚、光モジュールの消費電力は約２．５Ｗであった。給排気装置１６０として真空ポンプ及びコンプレッサ兼用型ポンプを用いた。このポンプの吸引流量は約３２Ｌ／Ｍ（最大吸引圧=−８０ｋＰａ）であった。

先ず、空気ポンプのスイッチを入れ、次に、カメラ電源を入れて、ＦＰＧＡ、バイアス電源、及び、ＣＭＯＳイメージセンサの温度測定を開始した。外気の温度は２６℃であった。測定開始から３３分後にカメラスイッチをオフにした。図７の３つの曲線のうち一番上側の一点鎖線の曲線はＦＰＧＡの温度、その下側の破線の曲線はバイアス電源の温度、最も下側の実線の曲線はＣＭＯＳイメージセンサの温度である。

測定開始後のＦＰＧＡの温度は約５２℃であり、バイアス電源の温度は３８℃であり、ＣＭＯＳイメージセンサの温度は３２℃であった。即ち、ＦＰＧＡの温度は、ＣＭＯＳイメージセンサの温度より高い。測定開始から３０分後のＦＰＧＡの温度は６３℃であり、バイアス電源の温度は５９℃であり、ＣＭＯＳイメージセンサの温度は４８℃であった。ＦＰＧＡの温度は外気温度より３７℃高い。しかしながら、この程度の温度では、ＦＰＧＡの機能の劣化は起きない。

図６Ａ及び図６Ｂのグラフと図７のグラフを比較すると、本例の冷却空気供給機構を設けることにより、ＣＭＯＳイメージセンサの温度を著しく低下させることができることがわかる。従って、本例の本例の冷却空気供給機構を設けることにより、ＣＭＯＳイメージセンサばかりでなく、ＦＰＧＡ、及び、バイアス電源の温度を下げることができるといえる。

以上、本発明の実施形態によれば、超小型の密封空間を有し発熱量が大きい８Ｋ内視鏡カメラに適合する冷却機構を有する、内視鏡カメラ装置及び内視鏡カメラシステムを提供することができる。また、回転機構及びペルチエ素子を含まない冷却機構を有する内視鏡カメラ装置及び内視鏡カメラシステムを提供することができる。

以上、本実施の形態について説明したが、本発明は以上の実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、実施の形態に種々の変更を加えられることは明白である。

例えば、筐体の形状は、図１の例に限定されない。筐体内のＦＰＧＡの設置位置は図２の例に限定されない。例えば、ＦＰＧＡを分散配置することが可能なら、カバー部材をＦＰＧＡ毎に配置すればよい。更に、ＦＰＧＡは筐体の底面に垂直に設置されても良い。また、ダクトの配置も適宜変更可能である。

本発明は、内視鏡カメラに利用可能である。

１００…内視鏡カメラ装置、１１０…内視鏡、１１０Ａ…先端部、１１０Ｂ…内端部、１１１…硬性挿入部、１１２…接続部、１１４…結像レンズ、１１６…レンズマウント、１２０…照明装置、１２１…光ファイバー、１３０…撮像装置、１３０Ａ…マウント部、１３１…筐体、１４０…制御装置、１４１…制御部、１４２…画像処理部、１４３…記憶部、１５０…表示装置、１６０…給排気装置、１６０Ａ…空気供給装置、１６０Ｂ…空気排出装置、１６２…空気冷却装置、１６４Ａ…空気供給管、１６４Ｂ…空気排出管、１６６Ａ、１６６Ｂ…ダクト、１３１１…固体撮像素子、１３１２…基板、１３１３…ボールグリッド、１３１４…熱伝導性接着材、１３１５…反射防止ガラス、１３１６…ヒートシンク、１３１６Ａ…平板、１３１６Ｂ…フィン、１６２１…放熱管、１６２３…ヒートシンク、１６２５…空冷ファン、１６２７…ペルチエ素子、１６２９…細管、１３３１…ＦＰＧＡ、１３３２…基板、１３３３…ボールグリッド、１３３４…熱伝導性接着材、１３３６…ヒートシンク、１３３６Ａ…平板、１３３６Ｂ…フィン、１３３８…カバー部材、１３３８Ａ…蓋状部、１３３８Ｂ…ダクト部

Claims (12)

1. 内視鏡と；密閉空間を形成する筐体を備えるカメラ本体と；前記筐体に接続された空気供給管及び空気排出管と；前記空気供給管を経由して前記筐体内に空気を強制供給し且つ前記空気排出管を経由して前記筐体内から空気を強制排気する給排気装置と；前記空気供給管を流れる空気を冷却する空気冷却装置と；を有し、
   前記筐体、前記空気供給管及び前記空気排出管は１つの密閉空間を形成するように接続され、
   前記カメラ本体は、前記筐体の端部に設けられた８Ｋレベルの固体撮像素子と、該固体撮像素子に設けられた第１のヒートシンクと、前記筐体内に設けられた信号処理用のＦＰＧＡと、該ＦＰＧＡに設けられた第２のヒートシンクと、該第２のヒートシンクを覆い前記空気排出管に接続されたカバー部材と、を有し、
   前記筐体内において、前記第１のヒートシンクを冷却する第１の空気流と前記第２のヒートシンクを冷却する第２の空気流が生成され、前記第１の空気流は、前記空気供給管から供給された冷却空気が前記第１のヒートシンクに吹き付けられ、前記第１のヒートシンクのフィンの間を通り前記第１のヒートシンクの周囲に発散するように構成され、前記第２の空気流は、前記第２のヒートシンクの周囲から前記第２のヒートシンクのフィンの間を通り前記カバー部材を経由して、前記空気排出管に流れるように構成されていることを特徴とする；
   内視鏡カメラ装置。
2. 請求項１に記載の内視鏡カメラ装置において、
   前記固体撮像素子は、７６８０×４３２０画素を有するＣＭＯＳイメージセンサによって構成され、前記ＦＰＧＡの消費電力は前記固体撮像素子の消費電力より大きいことを特徴とする；
   内視鏡カメラ装置。
3. 請求項１に記載の内視鏡カメラ装置において、
   前記空気冷却装置は、前記空気供給管の一部に設けられた放熱管と該放熱管の外面に装着されたヒートシンクを有することを特徴とする；
   内視鏡カメラ装置。
4. 請求項１に記載の内視鏡カメラ装置において、
   前記空気冷却装置は、前記空気供給管の一部に設けられた放熱管と該放熱管の外面に装着されたペルチエ素子を有することを特徴とする；
   内視鏡カメラ装置。
5. 請求項１に記載の内視鏡カメラ装置において、
   前記空気冷却装置は、前記空気供給管の一部に設けられた放熱管と該放熱管の内部に設けられた細管と、該細管内を流れる冷媒と、を有し、前記細管の両端は、前記放熱管の外側に配置されていることを特徴とする；
   内視鏡カメラ装置。
6. 請求項１に記載の内視鏡カメラ装置において、
   前記筐体内にダクトが設けられ、該ダクトの一端は前記空気供給管に接続され、該ダクトの他端は前記第１のヒートシンクに向いていることを特徴とする；
   内視鏡カメラ装置。
7. 請求項１に記載の内視鏡カメラ装置において、
   前記カバー部材は、前記第２のヒートシンクの外形に対応した形状の蓋状部と、前記空気排出管に接続されたダクト部と、を有し、該ダクト部は前記蓋状部の中央に開口していることを特徴とする；
   内視鏡カメラ装置。
8. 請求項1に記載の内視鏡カメラ装置において、
   前記給排気装置は、−５〜−２０ｋPaの真空圧を生成する真空ポンプと＋５〜＋２０ｋPaの空気圧を生成するコンプレッサを組みわせた形式のポンプ装置によって構成されていることを特徴とする；
   内視鏡カメラ装置。
9. 請求項１に記載の内視鏡カメラ装置において、前記筐体内に回転機構又はペルチエ素子を有さないことを特徴とする；
   内視鏡カメラ装置。
10. 内視鏡と；密閉空間を形成する筐体を備える８Ｋレベルのカメラ本体と；制御装置と；表示装置と；を備えた内視鏡カメラシステムにおいて、
    更に、前記筐体に接続された空気供給管及び空気排出管と；前記空気供給管を経由して前記筐体内に空気を供給し且つ前記空気排出管を経由して前記筐体内から空気を排気する給排気装置と；前記空気供給管を流れる空気を冷却する空気冷却装置と；を有し、
    前記筐体、前記空気供給管及び前記空気排出管は１つの密閉空間を形成するように接続され、
    前記給排気装置は、−５〜−２０ｋPaの真空圧を生成する真空ポンプと＋５〜＋２０ｋPaの空気圧を生成するコンプレッサを組みわせた形式のポンプ装置によって構成されていることを特徴とする；
    内視鏡カメラシステム。
11. 請求項１０に記載の内視鏡カメラシステムにおいて、
    前記カメラ本体は、前記筐体の端部に設けられた固体撮像素子と、該固体撮像素子に設けられた第１のヒートシンクと、前記筐体内に設けられた信号処理用のＦＰＧＡと、該ＦＰＧＡに設けられた第２のヒートシンクと、該第２のヒートシンクを覆い前記空気排出管に接続されたカバー部材と、を有し、
    前記筐体内において、前記第１のヒートシンクを冷却する第１の空気流と前記第２のヒートシンクを冷却する第２の空気流が生成され、前記第１の空気流は、前記空気供給管から供給された冷却空気が前記第１のヒートシンクに吹き付けられ、前記第１のヒートシンクのフィンの間を通り前記第１のヒートシンクの周囲に発散するように構成され、前記第２の空気流は、前記第２のヒートシンクの周囲から前記第２のヒートシンクのフィンの間を通り前記カバー部材を経由して、前記空気排出管に流れるように構成されていることを特徴とする；
    内視鏡カメラシステム。
12. 請求項１０に記載の内視鏡カメラシステムにおいて、
    前記固体撮像素子は、７６８０×４３２０画素を有するＣＭＯＳイメージセンサによって構成され、前記ＦＰＧＡの消費電力は前記固体撮像素子の消費電力より大きいことを特徴とする；
    内視鏡カメラシステム。

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