JP6253491B2 - スキャナユニット、光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、スキャナユニット、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、光ファイバを片持ち梁状に保持する四角筒状の弾性部と、該弾性部の４つの外側面に設けられたアクチュエータとを備える光ファイバスキャナが知られている（例えば、特許文献１参照。）。アクチュエータは、厚さ方向に分極処理が施された板状の圧電素子からなり、圧電素子のおもて面が＋極、裏面が−極となっている。おもて面および裏面を介して圧電素子に厚さ方向の交番電圧が印加されると、圧電素子が光ファイバの長手方向に伸縮振動することによって弾性部および光ファイバに屈曲振動が励起される。これにより、自由端である光ファイバの先端を所定の軌跡に沿って振動させ、当該先端から射出される光を走査することができる。

特開２０１３−２４４０４５号公報

しかしながら、特許文献１の光ファイバスキャナにおいては、圧電素子のおもて面と裏面とを外見からでは区別することができない。したがって、光ファイバスキャナの組み立て時に、おもて裏の向きを間違って圧電素子を弾性部の外側面に貼り付けてしまい、弾性部および光ファイバを屈曲振動させることができなくなる可能性がある。また、弾性部の外側面における圧電素子の貼り付け位置にばらつきが生じることにより、光ファイバに励起される振動状態が光ファイバスキャナ毎に異なり、光の走査性能に個体差が生じてしまうという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、常に性能の安定した光ファイバスキャナを製造することができるスキャナユニット、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する。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、その外側面に所定の貼付領域が設定されるとともに該所定の貼付領域の外側に第１のマークが設けられた筒状の弾性部と、該弾性部の前記所定の貼付領域に貼り付けられ、前記弾性部に長さ方向に交差する方向の屈曲振動を励起する圧電素子とを備え、該圧電素子が、互いに対向する２つの電極面を有し、該２つの電極面の対向方向に分極した圧電体と、該圧電体の前記２つの電極面の各々に設けられた互いに異なる第２のマークとを備え、前記２つの電極面のうちの一方に設けられた第２のマークは、前記２つの電極面のうちの他方が前記外側面と接するように前記圧電体が前記外側面の所定の貼付領域に貼り付けられたときに、該貼付領域の外側に設けられた第１のマークと適合する形を有しているスキャナユニットを提供する。

本発明によれば、圧電体の電極面間に交番電圧を印加すると、圧電体が、分極方向に交差する方向、すなわち弾性部の長さ方向に伸縮振動することにより、弾性部に屈曲振動が励起される。この屈曲振動が、弾性部の内部に挿入された光ファイバに伝達されることによって、光ファイバの先端を振動させ、該先端から射出される光を走査することができる。
この場合に、２つの電極面には互いに異なる第２のマークが設けられているので、各電極面の極性を識別し、圧電体を適切な向きで弾性部の外側面に貼り付けることができる。

さらに、一方の電極面が弾性部の外側面に接するようにして圧電体を当該外側面に貼り付ける際に、外側に配置される他方の電極面に設けられた第２のマークが外側面に設けられた第１のマークと適合するように圧電体を位置決めすることによって、圧電体が外側面の所定の貼付領域に正確に位置合わせされる。これにより、圧電体の駆動によって弾性部および光ファイバに励起される屈曲振動は個体差が生じることなく一定となるので、常に性能の安定した光ファイバスキャナを製造することができる。

上記発明においては、前記２つの電極面に設けられた第２のマークが、互いに異なる色および／または形を有していてもよい。
このようにすることで、第２のマークの色および／または形に基づいて圧電体の各電極面の極性を容易に識別することができる。

また、上記発明においては、前記第２のマークが、互いに交差する方向に延びる２本の直線からなっていていてもよい。例えば、前記２つの電極面が、長方形であり、前記２本の直線が、前記電極面の長さ方向および幅方向にそれぞれ平行であってもよい。あるいは、前記２つの電極面が、長方形であり、前記２本の直線が、前記電極面の角同士を結ぶ対角線であってもよい。
このようにすることで、単純な形の第２のマークでありながら２軸方向の圧電体の位置合わせ精度を向上することができる。

また、上記発明においては、前記２本の直線の末端の各々が、前記電極面の辺に接していることが好ましい。
このようにすることで、弾性部の第１のマークに対する圧電体の第２のマークの位置合わせ精度をさらに向上することができる。

また、本発明は、上記のスキャナユニットと、前記弾性部の内部に長手方向に挿入される光ファイバとを備える光ファイバスキャナを提供する。
また、本発明は、上記の光ファイバスキャナと、該光ファイバスキャナの基端側に配置され、前記光ファイバに照明光を供給する光源と、前記光ファイバスキャナの先端側に配置され、前記光ファイバの先端から射出される光を被写体に集光する照明レンズと、前記光ファイバスキャナおよび前記照明レンズを収容する細長い外筒とを備える照明装置を提供する。
また、本発明は、上記の照明装置と、該照明装置によって光が被写体に照射されることにより前記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を提供する。

本発明によれば、常に性能の安定した光ファイバスキャナを製造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スキャナユニットの（ａ）斜視図および（ｂ）長さ方向に見た正面図である。 図１のスキャナユニットの分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る観察装置の全体構成を示す図である。 マークの変形例を示す圧電素子の平面図である。 マークのもう１つの変形例を示す圧電素子の平面図である。 マークのもう１つの変形例を示す圧電素子の平面図である。 マークのもう１つの変形例を示す圧電素子の平面図である。 マークのもう１つの変形例を示す圧電素子の平面図である。 圧電素子に設けられるマークと弾性部に設けられるマークとの組み合わせを説明する図表である。

以下に、本発明の一実施形態に係る圧電素子１とこれを備えるスキャナユニット１０について図面を参照して説明する。
本実施形態に係るスキャナユニット１０は、図１（ａ），（ｂ）に示されるように、圧電素子１と、該圧電素子１が貼り付けられる弾性部２とを備えている。

圧電素子１は、矩形の板状部材からなる圧電体３と、該圧電体３の外表面に設けられたマーク（第２のマーク）４，５とを備えている。
圧電体３は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミックス材料から形成されており、互いに直交する長さ方向Ｌと幅方向Ｗと厚さ方向Ｔとを有している。圧電体３は、厚さ方向Ｔに対向するおもて面３ａと裏面３ｂとを有し、おもて面（電極面）３ａが＋極、裏面（電極面）３ｂが−極となるように分極処理が施されることによって、矢印Ｐで示されるように、厚さ方向Ｔに分極している。

おもて面３ａには、長さ方向Ｌに平行な直線（以下、縦線ともいう。）４ａと、幅方向Ｗに平行な直線（以下、横線ともいう。）４ｂとからなり、第１の色を有するマーク４が設けられている。縦線４ａは、おもて面３ａの、長さ方向Ｌに対向する２本の辺同士を接続し、横線４ｂは、おもて面３ａの、幅方向Ｗに対向する２本の辺同士を接続している。

裏面３ｂには、長さ方向Ｌに平行な直線（以下、縦線ともいう。）５ａと、幅方向Ｗに平行な直線（以下、横線ともいう。）５ｂとからなり、第１の色とは異なる第２の色を有するマーク５が設けられている。縦線５ａは、裏面３ｂの、長さ方向Ｌに対向する２本の辺同士を接続し、横線５ｂは、裏面３ｂの、幅方向Ｗに対向する２本の辺同士を接続している。

弾性部２は、導電性および弾性を有する金属、例えばニッケルや銅等からなる四角筒状の部材であり、互いに直交する長さ方向Ｌ’と幅方向Ｗ’と高さ方向Ｈ’とを有している。弾性部２は、先端面から基端面まで長さ方向Ｌ’の中心軸に沿って形成され、光ファイバが挿入される貫通孔２ａを有している。

弾性部２が有する４つの外側面には、長さ方向Ｌ’に平行な直線（以下、縦線ともいう。）６ａ，７ａと、幅方向Ｗ’または高さ方向Ｈ’に平行な直線（以下、横線ともいう。）６ｂ，７ｂとからなるマーク（第１のマーク）６，７が設けられている。縦線６ａ，７ａは、外側面の長さ方向Ｌ’に対向する２本の辺同士を接続し、横線６ｂ，７ｂは、幅方向Ｗ’または高さ方向Ｈ’に対向する２本の辺同士を接続している。

また、互いに対向する２つの外側面のうち、一方にはおもて面３ａのマーク４と同じ第１の色のマーク６が設けられ、他方には裏面３ｂのマーク５と同じ第２の色のマーク７が設けられている。同様に、残りの２つの外側面のうち、一方にはおもて面３ａのマーク４と同じ第１の色のマーク６が設けられ、他方には裏面３ｂのマーク５と同じ第２の色のマーク７が設けられている。

圧電素子１は、図２に示されるように、弾性部２の各外側面に設定された所定の貼付領域Ｒに貼り付けられている。所定の貼付領域Ｒとは、該所定の貼付領域Ｒに貼り付けられた圧電素子１に後述するように交番電圧を印加したときに、圧電素子１の長さ方向Ｌの伸縮振動によって弾性部２に屈曲振動を励起することができる領域である。

ここで、各外側面をその正面から見たときに、その外側面上のマーク６，７の色と、その外側面上の圧電素子１のマーク４，５の色とが同一となるように、圧電素子１は弾性部２の各外側面に貼り付けられている。さらに、各外側面をその正面から見たときに、縦線４ａ，６ａ同士および横線４ｂ，６ｂ同士が一直線となるように、または、縦線５ａ，７ａ同士および横線５ｂ，７ｂ同士が一直線となるように、各マーク４，５，６，７の位置は設計されている。

次に、このように構成されたスキャナユニット１０の組み立て方法について説明する。
本実施形態に係るスキャナユニット１０を組み立てるには、弾性部２の４つの外側面のうち、互いに対向する２つの外側面に１枚ずつ圧電素子１を導電性接着剤を用いて貼り付ける。
具体的には、第１の色のマーク６が設けられている一方の外側面に対しては、第２の色のマーク５が設けられている裏面３ｂが当該外側面と接するように、圧電素子１を貼り付ける。このときに、縦線４ａ，６ａ同士および横線４ｂ，６ｂ同士が一直線になるように、圧電素子１の、当該外側面に対する長さ方向Ｌ’および幅方向Ｗ’の位置と角度とを調整する。

また、第２の色のマーク７が設けられている他方の外側面に対しては、第１の色のマーク４が設けられているおもて面３ａが当該外側面と接するように、圧電素子１を貼り付ける。このときに、縦線５ａ，７ａ同士および横線５ｂ，７ｂ同士が一直線になるように、圧電素子１の、当該外側面に対する長さ方向Ｌ’および高さ方向Ｈ’の位置と角度とを調整する。

以上の手順により、図１（ｂ）に示されるように、弾性部２の互いに対向する外側面に設けられた圧電素子１の分極方向Ｐが同一となるように、圧電素子１は弾性部２に貼り付けられる。
同様の要領で、弾性部２の残りの２つの外側面にも１枚ずつ圧電素子１を貼り付けることにより、スキャナユニット１０を完成することができる。

このように、本実施形態によれば、圧電素子１の各面３ａ，３ｂに設けられたマーク４，５の色と、弾性部２の各外側面に設けられたマーク６，７の色とに基づいて、圧電素子１を、おもて裏を間違えることなく各外側面に貼り付けることができる。また、圧電素子１の各面３ａ，３ｂに設けられた縦線４ａ，５ａおよび横線４ｂ，５ｂと、弾性部２の各外側面に設けられた縦線６ａ，７ａおよび横線６ｂ，７ｂとに基づいて、外側面上の圧電素子１の位置を所定の貼付領域Ｒに一意に特定し、圧電素子１を貼付領域Ｒに正確に位置合わせして貼り付けることができる。これにより、組み立て誤差を生じることなくスキャナユニット１０を組み立てることができるので、常に一定の弾性部２の振動性能を有するスキャナユニット１０を得ることができるという利点がある。

次に、本発明の一実施形態に係る光ファイバスキャナ２０、照明装置３０および観察装置４０について説明する。なお、以下の説明においては、弾性部２の高さ方向Ｈ’をＸ方向、幅方向Ｗ’をＹ方向、長さ方向Ｌ’をＺ方向と定義している。
本実施形態に係る観察装置４０は、図３に示されるように、被写体Ｘの表面に照明光Ｌを照射する照明装置３０と、被写体Ｘからの照明光Ｌの戻り光Ｌ’を検出するための検出用光ファイバ３１および光検出器（光検出部）３２とを備えている。

照明装置３０は、光ファイバスキャナ２０と、該光ファイバスキャナ２０の先端側に配置された照明レンズ２１と、光ファイバスキャナ２０および照明レンズ２１を収容する細長い円筒状の外筒２２と、光源２３とを備えている。
光ファイバスキャナ２０は、スキャナユニット１０と、光ファイバ１１と、固定部１２とを備えている。

光ファイバ１１は、ガラス材料からなる細長い丸棒状である。光ファイバ１１は、その先端部分を突出させて弾性部２の貫通孔２ａ内に挿入され、貫通孔２ａの内周面と光ファイバ１１の外側面とは互いに固定されている。以下、光ファイバ１１の、弾性部２から先端側に突出している部分を光走査部１１ａという。
固定部１２は、ステンレス等の金属材料から形成された円筒状の部材である。固定部１２の内周面は、弾性部２の基端部分の外側面に固定され、固定部１２の外側面は、外筒２２の内周面に固定さえている。

Ｘ方向に互いに対向する２つの圧電素子１にはＡ相用のリード線１３Ａが、Ｙ方向に互いに対向する残りの２つの圧電素子１にはＢ相用のリード線１３Ｂが、それぞれ半田または導電性接着剤によって接合されている。固定部１２には、ＧＮＤリード線１４が半田または導電性接着剤によって接合され、固定部１２が、４枚の圧電素子１の共通のＧＮＤとして機能するようになっている。

照明レンズ２１は、その後側焦点位置が光ファイバ１１の先端１１ｂと略一致するように配置され、光ファイバ１１の先端１１ｂから射出された照明光Ｌを被写体Ｘに集光させる。
光源２３は、外筒２２の基端側において光ファイバ１１の基端に接続されており、光ファイバ１１の基端に照明光Ｌを供給する。
検出用光ファイバ３１は、外筒２２内において、光ファイバスキャナ２０の外側に周方向に配列して複数設けられ、その先端面が外筒２２の先端面に配置されている。
光検出器３２は、外筒２２の基端側に配置されており、検用出光ファイバ３１の基端に接続されている。

次に、このように構成された光ファイバスキャナ２０、照明装置３０および観察装置４０の作用について説明する。
本実施形態に係る観察装置４０を用いて被写体Ｘを観察するには、光源２３から光ファイバ１１に照明光Ｌを供給するとともに、圧電素子１にリード線１３Ａ，１３Ｂを介して交番電圧を印加することによって光ファイバ１１の先端１１ｂを振動させる。

具体的には、光走査部１１ａの屈曲共振振動周波数と対応する周波数を有するＡ相の交番電圧を、リード線１３Ａを介して圧電素子１に印加する。これにより、圧電素子１が、分極方向Ｐに直交するＺ方向に伸縮振動する。このときに、２枚の圧電素子１のうち、一方がＺ方向に縮み、他方がＺ方向に伸びることにより、弾性部２にＸ方向の屈曲振動が励起される。そして、弾性部２の屈曲振動が光ファイバ１１に伝達されることにより、光走査部１１ａがＸ方向に屈曲振動し、先端１１ｂから射出される光がＸ方向に直線的に走査される。

同様に、光走査部１１ａの屈曲共振振動周波数と対応する周波数を有するＢ相の交番電圧を、リード線１３Ｂを介して圧電素子１に印加する。これにより、圧電素子１が、分極方向Ｐに直交するＺ方向に伸縮振動する。このときに、２枚の圧電素子１のうち、一方がＺ方向に縮み、他方がＺ方向に伸びることにより、弾性部２にＹ方向の屈曲振動が励起される。そして、弾性部２の屈曲振動が光ファイバ１１に伝達されることにより、光走査部１１ａがＹ方向に屈曲振動し、先端１１ｂから射出される光がＸ方向に直線的に走査される。

ここで、Ａ相の交番電圧の位相とＢ相の交番電圧の位相とを互いにπ／２ずらし、かつ、Ａ相の交番電圧およびＢ相の交番電圧の振幅を正弦波状に変化させることによって、光ファイバ１１の先端１１ｂがスパイラル状の軌跡に沿って振動し、照明光Ｌが被写体Ｘ上においてスパイラル状の軌跡に沿って２次元的に走査される。被写体Ｘからの照明光Ｌの戻り光Ｌ’は、複数本の検出用光ファイバ３１によって受光され、その強度が光検出器３２によって検出される。観察装置４０は、照明光Ｌの走査周期と同期して光検出器３２によって戻り光Ｌ’を検出し、検出された戻り光Ｌ’の強度を照明光Ｌの走査位置と対応付けることにより、被写体Ｘの画像を生成する。

この場合に、本実施形態によれば、一定の弾性部２の振動性能を有するスキャナユニット１０を備えているので、弾性部２の屈曲振動によって励起される光走査部１１ａの屈曲共振振動も一定となり、光ファイバスキャナ２０毎に照明光Ｌの走査性能に差が生じることがない。これにより、同じ走査性能を有する光ファイバスキャナ２０、照明装置３０および観察装置４０を製造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、圧電素子１のおもて面３ａのマーク４と裏面３ｂのマーク５とが、互いに同一の形を有するとともに互いに異なる色を有することとしたが、これに代えて、おもて面３ａのマーク４と裏面３ｂのマーク５とが、互いに異なる形を有していてもよい。この場合、両方のマーク４，５の色は、互いに同一であってもよく、互いに異なっていてもよい。このようにしても、マーク４，５の形に基づいて、圧電素子１の各面３ａ，３ｂの極性を識別することができる。

図４から図８は、マーク４，５の形の変形例を示している。マーク４，５は、図４に示されるように、各面３ａ，３ｂの角同士を結ぶ２本の対角線から構成されていてもよい。また、各マーク４，５の２本の線は、図５および図６に示されるように、途中部分が切除されて不連続になっていてもよい。また、各マーク４，５の２本の線の各末端は、おもて面３ａまたは裏面３ｂの４つの辺にそれぞれ接していることが好ましいが、図７および図８に示されるように、各線の末端が辺から離れて位置していていもよい。

圧電素子１のマーク４，５の形に応じて、弾性部２のマーク６，７の形も適宜変更される。図９は、圧電素子１のマーク４，５と弾性部２のマーク６，７との組み合わせの例を示している。図９において、丸印が設けられている組み合わせは、利用可能な組み合わせを示している。弾性部２のマーク６，７も、図４から図８に示した圧電素子１のマーク４，５と同様の変形が可能である。このように、圧電素子１のマーク４，５と弾性部２のマーク６，７とは、圧電素子１が弾性部２の外側面の所定の貼付領域Ｒに配置されたときに、互いに適合する形、好ましくは、少なくとも２方向に互いに連続する形を有していればよい。

１ 圧電素子
２ 弾性部
２ａ 貫通孔
３ 圧電体
３ａ おもて面（電極面）
３ｂ 裏面（電極面）
４，５ マーク（第２のマーク）
４ａ，５ａ 縦線
４ｂ，５ｂ 横線
６，７ マーク（第１のマーク）
１０ スキャナユニット
１１ 光ファイバ
１１ａ 光走査部
１２ 固定部
１３Ａ，１３Ｂ リード線
１４ ＧＮＤリード線
２０ 光ファイバスキャナ
２１ 照明レンズ
２２ 外筒
２３ 光源
３０ 照明装置
３１ 検出用光ファイバ
３２ 光検出器
４０ 観察装置
Ｌ 照明光
Ｌ’ 戻り光
Ｘ 被写体

Claims (10)

1. その外側面に所定の貼付領域が設定されるとともに該所定の貼付領域の外側に第１のマークが設けられた筒状の弾性部と、
   該弾性部の前記所定の貼付領域に貼り付けられ、前記弾性部に長さ方向に交差する方向の屈曲振動を励起する圧電素子とを備え、
   該圧電素子が、
   互いに対向する２つの電極面を有し、該２つの電極面の対向方向に分極した圧電体と、
   該圧電体の前記２つの電極面の各々に設けられた互いに異なる第２のマークとを備え、
   前記２つの電極面のうちの一方に設けられた第２のマークは、前記２つの電極面のうちの他方が前記外側面と接するように前記圧電体が前記外側面の所定の貼付領域に貼り付けられたときに、該貼付領域の外側に設けられた第１のマークと適合する形を有しているスキャナユニット。
2. 前記２つの電極面に設けられた第２のマークが、互いに異なる色を有する請求項１に記載のスキャナユニット。
3. 前記２つの電極面に設けられた第２のマークが、互いに異なる形を有する請求項１または請求項２に記載のスキャナユニット。
4. 前記第２のマークが、互いに交差する方向に延びる２本の直線からなる請求項１から請求項３のいずれかに記載のスキャナユニット。
5. 前記２つの電極面が、長方形であり、
   前記２本の直線が、前記電極面の長さ方向および幅方向にそれぞれ平行である請求項４に記載のスキャナユニット。
6. 前記２つの電極面が、長方形であり、
   前記２本の直線が、前記電極面の角同士を結ぶ対角線である請求項４に記載のスキャナユニット。
7. 前記２本の直線の末端の各々が、前記電極面の辺に接している請求項４から請求項６のいずれかに記載のスキャナユニット。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載のスキャナユニットと、
   前記弾性部の内部に長手方向に挿入される光ファイバとを備える光ファイバスキャナ。
9. 請求項８に記載の光ファイバスキャナと、
   該光ファイバスキャナの基端側に配置され、前記光ファイバに照明光を供給する光源と、
   前記光ファイバスキャナの先端側に配置され、前記光ファイバの先端から射出される光を被写体に集光する照明レンズと、
   前記光ファイバスキャナおよび前記照明レンズを収容する細長い外筒とを備える照明装置。
10. 請求項９に記載の照明装置と、
    該照明装置によって光が被写体に照射されることにより前記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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