WO2016185537A1 - 内視鏡、および光伝送モジュール - Google Patents

内視鏡、および光伝送モジュール Download PDF

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WO2016185537A1
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optical fiber
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洋平 堺
秀治 宮原
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オリンパス株式会社
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Definitions

  • the present invention has an optical fiber for transmitting an optical signal, an optical element, a holding member having a through hole into which the optical fiber is inserted, and a hole serving as an optical path for the optical signal on the first main surface.
  • the present invention relates to an optical transmission module including a wiring board to which the holding member is bonded and the optical element is mounted on a second main surface, and an endoscope having the optical transmission module at a distal end portion of an insertion portion.
  • the endoscope has an image sensor such as a CCD at the distal end of an elongated flexible insertion portion.
  • an imaging device having a high pixel number for an endoscope has been studied.
  • the amount of signal transmitted from the image sensor to the signal processing device (processor) increases. Therefore, instead of electric signal transmission through metal wiring by electric signals, thin signals by optical signals are used.
  • Optical signal transmission via an optical fiber is preferred.
  • an E / O optical transmission module electric-optical converter
  • O / E optical transmission module optical-electrical converter
  • the optical transmission module In an optical transmission module, accurate positioning and fixing are important in order to efficiently optically couple an optical element and an optical fiber that transmits an optical signal.
  • the optical transmission module has a holding member (ferrule) having a through hole (through hole) disposed in the wiring board on which the optical element is mounted. ) Is used. By inserting the optical fiber into the through hole of the holding member, the horizontal direction between the optical element and the optical fiber can be easily positioned. In order to accurately position, the diameter of the through hole is set slightly larger than the outer diameter of the optical fiber.
  • liquid uncured transparent resin is injected into the through hole before inserting the optical fiber into the through hole. Then, the optical fiber is inserted into the through hole so as to extrude the transparent resin, and the transparent resin is cured. Thereby, the optical fiber and the optical element are firmly fixed. The optical path between the optical fiber and the optical element is filled with a transparent resin.
  • the path through which air is discharged when the optical fiber is inserted into the through hole is only a slight gap between the optical fiber and the through hole. For this reason, bubbles may be involved in the transparent resin, and the bubbles may remain in the optical path. The remaining bubbles cause a reduction in the coupling efficiency between the optical fiber and the optical element.
  • the optical element mounted on the wiring board may be detached from the wiring board.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-198451 discloses a holding member in which an adhesive containing portion for containing excess transparent resin is formed in a through hole of the holding member.
  • the adhesive accommodating portion is formed in the through hole of the holding member, the outer dimension of the holding member becomes large. For this reason, the outer diameter of the distal end portion of the endoscope may be increased.
  • Embodiments of the present invention are intended to provide an optical transmission module having high coupling efficiency between an optical fiber and an optical element, and an endoscope having the optical transmission module at a distal end portion of an insertion portion.
  • An endoscope includes an insertion portion having a light transmission module at a distal end portion where an imaging element is disposed, and an operation portion extended to a proximal end portion side of the insertion portion.
  • the optical transmission module has an optical fiber for transmitting an optical signal inserted through the insertion portion, an optical element portion for emitting the optical signal or receiving the optical signal, and an external electrode on the surface.
  • the transparent resin enters a space formed by taper processing.
  • An optical transmission module includes an optical fiber that transmits an optical signal, an optical element that emits the optical signal or receives an optical signal, and an external electrode disposed on a surface thereof, and A holding member having a through hole into which an optical fiber is inserted, a hole serving as an optical path for the optical signal, and a bonding electrode disposed on the first main surface and the external electrode of the optical element are A wiring board that is bonded and has the second main surface bonded to the holding member; and a transparent resin that fills a space between the optical element portion of the optical element and the front end surface of the optical fiber; A part of the tip of the optical fiber is removed, and the transparent resin enters a space formed by removing the optical fiber. .
  • an optical transmission module having high coupling efficiency between an optical fiber and an optical element, and an endoscope having the optical transmission module at a distal end portion of an insertion portion.
  • optical transmission module of 3rd Embodiment It is a top view of the optical transmission module of 3rd Embodiment. It is sectional drawing of the optical fiber of the optical transmission module of 3rd Embodiment. It is sectional drawing of the optical fiber of the optical transmission module of the modification of 3rd Embodiment. It is sectional drawing of the optical fiber of the optical transmission module of the modification of 3rd Embodiment. It is sectional drawing of the optical fiber of the optical transmission module of the modification of 3rd Embodiment. It is sectional drawing of the optical fiber of the optical transmission module of the modification of 3rd Embodiment. It is sectional drawing of the optical transmission module of 4th Embodiment.
  • the endoscope 2 includes an insertion portion 80, an operation portion 84 disposed on the proximal end side of the insertion portion 80, and a universal cord extending from the operation portion 84. 92 and a connector 93 disposed on the base end side of the universal cord 92.
  • the insertion portion 80 includes a hard tip portion 81, a bending portion 82 for changing the direction of the tip portion 81, and an elongated flexible soft portion 83 connected in order.
  • the distal end portion 81 includes an imaging optical unit 90L, an imaging element 90, and an optical transmission module 1 that is an E / O module that converts an imaging signal (electric signal) from the imaging element 90 into an optical signal.
  • the image sensor 90 is a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor, a CCD (Charge Coupled Device), or the like.
  • the operation section 84 is provided with an angle knob 85 for operating the bending section 82 and an O / E module 91 which is an optical transmission module for converting an optical signal into an electric signal.
  • the connector 93 has an electrical connector portion 94 that is connected to a processor (not shown), and a light guide connection portion 95 that is connected to a light source.
  • the light guide connection portion 95 is connected to an optical fiber bundle that guides illumination light to the hard tip portion 81.
  • the electrical connector portion 94 and the light guide connecting portion 95 may be integrated.
  • the imaging signal is converted into an optical signal by the optical transmission module 1 or the like that is an E / O module disposed at the distal end portion 81, and is operated via the thin optical fiber 40 that is inserted through the insertion portion 80. Part 84 is transmitted. Then, the optical signal is converted again into an electrical signal by the O / E module 91 provided in the operation unit 84 and transmitted to the electrical connector unit 94 via the metal wiring 50M through which the universal cord 92 is inserted. That is, a signal is transmitted through the optical fiber 40 in the insertion portion 80 having a small diameter, and is inserted through the metal wiring 50M that is thicker than the optical fiber 40 in the universal cord 92 that is not inserted into the body and has a small outer diameter restriction. Signal is transmitted.
  • the optical fiber 40 may pass through the universal cord 92 to the vicinity of the electrical connector portion 94.
  • the optical fiber 40 may be inserted up to the connector 93.
  • the insertion portion 80 is thin and minimally invasive.
  • the optical transmission module 1 of the present embodiment is inserted through an optical element 10 that is a light emitting element, a wiring board 20, a holding member (also referred to as a ferrule) 30, and an insertion portion 80. And an optical fiber 40.
  • the optical element 10, the wiring board 20, and the holding member 30 are arranged side by side in the thickness direction (Z direction) of the optical element 10.
  • the optical element 10 is a surface emitting laser chip formed on a light emitting surface 10SA whose light emitting portion 11 which is an optical element portion that outputs light of an optical signal is a surface.
  • the ultra-small optical element 10 having a planar view size of 250 ⁇ m ⁇ 300 ⁇ m includes a light emitting unit 11 having a diameter of 20 ⁇ m and an external electrode 12 that supplies a drive signal to the light emitting unit 11 on the light emitting surface 10SA.
  • the optical fiber 40 includes a core part 41 having a diameter of 50 ⁇ m that transmits light and a clad part 42 having a diameter of 125 ⁇ m that covers the outer peripheral surface of the core part 41.
  • the core portion 41 is made of glass having a refractive index slightly smaller than that of the cladding portion 42, for example, about 0.2% to 0.3%.
  • the substantially rectangular parallelepiped holding member 30 bonded on the optical element 10 has a through hole H30 into which the tip of the optical fiber 40 is inserted. By inserting and fitting the optical fiber 40 into the through hole H30, the light emitting portion 11 of the optical element 10 and the optical fiber 40 are positioned.
  • the diameter (inner diameter) of the through hole H30 may be a prismatic shape such as a quadrangular column or a hexagonal column as long as the optical fiber 40 can be held by the wall surface in addition to the columnar shape.
  • the material of the holding member 30 is a metal member such as ceramic, silicon, glass or SUS.
  • the holding member 30 may have a substantially cylindrical shape or a substantially conical shape.
  • the holding member 30 is formed with a cylindrical through hole H30 having substantially the same diameter R30 as the outer diameter R40 of the optical fiber 40 to be inserted.
  • substantially the same means that the outer diameter of the optical fiber 40 and the wall surface of the through-hole H30 are in contact with each other and are in a fitted state, and the diameters of both are substantially the same.
  • the diameter R30 of the through hole H30 is made larger by 1 ⁇ m to 5 ⁇ m than the outer diameter R40 of the optical fiber 40.
  • the flat wiring board 20 having the first main surface 20SA and the second main surface 20SB has a hole H20 serving as an optical path.
  • the bonding electrode 21 disposed on the first main surface 20SA of the wiring board 20 and the external electrode 12 of the optical element 10 are bonded via bumps 13. That is, the optical element 10 is flip-chip mounted on the wiring board 20 in a state where the light emitting part 11 is disposed at a position facing the hole H20 of the wiring board 20.
  • the stud gold bump 13 is ultrasonically bonded to the bonding electrode 21 of the wiring board 20. Therefore, there is a gap corresponding to the height of the bump 13 between the light emitting portion 11 of the optical element 10 and the first main surface 20SA of the wiring board 20.
  • an FPC board As the base of the wiring board 20, an FPC board, a ceramic board, a glass epoxy board, a glass board, a silicon board, or the like is used.
  • solder paste or the like may be printed on the wiring board 20 to form bumps, and the optical element 10 may be disposed at a predetermined position, and then solder may be melted and mounted by reflow or the like.
  • the wiring board 20 may include a processing circuit for converting an electrical signal transmitted from the image sensor 90 into a drive signal for the optical element 10.
  • the holding member 30 is bonded to the second main surface 20SB of the wiring board 20 with an adhesive (not shown) in a state where the through hole H30 is disposed at a position facing the hole H20.
  • the holding member 30 is bonded to the second main surface 20SB of the wiring board 20.
  • the optical element 10 may be mounted on the wiring board 20 to which the holding member 30 is bonded.
  • the bonding portion between the bonding electrode 21 and the external electrode 12 is sealed by injecting a sealing resin 50 such as an underfill material or a sidefill material.
  • a sealing resin 50 such as an underfill material or a sidefill material.
  • a resin having excellent moisture resistance such as an epoxy resin or a silicone resin is used. Note that the sealing resin 50 is not an essential component, and the bonding portion between the bonding electrode 21 and the external electrode 12 may be sealed with the transparent resin 60.
  • an appropriate amount of uncured and liquid transparent resin 60 is injected into the through hole H30 of the holding member 30 using a dispenser or the like.
  • a large amount of the transparent resin 60 is injected.
  • the optical fiber 40 is inserted into the through hole H30.
  • the insertion amount of the optical fiber 40 is adjusted as appropriate.
  • the through hole H30 of the holding member 30 may be completely inserted, or the hole H20 of the wiring board 20 may be inserted.
  • the space between the light emitting portion 11 of the optical element 10 and the tip surface 40SA of the optical fiber 40 is filled with the transparent resin 60.
  • the transparent resin 60 is made of an ultraviolet curable resin. Then, after the optical fiber 40 is inserted, it is cured by being irradiated with ultraviolet rays.
  • the holding member 30 is preferably made of glass that transmits ultraviolet rays.
  • the optical transmission module 1 is easy to manufacture even with the glass holding member 30.
  • thermosetting resin can also be used as the transparent resin 60, but the optical element 10 may be deteriorated by the heat treatment. For this reason, it is preferable to use the holding member 30 made of glass that transmits ultraviolet rays and the ultraviolet curable transparent resin 60.
  • the transparent resin 60 a curable resin having substantially the same refractive index as that of the core portion 41 of the optical fiber 40 is used. Since the refractive index of the core portion 41 is about 1.4 to 1.6, the transparent resin 60 has a refractive index after curing of about 1.4 to 1.6, for example, a silicone resin, an epoxy resin, Alternatively, an acrylic resin or the like is used. The transparent resin 60 having substantially the same refractive index as that of the core portion 41 has a small coupling loss at the interface.
  • the transparent resin 60 is selected from a resin having a high light transmittance so as not to attenuate the light emitted from the light emitting unit 11 because it is an optical path. Note that when the light emitting unit 11 generates infrared light, the transparent resin 60 may be opaque in the visible light region, that is, may have low transmittance, as long as the light transmittance in the infrared region is high.
  • the length LC portion of the tip of the optical fiber 40 is removed little by little along the entire circumference. Then, the transparent resin 60 pushed out by the insertion of the optical fiber 40 enters the space C40 between the wall surface of the through hole and the outer peripheral surface formed by removing the optical fiber 40.
  • the entire circumference of the optical fiber 40 is tapered so that the tip is tapered.
  • the outer diameter of the tapered tip portion gradually decreases toward the tip, and the outer diameter R40A of the tip surface 40SA is smaller than the outer diameter (outer diameter of the clad portion 42) R40 of the unprocessed portion.
  • the outer diameter R40 and the diameter R30 of the through hole H30 are substantially the same. For this reason, when the optical fiber is inserted, air inside the through hole H30 is difficult to be discharged, and there is a possibility that bubbles are caught in the transparent resin and remain in the optical path.
  • the tip end portion of the optical fiber 40 is tapered, when the optical fiber 40 is inserted into the through hole H30, the outer peripheral surface of the optical fiber 40 is removed through a space (gap). As a result, air is immediately discharged, and the transparent resin 60 that is excessively injected enters the removed space.
  • the optical transmission module 1 Since no bubbles remain in the transparent resin 60 in the optical path, the optical transmission module 1 has high coupling efficiency between the optical fiber 40 and the optical element 10.
  • the outer diameter R40A of the distal end surface 40SA of the optical fiber 40 may be equal to or larger than the outer dimension of the light emitting unit 11, but is 1.5 times or more the diameter of the light emitting unit 11 and the outer diameter of the unprocessed portion (cladding portion).
  • the outer diameter is preferably 90% or less of R40 because the light quantity does not decrease and bubbles do not remain.
  • the outer diameter of the optical fiber 40 decreases linearly toward the tip by taper processing, but it may be reduced in a curve.
  • the length LC of the tapered portion is shorter than the total length L30 of the thickness of the holding member 30 and the thickness of the wiring board 20. For this reason, when the optical fiber 40 is inserted into the through hole H30, the tapered portion is accommodated inside the through hole H30.
  • the outer diameter R ⁇ b> 40 ⁇ / b> A of the tip end surface of the tapered portion is larger than the outer diameter R ⁇ b> 41 of the core portion 41. That is, the core portion 41 was not tapered.
  • the core portion 41 may be tapered. That is, the outer diameter R40A of the tip surface of the tapered portion may be smaller than the outer diameter R41 of the core portion 41.
  • the cross-sectional shape of the tapered portion was circular.
  • optical transmission module 1A and the endoscope 2A including the optical transmission module 1A according to the second embodiment are similar to the optical transmission module 1 and the endoscope 2 and have the same effects, Are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the outer diameter R40A of the distal end surface 40SA of the optical fiber 40A is smaller than the diameter R30 of the through hole H30 of the holding member 30, and the outer diameter R40 of the unprocessed portion is smaller. It is larger than the diameter R30 of the through hole H30.
  • the upper outer surface of the tapered portion of the optical fiber 40A is in contact with the opening of the through hole H30 on the upper surface of the holding member 30B. That is, the distance between the tip surface 40SA of the optical fiber 40A and the light emitting portion 11 of the optical element 10 is defined by the shape of the tapered portion.
  • the optical transmission module 1A can accurately position the distance between the tip surface 40SA of the optical fiber 40A and the light emitting unit 11 of the optical element 10 by defining the shape of the tapered portion. For this reason, in the optical transmission module 1A, the coupling efficiency between the optical fiber 40 and the optical element 10 is more stable.
  • optical transmission module 1B and the endoscope 2B including the optical transmission module 1B of the third embodiment are similar to the optical transmission module 1 and the endoscope 2 and have the same effect, Are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the holding member 30B has a substantially conical shape with a trapezoidal cross section.
  • the optical fiber 40B has a distal end cut out along the major axis and has a substantially D-shaped cross section. That is, a part of the tip of the optical fiber 40B is removed.
  • the notched portion C40 of the optical fiber 40B is formed to be slightly above the opening of the through hole H30 in a state of being inserted into the through hole H30.
  • air is discharged through the notch processing portion C40, and the transparent resin 60 enters the notch processing portion C40. For this reason, air bubbles do not remain in the transparent resin 60 between the light emitting portion 11 of the optical element 10 and the end face 40SA of the optical fiber 40B, and the optical fiber 40B is securely fixed to the holding member 30B.
  • the optical transmission module 1B Since no bubbles remain in the transparent resin 60 in the optical path, the optical transmission module 1B has high coupling efficiency between the optical fiber 40B and the optical element 10. Moreover, since the adhesive accommodating part is not formed in the holding member 30B, the optical transmission module 1B has a small outer diameter, that is, an outer dimension in the XY plane direction.
  • the endoscope 2B having the light transmission module 1B at the distal end portion 81 has a small distal end portion 81 and is minimally invasive.
  • the cut-out processed portion formed in the optical fiber only needs to have a cross-sectional area that is necessary and sufficient for promptly discharging air when the optical fiber 40B is inserted into the through hole H30.
  • two notches C40A1 and C40A2 having substantially the same shape are formed in the optical fiber 40B1 shown in FIG. 7B. Even if the optical fiber 40B1 has two notches C40A1 and C40A2 that are shallower than the notch C40 of the optical fiber 40B, the total cross-sectional area is substantially the same as that of the notch C40. The same effect can be obtained.
  • the optical fiber 40B2 shown in FIG. 7C has four flat outer peripheral surfaces by four cutout portions C40B to C40E having substantially the same shape.
  • the optical fiber 40B2 can also be regarded as the entire circumference being tapered.
  • the cutout portion C40F of the optical fiber 40B3 shown in FIG. 7D has a V-shaped cross section.
  • the optical fiber 40B3 is easier to process than the optical fiber 40B.
  • the optical fiber 40B4 shown in FIG. 7E is formed with two V-shaped cutouts C40F and C40G having substantially the same cross section.
  • optical transmission modules of the modified examples including the optical fibers 40B1 to 40B4 have the same effects as the optical transmission module 1A.
  • the optical fiber 40C of the optical transmission module 1C has a tip portion cut out and has a substantially D-shaped cross section. Further, in the optical fiber 40C, the distal end surface 40SA is not perpendicular to the major axis direction but is an inclined surface.
  • the optical transmission module 1C has the effects of the optical transmission module 1B and the like. Further, since the bubbles are less likely to remain in the transparent resin 60 in the optical path, the coupling efficiency between the optical fiber 40B and the optical element 10 is higher. .
  • the inclination angle of the tip surface 40SA is preferably 1 degree or more and 10 degrees or less, and more preferably 2 degrees or more and 4 degrees or less with respect to a plane perpendicular to the long axis direction. If it is not less than the lower limit of the range, bubbles do not remain, and if it is not more than the condition of the range, light easily enters the optical fiber 40B. In addition, since multiple reflection hardly occurs between the tip surface 40SA and the light emitting surface 10SA, the coupling efficiency (transmission efficiency) is high.
  • the same effect as that of the optical transmission module 1C can be obtained by making the tip surfaces 40SA of the optical fibers 40 and 40A into inclined surfaces like the optical fiber 40C.
  • optical transmission module etc. which comprise the light emitting element as the optical element 10 were demonstrated above as an example.
  • the optical element is a light receiving element such as a photodiode, it has the same effect as long as it has the same configuration.
  • the O / E light transmission module disposed at the distal end portion of the endoscope transmits, for example, a clock signal input to the image sensor as an optical signal.
  • An endoscope that transmits a clock signal through a thin optical fiber 40 has a thin insertion portion 80 and is minimally invasive.
  • an optical fiber that transmits an optical signal, a light receiving unit on which the optical signal is incident, and an external electrode are disposed on a light receiving surface.
  • a part of a tip portion of the optical fiber is removed, and the transparent resin enters a space formed by the removal process of the optical fiber.
  • the optical transmission module has bubbles in the transparent resin in the optical path. The remaining hard because the coupling efficiency between the optical fiber and the light receiving element is high.
  • the endoscope having the light transmission module at the distal end of the insertion portion has a small diameter.

Abstract

内視鏡2は、先端部81に光伝送モジュール1を有する挿入部80と操作部84とを具備し、光伝送モジュール1が、光ファイバ40と、発光素子10と、貫通孔H50のある保持部材30と、第1の主面20SAに発光素子10が接合されており、第2の主面20SBに保持部材30が接着されている配線板20と、発光素子10の発光部11と光ファイバ40の先端面との間を充填している透明樹脂60と、を具備し、光ファイバ40の先端部の全周が先細りにテーパー加工されている。

Description

内視鏡、および光伝送モジュール
 本発明は、光信号を伝送する光ファイバと、光素子と、前記光ファイバが挿入されている貫通孔のある保持部材と、前記光信号の光路となる孔部があり第1の主面に前記保持部材が接着され、第2の主面に前記光素子が実装されている配線板と、を具備する光伝送モジュール、および前記光伝送モジュールを挿入部の先端部に有する内視鏡に関する。
 内視鏡は、細長い可撓性の挿入部の先端部にCCD等の撮像素子を有する。近年、高画素数の撮像素子の内視鏡への使用が検討されている。高画素数の撮像素子を使用した場合には、撮像素子から信号処理装置(プロセッサ)へ伝送する信号量が増加するため、電気信号によるメタル配線を介した電気信号伝送に替えて光信号による細い光ファイバを介した光信号伝送が好ましい。光信号伝送には、電気信号を光信号に変換するE/O光伝送モジュール(電気-光変換器)と、光信号を電気信号に変換するO/E光伝送モジュール(光-電気変換器)とが用いられる。
 光伝送モジュールは光素子と光信号を伝送する光ファイバとを効率良く光結合するために正確な位置決めと固定とが重要である。光素子と光ファイバとを、正確に、かつ簡単に位置決めするために、光伝送モジュールには、光素子が実装されている配線板に配設された貫通孔(スルホール)を有する保持部材(フェルール)が用いられる。光ファイバを保持部材の貫通孔に挿入することで、光素子と光ファイバとの水平方向を簡単に位置決めできる。正確に位置決めするために、貫通孔の径は、光ファイバの外径よりも僅かに大きく設定されている。
 光素子と光ファイバとの固定のためには、貫通孔に光ファイバを挿入する前に、貫通孔に液体状態の未硬化の透明樹脂が注入される。そして、透明樹脂を押し出すように光ファイバが貫通孔に挿入されて、透明樹脂が硬化処理される。これにより、光ファイバと光素子とは強固に固定される。また、光ファイバと光素子との間の光路には透明樹脂が充填される。
 しかし、光ファイバが貫通孔に挿入されるときに空気が排出される経路は、光ファイバと貫通孔との間のわずかな隙間しかない。このため、透明樹脂に気泡が巻き込まれ、この気泡が光路中に残留する場合がある。残留した気泡は、光ファイバと光素子との結合効率の低下等を招く。
 また、光ファイバを挿入する圧力が液体状態の透明樹脂を介して光素子に加わると、配線板に実装されている光素子が配線板から外れてしまうおそれがある。
 日本国特開2012-198451号公報には、保持部材の貫通孔に過剰の透明樹脂を収容する接着剤収容部を形成した保持部材が開示されている。
 しかし、保持部材の貫通孔に接着剤収容部を形成すると、保持部材の外寸が大きくなる。このため、内視鏡の先端部の外径が大きくなるおそれがあった。
特開2012-198451号公報
 本発明の実施形態は、光ファイバと光素子との結合効率が高い光伝送モジュール、および前記光伝送モジュールを挿入部の先端部に有する内視鏡を提供することを目的とする。
 実施形態の内視鏡は、撮像素子が配設された先端部に光伝送モジュールを有する挿入部と、前記挿入部の基端部側に延設された操作部と、を具備する内視鏡であって、前記光伝送モジュールが、前記挿入部を挿通している光信号を伝送する光ファイバと前記光信号を出射または前記光信号が入射する光素子部と外部電極とが表面に配設されている光素子と、前記光ファイバが挿入されている貫通孔のある紫外線を透過する透明材料からなる保持部材と、前記光信号の光路となる孔部があり、第1の主面に配設されている接合電極と前記光素子の前記外部電極とが接合されており、第2の主面に前記保持部材が接着されている配線板と、前記光素子の前記光素子部と前記光ファイバの先端面との間を充填している紫外線硬化型の透明樹脂と、を具備し、前記光ファイバの先端部の全周が先細りにテーパー加工されており、前記保持部材の前記貫通孔の径が、前記光ファイバの未加工部の外径よりも小さく、前記光ファイバのテーパー加工により形成された空間に前記透明樹脂が入り込んでいる。
 別の実施形態の光伝送モジュールは、光信号を伝送する光ファイバと前記光信号を出射または前記光信号が入射する光素子部と外部電極とが表面に配設されている光素子と、前記光ファイバが挿入されている貫通孔のある保持部材と、前記光信号の光路となる孔部があり、第1の主面に配設されている接合電極と前記光素子の前記外部電極とが接合されており、第2の主面に前記保持部材が接着されている配線板と、前記光素子の前記光素子部と前記光ファイバの先端面との間を充填している透明樹脂と、を具備する光伝送モジュールであって、前記光ファイバの先端部の一部が除去加工されており、前記光ファイバが前記除去加工されたことにより形成された空間に、前記透明樹脂が入り込んでいる。
 本発明の実施形態によれば、光ファイバと光素子との結合効率が高い光伝送モジュール、および前記光伝送モジュールを挿入部の先端部に有する内視鏡を提供できる。
第1実施形態の内視鏡の斜視図である。 第1実施形態の光伝送モジュールの断面図である。 第1実施形態の光伝送モジュールの上面図である。 第1実施形態の光伝送モジュールの光ファイバの斜視図である。 第1実施形態の光伝送モジュールの光ファイバの下面図である。 第1実施形態の変形例の光伝送モジュールの光ファイバの下面図である。 第1実施形態の変形例の光伝送モジュールの光ファイバの下面図である。 第2実施形態の光伝送モジュールの断面図である。 第3実施形態の光伝送モジュールの断面図である。 第3実施形態の光伝送モジュールの上面図である。 第3実施形態の光伝送モジュールの光ファイバの断面図である。 第3実施形態の変形例の光伝送モジュールの光ファイバの断面図である。 第3実施形態の変形例の光伝送モジュールの光ファイバの断面図である。 第3実施形態の変形例の光伝送モジュールの光ファイバの断面図である。 第3実施形態の変形例の光伝送モジュールの光ファイバの断面図である。 第4実施形態の光伝送モジュールの断面図である。
<第1実施形態>
 図1に示すように、本実施形態の内視鏡2は、挿入部80と、挿入部80の基端部側に配設された操作部84と、操作部84から延設されたユニバーサルコード92と、ユニバーサルコード92の基端部側に配設されたコネクタ93と、を具備する。
 挿入部80は、硬性の先端部81と、先端部81の方向を変えるための湾曲部82と、細長い可撓性の軟性部83と、が順に連接されている。
 先端部81には、撮像光学ユニット90Lと、撮像素子90と、撮像素子90からの撮像信号(電気信号)を光信号に変換するE/Oモジュールである光伝送モジュール1が配設されている。撮像素子90は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ、または、CCD(Charge Coupled Device)等である。
 操作部84には湾曲部82を操作するアングルノブ85が配設されているとともに、光信号を電気信号に変換する光伝送モジュールであるO/Eモジュール91が配設されている。コネクタ93は、プロセッサ(不図示)と接続される電気コネクタ部94と、光源と接続されるライトガイド接続部95と、を有する。ライトガイド接続部95は硬性先端部81まで照明光を導光する光ファイババンドルと接続されている。なおコネクタ93は、電気コネクタ部94とライトガイド接続部95とが一体となっていてもよい。
 内視鏡2では、撮像信号は先端部81に配設されたE/Oモジュールである光伝送モジュール1等で光信号に変換されて、挿入部80を挿通する細い光ファイバ40を介して操作部84まで伝送される。そして、操作部84に配設されているO/Eモジュール91により光信号は再び電気信号に変換され、ユニバーサルコード92を挿通するメタル配線50Mを介して電気コネクタ部94に伝送される。すなわち、細径の挿入部80内においては光ファイバ40を介して信号が伝送され、体内に挿入されず外径の制限の小さいユニバーサルコード92内においては光ファイバ40よりも太いメタル配線50Mを介して信号が伝送される。
 なお、O/Eモジュール91が電気コネクタ部94の近傍に配置されている場合には、光ファイバ40は電気コネクタ部94の近傍までユニバーサルコード92を挿通していてもよい。また、O/Eモジュール91がプロセッサに配設されている場合には、光ファイバ40はコネクタ93まで挿通していてもよい。
 内視鏡2は、電気信号伝送に替えて光信号による細い光ファイバ40を介した光信号伝送を行うため、挿入部80が細く低侵襲である。
 図2A、図2Bに示すように、本実施形態の光伝送モジュール1は、発光素子である光素子10と、配線板20と、保持部材(フェルールともいう)30と、挿入部80を挿通している光ファイバ40と、を具備する。光伝送モジュール1では、光素子10と配線板20と保持部材30とが、光素子10の厚さ方向(Z方向)に並べて配置されている。
 なお、以下の説明において、各実施の形態に基づく図面は、模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、夫々の部分の厚みの比率および相対角度などは現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、Z軸の値が増加する方向を「上」ということがある。
 光素子10は、光信号の光を出力する光素子部である発光部11が表面(おもてめん)である発光面10SAに形成された面発光レーザーチップである。例えば、平面視寸法が250μm×300μmと超小型の光素子10は、直径が20μmの発光部11と、発光部11に駆動信号を供給する外部電極12と、を発光面10SAに有する。
 一方、例えば、光ファイバ40は、光を伝送する50μm径のコア部41と、コア部41の外周面を覆う125μm径のクラッド部42とを有する。コア部41はクラッド部42よりも屈折率が僅かに、例えば、0.2%~0.3%程度、小さいガラスからなる。
 光素子10の上に接着されている略直方体の保持部材30には光ファイバ40の先端部が挿入されている貫通孔(Through hole)H30がある。光ファイバ40を貫通孔H30に挿入し嵌合することで、光素子10の発光部11と光ファイバ40との位置決めが行われる。貫通孔H30の径(内径)は、円柱状のほか、その壁面で光ファイバ40を保持できれば、四角柱または六角柱等の角柱状であってもよい。保持部材30の材質はセラミック、シリコン、ガラスまたはSUS等の金属部材等である。なお、保持部材30は、略円柱状または略円錐状等であってもよい。
 すでに説明したように、保持部材30には、挿入される光ファイバ40の外径R40と、径R30が略同じ円柱状の貫通孔H30が形成されている。ここで「略同じ」とは、光ファイバ40の外周面と貫通孔H30の壁面とが当接し嵌合状態となるような、双方の径が実質的に「同じ」サイズであることを意味する。例えば、光ファイバ40の外径R40に対して、貫通孔H30の径R30は1μm~5μmだけ大きく作製される。
 第1の主面20SAと第2の主面20SBとを有する平板状の配線板20には、光路となる孔部H20がある。配線板20の第1の主面20SAに配設されている接合電極21と光素子10の外部電極12とが、バンプ13を介して接合されている。すなわち、光素子10は、発光部11が配線板20の孔部H20と対向する位置に配置された状態で配線板20にフリップチップ実装されている。例えば、スタッド金バンプ13が、配線板20の接合電極21と超音波接合されている。このため、光素子10の発光部11と配線板20の第1の主面20SAとの間には、バンプ13の高さに相当する隙間がある。
 配線板20の基体には、FPC基板、セラミック基板、ガラスエポキシ基板、ガラス基板、またはシリコン基板等が使用される。
 なお配線板20に、半田ペースト等を印刷してバンプとし、光素子10を所定位置に配置した後、リフロー等で半田を溶融して実装してもよい。なお、配線板20は、撮像素子90から伝送されてくる電気信号を光素子10の駆動信号に変換するための処理回路等が含まれていてもよい。
 配線板20の第2の主面20SBには保持部材30が、貫通孔H30が孔部H20と対向する位置に配置された状態で接着剤(不図示)により接着されている。
 光伝送モジュール1の製造工程では、例えば、配線板20の第1の主面20SAに光素子10がフリップチップ実装された後に、配線板20の第2の主面20SBに保持部材30が接着される。なお、保持部材30が接着された配線板20に光素子10を実装してもよい。
 接合電極21と外部電極12との接合部は、アンダーフィル材またはサイドフィル材等の封止樹脂50が注入され封止されている。封止樹脂50には、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂等の耐湿性に優れた樹脂などを用いる。なお、封止樹脂50は必須の構成要素ではなく、透明樹脂60により接合電極21と外部電極12との接合部が封止されていてもよい。
 光ファイバ40を固定するために、保持部材30の貫通孔H30に、ディスペンサ等を用いて、未硬化で液体状態の透明樹脂60が適量、注入される。発光部11と先端面40SAとの間を透明樹脂60により確実に充填するために、透明樹脂60は多めに注入される。そして、光ファイバ40が貫通孔H30に挿入される。光ファイバ40の挿入量は適宜、調整されるが、保持部材30の貫通孔H30を完全に挿通していてもよいし、さらに配線板20の孔部H20までも挿通していてもよい。
 このため、光素子10の発光部11と光ファイバ40の先端面40SAとの間は、透明樹脂60により充填されている。透明樹脂60は紫外線硬化型樹脂からなる。そして、光ファイバ40が挿入された後に紫外線が照射されることで、硬化処理される。
 貫通孔H30に注入された透明樹脂60に紫外線を効率的に照射するために、保持部材30は紫外線を透過するガラスからなることが好ましい。なお、光伝送モジュール1ではガラスの保持部材30であっても作製は容易である。
 透明樹脂60として熱硬化型樹脂を用いることもできるが、加熱処理により光素子10が劣化するおそれがある。このため、紫外線を透過するガラスからなる保持部材30と、紫外線硬化型の透明樹脂60とを用いることが好ましい。
 透明樹脂60には、光ファイバ40のコア部41と屈折率が略同じ硬化性樹脂を用いる。コア部41の屈折率は1.4~1.6程度であるので、透明樹脂60には硬化後の屈折率が1.4~1.6程度の、例えば、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂、またはアクリル系樹脂などを用いる。コア部41と屈折率が略同じ透明樹脂60は、界面における結合損失が小さい。
 透明樹脂60は、光路となるため発光部11が出射した光を減衰しないように、光透過率が高い樹脂から選択される。なお、発光部11が赤外光を発生する場合には、透明樹脂60は、赤外領域での光透過率が高ければ、可視光域で不透明、すなわち透過率が低くてもよい。
 図3に示すように、光伝送モジュール1では、光ファイバ40の先端部の長さLCの部分が全周にわたって少しずつ除去加工されている。そして、貫通孔の壁面と、光ファイバ40の除去加工されたことにより形成された外周面との間の空間C40に、光ファイバ40の挿入により押し出された透明樹脂60が入り込んでいる。
 すなわち、光ファイバ40は先端部が先細りになるように全周が円形にテーパー加工されている。テーパー加工された先端部は、先端に向かって外径が徐々に小さくなり、先端面40SAの外径R40Aは、未加工部の外径(クラッド部42の外径)R40よりも小さい。
 すでに説明したように、テーパー加工されていない光ファイバでは、外径R40と貫通孔H30の径R30が略同じであった。このため、光ファイバが挿入されるときに、貫通孔H30の内部の空気が排出されにくく、透明樹脂に気泡が巻き込まれ光路中に残留するおそれがあった。
 これに対して、光ファイバ40は、先端部がテーパー加工されているため、貫通孔H30に光ファイバ40を挿入したときに、光ファイバ40の外周面の除去加工された空間(隙間)を介して空気がすみやかに排出され、除去加工された空間に過剰に注入された透明樹脂60が入り込む。
 このため、光素子10の発光部11と光ファイバ40の先端面40SAとの間の透明樹脂60に気泡が残留することがない。また、光ファイバ40を挿入する圧力により光素子10が配線板20から外れてしまうおそれがない。
 光路中の透明樹脂60に気泡が残留したりすることがないため、光伝送モジュール1は、光ファイバ40と光素子10との結合効率が高い。
 なお、光ファイバ40の先端面40SAの外径R40Aは、発光部11の外寸以上であればよいが、発光部11の直径の1.5倍以上で、未加工部の外径(クラッド部の外径)R40の90%以下であることが、光量が低下することなく、かつ、気泡が残留することがないため好ましい。
 また、光ファイバ40はテーパー加工により、先端に向かって直線的に外径が小さくなっているが、曲線的に小さくなっていてもよい。
 なお、光伝送モジュール1では、テーパー加工部の長さLCは、保持部材30の厚さと配線板20の厚さの合計の長さL30より短い。このため、光ファイバ40が貫通孔H30挿入されるとテーパー加工部は貫通孔H30の内部に収容される。
<第1実施形態の変形例>
 図4Aに示したように、光伝送モジュール1ではテーパー加工部の先端面の外径R40Aは、コア部41の外径R41よりも大きかった。すなわち、コア部41はテーパー加工されていなかった。しかし、図4Bに示すように、コア部41までテーパー加工を行ってもよい。すなわち、テーパー加工部の先端面の外径R40Aが、コア部41の外径R41よりも小さくてもよい。なお、この場合には、透明樹脂60としてクラッド部42と略同じ屈折率の材料を用いることが光伝送効率改善のため好ましい。
 また、光伝送モジュール1ではテーパー加工部の断面形状は円形であった。これに対して図4Cに示すように、多角形にテーパー加工してもよい。
<第2実施形態>
 第2実施形態の光伝送モジュール1Aおよび光伝送モジュール1Aを具備する内視鏡2Aは、光伝送モジュール1および内視鏡2と類似し同じ効果を有しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
 図5に示すように、光伝送モジュール1Aでは、光ファイバ40Aの先端面40SAの外径R40Aは、保持部材30の貫通孔H30の径R30よりも小さく、かつ、未加工部の外径R40が貫通孔H30の径R30よりも大きい。
 このため、光ファイバ40Aのテーパー部の上部の外面が、保持部材30Bの上面の貫通孔H30の開口と当接している。すなわち、光ファイバ40Aの先端面40SAと光素子10の発光部11との距離が、テーパー部の形状により規定されている。
 光伝送モジュール1Aは、テーパー部の形状を規定することで、光ファイバ40Aの先端面40SAと光素子10の発光部11との距離を正確に位置決めできる。このため、光伝送モジュール1Aは、光ファイバ40と光素子10との結合効率がより安定している。
<第3実施形態>
 第3実施形態の光伝送モジュール1Bおよび光伝送モジュール1Bを具備する内視鏡2Bは、光伝送モジュール1および内視鏡2と類似し同じ効果を有しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
 図6A、図6Bおよび図7Aに示すように、光伝送モジュール1Bでは、保持部材30Bは断面が台形の略円錐状である。また、光ファイバ40Bは先端部が長軸に沿って切り欠き(cutout)加工され、断面が略D字型である。すなわち、光ファイバ40Bは先端部の一部が除去加工されている。
 光ファイバ40Bの切り欠き加工部C40は、貫通孔H30に挿入された状態において貫通孔H30の開口よりも少し上まで形成されている。貫通孔H30に光ファイバ40Bを挿入したときに、切り欠き加工部C40を介して空気が排出されるとともに、切り欠き加工部C40に透明樹脂60が侵入する。このため、光素子10の発光部11と光ファイバ40Bの先端面40SAとの間の透明樹脂60に気泡が残留することがなく、かつ、光ファイバ40Bが保持部材30Bに確実に固定される。
 光路中の透明樹脂60に気泡が残留することがないため、光伝送モジュール1Bは、光ファイバ40Bと光素子10との結合効率が高い。また、保持部材30Bには接着剤収容部が形成されていないので、光伝送モジュール1Bは、外径、すなわちXY平面方向の外寸が小さい。光伝送モジュール1Bを先端部81に有する内視鏡2Bは先端部81が細径で低侵襲である。
<第3実施形態の変形例>
 光ファイバに形成する切り欠き加工部は、貫通孔H30に光ファイバ40Bを挿入したときに、空気をすみやかに排出するのに必要十分な断面積を有していればよい。
 例えば、図7Bに示す光ファイバ40B1には、略同じ形状の2つの切り欠き部C40A1、C40A2が形成されている。光ファイバ40B1は光ファイバ40Bの切り欠き部C40よりも加工が容易な深さの浅い2つの切り欠き部C40A1、C40A2であっても、合計断面積が切り欠き部C40と略同じであれば、同じ効果が得られる。
 図7Cに示す光ファイバ40B2は、略同じ形状の4つの切り欠き部C40B~C40Eにより外周面が4平面からなる。光ファイバ40B2は、全周がテーパー加工されているとみなすこともできる。
 また、図7Dに示す光ファイバ40B3の切り欠き部C40Fは断面がV形状である。光ファイバ40B3は光ファイバ40Bよりも加工が容易である。図7Eに示す光ファイバ40B4は、断面が略同じV形状の2つの切り欠き部C40F、C40Gが形成されている。
 光ファイバ40B1~40B4を具備する変形例の光伝送モジュールは、いずれも光伝送モジュール1Aと同じ効果を有する。
<第4実施形態>
 第4実施形態の光伝送モジュール1Cおよび光伝送モジュール1Cを具備する内視鏡2Cは、光伝送モジュール1Bおよび内視鏡2B等と類似し同じ効果を有しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
 図8に示すように、光伝送モジュール1Cの光ファイバ40Cは、先端部が切り欠き(cutout)加工され、断面が略D字型である。さらに光ファイバ40Cでは、先端面40SAは長軸方向に垂直ではなく、傾斜面である。
 先端面40SAに傾斜があるため、空気および透明樹脂60は先端面40SAに留まることなく、上部に流動する。このため、光伝送モジュール1Cは光伝送モジュール1B等の効果を有し、さらに、光路中の透明樹脂60に気泡がさらに残留しにくいため、光ファイバ40Bと光素子10との結合効率がより高い。
 なお、先端面40SAの傾斜角度は、長軸方向に垂直な平面に対して1度以上10度以下であることが好ましく2度以上4度以下であることがより好ましい。前記範囲の下限以上であれば、気泡が残留することなく、前記範囲の条件以下であれば、光が光ファイバ40Bに入射しやすい。また、先端面40SAと発光面10SAとの間で多重反射が発生しにくいため、結合効率(伝送効率)が高い。
 また、光伝送モジュール1、1Aにおいても、光ファイバ40、40Aの先端面40SAを光ファイバ40Cのように傾斜面とすることで、光伝送モジュール1Cと同様の効果を得ることができる。
 なお、以上では、光素子10として発光素子を具備する光伝送モジュール等を例に説明した。しかし、光素子がフォトダイオード等の受光素子であっても同様の構成を有していれば同様の効果を有することは言うまでも無い。
 内視鏡の先端部に配設されたO/E光伝送モジュールは、例えば、撮像素子に入力されるクロック信号を光信号として伝送する。細い光ファイバ40を介してクロック信号を伝送する内視鏡は挿入部80が細く低侵襲である。
 以上の説明のように、本発明の別の実施形態の光伝送モジュールは、光信号を伝送する光ファイバと前記光信号が入射する受光部と外部電極とが表面である受光面に配設されている受光素子と、前記光ファイバが挿通している貫通孔のある保持部材と、前記光信号の光路となる孔部があり、第1の主面に配設されている接合電極と前記受光素子の前記外部電極とが接合されており、第2の主面に前記保持部材が接着されている配線板と、前記受光素子の前記受光部と前記光ファイバの先端面との間を充填している透明樹脂と、を具備し、前記光ファイバの先端部の一部が除去加工されており、前記光ファイバが前記除去加工されたことにより形成された空間に、前記透明樹脂が入り込んでいる光伝送モジュールは、光路中の透明樹脂に気泡が残留しにくいため、光ファイバと受光素子との結合効率が高い。また前記光伝送モジュールを挿入部の先端部に具備する内視鏡は細径である。
 本発明は、上述した実施形態および変形例等に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、組み合わせおよび応用が可能である。
1、1A~1C・・・光伝送モジュール
2、2A~2C・・・内視鏡
10・・・光素子
11・・・発光部
12・・・外部電極
13・・・金バンプ
20・・・配線板
21・・・接合電極
30・・・保持部材
40・・・光ファイバ
41・・・コア部
42・・・クラッド部
50・・・封止樹脂
60・・・透明樹脂
80・・・挿入部
81・・・先端部
90・・・撮像素子

Claims (7)

  1.  撮像素子が配設された先端部に光伝送モジュールを有する挿入部と、
     前記挿入部の基端部側に延設された操作部と、を具備する内視鏡であって、
     前記光伝送モジュールが、
     前記挿入部を挿通している光信号を伝送する光ファイバと
     前記光信号を出射または前記光信号が入射する光素子部と外部電極とが表面に配設されている光素子と、
     前記光ファイバが挿入されている貫通孔のある、紫外線を透過する透明材料からなる保持部材と、
     前記光信号の光路となる孔部があり、第1の主面に配設されている接合電極と前記光素子の前記外部電極とが接合されており、第2の主面に前記保持部材が接着されている配線板と、
     前記光素子の前記光素子部と前記光ファイバの先端面との間を充填している紫外線硬化型の透明樹脂と、を具備し、
     前記光ファイバの先端部の全周が先細りにテーパー加工されており、
     前記保持部材の前記貫通孔の径が、前記光ファイバの未加工部の外径よりも小さく、
     前記光ファイバのテーパー加工により形成された空間に、前記透明樹脂が入り込んでいることを特徴とする内視鏡。
  2.  光信号を伝送する光ファイバと
     前記光信号を出射または前記光信号が入射する光素子部と外部電極とが表面に配設されている光素子と、
     前記光ファイバが挿入されている貫通孔のある保持部材と、
     前記光信号の光路となる孔部があり、第1の主面に配設されている接合電極と前記光素子の前記外部電極とが接合されており、第2の主面に前記保持部材が接着されている配線板と、
     前記光素子の前記光素子部と前記光ファイバの先端面との間を充填している透明樹脂と、を具備する光伝送モジュールであって、
     前記光ファイバの先端部の一部が除去加工されており、
     前記光ファイバが前記除去加工されたことにより形成された空間に、前記透明樹脂が入り込んでいることを特徴とする光伝送モジュール。
  3.  前記光ファイバの先端部の全周がテーパー加工されていることを特徴とする請求項2に記載の光伝送モジュール。
  4.  前記保持部材の前記貫通孔の径が、前記光ファイバの未加工部の外径よりも小さいことを特徴とする請求項3に記載の光伝送モジュール。
  5.  前記光ファイバの前記先端部が切り欠き加工されていることを特徴とする請求項2に記載の光伝送モジュール。
  6.  前記光ファイバの前記先端面が傾斜面であることを特徴とする請求項2から請求項5のいずれか1項に記載の光伝送モジュール。
  7.  前記保持部材が、紫外線を透過する透明材料からなり、
     前記透明樹脂が紫外線硬化型であることを特徴とする請求項2から請求項6のいずれか1項に記載の光伝送モジュール。
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