JP2016009121A - 光走査用アクチュエータおよび光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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。
【選択図】図１

Description

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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