JP3966925B2

JP3966925B2 - Tactile sensor

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Publication number: JP3966925B2
Application number: JP22137196A
Authority: JP
Inventors: 裕一池田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-08-22
Filing date: 1996-08-22
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2016-08-22
Also published as: JPH1062328A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は機械的振動部を帰還ループによる自励発振回路によって共振状態で振動させ、前記機械的振動部が物体と接触したときの共振状態の変化情報を得て、これを前記物体の硬さ情報とする触覚センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波振動するプローブを対象物に接触させ、そのときのプローブの共振状態の変化を計測することによって、対象物の硬さを測定する触覚センサが知られている（特公昭４０−２７２３６号公報、特開平１−１８９５８３号公報、特開平２−２９０５２９号公報を参照）。この従来技術による触覚センサでは、対象物に接触させる対物接触振動子を含む振動系を、帰還ループによる自励発振回路によって共振させ、対物接触振動子、あるいはその対物接触振動子と機械的に結合された接触子が対象物と接触したときの対象物のインピーダンスを、自励発振回路の発振周波数の変化、あるいは電圧の変化として捉え、それによって対象物の硬さ情報を得るものであった。また、特に特公昭４０−２７２３６号公報のものでは接触子における振幅拡大効果を得るために振動子と接触子との間にホーン部材を設けている。
【０００３】
このような触覚センサによれば、(1) 硬さを定量的に測定できる。(2) 電気的な測定であるために測定時間が短い。(3) 非破壊的な測定ができる。そして、これらの利点を生かして、例えば皮膚の弾性度の測定、工業用ロボットの触覚センサ等として用いることが考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
（従来技術の欠点）
しかしながら、従来の触覚センサにおいては、振動子、あるいはその振動子と機械的に結合された接触子が対象物と接触したときの対象物のインピーダンスを自励発振回路の発振周波数の変化、あるいは電圧の変化として捉え、それの変化によって対象物の硬さ情報を得るものであるが、その対象物のインピーダンスは振動子の振動エネルギに比べてかなり小さいために、対象物への接触に伴う発振周波数の変化量、または電圧の変化量は、対象物への接触前の発振周波数や電圧に比べてはるかに小さい。このために、対象物への接触に伴う発振周波数の変化量あるいは電圧の変化量を電気的に取り出すことは技術的に非常に困難なものであった。また、その変化量を取り出せたにしても、ノイズを多く含み、信頼度に欠けるデータでしかなかった。このような理由から、従来の触覚センサにおいては一般に精度の高い測定を行うことは困難なものであった。
【０００５】
（発明の目的）
本発明は前記の問題点について鑑みなされたものであり、対象物の硬さを高い精度で測定でき、比較的構成が簡単で製作が容易であり、比較的安価な触覚センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用】
請求項１に係る発明は、機械的振動部を帰還ループによる自励発振回路によって共振させ、前記機械的振動部が測定対象の物体と接触したときの共振状態の変化情報を得て、これを物体の硬さ情報とする触覚センサにおいて、前記機械的振動部の物体との接触面から軸方向の弾性振動の二分の一波長の長さにわたって、前記機械的振動部の断面積が、振動の伝播方向に減少する形状であると共に、前記機械的振動部は、測定対象の物体と接触させる接触子を有し、前記接触子の一部または全部を弾性材料で形成し、前記弾性材料で形成した部分を利用して前記機械的振動部の部分を、前記振動子を覆うケーシングに支持するようにしたことを特徴とする。
また、請求項２に係る発明は、機械的振動部を帰還ループによる自励発振回路によって共振させ、前記機械的振動部が測定対象の物体と接触したときの共振状態の変化情報を得て、これを物体の硬さ情報とする触覚センサにおいて、前記機械的振動部は、前記物体と接触する接触子と振動を発生する振動子とからなり、前記接触子の物体との接触面から軸方向の弾性振動の四分の一波長の長さにわたって、前記接触子の断面積が、振動の伝播方向に減少する形状であると共に、前記機械的振動部の接触子の一部または全部を弾性材料で形成し、前記弾性材料で形成した部分を利用して前記機械的振動部の部分を、前記振動子を覆うケーシングに支持するようにしたことを特徴とする。
本発明では、その機械的振動部の測定対象の物体と接触させる先端から特定の長さにわたり振動の伝播方向において断面積が減少する形状とすることにより、機械的振動部での共振状態を大きく変化させることができる。
【０００７】
特に振動の振幅を接触子の先端方向に行くに従って大きくなるように機械的振動部の振動子あるいは接触子の振動伝播方向の断面積変化を定めれば、その対象物により大きな振幅の振動を与えることができると共に、一方、対象物の硬さ、すなわち対象物の音響インピーダンスの変化の影響が振動子に大きく与えられることにより機械的振動部の振動子の共振状態は大きく変化し、その共振状態の変化量から対象物の硬さを推定する触覚センサでは結果として高精度で対象物の硬さを測定できる。さらに、従来の触覚センサと比較し、振動子や接触子の機械的振動部の形状の工夫のみの構成であるため、高精度の触覚センサでありながら従来の触覚センサと同等のコストで製作が可能である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
図１（ａ）（ｂ）を参照して、本発明の第１の実施形態を説明する。
（構成）
図１（ａ）は触覚センサシステムの概略的な構成を示す。同図中、１は触覚センサプローブの本体を形成する長尺のカテーテルであり、このカテーテル１は例えば図示しない測定者が操作して内視鏡の挿通用チャンネルを通じて患者の体腔内に導入されるものである。図１（ｂ）で示すように、カテーテル１の先端には同径の筒状のケーシング２がそのカテーテル１と同軸に取着されている。このケーシング２は基端側ケーシング部材３と先端側ケーシング部材４からなり、両部材３，４は基端側ケーシング部材３の先端部内面に固着された接続リング５の外周に、先端側ケーシング部材４の基端部をねじ込んで連結される。両者の端面は互いに突き当てた状態で配置させられる。
【０００９】
基端側ケーシング部材３の最後端部にはカテーテル１のコイル芯材６の先端と、カテーテル１の先端部分が被嵌しており、カテーテル１の先端部分は糸巻き部７で締結された上で封止材８によって固定されている。また、コイル芯材６の先端部分は基端側ケーシング部材３の最後端部にろう付け取着されている。
【００１０】
先端側ケーシング部材４の先端部は先細りテーパ状の筒状に形成されている。このようなケーシング２内には円筒状で内部に空間を設けた振動子１１が同軸的に配置されている。ここでの振動子１１としては例えば圧電セラミックを用いているが、水晶発振子、磁歪素子、高分子圧電体（ＰＶＤＦ）等であっても良い。振動子１１は径方向に分極されており、その内周面と外周面にはそれぞれ電極が取り付けられている。そして、内外各周面に設けた両電極に、給電コード１２を通じて、時間変動する電圧を印加すると、振動子１１が励磁され、機械的振動を行うようになっている。
【００１１】
この中空の振動子１１の先端にはその軸方向の前方に延設された接触子１３が同軸的に配置された状態で接着固定されている。接触子１３の後端には振動子１１の内孔１１ａに密に嵌り込む突部１３ａが形成され、その突部１３ａを振動子１１の内孔１１ａに密に嵌め込んだ状態で固着するため、両者は緊密に密着されている。そして、この少なくとも振動子１１と接触子１３から機械的振動部を構成している。
【００１２】
この接触子１３の外周は軸方向の弾性振動の1/4 波長の長さにわたって軸方向先端側を細くしたテーパ形状に形成されている。このように接触子１３は軸方向の弾性振動の1/4 波長の長さにわたってテーパ形状に形成されているために振動の振幅拡大効果を持つ。また、一般的には接触子１３の先端部から、軸方向の弾性振動の、少なくとも1/4 波長ないし1/2 波長の長さにわたって、接触子１３または振動子１１を含む機械的振動部の断面積が振動の伝播方向に減少する形状にすることが望ましい。また、接触子１３の全長を、機械的振動部の軸方向の弾性振動の1/4 波長ないし1/2 波長の長さに設けるとよい。
【００１３】
接触子１３のテーパ外周面の傾斜は先端側ケーシング部材４の内面のテーパに適合するように形成されている。接触子１３は先端を測定対象の物体、つまり生体の対象物１４に当てるために裁頭円錘形状に形成されており、その接触子１３の先端部分のみが僅かな広さの平坦な突当て面を形成し、これを突当て部１５としてある。
【００１４】
前記振動子１１の基端部にはそれと同軸に検出素子１８が密着して同軸的に設置されており、この検出素子１８は振動子１１に協調して振動することによって振動子１１の振動の振幅、周波数をモニターするためのセンサとして作用する。検出素子１８の材料としては、前記振動子１１と同様に、圧電セラミック、水晶発振子などを用いる。また、一体化された振動子１１と接触子１３及び検出素子１８のユニットは固定部材としての２つのリング状の弾性部材１６ａ，１６ｂを介して、ケーシング２の内面に保持されている。一方の弾性部材１６ａはケーシング２に固定した接続リング５の内周溝１７に嵌り込んで保持されており、他方の弾性部材１６ｂは接触子１３の後端部外周部分と先端側ケーシング部材４の内面部分との間に介在する。そして、ケーシング２と、振動子１１及び接触子１３との間に弾性部材１６ａ，１６ｂが介在するために振動子１１側の機械的な振動がケーシング２に伝達されることはない。また、弾性部材１６ａ，１６ｂは、接触子１３、振動子１１及び検出素子１８の一体的なユニット部材からなる機械的振動系１９の機械的振動の節部にそれぞれ設けるようにすれば、その機械的な振動を阻害させない。弾性部材１６ａ，１６ｂを設ける位置は接触子１３以外の場所でもよい。また、前記接触子１３の突当て部１５はケーシング２の先端より突出するように取り付けられている。
【００１５】
一方、検出素子１８の出力信号は図１（ａ）で示すように出力コード２０を通じ、カテーテル１の外部に設置された装置のアンプ回路２１を経て、フィルタ回路２２に入力される。フィルタ回路２２の出力は、再びケーシング２内の振動子１１に入力され、振動子１１の駆動信号になる。すなわち、振動子１１、検出素子１８、アンプ回路２１、及びフィルタ回路２２にて、自励発振の閉回路を形成している。この自励発振回路によって、振動子１１、接触子１３、検出素子１８からなる機械的振動系１９は一体的な機械的振動部として機械的な共振振動を行う。
フィルタ回路２２としてはゲインが周波数に対して変化する周波数帯域を持つ、例えばバンドパスフィルタや積分回路、微分回路、ピーキング回路等が考えられる。
【００１６】
フィルタ回路２２の出力ラインには、電圧測定手段２５、周波数測定手段２６に接続されていて、動作中の自励発振回路の電圧、周波数をモニタすることができるようになっている。電圧測定手段２５と周波数測定手段２６は自励発振回路の中であれば、どの位置に設けても良い。
【００１７】
（作用）
測定者はカテーテル１を例えば内視鏡等の補助具を通じて体腔内に導入する。そして、カテーテル１を操作し、対象物１４の表面に対して共振振動している接触子１３の先端を接触させる。このときに対象物１４が例えばゴムのように弾性に富んだ物体であれば、機械的振動系１９の音響インピーダンスが増加するのに伴って、その共振周波数が音響インピーダンス、すなわち対象物１４の硬さに応じてわずかに低下する。このとき、接触子１３がテーパ形状をなし、軸方向先端にいくに従って断面積が小さくなるように形成されているために、対象物１４の音響インピーダンスは振動子１１に対して拡大されて伝達される。すなわち、振動子１１に対する共振振動の変化を大きく促すために、共振周波数低下の効果が大きいことになる。
【００１８】
（効果）
したがって、対象物１４のわずかな硬さ、すなわち音響インピーダンスの変化に対しても共振状態が大きく変化し、周波数変化、電圧の変化が大きい。このために構成が容易で安価であるにも拘らず、対象物１４のわずかな硬さの変化にも敏感に反応し、精度の高い硬さの測定を行うことができる。また、構成が比較的簡単であり、触覚センサを容易に作ることができて安価な触覚センサを提供することができる。
【００１９】
＜第２実施形態＞
図２を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。
（構成）
図２は第２の実施形態に係る触覚センサの先端部のみを示す縦断面図である。この触覚センサは前記第１の実施形態においての接触子１３を振動子１１と一体的に圧電セラミックで製作したものである。振動子１１と一体となった接触子１３の先端部外周はテーパ状をなしている。その他または図示しない共振回路については前述した第１の実施形態と同じであるので、その説明を省略する。
【００２０】
（作用）
この実施形態における振動子１１と接触子１３が一部品で構成されているために、その組立時に振動子１１と接触子１３の接着等の組立作業が不要となる。
【００２１】
（効果）
第１実施形態の効果の他に、さらに組立が容易で安価な触覚センサとすることができる。
【００２２】
＜第３実施形態＞
図３を参照して、本発明の第３の実施形態を説明する。
（構成）
図３は第３の実施形態に係る触覚センサの先端部のみを示す縦断面図である。この第３の実施形態に係る触覚センサは前述した第１の実施形態においての、円筒型の振動子１１の内径と同じ径の棒状の接触子１３を設け、この接触子１３の基端部分を振動子１１の先端部分に嵌め込んで固着し、さらに接触子１３の先端側部分を振動子１１の前方に僅かに突き出させたものである。振動子１１と接触子１３にはそれぞれに振動伝播方向に断面積の変化はないが、振動子１１の断面積よりも、接触子１３の断面積が小さくなるよう製作されている。また、その機械的振動系１９の振動の節部である、振動が振動子１１から接触子１３へと伝播する箇所で、ステップ的に断面積が小さくなるように変化している。つまり、機械的振動部がステップ型ホーンを構成している。また、前記弾性部材１６ｂはそれに応じた適合形状が選ばれている。
【００２３】
（作用）
断面積変化による精度向上の第１の実施形態の作用のほかに、振動子１１、接触子１３が共にストレートな形状であるため、それらの部品の製作時に複雑な手間を必要としない。
【００２４】
（効果）
第１の実施形態の効果の他に、接触子１３の部品工作が容易で安価な触覚センサを提供することができる。
【００２５】
＜第４実施形態＞
図４（ａ）（ｂ）及び図５を参照して、本発明の第４の実施形態を説明する。
（構成）
図４（ａ）は触覚センサシステムの概略的な構成を示す。同図中、１は触覚センサプローブの本体を形成する長尺のカテーテルであり、このカテーテル１は、例えば図示しない測定者が操作して内視鏡の挿通用チャンネルを通じて患者の体腔内に導入されるものである。カテーテル１の先端には図４（ｂ）で示すように、同径の筒状のケーシング２がそのカテーテル１と同軸に取着されている。このケーシング２の先端には弾性材料でキャップ状に形成された接触子１３が接続されている。このキャップ状の接触子１３の基端部分がケーシング２の先端部外周に嵌着して同軸的に配置させられるとともに、両者の外周面が面一になるように連結されている。ケーシング２と接触子１３の嵌着周面部分にはそれぞれ複数の溝３１とこれに係合する突条３２が設けられている。そして、その溝３１と突条３２を係合することによりケーシング２と接触子１３が水密を保って接続される。この両者を接着により固定するようにしてもよい。
【００２６】
前記ケーシング２の最後端部には前記第１の実施形態と同様、カテーテル１のコイル芯材６の先端と、カテーテル１の先端部分が被嵌しており、カテーテル１の先端部分は糸巻き部７で締結された上で封止材８によって固定されている。また、コイル芯材６の先端部分はケーシング２の最後端部にろう付けにより固着されている。
【００２７】
また、ケーシング２内には円筒状の振動子１１が同軸的に配置されている。ここでの振動子１１としては例えば圧電セラミックを用いているが、水晶発振子、磁歪素子、高分子圧電体（ＰＶＤＦ）等であっても良い。また、振動子１１は径方向に分極されており、その内周面と外周面にそれぞれ電極が取り付けられている。そして、内外各周面に設けた両電極に、給電コード１２を通じて、時間変動する電圧を印加すると、その振動子１１は機械的振動を行う。
【００２８】
前記接触子１３は先端部が裁頭円錘形状に形成され、その中心部には金属製の芯部材３３が設けられている。この芯部材３３は接触子１３を成形する際にインサートして取り付けられるものである。このインサート成形によって、その接触子１３の弾性材料と芯部材３３は水密を保って一体化される。この接触子１３を形成する弾性材料としては例えばシリコンゴムなどの合成ゴム、ポリウレタンやフッ素樹脂などの樹脂材料を用いるとよい。
【００２９】
裁頭円錘形状に形成された接触子１３の先端部は先細りテーパ状に形成されているが、接触子１３の先端の平坦部が対象物１４に突き当てる突当て部１５として形成されている。また、芯部材３３の先端部は、先が尖った円錘形状に形成されており、その円錘底辺部３３ａは僅かに大きくフランジ状に突き出している。この芯部材３３の先が尖った円錘形状の先端３４のみが、前記突当て部１５から僅かに露出して突き出している。
【００３０】
前記振動子１１の先端部には芯部材３３の後端部分が密に挿入して嵌着されている。つまり、芯部材３３の後端部分は振動子１１の内孔１１ａに密に嵌り込んだ状態で固着するため、両者は緊密に密着されている。前記振動子１１の先端はその接触子１３の内面に突き当たって密着している。そして、少なくとも振動子１１と接触子１３から機械的振動部を構成している。
【００３１】
前記振動子１１の基端にはそれと同軸に検出素子１８が密着して同軸的に設置されている。この検出素子１８は振動子１１に協調して振動することによって振動子１１の振動の振幅、周波数をモニターするためのセンサとして作用する。この検出素子１８の材料としては前記振動子１１と同様に、圧電セラミック、水晶発振子などを用いる。また、接触子１３と振動子１１と検出素子１８はリング状の弾性部材１６を介してケーシング２の内面に支持されている。そして、ケーシング２と振動子１１の間にはリング状の保持用弾性部材１６が介在するために機械的な振動がケーシング２側に伝達されることはない。また、接触子１３、振動子１１及び検出素子１８は一体的なユニット組立て体となった機械的振動系１９の機械的振動部を構成する。そして、図４（ａ）で示すように前記保持用弾性部材１７はその機械的振動系１９の機械的振動部の振動の節部に設けるようにする。このようにすれば、その機械的な振動を阻害させない。この保持用弾性部材１６を設ける位置は接触子１３以外の場所でもよい。また、前記接触子１３の突当て部１５と検出素子１８の後端は機械的振動系１９の機械的振動の腹部に位置するように構成する。
【００３２】
一方、検出素子１８の出力信号は図１（ａ）で示すように、出力コード２０を通じてカテーテル１の外部に設置された装置のアンプ回路２１を経て、フィルタ回路２２に入力される。フィルタ回路２２の出力は、再びケーシング２内の振動子１１に入力され、振動子１１の駆動信号になる。すなわち、振動子１１、検出素子１８、アンプ回路２１、及びフィルタ回路２２にて、自励発振の閉回路を形成している。この自励発振回路によって、振動子１１、接触子１３、検出素子１８からなる機械的振動系１９は一体的に機械的な共振振動を行う。
【００３３】
フィルタ回路２２の出力ラインには、電圧測定手段２５、周波数測定手段２６に接続されていて、動作中の自励発振回路の電圧、周波数をモニタすることができるようになっている。電圧測定手段２５と周波数測定手段２６は自励発振回路の中であれば、どの位置に設けても良い。
【００３４】
図５は触覚センサを内視鏡３５のチャンネルを通して患者３６の体腔内に挿入して消化管の硬さ測定診断を行う状態を示す。患者３６の体腔内に内視鏡３５の挿入部を挿入した後、触覚センサのカテーテル１を内視鏡３５のチャンネルに挿入して患者３６の消化管内に導入する。一方、前記アンプ回路２１とフィルタ回路２２は内視鏡３５の外に置かれたコントローラ３７内に配置されている。また、電圧測定手段２５と周波数測定手段２６は同じく内視鏡３５の外に置かれた計測部３８内に配置されている。内視鏡３５によって得られた撮像信号はカメラコントロールユニット３９で合成された後に、スキャンコンバータ４１を経てモニター４２に映像として写し出される。
【００３５】
一方、計測部３８で抽出された硬さ情報はグラフに映像化され、スキャンコンバータ４１へ入力される。硬さ情報のグラフ４３はスキャンコンバータ４１において内視鏡３５の観察画像中にスーパーインポーズされ、モニター４２の画面において内視鏡２５による画像４４と重ねて表示されるようになっている。
【００３６】
（作用）
接触子１３が、対象物１４に接触する部材であるという本来の目的のほかに、水密構造、振動吸収構造を兼ね備えた成形部品として一体に製作できる。
（効果）
接触子１３を製作の容易な成形部品でありながら、複数の機能を兼ね備えたことにより安価で、部品製作組立の容易な触覚センサとすることができる。
なお、前記接触子１３はその中心部分にセラミック部品、その周辺部に中心部分よりも弾性の低い部品で構成したものとしてもよい。
【００３７】
＜第５の実施形態＞
図６を参照して、本発明の第５の実施形態を説明する。この実施形態は前述した第４の実施形態における接触子１３における芯部材３３を省略し、接触子１３の全体を弾性材料で一体に製作したものである。
【００３８】
＜第６の実施形態＞
図７を参照して、本発明の第６の実施形態を説明する。
（構成）
図７は第４の実施形態の触覚センサにおける先端部のみを示す。これは、第４実施形態の構成の触覚センサにおいて、機械的振動系１９の部材を保持する固定部材１６をポリスチレンなどのような空気を多く含んだ発泡性材料で製作したものである。
【００３９】
（作用）
第１実施形態の作用のほかに、固定部材１６には空気を多く含有しているために振動吸収効率が高く、振動子１１からケーシング２へのわずかな振動も吸収する。
【００４０】
（効果）
第４の実施形態の効果のほかに、振動子１１からケーシング２への振動の伝達をほぼ完全に遮断することができ、精度の高い測定ができる触覚センサとすることができる。
【００４１】
＜第７の実施形態＞
図８を参照して、本発明の第７の実施形態を説明する。
（構成）
図８は第７の実施形態の触覚センサの先端部のみを示す。これは、第４の実施形態の構成の触覚センサにおいて、固定部材１６を検出素子１８の後端に配置し、この弾性部材からなる固定部材１６を介してケーシング２に接続した。
【００４２】
（作用）
第４の実施形態の作用のほかに、振動子１１、検出素子１８、接触子１３からなる機械的振動系１９を先端の接触子１３の部分と、後端の検出素子１８の最も長い２点間距離でケーシング２に対して固定するために、振動系１９の部材をケーシング２に対して正確に位置決めすることができる。
【００４３】
（効果）
第４の実施形態の効果のほかに、工作組立精度が向上するために、測定誤差の少ない触覚センサとすることができる。
【００４４】
なお、前述した実施形態では体腔内に導入して体腔内対象物の硬さを測定するようにしたが、患者の皮膚などの体外部位の硬さを測定するようにしてもよいものである。
【００４５】
なお、本発明での振動子はその径方向に分極させたものに限らず、その軸方向に分極し、さらにはその圧電セラミックを積層させたものでもよい。
［付記］
（第１群）
(1) 機械的振動部を帰還ループによる自励発振回路によって共振状態で振動させ、機械的振動部が測定対象の物体と接触したときの共振状態の変化情報を得て、物体の硬さ情報とする触覚センサにおいて、機械的振動部が振動の伝播方向の断面積が変化する形状であることを特徴とした触覚センサ。
(2) 振動子を、帰還ループによる自励発振回路によって共振させ、振動子あるいは振動子と機械的に結合された接触子が物体と接触したときの自励発振回路の発振周波数の変化情報を得て、物体の硬さ情報とする触覚センサにおいて、接触子の先端部から、軸方向の弾性振動の1/4 波長ないし1/2 波長の長さにわたって、接触子の断面積が、振動の伝播方向に減少する形状であることを特徴とした触覚センサ。
【００４６】
(3) 前記機械的振動部に振動子と接触子の少なくとも一方を有することを特徴とする付記(1) の触覚センサ。
(4) 前記機械的振動部は振動子と接触子からなり、接触子の全長は軸方向弾性振動の1/4 波長から1/2 波長の長さであることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
(5) 前記接触子は振動の伝播方向に断面積が減少する形状であることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
(6) 振動子と接触子とからなる機械的振動部、及び検出素子とが一体的に圧電セラミックで構成されていることを特徴とする触覚センサ。
【００４７】
(7) 前記機械的振動部がテーパ形状をしていることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
(8) 前記機械的振動部がステップ型ホーンであることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
(9) 前記振動子が円筒形状であり、振動子の内径と同じ径の外径を持つ棒状の接触子が振動子の内腔にはめ込まれ、機械的振動部がステップ型ホーンを形成していることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
(10)前記機械的振動部の内部に空間を設けたことを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
【００４８】
（第１群の従来例の問題点）
付記(1) について
振動子と接触子との間にホーン部材を設けて接触子での振動振幅を拡大して、高精度の測定を行おうとする触覚センサでは、振動子とホーン部材、接触子が直線的に構成されるために、全長が長くなり操作性が悪い、構成部品が増えるために高価になるという問題があった。
【００４９】
付記(2) 〜(9) について
接触子の断面積を軸方向に変化させることによって接触子での振動振幅を拡大して、高精度の測定を行おうとする触覚センサでは、接触子の断面積変化をもたせている部分の長さが、1/4 波長以下の短いものであったため、十分な振幅拡大が得られず、必ずしも精度の向上につながるものではなかった。
しかし、付記２〜９のものによれば、全長を短くすることで操作性が良い触覚センサを提供することができる。
【００５０】
付記(2) 作用
効果的に振動の振幅を増大させるためには、振動の節部において断面積の変化する部分を設けることは望ましい。接触子の先端部から軸方向の弾性振動の1/4 波長から1/2 波長の長さの間には必ず１箇所の節部を有する。節部を含む範囲の長さの中で断面積変化を行うことで、より効果的に振幅拡大を行い、結果として高精度で測定できる触覚センサとすることができる。
【００５１】
付記(10)の作用
振動の振幅を増大させるためには機械的振動部を軽量にすることが効果的である。そこで、振動の発生に関与しない機械的振動部の内部に空間を設けることによって機械的振動部を軽量化し、結果として高精度で測定できる触覚センサとすることができる。
【００５２】
（第２群）
(1) 機械的振動系を帰還ループによる自励発振回路によって共振状態で振動させ、振動子あるいは振動子と機械的に結合された接触子が物体と接触したときの共振状態の変化情報を得て、物体の硬さ情報とする触覚センサにおいて、接触子の一部または全部が弾性材料で形成されていることを特徴とする触覚センサ。
(2) 前記接触子の一部または全部が、樹脂材料からなることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
(3) 接触子の一部または全部が、ポリウレタン樹脂からなることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
(4) 前記接触子の一部または全部が、フッ素樹脂からなることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
【００５３】
(5) 前記接触子の一部または全部が、合成ゴム材料からなることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
(6) 前記接触子の一部または全部が、シリコンゴムからなることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
(7) 前記接触子の一部または全部が、フッ素ゴムからなることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
(8) 前記接触子が中心部と周辺部とで弾性の異なる部品からなることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
【００５４】
(9) 前記接触子が、中心部に金属部品、周辺部に中心部よりも弾性の低い部品からなることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
(10) 前記接触子が、中心部にセラミック部品、周辺部に中心部よりも弾性の低い部品からなることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
(11) 前記接触子が周辺部において、振動子を覆うケーシング部材と水密結合していることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
これによると、接触子と、振動系をケーシング部材に対して水密構造支持する水密手段とを兼ねることができる。
(12) 前記振動子の振動の節部近傍において固定部材によってケーシング部材と結合していることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
これによると、振動の節部で固定することによって、振動を減衰させること無く振動子を固定することができる。
【００５５】
(13) 前記振動子の振動の節部近傍においてリング状の固定部材によってケーシング部材と結合していることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
(14) 機械的振動系を保持する固定部材が発泡材料であることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
(15) 機械的振動部を保持する固定部材が発泡性のスチレン材料であることを特徴とした付記(1) の触覚センサ。
(16) 振動子、接触子を含む先端部が、内視鏡のチャンネルを挿通可能な付記(1) の触覚センサ。
これによると、切開などの侵襲を与えること無く内視鏡を通して患者の体腔内の硬さ診断ができるために、患者に苦痛を与えることのない触覚センサとすることができる。
(17) 機械的振動系を振動させ、振動子、あるいは振動子と機械的に結合された接触子が物体と接触したときの状態の変化情報を得て、物体の硬さ情報とする触覚センサにおいて、接触子の一部または全部が弾性材料で形成されていることを特徴とする触覚センサ。
【００５６】
（第２群の従来技術）
超音波振動するプローブを対象物に接触させ、プローブの共振周波数の変化、あるいは電圧の変化を検知することによって対象物の硬さを測定する触覚センサが従来より知られている（特公昭４０−２７２３６号公報、特開平１−１８９５８３号公報、特開平２−２９０５２９号公報を参照）。このような触覚センサは(1) 硬さを定量的に測定できる。(2) 電気的な測定であるために測定時間が短い。(3) 非破壊的な測定ができる。などの利点を生かし、皮膚の弾性度の測定、工業用ロボットの触覚センサとして用いることが提案されている。従来技術による触覚センサでは、対象物に接触させる対物接触振動子を含む振動系を、振動の伝達効果を高くするために、音速の高い金属材料等で製作していた。さらに、振動系をカバーするケーシング部材から弾性部材によって支持し、振動がケーシング部材に伝達されることを防いでいた。
【００５７】
（２群の従来技術の欠点）
しかしながら、従来の触覚センサにおいては、振動系をカバーするケーシング部材から弾性部材によって支持するという構成であるため、構造が複雑になり、組立性が悪い、外径が大きくなり操作性が悪いという問題があった。特に、内視鏡を通して生体内に挿入し、診断のため生体組織の硬さ測定を行おうとする場合には大きな触覚センサでは外径の大きな内視鏡を使わざるを得ず、患者に苦痛を与えるものであった。
【００５８】
（２群の総括的な目的と効果）
組立が容易で、外形が小さいために操作性が良く、さらに径内視鏡的な使用でも患者の苦痛を低減した触覚センサを提供する。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、測定の対象物の硬さを高い精度で測定でき、比較的構成が簡単で製作が容易であり、比較的安価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】（ａ）は第１の実施形態に係る触覚センサシステムの概略的な構成の説明図、（ｂ）はその触覚センサの先端部の縦断面図。
【図２】第２の実施形態に係る触覚センサの先端部の縦断面図。
【図３】第３の実施形態に係る触覚センサの先端部の縦断面図。
【図４】（ａ）は第４の実施形態に係る触覚センサシステムの概略的な構成の説明図、（ｂ）はその触覚センサの先端部の縦断面図。
【図５】（ａ）は第４の実施形態に係る触覚センサシステムの使用状態を概略的に示す説明図、（ｂ）は触覚センサの先端を対象物に当てた状態の斜視図。
【図６】第５の実施形態に係る触覚センサの先端部の縦断面図。
【図７】第６の実施形態に係る触覚センサの先端部の縦断面図。
【図８】第７の実施形態に係る触覚センサの先端部の縦断面図。
【符号の説明】
１…カテーテル、２…ケーシング、１１…振動子、１３…接触子、１５…突当て部、１６…弾性部材、１８…検出素子、１９…機械的振動系、２１…アンプ回路、２２…フィルタ回路、２５…電圧測定手段、２６…周波数測定手段。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention oscillates a mechanical vibration part in a resonance state by a self-excited oscillation circuit using a feedback loop, obtains change information of the resonance state when the mechanical vibration part comes into contact with an object, and obtains information on the hardness of the object The present invention relates to a tactile sensor as information.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a tactile sensor that measures the hardness of an object by bringing a probe that vibrates ultrasonically into contact with the object and measuring a change in the resonance state of the probe at that time is known (Japanese Patent Publication No. 40-27236). No. 1, JP-A-1-189583, and JP-A-2-290529). In this conventional tactile sensor, a vibration system including an objective contact vibrator that is brought into contact with an object is resonated by a self-excited oscillation circuit using a feedback loop, and mechanically coupled to the objective contact vibrator or the objective contact vibrator. The impedance of the object when the contacted contact with the object is detected as a change in the oscillation frequency or voltage of the self-excited oscillation circuit, thereby obtaining the hardness information of the object. In particular, in Japanese Patent Publication No. 40-27236, a horn member is provided between the vibrator and the contact in order to obtain an effect of expanding the amplitude in the contact.
[0003]
According to such a tactile sensor, (1) hardness can be measured quantitatively. (2) Measurement time is short due to electrical measurement. (3) Nondestructive measurement is possible. Taking advantage of these advantages, for example, it is considered to use it as a measurement of skin elasticity, a tactile sensor of an industrial robot, or the like.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
(Disadvantages of the prior art)
However, in the conventional tactile sensor, the impedance of the object when the vibrator or the contactor mechanically coupled to the vibrator comes into contact with the object is measured by the change in the oscillation frequency of the self-excited oscillation circuit or the voltage. The information on the hardness of the object is obtained by the change, but since the impedance of the object is much smaller than the vibration energy of the vibrator, the oscillation frequency associated with the contact with the object The amount of change or the amount of change in voltage is much smaller than the oscillation frequency or voltage before contact with the object. For this reason, it has been technically very difficult to electrically extract the amount of change in oscillation frequency or the amount of change in voltage accompanying contact with an object. Even if the amount of change could be extracted, the data contained only a lot of noise and lacked reliability. For these reasons, it is generally difficult to perform highly accurate measurements with conventional tactile sensors.
[0005]
(Object of invention)
The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a tactile sensor that can measure the hardness of an object with high accuracy, is relatively simple in structure, easy to manufacture, and relatively inexpensive. Objective.
[0006]
[Means and Actions for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, the mechanical vibration unit is resonated by a self-excited oscillation circuit using a feedback loop, and the change information of the resonance state when the mechanical vibration unit comes into contact with the object to be measured is obtained. In the tactile sensor used as the hardness information of the object, the cross-sectional area of the mechanical vibration unit is a vibration of the length of a half wavelength of the elastic vibration in the axial direction from the contact surface of the mechanical vibration unit with the object. The mechanical vibration part has a contact that is brought into contact with an object to be measured, and a part or all of the contact is formed of an elastic material, and is formed of the elastic material. The portion of the mechanical vibration portion is supported by a casing that covers the vibrator by using the portion that has been formed.
Further, the invention according to claim 2 resonates the mechanical vibration part by a self-excited oscillation circuit using a feedback loop, obtains information on a change in resonance state when the mechanical vibration part comes into contact with an object to be measured, In the tactile sensor using this as the hardness information of the object, the mechanical vibration unit includes a contactor that comes into contact with the object and a vibrator that generates vibrations, and the axial direction from the contact surface of the contactor with the object The cross-sectional area of the contact is reduced in the propagation direction of vibration over the length of a quarter wavelength of the elastic vibration of the material, and a part or all of the contact of the mechanical vibration part is made of an elastic material. The mechanical vibration portion is supported by a casing that covers the vibrator by using a portion formed of the elastic material.
In the present invention, the resonance state in the mechanical vibration part is increased by adopting a shape in which the cross-sectional area decreases in the vibration propagation direction over a specific length from the tip of the mechanical vibration part in contact with the object to be measured. Can be changed.
[0007]
In particular, if the cross-sectional area change in the vibration propagation direction of the vibrator of the mechanical vibration part or the contactor is determined so that the vibration amplitude increases in the direction of the tip of the contactor, a vibration with a large amplitude is given to the object. On the other hand, the resonance state of the vibrator of the mechanical vibration part greatly changes due to the influence of the change in the hardness of the object, that is, the acoustic impedance of the object, on the vibrator. As a result, the tactile sensor that estimates the hardness of the object from the change amount of the object can measure the hardness of the object with high accuracy. In addition, compared to conventional tactile sensors, the configuration of the vibrator and the mechanical vibration part of the contactor is only devised, so it can be manufactured at a cost equivalent to that of conventional tactile sensors despite being a highly accurate tactile sensor. Is possible.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<First Embodiment>
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
(Constitution)
FIG. 1A shows a schematic configuration of a tactile sensor system. In the figure, reference numeral 1 denotes a long catheter forming the main body of the tactile sensor probe. This catheter 1 is introduced into a patient's body cavity through an insertion channel of an endoscope, for example, by an operator not shown. Is. As shown in FIG. 1B, a cylindrical casing 2 having the same diameter is attached to the distal end of the catheter 1 coaxially with the catheter 1. The casing 2 includes a base end side casing member 3 and a front end side casing member 4, and both members 3, 4 are disposed on the outer periphery of a connection ring 5 fixed to the inner surface of the front end portion of the base end side casing member 3. The base end portion of 4 is screwed and connected. Both end faces are arranged in contact with each other.
[0009]
The distal end portion of the proximal end casing member 3 is fitted with the distal end portion of the coil core member 6 of the catheter 1 and the distal end portion of the catheter 1, and the distal end portion of the catheter 1 is fastened by the bobbin winding portion 7. It is fixed by a sealing material 8. The distal end portion of the coil core member 6 is brazed and attached to the rearmost end portion of the base end side casing member 3.
[0010]
The distal end portion of the distal end side casing member 4 is formed in a tapered tapered cylindrical shape. In such a casing 2, a vibrator 11 having a cylindrical shape and a space inside is coaxially arranged. As the vibrator 11 here, for example, a piezoelectric ceramic is used, but a crystal oscillator, a magnetostrictive element, a polymer piezoelectric body (PVDF), or the like may be used. The vibrator 11 is polarized in the radial direction, and electrodes are attached to the inner peripheral surface and the outer peripheral surface, respectively. When a time-varying voltage is applied to both electrodes provided on the inner and outer peripheral surfaces through the power supply cord 12, the vibrator 11 is excited to perform mechanical vibration.
[0011]
A contact 13 extending forward in the axial direction is bonded and fixed to the tip of the hollow vibrator 11 in a coaxial arrangement. A protrusion 13a is formed at the rear end of the contact 13 so as to be closely fitted in the inner hole 11a of the vibrator 11, and the protrusion 13a is fixed in a state of being closely fitted in the inner hole 11a of the vibrator 11. Both are in close contact. At least the vibrator 11 and the contactor 13 constitute a mechanical vibration part.
[0012]
The outer periphery of the contact 13 is formed in a tapered shape in which the tip end side in the axial direction is narrowed over the length of a quarter wavelength of the elastic vibration in the axial direction. Thus, since the contact 13 is formed in a taper shape over the length of 1/4 wavelength of the elastic vibration in the axial direction, it has an effect of expanding the amplitude of vibration. In general, the mechanical vibration unit including the contact 13 or the vibrator 11 extends from the tip of the contact 13 over a length of at least 1/4 wavelength to 1/2 wavelength of axial elastic vibration. It is desirable that the cross-sectional area be reduced in the vibration propagation direction. The total length of the contact 13 may be set to a length of 1/4 wavelength to 1/2 wavelength of the elastic vibration in the axial direction of the mechanical vibration portion.
[0013]
The inclination of the taper outer peripheral surface of the contactor 13 is formed so as to match the taper of the inner surface of the front end side casing member 4. The contact 13 is formed in a truncated conical shape so that the tip is brought into contact with an object to be measured, that is, a living body object 14, and only the tip of the contact 13 is a flat abutment with a slight width. A surface is formed, and this is used as the abutting portion 15.
[0014]
A detection element 18 is closely and coaxially installed coaxially with the base end of the vibrator 11, and this detection element 18 vibrates in cooperation with the vibrator 11, thereby vibrating the vibrator 11. Acts as a sensor for monitoring amplitude and frequency. As a material of the detection element 18, a piezoelectric ceramic, a crystal oscillator, or the like is used as in the vibrator 11. The unit of the vibrator 11, the contact 13 and the detection element 18 that are integrated is held on the inner surface of the casing 2 via two ring-shaped elastic members 16 a and 16 b as fixing members. One elastic member 16 a is fitted and held in the inner circumferential groove 17 of the connection ring 5 fixed to the casing 2, and the other elastic member 16 b is the rear end portion outer peripheral portion of the contact 13 and the front end side casing member 4. It is interposed between the inner surface parts. Since the elastic members 16 a and 16 b are interposed between the casing 2 and the vibrator 11 and the contact 13, mechanical vibration on the vibrator 11 side is not transmitted to the casing 2. Further, if the elastic members 16a and 16b are provided at the mechanical vibration nodes of the mechanical vibration system 19 composed of unitary members of the contact 13, the vibrator 11 and the detection element 18, the machine Do not disturb the typical vibration. The position where the elastic members 16a and 16b are provided may be a place other than the contact 13. Further, the abutting portion 15 of the contact 13 is attached so as to protrude from the tip of the casing 2.
[0015]
On the other hand, the output signal of the detection element 18 is input to the filter circuit 22 through the output cord 20 and the amplifier circuit 21 of the device installed outside the catheter 1 as shown in FIG. The output of the filter circuit 22 is input again to the vibrator 11 in the casing 2 and becomes a drive signal for the vibrator 11. That is, the vibrator 11, the detection element 18, the amplifier circuit 21, and the filter circuit 22 form a self-excited oscillation closed circuit. By this self-excited oscillation circuit, the mechanical vibration system 19 including the vibrator 11, the contactor 13, and the detection element 18 performs mechanical resonance vibration as an integral mechanical vibration unit.
As the filter circuit 22, for example, a band pass filter, an integration circuit, a differentiation circuit, a peaking circuit, or the like having a frequency band in which the gain changes with respect to the frequency can be considered.
[0016]
The output line of the filter circuit 22 is connected to voltage measuring means 25 and frequency measuring means 26 so that the voltage and frequency of the self-oscillation circuit in operation can be monitored. The voltage measuring unit 25 and the frequency measuring unit 26 may be provided at any position in the self-excited oscillation circuit.
[0017]
(Function)
The measurer introduces the catheter 1 into the body cavity through an auxiliary tool such as an endoscope. And the catheter 1 is operated and the front-end | tip of the contactor 13 which is resonantly vibrating with respect to the surface of the target object 14 is made to contact. At this time, if the object 14 is an object rich in elasticity such as rubber, for example, as the acoustic impedance of the mechanical vibration system 19 increases, the resonance frequency becomes the acoustic impedance, that is, the hardness of the object 14. Slightly lowers accordingly. At this time, since the contact 13 has a tapered shape and is formed so that the cross-sectional area becomes smaller toward the tip in the axial direction, the acoustic impedance of the object 14 is enlarged and transmitted to the vibrator 11. The That is, in order to greatly promote the change of the resonance vibration with respect to the vibrator 11, the effect of lowering the resonance frequency is great.
[0018]
(effect)
Therefore, the resonance state changes greatly even with a slight hardness of the object 14, that is, a change in acoustic impedance, and a frequency change and a voltage change are large. For this reason, although the configuration is easy and inexpensive, it is sensitive to a slight change in the hardness of the object 14 and can measure the hardness with high accuracy. In addition, since the structure is relatively simple, a tactile sensor can be easily manufactured, and an inexpensive tactile sensor can be provided.
[0019]
Second Embodiment
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
(Constitution)
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing only the tip of the tactile sensor according to the second embodiment. In this tactile sensor, the contact 13 in the first embodiment is made of piezoelectric ceramic integrally with the vibrator 11. The outer periphery of the tip of the contact 13 integrated with the vibrator 11 is tapered. The other or the resonance circuit (not shown) is the same as that of the first embodiment described above, and a description thereof will be omitted.
[0020]
(Function)
Since the vibrator 11 and the contact 13 in this embodiment are composed of one component, assembly work such as bonding of the vibrator 11 and the contact 13 is not required at the time of assembly.
[0021]
(effect)
In addition to the effects of the first embodiment, the tactile sensor can be further easily assembled and inexpensive.
[0022]
<Third Embodiment>
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
(Constitution)
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing only the tip of the tactile sensor according to the third embodiment. The tactile sensor according to the third embodiment is provided with a rod-shaped contact 13 having the same diameter as the inner diameter of the cylindrical vibrator 11 in the first embodiment, and the base end portion of the contact 13 is provided. The vibrator 11 is fitted and fixed to the tip of the vibrator 11, and the tip of the contact 13 is slightly protruded forward of the vibrator 11. The vibrator 11 and the contactor 13 are manufactured so that the cross-sectional area of the contactor 13 is smaller than the cross-sectional area of the vibrator 11, although the cross-sectional area does not change in the vibration propagation direction. In addition, the cross section of the mechanical vibration system 19 is changed so that the cross-sectional area decreases step by step at the portion where the vibration propagates from the vibrator 11 to the contact 13, which is a vibration node of the mechanical vibration system 19. That is, the mechanical vibration part constitutes a step type horn. The elastic member 16b is selected in conformity with the elastic member 16b.
[0023]
(Function)
In addition to the action of the first embodiment for improving accuracy by changing the cross-sectional area, both the vibrator 11 and the contact 13 have a straight shape, so that complicated labor is not required when manufacturing these components.
[0024]
(effect)
In addition to the effects of the first embodiment, it is possible to provide a tactile sensor that is easy and inexpensive to work with parts of the contact 13.
[0025]
<Fourth embodiment>
With reference to FIGS. 4A and 4B and FIG. 5, a fourth embodiment of the present invention will be described.
(Constitution)
FIG. 4A shows a schematic configuration of the tactile sensor system. In the figure, reference numeral 1 denotes a long catheter forming the main body of the tactile sensor probe. The catheter 1 is introduced into a patient's body cavity through an insertion channel of an endoscope, for example, by an operator not shown. Is. As shown in FIG. 4B, a cylindrical casing 2 having the same diameter is attached to the distal end of the catheter 1 coaxially with the catheter 1. A contact 13 formed in a cap shape with an elastic material is connected to the tip of the casing 2. The base end portion of the cap-shaped contact 13 is fitted on the outer periphery of the distal end portion of the casing 2 and is coaxially arranged, and the two outer peripheral surfaces are connected to be flush with each other. A plurality of grooves 31 and ridges 32 that engage with the grooves 31 are provided on the fitting peripheral surface portions of the casing 2 and the contact 13, respectively. Then, by engaging the groove 31 and the protrusion 32, the casing 2 and the contact 13 are connected while maintaining watertightness. You may make it fix these both by adhesion | attachment.
[0026]
Similar to the first embodiment, the distal end of the coil core member 6 of the catheter 1 and the distal end portion of the catheter 1 are fitted to the rearmost end portion of the casing 2, and the distal end portion of the catheter 1 is a bobbin winding portion 7. And is fixed by the sealing material 8. Further, the tip end portion of the coil core member 6 is fixed to the rearmost end portion of the casing 2 by brazing.
[0027]
A cylindrical vibrator 11 is coaxially disposed in the casing 2. As the vibrator 11 here, for example, a piezoelectric ceramic is used, but a crystal oscillator, a magnetostrictive element, a polymer piezoelectric body (PVDF), or the like may be used. The vibrator 11 is polarized in the radial direction, and electrodes are attached to the inner peripheral surface and the outer peripheral surface, respectively. When a time-varying voltage is applied to both electrodes provided on the inner and outer peripheral surfaces through the power supply cord 12, the vibrator 11 performs mechanical vibration.
[0028]
The contact 13 has a truncated cone shape at the tip, and a metal core member 33 is provided at the center. The core member 33 is inserted and attached when the contact 13 is formed. By this insert molding, the elastic material of the contact 13 and the core member 33 are integrated while maintaining watertightness. As an elastic material for forming the contact 13, for example, a synthetic rubber such as silicon rubber, or a resin material such as polyurethane or fluororesin may be used.
[0029]
The tip of the contact 13 formed in the shape of a truncated cone is formed in a tapered shape, but the flat part at the tip of the contact 13 is formed as an abutting portion 15 that abuts against the object 14. . Moreover, the front-end | tip part of the core member 33 is formed in the cone shape with which the point was sharp, and the cone bottom side part 33a protrudes in the flange shape slightly large. Only a conical tip 34 with a sharp point on the core member 33 protrudes slightly from the abutting portion 15.
[0030]
The rear end portion of the core member 33 is closely inserted and fitted to the front end portion of the vibrator 11. That is, since the rear end portion of the core member 33 is fixed in a state of being closely fitted in the inner hole 11a of the vibrator 11, both are in close contact with each other. The tip of the vibrator 11 abuts against the inner surface of the contact 13 and is in close contact therewith. At least the vibrator 11 and the contact 13 constitute a mechanical vibration part.
[0031]
At the base end of the vibrator 11, a detection element 18 is closely and coaxially installed coaxially therewith. The detection element 18 functions as a sensor for monitoring the amplitude and frequency of vibration of the vibrator 11 by vibrating in cooperation with the vibrator 11. As a material for the detection element 18, a piezoelectric ceramic, a crystal oscillator, or the like is used as in the vibrator 11. The contact 13, the vibrator 11, and the detection element 18 are supported on the inner surface of the casing 2 via a ring-shaped elastic member 16. Further, since the ring-shaped holding elastic member 16 is interposed between the casing 2 and the vibrator 11, no mechanical vibration is transmitted to the casing 2 side. Further, the contact 13, the vibrator 11, and the detection element 18 constitute a mechanical vibration part of a mechanical vibration system 19 that is an integral unit assembly. As shown in FIG. 4A, the holding elastic member 17 is provided at the vibration node of the mechanical vibration part of the mechanical vibration system 19. In this way, the mechanical vibration is not inhibited. The holding elastic member 16 may be provided at a location other than the contact 13. Further, the contact portion 15 of the contactor 13 and the rear end of the detection element 18 are configured to be positioned at the abdomen of mechanical vibration of the mechanical vibration system 19.
[0032]
On the other hand, as shown in FIG. 1A, the output signal of the detection element 18 is input to the filter circuit 22 through the output cord 20 and the amplifier circuit 21 of the device installed outside the catheter 1. The output of the filter circuit 22 is input again to the vibrator 11 in the casing 2 and becomes a drive signal for the vibrator 11. That is, the vibrator 11, the detection element 18, the amplifier circuit 21, and the filter circuit 22 form a self-excited oscillation closed circuit. By this self-excited oscillation circuit, the mechanical vibration system 19 including the vibrator 11, the contact 13 and the detection element 18 integrally performs mechanical resonance vibration.
[0033]
The output line of the filter circuit 22 is connected to voltage measuring means 25 and frequency measuring means 26 so that the voltage and frequency of the self-oscillation circuit in operation can be monitored. The voltage measuring unit 25 and the frequency measuring unit 26 may be provided at any position in the self-excited oscillation circuit.
[0034]
FIG. 5 shows a state where the tactile sensor is inserted into the body cavity of the patient 36 through the channel of the endoscope 35 and the hardness measurement diagnosis of the digestive tract is performed. After inserting the insertion portion of the endoscope 35 into the body cavity of the patient 36, the catheter 1 of the tactile sensor is inserted into the channel of the endoscope 35 and introduced into the digestive tract of the patient 36. On the other hand, the amplifier circuit 21 and the filter circuit 22 are arranged in a controller 37 placed outside the endoscope 35. Similarly, the voltage measuring means 25 and the frequency measuring means 26 are arranged in a measuring unit 38 placed outside the endoscope 35. The imaging signal obtained by the endoscope 35 is combined by the camera control unit 39 and then displayed as an image on the monitor 42 via the scan converter 41.
[0035]
On the other hand, the hardness information extracted by the measuring unit 38 is converted into a graph and input to the scan converter 41. The hardness information graph 43 is superimposed on the observation image of the endoscope 35 by the scan converter 41 and is displayed on the screen of the monitor 42 so as to overlap the image 44 of the endoscope 25.
[0036]
(Function)
In addition to the original purpose that the contact 13 is a member that contacts the object 14, it can be integrally manufactured as a molded part having both a watertight structure and a vibration absorbing structure.
(effect)
Although the contactor 13 is a molded part that can be easily manufactured, it can be a tactile sensor that is inexpensive and easy to manufacture and assemble by combining a plurality of functions.
The contact 13 may be composed of a ceramic part at the center and a part having lower elasticity than the center at the periphery.
[0037]
<Fifth Embodiment>
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the core member 33 in the contact 13 in the above-described fourth embodiment is omitted, and the entire contact 13 is integrally made of an elastic material.
[0038]
<Sixth Embodiment>
A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
(Constitution)
FIG. 7 shows only the tip of the tactile sensor of the fourth embodiment. In the tactile sensor configured as in the fourth embodiment, the fixing member 16 that holds the member of the mechanical vibration system 19 is made of a foamable material containing a lot of air such as polystyrene.
[0039]
(Function)
In addition to the operation of the first embodiment, since the fixing member 16 contains a large amount of air, the vibration absorption efficiency is high, and even slight vibration from the vibrator 11 to the casing 2 is absorbed.
[0040]
(effect)
In addition to the effects of the fourth embodiment, transmission of vibrations from the vibrator 11 to the casing 2 can be almost completely cut off, and a tactile sensor capable of highly accurate measurement can be obtained.
[0041]
<Seventh Embodiment>
With reference to FIG. 8, a seventh embodiment of the present invention will be described.
(Constitution)
FIG. 8 shows only the tip of the tactile sensor of the seventh embodiment. In the tactile sensor having the configuration of the fourth embodiment, the fixing member 16 is disposed at the rear end of the detection element 18 and connected to the casing 2 via the fixing member 16 made of an elastic member.
[0042]
(Function)
In addition to the operation of the fourth embodiment, the mechanical vibration system 19 including the vibrator 11, the detection element 18, and the contact 13 is divided into the longest two points of the contact 13 at the front end and the detection element 18 at the rear end. The members of the vibration system 19 can be accurately positioned with respect to the casing 2 in order to be fixed with respect to the casing 2 at a distance.
[0043]
(effect)
In addition to the effects of the fourth embodiment, since the work assembly accuracy is improved, a tactile sensor with little measurement error can be obtained.
[0044]
In the above-described embodiment, the hardness of the object in the body cavity is measured by introducing it into the body cavity. However, the hardness of the external body such as the patient's skin may be measured.
[0045]
The vibrator according to the present invention is not limited to the one polarized in the radial direction, but may be one that is polarized in the axial direction and further laminated with the piezoelectric ceramic.
[Appendix]
(Group 1)
(1) The mechanical vibration part is vibrated in a resonance state by a self-excited oscillation circuit using a feedback loop, and information on the change in the resonance state when the mechanical vibration part comes into contact with the object to be measured is obtained. The tactile sensor according to claim 1, wherein the mechanical vibration part has a shape in which a cross-sectional area in a vibration propagation direction changes.
(2) Information on the change in oscillation frequency of the self-excited oscillation circuit when the transducer is resonated by a self-excited oscillation circuit using a feedback loop and the contactor mechanically coupled to the oscillator or the transducer contacts the object. As a result, in the tactile sensor used as the hardness information of the object, the cross-sectional area of the contact is measured from the tip of the contact over the length of 1/4 wavelength to 1/2 wavelength of the elastic vibration in the axial direction. A tactile sensor characterized by a shape that decreases in the propagation direction.
[0046]
(3) The tactile sensor according to appendix (1), wherein the mechanical vibration unit includes at least one of a vibrator and a contact.
(4) The mechanical vibration part is composed of a vibrator and a contact, and the total length of the contact is from 1/4 wavelength to 1/2 wavelength of axial elastic vibration (1) Tactile sensor.
(5) The tactile sensor according to appendix (1), wherein the contact has a shape in which a cross-sectional area decreases in a vibration propagation direction.
(6) A tactile sensor characterized in that a mechanical vibration unit including a vibrator and a contact and a detection element are integrally formed of piezoelectric ceramic.
[0047]
(7) The tactile sensor according to (1), wherein the mechanical vibration part has a tapered shape.
(8) The tactile sensor according to appendix (1), wherein the mechanical vibration part is a step type horn.
(9) The vibrator has a cylindrical shape, and a rod-shaped contact having an outer diameter equal to the inner diameter of the vibrator is fitted into the lumen of the vibrator, and the mechanical vibration portion forms a step-type horn. (1) Tactile sensor characterized by
(10) The tactile sensor according to appendix (1), wherein a space is provided inside the mechanical vibration unit.
[0048]
(Problems of the first group of conventional examples)
About note (1)
In tactile sensors that provide a horn member between the transducer and the contact to expand the vibration amplitude at the contact and perform high-precision measurements, the transducer, horn member, and contact are configured linearly. For this reason, there are problems that the overall length becomes long and the operability is poor, and the cost increases because the number of components increases.
[0049]
Notes (2) to (9)
For tactile sensors that perform high-accuracy measurement by expanding the vibration amplitude at the contact by changing the cross-sectional area of the contact in the axial direction, the length of the part that has a change in the cross-sectional area of the contact However, since it was a short wavelength of 1/4 wavelength or less, sufficient amplitude expansion could not be obtained, and it did not necessarily lead to improvement in accuracy.
However, according to the appendices 2 to 9, it is possible to provide a tactile sensor with good operability by shortening the overall length.
[0050]
Appendix (2) Action
In order to effectively increase the amplitude of vibration, it is desirable to provide a portion where the cross-sectional area changes in the vibration node. There is always one node between the 1/4 wavelength and 1/2 wavelength of the elastic vibration in the axial direction from the tip of the contact. By changing the cross-sectional area within the length of the range including the nodes, the amplitude can be expanded more effectively, and as a result, a tactile sensor that can measure with high accuracy can be obtained.
[0051]
Action of appendix (10)
In order to increase the amplitude of vibration, it is effective to reduce the weight of the mechanical vibration portion. Therefore, by providing a space inside the mechanical vibration part that is not involved in the generation of vibration, the mechanical vibration part can be reduced in weight, and as a result, a tactile sensor that can measure with high accuracy can be obtained.
[0052]
(Second group)
(1) The mechanical vibration system is vibrated in a resonant state by a self-excited oscillation circuit using a feedback loop, and information on changes in the resonant state when the vibrator or a contactor mechanically coupled to the vibrator comes into contact with an object is obtained. In addition, in the tactile sensor used as the hardness information of the object, a part or all of the contacts are formed of an elastic material.
(2) The tactile sensor according to appendix (1), wherein a part or all of the contacts are made of a resin material.
(3) The tactile sensor according to appendix (1), wherein a part or all of the contacts are made of polyurethane resin.
(4) The tactile sensor according to appendix (1), wherein a part or all of the contacts are made of a fluororesin.
[0053]
(5) The tactile sensor according to appendix (1), wherein a part or all of the contacts are made of a synthetic rubber material.
(6) The tactile sensor according to appendix (1), wherein a part or all of the contacts are made of silicon rubber.
(7) The tactile sensor according to appendix (1), wherein part or all of the contacts are made of fluororubber.
(8) The tactile sensor according to appendix (1), wherein the contact is made of parts having different elasticity between a central portion and a peripheral portion.
[0054]
(9) The tactile sensor according to appendix (1), wherein the contact is made of a metal part in a central part and a part having lower elasticity than the central part in a peripheral part.
(10) The tactile sensor according to (1), wherein the contact is made of a ceramic part in the center and a part having lower elasticity than the center in the periphery.
(11) The tactile sensor according to appendix (1), wherein the contactor is watertightly coupled to a casing member covering the vibrator at a peripheral portion.
According to this, the contactor can also serve as a watertight means for supporting the vibration system with the casing member in a watertight structure.
(12) The tactile sensor according to appendix (1), wherein the tactile sensor is coupled to the casing member by a fixing member in the vicinity of a vibration node of the vibrator.
According to this, it is possible to fix the vibrator without attenuating vibration by fixing at the vibration node.
[0055]
(13) The tactile sensor according to appendix (1), wherein the tactile sensor is coupled to the casing member by a ring-shaped fixing member in the vicinity of a vibration node of the vibrator.
(14) The tactile sensor according to appendix (1), wherein the fixing member that holds the mechanical vibration system is a foam material.
(15) The tactile sensor according to appendix (1), wherein the fixing member that holds the mechanical vibration part is a foamable styrene material.
(16) The tactile sensor according to appendix (1), wherein a tip including a vibrator and a contact can be inserted through an endoscope channel.
According to this, since it is possible to diagnose the hardness in the body cavity of the patient through the endoscope without giving an invasion such as an incision, it is possible to provide a tactile sensor that does not give pain to the patient.
(17) A tactile sensor that vibrates the mechanical vibration system and obtains change information of the state when the vibrator or the contactor mechanically coupled to the vibrator comes into contact with the object, and uses it as the hardness information of the object A tactile sensor characterized in that a part or all of the contacts are made of an elastic material.
[0056]
(Second group of prior art)
2. Description of the Related Art A tactile sensor that measures the hardness of an object by bringing a probe that vibrates ultrasonically into contact with the object and detecting a change in the resonance frequency of the probe or a change in voltage has been known (Japanese Examined Patent Publication No. 40-40). No. 27236, JP-A-1-189583, and JP-A-2-290529). Such a tactile sensor can (1) measure the hardness quantitatively. (2) Measurement time is short due to electrical measurement. (3) Nondestructive measurement is possible. Taking advantage of the above, it has been proposed to measure the elasticity of the skin and use it as a tactile sensor for an industrial robot. In the tactile sensor according to the prior art, a vibration system including an objective contact vibrator that is brought into contact with an object is manufactured from a metal material having a high sound velocity in order to increase the vibration transmission effect. Further, the vibration member is supported by an elastic member from a casing member that covers the vibration system, and vibrations are prevented from being transmitted to the casing member.
[0057]
(Disadvantages of Group 2 prior art)
However, since the conventional tactile sensor is configured to be supported by the elastic member from the casing member that covers the vibration system, the structure is complicated, the assemblability is poor, the outer diameter is large, and the operability is poor. was there. In particular, when inserting into an organism through an endoscope and measuring the hardness of a living tissue for diagnosis, a large tactile sensor must use an endoscope with a large outer diameter, causing pain to the patient. It was to give.
[0058]
(Overall purpose and effect of 2 groups)
Provided is a tactile sensor that is easy to assemble and has good operability due to its small outer shape, and further reduces patient pain even when used in a diameter endoscope.
[0059]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a tactile sensor that can measure the hardness of an object to be measured with high accuracy, has a relatively simple configuration, is easy to manufacture, and is relatively inexpensive.
[Brief description of the drawings]
1A is an explanatory diagram of a schematic configuration of a tactile sensor system according to a first embodiment, and FIG. 1B is a longitudinal sectional view of a tip portion of the tactile sensor.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a distal end portion of a tactile sensor according to a second embodiment.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a distal end portion of a tactile sensor according to a third embodiment.
4A is an explanatory diagram of a schematic configuration of a tactile sensor system according to a fourth embodiment, and FIG. 4B is a longitudinal sectional view of a tip portion of the tactile sensor.
FIGS. 5A and 5B are explanatory views schematically showing a usage state of a tactile sensor system according to a fourth embodiment, and FIG. 5B is a perspective view showing a state where a tip of the tactile sensor is applied to an object.
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a distal end portion of a tactile sensor according to a fifth embodiment.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view of a distal end portion of a tactile sensor according to a sixth embodiment.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of a distal end portion of a tactile sensor according to a seventh embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Catheter, 2 ... Casing, 11 ... Vibrator, 13 ... Contact, 15 ... Abutting part, 16 ... Elastic member, 18 ... Detection element, 19 ... Mechanical vibration system, 21 ... Amplifier circuit, 22 ... Filter circuit 25 ... Voltage measuring means, 26 ... Frequency measuring means.

Claims

The mechanical vibration unit is resonated by a self-excited oscillation circuit using a feedback loop, and the change information of the resonance state when the mechanical vibration unit comes into contact with the object to be measured is obtained. In the sensor
The cross-sectional area of the mechanical vibration part decreases in the propagation direction of vibration from the contact surface of the mechanical vibration part with the object over a length of a half wavelength of the elastic vibration in the axial direction , and The mechanical vibration unit includes a contactor that is brought into contact with an object to be measured, and a part or all of the contactor is formed of an elastic material, and the mechanical vibration unit is formed using the portion formed of the elastic material. The tactile sensor is characterized in that the portion is supported by a casing covering the vibrator .

The mechanical vibration unit is resonated by a self-excited oscillation circuit using a feedback loop, and the change information of the resonance state when the mechanical vibration unit comes into contact with the object to be measured is obtained. In the sensor
The mechanical vibration unit includes a contact that contacts the object and a vibrator that generates vibration, and extends from a contact surface of the contact with the object to a quarter wavelength of elastic vibration in the axial direction. The cross section of the contact has a shape that decreases in the propagation direction of vibration, and part or all of the contact of the mechanical vibration portion is formed of an elastic material, and the portion formed of the elastic material is used. The tactile sensor is characterized in that the mechanical vibration part is supported by a casing covering the vibrator .