JP4045585B2

JP4045585B2 - 振動変位検出装置

Info

Publication number: JP4045585B2
Application number: JP14255199A
Authority: JP
Inventors: 耕司戸田
Original assignee: 耕司戸田
Priority date: 1999-05-24
Filing date: 1999-05-24
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2019-05-24
Also published as: JP2000329613A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体中に含まれる物体の振動変位を検出する振動変位検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
振動変位を検出する従来のセンサは、接触型と非接触型の２つに分類される。微小変位測定用の電気マイクロメータ、微小変位測定用のデジタルゲージ、回転軸測定用のロータリエンコーダ、長変位測定用リニアスケールなどは接触型センサに属する。ロータリエンコーダは回転する被測定物の回転数や回転速度を制御するために用いられ、電気マイクロメータ、デジタルゲージおよびロータリエンコーダは被測定物の長さの基準用などとして用いられている。これらの接触型センサは測定精度、応答時間などに問題を有する。レーザ型センサおよび電気音響型センサなどは非接触型センサに属する。レーザ型センサは、被測定物の変位であってレーザ光の伝搬方向に対し垂直な方向に沿った変位の測定などに用いられているが、レーザ光自身のゆらぎによる光路長の増大により測定精度が悪化するなどの欠点を有するとともに、装置の規模が大きいことや測定方法が複雑であることなどの問題を有している。電気音響型センサは被測定部物の変位の測定範囲が狭いという欠点を有するとともに、測定精度にも問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、小型軽量で、検出感度が高く、高速応答に優れ、低消費電力駆動が可能な振動変位検出装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の振動変位検出装置は、圧電基板、入力用すだれ状電極、出力用すだれ状電極、前記入力用すだれ状電極と前記出力用すだれ状電極の間に電気的に接続された信号検出手段、および前記信号分析手段に接続された表示画面から成る振動変位検出装置であって、前記入力用および出力用すだれ状電極は、前記圧電基板の上端面に設けられており、それぞれが円弧状を成すとともに互いに同心を有する位置関係を形成し、前記圧電基板の厚さは前記入力用および出力用すだれ状電極の電極周期長よりも小さく、前記入力用すだれ状電極は、前記電極周期長に対応する中心周波数にほぼ等しい周波数の入力電圧信号を印加されることにより前記圧電基板に漏洩弾性波を励振し、前記漏洩弾性波を前記圧電基板の下端面に接触する液体中に縦波として照射し、前記縦波を前記液体中に含まれる物体で反射させ、前記出力用すだれ状電極は、反射された前記縦波を遅延電気信号に変換し、前記信号検出手段は、前記物体の振動変位を前記遅延電気信号の変化によって検出し、前記表示画面は前記遅延電気信号の変化を表示する。
【０００５】
請求項２に記載の振動変位検出装置は、前記圧電基板が圧電セラミックで成り、前記圧電セラミックの分極軸の方向がその厚さ方向と平行である。
【０００６】
請求項３に記載の振動変位検出装置は、前記圧電基板が圧電性高分子フィルムで成る。
【０００７】
請求項４に記載の振動変位検出装置は、前記圧電基板が、圧電セラミック薄板とアクリル薄板との２層体で成る。
【０００８】
請求項５に記載の振動変位検出装置は、前記液体が細胞質で成り、前記物体が血管で成る。
【０００９】
請求項６に記載の振動変位検出装置は、前記信号分析手段が増幅器および周波数カウンタで成り、前記増幅器によって増幅された前記遅延電気信号の一部は、前記入力用すだれ状電極に再び印加され、前記増幅器、前記入力用および出力用すだれ状電極は遅延線発振器を構成し、前記周波数カウンタは、前記遅延電気信号の周波数の変化によって前記振動変位を検出する。
【００１０】
請求項７に記載の振動変位検出装置は、前記信号分析手段が増幅器および周波数／電圧変換器で成り、前記増幅器によって増幅された前記遅延電気信号の一部は、前記入力用すだれ状電極に再び印加され、前記増幅器、前記入力用および出力用すだれ状電極は遅延線発振器を構成し、前記周波数／電圧変換器は、前記遅延電気信号の周波数を電圧に変換し、前記電圧の変化によって前記振動変位を検出する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の振動変位検出装置は、圧電基板、入力用すだれ状電極、出力用すだれ状電極、信号分析手段および表示画面から成る簡単な構造を有する。信号分析手段は入力用および出力用すだれ状電極の間に電気的に接続されており、表示画面は信号分析手段に接続されている。入力用および出力用すだれ状電極は、圧電基板の上端面に設けられており、それぞれが円弧状を成すとともに互いに同心を有する位置関係を形成している。圧電基板の厚さは入力用および出力用すだれ状電極の電極周期長よりも小さい。もしも、入力用すだれ状電極の電極周期長に対応する中心周波数にほぼ等しい周波数の入力電圧信号を入力用すだれ状電極に印加すると、圧電基板に漏洩弾性波が励振される。この漏洩弾性波は圧電基板の下端面と接触する液体中に縦波として照射される。このとき、入力用すだれ状電極が円弧状を成すことにより、漏洩弾性波が効率よく液体中に縦波としてモード変換される。液体中の縦波は液体中に含まれる物体で反射される。反射された縦波は、出力用すだれ状電極が円弧状を成すことと、入力用および出力用すだれ状電極が互いに同心を有する位置関係にあることから、出力用すだれ状電極によって効率よく遅延電気信号に変換される。液体中の物体が振動すると縦波の伝搬路長が変化することから、遅延電気信号も変化する。この遅延電気信号の変化は信号分析手段によって検出され、表示画面に表示される。このようにして、本発明の振動変位検出装置によれば液体中の物体の振動変位を電気信号で表すことが可能となる。
【００１２】
本発明の振動変位検出装置では、圧電基板が圧電セラミックまたは圧電性高分子フィルムで成る構造が可能である。このような構造を採用することにより、液体中の物体の振動変位の検出感度を向上させることが可能となるばかりでなく、装置の小型軽量化を促進することができる。
【００１３】
本発明の振動変位検出装置では、圧電基板が、圧電セラミック薄板とアクリル薄板との２層体で成る構造が可能である。このような層状構造基板の採用により、機械的強度を高めることが可能となる。また、アクリル薄板の使用は液体層との音響結合のための整合性において好都合である。
【００１４】
本発明の振動変位検出装置では、液体が細胞質で成り、物体が血管で成る構造が可能である。このようにして、細胞質中にある血管の振動変位、つまり人の脈拍を測定することが可能となる。
【００１５】
本発明の振動変位検出装置では、信号分析手段が、増幅器および周波数カウンタで成る構造が可能である。このような構造では、増幅器によって増幅された遅延電気信号の一部が入力用すだれ状電極に再び印加されることから、増幅器、入力用および出力用すだれ状電極によって遅延線発振器が構成される。また、遅延電気信号の残部は周波数カウンタに伝えられ、その周波数が測定される。このようにして、液体中の物体の振動変位は、周波数カウンタにおいて遅延電気信号の周波数の変化によって検出される。
【００１６】
本発明の振動変位検出装置では、信号分析手段が、増幅器および周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換器で成る構造が可能である。このような構造では、増幅器によって増幅された遅延電気信号の一部が入力用すだれ状電極に再び印加されることから、増幅器、入力用および出力用すだれ状電極によって遅延線発振器が構成される。また、遅延電気信号の残部はＦ／Ｖ変換器に伝えられ、遅延電気信号の周波数は電圧に変換される。このようにして液体中の物体の振動変位は、Ｆ／Ｖ変換された電気信号の電圧の変化によって検出される。
【００１７】
【実施例】
図１は本発明の振動変位検出装置の一実施例を示す構成図である。本実施例は圧電基板１、入力用すだれ状電極２、出力用すだれ状電極３、信号分析手段４および表示画面５から成る。信号分析手段４は入力用すだれ状電極２と出力用すだれ状電極３の間に電気的に接続されている。圧電基板１は圧電セラミック薄板で成る。本実施例では圧電基板１として圧電セラミック薄板が用いられているが、圧電性の高分子フィルムを用いたり、あるいは圧電セラミック薄板とアクリル薄板から成る２層構造基板を用いることも可能である。入力用すだれ状電極２および出力用すだれ状電極３はともに円弧状のアルミニウム薄板で成り、圧電基板１の上端面に設けられている。もしも、液体中にある物体の振動変位を測定する場合、その液体を圧電基板１の下端面に接触させる必要がある。たとえば人の脈拍を測定する場合、すなわち、細胞質中にある血管の振動変位を測定する場合には、人の手首の内側に圧電基板１の下端面を接触させる。このとき、手首の内側の皮膚に予めジェル溶液を塗っておき、皮膚と圧電基板１との間に空間ができないようにするとよい。このようにして、図１の振動変位検出装置は小型軽量で構造も簡単である。
【００１８】
図２は圧電基板１、入力用すだれ状電極２および出力用すだれ状電極３で成るデバイスを上方から見たときの平面図である。入力用すだれ状電極２と出力用すだれ状電極３の離間距離は６ｍｍで、それらはともに５対の電極指を有し、開口角が４５°、電極周期長が３４０μｍである。また、入力用すだれ状電極２および出力用すだれ状電極３は、互いに同心を有するように配置されている。人の脈拍を測定する場合には、人の手首の内側のちょうど血管のある部分の上に入力用すだれ状電極２および出力用すだれ状電極３の中心が位置するように圧電基板１の下端面を接触させる。
【００１９】
図３は信号分析手段４の第１の実施例を示す構成図である。本実施例では、信号分析手段４は増幅器６および周波数カウンタ７から成る。
【００２０】
図3の信号分析手段４を備えた図１の振動変位検出装置において、入力用すだれ状電極２の電極周期長に対応する中心周波数にほぼ等しい周波数の入力電気信号が入力用すだれ状電極２に印加されると、圧電基板１に漏洩弾性波が励振される。この漏洩弾性波は入力用すだれ状電極２の電極周期長にほぼ対応する波長を有しており、細胞質中にジェル溶液を介して縦波として伝搬される。つまり、細胞質中において漏洩弾性波から縦波へのモード変換が起こる。この縦波は血管壁によって反射され、反射された縦波は、出力用すだれ状電極３によって出力用すだれ状電極３の電極周期長にほぼ対応する周波数を有する遅延電気信号として検出される。遅延電気信号は増幅器６によって増幅され、増幅された遅延電気信号の一部は再び入力用すだれ状電極２に印加される。このようにして、増幅器６、入力用すだれ状電極２および出力用すだれ状電極３は自励発振型の遅延線発振器を構成する。増幅された遅延電気信号の残部は周波数カウンタ７に伝搬される。遅延電気信号の周波数は血管の連続的な伸縮によって変化することから、血管の振動変位は遅延電気信号の周波数の変化から検出され、その遅延電気信号の周波数の変化は表示画面５に表示される。
【００２１】
図４は細胞質中を伝搬する縦波の伝搬路を矢印で示した図である。血管の連続的な伸縮は細胞質中の縦波の伝搬路長の変化をもたらす。この伝搬路長の変化は遅延電気信号の周波数を変化させることから、この周波数の変化によって振動変位が高感度で検出され、その遅延電気信号の周波数の変化は表示画面５に表示される。
【００２２】
図５は圧電基板１に励振される各モードの弾性波の位相速度の理論値と、周波数との関係を示す特性図である。圧電基板１中を伝搬する横波の速度は２，４５０ｍ/ｓであり、縦波の速度は４，３９０ｍ/ｓである。各モードにおいて大きな速度分散が認められる。
【００２３】
図６は細胞質中への縦波照射の実効変換効率ηの理論値と、周波数との関係を示す特性図である。 S0モードにおいて９．５ＭＨｚ近傍で最も高いピークがみられ、このピークの周波数は最適な動作周波数を示している。
【００２４】
図１の振動変位検出装置によれば、液体中にある弾性チューブの中に水を注入することによる振動変位を検出することができる。この場合、その液体は、図１における細胞質とジェル溶液との液層に対応し、弾性チューブは血管に対応する。もしも、弾性チューブの中に水を注入すると、弾性チューブの径が変化することから、液体中の縦波の伝搬路長も変化する。従って、遅延電気信号の周波数も変化する。このようにして、弾性チューブの振動変位を検出することができる。
【００２５】
図７は液体中にある弾性チューブの中に水を注入した場合における遅延電気信号の周波数と、その弾性チューブの半径の変化との関係を示す特性図である。この場合、水は弾性チューブの一方の端から注入され、もう一方の端は密閉されている。図７より、周波数と半径の変化の間に直線的な相関関係があることが分かる。このようにして、弾性チューブに水を注入することによる振動変位を周波数の変化で表すことが可能となる。
【００２６】
図８は信号分析手段４の第２の実施例を示す構成図である。本実施例では、信号分析手段は増幅器８および周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換器９から成る。
【００２７】
図８の信号分析手段４を備えた図１の振動変位検出装置において、入力電気信号が入力用すだれ状電極２に印加されると、圧電基板１に漏洩弾性波が励振される。この漏洩弾性波は細胞質中にジェル溶液を介して縦波として照射され、その縦波は血管壁によって反射された後、出力用すだれ状電極３において遅延電気信号として検出される。遅延電気信号は増幅器８によって増幅され、増幅された遅延電気信号の一部は再び入力用すだれ状電極２に印加される。このようにして、増幅器８、入力用すだれ状電極２および出力用すだれ状電極３は自励発振型の遅延線発振器を構成する。増幅された遅延電気信号の残部はＦ／Ｖ変換器９に伝搬され、このようにして遅延電気信号の周波数は電圧に変換される。この電圧は血管の連続的な伸縮によって変化することから、電圧の変化によって血管の振動変位が検出される。電圧の変化は表示画面５に表示される。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の振動変位検出装置は、圧電基板、入力用すだれ状電極、出力用すだれ状電極、信号分析手段および表示画面から成り、液体中の物体の振動変位を電気信号で表すことができる。もしも、入力用すだれ状電極に入力電圧信号を印加すると、圧電基板に漏洩弾性波が励振される。この漏洩弾性波は圧電基板の下端面と接触する液体中に縦波として照射される。この縦波は液体中に含まれる物体で反射される。反射された縦波は、出力用すだれ状電極によって遅延電気信号に変換される。もしも液体中の物体が振動すると、たとえば細胞質中の血管が振動すると、遅延電気信号が変化する。この遅延電気信号の変化は信号分析手段によって検出され、表示画面に表示される。このようにして、本発明の振動変位検出装置によれば液体中の物体の振動変位、たとえば人の脈拍を電気信号で表すことが可能となる。また、圧電基板が圧電セラミックまたは圧電性高分子フィルムで成る構造を採用することにより、液体中の物体の振動変位の検出感度を向上させることが可能となるばかりでなく、装置の小型軽量化を促進することが可能となる。さらに、圧電基板が圧電セラミック薄板とアクリル薄板との２層体で成る構造を採用することにより、基板自体の機械的強度を高めることができるだけでなく、アクリル薄板の使用は液体層との音響結合のための整合性において好都合である。
【００２９】
本発明の振動変位検出装置では、信号分析手段が、増幅器および周波数カウンタで成る構造を採用することにより、増幅器、入力用および出力用すだれ状電極によって遅延線発振器を構成することができる。また、液体中の物体の振動変位は、周波数カウンタにおいて遅延電気信号の周波数の変化によって検出される。
【００３０】
本発明の振動変位検出装置では、信号分析手段が、増幅器および周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換器で成る構造を採用することにより、増幅器、入力用および出力用すだれ状電極によって遅延線発振器が構成される。また、液体中の物体の振動変位は、Ｆ／Ｖ変換された電気信号の電圧の変化によって検出される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の振動変位検出装置の一実施例を示す構成図。
【図２】圧電基板１、入力用すだれ状電極２および出力用すだれ状電極３で成るデバイスを上方から見たときの平面図。
【図３】信号分析手段４の第１の実施例を示す構成図。
【図４】細胞質中を伝搬する縦波の伝搬路を矢印で示した図。
【図５】圧電基板１に励振される各モードの弾性波の位相速度の理論値と、周波数との関係を示す特性図。
【図６】細胞質中への縦波照射の実効変換効率ηの理論値と、周波数との関係を示す特性図。
【図７】液体中にある弾性チューブの中に水を注入した場合における遅延電気信号の周波数と、その弾性チューブの半径の変化との関係を示す特性図。
【図８】信号分析手段４の第２の実施例を示す構成図。
【符号の説明】
１圧電基板
２入力用すだれ状電極
３出力用すだれ状電極
４信号分析手段
５表示画面
６増幅器
７周波数カウンタ
８増幅器
９Ｆ／Ｖ変換器

Claims

圧電基板、入力用すだれ状電極、出力用すだれ状電極、前記入力用すだれ状電極と前記出力用すだれ状電極の間に電気的に接続された信号検出手段、および前記信号分析手段に接続された表示画面から成り、液体を含む測定対象中に存在する測定対象物体の振動変位検出装置であって、前記圧電基板の下端面を液体を含む測定対象への接触面とし、前記入力用および出力用すだれ状電極は、前記圧電基板の上端面に設けられており、それぞれが円弧状を成すとともに互いに同心を有する位置関係を形成し、前記圧電基板の厚さは前記入力用および出力用すだれ状電極の電極周期長よりも小さく、前記入力用すだれ状電極は、前記電極周期長に対応する中心周波数にほぼ等しい周波数の入力電圧信号を印加されることにより前記圧電基板に漏洩弾性波を励振し、前記漏洩弾性波を該測定対象に含まれる液体中に縦波として照射し、前記縦波を前記測定対象物体で反射させる機能を有し、前記出力用すだれ状電極は、反射された前記縦波を遅延電気信号に変換し、前記信号検出手段は、前記測定対象物体の振動変位を前記遅延電気信号の変化によって検出する機能を有し、前記表示画面は前記遅延電気信号の変化に伴う情報を表示する機能を有することを特徴とする振動変位検出装置。
前記圧電基板が圧電セラミックで成り、前記圧電セラミックの分極軸の方向がその厚さ方向と平行である請求項１に記載の振動変位検出装置。
前記圧電基板が圧電性高分子フィルムで成る請求項１に記載の振動変位検出装置。
前記圧電基板が、圧電セラミック薄板とアクリル薄板との２層体で成る請求項１に記載の振動変位検出装置。
前記液体が細胞質で成り、前記物体が血管で成る請求項１，２，３または４に記載の振動変位検出装置。
前記信号分析手段が増幅器および周波数カウンタで成り、前記増幅器によって増幅された前記遅延電気信号の一部は、前記入力用すだれ状電極に再び印加され、前記増幅器、前記入力用および出力用すだれ状電極は遅延線発振器を構成し、前記周波数カウンタは、前記遅延電気信号の周波数の変化によって前記振動変位を検出する請求項１，２，３，４または５に記載の振動変位検出装置。
前記信号分析手段が増幅器および周波数／電圧変換器で成り、前記増幅器によって増幅された前記遅延電気信号の一部は、前記入力用すだれ状電極に再び印加され、前記増幅器、前記入力用および出力用すだれ状電極は遅延線発振器を構成し、前記周波数／電圧変換器は、前記遅延電気信号の周波数を電圧に変換し、前記電圧の変化によって前記振動変位を検出する請求項１，２，３，４または５に記載の振動変位検出装置。