特許 7542996 圧電センサ及び圧力検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-23

(45)【発行日】2024-09-02

(54)【発明の名称】圧電センサ及び圧力検出装置

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/00 20060101AFI20240826BHJP

   A61B 5/11 20060101ALI20240826BHJP

【ＦＩ】

A61B5/00 101R

A61B5/11 100

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020094192

(22)【出願日】2020-05-29

(65)【公開番号】P2021186236

(43)【公開日】2021-12-13

【審査請求日】2023-05-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000204284

【氏名又は名称】太陽誘電株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090413

【弁理士】

【氏名又は名称】梶原 康稔

(72)【発明者】

【氏名】茂木 孝之

【審査官】外山 未琴

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－０５１１６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１１０９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１４０３４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２１９３４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｂ ５／００－５／３９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一の圧電体が少なくとも一方の面に設けられた第一の圧電素子と、
前記第一の圧電素子のおもて面を内壁として構成する第一の部屋と、
前記第一の部屋に取り付けられた導入口と
第二の圧電体が少なくとも一方の面に設けられた第二の圧電素子と、
前記第一の圧電素子のうら面と、前記第二の圧電素子とをそれぞれ内壁として構成する第二の部屋と、
を有する圧電センサ。

【請求項2】

前記第二の圧電素子は、前記第二の部屋の内壁となるおもて面と、うら面を有し、
前記第二の圧電素子のうら面を内壁として構成する第三の部屋をさらに有する請求項１に記載の圧電センサ。

【請求項3】

前記第一の圧電素子は、金属からなる振動板を備えており、この振動板の一方の面の一部の領域に、前記第一の圧電体が設けられており、
前記第二の圧電素子は、金属からなる振動板を備えており、この振動板の一方の面の一部の領域に、前記第二の圧電体が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電センサ。

【請求項4】

前記第一の圧電素子と前記第二の圧電素子が同じ形状である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電センサ。

【請求項5】

前記第一の圧電体の長さと、幅と、厚さとがそれぞれ前記第二の圧電体の長さと、幅と、厚さと同じ大きさであり、
前記第一の圧電素子が有する第１の振動板の長さと、幅と、厚さとがそれぞれ前記第二の圧電素子が有する第２の振動板の長さと、幅と、厚さと同じ大きさである請求項４に記載の圧電センサ。

【請求項6】

前記第二の圧電体からの出力を増幅するアンプをさらに有する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧電センサ。

【請求項7】

請求項１から請求項６いずれか１項に記載の圧電センサを使用する圧力測定装置であって、
前記第一及び第二の圧電体の出力電気信号に対してそれぞれゲイン調整を行う第一及び第二のゲイン設定部と、
前記第一及び第二の圧電体の出力電気信号が飽和したときに、前記第一及び第二のゲイン設定部のうち該当するゲイン設定部でゲイン制御を行って、電気信号を非飽和状態とする制御手段を備えたことを特徴とする圧力測定装置。

【請求項8】

請求項７記載のゲイン制御が行われた第一及び第二の圧電体の少なくとも一方の電気信号から、周波数帯域のフィルタリングを行って測定対象の生体情報を得る測定手段を備えたことを特徴とする請求項７記載の圧力測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電素子を利用した圧電センサ及び圧力検出装置に関し、例えば、人体の脈（脈拍ないし脈波）と呼吸の測定に好適な圧電センサ及び圧力検出装置の改良に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の圧電センサ及び圧力検出装置としては、例えば、下記特許文献１記載のものがある。これは、被測定体に生じる微小な圧力変動を高精度に測定することを目的としたもので、圧力検出装置１２は、圧電体１７を壁面の一部とする入力室３５が設けられており、この入力室３５内に、導入部２１から、圧電体１７に対して傾斜する方向に向けて空気を導入するようにしたものである。下記特許文献２には「生体情報計測装置」が開示されており、その図２には信号処理装置の一例が示されている。

【0003】

本発明の図２(B)には、以上のような背景技術を踏まえた圧力検出装置９００の一例が示されており、測定部９１０のエアーパッド９１２によって検知された圧力変動は、圧電センサ９２０の圧電素子９２２によって電圧に変換され、アンプ９２４で増幅されて処理装置９３０のゲイン設定部９３２に送られる。ゲイン設定部９３２では、ゲイン調整し、その後処理部９３４で周波数帯域のフィルタリングなどの処理の後、記憶部９３６でその結果が保存され、表示部９３８にはそのデータが表示される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開2017-219341号公報

【文献】特開2005-110969号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、上述した特許文献の背景技術では、大きな圧力変動があったときに測定値が飽和（サチレーション）する。この飽和現象を防ぐため以下の処理を行う。
本発明図２(B)のゲイン設定部９３２でゲイン調整を行い、圧電センサ９２０による測定値が飽和しないようにゲインを下げ、あるいは測定値が小さくなりすぎないようにゲインを上げることで、呼吸や脈の測定を継続できるようにしている。

【0006】

しかしながら、上記の方法によってゲイン調節を行うとしても、寝返りによる体動などが突然生じ、瞬間的に測定値が飽和する信号が入力されてしまう場合がある。このとき、例えばオートゲインコントロールでゲインを調整すると、適切な値となるまでタイムラグが生じる。このため、呼吸や脈を測定することができない。測定値が小さくなったときは、再びオートゲインコントロールにてゲインを上げる必要があり、この場合適切な値となるまでタイムラグが生じ、小さな信号成分である脈波を精度よく検出できないといった課題がある。

【0007】

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、測定信号の飽和が生じても、生体情報を継続して測定することができ、測定精度の向上を図ることを、その目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の圧電センサは、第一の圧電体が一方の面に設けられた第一の圧電素子と、前記第一の圧電素子のおもて面を内壁として構成する第一の部屋と、前記第一の部屋に取り付けられた導入口と、第二の圧電体が一方の面に設けられた第二の圧電素子と、前記第一の圧電素子のうら面と、前記第二の圧電素子とをそれぞれ内壁として構成する第二の部屋と、を有することを特徴とする。

【0009】

主要な形態の一つによれば、前記第二の圧電素子は、前記第二の部屋の内壁となるおもて面と、うら面を有し、前記第二の圧電素子のうら面を内壁として構成する第三の部屋をさらに有することを特徴とする。他の形態によれば、前記第一の圧電素子及び前記圧電素子は、金属からなる振動板と、前記振動板の一方の面の一部の領域に設けられた前記圧電体と、を有することを特徴とする。

【0010】

更に他の形態によれば、前記第一の圧電素子と前記第二の圧電素子が同じ形状であることを特徴とする。例えば、前記第一の圧電体の長さと、幅と、厚さとがそれぞれ前記第二の圧電体の長さと、幅と、厚さと同じ大きさであり、前記第一の圧電素子が有する第１の振動板の長さと、幅と、厚さとがそれぞれ前記第二の圧電素子が有する第２の振動板の長さと、幅と、厚さと同じ大きさであることを特徴とする。更に他の形態によれば、前記第二の圧電体からの出力を増幅するアンプをさらに有することを特徴とする。

【0011】

本発明の圧力測定装置は、前記いずれかの圧電センサを使用する圧力測定装置であって、前記第一及び第二の圧電体の出力電気信号に対してそれぞれゲイン調整を行う第一及び第二のゲイン設定部と、前記第一及び第二の圧電体の出力電気信号が飽和したときに、前記第一及び第二のゲイン設定部のうち該当するゲイン設定部でゲイン制御を行って、電気信号を非飽和状態とする制御手段を備えたことを特徴とする。主要な形態によれば、前記ゲイン制御が行われた第一及び第二の圧電体の少なくとも一方の電気信号から、周波数帯域のフィルタリングを行って測定対象の生体情報を得る測定手段を備えたことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、空間を挟んで第一及び第二の圧電素子を設けることとしたので、一方の圧電素子の出力信号が飽和しても、他方の圧電素子の出力信号を利用して測定を継続して行うことができ、測定精度の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施例１の圧電センサの構造を示す図である。

【図2】(A)は、前記実施例の圧電センサを使用する圧力検出装置の構成を示す図である。(B)は、背景技術における圧力検出装置の構成を示す図である。

【図3】前記実施例による検出波形の例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明を詳細に説明する。

【実施例1】

【0015】

図１には、本実施例にかかる圧電センサ１００の断面構造が示されている。
圧電センサ１００は、内部に圧電素子１１０，１２０が上段，下段にそれぞれ設けられた構成となっている。これら圧電素子１１０，１２０は、上部カバー１３０，中間カバー１４０，下部カバー１５０，底部カバー１６０を重ねたもので、外形および内部空間が筒状に構成されている。

【0016】

圧電素子１１０，１２０は、例えば、真鍮などによる金属板ＭＰ上に圧電体ＰＥ１,ＰＥ２が形成されている。なお、本実施形態では、公知の圧電スピーカー（圧電マイク）と同様の構成となっており、圧電体ＰＥ１,ＰＥ２の一方の電極が金属板ＭＰとなっている。すなわち、圧電体ＰＥ１の一方の電極はハンダＥＡに接続されており、他方の電極は金属板ＭＰとなり、これがハンダＥＢに接続されている。引き出し用のリード線は、ハンダＥＡ，ＥＢに電気的に接続されることで、圧電体ＰＥ１の電気信号が出力されるようになっている。なお、ハンダを採用する場合、金属板ＭＰの種類によっては、ハンダの濡れ性のよい銅の被膜等を形成する場合がある。

【0017】

前記圧電素子１１０，１２０は、同じ形状としてよい。具体的には、前記第一の圧電体の長さと、幅と、厚さとがそれぞれ前記第二の圧電体の長さと、幅と、厚さと同じ大きさであり、前記第一の圧電素子が有する第１の振動板の長さと、幅と、厚さとがそれぞれ前記第二の圧電素子が有する第２の振動板の長さと、幅と、厚さと同じ大きさである、といった具合である。

【0018】

また、底部カバー１６０には、回路基板ＣＢが設けられており、後述するアンプ１１２，１２２などの回路部品が設けられている。ハンダＥＡ，ＥＢには、不図示のリード線が接続されており、回路基板ＣＢに設けられたアンプと電気的に接続されている。なお、回路基板ＣＢは、リード線を介して圧電センサ１００外部に設けられた処理装置２２０（図２参照）と接続されてもよい。

【0019】

底部カバー１６０の上面内側には、リング状の係合突起１６２が設けられている。この契合突起１６２は、下部カバー１５０の下端開口部が係合している。下部カバー１５０の上部は金属板MPの設置領域から外側に向かい幅広に形成された拡径部１５２が設けられている。この拡径部１５２の段差１５４に中間カバー１４０が設置され、段差１５４と中間カバー１４０の間にシーリング１５６が形成されている。このシーリング１５６は密着性を高めるためのものである。さらには、この段差１５４とシーリング１５６に圧電素子１２０が挟まれている。圧電素子１２０の全周にシーリング１５６が設けられている。中間カバー１４０の下側は、内側に突出して内周フランジ１４２が設けられており、この内周フランジ１４２と前記圧電素子１２０の周囲との間に、シーリング１４４の設置領域がある。一方、前記内周フランジ１４２の上側の段差１４６には、シーリング１４８を挟んで圧電素子１１０が配置されている。

【0020】

中間カバー１４０の上側には、スペーサ１３２を介して上部カバー１３０が設けられている。このスペーサ１３２によって、上部カバー１３０と中間カバー１４０の密閉性を高めている。

【0021】

上部カバー１３０の上側中央には、導入チューブ１３４が設けられている。導入チューブ１３４には空気の通路となるチューブを介して、空気パッドに接続されている。空気パッドが受ける振動による空気圧変化が導入チューブを介して圧電素子１１０に伝わる。一方、上部カバー１３０の下側は拡径しており、この拡径部１３６によって下部カバー１５０の拡径部１５２が覆われるようになっている。上部カバー１３０の拡径部１３６の先端内側には、突起１３８が設けられており、これによって、上部カバー１３０と下部カバー１５０とが中間カバー１４０を挟んで気密性よく密着して係合されるようになっている。以上の構成により、圧電センサ１００には、導入チューブ１３４側から、空間１０２，１０４，１０６が順に形成されている。そして、空間１０２と圧電素子１１０によって第一の部屋が構成されており、空間１０４と圧電素子１２０とによって第二の部屋が構成されている。

【0022】

導入チューブ１３４から伝わる振動による空気圧変化は、空間１０２を介して、圧電素子１１０で受け、その空気圧変化は圧電素子１１０の裏面から空間１０４を介して、圧電素子１２０に伝わる。圧電素子１１０により伝わる空気圧変化が弱められる。この振動の伝達は機械的な受け渡しのため、細かな振動まで伝えることできる。なお、従来技術で述べたように、圧電体以降の回路処理によって飽和信号が発生すると思われるが、本発明では、圧電素子を複数用いることで、機械的に振動を減衰させるので、飽和信号によって取り除かれてしまった信号までも取り出すことができる。

【0023】

次に、図２(A)には、上記圧電センサ１００を利用する圧力測定装置２００が示されている。同図において、測定部２１０のエアーパッド２１２の空気圧出力側は、導入チューブ１３４を介して圧電センサ１００の空間１０２に連通しており、圧電素子１１０に空気圧変化が伝わるようになっている。それに伴い、圧電体ＰＥ１が変形する。そして、圧電素子１１０が撓むと、空間１０４に空気圧変化が生じるので、圧電素子１１０の撓みが空間１０４を介して圧電素子１２０に伝わり、圧電体ＰＥ２が変形するようになっている。圧電素子１１０, １２０上にそれぞれ設けられた圧電体ＰＥ１,ＰＥ２では、空気圧の変化が電圧信号に変換され、変換後の信号は、アンプ１１２，１２２を介して、処理装置２２０のゲイン設定部２２２，２３２にそれぞれ入力されるようになっている。これらゲイン設定部２２２，２３２の出力側は処理部２２４に接続されており、処理部２２４には記憶部２２６や表示部２２８が接続されている。

【0024】

これらのうち、アンプ１１２，１２２は、入力電気信号に対して所定の増幅もしくは減衰を行うためのものである。ゲイン設定部２２２，２３２は、入力電気信号に対して増幅もしくは減衰の処理を行うためのもので、そのゲイン調整量は処理部２２４によって制御されている。処理部２２４は、前記ゲイン調整の他、入力信号に対する周波数帯域のフィルタリングなどの処理を行う機能を備えている。記憶部２２６は、制御処理プログラム，各種設定値，測定値などを記憶しており、表示部２２８は測定結果を表示する。

【0025】

次に、本実施例の全体の動作を説明する。エアーパッド２１２は、例えばベッドや椅子などに設置され、被験者の生体情報である脈波や呼吸の振動を取得する。エアーパッド２１２の空気圧変動は導入チューブ１３４を通じて、圧電センサ１００の空間１０２に空気圧変動として伝わる。すると、空気圧変動によって圧電素子１１０が撓んで圧電体ＰＥ１が変形し、空気圧変動が電圧信号に変換される。一方、圧電素子１１０の撓みは空間１０４の空気圧変動となり、これにより圧電素子１２０が撓んで圧電体ＰＥ２が変形し、空気圧変動が電圧信号に変換される。

【0026】

圧電素子１１０，１２０からそれぞれ出力された電気信号は、アンプ１１２，１２２で増幅または減衰された後、ゲイン設定部２２２，２３２でゲイン調整が行われて処理部２２４に入力される。処理部２２４では、入力信号に対して、
ａ，飽和が生じたときはゲインを下げ、飽和が解消したときはゲインを上げる。
ｂ，フィルタリング，ピーク検出，ピークカウントなどの処理を行なって、脈波や呼吸などの必要なデータを得る。
ｃ，測定結果を記憶部２２６に保存したり、表示部２２８に表示する。
といった動作が行われる。

【0027】

図３には、前記実施例による測定結果の一例が示されている。同図(A)には、圧電素子１１０，１２０の出力信号強度が示されており、横軸は周波数となっている。同図は、アンプ１１２と１２２の増幅度と、ゲイン設定部２２２と２３２のゲイン設置値を、いずれも同じとした場合の圧電素子１１０，１２０の信号を比較して示すもので、強度は異なるものの、周波数特性はほぼ一致している。上段の圧電素子１１０は、エアーパッド２１２からの空気圧変動が空間１０２によって直接影響するのに対し、下段の圧電素子１２０には圧電素子１１０と空間１０４を介して影響するので、上段の圧電素子１１０のほうが下段の圧電素子１２０よりも高い信号強度となっている。

【0028】

図３(B)には、圧電素子１１０，１２０の出力信号電圧の時間変化の一例が示されている。同図の例では、生体によるエアーパッド２１２からの空気圧変動が強く、点線で示す上段の圧電素子１１０は信号が飽和しているが、下段の圧電素子１２０は飽和していない。このような場合、上段の圧電素子１１０の出力信号に対しては、処理部２２４によってゲイン設定部２２２のゲインが非飽和状態となるように制御される。一方、下段の圧電素子１２０の信号は飽和していないので、この信号を参照して、脈や呼吸のデータを得ることができる。具体的には、下段の圧電素子１２０の実線のグラフのうち、周波数の低い変化は呼吸を表し、パルス状の波形は脈を表すので、フィルタリングなどの処理を施すことで両者を分離し、ピーク数をカウントすることで、脈拍数や呼吸数を得ることができる。

【0029】

以上のように、本実施例によれば、圧電素子１１０，１２０を設けることとしたので、上段の圧電素子１１０の出力信号が飽和し、ゲイン調整を行って非飽和の状態となるまでに待ち時間を必要とする場合でも、下段の圧電素子１２０の出力信号に基づいて測定を継続して行うことができ、更には、全体として測定精度の向上を図ることができる。

【0030】

＜他の実施例＞ なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例では、上段の圧電素子１１０の信号強度が、下段の圧電素子１２０の信号強度より大きくなるようにしたが、ゲイン設定部２２２，２３２のゲイン調整を行うことで、圧電素子１１０，１２０の信号強度が同じ強さとなるようにして、圧電素子１１０，１２０の両方の信号を利用して生体情報の測定を行うようにしてもよい。その場合、例えば、それぞれ異なるフィルタ，例えば上段の圧電素子１１０に対してはBPF（バンドパスフィルタ）を適用して呼吸情報を取得し、下段の圧電素子１２０に対してはLPF(ローパスフィルタ)を適用して脈情報を取得するといった具合にすれば、異なる目的の信号を精度よく取得することができる。
(2)また、通常時は、信号強度が高い上段の圧電素子１１０の出力信号を利用して脈や呼吸の測定を行い、強い空気圧変動があって図３(B)のように信号が飽和したときに、下段の圧電素子１２０の出力信号を利用して脈や呼吸の測定を行うようにしてもよい。
(3)図１に示した圧電センサの構造は一例であり、同様の機能を奏するように形状や寸法を適宜設定してよい。
(4)前記実施例では、生体情報である脈や呼吸を測定することとしたが、各種の空気圧変動の測定に適用してよい。
(5)前記実施例では、空気圧の変動を測定することとしたが、空気以外の気体や各種の液体といった流体を使用してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0031】

本発明によれば、空間を挟んで第一及び第二の圧電素子を設けることとしたので、一方の圧電素子の出力信号が飽和しても、他方の圧電素子の出力信号を利用して測定を継続して行うことができ、測定精度の向上を図ることができるので、脈や呼吸などの生体情報の測定に好適である。

【符号の説明】

【0032】

１００：圧電センサ
１０２，１０４，１０６：空間
１１０，１２０：圧電素子
１１２，１２２：アンプ
１３０：上部カバー
１３２：スペーサ
１３４：導入チューブ
１３６：拡径部
１３８：突起
１４０：中間カバー
１４２：内周フランジ
１４４：シーリング
１４６：段差
１４８：シーリング
１５０：下部カバー
１５２：拡径部
１５４：段差
１５６：シーリング
１６０：底部カバー
１６２：係合突起
２００：圧力測定装置
２１０：測定部
２１２：エアーパッド
２２０：処理装置
２２２，２３２：ゲイン設定部
２２４：処理部
２２６：記憶部
２２８：表示部
９００：圧力検出装置
９１０：測定部
９１２：エアーパッド
９２０：圧電センサ
９２２：圧電素子
９２４：アンプ
９３０：処理装置
９３２：ゲイン設定部
９３４：処理部
９３６：記憶部
９３８：表示部
ＥＡ，ＥＢ：電極
ＣＢ：回路基板
ＭＰ：金属板
ＰＥ１，ＰＥ２：圧電体

【図1】

【図2】

【図3】