(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動子の等価回路定数を用いる発振回路と、該発振回路の出力信号を処理する処理回路と、上記圧電振動子を保持する保持手段と、上記発振回路及び上記処理回路が内蔵され上記保持手段が設けられたハウジング手段とを少なくとも備え、粘弾性特性を有する対象物の機械的インピーダンスを上記発振回路からの出力信号より検出する触覚センサプローブにおいて、
上記圧電振動子がエネルギ閉じ込め型圧電振動子であり、
上記処理回路は、上記発振回路の出力信号を分岐させる分岐回路と、該分岐回路の出力信号の振幅の大きさをエンベロープ信号に変換するフィルタ回路と、上記分岐回路の出力信号の周波数信号を直流信号に変換する周波数電圧変換回路とを有することを特徴とする触覚センサプローブ。
【請求項２】
圧電振動子の等価回路定数を用いる発振回路と、該発振回路の出力信号を処理する処理回路と、上記圧電振動子を保持する保持手段と、上記発振回路及び上記処理回路が内蔵され上記保持手段が設けられたハウジング手段とを少なくとも備え、粘弾性特性を有する対象物の機械的インピーダンスを上記発振回路からの出力信号より検出する触覚センサプローブにおいて、
上記圧電振動子がエネルギ閉じ込め型圧電振動子であり、
上記処理回路は、上記発振回路の出力信号を分岐させる分岐回路と、該分岐回路の出力信号の振幅の大きさをエンベロープ信号に変換するフィルタ回路と、上記エンベロープ信号を周波数に変換する電圧周波数変換回路と、該電圧周波数変換回路の出力信号と上記分岐回路からの交流信号とを時分割で合成させるゲート回路と、該ゲート回路の基準時間を規定するタイマ回路とを有することを特徴とする触覚センサプローブ。
【請求項３】
圧電振動子の等価回路定数を用いる発振回路と、該発振回路の出力信号より所定の周波数帯域を抽出する抽出手段と、該抽出手段の出力信号を処理する処理回路と、上記圧電振動子を保持する保持手段と、上記発振回路、上記抽出手段、及び上記処理回路が内蔵され上記保持手段が設けられたハウジング手段とを少なくとも備え、粘弾性特性を有する対象物の機械的インピーダンスを上記発振回路からの出力信号より検出する触覚センサプローブにおいて、
上記圧電振動子がエネルギ閉じ込め型圧電振動子であり、
上記処理回路は、上記抽出手段の出力信号を分岐させる分岐回路と、該分岐回路の出力信号の振幅の大きさをエンベロープ信号に変換するフィルタ回路と、上記分岐回路の出力信号の周波数信号を直流信号に変換する周波数電圧変換回路とを有することを特徴とする触覚センサプローブ。
【請求項４】
圧電振動子の等価回路定数を用いる発振回路と、該発振回路の出力信号より所定の周波数帯域を抽出する抽出手段と、該抽出手段の出力信号を処理する処理回路と、上記圧電振動子を保持する保持手段と、上記発振回路、上記抽出手段、及び上記処理回路が内蔵され上記保持手段が設けられたハウジング手段とを少なくとも備え、粘弾性特性を有する対象物の機械的インピーダンスを上記発振回路からの出力信号より検出する触覚センサプローブにおいて、
上記圧電振動子がエネルギ閉じ込め型圧電振動子であり、
上記処理回路は、上記抽出手段の出力信号を分岐させる分岐回路と、該分岐回路の出力信号の振幅の大きさをエンベロープ信号に変換するフィルタ回路と、上記エンベロープ信号を周波数に変換する電圧周波数変換回路と、該電圧周波数変換回路の出力信号と上記分岐回路からの交流信号とを時分割で合成させるゲート回路と、該ゲート回路の基準時間を規定するタイマ回路とを有することを特徴とする触覚センサプローブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、粘弾性特性をもつ対象物と接触する時に受ける反作用力を検出する触覚センサプローブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内視鏡は内部を観察するための機能のみでなく、観察を行いながら観察対象を操作するといった機能が重視されるようになってきている。これは、例えば、胆嚢摘出手術に硬性鏡が使用されたりする情勢より容易に推測できる。このような内視鏡を用いた手術や診断は、今後はますます拡大するものと予想される。
【０００３】
内視鏡において、より複雑、微細な操作体腔内で診断・治療を適切に行うには、視覚情報と同時に触覚情報もより重要なものとなる。ここでいう、触覚とは対象物のもつ粘弾性特性による反作用力の知覚であると定義し、対象物のもつ粘弾性特性を機械的インピーダンスとして検出するセンサを触覚センサと呼ぶこととする。
【０００４】
ところで、触覚情報を得るための装置として、対象物の粘弾性特性を機械的インピーダンスとして検出する触覚センサプローブがある。従来は腫瘍やしこりなどの臓器の粘弾性特性は術者の定性的な感覚量でしか判断できなかったが、この触覚センサプローブにより定量的に検出でき、触覚情報を第３者に確実に伝達可能なデータとして変換できるようになった。
【０００５】
このような技術として、例えば、特開平３−８１６４１号公報による物質の硬さ特性測定方法及び装置によれば、対象物の固有振動数を求めることにより、対象物の硬さ柔らかさを求める手法が提案されている。
【０００６】
この提案は図１３に示すように、振動子１１１１とこの振動子１１１１に取り付けた振動検出用素子１１１２を、増幅回路部１１２２と周波数測定器１１３１または電圧測定器１１３２よりなる計測部１１３３で構成される自励発振回路Ｐに組み込み、振動検出用素子１１１２からの信号を増幅回路部１１２２により増幅して、振動子１１１１に帰還して自励発振させる。そして、このとき圧電振動子１１１１に取り付けた振動検出用素子１１１２により検出した振動数から、対象物と接触していないときの固有振動数と、対象物と接触しているときの固有振動数を求め、両者の差から対象物の硬さ柔らかさを検出する装置及び方法である。さらに、振動子１１１１の保持方法として、支持部材１１１３で振動子１１１１の節を保持する構造を持っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
触覚センサにおいて検出分解能を上げるには、大きな共振尖鋭度（Ｑｍ）を持つ必要があるが、上記特開平３−８１６４１号公報による手法では、振動検出素子１１１２を振動子１１１１に取り付けているため、共振尖鋭度（Ｑｍ）は大幅に下がり、感度が落ちてしまう。
【０００８】
さらに、振動子１１１１の保持方法として、支持部材１１１３で振動子１１１１の節を固定するという旨の開示があるが、対象物との接触時においては振動子１１１１の節は移動し、共振尖鋭度が下がると同時に保持基体１１１４が振動子１１１１の負荷となる可能性がある。
【０００９】
また、図１３に示すように振動子１１１１を自励振動させる構造として、振動検出素子１１１２からの信号を信号線で出力し、保持基体１１１４外に設けた増幅回路部１１２２で増幅して、振動子１１１１に帰還させる自励発振回路Ｐの構成としている。このように信号線を介して保持基体１１１４外に出力すると、信号線と接地線間の静電容量や信号線の引き回しによる浮遊インダクタンスの変化などにより自励発振回路Ｐの発振状態が変化してしまうため、Ｓ／Ｎを悪化させる原因となる。
【００１０】
また、圧電振動子の等価回路は、その共振周波数ｆ0 近傍において図３（ａ）に示すような回路で表せる。一方、粘弾性体の等価回路は図３（ｃ）に示すように抵抗ΔＲ１、リアクタンスΔＬ１で表せる。なお、図３（ｂ）は非粘弾性体の等価回路を示す図である。
【００１１】
ここで、粘弾性体を圧電振動子に接触させた状態は、圧電振動子の等価回路に直列に粘弾性体の等価回路を接続させたものと等価になる。すなわち、図３（ａ）に示す機械端子に、図３（ｃ）に示す回路を接続させたものとなる。この回路の等価回路定数を用いて、圧電振動子が無負荷時の共振周波数ｆr0、反共振周波数ｆa0、インピーダンスＺは次式のようになる。
【００１２】
【数１】
0003686698.tif 000002
一方、負荷時の共振周波数ｆr1、反共振周波数ｆa1、インピーダンスＺ1 は次式のようになる。
【００１３】
【数２】
0003686698.tif 000003
【００１４】
例えば、圧電振動子を利用して発振回路を構成すると、この発振回路の出力信号は図４に実線にて示すような信号となる。この出力信号は圧電振動子の共振周波数ｆ0 に対応した信号で出力され、かつ圧電振動子のインピーダンスの実数部に対応した振幅Ａ0 で出力される。よって、図４に実線にて示す信号の周波数ｆ0 は上記（１）式のｆr0に対応し、振幅Ａ0 は上記（１）式のＺに比例する。
【００１５】
一方、圧電振動子に粘弾性体が付着すると、上記発振回路の出力信号は図４に破線にて示すような信号となる。この出力信号の振幅Ａ1 及び周波数ｆ1 は粘弾性体の弾性率、粘性率の両方に対応した信号として出力される。
【００１６】
したがって、硬さに関係する粘弾性特性を測定するには振幅と周波数の両方を測定する必要がある。しかし、上記特開平３−８１６４１号公報による手法では、周波数の変化しか測定していないため、粘弾性特性を検出することはできない。
【００１７】
そこで本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、共振尖鋭度を下げることなく、圧電振動子の振動特性の検出及びこの圧電振動子の保持が可能であり、さらに粘弾性特性を検出することが可能な触覚センサプローブを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の触覚センサプローブは、圧電振動子の等価回路定数を用いる発振回路と、該発振回路の出力信号を処理する処理回路と、上記圧電振動子を保持する保持手段と、上記発振回路及び上記処理回路が内蔵され上記保持手段が設けられたハウジング手段とを少なくとも備え、粘弾性特性を有する対象物の機械的インピーダンスを上記発振回路からの出力信号より検出する触覚センサプローブにおいて、上記圧電振動子がエネルギ閉じ込め型圧電振動子であり、上記処理回路は、上記発振回路の出力信号を分岐させる分岐回路と、該分岐回路の出力信号の振幅の大きさをエンベロープ信号に変換するフィルタ回路と、上記分岐回路の出力信号の周波数信号を直流信号に変換する周波数電圧変換回路とを有することを特徴とする。
また、本発明の触覚センサプローブは、圧電振動子の等価回路定数を用いる発振回路と、該発振回路の出力信号を処理する処理回路と、上記圧電振動子を保持する保持手段と、上記発振回路及び上記処理回路が内蔵され上記保持手段が設けられたハウジング手段とを少なくとも備え、粘弾性特性を有する対象物の機械的インピーダンスを上記発振回路からの出力信号より検出する触覚センサプローブにおいて、上記圧電振動子がエネルギ閉じ込め型圧電振動子であり、上記処理回路は、上記発振回路の出力信号を分岐させる分岐回路と、該分岐回路の出力信号の振幅の大きさをエンベロープ信号に変換するフィルタ回路と、上記エンベロープ信号を周波数に変換する電圧周波数変換回路と、該電圧周波数変換回路の出力信号と上記分岐回路からの交流信号とを時分割で合成させるゲート回路と、該ゲート回路の基準時間を規定するタイマ回路とを有することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の触覚センサプローブは、圧電振動子の等価回路定数を用いる発振回路と、該発振回路の出力信号より所定の周波数帯域を抽出する抽出手段と、該抽出手段の出力信号を処理する処理回路と、上記圧電振動子を保持する保持手段と、上記発振回路、上記抽出手段、及び上記処理回路が内蔵され上記保持手段が設けられたハウジング手段とを少なくとも備え、粘弾性特性を有する対象物の機械的インピーダンスを上記発振回路からの出力信号より検出する触覚センサプローブにおいて、上記圧電振動子がエネルギ閉じ込め型圧電振動子であり、上記処理回路は、上記抽出手段の出力信号を分岐させる分岐回路と、該分岐回路の出力信号の振幅の大きさをエンベロープ信号に変換するフィルタ回路と、上記分岐回路の出力信号の周波数信号を直流信号に変換する周波数電圧変換回路とを有することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の触覚センサプローブは、圧電振動子の等価回路定数を用いる発振回路と、該発振回路の出力信号より所定の周波数帯域を抽出する抽出手段と、該抽出手段の出力信号を処理する処理回路と、上記圧電振動子を保持する保持手段と、上記発振回路、上記抽出手段、及び上記処理回路が内蔵され上記保持手段が設けられたハウジング手段とを少なくとも備え、粘弾性特性を有する対象物の機械的インピーダンスを上記発振回路からの出力信号より検出する触覚センサプローブにおいて、上記圧電振動子がエネルギ閉じ込め型圧電振動子であり、上記処理回路は、上記抽出手段の出力信号を分岐させる分岐回路と、該分岐回路の出力信号の振幅の大きさをエンベロープ信号に変換するフィルタ回路と、上記エンベロープ信号を周波数に変換する電圧周波数変換回路と、該電圧周波数変換回路の出力信号と上記分岐回路からの交流信号とを時分割で合成させるゲート回路と、該ゲート回路の基準時間を規定するタイマ回路とを有することを特徴とする。
【００２１】
【作用】
本発明の触覚センサプローブにおいては、圧電振動子の等価回路定数を用いる発振回路と、該発振回路の出力信号を処理する処理回路と、上記圧電振動子を保持する保持手段と、上記発振回路及び上記処理回路が内蔵され上記保持手段が設けられたハウジング手段とを少なくとも備え、粘弾性特性を有する対象物の機械的インピーダンスを上記発振回路からの出力信号より検出する触覚センサプローブであって、上記圧電振動子にエネルギ閉じ込め型圧電振動子が用いられる。また、上記処理回路の分岐回路では、上記発振回路の出力信号が分岐され、この分岐回路の出力信号の振幅の大きさがフィルタ回路においてエンベロープ信号に変換される。更に、分岐回路の出力信号の周波数信号は周波数電圧変換回路において直流信号に変換される。
また、本発明の触覚センサプローブは、圧電振動子の等価回路定数を用いる発振回路と、該発振回路の出力信号を処理する処理回路と、上記圧電振動子を保持する保持手段と、上記発振回路及び上記処理回路が内蔵され上記保持手段が設けられたハウジング手段とを少なくとも備え、粘弾性特性を有する対象物の機械的インピーダンスを上記発振回路からの出力信号より検出する触覚センサプローブであって、上記圧電振動子にエネルギ閉じ込め型圧電振動子が用いられる。また、上記処理回路の分岐回路では、上記発振回路の出力信号が分岐され、この分岐回路の出力信号の振幅の大きさがフィルタ回路においてエンベロープ信号に変換される。このエンベロープ信号は、電圧周波数変換回路において周波数に変換される。ゲート回路では、電圧周波数変換回路の出力信号と分岐回路からの交流信号とが時分割で合成される。タイマ回路では、ゲート回路の基準時間が規定される。
【００２２】
また、本発明の触覚センサプローブは、圧電振動子の等価回路定数を用いる発振回路と、該発振回路の出力信号より所定の周波数帯域を抽出する抽出手段と、該抽出手段の出力信号を処理する処理回路と、上記圧電振動子を保持する保持手段と、上記発振回路、上記抽出手段、及び上記処理回路が内蔵され上記保持手段が設けられたハウジング手段とを少なくとも備え、粘弾性特性を有する対象物の機械的インピーダンスを上記発振回路からの出力信号より検出する触覚センサプローブであって、上記圧電振動子にエネルギ閉じ込め型圧電振動子が用いられる。また、上記処理回路の分岐回路では、上記抽出手段の出力信号が分岐され、この分岐回路の出力信号の振幅の大きさがフィルタ回路においてエンベロープ信号に変換される。更に、分岐回路の出力信号の周波数信号は周波数電圧変換回路において直流信号に変換される。
【００２３】
また、本発明の触覚センサプローブは、圧電振動子の等価回路定数を用いる発振回路と、該発振回路の出力信号より所定の周波数帯域を抽出する抽出手段と、該抽出手段の出力信号を処理する処理回路と、上記圧電振動子を保持する保持手段と、上記発振回路、上記抽出手段、及び上記処理回路が内蔵され上記保持手段が設けられたハウジング手段とを少なくとも備え、粘弾性特性を有する対象物の機械的インピーダンスを上記発振回路からの出力信号より検出する触覚センサプローブであって、上記圧電振動子にエネルギ閉じ込め型圧電振動子が用いられる。また、上記処理回路の分岐回路では、上記抽出手段の出力信号が分岐され、この分岐回路の出力信号の振幅の大きさがフィルタ回路においてエンベロープ信号に変換される。このエンベロープ信号は、電圧周波数変換回路において周波数に変換される。ゲート回路では、電圧周波数変換回路の出力信号と分岐回路からの交流信号とが時分割で合成される。タイマ回路では、ゲート回路の基準時間が規定される。
【００２４】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は、本発明に係る第１実施例の触覚センサプローブの構成を示す図である。
【００２５】
この触覚センサプローブは、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０と、このエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の等価回路定数を用いる発振回路２０と、この発振回路２０を内蔵するハウジング部３０と、上記エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の電極部分ｄを避けてこの圧電振動子１０を保持する保持部４０と、この保持部４０が上記ハウジング部３０に設けられ、上記発振回路２０の出力信号を出力する出力端子部５０とから構成される。
【００２６】
コルピッツ回路を用いた上記発振回路２０内においては、上記圧電振動子１０の一端はコンデンサＣ１１を介して、コンデンサＣ１２の一端に接続されるとともに、トランジスタＴｒ１のエミッタと、抵抗Ｒ１１の一端と、コンデンサＣ１３の一端とに接続される。さらに、圧電振動子１０の一端はコンデンサＣ１４を介して、トランジスタＴｒ１のベースと、抵抗Ｒ１２の一端に接続される。
【００２７】
また、上記圧電振動子１０の他端は、上記コンデンサＣ１２の他端と、上記トランジスタＴｒ１のコレクタとに接続されるとともに、抵抗Ｒ１３を介して上記抵抗Ｒ１１の他端と、出力端子５０ａとに接続される。
【００２８】
また、上記コンデンサＣ１３の他端は出力端子５０ｂに接続され、抵抗Ｒ１２の他端は出力端子５０ｃに接続される。
次に、第１実施例の触覚センサプローブの動作について説明する。
【００２９】
本第１実施例に用いられるエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０は、電極部以外に質量負荷などの振動に影響を及ぼすような因子が加わっても電極直下の振動状態が変化しない。そのため、このエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０を使用すると、図２に示すようにエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の電極部分ｄを避けてこの圧電振動子１０を保持する保持部４０に接着しても、上記エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の振動に影響を及ぼすことはなく、理想的な振動状態と高い共振尖鋭度（Ｑｍ）を維持することができる。
【００３０】
また、一般的に、圧電振動子の等価回路は、その共振周波数ｆ0 近傍において図３（ａ）に示すように表せる。一方、粘弾性体の等価回路は図３（ｃ）に示すように抵抗ΔＲ１、リアクタンスΔＬ１で表せる。
【００３１】
ここで、粘弾性体を圧電振動子に接触させた状態は、圧電振動子の等価回路に直列に粘弾性体の等価回路を接続させたものと等価になる。すなわち、図３（ａ）に示す機械端子に、図３（ｃ）に示す回路を接続させたものとなる。この回路の等価回路定数を用いて、圧電振動子が無負荷時の共振周波数ｆr0、反共振周波数ｆa0、インピーダンスＺは上記（１）式のようになる。
【００３２】
また、本第１実施例における出力端子部５０から出力される出力信号は図４に示すようになり、発振回路２０からの出力信号はエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の共振周波数ｆ0 で出力され、かつエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０のインピーダンスの実数部に対応した振幅Ａ0 で出力されるものとなる。よって、図４に実線にて示した出力信号の共振周波数ｆ0 は上記（１）式の共振周波数ｆr0に対応し、振幅Ａ0 はインピーダンスＺに比例する。
【００３３】
ところで、粘弾性体が触覚センサプローブのエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０に接触すると、上記（１）式の共振周波数ｆr0、反共振周波数ｆa0、インピーダンスＺが上記（２）式で与えられるｆr1、ｆa1、Ｚ1 に変化し、図４に破線にて示した出力信号となり、振幅は小さくなり、周波数は１周期あたりΔｔだけ小さく、すなわち発振周波数が高くなる。
【００３４】
このように、圧電振動子の等価回路定数を用いて発振する発振回路２０からの出力信号は、粘弾性体の違いにより変化する。このときのｆ0 、ｆ1 、Ａ0 、Ａ1 の値をそれぞれ検出することにより、粘弾性体の粘弾性特性を検出することが可能になる。
【００３５】
上述したように、粘弾性特性を有する対象物の機械的インピーダンスを、圧電振動子からなる自励発振回路の出力信号より検出する触覚センサの回路部分は、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０と、このエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の等価回路定数を用いる発振回路２０で構成される。
【００３６】
この発振回路２０に定電圧を印加すると発振状態となり、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の発振周波数で発振する。本触覚センサプローブと対象物との接触によるこの対象物の粘弾性特性は、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０のインピーダンス特性に反映され、このインピーダンス特性は発振回路２０の振幅と周波数を決定する。そこで、外部に振幅と周波数の検出装置を用意し、それぞれの値を測定することにより、対象物の粘弾性特性が反映された値を得ることができる。これにより、対象物の粘弾性特性を求めることができる。
例えば、発振回路２０内の各回路定数を以下のように定め、
【００３７】
【表１】
0003686698.tif 000004
次に、異なる粘弾性特性をもつ対象物を以下のように５つ用意する。
【００３８】
【表２】
0003686698.tif 000005
【００３９】
そして、本触覚センサプローブを粘弾性特性として上記表２に示すようなずり弾性率をもつ対象物に圧力を一定にして接触させ、そのときの本触覚センサプローブからの出力を測定する。図５，６は、この測定結果を示す図であり、図５は横軸にずり弾性率の実数部、縦軸に振幅変化をとったときの測定結果であり、図６は横軸にずり弾性率の虚数部、縦軸に周波数変化をとったときの測定結果である。これらの測定結果より、対象物のずり弾性率の実数部の増加に従って振幅変化は大きくなり、また粘性率に相当するずり弾性率の虚数部の増加に従って、すなわち、ねばっこさが増加するに従って、周波数が上昇することがわかる。これより、本触覚センサプローブからの出力信号の振幅と周波数を測定することにより、対象物の粘弾性特性を検出できることがわかる。
【００４０】
以上説明したように本第１実施例においては、上記エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０が高い共振尖鋭度（Ｑｍ）を持っていても、配線の静電容量やインダクタンスにより自励発振させる回路が不安定では良好なＳ／Ｎの触覚センサプローブとすることはできないため、自励発振させる回路の構成に圧電振動子の等価回路定数を用いて発振する発振回路２０を使用している。これにより、発振系を簡単な構成で小型に組むことができるため、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の近傍に設置することが可能になり、配線によるＳ／Ｎの低下を防ぐことができる。
【００４１】
さらに、発振回路２０の出力信号を測定すればエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０のインピーダンス特性を検出することができ、圧電振動子１０の振動を検出するための素子を必要としない。したがって、保持部４０の影響がなく振動検出用の素子が不要なため、高い共振尖鋭度（Ｑｍ）を持つ圧電振動子が得られる。以上述べたように、両者の効果により高感度の触覚センサプローブを提供することができる。
【００４２】
また、図１に示したように自己バイアス用のコンデンサＣ１４をトランジスタＴｒ１のベースに接続することにより、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０に直流バイアスがかからなくなり、トランジスタＴｒ１のベースの電源電圧の変化が少なくなるため、トランジスタＴｒ１の増幅度が安定し、安定した振動を得ることができる。
【００４３】
なお、圧電振動子の等価回路定数を用いて発振回路２０を構成する回路要素であれば、どのような回路要素を用いてもかまわない。
図７は、本発明に係る第２実施例の触覚センサプローブの構成を示す図である。
【００４４】
この触覚センサプローブは、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０と、このエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の等価回路定数を用いる発振回路２０と、この発振回路２０の出力信号より所定の周波数帯域を抽出する抽出部６０と、上記発振回路２０と抽出部６０を内蔵するハウジング部３０と、上記エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の電極部分ｄを避けてこの圧電振動子１０を保持する保持部４０と、この保持部４０が上記ハウジング部３０に設けられ、上記発振回路２０の出力信号を出力する出力端子部５０とから構成される。
【００４５】
コルピッツ回路を用いた上記発振回路２０内の構成は上記第１実施例と同一であり、その他の構成は図７に示すように発振回路２０に、トランスＴ１とコンデンサＣ１５からなる上記抽出部６０が追加された構成となっている。
【００４６】
次に、第２実施例の触覚センサプローブの動作について説明する。
本第２実施例に用いられるエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０は、電極部以外に質量負荷などの振動に影響を及ぼすような因子が加わっても電極直下の振動状態が変化しない。そのため、このエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０を使用すると、図２に示すようにエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の電極部分ｄを避けてこの圧電振動子１０を保持する保持部４０に接着しても、上記エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の振動に影響を及ぼすことはなく、理想的な振動状態と高い共振尖鋭度（Ｑｍ）を維持することができる。
【００４７】
また、抽出部６０はトランスＴ１とコンデンサＣ１５で構成される。この場合、抽出する周波数帯域の中心周波数はトランスＴ１とコンデンサＣ１５で構成される発振条件に依存する。このとき、抽出部６０のトランスＴ１のリアクタンスＬt とコンデンサＣ１５の関係は以下の式になる。
【００４８】
【数３】
0003686698.tif 000006
上記（３）式の条件に入るようにコンデンサＣ１５とリアクタンスＬt を調整する。
【００４９】
以上説明したように本第２実施例によれば、このような方法により抽出する周波数帯域を決めて、発振回路２０の出力信号から抽出部６０で所定の周波数帯域を抽出することにより、発振回路２０の出力信号中に含まれるノイズ成分を上記所定の周波数帯域で取り除くことができる。
【００５０】
さらに、抽出する周波数を、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の発振周波数とすると、不要振動などによる発振回路２０の出力信号中に含まれる基本周波数以外のノイズ成分を取り除くだけでなく、対象物の粘弾性特性による発振回路２０の出力信号の変化を明確に検出することができる。
【００５１】
ここで、抽出する周波数を、発振回路２０を構成するエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の発振周波数の高調波とすると、不要振動をさらに効果的に除去できる。例えば、発振回路２０のノイズは不要振動モードの３次の高調波成分によるものとすると、発振回路２０からの出力信号の３次の高調波成分には不要振動の９次の高調波成分が重畳することになるが、実際にはほとんど無視できる値となる。
【００５２】
また、インダクタンスによるインピーダンスは、インダクタンスとエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の発振周波数の積として検出するため、抽出部６０からの出力信号の周波数が高くなるに従って、検出値が大きくなる。したがって、対象物の粘弾性特性による発振回路２０の出力信号の特定の周波数成分、特に高調波成分を抽出することにより、出力信号のノイズを除去できるとともに、インダクタンスによるインピーダンスの信号値が大きくなり、出力信号の変化を明確に検出することができる。
【００５３】
また、発振回路の構成に圧電振動子の等価回路定数を用いて発振する発振回路２０を用いるため、発振系を簡単な構成で小型に組むことができ、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の近傍に設置することが可能になり、配線によるＳ／Ｎの低下を防ぐことができる。
【００５４】
さらに、発振回路２０の出力信号を測定すればエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０のインピーダンス特性を検出することができ、圧電振動子１０の振動を検出するための素子を必要としない。さらに、発振回路２０の出力信号から抽出部６０で所定の周波数帯域を抽出することにより、発振回路２０の出力信号中に含まれるノイズ成分を上記所定の周波数帯域で取り除くことができる。
【００５５】
なお、抽出部６０はトランスＴ１とコンデンサＣ１５に限定されるものではなく、所定の周波数を抽出できる構成であればどのような構成でもよい。
図８は、本発明に係る第３実施例の触覚センサプローブの構成を示す図である。
【００５６】
この触覚センサプローブは、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０と、電源Ｅを有しこのエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の等価回路定数を用いる発振回路７０と、この発振回路７０の出力信号を分岐する分岐回路８０と、この分岐回路８０の出力信号の振幅の大きさをエンベロープ信号に変換するフィルタ回路９０と、上記分岐回路８０の出力信号の周波数信号を直流信号にする周波数電圧変換回路（ＦＶ変換器）１００とから構成され、これら分岐回路８０とフィルタ回路９０と周波数電圧変換回路１００とで処理回路１１０が構成される。
【００５７】
さらに、上記フィルタ回路９０及び周波数電圧変換回路１００からの上記エンベロープ信号及び直流信号に基づいて発光ダイオード列（以下、ＬＥＤ列と記す）１２０を駆動する駆動回路（駆動ＩＣ）１３０と、上記ＬＥＤ列１２０と駆動回路１３０とからなる呈示部１４０と、上記発振回路７０と処理回路１１０と呈示部１４０とを内蔵するハウジング部３０と、上記エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の電極部分を避けてこの圧電振動子１０を保持する保持部４０とで構成され、この保持部４０が上記ハウジング部３０に設けられる。
【００５８】
次に、第３実施例の触覚センサプローブの動作について説明する。
発振回路７０から出力された信号は、コンデンサＣ１３によりオフセット電圧が除去されたのち、分岐回路８０で２つに分岐され、一方はフィルタ回路９０で出力信号の振幅の大きさに応じてエンベロープ信号に変換され、他方は周波数電圧変換回路（ＦＶ変換器）１００で周波数の高さに応じた大きさのエンベロープ信号に変換される。
【００５９】
このエンベロープ信号の大きさを操作者に呈示するために、ＬＥＤ列１２０中の発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す）がエンベロープ信号の大きさに応じた数だけ点灯させる。そこで、ＬＥＤ列１２０を点灯させるためのＬＥＤ駆動回路（ＬＥＤ駆動ＩＣ）１３０にそれぞれのエンベロープ信号を入力して、ＬＥＤ列１２０の点灯を制御する。
【００６０】
以上のような構成にすることにより、ＬＥＤ列１２０中の点灯されたＬＥＤの数によって、対象物の粘弾性特性が操作者に呈示できる。さらに、電源Ｅとしてバッテリを内蔵しているため、電源線も不要となり、対象物の粘弾性特性を測定するとき操作の妨げとなるコードをなくすことができる。
【００６１】
図５に示すグラフより、弾性率が上昇すると振幅変化が小さくなるため、エンベロープ信号の電圧は低下する。これにより、ＬＥＤ列１２０中の点灯されるＬＥＤの数が減少する。一方、図６に示すグラフより、ずり弾性率の虚数部が上昇すると周波数も上昇するため、エンベロープ信号の電圧は上昇する。これにより、ＬＥＤ列１２０中の点灯されるＬＥＤの数が増加する。したがって、操作者は、ＬＥＤ列１２０中の点灯されるＬＥＤの数の増減により、粘弾性特性を知ることができる。
【００６２】
以上説明したように本第３実施例によれば、上記発振回路７０の出力信号を処理する処理回路１１０を本触覚センサプローブ内に設けることにより、信号線による交流信号の損失を抑制することが可能となり、本触覚センサプローブの感度をよくすることができる。
【００６３】
さらに、本触覚センサプローブのハウジング部３０内の発振回路７０、処理回路１１０、呈示部１４０を駆動する電源Ｅを内蔵し、処理回路１１０の出力結果に応じて変化する呈示部１４０を有することにより、無線化が達成できプローブの移動の自由度が大幅に上がる。その結果、本触覚センサプローブに粘弾性特性の呈示部１４０を有しているため、操作者は対象物を観察しながらその対象物の粘弾性特性を知ることができる。
【００６４】
なお、上記エンベロープ信号の電圧の高低によって、ＬＥＤ列１２０中の点灯するＬＥＤの点灯数の増減が反転してもよい。すなわち、本第３実施例ではエンベロープ信号の電圧の上昇によって、ＬＥＤ列１２０中の点灯するＬＥＤの数も増加するようにしたが、逆にエンベロープ信号の電圧の上昇によって、ＬＥＤ列１２０中の点灯するＬＥＤの数が減少するようにしてもよい。
【００６５】
また、エンベロープ信号への変換の際、回路の周波数帯域が発振回路７０からの出力信号の周波数に較べて低いこともあるため、出力信号を一旦分周器で分周して周波数を落とした後、変換してもよい。また、呈示部１４０としては、ＬＥＤ列１２０に限定されるものではなく、スピーカなどのエンベロープ信号に対応して操作者に呈示可能な手段をもつものならばその他の手段を用いてもよい。
【００６６】
また、本第５実施例では、発振回路７０を発振回路のみの回路として説明したが、この発振回路７０を上記第２実施例にて説明した発振回路２０と抽出部６０とを含む回路構成としてもよい。
【００６７】
図９は、本発明に係る第４実施例の触覚センサプローブの構成を示す図である。
この触覚センサプローブは、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０と、電源Ｅを有しこのエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の等価回路定数を用いる発振回路１５０と、この発振回路１５０の出力信号より所定の周波数帯域を抽出する抽出部６０と、上記発振回路１５０と抽出部６０を内蔵するハウジング部３０と、上記エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の電極部分ｄを避けてこの圧電振動子１０を保持する保持部４０と、この保持部４０が上記ハウジング部３０に設けられ、上記発振回路１５０の出力信号を出力する無線通信部１６０とから構成される。
【００６８】
コルピッツ回路を用いた上記発振回路１５０内の構成は上記第１実施例と同一であり、図９に示すように発振回路１５０内に、電源Ｅが設けられるとともに、トランスＴ１とコンデンサＣ１５からなる上記抽出部６０と、無線通信部１６０が追加された構成となっている。
【００６９】
次に、第４実施例の触覚センサプローブの動作について説明する。
本第４実施例に用いられるエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０は、電極部以外に質量負荷などの振動に影響を及ぼすような因子が加わっても電極直下の振動状態が変化しない。そのため、このエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０を使用すると、図２に示すようにエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の電極部分ｄを避けてこの圧電振動子１０を保持する保持部４０に接着しても、上記エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の振動に影響を及ぼすことはなく、理想的な振動状態と高い共振尖鋭度（Ｑｍ）を維持することができる。
【００７０】
また、抽出部６０はトランスＴ１とコンデンサＣ１５で構成される。この場合、抽出する周波数帯域の中心周波数はトランスＴ１とコンデンサＣ１５で構成される発振条件に依存する。このとき、抽出部６０のトランスＴ１のリアクタンスＬt とコンデンサＣ１５の関係は上記（３）式に示すようになる。そこで、上記（３）式の条件に入るようにコンデンサＣ１５とリアクタンスＬt を調整する。
【００７１】
以上説明したように本第４実施例によれば、このような方法により抽出する周波数帯域を決めて、発振回路１５０の出力信号から抽出部６０で所定の周波数帯域を抽出することにより、発振回路１５０の出力信号中に含まれるノイズ成分を上記所定の周波数帯域で取り除くことができる。
【００７２】
さらに、抽出する周波数を、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の発振周波数とすると、不要振動などによる発振回路１５０の出力信号中に含まれる基本周波数以外のノイズ成分を取り除くだけでなく、対象物の粘弾性特性による発振回路１５０の出力信号の変化を明確に検出することができる。
【００７３】
ここで、抽出する周波数を、発振回路１５０を構成するエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の発振周波数の高調波とすると、不要振動をさらに効果的に除去できる。例えば、発振回路１５０のノイズは不要振動モードの３次の高調波成分によるものとすると、発振回路１５０からの出力信号の３次の高調波成分には不要振動の９次の高調波成分が重畳することになるが、実際にはほとんど無視できる値となる。
【００７４】
また、インダクタンスによるインピーダンスは、インダクタンスとエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の発振周波数の積として検出するため、抽出部６０からの出力信号の周波数が高くなるに従って、検出値が大きくなる。したがって、対象物の粘弾性特性による発振回路１５０の出力信号の特定の周波数成分、特に高調波成分を抽出することにより、出力信号のノイズを除去できるとともに、インダクタンスによるインピーダンスの信号値が大きくなり、出力信号の変化を明確に検出することができる。
【００７５】
さらに、抽出部６０にアンテナ線などの無線通信部１６０を接続すれば、無線信号にて対象物の粘弾性特性を含む信号を外部に伝達することが可能になり、上記無線信号を高Ｓ／Ｎの信号とすることができる。
【００７６】
また、発振回路の構成に圧電振動子の等価回路定数を用いて発振する発振回路１５０を用いるため、発振系を簡単な構成で小型に組むことができ、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の近傍に設置することが可能になり、配線によるＳ／Ｎの低下を防ぐことができる。
【００７７】
さらに、発振回路１５０の出力信号を測定すればエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０のインピーダンス特性を検出することができ、圧電振動子１０の振動を検出するための素子を必要としない。さらに、発振回路１５０の出力信号から抽出部６０で所定の周波数帯域を抽出することにより、発振回路１５０の出力信号中に含まれるノイズ成分を上記所定の周波数帯域で取り除くことができる。
【００７８】
このように、無線通信部１６０を抽出部６０と一体にできるため、小型であり、高Ｓ／Ｎの信号を無線で伝達することが可能になり、さらに、本触覚センサプローブの無線化により、本触覚センサプローブの移動の自由度を大幅に向上させることができる。
【００７９】
なお、抽出部６０はトランスＴ１とコンデンサＣ１５に限定されるものではなく、所定の周波数を抽出できる構成であればどのような構成でもよい。
図１０は、本発明に係る第５実施例の触覚センサプローブの構成を示す図である。
【００８０】
この触覚センサプローブは、閉じ込め型の圧電振動子１０と、このエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の等価回路定数を用いる発振回路１７０と、この発振回路１７０の出力信号を分岐する分岐回路８０と、この分岐回路８０の出力信号の振幅の大きさをエンベロープ信号に変換するフィルタ回路９０と、このエンベロープ信号を周波数に変換する電圧周波数変換回路（ＶＦ変換器）１８０と、この電圧周波数変換回路１８０の出力信号と上記分岐回路８０からの交流信号とを時分割で合成させるゲート回路１９０と、このゲート回路１９０の基準時間を規定するタイマ回路２００と、上記発振回路１７０に接続された出力端子２１０ａ，２１０ｂと、上記ゲート回路１９０に接続された出力端子２１０ｃと、上記記発振回路１７０と上記分岐回路８０とフィルタ回路９０と電圧周波数変換回路１８０とゲート回路１９０とタイマ回路２００とを内蔵するハウジング部３０と、上記エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の電極部分を避けてこの圧電振動子１０を保持する保持部４０とから構成され、この保持部４０が上記ハウジング部３０に設けられる。
【００８１】
次に、第５実施例の触覚ンサプローブの動作について説明する。
発振回路１７０からの出力信号は、分岐回路８０で２つの信号に分割される。一方の信号は、振幅検出用のフィルタ回路９０でその信号の振幅の大きさに応じてエンベロープ信号に変換され、さらにこのエンベロープ信号の電圧の大きさに見合った周波数に変換する電圧周波数変換回路１８０に入力される。この電圧周波数変換回路１８０にて変換された信号は、ゲート回路１９０に入力される。
【００８２】
また、他方の信号（周波数成分用）は、そのままゲート回路１９０に入力される。
このゲート回路１９０は、図１１に示すように電圧周波数変換回路１８０から信号が入力されるまでのＴg1時間の間、周波数成分用のゲートをオープンし、信号線に周波数成分波形Ｗf を出力し、その後はＴg2時間の間、振幅用のゲートをオープンし、振幅成分波形Ｗvco を出力する。よって、ゲート回路１９０からの信号は、Ｔg1＋Ｔg2時間内に２つの信号が出力されることになる。そして、これらの信号を信号線２１０ｄにのせて信号伝達する。ここで、上記Ｔg1時間及びＴg2時間の間隔は、タイマ２００で制御される。
【００８３】
以上の動作により、信号線２１０ｄを伝達された信号は、発振周波数と振幅を区別して処理するために、本触覚センサプローブ内のタイマ２００と同一タイミングで駆動するタイマ回路を備えた装置にて処理され、Ｔg1時間のタイミングで受信した周波数信号は発振周波数の信号と認識され、Ｔg2時間のタイミングで受信した周波数信号は振幅の信号と認識される。そして、これらをＦＭ検波することにより、対象物の粘弾性特性を検出することができる。
【００８４】
ここで、上記発振回路１７０の出力信号を信号線２１０ｄで直接電送する場合、上記出力信号の振幅の損失が懸念され、この振幅は粘弾性特性の弾性率に相当するため、上記振幅の損失はセンサの感度に大きく影響する。
【００８５】
そこで、以上説明したように本第５実施例においては、上記発振回路１７０の出力信号をフィルタ回路９０と電圧周波数変換回路１８０を通すことにより、損失の少ない交流信号に変換できる。
【００８６】
また、電圧周波数変換回路１８０の出力信号と発振回路１７０の出力信号をタイマ２００を用いて、一定時間間隔で信号線２１０ｄに伝送することにより、操作者が振幅周波数変換信号と周波数信号を区別することが可能になる。上述したような構成にすることにより、信号線２１０ｄによる損失の少ない信号として操作者に伝達することが可能となる。
【００８７】
なお、図１０に示す処理回路２２０のフィルタ回路９０、電圧周波数変換回路１８０は必ずしもこのような構成とする必要はなく、振幅を検出して周波数に変換する手段であればどのような構成としてもよい。
【００８８】
また、本第５実施例では、発振回路１７０を発振回路のみの回路として説明したが、この発振回路１７０を上記第２実施例にて説明した発振回路２０と抽出部６０とを含む回路構成としてもよい。
【００８９】
これまでの実施例では、触覚センサをハウジング内に設けた触覚センサプローブを説明してきたが、以下に触覚センサ単体の実施例を説明する。
図１２は、本発明に係る第６実施例の触覚センサ単体の構成を示す図である。
【００９０】
本第６実施例の触覚センサ単体の回路構成は、図７に示した第２実施例で用いたものとほぼ同様であるが、コンデンサＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４と、トランジスタＴｒ１と、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３と、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０とからなる発振回路２０に、トランスＴ１とコンデンサＣ１５からなる抽出部６０が追加された構成となっている。
【００９１】
このような回路構成を用いて、圧電振動子をエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０としたことにより、本出願人が先に提案した触覚センサに比べて、全面電極の圧電振動子に発生しやすいインピーダンス特性においてリップルとなる不要振動を抑制することができ、粘弾性体付着時の圧電振動子の振動状態の変化による振動モードとび現象が抑制できる。この振動モードとび現象とは、自励発振が共振抵抗の低い方の振動モードで起こりやすいという現象である。
【００９２】
以上説明したように本第６実施例によれば、不要振動の抑制による振動モードとび現象が抑制できることにより、発振回路２０が安定して発振することが可能になる。
【００９３】
なお、本第６実施例では、圧電振動子を、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０として説明したが、このエネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０をエネルギ閉じ込め型でない圧電振動子にて構成してもよい。
【００９４】
以上実施例に基づいて、本発明を説明したが、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能である。ここで、本発明の要旨をまとめると以下のようになる。
【００９５】
（１）  粘弾性特性を有する対象物の機械的インピーダンスを圧電振動子からなる自励発振回路の出力信号より検出する触覚センサプローブにおいて、
上記圧電振動子がエネルギ閉じ込め型圧電振動子であり、該エネルギ閉じ込め型圧電振動子の等価回路定数を用いる発振回路と、
該発振回路を内蔵するハウジング手段と、
上記エネルギ閉じ込め型圧電振動子の電極部分を避けて該エネルギ閉じ込め型圧電振動子を保持する保持手段と、
を具備し、
該保持手段が上記ハウジング手段に設けられていることを特徴とする触覚センサプローブ。
【００９６】
このような触覚センサプローブによれば、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子は電極部以外に質量負荷などの振動に影響を及ぼすような因子が加わっても電極直下の振動状態が変化しない。そのため圧電振動子にエネルギ閉じ込め型の圧電振動子を使用すると、図１に示すように該エネルギ閉じ込め型圧電振動子の電極部分を避けて保持する保持手段に接着しても、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子の振動に影響を及ぼすことはなく、理想的な振動状態と高い共振尖鋭度（Ｑｍ）を維持することができる。
【００９７】
また、発振回路構成に圧電振動子の等価回路定数を用いて発振する発振回路を使用しているため、発振系を簡単な構成で小型に組むことができ、エネルギ閉じ込め型圧電振動子の近傍に設置することが可能になり、配線によるＳ／Ｎの低下を防ぐことができるとともに、発振回路の出力信号を測定すればエネルギ閉じ込め型の圧電振動子のインピーダンス特性を検出することができ、圧電振動子の振動を検出するための素子を必要としない。
【００９８】
すなわち、保持手段の影響がなく振動検出素子が不要であるため、高い共振尖鋭度（Ｑｍ）をもつ圧電振動子が得られ、また発振回路を圧電振動子の等価回路定数を用いて発振する発振回路構成とすることにより、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子の近傍に設置することが可能になり、配線によるＳ／Ｎの低下を防ぐことができるため、両者の効果により高感度の触覚センサプローブを提供することができる。
【００９９】
（２）  粘弾性特性を有する対象物の機械的インピーダンスを圧電振動子からなる自励発振回路の出力信号より検出する触覚センサプローブにおいて、
上記圧電振動子がエネルギ閉じ込め型圧電振動子であり、該エネルギ閉じ込め型圧電振動子の等価回路定数を用いる発振回路と、
該発振回路の出力信号より所定の周波数帯域を抽出する抽出手段と、
上記発振回路と上記抽出手段を内蔵するハウジング手段と、
上記エネルギ閉じ込め型圧電振動子の電極部分を避けて該エネルギ閉じ込め型圧電振動子を保持する保持手段と、
を具備し、
該保持手段が上記ハウジング手段に設けられていることを特徴とする触覚センサプローブ。
【０１００】
このような触覚センサプローブによれば、エネルギ閉じ込め型圧電振動子は電極部以外に質量負荷などの振動に影響を及ぼすような因子が加わっても電極直下の振動状態が変化しない。そのため圧電振動子にエネルギ閉じ込め型圧電振動子を使用すると、図２に示すようにエネルギ閉じ込め型の圧電振動子の電極部分を避けて保持する保持手段に接着しても、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子の振動に影響を及ぼすことはなく、理想的な振動状態と高い共振尖鋭度（Ｑｍ）を維持することができる。
【０１０１】
また、発振回路構成に圧電振動子の等価回路定数を用いて発振する発振回路を使用しているため、発振系を簡単な構成で小型に組むことができ、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子の近傍に設置することが可能になり、配線によるＳ／Ｎの低下を防ぐことができるとともに、発振回路の出力信号を測定すればエネルギ閉じ込め型圧電振動子のインピーダンス特性を検出することができ、圧電振動子の振動を検出するための素子を必要としない。さらに発振回路の出力信号から抽出手段で所定の周波数帯域を抽出することにより、発振回路の出力信号中に含まれるノイズ成分を上記所定の周波数帯域で取り除くことができる。
【０１０２】
すなわち、保持手段の影響がなく振動検出素子が不要であるため、高い共振尖鋭度（Ｑｍ）をもつ振動子が得られ、発振回路に圧電振動子の等価回路定数を用いて発振する発振回路構成とすることにより、エネルギ閉じ込め型の圧電振動子の近傍に設置することが可能になり、配線によるＳ／Ｎの低下を防ぐことができる。さらに、発振回路の出力信号中に含まれるノイズ成分を所定の周波数帯域で取り除くことができるため、一層高感度の触覚センサプローブを提供することができる。
【０１０３】
（３）  上記発振回路及び上記抽出手段のいずれかの出力信号を処理する処理回路を具備し、
上記ハウジング手段は、上記発振回路、上記抽出手段及び上記処理回路を内蔵することを特徴とする上記（１）または（２）のいずれかに記載の触覚センサプローブ。
【０１０４】
このような触覚センサプローブによれば、発振回路、または抽出手段の出力信号を処理する処理回路を触覚センサプローブのハウジング手段内に設けることにより、処理回路を発振回路、または抽出手段の近傍に配置でき、出力信号がＭＨｚ帯域の交流信号による、信号線の抵抗、容量や浮遊インダクタンスによる交流信号の損失を抑制することができる。
【０１０５】
すなわち、交流信号の損失を抑制することができ、触覚センサプローブの感度を高めることができる。
（４）  上記処理回路は、
上記発振回路及び上記抽出手段のいずれかの出力信号を分岐する分岐回路と、
該分岐回路の出力信号の振幅の大きさをエンベロープ信号に変換するフィルタ回路と、
上記分岐回路の出力信号の周波数信号を直流信号に変換する周波数電圧変換回路と、
を有することを特徴とする上記（３）に記載の触覚センサプローブ。
【０１０６】
このような触覚センサプローブによれば、発振回路、または抽出手段の出力信号の振幅と周波数のいずれも直流信号にすることにより、取り扱いやすい直流信号となる。
【０１０７】
すなわち、発振回路、または抽出手段の出力信号は同種類の信号になるため、例えば同一回路を共用するなど、同一特性の回路に出力信号を入力することが可能になり、触覚センサプローブを小型化することができる。
【０１０８】
（５）  上記処理回路は、
上記発振回路及び上記抽出手段のいずれかの出力信号を分岐する分岐回路と、
該分岐回路の出力信号の振幅の大きさをエンベロープ信号に変換するフィルタ回路と、
上記エンベロープ信号を周波数に変換する電圧周波数変換回路と、
該電圧周波数変換回路の出力信号と上記分岐回路からの交流信号とを時分割で合成させるゲート回路と、
該ゲート回路の基準時間を規定するタイマ回路と、
を有することを特徴とする上記（３）に記載の触覚センサプローブ。
【０１０９】
このような触覚センサプローブによれば、発振回路、または抽出手段の出力信号をフィルタ回路と電圧周波数変換回路を通すことにより損失の少ない交流信号に変換できる。また、電圧周波数変換回路の出力信号と発振回路の出力信号をタイマで一定時間間隔で信号線に伝送することにより、操作者が振幅周波数変換信号と周波数信号を区別することが可能になる。
【０１１０】
すなわち、信号線を用いて伝達する場合でも損失の少ない信号にて、操作者に伝達することが可能となる。
（６）  上記（１）乃至（５）に記載の触覚センサプローブにおいて、
上記発振回路、上記抽出手段、及び上記処理回路のいずれかの出力信号を出力する出力手段を具備することを特徴とする上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の触覚センサプローブ。
【０１１１】
このような触覚センサプローブによれば、出力手段をもつことにより、出力信号を外部で解析することができる。
すなわち、これにより外部の解析装置を用いて高精度の解析を行うことができる。
【０１１２】
（７）  上記（３）または（４）に記載の触覚センサプローブにおいて、
上記発振回路、上記抽出手段、及び処理回路を駆動するための電源手段と、
上記処理回路の出力信号の変化に対応して呈示を行う呈示手段と、
を具備することを特徴とする上記（３）または（４）のいずれかに記載の触覚センサプローブ。
【０１１３】
このような触覚センサプローブによれば、ハウジング手段内の発振回路、処理回路、呈示手段を駆動する電源手段を内蔵し、処理回路の出力結果に応じて操作者に呈示を行う呈示手段を有することにより無線化が達成できる。
【０１１４】
すなわち、触覚センサプローブを無線化することができるため、この触覚センサプローブの移動の自由度が大幅に上がり、さらに触覚センサプローブは粘弾性特性の呈示手段を有しているため、操作者は対象物を観察しながら対象物の粘弾性特性を知ることができる。
【０１１５】
（８）  上記（２）に記載の触覚センサプローブにおいて、
上記発振回路、上記抽出手段を駆動するための電源手段と、
上記発振回路の出力信号より所定の周波数帯域を抽出する上記抽出手段と一体となった無線通信手段と、
を具備することを特徴とする上記（２）に記載の触覚センサプローブ。
【０１１６】
こうような触覚センサプローブによれば、触覚センサプローブ内の回路を駆動する電源手段を内蔵し、無線信号とする無線通信手段により、信号伝達における損失を最小限に留めることが可能になる。
【０１１７】
すなわち、触覚センサプローブの信号伝達を無線化することができるため、この触覚センサプローブの移動に対する自由度を大幅に上げることができる。
（９）  粘弾性特性を有する対象物の機械的インピーダンスを圧電振動子からなる自励発振回路の出力信号より検出する触覚センサにおいて、
上記圧電振動子の等価回路定数を用いる発振回路と、
該発振回路の信号より所定の周波数帯域を抽出する抽出手段と、
を具備することを特徴とする触覚センサ。
【０１１８】
このような触覚センサによれば、発振回路の出力信号から抽出手段で所定の周波数帯域を抽出することにより、発振回路の出力信号中に含まれるノイズ成分を上記所定の周波数帯域で取り除くことができる。
【０１１９】
すなわち、発振回路の出力信号中に含まれるノイズ成分を所定の周波数帯域で取り除くことができるため、触覚センサのＳ／Ｎを向上させることができる。
（１０）  上記圧電振動子がエネルギ閉じ込め型圧電振動子であることを特徴とする上記（９）に記載の触覚センサ。
【０１２０】
このような触覚センサによれば、エネルギ閉じ込め型圧電振動子とすることにより、全面電極の振動子に発生しやすいインピーダンス特性においてリップルとなる不要振動を抑制することができ、粘弾性体付着時の圧電振動子の振動状態の変化による振動モードとび現象が抑制できる。この振動モードとび現象とは、自励発振が共振抵抗の低い方の振動モードで起こりやすいという現象である。
【０１２１】
すなわち、不要振動の抑制による振動モードとび現象が抑制できるため、発振回路が安定して発振することが可能になる。
（１１）  上記抽出手段の抽出する周波数帯域が上記発振回路を構成する上記圧電振動子、及び上記エネルギ閉じ込め型圧電振動子のいずれかの発振周波数の基本周波数であることを特徴とする上記（９）または（１０）のいずれかに記載の触覚センサ。
【０１２２】
このような触覚センサによれば、発振回路の出力信号から圧電振動子、またはエネルギ閉じ込め型圧電振動子の発振周波数の基本周波数近傍を抽出手段で抽出することにより、不要振動などによる発振回路の出力信号中に含まれる基本周波数以外のノイズ成分を取り除くことができ、対象物の粘弾性特性による発振回路の出力信号の変化を明確に検出することができる。
【０１２３】
すなわち、発振回路の出力信号中の粘弾性特性に関する出力変化に影響を及ぼすことなく、出力信号に含まれるノイズ成分を取り除くことができ、触覚センサのＳ／Ｎを向上させることができる。
【０１２４】
（１２）  上記抽出手段の抽出する周波数帯域が上記発振回路を構成する上記圧電振動子、及び上記エネルギ閉じ込め型圧電振動子のいずれかの発振周波数の高調波であることを特徴とする上記（９）または（１０）のいずれかに記載の触覚センサ。
【０１２５】
このような触覚センサによれば、発振回路の出力信号から圧電振動子、またはエネルギ閉じ込め型圧電振動子の発振周波数の高調波の周波数近傍を抽出手段で抽出することにより、不要振動をさらに効果的に除去できる。また、粘弾性特性の粘性に相当するインピーダンスは粘性率と圧電振動子の発振周波数の積として検出するため、抽出手段からの出力信号の周波数が高くなるに従って検出値が大きくなる。
【０１２６】
すなわち、出力信号のノイズを除去すると共に、粘性率に相当する信号値が大きくなり、出力信号の変化を明確に検出することができる。
（１３）  上記（９）または（１０）に記載の触覚センサにおいて、
上記抽出手段の出力信号を出力する出力手段を具備することを特徴とする上記（９）または（１０）のいずれかに記載の触覚センサプローブ。
【０１２７】
このような触覚センサプローブによれば、出力手段をもつことにより、出力信号を外部で解析することができる。
すなわち、これにより外部の解析装置を用いて高精度の解析を行うことができる。
【０１２８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、共振尖鋭度を下げることなく、圧電振動子の振動特性の検出及びこの圧電振動子の保持が可能であり、さらに粘弾性特性を検出することが可能な触覚センサプローブを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の触覚センサプローブの構成を示す図である。
【図２】エネルギ閉じ込め型の圧電振動子１０の保持を説明するための図である。
【図３】圧電振動子、粘弾性体、及び非粘弾性体の等価回路を示す図である。
【図４】圧電振動子を利用して発振回路を構成した場合の発振回路の出力信号を示す図である。
【図５】実施例の触覚センサプローブからの出力の測定結果の一例を示す図である。
【図６】実施例の触覚センサプローブからの出力の測定結果の一例を示す図である。
【図７】第２実施例の触覚センサプローブの構成を示す図である。
【図８】第３実施例の触覚センサプローブの構成を示す図である。
【図９】第４実施例の触覚センサプローブの構成を示す図である。
【図１０】第５実施例の触覚センサプローブの構成を示す図である。
【図１１】第５実施例の触覚ンサプローブの動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１２】第６実施例の触覚センサ単体の構成を示す図である。
【図１３】従来例としての物質の硬さ特性測定方法及び装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０…エネルギ閉じ込め型の圧電振動子、２０，７０，１５０，１７０…発振回路、３０…ハウジング部、４０…保持部、５０，２１０…出力端子部、６０…抽出部、８０…分岐回路、９０…フィルタ回路、１００…周波数電圧変換回路（ＦＶ変換器）、１１０，２２０…処理回路、１２０…発光ダイオード列（ＬＥＤ列）、１３０…駆動回路（駆動ＩＣ）、１４０…呈示部、１６０…無線通信部、１８０…電圧周波数変換回路（ＶＦ変換器）、１９０…ゲート回路、２００…タイマ回路、Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４…コンデンサ、Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３…抵抗、Ｔ１…トランス、Ｔｒ１…トランジスタ、５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ…出力端子、ｄ…エネルギ閉じ込め型の圧電振動子の電極部分。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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