JP5899308B2 - 広帯域センサ - Google Patents

Description

本発明は広帯域センサに関する。

たとえば、車両の運転者の単位時間当たりの心拍数、あるいは呼吸数などを検出することによって、運転者の覚醒度を推定するようにし、車両の安全走行を支援するようにする技術が知られている。

下記特許文献１には、このような運転者の心拍数を検知する心拍検出装置が開示されている。該心拍検出装置は、人体の心拍に応じて振動する第１振動板と、該第１振動板に対向配置され該第１振動板の振動に応じて該第１振動板と異なる振動特性で振動する第２振動板と、該第１振動板と第２振動板の間のキャビティの形状を維持する形状維持部材とを備え、気道を介して該キャビティ内の空気の振動をコンデンサマイクのダイアフラムに伝動させるように構成されている。

また、本発明に関連する従来の技術としては、たとえば、下記特許文献２、３に示すものが知られている。特許文献２には、脈波に応じて振動する振動膜と、該振動膜の外周部を固定する枠部と、該振動膜の中央部を複数に仕切る仕切り部と、この仕切り部によって仕切られた各振動膜に配置され該振動膜の信号を検知するセンサ素子と、を備えた脈波測定装置が開示されている。また、特許文献３には、体表に装着できるフレキシブルシートに超音波素子をアレイ状に搭載した脈波測定シートを構成し、該脈波測定シートを橈骨動脈付近の手首に貼り、橈骨動脈に対して正しく当てられた超音波素子の信号だけを読み取るようにすることによって、細かな位置合わせを不要としたものが開示されている。

特開2008-132010号公報 特開2011-072645号公報 特開2010-269060号公報

しかし、上述した特許文献１に示す技術は、キャビティ内の空気の振動をダイアフラムを介してコンデンサマイクで検知するようにしたものである。この場合、コンデンサマイクは、比較的狭い周波数帯域を有し、サイズも大きく、消費電力も大きいという不都合を有していた。また、ダイアフラム、振動膜を用いることによって構成を複雑にしているという不都合を有していた。

また、特許文献２に示す技術は、センサ素子として圧電素子等を用いることも記載されているが、振動膜を用い、この振動膜を固定する枠部等を必要とするため、構成が複雑になるという不都合を有していた。

さらに、特許文献３に示す技術は、脈波を測定するものとして記載されているが、該脈波を検知する手段として超音波素子を用い、該超音波素子は体表に装着するフレキシブルシートに搭載された構成となっているものである。このため、超音波素子は、体表とフレキシブルシートを介して当接され、該フレキシブルシートによって脈波の超音波素子への伝導が充分でなくなるという不都合を有していた。

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、簡単な構成にも拘わらず、音波、脈波等を効率よく検知し得る広帯域センサを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、音波、脈波等を検知する際に外乱ノイズを取り入れることなく検知し得る広帯域センサを提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の広帯域センサは、絶縁基板に搭載した圧電素子を囲み、少なくとも該圧電素子と対向する部分に開口を有する囲い部材（たとえば筒状部材）を設けることによって、前記開口を通して伝導される該圧電素子の周辺の空気振動を該圧電素子が検知する構成としたものである。これにより、広帯域センサの囲い部材の開口を検知する対象に向けることにより、該対象から発する音波、脈波等は、該開口を通して圧電素子の周辺の空気を振動させ、この振動を該圧電素子が効率よく検知できるようにすることができる。そして、上述のような構成は、振動膜、ダイアフラム等を用いていない構造となっているため、極めて簡単に構成することができるようになる。

また、音波、脈波等を検知する前記圧電素子（第１圧電素子と称する）とは別個の他の圧電素子（第２圧電素子と称する）を前記絶縁基板に搭載させ、該他の圧電素子によって、検知しようとする音波、脈波以外の外乱ノイズのみを検知できる構成にし、第１圧電素子の出力信号と第２圧電素子の出力信号との差分をとるようにしたものである。これにより、第１圧電素子において、検出しようとする音波、脈波等に外乱ノイズが含まれていても、該外乱ノイズを除去できるようになる。

本発明は、以下の構成によって把握できる。
（１）本発明の広帯域センサは、絶縁基板と、前記絶縁基板の表面に搭載された圧電素子と、前記絶縁基板の前記表面に前記圧電素子を囲んで取り付けられ開口を有する囲い部材と、前記圧電素子の出力を取り出す出力手段と、を備える広帯域センサであって、前記開口の内径は、前記囲い部材の内径と同一であり、対象表面に前記囲い部材を当接させて、対象表面に前記囲い部材を当接させて、前記対象表面によって前記開口全体を塞ぐことで、前記絶縁基板と、前記対象表面と、前記囲い部材とのみで前記囲い部材内に密閉キャビティを形成することを特徴とする。
（２）本発明の広帯域センサは、（１）の構成において、前記囲い部材は、弾性リング部材を備えることを特徴とする。
（３）本発明の広帯域センサは、（１）、（２）のいずれかの構成において、前記圧電素子の出力を取り出す前記出力手段は、インピーダンス変換回路あるいは増幅回路であることを特徴とする。
（４）本発明の広帯域センサは、（３）の構成において、前記インピーダンス変換回路は増幅回路を含むことを特徴とする。
（５）本発明の広帯域センサは、（１）ないし（４）のいずれかの構成において、 前記第１圧電素子からの出力を取り出す第１出力手段と、前記絶縁基板の裏面に搭載された第２圧電素子と、前記第２圧電素子からの出力を取り出す第２出力手段と、前記第２手段の出力値と前記第１手段の出力値の差分を取り出す第３出力手段と、を備えることを特徴する。
（６）本発明の広帯域センサは、（５）の構成において、前記絶縁基板の前記裏面には、前記第２圧電素子を閉塞するカバー部材が備えられていることを特徴とする。
（７）本発明の広帯域センサは、（６）の構成において、前記カバー部材はピンホールが形成されていることを特徴とする請求項６に記載の広帯域センサ。
（８）本発明の広帯域センサは、（５）ないし（７）の構成において、前記第１圧電素子の＋極、−極からの各出力を第１インピーダンス変換回路に入力させることにより前記第１出力手段を構成し、前記第２圧電素子の＋極、−極からの各出力を第２インピーダンス変換回路に入力させることにより前記第２出力手段を構成するとともに、前記第１インピーダンス変換回路の出力および前記第２インピーダンス変換回路の出力を演算回路に入力させることで前記第３出力手段を構成することを特徴とする。
（９）本発明の広帯域センサは、（５）ないし（７）の構成において、前記第１圧電素子の＋極、−極から引き出された前記第１出力手段としての各配線を、それぞれ、前記第２圧電素子の−極、＋極から引き出された前記第２出力手段としての各配線に接続することにより前記第３出力手段を構成することを特徴とする。
（１０）本発明の広帯域センサは、（１）ないし（８）のいずれかの広帯域センサであって、体表に取り付けられることを特徴とする。
（１１）本発明の広帯域センサは、（１）ないし（８）のいずれかの広帯域センサであって、建築物に取り付けられることを特徴とする。
（１２）本発明の広帯域センサ装置は、広帯域センサと、前記広帯域センサの出力を受信する受信器とを備え、前記広帯域センサは、（１）ないし（８）のいずれかの広帯域センサからなるとともに、建築部材に取り付けられ、前記受信器は、前記建築部材の前記広帯域センサを取り付けた側の面あるいは前記面と反対側の面のいずれかから衝撃が加わったかを判別する判別手段が具備されていることを特徴とする。
（１３）本発明の広帯域センサは、（１２）の構成において、前記建築部材は窓であることを特徴とする。
（１４）本発明の広帯域センサは、（１）ないし（８）のいずれかの広帯域センサであって、土木構造物に取り付けられることを特徴とする。
（１５）本発明の広帯域センサは、（１４）の構成において、前記土木構造物は橋梁であることを特徴とする。
（１６）本発明の広帯域センサ装置は、広帯域センサと、前記広帯域センサの出力を受信する受信器とを備え、前記広帯域センサは、（１）ないし（８）のいずれかの広帯域センサからなるともに、土木構造物に取り付けられ、前記受信器は、前記土木構造物に加えられた振動に基づく前記広帯域センサの出力を解析する解析手段を具備することを特徴とする。
（１７）本発明の広帯域センサは、（１）ないし（１５）のいずれかの広帯域センサであって、前記出力手段からの出力を前記広帯域センサから離れて配置された受信器に電波で送信するワイヤレス送信器を備えることを特徴とする。

このように構成された広帯域センサによれば、簡単な構成にも拘わらず、音波、脈波等を効率よく検知することができるようになる。また、音波、脈波等を検知する際に外乱ノイズを取り入れることなく検知することができるようになる。

本発明の広帯域センサの実施形態１を示す断面図である。 本発明の広帯域センサの実施形態２を示す断面図である。 本発明の広帯域センサの実施形態３を示す断面図である。 本発明の広帯域センサの実施形態４を示す断面図である。 本発明の広帯域センサの実施形態５を示す断面図である。 本発明の広帯域センサの実施形態６を示す断面図である。 本発明の広帯域センサの実施形態５において、（ａ）は第１圧電素子の出力信号、（ｂ）は第２圧電素子の出力信号、（ｃ）は第１圧電素子の出力信号と第２圧電素子の出力信号との差分をとった信号、（ｄ）は（ｃ）に示す信号を増幅させた信号を示している。 本発明の広帯域センサの使用態様の他の例を示す説明図である。 図８に示す広帯域センサの構成を示す断面図である。 図８に示す広帯域センサ装置に用いられる受信器の構成を示す説明図である。 広帯域センサから受信器が受ける信号を示す説明図である。 図８で使用された広帯域センサの歪変化を示した図である。 広帯域センサの他の構成を示す断面図である。 本発明の広帯域センサの使用態様の他の例を示す説明図である。 図１４に示す広帯域センサ装置に用いられる受信器の構成を示す説明図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、実施形態）について詳細に説明する。なお、実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号を付している。
（実施形態１）
図１（ａ）は、本発明の広帯域センサの実施形態１を示す断面図である。図１において、まず、絶縁基板１がある。絶縁基板１はある程度の剛性を有し、変形し難く形成されている。絶縁基板１の一方の面（表面と称す）には、そのほぼ中央に圧電素子２が搭載されている。この圧電素子２としては、たとえば圧電セラミックスが用いられている。圧電素子２は、＋電極および−電極が形成され、圧電素子２に音波あるいは脈波等からなる振動が与えられた際、該＋電極および−電極の間に該振動に応じた電圧差が生じるように構成されている。そして、この電圧差は圧電素子２の検知信号として取り出せるようになっている。

ここで、圧電素子２は、たとえばコンデンサマイクロフォンと比較した場合、超低域でも振幅の減少が無いため、超低域から広域までの広い周波数特性を有し、サイズも１／１０以下と小さく構成することができる。また、消費電力も大幅に低く、可動部分がないため耐久性を有する。

また、絶縁基板１の表面には、圧電素子２を囲んで取り付けられる囲い部材からなる筒状部材３を有し、この筒状部材３は、前記絶縁基板１と反対側の端部（以下、先端部と称する）において、圧電素子２を露出させる開口４Ａが形成された端面部４を有するように構成されている。

このように筒状部材３の端部に端面部４を形成し、この端面部４に圧電素子２を露出させる開口４Ａを形成することによって、圧電素子２には、検知しようとする音波あるいは風等のみが該開口４Ａを通して入射でき、他の不要な要因を前記端面部４によって遮蔽できることから、信頼性ある検出を行うことができる。

さらに、圧電素子２の＋極、−極から取り出せる信号は、インピーダンス変換回路５に接続され、該インピーダンス変換回路５からの出力を圧電素子２の検出信号として取り出すようになっている。

ここで、インピーダンス変換回路５は、圧電素子２からの信号を高いインピーダンスを持った回路で計測し、その電圧を低いインピーダンスを持った回路として出力してやるように構成されている。これにより、次の段以降の入力インピーダンスが低くても信号を充分に伝えることができる効果を奏するようになっている。

図１（ｂ）は、図１（ａ）の実施形態１で示した広帯域センサの他の実施例を示した図である。

図１（ａ）の場合と比較して異なる構成は、圧電素子２をダイアフラムの形状に構成し、このように構成されたダイアフラム型圧電素子２’は、その周縁を支持台１Ａを介して絶縁基板１に取り付けられるようにしたことにある。このように構成した広帯域センサは、ダイアフラム型圧電素子２’の感度が良好となることから、信頼性ある検知を行うことができる効果を奏する。

なお、実施形態２以降の他の実施形態の広帯域センサにおいて、それぞれ圧電素子２、２Ａを備えるが、これら圧電素子２、２Ａは、ダイアフラム型圧電素子として構成してもよいことはもちろんである。
（実施形態２）
図２は、本発明の広帯域センサの実施形態２を示す断面図である。図２に示す広帯域センサは、体表に当接させて用いられる広帯域センサを示している。

図２は、図１（ａ）に対応付けて描いた図であり、図１（ａ）に示した広帯域センサと比べて異なる構成は、広帯域センサの筒状部材３において、先端部に端面部（図１（ａ）にて符号４で示す）を有することなく、筒状部材３の内径と同一の内径を有する開口４Ｂが設けられていることにある。

このように構成された広帯域センサは、たとえば、その筒状部材３の先端部を体表１０に当接させ、該筒状部材３内に密閉キャビティ１１を形成するようにして用いられる。この場合、体表１０下のたとえば血管（動脈、毛細血管等）１２から伝導される脈波１３が、密閉キャビティ１１内の圧電素子２を介して検知できるようになっている。圧電素子２の周辺の密閉キャビティ１１は、体表１０からの脈波１３を該圧電素子２にキャビティ内の空気圧変化として高感度に検出できることから、圧電素子２は該脈波１３を高感度に検出することができる効果を奏する。

上述したように、筒状部材３は、圧電素子２の周辺に密閉キャビティ１１を構成する機能を有することから、該筒状部材３に替え、たとえばＯリングで構成するようにしてもよい。この場合、Ｏリングの直径は、圧電素子２の高さよりも大きいことが必要となる。Ｏリングの先端部を体表に当接させた場合に、Ｏリング内の圧電素子２の周辺に密閉キャビティが構成される必要があるからである。

なお、図２において、圧電素子２が絶縁基板１に搭載されていること、圧電素子２の＋電極、−電極からの信号がインピーダンス変換回路５を介して取り出されることは、図１（ａ）、（ｂ）で示したと同様である。
（実施形態３）
図３は、本発明の広帯域センサの実施形態３を示す断面図である。図３に示す広帯域センサは、図１（ａ）に示した広帯域センサに外乱ノイズ除去用の構成を付加させたものとなっている。

図３に示す広帯域センサは、まず、図１（ａ）の場合と同様に、絶縁基板１の表面のほぼ中央に圧電素子２（以下、第１圧電素子２と称する場合がある）が搭載されている。また、絶縁基板１の表面には、第１圧電素子２を囲んで取り付けられる筒状部材３を有し、この筒状部材３は、前記絶縁基板１の先端部において、第１圧電素子２を露出させる開口４Ａが形成された端面部４を有するように構成されている。そして、第１圧電素子２の＋極、−極から取り出せる信号は、インピーダンス変換回路５（以下、第１インピーダンス変換回路５と称する場合がある）に接続されている。

そして、実施形態３の広帯域センサは、さらに、絶縁基板１の裏面のほぼ中央に第２圧電素子２Ａが搭載されている。また、絶縁基板１の裏面には、第２圧電素子２Ａを囲むとともに該第２圧電素子２Ａを閉塞して形成されたカバー部材６が取り付けられている。そして、第２圧電素子２Ａの＋極、−極から取り出せる信号は、第２インピーダンス変換回路５Ａに接続されている。さらに、第１インピーダンス変換回路５の出力および第２インピーダンス変換回路５Ａの出力を演算回路７に入力させ、該演算回路７では、第１インピーダンス変換回路５の出力と第２インピーダンス変換回路５Ａの出力の差分をとるようになっており、その演算結果を該演算回路７の出力として取り出すようになっている。

このように構成された広帯域センサにおいて、第１圧電素子２は、検知しようとする音波や風の振動と外乱ノイズによる振動を検出するのに対し、第２圧電素子２Ａは、外乱ノイズによる振動のみを検出することができる。ここで、外乱ノイズとしては、たとえば絶縁基板１の振動が考えられる。この場合、第１圧電素子２は、検知しようとする音波や風の振動と絶縁基板１の前記振動を検出してしまうのに対し、第２圧電素子２Ａは前縁基板１の振動を検出するようになる。第２圧電素子２Ａは絶縁基板１およびカバー部材６によって閉塞され、前記音波や風の振動を検出し難い状態となっているからである。したがって、上述のように、演算回路７によって、第１インピーダンス変換回路５の出力と第２インピーダンス変換回路５Ａの出力の差分をとることにより、検知しょうとする信号のみを取り出すことができるようになる。このため、検知しようとする信号を外乱ノイズなく取り出すことができ、信頼性ある検知を行うことができる。
なお、カバー部材６は、必ずしも密閉構造とする必要はなく、たとえば該カバー部材６にピンホール等が形成されていてもよい。そして、このような構成は、後に説明する実施形態４ないし実施形態６においても採用されてもよいことはもちろんである。
（実施形態４）
図４は、本発明の広帯域センサの実施形態４を示す断面図である。図４に示す広帯域センサは、図３に対応づけて描いた構成となっている。図４において、図３の場合と比較して異なる構成は、第１圧電素子２の＋極、−極から引き出された各配線を、それぞれ、第２圧電素子２Ａの−極、＋極から引き出された各配線に接続することにより、第１圧電素子２の出力と第２圧電素子２Ａの出力の差分をとるようにしたことにある。そして、第１圧電素子２の＋極と第２圧電素子２Ａの−極の接続点Ｐで得られる信号、および第１圧電素子２の−極と第２圧電素子２Ａの＋極の接続点Ｑで得られる信号をインピーダンス変換回路５を介して取り出すようにしたことにある。

このように構成した広帯域センサは、実施形態３と同様の効果を奏するとともに、実施形態３で必要としたインピーダンス変換回路５を不要とでき、インピーダンス回路の数を減らすことができるようになる。
（実施形態５）
図５は、本発明の広帯域センサの実施形態５を示す断面図である。図５に示す広帯域センサは、図２に示した広帯域センサに外乱ノイズ除去用の構成を付加させたものとなっている。

図５に示す広帯域センサは、まず、図２の場合と同様に、絶縁基板１の表面のほぼ中央に圧電素子２（以下、第１圧電素子２と称する場合がある）が搭載されている。また、絶縁基板１の表面には、第１圧電素子２を囲んで取り付けられる筒状部材３を有し、この筒状部材３は、その先端部に端面部（図１（ａ）、（ｂ）にて符号４で示す）を有することなく、筒状部材３の内径と同一の内径を有する開口４Ｂが設けられていることにある。そして、第１圧電素子２の＋極、−極から取り出せる信号は、インピーダンス変換回路５（以下、第１インピーダンス変換回路５と称する場合がある）に接続されている。

そして、実施形態３の広帯域センサは、さらに、絶縁基板１の裏面のほぼ中央に第２圧電素子２Ａが搭載されている。また、絶縁基板１の裏面には、第２圧電素子２Ａを囲むとともに該第２圧電素子２Ａを閉塞して形成されたカバー部材６が取り付けられている。そして、第２圧電素子２Ａの＋極、−極から取り出せる信号は、第２インピーダンス変換回路５Ａに接続されている。さらに、第１インピーダンス変換回路５の出力および第２インピーダンス変換回路５Ａの出力を演算回路７に入力させ、該演算回路７では、第１インピーダンス変換回路５の出力と第２インピーダンス変換回路５Ａの出力の差分をとるようになっており、その演算結果を該演算回路７の出力として取り出すようになっている。

このように構成した広帯域センサにおいても、第１圧電素子２は、検知しようとする脈波の信号と外乱ノイズによる信号を検出するのに対し、第２圧電素子２Ａは、外乱による信号のみを検出することから、上述のように、演算回路７によって、第１インピーダンス変換回路５の出力と第２インピーダンス変換回路５Ａの出力の差分をとることにより、検知しようとする信号のみを取り出すことができるようになる。このため、検知しようとする信号を外乱ノイズなく取り出すことができ、信頼性ある検知を行うことができる。

なお、図７（ａ）は、第１圧電素子２の出力信号を示す図である。第１圧電素子２の出力信号は、脈波の信号と外乱ノイズによる信号とが含まれた信号として取り出される。図７（ｂ）は、第２圧電素子２Ａの出力信号を示す図である。第２圧電素子２Ａの出力信号は、外乱ノイズのみの信号として取り出される。図７（ｃ）は、第１圧電素子２の出力信号と第２圧電素子２Ａの出力信号の差分をとった信号を示す図である。図７（ｃ）に示す信号は、外乱ノイズが除去された信号して取り出されていることが判明する。なお、図７（ｄ）は、図７（ｃ）に示す信号を増幅した信号を示し、脈波に対応する信号となっていることが明らかとなる。
（実施形態６）
図６は、本発明の広帯域センサの実施形態６を示す断面図である。図６は、図５と対応づけて描いた図となっている。

図６において、図５の場合と比較して異なる構成は、第１圧電素子２の＋極、−極から引き出された各配線を、それぞれ、第２圧電素子２Ａの−極、＋極から引き出された各配線に接続することにより、第１圧電素子２の出力と第２圧電素子２Ａの出力の差分をとるようにしたことにある。そして、第１圧電素子２の＋極と第２圧電素子２Ａの−極の接続点Ｐで得られる信号、および第１圧電素子２の−極と第２圧電素子２Ａの＋極の接続点Ｑで得られる信号をインピーダンス変換回路５を介して取り出すようにしたことにある。

このように構成した広帯域センサは、実施形態５と同様の効果を奏するとともに、実施形態５で必要としたインピーダンス変換回路５を不要とでき、インピーダンス回路の数を減らすことができるようになる。
（実施形態７）
実施形態３ないし実施形態６のそれぞれにおいて、絶縁基板１に搭載された第２圧電素子２Ａは、カバー部材６によって閉塞された状態としたものあるが、必ずしも、該カバー部材６は取り付けなくてもよいことはもちろんである。特に、上述したカバー部材６を取り付けなくても、第２圧電素子２Ａは、外乱ノイズを検知でき、音波、脈波を検知できないように構成することができるからである。
（実施形態８）
上述した各実施形態では、圧電素子からの信号をインピーダンス変換回路を経て出力させるようにしている。しかし、これに限定されることはなく、増幅回路を具備するインピーダンス変換回路であっても、また、インピーダンス変換回路の代わりに増幅器を用いるようにしてもよいことはもちろんである。

以上、説明したことから明らかなように、本発明の広帯域センサによれば、簡単な構成にも拘わらず、音波、脈波等を効率よく検知することができるようになる。また、音波、脈波等を検知する際に外乱ノイズを取り入れることなく検知することができるようになる。
（実施形態９）
図８は、本発明の広帯域センサの使用態様の他の例を示す説明図である。
図８は、たとえば一般家屋に取り付けられるサッシ窓２０を示し、屋内側から該サッシ窓２０を観た図となっている。
サッシ窓２０はたとえば２つのサッシ窓２０Ａ、２０Ｂから構成され、これらサッシ窓２０Ａ、２０Ｂは、それぞれ、近接して平行配置された２つの各レール（図示せず）に沿って走行するようにして窓の開閉がなされるようになっている。

図８は、各サッシ窓２０Ａ、２０Ｂが閉状態となるように配置されており、サッシ窓２０Ａのサッシ窓２０Ｂ側の枠体２１Ａとサッシ窓２０Ｂのサッシ窓２０Ａ側の枠体２１Ｂは係止部材２２によってロックされている。そして、たとえばサッシ窓２０Ｂの前記係止部材２２に近接する枠体２１Ｂ上に広帯域センサ３０が取り付けられている。

この広帯域センサ３０は、サッシ窓２０を抉じ開けて侵入しようとする泥棒等に対する防犯センサとして機能するようになっている。
図９は、前記広帯域センサ３０の構成を示す断面図である。図９では、該広帯域センサ３０はサッシ窓２０Ｂの枠体２１Ｂに取り付けられた状態として示している。

図９に示すように、広帯域センサ３０は、まず、筒状のケーシング３１を備え、このケーシング３１のサッシ窓２０Ｂ側の一端に開口端３１Ａを有し、他端に該ケーシング３１と同軸に孔３１Ｂが形成された閉塞面３１Ｃを有する。

ケーシング３１の前記孔３１Ｂには筒状体３２が挿入され、該筒状体３２は、その外周面が前記孔３１Ｂの内周面にたとえば接着されることによって該ケーシング３１に取り付けられている。筒状体３２のサッシ窓２０Ｂ側の一端には該筒状体３２と同軸に配置されるＯ−リング３３が取り付けられている。これにより、筒状体３２はＯ−リング３３をケーシング３１に取り付けるための支持体として機能するようになっている。なお、Ｏ−リング３３は弾性を有するたとえばゴム材で構成されている。

また、筒状体３２には、その内部において、回路基板３４がたとえばケーシング３１の閉塞面３１Ｃとほぼ面一になるように配置され、該回路基板３４は、その外周面が筒状体３２の内周面にたとえば接着されることによって該筒状体３２に取り付けられている。

回路基板３４のサッシ窓２０Ｂ側の表面には圧電素子３５が搭載されている。また、回路基板３４の該圧電素子３５の搭載面と反対側の面には、たとえば半導体チップによって構成されるワイヤレス送信器３６が搭載されている。このワイヤレス送信器３６は、圧電素子３５からの出力を、当該広帯域センサ３０に対して遠隔配置された受信器（図１０において符号４０で示す）に電波で送信するように構成されている。この受信器１０については後に説明する。なお、回路基板３４には、図示していないが、圧電素子３５、ワイヤレス受信器３６を駆動させるたとえば空気電池が搭載されている。

そして、図９に戻り、広帯域センサ３０は、ケーシング３１のサッシ窓２０Ｂ側の開口端３１Ａが両面テープ３７を介してサッシ窓２０の枠体２１Ｂに固着されるようになっている。この場合、筒状体３２に支持されたＯ−リング３３は、前記枠体２１Ｂに比較的強く当接され、その際に生じる弾力によって前記枠体２１Ｂに密着されるようになっている。これにより、回路基板３４、筒状体３２、Ｏ−リング３３とで囲まれる部分は、サッシ窓２０の枠体２１Ｂとともに、密閉キャビティ３９を構成するようになる。

この場合、サッシ窓２０から伝導される振動が、密閉キャビティ３９内の圧電素子３５を介して検知できるようになっている。圧電素子３５の周辺の密閉キャビティ３９は、サッシ窓２０からの振動を該圧電素子３５に密閉キャビティ３９内の空気圧変化として高感度に検出でき、圧電素子３５は該振動を高感度に検出することができる。

図１０は、広帯域センサ３０のワイヤレス送信器３６から送信された電波を受信する受信器４０を示す説明図である。この受信器４０は、たとえばパーソナルコンピュータあるいはスマートフォーン等で構成されるようになっている。
この場合、受信器４０は、広帯域センサ３０からの電波（信号）を受信する受信手段４１とともにサッシ窓２０の該広帯域センサ３０を取り付けた側の面あるいは前記面と反対側の面のいずれかから衝撃が加わったかを判別する判別手段４２が備えられたものとなっている。

すなわち、サッシ窓２０に外側から衝撃を加え、若干の時間経過の後に、サッシ窓２０に内側から衝撃を加えた場合を想定する。この場合、受信器４０には、広帯域センサ３０から図１１に示す信号を受けるようになる。図１１において、最初に受信する信号αは、サッシ窓２０の外側から加えられた衝撃の信号に相当し、次に受信する信号βは、サッシ窓２０の内側から加えられた衝撃の信号に相当する。

図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、上述の一連の過程においてサッシ窓２０とともに生じる広帯域センサ３０の変形を誇張して描いた断面図である。
図１２（ａ）は、サッシ窓２０に外側（図中矢印方向）から衝撃を加えた場合の広帯域センサ３０を示し、広帯域センサ３０は、サッシ窓２０の外側が凹にサッシ窓２０の内側が凸となるように歪んで変形し、圧電素子３５もこれに応じた変形がなされ、この変形に対応する信号を圧電素子３５は出力するようになる。この場合において得られる圧電素子３５からの信号は、図１１に示す信号αとなっている。信号αは、たとえば負側に大きなピークを有する波形として形成されている。そして、サッシ窓２０の外側からの衝撃がなくなった場合、図１２（ａ）に示す広帯域センサ３０の変形は、減衰するようになる。

図１２（ｂ）は、サッシ窓２０の外側からの衝撃の後の若干の時間経過における広帯域センサ３０を示し、広帯域センサ３０は、歪みのない通常の形状になる。この場合において得られる圧電素子３５からの信号は無く、図１１において信号αと信号βとの間の期間に相当するようになっている。

図１２（ｃ）は、サッシ窓２０に内側（図中矢印方向）から衝撃を加えた場合の広帯域センサ３０を示し、広帯域センサ３０は、サッシ窓２０の外側が凸にサッシ窓２０の内側が凹となるように歪んで変形し、圧電素子３５もこれに応じた変形がなされ、この変形に対応する信号を圧電素子３５が出力するようになる。この場合において得られる圧電素子３５からの信号は、図１１に示す信号βとなっている。信号βは、たとえば正側に大きなピークを有する波形として形成されている。そして、サッシ窓２０の内側からの衝撃がなくなった場合、図１２（ｃ）に示す変形は減衰するようになる。

そして、図１０に戻り、受信器４０の判別回路４２は、信号αおよび信号βの波形の相違を識別することによって信号αであるか信号βであるかを判別するようになっている。そして、受信器４０は、警告手段４３を具備し、判別回路４２によって信号αを判別した場合に、該警告手段４３によって警告を発するようになっている。ここで、警告としては、種々の方法があるが、たとえば、スピーカを通した音声等によって行う。

ここで、判別手段４２が信号αを判別した際に、警告手段４３によって警告を発するようにしたのは、サッシ窓２０に外側から衝撃が加わっていることから、該サッシ窓２０を抉じ開けて侵入しようとする泥棒等がいると判断されるからである。これに対し、サッシ窓２０に内側から衝撃が加わった場合に警告を発しないのは、たとえば赤子を含む子供達がサッシ窓２０を叩いている場合等を想定でき、少なくとも泥棒等が内側からサッシ窓２０に衝撃を与えることはないだろうという経験則に基づいている。

これにより、広帯域センサ３０を取り付けた住人は、住居の外から侵入者が窓を抉じ開けているのではないかという注意が喚起されるようになり、該広帯域センサ３０を防犯センサとして機能させることができる。
なお、この明細書において、広帯域センサ３０（あるいは３０’）と受信器４０を広帯域センサ装置と称する場合がある。
（実施形態１０）
実施形態９では、防犯センサとして機能させる広帯域センサ３０は、たとえば窓に取り付けたものである。しかし、窓に限定されることなく、ドア、あるいは他の建築部材に取り付けるようにしてもよいことはもちろんである。

この場合、建築部材がたとえば鉄等の磁性体からなる場合、広帯域センサ３０の該建築部材への取付けを強固・簡単に行うために、該広帯域センサ３０を次に示すように構成してもよい。

図１３は、図９に対応づけて描いた広帯域センサ３０’の断面図であり、たとえばドアに取り付けられた状態で示している。
図１３において、図９の場合と異なる構成は、まず、ドア３８はたとえば鉄等からなる磁性体から構成されている。そして、広帯域センサ３０’のケーシング３１’は磁石によって構成されている。その他、たとえば、筒状体３２、Ｏ−リング３３、回路基板３４、圧電素子３５、ワイヤレス送信器３６等は、図９の場合と同様の構成となっている。

このように構成した広帯域センサ３０’は、磁石からなるケーシング３１’のドア３８側の開口端３１Ａが磁性体であるドア３８に磁力によって吸着されるようになる。この場合、筒状体３２に支持されたＯ−リング３３は、ドア３８に比較的強く当接され、その際に生じる弾力によってドア３８に密着されるようになる。これにより、回路基板３４、筒状体３２、Ｏ−リング３３とで囲まれる部分は、ドア３８とともに、密閉キャビティ３９を構成するようになる。

このように構成した広帯域センサ３０’は、たとえば鉄等からなる建築部材であれば、そのどこの部分においても強固に、かつ簡単に取付けることができ、実施形態９に示したと同様に用いることができるようになる。

なお、実施形態９、実施形態１０では、それぞれ、図９、図１３に示す広帯域センサを用いた例を示したものであるが、これに限定されることはなく、実施形態１ないし実施形態８のうちいずれかに示した広帯域センサを用いるようにしてもよいことはいうまでもない。この場合、広帯域センサは、実施形態１ないし実施形態８に示した構成に、Ｏ−リング（図９、図１３のＯ−リング３３に相当する）、ワイヤレス送信器（図９、図１３のワイヤレス送信器３６に相当する）を必要に応じて具備させた構成とするようにしてもよいことはもちろんである。

（実施形態１１）
図１４は、本発明の広帯域センサの使用態様の他の例を示す説明図である。
図１４は、いわゆるトラス構造を有する鉄橋５０を示した図である。そして、この鉄橋５０の必要とする複数の箇所にそれぞれ広帯域センサ３０が取り付けられている。この広帯域センサ３０としては、たとえば図９（あるいは図１３）に示したものが使用されている。トラス構造の鉄橋５０の斜材５１は腐食が生じ易く、その劣化や損傷がもたらす該材料５１の剛性や質量の変化を、該広帯域センサ３０によって検出しようとするものである。
すなわち、鉄橋５０に振動を与え、これにともなう広帯域センサ３０の圧電素子(図９において符号３５で示す)からの出力が、該広帯域センサ３０を取り付けた材料の剛性や質量に対応して得られ、該材料の経時的な劣化や損傷が解析できるようになっている。

図１４に示すように、鉄橋５０に沿って移動する橋梁点検車５２の走行によって、鉄橋５０に振動を与えることができ、この振動による広帯域センサ３０の圧電素子（図９において符号３５で示す）からの出力が、ワイヤレス送信器（図９において符号３６で示す）を介して該橋梁点検車５２に搭載されたたとえばパーソナルコンピュータからなる受信器に送信されるようになっている。
図１５は、橋梁点検車５２に搭載される受信器５３を示し、該受信器５３は、広帯域センサ３０のワイヤレス送信機（図９において符号３６で示す）から信号を受信する受信手段５４、この受信手段５４からの信号によって鉄橋５０の振動解析を行う解析手段５５と、この解析手段５５によって得られる解析結果を必要に応じて表示する表示手段５６とを備えて構成されている。
橋梁点検車５２にはたとえば点検者が搭乗しており、該点検者は前記受信器５４を通して圧電素子（図９において符号３５で示す）の出力情報を、収集・解析するようになっている。

なお、実施形態１１では、本発明の広帯域センサ３０を橋梁５０等の土木構造体に取り付け、該土木構造体の振動の解析を行うようにしたものである。しかし、これに限定されることはなく、たとえばビル等の建築物に取り付け、該建築物の振動の解析を行うようにしてもよいことはもちろんである。
なお、この明細書において、広帯域センサ３０（あるいは３０’）と受信器５３を広帯域センサ装置と称する場合がある。
（実施形態１２）
実施形態１１では、それぞれ、図９、図１３に示す広帯域センサを用いた例を示したものであるが、これに限定されることはなく、実施形態１ないし実施形態８のうちいずれかに示した広帯域センサを用いるようにしてもよいことはいうまでもない。この場合、広帯域センサは、実施形態１ないし実施形態８に示した構成に、Ｏ−リング（図９、図１３のＯ−リング３３に相当する）、ワイヤレス送信器（図９、図１３のワイヤレス送信器３６に相当する）を必要に応じて具備させた構成とするようにしてもよいことはもちろんである。

以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されないことは言うまでもない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。また、その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１……絶縁基板、１Ａ……支持台、２……圧電素子（第１圧電素子）、２Ａ……第２圧電素子、２’……ダイアフラム型圧電素子、３……筒状部材、４……端面部、４Ａ、４Ｂ……開口、５……インピーダンス変換回路（第１インピーダンス変換回路）、５Ａ……第２インピーダンス変換回路、６……カバー部材、７……演算回路、１０……体表、１１……密閉キャビティ、１２……血管、１３……脈波、２０、２０Ａ、２０Ｂ……サッシ窓、２１Ａ、２１Ｂ……枠体、２２……係止部材、３０、３０’……広帯域センサ、３１、３１’……ケーシング、３１Ａ……開口端、３１Ｂ……孔、３１Ｃ……閉塞面、３２……筒状体、３３……Ｏ−リング、３４……回路基板、３５……圧電素子、３６……ワイヤレス送信器、３７……両面テープ、３８……ドア、３９……密閉キャビティ、４０……受信器、４１……受信手段、４２……判別手段、４３……警告手段、５０……鉄橋、５１……斜材、５２……橋梁点検車、５３……受信器、５４……受信手段、５５……解析手段、５６……表示手段。

Claims (17)

1. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板の表面に搭載された圧電素子と、
   前記絶縁基板の前記表面に前記圧電素子を囲んで取り付けられ開口を有する囲い部材と、
   前記圧電素子の出力を取り出す出力手段と、を備える広帯域センサであって、
   前記開口の内径は、前記囲い部材の内径と同一であり、
   対象表面に前記囲い部材を当接させて、前記対象表面によって前記開口全体を塞ぐことで、前記絶縁基板と、前記対象表面と、前記囲い部材とのみで前記囲い部材内に密閉キャビティを形成することを特徴とする広帯域センサ。
2. 前記囲い部材は、弾性リング部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の広帯域センサ。
3. 前記圧電素子の出力を取り出す前記出力手段は、インピーダンス変換回路あるいは増幅回路であることを特徴とする請求項１又は２に記載の広帯域センサ。
4. 前記インピーダンス変換回路は増幅回路を含むことを特徴とする請求項３に記載の広帯域センサ。
5. 前記第１圧電素子からの出力を取り出す第１出力手段と、前記絶縁基板の裏面に搭載された第２圧電素子と、前記第２圧電素子からの出力を取り出す第２出力手段と、前記第２出力手段の出力値と前記第１出力手段の出力値の差分を取り出す第３出力手段と、を備えることを特徴する請求項１ないし４のいずれかに記載の広帯域センサ。
6. 前記絶縁基板の前記裏面には、前記第２圧電素子を閉塞するカバー部材が備えられていることを特徴とする請求項５に記載の広帯域センサ。
7. 前記カバー部材にはピンホールが形成されていることを特徴とする請求項６に記載の広帯域センサ。
8. 前記第１圧電素子の＋極、−極からの各出力を第１インピーダンス変換回路に入力させることにより前記第１出力手段を構成し、前記第２圧電素子の＋極、−極からの各出力を第２インピーダンス変換回路に入力させることにより前記第２出力手段を構成するとともに、前記第１インピーダンス変換回路の出力および前記第２インピーダンス変換回路の出力を演算回路に入力させることで前記第３出力手段を構成することを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の広帯域センサ。
9. 前記第１圧電素子の＋極、−極から引き出された前記第１出力手段としての各配線を、それぞれ、前記第２圧電素子の−極、＋極から引き出された前記第２出力手段としての各配線に接続することにより前記第３出力手段を構成することを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の広帯域センサ。
10. 請求項１ないし請求項８のいずれかの広帯域センサであって、体表に取り付けられることを特徴とする広帯域センサ。
11. 請求項１ないし請求項８のいずれかの広帯域センサであって、建築物に取り付けられることを特徴とする広帯域センサ。
12. 広帯域センサと、前記広帯域センサの出力を受信する受信器とを備え、
    前記広帯域センサは、請求項１ないし請求項８のいずれかの広帯域センサからなるとともに、建築部材に取り付けられ、
    前記受信器は、前記建築部材の前記広帯域センサを取り付けた側の面あるいは前記面と反対側の面のいずれかから衝撃が加わったかを判別する判別手段が具備することを特徴とする広帯域センサ装置。
13. 前記建築部材は窓であることを特徴とする請求項１２に記載の広帯域センサ装置。
14. 請求項１ないし請求項８のいずれかの広帯域センサであって、土木構造物に取り付けられることを特徴とする広帯域センサ。
15. 前記土木構造物は橋梁であることを特徴とする請求項１４に記載の広帯域センサ。
16. 広帯域センサと、前記広帯域センサの出力を受信する受信器とを備え、
    前記広帯域センサは、請求項１ないし請求項８のいずれかの広帯域センサからなるともに、土木構造物に取り付けられ、
    前記受信器は、前記土木構造物に加えられた振動に基づく前記広帯域センサの出力を解析する解析手段を具備することを特徴とする広帯域センサ装置。
17. 請求項１ないし請求項１５のいずれかの広帯域センサであって、前記出力手段からの出力を前記広帯域センサから離れて配置された受信器に電波で送信するワイヤレス送信器を備えることを特徴とする広帯域センサ。

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