JP2001299705A

JP2001299705A - 触覚センサの電気的定数の検知回路および触覚センサ

Info

Publication number: JP2001299705A
Application number: JP2000116802A
Authority: JP
Inventors: Mineyuki Maezawa; 峰雪前沢
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2000-04-18
Filing date: 2000-04-18
Publication date: 2001-10-30

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、被測定対象物の粘弾性特性を電気的
に正確に検出し、被測定対象物の分別を可能にする触覚
センサの電気的定数の検知回路および触覚センサを提供
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
て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と、前記圧電振動子の共振抵抗
変化および共振周波数変化から前記自励発振回路の発振
条件を用いて被測定対象物の電気的等価回路定数を推定
する手段とを有することを特徴とする触覚センサの電気
的定数の検知回路が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、触覚センサの電気
的定数の検知回路および触覚センサに係り、特に、粘弾
性特性を有する被測定対象物の測定において、圧電振動
子の圧電特性を利用した触覚センサプローブの共振抵抗
変化および共振周波数変化から自励発振回路の発振条件
に基づいて前記被測定対象物の電気的等価回路定数を推
定することを特徴とする触覚センサの電気的定数の検知
回路および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】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対象物に
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、被測定対象物における粘弾性特性の複
素弾性率の実数部と虚数部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】このような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、自励発振回路の出力で
ある周波数変化と振動振幅変化として検知できる。

【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】

【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
た触覚センサの信号処理装置では、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″とを算出することができるようになる
結果、粘弾性特性の検出が可能となる。

【００１０】この触覚センサの信号処理装置では、無負
荷の場合、出力信号は、図１０に示すように、圧電振動
子の共振周波数ｆ_r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_rに対応してくる。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】そして、このような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では、
その信号処理手段において、粘弾性を有する被測定対象
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Ｋ_R，Ｋ_Lを用いて、複素弾性率を算出
している。

【００１４】しかるに、これらの装置係数Ｋ_R，Ｋ
_Lは、予め、実験的にインピーダンス特性の測定を行っ
て算出しておく必要があるとともに、被測定対象物とな
る粘弾性体によってその値が異なるため粘弾性特性を正
確に検出することが難しく、被測定物の分別が困難であ
った。

【００１５】本発明は上記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、被測定対象物
の粘弾性特性を電気的に正確に検出し、被測定対象物の
分別を可能にする触覚センサの電気的定数の検知回路お
よび触覚センサを提供することにある。

【００１６】

【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てインピ
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
る自励発振回路と、前記圧電振動子の共振抵抗変化およ
び共振周波数変化から前記自励発振回路の発振条件を用
いて被測定対象物の電気的等価回路定数を推定する手段
とを有することを特徴とする触覚センサの電気的定数の
検知回路が提供される。

【００１７】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て
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を有する触覚センサであり、こ
の触覚センサの共振抵抗変化および共振周波数変化から
前記自励発振回路の発振条件を用いて被測定対象物の電
気的等価回路定数を推定する手段を有することを特徴と
する触覚センサが提供される。

【００１８】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（３）圧電振動子と、この圧電振動子に接
続された自励発振回路とを有する触覚センサであり、こ
の触覚センサの共振抵抗変化が、前記自励発振回路の各
回路要素から得られる電圧増幅率の関数で関連づけられ
ていることを特徴とする触覚センサが提供される。

【００１９】

【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。

【００２０】（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。

【００２１】図１は、本発明の第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。

【００２２】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、被測定対象物
１０３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。

【００２３】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、該触
覚センサプローブ１２内の前記圧電振動子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、該圧電振動子１０１の共振周波数変化
を検出する周波数カウンタ１０６とに接続される。

【００２４】前記オシロスコープ１０５と周波数カウン
タ１０６とは、該オシロスコープ１０５と周波数カウン
タ１０６の各測定器より得られた信号を用いて被測定対
象物１０３の粘弾性特性に関連する等価回路定数
（Ｒ_v，Ｌ_v）を算出するパーソナルコンピュータ１０
８に接続されている。

【００２５】前記触覚センサプローブ１２は、前記振動
を発生する圧電振動子１０１の他に、前記圧電振動子１
０１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、先端
に前記圧電振動子１０１を固定し、前記自励発振回路１
０２を内部に保持するケーシング１０４とから構成され
ている。

【００２６】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。

【００２７】本実施の形態では、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１０
１が発振要素の一部となっている。

【００２８】図３は、図２の回路を簡略化して表現した
回路を示している。

【００２９】本実施の形態では、図３におけるＺ１（２
０２）、Ｚ２（２０３）、Ｚ４（２０４）、Ｚｘ（１０
１）は、各々、図２における抵抗Ｒｅ、コンデンサＣａ
およびＣｂ、圧電振動子１０１に対応している。

【００３０】以下に、上記した構成の作用を説明する。

【００３１】図１の触覚センサプローブ１２は、自励発
振回路１０２により圧電振動子１０１の共振周波数近傍
で発振する。

【００３２】そして、この触覚センサプローブ１２の圧
電振動子１０１が被測定対象物１０３に接触した場合、
触覚センサプローブ１２の出力は、その被測定対象物１
０３の粘弾性特性に応じて振動状態が変化する。

【００３３】その振動状態として、共振抵抗変化に対応
する振幅はオシロスコープ１０５、共振周波数変化に対
応する発振周波数は周波数カウンタ１０６の各測定器に
よって各々モニターされる。

【００３４】前記の各測定器によって検知された振幅、
周波数情報は、パ−ソナルコンピュータ１０８に取り込
まれ、該パーソナルコンピュータ１０８において、予
め、記録されている圧電振動子１０１のインピーダンス
とともに、被測定対象物１０３の粘弾性特性に関連する
等価回路定数（Ｒ_v，Ｌ_v）が発振条件に基づいて算出
される。

【００３５】ここで、圧電振動子１０１は、図６の
（ａ）に示すように、インダクタンスＬ１、コンデンサ
Ｃ１、抵抗Ｒ１の直列回路にコンデンサＣ０が並列に接
続された等価回路で表現できる。

【００３６】いま、この圧電振動子１０１に粘弾性特性
を有する被測定対象物１０３が接触した場合、その等価
回路は図６の（ｂ）に示すように表せられる。

【００３７】図６の（ｂ）において、Ｒ_v，Ｌ_vは、被
測定対象物１０３の電気的等価回路定数（要素）であ
り、且つ、粘弾性特性に関連するパラメータである。

【００３８】次に、本実施の形態の触覚センサプローブ
１２を用いて、被測定対象物１０３の電気的等価回路要
素Ｒ_v，Ｌ_vを算出する方法について説明する。

【００３９】図４は、自励発振回路１０２を四端子回路
として表現したものである。

【００４０】この自励発振回路１０２は、図４に示すよ
うに、第１の四端子回路すなわち増幅器４１の出力に、
第２の四端子回路すなわち帰還回路４２の入力が接続さ
れているもの（縦続接続）と考えることができる。

【００４１】このように縦続接続された四端子回路のパ
ラメータを計算するために、次式で定義される基本行列

【００４２】

【数１】

【００４３】および

【００４４】

【数２】

【００４５】を用いる。

【００４６】この式（１），（２）を行列で表すと、

【００４７】

【数３】

【００４８】である。

【００４９】ここで、Ａは出力開放逆方向電圧増幅率、
Ｂは出力短絡逆方向伝達インピーダンス、Ｃは出力開放
逆方向伝達アドミタンス、Ｄは出力短絡逆方向電流増幅
率である。

【００５０】そして、出力開放逆方向電圧増幅率Ａの逆
数および出力短絡逆方向電流増幅率Ｄの逆数が、それぞ
れ、順方向の電圧伝達関数および電流伝達関数である。

【００５１】いま、

【００５２】

【数４】

【００５３】であれば発振が持続するので、式（４）の
関係を用いて式（３）から電圧、電流を消去すると、次
式が得られる。

【００５４】

【数５】

【００５５】いま、電圧増幅回路の入力インピーダンス
が十分に高く、ｉ₁＝０であればＣ＝０となり、電流増
幅回路の入力インピーダンスが十分に低く、ｖ₁＝０で
あればＢ＝０となるから、式（５）により

【００５６】

【数６】

【００５７】が成立する。

【００５８】すなわち、式（６）が発振条件となる。

【００５９】ところで、本実施の形態において、帰還回
路４２は複数の電気要素（圧電振動子１０１および図２
のＺ１，Ｚ２，Ｚ４）で構成されている。

【００６０】すなわち、図４における帰還回路４２は、
さらに、図５に示すように４つの四端子回路で表現され
る。

【００６１】まず、第１の四端子回路に、第２の四端子
回路が縦続に接続されているものと考える。

【００６２】ここで、第１の四端子回路は、端子１−２
間にインピーダンスＺ１を接続し、端子１′−２′間を
短絡したものであるから、

【００６３】

【数７】

【００６４】となる。

【００６５】また、第２の四端子回路は、端子２−３お
よび端子２′−３′間を短絡して、その間にインピーダ
ンスＺ２を接続したものであるから、

【００６６】

【数８】

【００６７】となる。

【００６８】これらの関係を行列で表して積をとると、
第１および第２の四端子回路の基本行列は

【００６９】

【数９】

【００７０】および

【００７１】

【数１０】

【００７２】となる。

【００７３】そして、第３および第４の四端子回路につ
いても同様の計算を行うと、第３および第４の四端子回
路の基本行列は、

【００７４】

【数１１】

【００７５】および

【００７６】

【数１２】

【００７７】となる。

【００７８】従って、第１乃至第４の四端子回路の基本
行列は、式（１０）、（１２）より

【００７９】

【数１３】

【００８０】となる。

【００８１】なお、出力開放逆方向電圧増幅率Ａは、式
（１３）から、以下のようにして導出される。

【００８２】

【数１４】

【００８３】となる。

【００８４】ここで、

【００８５】

【数１５】

【００８６】であり、

【００８７】

【数１６】

【００８８】であり、

【００８９】

【数１７】

【００９０】である。

【００９１】ところで、Ｚ_xは圧電振動子１０１のイン
ピーダンスであるが、被測定対象物１０３が接触した状
態での圧電振動子１０１におけるインピーダンスＺ
_xは、

【００９２】

【数１８】

【００９３】で与えられる。

【００９４】ここで、前述のように発振条件は、式
（６）で求められる。

【００９５】位相条件および振幅条件は、次のように定
義される。

【００９６】

【数１９】

【００９７】および

【００９８】

【数２０】

【００９９】なお、電圧増幅率Ａは、オシロスコープ１
０５で得られる共振抵抗変化に関与するパラメータであ
り、両者は次式で関連付けられる。

【０１００】

【数２１】

【０１０１】そして、式（１９）および式（２０）に、
式（１４），（１５），（１６），（１７），（１
８），（２１）を代入して、Ｌ_vについて各々を解く
と、次のように２つの連立方程式ｆ₁，ｆ₂を導出でき
る。

【０１０２】まず、位相条件から

【０１０３】

【数２２】

【０１０４】また、振幅条件から

【０１０５】

【数２３】

【０１０６】但し、発振周波数をＦとすれば

【０１０７】

【数２４】

【０１０８】である。

【０１０９】そして、式（２２），（２３）から

【０１１０】

【数２５】

【０１１１】としてＲ_vを求めることができる。

【０１１２】さらに、このＲ_vを式（２２）または式
（２３）に代入することにより、Ｌ_vが求められる。

【０１１３】図９は、パーソナルコンピュータ１０８に
よって処理される以上の一連の流れを示すフローチャー
トである。

【０１１４】以上から、本実施の形態に係る触覚センサ
プローブ１２においては、発振の振幅、周波数を検知
し、両検知物理量と圧電振動子１０１のインピーダンス
特性を利用することによって、あらゆる被測定対象物に
ついて粘弾性特性に関連する等価回路定数Ｒ_v，Ｌ_v，
の算出を実現することができる。

【０１１５】なお、本実施の形態は種々に変形が可能で
あり、例えば、発振条件に基づく方程式の作成はＬ_vの
みについて解くことだけに限定されない。

【０１１６】つまり、式（１９），（２０）に、式（１
４），（１５），（１６），（１７），（１９），（２
１）を代入して、Ｒ_vについて、各々を解くこともでき
る。

【０１１７】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。

【０１１８】さらに、圧電振動子１０１については、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。

【０１１９】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。

【０１２０】（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。

【０１２１】本発明による第２の実施の形態において、
触覚センサは図１の構成をとる。

【０１２２】図７は、本発明による第２の実施の形態の
具体的な回路図を示している。

【０１２３】本実施の形態では、触覚センサプローブ１
２の自励発振回路１０２において、共振広域化回路７０
１が接続されている。

【０１２４】この共振広域化回路７０１は、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。

【０１２５】前記共振広域化回路７０１は、具体的には
コイルを使用している。

【０１２６】図７の回路を簡略化して表現すると、図３
に示すようになる。

【０１２７】本実施の形態では、図３におけるＺ１、Ｚ
２、Ｚ４、Ｚｘは、各々、図７における抵抗Ｒｅ、コン
デンサＣａおよびＣｂ、圧電振動子１０１および共振広
域化回路７０１の合成インピーダンスに対応する。

【０１２８】以下に、上記した構成の作用を説明する。

【０１２９】本実施の形態のように、圧電振動子１０１
と共振広域化回路７０１を接続した場合、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
り、合成の共振周波数は複数の共振モードを組み合わせ
た値となる。

【０１３０】従って、本実施の形態における触覚センサ
プローブ１２は、自励発振回路１０２により合成共振周
波数の近傍で発振する。

【０１３１】いま、触覚センサプローブ１２の圧電振動
子１０１が、被測定対象物１０３に接触した場合、触覚
センサプローブ１２の出力は、その被測定対象物１０３
の粘弾性特性に応じて振動状態が変化する。

【０１３２】その振動状態として、合成共振抵抗変化に
対応する振幅はオシロスコープ１０５、共振周波数変化
に対応する発振周波数は周波数カウンタ１０６の各測定
器によって各々モニターされる。

【０１３３】前記の各測定器で検知された振幅および周
波数情報は、パーソナルコンピュータ１０８に取り込ま
れ、該パーソナルコンピュータ１０８において、予め、
記録されている圧電振動子１０１のインピーダンスとと
もに、被測定対象物１０３の粘弾性特性に関連する等価
回路定数（Ｒ_v，Ｌ_v）が発振条件に基づいて算出され
る。

【０１３４】ここで、共振広域化回路７０１としてコイ
ルを接続した圧電振動子１０１は、図８の（ａ）に示す
ように、インダクタンスＬ１、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ
１の直列回路にコンデンサＣ０が並列に接続された等価
回路として表現することができる。

【０１３５】いま、この圧電振動子１０１に粘弾性特性
を有する被測定対象物１０３が接触した場合、その等価
回路は、図８の（ｂ）に示すように表される。

【０１３６】また、図８の（ｂ）において、Ｒ_v，Ｌ_v
は、被測定対象物１０３の等価回路定数（要素）であ
り、且つ、被測定対象物１０３の粘弾性特性に関連する
パラメータである。

【０１３７】次に、本実施の形態の触覚センサプローブ
１２を用いて、被測定対象物１０３の電気的等価回路要
素Ｒ_v，Ｌ_vを算出する方法について説明する。

【０１３８】第１の実施の形態と同様、出力開放逆方向
電圧増幅率Ａは、式（１４）のように導出されるが、本
実施の形態において、Ｚ_xは、圧電振動子１０１と共振
広域化回路７０１との合成インピーダンスとなる。

【０１３９】従って、被測定対象物１０３が接触した状
態での圧電振動子におけるインピーダンスＺ_xは、

【０１４０】

【数２６】

【０１４１】で与えられる。

【０１４２】そして、式（１９）および式（２０）に、
式（１４），（１５），（１６），（１７），（２
６），（２１）を代入して、Ｌ_vについて各々を解く
と、式（２２），（２３）のように２つの連立方程式ｆ
₁，ｆ₂を導出でき、この２つの式からＲ_vを求めるこ
とができる。

【０１４３】さらに、このＲ_vを式（２２）または式
（２３）に代入することにより、Ｌ_vが求められる。

【０１４４】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、複数の共振モードを有する自
励発振回路であっても、触覚センサプローブ１２が圧電
振動子１０１と共振広域化回路７０１の合成インピーダ
ンス特性および合成共振周波数にて自励発振するので、
その発振の振幅、周波数を検知し、両検知物理量と合成
インピーダンス特性を利用することにより、あらゆる被
測定対象物について粘弾性特性に関連する等価回路定数
Ｒ_v，Ｌ_vの算出を実現することができる。

【０１４５】なお、本実施の形態は種々に変形が可能で
あり、例えば、発振条件に基づく方程式の作成はＬ_vの
みについて解くことだけに限定されない。

【０１４６】すなわち、式（１９）および式（２０）
に、式（１４），（１５），（１６），（１７），（１
９），（２１）を代入して、Ｒ_vについて、各々を解く
こともできる。

【０１４７】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。

【０１４８】さらに、圧電振動子１０１については、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。

【０１４９】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。

【０１５０】（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。

【０１５１】図１１は、本発明による第３の実施の形態
の触覚センサ１１における自励発振回路１１０１の具体
的な回路を示したものである。

【０１５２】本実施の形態では、自励発振回路１１０１
としてハートレー発振回路を用いており、圧電振動子１
０１が発振要素の一部となっている。

【０１５３】図１２は、図１１の回路を簡略化して表現
した回路である。

【０１５４】本実施の形態では、図１２におけるＺ１、
Ｚ２、Ｚ４、Ｚｘは、各々、図１１における抵抗Ｒｅ、
インダクタンスＬａおよびＬｂ、圧電振動子１０１に対
応している。

【０１５５】次に、本実施の形態の自励発振回路１１０
１を用いた触覚センサによって、被測定対象物１０３の
電気的等価回路要素Ｒ_v，Ｌ_vを算出する方法について
説明する。

【０１５６】本実施の形態の自励発振回路１１０１は、
図５に示したように４つの四端子回路で表現される。

【０１５７】まず、第１の四端子回路に、第２の四端子
回路が縦続に接続されているものと考える。

【０１５８】この場合、出力開放逆方向電圧増幅率Ａは
式（１４）のように導出される。

【０１５９】なお、ハートレー発振回路の場合、

【０１６０】

【数２７】

【０１６１】であり、

【０１６２】

【数２８】

【０１６３】であり、

【０１６４】

【数２９】

【０１６５】である。

【０１６６】ところで、Ｚは圧電振動子１、０１のイン
ピーダンスであるが、被測定対象物１０３が接触した状
態での圧電振動子におけるインピーダンスＺ_xは、式
（１８）で与えられる。

【０１６７】ここで、第１の実施の形態のように発振条
件は、式（１９）、（２０）で定義され、電圧増幅率Ａ
は共振抵抗変化に関与するパラメータとして式（２１）
で関連づけられる。

【０１６８】そして、式（１９）および式（２０）に、
式（１４），（２７），（２８），（２９），（１
８），（２１）を代入すれば、被測定対象物１０３に関
する２つの連立方程式（２２）、（２３）が導出され
る。

【０１６９】この連立方程式を解くことにより、被測定
対象物１０３の等価回路定数Ｒ_v，Ｌ_vの算出が可能と
なる。

【０１７０】従って、本実施の形態に係るハートレー発
振回路を用いた触覚センサプローブ１２においても、発
振の振幅、周波数を検知し、両検知物理量と圧電振動子
１０１のインピーダンス特性を利用することにより、あ
らゆる被測定対象物について粘弾性特性に関連する等価
回路定数Ｒ_v，Ｌ_vの算出を実現できる。

【０１７１】なお、本実施の形態は種々に変形が可能で
あり、例えば、発振条件に基づく方程式の作成は、Ｌ_v
のみについて解くことだけに限定されない。

【０１７２】つまり、式（１９）（２０）に、式（１
４），（１５），（１６），（１７），（１９），（２
１）を代入して、Ｒ_vについて、各々を解くこともでき
る。

【０１７３】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。

【０１７４】さらに、圧電振動子１０１については、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。

【０１７５】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。

【０１７６】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１０として示すよう
な発明が含まれている。

【０１７７】（付記１）振動を発生する圧電振動子
と、前記圧電振動子の等価回路定数を回路要素としイン
ピーダンス特性を帰還して発振状態にする自励発振回路
とを具備し、被測定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を有する触覚センサにおいて、前
記触覚センサプローブの共振抵抗変化および共振周波数
変化から、前記自励発振回路の発振条件に基づき前記被
測定対象物の電気的等価回路定数を推定することを特徴
とする対象物の電気的等価回路定数推定方法。

【０１７８】（対応する実施の形態）この発明に関する
実施の形態は、第１乃至第３の実施の形態が対応する。

【０１７９】上記構成中の自励発振回路は、第１および
第の実施の形態ではコルピッツ発振回路が該当し、第３
の実施の形態ではハートレー発振回路が該当する。

【０１８０】（作用効果）圧電振動子は、自励発振回路
による振動により、被測定対象物に接触すると、被測定
対象物の粘弾性特性に応じて振動状態（共振抵抗変化、
共振周波数変化）が変化するが、これは圧電振動子に接
触している被測定対象物の粘弾性特性によって前記自励
発振回路の発振条件が変化するためである。

【０１８１】一方、圧電振動子と被測定対象物の各等価
回路要素は、粘弾性特性に関連するパラメータであり、
各々電気的等価回路要素で表現可能である。

【０１８２】これらの等価回路定数から発振条件が一義
的に決定されるため、対象物接触時の発振条件に対し
て、圧電振動子の各等価回路要素、発振状態（共振抵抗
変化、共振周波数変化）を用いることにより、被測定対
象物の未知の電気的等価回路定数を推定することができ
る。

【０１８３】（付記２）振動を発生する圧電振動子
と、この圧電振動子に接続され、前記圧電振動子の等価
回路定数を回路要素として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とを有し、前記圧電振動
子が被測定対象物に接触した状態で前記被測定対象物の
粘弾性特性を得る触覚センサプローブからなる触覚セン
サにおいて、前記触覚センサプローブの共振抵抗変化お
よび共振周波数変化から、前記自励発振回路の発振条件
に基づき前記被測定対象物の電気的等価回路定数を推定
することを特徴とする触覚センサ。

【０１８４】（対応する実施の形態）この発明に関する
実施の形態は、第１乃至第３の実施の形態が対応する。

【０１８５】上記構成中の自励発振回路は、第１および
第２の実施の形態ではコルピッツ発振回路が該当し、第
３の実施の形態ではハートレー発振回路が該当する。

【０１８６】（作用効果）圧電振動子と、被測定対象物
の等価回路定数と自励発振回路の回路定数から発振条件
が一義的に決定されるため、被測定対象物接触時の発振
条件に対して、圧電振動子の各等価回路要素、発振状態
（共振抵抗変化、共振周波数変化）を用いることによ
り、触覚センサを用いて被測定対象物の未知の電気的等
価回路定数を推定することができる。

【０１８７】（付記３）振動を発生する圧電振動子
と、この圧電振動子に接続され、前記圧電振動子の等価
回路定数を回路要素として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とを有し、前記圧電振動
子が被測定対象物に接触した状態で前記被測定対象物の
粘弾性特性を得る触覚センサプローブからなる触覚セン
サにおいて、前記触覚センサプローブの共振抵抗変化が
前記圧電振動子を含む前記自励発振回路の各回路要素か
ら得られる電圧増幅率の関数で関連付けられることを特
徴とする触覚センサ。

【０１８８】（対応する実施の形態）この発明に関する
実施の形態は、第１乃至第３の実施の形態が対応する。

【０１８９】上記構成中の共振抵抗変化は、これらの実
施の形態では触覚センサの振動振幅が該当するが、自励
発振回路全体の合成インピーダンスなども含む。

【０１９０】（作用効果）自励発振回路において、電圧
増幅率は自励発振回路の各回路定数と、圧電振動子、被
測定対象物の等価回路定数によって導出されるため、共
振抵抗変化は電圧増幅率の関数で関連付けられる。

【０１９１】（付記４）振動を発生する圧電振動子
と、この圧電振動子に接続され、前記圧電振動子の等価
回路定数を回路要素として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とを有し、前記圧電振動
子が被測定対象物に接触した状態で前記被測定対象物の
粘弾性特性を得る触覚センサプローブからなる触覚セン
サにおいて、前記触覚センサプローブの発振条件である
位相条件および振幅条件に対して、前記圧電振動子を含
む前記自励発振回路の各回路要素から得られる電圧増幅
率を用いることにより、前記被測定対象物の電気的等価
回路定数に関する連立方程式を導出することを特徴とす
る触覚センサ。

【０１９２】（対応する実施の形態）この発明に関する
実施の形態は、第１乃至第３の実施の形態が対応する。

【０１９３】（作用効果）発振条件である位相条件およ
び振幅条件は電圧増幅率を用いて定義される。

【０１９４】すなわち、位相条件は電圧増幅率の虚数成
分がゼロとなることであり、振幅条件は電圧増幅率の逆
数が１に等しくなることである。

【０１９５】一方、電圧増幅率は被測定対象物および圧
電振動子を含む自励発振回路の各回路要素から導出され
る。

【０１９６】従って、発振条件である位相条件および振
幅条件に対して電圧増幅率を用いることにより、被測定
対象物の電気的等価回路定数に関する連立方程式を導出
することができる。

【０１９７】（付記５）振動を発生する圧電振動子
と、この圧電振動子に接続され、前記圧電振動子の等価
回路定数を回路要素として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とを有し、前記圧電振動
子が被測定対象物に接触した状態で前記被測定対象物の
粘弾性特性を得る触覚センサプローブからなる触覚セン
サにおいて、前記触覚センサプローブの発振条件である
位相条件および振幅条件の２つの発振条件に基づいて導
出された連立方程式の解が被測定対象物の電気的等価回
路定数であることを特徴とする触覚センサ。

【０１９８】（対応する実施の形態）この発明に関する
実施の形態は、第１乃至第３の実施の形態が対応する。

【０１９９】（作用効果）発振条件である位相条件およ
び振幅条件に対して、電圧増幅率を用いることにより導
出される被測定対象物の電気的等価回路定数に関する連
立方程式は、被測定対象物および圧電振動子を含む自励
発振回路の各回路要素を含む関数となっている。

【０２００】このうち、被測定対象物の電気的等価回路
定数以外は既知もしくは検知できる値であるので、前述
の連立方程式に全ての既知の値を代入することで、被測
定対象物の電気的等価回路定数が求められる。

【０２０１】（付記６）前記触覚センサプローブの共
振抵抗変化が振動振幅であり、電圧増幅率と関連付けら
れることを特徴とする付記３記載の触覚センサ。

【０２０２】（対応する実施の形態）この発明に関する
実施の形態は、第１乃至第３の実施の形態が対応する。

【０２０３】（作用効果）自励発振回路において、共振
抵抗変化は、触覚センサプローブの振動振幅と関連する
パラメータであり、また共振抵抗変化は電圧増幅率とも
関連するパラメータであるので、振動振幅は電圧増幅率
と関連付けられる。

【０２０４】（付記７）前記圧電振動子を含む前記自
励発振回路がコルピッツ発振回路であり、前記コルピッ
ツ発振回路の出力開放逆方向電圧増幅率が、次式で定義
されることを特徴とする付記３記載の触覚センサ。

【０２０５】

【数３０】

【０２０６】（対応する実施の形態）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。

【０２０７】（作用効果）コルピッツ回路の場合、該回
路は１つの増幅器、該増幅器に電流を帰還する抵抗Ｚ
１、圧電振動子Ｚｘとともに共振タンクとなる２つのコ
ンデンサ要素Ｚ２、Ｚ４で構成される。

【０２０８】このコルピッツ回路を、増幅器の出力に帰
還回路の入力が接続されている四端子回路（縦続接続）
と考えると、この四端子回路のパラメータは、次式で定
義される。

【０２０９】

【数３１】

【０２１０】これより、コルピッツ回路全体は、

【０２１１】

【数３２】

【０２１２】のように表せるため、その出力開放逆方向
電圧増幅率Ａは、以下のように導出される。

【０２１３】

【数３３】

【０２１４】（付記８）前記圧電振動子を含む前記自
励発振回路がハートレー発振回路であり、前記ハートレ
ーコルピッツ発振回路の出力開放逆方向電圧増幅率が、
次式で定義されることを特徴とする付記３記載の触覚セ
ンサ。

【０２１５】

【数３４】

【０２１６】（対応する実施の形態）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。

【０２１７】（作用効果）ハートレー回路の場合、該ハ
ートレー回路は１つの増幅器、該増幅器に電流を帰還す
る抵抗Ｚ１、圧電振動子Ｚｘとともに共振タンクとなる
２つのインダクタンス要素Ｚ２、Ｚ４で構成される。

【０２１８】このハートレー回路を、増幅器の出力に帰
還回路の入力が接続されている四端子回路（縦続接続）
と考えると、この四端子回路のパラメータは、次式で定
義される。

【０２１９】

【数３５】

【０２２０】これより、ハートレー回路全体は、

【数３６】

【０２２１】のように表せるため、その出力開放逆方向
電圧増幅率Ａは、以下のように導出される。

【０２２２】

【数３７】

【０２２３】（付記９）振動を発生する圧電振動子
と、この圧電振動子に接続され、前記圧電振動子の等価
回路定数を回路要素として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とを有し、前記圧電振動
子が被測定対象物に接触した状態で前記被測定対象物の
粘弾性特性を得る触覚センサプローブからなる触覚セン
サにおいて、前記圧電振動子のインピーダンスが、次式
で定義されることを特徴とする触覚センサ。

【０２２４】

【数３８】

【０２２５】（対応する実施の形態）この発明に関する
実施の形態は、第１の実施の形態および第３の実施の形
態が対応する。

【０２２６】（作用効果）圧電振動子の等価回路は、Ｃ
１，Ｌ１，Ｒ１の直列とＣ０との並列から構成された等
価回路構成で表現されることが知られている。

【０２２７】また、粘弾性特性を有する被測定対象物の
等価回路は、Ｌ_v，Ｒ_vの直列で表現され、圧電振動子
に被測定対象物が接触するとＣ１，Ｌ１，Ｒ１の直列回
路に直列に挿入される形となる。

【０２２８】従って、被測定対象物の粘弾性特性を得る
触覚センサにおいて、圧電振動子のインピーダンスは、

【０２２９】

【数３９】

【０２３０】で定義できる。

【０２３１】（付記１０）振動を発生する圧電振動子
と、この圧電振動子に接続され、前記圧電振動子の等価
回路定数を回路要素として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とを有し、前記圧電振動
子が被測定対象物に接触した状態で前記被測定対象物の
粘弾性特性を得る触覚センサプローブからなる触覚セン
サにおいて、前記圧電振動子に、共振広域化回路である
インダクタンスが直列に接続されたとき、前記圧電振動
子のインピーダンスが、次式で定義されることを特徴と
する触覚センサ。

【０２３２】

【数４０】

【０２３３】（対応する実施の形態）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。

【０２３４】（作用効果）圧電振動子の等価回路は、Ｃ
１，Ｌ１，Ｒ１の直列とＣ０との並列から構成された等
価回路で表現されることが知られている。

【０２３５】また、粘弾性特性を有する被測定対象物の
等価回路は、Ｌ_v，Ｒ_vの直列で表現され、圧電振動子
に被測定対象物が接触するとＣ１，Ｌ１，Ｒ１の直列回
路に直列に挿入される形となる。

【０２３６】いま、圧電振動子に共振広域化回路である
インダクタンスＬ_addが直列に接続されたとき、被測定
対象物の粘弾性特性を得る触覚センサにおいて、共振広
域化回路に接続された圧電振動子のインピーダンスは、

【０２３７】

【数４１】

【０２３８】で定義できる。

【０２３９】

【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、被測定対象物の粘弾性特性を
電気的に正確に検出し、被測定対象物の分別を可能にす
る触覚センサの電気的定数の検知回路を提供することが
できる。

【０２４０】また、以上説明したように、請求項２およ
び３に記載の本発明によれば、被測定対象物の粘弾性特
性を電気的に正確に検出し、被測定対象物の分別を可能
にする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１１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２の回路を簡略化して表現した回路
を示す図である。

【図４】図４は、図１の自励発振回路１０２の等価回路
を示す図である。

【図５】図５は、図４における帰還回路４２が４つの四
端子回路で表現されることを示す図である。

【図６】図６の（ａ）は図１の圧電振動子１０１が、イ
ンダクタンスＬ１、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１の直列回
路にコンデンサＣ０が並列に接続された等価回路で表現
できることを示す図であり、図６の（ｂ）はこの圧電振
動子１０１に粘弾性特性を有する被測定対象物１０３が
接触した場合の等価回路を示す図である。

【図７】図７は、本発明の第２の実施の形態の具体的な
回路を示す図である。

【図８】図８の（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に
おいて共振広域化回路７０１としてコイルを接続した圧
電振動子１０１がインダクタンスＬ１、コンデンサＣ
１、抵抗Ｒ１の直列回路にコンデンサＣ０が並列に接続
された等価回路として表現することができるを示す図で
あり、図８の（ｂ）はこの圧電振動子１０１に粘弾性特
性を有する対象物１０３が接触した場合の等価回路を示
す図である。

【図９】図９は、本発明による触覚センサプローブ１２
を用いてパーソナルコンピュータ１０８により被測定対
象物１０３の電気的等価回路要素Ｒ_v，Ｌ_vを算出する
一連の流れを示すフローチャートである。

【図１０】図１０は、従来技術による触覚センサからの
出力信号が、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ことを示す図である。

【図１１】図１１は、本発明による第３の実施の形態の
触覚センサ１１における自励発振回路１１０１の具体的
な回路を示したものである。

【図１２】図１２は、図１１の回路を簡略化して表現し
た回路を示す図である。

【符号の説明】

１１…触覚センサ、１０１…圧電振動子、１０３…被測定対象物、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…パーソナルコンピュータ、１０２…自励発振回路、１０４…ケーシング、７０１…共振広域化回路、１１０１…自励発振回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【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て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
と、前記圧電振動子の共振抵抗変化および共振周波数変化か
ら前記自励発振回路の発振条件を用いて被測定対象物の
電気的等価回路定数を推定する手段とを有することを特
徴とする触覚センサの電気的定数の検知回路。
【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てイン
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を有する触覚センサであり、この触覚センサの共振抵抗変化および共振周波数変化か
ら前記自励発振回路の発振条件を用いて被測定対象物の
電気的等価回路定数を推定する手段を有することを特徴
とする触覚センサ。
【請求項３】圧電振動子と、この圧電振動子に接続さ
れた自励発振回路とを有する触覚センサであり、この触覚センサの共振抵抗変化が、自励発振回路の各回
路要素から得られる電圧増幅率の関数で関連づけられて
いることを特徴とする触覚センサ。