JP2000051156A - 触覚センサ信号処理装置 - Google Patents

触覚センサ信号処理装置

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JP2000051156A
JP2000051156A JP11093792A JP9379299A JP2000051156A JP 2000051156 A JP2000051156 A JP 2000051156A JP 11093792 A JP11093792 A JP 11093792A JP 9379299 A JP9379299 A JP 9379299A JP 2000051156 A JP2000051156 A JP 2000051156A
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JP
Japan
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signal processing
piezoelectric
vibrator
resonance
piezoelectric vibrator
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JP11093792A
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English (en)
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Mineyuki Maezawa
峰雪 前沢
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B5/0048—Detecting, measuring or recording by applying mechanical forces or stimuli
    • A61B5/0051—Detecting, measuring or recording by applying mechanical forces or stimuli by applying vibrations

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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、短時間でより詳細な生体情報を得る
ことができる触覚センサ信号処理装置を提供する。 【解決手段】本発明は、圧電振動子を用いた触覚センサ
と、前記圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振抵
抗の変化を検出する共振抵抗変化検出手段と、前記圧電
振動子のインピーダンス特性のうち共振周波数の変化を
検出する共振周波数変化検出手段と、前記圧電振動子の
振動部分のサイズと、前記圧電振動子の圧電現象に対応
する圧電定数と、前記圧電振動子の圧電現象に対応する
結合係数と、前記圧電振動子の密度と、前記対象物に圧
接して振動を与える接触子の外形サイズを含む物理定数
を予め記憶しておく振動子定数記憶手段と、前記共振抵
抗変化検出手段の検出結果と、前記共振周波数変化検出
手段の検出結果と、前記振動子定数記憶手段に記憶され
た物理定数に基づいて、前記対象物の粘弾性特性である
ずり弾性率の実数部と虚数部を独立に計算処理する信号
処理手段とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、粘弾性特性をもつ
対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ信号処理装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、内視鏡は生体内部を観察するため
の器具としての機能よりも、観察を行いながら観察対象
を操作するといった機能を重視するようになってきてお
り、胆嚢摘出手術などに代表されるような内視鏡手術
や、内視鏡診断は今後ますます拡大するものと予想され
る。
【０００３】このように、より複雑、微細な操作や体腔
内で診断・治療を適切に行うには、視覚情報だけではな
く触覚情報も、より重要となる。
【０００４】生体は粘弾性体であり、ここでいう触覚と
は対象物のもつ粘弾性体による反作用力の知覚と定義
し、対象物のもつ粘弾性特性を検出するセンサを触覚セ
ンサと呼ぶ。
【０００５】粘弾性特性は、一般に、複素弾性率Ｇ＊を
用いて Ｇ＊＝Ｇ′＋ｊＧ″ で表せ、この複素弾性率Ｇ＊の実数部Ｇ′は弾性に対応
し、虚数部Ｇ″は粘性に対応する。
【０００６】また、ずり弾性率μを用いた場合には、 μ＊＝μ1 ＋ｊωμ2 のようにも表せる。
【０００７】生体組織は筋や組織間液などが絡み合って
粘弾性特性を示しており、腫瘍やしこりなどの病変部に
おいては正常部に比べ複素弾性率Ｇ＊の実数部Ｇ1 と虚
数部Ｇ2 の両方が異なる値を示すことになる。
【０００８】複素弾性率Ｇ＊を測定するには時間変化に
対する対象物の応答を測定する必要があり、その方法と
して生体組織に振動を与え、その応答を測定し、生体の
複素弾性率Ｇ＊を決定する方法がある。
【０００９】触覚センサにより粘弾性特性を定量的に検
出することによって、病変部の診断をより精密に行うこ
とが可能になる。
【００１０】このようなニーズに対して、“H.E.Gierk
e, et al., Physics of Vibrationsin Living Tissues,
J.Applied Physiology, 4, 886/900(1952) ”には、皮
膚に接触させた振動子を加振し、その応答から機械イン
ピーダンスを算出し、予め導出した機械インピーダンス
の理論式を解くことによって皮膚の弾性係数μ1 と粘性
係数μ2 を算出する方法が記載されている。
【００１１】また、生体の粘弾性特性を測定する装置と
して、圧電振動子の共振抵抗変化と共振周波数変化を利
用して、生体の粘弾性特性を弾性特性と粘性特性とに分
離して検出する触覚センサ信号処理装置（例えば、特開
平9-96600 号公報）が開示されている。
【００１２】図１９に示すように、この触覚センサ信号
処理装置は、圧電振動子のインピーダンス特性の変化を
用いて対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ１０１
と、インピーダンス特性のうち共振抵抗変化を検出する
共振抵抗変化検出手段１０２と、共振周波数変化を検出
する共振周波数変化検出手段１０３と、前記両検出手段
１０２，１０３からの検出結果を用いて対象物の粘弾性
特性である複素弾性率の実数部と虚数部を独立に計算処
理する信号処理手段１０５とから構成されている。
【００１３】このような構成において、例えば、圧電振
動子の等価回路定数を回路要素とした発振回路を使用す
ると、該発振回路からの出力信号は圧電振動子のインピ
ーダンス特性を反映した信号となる。
【００１４】無負荷の場合、出力信号は圧電振動子の共
振周波数ｆr 近傍で出力され、かつ、その振幅は圧電振
動子の共振抵抗Ｚr に対応してくる。
【００１５】一方、粘弾性体が付着すると、共振周波数
はｆr ′となり、共振抵抗はＺr ′へと変化する。
【００１６】すなわち、出力信号は圧電振動子のインピ
ーダンス特性の変化を反映した信号である。
【００１７】よって、発振出力を分岐し、信号処理手段
１０５で処理するために周波数成分を電圧信号に変換す
ることにより、共振抵抗変化と共振周波数変化とを検出
することができる。
【００１８】このような、共振抵抗変化検出手段１０２
によって検出された共振抵抗Ｚr ，Ｚr ′と共振周波数
変化検出手段１０３によって検出された共振周波数
ｆr ，ｆ r ′は信号処理手段１０５に入力され、この信
号処理手段１０５に予め格納された処理方法により計算
処理されて、対象物の粘弾性特性を示す複素弾性率Ｇ＊
の実数部Ｇ′と虚数部Ｇ″とが算出される。
【００１９】例えば、圧電振動子の等価回路定数
（Ｃ1 、Ｌ1 、装置定数ＫR 、ＫL ）と共振抵抗、共振
周波数が既知ならば、
【００２０】
【数１】
【００２１】に示すように、共振周波数と共振抵抗の両
方の変化を測定してはじめて複素弾性率Ｇ＊の実数部
Ｇ′と虚数部Ｇ″とを算出することができ、粘弾性特性
の検出が可能となる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】生体のような粘弾性特
性を持つ対象物について、振動を利用してその機械的な
インピーダンス特性を求める場合、拍動により生体が動
くため、接触状態を一定にするか、測定時間を短くする
必要がある。
【００２３】上述した従来例のH.E.Gierkeらの測定方法
において、振動子は正弦波で加振され、その代表的な有
限個の周波数において得られた方程式を解くことによっ
て、前述のμ1 とμ2 とが算出される。
【００２４】従って、この方法では、１つの測定点につ
いての測定が複数個行われ、その間の測定対象の物理的
状態が安定していなければならないという条件が要求さ
れるので、生体を対象とする測定には適した方法である
とはいえない。
【００２５】また、圧電振動子のような圧電振動現象の
解は、圧電方程式から電気的条件を満足するように運動
方程式をたて、機械的な端条件で解を求め、さらに電気
的な条件より電気端子からみたインピーダンスや等価回
路素子を決定しなければならない。
【００２６】また、上述した従来例の特開平9-96600 号
公報に開示の触覚センサ信号処理装置では、信号処理手
段において粘弾性対象物の電気的インピーダンスを機械
的インピーダンスに変換する装置定数ＫR 、ＫL を用い
て、複素弾性率を算出しているが、振動子の変位方向や
励振電界、機械的端条件について考慮されていないた
め、粘弾性特性を正確に検出することが難しい。
【００２７】さらに、これらの装置係数ＫR 、ＫL は予
め実験的にインピーダンス特性の測定を行い算出してお
く必要があると共に、測定対象となる粘弾性体によって
その値が異なるという問題がある。
【００２８】そこで、本発明はこのような課題に着目し
てなされたものであり、その目的とするところは、測定
時間の長さと、同一測定点での複数の測定と、、圧電振
動子の振動子の変位方向や励振電界、機械的端条件、電
気的な条件を考慮して、短時間でより詳細な生体情報を
得ることができる触覚センサ信号処理装置を提供するこ
とにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題を解決するために、（１）振動子のインピーダンス特
性の変化を用いて対象物の粘弾性特性を検出する触覚セ
ンサ信号処理装置において、圧電振動子を用いた触覚セ
ンサと、前記圧電振動子のインピーダンス特性のうち共
振抵抗の変化を検出する共振抵抗変化検出手段と、前記
圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振周波数の変
化を検出する共振周波数変化検出手段と、前記圧電振動
子の振動部分のサイズと、前記圧電振動子の圧電現象に
対応する圧電定数と、前記圧電振動子の圧電現象に対応
する結合係数と、前記圧電振動子の密度と、前記対象物
に圧接して振動を与える接触子の外形サイズを含む物理
定数を予め記憶しておく振動子定数記憶手段と、前記共
振抵抗変化検出手段の検出結果と、前記共振周波数変化
検出手段の検出結果と、前記振動子定数記憶手段に記憶
された物理定数に基づいて、前記対象物の粘弾性特性で
あるずり弾性率の実数部と虚数部を独立に計算処理する
信号処理手段と、を具備したことを特徴とする触覚セン
サ信号処理装置が提供される。
【００３０】この（１）の発明に関する実施の形態は、
第１、第２と第３の実施の形態が対応する。
【００３１】この（１）の発明中の構成において、共振
抵抗変化検出手段と、共振周波数変化検出手段とは、こ
れらの実施の形態では発振回路が該当するが、インピー
ダンス測定器なども含む。
【００３２】（作用）共振抵抗変化検出手段により検出
された共振抵抗Ｚｒと共振周波数変化検出手段により検
出された共振周波数ｆｒは、振動子定数記憶手段に予め
記憶されている圧電振動子の振動部分の振動サイズと、
圧電現象に対応する圧電定数と、圧電現象に対応する結
合係数と、振動子の密度と、接触子の外形サイズと共に
信号処理手段に入力され、信号処理手段に予め格納され
た処理方法により計算処理されて、対象物の粘弾性特性
を示すずり弾性率の実数部μ1 と虚数部μ2 が算出され
る。
【００３３】（効果）信号処理手段により、圧電振動子
の圧電現象に基づいたずり弾性率の実数部μ 1 と虚数部
μ2 を算出することが可能になる。
【００３４】インピーダンス（共振抵抗）変化ｄＺと共
振周波数変化ｄｆとのそれぞれは、ずり弾性率の実数部
μ1 と虚数部μ2 に関与しており、両者の関係は圧電振
動子の振動方向や励起電界の方向などから決定される圧
電現象に基づいて、導くことができる。
【００３５】圧電振動子の密度、振動部分のサイズ、圧
電定数、結合係数と、接触子の外形サイズと、無負荷の
場合の共振周波数ｆr および共振抵抗Ｚｒが既知なら
ば、共振周波数と共振抵抗の両方の変化を測定してはじ
めてずり弾性率の実数部μ1 と虚数部μ2 を算出するこ
とができ、粘弾性特性の検出が可能となる。
【００３６】生体組織は筋や組織間液の易動度などが絡
み合って粘弾性特性を示しており、腫瘍やしこりなどの
病変部においてはずり粘弾性率μの実数部μ1 と虚数部
μ2の両方が変化するが、本実施形態の手法では圧電振
動子の圧電現象を加味して粘弾性特性を分離し検出する
ことにより、より詳細な生体の情報を得ることができる
ようになる。
【００３７】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（２）前記信号処理手段は、前記共振抵抗変
化検出手段の検出結果と、前記共振周波数変化検出手段
の検出結果と、前記振動子定数記憶手段に記憶された物
理定数に基づいて、前記対象物のずり弾性率の実数部と
虚数部とを独立に求める計算式を用いて計算処理する信
号処理回路と、前記共振抵抗変化検出手段の検出結果
と、前記共振周波数変化検出手段の検出結果とを、前記
信号処理回路に同一のタイミングで入力する入力手段
と、前記信号処理回路の計算結果を出力する出力手段
と、を具備することを特徴とする（１）に記載の触覚セ
ンサ信号処理装置が提供される。
【００３８】この（２）の発明に関する実施の形態は、
第１、第２と第３の実施の形態が対応する。
【００３９】この（２）の発明中の構成において、入力
手段は、この実施の形態ではゲートが該当する。
【００４０】（作用）入力手段により、共振周波数変化
と共振抵抗変化を同一のタイミングで信号処理回路に入
力することにより、ずり弾性率の実数部と虚数部とを独
立に計算する計算式を用いて計算処理する。
【００４１】（効果）リアルタイムでずり弾性率の実数
部と虚数部とを独立に計算する。
【００４２】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（３）前記信号処理回路は、前記圧電振動子
の圧電現象に対応した処理回路を具備し、前記振動子定
数記憶手段より前記圧電振動子の圧電現象に対応した物
理定数を前記処理回路に入力することにより、前記対象
物のずり弾性率の実数部と虚数部とを独立に求める計算
式を用いて計算処理することを特徴とする（２）に記載
の触覚センサ信号処理装置が提供される。
【００４３】この（３）の発明に関する実施の形態は、
第１及び第２の実施の形態が対応する。
【００４４】この（３）の発明中の圧電現象とは、厚み
縦効果や厚み横効果など、圧電振動子の振動方向と励起
電界のタイプを指す。
【００４５】（作用）圧電現象選択手段は圧電振動子の
圧電現象のタイプに応じて、前記振動子定数記憶手段の
各物理定数を信号処理回路に入力し、ずり弾性率の実数
部μ1 と虚数部μ2 を算出する。
【００４６】（効果）触覚センサにより検出される粘弾
性特性は圧電現象によって異なるため、圧電現象に応じ
た正確な粘弾性特性を検出することが可能である。
【００４７】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を詳細に説明する。
【００４８】（第１の実施の形態）まず、本発明による
触覚センサ信号処理装置の第１の実施形態の構成、作
用、効果について説明する。
【００４９】図１は、第１の実施形態の触覚センサ信号
処理装置１１を主たる構成手段によって表した図であ
る。
【００５０】すなわち、この触覚センサ信号処理装置１
１は、圧電振動子のインピーダンス特性の変化を用いて
対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ１０１と、イ
ンピーダンス特性のうち共振抵抗変化を検出する共振抵
抗変化検出手段１０２と、共振周波数変化を検出する共
振周波数変化検出手段１０３と、前記圧電振動子の各物
理定数を予め記憶し、格納しておく振動子定数記憶手段
１０４と、前記振動子定数記憶手段１０４と、前記共振
抵抗変化検出手段１０２の検出結果と、前記共振周波数
変化検出手段１０３の検出結果とを用いて、対象物の粘
弾性特性であるずり粘弾性率の実数部と虚数部を独立に
計算処理する信号処理手段１０５とから構成されてい
る。
【００５１】図２は、前述した触覚センサ１０１、共振
抵抗変化検出手段１０２、共振周波数変化検出手段１０
３の具体的な回路構成を説明するために示されている。
【００５２】図２の（ａ）は、共振抵抗変化検出手段１
０２と共振周波数変化検出手段１０３の具体的な回路図
である。
【００５３】すなわち、この回路は、圧電振動子２０１
に接続された発振回路２０２と、その発振出力を分岐す
る分岐手段２０３と、その分岐信号のうち一方を周波数
一電圧変換するＦ／Ｖ変換手段２０４とから構成され
る。
【００５４】図２の（ｂ）は、圧電振動子２０１の等価
回路を示している。
【００５５】発振回路２０２は、このような圧電振動子
２０１の等価回路を回路要素としたコルピッツ発振回路
から構成されている。
【００５６】すなわち、この発振回路２０２は、コンデ
ンサ（Ｃ1 ）２０５、コンデンサ（Ｃ2 ）２０６、コン
デンサ（Ｃ0 ）２０７、抵抗（Ｒe ）２０８、抵抗（Ｒ
1）２０９、抵抗（Ｒ2 ）２１０、電圧端子２１１、出
力端子２１２、トランジスタ（Ｔｒ）２１３とで構成さ
れている。
【００５７】図３は、前述した信号処理手段１０５の具
体的な回路構成を説明するために示されている。
【００５８】すなわち、図３に示す信号処理手段１０５
には、図２に示すような構成の共振抵抗変化検出手段１
０２により検出された共振抵抗Ｚｒ′を提示する出力信
号Ｖ（Ｚｒ′）と、同じく図２に示すような構成の共振
周波数変化検出手段１０３により検出された共振周波数
ｆｒ′を提示する出力信号Ｖ（ｆｒ′）とが、後述する
ような振動子定数記憶手段１０４からの出力データと共
に入力される。
【００５９】この図３に示すような信号処理手段１０５
は、上記各出力信号Ｖ（Ｚｒ′）とＶ（ｆｒ′）とを同
じタイミングで取り込むゲート３０１、無負荷での共振
周波数ｆｒを保持する初期共振周波数保持手段３０４、
無負荷での共振抵抗Ｚｒを保持する初期共振抵抗保持手
段３０５、信号処理回路３０２、Ｄ／Ａコンバータ３０
３、Ａ／Ｄコンバータ３０６とで構成される。
【００６０】そして、共振抵抗変化検出手段１０２から
の共振抵抗Ｚr ′を提示する出力信号Ｖ（Ｚｒ′）と、
共振周波数変化検出手段１０３からの共振周波数ｆr ′
を提示する出力信号Ｖ（ｆｒ′）との一組はゲート３０
１により、同一のタイミングで取り込まれて信号処理回
路３０２に入力される。
【００６１】一方、基準となる共振周波数ｆr と共振抵
抗Ｚr は測定前に初期共振周波数保持手段３０４と初期
共振抵抗保持手段３０５とに格納され、信号処理回路３
０２に入力される。
【００６２】そして、振動子定数記憶手段１０４からの
出力データは、Ｄ／Ａコンバータ３０３を介してアナロ
グ信号である直流電圧信号Ｖに変換された後、信号処理
回路３０２に入力される。
【００６３】図４は、振動子定数記憶手段１０４の具体
的な構成を説明するために示されている。
【００６４】この図４に示す振動子定数記憶手段１０４
は、振動子の振動部分のサイズである振動部外形要素４
０１、振動子の結合定数要素４０２、振動子の弾性定数
要素４０３、振動子の密度４０４から構成される。
【００６５】これらの各要素が、Ｄ／Ａコンバータ３０
３を介して信号処理回路３０２に入力されることによ
り、この信号処理回路３０２により粘弾性体のずり弾性
率μ＊の実数部μ1 と虚数部μ2 が算出される。
【００６６】以下に上記した構成の作用を説明する。
【００６７】図５は、図２において発振回路２０２から
の出力信号の波形図を示している。すなわち、圧電振動
子２０１の等価回路定数を回路要素とする発振回路２０
２を使用することにより、該発振回路２０２からの出力
信号は、図５に示すように圧電振動子２０１のインピー
ダンス特性を反映したものになる。
【００６８】無負荷の場合、発振回路２０２からの出力
信号は、図５の実線で示すように、圧電振動子２０１の
共振周波数ｆ0 近傍の周波数を有して出力され、且つ、
その振幅Ａ0 は圧電振動子２０１の共振抵抗に対応す
る。
【００６９】一方、粘弾性体が付着すると、発振回路２
０２からの出力信号は、図５の破線で示すように、周波
数ｆ1 を有して出力され、且つ、その振幅はＡ1 のよう
になる。
【００７０】これにより、共振抵抗変化検出手段１０２
と共振周波数変化検出手段１０３とは、発振回路２０２
からの出力信号を分岐し、信号処理手段１０５で処理す
るために周波数成分を電圧信号に変換し、共振抵抗変化
と共振周波数変化とを検出することができる。
【００７１】このように、共振抵抗変化検出手段１０２
により検出された共振抵抗Ｚｒと、共振周波数変化検出
手段１０３により検出された共振周波数ｆｒとは、振動
子定数記憶手段１０４に予め記憶されている数値と共に
信号処理手段１０５に入力される。
【００７２】そして、信号処理手段１０５は、予め格納
された処理方法により計算処理をして、対象物の粘弾性
特性を示すずり弾性率μ＊の実数部μ1 と虚数部μ2 と
を算出する。
【００７３】このときの算出方法について以下に述べ
る。
【００７４】図６は、厚み縦効果の圧電振動子とその座
標系を示す。
【００７５】図６の（ａ）に示すように、該振動子は振
動子の中央に円形の電極を裏表に設けた構造のエネルギ
ー閉じ込め型を採用している。
【００７６】この構造の振動子の場合、振動が発生する
のは中央の電極部分だけとなる。
【００７７】該振動子は振動子の厚み方向に分極され、
縦振動の方向が分極方向と一致しＺ方向の電界によりＺ
軸方向に図６の（ｂ）に示すような電極部分だけが、伸
縮運動をする。
【００７８】この場合の圧電方程式は、
【００７９】
【数２】
【００８０】但し、Ｔ：応力，Ｓ3 ：歪み，ｃ33 E ：弾
性定数，ｅ33：圧電定数，ε33 S ：誘電定数となる。
【００８１】Ｚ軸方向の振動変位をｕとすると、厚み縦
効果では
【００８２】
【数３】
【００８３】である。
【００８４】運動方程式は、
【００８５】
【数４】
【００８６】となる。
【００８７】但し、ρq ：圧電振動子の密度である。
【００８８】この方程式を解き、また、電極間に流れる
電流Ｉを
【００８９】
【数５】
【００９０】とし、各表裏面における力をＦ1 ，Ｆ2 と
して、メイソンの電気的等価回路を求めると、図７に示
すようになる。
【００９１】この図７に示す等価回路には二つの音響端
子１，２がある。
【００９２】今、端子１は短絡されていて、端子２には
音響インピーダンスＺ3 を接続した場合を考える。
【００９３】このＺ3 は触覚センサとして縦振動圧電振
動子が対象物に接触するときに受ける音響インピーダン
スに相当する。
【００９４】図８に示すＺ3eは電気的なインピーダンス
である。
【００９５】縦効果の場合、電気端子の電流Ｉと入力ア
ドミタンスＹf との関係は、次のようになる。
【００９６】
【数６】
【００９７】但し、ｋ33は、この場合の結合係数であ
る。
【００９８】Ｙf ＝∞となる共振条件を求めると
【００９９】
【数７】
【０１００】となる。
【０１０１】次に、図７の２次側のインピーダンスを簡
略化するためにNortonの変換とMittag-Lefflerの定理を
用いてＹf の等価回路を考える。
【０１０２】Ｙf を変形すると次のようになる。
【０１０３】
【数８】
【０１０４】なお、
【０１０５】
【数９】
【０１０６】であるから
【０１０７】
【数１０】
【０１０８】のように表現することができ、図８の
（ｂ）に示すような等価回路が導ける。
【０１０９】また、
【０１１０】
【数１１】
【０１１１】である。
【０１１２】図８を十分低い周波数で測定すると、
【０１１３】
【数１２】
【０１１４】となる。
【０１１５】従って、
【０１１６】
【数１３】
【０１１７】である。
【０１１８】ここで、共振点近傍での等価回路を考え
る。
【０１１９】上式のＹm はｔａｎ（ωｌ／２ｖ）＝∞、
すなわちωr ＝ｎπｖ／ｌ（ｎ＝１，３，５…）の周波
数で共振する。
【０１２０】いま、基本周波数ωr ＝πｖ／ｌ（ｎ＝
１）について考える。
【０１２１】この共振点近傍で
【０１２２】
【数１４】
【０１２３】と展開すると
【０１２４】
【数１５】
【０１２５】の関係より
【０１２６】
【数１６】
【０１２７】が得られ、Ｌ，Ｃ，Ｚ3eは
【０１２８】
【数１７】
【０１２９】である。
【０１３０】次に、振動子に付着する粘弾性対象物とし
て、一定荷重に対して次第に伸長速度が減少し、やがて
停止して一定の平衡点に到達するフォークト型モデルを
用いて、粘弾性体の機械的インピーダンスについて説明
する。
【０１３１】“H.L. Oeastreicher et al., Field and
Impedance of an Oscillating Sphere in a Viscoelast
ic Medium with an Applicattion to Biophysics, J. A
ccoust. Soc. America, 23, 6, 707/714(1951) ”によ
れば、フォークト型の粘弾性モデルで球が半無限な粘弾
性体に接触して振動している場合の球が受ける音響イン
ピーダンスは
【０１３２】
【数１８】
【０１３３】で表せる。
【０１３４】このＺは機械的インピーダンスである。
【０１３５】但し、ρ：密度、ｐ：球が粘弾性体に及ぼ
す力、ａ：振動球の半径、μ1 ：ずり弾性率実数部、μ
2 ：ずり弾性率虚数部、λ1 ：体積圧縮率、λ2 ：体積
粘性率である。
【０１３６】ところで、図６に示したように、今、圧電
振動子の振動部分が球ではなく円盤状である場合、上式
は次式のように変形される。
【０１３７】
【数１９】
【０１３８】この式を機械的な音響インピーダンスＺ3
として適用する。
【０１３９】また、粘弾性体の例としてシリコーンゴム
や生体の筋肉を用いると、これらは非圧縮性で、μ1 ＜
＜λ1 である。
【０１４０】以上からμ1 ／λ1 はほぼ０とする。
【０１４１】これによって機械的音響インピーダンスＺ
3 は、
【０１４２】
【数２０】
【０１４３】となる。
【０１４４】この式を展開して実数部と虚数部に分ける
と、
【０１４５】
【数２１】
【０１４６】となる。
【０１４７】インピーダンスの変化ｄＺは実数部Ｚreal
の式をＺ3eの式に代入して、
【０１４８】
【数２２】
【０１４９】となる。
【０１５０】周波数変化ｄＬは虚数部Ｚimagの式をＺ3e
の式に代入して、
【０１５１】
【数２３】
【０１５２】が得られる。
【０１５３】無負荷時の振動子の共振周波数は
【０１５４】
【数２４】
【０１５５】となるので、共振周波数の変化ｄｆは次式
のようになる。
【０１５６】
【数２５】
【０１５７】ここで、ｄＬ＜＜Ｌと仮定した。
【０１５８】従って、上式にｄＬおよびＬの式を代入し
て計算すると、
【０１５９】
【数２６】
【０１６０】となる。
【０１６１】そして、圧電振動子の振動周波数が大き
く、ωμ2 ＞＞μ1 の関係が成り立つとき、ｄＺとｄｆ
は、
【０１６２】
【数２７】
【０１６３】のようになる。
【０１６４】ここで、
【０１６５】
【数２８】
【０１６６】とおいて、ｄＺとｄｆの方程式の解である
対象物の弾性μ１および粘性μ２を求める上式をずり弾
性率の実数部μと虚数部μ２について解くと、
【０１６７】
【数２９】
【０１６８】が得られる。
【０１６９】これより、ずり弾性率の虚数部μ２の式に
はインピーダンス（共振抵抗）変化ｄＺが単独で含まれ
ており、ずり弾性率の虚数部μ２とインピーダンス（共
振抵抗）の変化ｄＺが１対１に対応していることがわか
る。
【０１７０】他方、ずり弾性率の実数部μ１を求めるた
めには、共振周波数変化ｄｆとインビーダンス（共振抵
抗）の変化ｄＺの両方が必要であることがわかる。
【０１７１】従って、圧電振動子の密度ρq 、振動部分
のサイズａ及びｌ、圧電定数ｅ33、結合係数ｋ33と、無
負荷の場合の共振周波数ｆｒが既知ならば、共振周波数
と共振抵抗の両方の変化を測定してはじめて粘弾性特性
の検出が可能となる。
【０１７２】図３、図４は上述した計算式をもとにした
信号処理手段とその回路の一例を示したものである。
【０１７３】上述した第１の実施形態によれば、図３に
示す信号処理手段により、圧電振動子の圧電現象に基づ
いたずり弾性率の実数部μ1 と虚数部μ2 とを算出する
ことが可能になる。
【０１７４】生体組織は筋や組織間液の易動度などが絡
み合って粘弾性特性を示しており、腫瘍やしこりなどの
病変部においては、ずり粘弾性率μの実数部μ1 と虚数
部μ 2 の両方が変化するが、本実施形態の手法のように
圧電振動子の圧電現象を加味して粘弾性特性を分離して
検出することにより、より詳細な生体の情報を得ること
ができる。
【０１７５】また、図２に示すような発振回路２０２を
使用することにより、圧電振動子のインピーダンス特性
の変化をリアルタイムで測定することが可能になり、粘
弾性特性の測定時間を短くすることができる。
【０１７６】なお、本実施の形態は種々の変形が可能で
あり、例えば、圧電振動子の振動子の変位方向が励振電
界に直行する横効果の場合であっても、圧電定数や弾性
定数を最適に選び横効果の圧電方程式を立て、機械的端
条件、電気的な条件に基づいて解を求めることによっ
て、横効果での圧電現象に基づいたずり弾性率の実数部
μ1 と虚数部μ2 を算出する信号処理手段を構成するこ
とが可能である。
【０１７７】すなわち、圧電振動子の圧電現象が異なつ
ても、信号処理手段が圧電現象に基づいたずり弾性率の
実数部μ1 と虚数部μ2 とを算出する構成であればどの
ような信号処理手段であっても構わない。
【０１７８】ここで、横効果としては、厚みすベりモー
ド、厚みひろがりモード、厚みねじれモードなどが挙げ
られる。
【０１７９】その他にも、棒縦効果や棒横効果（棒すベ
りモード、棒ひろがりモード、棒ねじれモード）など
も、同様の手法で圧電現象に基づいたずり弾性率の実数
部μ1と虚数部μ2 を算出する信号処理手段を構成する
ことが可能である。
【０１８０】また、発振回路２０２は、圧電振動子２０
１の等価回路定数を用いて自励発振回路の構成が可能な
らばどのような回路でも構わない。
【０１８１】また、共振周波数変化検出手段、共振抵抗
変化検出手段として、インピーダンス測定器を用い、圧
電振動子２０１に直接インピーダンス測定器を接続して
も、同様な効果が得られる。
【０１８２】また、圧電振動子の形状は、本実施形態の
ような角板状以外の形状であっても構わない。
【０１８３】例えば、図９の（ａ）に示すような円板
状、図９の（ｂ）に示すような半円状、図９の（ｃ）に
示すような円環状、図９の（ｄ）に示すような円筒状、
図９の（ｅ）に示すような球面状、図９の（ｆ）に示す
ような角柱状、図９の（ｇ）に示すような樋状、図９の
（ｈ）に示すような円柱状などであってもよい。
【０１８４】さらに、本実施形態では、エネルギー閉じ
込め型の圧電振動子を用いたが、それ以外の電極構成を
有する圧電振動子でも同様の効果が得られる。
【０１８５】例えば、図１０に示すように、圧電振動子
駆動用電極２９０２と、振動ピックアップ用電極２９０
１とが分離した三端子電極構造の圧電振動子であっても
構わない。
【０１８６】また、本実施形態ではエネルギー閉じ込め
型の圧電振動子の電極部分が対象物に圧接し振動を伝達
する接触子を兼ねた構造となっているが、圧電現象の発
生する電極部分と、対象物に接触する接触子部分とが分
離された構成であつても構わない。
【０１８７】その場合、メイソン等価回路の導出の際の
電界を記述する条件として圧電振動子のサイズを用い、
上述したＨ．Ｌ．Ｏｅａｓｔｒｅｉｃｈｅｒの理論式の
導出の際の振動部分のサイズを記述する条件として接触
子のサイズを用いれば、本実施形態と同様の効果が得ら
れる。
【０１８８】図１５は、本発明の第１の実施形態による
具体例を示す。
【０１８９】すなわち、この具体例による触覚センサ信
号処理装置は、圧電振動子２０１（図１６参照）のイン
ピーダンス特性の変化を用いて対象物の粘弾性特性を検
出する触覚センサ１０１と、インピーダンス特性のうち
共振抵抗変化を検出する高周波オシロスコープ１７０１
と、共振周波数変化を検出する周波数カウンタ１７０２
と、圧電振動子２０１に電圧を加える直流電圧電源１７
０３と、前記高周波オシロスコープ１７０１と周波数カ
ウンタ１７０２を制御すると共に各々の測定器からの出
力を取り込み、その検出結果と予め記憶格納されている
前記圧電振動子２０１の各物理定数とを用いて、対象物
の粘弾性特性であるずり粘弾性率の実数部と虚数部を独
立に計算処理するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１７
０４とから構成されている。
【０１９０】触覚センサ１０１において、圧電振動子２
０１は材料ＰＺＴで作製され、厚み方向に分極が行われ
ている。
【０１９１】この圧電振動子２０１は、縦横サイズ１．
５ｍｍ×１．５ｍｍ、厚み１２０μｍの外形を有してお
り、厚み方向の振動子両面の中心に直径０．６ｍｍのＡ
ｕ電極をスパッタにより形成した厚み縦効果のエネルギ
ー閉じ込め型の構造となっている。
【０１９２】そして、この圧電振動子２０１の共振周波
数は約１８ＭＨｚ、共振抵抗は約２０Ωである。
【０１９３】図１６は、圧電振動子２０１に接続された
発振回路を構成する等価回路を回路要素としたコルピッ
ツ発振回路１８０１と、このコルピッツ発振回路１８０
１に接続されたバッファ回路１８０２を示している。
【０１９４】ここで、コルピッツ発振回路１８０１は、
コンデンサＣ１＝３０ｐＦ．Ｃ２＝１５０ｐＦ、抵抗Ｒ
e ＝４７０Ω、抵抗Ｒ1 ＝３ｋΩ、抵抗Ｒ2 ＝７ｋΩ、
電圧端子Ｖｃｃ、トランジスタＴｒ１（２ＳＣ９４５）
で構成されている。
【０１９５】さらに、コルピッツ発振回路１８０１の後
段に接続されたバッファ回路１８０２は、コンデンサＣ
i ＝０．０１μＦ、コンデンサＣo ＝０．０１μＦ、抵
抗Ｒ a ＝３３ｋΩ、抵抗Ｒb ＝２２ｋΩ、抵抗Ｒc ＝
１．５ｋΩ、抵抗Ｒd ＝１２０Ω、抵抗Ｒe ＝５０Ω、
電圧端子Ｖｃｃ、トランジスタＴｒ２（２ＳＣ９４
５）、出力端子Ｖｏｕｔとで構成されている。
【０１９６】すなわち、このコルピッツ発振回路１８０
１において、エネルギー閉じ込め型の該圧電振動子２０
１に電圧端子Ｖｃｃを介して直流電圧電源１７０３によ
りＤＣ５Ｖの電圧をかけると、振動は電極部分のみで発
生し、その振動は発振周波数約１８ＭＨｚ、振幅約１．
１Ｖが得られる。
【０１９７】圧電振動子を粘弾性体１７０５に接触させ
ると、該粘弾性体１７０５の粘弾性特性に応じて、圧電
振動子２０１の発振周波数は上昇し、振幅は小さくな
る。
【０１９８】この発振周波数の上昇（ΔＦ）は圧電振動
子２０１の共振周波数の変化に対応し、振幅変化は圧電
振動子２０１の共振抵抗変化に対応する。
【０１９９】これらの関係は、複数の粘弾性体を用いて
共振周波数変化ｄｆ、インピーダンス変化ｄＺ、発振周
波数変化ΔＦおよび振幅変化ΔＡを測定し、その測定結
果に基づいて最小自乗法により求めることができる。
【０２００】 ｄｆ＝９．６×１０16−２．８×１０6 ×ΔＦ2 ｄＺ＝−３７８７５２ΔＡ−８９３９８２ のように決定された。
【０２０１】なお、各係数は振動子の圧電特性に依存す
る。
【０２０２】触覚センサ１０１に用いる圧電振動子が決
まっている場合、結合定数ｋ、弾性定数ｅ、振動子の振
動部分のサイズａ，ｌ、共振周波数ｆｒ、角周波数ωは
常に一定となる。
【０２０３】また、一般的な粘弾性体の密度はおよそｌ
ｇ／ｃｍ3 程度であると仮定することができる。
【０２０４】また、ずり粘弾性特性μ1 ，μ2 と縦複素
弾性率の実数部Ｅ′と縦複素弾性率の虚数部Ｅ″は次の
関係で表せる。
【０２０５】Ｅ′＝μ1 ， Ｅ″＝ωμ2 以上の関係を用いて、図１５におけるパーソナルコンピ
ュータ１７０４中に信号処理ブログラムを作成し、それ
により取り込んだ周波数変化と振幅変化から触覚センサ
１０１が測定している対象物の粘弾性特性（実数部Ｅ′
と虚数部Ｅ″）を計算することができる。
【０２０６】図２０は、この対象物の粘弾性特性の測定
に係る制御と信号処理手順を示すフローチャートであ
る。
【０２０７】すなわち、測定が開始されると、測定器の
初期化（ステップＳ１）を行って、保存フアイル名の入
力（ステップＳ２）を行う。
【０２０８】そして、既存ファイルか否かの判定（ステ
ップＳ３）を行って、既存ファイルであるときには、そ
れを置き換えるか否かの判定（ステップＳ４）を行う。
【０２０９】既存ファイルではないときには新規ファイ
ルのオープン（ステップＳ５）を行い、既存ファイルを
置き換えるときには既存ファイルのオープン（ステップ
Ｓ６）を行う。
【０２１０】次に、無負荷状態での触覚センサ出力（Ｆ
0 、Ａ0 ）の測定（ステップＳ７）を行った後、粘弾性
体接触時のセンサ出力（Ｆ．Ａ）の測定（ステップＳ
８）を行う。
【０２１１】そして、センサ出力（Ｆ．Ａ）の測定結果
に基づいて、ΔＦ＝Ｆ−Ｆ0 ，ΔＡ＝Ａ−Ａ0 の計算
（ステップＳ９）、ΔＦ→ｄｆ，ΔＡ→ｄＺの設定（ス
テップＳ１０）、μ1 ，μ2 の算出（ステップＳ１
１）、Ｅ′＝μ1 ，Ｅ″＝ωμ2 の算出（ステップＳ１
２）を順次に行って、ファイルに保存（ステップＳ１
３）する。
【０２１２】ここで、計測停止ボタンが押されたか否か
の判定（ステップＳ１４）を行い、計測停止ボタンが押
されたときにはファイルを閉じて（ステップＳ１５）、
終了する。
【０２１３】なお、計測停止ボタンが押されていないと
きには、ステップＳ８以降の処理を繰り返す。
【０２１４】すなわち、この具体例では、以上のように
して、ある粘弾性体サンプルに任意の荷重で触覚センサ
１０１を接触させて発振周波数の変化と振幅の変化を測
定し、これらの測定値から粘弾性率特性としての縦複素
弾性率の実数部Ｅ′と縦複素弾性率の虚数部Ｅ″との算
出を行っている。
【０２１５】図２１の（ａ），（ｂ）は、これによる縦
複素弾性率の実数部Ｅ′と縦複素弾性率の虚数部Ｅ″と
のリアルタイム測定の結果を示している。
【０２１６】この結果から分かるように、この具体例に
よれば、再現性の良い粘弾性測定をリアルタイムで行う
ことが可能である。
【０２１７】すなわち、生体組織は筋や組織間液などが
絡み合って粘弾性特性を示しており、腫瘍やしこりなど
の病変部においては正常部に比べて粘弾性率特性の実数
部と虚数部の両方が異なる値を示すことが知られている
が、本触覚センサ信号処理装置によれば、定量的な粘弾
性特性の検出が可能である。
【０２１８】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施形態を図１１を用いて説明する。
【０２１９】上述した第１の実施形態では、厚み縦効果
の圧電現象のみについて信号処理回路を形成しているの
で、触覚センサ１０１の圧電振動子２０１が他の圧電現
象を利用した振動子に変わった場合、その圧電現象に対
応した信号処理回路を新たに構成し、信号処理装置を再
構成しなければならない。
【０２２０】そこで、この第２の実施形態は、このよう
な第１の実施形態での不具合を改善し、圧電振動子２０
１が着脱可能で、複数の圧電現象の振動子を用いて多角
的に測定・検出する触覚センサ信号処理装置を実現する
ことを目的としている。
【０２２１】図１１は、本発明の第２の実施形態の係る
触覚センサ信号処理装置１２の構成を示すブロック図で
ある。
【０２２２】すなわち、この触覚センサ信号処理装置１
２は、第１の実施形態と同様に、圧電振動子のインピー
ダンス特性の変化を用いて対象物の粘弾性特性を検出す
る触覚センサ１０１と、インピーダンス特性のうち共振
抵抗変化を検出する共振抵抗変化検出手段１０２と、共
振周波数変化を検出する共振周波数変化検出手段１０３
と、前記圧電振動子の各物理定数を予め記憶し、格納し
ておく振動子定数記憶手段１０４と、前記振動子定数記
憶手段１０４と、前記共振抵抗変化検出手段１０２の検
出結果と、前記共振周波数変化検出手段１０３の検出結
果とを用いて、対象物の粘弾性特性であるずり粘弾性率
の実数部と虚数部を独立に計算処理する信号処理手段１
０５とから構成されている。
【０２２３】そして、この第２の実施形態の振動子定数
記憶手段１０４は、厚み縦効果や厚み横効果などの各圧
電現象に対応した圧電定数、結合係数および圧電振動子
の振動部分のサイズ、圧電振動子の密度を予め記憶、格
納している。
【０２２４】該振動子定数記憶手段１０４の前段には、
圧電振動子の振動方向や励起電界の方向などによる圧電
現象のタイプを選択し、該振動子定数記憶手段１０４に
その選択結果を入力する圧電現象選択手段６０１が設け
られている。
【０２２５】該振動子定数記憶手段１０４の後段には、
圧電現象に応じた圧電定数、結合係数を前記振動子定数
記憶手段１０４から選択する選択結果入力手段６０２
と、該選択結果入力手段６０２に入力された各振動子定
数を受けて圧電現象に応じた信号処理回路を選択する信
号処理回路選択手段６０３とから構成される。
【０２２６】ここで、触覚センサ１０１、共振抵抗変化
検出手段１０２、共振周波数変化検出手段１０３の具体
的な回路構成は、図２に示されているものと同様とす
る。
【０２２７】図１２は、上記振動子定数記憶手段１０４
と、信号処理手段１０５に含まれる信号処理回路６０６
とを詳細に示した図である。
【０２２８】この信号処理回路６０６は、厚み縦効果処
理回路６０４と、厚み横効果（厚みすベりモード）６０
５とから構成される。
【０２２９】上記した構成において、圧電現象選択手段
６０１は、図２に示されているような触覚センサ１０１
に取り付けられている圧電振動子２０１の圧電現象のタ
イプを選択し、選択結果入力手段６０２が該圧電現象選
択手段６０１からの信号を受けて上記振動子定数記憶手
段１０４の圧電定数および結合係数の中から圧電現象に
応じた各定数を取り込み、該選択結果入力手段６０２に
入力された各振動子定数を受けて圧電現象に応じた信号
処理回路を選択し、被選択回路によりずり弾性率の実数
部μ1 と虚数部μ2 を算出する。
【０２３０】上記した第２の実施形態によれば、触覚セ
ンサ１０１により検出される粘弾性特性は圧電現象によ
って異なるため、圧電現象に応じた正確な粘弾性特性を
検出することが可能である。
【０２３１】また、圧電現象選択手段６０１により、圧
電振動子２０１の圧電現象に応じた振動子定数を選択
し、かつ圧電現象に応じた信号処理回路を選択すれば、
圧電現象の異なる振動子が取り付けられた場合でも、圧
電現象選択手段６０１を介して該圧電現象に応じた信号
処理回路を選択することにより、同一の触覚センサ信号
処理装置でずり粘弾性率の実数部μ1 と虚数部μ2 とを
独立に計算処理することが可能となる。
【０２３２】（第３の実施の形態）次に、本発明の第３
の実施形態について説明する。
【０２３３】上記した第１の実施形態では、触覚センサ
信号処理装置に、厚み縦効果について導出した式に基づ
いた信号処理回路を用いたが、この場合、計算における
係数が非常に多く回路が複雑になり、正確に粘弾性特性
を検出できる反面、計算時間が長くなりがちである。
【０２３４】そこで、第３の実施形態では、ずり弾性率
のわかっている粘弾性体を用いて予め、ずり弾性率とイ
ンピーダンス変化または周波数変化の関係を測定し、そ
の測定結果に基づいて粘弾性特性を算出する式中の各係
数を決定し、簡略化した信号処理回路を提供する。
【０２３５】図１３は、上記した第１の実施形態と同様
に構成される部分について省略し、第３の実施形態に特
有の振動子定数記憶手段１０４と、Ｄ／Ａコンバータ３
０３、信号処理手段１０５、信号処理回路３０２を示し
たものである。
【０２３６】振動子定数記憶手段１０４には、ずり弾性
率のわかっている粘弾性体を用いて予め、ずり弾性率と
インピーダンス変化または周波数変化の関係を測定し、
その測定結果に基づいて求めた定数Ｌ，Ｍ，Ｐ，Ｒが格
納されている。
【０２３７】触覚センサ１０１に用いる圧電振動子が決
まっている場合、結合係数ｋ、圧電定数ｅ、振動子の振
動部分のサイズａ，ｌ、共振周波数ｆｒ、角周波数ωは
常に一定となる。
【０２３８】また、一般的な粘弾性体の密度はおよそ１
ｇ／ｃｍ3 程度であると仮定すれば、第１の実施形態で
導出したずり弾性率の実数部μ1 と虚数部μ2 は
【０２３９】
【数３０】
【０２４０】のように近似することができる。
【０２４１】ここで、一般的に
【０２４２】
【数３１】
【０２４３】であるから、上式はさらに、 μ1 →Ｌ* ｄｆ＋Ｍ μ2 →Ｐ* ｄＺ＋Ｒ となる。
【０２４４】ここで、Ｌ，Ｍ，Ｍ′，Ｎ，Ｐ，Ｒは定数
である。
【０２４５】このうち、Ｌ，Ｍ，Ｐ，Ｒの各定数は、ず
り弾性率のわかっている粘弾性体を用いて予め、ずり弾
性率とインピーダンス変化または周波数変化の関係を測
定し、その測定結果に基づいて最小自乗法により決定さ
れる。
【０２４６】図１３において、図３に示したと同様の信
号処理手段１０５には、共振周波数変化検出手段１０２
と、共振抵抗変化検出手段１０３からの共振周波数ｆ
r ′と共振抵抗Ｚr ′の一組がゲート３０１により、同
一のタイミングで取り込まれ、共振周波数Ｖ（ｆr ′）
と共振抵抗Ｖ（Ｚr ′）の各信号が信号処理回路３０２
に入力される。
【０２４７】一方、基準となる共振周波数ｆr と、共振
抵抗Ｚr とは、測定前に図３に示したと同様の初期共振
周波数保持手段３０４と、初期共振抵抗保持手段３０５
とに格納され、Ｖ（ｆr ）とＶ（Ｚr ）として信号処理
回路３０２に入力される。
【０２４８】また、定数Ｌ，Ｍ，Ｒは、予め、ずり弾性
率のわかっている粘弾性体を用いてずり弾性率とインピ
ーダンス変化または周波数変化との関係を測定し、その
測定結果に基づいて求められた定数であって、振動子定
数記憶手段１０４に格納されている。
【０２４９】但し、このときＭ及びＲは予めマイナスの
値として入力される。
【０２５０】これらの値はＤ／Ａコンバータ３０３を介
してデジタル信号からアナログ信号である直流電圧信号
Ｖ（Ｌ），Ｖ（−Ｍ），Ｖ（−Ｒ）に変換された後、信
号処理回路３０２に入力される。
【０２５１】図１４は、上述した関係式をもとにした信
号処理回路３０２の一例である。
【０２５２】信号処理回路３０２は、ずり弾性率の実数
部μ1 算出回路１５０１とずり弾性率の虚数部μ2 算出
回路１５０２とで構成される。
【０２５３】なお、定数Ｐは、予め、ずり弾性率のわか
っている粘弾性体を用いてずり弾性率とインピーダンス
変化または周波数変化の関係を測定し、その測定結果に
基づいて求められた定数であって、後述する信号処理回
路３０２のずり弾性率の虚数部μ2 算出回路１５０２中
の差動増幅器１５０６の増幅率として用いられる。
【０２５４】以下に、図１４のそれぞれの信号の流れを
説明する。
【０２５５】まず、ずり弾性率の虚数部μ2 算出回路１
５０２において、入力端子１５０３，１５０４からの直
流電圧信号Ｖ（Ｚr ）とＶ（Ｚr ′）とは、増幅率Ｐの
差動増幅器１５０６を通り、直流電圧信号Ｖ（Ｐ＊ｄ
Ｚ）に変換される。
【０２５６】この直流電圧信号Ｖ（Ｐ＊ｄＺ）は、入力
端子１５０５からの直流電圧信号Ｖ（−Ｒ）とともに増
幅率１の差動増幅器１５０７を通り、直流電圧信号Ｖ
（Ｐ＊ｄＺ＋Ｒ）になる。
【０２５７】その結果はＶ（μ2 ）として、出力端子１
５０８から得られる。
【０２５８】一方、ずり弾性率の実数部μ1 算出回路１
５０１において、入力端子１５０９，１５１０からの直
流電圧信号Ｖ（ｆr ′）とＶ（ｆr ）とは、増幅率１の
差動増幅器１５１３を通り、直流電圧信号Ｖ（ｄｆr ）
となる。
【０２５９】この出力信号Ｖ（ｄｆr ）は、入力端子１
５１１からの直流電圧信号Ｖ（Ｌ）とともに乗算器１５
１６を通り、直流電圧信号Ｖ（Ｌ＊ｄｆr ）となる。
【０２６０】この直流電圧信号Ｖ（Ｌ＊ｄｆr ）は、入
力端子１５１２からの直流電圧信号Ｖ（−Ｍ）とともに
増幅率１の差動増幅器１５１４を通り、直流電圧信号Ｖ
（−Ｌ＊ｄｆr ＋Ｍ））となる。
【０２６１】その結果はＶ（μ1 ）として、出力端子１
５１５から出力される。
【０２６２】このような第３の実施形態によれば、ずり
弾性率のわかっている粘弾性体を用いて、予め、ずり弾
性率とインピーダンス変化または周波数変化の関係を測
定し、その測定結果に基づいて粘弾性特性を算出する式
中の各係数を決定することにより、信号処理回路を非常
に簡単にすることができ、計算が高速で行うことが可能
となる。
【０２６３】図１５は、本発明の第３の実施形態による
具体例を示す。
【０２６４】すなわち、この具体例による触覚センサ信
号処理装置は、圧電振動子２０１（図１６参照）のイン
ピーダンス特性の変化を用いて対象物の粘弾性特性を検
出する触覚センサ１０１と、インピーダンス特性のうち
共振抵抗変化を検出する高周波オシロスコープ１７０１
と、共振周波数変化を検出する周波数カウンタ１７０２
と、圧電振動子２０１に電圧を加える直流電圧電源１７
０３と、前記高周波オシロスコープ１７０１と周波数カ
ウンタ１７０２を制御するとともに各々の測定器からの
出力を取り込み、その検出結果と予め記憶格納されてい
る前記圧電振動子２０１の各物理定数とを用いて、対象
物の粘弾性特性であるずり粘弾性率の実数部と虚数部を
独立に計算処理するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１
７０４とから構成されている。
【０２６５】触覚センサ１０１において、圧電振動子２
０１は材料ＰＺＴで作製され、厚み方向に分極が行われ
ている。
【０２６６】この圧電振動子２０１は、縦横サイズ１．
５ｍｍ×１．５ｍｍ、厚み１２０μｍの外形を有してお
り、厚み方向の振動子両面の中心に直径０．６ｍｍのＡ
ｕ電極をスパッタにより形成した厚み縦効果のエネルギ
ー閉じ込め型の構造となっている。
【０２６７】そして、この圧電振動子２０１の共振周波
数は約１８ＭＨｚ、共振抵抗は約２０Ωである。
【０２６８】図１６は、圧電振動子２０１に接続された
発振回路を構成する等価回路を回路要素としたコルピッ
ツ発振回路１８０１と、このコルピッツ発振回路１８０
１に接続されたバッファ回路１８０２を示している。
【０２６９】ここで、コルピッツ発振回路１８０１は、
コンデンサＣ１＝３０ｐＦ．Ｃ２＝１５０ｐＦ、抵抗Ｒ
e ＝４７０Ω、抵抗Ｒ1 ＝３ｋΩ、抵抗Ｒ2 ＝７ｋΩ、
電圧端子Ｖｃｃ、トランジスタＴｒ１（２ＳＣ９４５）
で構成されている。
【０２７０】さらに、コルピッツ発振回路１８０１の後
段に接続されたバッファ回路１８０２は、コンデンサＣ
i ＝０．０１μＦ、コンデンサＣo ＝０．０１μＦ、抵
抗Ｒ a ＝３３ｋΩ、抵抗Ｒb ＝２２ｋΩ、抵抗Ｒc ＝
１．５ｋΩ、抵抗Ｒd ＝１２０Ω、抵抗Ｒe ＝５０Ω、
電圧端子Ｖｃｃ、トランジスタＴｒ２（２ＳＣ９４
５）、出力端子Ｖｏｕｔとで構成されている。
【０２７１】すなわち、このコルピッツ発振回路１８０
１において、エネルギー閉じ込め型の該圧電振動子２０
１に電圧端子Ｖｃｃを介して直流電圧電源１７０３によ
りＤＣ５Ｖの電圧をかけると、振動は電極部分のみで発
生し、その振動は発振周波数約１８ＭＨｚ、振幅約１．
１Ｖが得られる。
【０２７２】圧電振動子を粘弾性体１７０５に接触させ
ると、該粘弾性体１７０５の粘弾性特性に応じて、圧電
振動子２０１の発振周波数は上昇し、振幅は小さくな
る。
【０２７３】この発振周波数の上昇は圧電振動子２０１
の共振周波数の変化に対応し、振幅変化は圧電振動子２
０１の共振抵抗変化に対応する。
【０２７４】触覚センサ１０１に用いる圧電振動子が決
まっている場合、結合定数ｋ、圧電定数ｅ、振動子の振
動部分のサイズａ，ｌ、共振周波数ｆｒ、角周波数ωは
常に一定となる。
【０２７５】また、一般的な粘弾性体の密度はおよそ１
ｇ／ｃｍ3 程度であると仮定すれば、粘弾性率の実数部
Ｅ′と粘弾性率の虚数部Ｅ″は Ｅ′→Ｌｄｆ＋Ｍ Ｅ″→ＰｄＺ＋Ｒ のように近似することができる。
【０２７６】ここで、Ｌ，Ｍ，Ｐ，Ｒは定数である。
【０２７７】これらの定数は、ずり弾性率のわかってい
る粘弾性体を用いて予め、ずり弾性率とインピーダンス
変化または周波数変化の関係を測定し、その測定結果に
基づいて最小自乗法により決定される。
【０２７８】実際に公称１０ＭＨｚの超音波探触子を用
いて、粘弾性体の音響インピーダンスを測定し、その値
から粘弾性率（実数部Ｅ′と虚数部Ｅ″）を算出する
と、表１の結果が得られている。
【０２７９】
【表１】
【０２８０】予め、粘弾性特性のわかっている表１に示
すような粘弾性体サンプルに触覚センサ１０１を接触さ
せて発振周波数の変化と振幅の変化を測定すると、振幅
変化ΔＡｍｐと粘弾性率の虚数部Ｅ″との間には図１７
に示すような関係があり、その関係式は、 Ｅ″＝−９．７ｅ＋６ΔＡｍｐ−２．８ｅ＋６ （但し、単位はΔＡｍｐに対してＶ、Ｅ″に対してＰ
ａ）となった。
【０２８１】次に、粘弾性率の実数部Ｅ′と周波数変化
ΔＦｒｅｑの間には、図１８に示すような関係があり、
その関係式は、 Ｅ′＝３９４４４ΔＦｒｅｑ−１．８ｅ＋９ （但し、単位はΔＦｒｅｑに対してＨｚ、Ｅ′に対して
Ｐａ）となった。
【０２８２】このようにして予め得られた粘弾性特性算
出式を用いて、図１５におけるパーソナルコンピュータ
（ＰＣ）１７０４中に信号処理プログラムを作成し、そ
れにより取り込んだ周波数変化と振幅変化から触覚セン
サ１０１が測定している対象物の粘弾性特性（実数部
Ｅ′と虚数部Ｅ″）を計算することができる。
【０２８３】次に、触覚センサ１０１により、対象物と
してアクリル板上に作製したシリコーンゲル（東芝シリ
コーン社製ＴＳＥ３０３２）の粘弾性特性についての実
測例を示す。
【０２８４】この場合、対象物としてアクリル板上に作
製したシリコーンゲルの厚みは、０．５ｍｍと、１０ｍ
ｍの二つのサンプルが用意された。
【０２８５】この二つのサンプルについて発振周波数と
振幅の測定結果と、上述した算出式によって求めた粘弾
性率（Ｅ′、Ｅ″）を表２に示す。
【０２８６】
【表２】
【０２８７】これらの結果からわかるように、厚み０．
５ｍｍのシリコーンゲルの場合、算出された粘弾性特性
の実数部Ｅ″（粘性）は、厚み１０ｍｍのシリコーンゲ
ルの結果よりも大きく、逆に、粘弾性特性の虚数部Ｅ′
（弾性）は、厚み１０ｍｍのシリコーンゲルの結果より
も小さくなつた。
【０２８８】このことは、厚み０．５ｍｍの場合、シリ
コーンゲルが薄いために、背面のアクリル板の粘弾性特
性を含めて触覚センサ１０１が検出しているものと考え
られる。
【０２８９】また、触覚センサ１０１のこのような出力
結果は、背面に硬いアクリル樹脂が存在しシリコーンゲ
ルの厚みが極端に薄くなったときに、人間がシリコーン
ゲルが見かけ上、硬くなったように感じる傾向と一致し
ている。
【０２９０】生体組織は筋や組織間液なとが絡み合って
粘弾性特性を示しており、腫瘍やしこりなどの病変部に
おいては正常部に比べ粘弾性率特性の実数部と虚数部の
両方が異なる値を示すことが知られているが、本触覚セ
ンサ信号処理装置によれば、人の感覚に対応した粘弾性
特性の検出が可能である。
【０２９１】上述したような実施の形態に基づいて説明
してきた本明細書には、以下のような発明が含まれてい
る。
【０２９２】（１）振動子のインピーダンス特性の変化
を用いて対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ信号
処理装置において、圧電振動子を用いた触覚センサと、
前記圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振抵抗の
変化を検出する共振抵抗変化検出手段と、前記圧電振動
子のインピーダンス特性のうち共振周波数の変化を検出
する共振周波数変化検出手段と、前記圧電振動子の振動
部分のサイズと、前記圧電振動子の圧電現象に対応する
圧電定数と、前記圧電振動子の圧電現象に対応する結合
係数と、前記圧電振動子の密度と、前記対象物に圧接し
て振動を与える接触子の外形サイズを含む物理定数を予
め記憶しておく振動子定数記憶手段と、前記共振抵抗変
化検出手段の検出結果と、前記共振周波数変化検出手段
の検出結果と、前記振動子定数記憶手段に記憶された物
理定数に基づいて、前記対象物の粘弾性特性であるずり
弾性率の実数部と虚数部を独立に計算処理する信号処理
手段と、を具備したことを特徴とする触覚センサ信号処
理装置。
【０２９３】この（１）の発明に関する実施の形態は、
第１、第２と第３の実施の形態が対応する。
【０２９４】この（１）の発明中の構成において、共振
抵抗変化検出手段と、共振周波数変化検出手段とは、こ
れらの実施の形態では発振回路が該当するが、インピー
ダンス測定器なども含む。
【０２９５】（作用）共振抵抗変化検出手段により検出
された共振抵抗Ｚｒと共振周波数変化検出手段により検
出された共振周波数ｆｒは、振動子定数記憶手段に予め
記憶されている圧電振動子の振動部分の振動サイズと、
圧電現象に対応する圧電定数と、圧電現象に対応する結
合係数と、振動子の密度と、接触子の外形サイズと共に
信号処理手段に入力され、信号処理手段に予め格納され
た処理方法により計算処理されて、対象物の粘弾性特性
を示すずり弾性率の実数部μ1 と虚数部μ2 が算出され
る。
【０２９６】（効果）信号処理手段により、圧電振動子
の圧電現象に基づいたずり弾性率の実数部μ 1 と虚数部
μ2 を算出することが可能になる。
【０２９７】インピーダンス（共振抵抗）変化ｄＺと共
振周波数変化ｄｆとのそれぞれは、ずり弾性率の実数部
μ1 と虚数部μ2 に関与しており、両者の関係は圧電振
動子の振動方向や励起電界の方向などから決定される圧
電現象に基づいて、導くことができる。
【０２９８】圧電振動子の密度、振動部分のサイズ、圧
電定数、結合係数と、接触子の外形サイズと、無負荷の
場合の共振周波数ｆr および共振抵抗Ｚｒが既知なら
ば、共振周波数と共振抵抗の両方の変化を測定してはじ
めてずり弾性率の実数部μ1 と虚数部μ2 が算出でき、
粘弾性特性の検出が可能となる。
【０２９９】生体組織は筋や組織間液の易動度などが絡
み合って粘弾性特性を示しており、腫瘍やしこりなどの
病変部においてはずり粘弾性率μの実数部μ1 と虚数部
μ2の両方が変化するが、本実施形態の方法で圧電振動
子の圧電現象を加味して粘弾性特性を分離し検出するこ
とにより、より詳細な生体の情報を得ることができるよ
うになる。
【０３００】（２）前記信号処理手段は、前記共振抵抗
変化検出手段の検出結果と、前記共振周波数変化検出手
段の検出結果と、前記振動子定数記憶手段に記憶された
物理定数に基づいて、前記対象物のずり弾性率の実数部
と虚数部とを独立に求める計算式を用いて計算処理する
信号処理回路と、前記共振抵抗変化検出手段の検出結果
と、前記共振周波数変化検出手段の検出結果とを、前記
信号処理回路に同一のタイミングで入力する入力手段
と、前記信号処理回路の計算結果を出力する出力手段
と、を具備することを特徴とする（１）に記載の触覚セ
ンサ信号処理装置。
【０３０１】この（２）の発明に関する実施の形態は、
第１、第２と第３の実施の形態が対応する。
【０３０２】この（２）の発明中の構成において、入力
手段は、この実施の形態ではゲートが該当する。
【０３０３】（作用）入力手段により、共振周波数変化
と共振抵抗変化を同一のタイミングで信号処理回路に入
力することにより、ずり弾性率の実数部と虚数部とを独
立に計算する計算式を用いて計算処理する。
【０３０４】（効果）リアルタイムでずり弾性率の実数
部と虚数部とを独立に計算する。
【０３０５】（３）前記信号処理回路は、前記圧電振動
子の圧電現象に対応した処理回路を具備し、前記振動子
定数記憶手段より前記圧電振動子の圧電現象に対応した
物理定数を前記処理回路に入力することにより、前記対
象物のずり弾性率の実数部と虚数部とを独立に求める計
算式を用いて計算処理することを特徴とする（２）に記
載の触覚センサ信号処理装置。
【０３０６】この（３）の発明に関する実施の形態は、
第１及び第２の実施の形態が対応する。
【０３０７】この（３）の発明中の圧電現象とは、厚み
縦効果や厚み横効果など、圧電振動子の振動方向と励起
電界のタイプを指す。
【０３０８】（作用）圧電現象選択手段は圧電振動子の
圧電現象のタイプに応じて、前記振動子定数記憶手段の
各物理定数を信号処理回路に入力し、ずり弾性率の実数
部μ1 と虚数部μ2 を算出する。
【０３０９】（効果）触覚センサにより検出される粘弾
性特性は圧電現象によって異なるため、圧電現象に応じ
た正確な粘弾性特性を検出することが可能である。
【０３１０】（４）上記計算式は、圧電現象が厚み縦効
果であるときに、前記信号処理手段が共振周波数変化、
または、共振抵抗変化に対するずり弾性率の実数部μ1
と虚数部μ2 との関係を表す下記の式
【０３１１】
【数３２】
【０３１２】但し、
【０３１３】
【数３３】
【０３１４】 ω：角周波数、 ｄＺ：共振抵抗変化、 ｄｆ：共振周波数変化、 ｆr ：無負荷時の共振周波数、 ρ：粘弾性体の密度、 ａ：振動子の振動部分の半径、 ｌ：振動子の厚み、 ｅ33：圧電振動子の圧電定数、 ｋ33：圧電振動子の結合定数、 ρq ：圧電振動子の密度 に基づいて、前記ずり弾性率の実数部μ1 と虚数部μ2
とを独立に計算するものであることを特徴とする（３）
に記載の触覚センサ信号処理装置。
【０３１５】この発明に関する実施の形態は、第１の実
施の形態が対応する。
【０３１６】（作用）圧電振動子の密度ρq 、振動部分
のサイズａ及びｌ、圧電定数ｅ33、結合係数ｋ33と、無
負荷の場合の共振周波数ｆr 、さらに、インピーダンス
（共振抵抗）変化ｄＺと共振周波数変化ｄｆとのそれぞ
れを、ずり弾性率の実数部μ1 と虚数部μ2 を求める該
算出式に基づいて作製された回路に入力することによっ
て、ずり弾性率の実数部μ1 と虚数部μ2 を算出する。
【０３１７】（効果）圧電振動子の厚み縦効果の圧電現
象に基づいた信号処理回路を作製することができるとと
もに、ずり弾性率の実数部μ1 と虚数部μ2 を算出する
ことが可能になる。
【０３１８】（５）前記信号処理回路は圧電振動子の複
数の圧電現象に対応した各々の前記処理回路を具備して
おり、前記振動子定数記憶手段は圧電振動子の複数の圧
電現象に対応した各々の物理定数を記憶しており、前記
触覚センサ信号処理装置はさらに、振動子の圧電現象を
外部から選択可能な圧電現象選択手段と、前記圧電現象
選択手段の選択した圧電現象に対応する処理回路を前記
信号処理回路から選択する処理回路選択手段と、前記圧
電現象選択手段の選択した圧電現象に対応する物理定数
を前記振動子定数記憶手段から選択する振動子定数選択
手段と、を具備することを特徴とする（３）に記載の触
覚センサ信号処理装置。
【０３１９】この発明に関する実施の形態は、第２の実
施の形態が対応する。
【０３２０】（作用）圧電現象選択手段は圧電振動子の
圧電現象のタイプを選択し、選択結果入力手段６０２が
該圧電現象選択手段６０１からの信号を受けて振動子定
数記憶手段１０４の圧電定数および圧電定数の中から圧
電現象に応じた各定数を取り込み、該選択結果入力手段
６０２に入力された各振動子定数を受けて圧電現象に応
じた信号処理回路を選択し、被選択回路によりずり弾性
率の実数部μ1 と虚数部μ2 を算出する。
【０３２１】（効果）触覚センサにより検出される粘弾
性特性は圧電現象によって異なるため、圧電現象に応じ
た正確な粘弾性特性を検出することが可能である。
【０３２２】また、圧電現象選択手段により、圧電振動
子の圧電現象に応じた振動子定数を選択し、かつ圧電現
象に応じた信号処埋回路を選択すれば、圧電現象の異な
る振動子が取り付けられた場合でも、圧電現象選択手段
を介して該圧電現象に応じた信号処理回路を選択するこ
とにより、同一の触覚センサ信号処理装置でずり粘弾性
率の実数部μ1 と虚数部μ2 を独立に計算処理すること
が可能となる。
【０３２３】（６）振動子のインピーダンス特性の変化
を用いて対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ信号
処理装置において、圧電振動子を用いた触覚センサと、
前記圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振抵抗の
変化を検出する共振抵抗変化検出手段と、前記圧電振動
子のインピーダンス特性のうち共振周波数の変化を検出
する共振周波数変化検出手段と、対象物の粘弾性特性で
あるずり弾性率の計算に必要な定数を予め記憶しておく
定数記憶手段と、前記共振抵抗変化検出手段の検出結果
と、前記共振周波数変化検出手段の検出結果と、前記定
数記憶手段に記憶された定数に基づいて、下記の式 ｄｆ＝Ｌ＋Ｍ×ΔＦN （但し、ΔＦは発振周波数変化、ｄＺは共振抵抗変化、
ｄｆは共振周波数変化、Ｌ，Ｍ，Ｎは定数） ｄＺ＝Ｒ×ΔＡ＋Ｓ （但し、ΔＡ振幅変化、ｄＺは共振抵抗変化、Ｒ，Ｓは
定数）を用いて、前記対象物の粘弾性特性であるずり弾
性率の実数部μ1 と虚数部μ2を独立に計算する信号処
理手段と、を具備したことを特徴とする触覚センサ信号
処理装置。
【０３２４】この発明に関する実施の形態は、第３の実
施の形態が対応する。
【０３２５】（作用）コルピッツ発振回路からの発振周
波数変化を圧電振動子の共振周波数変化へ変換し、且つ
振幅変化を共振抵抗変化へ変換し、得られた共振周波数
変化および共振抵抗変化からずり弾性率の実数部μ1 と
虚数部μ2 を求める上記算出式に基づいてずり弾性率の
実数部μ1 と虚数部μ2 とを独立に計算する。
【０３２６】（効果）触覚センサの出力からずり弾性率
の実数部μ1 と虚数部μ2 とを定量的に、且つリアルタ
イムに検出することが可能となる。
【０３２７】（７）前記計算式の定数は、粘弾性特性が
予め知られた複数の粘弾性サンプルの共振抵抗数変化及
び共振周波数変化を測定したデータより導かれたもので
あることを特徴とする（６）に記載の触覚センサ信号処
理装置。
【０３２８】この発明に関する実施の形態は、第３の実
施の形態が対応する。
【０３２９】（作用）他手法の粘弾性測定装置によって
予め粘弾性特性を測定し、安定した測定結果が得られる
粘弾性サンプルを複数個選別し、前記粘弾性サンプルに
ついて前記触覚センサにより周波数変化量および振幅変
化量を測定し、該周波数変化量と予め測定されている前
記粘弾性サンプルのずり弾性率の実数部μ1 との関係を
最小自乗法で近似し、該振幅変化量と予め測定されてい
る前記粘弾性サンプルのずり弾性率の虚数部μ2 との関
係を最小自乗法で近似することにより、信号処理手段が
共振周波数変化、または、共振抵抗変化に対するずり弾
性率の実数部μ1 と虚数部μ2 との関係を表す関数を決
定する。
【０３３０】（効果）信号処理手段により、共振周波数
変化、または、共振抵抗変化に対するずり弾性率の実数
部μ1 と虚数部μ2 との関係を表す関数が得られる。
【０３３１】（８）前記触覚センサの圧電振動子が半円
状であることを特徴とする（１）または（６）に記載の
触覚センサ信号処理装置。
【０３３２】（９）前記触覚センサの圧電振動子が円環
状であることを特徴とする（１）または（６）に記載の
触覚センサ信号処理装置。
【０３３３】（１０）前記触覚センサの圧電振動子が球
状であることを特徴とする（１）または（６）に記載の
触覚センサ信号処理装置。
【０３３４】（１１）前記触覚センサの圧電振動子が角
柱状であることを特徴とする（１）または（６）に記載
の触覚センサ信号処理装置。
【０３３５】（１２）前記触覚センサの圧電振動子が樋
状であることを特徴とする（１）または（６）に記載の
触覚センサ信号処理装置。
【０３３６】（１３）前記触覚センサの圧電振動子が円
柱状であることを特徴とする（１）または（６）に記載
の触覚センサ信号処理装置。
【０３３７】（１４）前記触覚センサの圧電振動子が円
板状であることを特徴とする（１）または（６）に記載
の触覚センサ信号処理装置。
【０３３８】（１５）前記触覚センサの圧電振動子がエ
ネルギー閉じ込め型であることを特徴とする（１）また
は（６）に記載の触覚センサ信号処理装置。
【０３３９】（１６）前記触覚センサの圧電振動子の電
極構造が三端子型であることを特徴とする（１）または
（６）に記載の触覚センサ信号処理装置。
【０３４０】（１７）前記触覚センサの圧電振動子の電
極が前記対象物に接触する接触子として兼用されること
を特徴とする（１）または（６）記載の触覚センサ信号
処理装置。
【０３４１】
【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれ
ば、リアルタイム計測により、測定時間の短縮を可能に
するために、圧電振動子の振動子の変位方向や励振電
界、機械的端条件、電気的な条件が予め明らかであれ
ば、粘弾性特性検出に必要な装置係数を実験的に求める
必要がなくなると共に、これらの数値を用いることによ
り、短時間でより詳細な生体情報を得ることができる触
覚センサ信号処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明による第１実施形態の触覚セ
ンサ信号処理装置１１を主たる構成手段によって示した
図である。
【図２】図２は、図１の触覚センサ１０１、共振抵抗変
化検出手段１０２、共振周波数変化検出手段１０３の具
体的な回路構成を示す図である。
【図３】図３は、図１の信号処理手段１０５の具体的な
回路構成を示す図である。
【図４】図４は、図１の振動子定数記憶手段１０４の具
体的な構成を示す図である。
【図５】図５は、図２の発振回路２０２からの出力信号
の波形を示す図である。
【図６】図６は、厚み縦効果の圧電振動子とその座標系
を示す図である。
【図７】図７は、圧電振動子の各表裏面における力をＦ
1 ，Ｆ2 として求めたメイソンの電気的等価回路を示す
図である。
【図８】図８は、図７に示す等価回路に音響インピーダ
ンスＺ3 に対応する電気的なインピーダンスＺ3eを接続
した場合を示す図である。
【図９】図９は、圧電振動子形状の変形例を示す図であ
る。
【図１０】図１０は、圧電振動子駆動用電極２９０２
と、振動ピックアップ用電極２９０１とが分離した三端
子電極構造の圧電振動子を示す図である。
【図１１】図１１は、この発明による第２実施形態の触
覚センサ信号処理装置１２の構成を示す図である。
【図１２】図１２は、振動子定数記憶手段１０４と、信
号処理手段１０５に含まれる信号処理回路６０６とを詳
細に示す図である。
【図１３】図１３は、第３実施形態の振動子定数記憶手
段１０４と、Ｄ／Ａコンバータ３０３、信号処理手段１
０５、信号処理回路３０２を示す図である。
【図１４】図１４は、第３実施形態の信号処理回路３０
２の一例を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の第１および第３の実施形
態による触覚センサ信号処理装置の具体例を示す図であ
る。
【図１６】図１６は、圧電振動子２０１に接続された発
振回路を構成する等価回路を回路要素としたコルピッツ
発振回路１８０１と、このコルピッツ発振回路１８０１
に接続されたバッファ回路１８０２を示す図である。
【図１７】図１７は、振幅変化ΔＡｍｐと粘弾性率の虚
数部Ｅ″との間の関係を示す図である。
【図１８】図１８は、粘弾性率の実数部Ｅ′と周波数変
化ΔＦｒｅｑとの間の関係を示す図である。
【図１９】図１９は、従来の触覚センサ信号処理装置の
構成を示す図である。
【図２０】図２０は、本発明の第１の実施形態による触
覚センサ信号処理装置の具体例による対象物の粘弾性特
性の測定に係る制御と信号処理手順を示すフローチャー
トである。
【図２１】図２１は、図２０によるリアルタイム測定の
結果を示す図である。
【符号の説明】
１１，１２…触覚センサ信号処理装置、 １０１…触覚センサ、 １０２…共振抵抗変化検出手段、 １０３…共振周波数変化検出手段、 １０４…振動子定数記憶手段、 １０５…信号処理手段、 ２０１…圧電振動子、 ２０２…発振回路、 ２０３…分岐手段、 ２０４…Ｆ／Ｖ変換手段、 ６０１…圧電現象選択手段、 ６０２…選択結果入力手段、 ６０３…信号処理回路選択手段、 ６０４…厚み縦効果処理回路、 ６０５…厚み横効果（厚みすベりモード）処理回路、 ６０６…信号処理回路、 ３０１…ゲート、 ３０２…信号処理回路、 ３０３…Ｄ／Ａコンバータ、 ３０４…初期共振周波数保持手段、 ３０５…初期共振抵抗保持手段、 ３０６…Ａ／Ｄコンバータ、 ４０１…振動部外形要素、 ４０２…振動子の結合定数要素、 ４０３…振動子の弾性定数要素、 ４０４…振動子の密度、 ２９０１…振動ピックアップ用電極、 ２９０２…圧電振動子駆動用電極、 １５０１…実数部μ1 算出回路、 １５０２…虚数部μ2 算出回路、 １５０６…差動増幅器、 １５０７…差動増幅器、 １５０８…差動増幅器、 １５１３…差動増幅器、 １５１４…差動増幅器、 １５１５…出力端子、 １５１６…乗算器、 １７０１…高周波オシロスコープ、 １７０２…周波数カウンタ、 １７０３…直流電圧電源、 １７０４…パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、 １７０５…粘弾性体、 １８０１…コルピッツ発振回路、 １８０２…バッファ回路。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 振動子のインピーダンス特性の変化を用
    いて対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ信号処理
    装置において、 圧電振動子を用いた触覚センサと、 前記圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振抵抗の
    変化を検出する共振抵抗変化検出手段と、 前記圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振周波数
    の変化を検出する共振周波数変化検出手段と、 前記圧電振動子の振動部分のサイズと、前記圧電振動子
    の圧電現象に対応する圧電定数と、前記圧電振動子の圧
    電現象に対応する結合係数と、前記圧電振動子の密度
    と、前記対象物に圧接して振動を与える接触子の外形サ
    イズを含む物理定数を予め記憶しておく振動子定数記憶
    手段と、 前記共振抵抗変化検出手段の検出結果と、前記共振周波
    数変化検出手段の検出結果と、前記振動子定数記憶手段
    に記憶された物理定数に基づいて、前記対象物の粘弾性
    特性であるずり弾性率の実数部と虚数部を独立に計算処
    理する信号処理手段と、 を具備したことを特徴とする触覚センサ信号処理装置。
  2. 【請求項２】 前記信号処理手段は、前記共振抵抗変化
    検出手段の検出結果と、前記共振周波数変化検出手段の
    検出結果と、前記振動子定数記憶手段に記憶された物理
    定数に基づいて、前記対象物のずり弾性率の実数部と虚
    数部とを独立に求める計算式を用いて計算処理する信号
    処理回路と、 前記共振抵抗変化検出手段の検出結果と、前記共振周波
    数変化検出手段の検出結果とを、前記信号処理回路に同
    一のタイミングで入力する入力手段と、 前記信号処理回路の計算結果を出力する出力手段と、 を具備することを特徴とする請求項１記載の触覚センサ
    信号処理装置。
  3. 【請求項３】 前記信号処理回路は、 前記圧電振動子の圧電現象に対応した処理回路を具備
    し、 前記振動子定数記憶手段より前記圧電振動子の圧電現象
    に対応した物理定数を前記処理回路に入力することによ
    り、前記対象物のずり弾性率の実数部と虚数部とを独立
    に求める計算式を用いて計算処理することを特徴とする
    請求項２記載の触覚センサ信号処理装置。
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