JP6626619B2 - センサモジュールおよびセンシング装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を利用したセンサモジュール、また、このセンサモジュールを含むセンシング装置に関する。

特許文献１には、音波、脈波等を効率よく検知することができる広帯域センサが開示されている。この広帯域センサは、絶縁基板と、絶縁基板の表面に搭載された圧電素子と、絶縁基板の表面に圧電素子を囲んで取り付けられ少なくとも圧電素子と対向する部分に開口を有する筒状部材と、圧電素子の出力を取り出す出力手段とを備える（例えば、特許文献１の要約書参照）。

国際公開第2013/145352号

特許文献１の図１に示される広帯域センサは、圧電素子を使用するため、高感度および広帯域で検出対象の信号を検出できる反面、当該検出対象の信号の他、外乱による信号も検出しやすいという欠点がある。

本発明の目的は、外乱の影響を抑制できるセンサモジュールおよびセンシング装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るセンサモジュールは、第１センサと、剛体と、緩衝部材と、第２センサとを具備する。
前記第１センサは、第１圧電素子と、前記第１圧電素子が実装された第１実装基板とを有する。
前記剛体は、前記第１実装基板に設けられている。
前記第２センサは、第２圧電素子と、前記第２圧電素子が実装された第２実装基板とを有し、少なくとも前記緩衝部材を介して前記第１センサに設けられている。
第１センサの第１実装基板に剛体が設けられることで、第１センサは、剛体に当接した検出対象からの信号を高感度で検出することができる。また、第２センサが、緩衝部材を介して第１センサに設けられることにより、第２センサは、第１センサで検出する信号の種類とは異なる種類の信号、つまり外乱による信号を検出することができる。これにより、外乱の影響を抑制できる。

前記剛体は、前記第１圧電素子を囲むように設けられていてもよい。

前記センサモジュールは、前記剛体内で前記第１圧電素子を封止する封止部材をさらに具備してもよい。
これにより、第１圧電素子および第１実装基板の少なくとも一部の回路を外部に露出させることがないので、第１センサの耐久性が向上する。

前記封止部材は、前記緩衝部材の材料と同じ材料により構成されていてもよい。
これにより、このセンサモジュールの製造が容易になり、また、低コスト化を実現することができる。

前記封止部材は、前記緩衝部材と一体に構成され、前記剛体内で前記第２センサを封止してもよい。
これにより、第１センサだけでなく、第２センサを外部に露出させることがないので、第２センサの耐久性が向上する。

前記封止部材の、前記第１実装基板が配置される側とは反対側の端面が、前記剛体の、前記第１実装基板が配置される側とは反対側の端面より突出していてもよい。
これにより、ユーザの身体にセンサモジュールが装着される場合、ユーザの装着感が向上する。

前記センサモジュールは、前記封止部材とは別体で構成された、前記第２圧電素子を封止する封止部材をさらに具備してもよい。
これにより、第２圧電素子および第２実装基板の少なくとも一部の回路を外部に露出させることがないので、第２センサの耐久性が向上する。

前記剛体は、検出対象から信号を導入する信号導入端面を有し、前記第１センサおよび前記第２センサは、前記信号導入端面に垂直方向の軸に沿って配列されていてもよい。
これにより、第１センサが、第２センサが取得すべき信号と実質的に同じ信号（を含む信号）を、効率良く得ることができる。例えば第１センサおよび第２センサの出力値を用いて外乱補正の演算（外乱の影響を除去するための演算）を行う場合に、簡易かつ高精度にその外乱補正の演算を行うことができる。

前記第１圧電素子および前記第２圧電素子が、前記垂直方向の軸に同軸で配置されていてもよい。

前記剛体より低い硬度を有し、前記第２圧電素子を封止する封止部材をさらに具備し、前記第２センサは、前記封止部材が検出対象に当接可能な位置に配置されるように、前記第１センサに前記緩衝部材を介して設けられていてもよい。
これにより、センサモジュールの薄型化を実現できる。

前記第１実装基板が搭載された接続基板をさらに具備してもよい。また、前記第２センサは、前記緩衝部材を介して前記接続基板に設けられていてもよい。接続基板は、回路を有する回路基板であってもよい。

前記第１実装基板は、前記第１圧電素子が実装された表面を有し、前記第２実装基板は、前記緩衝部材を介して前記第１実装基板の表面上に配置されていてもよい。

前記緩衝部材のショア硬度が、1以上100以下であってもよい。

前記第１実装基板または前記第２実装基板に搭載され、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子の出力側に電気的に接続された差動増幅器を有していてもよい。
これによりセンサモジュールは、差動増幅されたアナログ信号を外部の機器に出力することができる。

前記センサモジュールは、ＡＤ変換器と、演算器とをさらに具備してもよい。前記ＡＤ変換器は、前記第１実装基板または前記第２実装基板に搭載され、前記第１センサおよび前記第２センサの出力側に電気的に接続される。
前記演算器は、前記第１実装基板または前記第２実装基板に搭載され、前記ＡＤ変換器の出力側に電気的に接続される。
これによりセンサモジュールは、演算器により演算されたデジタル信号を外部の機器に出力することができる。

本発明に係るセンシング装置は、上述したセンサモジュールと、処理手段とを具備する。
前記処理手段は、前記第１センサおよび前記第２センサから出力された信号を処理するように構成される。

前記処理手段は、前記第１センサおよび前記第２センサの出力側に電気的に接続されたＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器の出力側に電気的に接続された演算器とを有していてもよい。

前記処理手段は、前記センサモジュールから出力された信号を無線通信により送信する送信機と、前記送信機から送信された信号を受信する受信機とを有していてもよい。

以上、本発明によれば、外乱の影響を抑制することができる。

図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係るセンサモジュールを模式的に示す断面図である。図１Ｂは、剛体の信号導入端面と封止部材の端面とが同一高さとされたセンサモジュールを模式的に示す断面図である。 図２は、センサモジュールの電気的な構成の一例を示すブロック図である。 図３Ａは、第１センサによる検出信号を示すグラフである。図３Ｂは、第２センサによる検出信号を示すグラフである。図３Ｃは、センサモジュールの出力信号を示すグラフである。 図４は、本発明の第２の実施形態に係るセンサモジュールを模式的に示す断面図である。 図５は、本発明の第３の実施形態に係るセンサモジュールを模式的に示す断面図である。 図６は、本発明の第４の実施形態に係るセンサモジュールを模式的に示す断面図である。 図７は、本発明の第５の実施形態に係るセンサモジュールを模式的に示す断面図である。 図８は、本発明の第６の実施形態に係るセンサモジュールを模式的に示す断面図である。 図９は、本発明の第７の実施形態に係るセンサモジュールを模式的に示す断面図である。 図１０は、ショア硬度と定義されたαとの関係を示す表である。 図１１は、センサモジュールの電気的構成の別の例を示すブロック図である。 図１２は、センサモジュールを含むセンシング装置の電気的構成を示すブロック図である。 図１３は、さらに別の例に係るセンシング装置の電気的構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

本発明の実施形態に係るセンサモジュールは、主に、生体に発生する微細な振動を検出することにより、脈拍、不整脈、血管の硬さ等を測定する測定装置に用いられ得る。

以下に説明する各実施形態に係るセンサモジュールは、２つのセンサを備える。それらのセンサのうちの１つが検出対象Ｍの信号を検出し、他の１つが外乱に起因して発生する信号を検出するように、センサモジュールは構成されている。

［第１の実施形態］

（センサモジュールの構成）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係るセンサモジュールを模式的に示す断面図である。センサモジュール１００Ａは、第１センサ１１、第２センサ１２、剛体２０、緩衝部材３０Ａ、および封止部材３０Ｂを備える。

第１センサ１１は、第１圧電素子１１Ｐと、第１圧電素子１１Ｐが実装された第１実装基板１１Ｂとを有する。第２センサ１２は、第２圧電素子１２Ｐと、第２圧電素子１２Ｐが実装された第２実装基板１２Ｂとを有する。第１圧電素子１１Ｐおよび第２圧電素子１２Ｐとして、実質的に同様の素子が用いられる。

第１実装基板１１Ｂおよび第２実装基板１２Ｂは、電気回路を含む樹脂基板である。第１実装基板１１Ｂおよび第２実装基板１２Ｂ、典型的には矩形形状であるが、円形、楕円形、その他の形状であってもよい。第１実装基板１１Ｂおよび第２実装基板１２Ｂは、例えば樹脂基板に凹部が設けられ、その凹部内に電子部品が配置される「部品内蔵基板」技術が採用された実装基板であってもよい。これにより、第１センサ１１および第２センサ１２の小型化、薄型化を実現できる。

第１実装基板１１Ｂおよび第２実装基板１２Ｂは、例えば電気ケーブル１５により電気的に接続されている。電気ケーブル１５は、緩衝部材３０Ａ内を通っている。第１実装基板１１Ｂおよび第２実装基板１２Ｂ間の相互の振動伝達を抑えるため、電気ケーブル１５は小さい剛性の細線が用いられることが好ましい。

剛体２０は、例えば第１実装基板１１Ｂに接続、固定され、第１圧電素子１１Ｐを囲むように第１実装基板１１Ｂ上に設けられている。典型的には、剛体２０は環状を有している。具体的には、剛体２０は、第１センサ１１および第２センサ１２が並ぶ方向（図１Ａ中、上下方向）に沿う軸方向から見て、円形状を有している。「環状」は、円環状に限られず、三角形以上の多角形状や、その他ランダムな形状の意味も含む。

剛体２０の材料は、典型的には金属であるが、樹脂、セラミックであってもよい。金属の場合、ステンレス、アルミニウム、鉄、銅等が挙げられる。樹脂としては、比較的高剛性の樹脂、例えばＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）等が用いられる。剛体２０の材料は、実使用に耐え得る強度、防錆性等の耐久性が確保できる材料であることが望ましい。

剛体２０は、その端部に信号導入端面２０ａを有する。センサモジュール１００Ａの使用時においては、信号導入端面２０ａが、一点鎖線で示す生体（ユーザの身体）の一部である検出対象Ｍに当接する。剛体２０は、検出対象Ｍの動きの信号を信号導入端面２０ａから導入して、第１実装基板１１Ｂを介して第１圧電素子１１Ｐに伝達する機能を有する。

なお、センサモジュール１００Ａは、第１センサ１１、第２センサ１２、剛体２０、および緩衝部材３０Ａ等の各構成部材を収容する図示しない筐体を有する。この筐体は、剛体２０の信号導入端面２０ａを外部に露出させるための開口を有する。筐体には、図示しない面ファスナ、バンド、粘着パッド等が接続されており、これらによってセンサモジュール１００Ａが身体に装着される。

第１センサ１１および第２センサ１２は同様の形態を有しており、第１圧電素子１１Ｐおよび第２圧電素子１２Ｐによる信号検出の方向が実質的に同じになるように、配置されている。具体的には、剛体２０の信号導入端面２０ａに垂直方向（図１Ａにおいて上下方向）の軸に沿って第１センサ１１および第２センサ１２が配置されている。さらに、本実施形態では、第１圧電素子１１Ｐおよび第２圧電素子１２Ｐは、その軸に同軸で配置されている。

第１センサ１１および第２センサ１２の間には緩衝部材３０Ａが介在している。すなわち、第２センサ１２は、緩衝部材３０Ａを介して第１センサ１１の第１実装基板１１Ｂに接続されている。緩衝部材３０Ａは、第２圧電素子１２Ｐを封止するように設けられた封止部材（封止部材３０Ｂとは別体である）として機能し、第２実装基板１２Ｂの実装表面を覆うように設けられている。これにより、第２圧電素子１２Ｐおよび第２実装基板１２Ｂの実装表面を外部に露出させることがないので、防塵性、防水性等の効果が促進され、第２センサ１２の耐久性が向上する。

封止部材３０Ｂは、剛体２０内で第１圧電素子１１Ｐを封止するように、第１実装基板１１Ｂ上に設けられている。封止部材３０Ｂが設けられることにより、また、緩衝部材３０Ａにより、第１実装基板１１Ｂの実装表面の反対面が覆われることにより、第１圧電素子１１Ｐおよび第１実装基板１１Ｂを外部に露出させることがなく、防塵性、防水性等の効果が促進され、第１センサ１１の耐久性が向上する。

封止部材３０Ｂの材料は、緩衝部材３０Ａの材料と同じとされている。両者に同じ材料が用いられることにより、センサモジュールの製造が容易になり、また、低コスト化を実現することができる。封止部材３０Ｂおよび緩衝部材３０Ａの材料として、剛体２０の材料や、第１実装基板１１Ｂおよび第２実装基板１２Ｂの材料の硬度より低い硬度の材料が用いられる。

緩衝部材３０Ａおよび封止部材３０Ｂの材料として、ショア硬度（Shore Durometer）が1以上100以下である材料が用いられる。望ましいショア硬度は、15以上80以下であり、より望ましくは、30以上60以下である。

上記ショア硬度を実現する緩衝部材３０Ａおよび封止部材３０Ｂの材料として、例えばゴムやグリース等の比較的軟らかい樹脂、またはスポンジ等が用いられる。ゴム材料としては、例えばシリコーンが用いられる。シリコーン以外にも、エチレンプロピレン、ウレタン、ニトリル等が用いられ得る。

封止部材３０Ｂの材料と緩衝部材３０Ａの材料とが異なっていてもよい。この場合であっても、封止部材３０Ｂは、剛体２０の硬度と比較して低い硬度の材料が用いられる。

図１Ａに示すセンサモジュール１００Ａでは、封止部材３０Ｂの端面（第１実装基板１１Ｂが配置される側とは反対側の端面）３１Ｂが、剛体２０の信号導入端面２０ａより外方へ突出している。その突出長さは1mm以下である。このように、比較的軟らかい材料の封止部材３０Ｂが、剛体２０とともに、検出対象Ｍであるユーザの身体に当接することにより、剛体２０のみが身体に当接する場合に比べ、ユーザの痛感や違和感を抑え、センサモジュール１００Ａの装着感を高めることができる。

もちろん、センサモジュール１００Ａは、剛体２０のみが検出対象Ｍに当接するように構成されていてもよい。この場合、封止部材３０Ｂの端面３１Ｂが、剛体２０の信号導入端面２０ａより低くなるように（信号導入端面２０ａより第１実装基板１１Ｂ側に位置するように）、封止部材３０Ｂおよび剛体２０が構成される。

あるいは、図１Ｂに示すセンサモジュール１００Ａ'のように、封止部材３０Ｂの端面３１Ｂと剛体２０の信号導入端面２０ａとが面一（同一面内に位置する）であってもよい。あるいは、封止部材３０Ｂは無くてもよい。

（センサモジュールの電気的構成）
図２は、この検出対象信号を得るための、センサモジュール１００Ａの電気的な構成の一例を示すブロック図である。第１実装基板１１Ｂには差動増幅器１６が搭載されている。第１圧電素子１１Ｐおよび第２圧電素子１２Ｐから出力されるそれぞれの信号が、差動増幅器１６に入力される。差動増幅器１６から出力された、第１圧電素子１１Ｐおよび第２圧電素子１２Ｐからの各信号の差分信号が、センサモジュール１００Ａの出力信号として、ここでは図示しない外部機器に出力される。外部機器は、例えばユーザにセンシング状態または結果を提示するように構成される機器である。

なお、差動増幅器１６は、第１実装基板１１Ｂに搭載されるのではなく、第２実装基板１２Ｂに搭載されていてもよい。

（センサモジュールの作用または使用方法）
圧電素子は、周知のように加速度を信号として出力するように構成された素子である。圧電素子は、慣性力を受けた時に電荷を発生する。この電荷発生量は、その慣性力（つまり加速度）に比例する。したがって、圧電素子は、電荷発生量を電圧レベルに変換することにより、加速度信号を出力することができる。

センサモジュール１００Ａの使用時には、上述したように剛体２０が検出対象Ｍに直接当接される。したがって、剛体２０が固定された第１センサ１１は、検出対象Ｍの動きに応じた加速度信号を検出する。第１センサ１１によって検出される信号には、脈拍等、ユーザが意図しない生体信号（本来検出すべき信号である検出対象信号）と、それ以外の外乱信号（ノイズ）が含まれる。

外乱信号には、例えばユーザが身体の一部である検出対象Ｍを意図的に動かす場合に発生する信号や、脈拍等の生体信号より大きいレベルを持つ無意識の動きによる信号等が含まれる。あるいは、外乱信号には、外部から入力される音波や風圧により発生する信号も含まれる。

一方、第２センサ１２は、検出対象Ｍに直接当接しておらず、緩衝部材３０Ａを介して第１センサ１１に接続されている（緩衝部材３０Ａを介して第１センサ１１に設けられている）。緩衝部材３０Ａは、上記生体信号（検出対象信号）を吸収するような硬度（上述の所定のショア硬度）に設定されている。したがって、第２センサ１２は、実質的に外乱信号のみを効率的に検出することができる。

したがって、第１センサ１１による検出信号と第２センサ１２による検出信号の差分を取ることにより、検出対象信号を効果的に得ることができる。上記差動増幅器１６により、この差分信号が出力される。

（センサモジュールによる測定結果）
本発明者らのうち一人が、本実施形態に係るセンサモジュール１００Ａを指に装着して、意図的に指をランダムに動かしながら、指に発生する脈動（脈拍）を測定した。このような実験による測定結果として、図３Ａは、第１センサ１１による検出信号を示すグラフであり、図３Ｂは、第２センサ１２による検出信号を示すグラフである。図３Ｃは、差動増幅器１６の出力信号、つまりセンサモジュール１００Ａの出力信号を示すグラフである。各グラフにおいて、縦軸の単位はmVである。横軸は時間（×40s）である。図３Ｂに示すグラフでは、原点補正を行っている。

実験では、合計３回、指をランダムに動かす期間を設け、意図的にセンサモジュール１００Ａに外乱を与えた。図３Ａに示すように、ランダムな外乱信号が発生しているのがわかる。これに対し、図３Ｂに示すように、第２センサ１２では、実質的に外乱信号のみが検出された。図３Ｃに示すように、外乱が除去された信号、つまり検出対象信号が得られた。

（まとめ）
以上のように、本実施形態に係るセンサモジュール１００Ａによれば、第１センサ１１の第１実装基板１１Ｂに剛体２０が設けられることで、第１センサ１１は、剛体２０に当接した検出対象Ｍからの信号を高感度で検出することができる。また、第２センサ１２が、緩衝部材３０Ａを介して第１センサ１１に設けられることにより、第２センサ１２は、外乱信号を効率的に検出することができる。したがって、これらの差分を取ることにより、外乱の影響を抑制できる。

本実施形態では、上述のように、第１センサ１１および第２センサ１２が、剛体２０の信号導入端面２０ａに垂直方向に沿う軸に沿って配置されている。そして、特に、第１圧電素子１１Ｐおよび第２圧電素子１２Ｐが、その軸に同軸で配置されている。これにより、第１センサ１１が、第２センサ１２が取得すべき信号と実質的に同じ信号（を含む信号）を、効率良く得ることができる。すなわち、第２圧電素子１２Ｐが取得すべき外乱信号と同じ信号を、第１圧電素子１１Ｐが効率良く検出することができ、簡易かつ高精度に外乱補正の演算を行うことができる。

［第２の実施形態］

次に、本発明の第２の実施形態に係るセンサモジュールについて説明する。これ以降の説明では、図１Ａ、Ｂに示した実施形態に係るセンサモジュールが含む部材や機能等について実質的に同様の要素については同一の符号を付し、その説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。

図４は、第２の実施形態に係るセンサモジュールを模式的に示す断面図である。このセンサモジュール１００Ｂでは、環状の剛体２０内で第２センサ１２が緩衝部材３０により封止されている。つまり、この緩衝部材３０は封止部材の機能を有する。このように、第２センサ１２が第１センサ１１に緩衝部材３０を介して接続されることにより、上記第１の実施形態に係るセンサモジュール１００Ａと同様の効果を得ることができる。

本実施形態においても、第１センサ１１および第２センサ１２は、剛体２０の信号導入端面２０ａに垂直方向の軸に沿って同軸で配置されている。これにより、外乱補正の演算の簡易化および高精度化に寄与する。

［第３の実施形態］

図５は、本発明の第３の実施形態に係るセンサモジュールを模式的に示す断面図である。このセンサモジュール１００Ｃは、第１の実施形態に係るセンサモジュール１００Ａと同様に、第１センサ１１および第２センサ１２が、剛体２０の信号導入端面２０ａに垂直方向の軸に沿って配置されている。しかし、第１圧電素子１１Ｐおよび第２圧電素子１２Ｐが非同軸の位置に配置されている。このように、第１圧電素子１１Ｐおよび第２圧電素子１２Ｐが必ずしも同軸位置に配置されなてくもよい。

［第４の実施形態］

図６は、本発明の第４の実施形態に係るセンサモジュールを模式的に示す断面図である。このセンサモジュール１００Ｄに示すように、剛体２０の外周部に保護部材３０Ｃが設けられていてもよい。保護部材３０Ｃの材料は、緩衝部材３０Ａや封止部材３０Ｂで用いられる材料であってもよいし、それらとは別材料であってもよい。保護部材３０Ｃが設けられることにより、防錆、防水、防塵等の効果が促進され、剛体２０および第１実装基板１１Ｂを保護でき、第１センサ１１の耐久性が向上する。また、剛体２０と第１実装基板１１Ｂとの接続性を高めることもできる。

保護部材３０Ｃは、第１実装基板および第２実装基板の両方を実質的に覆うように構成されていてもよい。

［第５の実施形態］

図７は、本発明の第５の実施形態に係るセンサモジュールを模式的に示す断面図である。このセンサモジュール１００Ｅでは、検出対象Ｍに対して第１センサ１１および第２センサ１２が並列して配置されている。具体的には、第２圧電素子１２Ｐが封止部材３０Ｄにより封止され、かつ、この封止部材３０Ｄの表面が、検出対象Ｍに当接可能な位置に配置されるように、第２センサ１２が第１センサ１１に緩衝部材３０Ａを介して接続されている。すなわち、第１センサ１１および第２センサ１２は、上記各実施形態のように、剛体２０の信号導入端面２０ａに垂直方向の軸に沿って配置されてはいない。

第１センサ１１および第２センサ１２を接続する電気ケーブルは、ここでは図示を省略している。

緩衝部材３０Ａ、封止部材３０Ｄ、および、第１圧電素子１１Ｐを封止する封止部材３０Ｂは、同じ材料で構成されることが好ましい。

第２実装基板１２Ｂ上には、第１実装基板１１Ｂ上の剛体２０と同じ形態を有する剛体２０'が設けられている。すなわち、剛体２０が取り付けられた第１センサ１１と、剛体２０'が取り付けられた第２センサ１２は同じ製造物である。剛体２０'は、封止部材３０Ｄによって、第２圧電素子１２Ｐとともに封止されている。これにより、剛体２０'が検出対象Ｍに当接しないようになっている。なお、必ずしも剛体２０、２０'は同じ製造物でなくてもよい。

上記のように第１センサ１１および第２センサ１２において、同じセンサ、剛体２０および２０'が用いられることにより、重量や剛性を両者で同じにすることができ、同等の信号検出を行うことができる。また、このように同じ部品が用いられることにより、製造の容易化およびコスト削減を実現することができる。

仮に、第２センサ１２に剛体２０'が取り付けられていなくてもよい。このことはこれ以降の実施形態についても同様である。この場合、第２センサ１２の、剛体２０が取り付けられた第１センサ１１側に対する重量や剛性の違いを演算により定量的にキャンセルされることが望ましい。

第１センサ１１および第２センサ１２を接続する緩衝部材３０Ａは、これら第１センサ１１および第２センサ１２の相対位置を固定し位置決めする機能も有する。この緩衝部材３０Ａは、第１センサ１１および第２センサ１２の間のみに設けられるのではなく、例えば、図示するように第１センサ１１および第２センサ１２の全体の周囲を覆うように設けられていてもよい。これにより当該位置決め機能を高めることができ、また、第１センサ１１および第２センサ１２の耐久性が向上する。

なお、緩衝部材３０Ａは、第１センサ１１および第２センサ１２の間のみに設けられていてもよい。

以上のように本実施形態では、第１センサ１１が、剛体２０を介して検出対象Ｍの動きの信号を取得し、一方、第２センサ１２は、剛体２０（２０'）より低い硬度を持つ封止部材３０Ｄを介して検出対象Ｍの動きの信号を取得できる。これにより、第１センサ１１は検出対象信号および外乱信号を検出し、第２センサ１２は外乱信号を検出するので、これらの差分により検出対象信号を取得できる。

［第６の実施形態］

図８は、本発明の第６の実施形態に係るセンサモジュールを模式的に示す断面図である。本実施形態に係るセンサモジュール１００Ｆも、上記第５の実施形態と同様に、第１センサ１１および第２センサ１２が並列して配置されている。異なる点は、このセンサモジュール１００Ｇは、接続基板１３を備え、この接続基板１３上に第１センサ１１および第２センサ１２が配置されている点である。第１実装基板１１Ｂは、接続基板１３に直接接続されており、第２実装基板１２Ｂは、緩衝部材３０Ａを介して接続基板１３に接続されている。

接続基板１３は、その主材料が樹脂で構成される回路基板である。これにより接続基板１３は、第１実装基板１１Ｂと第２実装基板１２Ｂとを電気的に接続する基板として機能することができる。

しかし、接続基板１３は回路基板でなく、例えば金属基板、その他の材料で構成される基板であってもよい。この場合、接続基板１３は、第１センサ１１および第２センサ１２の相対位置を固定することができる基板であればどのような形態であってもよい。

緩衝部材３０Ａと封止部材３０Ｄとが、第２実装基板１２Ｂを実質的に覆うように、一体で設けられていてもよい。この場合、緩衝部材３０Ａと封止部材３０Ｄは同じ材料であることが望ましい。

［第７の実施形態］

図９は、本発明の第７の実施形態に係るセンサモジュールを模式的に示す断面図である。このセンサモジュール１００Ｇでは、第１センサ１１の第１実装基板１１Ｂは、上記第６実施形態の接続基板１３と同様に比較的大きいサイズを有する。この第１実装基板１１Ｂの実装表面に、第２センサ１２の第２実装基板１２Ｂが緩衝部材３０Ａを介して接続されている。このような構造によっても、上記第６実施形態に係るセンサモジュール１００Ｆと同様の効果が得られる。

［第８の実施形態］

さらに別の実施形態に係るセンサモジュールとして、図示しないが、次のようなセンサモジュールの構成も実現可能である。例えばそれは、検出対象が第１センサおよび第２センサの間に配置されるように、それら第１センサおよび第２センサが間隔を置いて配置される構成である。この場合、剛体の信号導入端面に垂直方向の軸に沿って、第１センサおよび第センサが配置される（あるいは同軸に配置される）ことになる。

［緩衝部材のショア硬度について］

本明細書では、ショア硬度をS、剛体２０の信号導入端面２０ａに対して垂直方向（図１において上下方向）の剛体２０の長さ（高さ）をTとして、以下のαを定義する。

α=S/T

図１０は、ショア硬度とαとの関係を示す表である。ここでは、緩衝部材の材料はシリコーンである。センサモジュールの実用的な構造、また、各構成部材の配置精度等を考慮すると、αは5〜300程度に設定されることが好ましい。

［センサモジュール等の電気的構成の別の実施形態］

（電気的構成の例１）
図１１は、センサモジュールの電気的構成の別の例を示す。センサモジュール１０１としては、上記各実施形態に係るセンサモジュール１００Ａ〜１００Ｇのうち１つが適用される。この例に係るセンサモジュール１０１は、第１センサ１１および第２センサ１２の出力側にそれぞれ接続されたＡＤ変換器１５と、これらＡＤ変換器１５の出力側に接続された演算器１７とを有する。なお、第１センサ１１および第２センサ１２は、出力を増幅する図示しない増幅器を備えている。

このような構成によれば、第１センサ１１および第２センサ１２から出力されるアナログ信号を、ＡＤ変換器１５がそれぞれデジタル信号に変換し、演算器１７が所定の演算処理を行う。演算器１７は、各ＡＤ変換器１５から出力されたデジタル信号を比較演算することで、外乱補正を行うように構成される。演算器１７は、比較演算の前段階で、各ＡＤ変換器１５から得られる各信号のうち少なくとも一方に、係数演算やその他の演算等、所定の演算処理を施すようにしてもよい。

また、演算器１７は、ユーザにセンシング状態または結果を提示（例えば表示）するためのアプリケーションプログラムを搭載可能に構成されていてもよい。

（電気的構成の例２）
図１２は、センサモジュールを含むセンシング装置の電気的構成を示すブロック図である。このセンシング装置は、センサモジュール１０２と、処理手段４１とを含む。センサモジュール１０２としては、上記各実施形態に係るセンサモジュール１００Ａ〜１００Ｇのうち１つが適用される。

処理手段４１は、図１１で示した例と同様に、ＡＤ変換器１５および演算器１７を含み、また、表示器１８を含む。処理手段４１を構成する機器はコンピュータによって構成される機器であり、例えばＰＣ（Personal Computer）、あるいは、スマートホンやタブレット等の携帯端末である。なお、表示器１８は、ＡＤ変換器１５および演算器１７を含むモジュールとは別体の機器として構成されていてもよい。

（電気的構成の例３）
図１３は、さらに別の例に係るセンシング装置の電気的構成を示すブロック図である。このセンシング装置は、センサモジュール１０２と、処理手段４２とを含み、処理手段４２は外部機器４５に接続可能に構成される。外部機器４５は、上記ＰＣや携帯端末等のコンピュータであり、ユーザにセンシング状態または結果を提示可能な機器である。

処理手段４２は、センサモジュールから出力された信号を無線通信により送信する送信機４２１と、送信機４２１から送信された信号を受信する受信機４２２とを含む。無線通信規格としては、Bluetooth（登録商標）、無線ＬＡＮ（Local Area Network）、赤外線通信等、公知の規格が挙げられる。受信機４２２と外部機器４５とは、例えばＵＳＢ（Universal Serial Bus）やその他の規格により通信が行われる構成であってもよい。

なお、図示しないＡＤ変換器は、センサモジュール１０２側か、処理手段４２側かのどちら側にあってもよい。

［他の種々の実施形態］

本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

上記各実施形態に係るセンサモジュールは、２つの圧電素子を備えていたが、３つ以上の圧電素子（３つ以上のセンサ）を備え、これら３つ以上のセンサから得られた各信号を処理するようにしてもよい。この場合、例えば第１圧電素子が、検出対象Ｍの信号を検出し、第１圧電素子以外の圧電素子が、外乱やその他のノイズを検出する構成であってもよい。

上記各実施形態では、第１センサ１１および第２センサ１２が検出する振動方向が実質同じになるように、これら第１センサ１１および第２センサ１２の配置が設定された。その趣旨は、上述のように、第１センサ１１および第２センサ１２で極力同等の振動を検出できるようにするためである。しかしながら、第１センサ１１および第２センサ１２が互いに異なる向きとなるように配置されていてもよい。この場合、その異なる検出方向による検出値の違いを演算により定量的にキャンセルされることが望ましい。

本技術に係るセンサモジュールでは、第１センサ１１および第２センサ１２の素子特性のばらつきや、これらセンサの配置ばらつき等に伴う個体特性差がある場合がある。これらばらつきや個体特性差を吸収するため、センサモジュールまたはセンシング装置は、例えば、その個体特性差を検知する機構、また、その検知結果に応じて演算器による演算式が校正されるキャリブレーション機能を備えていてもよい。

上記各実施形態に係るセンサモジュールおよびセンシング装置は、脈拍以外にも、次のような用途に適用可能である。例えば、呼吸による振動を検出するセンサとして、あるいは、シートの複数の位置に複数のセンサモジュールが取り付けられることにより着座センサとして、使用されることも可能である。

センシング装置の「処理手段」は、上記の実施形態に限られない。例えば図１２に示した処理手段は、ＡＤ変換器１５を有していたが、ＡＤ変換器１５はセンサモジュール１０２側に設けられていてもよい。この場合、処理手段は、主に演算器を有する機器、または、演算器および表示器を有する機器により構成される。

以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。例えば図６の実施形態の保護部材３０Ｃが、例えば図４、５の実施形態のセンサモジュールに適用されてもよい。

１１…第１センサ
１１Ｂ…第１実装基板
１１Ｐ…第１圧電素子
１２…第２センサ
１２Ｂ…第２実装基板
１２Ｐ…第２圧電素子
１３…接続基板
１５…ＡＤ変換器
１６…差動増幅器
１７…演算器
２０、２０'…剛体
２０ａ…信号導入端面
３０、３０Ａ…緩衝部材
３０Ｂ、３０Ｄ…封止部材
３１Ｂ…端面
４１、４２…処理手段
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ、１００Ｇ、１０１、１０２…センサモジュール
４２１…送信機
４２２…受信機

Claims (17)

1. 第１圧電素子と、前記第１圧電素子が実装された第１実装基板とを有する第１センサと、
   検出対象から信号を導入する信号導入端面を有し、前記第１実装基板に設けられた剛体と、
   緩衝部材と、
   第２圧電素子と、前記第２圧電素子が実装された第２実装基板とを有し、少なくとも前記緩衝部材を介して前記第１センサに設けられた第２センサと
   を具備し、
   前記第１センサおよび前記第２センサは、前記信号導入端面に垂直方向の軸に沿って配列され、
   前記緩衝部材は、前記第１実装基板と前記第２実装基板との相互に対向する面を被覆して前記相互に対向する面間を前記垂直方向に接続し、かつ前記第２センサを封止する
   センサモジュール。
2. 請求項１に記載のセンサモジュールであって、
   前記剛体は、前記第１圧電素子を囲むように設けられる
   センサモジュール。
3. 請求項２に記載のセンサモジュールであって、
   前記剛体内で前記第１圧電素子を封止する封止部材をさらに具備する
   センサモジュール。
4. 請求項３に記載のセンサモジュールであって、
   前記封止部材は、前記緩衝部材の材料と同じ材料により構成される
   センサモジュール。
5. 請求項４に記載のセンサモジュールであって、
   前記封止部材は、前記緩衝部材と一体に構成され、前記剛体内で前記第２センサを封止する
   センサモジュール。
6. 請求項３から５のうちいずれか１項に記載のセンサモジュールであって、
   前記封止部材の、前記第１実装基板が配置される側とは反対側の端面が、前記剛体の、前記第１実装基板が配置される側とは反対側の端面より外方へ突出している
   センサモジュール。
7. 請求項４に記載のセンサモジュールであって、
   前記緩衝部材は、前記封止部材とは別体で構成される
   センサモジュール。
8. 請求項１に記載のセンサモジュールであって、
   前記第１圧電素子および前記第２圧電素子が、前記垂直方向の軸に同軸で配置される
   センサモジュール。
9. 第１圧電素子と、前記第１圧電素子が実装された第１実装基板とを有する第１センサと、
   前記第１実装基板が搭載された接続基板と、
   前記第１実装基板に設けられた剛体と、
   緩衝部材と、
   第２圧電素子と、前記第２圧電素子が実装された第２実装基板とを有する第２センサと、
   前記剛体より低い硬度を有し、前記第２圧電素子を封止する封止部材と
   を具備し、
   前記第２センサは、前記封止部材が検出対象に当接可能な位置に配置されるように、前記緩衝部材を介して前記接続基板に設けられる
   センサモジュール。
10. 第１圧電素子と、前記第１圧電素子が実装された表面を含む第１実装基板とを有する第１センサと、
    前記第１実装基板に設けられた剛体と、
    緩衝部材と、
    第２圧電素子と、前記第２圧電素子が実装され、かつ前記緩衝部材を介して前記第１実装基板の前記表面に設けられた第２実装基板とを有する第２センサと、
    前記剛体より低い硬度を有し、前記第２圧電素子を封止する封止部材と
    を具備し、
    前記第２センサは、前記封止部材が検出対象に当接可能な位置に配置されるように、前記第１センサに前記緩衝部材を介して設けられる
    センサモジュール。
11. 請求項９または１０に記載のセンサモジュールであって、
    前記封止部材は、前記緩衝部材の材料と同じ材料により構成される
    センサモジュール。
12. 請求項１から１１のうちいずれか１項に記載のセンサモジュールであって、
    前記緩衝部材のショア硬度が、1以上100以下である
    センサモジュール。
13. 請求項１から１２のうちいずれか１項に記載のセンサモジュールであって、
    前記第１実装基板または前記第２実装基板に搭載され、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子の出力側に電気的に接続された差動増幅器を有する
    センサモジュール。
14. 請求項１から１３のうちいずれか１項に記載のセンサモジュールであって、
    前記第１実装基板または前記第２実装基板に搭載され、前記第１センサおよび前記第２センサの出力側に電気的に接続されたＡＤ変換器と、
    前記第１実装基板または前記第２実装基板に搭載され、前記ＡＤ変換器の出力側に電気的に接続された演算器と
    をさらに具備するセンサモジュール。
15. 第１圧電素子と前記第１圧電素子が実装された第１実装基板とを有する第１センサと、検出対象から信号を導入する信号導入端面を有し前記第１実装基板に設けられた剛体と、緩衝部材と、第２圧電素子と前記第２圧電素子が実装された第２実装基板とを有し少なくとも前記緩衝部材を介して前記第１センサに設けられた第２センサと、を備えたセンサモジュールと、
    前記第１センサおよび前記第２センサから出力された信号を処理する処理手段と、
    を具備し、
    前記第１センサおよび前記第２センサは、前記信号導入端面に垂直方向の軸に沿って配列され、
    前記緩衝部材は、前記第１実装基板と前記第２実装基板との相互に対向する面を被覆して前記相互に対向する面間を前記垂直方向に接続し、かつ前記第２センサを封止する
    センシング装置。
16. 請求項１５に記載のセンシング装置であって、
    前記処理手段は、
    前記第１センサおよび前記第２センサの出力側に電気的に接続されたＡＤ変換器と、
    前記ＡＤ変換器の出力側に電気的に接続された演算器と
    を有する
    センシング装置。
17. 請求項１５に記載のセンシング装置であって、
    前記処理手段は、
    前記センサモジュールから出力された信号を無線通信により送信する送信機と、
    前記センサモジュールとは別体の外部機器に接続され前記送信機から送信された信号を受信する受信機と
    を有する
    センシング装置。