JP2014137565A - Optical fiber scanner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ファイバスキャナに関するものである。 The present invention relates to an optical fiber scanner.
従来、医療分野において、圧電素子を用いて光ファイバを高速で振動させながら、照明光を光ファイバの先端から射出させることにより、被検体上で照明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)。特許文献1に記載の光ファイバスキャナは、チューブ状の圧電素子(PZTチューブ)と、このPZTチューブの表面に周方向に等間隔で配列された4つの電極と、PZTチューブ内に挿入された光ファイバとを備え、連結部材によって光ファイバの先端部をPZTチューブに固定している。 2. Description of the Related Art Conventionally, in the medical field, an optical fiber scanner that scans illumination light on a subject by emitting illumination light from the tip of the optical fiber while vibrating the optical fiber at high speed using a piezoelectric element is known. (For example, refer to Patent Document 1). The optical fiber scanner described in Patent Literature 1 includes a tube-shaped piezoelectric element (PZT tube), four electrodes arranged at equal intervals in the circumferential direction on the surface of the PZT tube, and light inserted into the PZT tube. The tip of the optical fiber is fixed to the PZT tube by a connecting member.
この特許文献1に記載の光ファイバスキャナは、PZTチューブが屈曲変形すると、連結部材を介して光ファイバに垂直方向の力が働き、この力によって光ファイバを屈曲振動させるようになっている。そして、光ファイバにおいて直交する2方向に発生する屈曲振動を、振幅と位相とを考慮して合成することで、光ファイバの先端をスパイラル状に振動させて照明光を2次元的に走査することができる。 In the optical fiber scanner described in Patent Document 1, when the PZT tube is bent and deformed, a force in the vertical direction acts on the optical fiber via the connecting member, and the optical fiber is bent and vibrated by this force. The bending vibration generated in two orthogonal directions in the optical fiber is synthesized in consideration of the amplitude and the phase, and the tip of the optical fiber is vibrated in a spiral shape to scan the illumination light two-dimensionally. Can do.
しかしながら、特許文献1に記載の光ファイバスキャナは、PZTチューブからの力が、光ファイバの、先端から離れた位置に作用する構造となっている。そのため、光ファイバの先端がPZTチューブの屈曲変形に正確に追従せず、光ファイバの先端の振動方向がぶれやすい。すなわち、直線振動が楕円振動となってしまい、設計した軌跡に正確に沿って照明光を走査することができないとう問題がある。また、直交する2方向の直線振動を合成することによって光ファイバの先端をスパイラル振動させようとした場合には、理想的なスパイラル振動を実現することが難しいという問題がある。 However, the optical fiber scanner described in Patent Document 1 has a structure in which the force from the PZT tube acts on a position away from the tip of the optical fiber. Therefore, the tip of the optical fiber does not accurately follow the bending deformation of the PZT tube, and the vibration direction of the tip of the optical fiber is likely to be shaken. That is, the linear vibration becomes elliptical vibration, and there is a problem that the illumination light cannot be scanned accurately along the designed locus. In addition, there is a problem that it is difficult to realize ideal spiral vibration when attempting to vibrate the tip of the optical fiber by combining linear vibrations in two orthogonal directions.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、照明光を設計通りの軌跡に沿って走査することができる光ファイバスキャナを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide an optical fiber scanner capable of scanning illumination light along a designed locus.
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、照明光を導光して先端から射出可能な細長い形状の光ファイバと、厚さ方向に分極された板形状を有し、前記光ファイバの前記先端またはその近傍を含む位置において前記光ファイバの外周面に、前記厚さ方向を前記光ファイバの長手方向に交差する方向に向けて貼り付けられた圧電素子とを備える光ファイバスキャナを提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The present invention has an elongated optical fiber capable of guiding illumination light and exiting from the tip, and a plate shape polarized in the thickness direction, and at the position including the tip of the optical fiber or the vicinity thereof. Provided is an optical fiber scanner comprising: a piezoelectric element attached to an outer peripheral surface of an optical fiber so that the thickness direction is in a direction crossing the longitudinal direction of the optical fiber.
本発明によれば、圧電素子に対して厚さ方向に交番電圧を印加すると、圧電素子が分極方向に直交する方向、すなわち、厚さ方向に直交する方向に伸縮することにより、光ファイバにおいて先端が長手方向に交差する方向に振動するような屈曲振動が励起される。これにより、光ファイバの先端から射出させる照明光を先端の振動に合わせて被検体上において走査することができる。 According to the present invention, when an alternating voltage is applied to the piezoelectric element in the thickness direction, the piezoelectric element expands and contracts in the direction orthogonal to the polarization direction, that is, the direction orthogonal to the thickness direction, so that the tip of the optical fiber is expanded. A bending vibration is excited such that the vibration vibrates in a direction crossing the longitudinal direction. Thereby, the illumination light emitted from the tip of the optical fiber can be scanned on the subject in accordance with the vibration of the tip.
この場合に、光ファイバの先端またはその近傍を含む位置に圧電素子が配置されているので、光ファイバの先端は、圧電素子の伸縮運動に正確に追従してこの伸縮方向に交差する方向に強制的に振動させられる。これにより、光ファイバの先端が設計通りの軌跡に沿って振動するので、光ファイバの先端から射出される照明光を設計通りの軌跡に沿って走査することができる。 In this case, since the piezoelectric element is arranged at a position including or near the tip of the optical fiber, the tip of the optical fiber follows the expansion / contraction movement of the piezoelectric element accurately and is forced in a direction crossing the expansion / contraction direction. Vibrated. As a result, the tip of the optical fiber vibrates along the designed locus, so that the illumination light emitted from the tip of the optical fiber can be scanned along the designed locus.
上記発明においては、前記光ファイバを径方向に挟んで互いに平行に対向して配置された一対の前記圧電素子を備えていてもよい。
このようにすることで、一対の圧電素子を同方向に伸縮させることにより、圧電素子が1枚だけの場合と比較して、光ファイバに励起させる屈曲振動を増大することができる。
In the above-described invention, a pair of the piezoelectric elements arranged opposite to each other in parallel may be provided with the optical fiber interposed in the radial direction.
By doing so, the bending vibration excited in the optical fiber can be increased by expanding and contracting the pair of piezoelectric elements in the same direction as compared with the case of only one piezoelectric element.
また、上記発明においては、前記一対の圧電素子に対して前記光ファイバの周方向にほぼ90°ずれた位置において、該光ファイバを挟んで互いに平行に対向して配置された他の一対の前記圧電素子を備えていてもよい。
このようにすることで、各圧電素子に対して交番電圧を位相を適宜ずらして印加することにより、光ファイバの先端をスパイラル状に振動させて、照明光を2次元的に走査することができる。
In the above invention, another pair of the above-described pair of piezoelectric elements arranged in parallel with each other with the optical fiber interposed therebetween at a position shifted by approximately 90 ° in the circumferential direction of the optical fiber with respect to the pair of piezoelectric elements. A piezoelectric element may be provided.
In this way, by applying an alternating voltage to each piezoelectric element with an appropriate phase shift, the tip of the optical fiber can be vibrated in a spiral shape, and illumination light can be scanned two-dimensionally. .
また、上記発明においては、前記光ファイバの周方向に配列された3以上の前記圧電素子を備えていてもよい。
このようにすることで、各圧電素子に対して交番電圧を位相を適宜ずらして印加することにより、光ファイバの先端をスパイラル状に振動させて、照明光を2次元的に走査することができる。
Moreover, in the said invention, you may provide the said 3 or more said piezoelectric element arranged in the circumferential direction of the said optical fiber.
In this way, by applying an alternating voltage to each piezoelectric element with an appropriate phase shift, the tip of the optical fiber can be vibrated in a spiral shape, and illumination light can be scanned two-dimensionally. .
また、上記発明においては、前記圧電素子が、前記光ファイバの前記先端から前記光ファイバの基端側に引っ込んだ位置に配置され、前記圧電素子の先端と前記光ファイバの先端との間の距離は、前記圧電素子よりも前記先端側に突出している前記光ファイバの先端部分の、片端を固定端とする屈曲共振振動の周波数が、前記光ファイバに屈曲振動を励起するために前記圧電素子に供給される交番電圧の周波数よりも高くなるように設定されていてもよい。 In the above invention, the piezoelectric element is disposed at a position retracted from the distal end of the optical fiber to the proximal end side of the optical fiber, and a distance between the distal end of the piezoelectric element and the distal end of the optical fiber. The frequency of the bending resonance vibration having one end as a fixed end of the tip portion of the optical fiber protruding to the tip side from the piezoelectric element is applied to the piezoelectric element to excite the bending vibration in the optical fiber. You may set so that it may become higher than the frequency of the alternating voltage supplied.
このようにすることで、最も振幅が大きくなる光ファイバの先端に圧電素子を設けないことにより、光ファイバの先端が周囲の部材と干渉することを防ぐことができる。また、圧電素子の形状や光ファイバに対する位置決めなどの要求精度を緩和することができる。なお、圧電素子が光ファイバの先端から引っ込んだ位置に配置されていても、この引っ込み量を上記の範囲とすることにより、圧電素子の位置のずれに因る影響を受けることなく光ファイバの先端を振動させることができる。 By doing in this way, it can prevent that the front-end | tip of an optical fiber interferes with a surrounding member by not providing a piezoelectric element in the front-end | tip of an optical fiber with the largest amplitude. Further, the required accuracy such as the shape of the piezoelectric element and the positioning with respect to the optical fiber can be relaxed. Even if the piezoelectric element is disposed at a position retracted from the tip of the optical fiber, by setting the retracted amount within the above range, the tip of the optical fiber is not affected by the displacement of the position of the piezoelectric element. Can be vibrated.
また、上記発明においては、前記圧電素子が、前記光ファイバの前記先端から前記光ファイバの先端側に突出した位置に配置され、前記圧電素子の先端と前記光ファイバの先端との間の距離は、前記光ファイバの先端よりも前記先端側に突出している前記圧電素子の先端部分の、片端を固定端とする屈曲共振振動の周波数が、前記光ファイバに屈曲振動を励起するために前記圧電素子に供給される交番電圧の周波数よりも高くなるように設定されていてもよい。 In the above invention, the piezoelectric element is disposed at a position protruding from the tip of the optical fiber toward the tip of the optical fiber, and the distance between the tip of the piezoelectric element and the tip of the optical fiber is In order to excite bending vibration in the optical fiber, the piezoelectric element has a frequency of bending resonance vibration whose one end is a fixed end of the tip portion of the piezoelectric element protruding to the tip side from the tip of the optical fiber. It may be set to be higher than the frequency of the alternating voltage supplied to.
このようにすることで、圧電素子の形状や光ファイバに対する位置決めなどの要求精度を緩和することができる。なお、圧電素子が光ファイバの先端から突出した位置に配置されていても、この突出量を上記の範囲とすることにより、圧電素子の位置のずれに因る影響を受けることなく光ファイバの先端を振動させることができる。 By doing so, it is possible to relax the required accuracy such as the shape of the piezoelectric element and the positioning with respect to the optical fiber. Even if the piezoelectric element is arranged at a position protruding from the tip of the optical fiber, by setting the protruding amount within the above range, the tip of the optical fiber is not affected by the displacement of the position of the piezoelectric element. Can be vibrated.
また、上記発明においては、前記光ファイバの外周面と前記圧電素子との間に配置された導電性の電極部材を備えていてもよい。
このようにすることで、電極部材をGND電極としてこの電極部材にGND線を接合することにより、GND線の配線を容易にすることができる。特に複数の圧電素子を備える構成においては、電極部材を共通のGND電極とすることにより、GND線の配線を効果的に容易にすることができる。
Moreover, in the said invention, you may provide the electroconductive electrode member arrange | positioned between the outer peripheral surface of the said optical fiber, and the said piezoelectric element.
By doing in this way, wiring of a GND line can be made easy by joining a GND line to this electrode member by making an electrode member into a GND electrode. In particular, in a configuration including a plurality of piezoelectric elements, it is possible to effectively facilitate the wiring of the GND line by using a common GND electrode as the electrode member.
また、上記発明においては、前記圧電素子は、複数の圧電体層が厚さ方向に積層されてなる積層型圧電素子である積層圧電素子であってもよい。
このようにすることで、同一の大きさの交番電圧を圧電素子に印加したときの、圧電素子の伸縮の変位量を増大し、光ファイバの先端の振動振幅を増大することができる。
In the above invention, the piezoelectric element may be a laminated piezoelectric element that is a laminated piezoelectric element in which a plurality of piezoelectric layers are laminated in the thickness direction.
By doing in this way, when the alternating voltage of the same magnitude | size is applied to a piezoelectric element, the displacement amount of expansion / contraction of a piezoelectric element can be increased, and the vibration amplitude of the front-end | tip of an optical fiber can be increased.
本発明によれば、照明光を設計通りの軌跡に沿って走査することができるという効果を奏する。 According to the present invention, the illumination light can be scanned along a designed locus.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る光ファイバスキャナ10について、図1〜図7を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る光ファイバスキャナ10は、図1(a),(b)に示されるように、ガラス材料からなる細長い円柱状の光ファイバ11と、該光ファイバ11の外周面に設けられたGND電極(電極部材)13と、該GND電極13を介して光ファイバ11の外周面に貼り付けられた1枚の角板形状の圧電素子15と、光ファイバ11の長手方向の途中位置を保持する保持部材17とを備えている。
(First embodiment)
An
As shown in FIGS. 1A and 1B, an
光ファイバ11は、光源(図示略)から発せられた照明光を導光して先端から射出することができるようになっている。
GND電極13は、光ファイバ11の先端から、光ファイバ11の長手方向に所定の長さに渡って、かつ、全周にわたって設けられている。GND電極13は、例えば、光ファイバ11の外周面に金などの金属をスパッタするか、または、光ファイバ11の外周面に導電性銀ペーストを塗布することによって形成される。このGND電極13は、硬度が高く、数μm程度の厚さを有している。
The
The
圧電素子15は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)から形成されている。また、圧電素子15は、図1(c)に示されるように、厚さ方向に対向する両面(以下、表面と裏面とする。)にそれぞれ電極16A,16Bが設けられており、所定のDC電圧によって厚さ方向に分極が施されている。圧電素子15は、厚さ方向を光ファイバ11の径方向に向け、その先端の位置が光ファイバ11の先端の位置に一致するように、光ファイバ11に貼り付けられている。
The
この圧電素子15は、接着剤によって裏面がGND電極13に接合されて、光ファイバ11の外周面に対して圧電素子15の全長にわたって貼り付けられている。具体的には、圧電素子15の裏面とGND電極13の表面にエポキシ接着剤を薄く塗布し、これら圧電素子15と電極13とを実体顕微鏡下で位置合わせした後、熱収縮チューブを用いて圧電素子15をGND電極13に押圧しながら所定の温度でエポキシ接着剤を熱硬化させることにより、圧電素子15がGND電極13に接合されている。なお、圧電素子15とGND電極13との接合は、半田等を用いた溶接技術により行なってもよい。圧電素子15をその全長にわたって貼り付けることで、光ファイバ11に対して圧電素子15の全長にわたる伸縮を無駄なく伝達させることができる。
The back surface of the
圧電素子15の表面、すなわち、GND電極13に接合した裏面とは反対側の面には、圧電素子15に交番電圧を印加するためのA相を構成するリード線19が導電性接着剤によって接合されている。また、GND電極13には、該GND電極13を接地電位に接続するためのGND線21が導電性接着剤によって接合されている。
A
保持部材17は、光ファイバ11の、GND電極13よりも基端側の位置を、一定の位置に保持するものである。具体的には、保持部材17は、光ファイバ11が挿入される環状の部材であって、内面と光ファイバ11の外周面とが接着剤によって接合されている。保持部材17は、比較的比重の大きいステンレス等の金属またはセラミックスから形成され、保持部材17よりも先端側に配置されている光ファイバ11の先端部および圧電素子15に対して十分に大きな質量を有している。
The holding
次に、このように構成された光ファイバスキャナ10の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る光ファイバスキャナ10によって、光源から発せられた照明光を被検体上で走査するには、まず、リード線19を介して圧電素子15のA相に屈曲共振振動の周波数に対応した交番電圧を印加する。
Next, the operation of the
In order to scan illumination light emitted from a light source on a subject by the
圧電素子15に対して厚さ方向に交番電圧を印加すると、圧電素子15が分極方向に直交する方向、すなわち、厚さ方向に直交する方向に伸縮する。これにより、図2(a)に示されるように、光ファイバ11の、保持部材17よりも先端側の部分において、先端が長手方向(Z方向)に交差する方向(X方向)に振動するような屈曲共振振動が励起される。このときに、保持部材17が光ファイバ11の先端部の質量に対して十分に重いので、光ファイバ11には、保持部材17の先端近傍を固定端とする屈曲1次振動が安定して励起される。
When an alternating voltage is applied to the
この状態で、光源から発せられた照明光を光ファイバ11内を導光させてこの先端から射出させると、図2(b)に示されるように、光ファイバ11の先端の直線振動に合わせて被検体上で照明光をX方向に往復走査することができる。図2(b)において、矢印Sは、振動する光ファイバ11の先端の軌跡を示している。
In this state, when the illumination light emitted from the light source is guided through the
この場合において、本実施形態に係る光ファイバスキャナ10によれば、光ファイバ11の先端から所定の長さに渡って圧電素子15を接着剤を用いて直接光ファイバ11に接合することにより、光ファイバ11の先端に対して圧電素子15の伸縮運動が直接伝達される。これにより、光ファイバ11の先端は、圧電素子15の伸縮運動に従って強制的にX方向に振動させられる。その結果、光ファイバ11の先端から射出される光を、X方向の一直線の軌跡に沿って設計通りに往復走査することができる。
In this case, according to the
さらに、本実施形態によれば、GND電極13は硬度が高く厚さも数μm程度を有するので、圧電素子15から光ファイバ11に伝達させる力はGND電極13において殆ど減衰しない。したがって、光ファイバ11を効率良く屈曲振動させることができる。
さらに、本実施形態によれば、光ファイバ11と圧電素子15との間にGND電極13を設けることで、光ファイバ11に接合した圧電素子15の裏面の電極16BからGND線21を引き出す必要が無く、GND電極13の任意の位置からGND線21が引き出すことができる。したがって、リード線19およびGND線21の引き回しを容易にすることができる。
Furthermore, according to this embodiment, since the
Furthermore, according to this embodiment, by providing the
本実施形態は以下のように変形することができる。
第1の変形例として、光ファイバ11と圧電素子15との間にGND電極13を配置することに代えて、図3(a),(b)に示されるように、光ファイバ11の外周面に圧電素子15の裏面の電極16Bを直接接合し、この裏面の電極16Bの露出した位置にGND線21を導電性接着剤を用いて接続してもよい。すなわち、圧電素子15の裏面の電極16Bが、GND電極を兼ねることになる。
本変形例によれば、別途GND電極13を設ける必要がないので、構成を単純にすることができる。
This embodiment can be modified as follows.
As a first modification, instead of disposing the
According to this modification, since it is not necessary to provide the
第2の変形例として、図4(a),(b)に示されるように、圧電素子15を、光ファイバ11の先端から保持部材17またはその近傍までの全長にわたって設けてもよい。
本変形例によれば、伸縮する圧電素子15が光ファイバ11に与える力をより大きくすることができる。
As a second modification, as shown in FIGS. 4A and 4B, the
According to the present modification, the force applied to the
第3の変形例として、図5(a),(b)に示されるように、第2の変形例の圧電素子15を、光ファイバ11の長手方向に複数(図示する例では2つ)に分割してもよい。
本変形例によれば、寸法の短い圧電素子も有効に利用することができ、使用する圧電素子の設計上の制約を緩和することができる。
As a third modification, as shown in FIGS. 5A and 5B, a plurality of
According to this modification, a piezoelectric element with a short dimension can also be used effectively, and the design restrictions of the piezoelectric element to be used can be relaxed.
第4の変形例として、光ファイバ11の外周面を金属膜によって被覆してGND電極13を形成することに代えて、図6(a),(b)に示されるように、金属からなる円筒状のマイクロチューブ(電極部材)13’をGND電極として用いてもよい。マイクロチューブ13’の材料としては、ニッケルまたは銅が好ましい。
本変形例によれば、光ファイバ11の外周面に金属膜を形成するためのスパッタなどの処理が不要となるので製造を容易にすることができる。また、GND線21をマイクロチューブ13’の任意の位置に接合することができ、製造を容易にすることができる。
As a fourth modification, instead of forming the
According to this modification, it is not necessary to perform a process such as sputtering for forming a metal film on the outer peripheral surface of the
第5の変形例として、図7(a),(b)に示されるように、圧電素子15として、複数枚(図示する例では3枚)の薄い圧電シート(圧電体層)を厚さ方向に積層した積層型圧電素子を用いてもよい。図7(a)は、積層型圧電素子15の外観を示しており、図7(b)は、図7(a)のA−A’線における断面を示している。内側に配置される圧電シートは内部電極16Cを有し、圧電シートの外側の表面には外部電極16Dが設けられている。
本変形によれば、同一の電圧が圧電素子15に印加されたときに、より大きな力を発生することができる。
As a fifth modification, as shown in FIGS. 7A and 7B, a plurality of (three in the illustrated example) thin piezoelectric sheets (piezoelectric layers) are used as the
According to this modification, a larger force can be generated when the same voltage is applied to the
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態に係る光ファイバスキャナ20について図8〜図10を参照して説明する。
本実施形態に係る光ファイバスキャナ20は、図8(a),(b)に示されるように、光ファイバ11を径方向に挟んで互いに平行に対向して配置された一対の圧電素子15A,15Bを備える点で第1の実施形態と異なる。
以下、第1の実施形態に係る光ファイバスキャナ10と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, an
As shown in FIGS. 8A and 8B, the
In the following, portions having the same configuration as those of the
一対の圧電素子15A,15Bは、それぞれ接着剤によって、光ファイバ11の外周面にGND電極13を介して接合されている。具体的には、一方の圧電素子15Aは裏面がGND電極13に接合され、他方の圧電素子15Bは表面がGND電極13に接合されている。したがって、圧電素子15Aおよび圧電素子15Bの分極方向は、互いに同一方向となっている。
The pair of
また、1対の圧電素子15A,15Bには、それぞれGND電極13に接合した面とは反対側の面の電極16Aまたは16Bに、導電性接着剤によってリード線19A,19Bが接合されている。これら2本のリード線19A,19Bは互いに結合されて、A相を構成するようになっている。また、GND電極13には、1本のGND線21が導電性接着剤によって接合されている。
Further, in the pair of
本実施形態に係る光ファイバスキャナ20において、リード線19A,19Bを介して一対の圧電素子15A,15BのA相に屈曲共振振動の周波数に対応した交番電圧を印加すると、圧電素子15A,15Bが分極方向に直交する方向に一斉に伸縮することにより、光ファイバ11において、先端が長手方向(Z方向)に交差する方向に振動するような屈曲共振振動が励起される。これにより、図9(b)に矢印Sで示されるように、光ファイバ11の先端をX方向に振動させることができる。
In the
以上説明したように、本実施形態に係る光ファイバスキャナ20によれば、2枚の圧電素子15A,15Bを用いることにより、単一の圧電素子15を用いた場合と比較して、光ファイバ11に励起させる振動振幅を増大することができる。
As described above, according to the
本実施形態においては、以下のように変形することができる。
第1の実施形態の第1の変形例と同様に、図10(a),(b)に示されるように、GND電極13を省略し、一対の圧電素子15A,15Bを光ファイバ11の外周面にそれぞれ直接接合してもよい。例えば、図10(a),(b)は、各圧電素子15A,15Bの裏面をそれぞれ光ファイバ11の外周面に接合した様子を示している。各圧電素子15A,15Bの分極方向(矢印参照。)は、互いに異なる方向、すなわち、それぞれ光ファイバ11に向かう方向となっている。
The present embodiment can be modified as follows.
As in the first modification of the first embodiment, as shown in FIGS. 10A and 10B, the
この場合、例えば、一方の圧電素子15Aには、光ファイバ11に接合された面(裏面)の電極16BにGND線21Aを接合して、反対側の面(表面)の電極16Aにリード線19Aを接合すればよい。他方の圧電素子15Bには、光ファイバ11に接合された面(裏面)の電極16Bにリード線19Bを接合して、反対側の面(表面)の電極16AにGND線21Bを接合すればよい。
本変形例によれば、GND電極13を省いた分だけ構成を単純にすることができる。
In this case, for example, in one
According to this modification, the configuration can be simplified by omitting the
また、本実施形態およびその変形例においては、第1の実施形態の第2〜第4の変形例に示されるGND電極13を採用してもよく、第1の実施形態の第5の変形例に示される圧電素子15を採用してもよい。
In the present embodiment and its modifications, the
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態に係る光ファイバスキャナ30について図11〜図21を参照して説明する。
本実施形態に係る光ファイバスキャナ30は、図11(a),(b)に示されるように、一対の圧電素子15A,15Bに対して、光ファイバ11の周方向にずらして配置された他の一対の圧電素子15C,15Dを備える点で第2の実施形態と異なる。
以下、第2の実施形態に係る光ファイバスキャナ20と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。
(Third embodiment)
Next, an
As shown in FIGS. 11A and 11B, the
In the following, portions having the same configuration as those of the
一対の圧電素子15C,15Dは、一対の圧電素子15A,15Bと同様に、光ファイバ11を径方向に挟んで互いに平行に対向して配置され、それぞれ接着剤により、光ファイバ11の外周面にGND電極13を介して接合されている。本実施形態においては、圧電素子15Aの裏面と圧電素子15Bの表面がGND電極13に接合され、また、圧電素子15Cの裏面と圧電素子15Dの表面がGND電極13に接合されている。これにより、圧電素子15Aおよび圧電素子15Bの分極方向が互いに同一方向となり、圧電素子15Cおよび圧電素子15Dの分極方向が互いに同一方向となっている。
Like the pair of
さらに、これらの一対の圧電素子15A,15Bと一対の圧電素子15C,15Dとは、光ファイバ11の周方向に90°ずつ位置をずらして配置されている。例えば、一対の圧電素子15A,15Bは互いにX方向に対向して配置され、一対の圧電素子15C,15Dは互いにY方向に対向して配置されている。これら4枚の圧電素子15A,15B,15C,15Dは、それぞれ光ファイバ11の径寸法とほぼ同等の幅寸法を有している。
Further, the pair of
一対の圧電素子15A,15Bには、GND電極13に接合された面とは反対側の面の電極16Aまたは16Bに、それぞれA相を構成する駆動用のリード線19A,19Bが導電性接着剤によって接合されている。一対の圧電素子15C,15Dには、GND電極13に接合された面とは反対側の電極16Aまたは16Bに、それぞれB相を構成する駆動用のリード線19C,19Dが導電性接着剤によって接合されている。4つの圧電素子15A,15B,15C,15Dに対して共通して設けられたGND線21は、GND電極13に導電性接着剤によって接合されている。
In the pair of
次に、このように構成された光ファイバスキャナ30の作用について説明する。
本実施形態に係る光ファイバスキャナ30においては、リード線19A,19Bを介して一対の圧電素子15A,15BのA相に屈曲共振振動の周波数に対応した交番電圧を印加すると、圧電素子15A,15Bが分極方向に直交する方向に一斉に伸縮することにより、図12(a)に示されるように、屈曲共振振動が光ファイバ11に励起される。この屈曲共振振動において、圧電素子15A,15Bの基端側の端部近傍が節となり、光ファイバ11の先端が腹となる。これにより、図12(b)に矢印Sxで示されるように、光ファイバ11の先端をX方向に直線的に振動させることができる。
Next, the operation of the
In the
一方、リード線19C,19Dを介して一対の圧電素子15C,15DのB相に屈曲共振振動の周波数に対応した交番電圧を厚さ方向に印加すると、圧電素子15C,15Dが分極方向に直交する方向に一斉に伸縮することにより、図13(a)に示されるように、屈曲共振振動が光ファイバ11に励起される。この屈曲共振振動において、圧電素子15C,15Dの基端側の端部近傍が節となり、光ファイバ11の先端が腹となる。れにより、図13(b)に矢印Syで示されるように、光ファイバ11の先端部をY方向に直線的に振動させることができる。
On the other hand, when an alternating voltage corresponding to the frequency of bending resonance vibration is applied in the thickness direction to the B phase of the pair of
ここで、圧電素子15A,15Bと圧電素子15C,15Dとに、互いに位相がπ/2だけずれた交番電圧を同時に印加すると、光ファイバ11の先端が円状の軌跡に沿って振動する。さらに、このときの2つの交番電圧の振幅を正弦波状に時間変化させると、図14に示されるように、光ファイバ11の先端がスパイラル状の軌跡に沿って振動する。これにより、被検体上において照明光をスパイラル状の軌跡に沿って2次元的に走査することができる。
Here, when alternating voltages whose phases are shifted by π / 2 are simultaneously applied to the
この場合に、本実施形態によれば、圧電素子15A,15B,15C,15Dが光ファイバ11の先端にも配置されているので、光ファイバ11の先端は圧電素子15A,15B,15C,15Dの伸縮運動に正確に追従して強制的にX方向およびY方向に振動させられる。これにより、光ファイバ11の先端を設計通りのスパイラル状の軌跡に沿って振動させ、その結果、被検体X上において照明光を設計通りのスパイラル状の軌跡に沿って2次元走査することができる。
In this case, according to the present embodiment, since the
次に、本実施形態に係る光ファイバスキャナ30を走査型観察装置に採用した場合について説明する。図15は、ファイバスキャナ30を備える走査型観察装置の構成の一部を示している。この走査型観察装置は、光ファイバスキャナ30の先端側に配置されたレンズ2と、光ファイバ11の外側に周方向に配列された複数本の検出ファイバ4とを備えている。
Next, a case where the
図15に示されように、レンズ2を被検体Xに対向配置した状態で光ファイバ11の先端をスパイラル状に振動させ、光ファイバ11内を伝播させた照明光Lを先端から射出させると、照明光Lはレンズ2によって収束して被検体Xに照射され、被検体X上において2次元的に走査される。
As shown in FIG. 15, when the tip of the
照明光Lが照射された被検体Xからの反射光L’は、複数本の検出ファイバ4によって検出される。走査型観察装置は、照明光Lの走査周期と同期して検出ファイバ4によって反射光L’を検出することで、被検体Xにおける照明光Lの走査範囲の表面状態を画像化することができる。この場合に、本実施形態によれば、照明光Lが、被検体X上において設計通りの理想的なスパイラル状の軌跡に沿って走査されるので、像に歪みがない画像を得ることができる。
The reflected light L ′ from the subject X irradiated with the illumination light L is detected by a plurality of
本実施形態は下記のように変形することができる。
第1の変形例として、4枚の圧電素子15A,15B,15C,15Dを備えることに代えて、図16(a),(b)に示されるように、2枚の圧電素子15A,15Cを備えていてもよい。圧電素子15A,15Cは、光ファイバ11の周方向に90°ずれた位置に、互いに分極方向が直交する向きで配置される。
This embodiment can be modified as follows.
As a first modification, instead of providing four
本変形例によれば、2枚の圧電素子15A,15Cに対して交番電圧をπ/2だけ位相をずらして印加することにより、光ファイバ11の先端をスパイラル状に振動させて、被検体上で照明光を2次元的に走査することができる。したがって、4枚の圧電素子15A,15B,15C,15Dを用いる場合と比較して構成を単純にすることができる。
According to this modification, by applying an alternating voltage to the two
第2の変形例として、図17(a),(b)に示されるように、各圧電素子15A,15B,15C,15Dの幅寸法をそれぞれ光ファイバ11の径寸法よりも大きくしてもよい。この場合、同図に示されるように、光ファイバ11の周方向に隣接する圧電素子15A,15B,15C,15Dどうしの表面または裏面と側面とが交互に接触するように、光ファイバ11に対して各圧電素子15A,15B,15C,15Dを幅方向に若干ずらして接合すればよい。
As a second modification, as shown in FIGS. 17A and 17B, the width dimensions of the
本変形例によれば、圧電素子15A,15B,15C,15Dの実質的な体積が増加するので、より多くのエネルギーを入力して各圧電素子15A,15B,15C,15Dの伸縮の変位量を大きくし、光ファイバ11の振幅を増大することができる。
According to this modification, the substantial volume of the
第3の変形例として、図18(a),(b)に示されるように、3枚の圧電素子15A,15B,15Cを光ファイバ11の周方向に120°ずつずらして配置して接合してもよい。この場合、圧電素子15A,15B,15Cは、分極方向を光ファイバ11に向けて、その裏面においてGND電極13と接合される。また、圧電素子15A,15B,15CのGND電極13に接合した面とは反対側の面(表面)の電極16Aに、それぞれA相、B相およびC相を構成する駆動用のリード線19A,17B,17Cが導電性接着剤によって接合される。
As a third modification, as shown in FIGS. 18A and 18B, the three
そして、圧電素子15AのA相、圧電素子15BのB相および圧電素子15CのC相に対して、電気的に120°ずつ位相をずらした交番電圧を印加することにより、圧電素子の枚数を4枚から3枚に減らしつつ、光ファイバ11の先端をスパイラル状に振動させて、被検体上で照明光を2次元的に走査することができる。
Then, by applying an alternating voltage that is electrically shifted in phase by 120 ° to the A phase of the
第4の変形例として、図19(a),(b)に示されるように、円筒状の圧電素子15Eを用いてもよい。この円筒状の圧電素子15Eは、光ファイバ11の外径と略同一の内径を有している。圧電素子15Eの外周面には、周方向に略均等に配列された4つの電極16Aが設けられている。圧電素子15Eの内周面には、一様に電極16Bが設けられている。
As a fourth modified example, as shown in FIGS. 19A and 19B, a cylindrical
本変形例によれば、単一の部材からなる圧電素子15Eを用いたとしても、4つの圧電素子15A,15B,15C,15Dを別体で設けた場合と同様に、光ファイバ11の先端をスパイラル状に振動させることができる。また、このように圧電素子15Eを単一の部材から構成することにより、組み立てを容易にすることができる。
According to this modification, even when the
第5の変形例として、図20(a),(b)に示されるように、圧電素子15A,15B,15C,15Dの先端を光ファイバ11の先端よりも基端側に距離Lだけ引っ込んだ位置に配置してもよい。ただし、この距離Lは、圧電素子15A,15B,15C,15Dよりも突出している、長さLの光ファイバ11の先端部の、片端を固定端とする1次屈曲振動モードの共振周波数が、光ファイバ11に屈曲共振振動を励起するための交番電圧の周波数よりも高くなる範囲に設定される。
As a fifth modified example, as shown in FIGS. 20A and 20B, the distal ends of the
距離Lが上記の範囲であるときは、交番電圧を印加して光ファイバ11を屈曲共振振動させたときに、光ファイバ11の、圧電素子15A,15B,15C,15Dから突出している部分が屈曲共振振動に影響を与えることがなく、光ファイバ11の先端は、図11のように圧電素子15A,15B,15C,15Dを配置したときと同様に、設計した通りのスパイラル状の軌跡に沿って振動する。
When the distance L is in the above range, when an alternating voltage is applied to cause the
本変形例によれば、最も振幅が大きくなる光ファイバ11の先端において圧電素子15A,15B,15C,15Dを設けないことにより、光ファイバスキャナ30が、周囲の配置された他の部材、例えば、図15の検出ファイバ4に干渉することを防ぐことができる。また、使用する圧電素子15A,15B,15C,15Dの設計上の制約および組み立て時に要求される位置精度を緩和することができる。
According to this modification, by not providing the
第6の変形例として、図21(a),(b)に示されるように、圧電素子15A,15B,15C,15Dの先端を光ファイバ11の先端から距離Mだけ先端側に突出した位置に配置してもよい。ただし、この距離Mは、光ファイバ11の先端から突出している、長さMの圧電素子15A,15B,15C,15Dの先端部の、片端を固定端とする1次屈曲振動モードの共振周波数が、光ファイバ11に屈曲共振振動を励起するための交番電圧の周波数よりも高くなる範囲に設定される。
As a sixth modified example, as shown in FIGS. 21A and 21B, the tips of the
距離Mが上記の範囲であるときは、交番電圧を印加して光ファイバ11を屈曲共振振動させたときに、圧電素子15A,15B,15C,15Dの、光ファイバ11から突出している部分が屈曲共振振動に影響を与えることがなく、光ファイバ11の先端は、図11のように圧電素子15A,15B,15C,15Dを配置したときと同様に、設計した通りのスパイラル状の軌跡に沿って振動する。
本変形例によれば、使用する圧電素子15A,15B,15C,15Dの設計上の制約および組み立て時に要求される位置精度を緩和することができる。
When the distance M is in the above range, when the
According to this modification, it is possible to relax the design restrictions and positional accuracy required during assembly of the
また、本実施形態およびその変形例においては、第1の実施形態の第1〜4の変形例に示されるGND電極13を採用してもよく、第1の実施形態の第5の変形例に示される圧電素子を採用してもよい。
Further, in the present embodiment and its modifications, the
10,20,30 光ファイバスキャナ
11 光ファイバ
13 GND電極(電極部材)
15,15A,15B,15C,15D,15E 圧電素子
10, 20, 30
15, 15A, 15B, 15C, 15D, 15E Piezoelectric element
Claims (8)
厚さ方向に分極された板形状を有し、前記光ファイバの前記先端またはその近傍を含む位置において前記光ファイバの外周面に、前記厚さ方向を前記光ファイバの長手方向に交差する方向に向けて貼り付けられた圧電素子とを備える光ファイバスキャナ。 An elongated optical fiber that can guide the illumination light and emit it from the tip,
It has a plate shape that is polarized in the thickness direction, and in a direction that intersects the longitudinal direction of the optical fiber on the outer peripheral surface of the optical fiber at a position that includes the tip of the optical fiber or its vicinity. An optical fiber scanner comprising a piezoelectric element attached to face.
前記圧電素子の先端と前記光ファイバの先端との間の距離は、前記圧電素子よりも前記先端側に突出している前記光ファイバの先端部分の、片端を固定端とする屈曲共振振動の周波数が、前記光ファイバに屈曲振動を励起するために前記圧電素子に供給される交番電圧の周波数よりも高くなるように設定されている請求項1から請求項4のいずれかに記載の光ファイバスキャナ。 The piezoelectric element is disposed at a position retracted from the distal end of the optical fiber to the proximal end side of the optical fiber,
The distance between the tip of the piezoelectric element and the tip of the optical fiber is determined by the frequency of bending resonance vibration with one end as a fixed end of the tip portion of the optical fiber protruding to the tip side of the piezoelectric element. The optical fiber scanner according to any one of claims 1 to 4, wherein the optical fiber scanner is set to be higher than a frequency of an alternating voltage supplied to the piezoelectric element in order to excite bending vibration in the optical fiber.
前記圧電素子の先端と前記光ファイバの先端との間の距離は、前記光ファイバの先端よりも前記先端側に突出している前記圧電素子の先端部分の、片端を固定端とする屈曲共振振動の周波数が、前記光ファイバに屈曲振動を励起するために前記圧電素子に供給される交番電圧の周波数よりも高くなるように設定されている請求項1から請求項4のいずれかに記載の光ファイバスキャナ。 The piezoelectric element is arranged at a position protruding from the tip of the optical fiber to the tip side of the optical fiber,
The distance between the tip of the piezoelectric element and the tip of the optical fiber is the bending resonance vibration with one end of the tip of the piezoelectric element protruding to the tip side of the tip of the optical fiber as a fixed end. The optical fiber according to any one of claims 1 to 4, wherein the frequency is set to be higher than a frequency of an alternating voltage supplied to the piezoelectric element in order to excite bending vibration in the optical fiber. Scanner.
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