JP6792234B2 - 光走査装置および内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、光走査装置および内視鏡に関する。

従来、二次元的に光を走査できる光走査装置のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、光走査装置において共焦点光学系を採用することが知られている（例えば、特許文献２参照）。なお、光ピックアップ技術においては、コリメートレンズを光軸方向に対して平行に移動させて、対物レンズに導入する光束の発散度を変化させることにより、光軸方向に集光スポットを移動させることが知られている（例えば、特許文献３参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２０１４−０２１１８７号公報
［特許文献２］ 特開２０１０−０４４２０８号公報
［特許文献３］ 特開２００８−２８７８７７号公報

ところで、光走査装置の集光スポットの位置を光軸方向に移動させたいという要求がある。そこで、例えば、特許文献２の図１または図５の共焦点光学装置において、光軸調整部と光ファイバケーブルとの間に位置するコリメート部として、特許文献３における移動式のコリメートレンズを適用することが考えられる。しかしながら、この仮想例の場合においては、コリメートレンズと対物レンズとの間において光の反射および屈折等の光学処理を施すこととなるので、光束が発散または集束する。これにより、入射光の集光スポットの形状が変化するので、共焦点光学装置として機能しないという問題がある。

（発明の一般的開示）光走査装置は、外管を備えてよい。外管は、第１方向に延伸してよい。光走査装置は、内管を備えてよい。内管は、第１方向において外管に対して移動可能であってよい。光走査装置は、対物レンズを備えてよい。対物レンズは、外管に固定されてよい。光走査装置は、可動レンズを備えてよい。可動レンズは、内管に固定され、対物レンズに光を入射させてよい。

内管は、スキャナユニットを有してよい。スキャナユニットは、内管の内部に固定されてよい。スキャナユニットは、第１方向に対して直交する平面において光を走査してよい。

スキャナユニットは、半導体基板を備えてよい。半導体基板には、第１のスキャナと第２のスキャナとが設けられてよい。第１のスキャナは第１の反射面を有してよい。第１の反射面は、第１の梁部を回転軸として回転できてよい。第１の梁部は第１方向に設けられてよい。第２のスキャナは第２の反射面を有してよい。第２の反射面は、第２の梁部を中心に回転できてよい。第２の梁部は、第１方向に対して直交する第２方向に設けられてよい。スキャナユニットは、固定鏡を備えてよい。固定鏡は、三つの反射面を有してよい。三つの反射面は、半導体基板に対向して設けられてよい。第１の反射面および第２の反射面と三つの反射面との間で光の伝搬経路が構成されてよい。

光走査装置は、外管フランジを備えてよい。外管フランジは、外管に固定して設けられてよい。光走査装置は、内管フランジを備えてよい。内管フランジは、スリーブ部を有してよい。スリーブ部は、内管に固定して設けられ、外管フランジを貫通してよい。光走査装置は、光ファイバを備えてよい。光ファイバは、内管フランジ内を延伸し、内管に達してよい。

内管フランジは、外管フランジに対して回転しない形状であってよい。

光走査装置は、外管フランジと内管フランジとの間に、弾性部材を更に有してよい。これに代えて、光走査装置は、外管フランジと内管フランジのフランジ部との間であって外管とスリーブ部との間に、弾性部材を有してよい。弾性部材は、第１方向において伸縮可能であってよい。

光走査装置は、距離検出部をさらに備えてよい。距離検出部は、第１方向における内管と外管との相対距離を検出してよい。

距離検出部は、第１部分と、第２部分とを有してよい。第１部分は、外管フランジの外側端面に設けられてよい。第２部分は、スリーブ部に設けられてよい。スリーブ部は、外管フランジの外側端面よりも外側に位置してよい。距離検出部の出力は、第１方向における内管と外管との相対距離に応じて変化してよい。

内管は、配線基板を有してよい。配線基板は、内管の内部に設けられてよい。配線基板には、スキャナユニットが載置されてよい。内管フランジは、位置決め部を有してよい。位置決め部は、内管の第１方向における配線基板の位置を決めてよい。

光走査装置は、角度検知用電子回路部材を備えてよい。角度検知用電子回路部材は、配線基板上に設けられてよい。角度検知用電子回路部材は、第１の反射面および第２の反射面の回転角度を検知してよい。

半導体基板はＴＳＶを有してよい。第１のスキャナおよび第２のスキャナは、ＴＳＶを介して配線基板と電気的に導通してよい。

内視鏡は、上記の光走査装置を搭載してよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

内視鏡システム３００の概要を示す図である。 共焦点光学系における、（Ａ）合焦時、および、（Ｂ）非合焦時を説明する図である。 第１実施形態における光走査装置１００のＹ‐Ｚ断面を示す図である。 スキャナユニット４０における、（Ａ）Ｙ‐Ｚ断面、および、（Ｂ）半導体基板４４の上面図である。 対物レンズ１６から可動レンズ２６までの距離ｄと、対物レンズ１６から焦点面４１０までの距離Ｌを説明する図である。 距離ｄを変化させた場合の距離Ｌの変化を示す図である。 第２実施形態における光走査装置１５０のＹ‐Ｚ断面を示す図である。 図７のＡ‐Ａ断面を示す図である。 第３実施形態における光走査装置１７０のＹ‐Ｚ断面を示す図である。 図７のＢ矢視図である。 ホール素子１１に対する永久磁石２１の相対移動量Ｄを説明する図である。 相対移動量Ｄと、ホール素子１１の出力電圧Ｖ_Ｈとを示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。本明細書では、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を有する右手系の直交座標軸を用いて技術的事項を説明する。直交座標軸は、構成要素の相対位置を特定するに過ぎず、特定の方向を限定するものではない。例えば、Ｚ軸は地面に対する高さ方向を限定して示すものではない。なお、＋Ｚ軸方向と−Ｚ軸方向とは互いに逆向きの方向である。正負を記載せず、Ｚ軸方向と記載した場合、＋Ｚ軸および−Ｚ軸に平行な方向を意味する。

図１は、内視鏡システム３００の概要を示す図である。本例の内視鏡システム３００は、内視鏡２００、レーザ光源２１０、ダイクロイックミラー２２０、光検出部２３０、ＡＤ変換部２４０、画像処理部２５０および表示部２６０を有する。なお、本例は、内視鏡システム３００の例示的構成であり、内視鏡システム３００はここに示す以外の構成を有してもよい。

内視鏡２００は、非走査型光学装置１１０、鉗子口１２０、ライト１３０およびノズル１４０を有する。光走査装置１００は、鉗子口１２０に挿入されて使用されるものであり、内視鏡２００とは別の装置である。光走査装置１００は、内視鏡２００に搭載されてよい。光走査装置１００については図３において詳述する。光走査装置１００は、対象物４００の焦点面４１０（Ｘ‐Ｙ平面）において光を走査することができる。なお、図１では、光ファイバ３０を経てレーザ光２１２が対象物４００に入射する様子を簡易的に示す。非走査型光学装置１１０は、Ｘ‐Ｙ平面において光を走査できない通常型の光学装置である。

対象物４００は、人間または他の動物の体内の一部であってよい。鉗子口１２０は、対象物４００の一部を切除する鉗子が出入りすることができる開口である。ライト１３０は、対象物４００を照らすために用いられてよい。ノズル１４０は、送水または送風の機能を有する。ノズル１４０は機能の数に応じて複数設けてもよい。

レーザ光源２１０は、光走査装置１００の光源となる光を発生する。本例のレーザ光源２１０は、４８８ｎｍのレーザ光２１２を出力する。レーザ光源２１０の出力は、１０００ｍＷ未満であってよい。

ダイクロイックミラー２２０は、レーザ光２１２を反射する機能を有する。反射されたレーザ光２１２は、光走査装置１００の光ファイバ３０に入射し、光走査装置１００を経て対象物４００に入射する。

対象物４００は、レーザ光２１２を吸収して蛍光２１４を放出してよい。本例の対象物４００は、青色帯域（波長換算で４３５ｎｍ〜５００ｎｍ程度）のレーザ光２１２を吸収して緑色帯域（波長換算で５００ｎｍ〜５６０ｎｍ程度）の蛍光２１４を放出する蛍光材料を有する。当該状況は、人間または他の動物の体内に蛍光材料を導入することにより実現することができる。

対象物４００が放出した蛍光２１４は、光走査装置１００、光ファイバ３０およびダイクロイックミラー２２０を経て、光検出部２３０に入射する。なお、本例のダイクロイックミラー２２０は、蛍光２１４を透過する機能を有する。蛍光２１４は入射するレーザ光２１２と同じ経路を経て光検出部２３０に入射する。

光検出部２３０は、対象物４００からの蛍光を検知する。光検出部２３０は、フォトダイオード等の光電変換装置を有してよい。光検出部２３０は、蛍光２１４の強度に応じて電荷を生成する。例えば、蛍光２１４の強度が強い程より多くの電荷を生成する。

ＡＤ変換部２４０は、アナログ情報である電荷の量をデジタル信号に変換する、アナログ・デジタルコンバータを有してよい。ＡＤ変換部２４０はデジタル信号を画像処理部２５０に出力し、画像処理部２５０はデジタル信号に基づいて画像を生成してよい。本例の画像処理部２５０はデジタル信号からリサージュ走査画像を生成し、表示部２６０はリサージュ走査画像を表示する。ユーザは、リサージュ走査画像により対象物４００の焦点面４１０を視認することができる。

なお、図１においては、技術的内容の理解を容易にするために内視鏡２００の先端部分と対象物４００とを離間して示す。ただし、実際の使用時には、内視鏡２００の先端部分を対象物４００に吸着させて使用してよい。光走査装置１００の焦点は、対象物４００の表面から対象物４００内部の所定深さ位置（所定の＋Ｚ方向の位置）までの範囲に合わせることができる。通常の光学顕微鏡においては不可能であるが、本例の光走査装置１００は共焦点光学装置であるので、対象物４００の表面から所定深さ位置（例えば、深さ２５０μｍから３００μｍの位置）までを観察することができる。

図２は、共焦点光学系における、（Ａ）合焦時、および、（Ｂ）非合焦時を説明する図である。共焦点光学系では、対物レンズ１６の焦点位置と共役な位置に光ファイバ３０を配置する特徴を有する。

レーザ光２１２は、ダイクロイックミラー２２０に反射された後、対物レンズ１６を経て、対象物４００の焦点面４１０に集光する。レーザ光２１２により励起された対象物４００は、蛍光２１４を放出する。蛍光２１４は、対物レンズ１６、ダイクロイックミラー２２０およびコリメートレンズ３６を経て、光ファイバ３０に入射する。

（Ａ）に示す様に、対象物４００の表面（観察対象面）が焦点面４１０に一致する場合、高解像度かつ高コントラストの画像が得ることができる（合焦時の光）。これに対して、（Ｂ）に示す様に、焦点面４１０に一致しない点Ｐより発した蛍光２１４は、点Ｐ'で集光し、光ファイバ３０の端面で集光しないため光ファイバ３０にほとんど入射しない（実線（非合焦時の光）を参照。なお、点線は合焦時の光を示す。）。それゆえ、（Ｂ）の場合に得られる画像の解像度およびコントラストは、（Ａ）の場合に比べて低下する。

なお、図２では、対物レンズ１６と対象物４００との距離が変化すると、焦点面４１０の位置が変化する様子を示した。ただし、本例の光走査装置１００においては、対物レンズ１６と対象物４００との距離は変化させず、後述する可動レンズ２６を対物レンズ１６に対して移動させることにより焦点面４１０の位置を変化させる。いずれにしても、全く同じ共焦点光学系の原理が適用されている点に注意されたい。

図３は、第１実施形態における光走査装置１００のＹ‐Ｚ断面を示す図である。光走査装置１００は、外管１０、内管２０、対物レンズ１６、可動レンズ２６、外管フランジ１２、内管フランジ２２、弾性部材としてのコイルバネ６０および光ファイバ３０を有する。

外管１０は、第１方向としてのＺ軸方向に延伸する管である。外管１０のＺ軸方向の長さは、人間または他の動物の体内を曲がりながら移動できる長さであることが望ましい。外管１０のＺ軸方向の長さは、１０ｍｍ〜３０ｍｍであってよい。本例の外管１０のＺ軸方向の長さは、３０ｍｍである。本例の外管１０は、外径が３．０ｍｍであり、内径が２．８５ｍｍである。

外管１０の＋Ｚ軸方向の端部には、レンズホルダ１５が固定して設けられる。対物レンズ１６はレンズホルダ１５に固定して設けられる。本例の対物レンズ１６は、有効径が２．０ｍｍ、焦点距離ｆ１が０．７ｍｍである凸レンズである。また、外管１０の−Ｚ軸方向の端部には、外管フランジ１２が固定して設けられる。本例の外管１０および外管フランジ１２はステンレスから成り、外管フランジ１２は外管１０に溶接して固定される。

内管２０は、Ｚ軸方向に延伸する管である。本例の内管２０は、外径が２．８５ｍｍであり、内径が２．７ｍｍである。本例の内管２０も、ステンレスから成る。外管１０および内管２０は二重管を構成する。内管２０と外管１０との間には、１０μｍから４０μｍのクリアランス（ＣＬ）を設ける。また、内管フランジ２２と外管１０との間にも同様のクリアランスを設ける。これにより、内管２０はＺ軸方向において外管１０に対して移動することができる。なお、記載した外管１０および内管２０における、Ｚ軸方向の長さ、外径および内径は一例に過ぎない。光走査装置１００を製造するに当たって、上記数値は適宜変更してもよい。

内管２０は、配線基板５０を有する。配線基板５０は、内管２０の内部に設けられる。内管２０の＋Ｚ軸方向の端部には、レンズホルダ２５が固定して設けられる。可動レンズ２６はレンズホルダ２５に固定して設けられる。本例において、レンズホルダ２５は配線基板５０の＋Ｙ軸方向の表面に直接接して設けられるが、レンズホルダ２５は、配線基板５０の＋Ｚ軸方向の表面に直接接して設けられてもよい。

可動レンズ２６は、対物レンズ１６にレーザ光２１２を入射させる。本例の可動レンズ２６は、有効径が２．０ｍｍ、焦点距離ｆ２が２．５ｍｍである凸レンズである。本例では、対物レンズ１６および可動レンズ２６の光軸を一致させる。また、対物レンズ１６の焦点距離ｆ１と可動レンズ２６の焦点距離ｆ２とが、ｆ１＜ｆ２の条件を満たす。さらに、対物レンズ１６の中心が可動レンズ２６の中心から焦点距離ｆ１までの範囲内に位置する。

なお、上記の条件を満たす限り、可動レンズ２６は凹レンズとしてもよい。またなお、内管２０が外管１０に対してＸ‐Ｙ平面内で回転しない場合、対物レンズ１６および可動レンズ２６の光軸は一致していなくてもよい。

内管２０の−Ｚ軸方向の端部には、内管フランジ２２が設けられる。本例の内管フランジ２２はステンレスから成り、内管２０に溶接して固定される。内管フランジ２２は、位置決め部２９を有する。位置決め部２９は、内管２０のＺ軸方向における配線基板５０の位置を決める機能を有する。本例において、位置決め部２９は、内管フランジ２２表面のテーパー部分である。位置決め部２９により内管２０に対する配線基板５０の位置合わせが容易になる。

外管フランジ１２および内管フランジ２２には、光ファイバ３０およびワイヤ３５が貫通して設けられる。光ファイバ３０のＸ‐Ｙ断面の中心は、コリメートレンズ３６の光軸と一致するように予め設計される。コリメートレンズ３６は、光ファイバ３０の中心位置とコリメートレンズ３６の光軸とを位置合わし、配線基板５０上で接合固定される。なお、外管フランジ１２および内管フランジ２２には、配線基板５０に接続された配線も貫通して設けられてよい。

光ファイバ３０の＋Ｚ軸方向の端部は、内管フランジ２２の＋Ｚ軸方向の端部よりも＋Ｚ軸方向に延伸して設けられる。本例のワイヤ３５の＋Ｚ軸方向の端部には、ワイヤ３５を内管フランジ２２に固定するための端部３７が設けられる。ワイヤ３５は、１０本程度の金属線を撚って形成した可撓性金属ワイヤであってよい。

外管フランジ１２と内管フランジ２２との間には、コイルバネ６０が設けられる。本例のコイルバネ６０は、一端が外管フランジ１２の内側端面に接触し、他端が内管フランジ２２の外側端面に接触する。本例では、外管フランジ１２のＺ方向の端面のうち、＋Ｚ方向の端面を内側端面とし、光走査装置１００の端部となる−Ｚ方向の端面を外側端面とする。また、本例では、内管フランジ２２のＺ方向の端面のうち、−Ｚ方向の端面を外側端面とし、スキャナユニット４０に近い＋Ｚ方向の端面を内側端面とする。

コイルバネ６０は、Ｚ軸方向において伸縮可能である。コイルバネ６０は、０．０１（Ｎ／ｍｍ）から２（Ｎ／ｍｍ）のバネ定数を有してよい。なお、図３はコイルバネ６０が付勢されていない状態を示す。弾性部材として、コイルバネ６０に代えてコイル状のゴムまたはスポンジを用いてもよい。または、弾性部材として、光ファイバ３０およびワイヤ３５を貫通させつつＺ軸方向に伸縮可能な板バネを用いてもよい。

本例では、ワイヤ３５を−Ｚ軸方向に引っ張ることにより、内管２０を外管１０に対して−Ｚ軸方向に移動させることができる。また、ワイヤ３５への引っ張り力を無くせば、内管２０を元の位置に戻すことができる。このように、Ｚ軸方向と平行な方向において、対物レンズ１６を可動レンズ２６に対して相対的に移動させることができる。

光ファイバ３０は、内管フランジ２２内を延伸し、内管２０に達する。光ファイバ３０から出射される光は、コリメートレンズ３６に入射して平行光となる。本例では、直径３５０μｍのコリメート光がコリメートレンズ３６から出射される。光ファイバ３０は配線基板５０に固定されるので、光ファイバ３０に対してコリメートレンズ３６の光軸は固定される。

内管２０は、配線基板５０上に載置されたスキャナユニット４０を有する。スキャナユニット４０は、配線基板５０を介して内管２０の内部に固定される。なお、本明細書において、＋Ｙ軸方向を便宜的に「上」または「上方」とし、−Ｙ軸方向を便宜的に「下」または「下方」と称する。

スキャナユニット４０は、コリメートレンズ３６から入射した光をＸ軸方向およびＹ軸方向に走査（スキャン）する。これにより、スキャナユニット４０は、Ｚ軸方向に対して直交するＸ‐Ｙ平面（焦点面４１０）においてレーザ光２１２を走査することができる。なお、スキャナユニット４０の構成については、図４で詳しく述べる。

スキャナユニット４０から出射した光は、可動レンズ２６および対物レンズ１６を順に経て、光走査装置１００の外に出射する。本例においては、コリメートレンズ３６と可動レンズ２６とが内管２０において固定されている。つまり、コリメートレンズ３６と可動レンズ２６との相対位置は固定されている。それゆえ、対物レンズ１６を可動レンズ２６に対して相対的に移動させても、光束は発散または集束しない。

内管２０は、配線基板５０上に複数のＩＣチップ５４を備えてよい。複数のＩＣチップ５４の一つは、スキャナユニット４０が有する第１の反射面および第２の反射面の回転角度を検知する角度検知用電子回路部材である。ＩＣチップ５４の他の一つは、ノイズ除去回路およびオペアンプ回路を有してよい。本例では、スキャナユニット４０とＩＣチップ５４とを共に配線基板５０上に載置する。スキャナユニット４０とＩＣチップ５４とを物理的に近接して配置することにより、ノイズに埋もれやすい微小電流信号をより正確に捉えることができる。

図４は、スキャナユニット４０における、（Ａ）Ｙ‐Ｚ断面、および、（Ｂ）半導体基板４４の上面図である。まず、（Ａ）について説明する。スキャナユニット４０は、半導体基板４４備える。半導体基板４４には、第１のスキャナとしてのＸスキャナ７０と、第２のスキャナとしてのＹスキャナ８０とが設けられる。

Ｘスキャナ７０は、第１の反射面７４を有する。第１の反射面７４は、Ｚ軸方向に設けられた第１の梁部７２を回転軸として回転することができる。Ｙスキャナ８０は、第２の反射面８４を有する。第２の反射面８４は、第２方向としてのＹ軸方向に設けられた第２の梁部８２を中心に回転することができる。

本例の半導体基板４４は、全厚さ０．５ｍｍ、活性層の厚さ０．１ｍｍ、絶縁層の厚さ１μｍのＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板である。本例の梁部７２および反射面７４は、ＳＯＩ基板の活性部から一体的に加工して形成されてよい。反射面７４の＋Ｙ軸方向の表面には、アルミニウム等の金属膜が設けられてよい。梁部８２および反射面８４についても同様である。

半導体基板４４はＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ）４６を有する。Ｘスキャナ７０およびＹスキャナ８０は、ＴＳＶ４６を介して配線基板５０と電気的に導通することができる。これにより、ワイヤボンディングする場合と比較して、半導体基板４４と配線基板５０とをコンパクトに実装することができる。

スキャナユニット４０は、固定鏡４２を有する。固定鏡４２は、半導体基板４４に対向して設けられる。固定鏡４２は、ガラス、セラミックスまたは樹脂等により形成されてよい。固定鏡４２の表面には、反射率９５％以上の金属膜が設けられる。本例の固定鏡４２は、約１μｍの厚みでアルミニウムが蒸着された少なくとも三つの反射面ａ、ｂおよびｃを有する。固定鏡４２の三つの反射面は、逆台形の両脚としての反射面ａおよびｃ、ならびに、逆台形の上底としての反射面ｂを有する。ただし、他の例においては、反射面ｂを逆台形の下底としてもよい。固定鏡４２は、第１の反射面７４および第２の反射面８４と三つの反射面ａ〜ｃとの間でレーザ光２１２の伝搬経路を構成する。

次に、（Ｂ）について説明する。本例のＸスキャナ７０は、幅（Ｘ軸方向長さ）１．５ｍｍ、長さ（Ｚ軸方向長さ）２ｍｍの長方形とした。Ｙスキャナ８０は、幅（Ｚ軸方向長さ）１．５ｍｍ、長さ（Ｘ軸方向長さ）２ｍｍの長方形とした。Ｘスキャナ７０における反射面７４の中心と、Ｙスキャナ８０における反射面７４の中心とは３．０ｍｍとした。

図４（Ｂ）に示す様にＸスキャナ７０は櫛歯部７６を有し、Ｙスキャナ８０は櫛歯部８６を有する。本例において、櫛歯部７６および８６の長さは３００μｍとした。半導体基板４４も、櫛歯部７６および８６と噛み合う形状の櫛歯部を有する。噛み合わせる形状とすることにより、噛み合わせない場合と比較して回転駆動力が大きくなる。

Ｘスキャナ７０およびＹスキャナ８０は、半導体基板４４とは電気的に独立して設けられる。本例では、ＴＳＶ４６を介して半導体基板４４の櫛歯部分に、２０Ｖの直流電圧を印加する。また、ＴＳＶ４６を介してＸスキャナ７０およびＹスキャナ８０にピーク・トゥ・ピークで２０Ｖの交流電圧の電圧パルスを印加する。これにより、反射面７４および８４を一定の回転角度で回転振動させることができる。（Ｂ）中の両矢印は、反射面７４および８４の回転振動の様子を示す。回転振動の振動角は、電圧を適宜変更することにより調節することができる。

図５は、対物レンズ１６から可動レンズ２６までの距離ｄと、対物レンズ１６から焦点面４１０までの距離Ｌを説明する図である。Ｚ方向において光軸を一致させる本例では、対物レンズ１６の中心から可動レンズ２６の中心までを距離ｄとする。また、対物レンズ１６の中心から焦点面４１０までを距離Ｌとする。ただし、他の例においては、対物レンズ１６の光軸と可動レンズ２６の光軸とは、Ｚ軸方向において完全に一致していなくてもよい。両者の光軸は、Ｘ方向またはＹ方向において１０μｍ〜４０μｍ程度ずれてもよい。この場合は、可動レンズ２６の中心をＸ方向またはＹ方向にずれ量分だけ平行移動させることによりＺ方向において光軸を一致させた上で、対物レンズ１６の中心から可動レンズ２６の中心までを距離ｄと見なせばよい。

図６は、距離ｄを変化させた場合の距離Ｌの変化を示す図である。本例では、対物レンズ１６から可動レンズ２６までの距離ｄを１２００μｍから１７００μｍの間で変化させた場合に、対物レンズ１６の光軸から焦点面４１０までの距離Ｌを計測した。ｄ＝１２００μｍにおいてＬ＝５１８μｍとなり、ｄ＝１７００μｍにおいてＬ＝４７７μｍとなった。ｄ＝１２００μｍとｄ＝１７００μｍとの間において、距離Ｌは略線形に変化した。このように、距離ｄが距離Ｌに対応することが確認された。また、可動レンズ２６が凹レンズの場合においても、距離ｄが距離Ｌに対応することが確認された。勿論、レーザ光２１２を焦点面４１０において走査できることも確認された。

図７は、第２実施形態における光走査装置１５０のＹ‐Ｚ断面を示す図である。本例の内管フランジ２２は、スリーブ部２３およびフランジ部２４を有する。本例のスリーブ部２３はフランジ部２４のＺ軸方向に一体的に形成されている。フランジ部２４は、内管２０に固定して設けられる。本例のスリーブ部２３およびフランジ部２４は、第１実施形態と同様にステンレスから成る。本例の内管フランジ２２が、外管フランジ１２に対して回転しない形状である。また、本例のスリーブ部２３およびフランジ部２４は、空洞部２７を有する。空洞部２７は、光ファイバ３０および配線基板５０への配線を通過させる。係る点が第１実施形態と異なる。なお、配線基板５０と接続する配線は図示していない。

本例の外管フランジ１２は、スリーブ部２３が貫通して設けられる空洞部を有する。本例のスリーブ部２３は、Ｚ軸方向に１２ｍｍの長さを有する。コイルバネ６０は、フランジ部２４と外管フランジ１２との間であって、外管１２とスリーブ部２３との間に設けられる。図７の状態は、コイルバネ６０が付勢されていない状態を示す。

本例のコイルバネ６０は、一端が外管フランジ１２の内側端面に接触し、他端が内管フランジ２２のフランジ部２４の外側端面に接触する。本例では、フランジ部２４のＺ方向の端面のうち、−Ｚ方向の端面（スリーブ部２３と接触する端面）を外側端面とし、＋Ｚ方向の端面（スキャナユニット４０により近い端面）を内側端面とする。本例において、フランジ部２４の外側端面は、スリーブ部２３との接続部分を除いた部分である。つまり、本例のフランジ部２４の外側端面は、円環形状である。

スリーブ部２３の−Ｚ軸方向の端部は、外管フランジ１２の−Ｚ軸方向の端部よりもさらに延伸して設けられる。スリーブ部２３の−Ｚ軸方向の端部には、ワイヤ３５の端部３７が溶接して設けられる。本例においても、ワイヤ３５を−Ｚ軸方向に引っ張ることにより、内管２０を外管１０に対して−Ｚ軸方向に移動させることができる。これにより、対物レンズ１６に対して可動レンズ２６をＺ軸方向に移動させることができる。なお、勿論のこと、本例の光走査装置１５０を内視鏡２００に適用してよい。

図８は、図７のＡ‐Ａ断面を示す図である。外管フランジ１２の断面円は中心１８を有する。本例の外管フランジ１２の断面円の直径は、３．０ｍｍである。内管フランジ２２のスリーブ部２３の断面は、中心１８の円における±Ｙ軸方向の端部にＸ軸方向と平行な部分を有する形状である。本例のスリーブ部２３は、中心１８から±Ｙ軸方向に０．８５ｍｍの位置において、Ｘ軸方向と平行な平坦領域９２を有する。外管フランジ１２も対応する位置に平坦領域９０を有する。外管フランジ１２の平坦領域９０とスリーブ部２３の平坦領域９２との間には、１０μｍから４０μｍのクリアランス（ＣＬ）が設けられる。

これにより、内管２０が外管１０に対してＺ軸方向に移動することを可能にしつつ、内管２０が外管１０に対してＸ‐Ｙ平面内において回転することを防ぐことができる。したがって、Ｘ‐Ｙ平面において、対物レンズ１６の光軸と可動レンズ２６の光軸との相対的位置がずれないので、集光スポットの形状が変化しないという有利な効果を有する。

本例の空洞部２７は、その中心２８から±Ｙ軸方向に０．５ｍｍの位置にＸ軸と平行な部分を有する。当該平行な部分のＸ軸方向長さは０．８ｍｍである。また、空洞部２７は、±Ｘ軸方向の端部に半径０．５ｍｍの半円を有する。

図９は、第３実施形態における光走査装置１７０のＹ‐Ｚ断面を示す図である。本例の光走査装置１７０は、内管２０と外管１０とのＺ方向における相対距離を検出する距離検出部６１をさらに備える。なお、勿論のこと、本例の光走査装置１５０を内視鏡２００に適用してよい。

本例において、内管２０と外管１０とのＺ方向における相対距離は、対物レンズ１６の中心から可動レンズ２６の中心までの距離ｄ（図５および図６等において前述）を意味する。本例の距離検出部６１は、磁気センサ部である。本例の距離検出部６１は、第１部分としてのホール素子１１と、第２部分としての永久磁石２１とを有する。ホール素子１１は、検出した磁束密度Ｂの大きさに比例した出力電圧Ｖ_Ｈを出力する。

本例のホール素子１１は、その＋Ｚ方向の端面を外管フランジ１２の外側端面において接着剤により固定する。接着剤は、熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂）またはＵＶ硬化樹脂であってよい。また、本例の永久磁石２１は、その＋Ｙ方向の端面を、外管フランジ１２の外側端面よりも外側に位置する内管フランジ２２のスリーブ部２３に接着剤により固定する。

ホール素子１１と永久磁石２１とは対向してよい。本例のホール素子１１は、外管フランジ１２の外側端面であって、内管フランジ２２のスリーブ部２３よりも下に設ける。また、本例の永久磁石２１は、スリーブ部２３の下方の平坦領域９２に設ける。これにより、永久磁石２１から生じるＹ方向の磁束をホール素子１１に貫通させる。なお、他の例においては、ホール素子１１を内管フランジ２２のスリーブ部２３よりも上に設け、永久磁石２１をスリーブ部２３の上方の平坦領域９２に設けてもよい。

ホール素子１１および永久磁石２１は、直方体形状であってよく、板形状であってもよい。ホール素子１１のＸおよびＺ方向長さは０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であってよく、そのＹ方向長さはＸおよびＺ方向長さ以下であってよい。また、永久磁石２１のＸおよびＺ方向長さは０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であってよく、そのＹ方向長さはＸおよびＺ方向長さ以下であってよい。

本例のホール素子１１は、Ｘ方向長さ０．８ｍｍ、Ｙ方向長さ０．３８ｍｍ、Ｚ方向長さ１．６ｍｍの小型ホール素子（旭化成エレクトロニクス製 ＨＧ‐０８１２）である。また、本例の永久磁石２１は、Ｘ方向長さ０．８ｍｍ、Ｙ方向長さ０．１ｍｍ、Ｚ方向長さ２．０ｍｍのネオジム磁石（Ｎｄ‐Ｆｅ‐Ｂ磁石）である。なお、ホール素子１１と永久磁石２１との最近接面間のギャップ長さを０．１ｍｍとした。本例において、ホール素子１１および永久磁石２１のＺ方向長さは、距離ｄの変化量（一例において５００μｍ）よりも十分に長い。当該構成により、距離ｄの測定を確実に行うことができる。

距離ｄは、端部３７とは反対側のワイヤ３５の端部を引っ張ることにより調整することができる。距離ｄを正確に定めるべく、パルスモータを用いて端部３７とは反対側のワイヤ３５の端部を巻き取ることにより、ワイヤ３５を−Ｚ方向に引っ張ってよい。パルスモータは周知の構成であるので、詳細な説明は省略する。なお、パルスモータに代えて、μｍオーダーの巻き量を手動で調節可能なダイヤル式のワイヤ巻き取り機構を用いてもよい。また、他の例では、圧電素子による駆動、電磁式モータによる回転駆動、またはリニアモータ駆動を適用してもよい。

ワイヤ３５は可撓性金属ワイヤであるが、巻き取りおよび巻き戻しに起因して、ワイヤ３５の長さが当初長さから変化する場合がある。例えば、長期間使用した場合に、ワイヤ３５に１ｍｍ〜２ｍｍの伸びが生じる場合がある。これにより、ワイヤ３５の巻き取りおよび巻き戻し量と距離ｄとの間にヒシテリシスが生じる場合がある。さらに、ワイヤ３５に撓みが生じている場合も、ワイヤ３５の巻き取りおよび巻き戻し量と距離ｄとの間に誤差が生じる要因となる。

しかしながら、本例においては、ワイヤ３５よりも十分に剛性が高い内管フランジ２２のスリーブ部２３および外管フランジ１２に距離検出部６１を設ける。そして、距離検出部６１により距離ｄを測定する。それゆえ、ワイヤ３５のヒシテリシスおよび撓みの影響を除去することができる。これにより、ワイヤ３５の巻き取りおよび巻き戻し量を測定する場合と比較して、距離ｄを高精度に測定および調節することができる。また、本例ではワイヤ３５にヒシテリシスが生じてもよいので、ワイヤ３５の材料選択の自由度が高い点も非常に有利である。

図１０は、図７のＢ矢視図である。上述の様に、本例では、スリーブ部２３の平坦領域９２に永久磁石２１を設ける。これにより、スリーブ部２３の曲面部分（スリーブ部２３におけるＸ方向の側面）に永久磁石２１を設ける場合と比較して、永久磁石２１をより容易にスリーブ部２３に固定することができる。

図１１は、ホール素子１１に対する永久磁石２１の相対移動量Ｄを説明する図である。ホール素子１１の構成は周知であるので、詳細な説明は省略する。ホール素子１１は定電圧駆動としてよいし、定電流駆動としてもよい。いずれにしても、ホール素子１１を貫く磁束密度Ｂが増加するほど、ホール素子１１における出力電圧Ｖ_Ｈも増加する。つまり、Ｖ_Ｈ＝ｋ・Ｂ（なお、ｋは正の定数）である（ただし、説明を簡単にすることを目的として、ホール素子１１に対する周囲温度の影響は考慮しないものとする。）。

本例においては、相対移動量Ｄが増加するほど、Ｙ方向における永久磁石２１とホール素子１１との重なり面積（つまり、Ｘ‐Ｚ平面の重なり面積）が増加する。それゆえ、本例においては、ホール素子１１に対する永久磁石２１の相対移動量Ｄが増加するほどホール素子１１を貫く磁束密度Ｂが増加するとする。

状態（ａ）は、永久磁石２１とホール素子１１とが比較的離間しており、ホール素子１１を貫く磁束密度Ｂが比較的小さい状態を示す。状態（ａ）は、永久磁石２１の＋Ｚ方向の端部が、外管フランジ１２の−Ｚ方向の端部から離間した状態である。状態（ａ）においては、相対移動量Ｄ＝０μｍとする。状態（ａ）は、ワイヤ３５を引っ張ることによりコイルバネ６０を付勢した状態である。

これに対して、状態（ｂ）は、コイルバネ６０に付勢が無い状態である。ワイヤ３５を徐々に巻き戻すことにより、コイルバネ６０への付勢を徐々に弱めることができる。これにより、コイルバネ６０を付勢した状態（ａ）から、コイルバネ６０に付勢が無い状態（ｂ）まで変化させることができる。状態（ｂ）においては、相対移動量Ｄ＝５００μｍである。状態（ｂ）においては、永久磁石２１とホール素子１１との重なり面積が状態（ａ）よりも増加する。それゆえ、永久磁石２１を貫く磁束密度Ｂが（ａ）の状態よりも大きい。

なお、状態（ａ）は、対物レンズ１６と可動レンズ２６とが相対的に離れた状態（距離ｄ＝１７００μｍ）でもある。状態（ａ）においては、対象物４００の表面に焦点面４１０を合わせることができる。また、状態（ｂ）は、対物レンズ１６と可動レンズ２６とが相対的に近づいた状態（距離ｄ＝１２００μｍ）でもある。状態（ｂ）においては、対象物４００の表面からＺ方向に所定長さ深い位置に焦点面４１０を合わせることができる。

図１２は、相対移動量Ｄと、ホール素子１１の出力電圧Ｖ_Ｈとを示す図である。横軸は相対移動量Ｄ［ｍｍ］であり、縦軸は出力電圧Ｖ_Ｈ［ｍＶ］である。上述の様に、本例においては、相対移動量Ｄが増加するほど出力電圧Ｖ_Ｈも増加した。具体的には、相対移動量Ｄ＝０μｍのとき出力電圧Ｖ_Ｈ＝０ｍＶとなり、相対移動量Ｄ＝５００μｍのとき出力電圧Ｖ_Ｈ＝３６ｍＶとなった。

また、相対移動量Ｄと距離ｄとは負の相関関係を有しており、相対移動量Ｄ＝０μｍのときｄ＝１７００μｍであり、相対移動量Ｄ＝５００μｍのときｄ＝１２００μｍである。このように、距離検出部６１のホール素子１１の出力電圧Ｖ_Ｈは、相対移動量Ｄおよび距離ｄに応じて変化した。

本例の距離検出部６１は、第１部分がホール素子１１であり、第２部分が永久磁石２１である磁気センサである。ただし、他の例においては、距離検出部６１は他の構成を採用してもよい。距離検出部６１は、リニアエンコーダであってもよい。この場合、第１部分がスケール（物差し）であってもよく、第２部分が検出器であってもよい。検出機構は、光学式であってよく磁気式であってもよい。また、測定方式は、絶対位置を測定するアブソリュート式であってよく、相対位置を測定するインクリメント式であってもよい。リニアエンコーダの出力は、スケールのピッチに対応する正弦波の電圧信号であってよい。

さらに他の例において、距離検出部６１は、摺動抵抗素子であってもよい。この場合、第１部分は抵抗体であってよく、第２部分は摺動子であってよい。摺動抵抗素子の出力は、抵抗体上における摺動子の位置に対応した電圧値または電流値であってよい。

さらに他の例において、距離検出部６１は、レーザ測長センサであってもよい。この場合、第１部分はレーザの光源部および受光部であってよく、第２部分は光源からの光を反射する反射体であってよい。レーザ測長センサは、三角測距方式であってよく、タイム・オブ・フライト方式であってもよい。三角測距方式において、レーザ測長センサの出力は、受光部の各受光素子の位置に対応した電圧信号であってよい。また、タイム・オブ・フライト方式のうち位相差距離方式において、レーザ測長センサの出力は、出射から受光までにおけるレーザ光の位相差に対応する信号であってよい。さらに、タイム・オブ・フライト方式のうちパルス伝播方式において、レーザ測長センサの出力は、時間に対応する信号（つまり、出射タイミングおよび受光タイミングを示す電圧信号）であってよい。この場合、距離ｄに応じて電圧信号の出力タイミングが変化してよい。

さらに他の例において、距離検出部６１は、超音波センサであってもよい。この場合、第１部分は超音波の送波器および受波器であってよく、第２部分は超音波を反射する反射体であってよい。超音波センサの出力は、超音波の送波から受波までにおける時間に対応する信号（つまり、送波タイミングおよび受波タイミングを示す電圧信号）であってよい。この場合、距離ｄに応じて電圧信号の出力タイミングが変化してよい。

さらに他の例において、距離検出部６１は、静電容量センサであってもよい。この場合、第１部分は定電圧Ｖが印加された検出電極を有する検出部であってよく、第２部分は誘電体または導体であってよい。第１部分および第２部分の距離に応じて、静電容量センサの静電容量Ｃ（＝Ｑ／Ｖ）は変化する。静電容量センサの出力は、第１部分および第２部分間の静電容量に対応する信号であってよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０・・外管、１１・・ホール素子、１２・・外管フランジ、１５・・レンズホルダ、１６・・対物レンズ、１８・・中心、２０・・内管、２１・・永久磁石、２２・・内管フランジ、２３・・スリーブ部、２４・・フランジ部、２５・・レンズホルダ、２６・・可動レンズ、２７・・空洞部、２８・・中心、２９・・位置決め部、３０・・光ファイバ、３５・・ワイヤ、３６・・コリメートレンズ、３７・・端部、４０・・スキャナユニット、４２・・固定鏡、４４・・半導体基板、４６・・ＴＳＶ、５０・・配線基板、５４・・ＩＣチップ、６０・・コイルバネ、６１・・距離検出部、７０・・Ｘスキャナ、７２・・梁部、７４・・反射面、７６・・櫛歯部、８０・・Ｙスキャナ、８２・・梁部、８４・・反射面、８６・・櫛歯部、９０・・平坦領域、９２・・平坦領域、１００・・光走査装置、１１０・・非走査型光学装置、１２０・・鉗子口、１３０・・ライト、１４０・・ノズル、１５０・・光走査装置、１７０・・光走査装置、２００・・内視鏡、２１０・・レーザ光源、２１２・・レーザ光、２１４・・蛍光、２２０・・ダイクロイックミラー、２３０・・光検出部、２４０・・ＡＤ変換部、２５０・・画像処理部、２６０・・表示部、３００・・内視鏡システム、４００・・対象物、４１０・・焦点面

Claims (12)

1. 光走査装置であって、
   第１方向に延伸する外管と、
   前記第１方向において前記外管に対して移動可能である内管と、
   前記外管に固定された対物レンズと、
   前記内管に固定され、前記対物レンズに対して可動である可動レンズと、
   を備え、
   前記可動レンズは、前記対物レンズに光を入射させ、
   前記内管は、前記内管の内部に固定され、前記第１方向に対して直交する平面において光を走査するスキャナユニットを有する、
   光走査装置。
2. 前記スキャナユニットは、
   前記第１方向に設けられた第１の梁部を回転軸として回転することができる第１の反射面を有する第１のスキャナと、前記第１方向に対して直交する第２方向に設けられた第２の梁部を中心に回転することができる第２の反射面を有する第２のスキャナとが設けられる半導体基板と、
   前記半導体基板に対向して設けられ、少なくとも三つの反射面を有する固定鏡と、
   を備え、
   前記固定鏡の前記三つの反射面のうちの一つの反射面は、前記第１方向において他の一つの反射面よりも前記対物レンズ側に設けられ、
   前記他の一つの反射面は、前記第１方向において、前記三つの反射面のうちのさらに他の一つの反射面よりも前記対物レンズ側に設けられ、
   前記固定鏡に入射した光は、前記さらに他の一つの反射面において反射して前記第１の反射面に入射し、
   前記第１の反射面に入射した光は、前記第１の反射面において反射して前記他の一つの反射面に入射し、
   前記他の一つの反射面に入射した光は、前記他の一つの反射面において反射して前記第２の反射面に入射し、
   前記第２の反射面に入射した光は、前記第２の反射面において反射して前記一つの反射面に入射する、
   ように構成される、請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記外管に固定して設けられた外管フランジと、
   前記内管に固定して設けられるフランジ部と、前記外管フランジを貫通するスリーブ部とを有する内管フランジと、
   前記内管フランジ内を延伸し、前記内管に達する光ファイバと、
   をさらに備える、
   請求項２に記載の光走査装置。
4. 前記光ファイバが前記内管フランジ内を延伸する方向に垂直な断面において、
   前記スリーブ部は、平坦領域を有し、
   前記外管フランジは、前記スリーブ部の前記平坦領域に平行な、他の平坦領域を有する、
   請求項３に記載の光走査装置。
5. 前記内管フランジは、前記外管フランジに対して回転しない形状である、請求項３または４に記載の光走査装置。
6. 前記外管フランジと前記内管フランジとの間に、または、前記外管フランジと前記内管フランジの前記フランジ部との間であって前記外管と前記スリーブ部との間に、前記第１方向において伸縮可能である弾性部材を更に有する、請求項３から５のいずれか一項に記載の光走査装置。
7. 前記第１方向における前記内管と前記外管との相対距離を検出する距離検出部をさらに備える、請求項３から６のいずれか一項に記載の光走査装置。
8. 前記距離検出部は、
   前記外管フランジの外側端面に設けられた第１部分と、
   前記外管フランジの前記外側端面よりも外側に位置する前記スリーブ部に設けられた第２部分と、
   を有し、
   前記距離検出部の出力は、前記相対距離に応じて変化する、
   請求項７に記載の光走査装置。
9. 前記内管は、前記内管の内部に設けられ、前記スキャナユニットが載置される配線基板をさらに有し、
   前記内管フランジは、前記内管の前記第１方向における前記配線基板の位置を決める位置決め部を有する、
   請求項３から８のいずれか一項に記載の光走査装置。
10. 前記配線基板上に、前記第１の反射面および前記第２の反射面の回転角度を検知する角度検知用電子回路部材をさらに備える、請求項９に記載の光走査装置。
11. 前記半導体基板はＴＳＶを有し、
    前記第１のスキャナおよび前記第２のスキャナは、前記ＴＳＶを介して前記配線基板と電気的に導通する、
    請求項９または１０に記載の光走査装置。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の光走査装置を搭載した内視鏡。

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