JPH1062328A

JPH1062328A - 触覚センサ

Info

Publication number: JPH1062328A
Application number: JP8221371A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Ikeda; 裕一池田
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-08-22
Filing date: 1996-08-22
Publication date: 1998-03-06
Anticipated expiration: 2016-08-22
Also published as: JP3966925B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、測定対象の物体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。【解決手段】本発明は、振動子１１及び接触子１３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、その接触子１３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
センサにおいて、前記接触子１３が振動の伝播方向の断
面積が変化する形状であるものとした。接触子１３が、
振動の伝播方向の断面積が変化する形状とすることによ
り、振動の振幅を振動伝播方向に変化させることができ
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４０−２７２
３６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】

（手段）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おい
て、前記機械的振動部が振動の伝播方向の断面積が変化
する形状であるものとした。（作用）機械的振動部が、振動の伝播方向の断面積が変
化する形状とすることにより、機械的振動部で発生した
振動の振幅を振動伝播方向に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１６
ｂ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１６
ａ，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１６
ａ，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１
１に対して拡大されて伝達される。すなわち、振動子１
１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１
１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３
５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３
３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１−１８９５
８３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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ａ６１Ｂ 1/00 ３００Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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、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おいて、前記
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。