JP2015021950A - 表面にて圧力変化を起こす物体の圧力変化の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面にて圧力変化を起こす物体の圧力の変化を速い応答速度で精度良く測定できる方法を提供する。
【解決手段】圧電振動子１０、一方の表面に膨出部２１を備え、膨出部２１が圧電振動子１０の表面に接触配置されている盤状の接触子２０を含む圧力振動体１（但し、膨出部２１は、測定対象物接触面２２が物体の体表面に接触状態に置かれた場合に、物体の圧力変化に応じて膨出部２１と圧電振動子１０との接触面積が変化を示す物性を持つ有機高分子弾性材料から形成されている）を物体の体表面に、接触子の測定対象接触面２２にて接触した状態で配置し、圧電振動子１０に電圧値Ｖの交流電圧を印加して圧電振動子１０を振動状態として、圧電振動子１０を流れる電流の電流値Ｉを測定し、その電流値Ｉと電圧値Ｖとから圧電振動子のインピーダンス（Ｚ＝Ｖ／Ｉ）の変化を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面にて圧力変化を起こす物体の圧力変化の測定方法に関する。本発明はまた、その方法の実施に有利に用いることができる圧力振動体及び圧力変化測定装置にも関する。

圧力センサーを用いて、人間に代表される動物の呼吸や心拍による圧力の変化を監視して、動物の健康状態を把握することが行なわれている。また、圧力センサーを用いて気体の圧力変化を測定することも行われている。

特許文献１には、人間の呼吸と心拍を測定するための装置として、身体の胸部若しくは腹部に装着されて呼吸に伴う圧力変化を検知する圧力センサーと、該圧力センサーの出力信号から呼吸性変動信号を抽出する第１信号処理手段と、該圧力センサーの出力信号から脈拍性変動信号を抽出する第２信号処理手段と、呼吸性変動信号から呼吸数を算出すると共に脈拍性変動信号から脈拍数を算出する演算処理手段とを具えている装置が記載されている。この文献には、圧力センサーにバイモルフ型の圧電素子を用いることが記載されている。この文献には、圧電素子を用いることによってセンサーの駆動電力が不要なために、省電力化を図ることができると記載されていることから、この文献に記載の圧力センサーは、圧電素子が圧力を受けることによって発生する電気エネルギーを検出して、圧力を測定する構成のセンサーであると理解される。

一方、特許文献２には、圧力容器内に設けられた圧電振動子のインピーダンス（交流抵抗値）からその容器内の気体の圧力を計測する気体圧力計が記載されている。この文献によると、圧力容器内に置かれ屈曲振動する圧電振動子のインピーダンスは圧力に応じて変化するため、圧電振動子のインピーダンスを測定することによって、圧力容器内の気体の圧力の変化を検知することができるとされている。

特開２０１２−２０８０３８号公報 特開昭６０−２０１２２５号公報

動物の呼吸及び心拍は運動中、就寝中などの状況によって、その強さが大きく変わることから、呼吸や心拍の周期のみではなく、呼吸や心拍の強さの変動を正確に測定することができれば、動物の健康状態などの状況を詳しく把握できるので好ましい。また、管を流れる気体もしくは液体の流量を正確に調整するために、管を流れる気体もしくは液体の圧力の変化を速い応答速度で精度良く測定することができれば好ましい。しかしながら、本願発明者の検討によると、特許文献１に記載されている呼吸及び心拍の測定方法では、圧電素子が圧力を受けることによって発生する電気エネルギーは微小であるため、感度が充分ではなく、また測定可能な圧力変化のダイナミックレンジが狭いため、呼吸や心拍の強さの変動を正確に検出することが難しいという問題がある。一方、特許文献２に記載されているのは圧力容器内の気体の圧力の変化を測定する方法であって、配管を流れる気体や液体の圧力の変化を測定する方法ではない。

従って、本発明の目的は、圧力の変化を速い応答速度で検出することができ、また測定対象の物体に応じて、測定可能な圧力のダイナミックレンジを容易に調整できる圧力の測定方法を開発して、呼吸や心拍による動物の圧力の変化、あるいは配管内を流れる気体及び液体の圧力の変化のように、表面にて圧力変化を起こす物体の圧力の変化を速い応答速度で精度良く測定できる方法と、その方法の実施に有利に使用できる装置を提供することにある。

本発明者は、盤状の圧電体と該圧電体の両側表面のそれぞれに備えられた電極とからなる圧電振動子、そして一方の表面に膨出部を備え、該膨出部が該圧電振動子の一方の電極の表面に接触した状態で配置されている盤状の接触子を含む圧力振動体、但し該圧力振動体の接触子の膨出部は、その接触子の膨出部が備えられた表面とは反対側の表面（以下、測定対象物接触面とも云う）が、表面にて圧力変化を起こす物体の表面と接触状態に置かれた場合に、該物体の圧力の変化に応じて接触子の膨出部と圧電振動子との接触面積が変化を示す物性を持つ有機高分子弾性材料から形成されている、を作成した。そして、この圧力振動体を人間の体表面に、圧力振動体の接触子の測定対象物接触面が接触した状態で配置して、圧力振動体の圧電振動子に、圧電振動子に固有の共振周波数に相当する周波数の交流電圧を印加することにより、圧電振動子を振動状態とし、その振動状態にある圧電振動子から電流を取り出して、電流の電流値の変動と圧電振動子に印加した交流電圧の電圧値とから圧電振動子のインピーダンスの変動を算出した。その結果、圧力振動体の測定対象物接触面に付与された人間の呼吸による圧力の変動が、速い応答速度で、圧電振動子のインピーダンスの変動として現れることを見出した。また、本発明者は、上記圧力振動体の接触子の材料や形状などの構成によって、接触子に付与された圧力の変化に対する圧電振動子のインピーダンスの変化量が変わることを見出した。そして、本発明者は、上記の圧力振動体の接触子の膨出部を、測定対象物接触面に付与される圧力の変化に応じて変形して、接触子の膨出部と圧電振動子との接触面積が変化を示す物性を持つ有機高分子弾性材料から形成することによって、上記の圧力振動体を用いて種々の物体の圧力の変化を迅速にかつ高い精度で測定することが可能になると考え、本発明に到達した。

従って、本発明は、盤状の圧電体と該圧電体の両側表面のそれぞれに備えられた電極とからなる圧電振動子、そして一方の表面に膨出部を備え、該膨出部が該圧電振動子の一方の電極の表面に接触した状態で配置されている盤状の接触子を含む圧力振動体、但し該圧力振動体の接触子の膨出部は、その接触子の膨出部が備えられた表面とは反対側の表面が、表面にて圧力変化を起こす物体の表面と接触状態に置かれた場合に、該物体の圧力の変化に応じて接触子の膨出部と圧電振動子との接触面積が変化を示す物性を持つ有機高分子弾性材料から形成されている、を表面にて圧力変化を起こす物体の表面に、該圧力振動体の接触子の膨出部が備えられた表面とは反対側の表面にて接触した状態で配置する工程；該圧力振動体の圧電振動子に、該圧電振動子に固有の共振周波数に相当する周波数の交流電圧を印加することにより、圧電振動子を振動状態とする工程；振動状態にある圧電振動子から電流を取り出す工程；上記物体の圧力の変化に連動して発生する該電流の電流値の変化と圧電振動子に印加した交流電圧の電圧値とから圧電振動子のインピーダンスの変化を算出する工程；及び該インピーダンスの変化を圧力の変化に換算する工程を含む、物体の圧力の変化を測定する方法にある。

本発明の方法の好ましい態様は、次の通りである。
（１）物体の圧力の変化が、動物の呼吸及び／又は心拍により発生する圧力の変化以外の圧力の変化である。
（２）圧力振動体を接触させる物体が、気体もしくは液体が流れる可撓性もしくは剛性の管であって、物体の圧力の変化が、該管を流れる気体もしくは液体の流量の変化により発生する圧力の変化である。
（３）上記圧電体が円盤状である。
（４）上記接触子が一方の表面に膨出部が形成された円盤状である。
（５）上記接触子の直径と厚さの比が、１：１〜１：１／５の範囲にある。但し、接触子の厚さは膨出部の先端から膨出部が備えられた表面とは反対側の表面までの厚さを意味する。
（６）上記接触子の膨出部が半球状である。
（７）上記接触子の全体が有機高分子弾性材料から形成されている。

本発明はまた、盤状の圧電体と該圧電体の両側表面のそれぞれに備えられた電極とからなる圧電振動子、そして一方の表面に膨出部を備え、該膨出部が該圧電振動子の一方の電極の表面に接触した状態で配置されている盤状の接触子を含む物体の圧力の変化の検出用の圧力振動体、但し該圧力振動体の接触子の膨出部は、その接触子の膨出部が備えられた表面とは反対側の表面が、表面にて圧力変化を起こす物体の表面と接触状態に置かれた場合に、該物体の圧力の変化に応じて接触子の膨出部と圧電振動子との接触面積が変化を示す物性を持つ有機高分子弾性材料から形成されている、にもある。

本発明はさらに、ケース、該ケースに収容されている、盤状の圧電体と該圧電体の両側表面のそれぞれに備えられた電極とからなる圧電振動子、そして一方の表面に膨出部を備え、該膨出部が該圧電振動子の一方の電極の表面に接触した状態で配置されている盤状の接触子を含む圧力振動体、但し該圧力振動体の接触子の膨出部は、その接触子の膨出部が備えられた表面とは反対側の表面が、表面にて圧力変化を起こす物体の表面と接触状態に置かれた場合に、該物体の圧力の変化に応じて接触子の膨出部と圧電振動子との接触面積が変化を示す物性を持つ有機高分子弾性材料から形成されている、該圧力振動体の圧電振動子に電気的に接続している、圧電振動子に、該圧電振動子に固有の共振周波数に相当する周波数の交流電圧を印加する手段、振動状態にある圧電振動子から電流を取り出す手段、該電流の電流値の変化と圧電振動子に印加した交流電圧の電圧とから圧電振動子のインピーダンスの変化を算出する手段を有し、該圧力振動体は、該接触子の膨出部が備えられた表面とは反対側の表面がケースから突出するように配置されてなる物体の圧力変化測定装置にもある。

本発明の方法を利用することによって、表面にて圧力変化を起こす物体の圧力の変化を速い応答速度で精度良く測定できる。また、本発明の圧力振動体及び圧力変化測定装置を利用することによって、上記本発明の方法を有利に実施することができる。

本発明の物体の圧力変化の測定方法に有利に使用できる圧力振動体の一例の断面図である。 図１の圧力振動体の測定対象物接触面を圧力変化の測定対象物の表面に接触させた状態を示す図である。 図１の圧力振動体の接触子に圧力を付与したときの接触子の変形状態を示す断面図であり、（ａ）は接触子に圧力を付与する前の状態を、（ｂ）は接触子に圧力を付与した後の状態を示す。 本発明の物体の圧力変化の測定方法に有利に使用できる圧力探知回路のブロック図である。 本発明の物体の圧力変化の測定方法に使用できる圧力振動体を人間の腹部表面に接触させて測定した、圧電振動子のインピーダンスの経時変化を示すグラフである。 本発明の物体の圧力変化の測定方法に使用できる圧力振動体の接触子に付与した圧力と、圧電振動子のインピーダンスとの関係を示すグラフである。 本発明の圧力測定方法の実施態様の一例を示す断面図である。 本発明に従う圧力変化測定装置の正面断面図である。 本発明に従う圧力変化測定装置の側面断面図である。 本発明の圧力変化測定装置に使用できる接触子の例を説明する図である。

本発明の物体の圧力変化を測定する方法、及びその方法の実施に有利に使用できる装置を、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の物体の圧力変化の測定方法に有利に使用できる圧力振動体の一例の断面図である。図１に示すように、圧力振動体１は圧電振動子１０と接触子２０とを含む。圧電振動子１０は、盤状の圧電体１１と圧電体１１の両側表面のそれぞれに備えられた電極１２、１３とからなる。圧電振動子１０の上側面は、接着剤（図示せず）を介して振動子ケース１４に貼り付けられている。圧電振動子１０の上側面の電極１２は、折り返し電極１２ａによって圧電体１１の下側面に引き延ばされている。折り返し電極１２ａと下側面の電極１３にはそれぞれリード線１５ａ、１５ｂが接続されている。圧電振動子１０は、円盤状であることが好ましい。圧電振動子のサイズは、一般には、直径が１〜５０ｍｍの範囲、好ましくは５〜２０ｍｍの範囲である。盤状圧電体１１の材料の例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウムなどの強誘電体セラミックを挙げることができる。振動子ケース１４は、圧電振動子と共に振動可能な材料で形成されていることが好ましい。振動子ケースの材料の例としては、金属及び後述の接触子２０の膨出部２１よりも硬い硬質性有機高分子弾性材料を挙げることができる。金属の材料の例としては、アルミニウム、ステンレススチールを挙げることができる。

接触子２０は、一方の表面に膨出部２１を備えた盤状体からなる。接触子２０の膨出部２１が備えられた表面と反対側の表面は圧力変化の測定対象物に接触する測定対象物接触面２２である。接触子２０は円盤状であることが好ましい。接触子２０の直径と厚さの比は、１：１〜１：１／５の範囲にあることが好ましい。接触子２０の厚さは膨出部の先端から膨出部が備えられた表面とは反対側の表面（測定対象接触面２２）までの厚さを意味する。接触子の膨出部２１は半球状であることが好ましい。半球状とは、球を平面で切り取った形状を意味するが、厳密な半球の形であることを要しない。圧電振動子１０が円盤状である場合、接触子２０の膨出部２１と圧電振動子１０とは、圧電振動子１０の中央に膨出部２１の先端が接触するように配置されていることが好ましい。なお、図１に示した圧力振動体１では、接触子２０の膨出部２１と圧電振動子１０の電極１２とは、振動子ケース１４を介して接触しているが、膨出部２１と圧電振動子１０の電極１２とは直接接触させてもよい。

接触子２０の膨出部２１は、測定対象物接触面２２が圧力変化の測定対象物の表面に接触状態に置かれた場合に、測定対象物の圧力変化に応じて膨出部２１と圧電振動子１０との接触面積（圧電振動子１０が振動子ケース１４に収納されている場合は、膨出部２１と振動子ケース１４との接触面積）が変化を示す物性を持つ有機高分子弾性材料から形成されている。有機高分子弾性材料は、ゴム、熱可塑性樹脂及び熱可塑性エラストマーのいずれかであることが好ましく、ゴムであることが特に好ましい。ゴムの例としては、天然ゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、ポリブタジエン系ゴム、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、クロロプレンゴム及びアクリロニトリル・ブタジエンゴムを挙げることができる。熱可塑性樹脂の例としては、ポリアセタール樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂及びポリエステル樹脂を挙げることができる。

図２は、図１に示す圧力振動体の測定対象物接触面を動物の体表面に接触させた状態を示す図である。なお、図２において、圧力振動体１は図１と同様に断面図で示している。圧力振動体１の測定対象物接触面２２は、動物２の体表面に加圧状態で接触させることが好ましい。なお、加圧状態とは、測定対象物の圧力の変化に応じて、接触子の膨出部と圧電振動子との接触面積が変化するように、接触子の測定対象物接触面と動物の体表面とが接触していることを意味する。圧力振動体１の測定対象物接触面２２は、測定対象物の表面の上に直接的に配置してもよいし、介在物を介して間接的に配置してもよい。介在物は、測定対象物の圧力の変化を減衰させるものあるいは増幅させるものを用いることができる。

図３は、圧力振動体の接触子に圧力を付与したときの接触子の変形状態を示す断面図であり、（ａ）は接触子に圧力を付与する前の状態を、（ｂ）は接触子に圧力を付与した後の状態を示す。
図３に示すように、圧力振動体１の測定対象物接触面２２に圧力が付与されると、膨出部２１の先端が振動子ケース１４の表面で押し潰されて、膨出部２１と振動子ケース１４との接触面積Ｓが変化する。圧力振動体１の圧電振動子１０に、共振周波数の電圧を印加して圧電振動子１０を振動させた状態で、膨出部２１と圧電振動子１０との接触面積（接触子２０の膨出部２１と圧電振動子１０の電極１２とが振動子ケース１４を介して接触している場合は、接触子２０の膨出部２１と振動子ケース１４との接触面積）が変化すると、圧電振動子１０のインピーダンスが変化する。圧電振動子１０のインピーダンスが変化する理由は、圧電振動子１０の振動エネルギー（圧電振動子１０が振動子ケース１４に収納されている場合は、振動子ケース１４の振動エネルギー）が、膨出部２１を通って接触子２０に伝搬することによって、圧電振動子１０の振動エネルギーが減少するためであると考えられる。通常は、圧電振動子１０と膨出部２１との接触面積が広くなると、圧電振動子１０のインピーダンスは大きくなる。

本発明では、この圧電振動子１０のインピーダンスの変化を算出し、このインピーダンスの変化を測定対象物の圧力の変化に換算する。測定対象物の圧力の変化は、圧電振動子１０に、圧電振動子に固有の共振周波数に相当する周波数の交流電圧を印加することにより、圧電振動子を振動状態とする工程；振動状態にある圧電振動子から電流を取り出す工程；測定対象物の圧力の変化に連動して発生する電流の電流値Ｉの変化と圧電振動子に印加した交流電圧の電圧値Ｖとから圧電振動子のインピーダンスの変化を算出する工程；及び該インピーダンスの変化を圧力の変化に換算する工程を含む方法により検知することができる。電流値Ｉは、圧電振動子１０を流れた電気エネルギーの量に、電圧値Ｖは、圧電振動子１０に印加された電圧の強さに相当する。

図４は、圧力振動体の圧電振動子のインピーダンスの変化から測定対象物の圧力の変化を求めるのに有利に使用できる圧力検知回路のブロック図である。圧力検知回路３０は、一定の周波数の交流電圧を発生させる電源３１、リード線１５ａとリード線１５ｂとの間に生じる電圧の電圧値を測定するための電圧計３２、リード線１５ａの間に挿入された抵抗３３（抵抗：Ｒ）、抵抗３３の両端に生じる電圧の電圧値を測定する電圧計３４、そして演算装置３５を含む。電源３１は、圧力振動体１に固有の共振周波数に相当する周波数の交流電圧を発生させ、リード線１５ａ、１５ｂを介して圧電振動子に交流電圧を印加する。圧電振動子が円盤状である場合は、共振周波数は拡がり振動モードの共振周波数とすることが好ましい。圧電振動子に固有の共振周波数に相当する周波数とは、共振周波数±１０％の範囲、好ましくは共振周波数±５％の範囲にある周波数を意味する。圧電振動子に印加する交流電圧の周波数は、一般に、２０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲、好ましくは２０ｋＨｚ〜５ＭＨｚの範囲、より好ましくは２０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲、さらに好ましくは２０〜５００ｋＨｚの範囲、特に好ましくは２０〜１００ｋＨｚの範囲にある。圧電振動子に印加する交流電圧の電圧は、一般に実効値で５Ｖ以下、好ましくは１〜３Ｖの範囲である。電圧計３２は、リード線１５ａとリード線１５ｂとの間に生じる電圧の電圧値、すなわち圧電振動子に印加された電圧の電圧値Ｖを測定する。電圧計３４は、抵抗３３の両端に生じる電圧の電圧値Ｖ₂を測定する。演算装置３５は、電流の電流値Ｉを式：Ｉ＝Ｖ₂／Ｒより算出する。そして、得られた電流値Ｉと上記の電圧値Ｖとから、圧電振動子のインピーダンスＺを式：Ｚ＝Ｖ／Ｉより算出して、インピーダンスＺの変化を測定対象物の圧力の変化に換算する。測定対象物の圧力変化の周期は、インピーダンスの変化の周期から換算することができる。測定対象物の圧力変化の周期は、例えば、インピーダンスの変化をグラフとして表した場合にグラフ上に周期的に現れるインピーダンスの複数のピークを検出し、隣接するピーク間の時間間隔とすることができる。測定対象物の圧力変化の強さは、インピーダンスのピークの高さもしくは深さから換算することができる。測定対象物の圧力変化の強さは、例えば、インピーダンスの変化をグラフとして表した場合にグラフ上に周期的に現れるインピーダンスのピークを検出し、隣接するピーク間でのピークの高さもしくは深さの差異とすることができる。また、予め、圧力振動体に付与した圧力値とその圧力を付与したときの圧電振動子のインピーダンス値との関係を予め調べて検量線を作成しておき、圧電振動子のインピーダンスと検量線とから圧力振動体に付与した圧力を算出してもよい。

図５は、本発明の物体の圧力変化の測定方法に使用できる圧力振動体を人間（被験者）の腹部表面に接触させて測定した、圧電振動子のインピーダンスの経時変化を示すグラフである。図５のグラフは、アルミニウム製の振動子ケース（直径：１４ｍｍ、厚さ：３ｍｍ）の中央に、ニトリルゴム製の接触子（膨出部の球曲率半径：５０ｍｍ、直径：１４．５ｍｍ、厚さ：９．８ｍｍ）の膨出部の先端を接触した状態で配置した構成の圧力振動体を、被験者の腹部表面に接触させ、圧電振動子に周波数が３２０ｋＨｚの交流電圧を印加したときの圧電振動子のインピーダンスの経時変化である。被験者には、測定開始から７０秒間までは通常の呼吸をしてもらい、その後、深呼吸をしてもらった。このグラフに示すように、測定開始から６０秒までの間では、圧電振動子のインピーダンスのピークの周期は６秒であった。このピークの周期は、被験者の呼吸の周期と一致していた。また、被験者が深呼吸をしたときのインピーダンスのピークは、通常の呼吸時のピークよりも明らかに幅が大きくなった。この結果から、上記の圧力振動体を利用することによって、呼吸によって生じるような速い圧力の変化を測定することが可能であることが分かる。さらに、上記の圧力振動体を利用することによって、通常の呼吸により発生する圧力と深呼吸により発生する圧力のようなわずかな圧力の違いを検出できることが分かる。

図６は、本発明の物体の圧力変化の測定方法に使用できる圧力振動体の接触子に付与した圧力と、圧電振動子のインピーダンスとの関係を示すグラフである。図６のグラフは、アルミニウム製の振動子ケース（直径：１４ｍｍ、厚さ：３ｍｍ）の中央に、接触子の膨出部の先端を接触した状態で配置した構成の圧力振動体の圧電振動子に、周波数が３２０ｋＨｚの交流電圧を印加しながら、接触子に所定の圧力を付与した時の圧電振動子のインピーダンスの変化を表している。図６中のＡ〜Ｄは、接触子にそれぞれ下記の表１に記載の構成の接触子Ａ〜Ｄを用いた圧力振動体のデータである。このグラフに示すように、接触子に付与された圧力に対する圧電振動子のインピーダンスの変化量は、接触子の材料及び形状によって大きく変わる。圧力振動体の圧電振動子のインピーダンスの変化として測定される圧力変化のダイナミックレンジは、圧力振動体の接触子の材料及び形状などの構成を変えることによって調整できることが分かる。以上のグラフのデータから、圧力振動体の接触子の材料及び形状などの構成を、測定対象物の圧力変化の範囲に応じて設計することにより、圧力振動体を用いて種々の物体の圧力の変化を迅速にかつ高い精度で測定できることが分かる。

表１
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形状
──────────────────────────
膨出部の 測定対象物接触
接触子 材料 球曲率半径 面の球曲率半径 直径 厚さ
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Ａ ＮＢＲ（硬度４０度） ５０ｍｍ ５０ｍｍ １４．５ｍｍ ９．８ｍｍ
Ｂ ＮＢＲ（硬度４０度） ２０ｍｍ ５０ｍｍ １４．５ｍｍ ９．８ｍｍ
Ｃ ＮＢＲ（硬度７０度） ２０ｍｍ ５０ｍｍ １４．５ｍｍ ９．８ｍｍ
Ｄ ＰＯＭ ５０ｍｍ ５０ｍｍ １４．５ｍｍ ９．８ｍｍ
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ＮＢＲ：ニトリルゴムブタジエンゴム、即ちニトリルゴム
ＰＯＭ：ポリオキシメチレン、即ちポリアセタール樹脂

本発明の圧力測定方法は、動物の呼吸及び／又は心拍により発生する圧力の変化以外の圧力の変化の測定に利用することができる。測定対象物の圧力の変化は、連続的、間欠的、周期的のいずれでもあってもよい。測定対象物の例としては、例えば、気体もしくは液体が流れる可撓性もしくは剛性の管であって、気体もしくは液体の流量の変化により管の表面の圧力が変化するものを挙げることができる。

図７は、本発明の圧力測定方法の実施態様の一例を示す断面図である。
図７において、圧力振動体１は、測定対象物接触面２２が可撓性の管３の外壁に接触した状態で配置されている。可撓性の管３には液体あるいは気体の流体４が流れている。管３の内壁に流体４が接触することによって生じる圧力は、流体４の流量（流速）によって変化する。この圧力の変化を圧力振動体１の圧電振動子１０のインピーダンスの変化として検出することによって、管３を流れる流体４の流量の変化を監視することができる。また、予め、圧電振動子１０のインピーダンスと管３を流れる流体４の流量との関係を表した検量線を用意することによって、圧電振動子１０のインピーダンスから管３を流れる流体４の流量を求めることができる。また、本発明の圧力測定方法は、差圧式流量計の差圧の測定、コリオリ流量計の振動の測定にも利用することができる。

次に、本発明の圧力の変化の測定方法の実施に有利に使用できる圧力変化測定装置について説明する。
図８は、本発明に従う圧力変化測定装置の正面断面図であり、図９は、圧力変化測定装置の側面断面図である。なお、圧力検知回路３０の構成は、図４において示した圧力検知回路３０の構成と同じであるので詳細は記載を省略する。

図８、９に示す圧力変化測定装置において、ケース４０には、圧力振動体１と圧力検知回路３０とが収容されている。ケース４０は、上ケース４１と下ケース４３とから構成されている。上ケース４１と下ケース４３とは、上ケース４１に設けられている凸部４２と下ケース４３に設けられている凹部４４との係合によって固定されている（図９）。圧力振動体１は、接触子２０の測定対象物接触面２２がケース４０から突き出るように配置されている。

圧力振動体１の圧電振動子１０が収容されている振動子ケース１４は、下ケースの底部にリング状に設けられたケース保持部４５にて支持固定されている。接触子２０の周囲には、フランジ部２３が形成されている。フランジ部２３は、可撓性の連結部２４と、連結部２４と接続している下端面が膨出部２１の先端と同じ高さとなるように形成されている支持部２５とからなる。接触子２０は、ケース保持部４５の頂部に配置されたリング状の接触子保持具４６と上ケース４１との間に、リング状のパッキング４７、４８をそれぞれ介して挟まれた状態で支持固定されている。

上記圧力変化測定装置は、圧力振動体１の測定対象物接触面２２が測定対象物の荷重を受ける位置に配置してもよいし、測定対象物接触面２２と測定対象物の表面とが加圧状態で接触するようにベルトや粘着テープなどの固定具を用いて固定してもよい。圧力変化測定装置の圧力検知回路３０にて算出された測定対象物の圧力変化は、圧力変化測定装置に表示装置を配置し、その表示装置に表示してもよいし、圧力変化測定装置に発信装置を配置して、例えば、監視者が常駐している監視室に発信して、受信したインピーダンスの変化に基づいて、監視者が測定対象物の圧力の変化を監視するようにしてもよい。

本発明の圧力変化測定装置では、接触子の構成を変えることによって、測定可能な圧力のダイナミックレンジを調整することができる。次に、本発明の圧力変化測定装置に使用できる接触子の例を図１０の（ａ）〜（ｆ）に示す。
図１０（ａ）は、膨出部２１ａ、測定対象物接触面２２ａ及びフランジ部２３ａのうち、測定対象物接触面２２ａのみを異なる材料で形成した構成の接触子２０ａの断面図である。この接触子２０ａは、測定対象物接触面２２ａの材料の硬度が相対的に高く、膨出部２１ａ及びフランジ部２３ａの材料の硬度が相対的に低いことが好ましい。測定対象物接触面２２ａの材料に金属を用いてもよい。金属の例としては、アルミニウム、鉄、ステンレススチールを挙げることができる。

図１０（ｂ）は、膨出部２１ｂ、測定対象物接触面２２ｂ及びフランジ部２３ｂの各部にそれぞれ異なる材料を用いて形成した構成の接触子２０ｂの断面図である。この接触子２０ｂは、フランジ部２３ｂの材料の硬度が最も低く、次に膨出部２１ｂの材料の硬度が低く、そして測定対象物接触面２２ｂの材料の硬度が最も高いことが好ましい。
図１０（ｃ）は、膨出部２１ｃが半楕円球体状に形成された構成の接触子２０ｃの断面図である。

図１０（ｄ）は、膨出部２１ｄ、測定対象物接触面２２ｄ及びフランジ部２３ｄのうち、測定対象物接触面２２ｄのみを異なる材料で形成し、さらに測定対象物接触面２２ｄの縁部を突出させた構成の接触子２０ｄの断面図である。この接触子２０ｄは、測定対象物接触面２２ｄの材料の硬度が相対的に高く、膨出部２１ｄ及びフランジ部２３ｄの材料の硬度が相対的に低いことが好ましい。
図１０（ｅ）は、膨出部２１ｅの縁部を拡張させて、フランジ部２３ｅを形成した構成の接触子２０ｅの側面である。

図１０（ｆ）は、膨出部２１ｆの先端に、硬度の異なる膨出片２６を埋設した構成の接触子２０ｆの断面図である。この接触子２０ｆでは、測定対象物接触面２２ｆに圧力を付与して膨出片２６の全体が圧電振動子に接触するまでの間と、その後に膨出片２６以外の膨出部２１ｆの全体が圧電振動子に接触するまでの間とでは、測定対象物接触面２２ｆに付与された圧力に対する膨出部２１ｆの変形のし易さが変化する。このため、この接触子２０ｆでは、膨出片２６の全体が圧電振動子に接触する前と後で、接触子に付与された圧力に対する圧電振動子のインピーダンスの変化量が大きく異なる。
膨出片２６の硬度が膨出部２１ｆよりも硬度が低い場合は、通常、膨出片２６の全体が圧電振動子に接触する前は、圧電振動子のインピーダンスの変化量は相対的に大きくなり、膨出片２６の全体が圧電振動子に接触した後は、圧電振動子のインピーダンスの変化量は相対的に小さくなる。一方、膨出片２６の硬度が膨出部２１ｆよりも硬度が高い場合は、通常、膨出片２６の全体が圧電振動子に接触する前は、圧電振動子のインピーダンスの変化量は相対的に小さくなり、膨出片２６の全体が圧電振動子に接触した後は、圧電振動子のインピーダンスの変化量は相対的に大きくなる。

１ 圧力振動体
２ 動物
３ 可撓性の管
４ 流体
１０ 圧電振動子
１１ 圧電体
１２ 電極
１２ａ 折り返し電極
１３ 電極
１４ 振動子ケース
１５ａ、１５ｂ リード線
２０ 接触子
２１ 膨出部
２２ 測定対象物接触面
２３ フランジ部
２４ 連結部
２５ 支持部
２６ 膨出片
３０ 圧力検知回路
３１ 電源
３２ 電圧計
３３ 抵抗
３４ 電圧計
３５ 演算装置
４０ ケース
４１ 上ケース
４２ 凸部
４３ 下ケース
４４ 凹部
４５ ケース保持部
４６ 接触子保持具
４７、４８ パッキング

Claims (10)

1. 盤状の圧電体と該圧電体の両側表面のそれぞれに備えられた電極とからなる圧電振動子、そして一方の表面に膨出部を備え、該膨出部が該圧電振動子の一方の電極の表面に接触した状態で配置されている盤状の接触子を含む圧力振動体、但し該圧力振動体の接触子の膨出部は、その接触子の膨出部が備えられた表面とは反対側の表面が、表面にて圧力変化を起こす物体の表面と接触状態に置かれた場合に、該物体の圧力の変化に応じて接触子の膨出部と圧電振動子との接触面積が変化を示す物性を持つ有機高分子弾性材料から形成されている、を表面にて圧力変化を起こす物体の表面に、該圧力振動体の接触子の膨出部が備えられた表面とは反対側の表面にて接触した状態で配置する工程；該圧力振動体の圧電振動子に、該圧電振動子に固有の共振周波数に相当する周波数の交流電圧を印加することにより、圧電振動子を振動状態とする工程；振動状態にある圧電振動子から電流を取り出す工程；上記物体の圧力の変化に連動して発生する該電流の電流値の変化と圧電振動子に印加した交流電圧の電圧値とから圧電振動子のインピーダンスの変化を算出する工程；及び該インピーダンスの変化を圧力の変化に換算する工程を含む、物体の圧力の変化を測定する方法。
2. 物体の圧力の変化が、動物の呼吸及び／又は心拍により発生する圧力の変化以外の圧力の変化である請求項１に記載の方法。
3. 圧力振動体を接触させる物体が、気体もしくは液体が流れる可撓性もしくは剛性の管であって、物体の圧力の変化が、該管を流れる気体もしくは液体の流量の変化により発生する圧力の変化である請求項１に記載の方法。
4. 上記圧電体が円盤状である請求項１に記載の方法。
5. 上記接触子が一方の表面に膨出部が形成された円盤状である請求項１に記載の方法。
6. 上記接触子の直径と厚さの比が、１：１〜１：１／５の範囲にある、但し接触子の厚さは膨出部の先端から膨出部が備えられた表面とは反対側の表面までの厚さを意味する請求項１に記載の方法。
7. 上記接触子の膨出部が半球状である請求項１に記載の方法。
8. 上記接触子の全体が有機高分子弾性材料から形成されている請求項１に記載の方法。
9. 盤状の圧電体と該圧電体の両側表面のそれぞれに備えられた電極とからなる圧電振動子、そして一方の表面に膨出部を備え、該膨出部が該圧電振動子の一方の電極の表面に接触した状態で配置されている盤状の接触子を含む物体の圧力の変化の検出用の圧力振動体、但し該圧力振動体の接触子の膨出部は、その接触子の膨出部が備えられた表面とは反対側の表面が、表面にて圧力変化を起こす物体の表面と接触状態に置かれた場合に、該物体の圧力の変化に応じて接触子の膨出部と圧電振動子との接触面積が変化を示す物性を持つ有機高分子弾性材料から形成されている。
10. ケース、該ケースに収容されている、盤状の圧電体と該圧電体の両側表面のそれぞれに備えられた電極とからなる圧電振動子、そして一方の表面に膨出部を備え、該膨出部が該圧電振動子の一方の電極の表面に接触した状態で配置されている盤状の接触子を含む圧力振動体、但し該圧力振動体の接触子の膨出部は、その接触子の膨出部が備えられた表面とは反対側の表面が、表面にて圧力変化を起こす物体の表面と接触状態に置かれた場合に、該物体の圧力の変化に応じて接触子の膨出部と圧電振動子との接触面積が変化を示す物性を持つ有機高分子弾性材料から形成されている、該圧力振動体の圧電振動子に電気的に接続している、圧電振動子に、該圧電振動子に固有の共振周波数に相当する周波数の交流電圧を印加する手段、振動状態にある圧電振動子から電流を取り出す手段、該電流の電流値の変化と圧電振動子に印加した交流電圧の電圧とから圧電振動子のインピーダンスの変化を算出する手段を有し、該圧力振動体は、該接触子の膨出部が備えられた表面とは反対側の表面がケースから突出するように配置されてなる物体の圧力変化測定装置。

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