JP4757044B2 - 防爆機器駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラントやビルのメンテナンス、可燃ガス又は粉塵の存在する機器の内部（例えば、ガソリンタンク，プラント及びエンジンの内部）の検査、ボイラ内部の検査等を行うための内視鏡に関するものであり、特に、爆発の可能性の高い場所での使用が可能な防爆映像装置などの防爆機器駆動装置に関する。

従来、体腔内に細長の挿入部を挿入することにより、体腔内臓器等を観察したり、必要に応じ処置具チャンネル内に挿通した処置具を用いて各種治療処置のできる内視鏡が広く利用されている。また、工業用分野においても、ボイラ、タービン、エンジン、化学プラント等の内部の傷、腐食等の観察、検査に工業用内視鏡が広く用いられている。

上述のように使用される内視鏡（映像装置）には挿入部の先端部に光学像を画像信号に光電変換するＣＣＤなどの撮像素子を配設した電子内視鏡（以下内視鏡と略記する）がある。この内視鏡では、光源装置から供給される照明光によって照らされた観察部位の観察像を撮像素子の撮像面に結像させ、この撮像素子で光電変換した観察像の画像信号を外部装置であるカメラコントロールユニット（以下ＣＣＵと略記する）の信号処理部に伝達して映像信号を生成し、モニタ画面上に内視鏡画像を表示させて観察を行う構成になっていた。

上記内視鏡装置としては、例えば、先端部に観察部位を撮像する固体撮像素子，及び観察部位を照明する光源を有する撮像部と、電源及び信号処理部を有する制御部とから構成されている。制御部と撮像部とは複数の電線からなるケーブルで接続されており、このケーブルを介して、制御部から撮像部に対する電力供給と、撮像部を制御する制御信号及び撮像部からの映像信号等の送受信が行われている。

そして、工業用分野で使用される内視鏡の中には、化学プラントの配管やガスタンク等、爆発性雰囲気等の危険場所（以下危険場所と記載する）で使用されるものがある。そして、この危険場所で使用される機器は、この機器が発火源等になることを防止するため、少なくとも本質安全防爆の安全基準条件（後述）を満たさなければならない。
ここで、撮像部が上記危険場所に挿入されて、その内部の映像を撮影するため、制御部が撮像部に対して行う電力供給に対して、安全基準に対応する構成が必要となる。すなわち、制御部の電源と、撮像部の撮像素子及び光源との間に、上記安全基準条件を満たすバリア制限回路が介挿されている防爆映像装置としての内視鏡装置がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−７５０２０号公報

しかしながら、特許文献１に示す従来の内視鏡装置にあっては、撮像素子を制御する制 御信号や、撮像素子からの映像信号を送受信する各線それぞれに対し、各線の信号に対応した複雑な構成のバリア回路を、制御部側に設ける必要がある。
このため、上記従来の内視鏡装置は、制御部側にバリア回路を設けるため、制御部が大きく、かつ重量も重くなり、携帯性を悪くなる問題がある。
また、従来の内視鏡装置は、制御部が複雑化及び大型化することにより、生産コストが増加する欠点もある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、防爆機器とこの防爆機器を制御する駆動装置からなる装置構成において、防爆機器及び駆動装置間の信号を授受する信号線における本質安全防爆の安全基準を満足する、携帯性に優れた小型軽量の防爆機器駆動装置を提供することを目的とする。

＜本質安全防爆の説明＞
本質安全防爆については、ＩＥＣ（国際電気標準会議），ＡＴＥＸ（ヨーロッパ），ＦＭ（アメリカ），ＣＳＡ（カナダ），ＴＩＩＳ（日本）等で、規格化され、検定機関より防爆機器として検定される。本明細書中においては、ＩＥＣのガス蒸気防爆規格ＩＥＣ６００７９及び粉塵防爆ＩＥＣ６１２４１に基づいて説明する。ただし、他の各国の規格と実質的に対応する部分については、他の各国の規格にも適用可能であり、他の規格を排除するものではないことは言うまでもない。

危険領域における爆発のメカニズムについて考察すると、爆発は、一般に、可燃性ガス又は粉塵及び酸素が混合して存在する環境下において、着火源の温度が上昇して混合ガス又は粉塵の発火温度を超えることにより、誘発して起こる。例えば、ガソリンタンク，プラント及びエンジンの内部においては、燃料がガス化又は粉塵化して可燃性となっており、周囲には酸素が存在しており、可燃性混合状態となる。この環境下においては、上述したように着火源が存在する場合、着火源の温度によって爆発を引き起こす危険性がある。逆に言うと、爆発の要素は、可燃性ガス又は粉塵，酸素，着火源の３つであり、この３つのうちの１つでも欠ければ爆発は起こらない。このうち、可燃性ガス又は粉塵及び酸素は環境的に存在するものであり、基本的に着火源によるエネルギー印加要素を絶つことににより、本質安全防爆を確実なものとする。

ＩＥＣにおいては、安全防爆製品についての使用場所として、危険のレベルにより、Ｚｏｎｅ０，Ｚｏｎｅ１及びＺｏｎｅ２として定義している。すなわち、Ｚｏｎｅ０が最も危険性が高く、Ｚｏｎｅ１が次に危険性が高く、そして、Ｚｏｎｅ２がその次に危険性が高い。危険区域はＨａｚａｒｄｏｕｓ Ａｒｅａとされ、非危険区域はＮｏｎ−Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ａｒｅａとされる。
機器構造については、ｉａ機器，ｉｂ機器，Ｔｙｐｅ−ｎとして定義されている。ｉａ機器が最も爆発に対して信頼性が高く、ｉｂ機器がその次に信頼性が高い。ここで、ｉａ機器は、Ｚｏｎｅ０，Ｚｏｎｅ１でも使用可能であり、ｉｂ機器はＺｏｎｅ１でのみ使用可能である。Ｚｏｎｅ０又はＺｏｎｅ１にて使用可能な機器は本質安全防爆機器と呼ばれている。Ｔｙｐｅ−ｎ機器はＺｏｎｅ２での使用が可能である。

本発明の防爆機器駆動装置は、制御部（例えば、実施形態におけるメインユニット１）とこの制御部により制御される防爆機器部（例えば、実施形態におけるコントロールユニット３及び挿入部４）とが信号線で接続され、制御部及び防爆機器部（ここでは、例えば、コントロールユニット３を基準とする）相互間にてデジタル信号を送受信する際、前記デジタル信号による伝送電流の電気エネルギーを制限する防爆機器駆動装置であり、前記デジタル信号によって前記信号線に流れる前記伝送電流の電流値を、本質安全防爆の安全基準に対応する電流値に制限するとともに、カットオフ周波数を、デジタル信号の伝送速度を決定する伝送クロックの周波数に制限するエネルギー制限手段（実施形態における電流制限回路であるバリア回路）が、制御部及び防爆機器部の前記信号線に介挿されていることを特徴とする。
本発明の防爆機器駆動装置は、前記デジタル信号によって前記信号線に流れる電流値を制限する電流制限抵抗の抵抗値の最大値をＲｍａｘとし、前記信号線による伝送路の浮遊容量であるストレーキャパシティーをＣｓとし、前記デジタル信号の伝送速度を決定する伝送クロックの周波数のカットオフ周波数をｆｃとした場合、前記エネルギー制限手段におけるカットオフ周波数ｆｃを、ｆｃ＝１／（２π・Ｒｍａｘ・Ｃｓ）を満足する数値に設定することを特徴とする。
ここで、従来の防爆機器駆動装置は、アナログ信号をそのままの形状で制御部及び防爆機器間にて送受信、すなわち直流成分及び交流成分各々に対して防爆処理を行った後に合成して元のアナログ信号に戻す複雑な回路構成が必要である。
しかしながら、本発明の防爆機器駆動装置は、上述した構成により、デジタル信号による伝送電流を制御することのみで、本質安全防爆の規格に対応した電流制御を行うことができ、「１」と「０」との区別が付けば、電圧レベルも低下させることができるため、アナログ信号を伝送する際のように、複雑なバリア回路が必要なく、制御部におけるバリア回路の規模を縮小することができ、装置のサイズも小さくすることができ、制御部の携帯性を向上させ、かつ製造コストを低下させることができる。

本発明の防爆機器駆動装置は、前記防爆機器が、撮影した映像を映像信号として出力する撮像手段と、前記映像信号をデジタル信号の画像信号に変換する画像処理手段とを有し、前記制御部が、前記エネルギー制限手段と、該エネルギー制限手段を介して入力される前記画像信号を表示する表示部と前記エネルギー制限手段を介して前記防爆機器に制御信号を出力するカメラ制御部とを有していることを特徴とする。
これにより、本発明の防爆機器駆動装置は、画像信号の伝送電流を制御することのみで、本質安全防爆の規格に対応した電流制御を行うことができ、「１」と「０」との区別が付けば、電圧レベルも低下させることができるため、アナログの映像信号を伝送する際のように、複雑なバリア回路が必要なく、制御部の携帯性を向上させ、かつ製造コストを低下させることができる。

本発明の防爆機器駆動装置は、前記防爆機器と制御部とにおける、複数の回路間におけるデータ送信が高速シリアルインターフェースにより多重化されていることを特徴とする。
これにより、本発明の防爆機器駆動装置は、防爆機器と制御部との間の信号線の数を削減することができ、エネルギ制限回路の削減及びこれに伴う防爆に対する信頼性の向上を実現することができる。

本発明の防爆機器駆動装置は、前記エネルギー制限手段が前記信号線に直列に介挿された抵抗手段であることを特徴とする。
本発明の防爆機器駆動装置は、前記エネルギー制限手段が前記信号線に直列に介挿された複数の容量素子と、該容量素子の信号の出力側と接地点との間に介挿された抵抗手段とから構成されていることを特徴とする。
これにより、本発明の防爆機器駆動装置は、電源制限手段を簡易に構成することができ、制御部におけるバリア回路の規模を縮小することが可能となり、装置のサイズも小さくすることができ、制御部の携帯性を向上させ、かつ製造コストを低下させることができる。

本発明の防爆機器駆動装置は、前記抵抗手段が、前記制御部及び防爆機器間の伝送速度を満たすカットオフ周波数となる抵抗値と、本質安全防爆を満たす抵抗値との範囲の抵抗値にて設定されることを特徴とする。
本発明の防爆機器駆動装置は、前記電流制御手段が、前記制御部及び防爆機器間の伝送速度を満たすカットオフ周波数となる容量値と、本質安全防爆を満たす容量値との範囲にて設定されることを特徴とする。
これにより、本発明の防爆機器駆動装置は、デジタル伝送の必要な伝送速度を満足させ、かつ本質安全防爆の機器に対応した電流制限を行うことができる。

本発明の防爆機器駆動装置は、前記制御部が電源部を有し、前記電源部が防爆機器に対し電源線を介して駆動電力を供給しており、この電源線に他のエネルギー制限手段がさらに設けられ、本質安全防爆のｉａ機器に対応しており、該他のエネルギー制限手段が、電源線に直列に介挿された抵抗と、該抵抗の前記電源部側の一端にカソード又はアノードのいずれか一方が接続され、他方のアノード又はカソードが接地されたツェナーダイオードとから構成されていることを特徴とする。
これによれば、本発明の防爆機器駆動装置は、データの送受信が行われる信号線の本質安全防爆に加え、本質安全防爆におけるｉａ機器区分に対応した電力供給を行うことが可能となる。

本発明の防爆機器駆動装置は、前記制御部が電源部を有し、前記電源部が防爆機器に対し電源線を介して駆動電力を供給しており、この電源線に他のエネルギー制限手段がさらに設けられ、本質安全防爆ｉｂ機器に対応しており、該他のエネルギー制限手段が、電源線に直列に介挿されたＦＥＴまたはトランジスタからなる２組の定電流回路と、該定電流回路の制御部側に電圧制限の為に設けられたツェナーダイオードとから構成されていることを特徴とする。
これによれば、本発明の防爆機器駆動装置は、データの送受信が行われる信号線の本質安全防爆に加え、本質安全防爆におけるｉｂ機器区分に対応した電力供給を行うことが可能となる。

本発明の防爆機器駆動装置は、前記撮像素子がＣＭＯＳイメージセンサであることを特徴とする。
本発明の防爆機器駆動装置は、制御部と防爆機器との間に伝送されるデジタル信号がデジタルビデオ信号，防爆機器を駆動するクロック信号，防爆機器を制御する制御信号であることを特徴とする。
本発明の防爆機器駆動装置は、前記デジタルビデオ信号がシリアル伝送を送信されることを特徴とする。
本発明の防爆機器駆動装置は、前記デジタルビデオ信号がパラレル伝送であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明の防爆機器駆動装置によれば、防爆機器とこの防爆機器を制御する駆動装置からなる装置構成において、防爆機器及び駆動装置間の情報の送受信をデジタル信号で行うようにしたため、従来のアナログ信号を送受信するためのエネルギー制限回路に比較して回路構成が簡易となり、信号線に設けるバリア回路の規模を縮小することが可能となり、本質安全防爆の安全基準を満足する、携帯性に優れた小型軽量の装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態による防爆機器駆動装置を図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の防爆機器駆動装置の第１の実施形態としての内視鏡装置（防爆映像装置）の概要を示す概念図である。この図１において、メインユニット１は、内視鏡装置全体の制御を行っている。メインユニット１の天面には、各種設定を行うためのフロントパネル１１が設けられる。また、メインユニット１の側面には、モニタ画像を表示するためのＬＣＤモニタ１２が取り付けられている。メインユニット１には、ベルト１３が装着可能となっており、ユーザが肩から吊り下げて、ハンズフリーで作業が行えるようになっている。

スコープユニット２は、コントロールユニット３と、コントロールユニット３に取り付けられた挿入部４と、挿入部４の先端に着脱可能な光学アダプタ８からなる。コントロールユニット３は、スコープコネクタ５により、メインユニット１に着脱可能に取り付けられる。本発明の第１の実施形態においては、後に説明するように、スコープコネクタ５内に、エネルギーの制限するためのエネルギー制限回路（バリア回路）が設けられている。メインユニット１とコントロールユニット３との間は、ユニバーサルケーブル６で接続される。

挿入部４は、各種の被検体を撮影できるように、可撓性を有している。
また、挿入部４の先端部には湾曲部９が設けられる。コントロールユニット３内にはモータが設けられており、このモータにより、湾曲部９が上下左右に湾曲可能とされている。湾曲部９を湾曲させることにより、撮影方向を自在に設定することができる。
また、挿入部４の先端には、光学アダプタ８が着脱可能に取り付けられる。光学アダプタ８としては各種の光学性能のものが用意されており、光学アダプタ８を交換することで、異なる視野角、視野方向、明るさ、観察深度等を変更することができる。

コントロールユニット３は、ユーザの指令に基づいて、内視鏡装置の操作を行う部分である。図２に示すように、コントロールユニット３にはグリップ部２１が形成されている。ユーザは、このグリップ部２１を把持して、内視鏡の操作を手元で行えるようになっている。
コントロールユニット３には、図２（Ａ）に示すように、ジョイスティック２２、ズームレバー２３、明るさ調整レバー２４、ブーストボタン２５が配設されている。ジョイスティック２２は、挿入部４の先端の湾曲部９の方向を操作するのに用いられる。ブーストボタン２５はゲイン変更用のボタンである。

また、コントロールユニット３の側面には、図２（Ｂ）に示すように、フリーズ録画ボタン２６が配設される。フリーズ録画ボタン２６を押すと、そのときのスチル画像が取り込まれ、記録される。

図３は、挿入部４の先端４０，スコープユニット２及びメインユニット１の構成の概要を示す概念図である。ここで、メインユニット１と挿入部４とはコントロールユニット３を介して接続されており、コントロールユニット３及び挿入部４とが危険領域（Ｚｏｎｅ０またはＺｏｎｅ１）に搬入されて用いられるため、コントロールユニット３と挿入部４とを、挿入部４として一体とし、スコープユニットの構成を省略してある。メインユニット１は、Ｚｏｎｅ２またはＮＨの領域で用いられる。

上記スコープユニット２には、カメラヘッドモジュール４１（ＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像素子が取り付けられている）及び照明部４２等が設けられている。照明部４２は、複数のＬＥＤが接続されたＬＥＤアレイなどで構成されており、点灯することで光を照射して、カメラヘッドモジュール４１の撮影対象の被写体の照明を行う。この挿入部４０には、カメラヘッドモジュール４１とメインユニット１との間でデータの送受信を行うための信号線４３、及び照明部４２を発光させるための電源線４４が格納されている。また、信号線４３にはカメラヘッドモジュール４１を駆動する電力を供給する電源線も含まれている。

メインユニット１には、バリア回路４５，表示回路４６，バリア回路４７，ＤＣ／ＤＣコンバータ４８及びバッテリ４９等が搭載されている。
表示回路４６は、バリア回路４５及び挿入部４０を介して、カメラヘッドモジュール４１と接続され、撮影された映像のデータであるモニタ画像を入力して、ＬＣＤモニタ１２にモニタ画像の表示を行う。カメラ制御部Ａ１５は、カメラヘッドモジュール４１の制御を行う。バリア回路４５は、表示回路４６から出力または入力される、信号線４３で送受信されるデジタルデータを、電流値を制限した伝送電流として伝送する。このデジタル信号が伝送されることで流れる伝送電流の電流値を制限することにより、デジタル信号の伝送における電気エネルギーを本質安全防爆の安全基準条件未満に制限することができる。

また、バリア回路４５は、カメラヘッドモジュール４１を駆動する際に流れる電流を制限、すなわち直流エネルギーを本質安全防爆の安全基準条件未満に制限し、カメラヘッドモジュール４１に対し、駆動のための電力を供給する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ４８は、バッテリ４９の電圧値を変換して、バリア回路４５及びバリア回路４７へ電力を供給している。バリア回路４７は、照明部４２が発光するための電力を電源線４４を介して供給している。

次に、図４を参照して、本発明の主構成である表示回路４６，カメラ制御部Ａ１５，カメラ制御部Ｂ１６，バリア回路４５及びカメラヘッドモジュール４１の接続関係及び構成詳細を説明する。図４は、図３の表示回路４６，バリア回路４５及びカメラヘッドモジュール４１の構成例を示す概念図である。
カメラ制御部Ａ１５は、各種制御データが記憶された記憶部８１と、メインユニット１及びカメラヘッドモジュール４１を制御するデータ制御部８２とから構成されている。また、メインユニット１は、シリアルパラレル変換器６７と、Ｄ／Ａ変換器６８と、発振器６９とを有している。データ制御部８２は、ＣＰＵなどの演算能力を持ったマイクロプロセッサー等で構成されている。
尚、データ制御部は、ＳＷ１３とＰＣ１４（パソコン等）に接続可能でありカメラヘッド設定条件できる。手段としては、ＳＷ１３又はＰＣ１４との通信によって行う。

ここで、データ制御部８２は、カメラヘッドモジュール４１を制御するため、上記制御データをカメラヘッドモジュール４１に出力するとともに、カメラヘッドモジュール４１からの制御に対する応答データ等を受信する。また記憶部８１はＥ^２ＰＲＯＭやフラッシュメモリ等で構成されている。シリアルパラレル変換器６７は、カメラヘッドモジュール４１から入力されるｍビット直列の映像データを、ｍビット並列の映像データに変換して出力する。Ｄ／Ａ変換器６８は、入力されるｍビットの映像データを、ＬＣＤモニタ１２に対応した映像信号、すなわち映像データに対応した電圧レベルに変換して、ＬＣＤモニタ１２に対して出力する。

カメラヘッドモジュール４１は、レンズ６１，撮像素子６２，プリアンプ６３，Ａ／Ｄ変換器６４，パラレルシリアル変換６６，タイミングジェネレータ７０及びカメラ制御部Ｂ１６を有している。カメラ制御部Ｂ１６は、記憶部９１及びデータ制御部９２を有している。データ制御部９２は、ＣＰＵなどの演算能力を持ったマイクロプロセッサー等で構成されている。撮像素子６２は、例えばＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤ等である。照明部４２により挿入部４を介して照明された被写体からの反射光を、挿入部４及びレンズ６１を介して画素部に集光して、画素部の各画素が受光した光強度を電気信号である画像信号に変換して、所定の出力タイミングに対応して出力する。タイミングジェネレータ７０は、発振器６９からクロック信号を入力し、このクロック信号に基づいて、撮像素子６２の各画素からのデータの上記出力タイミングを生成する。このタイミングジェネレータ７０も、データ制御部９２により設定される。

プリアンプ６３は、撮像素子６２から入力する画像信号をＡ／Ｄ変換器６４の変換可能な電圧レベルに変換する。Ａ／Ｄ変換器６４は、プリアンプ６３から入力される画像信号、すなわち電圧レベルを対応するデジタル数値に変換するアナログ／デジタル変換を行い、ｎビットの画像データ（階調データ）として出力する。このｎビットは、Ａ／Ｄ変換器６４の分解能によって決定される。すなわち、Ａ／Ｄ変換器６４は、プリアンプ６３から入力される最大電圧値と最低電圧値との電圧範囲をｎ分割して、入力される電圧を対応する段階のデジタル値として画像データを生成する。

ＤＳＰ６５は、入力された画像データに対して信号処理を行い、ｍビットの標準の映像データに変換する信号処理を行う。例えば、ＤＳＰ６５は、ＲＧＢデータからＹＣrＣbデータへの変換処理や、撮像素子６２の光／電気変換特性に基づいた画像データの補正処理や、ＬＣＤモニタ１２の表示特性基づいた画像データの補正処理等を行い映像データを出力する。ここで、ＤＳＰ６５が出力する画像データは、ＲＧＢ，ＹＰbＰr，ＹＣＣ，コンポジット信号等の映像信号の規格に対応したものであれば何でも良い。データ制御部９２はＤＳＰ６５とＴＧ７０の設定データを記憶部９に格納できる。また、ＤＳＰ６５は、データ制御部９２からの制御により、上記映像データを、一旦、記憶９１へ記憶させ、後に一括して読み出し、メインユニット１へ出力する場合もある。この記憶部９１はＥ^２ＰＲＯＭやフラッシュメモリ等で構成されている。パラレルシリアル変換器６６は、ｍビット並列で入力される映像データを、ｍビット直列に変換して出力する。

バリア回路４５は、デジタル信号及び電力を供給する際、これらの電気エネルギーを制限するものであり、メインユニット１とスコープユニット２とで送受信されるデジタル信号を、電流値を制限した伝送電流として伝達する（流す）バリア回路４５Ａと、コントロールユニット３に供給する電流値（直流エネルギー）を制限して供給するバリア回路４５Ｂとから構成されている。バリア回路４５Ａは、データ制御部８２及びデータ制御部９２を接続する信号線５１に介挿された電流制限抵抗５４と、シリアルパラレル変換器６７及びパラレルシリアル変換器６６を接続する信号線５２に介挿された電流制限抵抗５５と、発振器６９及びタイミングジェネレータ７０を接続する信号線５３に介挿された電流制限抵抗５６とから構成されている。このように構成すると、故障状態が起きたときには、信号線５１，５２，５３各々に介挿されている電流制限抵抗５４，５５，５６に生じる電圧降下により、それぞれ伝送電流の電気エネルギーが消費され、過剰な電流（過電流）が信号線５１，５２，５３各々に流れ込むのを防ぐことができる。すなわち、上述した各電流制限抵抗によって、信号線に伝達されるデジタル信号の電圧値及び伝送電流の電流値の双方を低下させ、デジタル信号の電気エネルギーを制限することとなる。

ここで、上記各電流制限抵抗の抵抗値は、最低値Ｒminとして本質安全防爆の安全基準に示された電流値未満となる数値を用い、最大値Ｒmaxとして伝送速度を満足するカットオフ周波数となる数値を用いる。すなわち、電流制限抵抗の抵抗値の設定方法は、例えばカメラヘッドモジュール４１及び信号線５１〜５３各々が、各電流制限抵抗に対してそれぞれ有するストレーキャパシティ（浮遊容量）の容量値Ｃsにより求められるカットオフ周波数から算出されることとなる。すなわち、上記電流制限抵抗は、本質安全防爆の安全基準に対応する電流値を満足させ、かつカットオフ周波数がデジタル信号の伝送速度（伝送クロックの周波数）を満足させる数値に設定する必要がある。

ここで、抵抗値の最大値Ｒmaxとし、伝送路のストレーキャパシティー（浮遊容量）をＣｓ，伝送速度を決定する伝送クロックの周波数をカットオフ周波数ｆcとすると、このカットオフ周波数ｆcは、以下の式で表せる。
ｆc＝１／（２π・Ｒmax・Ｃs）
上記式から抵抗値Ｒは、以下の式で表せる。
Ｒmax＝１／（２π・ｆc・Ｃs）

例えば、伝送クロックの周波数を１０ＭＨz（＝１０×１０^６Ｈz）とし、伝送路（カメラヘッドモジュール１及び信号線５１〜５３各々）に付くストレーキャパシティの容量値Ｃs＝１０ｐＦ（１０×１０^−１２Ｆ）とすると、ｆc＝１０×１０^６Ｈzを満足する抵抗値Ｒmaxは、以下の様に求められる。
Ｒmax＝１／（２π・ｆc・Ｃs）
＝１／（２π×１０×１０^６×１０×１０^−１２）
＝１／（２π×１０^−４）
＝１．５９ｋ（Ω）

上述したように、伝送クロックの周波数が１０ＭＨzであり、ストレーキャパシティの容量値Ｃs＝１０ｐＦである場合、１．５９ｋ（Ω）未満で、防爆本質安全の安全基準に示された電流未満となる最低値Ｒminの範囲の電流制限抵抗が設定されて用いられる。すなわち、上記各電流制限抵抗は、ストレーキャパシティの容量値に対応して、メインユニット１（制御部）のスコープコネクタ５と、カメラヘッドモジュール４１との間の伝送速度を満たすカットオフ周波数となる抵抗値と、本質安全防爆の基準を満たす電流値をとする抵抗値との範囲にて設定されている。このストレーキャパシティの容量値Ｃsは実際に各信号線毎に測定した数値を用い、伝送クロックの周波数も各信号線に対応した伝送速度に対応させる。このように構成することにより、送受信されるデジタル信号の伝送速度を満足させ、またデジタル信号ラインのエネルギー制限を行う。各信号線に介挿された電流制限抵抗に生じる電圧降下によりエネルギーが消費され、過剰な電流が信号線に流れ込むのを防ぐことができる。

また、バリア回路４５Ｂは、図３のＤＣ／ＤＣコンバータ４８及びカメラヘッドモジュール４１の電源ラインを接続する電源線５０に介挿されている。この電源線５０は、電力を供給する電源線５０Ａと接地線５０Ｂとから構成されている。このバリア回路４５Ｂは、入力側に、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ４８に接続される端子にヒューズ５７が直列に介挿され、このヒューズ５７の出力側にツェナーダイオード５８，５９，６０が接続され（ヒューズ５７の出力側と接地点との間に３つのツェナーダイオードが並列に介挿されている）、これらのツェナーダイオードのカソードと電源線５０Ａとに直列に電流制限抵抗７１が介挿されている。

上記バリア回路４５Ｂは、ｉａ機器の規格を満足するようなエネルギー制限回路の例を示し、直流電流に対するエネルギー制限回路である。直流電流に対するバリア回路４５Ｂは、上述したように電源線５０中に、ヒューズ５７と、電流制限抵抗７１とを直列接続した回路を設ける。また、ヒューズ５７及び電流制限抵抗７１と、接地点との間に、３個のツェナーダイオード５８，５９及び６０を設ける。このように、３個のツェナーダイオード５８〜６０を設けることにより、故障時に電源線５０の電圧がツェナーダイオード５８，５９，６０のツェナー電圧以上に上昇しないようにしている。

なお、３個のツェナーダイオード５８〜６０を設けているのは、３つのツェナーダイオードのうちのいずれか２個が破損しても、最低１つのツェナーダイオードが残り信頼性が保てるようにして、ｉａ機器の規格を満足するようにするためである。このように構成すると、故障時のときには、電流制限抵抗７１に生じる電圧降下によりエネルギーが消費され、過剰な電流が電源線５０に流れ込むのを防ぐことができる。ヒューズ５７の役割は、電流制限抵抗７１及びツェナーダイオード５８，５９，６０の定格電力を小さなものを使える様に選定し、部品の小型化を実現させている。
尚、発振器６９をカメラヘッド４１に内蔵させた場合には、電流制限抵抗５６は不用となるのは言うまでも無く、バリア回路４５Ａは、よりシンプルになる。

＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態は、図４に示す第１の実施形態におけるバリア回路４５Ａを、図５に示す構成に置き換えた内視鏡装置である。第２の実施形態の構成は、バリア回路４５Ａ以外、第１の実施形態と同様である。後述するように、複数のカップリングコンデンサを、各信号線毎に挿入することにより、メインユニット１とコントロールユニット３との回路間を直流的に遮断して、デジタル信号の伝送電流の電流値を制限し、デジタル信号の伝送における電気エネルギーの制限を行う。

図５は、交流に対するバリア回路であるが、画像データをはじめとして、デジタル信号の交流成分を伝達する。図５に示すように、交流に対するバリア回路４５Ａにおいて、信号線５１に対して、直列に接続された３つのコンデンサ、すなわちカップリングコンデンサ１００、１０１、１０２のコンデンサ列（複数のコンデンサからなる）を介挿し、このコンデンサ列の両端を抵抗１０３及び１０４を介して接地して構成されている。この構成により、コンデンサ列によって、データ制御部８２及び９２間の直流エネルギーをカットし、エネルギー制限を行っている。

また、図５に示すように、信号線５２に対して、直列に接続された３つのコンデンサ、カップリングコンデンサ１０５、１０６、１０７のコンデンサ列を介挿し、このコンデンサ列からのデジタル信号の受側の端部（コンデンサ列の出力側）、すなわちシリアルパラレル変換器６７側の端部を抵抗１０８を介して接地して構成されている。この構成により、コンデンサ列によって、パラレルシリアル変換器６６から信号線５２の直流エネルギーをカットしている。同様に、信号線５３に対して、直列に接続された３つのコンデンサ、カップリングコンデンサ１０９、１１０、１１１のコンデンサ列を介挿し、このコンデンサ列からのデジタル信号の受側の端部（コンデンサ列の出力側）、すなわちタイミングジェネレータ７０側の端部を抵抗１１２を介して接地して構成されている。この構成により、コンデンサ列のインピーダンスによって、発振器６９の直流エネルギーをカットしている。

なお、上記各信号線に対し、それぞれ３個のカップリングコンデンサを設けているのは、３個のカップリングコンデンサのうちの２個までが破損しても、残りの１個のカップリングコンデンサによって信頼性が保てるように構成することで、ｉａ機器の規格を満足するようにするためである（ｉｂ機器の規格を満足させるためには２個のカップリングコンデンサを直列に接続したコンデンサ列を使用する）。また、上記抵抗１０３，１０４，１０８，１１２は、コンデンサ列の出力側を終端するために設けられている。尚、図５においては、抵抗１０３，１０４，１０８，１１２は、個別の抵抗としたが等価的に接続されるＩＣの入力インピーダンスで代用することでも良く、その場合は、抵抗１０３，１０４，１０８，１１２は省略できる。

上述した構成において、コンデンサ列の受側の端部には、回路の入力端子が接続され、これらは入力抵抗がハイインピーダンスである場合が多く、コンデンサ列の端部がフローティング状態とならないように設けられている。配線５２に介挿されるエネルギー制限回路は、デジタル信号の送受信を行うため、いずれもデジタル信号の受側となる場合があるため、終端用の抵抗が両端に設けられている。

＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態は、図４に示す第１の実施形態におけるバリア回路４５Ｂを、図６に示す構成に置き換えた内視鏡装置である。第３の実施形態の構成は、バリア回路４５Ｂ以外、第１の実施形態と同様である。
図６に示すバリア回路４５Ｂは、ｉｂ機器の規格を満足するようなバリア回路の例を示すものであり、駆動電力を供給する直流に対するバリア回路である。このバリア回路４５Ｂは、電流制限型の過負荷保護回路であり、予め設定された制限電流値を超えた場合、制限電流値となるよう出力電圧の制御を行いエネルギーを制限している。

図６に示すように、直流に対するバリア回路では、電源線５０Ａに対し、ヒューズ２００と、２つのトランジスタＱ１及びＱ２とからなる電流制限回路２０３、２０４とを直列に介挿する。ここで、電流制限回路２０３及び電流制限回路２０４は直列接続された電流制限回路列を構成している。図６においては、トランジスタＱ１及びＱ２にバイポーラトランジスタを使用しているが、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等のＭＯＳ（金属・酸化膜・半導体）−ＦＥＴを使用してもよい。

また、電源線５０Ａには、２個のツェナーダイオード２０１及び２０２を並列に介挿されている。なお、電流制限手段として、２組のエネルギー制限回路２０３，２０４を設けているのは、電流制限回路２０３，２０４のうちの１個が破損しても、破損しない一方が電流を制限してエネルギ制限を行うことにより信頼性が保てるようにし、ｉｂ機器の規格を満足するようにするためである。同様に、２個のツェナーダイオード２０１，２０２を設けているのは、ツェナーダイオード２０１，２０２のうちのいずれかが破損しても、破損しない一方が電圧値を制限することにより、信頼性が保てるようにし、ｉｂ機器の規格を満足するようにするためである。このように、２個のツェナーダイオード２０１，２０２を設けることで、電源線５０Ａの電圧が上昇しないようにしている。

また、このように構成すると、故障時には、エネルギー制限回路２０３，２０４により、電源線５０Ａに流れる電流が遮断される。すなわち、エネルギー制限回路２０３，２０４各々において、電源線５０Ａに流れる電流の電流値が大きくなると、抵抗Ｒｓの両端電圧が大きくなり、トランジスタＱ２のベース−エミッタ間電圧ＶBEを越えた時に、トランジスタＱ２がオンする。その結果、トランジスタＱ１がオフする。これにより、電源線５０Ａに流れる電流が遮断される。

また、上述した第１の実施形態によるバリア回路４５Ａ，４５Ｂと、第２の実施形態によるバリア回路４５Ａと、第３の実施形態によるバリア回路４５Ｂとを混在して、各規格に合うように、いずれの実施形態におけるバリア回路の構成を組み合わせて使用してもよい。

＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態は、図４に示す第１の実施形態におけるバリア回路４５Ａを、図７に示すように、バリア回路４５Ｃに置き換えた内視鏡装置である。第４の実施形態の構成は、バリア回路４５Ｃとし、信号線５１〜信号線５３により伝送していた信号を、高速シリアルインターフェース部１６Ａ及び１６Ｂにより多重化して信号線５５（高速伝送線）のみで伝送する以外の構成は第１の実施形態と同様である。
ここで、上記高速シリアルインターフェースとしては、ＵＳＢインターフェースやＩＥＥＥ１３９４インターフェースなどがある。

上述したように、本実施形態においては、複数の装置間のデータ通信、すなわちデータ制御部８２及び９２間において送受信されるデータと、パラレルシリアル変換器６６により送信されるデジタル映像信号と、タイミングジェネレータのクロックとの３つの信号を多重化して、高速シリアルインターフェースによるデータの送受信を行う。例えば、キャリアセンス方式を用いて各回路が信号線５５を共有する。これは、信号線が他の回路により使用中でないことをチェックして、空いていたら送信するという、時間をずらして多重かす方式を用いる。
上記高速シリアルインターフェースを用いることにより、映像データと制御データとを少ない信号線により送受信することができ、バリア回路を効率化することができる。
また、ＵＳＢやＩＥＥＥ１３９４等のインターフェースを示したが、高速シリアル通信であれば、これらの方式に限定されず、インターネットなどのＬＡＮ通信手段や光ファイバーによる光通信も可能なＲｏｃｋｅｔ Ｉ／Ｏ方式の通信手段であっても良い。

本発明の防爆機器駆動装置は、実施形態の説明において危険場所にて使用する内視鏡装置を例として説明したが、この内視鏡装置に限らず、危険場所で動作させるロボット，ＬＥＤを用いた表示装置，システム機器等の防爆対応機器（実施形態の撮像部が設けられた部分）、すなわちデジタル信号の送受信や電力の供給に対してエネルギ制限が不可欠な用途に対しても適用できる。

本発明の第１（第２及び第３）の実施形態の内視鏡装置の外観構成を示す斜視図である。 本発明の第１（第２及び第３）の実施形態の内視鏡装置におけるコントロールユニットの外観構成を示す斜視図である。 本発明の第１（第２及び第３）の実施例による防爆機器駆動装置を説明する概念図である。 第１の実施形態による図１のカメラヘッドモジュール４１と表示回路４６の構成例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態によるエネルギー制限回路４５Ａの構成例を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態によるエネルギー制限回路４５Ｂの構成例を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態による図１のカメラヘッドモジュール４１と表示回路４６の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１…メインユニット ２…スコープユニット
３…コントロールユニット ４…挿入部
５…スコープコネクタ ６…ユニバーサルケーブル
８…光学アダプタ ９…湾曲部
１１…フロントパネル １２…ＬＣＤモニタ
１３…ＳＷ １４…ＰＣ
１５…カメラ制御部Ａ １６…カメラ制御部Ｂ
２１…グリップ部 ２２…ジョイスティック
２３…ズームレバー ２４…明るさ調整レバー
２５…ブーストボタン
２６…ブースト録画ボタン ４０…先端
４１…カメラヘッドモジュール ４２…照明部
４３，５１，５２，５３…信号線 ４４…電源線
４５、４５Ａ，４５Ｂ，４７…バリア回路
４６…表示回路 ４８…ＤＣ／ＤＣコンバータ
４９…バッテリ ５０…電源線
５４，５５，５６…電流制限抵抗 ５７，２００…ヒューズ
５８，５９，６０、２０１，２０２…ツェナーダイオード
６１…レンズ ６２…撮像素子
６３…プリアンプ ６４…Ａ／Ｄ変換器
６５…ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ） ６６…パラレルシリアル変換器
６７…シリアルパラレル変換器 ６８…Ｄ／Ａ変換器
６９…発振器 ７０…タイミングジェネレータ
８１，９１…記憶部 ８２，９２…データ制御部
１００，１０１，１０２，１０５，１０６…コンデンサ
１０３，１０４，１０８，１１２，Ｒs，Ｒp…抵抗
１０７，１０９，１１０，１１１…コンデンサ
２０３，２０４…電流制限回路 Ｑ１，Ｑ２…トランジスタ

Claims (10)

1. 制御部とこの制御部により制御される防爆機器部とが信号線で接続され、制御部及び防爆機器部相互間にてデジタル信号を送受信する際、前記デジタル信号による電気エネルギーを制限する防爆機器駆動装置であり、
   前記デジタル信号によって前記信号線に流れる電流値を、本質安全防爆の安全基準に対応する電流値に制限するとともに、カットオフ周波数を、デジタル信号の伝送速度を決定する伝送クロックの周波数に制限するエネルギー制限手段が、制御部及び防爆機器部の前記信号線に介挿されていることを特徴とする防爆機器駆動装置。
2. 前記デジタル信号によって前記信号線に流れる電流値を制限する電流制限抵抗の抵抗値の最大値をＲｍａｘとし、前記信号線による伝送路の浮遊容量であるストレーキャパシティーをＣｓとし、前記デジタル信号の伝送速度を決定する伝送クロックの周波数のカットオフ周波数をｆｃとした場合、前記エネルギー制限手段におけるカットオフ周波数ｆｃを、
   ｆｃ＝１／（２π・Ｒｍａｘ・Ｃｓ）
   を満足する数値に設定することを特徴とする請求項１に記載の防爆機器駆動装置。
3. 前記防爆機器が
   撮影した映像を映像信号として出力する撮像手段と、
   前記映像信号をデジタル信号の画像信号に変換する画像処理手段と
   を有し、
   前記制御部が
   前記エネルギー制限手段と、
   該エネルギー制限手段を介して入力される前記画像信号を表示する表示部と
   前記エネルギー制限手段を介して前記防爆機器に制御信号を出力するカメラ制御部と
   を有していることを特徴とする請求項２記載の防爆機器駆動装置。
4. 前記防爆機器と制御部とにおける、複数の回路間におけるデータ送信が高速シリアルインターフェースにより多重化されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の防爆機器駆動装置。
5. 前記エネルギー制限手段が前記信号線に直列に介挿された抵抗手段であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の防爆機器駆動装置。
6. 前記抵抗手段が、前記制御部及び防爆機器間の伝送速度を満たすカットオフ周波数となる抵抗値と、本質安全防爆を満たす抵抗値との範囲の抵抗値にて設定されることを特徴とする請求項５に記載の防爆機器駆動装置。
7. 前記エネルギー制限手段が前記信号線に直列に介挿された複数の容量素子と、該容量素子の信号の出力側と接地点との間に介挿された抵抗手段とから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の防爆機器駆動装置。
8. 前記制御部が電源部を有し、前記電源部が防爆機器に対し電源線を介して駆動電力を供給しており、前記電源線に他のエネルギー制限手段がさらに設けられ、本質安全防爆のｉａ機器に対応しており、
   該他のエネルギー制限手段が、
   電源線に直列に介挿された抵抗と、
   該抵抗の前記電源部側の一端にカソード又はアノードのいずれか一方が接続され、他方のアノード又はカソードが接地されたツェナーダイオードとから構成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の防爆機器駆動装置。
9. 前記制御部が電源部を有し、前記電源部が防爆機器に対し電源線を介して駆動電力を供給しており、前記電源線に他のエネルギー制限手段がさらに設けられ、本質安全防爆ｉｂ機器に対応しており、
   該他のエネルギー制限手段が、
   電源線に直列に介挿されたＦＥＴまたはトランジスタからなる定電流回路と、
   該定電流回路に接続された複数のツェナーダイオードとから構成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の防爆機器駆動装置。
10. 前記撮像素子がＣＭＯＳイメージセンサであることを特徴とする請求項３から請求項９のいずれかに記載の防爆機器駆動装置。

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