JP7542996B2 - Piezoelectric sensor and pressure detection device - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a piezoelectric sensor and pressure detection device that utilizes a piezoelectric element, and, for example, to improvements in a piezoelectric sensor and pressure detection device that are suitable for measuring the human body's pulse (pulse rate or pulse wave) and respiration.
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。
A conventional piezoelectric sensor and pressure detection device is described, for example, in
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。
Figure 2 (B) of the present invention shows an example of a
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。
However, in the background art of the above-mentioned patent document, when there is a large pressure fluctuation, the measured value becomes saturated. In order to prevent this saturation phenomenon, the following process is carried out.
Gain adjustment is performed in the gain setting
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。 However, even if the gain is adjusted using the above method, sudden body movements such as turning over in bed can occur, and a signal that momentarily saturates the measurement value can be input. In this case, if the gain is adjusted using auto gain control, for example, a time lag occurs until the appropriate value is reached. This makes it impossible to measure respiration or pulse. When the measurement value becomes small, the gain must be increased again using auto gain control, but in this case a time lag occurs until the appropriate value is reached, resulting in the problem that the pulse wave, which is a small signal component, cannot be detected accurately.
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。 The present invention has been made in consideration of the above problems, and aims to improve measurement accuracy by enabling biometric information to be continuously measured even when saturation of the measurement signal occurs.
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。 The piezoelectric sensor of the present invention is characterized by having a first piezoelectric element having a first piezoelectric body on one side, a first chamber having the front surface of the first piezoelectric element as its inner wall, an inlet attached to the first chamber, a second piezoelectric element having a second piezoelectric body on one side, and a second chamber having the back surface of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element as its inner walls.
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。 According to one of the main aspects, the second piezoelectric element has a front surface that forms the inner wall of the second chamber, a back surface, and further has a third chamber that forms the back surface of the second piezoelectric element as its inner wall. According to another aspect, the first piezoelectric element and the piezoelectric element are characterized by having a vibration plate made of metal, and the piezoelectric body provided in a partial area of one surface of the vibration plate.
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。 According to yet another embodiment, the first piezoelectric element and the second piezoelectric element have the same shape. For example, the length, width, and thickness of the first piezoelectric body are the same as the length, width, and thickness of the second piezoelectric body, and the length, width, and thickness of a first vibration plate of the first piezoelectric element are the same as the length, width, and thickness of a second vibration plate of the second piezoelectric element . According to yet another embodiment, the piezoelectric device further includes an amplifier for amplifying the output from the second piezoelectric body.
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。 The pressure measuring device of the present invention is a pressure measuring device using any one of the piezoelectric sensors, and is characterized by comprising first and second gain setting units that perform gain adjustment on the output electric signals of the first and second piezoelectric bodies, respectively, and a control means that performs gain control in the corresponding one of the first and second gain setting units to make the electric signals non-saturated when the output electric signals of the first and second piezoelectric bodies are saturated. According to a main aspect, the pressure measuring device is characterized by comprising a measuring means that performs frequency band filtering on the electric signal of at least one of the first and second piezoelectric bodies that has been subjected to the gain control to obtain biological information of a measurement subject. The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.
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。 According to the present invention, the first and second piezoelectric elements are arranged with a space between them, so that even if the output signal of one piezoelectric element becomes saturated, the measurement can be continued using the output signal of the other piezoelectric element, thereby improving the measurement accuracy.
以下、本発明を詳細に説明する。 The present invention is described in detail below.
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。
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a
The
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。
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。
The
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。
The
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。
A ring-
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。
The
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。
An
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。
The air pressure change caused by the vibration transmitted from the
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。
2A shows a
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。
Of these, the
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。
Next, the overall operation of this embodiment will be described. The
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。
The electric signals output from the
a. When saturation occurs, the gain is decreased, and when saturation is eliminated, the gain is increased.
b) Processing such as filtering, peak detection, and peak counting is performed to obtain necessary data such as pulse waves and respiration.
c) The measurement results are stored in the
Such an operation is carried out.
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。
Figure 3 shows an example of the measurement results of the above embodiment. In Figure 3 (A), the output signal strength of the
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。
Figure 3B shows an example of the time change of the output signal voltage of the
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。
As described above, according to this embodiment, by providing the
<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。
Other Examples The present invention is not limited to the above-described examples, and various modifications can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. For example, the following modifications are also included.
(1) In the above embodiment, the signal strength of the upper
(2) In addition, under normal circumstances, pulse and respiration can be measured using the output signal of the upper
(3) The structure of the piezoelectric sensor shown in FIG. 1 is one example, and the shape and dimensions may be appropriately set so as to achieve the same function.
(4) In the above embodiment, pulse and respiration are measured as vital signs, but the present invention may be applied to the measurement of various air pressure fluctuations.
(5) In the above embodiment, the fluctuation in air pressure is measured. However, gases other than air or fluids such as various liquids may also be used.
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。 According to the present invention, the first and second piezoelectric elements are arranged with a space between them. Therefore, even if the output signal of one piezoelectric element becomes saturated, the measurement can be continued using the output signal of the other piezoelectric element, improving the measurement accuracy, which is suitable for measuring biological information such as pulse and respiration.
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
100:
Claims (8)
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。 a first piezoelectric element having a first piezoelectric body provided on at least one surface;
a first chamber having an inner wall formed on a front surface of the first piezoelectric element;
an inlet attached to the first chamber; a second piezoelectric element having a second piezoelectric body provided on at least one surface thereof;
a second chamber having inner walls including a rear surface of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element;
A piezoelectric sensor having a
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。 the second piezoelectric element has a front surface that forms an inner wall of the second chamber and a back surface,
2. The piezoelectric sensor according to claim 1, further comprising a third chamber having a rear surface of the second piezoelectric element as an inner wall thereof.
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。 The first piezoelectric element includes a vibration plate made of a metal, and the first piezoelectric body is provided in a partial area of one surface of the vibration plate.
The piezoelectric sensor according to claim 1 or claim 2, characterized in that the second piezoelectric element has a vibration plate made of metal, and the second piezoelectric body is provided in a partial area of one surface of the vibration plate .
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。 The length, width, and thickness of the first piezoelectric body are the same as the length, width, and thickness of the second piezoelectric body, respectively;
5. The piezoelectric sensor of claim 4, wherein the length, width, and thickness of the first vibration plate of the first piezoelectric element are the same as the length, width, and thickness of the second vibration plate of the second piezoelectric element.
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。 A pressure measuring device using the piezoelectric sensor according to any one of claims 1 to 6,
a first gain setting unit and a second gain setting unit which adjust the gains of the output electrical signals of the first and second piezoelectric bodies, respectively;
a control means for performing gain control in a corresponding one of the first and second gain setting sections when the output electrical signals of the first and second piezoelectric elements become saturated, thereby bringing the electrical signals into a non-saturated state.
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