JP2019203852A - Piezoelectric vibration sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電素子を利用した圧電振動センサに関し、例えば、脈拍などの各種の振動波形の検出に好適な振動波形センサの改良に関する。 The present invention relates to a piezoelectric vibration sensor using a piezoelectric element, for example, to an improvement of a vibration waveform sensor suitable for detecting various vibration waveforms such as a pulse.
脈拍の連続測定による健康管理に関するセンサデバイスの中で、圧電素子を利用した振動波形センサが考案されている。これを指先に巻き付けて使用し、指先の動脈血管壁からの振動を脈波として捉えて医療的診療に応用する例が、下記特許文献1に開示されている。
Among sensor devices related to health management by continuous measurement of pulse, a vibration waveform sensor using a piezoelectric element has been devised. An example in which this is wound around a fingertip and used, and the vibration from the arterial blood vessel wall of the fingertip is regarded as a pulse wave and applied to medical practice is disclosed in
図5には、その基本的な構成が示されており、同図(A)は圧電振動センサ10の断面を示し、同図(B)は分解した様子を示し、同図(C)は底面側から見た様子を示している。これらの図において、圧電振動センサ10は、基板20の主面上に圧電素子30が配置されており、この圧電素子30を、振動導入体として作用する振動リング40で覆った構造となっている。
FIG. 5 shows a basic configuration thereof. FIG. 5A shows a cross section of the
以上の各部のうち、基板20は、圧電素子30を固定支持するとともに、その電極の引出や信号増幅を行うためのものである。基板20の主面には、中央付近に一対の電極ランド22,23が設けられており、その周囲にはグランド導体24が形成されている。電極ランド22,23は、基板20の裏面側にスルーホール22A,23Aによって引き出されている。電極ランド22,23には、圧電素子30の端子(図示せず)が導電性接着剤などで接合されている。このように、電極ランド22,23及びスルーホール22A,23Aによって、基板20の裏面側に設けられたアンプなどと圧電素子30とが接続されている。電極ランド22,23を覆うように絶縁性の樹脂を設けてもよいし、更に圧電素子30も樹脂で覆ってよい。
Of the above-described portions, the
次に、前記圧電素子30には、それを囲むように振動リング40が設けられており、振動リング40はグランド導体24と電気的に接合している。また、グランド導体24は、スルーホール24A,24B(同図(A)のみ図示)によって基板20の裏面側に引き出されている。振動リング40は、例えばステンレスによって形成されて導電性を有しており、接触する人体の皮膚との間でグランド電位を共通にするとともに、生体、例えば皮膚の微小振動を導入して、更に基板20に伝達する振動導入体として機能する。
Next, the
以上のような圧電振動センサ10は、例えば、同図(D)に示すように、人体の指などの適宜位置に、医療用の固定テープ12などによって、振動リング40が人体の皮膚BDに当たるように装着される。一方、心臓の拍動に伴う血液の流入によって生ずる容積変化である脈波HPは、同図(E)に示すように、皮膚BDの微小振動として圧電振動センサ10の振動リング40に伝わる。振動リング40の振動は、更に、振動体ないし起歪体としても機能する基板20を振動させ、振動リング40から伝達された微小振動が圧電素子30に伝達される。これにより、例えば皮膚BDの微小振動が電圧信号として検出される。
In the
以上のように、背景技術の圧電振動センサ10においては、振動センシング感度を高めるために振動リング40を配置する必要があるが、振動リング40は、実装状態によってセンサ感度に大きく影響を与えることが知られている。特に、生体からの微小振動が、振動リング40から基板20を介して圧電素子を伝わって、信号電圧として測定されることから、基板20と振動リング40との接合構造が、振動センサとしてのセンシング感度に大きく影響する。
As described above, in the
本発明は、かかる点に着目したもので、基板と振動リングとの接合構造を工夫することにより、センシング感度の向上を図ることができる圧電振動センサを提供することを、その目的とする。 This invention pays attention to this point, and it is an object of the present invention to provide a piezoelectric vibration sensor capable of improving sensing sensitivity by devising a joint structure between a substrate and a vibration ring.
本発明は、振動を伝達する回路基板と、該回路基板に設けられた圧電素子と、開口を備えており、前記回路基板の圧電素子の周囲にハンダ付けされ、対象物に接触してその振動を前記回路基板に伝達する振動導入体と、前記回路基板と前記振動導入体とを接合し、ハンダによって固着されている固着領域と、固着されていない非固着領域が存在する接合部とを有することを特徴とする。 The present invention includes a circuit board for transmitting vibration, a piezoelectric element provided on the circuit board, and an opening. The circuit board is soldered around the piezoelectric element of the circuit board and comes into contact with an object to vibrate the vibration. A vibration-introducing body that transmits the circuit board to the circuit board, the circuit board and the vibration-introducing body are bonded to each other, and a bonding area that is fixed by solder and a bonding portion that includes a non-fixed area that is not fixed. It is characterized by that.
主要な形態の一つによれば、前記固着領域が複数設けられており、これら複数の固着領域が、前記振動導入体の中心もしくは中心を通る中心線から見て対称となる位置に配置されていることを特徴とする。他の形態によれば、前記固着領域の全体の範囲が、前記振動導入体の中心から見た角度で120度から180度であることを特徴とする。更に他の形態によれば、前記圧電素子とその電極を通る中心方向が、前記非固着領域となっていることを特徴とする。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。 According to one of the main forms, a plurality of the fixing regions are provided, and the plurality of fixing regions are arranged at positions symmetrical with respect to the center of the vibration introducing body or a center line passing through the center. It is characterized by being. According to another aspect, the entire range of the fixed region is 120 to 180 degrees as viewed from the center of the vibration introducing body. According to still another embodiment, a center direction passing through the piezoelectric element and its electrode is the non-fixed region. 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、前記回路基板と前記振動導入体との接合部が、固着されている固着領域と、固着されていない非固着領域とを有する構成としたので、センシング感度の向上を図ることができる。 According to the present invention, since the junction between the circuit board and the vibration introducing body has a fixed region that is fixed and a non-fixed region that is not fixed, the sensing sensitivity can be improved. Can do.
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail based on examples.
最初に、図1を参照しながら、本発明の実施例1について説明する。図1には、本実施例の圧電振動センサの基本的な構造が示されている。同図(A-1),(A-2)は、振動リングを設置する前の状態を示しており、同図(A-1)は圧電振動センサ100の主要断面を示し、同図(A-2)は平面を示す。同図(A-2)の#1−#1線に沿って矢印方向に見た図が、同図(A-1)である。これらの図に示すように、基板20の主面には、中央付近に一対の電極ランド22,23が設けられており、その周囲にはグランド導体24が形成されている。電極ランド22,23は、基板20の裏面側にスルーホール22A,23Aによって引き出されている。電極ランド22,23には、圧電素子30の端子(図示せず)が導電性接着剤などで接合されている。このように、電極ランド22,23及びスルーホール22A,23Aによって、基板20の裏面側に設けられたアンプなどと圧電素子30とが接続されている。以上の点は、上述した背景技術と同様である。
First,
基板20としては、例えば、12mm角で厚さ1mmのガラスエポキシなどの樹脂基板を使用するが、セラミックのような硬質の基板を用いてもよい。圧電素子30としては、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)が使われるが、特に材質は問わず、適切な感度(圧電定数、容量)を持つものを用い、形状も問わないが、例えば「0603」から「3216」程度のものを用いる。
As the
次に、同図(B-1),(B-2)を参照しながら、基板20に対する振動リング40の取り付け(実装)について説明する。同図(B-1)は平面を示し、同図(B-2)は振動リング取り付け時の様子を示す斜視図である。振動リング40の取り付けには、ハンダが一般的だが、導電性樹脂や接着剤などを用いてもよい。要は、基板20と振動リング40とが固着する手段が用いられればよい。
Next, the attachment (mounting) of the
ところで、本実施例では、振動リング40の全周ではなく、2か所に制限してハンダ130,132が設けられている。ハンダ付けする位置としては、図示のように、圧電素子30の電極ランド22,23を通る中心方向ないし中心線FPと直交する中心方向ないし中心線FQが実装しやすいが、これに限る必要はない。なお、中心線FP,FQの交点は、圧電素子30の中心CPであり、圧電素子30が振動リング40の中心に位置するので、中心CPは、振動リング40の中心でもある。
By the way, in the present embodiment, the
ハンダ付けの角度θA,θB(基板20と振動リング40との固着領域の角度)は、前記中心線FQに対して、両方向にそれぞれ20度から45度(合わせてθA+θB=60〜90度,ハンダ130,132の合計で120〜180度)が好ましい。このような2か所のハンダ130,132に対して、同図(B-2)に示すように、振動リング40が基板20にハンダ付けされる。
Soldering angles θA and θB (an angle of the fixing region between the
以上のようにして得た圧電振動センサ100により、標準脈波を用いて上述した背景技術の圧電振動センサ10との振幅比較を行ったところ、以下のデータを得た。数値は、デジタル出力による無次元量(元の数値は圧電振動センサから出力された電圧をアンプで増幅したもの)である。この表に示すように、全周をハンダ付けする従来技術では「100」であるのに対し、本実施例のハンダ取り付け合計角度120度(θA+θB=60度×2ヵ所)の場合には「1200」となっており、非常に高いセンシング感度が得られている。
このように、本実施例によれば、全周ではなく、2か所に制限して基板20に振動リング40をハンダ付けにより固着することとしたので、圧電振動センサ100のセンシング感度の大幅な向上を図ることができる。従来の振動リング40の全周をハンダ付けする方法では、固く固着され過ぎていることから、振動リング40の動きが阻害されるようになることから、大きなセンシング感度が得られなかった。しかし、本実施例によれば、基板20と振動リング40とが強固に固着されている固着領域と、固着されていない可動部分である非固着領域とを持つことにより、振動リング40に伝わった振動で大きく基板20が撓むようになり、この振動が更に圧電素子30に伝わることで、高いセンシング感度が得られる。
As described above, according to this embodiment, since the
次に、図2(A),(B)を参照しながら、本発明の実施例2について説明する。同図(A)の圧電振動センサ200では、振動リング40の取り付けが、ハンダ202,204,206の3箇所となっており、それぞれ角度θ200が50度(50度×3ヵ所)となっている。この例では、ハンダ202,204,206は、圧電素子30の中心方向FPに対して線対称に設けられていると考えることができるし、圧電素子30の中心(FP,FQの交点)から見て、点対称の位置に設けられていると考えることもできる。同図(B)の圧電振動センサ210は、ハンダ202,204,206の角度は同じであり、位置を30度ずらした例である。しかし、圧電素子30の中心方向FPに直交するFQに対して線対象となっており、圧電素子30の中心から見て点対称となっている。これらの例における圧電振動センサ10との振幅検出感度は、前記表1に示すように「500」であり、全周の従来技術よりも高いセンシング感度が得られている。
Next,
次に、図2(C),(D)を参照しながら、本発明の実施例3について説明する。本実施例の圧電振動センサ300では、振動リング40の取り付けが、ハンダ302,304,306,308の4箇所となっており、それぞれ角度θ300が40度(40度×4ヵ所)となっている。本実施例のハンダ302,304,306,308は、圧電素子30の中心に対して線対称,点対称のいずれの配置ともなっていると考えることができる。同図(D)の圧電振動センサ310は、ハンダ302,304,306,308の角度は同じであり、位置を90度ずらした例である。この例における圧電振動センサ10との振幅検出感度は、前記表1に示すように「300」であり、全周の従来技術よりも高いセンシング感度が得られている。
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 (C) and 2 (D). In the
ここで、上述した実施例1〜3を比較すると、ハンダ取り付けの合計角度が大きくなるほど、センシング感度は低下している。このような結果からすると、ハンダ取り付けの合計角度が180度より大きくなると、基板20の動きが阻害されるようになり、センシング感度が低下し、従来技術と同等のセンシング感度しか得られなくなる。しかし、ハンダ取り付けの合計角度が120度から小さくなると、今度は、基板20に対する振動リング40の固定強度が低下する恐れがあり、同様にセンシング感度は低下することとなる。してみると、ハンダ取り付けの合計角度は、実装強度も考慮すると、120度から180度の範囲が好ましい。
Here, when Examples 1 to 3 described above are compared, the sensing sensitivity decreases as the total angle of solder attachment increases. According to such a result, when the total angle of solder attachment becomes larger than 180 degrees, the movement of the
次に、図3〜図4を参照しながら、本発明の実施例4について説明する。図3(A)は、上述した実施例1におけるハンダ取り付け位置を示すが、これを角度を90度ずらして、同図(B)に示すような配置としてもよい。なお、実装の観点からは、同図(A)のほうが、ハンダ130,132を着けやすいといった利点がある。
Next, Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 (A) shows the solder mounting position in the above-described first embodiment, but it may be arranged as shown in FIG. 3 (B) by shifting the angle by 90 degrees. From the viewpoint of mounting, FIG. 5A has an advantage that the
図3(C)の圧電振動センサ400は、5つのハンダ402〜410を等間隔であって、かつ、圧電素子30の中心方向FPに対して線対称に配置した例である。同図(D),(E)の圧電振動センサ500は、6つのハンダ502〜512を等間隔に配置した例で、同図(D)における配置を30度ずらしたものが同図(E)である。
The
図4(A)の圧電振動センサ600は、4つのハンダ602〜608が図2(C),(D)に示した例のように等間隔ではなく、ハンダ602,604及びハンダ606,608の間隔は狭く、ハンダ604,606及びハンダ602,608の間隔は広くなっている。図4(B)の圧電振動センサ610は、振動リングが円筒ではなく、楕円となっている場合の例であり、2つのハンダ612,614が設けられている。もちろん、この例でも、上述したように、更に多数のハンダを設けるようにしてよい。同図(C)の圧電振動センサ620は、振動リングが円筒ではなく、長方形となっている場合の例であり、4つのハンダ622〜628が設けられている。もちろん、この例でも、上述したように、ハンダの数は増減してよい。
In the
同図(D)の圧電振動センサ630は、4つのハンダ632〜638のうち、対向するハンダ632と636を短く設定し、ハンダ634,638を長く設定した例であり、4つのハンダ632〜638は中心線FP,FQに対して線対象とはなっていないが、中心CPに対して点対称の配置となっている。同図(E)の圧電振動センサ640は、ハンダ642,644が短く、ハンダ646が長く設定されている。この例は、中心CPに対して点対称ではないが、中心線FPに対して線対称となっている。
The
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)前記実施例で示したハンダないし固着領域は一例であり、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更可能である。
(2)前記実施例で示した振動リングも一例であり、各種の形状,構造としてよい。例えば、ハムノイズなどの環境電磁ノイズの影響を受けることがあるので、それを改善するために電磁的にシールドを施した構造としてもよい(国際公開WO 2017/187710号公報参照)。あるいは、特願2018- 58943として出願されているようなキャップによる電磁気シールド構造としてもよい。
In addition, this invention is not limited to the Example mentioned above, A various change can be added in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, the following are also included.
(1) The solder or fixing region shown in the above embodiment is an example, and can be appropriately changed within the scope of the present invention.
(2) The vibration ring shown in the above embodiment is also an example, and may have various shapes and structures. For example, since it may be affected by environmental electromagnetic noise such as hum noise, it may be structured to be electromagnetically shielded in order to improve it (see International Publication WO 2017/187710). Alternatively, an electromagnetic shield structure with a cap as filed as Japanese Patent Application No. 2018-58943 may be used.
本発明によれば、前記回路基板と前記振動導入体との接合部が、固着されている固着領域と、固着されていない非固着領域とを有する構成としたので、センシング感度の向上を図ることができ、脈波などのセンサとして好適である。 According to the present invention, since the junction between the circuit board and the vibration introducing body has a fixed region that is fixed and a non-fixed region that is not fixed, the sensing sensitivity can be improved. It is suitable as a sensor such as a pulse wave.
10:圧電振動センサ
12:固定テープ
20:基板
22,23:電極ランド
22A,23A:スルーホール
24:グランド導体
24A,24B:スルーホール
30:圧電素子
40:振動リング
100:圧電振動センサ
130,132:ハンダ
200:圧電振動センサ
202,204,206:ハンダ
210:圧電振動センサ
300:圧電振動センサ
302,304,306,308:ハンダ
310,400:圧電振動センサ
402〜410:ハンダ
500:圧電振動センサ
502〜512:ハンダ
600:圧電振動センサ
602〜608:ハンダ
610:圧電振動センサ
612,614:ハンダ
620:圧電振動センサ
622〜628:ハンダ
630:圧電振動センサ
632〜638:ハンダ
640:圧電振動センサ
642,644,646:ハンダ
BD:皮膚
CP:中心
FP,FQ:中心方向ないし中心線
HP:脈波
10: Piezoelectric vibration sensor 12: Fixed tape 20:
Claims (4)
該回路基板に設けられた圧電素子と、
開口を備えており、前記回路基板の圧電素子の周囲にハンダ付けされ、対象物に接触してその振動を前記回路基板に伝達する振動導入体と、
前記回路基板と前記振動導入体とを接合し、ハンダによって固着されている固着領域と、固着されていない非固着領域が存在する接合部と、
を有することを特徴とする圧電振動センサ。 A circuit board for transmitting vibrations;
A piezoelectric element provided on the circuit board;
A vibration introducing body that includes an opening, is soldered around the piezoelectric element of the circuit board, and contacts the object to transmit the vibration to the circuit board;
Bonding the circuit board and the vibration introducing body, a bonding region that is fixed by solder, and a bonding portion where there is a non-fixed region that is not fixed,
A piezoelectric vibration sensor characterized by comprising:
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