CN109310280A - 光纤扫描器、照明装置和观察装置 - Google Patents

Abstract

本发明的光纤扫描器(1)具有：光纤(2)，其从基端部侧朝向前端部侧沿着长度轴引导光，从前端部射出光；压电元件(41、42、44)，其固定于该光纤(2)的外周面，通过被施加交变电压而产生沿着长度轴的方向的伸缩振动；以及按压部(6)，其朝向径向内侧按压位于光纤(2)的径向外侧的压电元件(41、42、44)的外侧面(41a、42a、44a)中的、成为压电元件(41、42、44)的伸缩振动的波腹的部分。

Description

光纤扫描器、照明装置和观察装置

技术领域

本发明涉及光纤扫描器、照明装置和观察装置。

背景技术

以往，公知有对如下的光进行扫描的光纤扫描器，该光是通过压电元件使光纤的前端进行振动从而从光纤的前端射出的(例如参照专利文献1)。在专利文献1所记载的光纤扫描器中，压电元件隔着套箍固定在光纤的外周面上。由于施加电压而使压电元件产生的振动经由套箍传播到光纤，由此，光纤的前端进行振动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-244045号公报

发明内容

发明要解决的课题

压电元件相对于套箍的固定一般使用粘接剂。在固化后的粘接剂层中，可能由于固化前在粘接剂中残留的空气等而产生不均匀性。这样在粘接剂层中产生不均匀性时，压电元件产生的振动向光纤的传播效率降低，存在光纤的前端的振动振幅减小这样的问题。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供能够提高从压电元件朝向光纤的振动的传播效率、增大光纤的振动振幅的光纤扫描器、照明装置和观察装置。

用于解决课题的手段

为了实现上述目的，本发明提供以下手段。

本发明的第1方式是一种光纤扫描器，其中，所述光纤扫描器具有：光纤，其从基端部侧朝向前端部侧沿着长度轴引导光，从所述前端部射出光；压电元件，其固定于该光纤的外周面，通过被施加交变电压而产生沿着所述长度轴的方向的伸缩振动；以及按压部，其朝向径向的内侧按压位于所述光纤的所述径向的外侧的所述压电元件的外侧面中的、成为沿着所述长度轴的方向的所述压电元件的伸缩振动的波腹的部分。

根据本发明，当通过施加交变电压而使压电元件产生光纤的长度方向上的伸缩振动时，与压电元件固定的光纤被激励而屈曲振动，光纤的前端在径向上振动。由此，能够对从光纤的前端射出的光进行扫描。

该情况下，通过按压部朝向光纤按压压电元件，由此，压电元件与光纤均匀地接触。由此，能够提高从压电元件朝向光纤的振动的传播效率，增大光纤的振动振幅。进而，通过从按压部对压电元件施加按压力，能够向压电元件供给更大的交变电压，能够进一步增大光纤的振动振幅。特别是通过在压电元件中的成为伸缩振动的波腹的部分设置按压部，压电元件的最大移位位置的振动传递到光纤，因此，能够更加高效地传播振动。

在上述第1方式中，也可以是，所述按压部仅按压所述压电元件的所述外侧面中的沿着所述长度轴的方向上的前端部和基端部、或者仅按压所述前端部和所述基端部的一方。

通过在压电元件中的成为伸缩振动的波腹的前端部和/或基端部设置按压部，压电元件的最大移位位置的振动传递到光纤，因此，能够更加高效地传播振动。

在上述第1方式中，也可以是，所述按压部由卷绕在所述光纤和所述压电元件的周围的环状部件构成，在所述按压部的内表面形成有供所述压电元件的端部在沿着所述长度轴的方向上抵接的抵接面。

压电元件的端部与抵接面抵接，由此，能够提高沿着长度轴的方向上的压电元件与按压部的组装精度，更加高效地传播振动。

在上述第1方式中，也可以是，所述按压部的所述内表面具有沿着所述压电元件的端部的所述外侧面的形状。

在上述第1方式中，也可以是，在所述按压部的内表面形成有嵌合凹部，该嵌合凹部具有与所述压电元件的端部中的所述外侧面侧的至少一部分互补的形状，该嵌合凹部供该至少一部分嵌合。

由此，压电元件的侧面的至少一部分与嵌合凹部的内表面抵接，由此，在绕光纤的长度轴旋转的方向上也相对于压电元件定位按压部，因此，能够进一步提高压电元件与按压部的组装精度。

在上述第1方式中，也可以是，所述光纤扫描器具有引线，该引线与所述压电元件的所述外侧面连接，向所述压电元件供给所述交变电压，所述按压部以在与所述压电元件的所述外侧面之间夹持所述引线的方式覆盖该外侧面。

由此，能够稳定地维持引线与压电元件的连接。

本发明的第2方式是一种照明装置，其中，所述照明装置具有：上述第1方式的光纤扫描器；以及光源部，其与所述光纤的所述基端部连接，向所述光纤供给所述光。

本发明的第3方式是一种观察装置，其中，所述观察装置具有：上述第2方式的照明装置；光检测部，其检测通过从该照明装置对被摄体照射光而从所述被摄体返回的返回光；以及电压供给部，其向所述压电元件供给所述交变电压。

发明效果

根据本发明，发挥能够提高从压电元件朝向光纤的振动的传播效率、增大光纤的振动振幅这样的效果。

附图说明

图1是具有本发明的一个实施方式的光纤扫描器和照明装置的观察装置的整体结构图。

图2是示出图1的观察装置的内窥镜的插入部前端的内部结构的沿着长度轴的纵剖视图。

图3A是示出本发明的第1实施方式的光纤扫描器的整体结构的侧视图。

图3B是从前端侧观察图3A的光纤扫描器的主视图。

图4是示出图3A的光纤扫描器的变形例的整体结构的侧视图。

图5是示出图3A的光纤扫描器的另一个变形例的整体结构的侧视图。

图6是示出图3A的光纤扫描器的另一个变形例的整体结构的侧视图。

图7A是示出图3A的光纤扫描器的另一个变形例的整体结构的侧视图。

图7B是从前端侧观察图7A的光纤扫描器的主视图。

图8A是示出图3A的光纤扫描器的另一个变形例的整体结构的侧视图。

图8B是从前端侧观察图8A的光纤扫描器的主视图。

图8C是图8A的光纤扫描器中的按压部的剖视图(左段)和主视图(右段)。

图9A是示出图3A的光纤扫描器的另一个变形例的整体结构的侧视图。

图9B是从前端侧观察图9A的光纤扫描器的主视图。

图9C是图9A的光纤扫描器中的按压部的剖视图(左段)和主视图(右段)。

图10A是示出图3A的光纤扫描器的另一个变形例的整体结构的侧视图。

图10B是从前端侧观察图10A的光纤扫描器的主视图。

图10C是图10A的光纤扫描器中的按压部的剖视图(左段)和主视图(右段)。

图11A是示出图3A的光纤扫描器的另一个变形例的整体结构的侧视图。

图11B是从前端侧观察图11A的光纤扫描器的主视图。

具体实施方式

参照附图对本发明的一个实施方式的光纤扫描器1、照明装置10和观察装置100进行说明。

如图1所示，本实施方式的观察装置100具备：具有细长的插入部40a的内窥镜40、与该内窥镜40连接的控制装置主体50、与该控制装置主体50连接的显示器60。观察装置100是如下的光扫描型内窥镜装置：在被摄体A上沿着螺旋状的扫描轨迹B二维地扫描从插入部40a的前端射出的照明光，取得被摄体A的图像。

如图2所示，观察装置100具有：照明装置10，其对被摄体A照射照明光；光检测部20，其具有光电二极管这样的光检测器，检测通过对被摄体A照射照明光而从被摄体A返回的返回光；以及驱动控制装置(电压供给部)30，其对照明装置10和光检测部20进行驱动控制。光检测部20和驱动控制装置30设置在控制装置主体50内。

照明装置10具有：细长的筒状的框体11，其设置在插入部40a内；光源(光源部)12，其设置在控制装置主体50内，产生照明光；光纤扫描器1，其设置在框体11内，具有将从光源12产生的照明光从基端朝引导至前端并将该照明光从前端射出的照明用的光纤2；会聚透镜13，其在框体11内配置在比光纤2更靠前端侧，使从光纤2射出的照明光会聚；以及多个检测用光纤14，它们在框体11的外周面上沿周向排列设置，将来自被摄体A的返回光(例如照明光的反射光或荧光)引导至光检测部20。

如图3A和图3B所示，光纤扫描器1具有光纤2、固定在光纤2的外周面上的筒状的振动传播部3、固定在该振动传播部3的外周面上的多个压电元件41、42、43、44、设置在比该压电元件41、42、43、44更靠基端侧且将光纤2固定在框体11上的固定部5、以及向振动传播部3按压压电元件41、42、43、44的按压部6。

光纤2是多模光纤或单模光纤，由具有长度轴的圆柱状的玻璃材料构成。光纤2沿着长度方向配置在框体11内，光纤2的前端配置在框体11的内部的前端部附近，光纤2的基端与光源12连接。下面，设光纤2的长度方向为Z方向，设光纤2的相互正交的2个径向为X方向和Y方向。

振动传播部3由方筒状的部件构成，该部件具有沿着中心轴贯通的贯通孔，在贯通孔内插入有光纤2。振动传播部3设置在比光纤2的前端部更靠该光纤2的基端部侧的位置，贯通孔的内周面和光纤2的外周面通过粘接剂进行固定。下面，将从振动传播部3的前端面向前端侧突出的光纤2的前端部分称为突出部2a。振动传播部3由具有弹性的金属(例如镍、不锈钢、铁、铝合金或钛)构成。

压电元件41、42、43、44是由锆钛酸铅(PZT)这样的压电陶瓷材料构成的，为矩形的平板状。对压电元件41、42、43、44的在厚度方向上对置的2个端面实施电极处理，以使其在厚度方向上极化。A相用的2枚压电元件41、43分别通过粘接剂固定于振动传播部3的在X方向上对置的2个侧面，以使得极化方向与X方向平行。B相用的2枚压电元件42、44分别通过粘接剂固定于振动传播部3的在Y方向上对置的2个侧面，以使得极化方向与Y方向平行。

固定部5是具有比振动传播部3大的外形尺寸的圆筒状的部件，振动传播部3的基端部插入到固定部5内。固定部5的内周面固定在振动传播部3的基端部，固定部5的外周面固定在框体11的内壁。由此，振动传播部3和光纤2的突出部2a被固定部5支承为将前端作为自由端的悬臂梁状。固定部5经由振动传播部3而与压电元件41、42、43、44电连接，在对压电元件41、42、43、44施加交变电压时，作为公共地线(GND)发挥功能。

在A相用的2枚压电元件41、43上分别通过导电性粘接剂连接有A相用的引线7A。在B相用的2枚压电元件42、44上分别通过导电性粘接剂连接有B相用的引线7B。在固定部5上通过导电性粘接剂连接有GND用的引线7G。引线7A、7B、7G分别与驱动控制装置30连接。在图3B中，省略引线7A、7B、7G的图示。

按压部6由在周向上产生收缩力的环状部件、例如热收缩管、橡胶圈或平面橡胶构成。按压部6卷绕在振动传播部3和压电元件41、42、43、44的周围。通过收缩力而收缩的按压部6与各压电元件41、42、43、44的2个端面中的、位于X方向或Y方向的外侧的端面(外侧面)41a、42a、43a、44a接触，按压部6朝向光纤2的径向内侧按压各外侧面41a、42a、43a、44a。按压部6设置在各外侧面41a、42a、43a、44a中的、长度方向上的前端部和基端部这2个部位，仅按压该前端部和基端部。

引线7A、7B与各外侧面41a、42a、43a、44a的基端部连接。按压部6设置成在与外侧面41a、42a、43a、44a之间夹持引线7A、7B。

驱动控制装置30经由A相用的引线7A对压电元件41、43施加A相的交变电压，经由B相用的引线7B对压电元件42、44施加B相的交变电压。

对A相用的压电元件41、43施加交变电压时，压电元件41、43在Z方向上产生伸缩振动，激励振动传播部3产生X方向的屈曲振动，振动传播部3的屈曲振动传播到光纤2。由此，从光纤2的前端射出的照明光在X方向上扫描。对B相用的压电元件42、44施加交变电压时，压电元件42、44在Z方向上产生伸缩振动，激励振动传播部3产生Y方向的屈曲振动，振动传播部3的屈曲振动传播到光纤2。由此，从光纤2的前端射出的照明光在Y方向上扫描。因此，通过控制对压电元件41、42、43、44施加的交变电压的振幅和相位，能够控制照明光的扫描轨迹B。

接着，对这样构成的光纤扫描器1、照明装置10和观察装置100的作用进行说明。

在使用本实施方式的观察装置100对被摄体A进行观察时，使驱动控制装置30进行动作，从光源12向光纤2供给照明光，并且经由引线7A、7B对压电元件41、42、43、44施加交变电压。

被施加交变电压的压电元件41、42、43、44分别产生Z方向的伸缩振动，激励振动传播部3和光纤2的突出部2a产生屈曲振动。由此，光纤2的前端在径向上进行振动，从光纤2的前端射出的照明光在被摄体A上扫描。通过多根光纤14接收来自被摄体A的返回光，通过光检测部20检测其强度。驱动控制装置30通过将检测到的返回光的强度与照明光的扫描位置对应起来，生成被摄体A的图像。所生成的图像显示在显示器60中。

该情况下，在压电元件41、42、43、44与振动传播部3之间的由粘接剂构成的接合层中，由于制造过程的各种因素而产生不均匀性。例如，由于固化前的粘接剂内的残留空气而在接合层中不均匀地产生气孔。这样，压电元件41、42、43、44与振动传播部3的粘接不均匀，由此，从压电元件41、42、43、44朝向振动传播部3和光纤2的振动的传播效率可能降低。

根据本实施方式，通过按压部6向振动传播部3按压压电元件41、42、43、44，由此，压电元件41、42、43、44经由接合层而与振动传播部3均匀地接触，从压电元件41、42、43、44朝向振动传播部3和光纤2的振动的传播效率提高。由此，具有能够相对于交变电压的大小而增大光纤2的前端的振动振幅这样的优点。并且，具有能够通过按压部6使压电元件41、42、43、44相对于振动传播部3的固定更加稳定这样的优点。

特别是，在成为伸缩振动的波腹的前端部和基端部，通过按压部6按压压电元件41、42、43、44的外侧面41a、42a、43a、44a，由此，与通过按压部6按压压电元件41、42、43、44的其他部分的情况相比，压电元件41、42、43、44的最大移位位置的振动更加高效地传递到振动传播部3和光纤2。由此，具有能够更加有效地增大光纤2的前端的振动振幅这样的优点。

并且，通过按压部6按压引线7A、7B与外侧面41a、42a、43a、44a的连接位置，由此，具有能够更加稳定地维持引线7A、7B与外侧面41a、42a、43a、44a的连接这样的优点。

在本实施方式中，通过按压部6按压压电元件41、42、43、44的外侧面41a、42a、43a、44a的前端部和基端部双方，但是，也可以取而代之，如图4所示，仅在前端部设置有按压部6，或者，如图5所示，也可以仅在基端部设置有按压部6。从正面观察光纤扫描器100的结构与图3B所示的光纤扫描器1的结构相同。这样，能够高效地将压电元件41、42、43、44的最大移位位置的振动传递到振动传播部3和光纤2。

在本实施方式中，按压部6仅设置在外侧面41a、42a、43a、44a的前端部和基端部，但是，也可以取而代之，如图6所示，设置在外侧面41a、42a、43a、44a的长度方向的全长范围内，在长度方向的全长范围内按压外侧面41a、42a、43a、44a。

这样，在成为伸缩振动的波腹的前端部和基端部，通过按压部6按压压电元件41、42、43、44的外侧面41a、42a、43a、44a，由此，能够高效地将压电元件41、42、43、44的最大移位位置的振动传递到振动传播部3和光纤2。

进而，在按压部6由电绝缘体形成的情况下，通过覆盖外侧面41a、42a、43a、44a整体的按压部6，具有能够使压电元件41、42、43、44与周围的部件电绝缘这样的优点。

在本实施方式中，按压部6由热收缩管或环状橡胶这样产生收缩力的环状部件构成，但是，按压部6只要是能够向径向内侧按压外侧面41a、42a、43a、44a的部件即可，可以是任意部件。

例如，按压部6也可以是将4个压电元件41、42、43、44绑缚在振动传播部3上的线状部件。

或者，如图7A和图7B所示，按压部也可以由板簧61构成，该板簧61与各压电元件41、42、43、44对应地设置，向径向内侧按压对应的压电元件41、42、43、44。

板簧61的一端固定在固定部5。在板簧61的另一端部形成有与外侧面41a、42a、43a、44a接触且按压该外侧面41a、42a、43a、44a的按压面。这样，通过板簧61向振动传播部3按压压电元件41、42、43、44，由此，能够高效地使光纤2的前端进行振动。

在本实施方式中，按压部6由环状部件构成，仅向径向内侧按压压电元件41、42、43、44的外侧面41a、42a、43a、44a，但是，也可以取而代之，如图8A～图8C所示，按压部62在沿着光纤2的长度轴的方向上按压压电元件41、42、43、44的前端面和基端面。

具体而言，按压部62具有供振动传播部3贯通的贯通孔62a、以及直径比贯通孔62a大且承接压电元件41、42、43、44的端部的凹部62b。因此，按压部62的内表面具有由贯通孔62a的内表面和凹部62b的内表面构成的2级的阶梯形状，在贯通孔62a与凹部62b之间形成有环状的抵接面62c。压电元件41、42、43、44的前端部和基端部分别在沿着长度轴的方向上与抵接面62c抵接。按压部62在贯通孔62a的内周面处固定于振动传播部3，在凹部62b的内周面和抵接面62c处固定于压电元件41、42、43、44。

这样，通过使用带阶梯的按压部62，在沿着长度轴的方向上将压电元件41、42、43、44和按压部62相互定位，以将按压部62相对于压电元件41、42、43、44的最大移位位置配置在最佳位置。由此，能够提高压电元件41、42、43、44与按压部62的组装精度，能够更加高效地将压电元件41、42、43、44的最大移位位置的振动传递到振动传播部3和光纤2。

如图9A～图9C所示，也可以是，贯通孔62a的内周面从振动传播部3分开，按压部62仅固定于压电元件41、42、43、44。

并且，如图8A～图9C所示，凹部62b的内表面形状也可以是沿着压电元件41、42、43、44的外侧面41a、42a、43a、44a的大致方筒状，但是，如图10A～图10C所示，也可以是与压电元件41、42、43、44的侧面也抵接的形状。

即，也可以在按压部62的凹部62b的内周面形成有嵌合凹部62d，该嵌合凹部62d具有与压电元件41、42、43、44的前端部或基端部中的、外侧面41a、42a、43a、44a侧的至少一部分互补的形状且供该至少一部分嵌合。

由此，在绕长度轴的旋转方向上也将压电元件41、42、43、44和按压部62相互定位，因此，能够进一步提高压电元件41、42、43、44与按压部62的组装精度。

在本实施方式中，振动传播部3由方筒状的部件构成，但是，振动传播部3也可以由圆筒状的部件构成。该情况下，压电元件41、43和压电元件42、44以在X方向和Y方向上分别对置的方式，在周向上均等地隔开间隔固定于振动传播部3的外周面。

在本实施方式中，压电元件41、42、43、44经由振动传播部3固定于光纤2的外周面，但是，也可以取而代之，如图11A和图11B所示，压电元件41、42、43、44直接固定于光纤2的外周面。

在图11A和图11B的变形例中，对光纤2的外周面中的至少配置在振动传播部3的内部的部分实施了金属涂层8。由此，在光纤2与压电元件41、42、43、44的粘接中，能够使用焊接或环氧类粘接剂。并且，也可以经由金属涂层8使固定部5和压电元件41、42、43、44电连接，以使固定部5能够作为公共GND发挥功能。

标号说明

1：光纤扫描器；2：光纤；41、42、43、44：压电元件；41a、42a、43a、44a：外侧面；6、61、62：按压部；62c：抵接面；62d：嵌合凹部；7A、7B：引线；10：照明装置；12：光源(光源部)；20：光检测部；30：驱动控制装置(电压供给部)；100：观察装置。

Claims (10)

1.一种光纤扫描器，其中，所述光纤扫描器具有：

光纤，其从基端部侧朝向前端部侧沿着长度轴引导光，从所述前端部射出光；

压电元件，其固定于该光纤的外周面，通过被施加交变电压而产生沿着所述长度轴的方向的伸缩振动；以及

按压部，其朝向径向的内侧按压位于所述光纤的所述径向的外侧的所述压电元件的外侧面中的、成为沿着所述长度轴的方向的所述压电元件的伸缩振动的波腹的部分。

2.根据权利要求1所述的光纤扫描器，其中，

所述按压部仅按压所述压电元件的所述外侧面中的、沿着所述长度轴的方向上的前端部和基端部。

3.根据权利要求1所述的光纤扫描器，其中，

所述按压部仅按压所述压电元件的所述外侧面中的、沿着所述长度轴的方向上的基端部。

4.根据权利要求1所述的光纤扫描器，其中，

所述按压部仅按压所述压电元件的所述外侧面中的、沿着所述长度轴的方向上的前端部。

5.根据权利要求2～4中的任意一项所述的光纤扫描器，其中，

所述按压部由卷绕在所述光纤和所述压电元件的周围的环状部件构成，

在所述按压部的内表面形成有供所述压电元件的端部在沿着所述长度轴的方向上抵接的抵接面。

6.根据权利要求5所述的光纤扫描器，其中，

所述按压部的所述内表面具有沿着所述压电元件的端部的所述外侧面的形状。

7.根据权利要求6所述的光纤扫描器，其中，

在所述按压部的内表面形成有嵌合凹部，该嵌合凹部具有与所述压电元件的端部中的所述外侧面侧的至少一部分互补的形状，该嵌合凹部供该至少一部分嵌合。

8.根据权利要求2或3所述的光纤扫描器，其中，

所述光纤扫描器具有引线，该引线与所述压电元件的所述外侧面连接，向所述压电元件供给所述交变电压，

所述按压部以在与所述压电元件的所述外侧面之间夹持所述引线的方式覆盖该外侧面。

9.一种照明装置，其中，所述照明装置具有：

权利要求1～8中的任意一项所述的光纤扫描器；以及

光源部，其与所述光纤的所述基端部连接，向所述光纤供给所述光。

10.一种观察装置，其中，所述观察装置具有：

权利要求9所述的照明装置；

光检测部，其检测通过从该照明装置对被摄体照射光而从所述被摄体返回的返回光；以及

电压供给部，其向所述压电元件供给所述交变电压。