WO2017195258A1 - 光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置 - Google Patents

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piezoelectric elements
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piezoelectric element
fiber scanner
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博士 鶴田
靖明 葛西
博一 横田
卓志 安見
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オリンパス株式会社
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    • H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end
    • H10N30/2046—Cantilevers, i.e. having one fixed end adapted for multi-directional bending displacement

Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber scanner, an illumination device, and an observation device.
  • An optical fiber scanner that scans light emitted from a tip by vibrating the tip of an optical fiber that guides light from a light source in a direction perpendicular to the longitudinal axis direction by a piezoelectric element is known (for example, a patent) Reference 1).
  • a piezoelectric element In the scanning optical system of Patent Document 1, four flat plate piezoelectric elements are directly attached to the outer peripheral surface of an optical fiber with an adhesive.
  • the piezoelectric element is disposed so as to sandwich the optical fiber in two directions (x-axis and y-axis) orthogonal to the longitudinal axis (z-axis) and mutually orthogonal.
  • the amplitude of the alternating voltage applied to the piezoelectric elements in two directions is periodically changed, and a phase difference is given to vibrate the tip of the optical fiber in a spiral shape so that the emitted light is two-dimensionally projected on the subject. To scan.
  • this optical fiber scanner has two drive shafts that pass through the center of the cross section of the optical fiber, in order to realize a stable spiral vibration locus, the vibration state of each drive shaft that is the basis of the drive shaft is stable. It is necessary to let However, since the outer peripheral surface of the optical fiber is a cylindrical surface and the piezoelectric element has a flat plate shape, the outer peripheral surface of the optical fiber formed of a cylindrical surface so that the adjacent piezoelectric elements are orthogonally crossed with each other with four flat plate piezoelectric elements. It is difficult to adhere to.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and can easily and accurately position a piezoelectric element on an outer peripheral surface of an optical fiber so as to be orthogonal to the drive shaft, thereby realizing a stable vibration locus.
  • An object of the present invention is to provide an optical fiber scanner, an illumination device, and an observation device.
  • One embodiment of the present invention is an optical fiber that emits illumination light guided from a light source from a distal end, and is disposed at a distance in a longitudinal axis direction from the distal end to the proximal end side of the optical fiber.
  • Three or more plate-like piezoelectric elements that vibrate in the direction intersecting the longitudinal axis, each of the piezoelectric elements having chamfered portions along at least part of the longitudinal direction at both ends in the width direction.
  • the piezoelectric elements adjacent in the circumferential direction are assembled into a cylindrical shape in which the chamfered portions are brought into close contact with each other so as to surround the outer peripheral surface of the optical fiber in a close contact state.
  • three or more flat plate-shaped piezoelectric elements are assembled into a cylindrical shape having a through hole in the center, with chamfered portions provided along at least part of the longitudinal direction at both ends in the width direction.
  • an optical fiber scanner in which the cylindrical piezoelectric element surrounds the middle position in the longitudinal direction of the optical fiber in a close contact state over the entire circumference by passing the optical fiber through the through hole is configured.
  • the chamfered portion can be manufactured with high accuracy by machining, and the relative angles of the plurality of piezoelectric elements are set with high accuracy when assembled. Accordingly, the piezoelectric element can be easily and accurately positioned on the outer peripheral surface of the optical fiber so as to be orthogonal to the drive shaft, and a stable vibration locus can be realized.
  • a fixing member fixed to the outer peripheral surface of the optical fiber via a conductive adhesive layer is provided on the base end side of the piezoelectric element, and the fixing member and the piezoelectric element are connected to the conductive element. It may be electrically connected via an adhesive layer.
  • the vibration of the optical fiber is supported on the base end side of the piezoelectric element by the fixing member fixed to the outer peripheral surface of the optical fiber via the conductive adhesive layer.
  • the electrode on the optical fiber side of the piezoelectric element can be grounded only by grounding the fixing member.
  • the said optical fiber may be provided with the resin layer which coat
  • the angle of the said chamfer part of the said piezoelectric element may be represented by the following formula
  • equation. ⁇ 360 ⁇ (number of piezoelectric elements ⁇ 2)
  • ⁇ is an angle of the chamfered portion.
  • the angle ⁇ of the chamfered portion is set to 60 °, and when the chamfered portions of the adjacent piezoelectric elements are brought into close contact with each other, a regular triangular prism is formed by the three piezoelectric elements,
  • the outer peripheral surface of the optical fiber can be inscribed in a through hole having a regular cross-sectional equilateral triangle, and can be fitted in a close contact state.
  • the angle ⁇ of the chamfered portion is set to 45 °, and when the chamfered portions of the adjacent piezoelectric elements are brought into close contact with each other, a regular quadrangular prism is formed by the four piezoelectric elements, and a square cross section at the center is formed.
  • the outer peripheral surface of the optical fiber can be inscribed in the through-hole and can be fitted in close contact.
  • the width dimension of the electrode formed in the front and back of the said piezoelectric element may be the same.
  • the optical fiber scanner a light source that generates illumination light to be guided to the optical fiber of the optical fiber scanner, and illumination light emitted from the tip of the optical fiber scanner are provided.
  • the illumination light from the light source is guided by the optical fiber, and the illumination light emitted from the tip of the oscillating optical fiber is collected by the condenser lens and is irradiated to the subject as a light spot.
  • the optical fiber scanner is securely held by the lens holding member at the base end side of the piezoelectric element, and the light is scanned with a stable scanning locus. The spot can be scanned and the subject can be illuminated uniformly.
  • Another aspect of the present invention is an observation apparatus including the above-described illumination device and a light detection unit that detects return light that returns from the subject when illumination light is irradiated by the illumination device.
  • the light spot is scanned by the illumination device
  • the return light returning from the scanning position of the subject is detected by the light detection unit, and the return light image of the subject is acquired by associating with the scanning position. be able to.
  • the subject can be observed with a return light image with less distortion.
  • the piezoelectric element can be easily and accurately positioned on the outer peripheral surface of the optical fiber so as to be orthogonal to the drive shaft, and a stable vibration locus can be realized.
  • the observation device 1 detects an illumination device 2 that irradiates a subject with illumination light, and return light such as reflected light or fluorescence that returns from the illumination light irradiation position on the subject. And a light detection unit 3.
  • the illumination device 2 is emitted from a light source (not shown), an optical fiber scanner 4 that two-dimensionally scans illumination light from the light source, and a tip 5 a of the optical fiber 5 of the optical fiber scanner 4.
  • the optical fiber scanner 4 includes an optical fiber 5 that guides illumination light from a light source and emits the light from a tip 5a, and a piezoelectric element 8a that vibrates the tip 5a of the optical fiber 5 in a direction intersecting the longitudinal axis. 8b, and a fixing member 9 that holds the optical fiber 5 on the lens holding member 7 on the proximal side of the piezoelectric elements 8a and 8b.
  • the optical fiber 5 is composed of two types of quartz or plastic materials having different refractive indexes of a linear core (not shown) and a tube-like cladding 5b surrounding the core.
  • the piezoelectric elements 8a and 8b are configured by forming film-like electrodes 10 on both surfaces in the thickness direction of a plate-like piezoelectric ceramic material made of lead zirconate titanate.
  • the piezoelectric elements 8a and 8b are provided with chamfered portions 20 having an angle of 45 ° over the entire length in the longitudinal direction on both sides in the width direction, thereby allowing trapezoidal crossing. It is formed in a surface shape.
  • FIG. 2 shows a piezoelectric element 8a as an example.
  • the electrode 10 is provided on the surfaces of the trapezoidal upper and lower bases and has the same width dimension.
  • the optical fiber scanner 4 includes four piezoelectric elements 8a and 8b.
  • the four piezoelectric elements 8a and 8b have two types of polarization directions set in the thickness direction. That is, in the two types of piezoelectric elements 8a and 8b, the longitudinal direction of expansion and contraction when a voltage is applied in the same direction is opposite.
  • the four piezoelectric elements 8a and 8b are formed in a rectangular tube shape by adjoining the chamfered portions 20 with the adjacent piezoelectric elements 8a and 8b and bonding them together with an epoxy adhesive. Is assembled. In the assembly 11 of the rectangular cylindrical piezoelectric elements 8a and 8b, the two piezoelectric elements 8a and 8b arranged in parallel with a space between them have different polarization directions as shown by arrows in FIG. Is used.
  • a through hole 12 having a square cross section penetrating in the center is formed in the assembly 11 of the rectangular cylindrical piezoelectric elements 8a and 8b.
  • the length of one side of the cross section of the through hole 12 is configured to be substantially the same as the outer diameter of the optical fiber 5.
  • the optical fiber 5 is passed through the through hole 12 of the assembly 11 of the piezoelectric elements 8 a and 8 b and bonded by the conductive adhesive 13.
  • the fixing member 9 is an annular member having a central through-hole 14 that allows the optical fiber 5 to pass through.
  • the fixing member 9 is made of a conductive material, and is a conductive member that bonds the piezoelectric elements 8 a and 8 b to the optical fiber 5. Is bonded to the optical fiber 5 by a conductive adhesive (conductive adhesive layer) 13. A lead wire (not shown) connected to the ground is connected to the fixing member 9.
  • the fixing member 9 is provided with a through hole 17 through which the lead wire 16 connected to the electrode 10 provided outside the assembly 11 of the piezoelectric elements 8a and 8b is passed.
  • the electrode 10 disposed in the through hole 12 of the assembly 11 of the rectangular cylindrical piezoelectric elements 8 a and 8 b is fixed to the fixing member via the conductive adhesive 13 for bonding to the optical fiber 5. 9 are all electrically connected to ground.
  • an A-phase alternating voltage is applied to a pair of two piezoelectric elements 8a arranged facing each other in the X-axis direction, and facing each other in the Y-axis direction.
  • a B-phase alternating voltage is applied to the two pairs of piezoelectric elements 8b arranged.
  • the light detection unit 3 includes a plurality of light receiving optical fibers 18 arranged on the outer peripheral surface of the lens holding member 7 along the circumferential direction.
  • the plurality of light receiving optical fibers 18 are covered with the coating layer 21 and fixed to the lens holding member 7 in a state in which a plurality of optical fibers 18 for light reception are arranged on the outer peripheral surface of the lens holding member 7 along the circumferential direction.
  • the front ends of these light receiving optical fibers 18 are disposed in the vicinity of the front end position of the lens holding member 7 so as to receive return light emitted from the subject.
  • the return light received by the tip of the light receiving optical fiber 18 is guided by the light receiving optical fiber 18, and the total light amount is detected by a photodetector (not shown) connected to the base end side of the light receiving optical fiber 18. It has come to be.
  • one piezoelectric element 8a is elongated by applying an A-phase alternating voltage to a pair of two piezoelectric elements 8a arranged opposite to each other in the X-axis direction.
  • the other piezoelectric element 8b is contracted in the length direction by extending in the length direction.
  • the tip 5a of the optical fiber 5 can be vibrated while drawing a circular locus. In this state, the tip 5a of the optical fiber 5 can be vibrated along a spiral locus by periodically changing the amplitudes of the alternating voltages of the A phase and the B phase.
  • the emitted illumination light is condensed by the condenser lens 6 held forward by the lens holding member 7, and is emitted onto the subject.
  • a spot is formed. The formed light spot is scanned while drawing a spiral scanning trajectory on the subject when the tip 5a of the optical fiber 5 is vibrated.
  • the return light such as reflected light or fluorescence generated at each scanning position is received by the light receiving optical fiber 18 and detected by the photodetector.
  • the intensity information of the return light detected by the light detector is associated with the scanning position information of the illumination light, so that a return light image of the subject can be generated.
  • the four piezoelectric elements 8a and 8b are bonded so as to bring the chamfered portions 20 of the adjacent piezoelectric elements 8a and 8b into close contact with each other. Therefore, there is an advantage that the adjacent piezoelectric elements 8a and 8b can be easily positioned.
  • the thickness of the piezoelectric elements 8a and 8b is reduced by the chamfer 20 The width of both sides in the vertical direction is different. Thereby, all the piezoelectric elements 8a and 8b can be easily arranged with the same surface facing the optical fiber 5 only by combining the chamfered portions 20 with each other.
  • each piezoelectric element 8a, 8b can be easily positioned with high accuracy by being orthogonal to the two drive axes of the X axis and the Y axis, and the tip 5a of the optical fiber 5 can be vibrated with a stable vibration locus. There is an advantage that you can.
  • the illumination device 2 there is an advantage that the subject can be illuminated uniformly by the illumination light emitted from the tip 5a of the optical fiber 5 that is vibrated with a stable vibration locus.
  • the observation apparatus 1 it is possible to observe a subject with a return light image with less distortion based on return light from each scanning position scanned with illumination light with a stable scanning locus. There is an advantage that you can.
  • the cross section of the through-hole 12 formed in the assembly 11 of the rectangular cylindrical piezoelectric elements 8a and 8b (in the direction orthogonal to the central axis of the optical fiber 5). Since the cross section is formed in a square shape, even if a gap is formed between the inner surface of the through-hole 12 and the outer surface of the optical fiber 5, the center axis of the optical fiber 5 and the center axis of the through-hole 12 are shifted. It is not necessary to change the transmission direction of vibration transmitted from the elements 8a and 8b to the optical fiber 5. This also has the advantage that the vibration state of the optical fiber 5 can be stabilized.
  • the optical fiber 5 is inserted into the through-hole 12 having a quadrangular cross section formed at the center and bonded.
  • the optical fiber 5 is arranged along the piezoelectric elements 8a and 8b, and the remaining piezoelectric elements 8a and 8b You may decide to assemble so that the perimeter of an outer peripheral surface may be surrounded.
  • the optical fiber 5 having the clad 5b and the core is exemplified, but as shown in FIGS. 6 and 7, a resin coat (resin layer) covering the outer periphery of the clad 5b.
  • the optical fiber 5 having 19 may be adopted.
  • the resin coat 19 may be arranged up to the vicinity of the tip 5a of the optical fiber 5 as shown in FIG. 6, or arranged up to the tips of the piezoelectric elements 8a and 8b as shown in FIG. It may be.
  • the resin coating 19 reduces the stress concentration and protects the clad 5b and the core of the optical fiber 5 from mechanical damage due to fatigue or the like. There is an advantage that you can.
  • the two in-phase piezoelectric elements 8a and 8b arranged in parallel with a gap between them are applied to the outside of the rectangular cylindrical assembly 11 by using ones having different polarization directions.
  • all the piezoelectric elements 8a and 8b may be shared by applying a voltage having an opposite phase.
  • the four piezoelectric elements 8a and 8b are assembled to form the rectangular cylindrical assembly 11, but instead, the angle of the chamfered portion 20 is changed as shown in FIG.
  • a triangular cylindrical assembly 23 may be configured by combining three 60 ° piezoelectric elements 22 as shown in FIG.
  • the polarization direction of each piezoelectric element 22 is set as indicated by an arrow in FIG. 10, and a three-phase alternating voltage having a phase difference of 120 ° may be applied to each piezoelectric element 22.
  • the number of piezoelectric elements 8a, 8b, and 22 is not limited to three and four, and any number of piezoelectric elements may be employed.
  • the width of both surfaces in the thickness direction of the piezoelectric elements 8a, 8b, and 22 having such a chamfered portion 20 is small on the surface to be bonded to the optical fiber 5, and is opposite to the optical fiber 5 (the assembly 11 or the assembly). Since the surface on the outer periphery side of the three-dimensional body 23 is large, it is possible to grasp the surface to be easily bonded when assembling. Thereby, all the piezoelectric elements 8a, 8b, and 22 can be easily arranged with the same surface facing the optical fiber 5, regardless of the number of piezoelectric elements, by simply combining the chamfered portions 20.
  • the chamfered portion 20 is provided over the entire length of the piezoelectric elements 8a and 8b.
  • Protrusions for forming the chamfered portions 24, 25, and 26 may be provided on the surface.
  • the example shown in FIG. 11 has chamfered portions 24 provided at one end in the length direction
  • the example shown in FIG. 12 has chamfered portions 25 provided at both ends in the length direction, as shown in FIG.
  • a chamfered portion 26 is provided at the center in the length direction.

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Abstract

　光ファイバの外周面にその駆動軸に直交させて圧電素子を簡易に精度よく位置決めすることができ、安定した振動軌跡を実現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（４）は、光源から導光されてきた照明光を先端（５ａ）から射出させる光ファイバ（５）と、光ファイバ（５）の先端（５ａ）より基端側に長手軸方向に間隔をあけて配置され、光ファイバ（５）の先端（５ａ）を長手軸に交差する方向に振動させる３以上の平板状の圧電素子（８ｂ）とを備え、各圧電素子（８ｂ）が、幅方向の両端に長手方向の少なくとも一部に沿って面取り部を有し、周方向に隣接する圧電素子（８ｂ）が、面取り部同士を密着させて、光ファイバ（５ａ）の外周面を密着状態に取り囲む筒状に組み立てられている。

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。
　光源からの光を導光する光ファイバの先端を、圧電素子により長手軸方向に直交する方向に振動させて、先端から射出される光を走査する光ファイバスキャナが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
　特許文献１の走査光学系は、光ファイバの外周面に４枚の平板状の圧電素子を接着剤によって直接貼り付けたものである。圧電素子は、光ファイバをその長手軸（ｚ軸）に直交しかつ相互に直交する２方向（ｘ軸およびｙ軸）に挟むように配置されている。２方向の圧電素子に加える交番電圧の振幅をそれぞれ周期的に変化させるとともに、位相差を与えることにより、光ファイバの先端をスパイラル状に振動させて、射出される光を被写体上で２次元的に走査させている。
特開２０１４－７１４２３号公報
　この光ファイバスキャナは、光ファイバの横断面中心を通る２つの駆動軸を備えているため、安定したスパイラル状の振動軌跡を実現するためには、その基となる各駆動軸の振動状態を安定させる必要がある。
　しかしながら、光ファイバの外周面は円筒面であり圧電素子は平板状であるため、４枚の平板状の圧電素子を隣接する圧電素子が精度よく直交するように円筒面からなる光ファイバの外周面に接着することは困難である。
　本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、光ファイバの外周面にその駆動軸に直交させて圧電素子を簡易に精度よく位置決めすることができ、安定した振動軌跡を実現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、光源から導光されてきた照明光を先端から射出させる光ファイバと、該光ファイバの前記先端より基端側に長手軸方向に間隔をあけて配置され、前記光ファイバの前記先端を長手軸に交差する方向に振動させる３以上の平板状の圧電素子とを備え、各該圧電素子が、幅方向の両端に長手方向の少なくとも一部に沿って面取り部を有し、周方向に隣接する前記圧電素子が、前記面取り部同士を密着させて、前記光ファイバの外周面を密着状態に取り囲む筒状に組み立てられている光ファイバスキャナである。
　本態様によれば、３以上の平板状の圧電素子が幅方向の両端に長手方向の少なくとも一部に沿って備えられた面取り部同士を密着させて、中央に貫通孔を有する筒状に組み立てられ、該貫通孔に光ファイバを貫通させることにより、筒状の圧電素子が光ファイバの長手方向の途中位置を全周にわたって密着状態に取り囲む光ファイバスキャナが構成される。面取り部は機械加工によって精度よく製造でき、組み立てたときに複数の圧電素子同士の相対角度が精度よく設定される。これにより、光ファイバの外周面にその駆動軸に直交させて圧電素子を簡易に精度よく位置決めすることができ、安定した振動軌跡を実現することができる。
　上記態様においては、前記圧電素子よりも基端側において、前記光ファイバの外周面に導電性接着層を介して固定された固定部材を備え、該固定部材と前記圧電素子とが、前記導電性接着層を介して電気的に接続されていてもよい。
　このようにすることで、光ファイバの外周面に導電性接着層を介して固定された固定部材により、光ファイバの振動が圧電素子よりも基端側において支持される。そして、固定部材と圧電素子とが導電性接着層を介して電気的に接続されることにより、固定部材を接地するだけで、圧電素子の光ファイバ側の電極を接地することができる。
　また、上記態様においては、前記光ファイバが、前記先端近傍または前記圧電素子の先端側まで被覆する樹脂層を備えていてもよい。
　このようにすることで、光ファイバのコアが樹脂層によって保護され、機械的な疲労等を軽減することができる。
　また、上記態様においては、前記圧電素子の前記面取り部の角度が、以下の式で表されてもよい。
　θ＝３６０÷（圧電素子数×２）
　ここで、θは前記面取り部の角度である。
　このようにすることで、圧電素子が３枚の場合には面取り部の角度θ＝６０°とし、隣接する圧電素子の面取り部を密着させると、３枚の圧電素子によって正三角柱が形成され、中央の横断面正三角形の貫通孔に光ファイバの外周面を内接させて密着状態に嵌合させることができる。また、圧電素子が４枚の場合には面取り部の角度θ＝４５°とし、隣接する圧電素子の面取り部を密着させると、４枚の圧電素子によって正四角柱が形成され、中央の横断面正方形の貫通孔に光ファイバの外周面を内接させて密着状態に嵌合させることができる。
　また、上記態様においては、前記圧電素子の表裏面に形成される電極の幅寸法が同一であってもよい。
　このようにすることで、電極の対向する領域を効率よく変形させることができる。
　また、本発明の他の態様は、上記光ファイバスキャナと、該光ファイバスキャナの前記光ファイバに導光させる照明光を発生する光源と、前記光ファイバスキャナの前記先端から射出される照明光を集光する集光レンズと、前記光ファイバスキャナを収容する筒状に形成されるとともに前記固定部材に固定され、前記集光レンズを前記光ファイバスキャナの前記先端よりも前方に支持するレンズ保持部材とを備える照明装置である。
　本態様によれば、光源からの照明光が光ファイバによって導光され、振動する光ファイバの先端から射出された照明光が集光レンズによって集光されて光スポットとなって被写体に照射される。集光レンズを保持する筒状のレンズ保持部材と固定部材とが固定されることにより、光ファイバスキャナが圧電素子よりも基端側においてレンズ保持部材により確実に保持され、安定した走査軌跡で光スポットを走査させ、被写体を均一に照明することができる。
　また、本発明の他の態様は、上記照明装置と、該照明装置によって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部とを備える観察装置である。
　本態様によれば、照明装置によって光スポットが走査されることにより、被写体の走査位置から戻る戻り光を光検出部により検出し、走査位置と対応づけることによって、被写体の戻り光画像を取得することができる。光スポットを安定した走査軌跡で走査させることにより歪みの少ない戻り光画像による被写体の観察を行うことができる。
　本発明によれば、光ファイバの外周面にその駆動軸に直交させて圧電素子を簡易に精度よく位置決めすることができ、安定した振動軌跡を実現す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縦断面図である。 図１の観察装置に備えられる圧電素子の一例を示す斜視図である。 図２の圧電素子を４つ組み合わせた組立体を示す斜視図である。 図３の組立体の圧電素子の分極方向を示す正面図である。 図３の圧電素子に加える交番電圧の種類を示す正面図である。 図１の観察装置に備えられる光ファイバスキャナの変形例を示す縦断面図である。 図１の観察装置に備えられる光ファイバスキャナの他の変形例を示す縦断面図である。 図２の圧電素子の変形例を示す斜視図である。 図８の圧電素子を３つ組み合わせた組立体を示す斜視図である。 図９の組立体の圧電素子の分極方向を示す正面図である。 図２の圧電素子の他の変形例を示す斜視図である。 図２の圧電素子の他の変形例を示す斜視図である。 図２の圧電素子の他の変形例を示す斜視図である。
　本発明の一実施形態に係る光ファイバスキャナ４、照明装置２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１に示されるように、被写体に照明光を照射する照明装置２と、被写体における照明光の照射位置から戻る反射光あるいは蛍光等の戻り光を検出する光検出部３とを備えている。
　本実施形態に係る照明装置２は、光源（図示略）と、光源からの照明光を２次元的に走査する光ファイバスキャナ４と、該光ファイバスキャナ４の光ファイバ５の先端５ａから射出された照明光を集光する集光レンズ６と、該集光レンズ６を光ファイバ５の先端５ａよりも前方に保持する円筒状のレンズ保持部材７とを備えている。
　本実施形態に係る光ファイバスキャナ４は、光源からの照明光を導光し先端５ａから射出させる光ファイバ５と、該光ファイバ５の先端５ａを長手軸に交差する方向に振動させる圧電素子８ａ，８ｂと、光ファイバ５を圧電素子８ａ，８ｂよりも基端側においてレンズ保持部材７に保持させる固定部材９とを備えている。
　光ファイバ５は、線状のコア（図示略）とその周囲を取り囲むチューブ状のクラッド５ｂの屈折率が異なる２種類の石英もしくはプラスチック材料によって構成されている。
　圧電素子８ａ，８ｂは、チタン酸ジルコン酸鉛からなる平板状の圧電セラミック材料の厚さ方向の両面にそれぞれ皮膜状の電極１０が形成されることにより構成されている。
　本実施形態においては、圧電素子８ａ，８ｂは、図２に示されるように、その幅方向の両側に、長手方向の全長にわたって角度４５°の面取り部２０が設けられることにより、台形状の横断面形状に形成されている。図２には、一例として圧電素子８ａを示す。電極１０は、台形の上底および下底となる表面に設けられ、同一の幅寸法を有している。
　また、本実施形態に係る光ファイバスキャナ４は、４枚の圧電素子８ａ，８ｂを備えている。４枚の圧電素子８ａ，８ｂには、厚さ方向に設定される分極方向が２種類存在する。すなわち、この２種類の圧電素子８ａ，８ｂは、同じ方向に電圧を加えたときの長手方向の伸縮方向が逆方向となっている。
　４枚の圧電素子８ａ，８ｂは、図３に示されるように、隣接する圧電素子８ａ，８ｂが面取り部２０同士を密着させ、両者をエポキシ系の接着剤によって接着することにより、四角筒状に組み立てられている。この四角筒状の圧電素子８ａ，８ｂの組立体１１において、間隔をあけて平行に配置される２枚の圧電素子８ａ，８ｂには、図４に矢印で示されるように分極方向が異なるものが使用されている。
　四角筒状の圧電素子８ａ，８ｂの組立体１１には、中央に貫通する横断面正方形の貫通孔１２が形成されている。この貫通孔１２の横断面の一辺の長さは光ファイバ５の外径寸法とほぼ同一となるように構成されている。これにより、圧電素子８ａ，８ｂの組立体１１の貫通孔１２には、光ファイバ５が貫通させられて、導電性の接着剤１３により接着されている。
　固定部材９は、光ファイバ５を貫通させる中央の貫通孔１４を有する円環状の部材であり、導電性材料によって構成されているとともに、圧電素子８ａ，８ｂを光ファイバ５に接着している導電性の接着剤（導電性接着層）１３によって光ファイバ５に接着されている。固定部材９には、アースに接地されるリード線（図示略）が接続されている。
　また、固定部材９には、圧電素子８ａ，８ｂの組立体１１の外側に設けられた電極１０に接続するリード線１６を貫通させる貫通孔１７が設けられている。上述したように、四角筒状の圧電素子８ａ，８ｂの組立体１１の貫通孔１２内に配置された電極１０は、光ファイバ５に接着するための導電性の接着剤１３を介して固定部材９に電気的に接続されているので、全てアースに接地されている。
　図５に示されるように、Ｘ軸方向に対向して配置されている２枚一対の圧電素子８ａにはＡ相の交番電圧が印加されるようになっており、Ｙ軸方向に対向して配置されている２枚一対の圧電素子８ｂにはＢ相の交番電圧が印加されるようになっている。
　光検出部３は、レンズ保持部材７の外周面に周方向に沿って複数配列された受光用光ファイバ１８を備えている。受光用光ファイバ１８は、レンズ保持部材７の外周面に周方向に沿って複数配列された状態で、コーティング層２１により被覆されてレンズ保持部材７に固定されている。これらの受光用光ファイバ１８の先端は、レンズ保持部材７の先端位置近傍に前方を向けて配置されており、被写体から発せられる戻り光を受光するようになっている。受光用光ファイバ１８の先端によって受光された戻り光は、受光用光ファイバ１８によって導光され、受光用光ファイバ１８の基端側に接続されている図示しない光検出器により、合計光量が検出されるようになっている。
　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４、照明装置２および観察装置１の作用について以下に説明する。
　本実施形態に係る光ファイバスキャナ４によれば、Ｘ軸方向に対向して配置されている２枚一対の圧電素子８ａにＡ相の交番電圧を印加することにより、一方の圧電素子８ａを長さ方向に伸張させ、他方の圧電素子８ｂを長さ方向に収縮させる。これにより、固定部材９の軸方向中心近傍を振動の節とし、光ファイバ５の先端５ａを振動の腹として、光ファイバ５の先端５ａをＸ軸方向に振動させることができる。
　同様にＹ方向に対向して配置されている２枚一対の圧電素子８ｂにＢ相の交番電圧を印加することにより、一方の圧電素子８ｂを長さ方向に伸張させ、他方の圧電素子８ａを長さ方向に収縮させる。これにより、固定部材９の軸方向中心近傍を振動の節とし、光ファイバ５の先端５ａを振動の腹として、光ファイバ５の先端５ａをＹ軸方向に振動させることができる。
　Ｘ方向の振動とＹ方向の振動とを同時に発生させ、Ａ相およびＢ相の交番電圧の位相を９０°ずらすと円形軌跡を描いて光ファイバ５の先端５ａを振動させることができる。そして、この状態で、Ａ相およびＢ相の交番電圧の振幅を周期的に変化させることにより、光ファイバ５の先端５ａをスパイラル状の軌跡に沿って振動させることができる。
　光ファイバ５によって導光されてきた照明光が先端５ａから射出されると、射出された照明光がレンズ保持部材７によって前方に保持されている集光レンズ６によって集光され、被写体上に光スポットが形成される。形成された光スポットは、光ファイバ５の先端５ａが振動させられることによって、被写体上においてスパイラル状の走査軌跡を描いて走査させられる。
　被写体において照明光が走査されると、各走査位置において発生した反射光あるいは蛍光等の戻り光が受光用光ファイバ１８によって受光され光検出器によって検出される。光検出器によって検出された戻り光の強度情報は、照明光の走査位置情報と対応づけられることにより、被写体の戻り光画像を生成することができる。
　この場合において、本実施形態に係る光ファイバスキャナ４によれば、４枚の圧電素子８ａ，８ｂが、隣接する圧電素子８ａ，８ｂの面取り部２０同士を密着させるように接着されて四角筒状の組立体１１を構成しているので、隣接する圧電素子８ａ，８ｂ同士の位置決めを容易に行うことができるという利点がある。
　すなわち、従来、横断面円形の光ファイバに４枚の圧電素子を接着する場合には、円筒面に対する平板状の圧電素子の位置決めが困難であったが、本実施形態によれば、隣接する圧電素子８ａ，８ｂ同士の位置決めが容易になり、対向する２枚の圧電素子８ａ，８ｂを精度よく平行に配置することができる。
　また、一般に平板状の圧電素子は配置する面の向きによって振動方向が異なるので接着する向きに十分注意する必要があるが、本実施形態によれば面取り部２０により、圧電素子８ａ，８ｂの厚さ方向の両面の幅が異なっている。これにより、面取り部２０同士を組み合わせるだけで全ての圧電素子８a，８ｂを光ファイバ５に対して同じ面を向けて容易に配置させることができる。その結果、各圧電素子８ａ，８ｂをＸ軸およびＹ軸の２つの駆動軸に直交させて簡易に精度よく位置決めすることができ、光ファイバ５の先端５ａを安定した振動軌跡で振動させることができるという利点がある。
　したがって、本実施形態に係る照明装置２によれば、安定した振動軌跡で振動させられる光ファイバ５の先端５ａから射出された照明光により、被写体を均一に照明することができるという利点がある。また、本実施形態に係る観察装置１によれば、安定した走査軌跡で照明光が走査された各走査位置からの戻り光に基づいて、歪みの少ない戻り光画像による被写体の観察を行うことができるという利点がある。
　また、本実施形態に係る光ファイバスキャナ４によれば、四角筒状の圧電素子８ａ，８ｂの組立体１１に形成される貫通孔１２の横断面（光ファイバ５の中心軸に直交する方向の断面）が正方形に形成されるので、貫通孔１２内面と光ファイバ５外面との間に隙間が形成されて、光ファイバ５の中心軸と貫通孔１２の中心軸とがずれたとしても、圧電素子８ａ，８ｂから光ファイバ５に伝達される振動の伝達方向を変化させずに済む。これによっても、光ファイバ５の振動状態を安定させることができるという利点がある。
　なお、本実施形態においては、４枚の圧電素子８ａ，８ｂを４角筒状に組み立てた後に、中央に形成された横断面四角形の貫通孔１２内に光ファイバ５を挿入して接着することにしてもよいし、２枚または３枚の圧電素子８ａ，８ｂを組み立てた後に、光ファイバ５を圧電素子８ａ，８ｂに沿わせて配置し、残りの圧電素子８ａ，８ｂで光ファイバ５の外周面全周を取り囲むように組み立てることにしてもよい。
　また、本実施形態においては、光ファイバ５として、クラッド５ｂとコアとを備えるものを例示したが、図６および図７に示されるように、クラッド５ｂの外周を被覆する樹脂コート（樹脂層）１９を有する光ファイバ５を採用してもよい。
　この場合に、樹脂コート１９は、図６に示されるように光ファイバ５の先端５ａ近傍まで配置されていてもよいし、図７に示されるように圧電素子８ａ，８ｂの先端部まで配置されていてもよい。
　光ファイバ５には、振動によって各部に応力集中が発生するので、樹脂コート１９を設けることによって応力集中を緩和し、光ファイバ５のクラッド５ｂおよびコアを、疲労等による機械的な損傷から保護することができるという利点がある。
　また、本実施形態においては、間隔をあけて平行に配置される同相の２枚の圧電素子８ａ，８ｂとして分極方向の異なるものを使用することにより、四角筒状の組立体１１の外側に印加する電圧を等しくすることとしたが、これに代えて、逆位相の電圧を印加することで、全ての圧電素子８ａ，８ｂを共通化することにしてもよい。
　また、本実施形態においては、４枚の圧電素子８ａ，８ｂを組み立てて四角筒状の組立体１１を構成したが、これに代えて、図８に示されるように、面取り部２０の角度を６０°とした圧電素子２２を３枚組み合わせて、図９に示されるように三角筒状の組立体２３を構成してもよい。この場合、各圧電素子２２の分極方向を図１０に矢印で示すように設定し、位相が１２０°異なる３相の交番電圧を各圧電素子２２に印加すればよい。
　また、圧電素子８ａ，８ｂ，２２の枚数は３枚および４枚に限定されるものではなく、任意の枚数の圧電素子を採用してもよい。その場合の面取り部２０の角度θは、
　θ＝３６０÷（圧電素子数×２）
である。
　このような面取り部２０を有する圧電素子８ａ，８ｂ，２２の厚さ方向の両面の幅は、光ファイバ５に対し接着させるべき面が小さく、光ファイバ５とは反対側（組立体１１もしくは組立体２３の外周側）の面が大きいので、組み立てる際に容易に接着させる面を把握することができる。これにより、面取り部２０同士を組み合わせるだけで、圧電素子数によらず全ての圧電素子８ａ，８ｂ，２２を光ファイバ５に対して同じ面を向けて容易に配置させることができる。
　また、本実施形態においては、圧電素子８ａ，８ｂの長さ方向の全長にわたって面取り部２０を設けたが、これに代えて、図１１から図１３に示されるように、長さ方向の一部に面取り部２４，２５，２６を形成するための突起を設けることにしてもよい。図１１に示す例は、長さ方向の一端に面取り部２４を設けたものであり、図１２に示す例は、長さ方向の両端に面取り部２５を設けたものであり、図１３に示す例は、長さ方向の中央に面取り部２６を設けたものである。
　１　観察装置
　２　照明装置
　３　光検出部
　４　光ファイバスキャナ
　５　光ファイバ
　５ａ　先端
　６　集光レンズ
　７　レンズ保持部材
　８ａ，８ｂ，２２　圧電素子
　９　固定部材
　１０　電極
　１３　接着剤（導電性接着層）
　１９　樹脂コート（樹脂層）
　２０，２４，２５，２６　面取り部
 

Claims (7)

  1. 　光源から導光されてきた照明光を先端から射出させる光ファイバと、
    　該光ファイバの前記先端より基端側に長手軸方向に間隔をあけて配置され、前記光ファイバの前記先端を長手軸に交差する方向に振動させる３以上の平板状の圧電素子とを備え、
    　各該圧電素子が、幅方向の両端に長手方向の少なくとも一部に沿って面取り部を有し、
    　周方向に隣接する前記圧電素子が、前記面取り部同士を密着させて、前記光ファイバの外周面を密着状態に取り囲む筒状に組み立てられている光ファイバスキャナ。
  2. 　前記圧電素子よりも基端側において、前記光ファイバの外周面に導電性接着層を介して固定された固定部材を備え、
    　該固定部材と前記圧電素子とが、前記導電性接着層を介して電気的に接続されている請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
  3. 　前記光ファイバが、前記先端近傍または前記圧電素子の先端側まで被覆する樹脂層を備える請求項１または請求項２に記載の光ファイバスキャナ。
  4. 　前記圧電素子の前記面取り部の角度が、以下の式で表される請求項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。
    　θ＝３６０÷（圧電素子数×２）
    　ここで、θは前記面取り部の角度である。
  5. 　前記圧電素子の表裏面に形成される電極の幅寸法が同一である請求項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。
  6. 　請求項２に記載の光ファイバスキャナと、
    　該光ファイバスキャナの前記光ファイバに導光させる照明光を発生する光源と、
    　前記光ファイバスキャナの前記先端から射出される照明光を集光する集光レンズと、
    　前記光ファイバスキャナを収容する筒状に形成されるとともに前記固定部材に固定され、前記集光レンズを前記光ファイバスキャナの前記先端よりも前方に支持するレンズ保持部材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部とを備える観察装置。
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