JP6498214B2 - 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、圧電素子を用いて光ファイバの先端を高速で振動させながら照明光を出射させることにより、被検体上で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。）。特許文献１に記載の光ファイバスキャナは、複数の圧電素子を張り付けた略角柱部材の弾性部により光ファイバが支持され、この弾性部が円環状の支持部に組み付けられて内視鏡枠体に保持された構造を有している。

特開２０１３−２４４０４５号公報

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、弾性部および支持部の加工精度のばらつきなどの影響によって、弾性部と支持部とを組み付ける際にガタが生じることがある。そのため、枠体に支持部を固定した際に、光ファイバと光ファイバから出射された光を被検体に照射する照明光学系との中心軸がずれてしまい、心出しの組み立て調整に手間がかかるという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、照明光学系に対する光ファイバの心出しの組み立て調整を容易かつ高精度にす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。
本発明の第１態様は、光を導光して先端から出射する光ファイバと、該光ファイバの前記先端よりも基端側を嵌合する嵌合孔を有する弾性材料からなる環状弾性体と、該環状弾性体に固定され、前記光ファイバの径方向に分極し、該分極方向に交番電圧が印加されることにより前記光ファイバを振動させる複数の圧電素子とを備え、前記環状弾性体が、側面に前記複数の圧電素子が貼り付けられ、これら圧電素子の振動を前記光ファイバに伝達する振動伝達部と、該振動伝達部と一体成型され、該振動伝達部における前記圧電素子に対して基端側に間隔をあけた位置において前記光ファイバを片持ち梁状に支持可能なファイバ支持部とを有する光ファイバスキャナである。

本態様によれば、圧電素子に対してその分極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、光ファイバの長手方向に伸縮することによって振動が発生し、圧電素子の振動が環状弾性体の振動伝達部を介して光ファイバに伝達される。また、環状弾性体のファイバ支持部により光ファイバを片持ち梁上に支持することで、圧電素子において発生した振動が光ファイバの基端側に逃げてしまうのが抑制される。これにより、光ファイバの先端を安定して振動させて、光ファイバの先端から出射される光を光ファイバの振動に応じて精度よく走査させることができる。

この場合において、振動伝達部とファイバ支持部と一体成型した環状弾性体を用いることで、これら振動伝達部とファイバ支持部の加工精度のばらつきなどの影響によって生じる組み立てばらつきを抑制することができる。したがって、光ファイバから出射された光を被検体に照射する照明光学系の中心軸に対して光ファイバの中心軸を一致させ易く、光ファイバと照明光学系との心出しの組み立て調整を容易にして歩留まりを向上することができる。

上記態様においては、前記ファイバ支持部が、外側表面に、前記圧電素子に接続された配線を収容可能な溝部を有することとしてもよい。

このように構成することで、圧電素子に接続した配線をファイバ支持部の溝部に収容して接着剤等によって固定し、配線を安定して配置することができる。なお、溝部は、ファイバ支持部における光ファイバを嵌合する嵌合孔に沿って形成することが望ましい。このようにすることで、配線を無駄に長くすることなく圧電素子に接続することができる。また、溝部は、配線をほぼ完全に収容するとともに、収容した配線を接着剤で固定する場合に接着剤がはみ出ない深さにすることが望ましい。このようにすることで、外筒にファイバ支持部を嵌合させ易くすることができる。

上記態様においては、前記ファイバ支持部が、前記圧電素子に接続する配線を挿入可能な貫通孔を有することとしてもよい。

このように構成することで、配線をファイバ支持部の貫通孔を通して圧電素子に接続するとともに、接着剤等によって貫通孔に配線を固定し、配線を安定して配置することができる。また、ファイバ支持部の外部に接着剤がはみ出し難く、外筒にファイバ支持部を精度よく嵌合させることができる。なお、貫通孔は、ファイバ支持部における光ファイバを嵌合する嵌合孔に沿って形成することが望ましい。このようにすることで、配線を無駄に長くすることなく圧電素子に接続することができる。

本発明の第２態様は、上記いずれかの光ファイバスキャナと、前記光ファイバにより導光する前記光を発生する光源と、前記光ファイバから出射された光を集光する集光レンズと、該集光レンズおよび前記光ファイバスキャナを収容し、前記ファイバ支持部を保持する外筒とを備える照明装置である。

本態様によれば、光ファイバと集光レンズとを容易かつ精度よく心出しして、照明装置の性能を向上することができる。したがって、光源から発せられた光を精度よく走査させて、集光レンズにより被検体の所望の位置に照射することができる。

本発明の第３態様は、上記の照明装置と、該照明装置によって被検体に光が照射されることにより、該被検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である。

本態様によれば、照明装置により被検体の所望の位置で光が精度よく走査されることにより被検体から戻る戻り光が光検出部により検出される。したがって、光検出部により検出された戻り光の強度信号に基づいて得られる被検体の所望の観察範囲の画像情報に基づき、より正確な観察を実現することができる。

本発明によれば、照明光学系に対する光ファイバの心出しの組み立て調整を容易かつ高精度にす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内視鏡装置を示す全体構成図である。 図１の光ファイバスキャナを示す概略構成図である。 図２の環状弾性体における振動伝達部を照明用光ファイバの径方向に切断した断面図である。 図２の環状弾性体におけるファイバ支持部を径方向に切断した断面図である。 本発明の一実施形態の第１変形例に係る光ファイバスキャナを示す全体構成図である。 図５の環状弾性体における振動伝達部を径方向に切断した断面図である。 図５の環状弾性体におけるファイバ支持部を径方向に切断した断面図である。

本発明の一実施形態に係る光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置について図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡装置（観察装置）１００は、図１に示すように、照明光を発生させる光源１と、被写体（図示略）に照明光を照射する照明装置３と、照明光が照射されることにより被写体から戻る反射光や蛍光等の戻り光を検出するフォトダイオードのような光検出器（光検出部）５と、これら照明装置３および光検出器５の制御等を行う制御装置７とを備えている。

照明装置３は、光源１から発せられた照明光を導光して先端から出射する照明用光ファイバ１１を有する光ファイバスキャナ１０と、照明用光ファイバ１１から出射された照明光を集光する集光レンズ１３と、これらの光ファイバスキャナ１０および集光レンズ１３を収納する細長い筒状の外筒１５と、外筒１５の外周面上に配され、被写体からの戻り光を光検出器５に導光する複数の検出用光ファイバ１７とを備えている。

光源１および光検出器５は、光ファイバスキャナ１０の基端側に配置されている。
制御装置７は、照明装置３および光検出器５を制御するＣＰＵ（図示略）と、このＣＰＵを作動するプログラムと、ＣＰＵに入力する各種信号等を記憶するメモリとを備えている。

光ファイバスキャナ１０は、図２に示すように、マルチモードファイバまたはシングルモードファイバのような照明用光ファイバ（光ファイバ）１１と、照明用光ファイバ１１の先端よりも基端側を嵌合する弾性材料からなる環状弾性体２１と、環状弾性体２１に固定された４枚の圧電素子２３と、駆動用のリード線（ＧＮＤ）２５Ｇおよび４本のリード線２５Ａ，２５Ｂとを備えている。

照明用光ファイバ１１は、図１および図２に示すように、細長いガラス材からなり、外筒１５の長手方向に沿って配されている。また、照明用光ファイバ１１は、一端が外筒１５の基端側の外部まで延びて光源１に接続され、他端が外筒１５の内部の先端部近傍に配されている。

環状弾性体２１は、細長い筒形状の振動伝達部２７と、振動伝達部２７よりも径寸法が大きい環状のファイバ支持部２９とがニッケル材により一体成型されて構成されている。この環状弾性体２１は、振動伝達部２７側を照明用光ファイバ１１の先端側に向けて配されている。

これら振動伝達部２７およびファイバ支持部２９は、図３および図４に示すように、照明用光ファイバ１１が挿入された嵌合孔２１ａを有している。嵌合孔２１ａには、照明用光ファイバ１１の外周面に塗布した導電性のエポキシ系接着剤により、嵌合した照明用光ファイバ１１が接着されている。

振動伝達部２７は、図３に示すように、略四角柱状の外形を有しており、４つの各側面にそれぞれ圧電素子２３が貼り付けられている。この振動伝達部２７は、各圧電素子２３において発生した振動を照明用光ファイバ１１に伝達するようになっている。

ファイバ支持部２９は、円環状の外形を有しており、導電性のエポキシ系接着剤により、外周面が外筒１５の内壁に接着されている。このファイバ支持部２９は、振動伝達部２７における圧電素子２３に対して基端側に間隔をあけた位置において、照明用光ファイバ１１を片持ち梁状に支持している。これにより、ファイバ支持部２９は、照明用光ファイバ１１のこの位置において発生する径方向の振動を抑制するようになっている。また、仮に圧電素子２３から照明用光ファイバ１１の基端側に振動が逃げたとしても、その振動が何らかの影響を受けて形状が変化して戻ってくるのを抑制するようになっている。したがって、ファイバ支持部２９により、圧電素子２３の振動形状および照明用光ファイバ１１の振動が不安定になるのを防止することができる。

また、ファイバ支持部２９は、４枚の圧電素子２３の裏面の電極と電気的に接合しており、圧電素子２３を駆動する際の共通ＧＮＤとして機能するようになっている。このファイバ支持部２９にはリード線２５Ｇが接合されている。また、ファイバ支持部２９は、図３および図４に示すように、リード線２５Ｇおよび４本のリード線２５Ａ，２５Ｂを収容可能な径方向に窪む５つの溝部２９ａを外周面に有している。

これら溝部２９ａは、ファイバ支持部２９の外周面において周方向に間隔をあけて配され、それぞれ中心軸に平行に形成されている。したがって、収容するリード線２５Ａ，２５Ｂを無駄に長くすることなく圧電素子２３に接続することができる。また、各溝部２９ａは、リード線２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｇをほぼ完全に収容して、各溝部２９ａ内にリード線２５Ａ，２５Ｂを固定するエポキシ系接着剤（図３および図４において符号Ｓ）およびリード線２５Ｇを固定する導電性のエポキシ系接着剤（図４において符号Ｓ´）がそれぞれはみ出ない深さを有している。これにより、外筒１５にファイバ支持部２９を精度よく嵌合させることができる。

このような形状の環状弾性体２１は、例えば、外形寸法がファイバ支持部２９と同一で嵌合孔２１ａを形成したパイプ材に対して、ワイヤー放電加工により振動伝達部２７とファイバ支持部２９を形成することとすればよい。同様にして、ファイバ支持部２９に対して、ワイヤー放電加工により溝部２９ａを形成することとすればよい。環状弾性体２１の材料として、ニッケル材を例示したが、照明用光ファイバ１１に振動を伝播することができ、かつ、電気的に共通のＧＮＤとして機能することができる材料であればよい。

圧電素子２３は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックス材料からなり、細長い板状に形成されている。また、圧電素子２３は、表面に＋の電極処理が施されているとともに、裏面に−の電極処理が施されており、＋極から−極に向かう方向、すなわち、板厚方向に分極している。

これら４枚の圧電素子２３は、図２に示すように、環状弾性体２１の振動伝達部２７の各側面において、それぞれ照明用光ファイバ１１の長手方向の同位置に配されている。ファイバ支持部２９と圧電素子２３との隙間は、少なくとも圧電素子２３における分極方向に交差する方向の伸縮が妨げられない程度に離すことが望ましい。このようにすることで、圧電素子２３による照明用光ファイバ１１の長手方向への伸縮をファイバ支持部２９によって妨げることがない。

また、図３において分極の向きを矢印で示すように、照明用光ファイバ１１の径方向に対向する各一対の圧電素子２３どうしは、それぞれ分極の向きを同一方向に向けて配されている。また、導電性のエポキシ系接着剤により、一方の一対の圧電素子２３の電極面にはＡ相を構成するリード線２５Ａが接合されており、他方の一対の圧電素子２３の電極面にはＢ相を構成するリード線２５Ｂが接合されている。

これらの圧電素子２３は、リード線２５Ａ，２５Ｂにより、分極方向に交番電圧が印加されると、分極方向に対して直交する方向に伸縮する振動（横効果）を発生するようになっている。また、一対の圧電素子２３の内の一方が縮むと同時に他方が伸びるように伸縮するようになっている。これにより、各一対の圧電素子２３は、振動伝達部２７を介してその振動を照明用光ファイバ１１に伝達し、照明用光ファイバ１１の先端を長手方向に交差する方向に振動させることができるようになっている。

リード線２５Ｇは、図４に示すように、ファイバ支持部２９の溝部２９ａに収容されて、導電性のエポキシ系接着剤Ｓ´により一端が溝部２９ａに接合されている。また、圧電素子２３に接続されたリード線２５Ａ，２５Ｂは、ファイバ支持部２９の溝部２９ａに収容されて、エポキシ系接着剤Ｓにより溝部２９ａに固定されている。

検出用光ファイバ１７は、図１に示すように、細長いガラス材からなり、外筒１５の外周面に長手方向に沿って配されている。これらの検出用光ファイバ１７は、外筒１５の周方向に互いに間隔をあけて配されている。また、検出用光ファイバ１７は、一端が外筒１５の先端に配され、他端が光検出器５に接続されている。

制御装置７は、照明装置３および光検出器５の制御の他、光検出器５により検出された戻り光の強度信号と光ファイバスキャナ１０による照明光の走査位置に関する情報（走査位置情報）とを対応付けて、画像情報を生成することができるようになっている。

このように構成された光ファイバスキャナ１０、照明装置３および内視鏡装置１００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１０、照明装置３および内視鏡装置１００を用いて被写体を観察するには、まず、外筒１５の先端を被写体に向けて配置し、光源１から照明光を発生させる。光源１から発せられた照明光は、照明用光ファイバ１１により導光されて先端から出射され、集光レンズ１３により被写体に照射される。

照明光が照射されることにより被写体において反射光や蛍光等の戻り光が発生すると、その戻り光は検出用光ファイバ１７により導光されて、光検出器５により検出される。そして、制御装置７により、光検出器５から出力される戻り光の強度信号と光ファイバスキャナ１０の走査位置情報とが対応付けられて画像情報に変換される。これにより、照明光が照射された被写体の画像を生成することができる。

次に、光ファイバスキャナ１０による照明光の走査について説明する。
光ファイバスキャナ１０により照明光を走査させるには、まず、環状弾性体２１のファイバ支持部２９における軸方向の中央付近が節で照明用光ファイバ１１の先端部が腹となるような照明用光ファイバ１１の屈曲共振周波数を励起させる。

一方の一対の圧電素子２３（以下、Ａ相の圧電素子２３とする。）に屈曲共振周波数に対応する交番電圧を印加すると、これらＡ相の圧電素子２３に振動が発生する。そして、Ａ相の圧電素子２３に発生した振動が環状弾性体２１の振動伝達部２７を介して照明用光ファイバ１１に伝達され、照明用光ファイバ１１の先端部分が長手方向に交差する一方向（例えば、図３および図４のＸ軸（Ａ相）方向）に振動する。

同様に、他方の一対の圧電素子２３（以下、Ｂ相の圧電素子２３とする。）に屈曲共振周波数に対応する交番電圧を印加すると、これらＢ相の圧電素子２３に振動が発生する。そして、Ｂ相の圧電素子２３に発生した振動が環状弾性体２１の振動伝達部２７を介して照明用光ファイバ１１に伝達され、照明用光ファイバ１１の先端部分がＸ軸方向に直交する一方向（例えば、図３および図４のＹ軸（Ｂ相）方向）に振動する。

Ａ相の圧電素子２３によるＸ軸方向の振動とＢ相の圧電素子２３によるＹ軸方向の振動とを同時に発生させて、これらＡ相の圧電素子２３およびＢ相の圧電素子２３に印加する交番信号の位相をπ／２ずらすと、照明用光ファイバ１１の先端部の振動が円軌跡を描く。この状態で、Ａ相の圧電素子２３およびＢ相の圧電素子２３に印加する交番電圧の大きさを徐々に増減（電圧変調）させると、照明用光ファイバ１１の先端がスパイラル状に振動する。これにより、照明用光ファイバ１１の先端から出射する照明光を被写体上でスパイラル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１０によれば、振動伝達部２７とファイバ支持部２９とを一体成型してなる環状弾性体２１を用いることで、これら振動伝達部２７とファイバ支持部２９の加工精度のばらつきなどの影響によって生じる組み立てばらつきを抑制することができる。これにより、照明装置３を製造する際に、集光レンズ１３の中心軸に対して照明用光ファイバ１１の中心軸を一致させ易い。したがって、照明用光ファイバ１１と集光レンズ１３との心出しの組み立て調整を容易にして歩留まりを向上することができる。

また、ファイバ支持部２９の外側表面に形成された５つの溝部２９ａにリード線２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｇを収容してエポキシ系接着剤Ｓまたは導電性のエポキシ系接着剤Ｓ´により固定することで、リード線２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｇを安定して配置するとともに、外筒１５にファイバ支持部２９を精度よく嵌合させることができる。

また、本実施形態に係る照明装置３によれば、このような光ファイバスキャナ１０により、照明用光ファイバ１１と集光レンズ１３とを容易かつ精度よく心出しして、性能を向上することができる。したがって、光源１から発せられた照明光を精度よく走査させて、集光レンズ１３により被写体の所望の位置に照射することができる。

さらに、本実施形態に係る内視鏡装置１００によれば、光検出器５により検出された戻り光の強度信号に基づいて得られる被写体の所望の観察範囲の画像情報に基づき、より正確な観察を実現することができる。また、医療等に使用した場合に、体腔内の使用環境に依らずに高精度な走査画像を得ることができる。例えば、体内の狭い部位であっても、拍動、呼吸、蠕動運動などの各種体動による影響も受け難く、正確な観察を行うことができる。

本実施形態は以下のように変形することができる。
本実施形態においては、ファイバ支持部２９が、外周面にリード線２５を収容可能な溝部２９ａを有することとした。これに代えて、第１変形例としては、例えば、図５、図６および図７に示すように、ファイバ支持部２９が、圧電素子２３に接続するリード線２５を挿入可能な貫通孔２９ｂを有することとしてもよい。

この場合、リード線２５Ａ，２５Ｂをファイバ支持部２９の貫通孔２９ｂを通して各圧電素子２３に接続するとともに、エポキシ系接着剤Ｓによって各貫通孔２９ｂにリード線２５Ａ，２５Ｂを固定することとすればよい。また、リード線２５Ｇもファイバ支持部２９の貫通孔２９ｂに挿入して、導電性のエポキシ系接着剤Ｓ´により一端を貫通孔２９ｂに接合することとすればよい。これにより、リード線２５Ａ，２５Ｂを安定して配置することができる。また、照明用光ファイバ１１と集光レンズ１３との心出しおよびリード線２５Ａ，２５Ｂと圧電素子２３との接続の組み立て調整を容易にすることができる。

また、溝部２９ａに代えて貫通孔２９ｂにすることで、ファイバ支持部２９の外部にエポキシ系接着剤Ｓおよび導電性のエポキシ系接着剤Ｓ´がはみ出し難く、外筒１５にファイバ支持部２９を精度よく嵌合させることができる。したがって、振動以外の光ファイバスキャナ１０自体の揺れや、観察対象物の体動など光ファイバスキャナ１０の外部の振動に対しても安定化させることができる。

貫通孔２９ｂは、それぞれファイバ支持部２９の中心軸に平行に形成することが望ましい。このようにすることで、リード線２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｇを無駄に長くすることなく圧電素子２３に接続することができる。また、貫通孔２９ｂは、例えば、ドリル等により形成することとすればよい。

以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本発明を上記の一実施形態およびその変形例に適用したものに限定されることなく、これらの実施形態およびその変形例を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定されるものではない。

１ 光源
３ 照明装置
５ 光検出器（光検出部）
１０ 光ファイバスキャナ
１１ 照明光用光ファイバ（光ファイバ）
１３ 集光レンズ
１５ 外筒
２１ 環状弾性体
２１ａ 嵌合孔
２３ 圧電素子
２７ 振動伝達部
２９ ファイバ支持部
２９ａ 溝部
２９ｂ 貫通孔
１００ 内視鏡装置（観察装置）

Claims (5)

1. 光を導光して先端から出射する光ファイバと、
   該光ファイバの前記先端よりも基端側を嵌合する嵌合孔を有する弾性材料からなる環状弾性体と、
   該環状弾性体に固定され、前記光ファイバの径方向に分極し、該分極方向に交番電圧が印加されることにより前記光ファイバを振動させる複数の圧電素子とを備え、
   前記環状弾性体が、側面に前記複数の圧電素子が貼り付けられ、これら圧電素子の振動を前記光ファイバに伝達する振動伝達部と、該振動伝達部と一体成型され、該振動伝達部における前記圧電素子に対して基端側に間隔をあけた位置において前記光ファイバを接着剤により接着固定し、片持ち梁状に支持するファイバ支持部とを有する光ファイバスキャナ。
2. 前記ファイバ支持部が、外側表面に、前記圧電素子に接続された配線を収容可能な溝部を有する請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
3. 前記ファイバ支持部が、前記圧電素子に接続する配線を挿入可能な貫通孔を有する請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の光ファイバスキャナと、
   前記光ファイバにより導光する光を発生する光源と、
   前記光ファイバから出射された光を集光する集光レンズと、
   該集光レンズおよび前記光ファイバスキャナを収容し、前記ファイバ支持部を保持する外筒とを備える照明装置。
5. 請求項４に記載の照明装置と、
   該照明装置によって被検体に光が照射されることにより、該被検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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