JPWO2018092316A1 - 光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置 - Google Patents

Abstract

電極の幅方向に半田あるいは導電性接着剤がはみ出した場合であっても、表裏の電極の短絡の可能性を低減することを目的として、本発明に係る光ファイバスキャナ（８）は、照明光を導光して先端から射出する光ファイバ（１０）と、光ファイバの外面に固定され、光ファイバの先端を、光ファイバの長手軸に直交する方向に振動させる１以上の振動部（１１）とを備え、振動部が、板厚方向に印加される交番電圧によって光ファイバの長手方向に伸縮させられる１以上の板状の圧電素子（１５）と、圧電素子の板厚方向に対向する表裏面にそれぞれ設けられた電極（１６ａ，１６ｂ）とを備え、圧電素子の表面側の電極が、交番電圧を供給するリード線（１８）が電気的に接続される接続面を有し、接続面の位置における電極の端縁から振動部の裏面までの沿面距離が、電極間の圧電素子の厚さ寸法より大きく設定されている。

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。

導光してきた光を先端から射出させる光ファイバと、該光ファイバの先端を長手軸に交差する方向に振動させる振動部とからな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。）。
振動部は、光ファイバを貫通させる四角筒状のフェルールの周囲の４面に、厚さ方向の表裏面にそれぞれ電極が設けられたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる平板状の圧電素子を貼り付けて構成されている。フェルールは導電性材料からなり、全ての圧電素子の一方の電極が接続された共通電極として機能している。全ての圧電素子の他方の電極には、リード線が接続されている。

各圧電素子の電極間に交番電圧を印加することにより、各圧電素子を長手方向に伸縮させることができ、各圧電素子の伸縮動作の位相を調節することにより、光ファイバの先端から射出される光によって任意の軌跡を描くように、光ファイバの先端を振動させることができる。

特開２０１４−１８０３１７号公報

特許文献１の光ファイバにおいては、各圧電素子の電極にリード線を半田付けあるいは導電性接着剤によって接着する場合に、半田あるいは導電性接着剤が電極の幅方向にはみ出すと、はみ出した半田あるいは導電性接着剤によって圧電素子の表裏の電極が容易に短絡してしまう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、電極の幅方向に半田あるいは導電性接着剤がはみ出した場合であっても、表裏の電極の短絡の可能性を低減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。

本発明の一態様は、照明光を導光して先端から射出する光ファイバと、該光ファイバの外面に固定され、該光ファイバの前記先端を、該光ファイバの長手軸に直交する方向に振動させる１以上の振動部とを備え、該振動部が、板厚方向に印加される交番電圧によって前記光ファイバの長手方向に伸縮させられる１以上の板状の圧電素子と、該圧電素子の板厚方向に対向する表裏面にそれぞれ設けられた電極とを備え、前記圧電素子の表面側の前記電極が、交番電圧を供給するリード線が電気的に接続される接続面を有し、該接続面の位置における前記電極の端縁から前記振動部の裏面までの沿面距離が、前記電極間の前記圧電素子の厚さ寸法より大きく設定されている光ファイバスキャナである。

本態様によれば、光源からの照明光を光ファイバによって導光するとともに、振動部を作動させて光ファイバの先端を長手軸に直交する方向に振動させることにより、光ファイバの先端から射出される照明光を所定の軌跡で走査させることができる。この場合に、振動部に備えられている圧電素子の板厚方向に対向する表裏面に設けられた電極間に交番電圧を印加することにより、圧電素子を光ファイバの長手方向に伸縮させて光ファイバを長手軸に直交する方向に振動させることができる。

圧電素子に印加される交番電圧は、表面側の電極の接続面に接続されるリード線を介して供給される。本態様によれば、リード線が接続されている位置における接続面から圧電素子の裏面までの沿面距離が電極間の圧電素子の厚さ寸法より拡大されているので、その分、リード線を表面側の電極の接続面に接着するための半田あるいは導電性接着剤が接続面からはみ出しても、裏面の電極に短絡し難くすることができる。その結果、光ファイバスキャナの動作不良や歩留まりの低下を防止することができる。

上記態様においては、前記表面側の前記電極が、少なくとも前記接続面の位置において、前記圧電素子の側面よりも内側に前記端縁を有し、前記接続面の位置における前記電極の前記端縁から前記圧電素子の裏面までの沿面距離が、前記電極間の前記圧電素子の厚さ寸法より大きく設定されてていてもよい。
このようにすることで、接続面の位置において表面側の電極の端縁が圧電素子の側面より引っ込んだ位置に配置され、電極の端縁より外側に露出している圧電素子の表面側部分によって、電極からはみ出した半田や導電性接着剤が圧電素子の側面側に流れることを阻止することができる。

また、上記態様においては、前記端縁よりも外側に位置する前記圧電素子に、前記端縁から外側に向かって、前記裏面に近接する方向に傾斜する傾斜面を有していてもよい。
このようにすることで、顕微鏡で拡大観察しながら表面側の電極の接続面へのリード線の接続作業を行う場合に、電極の端縁よりも外側の圧電素子部分が傾斜面によって裏面に近づく方向に傾斜していることにより、顕微鏡の短い被写界深度外に圧電素子部分を配置して、電極を鮮明に撮影して、リード線の接続作業を容易にすることができる。

また、上記態様においては、前記表裏面の前記電極が同一の面積を有し、相互に正対する位置に配置されていてもよい。
このようにすることで、電極間に配置される圧電素子の分極方向を平行に形成して、印加する交番電圧に応じて圧電素子を精度よく変形させ、光ファイバスキャナを安定的に駆動することができる。

また、上記態様においては、前記振動部が、前記圧電素子と隣接して一体形成され、前記接続面の位置に、他の部位より厚さ寸法の大きな厚肉部を更に有し、前記接続面の位置における前記電極の前記端縁から前記厚肉部の裏面までの沿面距離が、前記電極間の前記圧電素子の厚さ寸法より大きく設定されていてもよい。
このようにすることで、接続面から圧電素子の裏面までの距離を厚さ寸法の差分だけ長くすることができ、接続面の端縁からはみ出した半田または導電性接着剤が、圧電素子の裏面まで到達し難くすることができる。

また、上記態様においては、前記振動部が、前記圧電素子と隣接して設けられ、前記接続面の位置に隣接して、前記リード線を幅方向に位置決めする溝を有するリード線保持部を有していてもよい。
このようにすることで、接続面の位置において、リード線がリード線保持部の溝に収容されることによって表面側の電極に対して幅方向に位置決めされるので、リード線を接続面に固定するための半田あるいは導電性接着剤が電極から幅方向にはみ出し難くすることができる。

また、本発明の他の態様は、前記照明光を発生する光源と、上記いずれかの光ファイバスキャナと、該光ファイバスキャナにより走査された前記照明光を集光する集光レンズ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、該照明装置により観察対象に前記照明光が照射されたときに、該観察対象からの戻り光を受光する光検出部とを備える観察装置である。

本発明によれば、電極の幅方向に半田あるいは導電性接着剤がはみ出した場合であっても、表裏の電極の短絡の可能性を低減することができるという効果を奏する。

本発明の光走査型観察装置を備える光走査型観察システム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。 図２の観察装置に備えられる光ファイバスキャナを示す部分的な縦断面図である。 図３の光ファイバスキャナに備えられる圧電素子および電極を示す斜視図である。 図４の圧電素子および電極の第１の変形例を示す側面図である。 図４の圧電素子および電極の第２の変形例を示す斜視図である。 図４の圧電素子および電極の第３の変形例を示す側面図である。 図４の圧電素子および電極の第４の変形例を示す斜視図である。 図４の圧電素子および電極の第５の変形例を示す斜視図である。

本発明の第１の実施形態に係る光ファイバスキャナ８、照明装置３および観察装置１を備える光走査型観察システム１００について、図面を参照して以下に説明する。
光走査型観察システム１００は、図１に示されるように、本実施形態に係る観察装置１と、観察装置１を制御する制御装置５０と、モニタ６０とを備えている。
光走査型観察システム１００は、照明光を観察対象Ａ上でスパイラル状の走査軌跡に沿って走査し、観察対象Ａの画像を取得する観察システムである。
制御装置５０は、図２に示されるように、後述する光検出器６、光源７および駆動制御装置３０により構成されている。

本発明の一実施形態に係る光ファイバスキャナ８、照明装置３および観察装置１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１は、図２に示されるように、後述する装置本体２内部から照明光を照射する照明装置３と、該照明装置３により観察対象Ａに照射された照明光の観察対象Ａからの戻り光（例えば、反射光、蛍光）を受光する光検出部４とを備えている。

光検出部４は、装置本体２の外周面に周方向に並んで配列され、観察対象Ａからの戻り光を先端において受光して導光する複数の受光用光ファイバ５と、該受光用光ファイバ５の基端に接続され、導光されてきた戻り光を検出する光検出器６とを備えている。

照明装置３は、図２に示されるように、照明光を発生する光源（例えば、レーザダイオード）７と、円筒状の装置本体２と、該装置本体２の内部に収容されて照明光を２次元的に走査する本実施形態に係る光ファイバスキャナ８と、該光ファイバスキャナ８により走査された照明光を集光する集光レンズ９と、光源７および光ファイバスキャナ８を制御する駆動制御装置３０とを備えている。駆動制御装置３０は、照明光を二次元的（図中、Ｘ，Ｙ方向）に走査させるように駆動制御する。

本実施形態に係る光ファイバスキャナ８は、図２および図３に示されるように、光源７からの照明光を導光して先端１０ａから射出する光ファイバ１０と、該光ファイバ１０を貫通させる貫通孔１３を有する四角柱状の弾性材料からなる振動伝達部材１４と、該振動伝達部材１４の４つの外面にそれぞれ固定され、光ファイバ１０の先端１０ａを長手軸に直交する方向に振動させる４つの振動部１１と、光ファイバ１０を装置本体２に支持させる支持部１２とを備えている。
振動部１１は、振動伝達部材１４の外面に固定された圧電素子１５と、駆動制御装置３０から交番電圧が印加される電極１６ａ，１６ｂとを備えている。

圧電素子１５は、厚さ（板厚）方向の表裏面に配置される電極１６ａ，１６ｂ間に印加される交番電圧によって光ファイバ１０の長手方向に伸縮させられるようになっている。圧電素子１５を伸縮させることにより、その振動が振動伝達部材１４を介して光ファイバ１０に伝達され、照明光を射出する光ファイバ１０の先端１０ａが、長手軸に交差する方向に変位させられるようになっている。
ここで、圧電素子１５の振動伝達部材１４側に固定される面を裏面、振動伝達部材１４とは反対側に配置される面を表面という。

振動伝達部材１４を挟んで反対側に配置される一対の圧電素子１５は、分極方向を同一方向に揃えて振動伝達部材１４に固定されている。これにより、各対の圧電素子１５に対しては、外側に位置する電極１６ａに同じ交番電圧を印加することにより、一方の圧電素子１５が伸張するときに他方の圧電素子１５が収縮して、光ファイバ１０に屈曲振動を発生させることができるようになっている。
すなわち、２対４個の圧電素子１５は、互いに直交する２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。

振動伝達部材１４は、導電性を有する弾性材料からなり、光ファイバ１０の先端１０ａから基端側に長手軸方向に沿って所定の間隔を空けた光ファイバ１０の長手軸方向の途中位置に配置されている。

本実施形態においては、図３および図４に示されるように、圧電素子１５の裏面側に配置される電極１６ｂは圧電素子１５の裏面の全面を覆う面積を有している一方、圧電素子１５の表面側に配置される電極１６ａは圧電素子１５の表面の面積より小さく、圧電素子１５の４つの側面からそれぞれ内側に間隔をあけた位置に端縁を有している。
図３に示されるように、圧電素子１５の裏面側に位置する電極１６ｂは導電性接着剤により振動伝達部材１４に接着され、図示していないリード線が振動伝達部材１４に半田または導電性接着剤で固定され、それを介して駆動制御装置３０のＧＮＤと電気的に接続している。また、圧電素子１５の表面側に位置する電極１６ａの圧電素子１５に接着されている面とは反対側の面（接続面）には交番電圧を供給するリード線１８が半田または導電性接着剤により固定され、リード線１８を介して駆動制御装置３０の交番電圧の出力端と電気的に接続している。

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８を組み立てる際に、各圧電素子１５の表面側の電極１６ａにリード線１８を半田あるいは導電性接着剤により固定する作業において、圧電素子１５の幅方向の中心に対しリード線１８が一方向にずれることがある。特に、圧電素子１５の幅が１００μｍ、厚さが５０μｍ、リード線１８の直径が３０μｍのように極めて微細な構造である場合には、顕微鏡観察下において位置合わせを行ってもリード線１８と圧電素子１５とが幅方向にずれてしまうことがある。

このような場合に、リード線１８が圧電素子１５の中心からずれた状態で半田付けや導電性接着剤の塗布を行うと、半田や導電性接着剤が電極１６ａから幅方向にはみ出してしまう場合がある。本実施形態に係る光ファイバスキャナ８によれば、リード線１８を固定する表面側の電極１６ａが圧電素子１５の側面から内側に引っ込んだ位置に端縁を有するので、半田や導電性接着剤が電極１６ａからはみ出しても圧電素子１５の側面を伝って流れ落ちないように保持することができる。

すなわち、電極１６ａの外側に圧電素子１５が配置されているので、電極１６ａからはみ出しても即座に流れ落ちないように圧電素子１５によって保持される。
したがって、半田や導電性接着剤が圧電素子１５の側面を伝って流れ、表面側の電極１６ａと振動伝達部材１４とが短絡されてしまう不都合の発生を防止することができ、歩留まりの低下や圧電素子１５の動作不良を防止することができるという利点がある。

これにより、本実施形態に係る光ファイバスキャナ８によれば、圧電素子１５の動作不良による故障や照明光の走査軌跡の乱れを防止することができる。また、本実施形態に係る照明装置３によれば、照明光を精度よく走査させることができる。また、本実施形態に係る観察装置１によれば、照明光を精度よく走査させて歪みのない画像を取得することができる。

なお、本実施形態においては、振動部１１として、振動伝達部材１４を介して光ファイバ１０の外面に固定されるものを用いたが、これに代えて、振動部１１が光ファイバ１０の外面に直接固定されていてもよい。
なお、本実施形態においては、振動部１１として、圧電素子１５が単一のものを一例として説明したが、複数であってもよい。

また、本実施形態においては、表側の電極１６ａの端縁を圧電素子１５の側面から内側に引っ込めて、振動部１１の裏面（電極１６ｂが設けられている圧電素子１５の裏面または電極１６ｂの圧電素子１５と接着された面と反対側の面）から表面の電極１６ａの端縁までの圧電素子１５の表面に沿う距離（沿面距離）を圧電素子１５の厚さ寸法より大きくすることで、電極１６ａの端縁からはみ出した半田や導電性接着剤によって電極１６ａ，１６ｂ間が短絡してしまう不都合の発生を防止した。

これに代えて、図５に示されるように、裏面の電極１６ｂについても表面の電極１６ａと同一の面積とし、各端縁を圧電素子１５の側面から内側に引っ込めた位置に配置することにしてもよい。
このようにすることで、電極１６ａ，１６ｂ間に形成される圧電活性領域の各位置において、分極方向が平行となるようにすることができ、圧電素子１５の駆動安定性を向上することができるという利点がある。

また、図６に示されるように、表面側の電極１６ａの周囲に露出している圧電素子１５部分に面取りを施して傾斜面１７を設けることにしてもよい。
上述したように、電極１６ａへのリード線１８の接続作業は顕微鏡による拡大観察下で行われるため、電極１６ａとその周囲の圧電素子１５のエッジ部分の高さ方向位置を異ならせることにより、電極１６ａ近傍のみを顕微鏡の被写界深度内に配置して、電極１６ａを鮮明に観察しながらリード線１８の接続作業を行うことができる。これにより、リード線１８を電極１６ａの幅方向の中心位置により容易に近づけながら接続作業を実施することができ、半田や導電性接着剤の電極１６aからのはみ出しを防止することができる。

また、この場合に、図７に示されるように、裏面側の電極１６ｂについても表面側の電極１６ａと同一の面積とし、各端縁を圧電素子１５の側面から内側に引っ込めた位置に配置することにしてもよい。また、この場合に裏面については傾斜面１７を設けないことにより、圧電素子１５の表裏の別の認識を容易にして組み立て作業を容易にすることができる。
なお、裏面についても傾斜面を設けることにしてもよい。

また、本実施形態においては、表面側の電極１６ａを圧電素子１５よりも小さくすることにより、振動部１１の裏面から表面側の電極１６ａの端縁までの圧電素子１５の表面に沿う距離（沿面距離）を圧電素子１５の厚さより長くしたが、これに代えて、図８に示されるように、振動部１１の一部に、電極１６ａ，１６ｂ間に配置される圧電活性領域における圧電素子１５の厚さ寸法よりも大きな厚さ寸法を有する厚肉部１９を圧電素子１５に隣接するように設け、表面側の電極１６ａを厚肉部１９の表面まで延ばし、該厚肉部１９において、リード線１８を電極１６ａに接続することにしてもよい。

これによっても、リード線１８が接続される位置における表面側の電極１６ａの端縁から振動部１１の厚肉部１９の裏面までの沿面距離を、電極１６ａ，１６ｂに挟まれる圧電活性領域における圧電素子１５の厚さ寸法より大きくして、電極１６ａからはみ出した半田や導電性接着剤が、振動伝達部材１４まで到達して電極１６ａ，１６ｂ間が短絡されてしまうことを抑制することができる。
この場合に、厚肉部１９の裏面には電極１６ｂを設けないことが好ましい。これにより、厚肉部１９を圧電不活性領域として、均一な厚さの圧電活性領域を形成して、圧電素子１５の安定した駆動を実現することができる。

また、図９に示されるように、圧電素子１５の一部に設けた厚肉部１９の幅方向の中央に、リード線１８を収容するＵ字形状の溝２０で構成されたリード線保持部２１を設け、該溝２０に収容されたリード線１８を表面側の電極１６ａに半田等によって固定することにしてもよい。このようにすることで、リード線１８が電極１６ａの幅方向の中心近傍に位置決めされるので、半田等が電極１６ａからはみ出す可能性を低減することができるという利点がある。
また、溝２０として、図９に示されるようなＵ字形状の溝を用いた一例を説明したが、これに代えて、他の形状（例えば、Ｖ字形状等）の溝を採用してもよい。

また、本実施形態においては、圧電素子１５が振動伝達部材１４を介して光ファイバ１０の外周面に固定される場合を例示したが、これに代えて、圧電素子１５が光ファイバ１０の外周面に直接固定されることにしてもよい。

１ 観察装置
３ 照明装置
４ 光検出部
７ 光源
８ 光ファイバスキャナ
９ 集光レンズ
１０ 光ファイバ
１１ 振動部
１５ 圧電素子
１６ａ，１６ｂ 電極
１７ 傾斜面
１８ リード線
１９ 厚肉部
２０ 溝
Ａ 観察対象

Claims (8)

1. 照明光を導光して先端から射出する光ファイバと、
   該光ファイバの外面に固定され、該光ファイバの前記先端を、該光ファイバの長手軸に直交する方向に振動させる１以上の振動部とを備え、
   該振動部が、板厚方向に印加される交番電圧によって前記光ファイバの長手方向に伸縮させられる１以上の板状の圧電素子と、該圧電素子の板厚方向に対向する表裏面にそれぞれ設けられた電極とを備え、
   前記圧電素子の表面側の前記電極が、交番電圧を供給するリード線が電気的に接続される接続面を有し、
   該接続面の位置における前記電極の端縁から前記振動部の裏面までの沿面距離が、前記電極間の前記圧電素子の厚さ寸法より大きく設定されている光ファイバスキャナ。
2. 前記表面側の前記電極が、少なくとも前記接続面の位置において、前記圧電素子の側面よりも内側に前記端縁を有し、
   前記接続面の位置における前記電極の前記端縁から前記圧電素子の裏面までの沿面距離が、前記電極間の前記圧電素子の厚さ寸法より大きく設定されている請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
3. 前記端縁よりも外側に位置する前記圧電素子に、前記端縁から外側に向かって、前記裏面に近接する方向に傾斜する傾斜面を有する請求項２に記載の光ファイバスキャナ。
4. 前記表裏面の前記電極が同一の面積を有し、相互に正対する位置に配置されている請求項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。
5. 前記振動部が、前記圧電素子と隣接して一体形成され、前記接続面の位置に、他の部位より厚さ寸法の大きな厚肉部を更に有し、
   前記接続面の位置における前記電極の前記端縁から前記厚肉部の裏面までの沿面距離が、前記電極間の前記圧電素子の厚さ寸法より大きく設定されている請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
6. 前記振動部が、前記圧電素子と隣接して設けられ、前記接続面の位置に隣接して、前記リード線を幅方向に位置決めする溝を有するリード線保持部を有する請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
7. 前記照明光を発生する光源と、
   請求項１から請求項６のいずれかに記載の光ファイバスキャナと、
   該光ファイバスキャナにより走査された前記照明光を集光する集光レンズとを備える照明装置。
8. 請求項７に記載の照明装置と、
   該照明装置により観察対象に前記照明光が照射されたときに、該観察対象からの戻り光を受光する光検出部とを備える観察装置。
   

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