(57)【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触覚センサ。
【請求項２】
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触覚センサ。
【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４０−２７２３６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。
【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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