触覚センサ信号処理装置
【課題】短時間でより詳細な生体情報が得られる触覚センサ信号処理装置を提供する。
【解決手段】 圧電振動子のインピーダンス特性の変化を用いて対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ信号処理装置において、圧電振動子を用いた触覚センサ１０１と、圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振抵抗の変化を検出する共振抵抗変化検出手段１０２と、圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振周波数の変化を検出する共振周波数変化検出手段１０３と、共振抵抗変化検出手段１０２の検出結果と、共振周波数変化検出手段１０３の検出結果とを用いて、対象物の粘弾性特性である複素弾性率の実数部と虚数部を独立に計算処理する信号処理手段１０４とを具備する。
【解決手段】 圧電振動子のインピーダンス特性の変化を用いて対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ信号処理装置において、圧電振動子を用いた触覚センサ１０１と、圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振抵抗の変化を検出する共振抵抗変化検出手段１０２と、圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振周波数の変化を検出する共振周波数変化検出手段１０３と、共振抵抗変化検出手段１０２の検出結果と、共振周波数変化検出手段１０３の検出結果とを用いて、対象物の粘弾性特性である複素弾性率の実数部と虚数部を独立に計算処理する信号処理手段１０４とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、粘弾性特性をもつ対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ信号処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、内視鏡は生体の内部を観察するための器具としての機能よりも、観察を行いながら観察対象を操作するといった機能を重視するようになってきている。これは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。内視鏡を用いた手術や診断は今後ますます拡大するものと予想される。
【０００３】このようなより複雑、微細な操作や体腔内で診断・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となる。生体は粘弾性体であり、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と定義し、対象物のもつ粘弾性特性を検出するセンサを触覚センサと呼ぶ。粘弾性特性は一般に複素弾性率Ｇ* を用いて Ｇ* ＝Ｇ′＋ｊＧ″ …（０）
で表せ、この複素弾性率Ｇ* の実数部Ｇ′は弾性に対応し、虚数部Ｇ″は粘性に対応する。生体組織は筋や組織間液などが絡み合って粘弾性特性を示しており、腫瘍やしこりなどの病変部においては正常部に比べ複素弾性率Ｇ* の実数部Ｇ′と虚数部Ｇ″の両方が異なる値を示すことになる。複素弾性率を測定するには時間変化に対する対象物の応答を測定する必要があり、その方法として生体組織に振動を与え、その応答を測定し、生体の複素弾性率Ｇ* を決定する方法がある。従来、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、触覚センサにより粘弾性特性を定量的に検出することによって第３者に確実に伝達可能なデータとして触覚を変換できる。また、粘弾性特性を独立に測定することは、病変部の診断をより精密に行うことが可能になる。
【０００４】このようなニーズに対して、生体の粘弾性特性を測定する装置として、生体の力学的特性の変化を利用して、生体の粘弾性特性を測定する方法（例えば特公昭５７−２０２２）が挙げられる。
【０００５】図１９に示すように、生体である検体１５０１に接触するプローブ本体１５０２は筒状の案内部１５０３を有するケーシング１５０４を備えており、案内部１５０３内には変位検出器１５０５、オシレータ１５０６及び力検出器１５０７が位置している。変位検出器１５０５はその固定部が案内部１５０３に固定され、その可動部は案内部１５０３に沿って移動可能である。この変位検出器１５０５の可動部と一体的に変位可能であるオシレータ１５０６及び力検出器１５０７はケーシング１５０４に固定されている。
【０００６】このような構成において関数発生器１５０９によりオシレータ１５０６に例えば正弦波状電流を流すとオシレータ１５０６により振動が発生し、この振動がプローブ部材１５０８によって検体１５０１に伝達される。プローブ部材１５０８の動きは変位検出器１５０５で検出され、その値は歪み計１５１０に指示される。検体１５０１の生体組織はプローブ部材１５０８からの振動によって変形し、その結果、その反力が力検出器１５０７に正弦波状に現れる。ついでこれが力指示計１５１１に指示される。
【０００７】このようなプローブにおいては、プローブの案内部１５０３を検体に接触させた後に、オシレータ１５０６に直流バイアスを加えて振動プローブ１５０８をケーシング１５０４より突出させて、力指示計１５１１にある決められた静的圧力Ｆ0 を付加し、しかる後にオシレータ１５０６に正弦振動Ｆ1 ・ｓｉｎ ωｔを与えて振動荷重Ｆ1 ・ｓｉｎ ωｔを重畳させ、合成荷重Ｆと時間ｔの関係をみる。このとき、反力は力検出器１５０７によって検出され、一定の振動荷重となるように制御される。この場合、変位は静的な荷重に対するクリープ変形成分と振動荷重に対する振動変位の和で与えられるが、これらは容易に分離できる。
【０００８】例えば、静的な力Ｆ＝Ｆ0 に対する変位の時間変化はＩ＝Ｉ0 （Ｉ−ｅ-at ）で与えられ（Ｉ0 、ａは定数、ｔは時間を表す）、振動荷重Ｆ1 ・ｓｉｎ ωｔに対する振動変位はＩ＝Ｉ1 ｓｉｎ（ωｔ−δ）（ここでδは位相差である）で表わされ、以上の量から複素弾性率が計算できる。これらの信号処理は図示していないマイクロコンピュータで行っている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】生体において硬さを測定する場合、拍動により生体が動くため、接触状態を一定にするか、測定時間を短くする必要がある。従来例の上記検査装置では、静的荷重であるクリープ変形を測定するため、オシレータ１５０６に与える直流バイアスを調整することにより一定時間生体との接触状態を一定に保つ機構を有しているが、このような機構は生体との接触状態の変化、例えば操作者の動きに追従するのが難しく、わずかな接触状態の変化がクリープ変形のような微妙な変位の測定に対して大きな影響を及ぼしてしまう。
【００１０】また、クリープ変形のような時間のかかる測定データを使用しているため、測定時間がかかるだけでなく、対象物の粘弾性特性によりクリープ時間が変化するため一回の測定に必要な時間が異なってしまうという問題がある。
【００１１】本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、クリープ変形の測定のような微妙な測定の難しさと、測定時間の長さと、対象物の違いによる測定時間の違いと言った従来技術が有する問題を克服して、短時間でより詳細な生体情報を得ることができる触覚センサ信号処理装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するために、本発明は、圧電振動子のインピーダンス特性の変化を用いて対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ信号処理装置において、圧電振動子を用いた触覚センサと、該圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振抵抗の変化を検出する共振抵抗変化検出手段と、前記圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振周波数の変化を検出する共振周波数変化検出手段と、前記共振抵抗変化検出手段の検出結果と、前記共振周波数変化検出手段の検出結果とを用いて、対象物の粘弾性特性である複素弾性率の実数部と虚数部を独立に計算処理する信号処理手段とを具備する。
【００１３】すなわち、本発明は、圧電振動子のインピーダンス特性の変化を用いて対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ信号処理装置において、まず、圧電振動子のインピーダンス特性の共振抵抗の変化と共振周波数の変化を検出する。次に、共振抵抗の変化と、共振周波数の変化とを用いて、対象物の粘弾性特性である複素弾性率の実数部と虚数部を独立に計算処理するようにする。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１５】まず、本発明による第１実施形態の構成、作用、効果について説明する。
【００１６】図１は第１実施形態の触覚センサ信号処理装置１０５を主たる構成手段によって表した図で、圧電振動子のインピーダンス特性の変化を用いて対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ１０１と、インピーダンス特性のうち共振抵抗変化を検出する共振抵抗変化検出手段１０２と、共振周波数変化を検出する共振周波数変化検出手段１０３と、前記両検出手段の検出結果を用いて対象物の粘弾性特性である複素弾性率の実数部と虚数部を独立に計算処理する信号処理手段１０４とから構成されている。
【００１７】更に前記した触覚センサ１０１、共振抵抗変化検出手段１０２、及び共振周波数変化検出手段１０３の具体的な回路構成を図２を用いて説明する。図２（ａ）は共振抵抗変化検出手段１０２と共振周波数変化検出手段１０３の具体的な回路図であり、圧電振動子２０５に接続された発振回路２０２と、その発振出力を分岐する分岐手段２０３と、その分岐信号のうち一方を電圧信号に周波数−電圧変換するＦ／Ｖ変換手段２０４とを具備する。発振回路２０２は、圧電振動子２０５の図２R>２（ｂ）に示す等価回路定数を回路要素としたコルピッツ発振回路から構成されており、コンデンサ（Ｃb ）２０６、コンデンサ（Ｃ1 ）２０７、コンデンサ（Ｃ2 ）２０８、抵抗（Ｒ1 ）２０９、抵抗Ｒ2 （２１０）、トランジスタ２１１、抵抗（Ｒe ）２１２、コンデンサ（Ｃ0 ）２１３、電圧端子２１４、出力端子２１５で構成される。
【００１８】図２のような構成の共振抵抗変化検出手段１０２により検出された共振抵抗Ｚr'と、図２のような構成の共振周波数変化検出手段１０３により検出された共振周波数ｆr'は信号処理手段１０４に入力される。この信号処理手段１０４は図３に示すように、出力信号分岐手段６０１、信号処理回路６０２、メモリ６０３、Ｄ／Ａコンバータ６０４で構成される。信号処理回路６０２の具体的な回路図が図４、図５である。図４はＧ′を算出するＧ′算出回路５０１で、図５はＧ″を算出するＧ″算出回路５０２である。
【００１９】図４に示すＧ′算出回路５０１は、増幅率ＫR 2 の差動演算増幅器５０３と増幅率ＫL の差動演算増幅器５０４と増幅率１の差動演算増幅器５０６と乗算器５０７〜５１３、５１５〜５１７と除算器５１８と増幅率２πの増幅器５１４とＺr'端子５２８とＺr 端子５２９とｆr'端子５３０とρ端子５３１とｆr 端子５３２とＬ１端子５３３の入力端子とＧ′端子５４０の出力端子で構成される。
【００２０】図５に示すＧ″算出回路５０２は、増幅率ＫR の差動増幅器５０５と増幅率ＫL の差動増幅器５１９と乗算器５２０〜５２３、５２７と除算器５２５、５２６と増幅率２πの増幅器５２４とＺr'端子５３４とＺr 端子５３５とｆr 端子５３６とｆr'端子５３７とＬ１端子５３８とρ端子５３９の入力端子とＧ″端子５４１の出力端子で構成される。
【００２１】以下に上記した構成の作用を説明する。
【００２２】圧電振動子２０５の等価回路定数を回路要素とした発振回路２０２を使用すると、該発振回路２０２からの出力信号は図６に示すように圧電振動子２０５のインピーダンス特性を反映した信号となる。無負荷の場合、出力信号は圧電振動子２０５の共振周波数近傍で出力され、かつ、その振幅は圧電振動子２０５の共振抵抗に対応してくる。
【００２３】一方、粘弾性体が付着すると出力信号は図６R>６の破線のようになる。つまり、出力信号は圧電振動子２０５のインピーダンス特性を反映した信号である。よって、発振出力を分岐し、信号処理手段１０４で処理するために周波数成分を電圧信号に変換し、共振抵抗変化と共振周波数変化を検出できる。このような、共振抵抗変化検出手段１０２により検出された共振抵抗Ｚr と共振周波数変化検出手段１０３により検出された共振周波数ｆr は信号処理手段１０４に入力され、信号処理手段１０４に予め格納された処理方法により計算処理されて、対象物の粘弾性特性を示す複素弾性率の実数部Ｇ′と虚数部Ｇ″が算出される。
【００２４】この時の算出方法について以下に述べる。圧電振動子の共振周波数における電気的特性の等価回路は図７（ａ）のようになる。無負荷の場合は機械端子に図７（ｂ）を接続させた回路となる。一方粘弾性体を圧電振動子に付着させると圧電振動子の共振周波数と共振抵抗が変化するため、この場合の等価回路はコイルと抵抗を直列接続させた回路（図７（ｃ））となる。
【００２５】図７（ｃ）の等価回路表現は対象物の粘弾性特性を電気回路的に表現したものであり、実際の粘弾性特性は機械的特性のため、Ｌv0とＲv0が粘弾性特性を直接表現するものではないが、ある関数で結びつけることができる。よって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。
【００２６】図７（ｂ）の場合の電気端子から見たインピーダンス特性の共振周波数ｆr と反共振周波数ｆa と共振抵抗Ｚr 及び自由容量ＣF は以下の式で表せる。
【００２７】
【数１】
【００２８】なお、上式においてはＬ1 は直列インダクタンス、Ｃ1 は直列容量、Ｃ0 は並列容量、Ｒ1 は直列抵抗である。
【００２９】この４式より、図７（ａ）に示した等価回路定数を求めることができる。
【００３０】一方、粘弾性体が付着した場合、共振周波数と共振抵抗が変化するため、ここから推測すると電気回路的にＬv0とＲv0が直列に接続したことになる。この場合の共振周波数ｆr'と反共振周波数ｆa'とＺr'は以下の式で表せる。
【００３１】
【数２】
【００３２】この式を用いてＬv0とＲv0が求められる。
【００３３】上述したように、粘弾性体の機械的表現と電気的表現はある関数で結び付けることができるため、まず、インピーダンス表現した場合の関係を考察する。粘弾性体の機械的インピーダンスＺM と粘弾性体の固有音響インピーダンスＺA0の関係は次の関係がある。
【００３４】
Ｒv ＋ｉωＬv ＝ＺA0＝ＺM ／Ｓ …（８）
また、ずり弾性率と粘性係数の関係は以下のようになる。
【００３５】
Ｇ* ＝Ｇ′＋ｉＧ″＝ωη′＋ｉωη″＝ｉω（η′−ｉη″）＝ｉωη* …（９）
よって、機械的インピーダンスＺM と固有音響インピーダンスとずり弾性率に関係する値との関係は以下のようになる。
【００３６】
【数３】
【００３７】（１０）式と（１１）式の実数部と虚数部を比較する。
【００３８】複素弾性率Ｇ* の虚数部Ｇ″で表現すると（１２）式のようになる。
【００３９】
【数４】
【００４０】（１２）式、（１３）式より、回路定数のＲV とＬV がそれぞれ粘性率と弾性率に１対１に対応しているのではないことが分かる。つまり、Ｒv 、Ｌv はそれぞれ複素弾性率の実数部・虚数部に関与しており、（１２）式、（１３）式に示すようにＲv とＬv の両方の変化を測定して初めて実数部と虚数部が算出でき、粘弾性特性の検出が可能となる。ところで、粘弾性体の固有音響インピーダンスＺA0に対応する式中のＲv とＬv は最初の式に示した電気的なインピーダンスとは異なり、前者は粘弾性体の単位面積あたりの機械的インピーダンスであるため圧電振動子の機械的な特性を考慮していないが、後者は圧電振動子の機械的な特性を考慮し、それを含めた電気的なインピーダンスである。そのため、この両者は圧電振動子の等価回路表現に使用される力変換係数といった係数で結びつけることができると考えられる。そこで、この係数を装置定数ＫR 、ＫL とするとＲV0とＲV 、ＬV0とＬV の関係は以下の式のようになる。
【００４１】
ＬV ＝ＫL ・ＬV0 …（１４）
ＲV ＝ＫR ・ＲV0 …（１５）
よって、上式よりＧ″およびＧ′は次式のように変形できる。
【００４２】
【数５】
【００４３】これより圧電振動子の共振周波数と共振抵抗がそれぞれ粘性率と弾性率に１対１に対応しているのではないことが分かる。つまり、共振周波数・共振抵抗それぞれは複素弾性率の実数部と虚数部に関与しており、圧電振動子の等価回路定数（Ｃ1 、Ｌ1 、装置定数）と共振抵抗、共振周波数が既知ならば（１６）式〜（１９）式に示すように共振周波数と共振抵抗の両方の変化を測定して初めて複素弾性率の実数部と虚数部が算出でき、粘弾性特性の検出が可能となる。
【００４４】図３、図４、図５は上述した計算式をもとにした信号処理手段とその回路の一例を示したものである。図１もしくは図２に示した共振周波数変化検出手段１０２と共振抵抗変化検出手段１０３からの共振周波数ｆr と共振抵抗Ｚr の１組の出力は出力信号分岐手段６０１により、直流電圧信号に変換して２組に分岐され、Ｖin1 （Ｚr'）、Ｖin2 （ｆr'）の２組が信号処理回路６０２に入力される。
【００４５】一方、既知のデータとなる無負荷時の共振抵抗Ｚr 、共振周波数ｆr 、直列インダクタンスＬ1 と密度ρはメモリ６０３に予め格納され、信号処理回路６０２で計算処理する時は、Ｄ／Ａコンバータ６０４を介してデジタル信号をアナログ信号である直流電圧信号Ｖin3 （Ｚr ）、Ｖin4 （ｆr ）、Ｖin5 （ρ）、Ｖin6 （Ｌ1 ）に変換し、信号処理回路６０２に入力されて計算が行われる。この時、出力信号分岐手段６０１とＤ／Ａコンバータ６０４からの出力はクロック信号を発生する回路（図示せず）などにより信号処理回路６０２で信号処理しやすいように同一のタイミングで信号処理回路６０２に入力される。信号処理回路６０２は粘弾性特性Ｇ′算出回路５０１と弾性特性Ｇ′算出回路５０２で構成される。
【００４６】以下、それぞれの信号の流れを説明する。弾性特性Ｇ′算出回路５０１は次の通りである。出力信号分岐手段６０１で分岐された１組の直流電圧信号Ｖin1（Ｚr'）、Ｖin2 （ｆr'）のうち、Ｖin1 （Ｚr'）とメモリ６０３に格納され、Ｄ／Ａコンバータ６０４を通してアナログ信号に変換されたＶin3 （Ｚr ）は増幅率ＫR 2 の差動増幅器５０３を通して、直流電圧信号Ｖ503 （ＫR 2 （Ｚr'−Ｚr ））に変換され、Ｖin2 （ｆr'）は乗算器５０８，５０９を通りＶ509 （ｆr'4 ）となり、Ｖ509 （ｆr'4 ）と乗算器５０７を通して、Ｖ509 （ｆr'4 ＫR2 （Ｚr'−Ｚr ））となる。また、Ｖ509 （ｆr'4 ）は乗算器５１０でＶin5 （ρ）と乗算されて、Ｖ510 （ρｆr'4 ）となる。
【００４７】Ｖin2 （ｆr'）は乗算器５０８によりＶ508 （ｆr'2 ）となり、Ｖin4 （ｆr）は乗算器５１１によりＶ511 （ｆr 2 ）となり、Ｖ509 （ｆr'4 ）とＶ511 （ｆr 2 ）は増幅率ＫL の差動増幅器５０４で減算され、さらに、乗算器５１２で自乗されてＶ512 （ＫL 2 （ｆr 2 −ｆr'2 ）2 ）となる。Ｖin4 （ｆr ）は増幅率２πの増幅器５１４によりＶ514 （ω）に変換され、Ｖ514 （ω）とＶin6（Ｌ1 ）はそれぞれ乗算器５１３及び５１５を通して自乗され、さらに乗算器５１６で両方の積がとられてＶ516 （ω2 Ｌ1 2 ）となる。そして乗算器５１７で上述したＶ512 （ＫL 2 （ｆr 2 −ｆr'2 ）2 ）とＶ516 （ω2 Ｌ1 2 ）との積がとられてＶ517 （ＫL 2 ω2 Ｌ1 2 （ｆr 2 −ｆr'2 ）2 ）が得られる。そして増幅率１の差動増幅器５０６でＶ517 （ＫL 2 ω2 Ｌ1 2 （ｆr 2 −ｆr'2 ）2 ）とＶ509 （ｆr'4 ＫR 2 （Ｚr'−Ｚr ））との差がとられた後、除算回路５０８で式（１８）の結果であるＶout1（Ｇ′）が得られる。
【００４８】弾性特性Ｇ″算出回路５０２は出力信号分岐手段６０１で分岐された１組の出力信号Ｖin1 （Ｚr'）、Ｖin2 （ｆr'）のうち、Ｖin1 （Ｚr'）とメモリ６０３に格納され、Ｄ／Ａコンバータ６０４を通してアナログ信号に変換されたＶin3（Ｚr ）は増幅率ＫR の差動増幅回路５０５を通して、Ｖ505 （ＫR （Ｚr'−Ｚr ））に変換され、また、Ｖin4 （ｆr ）とＶin2 （ｆr' ）は乗算器５２１及び５２２を通して自乗され、それぞれの値は増幅率ＫL の差動増幅器５１９を通されてＶ519 （ＫL （ｆr 2 −ｆr'2 ））となる。そして、Ｖ505 （ＫR （Ｚr'−Ｚr ））とＶ519 （ＫL （ｆr 2 −ｆr'2 ））とを乗算器５２０に入力することによりＶ520 （ＫR （Ｚr'−Ｚr ）ＫL （ｆr 2 −ｆr'2 ））となる。
【００４９】一方、Ｖin2 （ｆr'）は増幅率２πの増幅器５２４によりＶ524 （ω）に変換され、Ｖ524 （ω）とＶin5 （ρ）は除算器５２５を通されてＶ525 （２ω／ρ）となる。そしてＶin6 （Ｌ1 ）と乗算器５２３によりＶ523 （２ωＬ1 ／ρ）となり、乗算器５２２を通して自乗されたＶ522 （ｆr'2 ）と除算器５２６によりＶ526 （２ωＬ1 ／ｆr'2 ρ）が得られる。そして、Ｖ526 （２ωＬ1 ／ｆr'2 ρ）と上述のＶ520 （ＫR （Ｚr'−Ｚr ）ＫL （ｆr 2 −ｆr'2 ））から乗算器５２７により式（１６）の結果であるＶout2（Ｇ″）が得られる。
【００５０】このような回路５０１と５０２に共振抵抗変化検出手段１０２からの出力と共振周波数変化検出手段１０３からの出力を入力すると対象物の粘弾性特性である複素弾性率の実数部と虚数部が算出できる。図４、図５には記載してないが、それぞれの増幅器などで計算処理を行うには同一の位相で増幅器に直流電圧信号が印加されなくてはならないため、位相を一致させるための手段も各増幅器の入力端子手前に含まれている。
【００５１】信号処理回路５０１と５０２において、増幅率ＫR 2 の差動増幅器５０３、増幅率ＫL の差動増幅器５０４，５１９、増幅率ＫR の差動増幅器５０５の増幅率を予め決める必要があるが、これらの増幅率は上述した式中の装置定数に対応しており、この値は触覚センサ１０１により異なる。この装置定数は複素弾性率が測定済みの材料を用いて算出する。
【００５２】以下に算出の方法を述べる。（１２）式より
【数６】
【００５３】このＬV を（２０）式に代入しＲV を求め、（１４）式、（１５）式より変換係数を求める。例として、実際にこれらの値を算出してみる。
【００５４】無負荷のときと３種類の異なる粘弾性体に接触させたときの圧電振動子のインピーダンス特性の測定を行った。その結果を図８に示す。
【００５５】図８よりＫL とＫR が３つ算出され、３つの平均をとるとＫL ＝８．２８４３４ＫR ＝９．２５７１となる。この値を図４、図５に示した回路の増幅率にセットすることにより、信号処理手段１０４の処理回路がきまり、共振抵抗変化と共振周波数変化を用いて複素弾性率の実数部と虚数部を算出することが可能になる。
【００５６】上記した第１実施形態によれば、図３、図４R>４、図５に示す信号処理手段により、対象物の複素弾性率の実数部と虚数部を算出することが可能になる。生体組織は筋や組織間液の易動度などが絡み合って粘弾性特性を示しており、腫瘍やしこりなどの病変部においては複素弾性率Ｇ* の実数部Ｇ′と虚数部Ｇ″の両方が変化するが、本実施形態の方法で粘弾性特性を分離して検出することにより、より詳細な生体の情報を得ることができる。
【００５７】また、図２に示すような発振回路２０２を使用することにより、圧電振動子のインピーダンス特性の変化をリアルタイムで測定することが可能になり、粘弾性特性の測定時間を短くできる。
【００５８】また、コルピッツ発振回路２０２はＣ−ＭＯＳを用いて構成することもでき、要は圧電振動子２０５の等価回路定数を用いて自励発振回路の構成が可能ならばどのような回路でも構わない。
【００５９】なお、装置定数として二種類仮定したが、これを一種類に統一しても問題はない。なぜなら、上述したように装置定数は力変換係数（電気機械変換係数）に対応しているため、同一な値を持つとも考えることができる。その場合は当然、図３、図４、図５に示した回路の増幅率ＫL の差動増幅器５０４，５１９、増幅率ＫR の差動増幅器５０５の増幅率は同一の増幅率になり、増幅率ＫR 2 の差動増幅器５０３は自乗の値になることはいうまでもない。
【００６０】また、図３、図４、図５に示した回路は一例であり、上式の計算処理を行う回路であればどのような構成をとっても構わない。例えば出力信号分岐手段６０１でＡ／Ｄコンバータによりデジタル信号に変換して、図３に示すＤ／Ａコンバータ６０４を通さないでメモリ６０３の出力をそのまま使用して、信号処理回路６０２にデジタル信号処理回路を使用し、その計算結果を再びＤ／Ａコンバータ６０４でアナログ信号に変換しても同様の結果が得られる。
【００６１】さらに、発振回路２０２はＣ−ＭＯＳを用いて構成することもでき、要は圧電振動子２０５の等価回路定数を用いて自励発振回路の構成が可能ならばどのような回路でも構わない。
【００６２】以下に本発明の第２実施形態を説明する。
【００６３】第１実施形態では共振抵抗変化検出手段と共振周波数変化検出手段として発振回路を用いているのでダイナミックレンジが狭くても良い場合には何の問題も無いが、広いダイナミックレンジが必要な場合は第１実施形態のままでは対応しきれない場合がある。それは、圧電振動子の等価回路定数を回路要素とした発振回路は圧電振動子が共振−反共振間の状態のような等価回路的にはインダクタンスＬ1 領域にある時のみ発振出力が得られるが、負荷が加わった状態では、共振周波数と反共振周波数の間であってもＣ成分の値とＬ成分の値の関係によっては発振状態が停止してしまう。第２実施形態はこの様な不具合を改善し、大きなダイナミックレンジを有するセンサを用いた対象物の粘弾性特性である複素弾性率の実数部と虚数部を検出する触覚センサ信号処理装置を実現することを目的としている。
【００６４】図９は本発明の第２実施形態に係る触覚センサ信号処理装置の構成図である。第２実施形態の共振周波数変化検出手段１０３と共振抵抗変化検出手段１０２は、高周波駆動信号の周波数ｆ1 を前記高周波駆動信号の立ち上がり時刻Ｔ1 から立ち下がり時刻Ｔ2 にかけて、ｆ1 −Δｆ1 とｆ1 ＋Δｆ1 の間を連続的に単調に増加または減少させる駆動回路手段４０２と、入力信号の周波数と前記圧電振動子のインピーダンスの値によって出力電圧を変化させる圧電振動子増幅手段４０６と、圧電振動子増幅手段４０６の出力を直流変換する直流変換手段４０８と、直流変換手段４０８の出力信号である直流パルス信号よりパルスピーク値と前記高周波駆動信号の立ち上がり時刻Ｔ1 から前記直流パルス信号のピーク値を示す時刻Ｔ2 までの時間を計測する計測手段４０９とから構成される。
【００６５】さらに駆動回路手段４０２は矩形波発生器４０３と鋸波発生器４０４とＦＭ変調器４０５で構成され、圧電振動子増幅手段４０６はコンデンサ（ＣC1）４１０、抵抗（Ｒb1）４１１、抵抗（Ｒb2）４１２、抵抗（ＲL ）４１３、コンデンサ（ＣC2）４１４、トランジスタ４１５、抵抗（ＲE ）４１６で構成され、計測手段４０９は直流パルス信号のピーク値を検出するピークディテクタ４１７とその信号のピーク時刻から、矩形波４０３の立ち上がり時刻Ｔ1 までの時間をカウントするカウンター回路４１９と、時間をカウントする為のクロック信号発生器４１８と、カウンター回路４１９のＡＢＣＤ出力をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータ４２０とで構成され、この出力結果は信号処理手段１０４にて信号処理され、対象物の複素弾性率の実数部と虚数部を検出する。
【００６６】以下に上記した構成の作用を説明する。
【００６７】触覚センサ信号処理装置４０１は駆動回路手段４０２の矩形波発生器４０３の出力信号がトリガ信号となる。矩形波発生器４０３の矩形波は鋸波発生器４０４を同期させて、図１０の１７０１のような鋸波を発生させる。そして、ＦＭ変調器４０５では鋸波１７０１の出力電圧値に応じて特定の周波数ｆ1 を中心に周波数が変化する高周波駆動信号１７０３を発生させる。この時の周波数と時間の特性は１７０２のようになる。この信号を圧電振動子増幅手段４０６に入力すると圧電振動子４０７が無負荷状態なら共振抵抗がＺr で共振周波数ｆr のインピーダンス特性を示すことに対して、高周波駆動信号１７０３の中心周波数がｆr に等しくなる時刻Ｔ0 で最大振幅の信号を出力し、直流変換手段４０８を経た出力信号は１７０４に示したピーク値Ｖを示す直流パルス信号となる。
【００６８】また、圧電振動子４０７に負荷が加わって、共振抵抗がＺr'、共振周波数がｆr'のインピーダンス特性になると、これに対応して直流変換手段４０８を経た出力信号はピーク電圧が共振抵抗が増加してＺr'になったことに対応して小さくなり、ピーク電圧を示す時刻も印加周波数がｆr'になる時刻Ｔ′に変化する。つまり、粘弾性対象物が付加されていない無負荷状態では、ちょうど高周波駆動信号の周波数が圧電振動子の共振周波数ｆ1 の時刻Ｔ0 （Ｔ0 ＝Ｔ1 ＋（Ｔ2 −Ｔ1）／２）で直流変換手段からの出力信号がピーク値Ｖを示す。
【００６９】一方、有負荷時は共振周波数がｆr'に変化すると同時にその周波数に於ける共振抵抗も変化するのでピークの位置は前記ｆr に対応する時刻Ｔ0 から時刻Ｔ′にずれ、またピーク電圧も共振抵抗の変化に対応して減少する。この時間と、駆動回路手段の出力信号波形との関係から圧電振動子の共振周波数の変化を検出し、圧電振動子のインピーダンス特性の変化を検出するピーク電圧の値とピーク電圧になる時刻を検出すれば圧電振動子４０７の共振抵抗と共振周波数が検出できる。
【００７０】次にこの時刻の変化量とピーク値を検出する方法について図９を用いて説明する。直流変換手段４０８により出力信号の振幅成分のみを取り出して直流パルス信号とし、この信号からパルスのピーク値をピークディテクタ４１７によって検出する。この検出したという信号にもとづいてカウンター回路４１９はリセットが作動する。また、カウンター回路４１９は駆動回路手段４０２の矩形波発生器４０３の矩形波の立ち上がりに同期してカウントを始めるようになっており、リセット信号がピークディテクタ４１７から入力されるとそれまでの時間をクロック信号発生器４１８に基づいて計算する。つまり、時間ΔＴ0 が計算されるのである。この時間ΔＴ0 はＤ／Ａコンバータ４２０を介してアナログ信号に変換され、ピークディテクタ４１７で検出されたピーク値と共に圧電振動子４０７の共振周波数と共振抵抗に関する電圧信号として信号処理回路１０４に入力される。信号処理回路の構成と動作は第１実施形態と同様である。
【００７１】上記した第２実施形態によれば、圧電振動子増幅手段を使用すると、圧電振動子の等価回路定数を使用しないため、発振回路２０２を用いた場合よりもダイナミックレンジを広くすることが可能である。また、圧電振動子増幅手段からの出力を直流変換する直流変換手段と直流変換手段の出力信号である直流パルス信号よりパルスピーク値と前記高周波駆動信号の立ち上がり時刻Ｔ1 から前記パルスピーク値を示す時刻Ｔ2 までの時間を計測する計測手段により圧電振動子のインピーダンス特性に変換することができる。
【００７２】以下に本発明の第３実施形態を図１１を用いて説明する。
【００７３】第３実施形態の信号処理手段１０４は、共振抵抗変化検出手段１０２と共振周波数変化検出手段１０３の両検出結果を入力する入力手段７０１と、その入力信号を用いて周波数変化と共振抵抗変化から複素弾性率の実数部と虚数部を分離して計算する計算式に基づいて計算処理する計算処理回路７０３と、その計算処理した結果を出力する出力手段７０１とからなる。また、入力手段７０１はゲート１（７０４）とゲート信号１（７０５）よりなり、出力手段７０２はゲート２（７０６）とゲート信号２（７０７）よりなる。
【００７４】上記した構成において、ゲート信号１（７０５）はゲート１（７０４）のゲートのＯＮ／ＯＦＦを制御し、ゲート信号２（７０７）はゲート２（７０６）のゲートのＯＮ／ＯＦＦを制御をする上記した第３実施形態によれば、ゲート１（７０４）よりなる入力手段７０１を介することにより、計算処理時のタイミングと一致させるようにゲート信号１（７０５）から信号を送りゲート１（７０４）を開けば、最適のタイミングで計算処理することが可能となる。例えば出力結果をメモリ（図示せず）に格納する場合などはメモリの駆動タイミングと出力タイミングを一致させる必要があり、ゲート２（７０６）よりなる出力手段７０２を介することにより、一致させることが可能となる。
【００７５】以下に本発明の第４実施形態を説明する。
【００７６】第１実施形態では触覚センサ信号処理装置１０４に図４、図５に示す回路を用いたが、この場合、装置定数ＫR とＫL はあらかじめ測定された値に基づいて固定されている。上述したように、装置定数ＫR とＫL は圧電振動子の電気機械結合定数に対応しており、これは温度、湿度などの環境の変化を受けるため、測定毎に装置定数ＫR とＫL を最適な値にする必要がある。そこで、第４実施形態では式中の装置定数ＫR とＫL をあらかじめ測定し、その測定結果に基づいて装置定数ＫR 、ＫL を可変できる構成を提供する。
【００７７】図１２はこのような構成８０１を示す図であり、入力手段８０４を構成する重み抵抗ツリー８０２、Ａ／Ｄ変換８０３、メモリ８０５と差動アンプ８０６よりなる。
【００７８】以下に図１２の構成の作用を説明する。
【００７９】式中の装置定数ＫR もしくはＫL を図１３のようなフローに従って装置定数を算出し、その算出結果に基づいて装置定数を変える。まず、無負荷の状態で測定を行い（Ｓ９０１）、圧電振動子の等価回路定数（ＲV0，ＬV0）を算出する。次に複素弾性率が既知の粘弾性体を圧電振動子に接触させ、インピーダンス測定を行い、粘弾性体の電気回路定数（ＲV ，ＬV ）を算出する（Ｓ９０２）。次に、求めた電気回路定数（ＲV0，ＬV0）と実際の複素弾性率から算出した等価回路定数（ＲV ，ＬV ）を用いて（１４）式、（１５）式により装置定数ＫR とＫL を算出する（Ｓ９０３）。この算出した結果をメモリ８０５に記憶する。
【００８０】ゲインを変えるために重み抵抗ツリー８０２をデジタル信号により制御するため、メモリ８０５に格納した装置定数ＫR とＫL はＡ／Ｄ変換器８０３によりデジタル信号に変換され、この信号が重み抵抗ツリー８０２に入力される。この構成８０１を図４、図５に示したスケールファクタＫR 2 の減算回路５０３とスケールファクタＫL の減算回路５０４とスケールファクタＫR の減算回路５０５にすると、重み抵抗ツリー８０２の値によりゲインを可変出来るようになる。
【００８１】上記した第４実施形態によれば、測定毎に異なる温度、湿度などの環境の変化を装置定数ＫR 、ＫL を用いてキャンセルするため、精度の高い測定が可能になる。
【００８２】なお、ゲインを変えることが出来る手段ならばどのような回路であっても構わない。例えば、図１２R>２のメモリ８０５はアナログ信号で出力されることを前提としておりメモリ８０５がデジタル出力の場合はＡ／Ｄ変換器８０３を介さずに直接重み抵抗ツリー８０２を駆動することになる。
【００８３】以下に本発明の第５実施形態を図１４を参照して説明する。
【００８４】第５実施形態は第１実施形態における信号処理手段１０４の出力Ｇ′、Ｇ″を呈示装置１００３に入力する信号に変換する呈示信号変換手段１００２と、この呈示信号変換手段１００２からの信号に対応して駆動されるボイスコイル型の呈示装置１００３を具備する構成１００１からなる。
【００８５】前記呈示信号変換手段１００２は図１５に示すように、スティーブンスのべき関数１１０３と等感覚曲線１１０４よりなる演算手段１１０１と、交流電源１１０２で構成される。
【００８６】図１６は図１５の構成において、呈示装置１００３としてボイスコイル１２０１を用い、さらに信号処理手段１０４の出力Ｇ′、Ｇ″を視覚呈示装置１２０２で視覚的に表示するようにした構成を示す。
【００８７】また、図１７は図１４に示す構成において、呈示信号変換手段１００２を用いずに信号処理手段１０４の出力Ｇ′、Ｇ″によって呈示装置１００３を駆動するようにした構成を示している。
【００８８】以下に上記した構成の作用を説明する。
【００８９】前記信号処理手段１０４で処理された粘弾性特性の実数部と虚数部のデータ信号を操作者に知覚できるような信号に呈示信号変換手段１００２により変換し、その変換信号に対応して呈示装置１００３を駆動させる。ところで、弾性感覚と粘性感覚が物理的測定値弾性率と粘性率と一義的に対応していないことは知られており、スティーブンスによれば、感覚的に測られる数値（psychologicalmagnitude ）ψと、計測器による物理的測定値（physical magnitude）φの間にべき法則ψ＝ｋ・φnが成り立つ。ｎはべき指数、ｋは定数である。特に、感覚と物理量の関係として次の関係がある。
【００９０】弾性について：ψ＝ｋ・φ0.7粘性について：ψ＝ｋ・φ0.4（文献：中川鶴太郎：レオロジー、岩波全書（１９７８））
つまり、信号処理手段１０４から得られた複素弾性率の実数部と虚数部の変化を上式の関係に従って操作者に知覚させるのが最適であるといえる。次に、知覚させるために必要な呈示装置１００３の呈示刺激を定める必要がある。つまり、上式により知覚レベルを定め、その知覚レベルに基づいて呈示装置１００３を駆動する信号を決めて出力するのである。
【００９１】これを決める方法として予め用意した等感覚曲線のデータを利用する方法がある。等感覚曲線とは同一の知覚の強さを呈する振動の周波数と変位の組み合わせを、周波数と変位それぞれを軸にとってグラフに描いた曲線のことで、その一例を図１８に示す。
【００９２】例えば、刺激周波数が１００Ｈｚのとき、最初に変位１．０μｍ呈示していた場合、変位を１０倍にするとその時の感覚は３０ｄＢレベルが上がって知覚されることをグラフから読みとることができる。呈示装置１００３として図１６に示すようにボイスコイル１２０１を用いると周波数と振幅（変位）を変化させることができるため、この周波数と振幅の変化（変位）を操作者に伝達することが考えられる。例えば振幅（変位）の変化で弾性の違いを表現し、周波数の変化で粘性の違いを表現すると仮定すると、弾性、粘性の変化をスティーブンスのべき関数に従って変換し、その知覚レベルに応じて弾性は振幅（変位）の変化、粘性は周波数の変化の量を定めるのである。振幅（変位）の変化と周波数の変化は電圧信号に変換されており、この信号に基づいて、振幅（変位）と周波数を有する交流信号を信号源１１０２で発生させる。この交流信号に基づいて呈示装置１００３は駆動するようにする。
【００９３】上記した第５実施形態によれば、操作者に対象物の粘弾性特性を伝達することが可能になる。
【００９４】なお、感覚と物理量の関係を表すスティーブンスのべき関数の指数部の値を変えたりスティーブンスのべき関数に従わず、両者の関係を示す別の表現ならどのような表現でも構わない。例えば対数関係でもよい。
【００９５】また、弾性を振幅で粘性を振幅で表現するのは一例であり、その逆の表現でも構わない。さらに、弾性と粘性を含めた硬さという知覚表現で、複素弾性率の実数部と虚数部を独立に表現せず、複素弾性率の絶対値や実数部と虚数部の和をとったりなどして、呈示装置１００３を介して操作者に呈示しても構わない。この場合、例えば周波数を固定して、振幅を変えることにより、知覚レベルを変化させて呈示を行うことが考えられる。勿論、振幅を固定して呈示しても構わないまた、呈示装置１００３は操作者に粘弾性特性を伝達することが目的であり、そのような観点に立つと信号処理手段１０４からの複素弾性率の実数部と虚数部の値を図１６に示すように視覚呈示装置１２０２などの操作者に視覚で表現できる方法ならどのような方法であっても構わない。この場合は操作者に数値でもって対象物の粘弾性特性を呈示することが可能になる。
【００９６】この実施例では呈示装置１００３にボイスコイル１２０１を用いるとしていたが、弾性と粘性の両方を表現できるような２パラメータ以上の駆動が可能な呈示装置ならばどのような呈示装置であっても構わなく、その場合は各パラメータと知覚強度の関係を表す等感覚曲線を求める必要があるのは言うまでもない。たとえば、圧電振動子を呈示装置に使用した場合、圧電振動子は印加する電圧と周波数を変えることにより、発生する振幅と振動方向を変えることができる。つまり、２パラメータの駆動が可能である。柔らかい物体は低い周波数で長さ方向の振動を発生させ、最も硬いときは高い周波数にして縦方向の振動を発生させることが考えられる。勿論、その逆の関係にしても構わない。
【００９７】なお、上記した実施形態には以下のような構成の発明が含まれる。
【００９８】（構成１）圧電振動子のインピーダンス特性の変化を用いて対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ信号処理装置において、圧電振動子を用いた触覚センサと、該圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振抵抗の変化を検出する共振抵抗変化検出手段と、前記圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振周波数の変化を検出する共振周波数変化検出手段と、前記共振抵抗変化検出手段の検出結果と、前記共振周波数変化検出手段の検出結果とを用いて、対象物の粘弾性特性である複素弾性率の実数部と虚数部を独立に計算処理する信号処理手段と、を具備したことを特徴とする触覚センサ信号処理装置。
【００９９】（作用）圧電振動子のインピーダンス特性より共振抵抗変化検出手段と共振周波数変化検出手段で共振抵抗変化と共振周波数変化を検出し、その結果を用いて、信号処理手段で粘弾性特性の実数部と虚数部を計算処理することにより、複素弾性率の実数部と虚数部を分離検出する。
【０１００】（効果）複素弾性率Ｇ* の実数部Ｇ′と虚数部Ｇ″とを分離して検出することにより、より詳細な生体の情報を得ることができる。
【０１０１】（構成２）構成１に記載した前記共振周波数変化検出手段と前記共振抵抗変化検出手段が、圧電振動子の等価回路定数を回路要素とした発振回路と、その発振出力を分岐する分岐手段と、その分岐信号のうち一方を電圧信号に変換する周波数−電圧変換手段からなることを特徴とした触覚センサ信号処理装置。
【０１０２】（作用）圧電振動子２０５の等価回路定数を回路要素とした発振回路２０２の出力（交流信号）は分岐手段２０３によって２つの同等の信号に分岐され、分岐された信号の一方は周波数−電圧変換手段２０４によってその周波数に対応した電圧信号に変換される。信号処理手段に入力される信号は一方は交流信号の振幅電圧信号もう一方は交流信号の周波数の電圧信号であり、この電圧信号を用いて信号処理で粘弾性特性の実数部と虚数部を計算処理することにより、複素弾性率の実数部と虚数部が分離検出される。
【０１０３】また、圧電振動子２０５の等価回路定数を回路要素とした発振回路２０２を使用することにより、該発振回路２０２からの出力信号は圧電振動子２０５のインピーダンス特性を反映した信号となり、共振抵抗は振幅に共振周波数は発振周波数に対応する。つまり、発振出力の周波数成分と振幅信号を検出することは、圧電振動子のインピーダンス特性を検出することになる。そこで、発振出力を分岐手段２０３によって分岐し、信号処理手段１０４で処理するために周波数成分を電圧信号に変換する。
【０１０４】（効果）発振回路を使用することにより、圧電振動子のインピーダンス特性の変化をリアルタイムで測定することが可能になり、短時間で粘弾性特性の測定が可能となる。また、出力信号を用いて信号処理するには、どちらも電圧信号にする必要があるが、発振出力を分岐して一方の信号を周波数電圧変換手段で周波数成分を電圧信号に変換すればよい。
【０１０５】（構成３）構成１に記載した触覚センサ信号処理装置において、前記共振周波数変化検出手段と前記共振抵抗変化検出手段が、高周波駆動信号の周波数ｆ1 を、前記高周波駆動信号の立ち上がり時刻Ｔ1 から立ち下がり時刻Ｔ2 にかけて、ｆ1 −Δｆ1 とｆ1 ＋Δｆ1 の間を連続的に単調に増加または減少させる駆動回路手段と、高周波駆動信号の周波数と前記圧電振動子のインピーダンスの値によって出力電圧を変化させる圧電振動子増幅手段と、圧電振動子増幅手段の出力を直流変換する直流変換手段と、直流変換手段の出力信号である直流パルス信号より直流パルス信号のピーク値と前記高周波駆動信号の立ち上がり時刻Ｔ1 から前記直流パルス信号のピーク値を示す時刻Ｔ2 までの時間を計測する計測手段とからなることを特徴とした触覚センサ信号処理装置。
【０１０６】（作用）駆動回路手段により高周波駆動信号の周波数ｆ1 が前記高周波駆動信号の立ち上がり時刻Ｔ1 から立ち下がり時刻Ｔ2 にかけて、ｆ1 −Δｆ1 とｆ1 ＋Δｆ1の間を連続的に単調に増加または減少する信号を圧電振動子増幅回路に入力すると、粘弾性対象物が付加されていない無負荷状態では、ちょうど高周波駆動信号の周波数が圧電振動子の共振周波数ｆr の時刻Ｔ0 （Ｔ0 ＝Ｔ1 ＋（Ｔ2 −Ｔ1）／２）で直流変換手段からの直流パルス信号がピーク値を示す。一方、有負荷時は共振周波数がｆr に変化すると同時にその周波数に於ける共振抵抗も変化するのでピークの位置は前記ｆr に対応する時刻Ｔ0 からずれ、またピーク電圧も共振抵抗の変化に対応して減少する。この直流パルス信号を直流変換すると高周波駆動信号の信号幅と等しいパルス幅を有した直流パルス信号となり、これより直流パルス信号のピーク値と前記高周波駆動信号の立ち上がり時刻Ｔ1 から前記直流パルス信号ピーク値を示す時刻を計測する手段によってピーク値とずれ時間ΔＴ0 を検出し、この時間と、駆動回路手段の出力信号波形との関係から圧電振動子の共振周波数の変化を検出し、圧電振動子のインピーダンス特性の変化を検出する。
【０１０７】（効果）圧電振動子増幅手段を使用することより圧電振動子の等価回路定数が不要となるため、構成２に示した発振回路２０２を用いた場合よりもダイナミックレンジを広くすることが可能である。また、圧電振動子増幅手段からの出力を直流変換する直流変換手段と直流変換手段の出力信号である直流パルス信号よりパルスピーク値と前記高周波駆動信号の立ち上がり時刻Ｔ1 から前記直流パルス信号のピーク値を示す時刻Ｔ2 までの時間を計測する計測手段により圧電振動子のインピーダンス特性に変換することができる。
【０１０８】（構成４）構成１に記載した触覚センサ信号処理装置に於いて、前記信号処理手段が、前記共振抵抗変化検出手段の検出結果と、前記共振周波数変化検出手段の検出結果とを入力する入力手段と、入力された前記２つの検出結果に基づいて、複素弾性率の実数部と虚数部とを独立に計算する計算式を用いて計算処理する信号処理回路と、この信号処理回路の計算結果を出力する出力手段と、を具備し、前記入力手段は前記信号処理回路に同一のタイミングで両検出信号を入力するものであることを特徴とする触覚センサ信号処理装置。
【０１０９】（作用）前記共振抵抗変化検出手段と前記共振周波数変化検出手段の検出結果を入力手段を介して同一のタイミングで計算処理回路に入力し、その計算処理結果を出力手段を介して出力する。
【０１１０】（効果）入力手段を介することにより、計算処理時のタイミングを最適にすることが可能となり、また、出力手段を介することにより任意のタイミングで出力が可能となる。
【０１１１】（構成５）構成１または４に記載した触覚センサ信号処理装置において、前記信号処理手段が前記複素弾性率の実数部Ｇ′と虚数部Ｇ″とを独立に計算する計算式
【数７】
【０１１２】（ωは角周波数、Ｚr は無負荷時の共振抵抗、ｆr は無負荷時の共振周波数、Ｌ1 は圧電振動子の等価回路定数のインダクタンス成分、ρは密度、ＫR は触覚センサと共振抵抗検出手段で決まる装置定数、ＫL は触覚センサと共振周波数検出手段で決まる装置定数、ダッシュは負荷印加時の状態を示す）に基づいて計算処理するものであることを特徴とした触覚センサ信号処理装置。
【０１１３】（作用）この式に基づいて計算処理を行うことにより複素弾性率の実数部と虚数部とを独立して検出する。
【０１１４】（効果）数式で表現することにより、電気回路の構成が容易になる。
【０１１５】（構成６）構成１または４に記載した信号処理手段が 無負荷における圧電振動子のインピーダンス特性より圧電振動子の等価回路定数のインダクタンス成分Ｌ1 、直列容量成分Ｃ1 、直列抵抗成分Ｒ1 および並列容量成分Ｃ0 を算出する振動子定数算出手段と、有負荷における圧電振動子のインピーダンス特性より負荷である粘弾性体の電気的等価回路定数のインダクタンス成分Ｌv0と抵抗成分ＲV0を算出する粘弾性電気定数算出手段と、粘弾性体の機械的等価回路定数のインダクタンス成分ＬV と抵抗成分ＲV と電気的等価回路定数ＬV0とＲV0より装置定数ＫR とＫL を算出する装置定数算出手段と、装置定数算出手段からの出力信号を格納する格納手段と、格納手段に基づいて装置定数ＫR 、ＫL を可変できる手段とを有することを特徴とした触覚センサ信号処理装置。
【０１１６】（作用）式中の装置定数ＫR もしくはＫL をあらかじめ測定し、その測定結果に基づいて装置定数を変える。つまり、測定毎に信号処理装置内の計算式に最適な装置定数を代入して使用することができる。
【０１１７】（効果）測定毎に異なる温度、湿度などの環境の変化を装置定数ＫR 、ＫL を用いてキャンセルするため、精度の高い測定が可能になる。
【０１１８】（構成７）構成１に記載した触覚センサ信号処理装置において、該触覚センサ信号処理装置がさらに、前記信号処理手段の出力を人の知覚レベルに基づいた信号に変換する呈示信号変換手段と、上記変換手段からの信号に従って駆動される呈示装置とを有することを特徴とした触覚センサ信号処理装置。
【０１１９】（作用）構成１に記載した信号処理手段で処理された粘弾性特性の実数部と虚数部のデータ信号を呈示信号変換手段で操作者に知覚できるような信号に変換し、その変換信号に対応して呈示装置駆動させる。
【０１２０】（効果）操作者に知覚できるように信号処理結果にもとづいて信号変換し、その信号に基づいて駆動する呈示装置により、操作者に対象物の粘弾性特性を伝達することが可能になる。
【０１２１】（構成８）構成７に記載した触覚センサ信号処理装置において、呈示信号変換手段が、対象物の粘弾性特性φを人の知覚レベルψに変換する計算式ψ＝ｋ・φn （ｎはべき指数、そしてｋは定数である）に基づいて計算処理する計算処理手段と、この計算処理手段で得られた知覚レベルを等感覚曲線に基づいて呈示装置の駆動信号に変換する演算手段と、この演算手段に基づいて駆動される交流信号発生手段とを有することを特徴とした触覚センサ信号処理装置。
【０１２２】（作用）前記呈示信号変換手段にスティーブンスのべき関数と等感覚曲線を用いることにより、信号処理手段からの複素粘弾率の変化を人間の知覚レベルの変化に変換し、その信号に基づいて交流信号を発生させる。
【０１２３】（効果）物理的測定値の変化を知覚レベルの変化に変換することにより、人間の知覚に合致した信号に変換できる。
【０１２４】（構成９）構成７に記載した触覚センサ信号処理装置において、前記呈示信号変換手段が、前記複素弾性率の実数部の出力と前記虚数部の出力の２つの信号を合成し１つの信号に変換する合成手段からなることを特徴とした触覚センサ信号処理装置。
【０１２５】（作用）信号処理手段から出力される粘弾性特性の２つの出力信号もしくは変換手段から出力される粘弾性特性の２つの出力信号の両方の信号特性を合成し、１つの信号に合成変換する。
【０１２６】（効果）信号処理手段から出力される粘弾性特性の２つの出力信号を１つに合成することにより、呈示装置の駆動に必要なパラメータが１つで済む。
【０１２７】（構成１０）構成９に記載した触覚センサにおいて、前記合成手段によって得られた合成信号を入力して呈示装置を駆動するようにしたことを特徴とした触覚センサ信号処理装置。
【０１２８】（作用）信号処理手段から出力される粘弾性特性の２つの出力信号もしくは呈示信号変換手段から出力される粘弾性特性の２つの出力信号を合成し、１つの信号に合成変換することにより、１つの信号しか呈示できない呈示装置を駆動するようにする。
【０１２９】（効果）信号処理手段から出力される粘弾性特性の出力信号は２つの信号より構成されるため、呈示装置によっては２つの信号を同時に呈示できないが、この合成手段により１つの信号しか呈示できない呈示装置を用いて対象物の粘弾性特性を操作者に呈示することが可能になる。
【０１３０】
【発明の効果】本発明によれば、クリープ変形の測定のような微妙な測定の難しさと、測定時間の長さと、対象物の違いによる測定時間の違いと言った従来技術が有する問題が解決されて、短時間で詳細な情報が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の触覚センサ信号処理装置のブロック図である。
【図２】共振抵抗変化検出手段と共振周波数変化検出手段の具体的な回路構成とその周辺部を示す図である。
【図３】信号処理手段の具体的構成とその周辺部を示す図である。
【図４】信号処理回路の具体的な回路図である。
【図５】信号処理回路の具体的な回路図である。
【図６】発振回路から出力される出力信号のモデル図である。
【図７】圧電振動子の等価回路を示す図である。
【図８】インピーダンス特性の変化における各定数を示す図である。
【図９】第２実施形態の触覚センサ信号処理装置のブロック図である。
【図１０】各部の信号波形を示す図である。
【図１１】第３実施形態の触覚センサ信号処理装置のブロック図である。
【図１２】第４実施形態の構成を示す図である。
【図１３】装置定数を算出する工程を示すフローチャートである。
【図１４】第５実施形態の触覚センサ信号処理装置のブロック図である。
【図１５】呈示信号変換手段の具体的構成とその周辺部を示す図である。
【図１６】第５実施形態の変形例を示す図である。
【図１７】第５実施形態の変形例を示す図である。
【図１８】等感覚曲線を示す図である。
【図１９】生体の粘弾性特性を測定する従来の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０１…触覚センサ、１０２…共振抵抗変化検出手段、１０３…共振周波数変化検出手段、１０４…信号処理手段。
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、粘弾性特性をもつ対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ信号処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、内視鏡は生体の内部を観察するための器具としての機能よりも、観察を行いながら観察対象を操作するといった機能を重視するようになってきている。これは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。内視鏡を用いた手術や診断は今後ますます拡大するものと予想される。
【０００３】このようなより複雑、微細な操作や体腔内で診断・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となる。生体は粘弾性体であり、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と定義し、対象物のもつ粘弾性特性を検出するセンサを触覚センサと呼ぶ。粘弾性特性は一般に複素弾性率Ｇ* を用いて Ｇ* ＝Ｇ′＋ｊＧ″ …（０）
で表せ、この複素弾性率Ｇ* の実数部Ｇ′は弾性に対応し、虚数部Ｇ″は粘性に対応する。生体組織は筋や組織間液などが絡み合って粘弾性特性を示しており、腫瘍やしこりなどの病変部においては正常部に比べ複素弾性率Ｇ* の実数部Ｇ′と虚数部Ｇ″の両方が異なる値を示すことになる。複素弾性率を測定するには時間変化に対する対象物の応答を測定する必要があり、その方法として生体組織に振動を与え、その応答を測定し、生体の複素弾性率Ｇ* を決定する方法がある。従来、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、触覚センサにより粘弾性特性を定量的に検出することによって第３者に確実に伝達可能なデータとして触覚を変換できる。また、粘弾性特性を独立に測定することは、病変部の診断をより精密に行うことが可能になる。
【０００４】このようなニーズに対して、生体の粘弾性特性を測定する装置として、生体の力学的特性の変化を利用して、生体の粘弾性特性を測定する方法（例えば特公昭５７−２０２２）が挙げられる。
【０００５】図１９に示すように、生体である検体１５０１に接触するプローブ本体１５０２は筒状の案内部１５０３を有するケーシング１５０４を備えており、案内部１５０３内には変位検出器１５０５、オシレータ１５０６及び力検出器１５０７が位置している。変位検出器１５０５はその固定部が案内部１５０３に固定され、その可動部は案内部１５０３に沿って移動可能である。この変位検出器１５０５の可動部と一体的に変位可能であるオシレータ１５０６及び力検出器１５０７はケーシング１５０４に固定されている。
【０００６】このような構成において関数発生器１５０９によりオシレータ１５０６に例えば正弦波状電流を流すとオシレータ１５０６により振動が発生し、この振動がプローブ部材１５０８によって検体１５０１に伝達される。プローブ部材１５０８の動きは変位検出器１５０５で検出され、その値は歪み計１５１０に指示される。検体１５０１の生体組織はプローブ部材１５０８からの振動によって変形し、その結果、その反力が力検出器１５０７に正弦波状に現れる。ついでこれが力指示計１５１１に指示される。
【０００７】このようなプローブにおいては、プローブの案内部１５０３を検体に接触させた後に、オシレータ１５０６に直流バイアスを加えて振動プローブ１５０８をケーシング１５０４より突出させて、力指示計１５１１にある決められた静的圧力Ｆ0 を付加し、しかる後にオシレータ１５０６に正弦振動Ｆ1 ・ｓｉｎ ωｔを与えて振動荷重Ｆ1 ・ｓｉｎ ωｔを重畳させ、合成荷重Ｆと時間ｔの関係をみる。このとき、反力は力検出器１５０７によって検出され、一定の振動荷重となるように制御される。この場合、変位は静的な荷重に対するクリープ変形成分と振動荷重に対する振動変位の和で与えられるが、これらは容易に分離できる。
【０００８】例えば、静的な力Ｆ＝Ｆ0 に対する変位の時間変化はＩ＝Ｉ0 （Ｉ−ｅ-at ）で与えられ（Ｉ0 、ａは定数、ｔは時間を表す）、振動荷重Ｆ1 ・ｓｉｎ ωｔに対する振動変位はＩ＝Ｉ1 ｓｉｎ（ωｔ−δ）（ここでδは位相差である）で表わされ、以上の量から複素弾性率が計算できる。これらの信号処理は図示していないマイクロコンピュータで行っている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】生体において硬さを測定する場合、拍動により生体が動くため、接触状態を一定にするか、測定時間を短くする必要がある。従来例の上記検査装置では、静的荷重であるクリープ変形を測定するため、オシレータ１５０６に与える直流バイアスを調整することにより一定時間生体との接触状態を一定に保つ機構を有しているが、このような機構は生体との接触状態の変化、例えば操作者の動きに追従するのが難しく、わずかな接触状態の変化がクリープ変形のような微妙な変位の測定に対して大きな影響を及ぼしてしまう。
【００１０】また、クリープ変形のような時間のかかる測定データを使用しているため、測定時間がかかるだけでなく、対象物の粘弾性特性によりクリープ時間が変化するため一回の測定に必要な時間が異なってしまうという問題がある。
【００１１】本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、クリープ変形の測定のような微妙な測定の難しさと、測定時間の長さと、対象物の違いによる測定時間の違いと言った従来技術が有する問題を克服して、短時間でより詳細な生体情報を得ることができる触覚センサ信号処理装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するために、本発明は、圧電振動子のインピーダンス特性の変化を用いて対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ信号処理装置において、圧電振動子を用いた触覚センサと、該圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振抵抗の変化を検出する共振抵抗変化検出手段と、前記圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振周波数の変化を検出する共振周波数変化検出手段と、前記共振抵抗変化検出手段の検出結果と、前記共振周波数変化検出手段の検出結果とを用いて、対象物の粘弾性特性である複素弾性率の実数部と虚数部を独立に計算処理する信号処理手段とを具備する。
【００１３】すなわち、本発明は、圧電振動子のインピーダンス特性の変化を用いて対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ信号処理装置において、まず、圧電振動子のインピーダンス特性の共振抵抗の変化と共振周波数の変化を検出する。次に、共振抵抗の変化と、共振周波数の変化とを用いて、対象物の粘弾性特性である複素弾性率の実数部と虚数部を独立に計算処理するようにする。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１５】まず、本発明による第１実施形態の構成、作用、効果について説明する。
【００１６】図１は第１実施形態の触覚センサ信号処理装置１０５を主たる構成手段によって表した図で、圧電振動子のインピーダンス特性の変化を用いて対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ１０１と、インピーダンス特性のうち共振抵抗変化を検出する共振抵抗変化検出手段１０２と、共振周波数変化を検出する共振周波数変化検出手段１０３と、前記両検出手段の検出結果を用いて対象物の粘弾性特性である複素弾性率の実数部と虚数部を独立に計算処理する信号処理手段１０４とから構成されている。
【００１７】更に前記した触覚センサ１０１、共振抵抗変化検出手段１０２、及び共振周波数変化検出手段１０３の具体的な回路構成を図２を用いて説明する。図２（ａ）は共振抵抗変化検出手段１０２と共振周波数変化検出手段１０３の具体的な回路図であり、圧電振動子２０５に接続された発振回路２０２と、その発振出力を分岐する分岐手段２０３と、その分岐信号のうち一方を電圧信号に周波数−電圧変換するＦ／Ｖ変換手段２０４とを具備する。発振回路２０２は、圧電振動子２０５の図２R>２（ｂ）に示す等価回路定数を回路要素としたコルピッツ発振回路から構成されており、コンデンサ（Ｃb ）２０６、コンデンサ（Ｃ1 ）２０７、コンデンサ（Ｃ2 ）２０８、抵抗（Ｒ1 ）２０９、抵抗Ｒ2 （２１０）、トランジスタ２１１、抵抗（Ｒe ）２１２、コンデンサ（Ｃ0 ）２１３、電圧端子２１４、出力端子２１５で構成される。
【００１８】図２のような構成の共振抵抗変化検出手段１０２により検出された共振抵抗Ｚr'と、図２のような構成の共振周波数変化検出手段１０３により検出された共振周波数ｆr'は信号処理手段１０４に入力される。この信号処理手段１０４は図３に示すように、出力信号分岐手段６０１、信号処理回路６０２、メモリ６０３、Ｄ／Ａコンバータ６０４で構成される。信号処理回路６０２の具体的な回路図が図４、図５である。図４はＧ′を算出するＧ′算出回路５０１で、図５はＧ″を算出するＧ″算出回路５０２である。
【００１９】図４に示すＧ′算出回路５０１は、増幅率ＫR 2 の差動演算増幅器５０３と増幅率ＫL の差動演算増幅器５０４と増幅率１の差動演算増幅器５０６と乗算器５０７〜５１３、５１５〜５１７と除算器５１８と増幅率２πの増幅器５１４とＺr'端子５２８とＺr 端子５２９とｆr'端子５３０とρ端子５３１とｆr 端子５３２とＬ１端子５３３の入力端子とＧ′端子５４０の出力端子で構成される。
【００２０】図５に示すＧ″算出回路５０２は、増幅率ＫR の差動増幅器５０５と増幅率ＫL の差動増幅器５１９と乗算器５２０〜５２３、５２７と除算器５２５、５２６と増幅率２πの増幅器５２４とＺr'端子５３４とＺr 端子５３５とｆr 端子５３６とｆr'端子５３７とＬ１端子５３８とρ端子５３９の入力端子とＧ″端子５４１の出力端子で構成される。
【００２１】以下に上記した構成の作用を説明する。
【００２２】圧電振動子２０５の等価回路定数を回路要素とした発振回路２０２を使用すると、該発振回路２０２からの出力信号は図６に示すように圧電振動子２０５のインピーダンス特性を反映した信号となる。無負荷の場合、出力信号は圧電振動子２０５の共振周波数近傍で出力され、かつ、その振幅は圧電振動子２０５の共振抵抗に対応してくる。
【００２３】一方、粘弾性体が付着すると出力信号は図６R>６の破線のようになる。つまり、出力信号は圧電振動子２０５のインピーダンス特性を反映した信号である。よって、発振出力を分岐し、信号処理手段１０４で処理するために周波数成分を電圧信号に変換し、共振抵抗変化と共振周波数変化を検出できる。このような、共振抵抗変化検出手段１０２により検出された共振抵抗Ｚr と共振周波数変化検出手段１０３により検出された共振周波数ｆr は信号処理手段１０４に入力され、信号処理手段１０４に予め格納された処理方法により計算処理されて、対象物の粘弾性特性を示す複素弾性率の実数部Ｇ′と虚数部Ｇ″が算出される。
【００２４】この時の算出方法について以下に述べる。圧電振動子の共振周波数における電気的特性の等価回路は図７（ａ）のようになる。無負荷の場合は機械端子に図７（ｂ）を接続させた回路となる。一方粘弾性体を圧電振動子に付着させると圧電振動子の共振周波数と共振抵抗が変化するため、この場合の等価回路はコイルと抵抗を直列接続させた回路（図７（ｃ））となる。
【００２５】図７（ｃ）の等価回路表現は対象物の粘弾性特性を電気回路的に表現したものであり、実際の粘弾性特性は機械的特性のため、Ｌv0とＲv0が粘弾性特性を直接表現するものではないが、ある関数で結びつけることができる。よって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。
【００２６】図７（ｂ）の場合の電気端子から見たインピーダンス特性の共振周波数ｆr と反共振周波数ｆa と共振抵抗Ｚr 及び自由容量ＣF は以下の式で表せる。
【００２７】
【数１】
【００２８】なお、上式においてはＬ1 は直列インダクタンス、Ｃ1 は直列容量、Ｃ0 は並列容量、Ｒ1 は直列抵抗である。
【００２９】この４式より、図７（ａ）に示した等価回路定数を求めることができる。
【００３０】一方、粘弾性体が付着した場合、共振周波数と共振抵抗が変化するため、ここから推測すると電気回路的にＬv0とＲv0が直列に接続したことになる。この場合の共振周波数ｆr'と反共振周波数ｆa'とＺr'は以下の式で表せる。
【００３１】
【数２】
【００３２】この式を用いてＬv0とＲv0が求められる。
【００３３】上述したように、粘弾性体の機械的表現と電気的表現はある関数で結び付けることができるため、まず、インピーダンス表現した場合の関係を考察する。粘弾性体の機械的インピーダンスＺM と粘弾性体の固有音響インピーダンスＺA0の関係は次の関係がある。
【００３４】
Ｒv ＋ｉωＬv ＝ＺA0＝ＺM ／Ｓ …（８）
また、ずり弾性率と粘性係数の関係は以下のようになる。
【００３５】
Ｇ* ＝Ｇ′＋ｉＧ″＝ωη′＋ｉωη″＝ｉω（η′−ｉη″）＝ｉωη* …（９）
よって、機械的インピーダンスＺM と固有音響インピーダンスとずり弾性率に関係する値との関係は以下のようになる。
【００３６】
【数３】
【００３７】（１０）式と（１１）式の実数部と虚数部を比較する。
【００３８】複素弾性率Ｇ* の虚数部Ｇ″で表現すると（１２）式のようになる。
【００３９】
【数４】
【００４０】（１２）式、（１３）式より、回路定数のＲV とＬV がそれぞれ粘性率と弾性率に１対１に対応しているのではないことが分かる。つまり、Ｒv 、Ｌv はそれぞれ複素弾性率の実数部・虚数部に関与しており、（１２）式、（１３）式に示すようにＲv とＬv の両方の変化を測定して初めて実数部と虚数部が算出でき、粘弾性特性の検出が可能となる。ところで、粘弾性体の固有音響インピーダンスＺA0に対応する式中のＲv とＬv は最初の式に示した電気的なインピーダンスとは異なり、前者は粘弾性体の単位面積あたりの機械的インピーダンスであるため圧電振動子の機械的な特性を考慮していないが、後者は圧電振動子の機械的な特性を考慮し、それを含めた電気的なインピーダンスである。そのため、この両者は圧電振動子の等価回路表現に使用される力変換係数といった係数で結びつけることができると考えられる。そこで、この係数を装置定数ＫR 、ＫL とするとＲV0とＲV 、ＬV0とＬV の関係は以下の式のようになる。
【００４１】
ＬV ＝ＫL ・ＬV0 …（１４）
ＲV ＝ＫR ・ＲV0 …（１５）
よって、上式よりＧ″およびＧ′は次式のように変形できる。
【００４２】
【数５】
【００４３】これより圧電振動子の共振周波数と共振抵抗がそれぞれ粘性率と弾性率に１対１に対応しているのではないことが分かる。つまり、共振周波数・共振抵抗それぞれは複素弾性率の実数部と虚数部に関与しており、圧電振動子の等価回路定数（Ｃ1 、Ｌ1 、装置定数）と共振抵抗、共振周波数が既知ならば（１６）式〜（１９）式に示すように共振周波数と共振抵抗の両方の変化を測定して初めて複素弾性率の実数部と虚数部が算出でき、粘弾性特性の検出が可能となる。
【００４４】図３、図４、図５は上述した計算式をもとにした信号処理手段とその回路の一例を示したものである。図１もしくは図２に示した共振周波数変化検出手段１０２と共振抵抗変化検出手段１０３からの共振周波数ｆr と共振抵抗Ｚr の１組の出力は出力信号分岐手段６０１により、直流電圧信号に変換して２組に分岐され、Ｖin1 （Ｚr'）、Ｖin2 （ｆr'）の２組が信号処理回路６０２に入力される。
【００４５】一方、既知のデータとなる無負荷時の共振抵抗Ｚr 、共振周波数ｆr 、直列インダクタンスＬ1 と密度ρはメモリ６０３に予め格納され、信号処理回路６０２で計算処理する時は、Ｄ／Ａコンバータ６０４を介してデジタル信号をアナログ信号である直流電圧信号Ｖin3 （Ｚr ）、Ｖin4 （ｆr ）、Ｖin5 （ρ）、Ｖin6 （Ｌ1 ）に変換し、信号処理回路６０２に入力されて計算が行われる。この時、出力信号分岐手段６０１とＤ／Ａコンバータ６０４からの出力はクロック信号を発生する回路（図示せず）などにより信号処理回路６０２で信号処理しやすいように同一のタイミングで信号処理回路６０２に入力される。信号処理回路６０２は粘弾性特性Ｇ′算出回路５０１と弾性特性Ｇ′算出回路５０２で構成される。
【００４６】以下、それぞれの信号の流れを説明する。弾性特性Ｇ′算出回路５０１は次の通りである。出力信号分岐手段６０１で分岐された１組の直流電圧信号Ｖin1（Ｚr'）、Ｖin2 （ｆr'）のうち、Ｖin1 （Ｚr'）とメモリ６０３に格納され、Ｄ／Ａコンバータ６０４を通してアナログ信号に変換されたＶin3 （Ｚr ）は増幅率ＫR 2 の差動増幅器５０３を通して、直流電圧信号Ｖ503 （ＫR 2 （Ｚr'−Ｚr ））に変換され、Ｖin2 （ｆr'）は乗算器５０８，５０９を通りＶ509 （ｆr'4 ）となり、Ｖ509 （ｆr'4 ）と乗算器５０７を通して、Ｖ509 （ｆr'4 ＫR2 （Ｚr'−Ｚr ））となる。また、Ｖ509 （ｆr'4 ）は乗算器５１０でＶin5 （ρ）と乗算されて、Ｖ510 （ρｆr'4 ）となる。
【００４７】Ｖin2 （ｆr'）は乗算器５０８によりＶ508 （ｆr'2 ）となり、Ｖin4 （ｆr）は乗算器５１１によりＶ511 （ｆr 2 ）となり、Ｖ509 （ｆr'4 ）とＶ511 （ｆr 2 ）は増幅率ＫL の差動増幅器５０４で減算され、さらに、乗算器５１２で自乗されてＶ512 （ＫL 2 （ｆr 2 −ｆr'2 ）2 ）となる。Ｖin4 （ｆr ）は増幅率２πの増幅器５１４によりＶ514 （ω）に変換され、Ｖ514 （ω）とＶin6（Ｌ1 ）はそれぞれ乗算器５１３及び５１５を通して自乗され、さらに乗算器５１６で両方の積がとられてＶ516 （ω2 Ｌ1 2 ）となる。そして乗算器５１７で上述したＶ512 （ＫL 2 （ｆr 2 −ｆr'2 ）2 ）とＶ516 （ω2 Ｌ1 2 ）との積がとられてＶ517 （ＫL 2 ω2 Ｌ1 2 （ｆr 2 −ｆr'2 ）2 ）が得られる。そして増幅率１の差動増幅器５０６でＶ517 （ＫL 2 ω2 Ｌ1 2 （ｆr 2 −ｆr'2 ）2 ）とＶ509 （ｆr'4 ＫR 2 （Ｚr'−Ｚr ））との差がとられた後、除算回路５０８で式（１８）の結果であるＶout1（Ｇ′）が得られる。
【００４８】弾性特性Ｇ″算出回路５０２は出力信号分岐手段６０１で分岐された１組の出力信号Ｖin1 （Ｚr'）、Ｖin2 （ｆr'）のうち、Ｖin1 （Ｚr'）とメモリ６０３に格納され、Ｄ／Ａコンバータ６０４を通してアナログ信号に変換されたＶin3（Ｚr ）は増幅率ＫR の差動増幅回路５０５を通して、Ｖ505 （ＫR （Ｚr'−Ｚr ））に変換され、また、Ｖin4 （ｆr ）とＶin2 （ｆr' ）は乗算器５２１及び５２２を通して自乗され、それぞれの値は増幅率ＫL の差動増幅器５１９を通されてＶ519 （ＫL （ｆr 2 −ｆr'2 ））となる。そして、Ｖ505 （ＫR （Ｚr'−Ｚr ））とＶ519 （ＫL （ｆr 2 −ｆr'2 ））とを乗算器５２０に入力することによりＶ520 （ＫR （Ｚr'−Ｚr ）ＫL （ｆr 2 −ｆr'2 ））となる。
【００４９】一方、Ｖin2 （ｆr'）は増幅率２πの増幅器５２４によりＶ524 （ω）に変換され、Ｖ524 （ω）とＶin5 （ρ）は除算器５２５を通されてＶ525 （２ω／ρ）となる。そしてＶin6 （Ｌ1 ）と乗算器５２３によりＶ523 （２ωＬ1 ／ρ）となり、乗算器５２２を通して自乗されたＶ522 （ｆr'2 ）と除算器５２６によりＶ526 （２ωＬ1 ／ｆr'2 ρ）が得られる。そして、Ｖ526 （２ωＬ1 ／ｆr'2 ρ）と上述のＶ520 （ＫR （Ｚr'−Ｚr ）ＫL （ｆr 2 −ｆr'2 ））から乗算器５２７により式（１６）の結果であるＶout2（Ｇ″）が得られる。
【００５０】このような回路５０１と５０２に共振抵抗変化検出手段１０２からの出力と共振周波数変化検出手段１０３からの出力を入力すると対象物の粘弾性特性である複素弾性率の実数部と虚数部が算出できる。図４、図５には記載してないが、それぞれの増幅器などで計算処理を行うには同一の位相で増幅器に直流電圧信号が印加されなくてはならないため、位相を一致させるための手段も各増幅器の入力端子手前に含まれている。
【００５１】信号処理回路５０１と５０２において、増幅率ＫR 2 の差動増幅器５０３、増幅率ＫL の差動増幅器５０４，５１９、増幅率ＫR の差動増幅器５０５の増幅率を予め決める必要があるが、これらの増幅率は上述した式中の装置定数に対応しており、この値は触覚センサ１０１により異なる。この装置定数は複素弾性率が測定済みの材料を用いて算出する。
【００５２】以下に算出の方法を述べる。（１２）式より
【数６】
【００５３】このＬV を（２０）式に代入しＲV を求め、（１４）式、（１５）式より変換係数を求める。例として、実際にこれらの値を算出してみる。
【００５４】無負荷のときと３種類の異なる粘弾性体に接触させたときの圧電振動子のインピーダンス特性の測定を行った。その結果を図８に示す。
【００５５】図８よりＫL とＫR が３つ算出され、３つの平均をとるとＫL ＝８．２８４３４ＫR ＝９．２５７１となる。この値を図４、図５に示した回路の増幅率にセットすることにより、信号処理手段１０４の処理回路がきまり、共振抵抗変化と共振周波数変化を用いて複素弾性率の実数部と虚数部を算出することが可能になる。
【００５６】上記した第１実施形態によれば、図３、図４R>４、図５に示す信号処理手段により、対象物の複素弾性率の実数部と虚数部を算出することが可能になる。生体組織は筋や組織間液の易動度などが絡み合って粘弾性特性を示しており、腫瘍やしこりなどの病変部においては複素弾性率Ｇ* の実数部Ｇ′と虚数部Ｇ″の両方が変化するが、本実施形態の方法で粘弾性特性を分離して検出することにより、より詳細な生体の情報を得ることができる。
【００５７】また、図２に示すような発振回路２０２を使用することにより、圧電振動子のインピーダンス特性の変化をリアルタイムで測定することが可能になり、粘弾性特性の測定時間を短くできる。
【００５８】また、コルピッツ発振回路２０２はＣ−ＭＯＳを用いて構成することもでき、要は圧電振動子２０５の等価回路定数を用いて自励発振回路の構成が可能ならばどのような回路でも構わない。
【００５９】なお、装置定数として二種類仮定したが、これを一種類に統一しても問題はない。なぜなら、上述したように装置定数は力変換係数（電気機械変換係数）に対応しているため、同一な値を持つとも考えることができる。その場合は当然、図３、図４、図５に示した回路の増幅率ＫL の差動増幅器５０４，５１９、増幅率ＫR の差動増幅器５０５の増幅率は同一の増幅率になり、増幅率ＫR 2 の差動増幅器５０３は自乗の値になることはいうまでもない。
【００６０】また、図３、図４、図５に示した回路は一例であり、上式の計算処理を行う回路であればどのような構成をとっても構わない。例えば出力信号分岐手段６０１でＡ／Ｄコンバータによりデジタル信号に変換して、図３に示すＤ／Ａコンバータ６０４を通さないでメモリ６０３の出力をそのまま使用して、信号処理回路６０２にデジタル信号処理回路を使用し、その計算結果を再びＤ／Ａコンバータ６０４でアナログ信号に変換しても同様の結果が得られる。
【００６１】さらに、発振回路２０２はＣ−ＭＯＳを用いて構成することもでき、要は圧電振動子２０５の等価回路定数を用いて自励発振回路の構成が可能ならばどのような回路でも構わない。
【００６２】以下に本発明の第２実施形態を説明する。
【００６３】第１実施形態では共振抵抗変化検出手段と共振周波数変化検出手段として発振回路を用いているのでダイナミックレンジが狭くても良い場合には何の問題も無いが、広いダイナミックレンジが必要な場合は第１実施形態のままでは対応しきれない場合がある。それは、圧電振動子の等価回路定数を回路要素とした発振回路は圧電振動子が共振−反共振間の状態のような等価回路的にはインダクタンスＬ1 領域にある時のみ発振出力が得られるが、負荷が加わった状態では、共振周波数と反共振周波数の間であってもＣ成分の値とＬ成分の値の関係によっては発振状態が停止してしまう。第２実施形態はこの様な不具合を改善し、大きなダイナミックレンジを有するセンサを用いた対象物の粘弾性特性である複素弾性率の実数部と虚数部を検出する触覚センサ信号処理装置を実現することを目的としている。
【００６４】図９は本発明の第２実施形態に係る触覚センサ信号処理装置の構成図である。第２実施形態の共振周波数変化検出手段１０３と共振抵抗変化検出手段１０２は、高周波駆動信号の周波数ｆ1 を前記高周波駆動信号の立ち上がり時刻Ｔ1 から立ち下がり時刻Ｔ2 にかけて、ｆ1 −Δｆ1 とｆ1 ＋Δｆ1 の間を連続的に単調に増加または減少させる駆動回路手段４０２と、入力信号の周波数と前記圧電振動子のインピーダンスの値によって出力電圧を変化させる圧電振動子増幅手段４０６と、圧電振動子増幅手段４０６の出力を直流変換する直流変換手段４０８と、直流変換手段４０８の出力信号である直流パルス信号よりパルスピーク値と前記高周波駆動信号の立ち上がり時刻Ｔ1 から前記直流パルス信号のピーク値を示す時刻Ｔ2 までの時間を計測する計測手段４０９とから構成される。
【００６５】さらに駆動回路手段４０２は矩形波発生器４０３と鋸波発生器４０４とＦＭ変調器４０５で構成され、圧電振動子増幅手段４０６はコンデンサ（ＣC1）４１０、抵抗（Ｒb1）４１１、抵抗（Ｒb2）４１２、抵抗（ＲL ）４１３、コンデンサ（ＣC2）４１４、トランジスタ４１５、抵抗（ＲE ）４１６で構成され、計測手段４０９は直流パルス信号のピーク値を検出するピークディテクタ４１７とその信号のピーク時刻から、矩形波４０３の立ち上がり時刻Ｔ1 までの時間をカウントするカウンター回路４１９と、時間をカウントする為のクロック信号発生器４１８と、カウンター回路４１９のＡＢＣＤ出力をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータ４２０とで構成され、この出力結果は信号処理手段１０４にて信号処理され、対象物の複素弾性率の実数部と虚数部を検出する。
【００６６】以下に上記した構成の作用を説明する。
【００６７】触覚センサ信号処理装置４０１は駆動回路手段４０２の矩形波発生器４０３の出力信号がトリガ信号となる。矩形波発生器４０３の矩形波は鋸波発生器４０４を同期させて、図１０の１７０１のような鋸波を発生させる。そして、ＦＭ変調器４０５では鋸波１７０１の出力電圧値に応じて特定の周波数ｆ1 を中心に周波数が変化する高周波駆動信号１７０３を発生させる。この時の周波数と時間の特性は１７０２のようになる。この信号を圧電振動子増幅手段４０６に入力すると圧電振動子４０７が無負荷状態なら共振抵抗がＺr で共振周波数ｆr のインピーダンス特性を示すことに対して、高周波駆動信号１７０３の中心周波数がｆr に等しくなる時刻Ｔ0 で最大振幅の信号を出力し、直流変換手段４０８を経た出力信号は１７０４に示したピーク値Ｖを示す直流パルス信号となる。
【００６８】また、圧電振動子４０７に負荷が加わって、共振抵抗がＺr'、共振周波数がｆr'のインピーダンス特性になると、これに対応して直流変換手段４０８を経た出力信号はピーク電圧が共振抵抗が増加してＺr'になったことに対応して小さくなり、ピーク電圧を示す時刻も印加周波数がｆr'になる時刻Ｔ′に変化する。つまり、粘弾性対象物が付加されていない無負荷状態では、ちょうど高周波駆動信号の周波数が圧電振動子の共振周波数ｆ1 の時刻Ｔ0 （Ｔ0 ＝Ｔ1 ＋（Ｔ2 −Ｔ1）／２）で直流変換手段からの出力信号がピーク値Ｖを示す。
【００６９】一方、有負荷時は共振周波数がｆr'に変化すると同時にその周波数に於ける共振抵抗も変化するのでピークの位置は前記ｆr に対応する時刻Ｔ0 から時刻Ｔ′にずれ、またピーク電圧も共振抵抗の変化に対応して減少する。この時間と、駆動回路手段の出力信号波形との関係から圧電振動子の共振周波数の変化を検出し、圧電振動子のインピーダンス特性の変化を検出するピーク電圧の値とピーク電圧になる時刻を検出すれば圧電振動子４０７の共振抵抗と共振周波数が検出できる。
【００７０】次にこの時刻の変化量とピーク値を検出する方法について図９を用いて説明する。直流変換手段４０８により出力信号の振幅成分のみを取り出して直流パルス信号とし、この信号からパルスのピーク値をピークディテクタ４１７によって検出する。この検出したという信号にもとづいてカウンター回路４１９はリセットが作動する。また、カウンター回路４１９は駆動回路手段４０２の矩形波発生器４０３の矩形波の立ち上がりに同期してカウントを始めるようになっており、リセット信号がピークディテクタ４１７から入力されるとそれまでの時間をクロック信号発生器４１８に基づいて計算する。つまり、時間ΔＴ0 が計算されるのである。この時間ΔＴ0 はＤ／Ａコンバータ４２０を介してアナログ信号に変換され、ピークディテクタ４１７で検出されたピーク値と共に圧電振動子４０７の共振周波数と共振抵抗に関する電圧信号として信号処理回路１０４に入力される。信号処理回路の構成と動作は第１実施形態と同様である。
【００７１】上記した第２実施形態によれば、圧電振動子増幅手段を使用すると、圧電振動子の等価回路定数を使用しないため、発振回路２０２を用いた場合よりもダイナミックレンジを広くすることが可能である。また、圧電振動子増幅手段からの出力を直流変換する直流変換手段と直流変換手段の出力信号である直流パルス信号よりパルスピーク値と前記高周波駆動信号の立ち上がり時刻Ｔ1 から前記パルスピーク値を示す時刻Ｔ2 までの時間を計測する計測手段により圧電振動子のインピーダンス特性に変換することができる。
【００７２】以下に本発明の第３実施形態を図１１を用いて説明する。
【００７３】第３実施形態の信号処理手段１０４は、共振抵抗変化検出手段１０２と共振周波数変化検出手段１０３の両検出結果を入力する入力手段７０１と、その入力信号を用いて周波数変化と共振抵抗変化から複素弾性率の実数部と虚数部を分離して計算する計算式に基づいて計算処理する計算処理回路７０３と、その計算処理した結果を出力する出力手段７０１とからなる。また、入力手段７０１はゲート１（７０４）とゲート信号１（７０５）よりなり、出力手段７０２はゲート２（７０６）とゲート信号２（７０７）よりなる。
【００７４】上記した構成において、ゲート信号１（７０５）はゲート１（７０４）のゲートのＯＮ／ＯＦＦを制御し、ゲート信号２（７０７）はゲート２（７０６）のゲートのＯＮ／ＯＦＦを制御をする上記した第３実施形態によれば、ゲート１（７０４）よりなる入力手段７０１を介することにより、計算処理時のタイミングと一致させるようにゲート信号１（７０５）から信号を送りゲート１（７０４）を開けば、最適のタイミングで計算処理することが可能となる。例えば出力結果をメモリ（図示せず）に格納する場合などはメモリの駆動タイミングと出力タイミングを一致させる必要があり、ゲート２（７０６）よりなる出力手段７０２を介することにより、一致させることが可能となる。
【００７５】以下に本発明の第４実施形態を説明する。
【００７６】第１実施形態では触覚センサ信号処理装置１０４に図４、図５に示す回路を用いたが、この場合、装置定数ＫR とＫL はあらかじめ測定された値に基づいて固定されている。上述したように、装置定数ＫR とＫL は圧電振動子の電気機械結合定数に対応しており、これは温度、湿度などの環境の変化を受けるため、測定毎に装置定数ＫR とＫL を最適な値にする必要がある。そこで、第４実施形態では式中の装置定数ＫR とＫL をあらかじめ測定し、その測定結果に基づいて装置定数ＫR 、ＫL を可変できる構成を提供する。
【００７７】図１２はこのような構成８０１を示す図であり、入力手段８０４を構成する重み抵抗ツリー８０２、Ａ／Ｄ変換８０３、メモリ８０５と差動アンプ８０６よりなる。
【００７８】以下に図１２の構成の作用を説明する。
【００７９】式中の装置定数ＫR もしくはＫL を図１３のようなフローに従って装置定数を算出し、その算出結果に基づいて装置定数を変える。まず、無負荷の状態で測定を行い（Ｓ９０１）、圧電振動子の等価回路定数（ＲV0，ＬV0）を算出する。次に複素弾性率が既知の粘弾性体を圧電振動子に接触させ、インピーダンス測定を行い、粘弾性体の電気回路定数（ＲV ，ＬV ）を算出する（Ｓ９０２）。次に、求めた電気回路定数（ＲV0，ＬV0）と実際の複素弾性率から算出した等価回路定数（ＲV ，ＬV ）を用いて（１４）式、（１５）式により装置定数ＫR とＫL を算出する（Ｓ９０３）。この算出した結果をメモリ８０５に記憶する。
【００８０】ゲインを変えるために重み抵抗ツリー８０２をデジタル信号により制御するため、メモリ８０５に格納した装置定数ＫR とＫL はＡ／Ｄ変換器８０３によりデジタル信号に変換され、この信号が重み抵抗ツリー８０２に入力される。この構成８０１を図４、図５に示したスケールファクタＫR 2 の減算回路５０３とスケールファクタＫL の減算回路５０４とスケールファクタＫR の減算回路５０５にすると、重み抵抗ツリー８０２の値によりゲインを可変出来るようになる。
【００８１】上記した第４実施形態によれば、測定毎に異なる温度、湿度などの環境の変化を装置定数ＫR 、ＫL を用いてキャンセルするため、精度の高い測定が可能になる。
【００８２】なお、ゲインを変えることが出来る手段ならばどのような回路であっても構わない。例えば、図１２R>２のメモリ８０５はアナログ信号で出力されることを前提としておりメモリ８０５がデジタル出力の場合はＡ／Ｄ変換器８０３を介さずに直接重み抵抗ツリー８０２を駆動することになる。
【００８３】以下に本発明の第５実施形態を図１４を参照して説明する。
【００８４】第５実施形態は第１実施形態における信号処理手段１０４の出力Ｇ′、Ｇ″を呈示装置１００３に入力する信号に変換する呈示信号変換手段１００２と、この呈示信号変換手段１００２からの信号に対応して駆動されるボイスコイル型の呈示装置１００３を具備する構成１００１からなる。
【００８５】前記呈示信号変換手段１００２は図１５に示すように、スティーブンスのべき関数１１０３と等感覚曲線１１０４よりなる演算手段１１０１と、交流電源１１０２で構成される。
【００８６】図１６は図１５の構成において、呈示装置１００３としてボイスコイル１２０１を用い、さらに信号処理手段１０４の出力Ｇ′、Ｇ″を視覚呈示装置１２０２で視覚的に表示するようにした構成を示す。
【００８７】また、図１７は図１４に示す構成において、呈示信号変換手段１００２を用いずに信号処理手段１０４の出力Ｇ′、Ｇ″によって呈示装置１００３を駆動するようにした構成を示している。
【００８８】以下に上記した構成の作用を説明する。
【００８９】前記信号処理手段１０４で処理された粘弾性特性の実数部と虚数部のデータ信号を操作者に知覚できるような信号に呈示信号変換手段１００２により変換し、その変換信号に対応して呈示装置１００３を駆動させる。ところで、弾性感覚と粘性感覚が物理的測定値弾性率と粘性率と一義的に対応していないことは知られており、スティーブンスによれば、感覚的に測られる数値（psychologicalmagnitude ）ψと、計測器による物理的測定値（physical magnitude）φの間にべき法則ψ＝ｋ・φnが成り立つ。ｎはべき指数、ｋは定数である。特に、感覚と物理量の関係として次の関係がある。
【００９０】弾性について：ψ＝ｋ・φ0.7粘性について：ψ＝ｋ・φ0.4（文献：中川鶴太郎：レオロジー、岩波全書（１９７８））
つまり、信号処理手段１０４から得られた複素弾性率の実数部と虚数部の変化を上式の関係に従って操作者に知覚させるのが最適であるといえる。次に、知覚させるために必要な呈示装置１００３の呈示刺激を定める必要がある。つまり、上式により知覚レベルを定め、その知覚レベルに基づいて呈示装置１００３を駆動する信号を決めて出力するのである。
【００９１】これを決める方法として予め用意した等感覚曲線のデータを利用する方法がある。等感覚曲線とは同一の知覚の強さを呈する振動の周波数と変位の組み合わせを、周波数と変位それぞれを軸にとってグラフに描いた曲線のことで、その一例を図１８に示す。
【００９２】例えば、刺激周波数が１００Ｈｚのとき、最初に変位１．０μｍ呈示していた場合、変位を１０倍にするとその時の感覚は３０ｄＢレベルが上がって知覚されることをグラフから読みとることができる。呈示装置１００３として図１６に示すようにボイスコイル１２０１を用いると周波数と振幅（変位）を変化させることができるため、この周波数と振幅の変化（変位）を操作者に伝達することが考えられる。例えば振幅（変位）の変化で弾性の違いを表現し、周波数の変化で粘性の違いを表現すると仮定すると、弾性、粘性の変化をスティーブンスのべき関数に従って変換し、その知覚レベルに応じて弾性は振幅（変位）の変化、粘性は周波数の変化の量を定めるのである。振幅（変位）の変化と周波数の変化は電圧信号に変換されており、この信号に基づいて、振幅（変位）と周波数を有する交流信号を信号源１１０２で発生させる。この交流信号に基づいて呈示装置１００３は駆動するようにする。
【００９３】上記した第５実施形態によれば、操作者に対象物の粘弾性特性を伝達することが可能になる。
【００９４】なお、感覚と物理量の関係を表すスティーブンスのべき関数の指数部の値を変えたりスティーブンスのべき関数に従わず、両者の関係を示す別の表現ならどのような表現でも構わない。例えば対数関係でもよい。
【００９５】また、弾性を振幅で粘性を振幅で表現するのは一例であり、その逆の表現でも構わない。さらに、弾性と粘性を含めた硬さという知覚表現で、複素弾性率の実数部と虚数部を独立に表現せず、複素弾性率の絶対値や実数部と虚数部の和をとったりなどして、呈示装置１００３を介して操作者に呈示しても構わない。この場合、例えば周波数を固定して、振幅を変えることにより、知覚レベルを変化させて呈示を行うことが考えられる。勿論、振幅を固定して呈示しても構わないまた、呈示装置１００３は操作者に粘弾性特性を伝達することが目的であり、そのような観点に立つと信号処理手段１０４からの複素弾性率の実数部と虚数部の値を図１６に示すように視覚呈示装置１２０２などの操作者に視覚で表現できる方法ならどのような方法であっても構わない。この場合は操作者に数値でもって対象物の粘弾性特性を呈示することが可能になる。
【００９６】この実施例では呈示装置１００３にボイスコイル１２０１を用いるとしていたが、弾性と粘性の両方を表現できるような２パラメータ以上の駆動が可能な呈示装置ならばどのような呈示装置であっても構わなく、その場合は各パラメータと知覚強度の関係を表す等感覚曲線を求める必要があるのは言うまでもない。たとえば、圧電振動子を呈示装置に使用した場合、圧電振動子は印加する電圧と周波数を変えることにより、発生する振幅と振動方向を変えることができる。つまり、２パラメータの駆動が可能である。柔らかい物体は低い周波数で長さ方向の振動を発生させ、最も硬いときは高い周波数にして縦方向の振動を発生させることが考えられる。勿論、その逆の関係にしても構わない。
【００９７】なお、上記した実施形態には以下のような構成の発明が含まれる。
【００９８】（構成１）圧電振動子のインピーダンス特性の変化を用いて対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ信号処理装置において、圧電振動子を用いた触覚センサと、該圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振抵抗の変化を検出する共振抵抗変化検出手段と、前記圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振周波数の変化を検出する共振周波数変化検出手段と、前記共振抵抗変化検出手段の検出結果と、前記共振周波数変化検出手段の検出結果とを用いて、対象物の粘弾性特性である複素弾性率の実数部と虚数部を独立に計算処理する信号処理手段と、を具備したことを特徴とする触覚センサ信号処理装置。
【００９９】（作用）圧電振動子のインピーダンス特性より共振抵抗変化検出手段と共振周波数変化検出手段で共振抵抗変化と共振周波数変化を検出し、その結果を用いて、信号処理手段で粘弾性特性の実数部と虚数部を計算処理することにより、複素弾性率の実数部と虚数部を分離検出する。
【０１００】（効果）複素弾性率Ｇ* の実数部Ｇ′と虚数部Ｇ″とを分離して検出することにより、より詳細な生体の情報を得ることができる。
【０１０１】（構成２）構成１に記載した前記共振周波数変化検出手段と前記共振抵抗変化検出手段が、圧電振動子の等価回路定数を回路要素とした発振回路と、その発振出力を分岐する分岐手段と、その分岐信号のうち一方を電圧信号に変換する周波数−電圧変換手段からなることを特徴とした触覚センサ信号処理装置。
【０１０２】（作用）圧電振動子２０５の等価回路定数を回路要素とした発振回路２０２の出力（交流信号）は分岐手段２０３によって２つの同等の信号に分岐され、分岐された信号の一方は周波数−電圧変換手段２０４によってその周波数に対応した電圧信号に変換される。信号処理手段に入力される信号は一方は交流信号の振幅電圧信号もう一方は交流信号の周波数の電圧信号であり、この電圧信号を用いて信号処理で粘弾性特性の実数部と虚数部を計算処理することにより、複素弾性率の実数部と虚数部が分離検出される。
【０１０３】また、圧電振動子２０５の等価回路定数を回路要素とした発振回路２０２を使用することにより、該発振回路２０２からの出力信号は圧電振動子２０５のインピーダンス特性を反映した信号となり、共振抵抗は振幅に共振周波数は発振周波数に対応する。つまり、発振出力の周波数成分と振幅信号を検出することは、圧電振動子のインピーダンス特性を検出することになる。そこで、発振出力を分岐手段２０３によって分岐し、信号処理手段１０４で処理するために周波数成分を電圧信号に変換する。
【０１０４】（効果）発振回路を使用することにより、圧電振動子のインピーダンス特性の変化をリアルタイムで測定することが可能になり、短時間で粘弾性特性の測定が可能となる。また、出力信号を用いて信号処理するには、どちらも電圧信号にする必要があるが、発振出力を分岐して一方の信号を周波数電圧変換手段で周波数成分を電圧信号に変換すればよい。
【０１０５】（構成３）構成１に記載した触覚センサ信号処理装置において、前記共振周波数変化検出手段と前記共振抵抗変化検出手段が、高周波駆動信号の周波数ｆ1 を、前記高周波駆動信号の立ち上がり時刻Ｔ1 から立ち下がり時刻Ｔ2 にかけて、ｆ1 −Δｆ1 とｆ1 ＋Δｆ1 の間を連続的に単調に増加または減少させる駆動回路手段と、高周波駆動信号の周波数と前記圧電振動子のインピーダンスの値によって出力電圧を変化させる圧電振動子増幅手段と、圧電振動子増幅手段の出力を直流変換する直流変換手段と、直流変換手段の出力信号である直流パルス信号より直流パルス信号のピーク値と前記高周波駆動信号の立ち上がり時刻Ｔ1 から前記直流パルス信号のピーク値を示す時刻Ｔ2 までの時間を計測する計測手段とからなることを特徴とした触覚センサ信号処理装置。
【０１０６】（作用）駆動回路手段により高周波駆動信号の周波数ｆ1 が前記高周波駆動信号の立ち上がり時刻Ｔ1 から立ち下がり時刻Ｔ2 にかけて、ｆ1 −Δｆ1 とｆ1 ＋Δｆ1の間を連続的に単調に増加または減少する信号を圧電振動子増幅回路に入力すると、粘弾性対象物が付加されていない無負荷状態では、ちょうど高周波駆動信号の周波数が圧電振動子の共振周波数ｆr の時刻Ｔ0 （Ｔ0 ＝Ｔ1 ＋（Ｔ2 −Ｔ1）／２）で直流変換手段からの直流パルス信号がピーク値を示す。一方、有負荷時は共振周波数がｆr に変化すると同時にその周波数に於ける共振抵抗も変化するのでピークの位置は前記ｆr に対応する時刻Ｔ0 からずれ、またピーク電圧も共振抵抗の変化に対応して減少する。この直流パルス信号を直流変換すると高周波駆動信号の信号幅と等しいパルス幅を有した直流パルス信号となり、これより直流パルス信号のピーク値と前記高周波駆動信号の立ち上がり時刻Ｔ1 から前記直流パルス信号ピーク値を示す時刻を計測する手段によってピーク値とずれ時間ΔＴ0 を検出し、この時間と、駆動回路手段の出力信号波形との関係から圧電振動子の共振周波数の変化を検出し、圧電振動子のインピーダンス特性の変化を検出する。
【０１０７】（効果）圧電振動子増幅手段を使用することより圧電振動子の等価回路定数が不要となるため、構成２に示した発振回路２０２を用いた場合よりもダイナミックレンジを広くすることが可能である。また、圧電振動子増幅手段からの出力を直流変換する直流変換手段と直流変換手段の出力信号である直流パルス信号よりパルスピーク値と前記高周波駆動信号の立ち上がり時刻Ｔ1 から前記直流パルス信号のピーク値を示す時刻Ｔ2 までの時間を計測する計測手段により圧電振動子のインピーダンス特性に変換することができる。
【０１０８】（構成４）構成１に記載した触覚センサ信号処理装置に於いて、前記信号処理手段が、前記共振抵抗変化検出手段の検出結果と、前記共振周波数変化検出手段の検出結果とを入力する入力手段と、入力された前記２つの検出結果に基づいて、複素弾性率の実数部と虚数部とを独立に計算する計算式を用いて計算処理する信号処理回路と、この信号処理回路の計算結果を出力する出力手段と、を具備し、前記入力手段は前記信号処理回路に同一のタイミングで両検出信号を入力するものであることを特徴とする触覚センサ信号処理装置。
【０１０９】（作用）前記共振抵抗変化検出手段と前記共振周波数変化検出手段の検出結果を入力手段を介して同一のタイミングで計算処理回路に入力し、その計算処理結果を出力手段を介して出力する。
【０１１０】（効果）入力手段を介することにより、計算処理時のタイミングを最適にすることが可能となり、また、出力手段を介することにより任意のタイミングで出力が可能となる。
【０１１１】（構成５）構成１または４に記載した触覚センサ信号処理装置において、前記信号処理手段が前記複素弾性率の実数部Ｇ′と虚数部Ｇ″とを独立に計算する計算式
【数７】
【０１１２】（ωは角周波数、Ｚr は無負荷時の共振抵抗、ｆr は無負荷時の共振周波数、Ｌ1 は圧電振動子の等価回路定数のインダクタンス成分、ρは密度、ＫR は触覚センサと共振抵抗検出手段で決まる装置定数、ＫL は触覚センサと共振周波数検出手段で決まる装置定数、ダッシュは負荷印加時の状態を示す）に基づいて計算処理するものであることを特徴とした触覚センサ信号処理装置。
【０１１３】（作用）この式に基づいて計算処理を行うことにより複素弾性率の実数部と虚数部とを独立して検出する。
【０１１４】（効果）数式で表現することにより、電気回路の構成が容易になる。
【０１１５】（構成６）構成１または４に記載した信号処理手段が 無負荷における圧電振動子のインピーダンス特性より圧電振動子の等価回路定数のインダクタンス成分Ｌ1 、直列容量成分Ｃ1 、直列抵抗成分Ｒ1 および並列容量成分Ｃ0 を算出する振動子定数算出手段と、有負荷における圧電振動子のインピーダンス特性より負荷である粘弾性体の電気的等価回路定数のインダクタンス成分Ｌv0と抵抗成分ＲV0を算出する粘弾性電気定数算出手段と、粘弾性体の機械的等価回路定数のインダクタンス成分ＬV と抵抗成分ＲV と電気的等価回路定数ＬV0とＲV0より装置定数ＫR とＫL を算出する装置定数算出手段と、装置定数算出手段からの出力信号を格納する格納手段と、格納手段に基づいて装置定数ＫR 、ＫL を可変できる手段とを有することを特徴とした触覚センサ信号処理装置。
【０１１６】（作用）式中の装置定数ＫR もしくはＫL をあらかじめ測定し、その測定結果に基づいて装置定数を変える。つまり、測定毎に信号処理装置内の計算式に最適な装置定数を代入して使用することができる。
【０１１７】（効果）測定毎に異なる温度、湿度などの環境の変化を装置定数ＫR 、ＫL を用いてキャンセルするため、精度の高い測定が可能になる。
【０１１８】（構成７）構成１に記載した触覚センサ信号処理装置において、該触覚センサ信号処理装置がさらに、前記信号処理手段の出力を人の知覚レベルに基づいた信号に変換する呈示信号変換手段と、上記変換手段からの信号に従って駆動される呈示装置とを有することを特徴とした触覚センサ信号処理装置。
【０１１９】（作用）構成１に記載した信号処理手段で処理された粘弾性特性の実数部と虚数部のデータ信号を呈示信号変換手段で操作者に知覚できるような信号に変換し、その変換信号に対応して呈示装置駆動させる。
【０１２０】（効果）操作者に知覚できるように信号処理結果にもとづいて信号変換し、その信号に基づいて駆動する呈示装置により、操作者に対象物の粘弾性特性を伝達することが可能になる。
【０１２１】（構成８）構成７に記載した触覚センサ信号処理装置において、呈示信号変換手段が、対象物の粘弾性特性φを人の知覚レベルψに変換する計算式ψ＝ｋ・φn （ｎはべき指数、そしてｋは定数である）に基づいて計算処理する計算処理手段と、この計算処理手段で得られた知覚レベルを等感覚曲線に基づいて呈示装置の駆動信号に変換する演算手段と、この演算手段に基づいて駆動される交流信号発生手段とを有することを特徴とした触覚センサ信号処理装置。
【０１２２】（作用）前記呈示信号変換手段にスティーブンスのべき関数と等感覚曲線を用いることにより、信号処理手段からの複素粘弾率の変化を人間の知覚レベルの変化に変換し、その信号に基づいて交流信号を発生させる。
【０１２３】（効果）物理的測定値の変化を知覚レベルの変化に変換することにより、人間の知覚に合致した信号に変換できる。
【０１２４】（構成９）構成７に記載した触覚センサ信号処理装置において、前記呈示信号変換手段が、前記複素弾性率の実数部の出力と前記虚数部の出力の２つの信号を合成し１つの信号に変換する合成手段からなることを特徴とした触覚センサ信号処理装置。
【０１２５】（作用）信号処理手段から出力される粘弾性特性の２つの出力信号もしくは変換手段から出力される粘弾性特性の２つの出力信号の両方の信号特性を合成し、１つの信号に合成変換する。
【０１２６】（効果）信号処理手段から出力される粘弾性特性の２つの出力信号を１つに合成することにより、呈示装置の駆動に必要なパラメータが１つで済む。
【０１２７】（構成１０）構成９に記載した触覚センサにおいて、前記合成手段によって得られた合成信号を入力して呈示装置を駆動するようにしたことを特徴とした触覚センサ信号処理装置。
【０１２８】（作用）信号処理手段から出力される粘弾性特性の２つの出力信号もしくは呈示信号変換手段から出力される粘弾性特性の２つの出力信号を合成し、１つの信号に合成変換することにより、１つの信号しか呈示できない呈示装置を駆動するようにする。
【０１２９】（効果）信号処理手段から出力される粘弾性特性の出力信号は２つの信号より構成されるため、呈示装置によっては２つの信号を同時に呈示できないが、この合成手段により１つの信号しか呈示できない呈示装置を用いて対象物の粘弾性特性を操作者に呈示することが可能になる。
【０１３０】
【発明の効果】本発明によれば、クリープ変形の測定のような微妙な測定の難しさと、測定時間の長さと、対象物の違いによる測定時間の違いと言った従来技術が有する問題が解決されて、短時間で詳細な情報が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の触覚センサ信号処理装置のブロック図である。
【図２】共振抵抗変化検出手段と共振周波数変化検出手段の具体的な回路構成とその周辺部を示す図である。
【図３】信号処理手段の具体的構成とその周辺部を示す図である。
【図４】信号処理回路の具体的な回路図である。
【図５】信号処理回路の具体的な回路図である。
【図６】発振回路から出力される出力信号のモデル図である。
【図７】圧電振動子の等価回路を示す図である。
【図８】インピーダンス特性の変化における各定数を示す図である。
【図９】第２実施形態の触覚センサ信号処理装置のブロック図である。
【図１０】各部の信号波形を示す図である。
【図１１】第３実施形態の触覚センサ信号処理装置のブロック図である。
【図１２】第４実施形態の構成を示す図である。
【図１３】装置定数を算出する工程を示すフローチャートである。
【図１４】第５実施形態の触覚センサ信号処理装置のブロック図である。
【図１５】呈示信号変換手段の具体的構成とその周辺部を示す図である。
【図１６】第５実施形態の変形例を示す図である。
【図１７】第５実施形態の変形例を示す図である。
【図１８】等感覚曲線を示す図である。
【図１９】生体の粘弾性特性を測定する従来の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０１…触覚センサ、１０２…共振抵抗変化検出手段、１０３…共振周波数変化検出手段、１０４…信号処理手段。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 圧電振動子のインピーダンス特性の変化を用いて対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ信号処理装置において、圧電振動子を用いた触覚センサと、該圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振抵抗の変化を検出する共振抵抗変化検出手段と、前記圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振周波数の変化を検出する共振周波数変化検出手段と、前記共振抵抗変化検出手段の検出結果と、前記共振周波数変化検出手段の検出結果とを用いて、対象物の粘弾性特性である複素弾性率の実数部と虚数部を独立に計算処理する信号処理手段と、を具備したことを特徴とする触覚センサ信号処理装置。
【請求項２】 前記信号処理手段が、前記共振抵抗変化検出手段の検出結果と、前記共振周波数変化検出手段の検出結果とを入力する入力手段と、入力された前記２つの検出結果に基づいて、複素弾性率の実数部と虚数部とを独立に計算する計算式を用いて計算処理する信号処理回路と、この信号処理回路の計算結果を出力する出力手段と、を具備し、前記入力手段は前記信号処理回路に同一のタイミングで両検出信号を入力するものであることを特徴とする請求項１記載の触覚センサ信号処理装置。
【請求項３】 前記触覚センサ信号処理装置がさらに、前記信号処理手段の出力を人の知覚レベルに基づいた信号に変換する呈示信号変換手段と、この呈示信号変換手段の出力に従って駆動される呈示装置と、を具備することを特徴とする請求項１記載の触覚センサ信号処理装置。
【請求項１】 圧電振動子のインピーダンス特性の変化を用いて対象物の粘弾性特性を検出する触覚センサ信号処理装置において、圧電振動子を用いた触覚センサと、該圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振抵抗の変化を検出する共振抵抗変化検出手段と、前記圧電振動子のインピーダンス特性のうち共振周波数の変化を検出する共振周波数変化検出手段と、前記共振抵抗変化検出手段の検出結果と、前記共振周波数変化検出手段の検出結果とを用いて、対象物の粘弾性特性である複素弾性率の実数部と虚数部を独立に計算処理する信号処理手段と、を具備したことを特徴とする触覚センサ信号処理装置。
【請求項２】 前記信号処理手段が、前記共振抵抗変化検出手段の検出結果と、前記共振周波数変化検出手段の検出結果とを入力する入力手段と、入力された前記２つの検出結果に基づいて、複素弾性率の実数部と虚数部とを独立に計算する計算式を用いて計算処理する信号処理回路と、この信号処理回路の計算結果を出力する出力手段と、を具備し、前記入力手段は前記信号処理回路に同一のタイミングで両検出信号を入力するものであることを特徴とする請求項１記載の触覚センサ信号処理装置。
【請求項３】 前記触覚センサ信号処理装置がさらに、前記信号処理手段の出力を人の知覚レベルに基づいた信号に変換する呈示信号変換手段と、この呈示信号変換手段の出力に従って駆動される呈示装置と、を具備することを特徴とする請求項１記載の触覚センサ信号処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７】
【図１２】
【図１３】
【図４】
【図５】
【図１１】
【図８】
【図９】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１０】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７】
【図１２】
【図１３】
【図４】
【図５】
【図１１】
【図８】
【図９】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１０】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開平９−９６６００
【公開日】平成９年（１９９７）４月８日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平７−２５２１５６
【出願日】平成７年（１９９５）９月２９日
【出願人】（００００００３７６）オリンパス光学工業株式会社 (11,466)
【公開日】平成９年（１９９７）４月８日
【国際特許分類】
【出願日】平成７年（１９９５）９月２９日
【出願人】（００００００３７６）オリンパス光学工業株式会社 (11,466)
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