WO2015198585A1 - 光走査用アクチュエータおよび光走査装置 - Google Patents

光走査用アクチュエータおよび光走査装置 Download PDF

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WO2015198585A1
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optical
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optical scanning
ferrule
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藤原　真人
岳晴 印南
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    • H10N30/202—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using longitudinal or thickness displacement combined with bending, shear or torsion displacement
    • H10N30/2023—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using longitudinal or thickness displacement combined with bending, shear or torsion displacement having polygonal or rectangular shape

Definitions

  • the present invention relates to an optical scanning actuator and an optical scanning device using the same.
  • FIG. 16 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an ideal optical scanning actuator, FIG. 16 (a) is a side view, and FIG. 16 (b) is a cross-sectional view seen from the optical axis direction.
  • the optical scanning actuator 101 is arranged on four side surfaces of the optical fiber 102, a rectangular parallelepiped ferrule 103 in which one end is fixed to the device holder 107 and the optical fiber 102 is inserted in the center in the longitudinal direction, and the ferrule 103. Piezoelectric elements 104a to 104d.
  • Each of the piezoelectric elements 104a to 104d includes piezoelectric materials 105a to 105d and electrodes 106a to 106d, and is disposed between the ferrule 103 and the electrodes 106a to 106d with the piezoelectric materials 105a to 105d interposed therebetween.
  • Each of the electrodes 106a to 106d is further connected to a drive circuit (not shown) by wirings 108a to 108d.
  • the optical scanning actuator 101 can scan the tip end portion 102a of the optical fiber 102 in the y direction orthogonal to the optical axis direction z direction by applying an alternating voltage to the electrodes 106a and 106c.
  • FIGS. 17A and 17B are diagrams for explaining the operation of the optical scanning actuator of FIG. 16.
  • FIG. 17A is a side view
  • FIG. 17B is a cross-sectional view as viewed in the optical axis direction.
  • the piezoelectric materials 105a and 105c expand and contract in the optical axis direction of the optical fiber 102 by applying a positive or negative voltage to the electrodes 106a and 106c. Therefore, the tip 102a of the optical fiber can be vibrated in the y direction by applying an alternating voltage to the piezoelectric elements 104a and 104c so that when one extends in the optical axis direction, the other contracts.
  • the diameter of the optical fiber is about 100 ⁇ m, and the size of the ferrule and piezoelectric element for driving the optical fiber is extremely small.
  • the optical scanning actuator using the ferrule as shown in FIG. 16 it is difficult to increase the processing accuracy of the ferrule, and it is also difficult to accurately attach the piezoelectric element to the center of the side surface of the ferrule. For this reason, it is difficult to realize an ideal configuration in which the piezoelectric elements 104a to 104d are evenly arranged on the rectangular parallelepiped ferrule 103 having a square cross section as shown in FIG.
  • the amplitude does not increase sufficiently even if an oscillating voltage is applied to the optical fiber in one direction due to an error in the shape of the member that holds the optical fiber such as a ferrule or displacement of the piezoelectric element. Inconveniences such as an elliptical scanning locus at the tip of the optical fiber and / or tilting of the scanning locus occur.
  • An object of the present invention made by paying attention to these points is to suppress undesired distortion and inclination near the resonance frequency even when the processing accuracy and mounting position of the member are not accurate (in the case of rotational asymmetry).
  • An object of the present invention is to provide an optical scanning actuator capable of obtaining a scanning locus.
  • the invention of an optical scanning actuator that achieves the above object is as follows: An optical fiber having a tip that is supported in a oscillating manner; A piezoelectric element that generates a driving force for driving the tip of the optical fiber in a direction perpendicular to the optical axis by expanding and contracting along the optical axis direction of the optical fiber; The optical fiber is configured to be rotationally asymmetric about the optical axis of the optical fiber or to have rotational symmetry twice.
  • the resonance direction of the tip portion of the optical fiber and the direction of the driving force of the piezoelectric element are substantially parallel.
  • the optical scanning actuator may be configured to be rotationally asymmetric about the optical axis of the optical fiber.
  • the piezoelectric element can include a first piezoelectric element, and a second piezoelectric element and a third piezoelectric element that are disposed to face the first piezoelectric element with the optical fiber interposed therebetween.
  • a ferrule that holds the optical fiber is provided, and the piezoelectric element is fixed to a side surface of the ferrule.
  • the invention of an optical scanning device that achieves the above object is as follows. Any of the optical scanning actuators described above; A light input unit that causes illumination light from a light source to be incident on an end of the optical fiber opposite to the tip. An optical system for irradiating an object with light emitted from the tip of the optical fiber; And a controller that controls the voltage applied to the piezoelectric element to scan the tip of the optical fiber so as to have a desired scanning locus.
  • the optical scanning actuator has a unique direction that is likely to resonate when the tip of the optical fiber is vibrated by the shape and arrangement of the member, that is, the resonance direction. This is based on the knowledge that a linear and stable scanning locus can be obtained by matching the direction of the driving force to be driven. In this resonance direction, there are two directions orthogonal to each other.
  • the direction of the scanning trajectory is set by matching the direction of the driving force with the two resonance directions orthogonal to each other. Distortion and inclination can be suppressed.
  • the processing accuracy and mounting position of the member are not accurate (in the case of rotationally asymmetric) ), It is possible to obtain a scanning locus in which unwanted distortion and inclination are suppressed in the vicinity of the resonance frequency.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating the shape of a piezoelectric material in the manufacturing process of the optical scanning actuator of FIG. 10. It is sectional drawing of the actuator for optical scanning of FIG. It is a block diagram which shows schematic structure of the optical scanning endoscope apparatus which is an example of the optical scanning apparatus which concerns on 7th Embodiment.
  • FIG. 14 is an external view schematically showing a scope of the optical scanning endoscope apparatus of FIG. 13.
  • FIG. 16A is a side view of an ideal optical scanning actuator
  • FIG. 16B is a cross-sectional view as viewed from the optical axis direction
  • FIG. 17A is a side view illustrating the operation of the optical scanning actuator of FIG. 16, and
  • FIG. 17B is a cross-sectional view viewed from the optical axis direction.
  • FIG. 1 is a perspective view of an optical scanning actuator 1 according to the first embodiment.
  • the optical scanning actuator 1 includes an optical fiber 2, a ferrule 3 having a through-hole through which the optical fiber 2 is inserted along the longitudinal direction, piezoelectric elements 4a to 4d arranged on four side surfaces of the ferrule 3, 3 includes a device holder 7 that holds one end of the wire 3 and wirings 8a to 8d (8c and 8d are not shown) for applying a voltage to the piezoelectric elements 4a to 4d.
  • the optical axis direction of the optical fiber is defined as the z direction
  • the directions orthogonal to the z direction and orthogonal to each other are defined as the x direction and the y direction.
  • the direction of the arrow in each figure is distinguished as the + direction, and the direction opposite to the arrow is distinguished as the-direction.
  • the optical fiber 2 is a single mode optical fiber that guides light from a light source (not shown) to the tip 2a.
  • the core diameter of the optical fiber 2 is about 10 ⁇ m
  • the cladding diameter is about 100 ⁇ m, for example, 125 ⁇ m.
  • the optical fiber 2 is inserted through the ferrule 3, and the tip 2a is supported by the ferrule 3 in a cantilevered state so as to vibrate.
  • the ferrule 3 is formed of a conductive material such as metal, for example, Ni or Kovar. 2 is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the optical axis of the optical scanning actuator 1 of FIG.
  • the approximate width of the ferrule 3 is, for example, about 100 to 500 ⁇ m.
  • the ferrule 3 is ideally a rectangular parallelepiped in cross section, but in this embodiment, the side surface on which the piezoelectric element 4d is disposed is inclined due to the limit of accuracy during manufacture, and the cross section is trapezoidal. Accordingly, the ferrule 3 has a rotationally asymmetric shape around the optical axis of the optical fiber 2.
  • Piezoelectric elements 4 a to 4 d are piezoelectric piezoelectric elements, and are arranged on four side surfaces of the ferrule 3. As shown in FIG. 1, each of the piezoelectric elements 4a to 4d is bonded to the piezoelectric material 5a to 5d fixed on the side surface of the ferrule 3, and the surface opposite to the ferrule 3 of the piezoelectric material 5a to 5d. Electrode 6a to 6d. In FIG. 2 and subsequent figures, only the piezoelectric elements 4a to 4d are shown, and the structures of the piezoelectric materials 5a to 5d and the electrodes 6a to 6d are omitted as appropriate.
  • the piezoelectric materials 5a to 5d have a characteristic of extending or contracting in the optical axis direction when a voltage is applied between the corresponding electrodes 6a to 6d and the ferrule 3.
  • a voltage is applied to the opposing piezoelectric elements and one of them is extended and the other is contracted, the optical fiber 2 is bent toward the contracted piezoelectric element via the ferrule 3, so that the tip 2a of the optical fiber 2 is connected to the optical axis. Driven in the vertical direction.
  • the cross section of the ferrule 3 is an ideal square shape, the piezoelectric elements 4a and 4c face each other in the y direction, and the piezoelectric elements 4b and 4d face each other in the x direction.
  • the wirings 8a to 8d are connected to the electrodes 6a to 6d by a method such as soldering, and pass through the inside of the device holder 7 and are connected to a drive circuit (not shown).
  • the drive circuit applies the voltage to the opposing electrodes 6a to 6d so as to obtain a desired scanning locus, with the voltage of the ferrule 3 as the ground voltage.
  • the opposing electrode 6a and electrode 6c form a pair, and when one is extended, the other is controlled to contract.
  • a displacement in the y direction is caused at the tip 2a of the optical fiber 2.
  • the electrodes 6b and 6d facing each other are controlled in the same manner to cause a displacement in the x-direction in the distal end portion 2a of the optical fiber 2.
  • the electrodes 6a and 6c and the electrodes 6b and 6d have the same frequency and phase shifted by 90 °.
  • so-called spira scanning can be performed on the object irradiated with the light emitted from the optical fiber 2.
  • so-called Lissajous scanning and raster scanning can be performed by applying an AC voltage having a different frequency and a constant amplitude between the electrodes 6a and 6c and the electrodes 6b and 6d.
  • the ferrule 3 has a rotationally asymmetric trapezoidal shape. For this reason, when the piezoelectric element 4d is arranged at the center in the y direction of the surface (the + x direction surface in FIG. 2) on which the piezoelectric element 4d is inclined, the driving force from the piezoelectric element 4d is inclined from the X direction. At the same time, the resonance direction of the scanning device is also inclined. Then, when paying attention to the x-axis, when the drive frequency is brought close to the resonance frequency, inconveniences such as an elliptical locus and a decrease in amplitude occur.
  • the piezoelectric element 4d is disposed on the side of the ferrule 3 where the width in the x direction is narrowed (+ y side), so that the resonance direction of the distal end portion 2a of the optical fiber 2 is achieved. (D 1 ) and the driving force direction (D 2 ) by the piezoelectric elements 4b and 4d are substantially matched. As a result, even when the optical scanning actuator 1 is driven in the x direction and the drive frequency is close to the resonance frequency, a linear trajectory having no inclination or distortion can be obtained.
  • FIG. 3 is a diagram showing a locus of the tip 2a of the optical fiber 2 by simulation when the optical scanning actuator 1 of FIG. 2 is used.
  • the tip 2a of the optical fiber 2 follows a trajectory that linearly vibrates in the y direction. Pass through.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a comparative example of the optical scanning actuator 1
  • FIG. 5 is a simulation of the tip 2a of the optical fiber 2 when the optical scanning actuator 1 of the comparative example of FIG. 4 is used. It is a figure which shows the locus
  • the piezoelectric element 4d is arranged on the side of the ferrule 3 where the width in the x direction is widened ( ⁇ y side).
  • the optical fiber tip 2 takes a linear trajectory in the driving force direction of the piezoelectric elements 4b and 4d even near the resonance frequency. Therefore, according to the present embodiment, even when the processing accuracy of the ferrule 3 is not accurate (when it is rotationally asymmetric), it is possible to obtain a scanning locus that suppresses undesired distortion and inclination near the resonance frequency. Further, since distortion and inclination are suppressed near the resonance frequency, the fiber can be efficiently driven with a large amplitude in the vicinity of the resonance frequency.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the optical axis of the optical scanning actuator 1 according to the second embodiment. Since the processing accuracy of the ferrule 3 is insufficient in the present embodiment as in the first embodiment, the cross-sectional shape with respect to the optical axis of the optical fiber 2 is trapezoidal. In view of this, the piezoelectric element 4b facing the piezoelectric element 4d is filled with the adhesive 9 on the surface (the surface on the + x side in the figure) on which the piezoelectric element 4d serving as the inclined surface of the ferrule 3 is disposed.
  • the resonance direction of the optical scanning actuator 1 and the direction of the driving force of the piezoelectric elements 4a to 4d are made to coincide with the x direction.
  • the material for filling the gap is not limited to the adhesive, and the density of the material is preferably close to the density of the ferrule 3. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the gap is filled with the adhesive 9, and the piezoelectric elements 4b and 4d are arranged in parallel, so that the resonance of the optical scanning actuator 1 is achieved. Since the direction coincides with the driving force direction of the piezoelectric elements 4b and 4d, a scanning locus in which undesirable distortion and inclination are suppressed in the vicinity of the resonance frequency can be obtained as in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the optical scanning actuator 1 according to the third embodiment.
  • the case where the attaching position is unintentionally shifted at the stage of attaching the piezoelectric element 4b to the ferrule 3 is shown.
  • the piezoelectric element 4d to be pasted after the piezoelectric element 4b can be positioned more accurately than the piezoelectric element 4b.
  • the cross-sectional shape of the ferrule 3 is substantially square.
  • the piezoelectric element 4b on the -x side is displaced in the -y direction.
  • the resonance direction (D 1 ) of the optical scanning actuator 1 and the driving force direction (D 2 ) of the piezoelectric elements 4b and 4d are set in the x direction. It is almost matched. As a result, it is possible to obtain a scanning locus in which an undesired distortion or inclination is suppressed in the vicinity of the resonance frequency, and the fiber can be vibrated efficiently.
  • the optical scanning actuator 1 is rotationally asymmetric. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the piezoelectric elements 4a to 4d when the piezoelectric elements 4a to 4d are bonded and fixed to the ferrule 3, one of the piezoelectric elements 4b is fixed in a free state without using a precise positioning means, and is attached.
  • the position is shifted from the center, it can be realized by precisely adjusting and bonding the other piezoelectric element 4d facing each other using a jig or the like. By doing in this way, the precision adjustment process can be halved, leading to a reduction in manufacturing cost.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the optical scanning actuator 1 according to the fourth embodiment.
  • this optical scanning actuator 1 of the piezoelectric elements 4a and 4c facing in the y direction, one piezoelectric element 4a (first piezoelectric element) is constituted by one, and the other piezoelectric element 4c is arranged in the x direction.
  • the two piezoelectric elements 4c 1 and 4c 2 (second piezoelectric element and third piezoelectric element) that are long in the z direction are arranged.
  • one piezoelectric element 4b is constituted by one, and the other piezoelectric element 4d is arranged in two z directions arranged side by side in the y direction. It is composed of long piezoelectric elements 4d 1 and 4d 2 .
  • the optical scanning actuator 1 is rotationally asymmetric.
  • the shape of the ferrule 3 is preferably a rectangular parallelepiped, and the piezoelectric element 4a is located at the center of the surface of the ferrule 3 in the y direction, and the piezoelectric element 4b is located at the center of the surface of the ferrule 3 in the -x direction. It is desirable to do. However, it is difficult to increase the accuracy of these shapes and arrangement positions as in the above embodiments. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the two opposing piezoelectric elements 4d 1 , 4d 2 , the resonance direction D 1 of the optical scanning actuator 1 and the driving force direction D 2 of the piezoelectric elements 4b, 4d 1 , 4d 2 can be substantially matched,
  • the drive frequency can be brought close to the resonance frequency, and the optical fiber 2 can be vibrated efficiently.
  • the ⁇ x side piezoelectric element 4b when the ⁇ x side piezoelectric element 4b is unintentionally shifted in the ⁇ y direction, the ⁇ y side piezoelectric elements 4d 1 and 4d 2 on the ⁇ x side are used. A larger voltage is applied to 4d 2 and a smaller voltage is applied to the + y side.
  • the resonance direction D 1 of the optical scanning actuator 1 and the driving force direction D 2 of the piezoelectric elements 4b, 4d 1 , 4d 2 can be substantially matched, and the driving frequency can be brought close to the resonance frequency. It is possible to vibrate the optical fiber 2 efficiently.
  • the adjustment of the voltage between the piezoelectric element 4c 1 and the piezoelectric element 4c 2 and the adjustment of the voltage between the piezoelectric elements 4d 1 and the piezoelectric element 4d 2
  • the resonance frequency and the driving force direction of the piezoelectric element can be adjusted to coincide.
  • one piezoelectric element 4a disposed on one surface of the ferrule 3 through which the optical fiber 2 is inserted and two piezoelectric elements 4c 1 and 4c disposed on the surface facing the piezoelectric element 4a. 2 is adjusted so that the voltage value applied to the two piezoelectric elements 4c 1 and 4c 2 is adjusted so that the resonance frequency and the driving force direction of the piezoelectric element coincide with each other.
  • a scanning trajectory in the x direction with suppressed inclination can be obtained. The same applies to scanning in the y direction.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the optical scanning actuator 1 according to the fifth embodiment.
  • the optical scanning actuator 1 is obtained by directly bonding the piezoelectric elements 4a to 4d to the optical fiber 2 with an adhesive 9 or the like without using a ferrule.
  • the piezoelectric elements 4a to 4d are inclined from the x direction or the y direction, the locus becomes an ellipse. Problems such as becoming.
  • the lengths of the piezoelectric elements 4a, 4c facing in the y direction and the piezoelectric elements 4b, 4d facing in the x direction are changed, for example, the piezoelectric elements 4b, 4b facing in the x direction are changed.
  • 4d has the same width as the diameter of the optical fiber 2
  • the piezoelectric elements 4a and 4c facing in the y direction are configured to have a width obtained by adding twice the thickness of the piezoelectric element to the diameter of the optical fiber 2.
  • the piezoelectric elements 4b and 4d are sandwiched between the opposing surfaces of the piezoelectric elements 4a and 4c, and are perpendicular to each other. Stable at an angle.
  • the piezoelectric elements 4a and 4c are wider than the piezoelectric elements 4b and 4d, the driving force generated by applying the same voltage is large, so a relatively small voltage is applied to the piezoelectric elements 4b and 4d.
  • the optical scanning actuator 1 of the present embodiment has two-fold rotational symmetry.
  • the resonance direction of the optical scanning actuator 1 and the driving force direction of the piezoelectric elements 4a to 4d can be made to substantially coincide with each other, and scanning with unwanted distortion and inclination suppressed in the vicinity of the resonance frequency. A trajectory can be obtained. Furthermore, the drive frequency can be brought close to the resonance frequency, and the optical fiber 2 can be vibrated efficiently. In addition, compared with the first to fourth embodiments, there is an advantage that no ferrule is required.
  • FIG. 10 is a perspective view of the optical scanning actuator 11 (excluding the optical fiber) according to the sixth embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating the shape of the piezoelectric material in the manufacturing process of the optical scanning actuator 11 of FIG.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the optical scanning actuator 11 of FIG.
  • the optical scanning actuator 11 includes a substantially cylindrical piezoelectric material 12, and an outer peripheral surface (cylindrical inner peripheral surface) of an inner cavity 13 for inserting an optical fiber extending in the longitudinal direction through the center of the cylinder of the piezoelectric material 12. ) Is provided with a central electrode 14. In addition, four convex portions (separation regions) 15 are provided around the piezoelectric material 12. Further, around the piezoelectric material 12, four electrodes 16 are arranged along the outer periphery of the piezoelectric material 12 with the four convex portions 15 interposed therebetween. Further, an insulating material 17 is sandwiched between one of the convex portions 15 and one adjacent electrode 16.
  • a wiring (not shown) is connected to the center electrode 14 and each electrode 16, and an alternating voltage is applied from the outside.
  • an alternating voltage is applied from the outside.
  • a convex portion 15 is formed on the piezoelectric material 12, and a conductive coating is deposited around the piezoelectric material 12 including the convex portion 15, and then deposited.
  • a part of the coating can be formed by removing the circumferential direction of the piezoelectric material 12 at an equal distance from the optical axis so that the convex portion 15 is exposed, and forming the electrodes 16 separated by the convex portion 15.
  • the convex portions 15 are formed, if the positions of some of the convex portions 15a are shifted in the circumferential direction as shown in FIG. 11, if the electrodes 16 are formed as they are, the resonance direction D 1 of the optical scanning actuator 11 is maintained. On the other hand, a deviation occurs in the driving force direction D 2 due to the opposing electrode 16.
  • the driving force direction D 2 generated in the piezoelectric material 12 by 16c is matched.
  • the insulating material 17 desirably has a density comparable to that of the piezoelectric material 12.
  • FIG. 13 is a block diagram showing a schematic configuration of an optical scanning endoscope apparatus 20 which is an example of the optical scanning apparatus according to the seventh embodiment.
  • the optical scanning endoscope apparatus 20 includes a scope 30, a control device main body 40, and a display 50.
  • the control device main body 40 includes a control unit 41 that controls the entire optical scanning endoscope device 20, a light emission timing control unit 42, lasers 43R, 43G, and 43B, and a coupler 44 (light input unit). .
  • the light emission timing control unit 42 controls the light emission timings of the three lasers 43R, 43G, and 43B that emit laser beams of the three primary colors of red, green, and blue under the control of the control unit 41.
  • the lasers 43R, 43G, and 43B for example, a DPSS laser (semiconductor excitation solid-state laser) or a laser diode can be used.
  • the laser beams emitted from the lasers 43R, 43G, and 43B are combined by the coupler 44 and incident on the illumination optical fiber 21 that is a single mode fiber as white illumination light.
  • the configuration of the light source of the optical scanning endoscope apparatus 20 is not limited to this, and may use one laser light source or other plural light sources.
  • the lasers 43R, 43G, 43B and the coupler 44 may be housed in a separate housing from the control device main body 40 connected to the control device main body 40 by a signal line.
  • the illumination optical fiber 21 is connected to the distal end portion of the scope 30, and light incident on the illumination optical fiber 21 from the coupler 44 is guided to the distal end portion of the scope 30 and irradiated toward the object 60. .
  • the driving light 31 is driven to vibrate, so that the illumination light emitted from the illumination optical fiber 21 can be two-dimensionally scanned on the observation surface of the object 60.
  • the drive unit 31 includes the optical scanning actuator of the present invention.
  • the drive unit 31 is controlled by a drive control unit 48 of the control device main body 40 described later.
  • Signal light such as reflected light, scattered light, and fluorescence obtained from the object 60 by irradiation of illumination light is received at the tip of the detection optical fiber 22 composed of a plurality of multimode fibers, and passes through the scope 30.
  • the light is guided to the control device main body 40.
  • the control device main body 40 further includes a photodetector 45 for processing the signal light, an ADC (analog-digital converter) 46, and an image processing unit 47.
  • the photodetector 45 decomposes the signal light that has passed through the detection optical fiber 22 into spectral components, and converts each spectral component into an electrical signal by a photodiode or the like.
  • the ADC 46 converts the image signal converted into the electric signal into a digital signal and outputs the digital signal to the image processing unit 47.
  • the control unit 41 calculates information on the scanning position on the scanning path from information such as the amplitude and phase of the oscillating voltage applied by the drive control unit 48 and passes it to the image processing unit 47.
  • the image processing unit 47 obtains pixel data of the object 60 at the scanning position from the digital signal output from the ADC 46.
  • the image processing unit 47 sequentially stores information on the scanning position and pixel data in a memory (not shown), performs necessary processing such as interpolation processing after scanning is completed or during scanning, generates an image of the object 60, and displays the display 50. To display.
  • control unit 41 synchronously controls the light emission timing control unit 42, the photodetector 45, the drive control 48, and the image processing unit 47.
  • FIG. 14 is an overview diagram schematically showing the scope 30.
  • the scope 30 includes an operation unit 32 and an insertion unit 33.
  • the operation unit 32 is connected to the illumination optical fiber 21, the detection optical fiber 22, and the wiring cable 23 from the control device main body 40.
  • These illumination optical fiber 21, detection optical fiber 22, and wiring cable 23 pass through the inside of the insertion portion 33 and are led to the distal end portion 34 of the insertion portion 33 (the portion in the broken line portion in FIG. 14).
  • FIG. 15 is an enlarged cross-sectional view showing the distal end portion 34 of the insertion portion 33 of the scope 30 of FIG.
  • the distal end portion 34 is configured to include a drive unit 31, projection lenses 35 a and 35 b, an illumination optical fiber 21 that passes through the center portion, and a detection optical fiber 22 that passes through the outer peripheral portion.
  • the drive unit 31 includes an actuator tube 37 fixed to the inside of the insertion unit 33 of the scope 30 by an attachment ring 36 (corresponding to the device holder 7 in FIG. 1), and a first embodiment arranged in the actuator tube 37.
  • the optical scanning actuators 1 and 11 according to the sixth to sixth embodiments are included.
  • the optical fibers 21 for illumination of the optical scanning actuators 1 and 11 are supported so that their tip portions can vibrate, and irradiate the illumination light on the object 60 through the projection lenses 35a and 35b so as to be substantially condensed.
  • the detection optical fiber 22 is disposed so as to pass through the outer peripheral portion of the insertion portion 33 and extends to the distal end of the distal end portion 34. Further, a detection lens (not shown) is provided at the tip of each fiber of the detection optical fiber 22.
  • the drive control unit 48 includes the drive unit 31.
  • the object 60 can be scanned with a scanning locus in which undesirable distortion and inclination are suppressed in the vicinity of the resonance frequency. Accordingly, since it is possible to suppress a deviation between the information on the scanning position of the control unit 41 and the position where the illumination light is irradiated on the actual target object 60, the object whose distortion and inclination are suppressed in the image processing unit 47. An image of the object 60 can be generated. Furthermore, since the optical scanning actuators 1 and 11 can be driven in the vicinity of the resonance frequency, scanning with higher efficiency becomes possible.
  • the ferrule has a quadrangular prism shape, but is not limited thereto.
  • a flat surface can be formed by cutting out a portion where the piezoelectric element is disposed by using a ferrule as a cylindrical shape.
  • the piezoelectric material according to the sixth embodiment is not limited to a cylindrical shape, and may have another shape such as a quadrangular prism shape.
  • the optical fiber of the optical scanning actuator is a single mode optical fiber, but is not limited to this, and may be a multimode fiber.
  • optical scanning device of the present invention is not limited to the optical scanning endoscope device, but can be applied to an optical scanning microscope or an optical scanning projector device.

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Abstract

　光走査用アクチュエータ１は、振動可能に支持された先端部２ａを有する光ファイバ２と、光ファイバ２の光軸方向に沿って伸縮することにより、光ファイバ２の先端部２ａを光軸に垂直な方向に駆動させる駆動力を発生させる圧電素子４とを備える。光走査用アクチュエータ１は、光ファイバ２の光軸回りに回転非対称かまたは２回回転対称性を有するように構成され、光ファイバ２の先端部２ａの共振方向と、圧電素子４の駆動力の方向とが、実質的に平行であるように構成される。

Description

光走査用アクチュエータおよび光走査装置 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１４年６月２５日に出願された日本国特許出願２０１４－１３０３５０号の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体をここに参照のために取り込む。
　本発明は、光走査用アクチュエータおよびこれを用いた光走査装置に関する。
　近年、内視鏡などの分野で、光ファイバの先端部を共振周波数近傍で振動させて、対象物を光走査するための光走査用アクチュエータが提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。これらの装置では、光ファイバの光軸方向に沿って、光ファイバに直接的にまたは間接的に力を及ぼす圧電素子を配置し、この圧電素子に交番電圧を印加することにより、光ファイバの振動運動を駆動させている。
　図１６は、理想的な光走査用アクチュエータの概略構成の一例を示す図であり、図１６（ａ）は側面図、図１６（ｂ）は光軸方向から見た断面図である。光走査用アクチュエータ１０１は、光ファイバ１０２と、一端がデバイス保持具１０７に固定され、光ファイバ１０２が中心部を長手方向に挿通された直方体のフェルール１０３と、フェルール１０３の４つの側面に配置された圧電素子１０４ａ～１０４ｄとを含んでいる。各圧電素子１０４ａ～１０４ｄは、それぞれ、圧電材料１０５ａ～１０５ｄと電極１０６ａ～１０６ｄとを含み、フェルール１０３と電極１０６ａ～１０６ｄとの間に圧電材料１０５ａ～１０５ｄを挟んで配置されている。各電極１０６ａ～１０６ｄは、さらに配線１０８ａ～１０８ｄにより図示しない駆動回路に接続されている。
　光走査用アクチュエータ１０１は、電極１０６ａ，１０６ｃに交番電圧を印加することによって、光ファイバ１０２の先端部１０２ａを、光軸方向ｚ方向と直交するｙ方向に走査させることができる。図１７は、図１６の光走査用アクチュエータの動作を説明する図であり、図１７（ａ）は側面図、図１７（ｂ）は光軸方向に見た断面図である。フェルールを接地電圧とするとき、電極１０６ａ，１０６ｃに正または負の電圧を印加することによって、圧電材料１０５ａ，１０５ｃは光ファイバ１０２の光軸方向に伸縮する。したがって、一方が光軸方向に伸長するとき他方は収縮するように、圧電素子１０４ａ，１０４ｃに交番電圧を印加することによって、光ファイバの先端１０２ａをｙ方向に振動させることができる。
　同様に、圧電素子１０４ｂ，１０４ｄに交番電圧を印加して、ｘ方向の振動についても駆動することが可能である。
国際公開第２０１３／０６９３８２号パンフレット 特開２００９－２１２５１９号公報
　しかしながら、光ファイバに可視光用のシングルモード光ファイバを用いた場合、光ファイバの直径は１００μｍ程度であり、これを駆動させるためのフェルールや圧電素子のサイズも極めて小さい。特に、図１６に示したようなフェルールを用いた光走査用アクチュエータでは、フェルールの加工精度を高めることが難しく、また、圧電素子をフェルールの側面の中央に正確に貼り付けることも難しい。このようなことから、図１６に示したような断面が正方形となるような直方体形状のフェルール１０３に、圧電素子１０４ａ～１０４ｄを均等に配置した理想的な構成を実現することは困難である。
　実際の光走査用アクチュエータでは、フェルール等光ファイバを保持する部材の形状の誤差や圧電素子の配置のずれなどによって、光ファイバに一方向に振動電圧を印加しても十分に振幅が大きくならない、光ファイバ先端部の走査軌跡が楕円になる、および／または、走査軌跡が傾く等の不都合が生じる。
　したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、部材の加工精度や取り付け位置が正確でない場合（回転非対称な場合）においても、共振周波数近傍で不所望な歪みや傾きを抑制した走査軌跡を得ることができる光走査用アクチュエータを提供することにある。
　上記目的を達成する光走査用アクチュエータの発明は、
　振動可能に支持された先端部を有する光ファイバと、
　前記光ファイバの光軸方向に沿って伸縮することにより、前記光ファイバの前記先端部を前記光軸に垂直な方向に駆動させる駆動力を発生させる圧電素子と
を備え、
　前記光ファイバの光軸回りに回転非対称かまたは２回回転対称性を有するように構成され、
　前記光ファイバの前記先端部の共振方向と、前記圧電素子の前記駆動力の方向とが、実質的に平行であることを特徴とするものである。
　前記光走査用アクチュエータは、前記光ファイバの光軸回りに回転非対称に構成されていても良い。
　前記圧電素子は、第１の圧電素子と、前記光ファイバを挟み前記第１の圧電素子に対向して配置された第２の圧電素子および第３の圧電素子とを含むことができる。
　好適には、前記光ファイバを保持するフェルールを備え、前記圧電素子は、前記フェルールの側面に固定されている。
　上記目的を達成する光走査装置の発明は、
　上述の何れかの光走査用アクチュエータと、
　前記光ファイバの前記先端部とは反対側の端部に、光源からの照明光を入射させる光入力部と、
　前記光ファイバの前記先端部から射出される光を対象物に照射する光学系と、
　前記圧電素子に印加する電圧を制御して、前記光ファイバの前記先端部を所望の走査軌跡となるように走査させる制御部と
を備えることを特徴とするものである。
　本発明は、光走査用アクチュエータには、その部材の形状や配置によって光ファイバの先端部を振動させたときに共振をしやすい固有の方向、すなわち共振方向があり、この共振方向と光ファイバを駆動させる駆動力の方向とを一致させることにより、直線的で安定な走査軌跡が得られるという知見に基づくものである。この共振方向には、互いに直交する２方向が存在し、光走査用アクチュエータを２次元に走査する場合は、駆動力の方向をこの互いに直交する２つの共振方向に一致させることにより、走査軌跡の歪みや傾きを抑制することができる。
　本発明によれば、光ファイバの先端部の共振方向と、圧電素子の発生させる駆動力の方向とが、実質的に平行なので、部材の加工精度や取り付け位置が正確でない場合（回転非対称な場合）においても、共振周波数近傍で不所望な歪みや傾きを抑制した走査軌跡を得ることができる。
第１実施の形態に係る光走査用アクチュエータの斜視図である。 図１の光走査用アクチュエータの断面図である。 図２の光走査用アクチュエータを用いた場合の、シミュレーションによる光ファイバ先端部の軌跡を示す図である。 光走査用アクチュエータの比較例の断面図である。 図４の比較例の光走査用アクチュエータを用いた場合の、シミュレーションによる光ファイバ先端部の軌跡を示す図である。 第２実施の形態に係る光走査用アクチュエータの断面図である。 第３実施の形態に係る光走査用アクチュエータの断面図である。 第４実施の形態に係る光走査用アクチュエータの断面図である。 第５実施の形態に係る光走査用アクチュエータの断面図である。 第６実施の形態に係る光走査用アクチュエータ（光ファイバを除く）の斜視図である。 図１０の光走査用アクチュエータの製造過程における圧電材料の形状を説明する断面図である。 図１０の光走査用アクチュエータの断面図である。 第７実施の形態に係る光走査装置の一例である光走査型内視鏡装置の概略構成を示すブロック図である。 図１３の光走査型内視鏡装置のスコープを概略的に示す外観図である。 図１４のスコープの先端部の断面図である。 理想的な光走査用アクチュエータの概略構成を示す図であり、図１６（ａ）は側面図、図１６（ｂ）は光軸方向から見た断面図である。 図１６の光走査用アクチュエータの動作を説明する図であり、図１７（ａ）は側面図、図１７（ｂ）は光軸方向から見た断面図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１実施の形態）
　図１は第１実施の形態に係る光走査用アクチュエータ１の斜視図である。光走査用アクチュエータ１は、光ファイバ２、長手方向に沿って中央部に光ファイバ２が挿通される貫通孔を有するフェルール３、フェルール３の４つの側面に配置された圧電素子４ａ～４ｄ、フェルール３の一端側を保持するデバイス保持具７、圧電素子４ａ～４ｄに電圧を印加する配線８ａ～８ｄ（８ｃ，８ｄは図示せず）を含んでいる。以下の図において、光ファイバの光軸方向をｚ方向とし、ｚ方向に直交し、且つ、互いに直交する方向をｘ方向およびｙ方向とする。また、各図の矢印の方向を＋方向、矢印と反対の方向を－方向として区別する。
　光ファイバ２は、図示しない光源からの光を先端部２ａまで導光するシングルモード光ファイバである。可視光の場合、光ファイバ２のコア径は１０μｍ程度、クラッド径は１００μｍ程度、例えば１２５μｍである。光ファイバ２は、フェルール３内を挿通され、先端部２ａはフェルール３に振動可能に片持ち状態で支持されている。
　フェルール３は、金属等の導電性物質、例えば、Ｎｉやコバール等から形成される。図２は、図１の光走査用アクチュエータ１の光軸に垂直な面による断面図である。フェルール３のおよその幅は、例えば１００～５００μｍ程度である。フェルール３は理想的には断面が正方形の直方体であるが、本実施の形態では、製造時の精度の限界により圧電素子４ｄが配置された側面が傾いて、断面が台形状になっている。したがって、フェルール３は光ファイバ２の光軸回りに回転非対称な形状となっている。
　圧電素子４ａ～４ｄは、ピエゾ圧電素子であり、フェルール３の４つの側面に配置されている。図１に示すように、各圧電素子４ａ～４ｄは、それぞれ、フェルール３の側面の上に固着された圧電材料５ａ～５ｄ、および、圧電材料５ａ～５ｄのフェルール３と反対側の面に接着された電極６ａ～６ｄより構成されている。なお、図２以降の図において、圧電素子は４ａ～４ｄのみを示し、圧電材料５ａ～５ｄおよび電極６ａ～６ｄなどの構造は、適宜省略している。圧電材料５ａ～５ｄは、対応する電極６ａ～６ｄとフェルール３との間に電圧が印加されることによって、光軸方向に伸長または収縮する特性を有している。対向する圧電素子に電圧を印加し、一方を伸長させ他方を収縮させると、フェルール３を介して光ファイバ２が収縮した圧電素子側に湾曲するので、光ファイバ２の先端部２ａが光軸と垂直な方向に駆動される。なお、フェルール３の断面が理想的な正方形の形状の場合、圧電素子４ａと４ｃとはｙ方向に対向し、圧電素子４ｂと４ｄとは、ｘ方向に対向している。
　配線８ａ～８ｄは、電極６ａ～６ｄに半田付け等の方法で接続されており、デバイス保持具７の内部を通り、図示しない駆動回路に接続される。駆動回路は、フェルール３の電圧を接地電圧として、対向する電極６ａ～６ｄに対して、所望の走査軌跡が得られるように電圧を印加する。このとき、対向する電極６ａと電極６ｃとは対を成し、一方が伸長するとき他方が収縮するように制御される。これによって、光ファイバ２の先端部２ａにおよそｙ方向の変位を生ぜしめる。同様に、対向する電極６ｂと６ｄとについても、同様に制御することによって光ファイバ２の先端部２ａにおよそｘ方向の変位を生ぜしめる。
　圧電素子４ａと４ｃおよび圧電素子４ｂと４ｄとが、光ファイバ２の先端部２ａを互いに直交する方向に駆動するならば、電極６ａ，６ｃおよび電極６ｂ，６ｄに同じ周波数且つ位相が９０°ずれ、振幅が０と最大値との間で徐々に変化するような交番電圧を印加することにより、光ファイバ２からの射出光が照射される対象物上でいわゆるスパイラ走査が可能になる。また、電極６ａ，６ｃと電極６ｂ，６ｄとの間で、周波数が異なり振幅が一定の交流電圧を印加することによって、いわゆる、リサージュ走査やラスター走査が可能になる。
　しかしながら、本実施の形態では、フェルール３は回転非対称な台形形状をしている。このため、斜面となっている圧電素子４ｄが配置された面（図２において＋ｘ方向の面）のｙ方向中央に圧電素子４ｄを配置すると、圧電素子４ｄからの駆動力がＸ方向から傾くと同時に、走査型デバイスの共振方向も傾いてしまう。すると、ｘ軸に注目した場合、駆動周波数を共振周波数近傍に近づけると、軌跡が楕円になったり、振幅が減少したりするなどの不都合が発生する。
　そこで、本実施の形態では、図２に示すように圧電素子４ｄをフェルール３のｘ方向の幅が狭まっている側（＋ｙ側）に配置させることで、光ファイバ２の先端部２ａの共振方向（Ｄ1）と圧電素子４ｂ，４ｄによる駆動力方向（Ｄ2）とをほぼ一致させている。これによって、光走査用アクチュエータ１をｘ方向に駆動し、駆動周波数を共振周波数近傍にしても、傾きや歪みのない直線的な軌跡を得ることができる。
　図３は、図２の光走査用アクチュエータ１を用いた場合の、シミュレーションによる光ファイバ２の先端部２ａの軌跡を示す図である。圧電素子４ｂ，４ｄに共振周波数近傍の周波数の交番電圧を印加し、光走査用アクチュエータ１をｙ方向に駆動することによって、光ファイバ２の先端部２ａはｙ方向に直線的に振動する軌道を通る。
　一方、図４は、光走査用アクチュエータ１の比較例の断面図であり、図５は、図４の比較例の光走査用アクチュエータ１を用いた場合の、シミュレーションによる光ファイバ２の先端部２ａの軌跡を示す図である。この比較例では、圧電素子４ｄをフェルール３のｘ方向の幅が広がっている側（－ｙ側）に配置させている。このように配置すると、光ファイバ２の先端部２ａの共振方向（Ｄ1）と圧電素子４ｂ，４ｄによる駆動力方向（Ｄ2）とは、大きなずれを生じる。したがって、圧電素子４ｂ，４ｄに交番電圧を印加し、光走査用アクチュエータ１をｙ方向に駆動すると、光ファイバ２の先端部２ａの軌道は、傾いた楕円軌道となる。
　本実施の形態の光走査用アクチュエータ１では、上記比較例とは異なり、光ファイバ先端部２は、共振周波数近傍でも圧電素子４ｂ，４ｄの駆動力方向に直線的な軌道をとる。したがって、本実施の形態によれば、フェルール３の加工精度が正確でない場合（回転非対称な場合）においても、共振周波数近傍で不所望な歪みや傾きを抑制した走査軌跡を得ることができる。また、共振周波数近傍においても、歪みや傾きが抑制されているため、共振周波数の近傍で大きな振幅で効率的にファイバを駆動させることが可能となる。
（第２実施の形態）
　図６は、第２実施の形態に係る光走査用アクチュエータ１の光軸に垂直な面による断面図である。本実施の形態は、第１実施の形態と同様に、フェルール３の加工精度が不十分なため、光ファイバ２の光軸に対する断面形状が台形になっている。そこで、フェルール３の斜面となっている圧電素子４ｄが配置される面（図において＋ｘ側の面）に、接着剤９を用いて隙間を埋めるようにして、圧電素子４ｄを対向する圧電素子４ｂと平行になるように固着している。これによって、光走査用アクチュエータ１の共振方向と圧電素子４ａ～４ｄの駆動力の方向とをｘ方向に一致させている。このとき、隙間を埋める素材は接着剤に限られず、またその材料の密度は、フェルール３の密度に近いことが好ましい。その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので、同一または対応する構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
　本実施の形態によれば、フェルール３の加工精度が不十分であっても、接着剤９を用いて隙間を埋めて、圧電素子４ｂ，４ｄを平行に配置し、光走査用アクチュエータ１の共振方向と圧電素子４ｂ，４ｄの駆動力方向とを一致させたので、第１実施の形態と同様に、共振周波数近傍で不所望な歪みや傾きを抑制した走査軌跡を得ることができる。
（第３実施の形態）
　図７は、第３実施の形態に係る光走査用アクチュエータ１の断面図である。本実施の形態では、フェルール３に圧電素子４ｂを貼り付ける段階において、意図せず貼付位置がずれてしまった場合を示している。この場合、圧電素子４ｂよりも後に貼り付ける圧電素子４ｄは、圧電素子４ｂよりも正確な位置決めが可能なものとする。図７のアクチュエータによれば、フェルール３の断面形状は実質的に正方形となっている。一方、ｘ軸方向の圧電素子４ｂ，４ｄに注目した場合、－ｘ側の圧電素子４ｂが－ｙ方向にずれている。そこで、＋ｘ側の圧電素子４ｄも同様に－ｙ方向にずらすことで、光走査用アクチュエータ１の共振方向（Ｄ1）と圧電素子４ｂ，４ｄの駆動力方向（Ｄ2）とをｘ方向にほぼ一致させている。これによって、共振周波数近傍で不所望な歪みや傾きを抑制した走査軌跡を得ることができ、効率的にファイバを振動させることが可能となる。なお、この場合も光走査用アクチュエータ１は回転非対称となっている。その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので、同一または対応する構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
　本実施の形態に係る光走査用アクチュエータ１は、圧電素子４ａ～４ｄをフェルール３に接着固定する際に、一方の圧電素子４ｂは精密な位置決め手段を用いず自由な状態で固定し、貼り付け位置が中心からずれてしまった場合には、対向するもう一方の圧電素子４ｄを治具などを用いて精密に調整して接着を行うことなどにより実現できる。このようにすることで、精密に調整する工程を半減させることができ製造コストの削減に繋がる。
（第４実施の形態）
　図８は、第４実施の形態に係る光走査用アクチュエータ１の断面図である。この光走査用アクチュエータ１では、ｙ方向に対向する圧電素子４ａと４ｃのうち、一方の圧電素子４ａ（第１の圧電素子）を１枚で構成し、他方の圧電素子４ｃをｘ方向に並んで配列された２枚のｚ方向に長い圧電素子４ｃ1，４ｃ2（第２の圧電素子，第３の圧電素子）により構成する。また、同様に、ｘ方向に対向する圧電素子４ｂと４ｄのうち、一方の圧電素子４ｂを１枚で構成し、他方の圧電素子４ｄをｙ方向に並んで配列された２枚のｚ方向に長い圧電素子４ｄ1，４ｄ2により構成する。これにより、光走査用アクチュエータ１は回転非対称となっている。ここで、フェルール３の形状は、断面が正方形の直方体が望ましく、圧電素子４ａはフェルール３のｙ方向の面の中央に位置し、圧電素子４ｂはフェルール３の－ｘ方向の面の中央に位置することが望ましい。しかし、上記各実施の形態と同様にこれらの形状および配置位置の精度を高めることは困難である。その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので、同一または対応する構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
　本実施の形態に係る光走査用アクチュエータ１では、フェルール３にｘ方向の圧電素子４ｂを貼り付ける段階において、意図せず貼付位置がずれてしまった場合においても、対向する２つの圧電素子４ｄ1，４ｄ2の間の電圧値を調整することで、光走査用アクチュエータ１の共振方向Ｄ1とピエゾ圧電素子４ｂ，４ｄ1，４ｄ2の駆動力方向Ｄ2とをほぼ一致させることができ、駆動周波数を共振周波数近傍に近づけることができ、効率的に光ファイバ２を振動させることが可能となる。
　例えば、図８に示すように、－ｘ側の圧電素子４ｂが意図せず－ｙ方向にずれてしまった場合、＋ｘ側の２枚の圧電素子４ｄ1，４ｄ2の－ｙ側の圧電素子４ｄ2にはより大きな電圧を印加し、＋ｙ側には小さな電圧を印加する。こうすることで、光走査用アクチュエータ１の共振方向Ｄ1と圧電素子４ｂ，４ｄ1，４ｄ2の駆動力方向Ｄ2とをほぼ一致させることができ、駆動周波数を共振周波数近傍に近づけることができ、効率的に光ファイバ２を振動させることが可能となる。
　以上は、フェルール３のｘ方向の側面に配置された圧電素子４ｂ，４ｄ1，４ｄ2に関してであったが、ｙ方向の側面に配置された圧電素子４ａ，４ｃ1，４ｃ2に関しても同様の調整を行い、共振方向と圧電素子４ａ，４ｃ1，４ｃ2の駆動力の方向とをほぼ一致させることができる。また、フェルール３の形状の歪みがあった場合においても、圧電素子４ｃ1と圧電素子４ｃ2との間の電圧の調整、および、圧電素子４ｄ1と圧電素子４ｄ2との間の電圧の調整により、共振周波数と圧電素子の駆動力方向が一致するように調整することができる。
　したがって、本実施の形態によれば、光ファイバ２が挿通されたフェルール３の一面に配置された１つの圧電素子４ａと圧電素子４ａに対向する面に配置された２つの圧電素子４ｃ1および４ｃ2を設けたことによって、２つの圧電素子４ｃ1と４ｃ2に印加する電圧値を調整して共振周波数と圧電素子の駆動力方向を一致させ、これによって、共振周波数近傍で不所望な歪みや傾きを抑制したｘ方向の走査軌跡を得ることができる。また、ｙ方向の走査についても同様である。
（第５実施の形態）
　図９は、第５実施の形態に係る光走査用アクチュエータ１の断面図である。この光走査用アクチュエータ１は、上記各実施の形態とは異なり、フェルールを用いることなく、光ファイバ２に圧電素子４ａ～４ｄを接着剤９などで直接接着したものである。一般に、ｘ方向、ｙ方向に対向する圧電素子４ａ～４ｄを平行に貼り付けることは非常に困難であり、圧電素子４ａ～４ｄがｘ方向もしくはｙ方向から傾いてしまった場合、軌跡が楕円になるなど不具合が発生する。
　そこで、本実施の形態によれば、ｙ方向に対向する圧電素子４ａ，４ｃと、ｘ方向に対向する圧電素子４ｂ，４ｄとの長さを変え、例えば、ｘ方向に対向する圧電素子４ｂ，４ｄは光ファイバ２の直径と同じ幅とし、ｙ方向に対向する圧電素子４ａ，４ｃは光ファイバ２の直径に圧電素子の厚みの２倍を加えた幅として構成している。このようにすることによって、各圧電素子４ａ～４ｄが光ファイバ２に接触することに加え、圧電素子４ｂ，４ｄは圧電素子４ａ，４ｃの対向する面の間に挟まれた形状となり、互いに直角な角度で安定する。また、圧電素子４ａ，４ｃは圧電素子４ｂ，４ｄに比べて幅が広いので、同じ電圧を印加して発生する駆動力が大きいので、圧電素子４ｂ，４ｄに対して相対的に小さい電圧を印加するように調整する。なお、本実施の形態の光走査用アクチュエータ１は、２回回転対称性を有する。
　このような構成とすることで、光走査用アクチュエータ１の共振方向と圧電素子４ａ～４ｄの駆動力方向とをほぼ一致させることができ、共振周波数近傍で不所望な歪みや傾きを抑制した走査軌跡を得ることができる。さらに、駆動周波数を共振周波数近傍に近づけることができ、効率的に光ファイバ２を振動させることが可能となる。また、第１実施の形態～第４実施の形態と比べて、フェルールを必要としないという利点を有する。
（第６実施の形態）
　図１０は、第６実施の形態に係る光走査用アクチュエータ１１（光ファイバを除く）の斜視図である。また、図１１は、図１０の光走査用アクチュエータ１１の製造過程における圧電材料の形状を説明する断面図である。さらに、図１２は、図１０の光走査用アクチュエータ１１の断面図である。
　この光走査用アクチュエータ１１は、略円筒形の圧電材料１２を備え、圧電材料１２の円筒の中心を長手方向に延びる光ファイバを挿通するための内腔１３の外周面（円筒形の内周面）には、中央電極１４が設けられている。また、圧電材料１２の周りには、４つの凸部（分離領域）１５が設けられる。さらに、圧電材料１２の周りには、４つの凸部１５を挟んで４つの電極１６が圧電材料１２の外周に沿って配置されている。さらに、凸部１５の一つと隣接する一つの電極１６との間には、絶縁材１７が挟まれている。中央電極１４および各電極１６には、図示しない配線が接続されており、外部から交番電圧が印加される。中央電極１４と各電極１６との間に電圧を印加することによって、電極１６と中央電極１４との間に挟まれた圧電材料１２が伸縮し、挿通される光ファイバの先端部を振動させる。
　ここで、このような光走査用アクチュエータ１１は、まず圧電材料１２上に凸部１５を形成し、凸部１５を含む圧電材料１２の周りに導電性コーティングを堆積させ、次に、堆積されたコーティングの一部を、凸部１５が露出するように光軸から等距離に圧電材料１２の周方向に除去し、凸部１５で隔てられた電極１６を形成することによって作成することができる。
　しかし、凸部１５を形成する際に、図１１に示すように一部の凸部１５ａの位置が周方向にずれた場合、そのまま、電極１６を形成すると光走査用アクチュエータ１１の共振方向Ｄ1に対して、対向する電極１６による駆動力方向Ｄ2にずれが生じることになる。
　このため、図１０および図１２に示す光走査用アクチュエータ１１では、凸部１５ａの位置ずれを、絶縁材１７により補充し、光走査用アクチュエータ１１の共振方向Ｄ1と、対向する電極１６ａおよび電極１６ｃにより圧電材料１２に生じる駆動力方向Ｄ2とを一致させている。これによって、共振周波数近傍で不所望な歪みや傾きを抑制した走査軌跡を得ることができ、効率的に光ファイバを振動させることが可能となる。なお、絶縁材１７は圧電材料１２と同程度の密度を有することが望ましい。
（第７実施の形態）
　図１３は、第７実施の形態に係る光走査装置の一例である光走査型内視鏡装置２０の概略構成を示すブロック図である。光走査型内視鏡装置２０は、スコープ３０と、制御装置本体４０とディスプレイ５０とによって構成されている。
　制御装置本体４０は、光走査型内視鏡装置２０全体を制御する制御部４１、発光タイミング制御部４２、レーザ４３Ｒ、４３Ｇ、４３Ｂ、および結合器４４（光入力部）を含んで構成される。発光タイミング制御部４２は、制御部４１の制御の下で、赤、緑および青の三原色のレーザ光を射出する３つのレーザ４３Ｒ、４３Ｇ、４３Ｂの発光タイミングを制御する。レーザ４３Ｒ、４３Ｇ、４３Ｂとしては、例えばＤＰＳＳレーザ（半導体励起固体レーザ）やレーザダイオードを使用することができる。レーザ４３Ｒ、４３Ｇ、４３Ｂから出射されたレーザ光は、結合器４４により合波され、白色の照明光としてシングルモードファイバである照明用光ファイバ２１に入射される。光走査型内視鏡装置２０の光源の構成はこれに限られず、一つのレーザ光源を用いるものであっても、他の複数の光源を用いるものであっても良い。また、レーザ４３Ｒ、４３Ｇ、４３Ｂおよび結合器４４は、制御装置本体４０と信号線で結ばれた制御装置本体４０とは別の筐体に収納されていても良い。
　照明用光ファイバ２１は、スコープ３０の先端部まで繋がっており、結合器４４から照明用光ファイバ２１に入射した光は、スコープ３０の先端部まで導光され対象物６０に向けて照射される。その際、駆動部３１が振動駆動されることによって、照明用光ファイバ２１を出射した照明光は、対象物６０の観察表面上を２次元走査することができる。後述するように、駆動部３１は本発明の光走査用アクチュエータを含んで構成される。また、この駆動部３１は、後述する制御装置本体４０の駆動制御部４８によって制御されている。照明光の照射により対象物６０から得られる反射光、散乱光、蛍光などの信号光は、複数のマルチモードファイバにより構成される検出用光ファイバ２２の先端で受光して、スコープ３０内を通り制御装置本体４０まで導光される。
　制御装置本体４０は、信号光を処理するための光検出器４５、ＡＤＣ（アナログ－デジタル変換器）４６および画像処理部４７をさらに備える。光検出器４５は、検出用光ファイバ２２を通って来た信号光をスペクトル成分に分解し、フォトダイオード等により、それぞれのスペクトル成分を電気信号に変換する。ＡＤＣ４６は電気信号に変換された画像信号をデジタル信号に変換し、画像処理部４７に出力する。制御部４１は、駆動制御部４８により印加した振動電圧の振幅および位相などの情報から走査経路上の走査位置の情報を算出し、画像処理部４７に渡す。画像処理部４７は、ＡＤＣ４６から出力されたデジタル信号から、当該走査位置における対象物６０の画素データを得る。画像処理部４７は、走査位置と画素データの情報を順次図示しないメモリに記憶し、走査終了後または走査中に補間処理等の必要な処理を行って対象物６０の画像を生成し、ディスプレイ５０に表示する。
　上記の各処理において、制御部４１は、発光タイミング制御部４２、光検出器４５、駆動制御４８、および、画像処理部４７を同期制御する。
　図１４は、スコープ３０を概略的に示す概観図である。スコープ３０は、操作部３２および挿入部３３を備える。操作部３２には、制御装置本体４０からの照明用光ファイバ２１、検出用光ファイバ２２、および、配線ケーブル２３が、それぞれ接続されている。これら照明用光ファイバ２１、検出用光ファイバ２２および配線ケーブル２３は挿入部３３内部を通り、挿入部３３の先端部３４（図１４における破線部内の部分）まで導かれている。
　図１５は、図１４のスコープ３０の挿入部３３の先端部３４を拡大して示す断面図である。先端部３４は、駆動部３１、投影用レンズ３５ａ、３５ｂ、中心部を通る照明用光ファイバ２１および外周部を通る検出用光ファイバ２２を含んで構成される。
　駆動部３１は、取付環３６（図１のデバイス保持具７に相当する）によりスコープ３０の挿入部３３の内部に固定されたアクチュエータ管３７、並びに、アクチュエータ管３７内に配置された第１実施の形態～第６実施の形態に係る光走査用アクチュエータ１，１１の何れかを含んで構成される。光走査用アクチュエータ１，１１の照明用光ファイバ２１は、先端部が振動可能に支持され、投影用レンズ３５ａ，３５ｂを介して照明光を対象物６０上に略集光するように照射する。一方、検出用光ファイバ２２は挿入部３３の外周部を通るように配置され、先端部３４の先端まで延びている。さらに、検出用光ファイバ２２の各ファイバの先端部には図示しない検出用レンズを備える。
　以上のように本発明に係る光走査用アクチュエータ１，１１を用いて構成されているので、本実施の形態に係る光走査型内視鏡装置２０によれば、駆動制御部４８が駆動部３１（光走査用アクチュエータ）に印加する交番電圧に従い、共振周波数の近傍で不所望な歪みや傾きを抑制した走査軌跡で、対象物６０を走査することが可能になる。したがって、制御部４１の有する走査位置の情報と、実際の対象物６０上に照明光が照射される位置とのずれを抑制することができるので、画像処理部４７において歪みや傾きを抑制した対象物６０の画像を生成することが可能になる。さらに、光走査用アクチュエータ１，１１の共振周波数近傍で駆動することができるので、より効率の高い走査が可能になる。
　なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、上記各実施の形態で示した寸法は何れも例示であって、これらの寸法に限定されるものではない。第１～第４実施の形態において、フェルールの形状は四角柱状であったが、これに限られない。例えば、フェルールを円柱状として圧電素子を配置する部分を切り欠いて平坦面を形成することもできる。同様に、第６実施の形態の圧電材料も円筒状に限られず、四角柱状など別の形状とすることも可能である。各実施の形態で、光走査用アクチュエータの光ファイバはシングルモード光ファイバとしたが、これに限定されず、マルチモードファイバとすることもできる。
　また、本発明の光走査装置は、光走査型内視鏡装置に限られず、光走査型顕微鏡や光走査型のプロジェクタ装置にも適用することが可能である。
　１　　光走査用アクチュエータ
　２　　光ファイバ
　２ａ　　先端部
　３　　フェルール
　４ａ～４ｄ，４ｃ1，４ｃ2，４ｄ1，４ｄ2　　圧電素子
　５ａ～５ｄ　　圧電材料
　６ａ～６ｄ　　電極
　７　　デバイス保持具
　８ａ，８ｂ　　配線
　９　　接着剤
　１１　　光走査用アクチュエータ
　１２　　圧電材料
　１３　　内腔
　１４　　中央電極
　１５　　凸部（分離領域）
　１６　　電極
　１７　　絶縁材
　２０　　光走査型内視鏡装置
　２１　　照明用光ファイバ
　２２　　検出用光ファイバ
　２３　　配線ケーブル
　３０　　スコープ
　３１　　駆動部
　３２　　操作部
　３３　　挿入部
　３４　　先端部
　３５ａ、３５ｂ　　投影用レンズ
　３６　　取付環
　３７　　アクチュエータ管
　４０　　制御装置本体
　４１　　制御部
　４２　　発光タイミング制御部
　４３Ｒ、４３Ｇ、４３Ｂ　　レーザ
　４４　　結合器
　４５　　光検出器
　４６　　ＡＤＣ
　４７　　画像処理部
　４８　　駆動制御部
　５０　　ディスプレイ
　６０　　対象物
　１０１　　光走査用アクチュエータ
　１０２　　光ファイバ
　１０３３　　フェルール
　１０４ａ～１０４ｄ　　圧電素子
　１０７　　デバイス保持具
　１０８ａ，１０８ｂ　　配線

Claims (5)

  1. 　振動可能に支持された先端部を有する光ファイバと、
    　前記光ファイバの光軸方向に沿って伸縮することにより、前記光ファイバの前記先端部を前記光軸に垂直な方向に駆動させる駆動力を発生させる圧電素子と
    を備え、
    　前記光ファイバの光軸回りに回転非対称かまたは２回回転対称性を有するように構成され、
    　前記光ファイバの前記先端部の共振方向と、前記圧電素子の前記駆動力の方向とが、実質的に平行であることを特徴とする光走査用アクチュエータ。
  2. 　前記光ファイバの光軸回りに回転非対称に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光走査用アクチュエータ。
  3. 　前記圧電素子は、第１の圧電素子と、前記光ファイバを挟み前記第１の圧電素子に対向して配置された第２の圧電素子および第３の圧電素子とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光走査用アクチュエータ。
  4. 　前記光ファイバを保持するフェルールを備え、前記圧電素子は、前記フェルールの側面に固定されていることを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の光走査用アクチュエータ。
  5. 　請求項１～４の何れか一項に記載の光走査用アクチュエータと、
    　前記光ファイバの前記先端部とは反対側の端部に、光源からの照明光を入射させる光入力部と、
    　前記光ファイバの前記先端部から射出される光を対象物に照射する光学系と、
    　前記圧電素子に印加する電圧を制御して、前記光ファイバの前記先端部を所望の走査軌跡となるように走査させる制御部と
    を備えた光走査装置。
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