JP6553207B2 - 光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置に関するものである。

片持梁光ファイバをチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）アクチュエータ（以下、圧電素子という。）によって屈曲振動させて、片持梁光ファイバの先端から射出される光を走査する光ファイバスキャナが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１１−２１７８３５号公報

特許文献１の光ファイバスキャナは、円筒状の圧電素子ユニット（ＰＺＴチューブ）の先端に設けられた貫通孔に貫通させた光ファイバの長手方向の途中位置を、貫通孔との間で接着剤により固定しているので、圧電素子ユニットと光ファイバとの中心軸合わせは接着剤の状態に依存し、精度よく調節することが困難である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、光ファイバを圧電素子に対して精度よく配置することにより、光ファイバの振動状態を安定させることができる光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、光を導光して先端から射出する細長い光ファイバと、前記先端から基端側に間隔をあけた位置において前記光ファイバを貫通させる貫通孔を有する弾性体からなる振動伝達部材と、該振動伝達部材の外面に接着され、所定の周波数の交番電圧が印加されることによって前記光ファイバの長手方向に伸縮振動して前記振動伝達部材を介して前記光ファイバに、前記長手方向に交差する方向の屈曲振動を発生させる圧電素子と、該圧電素子よりも基端側において前記振動伝達部材を固定する固定部とを備え、前記振動伝達部材が、前記圧電素子を接着する平面からなる保持面と、該保持面に平行な平面からなり、前記貫通孔の内面の少なくとも一部に設けられ、前記光ファイバの外面を接触させる接触面とを備える光ファイバスキャナである。

本態様によれば、固定部を介して振動伝達部材の基端部を固定した状態において圧電素子に交番電圧を印加すると、固定部の位置を節とし、交番電圧の周波数に等しい周波数の屈曲振動が振動伝達部材に発生し、該屈曲振動が光ファイバに伝達される。光ファイバの振動伝達部材よりも先端側の部分は、先端が自由端となる片持ち梁状に振動伝達部材によって支持されているので、振動伝達部材から伝達された屈曲振動によって光ファイバの先端が長手方向に交差する方向に振動し、光ファイバの先端から射出される光が該光の進行方向に交差する方向に走査される。

この場合に、圧電素子が接着された振動伝達部材の保持面と、光ファイバが接触する振動伝達部材の貫通孔内の接触面とが平行に設けられているので、光ファイバと貫通孔との間に隙間（ガタ）があり、隙間の方向に移動可能であっても、光ファイバをいずれかの接触面に接触状態とすることにより、圧電素子からの振動の伝達方向を変動させずに済む。
すなわち、隙間の方向のどの位置で接触面に光ファイバを接触させた状態としても、圧電素子から光ファイバに伝達される力の方向が変動しないので、光ファイバの振動状態を安定させることができる。

上記態様においては、前記振動伝達部材が、周方向に並んで配置された複数の保持面を備えるとともに、各保持面に平行な複数の接触面を備える多角筒により構成されていてもよい。
このようにすることで、振動伝達部材に設けられた貫通孔も、振動伝達部材の外形と相似形の多角形状に構成されているので、隣接する２つの接触面に同時に接触するように光ファイバを配置して接着することにより、光ファイバへの２つの圧電素子からの振動の伝達方向を変動させずに済む。これにより、光ファイバの振動状態を安定させることができる。
また、上記態様においては、前記振動伝達部材が、四角筒であってもよい。

また、本発明の他の態様は、照明光を発生する光源と、該光源からの照明光を走査させる上記いずれかの光ファイバスキャナとを備える照明装置である。
また、本発明の他の態様は、上記照明装置と、該照明装置からの照明光が被写体に照射されることにより、被写体から戻る戻り光を検出する光検出部と、前記圧電素子に前記所定の周波数の交番電圧を供給する電圧供給部とを備える観察装置である。

本発明によれば、光ファイバを圧電素子に対して精度よく配置することにより、光ファイバの振動状態を安定させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る光ファイバスキャナおよび照明装置を備える観察装置の全体構成図である。 図１の観察装置に備えられる光ファイバスキャナを示す斜視図である。 図２の光ファイバスキャナに備えられるフェルール、光ファイバおよび圧電素子の位置関係を示す先端側から長手軸方向に見た正面図である。 図３のフェルールの貫通孔と光ファイバとの位置関係を示す部分的な横断面図である。 図３の比較例を示す部分的な横断面図である。 図５の状態から、フェルールに対して光ファイバが位置ズレした状態の比較例を示す部分的な横断面図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る光ファイバスキャナ６、照明装置２および観察装置１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る観察装置１は、内視鏡装置であり、図１に示されるように、被写体（図示略）に照明光を照射する本発明の一実施形態に係る照明装置２と、被写体から戻る戻り光を受光する受光用光ファイバ（光検出部）３と、照明装置２を駆動制御する制御部（電圧供給部）４とを備えている。

本実施形態に係る照明装置２は、光源５と、該光源５からの光を走査する光ファイバスキャナ６と、光ファイバスキャナ６よりも先端側に配置され、光ファイバスキャナ６から射出された照明光を集光させる集光レンズ７と、光ファイバスキャナ６および集光レンズ７を収納する細長い筒状の枠体８とを備えている。

光ファイバスキャナ６は、図１および図２に示されるように、光源５からの光を導光し先端から射出させるマルチモードファイバまたはシングルモードファイバのような照明用光ファイバ（光ファイバ）９と、該照明用光ファイバ９を貫通させる貫通孔１０ａを有する四角筒状の導電性の弾性材料からなるフェルール（振動伝達部材）１０と、該フェルール１０を支持する筒状のホルダ１１と、フェルール１０の外面に固定された４つの圧電素子１２Ａ，１２Ｂとを備えている。各圧電素子１２Ａ，１２Ｂおよびホルダ１１には交番電圧を供給するためのリード線１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｇが接続されている。光源５は照明用光ファイバ９の基端に接続されている。

照明用光ファイバ９は、横断面円形の細長いガラス材からなり、枠体８の長手方向に沿って配されている。照明用光ファイバ９の先端は、枠体８の内部の先端部近傍に配されている。照明用光ファイバ９の基端は枠体８の基端から外部へ延びて光源５に接続されている。以下、照明用光ファイバ９の長手方向をＺ方向とし、照明用光ファイバ９の互いに直交する２つの半径方向をＸ方向およびＹ方向とする。

圧電素子１２Ａ，１２Ｂは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックス材料からなる矩形の平板形状である。圧電素子１２Ａ，１２Ｂは、表面に＋（プラス）の電極処理が施され、裏面に−（マイナス）の電極処理が施されている。これによって＋極から−極に向かって板厚方向に分極しており、電圧を印加した時に分極方向に対して直行する方向に伸縮振動（横効果）する特徴を持っている。

４枚の圧電素子１２Ａ，１２Ｂは、２枚のＡ相用の圧電素子１２Ａと２枚のＢ相用の圧電素子１２Ｂとからなる。Ａ相用の圧電素子１２ＡおよびＢ相用の圧電素子１２Ｂは、図２に示されるように、フェルール１０の４つの外面に接着剤により固定されている。図３に示されるように、Ｙ方向に互いに対向する２枚のＡ相用の圧電素子１２Ａは、分極方向がＹ方向の同一方向を向くように配置され、Ｘ方向に互いに対向する２枚のＢ相用の圧電素子１２Ｂは、分極方向がＸ方向の同一方向を向くように配置されている。図３中の点線矢印は分極方向を示している。

本実施形態においては、フェルール１０は、図２に示されるように、四角筒状に形成されており、照明用光ファイバ９を貫通させる中央の貫通孔１０ａは、四角形の断面形状を有している。貫通孔１０ａを構成している４つの平面からなる内面（接触面）１０ｂは、それぞれ、圧電素子１２Ａ，１２Ｂが接着されるフェルール１０の４つの平面からなる外面（保持面）１０ｃと平行な関係になっている。相互に対向する２対の内面１０ｂの間隔寸法は、照明用光ファイバ９の直径寸法より若干大きく設定されており、照明用光ファイバ９を容易に貫通させることができるようになっている。

ホルダ１１は、中央孔１１ａを有する円筒状の導電性部材であり、圧電素子１２Ａ，１２Ｂよりも基端側に位置するフェルール１０を中央孔１１ａに嵌合させた状態で導電性の接着剤により固定している。ホルダ１１の外周面は、枠体８の内壁に固定されている。これにより、フェルール１０は、先端を自由端とする片持ち梁状にホルダ１１によって支持され、照明用光ファイバ９の突出部９ａは、先端を自由端とする片持ち梁状にフェルール１０によって支持されている。

ホルダ１１は、フェルール１０を介して４枚の圧電素子１２Ａ，１２Ｂのフェルール１０側の電極と電気的に接続されており、圧電素子１２Ａ，１２Ｂを駆動する際の共通ＧＮＤとして機能するようになっている。

２枚のＡ相用の圧電素子１２Ａには、Ａ相用のリード線１３Ａが導電性接着剤によって接合されている。２枚のＢ相用の圧電素子１２Ｂには、Ｂ相用のリード線１３Ｂが導電性接着剤によって接合されている。ホルダ１１には、ＧＮＤリード線１３Ｇが接合されている。ホルダ１１には、周方向に間隔をあけた４箇所にＺ方向に延びる溝（図示略）が形成されており、各溝内にリード線１３Ａ，１３Ｂが１本ずつ収容されている。各リード線１３Ａ，１３ＢおよびＧＮＤリード線１３Ｇは、制御部４に接続されている。

受光用光ファイバ３は、枠体８の外周面上に周方向に配列して複数設けられ、被写体からの戻り光（例えば、照明光の反射光または蛍光）を図示しない光検出器に導光するようになっている。

制御部４は、リード線１３Ａを介してＡ相用の圧電素子１２Ａに所定の駆動周波数を有するＡ相の交番電圧を印加し、リード線１３Ｂを介してＢ相用の圧電素子１２Ｂに所定の駆動周波数を有するＢ相の交番電圧を印加するようになっている。所定の駆動周波数は、照明用光ファイバ９の突出部９ａの固有振動数と等しいかその近傍の周波数に設定されるようになっている。制御部４は、位相が互いにπ／２だけ異なり、かつ、振幅が正弦波状に時間変化するＡ相の交番電圧およびＢ相の交番電圧を各リード線１３Ａ，１３Ｂに供給するようになっている。

このように構成された本実施形態に係る光ファイバスキャナ６、走査型照明装置２および走査型観察装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る走査型観察装置１を用いて被写体を観察するには、制御部４を作動させ、光源５から照明用光ファイバ９に照明光を供給させるとともに、リード線１３Ａ，１３Ｂを介して圧電素子１２Ａ，１２Ｂに所定の駆動周波数を有する交番電圧を印加させる。

Ａ相の交番電圧が印加されたＡ相用の圧電素子１２Ａは、分極方向に直交するＺ方向に伸縮振動する。このときに、２枚の圧電素子１２Ａのうち、一方がＺ方向に縮み、他方がＺ方向に伸びることにより、フェルール１０に、ホルダ１１の位置を節とするＹ方向の屈曲振動が励起される。そして、フェルール１０の屈曲振動が照明用光ファイバ９に伝達されることにより、突出部９ａが交番電圧の駆動周波数と等しい周波数でＹ方向に屈曲振動して照明用光ファイバ９の先端がＹ方向に振動し、先端から射出される照明光がＹ方向に直線的に走査される。

Ｂ相の交番電圧が印加されたＢ相用の圧電素子１２Ｂは、分極方向に直交するＺ方向に伸縮振動する。このときに、２枚の圧電素子１２Ｂのうち、一方がＺ方向に縮み、他方がＺ方向に伸びることにより、フェルール１０にホルダ１１の位置を節とするＸ方向の屈曲振動が励起される。そして、フェルール１０の屈曲振動が照明用光ファイバ９に伝達されることにより、突出部９ａが交番電圧の駆動周波数と等しい周波数でＸ方向に屈曲振動し、先端から射出される照明光がＸ方向に直線的に走査される。

ここで、Ａ相の交番電圧の位相とＢ相の交番電圧の位相とは互いにπ／２ずれており、かつ、Ａ相の交番電圧およびＢ相の交番電圧の振幅が正弦波状に時間変化することによって、照明用光ファイバ９の先端がスパイラル状の軌跡に沿って振動し、照明光が被写体上においてスパイラル状の軌跡に沿って２次元的に走査される。また、駆動周波数は突出部９ａの固有振動数と等しいか近傍の周波数であるので、突出部９ａを効率的に励振させることができる。

被写体からの戻り光は、複数本の受光用光ファイバ３によって受光され、その強度が光検出器によって検出される。制御部４は、照明光の走査周期と同期して光検出器に戻る光を検出させ、検出された戻り光の強度を照明光の走査位置と対応付けることによって被写体の画像を生成する。

この場合に、本実施形態によれば、フェルール１０の貫通孔１０ａが四角形状断面で形成されており、貫通孔１０ａの４つの内面１０ｂはフェルール１０の４つの外面１０ｃとそれぞれ平行に形成されている。したがって、図４に示されるように、貫通孔１０ａに貫通させられる円形横断面の照明用光ファイバ９が、貫通孔１０ａ内のガタによって、長手軸に直交する方向に移動しても、各圧電素子１２Ａ，１２Ｂから照明用光ファイバ９に伝達される力Ｆの方向を変動させずに済むという利点がある。

これに対して、フェルール２０の貫通孔２０ａが円形である場合には、比較例として図５および図６に示されるように、貫通孔２０ａ内において照明用光ファイバ９が長手軸に直交する方向に、極めて微小距離Δだけ移動しても、貫通孔２０ａと照明用光ファイバ９との接触位置における法線の方向が大きく変動してしまう。その結果、圧電素子１２Ａ、１２Ｂから照明用光ファイバ９に伝達される力Ｆの方向が大きく変動してしまうという不都合がある。

本実施形態によれば、フェルール１０の貫通孔１０ａと照明用光ファイバ９との間にガタがあっても、圧電素子１２Ａ，１２Ｂからフェルール１０を介して照明用光ファイバ９に伝達される振動の方向が変化しないので、圧電素子１２Ａ，１２Ｂの振動の制御が容易であり、照明用光ファイバ９の先端を所望の軌跡で精度よく振動させることができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、フェルール１０を四角筒状に形成したが、これに代えて、３角筒状あるいは５角以上の筒状に構成してもよい。このようにしても、貫通孔１０ａの各内面１０ｂに平行な外面１０ｃに圧電素子１２Ａ，１２Ｂを接着することで、圧電素子１２ａ，１２Ｂからの振動の方向を変化させずに照明用光ファイバ９に伝達することができる。
また、フェルール１０を貫通させるホルダ１１の中央孔１１ａについても断面形状は円形だけでなく四角形状でもよい。

１ 観察装置
２ 照明装置
３ 受光用光ファイバ（光検出部）
４ 電圧供給部（制御部）
５ 光源
６ 光ファイバスキャナ
９ 照明用光ファイバ（光ファイバ）
１０ フェルール（振動伝達部材）
１０ａ 貫通孔
１０ｂ 内面（接触面）
１０ｃ 外面（保持面）
１１ ホルダ（固定部）
１２Ａ，１２Ｂ 圧電素子

Claims (5)

1. 光を導光して先端から射出する細長い光ファイバと、
   前記先端から基端側に間隔をあけた位置において前記光ファイバを貫通させる貫通孔を有する弾性体からなる振動伝達部材と、
   該振動伝達部材の外面に接着され、所定の周波数の交番電圧が印加されることによって前記光ファイバの長手方向に伸縮振動して前記振動伝達部材を介して前記光ファイバに、前記長手方向に交差する方向の屈曲振動を発生させる圧電素子と、
   該圧電素子よりも基端側において前記振動伝達部材を固定する固定部とを備え、
   前記振動伝達部材が、前記圧電素子を接着する平面からなる保持面と、該保持面に平行な平面からなり、前記貫通孔の内面の少なくとも一部に設けられ、前記光ファイバの外面を接触させる接触面とを備える光ファイバスキャナ。
2. 前記振動伝達部材が、周方向に並んで配置された複数の保持面を備えるとともに、各保持面に平行な複数の接触面を備える多角筒により構成されている請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
3. 前記振動伝達部材が、四角筒である請求項２に記載の光ファイバスキャナ。
4. 照明光を発生する光源と、
   該光源からの照明光を走査させる請求項１から請求項３のいずれかに記載の光ファイバスキャナとを備える照明装置。
5. 請求項４に記載の照明装置と、
   該照明装置からの照明光が被写体に照射されることにより、被写体から戻る戻り光を検出する光検出部と、
   前記圧電素子に前記所定の周波数の交番電圧を供給する電圧供給部とを備える観察装置。

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