(57)【要約】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。
2018092302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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）
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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）
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１４５９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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）【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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）【００１４】
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。
【発明の効果】
【００１５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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２Ａ】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２Ｂ】図２Ａの光走査装置を先端側から見た正面図である。
【図３】ｎ次の共振周波数の近傍の範囲を説明する図である。
【図４Ａ】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。
【図４Ｂ】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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）
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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）
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
【表１】
2018092302.tif 000003
【００５３】
（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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
（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。
【００５７】
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。
【００５８】
（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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【符号の説明】
【００６４】
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）
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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