JP2000121460A

JP2000121460A - 触覚センサ

Info

Publication number: JP2000121460A
Application number: JP10297728A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Maeda; 重雄前田
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 1998-10-20
Filing date: 1998-10-20
Publication date: 2000-04-28
Anticipated expiration: 2018-10-20
Also published as: JP3251552B2

Abstract

(57)【要約】【課題】長尺の内視鏡・カテーテル等の先端が、被接
触物体に接触した際に、確実に検出可能な細径の触覚セ
ンサを提供する。【解決手段】荷重Ｆを受ける球体１と、球体１を受持
する弾性保持材２と、光ファイバ７とを備えている。

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
コープのような長尺（線条）体に沿って付設されて、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式は、次の〜
の方式のものがある。

【０００３】スイッチは最も扱いやすく信頼性の高
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つかっ
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→電圧変換の利用は圧電効果を利
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）、これらを複合化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性がよいといった特
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
板の上におき、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
発行ダイオードからの光をフォトトランジスタで受光
し、その間に圧力に応じて変位する遮断物をおき受光量
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】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
出を目的としていため、内視鏡（カテーテル）、光ファ
イバスコープ、コンタクトスコープ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
部を）配置することは至難であった。

【０００８】特に、細径化が要望されている上記内視鏡
（カテーテル）等の先端部に（触覚部を）配置すること
は困難であった。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
障害を受けやすいという問題もあった。

【０００９】本発明の目的は、内視鏡（カテーテル）、
光ファイバスコープ、コンタクトスコープ等の長尺体
（線条体）に沿って付設できて、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にある。また、電
磁障害を受けない触覚センサを提供するにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明に係る触
覚センサは、荷重を受ける球体と、該球体を受持して先
端側から該球体に荷重が掛ると弾性的に圧縮する弾性保
持材と、光源からの光を該弾性保持材の孔部を通して上
記球体の基端面に照射するための投光用光ファイバ路
と、該球体の基端面からの反射光を受光して基端側へ光
を伝送する受光用光ファイバ路と、該受光用光ファイバ
路の基端側に接続されて上記球体の変位を光学的に検出
する光検出器と、から構成されている。

【００１１】また、投光用光ファイバ路と受光用光ファ
イバ路が、基端側では分岐して、夫々光源・光検出器に
接続されており、中間部からは光ファイバカプラを介し
て先端側へは１本に形成されている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図示の実施の形態に基づき
本発明を詳説する。

【００１３】図１の要部拡大断面図、図２の要部拡大分
解説明図、図３の全体構成説明図に於て、１は被接触物
体に接触した際に荷重を受ける球体であり、例えば外表
面が研磨された（十分に光を反射することの可能な）鋼
球が使用される。２は、この球体１を受持する平ワッシ
ャ状の弾性保持材であり、ゴムや軟質プラスチックから
成り、例えばポリウレタンを用いる。

【００１４】３，４は相互に嵌合して接着剤等にて固着
された内パイプ・外パイプであり、例えばステンレス製
パイプを使用して、外パイプ４の先端４ａを内パイプ３
の先端面３ａよりも僅かに先端へ突出させて、弾性保持
材２と球体１の収納空間５を形成する。弾性保持材２は
内パイプ３の先端面３ａに当接し、また、外パイプ４の
先端４ａに於て、内突隆部６を形成して球体１の抜止め
とする。

【００１５】そして、７は、投光用光ファイバ路21と受
光用光ファイバ路22とを兼ねた１本の光ファイバであ
り、コア７ａとクラッド７ｂと被覆層７ｃから成り、内
パイプ３にその光ファイバ７の先端が挿入されて、光フ
ァイバ先端面７ｅは、内パイプ先端面３ａと、一致する
位置に接着剤等にて固着されている。

【００１６】光ファイバ７の先端面７ｅのコア７ａ及び
クラッド７ｂ（の一部）は、円環状弾性保持材２の孔部
に対応し、この孔部を通して球体１に光を照射できる。
この弾性保持材２の孔部には入らないようにして、シリ
コーンゴム等の充填材８を収納空間５に充填して、球体
１を弾性的に保持している。

【００１７】そして、図３に示すように、光ファイバ７
は光ファイバカプラ９を介して、基端側が２股状に分岐
し、波長 1.3μｍの光を発するＬＥＤ等の光源10に接続
される投光用光ファイバ路21と、光検出器11に接続され
る受光用光ファイバ路22の２本に分離している。光検出
器11は変位演算手段12と電気的に接続される。光ファイ
バカプラ９としては、融着形又は導波路形を用いうる。

【００１８】このように、投光用光ファイバ路21と受光
用光ファイバ路22は、基端側では分岐しているが、中間
部からは光ファイバカプラ９を介して先端側へは１本に
形成されて、細径化及び構造簡素化が図られている。

【００１９】光源10からの光は、投光用光ファイバ路21
（途中からは受光用光ファイバ路22との共通路）を通じ
て、弾性保持材２の孔部を通過し、球体１の基端面に照
射され、反射する。反射した光を（先端から中間の光フ
ァイバカプラ９までは投光用光ファイバ路21との共通路
の）受光用光ファイバ路22を通じて、光検出器11へ伝送
する。

【００２０】球体１は被接触物体と非接触の状態では、
図６（Ａ）に示すように、光ファイバ７の先端面７ｅと
所定の距離Ｌ₀ を有しているが、被接触物体と接触して
外力（荷重）Ｆが図６（Ｂ）のように作用すると、（図
１の弾性保持材２が弾性的に圧縮変形して、）光ファイ
バ先端面７ｅとは、距離Ｌ₁ まで減少する。

【００２１】このように球体１の反射面（基端面）の変
位（Ｌ₀ −Ｌ₁ ）を、光で検出する方式としては、強
度変調方式と、位相変調方式が、選択できる。前者
（方式）では、光検出器11及び変位演算手段12を、簡
単に構成できる利点がある。後者（方式）は、光検出
器（干渉計測器）11及び変位演算手段12が複雑なもの
（干渉光学系）を要することとなるが精度は著しく高
い。

【００２２】光ファイバ式触覚センサＳに於て、測定容
易性を保ちつつ、小型化を図るには、強度変調方式（
方式）が好適であるといえる。さらに、図３のように、
光ファイバカプラ９を介して、略全長にわたって、１本
の光ファイバ７とすれば一層の小型化（細径化）を図り
得る。

【００２３】次に、図４は上述の触覚センサＳの適用例
を示す要部拡大断面図であり、図５はその先端面を軸心
方向から見た図であるが、この図４と図５に於て、３本
（個）の触覚センサＳが用いられたコンタクトスコープ
の先端部位を示す。

【００２４】具体的に説明すると、２本のイメージガイ
ド16，16と多数本のライトガイド17…が保護管18内に挿
入されて、コンタクトスコープ本体19が構成され、そし
て、この保護管18が挿入される孔23を有する金属又はプ
ラスチック等の円板24に、保護管18を挿入して、僅かに
コンタクトスコープ本体19の最先端部を突出させて、接
着剤25等にて固着する。

【００２５】また、26…は複数枚のポリアミドイミド等
のプラスチック板であり、適宜細孔をレーザ加工等にて
開けて、相互に積層して短円柱ブロック29とし、これ
に、上記コンタクトスコープ本体19を軸心に挿通し、ま
た、均等な中心角度で牽引ワイヤ27…及び触覚センサＳ
…を各々３本ずつ挿通して、固着する。牽引ワイヤ27は
先端かしめ部材28にてブロック29に係止され、コイル状
の形状記憶合金30等の伸長・短縮作動によって、首振作
動する。

【００２６】そして、図４で明らかなように、ブロック
29に挿入固着された触覚センサＳの最先端の球体１は、
円板24の内面に接触している。また、31はパリレン蛇腹
等の可撓性に富んだ外管であり、円板24が接着剤32にて
その外管31の最先端内面に固着されると共に、ブロック
29は外管31の僅かに内側に於ける内面に接着剤33にて固
着されている。

【００２７】このように構成されたコンタクトスコープ
を狭小な場所へ挿入していって、コンタクトスコープ本
体19が被検査物に接触すると、可撓性の外管31が押圧力
を受けて軸心方向に圧縮しようとするが、円板24の裏面
が、（触覚センサＳの球体１に接触している構造のた
め）球体１は図４の左方向へ僅かに（弾性保持材２を圧
縮しつつ）変位するので、これを、前述の図３の方式等
によって、光検出器11及び変位演算手段12等にて、検出
できる。

【００２８】なお、図４・図５のように３本の触覚セン
サＳ…を配置すれば、円板24───コンタクトスコープ
本体19の先端面19ａ───が単純な圧縮外力（軸心方向
のみの力）を受けた場合の外、軸心と直交方向の外力
（曲げ力）を受けた場合にその曲げ力が作用する方向を
検出可能となる。

【００２９】なお、図４と図５では３本としたが、これ
を２本としたり、４本以上とすることも自由である。あ
るいは、１本のみを用いても良い。また、本発明の適用
例としては、上述のコンタクトスコープ以外に、ロッド
レンズを具備したファイバスコープ（内視鏡、カテーテ
ル等）に用いることも好ましい（図示省略）。特に、内
視鏡・カテーテルに用いれば、手術時や検診時に体の血
管・尿管等の穿孔事故を、防止できるという著大な効果
が奏せられる。

【００３０】

【実施例】図１〜図５に於て、ガイド用の外パイプ４と
して外径 0.6mm、内パイプ３として外径0.45mm、投受光
兼用（共用）の光ファイバ７として、ＵＶ樹脂の被覆層
７ｃの外径を0.25mm、クラッド７ｂの外径を 0.125mmの
ものを使用し、さらに、弾性保持材２としてポリウレタ
ン製で、外径0.45mm、孔径0.15mm、厚さ 0.1mmを用い
て、球体１として 0.4mmの鋼球を使用した。また、球体
１を保持する充填材８としてシリコーンゴムを用いた。
このように最外径が 0.6mmの３本の触覚センサＳ…を、
外径３mmの外管31を有するコンタクトスコープに、挿入
配設した。

【００３１】本願発明はこのように細径の 0.3mm〜 1.0
mm程度の外径に製作が可能なため、外径が２mm〜５mm程
度のコンタクトスコープ、内視鏡、カテーテルにも、十
分に配置可能であることが判った。そして、触覚センサ
Ｓ単体としては、球体１に加えられた10ｍＮの荷重Ｆ
（外力）を検出可能であることが確認でき、図４と図５
に示したような外径が２mm〜５mm程度のコンタクトスコ
ープ等の線条体の先端の触覚検知に、実用上大きな威力
を発揮できることを確認した。

【００３２】

【発明の効果】本発明は上述の構成によって、コンタク
トスコープ、カテーテル、内視鏡等の先端が被接触物体
に接触したか否か、あるいはどの程度の力で接触したか
を、検知可能となった。しかも、電磁障害を受けること
がほとんどないという利点がある。

【００３３】また、１本のカテーテル、内視鏡、コンタ
クトスコープ等に複数本の本発明の触覚センサを配置す
ることも可能となって、単なる軸心方向の圧縮外力に限
ることなく、軸心と直交する方向の外力・変形をも検出
可能となる。

【００３４】（請求項２によれば、）細径化を一層図る
ことができて、細径のカテーテル、内視鏡、コンタクト
スコープ等に応用範囲が拡大する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態を示す要部拡大断面図で
ある。

【図２】要部拡大分解説明斜視図である。

【図３】全体構成説明図である。

【図４】適用例を示す要部拡大断面図である。

【図５】図４の要部側面図である。

【図６】作用説明図である。

【符号の説明】

１球体２弾性保持材７光ファイバ 10 光源 11 光検出器 21 投光用光ファイバ路 22 受光用光ファイバ路Ｆ荷重（外力）Ｓ触覚センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｂ 6/02 Ｇ０２Ｂ 6/00 ＢＦターム(参考） 2F051 AA17 AB02 AB03 AC01 AC09 BA01 2F055 AA39 BB06 CC01 DD01 EE01 EE31 FF05 FF38 GG01 2H038 AA05 2H050 AC90 AD06 AD16 4C061 AA00 BB02 CC04 DD03 FF35 FF50 JJ17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷重を受ける球体と、該球体を受持して
先端側から該球体に荷重が掛ると弾性的に圧縮する弾性
保持材と、光源からの光を該弾性保持材の孔部を通して
上記球体の基端面に照射するための投光用光ファイバ路
と、該球体の基端面からの反射光を受光して基端側へ光
を伝送する受光用光ファイバ路と、該受光用光ファイバ
路の基端側に接続されて上記球体の変位を光学的に検出
する光検出器と、から構成されたことを特徴とする触覚
センサ。
【請求項２】投光用光ファイバ路と受光用光ファイバ
路が、基端側では分岐して、夫々光源・光検出器に接続
されており、中間部からは光ファイバカプラを介して先
端側へは１本に形成されている請求項１記載の触覚セン
サ。