JP7092083B2 - センサユニット - Google Patents

Description

本開示はセンサユニットに関する。

特許文献１に心拍検出装置が記載されている。心拍検出装置はセンシングユニットを備える。

特許第５１０３８８２号公報

圧電センサを用いて生体情報等を検出することが考えられる。圧電センサを用いて生体情報等を検出する場合、Ｓ／Ｎ比を向上させることが求められる。本開示の１つの局面は、Ｓ／Ｎ比が高いセンサユニットを提供することを目的とする。

本開示の１つの局面は、センサユニットであって、弾性体である基体と、前記基体の表面に配置された第１突出部及び第２突出部と、前記第１突出部の上に配置された第１圧電センサと、前記表面のうち、前記第１突出部と前記第２突出部とに挟まれた部分に配置された第２圧電センサと、を備え、前記表面は凸形状を有するセンサユニットである。

本開示の１つの局面であるセンサユニットは、Ｓ／Ｎ比が高い。
本開示の別の局面は、センサユニットであって、弾性体である基体と、前記基体の表面に配置された第１突出部及び第２突出部と、前記第１突出部の上に配置された第１圧電センサと、前記表面のうち、前記第１突出部と前記第２突出部とに挟まれた部分に配置された第２圧電センサと、を備え、前記基体のうち、前記基体の深さ方向から見て前記第２圧電センサと重なる部分の少なくとも一部は、周囲よりも固い材料から成るセンサユニットである。

本開示の別の局面であるセンサユニットは、Ｓ／Ｎ比が高い。
本開示の別の局面は、センサユニットであって、基体と、前記基体の表面に配置された第１突出部及び第２突出部と、前記第１突出部の上に配置された第１圧電センサと、前記表面のうち、前記第１突出部と前記第２突出部とに挟まれた部分に配置された第２圧電センサと、を備え、前記基体は、流動体と、前記流動体を収容し、開口部を有する収容ユニットと、を備え、前記表面は、前記開口部における前記流動体の表面であるセンサユニットである。
本開示の別の局面であるセンサユニットは、Ｓ／Ｎ比が高い。

第１圧電センサ１１及び第２圧電センサ１３が変形していない状態における第１実施形態のセンサユニット１の構成を表す断面図である。 信号圧力ＰＡにより、第１圧電センサ１１及び第２圧電センサ１３が変形している状態における第１実施形態のセンサユニット１の構成を表す断面図である。 第１圧電センサ１１、及び第２圧電センサ１３の構成を表す断面図である。 センサユニット１、制御部３３、及び外部装置３９の電気的構成を表すブロック図である。 第１圧電センサ１１及び第２圧電センサ１３が変形していない状態における第２実施形態のセンサユニット１の構成を表す断面図である。 信号圧力ＰＡにより、第１圧電センサ１１及び第２圧電センサ１３が変形している状態における第２実施形態のセンサユニット１の構成を表す断面図である。 第１圧電センサ１１及び第２圧電センサ１３が変形していない状態における第３実施形態のセンサユニット１の構成を表す断面図である。 信号圧力ＰＡにより、第１圧電センサ１１及び第２圧電センサ１３が変形している状態における第３実施形態のセンサユニット１の構成を表す断面図である。 第１圧電センサ１１及び第２圧電センサ１３が変形していない状態における第４実施形態のセンサユニット１の構成を表す断面図である。 信号圧力ＰＡにより、第１圧電センサ１１及び第２圧電センサ１３が変形している状態における第４実施形態のセンサユニット１の構成を表す断面図である。

本開示の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
＜第１実施形態＞
１．センサユニット１の構成
センサユニット１の構成を、図１～図４に基づき説明する。図１、図２に示すように、センサユニット１は、取付対象面３に取り付けられる。取付対象面３は、例えば、車両のシートの座面又は背面である。

図１、図２に示すように、センサユニット１は、基体５と、フレキシブル基板６と、第１突出部７と、第２突出部９と、第１圧電センサ１１と、第２圧電センサ１３と、を備える。
基体５は、後述する芯材１９を除き、弾性体から成る。弾性体として、例えば、発泡ウレタン等が挙げられる。基体５の底面１５は取付対象面３に接する。基体５の表面１７は凸形状を有する。表面１７は、例えば、底面１５とは反対側の面である。

基体５の形状は、例えば、半球状である。基体５の形状が半球状である場合、表面１７は球の外周面である。底面１５は、球を分割した断面である。また、基体５の形状は、例えば、円柱を軸方向に沿って２分割した形状であってもよい。この場合、表面１７は、円柱の側面である。底面１５は断面である。

基体５は、芯材１９を備える。芯材１９は、基体５の内部に埋め込まれている。芯材１９は、基体５を構成する弾性体よりも固い。芯材１９は、例えば樹脂等から成る。芯材１９は、基体５の深さ方向に沿って延びている。芯材１９は、基体５のうち、基体５の深さ方向から見て第２圧電センサ１３と重なる部分の一部を占める。

フレキシブル基板６は、表面１７に接着されている。フレキシブル基板６は薄板状の形態を有する。フレキシブル基板６は変形可能である。フレキシブル基板６は、例えば、発泡ウレタン、ゴム、プラスチック、金属等から成る。

第１突出部７及び第２突出部９は、それぞれ、フレキシブル基板６を介して、表面１７に配置されている。第１突出部７及び第２突出部９は、それぞれ、表面１７から、Ｄ１方向に向けて突出している。Ｄ１方向は、取付対象面３から遠ざかる方向である。第１突出部７及び第２突出部９は、それぞれ、変形可能な材料から成る。変形可能な材料として、例えば、発泡ウレタン、ゴム、プラスチック、金属等が挙げられる。

第１圧電センサ１１は、第１突出部７の上に配置されている。第１突出部７の上とは、第１突出部７の表面のうち、基体５とは反対側の部分を意味する。第１圧電センサ１１は、図３に示す構成を有する。

第１圧電センサ１１は、圧電フィルム２１、第１電極層２３、第２電極層２５、第１カバーフィルム２７、及び第２カバーフィルム２９を備える。圧電フィルム２１として、例えば、公知の圧電フィルムを使用することができる。圧電フィルム２１は、例えば、ポリフッ化ビニリデンを含む。圧電フィルム２１は単層であってもよいし、複数の層から成る積層体であってもよい。

第１電極層２３及び第２電極層２５は圧電フィルム２１を両側から挟んでいる。第１電極層２３及び第２電極層２５は、それぞれ、金属の薄膜である。圧電フィルム２１が曲がったとき、第１電極層２３と第２電極層２５との間に電位差が生じる。電位差は、第１圧電センサ１１の出力信号Ｓ１である。

第１カバーフィルム２７は第１電極層２３を覆っている。第２カバーフィルム２９は第２電極層２５を覆っている。第１カバーフィルム２７及び第２カバーフィルム２９の材質は、例えば、樹脂である。樹脂として、例えば、ＰＥＴ等が挙げられる。第１カバーフィルム２７及び第２カバーフィルム２９の厚みは、それぞれ、例えば、１０～１０００μｍである。

図１、図２に示すように、第２圧電センサ１３は、表面１７のうち、第１突出部７と第２突出部９とに挟まれた部分（以下では中央部１７Ａとする）に、フレキシブル基板６を介して配置されている。第２圧電センサ１３は、第１圧電センサ１１と同様の構成を有する。第２圧電センサ１３の出力信号をＳ２とする。

第１突出部７及び第２突出部９は、第２圧電センサ１３よりもＤ１方向に突出している。そのため、センサユニット１から見てＤ１方向の側にある測定対象３１がセンサユニット１に接近したとき、測定対象３１は、第２圧電センサ１３に接触する前に、第１圧電センサ１１及び第２突出部９に接触する。測定対象３１は、例えば、車両のシートに座る乗員等である。

図４に示すように、第１圧電センサ１１は、出力信号Ｓ１を制御部３３に出力する。第２圧電センサ１３は、出力信号Ｓ２を制御部３３に出力する。制御部３３は、ＣＰＵ３５と、例えば、ＲＡＭ又はＲＯＭ等の半導体メモリ（以下、メモリ３７とする）と、を有するマイクロコンピュータを備える。

制御部３３の各機能は、ＣＰＵ３５が非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムを実行することにより実現される。この例では、メモリ３７が、プログラムを格納した非遷移的実体的記録媒体に該当する。また、このプログラムが実行されることで、プログラムに対応する方法が実行される。なお、制御部３３は、１つのマイクロコンピュータを備えてもよいし、複数のマイクロコンピュータを備えてもよい。制御部３３は外部装置３９と接続している。

制御部３３は、信号出力Ｓ１から信号出力Ｓ２を差し引いて、信号出力Ｓ３を生成する。信号出力Ｓ３は、以下の式（１）により表される。
式（１） Ｓ３＝Ｓ１－Ｓ２
制御部３３は、信号出力Ｓ３を外部装置３９に出力する。

２．センサユニット１が奏する効果
センサユニット１が奏する効果を説明する。
（１Ａ）図１に示すように、測定対象３１は、第１圧電センサ１１及び第２突出部９に接触する。測定対象３１から、第１圧電センサ１１及び第２突出部９に対し、信号圧力ＰＡが加えられる。信号圧力ＰＡは、例えば、心拍や呼吸変化に起因する信号圧力である。心拍や呼吸変化は、生体情報に対応する。信号圧力ＰＡの方向は、表面１７に直交する方向であって、基体５の内部に向かう方向である。

表面１７のうち、第１突出部７及び第２突出部９に接する部分は、信号圧力ＰＡにより、図２に示すように、Ｄ２方向に凸となるように変形する。Ｄ２方向は、Ｄ１方向とは反対方向である。第１圧電センサ１１も、信号圧力ＰＡにより、Ｄ２方向に凸となるように変形する。

信号圧力ＰＡが加えられたとき、中央部１７Ａの形状は、Ｄ１方向に凸の形状であって、信号圧力ＰＡが加えられないときより、曲率が大きくなる。信号圧力ＰＡが加えられたとき、中央部１７Ａの形状が上記の形状となる理由の１つは、図１に示すように、表面１７が凸形状を有するため、信号圧力ＰＡの水平成分Ｐｘが基体５の中央に向いて働くためである。

信号圧力ＰＡが加えられたとき、中央部１７Ａの形状が上記の形状となるもう一つの理由は、芯材１９が存在するため、中央部１７Ａは、その周囲に比べてＤ２方向に凹み難いためである。第２圧電センサ１３も、信号圧力ＰＡにより、Ｄ１方向に凸となるように一層変形する。

上記のとおり、信号圧力ＰＡが加えられたとき、第１圧電センサ１１が変形する方向と、第２圧電センサ１３が変形する方向とは、反対である。そのため、出力信号Ｓ１のうち、信号圧力ＰＡに対応する成分（以下では成分Ｓ１Ａとする）と、出力信号Ｓ２のうち、信号圧力ＰＡに対応する成分（以下では成分Ｓ２Ａとする）とは、位相が反対である。その結果、信号出力Ｓ３のうち、信号圧力ＰＡに対応する成分（以下では成分Ｓ３Ａとする）の絶対値は、成分Ｓ１Ａの絶対値と、成分Ｓ２Ａの絶対値との和になる。すなわち、成分Ｓ３Ａは、成分Ｓ１Ａ及び成分Ｓ２Ａに比べて増幅される。

（１Ｂ）図１に示すように、第１圧電センサ１１及び第２圧電センサ１３に対し、ノイズ圧力ＰＢが加わることがある。ノイズ圧力ＰＢの方向は、取付対象面３から表面１７に向かう方向である。ノイズ圧力ＰＢが加わったとき、第１圧電センサ１１及び第２圧電センサ１３は、それぞれ、Ｄ１方向に凸となるように変形する。すなわち、ノイズ圧力ＰＢが加わったとき、第１圧電センサ１１が変形する方向と、第２圧電センサ１３が変形する方向とは、同じである。

そのため、出力信号Ｓ１のうち、ノイズ圧力ＰＢに対応する成分（以下では成分Ｓ１Ｂとする）と、出力信号Ｓ２のうち、ノイズ圧力ＰＢに対応する成分（以下では成分Ｓ２Ｂとする）とは、位相が同じである。その結果、信号出力Ｓ３のうち、ノイズ圧力ＰＢに対応する成分（以下では成分Ｓ３Ｂとする）の絶対値は、成分Ｓ１Ｂの絶対値と、成分Ｓ２Ｂの絶対値とのうち、大きい方から小さい方を差し引いた値になる。すなわち、成分Ｓ３Ｂは、成分Ｓ１Ｂ及び成分Ｓ２Ｂに比べて低減される。

（１Ｃ）前記（１Ａ）で述べたとおり、成分Ｓ３Ａは、成分Ｓ１Ａ及び成分Ｓ２Ａに比べて増幅される。また、前記（１Ｂ）で述べたとおり、成分Ｓ３Ｂは、成分Ｓ１Ｂ及び成分Ｓ２Ｂに比べて低減される。そのため、出力信号Ｓ３のＳ／Ｎ比は、出力信号Ｓ１のＳ／Ｎ比、及び出力信号Ｓ２のＳ／Ｎ比より高い。
＜第２実施形態＞
１．第１実施形態との相違点
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第１実施形態では、基体５は芯材１９を備えていた。これに対し、第２実施形態では、図５、図６に示すように、基体５は芯材１９を備えない点で、第１実施形態と相違する。第２実施形態では、基体５の全体が弾性体から成る。

２．センサユニット１が奏する効果
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１Ａ）～（１Ｃ）と同様の効果を奏する。ただし、第２実施形態では、基体５は芯材１９を備えないため、第２圧電センサ１３の形状を、Ｄ１方向に凸となるように変形させる作用は、第１実施形態の方が、第２実施形態に比べて一層強い。その結果、効果（１Ａ）～（１Ｃ）は、第１実施形態の方が、第２実施形態に比べて一層顕著である。
＜第３実施形態＞
１．第１実施形態との相違点
第３実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第１実施形態では、表面１７は凸形状を有していた。これに対し、第３実施形態では、図７、図８に示すように、表面１７の形状は平面である点で、第１実施形態と相違する。
２．センサユニット１が奏する効果
以上詳述した第３実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１Ａ）～（１Ｃ）と同様の効果を奏する。ただし、第３実施形態では、表面１７の形状は平面であるため、第２圧電センサ１３の形状を、Ｄ１方向に凸となるように変形させる作用は、第１実施形態の方が、第３実施形態に比べて一層強い。その結果、効果（１Ａ）～（１Ｃ）は、第１実施形態の方が、第３実施形態に比べて一層顕著である。
＜第４実施形態＞
１．第１実施形態との相違点
第４実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第１実施形態では、基体５は主として弾性体から成っていた。これに対し、第４実施形態では、図９、図１０に示すように、基体１０５は、流動体４１と、容器４５とを備える点で、第１実施形態と相違する。

流動体４１は、例えば、液体、ゾル等である。容器４５は、周壁４３と、取付対象面３とにより構成される。容器４５は、Ｄ１方向に開口部４６を有する。容器４５は収容ユニットに対応する。流動体４１は容器４５に収容されている。フレキシブル基板６は、開口部４６における流動体４１の表面４７に浮いている。周壁４３は、例えば、弾性体から成る。弾性体として、例えば、ゴム等が挙げられる。

２．センサユニット１が奏する効果
センサユニット１が奏する効果を説明する。
（４Ａ）図９に示すように、測定対象３１は、第１圧電センサ１１及び第２突出部９に接触する。測定対象３１から、第１圧電センサ１１及び第２突出部９に対し、信号圧力ＰＡが加えられる。信号圧力ＰＡの方向は、表面４７に直交する方向であって、基体１０５の内部に向かう方向である
図１０に示すように、表面４７のうち、第１突出部７及び第２突出部９に接する部分は、信号圧力ＰＡにより、Ｄ２方向に凸となるように変形する。第１圧電センサ１１も、信号圧力ＰＡにより、Ｄ２方向に凸となるように変形する。

信号圧力ＰＡが加えられたとき、表面４７のうち、第１突出部７と第２突出部９とに挟まれた部分（以下では中央部４７Ａとする）の形状は、Ｄ１方向に凸の形状となる。信号圧力ＰＡが加えられたとき、中央部４７Ａの形状が上記の形状となる理由は、図１０に示すように、表面４７のうち、第１突出部７及び第２突出部９に接する部分がＤ２方向に押し込まれるため、流動体４１が中央部４７Ａの下に流れ込み、中央部４７ＡがＤ１方向に盛り上がるためである。第２圧電センサ１３も、信号圧力ＰＡにより、Ｄ１方向に凸となるように変形する。

上記のとおり、信号圧力ＰＡが加えられたとき、第１圧電センサ１１が変形する方向と、第２圧電センサ１３が変形する方向とは、反対である。そのため、成分Ｓ１Ａと、成分Ｓ２Ａとは、位相が反対である。その結果、成分Ｓ３Ａの絶対値は、成分Ｓ１Ａの絶対値と、成分Ｓ２Ａの絶対値との和になる。すなわち、成分Ｓ３Ａは、成分Ｓ１Ａ及び成分Ｓ２Ａに比べて増幅される。

（４Ｂ）図９に示すように、第１圧電センサ１１及び第２圧電センサ１３に対し、ノイズ圧力ＰＢが加わることがある。ノイズ圧力ＰＢの方向は、取付対象面３から表面４７に向かう方向である。ノイズ圧力ＰＢが加わったとき、第１圧電センサ１１及び第２圧電センサ１３は、それぞれ、Ｄ１方向に凸となるように変形する。すなわち、ノイズ圧力ＰＢが加わったとき、第１圧電センサ１１が変形する方向と、第２圧電センサ１３が変形する方向とは、同じである。そのため、成分Ｓ１Ｂと、成分Ｓ２Ｂとは、位相が同じである。その結果、成分Ｓ３Ｂの絶対値は、成分Ｓ１Ｂの絶対値と、成分Ｓ２Ｂの絶対値とのうち、大きい方から小さい方を差し引いた値になる。すなわち、成分Ｓ３Ｂは、成分Ｓ１Ｂ及び成分Ｓ２Ｂに比べて低減される。

（４Ｃ）前記（４Ａ）で述べたとおり、成分Ｓ３Ａは、成分Ｓ１Ａ及び成分Ｓ２Ａに比べて増幅される。また、前記（４Ｂ）で述べたとおり、成分Ｓ３Ｂは、成分Ｓ１Ｂ及び成分Ｓ２Ｂに比べて低減される。そのため、出力信号Ｓ３のＳ／Ｎ比は、出力信号Ｓ１のＳ／Ｎ比、及び出力信号Ｓ２のＳ／Ｎ比より高い。
＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（１）第１突出部７及び第２突出部９と、基体５とは一体の部材であってもよい。
（２）センサユニット１はフレキシブル基板６を備えなくてもよい。この場合、例えば、第１突出部７及び第２突出部９を、表面１７に直接接着することができる。

（３）芯材１９は、フレキシブル基板６に接していてもよいし、接していなくてもよい。
（４）本開示に記載の制御部３３及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部３３及びその手法は、一つ以上の専用ハードウェア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部３３及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと一つ以上のハードウェア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されてもよい。制御部３３に含まれる各部の機能を実現する手法には、必ずしもソフトウェアが含まれている必要はなく、その全部の機能が、一つあるいは複数のハードウェアを用いて実現されてもよい。

（５）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。

（６）上述したセンサユニット１の他、当該センサユニット１を構成要素とするシステム、当該制御部３３としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した半導体メモリ等の非遷移的実態的記録媒体、生体信号の検出方法等、種々の形態で本開示を実現することもできる。

１…センサユニット、３…取付対象面、５、１０５…基体、６…フレキシブル基板、７…第１突出部、９…第２突出部、１１…第１圧電センサ、１３…第２圧電センサ、１５…底面、１７、４７…表面、１７Ａ、４７Ａ…中央部、１９…芯材、２１…圧電フィルム、２３…第１電極層、２５…第２電極層、２７…第１カバーフィルム、２９…第２カバーフィルム、３１…測定対象、３３…制御部、４１…流動体、４３…周壁、４５…容器、４６…開口部

Claims (4)

1. センサユニットであって、
   弾性体である基体と、
   前記基体の表面に配置された第１突出部及び第２突出部と、
   前記第１突出部の上に配置された第１圧電センサと、
   前記表面のうち、前記第１突出部と前記第２突出部とに挟まれた部分に配置された第２圧電センサと、
   を備え、
   前記表面は凸形状を有するセンサユニット。
2. 請求項１に記載のセンサユニットであって、
   前記基体のうち、前記基体の深さ方向から見て前記第２圧電センサと重なる部分の少なくとも一部は、周囲よりも固い材料から成るセンサユニット。
3. センサユニットであって、
   弾性体である基体と、
   前記基体の表面に配置された第１突出部及び第２突出部と、
   前記第１突出部の上に配置された第１圧電センサと、
   前記表面のうち、前記第１突出部と前記第２突出部とに挟まれた部分に配置された第２圧電センサと、
   を備え、
   前記基体のうち、前記基体の深さ方向から見て前記第２圧電センサと重なる部分の少なくとも一部は、周囲よりも固い材料から成るセンサユニット。
4. センサユニットであって、
   基体と、
   前記基体の表面に配置された第１突出部及び第２突出部と、
   前記第１突出部の上に配置された第１圧電センサと、
   前記表面のうち、前記第１突出部と前記第２突出部とに挟まれた部分に配置された第２圧電センサと、
   を備え、
   前記基体は、
   流動体と、
   前記流動体を収容し、開口部を有する収容ユニットと、を備え、
   前記表面は、前記開口部における前記流動体の表面であるセンサユニット。

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