(57)【要約】【課題】放電ランプを主ランプ、フィラメントランプを予備ランプとする光源装置を共通の給電機構を設けることで小型、低コスト化することである。【解決手段】トランスＴｒとスイッチング手段Ｑ１を含むスイッチング回路と、トランスＴｒの二次側に接続された二次側整流回路および平滑回路と、イグナイタの出力側に接続される主ランプであるキセノンランプと、このキセノンランプに供給する電流を一定にする制御回路からなる光源装置において、前記整流平滑回路の出力側には、前記キセノンランプと並列にフィラメントランプからなる予備ランプが接続され、電流経路を切り替えることで当該フィラメントランプを前記制御回路によって定電流制御することを特徴とする。【選択図】　　　図１
2004103291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチ素子とトランスと、トランスの二次側に接続された二次側整流回路および平滑回路と、その出力側に接続される主ランプであるキセノンランプと、このキセノンランプに供給する電流を一定にする制御回路からなる光源装置において、
前記整流平滑回路の出力側には、前記主ランプであるキセノンランプと並列に予備ランプであるフィラメントランプが接続され、電流経路を切り替えることで当該フィラメントランプを前記制御回路によって定電流制御することを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記予備ランプの電流検出用に抵抗器を付加して、主ランプと予備ランプで検出電圧を切り替えて定電流制御することを特徴とする請求項１の光源装置。
【請求項３】
前記予備ランプが断線、または寿命等によるフィラメントの劣化の為に、出力側に危険電圧の発生を押えるようにした請求項１の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は光源装置に関し、特に、放電ランプを主ランプとしてフィラメントランプを予備ランプ光源とした光源装置に関する。
【０００２】
医療用内視鏡の光源装置には、放電ランプ、とりわけ色再現性や演色性の高いキセノンランプが用いられる。この内視鏡用光源装置とは、光源ランプからの放射光をファイバーなどを使い、体内の所望の部位に照射させ、当該部位を観察するものである。観察の手法は、ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ）などを利用してデジタル画像処理などするものであり、そのような機能を有する装置や、手術するための装置が製品化されている。
【０００３】
医療用内視鏡は、その用途から高い信頼性が要求されるため、キセノンランプなどの放電ランプを主ランプとするとともに、万一、点灯不良などを起こしたときのためにフィラメントランプ、例えばハロゲンランプが予備ランプとして具備されている。このため、万一手術中などにおいて何らかの原因により消灯などの事態を生じた場合であっても、瞬時に予備ランプを点灯させることで応急的な対処ができる構造をとっている。
【０００４】
図４は従来の光源装置の概略構成図を示す。
光源装置はキセノンランプである主ランプ３１とフィラメントランプなどの予備ランプ３２を有しており、主ランプ３１は主ランプ用給電装置３３に接続され、予備ランプ３２は予備ランプ用給電装置３４に接続されている。ランプ切替部３５は、光源からの放射光を選択するものであり、通常は主ランプ３１の放射光を取り出すように設定されている。一方、ＤＣ電源３６はＤＣ電源切替部３７を介して、主ランプ用給電回路装置３３あるいは予備ランプ用給電回路装置３４を選択していずれかに電流を供給する。この場合、通常は主ランプ用給電回路装置３３が選択されており、キセノンランプからの放射光は光学系３８を介してファイバーに入射する。
【０００５】
ここで、給電装置をランプごとに設ける理由は、キセノンランプは一般に定電流制御（ランプに供給する電流値を一定する制御する）するのに対し、フィラメントランプは一般に定電圧制御しており、両ランプにおいて制御方式が異なるためである。
この点をもう少し詳しく説明すると、一般に放電ランプは、その特徴として電流制限能力がないために何らかの電流あるいは電力を制限する電源、すなわち安定器が必要である。キセノンランプの場合、初期から寿命末期に至るまでほとんどランプ電圧が変化しないという特徴をもつ。このため従来より回路構成が簡略化できる定電流方式の制御が行われてきた。メタルハライドランプなどのように初期から寿命末期まで大きくランプ電圧が変化するランプでは定電力方式の制御方式が一般的である。なお、キセノンランプは放電開始時に絶縁破壊電圧、例えば２０ｋＶを印加して、その後、点灯が安定するまでは重畳電圧、例えば、５０〜２００Ｖを印加して、さらに点灯が安定すると２０Ｖ程度の低電圧で安定的に点灯をする。つまり、ランプの点灯開始から安定点灯まで電圧値が劇的に変化するため、それに伴い電流値が影響を受けないように定電流制御するわけである。
一方、フィラメントランプは、フィラメントが冷えている状態では抵抗値が低く、ほとんど短絡状態となるが、電圧が印加されて発光し、フィラメントが暖まるとある所定の抵抗値を有するようになる。初期に短絡状態となることは電源より電圧が印加された直後に突入電流が流れることを意味する。この突入電流についてはある程度まで抑える必要がある。これは、この突入電流による瞬間的に過大なエネルギーがランプに投入されることからフィラメントの断線などを引き起こすためである。しかしながら、前記、放電ランプのような特別な制御をする必要もないため、この突入電流問題を除けば、一般に市販されている定電圧制御方式の直流安定化電源が使用できる。
安定化電源とは、一般に出力電圧を安定化させることを目的としており、放電ランプの点灯装置などの特殊な用途を除けば、ほとんどの電源が定電圧制御である。さらに一般に市販されている直流安定化電源では、安全性を確保するために負荷短絡時や過負荷時においても出力電力を軽減させる垂下特性をもつものが一般的であり、この垂下特性により、致命的となるような過大な電流がランプに投入されることは防止できるためにフィラメントランプの点灯方式としては、定電圧制御が一般的である。さらにフィラメントランプでは、点灯時間の経過ととともにフィラメントが蒸発し、結果として細り、断面積が小さくなることからフィラメントにおける抵抗値が上昇する。これにより、定電流制御するとＲ×Ｉ（抵抗値×電流値）の値が大きく成り続けることにより、過大な電力パワーがランプに投入されることとなりランプの寿命が加速的に短くなることがある。このことは照明などに使用するフィラメントランプの点灯方式としては不適切である。
しかし、主ランプと予備ランプを別々の給電装置を用意することは医療用光源装置全体としては、当然に大型、重量化することになる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−５４２９２号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決する課題は、キセノンランプを主ランプ、フィラメントランプを予備ランプとする光源装置を共通の給電機構を設けることで小型、低コスト化することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明の光源装置は、スイッチ素子とトランスと、トランスの二次側に接続された二次側整流回路および平滑回路と、その出力側に接続される主ランプであるキセノンランプと、このキセノンランプに供給する電流を一定にする制御回路からなる光源装置において、前記整流平滑回路の出力側には、前記主ランプであるキセノンランプと電流経路を切り替える装置を介して並列にフィラメントランプからなる予備ランプが接続され、電流経路を切り替えることで当該フィラメントランプを前記制御回路によって定電流制御することを特徴とする。
また、前記予備ランプの電流検出用に抵抗器を付加して、主ランプと予備ランプで検出電圧を切り替えて定電流制御することを特徴とする。
前記予備ランプが断線、または寿命等によるフィラメントの劣化の為に、出力側に危険電圧の発生を押えるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
このように、本発明の光源装置は、整流・平滑回路に接続されるスイッチ素子、トランス、整流平滑回路、制御回路を共通の給電機構として、この共通の給電機構からの供給電流を電流経路に切替えによって主ランプであるキセノンランプあるいは予備ランプであるフィラメントランプに流すようにしたものである。
特に、フィラメントランプは、前記のように従来から定電圧制御をすることが一般的とされていたものの、本発明においては主ランプの故障時など極めて限られた少ない時間のみの点灯であることに着目して放電ランプと同様の定電流制御していることに大きな特徴を有する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の光源装置の回路構成を示す。
ＡＣ電源１が供給する交流電圧は整流・平滑回路２で整流・平滑され、スイッチング手段Ｑ１によりＰＷＭ変調（パルス幅変調）されてトランスＴｒの一次巻線Ｐに供給される。スイッチング手段Ｑ１としては、例えば、ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子を使用することができる。
【００１１】
トランスＴｒの２次側には、第１の２次巻線Ｓ１と第２の２次巻線Ｓ２が設けられている。第１の２次巻線Ｓ１の一方の端子にはダイオードＤ２が接続され、ダイオードＤ２のカソードと２次巻線Ｓ１の他方の端子間にはダイオードＤ３が接続され、２次巻線Ｓ１の他方の端子は接地されている。また、第２の２次巻線Ｓ２の一方の端子は、上記２次巻線Ｓ１の一方の端子に接続され、他方の端子はダイオードＤ１とスイッチイング手段Ｑ２から構成される重畳回路を介してダイオードＤ２とＤ３の接続点に接続されている。
【００１２】
ダイオードＤ２，Ｄ３、スイッチＱ２の接続点は、リアクトルＬ１およびコンデンサＣ１から構成される平滑回路４に接続され、平滑回路４によりダイオードＤ２，Ｄ３、スイッチＱ２の接続点に発生する直流電圧が平滑化される。また、コンデンサＣ１と接地間には、電流検出用抵抗Ｒ１が接続されており、電流検出用抵抗Ｒ１に発生する電圧は制御回路３に与えられる。制御回路３は増幅器３ａ，ＰＷＭ／ＰＦＭ回路３ｂから構成され、上記電流検出用抵抗Ｒ１に発生する回路電流に比例した電圧と電流設定値Ｉｓを増幅器３ａで比較しその偏差をＰＷＭ回路／ＰＦＭ回路３ｂに与える。ＰＷＭ／ＰＦＭ回路３ｂは上記偏差に応じてデューティが変化するＰＷＭ信号を出力し前記スイッチング手段Ｑ１を開閉する。ここではＰＷＭ制御を説明したが、その他にもＰＦＭ（パルス周波数変調）制御でも同様の制御が実現できる。
【００１３】
上記２次巻線Ｓ１等から構成される回路は、放電ランプ６を点灯させるために電力を供給する回路であり、放電ランプ６へ供給される電流は前記制御回路３により制御される。平滑回路４の出力は、ランプ点灯時に発生するサージ等のノイズ除去の為、コンデンサＣ２、Ｃ３、およびチョークコイルＬ２からなるノイズ除去回路を通じて、イグナイタ５に接続される。このイグナイタ５は高電圧パルスを発生させて主ランプ６の電極間を絶縁破壊させる。イグナイタ５の出力側には前記した主ランプ６が接続されている。
【００１４】
上記回路において、主ランプ６を点灯させるためには次の（１）〜（３）　の手順を踏む必要がある。
すなわち、（１）　ランプの電極間の絶縁破壊　（２）　グロー放電からアーク放電への移行　（３）　アーク放電への移行後の安定した電力の供給
そのため、主ランプ点灯回路としては、ランプの電極間の絶縁破壊をさせるイグナイタ５が必要になる。主ランプのうち、キセノンランプの場合、イグナイタ５から１５ｋＶ〜４０ｋＶの尖頭値を持つパルス電圧を放電ランプ６に供給される。
【００１５】
また、ランプ絶縁破壊後にグロー放電からアーク放電への移行させるために高圧重畳回路（ｃ）が必要になる。一般に、ランプは、ランプに流れる電流の値が定格電流値の１／２以下になると消灯する可能性が大きくなるので、定格電流値の１／２以上の電流を流す必要がある。そこで、高圧重畳回路（ｃ）は、例えばランプ定格電流の２倍程度の電流をランプ点灯開始時に数ｍ秒間供給している。さらに重畳回路は、点灯初期の不安定なランプ電圧に対応するために定格ランプ電圧の２倍以上の電圧においても十分な電流供給能力を持つように設計される。これにより、ランプはグロー放電からアーク放電へ良好に移行しランプが点灯する。なお、以下の説明では、ランプがアーク放電に移行し、ランプ電圧が定格電圧となって一定な状態になることを「ランプ電圧が安定する」あるいは「ランプが安定して点灯する」という。
【００１６】
キセノンランプは、反射ミラーなどに組み込まれ、その放射光を光ファイバーの端面に集光させる。なお、キセノンランプは石英ガラスからなる一般のランプを使うことができるが、より好ましくは、ウシオ電機製のミラー一体型キセノンランプを採用することができる。このランプはボディーとしてセラミックス採用して、内部に凹部が形成されその内面に反射面が形成される。凹部には陰極と陽極が存在して、キセノンガスを主成分とした発光ガスが封入される。凹部の前面開口にはサファイアなどの透光性部材により窓が形成される。そして、このランプを内蔵することで、例えば３００Ｗのランプ入力に対して最大約３０Ｗ（変換効率１０％）の照射エネルギーを得ることができ、ランプが極めて小型であるため光照射部全体も小型にすることができる。このミラー一体型キセノンランプそのものについては、例えば、特許第３１５８８７３号、特許第２８２３８００号、特許第３１８３１４５号、特許第３１８３１５１号などがある。
【００１７】
平滑回路４の出力端、具体的にはコンデンサＣ１からは主ランプであるキセノンランプと並列に予備ランプ用の電流経路が形成される。予備ランプ７としてはハロゲンランプなどのフィラメントランプが採用され、主ランプが万一消灯などした場合にスイッチＳＷ１をオンして予備ランプを点灯させる。予備ランプ７は、ハロゲンランプなどのフィラメントランプであり、石英ガラスの中にハロゲンを主成分としたガスが封入された熱発光タイプのランプである。その発光原理は白熱電球を同じであるが、ハロゲンガスを封入することで長寿命化が達成できる。
【００１８】
このような主ランプの消灯は電流検出用抵抗Ｒ１により検出する。そして、制御回路３により、所定時間、例えば、消灯しているとみなせる時間、電流を検出できないに消灯状態を認識してスイッチＳＷ１を切替える。この操作は、必ずしも図１に示した点灯装置の中で行う必要はなく、光源装置の制御部において消灯を検出し、切り替えるなど他の方法でも差し支えないことは言うまでもない。
この場合、フィラメントランプである予備ランプ７は定電流制御するが、制御のフィードバック機構は主ランプ６と同じであり、また、同じ機構を兼用する。ただし、基準電流値が異なる場合は、スイッチＳＷ１の投入に連動させて制御回路３の基準電圧値Ｉｓを変化させる、あるいは電流検出用抵抗Ｒ１とは別に設けた検出抵抗器で検出し、出力電流を変更させることも可能である。
【００１９】
図２にＲ１とは別に予備ランプの電流検出用に抵抗器を付加して、主ランプと予備ランプで検出電圧を切り替えて定電流制御した場合の回路構成図を示す。検出抵抗器Ｒａ、Ｒｂを予備ランプに直列に追加することで、Ｒ１とＲａにより検出される電圧値で予備ランプの出力電流を変更することができる。
【００２０】
このように主ランプと予備ランプは整流平滑回路２、スイッチ素子Ｑ１とトランスＴｒを含むスイッチ回路、二次側整流回路ｂ、平滑回路４、および制御回路３を共通の回路としている。このため各々のランプごとに別個の給電回路を設ける場合に比べてきわめて小型、低コスト化できる。
このような共通の回路を構成できた原因は、通常、定電圧制御するフィラメントランプを定電流制御したことにより、主ランプと予備ランプを同じ制御にしたことに基く。これは、本発明の光源装置は、手術などにおける医療用光源装置であり、患者に対する治療時における主ランプの立ち消えなどの不慮の事故の緊急対策として予備ランプを点灯させることによる。すなわち、予備ランプの点灯時間は短いものであって、フィラメントの細りという通常の使用で不可避的に生ずる技術現象を問題にすることがないからである。
【００２１】
図３は本発明の光源装置における主ランプと予備ランプの切り替え機構の概略構成を示す。（ａ）はキセノンランプからの放射光、あるいはフォラメントランプからの放射光が回転式シャッターにより光路が選択されるものでシャッターに設けた開口がいずれの光路に位置するかによる。開口を通過した放射光はミラーなどの光学系を介してファイバーへ入射する。
（ｂ）はフィラメントランプがシャッター自身に取付けられるものであり、キセノンランプが消灯したときに、シャッターを駆動させることでキセノンランプの放射光用の光路と利用して継続的に点灯を続けることができる。
【００２２】
なお、スイッチング回路は、特に限定されるものではなく、図１、図２に示したフォワード型スイッチング回路の他にフライバック型回路、ハーフブリッジ型回路、フルブリッジ型回路、プッシュプル回路などを使うことができる。
【００２３】
また、主ランプと予備ランプの点灯時の印加電圧が近値になるように設計することでトランスの巻線構造の設計が容易になる。例えば、前記ミラー一体型キセノンランプのランプ電圧は、１４Ｖであり、フィラメントランプは、公称定格電圧が１２Ｖのものを使用することが望ましい。
さらに、予備ランプには専用の保護回路を設けることもできる。
保護回路についての必要性の説明を以下に述べる。図１、図２に記載したフォワード方式の制御回路に関わらず、出力電力が小さくなると出力電圧は、高くなるという特徴を持つ。これはスイッチング電源としては、定格電力を負荷へ供給することを前提に設計されているが、軽負荷や無負荷時において出力電圧は、（トランスの２次巻線数／トランスの１次巻線数）×入力電圧×ＤＵＴＹで計算される。しかしながら無負荷時には負荷にエネルギーが放出されないために単に巻数比に応じた電圧が出力されることになるためである。特に本願記載の定電流方式とした場合，無負荷状態においては、出力電圧が尖頭４２．４Ｖ（ＤＣ６０Ｖ）を超えてしまうことがある。フィラメントランプの定格電圧は、１２Ｖあるいは２４Ｖであるので、光源装置としての安全設計として、安全超低電圧回路（ＳＥＬＶ）として設計している場合がある。尖頭４２．４Ｖというのは、安全規格上、危険電圧と認識され、何らかの安全上の配慮が必要となる。フィラメントランプを負荷とする場合、前記の無負荷状態というのはフィラメントが断線した場合に発生する。本願記載の用途では極めて稀な事象と考えられるが、安全上の配慮として出力電圧を検出して、制御を停止させる回路が必要となる。本発明の回路には保護回路９を付加し、フィラメントランプの出力電圧を抵抗器Ｒ２、および抵抗器Ｒ３で検出し、基準電圧Ｖ１と比較し増幅器３ａの出力を停止することで、無負荷状態での危険電圧の発生、およびフィラメントランプの寿命等による過大な電力の発生を防止している。
【００２４】
以上、説明したように本発明の光源装置は、主ランプと予備ランプを共通の点灯回路のよって切替え点灯させることができ、小型、低コストな装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光源装置の点灯回路を示す。
【図２】本発明に係る光源装置の点灯回路を示す。
【図３】本発明に係る光源装置の概略図を示す。
【図４】従来の光源装置の概略構成を示す。
【符号の説明】
１　ＡＣ電源
２　整流・平滑回路
３　制御回路
４　平滑回路
５　イグナイタ
６　主ランプ
７　予備ランプ
８　ノイズ除去回路
９　保護回路
ｂ　二次側整流回路
ｃ　　高圧重畳回路
３１　主ランプ
３２　予備ランプ
３３　主ランプ用給電装置
３４　予備ランプ用給電装置
３５　ランプ切替部
３６　ＤＣ電源
３７　ＤＣ切替電源部
３８　光学系
【図１】
2004103291.tif 000003
【図２】
2004103291.tif 000004
【図３】
2004103291.tif 000005
【図４】
2004103291.tif 000006