WO2018163316A1 - 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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piezoelectric element
optical fiber
radial direction
elastic member
piezoelectric
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靖明 葛西
卓志 安見
博士 鶴田
博一 横田
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オリンパス株式会社
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—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
    • 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 an optical fiber scanner, an illumination device, and an observation device.
  • An optical fiber that guides illumination light passes through a through hole formed in the center along the longitudinal direction of a regular quadrangular columnar or columnar elastic member (ferrule), and at equal intervals in the circumferential direction of the elastic member.
  • an optical fiber scanner having a structure in which flat piezoelectric elements are respectively embedded and fixed in four grooves formed along the longitudinal direction on four outer surfaces (see, for example, Patent Document 1).
  • This optical fiber scanner is configured to vibrate the optical fiber in one axial direction by a pair of piezoelectric elements arranged on both sides of the optical fiber in the radial direction, and arranged in directions orthogonal to each other.
  • the optical fiber is vibrated in two axial directions orthogonal to each other by the two pairs of piezoelectric elements.
  • the paired piezoelectric elements need to be positioned with high precision relative to each other. is there.
  • the groove formed in the elastic member needs to be processed with high precision so that the piezoelectric element can be fixed in the positioning state with high precision, and there is a disadvantage that the processing cost is high.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide an optical fiber scanner, an illumination device, and an observation device that can reduce the processing cost of an elastic member and can accurately drive an optical fiber. It is said.
  • One embodiment of the present invention includes an optical fiber that emits light guided from a base end side from a distal end portion, a columnar elastic member that has a through hole in the center thereof that penetrates the optical fiber in a longitudinal direction, and the light
  • a plate-like first piezoelectric element and a second piezoelectric element which are respectively fixed to both side surfaces of the elastic member sandwiching the fiber in the first radial direction, wherein the first piezoelectric element is a single piece along the plate thickness direction;
  • the light guided from the proximal end side by the optical fiber is emitted from the distal end portion, the voltage is applied to the first piezoelectric element and the second piezoelectric element, and the generated vibration is elastically generated.
  • the tip portion of the optical fiber can be displaced in a direction crossing the longitudinal direction, and the light emitted from the tip portion of the optical fiber can be scanned.
  • the first piezoelectric element is expanded and contracted in the longitudinal direction of the optical fiber by applying a voltage to the first piezoelectric element having a piezoelectric active region having a single polarization direction fixed to one side surface of the elastic member.
  • the tip of the optical fiber can be displaced in the first radial direction.
  • a voltage to a second piezoelectric element that includes two piezoelectric active regions that are fixed to the other side surface of the elastic member and have two polarization directions opposite to each other arranged in a second radial direction
  • the other piezoelectric active region can be contracted in the longitudinal direction of the optical fiber.
  • tip part of an optical fiber can be displaced to the 2nd radial direction orthogonal to the 1st radial direction.
  • the first piezoelectric element disposed on one side sandwiching the optical fiber in the first radial direction is displaced in the first radial direction by the first piezoelectric element, and the second piezoelectric element disposed on the other side is used. Since the tip of the optical fiber is displaced in the second radial direction, the tip of the optical fiber can be displaced two-dimensionally to an arbitrary position by a combination of both displacement amounts. The emitted light can be scanned two-dimensionally.
  • the first piezoelectric element and the second piezoelectric element sandwiching the optical fiber in the first radial direction do not drive the optical fiber in the same direction, there is no need to position both of them accurately, and the first piezoelectric element and It is not necessary to process the elastic member for fixing the second piezoelectric element with high accuracy. Thereby, the optical fiber can be driven with high accuracy while reducing the processing cost of the elastic member.
  • the overall cross-sectional shape including the optical fiber, the first piezoelectric element, the second piezoelectric element, and the elastic member may be square.
  • the first radial width dimension can be made smaller than the second radial width dimension, and when the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are vibrated at the same drive frequency, The vibrations in the radial direction and the second radial direction are difficult to be coupled, and the influence of the vibrations in both directions on each other can be suppressed.
  • the width dimension of a said 2nd piezoelectric element may be larger than the diameter of the said optical fiber.
  • the cross-sectional shape of the whole containing the said optical fiber, the said 1st piezoelectric element, the said 2nd piezoelectric element, and the said elastic member may be circular.
  • the second piezoelectric element may be configured by arranging two piezoelectric element pieces having polarization directions opposite to each other in the second radial direction. In this way, the second piezoelectric element can be configured by accurately positioning the two piezoelectric element pieces by merely bringing the two piezoelectric element pieces polarized in opposite directions into close contact with each other in the width direction. .
  • the first piezoelectric element may be configured by arranging two piezoelectric element pieces having the same polarization direction in the second radial direction. In this way, the first piezoelectric element can be configured by accurately positioning the two piezoelectric element pieces by simply bringing the two piezoelectric element pieces polarized in the same direction into close contact with each other.
  • the piezoelectric element pieces may have the same thickness dimension in the first radial direction and the same width dimension in the second radial direction.
  • the 1st piezoelectric element can be comprised only by inverting the front and back of two same piezoelectric element pieces, and making it mutually stick in the width direction, and can reduce the kind of parts.
  • the second piezoelectric element can also be configured simply by matching the front and back surfaces of two identical piezoelectric element pieces in close contact with each other in the width direction. In this case, a piezoelectric element piece common to the piezoelectric element pieces constituting the first piezoelectric element can be used, and the types of components can be further reduced.
  • the other aspect of this invention is an illuminating device provided with a light source and one of the said optical fiber scanners which scan the light from this light source.
  • Another aspect of the present invention is an observation apparatus including the illumination device and a light detection unit that detects return light from the subject when the subject is irradiated with light by the illumination device.
  • FIG. 1 is an overall view showing an observation system including an observation apparatus according to an embodiment of the present invention. It is a longitudinal cross-sectional view which shows the observation apparatus of FIG. It is a perspective view which shows the optical fiber scanner with which the observation apparatus of FIG. 1 is equipped.
  • FIG. 3 is a transverse sectional view including a first piezoelectric element, a second piezoelectric element, an elastic member, and an optical fiber of the optical fiber scanner of FIG. 2. It is a perspective view explaining the bending direction of the optical fiber by operation
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a first modification of the optical fiber scanner in FIG. 3. It is a cross-sectional view showing a second modification of the optical fiber scanner of FIG. It is a cross-sectional view showing a third modification of the optical fiber scanner of FIG.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a fourth modification of the optical fiber scanner in FIG. 3.
  • the optical scanning observation system 100 includes an observation device 1 according to the present embodiment, a control device 50 that controls the observation device 1, and a monitor 60.
  • the optical scanning observation system 100 is an observation system that scans illumination light on an observation target (subject) X along a spiral scanning locus to acquire an image of the observation target X.
  • the control device 50 includes a light source 5, a control unit 8, and an optical sensor 18, which will be described later.
  • the observation apparatus 1 includes a cylindrical apparatus body 2, an illumination apparatus 3 that irradiates illumination light, and illumination light that is irradiated onto the observation target X by the illumination apparatus 3. And a light detection unit 4 that receives return light (for example, reflected light, fluorescence) from the observation target X.
  • a cylindrical apparatus body 2 an illumination apparatus 3 that irradiates illumination light, and illumination light that is irradiated onto the observation target X by the illumination apparatus 3.
  • a light detection unit 4 that receives return light (for example, reflected light, fluorescence) from the observation target X.
  • the illumination device 3 is housed in the light source (for example, a laser diode) 5 that generates illumination light and the inside of the device main body 2 to two-dimensionally transmit the illumination light.
  • the optical fiber scanner 6 according to the present embodiment that performs scanning, a condensing lens 7 that condenses the illumination light scanned by the optical fiber scanner 6, and a control unit 8 that controls the optical fiber scanner 6 are provided. Yes.
  • the optical fiber scanner 6 is a square having an optical fiber 9 that guides illumination light from the light source 5 and a through hole 10 that penetrates the optical fiber 9.
  • An elastic member 11 made of a columnar elastic material, a first piezoelectric element 12 and a second piezoelectric element 13 fixed to both outer surfaces of the elastic member 11 sandwiching the optical fiber 9 in the first radial direction, and the elastic member 11 And a support portion 14 that supports the optical fiber 9 with respect to the apparatus main body 2 on the base end side.
  • the elastic member 11 is made of an elastic material such as a conductive metal, and constitutes a common ground by being grounded by a cable (not shown).
  • the elastic member 11 includes a through hole 10 that allows the optical fiber 9 to penetrate in the length direction, and has a rectangular cross-sectional shape.
  • the first piezoelectric element 12 is fixed to the outer surface of the elastic member 11 including one long side of the rectangle, and the second piezoelectric element 13 is fixed to the outer surface of the elastic member 11 including the other long side.
  • the width dimension of the first piezoelectric element 12 and the second piezoelectric element 13 is approximately the same as the length dimension of the long side of the elastic member 11, and the thickness dimension of the first piezoelectric element 12 and the second piezoelectric element 13 is
  • the elastic member 11 is roughly set to one half of the difference between the lengths of the long side and the short side. Thereby, the overall cross-sectional shape of the first piezoelectric element 12 and the second piezoelectric element 13 attached to the two opposing outer surfaces of the elastic member 11 is set to be substantially square.
  • the first piezoelectric element 12 includes a single piezoelectric active region A polarized in one direction along the thickness direction (plate thickness direction), as shown in FIG. It can be expanded and contracted in the length direction by an oscillating voltage applied between the electrodes 15a and 15b disposed on almost the entire surface in both directions. That is, as shown in FIG. 5, the tip end (tip portion) of the optical fiber 9 is obtained by expanding and contracting the first piezoelectric element 12 disposed on one side in the first radial direction of the optical fiber 9 in the length direction. 9a can be vibrated in the first radial direction.
  • the second piezoelectric element 13 is formed in a strip shape, and includes two piezoelectric active regions B and C divided in the width direction as shown in FIG.
  • the two piezoelectric active regions B and C also have a polarization direction along the thickness direction, but are polarized in opposite directions.
  • the width direction of the second piezoelectric element 13 coincides with a second radial direction orthogonal to the first radial direction.
  • two electrodes 16a and 16b divided in the width direction are arranged corresponding to the piezoelectric active regions B and C, respectively.
  • one piezoelectric active region B is extended in the length direction.
  • the other piezoelectric active region C can be contracted in the length direction. That is, by driving the second piezoelectric element 13 disposed on the other side in the first radial direction of the optical fiber 9, the tip 9a of the optical fiber 9 is moved in the second radial direction orthogonal to the first radial direction. It can be made to vibrate.
  • One electrode 15b, 16b of the first piezoelectric element 12 and the second piezoelectric element 13 is electrically connected to the elastic member 11. Therefore, as shown in FIG. 2, by applying the respective voltages to the electrodes 15a, 16a arranged radially outward of the first piezoelectric element 12 and the second piezoelectric element 13 by the cable, the first piezoelectric element 12 and the second piezoelectric element 13 can be driven.
  • the condensing lens 7 is fixed to the apparatus main body 2 on the tip side of the optical fiber scanner 6 and focuses the illumination light scanned by the optical fiber scanner 6 onto the observation target X.
  • the control unit 8 applies a voltage based on a predetermined scanning locus to each piezoelectric element via a cable so that the illumination light emitted from the tip 9a of the optical fiber 9 becomes a predetermined scanning locus input by an observer. 12 and 13 are applied.
  • the light detection unit 4 detects a detection optical fiber 17 that guides the return light from the observation target X to the proximal end side of the apparatus main body 2, and detects the intensity of the return light guided by the detection optical fiber 17.
  • an optical sensor 18 The detection optical fibers 17 are fixed to the outer peripheral surface of the apparatus main body 2 with their front ends facing forward, and a plurality of detection optical fibers 17 are arranged at equal intervals in the circumferential direction.
  • the optical sensor 18 detects the total intensity of the return light received by each detection optical fiber 17.
  • the tip of the apparatus main body 2 of the observation apparatus 1 is opposed to the observation object X, and the electrodes of the piezoelectric elements 12 and 13 are controlled by the control unit 8.
  • a voltage is applied to 15a and 16a.
  • the piezoelectric elements 12 and 13 vibrate in a manner corresponding to the applied voltage, and the tip 9a of the optical fiber 9 is displaced.
  • the illumination light from the light source 5 is incident on the optical fiber 9
  • the illumination light guided through the optical fiber 9 is emitted from the tip 9 a of the optical fiber 9 and condensed by the condenser lens 7.
  • the illumination light that has been converted into spot light can be scanned in the observation object X.
  • return light (reflected light or fluorescence) returning from the observation target X is received by each of the detection optical fibers 17 and detected by the optical sensor 18. Therefore, the image of the observation target X can be acquired by storing the scanning position and the intensity of the return light in association with each other.
  • the tip end 9 a of the optical fiber 9 is vibrated in the first radial direction by the first piezoelectric element 12, and the optical fiber 9 is driven by the second piezoelectric element 13.
  • the tip 9a is vibrated in the second radial direction. That is, since vibrations in directions orthogonal to each other are independently generated by the first piezoelectric element 12 and the second piezoelectric element 13, the first piezoelectric element 12 and the second piezoelectric element 12 that are disposed on both sides of the optical fiber 9 and the second piezoelectric element 12 are disposed. It is not necessary to jointly generate vibrations in the same direction by the piezoelectric element 13, and it is not necessary to position both with high accuracy.
  • the cross-sectional shape of the elastic member 11 is changed to the first diameter. It can be set as the rectangular shape from which a dimension differs in a direction and a 2nd radial direction. Accordingly, when the first piezoelectric element 12 and the second piezoelectric element 13 are vibrated at a predetermined driving frequency, vibrations in the long side direction (second radial direction) orthogonal to each other and the short side direction (first side) There is an advantage that the possibility of mutual influence of vibration in the radial direction) can be reduced.
  • the width dimension L in the second radial direction of the first piezoelectric element 12 and the second piezoelectric element 13 is substantially the same as the length dimension L of the long side of the cross-sectional shape of the elastic member 11. Therefore, the elastic member 11, the first piezoelectric element 12, and the second piezoelectric element 13 can be positioned accurately with each other only by overlapping and abutting against a plane. Thereby, there exists an advantage that an assembly operation can be made easy.
  • the elastic member 11 has the polarization direction reversed by reversing the front and back of the two second piezoelectric elements (piezoelectric element pieces) 19 having a width of approximately half the long side of the cross-sectional shape of the elastic member 11. 11 may be adhered to the surface.
  • reference numerals 20a and 20b denote electrodes.
  • the first piezoelectric element 12 is exemplified by a single member, but instead of this, as shown in FIG. 8, the width dimension of approximately half of the long side of the cross-sectional shape of the elastic member 11 is shown.
  • the two second piezoelectric elements 19 having the above may be bonded to the surface of the elastic member 11 with the polarization direction aligned. By doing so, it is only necessary to prepare two parts that are the same as those of the second piezoelectric element 19 polarized in a single direction for the first piezoelectric element 12. There is an advantage that it does not need to be increased.
  • the first piezoelectric element 12 and / or the second piezoelectric element 19 having the same shape are used in order to reduce the types of components. Instead, the first piezoelectric element 12 and / or the second piezoelectric element 19 shown in FIG. 9 are used. As described above, those having different width dimensions may be used. In this case, it is preferable to use one having a piezoelectric characteristic (d31 characteristic) in which the amount of displacement with respect to the applied voltage is equal even if the width dimension is different.
  • d31 characteristic piezoelectric characteristic
  • the thing whose length dimension L of the long side of the elastic member 11 and the width dimension L of the 1st piezoelectric element 12 and the 2nd piezoelectric element 13 are equal was illustrated, it replaces with this and differs. It may be adopted.
  • the case where the cross-sectional shape including the first piezoelectric element 12, the second piezoelectric element 13, the elastic member 11, and the optical fiber 9 is substantially square is illustrated, but instead of this, a rectangular or In the case of a circular shape, or as shown in FIG. 10, the elastic member 11 may have a circular cross section.
  • the width dimension of the second piezoelectric element 13 may be larger than the diameter of the optical fiber 9.
  • the piezoelectric element is brought close to the optical fiber 9 to reduce the diameter. If it does so, the piezoelectric elements positioned in the groove will come into contact with each other, and the reduction in diameter will be restricted.
  • the optical fiber scanner 6 of this embodiment even if the width dimension of the second piezoelectric element 13 is larger than the diameter of the optical fiber 9, the optical fiber 9 and the first piezoelectric element 12 are compared with the conventional structure.
  • the overall cross-sectional shape including the second piezoelectric element 13 and the elastic member 11 can be reduced to reduce the diameter.
  • the elastic member 11 is made of an elastic material such as a conductive metal. Instead, a conductive coating is applied to the surface of the non-conductive elastic material. You may use what provided. Further, in the present embodiment, as the optical fiber scanner 6, the support portion 14 and the elastic member 11 are illustrated separately, but instead, the support portion 14 and the elastic member 11 are integrally formed. May be used.

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Abstract

弾性部材の加工コストを低減し、光ファイバを精度よく駆動することを目的として、本発明に係る光ファイバスキャナ（６）は、基端側から導光されてきた光を先端部（９ａ）から射出させる光ファイバ（９）と、光ファイバ（９）を長手方向に貫通させる貫通孔（１０）を中央に有する柱状の弾性部材（１１）と、光ファイバ（９）を第１の径方向に挟んだ弾性部材（１１）の両側面にそれぞれ固定される板状の第１圧電素子（１２）および第２圧電素子（１３）とを備え、第１圧電素子（１２）が、板厚方向に沿う単一の分極方向を有する圧電活性領域を備え、第２圧電素子（１３）が、板厚方向に沿いかつ相互に逆方向の２つの分極方向を有する２つの圧電活性領域を第１の径方向に直交する第２の径方向に配列して備える。

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。
　正四角柱状または円柱状の弾性部材（フェルール）の長手方向に沿って中央に形成された貫通孔に、照明光を導光する光ファイバを貫通させるとともに、弾性部材の周方向に等間隔をあけた４箇所の外面に長手方向に沿って形成された４つの溝内に平板状の圧電素子をそれぞれ埋め込んで固定した構造の光ファイバスキャナが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
　この光ファイバスキャナは、光ファイバを径方向に挟んだ両側に配置されている２個一対の圧電素子によって、光ファイバを１軸方向に振動させるようになっており、相互に直交する方向に配置された２対の圧電素子によって光ファイバを相互に直交する２軸方向に振動させるようになっている。
特開２００４－３６４３９６号公報 特開２０１３－１１９１３３号公報
　しかしながら、光ファイバを径方向に挟んだ両側に配置されている一対の圧電素子によって光ファイバを同一方向に精度よく駆動するために、対となる圧電素子は相互に精度よく位置決めされている必要がある。このために、弾性部材に形成する溝は、圧電素子を精度よく位置決め状態に固定できるように精度よく加工されている必要があり、加工コストが高く付くという不都合がある。
　本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、弾性部材の加工コストを低減し、光ファイバを精度よく駆動することができる光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置を提供することを目的としている。
　本発明の一態様は、基端側から導光されてきた光を先端部から射出させる光ファイバと、該光ファイバを長手方向に貫通させる貫通孔を中央に有する柱状の弾性部材と、前記光ファイバを第１の径方向に挟んだ前記弾性部材の両側面にそれぞれ固定される板状の第１圧電素子および第２圧電素子とを備え、前記第１圧電素子が、板厚方向に沿う単一の分極方向を有する圧電活性領域を備え、前記第２圧電素子が、板厚方向に沿いかつ相互に逆方向の２つの分極方向を有する２つの圧電活性領域を前記第１の径方向に直交する第２の径方向に配列して備える光ファイバスキャナである。
　本態様によれば、光ファイバによって基端側から導光されてきた光を先端部から射出させるとともに、第１圧電素子および第２圧電素子に電圧を印加して振動させ、発生した振動を弾性部材を介して光ファイバに伝達することにより、光ファイバの先端部を長手方向に交差する方向に変位させて、光ファイバの先端部から射出された光を走査させることができる。
　この場合において、弾性部材の一側面に固定された単一の分極方向を有する圧電活性領域を備える第１圧電素子に電圧を印加することにより、第１圧電素子を光ファイバの長手方向に伸縮させ、これによって、光ファイバの先端部を第１の径方向に変位させることができる。
　また、弾性部材の他の側面に固定された相互に逆方向の２つの分極方向を有する２つの圧電活性領域を第２の径方向に配列して備える第２圧電素子に電圧を印加することにより、一方の圧電活性領域を光ファイバの長手方向に伸張させたときに他方の圧電活性領域を光ファイバの長手方向に収縮させることができる。これにより、光ファイバの先端部を第１の径方向に直交する第２の径方向に変位させることができる。
　すなわち、光ファイバを第１の径方向に挟んだ一側に配置された第１圧電素子により光ファイバの先端部を第１の径方向に変位させ、他側に配置された第２圧電素子により光ファイバの先端部を第２の径方向に変位させるので、両者の変位量の組合せにより、光ファイバの先端部を任意の位置に２次元的に変位させることができ、光ファイバの先端部から射出される光を２次元的に走査させることができる。
　そして、光ファイバを第１の径方向に挟んだ第１圧電素子と第２圧電素子とが同一方向に光ファイバを駆動しないので、両者の位置決めを精度よく行う必要がなく、第１圧電素子および第２圧電素子を固定する弾性部材を高精度に加工しなくて済む。これにより、弾性部材の加工コストを低減しながら、光ファイバを精度よく駆動することができる。
　上記態様においては、前記光ファイバ、前記第１圧電素子、前記第２圧電素子および前記弾性部材を含む全体の横断面形状が正方形であってもよい。
　このようにすることで、光ファイバを第１の径方向に挟んだ両側面に第１圧電素子および第２圧電素子を固定する弾性部材の横断面形状を長方形状にすることができる。すなわち、第１の径方向の幅寸法を第２の径方向の幅寸法より小さくすることができ、同一の駆動周波数で第１圧電素子と第２圧電素子とを振動させた場合に、第１の径方向と第２の径方向の振動が結合され難くして、両方向の振動が互いに及ぼす影響を抑制することができる。
　また、上記態様においては、前記第２圧電素子の幅寸法が前記光ファイバの直径よりも大きくてもよい。
　このようにすることで、上記条件下では、圧電素子を位置決めする溝が必要となる従来構造と比較して、光ファイバ、第１圧電素子、第２圧電素子および弾性部材を含む全体の横断面形状を小さくして細径化を図ることができる。
　また、上記態様においては、前記光ファイバ、前記第１圧電素子、前記第２圧電素子および前記弾性部材を含む全体の横断面形状が円形であってもよい。
　このようにすることで、弾性部材の横断面の外径寸法を最小限に抑えることができ、光ファイバスキャナの細径化を図ることができる。
　また、上記態様においては、前記第２圧電素子が、相互に逆方向の分極方向を有する２つの圧電素子片を前記第２の径方向に配列して構成されていてもよい。
　このようにすることで、逆方向に分極された２つの圧電素子片を相互に幅方向に密着させるだけで、２つの圧電素子片を精度よく位置決めして第２圧電素子を構成することができる。
　また、上記態様においては、前記第１圧電素子が、同一の分極方向を有する２つの圧電素子片を前記第２の径方向に配列して構成されていてもよい。
　このようにすることで、同一方向に分極された２つの圧電素子片を相互に密着させるだけで、２つの圧電素子片を精度よく位置決めして第１圧電素子を構成することができる。
　また、上記態様においては、前記圧電素子片が前記第１の径方向に同一の厚さ寸法を有するとともに、前記第２の径方向に同一の幅寸法を有していてもよい。
　このようにすることで、２つの同じ圧電素子片の表裏を反転して相互に幅方向に密着させるだけで、第１圧電素子を構成でき、部品の種類を削減することができる。また、第２圧電素子についても、２つの同じ圧電素子片の表裏を一致させて相互に幅方向に密着させるだけで、第２圧電素子を構成できる。この場合に、第１圧電素子を構成している圧電素子片と共通の圧電素子片を用いることができ、部品の種類をさらに削減することができる。
　また、本発明の他の態様は、光源と、該光源からの光を走査する上記いずれかの光ファイバスキャナとを備える照明装置である。
　また、本発明の他の態様は、上記照明装置と、該照明装置により被写体に光が照射されたときに、該被写体からの戻り光を検出する光検出部とを備える観察装置である。
　本発明によれば、弾性部材の加工コストを低減し、光ファイバを精度よく駆動することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る観察装置を備える観察システムを示す全体図である。 図１の観察装置を示す縦断面図である。 図１の観察装置に備えられる光ファイバスキャナを示す斜視図である。 図２の光ファイバスキャナの第１圧電素子、第２圧電素子、弾性部材および光ファイバを含む横断面図である。 図２の光ファイバスキャナの第１圧電素子の動作による光ファイバの湾曲方向を説明する斜視図である。 図２の光ファイバスキャナの第２圧電素子の動作による光ファイバの湾曲方向を説明する斜視図である。 図３の光ファイバスキャナの第１の変形例を示す横断面図である。 図３の光ファイバスキャナの第２の変形例を示す横断面図である。 図３の光ファイバスキャナの第３の変形例を示す横断面図である。 図３の光ファイバスキャナの第４の変形例を示す横断面図である。
　本発明の一実施形態に係る光ファイバスキャナ６、照明装置３および観察装置１を備える光走査型観察システム１００について図面を参照して以下に説明する。
　光走査型観察システム１００は、図１に示されるように、本実施形態に係る観察装置１と、観察装置１を制御する制御装置５０と、モニタ６０とを備えている。
　光走査型観察システム１００は、照明光を観察対象（被写体）Ｘ上でスパイラル状の走査軌跡に沿って走査し、観察対象Ｘの画像を取得する観察システムである。
　制御装置５０は、後述する光源５、制御部８および光センサ１８により構成されている。
　本実施形態に係る観察装置１は、図２に示されるように、円筒状の装置本体２と、照明光を照射する照明装置３と、該照明装置３により観察対象Ｘに照射された照明光の観察対象Ｘからの戻り光（例えば、反射光、蛍光）を受光する光検出部４とを備えている。
　本実施形態に係る照明装置３は、図２および図３に示されるように、照明光を発生する光源（例えば、レーザダイオード）５と、装置本体２の内部に収容されて照明光を２次元的に走査する本実施形態に係る光ファイバスキャナ６と、該光ファイバスキャナ６により走査された照明光を集光する集光レンズ７と、光ファイバスキャナ６を制御する制御部８とを備えている。
　本実施形態に係る光ファイバスキャナ６は、図２および図３に示されるように、光源５からの照明光を導光する光ファイバ９と、該光ファイバ９を貫通させる貫通孔１０を有する四角柱状の弾性材料からなる弾性部材１１と、光ファイバ９を第１の径方向に挟んだ弾性部材１１の両外面に固定された第１圧電素子１２および第２圧電素子１３と、弾性部材１１の基端側において装置本体２に対して光ファイバ９を支持する支持部１４とを備えている。
　弾性部材１１は導電性を有する金属等の弾性材料により構成され、図示しないケーブルによりアースに接地されることにより共通のグランドを構成している。弾性部材１１は、光ファイバ９を長さ方向に貫通させる貫通孔１０を備え、横断面形状が長方形に形成されている。長方形の一方の長辺を含む弾性部材１１の外面には第１圧電素子１２が固定され、他方の長辺を含む弾性部材１１の外面には第２圧電素子１３が固定されている。
　第１圧電素子１２および第２圧電素子１３の幅寸法は、弾性部材１１の長辺の長さ寸法と概略一致しており、第１圧電素子１２および第２圧電素子１３の厚さ寸法は、弾性部材１１の長辺と短辺の長さ寸法の差分の２分の１に概略設定されている。これにより、弾性部材１１の２つの対向する外面に第１圧電素子１２および第２圧電素子１３を取り付けた全体の横断面形状は略正方形に設定されている。
　第１圧電素子１２は、帯板状に形成され、図４に示されるように、厚さ方向（板厚方向）に沿う一方向に分極された単一の圧電活性領域Ａを備え、厚さ方向の両面のほぼ全面に配置される電極１５ａ，１５ｂ間に印加される振動的な電圧によって、長さ方向に伸縮させられるようになっている。
　すなわち、図５に示されるように、光ファイバ９の第１の径方向の一側に配置された第１圧電素子１２を長さ方向に伸縮させることにより、光ファイバ９の先端（先端部）９ａを第１の径方向に振動させることができるようになっている。
　第２圧電素子１３は、帯板状に形成され、図４に示されるように、幅方向に分割された２つの圧電活性領域Ｂ，Ｃを備えている。２つの圧電活性領域Ｂ，Ｃも厚さ方向に沿う分極方向を有するが、相互に逆方向に分極されている。第２圧電素子１３の幅方向は、第１の径方向に直交する第２の径方向に一致している。
　第２圧電素子１３の厚さ方向の両面には、それぞれ幅方向に分割された２枚の電極１６ａ，１６ｂが各圧電活性領域Ｂ，Ｃに対応して配置されている。厚さ方向の同じ面に配置された２枚の電極１６ａ，１６ｂには同一の電圧が印加されることによって、図６に示されるように、一方の圧電活性領域Ｂを長さ方向に伸張させたときには他方の圧電活性領域Ｃを長さ方向に収縮させることができるようになっている。
　すなわち、光ファイバ９の第１の径方向の他側に配置された第２圧電素子１３を駆動することにより、光ファイバ９の先端９ａを第１の径方向に直交する第２の径方向に振動させることができるようになっている。
　第１圧電素子１２および第２圧電素子１３の一方の電極１５ｂ，１６ｂは弾性部材１１に電気的に接続されている。したがって、図２に示されるように、第１圧電素子１２および第２圧電素子１３の径方向外方に配置されている電極１５ａ，１６ａにケーブルによって各電圧を印加することにより、第１圧電素子１２および第２圧電素子１３を駆動することができるようになっている。
　集光レンズ７は、光ファイバスキャナ６よりも先端側の装置本体２に固定され、光ファイバスキャナ６により走査された照明光を観察対象Ｘに集束させるようになっている。
　制御部８は、光ファイバ９の先端９ａから射出される照明光が観察者により入力された所定の走査軌跡となるように、所定の走査軌跡に基づいた電圧を、ケーブルを介して各圧電素子１２，１３に印加するようになっている。
　光検出部４は、観察対象Ｘからの戻り光を装置本体２の基端側に導光する検出用光ファイバ１７と、該検出用光ファイバ１７によって導光された戻り光の強度を検出する光センサ１８とを備えている。
　検出用光ファイバ１７は、先端を前方に向けて装置本体２の外周面に固定され、周方向に等間隔を空けて複数配列されている。
　光センサ１８は、各検出用光ファイバ１７によって受光された戻り光の合計強度を検出するようになっている。
　このように構成された本実施形態に係る光ファイバスキャナ６、照明装置３および観察装置１の作用について以下に説明する。
　本実施形態に係る観察装置１を用いて観察対象Ｘを観察するには、観察装置１の装置本体２の先端を観察対象Ｘに対向させて、制御部８によって各圧電素子１２，１３の電極１５ａ，１６ａに電圧を印加する。これにより、印加された電圧に対応する態様で圧電素子１２，１３が振動して、光ファイバ９の先端９ａが変位させられる。
　この状態で、光源５からの照明光を光ファイバ９に入射させると、光ファイバ９を介して導光されてきた照明光が光ファイバ９の先端９ａから射出され、集光レンズ７によって集光されてスポット光となった照明光を観察対象Ｘにおいて走査させることができる。そして、照明光が観察対象Ｘに照射されると、観察対象Ｘから戻る戻り光（反射光または蛍光）が各検出用光ファイバ１７によって受光され、光センサ１８によって検出される。したがって、走査位置と戻り光の強度とを対応づけて記憶することにより、観察対象Ｘの画像を取得することができる。
　この場合において、本実施形態に係る光ファイバスキャナ６によれば、第１圧電素子１２により光ファイバ９の先端９ａが第１の径方向に振動させられ、第２圧電素子１３によって光ファイバ９の先端９ａが第２の径方向に振動させられる。すなわち、相互に直交する方向の振動を第１圧電素子１２と第２圧電素子１３とによって独立して発生させるので、光ファイバ９を挟んだ両側に配置されている第１圧電素子１２および第２圧電素子１３によって同一方向の振動を共同して発生させる必要がなく、両者を精度よく位置決めする必要がない。
　その結果、第１圧電素子１２および第２圧電素子１３を固定する弾性部材１１を高精度に加工しなくて済み、これにより、弾性部材１１の加工コストを低減しながら、光ファイバ９を精度よく駆動することができるという利点がある。
　すなわち、第１圧電素子１２と第２圧電素子１３の位置決めがある程度ばらついても２つの圧電素子１２，１３によって相互に直交する２方向に独立して光ファイバ９の先端９ａを精度よく振動させることができる。
　また、第１圧電素子１２、第２圧電素子１３、弾性部材１１および光ファイバ９を含めた全体の横断面形状を略正方形状とすることにより、弾性部材１１の横断面形状を第１の径方向と第２の径方向とで寸法の異なる長方形状とすることができる。これにより、所定の駆動周波数で第１圧電素子１２および第２圧電素子１３を振動させた場合に、相互に直交する長辺方向（第２の径方向）の振動と、短辺方向（第１の径方向）の振動とが相互に影響を及ぼす可能性を低減することができるという利点がある。
　また、本実施形態においては、第１圧電素子１２および第２圧電素子１３の第２の径方向の幅寸法Ｌを弾性部材１１の横断面形状の長辺の長さ寸法Ｌとほぼ同一としているので、弾性部材１１と第１圧電素子１２および第２圧電素子１３を重ねて平面に突き当てるだけで、相互に精度よく位置決めすることができる。これにより、組立作業を容易にすることができるという利点がある。
　なお、本実施形態においては、第２圧電素子１３として、相互に逆方向に分極された２つの圧電活性領域Ｂ，Ｃを一体的に備えたものを例示したが、これに代えて、図７に示されるように、弾性部材１１の横断面形状の長辺の略半分の幅寸法を有する２つの第２圧電素子（圧電素子片）１９を裏表反転させることによって分極方向を反転させて弾性部材１１の表面に接着することにしてもよい。図中、符号２０ａ，２０ｂは電極である。
　このようにすることで、単一方向に分極された同じ形状の第２圧電素子１９を２つ用意すればよいので、部品コストを削減し、かつ、部品の種類を増やさずに済むという利点がある。
　さらに、第１圧電素子１２として、単一の部材からなるものを例示したが、これに代えて、図８に示されるように、弾性部材１１の横断面形状の長辺の略半分の幅寸法を有する２つの第２圧電素子１９を、分極方向を揃えて弾性部材１１の表面に接着することにしてもよい。このようにすることで、第１圧電素子１２についても、単一方向に分極された第２圧電素子１９と同じ部品を２つ用意すればよいので、部品コストを削減し、かつ、部品の種類を増やさずに済むという利点がある。
　また、図７および図８においては、部品の種類を削減するために、同一形状の第１圧電素子１２および／または第２圧電素子１９を用いたが、これに代えて、図９に示されるように、幅寸法の異なるものを使用してもよい。この場合、幅寸法が異なっても印加される電圧に対する変位量が同等となる圧電特性（ｄ３１特性）を有するものを使用することが好ましい。
　また、本実施形態においては、弾性部材１１の長辺の寸法Ｌと第１圧電素子１２および第２圧電素子１３の幅寸法Ｌとが等しいものを例示したが、これに代えて、異なるものを採用してもよい。
　さらに、本実施形態においては、第１圧電素子１２、第２圧電素子１３、弾性部材１１および光ファイバ９を含む横断面形状が略正方形となる場合を例示したが、これに代えて、長方形または円形になる場合や、図１０に示されるように、弾性部材１１の横断面形状が円形のものを採用してもよい。
　また、本実施形態においては、光ファイバスキャナ６は、第２圧電素子１３の幅寸法が光ファイバ９の直径よりも大きくてもよい。各圧電素子を位置決めする溝が弾性部材１１に必要となる従来の構造の場合、圧電素子の幅寸法が光ファイバ９の直径よりも大きいと、圧電素子を光ファイバ９に近接させて細径化させると溝に位置決めされた圧電素子どうしが接触してしまい、細径化が制限されてしまう。しかしながら、本実施形態の光ファイバスキャナ６においては、第２圧電素子１３の幅寸法が光ファイバ９の直径よりも大きくても、従来の構造と比較して、光ファイバ９、第１圧電素子１２、第２圧電素子１３および弾性部材１１を含む全体の横断面形状を小さくして細径化を図ることができる。
　また、本実施形態においては、弾性部材１１として、導電性を有する金属等の弾性材料により構成されているものを用いたが、これに代えて、非導電性の弾性材料の表面に導電性コートを設けたもの等を用いてもよい。
　また、本実施形態においては、光ファイバスキャナ６として、支持部１４と弾性部材１１とが別個のものを例示したが、これに代えて、支持部１４と弾性部材１１とが一体的に形成されたものを用いてもよい。
　１　観察装置
　３　照明装置
　４　光検出部
　５　光源
　６　光ファイバスキャナ
　９　光ファイバ
　９ａ　先端（先端部）
　１０　貫通孔
　１１　弾性部材
　１２　第１圧電素子（圧電素子片）
　１３，１９　第２圧電素子（圧電素子片）
　Ａ，Ｂ，Ｃ　圧電活性領域
　Ｘ　観察対象（被写体）

Claims (9)

  1. 　基端側から導光されてきた光を先端部から射出させる光ファイバと、
    　該光ファイバを長手方向に貫通させる貫通孔を中央に有する柱状の弾性部材と、
    　前記光ファイバを第１の径方向に挟んだ前記弾性部材の両側面にそれぞれ固定される板状の第１圧電素子および第２圧電素子とを備え、
    　前記第１圧電素子が、板厚方向に沿う単一の分極方向を有する圧電活性領域を備え、
    　前記第２圧電素子が、板厚方向に沿いかつ相互に逆方向の２つの分極方向を有する２つの圧電活性領域を前記第１の径方向に直交する第２の径方向に配列して備える光ファイバスキャナ。
  2. 　前記光ファイバ、前記第１圧電素子、前記第２圧電素子および前記弾性部材を含む全体の横断面形状が正方形である請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
  3. 　前記第２圧電素子の幅寸法が前記光ファイバの直径よりも大きい請求項２に記載の光ファイバスキャナ。
  4. 　前記光ファイバ、前記第１圧電素子、前記第２圧電素子および前記弾性部材を含む全体の横断面形状が円形である請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
  5. 　前記第２圧電素子が、相互に逆方向の分極方向を有する２つの圧電素子片を前記第２の径方向に配列して構成されている請求項１から請求項４のいずれかに記載の光ファイバスキャナ。
  6. 　前記第１圧電素子が、同一の分極方向を有する２つの圧電素子片を前記第２の径方向に配列して構成されている請求項５に記載の光ファイバスキャナ。
  7. 　前記圧電素子片が前記第１の径方向に同一の厚さ寸法を有するとともに、前記第２の径方向に同一の幅寸法を有する請求項５または請求項６に記載の光ファイバスキャナ。
  8. 　光源と、
    　該光源からの光を走査する請求項１から請求項７のいずれかに記載の光ファイバスキャナとを備える照明装置。
  9. 　請求項８に記載の照明装置と、
    　該照明装置により被写体に光が照射されたときに、該被写体からの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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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014036779A (ja) * 2012-08-20 2014-02-27 Hoya Corp 光走査型内視鏡装置
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