JP2020049135A - 脈波センサ、及び振動センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出感度を向上する。【解決手段】脈波センサは、第１空気室を有するセンサ筐体と、生体側に開口された開口部を生体表面に押し当てることで形成される第２空気室を有するアタッチメント部と、第１空気室と第２空気室とを連通する連通孔と、第１空気室の内部の圧力と第２空気室の内部の圧力との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーとを有するセンサ基板と、第１空気室と第２空気室とが所定の容積に設定されることにより、カンチレバーの撓み変形に基づく第２空気室の内部の圧力変動の検出が所定の周波数特性を持ち、当該圧力変動に基づいて脈波を検出する脈波検出部と、からなる。【選択図】図１

Description

本発明は、脈波センサ、及び振動センサに関する。

圧力センサを利用して、心臓の拍動に伴って伝わる血管（動脈）の圧力波を脈波として測定する脈波センサが知られている（例えば、特許文献１）。このよう脈波センサでは、血管の脈動に起因した皮膚の変動を、シール部材の開口部を皮膚に押し当てることで形成される密閉空間（空気室）の内部の圧力変化として、圧力センサが検出することで、脈波を検出している。

特開２０１６−６３９３６号公報

しかしながら、上述したような従来の脈波センサでは、例えば、低周波の検出感度がほぼ直流に近い超低周波まで及んでおり、脈波だけでなく呼吸や体動などによる低周波ノイズを同時に検出していた。そのため、従来の脈波センサでは、ＳＮ比（Signal-to-Noise ratio）が低下して検出感度が低下する可能性があった。

本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、検出感度を向上させることができる脈波センサ、及び振動センサを提供することにある。

上記問題を解決するために、本発明の一態様は、第１空気室を有するセンサ筐体と、生体側に開口された開口部を生体表面に押し当てることで形成される第２空気室を有するアタッチメント部と、前記第１空気室と前記第２空気室とを連通する連通孔と、前記第１空気室の内部の圧力と前記第２空気室の内部の圧力との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーとを有するセンサ基板と、前記第１空気室と前記第２空気室とが所定の容積に設定されることにより、前記カンチレバーの撓み変形に基づく前記第２空気室の内部の圧力変動の検出が所定の周波数特性を持ち、当該圧力変動に基づいて脈波を検出する脈波検出部と、からなることを特徴とする脈波センサである。

また、本発明の一態様は、上記の脈波センサにおいて、前記カンチレバーは、基端部から先端部に向けて一方向に延びる板状に形成され、基端部が前記センサ基板に片持ち状に支持された状態で前記センサ筐体の開口内側に配設され、前記連通孔として、前記カンチレバーの外周縁と前記センサ筐体の開口端との間に、前記カンチレバーの外周縁に沿ってギャップが形成されており、前記第１空気室の容積と前記第２空気室の容積とは、前記圧力変動の検出の周波数特性が、下限周波数ｆｃＬＯＷになるように設定され、前記下限周波数ｆｃＬＯＷは、次式（Ａ）
ｆｃＬＯＷ＝ｋ・Ｇ^２・（Ｖ１＋Ｖ２）／（Ｖ１・Ｖ２） ・・・ （Ａ）
〔式中、ｋは比例定数、Ｇは前記ギャップの幅（μｍ）、Ｖ１は第１空気室の容積（ｍｌ）、Ｖ２は第２空気室の容積（ｍｌ）である。〕
によって表されることを特徴とする。

また、本発明の一態様は、上記の脈波センサにおいて、前記比例定数ｋは、０．００５〜０．０２の範囲内であることを特徴とする。

また、本発明の一態様は、上記の脈波センサにおいて、内部に所定の容積の中空を有し、前記第１空気室の容積を変更する容積変更部を備え、前記センサ筐体は、前記容積変更部と接続される変更開口部を備え、前記変更開口部に接続される前記容積変更部によって、前記第１空気室の容積が変更可能に構成されていることを特徴とする。

また、本発明の一態様は、上記の脈波センサにおいて、前記脈波検出部は、前記カンチレバーの撓み変形に応じて抵抗値が変化する変位検出抵抗を含む抵抗値変化検出回路を有し、前記変位検出抵抗の抵抗値変化に対応した前記抵抗値変化検出回路からの出力信号に基づいて前記脈波を検出することを特徴とする。

また、本発明の一態様は、第１空気室を有するセンサ筐体と、生体側に開口された開口部を生体表面に押し当てることで形成され、第２空気室を有するアタッチメント部と、前記第１空気室と前記第２空気室とを連通する連通孔と、前記第１空気室の内部の圧力と前記第２空気室の内部の圧力との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーとを有するセンサ基板と、前記第１空気室と前記第２空気室とが所定の容積に設定されることにより、前記カンチレバーの撓み変形に基づく前記第２空気室の内部の圧力変動の検出が所定の周波数特性を持ち、当該圧力変動に基づいて振動を検出する検出部と、からなることを特徴とする振動センサである。

本発明によれば、検出感度を向上させることができる。

第１の実施形態による脈波センサの一例を示す構成図である。 第１の実施形態における圧力センサの一例を示す断面図である。 第１の実施形態における圧力センサの一例を示す平面図である。 第１の実施形態における脈波検出部の一例を示す回路図である。 キャビティを備えない場合の動作原理を説明する図である。 第１の実施形態による脈波センサの動作原理を説明する図である。 第１の実施形態におけるキャビティの容積とカットオフ周波数との関係を示す図である。 第１の実施形態における脈波センサの検出結果の一例を示す図である。 第２の実施形態による脈波センサの一例を示す構成図である。

以下、本発明の実施形態による脈波センサについて図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態による脈波センサ１の一例を示す構成図である。
図１（ａ）に示すように、本実施形態による脈波センサ１（振動センサの一例）は、使用者の手首ＷＲ（生体の一例）に装着されて使用され、心臓の拍動に伴って伝わる橈骨動脈ＢＶ（測定対象血管の一例）の圧力波を脈波として測定するセンサである。具体的には、脈波センサ１は、主に手首ＷＲの裏側（手の平側）に装着される。

なお、橈骨動脈ＢＶは、人体の腕部の長さ方向に沿って延びる動脈であり、橈骨動脈ＢＶの血管幅は、一般的に２ｍｍ〜４ｍｍの範囲内とされている。本実施形態では、橈骨動脈ＢＶが延びる方向を走行方向Ｍ１（本発明に係る第１方向）といい、手首ＷＲの裏側の平面視で走行方向Ｍ１に対して直交するように交差する方向を交差方向Ｍ２（本発明に係る第２方向）という。

また、図１（ｂ）は、本実施形態による脈波センサ１の図１（ａ）のＡ−Ａに沿った断面図である。
図１（ｂ）に示すように、脈波センサ１は、圧力センサ１０と、センサ基板２０と、キャビティ筐体２１と、アタッチメント部３０と、脈波検出部４０とを備えている。
なお、本実施形態では、皮膚ＳＫからセンサ基板２０に向かう方向を上方といい、その反対方向を下方という。

センサ基板２０は、例えば、回路基板であり、センサ基板２０の上側主面（第１主面）には、後述するＳＯＩ基板５０、キャビティ筐体２１、及び脈波検出部４０が実装されている。また、センサ基板２０には、当該センサ基板２０を厚み方向に貫通する貫通孔２２が形成されている。センサ基板２０は、皮膚ＳＫ（手首ＷＲ表面）に対して対向配置された状態で手首ＷＲに固定される。

なお、センサ基板２０の平面視で、互いに直交する２方向のうちの一方の方向を前後方向Ｌ１といい、他方向を左右方向Ｌ２という。センサ基板２０は、前後方向Ｌ１に沿った長さが左右方向Ｌ２に沿った長さよりも長い平面視長方形状に形成されている。ただし、センサ基板２０の形状はこの場合に限定されるものではなく、適宜変更して構わない。
また、本実施形態では、橈骨動脈ＢＶの走行方向Ｍ１にセンサ基板２０の左右方向Ｌ２が一致し、且つ交差方向Ｍ２にセンサ基板２０の前後方向Ｌ１が一致するように、脈波センサ１が手首ＷＲに固定されるものとする。

アタッチメント部３０は、センサ基板２０から下方に向けて（皮膚ＳＫ（手首ＷＲ表面）に向けて突出するように形成されている。アタッチメント部３０は、センサ基板２０に対して一体に組み合わされるとともに、皮膚ＳＫ側に開口した開口部３１を皮膚ＳＫに押し当てることで密閉される空気室３２（第２空気室の一例）を内部に有する。すなわち、アタッチメント部３０の内側に位置する内部空間が空気室３２に対応する。

圧力センサ１０は、センサ基板２０に支持されるとともに、空気室３２の内部の圧力変化に応じて変位する。圧力センサ１０は、キャビティ筐体２１と、ＳＯＩ基板５０とを備える。
キャビティ筐体２１（センサ筐体の一例）は、ＳＯＩ基板５０を覆うように、センサ基板２０の上側に配置され、底箱状に形成されている筐体である。すなわち、キャビティ筐体２１は、センサ基板２０によりキャビティ筐体２１の開口面（キャビティ５の開口面）を覆うように、センサ基板２０の上側主面に配置されている。換言すると、センサ基板２０は、キャビティ筐体２１の開口面を覆うように配置されている。キャビティ筐体２１は、例えば、四角形状（立方形状）の有底箱状に形成されている。
ここで、図２及び図３を参照して、圧力センサ１０の構成の詳細について説明する。

図２は、本実施形態における圧力センサ１０の一例を示す断面図である。また、図３は、本実施形態における圧力センサ１０の一例を示す平面図である。なお、図２に示す圧力センサ１０の断面図は、図３に示すＢ−Ｂ線に沿った縦断面図に相当する。

図２及び図３に示すように、圧力センサ１０は、空気室３２の内部の圧力変化に応じて撓み変形可能なカンチレバー３とキャビティ５（第１空気室の一例）とを備えている。
カンチレバー３は、センサ基板２０の上面に対して重なった状態で接合された半導体基板によって形成されている。本実施形態では、半導体基板として、シリコン支持層５１、シリコン酸化膜等の絶縁層５２及びシリコン活性層５３を、下方からこの順番で配置されたＳＯＩ基板５０を例に挙げて説明している。従って、カンチレバー３は、ＳＯＩ基板５０によって形成されている。

ただし、カンチレバー３はＳＯＩ基板５０によって形成される場合に限定されるものではない。なお、シリコン支持層５１を一定電位に維持する（例えば、シリコン支持層５１をセンサ基板２０のグラウンド等に接続）等して、ＳＯＩ基板５０に厚さ方向の電位差の変動が生じることを抑制することが好ましい。

また、ＳＯＩ基板５０は、センサ基板２０と同様に、前後方向Ｌ１に沿った長さが左右方向Ｌ２に沿った長さよりも長い平面視長方形状に形成されている。シリコン支持層５１及び絶縁層５２には、これらシリコン支持層５１及び絶縁層５２を厚み方向に貫通するとともに、センサ基板２０と同様に貫通孔２２が形成されている。

貫通孔２２は、空気室３２内に貫通しているとともに、後述するギャップＧ１及びギャップＧ２を通じてカンチレバー３の上方に位置するキャビティ５に連通している。これにより、ギャップＧ１及びギャップＧ２と、貫通孔２２を通じて、空気室３２内とキャビティ５とは互いに連通している。すなわち、圧力センサ１０は、キャビティ５の内部と外部とを連通する連通孔（ギャップＧ１及びギャップＧ２）と、カンチレバー３とを備えている。

カンチレバー３は、片持ち状に支持された状態でＳＯＩ基板５０に形成されている。カンチレバー３は、基端部３ｂが片持ち支持されており、基端部３ｂが半導体基板に接続され、且つ先端部３ａが自由端とされた片持ち梁構造とされ、キャビティ５を覆うように配置されている。また、カンチレバー３は、基端部３ｂから先端部３ａに向けて一方向に延びる板状であり、キャビティ５の内部と外部（空気室３２の内部）との圧力差に応じて撓み変形する。また、カンチレバー３は、レバー本体２と、レバー本体２を片持ち状態で支持する複数のレバー支持部４とを有し、キャビティ５を覆うように配置される。
なお、本実施形態では、前後方向Ｌ１に沿ってレバー支持部４からレバー本体２に向かう方向を前方といい、その反対方向を後方という。

ギャップＧ１は、平面視でキャビティ５の内部に連通する領域内に形成され、空気をキャビティ５の内外に流通させる連通孔として機能する。ギャップＧ１は、連通孔として、カンチレバー３の外周縁とキャビティ筐体２１の開口端との間に、カンチレバー３の外周縁に沿って形成されている。なお、ギャップＧ１の幅を、ギャップ幅Ｇ（μｍ（マイクロメートル））とする。

カンチレバー３の基端部３ｂには、当該カンチレバー３を厚さ方向に貫通する平面視コ形状（Ｃ形状）のギャップＧ２（区画溝）が形成されている。ギャップＧ２は、左右方向Ｌ２に間隔をあけて、前後方向Ｌ１に互いに平行に配置された２つの直線ギャップのうちの１つに後述するギャップＧ３に接続されて形成されている。このギャップＧ２は、カンチレバー３の基端部３ｂにおいて圧力センサ１０の左右方向Ｌ２の中央部に配置されている。これにより、カンチレバー３は基端部３ｂを中心として撓み変形し易い構造とされている。

２つのレバー支持部４は、ギャップＧ２を挟んで左右方向Ｌ２に並ぶように配置され、レバー本体２と半導体基板とを接続するとともにレバー本体２を片持ち状態で支持している。従って、カンチレバー３は、これらレバー支持部４を中心に撓み変形する。
なお、２つのレバー支持部４の左右方向Ｌ２に沿った支持幅は、同等とされている。従って、カンチレバー３が撓み変形した際、一方のレバー支持部４に作用する応力と、他方のレバー支持部４に作用する応力とは同等とされている。

上述したカンチレバー３には、ピエゾ抵抗（抵抗素子）であるドープ層６（不純物半導体層）が全面に亘って形成されている。このドープ層６は、例えばリン等のドープ材（不純物）がイオン注入法や拡散法等の各種の方法によりドーピングされることで形成されている。

ドープ層６のうち、カンチレバー３が形成された部分（レバー支持部４に形成されている部分を含む）は、上述した抵抗Ｒ１（変位検出抵抗）として機能する。抵抗Ｒ１は、レバー支持部４の撓み量に応じて抵抗値が変化する。
また、ドープ層６の上面には、ドープ層６よりも電気抵抗率が小さい導電性材料（例えば、Ａｕ（金）等）からなる外部電極７が形成されている。この外部電極７は、抵抗Ｒ１（変位検出抵抗）の第１端（例えば、外部電極７Ａ）及び第２端（例えば、外部電極７Ｂ）として機能する。

シリコン活性層５３には、当該シリコン活性層５３を複数の領域に区画する複数の溝部が形成されている。本実施形態では、ギャップＧ１及びギャップＧ３が、シリコン活性層５３の上面から絶縁層５２に達する深さで形成されている。
ギャップＧ１は、前後方向Ｌ１に沿って直線状に延びるように形成されている。ギャップＧ１は、前端部がＳＯＩ基板５０の前方側の側面に達し、且つ後端部が連通孔として連通するように形成されている。これにより、ドープ層６（ピエゾ抵抗）及び外部電極７のうち、前方側に位置する部分は、ギャップＧ１によって左右方向Ｌ２に分断されている。

ギャップＧ３は、シリコン活性層５３のうちギャップＧ２よりも後方側に位置する領域に、ギャップＧ２に接続されて形成されているとともに、前後方向Ｌ１に沿って直線状に延びるように形成されている。ギャップＧ３は、前端部がギャップＧ２に連通し、且つ後端部がＳＯＩ基板５０の後方側の側面に達するように形成されている。これにより、ドープ層６（ピエゾ抵抗）及び外部電極７のうち、ギャップＧ３によって左右方向Ｌ２に分断されている。
上述したギャップＧ１及びギャップＧ３によって、外部電極７は、外部電極７Ａ及び外部電極７Ｂに区画されている。従って、外部電極７Ａ及び外部電極７Ｂは、後述する変位検出抵抗（抵抗Ｒ１）を経由する通電経路を除き、直接的な相互の電気的接続は切り離されている。

図１の説明に戻り、脈波検出部４０は、圧力センサ１０の変位に基づいて橈骨動脈ＢＶ（測定対象血管）の脈波を検出する。脈波検出部４０は、キャビティ５と空気室３２とが所定の容積に設定されることにより、カンチレバー３の撓み変形に基づく空気室３２の内部の圧力変動の検出が所定の周波数特性を持ち、当該圧力変動に基づいて脈波を検出する。ここで、図４を参照して、脈波検出部４０の詳細な構成について説明する。
図４は、本実施形態における脈波検出部４０の一例を示す回路図である。
図４に示すように、脈波検出部４０（検出部の一例）は、ホイートストンブリッジ回路４１と、差動増幅回路４２とを備えている。

ホイートストンブリッジ回路４１（抵抗値変化検出回路の一例）は、圧力センサ１０が有する抵抗Ｒ１（変位検出抵抗）と、抵抗Ｒ２と、抵抗Ｒ３と、抵抗Ｒ４とを備えている。
抵抗Ｒ１（変位検出抵抗）は、第１端が電圧Ｖｃｃの供給線に、第２端がノードＮ１に接続されており、キャビティ５内と空気室３２内の差圧に応じて抵抗値が変化する。抵抗Ｒ１は、例えば、ピエゾ抵抗（ドープ層６）である。また、抵抗Ｒ２は、第１端がノードＮ１に、第２端が電源ＧＮＤに接続されている。

また、抵抗Ｒ３は、第１端が電圧Ｖｃｃの供給線に、第２端がノードＮ２に接続され、抵抗Ｒ４は、第１端がノードＮ２に、第２端が電源ＧＮＤに接続されている。抵抗Ｒ１は、圧力センサ１０内に構成されており、抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４は、圧力センサ１０の外部に備えられた外付け抵抗である。また、抵抗Ｒ２は、例えば、抵抗Ｒ１と温度特性が同一になるように形成された抵抗であり、圧力センサ１０内に構成されてもよいし、圧力センサ１０の近傍の外部に備えられてもよい。なお、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との温度特性を一致させることにより、脈波検出部４０は、温度変動による検出結果への影響を低減することができる。

差動増幅回路４２は、例えば、計測アンプ（インスツルメンテーションアンプ）であり、ノードＮ１とノードＮ２との電位差を増幅して出力信号Ｓとして出力する。なお、この電位差は、ドープ層６（ピエゾ抵抗）の抵抗値変化に応じた値、すなわちカンチレバー３の変位に基づいた値となる。差動増幅回路４２は、反転入力端子（−端子）がノードＮ１に接続され、非反転入力端子（＋端子）がノードＮ２に接続されている。
なお、外部電極７Ａは、抵抗Ｒ１の第１端として機能し、電圧Ｖｃｃの供給線が接続される。外部電極７Ｂは、抵抗Ｒ１の第２端及び抵抗Ｒ２の第１端として機能し、ノードＮ１を介して差動増幅回路４２の反転入力端子（−端子）が接続される。

本実施形態による脈波センサ１では、上述したキャビティ５の容積と、空気室３２の容積とを調整することで、脈波の検出を、所定の周波数特性に設定することが可能である。そこで、図５及び図６を参照して、本実施形態における検出の周波数特性を、所定の周波数特を設定する動作原理について説明する。

まず、図５を参照して、上述した図１に示す脈波センサ１において、キャビティ筐体２１を備えない（キャビティ５を備えない）場合の動作原理を説明する。
図５は、キャビティ５を備えない場合の動作原理を説明する図である。

図５において、グラフの縦軸は、上から順に、空気室３２の容積Ｖと、空気室３２の内部の圧力Ｐを示し、横軸は、時間ｔを示している。また、波形Ｗ１は、容積Ｖの時間変化の波形を示している。また、波形Ｗ２は、圧力Ｐの時間変化を示し、波形Ｗ３は、圧力Ｐと初期値Ｐ０との差分である圧力差ΔＰの時間変化を示している。なお、時刻ｔ０において、空気室３２の容積Ｖの初期値は、容積Ｖ（ｔ０）であり、圧力Ｐの初期値は、圧力Ｐ０である。

時刻ｔ１において、橈骨動脈ＢＶの脈動によって動脈上部の皮膚ＳＫが上方向に変位し、容積Ｖ（ｔ０）から容積Ｖ（ｔ１）に減少した場合（波形Ｗ１参照）に、圧力Ｐは、圧力Ｐ０から圧力Ｐ（ｔ１）に上昇する。この時刻ｔ１における圧力の変化量（圧力差ΔＰ）を圧力差ΔＰ１（＝Ｐ（ｔ１）−Ｐ０）とする。

空気室３２の内部の空気は、ギャップＧ１（連通孔）を通じて空気室３２の外部に抜けていくため、圧力Ｐ及び圧力差ΔＰは、時間の経過とともに減少する（波形Ｗ２及び波形Ｗ３参照）。
また、時刻ｔ２において、圧力差ΔＰは、０．３６８ΔＰ１となり、キャビティ筐体２１を備えない場合の時定数は、τａとなり、脈波の検出における下限周波数であるカットオフ周波数ｆｃＬＯＷであるこの場合にカットオフ周波数ｆｃａは、下記の式（１）により表される。

ｆｃＬＯＷ＝ｆｃａ＝１／（２πτａ） ・・・ （１）

但し、πは、円周率である。
また、キャビティ筐体２１を備えない場合に、空気室３２の容積Ｖ、ギャップＧ１の幅をギャップ幅Ｇとすると、カットオフ周波数ｆｃＬＯＷは、下記の式（２）により表される。

ｆｃＬＯＷ＝ｋ・Ｇ^２／Ｖ ・・・ （２）

但し、ｋは、比例定数である。
次に、図６を参照して、上述した図１に示す脈波センサ１において、キャビティ筐体２１を備える場合の本実施形態における動作原理を説明する。

図６は、本実施形態による脈波センサ１の動作原理を説明する図である。
図６において、グラフの縦軸は、上述した図５と同様に、上から順に、空気室３２の容積Ｖ２と、キャビティ５の内部の圧力Ｐ１、空気室３２の内部の圧力Ｐ２、及びこの２つの圧力差ΔＰとを示し、横軸は、時間ｔを示している。なお、この図に示す例では、キャビティ５の容積を容積Ｖ１とし、キャビティ５の容積Ｖ１と空気室３２の容積Ｖ２とが等しい場合を示している。

また、図６において、波形Ｗ４は、容積Ｖ２の時間変化の波形を示している。また、波形Ｗ５は、空気室３２の内部の圧力Ｐ２の時間変化を示し、波形Ｗ６は、キャビティ５の内部の圧力Ｐ１の時間変化を示し、波形Ｗ７は、圧力Ｐ２と圧力Ｐ１との差分である圧力差ΔＰの時間変化を示している。なお、時刻ｔ０において、空気室３２の容積Ｖ２の初期値は、容積Ｖ２（ｔ０）であり、圧力Ｐ１及び圧力Ｐ２の初期値は、圧力Ｐ０である。

時刻ｔ１において、橈骨動脈ＢＶの脈動によって動脈上部の皮膚ＳＫが上方向に変位し、容積Ｖ２（ｔ０）から容積Ｖ２（ｔ１）に減少した場合（波形Ｗ４参照）に、圧力Ｐ２は、圧力Ｐ０から圧力Ｐ２（ｔ１）に上昇する。この時刻ｔ１における圧力の変化量（圧力差ΔＰ）を圧力差ΔＰ１（＝Ｐ２（ｔ１）−Ｐ１（ｔ１））とする。

空気室３２の内部の空気は、ギャップＧ１（連通孔）を通じて空気室３２の外部に抜けていくため、圧力Ｐ２は、時間の経過とともに減少し、圧力Ｐ１は、時間の経過とともに増加する（波形Ｗ５及び波形Ｗ６参照）。また、圧力差ΔＰは、時間の経過とともに減少する（波形Ｗ７）。
また、時刻ｔ３において、圧力差ΔＰは、０．３６８ΔＰ１となり、キャビティ筐体２１を備える場合の時定数は、τｂとなり、脈波の検出における下限周波数であるカットオフ周波数ｆｃＬＯＷであるこの場合にカットオフ周波数ｆｃｂは、下記の式（３）により表される。

ｆｃＬＯＷ＝ｆｃｂ＝１／（２πτｂ） ・・・ （３）

この場合、キャビティ５の容積Ｖ１と空気室３２の容積Ｖ２とが等しいため、圧力Ｐ２及び圧力Ｐ１は、（Ｐ０＋ΔＰ１／２）に収束する。また、図５及び図６に示すように、キャビティ筐体２１を備える場合の時定数τｂは、キャビティ筐体２１を備えない場合の時定数τａより短く（τｂ＜τａ）、キャビティ筐体２１を備えることで、カットオフ周波数ｆｃＬＯＷを高くすることができる。例えば、上述した比例定数ｋ、及びギャップ幅Ｇが同一であり、キャビティ５の容積Ｖ１と空気室３２の容積Ｖ２とが等しいとすると、キャビティ筐体２１を備える場合のカットオフ周波数ｆｃｂは、キャビティ筐体２１を備えない場合のカットオフ周波数ｆｃａの２倍となる（ｆｃｂ＝２ｆｃａ）。

また、キャビティ筐体２１を備える本実施形態による脈波センサ１におけるカットオフ周波数ｆｃＬＯＷは、キャビティ５の容積Ｖ１、空気室３２の容積Ｖ２、ギャップＧ１の幅をギャップ幅Ｇとすると、下記の式（４）により表される。なお、比例定数ｋは、例えば、０．００５〜０．０２の範囲内が好ましい。

ｆｃＬＯＷ＝ｋ・Ｇ^２・（Ｖ１＋Ｖ２）／（Ｖ１・Ｖ２） ・・・ （４）

図７は、本実施形態におけるキャビティ５の容積Ｖ１とカットオフ周波数ｆｃＬＯＷとの関係を示す図である。
図７において、グラフの縦軸は、カットオフ周波数ｆｃＬＯＷを示し、横軸は、キャビティ５の容積Ｖ１を示している。また、波形Ｗ８は、比例定数ｋ＝０．００６２５、ギャップ幅Ｇ＝４μｍ、空気室３２の容積Ｖ２＝１ｍｌ（ミリリットル）とした場合のキャビティ５の容積Ｖ１に対するカットオフ周波数ｆｃＬＯＷの変化を示している。なお、波形Ｗ８は、上述した式（４）に基づくシミュレーション結果である。

図７の波形Ｗ８において、例えば、キャビティ５の容積Ｖ１が、１ｍｌである場合（Ｖ１＝Ｖ２の場合）のカットオフ周波数ｆｃＬＯＷは、０．２Ｈｚである。なお、キャビティ筐体２１がない場合には、同様の条件において、上述した式（２）により、カットオフ周波数ｆｃＬＯＷは、０．１Ｈｚである。すなわち、本実施形態では、空気室３２の容積Ｖ２と等しいキャビティ５の容積Ｖ１のキャビティ筐体２１を設けることで、下限のカットオフ周波数ｆｃＬＯＷを２倍にすることが可能である。

また、波形Ｗ８に示すように、キャビティ５の容積Ｖ１が、空気室３２の容積Ｖ２より大きい場合（Ｖ１＞Ｖ２の場合）に、本実施形態におけるカットオフ周波数ｆｃＬＯＷは、０．２Ｈｚより低くなり、０．１Ｈｚに近づく。
また、キャビティ５の容積Ｖ１が、空気室３２の容積Ｖ２より小さい場合（Ｖ１＜Ｖ２の場合）に、本実施形態におけるカットオフ周波数ｆｃＬＯＷは、０．２Ｈｚより高くなる。

このように、本実施形態では、空気室３２の容積Ｖ２を固定し、キャビティ５の容積Ｖ１を変更することで、下限のカットオフ周波数ｆｃＬＯＷを変更することができる。なお、キャビティ５の容積Ｖ１を固定し、空気室３２の容積Ｖ２を変更した場合も同様である。すなわち、本実施形態では、圧力変動の検出が、キャビティ５の容積Ｖ１と空気室３２の容積Ｖ２とに基づく所定の周波数特性（所定の下限周波数ｆｃＬＯＷ）になるように、キャビティ５の容積Ｖ１と空気室３２の容積Ｖ２とが設定されている。

次に、本実施形態による脈波センサ１の動作について説明する。
図１に示すように、アタッチメント部３０の開口部３１を、手首ＷＲの測定箇所（例えば、橈骨動脈ＢＶの位置）の皮膚ＳＫに押し当てると、アタッチメント部３０が皮膚ＳＫに密着される。これにより、空気室３２の気密性が確保され、橈骨動脈ＢＶの脈動によって生じる動脈上部の皮膚変位が、空気室３２の内部の圧力変化に変換される。

次に、圧力センサ１０のカンチレバー３は、空気室３２の内部の圧力変化に応じて撓み変形する。これにより、カンチレバー３に形成された抵抗Ｒ１が、カンチレバー３の撓み変形に応じて抵抗値が変化する。そして、脈波検出部４０のホイートストンブリッジ回路４１は、抵抗Ｒ１の抵抗値の変化を検出し、差動増幅回路４２が、当該抵抗値の変化を増幅して出力する。その結果、脈波検出部４０は、図８に示すような、脈波の検出結果を出力する。

図８は、本実施形態における脈波センサ１の検出結果の一例を示す図である。
この図において、グラフの縦軸は、検出信号の電圧［Ｖ］を示し、横軸は、時間［ｓｅｃ（秒）］を示している。また、波形Ｗ８は、脈波センサ１による脈波の検出結果を示している。脈波センサ１は、図８の波形Ｗ８に示すような、脈波の検出結果を出力する。

なお、脈波センサ１において、例えば、圧力検出の周波数特性は、上述した式（４）により、下限のカットオフ周波数ｆｃＬＯＷ（下限周波数）が設定されている。カットオフ周波数ｆｃＬＯＷは、例えば、体動や呼吸などのノイズを除去するように、０．数Ｈｚ程度に設定されている。すなわち、キャビティ５の容積Ｖ１と空気室３２の容積Ｖ２とが、上述した式（４）により、カットオフ周波数ｆｃＬＯＷが、所定の周波数（例えば、０．数Ｈｚ）になるように設定されている。

以上説明したように、本実施形態による脈波センサ１は、キャビティ筐体２１（センサ筐体）と、アタッチメント部３０と、センサ基板２０と、脈波検出部４０とを備える。キャビティ筐体２１は、内部にキャビティ５（第１空気室）が形成される。アタッチメント部３０は、開口した開口部３１を生体表面に押し当てることで密閉される空気室３２（第２空気室）を内部に有する。センサ基板２０は、キャビティ５の内部の圧力と空気室３２の内部の圧力との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバー３と、キャビティ５と空気室３２とを連通する連通孔（ギャップＧ１）とを有し、キャビティ筐体２１の開口面を覆うように配置されている。脈波検出部４０は、カンチレバー３の撓み変形に基づいて、空気室３２の内部の圧力変動を検出し、当該圧力変動に基づいて、測定対象血管の脈波を検出する。そして、圧力変動の検出が、キャビティ５の容積Ｖ１と空気室３２の容積Ｖ２とに基づく所定の周波数特性（例えば、下限のカットオフ周波数ｆｃＬＯＷが所定の値）になるように、キャビティ５の容積Ｖ１と空気室３２の容積Ｖ２とが設定されている。

すなわち、本実施形態による脈波センサ１は、キャビティ筐体２１（センサ筐体）と、アタッチメント部３０と、センサ基板２０と、脈波検出部４０と、からなる。キャビティ筐体２１は、キャビティ５（第１空気室）を有する。アタッチメント部３０は、皮膚ＳＫ側（生体側）に開口された開口部３１を皮膚ＳＫ表面（生体表面）に押し当てることで形成される空気室３２（第２空気室）第２空気室を有する。センサ基板２０は、キャビティ５と空気室３２とを連通する連通孔（例えば、貫通孔２２）とキャビティ５の内部の圧力と空気室３２の内部の圧力との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバー３とを有する．。脈波検出部４０は、キャビティ５と空気室３２とが所定の容積に設定されることにより、カンチレバー３の撓み変形に基づく空気室３２の内部の圧力変動の検出が所定の周波数特性を持ち、当該圧力変動に基づいて脈波を検出する。

これにより、本実施形態による脈波センサ１は、圧力変動の検出が、キャビティ５の容積Ｖ１と空気室３２の容積Ｖ２とにより、所定の周波数特性（例えば、下限のカットオフ周波数ｆｃＬＯＷが所定の値）になるように設定されているため、例えば、体動や呼吸などのノイズ成分を低減することができる。そのため、本実施形態による脈波センサ１は、ＳＮ比を向上させることができ、脈波の検出感度を向上させることができる。また、本実施形態による脈波センサ１は、体動などの影響を低減することができるため、長時間測定においても連続した脈波測定が可能となる。

また、本実施形態では、カンチレバー３は、基端部３ｂから先端部３ａに向けて一方向に延びる板状に形成され、基端部３ｂがセンサ基板２０に片持ち状に支持された状態でキャビティ筐体２１の開口内側に配設されている。また、上述した連通孔として、カンチレバー３の外周縁とキャビティ筐体２１の開口端との間に、カンチレバー３の外周縁に沿ってギャップＧ１が形成されている。キャビティ５の容積Ｖ１と空気室３２の容積Ｖ２とは、圧力変動の検出の周波数特性が、下限のカットオフ周波数ｆｃＬＯＷ（下限周波数）（Ｈｚ）になるように設定され、下限周波数ｆｃＬＯＷ（Ｈｚ）は、次式（Ａ）（上述した式（４））によって表される。
ｆｃＬＯＷ＝ｋ・Ｇ²・（Ｖ１＋Ｖ２）／（Ｖ１・Ｖ２） ・・・ （Ａ）
〔式中、ｋは比例定数、Ｇはギャップの幅（μｍ）、Ｖ１はキャビティ５の容積（ｍｌ）、Ｖ２は空気室３２の容積（ｍｌ）である。〕

これにより、本実施形態による脈波センサ１は、上記式（Ａ）（上述した式（４））による簡易な手法により、キャビティ５の容積Ｖ１と、空気室３２の容積Ｖ２を適切に設定することで、下限周波数ｆｃＬＯＷ（Ｈｚ）を適切に設定することができる。本実施形態による脈波センサ１は、例えば、体動や呼吸などのノイズ成分（例えば、０．０数Ｈｚ〜０．数Ｈｚの低周波成分）を低減するように、容易に下限周波数ｆｃＬＯＷ（Ｈｚ）を設定することが可能である。また、本実施形態による脈波センサ１は、フィルタ回路を追加せずに低周波のノイズ成分を低減することができるため、構成を簡略化することができる。

また、本実施形態による脈波センサ１は、例えば、キャビティ筐体２１を備え、空気室３２の容積Ｖ２と同等の容積Ｖ１を有する構成にすることで、キャビティ筐体２１を備えずにキャビティ５のない構成に比べて、カットオフ周波数ｆｃＬＯＷを２倍に高めることが可能である。これにより、本実施形態による脈波センサ１は、キャビティ５の容積Ｖ１と、空気室３２の容積Ｖ２とを変更することで、効率よくカットオフ周波数ｆｃＬＯＷを変更することができる。

また、本実施形態では、比例定数ｋは、例えば、０．００５〜０．０２の範囲内であることが好ましい。
このような範囲に比例定数ｋを設定することで、本実施形態による脈波センサ１は、下限のカットオフ周波数ｆｃＬＯＷをより正確に所望する値に設定することが可能となる。

また、本実施形態では、脈波検出部４０は、カンチレバー３の撓み変形に応じて抵抗値が変化する抵抗Ｒ１（変位検出抵抗）を含む抵抗値変化検出回路（例えば、ホイートストンブリッジ回路４１）を有し、抵抗Ｒ１の抵抗値変化に対応したＣホイートストンブリッジ回路４１）からの出力信号に基づいて脈波を検出する。
これにより、本実施形態による脈波センサ１は、空気室３２の内部の圧力変化をカンチレバー３の撓み変形に応じて抵抗値を変化として検出できるため、抵抗値変化検出回路（ホイートストンブリッジ回路４１）という簡易な構成により、高感度（高精度）に脈波を検出することができる。

［第２の実施形態］
次に、図面を参照して、第２の実施形態による脈波センサ１ａについて説明する。
本実施形態では、キャビティ５の容積Ｖ１を変更可能な構成にする変形例について説明する。

図９は、本実施形態による脈波センサ１ａの一例を示す構成図である。
図９は、脈波センサ１ａの断面図を示し、図９において、図１に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図９に示すように、脈波センサ１ａは、圧力センサ１０と、センサ基板２０と、アタッチメント部３０と、脈波検出部４０とを備えている。また、本実施形態における圧力センサ１０は、キャビティ筐体２１ａと、チューブ２４と、容積変更部２５と、ＳＯＩ基板５０とを備える。本実施形態では、キャビティ筐体２１ａが、チューブ２４及び容積変更部２５を装着可能に構成されている点を除いて、基本的には、第１の実施形態の構成と同様である。

キャビティ筐体２１ａは、容積変更部２５と接続される変更開口部２３を備える。キャビティ筐体２１ａのその他の構成は、上述した第１の実施形態のキャビティ筐体２１と同様である。なお、本実施形態では、キャビティ筐体２１ａ内の空間を第１キャビティ５Ａとし、第１キャビティ５Ａの容積を容積Ｖ１１とする。
変更開口部２３は、例えば、キャビティ筐体２１ａの側面に配置されており、チューブ２４を介して、容積変更部２５と接続可能に構成されている。

チューブ２４は、例えば、塩化ビニールやシリコンゴムで構成された管であり、キャビティ筐体２１ａの変更開口部２３と、容積変更部２５の開口部とを接続する。チューブ２４は、キャビティ筐体２１ａと容積変更部２５との間で空気が流動できるように接続される。なお、本実施形態では、チューブ２４の容積を容積Ｖ１ｔとする。
容積変更部２５は、内部に所定の容積（容積Ｖ１２）の中空を有し、第１キャビティ５Ａの容積Ｖ１１を変更する。なお、容積変更部２５の内部の空間を、第２キャビティ５Ｂとする。

本実施形態による脈波センサ１ａの動作は、キャビティ５の容積Ｖ１が、以下の式（５）により表される点を除いて、第１の実施形態と同様であるため、ここではその説明を省略する。

キャビティ５の容積Ｖ１＝Ｖ１１＋Ｖ１ｔ＋Ｖ１２ ・・・ （５）

ここで、容積Ｖ１１は、第１キャビティ５Ａの容積を示し、容積Ｖ１ｔは、チューブ２４の容積を示し、容積Ｖ１２は、第２キャビティ５Ｂの容積を示す。

以上説明したように、本実施形態による脈波センサ１ａは、キャビティ筐体２１ａと、容積変更部２５とを備える。容積変更部２５は、内部に所定の容積（容積Ｖ１２）の中空を有し、第１キャビティ５Ａの容積Ｖ１１（第１の実施形態におけるキャビティ５の容積Ｖ１）を変更する。キャビティ筐体２１ａは、容積変更部２５と接続される変更開口部２３を備る。変更開口部２３に接続される容積変更部２５によって、第１キャビティ５Ａの容積Ｖ１１（第１の実施形態におけるキャビティ５の容積Ｖ１）が変更可能に構成されている。

これにより、本実施形態による脈波センサ１ａは、容積変更部２５を追加することで、脈波の検出における周波数特性（例えば、カットオフ周波数ＦｃＬＯＷ）を変更することができる。本実施形態による脈波センサ１ａは、例えば、容積の異なる容積変更部２５を何種類か用意し、容積変更部２５を変更することで、検出に必要な適切なカットオフ周波数ＦｃＬＯＷに変更することができる。

なお、上述した実施形態では、固定の容積（所定の容積）の容積変更部２５を変更して、容積Ｖ１（第１空気室の容積）を変更する例を説明したが、容積変更部２５は、円筒形の筒（シリンジ）と、可動式の押子（プランジャ）を有する構造にして、可動式の押子により、容積Ｖ１（第１空気室の容積）を変更するようにしてもよい。
この場合、脈波センサ１ａは、可動式の押子の位置を変更することで、検出の周波数特性をダイナミック（動的）に変更することができる。

なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記の各実施形態において、人体の腕部を走行する橈骨動脈ＢＶを測定対象血管として、手首ＷＲに装着する脈波センサ１（１ａ）を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。脈波センサ１（１ａ）は、例えば、腕部を巻回するように固定ベルトを取り付けることで、腕部により脈波を検出するようにしてもよい。この場合、測定対象血管としては、橈骨動脈ＢＶに限定されるものではなく、例えば尺骨動脈或いは上腕動脈であってもよい。

また、脈波センサ１（１ａ）は、例えば、人体の脚部の巻回するように固定ベルトを取り付けることで、脚部により脈波を検出するようにしてもよい。この場合、測定対象血管としては、例えば、大腿動脈であってもよい。また、脈波センサ１（１ａ）は、例えば、家畜等の飼育動物或いは実験動物等に装着して、脈波を検出するようにしてもよい。

また、上記の各実施形態において、振動センサの一例として、測定対象血管の上の皮膚ＳＫに押し当てて、脈波を検出する脈波センサ１（１ａ）の例を説明しているが、これに限定されるものではなく、他の測定対象に押し当てて、他の振動を検出するようにしてもよい。すなわち、振動センサは、上述したキャビティ筐体２１と、アタッチメント部３０と、センサ基板２０と、検出部とを備え、アタッチメント部３０は、開口した開口部３１を測定対象に押し当てることで密閉される空気室３２（第２空気室）を内部に有する。検出部は、カンチレバー３の撓み変形に基づいて、空気室３２の内部の圧力変動を検出し、当該圧力変動に基づいて、測定対象の振動を検出する。圧力変動の検出が、キャビティ５の容積Ｖ１と空気室３２の容積Ｖ２とに基づく所定の周波数特性（例えば、下限のカットオフ周波数ｆｃＬＯＷが所定の値）になるように、キャビティ５の容積Ｖ１と空気室３２の容積Ｖ２とが設定されている。すなわち、、検出部（脈波検出部４０）は、キャビティ５と空気室３２とが所定の容積に設定されることにより、カンチレバー３の撓み変形に基づく空気室３２の内部の圧力変動の検出が所定の周波数特性を持ち、当該圧力変動に基づいて振動（脈波）を検出する。

これにより、振動センサは、上述した脈波センサ１（１ａ）と同様の効果を奏し、ＳＮ比を向上させることができ、振動の検出感度を向上させることができる。
振動センサは、例えば、振動センサは、モータ、ポンプ、ファン、ベヤリング、各種機構部品などの振動を検出するようにしてもよい。

１、１ａ 脈波センサ
２ レバー本体
３ カンチレバー
３ａ 先端部
３ｂ 基端部
４ レバー支持部
５ キャビティ
５Ａ 第１キャビティ
５Ｂ 第２キャビティ
６ ドープ層（ピエゾ抵抗）
７、７Ａ、７Ｂ 外部電極
１０ 圧力センサ
２０ センサ基板
２１、２１ａ キャビティ筐体
２２ 貫通孔
２３ 変更開口部
２４ チューブ
２５ 容積変更部
３０ アタッチメント部
３１ 開口部
３２ 空気室
４０ 脈波検出部
４１ ホイートストンブリッジ回路
４２ 差動増幅回路
５０ ＳＯＩ基板
５１ シリコン支持層
５２ 絶縁層
５３ シリコン活性層
ＢＶ 橈骨動脈
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ 抵抗
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３ ギャップ
ＳＫ 皮膚
ＷＲ 手首

Claims (6)

1. 第１空気室を有するセンサ筐体と、
   生体側に開口された開口部を生体表面に押し当てることで形成される第２空気室を有するアタッチメント部と、
   前記第１空気室と前記第２空気室とを連通する連通孔と、前記第１空気室の内部の圧力と前記第２空気室の内部の圧力との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーとを有するセンサ基板と、
   前記第１空気室と前記第２空気室とが所定の容積に設定されることにより、前記カンチレバーの撓み変形に基づく前記第２空気室の内部の圧力変動の検出が所定の周波数特性を持ち、当該圧力変動に基づいて脈波を検出する脈波検出部と、
   からなることを特徴とする脈波センサ。
2. 前記カンチレバーは、基端部から先端部に向けて一方向に延びる板状に形成され、基端部が前記センサ基板に片持ち状に支持された状態で前記センサ筐体の開口内側に配設され、
   前記連通孔として、前記カンチレバーの外周縁と前記センサ筐体の開口端との間に、前記カンチレバーの外周縁に沿ってギャップが形成されており、
   前記第１空気室の容積と前記第２空気室の容積とは、前記圧力変動の検出の周波数特性が、下限周波数ｆｃＬＯＷになるように設定され、
   前記下限周波数ｆｃＬＯＷは、次式（Ａ）
   ｆｃＬＯＷ＝ｋ・Ｇ²・（Ｖ１＋Ｖ２）／（Ｖ１・Ｖ２） ・・・ （Ａ）
   〔式中、ｋは比例定数、Ｇは前記ギャップの幅（μｍ）、Ｖ１は第１空気室の容積（ｍｌ）、Ｖ２は第２空気室の容積（ｍｌ）である。〕
   によって表されることを特徴とする請求項１に記載の脈波センサ。
3. 前記比例定数ｋは、０．００５〜０．０２の範囲内である
   ことを特徴とする請求項２に記載の脈波センサ。
4. 内部に所定の容積の中空を有し、前記第１空気室の容積を変更する容積変更部を備え、
   前記センサ筐体は、前記容積変更部と接続される変更開口部を備え、
   前記変更開口部に接続される前記容積変更部によって、前記第１空気室の容積が変更可能に構成されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の脈波センサ。
5. 前記脈波検出部は、前記カンチレバーの撓み変形に応じて抵抗値が変化する変位検出抵抗を含む抵抗値変化検出回路を有し、前記変位検出抵抗の抵抗値変化に対応した前記抵抗値変化検出回路からの出力信号に基づいて前記脈波を検出する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の脈波センサ。
6. 第１空気室を有するセンサ筐体と、
   生体側に開口された開口部を生体表面に押し当てることで形成され、第２空気室を有するアタッチメント部と、
   前記第１空気室と前記第２空気室とを連通する連通孔と、前記第１空気室の内部の圧力と前記第２空気室の内部の圧力との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーとを有するセンサ基板と、
   前記第１空気室と前記第２空気室とが所定の容積に設定されることにより、前記カンチレバーの撓み変形に基づく前記第２空気室の内部の圧力変動の検出が所定の周波数特性を持ち、当該圧力変動に基づいて振動を検出する検出部と、
   からなることを特徴とする振動センサ。

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