JPH01160200A - 圧電センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明圧電センサーを以下の項目に従って説明する。

Ａ、産業上の利用分野 Ｂ１発明の概要 Ｃ０従来技術［第５図］ Ｄ０発明が解決しようとする問題点［第５図］Ｅ１問題
点を解決するための手段 Ｆ、実施例［第１図乃至第４図］ ａ、ベースリング、圧電板 す、電極板、共振板等 Ｃ０各部材の結合 ６１作用 ｅ、使用例 Ｇ０発明の効果 （Ａ、産業上の利用分野） 本発明は新規な圧電センサーに関する。詳しくは、圧電
素子を振動源もしくは振動源が内蔵されているボディに
接触させることによって該振動源の圧力変化を測定する
機器、例えば、圧力導出管器等に使用する圧電センサー
に関するものであり、圧電素子の振動源等に対する接触
構造を改良することによって、振動源等から伝わる振動
による歪み以外の歪みが圧電素子に生ずることの無いよ
うにして圧力変化を正確に測定することができると共に
、微弱な圧力変化をも確実に測定することができ、しか
も、圧電素子の特性が振動源等の温度により変化するこ
との無いようにした新規な圧電センサーを提供しようと
するものである。

（Ｂ、発明の概要） 本発明圧電センサーは、圧電素子を振動源にもしくは振
動源が内蔵されているボディに接触させることによって
該振動源等から伝わる振動を電圧変化として測定し、そ
れによって振動源等の圧力変化を測定する圧電センサー
において、圧電素子の振動源等に対する接触が密閉空間
及び共振体を介して為されるようにして、圧電素子に振
動源等に対する接触による歪みが生ずることが無くかつ
振動源等が有する温度が圧電素子に伝わることが無いと
共に振動源の振動が増幅されて圧電素子に伝わるように
し、それにより、振動源の圧力変化を正確に、しかも、
微弱な振動をも確実に測定することができるようにした
ものである。

（Ｃ，従来技術）［第５図］ 今日、圧電素子、即ち、応力を加えられることによって
電荷が生ずる所謂圧電効果を奏する素子を使用した圧電
センサーは、脈拍測定器等の医療用計測器や圧電ブザー
あるいは圧電マイクロボン等様々な用途に用いられてい
る。

第５図は、例えば、実開昭５５−７４１９８号公報に示
された従来の圧電センサーのｍ個ａを示すものである。

同図において、ｂは中心電極Ｃ及び外周電極Ｃ′が設け
られた回路基板、ｄは該回路基板すの上面に中心電極Ｃ
と接触した状態で固定された圧電素子、ｅは回路基板す
の下面を覆うように設けられたベースカバー、ｆは圧電
素子ｄ及び外周型ＦＪｃ’と接触した状態で設けられた
電極カバーであり、中心電極Ｃと外周電極Ｃ′に図示し
ない端子が固定されている。

そこで、例えば、電極カバーｆの外面を振動源もしくは
振動源が内蔵されているボディに接触させると、当該振
動源からの振動が電極カバーｆを介して圧電素子ｄに伝
わるので、該圧電素子ｄに上記振動の周波数に応じた周
期的な歪みが生じてその歪みに応じて変化する電圧が発
生することになり、この電圧変化を検出することにより
当該振動源の圧力変化が測定されることになる。

（Ｄ、発明が解決しようとする問題点）［第５図］ ところで、このような圧電センサーを、例えば、脈拍測
定に使用する場合、心臓の鼓動や血流による振動に対す
る感度を良くするために、通常、生体の外皮にある程度
の強さで押し当てることになる。

ところが、上記した従来の圧電センサーａはこのような
使い方をすると、圧電センサーが生体に押し当てられる
ことによって圧電素子ｄに歪みもしくは変形が生じるこ
とになるので、この歪み等により電荷が生じ、しかも、
生体に押し付けている力が変化するとその都度歪みが変
化するので電荷が生じることになる。即ち、測定中、圧
電素子には心臓等の振動源からの振動以外の要素による
電荷が生じることになり、このような電荷は、当然、脈
拍測定におけるノイズとなる。

従って、このようなノイズが発生する状態では脈拍測定
を正確に行なうことがで幹ないという問題がある。

また、心臓の鼓動等は極めて微弱な振動であるため、電
極カバーｆや圧電素子ｄによほど対振動感度の高いもの
を使用しないと、脈拍測定を確実に行なうことが困難に
なるという問題がある。

更に、圧電素子は、通常、一定の範囲を超えた温度にな
るとその特性が著しく変化するという性質を有している
ため、前記圧電センサーａのように圧電素子ｄが接触し
ている電極カバーｆを振動源等に直接接触させ°る構造
のものであると振動源等が有する熱が圧電素子ｄに伝わ
ることになるので該圧電素子ｄの温度が変化してその特
性が変化してしまうという問題がある。

（Ｅ、問題点を解決するための手段） そこで、本発明圧電センサーは、上記した問題点を解決
するために°、振動源と接触する共振体を密閉空間を挟
んで圧電素子に対向配置したものである。

従って、本発明圧電センサーによれば、圧電素子は密閉
空間及び共振体を介して振動源と対することになるので
、圧電素子には振動源との接触による歪みが生じること
が無いと共に振動源が有する温度が伝わることが無く、
しかも振動源からの振動は共振体及び密閉空間により増
幅されて圧電素子に伝えられることになり、これにより
て、圧電素子に生じる歪みは振動源からの振動による歪
みだけとなるので振動源の圧力変化を極めて正確に測定
することができると共に圧電素子が有する特性が振動源
の温度によって影響を受けることが無く、しかも、振動
源からの微弱な振動をも確実に測定することができる。

（Ｆ、実施例）［第１図乃至第４図］ 以下に、本発明圧電センサーの詳細を図示した実施例１
に従って説明する。

（ａ、ベースリング、圧電板） ２は圧電センサー１のベースリングであり、該ベースリ
ング２は合成樹脂により比較的厚い略円環状を為すよう
に形成されると共に、その内周面２ａの厚み方向におけ
る両端部を除く部分に円環状に延びる溝３が形成されて
おり、該溝３はベースリング２の幅の半分値の深さを有
している。

４は圧電板であり、歪みが生ずることによって偏極電荷
を生ずる圧電材料、例えば、ハイブリッド形３元系のＰ
ＺＴ、あるいは同系のポリアセタールもしくはゴム等の
所謂ピエゾプラスチックス又はピエゾセラミックス系の
圧電材料等から成り、略円板状に形成されている。

（ｂ、電極板、共振板等） ５及び６は電極板であり、これら電極板はその外径が上
記圧電板４の外径と略同じ大きさの円環状を為すと共に
その外縁から端子７．７′が側方へ向けて突設されてい
る。

尚、下側の電極板６は上側の電極板５より稍厚く形成さ
れている。

８は略り字形を為す圧力導出管であり、その下部８ａ、
即ち、圧電センサー１の厚み方向と直交する方向に沿っ
て延びる部分の両端部を除く大部分が下側の電極板６の
うち端子７′と略反対側に位置した部分を該電極板６の
厚み方向と直交する方向に貫通した状態で該電極板６に
固定されると共に、その上部８ｂ、即ち、圧電センサー
１の厚み方向に沿フて延びる部分が電極板６の外側に位
置されている。

９は共振板である。該共振板９は振動伝達率が高く、か
つ、熱伝導率の高い材料、例えば、銅もしくはアルミニ
ウム等から成り、前記電極板５．６と略同じ大きさを有
するリング状の固定部９ａと、該固定部９ａの内周縁か
ら下方へ向けて突出しかつ下端へ行くに従って次第に小
径となる中間部９ｂと、該中間部９ｂの下端面を閉塞し
た略円板状を為す接触部９Ｃとが一体に形成されて成る
。

１０は、例えば、フィルムサーミスタ等の感熱素子であ
り、略円板状を為すと共に上記共振板９の接触部９Ｃの
上面に固定されている。

（ｃ、各部材の結合） そして、上記した圧電板４、電極板５．６及び共振板９
は、電極板５及び６が圧電板４の外周縁部を厚み方向か
ら挟んで位置し、かつ、共振板９の固定部９ａが下側の
電極板６の下面に重ね合わせられ、これら各部材４．５
．６及び９の外周部が前記ベースリング２に形成された
溝３内に嵌合支持されており、また、圧力導出管８の上
端はベースリング２の上面に開口されている。

尚、このような構造を有する圧電センサー１は、例えば
、インサート成形により、即ち、ベースリング２を成型
するための成型用金型のキャビティに、圧電板４、電極
板５．６及び共振板９を前記したように重ね合わせてこ
れらの外周部を配置した状態で、上記金型に溶融樹脂を
射出することにより形成される。

しかして、圧電板４と共振板９との間に密閉空間１１が
画成され、圧電板４がこの密閉空間１１を挟んで共振板
９と対向すると共に、電極５．６に設けられた端子フ、
７′の先端部がベースリング２の外周面２ｂから突出す
るように位置され、また、圧力導出管８の一端が密閉空
間１１に開口することになる。

尚、１２はその一端部が圧力導出管８と連結された連結
管であり、その他端部が半導体圧力センサー等の圧力セ
ンサー１３と接続されている。

また、端子フ、７′、上記圧力センサー１３及び感熱素
子１０はこれら端子フ、７′、圧力センサー１３及び感
熱素子１０の端子電圧を処理するための図示しない処理
回路と接続されている。

（ｄ、作用） そこで、共振板９の接触部９Ｃを振動源もしくは振動源
が内蔵されているボディに押し当てると、当該振動源か
らの振動が接触部９Ｃに伝わって該接触部９Ｃが振動す
ると共に、その振動によって密閉空間１１の空気が振動
することになる。

従って、この振動により圧電板４に応力が加えられて歪
みが生じるので、該圧電板４に電圧が発生しかつ該電圧
が振動源の振動周波数に応じて変化することになり、こ
の電圧の変化が電極板５．６及び端子フ、７′を通して
出力されることになる。即ち、当該振動源の振動周波数
に応じて変化する電圧が端子フ、７′から取り出される
ことになる。

しかして、この端子電圧の変化を検出することによって
当該振動源の圧力変化を測定することができる。

そして、この場合の圧力変化の測定はノイズを含まない
極めて正確な測定となる。

即ち、前記したように、この種の圧電センサーにおける
振動等の測定を行なうには当該センサーを振動源等にあ
る程度の圧力で押し付けることが必要になるが、上記し
た圧電センサー１によれば、振動源等に直接接触される
のは共振板９であり、圧電板４は密閉空間１１及び共振
板９を介して間接的に振動源等と対置することになる。

従つて、圧電センサーを振動源等に押し付けたとき共振
板９にはある程度の歪みもしくは変形が生じることには
なるが、圧電板４にはこのような歪み等が生ずることは
無いので、該圧電板４に生ずる歪みは振動源からの振動
による歪みのみとなるからである。

しかも、共振板９に伝わった振動源からの振動は密閉空
間１１を伝播する間に増幅されて圧電板４に伝えられる
ことになるので、振動源の振動が微弱であってもその振
動の変化を確実に検出することができる。

また、振動源もしくは該振動源が内蔵されているボディ
が有する熱は共振板９の接触部９Ｃを介して感熱素子１
０に伝達されるので、感熱素子１０の端子電圧を検出す
ることによりて振動源もしくは上記ボディの温度を測定
することができる。尚、共振板９に伝達された熱は圧電
板４に伝わることが無いので、該圧電板４の特性が変化
することは無い。

更に、密閉空間１１の圧力は圧力導出管８及び連結管１
２を介して圧力センサー１３により検出されるため、共
振板９の接触部９Ｃが振動することによって変化する密
閉空間１１の圧力が圧力センサー１３により検出される
ことになる。

（ｅ、使用例） このような構造を有する圧電センサー１は、例えば、脈
拍、体温及び血圧等を測定するための医療用測定器とし
て使用し得る。

即ち、共振板９の接触部９Ｃを、例えば、人体外皮のう
ち心臓に近い位置もしくは動脈に近い位置に押し当てる
と、心臓の鼓動もしくは血流による振動が共振板９及び
密閉空間１１を介して増幅されて圧電板４に伝わること
になり、それによって圧電板４に歪みが生じて電圧が発
生すると共にこの電圧は上記鼓動等の周波数に応じて発
生することになる。

従って、この変化する電圧を検出することによって脈拍
が測定されることになる。

尚、この場合、共振板９は人体の外皮に押し当てられる
ことによっである程度歪まされることになるが、圧電板
４にはこのような原因による歪みが生じることは無い。

また、人体が有する熱は共振板９の接触部９ｃを介して
感熱素子１０に伝達されるので、それにより、体温の測
定が可能となる。

更に、心臓の鼓動等が伝わることによって変化する密閉
空間１１の圧力が圧力センサー１３により検出されると
共に、この検出された圧力のデータと圧電板４により検
出された脈拍のデータを処理するサヨによって血圧の測
定を行なうことができる。

（Ｇ、発明の効果） 以上に記載したところから明らかなように、本発明圧電
センサーは、圧電素子と振動源に接触する共振体とを密
閉空間を挟んで対向配置すると共に、上記圧電素子に生
じた電圧を取り出すための端子を設けたことを特徴とす
る。

従って、本発明によれば、圧電素子は密閉空間及び共振
体を介して振動源と対することになるので、圧電素子に
は振動源との接触による歪みが生じることが無いと共に
振動源が有する温度が伝わることが無く、しかも振動源
からの振動は共振体及び密閉空間により増幅されて圧電
素子に伝えられることになる。

しかして、本発明圧電センサーによれば、圧電素子に生
じる歪みは振動源からの振動による歪みだけとなるので
振動源の圧力変化を極めて正確に測定することができる
と共に圧電素子の特性が振動源の温度によって影響を受
けることが無く、しかも、振動源からの微弱な振動をも
確実に測定することができる。

尚、前記実施例においては、共振体の内面に感熱素子を
固定すると共に密閉空間の圧力を測定する圧力センサー
を設けたが、このようにすることによって、振動源もし
くは振動源が内蔵されたボディの温度や振動源が有する
圧力等をも測定することができる。

そして、前記実施例においては、略リング状を為す２つ
の電極を圧電素子の外周部を挟んで該圧電素子の厚み方
向から対向配置すると共にこれら電極から端子を突設し
たが、このようにすれば、圧電素子に生じた電圧を取り
出すための手段を圧電素子と共振体との間のスペーサと
しても機能せしめることができる。

もつとも、本発明を実施するに際しては、圧電素子と共
振体との間に密閉空間を形成するための特別なスペーサ
を設けるようにしても良いし、また、圧電素子に直接端
子を設けるようにしても良く、更には、密閉空間内に圧
電素子に生じた電圧を処理するための回路を設けるよう
にしても良い。

尚、本発明圧電センサーは前記使用例の項において述べ
た脈拍測定用の圧電センサーに限らず、圧電素子を振動
源に接触させることによって該振動源の圧力変化を測定
する各種の圧電センサーとして使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明圧電センサーの実施の一例を
示すものであり、第１図は垂直断面図、第２図は全体を
示す斜視図、第３図は第２図のＩＩＩ　−ＩＩＩ線に沿
って切断して示す斜視図、第４図は要部の分解斜視図、
第５図は従来の圧電センサーの一例を示す断面図である
。 符号の説明 １・・・圧電センサー、　４・・・圧電素子、７．７′
・・・端子、　９・・・共振体、１１・・・密閉空間 出　願　人　　日本バイリーン株式会社同　　　　　新
生電子工業株式会社 １−、−　ｒＬｌｌ　ｔ　ｌヒ ｉｎ　　Ｌ＊ｆｒ４．’＋−年Ｌ［３２１（Ｉ［−［ｋ
）第３図 断？１ｉｉＯ圓（４先呆肋１１） 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧電素子と振動源に接触する共振体とを密閉空間を挟ん
   で対向配置すると共に、上記圧電素子に生じた電圧を取
   り出すための端子を設けたことを特徴とする圧電センサ
   ー