JP7019510B2

JP7019510B2 - 圧電振動センサ

Info

Publication number: JP7019510B2
Application number: JP2018100744A
Authority: JP
Inventors: 啓一小林; 隆石黒; 勲松田
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2022-02-15
Anticipated expiration: 2038-05-25
Also published as: JP2019203852A

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。

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。

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。

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。

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。

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。

国際公開WO 2016/167202

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の実施例１を示す図である。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-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。 (A)，(B)は本発明の実施例２の平面主要部を示す図である。(C)，(D)は本発明の実施例３の平面主要部を示す図である。本発明の実施例４の平面主要部を示す図である。本発明の実施例４の平面主要部を示す図である。従来の圧電振動センサの一例を示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

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圧電振動センサ。
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請求項１記載の圧電振動センサ。
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請求項２記載の圧電振動センサ。
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請求項１～３のいずれか一項に記載の圧電振動センサ。