光纤扫描器、照明装置及观察装置的制作方法

本发明涉及光纤扫描器、照明装置及观察装置。

背景技术：

以往已知的光纤扫描器使用了筒状的致动器，该致动器由锆钛酸铅(PZT)构成，将光纤保持成单支撑梁状(例如，参照专利文献1)。在对致动器施加交变电压时，致动器沿光纤的长度方向进行伸缩振动，由此对光纤激励弯曲振动。因此，能够使作为自由端的光纤的末端振动，并扫描从该末端射出的光。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特表2008－504557号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

但是，专利文献1的光纤扫描器存在如下问题：在光纤的机械特性由于温度变化等外部因素和部件随时间经过而劣化等内部因素而产生变化时，光纤的振动状态变化，将不能沿着期望的轨迹扫描光。

本发明正是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供光纤扫描器、照明装置及观察装置，即使是在机械特性产生变化的情况下，也能够使光纤的振动状态保持固定状态，并得到期望的扫描轨迹。

用于解决问题的手段

为了达到上述目的，本发明提供以下的方案。

本发明的第一方式的光纤扫描器具有：细长的光纤，其能够引导光从末端射出；驱动用压电元件，其设于该光纤的外周面，由于交变电压的施加而在所述光纤的长度方向上进行伸缩振动，由此使所述光纤的末端部分产生与所述长度方向相交的方向上的弯曲振动；检测用压电元件，其设于所述光纤的所述末端部分的外周面；以及控制部，其对所述驱动用压电元件施加所述交变电压，并且根据所述检测用压电元件产生的电压控制所述交变电压。

根据本发明的第一方式，在对压电元件施加交变电压时，通过压电元件的伸缩振动在光纤的末端部分激励弯曲振动，光纤的末端在其横向上进行振动。由此，能够扫描从光纤的末端射出的照明光。

在这种情况下，随着光纤的末端部分的弯曲振动，在检测用压电元件产生变形，该检测用压电元件产生对应于光纤的末端部分的弯曲振动而振动的电压。

控制部控制施加给驱动用压电元件的交变电压，使得检测用压电元件产生的电压的振动状态成为规定的状态，即光纤的末端部分的振动状态成为规定的状态。因此，即使是在光纤和压电元件等部件的机械特性产生变化的情况下，也能够使光纤的末端部分的振动状态保持固定状态，并沿着期望的轨迹扫描光。

在上述第一方式中也可以是，所述检测用压电元件设于所述光纤的外周面中在所述末端部分进行弯曲振动的方向上对置的两个位置中的至少一个位置。

这样，检测用压电元件产生的电压的振动通过光纤的末端部分的弯曲振动而成为一致的振动，能够以更高的灵敏度检测光纤的振动状态。

在上述第一方式中也可以是，在所述两个位置双方设有一对所述检测用压电元件。

这样，能够根据一对检测用压电元件产生的电压之间的差分电压，以更高的灵敏度检测光纤的振动状态。

在上述第一方式中也可以是，具有由筒状的弹性体构成的振动传递部，该振动传递部设于所述光纤的外周面和所述驱动用压电元件之间。

这样，能够通过振动传递部将压电元件的伸缩振动高效地传递给光纤。

在上述第一方式中也可以是，具有筒状的导电部，该导电部设于所述光纤的所述末端部分的外周面与所述驱动用压电元件及检测用压电元件之间，并与所述驱动用压电元件及检测用压电元件电连接。

这样，导电部作为驱动用压电元件及检测用压电元件的共同的GND(接地)电极发挥作用，因而能够将GND导线减少为一条。

在上述第一方式中也可以是，所述检测用压电元件遍及所述末端部分的大致全长而设置。

这样，随着光纤的末端部分的弯曲振动，检测用压电元件产生的电压增大，因而能够以更高的灵敏度检测光纤的末端部分的振动状态。

本发明的第二方式的照明装置具有：上述任意一项所述的光纤扫描器；光源，其配置于该光纤扫描器的基端侧，对所述光纤提供照明光；照明透镜，其配置于所述光纤扫描器的末端侧，将从所述光纤的末端射出的照明光会聚于被摄体；以及细长的外筒，其收纳所述光纤扫描器和所述照明透镜。

本发明的第三方式的观察装置具有前面所述的照明装置；以及光检测部，其检测通过该照明装置向被摄体照射照明光而从所述被摄体返回来的回光。

发明效果

根据本发明发挥如下的效果：即使是在机械特性产生变化的情况下，也能够使光纤的振动状态保持固定状态，并得到期望的扫描轨迹。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式的观察装置的整体结构图。

图2A是示出本发明的第1实施方式的光纤扫描器的结构的侧视图。

图2B是图2A的光纤扫描器的从末端侧观察时的主视图。

图3A是示出图2A的光纤扫描器的变形例的侧视图。

图3B是图3A的光纤扫描器的从末端侧观察时的主视图。

图4A是示出图2A的光纤扫描器的另一变形例的侧视图。

图4B是图4A的光纤扫描器的从末端侧观察时的主视图。

图5是示出图2A的光纤扫描器的另一变形例的侧视图。

图6A是示出图2A的光纤扫描器的另一变形例的侧视图。

图6B是图6A的光纤扫描器的从末端侧观察时的主视图。

图7A是示出本发明的第2实施方式的光纤扫描器的结构的侧视图。

图7B是图7A的光纤扫描器的从末端侧观察时的主视图。

图8A是示出图7A的光纤扫描器的变形例的侧视图。

图8B是图8A的光纤扫描器的从末端侧观察时的主视图。

图9A是示出图7A的光纤扫描器的另一变形例的侧视图。

图9B是图9A的光纤扫描器的从末端侧观察时的主视图。

图10A是示出本发明的第3实施方式的光纤扫描器的结构的侧视图。

图10B是图10A的光纤扫描器的从末端侧观察时的主视图。

图11A是示出图10A的光纤扫描器的变形例的侧视图。

图11B是图11A的光纤扫描器的从末端侧观察时的主视图。

图12A是示出图10A的光纤扫描器的另一变形例的侧视图。

图12B是图12A的光纤扫描器的从末端侧观察时的主视图。

图13A是示出本发明的第4实施方式的光纤扫描器的结构的侧视图。

图13B是图13A的光纤扫描器的从末端侧观察时的主视图。

图14A是示出图13A的光纤扫描器的变形例的侧视图。

图14B是图14A的光纤扫描器的从末端侧观察时的主视图。

图15A是示出图13A的光纤扫描器的另一变形例的侧视图。

图15B是图15A的光纤扫描器的从末端侧观察时的主视图。

具体实施方式

(第1实施方式)

下面，关于本发明的第1实施方式的光纤扫描器1、照明装置20及观察装置100，参照图1～图6B进行说明。

本实施方式的观察装置100是如内窥镜那样的探针型的观察装置，如图1所示具有：照明装置20，其向被摄体X的表面照射照明光L；以及检测用光纤31及光检测器(光检测部)32，它们检测来自被摄体X的照明光L的回光L’。

照明装置20具有：光纤扫描器1，其扫描通过使光纤2的末端2a振动而从该末端2a射出的照明光L；照明透镜21，其配置在该光纤扫描器1的末端侧；细长的圆筒状的外筒22，其收纳光纤扫描器1和照明透镜21；以及光源23，其向光纤2的基端提供照明光L。

照明透镜21以其后侧焦点位置与光纤2的末端2a大致一致的方式配置，使从光纤2的末端2a射出的照明光L会聚于被摄体X。

光源23配置于外筒22的基端侧，并与光纤2的基端连接。

在外筒22内，在光纤扫描器1的外侧沿周向排列设有多个检测用光纤31。检测用光纤31的末端面配置于外筒22的末端面。

光检测器32配置于外筒22的基端侧，并与检测用光纤31的基端连接。

如图2A及图2B所示，本实施方式的光纤扫描器1具有：由玻璃材料构成的细长的圆棒状的光纤2；设于该光纤2的外周面的弹性部件3；设于该弹性部件3的外周面的板状的4片驱动用压电元件4A、4B、4C、4D；设于光纤2的两片检测用压电元件5A、5B；控制施加给驱动用压电元件4A、4B、4C、4D的交变电压的控制部6；以及将光纤扫描器1固定于外筒22的固定部件7。在本实施方式的说明中，采用以光纤2的径向为X方向及Y方向、以光纤2的长度方向为Z方向的垂直坐标系X、Y、Z。

弹性部件(振动传递部)3是由镍或铜等导电性的金属材料构成的四棱柱状的部件。弹性部件3具有贯通孔，该贯通孔沿着弹性部件3的长度方向的中心轴从末端面形成到基端面，并嵌合于光纤2的外周面。光纤2使其末端部分突出地插入贯通孔内。下面，将光纤2的从弹性部件3向末端侧突出的部分称为光扫描部2b。

驱动用压电元件4A、4B、4C、4D是由锆钛酸铅(PZT)等压电陶瓷材料形成的板状的部件。对驱动用压电元件4A、4B、4C、4D的表面和背面分别进行电极处理，使得表面成为+极、背面成为-极。由此，驱动用压电元件4A、4B、4C、4D如箭头P所示，在从+极朝向-极的方向上被极化。驱动用压电元件4A、4B、4C、4D使作为极化方向P的厚度方向朝向光纤2的径向，分别用一片粘接剂12粘贴在弹性部件3的4个侧面上。4片驱动用压电元件4A、4B、4C、4D通过使用绝缘用的粘接剂12，并利用氧化锆等绝缘材料形成弹性部件3等，与弹性部件3电绝缘。

其中，在X方向上相互对置的两片驱动用压电元件4A、4B以使极化方向P相同的方式粘贴在弹性部件3上。GND(地)导线9通过焊料和导电性粘接剂等与驱动用压电元件4A、4B的弹性部件3侧的电极面电连接。A相的驱动用导线8A通过焊料和导电性粘接剂等与驱动用压电元件4A、4B的和弹性部件3相反侧的电极面电连接。在通过驱动用导线8A从控制部6对驱动用压电元件4A、4B施加A相的交变电压时，驱动用压电元件4A、4B在与极化方向P垂直的Z方向进行伸缩振动。此时，两片驱动用压电元件4A、4B中一方在Z方向收缩、另一方在Z方向伸展，由此在弹性部件3产生X方向的弯曲振动。该弹性部件3的X方向的弯曲振动传递给光纤2，由此光纤2的光扫描部2b在X方向进行弯曲振动，光纤2的末端2a在X方向进行直线振动。

同样地，在Y方向上相互对置的两片驱动用压电元件4C、4D以使极化方向P相同的方式粘贴在弹性部件3上。GND导线9通过焊料和导电性粘接剂等与驱动用压电元件4C、4D的弹性部件3侧的电极面电连接。B相的驱动用导线8B通过焊料和导电性粘接剂等与驱动用压电元件4C、4D的和弹性部件3相反侧的电极面电连接。在通过驱动用导线8B从控制部6对驱动用压电元件4C、4D施加B相的交变电压时，驱动用压电元件4C、4D在与极化方向P垂直的Z方向进行伸缩振动。此时，两片驱动用压电元件4C、4D中一方在Z方向收缩、另一方在Z方向伸展，由此在弹性部件3产生Y方向的弯曲振动。该弹性部件3的Y方向的弯曲振动传递给光纤2，由此光纤2的光扫描部2b在Y方向进行弯曲振动，光纤2的末端2a在Y方向进行直线振动。

检测用压电元件5A、5B与驱动用压电元件4A、4B、4C、4D一样是由PZT等压电陶瓷材料形成的板状的部件，在厚度方向上进行极化。一个检测用压电元件5A设于光扫描部2b的外周面中夹着光扫描部2b的中心轴在X方向上对置的两个位置中的一个位置，通过导电性粘接剂粘接在光扫描部2b的外周面上。另一个检测用压电元件5B设于光扫描部2b的外周面中夹着光扫描部2b的中心轴在Y方向上对置的两个位置中的一个位置，通过导电性粘接剂粘接在光扫描部2b的外周面上。

GND导线9通过焊料和导电性粘接剂等与检测用压电元件5A、5B的光扫描部2b侧的电极面电连接。检测用导线10通过焊料和导电性粘接剂等与检测用压电元件5A、5B的和光扫描部2b相反侧的电极面电连接。

另外，检测用压电元件5A、5B也可以由压电陶瓷材料的膜构成，该膜使用气浮沉积法(AD法)等形成于光扫描部2b的外周面。

各导线8A、8B、9、10通过压电元件4、5的间隙、和在固定部件7中沿Z方向形成的通孔(省略图示)，大致沿着光纤2的外周面进行配线，并在固定部件7的基端侧被捆绑成一体。在图1中，为了防止附图变复杂，仅图示了导线8A、8B、9、10中与驱动用压电元件4A连接的导线8A、9。

控制部6具有GND端子，所有的压电元件4A、4B、4C、4D、5A、5B的GND导线9与共同的GND端子连接。由此，驱动用导线8A、8B及检测用导线10在电气方面成为+极性。

驱动用导线8A、8B及检测用导线10与控制部6电连接。控制部6通过驱动用导线8A、8B对驱动用压电元件4A、4B、4C、4D施加规定的所设定的交变电压。并且，控制部6在施加规定的所设定的交变电压后，根据通过检测用导线10检测出的检测用压电元件5A、5B的电压控制交变电压。

具体而言，在检测用压电元件5A、5B随着光扫描部2b的弯曲振动而产生变形时，检测用压电元件5A、5B借助压电效应产生周期地振动的电压。所产生的电压(以下称为检测电压)通过检测用导线10由控制部6进行检测。

控制部6调整A相的交变电压的相位，使得在比较此前刚刚施加给驱动用压电元件4A、4B的A相的交变电压和检测用压电元件5A的检测电压的相位时，它们的相位差达到规定的目标值。并且，控制部6调整A相的交变电压的振幅，使得检测用压电元件5A的振幅达到规定的目标值。

同样地，控制部6调整B相的交变电压的相位，使得在比较此前刚刚施加给驱动用压电元件4C、4D的B相的交变电压和检测用压电元件5B的检测电压的相位时，它们的相位差达到规定的目标值。并且，控制部6调整B相的交变电压的振幅，使得检测用压电元件5B的振幅达到规定的目标值。

固定部件7是由不锈钢等金属材料形成的圆筒状的部件。固定部件7的内周面在弹性部件3的基端侧被粘接固定于光纤2的外周面。固定部件7的外周面通过环氧类粘接剂被固定于外筒22的内周面。

下面，对这样构成的光纤扫描器1、照明装置20及观察装置100的作用进行说明。

在使用本实施方式的观察装置100观察被摄体X时，在将照明透镜21与被摄体X对置配置的状态下，从光源23对光纤2提供照明光L，使光纤2的末端2a振动，由此使照明光L在被摄体X上扫射。

具体而言，将具有与光扫描部2b的弯曲共振振动频率对应的频率的A相的交变电压、通过驱动用导线8A施加给驱动用压电元件4A、4B。由此，在光扫描部2b激励X方向的弯曲振动，从光纤2的末端2a射出的照明光L在X方向进行直线扫描。同样，将具有与光扫描部2b的弯曲共振振动频率对应的频率的B相的交变电压、通过驱动用导线8B施加给驱动用压电元件4C、4D。由此，在光扫描部2b激励Y方向的弯曲振动，从光纤2的末端2a射出的照明光L在Y方向进行直线扫描。

在此，通过使A相的交变电压的相位和B相的交变电压的相位相互错开π/2，光纤2的末端2a沿着圆状的轨迹进行振动。另外，通过在该状态下使A相的交变电压和B相的交变电压的振幅呈正弦波状变化，光纤2的末端2a沿着螺旋状的轨迹进行振动。

从光纤2的末端2a射出的照明光L通过照明透镜21会聚后照射被摄体X，在被摄体X上沿着螺旋状的轨迹进行二维扫描。来自被摄体X的照明光L的回光L’被多条检测用光纤31接受，其强度由光检测器32进行检测。观察装置100通过与照明光L的扫描周期同步地由光检测器32检测回光L’，使检测出的回光L’的强度与照明光L的扫描位置相对应，生成被摄体X的图像。

在这种情况下，由于温度变化和随时间经过而劣化等原因，光扫描部2b的机械特性产生变化，由此光扫描部2b的振动状态产生变化，此时光扫描部2b的振动状态的变化作为检测用压电元件5A、5B产生的检测电压的振动状态的变化马上由控制部6检测出来。并且，控制部6对交变电压的相位及振幅进行反馈控制，使得检测电压的相位相对于提供给驱动用压电元件4A、4B、4C、4D的交变电压的延迟、和检测电压的振幅分别达到目标值。这样，通过检测光扫描部2b的实际的振动状态，并根据检测结果控制交变电压使得光扫描部2b的振动状态与作为目标的状态一致，具有能够将光扫描部2b的振动状态保持固定、并沿着期望的扫描轨迹持续扫描照明光L的优点。

在本实施方式中，在从开始交变电压的调整起经过了规定的时间后光扫描部2b的振动状态也没有达到作为目标的状态的情况下，控制部6也可以停止对驱动用压电元件4A、4B、4C、4D的交变电压的施加及来自光源23的照明光L的输出。

在光纤2损伤的情况下，光纤2的振动状态也产生变化。例如在光纤2折断时，光纤2的振幅减小，通过检测用压电元件5A、5B检测的电压的振幅减小。在这种情况下，难以通过交变电压的调整使光纤2的振动状态恢复成作为目标的状态。因此，在通过控制部6调整交变电压后仍持续检测出光扫描部2b不正常的振动状态的情况下，能够检测出光纤2的故障。

在本实施方式中，将驱动用压电元件4A、4B、4C、4D粘接在棱柱状的弹性部件3的外周面上，但光纤扫描器1的具体结构不限于此。

例如，如图3A及图3B所示，弹性部件3也可以是圆筒状。或者，也可以如图4A及图4B所示省略弹性部件3，而在光纤2的外周面上直接粘接驱动用压电元件4A、4B、4C、4D。

在本实施方式中，也可以适当变更驱动用压电元件4A、4B、4C、4D的GND导线9的连接位置。例如，GND导线9也可以如图5所示，与驱动用压电元件4A、4B、4C、4D的末端侧的侧面连接。

在本实施方式中，设置X方向的振动检测用的检测用压电元件5A和Y方向的振动检测用的检测用压电元件5B各一片，但也可以如图6A及图6B所示设置各两片。在这种情况下，两片检测用压电元件5A设于光扫描部2b的外周面上在X方向上对置的两个位置，两片检测用压电元件5B设于光扫描部2b的外周面上在Y方向上对置的两个位置。

这样，光扫描部2b的X方向的振动状态被检测为两片检测用压电元件5A产生的电压之间的差分电压，光扫描部2b的Y方向的振动状态被检测为两片检测用压电元件5B产生的电压之间的差分电压。由此，能够以更高的灵敏度检测各方向的光扫描部2b的振动状态。

(第2实施方式)

下面，关于本发明的第2实施方式的光纤扫描器101、照明装置及观察装置，参照图7A～图9B进行说明。

本实施方式的照明装置及观察装置是在图1的照明装置20及观察装置100中，将光纤扫描器1变更为光纤扫描器101构成的。

本实施方式的光纤扫描器101如图7A及图7B所示，在光扫描部2b和检测用压电元件5A、5B之间具备导电部11，主要是这一点与第1实施方式不同。因此，在本实施方式中，主要对导电部11进行说明，对与第1实施方式相同的结构标注相同的标号，并省略说明。

导电部11是设于光扫描部2b的基端部分的外周面的筒状的部件，由导电性的金属材料构成。导电部11例如通过在光扫描部2b的外周面实施电解或者无电解镀敷等导电性皮膜处理或者涂覆导电性粘接剂而形成。检测用压电元件5A、5B利用导电性粘接剂固定于导电部11的外周面。导电部11的基端侧的一部分插入于光纤2和弹性部件3之间，导电部11和弹性部件3利用导电性粘接剂进行固定。由此，弹性部件3作为四片驱动用压电元件4A、4B、4C、4D和两片检测用压电元件5A、5B的共同的GND发挥作用，弹性部件3与一条GND导线9连接。

本实施方式的光纤扫描器101、照明装置及观察装置的作用与第1实施方式相同，因而省略说明。

这样，根据本实施方式，通过设置被配置于光纤2的外周面和压电元件4A、4B、4C、4D、5A、5B之间的导电部11，将该导电部11与所有的压电元件4A、4B、4C、4D、5A、5B电连接，具有能够对所有的压电元件4A、4B、4C、4D、5A、5B仅使用一条GND导线9即可的优点。关于本实施方式的其它效果，与第1实施方式相同，因而省略说明。

在本实施方式中，也可以如图8A及图8B所示，采用圆筒状的弹性部件3，还可以如图9A及图9B所示，省略弹性部件3，而在光纤2的外周面上直接粘接驱动用压电元件4A、4B、4C、4D。

(第3实施方式)

下面，关于本发明的第3实施方式的光纤扫描器102、照明装置及观察装置，参照图10A～图12B进行说明。

本实施方式的照明装置及观察装置是在图1的照明装置20及观察装置100中，将光纤扫描器1变更为光纤扫描器102构成的。

本实施方式的光纤扫描器102如图10A及图10B所示，具有上述的导电部11，还具有两片检测用压电元件5A、5B，主要是这一点与第1及第2实施方式不同。因此，在本实施方式中，主要对检测用压电元件5A、5B进行说明，对与第1及第2实施方式相同的结构标注相同的标号，并省略说明。

本实施方式的光纤扫描器102具有X方向的振动检测用的两片检测用压电元件5A，并具有Y方向的振动检测用的两片检测用压电元件5B。两片检测用压电元件5A以在X方向上对置的方式设于光扫描部2b的外周面。两片检测用压电元件5A、5B以在Y方向上对置的方式设于光扫描部2b的外周面。

根据这样构成的光纤扫描器102，光扫描部2b的X方向的振动状态被检测为两片检测用压电元件5A产生的电压之间的差分电压，光扫描部2b的Y方向的振动状态被检测为两片检测用压电元件5B产生的电压之间的差分电压。因此，能够以更高的灵敏度检测各方向的光扫描部2b的振动状态，因而具有控制部6能够更恰当地调整各相的交变电压的优点。

本实施方式的光纤扫描器102、照明装置及观察装置的其它作用及效果与第1实施方式相同，因而省略说明。

在本实施方式中，也可以如图11A及图11B所示，采用圆筒状的弹性部件3，也可以如图12A及图12B所示，省略弹性部件3，而在光纤2的外周面上直接粘接驱动用压电元件4A、4B、4C、4D。

(第4实施方式)

下面，关于本发明的第4实施方式的光纤扫描器103、照明装置及观察装置，参照图13A～图15B进行说明。

本实施方式的照明装置及观察装置是在图1的照明装置20及观察装置100中，将光纤扫描器1变更为光纤扫描器102而得到的。

如图13A及图13B所示，本实施方式的光纤扫描器103是将第3实施方式的光纤扫描器102变形而得到的，导电部11及检测用压电元件5A、5B遍及光扫描部2b的大致全长而设置，这一点与第3实施方式不同。因此，在本实施方式中，主要对导电部11及检测用压电元件5A、5B进行说明，对与第1～第3实施方式相同的结构标注相同的标号，并省略说明。

根据这样构成的光纤扫描器103，检测用压电元件5A、5B的与光扫描部2b的接触面积增大，因而随着光扫描部2b的弯曲振动在各个检测用压电元件5A、5B产生的变形量增大，各个检测用压电元件5A、5B产生的电压的振幅也增大。因此，具有能够以更高的灵敏度检测光扫描部2b的振动状态的优点。

本实施方式的光纤扫描器103、照明装置及观察装置的其它作用及效果与第1～第3实施方式相同，因而省略说明。

在本实施方式中，也可以如图14A及图14B所示，采用圆筒状的弹性部件3，也可以如图15A及图15B所示，省略弹性部件3，而在光纤2的外周面上直接粘接驱动用压电元件4A、4B、4C、4D。

标号说明

1、101、102、103光纤扫描器；2光纤；2a末端；2b光扫描部(末端部分)；3弹性部件(振动传递部)；4A、4B、4C、4D驱动用压电元件；5A、5B检测用压电元件；6控制部；7固定部件；8A、8B驱动用导线；9GND导线；10检测用导线；11导电部；12粘接剂；20照明装置；21照明透镜；22外筒；23光源；31检测用光纤；32光检测器；100观察装置；L照明光；L’回光；X被摄体。