JPH10288577A - 触覚センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、より簡単な方法で、精度の高い硬度検
出を実現する触覚センサを提供することにある。 【解決手段】 圧電振動子を自励発振させる発振回路４
と、前記圧電振動子を移動させ被測定物に接触させるサ
ーボモータ９と、前記被測定物と前記圧電振動子との接
触圧力を検出する圧力センサ６と、前記圧電振動子から
の出力信号を検出する周波数カウンタ１０やデジタルボ
ルトメータ１７と、前記接触圧力の変化に対する前記圧
電振動子からの出力信号の変化率を計測する情報処理部
１３とを設け、被測定物への接触圧力の変化に応じた圧
電振動子からの出力信号の変化率を算出し、この出力信
号の変化率に基づいて被測定物の硬度を検出することに
より、接触圧力の大きさに影響されない硬さ検出が可能
となり、検出精度を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、粘弾性対象物（被
測定物）の硬さを検出する触覚センサシステムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の触覚センサシステムは、所定の周
波数で振動する圧電振動子を被測定物に接触させて、圧
電振動子の発振周波数の変化を測定し、この周波数の変
化から被測定物の硬さを検出している。

【０００３】ところが、圧電振動子を被測定物に接触さ
せたときの発振周波数の変化量は、被測定物の硬さによ
って変化するだけではなく、被測定物に接触させるとき
の速度や接触圧によっても変化してしまう。

【０００４】上記問題点を考慮して、検出精度を向上さ
せるために、例えば、特開平５−５２７３１号公報に開
示されている硬さセンサでは、圧電振動子が被測定物体
に接触したときの発振周波数の変化量，発振周波数の時
間変化率および被測定物体のへこみ量を基に、ファジィ
推論を行なって被測定物の硬さを検出することで、接触
速度および接触圧の影響を抑えている。

【０００５】また、特開平５−３４０８５９号公報に開
示されている定圧式光度検出器では、検出精度を向上さ
せるために、振動子を一定速度，一定圧力で被測定物に
接触させて発振周波数の変化量を検知し、被測定物の硬
さを検出している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の硬さセ
ンサ（特開平５−５２７３１号公報）においては、圧電
振動子が被測定物に接触する際の接触速度および接触圧
の影響を抑えるために、ファジィ推論のような複雑な計
算を行なわなければならず、このために装置が大型化し
たり、高価になってしまう。

【０００７】また、定圧式硬度検出器（特開平５−３４
０８５９号公報）においては、一定速度，一定圧力で圧
電振動子を接触させて周波数の変化を測定しているもの
の、圧電振動子が被測定物体に接触したときの発振周波
数の変化量は、接触圧が一定であっても被測定物によっ
て異なってしまう場合もあり、検出精度が低くなってし
まう。

【０００８】さらに、従来の周波数の変化量を用いる測
定方法では、被測定物が硬い場合には、周波数変化量が
非常に微少であるため、、被測定物の硬度をあらわす成
分が、測定誤差などのノイズ成分に埋もれてしまい検出
精度が低くなってしまう。

【０００９】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、より簡単な方法で、精度の高い硬度
検出を実現する触覚センサを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び作用効果】上記課題を
解決するために、本発明は、圧電振動子を自励発振させ
る駆動回路と、前記圧電振動子を移動させ被測定物に接
触させる駆動機構と、前記被測定物と前記圧電振動子と
の接触圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧電振動子
からの出力信号を検出する手段と、前記接触圧力の変化
に対する前記圧電振動子からの出力信号の変化率を計測
する演算手段を有するようにしたものである。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第１〜第５の実施の形態が対応する。クレーム
中の構成、駆動機構は、実施の形態ではサーボモータ９
であるが、ＤＣモータやリニアモータ等も含む。圧力検
出手段は、実施の形態では圧力センサであるが、歪みゲ
ージやロードセルなども含む。また、出力信号を検出す
る手段は、実施の形態では周波数カウンタ１０やデジタ
ルボルトメータ１７であるが、周波数-電圧変換回路や
オシロスコープ等も含む。出力信号の変化率を計測する
手段は、実施の形態では情報処理部１３が該当する。 （作用）駆動機構によって、自励発振している圧電振動
子に変位を与えて、前記圧電振動子を被測定物に接触さ
せ、圧力検出手段により当該振動子と前記被測定物との
接触圧と、出力信号を検出する手段により前記圧電振動
子からの出力信号とを検知し、前記接触圧力の変化に対
する前記圧電振動子からの出力信号の変化率を算出する
ことで、被測定物の硬さを検出する。 （効果）被測定物への接触圧力の変化に応じた圧電振動
子からの出力信号の変化率を算出し、この出力信号の変
化率に基づいて被測定物の硬度を検出するので、接触圧
力の大きさに影響されない硬さ検出が可能となり、検出
精度を向上させることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下、本発明に係る第１の実施の
形態について説明する。

【００１２】第１の実施の形態に係る触覚センサのシス
テム構成を図１に示す。この触覚センサシステムは、触
覚センサプローブ１５，ＤＣ電源１１，触覚センサプロ
ーブ１５の発振周波数を測定して情報処理部１３に信号
Ｂを出力する周波数カウンタ１０，触覚センサプローブ
１５からの圧力を示す信号Ａおよび圧力を示す信号Ｂを
処理して信号Ｃ，Ｄを出力する信号処理部１３，情報処
理部１３からの信号Ｃを受信して触覚センサプローブ１
５での変位機構を制御する変位信号制御部１２，および
信号処理部１３からの信号Ｄを受信して判定結果を表示
する硬軟表示部１４とから構成されている。なお、上記
触覚センサのシステム全体は、図示しない制御部により
制御されている。

【００１３】触覚センサプローブ１５は、図１に示すよ
うに、圧電振動子１，圧電振動子１を回路構成要素とす
る自励発振回路４，圧電振動子１を固定部材５に固定す
るマウント部材２，圧電振動子１を固定部材５などを介
して変位させるための変位機構８，変位機構８に変位を
与えるサーボモータ９，被測定物とサーボモータ９間の
静的接触圧を測定して情報処理部１３に信号Ａを出力す
る圧力センサ６，圧力センサ支持部材７，およびこれら
部材を格納し、被測定物に接触するプローブ端面３１を
有する外筒３からなる。

【００１４】上記構成において、測定開始時に圧電振動
子１が被測定物に接触していない状態とするため、変位
機構８により圧電振動子１は常にプローブ端面３１より
も外筒３の内側に収納された状態となっている。

【００１５】図２に、情報処理部１３の構成を示す。情
報処理部１３は、圧力センサ６からの信号Ａを入力する
第１のＦ格納部１８，周波数カウンタ１０からの信号Ｂ
を入力する第１のｆ格納部１９と，第１のＦ格納部１８
に接続された第２のＦ格納部２０，第１のｆ格納部１９
に接続された第２のｆ格納部２１，第１のＦ格納部１８
と第１のｆ格納部１９と第２のＦ格納部２０と第２のｆ
格納部２１とにそれぞれ接続され、各格納部からの出力
から、触覚センサプローブ１５の被測定物への接触圧Ｆ
に対する圧電振動子１の発振周波数ｆの傾きαを算出す
るα演算部２２，α演算部２２に接続されたα’格納部
２４，α演算部２２とα’格納部２４に接続され、両格
納部の値の大小を比較する比較演算部２３，比較演算部
２３に接続され、比較結果に基づいてαの最大値をメモ
リするαmax格納部２５，およびαmax格納部２５に後続
した硬軟判別関数部２６とから構成される。

【００１６】続いて、図１〜図５を参照して上記構成に
おける作用を説明する。図３は、第１の実施の形態に係
る触覚センサのシステムにおける作用を説明するための
フロー図、図４は、触覚センサプローブ１５が被測定物
１６に接触している状態を示す図、図５は、αmax格納
部２５に格納されている、接触圧に対する周波数の傾き
の最大値αmaxと、圧電振動子１の変位速度Ｖから、被
測定物の硬軟を算出・判別するテーブルを示す図であ
る。図５に示すテーブルは、複数の硬さの粘弾性対象物
について、速度Ｖで圧電振動子１を変位させたときの、
αmaxと硬さの関係を予め測定して得たデータから作成
するものである。

【００１７】被測定物の測定が開始されると、まず、情
報処理部１３におけるα’格納部２４にα＝０がα’と
して入力される（Ｓ１）。このとき、圧電振動子１は被
測定物に対して非接触の状態であり、このような無負荷
（接触圧Ｆ0＝０）の状態において、ＤＣ電源１１から
発振回路４に電圧が印加されると、圧電振動子１は発振
周波数ｆ0の振動を発生する。

【００１８】そして、発振周波数ｆ0と接触圧Ｆ0が、各
々発振回路４に後続された周波数カウンタ１０と圧力セ
ンサ６によって測定される（Ｓ２，Ｓ３）。これら測定
信号がデジタル信号に変換された後、情報処理部１３
に、信号Ａおよび信号Ｂとして出力され、第２のＦ格納
部２０と第２のｆ格納部２１に一時的にメモリされる。

【００１９】情報処理部１３からの信号Ｃにより、変位
信号制御部１２からサーボモータ９に信号を与えると、
圧電振動子１が、予め設定された速度Ｖで一定の距離L
だけ変位する（Ｓ４）。触覚センサプローブ１５が、生
体やゴムなどのような被測定物１６に接触している状態
を図４に示すが、変位信号制御部１２からサーボモータ
９に信号を与えると、初期状態で被測定物１６に接触し
ていなかった圧電振動子１は、サーボモータの変位によ
って、被測定物１６に接触し始める。この接触し始めた
状態で、接触圧Ｆと発振周波数ｆが、圧力センサ６と周
波数カウンタ１０により測定され、アナログ信号からデ
ジタル信号に変換される（Ｓ５，Ｓ６）。

【００２０】デジタル化された信号は、圧力センサ６か
らは信号Ａとして、周波数カウンタ１０からは信号Ｂと
して情報処理部１３に入力される。圧電振動子１の発振
周波数ｆと接触圧Ｆは、被測定物１６の硬さや接触状態
に応じて変化する。情報処理部１３のα演算部２２で
は、測定値Ｆ（信号Ａ）、測定値ｆ（信号Ｂ）と、既に
第２のＦ格納部２０および第２のｆ格納部２１にメモリ
されているＦ0, ｆ0とから、（１）式によって接触圧に
対する周波数の傾きαが算出される（Ｓ７）。 α＝（ｆ−ｆ0）／（Ｆ-Ｆ0） （１） （１）式により、αの値を算出した後、αとα’の大小
関係が比較演算部２３で比較される（Ｓ８）。

【００２１】大小関係がα＞α’の場合、αはα’とし
てα’格納部２４に格納される（Ｓ９）。続いて、Ｆが
Ｆ0として第２のＦ格納部に、ｆがｆ0として第２のｆ格
納部に格納される（Ｓ１０，Ｓ１１）。そして、Ｓ４に
戻り、α’格納部２４から再びサーボモータを駆動する
ための信号Ｃが変位信号制御部１２へ出力される。変位
信号制御部１２は信号Ｃに基づき、一定速度Ｖでサーボ
モータ９を駆動し一定の距離Lだけ圧電振動子１を変位
させる。

【００２２】ここで、第２のＦ格納部２０と第２のｆ格
納部２１は、新たに接触圧Ｆと発振周波数ｆが測定され
て、信号Ａと信号Ｂが第１のＦ格納部１８と第１のｆ格
納部１９に入力されるまで、接触圧ＦをＦ0として、発
振周波数ｆをｆ0として一時的に各々格納しておくもの
である。またα’格納部２４は、新たに接触圧Ｆと発振
周波数ｆが測定されαが再び計算されるまでαをα’と
してメモリしておくものである。このようにして、大小
関係がα＞α’である間は、信号Ｃにより変位信号制御
部１２がサーボモータ９を一定の時間間隔で変位させ
て、被測定物１６に対する圧電振動子１の接触圧を変化
させながら、次々にαを計算する。つまり、Ｓ４〜Ｓ１
１を繰り返し実行する。

【００２３】一方、Ｓ８において、大小関係がα＜α’
の場合、α’はαの最大値（αmax）としてαmax格納部
２５に格納される（Ｓ１２）。硬軟判別関数部２６は、
αmax格納部２５に後続しており、αmaxとサーボモータ
９の変位速度Ｖを入力信号として、図５のような硬軟判
別のテーブルによって、被測定物１６の硬軟を算出・判
別する（Ｓ１３）。そして、その結果を硬軟表示部１４
に出力し、結果を表示する（Ｓ１４）。硬軟表示部１４
は、人が被測定物１６の硬さの比較・理解ができるよう
に、グラフや音、光などで表示するものである。

【００２４】また、Ｓ１３，Ｓ１４と平行して、変位信
号制御部１２には、プローブ端面３１が外筒３内部に位
置する初期状態にサーボモータ９が戻るように、信号Ｃ
がα’格納部２４から与えられる（Ｓ１５）。その信号
に基づいた変位信号制御部１２からの駆動信号によっ
て、サーボモータ９が初期位置に戻れば（Ｓ１６）、測
定終了となる。

【００２５】ここで、図６〜図１１を参照して、接触圧
に対する発振周波数の傾きαを用いて、被測定物の硬軟
が判別できる原理を説明する。図６は、圧電振動子１を
被測定物１６に押し込んだ場合の時間tに対して、被測
定物が押し込まれる距離L，接触圧Ｆおよび圧電振動子
１の発振周波数ｆの変化を示す図、図７は、硬さの異な
る粘弾性材料spl-１, spl-２, spl-３, spl-４につい
て、一定速度Ｖで圧電振動子１を移動させた時の接触圧
Ｆと発振周波数ｆとの関係を示す図、図８は、図７の微
少な接触圧範囲Ａの部分を拡大して示す図、図９は、接
触圧に対する発振周波数の変化特性を説明するための
図、図１０は、動的粘弾性測定（測定条件：周波数１ra
d/sec，室温）によって得られた各粘弾性材料の粘弾性
率の実数部Ｅ’とαmaxの関係を示す図、図１１は、圧
電振動子１の移動速度Ｖを変化させたときの接触圧Ｆと
発振周波数ｆとの関係を示す図である。

【００２６】図６の被検体の変位Ｌに示すように、圧電
振動子１は、サーボモータ９の駆動により、ｔ0から変
位を始め、ｔ1で被測定物１６に接触してから徐々に被
測定物１６に押し込まれて所定の位置まで変位し、その
後、初期位置に戻るべく逆方向に変位してｔ2において
被測定物１６から離れる。圧力センサ６は、ｔ1〜ｔ2間
で圧電振動子１と被測定物１６の間の接触圧Ｆを測定す
る。また、同時に、周波数カウンタ１０が発振周波数ｆ
を検出する。なお、図6では、ｔ1時の発振周波数ｆを基
準とした発振周波数の変化量を図示している。

【００２７】硬さの異なる粘弾性材料spl-1，spl-2，sp
l-3，spl-4について、上述のように、圧電振動子１を変
位させながら測定した接触圧Ｆおよび発振周波数ｆの関
係を図７に示す。なお、この測定は、圧電振動子１の無
負荷での発振周波数ｆ0＝１８.５５（ＭＨｚ）、サーボ
モータ９の移動速度Ｖ＝０.５（ｍｍ／ｍｉｎ）で行っ
た。また、各粘弾性材料は、spl-1＜spl-2＜spl-3＜spl
-4の順で硬くなっている。図８は、図７の微小な接触圧
範囲Ａの部分を拡大したものである。

【００２８】図７，図８に示すように、柔らかい材料ほ
ど非常に微小な接触圧Ｆで発振周波数ｆが大きく変化
し、その急峻な変化後は、接触圧Ｆに依らず発振周波数
ｆはほぼ一定となっている。一方、硬い材料になると、
比較的小さな接触圧範囲では発振周波数ｆは殆ど変化せ
ず、ある程度接触圧Ｆが大きくなってから接触圧Ｆに対
して大きく変化し、その後ほぼ一定の周波数となる。ま
た、spl-4よりも硬い材料の場合は、接触圧Ｆに対して
発振周波数ｆが大きく変化するときの接触圧の範囲が、
spl-4よりもさらに高い接触圧となった。

【００２９】また、図７，図８は、接触圧に対して発振
周波数がほぼ一定になった後の発振周波数ｆの値は、被
測定物の硬さに直接関係していないこと，微小な接触圧
範囲で測定を行ったとしても硬い被測定物では周波数変
化が殆どないため、その検出値が測定誤差などのような
ノイズ成分と区別できないことを示している。すなわ
ち、接触圧Ｆに対する発振周波数ｆの変化のしかたは被
測定物１６の硬さによって異なるため、一定の接触圧条
件下で周波数変化量△ｆを測定しても、接触圧Ｆの影響
によって正確な硬軟判別が行えない場合があることが解
る。

【００３０】図９を参照して、接触圧Ｆに対する発振周
波数ｆの変化特性を説明する。接触圧Ｆに対する発振周
波数ｆの傾きをαとすると、接触圧Ｆが変化するとαも
変化し、発振周波数ｆが急峻に変化するときに、αは最
大値αmaxとなる。図７，図８から、αmaxの値は、αma
xの値は被測定物が硬いほど小さくなることがわかる。

【００３１】図１０に、硬さの異なる粘弾性材料の動的
粘弾性測定（測定条件：周波数１rad/sＥc、室温）によ
って得られた粘弾性率の実数部Ｅ’とαmaxの関係を示
す。このように、αmaxは、被測定物が硬いほど小さく
なることが実験的に確かめられた。そして、αmaxは、
動的粘弾性率の実数部Ｅ’と対数関係にあり、被測定物
の硬さを反映することが判明した。

【００３２】図１１に、同一の被測定物（粘弾性材料sp
l-4）に対して測定時の圧電振動子１の移動速度Ｖを変
化させた場合の測定結果を示す。同じ粘弾性材料spl-4
を測定する場合でも、圧電振動子１の移動速度Ｖが変化
すると、αmaxが変化してしまうので、同じ被測定物で
も異なる硬さとして検出されてしまう。従って、図１１
により、測定時の圧電振動子の移動速度Ｖは一定にする
必要があることが判る。

【００３３】上述したように、本実施の形態に係る触覚
センサを用いれば、情報処理部１３にて算出される接触
圧Ｆに対する発振周波数ｆの傾きαの最大値、すなわち
αmaxと、測定時の振動子１の変位速度Ｖとから、予め
測定されたデータによって作成されたテーブルに基づい
て、被測定物１６の硬さを検出することができる。ま
た、このような触覚センサによれば、接触圧Ｆの影響を
受けずに測定することができるので、従来の硬度センサ
に比較してその検出精度を向上させることができる。

【００３４】なお、本実施の形態の各構成は、当然、各
種の変形、変更が可能である。例えば、サーボモータ９
はＤＣモータやリニアモータとすることができ、周波数
カウンタ１０は、周波数-電圧変換回路とすることがで
きる。圧力センサ６は歪みゲージとすることができ、硬
軟判別関数部２６はテーブルの代わりに予め測定したデ
ータから作成された近似式であってもよい。また、発振
回路４を触覚センサプローブ１５の外部に設置すること
も可能である。 （第２の実施の形態）以下、本発明に係る第２の実施の
形態について説明する。

【００３５】第２の実施の形態に係る触覚センサのシス
テム構成を図１２に示す。本実施の形態に係る触覚セン
サは、第１の実施の形態に係る触覚センサにおける信号
Ｂ（発振周波数）を出力する周波数カウンタ１０に代え
て、信号Ｂ’（振幅）を出力するデジタルボルトメータ
１７を用いている点が、第１の実施の形態に係る触覚セ
ンサとの大きな構成上の差異である。したがって、第１
の実施の形態と重複する構成については、同じ名称およ
び番号を用い、説明を省略する。

【００３６】図１２の情報処理部１３の構成を図１３に
示す。情報処理部１３は、圧力センサ６からの信号Ａを
入力する第１のＦ格納部１８，デジタルボルトメータ１
７からの信号Ｂ’を入力する第１のＡｍｐ格納部２７
と，第１のＦ格納部１８に接続された第２のＦ格納部２
０，第１のＡｍｐ格納部２７に接続された第２のＡｍｐ
格納部２８，第１のＦ格納部１８と第１のＡｍｐ格納部
２７と第２のＦ格納部２０と第２のＡｍｐ格納部２８と
にそれぞれ接続され、各格納部からの出力から、触覚セ
ンサプローブ１５の被測定物への接触圧Ｆに対する圧電
振動子１の振幅Ａｍｐの傾きαを算出するα演算部２
２，α演算部２２に接続されたα’格納部２４，α演算
部２２とα’格納部２４に接続され、両格納部の値の大
小を比較する比較演算部２３，比較演算部２３に接続さ
れ、比較結果に基づいてαの最大値をメモリするαmax
格納部２５，およびαmax格納部２５に後続した硬軟判
別関数部２６とから構成される。

【００３７】ここで、第２のＦ格納部２０と第２のＡｍ
ｐ格納部２８は、新たに接触圧Ｆと振幅Ａｍｐが測定さ
れて、信号Ａと信号Ｂ’が第１のＦ格納部１８と第１の
Ａｍｐ格納部２７に入力されるまで、接触圧ＦをＦ0と
して、振幅ＡｍｐをＡｍｐ0として一時的に各々格納し
ておくものである。またα’格納部２４は、新たに接触
圧Ｆと振幅Ａｍｐが測定されαが再び計算されるまでα
をα’としてメモリしておくものである。

【００３８】続いて、図５および図１２〜図１４を参照
して上記構成における作用を説明する。図１４は、第２
の実施の形態に係る触覚センサの作用を説明するための
フロー図である。また、図５は、第１の実施の形態で
は、接触圧に対する周波数の傾きの最大値αmaxと、圧
電振動子１の変位速度Ｖから、被測定物の硬軟を算出・
判別するテーブルとしたが、第２の実施の形態では、接
触圧に対する振幅の傾きの最大値αmaxと、圧電振動子
１の変位速度Ｖから、被測定物の硬軟を算出・判別する
テーブルとし、第１の実施の形態と同様に、実験データ
に基づいて作成するものである。

【００３９】被測定物の測定が開始されると、まず、情
報処理部１３におけるα’格納部２４にα＝０がα’と
して入力される（Ｓ２１）。このとき、圧電振動子１は
被測定物に対して非接触の状態であり、このような無負
荷（接触圧Ｆ0＝０）の状態において、ＤＣ電源１１か
ら発振回路４に電圧が印加されると、圧電振動子１は振
幅Ａｍｐ0の振動を発生する。

【００４０】そして、振幅Ａｍｐ0と接触圧Ｆ0が、各々
発振回路４に後続されたデジタルボルトメータ１７と圧
力センサ６によって測定される（Ｓ２２，Ｓ２３）。こ
れら測定信号がデジタル信号に変換された後、情報処理
部１３に、信号Ａおよび信号Ｂ’として出力され、第２
のＦ格納部２０と第２のＡｍｐ格納部２８に一時的にメ
モリされる。

【００４１】情報処理部１３からの信号Ｃにより、変位
信号制御部１２からサーボモータ９に信号を与えると、
圧電振動子１が、予め設定された速度Ｖで一定の距離L
だけ変位する（Ｓ２４）。その後、サーボモータ９を一
旦停止させ、その状態で接触圧Ｆと振幅Ａｍｐが、圧力
センサ６と周デジタルボルトメータ１７により測定さ
れ、アナログ信号からデジタル信号に変換される（Ｓ２
５，Ｓ２６）。

【００４２】デジタル化された信号は、圧力センサ６か
らは信号Ａとして、デジタルボルトメータ１７からは信
号Ｂ’として情報処理部１３に入力される。圧電振動子
１の振幅Ａｍｐと接触圧Ｆは、被測定物１６の硬さや接
触状態に応じて変化する。情報処理部１３のα演算部２
２では、測定値Ｆ（信号Ａ）、測定値Ａｍｐ（信号Ｂ）
と、既に第２のＦ格納部２０および第２のＡｍｐ格納部
２１にメモリされているＦ0, Ａｍｐ0とから、（２）式
によって接触圧に対する振幅の傾きαが算出される（Ｓ
２７）。 α＝（Ａｍｐ−Ａｍｐ0）／（Ｆ-Ｆ0） （２） （２）式により、αの値を算出した後、αとα’の大小
関係が比較演算部２３で比較される（Ｓ２８）。

【００４３】大小関係がα＞α’の場合、αはα’とし
てα’格納部２４に格納される（Ｓ２９）。続いて、Ｆ
がＦ0として第２のＦ格納部２０に、ＡｍｐがＡｍｐ0と
して第２のＡｍｐ格納部２８に格納される（Ｓ３０，Ｓ
３１）。そして、Ｓ２４に戻り、α’格納部２４から再
びサーボモータを駆動するための信号Ｃが変位信号制御
部１２へ出力される。変位信号制御部１２は信号Ｃに基
づき、一定速度Ｖでサーボモータ９を駆動し一定の距離
Lだけ圧電振動子１を変位させる。

【００４４】ここで、このようにして、大小関係がα＞
α’である間は、信号Ｃにより変位信号制御部１２がサ
ーボモータ９を一定の時間間隔で変位させて、被測定物
１６に対する圧電振動子１の接触圧を変化させながら、
次々にαを計算する。つまり、Ｓ２４〜Ｓ３１を繰り返
し実行する。

【００４５】一方、Ｓ２８において、大小関係がα＜
α’の場合、α’はαの最大値（αmax）としてαmax格
納部２５に格納される（Ｓ３２）。硬軟判別関数部２６
は、αmax格納部２５に後続しており、αmaxとサーボモ
ータ９の変位速度Ｖを入力信号として、図５のような硬
軟判別のテーブルによって、被測定物１６の硬軟を算出
・判別する（Ｓ３３）。そして、その結果を硬軟表示部
１４に出力し、結果を表示する（Ｓ３４）。硬軟表示部
１４は、人が被測定物１６の硬さの比較・理解ができる
ように、グラフや音、光などで表示するものである。

【００４６】また、Ｓ３３，Ｓ３４と平行して、変位信
号制御部１２には、プローブ端面３１が外筒３内部に位
置する初期状態にサーボモータ９が戻るように、信号Ｃ
がα’格納部２４から与えられる（Ｓ３５）。その信号
に基づいた変位信号制御部１２からの駆動信号によっ
て、サーボモータ９が初期位置に戻れば（Ｓ３６）、測
定終了となる。

【００４７】次に、図１５〜図１７を参照して、接触圧
に対する振幅の傾きαを用いて、被測定物の硬軟が判別
できる原理を説明する。図１５は、圧電振動子１を被測
定物１６押し込んだ場合の時間tに対して、被測定物が
押し込まれる距離L，接触圧Ｆおよび圧電振動子１の振
幅Ａｍｐの変化を示す図、図１６は、硬さの異なる粘弾
性材料spl-1, spl-2, spl-3, spl-4について、一定速度
Ｖで圧電振動子１を移動させた時の接触圧Ｆと振幅Ａｍ
ｐとの関係を示す図、図１７は、動的粘弾性測定（測定
条件：周波数１rad/sec，室温）によって得られた各粘
弾性材料の粘弾性率の実数部Ｅ’とαmaxとの関係を示
す図である。

【００４８】図１５の被検体の変位Ｌに示すように、圧
電振動子１は、サーボモータ９の駆動により、ｔ0から
変位を始め、ｔ1で被測定物１６に接触してから徐々に
被測定物１６に押し込まれて所定の位置まで変位し、そ
の後、初期位置に戻るべく逆方向に変位してｔ2におい
て被測定物１６から離れる。圧力センサ６は、ｔ1〜ｔ2
間で圧電振動子１と被測定物１６の間の接触圧Ｆを測定
する。また、同時に、デジタルボルトメータ１７が振幅
Ａｍｐを検出する。なお、図１５では、ｔ1時の振幅Ａ
ｍｐを基準とした振幅の変化量を図示している。

【００４９】硬さの異なる粘弾性材料spl-1，spl-2，sp
l-3，spl-4について、上述のように、圧電振動子１を変
位させながら測定した接触圧Ｆおよび振幅Ａｍｐの関係
を図１６に示す。なお、この測定は、圧電振動子１の無
負荷での振幅Ａｍｐ0＝７００（ｍＶ）、サーボモータ
９の移動速度Ｖ＝０.５（ｍｍ／ｍｉｎ）で行った。ま
た、各粘弾性材料は、spl-1＜spl-2＜spl-3＜spl-4の順
で硬くなっている。

【００５０】図１６に示すように、柔らかい材料ほど非
常に微小な接触圧Ｆで振幅Ａｍｐが大きく変化し、その
急峻な変化後は、接触圧Ｆに依らず振幅Ａｍｐはほぼ一
定となっている。一方、硬い材料になると、比較的小さ
な接触圧範囲で発振周波数ｆ振幅Ａｍｐは殆ど変化せ
ず、ある程度接触圧Ｆが大きくなってから接触圧Ｆに対
して大きく変化し、その後ほぼ一定の振幅値となる。ま
た、spl-4よりも硬い材料の場合は、接触圧Ｆに対して
振幅Ａｍｐが大きく変化するときの接触圧の範囲が、sp
l-4よりもさらに高い接触圧となった。

【００５１】また、図１６は、接触圧に対して振幅がほ
ぼ一定になった後の振幅Ａｍｐの値は、被測定物の硬さ
に直接関係していないこと，微小な接触圧範囲で測定を
行ったとしても硬い被測定物では周波数変化が殆どない
ため、その検出値が測定誤差などのようなノイズ成分と
区別できないことを示している。すなわち、接触圧Ｆに
対する振幅Ａｍｐの変化のしかたは被測定物１６の硬さ
によって異なるため、一定の接触圧条件下で振幅△Ａｍ
ｐを測定しても、接触圧Ｆの影響によって正確な硬軟判
別が行えない場合があることが解る。

【００５２】さらに、図１６から、接触圧Ｆに対する振
幅Ａｍｐの傾きαは、振幅Ａｍｐが急峻に変化するとき
に最大値αmaxとなり、そのαmaxの値は被測定物が硬い
ほど小さくなることが分かる。

【００５３】図１７に、硬さの異なる粘弾性材料の動的
粘弾性測定（測定条件：周波数１rad/sｅc、室温）によ
って得られた粘弾性率の実数部Ｅ’とαmaxの関係を示
す。このように、αmaxは、被測定物が硬いほど小さく
なることが実験的に確かめられた。そして、αmaxは、
動的粘弾性率の実数部Ｅ’と対数関係にあり、被測定物
の硬さを反映することが判明した。

【００５４】上述したように、本実施の形態に係る触覚
センサを用いれば、情報処理部１３にて算出される接触
圧Ｆに対する振幅Ａｍｐの傾きαの最大値、すなわちα
maxと、測定時の振動子１の変位速度Ｖとから、予め測
定されたデータによって作成されたテーブルに基づい
て、被測定物１６の硬さを検出することができる。ま
た、このような触覚センサによれば、接触圧Ｆの影響を
受けずに測定することができるので、従来の硬度センサ
に比較してその検出精度を向上させることができる。

【００５５】ところで、振幅から得られるαmaxについ
ても、周波数から得られるαmaxと同様に、測定時の圧
電振動子１の移動速度Ｖが変化すると見かけ上異なる硬
さとして検出されてしまう。従って、測定時の圧電振動
子の移動速度Ｖは一定にする必要がある。

【００５６】このように、本実施の形態に係る触覚セン
サを用いれば、情報処理部１３にて算出される接触圧Ｆ
に対する振幅Ａｍｐの傾きαの最大値、すなわちαmax
と、測定時の振動子１の変位速度Ｖをもとに、図５に示
す予め測定されたデータによって作成されたテーブルか
ら、被測定物１６の硬さを検出するようにしたので、被
測定物１６の硬さを検出する場合に、接触圧Ｆの影響を
受けずに測定ができ、従来に比較してその検出精度を向
上させることができるなどの効果がある。

【００５７】なお、本実施の形態の各構成は、当然、各
種の変形、変更が可能である。例えば、デジタルボルト
メータはオシロスコープであってもよい。 （第３の実施の形態）以下、本発明に係る第３の実施の
形態について説明する。

【００５８】図１８に、第３の実施の形態に係る触覚セ
ンサのシステム構成図を示す。第１および第２の実施の
形態と重複する部分については、同じ名称および番号を
用い、説明を省略する。

【００５９】本実施の形態に係る触覚センサは、第１及
び第２の実施形態の触覚センサにおいて、周波数カウン
タ１０とデジタルボルトメータ１７を両方とも備えた構
成となっている。本実施の形態において、圧電振動子１
は、厚み縦振動モードのエネルギー閉じ込め型振動子で
ある。また、触覚センサプローブ１５の発振回路４は、
圧電振動子１を回路要素の一部とするコルピッツ回路で
ある。

【００６０】図１９に、情報処理部１３の構成を示すよ
うに、本実施の形態に係る情報処理部１３は、圧力セン
サ６からの信号Ａを入力する第１のＦ格納部１８，周波
数カウンタ１０に接続され信号Ｂを入力する第１のｆ格
納部１９，デジタルボルトメータ１７からの信号Ｂ’を
入力する第１のＡｍｐ格納部２７，第１のＦ格納部１８
に接続された第２のＦ格納部２０，第１のｆ格納部１９
に接続された第２のｆ格納部２１，第１のＡｍｐ格納部
２７に接続された第２のＡｍｐ格納部２８，第１のＦ格
納部１８と第１のｆ格納部１９と第２のＦ格納部２０お
よび第２のｆ格納部２１とに接続され各格納部からの出
力によって接触圧に対する発振周波数の傾きαfを算出
するαf演算部３３と、第１のＦ格納部１８と第１のＡ
ｍｐ格納部２７と第２のＦ格納部２０および第２のＡｍ
ｐ格納部２８とに接続され各格納部からの出力によって
接触圧に対する振幅の傾きαAを算出するαA演算部３
４，αf演算部３３に接続されたα’f格納部３７，αf
演算部３３とα’f格納部３７に接続されたαf比較演算
部３５，αf比較演算部３５に接続されαfの最大値をメ
モリするαmaxf格納部３９，αA演算部３２に接続され
たα’A格納部３６，αA演算部３２とα’A格納部３６
に接続されたαA比較演算部３４，αA比較演算部３４に
接続されαAの最大値をメモリするαmaxA格納部３８お
よびαmaxf格納部３９とαmaxA格納部３８に後続した硬
軟判別関数部２６とから構成される。

【００６１】ここで、第２のＦ格納部２０，第２のｆ格
納部２１および第２のＡｍｐ格納部２７は、新たに接触
圧Ｆ，発振周波数ｆおよび振幅Ａｍｐが測定されて、信
号Ａ，信号Ｂおよび信号Ｂ’が第１のＦ格納部１８，第
１のｆ格納部１９および第１のＡｍｐ格納部２７に入力
されるまで、接触圧ＦをＦ0、発振周波数ｆをｆ0、振幅
ＡｍｐをＡｍｐ0として一時的に各々メモリしておくも
のである。

【００６２】またα’f格納部３６は、新たに接触圧Ｆ
と発振周波数ｆが測定され、αfが再び計算されるまで
αfをα’fとしてメモリしておくものである。α’A格
納部３６も同様に、新たに接触圧Ｆと振幅Ａｍｐが測定
されαAが再び計算されるまでαAをα’Aとしてメモリ
しておくものである。

【００６３】図２０に、本実施の形態に係る圧電振動子
１である厚み縦振動モードのエネルギー閉じ込め型振動
子の共振周波数における電気的等価回路を示す。圧電振
動子１の無負荷（接触圧Ｆ＝０）の場合は、機械端子に
（ａ）を接続させた回路となる。一方、粘弾性体を圧電
振動子１に付着させた場合、圧電振動子１の共振周波数
ｆrと共振抵抗Ｚrが変化するため、その等価回路は
（ｂ）を接続させた回路となる。このように粘弾性体を
付着させると、機械端子側が変化する、すなわち、共振
抵抗Ｚrの変化は粘弾性体のＲvに、共振周波数ｆrの変
化はＬvに対応するので、電気端子からみたインピーダ
ンスを測定することにより粘弾性体の粘弾性特性を検出
することが可能となる。また、本実施の形態における発
振回路４には、コルピッツ回路が採用されており、圧電
振動子１は発振回路４の回路要素の一部であるので、発
振周波数の変化は圧電振動子１の共振周波数ｆrの変化
に対応し、振幅の変化は圧電振動子１の共振抵抗Ｚrの
変化に対応する。

【００６４】続いて、図１８〜図２２を参照して、上記
構成における作用を説明する。図２１は、第３の実施の
形態に係る触覚センサの作用を説明するためのフロー
図、図２２は、接触圧に対する発振周波数の傾きの最大
値αmaxf，接触圧に対する振幅の最大値αmaxAおよび圧
電振動子１の変位速度Ｖから、被測定物の硬軟を算出・
判別するためのテーブルを示す図である。図２２に示す
テーブルは、複数の硬さの粘弾性対象物について、速度
Ｖで圧電振動子１を変位させたときの、αmaxfおよびα
maxAと硬さの関係を予め測定して得たデータから作成す
るものである。

【００６５】被測定物の測定が開始されると、まず、情
報処理部１３において、αA＝０およびαf＝０がα’A
およびα’fとして、α’A格納部３６およびα’f格納
部３７に入力される（Ｓ４１，Ｓ４２）。このとき、圧
電振動子１は被測定物１６に対して非接触の状態であ
り、このような無負荷（接触圧Ｆ0＝０）の状態におい
てＤＣ電源１１から発振回路４に電圧が印加されると、
圧電振動子１は発振周波数ｆ0、振幅Ａｍｐ0の振動を発
生する。

【００６６】そして、発振周波数ｆ0，振幅Ａｍｐ0およ
び圧力Ｆ0が、各々発振回路４に後続した周波数カウン
タ１０，デジタルボルトメータ１７および圧力センサ６
によって測定される（Ｓ４３，Ｓ４４，Ｓ４５）。これ
ら測定信号がデジタル信号に変換された後、情報処理部
１３に信号Ａ，信号Ｂおよび信号Ｂ’として出力され、
第２のＡｍｐ格納部２８、第２のｆ格納部２１と第２の
Ｆ格納部２０に一時的にメモリされる。

【００６７】触覚センサプローブ１５のプローブ端面３
１を被測定物１６に接触させた状態で、情報処理部１３
からの信号Ｃ，Ｃ’により、変位信号１２からサーボモ
ータ９に信号を与えると、圧電振動子１が、予め設定さ
れた速度Ｖで一定の距離Ｌだけ変位する（Ｓ４６）。そ
の後、再び変位信号制御部１２から信号を与えてサーボ
モータ９を一旦停止させ、その状態で接触圧Ｆ，発振周
波数ｆおよび振幅Ａｍｐが、圧力センサ６，周波数カウ
ンタ１０およびデジタルボルトメータ１７により測定さ
れ、アナログ信号からデジタル信号に変換される（Ｓ４
７，Ｓ４８，Ｓ４９）。

【００６８】デジタル化された信号は、圧力センサ６か
らは信号Ａとして、周波数カウンタ１０からは信号Ｂと
して、デジタルボルトメータ１７からは信号Ｂ’として
情報処理部１３に入力される。圧電振動子１の発振周波
数ｆ，振幅Ａｍｐおよび接触圧Ｆは、被測定物１６の硬
さや接触状態に応じて変化する。

【００６９】情報処理部１３のαA演算部３２では、測
定値Ｆ（信号Ａ）および測定値Ａｍｐ（信号Ｂ’）と、
既に第２のＦ格納部２０と第２のＡｍｐ格納部２８にメ
モリされているＦ0, Ａｍｐ0とから、（２）式によって
接触圧に対する振幅の傾きαAが算出される（Ｓ５
０）。

【００７０】また、情報処理部１３のαf演算部３３で
は、測定値Ｆ（信号Ａ）および測定値ｆ（信号Ｂ）と、
既に第２のＦ格納部２０と第２のｆ格納部２１にメモリ
されているＦ0, ｆ0とから、（１）式によって接触圧に
対する周波数の傾きαfが算出される（Ｓ５１）。

【００７１】これらαfとαAの値を算出した後、このα
fとα’fの大小関係、およびαAとα’Aの大小関係が、
αf比較演算部３５およびαA比較演算部３４で比較され
る（Ｓ５２，Ｓ５３）。

【００７２】Αf比較演算部３５において、大小関係が
αf＞α’fの場合、αfはα’fとしてα’f格納部３７
にメモリされる（Ｓ５４）。続いて、ｆはｆ0として第
２のｆ格納部２１に、αf算出時に用いられたＦがＦ0と
しては第２のＦ格納部２０に格納される（Ｓ５５，Ｓ５
８）。そして、Ｓ４６に戻り、α’f格納部３７から再
びサーボモータを駆動するための信号Ｃが変位信号制御
部１２へ出力される。

【００７３】また、αA比較演算部３４において、大小
関係がαA＞α’Aの場合、αAはα’Aとしてα’A格納
部３６にメモリされる（Ｓ５６）。続いて、ＡｍｐはＡ
ｍｐ0として第２のＡｍｐ格納部２８に、αA算出時に用
いられたＦがＦ0としては第２のＦ格納部２０に格納さ
れる（Ｓ５７，Ｓ５８）。そして、Ｓ４６に戻り、α’
A格納部３６から再びサーボモータを駆動するための信
号Ｃ’が変位信号制御部１２へ出力される。

【００７４】変位信号制御部１２は、信号Ｃまたは信号
Ｃ’の少なくともいずれか一方の信号が入力されると、
その信号に基づき一定速度Ｖでサーボモータ９を駆動し
一定の距離Lだけ圧電振動子１を変位させる。このよう
にして、大小関係がαf＞α’fである間は、被測定物１
６に対する圧電振動子１の接触圧を一定の時間間隔で変
化させながら次々にαfを計算する。同様にαA＞αA’
である間は、被測定物１６に対する圧電振動子１の接触
圧を一定の時間間隔で変化させながら次々にαAを計算
する。つまり、Ｓ４６〜Ｓ５８を繰り返す。

【００７５】一方、αf比較演算部３５において、大小
関係がαf＜α’fの場合、α’fはα’fの最大値として
αmaxｆ格納部３９にメモリされる（Ｓ５９）。また、
αA比較演算部３４においても、大小関係がαA＜α’A
の場合、α’Aはα’Aの最大値としてαmaxＡ格納部３
８にメモリされる（Ｓ６０）。

【００７６】以上のようにして、αmaxｆとαmaxＡの両
方が得られると、αmaxｆ格納部３９とαmaxＡ格納部３
８に後続した硬軟判別関数部２６が、これらの値αmax
ｆ，αmaxＡおよびサーボモータ９の変位速度Ｖを入力
信号として、被測定物１６の硬軟を図２２に示すテーブ
ルに基づいて算出・判別する（Ｓ６１）。

【００７７】その結果は、硬軟表示部１４に出力されて
表示される（Ｓ６２）。硬軟表示部１４は、人が被測定
物１６の硬さの比較・理解ができるように、グラフや
音、光などで表示するものである。

【００７８】硬軟表示部１４に結果を出力する同時に、
変位信号制御部１２には、サーボモータ９が初期の外筒
３内部に位置した初期状態に戻るように、信号Ｅが硬軟
判別関数部２６から与えられる。そして、その信号Ｅに
基づいた変位信号制御部１２からの駆動信号によってサ
ーボモータ９が初期位置に戻れば（Ｓ６３，Ｓ６４）、
測定終了となる。

【００７９】第１および第２の実施の形態で既に説明し
たように、接触圧に対する発振周波数の傾きαfと、接
触圧に対する振幅の傾きαAから得られる、αfとαAの
最大値αmaxｆとαmaxＡは、動的粘弾性率の実数部Ｅ’
と対数関係にあり、被測定物の硬さを反映している。

【００８０】このように、本実施の形態に係る触覚セン
サを用いれば、情報処理部１３にて算出される接触圧Ｆ
に対する発振周波数ｆの傾きαfの最大値、すなわちαm
axｆ，接触圧Ｆに対する振幅Ａｍｐの傾きαAの最大
値、すなわちαmaxＡおよび測定時の振動子１の変位速
度Ｖをもとに、予め測定されたデータによって作成され
たテーブルから被測定物１６の硬さを検出することがで
きるので、被測定物１６の硬さを検出する場合に、接触
圧Ｆの影響を受けないので、従来の硬度センサと比較し
てその検出精度を向上させることができる。

【００８１】また、本実施の形態においては、圧電振動
子１として厚み縦振動モードのエネルギー閉じ込め型振
動子、発振回路４としてコルピッツ回路を用いており、
触覚センサプローブから得られる発振周波数変化と振幅
変化は各々異なる物理量を反映している。したがって、
接触圧に対する発振周波数の傾きαfと、接触圧に対す
る振幅の傾きαAの二つのパラメータを検出することに
よって、粘弾性体に関する異なる情報を得られるように
なる。 （第４の実施の形態）以下、本発明に係る第４の実施の
形態について説明する。

【００８２】第１〜第３の実施の形態では、振動子１を
移動させても振動子１が被測定物１６に接触していない
場合や、圧電振動子１が被測定物１６に変位を与えなが
ら接触していても被測定物１６が非常に柔らかい場合な
どでは、測定時の接触圧Ｆが、その前の測定値である第
２のＦ格納部の値Ｆ0からあまり変化しないことがあ
る。この場合、α演算部２２での（１）式による計算を
行う際に、（１）式の分母（Ｆ−Ｆ0）が零になってし
まうため、演算エラーが生じて測定が行えなくなる。さ
らに、接触圧Ｆが増加しているにも関わらず、被測定物
１６が柔らかい場合には、外部影響や測定機器による測
定バラツキによって、接触圧ＦがＦ<Ｆ0として検出され
て演算エラーを起こす場合もある。

【００８３】さらに、第１〜第３の実施の形態では、α
演算部２２において、（１）式のα演算で求められたα
の値がマイナスになる場合がある。これは、圧電振動子
１への温度等の外部影響や測定機器による測定バラツキ
によって、発振周波数ｆがｆ＜ｆ0として検知されてし
まうためである。このバラツキは被測定物１６の硬度や
接触圧Ｆの増加による影響と比較すると無視できる程度
のものであるが、αの値がマイナスになると、α−α’
がマイナスとなり、見かけ上α’がαの最大値（αma
x）として比較演算部２３から出力されてしまう。その
結果、真のαmaxが得られないまま測定が終了してしま
うことになる。

【００８４】本実施の形態は、上記課題を解決するため
に、第１〜第３の実施の形態に改良を加えるものであ
る。本実施の形態に係る触覚センサの構成は、情報処理
部１３の構成を除いて、第１の実施の形態と同様であ
る。

【００８５】図２３に、本実施の形態に係る情報処理部
１３の構成を示す。同図において、図２に示す構成と重
複する部分については、同じ名称および番号を用い、説
明を省略する。図２３に示すように、情報処理部１３
は、演算エラー回避手段２９と誤作動回避手段３０を備
えており、演算エラー回避手段２９は第１のＦ格納部１
８に、誤作動回避手段３０はα演算部２２に接続されて
いる。

【００８６】続いて、図１，図３，図２３および図２４
を参照して、上記構成における作用を説明する。図２４
は、第４の実施の形態に係る触覚センサの作用を説明す
るためのフロー図であり、第１の実施の形態に係る図３
のフロー図のＳ４〜Ｓ８のみを置き換えるものである。

【００８７】測定が開始されると、Ｓ１〜Ｓ３（図３）
により初期設定が行われる。続いて、変位信号制御部１
２からサーボモータ９に信号を与えて、予め設定された
速度Ｖで一定の距離Lだけ圧電振動子１を変位させる
（Ｓ４）。この状態で、接触圧Ｆが圧力センサ６により
測定され（Ｓ７１）、信号Ａとして第１のＦ格納部１８
に格納される。

【００８８】次に、演算エラー回避手段２９において、
ＦとＦ0との比較演算を行う（Ｓ７２）。この演算の結
果、Ｆ＞Ｆ0でない場合には、Ｓ４に戻り、再び圧電振
動子１を被測定物１６に接触する方向へ変位させる。Ｆ
＞Ｆ0の場合には、次のステップに進み、発振周波数ｆ
が周波数カウンタ１０により測定され（Ｓ７３）、続い
て、α演算部２２において、α演算を行う（Ｓ７４）。

【００８９】そして、誤作動回避手段３０において、α
＞０であるかの判定を行い（Ｓ７４）、α＞０でない場
合には、Ｓ４に戻り、再び圧電振動子１を被測定物１６
に接触する方向へ変位させる。α＞０の場合には、次の
Ｓ８に進み、以降、第３図と同様の処理を行う。

【００９０】このように、Ｆ＞Ｆ0である場合にのみα
の演算を行うことによって、演算にエラーが生じて硬軟
結果が得られないという問題を解決できる。さらに、α
の値がマイナスでない範囲でのみ誤作動回避手段３０が
比較演算を行うことによって、測定が最適に行われず終
了してしまうことが回避できる。

【００９１】以上、本実施の形態においては、情報処理
部１３に演算エラー回避手段２９と誤作動回避手段３０
を設けたことによって、演算上での計算エラーやバラツ
キによる測定の中断を防ぐことが出来る。また、このよ
うな演算エラー回避手段２９および誤動作回避手段３０
を用いれば、演算エラーや誤動作を監視するセンサや部
材を新たに設ける必要がなく、プログラムや回路で設定
することが出来るので、触覚センサを小型化することも
可能である。

【００９２】なお、本実施の形態の各構成は、当然各種
の変形、変更が可能である。例えば、触覚センサ全体の
装置構成は、第２の実施の形態と同様に、図１２に示す
構成とすることができる。その場合には、図２３におけ
る情報処理部１３内の第１のｆ格納部１９および第２の
ｆ格納部２１は、各々第１のＡｍｐ格納部２７、第２の
Ａｍｐ格納部２８に変更し、αを（２）式から求めれば
良い。また、図１８に示す第３の実施の形態に示す構成
とする場合には、情報処理部１３には、第１のｆ格納部
１９，第２のｆ格納部２１，第１のＡｍｐ格納部２７お
よび第２のＡｍｐ格納部２８が必要となり、αは、
（１）式によるα’fと（２）式によるα’Aの２つの値
を持つようになる。 （第５の実施の形態）以下、本発明に係る第５の実施の
形態について説明する。

【００９３】本実施の形態に係る触覚センサの全体の構
成は、情報処理部１３を除いて、図１に示す第１の実施
の形態に係る触覚センサの構成と同じである。図２５
に、本実施の形態に係る情報処理部１３の構成を示す。
同図において、図２に示す構成と重複する部分について
は、同じ名称および番号を用い、説明を省略する。図示
してあるように、情報処理部１３は、図２および図１３
に示すαmax格納部２５の換わりに、β格納部４０を備
えている。

【００９４】続いて、図１，図３および図２５〜図２７
を用いて、上記構成における作用を説明する。図２６
は、第５の実施の形態に係る触覚センサの作用を説明す
るためのフロー図であり、第１の実施の形態に係る図３
のフロー図のＳ８以降を置き換えるものである。図２７
は、接触圧に対する周波数の傾きの最大値αmaxでの接
触圧βと圧電振動子１の変位速度Ｖとから被測定物の硬
軟を算出・判別するためのテーブルを示す図である。

【００９５】第１の実施の形態と同様にしてＳ８まで進
み、αとα’の大小を比較演算部２３で比較する。比較
の結果、α＞α’である場合には、第１の実施の形態と
同様にＳ１０〜Ｓ１１に進み、Ｓ４に戻る。

【００９６】一方、α＜α’である場合、第２のＦ格納
部２０に格納されているＦ0が、αmaxでの接触圧βとし
て、β格納部４０に格納される（Ｓ８０）。硬軟判別関
数部２６は、β格納部４０に後続しており、接触圧βと
サーボモータ９の変位速度Ｖを入力信号として、図２７
に示す硬軟判別のテーブルに従って、被測定物１６の硬
軟を算出・判別する（Ｓ８１）。そして、その結果を硬
軟表示部１４に出力して表示する（Ｓ８２）。

【００９７】また、Ｓ８１，Ｓ８２と平行して、変位信
号制御部１２には、プローブ端面３１が外筒３内部に位
置する初期状態にサーボモータ９が戻るように、信号Ｃ
がα’格納部２４から与えられる（Ｓ８３）。その信号
に基づいた変位信号制御部１２からの駆動信号によっ
て、サーボモータ９が初期位置に戻れば（Ｓ８４）、測
定終了となる。

【００９８】次に、図２８を参照して、接触圧βと被測
定物の硬さの関係を説明する。頭２８は、動的粘弾性測
定（測定条件：周波数１rad/sec、室温）によって得ら
れた各粘弾性材料の粘弾性率の実数部Ｅ’と接触圧βの
関係を示す図である。

【００９９】図２８に示すように、αmaxが検出された
ときの接触圧βは、被測定物１６が硬いほど大きくなる
ことが実験的に確かめられ、動的粘弾性率の実数部Ｅ’
と接触圧βが粘弾性対象物の硬さに依存することから、
その接触圧βをもとに被測定物１６の硬さを判別するこ
とが可能である。

【０１００】本実施の形態によれば、情報処理部１３に
て算出される接触圧Ｆに対する発振周波数ｆの最大傾き
αmax検出時の接触圧βと、測定時の圧電振動子１の変
位速度Ｖをもとに、予め測定されたデータによって作成
されたテーブルから被測定物１６の硬さを検出するよう
にしたので、被測定物１６の硬さを検出する場合に、接
触圧Ｆの影響を受けずに測定ができ、従来に比較してそ
の検出精度を向上させることができるなどの効果があ
る。

【０１０１】以上、本発明の各実施の形態について説明
したが、上記実施の形態には、以下のような発明が含ま
れている。 （１）．圧電振動子を自励発振させる駆動回路と、前記
圧電振動子を移動させ被測定物に接触させる駆動機構
と、前記被測定物と前記圧電振動子との接触圧力を検出
する圧力検出手段と、前記圧電振動子からの出力信号を
検出する手段と、前記接触圧力の変化に対する前記圧電
振動子からの出力信号の変化率を計測する演算手段を有
するようにしたものである。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第１〜第５の実施の形態が対応する。クレーム
中の構成、駆動機構は、実施の形態ではサーボモータ９
であるが、ＤＣモータやリニアモータ等も含む。圧力検
出手段は、実施の形態では圧力センサであるが、歪みゲ
ージやロードセルなども含む。また、出力信号を検出す
る手段は、実施の形態では周波数カウンタ１０やデジタ
ルボルトメータ１７であるが、周波数-電圧変換回路や
オシロスコープ等も含む。出力信号の変化率を計測する
演算手段は、実施の形態では情報処理部１３が該当す
る。 （作用）駆動機構によって、自励発振している圧電振動
子に変位を与えて、前記圧電振動子を被測定物に接触さ
せ、圧力検出手段により当該振動子と前記被測定物との
接触圧と、出力信号を検出する手段により前記圧電振動
子からの出力信号とを検知し、前記接触圧力の変化に対
する前記圧電振動子からの出力信号の変化率を算出する
ことで、被測定物の硬さを検出する。 （効果）被測定物への接触圧力の変化に応じた圧電振動
子からの出力信号の変化率を算出し、この出力信号の変
化率に基づいて被測定物の硬度を検出するので、接触圧
力の大きさに影響されない硬さ検出が可能となり、検出
精度を向上させることができる。 （２）．前記信号検出手段は、前記圧電振動子の出力信
号から発振周波数を検出する手段であり、前記接触圧力
の変化に対する前記発振周波数の最大変化率を検出する
手段をさらに有することを特徴とする（１）に記載の触
覚センサ。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第１、第４の実施の形態が対応する。 （作用）圧電振動子と被測定物との間の接触圧力を変化
させながら圧電振動子を被測定物に接触させ、そのとき
の接触圧力を計測しながら、圧電振動子からの発振周波
数を検出し、前記接触圧力の変化に対する前記発振周波
数の最大変化率を算出する。 （効果）圧電振動子と被測定物との間の接触圧力を変化
させながら、前記接触圧力の変化に対する圧電振動子か
らの発振周波数の最大変化率を算出し、その値から前記
被測定物の硬さを検出するので、圧力に影響されない硬
さ検出が行える。 （３）．前記信号検出手段は、前記圧電振動子の出力信
号から発振周波数を検出する手段であり、前記接触圧力
の変化に対する前記発振周波数の変化が最大となる接触
圧力を検出する手段をさらに有することを特徴とする
（１）に記載の触覚センサ。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第５の実施の形態が対応する。 （作用）圧電振動子と被測定物との間の接触圧力を変化
させながら圧電振動子を被測定物に接触させ、そのとき
の接触圧力を計測しながら、圧電振動子からの発振周波
数を検出し、前記接触圧力の変化に対する前記発振周波
数の最大変化率を算出するとともに、前記最大変化率を
与える接触圧力を検出する。 （効果）圧電振動子と被測定物との間の接触圧力を変化
させながら、前記接触圧力の変化に対する圧電振動子か
らの発振周波数の最大変化率を算出し、その最大変化率
を与えるときの接触圧力を検出する。その接触圧力をも
とに前記被測定物の硬さを検出するので、圧力に影響さ
れない硬さ検出が行える。 （４）．前記信号検出手段は、前記圧電振動子の出力信
号から振幅を検出する手段であり、前記接触圧力の変化
に対する前記振幅の最大変化率を検出する手段をさらに
有することを特徴とする（１）に記載の触覚センサ。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第２、第４の実施の形態が対応する。 （作用）圧電振動子と被測定物との間の接触圧力を変化
させながら圧電振動子を被測定物に接触させ、そのとき
の接触圧力を計測しながら、圧電振動子からの出力信号
の振幅を検出し、前記接触圧力の変化に対する前記出力
信号の振幅の最大変化率を算出する。 （効果）圧電振動子と被測定物との間の接触圧力を変化
させながら、前記接触圧力の変化に対する前記出力信号
の振幅の最大変化率を算出し、その値から前記被測定物
の硬さを検出するので、圧力に影響されない硬さ検出が
行える。 （５）．前記信号検出手段は、前記圧電振動子の出力信
号の振幅を検出する手段であり、前記接触圧力の変化に
対する前記出力信号の振幅変化が最大となる接触圧力を
検出する手段を有することを特徴とする（１）に記載の
触覚センサ。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第５の実施の形態が対応する。 （作用）圧電振動子と被測定物との間の接触圧力を変化
させながら圧電振動子を被測定物に接触させ、そのとき
の接触圧力を計測しながら、圧電振動子からの出力信号
の振幅を検出し、前記接触圧力の変化に対する前記出力
信号の振幅変化が最大となるときの接触圧力を検出す
る。 （効果）圧電振動子と被測定物との間の接触圧力を変化
させながら、前記接触圧力の変化に対する圧電振動子か
らの出力信号の振幅変化が最大となるときの接触圧力を
検出する。その接触圧力をもとに前記被測定物の硬さを
検出するので、圧力に影響されない硬さ検出が行える。 （６）．前記信号検出手段は、前記圧電振動子の出力信
号から発振周波数および振幅を検出する手段であり、前
記接触圧力の変化に対する前記発振周波数の最大変化率
および振幅の最大変化率を検出し、発振周波数の最大変
化率および振幅の最大変化率から被測定物の硬さを検出
する手段をさらに有することを特徴とする（１）に記載
の触覚センサ。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第３の実施の形態が対応する。 （作用）圧電振動子と被測定物との間の接触圧力を変化
させながら圧電振動子を被測定物に接触させ、そのとき
の接触圧力を計測しながら、圧電振動子からの出力信号
の振動周波数と振幅を検出し、前記接触圧力の変化に対
する前記圧電振動子からの出力信号の振動周波数と振幅
の二つの最大変化率を算出し、これらの二つの値から測
定対象物の硬さを検出する。 （効果）圧電振動子と被測定物との間の接触圧力を変化
させながら圧電振動子を被測定物に接触させ、そのとき
の接触圧力を計測しながら、前記接触圧力の変化に対す
る前記圧電振動子からの出力信号の振動周波数と振幅の
二つの最大変化率を算出し、これらの二つの値から測定
対象物の硬さを検出するので、周波数だけ、または、振
幅だけでは得られない被測定物の硬さ情報を、圧力に影
響されずに検出できる。 （７）．前記圧電振動子を移動させる駆動機構は、被測
定物に対して前記圧電振動子を一定速度で変位させるこ
とを特徴とする（２）〜（６）に記載の触覚センサ。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第１〜５の実施の形態が対応する。 （作用）駆動機構が圧電振動子を一定速度で被測定物に
接触させる。 （効果）接触圧力に対する圧電振動子からの出力信号の
変化が、圧電振動子が被測定物に接触する速度に依存し
て変化するので、圧電振動子が被測定物に接触する速度
を一定にすることにより、測定状態を常に一定にするこ
とができ、安定した出力信号を得ることができる。 （８）．前記圧電振動子の変位速度と接触圧と、前記圧
電振動子の発振周波数または振幅の最大変化率と、被測
定物の硬さの関係を予め記憶しておおくテーブルをさら
に有することを特徴とする（２）〜（６）に記載の触覚
センサ。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第１〜第４の実施の形態が対応する。 （作用）予め記憶された、圧電振動子の変位速度と接触
圧と、前記圧電振動子の発振周波数または振幅の最大変
化率と、被測定物の硬さの関係を予めテーブルに記憶し
ておき、被測定物の硬さを検出する。 （効果）測定された圧電振動子の移動速度と接触圧と出
力信号の発振周波数または振幅の最大変化率を予め記憶
された値と比較することにより被測定物の硬さを検出す
るので、複雑な演算を行う必要がない。 （９）．前記発振周波数または振幅の最大変化率を検出
する手段は、演算エラー回避手段を有することを特徴と
する（１）〜（６）に記載の触覚センサ。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第４の実施の形態が対応する。 （作用）発振周波数または振幅の最大変化率を検出する
際に、演算エラー回避手段は演算処理の続行または回避
信号を出力する。 （効果）発振周波数または振幅の最大変化率を検出する
際に、演算エラー回避手段は演算処理の続行または回避
信号を出力して、演算上でエラーが生じないようにする
ので、被測定物の硬さを検出する前に測定の続行が不可
能になることを回避する。 （１０）．前記発振周波数または振幅の最大変化率を検
出する手段は、誤動作回避手段を有することを特徴とす
る（１）〜（６）に記載の触覚センサ。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第４の実施の形態が対応する。 （作用）周波数または振幅の最大変化率を検出する際
に、誤動作回避手段が演算処理の続行または回避信号を
出力する。 （効果）周波数または振幅の最大変化率を検出する際
に、誤作動回避手段は演算処理の続行または回避信号を
出力するので、測定器や外部環境の影響などによる影響
を除去し、被測定物の硬さを検出する前に測定が終了す
ることを回避する。

【０１０２】なお、本実施の形態の各構成は、当然、各
種の変形、変更が可能である。例えば、周波数カウンタ
１０はデジタルボルトメータ１７とすることができ、そ
の場合、情報処理部１３の第１のｆ格納部１２、第２の
ｆ格納部２１は、各々第１のＡｍｐ格納部２７、第２の
Ａｍｐ格納部２８に変更され、接触圧Ｆに対する発振周
波数ｆの最大傾きαmax検出時の接触圧βは、接触圧Ｆ
に対する振幅Ａｍｐの最大傾きαmax検出時の接触圧β
となる。

【０１０３】

【発明の効果】被測定物への接触圧力の変化に応じた圧
電振動子からの出力信号の変化率を算出し、この出力信
号の変化率に基づいて被測定物の硬度を検出するので、
接触圧力の大きさに影響されない硬さ検出が可能とな
り、検出精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係る触覚センサの構成図。

【図２】第１の実施の形態に係る情報処理部１３の構成
を示す図。

【図３】第１の実施の形態に係る触覚センサの作用を説
明するためのフロー図。

【図４】第１の実施の形態に係る触覚センサプローブが
被測定物に接触している状態を示す図。

【図５】第１の実施の形態に係る被測定物の硬軟を算出
・判別するためのテーブル図。

【図６】第１の実施の形態に係る測定曲線を示す図。

【図７】第１の実施の形態に係る発振周波数と接触圧と
の関係を示す図。

【図８】第１の実施の形態に係る発振周波数と接触圧と
の関係を示す図。

【図９】第１の実施の形態に係る接触圧に対する発振周
波数の変化特性を説明するための図。

【図１０】第１の実施の形態に係る粘弾性率とαmaxと
の関係を示す図。

【図１１】第１の実施の形態に係るαに対する変位速度
の影響を説明するための図。

【図１２】第２の実施の形態に係る触覚センサの構成
図。

【図１３】第２の実施の形態に係る情報処理部１３の構
成を示す図。

【図１４】第２の実施の形態に係る触覚センサの作用を
説明するためのフロー図。

【図１５】第２の実施の形態に係る測定曲線を示す図。

【図１６】第２の実施の形態に係る振幅と接触圧との関
係を示す図。

【図１７】第２の実施の形態に係る粘弾性率とαmaxと
の関係を示す図。

【図１８】第３の実施の形態に係る触覚センサの構成
図。

【図１９】第３の実施の形態に係る情報処理部１３の構
成を示す図。

【図２０】第３の実施の形態に係る圧電振動子の電気的
等価回路を示す図。

【図２１】第３の実施の形態に係る触覚センサの作用を
説明するためのフロー図。

【図２２】第３の実施の形態に係る被測定物の硬軟を算
出・判別するためのテーブル図。

【図２３】第４の実施の形態に係る情報処理部１３の構
成を示す図。

【図２４】第４の実施の形態に係る触覚センサの作用を
説明するためのフロー図。

【図２５】第５の実施の形態に係る情報処理部１３の構
成を示す図。

【図２６】第５の実施の形態に係る触覚センサの作用を
説明するためのフロー図。

【図２７】第５の実施の形態に係る被測定物の硬軟を算
出・判別するためのテーブル図。

【図２８】第５の実施の形態に係る弾性率とβとの関係
を示す図。

【符号の説明】

１ 圧電振動子 ２ マウント部材 ３ 外筒 ４ 発振回路 ５ 固定部材 ６ 圧力センサ ７ 圧力センサ支持部材 ８ 変位機構 ９ サーボモータ １０ 周波数カウンタ １１ ＤＣ電源 １２ 変位信号制御部 １３ 情報処理部 １４ 硬軟表示部 １５ 触覚センサプローブ １６ 被測定物 １７ デジタルボルトメータ １８ 第１のＦ格納部 １９ 第１のｆ格納部 ２０ 第２のＦ格納部 ２１ 第２のｆ格納部 ２２ α演算部 ２３ 比較演算部 ２４ α’格納部 ２５ αmax格納部 ２６ 硬軟判別関数部 ２７ 第１のＡｍｐ格納部 ２８ 第２のＡｍｐ格納部 ２９ 演算エラー回避手段 ３０ 誤動作回避手段 ３１ プローブ端面 ３２ αA演算部 ３３ αf演算部 ３４ αA比較演算部 ３５ αf比較演算部 ３６ α’A格納部 ３７ α’f格納部 ３８ αmaxＡ格納部 ３９ αmaxｆ格納部 ４０ β格納部

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電振動子を自励発振させる駆動回路と、 前記圧電振動子を移動させ被測定物に接触させる駆動機
   構と、 前記被測定物と前記圧電振動子との接触圧力を検出する
   圧力検出手段と、 前記圧電振動子からの出力信号を検出する信号検出手段
   と、 前記接触圧力の変化に対する前記圧電振動子からの出力
   信号の変化率を計測する演算手段とを有することを特徴
   とする触覚センサ。
2. 【請求項２】前記信号検出手段は、前記圧電振動子の出
   力信号から発振周波数を検出する手段であり、前記接触
   圧力の変化に対する前記発振周波数の最大変化率を検出
   する手段をさらに有することを特徴とする請求項１記載
   の触覚センサ。
3. 【請求項３】前記信号検出手段は、前記圧電振動子の出
   力信号から発振周波数を検出する手段であり、前記接触
   圧力の変化に対する前記発振周波数の変化が最大となる
   接触圧力を検出する手段をさらに有することを特徴とす
   る請求項１記載の触覚センサ。
4. 【請求項４】前記信号検出手段は、前記圧電振動子の出
   力信号から振幅を検出する手段であり、前記接触圧力の
   変化に対する前記振幅の最大変化率を検出する手段をさ
   らに有することを特徴とする請求項１記載の触覚セン
   サ。
5. 【請求項５】前記信号検出手段は、前記圧電振動子の出
   力信号の振幅を検出する手段であり、前記接触圧力の変
   化に対する前記出力信号の振幅変化が最大となる接触圧
   力を検出する手段を有することを特徴とする請求項１記
   載の触覚センサ。
6. 【請求項６】前記信号検出手段は、前記圧電振動子の出
   力信号から発振周波数および振幅を検出する手段であ
   り、前記接触圧力の変化に対する前記発振周波数の最大
   変化率および振幅の最大変化率を検出し、発振周波数の
   最大変化率および振幅の最大変化率から被測定物の硬さ
   を検出する手段をさらに有することを特徴とする請求項
   １に記載の触覚センサ。
7. 【請求項７】前記圧電振動子を移動させる駆動機構は、
   被測定物に対して前記圧電振動子を一定速度で変位させ
   ることを特徴とする請求項２から請求項６のうちいずれ
   か１項記載の触覚センサ。
8. 【請求項８】前記圧電振動子の変位速度と接触圧と、前
   記圧電振動子の発振周波数または振幅の最大変化率と、
   被測定物との硬さの関係を予め記憶しておくテーブルを
   さらに有することを特徴とする請求項２から請求項６の
   うちいずれか１項記載の触覚センサ。
9. 【請求項９】前記発振周波数または振幅の最大変化率を
   検出する手段は、演算エラー回避手段を有することを特
   徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項記載
   の触覚センサ。
10. 【請求項１０】前記発振周波数または振幅の最大変化率
    を検出する手段は、誤動作回避手段を有することを特徴
    とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項記載の
    触覚センサ。