JP2000333908A - 触覚センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、センサプローブが接触している粘弾
性対象物の表面とその垂直方向（深部）との粘弾性を分
離して検知することが可能な触覚センサを提供するを提
供する。 【解決手段】本発明の一態様によると、被測定物に振動
を伝達する振動子の振動特性の変化を検出することによ
り、上記被測定物内部に埋もれた異物を検知可能な触覚
センサにおいて、上記振動子と上記異物との距離の変化
に伴う、上記振動子の振動特性の変化を測定する特性変
化測定手段と、上記特性変化測定手段の出力より、上記
異物の埋もれている深さを求める深さ情報検知手段とを
貝備することを特徴とする触覚センサが提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は触覚センサに係り、
特に、センサプローブが接触している粘弾性対象物の表
面とその垂直方向（深部）との粘弾性を分離して検知す
る触覚センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、超音波振動するプローブを生体の
ような対象物に接触させ、そのときのプローブの共振周
波数変化や振幅変化を検出することによって対象物の硬
さを計測する触覚センサが提案されている。

【０００３】このような触覚センサは、皮膚の粘弾性を
測定したり、内視鏡下で使用して体腔内の粘膜の粘弾性
や粘膜下に存在する腫瘍の位置を同定するために用いる
ことが考えられる。

【０００４】例えば、特開平８−３０８８０６号公報に
開示された硬さ測定装置は、対象物においてそれぞれ異
なる部位に接触させる第１と第２の圧電振動子を設け、
基準値となる正常組織の硬さを第１の圧電振動子で測定
するとともに、病変部の硬さを第２の圧電振動子で測定
することにより、病変部の硬さを正常部の硬さと比較し
て判定するようにしたものである。

【０００５】従来の触覚センサは、該センサプローブが
接触している対象物表面からその垂直方向（深部）を含
めた粘弾性を検知している。

【０００６】また、従来の触覚センサは、センサプロー
ブを被測定物表面に接触させてその表面をスライドさせ
ることにより、スライドを行つた領域において被測定物
の粘弾性を測定している。

【０００７】例えば、肺臓器（被測定物）の表面または
深部に癌組織等の腫瘍部（異物）が存在する場合、正常
組織の硬さに比べて腫瘍部の組織は通常硬い。

【０００８】従って、センサプローブが正常組織から腫
瘍組織にスライドした時点で被測定物の硬さが増加し、
肺臓器に存在する腫瘍部を検出することができるととも
に、腫瘍部の位置を特定することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来の触覚センサは、センサプローブが接触し
ている対象物表面とその垂直方向（深部）との粘弾性を
分離して検知することについては何ら考慮されておら
ず、例えば、病変部のような異種部材が存在する場合の
その深度と深部の粘弾性の検知という点ついて対応する
ことができない。

【００１０】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、センサプローブが接触している粘弾性対象物の表
面とその垂直方向（深部）との粘弾性を分離して検知す
ることが可能な触覚センサを提供することを目的とす
る。

【００１１】

【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） 被測定物に振動を伝達す
る振動子の振動特性の変化を検出することにより、上記
被測定物内部に埋もれた異物を検知可能な触覚センサに
おいて、上記振動子と上記異物との距離の変化に伴う、
上記振動子の振動特性の変化を測定する特性変化測定手
段と、上記特性変化測定手段の出力より、上記異物の埋
もれている深さを求める深さ情報検知手段と、を具備す
ることを特徴とする触覚センサが提供される。

【００１２】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（２） 上記特性変化測定手段は、上記振動
子の振動周波数の変化又は振動振幅の変化を測定するこ
とを特徴とする（１）記載の触覚センサが提供される。

【００１３】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（３） 上記深さ情報検知手段は、上記特性
変化測定手段の測定した特性値の変化の幅から、上記異
物の埋もれている深さを求めることを特徴とする（１）
または（２）記載の触覚センサが提供される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態について説明する。

【００１５】（第１の実施形態）まず、この発明の第１
の実施形態による触覚センサの構成について、図１を参
照して説明する。

【００１６】図１は、この発明の第１の実施形態の触覚
センサを主たる構成手段によって表した図である。

【００１７】すなわち、この触覚センサは、図１に示す
ように、発振回路１０１により振動を発生する圧電振動
子１０２を含む（触覚センサ）プローブ１０３と、前記
圧電振動子１０２に負荷としての被測定物１０４が接触
することにより生じる前記圧電振動子１０２のインピー
ダンス特性変化の一つである共振周波数変化に対応した
前記発振回路１０１の発振周波数変化を検知する特性変
化測定手段としての周波数測定器１０５と、前記周波数
測定器１０５により得られた信号から被測定物１０４の
深部の粘弾性情報と深度を検知する深さ情報検知手段と
しての深さ情報検知回路１０６とから構成される。

【００１８】この触覚センサの前記周波数測定器１０５
及び深さ情報検知回路１０６には、パーソナルコンピュ
ータ（ＰＣ）１１０が接続されている。

【００１９】図２は、図１の触覚センサの前記圧電振動
子１０２の具体例を示している。

【００２０】すなわち、この圧電振動子１０２は、図２
の（ａ），（ｂ）に示すようなエネルギー閉じ込め型の
圧電振動子であり、厚さが０．１２ｍｍで、一辺が１．
５ｍｍの四角形圧電基板の両面に直径０．６ｍｍの円形
に形成されたエネルギー閉じ込め型電極部２０１が振動
発生源と被測定物１０４に接触する測定用接触部１０７
とを兼ねている。

【００２１】図３は、図１の深さ情報検知回路１０６の
具体的な回路構成を示している。

【００２２】すなわち、前述した深さ情報検知回路１０
６の具体的な回路構成について図３を用いて説明する
と、この深さ情報検知回路１０６は図３の（ａ）に示す
ように、前記周波数測定器１０５の出力から圧電振動子
１０２に負荷としての被測定物１０４が非接触状態での
発振周波数を検知する基本周波数検知回路９０１と、前
記周波数測定器１０５の出力から最も大きな周波数変化
を検知する最大周波数検知回路３０１と、前記周波数測
定器１０５の出力から最も小さな周波数変化を検知する
最小周波数検知回路３０２と、前記最大周波数検知回路
３０１と前記最小周波数検知回路３０２との出力から周
波数の変動量を得る変動量算出回路３０３と、前記周波
数測定器１０５の出力と前記変動量算出回路３０３の出
力及び前記基本周波数検知回路９０１の出力から被測定
物深部の異物の有無、粘弾性、深さ位置を推定する深部
推定回路３０４とから構成される。

【００２３】また、図３の（ｂ）に示すように、前記深
部推定回路３０４はさらに、周波数変化の最大値と最小
値から算出した平均値から被測定物深部の異物の粘弾性
を推定する粘弾性推定回路３０５と、予め用意された関
数に基づいて異物の深さ位置を推定する深さ位置推定回
路３０６とから構成されている。

【００２４】次に、この発明の第１の実施形態の作用に
ついて説明する。

【００２５】図４は、前記発振回路１０１からの出力信
号が、前記圧電振動子１０２のインピーダンス特性を反
映した連続波となることを示している。

【００２６】すなわち、圧電振動子１０２の等価回路定
数を回路要素とする発振回路１０１を使用すると、該発
振回路１０１からの出力信号は図４に実線で示すように
圧電振動子１０２のインピーダンス特性を反映した連続
波となる。

【００２７】前記圧電振動子１０２に対して、無負荷の
場合、発振回路１０１からの出力信号は圧電振動子１０
２の共振周波数近傍で出力され、且つ、その振幅は圧電
振動子１０２の共振抵抗に対応する。

【００２８】一方、前記圧電振動子１０２に対し、負荷
としての粘弾性体である被測定物１０４が付着すると、
前記発振回路１０１からの出力信号は図４の破線で示す
ようになる。

【００２９】これにより、前記周波数測定器１０５を介
して深さ情報検知回路１０６では、圧電振動子１０２の
共振周波数変化を発振回路１０１の発振周波数変化とし
て検出することができる。

【００３０】この場合、圧電振動子１０２から発生した
振動が被測定物１０４の内部に入射されると、音響イン
ピ一ダンスが被測定物１０４の硬さに応じて変化するた
め、発振回路１０１の発振周波数が高くなる方向つまり
発振周波数がプラス方向にシフトする。

【００３１】一般的には、被測定物１０４の硬さが硬い
ほど、発振回路１０１の発振周波数のシフト量ΔＦは大
きい。

【００３２】例えば、図５の（ａ）に示すように、被測
定物１０４が生体の正常組織５０１に対応するとき正常
組織５０１表面に前記圧電振動子１０２を接触させた状
態で矢印方向にスライドさせると、正常組織５０１の粘
膜下腫瘍５０２のある組織は正常組織５０１に比べて発
振回路１０１の発振周波数のシフト量ΔＦが大きくなる
とともに、あるバラツキをもって発振回路１０１の発振
周波数が変動する。

【００３３】図５の（ｂ）は、図５の（ａ）に対応させ
て、発振回路１０１の周波数変動量ＳＢ_ｆと周波数シフ
ト量ΔＦの一例を示したものである。

【００３４】この周波数変動量ＳＢ_ｆのバラツキの最大
値が、前記深さ情報検知回路１０６の最大周波数検知回
路３０１により検知されるとともに、周波数変動量ＳＢ
_ｆのバラツキの最小値を最小周波数検知回路３０２によ
り検知される。

【００３５】そして、この最大値と最小値の差から変動
量算出回路３０３によって周波数変動量ＳＢ_ｆが算出さ
れた後、深部推定回路３０４を介して周波数変動量ＳＢ
_ｆに基づいて腫瘍５０２の有無、深さ位置が推定される
とともに、基本発振周波数及び最大値と最小値との平均
から算出される周波数シフト量ΔＦに基づいて腫瘍５０
２の粘弾性特性が推定される。

【００３６】これらの推定結果は、前記周波数測定器１
０５からの周波数計測結果とともに、ＰＣ１１０のモニ
タに被測定物１０４の表面画像として表示される。

【００３７】ここで、周波数変動量ＳＢ_ｆについて説明
する。

【００３８】圧電振動子１０２から被測定物１０４に入
射された音波は、被測定物１０４の内部で空間的な音強
度Ｉによる音場分布を示すようになる。

【００３９】図６は、この音場分布を説明するモデルを
示している。

【００４０】いま、被測定物１０４の背面Ｐ（ｘ，ｏ，
ｚ）に異物６０２（反射率Ｒ）が存在しているものとす
る。

【００４１】そして、触覚センサプローブ１０３におい
て、音源６０１である電極２０１（半径ａ）が被測定物
１０４に接触しているとき、圧電振動子１０２の電極２
０１から被測定物１０４に入射された音波は異物６０２
で反射され、再び電極２０１に戻るため、電極２０１と
異物６０２との間には深さ方向ｚに沿って定在波が発生
する。

【００４２】この場合、音波の強度Ｉは、電極２０１と
異物６０２との間に発生する定在波の節で最小となり、
定在波の腹で最大となる。

【００４３】ところで、音響インピーダンスＺは、音強
度Ｉ及び被測定物１０４の密度ρと次式に示すような関
係にある。

【００４４】

【数１】

【００４５】これにより、再び電極２０１に戻った音波
の強度Ｉが電極表面で最大であるとき被測定物１０４の
音響インピーダンスンＺが見かけ上大きくなり、音波強
度Ｉが電極表面で最小となるとき音響インピーダンスＺ
が見かけ上小さくなる。

【００４６】従って、先述のように触覚センサプローブ
１０３を動かすことにより音源６０１と異物６０２の間
の距離ｚが変動するため、その距離変動に伴って定在波
の腹と節が交互に現れることから、発振回路１０１の発
振周波数も変動することにより、周波数変動量ＳＢ_ｆが
得られる。

【００４７】一方、被測定物１０４の深部に異物６０２
が存在しない場合には、このような周波数変動量ＳＢ_ｆ
が得られない。

【００４８】次に、深部推定回路３０４における周波数
変動量ＳＢ_ｆに基づいた推定方法について説明する。

【００４９】この場合、発振周波数変動量ＳＢ_ｆの大き
さは、音源６０１と異物６０２との間の距離ｚ、異物６
０２の反射率Ｒ、被測定物１０４における音波の減衰率
αに応じて変化する。

【００５０】そこで、例えば、測定する部位が正常組織
５０１や癌腫瘍５０２などであるとき、これらについて
の反射率Ｒ、減衰率α、距離ｚと発振周波数変動量ＳＢ
_ｆとの関係を予め測定しておき、これらの関係をテーブ
ル形式としたり、近似式などで関数化して得られるよう
にしておくものとする。

【００５１】図７は、ある反射率Ｒ、減衰率αの被測定
物１０４における距離ｚと発振周波数変動量ＳＢ_ｆとの
関係を示したものである。

【００５２】そして、このような関係（関数）に基づ
き、発振周波数変動量ＳＢ_ｆから距離ｚを推定すること
ができる。

【００５３】以上から本実施の形態によれば、周波数変
動量ＳＢ_ｆの有無が被測定物１０４深部の異物６０２の
存在を知る手がかりとなり、周波数変動量ＳＢ_ｆの大き
さから異物６０２が存在する深部位置ｚを推定すること
ができるとともに、周波数シフト量ΔＦにより異物６０
２の硬さを推測できる効果がある。

【００５４】なお、この発明の実施形態の各構成は、上
述した第１の実施形態の各構成に限定されることなく、
当然、各種の変形、変更が可能である。

【００５５】例えば、周波数測定器１０５は、圧電振動
子１０２の共振抵抗変化に対応した振幅変化を検知する
電圧測定器とすることができるとともに、周波数定器１
０５と電圧測定器の両方であってもよい。

【００５６】また、周波数測定器１０５の場合に設けら
れた最大周波数検知回路３０１と最小周波数検知回路３
０２は、周波数測定器１０５が電圧測定器の場合には電
圧測定器でもって最大振幅検知回路と最小振幅検知回路
としてもよい。

【００５７】また、圧電振動子１０２はエネルギー閉じ
込め型振動子である必要はないとともに、測定用接触部
１０７が圧電振動子１０２と一体に形成されていなくて
も良い。

【００５８】また、測定用接触部１０７の形状は円形で
ある必要はなく、正方形、長方形、楕円形、三角形など
種々の形状とすることができる。

【００５９】また、測定用接触部１０７は複数の部品か
ら構成され、その一部のみが被測定物１０４に振動を伝
達する構成であってもよい。

【００６０】さらに、ＰＣ１１０はモニタだけであって
もよい。

【００６１】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施形態について説明する。

【００６２】まず、この発明の第２の実施形態による触
覚センサの構成について、図８を参照して説明する。

【００６３】図８は、この発明の第２の実施形態の触覚
センサを主たる構成手段によって表した図である。

【００６４】すなわち、この触覚センサは、図８に示す
ように、発振回路１０１により振動を発生する圧電振動
子１０２を含むプローブ１０３と、前記圧電振動子１０
２に負荷としての被測定物１０４が接触することにより
生じる前記圧電振動子１０２のインピーダンス特性変化
の一つである共振周波数変化に対応した前記発振回路１
０１の発振周波数変化を検知する周波数測定器１０５
と、前記被測定物１０４に対して前記圧電振動子１０２
を一定の変位速度で押込む変位装置８０１と、前記周波
数測定器１０５により得られた信号と前記変位装置８０
１による変化量から被測定物１０４の深部の粘弾性情報
と深度を検知する深さ情報検知回路１０６とから構成さ
れる。

【００６５】この触覚センサの前記周波数測定器１０５
及び深さ情報検知回路１０６には、パーソナルコンピュ
ータ（ＰＣ）１１０が接続されている。

【００６６】図２は、図８の触覚センサの前記圧電振動
子１０２の具体例を示している。

【００６７】すなわち、この圧電振動子１０２は、前述
した第１の実施形態で説明したと同様に、図２の
（ａ），（ｂ）に示すようなエネルギー閉じ込め型の圧
電振動子であり、厚さが０．１２ｍｍで、一辺が１．５
ｍｍの四角形圧電基板の両面に直径０．６ｍｍの円形に
形成されたエネルギー閉じ込め型電極部２０１が振動発
生源と被測定物１０４に接触する測定用接触部１０７と
を兼ねている。

【００６８】図９は、図８の触覚センサの深さ情報検知
回路１０６の具体的な回路構成を示している。

【００６９】すなわち、前述した深さ情報検知回路１０
６の具体的な回路構成について図９を用いて説明する
と、この深さ情報検知回路１０６は、前記周波数測定器
１０５から前記圧電振動子１０２に負荷としての被測定
物１０４が非接触状態での前記発振回路１０１からの基
本（発振）周波数ｆを検知する基本周波数検知回路９０
１と、前記周波数測定器１０５の出力から最も大きな周
波数変化を検知する最大周波数検知回路３０１と、前記
周波数測定器１０５の出力から最も小さな周波数変化を
検知する最小周波数検知回路３０２と、前記最大周波数
検知回路３０１と前記最小周波数検知回路３０２の出力
から周波数の変動量を得る変動量算出回路３０３と、最
小周波数変化及び最大周波数変化が検知されたときの変
位量を前記変位装置８０１から取り込んで音波長λを算
出する波長算出回路９０２と、前記変動量算出回路３０
３、前記波長算出回路９０２及び前記基本周波数検知回
路９０１からの出力結果に基づいて前記被測定物１０４
の深部の異物の有無、粘弾性、深さ位置を検知する深部
検知回路９０３とから構成される。

【００７０】図１０は、図９の触覚センサの深部検知回
路９０３の具体的な回路構成を示している。

【００７１】すなわち、前述した深部検知回路９０３の
具体的な回路構成について図１０を用いて説明すると、
この深部検知回路９０３は、触覚センサプローブ１０３
における測定用接触部１０７のサイズ情報ａを格納して
おく接触部サイズ格納部１００１と、測定用接触部１０
７のサイズ情報ａ、基本発振周波数ｆおよび音波長λと
から触覚センサによる音強度の分布を解析する音場分布
解析回路１００２と、前記周波数測定器１０５の出力と
前記変動量算出回路３０３の出力信号とから前記被測定
物１０４の深部の異物の有無、粘弾性、深さ位置を推定
する深部推定回路３０４と、前記音場分布解析回路１０
０２の出力結果を前記深部推定回路３０４で得られた結
果と比較して異物５０２の深さ位置を同定する深さ位置
同定回路１００３とから構成される。

【００７２】次に、この発明の第２の実施形態の作用に
ついて説明する。

【００７３】図４は、前述した第１の実施形態で説明し
たと同様に、前記発振回路１０１からの出力信号が、前
記圧電振動子１０２のインピーダンス特性を反映した連
続波となることを示している。

【００７４】すなわち、圧電振動子１０２の等価回路定
数を回路要素とする発振回路１０１を使用すると、該発
振回路１０１からの出力信号は図４に実線で示すように
圧電振動子１０２のインピーダンス特性を反映した連続
波となる。

【００７５】前記圧電振動子１０２に対して、無負荷の
場合、発振回路１０１からの出力信号は圧電振動子１０
２の共振周波数近傍で出力され、且つ、その振幅は圧電
振動子１０２の共振抵抗に対応する。

【００７６】一方、前記圧電振動子１０２に対し、負荷
としての粘弾性体である被測定物１０４が付着すると、
前記発振回路１０１からの出力信号は図４の破線で示す
ようになる。

【００７７】これにより、前記周波数測定器１０５を介
して深さ情報検知回路１０６では、圧電振動子１０２の
共振周波数変化を発振回路１０１の発振周波数変化とし
て検出することができる。

【００７８】この場合、圧電振動子１０２から発生した
振動が被測定物１０４の内部に入射されると、音響イン
ピ一ダンスが被測定物１０４の硬さに応じて変化するた
め、発振回路１０１の発振周波数が高くなる方向つまり
発振周波数がプラス方向にシフトする。

【００７９】一般的には、被測定物１０４の硬さが硬い
ほど、発振回路１０１の発振周波数のシフト量ΔＦは大
きい。

【００８０】例えば、図５の（ａ）に示すように、被測
定物１０４表面に前記圧電振動子１０２を接触させた状
態で矢印方向にスライドさせると、被測定物１０４の粘
膜下腫瘍５０２のある組織は正常組織５０１に比べて発
振回路１０１の発振周波数のシフト量ΔＦが大きくなる
とともに、発振回路１０１の発振周波数があるバラツキ
をもって変動する。

【００８１】図５の（ｂ）は、図５の（ａ）に対応させ
て、発振回路１０１の周波数変動量ＳＢ_ｆと周波数シフ
ト量ΔＦの一例を示したものである。

【００８２】図１１は、変位装置８０１により触覚セン
サプローブ１０３を被測定物１０４に一定の変位速度で
押込む様子を示している。

【００８３】図１２は、変位装置８０１により触覚セン
サプローブ１０３を被測定物１０４に一定の変位速度で
押込んだときに、発振回路１０１の発振周波数がある一
定の周期をもって変動する様子を示している。

【００８４】上述した発振回路１０１の発振周波数のバ
ラツキが観測される部位において、図１１に示すように
変位装置８０１により触覚センサプローブ１０３を被測
定物１０４に一定の変位速度で押込むと、図１２に示す
ように発振回路１０１の発振周波数はある一定の周期を
もって変動する。

【００８５】このとき最大周波数検知回路３０１により
周波数変化の最大値を検知し、最小周波数検知回路３０
２により周波数変化の最小値を検知し、この最大値と最
小値の差から変動量算出回路３０３によって周波数変動
量ＳＢ_ｆが算出される。

【００８６】これらの最小周波数変化および最大周波数
変化が検知されたときの変位量は前記変位装置８０１か
ら波長算出回路９０２に取り込まれ、正常組織５０１に
おける音波長λとして算出される。

【００８７】図１３は、深部検知回路９０３における一
連の信号処理手順を示すフローチャートである。

【００８８】すなわち、深部検知回路９０３は、深部推
定回路３０４により前記変動量算出回路３０３からの周
波数変動量ＳＢ_ｆに基づき正常組織５０１の深部に異物
としての腫瘍５０２の有無と深さ推定を行い（ステップ
Ｓ１〜Ｓ３）、最大値と最小値の平均から算出される周
波数シフト量ΔＦにより腫瘍５０２の粘弾性特性を推定
し（ステップＳ４，Ｓ５）、基本発振周波数ｆおよび音
波長λとに基づいて音場分布解析回路１００２で圧電振
動子１０２の理論的平均音強度のピーク位置を検出する
ことによって得られた音場分布と前記深部推定回路３０
４での周波数変動量ＳＢ_ｆによる推定深さを比較するこ
とによって深さ位置同定回路１００３が腫瘍５０２の深
さ位置ｚを同定検知する（ステップＳ６〜Ｓ１０）。

【００８９】ここで、深部の異物の距離ｚは先述の第１
の実施形態と同様に深部推定回路３０４における周波数
変動量ＳＢ_ｆに基づいて推定される。

【００９０】そして、深部検知回路９０３の検知結果で
ある腫瘍５０２の有無、粘弾性、深さ位置は、前記周波
数測定器１０５からの周波数計測結果とともにＰＣ１１
０のモニタに被測定物１０４の表面画像として表示され
る。

【００９１】次に、音場分布解析回路１００２における
音場解析法について述べる。

【００９２】第１の実施形態で述べたように、圧電振動
子１０２の電極２０１から被測定物１０４に入射された
音波は、測定用接触部１０７である電極２０１と異物６
０２との間で深さ方向ｚに沿った波長λの定在波とな
る。

【００９３】この音波は被測定物１０４の内部で空間的
な音強度Ｉの分布をもつ。

【００９４】図６は、音場分布を説明するモデルである
が、任意の点Ｐ（ｘ，ｏ，ｚ）のモデルを座標系で用い
て表したものが図１４である。

【００９５】一般に、音波の音強度Ｉは以下の式で表さ
れることが知られている。

【００９６】

【数２】

【００９７】

【数３】

【００９８】但し、ａは音源６０１の半径、Ｘは被測定
物１０４の表面に沿った音源中心からの距離、ｚは音源
表面から異物６０２までの深さ、λは音波長、ｃは被測
定物の音速、ｆは非接触時の音源の周波数である。

【００９９】ここで、触覚センサプローブ１０３の場
合、音源はエネルギー閉じ込め構造となっているため測
定中の被測定物１０４における接触面積は常に一定であ
る。

【０１００】このように音源が面積を有する場合、音源
６０１上の被測定物１０４中に生じる音強度Ｉの平均＜
Ｉ₀ ＞は以下のようになる。

【０１０１】

【数４】

【０１０２】定在波の場合、異物６０２の点Ｐ（ｘ，
ｏ，ｚ）で音源６０１から送信された音波は反射により
音源表面に戻って観測される。

【０１０３】また、実際の被測定物１０４では、音の減
衰や散乱が起こるため、吸収係数αを考慮に入れる。

【０１０４】その場合、反射により電極表面に戻って観
測される平均音強度＜Ｉ＞は、異物６０２における音波
の反射率Ｒを用いると以下のように表される。

【０１０５】

【数５】

【０１０６】図１５は、異なる音源サイズにおける異物
６０２の深さ方向の位置Ｚと電極表面で得られる乎均音
強度＜Ｉ＞の関係を示したものである。

【０１０７】図１５における各プロットは深さｚに対し
て幾つかのピークを持ち、音源サイズが大きくなるほど
ピークの数が増え、そのピーク位置は深くなる。

【０１０８】すなわち、音源が大きくなると深部であっ
ても音強度のピークの位置に異物６０２が存在すれば、
音源表面での平均音強度＜Ｉ＞がその影響を強く受ける
と考えられる。

【０１０９】一方、異物６０２の反射率Ｒは、このピー
ク位置に影響しない。

【０１１０】なお、＜Ｉ＞＝１は、電極から送信された
直後の平均音強度に相当する。

【０１１１】ところで、触覚センサの周波数シフト量Δ
Ｆのピーク位置と音強度のピーク位置とは一致する。

【０１１２】これは、第１の実施形態でも述べたよう
に、音強度が触覚センサの周波数変化と関連するためで
ある。

【０１１３】図５の（ａ）のような被測定物において、
音強度のピーク位置に癌腫瘍５０２が存在すれば、その
表面に触覚センサプローブ１０３が接触すれば周辺の正
常組織の位置での周波数シフト量ΔＦ₁ よりも非常に大
きな周波数シフト量ΔＦ₂ が検知される。

【０１１４】従って、大きな周波数シフト量ΔＦ₂ が検
知された場合、音源サイズａと音波長λにより求めた音
強度のピーク位置に異物６０２（腫瘍５０２）が存在し
ていると推定することができる。

【０１１５】次に、深さ位置同定回路１００３における
異物６０２の深さ位置を同定する手法について図７と図
１５を用いて説明する。

【０１１６】図１５において、音源サイズがφ０．９の
場合、音場分布解析回路１００２によりその音場分布か
らｐ１〜ｐ５の５個のピークが予測される。

【０１１７】しかしながら、これらのいずれのピーク位
置に異物６０２が存在するかを決定することはできな
い。

【０１１８】一方、深部推定回路３０４において、周波
数変動量ＳＢ_ｆは異物６０２の存在する深さに依存する
ため、第１の実施形態と同様、図７に示したように周波
数変動量ＳＢ_ｆに基づき異物６０２の距離ｚが推測され
る。

【０１１９】そして、先述のピークｐ１〜ｐ５の中から
推定距離ｚとほぼ同じ位置で発生するピークを検知し、
そのピーク位置から異物６０２の深さ位置を検知でき
る。

【０１２０】以上から本実施の形態によれば、周波数変
動量ＳＢ_ｆの有無が被測定物１０４深部の異物６０２の
存在を知る手がかりとなり、周波数変動量ＳＢ_ｆの大き
さと音場分布から異物６０２が存在する深部位置ｚを同
定することができるとともに、周波数シフト量ΔＦによ
り異物６０２の硬さを推測することができるという効果
がある。

【０１２１】なお、この発明の実施の形態の各構成は、
当然、上述した第２の実施形態の各構成に限定されるこ
となく、各種の変形、変更が可能である。

【０１２２】例えば、変位装置の押し込み速度は一定で
なくても良く、被測定物１０４への押し込み変位量と周
波数変動量ＳＢ_ｆとが同時に計測できればよい。

【０１２３】また、周波数測定器１０５は圧電振動子１
０２の共振抵抗変化に対応した振幅変化を検知する電圧
測定器とすることができるとともに、周波数変化測定器
１０５と電圧測定器の両方であってもよい。

【０１２４】また、周波数測定器１０５の場合に設けら
れた最大周波数検知回路３０１と最小周波数検知回路３
０２は、周波数測定器１０５が電圧測定器の場合には電
圧測定器でもって最大振幅検知回路と最小振幅検知回路
としてもよい。

【０１２５】また、圧電振動子１０２はエネルギー閉じ
込め型振動子である必要はないし、測定用接触部１０７
が圧電振動子１０２と一体に形成されていなくても良
い。

【０１２６】また、測定用接触部１０７の形状は円形で
ある必要はなく、正方形、長方形、楕円形、三角形など
種々の形状とすることができる。

【０１２７】また、測定用接触部１０７は複数の部品か
ら構成され、その一部のみが被測定物１０４に振動を伝
達する構成であってもよい。

【０１２８】さらに、ＰＣ１１０はモニタだけであって
もよい。

【０１２９】（第３の実施形態）次に、本発明の第３の
実施形態について説明する。

【０１３０】図１６は、本発明の第３の実施形態の触覚
センサを主たる構成手段によって表した図である。

【０１３１】すなわち、この触覚センサは、複数の圧電
振動子１０２と、それぞれ各圧電振動子１０２に接続さ
れ振動を発生させる複数の発振回路１０１と、それぞれ
被測定物１０４に対して前記各圧電振動子１０２を一定
の変位速度で押込む複数の変位装置８０１と、前記各発
振回路１０１からの出力をスキャンするスキャナ１６０
１とからなるプローブ１０３と、前記発振回路１０１を
介して前記被測定物１０４に接触することにより生じる
前記圧電振動子１０２のインピーダンス特性変化の一つ
である共振周波数変化に対応した発振周波数変化を検知
する周波数測定器１０５と、前記周波数測定器１０５に
より得られた信号と前記変位装置８０１による変化量及
び前記スキャナ１６０１からスキャンしている振動子情
報を選択し前記被測定物１０４の深部の粘弾性情報と深
度を検知する深さ情報検知回路１０６とから構成され
る。

【０１３２】この触覚センサの前記周波数測定器１０５
及び深さ情報検知回路１０６には、ＰＣ１１０が接続さ
れている。

【０１３３】前記圧電振動子１０２は、図２に示したよ
うなエネルギー閉じ込め型の圧電振動子であり、電極部
２０１が振動発生源と被測定物１０４に接触する測定用
接触部１０７を兼ねている。

【０１３４】図１７の（ａ），（ｂ）は、各圧電振動子
１０２の配列形状及び各々の電極配列形状と、それのＡ
−Ａ´断面形状を示している。

【０１３５】すなわち、各圧電振動子１０２は各々の電
極２０１（測定用接触部１０７）サイズが異なってお
り、図１７に示すようにアレイ状に複数配列した振動子
により触覚センサプローブ１０３が構成される。

【０１３６】図１８は、深さ情報検知回路１０６の具体
的な回路構成を示している。

【０１３７】次に、前述した深さ情報検知回路１０６の
具体的な回路構成について図１８を用いて説明する。

【０１３８】すなわち、この深さ情報検知回路１０６
は、図１８に示すように、前記周波数測定器１０５から
前記圧電振動子１０２に負荷としての被測定物１０４が
非接触状態での発振周波数を検知する基本周波数検知回
路９０１と、前記周波数測定器１０５の出力から最も大
きな周波数変化を検知する最大周波数検知回路３０１
と、前記周波数測定器１０５の出力から最も小さな周波
数変化を検知する最小周波数検知回路３０２と、前記最
大周波数検知回路３０１と前記最小周波数検知回路３０
２の出力から周波数の変動量を得る変動量算出回路３０
３と、最小周波数変化及び最大周波数変化が検知された
ときの変位量を前記変位装置８０１から取り込み音波長
を算出する波長算出回路９０２と、前記変動量算出回路
３０３、前記波長算出回路９０２及び前記基本周波数検
知回路９０１からの出力結果とスキャナ１６０１からの
振動子情報に基づき被測定物深部の異物の有無、粘弾
性、深さ位置を検知する深部検知回路９０３とから構成
される。

【０１３９】次に、深部検知回路９０３の具体的な回路
構成を図１９により説明する。

【０１４０】この深部検知回路９０３は、触覚センサプ
ローブ１０３における測定用接触部１０７のサイズ情報
ａを格納しておきスキャナ１６０１がスキャンした振動
子の測定用接触部１０７のサイズ情報ａを出力する接触
部サイズ選択部１９０１と、上記サイズ情報ａ、基本発
振周波数ｆおよび音波長λとから触覚センサによる音強
度の分布を解析する音場分布解析回路１００２と、前記
周波数測定器１０５の出力と前記変動量算出回路３０３
の出力信号から被測定物深部の異物の有無、粘弾性、深
さ位置を推定する深部推定回路３０４と、前記音場分布
解析回路１００２の出力結果を前記深部推定回路３０４
で得られた結果と比較し異物５０２の深さ位置を同定す
る深さ位置同定回路１００３とから構成される。

【０１４１】次に、この発明の第３の実施形態の作用を
説明する。

【０１４２】まず、変位装置８０１により電極２０１の
サイズが異なる複数の圧電振動子１０２を一定の変位速
度で前記被測定物１０４に対して押込むと、各圧電振動
子１０２から発生した振動は被測定物１０４の内部に入
射され、被測定物１０４の硬さに応じて発振周波数がプ
ラス方向にシフトする。

【０１４３】各圧電振動子１０２の周波数変化はスキャ
ナ１６０１により−定間隔でスキャンされ、周波数測定
器１０５により検知される。

【０１４４】ここで、異物が存在する場合には、図１２
に示したように観測される周波数変動量ＳＢ_ｆと周波数
シフト量ΔＦは、図１８における深さ情報検知回路１０
６によって第２の実施形態で述べた方法に基づいて算出
される。

【０１４５】一方、深部の異物の深さ位置ｚは、深さ位
置同定回路１００３において前記音場分布解析回路１０
０２で得られた音場ピーク位置と各圧電振動子１０２の
電極サイズとの関係に基づいて同定され、各深部検知回
路９０３の結果である腫瘍５０２の有無、粘弾性、深さ
位置は周波数計測結果とともにＰＣ１１０のモニタに被
測定物１０４の表面画像として表示される。

【０１４６】次に、深部検知回路９０３における深部の
異物深さ位置の同定法について説明する。

【０１４７】図１９において、接触部サイズスキャナと
して機能するスキャナ１６０１がスキャンしている振動
子の電極サイズ情報ａが選択され、この選択された電極
サイズ情報ａが、前記波長算出回路９０２で算出された
音波長λと各圧電振動子の基本発振周波数ｆとともに、
音場分布解析回路１００２に入力される。

【０１４８】音場分布解析回路１００２では各電極サイ
ズごとに図１５に示すような音強度ピークの位置が求め
られる。

【０１４９】電極サイズφ０．９の振動子の場合には音
強度ピークはｐ１〜ｐ５の５個、電極サイズφ０．６の
振動子の場合には音強度ピークはｐ^＊１〜ｐ^＊３の３
個、電極サイズφＯ．３の振動子の場合には音強度ピー
クはｐ^＊＊の１個となるが、このうち幾つかのピーク位
置が一致する。

【０１５０】例えば、深さ距離ｚ^＊でφ０．６の音強度
ピークｐ^＊３と、φ０．９の音強度ピークｐ４とが生じ
る。

【０１５１】すなわち、深さ距離ｚ^＊に異物６０２が存
在するとき、φ０．６とφ０．９の振動子において音強
度のピークが観測される。

【０１５２】図２０は、深部に腫瘍５０２が存在する正
常組織５０１表面を本実施形態の異なる電極サイズの圧
電振動子１０２からなる触覚センサプローブ１０３で走
査した場合における各振動子ごとの周波数変化の一例を
示したものである。

【０１５３】第２の実施形態でも述べたように、音強度
のピークに対応して周波数シフト量ΔＦも大きくなるこ
とから、複数の電極サイズの異なる振動子をスキャンし
た場合にφ０．６とφ０．９の振動子において周波数シ
フト量ΔＦ２，ΔＦ３がφ０．３の周波数シフト量ΔＦ
１よりも大きくなれば異物６０２の深さ位置ｚがｚ^＊で
あると同定することができる。

【０１５４】以上から本実施の形態によれば、周波数変
動量ＳＢ_ｆの有無が被測定物１０４深部の異物６０２の
存在を知る手がかりとなり、複数の電極サイズの異なる
振動子の音場分布を求め周波数シフト量ΔＦが大きくな
る電極サイズの組み合わせから異物６０２が存在する深
部位置ｚを同定することができるとともに、周波数シフ
ト量ΔＦにより異物６０２の硬さを推測することができ
るという効果が得られる。

【０１５５】なお、この発明の実施の形態の各構成は、
当然、上述した第３の実施形態の各構成に限定されるこ
となく、各種の変形、変更が可能である。

【０１５６】例えば、周波数測定器１０５は圧電振動子
１０２の共振抵抗変化に対応した振幅変化を検知する電
圧測定器とすることができるとともに、周波数変化測定
器１０５と電圧測定器の両方であってもよい。

【０１５７】また、周波数測定器１０５の場合に設けら
れた最大周波数検知回路３０１と最小周波数検知回路３
０２は、周波数測定器１０５が電圧測定器の場合には電
圧測定器でもって最大振幅検知回路と最小振幅検知回路
としてもよい。

【０１５８】また、圧電振動子１０２はエネルギー閉じ
込め型振動子である必要はないし、測定用接触部１０７
が圧電振動子１０２と一体に形成されていなくても良
い。

【０１５９】また、測定用接触部１０７の形状は円形で
ある必要はなく、正方形、長方形、楕円形、三角形など
種々の形状とすることができる。

【０１６０】また、測定用接触部１０７は複数の部品か
ら構成され、その一部のみが被測定物１０４に振動を伝
達する構成であってもよい。

【０１６１】また、発振回路１０は圧電振動子ごとに設
ける必要はなく、全ての振動子に共通の発振回路を用い
ても良い。

【０１６２】さらに、ＰＣ１１０はモニタだけであって
もよい。

【０１６３】（第４の実施形態）次に、本発明の第４の
実施形態による触覚センサついて、図２１乃至図２６を
用いて説明する。

【０１６４】図２１は、本発明の第４の実施形態に用い
る触覚センサプローブを主たる構成手段によって表した
図である。

【０１６５】すなわち、この触覚センサプローブ２１０
２は、図２１の（ａ），（ｂ）に示すように、複数個の
異なる電極２０１サイズの圧電振動子１０２と、それら
の圧電振動子１０２を個別に配置せしめる面を有しその
面を回転させて任意の圧電振動子１０２を被測定物１０
４に対向させる回転ジグ２１０１と、それぞれ各圧電振
動子２０１を振動させる複数の発振回路１０１と、各発
振回路１０１からの出力をスキャンするスキャナ１６０
１とから構成される。

【０１６６】このように構成された触覚センサプローブ
２１０２は、図２２に示す触覚センサに組み込まれる。

【０１６７】図２２は、本発明の第４の実施形態による
触覚センサを主たる構成手段によって表した図である。

【０１６８】すなわち、この触覚センサは、図２２に示
すように、被測定物１０４に対向される触覚センサプロ
ーブ２１０２と、該触覚センサプローブ２１０２の前記
圧電振動子１０２に負荷としての被測定物１０４が接触
することにより生じる前記圧電振動子１０２のインピー
ダンス特性変化の一つである共振周波数変化に対応した
前記発振回路１０１の発振周波数変化を検知する周波数
測定器１０５と、前記周波数測定器１０５により得られ
た信号から被測定物１０４の深部の粘弾性情報と深度を
検知する深さ情報検知回路１０６とから構成される。

【０１６９】この触覚センサの前記周波数測定器１０５
及び深さ情報検知回路１０６には、ＰＣ１１０が接続さ
れている。

【０１７０】図２３は、図２２の触覚センサの深さ情報
検知回路１０６の具体的な回路構成を示している。

【０１７１】すなわち、この深さ情報検知回路１０６
は、図２３に示すように、前記周波数測定器１０５の出
力から最も大きな周波数変化を検知する最大周波数検知
回路３０１と、前記周波数測定器１０５の出力から最も
小さな周波数変化を検知する最小周波数検知回路３０２
と、前記最大周波数検知回路３０１と前記最小周波数検
知回路３０２の出力から周波数の変動量を得る変動量算
出回路３０３と、前記変動量算出回路３０３からの出力
結果とスキャナ１６０１からの振動子情報に基づき被測
定物深部の異物の有無、粘弾性、深さ位置を検知する深
部検知回路２３０１とから構成される。

【０１７２】図２４は、前記深部検知回路２３０１の具
体的な回路構成を示している。

【０１７３】すなわち、この深部検知回路２３０１は、
触覚センサプローブ１０３における測定用接触部１０７
のサイズ情報ａを格納しておきスキャナ１６０１がスキ
ャンした振動子の測定用接触部１０７のサイズ情報ａ、
基本発振周波数ｆと測定部位の波長λを出力する音場パ
ラメータ選択部２４０１と、これらのパラメータａ，
ｆ，λから触覚センサによる音強度の分布を解析する音
場分布解析回路２４０２と、基本発振周波数ｆ及び前記
周波数測定器１０５の出力ｆｍａｘ，ｆｍｉｎと前記変
動量算出回路３０３の出力信号ＳＢ_ｆから被測定物深部
の異物の有無、粘弾性、深さ位置を推定する深部推定回
路３０４と、前記音場分布解析回路２４０２の出力結果
を前記深部推定回路３０４で得られた結果と比較し異物
５０２の深さ位置を同定する深さ位置同定回路１００３
とから構成される。

【０１７４】図２５は、前記深部推定回路３０４の具体
的な構成を示している。

【０１７５】すなわち、この深部推定回路３０４は、周
波数変動量ＳＢ_ｆが観測されると音場パラメータ選択部
２４０１に作用して音場パラメータ選択部２４０１から
測定用接触部１０７のサイズ情報ａ，基本発振周波数ｆ
と測定部位の波長λを出力させる出力指示回路２５０１
と、前記音場パラメータ選択部２４０１から出力された
基本発振周波数ｆを取り込み、該基本発振周波数ｆ及び
周波数変化の最大値と最小値から算出した平均値（周波
数シフト量ΔＦ）を出力するとともに、被測定物深部の
異物の粘弾性を推定する粘弾性推定回路３０５とから構
成される。

【０１７６】次に、この発明の第４の実施形態の作用を
説明する。

【０１７７】触覚センサプローブ２１０２を被測定物１
０４のある表面に押圧し、回転ジグ２１０１を回転させ
ることにより、回転ジグ２１０１の回転面に配置された
各圧電振動子１０２を順次に被測定物１０４に接触させ
る。

【０１７８】そして、スキャナ１６０１が各発振回路１
０１からの出力をスキャンする周期は、回転ジグ２１０
１の回転周期に同期させる。

【０１７９】被測定物１０４に接触している圧電振動子
１０２の発振周波変化は周波数測定器１０５で検知され
る。

【０１８０】例えば、図５の（ａ）に示したように被測
定物１０４の表面に前記圧電振動子１０２が接触する
と、粘膜下腫瘍５０２のある組織は正常組織５０１に比
べて周波数シフト量ΔＦが大きくなるとともに、あるバ
ラツキをもって発振回路１０１からの発振周波数が変動
する。

【０１８１】この周波数変動量は、前記最大周波数検知
回路３０１、最小周波数検知回路３０２を介して変動量
算出回路３０３によってＳＢ_ｆとして算出され、深部推
定回路３０４へ出力される。

【０１８２】この周波数変動量ＳＢ_ｆが観測されると、
出力指示回路２５０１が音場パラメータ選択部２４０１
に作用し、予め関数として与えられてい各圧電振動子１
０２の基本発振周波数ｆと接触部位のサイズ情報ａ、音
波長λが音場パラメータ選択部２４０２から出力され
る。

【０１８３】これらの基本発振周波数ｆと接触部位のサ
イズ情報ａ、音波長λ値は前記音場分布解析回路１００
２に入力され、各電極サイズことに図１５に示したよう
な音強度ピークの位置が求められる。

【０１８４】各振動子ごとに推測されたピークデータ
は、深さ位置同定回路１００３に一時的に保持される。

【０１８５】触覚センサプローブ２１０２上の全ての圧
電振動子１０２について同様の処理を行った後、深さ位
置同定回路１００３において各振動子の音場分布が比較
され、複数の振動子で一致するピークの位置から異物６
０２が存在する深さ位置ｚが同定される。

【０１８６】例えば、電極サイズφ０．９の振動子の場
合には音強度ピークはｐ１〜ｐ５の５個、電極サイズφ
０．６の振動子の場合には音強度ピークはｐ^＊１〜ｐ^＊
３の３個、電極サイズφ０．３の振動子の場合には音強
度ピークはｐ^＊＊の１個となるが、このうち幾つかのピ
ーク位置が一致する。

【０１８７】例えば、深さ距離ｚ^＊でφ０．６のｐ^＊３
とφ０．９のｐ４が生じる。

【０１８８】すなわち、深さ距離ｚ^＊に異物６０２が存
在するときφ０．６とφ０．９の振動子において音強度
のピークが観測される。

【０１８９】これは、第２の実施形態でも述べたように
音強度のピークに対応して周波数シフト量ΔＦも大きく
なることから、複数の電極サイズの異なる振動子をスキ
ャンした場合にφ０．６とφ０．９の振動子において周
波数シフトΔＦ２，ΔＦ３がφ０．３の周波数シフトΔ
Ｐ１よりも大きくなれば異物６０２の深さ位置ｚがｚ ^＊
であると同定することができる。

【０１９０】以上から本実施の形態によれば、周波数変
動量ＳＢ_ｆの有無が被測定物１０４深部の異物６０２の
存在を知る手がかりとなり、複数の電極サイズの異なる
振動子の音場分布を求め周波数シフト量ΔＦが大きくな
る電極サイズの組み合わせから異物６０２が存在する深
部位置ｚを同定することができるとともに、周波数シフ
ト量ΔＦにより異物６０２の硬さを推測することができ
るという効果が得られる。

【０１９１】なお、この発明の実施形態の各構成は、上
述した第４の実施形態の各構成に限定されることなく、
当然、各種の変形、変更が可能である。

【０１９２】例えば、周波数測定器１０５は、圧電振動
子１０２の共振抵抗変化に対応した振幅変化を検知する
電圧測定器とすることができるとともに、周波数定器１
０５と電圧測定器の両方であってもよい。

【０１９３】また、周波数測定器１０５の場合に設けら
れた最大周波数検知回路３０１と最小周波数検知回路３
０２は、周波数測定器１０５が電圧測定器の場合には電
圧測定器でもって最大振幅検知回路と最小振幅検知回路
としてもよい。

【０１９４】また、圧電振動子１０２はエネルギー閉じ
込め型振動子である必要はないし、測定用接触部１０７
が圧電振動子１０２と一体に形成されていなくても良
い。

【０１９５】また、測定用接触部１０７の形状は円形で
ある必要はなく、正方形、長方形、楕円形、三角形など
種々の形状とすることができる。

【０１９６】また、測定用接触部１０７は複数の部品か
ら構成され、その一部のみが被測定物１０４に振動を伝
達する構成であってもよい。

【０１９７】また、圧電振動子１０２は、図２６に示す
ように、複数の圧電振動子１０２をセンサプローブ１０
３としての円筒状等の曲面に配置し回転させても良い。

【０１９８】また、発振回路１０１は圧電振動子ごとに
設ける必要はなく、全ての振動子に共通の発振回路を用
いても良い。

【０１９９】さらに、ＰＣ１１０はモニタだけであって
もよい。

【０２００】そして、上述したような実施の形態で示し
た本発明には、特許請求の範囲の請求項１乃至３に示し
た以外にも以下の付記１乃至１９として示すような発明
が含まれている。

【０２０１】（付記１） 上記特性変化測定手段の測定
する振動特性の変化は、上記振動子と上記異物の距離の
変化にともない、上記振動子と上記異物間に存在する定
在波の異なる部分を測定することに由来することを特徴
とする請求項１乃至３のいずれかに記載の触覚センサ。

【０２０２】（付記２） 内部に異物を含む被測定物に
振動子を接触させて、上記異物までの距離を求める方法
であり、上記振動子を上記被測定物の表面に接触させる
第１の工程と、上記振動子と被測定物との接触を保つた
まま、上記振動子と上記異物問の距離を変化させ、上記
振動子の振動特性値の変化を検出する第２の工程と、上
記第２の工程の検出結果より、上記振動子と上記異物間
の距離を求める第３の工程と、を具備することを特徴と
する、距離測定方法。

【０２０３】（付記３） 上記第２の工程で検出する上
記振動子の振動特性値の変化とは、上記振動子の振動周
波数の変化又は振動振幅の変化であることを特徴とする
付記２記載の触覚センサ。

【０２０４】（付記４） 上記第３の工程において、上
記第２の工程で検出した上記振動子の特性値の変化の幅
から、上記異物の埋もれている深さを求めることを特徴
とする付記２または３記載の触覚センサ。

【０２０５】（付記５） 上記第２の工程で検出する上
記振動子の振動特性の変化とは、上記振動子と上記異物
の距離の変化にともない、上記振動子と上記異物間に存
在する定在波の異なる部分を測定することに由来するこ
とを特徴とする付記２乃至４のいずれかに記載の触覚セ
ンサ。

【０２０６】（付記６） 振動子のインピ一ダンス特性
の変化を用いて被測定物の粘弾性特性を検出する触覚セ
ンサにおいて、圧電振動子と、該圧電振動子に振動を発
生させる発振手段と、被測定物に接触させ前記圧電振動
子の振動を伝達する少なくとも一つ以上の測定用接触部
とを有した触覚センサプローブと、前記発振手段からの
出力信号の変化を検出する特性変化測定手段と、前記特
性変化測定手段の出力信号から深部の粘弾性情報と深度
を検知する深さ情報検知手段と、を具備したことを特徴
とする触覚センサ。

【０２０７】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第１、第２、第３及び第４の実施
の形態が対応する。

【０２０８】この発明の構成中で、特性変化測定手段
は、これらの実施の形態では周波数測定器が該当する
が、電圧測定回路などを含むようにしてもよい。

【０２０９】（作用）触覚センサプローブの発振手段に
より圧電振動子が振動し、その振動は測定用接触部に伝
達される。

【０２１０】特性変化測定手段は測定用接触部が被測定
物に接触したときの触覚センサプローブの出力信号の変
化を検出する。

【０２１１】前記特性変化測定手段の出力信号から深さ
情報検知手段が深部の粘弾性情報と深度を検知する。

【０２１２】（効果）深さ情報検知手段が特性変化測定
手段の出力に基づき被測定物の粘弾性情報を解析するの
で、被測定物深部の粘弾性情報と深度を検知することが
できる。

【０２１３】（付記７） 前記深さ情報検知手段が、前
記特性変化測定手段の出力信号を受けて、該出力信号の
最大変化量を検知する最大特性変化検知手段と、前記特
性変化測定手段の出力信号を受けて、該出力信号の最小
変化量を検知する最小特性変化検知手段と、前記最大特
性変化検知手段と前記最小特性変化検知手段の出力から
前記触覚センサプローブの出力変動量を出力する変動量
算出手段と、前記変動量算出手段の出力から粘弾性の異
なる部位の有無および深さ位置を推定し、前記圧電振動
子の基本発振周波数及び前記最大特性変化検知手段と最
小特性変化検知手段の出力から被測定物深部の粘弾性を
推定する深部推定手段と、を具備することを特徴とする
付記６記載の触覚センサ。

【０２１４】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第１、第２、第３及び第４の実施
の形態が対応する。

【０２１５】（作用・効果）特性変化測定手段からの出
力信号を受けて、最大特性変化検知手段は最大変化量を
検知し、同様に最小特性変化検知手段は最小変化量を検
知する。

【０２１６】これら最大変化量および最小変化量から変
動量算出手段により出力変動量が算出される。

【０２１７】この出力変動量から深部推定手段において
被測定物深部の異なる粘弾性部位の存在を検出すること
ができる。

【０２１８】また、深部推定手段では、前記基本発振周
波数及び前記最大特性変化検知手段と最小特性変化検知
手段の出力から被測定物深部の粘弾性が推定される。

【０２１９】（付記８） 前記深部推定手段が、前記基
本発振周波数及び前記最大特性変化検知手段で検知され
た最大特性変化と最小特性変化検知手段で検知された最
小特性変化とから平均特性変化を算出し被測定物深部の
異物の粘弾性を推定する粘弾性推定手段と、前記変動量
算出手段の出力から異物の深さ位置を推定する深さ位置
推定手段と、 を具備することを特徴とする付記７記載
の触覚センサ。

【０２２０】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第１、第２、第３及び第４の実施
の形態が対応する。

【０２２１】（作用・効果）深部推定手段における粘弾
性推定手段では、前記基本発振周波数及び最大特性変化
検知手段からの最大特性変化と最小特性変化検知手段か
らの最小特性変化とから平均特性変化が算出される。

【０２２２】この平均特性変化は被測定物深部の異物を
反映した信号となり、被測定物深部の異物の粘弾性が推
定される。

【０２２３】また、変動量算出手段で得られる出力変動
は被測定物深部に異物が存在する場合に観測され、かつ
異物の深さ距離に応じて出力変動量が変化するため、深
さ位置推定手段において出力変動量に基づいた被測定物
深部の異物情報を得ることができる。

【０２２４】（付記９） 前記特性変化測定手段が、前
記触覚センサプローブの周波数変化を測定する周波数測
定手段と、前記触覚センサプローブの振幅変化を測定す
る電圧測定手段とのうち少なくとも一つから構成される
ことを特徴とする付記６記載の触覚センサ。

【０２２５】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第１、第２、第３及び第４の実施
の形態が対応する。

【０２２６】（作用・効果）前記特性変化測定手段が、
触覚センサプローブの周波数変化を測定するか、もしく
は振幅変化を測定する。

【０２２７】（付記１０） 前記測定用接触部が、前記
被測定物に接触する面であるとともに、前記被測定物に
前記圧電振動子の振動を伝達する部位が一部のみに限定
されたことを特徴とする付記６記載の触覚センサ。

【０２２８】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第１、第２、第３及び第４の実施
の形態が対応する。

【０２２９】この発明の構成中で測定用接触部は、これ
らの実施の形態ではエネルギー閉じ込め電極が該当する
が、振動を伝達する部位が測定用接触部を構成する部品
として分離形成されているものも含むようにしてもよ
い。

【０２３０】（作用）測定用接触部が被測定物に接触し
たときの接触面積が常に一定である。

【０２３１】（効果）粘弾性の面積効果を除去し、被測
定物における正確な粘弾性情報を検知することができ
る。

【０２３２】（付記１１） 前記圧電振動子の電極がエ
ネルギー閉じ込め型構造であることを特徴とした付記１
０記載の触覚センサ。

【０２３３】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第１、第２、第３及び第４の実施
の形態が対応する。

【０２３４】（作用・効果）圧電振動子においてエネル
ギー閉じ込め型電極だけが振動し、電極以外の部位では
振動が生じないため、電極以外の部位で振動子を自由に
保持でき、かつ不要振動が発生しにくいプローブ構成と
することができる。

【０２３５】また、測定用接触部を圧電振動子に一体形
成することができるとともに、触覚センサ構成部品を減
らすことができる。

【０２３６】（付記１２） 前記触覚センサプローブ
が、前記被測定物との接触面に大きさの異なる複数の測
定用接触部を設置したことを特徴とする付記１０記載の
触覚センサ。

【０２３７】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第３及び第４の実施の形態が対応
する。

【０２３８】（作用・効果）複数の異なる大きさの測定
用接触部が被測定物と接触することにより、より多くの
情報を検知することができる。

【０２３９】（付記１３） 前記触覚センサプローブ
が、前記測定用接触部を前記被接触物の表面の同一部位
に対して選択的に接触せしめる駆動手段を具備したを特
徴とする付記１２記載の触覚センサ。

【０２４０】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第４の実施の形態が対応する。

【０２４１】この発明の構成中の駆動手段は、この実施
の形態では回転ジグが該当する。

【０２４２】（作用・効果）被測定物における音場分布
は測定用接触部の大きさに影響されるため、異なる大き
さの測定用接触部を被測定物の同一部位に断続的かつ個
別に接触させることにより、音場分布変化の検知が可能
になる。

【０２４３】（付記１４） 前記触覚センサプローブ
が、前記被測定物に対して前記測定用接触部を押し込ま
せる変位装置を具備したことを特徴とする付記１０記載
の触覚センサ。

【０２４４】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第２及び第３の実施の形態が対応
する。

【０２４５】（作用・効果）変位装置が被測定物に対し
て測定用接触部を任意の接触条件で押し込むことができ
る。

【０２４６】（付記１５） 前記特性変化測定手段が少
なくとも周波数測定手段からなり、前記深さ情報検知手
段が、前記周波数測定手段に接続され、非接触時におけ
る前記触覚センサプローブの発振周波数を検知する基本
周波数検知手段と、前記特性変化測定手段の出力信号を
受けて、該出力信号の最大変化量を検知する最大特性変
化検知手段と、前記特性変化測定手段の出力信号を受け
て、該出力信号の最小変化量を検知する最小特性変化検
知手段と、前記最大特性変化検知手段と前記最小特性変
化検知手段の出力から前記触覚センサプローブの出力変
動量を出力する変動量算出手段と、前記変位装置により
前記測定用接触部が押し込まれた変位量と前記変動量算
出手段の出力から前記被測定物における振動の波長を算
出する波長算出手段と、を具備したことを特徴とする付
記１４記載の触覚センサ。

【０２４７】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第２及び第３の実施の形態が対応
する。

【０２４８】（作用・効果）周波数測定手段を介して基
本周波数検知手段により基本周波数が検知されるととも
に、一方、変動量算出手段により出力変動量が算出され
る間に前記変位装置により前記測定用接触部が押し込ま
れた変位量が得られる。

【０２４９】この変位量と基本周波数とから波長算出手
段によって前記被測定物における振動の波長が算出され
る。

【０２５０】（付記１６） 前記深さ情報検知手段が、
前記触覚センサプローブの測定用接触部のサイズと基本
発振周波数及び音波長λとを用いて被測定物における音
強度の分布を解析する音場分布解析手段と、前記最大特
性変化検知手段、前記最小特性変化検知手段、前記変動
量算出手段及び前記音場分布解析手段の出力信号から被
測定物深部の異物の有無、粘弾性を推定し、深さ位置を
同定する深さ位置同定手段と、を具備したことを特徴と
する付記１５記載の触覚センサ。

【０２５１】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第２及び第３の実施の形態が対応
する。

【０２５２】（作用・効果）最大特性変化検知手段と最
小特性変化検知手段からの出力によって前記被測定物の
深部の粘弾性が推定され、変動量算出手段からの出力に
よって前記被測定物の深部の異物の有無、深さ位置が推
定される。

【０２５３】一方、測定用接触部のサイズと基本発振周
波数ｆおよび音波長λを用いて音場分布解析手段におけ
る音強度の分布が解析される。

【０２５４】そして、音強度ピークの位置に異物が存在
するとセンサの特性は大きく変化することから、深さ位
置同定手段においてセンサ特性の変化と音場分布の関係
を解析し、かつ推定された深さ位置データを併用するこ
とにより、より正確に異物の深さ位置を同定することが
できる。

【０２５５】（付記１７） 前記複数の測定用接触部と
前記特性変化検知手段との間に設置され、前記複数の測
定用接触部から得られる被測定物の状態を個別に検知す
るスキャナを具備したことを特徴とする付記１２記載の
触覚センサ。

【０２５６】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第３及び第４の実施の形態が対応
する。

【０２５７】（作用・効果）複数の測定用接触部と特性
変化検知手段との間にスキャナを設置することにより、
このスキャナを介して複数の測定用接触部から得られる
被測定物の状態を個別に検知することができる。

【０２５８】（付記１８） 前記複数の測定用接触部の
物理量を予め格納しておくとともに、前記スキャナによ
りスキャンされた測定用接触部の物理量を前記音場分布
解析手段へ出力する接触部パラメータ選択手段を具備す
ることを特徴とした付記１６または１７記載の触覚セン
サ。

【０２５９】（対応する発明の実施の形態）この発明に
関する実施の形態は、第３及び第４の実施の形態が対応
する。

【０２６０】この発明の構成の中で接触部パラメータ選
択手段は、第３の実施の形態では接触部サイズ選択部が
該当し、第４の実施の形態では音場パラメータ選択手段
が該当する。

【０２６１】（作用・効果）スキャナによりスキャンさ
れた各測定用接触部に関して、予め格納されているの測
定用接卸部の物理量（例えば、サイズ）が接触部パラメ
ータ選択手段から前記音場分布解析手段へ出力される。

【０２６２】（付記１９） 前記深さ位置推定手段が、
前記被測定物における音波の減衰率α、被測定物深部の
異物の反射率Ｒ、音源と異物の間の距離ｚと前記変動量
算出手段からの出力との関係を予め測定し、関数化した
テーブルまたは近似式を用いることを特徴とする付記８
記載の触覚センサ。

【０２６３】（対応する発明の実施の形態）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。

【０２６４】（作用）変動量算出手段で得られる出力変
動は被測定物の深部に粘弾性の異なる部位（異物）が存
在する場合に観測される。

【０２６５】この変動量算出手段で得られた変動の大き
さは被測定物における音波の減衰率α、被測定物の深部
の異物の反射率Ｒ、音源と異物の間の距離ｚに応じて変
化する。

【０２６６】この反射率Ｒ、減衰率α、距離ｚと出力変
動量の関係は予め測定されテーブルや近似式などに関数
化されている。

【０２６７】このような関数に基づき出力変動量から距
離ｚが推定される。

【０２６８】（効果）変動量算出手段からの出力の有無
が被測定物の深部の異物の存在を知る手がかりとなり、
出力変動量の大きさから異物が存在する深部位置ｚを推
定することができる。

【０２６９】

【発明の効果】従って、以上説明したように、本発明に
よれば、センサプローブが接触している粘弾性対象物の
表面とその垂直方向（深部）との粘弾性とを分離して検
知することが可能な触覚センサを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明の第１の実施形態の触覚セン
サを主たる構成手段によって表した図である。

【図２】図２は、図１の触覚センサの圧電振動子の具体
例を示す図である。

【図３】図３は、図１の触覚センサの深さ情報検知回路
の具体的な回路構成を示す図である。

【図４】図４は、図１の触覚センサの発振回路からの出
力信号が、圧電振動子のインピーダンス特性を反映した
連続波となることを示す図である。

【図５】図５の（ａ）は被測定物表面に圧電振動子を接
触させて矢印方向にスライドさせる状態を示す図であ
り、図５の（ｂ）は、図５の（ａ）に対応させて、発振
回路の周波数変動量ＳＢ_ｆと周波数シフト量ΔＦの一例
を示す図である。

【図６】図６は、被測定物と圧電振動子間の音場分布を
説明するためのモデルを示す図である。

【図７】図７は、ある反射率Ｒ、減衰率αの被測定物に
おける距離ｚと発振周波数変動量ＳＢ_ｆとの関係を示す
図である。

【図８】図８は、この発明の第２の実施形態の触覚セン
サを主たる構成手段によって表した図である。

【図９】図９は、図８の触覚センサの深さ情報検知回路
の具体的な回路構成を示す図である。

【図１０】図１０は、図９の触覚センサの深部検知回路
の具体的な回路構成を示す図である。

【図１１】図１１は、変位装置により触覚センサプロー
ブを被測定物に一定の変位速度で押込む様子を示す図で
ある。

【図１２】図１２は、変位装置により触覚センサプロー
ブを被測定物に一定の変位速度で押込んだときに、発振
回路の発振周波数がある一定の周期をもって変動する様
子を示す図である。

【図１３】図１３は、深部検知回路における一連の信号
処理手順を示すフローチャートである。

【図１４】図１４は、図６が音場分布を説明するモデル
を示しているのに対し、任意の点Ｐ（ｘ，ｏ，ｚ）のモ
デルを座標系で用いて表した図である。

【図１５】図１５は、異なる音源サイズにおける異物の
深さ方向の位置Ｚと電極表面で得られる平均音強度＜Ｉ
＞の関係を示す図である。

【図１６】図１６は、本発明の第３の実施形態の触覚セ
ンサを主たる構成手段によって表した図である。

【図１７】図１７の（ａ），（ｂ）は、各圧電振動子の
配列形状及び各々の電極配列形状と、それのＡ−Ａ´断
面形状を示す図である。

【図１８】図１８は、深さ情報検知回路の具体的な回路
構成を示す図である。

【図１９】図１９は、図１８の触覚センサの深部検知回
路の具体的な回路構成を示す図である。

【図２０】図２０は、深部に腫瘍が存在する正常組織表
面を本実施形態の異なる電極サイズの圧電振動子からな
る触覚センサプローブで走査した場合における各振動子
ごとの周波数変化の一例を示す図である。

【図２１】図２１は、本発明の第４の実施形態に用いる
触覚センサプローブを主たる構成手段によって表した図
である。

【図２２】図２２は、本発明の第４の実施形態による触
覚センサを主たる構成手段によって表した図である。

【図２３】図２３は、図２２の触覚センサにおける深さ
情報検知回路の具体的な回路構成を示す図である。

【図２４】図２４は、図２３の深さ情報検知回路におけ
る深部検知回路の具体的な回路構成を示す図である。

【図２５】図２５は、図２４の深部検知回路における深
部推定回路の具体的な構成を示す図である。

【図２６】図２６は、複数の圧電振動子をセンサプロー
ブとしての円筒状等の曲面に配置する場合を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０１…発振回路、 １０２…圧電振動子 １０３…（センサ）プローブ、 １０４…被測定物、 １０５…周波数測定器、 １０６…深さ情報検知回路、 １１０…パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、 ２０１…エネルギー閉じ込め型電極部、 １０７…測定用接触部、 ３０１…最大周波数検知回路、 ３０２…最小周波数検知回路、 ３０３…変動量算出回路、 ３０４…深部推定回路、 ３０５…粘弾性推定回路、 ３０６…位置推定回路、 ６０２…異物、 ６０１…音源、 ５０１…正常組織、 ５０２…癌腫瘍、 ８０１…変位装置、 ９０１…基本周波数検知回路、 ９０２…波長算出回路、 ９０３…深部検知回路、 １００１…接触部サイズ格納部、 １００２…音場分布解析回路、 １００３…深さ位置同定回路、 １６０１…スキャナ、 １９０１…接触部サイズ選択部、 １００３…深さ位置同定回路、 ２１０２…触覚センサプローブ、 ２１０１…回転ジグ、 ２３０１…深部検知回路 ２４０１…音場パラメータ選択部、 ２４０２…音場分布解析回路、 ２５０１…出力指示回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物に振動を伝達する振動子の振動
   特性の変化を検出することにより、上記被測定物内部に
   埋もれた異物を検知可能な触覚センサにおいて、 上記振動子と上記異物との距離の変化に伴う、上記振動
   子の振動特性の変化を測定する特性変化測定手段と、 上記特性変化測定手段の出力より、上記異物の埋もれて
   いる深さを求める深さ情報検知手段と、 を具備することを特徴とする触覚センサ。
2. 【請求項２】 上記特性変化測定手段は、上記振動子の
   振動周波数の変化又は振動振幅の変化を測定することを
   特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
3. 【請求項３】 上記深さ情報検知手段は、上記特性変化
   測定手段の測定した特性値の変化の幅から、上記異物の
   埋もれている深さを求めることを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の触覚センサ。