JP2001215158A

JP2001215158A - 触覚センサ

Info

Publication number: JP2001215158A
Application number: JP2000023511A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Abe; 一博阿部
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2000-02-01
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2001-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】電磁障害を受けにくく、光ファイバスコー
プ、コンタクトスコープ、カテーテル（内視鏡）等の細
径長尺体の先端に付設できて、その先端が他の物体に接
触したか、あるいは、どの程度の強さで接触したか等
を、検出可能な触覚センサを提供することにある。【解決手段】弾性変形可能な反射体取付用触覚体１
と、触覚体１の近傍に先端２ａが配設された光ファイバ
２と、光ファイバ２の基端２ｂに接続されるレーザ光源
３と、光ファイバ２の先端面から放射したレーザ光をこ
の先端面へ反射可能なように触覚体１に付設された反射
体４と、を備える。さらに、反射体４にて反射して光フ
ァイバ２内を基端２ｂ側へ伝送されたレーザ光を検出す
るレーザ光検出手段５を備え、触覚体１の先端が他物体
に接触することにより弾性変形して反射体４がレーザ光
反射初期位置から変位するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、触覚センサに係
り、より詳しくは、光ファイバスコープやコンタクトス
コープやカテーテル（内視鏡）等のような細径長尺体
（線条体）に付設されて、その先端が他の物体に接触し
たかどうか等を検出するのに好適な触覚センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の触覚センサは、比較的広い面積の
平面の触覚画像の検出用のものであった。即ち、これま
でに提案されている触覚センサの検出方法は、次の〜
の方式のものがある。

【０００３】スイッチは最も扱い易く信頼性の高い
センサである。バネなどによって圧力を変位に変換し、
その変位によってスイッチ動作を行うものであり出力は
ＯＮ／ＯＦＦ信号となる。

【０００４】圧力→抵抗変換は、圧力を変位に変換
しその変位を電気信号に変換して圧力を検出するもので
ある。この代表例が歪みゲージと半導体圧力センサであ
る。加えられた圧力による弾性体の変形を測定するの
で、触覚センサよりは力センサに近い構造となる。半導
体圧力センサは、ピエゾ抵抗効果を利用したものでシリ
コンウエハ上にダイアフラムを形成し、そのダイアフラ
ム上に不純物による拡散抵抗を形成したものである。こ
の半導体圧力センサは、一般に気体や流体などの流体圧
の測定に用いることが多いが、シリコーンゴムなどを使
ってパッケージングして荷重センサとしたものなどがあ
る。また、シリコーンゴムの中に導電性微粒子を分散さ
せることにより、抵抗変化として検出することができ
る。これは感圧導電性ゴムと呼ばれる。

【０００５】圧力→電圧変換は、圧電効果を利用し
て圧力を電圧信号に変換するものである。代表的な例と
しては、ＰＺＴ、高分子材料のポリフッ化ビニリデン
（ＰＶＤＦ）、これらを複合したものなどがある。高感
度のセンサを実現できるが、出力の電圧信号はチャージ
の流出により微分的となり、定常的な圧力が検出しにく
い。また、機械的な力にも弱い。一方、圧力の検出感度
が高く、可撓性があり成形加工がよいといった特徴があ
る。

【０００６】圧力→光変換の利用は２つの代表的な
方法がある。１つはスポンジやゴムなどを透明のガラス
板の上に置き、下側からそのガラスの反射率の変化を測
定する方法である。反射率の測定にフォトトランジスタ
やイメージセンサを用いるため、小型化や薄膜化が期待
できない。２つめの方法は、光遮断方式と呼ばれる方法
で発光ダイオードからの光をフォトトランジスタで受光
し、その間に圧力にて変位する遮断物を置き、受光量の
変化により圧力を検出するものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
上記〜の触覚センサは、面に対する触覚パターン
（触覚画像）の検出を目的としているため、光ファイバ
スコープ、コンタクトスコープ、カテーテル等の先端が
他の物体に接触したか否か、あるいは、どの程度の強さ
で接触したか否か等を検出するように、それ等の先端部
に触覚体を配置することは至難であった。特に、細径化
が要望されている上記カテーテル（内視鏡）等の先端部
に触覚体を配置することは困難であった。

【０００８】また、圧力を電気抵抗・電圧に変換する方
式は、ファイバスコープ先端部からの情報を電気信号と
して伝達する構成であるから、その伝達途中で電磁障害
を受け易いという問題もあった。

【０００９】本発明の目的は、電磁障害を受けにくく、
光ファイバスコープ、コンタクトスコープ、カテーテル
（内視鏡）等の細径長尺体の先端に付設できて、その先
端が他の物体に接触したか、あるいは、どの程度の強さ
で接触したか等を、検出可能な触覚センサを提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明に係る触覚センサは、弾性変形可能な反射
体取付用触覚体と、該触覚体の近傍に先端が配設された
光ファイバと、該光ファイバの基端に接続されるレーザ
光源と、上記光ファイバの先端面から放射したレーザ光
を該先端面へ反射可能なように上記触覚体に付設された
反射体と、該反射体にて反射して上記光ファイバ内を基
端側へ伝送されたレーザ光を検出するレーザ光検出手段
とを備え、上記触覚体の先端が他物体に接触することに
より弾性変形して上記反射体がレーザ光反射初期位置か
ら変位するように構成したものである。

【００１１】また、弾性変形可能な反射体取付用触覚体
と、該触覚体の近傍に先端が配設された投光用光ファイ
バ及び受光用光ファイバと、該投光用光ファイバの基端
に接続されるレーザ光源と、上記投光用光ファイバの先
端面から放射したレーザ光を上記受光用光ファイバの先
端面へ反射可能なように上記触覚体に付設された反射体
と、該反射体にて反射して上記受光用光ファイバ内を基
端側へ伝送されたレーザ光を検出するレーザ光検出手段
とを備え、上記触覚体の先端が他物体に接触することに
より弾性変形して上記反射体がレーザ光反射初期位置か
ら変位するように構成したものである。

【００１２】このとき、触覚体が、径方向に拡縮可能な
螺旋帯板状弾性体から成る。また、レーザ光検出手段に
て戻りレーザ光の光強度を測定可能とするも、好まし
い。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態を示す図面に基
づき、本発明を詳説する。

【００１４】図１と図２は、本発明に係る触覚センサの
実施の一形態を示す。この触覚センサは、弾性変形可能
な反射体取付用触覚体１と、触覚体１の近傍に先端２ａ
が配設された光ファイバ２と、光ファイバ２の基端２ｂ
に接続されるレーザ光源３と、光ファイバ２の先端面か
ら放射したレーザ光をこの先端面へ反射可能なように触
覚体１に付設された反射体４と、反射体４にて反射して
光ファイバ２内を基端２ｂ側へ伝送されたレーザ光を検
出するレーザ光検出手段５とを備え、触覚体１の先端１
ａが他物体６に接触することにより弾性変形して反射体
４がレーザ光反射初期位置から変位するように構成した
ものである。

【００１５】具体的に説明すると、反射体取付用触覚体
１は、径方向に拡縮可能な螺旋帯板状弾性体７から成
る。この螺旋帯板状弾性体７はその基端が、例えば筒体
８に一体状とされている。つまり、筒体８の先端側を螺
旋状にカットして螺旋帯板状弾性体７を形成したり、あ
るいは別途形成した螺旋帯板状弾性体７を筒体８の先端
に固着している。

【００１６】そして、この螺旋帯板状弾性体７の外面に
１本の光ファイバ２の先端２ａ側が固着されると共に、
螺旋帯板状弾性体７の外面でかつ光ファイバ２の先端面
と対面する位置に反射体４が固着されている。また、光
ファイバ２の基端２ｂは、光ファイバカプラ９及び光フ
ァイバ路10，11を介してレーザ光源３及びレーザ光検出
手段５と接続されている。即ち、光ファイバ路10，11を
介してレーザ光源３とレーザ光検出手段５とに接続され
る光ファイバカプラ９の基端側は、二股状に分岐してい
る。

【００１７】しかして、この触覚センサは、触覚体１
（螺旋帯板状弾性体７）が他物体６と接触していない状
態に於て、レーザ光源３からのレーザ光は、光ファイバ
路10、光ファイバカプラ９及び光ファイバ２を通ってそ
の先端面から矢印Ａの如く放射し、反射体４に当たって
矢印Ｂの如く反射し、反射したレーザ光は再び光ファイ
バ２の先端面から入射して内部を通過して基端２ｂ側へ
向かい、光ファイバカプラ９及び光ファイバ路11を通っ
てレーザ光検出手段５に到達する。即ち、反射したレー
ザ光がレーザ光検出手段５にて検知される。

【００１８】また、図３に示すように、触覚センサの触
覚体１（螺旋帯板状弾性体７）の先端１ａが他物体６と
直交方向（矢印Ｃ方向）に接触すると、触覚体１が全体
的に径方向に拡径し、それによって反射体４が径方向外
方及び周方向へ変位する。即ち、反射体４は、（図１で
説明した）接触前のレーザ光反射初期位置からずれる。
従って、光ファイバ２の先端面から矢印Ａの如く放射し
たレーザ光は反射体４に当たらなくなる。即ち、レーザ
光が反射体４によって反射しなくなり、光ファイバ２を
通じてレーザ光検出手段５にて検出される戻りレーザ光
の光強度が低下する。

【００１９】つまり、反射体４の変位に応じてレーザ光
の反射体４に当たる面積が減少して戻りレーザ光の光強
度───レーザ光波長の光線強度───が減少してい
く。従って、本発明の触覚センサは、レーザ光検出手段
５にて戻りレーザ光の光強度（反射量）を測定可能とす
るように構成するのが好ましく、それによって反射体４
の変位量や触覚体１と他物体６との接触圧等の接触度合
いを判断することができる。

【００２０】なお、触覚体１を他物体６から離間させる
と、触覚体１は径方向に縮径復元し、反射体４は光ファ
イバ２の先端面に対面するレーザ光反射初期位置に戻
る。

【００２１】ところで、この触覚センサは、その主要部
である触覚体１及び反射体４が光ファイバ２の先端２ａ
側に集約され、ピンポイント的な接触・非接触の検出が
可能であるため、図４に示すように、光ファイバスコー
プやコンタクトスコープやカテーテル（内視鏡）等のよ
うな細径長尺体12への適用に好適である。つまり、先端
部にレンズなどが装着された細径長尺体12は、軸方向に
大応力をかけることは構造、強度上避けねばならず、そ
のため接触したことを検知する触覚センサは有効であ
る。また、細径長尺体12の先端12ａに触覚体１を配設す
る場合、触覚体１は螺旋形状であるため、細径長尺体12
の先端12ａを螺旋帯板状弾性体７の孔部に挿入すること
ができ、細径を維持できるという利点もある。

【００２２】次に、図５と図６は、本発明の触覚センサ
の他の実施の形態を示す。この触覚センサは、螺旋帯板
状弾性体７から成る上記触覚体１と、触覚体１の近傍に
先端13ａ，14ａが配設された投光用光ファイバ13及び受
光用光ファイバ14とを備え、投光用光ファイバの基端13
ｂにレーザ光源３が接続されると共に、受光用光ファイ
バ14の基端14ｂにレーザ光検出手段５が接続されてい
る。また、反射体４は、投光用光ファイバ13の先端面か
ら放射したレーザ光を反射し、かつ、受光用光ファイバ
14の先端面に入射させるように、各光ファイバ13，14の
各先端面に対面して触覚体１外面に付設されている。

【００２３】しかして、この触覚センサの場合、触覚体
１（螺旋帯板状弾性体７）が他物体６と接触しない状態
に於て、レーザ光源３からのレーザ光は、投光用光ファ
イバ13を通ってその先端面から放射し、反射体４を反射
して受光用光ファイバ14の先端面から入射して内部を伝
送されてレーザ光検出手段５に到達する。即ち、レーザ
光検出手段５にて反射したレーザ光が検知される。

【００２４】また、図示省略するが、触覚センサの触覚
体１の先端１ａが他物体６と直交方向に接触すると、
（図３で説明したように）触覚体１が径方向に拡径して
反射体４が径方向外方及び周方向へ変位する。つまり、
反射体４はレーザ光反射初期位置からずれてしまい、投
光用光ファイバ13の先端面から放射したレーザ光は反射
体４を反射して受光用光ファイバ14の先端面に入射しな
くなり、レーザ光検出手段５にて検出される戻りレーザ
光の光強度が減少する。

【００２５】なお、この触覚センサにおいても、レーザ
光検出手段５にて戻りレーザ光の光強度を測定可能に構
成するのが好ましく、また、光ファイバスコープやコン
タクトスコープやカテーテル（内視鏡）等のような細径
長尺体12へも適用することができる（図４参照）。

【００２６】なお、本発明は上述の実施の形態に限定さ
れず、本実施の形態では反射体取付用触覚体１が螺旋帯
板状弾性体７の場合を例示したが、これ以外にも例え
ば、円弧状弾性体の先端に反射体４を付設し、円弧状弾
性体が他物体と接触して弯曲変形することにより反射体
４をレーザ光反射初期位置から変位させるように構成す
ることもできるが、光ファイバスコープやコンタクトス
コープやカテーテル等に適用する触覚センサとしては螺
旋帯板状弾性体７が望ましい。

【００２７】

【発明の効果】本発明は上述の如く構成されるので、次
に記載する効果を奏する。

【００２８】（請求項１又は２によれば）触覚体１の他
物体６との接触状況を、レーザ光検出手段５による戻り
レーザ光の検出にて判断するため、（従来の）電気信号
変換型のセンサと比較して、遙に電磁ノイズの障害を受
けにくい触覚センサを得ることができる。

【００２９】（請求項２によれば）反射体４にて反射し
たレーザ光を、受光専用の光ファイバ14によってレーザ
光検出手段５へ伝送するので、レーザ光源３からの（投
光用の）レーザ光と干渉することがなく、戻りレーザ光
の光強度が大きくなる。

【００３０】（請求項３によれば）触覚体１は、その専
有面積が小さくかつ内部に長尺体を挿入できる螺旋形状
であるため、光ファイバスコープやコンタクトスコープ
やカテーテル（内視鏡）等の先端に配設するのに好適で
ある。

【００３１】（請求項４によれば）触覚体１が他物体６
にどの程度の強さで接触したかを検出でき、より高精度
に接触状況を判断することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る触覚センサの実施の一形態を示す
要部拡大正面図である。

【図２】全体の構成説明図である。

【図３】接触状態を示す要部拡大正面図である。

【図４】細径長尺体に適用した要部拡大正面図である。

【図５】他の実施の形態を示す要部拡大正面図である。

【図６】全体の構成説明図である。

【符号の説明】

１反射体取付用触覚体１ａ先端２光ファイバ２ａ先端２ｂ基端３レーザ光源４反射体５レーザ検出手段６他物体７螺旋帯板状弾性体 13 投光用光ファイバ 13ａ先端 13ｂ基端 14 受光用光ファイバ 14ａ先端

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性変形可能な反射体取付用触覚体と、
該触覚体の近傍に先端が配設された光ファイバと、該光
ファイバの基端に接続されるレーザ光源と、上記光ファ
イバの先端面から放射したレーザ光を該先端面へ反射可
能なように上記触覚体に付設された反射体と、該反射体
にて反射して上記光ファイバ内を基端側へ伝送されたレ
ーザ光を検出するレーザ光検出手段とを備え、上記触覚
体の先端が他物体に接触することにより弾性変形して上
記反射体がレーザ光反射初期位置から変位するように構
成したことを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】弾性変形可能な反射体取付用触覚体と、
該触覚体の近傍に先端が配設された投光用光ファイバ及
び受光用光ファイバと、該投光用光ファイバの基端に接
続されるレーザ光源と、上記投光用光ファイバの先端面
から放射したレーザ光を上記受光用光ファイバの先端面
へ反射可能なように上記触覚体に付設された反射体と、
該反射体にて反射して上記受光用光ファイバ内を基端側
へ伝送されたレーザ光を検出するレーザ光検出手段とを
備え、上記触覚体の先端が他物体に接触することにより
弾性変形して上記反射体がレーザ光反射位置から変位す
るように構成したことを特徴とする触覚センサ。
【請求項３】触覚体が、径方向に拡縮可能な螺旋帯板
状弾性体から成る請求項１又は２記載の触覚センサ。
【請求項４】レーザ光検出手段にて戻りレーザ光の光
強度を測定可能とした請求項１、２又は３記載の触覚セ
ンサ。