(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に電極を形成した音叉型水晶振動子と、前記電極を外部と電気的に接続するためのリードとを有し、前記電極とリードとを接続して音叉部を屈曲振動させた音叉型水晶振動子の基部を測定対象物に接触させ、基部に発生している振動エネルギーの接触による漏れ量が前記測定対象物固有のエネルギー透過量により変化するのを、音叉型水晶振動子の特性値の変化として計測することを特徴とする音叉型水晶触覚センサ。
【請求項２】
音叉型水晶振動子の基部側面を支持し、音叉型水晶振動子の基部下面への荷重を可変とすることを特徴とする請求項１記載の音叉型水晶触覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音叉型水晶振動子で形成された音叉型水晶触覚センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ピエゾ電気効果に基づく共振作用を利用した圧電素子が良く知られており、圧電素子の周波数変化を利用した、硬さ知覚用触覚センサ、柔らかさセンサなどに使用されている。振動モードで見ると、柔らかさセンサには、圧電セラミックスの屈曲振動の周波数変化を利用したもの、硬さ知覚用触覚センサには、圧電セラミックスの縦振動の周波数変化を利用したものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
柔らかさセンサは、圧電セラミックスの屈曲振動子の先端を測定対象物に接触させ、周波数変化で柔らかさを知覚しているが、屈曲振動子の振動が止まらないような柔らかい測定対象物にしか適応できないという欠点がある。
【０００４】
硬さ知覚用触覚センサは、圧電セラミックスの縦振動子の先端を測定対象物に接触させ、測定対象物が柔らかいときには周波数は低下し、硬いときには周波数は増加することから物質の硬さ、柔らかさを判断しており、人間の皮膚から鉄まで測定できているが、表面粗さ、滑らかさや材質感は知覚できないという欠点がある。
【０００５】
また、圧電セラミックスの共振周波数は温度特性が悪いため、温度変化が無い状態にしておかないと測定精度が悪くなる欠点がある。
【０００６】
また、圧電セラミックスの振動部分がセンサ部となっているので、測定対象物に圧電セラミックスの振動部分が接触するため、測定対象物表面が汚れていると、圧電セラミックスの振動部分に汚れが付着し、共振周波数不安定となったり、測定対象物表面との接触により接触表面が磨耗したりする弊害がある。
【０００７】
そこで本発明の目的は、上記課題を解決し、高安定な触覚センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の音叉型水晶触覚センサは、下記の構成を採用する。
【０００９】
表面に電極を形成した音叉型水晶振動子と、前記電極を外部と電気的に接続するためのリードとを有し、前記電極とリードとを接続して音叉部を屈曲振動させた音叉型水晶圧振動子の基部を測定対象物に接触させ、基部に発生している振動エネルギーの接触による漏れ量が前記測定対象物固有のエネルギー透過量により変化するのを、音叉型水晶振動子の特性値（クリスタルインピーダンス（ＣＩ）値、Ｑ値等）の変化として計測する。
【００１０】
音叉型水晶振動子の基部側面を支持し、音叉型水晶振動子の基部底面への荷重を変化させることができるようにする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１−Ａ、図１−Ｂに、本発明による音叉型水晶触覚センサ１の実施例を示す。音叉型水晶触覚センサ１は、音叉型水晶振動子２と、それを支持するケース６を有する。音叉型水晶振動子２は、その両面に励振電極４が、それぞれＣｒ下地層の上にＡｇを蒸着またはスパッタリングすることによって１０００〜６０００オングストロームの厚さに形成されている。励振電極４は、ＡｇではなくＡｌやＡｕの薄膜で形成することもでき、表面が酸化等により劣化しない材料が好ましい。音叉型水晶振動子２の両面下端には、励振電極４から引き出された接続電極５が設けられている。接続電極５は、音叉型水晶振動子２の両面下端ではなく、片面下端の両側に設けても良い。
【００１２】
接続電極５には、Ａｕ、Ｃｕ等の金属からなるリード線７が外部回路と電気的に接続されており、エポキシまたはシリコン系の接着剤８でケース６に固定されている。
【００１３】
ケース６は、音叉型水晶振動子２の屈曲振動の節にあたる音叉型水晶振動子２の基部９の側面を挟んで、基部底面がケース６より数百μｍ出るように固定する構造となっており、アクリル樹脂やセラミックス等の絶縁物で作製されている。音叉型水晶振動子２との接触部を絶縁することにより、アルミニウム、銅等の金属で作製してもよい。
【００１４】
図２は本発明による音叉型水晶触覚センサ１を固定装置１０で保持した実施例で斜視図である。音叉型水晶振動子２は、ケース６により支持され、ケース６に接続した棒１１を上下にスライドできるガイド穴１２に通して、測定対象物１９に垂直に接触させるようになっている。これは接触を繰り返す度に測定対象物１９との接触状態が、常に一定であるようにするためである。棒１１の上部には、音叉型水晶振動子２に、分銅を載せ荷重を加えられるような台１３を取り付けてある。つまり、音叉型水晶振動子２の基部底面にはケース６、棒１１、台１３、分銅の合計重量が荷重として加わることになる。この部分については、接触状態が、常に一定に保てる構造であり、荷重を圧力センサーなどを利用し、一定圧力で保てれば、エアーシリンダー、カム構造、ロボット構造等どのような構造でもよい。音叉型水晶振動子の基部底面に加わる荷重を可変とすることにより測定対象物により最適な荷重を選択することができるようになる。
【００１５】
図３には、本発明による音叉型水晶触覚センサ１を固定装置１０で保持し、リード線７をインピーダンスアナライザ（ＨＰ−４１９４Ａ）１５に接続した測定システムの実施例が示されている。インピーダンスアナライザ（ＨＰ−４１９４Ａ）１５による伝送法測定により、音叉型水晶振動子２のＣＩ値を求めることができる。もしくは、ＣＩ値を測定できる他の方法、たとえば発振器を使った発振法でも良い。以下音叉型水晶振動子のＣＩ値で説明するが、音叉型水晶振動子の他の特性値（例えばＱ値）でも同様の測定が可能である。
【００１６】
図４は、本発明における測定対象物質識別の原理を示したものである。音叉型水晶振動子２の枝部２１、２２の屈曲振動による横方向の振動エネルギーは、枝部２１、２２の平面電極にかかる電荷を反転させることにより、枝部２１、２２の振動の動きは左右対称となり、枝部２１、２２の屈曲振動は枝部で保存されている。本発明では、枝部２１、２２が屈曲振動するとき、基部９に生ずる屈曲変位が測定対象物１９に対して縦振動とみなせる擬似縦振動になっている。基部９を測定対象物１９に接触させると、音叉型水晶振動子２の基部９と、測定対象物１９の界面では、音響インピーダンスの違いから、縦振動エネルギーの透過１８と、縦振動エネルギーの反射１７が起こる。この縦振動エネルギーの透過１８は基部９からの縦振動エネルギー漏れになる。この基部９の縦振動と、枝部２１、２２の屈曲振動は、エネルギー的に結合されており、基部９の縦振動エネルギー漏れが音叉型水晶振動子２の特性値に影響を与える。
【００１７】
我々の身近な例では、楽器の調律用に使う音叉を振動、共鳴させ、その基底部をいろいろな物体に接触させると、物体の種類により共鳴音が変わる。即ち、接触させた物体の種類により基底部からの振動漏れが異なり、振動漏れエネルギーの大、小は物体の剛性に依存することが知られている。
【００１８】
本発明による音叉型水晶触覚センサ１の利点は、屈曲振動部である枝部２１、２２と、測定対象物１９に接触する基部９が空間的に分離されていることより、測定対象物１９の表面が汚れていても、屈曲振動部である枝部２１、２２に汚れが付着して共振周波数不安定となったり、測定対象物１９の表面との接触により接触表面が磨耗したりする弊害は無く、測定対象物１９として柔らかいものから硬いものまで対応できる。音叉型水晶振動子のＣＩ値は温度特性が良好である。
【００１９】
図５は、前記測定システムにより、測定対象物１９としてスライドガラス（76.0mm×26.0mm×1.2mm）、アルミニウム（30.0mm×20.0mm×12.1mm）、鉛（33.0mm×30.0mm×1.0mm）、真鍮（41.0mm×39.0mm×5.3mm）、ステンレス（58.0mm×58.0mm×5.0mm）、銅（16.0mmφ×14.0mm）の６種類を測定した結果である。縦軸に△Ｒ、横軸には測定対象物１９のそれぞれの縦波音響インピーダンスをとってあり、室温で測定対象物１９接触前の音叉型水晶振動子２のＣＩ値をＲ０とし、接触後のＣＩ値をＲ１、その差を△Ｒとして、各３回ずつ△Ｒを測定し、それらを平均した値を図中に示している。このとき音叉型水晶振動子２の基部９に加わる荷重は５０ｇである。音叉型水晶振動子２は周波数が３２．７６８ＫＨｚのもので、寸法が５．９ｍｍ、１．３５ｍｍ、０．７５ｍｍである。
【００２０】
音叉型水晶振動子２の基部９と、測定対象物１９の界面では、音響インピーダンスの違いから、エネルギー漏れによる振動エネルギーの透過１８と、振動エネルギーの反射１７が起こる。水晶の音響インピーダンスをＺ１、測定対象物１９の音響インピーダンスをＺ２として、このエネルギー透過率Ｔはよく知られている式（１）で与えられる。測定対象物１９が水晶の時のエネルギー透過率を１として、水晶振動子の縦波音響インピーダンスは14.5×106Nsm‐3と、ガラスとアルミニウムの中間にあるので、ガラスとアルミニウムの抵抗変化△Ｒの平均値を水晶の抵抗変化に等しいとして、式（１）にかかる比例係数を求め、そのほかの測定対象物１９の値を計算し、図中に計算値として細線で表示した。
Ｔ＝４Ｚ１×Ｚ２／（Ｚ１＋Ｚ２）2    （１）
Ｔ  ：エネルギーの透過率
Ｚ１：水晶の縦波音響インピーダンス
Ｚ２：測定対象物の縦波音響インピーダンス
【００２１】
本発明による前記測定システムにより得られた実験データと、前記計算より得られた計算値はよくあっている。したがって音叉型水晶振動子２の抵抗変化△Ｒは、基部９から漏れていく振動エネルギーの透過量に比例し、またその透過エネルギー量は水晶の音響インピーダンスと、測定対象物１９の音響インピーダンスの違いにより変化することがわかる。
【００２２】
図６は、本発明による前記測定システムにより、銅板（20.0mm×30.0mm×5.0mm）とアルミニウム板（20.0mm×30.0mm×12.0mm）に紙やすり（#1000、#500、#240、#40）を合成のりで貼り付けたものを測定対象物１９として、音叉型水晶振動子２の抵抗変化△Ｒを測定した結果である。各々の測定対象物１９を３回測定し、それらを平均した値を図中に示している。縦軸に△Ｒ、横軸に紙やすりの粗さをとっている。図６より、紙やすりの粗さが粗くなるほど音叉型水晶振動子２の抵抗変化△Ｒが小さくなっている。これは、紙やすりの粗さが粗くなるほど、音叉型水晶振動子２の基部９と、測定対象物１９との接触面積が小さくなり、振動エネルギーの透過量が減少したためである。また、銅板に紙やすりを合成のりで貼り付けたデータを平行移動すると、アルミニウム板に紙やすりを合成のりで貼り付けたデータと重なることがわかる。つまり、銅板とアルミニウム板での違いは、銅の縦波音響インピーダンスと、アルミニウム板の縦波音響インピーダンスの違いから起こっている。
【００２３】
図７は、本発明による前記測定システムにより、銅板（20.0mm×30.0mm×5.0mm））に紙やすり（#1000、#500、#240、#40）を合成のりで貼り付けたものを測定対象物１９として、図８に示すように、台１３、分銅１４により音叉型水晶振動子２に５０ｇ、７５ｇ、１２５ｇの荷重を加え、各々の測定対象物１９の抵抗変化△Ｒを３回測定し、それらを平均した値を図中に示している。縦軸に△Ｒ、横軸に紙やすりの粗さをとり、加重をパラメータとした。図７より、荷重が増えると△Ｒが増加していくことがわかる。これは荷重がかかって音叉型水晶振動子２の基部９と、測定対象物１９との密着が増し、接触面積が増加して、振動エネルギーの透過量が増加したためである。
【００２４】
これらのことより、本発明による音叉型水晶触覚センサ１は、粗さセンサとして充分に使用できることがわかる。
【００２５】
図９は、本発明による前記測定システムにより、銅板に上質紙、中質紙、わら半紙、新聞紙、コピー用紙を合成のりで貼り付けたものを測定対象物１９として、音叉型水晶振動子２の抵抗変化△Ｒを測定し、各々の測定対象物１９を３回測定し、それらを平均した値を図中に示している。このとき音叉型水晶振動子２の基部９に加わる荷重は５０ｇである。縦軸に△Ｒ、横軸に紙の種類をとった。図９より、△Ｒが大きいグループと、小さいグループに大別することができる。この違いは、△Ｒの大きいグループはパルプを主原料とするグループであり、△Ｒが小さいグループは再生紙を主原料とする紙である。この５種類の紙について図１２より、古紙の配合率がそれぞれ違い、古紙の配合率が大きくなると△Ｒが小さくなる。これは、再生紙の製造工程に起因する。再生紙は古紙を離解、除塵、脱インキ、洗浄、漂白する工程を経て得られる。この漂白工程では塩素系のハイポ晒（晒粉）、過酸化物の過酸化水素（オキシフル）、還元漂白の次亜硫酸塩などで漂白するが、この漂白の段階で過酸化物などを使い、再生紙では元の紙のパルプの性質が変化しているため、△Ｒに変化が現れている。そのため、△Ｒは古紙の配合率に比例している。
【００２６】
図１０は、本発明による前記測定システムにより、銅板の上に上質紙、中質紙、わら半紙、新聞紙、コピー用紙を乗せたものを測定対象物１９として、図８に示すように、台１３、分銅１４により音叉型水晶振動子２に５０ｇ、７５ｇ、１２５ｇの荷重を加え、抵抗変化△Ｒを測定し、各々の測定対象物１９を３回測定し、それらを平均した値を図中に示している。縦軸に△Ｒ、横軸に加重をとった。図１０より、図９と同様に、パルプを主原料とするグループと再生紙を主原料とするグループに分けることができる。しかし、△Ｒは７５ｇの荷重がかかっているときは古紙の配合率に比例した変化をしているが、１２５ｇの荷重がかかっているときは古紙の配合率とは違った変化をしている。これは加重効果によって下地の銅の影響を受けたためである。
【００２７】
図１１は、本発明による前記測定システムにより、シリコンゴム（硬度 ＪＩＳ８０）の上に上質紙、中質紙、わら半紙、新聞紙、コピー用紙、ＣＬＣ（カラー）、ＫＲ、リサイクル紙を載せたものを測定対象物１９として、図８に示すように、台１３、分銅１４により音叉型水晶振動子２に５０ｇ、７５ｇ、１２５ｇの荷重を加え、抵抗変化△Ｒを測定し、各々の測定対象物１９を３回測定し、それらを平均した値を図中に示している。縦軸に△Ｒ、横軸に加重をとった。図１１より、７５ｇの荷重をかけたとき、図９と同様に、パルプを主原料とするグループと再生紙を主原料とするグループに分けることができ、△Ｒは古紙の配合率に比例した変化をしている。しかし、１２５ｇの荷重をかけたときは、△Ｒの変化も飽和していて、識別ができていない。これも加重効果によって下地のシリコンゴムの影響を受けたためである。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の請求項１に記載されている音叉型水晶触覚センサによれば、測定対象物質の硬さ、柔らかさを判断し、表面粗さ、滑らかさや材質感を判断し、周囲温度変化による測定精度の変化が無く、汚れによる影響が無く、測定対象物表面との接触により接触表面が磨耗したりする弊害がない、高安定で高精度な触覚センサを提供することができる。
【００２９】
本発明の請求項２に記載されている音叉型水晶触覚センサによれば、触覚センサ部の測定対象物への加圧圧力により、多種、多様な、測定対象物を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における音叉型水晶触覚センサの構造を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における音叉型水晶触覚センサを固定装置で保持した状態を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態における音叉型水晶触覚センサを固定装置で保持し、リード線をインピーダンスアナライザ（ＨＰ−４１９４Ａ）に接続した測定システムの状態を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態における測定対象物質識別の原理を示した図である。
【図５】本発明の実施の形態における測定システムにより、測定対象物としてスライドガラス（76.0mm×26.0mm×1.2mm）アルミニウム（30.0mm×20.0mm×12.1mm）、鉛（33.0mm×30.0mm×1.0mm）、真鍮（41.0mm×39.0mm×5.3mm）、ステンレス（58.0mm×58.0mm×5.0mm）、銅（16.0mmφ×14.0mm）の６種類について測定した結果を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態における測定システムにより、銅板（20.0mm×30.0mm×5.0mm）とアルミニウム板（20.0mm×30.0mm×12.0mm）に紙やすり（#1000、#500、#240、#40）を合成のりで貼り付けたものを測定対象物として、音叉型水晶振動子の抵抗変化△Ｒを測定した結果を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態における測定システムにより、銅板（20.0mm×30.0mm×5.0mm））に紙やすり（#1000、#500、#240、#40）を合成のりで貼り付けたものを測定対象物として、図８に示すように、台、分銅により音叉型水晶振動子２に５０ｇ、７５ｇ、１２５ｇの加重を加え、抵抗変化△Ｒを測定した結果を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態における音叉型水晶振動子に、分銅を載せ加重を加えられるような台を取り付けた状態を説明するための図である。
【図９】本発明の実施の形態における測定システムにより、銅板に上質紙、中質紙、わら半紙、新聞紙、コピー用紙を合成のりで貼り付けたものを測定対象物として、音叉型水晶振動子２の抵抗変化△Ｒを測定した結果を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態における測定システムにより、銅板の上に上質紙、中質紙、わら半紙、新聞紙、コピー用紙を合成のりで貼り付けたものを測定対象物として、図８に示すように、台、分銅により音叉型水晶振動子に５０ｇ、７５ｇ、１２５ｇの加重を加え、抵抗変化△Ｒを測定した結果を示す図である。
【図１１】  本発明の実施の形態における測定システムにより、シリコンゴム（硬度 ＪＩＳ８０）の上に上質紙、中質紙、わら半紙、新聞紙、コピー用紙、ＣＬＣ（カラー）、ＫＲ、リサイクル紙を載せたものを測定対象物として、図８に示すように、台、分銅により音叉型水晶振動子に５０ｇ、７５ｇ、１２５ｇの荷重を加え、抵抗変化△Ｒを測定した結果を示す図である。
【図１２】古紙配合率表
【符号の説明】
１    音叉型水晶触覚センサ
２    音叉型水晶振動子
４    励振電極
５    接続電極
６    ケース
７    リード線
８    接着剤
９    基部
１０  固定装置
１１  棒
１２  ガイド穴
１３  台
１４  分銅
１５  インピーダンスアナライザ
１７  振動エネルギーの反射１７
１８  振動エネルギーの透過１８
１９  測定対象物
２１  音叉型水晶振動子の枝部
２２  音叉型水晶振動子の枝部
【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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