JP5080695B2

JP5080695B2 - 内視鏡用撮像ユニット

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Publication number: JP5080695B2
Application number: JP2011551669A
Authority: JP
Inventors: 裕之永水; 浩一塩谷
Original assignee: Olympus Medical Systems Corp
Current assignee: Olympus Medical Systems Corp
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2030-10-13
Also published as: EP2532296B1; WO2011092901A1; CN102711583A; CN102711583B; US8913112B2; EP2532296A1; EP2532296A4; US20120293641A1; JPWO2011092901A1

Description

本発明は、電子内視鏡装置に設けられる内視鏡用撮像ユニットおいて、特に先端部に内蔵される内視鏡用撮像ユニットに関する。

近年、医療分野、および工業分野において、内視鏡が広く利用されている。従来の内視鏡では、イメージガイドが用いられ、ユーザが覗き込む接眼部にて、患者の体腔内、またはジェットエンジン内部等を観察できるものが主流であった。

また、最近の内視鏡は、固体撮像素子が設けられた撮像ユニットが挿入部の先端部に組込まれ、患者の体腔内、またはジェットエンジン内部等を撮影して、外部モニタ等の表示装置に内視鏡画像を表示する電子内視鏡装置が登場している。

この電子内視鏡装置の撮像ユニットには、検出した光を電気信号に光電変換するイメージセンサが設けられている。このイメージセンサは、固体撮像素子、電子回路などを１つの電子部品としてパッケージ化されているものが主流となっている。

また、電子内視鏡に用いられる撮像ユニットは、挿入部の細径化に伴って小型化された先端部内に収納できる大きさが要求される。そのため、収容スペースの小さな内視鏡装置の先端部に配設される撮像ユニットは、特に先端部の外径方向への大型化を防止するために、屈折させた光をイメージセンサに入射させる構造としてプリズムが用いられるものがある。

例えば、ＪＰ実開平５−９５０４号公報は、一体化した鏡筒とプリズムを保持する保持部材を有し、この保持部材によって、カバーガラスとセラミックからなるパッケージ本体との分離を完全に防止する固体撮像素子パッケージの技術が開示されている。このＪＰ実開平５−９５０４号公報に記載された固体撮像素子パッケージは、セラミックのパッケージ本体、および金属材料、または合成樹脂材料により形成された保持部材が用いられている。
ところで、撮像ユニットは、固体撮像素子の受光素子で撮影光学像以外の光が検出されないように、前記受光素子への不要な光の遮光性が要求される。

しかしながら、ＪＰ実開平５−９５０４号公報の固体撮像素子パッケージは、保持部材を設けることで撮影光学像以外の不要な光の遮光を行なえる構成であるが、固体撮像素子パッケージがベア素子から形成され、金属材料の保持部材を配設した場合、保持部材と固体撮像素子が接触した構造であるため固体撮像素子に静電破壊が生じる可能性が非常に高くなるという問題がある。

また、ＪＰ実開平５−９５０４号公報に記載の保持部材は、カバーガラスとパッケージ本体との分離を防止するために必要な剛性を確保すると、合成樹脂材料では十分な肉厚が必要となり、固体撮像素子パッケージの小型化を阻害するという問題がある。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、イメージセンサが静電破壊する可能性を防止すると共に、イメージセンサの受光素子へ不要な光を遮光して良好な映像を取得できる大型化を防止した内視鏡用撮像ユニットを提供することである。

本発明の一態様の内視鏡用撮像ユニットは、光学レンズ群に入射する光学像の光束を反射して光路変換する屈折光学系と、前記屈折光学系に接合され、前記光束が入射して前記光学像を結像する受光素子を備えたベア状のイメージセンサと、前記イメージセンサと所定の距離だけ離間した空隙が設けられるように前記屈折光学系の前記イメージセンサとの接合面を除く、少なくとも前記光学レンズ群の光軸周りの面に対向して覆うように配設され、前記受光素子への有害光の入射を遮光する金属薄膜から形成された遮光部材と、を具備する。

本発明の第１の実施の形態に係り、電子内視鏡装置を含む電子内視鏡システムを示す図同、挿入部の先端部分の内部を示す斜視図同、撮像ユニットが配設された先端部の内部を示す斜視図同、撮像ユニットが配設された先端部の断面図同、撮像ユニットの構成を示す斜視図同、側方からの撮像ユニットを示す部分断面図同、上方からの撮像ユニットを示す部分断面図同、下方からの撮像ユニットを示す部分断面図同、プリズム保持枠と遮光部材との接合を説明するための斜視図同、遮光部材が設けられた位置の撮像ユニットの断面図本発明の第２の実施の形態に係る遮光部材の構成を示し、遮光部材の前面図同、遮光部材の側面図同、遮光部材の背面図同、プリズム保持枠に遮光部材が嵌合された状態を示す断面図本発明の第３の実施の形態に係る撮像ユニットの構成を示す斜視図

以下、本発明である撮像ユニットについて説明する。なお、以下の説明において、各実施の形態に基づく図面は、模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、夫々の部分の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（第１の実施の形態）
先ず、本発明の第１の実施の形態について、図１から図１０に基づいて以下に説明する。図１から図１０は、本発明の第１の実施の形態に係り、図１は電子内視鏡装置を含む電子内視鏡システムを示す図、図２は挿入部の先端部分の内部を示す斜視図、図３は撮像ユニットが配設された先端部の内部を示す斜視図、図４は撮像ユニットが配設された先端部の断面図、図５は撮像ユニットの構成を示す斜視図、図６は撮像ユニットの構成を示す断面図、図７は撮像ユニットの構成を示す上面図、図８は撮像ユニットの構成を示す下面図である。

図１に示すように、本実施の形態の電子内視鏡システム１は、電子内視鏡装置２と、光源装置３と、ビデオプロセッサ４と、モニタ５と、から主に構成されている。
電子内視鏡装置２は、長尺で細長な挿入部９と、操作部１０と、電気ケーブル、および照明光伝送のためのライトガイドバンドルが内部に挿通する複合ケーブルであるユニバーサルケーブル１７と、を有して構成されている。電子内視鏡装置２の挿入部９は、先端から順に先端部６と、湾曲部７と、可撓管部８と、を有して構成されている。

また、操作部１０は、挿入部９の可撓管部８の一端と接続され、折れ止め部である後口部１１と、挿入部９に配設される各種処置具を挿通する処置具チャンネルの開口部である処置具チャンネル挿通部１２と、操作部本体１３と、を有して構成されている。

操作部本体１３には、挿入部９の湾曲部７を湾曲操作するための湾曲操作ノブ１６が回動自在に配設されると共に、各種内視鏡機能のスイッチ類等が設けられている。なお、湾曲操作ノブ１６は、湾曲部７を上下方向に湾曲操作するためのＵＤ湾曲操作ノブ１４と、湾曲部７を左右方向に湾曲操作するためのＲＬ湾曲操作ノブ１５と、が重畳するように配設されている。

操作部１０から延設されたユニバーサルケーブル１７は、延出端に光源装置３と着脱自在な内視鏡コネクタ１８を有している。なお、本実施の形態の電子内視鏡装置２は、ここでは図示しないライトガイドバンドルによって、光源装置３から先端部６まで照明光を伝送するものである。内視鏡コネクタ１８は、コイル状のコイルケーブル１９が延設しており、このコイルケーブル１９の延出端にビデオプロセッサ４と着脱自在な電気コネクタ１９ａが設けられている。

ビデオプロセッサ４は、内視鏡画像を表示するモニタ５と電気的に接続され、電子内視鏡装置２の後述する内視鏡用撮像ユニット（以下、単に撮像ユニットという）２０によって光電変換された電気信号を信号処理して、画像信号としてモニタ５に出力する。

電子内視鏡装置２の挿入部９の湾曲部７の内部には、図２に示すように、互いに隣接するものが回動自在に連設された金属略円環状の複数の湾曲駒２０ａ，２０ｂ，２０ｃが設けられている。また、先端部６には、最先端の湾曲駒２０ａが固定され、ここでは金属製の外形略円柱状をした先端枠である先端硬質部（先端構成部とも言う）３０が配設されている。なお、複数の湾曲駒２０ａ，２０ｂ，２０ｃ、および先端硬質部３０の外周部には、ここでは図示しない湾曲ゴムが被覆される。

そして、先端硬質部３０、および各湾曲駒２０ａ，２０ｂ，２０ｃには、挿入部９内に挿通される処置具チャンネル２１、ライトガイドバンドル２２、各種電気ケーブル２３などが配設されている。

図３に示すように、先端硬質部３０には、図示しない金属保持管などを介して処置具チャンネル２１、およびライトガイドバンドル２２が個々に挿通固定される孔部３１、３２と、撮像ユニット４０が配置される空間部３３と、が形成されている。これら孔部３１，３２、および空間部３３は、先端硬質部３０の先端から基端にかけて形成され、先端硬質部３０の先端面と基端面で開口部が形成されている。

次に、本実施の形態の撮像ユニット４０の具体的な構成について、図４から図８に基づいて、以下に説明する。

撮像ユニット４０は、図５から図８に示すように、金属などから形成された略筒状の光学系保持枠の１つであるレンズ保持枠４１と、金属などから形成された略筒状の光学系保持枠の１つであるプリズム保持枠４２と、対物光学系である光学レンズ群４３と、入射する光学像の光束を反射して光路変換するプリズム４４と、高熱伝導部材であって、且つ放熱部材である保護部材４５と、撮像手段であって、ここではベア状の素子であって、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの固体撮像素子であるイメージセンサ４６と、ＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）、またはＴＡＢ（ＴａｐｅＡｕｔｏｍａｔｅｄＢｏｎｄｉｎｇ）４７と、電子部品４８と、を有して主に構成されている。

レンズ保持枠４１は、撮像ユニット４０における最先端に配設され、入射された被検体の光学像の光束を集光する光学レンズ群４３を内部で保持している。このレンズ保持枠４１の基端部分は、プリズム保持枠４２の先部分が外嵌され、接着剤４１ａによりレンズ保持枠４１とプリズム保持枠４２が固着されている。また、プリズム保持枠４２の基端部分には、プリズム４４の先端面と光学接着剤によって貼着されたカバーガラス４２ａが挿嵌固定されている。なお、レンズ保持枠４１とプリズム保持枠４２が一体形成した光学系保持枠としても良い。

プリズム４４は、光学レンズ群４３を介して先端面側から入射された、図中光軸Ｏで示す光学像の光束を反射面４４ａが略９０°屈折させて下面に向けて反射する。このプリズム４４の反射面４４ａの表面側には、反射面４４ａの反射膜を保護するために、接着剤により貼着されたブロック体の保護部材４５が固着されている。なお、本実施の形態においては、保護部材４５が固着されたプリズム４４により屈折光学系が構成されている。

イメージセンサ４６は、プリズム４４の下面である接合面と光学接着剤により接合され、上面部となるプリズム４４の下面との対向面部分に受光素子４６ａが配設されている。また、イメージセンサ４６は、基端側の中途内部にトランジスタなどのアンプを含む電子回路部４６ｂが設けられており、この電子回路部４６ｂを受光素子４６ａと共にパッケージ化した略板状の撮像パッケージである。このイメージセンサ４６の基端側の上面部には、ＦＰＣ、またはＴＡＢ４７の先端部分が電気的に接続されている。

ＦＰＣ、またはＴＡＢ４７は、イメージセンサ４６から後方へ延設し、基端部分の上面部に複数の接続ランド４７ａ（図５、および図７参照）を有している。また、ＦＰＣ、またはＴＡＢ４７は、基端部分の下面部に電子部品４８が設けられている。各接続ランド４７ａ、および電子部品４８には、半田などによってケーブル２５の芯線２５ａが電気的に接続されている。なお、上述した電気ケーブル２３は、複数のケーブル２５が束ねられて外装シースによって被覆されたものである。

また、この撮像ユニット４０は、各部品が組み付けられた後に、周囲に補強用の接着剤が塗布されて、接着層４９（図４参照）が形成された状態でモジュール化される。その後、撮像ユニット４０は、レンズ保持枠４１が先端硬質部３０に嵌合ビス固定されて、先端硬質部３０の空間部３３内に配置される。その後、撮像ユニット４０は、空間部３３を形成する先端硬質部３０との隙間に接着剤４９ａ（図４参照）が充填されて、先端硬質部３０内に固着される。なお、図面には、接着層４９、および接着剤４９ａについて、図示していない場合もある。

また、撮像ユニット４０が配置される先端部６の空間部３３は、ＦＰＣ、またはＴＡＢ４７の基端側の下面に配設された電子部品４８と当接しないように外径方向に凹部３３ａが形成されている（図３、および図４参照）。

ところで、イメージセンサ４６の受光素子４６ａには、プリズム４４の反射面４４ａによって屈折された光軸Ｏで示す撮影光が入射して結像される。そして、受光素子４６ａは、入射された光の明暗に応じた電荷を発生して、光電変換を行なうものである。

以上のように構成された本実施の形態の撮像ユニット４０には、プリズム４４と、保護部材４５の上部、および側部の周囲に遮光部材５０が設けられている。この遮光部材５０は、後述するように、プリズム４４、保護部材４５、およびイメージセンサ４６と所定の距離だけ離間するように配設されている。

ここで、本実施の形態の遮光部材５０の構成について、以下に詳しく説明する。
遮光部材５０は、ニッケルなどの薄膜金属から形成されており、図９に示すように、撮像ユニット４０の長手軸方向に沿って平行に４箇所が折曲されて、先端内周面がプリズム保持枠４２の基端部に一体形成された断面６角形状の接合部４２ｂ（図９参照）の上面、両側面、および上部側の両側角部が切り欠かれて形成された２つの斜面の５面と隙間なく面接触するように接合されている。ここでの接合部４２ｂは、遮光部材５０が隙間なく面接触して接合されているため、前方側からプリズム４４に入射する撮影光学像以外の不要な光（有害光）を遮光する先端遮光面となる。

また、遮光部材５０は、図９、および図１０に示すように、イメージセンサ４６と所定の距離だけ離間するように空隙５１が配設されている。この遮光部材５０は、イメージセンサ４６が接合されるプリズム４４、および保護部材４５の下面を除いた長手方向回りの上面、両側面、および上部側の両側角部が切り欠かれて形成された２つの斜面に対して対向して空隙５１を形成する内面がそれぞれ一定の距離ｇだけ離間して平行となるように配設されている。

つまり、遮光部材５０が接合されるプリズム保持枠４２の接合部４２ｂは、上面、両側面、および２つの斜面が、プリズム保持枠４２によって保持されるプリズム４４、および保護部材４５の上面、両側面、および２つの斜面からそれぞれ一定の距離ｇだけ外方に位置する面となっている。これら接合部４２ｂの上面、両側面、および２つの斜面に遮光部材５０の先端内面が接合され、遮光部材５０の内面がプリズム４４、および保護部材４５と一定の距離ｇだけ離間して対向するように空隙５１が形成される。

そして、遮光部材５０は、イメージセンサ４６の受光素子４６ａの受光面（素子面）と同一の面内を覆うように、イメージセンサ４６の両側面に重畳する位置まで延設されている。つまり、遮光部材５０は、両側面部が受光素子４６ａの受光面から下方に所定の長さＬを有し、両側面部のそれぞれが対向するイメージセンサ４６の側面に重畳する位置まで延設されている。

以上のように構成された本実施の形態の撮像ユニット４０は、電荷を有するベア状のイメージセンサ４６に接触することなく、所定の距離だけ離間するように空隙５１を形成して、金属性の遮光部材５０を配設することにより、イメージセンサ４６の静電破壊の可能性を防止した構造となる。

そして、撮像ユニット４０は、イメージセンサ４６が接合される面を除いた、プリズム４４、および保護部材４５の長手方向回りの面に対向して配置された遮光部材５０により、プリズム４４に入射する撮影光学像以外の不要な光（有害光）を遮光する構成となる。

この遮光部材５０は、例えば、先端枠である先端硬質部３０の組み付け誤差による隙間や、先端硬質部３０を軽量化のため透過性の樹脂部材により形成したときに、ライトガイドバンドル２２に導光された照明光による散乱光などの有害光を遮光して、プリズム４４、および保護部材４５の周囲からイメージセンサ４６の受光素子４６ａへ入射されることを防止する。そのため、本実施の形態の撮像ユニット４０は、良好な映像を取得することができる。

また、撮像ユニット４０は、遮光部材５０に金属を用いることで、必要な剛性を確保しつつも、肉厚が非常に薄い膜状として形成でき、大型化も防止することができる。

さらに、撮像ユニット４０は、遮光部材５０の各内面とプリズム４４、および保護部材４５の長手方向回りの面とが対向して形成される空隙５１の離間距離ｇを同一とすることで、この空隙５１に充填される接着層４９（図４参照）の厚さが均等となるため、接着層４９の硬化収縮、加熱膨張などによる応力が均等となるため、遮光部材５０とプリズム４４、および保護部材４５との接合面が剥離し難くなる。

以上に説明したように、本実施の形態の撮像ユニット４０は、大型化を防止して、イメージセンサ４６への静電破壊の可能性を防止した構造とし、イメージセンサ４６の受光素子４６ａへ不要な光を遮光する遮光部材５０を設けて、良好な映像を取得することができる構成となる。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態の撮像ユニットについて、図１１、および図１２に基づいて、以下に説明する。
なお、図１１、および図１２は、本発明の第２の実施の形態に係り、図１１は遮光部材の構成を示し、図１１Ａは遮光部材の前面図、図１１Ｂは遮光部材の側面図、図１１Ｃは遮光部材の背面図、図１２はプリズム保持枠に遮光部材が嵌合された状態を示す断面図である。また、以下の説明において、第１の実施の形態と同一の構成要素については、説明の便宜のため、同じ符号を用いて、それら構成要素の詳細な説明、および作用効果を省略する。

図１１に示すように、本実施の形態の撮像ユニット４０に設けられる遮光部材５０は、ここでも金属から形成され、先端側から順に、円筒状の保持部５２と、この保持部５２と一体的に連設された、ブリッジ部を構成する先端遮光部５３と、この先端遮光部５３と一体的に連設され、長手軸方向に沿って平行な４箇所が折曲された遮光部５４と、を有して構成されている。

保持部５２は、図１２に示すように、プリズム保持枠４２に外挿嵌合される。なお、ここでのプリズム保持枠４２には、第１の実施の形態で説明した接合部４２ｂ（図９参照）が設けられていない構成となっている。

先端遮光部５３は、第１の実施の形態で説明した上記接合部４２ｂの代わりに、ここでは前方側からプリズム４４に入射する撮影光学像以外の不要な光（有害光）を遮光する先端遮光面となる。この先端遮光部５３は、保持部５２と遮光部５４とが隙間なく一体的に繋がるように形成されている。
なお、遮光部５４の構成は、保持部５２、および先端遮光部５３を備えていない第１の実施の形態に記載した遮光部材５０と同一構成となるため、その詳細な説明を省略する。

以上のように構成された、本実施の形態の撮像ユニット４０は、第１の実施の形態の効果に加え、遮光部材５０に円筒状の保持部５２を設けることで、遮光部材５０のプリズム保持枠４２への組み付けが容易となり、組み立て性を向上させることができる。さらに、遮光部材５０は、先端遮光部５３を一体的に設けることで、この先端遮光部５３が補強部材となり、剛性が向上し、特に遮光部５４の変形が防止される。

なお、本実施の形態では、プリズム保持枠４２へ外挿嵌合する保持部５２を備えた遮光部材５０を示したが、プリズム保持枠４２と遮光部材５０を一体的に形成しても、勿論、構わない。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態の撮像ユニットについて、図１３に基づいて、以下に説明する。
なお、図１３は、本発明の第３の実施の形態に係り、撮像ユニットの構成を示す斜視図である。また、以下の説明においても、第１の実施の形態と同一の構成要素については、説明の便宜のため、同じ符号を用いて、それら構成要素の詳細な説明、および作用効果を省略する。

図１３に示すように、本実施の形態の撮像ユニット４０の遮光部材５０は、後方側からプリズム４４に入射する撮影光学像以外の不要な光（有害光）を遮光する基端遮光面である基端遮光部５５が一体的に形成されている。この基端遮光部５５は、プリズム４４への光学像の光束の入射側と反対側の位置であって、保護部材４５の基端面と所定の距離だけ離間して対向するように形成されている。

また、基端遮光部５５は、保護部材４５の基端面と対向して形成される空隙の離間距離を第１の実施の形態に説明した距離ｇ（図１０参照）と同一とすることが望ましい。また、基端遮光部５５は、イメージセンサ４６と、勿論、所定の距離だけ離間して配設されているものである。

このような構成とすることで、本実施の形態の撮像ユニット４０は、第１の実施の形態の効果に加え、基端遮光部５５によって、後方側からプリズム４４に入射する撮影光学像以外の不要な光（有害光）も遮光することができ、より良好な映像を取得することができる構成となる。さらに、遮光部材５０は、基端遮光部５５を一体的に設けることで、この基端遮光部５５が補強部材となり、剛性が向上し、特に遮光部５４の変形が防止される。
なお、本実施の形態の基端遮光部５５は、勿論、第２の実施の形態の遮光部材５０に設けても良い。

以上に記載した発明は、上記各実施の形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、各実施形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得るものである。

例えば、各実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする不具合に対して、述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得るものである。

本出願は、２０１０年２月１日に日本国に出願された特願２０１０−０２０４９６号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の内容は、本願明細書、請求の範囲、および図面に引用されたものである。

Claims

光学レンズ群に入射する光学像の光束を反射して光路変換する屈折光学系と、
前記屈折光学系に接合され、前記光束が入射して前記光学像を結像する受光素子を備えたベア状のイメージセンサと、
前記イメージセンサと所定の距離だけ離間した空隙が設けられるように前記屈折光学系の前記イメージセンサとの接合面を除く、少なくとも前記光学レンズ群の光軸周りの面に対向して覆うように配設され、前記受光素子への有害光の入射を遮光する金属薄膜から形成された遮光部材と、
を具備したことを特徴とする内視鏡用撮像ユニット。
前記光学レンズ群、または前記屈折光学系を保持する光学系保持枠を備え、
前記遮光部材は、前記光学系保持枠に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡用撮像ユニット。
前記遮光部材は、前記光学系保持枠に嵌合する保持部が一体形成されていることを特徴とする請求項２に記載の内視鏡用撮像ユニット。
前記光学レンズ群、または前記屈折光学系を保持する光学系保持枠を備え、
前記遮光部材は、前記光学系保持枠と一体形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡用撮像ユニット。
前記遮光部材の側面は、前記受光素子の素子面の同一面内を覆って前記イメージセンサの側面に重畳する位置まで延設されていることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡用撮像ユニット。
前記空隙には、接着剤が充填された接着層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡用撮像ユニット。
前記遮光部材は、前記接着層の厚さが均等となるように、前記所定の距離が一定であることを特徴とする請求項６に記載の内視鏡用撮像ユニット。
前記遮光部材は、前記屈折光学系への前記光束の入射側と反対側の位置に形成され、前記受光素子へ後方からの有害光の入射を遮光する基端遮光部を有していることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡用撮像ユニット。
前記遮光部材、または前記光学系保持枠は、前記屈折光学系への前記光束の入射側の位置に形成され、前記受光素子へ前方からの有害光の入射を遮光する先端遮光部を有していることを特徴とする請求項２に記載の内視鏡用撮像ユニット。