WO2016075777A1 - 光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置 - Google Patents

光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置 Download PDF

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light
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博士 鶴田
靖明 葛西
博一 横田
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オリンパス株式会社
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    • A61B1/06—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor with illuminating arrangements
    • A61B1/07—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor with illuminating arrangements using light-conductive means, e.g. optical fibres

Definitions

  • the present invention relates to a fiber optic scanner, an illumination device and an observation device.
  • an optical fiber scanner that scans illumination light on an object by vibrating the piezoelectric element and emitting illumination light while spirally scanning the tip of the optical fiber (for example, Patent Document 1 and Patent Document 1) 2)).
  • the optical fiber scanner described in Patent Document 1 has a structure in which an optical fiber is inserted into a substantially cylindrical piezoelectric element unit, and the proximal end side of the optical fiber is supported by an adhesive with respect to the front end of the piezoelectric element unit. have.
  • the optical fiber scanner described in Patent Document 2 has a structure in which the proximal end side of the optical fiber is supported in a fitted state by a support member such as an annular intervening component, a ring plug, or a bead of adhesive. doing.
  • JP 2011-217835 A Japanese Patent Publication No. 2010-523198
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and it is an object of the present invention to provide an optical fiber scanner, an illumination device, and an observation device capable of stably bending and oscillating an optical fiber.
  • an optical fiber for guiding light and emitting light from a tip, and a vibration transfer body capable of fitting a proximal end side of the optical fiber with respect to the tip and transmitting vibration to the optical fiber.
  • a vibration transfer body capable of fitting a proximal end side of the optical fiber with respect to the tip and transmitting vibration to the optical fiber.
  • a plurality of piezoelectric elements fixed to the vibration transmitting body, polarized in the radial direction of the optical fiber, and vibrating the optical fiber through the vibration transmitting body by applying an alternating voltage in the polarization direction;
  • the vibration transmitting body has a fitting hole fitted at a position spaced apart from the piezoelectric element on the proximal end side, and the light is transmitted through the vibration transmitting body fitted in the fitting hole.
  • a supporting portion capable of supporting a fiber in a cantilever shape, and the vibration transmitting member is made of an elastic material having a through hole into which the optical fiber can be inserted and having the plurality of piezoelectric elements attached to the side surface.
  • a hollow columnar portion, and the optical fiber disposed at the tip of the columnar portion It was supported by the fitting state, an optical fiber scanner having a distal end portion of the rotating body shape sectional area in the radial direction toward the tip of the optical fiber is gradually reduced.
  • vibration when an alternating voltage is applied to the piezoelectric element in the polarization direction, vibration is generated by expanding and contracting the piezoelectric element in the direction orthogonal to the polarization direction, that is, the longitudinal direction of the optical fiber. Vibration is transmitted to the optical fiber through the vibration transmitter. Further, by supporting the optical fiber in a cantilevered manner via the vibration transmitting body by the support portion, it is possible to suppress that the vibration generated in the piezoelectric element escapes to the proximal end side of the optical fiber. Thus, the tip of the optical fiber can be stably vibrated, and the light emitted from the tip of the optical fiber can be scanned with high accuracy according to the vibration of the optical fiber.
  • the tip end portion of the vibration transmission body for supporting the optical fiber in the fitting state has a shape of a rotating body in which the cross-sectional area in the radial direction gradually reduces from the columnar portion toward the tip of the optical fiber.
  • the change in cross-sectional area gradually decreases from the portion where the optical fiber is fitted by the tip end to the portion where the tip of the optical fiber is exposed.
  • the tip end portion may be separately formed on the columnar portion.
  • the tip portion and the columnar portion that constitute the vibration transfer body are formed of different materials, or the through holes for inserting the optical fiber are made different in size between the tip portion and the columnar portion. be able to.
  • the tip end portion may be integrally molded with the columnar portion.
  • an optical fiber scanner according to any one of the above, a light source generating the light guided by the optical fiber, a condenser lens condensing the light emitted from the optical fiber, It is an illuminating device provided with the condensing lens and the outer cylinder which holds the said optical fiber scanner. According to this aspect, with the optical fiber scanner capable of stably bending and oscillating the optical fiber, it is possible to accurately illuminate the desired position of the subject.
  • a third aspect of the present invention is an observation device comprising: the above-described illumination device; and a light detection unit that detects return light returning from the object by irradiating the object with light by the illumination device.
  • the light detection unit detects the return light returning from the subject by accurately scanning the light at the desired position of the subject by the illumination device. Therefore, accurate observation can be realized based on the image information of the desired observation range of the subject obtained based on the intensity signal of the return light detected by the light detection unit.
  • the optical fiber can be stably bent and oscillated.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an endoscope apparatus according to an embodiment of the present invention cut in the radial direction of an optical fiber for illumination. It is sectional drawing of the optical fiber scanner of FIG. It is sectional drawing which cut
  • an endoscope apparatus (observation apparatus) 100 includes a light source 1 for generating illumination light, an illumination apparatus 3 for irradiating illumination light to a subject (not shown), and illumination light Control a light detector (light detection unit) 5 such as a photodiode that detects reflected light returning from the subject or fluorescent light etc. by irradiating the light, and the illumination device 3 and the light detector 5 And a controller 7.
  • a light detector (light detection unit) 5 such as a photodiode that detects reflected light returning from the subject or fluorescent light etc. by irradiating the light
  • the illumination device 3 and the light detector 5 And a controller 7.
  • the longitudinal direction of the endoscope apparatus 100 is taken as the Z-axis direction, and the two directions orthogonal to the longitudinal direction of the endoscope apparatus 100 as the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively.
  • the illumination device 3 guides the illumination light emitted from the light source 1 and condenses the illumination light emitted from the illumination optical fiber 11 with the optical fiber scanner 10 having the illumination optical fiber 11 for emitting the light from the tip.
  • the light source 1 and the light detector 5 are disposed on the proximal end side of the optical fiber scanner 10.
  • the control device 7 includes a CPU (not shown) that controls the lighting device 3 and the light detector 5, a program that operates the CPU, and a memory that stores various signals and the like input to the CPU.
  • the optical fiber scanner 10 is, as shown in FIGS. 2 and 3, an optical fiber for illumination (optical fiber) 11 such as a multimode fiber or a single mode fiber and a proximal end side of the optical fiber 11 for illumination.
  • a vibration transmitting body 21 capable of fitting and transmitting vibration to the illumination optical fiber 11, four piezoelectric elements 23 fixed to the vibration transmitting body 21, and the illumination optical fiber 11 via the vibration transmitting body 21
  • a fixing portion (supporting portion) 25 to be supported, a lead wire (GND) 27G for driving, and four lead wires 27A and 27B are provided.
  • the optical fiber scanner 10 includes a jacket 29 that covers the proximal end side of the illumination optical fiber 11 relative to the vibration transfer body 21 and a bending prevention pipe 31 that protects the proximal end side of the illumination optical fiber 11. There is.
  • the optical fiber 11 for illumination is comprised by the core material called a core, and the sheath material called the clad which covers the outer side of a core material.
  • the core and the cladding have different refractive indices, and are formed of quartz or a plastic material, respectively.
  • the illumination optical fiber 11 is disposed along the longitudinal direction of the outer cylinder 15, one end of which extends to the outside on the proximal end side of the outer cylinder 15, and is connected to the light source 1; The other end is disposed in the vicinity of the focal position of the condenser lens 13 inside the outer cylinder 15.
  • the vibration transfer body 21 is attached to the hollow columnar portion 33 made of an elastic material to which the piezoelectric element 23 is attached on the side surface and the tip of the columnar portion 33, and the illumination optical fiber 11 is fitted. And a tip portion 35 for supporting in a combined state. Both the columnar portion 33 and the tip portion 35 are formed of nickel or copper.
  • the columnar section 33 has a through hole 33a into which the illumination optical fiber 11 is inserted, as shown in FIGS. 4A, 4B and 4C. At the base end of the through hole 33a, as shown in FIG. 2, the inserted illumination optical fiber 11 is adhered by an epoxy adhesive S applied to the outer peripheral surface of the illumination optical fiber 11. .
  • the columnar portion 33 has, at one end in the longitudinal direction, a stepped opening 33b in which the opening area of the through hole 33a spreads radially outward.
  • the opening 33 b can hold the tip 35 in a fitted state.
  • the columnar portion 33 has an outer shape of a substantially square pole, and the piezoelectric elements 23 are attached to each of the four side surfaces with an epoxy adhesive.
  • the tip portion 35 has a cylindrical attachment portion 35a attached to the opening 33b of the columnar portion 33 in a fitted state, and the attachment portion 35a attached to the columnar portion 33. It is comprised by the protrusion part 35b which protrudes in the longitudinal direction of the columnar part 33. As shown in FIG.
  • the protrusion 35b extends radially outward from the mounting portion 35a, and has a rotary body shape in which the cross-sectional area in the radial direction gradually reduces in a conical shape toward the opposite side to the mounting portion 35a.
  • the distal end portion 35 has a fitting hole 35c which penetrates the attaching portion 35a and the projecting portion 35b and fits the illumination optical fiber 11. As shown in FIG. 2, the fitting optical fiber 11 is bonded to the fitting hole 35 c by the epoxy-based adhesive S applied to the outer peripheral surface of the illuminating optical fiber 11.
  • the fixing portion 25 is made of a metal material such as stainless steel and is formed in an annular shape.
  • the fixing portion 25 has an outer peripheral surface bonded to the inner wall of the outer cylinder 15 by an epoxy adhesive.
  • the fixing portion 25 has a fitting hole 25a for fitting the columnar portion 33 of the vibration transmitting body 21, and a portion where a gap is formed when the vibration transmitting body 21 is fitted into the fitting hole 25a.
  • the vibration transmitter 21 is firmly fixed by filling the above with the conductive epoxy adhesive.
  • the fixing portion 25 fits the position of the vibration transmitting body 21 at a distance from the base end side to the piezoelectric element 23 by the fitting hole 25 a to support the optical fiber 11 for illumination in a cantilevered manner. It is supposed to Thereby, the fixing portion 25 is configured to suppress radial vibration generated at this position of the illumination optical fiber 11. Further, even if the vibration escapes from the piezoelectric element 23 to the proximal end side of the illumination optical fiber 11, the vibration is affected in some way, and the change in shape and the return are suppressed. Therefore, the fixing portion 25 can prevent the vibration shape of the piezoelectric element 23 and the vibration of the illumination optical fiber 11 from becoming unstable.
  • the fixing portion 25 is electrically connected to the electrodes on the back surface of the four piezoelectric elements 23 via the vibration transmitter 21 so as to function as a common GND when driving the piezoelectric elements 23.
  • the fixing portion 25 also has four through holes 25 b through which the lead wires 27A and 27B pass.
  • the through holes 25 b are preferably formed in parallel with the central axis of the fixed portion 25.
  • the jacket 29 covers the illumination optical fiber 11 with a gap from the vibration transmitter 21.
  • the jacket 29 has an outer dimension substantially the same as the outer dimension of the columnar portion 33 of the vibration transfer body 21.
  • the bending prevention pipe 31 has a cylindrical shape, and is disposed adjacent to the fixing portion 25 along the longitudinal direction of the illumination optical fiber 11.
  • the bending prevention pipe 31 fits the rear end portion of the vibration transmitting body 21 protruding from the fixed portion 25 to the proximal end side of the illumination optical fiber 11 and the front end portion of the jacket 29 and uses adhesive as the bonding surface. It is fixed using.
  • the jacket 29 and the bending prevention pipe 31 can prevent the proximal end of the lighting optical fiber 11 from being broken relative to the vibration transmitter 21.
  • the piezoelectric element 23 is made of, for example, a piezoelectric ceramic material such as lead zirconate titanate (PZT), and is formed in an elongated plate shape.
  • the piezoelectric element 23 is subjected to a positive electrode treatment on the surface and a negative electrode treatment on the back surface, and polarized in the direction from the positive electrode to the negative electrode, that is, in the plate thickness direction There is.
  • these four piezoelectric elements 23 are disposed at the same position in the longitudinal direction of the illumination optical fiber 11 on each side surface of the columnar portion 33 of the vibration transfer body 21. It is desirable that the gap between the piezoelectric element 23 and the fixing portion 25 be separated to such an extent that expansion and contraction in a direction intersecting at least the polarization direction of the piezoelectric element 23 is not impeded. In this way, the fixing portion 25 does not prevent the expansion and contraction of the illuminating optical fiber 11 in the longitudinal direction by the piezoelectric element 23.
  • the directions of polarization are arranged such that the pair of piezoelectric elements 23 facing each other in the radial direction of the illumination optical fiber 11 have the same polarization direction.
  • lead wires 27A constituting phase A are joined to the electrode surfaces of one pair of piezoelectric elements 23 by a conductive epoxy adhesive, and B on the electrode surfaces of the other pair of piezoelectric elements 23.
  • the lead wire 27B which comprises a phase is joined.
  • each pair of piezoelectric elements 23 can transmit its vibration to the illumination optical fiber 11 via the vibration transmitter 21 and vibrate the tip of the illumination optical fiber 11 in the direction intersecting the longitudinal direction. It is supposed to be.
  • one end of the lead wire 27 ⁇ / b> G is joined to the fixing portion 25 by a conductive epoxy-based adhesive.
  • the lead wires 27A and 27B are connected to the piezoelectric element 23 through the through holes 25b of the fixed portion 25 and fixed to the through holes 25b by an epoxy adhesive.
  • the detection optical fiber 19 is made of an elongated glass material, and is disposed on the outer peripheral surface of the outer cylinder 15 along the longitudinal direction.
  • the detection optical fibers 19 are spaced from each other in the circumferential direction of the outer cylinder 15. Further, one end of the detection optical fiber 19 is disposed at the tip of the outer cylinder 15, and the other end is connected to the light detector 5.
  • control device 7 In addition to control of the illumination device 3 and the light detector 5, the control device 7 also controls the intensity signal of the return light detected by the light detector 5 and information on the scanning position of the illumination light by the optical fiber scanner 10 (scanning position information) Can be associated with each other to generate image information.
  • the illumination device 3 and the endoscope device 100 configured as described above will be described.
  • the tip of the outer cylinder 15 is directed to the object, and the illumination light from the light source 1 is arranged. generate.
  • the illumination light emitted from the light source 1 is guided by the illumination optical fiber 11 and emitted from the tip, and is irradiated onto the subject by the condenser lens 13.
  • the controller 7 associates the intensity signal of the return light output from the light detector 5 with the scanning position information of the optical fiber scanner 10, and converts it into image information. Thereby, an image of the subject irradiated with the illumination light can be generated.
  • the bending resonance frequency of the illumination optical fiber 11 is such that the axial center of the fixed portion 25 is a node and the tip of the illumination optical fiber 11 is an antinode.
  • A-phase piezoelectric elements 23 When an alternating voltage corresponding to the bending resonance frequency is applied to one pair of piezoelectric elements 23 (hereinafter referred to as A-phase piezoelectric elements 23), vibrations are generated in these A-phase piezoelectric elements 23. Then, the vibration generated in the A-phase piezoelectric element 23 is transmitted to the illumination optical fiber 11 through the vibration transmitter 21 and the tip portion of the illumination optical fiber 11 intersects in the longitudinal direction (for example, FIG. In FIG. 3, it vibrates in the X-axis (A-phase) direction.
  • the B-phase piezoelectric elements 23 when an alternating voltage corresponding to the bending resonance frequency is applied to the other pair of piezoelectric elements 23 (hereinafter referred to as the B-phase piezoelectric elements 23), vibrations are generated in the B-phase piezoelectric elements 23. Then, the vibration generated in the B-phase piezoelectric element 23 is transmitted to the illumination optical fiber 11 through the vibration transfer body 21, and the tip portion of the illumination optical fiber 11 is in one direction orthogonal to the X axis direction (for example, 1 to 3 vibrates in the Y-axis (B-phase) direction.
  • the X axis direction for example, 1 to 3 vibrates in the Y-axis (B-phase) direction.
  • the tip end portion 35 supporting the illumination optical fiber 11 in the vibration transfer body 21 in the fitting state is the tip end of the illumination optical fiber 11 from the columnar portion 33
  • the cross-sectional area in the radial direction gradually decreases in the direction from the portion where the illumination optical fiber 11 is fitted by the tip portion 35 to the portion where the tip of the illumination optical fiber 11 is exposed Changes in cross section gradually decrease.
  • the stress generated by the vibration transmitted from the vibration transmitter 21 to the illumination optical fiber 11 is prevented from being concentrated at one point near the tip of the illumination optical fiber 11, and the illumination optical fiber 11 is rapidly changed. Damage can be prevented. Therefore, the vibration generated in the piezoelectric element 23 can be smoothly transmitted to the illumination optical fiber 11 by the vibration transfer body 21, and the illumination optical fiber 11 can be stably vibrated.
  • the columnar portion 33 and the tip portion 35 of the vibration transfer body 21 are formed separately, for example, the columnar portion 33 and the tip portion 35 are formed of different materials, or the through holes 33a of these columnar portions 33 are formed. And the fitting hole 35c of the tip portion 35 can be easily made different in size.
  • the desired position of a to-be-photographed object can be illuminated precisely.
  • accurate observation can be performed based on the image information of the desired observation range of the subject obtained based on the intensity signal of the return light detected by the light detector 5. It can be realized.
  • the present embodiment can be modified as follows.
  • the vibration transmitter 21 in which the columnar portion 33 and the tip portion 35 are separately formed is described as an example of the vibration transmitter.
  • a vibration transmitting body 41 formed by integrally forming the columnar portion 33 and the tip portion 35 is adopted. It may be
  • the vibration transfer body 41 By doing this, in the vibration transfer body 41, rattling or the like does not occur due to the influence of variations in processing accuracy between the tip end portion 35 and the columnar portion 33. Therefore, the vibration of the piezoelectric element 23 can be transmitted to the illumination optical fiber 11 more smoothly through the vibration transmitter 41.
  • a vibration transmitter 43 having a rear end 45 having the same shape as that of the front end 35 may be adopted as the vibration transmitter.
  • the columnar portion 33 has stepped openings 33b at both ends in the longitudinal direction, in which the opening area of the through holes 33a spreads radially outward, and the front end 35 and the rear end 45 are formed by the openings 33b. May be held in the fitted state.
  • the vibration transfer body 43 can also be used by disposing either of the front end portion 35 and the rear end portion 45 toward the front end side of the illumination optical fiber 11. Further, since the vibration transfer body 43 is a minute part, it is not necessary to consider the direction of the vibration transfer body 43 at the time of manufacture, and the complexity can be alleviated.
  • the vibration transfer body 43 is a minute part, it is not necessary to consider the direction of the vibration transfer body 43 at the time of manufacture, and the complexity can be alleviated.
  • the columnar portion 33, the front end portion 35 and the rear end portion 45 separately, they are formed of different materials, or the through holes 33a of the columnar portion 33 and the front end portion 35 and the rear end portion 45 are formed.
  • the fitting holes 35c can be easily made different in size.
  • the vibration transmitting body 43 in which the columnar portion 33, the front end portion 35, and the rear end portion 45 are separately formed is described.
  • a vibration transmitting body 47 formed by integrally forming the columnar portion 33, the front end 35 and the rear end 45 may be adopted.
  • the vibration transmitting body 47 does not cause rattling and the like due to the influence of the variation in machining accuracy between both the front end portion 35 and the rear end portion 45 and the columnar portion 33. Therefore, the vibration of the piezoelectric element 23 can be transmitted to the illumination optical fiber 11 more smoothly through the vibration transmitter 47.

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Abstract

照明光学系に対する光ファイバの心出しの組み立て調整を容易かつ高精度にする。照明用光ファイバ（１１）と、照明用光ファイバ（１１）の基端側を嵌合する振動伝達体（２１）と、振動伝達体（２１）に固定され、照明用光ファイバ（１１）を振動させる複数の圧電素子（２３）と、振動伝達体（２１）における圧電素子（２３）に対して基端側に間隔をあけた位置を嵌合し、振動伝達体（２１）を介して照明用光ファイバ（１１）を片持ち梁状に支持可能な固定部（２５）とを備え、振動伝達体（２１）が、照明用光ファイバ（１１）を挿入可能な貫通孔を有し複数の圧電素子（２３）が貼り付けられた弾性材料からなる柱状部（３３）と、柱状部（３３）の先端に配されて照明用光ファイバ（１１）を嵌合状態に支持し、照明用光ファイバ（１１）の先端に向かって径方向の断面積が徐々に縮小する回転体形状の先端部（３５）とを有する光ファイバスキャナ（１０）を提供する。

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。
　従来、圧電素子を振動させて光ファイバの先端をスパイラル走査しながら照明光を出射させることにより、被写体上で照明光を走査させ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および特許文献２参照。）。特許文献１に記載の光ファイバスキャナは、略円筒形状の圧電素子ユニットに光ファイバが挿入されて、光ファイバの先端よりも基端側が圧電素子ユニットの先端に対して接着剤により支持された構造を有している。また、特許文献２に記載の光ファイバスキャナは、円環状の介在コンポーネント、リング型プラグまたは接着剤のビードといった支持部材により光ファイバの先端よりも基端側が嵌合状態に支持された構造を有している。
特開２０１１－２１７８３５号公報 特表２０１０－５２３１９８号公報
　しかしながら、接着剤は形状が不均一になり易いため、特許文献１に記載の光ファイバスキャナのように、光ファイバが圧電素子ユニットに対して接着剤により支持された構成では、弾性部の内部で生成されるスパイラル走査の基となる直交する２方向の屈曲振動が不安定になる可能性が高いという問題がある。光ファイバが接着剤のビードにより支持された特許文献２に記載の光ファイバスキャナにおいても同様である。
　また、介在コンポーネントやリング型プラグのような円環状の支持部材により光ファイバが支持された特許文献２に記載の光ファイバスキャナにおいては、これら円環状の支持部材により光ファイバが支持された部分と光ファイバが露出した部分とで断面積変化が大きいので、急激な応力変化による光ファイバの破損が懸念される。
　本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、光ファイバを安定して屈曲振動させ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。
　上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
　本発明の第１態様は、光を導光して先端から出射する光ファイバと、該光ファイバの前記先端よりも基端側を嵌合して該光ファイバに振動を伝達可能な振動伝達体と、該振動伝達体に固定され、前記光ファイバの径方向に分極し、該分極方向に交番電圧が印加されることにより前記振動伝達体を介して前記光ファイバを振動させる複数の圧電素子と、前記振動伝達体における前記圧電素子に対して基端側に間隔をあけた位置を嵌合する嵌合孔を有し、該嵌合孔に嵌合させた前記振動伝達体を介して前記光ファイバを片持ち梁状に支持可能な支持部とを備え、前記振動伝達体が、前記光ファイバを挿入可能な貫通孔を有し側面に前記複数の圧電素子が貼り付けられた弾性材料からなる中空の柱状部と、該柱状部の先端に配置されて前記光ファイバを嵌合状態に支持し、該光ファイバの先端に向かって径方向の断面積が徐々に縮小する回転体形状の先端部とを有する光ファイバスキャナである。
　本態様によれば、圧電素子に対してその分極方向に交番電圧を印加すると、圧電素子が分極方向に直交する方向、すなわち、光ファイバの長手方向に伸縮することによって振動が発生し、圧電素子の振動が振動伝達体を介して光ファイバに伝達される。また、支持部により振動伝達体を介して光ファイバを片持ち梁状に支持することで、圧電素子において発生した振動が光ファイバの基端側に逃げてしまうのが抑制される。これにより、光ファイバの先端を安定して振動させて、光ファイバの先端から出射される光を光ファイバの振動に応じて精度よく走査させることができる。
　この場合において、振動伝達体における光ファイバを嵌合状態に支持する先端部が、柱状部から光ファイバの先端に向かって径方向の断面積が徐々に縮小する回転体形状を有することで、この先端部により光ファイバが勘合されている部分から光ファイバの先端が露出する部分にかけて断面積変化が徐々に小さくなっていく。これにより、振動伝達体から光ファイバに伝達される振動によって生じる応力が光ファイバの先端付近の一点に集中するのを防ぎ、急激な応力変化による光ファイバの破損を防止することができる。したがって、圧電素子において発生した振動を振動伝達体により光ファイバにスムーズに伝達して、光ファイバを安定して振動させることができる。
　上記態様においては、前記先端部が前記柱状部に別体に形成されていることとしてもよい。
　このように構成することで、振動伝達体を構成する先端部と柱状部とを別材料で形成したり、これら先端部と柱状部とで光ファイバを挿入する貫通孔を異なる大きさにしたりすることができる。
　上記態様においては、前記先端部が前記柱状部と一体成型されてなることとしてもよい。
　このように構成することで、振動伝達体において、先端部と柱状部との加工精度のばらつきの影響によるガタ等が生じることがない。したがって、圧電素子の振動をよりスムーズに光ファイバに伝達することができる。
　本発明の第２態様は、上記いずれかの光ファイバスキャナと、前記光ファイバにより導光する前記光を発生する光源と、前記光ファイバから出射された光を集光する集光レンズと、該集光レンズおよび前記光ファイバスキャナを保持する外筒とを備える照明装置である。
　本態様によれば、光ファイバを安定して屈曲振動させることができる光ファイバスキャナにより、被写体の所望の位置を精度よく照明することができる。
　本発明の第３態様は、上記の照明装置と、該照明装置によって被写体に光が照射されることにより、該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、照明装置により被写体の所望の位置で光が精度よく走査されることにより被写体から戻る戻り光が光検出部により検出される。したがって、光検出部により検出された戻り光の強度信号に基づいて得られる被写体の所望の観察範囲の画像情報に基づき、正確な観察を実現することができる。
　本発明によれば、光ファイバを安定した屈曲振動させ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内視鏡装置を照明用光ファイバの径方向に切断した断面図である。 図１の光ファイバスキャナの断面図である。 図２の振動伝達体および固定部を照明用光ファイバの径方向に切断した断面図である。 図２の振動伝達体の柱状部の側面図である。 図２の振動伝達体の柱状部を中心軸に沿って切断した断面図である。 図２の振動伝達体の柱状部を中心軸に沿う方向に見た平面図である。 図２の振動伝達体の先端部を中心軸に沿って切断した断面図である。 図２の振動伝達体の先端部を中心軸に沿う方向に見た平面図である。 本発明の一実施形態の第１変形例に係る光ファイバスキャナを照明用光ファイバの径方向に切断した構成図である。 図６の振動伝達体の柱状部の側面図である。 図６の振動伝達体の柱状部を中心軸に沿って切断した断面図である。 図６の振動伝達体の柱状部を中心軸に沿う方向に見た平面図である。 本発明の一実施形態の第２変形例に係る光ファイバスキャナを照明用光ファイバの径方向に切断した構成図である。 本発明の一実施形態の第３変形例に係る光ファイバスキャナを照明用光ファイバの径方向に切断した構成図である。
　本発明の一実施形態に係る光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置について図面を参照して以下に説明する。
　本実施形態に係る内視鏡装置（観察装置）１００は、図１に示すように、照明光を発生させる光源１と、被写体（図示略）に照明光を照射する照明装置３と、照明光が照射されることにより被写体から戻る反射光や蛍光等の戻り光を検出するフォトダイオードのような光検出器（光検出部）５と、これら照明装置３および光検出器５の制御等を行う制御装置７とを備えている。以下、内視鏡装置１００の長手方向をＺ軸方向、内視鏡装置１００の長手方向に直交し、かつ、互いに直交する２方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向とする。
　照明装置３は、光源１から発せられた照明光を導光して先端から出射する照明用光ファイバ１１を有する光ファイバスキャナ１０と、照明用光ファイバ１１から出射された照明光を集光する集光レンズ１３と、これらの光ファイバスキャナ１０および集光レンズ１３を収納する細長い筒状の外筒１５と、外筒１５の外周面を被覆する被覆部１７と、外筒１５と被覆部１７との間に配され、被写体からの戻り光を光検出器５に導光する複数の検出用光ファイバ１９とを備えている。
　光源１および光検出器５は、光ファイバスキャナ１０の基端側に配置されている。
　制御装置７は、照明装置３および光検出器５を制御するＣＰＵ（図示略）と、このＣＰＵを作動するプログラムと、ＣＰＵに入力する各種信号等を記憶するメモリとを備えている。
　光ファイバスキャナ１０は、図２および図３に示すように、マルチモードファイバまたはシングルモードファイバのような照明用光ファイバ（光ファイバ）１１と、照明用光ファイバ１１の先端よりも基端側を嵌合して照明用光ファイバ１１に振動を伝達可能な振動伝達体２１と、振動伝達体２１に固定された４枚の圧電素子２３と、振動伝達体２１を介して照明用光ファイバ１１を支持する固定部（支持部）２５と、駆動用のリード線（ＧＮＤ）２７Ｇおよび４本のリード線２７Ａ，２７Ｂとを備えている。
　また、光ファイバスキャナ１０は、照明用光ファイバ１１における振動伝達体２１よりも基端側を被覆するジャケット２９と、照明用光ファイバ１１の基端側を保護する折れ防止パイプ３１とを備えている。
　照明用光ファイバ１１は、コアと呼ばれる芯材と、芯材の外側を覆うクラッドと呼ばれる鞘材とにより構成されている。これらコアおよびクラッドは、互いに屈折率が異なり、それぞれ石英もしくはプラスチック材料によって形成されている。また、照明用光ファイバ１１は、図１に示すように、外筒１５の長手方向に沿って配されており、一端が外筒１５の基端側の外部まで延びて光源１に接続され、他端が外筒１５の内部の集光レンズ１３の焦点位置近傍に配されている。
　振動伝達体２１は、図２に示すように、側面に圧電素子２３が貼り付けられた弾性材料からなる中空の柱状部３３と、柱状部３３の先端に取り付けられ、照明用光ファイバ１１を嵌合状態に支持する先端部３５とを有している。これら柱状部３３と先端部３５は、共にニッケルまたは銅素材により形成されている。
　柱状部３３は、図４Ａ，図４Ｂおよび図４Ｃに示すように、照明用光ファイバ１１が挿入される貫通孔３３ａを有している。貫通孔３３ａの基端部は、図２に示すように、照明用光ファイバ１１の外周面に塗布したエポキシ系接着剤Ｓにより、挿入した照明用光ファイバ１１が接着されるようになっている。
　また、柱状部３３は、長手方向の一端に貫通孔３３ａの開口面積が半径方向外方に広がる段付き形状の開口部３３ｂを有している。この開口部３３ｂは、先端部３５を嵌合状態に保持することができるようになっている。また、柱状部３３は、図３に示すように、略四角柱状の外形を有し、４つの各側面にそれぞれ圧電素子２３がエポキシ系接着剤によって貼り付けられている。
　先端部３５は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、柱状部３３の開口部３３ｂに嵌合状態に取り付けられる円筒形状の取付け部３５ａと、取付け部３５ａが柱状部３３に取り付けられた状態で柱状部３３の長手方向に突出する突出部３５ｂとにより構成されている。突出部３５ｂは、取付け部３５ａから半径方向外方に広がり、取付け部３５ａとは反対側に向かって径方向の断面積が円錐状に徐々に縮小する回転体形状を有している。
　また、先端部３５は、取付け部３５ａおよび突出部３５ｂを貫通して照明用光ファイバ１１を嵌合する嵌合孔３５ｃを有している。嵌合孔３５ｃには、図２に示すように、照明用光ファイバ１１の外周面に塗布したエポキシ系接着剤Ｓにより、嵌合した照明用光ファイバ１１が接着されている。
　固定部２５は、図２および図３に示すように、ステンレス等の金属材料からなり、円環状に形成されている。この固定部２５は、エポキシ系接着剤により、外周面が外筒１５の内壁に接着されている。また、固定部２５は、振動伝達体２１の柱状部３３を嵌合する嵌合孔２５ａを有しており、嵌合孔２５ａに振動伝達体２１を勘合させたときに隙間が形成される部分に導電性のエポキシ系接着剤を充填させることにより、振動伝達体２１を強固に固定している。
　この固定部２５は、嵌合孔２５ａにより、振動伝達体２１における圧電素子２３に対して基端側に間隔をあけた位置を嵌合して、照明用光ファイバ１１を片持ち梁状に支持するようになっている。これにより、固定部２５は、照明用光ファイバ１１のこの位置において発生する径方向の振動を抑制するようになっている。また、仮に圧電素子２３から照明用光ファイバ１１の基端側に振動が逃げたとしても、その振動が何らかの影響を受けて形状が変化して戻ってくるのを抑制するようになっている。したがって、固定部２５により、圧電素子２３の振動形状および照明用光ファイバ１１の振動が不安定になるのを防止することができる。
　また、固定部２５は、４枚の圧電素子２３の裏面の電極と振動伝達体２１を介して電気的に接合しており、圧電素子２３を駆動する際の共通ＧＮＤとして機能するようになっている。また、固定部２５は、リード線２７Ａ，２７Ｂを通す貫通孔２５ｂを４つ有している。貫通孔２５ｂは、それぞれ固定部２５の中心軸に平行に形成することが望ましい。このようにすることで、リード線２５Ａ，２５Ｂの圧電素子２３に対する位置を決め易くし、リード線２５Ａ，２５Ｂを無駄に長くすることなく圧電素子２３に接続することができる。
　ジャケット２９は、図２に示すように、振動伝達体２１に対して隙間を空けて照明用光ファイバ１１を被覆している。このジャケット２９は、振動伝達体２１の柱状部３３の外形寸法とほぼ同一の外形寸法を有している。
　折れ防止パイプ３１は、筒形状を有し、照明用光ファイバ１１の長手方向に沿って固定部２５に隣接して配置されている。この折れ防止パイプ３１は、固定部２５から照明用光ファイバ１１の基端側に突出する振動伝達体２１の後端部とジャケット２９の先端部とを嵌合し、接合する面を接着剤を使用して固定している。これらジャケット２９および折れ防止パイプ３１により、照明用光ファイバ１１における振動伝達体２１よりも基端側が折れるのを防止することができる。
　圧電素子２３は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックス材料からなり、細長い板状に形成されている。また、圧電素子２３は、表面に＋の電極処理が施されているとともに、裏面に－の電極処理が施されており、＋極から－極に向かう方向、すなわち、板厚方向に分極している。
　これら４枚の圧電素子２３は、図２に示すように、振動伝達体２１の柱状部３３の各側面において、それぞれ照明用光ファイバ１１の長手方向の同位置に配されている。圧電素子２３と固定部２５との隙間は、少なくとも圧電素子２３における分極方向に交差する方向の伸縮が妨げられない程度に離すことが望ましい。このようにすることで、圧電素子２３による照明用光ファイバ１１の長手方向への伸縮を固定部２５によって妨げることがない。
　また、図３において分極の向きを矢印で示すように、照明用光ファイバ１１の径方向に対向する各一対の圧電素子２３どうしは、それぞれ分極の向きを同一方向に向けて配されている。また、導電性のエポキシ系接着剤により、一方の一対の圧電素子２３の電極面にはＡ相を構成するリード線２７Ａが接合されており、他方の一対の圧電素子２３の電極面にはＢ相を構成するリード線２７Ｂが接合されている。
　これらの圧電素子２３は、リード線２７Ａ，２７Ｂにより、分極方向に交番電圧が印加されると、分極方向に対して直交する方向に伸縮する振動（横効果）を発生するようになっている。また、一対の圧電素子２３の内の一方が縮むと同時に他方が伸びるように伸縮するようになっている。これにより、各一対の圧電素子２３は、振動伝達体２１を介してその振動を照明用光ファイバ１１に伝達し、照明用光ファイバ１１の先端を長手方向に交差する方向に振動させることができるようになっている。
　リード線２７Ｇは、図２に示すように、導電性のエポキシ系接着剤により一端が固定部２５に接合されている。リード線２７Ａ，２７Ｂは、固定部２５の貫通孔２５ｂを通って圧電素子２３に接続され、エポキシ系接着剤により貫通孔２５ｂに固定されている。
　検出用光ファイバ１９は、図１に示すように、細長いガラス材からなり、外筒１５の外周面に長手方向に沿って配されている。これらの検出用光ファイバ１９は、外筒１５の周方向に互いに間隔をあけて配されている。また、検出用光ファイバ１９は、一端が外筒１５の先端に配され、他端が光検出器５に接続されている。
　制御装置７は、照明装置３および光検出器５の制御の他、光検出器５により検出された戻り光の強度信号と光ファイバスキャナ１０による照明光の走査位置に関する情報（走査位置情報）とを対応付けて、画像情報を生成することができるようになっている。
　このように構成された光ファイバスキャナ１０、照明装置３および内視鏡装置１００の作用について説明する。
　本実施形態に係る光ファイバスキャナ１０、照明装置３および内視鏡装置１００を用いて被写体を観察するには、まず、外筒１５の先端を被写体に向けて配置し、光源１から照明光を発生させる。光源１から発せられた照明光は、照明用光ファイバ１１により導光されて先端から出射され、集光レンズ１３により被写体に照射される。
　照明光が照射されることにより被写体において反射光や蛍光等の戻り光が発生すると、その戻り光は検出用光ファイバ１９により導光されて、光検出器５により検出される。そして、制御装置７により、光検出器５から出力される戻り光の強度信号と光ファイバスキャナ１０の走査位置情報とが対応付けられて画像情報に変換される。これにより、照明光が照射された被写体の画像を生成することができる。
　次に、光ファイバスキャナ１０による照明光の走査について説明する。
　光ファイバスキャナ１０により照明光を走査させるには、まず、固定部２５における軸方向の中央付近が節で照明用光ファイバ１１の先端部が腹となるような照明用光ファイバ１１の屈曲共振周波数を励起させる。
　一方の一対の圧電素子２３（以下、Ａ相の圧電素子２３とする。）に屈曲共振周波数に対応する交番電圧を印加すると、これらＡ相の圧電素子２３に振動が発生する。そして、Ａ相の圧電素子２３に発生した振動が振動伝達体２１を介して照明用光ファイバ１１に伝達され、照明用光ファイバ１１の先端部分が長手方向に交差する一方向（例えば、図１～図３においてＸ軸（Ａ相）方向）に振動する。
　同様に、他方の一対の圧電素子２３（以下、Ｂ相の圧電素子２３とする。）に屈曲共振周波数に対応する交番電圧を印加すると、これらＢ相の圧電素子２３に振動が発生する。そして、Ｂ相の圧電素子２３に発生した振動が振動伝達体２１を介して照明用光ファイバ１１に伝達され、照明用光ファイバ１１の先端部分がＸ軸方向に直交する一方向（例えば、図１～図３においてＹ軸（Ｂ相）方向）に振動する。
　Ａ相の圧電素子２３によるＸ軸方向の振動とＢ相の圧電素子２３によるＹ軸方向の振動とを同時に発生させて、これらＡ相の圧電素子２３およびＢ相の圧電素子２３に印加する交番信号の位相をπ／２ずらすと、照明用光ファイバ１１の先端部の振動が円軌跡を描く。この状態でＡ相の圧電素子２３およびＢ相の圧電素子２３に印加する交番電圧の大きさを徐々に増減（電圧変調）させると、照明用光ファイバ１１の先端がスパイラル状に振動する。これにより、照明用光ファイバ１１の先端から出射する照明光を被写体上でスパイラル走査させることができる。
　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１０によれば、振動伝達体２１における照明用光ファイバ１１を嵌合状態に支持する先端部３５が、柱状部３３から照明用光ファイバ１１の先端に向かって径方向の断面積が徐々に縮小する回転体形状を有することで、この先端部３５により照明用光ファイバ１１が勘合されている部分から照明用光ファイバ１１の先端が露出する部分にかけて断面積変化が徐々に小さくなっていく。
　これにより、振動伝達体２１から照明用光ファイバ１１に伝達される振動によって生じる応力が照明用光ファイバ１１の先端付近の一点に集中するのを防ぎ、急激な応力変化による照明用光ファイバ１１の破損を防止することができる。したがって、圧電素子２３において発生した振動を振動伝達体２１により照明用光ファイバ１１にスムーズに伝達して、照明用光ファイバ１１を安定して振動させることができる。
　また、振動伝達体２１の柱状部３３と先端部３５とを別体に形成することで、例えば、柱状部３３と先端部３５とを別材料で形成したり、これら柱状部３３の貫通孔３３ａと先端部３５の嵌合孔３５ｃとを容易に異なる大きさにしたりすることができる。
　また、本実施形態に係る照明装置３によれば、このような光ファイバスキャナ１０により、被写体の所望の位置を精度よく照明することができる。さらに、本実施形態に係る内視鏡装置１００によれば、光検出器５により検出された戻り光の強度信号に基づいて得られる被写体の所望の観察範囲の画像情報に基づき、正確な観察を実現することができる。
　本実施形態は以下のように変形することができる。
　本実施形態においては、振動伝達体として、柱状部３３と先端部３５とが別体に形成されている振動伝達体２１を例示して説明した。第１変形例としては、これに代えて、図６、図７Ａ，図７Ｂおよび図７Ｃに示すように、柱状部３３と先端部３５とが一体成型されてなる振動伝達体４１を採用することとしてもよい。
　このようにすることで、振動伝達体４１は、先端部３５と柱状部３３との加工精度のばらつきの影響によるガタ等が生じることがない。したがって、照明用光ファイバ１１に対して、圧電素子２３の振動を振動伝達体４１を介してよりスムーズに伝達することができる。
　第２変形例としては、振動伝達体として、例えば、図８に示すように、先端部３５と同一形状の後端部４５を有する振動伝達体４３を採用することとしてもよい。この場合、柱状部３３が、長手方向の両端に貫通孔３３ａの開口面積が半径方向外方に広がる段付き形状の開口部３３ｂを有し、各開口部３３ｂにより先端部３５および後端部４５を嵌合状態に保持することとすればよい。
　本変形例によれば、振動伝達体４３は、先端部３５および後端部４５のどちらを照明用光ファイバ１１の先端側に向けて配置しても利用することもできる。また、振動伝達体４３は微小な部品なので、製造時において振動伝達体４３の向きを考慮する必要がなく煩雑さを緩和することができる。また、柱状部３３と先端部３５および後端部４５とを別体に形成することで、これらを別材料で形成したり、柱状部３３の貫通孔３３ａと先端部３５および後端部４５の嵌合孔３５ｃとを容易に異なる大きさにしたりすることができる。
　本変形例においては、柱状部３３と先端部３５および後端部４５とが別体に形成されている振動伝達体４３を例示して説明した。第３変形例としては、これに代えて、図９に示すように、柱状部３３と先端部３５および後端部４５とが一体成型されてなる振動伝達体４７を採用することとしてもよい。
　このようにすることで、振動伝達体４７は、先端部３５および後端部４５の両方と柱状部３３との加工精度のばらつきの影響によるガタ等が生じることがない。したがって、照明用光ファイバ１１に対して、圧電素子２３の振動を振動伝達体４７を介してよりスムーズに伝達することができる。
　以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本発明を上記の一実施形態およびその変形例に適用したものに限定されることなく、これらの実施形態およびその変形例を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定されるものではない。
　１　　光源
　３　　照明装置
　５　　光検出器（光検出部）
　１０　　光ファイバスキャナ
　１１　　照明用光ファイバ（光ファイバ）
　１３　　集光レンズ
　１５　　外筒
　２１，４１，４３，４７　　振動伝達体
　２３　　圧電素子
　２５　　固定部（支持部）
　２５ａ　　嵌合孔
　３３　　柱状部
　３３ａ　　貫通孔
　３５　　先端部
　１００　　内視鏡装置（観察装置）

Claims (5)

  1. 　光を導光して先端から出射する光ファイバと、
    　該光ファイバの前記先端よりも基端側を嵌合して該光ファイバに振動を伝達可能な振動伝達体と、
    　該振動伝達体に固定され、前記光ファイバの径方向に分極し、該分極方向に交番電圧が印加されることにより前記振動伝達体を介して前記光ファイバを振動させる複数の圧電素子と、
    　前記振動伝達体における前記圧電素子に対して基端側に間隔をあけた位置を嵌合する嵌合孔を有し、該嵌合孔に嵌合させた前記振動伝達体を介して前記光ファイバを片持ち梁状に支持可能な支持部とを備え、
    　前記振動伝達体が、前記光ファイバを挿入可能な貫通孔を有し側面に前記複数の圧電素子が貼り付けられた弾性材料からなる中空の柱状部と、該柱状部の先端に配置されて前記光ファイバを嵌合状態に支持し、該光ファイバの先端に向かって径方向の断面積が徐々に縮小する回転体形状の先端部とを有する光ファイバスキャナ。
  2. 　前記先端部が前記柱状部に別体に形成されている請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
  3. 　前記先端部が前記柱状部と一体成型されてなる請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
  4. 　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と、
    　前記光ファイバにより導光する前記光を発生する光源と、
    　前記光ファイバから出射された光を集光する集光レンズと、
    　該集光レンズおよび前記光ファイバスキャナを保持する外筒とを備える照明装置。
  5. 　請求項４に記載の照明装置と、
    　該照明装置によって被写体に光が照射されることにより、該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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