JP6238836B2 - 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。

従来、光源からの光を導光する光ファイバの射出端を圧電素子の屈曲振動によって変位させることにより照明光を走査させ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。）。
この光ファイバスキャナは、光ファイバを貫通させる四角筒状の導電性のフェルールの４つの外面に平板状の圧電素子を固定し、フェルールを共通の接地電位として、光ファイバから見て径方向外方に位置する圧電素子の表面に固定したリード線から圧電素子を経由してフェルールに電流を流すことにより、圧電素子を駆動するようになっている。

特許第５４５２７８１号公報

しかしながら、特許文献１の光ファイバスキャナは、圧電素子の表面にリード線を固定するための半田等の接合部が配置され、特に小型の光ファイバスキャナの場合に、接合部の大きさはフェルールに対して比較的大きなスペースをとるため、周囲を取り囲む枠体が金属製である場合には、枠体と接合部との接触を回避しなければならいために、枠体の内径寸法を小さくすることができず、細径化を図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、枠体を圧電素子に十分に近接させることを可能とし、細径化を図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している。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、照明光を導光する光ファイバと、該光ファイバの長手軸方向の途中位置に配置され、屈曲振動によって光ファイバの射出端を長手軸に交差する方向に変位させる圧電素子と、該圧電素子と前記光ファイバとの間において前記圧電素子に電気的に接合される配線部と、前記圧電素子および前記光ファイバを収容する内孔を有する筒状の導電性の枠体と、該枠体と前記圧電素子とを固定するとともに両者を電気的に導通させる保持部とを備える光ファイバスキャナを提供する。

本態様によれば、配線部から供給された電流は、圧電素子の光ファイバ側から枠体側へと厚さ方向に流れ、枠体と圧電素子とを電気的に導通させている保持部を介して枠体へと流れる。これにより、電流の大きさおよび周期に応じた態様で保持部を振動の節として圧電素子を屈曲振動させ、光ファイバの射出端を長手軸に交差する方向に変位させることができる。この場合に、圧電素子の枠体側の表面と枠体の内面とは同電位となるので、仮に接触しても短絡は発生せず、十分に近接させることができる。すなわち、光ファイバの射出端に所望の振幅の変位を発生させるために必要な圧電素子の振動が許容される隙間まで枠体の内孔の内面を圧電素子に近接させることができ、十分な細径化を図ることができる。

上記態様においては、前記光ファイバを貫通させる貫通孔を有する筒状の電気絶縁材料からなる振動伝達部材を備え、前記光ファイバが前記振動伝達部材の外表面に前記圧電素子が接着されていてもよい。
このようにすることで、圧電素子の屈曲振動が振動伝達部材を介して光ファイバに伝達され、光ファイバの射出端をより確実に変位させることができる。電気絶縁材料からなる振動伝達部材によって各圧電素子に接続する配線部を相互に絶縁することができる。

また、上記態様においては、前記振動伝達部材の前記圧電素子の接着面に前記配線部と前記圧電素子との接合部を収容する凹部が設けられていてもよい。
このようにすることで、配線部を圧電素子に接合するための接合部が振動伝達部材に設けられた凹部に収容されるので、接合部の膨らみによって枠体の内孔の径寸法が制限されることを防止して、細径化を図ることができる。

また、上記態様においては、前記配線部が、前記光ファイバの表面に薄膜状に形成され、前記圧電素子が前記配線部を挟んで前記光ファイバに接合されていてもよい。
このようにすることで、振動伝達部材を光ファイバの表面と圧電素子との間に介在させず、配線部も薄膜によって構成しているので、外形寸法を最小限に抑えて細径化を図ることができる。

また、上記態様においては、前記保持部が、前記枠体を径方向外方から内方に向けて押圧して変形させることにより形成されたカシメ部であってもよい。
このようにすることで、光ファイバと圧電素子を含む組立体を枠体内に収容した状態で、枠体を外部から押圧して変形させたカシメ部を形成することにより、簡易に製造することができる。

また、上記態様においては、前記保持部が、前記枠体と前記圧電素子との隙間に充填された導電性の接着剤であってもよい。
このようにすることで、光ファイバと圧電素子を含む組立体を枠体内に収容した状態で、枠体と圧電素子との隙間に導電性の接着剤を充填するだけで保持部を形成することができ、簡易に製造することができる。

また、上記態様においては、前記保持部が、前記圧電素子と前記光ファイバとの組立体を嵌合させる貫通孔と、前記枠体の前記内孔に嵌合する嵌合部とを備えていてもよい。
このようにすることで、圧電素子と光ファイバとを含む組立体を保持部の貫通孔に貫通させ、嵌合部を枠体の内孔に嵌合させることにより、簡易に製造することができる。

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を提供する。
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を備えていてもよい。

本発明によれば、枠体を圧電素子に十分に近接させることを可能とし、細径化を図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を示す縦断面図である。 図１の光ファイバスキャナを基端側から見た横断面図である。 図１の光ファイバスキャナを構成するフェルールと圧電素子との関係を説明する斜視図である。 図１の光ファイバスキャナの第１の変形例を示す部分的な横断面図である。 図１の光ファイバスキャナの第２の変形例を示す横断面図である。 図１の光ファイバスキャナの第３の変形例を示す光ファイバの斜視図である。 図６の光ファイバを用いた光ファイバスキャナを示す横断面図である。 図１の光ファイバスキャナの第４の変形例を示す縦断面図である。 図１の光ファイバスキャナの第４の変形例を示す部分的な縦断面図である。 図９の光ファイバスキャナに用いられる保持部を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る照明装置を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る観察装置を示す縦断面図である。

本発明の一実施形態に係る光ファイバスキャナ１について、図面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１は、図１に示されるように、照明光を導光する光ファイバ２と、該光ファイバ２を貫通させる貫通孔３ａを有する四角柱状のフェルール（振動伝達部材）３と、該フェルール３の４つの外面にそれぞれ固定された４個の圧電素子４と、各圧電素子４に電力を供給するリード線５と、圧電素子４、フェルール３および光ファイバ２の組立体を収容する円筒状の枠体６と、該枠体６と組立体とを固定する保持部７とを備えている。

光ファイバ２の一端には図示しない光源が接続され、他端は光源からの照明光を射出させる射出端２ａを構成している。
圧電素子４は、平行な２枚の電極４ａ，４ｂ間に圧電材料を挟んで構成されており、厚さ方向に沿う一方向に分極方向が設定されている。

フェルール３は、電気絶縁性の弾性材料により構成されている。４個の圧電素子４は、フェルール３を挟んで対向する外面に配置される２個の圧電素子４が対となって同一の屈曲振動を発生させるように、分極方向を揃えて接着剤により固定されている。これにより２対の圧電素子４が、それぞれ相互に直交する方向の屈曲振動を発生させることができるようになっている。

リード線５は、図３に示されるように、圧電素子４のフェルール３に接着される側の電極４ａ，４ｂに導電性接着剤あるいは半田によって接合されている。図中、符号５ａはリード線５の絶縁被覆である。また、符号８は、導電性接着剤の塊または半田のフィレットからなる接合部である。

フェルール３の４つの外面には、圧電素子４が取り付けられる際に、リード線５の接合部８に対応する位置に、接合部８を収容可能な凹部９がそれぞれ設けられている。凹部９内には、図１および図２に示されるように、圧電素子４をフェルール３に接着するための接着剤１０の一部が充填され、凹部９と接合部８との間の隙間を埋めている。

円筒状の枠体６は導電性材料により構成されており、接地電位に設定されている。また、枠体６は、その長手方向の途中位置に、周方向に等間隔をあけて４カ所に、内孔６ａから枠体６の外面まで径方向に貫通する貫通孔６ｂを備えている。

保持部７は、フェルール３と圧電素子４との組立体が枠体６の内孔６ａ内に収容された状態で、枠体６の貫通孔６ｂから枠体６の内孔６ａに注入した導電性接着剤１１を硬化させることにより構成されている。これにより、保持部７は、枠体６に対して組立体を固定するとともに、圧電素子４の径方向外側の電極４ａ（４ｂ）と枠体６とを電気的に導通させるようになっている。
また、保持部７は、図１に示す例では、圧電素子４の長手方向の略中央において圧電素子４を枠体６に接合しており、この位置は、圧電素子４の屈曲振動の節となる位置となっている。

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１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１を作動させるには、図示しない光源からの照明光を光ファイバ２に入射させ、光ファイバ２内を導光されてきた照明光を射出端２ａから射出させる。

そして、リード線５を介して圧電素子４の電極４ａ，４ｂ間に振動的な電圧をかけることにより、電圧の振動の周期および振幅に応じて圧電素子４が屈曲振動させられる。
圧電素子４は、その屈曲振動の節において保持部７により枠体６に固定されているので、振動を阻害されることなく屈曲振動することができる。

圧電素子４の屈曲振動は弾性体からなるフェルール３を介して貫通孔３ａ内部に支持されている光ファイバ２に伝達される。そして、光ファイバ２を屈曲振動させることによって、射出端２ａを長手軸に交差する方向に変位させることができる。

圧電素子４は、相互に直交する方向に屈曲振動するように２対設けられているので、異なる圧電素子４対に異なる振動パターンの電圧をかけ、振動の位相および振幅を調節することにより、光ファイバ２の射出端２ａを所望の軌跡に従って変位させることができ、射出端２ａから射出される照明光を、射出端２ａの移動軌跡に従う軌跡に沿って走査させることができる。

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１によれば、リード線５をフェルール３側の電極４ａ（４ｂ）に接続し、枠体６を接地電位に設定しているので、リード線５の接合部８と枠体６との短絡を気にせずに済む。リード線５を圧電素子４に接合する接合部８は、フェルール３に設けた凹部９内に収容されているので、圧電素子４よりも径方向外方に物理的に突出する部分も存在させずに済む。

したがって、枠体６の内孔６ａの内径寸法を圧電素子４の屈曲振動を阻害しない程度まで小さくすることができる。圧電素子４の屈曲振動による変位はミクロンオーダーであるため、枠体６の内径および外径寸法を極限まで小さくして、細径化を図ることができる。

また、本実施形態によれば、保持部７を圧電素子４の長手方向の途中位置に配置しているので、従来、圧電素子４やフェルール３をその長手方向の端部において支持していた場合と比較して、光ファイバスキャナ２の長手軸方向の寸法も短縮することができる。これにより、内視鏡の挿入部の先端に用いる場合には、関節よりも先端に配置される硬質部分の寸法を低減して、狭い体腔内においても動作範囲を広く確保することができる。

なお、本実施形態においては、フェルール３の４つの面にそれぞれ圧電素子４を配置し、２対４個の圧電素子４によって２つの相互に交差する方向の屈曲振動を発生させることとしたが、これに代えて、図４に示されるように、２個の圧電素子４のみをフェルール３の直交する２面に固定することにしてもよい。

また、フェルール３としては四角筒状の形態の他、図５に示されるように円筒状の形態を有するものを採用してもよい。この場合、接着剤１０によってフェルール３と圧電素子４とを安定的に固定することができる。円柱状のフェルール３の方が精度よく加工することができる。
なお、この場合においても、２対４個の圧電素子４に代えて相互に直交する方向に屈曲振動する２個の圧電素子４を採用することにしてもよい。

また、本実施形態においては、光ファイバ２と圧電素子４の間にフェルール３を配置したが、これに代えて、図６および図７に示されるように、光ファイバ２の外周面に直接圧電素子４を接着することにしてもよい。この場合には、配線部としてリード線５に代えて、図６に示されるように、導電性材料からなる薄膜１２を光ファイバ２の外表面に長手軸方向に延びる細長いパターンで周方向に間隔をあけて複数形成しておき、各薄膜１２に対応する位置に、導電性接着剤からなる接合部９によって圧電素子４を接着することにすればよい。

このようにすることで、フェルール３に必要なスペースを省略することができ、さらなる細径化を図ることができるという利点がある。
薄膜１２としては、例えば、メッキ析出処理やスパッタリング法による薄膜形成、導電性接着剤の塗布等により形成することができる。薄膜１２は、光ファイバ２のクラッド層外面にコーティングしてもよいし、光ファイバ２の保護層として通常用いられる樹脂コーティングの表面に形成してもよい。

また、本実施形態においては、保持部７として、導電性接着剤１１によって圧電素子４の電極４ａ（４ｂ）と枠体６とを電気的に導通させかつ相互に機械的に固定することとしたが、これに代えて、図８に示されるように、枠体６の一部を外側から径方向内方に押圧して、カシメ部６ｃを形成し、該カシメ部６ｃに対応する内孔６ａ内面を圧電素子４の電極４ａ（４ｂ）に密着させて両者の電気的な導通と相互の機械的な固定とを一度に実現することにしてもよい。なお、圧電素子４は脆いので、電極４ａ，４ｂ表面に図示しない導電性フィルムを貼付し、カシメる際に圧電素子４にかかる応力を分散させてもよい。

また、保持部としては、図９および図１０に示されるように、枠体６の内孔６ａ内面に嵌合する嵌合部１３ａと、圧電素子４および光ファイバ２を含む組立体を嵌合させる貫通孔１３ｂとを有する保持部１３を採用してもよい。これによっても、圧電素子４の長手方向の途中位置を枠体６に対して固定することができ、光ファイバスキャナ１の軸方向長さを短縮することができる。

なお、本実施形態に係る光ファイバスキャナ１は、図１１に示されるように、枠体６の先端開口を閉塞する位置に光ファイバ２の射出端２ａから射出された照明光を集光する集光レンズ１４と、光ファイバ２に照明光を供給する光源１５とを備える照明装置１６に適用してもよい。
光源１５からの照明光は光ファイバ２の射出端２ａから射出されると集光レンズ１４によって集光され、観察対象において形成されたスポット光を走査させることができる。

また、本実施形態に係る光ファイバスキャナ１は、図１２に示されるように、さらに、枠体６の外周に周方向に複数配列された受光ファイバ１７と、該受光ファイバ１７によって受光された戻り光を検出する光検出部１８とを備えた観察装置１９に適用してもよい。
光ファイバスキャナ１によって走査されたスポット光の走査位置から戻る戻り光（反射光あるいは蛍光等）が受光ファイバ１７によって受光され光検出器１８によってその強度が検出される。これにより、照明光の走査位置と戻り光の強度とを対応づけて記憶することにより、観察対象の画像を取得することができる。

本実施形態に係る照明装置１６および観察装置１９によれば、光ファイバスキャナ１が極めて細径に構成されるので、照明装置１６および観察装置１９としても極めて細径のものを構成することができ、血管等の細い臓器内にも容易に導入して、照明あるいは観察を行うことができる。

１ 光ファイバスキャナ
２ 光ファイバ
２ａ 射出端
３ フェルール（振動伝達部材）
３ａ 貫通孔
４ 圧電素子
５ リード線（配線部）
６ 枠体
６ａ 内孔
６ｃ カシメ部
７ 保持部
８ 接合部
９ 凹部
１１ 導電性接着剤（接着剤）
１２ 薄膜（配線部）
１３ａ 嵌合部
１３ｂ 貫通孔
１５ 光源
１６ 照明装置
１８ 光検出部
１９ 観察装置

Claims (9)

1. 照明光を導光する光ファイバと、
   該光ファイバの長手軸方向の途中位置に配置され、屈曲振動によって光ファイバの射出端を長手軸に交差する方向に変位させる圧電素子と、
   該圧電素子と前記光ファイバとの間において前記圧電素子に電気的に接合される配線部と、
   前記圧電素子および前記光ファイバを収容する内孔を有する筒状の導電性の枠体と、
   該枠体と前記圧電素子とを固定するとともに両者を電気的に導通させる保持部とを備える光ファイバスキャナ。
2. 前記光ファイバを貫通させる貫通孔を有する筒状の電気絶縁材料からなる振動伝達部材を備え、
   前記光ファイバが前記振動伝達部材の外表面に前記圧電素子が接着されている請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
3. 前記振動伝達部材の前記圧電素子の接着面に前記配線部と前記圧電素子との接合部を収容する凹部が設けられている請求項２に記載の光ファイバスキャナ。
4. 前記配線部が、前記光ファイバの表面に薄膜状に形成され、
   前記圧電素子が前記配線部を挟んで前記光ファイバに接合されている請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
5. 前記保持部が、前記枠体を径方向外方から内方に向けて押圧して変形させることにより形成されたカシメ部である請求項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。
6. 前記保持部が、前記枠体と前記圧電素子との隙間に充填された導電性の接着剤である請求項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。
7. 前記保持部が、前記圧電素子と前記光ファイバとの組立体を嵌合させる貫通孔と、前記枠体の前記内孔に嵌合する嵌合部とを備える請求項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。
8. 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７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。
9. 請求項８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を備える観察装置。

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