JP2015087744A - 光伝送モジュールおよび内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性の高い光伝送モジュールを提供する。【解決手段】光伝送モジュール１は、光信号の光を出力する発光部１１を有する光素子１０と、光信号を伝送する光ファイバ５０と、光ファイバ５０の外径と同じ内径の貫通孔４０Ｈに光ファイバ５０の先端部が挿入された、光素子１０の上に配設されている保持部材４０と、保持部材４０の貫通孔４０Ｈの光素子側の開口に配設されている、光を集光するレンズ部３０と、を具備する。【選択図】図２

Description

本発明は、光素子と、光ファイバと、光ファイバが挿入された保持部材と、を具備する光伝送モジュール、および前記光伝送モジュールを有する内視鏡に関する。

内視鏡は、細長い挿入部の先端部にＣＣＤ等の撮像素子を含む撮像部を有する。近年、高画素数の撮像素子の内視鏡への使用が検討されている。高画素数の撮像素子を使用した場合には、撮像素子から信号処理装置へ伝送する信号量が増加するため、電気信号によるメタル配線を介した電気信号伝送に替えて光信号による光ファイバを介した光信号伝送が好ましい。光信号伝送には、電気信号を光信号に変換するＥ／Ｏモジュール（電気−光変換器）と、光信号を電気信号に変換するＯ／Ｅモジュール（光−電気変換器）とが用いられる。

例えば、特開２０１３−０２５０９２号公報には、光信号の入力または出力を行う光素子と、光素子が実装される基板と、光素子から入出力される光信号を伝送する光ファイバ挿入用の貫通孔を有し、光素子の厚さ方向に並べて実装配置される保持部と、を備える光伝送モジュールが開示されている。

上記光伝送モジュールは、光素子と光ファイバが挿入される保持部（フェルール）との相対位置を正確に位置合わせする必要があった。すなわち、光素子の発光部の中心位置と、保持部の貫通孔の中心位置と、がずれていると、光ファイバに入射する光量等が減少し信号が減衰する。

ここで、被検者への負担および観察視野の確保のため、内視鏡の挿入部の先端部の外径および長さはできるだけ小さくすることが好ましい。このため、内視鏡用の光伝送モジュールは、一般通信用の光伝送モジュールよりも、非常に小さい。ゆえに、光素子と光ファイバとは特に高精度な位置合わせを要することになる。

特開２０１３−０２５０９２号公報

本発明の実施形態は、生産性の高い光伝送モジュールおよび前記光伝送モジュールを有する内視鏡を提供することを目的とする。

本発明の実施形態の光伝送モジュールは、光信号の光を出力する発光部または光信号の光が入力する受光部を有する光素子と、前記光信号を伝送する光ファイバと、前記光ファイバの外径と同じ内径の貫通孔に前記光ファイバの先端部が挿入された、前記光素子の上に配設されている保持部材と、前記保持部材の前記貫通孔の前記光素子側の開口に配設されている、前記光を集光または拡散するレンズ部と、を具備する。
また別の実施形態の内視鏡は光信号の光を出力する発光部または光信号の光が入力する受光部を有する光素子と、前記光信号を伝送する光ファイバと、前記光ファイバの外径と同じ内径の貫通孔に前記光ファイバの先端部が挿入された、前記光素子の上に配設されている保持部材と、前記保持部材の前記貫通孔の前記光素子側の開口に配設されている、前記光を集光または拡散するレンズ部と、を具備する光伝送モジュールを挿入部の先端部に具備する。

本発明の実施形態によれば生産性の高い光伝送モジュールおよび前記光伝送モジュールを有する内視鏡を提供できる。

第１実施形態の光伝送モジュールの斜視図である。 第１実施形態の光伝送モジュールの分解図である。 第１実施形態の光伝送モジュールの断面図である。 第１実施形態の光伝送モジュールの断面図である。 第１実施形態の光伝送モジュールの上面図である。 第１実施形態の光伝送モジュールの断面図である。 第１実施形態の光伝送モジュールの変形例のレンズ部の斜視図である。 第２実施形態の光伝送モジュールの断面図である。 第３実施形態の光伝送モジュールの断面図である。 第４実施形態の光伝送モジュールの断面図である。 第５実施形態の内視鏡の斜視図である。

＜第１実施形態＞
図１から図５を用いて、第１実施形態の光伝送モジュール１について説明する。本実施形態の光伝送モジュールは、電気信号を光信号に変換し光信号を伝送するＥ／Ｏモジュールである。

光伝送モジュール１は、光素子１０と、配線板２０と、レンズ部３０と、保持部材４０と、光ファイバ５０と、を具備する。光伝送モジュール１では、光素子１０と配線板２０と保持部材４０とが、光素子１０の厚さ方向（Ｚ方向）に並べて配置されている。

光素子１０は、光信号の光を出力する発光部１１を有する例えば、面発光レーザーである。例えば、平面視寸法が２５０μｍ×３００μｍと超小型の光素子１０は、直径が１２μｍの発光部１１と、発光部１１に駆動信号を供給する電極１２とを有する。

光ファイバ５０は光信号を伝送する。光素子１０の上に配設されている保持部材４０は、光ファイバ５０の外径と略同じ内径の貫通孔４０Ｈに光ファイバ５０が挿入されている。光を集光するレンズ部３０は、保持部材４０の貫通孔４０Ｈの光素子側（下側）の開口に配設されている。

配線板２０には光素子１０がフリップチップ実装されている。すなわち、配線板２０は光素子１０の電極１２と接続された配線（不図示）を有する。配線板２０の基体には、ＦＰＣ基板、セラミック基板、ガラスエポキシ基板、ガラス基板、シリコン基板等が使用される。例えば、光素子１０のＡｕバンプが、配線板２０の接続電極部（不図示）と超音波接合される。接合部には、図示しないが、アンダーフィル材やサイドフィル材等の接着剤が注入される。配線板２０にはんだペースト等を印刷し、光素子１０を配置した後、リフロー等ではんだを溶融して実装してもよい。配線板２０に、例えば撮像部からの電気信号を光素子１０の駆動信号に変換するための処理回路が含まれていても良い。

略直方体の保持部材４０には、挿入される光ファイバ５０の外径と、内径が略同一の円柱状の貫通孔４０Ｈが形成されている。貫通孔４０Ｈは、円柱状のほか、その内面で光ファイバ５０を保持できれば、角柱状であってもよい。保持部材４０の材質はセラミック、Ｓｉ、ガラス、またはＳＵＳ等の金属部材等である。なお、保持部材４０は略直方体ではなく、略円柱状または略円錐状であってもよい。

そして、実施形態の光伝送モジュール１では、貫通孔４０Ｈの下部は、断面積が光素子側の開口面４１Ｓ１に向かって増加しており、この部分にレンズ部３０が嵌合し接着されている。すなわち、貫通孔４０Ｈの下部の内面形状は、レンズ部３０の外面形状と略同じである。なお、レンズ部３０が嵌合可能であれば、貫通孔４０Ｈの下部の内面形状は部分的に、レンズ部３０の外面形状よりも大きい凹部が形成されていてもよい。貫通孔４０Ｈの凹部があると、接着に用いる接着剤が過剰であっても外部にはみ出すことなく、信頼性の高い接着が可能となる。

レンズ部３０は、図２に示すように底面が矩形で上面が円形であり、上面から下面に向かって断面積が増加している。

光を集光するレンズ部３０は、屈折率の高い透明材料、例えば、ガラスまたは樹脂からなる。

光ファイバ５０は一方の先端部が、保持部材４０の貫通孔４０Ｈに挿入されている。例えば、径が１２５μｍの光ファイバ５０は、光を伝送する径が５０μｍのコアと、コアの外周を覆うクラッドとからなる。

ここで、直径が１２μｍの発光部１１から放射される放射角が２５度の光を、直径が５０μｍのコアに入射する場合を例にレンズ部の効果について説明する。

発光部１１と光ファイバ５０の先端面との距離が８５μｍ以上の場合、発光部１１から放射される光の一部は光ファイバ５０のコアに入射しない。これに対して、屈折率が１．５５のガラスで作製されたレンズ部を配設すると、レンズ部３０の傾斜（斜面）の角度が約５２度以上であれば、光素子１０からの光は、すべて光ファイバ５０のコアに入射する。また、レンズ部を配設することで、発光部１１と光ファイバ５０の先端面との距離を短くすることもできる。

光伝送モジュール１の製造では、例えば、配線板２０に光素子１０が実装され、光素子１０の発光部１１の直上にレンズ部３０が透明接着剤（不図示）により接着される。そして、レンズ部３０を位置決め部材として、保持部材４０がレンズ部３０と嵌合した状態で透明接着剤（不図示）により接着される。保持部材４０の貫通孔４０Ｈには、光ファイバ５０が挿入される。貫通孔４０Ｈの壁面と光ファイバ５０の側面との間には僅かな隙間があるため、透明接着剤がその隙間に入りこんだ状態で光ファイバ５０の先端部が保持部材４０の貫通孔４０Ｈに固定されることになる。

また、図４に示すように、光ファイバ５０の端面とレンズ部３０との間に、一定以上の厚み（例えば２〜２０μｍ）の透明樹脂５１が充填されていてもよい。透明樹脂５１は、例えば透過率が９０％以上の光学用接着剤からなる。透明樹脂５１は、レンズ部３０と略同等の屈折率を有しているのが好ましく、具体的には屈折率が１．４〜１．６であればよい。光ファイバ５０とレンズ部３０との間に透明樹脂５１が充填されることにより、光ファイバ５０とレンズ部３０との間には空気層が存在しない。このため、レンズ部３０と空気層との界面での反射による減衰を低減することができる。さらに、レンズ部３０および保持部材４０に対して光ファイバ５０をより強固に固定することができる。

図６に示すように、光伝送モジュール１では、光素子１０の発光部１１の中心Ｏ１と、レンズ部３０の中心、すなわち、光ファイバ５０の中心Ｏ２とが、多少ずれて配置された場合においても、発光部１１が発生した光は、レンズ部３０の中央部に集光され、光ファイバ５０のコアに導光される。

光素子１０と光ファイバ５０との位置合わせ精度を高くする必要がないため、光伝送モジュール１は、生産性が高い。

さらに、光伝送モジュール１では、内面形状がレンズ部３０の外面形状と同じ貫通孔４０Ｈの下部に、レンズ部３０が嵌合するため、レンズ部３０と保持部材４０とが一義的に位置決めされる。このため、生産性が高い。

なお、レンズ部３０の上面の大きさは、光ファイバ５０の径以下であればよく、さらに光ファイバ５０のコア径以下であればなおよい。下面は上面よりも面積が広ければ集光効果を有するが、下面面積は上面面積の２倍以上２０倍以下であることが好ましい。前記範囲内であれば、生産性がよく、前記範囲以下であれば、光伝送モジュール１の外径が内視鏡用途として許容範囲内である。

＜変形例＞
図２に示したレンズ部３０は上面が平面の略四角錐であるため、側面が平面であった。言い換えれば、保持部材４０の貫通孔４０Ｈの下部の壁面が、平面であった。

これに対して、図７に示す第１実施形態の変形例の光伝送モジュール１Ａのレンズ部３０Ａは、上面３０Ｓ２および下面３０Ｓ１が平面の略円錐形であるため、側面が曲面である。このため、レンズ部３０Ａと嵌合する、保持部材の貫通孔の下部の壁面は曲面である。

なお、レンズ部の形状、すなわち、保持部材４０の貫通孔の下部形状はレンズ部３０、３０Ａのように、略四角錐または略円錐等に限られるものではなく、下面が上面よりも面積が広ければ如何なる形状でもよい。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の光伝送モジュール１Ｂは、光伝送モジュール１と類似しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図８に示すように、光伝送モジュール１Ｂは、保持部材４０Ｂの下面に光素子１０と電気的に接続された配線４２を有しており、配線板２０を具備していない。すなわち、保持部材４０Ｂは、下面（光素子１０との対向面）に、光素子１０の電極１２と接続される配線４２等が配設されているＭＩＤ（Molded Interconnect Device）である。

また、レンズ部３０Ｂは半球状であり、レンズ部３０Ｂが嵌合している貫通孔下部の内面形状は半球状である。また、光ファイバ５０とレンズ部３０Ｂとの間には、透明樹脂５１が充填されている。

光伝送モジュール１Ｂは、光伝送モジュール１の効果を有し、さらに配線板が不要であるため、光伝送モジュール１Ｂは、長さが短い。

＜第３実施形態＞
第３実施形態の光伝送モジュール１Ｃは、光伝送モジュール１と類似しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図９に示すように、光伝送モジュール１Ｃの配線板２０Ｃは、配設される回転楕円体形状のレンズ部３０Ｃの位置が一義的になるように、中央の貫通孔２０ＨＣの壁面がテーパー形状になっている。すなわち、貫通孔２０ＨＣの上面の開口が下面の開口よりも広い。そして、保持部材４０Ｃの貫通孔の下部は、レンズ部３０Ｃの上部と同じ形状で、レンズ部３０Ｃは貫通孔に嵌合している。

光伝送モジュール１Ｃは、光伝送モジュール１の効果を有し、さらにレンズ部３０Ｃを容易に配線板２０Ｃの所定位置に配設することができるため、より生産性が高い。

＜第４実施形態＞
第４実施形態の光伝送モジュール１Ｄは、光伝送モジュール１と類似しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図１０に示すように、光伝送モジュール１Ｄは、保持部材４０Ｄの貫通孔下部のレンズ部４０Ｒが、保持部材４０Ｄと一体化している。すなわち、保持部材４０Ｄも透明材料からなり、レンズ部４０Ｒは保持部材４０Ｄよりも屈折率が高い材料からなる。

なお、保持部材４０Ｄは一部が透明材料で構成されていればよい。すなわち、保持部材４０Ｄは少なくとも、レンズ部４０Ｒおよびレンズ部４０Ｒの周囲が透明材料であればよい。

光伝送モジュール１Ｄは、光伝送モジュール１の効果を有し、さらに組み立てが容易である。

なお、以上で説明した実施形態等の光伝送モジュールは、光素子として面発光レーザーを具備する、Ｅ／Ｏモジュールであった。しかし、光素子として、光信号の光が入力する例えばフォトダイオード（ＰＤ）からなる受光部が形成された、Ｏ／Ｅモジュールであっても同様の効果を有する。

すなわち、光信号の光が入力する受光部を有する光素子と、光信号を伝送する光ファイバと、光ファイバの外径と同じ内径の貫通孔に光ファイバの先端部が挿入された光素子の上に配設されている保持部材と、保持部材の貫通孔の光素子側の開口に配設されている、光を拡散するレンズ部と、を具備するＯ／Ｅモジュールは、実施形態等のＥ／Ｏモジュールと同じ効果を有する。

＜第５実施形態＞
次に、第５実施形態の内視鏡６０について説明する。内視鏡６０の光伝送モジュール６１Ａ、６１Ｂは、すでに説明した本発明の実施形態の光伝送モジュール１等と同じであるため説明は省略する。

図１１に示すように、内視鏡６０は、高画素数の撮像素子を有する撮像部が先端部６２に配設された挿入部６５と、挿入部６５の基端側に配設された操作部６６と、操作部６６から延出するユニバーサルコード６７と、を具備する。

撮像部が出力した電気信号は、光素子が面発光レーザーであるＥ／Ｏモジュール６１Ａにより光信号に変換され、光ファイバ６３を介して操作部６６に配設された光素子がＰＤであるＯ／Ｅモジュール６１Ｂにより再び電気信号に変換され、メタル配線６４を介して伝送される。すなわち、細径の挿入部６５内においては光ファイバ５０を介して信号が伝送される。

Ｅ／Ｏモジュール６１Ａは、光伝送モジュール１〜１Ｄ等と同じ構成を有するため超小型であるが、生産性が高い。このため、内視鏡６０は先端部および挿入部が細径であるが、生産性が高い。

なお、Ｏ／Ｅモジュール６１Ｂは、比較的、配置スペースが広いが、Ｅ／Ｏモジュール６１Ａ、すなわち、本発明の光伝送モジュール１〜１Ｄ等と同じ構成であることが好ましい。

本発明は、上述した各実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、組み合わせ、および応用が可能である。

１、１Ａ〜１Ｄ、６１Ａ、６２Ｂ・・・光伝送モジュール
１０・・・光素子
２０・・・配線板
３０・・・レンズ部
４０・・・保持部材
５０・・・光ファイバ
６０・・・内視鏡

Claims (11)

1. 光信号の光を出力する発光部または光信号の光が入力する受光部を有する光素子と、
   前記光信号を伝送する光ファイバと、
   前記光ファイバの外径と同じ内径の貫通孔に前記光ファイバの先端部が挿入された、前記光素子の上に配設されている保持部材と、
   前記保持部材の前記貫通孔の前記光素子側の開口に配設されている、前記光を集光または拡散するレンズ部と、を具備することを特徴とする光伝送モジュール。
2. 内面形状が前記レンズ部の外面形状と同じ前記貫通孔の下部に、前記レンズ部が嵌合していることを特徴とする請求項１に記載の光伝送モジュール。
3. 前記貫通孔の下部の断面積が、前記開口に向かって増加していることを特徴とする請求項２に記載の光伝送モジュール。
4. 前記貫通孔の下部の壁面が、平面であることを特徴とする請求項３に記載の光伝送モジュール。
5. 前記貫通孔の下部の壁面が曲面であることを特徴とする請求項３に記載の光伝送モジュール。
6. 前記貫通孔に挿入された光ファイバの先端部と前記レンズ部との間に、透明樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光伝送モジュール。
7. 前記光素子と電気的に接続された配線が形成されている配線板を具備することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光伝送モジュール。
8. 前記配線板の壁面がテーパー形状の貫通孔に、前記レンズ部が保持されていることを特徴とする請求項７に記載の光伝送モジュール。
9. 前記保持部に、前記光素子と電気的に接続された配線が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光伝送モジュール。
10. 前記前記光素子が前記発光部のある面発光レーザーであることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の光伝送モジュール。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の光伝送モジュールを挿入部の先端部に具備することを特徴とする内視鏡。
    

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