JP7113487B2 - 脈波センサ - Google Patents

Description

本発明は、脈波センサに関する。

従来、この種の脈波センサとしては、圧力検出素子を有するセンサチップと、センサチップが固定される基板と、基板及びセンサチップを保護する保護カバーと、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このセンサでは、保護カバーの外周面は、センサチップの検出面に垂直な方向において圧力検出素子よりも上方に配置されかつ検出面に平行な頂面を有するように形成されている。これにより、長時間の装着を行う場合の耐久性を十分に確保し、製造コストを抑えている。

特開２０１７－１９６３０９号公報

しかしながら、上述の脈波センサでは、長時間の装着を行なう場合の耐久性を確保することができるが、装着時に圧迫感などの違和感を与える場合がある。こうした違和感を与えないようにするには、脈波センサを小型で精度の高いものとする必要がある。

本発明の脈波センサは、小型で精度の高いセンサを提供することを主目的とする。

本発明の脈波センサは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の脈波センサは、
測定対象の脈波を検出する脈波センサであって、
剛性の高い材料により第１空間を形成する第１空間形成部と、
前記第１空間と連通孔により連通する第２空間を形成し、前記第１空間形成部に対して対向する部位の少なくとも一部が測定対象との当接部として可撓性材料により形成され、前記当接部以外の部位については剛性の高い材料により形成された第２空間形成部と、
前記連通孔に若干の隙間をもって前記連通孔を塞ぐように取り付けられた梁状のセンサ部と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の脈波センサでは、剛性の高い材料により形成された第１空間形成部により第１空間を形成すると共に、第２空間形成部により第１空間と連通孔により連通する第２空間を形成する。第２空間形成部は、第１空間形成部に対して対向する部位の少なくとも一部が測定対象との当接部として可撓性材料により形成されており、この当接部以外の部位については剛性の高い材料により形成されている。第１空間と第２空間とを連通する連通孔には、若干の隙間をもって連通孔を塞ぐように梁状のセンサ部が取り付けられている。測定対象に当接部を当接すると、測定対象の脈によって当接部が振動し、第２空間の圧力を変化させる。この第２空間の圧力の変化により、第１空間と第２空間とに圧力差が生じ、その連通孔に取り付けられたセンサ部に撓みが生じる。このセンサ部の撓みを検出することにより、脈波を検出することができる。この脈波センサは、シンプルな構造であるから、半導体技術を用いれば、極めて小型なものとすることができる。精度の高いものとすることができる。これらの結果、小型で精度の高いセンサとすることができる。

本発明の脈波センサにおいて、前記センサ部は、少なくとも梁の１つの支持部近傍は変形に応じて抵抗値が変化する材料により形成されているものとしてもよい。こうすれば、センサ部の撓みに応じた抵抗値を検出することができ、より高精度なセンサとすることができる。

本発明の脈波センサにおいて、前記第２空間形成部は、円錐状または角錐状に形成されており、前記円錐状または前記角錐状の底面が前記当接部として構成されているものとしてもよい。こうすれば、脈波に対する感度を高くすることができる。

実施形態の脈波センサ２０の構成の概略を示す構成図である。 図１のＡ－Ａ断面により実施形態の脈波センサ２０を示す説明図である。 実施形態の脈波センサ２０により計測した実験例の一例を示す説明図である。 実験例において実施形態の脈波センサ２０の取り付け位置を説明する説明図である。 時間差ΔＴの時間変化の一例を示すグラフである。 変形例の脈波センサ１２０の構成の概略を示す構成図である。 変形例の脈波センサ２２０の構成の概略を示す構成図である。 変形例の脈波センサ３２０Ａの構成の概略を示す構成図である。 変形例の脈波センサ３２０Ｂの構成の概略を示す構成図である。 変形例の脈波センサ３２０Ｃの構成の概略を示す構成図である。 変形例の脈波センサ３２０Ｄの構成の概略を示す構成図である。 変形例の脈波センサ３２０Ｅの構成の概略を示す構成図である。

次に、本発明を実施するための形態について説明する。図１は、実施形態の脈波センサ２０の構成の概略を示す構成図である。図２は、図１のＡ－Ａ断面により実施形態の脈波センサ２０を示す説明図である。なお、図１は、図２のＢ－Ｂ断面により実施形態の脈波センサ２０を示す説明図となる。

実施形態の脈波センサ２０は、図示するように、第１筐体部材２２と、第２筐体部材２４と、膜部材２８と、センサチップ４０と、ケーブル４８ａ，４８ｂと、により構成されており、図１中下端（膜部材２８の下面）を測定対象に当接して脈波を検出する。

第１筐体部材２２は、剛性の高い材料（例えば、強化プラスチックなど）により、一端（図１中の上端）が閉口され他端（図１中下端）が開口された円筒状に形成されている。第２筐体部材２４は、第１筐体部材２２と同様に剛性の高い材料（例えば、強化プラスチックなど）により、中央に連通孔２５を有し、下端（図１中下端）がすり鉢状（円錐状）に形成された円盤状部材として形成されている。第１筐体部材２２と第２筐体部材２４とにより、第１空間２６を形成する。

膜部材２８は、膜を形成したときに膜として可撓性を有する材料（例えば、ポリイミドなどの樹脂）により薄膜として形成されている。膜部材２８と第２筐体部材２４とにより、第２空間３０を形成する。第１空間２６と第２空間３０は、第２筐体部材２４に形成された連通孔２５によって連通しており、全体としては密閉されている。上述したように、膜部材２８の下面を測定対象に当接して脈波を検出するから、膜部材２８は当接部を構成する。

センサチップ４０は、基本的にはケイ素により薄板状の基板として形成されており、略矩形の頭部４４ａと頭部４４ａを支持する２つの脚部４４ｂとからなる片持ち梁状のセンサレバー４２が形成されている。図２に示すように、センサレバー４２の境界部には、２つのコ字状の僅かな隙間４６ａ，４６ｂが形成されており、この隙間４６ａ，４６ｂで第１空間２６と第２空間３０は連通する。センサレバー４２の２つの脚部４４ｂは、変形に対して抵抗値が変化するピエゾ抵抗により形成されている。例えば、２つの脚部４４ｂは、ケイ素層にピエゾ抵抗層を積層することにより構成することができる。センサレバー４２は、第１空間２６と第２空間３０との間に圧力差が生じると、圧力が小さい方に撓む。このとき、２つの脚部４４ｂの撓みの程度が変化し、これにより２つの脚部４４ｂのピエゾ抵抗層の抵抗値が変化するから、この抵抗値の変化を検出信号として出力する。信号検出は、例えば、センサレバー４２の２つの脚部４４ｂを抵抗の１つとして構成されるホイーストンブリッジを用いることができる。こうしたセンサレバー４２は、半導体製造技術を用いることにより、極めて精度良く製造することができる。

図３は、実施形態の脈波センサ２０により計測した実験例の一例を示す説明図である。この実験例では、図４に示すように、実施形態の脈波センサ２０を左手の手首と人差し指の先端に取り付けている。この実験に用いた脈波センサ２０は、第１筐体部材２２については、外径を１２ｍｍ、内径を１０ｍｍ、長さを１．５ｍｍ、内側の高さを１ｍｍとした。第２筐体部材２４については、直径を１２ｍｍ、連通孔２５の直径を１．５ｍｍ、連通孔の長さを０．５ｍｍ、すり鉢状の底部の直径を８ｍｍとした。センサチップ４０については、縦横の長さを１．５ｍｍ、厚みを０．３ｍｍとした。センサレバー４２としては、頭部４４ａの幅を１００μｍ、２つの脚部４４ｂの付け根から頭部４４ａの端部までの長さを１２５μｍ、厚みを０．３μｍとした。なお、第１筐体部材２２と第２筐体部材２４については、３ＤプリンタによってFull cure 720により形成した。図３では、縦軸を抵抗歪み（抵抗値Ｒに対する抵抗値の変化量ΔＲ：ΔＲ／Ｒ）である。図３中、実線は手首に取り付けた脈波センサ２０により検出された信号であり、一点鎖線は人差し指の先端に取り付けた脈波センサ２０により検出された信号である。また、ΔＴは、２つの信号のピークにおける時間差である。図示するように、人差し指の先端に取り付けた脈波センサ２０からの信号は、手首に取り付けた脈波センサ２０からの信号に対して時間差ΔＴの遅れと信号の減衰が見られる。図５は、時間差ΔＴの時間変化の一例を示すグラフである。図示するように、時間の経過（状態の変化）により時間差ΔＴが若干変動するのが解る。

以上説明した実施形態の脈波センサ２０では、第１空間２６と第２空間３０との連通孔２５を塞ぐようにセンサチップ４０を取り付け、センサチップ４０に変形に対して抵抗値が変化する２つの脚部４４ｂと頭部４４ａとからなり、第１空間２６と第２空間３０との間に圧力差に応じて撓むるセンサレバー４２を形成する。第２空間３０を構成すると共に測定対象に当接する当接部を構成する膜部材２８は可撓性を有するから、脈波によって膜部材２８が変位し、第２空間３０の圧力を変化させ、第１空間２６と第２空間３０とに圧力差を生じさせる。この圧力差によりセンサレバー４２が撓み、２つの脚部４４ｂの抵抗値が変化し、これを検出することにより、脈波を検出することができる。センサレバー４２は、半導体製造技術を用いて形成することができるから、検出の精度を極めて高くすることができ、小型化を図ることができる。これらの結果、小型で精度の高いセンサとすることができる。しかも、第２筐体部材２４の底部をすり鉢状（円錐状）に形成したので、僅かな脈波でも感度良く検出することができる。

実施形態の脈波センサ２０では、略矩形の頭部４４ａと頭部４４ａを支持する２つの脚部４４ｂとからなる片持ち梁状のセンサレバー４２を用いるものとしたが、略矩形の頭部とこの頭部を挟持する２つの脚部とからなる両持ち梁状のセンサ部としてもよい。この場合、２つの脚部の一方または双方を変形に対して抵抗値が変化するピエゾ抵抗により形成すればよい。

実施形態の脈波センサ２０では、第２筐体部材２４の底部をすり鉢状（円錐状）に形成するものとした。しかし、図６の変形例の脈波センサ１２０の第２筐体部材１２４に示すように、底部から内側を円筒状に刳り抜いた形状としてもよい。

実施形態の脈波センサ２０では、第２筐体部材２４の底部をすり鉢状（円錐状）に形成するものとした。しかし、図７の変形例の脈波センサ２２０に示すように、すり鉢状（円錐状）の部分を有しないものとしてもよい。この場合、第１筐体部材２２２や第２筐体部材２２４を連通孔を形成する程度の大きさに形成するものとすれば、第１空間２２６も第２空間２３０も小さくなり、センサ全体を極めて小さくすることができる。

実施形態の脈波センサ２０では、全体として円筒形に形成するものとした。しかし、全体として角柱形に形成するものとしてもよい。この場合、第２筐体部材の底部を角錐状に形成すればよい。

実施形態の脈波センサ２０では、膜部材２８の下面（当接面）を平坦な形状としたが、図８に例示する変形例の脈波センサ３２０Ａが備える膜部材２８Ａのように下面を全体として滑らかな凸形状としてもよい。また、図９に例示する変形例の脈波センサ３２０Ｂが備える膜部材２８Ｂのように、下面の中央に円筒形状（または矩形形状）のリブ２８ｂが形成されているものとしてもよい。図１０に例示する変形例の脈波センサ３２０Ｃが備える膜部材２８Ｃのように、下面に格子状（または千鳥状）に複数の円筒形状（または矩形形状）のリブ２８ｃが形成されているものとしてもよい。こうした図９や図１０に例示した変形例の脈波センサ３２０Ｂ，３２０Ｃのリブ２８ｂ，２８ｃの形状は、図１１や図１２に例示する変形例の脈波センサ３２０Ｄ，３２０Ｅの膜部材２８Ｄ，２８Ｅに形成されたリブ２８ｄ，２８ｅのように、側面を外側に凸の孤により描かれるように形成するものとしてもよい。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等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、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、脈波センサの製造産業などに利用可能である。

２０，１２０，２２０，３２０Ａ～３２０Ｅ 脈波センサ、２２，２２２ 第１筐体部材、２４，１２４，２２４ 第２筐体部材、２５ 連通孔、２６，２２６ 第１空間、２８，２８Ａ～２８Ｅ 膜部材、２８ｂ～２８ｅ リブ、３０，２３０ 第２空間、４０ センサチップ、４２ センサレバー、４４ａ 頭部、４４ｂ 脚部、４８ａ，４８ｂ ケーブル。

Claims (2)

1. 測定対象の脈波を検出する脈波センサであって、
   剛性の高い材料により第１空間を形成する第１空間形成部と、
   前記第１空間と連通孔により連通する第２空間を形成し、前記第１空間形成部に対して対向する部位の少なくとも一部が測定対象との当接部として可撓性材料により形成され、前記当接部以外の部位については剛性の高い材料により円錐状または角錐状に形成されており、前記円錐状または前記角錐状の底面が前記当接部として構成されている第２空間形成部と、
   前記連通孔に若干の隙間をもって前記連通孔を塞ぐように取り付けられ、前記第１空間と前記第２空間との圧力差を検出する梁状のセンサ部と、
   を備え、前記センサ部により検出された圧力差に基づいて測定対象の脈波を検出する脈波センサ。
2. 請求項１記載の脈波センサであって、
   前記センサ部は、少なくとも梁の１つの支持部近傍は変形に応じて抵抗値が変化する材料により形成されている、
   脈波センサ。
   

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