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WO2018092302A1 - 光走査装置および光走査装置の組立調整方法 - Google Patents

光走査装置および光走査装置の組立調整方法 Download PDF

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Publication number
WO2018092302A1
WO2018092302A1 PCT/JP2016/084423 JP2016084423W WO2018092302A1 WO 2018092302 A1 WO2018092302 A1 WO 2018092302A1 JP 2016084423 W JP2016084423 W JP 2016084423W WO 2018092302 A1 WO2018092302 A1 WO 2018092302A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical fiber
resonance frequency
frequency
tip
scanning device
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/084423
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
藤原　真人
Original Assignee
オリンパス株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by オリンパス株式会社 filed Critical オリンパス株式会社
Priority to JP2018550995A priority Critical patent/JPWO2018092302A1/ja
Priority to PCT/JP2016/084423 priority patent/WO2018092302A1/ja
Publication of WO2018092302A1 publication Critical patent/WO2018092302A1/ja
Priority to US16/373,721 priority patent/US20190227303A1/en

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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B23/00—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
    • G02B23/24—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes
    • G02B23/26—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes using light guides
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/103—Scanning systems having movable or deformable optical fibres, light guides or waveguides as scanning elements
    • 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
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
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    • G—PHYSICS
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    • G02B23/00—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
    • G02B23/24—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes
    • G02B23/2407—Optical details
    • G02B23/2461—Illumination
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    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/101—Scanning systems with both horizontal and vertical deflecting means, e.g. raster or XY scanners

Definitions

  • the present invention relates to an optical scanning device and an assembly adjustment method for the optical scanning device.
  • an endoscope including an optical scanning device that scans illumination light on a subject by emitting illumination light from the tip of a vibrating optical fiber toward the subject is known (for example, see Patent Document 1). ).
  • a method of vibrating the tip of the optical fiber by vibration generated by a piezoelectric element is used.
  • the method of increasing the input energy is not suitable particularly for a thin endoscope for medical use. That is, there is a voltage range suitable for use in an endoscope for medical use.
  • there is an upper limit to the voltage that can be applied to the piezoelectric element and when a voltage exceeding the upper limit is applied to the piezoelectric element, the piezoelectric element does not vibrate normally.
  • the larger the piezoelectric element the greater the generated driving force.
  • only a small piezoelectric element can be incorporated into a thin endoscope.
  • the vibration of the tip of the optical fiber becomes unstable and the distortion of the vibration trajectory increases as the drive frequency approaches the resonance frequency. It becomes difficult to scan along the trajectory. Therefore, it is necessary to separate the drive frequency from the resonance frequency to some extent, and it is difficult to effectively increase the amplitude of the optical fiber only by adjusting the drive frequency.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides an optical scanning device and an optical scanning device assembly adjustment method that can effectively increase the vibration amplitude of an optical fiber without increasing input energy.
  • the purpose is to provide.
  • the first aspect of the present invention is an n-order resonance frequency F of an oscillating body including an optical fiber that emits illumination light from a tip portion toward a subject, and the tip portion and a member that vibrates integrally with the tip portion.
  • a drive unit that generates a drive force that vibrates the tip of the optical fiber in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the optical fiber by applying an alternating signal having a drive frequency near n ;
  • the difference between the n- th order resonance frequency F n of the vibrating body and the n ⁇ 1 order resonance frequency F n ⁇ 1 adjacent thereto satisfies the following expression (1).
  • the vibrating body including the tip of the optical fiber vibrates, and the illumination light emitted from the tip of the optical fiber is Scanning is performed in a plane perpendicular to the optical axis of the illumination light.
  • a large amplitude can be obtained by the resonance effect by vibrating the vibrating body at a frequency near the n-th resonance frequency.
  • the amplitude when the vibrating body is vibrated near the n-th resonance frequency depends on the difference
  • Conditional expression (1) defines a range in which the effect of increasing the amplitude can be obtained by bringing the n ⁇ 1st resonance frequency close to the nth resonance frequency.
  • is determined by the structure of the vibrating body.
  • a difference between the n- th order resonance frequency F n and the n ⁇ 1 order resonance frequency F n ⁇ 1 is 3 kHz or less.
  • the driving frequency is a frequency in the vicinity of a third-order resonance frequency or less of the vibrating body (that is, n ⁇ 3 in the conditional expression (1)).
  • a third-order resonance frequency or less of the vibrating body that is, n ⁇ 3 in the conditional expression (1).
  • the nth-order resonance frequency F of an oscillating body including an optical fiber that emits illumination light from a tip portion toward a subject, and the tip portion and a member that vibrates integrally with the tip portion.
  • a light that includes a driving unit that generates a driving force to vibrate the tip of the optical fiber in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the optical fiber by applying an alternating signal having a driving frequency near n.
  • F n ⁇ 1 -F n
  • the structural parameter adjusted in the assembly step may be at least one of the length of the tip portion of the optical fiber and the length of the ferrule that supports the tip portion. .
  • the structural parameter adjusted in the assembly step may be at least one of the length of the tip portion of the optical fiber and the length of the ferrule that supports the tip portion.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of an optical scanning endoscope system according to an embodiment of the present invention. It is a longitudinal cross-sectional view of the front-end
  • an optical scanning endoscope system 100 includes an endoscope 20 having an elongated insertion portion 20a, a laser light source 30 connected to the endoscope 20, and light detection. And a display 60 connected to the drive control unit 50.
  • the optical scanning endoscope system 100 obtains an image of the subject S by scanning the illumination light emitted from the distal end of the insertion portion 20a of the endoscope 20 along the spiral scanning locus T on the subject S. .
  • FIG. 2A shows the configuration of the optical scanning device 1 provided at the distal end of the insertion portion 20a.
  • the endoscope 20 includes an elongated cylindrical frame body 10 provided in the insertion portion 20a along the longitudinal direction, and an optical scanning device 1 provided in the frame body 10. And an optical fiber 11 for detection that is provided on the outer peripheral surface of the frame 10 and receives return light (for example, reflected light or fluorescence of illumination light) from the subject S.
  • the optical scanning device 1 includes an illumination optical fiber 2, a cylindrical ferrule 3 that supports the optical fiber 2, and a plurality of sheets fixed to the outer peripheral surface of the ferrule 3.
  • the optical fiber 2 is a multimode fiber or single mode fiber made of quartz, and has a cylindrical shape having a longitudinal axis.
  • the optical fiber 2 is disposed along the longitudinal direction in the frame body 10, and the distal end of the optical fiber 2 is disposed at the distal end portion in the frame body 10.
  • the proximal end of the optical fiber 2 is connected to the laser light source 30, and illumination light supplied from the laser light source 30 to the optical fiber 2 is emitted from the distal end of the optical fiber 2.
  • Reference numeral 6 denotes a condenser lens that condenses the illumination light emitted from the optical fiber 2.
  • the longitudinal direction of the optical fiber 2 is defined as a Z direction
  • two radial directions of the optical fiber 2 are defined as an X direction and a Y direction.
  • the ferrule 3 is made of a metal having elasticity (for example, nickel or copper), and is made of a rectangular tubular member having a through hole 3a penetrating along the central axis.
  • the optical fiber 2 is inserted into the through hole 3a, and the ferrule 3 is attached at a position spaced in the Z direction from the distal end of the optical fiber 2 toward the proximal end side.
  • the inner peripheral surface of the through hole 3a and the outer peripheral surface of the optical fiber 2 are fixed by an adhesive.
  • the distal end portion of the optical fiber 2 projecting in the Z direction from the distal end surface of the ferrule 3 is referred to as a projecting portion 2a.
  • a fixing portion 5 for fixing the optical scanning device 1 to the frame body 10 is provided at the base end portion of the ferrule 3.
  • the fixed portion 5 is a cylindrical member having an outer dimension larger than that of the ferrule 3, and the base end portion of the ferrule 3 is inserted into the fixed portion 5.
  • the inner peripheral surface of the fixing portion 5 is fixed to the base end portion of the ferrule 3, and the outer peripheral surface of the fixing portion 5 is fixed to the inner wall of the frame body 10.
  • the piezoelectric elements 4A, 4B, 4C, 4D are rectangular flat plates made of a piezoelectric ceramic material such as lead zirconate titanate (PZT).
  • PZT lead zirconate titanate
  • electrode processing is performed on two end faces facing in the thickness direction so as to be polarized in the thickness direction.
  • the two A-phase piezoelectric elements 4A and 4C are fixed to each of the two side surfaces of the ferrule 3 facing in the X direction by an adhesive so that the polarization direction is parallel to the X direction and face the same side.
  • the two piezoelectric elements 4B and 4D for the B phase are fixed to the two side surfaces of the ferrule 3 facing in the Y direction by an adhesive so that the polarization directions are parallel to the Y direction and face the same side.
  • PZT lead zirconate titanate
  • Each piezoelectric element 4 ⁇ / b> A, 4 ⁇ / b> B, 4 ⁇ / b> C, 4 ⁇ / b> D is connected to the drive control unit 50 via the lead wire 7, and an alternating voltage (alternating signal) is applied from the drive control unit 50.
  • an A-phase alternating voltage is applied to the A-phase piezoelectric elements 4A and 4C, one of the piezoelectric elements 4A and 4C contracts in the Z direction and the other extends in the Z direction, thereby The bending vibration in the X direction with the node as a node is excited by the ferrule 3.
  • the bending vibration of the ferrule 3 is transmitted to the protrusion 2a, so that the protrusion 2a bends and vibrates in the X direction at a frequency equal to the drive frequency of the alternating voltage, and the tip of the optical fiber 2 vibrates in the X direction. Thereby, the illumination light emitted from the tip is scanned in the X direction.
  • the alternating voltage of the A phase and the alternating voltage of the B phase have the same driving frequency and a phase different from each other by ⁇ / 2, and the amplitude is time-modulated in a sine wave shape.
  • the tip of the optical fiber 2 vibrates along a spiral trajectory, and the illumination light is scanned along a spiral scanning trajectory T.
  • the resonance frequency of each order is determined by the structure of the protrusion 2a, the ferrule 3, and the piezoelectric elements 4A, 4B, 4C, and 4D.
  • the structural parameters governing the resonance frequency of the vibrating body include the diameter (diameter) ⁇ of the optical fiber 2, the length (projection length) d of the protrusion 2 a in the Z direction, and the X direction of the ferrule 3.
  • the drive frequency is set to a frequency near the resonance frequency of any order (n-th order) of the vibrating body.
  • the n-th order resonance frequency F n of the vibrator and the n + 1-order or n ⁇ 1-order resonance frequency F n ⁇ 1 adjacent to the n-order resonance frequency F n in the frequency direction satisfy the following expression (1).
  • at least one of the structural parameters described above is designed.
  • the structural parameters described above is designed so that the n ⁇ 1st resonance frequency is close to the nth resonance frequency.
  • is preferably adjusted to be 3 kHz or less, and more preferably adjusted to be the minimum.
  • the driving frequency is set to a frequency in the vicinity of the resonance frequency of the third or lower order of the vibrating body.
  • the structural parameters are designed so that the difference between the primary and secondary, secondary and tertiary, or tertiary and quaternary resonant frequencies satisfies the conditional expression (1).
  • the protrusion 2a can be vibrated with a larger amplitude by vibrating the vibrating body by resonance of a lower order resonance frequency.
  • the vicinity of the n-th resonance frequency means that when the drive frequency of the alternating voltage applied to the piezoelectric elements 4A, 4B, 4C, and 4D is swept from zero to the high frequency side as shown in FIG.
  • the driving frequency is zero is a constant value A 0 amplitude with the tip of the optical fiber 2, amplitude by increasing the driving frequency in the low frequency range it remains A 0.
  • the drive frequency approaches the resonance frequency F n, amplitude by resonance effect increases from A 0, amplitude when the driving frequency coincides with the resonance frequency shows a peak. If will further increase the driving frequency, the amplitude returns to A 0 gradually decreases and.
  • the optical fiber 11 for detection extends from the distal end of the insertion portion 20a to the photodetector 40.
  • the return light generated in the subject S by irradiation of illumination light is received by the optical fiber 11, guided to the photodetector 40 by the optical fiber 11, and detected by the photodetector 40.
  • a plurality of optical fibers 11 are provided side by side in the circumferential direction on the frame 10 so that the photodetector 40 detects the return light received by the plurality of optical fibers 11. It may be configured.
  • the drive control unit 50 calculates the irradiation position of the illumination light on the scanning trajectory T from the amplitude of the alternating voltage applied to the piezoelectric elements 4A, 4B, 4C, and 4D at each time, and calculates the intensity value of the return light as the illumination light.
  • a two-dimensional image of the subject S is formed by associating with the irradiation position. The formed two-dimensional image is transmitted to the display 60 and displayed on the display 60.
  • the alternating voltage is supplied from the drive control unit 50 to the piezoelectric elements 4A, 4B, 4C, and 4D, and the optical fiber 2 from the laser light source 30.
  • the piezoelectric elements 4A, 4B, 4C, 4D generate stretching vibration (driving force), the tip of the optical fiber 2 vibrates in a spiral shape, and the illumination light emitted from the tip toward the subject S spirals. Scanned.
  • Return light from the subject S is received by the optical fiber 11 and detected by the photodetector 40. The detected intensity of the return light is associated with the position on the scanning locus T of the illumination light in the drive control unit 50, thereby generating an image of the subject S and displaying the image on the display 60.
  • the vibration body is vibrated at a frequency in the vicinity of the n-th resonance frequency Fn of the vibration body, whereby the amplitude of the vibration body is increased by the resonance effect. Furthermore, by the resonance frequency F n ⁇ 1 of n ⁇ 1-order the n-th order resonant frequency F n of the vibrator is in close proximity, a large resonance effects can be obtained more. Accordingly, there is an advantage that the amplitude of the protruding portion 2a can be effectively increased without increasing the magnitude (amplitude) of the alternating voltage. In particular, in the case where n ⁇ 1-order resonance frequency F n ⁇ 1 with respect to the n-th order resonant frequency F n is closest can maximize the amplitude of the projecting portion 2a of the driving frequency.
  • the reason why the amplitude of the vibrating body of the optical fiber 2 increases in a structure in which two resonance frequencies F n and F n ⁇ 1 adjacent in the frequency direction are close to each other is as follows.
  • the resonance frequency of each order of the vibrating body is determined according to the structure of the protrusion 2a, the ferrule 3, and the piezoelectric elements 4A, 4B, 4C, and 4D.
  • two adjacent resonance frequencies F n and F n + 1 approach or separate from each other and are oscillated at the resonance frequencies F n and F n + 1 .
  • the amplitude of the vibrating body also changes.
  • 4A and 4B show resonance frequencies F n and F n + 1 of vibrating bodies having different structures.
  • the vibration amplitude when vibrating the vibrator at n-th order resonant frequency F n or the vicinity, n + 1-order resonance frequency F n + 1 to n-th order resonant frequency F n increases as it approaches. This is considered because the n + 1-order resonance mode is excited in addition to the n-order resonance mode, and the resonance effect is generated twice. As a result, the vibration amplitude of the vibrating body including the projecting portion 2a can be significantly increased without increasing the alternating voltage at frequencies in the vicinity of the two adjacent resonance frequencies F n and F n + 1 .
  • conditional expression (1) is based on the experimental result and the simulation result.
  • is such that the amplitude of the tip of the optical fiber 2 becomes 500 ⁇ m or more when an alternating voltage having a general maximum amplitude (for example, 45 V) is applied.
  • the range is specified.
  • the amplitude of the tip of the optical fiber 2 at the resonant frequency F n is 500 ⁇ m or more, it is possible to obtain a sufficiently high-resolution two-dimensional images.
  • the range of conditional expression (1) is derived as follows.
  • the driving frequency matches the n-th resonance frequency F n , the vibration of the vibrating body becomes unstable. Therefore, the driving frequency needs to be different from the n-th resonance frequency F n .
  • sidebands appear in the low frequency side and high frequency side driving frequency with the amplitude modulation of the driving frequency must also be different from the resonant frequency F n. Therefore, in order to stably vibrate the vibrating body, a difference between the driving frequency and the resonance frequency F n is at least 100Hz secured, further 30Hz secured Considering also sidebands. Therefore, the drive frequency is set to the n-th resonance frequency F n ⁇ 130 Hz.
  • the Q value of the optical fiber 2 is considered.
  • the Q value is an amplitude increase coefficient indicating how much the amplitude increases when the drive frequency approaches the resonance frequency F 0 , and is defined by the following equation.
  • F 1 and F 2 are frequencies at which the amplitude is 1 / ⁇ 2 times the maximum amplitude A p ( ⁇ m) at the resonance frequency F 0 on the low frequency side and the high frequency side of the resonance frequency F 0 , respectively.
  • Higher Q value is large, a large amplitude is obtained at the resonant frequency F 0.
  • Q F 0 / (F 2 -F 1 )
  • the amplitude of the tip of the optical fiber 2 at the drive frequency f d that is offset 130Hz from the resonance frequency F 0 is about 0.4 A p. Therefore, the vibration range of the end of the optical fiber 2 becomes ⁇ 0.4 A p.
  • the mode field diameter of a single mode fiber generally used in the visible range is 3.5 ⁇ m.
  • the number of pixels on one scanning line in the X or Y direction of the illumination light is represented as 2 ⁇ 0.4A p /3.5, in terms of the number of pixels of the two-dimensional image, (2 ⁇ 0. 4A p /3.5) ⁇ 2. From this, it is understood that the number of pixels of the two-dimensional image increases as the amplitude of the tip of the optical fiber 2 increases.
  • a two-dimensional image can be said to be high definition if the number of pixels is 13000 pixels or more. From the above, by the maximum amplitude A p of the protrusion 2a of the n-th order resonant frequency F n or 500 [mu] m (amplitude at the drive frequency f d of about 200 [mu] m) and can obtain the high-definition image.
  • the scanning range (that is, the angle of view) of the illumination light on the subject S can be expanded by increasing the projection magnification of the condenser lens 6 instead of increasing the amplitude of the tip of the optical fiber 2. it can.
  • the spot diameter of the illumination light projected onto the subject S increases as the projection magnification of the condenser lens 6 increases, the resolution of the image decreases. Therefore, in order to acquire a high-definition image, it is preferable to expand the angle of view by increasing the amplitude of the tip of the optical fiber 2 without depending on the magnification of the optical system.
  • the assembly adjustment method of the optical scanning device 1 in the assembly process of assembling the optical fiber 2, the ferrule 3, and the piezoelectric elements 4A, 4B, 4C, and 4D, the nth-order resonance and the n ⁇ first-order resonance of the vibrating body.
  • frequency F n, the F n ⁇ 1 measures, including adjusting step of adjusting the projection length d based on the difference between the resonant frequency F n, F n ⁇ 1.
  • the optical fiber 2 and the ferrule 3 are bonded to each other by an adhesive. Therefore, the adjustment step is performed after the optical fiber 2 is inserted into the through hole 3a of the ferrule 3 and before the adhesive is cured.
  • the n-th and n ⁇ 1st resonance frequencies F n and F n ⁇ 1 of the vibrator are measured while changing the protrusion length d, and the difference
  • An optical fiber is specified such that the protrusion length is preferably such that the difference
  • the adhesive is cured.
  • the adjustment of the protrusion length d is performed only by adjusting the relative position between the optical fiber 2 and the ferrule 3 without requiring processing of the member. Accordingly, the resonance frequencies F n and F n ⁇ 1 can be easily optimized.
  • An impedance analyzer is preferably used for measurement of the resonance frequencies F n and F n + 1 . Since the impedance analyzer can measure the impedance by applying a minute voltage to the piezoelectric elements 4A, 4B, 4C, 4D, the vibration of the optical fiber 2 during measurement is minimal. Therefore, even when the adhesive is in an uncured state, the measurement error is small, and the resonance frequency of the vibrator can be accurately measured.
  • the adjustment step structural parameters other than the protrusion length d may be adjusted.
  • the adjustment of the length Lf of the ferrule 3 is performed only by adjusting the relative position between the ferrule 3 and the fixed portion 5, and the member is not required to be processed similarly to the adjustment of the protruding length d. Accordingly, the resonance frequencies F n and F n ⁇ 1 can be easily optimized.
  • the optical fiber 2, the ferrule 3 and the piezoelectric elements 4A, 4B, 4C, and 4D are subjected to processing such as cutting to adjust other structural parameters ⁇ , Wf, Wp, Lp, and Tp. Good.
  • the number of structural parameters for adjusting the resonance frequencies F n and F n ⁇ 1 may be only one, but may be plural.
  • a combination of a plurality of structural parameters such that the primary resonance frequency and the secondary resonance frequency are closest to each other by measuring primary and secondary resonance frequencies when a plurality of structural parameters are changed simultaneously. May be adopted.
  • Table 1 shows design values of the optical scanning device according to Examples 1 to 3 and values of conditional expression (1).
  • Example 1 In the optical scanning device according to Example 1, the protrusion length d is designed so that the difference between the primary resonance frequency and the secondary resonance frequency of the vibrating body is minimized.
  • FIG. 6 shows a result obtained by simulating changes in the primary resonance frequency and the secondary resonance frequency of the vibrating body when the protrusion length is changed from 1 mm to 2 mm.
  • FIG. 7 shows a result of a change in the amplitude of the tip of the optical fiber 2 obtained by simulation when the protrusion length is changed from 1 mm to 2 mm.
  • the magnitude of the alternating voltage applied to the piezoelectric element was set to 45 V, and the drive frequency was set to a frequency equal to the primary resonance frequency.
  • the secondary resonance frequency approaches the primary resonance frequency, and when the protrusion length is 1.4 mm, the primary resonance frequency and the secondary resonance frequency are increased. The difference from the resonance frequency is minimized.
  • the amplitude of the tip of the optical fiber 2 becomes maximum when the protruding length is 1.4 mm.
  • FIG. 8 shows the results of experimentally determining changes in the primary resonance frequency and the secondary resonance frequency when the protrusion length is changed from 1 mm to 2 mm.
  • FIG. 9 shows a result of experimentally determining a change in the amplitude of the tip of the optical fiber 2 when the protrusion length is changed from 1 mm to 2 mm.
  • the magnitude of the alternating voltage applied to the piezoelectric element was set to 45 V, and the driving frequency was set to a frequency equal to the primary resonance frequency.
  • the experimental results agree well with the simulation results of FIGS. 6 and 7.
  • Example 2 In the optical scanning device according to Example 2, the optical fiber diameter ⁇ was designed so that the difference between the primary resonance frequency and the secondary resonance frequency of the vibrating body was minimized.
  • FIG. 10 shows a result obtained by simulating changes in the primary resonance frequency and the secondary resonance frequency of the vibrating body when the diameter of the optical fiber is changed from 0.02 mm to 0.08 mm.
  • FIG. 11 shows a result obtained by simulation of the change in the amplitude of the tip of the optical fiber 2 when the diameter of the optical fiber is changed from 0.02 mm to 0.08 mm.
  • the magnitude of the alternating voltage applied to the piezoelectric element was set to 45 V, and the drive frequency was set to a frequency equal to the primary resonance frequency.
  • the secondary resonance frequency decreases.
  • the primary resonance frequency and the secondary resonance frequency are reduced. The difference from the resonance frequency is minimized.
  • the amplitude of the tip of the optical fiber 2 becomes maximum when the diameter of the optical fiber is 0.03 mm.
  • Example 3 In the optical scanning device according to Example 3, the ferrule length Lf and the piezoelectric element length Lp were designed so that the difference between the primary resonance frequency and the secondary resonance frequency of the vibrating body is minimized.
  • the piezoelectric element length is determined according to the ferrule length. Specifically, the piezoelectric element length is designed to be about 0.2 mm shorter than the ferrule length so that both ends of the ferrule protrude about 0.1 mm in the Z direction from the piezoelectric element.
  • FIG. 12 shows a result obtained by simulating changes in the primary resonance frequency and the secondary resonance frequency of the vibrating body when the ferrule length is changed from 1.6 mm to 2.8 mm.
  • FIG. 13 shows a result obtained by simulation of a change in the amplitude of the tip of the optical fiber 2 when the ferrule length is changed from 1.6 mm to 2.8 mm.
  • the magnitude of the alternating voltage applied to the piezoelectric element was set to 45V, and the drive frequency was set to a frequency equal to the primary resonance frequency.
  • the secondary resonance frequency decreases as the ferrule length increases from 1.6 mm, and when the ferrule length is 2.5 mm, the primary resonance frequency and the secondary resonance frequency are The difference between is minimal.
  • the amplitude of the tip of the optical fiber 2 becomes maximum when the ferrule length is 2.5 mm.
  • this invention is not limited to embodiment mentioned above, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably.
  • a drive unit using permanent magnets and electromagnetic coils instead of the piezoelectric elements 4A, 4B, 4C, 4D, a drive unit using permanent magnets and electromagnetic coils may be adopted.
  • the permanent magnet is a cylinder that is magnetized in the longitudinal direction and has magnetic poles at both ends.
  • the optical fiber 2 is inserted so that the tip portion constituting the protruding portion 2 a protrudes from the permanent magnet, and the permanent magnet is fixed to the outer peripheral surface of the optical fiber 2.
  • the electromagnetic coil is provided at a position facing each magnetic pole of the permanent magnet in the X direction and the Y direction.
  • an alternating current alternating signal
  • the electromagnetic coil generates a magnetic field in the vicinity of the magnetic pole of the permanent magnet so that the permanent magnet moves in the X and Y directions. It vibrates, and thereby the protrusion 2a vibrates.
  • the vibrating body includes a permanent magnet and an optical fiber 2. Therefore, the structural parameters governing the resonance frequency of the vibrating body include the diameter (diameter) ⁇ of the optical fiber 2, the length (projection length) d in the Z direction of the protrusion 2a, the width, thickness, and Z of the permanent magnet. The length of the direction and the density of the optical fiber 2 and the permanent magnet are included.

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Abstract

本発明の光走査装置は、被写体に向けて照明光を先端部から射出する光ファイバと、先端部および該先端部と一体的に振動する部材を含む振動体のｎ次の共振周波数Ｆｎの近傍の駆動周波数を有する交番信号が印加されることによって、光ファイバの先端部を該光ファイバの長手方向と直交する平面内で振動させる駆動力を発生する駆動部とを備え、振動体の、ｎ次の共振周波数Ｆｎとこれに隣接するｎ±１次の共振周波数Ｆｎ±１との差の絶対値が、０．２５×Ｆｎ以下である。

Description

光走査装置および光走査装置の組立調整方法
　本発明は、光走査装置および光走査装置の組立調整方法に関するものである。
　従来、振動する光ファイバの先端から被写体に向かって照明光を射出することによって被写体上で照明光を走査する光走査装置を備えた内視鏡が知られている（例えば、特許文献１参照。）。光ファイバの先端を振動させる手段として、圧電素子が発生する振動によって光ファイバの先端を振動させる方式が用いられている。
　光ファイバの振幅が大きい程、照明光の照射範囲、すなわち観察範囲が広くなり、さらに取得される画像の精細度が増すため、光ファイバの振幅は大きい方が好ましい。一般に、光ファイバの振幅を増大する方法には、駆動部に入力するエネルギーを増大する方法と、光ファイバを振動駆動する駆動周波数を光ファイバの共振周波数に近付ける方法とがある。
特開２０１４－１４５９４１号公報
　しかしながら、入力エネルギーを増大する方法は、特に医療用の細径な内視鏡には不向きである。すなわち、医療用途の内視鏡においては、使用に適した電圧の範囲が存在する。また、圧電素子に印加可能な電圧には上限があり、上限を超える電圧が圧電素子に印加されると圧電素子が正常に振動しなくなる。さらに、圧電素子が大きい程、発生する駆動力も大きくなるが、細径な内視鏡には小さな圧電素子しか組み込むことができない。
　一方、駆動周波数を光ファイバの共振周波数に近付ける方法においては、駆動周波数が共振周波数に近付く程、光ファイバの先端の振動が不安定となって振動軌跡の歪みが大きくなり、照明光を所望の軌跡に沿って走査することが難しくなる。そのため、駆動周波数を共振周波数からある程度離す必要があり、駆動周波数の調整のみでは光ファイバの振幅を効果的に増大することは難しい。
　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、入力エネルギーを増大せずとも光ファイバの振動振幅を効果的に増大することができる光走査装置および光走査装置の組立調整方法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。
　本発明の第１の態様は、被写体に向けて照明光を先端部から射出する光ファイバと、前記先端部および該先端部と一体的に振動する部材を含む振動体のｎ次の共振周波数Ｆｎの近傍の駆動周波数を有する交番信号が印加されることによって、前記光ファイバの前記先端部を該光ファイバの長手方向と直交する平面内で振動させる駆動力を発生する駆動部とを備え、前記振動体の、前記ｎ次の共振周波数Ｆｎとこれに隣接するｎ±１次の共振周波数Ｆｎ±１との差が、下式（１）を満たす光走査装置である。
　｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜　≦　０．２５Ｆｎ　　　…（１）
　本発明によれば、駆動部に交番信号が印加されて駆動部が駆動力を発生すると、光ファイバの先端部を含む振動体が振動し、光ファイバの先端部から射出される照明光が該照明光の光軸に直交する平面内で走査される。このときに、ｎ次の共振周波数の近傍の周波数で振動体を振動させることによって、共鳴効果により大きな振幅を得ることができる。
　この場合に、振動体をｎ次の共振周波数の近傍で振動させたときの振幅は、ｎ次の共振周波数とｎ±１次の共振周波数との差｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜に依存し、差｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜が小さくなる程、すなわちｎ次の共振周波数に対してｎ±１次の共振周波数が近接する程、振幅が大きくなる。条件式（１）は、ｎ次の共振周波数に対してｎ±１次の共振周波数を近接させることによる振幅の増大効果が得られる範囲を規定したものである。差｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜は、振動体の構造によって決まる。このように、差｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜を小さくすることによって、駆動部への入力エネルギーの増大に頼ることなく、光ファイバの振動振幅を効果的に増大することができる。
　上記第１の態様においては、前記ｎ次の共振周波数Ｆｎと前記ｎ±１次の共振周波数Ｆｎ±１との差が、３ｋＨｚ以下であることが好ましい。
　このようにすることで、ｎ次の共振周波数に対してｎ±１次の共振周波数を近接させることによる振幅の増大効果をさらに高めることができる。
　上記第１の態様においては、前記駆動周波数が、前記振動体の３次以下の共振周波数の近傍の周波数である（すなわち、条件式（１）においてｎ≦３である）ことが好ましい。
　振動体の振幅を大きくするためには、より低次の共振周波数の共鳴を利用することが好ましい。振動体を３次以下の共振周波数の近傍の周波数で振動させることによって、実用的な光ファイバの先端の振幅を得ることができる。
　本発明の第２の態様は、被写体に向けて照明光を先端部から射出する光ファイバと、前記先端部および該先端部と一体的に振動する部材を含む振動体のｎ次の共振周波数Ｆｎの近傍の駆動周波数を有する交番信号が印加されることによって、前記光ファイバの前記先端部を該光ファイバの長手方向と直交する平面内で振動させる駆動力を発生する駆動部とを備える光走査装置の組立調整方法であって、前記光ファイバと前記駆動部とを組み立てる組立工程において、前記振動体の、前記ｎ次の共振周波数Ｆｎとこれに隣接するｎ±１次の共振周波数Ｆｎ±１との差が、下式（１）を満たすように、前記振動体の共振周波数を支配する構造パラメータを調整する光走査装置の組立調整方法である。
　｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜　≦　０．２５Ｆｎ　　　…（１）
　上記第２の態様においては、前記組立工程において調整される前記構造パラメータが、前記光ファイバの前記先端部の長さおよび該先端部を支持するフェルールの長さのうち少なくとも一方であってもよい。
　このようにすることで、部材の加工を伴わずに、光ファイバおよびフェルールの位置調整のみで、振動体の共振周波数の差｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜を調整することができる。
　本発明によれば、入力エネルギーを増大せずとも光ファイバの振動振幅を効果的に増大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光走査型内視鏡システムの全体構成図である。 図１の光走査型内視鏡システムにおける内視鏡の挿入部の先端部分の縦断面図であり、本発明の一実施形態に係る光走査装置の構成を示す図である。 図２Ａの光走査装置を先端側から見た正面図である。 ｎ次の共振周波数の近傍の範囲を説明する図である。 ｎ次の共振周波数とｎ＋１次の共振周波数との差と、ｎ次の共振周波数における光ファイバの振動振幅との関係の一例を説明する図である。 ｎ次の共振周波数とｎ＋１次の共振周波数との差と、ｎ次の共振周波数における光ファイバの振動振幅との関係の他の例を説明する図である。 Ｑ値が１００である光ファイバを使用したときの、駆動周波数と光ファイバの振動振幅との関係を説明する図である。 本発明の第１の実施例における光ファイバの突出長と１次および２次の共振周波数との関係のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第１の実施例における光ファイバの突出長と光ファイバの振動振幅との関係のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第１の実施例における光ファイバの突出長と１次および２次の共振周波数との関係の実験結果を示す図である。 本発明の第１の実施例における光ファイバの突出長と光ファイバの振動振幅との関係の実験結果を示す図である。 本発明の第２の実施例における光ファイバの径と光ファイバの振動振幅との関係のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第２の実施例における光ファイバの径と１次および２次の共振周波数との関係のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第３の実施例におけるフェルール長および圧電素子長と光ファイバの振動振幅との関係のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第３の実施例におけるフェルール長および圧電素子長と１次および２次の共振周波数との関係のシミュレーション結果を示す図である。
　以下に、本発明の一実施形態に係る光走査装置１およびこれを備える光走査型内視鏡システム１００について図面を参照して説明する。
　本実施形態に係る光走査型内視鏡システム１００は、図１に示されるように、細長い挿入部２０ａを有する内視鏡２０と、該内視鏡２０に接続されたレーザ光源３０、光検出器４０および駆動制御部５０と、駆動制御部５０に接続されたディスプレイ６０とを備えている。光走査型内視鏡システム１００は、内視鏡２０の挿入部２０ａの先端から射出される照明光を被写体Ｓ上でスパイラル状の走査軌跡Ｔに沿って走査し、被写体Ｓの画像を取得する。
　図２Ａは、挿入部２０ａの先端部に設けられた光走査装置１の構成を示している。図２Ａに示されるように、内視鏡２０は、挿入部２０ａ内に長手方向に沿って設けられた細長い筒状の枠体１０と、該枠体１０内に設けられた光走査装置１と、枠体１０の外周面上に設けられ被写体Ｓからの戻り光（例えば、照明光の反射光または蛍光）を受光する検出用の光ファイバ１１とを備えている。
　光走査装置１は、図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、照明用の光ファイバ２と、光ファイバ２を支持する筒状のフェルール３と、該フェルール３の外周面に固定された複数枚の圧電素子（駆動部）４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄとを備えている。
　光ファイバ２は、石英からなるマルチモードファイバまたはシングルモードファイバであり、長手軸を有する円柱状である。光ファイバ２は、枠体１０内に長手方向に沿って配置され、光ファイバ２の先端は枠体１０内の先端部に配置されている。光ファイバ２の基端はレーザ光源３０に接続され、レーザ光源３０から光ファイバ２に供給された照明光が光ファイバ２の先端から射出される。符号６は、光ファイバ２から射出された照明光を集光させる集光レンズである。以下、光ファイバ２の長手方向をＺ方向とし、光ファイバ２の互いに直交する２つの径方向をＸ方向およびＹ方向とする。
　フェルール３は、弾性を有する金属（例えば、ニッケルまたは銅）からなり、中心軸に沿って貫通する貫通孔３ａを有する四角筒状の部材からなる。光ファイバ２は、貫通孔３ａ内に挿入され、光ファイバ２の先端から基端側に向かってＺ方向に間隔をあけた位置にフェルール３が取り付けられている。貫通孔３ａの内周面と光ファイバ２の外周面とは、接着剤によって固定されている。以下、フェルール３の先端面からＺ方向に突出する光ファイバ２の先端部を突出部２ａという。
　フェルール３の基端部には、光走査装置１を枠体１０に固定するための固定部５が設けられている。固定部５は、フェルール３よりも大きな外形寸法を有する円筒状の部材であり、フェルール３の基端部が固定部５内に挿入されている。固定部５の内周面は、フェルール３の基端部に固定され、固定部５の外周面は、枠体１０の内壁に固定されている。これにより、フェルール３および突出部２ａはそれぞれ、先端を自由端とする片持ち梁状に固定部５によって支持されている。
　圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のような圧電セラミックス材料からなる矩形の平板状である。圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄは、厚さ方向に分極するように、厚さ方向に対向する２つの端面に電極処理が施されている。Ａ相用の２枚の圧電素子４Ａ，４Ｃは、Ｘ方向に対向するフェルール３の２つの側面にそれぞれ、分極方向がＸ方向と平行となり、かつ互いに同一側を向くように、接着剤によって固定されている。Ｂ相用の２枚の圧電素子４Ｂ，４Ｄは、Ｙ方向に対向するフェルール３の２つの側面にそれぞれ、分極方向がＹ方向と平行となり、かつ互いに同一側を向くように、接着剤によって固定されている。
　各圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄは、リード線７を介して駆動制御部５０に接続され、駆動制御部５０から交番電圧（交番信号）が印加される。
　Ａ相用の圧電素子４Ａ，４ＣにＡ相の交番電圧が印加されると、圧電素子４Ａ，４Ｃ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、固定部５の位置を節とするＸ方向の屈曲振動がフェルール３に励起される。そして、フェルール３の屈曲振動が突出部２ａに伝達されることにより、突出部２ａが交番電圧の駆動周波数と等しい周波数でＸ方向に屈曲振動して光ファイバ２の先端がＸ方向に振動する。これにより、先端から射出される照明光がＸ方向に走査される。
　Ｂ相用の圧電素子４Ｂ，４ＤにＢ相の交番電圧が印加されると、圧電素子４Ｂ，４Ｄ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、固定部５の位置を節とするＹ方向の屈曲振動がフェルール３に励起される。そして、フェルール３の屈曲振動が突出部２ａに伝達されることにより、突出部２ａが交番電圧の駆動周波数と等しい周波数でＹ方向に屈曲振動して光ファイバ２の先端がＹ方向に振動する。これにより、先端から射出される照明光がＹ方向に走査される。
　Ａ相の交番電圧およびＢ相の交番電圧は、互いに等しい駆動周波数と互いにπ／２だけ異なる位相とを有し、かつ、振幅が正弦波状に時間変調される。これにより、光ファイバ２の先端が渦巻き状の軌跡に沿って振動し、照明光が渦巻き状の走査軌跡Ｔに沿って走査されるようになっている。
　ここで、突出部２ａを含む振動体の共振周波数と交番電圧の駆動周波数との関係について説明する。
　圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄに交番電圧が印加されたときに、突出部２ａと、該突出部２ａを支持するフェルール３と、圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄとが、一体的に振動する。このような突出部２ａ、フェルール３および圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄからなる振動体は、周波数の低い方から順に、１次、２次、３次、…の共振周波数を有する。各次数の共振周波数は、突出部２ａ、フェルール３および圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの構造によって決まる。具体的には、振動体の共振周波数を支配する構造パラメータには、光ファイバ２の径（直径）φと、突出部２ａのＺ方向の長さ（突出長）ｄと、フェルール３のＸ方向およびＹ方向の幅Ｗｆならびに固定部５よりも先端側に突出する部分のＺ方向の長さＬｆと、圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの幅Ｗｐ、Ｚ方向の長さＬｐおよび厚みＴｐと、さらに光ファイバ２、フェルール３および圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの密度とが含まれる。
　駆動周波数は、振動体のいずれかの次数（ｎ次）の共振周波数の近傍の周波数に設定されている。
　振動体のｎ次の共振周波数Ｆｎと、該ｎ次の共振周波数Ｆｎと周波数方向に隣接するｎ＋１次またはｎ－１次の共振周波数Ｆｎ±１とが、下式（１）を満たすように、上述した構造パラメータの少なくとも１つが設計されている。
　｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜　≦　０．２５Ｆｎ　　　…（１）
　すなわち、ｎ次の共振周波数に対してｎ±１次の共振周波数が近接するように、上述した構造パラメータのうち少なくとも１つが設計されている。ここで、差｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜は、３ｋＨｚ以下となるように調整されていることが好ましく、最小となるように調整されていることがさらに好ましい。
　駆動周波数は、振動体の３次以下の共振周波数の近傍の周波数に設定されることが、より好ましい。この場合、１次と２次、２次と３次、または３次と４次の共振周波数の差が条件式（１）を満たすように、構造パラメータが設計される。より低次の共振周波数の共鳴によって振動体を振動させることで、突出部２ａをより大きな振幅で振動させることができる。
　本実施形態において、ｎ次の共振周波数の近傍とは、図３に示されるように、圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄに印加する交番電圧の駆動周波数をゼロから高周波側に掃引したときに、光ファイバ２の先端の振幅が、共鳴効果によって振幅Ａ０よりも増大する範囲を意味する。駆動周波数がゼロであるときは、光ファイバ２の先端の振幅はある一定の値Ａ０であり、低周波数領域においては駆動周波数を上げても振幅はＡ０のままである。駆動周波数が共振周波数Ｆｎに近付くと、共鳴効果によって振幅がＡ０から増加し、駆動周波数が共振周波数と一致するときに振幅がピークを示す。さらに駆動周波数を上げていくと、振幅は次第に減少してＡ０に戻る。
　検出用の光ファイバ１１は、挿入部２０ａの先端から光検出器４０まで延びている。照明光の照射によって被写体Ｓにおいて発生した戻り光は、光ファイバ１１によって受光され、該光ファイバ１１によって光検出器４０まで導光され、光検出器４０によって検出されるようになっている。戻り光の受光量を増大するために、複数の光ファイバ１１が枠体１０上に周方向に並んで設けられ、光検出器４０が複数の光ファイバ１１によって受光された戻り光を検出するように構成されていてもよい。
　光検出器４０によって検出された戻り光の強度の情報は、駆動制御部５０に送信される。駆動制御部５０は、圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄに印加する交番電圧の各時刻における振幅から、走査軌跡Ｔ上における照明光の照射位置を計算し、戻り光の強度の値を照明光の照射位置と対応付けることによって、被写体Ｓの２次元画像を形成する。形成された２次元画像は、ディスプレイ６０に送信されて該ディスプレイ６０に表示される。
　次に、このように構成された光走査装置１および光走査型内視鏡システム１００の作用について説明する。
　本実施形態に係る光走査型内視鏡システム１００によって被写体Ｓを観察するには、駆動制御部５０から圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄへの交番電圧の供給およびレーザ光源３０から光ファイバ２への照明光の供給を開始する。これにより、各圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄが伸縮振動（駆動力）を発生して光ファイバ２の先端が渦巻き状に振動し、先端から被写体Ｓに向かって射出される照明光が渦巻き状に走査される。被写体Ｓからの戻り光は、光ファイバ１１によって受光され、光検出器４０によって検出される。検出された戻り光の強度は、駆動制御部５０において照明光の走査軌跡Ｔ上の位置と対応付けられることによって被写体Ｓの画像が生成され、ディスプレイ６０に画像が表示される。
　この場合に、本実施形態によれば、振動体のｎ次の共振周波数Ｆｎの近傍の周波数で振動体を振動させることによって、振動体の振幅が共鳴効果によって増大する。さらに、振動体のｎ次の共振周波数Ｆｎにｎ±１次の共振周波数Ｆｎ±１が近接していることによって、さらに大きな共鳴効果が得られる。これにより、交番電圧の大きさ（振幅）を増大せずとも、突出部２ａの振幅を効果的に増大させることができるという利点がある。特に、ｎ次の共振周波数Ｆｎに対してｎ±１次の共振周波数Ｆｎ±１が最接近する場合には、駆動周波数における突出部２ａの振幅を最大化することができる。
　周波数方向に隣接する２つの共振周波数Ｆｎ，Ｆｎ±１が近接する構造において光ファイバ２の振動体の振幅が増大する理由は、以下の通りである。
　上述したように、振動体の各次数の共振周波数は、突出部２ａ、フェルール３および圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの構造に応じて決まる。これらの構造を変更したときに、図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、隣接する２つの共振周波数Ｆｎ，Ｆｎ＋１は互いに接近または離間し、各共振周波数Ｆｎ，Ｆｎ＋１で振動させたときの振動体の振幅も変化する。図４Ａおよび図４Ｂは、互いに異なる構造を有する振動体の共振周波数Ｆｎ，Ｆｎ＋１を表している。
　ここで、振動体をｎ次の共振周波数Ｆｎまたはこの近傍で振動させたときの振動振幅は、ｎ次の共振周波数Ｆｎにｎ＋１次の共振周波数Ｆｎ＋１が接近するにつれて増大する。これは、ｎ次の共振モードに加えてｎ＋１次の共振モードが励起されて、共鳴効果が二重で発生するためと考えられる。その結果、近接する２つの共振周波数Ｆｎ，Ｆｎ＋１の近傍の周波数において、交番電圧を増大せずとも、突出部２ａを含む振動体の振動振幅を大幅に増大させることができる。
　特に、差｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜が３ｋＨｚ以下であるときに、顕著な二重の共鳴効果が得られ、突出部２ａの振動振幅を効果的に増大させることができる。さらに、ｎ次の共振周波数Ｆｎにｎ＋１次の共振周波数Ｆｎ＋１を最接近させて差｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜を最小としたときには、振幅の増大効果が最大化され、突出部２ａの振動振幅を最大化することができる。
　さらに、光ファイバ２の先端の振動振幅が大きい程、画像の画素数が増して画像の精細度が高くなる。特に、ｎ次とｎ±１次の共振周波数の差｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜が条件式（１）を満足することによって、高精細な画像を取得することができる。
　条件式（１）は、実験結果およびシミュレーション結果に基づき、ｎ次の共振周波数Ｆｎで振動体を振動させたときに、二重の共鳴効果が得られる差｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜の範囲を規定したものである。より具体的には、一般的な最大振幅（例えば、４５Ｖ）を有する交番電圧を印加したときに光ファイバ２の先端の振幅が５００μｍ以上となるような差｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜の範囲を規定したものである。共振周波数Ｆｎにおける光ファイバ２の先端の振幅が５００μｍ以上であるときには、十分に高精細な２次元画像を取得することができる。
　なお、条件式（１）の範囲は、以下のようにして導かれる。
　駆動周波数がｎ次の共振周波数Ｆｎと一致するときには、振動体の振動が不安定となるため、駆動周波数は、ｎ次の共振周波数Ｆｎとは異ならせる必要がある。さらに、駆動周波数の振幅変調に伴って駆動周波数の低周波側および高周波側に現れる側波帯も、共振周波数Ｆｎとは異ならせる必要がある。したがって、振動体を安定して振動させるために、駆動周波数と共振周波数Ｆｎとの差は少なくとも１００Ｈｚ確保され、側波帯も考慮するとさらに３０Ｈｚ確保される。したがって、駆動周波数は、ｎ次の共振周波数Ｆｎ±１３０Ｈｚに設定される。
　ここで、光ファイバ２のＱ値について考える。Ｑ値とは、駆動周波数を共振周波数Ｆ０に近付けたときに振幅がどの程度増大するかを示す振幅増大係数であり、下式によって定義される。下式において、Ｆ１およびＦ２は、共振周波数Ｆ０の低周波側および高周波側でそれぞれ、振幅が共振周波数Ｆ０における最大振幅Ａｐ（μｍ）の１／√２倍となる周波数である。Ｑ値が大きい程、共振周波数Ｆ０において大きな振幅が得られる。
　Ｑ＝Ｆ０／（Ｆ２－Ｆ１）
　本実施形態の光走査装置１においては、Ｑ値が１００程度である光ファイバ２の使用を想定しているので、Ｑ値が１００である場合について考える。図５に示されるように、共振周波数Ｆ０から１３０Ｈｚずれた駆動周波数ｆｄでの光ファイバ２の先端の振幅は、約０．４Ａｐである。したがって、光ファイバ２の先端の振動範囲は、±０．４Ａｐとなる。一方、一般に可視域で使用されるシングルモードファイバのモードフィールド径は、３．５μｍである。したがって、照明光のＸ方向またはＹ方向の１走査ライン上での画素数は、２×０．４Ａｐ／３．５と表され、２次元画像の画素数に換算すると、（２×０．４Ａｐ／３．５）＾２となる。これより、光ファイバ２の先端の振幅が大きい程、２次元画像の画素数が増大することが分かる。
　例えば、医療用途では、２次元画像は、画素数が１３０００画素以上であれば、高精細であると言える。以上から、ｎ次の共振周波数Ｆｎにおける突出部２ａの最大振幅Ａｐを５００μｍ以上（駆動周波数ｆｄにおける振幅が約２００μｍ）とすることによって、高精細な画像を取得することができる。
　なお、光ファイバ２の先端の振幅を増大させるのではなく、集光レンズ６の投影倍率を増大することによっても、被写体Ｓ上での照明光の走査範囲（すなわち画角）を拡大することができる。ただし、集光レンズ６の投影倍率の増大に伴って被写体Ｓに投影される照明光のスポット径も拡大されるため、画像の分解能が低下する。したがって、高精細な画像を取得するためには、光学系の倍率に頼らずに、光ファイバ２の先端の振幅の増大によって画角を拡大することが好ましい。
　次に、光走査装置１の組立調整方法について説明する。
　本実施形態に係る光走査装置１の組立調整方法は、光ファイバ２とフェルール３と圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄとを組み立てる組立工程において、振動体のｎ次およびｎ±１次の共振周波数Ｆｎ，Ｆｎ±１を測定し、共振周波数Ｆｎ，Ｆｎ±１間の差に基づいて突出長ｄを調整する調整工程を含む。
　光ファイバ２とフェルール３は接着剤によって互いに接合される。したがって、調整工程は、フェルール３の貫通孔３ａ内に光ファイバ２を挿入した後、接着剤が硬化する前に行われる。調整工程において、突出長ｄを変化させながら振動体のｎ次およびｎ±１次の共振周波数Ｆｎ，Ｆｎ±１を測定し、差｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜が０．２５Ｆｎ以下となるような、好ましくは差｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜が最小となるような突出長を特定し、光ファイバ２の突出長ｄが特定された突出長となるように、光ファイバ２に対してフェルール３を位置決めする。その後、接着剤を硬化させる。
　このように、突出長ｄの調整は、部材の加工を必要とせず、光ファイバ２とフェルール３との相対位置の調整のみによって行われる。したがって、共振周波数Ｆｎ，Ｆｎ±１の最適化を容易に行うことができる。
　共振周波数Ｆｎ，Ｆｎ＋１の測定には、インピーダンスアナライザが好適に使用される。インピーダンスアナライザは、圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄへの微小な電圧の印加によってインピーダンスを測定することができるので、測定時の光ファイバ２の振動はわずかで済む。したがって、接着剤が未硬化な状態であっても、測定誤差はわずかであり、振動体の共振周波数を正確に測定することができる。
　振幅が最大化されるように突出長ｄを調整する他の方法として、圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄに電圧を印加して実際に突出部２ａを振動させたときの振幅を測定する方法がある。しかし、接着剤の硬化前に突出部２ａを大きく振動させると、フェルール３と光ファイバ２との位置ずれが生じて突出長ｄが変化してしまい、振幅の正確な測定が困難である。フェルール３と光ファイバ２との位置ずれが生じないように、突出部２ａの振幅を微小に抑えた場合には、振幅の正確な測定が困難である。
　調整工程においては、突出長ｄ以外の構造パラメータを調整してもよい。
　フェルール３の長さＬｆの調整は、フェルール３と固定部５との相対位置の調整のみによって行われ、突出長ｄの調整と同様に部材の加工を必要としない。したがって、共振周波数Ｆｎ，Ｆｎ±１の最適化を容易に行うことができる。
　あるいは、調整工程においては、光ファイバ２、フェルール３および圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄに切削等の加工を施して、他の構造パラメータφ，Ｗｆ，Ｗｐ，Ｌｐ，Ｔｐを調整してもよい。
　また、共振周波数Ｆｎ，Ｆｎ±１を調整するための構造パラメータの数は、１つのみでもよいが、複数であってもよい。例えば、複数の構造パラメータを同時に変化させたときの１次および２次の共振周波数を測定して、１次の共振周波数と２次の共振周波数とが最接近するような複数の構造パラメータの組み合わせを採用してもよい。
　次に、本実施形態に係る光走査装置１の実施例１から３について説明する。
　表１に、実施例１から３に係る光走査装置の設計値および条件式（１）の値を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
（実施例１）
　実施例１に係る光走査装置において、振動体の１次の共振周波数と２次の共振周波数との差が最小となるように、突出長ｄを設計した。
　図６は、突出長を１ｍｍから２ｍｍまで変化させたときの、振動体の１次の共振周波数および２次の共振周波数の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。図７は、突出長を１ｍｍから２ｍｍまで変化させたときの光ファイバ２の先端の振幅の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。図７のシミュレーションにおいて、圧電素子に印加する交番電圧の大きさは４５Ｖに設定し、駆動周波数は１次の共振周波数と等しい周波数に設定した。
　図６に示されるように、突出長が１ｍｍから長くなるにつれて、２次の共振周波数が１次の共振周波数に近付き、突出長が１．４ｍｍであるときに１次の共振周波数と２次の共振周波数との差が最小となる。一方、図７に示されるように、光ファイバ２の先端の振幅は、突出長が１．４ｍｍであるときに最大となる。
　図８は、突出長を１ｍｍから２ｍｍまで変化させたときの、１次の共振周波数および２次の共振周波数の変化を実験によって求めた結果を示している。図９は、突出長を１ｍｍから２ｍｍまで変化させたときの光ファイバ２の先端の振幅の変化を実験によって求めた結果を示している。図９の実験において、圧電素子に印加する交番電圧の大きさは４５Ｖに設定し、駆動周波数は１次の共振周波数と等しい周波数に設定した。
　図８および図９から分かるように、実験結果は、図６および図７のシミュレーション結果と良好に一致した。
（実施例２）
　実施例２に係る光走査装置において、振動体の１次の共振周波数と２次の共振周波数との差が最小となるように、光ファイバの径φを設計した。
　図１０は、光ファイバの径を０．０２ｍｍから０．０８ｍｍまで変化させたときの、振動体の１次の共振周波数および２次の共振周波数の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。図１１は、光ファイバの径を０．０２ｍｍから０．０８ｍｍまで変化させたときの光ファイバ２の先端の振幅の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。図１１のシミュレーションにおいて、圧電素子に印加する交番電圧の大きさは４５Ｖに設定し、駆動周波数は１次の共振周波数と等しい周波数に設定した。
　図１０に示されるように、光ファイバの径が０．０８ｍｍから小さくなるにつれて、２次の共振周波数が低くなり、光ファイバの径が０．０３ｍｍであるときに１次の共振周波数と２次の共振周波数との差が最小となる。一方、図１１に示されるように、光ファイバ２の先端の振幅は、光ファイバの径が０．０３ｍｍであるときに最大となる。
（実施例３）
　実施例３に係る光走査装置において、振動体の１次の共振周波数と２次の共振周波数との差が最小となるように、フェルール長Ｌｆおよび圧電素子長Ｌｐを設計した。圧電素子長は、フェルール長に応じて決まる。具体的には、圧電素子長は、フェルールの両端部が圧電素子よりもＺ方向に０．１ｍｍ程度突出するように、フェルール長よりも０．２ｍｍ程度短く設計される。
　図１２は、フェルール長を１．６ｍｍから２．８ｍｍまで変化させたときの、振動体の１次の共振周波数および２次の共振周波数の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。図１３は、フェルール長を１．６ｍｍから２．８ｍｍまで変化させたときの光ファイバ２の先端の振幅の変化をシミュレーションによって求めた結果を示している。図１３のシミュレーションにおいて、圧電素子に印加する交番電圧の大きさは４５Ｖに設定し、駆動周波数は１次の共振周波数と等しい周波数に設定した。
　図１２に示されるように、フェルール長が１．６ｍｍから長くなるにつれて、２次の共振周波数が低くなり、フェルール長が２．５ｍｍであるときに１次の共振周波数と２次の共振周波数との差が最小となる。一方、図１３に示されるように、光ファイバ２の先端の振幅は、フェルール長が２．５ｍｍであるときに最大となる。
　なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
　例えば、圧電素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄに代えて永久磁石および電磁コイルを用いた駆動部を採用してもよい。
　永久磁石は、長手方向に着磁されて両端に磁極を有する筒状である。永久磁石内には、突出部２ａを構成する先端部が永久磁石から突出するように光ファイバ２が挿入され、光ファイバ２の外周面に永久磁石が固定される。電磁コイルは、永久磁石の各磁極とＸ方向およびＹ方向に対向する位置にそれぞれ設けられる。配線ケーブルを介して駆動制御部５０から電磁コイルに交番電流（交番信号）が供給されることにより、電磁コイルが永久磁石の磁極の近傍に磁場を発生させて永久磁石がＸ方向およびＹ方向に振動し、それにより突出部２ａが振動するようになっている。
　本変形例において、振動体は、永久磁石および光ファイバ２からなる。したがって、振動体の共振周波数を支配する構造パラメータには、光ファイバ２の径（直径）φと、突出部２ａのＺ方向の長さ（突出長）ｄと、永久磁石の幅、厚み、Ｚ方向の長さと、光ファイバ２および永久磁石の密度とが含まれる。
１　光走査装置
２　光ファイバ
２ａ　突出部（先端部）
３　フェルール
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ　圧電素子（駆動部）

Claims (5)

  1. 　被写体に向けて照明光を先端部から射出する光ファイバと、
    　前記先端部および該先端部と一体的に振動する部材を含む振動体のｎ次の共振周波数Ｆｎの近傍の駆動周波数を有する交番信号が印加されることによって、前記光ファイバの前記先端部を該光ファイバの長手方向と直交する平面内で振動させる駆動力を発生する駆動部とを備え、
    　前記振動体の、前記ｎ次の共振周波数Ｆｎとこれに隣接するｎ±１次の共振周波数Ｆｎ±１との差が、下式（１）を満たす光走査装置。
    　｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜　≦　０．２５Ｆｎ　　　…（１）
  2. 　前記ｎ次の共振周波数Ｆｎと前記ｎ±１次の共振周波数Ｆｎ±１との差が、３ｋＨｚ以下である請求項１に記載の光走査装置。
  3. 　前記駆動周波数が、前記振動体の３次以下の共振周波数の近傍の周波数である請求項１または請求項２に記載の光走査装置。
  4. 　被写体に向けて照明光を先端部から射出する光ファイバと、前記先端部および該先端部と一体的に振動する部材を含む振動体のｎ次の共振周波数Ｆｎの近傍の駆動周波数を有する交番信号が印加されることによって、前記光ファイバの前記先端部を該光ファイバの長手方向と直交する平面内で振動させる駆動力を発生する駆動部とを備える光走査装置の組立調整方法であって、
    　前記光ファイバと前記駆動部とを組み立てる組立工程において、前記振動体の、前記ｎ次の共振周波数Ｆｎとこれに隣接するｎ±１次の共振周波数Ｆｎ±１との差が、下式（１）を満たすように、前記振動体の共振周波数を支配する構造パラメータを調整する光走査装置の組立調整方法。
    　｜Ｆｎ±１－Ｆｎ｜　≦　０．２５Ｆｎ　　　…（１）
  5. 　前記組立工程において調整される前記構造パラメータが、前記光ファイバの前記先端部の長さおよび該先端部を支持するフェルールの長さのうち少なくとも一方である請求項４に記載の光走査装置の組立調整方法。
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