JPWO2018092302A1 - 光走査装置および光走査装置の組立調整方法 - Google Patents
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Abstract
本発明の光走査装置は、被写体に向けて照明光を先端部から射出する光ファイバと、先端部および該先端部と一体的に振動する部材を含む振動体のn次の共振周波数Fnの近傍の駆動周波数を有する交番信号が印加されることによって、光ファイバの先端部を該光ファイバの長手方向と直交する平面内で振動させる駆動力を発生する駆動部とを備え、振動体の、n次の共振周波数Fnとこれに隣接するn±1次の共振周波数Fn±1との差の絶対値が、0.25×Fn以下である。
Description
本発明は、光走査装置および光走査装置の組立調整方法に関するものである。
従来、振動する光ファイバの先端から被写体に向かって照明光を射出することによって被写体上で照明光を走査する光走査装置を備えた内視鏡が知られている(例えば、特許文献1参照。)。光ファイバの先端を振動させる手段として、圧電素子が発生する振動によって光ファイバの先端を振動させる方式が用いられている。
光ファイバの振幅が大きい程、照明光の照射範囲、すなわち観察範囲が広くなり、さらに取得される画像の精細度が増すため、光ファイバの振幅は大きい方が好ましい。一般に、光ファイバの振幅を増大する方法には、駆動部に入力するエネルギーを増大する方法と、光ファイバを振動駆動する駆動周波数を光ファイバの共振周波数に近付ける方法とがある。
しかしながら、入力エネルギーを増大する方法は、特に医療用の細径な内視鏡には不向きである。すなわち、医療用途の内視鏡においては、使用に適した電圧の範囲が存在する。また、圧電素子に印加可能な電圧には上限があり、上限を超える電圧が圧電素子に印加されると圧電素子が正常に振動しなくなる。さらに、圧電素子が大きい程、発生する駆動力も大きくなるが、細径な内視鏡には小さな圧電素子しか組み込むことができない。
一方、駆動周波数を光ファイバの共振周波数に近付ける方法においては、駆動周波数が共振周波数に近付く程、光ファイバの先端の振動が不安定となって振動軌跡の歪みが大きくなり、照明光を所望の軌跡に沿って走査することが難しくなる。そのため、駆動周波数を共振周波数からある程度離す必要があり、駆動周波数の調整のみでは光ファイバの振幅を効果的に増大することは難しい。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、入力エネルギーを増大せずとも光ファイバの振動振幅を効果的に増大することができる光走査装置および光走査装置の組立調整方法を提供することを目的とする。
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。
本発明の第1の態様は、被写体に向けて照明光を先端部から射出する光ファイバと、前記先端部および該先端部と一体的に振動する部材を含む振動体のn次の共振周波数Fnの近傍の駆動周波数を有する交番信号が印加されることによって、前記光ファイバの前記先端部を該光ファイバの長手方向と直交する平面内で振動させる駆動力を発生する駆動部とを備え、前記振動体の、前記n次の共振周波数Fnとこれに隣接するn±1次の共振周波数Fn±1との差が、下式(1)を満たす光走査装置である。
|Fn±1−Fn| ≦ 0.25Fn …(1)
本発明の第1の態様は、被写体に向けて照明光を先端部から射出する光ファイバと、前記先端部および該先端部と一体的に振動する部材を含む振動体のn次の共振周波数Fnの近傍の駆動周波数を有する交番信号が印加されることによって、前記光ファイバの前記先端部を該光ファイバの長手方向と直交する平面内で振動させる駆動力を発生する駆動部とを備え、前記振動体の、前記n次の共振周波数Fnとこれに隣接するn±1次の共振周波数Fn±1との差が、下式(1)を満たす光走査装置である。
|Fn±1−Fn| ≦ 0.25Fn …(1)
本発明によれば、駆動部に交番信号が印加されて駆動部が駆動力を発生すると、光ファイバの先端部を含む振動体が振動し、光ファイバの先端部から射出される照明光が該照明光の光軸に直交する平面内で走査される。このときに、n次の共振周波数の近傍の周波数で振動体を振動させることによって、共鳴効果により大きな振幅を得ることができる。
この場合に、振動体をn次の共振周波数の近傍で振動させたときの振幅は、n次の共振周波数とn±1次の共振周波数との差|Fn±1−Fn|に依存し、差|Fn±1−Fn|が小さくなる程、すなわちn次の共振周波数に対してn±1次の共振周波数が近接する程、振幅が大きくなる。条件式(1)は、n次の共振周波数に対してn±1次の共振周波数を近接させることによる振幅の増大効果が得られる範囲を規定したものである。差|Fn±1−Fn|は、振動体の構造によって決まる。このように、差|Fn±1−Fn|を小さくすることによって、駆動部への入力エネルギーの増大に頼ることなく、光ファイバの振動振幅を効果的に増大することができる。
上記第1の態様においては、前記n次の共振周波数Fnと前記n±1次の共振周波数Fn±1との差が、3kHz以下であることが好ましい。
このようにすることで、n次の共振周波数に対してn±1次の共振周波数を近接させることによる振幅の増大効果をさらに高めることができる。
このようにすることで、n次の共振周波数に対してn±1次の共振周波数を近接させることによる振幅の増大効果をさらに高めることができる。
上記第1の態様においては、前記駆動周波数が、前記振動体の3次以下の共振周波数の近傍の周波数である(すなわち、条件式(1)においてn≦3である)ことが好ましい。
振動体の振幅を大きくするためには、より低次の共振周波数の共鳴を利用することが好ましい。振動体を3次以下の共振周波数の近傍の周波数で振動させることによって、実用的な光ファイバの先端の振幅を得ることができる。
振動体の振幅を大きくするためには、より低次の共振周波数の共鳴を利用することが好ましい。振動体を3次以下の共振周波数の近傍の周波数で振動させることによって、実用的な光ファイバの先端の振幅を得ることができる。
本発明の第2の態様は、被写体に向けて照明光を先端部から射出する光ファイバと、前記先端部および該先端部と一体的に振動する部材を含む振動体のn次の共振周波数Fnの近傍の駆動周波数を有する交番信号が印加されることによって、前記光ファイバの前記先端部を該光ファイバの長手方向と直交する平面内で振動させる駆動力を発生する駆動部とを備える光走査装置の組立調整方法であって、前記光ファイバと前記駆動部とを組み立てる組立工程において、前記振動体の、前記n次の共振周波数Fnとこれに隣接するn±1次の共振周波数Fn±1との差が、下式(1)を満たすように、前記振動体の共振周波数を支配する構造パラメータを調整する光走査装置の組立調整方法である。
|Fn±1−Fn| ≦ 0.25Fn …(1)
|Fn±1−Fn| ≦ 0.25Fn …(1)
上記第2の態様においては、前記組立工程において調整される前記構造パラメータが、前記光ファイバの前記先端部の長さおよび該先端部を支持するフェルールの長さのうち少なくとも一方であってもよい。
このようにすることで、部材の加工を伴わずに、光ファイバおよびフェルールの位置調整のみで、振動体の共振周波数の差|Fn±1−Fn|を調整することができる。
このようにすることで、部材の加工を伴わずに、光ファイバおよびフェルールの位置調整のみで、振動体の共振周波数の差|Fn±1−Fn|を調整することができる。
本発明によれば、入力エネルギーを増大せずとも光ファイバの振動振幅を効果的に増大することができるという効果を奏する。
以下に、本発明の一実施形態に係る光走査装置1およびこれを備える光走査型内視鏡システム100について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る光走査型内視鏡システム100は、図1に示されるように、細長い挿入部20aを有する内視鏡20と、該内視鏡20に接続されたレーザ光源30、光検出器40および駆動制御部50と、駆動制御部50に接続されたディスプレイ60とを備えている。光走査型内視鏡システム100は、内視鏡20の挿入部20aの先端から射出される照明光を被写体S上でスパイラル状の走査軌跡Tに沿って走査し、被写体Sの画像を取得する。
本実施形態に係る光走査型内視鏡システム100は、図1に示されるように、細長い挿入部20aを有する内視鏡20と、該内視鏡20に接続されたレーザ光源30、光検出器40および駆動制御部50と、駆動制御部50に接続されたディスプレイ60とを備えている。光走査型内視鏡システム100は、内視鏡20の挿入部20aの先端から射出される照明光を被写体S上でスパイラル状の走査軌跡Tに沿って走査し、被写体Sの画像を取得する。
図2Aは、挿入部20aの先端部に設けられた光走査装置1の構成を示している。図2Aに示されるように、内視鏡20は、挿入部20a内に長手方向に沿って設けられた細長い筒状の枠体10と、該枠体10内に設けられた光走査装置1と、枠体10の外周面上に設けられ被写体Sからの戻り光(例えば、照明光の反射光または蛍光)を受光する検出用の光ファイバ11とを備えている。
光走査装置1は、図2Aおよび図2Bに示されるように、照明用の光ファイバ2と、光ファイバ2を支持する筒状のフェルール3と、該フェルール3の外周面に固定された複数枚の圧電素子(駆動部)4A,4B,4C,4Dとを備えている。
光ファイバ2は、石英からなるマルチモードファイバまたはシングルモードファイバであり、長手軸を有する円柱状である。光ファイバ2は、枠体10内に長手方向に沿って配置され、光ファイバ2の先端は枠体10内の先端部に配置されている。光ファイバ2の基端はレーザ光源30に接続され、レーザ光源30から光ファイバ2に供給された照明光が光ファイバ2の先端から射出される。符号6は、光ファイバ2から射出された照明光を集光させる集光レンズである。以下、光ファイバ2の長手方向をZ方向とし、光ファイバ2の互いに直交する2つの径方向をX方向およびY方向とする。
フェルール3は、弾性を有する金属(例えば、ニッケルまたは銅)からなり、中心軸に沿って貫通する貫通孔3aを有する四角筒状の部材からなる。光ファイバ2は、貫通孔3a内に挿入され、光ファイバ2の先端から基端側に向かってZ方向に間隔をあけた位置にフェルール3が取り付けられている。貫通孔3aの内周面と光ファイバ2の外周面とは、接着剤によって固定されている。以下、フェルール3の先端面からZ方向に突出する光ファイバ2の先端部を突出部2aという。
フェルール3の基端部には、光走査装置1を枠体10に固定するための固定部5が設けられている。固定部5は、フェルール3よりも大きな外形寸法を有する円筒状の部材であり、フェルール3の基端部が固定部5内に挿入されている。固定部5の内周面は、フェルール3の基端部に固定され、固定部5の外周面は、枠体10の内壁に固定されている。これにより、フェルール3および突出部2aはそれぞれ、先端を自由端とする片持ち梁状に固定部5によって支持されている。
圧電素子4A,4B,4C,4Dは、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のような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4A,4B,4C,4Dは、厚さ方向に分極するように、厚さ方向に対向する2つの端面に電極処理が施されている。A相用の2枚の圧電素子4A,4Cは、X方向に対向するフェルール3の2つの側面にそれぞれ、分極方向がX方向と平行となり、かつ互いに同一側を向くように、接着剤によって固定されている。B相用の2枚の圧電素子4B,4Dは、Y方向に対向するフェルール3の2つの側面にそれぞれ、分極方向がY方向と平行となり、かつ互いに同一側を向くように、接着剤によって固定されている。
各圧電素子4A,4B,4C,4Dは、リード線7を介して駆動制御部50に接続され、駆動制御部50から交番電圧(交番信号)が印加される。
A相用の圧電素子4A,4CにA相の交番電圧が印加されると、圧電素子4A,4C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、固定部5の位置を節とするX方向の屈曲振動がフェルール3に励起される。そして、フェルール3の屈曲振動が突出部2aに伝達されることにより、突出部2a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光ファイバ2の先端がX方向に振動する。これにより、先端から射出される照明光がX方向に走査される。
A相用の圧電素子4A,4CにA相の交番電圧が印加されると、圧電素子4A,4C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、固定部5の位置を節とするX方向の屈曲振動がフェルール3に励起される。そして、フェルール3の屈曲振動が突出部2aに伝達されることにより、突出部2a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光ファイバ2の先端がX方向に振動する。これにより、先端から射出される照明光がX方向に走査される。
B相用の圧電素子4B,4DにB相の交番電圧が印加されると、圧電素子4B,4D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、固定部5の位置を節とするY方向の屈曲振動がフェルール3に励起される。そして、フェルール3の屈曲振動が突出部2aに伝達されることにより、突出部2aが交番電圧の駆動周波数と等しい周波数でY方向に屈曲振動して光ファイバ2の先端がY方向に振動する。これにより、先端から射出される照明光がY方向に走査される。
A相の交番電圧およびB相の交番電圧は、互いに等しい駆動周波数と互いにπ/2だけ異なる位相とを有し、かつ、振幅が正弦波状に時間変調される。これにより、光ファイバ2の先端が渦巻き状の軌跡に沿って振動し、照明光が渦巻き状の走査軌跡Tに沿って走査されるようになっている。
ここで、突出部2aを含む振動体の共振周波数と交番電圧の駆動周波数との関係について説明する。
圧電素子4A,4B,4C,4Dに交番電圧が印加されたときに、突出部2aと、該突出部2aを支持するフェルール3と、圧電素子4A,4B,4C,4Dとが、一体的に振動する。このような突出部2a、フェルール3および圧電素子4A,4B,4C,4Dからなる振動体は、周波数の低い方から順に、1次、2次、3次、…の共振周波数を有する。各次数の共振周波数は、突出部2a、フェルール3および圧電素子4A,4B,4C,4Dの構造によって決まる。具体的には、振動体の共振周波数を支配する構造パラメータには、光ファイバ2の径(直径)φと、突出部2aのZ方向の長さ(突出長)dと、フェルール3のX方向およびY方向の幅Wfならびに固定部5よりも先端側に突出する部分のZ方向の長さLfと、圧電素子4A,4B,4C,4Dの幅Wp、Z方向の長さLpおよび厚みTpと、さらに光ファイバ2、フェルール3および圧電素子4A,4B,4C,4Dの密度とが含まれる。
圧電素子4A,4B,4C,4Dに交番電圧が印加されたときに、突出部2aと、該突出部2aを支持するフェルール3と、圧電素子4A,4B,4C,4Dとが、一体的に振動する。このような突出部2a、フェルール3および圧電素子4A,4B,4C,4Dからなる振動体は、周波数の低い方から順に、1次、2次、3次、…の共振周波数を有する。各次数の共振周波数は、突出部2a、フェルール3および圧電素子4A,4B,4C,4Dの構造によって決まる。具体的には、振動体の共振周波数を支配する構造パラメータには、光ファイバ2の径(直径)φと、突出部2aのZ方向の長さ(突出長)dと、フェルール3のX方向およびY方向の幅Wfならびに固定部5よりも先端側に突出する部分のZ方向の長さLfと、圧電素子4A,4B,4C,4Dの幅Wp、Z方向の長さLpおよび厚みTpと、さらに光ファイバ2、フェルール3および圧電素子4A,4B,4C,4Dの密度とが含まれる。
駆動周波数は、振動体のいずれかの次数(n次)の共振周波数の近傍の周波数に設定されている。
振動体のn次の共振周波数Fnと、該n次の共振周波数Fnと周波数方向に隣接するn+1次またはn−1次の共振周波数Fn±1とが、下式(1)を満たすように、上述した構造パラメータの少なくとも1つが設計されている。
|Fn±1−Fn| ≦ 0.25Fn …(1)
振動体のn次の共振周波数Fnと、該n次の共振周波数Fnと周波数方向に隣接するn+1次またはn−1次の共振周波数Fn±1とが、下式(1)を満たすように、上述した構造パラメータの少なくとも1つが設計されている。
|Fn±1−Fn| ≦ 0.25Fn …(1)
すなわち、n次の共振周波数に対してn±1次の共振周波数が近接するように、上述した構造パラメータのうち少なくとも1つが設計されている。ここで、差|Fn±1−Fn|は、3kHz以下となるように調整されていることが好ましく、最小となるように調整されていることがさらに好ましい。
駆動周波数は、振動体の3次以下の共振周波数の近傍の周波数に設定されることが、より好ましい。この場合、1次と2次、2次と3次、または3次と4次の共振周波数の差が条件式(1)を満たすように、構造パラメータが設計される。より低次の共振周波数の共鳴によって振動体を振動させることで、突出部2aをより大きな振幅で振動させることができる。
本実施形態において、n次の共振周波数の近傍とは、図3に示されるように、圧電素子4A,4B,4C,4Dに印加する交番電圧の駆動周波数をゼロから高周波側に掃引したときに、光ファイバ2の先端の振幅が、共鳴効果によって振幅A0よりも増大する範囲を意味する。駆動周波数がゼロであるときは、光ファイバ2の先端の振幅はある一定の値A0であり、低周波数領域においては駆動周波数を上げても振幅はA0のままである。駆動周波数が共振周波数Fnに近付くと、共鳴効果によって振幅がA0から増加し、駆動周波数が共振周波数と一致するときに振幅がピークを示す。さらに駆動周波数を上げていくと、振幅は次第に減少してA0に戻る。
検出用の光ファイバ11は、挿入部20aの先端から光検出器40まで延びている。照明光の照射によって被写体Sにおいて発生した戻り光は、光ファイバ11によって受光され、該光ファイバ11によって光検出器40まで導光され、光検出器40によって検出されるようになっている。戻り光の受光量を増大するために、複数の光ファイバ11が枠体10上に周方向に並んで設けられ、光検出器40が複数の光ファイバ11によって受光された戻り光を検出するように構成されていてもよい。
光検出器40によって検出された戻り光の強度の情報は、駆動制御部50に送信される。駆動制御部50は、圧電素子4A,4B,4C,4Dに印加する交番電圧の各時刻における振幅から、走査軌跡T上における照明光の照射位置を計算し、戻り光の強度の値を照明光の照射位置と対応付けることによって、被写体Sの2次元画像を形成する。形成された2次元画像は、ディスプレイ60に送信されて該ディスプレイ60に表示される。
次に、このように構成された光走査装置1および光走査型内視鏡システム100の作用について説明する。
本実施形態に係る光走査型内視鏡システム100によって被写体Sを観察するには、駆動制御部50から圧電素子4A,4B,4C,4Dへの交番電圧の供給およびレーザ光源30から光ファイバ2への照明光の供給を開始する。これにより、各圧電素子4A,4B,4C,4Dが伸縮振動(駆動力)を発生して光ファイバ2の先端が渦巻き状に振動し、先端から被写体Sに向かって射出される照明光が渦巻き状に走査される。被写体Sからの戻り光は、光ファイバ11によって受光され、光検出器40によって検出される。検出された戻り光の強度は、駆動制御部50において照明光の走査軌跡T上の位置と対応付けられることによって被写体Sの画像が生成され、ディスプレイ60に画像が表示される。
本実施形態に係る光走査型内視鏡システム100によって被写体Sを観察するには、駆動制御部50から圧電素子4A,4B,4C,4Dへの交番電圧の供給およびレーザ光源30から光ファイバ2への照明光の供給を開始する。これにより、各圧電素子4A,4B,4C,4Dが伸縮振動(駆動力)を発生して光ファイバ2の先端が渦巻き状に振動し、先端から被写体Sに向かって射出される照明光が渦巻き状に走査される。被写体Sからの戻り光は、光ファイバ11によって受光され、光検出器40によって検出される。検出された戻り光の強度は、駆動制御部50において照明光の走査軌跡T上の位置と対応付けられることによって被写体Sの画像が生成され、ディスプレイ60に画像が表示される。
この場合に、本実施形態によれば、振動体のn次の共振周波数Fnの近傍の周波数で振動体を振動させることによって、振動体の振幅が共鳴効果によって増大する。さらに、振動体のn次の共振周波数Fnにn±1次の共振周波数Fn±1が近接していることによって、さらに大きな共鳴効果が得られる。これにより、交番電圧の大きさ(振幅)を増大せずとも、突出部2aの振幅を効果的に増大させることができるという利点がある。特に、n次の共振周波数Fnに対してn±1次の共振周波数Fn±1が最接近する場合には、駆動周波数における突出部2aの振幅を最大化することができる。
周波数方向に隣接する2つの共振周波数Fn,Fn±1が近接する構造において光ファイバ2の振動体の振幅が増大する理由は、以下の通りである。
上述したように、振動体の各次数の共振周波数は、突出部2a、フェルール3および圧電素子4A,4B,4C,4Dの構造に応じて決まる。これらの構造を変更したときに、図4Aおよび図4Bに示されるように、隣接する2つの共振周波数Fn,Fn+1は互いに接近または離間し、各共振周波数Fn,Fn+1で振動させたときの振動体の振幅も変化する。図4Aおよび図4Bは、互いに異なる構造を有する振動体の共振周波数Fn,Fn+1を表している。
上述したように、振動体の各次数の共振周波数は、突出部2a、フェルール3および圧電素子4A,4B,4C,4Dの構造に応じて決まる。これらの構造を変更したときに、図4Aおよび図4Bに示されるように、隣接する2つの共振周波数Fn,Fn+1は互いに接近または離間し、各共振周波数Fn,Fn+1で振動させたときの振動体の振幅も変化する。図4Aおよび図4Bは、互いに異なる構造を有する振動体の共振周波数Fn,Fn+1を表している。
ここで、振動体をn次の共振周波数Fnまたはこの近傍で振動させたときの振動振幅は、n次の共振周波数Fnにn+1次の共振周波数Fn+1が接近するにつれて増大する。これは、n次の共振モードに加えてn+1次の共振モードが励起されて、共鳴効果が二重で発生するためと考えられる。その結果、近接する2つの共振周波数Fn,Fn+1の近傍の周波数において、交番電圧を増大せずとも、突出部2aを含む振動体の振動振幅を大幅に増大させることができる。
特に、差|Fn±1−Fn|が3kHz以下であるときに、顕著な二重の共鳴効果が得られ、突出部2aの振動振幅を効果的に増大させることができる。さらに、n次の共振周波数Fnにn+1次の共振周波数Fn+1を最接近させて差|Fn±1−Fn|を最小としたときには、振幅の増大効果が最大化され、突出部2aの振動振幅を最大化することができる。
さらに、光ファイバ2の先端の振動振幅が大きい程、画像の画素数が増して画像の精細度が高くなる。特に、n次とn±1次の共振周波数の差|Fn±1−Fn|が条件式(1)を満足することによって、高精細な画像を取得することができる。
条件式(1)は、実験結果およびシミュレーション結果に基づき、n次の共振周波数Fnで振動体を振動させたときに、二重の共鳴効果が得られる差|Fn±1−Fn|の範囲を規定したものである。より具体的には、一般的な最大振幅(例えば、45V)を有する交番電圧を印加したときに光ファイバ2の先端の振幅が500μm以上となるような差|Fn±1−Fn|の範囲を規定したものである。共振周波数Fnにおける光ファイバ2の先端の振幅が500μm以上であるときには、十分に高精細な2次元画像を取得することができる。
条件式(1)は、実験結果およびシミュレーション結果に基づき、n次の共振周波数Fnで振動体を振動させたときに、二重の共鳴効果が得られる差|Fn±1−Fn|の範囲を規定したものである。より具体的には、一般的な最大振幅(例えば、45V)を有する交番電圧を印加したときに光ファイバ2の先端の振幅が500μm以上となるような差|Fn±1−Fn|の範囲を規定したものである。共振周波数Fnにおける光ファイバ2の先端の振幅が500μm以上であるときには、十分に高精細な2次元画像を取得することができる。
なお、条件式(1)の範囲は、以下のようにして導かれる。
駆動周波数がn次の共振周波数Fnと一致するときには、振動体の振動が不安定となるため、駆動周波数は、n次の共振周波数Fnとは異ならせる必要がある。さらに、駆動周波数の振幅変調に伴って駆動周波数の低周波側および高周波側に現れる側波帯も、共振周波数Fnとは異ならせる必要がある。したがって、振動体を安定して振動させるために、駆動周波数と共振周波数Fnとの差は少なくとも100Hz確保され、側波帯も考慮するとさらに30Hz確保される。したがって、駆動周波数は、n次の共振周波数Fn±130Hzに設定される。
駆動周波数がn次の共振周波数Fnと一致するときには、振動体の振動が不安定となるため、駆動周波数は、n次の共振周波数Fnとは異ならせる必要がある。さらに、駆動周波数の振幅変調に伴って駆動周波数の低周波側および高周波側に現れる側波帯も、共振周波数Fnとは異ならせる必要がある。したがって、振動体を安定して振動させるために、駆動周波数と共振周波数Fnとの差は少なくとも100Hz確保され、側波帯も考慮するとさらに30Hz確保される。したがって、駆動周波数は、n次の共振周波数Fn±130Hzに設定される。
ここで、光ファイバ2のQ値について考える。Q値とは、駆動周波数を共振周波数F0に近付けたときに振幅がどの程度増大するかを示す振幅増大係数であり、下式によって定義される。下式において、F1およびF2は、共振周波数F0の低周波側および高周波側でそれぞれ、振幅が共振周波数F0における最大振幅Ap(μm)の1/√2倍となる周波数である。Q値が大きい程、共振周波数F0において大きな振幅が得られる。
Q=F0/(F2−F1)
Q=F0/(F2−F1)
本実施形態の光走査装置1においては、Q値が100程度である光ファイバ2の使用を想定しているので、Q値が100である場合について考える。図5に示されるように、共振周波数F0から130Hzずれた駆動周波数fdでの光ファイバ2の先端の振幅は、約0.4Apである。したがって、光ファイバ2の先端の振動範囲は、±0.4Apとなる。一方、一般に可視域で使用されるシングルモードファイバのモードフィールド径は、3.5μmである。したがって、照明光のX方向またはY方向の1走査ライン上での画素数は、2×0.4Ap/3.5と表され、2次元画像の画素数に換算すると、(2×0.4Ap/3.5)^2となる。これより、光ファイバ2の先端の振幅が大きい程、2次元画像の画素数が増大することが分かる。
例えば、医療用途では、2次元画像は、画素数が13000画素以上であれば、高精細であると言える。以上から、n次の共振周波数Fnにおける突出部2aの最大振幅Apを500μm以上(駆動周波数fdにおける振幅が約200μm)とすることによって、高精細な画像を取得することができる。
なお、光ファイバ2の先端の振幅を増大させるのではなく、集光レンズ6の投影倍率を増大することによっても、被写体S上での照明光の走査範囲(すなわち画角)を拡大することができる。ただし、集光レンズ6の投影倍率の増大に伴って被写体Sに投影される照明光のスポット径も拡大されるため、画像の分解能が低下する。したがって、高精細な画像を取得するためには、光学系の倍率に頼らずに、光ファイバ2の先端の振幅の増大によって画角を拡大することが好ましい。
次に、光走査装置1の組立調整方法について説明する。
本実施形態に係る光走査装置1の組立調整方法は、光ファイバ2とフェルール3と圧電素子4A,4B,4C,4Dとを組み立てる組立工程において、振動体のn次およびn±1次の共振周波数Fn,Fn±1を測定し、共振周波数Fn,Fn±1間の差に基づいて突出長dを調整する調整工程を含む。
本実施形態に係る光走査装置1の組立調整方法は、光ファイバ2とフェルール3と圧電素子4A,4B,4C,4Dとを組み立てる組立工程において、振動体のn次およびn±1次の共振周波数Fn,Fn±1を測定し、共振周波数Fn,Fn±1間の差に基づいて突出長dを調整する調整工程を含む。
光ファイバ2とフェルール3は接着剤によって互いに接合される。したがって、調整工程は、フェルール3の貫通孔3a内に光ファイバ2を挿入した後、接着剤が硬化する前に行われる。調整工程において、突出長dを変化させながら振動体のn次およびn±1次の共振周波数Fn,Fn±1を測定し、差|Fn±1−Fn|が0.25Fn以下となるような、好ましくは差|Fn±1−Fn|が最小となるような突出長を特定し、光ファイバ2の突出長dが特定された突出長となるように、光ファイバ2に対してフェルール3を位置決めする。その後、接着剤を硬化させる。
このように、突出長dの調整は、部材の加工を必要とせず、光ファイバ2とフェルール3との相対位置の調整のみによって行われる。したがって、共振周波数Fn,Fn±1の最適化を容易に行うことができる。
このように、突出長dの調整は、部材の加工を必要とせず、光ファイバ2とフェルール3との相対位置の調整のみによって行われる。したがって、共振周波数Fn,Fn±1の最適化を容易に行うことができる。
共振周波数Fn,Fn+1の測定には、インピーダンスアナライザが好適に使用される。インピーダンスアナライザは、圧電素子4A,4B,4C,4Dへの微小な電圧の印加によってインピーダンスを測定することができるので、測定時の光ファイバ2の振動はわずかで済む。したがって、接着剤が未硬化な状態であっても、測定誤差はわずかであり、振動体の共振周波数を正確に測定することができる。
振幅が最大化されるように突出長dを調整する他の方法として、圧電素子4A,4B,4C,4Dに電圧を印加して実際に突出部2aを振動させたときの振幅を測定する方法がある。しかし、接着剤の硬化前に突出部2aを大きく振動させると、フェルール3と光ファイバ2との位置ずれが生じて突出長dが変化してしまい、振幅の正確な測定が困難である。フェルール3と光ファイバ2との位置ずれが生じないように、突出部2aの振幅を微小に抑えた場合には、振幅の正確な測定が困難である。
調整工程においては、突出長d以外の構造パラメータを調整してもよい。
フェルール3の長さLfの調整は、フェルール3と固定部5との相対位置の調整のみによって行われ、突出長dの調整と同様に部材の加工を必要としない。したがって、共振周波数Fn,Fn±1の最適化を容易に行うことができる。
あるいは、調整工程においては、光ファイバ2、フェルール3および圧電素子4A,4B,4C,4Dに切削等の加工を施して、他の構造パラメータφ,Wf,Wp,Lp,Tpを調整してもよい。
フェルール3の長さLfの調整は、フェルール3と固定部5との相対位置の調整のみによって行われ、突出長dの調整と同様に部材の加工を必要としない。したがって、共振周波数Fn,Fn±1の最適化を容易に行うことができる。
あるいは、調整工程においては、光ファイバ2、フェルール3および圧電素子4A,4B,4C,4Dに切削等の加工を施して、他の構造パラメータφ,Wf,Wp,Lp,Tpを調整してもよい。
また、共振周波数Fn,Fn±1を調整するための構造パラメータの数は、1つのみでもよいが、複数であってもよい。例えば、複数の構造パラメータを同時に変化させたときの1次および2次の共振周波数を測定して、1次の共振周波数と2次の共振周波数とが最接近するような複数の構造パラメータの組み合わせを採用してもよい。
次に、本実施形態に係る光走査装置1の実施例1から3について説明する。
表1に、実施例1から3に係る光走査装置の設計値および条件式(1)の値を示す。
表1に、実施例1から3に係る光走査装置の設計値および条件式(1)の値を示す。
(実施例1)
実施例1に係る光走査装置において、振動体の1次の共振周波数と2次の共振周波数との差が最小となるように、突出長dを設計した。
図6は、突出長を1mmから2mmまで変化させたときの、振動体の1次の共振周波数および2次の共振周波数の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。図7は、突出長を1mmから2mmまで変化させたときの光ファイバ2の先端の振幅の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。図7のシミュレーションにおいて、圧電素子に印加する交番電圧の大きさは45Vに設定し、駆動周波数は1次の共振周波数と等しい周波数に設定した。
実施例1に係る光走査装置において、振動体の1次の共振周波数と2次の共振周波数との差が最小となるように、突出長dを設計した。
図6は、突出長を1mmから2mmまで変化させたときの、振動体の1次の共振周波数および2次の共振周波数の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。図7は、突出長を1mmから2mmまで変化させたときの光ファイバ2の先端の振幅の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。図7のシミュレーションにおいて、圧電素子に印加する交番電圧の大きさは45Vに設定し、駆動周波数は1次の共振周波数と等しい周波数に設定した。
図6に示されるように、突出長が1mmから長くなるにつれて、2次の共振周波数が1次の共振周波数に近付き、突出長が1.4mmであるときに1次の共振周波数と2次の共振周波数との差が最小となる。一方、図7に示されるように、光ファイバ2の先端の振幅は、突出長が1.4mmであるときに最大となる。
図8は、突出長を1mmから2mmまで変化させたときの、1次の共振周波数および2次の共振周波数の変化を実験によって求めた結果を示している。図9は、突出長を1mmから2mmまで変化させたときの光ファイバ2の先端の振幅の変化を実験によって求めた結果を示している。図9の実験において、圧電素子に印加する交番電圧の大きさは45Vに設定し、駆動周波数は1次の共振周波数と等しい周波数に設定した。
図8および図9から分かるように、実験結果は、図6および図7のシミュレーション結果と良好に一致した。
図8および図9から分かるように、実験結果は、図6および図7のシミュレーション結果と良好に一致した。
(実施例2)
実施例2に係る光走査装置において、振動体の1次の共振周波数と2次の共振周波数との差が最小となるように、光ファイバの径φを設計した。
図10は、光ファイバの径を0.02mmから0.08mmまで変化させたときの、振動体の1次の共振周波数および2次の共振周波数の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。図11は、光ファイバの径を0.02mmから0.08mmまで変化させたときの光ファイバ2の先端の振幅の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。図11のシミュレーションにおいて、圧電素子に印加する交番電圧の大きさは45Vに設定し、駆動周波数は1次の共振周波数と等しい周波数に設定した。
実施例2に係る光走査装置において、振動体の1次の共振周波数と2次の共振周波数との差が最小となるように、光ファイバの径φを設計した。
図10は、光ファイバの径を0.02mmから0.08mmまで変化させたときの、振動体の1次の共振周波数および2次の共振周波数の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。図11は、光ファイバの径を0.02mmから0.08mmまで変化させたときの光ファイバ2の先端の振幅の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。図11のシミュレーションにおいて、圧電素子に印加する交番電圧の大きさは45Vに設定し、駆動周波数は1次の共振周波数と等しい周波数に設定した。
図10に示されるように、光ファイバの径が0.08mmから小さくなるにつれて、2次の共振周波数が低くなり、光ファイバの径が0.03mmであるときに1次の共振周波数と2次の共振周波数との差が最小となる。一方、図11に示されるように、光ファイバ2の先端の振幅は、光ファイバの径が0.03mmであるときに最大となる。
(実施例3)
実施例3に係る光走査装置において、振動体の1次の共振周波数と2次の共振周波数との差が最小となるように、フェルール長Lfおよび圧電素子長Lpを設計した。圧電素子長は、フェルール長に応じて決まる。具体的には、圧電素子長は、フェルールの両端部が圧電素子よりもZ方向に0.1mm程度突出するように、フェルール長よりも0.2mm程度短く設計される。
実施例3に係る光走査装置において、振動体の1次の共振周波数と2次の共振周波数との差が最小となるように、フェルール長Lfおよび圧電素子長Lpを設計した。圧電素子長は、フェルール長に応じて決まる。具体的には、圧電素子長は、フェルールの両端部が圧電素子よりもZ方向に0.1mm程度突出するように、フェルール長よりも0.2mm程度短く設計される。
図12は、フェルール長を1.6mmから2.8mmまで変化させたときの、振動体の1次の共振周波数および2次の共振周波数の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。図13は、フェルール長を1.6mmから2.8mmまで変化させたときの光ファイバ2の先端の振幅の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。図13のシミュレーションにおいて、圧電素子に印加する交番電圧の大きさは45Vに設定し、駆動周波数は1次の共振周波数と等しい周波数に設定した。
図12に示されるように、フェルール長が1.6mmから長くなるにつれて、2次の共振周波数が低くなり、フェルール長が2.5mmであるときに1次の共振周波数と2次の共振周波数との差が最小となる。一方、図13に示されるように、光ファイバ2の先端の振幅は、フェルール長が2.5mmであるときに最大となる。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
例えば、圧電素子4A,4B,4C,4Dに代えて永久磁石および電磁コイルを用いた駆動部を採用してもよい。
例えば、圧電素子4A,4B,4C,4Dに代えて永久磁石および電磁コイルを用いた駆動部を採用してもよい。
永久磁石は、長手方向に着磁されて両端に磁極を有する筒状である。永久磁石内には、突出部2aを構成する先端部が永久磁石から突出するように光ファイバ2が挿入され、光ファイバ2の外周面に永久磁石が固定される。電磁コイルは、永久磁石の各磁極とX方向およびY方向に対向する位置にそれぞれ設けられる。配線ケーブルを介して駆動制御部50から電磁コイルに交番電流(交番信号)が供給されることにより、電磁コイルが永久磁石の磁極の近傍に磁場を発生させて永久磁石がX方向およびY方向に振動し、それにより突出部2aが振動するようになっている。
本変形例において、振動体は、永久磁石および光ファイバ2からなる。したがって、振動体の共振周波数を支配する構造パラメータには、光ファイバ2の径(直径)φと、突出部2aのZ方向の長さ(突出長)dと、永久磁石の幅、厚み、Z方向の長さと、光ファイバ2および永久磁石の密度とが含まれる。
1 光走査装置
2 光ファイバ
2a 突出部(先端部)
3 フェルール
4A,4B,4C,4D 圧電素子(駆動部)
2 光ファイバ
2a 突出部(先端部)
3 フェルール
4A,4B,4C,4D 圧電素子(駆動部)
Claims (5)
- 被写体に向けて照明光を先端部から射出する光ファイバと、
前記先端部および該先端部と一体的に振動する部材を含む振動体のn次の共振周波数Fnの近傍の駆動周波数を有する交番信号が印加されることによって、前記光ファイバの前記先端部を該光ファイバの長手方向と直交する平面内で振動させる駆動力を発生する駆動部とを備え、
前記振動体の、前記n次の共振周波数Fnとこれに隣接するn±1次の共振周波数Fn±1との差が、下式(1)を満たす光走査装置。
|Fn±1−Fn| ≦ 0.25Fn …(1) - 前記n次の共振周波数Fnと前記n±1次の共振周波数Fn±1との差が、3kHz以下である請求項1に記載の光走査装置。
- 前記駆動周波数が、前記振動体の3次以下の共振周波数の近傍の周波数である請求項1または請求項2に記載の光走査装置。
- 被写体に向けて照明光を先端部から射出する光ファイバと、前記先端部および該先端部と一体的に振動する部材を含む振動体のn次の共振周波数Fnの近傍の駆動周波数を有する交番信号が印加されることによって、前記光ファイバの前記先端部を該光ファイバの長手方向と直交する平面内で振動させる駆動力を発生する駆動部とを備える光走査装置の組立調整方法であって、
前記光ファイバと前記駆動部とを組み立てる組立工程において、前記振動体の、前記n次の共振周波数Fnとこれに隣接するn±1次の共振周波数Fn±1との差が、下式(1)を満たすように、前記振動体の共振周波数を支配する構造パラメータを調整する光走査装置の組立調整方法。
|Fn±1−Fn| ≦ 0.25Fn …(1) - 前記組立工程において調整される前記構造パラメータが、前記光ファイバの前記先端部の長さおよび該先端部を支持するフェルールの長さのうち少なくとも一方である請求項4に記載の光走査装置の組立調整方法。
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2016
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2019
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