JP2009501960A - 走査ビーム・デバイスを釣り合わせる方法及びシステム - Google Patents

Abstract

作動素子（図２、４０）及び走査素子（図２、３４）の作動によって生じる加速度及び／又はトルクを釣り合わせる方法及びシステム。走査ビーム・デバイス（図１、１４）は、作動素子の走査によって生じる力及び／又はトルクと実質的に等しい、かつ実質的に反対である力及び／又はトルクを生成する釣り合いおもりを備えることができる。

Description

本発明は、走査ビーム・デバイスを対象とする。より詳細には、本発明は走査ファイバ・デバイス内の駆動アセンブリを釣り合わせる方法及びシステムに関する。

微小光学ディスプレイや小型画像獲得システム（例えば、カメラ）に対する成長市場がある。走査ビーム・システムはこの要求を満たしているが、広い視野（ＦＯＶ）を備えた低費用の微小光学システムがないことが、最小侵襲医療画像化（フレキシブル内視鏡）、監視、工業検査と修理、機械とロボットの視覚システム、微小バーコード・スキャナで使用する走査ビーム・システムの寸法を小さくするための最も重大な障害であった。

この目的で、光ファイバの端部から光を投射してターゲット領域に画像を形成するように、一次元又は二次元において走査されるカンチレバー式光ファイバの使用を含む、改良型の走査ビーム・システムが、ワシントン大学によって最近開発された。画像形成と微小表示の応用例に加えて、光検出器などのセンサを追加することで画像獲得が可能となる。画像を獲得するため、カンチレバー式の走査光ファイバの端部から投射される光はターゲット領域から反射され、後方散乱光が捕捉され、センサで時系列的に測定される。光ファイバの動きが予測可能、繰返し可能であるので、センサ部で測定された反射光の強度を、順次、光ファイバの既知の位置に相関させることができ、二次元画像が一時に１つの「ピクセル」を生成することができる。このようなタイプのいくつかの例示的な走査ファイバ・デバイスが、米国特許第６，２９４，７７５号Ｂ１（Ｓｅｉｂｅｌ）、第６，５６３，１０５号Ｂ２（Ｓｅｉｂｅｌ）、米国特許出願公開第２００１／００５５４６２号Ａ１（Ｓｅｉｂｅｌ）、第２００２／００６４３４１号（Ｓｅｉｂｅｌ）に記載されており、その完全な開示を本明細書に参照として援用する。

従来の走査ビーム・デバイスと比べて、走査ファイバ技術は多くの利点を提供する。少量の光ファイバ・スキャナにより、映像速度での高い走査角、一般に約１ｋＨｚから約５０ｋＨｚの間、好ましくは約５ｋＨｚから約２５ｋＨｚの間が可能になる。光ファイバ・スキャナはまたより小さい「設置面積」を有して、より少ない空間を利用することができ、小さい（＜１ｍｍ）直径の円筒形内視鏡又はカテーテル・ハウジング内に都合良く組み込むことができる。

走査ファイバ・システムは有用であることが証明されているが、依然として改良が必要である。例えば、２軸周りで光ファイバを走査する現在の走査ファイバ・システムは一般に、走査素子に結合された作動素子又は駆動アセンブリを備える。走査素子（例えば、光ファイバ）は、駆動アセンブリの遠位端から延びており、その結果、駆動アセンブリを始動すると、駆動アセンブリの動きに実質的に対応する周期的動きで光ファイバが動かされる。分かるように、駆動アセンブリの始動はしばしば、走査ファイバ・デバイスに対して横方向の力（例えば、加速度）やトルクを引き起こし、ターゲット領域の画像形成と画像獲得に悪影響を与える可能性がある。また、ファイバ上に比較的極めて小さい軸方向の力がある。この小さな軸方向の力は、駆動アセンブリの遠位先端と走査ファイバが１つの軸内で弧を描いて、又は２つの軸内で球状表面の一部を描いて移動することによって生じる。この小さな軸方向の力と、それに続く小さな移動は、一般に、走査品質に影響を与えない。

駆動アセンブリを安定化させ、駆動アセンブリの自由端の動きの大きさを小さくするために、静止物体を駆動アセンブリの近位端に取り付けることができることが判明している。静止物体は一般に、駆動アセンブリや光ファイバより多数倍大きい（例えば、一般には約２０倍から約４０倍大きい）ことが好ましい。このような解決法はより大きい走査ファイバ・デバイスに有用であろうが、小型走査ファイバ・デバイス（例えば、フレキシブル内視鏡）の寸法は非常に小さいので、駆動アセンブリの近位端取付部の動きを最小限に抑えるために、走査ファイバ・デバイスのハウジング内に相当の大きさのマスを置くことは可能ではないことがある。

したがって、駆動アセンブリや走査素子の移動によって生成される力及び／又はトルクを釣り合わせることができる方法及び装置が求められている。

本発明は、走査ビーム・デバイスの駆動アセンブリと走査素子を釣り合わせる方法、システム、デバイスを提供する。釣り合いは、「仮想マス」で行うことができ、駆動アセンブリと走査素子を釣り合わせるのに大きなマスは必要ではない。したがって、走査ビーム・デバイスのハウジングの低プロファイル寸法を維持することができる。

一実施態様では、本発明はビーム走査素子に結合された作動素子を備える走査ビーム・デバイスを提供する。作動素子は、１つ又は複数の移動軸に沿ってビーム走査素子を移動させるように横方向の力及び／又はトルクを生成する。走査ビーム・デバイスはさらに、作動素子によって生じる横方向の力及び／又はトルクと実質的に等しい、かつ実質的に反対の力及び／又はトルクを生成する作動素子に結合された釣り合いおもりを備える。

別の実施態様では、本発明はビーム走査手段を始動するように作動力及び／又はトルクを生成する作動手段を備える走査ビーム・デバイスを提供する。釣り合わせ手段は、作動手段によって生成される作動、力及び／又はトルクと実質的に等しい、かつ実質的に反対の釣り合う、力及び／又はトルクを生成する。

本発明はさらに、走査ビーム・デバイスを釣り合わせる方法を提供する。この方法は、作動素子に結合されたビーム走査素子、及び作動素子に動作可能に結合された釣り合いおもりを有する走査ビーム・デバイスを用意するステップを含む。ビーム走査素子は、作動素子によって与えられる力及びトルクの少なくとも一方で作動される。作動素子によって与えられる力及び／又はトルクは、作動素子によって与えられる力及び／又はトルクと実質的に等しい、かつ実質的に反対である力及び／又はトルクで均衡される。

本発明はさらに、釣り合いおもりを駆動する開ループ制御システムを提供する。開ループ制御システムでは、入力駆動信号は、駆動アセンブリと釣り合いおもりの両方を制御するのに使用される。入力駆動信号は、釣り合いおもり制御部に送信することができ、ここで釣り合いおもりに対して出力駆動信号を発生させるために入力駆動信号上でアルゴリズムを使用することができる。出力駆動信号に基づき、釣り合いおもりは、駆動アセンブリによって生成される力及び／又はトルクとほぼ同じ及び反対である力及び／又はトルクを生成する。

別の実施態様では、本発明は釣り合いおもりを駆動するために閉ループ制御システムを提供する。閉ループ制御システムは、閉ループ・システムが駆動アセンブリと釣り合いおもりの間の取付点の動きを検出するのに使用される１つ又は複数のセンサを備えることを除いて、上に記載した開ループ制御システムと同様である。センサが取付点での動きを検出すると、出力信号は、取付点での動きのタイプ及び大きさを示す信号と共に釣り合い制御部に送信される。（１つ又は複数の）センサからの出力信号に基づき、釣り合い制御部に記憶された（１つ又は複数の）アルゴリズムはその後、取付点での動きを補償するように釣り合いおもりに送信するための適切な出力駆動信号を決定する。いくつかの構成では、閉ループ制御システムはまた、システム動揺を補償することも可能である。

本発明の他の態様、目的及び利点は、以下の詳細な説明から明らかになるだろう。

本発明は、駆動アセンブリや走査素子の作動によって生じた力及び／又はトルクを釣り合わせる釣り合いおもりを備えた方法及び走査ビーム・デバイスを提供する。

本発明の走査ビーム・システムは一般に、走査ビーム・デバイスと、その走査ビーム・デバイスを制御するベースステーションを備える。本発明の走査ビーム・デバイスは、様々な形をとることができるが、一般にはフレキシブル又は硬性内視鏡、カテーテル、ファイバスコープ、顕微鏡、又はボロスコープの形をしている。本発明の走査ビーム・デバイスは、限られた使用のデバイス（例えば、使い捨てデバイス）、又は多数回使用デバイスであってもよい。デバイスが医療用途である場合、本発明の走査ビーム・デバイスは一般に殺菌されており、殺菌可能であるか、又は使用のために気密包装で提供されるかいずれかである。

本発明の走査ビーム・デバイスは、ターゲット領域上の光ビームを走査する走査素子を備える。走査素子は、単一のカンチレバー式光ファイバを備えることが好ましい。参照を簡単にするために、「走査ビーム・システム」と「走査ファイバ・システム」という用語は全体的に、画像表示及び／又は画像獲得のために使用されるシステムを含むように使用される。

図１は、本発明によって含まれる１つの走査ビーム・システム１０のブロック図である。走査ビーム・システム１０は、ベースステーション１２と走査ビーム・デバイス１４を備える。走査ビーム・デバイス１４は、ベースステーションで入力インターフェイス１８に結合されるように構成されているコネクタ部材１６を備える。入力インターフェイス１８とのコネクタ部材１６の結合により、ベースステーション１２の素子と走査ビーム・デバイス１４の関連素子の間に電力経路、駆動信号経路、検出器経路、照明経路、及び／又はデータ通信経路を生成することができる。

図１に示すように、ベースステーション１２は一般に、１つ又は複数のマイクロプロセッサ、及び／又は走査ビーム・デバイス１４の作動と画像の生成を制御することができるゲート・アレイ（図示せず）を含む１つ又は複数の専用電子回路を有するコントローラ２０を備える。コントローラ２０は、スキャナ・ドライブ電子部品、検出器増幅器、Ｄ／Ａ変換器、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）などを備えている。コントローラ２０内のドライブ電子部品、及びメモリ内に記憶されたソフトウェア・モジュールは、走査ビーム・デバイス１４にカスタマイズした制御ルーチンを提供するのに使用される。当業者が分かるように、本発明の方法は、ソフトウェア・モジュール、コントローラ内の電子ハードウェア、又はその組合せによって行うことができる。

コントローラ２０は、通信バス（図示せず）を介してベースステーション１２内の複数の構成部品と通信する。通信バスは一般に、コントローラ２０と、電力源２２と、メモリ２４と、（１つ又は複数の）ユーザ・インターフェイス２６と、１つ又は複数の光源２８と、１つ又は複数の出力ディスプレイ３０と、キャリブレーション・チャンバ３３に結合された光感受性位置センサ３１との間の電気通信を可能にする。任意選択で、走査ビーム・デバイス１４が検出器アセンブリを備える場合、ベースステーション１２はコントローラ２０と通信する別の画像記憶デバイス３２を備えることもできる。代替実施形態では、画像記憶デバイス３２は単にメモリ２４内のモジュールであってもよい。分かるように、本発明のベースステーション１２は、変形され、図１に示すより少ない又は多い素子を備えることができる。

走査ビーム・デバイス１４の特定の構成によると、光源２８は光の連続ストリーム、調整光、又は光パルスのストリームを放射することができる。ベースステーション１２は、異なる照明能力を有する異なる走査ビーム・デバイスを動作させることが可能なように、複数の異なる光源２８を備えることができる。光源２８は、赤色光源、青色光源、緑色光源（集合的に本明細書では「ＲＧＢ光源」と言う）、ＩＲ光源、ＵＶ光源、及び／又は高強度レーザ源（一般には、治療用走査ビーム・デバイス用である）の１つ又は複数を含むことができる。光源２８自体を、第１のモード（例えば、連続ストリーム）と第２のモード（例えば、光パルスのストリーム）の間で切換可能であるように構成できる。参照を簡単にするために、光源の他の従来の素子は示していない。例えば、ＲＧＢ光源が使用される場合、光源は走査ビーム・デバイス１４の走査素子に入る前に、異なる光を組み合わせる結合器を備えることができる。

メモリ２４は、ソフトウェア・モジュール、ルックアップ・テーブル、釣り合い制御アルゴリズム、走査ビーム・デバイス１４の動作及び／又はキャリブレーションを制御する他のアルゴリズムを記憶するのに使用することができる。走査ビーム・デバイス１４を制御し、釣り合わせるために、コントローラ２０によって使用される制御ルーチンは一般に、取り付けられたデバイスの操作パラメータ（例えば、共振周波数、電圧制限、ズーム能力、色能力など）と一致するように構成されている。以下に記すように、メモリ２４は、走査ビーム・デバイスの検出器アセンブリ４４から受けた画像データ、再マッピングするルックアップ・テーブルとアルゴリズム、再マッピングした駆動信号、走査ビーム・デバイスのパラメータなどを記憶するために使用される。

参照を簡単にするために、ベースステーション１２内の他の従来の素子は図示しない。例えば、本発明のベースステーション１２の実施形態は一般に、増幅器、Ｄ／Ａ変換器とＡ／Ｄ変換器、クロック、波形発生器などの従来の素子を含む。ベースステーションのより完全な説明や走査ビーム・デバイスとの相互作用は、２００４年１０月１日出願の「画像内の歪みを少なくするための再マッピング方法」という名称の共通の所有者の米国特許出願第１０／９５６，２４１号、２００４年１０月１日出願の「走査ビーム・デバイス用構成メモリ」という名称の米国特許出願第１０／９５６，４７３号、２００４年１２月２３日出願の「高フレーム速度を達成するための走査ビーム・デバイスを駆動する方法」という名称の米国特許出願第１１／０２１，９８１号、２００４年１２月２３日出願の「高フレーム速度を達成するための走査ビーム・デバイスを駆動する方法」という名称の米国特許出願第１１／０２１，９８１号、２００５年２月２３日出願の「検出器アセンブリを備えた走査ビーム・デバイス」という名称の米国特許出願第１１／０６５，２２４号により十分記載されており、その完全な開示を本明細書に参照として援用する。

本発明の走査ビーム・デバイス１４は、ターゲット領域上に光ビームを送って走査する走査素子３４を備える。一般には（走査素子３４の連続であってもよい）光ファイバの形である導波路３８は、照明を光源２８から走査素子３４まで運ぶように、（１つ又は複数の）光源に光学的に結合されている。作動素子又は駆動アセンブリ４０は、走査素子３４に結合されており、コントローラ２０から受ける駆動信号により走査素子３４を作動するようになっている。任意選択で、走査ビーム・デバイス１４は、走査ビーム・デバイス１４の識別データ又はパラメータ・データを記憶する不揮発性メモリ３９を備えることができる。図１には示さないが、走査ビーム・デバイス１４は一般に、走査素子３４の遠位先端から向けられた光を案内しフォーカスさせる光学アセンブリを備える。

現時点で好ましい一実施形態では、走査素子３４はカンチレバー式光ファイバであり、駆動アセンブリ４０は圧電「チューブ屈曲器」である。図２から４の簡単な実施形態に示すように、光ファイバ走査素子３４は、近位部５２（図３、４に示す）と、遠位先端５６を備えた遠位部５４とを備える。光ファイバ３４は一般に、カンチレバー式のように、光ファイバの少なくとも一点に沿って固定され、遠位部５４が自由に所望の走査パターンに偏向されるようになっている。このような実施形態では、光ファイバの近位部は導波路であり、光源２８（図１）から光を伝達する。分かるように、他の実施形態では、別の導波路が任意選択で、光ファイバ３４の近位部に光学的に結合されてもよく、それによって光源２８からの照明光が、光ファイバ３４のコア内に導かれ、遠位先端５６から出される。

光ファイバ３４は、任意の所望の寸法と断面のプロファイルを有することができる。デバイスの所望の形状によって、光ファイバ３４は対称断面プロファイル又は非対称断面プロファイルとすることができる。丸い断面プロファイルを有する光ファイバ３４は、任意の２つの直角軸の周りでほぼ同じ共振特徴を有し、非対称断面プロファイル（例えば、楕円）を有する光ファイバは、長軸と短軸の周りに異なる共振周波数を有する。所望の場合、光ファイバ３４はその長手方向長さに沿って直線的又は非直線的にテーパ状になっていてもよい。

光ファイバの遠位部５４の偏向を達成するために、光ファイバ３４のカンチレバー式遠位部５４は、図２に円筒形圧電チューブ屈曲器として示された、駆動アセンブリ４０に結合される。駆動アセンブリ４０は一般に、光ファイバの遠位部の共振周波数のＱ因数内の周波数で、好ましくはその機械的又は振動共振周波数（又は、共振周波数の調波）で、一次元又は二次元走査パターン（矢印５５で示すように）でカンチレバー式遠位部５４を駆動するように、一次元又は二次元（矢印５３で示すように）で移動する。分かるように、走査素子３４は実質的に共振周波数で駆動されなければならない必要はないが、走査素子３４がその共振周波数で走査されていない場合、走査パターンに所望の径方向変位を与えるのに、より大量のエネルギーが必要である。

好ましい一実施形態では、駆動アセンブリは圧電駆動アセンブリである。コントローラ２０からの駆動信号は、所望の信号を駆動アセンブリ４０に送り、駆動信号は圧電駆動アセンブリ４０に光ファイバ３４の遠位先端５６を偏向させ、それによって照明スポットが所望の走査パターンで走査される。好ましい駆動アセンブリは圧電アセンブリであるが、代替実施形態では、駆動アセンブリ４０は、永久磁石、電磁石、静電ドライブ、音波ドライブ、電子機械ドライブなどを備えることができる。

駆動アセンブリ４０の作動や走査素子３４の移動は一般に、走査ビーム・デバイスに１つ又は複数の横方向の力及び／又はトルクを生じさせる。分かるように、このような横方向の力及び／又はトルクは、駆動アセンブリの近位取付部に伝達される。しかし、繰返し可能な画像化走査を有することができるために、駆動アセンブリ近位取付部は、安定している物体に取り付けられなければならない、すなわち、近位取付部は駆動アセンブリによって動揺又は振動されるべきではない、又は一定である低速度を有するべきである（これは、走査ビーム・デバイス全体が移動された場合である）。近位取付部が特定のパターンで移動しており、その後（例えば、駆動アセンブリ、及び走査ビーム素子の作動によって生じる力及び／又はトルクによって生じる）そのパターンを変える場合、走査ビーム・デバイスもそのパターンを変え、したがって画像化走査が行われる方法が変わる。画像化走査が変わると、変化した走査パターンは、メモリ７６、２４内に記憶された再マッピング修正テーブルと一致せず、生成される、得られる画像は正確ではない。

より大きい走査ビーム・デバイスでは、図２に示すように、マス５９を駆動アセンブリ４０の近位端に結合させて、駆動アセンブリ４０と走査素子３４の作動によって生じる力及び／又はトルクを受動的に均衡させている。しかしより小さい走査ビーム・デバイスでは、横方向の力及び／又はトルクを釣り合わせるためには、「仮想マス」を使用して、駆動アセンブリによって生成された力及びトルクとほぼ同じでほぼ反対方向の力及び／又はトルクを生成させることができる。図３は、圧電屈曲器チューブの形である円筒形駆動アセンブリ４０用の釣り合いおもり６０の一実施形態を示している。図４は、内側の圧電屈曲器チューブ駆動アセンブリ４０を示すように半分を切り取った釣り合いおもり６０を示している。ニュートンの第３の法則を適用することによって、釣り合いおもり６０が完全に構成されている場合、駆動アセンブリ４０によって生成される力及び／又はトルクと同じ及び反対である力及び／又はトルクを生成し、これらの２つの物体の取付点６２は移動しないことが観察されるだろう。

マス又は仮想マスの品質を評価するために、走査ビーム・デバイス１４の機械インピーダンスに注目することができる。機械インピーダンスは、「速度が力の結果のみである場合の、速度に対する力の比」と定義される。駆動アセンブリ４０の近位端に取り付けられた物体（例えば、マス又は仮想マス）が小さいマスを有する場合、システムは駆動アセンブリから加えられた力によって生じる高い速度による小さい機械インピーダンスを有する。これに対して、極めて大きいマスは、低いマス速度を有する大きな機械インピーダンスを生じる。速度が極めて低いので、本発明の釣り合いおもり６０は一般に、極めて大きいマスのように働く。取付マスが小さい場合、システムが全体としてさらされる環境は、取付機械インピーダンスに大きな影響を有する。したがって、走査ビーム・デバイス１４が釣り合いおもり６０を備える場合、走査ビーム・パターンと同様に取付速度は同じままである。

図３、４に示す駆動アセンブリ４０は、チューブ屈曲器駆動アセンブリ４０の遠位自由端を釣り合いおもり６０に対してあらゆる方向において移動する（例えば、遠位端面の平面で３６０°移動される）ように作動させることができるように位置決めされた電極を有する圧電チューブ屈曲器の形である。この動きを達成するために、電極６４は圧電チューブ屈曲器４０の周面の周り四分円のパターンに形成されている。ワイヤ（図示せず）はコントローラ２０から各四分円まで延びている。圧電チューブ（四分円には分割されない）の内部の導電ライニングは一般に、全ての四分円に対する共通の戻り経路である。一般に、四分円は等しい電圧の反対の極性で対向する対として付勢されるので、圧電チューブの内部は戻り経路である必要はないが、ゼロ・ボルト近くの電圧で浮いている。対になった四分円は、並列の２つの同じコンデンサのように働き、共通の連結は加えられた電圧の半分である。

図示した実施形態では、釣り合いおもり６０は、チューブ屈曲器駆動アセンブリ４０の周りに同軸に配置されている。本実施形態では、釣り合いおもり６０は駆動アセンブリ４０と同様の形状の第２の圧電チューブ屈曲器の形をしている。図示した実施形態は同軸に配置された２つの圧電チューブであるが、本発明はこのような構成に限られないことを理解すべきである。例えば他の実施形態では、駆動アセンブリ４０は中実素子であってもよく、任意のタイプの断面（例えば、円形、四角形、楕円形、多角形、自由形など）を有することができ、釣り合いおもり６０は駆動アセンブリと同様の形状、又は異なる形状を有することができる。（例えば、より低い品質の釣り合い効果では、駆動アセンブリは円形断面を有することができ、釣り合いおもりは四角形断面を有することができる、又は逆も同様である。）

形状とは無関係に、駆動アセンブリと走査素子の作動によって生じる力及び／又はトルクを正確に釣り合わせるために、釣り合いおもりは駆動アセンブリと走査ビーム・アセンブリに対して適切に位置決めすべきである。釣り合いおもり形状が（駆動アセンブリに対して）不正確である、及び／又は不正確に配置されている場合、釣り合いおもり６０は望むように力及び／又はトルクに対抗しない。実際、釣り合いおもり６０は、心ずれから新しい望ましくない力を生成する可能性がある。

２軸動きの好ましい一実施形態では、駆動アセンブリと釣り合いおもりは、径方向対称の物体であり（最も良いのは、断面が円形であることである）、釣り合いおもり６０と駆動アセンブリ４０の間の取付は、対称軸が一致するように行われる。加えて、駆動アセンブリ４０と釣り合いおもり６０両方のマスの中心が一致すると、最大の釣り合いが行われる。マス中心が正確に一致しない場合、一部の均衡はまだ行われているが、はるかに低い品質である。

駆動アセンブリ４０と釣り合いおもり６０のマスは同じであってもよく、同じでなくともよい。駆動アセンブリ４０と釣り合いおもり６０のマスが同じでない場合、このような組合せでは、適切な釣り合いとするように駆動アセンブリ４０と釣り合いおもり６０が異なる加速度と速度を有する必要がある。しかしマスが同じである場合、加速度と速度は同じである。

駆動アセンブリ４０と釣り合いおもり６０は圧電材料に基づいている必要はなく、代わりに、永久磁石、電磁石、静電ドライブ、音波ドライブ、電子機械ドライブ、電気制限、磁石制限、又はその組合せであってもよく、それによって駆動アセンブリの作動により生じた周期的移動を釣り合わせることができる。

図３、４に示すように、屈曲器チューブ駆動アセンブリ４０と釣り合いおもり６０は、屈曲器チューブ駆動アセンブリ６６の固定端であり、遠位端である近位端のみに取り付けられていることが好ましい。このような構成では、釣り合いおもり６０及び駆動アセンブリ４０は互いに離れていて（取付点６２を除く）、釣り合いおもり６０の遠位端６８と駆動アセンブリ４０の遠位端６６を互いに対して移動させることが可能になる。好ましい実施形態では、釣り合いおもり６０はまた、光ファイバ走査素子３４を作動させる屈曲器チューブ駆動アセンブリ４０と同様に四分円にパターン形成されている。

図３、４に示した実施形態は、その近位端で結合された釣り合いおもり６０と駆動アセンブリ４０を示しているが、異なる点で釣り合いおもり６０と駆動アセンブリ４０の間の連結を行うことが可能である。例えば、駆動アセンブリは遠位端６６で力を生成する。駆動アセンブリ４０がその長手中心で、又はその近くで釣り合いおもり６０に結合される場合、このような取付点はその遠位端６６に所望の力（及び偏向）を生成する駆動アセンブリの能力が小さくなる。特に、圧電駆動アセンブリの場合、圧電駆動アセンブリの中心が釣り合いおもり６０に結合される場合、半分の力だけが駆動アセンブリ４０の遠位端で生成される。走査素子３４を走査するのに力が必要であるので、力の半分は走査素子をほとんど移動させず、これは一般に望ましくない。

さらに、図示した実施形態は同軸釣り合いおもり６０と駆動アセンブリ４０を示しており、釣り合いおもり６０は必ずしも駆動アセンブリと同軸である必要はない。釣り合いおもりは単に、駆動アセンブリに同じで反対の力及び／又はトルクを生成さなければならないだけであり、釣り合いおもり６０と駆動アセンブリの間の任意の相対的構成を使用することができる。駆動アセンブリ４０と釣り合いおもり６０のマス中心が一致し、力がそれぞれの中心線に沿って作用する限り、追加の物体（図示せず）を使用して、それらの間で力及びトルクを伝達することができる。

使用の際、屈曲器チューブ駆動アセンブリ４０が単一の軸に沿って一方向に振動している単純な場合、外側釣り合いおもり６０も振動するが、内側屈曲器チューブ駆動アセンブリ４０と１８０°位相が外れている。釣り合いおもりは、取付点６２が固定するように内側屈曲器チューブの力とトルクを実質的に打ち消すのに十分である動き振幅を有する。同じ原理がより複雑な内側屈曲器チューブ駆動アセンブリ４０動きに適用される場合、外側釣り合いおもりチューブ６０は単にこれらの動きを「映す」だけである。

駆動アセンブリ４０と釣り合いおもり６０の振幅動きが必ずしも同じではないことに留意されたい。駆動アセンブリ４０と釣り合いおもり６０両方の取付点６２の周りの回転慣性力が同じである場合、振幅も同様である。しかし、駆動アセンブリ４０と釣り合いおもり６０の回転慣性力が異なる場合、異なる変位（及び加速度）が使用される。

本発明の釣り合いおもりは一般に、釣り合い制御システム７０で駆動される（図５、６及び８参照）。釣り合い制御システムはコントローラ２０（図１）の一部であってもよく、又は制御部７０は、ベースステーション１２内の別の制御部とすることも、走査ビーム・デバイス１４に結合させることもできる。釣り合いおもり６０を駆動させるのに使用することができる２つの好ましいタイプの制御部７０、すなわち開ループ制御部と閉ループ制御部がある。図５は、開ループ制御システムの１つの例示的実施形態を示しており、図６、８は閉ループ制御システムの例示的実施形態を示している。開ループ制御と閉ループ制御が好ましいが、他のシステムを使用して釣り合いおもりを制御することも可能である。例えば、光ファイバを駆動するのに使用される入力駆動信号に対応するメモリ内に記憶されたルックアップ・テーブル又はチャートを単に有することも可能である。

参照を簡単にするために、図５、６、８は、互いに離れている駆動アセンブリ４０と釣り合いおもり６０を示している。しかし、実際の構成では、駆動アセンブリ４０と釣り合いおもり６０は上に記載されたように互いに結合される。図５の開ループ制御システム７２では、入力駆動信号７４を使用して、チューブ屈曲器駆動アセンブリ４０を直接制御し、出力信号７６を生成して釣り合いおもり６０を制御する。図５に示す実施形態では、入力駆動信号は、駆動アセンブリ４０と制御部７０の両方に送信される。制御部７０では、釣り合いおもり６０に対して適切な出力駆動信号７６を生成するように入力駆動信号７４上でアルゴリズムを使用することもできる。このアルゴリズムは単純な数学関数であってもよく、又はより複雑な数学関数であってもよい。例えば、単純アルゴリズムは、入力駆動信号７４を変換し、変換した駆動信号を出力信号７６として釣り合いおもり６０に出力するだけでもよい。複雑アルゴリズムの例は、時間に応じて変わるときに、各入力駆動信号に使用されるルックアップ・テーブルである。

図６に示すように、閉ループ制御システム７８は、１つ又は複数のセンサ８０を加えたことを除いて、開ループと同様である。慣性力を使用して駆動アセンブリ４０と釣り合いおもり６０の間の取付点６２（図３、４に示す）の動きを検出するのに、センサ８０を使用することもできる。慣性力センサは、一般にはセンサ自体のマスの加速度を検出する。図７は、取付点６２に結合されているときの慣性力センサ８０の一実施形態を示している。

図７に示す慣性力センサ８０は、圧電材料のチューブの形をしている。上記の圧電駆動アセンブリ４０と圧電釣り合いおもりと同様に、チューブ状圧電慣性力センサは、四分円電極（図示せず）を備えることができる。しかし、駆動アセンブリ４０と釣り合いおもり６０とは異なり、慣性力センサ８０上の電極は付勢されないが、代わりに、慣性力センサ８０が屈曲される量にほぼ比例する出力電位信号（電圧）８２を生成する。慣性力センサ８０を屈曲する機構は一般に、加速された場合の独自の慣性力である。慣性力センサ８０が取付点６２に取り付けられるので、取付点で移動があればそれを感知する。移動がある場合、慣性力センサ８０は特定の方向に加速されて、得られた屈曲から１つ又は複数の電極上に電圧信号８２を生成する。図６に示すように、制御部７０は生成された電圧信号８２（及び入力制御信号７４）を受け、制御部７０内に記憶されたアルゴリズムを使用して、釣り合いおもり６０に送信する適切な出力駆動信号７６を判断する。この方法を使用して、ほぼ静止した取付点６２を実現することができる。

図８に示すように、いくつかの実施形態では、センサ８０を使用して、「システム」動揺を検出することができる（例えば、システム動揺は走査ビーム・デバイス全体としての衝突、回転、移動、振動によって生じる力及び／又はトルクである）。光ファイバ走査素子３４はカンチレバー式ばねのように作用するので、加速度によってその慣性力から撓むことができる。このような組織的な力及び／又はトルクは、走査素子３４をその意図された動きの経路（例えば、その走査パターン）から外すことができる。システム動揺を補償するため、センサ８０を使用して、これらのシステム力及び／又はトルクを検出し、電圧信号８２を制御部７０に出力してシステム加速度を補償することができる。外部移動からの動揺は、はるかに低い周波数スペクトルを有する。ローパス・フィルタ（図示せず）を使用して、より高い周波数駆動アセンブリと釣り合いおもり信号を低周波数動揺から分離することができる。制御部７０内のアルゴリズムは、（１）その後にチューブ屈曲器駆動アセンブリ４０に送信される調節した駆動信号７４’を生成する、及び／又は（２）釣り合いおもり６０を駆動するために出力駆動信号７６を生成するように構成することができる。

図９は、本発明に含まれるキット１００を示している。キット１００は、走査ビーム・デバイス（ＳＦＤ）１４（内視鏡など）、使用説明（ＩＦＵ）１０２、少なくとも１つのパッケージ１０４を備えている。任意選択で、キット１００は、ＳＦＤ１４と一体であるコンピュータ読取可能媒体（ＣＲＭ）１０６（不揮発性メモリなど）、又はＳＦＤと分離されているコンピュータ読取可能媒体（ＣＲＭ）１０６（例えば、ＣＤ、ＤＶＤ、フロッピ・ディスクなど）を備えることができる。

走査ファイバ・デバイス１４は一般に上に記載するとおりであり、使用説明（ＩＦＵ）１０２は本明細書に記載された方法の何れかを記載している。パッケージ１０４は、小袋、トレイ、箱、チューブなどを含む任意の従来のデバイス包装であってもよい。ＩＦＵ１０２は一般に、別個の紙片上に印刷されるが、パッケージ１０４の一部に全体的に又は部分的に印刷することもできる。

本明細書に記載された例及び実施形態は、例示的なものにすぎないこと、また、それに照らして、様々な変形形態及び変更形態が当業者に示唆され、本出願及び添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内に含まれるべきであることを理解されたい。多くの異なる組合せが可能であり、このような組合せは本発明の一部であると考えられる。

本発明によって含まれる簡易走査ビーム・システムを示す略図である。 駆動アセンブリ、及び光ファイバである走査素子を備えた、走査ビーム・デバイスの遠位端の拡大図である。 釣り合いおもりが駆動アセンブリの周りに同軸に配置された、本発明の一実施形態を示す図である。 釣り合いおもりと駆動アセンブリの間の近位取付点を示す、図３の切取図である。 本発明によって含まれる開ループ制御システムを示すブロック図である。 本発明によって含まれる閉ループ制御システムを示すブロック図である。 センサを備えた釣り合いおもりの一実施形態を示す図である。 システム動揺補償を行う釣り合いシステムのブロック図である。 本発明によって含まれるキットを示す図である。

Claims (27)

1. ビーム走査素子と、
   １つ又は複数の移動軸に沿って前記ビーム走査素子を移動させるように横方向の力とトルクの少なくとも一方を生成する、前記ビーム走査素子に結合された作動素子と、
   前記作動素子によって生じる前記横方向の力及び／又はトルクと実質的に等しい、かつ実質的に反対の横方向の力とトルクの少なくとも一方を生成する、前記作動素子に結合された釣り合いおもりとを備えた走査ビーム・デバイス。
2. 前記ビーム走査素子は光ファイバを備える請求項１に記載のデバイス。
3. 前記作動素子は、前記光ファイバの近位端に結合されたチューブ屈曲器を備えており、
   前記光ファイバの前記遠位端は、２つの移動軸内で自由に振動する請求項２に記載のデバイス。
4. 前記チューブ屈曲器は圧電材料を含む請求項３に記載のデバイス。
5. 前記釣り合いおもりは前記作動素子周りで同軸である請求項１に記載のデバイス。
6. 前記釣り合いおもりは取付点で前記作動素子の近位部に接触する一方、前記作動素子の遠位部を前記釣り合いおもりに対して移動させるように前記作動素子の遠位部とは接触しない請求項５に記載のデバイス。
7. 前記釣り合いおもりは圧電材料を含む請求項５に記載のデバイス。
8. 前記作動部材は、パターン形成された四分円の電極を備える請求項１に記載のデバイス。
9. 前記釣り合いおもりは、パターン形成された四分円の電極を備える請求項１に記載のデバイス。
10. 前記釣り合いおもりは、前記作動素子の振動と１８０度位相外れで振動するように構成されている請求項１に記載のデバイス。
11. 前記釣り合いおもりに制御信号を運ぶ、前記釣り合いおもりに結合された開ループ釣り合い制御システムを備えた請求項１に記載のデバイス。
12. 前記釣り合いおもりに結合された閉ループ釣り合い制御システムと、
    前記閉ループ釣り合い制御システムに結合されたセンサとを備えた請求項１に記載のデバイス。
13. 前記センサは、前記作動素子と前記釣り合いおもりの間の取付点の動きを検出する請求項１２に記載のデバイス。
14. 前記センサは、前記取付点に近位部に位置決めされている請求項１３に記載のデバイス。
15. 前記センサは、四分円電極を備えた圧電センサを備えるチューブ状本体を備え、
    前記取付点の移動は、センサ内の屈曲と前記取付点の前記移動によって生じる前記センサ内の屈曲量に比例する出力電位の生成を生じさせる請求項１３に記載のデバイス。
16. 前記センサは、前記センサ内のマスの加速度を検出する請求項１２に記載のデバイス。
17. 前記センサは、前記走査ビーム素子、作動素子、釣り合いおもりの加速度を検出するように構成されている請求項１２に記載のデバイス。
18. 走査ビーム・デバイスを釣り合わせる方法であって、
    作動素子に結合されたビーム走査素子と、前記作動素子に動作可能に結合された釣り合いおもりとを備えた走査ビーム・デバイスを用意するステップと、
    前記作動素子によって与えられる力とトルクの少なくとも一方で前記ビーム走査素子を作動させるステップと、
    前記作動素子によって与えられる前記力とトルクの一方を、前記作動素子によって与えられる前記力とトルクの少なくとも一方と実質的に等しい、かつ実質的に反対である力とトルクの少なくとも一方で均衡させるステップとを含む方法。
19. 前記ビーム走査素子は光ファイバを備える請求項１８に記載の方法。
20. 前記作動素子は、前記光ファイバの近位端に結合されたチューブ屈曲器を備えており、
    前記ビーム走査素子を作動させるステップは、２つの移動軸内で前記作動素子と前記光ファイバを振動させるステップを含む請求項１９に記載の方法。
21. 前記作動素子の振動と１８０度位相外れで前記釣り合いおもりを振動させることによって、釣り合いが行われる請求項２０に記載の方法。
22. 前記チューブ屈曲器は圧電材料を含み、前記作動素子によって与えられる力は、制御システムから前記作動素子までの電気制御信号の伝達により行われる請求項２０に記載の方法。
23. 前記釣り合いおもりは、前記作動素子周りでほぼ同軸である請求項１８に記載の方法。
24. 前記釣り合いおもりは取付点で前記作動素子の近位部に接触し、前記作動素子の遠位部を前記釣り合いおもりに対して移動させるように前記作動素子の前記遠位部と接触しない請求項２３に記載の方法。
25. 前記釣り合いおもりに制御信号を運ぶ、前記釣り合いおもりに結合された開ループ釣り合い制御システムで釣り合いが行われる請求項１８に記載の方法。
26. 前記作動素子と前記釣り合いおもりの間の取付点の動きを検出する、前記釣り合いおもりに結合された閉ループ釣り合い制御システムで釣り合いが行われ、
    前記閉ループ釣り合い制御システムは、前記釣り合いおもりに釣り合い力を与えるのに使用される制御信号を構成するために前記検出された動きを使用する請求項１８に記載の方法。
27. ビーム走査手段と、
    前記ビーム走査手段を始動するように力及び／又はトルクを生成する作動手段と、
    前記作動手段によって生じる前記力及び／又はトルクと実質的に等しい、かつ実質的に反対の釣り合い力とトルクの少なくとも一方を生成する釣り合わせ手段とを備えた走査ビーム・デバイス。

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