【０００１】
【発明の属する技術分野】測定器や機械、制御装置、表示通報装置などに接続したり、機械、扉、窓ガラスなどに取り付けて使用される、温度、圧力、振動などを電気信号に変換するセンサー。
【０００２】
【従来の技術】
動的情報の検出手段として、圧力に反応する原理が用いられている電子センサー素子の殆どは、原理や構造上の理由から空気を媒体とする必要があり、圧力発生点からセンサーまでの空気中の伝搬距離に比例して圧力が減衰する原理特性により、センサーの出力も相応して低下する欠点がある。
【０００３】
叉、圧力の発生方向にセンサーの指向性を正確に一致させて設置することは困難な場合が多く、これを解決するため無指向性センサーが採用される手段が用いられるが、指向性を有するセンサーに比較して、図１５のように大幅に検出感度が低下する欠点がある。
【０００４】
センサーのノイズ進入防止は、センサー信号のＳ／Ｎ比を低下するため、感度と同等に重要項目であり、センサーにおいては電磁、静電シールド、剛性体によるシールドなどが用いられるが、これらの効果を充分に発揮するのは容易でない。
【０００５】
上記の圧力に反応する原理が用いられている電子センサー素子の多くは、絶対圧力にも反応もするが、圧力の変化すなわち振動、音波にも反応するため、圧力センサー素子とされる物以外に、静電センサー、マイクや超音波センサー、振動センサーなど幅広く利用されているが、これらは殆ど上記の欠点を有する。
【０００６】
以上のような伝搬距離による減衰や指向性による影響、ノイズによる性能低下、及び、装着方法の欠点などの具体例として、身体情報の異常通報器機における公開公報の例を以下に説明する。
【０００７】
特開２００２−０９５６４２号公報、特開平０９−１２２０９０号公報、特開平０５−０３１０８５号の公報に記載された装置のように、センサーを直接人体に装着する方法があり、類似の方法は多いが、いずれもセンサー出力値については具体的な値が示されていない。
そこで実験を行った結果が図１３である。指向性を有する超高感度マイクが他のセンサーより好結果であり、図１３（Ａ）は、この超高感度マイクを手首に直接装着して実験し、感度が最も高い位置で測定したオシロスコープの波形で、３から６ｄｂ程度の感度である。しかし、その装着位置から１から２ミリ位置をズラすと図１３（Ｂ）のように、殆ど信号は得られなくなり、図１３（Ａ）の感度を再び得ようとしても僅かな位置でしか反応せず、図１３（Ａ）の感度は容易に再現できない。マイクの装着角度が変わっても同様に信号は得られなくなる。
こうした状態からの実用化は他に特別な方法の併用が必要と推測される。
【０００８】
又、従来技術の特開２００１−２８６４４８号公報に記載の例のように、風袋の中に無指向性マイクを装着した実験を行い、測定したオシロスコープの波形が図１４（Ａ）で、６から１０ｄｂ程度の感度が得られ、該公報で報告されている性能とほぼ同等の値であり、該公報に記載されているデーターとの妥当性を伺わせる結果を得ている。
この値は、心脈拍の方向にマイクの正面方向を合わせたもので、距離が２センチ程度の位置で得られたものである。距離を３センチ程度に遠ざけた場合は、図１４（Ｂ）で、４から８ｄｂ、マイク正面方向より横９０度方向に心脈拍の位置がズレた場合では、図１４（Ｃ）で、１から３ｄｂ、若しくは、これ以下に低下する結果となっている。
こうした時の感度不足を補うため、該公報に記載されている通り、検出部に密着を要する事とその工夫も施されているなど本実験との共通性を伺わせている結果である。このように心脈拍は音波として検出され、心脈拍の位置からの距離による減衰が起こり、方向性による減衰を受けており、且つ、該公報に記載されているデーターの通り、ノイズ量も非常に多くＳ／Ｎ比が悪化している。
こうした横方向や後方向の感度を高めるために該公報でも、無指向性マイクを用いているが、無指向性マイクも図１５のように、完全な無指向性は有り得ないので、信号伝搬の指向性の影響を受けざるを得ないからである。
【０００９】
一方、通常の計測器機の開発で必要となるセンサーのＳ／Ｎ比の目安は、非常に安定した場合でも、６から８ｄｂ以上必要であり、多少でも変動が有る場合は、１０から１６ｄｂ以上得られていないと、市場での信頼性は安定しないと考えられるレベルであるから、先ず装着方法を限定し、信号処理方法などに特殊な方法を開発するなどの必要があると推測される。
【００１０】
以上のように、身体情報の異常通報器機においては、装着位置ズレの問題や圧迫感を与えるなど装着方法に関する問題、及びセンサー出力のＳ／Ｎ比が大きく不足しており、誤判定や誤動作が多く、実用に至っていないのが実状である。
【００１１】
以上の身体情報センサーに限らず、取り付け位置や方向などの使用条件も細かく定められるなどの制限があり、任意の位置や任意の傾き、あるいは振動や騒音などの環境下では、性能が発揮できなかったり、全く使用できない等の欠点がある。
【００１２】
弾性体と中空を応用したセンサーは、異なる材質や材料を使用し、弾性体や中空部などを覆うケース部や中空部を構成する表皮体、中空体を支える支持基材を使用するなど構造も複雑で異なる材質や材料を微細に加工して、組み立てられ、特殊な機械加工を用いなければ製品にならない等の欠点があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、定理や原理特性に素直に反応させるなど、原理特性の効果を発揮させる工夫を施した構造体とする事で、伝搬距離により圧力が減衰する欠点、指向性を有する欠点を取り除き、ノイズの進入を防止できるなどの理想的な構造体を目標として求め、それにセンサー素子を付加して用いる事で、センサー素子の出力低下を防止し、信号のＳ／Ｎ比を高め、センサーの性能を大きく向上させることを目的とする。
【００１４】
中空体を覆うケース部や、表皮体や支持基材など、異なる材質や材料を必要とせず、単純構造とすることで、使用目的に合わせた装着加工を容易とし、従来は装着できないか、もしくは性能が劣化していた測定対象物に対しても、容易に装着を可能とするなど装着方法の改善を目的とする。
【００１５】
本発明はセンサーであるから最終的には、従来の一般センサーと同じように、測定や検査、警報の発生、機械の制御装置などに接続される物だが、本発明のセンサーの性能を充分高めることで、外部に接続されるこうした装置などの性能を高め、シンプル、小型化や低コスト化を推進することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題の目的を達成する本発明の中空弾性体センサーによる手段の特徴は、例えばベルヌーイの定理などのような原理的特性の効果を最大に発揮できる中空部や弾性体の材質や形状、必要な特性要素などを求めた実験より、図１（Ｂ）のようにのように、圧力の伝搬距離による減衰と指向性とを発生させず、且つ、図１０のようにノイズを受け付けない原理効果が得られ、且つ、これらの原理効果は相乗して発揮される特徴がある弾性体とすることが可能であることを発見したもので、そうした特徴を有する弾性体の内部に既存のセンサー素子を組み込み、このセンサー素子の感度、Ｓ／Ｎ比などの性能が図１２のように大幅に向上することを、多くの実験で繰り返して確認できた。
よって、上記の特徴を得る必要な特性要素から生成された中空弾性体とセンサー素子を用いることを課題の目的を達成させる手段の要点とする。
【００１７】
請求項１と２の特徴は、上記の説明や、図１（Ｂ）のように、指向性を持たず、伝搬距離により圧力が減衰することなく、且つ、図１０のように、外部ノイズを受け付けない原理的性質を応用する事で、課題のセンサー性能を向上させる目的を解決する手段として充分とするものである。
【００１８】
叉、請求項１と２は、図１（Ａ）のように、弾性体を覆うケース部や、支持基材や表皮体などを使用する必要は全くなく、特殊な材質や形状、特殊な機械加工など必要とせず簡単な製造方法で、低コストで実用化でき課題の目的を達成するものである。
【００１９】
請求項３は、金属粉体や誘電体などを印刷する方法や金属等をそのまま組み込んで電極を用いる方法で、センサー素子を生成したものを用いた場合、中空弾性体その物がセンサー素子となり、外部入力は媒体を必要とせず直接センサー素子に入力されることになり、性能は大きく向上し、シンプル、低コストで実用化でき課題の目的を達成するものである。
【００２０】
請求項４は、本発明の中空弾性体は伝搬特性に特定方向の指向性を持たず、すなわち、あらゆる方向に指向性を持っているので、図１５のように無指向性センサー素子より大きく感度の高い性質を持つ指向性センサーを用いることで性能が向上し、課題のセンサー性能を向上する目的を達成させるものである。
【００２１】
請求項５と７は、図２のように、本発明のセンサーの中空部の内部に電子部品等を組み込んでも、本発明に採用の原理特性によれば効果に変化はないから、中空体のスペースを有効利用することが可能で、電子部品を組み込んでもよいが、従来の印刷技術で電子回路を生成することも可能である。器機の小型化を促進し、簡易機能の超小型表示器や簡易測定器などを容易に提供でき、課題の目的を達成するものである。
又、請求項５は、センサー素子を設置する場所は、弾性体の外部で弾性体に接して用いても良く、中空内に設けた場合に及ばないがセンサー素子単品の仕様と同等の感度が得られるから、概存のチューブ等に外部からセンサー素子を装着するなど非常に簡単な方法でも実用可能で、課題の簡単な製造方法、低コストなどの目的を達成するものである。
【００２２】
請求項６は、本発明に採用の原理特性にれば、測定対象物への接触は、弾性の一部でも全面でもよく、取り付けの方向性も自由で、目的や装着対象に最適な形状としても性能は影響を受けず、図４（Ｂ）のように機械装置などの曲面でも、複雑に屈折した隙間などにも装着できる。課題の装着条件を改善する目的を達成するものである。
【００２３】
請求項８は、従来の一般センサーと同じように、測定や検査、警報の発生、機械制御装置に採用した場合、本発明のセンサーは性能が充分高められ、装着状態も緩和されるので、そうした装置などの性能も高められることになり、課題の装置等の性能を向上させる目的を達成するものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態と実施例を図などを用いて併記する。
【００２５】
図１（Ａ）の実施例１は、本発明のセンサーの最も基本的な構成であり、シリコンゴムによる卵状の弾性体１に中空２を設け、中空の内部にセンサー素子４と空気３を外部圧力以上に封入し、信号出力線５と圧力安全弁６を設けた扉鍵のピッキング防止用に採用した例で鍵の回転音のリズムを検出するセンサーである。
【００２６】
図１（Ｂ）は、実施例１の動作原理を概念的にあらわしたもので、外部応力や外部圧力１０は、中空内部で均一であり方向性を有しない様子１１、減衰しないでセンサー素子に入力される様子１２を説明した図である。
【００２７】
図２（Ａ）の実施例２は、扉鍵のピッキング防犯センサーとして絶縁性のある弾性材料を体卵状に成形した本発明のセンサーである。内部に電子部品２００を組み込み、判定信号を出力しブザーも内蔵する。電子部品を乗せた回路基板は弾性体の張力を利用し中空内に固定され、固定される状態に性能は影響されないので回路基板を固定する他の手段は必要としない。
但し、回路基板で中空部を閉路することがないように、回路基板に切り欠け、あるいは基盤を１０ミリ程度の貫通する穴を設ける必要がある。
なお、実施例１と同一符号の部分は同一構造を有し、説明は省略する。
図２（Ｂ）は実施例２の信号処理方法の回路ブッロク図である。いずれもシンプルな回路で従来技術で充分であるため説明は省略する。
【００２８】
図３の実施例３は、従来技術のフイルム材料などに電子部品や回路を印刷する技術を用いて、中空内部に金属粉体で印刷された電極１０１、１０２や誘電体１０３を印刷し、卵上に成形した本発明の弾性体自身をセンサー素子としたもので、多用途向けの汎用型センサーであり、測定器、機械装置、車など従来のセンサーと同様に扱われることを意図したものである。
中空内部の電極と貫通するスルホール１０６を設け、更に外部へ取り出す信号線５へも印刷で行われているが、この印刷の様子は一部の電極のみ示し、他は省略されている。周囲温度を検出する温度センサー１０４、１０５を設置している。
温度センサーは周囲温度による中空内圧力の補正演算を行うなどに使用できるが、マイクロＣＰＵなどによる演算回路２００を内部に封入しても良い。
勿論、振動センサーのような用途や一定圧力に復帰した後から繰り返される振動などの圧力測定の場合は、温度補正は必ずしも必要ではない。
実施例３は、測定対象物に接触する弾性体そのものがセンサー素子であり、外部応力をそのまま出力できるので、温度補正演算を行えば優秀な電気素子型の圧力センサーとなる。ダイヤグラムなどの機械式圧力センサーは外部圧力を直接出力できるが、電子型の圧力センサーは外部圧力を直接出力できる物は少なく、圧電素子のように温度に影響を受けにくい電気素子タイプもあるが出力が小さく、Ｓ／Ｎ比は良好でない。
なお、実施例１、実施例３と同一符号の部分は同一構造を有し、説明は省略する。
【００２９】
図４の実施例４は、上記に説明した原理特性は理論上、空洞部の大きさ、形状に無関係であるから、空洞に連通するチューブ４０を用いて、新たな空洞部１００を設け、ここにセンサー素子を取り付けてもよく、弾性体と中空部は柔軟なシート状に成型することで、従来は装着不可能であった複雑な機械装置内部の溝などに圧入して装着できる。
圧力安全弁を経由し、装着後に気体、液体を注入する方法等で、装着は容易にできる。又、圧力補正演算用の温度センサー２０１を付加している。
なお、実施例１と同一符号の部分は同一構造を有し、説明は省略する。
図４（Ｂ）は複雑に湾曲した溝へ装着した例を説明した図である。
【００３０】
図５の実施例５は、従来技術による身体情報の異常通報器機などに採用されている心脈拍検出センサーと同じ用途に本発明のセンサーを試みることで、従来技術との比較、評価を行うためのもので、本発明の実施例１と同等の物をシリコンチューブを用いて構成され、その他は実施例１と同様なので省略する。
このセンサーを身体の心脈拍検出用として、ゴム紐などで上腕に装着して測定したオシロスコープ波形データーが図１２であるが、センサー信号の出力電圧も充分で、ノイズも少なく、Ｓ／Ｎ比は２５から３０ｄｂの値が得られている。
又、脈のうねり１２１も得られ圧力の変動を検出している。
この値は、前記で説明したように特開２００２−０９５６４２号公報や特開平０９−１２２０９０号公報、特開平０５−０３１０８５号公報に相当する性能の図１３や、特開２００１−２８６４４８号広報に相当する性能の図１４と比較、評価できるものである。本発明の性能図１２と比較したＳ／Ｎ比の差は、２０から２６ｄｂ以上で、電圧比では１０倍から２０倍以上も本発明の性能が向上している。
【００３１】
このときの本発明のセンサーは重量が約２グラム、幅１センチ、長さ７センチ程度の軽量、コンパクトである。装着方法は、センサーの一部が身体に軽く触れれば良く、圧迫感は全く感じられない程度で得られた値である。かつ、身体の多くの部位に反応し装着位置のズレなどの影響の心配も少なく、従来技術の装着方法と比較して大きく改善されている。
【００３２】
一方、市場の信頼性を確保された装置などに採用する場合のＳ／Ｎ比は２０ｄｂ（約１０倍）程度得られていれば充分であるから、本発明の装着条件は更に緩和しても充分である。当然、従来とおなじ装着方法を行えばセンサー信号のＳ／Ｎ比は４０ｄｂ（約１００倍）程度は容易に得られるが、心脈拍を検出する身体情報の異常通報器機などには、もはや意味を持たない値である。
【００３３】
図６の実施例６は、身体情報の異常通報器に採用した実用例で、腕時計の柔軟性ベルト内部に、中空部を形成した本発明のセンサーであり、時計部のブザーや表示機能を併用できる。内部に無線送信部を有し、情報送信アンテナ６０２を装備する。なお、実施例１と同一符号の部分は同一構造を有し、説明は省略する。図７は、実施例６の信号処理方法の回路ブッロク図であるが、脈拍の他、圧力、体温判定も複合した総合判定出力で、異常の有無で無線機の電源を接／断している。
いずれもシンプルな回路で従来技術で充分であるため明細な説明は省略するが、無線機の電源を接／断する手段を採用しているのは、センサーが高性能なので充分な判定が可能であるから、異常の有無情報だけ出力すれば良く、変調回路、復調回路を省略できる。通常は電源を断にしておくことで電池消耗を防ぐためであり、めったに無線機の電源は通電されず、実際の部品点数も少ないから消費電力は極めて少ない。
電話機などに接続された外部通報部は、送信器のキャリヤー有無の判定から異常の有無を知る事ができ、ブザー、ランプなどの外部出力は容易である。
電話機のオンフックＳＷと短縮ダイヤルＳＷに出力することで、容易に電話回線を利用した通報ができ、システム全体はコンパクトである。
【００３４】
以下、実施例１を扉鍵のピッキング防犯用に採用した例で、本発明の作用の様子を図８、図９、図１０、図１１を用いて説明する。
【００３５】
図８の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、弾性体の一部分以上が測定対象物に接触していれば良く、より多くの面が接触しても効果が上がるなどの変化はないことを説明した図である。
【００３６】
図９は、センサーの静止状態を概念的にあらわしたもので、図１（Ｂ）同様、中空内部で均一であり方向性を有しない様子、センサーが内部圧力に等しい一定の圧力を出力する様子１３を説明した図である。
【００３７】
図１０（Ａ）は、扉が実際に使用される環境での外来ノイズの影響をあらわしたもので、弾性体表皮部の外部へ向かって作用している圧力のため、速度変化の遅い圧力や弾性体全体にかかる圧力は、その大小にかかわらず内部圧力に変動を与えない。すなわち、こうした外部ノイズを全く受け付けない原理的効果が発揮され、センサー出力の様子１３は、静止状態とおなじ値で一定に安定したままである。
【００３８】
図１０（Ｂ）は、鍵が挿入された動作状態で、鍵で発生した回転音が伝播距離による減衰はないままセンサー素子まで伝播されるから、センサー素子は最大の効率で電気信号に変換され、一般の使用環境である大気圧相当より遥かに効率的で、高い出力値が得られ、且つ、ノイズが少ないから、センサー出力の様子１３は、Ｓ／Ｎ比が非常に高いことを説明した図である。
【００３９】
一方、図１１（Ａ）は、従来技術による例であるが、外来ノイズの影響は、そのまま出力に現れるので、センサー出力の様子１３は、常にに変動していることを説明した図である。
図１１（Ｂ）は、鍵が挿入されたとき、回転音は単純な空気中の音波として伝播され、伝播距離により分散、減衰し、ノイズと拡販されてセンサー素子に伝わり、Ｓ／Ｎ比が悪化しているセンサー出力の様子１３を説明した図である。
【００４０】
本発明で特徴的な作用の補足説明と具体的な弾性体の調整方法、制作例を以下に説明する。
【００４１】
弾性体の特性は、検出や測定対象の特性にあわせて、弾性体の張力を材質、厚さなどで選択し、その後に、中空部の圧力を調整することで表面張力を微調整する。こうして調整された表面張力の応答速度と弾性体の質量による応答速度が決定される。
中空内の空気の応答速度は、ベルヌーイの定理などの作用が起こり、封入される空気の質量が無視できれば無限に速い速度であり無視できるが、他の気体や液体など封入し、それらの質量や粘性で調整しても良い。一方、外部圧力のような応力が加えられても中空内の圧力は一定である物理特性から中空を構成する弾性体が変位を起こすが、その速度が調整された速度に相当する。実施例５で説明したように呼吸によるうねり１２１は、ノイズをカットしながら圧力値の変動を測定できる例である。
実験の結果からは、封入する圧力は一定以上であれば感度に大きな影響を与えない。
この速度の調整は外部ノイズの進入防止に利用され、検出対象の速度に合わせれば、それ以外の速度を受け付けない作用による。例として実施例１をゴム紐で空中に浮遊させた実験では、指を軽く触れるとセンサー素子の最大出力値が得られる程度に感度を上げても、外部のゆるやかな風力による振動や音声その他の騒音を加えても殆ど反応せずノイズは極限に近いほどの低い値で、Ｓ／Ｎ比は非常に高い。
【００４２】
尚、本発明は単純構造なので、適当なゴムホースなどにセンサーを入れてから一端を溶着などで塞ぎ、他の一端を接着剤などで接着し、接着材が乾燥する直前に注射器などで、気体や液体を封入するなど、容易に実験が可能であり、この程度の決定方法でも効果が得られる。内部に入れるセンサーの位置や方向は性能に影響しないから、実験段階ではそのままで良いが製品段階では接着剤、止めネジなどで固定した方が良い。止めネジやネジ用穴には予め接着剤などを塗布するなど機密性を保つ工夫を付加する。
【００４３】
本発明のセンサーの性能が大幅に向上しているのは、従来技術と類似の構造や方法であっても、先ず前記の原理特性を有する理想的な構造体を目標として求めた結果、封入される圧力が外部圧力以上である特徴を有することになり、原理的方法でノイズ侵入を防止できるが、上記補足説明および図９、図１０、図１１を用いた実施例１の説明で、弾性体の調整方法、及び動作の様子を具体的に説明したように、理想的な原理効果が発揮できる構造体を得て、しかるのちにセンサー素子を付加して用いる事で、従来性能を大幅に上回る結果が得られたもので、プロセスの違いから封入する圧力の特徴と原理効果が発揮できる特徴を得て、センサー性能を向上させているものである。
従来技術との比較実験の結果からも性能の差は、図１０、図１１や図１２、図１３、図１４などの例のように格段に異なり、全く異なる性質を手段としない限りこのような性能の格差は得られない。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように、以下に記載されるような効果がある。
【００４５】
大幅な性能向上と、取り付け位置や方向に影響されず、且つ、一部接触でも全面接触でも良いなど装着方法が格段に改善され、具体的には実施例５などのように充分な性能を提供できる。
【００４６】
単純構造で、高性能であり、更にマイクロ電子部品、半導体などを組み込む事ができ、装置全体の性能向上、小型化、低価格などを促進させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における中空弾性体センサー断面の概略説明図と本発明の動作概念の概略説明図である。
【図２】本発明の実施例２における中空弾性体センサー断面の概略説明図と内部に組み込まれた電子回路のブロック図である。
【図３】本発明の実施例３における中空弾性体センサー断面の概略説明図である。
【図４】本発明の実施例４における中空弾性体センサーの概略立面図と装着例の概略説明図である。
【図５】本発明の実施例５における中空弾性体センサーの概略説明図である。
【図６】本発明の実施例６における中空弾性体センサーの概略立面説明図である。
【図７】本発明の実施例６における電気回路のブロック図である。
【図８】本発明の実施例２の装着状態と動作を説明した図である。
【図９】本発明の実施例２の静止状態の信号出力を説明した図である。
【図１０】本発明の実施例２の待機状態の信号出力を説明した図と鍵が挿入された動作状態の信号出力を説明した図である。
【図１１】従来技術の待機状態の信号出力を説明した図と鍵が挿入された動作状態の信号出力を説明した図である。
【図１２】本発明の実施例５の性能を測定した説明図である。
【図１３】本発明の実施例５と同等な従来技術例−１の性能を測定した説明図である。
【図１４】本発明の実施例５と同等な従来技術例−２の性能を測定した説明図である。
【図１５】従来技術のセンサー指向性、無指向性の特性の違いを説明した図である。
【符号の説明】
１ 弾性体２ 中空
３ 中空内部に封入される気体、叉は、液体
４ センサー素子
５ 信号取り出し手段
６ 圧力安全弁
１０ 外部圧力
１１ 方向性を有しない様子
１２ センサー素子の入力様子
１３ センサー出力の様子
４０ 中空に連通するチューブ
１００ チューブで連通された新たな空洞部
１０１ 中空内部に印刷された正電極
１０２ 中空内部に印刷された負電極
１０３ 中空内部に印刷された誘電体
１０４ 中空外部に印刷された正電極
１０５ 中空外部に印刷された負電極
１０６ 中空内部に印刷された電極から外部へ貫通する印刷された信号線
１２１ 呼吸によるうねり
２００ 中空内部に組み込まれた電子素子、電気部品
２０１ 温度センサー
６００ 時計と身体情報判定回路部
６０１ 表示、警報ブザー
６０２ 情報送信アンテナ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION Converting temperature, pressure, vibration, etc., to electrical signals, which are used by connecting to measuring instruments, machines, control devices, display and notification devices, etc., and attached to machines, doors, window glasses, etc. sensor.
[0002]
[Prior art]
Most electronic sensor elements that use the principle of responding to pressure as the means for detecting dynamic information require the use of air as a medium for principle and structural reasons. Due to the principle that the pressure attenuates in proportion to the propagation distance of the sensor, the output of the sensor also has a corresponding decrease.
[0003]
In addition, it is often difficult to install the sensor in such a manner that the directivity of the sensor exactly matches the direction in which the pressure is generated, and in order to solve this, a means using an omnidirectional sensor is used. As compared with the sensor, there is a disadvantage that the detection sensitivity is greatly reduced as shown in FIG.
[0004]
Preventing noise from entering the sensor is as important as sensitivity, as it lowers the S / N ratio of the sensor signal. In sensors, electromagnetic, electrostatic, and shields using rigid bodies are used. It is not easy to fully demonstrate
[0005]
Many of the electronic sensor elements that use the above-described principle of responding to pressure also respond to absolute pressure, but also respond to changes in pressure, that is, vibrations and sound waves. , An electrostatic sensor, a microphone, an ultrasonic sensor, a vibration sensor and the like, but these have almost the above-mentioned disadvantages.
[0006]
As specific examples of the above-described attenuation due to the propagation distance, the influence of directivity, the performance degradation due to noise, and the defect of the mounting method, an example of an open publication in an abnormality notification device for physical information will be described below.
[0007]
There is a method in which a sensor is directly attached to a human body as in the devices described in JP-A-2002-095642, JP-A-09-12090, and JP-A-05-031085, and there are many similar methods. However, no specific value is shown for the sensor output value.
The result of the experiment is shown in FIG. An ultra-high sensitivity microphone having directivity is better than the other sensors. FIG. 13 (A) shows an oscilloscope obtained by performing an experiment with this ultra-high sensitivity microphone attached directly to the wrist and measuring at the position with the highest sensitivity. The waveform has a sensitivity of about 3 to 6 db. However, if the position is shifted by 1 to 2 mm from the mounting position, almost no signal can be obtained as shown in FIG. 13B, and even if the sensitivity shown in FIG. Without this, the sensitivity of FIG. 13A cannot be easily reproduced. Even if the microphone mounting angle changes, no signal can be obtained similarly.
It is presumed that practical use from such a state requires the use of another special method.
[0008]
Further, as in the example described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-286448, an experiment in which an omnidirectional microphone was mounted in a tare was performed, and the waveform of the oscilloscope measured from FIG. A sensitivity of about 10 db was obtained, which was almost the same value as the performance reported in the publication, and a result indicating the validity of the data described in the publication was obtained.
This value is obtained by adjusting the front direction of the microphone to the direction of the heart pulse, and is obtained at a position where the distance is about 2 cm. When the distance is about 3 cm away, in FIG. 14B, 4 to 8 db, and when the position of the heartbeat is shifted 90 degrees in the lateral direction from the front direction of the microphone, in FIG. The result is reduced to 3 db or less.
In order to compensate for the lack of sensitivity in such a case, as described in the official gazette, the results show that the detection unit requires close contact and that the device is devised, which indicates the commonality with this experiment. As described above, the heart pulse is detected as a sound wave, attenuated by the distance from the position of the heart pulse, is attenuated by the directionality, and has a very small noise amount as data described in the publication. In many cases, the S / N ratio is deteriorated.
In this publication, an omnidirectional microphone is used in order to enhance the sensitivity in the lateral direction and the backward direction. However, since the omnidirectional microphone cannot have complete omnidirectionality as shown in FIG. This is because the influence of directivity must be given.
[0009]
On the other hand, the standard of the S / N ratio of the sensor required in the development of a normal measuring instrument is 6 to 8 db or more even in a very stable case, and 10 to 16 db or more in a case where there is some fluctuation. Otherwise, the reliability in the market is considered to be unstable, so it is presumed that it is necessary to first limit the mounting method and develop a special method such as a signal processing method.
[0010]
As described above, in the physical information abnormality notification device, there is a problem with the mounting method such as a mounting position shift and a feeling of oppression, and a S / N ratio of the sensor output is largely insufficient, so that erroneous determination or malfunction is caused. In many cases, it has not been put to practical use.
[0011]
Not limited to the above physical information sensors, there are restrictions such as the use conditions such as mounting position and direction are finely defined, and performance can not be exhibited at any position or any tilt, or in environments such as vibration or noise. And there are drawbacks such as that they cannot be used at all.
[0012]
Sensors that use an elastic body and a hollow body use different materials and materials, and also have a structure that uses a case part that covers the elastic body and the hollow part, a skin that constitutes the hollow part, and a supporting base material that supports the hollow body. There are drawbacks that complicated and different materials and materials are finely processed and assembled, and the product cannot be manufactured unless special machining is used.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the present invention eliminates the drawback that pressure is attenuated due to the propagation distance and the drawback of having directivity by adopting a structure devised to exhibit the effects of the principle characteristics, such as reacting directly to the theorem and the principle characteristics. The goal is to find an ideal structure that can prevent the ingress of noise, and to add a sensor element to it to prevent a decrease in the output of the sensor element, increase the S / N ratio of the signal, The purpose is to greatly improve performance.
[0014]
A simple structure without the need for different materials and materials, such as the case covering the hollow body, the skin body, and the supporting base material, facilitates the mounting process according to the purpose of use. It is an object of the present invention to improve a mounting method such as enabling easy mounting even on a measurement object whose performance has deteriorated.
[0015]
Since the present invention is a sensor, it is ultimately connected to measurement, inspection, alarm generation, machine control, etc., just like a conventional general sensor, but it sufficiently enhances the performance of the sensor of the present invention. Accordingly, it is an object of the present invention to improve the performance of such devices connected to the outside and promote simplicity, miniaturization, and cost reduction.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The feature of the means by the hollow elastic body sensor of the present invention that achieves the object of the above-mentioned object is, for example, the material and shape of the hollow portion and the elastic body capable of maximizing the effect of the principle characteristic such as Bernoulli's theorem, etc. From an experiment in which characteristic elements and the like were obtained, as shown in FIG. 1B, the principle effect of not generating attenuation and directivity due to the pressure propagation distance and not accepting noise as shown in FIG. It has been discovered that these principles and effects can be obtained as an elastic body that has a characteristic that is synergistically exhibited, and the existing sensor element is incorporated inside the elastic body having such a characteristic. It was repeatedly confirmed in many experiments that the performance of the sensor element, such as sensitivity and S / N ratio, was greatly improved as shown in FIG.
Therefore, the use of the hollow elastic body and the sensor element generated from the necessary characteristic elements for obtaining the above characteristics is a key point of the means for achieving the object of the object.
[0017]
The features of Claims 1 and 2 have the following features. As shown in FIG. 1 (B), there is no directivity, pressure does not attenuate due to the propagation distance, and external noise is reduced as shown in FIG. By applying the principle property that is not accepted, it is sufficient as a means for solving the purpose of improving the sensor performance of the subject.
[0018]
Claims 1 and 2 do not require the use of a case portion that covers the elastic body, a support base material, a skin body, or the like at all, as shown in FIG. It is a simple manufacturing method that does not require processing or the like, can be put into practical use at low cost, and achieves the object of the subject.
[0019]
Claim 3 is a method of printing a metal powder or a dielectric, or a method of incorporating a metal or the like and using an electrode as it is. When a sensor element is used, a hollow elastic body itself becomes a sensor element. The external input is directly input to the sensor element without the need for a medium, so that the performance is greatly improved, and it can be put to practical use at a simple and low cost, thereby achieving the object of the subject.
[0020]
Claim 4 is that the hollow elastic body of the present invention does not have directivity in a specific direction in the propagation characteristic, that is, has directivity in all directions. By using a directional sensor having a high characteristic, the performance is improved, and the objective of improving the sensor performance, which is the subject, is achieved.
[0021]
Claims 5 and 7 show that, even if an electronic component or the like is incorporated in the hollow portion of the sensor of the present invention as shown in FIG. Although space can be used effectively and electronic components can be incorporated, it is also possible to generate electronic circuits by conventional printing techniques. The object of the present invention is to achieve the object of the present invention by promoting the miniaturization of equipment and easily providing an ultra-small display or a simple measuring instrument having a simple function.
According to a fifth aspect of the present invention, the sensor element may be installed in contact with the elastic body outside of the elastic body. Therefore, a very simple method such as attaching a sensor element to an existing tube or the like from the outside can be used, and the objects such as a simple manufacturing method and low cost can be achieved.
[0022]
According to the sixth aspect of the present invention, according to the principle characteristics adopted in the present invention, the contact with the object to be measured may be part of the elasticity or the entire surface, the direction of attachment is free, and the shape is optimal for the purpose and the object to be attached. The performance is not affected, and it can be mounted on a curved surface such as a mechanical device as shown in FIG. The object of the present invention is to improve the mounting condition of the subject.
[0023]
According to claim 8, as in the case of a conventional general sensor, when the sensor of the present invention is employed in measurement, inspection, alarm generation, and a machine control device, the performance of the sensor of the present invention is sufficiently enhanced and the mounted state is eased. The performance of the device and the like is also improved, and the object of improving the performance of the device and the like in question is achieved.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described with reference to drawings and the like.
[0025]
Embodiment 1 of FIG. 1 (A) is the most basic configuration of the sensor of the present invention, in which a hollow 2 is provided in an egg-shaped elastic body 1 made of silicone rubber, and a sensor element 4 and air 3 are provided inside the hollow. This is a sensor for detecting the rhythm of the key rotation sound in an example in which the signal is sealed at an external pressure or higher and the signal output line 5 and the pressure safety valve 6 are provided to prevent picking of a door key.
[0026]
FIG. 1B conceptually illustrates the operation principle of the first embodiment, in which external stress and external pressure 10 are uniform and have no directionality in the hollow interior 11, and the sensor element does not attenuate. FIG. 9 is a diagram for explaining an input state 12;
[0027]
Embodiment 2 of FIG. 2A is a sensor of the present invention in which an insulating elastic material is molded into a body shape as a door key picking security sensor. An electronic component 200 is incorporated therein to output a judgment signal and a buzzer. The circuit board on which the electronic components are mounted is fixed in the hollow using the tension of the elastic body, and the performance is not affected by the state of being fixed, so that other means for fixing the circuit board is not required.
However, in order to prevent the hollow portion from being closed by the circuit board, it is necessary to cut out the circuit board or to provide a hole for penetrating the board by about 10 mm.
Note that the portions denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment have the same structure, and description thereof will be omitted.
FIG. 2B is a circuit block diagram of the signal processing method according to the second embodiment. In each case, a simple circuit is sufficient for the conventional technique, and a description thereof will be omitted.
[0028]
In Example 3 of FIG. 3, electrodes 101 and 102 and a dielectric 103, which are printed with metal powder inside a hollow, are printed by using a conventional technique of printing electronic components and circuits on a film material or the like, and the eggs are printed. The elastic body of the present invention formed above is used as a sensor element.It is a general-purpose sensor for versatile use, and is intended to be treated like a conventional sensor such as a measuring instrument, a mechanical device, and a car. is there.
The through hole 106 penetrating the electrode inside the hollow is provided, and the signal line 5 to be taken out is also printed. However, only a part of the printing is shown, and the others are omitted. Temperature sensors 104 and 105 for detecting the ambient temperature are provided.
The temperature sensor can be used, for example, for performing a correction operation of the pressure in the hollow according to the ambient temperature, but an arithmetic circuit 200 such as a micro CPU may be sealed inside.
Of course, in applications such as a vibration sensor or pressure measurement such as vibration repeated after returning to a constant pressure, temperature correction is not necessarily required.
In the third embodiment, since the elastic body itself in contact with the object to be measured is the sensor element and can output the external stress as it is, an excellent electric element type pressure sensor can be obtained by performing the temperature correction operation. Mechanical pressure sensors such as diagrams can directly output external pressure, but electronic type pressure sensors are few that can directly output external pressure, and there are electrical element types that are not easily affected by temperature, such as piezoelectric elements, but output And the S / N ratio is not good.
Note that portions denoted by the same reference numerals as those in the first and third embodiments have the same structure, and a description thereof will be omitted.
[0029]
In the fourth embodiment shown in FIG. 4, since the above-described principle characteristics are theoretically independent of the size and shape of the hollow portion, a new hollow portion 100 is provided by using the tube 40 communicating with the hollow portion. The elastic element and the hollow portion are formed into a flexible sheet so that the sensor element can be press-fitted into a groove or the like inside a complicated mechanical device which cannot be mounted conventionally.
Mounting can be facilitated by a method of injecting gas or liquid after mounting via a pressure relief valve. Further, a temperature sensor 201 for pressure correction calculation is added.
Note that the portions denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment have the same structure, and description thereof will be omitted.
FIG. 4B is a diagram illustrating an example in which the device is mounted in a complicated curved groove.
[0030]
Example 5 of FIG. 5 is to compare and evaluate with the prior art by trying the sensor of the present invention for the same application as the heart rate detection sensor adopted in the abnormality notification device of the physical information according to the prior art. The same components as those in the first embodiment of the present invention are configured by using a silicon tube, and the other components are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
FIG. 12 shows oscilloscope waveform data measured by attaching this sensor to the upper arm with an elastic cord or the like for detecting the heart pulse of the body. The output voltage of the sensor signal is sufficient, the noise is small, and the S / N ratio is low. Values of 25 to 30 db have been obtained.
In addition, the swell 121 of the pulse is also obtained, and the fluctuation of the pressure is detected.
This value is, as described above, JP-A-2002-095642, JP-A-09-12090, and FIG. 13 of the performance corresponding to JP-A-05-031085 and JP-A-2001-286448. It can be compared and evaluated with FIG. 14 of the corresponding performance. Performance of the Present Invention The difference in the S / N ratio compared to FIG. 12 is 20 to 26 db or more, and the performance of the present invention is improved by a voltage ratio of 10 to 20 times or more.
[0031]
At this time, the sensor of the present invention is lightweight and compact with a weight of about 2 grams, a width of about 1 cm and a length of about 7 cm. The wearing method is a value obtained by lightly touching a part of the sensor to the body, and the feeling of pressure is not felt at all. In addition, there is little concern about the influence of displacement of the mounting position in response to many parts of the body, and this is greatly improved as compared with the conventional mounting method.
[0032]
On the other hand, when the S / N ratio is about 20 db (approximately 10 times) when it is adopted in a device or the like that has high reliability in the market, it is sufficient if the mounting condition of the present invention is further relaxed. Is enough. Naturally, the S / N ratio of the sensor signal can be easily obtained as high as about 40 db (about 100 times) by using the same mounting method as in the past, but it is no longer meaningful for an abnormality notification device of physical information for detecting a heart pulse. It has no value.
[0033]
The embodiment 6 of FIG. 6 is a practical example adopted as an anomaly reporting device for physical information, and is a sensor of the present invention in which a hollow portion is formed inside a flexible belt of a wristwatch, which also uses a buzzer and a display function of a clock portion. it can. It has a wireless transmission unit inside and is equipped with an information transmission antenna 602. Note that the portions denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment have the same structure, and description thereof will be omitted. FIG. 7 is a circuit block diagram of the signal processing method according to the sixth embodiment. In addition to the pulse, the overall judgment output is also made by judging the pressure and the body temperature. .
In any case, the detailed description is omitted because the conventional circuit is sufficient with a simple circuit, but the means for connecting / disconnecting the power supply of the radio is adopted because the sensor has a high performance and sufficient judgment is possible. Therefore, only the presence / absence information of the abnormality needs to be output, and the modulation circuit and the demodulation circuit can be omitted. Normally, the power is turned off to prevent battery consumption. The power of the wireless device is rarely supplied, and the actual number of components is small, so that power consumption is extremely small.
An external notification unit connected to a telephone or the like can determine the presence or absence of an abnormality from the determination of the presence or absence of the carrier of the transmitter, and external output such as a buzzer and a lamp is easy.
By outputting to the on-hook SW and the abbreviated dial SW of the telephone, a report can be easily made using the telephone line, and the whole system is compact.
[0034]
Hereinafter, the operation of the present invention will be described with reference to FIGS. 8, 9, 10, and 11 in an example in which the first embodiment is employed for picking crime prevention of a door key.
[0035]
8A, 8B, and 8C, it is sufficient that at least a part of the elastic body is in contact with the measurement target, and there is no change such that the effect is improved even if more surfaces contact. FIG.
[0036]
FIG. 9 conceptually shows a stationary state of the sensor. As in FIG. 1B, a state where the sensor is uniform and has no directivity inside the hollow and a state where the sensor outputs a constant pressure equal to the internal pressure. FIG.
[0037]
FIG. 10 (A) shows the influence of external noise in an environment where the door is actually used. The pressure applied to the entire elastic body does not change the internal pressure regardless of its magnitude. That is, such a principle effect that no external noise is received is exerted, and the state 13 of the sensor output remains constant and stable at the same value as the stationary state.
[0038]
FIG. 10B shows a state in which the key is inserted, and the rotating sound generated by the key is propagated to the sensor element without being attenuated by the propagation distance, so that the sensor element is converted into an electric signal with maximum efficiency. It was explained that the S / N ratio of the sensor output state 13 is very high because the output value is much more efficient than the general use environment, the high output value is obtained, and the noise is small. FIG.
[0039]
On the other hand, FIG. 11A is an example according to the prior art, and is a diagram for explaining that the state 13 of the sensor output constantly fluctuates because the influence of extraneous noise appears on the output as it is.
FIG. 11 (B) shows that when the key is inserted, the rotating sound is propagated as a simple sound wave in the air, dispersed and attenuated according to the propagation distance, transmitted as noise, and transmitted to the sensor element, and the S / N ratio is increased. FIG. 13 is a diagram illustrating a state 13 of a sensor output that is deteriorating.
[0040]
A supplementary explanation of the characteristic operation of the present invention, a specific method of adjusting the elastic body, and a production example will be described below.
[0041]
As for the characteristics of the elastic body, the tension of the elastic body is selected according to the material, thickness and the like in accordance with the characteristics of the object to be detected and measured, and then the surface tension is finely adjusted by adjusting the pressure in the hollow portion. The response speed of the surface tension adjusted in this way and the response speed by the mass of the elastic body are determined.
The response speed of air in the hollow is infinitely fast if the mass of air to be filled can be neglected, due to the action of Bernoulli's theorem, etc., but other gases and liquids are filled, and their mass and The viscosity may be adjusted. On the other hand, even if a stress such as an external pressure is applied, the pressure inside the hollow is constant due to the physical characteristic that the elastic body constituting the hollow is displaced due to the physical characteristics, but the speed corresponds to the adjusted speed. As described in the fifth embodiment, the swell 121 due to breathing is an example that can measure the fluctuation of the pressure value while cutting noise.
According to the results of the experiment, the sensitivity is not significantly affected as long as the pressure to be sealed is equal to or higher than a certain value.
This speed adjustment is used to prevent the entry of external noise. If the speed is adjusted to the speed of the detection target, other speeds are not accepted. As an example, in an experiment in which Example 1 was suspended in the air with an elastic cord, even if the sensitivity was increased to such an extent that the maximum output value of the sensor element could be obtained by lightly touching a finger, vibrations and voices caused by external gentle wind power and other There is almost no reaction even when noise is applied, and the noise is a low value close to the limit, and the S / N ratio is very high.
[0042]
Since the present invention has a simple structure, a sensor is put in an appropriate rubber hose or the like, and one end is closed with welding or the like, and the other end is adhered with an adhesive or the like. Experiments can be easily performed, such as enclosing a liquid, and an effect can be obtained even with such a determination method. Since the position and direction of the sensor inside does not affect the performance, it can be left as it is at the experimental stage, but it is better to fix it with an adhesive or set screw at the product stage. For the set screw and the screw hole, a device for maintaining confidentiality, such as applying an adhesive or the like in advance, is added.
[0043]
The performance of the sensor of the present invention has been greatly improved, even if the structure and method are similar to those of the prior art, as a result of first obtaining an ideal structure having the above-mentioned principle characteristics, Pressure is equal to or higher than the external pressure, and noise intrusion can be prevented by the principle method. However, in the above-described supplementary explanation and the explanation of the first embodiment using FIGS. As described specifically for the adjustment method and operation, a structure that can exhibit the ideal principle effect is obtained, and then the sensor element is added and used, which greatly exceeds the conventional performance The results were obtained, and the characteristics of the pressure to be sealed and the characteristics that can exhibit the principle effect were obtained from the difference in the process, and the sensor performance was improved.
Even from the results of comparative experiments with the prior art, the difference in performance is significantly different, as in the examples of FIGS. 10, 11, 12, 13, and 14, and unless such a completely different property is used as a means. There is no difference in performance.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, the present invention has the following effects.
[0045]
Significantly improved performance, not affected by the mounting position or direction, and the mounting method has been remarkably improved, such as partial contact or full contact. Specifically, sufficient performance is provided as in Example 5. it can.
[0046]
It has a simple structure, high performance, and can incorporate microelectronic components, semiconductors, and the like, and promotes performance improvement, miniaturization, and low price of the entire device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic explanatory view of a cross section of a hollow elastic body sensor according to a first embodiment of the present invention and a schematic explanatory view of an operation concept of the present invention.
FIG. 2 is a schematic explanatory view of a cross section of a hollow elastic body sensor according to a second embodiment of the present invention and a block diagram of an electronic circuit incorporated therein.
FIG. 3 is a schematic explanatory view of a cross section of a hollow elastic body sensor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic elevation view of a hollow elastic body sensor and a schematic explanatory view of a mounting example according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic explanatory view of a hollow elastic body sensor according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic elevation view illustrating a hollow elastic body sensor according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram of an electric circuit according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating a mounting state and an operation according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating signal output in a stationary state according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating a signal output in a standby state according to the second embodiment of the present invention and a diagram illustrating a signal output in an operation state in which a key is inserted.
FIG. 11 is a diagram illustrating a signal output in a standby state according to the related art and a diagram illustrating a signal output in an operation state in which a key is inserted.
FIG. 12 is an explanatory diagram for measuring the performance of Example 5 of the present invention.
FIG. 13 is an explanatory diagram in which the performance of the prior art example-1 equivalent to the fifth embodiment of the present invention is measured.
FIG. 14 is an explanatory diagram in which the performance of the prior art example-2 equivalent to the fifth embodiment of the present invention is measured.
FIG. 15 is a diagram illustrating a difference between characteristics of a sensor directivity and a non-directionality according to the related art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Elastic body 2 Hollow 3 Gas or liquid enclosed in hollow 4 Sensor element 5 Signal extraction means 6 Pressure relief valve 10 External pressure 11 Non-directionality 12 Sensor element input state 13 Sensor output state 40 A tube communicating with the hollow 100 A new cavity 101 connected with the tube A positive electrode 102 printed inside the hollow 102 A negative electrode 103 printed inside the hollow Dielectric 104 printed inside the hollow 104 A positive printed outside the hollow Electrode 105 Negative electrode 106 printed on the outside of the hollow 106 Printed signal line 121 penetrating from the electrode printed on the inside of the hollow to the outside Swelling due to breathing 200 Electronic element incorporated in the hollow, electric component 201 Temperature sensor 600 Clock and Body information judgment circuit 601 Display / alarm buzzer 602 Information transmitting antenna
