WO2015053099A1 - 光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置 - Google Patents

光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置 Download PDF

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博士 鶴田
靖明 葛西
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オリンパス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber scanner, an illumination device, and an observation device.
  • An optical fiber scanner that scans an optical fiber is known (for example, see Patent Document 1).
  • An optical fiber scanner described in Patent Document 1 includes a cylindrical lead zirconate titanate (PZT) actuator, an optical fiber scanned in one direction or two directions intersecting each other by a PZT actuator, and an optical fiber in a cantilever manner.
  • a connecting member to be supported, and the bending vibration is propagated to the optical fiber through the connecting member by driving the PZT actuator to cause the bending vibration.
  • the optical fiber scanner described in Patent Document 1 spirally scans an optical fiber by combining two directions of bending vibration generated in the X-axis direction and the Y-axis direction by a PZT actuator in consideration of amplitude and phase. Be able to.
  • the optical fiber scanner described in Patent Document 1 is not configured to support the optical fiber only on the distal end side of the PZT actuator and not to support the optical fiber on the proximal end side.
  • the bending vibrations in the two directions escape from the PZT actuator to the base end side.
  • the vibration escaping from the PZT actuator to the base end side may be affected by some influence and the shape may change and return to the inside of the PZT actuator.
  • the vibration shape inside the PZT actuator is unstable.
  • spiral scanning also becomes unstable.
  • the optical fiber scanner described in Patent Document 1 is not configured to support the optical fiber only on the distal end side of the PZT actuator and not to support the optical fiber on the proximal end side.
  • the bending vibrations in the two directions escape from the PZT actuator to the base end side.
  • the vibration escaping from the PZT actuator to the base end side may be affected by some influence and the shape may change and return to the inside of the PZT actuator.
  • the vibration shape inside the PZT actuator is unstable.
  • spiral scanning also becomes unstable.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide an optical fiber scanner, an illumination device, and an observation device capable of stably bending and vibrating an optical fiber.
  • an optical fiber that guides light and emits it from a tip, and is fixed to a side surface of the optical fiber, and has polarization in a radial direction of the optical fiber, and an alternating voltage in the polarization direction.
  • a plurality of piezoelectric elements that vibrate the optical fiber by being applied, and vibration suppression that suppresses the radial vibration generated at a position spaced from the piezoelectric element in the optical fiber toward the proximal end side
  • an optical fiber scanner that guides light and emits it from a tip, and is fixed to a side surface of the optical fiber, and has polarization in a radial direction of the optical fiber, and an alternating voltage in the polarization direction.
  • the piezoelectric element when an alternating voltage is applied to the piezoelectric element in the polarization direction, the piezoelectric element expands and contracts in the direction orthogonal to the polarization direction, that is, the longitudinal direction of the optical fiber, and the vibration is generated. Is transmitted to the optical fiber to vibrate the optical fiber. Thereby, the light emitted from the tip of the optical fiber can be scanned according to the vibration.
  • the vibration suppression unit suppresses radial vibration generated at a position closer to the base end side than the piezoelectric element in the optical fiber, so that bending vibration generated in the piezoelectric element escapes to the base end side of the optical fiber. Can be suppressed. Even if the vibration escapes from the piezoelectric element to the proximal end side of the optical fiber, it is possible to prevent the vibration from being affected by some influence and changing its shape and returning. Thereby, it is possible to prevent the vibration shape of the piezoelectric element and the vibration of the optical fiber from becoming unstable.
  • the piezoelectric element By forming a gap between the piezoelectric element and the vibration suppression position of the optical fiber by the vibration suppressing unit, the piezoelectric element can be easily expanded and contracted in the longitudinal direction of the optical fiber. Accordingly, it is possible to prevent the vibration suppressing unit from inhibiting the vibration of the piezoelectric element itself and making it difficult to transmit the vibration to the optical fiber. As a result, the optical fiber can be flexibly vibrated.
  • the piezoelectric element may further include a vibration transmission unit that adheres at least the vicinity of both ends in the longitudinal direction of the optical fiber to the optical fiber and transmits the vibration of the piezoelectric element to the optical fiber.
  • the vibration is transmitted to the optical fiber from at least both ends of the piezoelectric element by the vibration transmitting unit.
  • the vibration of the optical fiber can be efficiently propagated to the optical fiber, and the optical fiber can be greatly bent and vibrated in one direction.
  • the said vibration transmission part being distribute
  • the intermediate member which is formed integrally with the said vibration suppression part and consists of nickel or copper distribute
  • the vibrational absorption member formed with the resin material which absorbs the vibration of the said vibration suppression part By comprising in this way, it can suppress that a vibration leaks outside from a vibration suppression part by a vibration absorption member.
  • the vibration suppressing portion can stably suppress the radial vibration generated on the proximal side of the piezoelectric element of the optical fiber, and can stabilize the emission direction of the light emitted from the optical fiber.
  • any one of the above optical fiber scanners, a light source that generates the light guided by the optical fiber, and a condensing lens that collects the light emitted from the optical fiber is provided.
  • a lighting device According to this aspect, the light emitted from the light source can be accurately scanned by the optical fiber scanner that stably bends and vibrates the optical fiber, and the desired position of the subject can be irradiated by the condenser lens.
  • an observation apparatus including the above-described illumination device and a light detection unit that detects return light returning from the subject when the subject is irradiated with light by the illumination device.
  • the light detection unit detects return light that returns from a desired range on the subject that has been scanned with light stably by the illumination device. Therefore, it is possible to acquire image information of a desired observation range of the subject.
  • the optical fiber can be stably bent and vibrated.
  • FIG. 1 It is a schematic block diagram which shows the observation apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. It is the top view which looked at the optical fiber scanner of FIG. 1 in the radial direction of the optical fiber for illumination. It is the top view which looked at FIG. 2A in the longitudinal direction of the optical fiber for illumination. It is a schematic block diagram which shows the optical fiber scanner which concerns on the 1st modification of one Embodiment of this invention. It is the top view which looked at the optical fiber scanner of FIG. 3 in the radial direction of the optical fiber for illumination. It is the top view which looked at FIG. 4A in the longitudinal direction of the optical fiber for illumination. It is a schematic block diagram which shows the optical fiber scanner which concerns on the 2nd modification of one Embodiment of this invention.
  • an observation apparatus 100 includes an illumination apparatus 1 that irradiates a subject with illumination light, and a photodetector (light) that detects return light that returns from the subject when the illumination light is irradiated. And a control device 5 that controls the illumination device 1 and the photodetector 3.
  • the illumination device 1 includes a light source 11 that generates illumination light, an optical fiber scanner 20 that includes an illumination optical fiber 21 that guides the illumination light emitted from the light source 11 and emits the light from the tip, and an illumination optical fiber 21.
  • a condensing lens 13 that condenses the emitted illumination light
  • an elongated cylindrical outer cylinder 15 that houses the optical fiber scanner 20 and the condensing lens 13
  • a covering member 17 that covers the outer peripheral surface of the outer cylinder 15
  • a plurality of optical fibers for detection 19 are provided between the outer cylinder 15 and the covering member 17 and guide the return light from the subject to the photodetector 3.
  • the light source 11 and the photodetector 3 are disposed outside the outer cylinder 15 on one end side in the longitudinal direction.
  • the end on the light source 11 and the photodetector 3 side is the base end, and the opposite end is the tip.
  • the optical fiber scanner 20 includes an illumination optical fiber 21, four piezoelectric elements 23 fixed to the side of the illumination optical fiber 21, and the illumination optical fiber 21 as an outer cylinder. And a fixing part (vibration suppressing part) 25 to be fixed to the motor 15.
  • the illumination optical fiber 21 has an elongated cylindrical shape made of a glass material, and is arranged along the longitudinal direction of the outer cylinder 15.
  • the illumination optical fiber 21 has one end connected to the light source 11 outside the proximal end portion of the outer cylinder 15 and the other end arranged near the distal end portion inside the outer cylinder 15.
  • the illumination optical fiber 21 guides light incident on one end from the light source 11 and emits it from the other end.
  • the piezoelectric element 23 is made of, for example, a piezoelectric ceramic material such as lead zirconate titanate (PZT), and is formed in an elongated plate shape.
  • the piezoelectric element 23 is subjected to + electrode processing on the front surface and ⁇ electrode processing on the back surface, and is polarized in the direction from the + pole to the ⁇ pole, that is, in the plate thickness direction. .
  • the four piezoelectric elements 23 are arranged with the positions shifted by about 90 degrees in the circumferential direction at the same position in the longitudinal direction of the illumination optical fiber 21, and the polarization directions are made to coincide with the radial direction of the illumination optical fiber 21. It is fixed.
  • the polarization direction is indicated by a pair of piezoelectric elements 23 (hereinafter simply referred to as “a pair of piezoelectric elements 23”) facing each other in the radial direction of the illumination optical fiber 21. Are oriented in the same direction.
  • the piezoelectric element 23 is bonded to the side surface of the optical fiber 21 for illumination with a conductive epoxy adhesive (hereinafter simply referred to as “adhesive”, a vibration transmitting portion) 27 in the vicinity of both ends in the longitudinal direction. Yes.
  • the adhesive 27 transmits the vibration of the piezoelectric element 23 to the illumination optical fiber 21.
  • the adhesive 27 is electrically bonded to the back side electrodes of the four piezoelectric elements 23, it can function as a common GND when driving the piezoelectric elements 23.
  • the driving lead wire (GND) 14G is joined to the piezoelectric element 23 via the adhesive 27 applied to the end portion on the distal end side of the illumination optical fiber 21 in the piezoelectric element 23.
  • the driving lead wires 14A constituting the A phase are joined to the electrode surfaces of one pair of piezoelectric elements 23 by a conductive adhesive.
  • Driving lead wires 14B constituting a B phase are joined to the electrode surfaces of the other pair of piezoelectric elements 23 by a conductive adhesive.
  • the piezoelectric element 23 generates vibration (lateral effect) that expands and contracts in a direction orthogonal to the polarization direction when an alternating voltage is applied in the polarization direction by the lead wire 14A or the lead wire 14B. Further, one of the pair of piezoelectric elements 23 contracts and expands and contracts so that the other extends. Thus, the pair of piezoelectric elements 23 can transmit the vibration to the illumination optical fiber 21 via the adhesive 27 so that the tip of the illumination optical fiber 21 can be vibrated in a direction intersecting the longitudinal direction. It has become.
  • the fixing part 25 is made of a metal material such as stainless steel and is formed in an annular shape.
  • the fixing portion 25 is formed with a through hole 25a through which the lead wire 14G is passed.
  • the fixing portion 25 is bonded to the inner wall of the outer cylinder 15 by an electrically conductive epoxy adhesive 27 and the inner peripheral surface is bonded to the side surface of the illumination optical fiber 21. .
  • the fixing portion 25 is fixed at a position spaced from the piezoelectric element 23 in the illumination optical fiber 21 toward the proximal end side, and suppresses radial vibration generated at this position of the illumination optical fiber 21. Be able to. It is desirable that the gap between the piezoelectric element 23 and the fixing portion 25 be separated to such an extent that at least expansion and contraction in the direction intersecting the polarization direction of the piezoelectric element 23 is not hindered.
  • the condenser lens 13 is provided at the distal end of the outer cylinder 15 in the longitudinal direction, condenses the illumination light from the illumination optical fiber 21 and emits it from the distal end of the outer cylinder 15.
  • the detection optical fiber 19 has an elongated cylindrical shape made of a glass material, and is arranged along the longitudinal direction of the outer cylinder 15.
  • the detection optical fibers 19 are arranged at intervals in the circumferential direction of the outer cylinder 15.
  • the detection optical fiber 19 has one end arranged at the tip of the outer cylinder 15 and the other end connected to the photodetector 3, so that the return light incident from one end is guided to the photodetector 3. It has become.
  • control device 5 In addition to controlling the illumination device 1 and the photodetector 3, the control device 5 converts the return light into an electrical signal corresponding to the luminance when the photodetector 3 detects the return light. Further, the control device 5 can read out information (scanning position information) relating to the scanning position of the illumination light by the optical fiber scanner 20, and can generate image information by associating the scanning position information with the electrical signal of the return light. It is like that.
  • the distal end of the outer cylinder 15 is arranged toward the subject, and illumination light is generated from the light source 11. .
  • the illumination light emitted from the light source 11 is guided by the illumination optical fiber 21 and emitted from the tip, and is irradiated on the subject by the condenser lens 13.
  • the control device 5 converts the return light into an electrical signal, which is associated with the scanning position information of the optical fiber scanner 20 and converted into image information. Thereby, the image of the subject irradiated with the illumination light can be acquired.
  • the vicinity of the end of the piezoelectric optical element 23 on the distal end side of the illumination optical fiber 21 is a node, and the vicinity of the distal end of the illumination optical fiber 21 is an antinode.
  • the bending resonance frequency of the optical fiber 21 is excited.
  • A-phase piezoelectric elements 23 When an alternating voltage corresponding to the bending resonance frequency is applied to one pair of piezoelectric elements 23 (hereinafter referred to as A-phase piezoelectric elements 23), an optical fiber for illumination is applied by the A-phase piezoelectric elements 23 to which the alternating voltage is applied. 21 can be swung in one direction (for example, the X-axis (A phase) direction) intersecting the longitudinal direction.
  • the B-phase piezoelectric element 23 when an alternating voltage corresponding to the bending resonance frequency is applied to the other pair of piezoelectric elements 23 (hereinafter referred to as a B-phase piezoelectric element 23), the B-phase piezoelectric element 23 to which the alternating voltage is applied.
  • the tip portion of the illumination optical fiber 21 can be swung in one direction orthogonal to the X-axis direction (for example, the Y-axis (B-phase) direction).
  • the magnitude of the alternating voltage applied to the A-phase piezoelectric element 23 and the B-phase piezoelectric element 23 is gradually increased or decreased (voltage modulation) in a state where the vibration of the tip of the illumination optical fiber 21 forms a circular locus.
  • the tip of the illumination optical fiber 21 vibrates in a spiral shape. Thereby, the illumination light emitted from the tip of the illumination optical fiber 21 can be spirally scanned on the subject.
  • the fixing portion 25 suppresses radial vibration generated at a position closer to the base end side than the piezoelectric element 23 in the illumination optical fiber 21, thereby providing a node at the base end portion of the illumination optical fiber 21.
  • the bending vibration generated in the piezoelectric element 23 can be prevented from escaping to the proximal end side of the illumination optical fiber 21.
  • the piezoelectric element 23 By forming a gap between the piezoelectric element 23 and the fixing position of the illumination optical fiber 21 by the fixing portion 25, the piezoelectric element 23 can be expanded and contracted in the longitudinal direction of the illumination optical fiber 21 without being blocked by the fixing portion 25. Can be made easier. Thereby, it is possible to prevent the vibration of the piezoelectric element 23 itself from being hindered by the fixing portion 25 and the vibration from becoming difficult to propagate to the illumination optical fiber 21.
  • the illumination optical fiber 21 can be stably bent and vibrated, and stable spiral scanning can be performed on the subject.
  • the illuminating device 1 which concerns on this embodiment, the light emitted from the light source 11 can be accurately scanned, and can be irradiated to the desired position of a to-be-photographed object.
  • image information of a desired observation range of the subject can be acquired.
  • This embodiment can be modified as follows.
  • the vicinity of both ends in the longitudinal direction of the piezoelectric element 23 is bonded to the side surface of the illumination optical fiber 21 with the adhesive 27.
  • the adhesive 27 may be bonded to the side surface of the illumination optical fiber 21 over the entire length of the piezoelectric element 23 in the longitudinal direction.
  • the adhesive 27 may be continuously filled in the longitudinal direction of the illumination optical fiber 21 from the piezoelectric element 23 to the fixing portion 25 including the gap between the piezoelectric element 23 and the fixing portion 25.
  • the transmission efficiency of the vibration transmitted from the piezoelectric element 23 to the illumination optical fiber 21 can be improved.
  • the fixing portion 25 can be used as a common GND electrode for the four piezoelectric elements 23.
  • the filling range of the adhesive 27 for bonding the piezoelectric element 23 and the illumination optical fiber 21 is narrow, and the place where the common GND for driving the piezoelectric element 23 is filled is only the portion filled with the adhesive 27. Therefore, it is necessary to route the lead wire 14G connected to the vicinity of the tip of the optical fiber scanner 20 toward the base end side of the optical fiber scanner 20.
  • an intermediate member 31 disposed between the piezoelectric element 23 and the adhesive 27 may be provided as shown in FIG.
  • the intermediate member 31 may be formed in a cylindrical shape having a through-hole through which the illumination optical fiber 21 passes.
  • the intermediate member 31 may be formed integrally with the fixing portion 25 using, for example, nickel or copper as a material, and the thickness may be reduced compared to the radial thickness dimension of the fixing portion 25.
  • the entire inner peripheral surface of the intermediate member 31 may be bonded to the side surface of the illumination optical fiber 21 with an adhesive 27.
  • the intermediate member 31 may be formed in a quadrangular prism shape having a through hole through which the illumination optical fiber 21 passes.
  • the entire surface or the entire back surface of the piezoelectric element 23 may be bonded to the four outer surfaces of the intermediate member 31 with the adhesive 27.
  • the distal end side end portion of the illumination optical fiber 21 on the inner peripheral surface of the intermediate member 31 is bonded to the illumination optical fiber 21 with an adhesive 27.
  • the entire inner peripheral surface of the intermediate member 31 may be bonded to the side surface of the illumination optical fiber 21 with an adhesive 27.
  • an annular vibration absorbing member 33 formed of a resin material having a certain degree of strength such as rubber or silicon is provided, and the vibration absorbing member 33 is fixed to the fixing portion 25. It is good also as arrange
  • the vibration absorbing member 33 can suppress the leakage of vibration from the fixed portion 25 to the outside.
  • the fixing portion 25 absorbs the radial vibration generated on the proximal end side of the illumination optical fiber 21 relative to the piezoelectric element 23, and the illumination optical fiber 21 can be stably fixed. As a result, the emission direction of the illumination light emitted from the illumination optical fiber 21 can be stabilized.
  • the vibration absorbing member 33 may be provided on the entire outer peripheral surface of the fixed portion 25 as shown in FIGS. 9 and 10. Further, as shown in FIG. 11, the vibration absorbing member 33 may be partially provided only on the base end side in the axial direction on the outer peripheral surface of the fixed portion 25. Alternatively, as shown in FIG. 12, the vibration absorbing member 33 may be partially provided only on the distal end side in the axial direction on the outer peripheral surface of the fixed portion 25.
  • the gap between the piezoelectric element 23 and the fixing portion 25 in the longitudinal direction of the illumination optical fiber 21 is filled with an elastic member 35 such as an adhesive over the entire circumferential direction. Also good.
  • fixed part 25 is covered with the elastic member 35, and the rigidity of the optical fiber scanner 20 can be improved. Thereby, the twisting and wobbling of the optical fiber scanner 20 due to vibration, the bending of the optical fiber 21 for illumination, and the like can be suppressed.
  • the present invention is not limited to the one applied to the above-described embodiment and its modifications, but may be applied to an embodiment that appropriately combines these embodiments and their modifications, and is particularly limited. It is not a thing.
  • the configuration in which the four piezoelectric elements 23 are fixed to the side surface of the illumination optical fiber 21 has been described as an example, but it is only necessary that the illumination optical fiber 21 can be vibrated by the piezoelectric element 23.
  • the number of piezoelectric elements 23 is not limited to this.
  • a configuration using only one pair of piezoelectric elements 23 or a configuration in which three piezoelectric elements 23 are fixed at equal intervals in the circumferential direction of the illumination optical fiber 21 may be used.
  • the fixing portion 25 prevents the vibration shape of the piezoelectric element 23 and the vibration of the illumination optical fiber 21 from becoming unstable, and the piezoelectric element 23 is placed in the longitudinal direction of the illumination optical fiber 21. It can be easily expanded and contracted. Thereby, the optical fiber 21 for illumination can be bent and vibrated stably.
  • Photodetector (photodetector) DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Light source 13 Condensing lens 20 Optical fiber scanner 21 Optical fiber for illumination (optical fiber) 23 Piezoelectric element 25 Fixed part (vibration suppressing part) 27 Adhesive (vibration transmission part) 31 Intermediate member 33 Vibration absorbing member 100 Observation device

Abstract

光ファイバスキャナ（２０）は、光を導光して先端から出射する照明用光ファイバ（２１）と、照明用光ファイバ（２１）の側面に固定され、照明用光ファイバ（２１）の径方向に分極を有し、その分極方向に交番電圧が印加されることにより照明用光ファイバ（２１）を振動させる複数の圧電素子（２３）と、照明用光ファイバ（２１）の圧電素子（２３）に対して基端側に間隔をあけた位置に発生する径方向の振動を抑制する振動抑制部（２５）とを備える。

Description

光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置
　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。
　光ファイバ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１参照。）。特許文献１に記載の光ファイバスキャナは、筒状チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）アクチュエータと、ＰＺＴアクチュエータにより１方向または互いに交差する２方向に走査される光ファイバと、光ファイバを片持梁で支持する連結部材とを備えており、ＰＺＴアクチュエータを駆動して屈曲振動させることにより、連結部材を介して光ファイバに屈曲振動を伝播させるようになっている。また、特許文献１に記載の光ファイバスキャナは、ＰＺＴアクチュエータによりＸ軸方向およびＹ軸方向に発生する２方向の屈曲振動を振幅と位相を考慮しながら合成することにより、光ファイバをスパイラル走査させることができるようになっている。
特表２００８－５０４５５７号公報
　特許文献１に記載の光ファイバスキャナは、ＰＺＴアクチュエータの先端側でのみ光ファイバを支持し基端側では光ファイバを支持する構成ではないため、ＰＺＴアクチュエータの内部で生成されるスパイラル走査の基となる２方向の屈曲振動がＰＺＴアクチュエータから基端側に逃げてしまう。その結果、ＰＺＴアクチュエータから基端側に逃げた振動が何らかの影響を受けて形状が変化してＰＺＴアクチュエータの内部に戻ってくることがあり、その場合は、ＰＺＴアクチュエータの内部の振動形状が不安定になり、それに伴ってスパイラル走査も不安定になる。
　特許文献１に記載の光ファイバスキャナは、ＰＺＴアクチュエータの先端側でのみ光ファイバを支持し基端側では光ファイバを支持する構成ではないため、ＰＺＴアクチュエータの内部で生成されるスパイラル走査の基となる２方向の屈曲振動がＰＺＴアクチュエータから基端側に逃げてしまう。その結果、ＰＺＴアクチュエータから基端側に逃げた振動が何らかの影響を受けて形状が変化してＰＺＴアクチュエータの内部に戻ってくることがあり、その場合は、ＰＺＴアクチュエータの内部の振動形状が不安定になり、それに伴ってスパイラル走査も不安定になる。
　本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、光ファイバを安定して屈曲振動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している。
　本発明の第１の態様は、光を導光して先端から出射する光ファイバと、該光ファイバの側面に固定され、該光ファイバの径方向に分極を有し、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、前記光ファイバ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発生する前記径方向の振動を抑制する振動抑制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、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、その振動が光ファイバに伝達されることにより光ファイバが振動する。これにより、光ファイバの先端から出射される光をその振動に応じて走査することができる。
　この場合において、振動抑制部により、光ファイバにおける圧電素子よりも基端側の位置に発生する径方向の振動を抑制することで、圧電素子において発生する屈曲振動が光ファイバの基端側に逃げてしまうのを抑制することができる。仮に圧電素子から光ファイバの基端側に振動が逃げても、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ことができる。これにより、圧電素子の振動形状および光ファイバの振動が不安定になるのを防止することができる。
　圧電素子と振動抑制部による光ファイバの振動の抑制位置との間に隙間を形成することで、圧電素子を光ファイバの長手方向に伸縮させ易くすることができる。これにより、振動抑制部により圧電素子自体の振動が阻害されて光ファイバに振動が伝播され難くなるのを防ぐことができる。
　この結果、光ファイバを安定して屈曲振動させることができる。
　上記態様においては、前記圧電素子の少なくとも前記光ファイバの長手方向の両端部近傍を該光ファイバに接着して該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を備えることとしてもよい。
　このように構成することで、振動伝達部により、圧電素子の少なくとも両端部近傍から振動が光ファイバに伝播される。これにより、光ファイバの振動が光ファイバに効率的に伝播して、光ファイバを１方向に大きく屈曲振動させることができる。
　上記態様においては、前記振動伝達部が前記圧電素子の全長にわたり配されていることとしてもよい。
　このように構成することで、圧電素子から光ファイバに伝達される振動の伝達効率を向上することができる。
　上記態様においては、前記振動抑制部に一体化して形成され、前記圧電素子と前記振動伝達部との間に配されるニッケルまたは銅からなる中間部材を備えることとしてもよい。
　このように構成することで、中間部材により光ファイバスキャナ全体の剛性を向上し、振動による光ファイバスキャナのねじれおよびふらつき、ファイバ折れ等を抑制することができる。
　上記態様においては、前記振動抑制部の振動を吸収する樹脂材料により形成された振動吸収部材を備えることとしてもよい。
　このように構成することで、振動吸収部材により、振動抑制部から外部に振動が洩れ出るのを抑制することができる。これにより、振動抑制部により光ファイバの圧電素子よりも基端側において発生する径方向の振動を安定して抑制し、光ファイバから出射する光の出射方向を安定させることができる。
　本発明の第２の態様は、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る光を集光する集光レンズとを備える照明装置を提供する。
　本態様によれば、光ファイバを安定して屈曲振動させる光ファイバスキャナにより、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写体の所望の位置に照射することができる。
　本発明の第３の態様は、上記の照明装置と、該照明装置によって被写体に光が照射されることにより、該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を提供する。
　本態様によれば、照明装置により光が安定して走査された被写体上の所望の範囲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、被写体の所望の観察範囲の画像情報を取得することができる。
　本発明によれば、光ファイバを安定して屈曲振動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観察装置を示す概略構成図である。 図１の光ファイバスキャナを照明用光ファイバの径方向に見た平面図である。 図２Ａを照明用光ファイバの長手方向に見た平面図である。 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概略構成図である。 図３の光ファイバスキャナを照明用光ファイバの径方向に見た平面図である。 図４Ａを照明用光ファイバの長手方向に見た平面図である。 本発明の一実施形態の第２変形例に係る光ファイバスキャナを示す概略構成図である。 図５の光ファイバスキャナを照明用光ファイバの径方向に見た平面図である。 図６Ｂを照明用光ファイバの長手方向に見た平面図である。 第２変形例の他の形態の光ファイバスキャナを照明用光ファイバの径方向に見た平面図である。 図７Ａを照明用光ファイバの長手方向に見た平面図である。 第２変形例の他の形態の光ファイバスキャナを照明用光ファイバの長手方向に見た平面図である。 本発明の一実施形態の第３変形例に係る観察装置を示す概略構成図である。 図９の光ファイバスキャナを照明用光ファイバの径方向に見た平面図である。 第３変形例の他の形態の光ファイバスキャナを照明用光ファイバの径方向に見た平面図である。 第３変形例の他の形態の光ファイバスキャナを照明用光ファイバの径方向に見た平面図である。 本発明の一実施形態の第４変形例に係る光ファイバスキャナを照明用光ファイバの径方向に見た平面図である。
　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。
　本実施形態に係る観察装置１００は、図１に示すように、被写体に照明光を照射する照明装置１と、照明光が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器（光検出部）３と、照明装置１および光検出器３の制御等を行う制御装置５とを備えている。
　照明装置１は、照明光を発生する光源１１と、光源１１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２１を有する光ファイバスキャナ２０と、照明用光ファイバ２１から出射された照明光を集光する集光レンズ１３と、光ファイバスキャナ２０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の外周面を被覆する被覆部材１７と、外筒１５と被覆部材１７との間に配され、被写体からの戻り光を光検出器３に導光する複数の検出用光ファイバ１９とを備えている。
　光源１１および光検出器３は、外筒１５の外部でその長手方向の一端側に配置されている。外筒１５の長手方向における、光源１１および光検出器３側の端部を基端部、反対側の端部を先端部とする。
　光ファイバスキャナ２０は、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、照明用光ファイバ２１と、照明用光ファイバ２１の側面に固定された４枚の圧電素子２３と、照明用光ファイバ２１を外筒１５に固定する固定部（振動抑制部）２５とを備えている。
　照明用光ファイバ２１は、ガラス材からなる細長い円筒形状を有しており、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２１は、一端が外筒１５の基端部の外部で光源１１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。照明用光ファイバ２１は、光源１１から一端に入射された光を導光して他端から出射するようになっている。
　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、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、板厚方向に分極が施されている。
　４枚の圧電素子２３は、照明用光ファイバ２１の長手方向の同位置において周方向に略９０度ずつ位置をずらして配され、照明用光ファイバ２１の径方向にそれぞれ分極方向を一致させて固定されている。また、図２Ｂ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２１の径方向に対向する一対の圧電素子２３（以下、単に「一対の圧電素子２３」という。）どうしが、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、圧電素子２３は、導電性のエポキシ系接着剤（以下、単に「接着剤」という。振動伝達部。）２７により、長手方向の両端部近傍が照明用光ファイバ２１の側面に接着されている。接着剤２７は、圧電素子２３の振動を照明用光ファイバ２１に伝達するようになっている。
　接着剤２７は、４枚の圧電素子２３の裏面側電極と電気的に接合していることから、圧電素子２３を駆動する際の共通ＧＮＤとして機能することができるようになっている。これにより、駆動用のリード線（ＧＮＤ）１４Ｇが、圧電素子２３における照明用光ファイバ２１の先端側の端部に塗布された接着剤２７を介して圧電素子２３に接合されている。
　４枚の圧電素子２３のうち、一方の一対の圧電素子２３の電極面にはそれぞれＡ相を構成する駆動用のリード線１４Ａが導電性接着剤により接合されている。他方の一対の圧電素子２３の電極面にはそれぞれＢ相を構成する駆動用のリード線１４Ｂが導電性接着剤により接合されている。
　圧電素子２３は、リード線１４Ａまたはリード線１４Ｂ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、一対の圧電素子２３は、接着剤２７を介してその振動を照明用光ファイバ２１に伝達し、照明用光ファイバ２１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。
　固定部２５は、ステンレス等の金属材料からなり、円環状に形成されている。固定部２５には、リード線１４Ｇを通す貫通孔２５ａが形成されている。固定部２５は、圧電素子２３と同様に、導電性のエポキシ系接着剤２７により、外周面が外筒１５の内壁に接着され、内周面が照明用光ファイバ２１の側面に接着されている。
　固定部２５は、照明用光ファイバ２１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固定されており、照明用光ファイバ２１のこの位置において発生する径方向の振動を抑制することができるようになっている。圧電素子２３と固定部２５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。
　集光レンズ１３は、外筒１５の長手方向の先端に設けられており、照明用光ファイバ２１からの照明光を集光して外筒１５の先端から出射するようになっている。
　検出用光ファイバ１９は、ガラス材からなる細長い円筒形状を有しており、外筒１５の長手方向に沿って配されている。検出用光ファイバ１９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１９は、一端が外筒１５の先端に配され、他端が光検出器３に接続されており、一端から入射した戻り光を光検出器３に導光するようになっている。
　制御装置５は、照明装置１および光検出器３の制御の他、光検出器３により戻り光が検出されると、その戻り光を輝度に相当する電気信号に変換するようになっている。また、制御装置５は、光ファイバスキャナ２０による照明光の走査位置に関する情報（走査位置情報）を読み出し、走査位置情報と戻り光の電気信号とを対応付けて、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２０、照明装置１および観察装置１００の作用について説明する。
　本実施形態に係る光ファイバスキャナ２０、照明装置１および観察装置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１１から照明光を発生させる。光源１１から発せられた照明光は、照明用光ファイバ２１により導光されて先端から出射し、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および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１９により受光されて導光され、光検出器３により検出される。そして、制御装置５によりその戻り光が電気信号に変換され、光ファイバスキャナ２０の走査位置情報と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取得することができる。
　次に、光ファイバスキャナ２０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２０により照明光を走査するには、まず、圧電素子２３における照明用光ファイバ２１の先端側の端部近傍が節、照明用光ファイバ２１の先端近傍が腹となるような照明用光ファイバ２１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、交番電圧を印加されたＡ相の圧電素子２３により照明用光ファイバ２１の先端部分を長手方向に交差する一方向（例えば、Ｘ軸（Ａ相）方向とする。）に振らせることができる。
　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、交番電圧を印加されたＢ相の圧電素子２３により、照明用光ファイバ２１の先端部分をＸ軸方向に直交する一方向（例えば、Ｙ軸（Ｂ相）方向とする。）に振らせることができる。
　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、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２１の先端部の振動が円軌跡を描く。照明用光ファイバ２１の先端部の振動が円軌跡を描いている状態で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２１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２１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、固定部２５により、照明用光ファイバ２１における圧電素子２３よりも基端側の位置に発生する径方向の振動を抑制することで、照明用光ファイバ２１の基端部に節を形成し、圧電素子２３において発生する屈曲振動が照明用光ファイバ２１の基端側に逃げてしまうのを抑制することができる。
　仮に圧電素子２３から照明用光ファイバ２１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ことができる。これにより、圧電素子２３の振動形状および照明用光ファイバ２１の振動が不安定になるのを防止することができる。
　圧電素子２３と固定部２５による照明用光ファイバ２１の固定位置との間に隙間を形成することで、固定部２５によって妨げられることなく圧電素子２３を照明用光ファイバ２１の長手方向に伸縮させ易くすることができる。これにより、固定部２５によって圧電素子２３自体の振動が阻害されて照明用光ファイバ２１に振動が伝播され難くなるのを防ぐことができる。
　したがって、本実施形態に係る光ファイバスキャナ２０によれば、照明用光ファイバ２１を安定して屈曲振動させ、被写体上で安定したスパイラル走査を行うことができる。また、本実施形態に係る照明装置１によれば、光源１１から発せられた光を精度よく走査させて被写体の所望の位置に照射することができる。さらに、本実施形態に係る観察装置１００によれば、被写体の所望の観察範囲の画像情報を取得することができる。
　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、接着剤２７により圧電素子２３の長手方向の両端部近傍を照明用光ファイバ２１の側面に接着することとしたが、第１変形例としては、図３に示すように、接着剤２７により、圧電素子２３の長手方向の全長にわたり照明用光ファイバ２１の側面に接着することとしてもよい。
　この場合、圧電素子２３と固定部２５との間の隙間を含め、圧電素子２３から固定部２５まで照明用光ファイバ２１の長手方向に連続して接着剤２７を充填することとしてもよい。
　このようにすることで、圧電素子２３から照明用光ファイバ２１に伝達される振動の伝達効率を向上することができる。
　圧電素子２３の裏面電極が接着剤２７を介して固定部２５と電気的に接合されることにより、固定部２５を４枚の圧電素子２３の共通ＧＮＤ電極として使用することができる。上記本実施形態の構成では圧電素子２３と照明用光ファイバ２１とを接着する接着剤２７の充填範囲が狭く、圧電素子２３の駆動用の共通ＧＮＤとなる場所が接着剤２７を充填した部分しかないため、光ファイバスキャナ２０の先端付近に接続したリード線１４Ｇを光ファイバスキャナ２０の基端側に引き回す必要があった。しかし、本変形例によれば、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、固定部２５に貫通孔２５ａを設ける必要がなくなるとともに、固定部２５にリード線１４Ｇを直接配線することができ、配線処理が容易になる。
　第２変形例としては、図５に示すように、圧電素子２３と接着剤２７との間に配される中間部材３１を備えることとしてもよい。
　中間部材３１は、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、照明用光ファイバ２１を通す貫通孔を有する円筒状に形成することとすればよい。また、中間部材３１は、例えば、ニッケルまたは銅を材料として固定部２５に一体化して形成し、固定部２５の径方向の厚さ寸法と比較して厚さを薄くすることとすればよい。
　接着剤２７により、固定部２５の内周面の他、少なくとも中間部材３１の内周面における照明用光ファイバ２１の先端側端部を照明用光ファイバ２１に接着することとすればよい。
　このようにすることで、中間部材３１により光ファイバスキャナ２０全体の剛性を向上し、振動による光ファイバスキャナ２０のねじれおよびふらつき、照明用光ファイバ２１が折れるのを抑制することができる。
　本変形例においては、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、接着剤２７により、中間部材３１の内周面全体を照明用光ファイバ２１の側面に接着することとしてもよい。
　このようにすることで、圧電素子２３から照明用光ファイバ２１に伝達される振動の伝達効率を向上することができる。
　本変形例においては、図８に示すように、中間部材３１が照明用光ファイバ２１を通す貫通孔を有する四角柱状に形成することとしてもよい。
　この場合、接着剤２７により、中間部材３１の４つの外側面に圧電素子２３の表面全体または裏面全体を接着することとすればよい。
　また、図６Ａのように、固定部２５の内周面の他、接着剤２７により、少なくとも中間部材３１の内周面における照明用光ファイバ２１の先端側端部を照明用光ファイバ２１に接着することとしてもよいし、図７Ａのように、接着剤２７により、中間部材３１の内周面全体を照明用光ファイバ２１の側面に接着することとしてもよい。
　このようにすることで、圧電素子２３を面接触により固定し、組立性の向上と共に振動伝達力を向上することができる。
　第３変形例としては、図９および図１０に示すように、ゴムまたはシリコンといったある程度の強度を持つ樹脂材料により形成された円環状の振動吸収部材３３を備え、振動吸収部材３３を固定部２５の外周面と外筒１５の内周面との間に配置することとしてもよい。
　このようにすることで、振動吸収部材３３により、固定部２５から外部に振動が洩れ出るのを抑制することができる。これにより、固定部２５によって照明用光ファイバ２１の圧電素子２３よりも基端側において発生する径方向の振動を吸収し、照明用光ファイバ２１を安定して固定できる。その結果、照明用光ファイバ２１から出射する照明光の出射方向を安定させることができる。
　本変形例においては、振動吸収部材３３は、図９および図１０に示すように、固定部２５の外周面全体に設けることとしてもよい。また、振動吸収部材３３は、図１１に示すように、固定部２５の外周面における軸方向の基端側のみに部分的に設けることとしてもよい。あるいは、振動吸収部材３３は、図１２に示すように、固定部２５の外周面における軸方向の先端側のみに部分的に設けることとしてもよい。
　第４変形例としては、図１３に示すように、照明用光ファイバ２１の長手方向における圧電素子２３と固定部２５との隙間を周方向の全域にわたり接着剤等の弾性部材３５で埋めることとしてもよい。
　このようにすることで、圧電素子２３と固定部２５との間に露出する照明用光ファイバ２１を弾性部材３５により覆い、光ファイバスキャナ２０の剛性を向上することができる。これにより、振動による光ファイバスキャナ２０のねじれおよびふらつき、照明用光ファイバ２１の折れ等を抑制することができる。
　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。
　上記一実施形態においては、照明用光ファイバ２１の側面に４枚の圧電素子２３を固定した構成を例示して説明したが、圧電素子２３により照明用光ファイバ２１を振動させることができればよく、圧電素子２３の数はこれに限定されるものではない。例えば、一方の一対の圧電素子２３だけを用いる構成でもよいし、３枚の圧電素子２３を照明用光ファイバ２１の周方向に等間隔に固定したような構成でもよい。このようにした場合も、固定部２５により、圧電素子２３の振動形状および照明用光ファイバ２１の振動が不安定になるのを防止するとともに、圧電素子２３を照明用光ファイバ２１の長手方向に伸縮させ易くすることができる。これにより、照明用光ファイバ２１を安定して屈曲振動させることができる。
　１　　照明装置
　３　　光検出器（光検出部）
　１１　　光源
　１３　　集光レンズ
　２０　　光ファイバスキャナ
　２１　　照明用光ファイバ（光ファイバ）
　２３　　圧電素子
　２５　　固定部（振動抑制部）
　２７　　接着剤（振動伝達部）
　３１　　中間部材
　３３　　振動吸収部材
　１００　　観察装置

Claims (7)

  1. 　光を導光して先端から出射する光ファイバと、
    　該光ファイバの側面に固定され、該光ファイバの径方向に分極を有し、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、
    　前記光ファイバ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発生する前記径方向の振動を抑制する振動抑制部とを備える光ファイバスキャナ。
  2. 　前記圧電素子の少なくとも前記光ファイバの長手方向の両端部近傍を該光ファイバに接着して該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を備える請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
  3. 　前記振動伝達部が前記圧電素子の全長にわたり配されている請求項２に記載の光ファイバスキャナ。
  4. 　前記振動抑制部に一体化して形成され、前記圧電素子と前記振動伝達部との間に配されるニッケルまたは銅からなる中間部材を備える請求項２または請求項３に記載の光ファイバスキャナ。
  5. 　前記振動抑制部の振動を吸収する樹脂材料により形成された振動吸収部材を備える請求項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。
  6. 　請求項１から請求項５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前記光を発生する光源と、
    　前記光ファイバから出射される光を集光する集光レンズとを備える照明装置。
  7. 　請求項６に記載の照明装置と、
    　該照明装置によって被写体に光が照射されることにより、該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。
PCT/JP2014/075729 2013-10-08 2014-09-26 光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置 WO2015053099A1 (ja)

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