DE112017002508T5

DE112017002508T5 - Optikfaser-Scanner, Beleuchtungsvorrichtung und Beobachtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112017002508T5
Application number: DE112017002508.7T
Authority: DE
Inventors: Takashi Yasumi; Yasuaki Kasai; Hirokazu Yokota; Hiroshi Tsuruta
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2017-06-12
Publication date: 2019-02-28
Also published as: WO2017216866A1; WO2017217373A1; JP6865221B2; CN109310280A; US20190104930A1; JPWO2017217373A1

Abstract

Ein Optikfaser-Scanner (1) der vorliegenden Erfindung ist ausgestattet mit: einer optischen Faser (2), die Licht von einer Seite eines proximalen Endabschnitts zu einer Seite eines distalen Endabschnitts entlang einer Längsachse leitet und die das Licht aus dem distalem Endabschnitt ausstrahlt; piezoelektrische Elemente (41, 42, 44), die an einer äußeren Umfangsfläche der optischen Faser (2) befestigt sind und die als Folge des Anlegens einer Wechselspannung Streckschwingungen in einer Richtung entlang der Längsachse erzeugen; und einen Pressabschnitt (6), der von Außenflächen (41a, 42a, 44a) der piezoelektrischen Elemente (41, 42, 44), die auf der radial äußeren Seite der optischen Faser (2) angeordnet sind, Abschnitte, die den Schwingungsbäuchen der Streckschwingungen in den piezoelektrischen Elementen (41, 42, 44) entsprechen, radial nach innen herunterdrücken.

Description

{Technisches Gebiet}
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Optikfaser-Scanner, eine Beleuchtungsvorrichtung und eine Beobachtungsvorrichtung.
{Stand der Technik}
In der verwandten Technik gibt es einen bekannten Optikfaser-Scanner, mit dem das von einem distalen Ende einer optischen Faser ausgestrahlte Licht gescannt wird, indem das distale Ende der optischen Faser mittels piezoelektrischer Elemente in Schwingungen versetzt wird (siehe z.B. Patentliteratur 1). In dem in der Patentliteratur 1 beschriebenen Optikfaser-Scanner sind die piezoelektrischen Elemente über Klemmhülsen an einer äußeren Umfangsfläche der optischen Faser befestigt. Als Folge davon, dass Schwingungen, die durch die piezoelektrischen Elemente beim Anlegen von Spannungen an dieselben erzeugt werden, über die Klemmhülsen auf die optische Faser weitergeleitet werden, wird das distale Ende der optischen Faser zum Schwingen gebracht.
{Entgegenhaltungsliste}
{Patentliteratur}
{PTL 1} Ungeprüfte Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 2013-244045
{Kurzdarstellung der Erfindung}
{Technisches Problem}
Im Allgemeinen wird ein Klebstoff verwendet, um die piezoelektrischen Elemente an den Klemmhülsen zu befestigen. In einer ausgehärteten Klebeschicht treten Unebenheiten auf, da Luft usw. im Klebstoff verbleibt, bevor er ausgehärtet wird. Wenn auf diese Weise Unebenheiten in der Klebeschicht auftreten, sinkt die Effizienz, mit der die von den piezoelektrischen Elementen erzeugten Schwingungen an die optische Faser weitergeleitet werden, und somit besteht ein Problem darin, dass die Schwingungsamplitude des distalen Endes der optischen Faser abnimmt.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Umstände konzipiert, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Optikfaser-Scanner, eine Beleuchtungsvorrichtung und eine Beobachtungsvorrichtung bereitzustellen, mit denen es möglich ist, die Effizienz zu verbessern, mit der Schwingungen von einem piezoelektrischen Element an eine optische Faser weitergeleitet werden, und somit die Schwingungsamplitude der optischen Faser erhöht wird.
{Lösung des Problems}
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung die folgenden Lösungen bereit.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Optikfaser-Scanner, umfassend: eine optische Faser, die Licht von einer Seite eines proximalen Endabschnitts zu einer Seite eines distalen Endabschnitts entlang einer Längsachse leitet, wobei die optische Faser das Licht aus dem distalen Endabschnitt ausstrahlt; ein piezoelektrisches Element, das an einer äußeren Umfangsfläche der optischen Faser befestigt ist, wobei das piezoelektrische Element infolge des Anlegens einer Wechselspannung an dasselbe Streckschwingungen in einer Richtung entlang der Längsachse erzeugt; und einen Pressabschnitt, der von einer Außenfläche des piezoelektrischen Elements, das auf der radial äußeren Seite der optischen Faser angeordnet ist, einen Abschnitt, der einem Schwingungsbauch der Streckschwingungen in einer Richtung entlang der Längsachse des piezoelektrischen Elements entspricht, radial nach innen herunterdrückt.
Wenn bei der vorliegenden Erfindung das piezoelektrische Element durch das Anlegen von Wechselspannung die Streckschwingungen in Längsrichtung der optischen Faser erzeugt, werden Biegeschwingungen in der am piezoelektrischen Element befestigten optischen Faser angeregt, wodurch das distale Ende der optischen Faser in radialer Richtung schwingt. Dabei ist es möglich, das vom distalen Ende der optischen Faser ausgestrahlte Licht zu scannen.
Infolgedessen, dass das piezoelektrische Element durch den Pressabschnitt zu der optischen Faser hin gedrückt wird, kommt in diesem Fall das piezoelektrische Element gleichmäßig mit der optischen Faser in Kontakt. Dabei ist es möglich, die Schwingungsamplitude der optischen Faser zu erhöhen, indem die Effizienz, mit der die Schwingungen von dem piezoelektrischen Element an die optische Faser weitergeleitet werden, erhöht wird. Darüber hinaus ist es durch Aufbringen einer Presskraft von dem Pressabschnitt auf das piezoelektrische Element möglich, dem piezoelektrischen Element eine größere Wechselspannung zuzuführen, und somit wird ermöglicht, die Schwingungsamplitude der optischen Faser weiter zu erhöhen. Insbesondere wird durch das Bereitstellen des Pressabschnitts an der Stelle in dem piezoelektrischen Element, die dem Schwingungsbauch der Streckschwingungen entspricht, ermöglicht, die Schwingungen effizienter weiterzuleiten, da die Schwingungen an einer maximalen Verschiebungsposition des piezoelektrischen Elements auf die optische Faser übertragen werden.
In dem oben beschriebenen ersten Aspekt kann der Pressabschnitt nur einen distalen Endabschnitt und einen proximalen Endabschnitt oder nur einen von dem distalen Endabschnitt und dem proximalen Endabschnitt in einer Richtung entlang der Längsachse der Außenfläche des piezoelektrischen Elements herunterdrücken.
Durch Vorsehen des Pressabschnitts an dem distalen Endabschnitt und/oder dem proximalen Endabschnitt des piezoelektrischen Elements, der dem Schwingungsbauch der Streckschwingungen entspricht, ist es möglich, die Schwingungen effizienter weiterzuleiten, da die Schwingungen an der maximalen Verschiebungsposition des piezoelektrischen Elements auf die optische Faser übertragen werden.
In dem oben beschriebenen ersten Aspekt kann der Pressabschnitt ein ringförmiges Element umfassen, das den Umfang der optischen Faser und des piezoelektrischen Elements umhüllt, und eine Anlagefläche, an der ein Endabschnitt des piezoelektrischen Elements in Richtung entlang der Längsachse anliegt, kann in einer Innenfläche des Pressabschnitts ausgebildet sein.
Dadurch, dass der Endabschnitt des piezoelektrischen Elements an der Anlagefläche anliegt, ist es möglich, die Montagegenauigkeit zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Pressabschnitt in der Richtung entlang der Längsachse zu erhöhen, und somit ist es möglich, die Schwingungen effizienter weiterzuleiten.
In dem oben beschriebenen ersten Aspekt kann die Innenfläche des Pressabschnitts eine Form aufweisen, die der Außenfläche eines Endabschnitts des piezoelektrischen Elements entspricht.
In dem vorstehend beschriebenen ersten Aspekt kann in der Innenfläche des Pressabschnitts eine Eingriffsvertiefung gebildet werden, wobei die Eingriffsvertiefung eine komplementäre Form zu derjenigen von mindestens einem Abschnitt an der Außenfläche des Endabschnitts des piezoelektrischen Elements aufweisen kann, und der mindestens eine Abschnitt in die Eingriffsvertiefung eingreifen kann.
Dadurch, dass mindestens ein Abschnitt der Seitenfläche des piezoelektrischen Elements an einer Oberfläche der Eingriffsvertiefung anliegt, und weil der Pressabschnitt in Bezug auf das piezoelektrische Element auch in eine Drehrichtung um die Längsachse der optischen Faser positioniert ist, ist es möglich, die Montagegenauigkeit zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Pressabschnitt weiter zu erhöhen.
Der oben beschriebene erste Aspekt kann mit einer Zuleitung vorgesehen werden, die mit der Außenfläche des piezoelektrischen Elements verbunden ist und die die Wechselspannung an das piezoelektrische Element liefert, wobei der Pressabschnitt die Außenfläche so abdecken kann, dass die Zuleitung zwischen der Außenfläche des piezoelektrischen Elements und dem Pressabschnitt eingeklemmt wird.
Auf diese Weise ist es möglich, die Verbindung des piezoelektrischen Elements mit der Zuleitung stabil zu halten.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Beleuchtungsvorrichtung, die umfasst: einen Optikfaser-Scanner gemäß dem oben beschriebenen ersten Aspekt; und einen Lichtquellenabschnitt, der mit dem proximalen Endabschnitt der optischen Faser verbunden ist, wobei der Lichtquellenabschnitt das Licht an die optische Faser liefert.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Beobachtungsvorrichtung, die umfasst: eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem oben beschriebenen zweiten Aspekt; einen Lichterfassungsabschnitt, der Rückkehrlicht erfasst, das von einem Abbildungssubjekt zurückkehrt, das dadurch erzeugt wird, dass das Abbildungssubjekt mit dem von der Beleuchtungsvorrichtung kommenden Licht bestrahlt wird; und einen Spannungsversorgungsabschnitt, der die Wechselspannung an das piezoelektrische Element liefert.
{Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung}
Die vorliegende Erfindung bietet einen Vorteil dadurch, dass es möglich ist, die Effizienz, mit der Schwingungen von einem piezoelektrischen Element an eine optische Faser weitergeleitet werden, zu erhöhen und somit die Schwingungsamplitude der optischen Faser zu erhöhen.
Figurenliste

1 ist ein Gesamtkonfigurationsdiagramm, das eine Beobachtungsvorrichtung mit einem Optikfaser-Scanner und eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine entlang einer Längsachse geschnittene Längsschnittansicht, die die innere Konfiguration eines distalen Endes eines eingeführten Abschnitts eines Endoskops der Beobachtungsvorrichtung in 1 zeigt.
3A ist eine Seitenansicht, die eine Gesamtkonfiguration des Optikfaser-Scanners gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3B ist eine Vorderansicht, in der der Optikfaser-Scanner in 3A von einer distalen Endseite aus betrachtet wird.
4 ist eine Seitenansicht, die die Gesamtkonfiguration einer Modifikation des Optikfaser-Scanners in 3A zeigt.
5 ist eine Seitenansicht, die die Gesamtkonfiguration einer weiteren Modifikation des Optikfaser-Scanners in 3A zeigt.
6 ist eine Seitenansicht, die die Gesamtkonfiguration einer weiteren Modifikation des Optikfaser-Scanners in 3A zeigt.
7A ist eine Seitenansicht, die die Gesamtkonfiguration einer weiteren Modifikation des Optikfaser-Scanners in 3A zeigt.
7B ist eine Vorderansicht, in der der Optikfaser-Scanner in 7A von einer distalen Endseite aus betrachtet wird.
8A ist eine Seitenansicht, die die Gesamtkonfiguration einer weiteren Modifikation des Optikfaser-Scanners in 3A zeigt.
8B ist eine Vorderansicht, in der der Optikfaser-Scanner in 8A von einer distalen Endseite aus betrachtet wird.
8C zeigt eine Querschnittsansicht (links) und eine Vorderansicht (rechts) eines Pressabschnitts des Optikfaser-Scanners in 8A.
9A ist eine Seitenansicht, die die Gesamtkonfiguration einer weiteren Modifikation des Optikfaser-Scanners in 3A zeigt.
9B ist eine Vorderansicht, in der der Optikfaser-Scanner in 9A von einer distalen Endseite aus betrachtet wird.
9C zeigt eine Querschnittsansicht (links) und eine Vorderansicht (rechts) eines Pressabschnitts des Optikfaser-Scanners in 9A.
10A ist eine Seitenansicht, die die Gesamtkonfiguration einer weiteren Modifikation des Optikfaser-Scanners in 3A zeigt.
10B ist eine Vorderansicht, in der der Optikfaser-Scanner in 10A von einer distalen Endseite aus betrachtet wird.
10C zeigt eine Querschnittsansicht (links) und eine Vorderansicht (rechts) eines Pressabschnitts des Optikfaser-Scanners in 10A.
11A ist eine Seitenansicht, die die Gesamtkonfiguration einer weiteren Modifikation des Optikfaser-Scanners in 3A zeigt.
11B ist eine Vorderansicht, in der der Optikfaser-Scanner in 11A von einer distalen Endseite aus betrachtet wird.

Ein Optikfaser-Scanner 1, eine Beleuchtungsvorrichtung 10 und eine Beobachtungsvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, ist die Beobachtungsvorrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform mit einem Endoskop 40 mit einem langen, dünnen Einführabschnitt 40a, einer mit dem Endoskop 40 verbundenen Hauptsteuervorrichtung 50 und einer mit der Hauptsteuervorrichtung 50 verbundenen Anzeige 60 versehen. Die Beobachtungsvorrichtung 100 ist eine Lichtscanner-Endoskopvorrichtung, die das von einem distalen Ende des Einführabschnitts 40a ausgestrahlte Beleuchtungslicht entlang einer spiralförmigen Scan-Bewegungsbahn B zweidimensional auf ein Abbildungssubjekt A scannt und dabei ein Bild des Abbildungssubjekts A aufnimmt.
Wie in 2 gezeigt, ist die Beobachtungsvorrichtung 100 ausgestattet mit: der Beleuchtungsvorrichtung 10, die das Beleuchtungslicht auf das Abbildungssubjekt A abstrahlt; einem Lichterfassungsabschnitt 20, der einen Lichtdetektor, wie etwa eine Fotodiode, aufweist und das Rückkehrlicht erfasst, das von dem Abbildungssubjekt A als Folge des auf das Abbildungssubjekt A abgestrahlten Beleuchtungslichts zurückkehrt; und einer Antriebssteuervorrichtung (Spannungsversorgungsabschnitt) 30, die die Ansteuerung der Beleuchtungsvorrichtung 10 und des Lichterfassungsabschnitts 20 steuert. Der Lichterfassungsabschnitt 20 und die Antriebssteuervorrichtung 30 sind in der Hauptsteuervorrichtung 50 vorgesehen.
Die Beleuchtungsvorrichtung 10 ist ausgestattet mit: einem langen, dünnen zylindrischen Rahmen 11, der in dem Einführabschnitt 40a vorgesehen ist; einer Lichtquelle (Lichtquellenabschnitt) 12, die in der Hauptsteuervorrichtung 50 vorgesehen ist und das Beleuchtungslicht erzeugt; dem Optikfaser-Scanner 1, der in dem Rahmen 11 vorgesehen ist und eine Beleuchtungsoptikfaser 2 aufweist, die das von der Lichtquelle 12 abgegebene Beleuchtungslicht von einem proximalen Ende zu einem distalen Ende leitet und das Licht aus dem distalen Ende abstrahlt; eine Fokussierlinse 13, die in dem Rahmen 11 so angeordnet ist, dass sie näher am distalen Ende liegt als die optische Faser 2 und die das von der optischen Faser 2 ausgestrahlte Beleuchtungslicht fokussiert; und eine Mehrzahl von Erfassungs-Optikfasern 14, die auf einer äußeren Umfangsfläche des Rahmens 11 so vorgesehen sind, dass sie in einer Umfangsrichtung angeordnet sind, und die das von dem Abbildungssubjekt A kommende Rückkehrlicht (z.B. reflektiertes Licht des Beleuchtungslichts oder Fluoreszenz) in Richtung des Lichterfassungsabschnitts 20 leiten.
Wie in den 3A und 3B gezeigt, ist der Optikfaser-Scanner 1 ausgestattet mit: der optischen Faser 2; einem zylindrischen Schwingungsausbreitungsabschnitt 3, der an einer äußeren Umfangsfläche der optischen Faser 2 befestigt ist; einer Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 41, 42, 43 und 44, die an äußeren Umfangsflächen des Schwingungsausbreitungsabschnitts 3 befestigt sind; einem Befestigungsabschnitt 5, der so vorgesehen ist, dass er näher am proximalen Ende liegt als die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 und der die optische Faser 2 am Rahmen 11 befestigt; und Pressabschnitten 6, die die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 gegen den Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 drücken.
Die optische Faser 2 ist eine Multimodefaser oder eine Monomodefaser und besteht aus einem säulenförmigen Glasmaterial mit einer Längsachse. Die optische Faser 2 ist in dem Rahmen 11 entlang der Längsrichtung angeordnet, das distale Ende der optischen Faser 2 ist in der Nähe eines distalen Endabschnitts des Innenraum des Rahmens 11 angeordnet, und ein proximales Ende der optischen Faser 2 ist mit der Lichtquelle 12 verbunden. Im Folgenden wird die Längsrichtung der optischen Faser 2 als Z-Richtung und zwei zueinander orthogonale Radialrichtungen der optischen Faser 2 als X-Richtung und Y-Richtung angenommen.
Der Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 ist aus einem rechteckigen rohrförmigen Element mit einem durch dieses entlang einer Mittelachse verlaufenden Durchgangsloch ausgebildet, und die optische Faser 2 ist in das Durchgangsloch eingeführt. Der Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 ist an einer Position vorgesehen, die näher an einem proximalen Endabschnitt der optischen Faser 2 als an dem distalen Endabschnitt der optischen Faser 2 liegt, und eine innere Umfangsfläche des Durchgangslochs ist an einer äußeren Umfangsfläche der optischen Faser 2 unter Verwendung eines Klebstoffs befestigt. Im Folgenden wird der distale Endabschnitt der optischen Faser 2, der aus der distalen Endfläche des Schwingungsausbreitungsabschnitts 3 zum distalen Ende hin vorsteht, als ein Vorsprung 2a bezeichnet. Der Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 ist aus einem Elastizität besitzenden Metall (z.B. Nickel, Edelstahl, Eisen, eine Aluminiumlegierung oder Titan) gebildet.
Die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 sind rechteckige flache Platten, die aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial, wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) ausgebildet sind. In den piezoelektrischen Elementen 41, 42, 43 und 44 wird auf zwei Endflächen derselben, die sich in Dickenrichtung gegenüberliegen, eine Elektrobehandlung angewendet, um in Dickenrichtung polarisiert zu werden. Die beiden piezoelektrischen A-Phasen-Elemente 41 und 43 sind einzeln mittels eines Klebstoffs an zwei in X-Richtung einander zugewandten Seitenflächen des Schwingungsausbreitungsabschnitts 3 befestigt, sodass die Polarisationsrichtung parallel zur X-Richtung wird. Die beiden piezoelektrischen B-Phasen-Elemente 42 und 44 sind einzeln mit dem Klebstoff an zwei in Y-Richtung einander zugewandten Seitenflächen des Schwingungsausbreitungsabschnitts 3 befestigt, sodass die Polarisation parallel zur Y-Richtung wird.
Der Befestigungsabschnitt 5 ist ein zylindrisches Element mit einer größeren äußeren Größe als die des Schwingungsausbreitungsabschnitts 3, und der proximale Endabschnitt des Vibrationsausbreitungsabschnitts 3 ist in den Befestigungsabschnitt 5 eingeführt. Eine innere Umfangsfläche des Befestigungsabschnitts 5 ist am proximalen Endabschnitt des Schwingungsausbreitungsabschnitts 3 befestigt, und eine äußere Umfangsfläche des Befestigungsabschnitts 5 ist an einer Innenwand des Rahmens 11 befestigt. Dabei werden der Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 und der Vorsprung 2a der optischen Faser 2 durch den Befestigungsabschnitt 5 freitragend abgestützt, wobei deren distale Enden freie Enden sind. Der Befestigungsabschnitt 5 ist über die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 elektrisch mit dem Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 verbunden und dient als gemeinsame Masse (GND), wenn Wechselspannungen an die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 angelegt werden.
Die A-Phasen-Zuleitungen 7A sind einzeln mit den beiden A-Phasen-Piezoelementen 41 und 43 unter Verwendung eines leitfähigen Klebstoffs verbunden. Die B-Phasen-Zuleitungen 7B sind einzeln mit den beiden B-Phasen-Piezoelementen 42 und 44 unter Verwendung des leitfähigen Klebstoffs verbunden. Eine GND-Zuleitung 7G ist mit dem Befestigungsabschnitt 5 unter Verwendung des leitfähigen Klebstoffs verbunden. Die Zuleitungen 7A, 7B und 7G sind einzeln mit der Antriebssteuervorrichtung 30 verbunden. In 3B entfallen die Darstellungen der Zuleitungen 7A, 7B und 7G.
Die Pressabschnitte 6 sind aus ringförmigen Elementen ausgebildet, die eine kontraktile Kraft in Umfangsrichtung erzeugen, z.B. Wärmekontraktionsrohre, Gummiringe oder flache Gummielemente. Die Pressabschnitte 6 umschließen den Umfang des Schwingungsausbreitungsabschnitts 3 und der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44. Von den beiden Endflächen der einzelnen piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 kommen die Endflächen (Außenflächen) 41a, 42a, 43a und 44a, die an der Außenseite in X-Richtung oder Y-Richtung positioniert sind, mit den durch die kontraktile Kraft kontrahierten Pressabschnitten 6 in Berührung, und die Pressabschnitte 6 drücken die einzelnen Außenflächen 41a, 42a, 43a und 44a radial nach innen in Bezug auf die optische Faser 2. In den einzelnen Außenflächen 41a, 42a, 43a und 44a sind die Pressabschnitte 6 an zwei Stellen vorgesehen, nämlich in Längsrichtung an einem distalen Endabschnitt und einem proximalen Endabschnitt, und drücken nur den distalen Endabschnitt und den proximalen Endabschnitt nach unten.
Die Zuleitungen 7A und 7B sind mit den proximalen Endabschnitten der Außenflächen 41a, 42a, 43a und 44a verbunden. Die Pressabschnitte 6 sind so vorgesehen, dass sie die Zuleitungen 7A und 7B zwischen den Außenflächen 41a, 42a, 43a und 44a einklemmen.
Die Antriebssteuervorrichtung 30 legt über die A-Phasen-Zuleitungen 7A A-Phasen-Wechselspannungen an die piezoelektrischen Elemente 41 und 43 und über die B-Phasen-Zuleitungen 7B B-Phasen-Wechselspannungen an die piezoelektrischen Elemente 42 und 44 an.
Wenn die Wechselspannungen an die piezoelektrischen A-Phasen-Elemente 41 und 43 angelegt werden, erzeugen die piezoelektrischen Elemente 41 und 43 Streckschwingungen in Z-Richtung, und Biegeschwingungen in X-Richtung werden im Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 angeregt, und somit werden die Biegeschwingungen im Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 an die optische Faser 2 weitergeleitet. Dabei wird das von dem distalen Ende der optischen Faser 2 ausgestrahlte Beleuchtungslicht in X-Richtung gescannt. Wenn die Wechselspannungen an die piezoelektrischen B-Phasen-Elemente 42 und 44 angelegt werden, erzeugen die piezoelektrischen Elemente 42 und 44 Streckschwingungen in Z-Richtung, und Biegeschwingungen in Y-Richtung werden im Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 angeregt, und somit werden die Biegeschwingungen im Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 an die optische Faser 2 weitergeleitet. Dabei wird das vom distalen Ende der optischen Faser 2 abgestrahlte Beleuchtungslicht in Y-Richtung gescannt. Durch das Steuern der Amplituden und Phasen der Wechselspannungen, die an die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 anzulegen sind, ist es daher möglich, die Scan-Bewegungsbahn B des Beleuchtungslichts zu steuern.
Als nächstes werden die Funktionsweisen des so konfigurierten Optikfaser-Scanners 1, der Beleuchtungsvorrichtung 10 und der Beobachtungsvorrichtung 100 beschrieben.
Um das Abbildungssubjekt A unter Verwendung der Beobachtungsvorrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform zu beobachten, wird die Antriebssteuervorrichtung 30 aktiviert, das Beleuchtungslicht wird der optischen Faser 2 von der Lichtquelle 12 zugeführt, und die Wechselspannungen werden über die Zuleitungen 7A und 7B an die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 angelegt.
Die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44, an die die Wechselspannungen einzeln angelegt wurden, erzeugen die Streckschwingungen in Z-Richtung und erregen die Biegeschwingungen im Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 und im Vorsprung 2a der optischen Faser 2. Dabei schwingt das distale Ende der optischen Faser 2 in radialer Richtung und scannt so das vom distalen Ende der optischen Faser 2 ausgestrahlte Beleuchtungslicht auf das Abbildungssubjekt A. Das vom Abbildungssubjekt A kommende Rückkehrlicht wird von der Mehrzahl von optischen Fasern 14 empfangen, und dessen Intensität wird vom Lichterfassungsabschnitt 20 erfasst. Die Antriebssteuervorrichtung 30 erzeugt ein Bild des Abbildungssubjekts A, indem die erfassten Rückkehrlichtintensitäten den Scanpositionen des Beleuchtungslichts zugeordnet werden. Das erzeugte Bild wird auf der Anzeige 60 angezeigt.
In diesem Fall treten aufgrund verschiedener Faktoren im Herstellungsprozess Unebenheiten in den aus dem Klebstoff gebildeten Verbindungsschichten zwischen den piezoelektrischen Elementen 41, 42, 43 und 44 und dem Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 auf. So entstehen beispielsweise ungleichmäßig Poren in den Verbindungsschichten aufgrund der vor dem Aushärten im Klebstoff verbleibenden Luft. Infolgedessen, dass die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 und der Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 ungleichmäßig miteinander verbunden sind, könnte die Effizienz, mit der die Schwingungen von den piezoelektrischen Elementen 41, 42, 43 und 44 an den Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 und die optische Faser 2 weitergeleitet werden, abnehmen.
Mit dieser Ausführungsform kommen die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 über die Verbindungsschichten gleichmäßig mit dem Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 in Kontakt, da die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 durch die Pressabschnitte 6 gegen den Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 gedrückt werden und somit die Effizienz, mit der Schwingungen von den piezoelektrischen Elementen 41, 42, 43 und 44 an den Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 und die optische Faser 2 weitergeleitet werden, verbessert wird. Dementsprechend besteht ein Vorteil darin, dass ermöglicht wird, die Schwingungsamplitude des distalen Endes der optischen Faser 2 in Bezug auf die Höhe der Wechselspannung zu erhöhen. Außerdem besteht der Vorteil, dass die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 über die Pressabschnitte 6 stabiler am Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 befestigt werden können.
Insbesondere durch Herunterdrücken der Außenflächen 41a, 42a, 43a und 44a der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 mittels der Pressabschnitte 6 am distalen Endabschnitt und am proximalen Endabschnitt, die den Schwingungsbäuchen der Streckschwingungen entsprechen, werden Schwingungen an maximalen Verschiebungspositionen der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 effizienter auf den Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 und die optische Faser 2 übertragen als in dem Fall, in dem andere Abschnitte der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 durch die Pressabschnitte 6 heruntergedrückt werden. Dementsprechend besteht ein Vorteil dadurch, dass ermöglicht wird, die Schwingungsamplitude des distalen Endes der optischen Faser 2 effizienter zu erhöhen.
Außerdem ergibt sich durch das Niederdrücken der Positionen, an denen die Zuleitungen 7A und 7B mit den Pressabschnitten 6 mit den Außenflächen 41a, 42a, 43a und 44a verbunden werden, der Vorteil, dass ermöglicht wird, die Verbindungen zwischen den Zuleitungen 7A und 7B und den Außenflächen 41a, 42a, 43a und 44a stabiler zu erhalten.
Obwohl in dieser Ausführungsform die distalen Endabschnitte und die proximalen Endabschnitte der Außenflächen 41a, 42a, 43a und 44a der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 beide mit den Pressabschnitten 6 nach unten gedrückt werden, kann alternativ der Pressabschnitt 6 nur an den distalen Endabschnitten vorgesehen werden, wie in 4 gezeigt, oder der Pressabschnitt 6 kann nur an den proximalen Endabschnitten vorgesehen werden, wie in 5 gezeigt. Wenn der Optikfaser-Scanner 100 von vorne betrachtet wird, ist seine Konfiguration die gleiche wie die Konfiguration des in 3B gezeigten Optikfaser-Scanners 1. Auf diese Weise ist es auch möglich, die Schwingungen an den maximalen Verschiebungspositionen der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 effizient auf den Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 und die optische Faser 2 zu übertragen.
Obwohl in dieser Ausführungsform die Pressabschnitte 6 nur an den distalen Endabschnitten und den proximalen Endabschnitten der Außenflächen 41a, 42a, 43a und 44a vorgesehen sind, kann alternativ, wie in 6 gezeigt, ein Pressabschnitt 6 über die gesamten Längen der Außenflächen 41a, 42a, 43a und 44a in Längsrichtung vorgesehen werden, um die Außenflächen 41a, 42a, 43a und 44a über deren gesamte Längen in Längsrichtung nach unten zu drücken.
Auch auf diese Weise wird durch Herunterdrücken der Außenflächen 41a, 42a, 43a und 44a der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 an ihren proximalen Endabschnitten, die den Schwingungsbäuchen der Streckschwingungen entsprechen, mittels des Pressabschnitts 6 ermöglicht, die Schwingungen an den maximalen Verschiebungspositionen der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 effizient auf den Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 und die optische Faser 2 zu übertragen.
Darüber hinaus besteht für den Fall, dass der Pressabschnitt 6 aus einem elektrischen Isolator gebildet ist, der Vorteil darin, dass es möglich ist, den Umfang der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 mittels des Pressabschnitts 6, der die Außenflächen 41a, 42a, 43a und 44a abdeckt, elektrisch zu isolieren.
Obwohl in dieser Ausführungsform der Pressabschnitt 6 aus einem ringförmigen Element gebildet ist, das eine kontraktile Kraft erzeugt, wie beispielsweise ein Wärmekontraktionsrohr oder ein ringförmiges Gummielement, kann jedes Element als Pressabschnitt 6 verwendet werden, solange das Element in der Lage ist, die Außenflächen 41a, 42a, 43a und 44a radial nach innen herunterzudrücken.
So kann beispielsweise der Pressabschnitt 6 ein strangartiges Element sein, das die vier piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 an den Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 anbindet.
Alternativ kann der Pressabschnitt, wie in den 7A und 7B dargestellt, aus Tellerfedern 61 bestehen, die dazu vorgesehen sind, den einzelnen piezoelektrischen Elementen 41, 42, 43 und 44 zu entsprechen, und die die entsprechenden piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 radial nach innen herunterdrücken.
Ein Ende einer jeden der Tellerfedern 61 ist am Befestigungsabschnitt 5 befestigt. Am anderen Ende jeder Tellerfeder 61 ist eine Pressfläche ausgebildet, die mit der Außenfläche 41a, 42a, 43a oder 44a in Kontakt kommt und die die Außenfläche 41a, 42a, 43a oder 44a herunterdrückt. Auch auf diese Weise ist es möglich, durch Drücken der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 gegen den Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 mittels der Tellerfedern 61 das distale Ende der optischen Faser 2 effizient in Schwingung zu versetzen.
Obwohl in dieser Ausführungsform der Pressabschnitt 6 aus einem ringförmigen Element gebildet ist und nur die Außenflächen 41a, 42a, 43a und 44a der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 radial nach innen herunterdrückt, können alternativ, wie in den 8A bis 8C dargestellt, die Pressabschnitte 62 die distalen Endflächen und die proximalen Endflächen der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 in einer Richtung entlang der Längsachse der optischen Faser 2 herunterdrücken.
Insbesondere weisen die Pressabschnitte 62 Durchgangslöcher 62a auf, durch die der Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 verläuft, sowie Vertiefungen 62b, die einen größeren Durchmesser als die Durchgangslöcher 62a aufweisen und die Endabschnitte der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 aufnehmen. Daher weisen die Innenflächen der Pressabschnitte 62 eine Stufenform auf, die aus zwei Stufen gebildet ist, die aus Innenflächen der Durchgangslöcher 62a und Innenflächen der Vertiefungen 62b bestehen, und zwischen den Durchgangslöchern 62a und den Vertiefungen 62b sind ringförmige aneinandergrenzende Anlageflächen 62c gebildet. Die distalen Endabschnitte und die proximalen Endabschnitte der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 liegen einzeln an den Anlageflächen 62c in einer Richtung entlang der Längsachse an. Die Pressabschnitte 62 sind an dem Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 an den inneren Umfangsflächen der Durchgangslöcher 62a befestigt und sind an den piezoelektrischen Elementen 41, 42, 43 und 44 an den inneren Umfangsflächen der Vertiefungen 62b und den Anlageflächen 62c befestigt.
Auf diese Weise werden durch Einsatz der mit den Stufen versehenen Pressabschnitte 62 die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 und die Pressabschnitte 62 in Längsrichtung zueinander so positioniert, dass die Pressabschnitte 62 an geeigneten Positionen in Bezug auf die maximalen Verschiebungspositionen der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 angeordnet sind. Dadurch ist es möglich, die Montagepräzision zwischen den piezoelektrischen Elementen 41, 42, 43 und 44 und den Pressabschnitten 62 zu erhöhen und somit die Schwingungen an den maximalen Verschiebungspositionen der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 effizienter an den Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 und die optische Faser 2 zu übertragen.
Wie in den 9A bis 9C dargestellt, können die inneren Umfangsflächen der Durchgangslöcher 62a von dem Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 getrennt werden, und die Pressabschnitte 62 können nur an den piezoelektrischen Elementen 41, 42, 43 und 44 befestigt werden.
Obwohl, wie in den 8A bis 9C dargestellt, die Innenflächen der Vertiefungen 62b im Wesentlichen rechteckige Rohrformen aufweisen können, die den Außenflächen 41a, 42a, 43a und 44a der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 entsprechen, wie in den 10A bis 10C dargestellt, können außerdem die Innenflächen der Vertiefungen 62b Formen aufweisen, die an den Seitenflächen der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 anliegen.
Mit anderen Worten, in den inneren Umfangsflächen der Vertiefungen 62b der Pressabschnitte 62 können Eingriffsvertiefungen 62d ausgebildet werden, wobei die Eingriffsvertiefungen 62d Formen aufweisen, die zu denen von mindestens einem Abschnitt an den Außenflächen 41a, 42a, 43a und 44a in den distalen Endabschnitten oder proximalen Endabschnitten der piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 komplementär sind, und der mindestens eine Abschnitt in die Eingriffsvertiefungen 62d eingreift.
Dadurch, dass die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 und die Pressabschnitte 62 in Bezug zueinander auch in Drehrichtung um die Längsachse positioniert sind, ist es möglich, die Montagegenauigkeit zwischen den piezoelektrischen Elementen 41, 42, 43 und 44 und den Pressabschnitten 62 weiter zu erhöhen.
Obwohl in dieser Ausführungsform der Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 aus einem rechteckigen rohrförmigen Element ausgebildet ist, kann der Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 auch aus einem zylindrischen Element ausgebildet werden. Auch in diesem Fall werden die piezoelektrischen Elemente 41 und 43 und die piezoelektrischen Elemente 42 und 44 an der Außenumfangsfläche des Schwingungsausbreitungsabschnitts 3 mit in Umfangsrichtung dazwischenliegenden gleichen Abständen so befestigt, dass sie sich in X- und Y-Richtung einzeln gegenüberliegen.
Obwohl in dieser Ausführungsform die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 über den Schwingungsausbreitungsabschnitt 3 an der äußeren Umfangsfläche der optischen Faser 2 befestigt sind, können alternativ, wie in den 11A und 11B dargestellt, die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 direkt an der äußeren Umfangsfläche der optischen Faser 2 befestigt werden.
In einer Modifikation in den 11A und 11B ist eine Metallbeschichtung 8 auf mindestens einen Abschnitt der äußeren Umfangsfläche der optischen Faser 2 aufgebracht, die am Inneren des Schwingungsausbreitungsabschnitts 3 angeordnet ist. Dabei ist es möglich, ein Lot oder einen Klebstoff auf Epoxidbasis zu verwenden, um die optische Faser 2 und die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 zu verbinden. Außerdem können der Sicherungsabschnitt 5 und die piezoelektrischen Elemente 41, 42, 43 und 44 über die Metallbeschichtung 8 elektrisch miteinander verbunden werden, sodass der Sicherungsabschnitt 5 als gemeinsame GND dienen kann.
Bezugszeichenliste

1: Optikfaser-Scanner
2: Optische Faser
41, 42, 43, 44: Piezoelektrisches Element
41a, 42a, 43a, 44a: Außenfläche
6, 61, 62: Pressabschnitt
62c: Anlagefläche
62d: Eingriffsvertiefung
7A, 7B: Zuleitung
10: Beleuchtungsvorrichtung
12: Lichtquelle (Lichtquellenabschnitt)
20: Lichterfassungsabschnitt
30: Antriebssteuervorrichtung (Spannungsversorgungsabschnitt)
100: Beobachtungsvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013244045 [0003]

Claims

Optikfaser-Scanner, umfassend: eine optische Faser, die Licht von einer Seite eines proximalen Endabschnitts zu einer Seite eines distalen Endabschnitts entlang einer Längsachse leitet, wobei die optische Faser das Licht aus dem distalen Endabschnitt ausstrahlt; ein piezoelektrisches Element, das an einer äußeren Umfangsfläche der optischen Faser befestigt ist, wobei das piezoelektrische Element infolge des Anlegens einer Wechselspannung an dasselbe Streckschwingungen in einer Richtung entlang der Längsachse erzeugt; und einen Pressabschnitt, der von einer Außenfläche des piezoelektrischen Elements, das auf der radial äußeren Seite der optischen Faser angeordnet ist, einen Abschnitt, der einem Schwingungsbauch der Streckschwingungen in einer Richtung entlang der Längsachse des piezoelektrischen Elements entspricht, radial nach innen herunterdrückt.
Optikfaser-Scanner nach Anspruch 1, wobei der Pressabschnitt nur einen distalen Endabschnitt und einen proximalen Endabschnitt in der Richtung entlang der Längsachse der Außenfläche des piezoelektrischen Elements herunterdrückt.
Optikfaser-Scanner nach Anspruch 1, wobei der Pressabschnitt nur den proximalen Endabschnitt in der Richtung entlang der Längsachse der Außenfläche des piezoelektrischen Elements herunterdrückt.
Optikfaser-Scanner nach Anspruch 1, wobei der Pressabschnitt nur den distalen Endabschnitt in der Richtung entlang der Längsachse der Außenfläche des piezoelektrischen Elements herunterdrückt.
Optikfaser-Scanner nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Pressabschnitt ein ringförmiges Element umfasst, das den Umfang der optischen Faser und des piezoelektrischen Elements umhüllt, und eine Anlagefläche, an der ein Endabschnitt des piezoelektrischen Elements in der Richtung entlang der Längsachse anliegt, in einer Innenfläche des Pressabschnitts ausgebildet ist.
Optikfaser-Scanner nach Anspruch 5, wobei die Innenfläche des Pressabschnitts eine Form aufweist, die der Außenfläche eines Endabschnitts des piezoelektrischen Elements entspricht.
Optikfaser-Scanner nach Anspruch 6, wobei in der Innenfläche des Pressabschnitts eine Eingriffsvertiefung ausgebildet ist, wobei die Eingriffsvertiefung eine komplementäre Form zu derjenigen von mindestens einem Abschnitt an der Außenfläche des Endabschnitts des piezoelektrischen Elements aufweist, und der mindestens eine Abschnitt in die Eingriffsvertiefung eingreift.
Optikfaser-Scanner nach Anspruch 2 oder 3, ferner umfassend: eine Zuleitung, die mit der Außenfläche des piezoelektrischen Elements verbunden ist und die die Wechselspannung an das piezoelektrische Element liefert, wobei der Pressabschnitt die Außenfläche so abdeckt, dass die Zuleitung zwischen der Außenfläche des piezoelektrischen Elements und dem Pressabschnitt eingeklemmt ist.
Beleuchtungsvorrichtung, umfassend: einen Optikfaser-Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 8; und einen Lichtquellenabschnitt, der mit dem proximalen Endabschnitt der optischen Faser verbunden ist, wobei der Lichtquellenabschnitt das Licht an die optische Faser liefert.
Beobachtungsvorrichtung, umfassend: eine Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 9; einen Lichterfassungsabschnitt, der Rückkehrlicht erfasst, das von einem Abbildungssubjekt zurückkehrt, das dadurch erzeugt wird, dass das Abbildungssubjekt mit dem von der Beleuchtungsvorrichtung kommenden Licht bestrahlt wird; und einen Spannungsversorgungsabschnitt, der die Wechselspannung an das piezoelektrische Element liefert.