JPWO2017068651A1 - 光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置 - Google Patents

Abstract

圧電素子の振動を光ファイバに効率よく伝達するとともに、光ファイバの先端の振動を容易に増大させることを目的として、本発明に係る光ファイバスキャナ（１０）は、光を導光して先端から射出する細長い光ファイバ（１１）と、先端から基端側に間隔をあけた位置において光ファイバ（１１）の外周面を覆うように外周面に密着状態に接着された弾性材料からなるコイルバネ（２１）と、コイルバネ（２１）の外周面に接着されることにより固定され、所定の周波数の交番電圧が印加されることによって光ファイバ（１１）の長手方向に伸縮振動してコイルバネ（２１）を介して光ファイバ（１１）に、長手方向に交差する方向の屈曲振動を発生させる圧電素子（２３Ａ）と、圧電素子（２３Ａ）よりも基端側においてコイルバネ（２１）に固定された固定部（２５）とを備え、コイルバネ（２１）が、基端側から先端側に向かって広くなるピッチ間隔を有する。

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。

片持梁光ファイバをチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）アクチュエータ（以下、圧電素子という。）によって屈曲振動させて、片持梁光ファイバの先端から射出される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、２参照。）。

特許文献１の光ファイバスキャナは、片持梁光ファイバおよび筒状の圧電素子を共通のベースによって片持ち梁状に保持し、圧電素子が発生した振動を、ベースを介して片持梁光ファイバに伝達している。
また、特許文献２の光ファイバスキャナは、ベースに固定された筒状のフェルールの貫通孔に光ファイバを貫通させて接着し、フェルールの外面に圧電素子を固定している。

特許第５０６９１０５号公報 国際公開第２０１３／０６９３８２号

特許文献１の光ファイバスキャナは、筒状の圧電素子と該圧電素子の内側を通る片持梁光ファイバとの間に空隙が存在し、全体として剛性の低い構造となっている。低剛性の光ファイバスキャナは、共振したときに周波数の低い低次の振動モードが発生し易く、さらに低次の振動モードに起因して周波数の高い高次の振動モード（スプリアスモード）が発生する。高次の振動モードが光ファイバの本来の振動モードと重なる場合には、片持梁光ファイバの振動に他の部分が共鳴してしまい、単一の振動モードで光ファイバを安定的に振動させることができず、光を所望の軌跡に沿って安定的に走査することができない。

また、特許文献２の光ファイバスキャナは、フェルールの貫通孔内周面と光ファイバの外周面とを全長にわたって接着する構造であるため、圧電素子の振動を光ファイバに直接的に伝達することができる反面、フェルールの剛性が支配的となって光ファイバの先端の振動を増大させることが難しい。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、圧電素子の振動を光ファイバに効率よく伝達するとともに、光ファイバの先端の振動を容易に増大させ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する。

本発明の一態様は、光を導光して先端から射出する細長い光ファイバと、前記先端から基端側に間隔をあけた位置において前記光ファイバの外周面を覆うように該外周面に密着状態に接着された弾性材料からなるコイルバネと、該コイルバネの外周面に接着されることにより固定され、所定の周波数の交番電圧が印加されることによって前記光ファイバの長手方向に伸縮振動して前記コイルバネを介して前記光ファイバに、前記長手方向に交差する方向の屈曲振動を発生させる圧電素子と、該圧電素子よりも基端側において前記コイルバネに固定された固定部とを備え、前記コイルバネが、基端側から先端側に向かって広くなるピッチ間隔を有する光ファイバスキャナである。

本態様によれば、固定部を介してコイルバネの基端部を周囲の部材に固定した状態において圧電素子に交番電圧を印加すると、固定部の位置を節とし、交番電圧の周波数に等しい周波数の屈曲振動がコイルバネに発生し、該屈曲振動が光ファイバに伝達される。光ファイバのコイルバネよりも先端側の部分は、先端が自由端となる片持ち梁状にコイルバネによって支持されているので、コイルバネから伝達された屈曲振動によって光ファイバの先端が長手方向に交差する方向に振動し、光ファイバの先端から射出される光が該光の進行方向に交差する方向に走査される。

この場合に、圧電素子と光ファイバとの間にコイルバネが設けられていることにより、光ファイバスキャナは全体として光ファイバ単体よりも剛性の高い構造となっているので、低次モードの振動が発生し難い。さらに、コイルバネは交番電圧の周波数とは異なる固有振動数を有しているので、光ファイバの突出部の屈曲振動にコイルバネが共鳴振動することがない。

したがって、所定の周波数以外の周波数の振動モードの発生が防止され、光ファイバの突出部は、単一の周波数の振動モードで安定的に振動し続ける。これにより、光ファイバの振動を安定させて所望の走査軌跡を安定的に得ることができる。
また、コイルバネは、曲げ剛性が低いので、圧電素子による屈曲振動が阻害され難く、光ファイバの先端の振動の振幅を効率よく増大させることができる。

そして、この場合において、コイルバネのピッチ間隔が、基端側から先端側に向かって広くなっているので、コイルバネは基端側よりも先端側の方が曲がり易くなっており、圧電素子の伸縮方向に追従しやすく、光ファイバの振動を阻害しない。これにより、所望の軌跡に沿って光ファイバの先端から光を射出することができる。

上記態様においては、前記コイルバネのピッチ間隔が、基端側から先端側に向かって連続的に広くなっていてもよい。
このようにすることで、コイルバネの曲がり易さを、基端側から先端側に向かって連続的に大きくすることができる。光ファイバの振動の振幅は、基端側から先端に向かって連続的に大きくなるので、コイルバネを圧電素子の伸縮方向により追従させ易く、かつ、光ファイバの振動を阻害せず、所望の軌跡に沿って光ファイバの先端から光を射出することができる。

また、上記態様においては、前記コイルバネのピッチ間隔が、基端側から先端側に向かって段階的に広くなっていてもよい。
このようにすることで、コイルバネの曲がり易さを、基端側から先端側に向かって段階的に大きくすることができる。光ファイバの振動の振幅は、基端側から先端に向かって連続的に大きくなるが、コイルバネの曲がり易さを段階的に大きくしていっても、圧電素子の伸縮方向に追従しやすく、かつ、光ファイバの振動を阻害せず、所望の軌跡に沿って光ファイバの先端から光を射出することができる。

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である。
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、前記圧電素子に前記所定の周波数の交番電圧を供給する電圧供給部とを備える観察装置である。

本発明によれば、圧電素子の振動を光ファイバに効率よく伝達するとともに、光ファイバの先端の振動を容易に増大させ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および照明装置を備える観察装置の全体構成図である。 図１の観察装置の内視鏡の挿入部先端の内部構成を示す長手軸に沿った縦断面図である。 図１の観察装置を先端側から長手軸方向に見た正面図である。 図１の観察装置の変形例を示す縦断面図である。 図１の観察装置の他の変形例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１０、照明装置３および観察装置１００について図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１００は、図１に示されるように、内視鏡２０と、制御装置本体３０と、ディスプレイ４０とを備え、内視鏡２０の挿入部２０ａの先端から射出されるレーザ光Ｌを被写体Ａ上でスパイラル状の走査軌跡Ｂに沿って走査し、被写体Ａの画像を取得する光走査型内視鏡装置である。

本実施形態に係る観察装置１００は、図２に示されるように、照明光を発生させる光源１と、被写体Ａ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って被写体Ａから戻る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、照明装置３および光検出器５を駆動制御する駆動制御装置（電圧供給部）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射出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よりも先端側に配置され、照明用光ファイバ１１から射出された照明光を集光させる集光レンズ１３と、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枠体（外筒）１５と、枠体１５の外周面上に周方向に配列して設けられ、被写体Ａからの戻り光（例えば、照明光の反射光または蛍光）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。
光ファイバスキャナ１０は、図２および図３に示されるように、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の先端から基端側に間隔をあけた位置に照明用光ファイバ１１の外周面を取り巻くように外周面に密着状態に配置されたコイルバネ２１と、該コイルバネ２１の外面に固定された４枚の圧電素子２３Ａ，２３Ｂと、コイルバネ２１の基端部を枠体１５に固定する固定部２５と、圧電素子２３Ａ，２３Ｂに交番電圧を供給するためのリード線２７Ａ，２７Ｂとを備えている。

照明用光ファイバ１１は、細長いガラス材からなり、枠体１５の長手方向に沿って配されている。照明用光ファイバ１１の先端は枠体１５の内部の先端部近傍に配されている。照明用光ファイバ１１の基端は枠体１５の基端から外部へ延びて光源１に接続されている。以下、照明用光ファイバ１１の長手方向をＺ方向とし、照明用光ファイバ１１の互いに直交する２つの半径方向をＸ方向およびＹ方向とする。

コイルバネ２１は、自由状態において照明用光ファイバ１１の外径寸法と略同等以下の内径寸法を有している。
また、コイルバネ２１は、一端から所定長さにわたって隣接する線材を密着させた第１バネ部２１Ａと、該第１バネ部２１Ａ以外の部分において、一定のピッチ間隔をあけた第２バネ部２１Ｂとを備えている。

コイルバネ２１は、内側に照明用光ファイバ１１を貫通させることで、照明用光ファイバ１１の外周面に内面を密着させた状態に配置されている。コイルバネ２１の内面と照明用光ファイバ１１の外周面とは、エポキシ系接着剤によって互いに接着固定されている。以下、コイルバネ２１の先端面から先端側に突出している照明用光ファイバ１１の先端部分を突出部１１ａという。

コイルバネ２１は、剛性が高い材質、例えば、金属（鉄、アルミニウム合金、チタン等）、合成樹脂（硬性プラスチック）、ガラスおよびカーボンから選択される材質により構成されている。後述するように、コイルバネ２１を共通ＧＮＤとして用いる場合には、コイルバネ２１は導電性の金属材料で構成されていることあるいは、導電性の金属材料からなるコーティングが施されていることが必要である。

圧電素子２３Ａ，２３Ｂ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る矩形の平板状である。圧電素子２３Ａ，２３Ｂは、表面に＋の電極処理が施され、裏面に−の電極処理が施されており、これによって＋極から−極に向かって板厚方向に分極している。図中の矢印Ｐは、圧電素子２３Ａ，２３Ｂの分極方向を示している。

４枚の圧電素子は、２枚のＡ相用の圧電素子２３Ａと２枚のＢ相用の圧電素子２３Ｂとからなる。Ａ相用の圧電素子２３ＡおよびＢ相用の圧電素子２３Ｂは、図３に示されるように、コイルバネ２１の周方向に均等な間隔をあけて交互に配列し、コイルバネ２１の外周面に導電性の接着剤により固定されている。Ｘ方向に互いに対向する２枚のＡ相用の圧電素子２３Ａは、分極方向がＸ方向の同一方向を向くように配置され、Ｙ方向に互いに対向する２枚のＢ相用の圧電素子２３Ｂは、分極方向がＹ方向の同一方向を向くように配置されている。

固定部２５は、貫通孔２６を有する円筒状の部材であり、圧電素子２３Ａ，２３Ｂよりも基端側に位置するコイルバネ２１の第１バネ部全体を貫通孔２６に嵌合させた状態で導電性の接着剤により固定している。固定部２５の外周面は、枠体１５の内壁に固定されている。これにより、コイルバネ２１は、先端を自由端とする片持ち梁状に固定部２５によって支持され、照明用光ファイバ１１の突出部１１ａは、先端を自由端とする片持ち梁状にコイルバネ２１によって支持されている。また、固定部２５は、コイルバネ２１を介して４枚の圧電素子２３Ａ，２３Ｂのコイルバネ２１側の電極と電気的に接続されており、圧電素子２３Ａ，２３Ｂ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。

２枚のＡ相用の圧電素子２３Ａには、Ａ相用のリード線２７Ａが導電性接着剤によって接合されている。２枚のＢ相用の圧電素子２２Ｂには、Ｂ相用のリード線２７Ｂが導電性接着剤によって接合されている。固定部２５には、ＧＮＤリード線（図示略）が接合されている。固定部２５には、周方向に間隔をあけた４箇所にＺ方向に延びる溝が形成されており、各溝内にリード線２７Ａ，２７Ｂが１本ずつ収容されている。各リード線２７Ａ，２７ＢおよびＧＮＤリード線は、駆動制御装置７に接続されている。

照明用光ファイバ１１の突出部１１ａおよびコイルバネ２１は、上述のように、各々の先端を自由端とする片持ち梁構造を有する。したがって、照明用光ファイバ１１の突出部１１ａおよびコイルバネ２１の固有振動数Ｆ１，Ｆ２（Ｈｚ）は、各々のヤング率Ｅ（Ｎ／ｍ２）、断面２次モーメントＩ（ｍ４）、ＸＹ平面における断面積Ａ（ｍ２）、Ｚ方向の長さＬ（ｍ）、密度ρ（Ｋｇ／ｍ３）を用いて、下式（１）によってそれぞれ表される。λは、振動モードによって決まる無次元の係数である。

駆動制御装置７は、リード線２７Ａを介してＡ相用の圧電素子２３Ａに所定の駆動周波数を有するＡ相の交番電圧を印加し、リード線２７Ｂを介してＢ相用の圧電素子２３Ｂに所定の駆動周波数を有するＢ相の交番電圧を印加する。所定の駆動周波数は、照明用光ファイバ１１の突出部１１ａの固有振動数Ｆ１と等しい周波数または固有振動数Ｆ１の近傍の周波数に設定される。駆動制御装置７は、位相が互いにπ／２だけ異なり、かつ、振幅が正弦波状に時間変化するＡ相の交番電圧およびＢ相の交番電圧を各リード線２７Ａ，２７Ｂに供給する。

ここで、コイルバネ２１は、交番電圧の所定の駆動周波数とは異なる固有振動数Ｆ２を有するように、すなわち、照明用光ファイバ１１の突出部１１ａの固有振動数Ｆ１より大きな固有振動数Ｆ２を有するように設計されている。

次に、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および観察装置１００の作用について説明する。
本実施形態に係る観察装置１００を用いて被写体Ａを観察するには、駆動制御装置７を作動させ、光源１から照明用光ファイバ１１に照明光を供給させるとともに、リード線２７Ａ，２７Ｂを介して圧電素子２３Ａ，２３Ｂに所定の駆動周波数を有する交番電圧を印加させる。

Ａ相の交番電圧が印加されたＡ相用の圧電素子２３Ａは、分極方向に直交するＺ方向に伸縮振動する。このときに、２枚の圧電素子２３Ａのうち、一方がＺ方向に縮み、他方がＺ方向に伸びることにより、コイルバネ２１に、固定部２５の位置を節とするＸ方向の屈曲振動が励起される。そして、コイルバネ２１の屈曲振動が照明用光ファイバ１１に伝達されることにより、突出部１１ａが交番電圧の駆動周波数と等しい周波数でＸ方向に屈曲振動して照明用光ファイバ１１の先端がＸ方向に振動し、先端から射出される照明光がＸ方向に直線的に走査される。

Ｂ相の交番電圧が印加されたＢ相用の圧電素子２３Ｂは、分極方向に直交するＺ方向に伸縮振動する。このときに、２枚の圧電素子２３Ｂのうち、一方がＺ方向に縮み、他方がＺ方向に伸びることにより、コイルバネ２１に固定部２５の位置を節とするＹ方向の屈曲振動が励起される。そして、コイルバネ２１の屈曲振動が照明用光ファイバ１１に伝達されることにより、突出部１１ａが交番電圧の駆動周波数と等しい周波数でＹ方向に屈曲振動し、先端から射出される照明光がＹ方向に直線的に走査される。

ここで、Ａ相の交番電圧の位相とＢ相の交番電圧の位相とは互いにπ／２ずれており、かつ、Ａ相の交番電圧およびＢ相の交番電圧の振幅が正弦波状に時間変化することによって、照明用光ファイバ１１の先端がスパイラル状の軌跡に沿って振動し、照明光が被写体Ａ上においてスパイラル状の軌跡に沿って２次元的に走査される。また、駆動周波数は突出部１１ａの固有振動数Ｆ１と等しいまたは近傍の周波数であるので、突出部１１ａを効率的に励振させることができる。

被写体Ａからの戻り光は、複数本の検出用光ファイバ１７によって受光され、その強度が光検出器５によって検出される。駆動制御装置７は、照明光の走査周期と同期して光検出器５に戻り光を検出させ、検出された戻り光の強度を照明光の走査位置と対応付けることによって被写体Ａの画像を生成する。

この場合に、本実施形態によれば、圧電素子２３Ａ，２３Ｂと照明用光ファイバ１１との間にコイルバネ２１が設けられていることにより、光ファイバスキャナ１０は全体として照明用光ファイバ１１単体よりも剛性の高い構造を有するので、駆動周波数よりも低い周波数の低次の振動モードが発生し難い。さらに、コイルバネ２１の固有振動数Ｆ２が交番電圧の駆動周波数より大きく設定されているので、照明用光ファイバ１１の突出部１１ａの駆動周波数での振動に共鳴してコイルバネ２１が振動してしまうことが防止される。

したがって、駆動周波数とは異なる周波数の振動モードが発生してしまうことがなく、照明用光ファイバ１１には単一の振動モードのみが発生する。これにより、照明用光ファイバ１１の突出部１１ａを所定の駆動周波数で安定的に振動させ続けることができ、所望のスパイラル状の軌跡に沿って照明光を安定的に走査することができる。

また、圧電素子２３Ａ，２３Ｂと照明用光ファイバ１１との間にコイルバネ２１を接着しているので、圧電素子２３Ａ，２３Ｂの振動をより直接的に照明用光ファイバ１１に伝達することができる。そして、コイルバネ２１は、円筒状の剛体からなるフェルールと比較して曲げ剛性を十分に低く抑えることができる。したがって、照明用光ファイバ１１の振動がコイルバネ２１によって阻害されることがなく、突出部１１ａの振動の振幅を容易に増大させることができるという利点がある。

また、本実施形態においては、コイルバネ２１として、固定部２５の貫通孔２６に嵌合する第１バネ部２１Ａが密着コイルバネからなり、固定部２５よりも先端側において照明用光ファイバ１１の外面に巻き付く第２バネ部２１Ｂが一定のピッチ間隔を有しているものを使用しているので、振動の節となって照明用光ファイバ１１に屈曲振動が生じない固定部２５における剛性を高くし、屈曲振動が発生する部分におけるコイルバネ２１の曲げ剛性を小さくすることができる。これにより、照明用光ファイバ１１の振動の振幅を増大させ易くすることができるという利点がある。また、線材どうしが間隔をあけているので、固定部２５側からの不要振動を減衰させ、照明用光ファイバ１１の先端に伝わり難くすることもできる。

なお、本実施形態においては、第２バネ部２１Ｂが一定のピッチ間隔を有するコイルバネ２１を例示したが、これに代えて、図４に示されるように、固定部２５の貫通孔２６に嵌合される一端側の第１バネ部２１Ａから他端側に向かって連続的にピッチ間隔が大きくなっていく第２バネ部２１Ｂを有するコイルバネを採用してもよい。また、図５に示されるように、固定部２５の貫通孔２６に嵌合される一端側の第１バネ部２１Ａから他端側に向かって段階的にピッチ間隔が大きくなっていく第２バネ部２１Ｂを有するコイルバネを採用してもよい。

このようにすることで、屈曲振動の振幅が大きくなる先端に向かって、コイルバネ２１のピッチ間隔を大きくしておくことにより、先端に向かって曲げ剛性を小さくすることができ、照明用光ファイバ１１の屈曲振動を阻害することなく、振幅を効率的に増大させることができるという利点がある。

１ 光源
３ 照明装置
５ 光検出部
７ 駆動制御装置（電圧供給部）
１０ 光ファイバスキャナ
１１ 照明用光ファイバ（光ファイバ）
２１ コイルバネ
２３Ａ，２３Ｂ 圧電素子
２５ 固定部
１００ 観察装置
Ａ 被写体

Claims (5)

1. 光を導光して先端から射出する細長い光ファイバと、
   前記先端から基端側に間隔をあけた位置において前記光ファイバの外周面を覆うように該外周面に密着状態に接着された弾性材料からなるコイルバネと、
   該コイルバネの外周面に接着されることにより固定され、所定の周波数の交番電圧が印加されることによって前記光ファイバの長手方向に伸縮振動して前記コイルバネを介して前記光ファイバに、前記長手方向に交差する方向の屈曲振動を発生させる圧電素子と、
   該圧電素子よりも基端側において前記コイルバネに固定された固定部とを備え、
   前記コイルバネが、基端側から先端側に向かって広くなるピッチ間隔を有する光ファイバスキャナ。
2. 前記コイルバネのピッチ間隔が、基端側から先端側に向かって連続的に広くなる請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
3. 前記コイルバネのピッチ間隔が、基端側から先端側に向かって段階的に広くなる請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
4. 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３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。
5. 請求項４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、
   前記圧電素子に前記所定の周波数の交番電圧を供給する電圧供給部とを備える観察装置。

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