(57)【要約】  本発明は、入力回路から出力回路へ信号を伝送するための光結合デバイスに関する。上記光結合デバイスは、入力回路に接続され信号を発信する送信素子と、出力回路に接続され上記光信号を受信する受信素子と、少なくとも入力又は出力回路を形成するための少なくとも1つのプリント回路基板とを備える。本発明において、プリント回路基板は、上記送信素子と上記受信素子との間に設けられて、出力回路と入力回路とを互いに電気的に絶縁する。光信号は、上記送信素子から、プリント回路基板を通して受信素子に伝送される。市販のプリント回路基板は通常、高絶縁耐力を有するので、結果として得られるオプトカプラは、医用電気機器内に頻繁に生ずるような非常に高い電圧の電気絶縁に適する。
2009524460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力回路から出力回路へ信号を伝送するための光結合デバイスを備えた医用電気機器であって、
前記入力回路に接続され、光信号(1)を発信する送信素子(10)と、
前記出力回路に接続され、光信号(1)を受信する受信素子(11)と、
少なくとも前記入力回路又は出力回路を形成するための、少なくとも１つのプリント回路基板(50)とを備え、
前記プリント回路基板(50)が前記送信素子(10)と前記受信素子(11)との間に設けられて、前記出力回路と前記入力回路とを互いに電気的に絶縁することを特徴とする医用電気機器。
【請求項２】
第１回路基板面(51)及び第２回路基板面(52)を有するプリント回路基板(50)が１つだけ、前記送信素子(10)と前記受信素子(11)の間に設けられ、
前記入力回路が前記送信素子と共に前記第１回路基板面(51)上に形成され、かつ、前記出力回路が前記第２回路基板面(52)上に設けられる
ことを特徴とする請求項１記載の、光結合デバイスを備えた医用電気機器。
【請求項３】
前記送信素子(10)及び／又は前記受信素子(11)が、少なくとも1つのＳＭＤ部品を備えることを特徴とする請求項１及び２のいずれか１項に記載の、光結合デバイスを備えた医用電気機器。
【請求項４】
前記少なくとも１つのプリント回路基板(50)上には、前記入力回路を備える第１回路を形成するための複数の第１ＳＭＤ部品、及び／又は、前記出力回路を備える第２回路を形成するための複数の第２ＳＭＤ部品が設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の、光結合デバイスを備えた医用電気機器。
【請求項５】
前記送信素子(10)及び前記受信素子(11)は、それぞれ光学活性面(20,21)を備え、前記プリント回路基板を間に挟んで前記光学活性面(20,21)を互いに対向させるように配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の、光結合デバイスを備えた医用電気機器。
【請求項６】
前記送信素子(10)が、発光ダイオードを備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の、光結合デバイスを備えた医用電気機器。
【請求項７】
前記受信素子(11)が、フォトダイオード、フォトトランジスタ又はフォトトライジスタを備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の、光結合デバイスを備えた医用電気機器。
【請求項８】
前記少なくとも1つのプリント回路基板(50)全体が、透光性材料、特にエポキシ樹脂を含む材料で形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の、光結合デバイスを備えた医用電気機器。
【請求項９】
前記少なくとも1つのプリント回路基板は、高絶縁耐力、特に、ミリメートルあたり約４０ｋＶ／ｍｍの絶縁耐力を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の、光結合デバイスを備えた医用電気機器。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の、光結合デバイスを備えた医用電気機器の製造方法であって、
プリント回路基板(50)に、少なくとも1つの透光性部分を設ける工程と、
前記プリント回路基板(50)の第１回路基板面(51)上に光学送信素子(10)を実装する工程と、
前記プリント回路基板(50)の第２回路基板面(52)上に光学受信素子(11)を実装する工程とを含み、
前記送信素子(10)及び前記受信素子(11)が、前記送信素子(10)からの光信号(1)を、前記透光性部分を通して前記受信素子(11)が受信するように、実装されることを特徴とする製造方法。
【請求項１１】
前記送信素子(10)及び前記受信素子(11)に接続される回路を形成するために、複数の電気部品(5)特にＳＭＤ部品及び導体トラック(3)を回路基板面(51,52)上に実装することを特徴とする請求項１０に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１又は１０の前提部による、光結合デバイスを備えた医用電気機器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に医用電気機器においては、各アセンブリ同士を電気的に絶縁しながらも、各アセンブリ間でデータや信号をやりとりしなければならないことが実に多い。医用電気機器、特に高周波手術機器に関しては、アセンブリ間やアセンブリの回路間の高度の絶縁要件を満たす必要がある。このような用途においては、機器の完璧な機能を確保するだけでなく、患者の安全も確保しなければならない。例えば組織の電気凝固においては、少なからざる電流と電圧が放出されるが、外科医はそれらを常に確実にコントロールすることができなければならない。
【０００３】
従来より電気的分離のためのデバイスとして知られているものといえば、光信号により入力回路を出力回路に接続する、いわゆるオプトカプラである。入力回路と出力回路は電気絶縁されているが、信号は、発光素子により入力回路から送信され、受光素子により受信され、出力回路で適切に変換される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、医療テクノロジーでは、使用する機器に高度の安全要件を設けているので、各電気導体トラック、つまり入力回路から出力回路に至る各導体トラック間に非常に大きな物理的離間距離が要求されるだけでなく、対応するデバイスの高絶縁耐力が要求される。例えば絶縁耐力においては、数キロボルト（ｋＶ）の電圧を安全に絶縁することが要求されるが、これを満たすには専用のオプトカプラが必要である。
【０００５】
専用のオプトカプラの製造は手間がかかり、コスト高となる。更に、このようなオプトカプラには標準寸法がないので、自動製造工程に使用するには困難を伴う。また、これらのオプトカプラは非常に傷つきやすく、半田付けや位置決めの際に損傷しやすい。このため、複雑且つコスト高な品質管理が要求される。
【０００６】
かかる従来技術に鑑み、本発明は、入力及び出力電流の安全な絶縁を確保するオプトカプラを備えた医用電気機器であって、簡単且つ高いコスト効率で製造でき、好ましくは完全自動化製造が可能な医用電気機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、この目的は、請求項１に記載の医用電気機器、又は、請求項１０に記載の医用電気機器の製造方法により達成される。
【０００８】
本目的は特に、入力回路に接続され、光信号を発信する送信素子と、出力回路に接続され、光信号を受信する受信素子と、少なくとも入力又は出力回路を形成するための、少なくとも１つのプリント回路基板とを備え、上記プリント回路基板が上記送信素子と上記受信素子の間に設けられて、出力回路と入力回路とを互いに電気的に絶縁することを特徴とする、入力回路から出力回路へ信号を伝送するための光結合デバイスを備えた医用電気機器により達成される。
【０００９】
従って、本発明の主要な点は、常に高絶縁耐力を有するプリント回路基板を用いて、各回路を互いに絶縁することにある。市販のオプトカプラと同様に、光信号の送受信により非電気結合が行われる。従って本発明による光結合デバイスは、市販の部品を用いて製造することができる。標準部品は、安価に入手できるとともに、市販の部品装着機により、簡単にプリント回路基板に実装することができる。
【００１０】
回路間の物理的離間距離は、プリント回路基板の厚さにより変更可能である。様々な厚さを有するプリント回路基板が市販されているので、用途毎に厚さを変更することにより、適切な絶縁耐力を、コスト効率良く得ることができる。
【００１１】
幾つかの別個のプリント回路基板に入力回路と出力回路と関連回路を実装し、送信素子からの光信号を受信素子が受信するように、これらのプリント回路基板を配置することが考えられる。例えば、入力回路と共に送信素子を第１プリント回路基板上に配置し、出力回路と共に受信素子を第２プリント回路基板上に配置することができるだろう。２つのプリント回路基板を製造した後、送信素子と受信素子が２つのプリント回路基板により分離され且つ光信号をやりとりできるような関係に配置する。しかしながら、第１回路基板面及び第２回路基板面を有するまさに１つのプリント回路基板を、送信素子と受信素子の間に配置するのが有利である。この場合、送信素子と共に入力回路が第１回路基板面上に形成され、受信素子と共に出力回路が第２回路基板面上に形成されるのが好適である。従って、送信素子により発信された光信号が、プリント回路基板を透過して受信素子に届くように、受信素子と送信素子が各回路基板面上に互い違いに実装される。このようにして、光信号の確実な送信が確保されるので、複数のプリント回路基板を相互に複雑な関係に配置する必要はない。
【００１２】
送信素子及び／又は受信素子は、少なくとも１つのＳＭＤ(表面実装デバイス)部品から成るのが好適である。いわゆる”表面実装部品”は、通常プリント回路基板を貫通するワイヤを全く有しない。それらは、プリント回路基板の表面に直接半田付けされる。このプリント回路基板アセンブリは、入力回路と出力回路間の厳格な物理的分離がプリント回路基板により実現できるので、好適である。従って、プリント回路基板の各表面の部品の実装密度が高くても、医用電気機器の光結合デバイスは、高絶縁耐力及び出力回路・入力回路間の十分な物理的離間距離を確保することができる。
【００１３】
入力回路を備える第１回路を形成するための複数の第１ＳＭＤ部品、及び／又は、出力回路を備える第２回路を形成するための複数の第２ＳＭＤ部品が、上記少なくとも１つのプリント回路基板上に設けられるのが好適である。これにより、プリント回路基板の実装密度及び安全性や絶縁耐力が更に向上する。
【００１４】
送信素子と受信素子は、それぞれ光学活性面を含み、それらの光学活性面がプリント回路基板を挟んで互いに対向するように配置されるのが好適である。このため、直方形の送信素子と受信素子が、直方体の一面のみが光学活性である、つまり立方体の一面のみが光信号を送受信できる態様に体現される場合が多い。その他の面は光学不活性である。送信素子と受信素子が、それぞれの光学活性面が直接的或いは間接的に回路基板面に接触するように配置されると、送信素子と受信素子は、それらの周囲環境から遮断される。受信素子は、外部光源からの干渉を受けることもないし、送信素子から発信された光信号がその周囲環境に干渉することもない。
【００１５】
送信素子は、発光ダイオードを備えるのが好適である。
【００１６】
受信素子は、フォトダイオードか、フォトトランジスタか、フォトトライジスタを備えるのが好適である。
【００１７】
本発明によれば、上記少なくとも１つのプリント回路基板の１部分だけを透光性にし、送信素子から発信された光がこの透光性部分を透過して受信素子に到達するように配置することが可能である。しかしながら、上記少なくとも１つのプリント回路基板全体を透光性材料、特にエポキシ樹脂を含む材料で形成するのが好適である。プリント回路基板全体が透光性であると、場合によってはコスト高となる個々の透光性部分を設ける必要がなくなる。使用するプリント回路基板は、いわゆるＦＲ４プリント回路基板とするのが好適である。これらの基板は、グラスファイバー織布とエポキシ樹脂の複合材料から成り、透光性だけでなく耐火性にも優れる。
【００１８】
上記少なくとも１つのプリント回路基板は、高絶縁耐力、特にミリメートル（ｍｍ）あたり約４０キロボルト（ｋＶ）の絶縁耐力を有するのが好適である。このようにして、プリント回路基板の厚さが薄くても、医用電気機器は十分に高い絶縁耐力を確保することができる。
【００１９】
上記の目的は更に、以下の工程を有する、光結合デバイスを備えた医用電気機器の製造方法によっても達成される。この製造方法は、
プリント回路基板上に少なくとも１つの透光性部分を設ける工程と、
上記プリント回路基板の第１回路基板面に光学送信素子を実装する工程と、
上記プリント回路基板の第２回路基板面に光学受信素子を実装する工程とを含み、上記送信素子と受信素子が、上記送信素子からの光信号を上記透光性部分を介して、上記受信素子が受信するように実装されることを特徴とする。
【００２０】
上記の機器と同様に、この方法の主要概念は、プリント回路基板に標準部品を巧みに実装することにより、絶縁耐力に関する厳しい要件を満たす医用電気機器用のオプトカプラを実現することにある。これにより、送信素子と受信素子は、プリント回路基板の各面に、互いに対向するように好適に実装される。送信素子から発信された光信号は、プリント回路基板を透過して受信素子に受信される。
【００２１】
本方法は、上記送信素子と上記受信素子に接続される各回路を形成するために、複数の電気部品、特にＳＭＤ部品と導体トラックを各回路基板面に実装する工程を含むのが好適である。ＳＭＤ部品を使用することにより、機械装置による製造が特に簡単になるとともに、オプトカプラの絶縁耐力に関する安全性が得られる。というのは、ＳＭＤ部品はそれぞれ、プリント回路基板により完全に物理的に相互分離されるからである。導体トラックと部品は、プリント回路基板の両面に、従来の方法で効率的に形成することができ、医用電気機器用の互いに電気的に絶縁された回路をそれぞれ形成することができる。
【００２２】
その他の有利な実施態様は、従属請求項に記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を、その実施形態の一例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明による光結合デバイスを模式的に示す断面図である。
図２は、送受信ユニットを示すブロック図である。
図３ａ及び図３ｂは、各部品を搭載したプリント回路基板の上面と下面を示す模式図である。
【００２４】
以下の説明において、同一の参照番号は、同一の部分及び同一の機能を有する部分を表す。
【００２５】
本発明の一実施態様の一例において、光結合デバイスを備えた医用電気機器について説明する。これは、高周波交流電流を使用して組織を切開又は凝固する高周波手術機器である。この高周波交流電流を制御するために、制御回路つまり入力回路が設けられる。この回路は、各用途に適した電流の強さと周波数が得られるように、交流電流つまり出力回路を制御する。高周波手術機器の信頼できる機能を確保するために、出力回路と入力回路とを互いに電気的に絶縁しなければならない。このような絶縁は、図３ａ及び図３ｂに示す本発明の光結合デバイスにより達成される。図３ａ及び図３ｂは、プリント回路基板５０の第１回路基板面５１及び第２回路基板面５２を示す平面図である。図３ａに模式的に示すように、複数の電気部品５が導体トラック３により相互接続されている。電気部品５は、ＳＭＤ（表面実装デバイス）部品であり、これらは例えばリフロー法によりプリント回路基板５０上に半田付けされる。
【００２６】
送信素子１０もまた、ＳＭＤ部品として体現され、導体トラック３に接続される。
【００２７】
プリント回路基板５０の反対側つまり第２回路基板面５２には、送信素子１０に対向する受信素子１１（図３ｂ参照）が設けられる。この受信素子は、導体トラック３により、同様にＳＭＤ部品である複数の部品５に、接続される。
【００２８】
第１回路基板面５１及び第２回路基板面５２の複数の電気部品は、特に制御装置３０や受信装置４０（図２参照）を形成する。この制御装置４０は、送信素子１０に接続された入力回路を備える。図２に示すように、光信号１が、入力回路に応じて送信装置から発信される。光信号１は受信素子１１に受信され、受信装置４０により処理されて変換され、出力回路に入力される。光信号は、アナログ系及びデジタル系のどちらでもあり得る。
【００２９】
本発明によれば、これらの光信号は、透光性プリント回路基板５０により伝送される。これは、プリント回路基板５０を切断した図１の一部断面図に示される。既に述べたように、送信素子１０と受信素子１２は互いに対向する。これらの素子はそれぞれ、第１回路基板面５１及び第２回路基板面５２に固定される。入力回路や出力回路に接続するため、送信素子と受信素子１０，１１の側面に２つの導体トラック３が設けられる。
【００３０】
送信素子１０は発光ダイオードであり、光学活性面２０を１つだけ有する。この第１光学活性面２０は、受信素子１１の第２光学活性面２１に対向して配置される。受信素子１１も、光学活性面２１を１つだけ有する。光学活性面２０，２１はそれぞれ、第１回路基板面５１及び第２回路基板面５２に直接配置され、プリント回路基板５０を介する光信号の伝送を確実なものとする。更に、光学活性面２０，２１は、プリント回路基板５０に直接接触することにより、外部からの影響から遮蔽される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による光結合デバイスを模式的に示す断面図である。
【図２】送受信ユニットを示すブロック図である。
【図３ａ】各部品を搭載したプリント回路基板の上面を示す模式図である。
【図３ｂ】各部品を搭載したプリント回路基板の下面を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    光信号
３    導体トラック
５    電気部品
１０    送信素子
１１    受信素子
２０，２１    光学活性面
３０    制御装置
４０    受信装置
５０    プリント回路基板
５１    第１回路基板面
５２    第２回路基板面
６０    導体トラック
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【国際調査報告】
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2009524460.tif 000010
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