JPH10104146A - 硬さ測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は特に生体の体内組織などのような軟ら
かい測定対象物の硬さを測定するときの分解能を向上さ
せることができる硬さ測定装置を提供することにある。 【解決手段】本発明の硬さ測定装置は、測定対象物に接
触させる接触子６に機械的に接続された振動子７の共振
周波数を検出する周波数測定回路４１と、前記測定対象
物と前記接触子６の間に働く荷重を検出する力覚センサ
２５とを設け、前記周波数測定回路４１の測定値と前記
力覚センサ２５の測定値を同期して演算回路４３で受け
て前記測定対象の硬さを求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、共振状態で振動す
る物体が対象物に触れたときの共振状態の変化を検出
し、対象物の硬さを求める硬さ測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波振動する圧電振動子あるいはこれ
に機械的に結合された接触子を測定対象物に接触させた
ときの、圧電振動子の共振周波数やインピーダンスの変
化量を測定して、測定対象物の硬さを求めるものが知ら
れている（例えば、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）。このような硬さ測定装置は、硬さを
定量的に測定できる、電気的な測定であるために測定
時間が短い、非破壊的な測定ができるなどの利点があ
るため、その利点を生かして、人体の皮膚の弾性度の測
定或いは工業用ロボットの触覚センサとして用いること
が考えられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】

（問題点）しかしながら、従来の硬さ測定装置において
は圧電振動子あるいはその圧電振動子と機械的に結合さ
れた接触子が測定対象物と接触したときの測定対象物の
物性量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測定対象物の硬
さ情報を得る方式であるために、測定対象物が生体組織
やゴム材料などのような柔らかい物の場合、特に胃や食
道の内壁などのように非常に軟らかい体内組織ではその
硬さの違いを検出する場合の分解能が著しく低くなり、
測定データのばらつきが大きくなってしまうという問題
があった。また、硬さ測定装置の出力は測定対象物と接
触子の間に働く接触荷重の影響を大きく受けて測定の正
確度が低下してしまうという問題があった。

【０００４】（目的）本発明は前記課題に着目してなさ
れたもので、その目的とするところは特に生体の体内組
織などのような軟らかい測定対象物の硬さを測定すると
きの分解能を向上させることができる硬さ測定装置を提
供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の硬さ測定装置
は、測定対象物に接触させる接触子と、前記接触子に機
械的に接続された振動子と、前記振動子の共振状態の少
なくとも一つの特性量を検出する共振状態検出回路と、
前記測定対象物と前記接触子の間に働く荷重を検出する
荷重検出手段と、前記共振状態検出回路の測定値と前記
荷重検出手段の測定値を受けて演算し前記測定対象の物
性量を求める演算手段と、前記演算手段の算出結果を提
示する提示手段を有することを特徴とする。測定対象物
と接触子の接触荷重と振動子の共振状態の特性量を一緒
に検出し、前記演算手段で演算して前記測定対象の物性
量を求めるという作用をもつ。

【０００６】

【発明の実施の形態】

＜第１実施形態＞図１ないし図４を参照して、第１実施
形態を説明する。図１（ａ）は本実施形態に係る硬さセ
ンサ部と硬さ測定系からなる硬さ計測システムを示すブ
ロック図、図１（ｂ）は本実施形態に係る触覚センサの
先端部の内部構造を示す断面図、図２は接触荷重と周波
数変化の関係を示したグラフ、図３は接触荷重と電気音
響変換器の駆動電極における共振電圧振幅変化の関係を
示したグラフ、図４は接触荷重と電気音響変換器の検出
電極に発生する出力電圧振幅変化の関係を示したグラフ
である。

【０００７】（構成）図１中１はセンサプローブを示
す。センサプローブ１は長尺な可撓性チューブからなる
保持部材２の先端に硬さセンサ部３を取着して構成され
ている。硬さセンサ部３は、略筒状のケーシング４内に
電気音響変換器５を同軸的に組み込み、ケーシング４の
先端に接触子６を取着してなるものである。電気音響変
換器５は円筒形状に成形・焼結されたＰＺＴ等の圧電セ
ラミクスで径方向に分極処理がなされた圧電式の振動子
７を有し、この振動子７の内周面にはその先端から後端
にわたり金属膜が設けられていて、これを接地電極８と
している。接地電極８には接地線９がはんだ付けにより
接続されている。接地線９の他端は硬さ測定系のグラウ
ンドレベルに接地される。振動子７の外周面には先端か
ら円筒部全長の約３／４程度の長さにわたり金属膜から
なる駆動電極１１が設けられ、これには駆動線１２が接
続されている。そして、この駆動電極１１で覆われた振
動子７の部分で振動部を構成する。

【０００８】また、駆動電極１１との間に絶縁のための
スペース１３を空けて、前記駆動電極１１よりも後端側
部分に位置して、振動子７の外周面には、金属膜からな
る検出電極１４が設けられている。この検出電極１４に
は硬さ測定系に通じる信号線１５が接続されている。そ
して、この検出電極１４で覆われた振動子７の部分で検
出部を構成する。このように振動子７には３個の電極
８，１１，１４を設けている。

【０００９】図１（ｂ）で示すように、振動子７は、ケ
ーシング４の先端部に装着されるカバーを兼ねた継手リ
ング１６の内面に、リング状の固定部材１７を介在させ
ることによりケーシング４内の中央に位置して保持され
ている。固定部材１７は振動子７の振動の節の近傍に設
けられており、振動子７の振動がカバー用ケーシング４
に伝達しずらくしている。

【００１０】接触子６は先端部を大径に形成した接触部
１８とし、その先端面は対象物に当てる球面状の接触面
を形成している。接触子６の基端部分は振動子７の円筒
部内径よりも若干小さい外径を有する円柱状の突出部１
９としてなり、この突出部１９を振動子７の円筒部内周
に密に挿入して両者を接着することにより、電気音響変
換器５と接触子６とが機械的に一体な接続状態になり、
両者の音響的結合を強固なものとしてある。接触子６の
大径な先端接触部１８と小径の突出部１９の間の境部分
における段差部はいわゆるアール面によって形成され、
滑らかに断面半径が変わる形状に作られている。このた
め、電気音響変換器５から接触子６の全体的な振動モー
ドが周波数雑音の少ない振動のものになる。

【００１１】接触子６の先端部１８における側周面はポ
リウレタンやシリコンゴム等の弾性材料によって作られ
た筒状の弾性部材２１によって覆われている。弾性部材
２１は継手リング１６の先端部外周に嵌着されている。
継手リング１６はその基端部をケーシング４の先端部に
嵌合してケーシング４に取着固定されている。

【００１２】前記硬さセンサ部３にはケーシング４の後
端に位置して力覚センサ２５が設けられている。この力
覚センサ２５は測定対象物と前記接触子６の間に働く荷
重を検出する荷重検出手段を構成するものである。ここ
で、力覚センサ２５は前端柱部２６と後端柱部２７の間
にＺ字状の弾性アーム部（弾性要素）２８を配置してあ
り、弾性アーム部２８の一端が前端柱部２６に連結し、
弾性アーム部２８の他端が後端柱部２７に連結して一体
に形成されている。また、弾性アーム部２８において、
応力が集中する位置には検出要素として、例えば、半導
体よりなる複数の歪みゲージ２９ａ，２９ｂが貼り付け
られている。歪みゲージ２９ａ，２９ｂはこれに応力が
加わることによりその抵抗値が変化し、この変化により
加わった力を検出する。

【００１３】力覚センサ２５の前端柱部２６はケーシン
グ４の後端に固定され、力覚センサ２５の後端柱部２７
は保持部材２の先端に固定されている。保持部材２には
コイル芯材３０を内装して補強がなされている。保持部
材２の先端縁はケーシング４の後端外周に被嵌され、糸
３１によって締め付けられて接着剤３２により固着され
ている。力覚センサ２５はケーシング４や保持部材２に
よって液密に覆われている。

【００１４】前記の接地線９と駆動線１２と信号線１５
はまとめて、力覚センサ２５の中空部と側方隙間を通じ
て保持部材２に導かれている。ケーシング４の後端と前
端柱部２６の中空部分で、はんだ付け部２４が形成され
ている。この場合、駆動線１２と信号線１５はいずれも
同軸ケーブルの芯線を使用し、各同軸ケーブルのシール
ド線は前記接地線９としてある。

【００１５】一方、硬さセンサ部３の検出部の出力信号
は信号線１５を介して硬さ測定系３５に伝送され、その
硬さ測定系３５の電力増幅器、例えばアンプ回路３６に
より増幅され、フィルタ回路３７に入力される。フィル
タ回路３７は、たとえば前記電気音響変換器５と接触子
６の基本振動周波数を中心周波数とし、その前後に１０
％程度の比帯域幅を有するバンドパスフィルタであり、
ここで、フィルタ回路３７のバンドパス周波数は振動子
７の共振周波数よりも低い周波数に調整されている。そ
して、フィルタ回路３７は、検出部の出力から雑音を除
くとともに、電気音響変換器５が不所望な高次モードで
振動するのを防止する。

【００１６】フィルタ回路３７の出力は、例えば図示し
ない電力増幅器により増幅され、駆動線１２を通じて振
動部に供給される。振動部の振動は再び検出部にて検出
される。以上の経路は、電気音響変換器５の振動を検出
した出力が、電気音響変換器５の駆動電力に対して正帰
還されるように接続されており、これにより、電気音響
変換器５の振動部および検出部とアンプ回路３６及びフ
ィルタ回路３７が自励発振の閉ループを形成する。そし
て、電気音響変換器５及び接触子６からなる機械的振動
系がその閉ループのループゲインが最大になるような周
波数にて、一体的に機械的共振振動を行う共振回路３８
を構成している。

【００１７】一方、フィルタ回路３７の出力端には、共
振周波数を検出する周波数カウンタ等の周波数測定手段
４１が接続されており、動作中の自励発振回路の周波数
をモニタすることができるようになっている。なお、周
波数測定手段４１はこの自励発振回路の閉ループ内なら
どこに設けてもよい。

【００１８】また、力覚センサ２５の出力端には、硬さ
センサ部３の接触子６に加わる荷重を計測する動歪み計
４２が接続されており、測定中、力覚センサ２５の出力
より接触子６に加わる荷重を計測する。そして、演算回
路４３で、周波数カウンタ（周波数測定手段）４１の出
力と動歪み計４２の出力を受けて演算し、硬さセンサ部
３の接触子６に接触する測定対象物の硬さ情報に変換す
る測定部４４を構成している。測定部４４の演算回路４
３で算出した硬さ測定値は提示手段に提示される。例え
ば、記憶装置に記憶され、またはその算出結果を表示手
段４５に表示される。

【００１９】（作用）電気音響変換器５及び接触子６か
らなる機械的振動系は前記閉ループのループゲインが最
大になるような周波数にて、一体的に機械的共振振動を
行う。保持部材２を手に持ち、硬さセンサ部３の接触子
６に測定対象物を接触させると、振動子７の共振周波数
が変化する。また、これと同時に測定対象物と接触子６
の接触により力覚センサ２５には圧縮される力が働く。
この圧縮力により歪みゲージ２９ａ，２９ｂは変形し、
その抵抗値が変化する。歪みゲージ２９ａ，２９ｂの抵
抗値の変化は動歪み計４２で検出される。そして、演算
回路４３は周波数カウンタ４１と動歪み計４２のより信
号を同期して受信する。

【００２０】動歪み計４２の出力が一定の値（敷居値）
になったときの、周波数カウンタ４１からの信号値を測
定対象物の硬さを示す特徴量として検出する。この検出
された特徴量はそのまま表示手段４５に数値表示しても
よいが、任意の変換演算を行い、変換した値を例えばグ
ラフにして表示手段４５に表示する。

【００２１】ここで、動歪み計４２の出力の敷居値とし
ては測定対象物と接触子６の接触荷重が小さいところに
設定するのが好ましく、接触荷重値としては、２０ｇｆ
以下がよく更に望ましくは１０ｇｆ以下、更には２ｇｆ
以下が好ましい。

【００２２】ここで、異なる硬さを持つシリコンゴム
に、本硬さ測定装置の接触部を接触させた場合の接触荷
重と周波数変化の関係を示したグラフを図２に示す。図
２での測定対象物は、シリコン１〜シリコン３になるに
従い、硬いシリコンゴムである。軟らかい対象の硬さを
比較するには、接触荷重が小さい領域で共振周波数の変
化を検出した方が、硬さ分解能が向上することがわか
る。

【００２３】また、図３には、接触荷重と、電気音響変
換器５の駆動電極１１における共振電圧振幅の関係を示
したグラフである。接触荷重と共振周波数変化の関係と
同様の傾向を示している。この事より、共振周波数変化
の代わりに共振電圧振幅変化の値を利用しても同様の結
果が得られる。この場合の構成は周波数カウンタ４１の
代わりに交流電圧計を用いればよい。

【００２４】また、図４には、接触荷重と、電気音響変
換器５の検出電極１４に発生する出力電圧振幅変化の関
係を示したグラフである。接触荷重と共振周波数変化の
関係と同様の傾向を示している。この事より、共振周波
数変化の代わりに出力電圧振幅の値を利用しても同様の
結果が得られる。この場合の構成は周波数カウンタ４１
の代わりに交流電圧計を用いればよい。

【００２５】また、フィルタ回路３７を共振回路３８よ
り除いた構成の場合でも、本実施形態と同様に操作する
ことにより同様の結果が得られる。また、このとき、ス
タガ同調フィルタの様な透過帯域幅の平坦なフィルタを
配置してもよい。

【００２６】また、力覚センサ２５としては、圧電材料
である圧電セラミック、圧電ゴム、ＰＶＤＦなどを使用
してもよい。また、光学的力センサや、静電容量検出型
の力センサを用いてもよい。

【００２７】（効果）この実施形態によれば、柔らかい
測定対象物でもその硬さの違いを分解する能力が向上す
る。

【００２８】＜第２実施形態＞前述した第１実施形態と
略同様に構成されるが、その機能が異なる。第１実施形
態と異なるところのみ説明する。周波数カウンタの出力
が一定の値（敷居値）になったときの、動歪み計４２か
らの信号値を測定対象物の硬さを示す特徴量として検出
する。この検出された特徴量は、そのまま表示手段４５
に数値表示しても、任意の変換演算を行い変換した値を
表示手段４５に表示してもよい。ここで、異なる硬さを
持つシリコンゴムに、本硬さ測定装置の接触部を接触さ
せた場合の接触荷重と周波数変化の関係を示したグラフ
は図２に示すようになる。図２より軟らかい対象の硬さ
を比較するには共振周波数の変化量に敷居値を設け、共
振周波数変化量が敷居値を越えたときの接触を検出する
ことにより硬さ分解能が向上することがわかる。 （効果）この実施形態でも、柔かい対象物の硬さの違い
を分解する能力が向上する。

【００２９】＜第３実施形態＞前述した第１実施形態と
略同様に構成されるが、その機能が異なる。第１実施形
態と異なるところのみ説明する。図２の結果によると、
本硬さ測定装置を対象物に接触させた場合、共振周波数
の変化量は、接触荷重の増加に伴い、マイナス側に増加
するが、ある値で極値をとり減少に転じることがわか
る。極値における共振周波数の変化量は、測定対象物が
軟らかいほどマイナス側に大きい。また、極値をとる接
触荷重値は、柔かい対象物ほど小さい。上記のことよ
り、接触荷重の変化に対し、共振周波数変化量が極値を
とったときの共振周波数値より対象物の硬さを識別でき
ることがわかる。

【００３０】そこで、動歪み計４２の出力を測定しなが
ら、周波数カウンタ４１からの信号値も測定する。周波
数カウンタ４１からの信号変化量がマイナス側に極値を
獲ったときの周波数カウンタ４１の出力値を、測定対象
物の硬さを示す特徴量として検出する。この検出された
特徴量はそのまま表示手段４５に数値表示しても、任意
の変換演算を行って変換した値を表示手段４５に表示し
てもよい。

【００３１】また、本実施形態の方法では、接触荷重を
測定しなくても同様の操作、効果が得られる。 （効果）この実施形態でも、柔かい対象物の硬さの違い
を分解する能力が向上する。

【００３２】＜第４実施形態＞前述した第３実施形態と
略同様に構成されるが、その機能が異なる。第３実施形
態と異なるところのみ説明する。図２の結果より、共振
周波数変化量が極値をとったときの接触荷重値より対象
物の硬さを識別できることがわかる。そこで、動歪み計
４２の出力を測定し、周波数カウンタ４１からの信号値
も測定する。周波数カウンタ４１からの信号変化量がマ
イナス側に極値をとったときの動歪み計４２の出力値を
測定対象物の硬さを示す特徴量として検出する。この検
出された特徴量はそのまま表示手段４５に数値表示して
も、任意の変換演算を行い変換した値を表示手段４５に
表示してもよい。 （効果）この実施形態でも、柔かい対象物の硬さの違い
を分解する能力が向上する。

【００３３】＜第５実施形態＞前述した第１実施形態と
略同様に構成されるが、その機能が異なる。第１実施形
態と異なるところのみ説明する。図２の結果によると、
本硬さ測定装置を対象物に接触させた場合、共振周波数
の変化量は接触荷重の増加に伴い、マイナス側に増加す
るが、ある値で極値をとり減少に転じることがわかる。
共振周波数変化量が極値をとる前の共振周波周変化の接
触荷重に対する傾きは測定対象物が軟らかい程、マイナ
ス側に大きい。このことより、共振周波数変化の接触荷
重に対する傾きより対象物の硬さを識別できることがわ
かる。

【００３４】そこで、動歪み計４２の出力を測定しなが
ら、周波数カウンタ４１からの信号値も測定する。周波
数カウンタ４１からの信号変化量が、マイナス側に極値
を獲るよりも低い荷重領域内の異なる２回の測定の値
を、（Ｆ１、ｆ１）、（Ｆ２、ｆ２）とする。Ｆ１は第
１測定点における動歪み計４２の出力（接触荷重値）、
ｆ１は第１測定点における周波数カウンタ４１の出力値
（共振周波数値）であり、Ｆ２、ｆ２はそれぞれ第２点
における動歪み計４２の出力値と周波数カウンタ４１の
出力値である。ここで、演算回路（演算手段）４３によ
り、接触荷重に対する共振周波数の変化率（ｆ２−ｆ
１）／（Ｆ２−Ｆ１）を計算する。接触荷重に対する共
振周波数の変化率を、測定対象物の硬さを示す特徴量と
して検出する。この検出された特徴量はそのまま表示手
段４５に数値表示しても、任意の変換演算を行い変換し
た値を表示手段４５に表示してもよい。

【００３５】また、測定点の数を増やし、最小２乗法等
の計算手段により接触荷重に対する共振周波数の変化率
を求めてもよい。また、測定点の数を増やし、接触荷重
がゼロのときにおける接触荷重に対する共振周波数の変
化率を計算により外挿して求めてもよい。

【００３６】（効果）この実施形態でも、柔かい対象物
の硬さの違いを分解する能力が向上する。 ＜第６実施形態＞図５及び図６を参照して、第６実施形
態を説明する。図５は本実施形態に係る硬さセンサ部と
硬さ測定系からなる硬さ計測システムを示すブロック
図、図６は電圧検出回路の構成を示すブロック図であ
る。

【００３７】（構成）第６実施形態に係る硬さ測定装置
は前述した第１実施形態のものにおいて、その力覚セン
サの部分が取り除かれた構造になっている。振動子７に
設けられた検出電極１４にはアンプ回路３６とフィルタ
回路３７を備えた硬さ測定系３５に接続される。硬さ測
定系３５の出力は周波数測定手段４１と電圧検出回路５
１に入力される。周波数測定手段４１と電圧検出回路５
１の出力は演算回路４３に入力される。

【００３８】また、電圧検出回路５１は図６で示すよう
な回路構成になっている。つまり、図６において、５２
は高インピーダンス入力をもつバッファーであり、電圧
検出回路５１が圧電式振動子７の共振振動に影響を与え
ない様にするものである。５３はローパスフィルタであ
り、そのカットオフ周波数が圧電振動子７の共振周波数
よりも低く設定されている。５４は第２の増幅回路であ
り、ローパスフィルタ５３の出力信号を増幅する。第２
の増幅回路５４の出力は電圧計５５に接続され、この電
圧計５５が前記演算回路４３に接続される。

【００３９】（作用）次に、本実施形態における動作に
ついて説明する。硬さセンサ部３の接触子６を測定対象
物に当て接触させると、振動子７の共振周波数は測定対
象物の硬さに従い低下する。

【００４０】一方、振動子７は、固定部材１７で固定さ
れているので、接触子６と測定対象物の間に働く接触荷
重により圧縮力を受ける。このため、固定部材１７で固
定されている位置より接触子６側に設けられている振動
子７の部分には、圧電効果により電圧が生じ、その部分
に位置する駆動電極１１に現れる。駆動電極１１の電位
は、振動子７を共振振動駆動させているフィルタ回路３
７の出力信号に、前述した圧電効果による電圧を重ねあ
わせたものとなる。ここで、振動子７の共振周波数に比
べ、機械的接触による圧電効果による電圧は十分に低い
周波数成分しか持たない。

【００４１】そして、駆動電極１１の電位は電圧検回路
５１に送られる。電圧検出回路５１にはローパスフィル
タ５３が構成されているため、振動子７の共振信号はカ
ットされ、圧電効果による電圧による信号のみが第２の
増幅回路５４に伝送される。第２の増幅回路５４はその
信号を増幅し、電圧計５５で電圧を検出する。

【００４２】以上のように、圧電効果により発生する電
圧は圧縮力に比例するために演算回路４３で、電圧計５
５で検出した値により、接触子６と測定対象物の接触荷
重を算出する。この他の動作は第１実施形態と同様の方
法でなされ、対象物の硬さは表示手段４５によって表示
される。また、第２の実施形態から第５の実施形態の方
法により測定対象物の硬さを表示してもよい。

【００４３】（効果）この実施形態によれば、硬さセン
サ部３の振動子７で、測定対象物と接触子６の間に働く
接触荷重を測定する荷重検出手段として圧電効果型の力
覚センサを構成できる。このため、硬さ測定装置の構成
を単純化できると共に装置の小型化が図れる。その他の
効果は第１実施形態と同様である。

【００４４】＜第７実施形態＞図７を参照して、第７実
施形態を説明する。図７は電圧検出回路の構成を示すブ
ロック図である。

【００４５】（構成）この第７実施形態は基本的な構成
は前記第６実施形態と同じであるが、その電圧検出回路
５１が異なる。図７で示すように電圧検出回路５１はバ
ッファー５２の出力が、ハイパスフィルタ５６と第２の
バッファー５７にそれぞれ入力される。ハイパスフィル
タ５６は振動子７の共振周波数よりも低い周波数にカッ
トオフ周波数が設定されている。ハイパスフィルタ５６
と第２のバッファー５７の出力は差動増幅器５８により
差動増幅される。差動増幅回路５８の出力は電圧計５５
に入力される。

【００４６】（作用）この実施形態の電圧検出回路５１
の動作について説明する。ハイパスフィルタ５６により
入力された信号は低周波成分が除去され、振動子７の共
振周波数成分は透過されるが、接触子６と測定対象物の
間に働く接触荷重による圧電効果による電圧は透過され
ない。一方、第２のバッファー５７は全ての信号を透過
する。これら２つの信号の差を差動増幅器５８で増幅す
ると、ハイパスフィルタ５６ではカットされ、第２のバ
ッファー５７では透過された圧電効果による電圧のみが
出力される。この出力を電圧計５９で検出する。その他
は第６実施形態と同様である。

【００４７】（効果）この実施形態によれば、硬さセン
サ部３の振動子７で、測定対象物と接触子６の間に働く
接触荷重を測定する荷重検出手段を構成できる。このた
め、硬さ測定装置の構成を単純化できると共に装置の小
型化が図れる。さらに、高速にデータを取得できる。そ
の他の効果は第１実施形態と同様である。

【００４８】＜第８実施形態＞図８を参照して、第８実
施形態を説明する。図８は本実施形態に係る硬さセンサ
部と硬さ測定系からなる硬さ計測システムを示すブロッ
ク図である。

【００４９】（構成）この第８実施形態では基本的な構
成は前記第６実施形態と同じであるが、以下の点で異な
る。すなわち、硬さセンサ部３の振動子７には、固定部
材１７の位置より接触子６側に位置して第４の電極６１
を設け、この第４の電極６１を電圧検出回路５１に接続
したものである。

【００５０】（作用）接触子６と測定対象物の接触荷重
により圧電効果で振動子用固定部材１７より接触子６側
にある第４の電極６１には電圧が生じる。そして、この
電圧は電圧検出回路５１で検出される。その他の動作は
第６実施形態または第７実施形態と同様である。

【００５１】（効果）これによれば、第６実施形態と同
様の効果が得られる。 ＜第９実施形態＞図９を参照して、第９実施形態を説明
する。図９は本実施形態に係る硬さ測定装置の硬さセン
サ部の縦断面図である。

【００５２】（構成）この実施形態は先の第８実施形態
と以下の点を除き、同様な構成である。異なる点は振動
子７を保持する固定部材６５が圧電セラミックで作られ
ており、この固定部材６５には電極６６ａ，６６ｂを設
けて圧電効果型力覚センサを構成し、これを荷重検出手
段としている。電極６６ａ，６６ｂにはそれぞれ電線６
７を介して電圧検出回路５１に接続される。

【００５３】（作用）接触子６が測定対象物に接触する
と接触子６が押され、振動子用固定部材６５にせん断力
が働く。このため、振動子用固定部材６５に設けられた
電極６６ａ，６６ｂ間に電圧が発生し、この発生した電
圧は電圧検出回路５１で検出される。検出された結果よ
り演算回路４３で、接触子６と測定対象物との間に働く
接触荷重を計算する。その他は先の第８実施形態と同様
である。

【００５４】（効果）この実施形態によれば、振動子用
固定部材と力覚センサを同一の部材で構成できる。装置
の構造の簡略化と装置の小型化ができる。さらに高速に
データを取得できる。その他の効果は第１実施形態と同
様である。

【００５５】＜第１０実施形態＞図１０を参照して、第
１０実施形態を説明する。図１０は硬さ測定装置を内視
鏡観察下で使用するシステムの説明図である。

【００５６】（構成）図１０において、７１は内視鏡で
あり、この内視鏡７１は、内視鏡用光源装置７２及び内
視鏡用画像プロセッサ７３に接続されている。７４はセ
ンサカテーテルであり、このセンサカテーテル７４は、
硬さ測定装置の硬さセンサ部３を先端部に持ち内視鏡鉗
子孔に挿入可能な軟性である挿入部７５を有し、センサ
カテーテル７４の基端は前述した周波数カウンタ４１、
動歪み計４２、演算回路４３などを内蔵した計測部本体
７６に接続される。また、計測部本体７６は、硬さ測定
装置の情報をＣＲＴ７７上に表示可能な映像信号として
出力する。

【００５７】計測部本体７６からの映像信号と内視鏡用
画像プロセッサ７３からの内視鏡像はスーパーインポー
ズ装置７８にそれぞれ入力されて、スーパーインポーズ
処理を行われた上、ＣＲＴ７７の画面７９上に表示され
る。その他、第１実施形態から第９実施形態までの構成
のどのようなものであっても使用できる。

【００５８】（作用）ＣＲＴ７８を観察しながら内視鏡
７１の挿入部を体腔内に挿人し、硬さ測定を行いたい測
定対象物８０をＣＲＴ７７の画面７９上に表示させる。
ここで、内視鏡７１の鉗子孔にセンサカテーテル７４の
挿入部７５を通し、センサカテーテル７４の先端にある
硬さセンサ部３を、内視鏡先端より突出させる。さらに
センサカテーテル７４を測定対象物８０に接するまで内
視鏡７１よりセンサカテーテル７４を突き出させると、
硬さ測定装置の振動子共振状態が変化し、計測部本体７
６で硬さ情報に変換され、この情報８１を、ＣＲＴ７７
の画像７９にスーパーインポーズさせた状態で表示させ
る。このため、操作者は内視鏡画像を見たまま測定対象
物８０の硬さを知ることができる。

【００５９】（効果）以上の如く、内視鏡観察下で体腔
内の生体の硬さ測定を行うことができる。また、内視鏡
画像を見たまま硬さデータを見ることができる。なお、
本発明における荷重検出手段は、種々の方式が採用可能
であり、例えば光学的力センサ、静電容量型力覚セン
サ、圧電効果型力覚センサ等があり、また前記圧電効果
型力覚センサは圧電セラミック、圧電ゴム、ＰＶＤＦ等
によって構成することが可能である。さらに、本発明
は、本明細書に記載されたものを全てまたは一部組み合
わせたものも本発明の範疇内である。

【００６０】［付記］ (1) 測定対象物に接触させる接触子と、前記接触子に機
械的に接続された振動子と、前記振動子の固有周波数を
検出する固有周波数検出回路と、前記測定対象物と前記
接触子の間に働く荷重を検出する荷重検出手段と、前記
特性周波数検出回路と前記荷重検出手段の測定値を受け
て演算し、前記測定対象の物性量を求める演算手段と、
前記演算手段の算出結果を提示する提示手段を有するこ
とを特徴とする硬さ測定装置。

【００６１】(2) 測定対象に接触する接触子と、前記接
触子に機械的に接続された振動子と、前記振動子を共振
振動させる発振手段と、前記振動子の共振状態の少なく
とも一つの特性量を検出する共振状態検出回路と、前記
測定対象と前記接触子の間に働く荷重を検出する荷重検
出手段と、前記共振状態検出回路と前記荷重検出手段の
測定値を受け演算し、前記測定対象の物性量を求める演
算手段と、前記演算手段の算出結果を提示する提示手段
を有することを特徴とする硬さ測定装置。

【００６２】(3) 前記振動子に少なくとも３個の電極を
設けたことを特徴とする。 (4) 前記発振手段が、振動子に設けられた第１の電極の
出力を、増幅する増幅手段で受け前記増幅手段の出力を
振動子に設けられた第２の電極に帰還することを特徴と
する。

【００６３】(5) 前記共振状態検出回路が、周波数測定
手段である。 (6) 前記共振状態検出回路が、共振振幅測定手段であ
る。 (7) 前記共振状態検出回路が、前記振動子に流れる電流
を測定する電流検出手段である。 (8) 前記発振手段の帰還ループ内にバンドパスフィルタ
を有することを特徴とする。

【００６４】(9) 前記バンドパスフィルタのバンドパス
周波数が前記振動子の固有周波数と異なることを特徴と
する。 (10)前記バンドパスフィルタのバンドパス周波数が前記
振動子の固有周波数よりも低いことを特徴とする。 (11)前記荷重検出手段が、前記振動子よりも前記接触子
から離れた位置に設けられたことを特徴とする。 (12)前記荷重検出手段が、前記振動子を固定する固定部
材上に設けられたことを特徴とする。

【００６５】(13)前記荷重検出手段が、歪みゲージであ
る。 (14)前記荷重検出手段が、光学的力センサであることを
特徴とする。 (15)前記荷重検出手段が、静電容量型の力覚センサであ
ることを特徴とする。

【００６６】(16)前記荷重検出手段が、圧電効果型力覚
センサであることを特徴とする。 (17)前記圧電効果型力覚センサが、圧電セラミックより
なる。 (18)前記圧電効果型力覚センサが、圧電ゴムよりなる。 (19)前記圧電効果型力覚センサか、ＰＶＤＦよりなる。 (20)前記圧電効果型力覚センサが、前記振動子と一体に
設けられていることを特徴とする。 (21)前記圧電効果型力覚センサが、前記振動子に設けら
れた少なくとも１つの電極を共用することを特徴とす
る。

【００６７】(22)前記圧電効果型力覚センサが、前記振
動子に設けられた前記第２の電極を共用することを特徴
とする。 (23)前記圧電効果型力覚センサーが、一体に設けられた
前記振動子が、少なくとも４個の電極を有することを特
徴とする。 (24)前記荷重検出手段が、前記圧電振動子に発生する直
流電圧成分を検出する直流電圧検出手段であることを特
徴とする。 (25)前記直流電圧検出手段が、ローパスフィルタで構成
されていることを特徴とする。

【００６８】(26)前記直流電圧検出手段が、前記圧電振
動子の出力と、前記圧電振動子の出力をハイパスフィル
タを通した出力の差動出力を検出する作動電圧検出手段
よりなる。 (27)前記演算手段が、前記荷重検出手段の出力に対し、
前記共振状態検出手段の出力が極値を獲ったときの値を
特徴量とし、前記特徴量より前記測定対象の物性量を求
めることを特徴とする。 (28)前記演算手段が、前記共振状態検出手段の出力が極
値を獲ったときの前記荷重検出手段の出力値を特徴量と
し、前記特徴量より前記測定対象の物性量を求めること
を特徴とする。

【００６９】(29)前記演算手段が、前記荷重検出手段の
出力が一定値になったときの前記共振状態検出手段の出
力値を特徴量とし、前記特徴量より前記測定対象の物性
量を求めることを特徴とする。 (30)前記演算手段が、前記共振状態検出手段の出力値が
一定値になったときの前記荷重検出手段の出力値を特徴
量とし、前記特徴量より前記測定対象の物性量を求める
ことを特徴とする。 (31)前記演算手段が、前記荷重検出手段の出力変化に対
する前記共振状態検出手段の出力の変化を特徴量とし、
前記特徴量より前記測定対象の物性量を求めることを特
徴とする。 (32)前記演算手段が、前記接触子と前記測定対象が接触
した直後の前記荷重検出手段の出力変化に対する前記共
振状態検出手段の出力の変化率を特徴量とし、前記特徴
量より前記測定対象の物性量を求めることを特徴とす
る。

【００７０】(33)前記演算手段が、複数の測定点より特
徴量を算出することを特徴とする。 (34)内視鏡鉗子チャンネルに挿通可能である。 (35)前記演算手段が、前記共振状態検出手段の出力が極
値をとったときの値を特徴量とし、前記特徴量より前記
測定対象の物性量を求めることを特徴とする。

【００７１】（付記項１〜２３の目的）特に生体の体内
組織などのような軟らかい測定対象物の硬さを測定する
ときの分解能を向上させ、さらに測定中の対象物と接触
子の間に働く接触荷重をモニターし、測定データの信頼
性を向上させることができる硬さ測定装置を提供するこ
とにある。 （付記項２４〜２６の別の目的）装置を大型化させるこ
となく荷重測定ができる硬さ測定装置を提供することに
ある。

【００７２】（全ての付記項の作用）対象物と接触子の
間に働く接触荷重を測定するという作用をもつ。また、
対象物と接触子の接触荷重と振動子の共振状態を同時に
検出するという作用をもつ。

【００７３】（付記項２４〜２６の作用）振動子からの
出力で、荷重測定と共振周波数測定の両方を行うという
作用をもつ。 （付記項２、２７〜３３の作用）対象物の硬さを対象物
と接触子の間に働く荷重と、振動子の共振周波数の２つ
のデータより求めるという作用がある。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、柔
らかい対象物の硬さの違いを分解する能力が向上し、測
定データの信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本実施形態に係る硬さセンサ部と硬さ
測定系からなる硬さ計測システムを示すブロック図、
（ｂ）は本実施形態に係る触覚センサの先端部の内部構
造を示す断面図。

【図２】接触荷重と周波数変化の関係を示したグラフ。

【図３】接触荷重と電気音響変換器の駆動電極における
共振電圧振幅の関係を示したグラフ。

【図４】接触荷重と電気音響変換器の検出電極に発生す
る出力電圧振幅の関係を示したグラフ。

【図５】第６実施形態に係る硬さセンサ部と硬さ測定系
からなる硬さ計測システムを示すブロック図。

【図６】同じく第６実施形態に係る電圧検出回路の構成
を示すブロック図。

【図７】第７実施形態に係る電圧検出回路の構成を示す
ブロック図。

【図８】第８実施形態に係る硬さセンサ部と硬さ測定系
からなる硬さ計測システムを示すブロック図。

【図９】第９実施形態に係る硬さ測定装置の硬さセンサ
部の縦断面図。

【図１０】図１０実施形態に係り、硬さ測定装置を内視
鏡観察下で使用するシステムの説明図。

【符号の説明】

１…センサプローブ、２…保持部材、３…硬さセンサ
部、４…ケーシング、５…電気音響変換器、６…接触
子、７…圧電式の振動子、８…接地電極、１１…駆動電
極、１４…検出電極、１７…固定部材、２５…力覚セン
サ、２９ａ，２９ｂ…歪みゲージ、３５…硬さ測定系、
３６…アンプ回路、３７…フィルタ回路、３８…共振回
路、４１…周波数測定手段、４２…動歪み計、４３…演
算回路、４４…測定部、４５…表示手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定対象物に接触させる接触子と、前記接
   触子に機械的に接続された振動子と、前記振動子の共振
   状態の少なくとも一つの特性量を検出する共振状態検出
   回路と、前記測定対象物と前記接触子の間に働く荷重を
   検出する荷重検出手段と、前記共振状態検出回路の測定
   値と前記荷重検出手段の測定値を受けて演算し前記測定
   対象の物性量を求める演算手段と、前記演算手段の算出
   結果を提示する提示手段を有することを特徴とする硬さ
   測定装置。