JP2001275995A - 共振広域化回路及び共振広域化回路を用いた触覚センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、自励発振回路の実効共振帯域を広域
化するとともに圧電振動子のインピーダンス特性を反映
する共振広域化回路及びこの共振広域化回路を用いて対
象物の粘弾性特性を検出する触覚センサを提供する。 【解決手段】本発明の一態様によると、圧電振動子に接
続され、この圧電振動子の等価回路定数を回路要素とし
インピ一ダンス特性を前記圧電振動子に帰還して発振状
態にする自励発振回路に設けられ、前記圧電振動子の等
価回路とともに複数の共振モードを発現することを特徴
とする共振広域化回路が提供される。また、本発明の別
態様によると、圧電振動子と、この圧電振動子に接続さ
れ、該圧電振動子の等価回路定数を回路要素としインピ
ーダンス特性を前記圧電振動子に帰還して発振状態にす
る自励発振回路と、前記自励発振回路に設けられた前記
圧電振動子の等価回路とともに複数の共振モードを発現
する共振広域化回路とを有し、前記共振広域化回路によ
り、前記自励発振回路の圧電振動子に対する実効共振周
波数を広域化したことを特徴とする共振広域化回路を用
いた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、共振広域化回路及
び共振広域化回路を用いた触覚センサに係り、特に、自
励発振回路の実効共振帯域を広域化するとともに圧電振
動子のインピーダンス特性を反映する共振広域化回路及
びこの共振広域化回路を用いて測定対象物の粘弾性特性
を検出する触覚センサに関する。

【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、内視鏡診断では、今後、ますます、応用が拡大する
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】特に、生体組織に病変部位が存在すると、
正常組織と病変部位では硬さなどの粘弾性特性が異なる
ことが知られており、これらの情報を検知できれば、病
変部位を簡便に診断できると考えられている。

【０００５】従来、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方法として、例えば、特開平９
−９６６００号公報には、圧電振動子を被測定物に接触
させた場合の共振周波数変化と共振抵抗変化を検知する
ことにより、被測定物における粘弾性特性の複素弾性率
の実数部と虚数部とを独立に測定する触覚センサが開示
されている。

【０００６】この触覚センサにおいて、圧電振動子の等
価回路定数を回路要素とした自励発振回路を構成するこ
とにより、該自励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。

【０００７】このように、触覚センサにおいて自励発振
回路を使用すると、共振周波数変化や共振抵抗変化は、
自励発振回路の発振出力である周波数変化と振動振幅変
化として検知することができる。

【０００８】このような触覚センサは、臓器を傷めるこ
となく、短い測定時間で定量的な測定を行えることか
ら、医療への応用が期待されている。

【０００９】ところで、圧電振動子を含む自励発振回路
において発振が持続するためには、振動系の位相（周波
数）条件と利得条件の両方を満たす必要がある。

【００１０】触覚センサに対して、粘弾性体が接触する
と、振動系の位相、利得はいずれも低下する。

【００１１】特に、生体組織の場合には、粘弾性体が接
触すると、利得の減少が大きいために、発振周波数の変
化、振動振幅の変化を十分な検出電圧として検知できな
くなるという課題があった。

【００１２】この問題に対して、特開平９−１４５６９
１号公報には、自励発振回路に設けられたゲイン変化補
正回路によって、周波数の変化に対してゲインを上昇さ
せることにより、検出電圧を増大させることができるよ
うにした硬さ測定器が開示されている。

【００１３】この硬さ測定器では、図１１に示すよう
に、ゲイン変化補正回路の中心周波数を自励発振回路の
中心周波数からずらすことで、ゲイン変化補正回路の周
波数一利得曲線に沿って、自励発振回路の共振周波数が
変化するため、結果的に、周波数変化量Δｆが得られる
とともに、ゲイン変化量ΔＧが得られる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術としての特開平９−９６６００号公報に開示され
た触覚センサによれば、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複素弾性率の実数部Ｇ′と虚数
部Ｇ″とが算出できるようになる結果、粘弾性特性の検
出が可能となる。

【００１５】この触覚センサでは、無負荷の場合、出力
信号は、図１２に示すように、圧電振動子の共振周波数
ｆ近傍で出力され、かつ、その振幅は圧電振動子の共振
抵抗Ｚに対応してくる。

【００１６】一方、粘弾性体が触覚センサの圧電振動子
に付着すると、共振周波数はｆ_r ′となり共振抵抗はＺ
_r ′へと変化する。

【００１７】すなわち、触覚センサからの出力信号は、
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。

【００１８】一方、上述した従来技術としての特開平９
−１４５６９１号公報に開示された硬さ測定器では、共
振周波数変化に対応させて自励発振回路のゲインを上昇
させ、最終的に検知電圧を増大させる方法を取っている
ことから、検知電圧が圧電振動子の共振抵抗変化を反映
した情報ではなくなってしまう。

【００１９】その結果、検出できる物理量が圧電振動子
の共振周波数変化のみとなってしまい、被測定物の粘弾
性特性を複素弾性率の実数部Ｇ′と虚数部Ｇ″を分離測
定することが困難であるという課題を有していた。

【００２０】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであり、その目的とするところは、自励発振
回路の実効共振帯域を広域化し、その出力として圧電振
動子の共振周波数変化及び共振抵抗変化のいずれも検知
できる共振広域化回路を提供するとともに、軟質から硬
質までの広範囲で様々な粘弾性特性測定を可能にし、よ
り詳細な生体情報を得ることができる共振広域化回路を
用いた触覚センサを提供することにある。

【００２１】

【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） 圧電振動子に接続され、この圧電振動子の等価
回路定数を回路要素としインピ一ダンス特性を前記圧電
振動子に帰還して発振状態にする自励発振回路に設けら
れ、前記圧電振動子の等価回路とともに複数の共振モー
ドを発現することを特徴とする共振広域化回路が提供さ
れる。

【００２２】（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、後述する第１、第２及び第３の実
施の形態が対応する。

【００２３】上記構成中の共振広域化回路は、これらの
実施の形態ではコイル５１が該当するが、圧電振動子１
０１に直列に接続されるコンデンサ、圧電振動子１０１
に並列に接続されるコイル、圧電振動子１０１に直列に
接続されるコンデンサとコイルの直列回路、圧電振動子
１０１に直列に接続されるコンデンサとコイルの並列回
路等も含む。

【００２４】（作用）自励発振回路に設けられた共振広
域化回路が前記圧電振動子の等価回路とともに該圧電振
動子のインピーダンス特性を反映した複数の共振モード
を発現し、各振動モードの組み合せが自励発振回路で帰
還される。

【００２５】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、 （２） 圧電振動子と、この圧電振動子に接続され、該
圧電振動子の等価回路定数を回路要素としインピーダン
ス特性を前記圧電振動子に帰還して発振状態にする自励
発振回路と、前記自励発振回路に設けられた前記圧電振
動子の等価回路とともに複数の共振モードを発現する共
振広域化回路とを有し、前記共振広域化回路により、前
記自励発振回路の圧電振動子に対する実効共振周波数を
広域化したことを特徴とする共振広域化回路を用いた触
覚センサが提供される。

【００２６】（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、後述する第１、第２及び第３の実
施の形態が対応する。

【００２７】（作用）触覚センサは、共振広域化回路及
び圧電振動子の等価回路において該圧電振動子のインピ
ーダンス特性を反映した複数の共振モードを発現し、自
励発振回路において各振動モードの組み合せを帰還し、
出力する。

【００２８】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、 （３） 前記圧電振動子のインピーダンス特性の共振抵
抗変化及び共振周波数変化により、被測定物の粘弾性特
性を測定することを特徴とする（２）に記載の共振広域
化回路を用いた触覚センサが提供される。

【００２９】（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、後述する第１の実施の形態が対応
する。

【００３０】（作用）共振広域化回路及び圧電振動子の
等価回路において、複数の共振モードが発現し、該圧電
振動子のインピーダンス特性は、各振動モードの共振周
波数変化及び共振抵抗変化として自励発振回路で帰還さ
れ、被測定物の粘弾性を測定するものとして触覚センサ
から出力される。

【００３１】

【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。

【００３２】（第１の実施の形態）まず、本発明による
第１の実施の形態における構成、作用、効果について説
明する。

【００３３】図１は、第１の実施の形態による触覚セン
サ１１を主たる構成手段によって表した図である。

【００３４】すなわち、この触覚センサ１１は、振動を
発生する圧電振動子１０１を備え、且つ、対象物に接触
して振動状態を出力する触覚センサプローブ１２を有し
ている。

【００３５】この触覚センサプローブ１２は、該触覚セ
ンサプローブ１２を駆動する駆動電圧源１０７と、前記
触覚センサプローブ１２における前記圧電振動子１０１
のインピーダンス特性のうち共振抵抗変化を検出するオ
シロスコープ１０５と、前記圧電振動子１０１の共振周
波数変化を検出する周波数カウンタ１０６とに接続され
ている。

【００３６】前記オシロスコープ１０５と周波数カウン
タ１０６とは、測定対象物の粘弾性特性を算出する信号
処理手段１０８に接続されている。

【００３７】前記触覚センサプローブ１２は、振動を発
生する圧電振動子１０１と、前記圧電振動子１０１の等
価回路定数を回路要素としインピーダンス特性を帰還し
て発振状態にする自励発振回路１０２と、前記自励発振
回路１０２に設けられ圧電振動子１０１に接続された状
態で該圧電振動子１０１の等価回路とともに複数の共振
周波数を発現する共振広域化回路１０３と、先端に前記
圧電振動子１０１を固定し、前記自励発振回路１０２及
び共振広域化回路１０３を内部に保持するケーシング１
０４とから構成されている。

【００３８】図２は、前記自励発振回路１０２の具体的
な回路を示している。

【００３９】本実施形態では、自励発振回路１０２とし
てコルピッツ発振回路を用いており、圧電振動子１０１
が発振要素の一部となっている。

【００４０】また、圧電振動子１０１と直列に共振広域
化回路１０３が接続されている。

【００４１】本実施の形態において、前記共振広域化回
路１０３は、具体的には、図５に示すようにコイル５１
が使用されている。

【００４２】さらに、コルピッツ発振回路（自励発振回
路１０２）の後方には、前記オシロスコープ１０５及び
周波数カウンタ１０６とのインピーダンスマッチングを
とるバッフア回路２１が接続されている。

【００４３】以下に、上記した構成の作用を説明する。

【００４４】前述した前記圧電振動子１０１の等価回路
定数の具体的な回路構成を図３、図４を用いて説明す
る。

【００４５】図３は、圧電振動子１０１の等価回路であ
り、インダクタンスＬ１、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１の
直列回路に対して、コンデンサＣ０が並列に接続された
形で表される。

【００４６】この等価回路において、共振モードは、直
列共振周波数ｆ_r と並列共振周波数ｆ_a との２つであ
る。

【００４７】また、圧電振動子１０１の共振周波数は、
図４に見られる直列共振周波数ｆ_rと並列共振周波数ｆ
_a との間となる。

【００４８】ここで、

【数１】

【００４９】

【数２】

【００５０】である。

【００５１】この直列共振周波数ｆ_r と並列共振周波数
ｆ_a との間を広くすることができれば、前記圧電振動子
１０１の実行共振帯域の広域化が可能となる。

【００５２】ところで、本実施形態のように、圧電振動
子１０１とコイル５１を接続した場合の等価回路は、図
５に示すようにインダクタンスＬ_add 及びＲ_add の直列
回路として表現される。

【００５３】一般に、コイル（インダクタンス）とコン
デンサを複数個接続した回路は、リアクタンス２端子回
路に対応し、その周波数特性では周波数の増加とともに
共振と反共振とが交互に起こる。

【００５４】それに伴って、このような回路の全体の共
振モードは、各振動モードを組み合わせたものになる。

【００５５】この等価回路において、発生する共振・反
共振モードは、図５に示すｆ_r ，ｆ _a ，ｆ_x ，ｆ_x-c0，
ｆ_x-all の５つである。

【００５６】そのうちｆ_x は、

【数３】

【００５７】となり、インダクタンスＬ_add によって低
くなる。

【００５８】なお、ｆ_x のリアクタンス特性は、ｆ_r 及
びｆ_a とともに、図４に示されている。

【００５９】また、ｆ_x ，ｆ_x-c0は、

【数４】

【００６０】

【数５】

【００６１】となる。

【００６２】図６は、上述の理論式（３）乃至（５）に
基づいて得られたＬ_add に対する各振動モード（ｆ_x ，
ｆ_x-c0，ｆ_x-all ）を示したものである。

【００６３】全体の共振ｆ_x-ave は、各共振周波数（ｆ
_r ，ｆ_x ，ｆ_x-c0，ｆ_x-all ）を組み合わせた式、

【数６】

【００６４】で定義される。

【００６５】ここで、ａ，ｂ，ｃは重み係数である。

【００６６】いま、ａ＝ｂ＝ｃ＝１としたときのＬ_add
対する全体の共振ｆ_x-ave を図７に示す。

【００６７】また、比較のために、図５における端子５
２−端子５３間について実際に測定した共振周波数Ｆ_r
も図７に示す同じグラフにプロットされている。

【００６８】すなわち、図７から、Ｌ_add が小さい範囲
では、ａ＝ｂ＝ｃ＝１としたときのｆ_x-ave とＦ_r の値
がほぼ一致していることが分かる。

【００６９】また、図７から、Ｌ_add がそれよりも大き
い範囲では、両者の絶対値がずれるものの、実測値Ｆ_r
と理論値ｆ_x-ave で同様のＬ_add 値で変曲点をもつなど
全体として同じ傾向を示すことが分かるため、端子５２
一端子５３間の共振Ｆ_r は各共振周波数（ｆ_r ，ｆ_x ，
ｆ_x-c0，ｆ_x-all ）を組み合わせたものとみなすことが
できる。

【００７０】また、図８は、端子５２−端子５３の間の
実測インピーダンスカーブを示しているもので、図中の
Ｆ_r ，Ｆ_a は各々端子５２−端子５３間の共振周波数、
反共振周波数である。

【００７１】すなわち、図８から、コイル５１を圧電振
動子１０１に直列に接続することにより、インダクタン
スＬ_add に依存してインピーダンスカーブにおける共振
周波数Ｆ_r が低い方へシフトしていることが分かる。

【００７２】一方、図８から、反共振周波数Ｆ_a は、イ
ンダクタンスＬ_add には影響されず、ほぼ一定の値をと
ることが分かる。

【００７３】しかしながら、図８から、インダクタンス
Ｌ_add が大きくなるほど反共振のピークの大きさが小さ
くなっていることが分かる。

【００７４】図９は、端子５２−端子５３間の共振周波
数Ｆ_r と反共振周波数Ｆ_a との周波数差を示したもので
ある。

【００７５】すなわち、図９から、インダクタンスＬ
_add が大きくなるほど共振周波数Ｆ_rと反共振周波数Ｆ
_a との周波数差も大きくなっており、実効共振帯域が広
域化されていることが分かる。

【００７６】図１０は、本実施形態による触覚センサプ
ローブ１２と、従来の触覚センサプローブ１００１の各
々における発振周波数の変化量Δｆ及び振動振幅の変化
量ΔＡと接触力Ｆとの関係を示している。

【００７７】ここで、接触力Ｆとは、触覚センサプロー
ブ１２と被測定物との間の荷重を指している。

【００７８】なお、図１０の測定では、被測定物として
は、粘弾性特性の異なる豚肉の脂肪及びレバーとが使用
されている。

【００７９】図１０において、曲線ＯとＮは、それぞ
れ、従来の触覚センサプローブ１００１で測定した結果
と、本実施形態に係る触覚センサブローブ１２で測定し
た結果に対応している。

【００８０】この図１０に示すように、従来技術に係る
触覚センサプローブで測定した結果においては、測定途
中で発振が停止してしまうことによって、発振周波数及
び振動振幅とも測定不可である。

【００８１】これに対して、本実施の形態に係る触覚セ
ンサプローブ１２で測定した結果においては、発振が停
止することなく、硬さに対応して安定した２種類の変化
量として周波数変化量Δｆ及び振動振幅変化量ΔＡを得
ることができる。

【００８２】すなわち、本実施の形態に係る触覚センサ
プローブ１２においては、自励発振回路１０２の実効共
振帯域が拡域化されていることによって、あらゆる被測
定物についての粘弾性特性測定を実現することができ
る。

【００８３】なお、本実施の形態は種々に変形が可能で
あり、例えば、共振広域化回路１０３はコイル５１だけ
に限定されない。

【００８４】すなわち、共振広域化回路１０３は、圧電
振動子１０１の等価回路要素とともに複数の共振モード
の組み合せを利用して実効共振帯域を広域化する特性を
備えていれば良いので、圧電振動子１０１に直列に接続
されるコンデンサ、圧電振動子１０１に並列に接続され
るコイル、圧電振動子１０１に直列に接続されるコンデ
ンサとコイルの直列回路、圧電振動子１０１に直列に接
続されるコンデンサとコイルの並列回路等を使用するこ
とができる。

【００８５】また、共振広域化回路１０３は、バリアブ
ルコンデンサなど容量を可変できる電気要素を使用して
も構わない。

【００８６】また、自励発振回路１０２は、圧電振動子
１０１の等価回路定数を用いて自励発振回路１０２の構
成が可能ならば、どのような回路でも構わない。

【００８７】さらに、圧電振動子１０１としては、圧電
セラミック振動子、ＳＡＷ、ＰＶＤＦ、水晶振動子、積
層セラミック振動子、バイモルフ振動子等を使用するこ
とができる。

【００８８】また、オシロスコープ１０５、周波数カウ
ンタ１０６についても、各々圧電振動子の共振抵抗変
化、共振周波数変化を測定できるものに代用可能であ
る。

【００８９】（第２の実施の形態）次に、本発明による
第２の実施の形態における構成、作用、効果について説
明する。

【００９０】図１３は、第２の実施の形態の触覚センサ
２０１を主たる構成手段によって表した図である。

【００９１】すなわち、この触覚センサ２０１は、振動
を発生する圧電振動子１０１を備え、且つ、対象物に接
触して振動状態を出力する触覚センサプローブ１２を有
している。

【００９２】この触覚センサプローブ１２は、該触覚セ
ンサプローブ１２を駆動する駆動電圧源１０７と、前記
触覚センサプローブ１２における前記圧電振動子１０１
のインピーダンス特性のうち共振周波数変化を検出する
周波数カウンタ１０６に接続される。

【００９３】前記周波数カウンタ１０６は、対象物の粘
弾性特性を算出する信号処理手段１０８に接続される。

【００９４】触覚センサプローブ１２は、振動を発生す
る圧電振動子１０１と、前記圧電振動子１０１の等価回
路定数を回路要素としインピーダンス特性を帰還して発
振状態にする自励発振回路１０２と、前記自励発振回路
１０２に設けられ圧電振動子１０１に接続された状態で
該圧電振動子１０１の等価回路とともに複数の共振周波
数を発現する共振広域化回路１０３と、先端に前記圧電
振動子１０１を固定し、前記自励発振回路１０２及び共
振広域化回路１０３を内部に保持するケーシング１０４
とから構成されている。

【００９５】図２に示したように、自励発振回路１０２
は、コルピッツ発振回路となっている。

【００９６】また、圧電振動子１０１と直列に共振広域
化回路１０３として、図５に示したようなコイル５１が
接続されている。

【００９７】さらに、コルピッツ発振回路（自励発振回
路１０２）の後方には、前記周波数カウンタ１０６との
インピーダンスマッチングをとるバッフア回路２１が接
続されている。

【００９８】以下に、上記した構成の作用を説明する。

【００９９】図９に示したように、本実施の形態に係る
触覚センサプローブ１２においても、インダクタンスＬ
_add によって端子５２−端子５３間の共振周波数Ｆ_r と
反共振周波数Ｆ_a の周波数差が大きくなり、実効共振帯
域が広域化されている。

【０１００】また、圧電振動子１０１とコイル５１を接
続した場合の等価回路は、図５に示すようにインダクタ
ンスＬ_add 及びＲ_add の直列回路として表現されるの
で、その周波数特性では周波数の増加とともに共振と反
共振が交互に起こる。

【０１０１】それに伴って、全体の共振モードは、各振
動モードｆ_r ，ｆ_x ，ｆ_x-c0，ｆ_{x- all} の組み合せとな
る。

【０１０２】いま、図１４に示すように、圧電振動子１
０１が粘弾性体１４０１に接触した場合の各振動モード
について述べる。

【０１０３】粘弾性体は、図１５に示すようにインダク
タンスＬ_v と抵抗Ｒ_v とを直列に接続した等価回路て表
現される。

【０１０４】この場合、このインダクタンスＬ_v と抵抗
Ｒ_v は、粘弾性体１４０１の硬さと関係があることが知
られている。

【０１０５】そして、圧電振動子１０１が粘弾性体１４
０１に接触している状態において、ｆ_x ′は、

【数７】 となり、インダクタンスＬ_v により低くなる。

【０１０６】また、ｆ_x ′，ｆ_x-c0′は、

【数８】

【０１０７】

【数９】

【０１０８】となる。

【０１０９】そして、全体の共振ｆ_x-ave ′は、各共振
周波数（ｆ_r ′，ｆ_x ′，ｆ_x-c0′，ｆ_x-all ′）を組
み合わせた式、

【数１０】

【０１１０】で定義される。

【０１１１】ここで、ａ，ｂ，ｃは重み係数である。

【０１１２】いま、ある一定のＬ_add において、ａ＝ｂ
＝ｃ＝１とした場合の全体の共振ｆ _x-ave ′及び各振動
モード（ｆ_r ′，ｆ_x ′，ｆ_x-c0′，ｆ_x-all ′）との
関係を図１６に示す。

【０１１３】圧電振動子１０１が粘弾性体１４０１に接
触することにより、粘弾性体のインダクタンスＬ_v の影
響で各共振周波数ｆ_x-ave ′，ｆ_r ′，ｆ_x ′，
ｆ_x-c0′，ｆ_x-all ′は低い方ヘシフトする。

【０１１４】これら共振周波数の低下は自励発振回路１
０２に帰還され、触覚センサプローブ１２から発振周波
数の変化として、周波数カウンタ１０６へ出力される。

【０１１５】本実施の形態に係る触覚センサプローブ１
２は、インダクタンスＬ_add によって実効共振帯域が広
域化されているため、硬さに対応して安定した周波数変
化量Δｆを得ることができる。

【０１１６】すなわち、本実施の形態に係る触覚センサ
プローブ１２においては、自励発振回路１０２の実効共
振帯域が拡域化されていることによって、あらゆる被測
定物についての硬さ測定を実現することができる。

【０１１７】なお、本実施の形態は種々に変形が可能で
あり、例えば、共振広域化回路１０３はコイル５１だけ
に限定されない。

【０１１８】すなわち、共振広域化回路１０３は、圧電
振動子１０１の等価回路要素とともに複数の共振モード
の組み合せを利用して実効共振帯域を広域化する特性を
備えていれば良いので、圧電振動子１０１に直列に接続
されるコンデンサ、圧電振動子１０１に並列に接続され
るコイル、圧電振動子１０１に直列に接続されるコンデ
ンサとコイルの直列回路、圧電振動子１０１に直列に接
続されるコンデンサとコイルの並列回路等を使用するこ
とができる。

【０１１９】また、共振広域化回路１０３は、バリアブ
ルコンデンサなど容量を可変できる電気要素を使用して
も構わない。

【０１２０】また、自励発振回路１０２は、圧電振動子
１０１の等価回路定数を用いて自励発振回路１０２の構
成が可能ならば、どのような回路でも構わない。

【０１２１】さらに、圧電振動子１０１としては、圧電
セラミック振動子、ＳＡＷ、ＰＶＤＦ、水晶振動子、積
層セラミック振動子、バイモルフ振動子等を使用するこ
とができる。

【０１２２】また、周波数カウンタ１０６についても、
圧電振動子の共振周波数変化を測定できるものに代用可
能である。

【０１２３】（第３の実施の形態）次に、本発明による
第３の実施の形態における構成、作用、効果について説
明する。

【０１２４】図１７は、第３の実施の形態の触覚センサ
３０１を主たる構成手段によって表した図である。

【０１２５】すなわち、この触覚センサ３０１は、振動
を発生する圧電振動子１０１を備え、且つ、対象物に接
触して振動状態を出力する触覚センサプローブ１２を有
している。

【０１２６】この触覚センサプローブ１２は、該触覚セ
ンサプローブ１２を駆動する駆動電圧源１０７と、前記
触覚センサプローブ１２における前記圧電振動子１０１
のインピーダンス特性のうち共振抵抗変化を検出するオ
シロスコープ１０５に接続される。

【０１２７】前記オシロスコープ１０５は、対象物の粘
弾性特性を算出する信号処理手段１０８に接続される。

【０１２８】触覚センサプローブ１２は、振動を発生す
る圧電振動子１０１と、前記圧電振動子１０１の等価回
路定数を回路要素としインピーダンス特性を帰還して発
振状態にする自励発振回路１０２と、前記自励発振回路
１０２に設けられ圧電振動子１０１に接続された状態で
該圧電振動子１０１の等価回路とともに複数の共振周波
数を発現する共振広域化回路１０３と、先端に前記圧電
振動子１０１を固定し、前記自励発振回路１０２及び共
振広域化回路１０３を内部に保持するケーシング１０４
とから構成されている。

【０１２９】図２に示したように、自励発振回路１０２
は、コルピッツ発振回路となっている。

【０１３０】また、圧電振動子１０１と直列に共振広域
化回路１０３として、図５に示したようなコイル５１が
接続されている。

【０１３１】さらに。コルピッツ発振回路（自励発振回
路１０２）の後方には、前記オシロスコープ１０５との
インピーダンスマッチングをとるバッファ回路２１が接
続されている。

【０１３２】以下に、上記した構成の作用を説明する。

【０１３３】図９に示したように、本実施の形態に係る
触覚センサブローブ１２においても、インダクタンスＬ
_add によって端子５２−端子５３間の共振周波数Ｆ_r と
反共振周波数Ｆ_a の周波数差が大きくなり、実効共振帯
域が広域化されている。

【０１３４】いま、図１４に示したように、圧電振動子
１０１が粘弾性体１４０１に接触した場合、粘弾性体
は、図１５に示したようにインタクタンスＬ_v と抵抗Ｒ
_v とを直列に接続した等価回路で表現される。

【０１３５】この場合、インダクタンスＬ_v と抵抗Ｒ_v
とは、粘弾性体１４０１の硬さと関係があることが知ら
れている。

【０１３６】図１２に示したように、端子５２−端子５
３間の共振抵抗は、無負荷の場合のＺ_r から圧電振動子
１０１が粘弾性体１４０１に接触している状態のＺ_r ′
へと増加する。

【０１３７】端子５２−端子５３間の共振抵抗変化は、
自励発振回路１０２に帰還され、触覚センサプローブ１
２から共振抵抗の変化として、オシロスコープ１０５へ
出力される。

【０１３８】本実施の形態に係る触覚センサプローブ１
２は、インダクタンスＬ_add によって実効共振帯域が広
域化されているため、硬さに対応して安定した共振抵抗
変化ΔＡを得ることができる。

【０１３９】すなわち、本実施の形態に係る触覚センサ
プロープ１２においては、自励発振回路１０２の実効共
振帯域が広域化されていることによって、あらゆる被測
定物についての硬さ測定を実現することができる。

【０１４０】なお、本実施の形態は種々に変形が可能で
あり、例えば、共振広域化回路１０３は、コイル５１だ
けに限定されない。

【０１４１】すなわち、共振広域化回路１０３は、圧電
振動子１０１の等価回路要素とともに複数の共振モード
の組み合せを利用して実効共振帯域を広域化する特性を
備えていれば良いので、圧電振動子１０１に直列に接続
されるコンデンサ、圧電振動子１０１に並列に接続され
るコイル、圧電振動子１０１に直列に接続されるコンデ
ンサとコイルの直列回路、圧電振動子１０１に直列に接
続されるコンデンサとコイルの並列回路等を使用するこ
とができる。

【０１４２】また、共振広域化回路１０３は、バリアブ
ルコンデンサなど容量を可変できる電気要素を使用して
も構わない。

【０１４３】また、自励発振回路１０２は、圧電振動子
１０１の等価回路定数を用いて自励発振回路１０２の構
成が可能ならば、どのような回路でも構わない。

【０１４４】さらに、圧電振動子１０１としては、圧電
セラミック振動子、ＳＡＷ、ＰＶＤＦ、水晶振動子、積
層セラミック振動子、バイモルフ振動子等を使用するこ
とができる。

【０１４５】また、オシロスコープ１０５についても、
圧電振動子の共振抵抗変化を測定できるものに代用可能
である。

【０１４６】そして、上述したような実施の形態で示し
た本明細書には、特許請求の範囲に示した請求項１乃至
３以外にも、以下に付記１乃至付記４として示すような
発明が含まれている。

【０１４７】（付記１） 前記圧電振動子のインピ−ダ
ンス特性の共振抵抗変化により、被測定物の硬さを測定
することを特徴とする請求項２に記載の共振広域化回路
を用いた触覚センサ。

【０１４８】（付記２） 前記圧電振動子のインピーダ
ンス特性の共振周波数変化により、被測定物の硬さを測
定することを特徴とする請求項２に記載の共振広域化回
路を用いた触覚センサ。

【０１４９】（付記３） 前記圧電振動子に直列に接続
されたコンデンサあるいは並列に接続されたコイルを有
するのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載
の共振広域化回路。

【０１５０】（付記４） 前記圧電振動子に直列に接続
されたコンデンサとコイルの直列回路あるいはコンデン
サとコイルの並列回路を有することを特徴とする請求項
１に記載の共振広域化回路。

【０１５１】

【発明の効果】従って、以上説明したように、請求項１
に記載の本発明によれば、共振広域化回路が圧電振動子
の等価回路とともに複数の共振モードを発現するので、
各共振モードの組み合せにより、自励発振回路の実効共
振周波数帯域を広域化することができるようになり、そ
の出力として圧電振動子の共振周波数変化及び共振抵抗
変化のいずれも検知できる共振広域化回路を提供するこ
とができる。

【０１５２】また、請求項２及び３に記載の本発明によ
れば、共振広域化回路と圧電振動子の等価回路によって
複数の共振モードが発現され、各共振モードの組み合せ
が自励発振回路の共振周波数となるため、自励発振回路
の実効共振周波数帯域を広域化できるとともに、圧電振
動子のインピータンス特性を直接的に自励発振回路の出
力として得ることができることにより、軟質から硬質ま
での広範囲で様々な粘弾性特性測定を可能にし、より詳
細な生体情報を得ることができる共振広域化回路を用い
た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、本発明の第１の実施の形態による触覚
センサを主たる構成手段によって表した図である。

【図２】図２は、図１における自励発振回路１０２の具
体的な回路を示す図である。

【図３】図３は、図１における圧電振動子１０１の等価
回路を示す図である。

【図４】図４は、図３における等価回路による２つの共
振モードとしての直列共振周波数ｆ_r と並列共振周波数
ｆ_a の関係及び図５における等価回路による共振モード
ｆ_x のリアクタンス特性を示す図である。

【図５】図５は、図３における圧電振動子１０１の等価
回路にコイル５１を接続した場合の等価回路をインダク
タンスＬ_add 及びＲ_add の直列回路として表現した図で
ある。

【図６】図６は、理論式（３）乃至（５）に基づいて得
られたインダクタンスＬ_add に対する各振動モード（ｆ
_x ，ｆ_x-c0，ｆ_x-all ）の関係を示した図である。

【図７】図７は、理論式（６）において、ａ＝ｂ＝ｃ＝
１としたときのインダクタンスＬ_add 対する全体の共振
ｆ_x-ave を示した図である。

【図８】図８は、図５の端子５２−端子５３の間の実測
インピーダンスカーブを示した図である。

【図９】図９は、図５の端子５２−端子５３間の共振周
波数Ｆ_r と反共振周波数Ｆ_a の周波数差を示した図であ
る。

【図１０】図１０は、本発明の第１の実施の形態による
触覚センサプローブ１２と、従来の触覚センサプローブ
１００１の各々における発振周波数の変化量Δｆ及び振
動振幅の変化量ΔＡと接触力Ｆとの関係を示した図であ
る。

【図１１】図１１は、従来技術による硬さ測定器のゲイ
ン変化補正回路の動作を説明するために示す周波数一利
得曲線図である。

【図１２】図１２は、従来技術による触覚センサで無負
荷の場合に出力信号が圧電振動子の共振周波数ｆ近傍で
出力され、且つ、その振幅は圧電振動子の共振抵抗Ｚに
対応してくることを説明するとともに、図１５における
端子５２−端子５３間の共振抵抗が、無負荷の場合のＺ
_r から圧電振動子１０１が粘弾性体１４０１に接触して
いる状態のＺ_r ′へと増加することを説明するために示
した図である。

【図１３】図１３は、本発明の第２の実施の形態の触覚
センサを主たる構成手段によって表した図である。

【図１４】図１４は、圧電振動子１０１が粘弾性体１４
０１に接触した場合の各振動モードについて述べるため
に示した図である。

【図１５】図１５は、粘弾性体を、インダクタンスＬ_v
と抵抗Ｒ_v とを直列に接続した等価回路で表現した図で
ある。

【図１６】図１６は、理論式（１０）において、ある一
定のＬ_add において、ａ＝ｂ＝ｃ＝１とした場合の全体
の共振ｆ_x-ave ′及び各振動モード（ｆ_r ′，ｆ_x ′，
ｆ _x-c0′，ｆ_x-all ′）との関係を示した図である。

【図１７】図１７は、本発明による第３の実施の形態の
触覚センサを主たる構成手段によって表した図である。

【符号の説明】

１１，２０１，３０１…触覚センサ、 １０１…圧電振動子、 １２…触覚センサプローブ、 １０７…駆動電圧源、 １０５…オシロスコープ、 １０６…周波数カウンタ、 １０８…信号処理手段、 １０２…自励発振回路、 １０３…共振広域化回路、 １０４…ケーシング、 ５１…コイル、 ２１…バッフア回路、 ５２，５３…端子。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電振動子に接続され、この圧電振動子
   の等価回路定数を回路要素としインピ一ダンス特性を前
   記圧電振動子に帰還して発振状態にする自励発振回路に
   設けられ、 前記圧電振動子の等価回路とともに複数の共振モードを
   発現することを特徴とする共振広域化回路。
2. 【請求項２】 圧電振動子と、この圧電振動子に接続さ
   れ、該圧電振動子の等価回路定数を回路要素としインピ
   ーダンス特性を前記圧電振動子に帰還して発振状態にす
   る自励発振回路と、 前記自励発振回路に設けられた前記圧電振動子の等価回
   路とともに複数の共振モードを発現する共振広域化回路
   とを有し、 前記共振広域化回路により、前記自励発振回路の圧電振
   動子に対する実効共振周波数を広域化したことを特徴と
   する共振広域化回路を用いた触覚センサ。
3. 【請求項３】 前記圧電振動子のインピーダンス特性の
   共振抵抗変化及び共振周波数変化により、被測定物の粘
   弾性特性を測定することを特徴とする請求項２に記載の
   共振広域化回路を用いた触覚センサ。