WO2021191948A1 - 振動測定用基板モジュール及び振動検出装置 - Google Patents

振動測定用基板モジュール及び振動検出装置 Download PDF

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WO2021191948A1
WO2021191948A1 PCT/JP2020/012632 JP2020012632W WO2021191948A1 WO 2021191948 A1 WO2021191948 A1 WO 2021191948A1 JP 2020012632 W JP2020012632 W JP 2020012632W WO 2021191948 A1 WO2021191948 A1 WO 2021191948A1
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WO
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substrate
region
piezoelectric element
vibration
convex member
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PCT/JP2020/012632
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English (en)
French (fr)
Inventor
松田勲
堀内裕城
尾下順二
茂木孝之
Original Assignee
太陽誘電株式会社
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Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector

Definitions

  • the present invention relates to a vibration measurement substrate module and a vibration detection device.
  • vibration sensors having a piezoelectric element for detecting pulse waves of the human body have been developed.
  • the piezoelectric element detects vibration such as a pulse wave, converts it into an electric signal, and outputs it to an external device.
  • a vibration sensor including the above is known (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
  • the piezoelectric element is surrounded by the spacer described above, a pulse wave or the like is transmitted to this spacer, and the vibration of the pulse wave or the like of the spacer is finally transmitted to the piezoelectric element via the substrate. ..
  • the resin was sealed in the space formed by the spacer and the substrate. Therefore, it is difficult for the pulse wave or the like to be transmitted to the piezoelectric element, and more accurate detection has been required.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a vibration measurement substrate module and a vibration detection device capable of accurately detecting vibration of an object to be measured.
  • the present invention is provided in the first and second surfaces facing each other, a pair of supporting side sides facing each other, a pair of non-contact side sides intersecting the supporting side side, and the pair of supporting side sides or their vicinity.
  • a substrate having a pair of support regions provided, a convex member sandwiched between the pair of support regions and provided at or near the center of the first surface of the substrate, and a conductive member provided on the second surface.
  • a vibration measurement substrate module having a pattern and a piezoelectric element provided in a second region on the second surface corresponding to the first region to which the convex member is fixed and connected to the conductive pattern. be.
  • the support region is further provided with an electrode or an insulating resin, and the installation region of the electrode or the insulating resin can be configured to have higher strength than other regions of the substrate.
  • the second surface includes a third region outside the second region, and the element electrically connected to the piezoelectric element avoids the boundary between the second region and the third region.
  • the configuration may be provided inside either the second region or the third region.
  • the shape of the first region may be an ellipse in which a circle or a major axis intersects the non-contact side side in a plan view.
  • the element may have an element that amplifies the output of the piezoelectric element.
  • a substrate having a first surface and a second surface on the opposite side of the first surface, a convex member fixed to the first surface at substantially the center of the substrate, and the convex member.
  • It is a vibration detection device having a mounted member.
  • the second surface includes a third region outside the second region, and an element electrically connected to the piezoelectric element is provided on the second surface and is electrically connected to the piezoelectric element.
  • the connected element may be configured to be provided inside either the second region or the third region, avoiding the boundary between the second region and the third region.
  • the mounted member may be a band or a case.
  • a shield film is provided on the inner wall of the non-mounted member, and the element can amplify the signal of the piezoelectric element and become an amplifier in the previous stage of the digital amplifier.
  • the gap can be filled with a material having an elastic modulus lower than the elastic modulus of the mounted member.
  • a substrate having a first surface and a second surface on the opposite side of the first surface, a convex member fixed to the first surface at substantially the center of the substrate, and the convex member. Covers the piezoelectric element fixed in the second region of the second surface facing the first region on the first surface and the second surface to which the piezoelectric element is fixed, and passes through a space.
  • a case is provided that faces the piezoelectric element and supports two opposing sides of the second surface of the substrate, and the space is filled with a material having an elastic modulus lower than that of the case. It is a vibration detection device.
  • the case is connected to two first wall portions having a step supporting two opposing sides of the second surface of the substrate and the two first wall portions, and the second surface is connected to the second wall portion. It can be configured to include a bottom to cover.
  • the step can be configured to have a recess.
  • the case can be configured to include two second wall portions that are connected to both ends of the two first wall portions, are erected from the bottom portion, and do not come into contact with the substrate.
  • the vibration of the object to be measured can be accurately detected.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing the configuration of the vibration detection device according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing a part of a band on which the vibration sensor is mounted.
  • FIG. 1C is a transmission diagram showing the configuration of the vibration sensor when viewed from the + Z direction of FIG. 1A.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing the configuration of a band to which a vibration sensor is mounted.
  • FIG. 2B is a diagram showing a state in which the band of FIG. 2A is wrapped around the wrist.
  • FIG. 2C is a diagram showing regions of the first surface and the second surface of the substrate of the vibration sensor.
  • FIG. 3A is a plan view showing the configuration of the vibration sensor.
  • FIG. 3A is a plan view showing the configuration of the vibration sensor.
  • FIG. 3B is a plan view showing the configuration of the first modification of the vibration sensor.
  • FIG. 3C is a plan view showing the configuration of a second modification of the vibration sensor.
  • FIG. 3D is a plan view showing the configuration of a third modification of the vibration sensor.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the configurations of the vibration sensor, the signal processing / communication unit, and the power supply unit.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a vibration sensor when the convex member receives a force due to vibration.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view showing a modified example of the mounted member to which the vibration sensor is mounted.
  • 6 (B) and 6 (C) are views showing the structure of the plate-shaped member when viewed from the ⁇ Z direction.
  • FIG. 7 (A) and 7 (B) are plan views showing the configuration of the vibration sensor.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view showing the configuration of the vibration sensor according to the second embodiment.
  • 8 (B) and 8 (C) are cross-sectional views of a case mounted on the vibration sensor.
  • 9 (A) to 9 (D) are diagrams showing an example of a case.
  • FIG. 10 is a diagram showing a state in which the vibration sensor according to the second embodiment integrated with the case is attached or sealed to the band.
  • FIG. 11A is a diagram showing an example of a waveform of a pulse wave signal.
  • FIG. 11B is a diagram showing an S / N ratio of the pulse wave signal measured by the sensor of Patent Document 2 and an S / N ratio of the pulse wave signal measured by the vibration sensor 1 using four cases. Is.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing the configuration of the vibration detection device according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing a part of a band on which the vibration sensor is mounted.
  • FIG. 1C is a transmission diagram showing the configuration of the vibration sensor when viewed from the + Z direction of FIG. 1A.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing the configuration of a band to which a vibration sensor is mounted.
  • FIG. 2B is a diagram showing a state in which the band of FIG. 2A is wrapped around the wrist.
  • FIG. 2C is a diagram showing regions of the first surface and the second surface of the substrate of the vibration sensor.
  • FIG. 3A is a plan view showing the configuration of the vibration sensor.
  • FIG. 3A is a plan view showing the configuration of the vibration sensor.
  • FIG. 3B is a plan view showing the configuration of the first modification of the vibration sensor.
  • FIG. 3C is a plan view showing the configuration of a second modification of the vibration sensor.
  • FIG. 3D is a plan view showing the configuration of a third modification of the vibration sensor.
  • the direction perpendicular to the front surface of the substrate is the Z direction, and the two directions orthogonal to each other in the plane perpendicular to the Z direction are the X direction (first direction) and the Y direction (second direction).
  • 3 (A) to 3 (C) show the substrate seen from the + Z side of FIG. 1 (A).
  • the vibration sensor 1 measures human vitals, and measures pulse waves, heartbeats, blood pressure, and the like.
  • this vibration sensor is provided on a band, and measurement is possible by wrapping the band around a hand (wrist or arm) or a foot (ankle or thigh).
  • the object to be measured is not limited to the human body, but is an object that generates vibration.
  • the mounted member on which the vibration sensor 1 is mounted is not limited to the band.
  • the vibration to be detected is described as a pulse wave for convenience, but the vibration to be detected is not limited to the pulse wave.
  • the mounted member may be a fingertip band, a watch band, an accessory, a seat belt, or a handle instead of the band 20 described later.
  • the vibration sensor 1 is provided at a portion where pressure is applied by a part of the human body, for example, a portion where the buttocks or the back touches.
  • the vibration sensor 1 is provided on the seat plate, on the back plate, or in a cushion attached to the armrest.
  • the vibration sensor 1 is provided in the seat plate on which the buttocks rest.
  • the vibration sensor 1 When the mounted member is a bed, the vibration sensor 1 is mainly provided in the cushion on the floor plate. When the mounted member is a handle, since the handle is made of resin, the vibration sensor 1 is provided at the position of the handle where the finger or the palm touches. Further, the vibration sensor 1 may be fixed to one component of a car, for example, a motor for driving tires, a chair of a car for detecting abnormal vibration of a vehicle body, a floor or a bonnet.
  • a motor for driving tires for example, a motor for driving tires, a chair of a car for detecting abnormal vibration of a vehicle body, a floor or a bonnet.
  • the vibration detection device 100 includes a vibration sensor 1 as a substrate module for vibration measurement and a band 20 as a mounted member.
  • the vibration sensor 1 includes a substrate 10, a piezoelectric element 13, an element 17, and a convex member 18.
  • the substrate 10 has a substantially flat plate shape, and is a front surface 10b as a first surface and a surface opposite to the front surface 10b, that is, a back surface 10a, which is referred to as a second surface here.
  • the substrate 10 is rectangular or square in XY plan view.
  • Each of both ends 11 of the substrate 10 in the X direction has a length in the Y direction and is arranged at opposite positions with the piezoelectric element 13 or the convex member 18 interposed therebetween, and the substrate 10 is supported by a case or the like.
  • the substrate 10 may have a shape other than a rectangle as long as it has both ends 11. For example, if the substrate has a shape such as an ellipse, a circle, or a polygon in which both ends are cut and a straight portion that can be supported in the Y direction is provided, the substrate can be applied as the substrate 10.
  • the substrate 10 has a size of, for example, 15 mm (x) ⁇ 15 mm (y) ⁇ 0.8 mm (z).
  • the substrate 10 has a pair of support side sides 10c facing each other and a pair of non-contact side sides 10d intersecting the support side sides 10c. Both ends 11 of the substrate 10 in the X direction are provided on or near the pair of support side sides 10c.
  • the substrate 10 is made of an insulating material, for example, an insulating resin such as glass epoxy.
  • the substrate 10 may be formed of an insulating ceramic (for example, alumina), or at least the back surface 10a may be formed of a metal plate or an alloy plate whose back surface is insulated with a resin film.
  • a conductive pattern 12 is formed on the resin film.
  • the substrate 10 is provided with a conductive pattern 12 connected to a pad electrode (not shown).
  • the piezoelectric element 13, and the element 17 (electrical component) constituting the circuit with the piezoelectric element 13, are electrically connected to the pad electrode via solder.
  • the substrate 10 is formed of one layer of metal on the back surface 10a, but may be composed of two or more layers on both sides.
  • the conductive film 5 as a shield metal is provided on the inner wall of the space where the vibration sensor 1 is attached, electrodes for GND grounding may be provided on both ends 11 of the substrate 10.
  • the substrate 10 has, for example, an elastic modulus of 20 GPa or more, which is higher than the elastic modulus of the band 20 and the convex member 18.
  • both ends 11 of the substrate 10 are supported by the band 20.
  • the convex member 18 is provided at the center of the front surface 10b of the substrate 10, so that the piezoelectric element 13 is arranged near the center of the back surface 10a of the substrate 10. Is preferable.
  • the piezoelectric element 13 is mounted on a pad electrode (not shown) via solder.
  • the piezoelectric element 13 is, for example, a rectangular parallelepiped having a size of 3.2 mm (x) ⁇ 1.6 mm (y) ⁇ 0.8 mm (z). As shown in FIGS. 3A to 3D, the piezoelectric element 13 is located inside the region where the convex member 18 is fixed when viewed from the + Z direction.
  • the convex member 18 has a first region 101 (corresponding to the dotted line regions of FIGS. 3A to 3D) located substantially in the center of the front surface 10b of the substrate 10.
  • the piezoelectric element 13 is fixed to the second region 102 of the back surface 10a of the substrate 10.
  • the area of the second region 102 is the same as the area of the first region 101, and the second region 102 is located opposite to the first region 101.
  • a third region 103 is formed outside the second region 102.
  • the second region 102 is opposite to the first region 101 to which the convex member 18 is fixed, and maintains a relatively flat state. Therefore, solder cracks and the like of the piezoelectric element 13 are suppressed, which is a preferable region in terms of reliability. Is.
  • the outer shape of the piezoelectric element 13 shown in FIG. 1A has a rectangular parallelepiped shape like a chip capacitor.
  • the piezoelectric element 13 has a piezoelectric body 14, a terminal electrode 15, and a terminal electrode 16.
  • the piezoelectric body 14 is formed of, for example, a piezoelectric material containing PZT (lead zirconate titanate) as a main component.
  • the piezoelectric body 14 is provided with polarization terminals (not shown) so as to sandwich the piezoelectric body 14 on the + Z direction side and the ⁇ Z direction side in advance, and a predetermined voltage is applied from the Z direction and the ⁇ Z direction to perform polarization processing. Is performed, and the polarization direction of the piezoelectric body 14 is set to the Z direction.
  • the polarization terminal required for this polarization processing may be deleted or may be left.
  • the terminal electrode 15 and the terminal electrode 16 are rectangular parallelepipeds such as chip capacitors, and are arranged at both left and right ends of the piezoelectric body 14.
  • the terminal electrode 15 is arranged at the end on the ⁇ X side of the piezoelectric body 14, and the terminal electrode 16 is arranged at the end on the + X side of the piezoelectric body 14.
  • the substrate 10 when an external force is applied through the convex member 18, the substrate 10 flexes up and down when viewed macroscopically, and the back surface 10a of the substrate 10 expands and contracts in the horizontal direction when viewed microscopically. doing.
  • the piezoelectric element 13 mounted on the substrate 10 also expands and contracts, so that an electric signal is generated between the terminal electrodes 15 and 16.
  • the polarization directions of the piezoelectric elements 13 are aligned in the vertical direction of the substrate 10.
  • the element 17 is, for example, an element constituting an amplifier circuit for amplifying a signal generated by the piezoelectric element 13.
  • it is a semiconductor element such as a FET (Field Effect Transistor) or a diode, or a passive element such as a chip capacitor. It may also be an IC that constitutes an amplifier.
  • the element 17 is fixed with solder to a pad electrode provided on the back surface 10a of the substrate 10.
  • the element 17 is electrically connected to the piezoelectric element 13 via a wiring (not shown).
  • a shield metal (not shown) may be provided on the front surface 10b of the substrate. In this case, the shield metal is connected to the GND wiring and electrodes provided on the back surface 10a via vias.
  • the convex member 18 is fixed to substantially the center of the front surface 10b of the substrate 10 with a resin adhesive, a brazing material such as solder, a conductive paste, or the like, and the front surface 10b to ⁇ Z of the substrate 10 is fixed. It protrudes in the direction. Similar to the arrangement of the piezoelectric element 13, considering the ease of deformation of the substrate 10, the arrangement of the convex member 18 is preferably at or near the center of the substrate 10.
  • the convex member 18 is provided at a position facing the piezoelectric element 13.
  • the convex member 18 has a size of, for example, a diameter of 9.5 mm and a height of 7.4 mm.
  • the convex member 18 is arranged in the first region 101, and the piezoelectric element 13 is arranged in the second region 102 located opposite to the first region 101.
  • the convex member 18 is made of a resin such as silicon, polycarbonate or ABS, or a metal such as iron or nickel.
  • a resin such as silicon, polycarbonate or ABS
  • a metal such as iron or nickel.
  • the convex member 18 is made of resin, it is fixed to the substrate 10 with the above-mentioned resin adhesive, and when it is metal, it is fixed to the substrate 10 with the resin adhesive, brazing material or conductive paste.
  • the front surface 10b is entirely covered with a metal film such as copper and shielded, it is appropriate to fix the convex member 18 with a brazing material or a conductive paste.
  • the metal film functions as a fixing member between the shield and the convex member.
  • the elastic modulus of the convex member 18 is, for example, 50 to 3000 Mpa.
  • the elastic modulus of the convex member 18 is on the order of Gpa.
  • the convex member 18 may have a hollow shape such as an air tube as long as it has the elastic modulus described above.
  • the band 20 is made of, for example, a resin such as silicon, polycarbonate or ABS, and the elastic modulus of the band 20 is, for example, 50 to 3000 Mpa.
  • the lower surface of the band 20 covers the back surface 10a of the substrate 10 and is an empty space for accommodating the elements 13 and 17, and a second recess 3 and a second recess.
  • a holding space for holding the outer periphery of the back surface 10a of the substrate 10, that is, a first recess 2 is provided around 3.
  • a recess provided with a step is formed on the lower surface of the band 20, and the portion of the recess in contact with the lead wire of reference numeral 3 in FIG. 1B is the first bottom portion and reference numeral 2.
  • the portion where the leader line of the above is in contact is provided with the second bottom portion 2a.
  • the second bottom portion 2a corresponds to a contact surface that is fixed to both end portions 11 (support regions) of the substrate 10.
  • the first recess 2 has the same height as the thickness of the substrate 10.
  • the second recess 3 has a height capable of accommodating the piezoelectric element 13 and the element 17, and faces the back surface 10a of the substrate 10 via the space 4.
  • a second recess 3 is formed on the first recess 2. As shown in FIG. 1A, the substrate 10 is fixed to the first recess 2 of the band 20 with an insulating adhesive so that the back surface 10a faces the second recess 3.
  • the second bottom portion 2a of the band 20 is fixed to both end portions 11 of the substrate 10 and supports both end portions 11.
  • the band 20 has a pair of inner side surfaces 20a (non-contact side sides) that intersect the second bottom portion 2a or both end portions 11 of the substrate 10.
  • a gap 9 is formed between the pair of inner side surfaces 20a and the pair of opposite non-contact side sides 10d parallel to the X direction (longitudinal direction) of the substrate 10. Due to the gap 9, the non-contact side side 10d of the substrate 10 does not come into contact with the inner side surface 20a, and it is possible to avoid suppressing the vibration of the substrate 10.
  • the gap 9 may not be provided. Further, the gap 9 may be a gap formed between the substrate 10 and the second wall portion 47, as shown in FIGS. 9 (c) and 9 (d) described later. The gap allows the substrate 10 to bend, allowing the piezoelectric body 14 in the piezoelectric element 13 to be efficiently displaced. As a result, the piezoelectric element 13 can sensitively detect the force due to vibration such as a pulse wave.
  • a conductive film 5 is formed on the inner walls of the first recess 2 and the second recess 3. Since the piezoelectric element 13 and the signal output by the element 17 (for example, a pulse wave signal), particularly the piezoelectric element 13, is a weak signal and is easily affected by disturbances (electromagnetic waves) such as hum noise from the outside, cover it with a metal film. Is preferable.
  • the space 4 inside the second recess 3 is sealed, and the space 4 inside the second recess 3 is sealed from the outside. It blocks electromagnetic waves.
  • the conductive film 5 is a metal having good solder wettability such as copper, the conductive film 5 can be made into GND via the GND metal by arranging copper GND metals on both ends 11 of the substrate 10. ..
  • the band 20 is formed in the form of a single tape, for example, and fixing means such as a magic tape (registered trademark) 21 is provided at both ends thereof. Further, the band 20 includes a signal processing / communication unit 22 and a power supply unit 23 in addition to the vibration sensor 1.
  • fixing means such as a magic tape (registered trademark) 21 is provided at both ends thereof.
  • the band 20 includes a signal processing / communication unit 22 and a power supply unit 23 in addition to the vibration sensor 1.
  • FIG. 4 shows the configurations of the vibration sensor 1, the signal processing / communication unit 22, and the power supply unit 23.
  • the vibration sensor 1 includes a piezoelectric element 13 and an amplifier 171 as the element 17.
  • the amplifier 171 is arranged in front of the programmable amplifier 221 as a digital amplifier described later, and is, for example, an instrumentation amplifier or a charge amplifier.
  • the amplifier 171 amplifies the signal generated by the piezoelectric element 13 (for example, a pulse wave signal) and outputs the signal to the signal processing / communication unit 22.
  • the output signal of the piezoelectric element 13 is very weak, and the amplifier 171 amplifies the previous stage up to an input level at which the programmable amplifier 221 described later can operate.
  • the output signal of the piezoelectric element 13 is a weak signal, if noise from the outside enters, a malfunction occurs or the detection becomes inaccurate. Therefore, the space inner wall of the band 20, FIG. A shield metal or a conductive film 5 is required on the inner wall of the case 40, which will be described later, or the back surface 10a of the substrate 10.
  • the output signal of the piezoelectric element 13 is very weak, and it is necessary to arrange the amplifier 171 near the piezoelectric element 13 in order to prevent noise from entering the space 4 as much as possible.
  • the amplifier 171 is provided inside the second region 102 or near the boundary between the second region 102 and the third region 103 to prevent noise from entering.
  • the signal processing / communication unit 22 includes a programmable amplifier 221, an A / D converter 222, a communication module 223, and a microcomputer 224.
  • the programmable amplifier 221 further amplifies the pulse wave signal received from the amplifier 171.
  • the A / D converter 222 converts the pulse wave signal amplified by the programmable amplifier 221 into a digital signal.
  • the microcomputer 224 converts the digital signal converted by the A / D converter 222 into communicable digital data.
  • the microcomputer 224 also controls the communication timing of the communication module.
  • the communication module 223 performs wireless communication such as BLE (Bluetooth (registered trademark) Low Energy) or wireless LAN, and transmits digital data indicating a pulse wave signal to an external device (for example, a computer or a smartphone) (not shown). ..
  • BLE Bluetooth (registered trademark) Low Energy
  • wireless LAN wireless local area network
  • the power supply unit 23 is a button battery, a rechargeable lithium ion battery, or the like.
  • the power supply unit 23 is electrically connected to the signal processing / communication unit 22 and the vibration sensor 1, and supplies electric power to each component (circuit, amplifier, etc.) included in the signal processing / communication unit 22 and the vibration sensor 1. .. Since the lithium-ion battery may run out of control, it should be placed in a stable position as much as possible.
  • the power supply unit 23 is arranged on the back side of the hand, but since the wrist on the palm side is flatter, the radius 31 and the ulna 32 on the wrist on the palm side are preferable. It is better to place it in the part between.
  • FIG. 2 (B) shows a state in which the band 20 of FIG. 2 (A) is wound around the left wrist 30.
  • FIG. 2B shows a cross-sectional view seen from the fingertip side, and the magic tape 21 is omitted.
  • the wrist 30 includes the radius 31, the ulna 32 and the radial artery 33.
  • the band 20 is wrapped around the wrist 30 so that the vibration sensor 1 faces the radial artery 33. As a result, the vibration sensor 1 can detect the pulse wave of the radial artery 33.
  • both ends 11 of the substrate 10 in the X direction are fixed to the first recess 2 of the band 20 in the form of a double-sided beam with an insulating adhesive.
  • the method of bonding here is understood by replacing the case with a band in the description of FIG. That is, both ends 11 of the substrate 10 in the X direction function as fixed ends of vibration of the substrate 10.
  • the band 20 is wrapped around the wrist and the convex member 18 receives a force due to the vibration of the pulse wave from the object to be measured (for example, the wrist) as shown by the arrow in FIG. 5, the force is applied from the convex member 18 to the substrate.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a vibration sensor 1 when the convex member 18 receives a force due to vibration. At this time, since the length of the convex member 18 fixed to the substrate 10 in the X direction (or Y direction) is smaller than the length of the substrate 10 in the X direction (or Y direction), the convex member 18 is the substrate.
  • the piezoelectric body 14 in the piezoelectric element 13 can be efficiently displaced, and the piezoelectric element 13 can detect the force due to the vibration of the pulse wave with high sensitivity.
  • the bottom surface of the convex member 18 that is, the surface fixed to the front surface 10b or the adhesive surface
  • the left and right positions in FIG. 2 (B) There is a concern that pulse waves will not be detected due to deviation. That is, as shown in FIG. 2B, the apex 18a of the convex member 18 is substantially one point, and even if the apex and the radial artery 33 face each other to detect a pulse wave, the apex 18a of the convex member 18 When is shifted to the right or left from the opposite position of the radial artery 33, it tends to be difficult for the vibration sensor 1 to detect the pulse wave of the radial artery 33.
  • the apex 18a and the human body do not actually make point contact, but the apex 18a of the convex member 18 faces the radial artery 33.
  • the deviation from the pulse wave tends to reduce the detection accuracy of the pulse wave.
  • the length of the convex member 18 in the X direction may be made larger than the length in the Y direction to form an elliptical shape whose long axis is parallel to the X direction.
  • the length of the convex member 18 in the X direction is preferably about 1.2 to 2 times the length of the convex member 18 in the Y direction.
  • the length of the convex member 18 in the Y direction may be made larger than the length in the X direction to form an elliptical shape whose long axis is parallel to the Y direction.
  • the length of the convex member 18 in the Y direction is preferably about 1.2 to 2 times the length of the convex member 18 in the X direction.
  • the length of the convex member 18 in the Y direction may be larger than the length of the substrate 10 in the Y direction.
  • the length of the convex member 18 in the Y direction is preferably about 1.1 to 1.3 times the length of the substrate 10 in the Y direction.
  • the substrate 10 of the vibration sensor 1 in FIGS. 3 (C) and 3 (D) is a convex member 18. Is attached to the band 20 so that the Y direction (longitudinal direction) of the band 20 coincides with the direction in which the band 20 is wound. In this case, as compared with the case of FIG. 3A, the region of the convex member 18 facing the radial artery 33 is expanded to the left and right (winding direction), so that the pulse wave of the radial artery 33 can be easily detected. Further, since the length of the convex member 18 in FIG. 3 (D) in the Y direction is further longer than that in FIG. 3 (C), the convex member 18 in FIG. 3 (D) is more radial than that in FIG. 3 (C). The pulse wave of the artery 33 can be easily detected.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view showing a modified example of the mounted member to which the vibration sensor 1 is mounted.
  • 6 (B) and 6 (C) are views showing the structure of the plate-shaped member when viewed from the ⁇ Z direction.
  • the plate-shaped member 35 and the sealing material 37 are used instead of the band 20 of FIG. 1 (A).
  • the vibration sensor 1 of FIG. 6 is the same as the vibration sensor 1 of FIG. 1 (A).
  • the plate-shaped member 35 is made of resin or metal.
  • the elastic modulus of the plate-shaped member 35 is, for example, 50 to 3000 Mpa.
  • the elastic modulus of the plate-shaped member 35 is on the order of Gpa.
  • the plate-shaped member 35 is provided with two protrusions 36 in the vicinity of a pair of opposite side sides 35b.
  • four protrusions 36 are provided in the vicinity of two pairs of opposite side surfaces 35b and 35c.
  • the protrusion 36 of FIG. 6B is provided with substantially the same length as the right side and the left side of the substrate 10 as shown by reference numeral 25 in FIG. 7, and has a total length of the opposite side of the substrate 10.
  • the substrate 10 is supported by the crossover contact.
  • the contact portion of the protrusion 36 is convex, it is difficult to bond the substrate 10 and the plate-shaped member 35 with the sealing material 37.
  • the plate-shaped member 35 supports the substrate 10 by the protrusions 36, it functions as a support member for the substrate 10 in the same manner as the case 40 described later.
  • the protrusions 36 when four protrusions 36 are provided, for example, two protrusions 36 parallel to a pair of opposite side sides 35b are provided in order to secure vibration of the substrate 10.
  • the two protrusions 36 which are fixed to the substrate 10 and parallel to the pair of opposite side sides 35c, are not fixed to the substrate 10.
  • the space 4 is the area surrounded by the back surface 35a of the plate-shaped member 35, the plurality of protrusions 36, and the substrate 10. Even when the substrate 10 is bent in the + Z direction, the piezoelectric element 13 and the element 17 do not come into contact with the back surface 35a of the plate-shaped member 35.
  • the conductive film 5 may be formed on the back surface 35a of the plate-shaped member 35 and the plurality of protrusions 36. When the plate-shaped member 35 is made of metal, the conductive film 5 is unnecessary.
  • the sealing material 37 seals the periphery of the vibration sensor 1 and the protrusion 36.
  • the sealing material 37 is, for example, a resin, and the elastic modulus of the sealing material 37 is, for example, 50 to 3000 Mpa.
  • the sealing material 37 has fluidity before curing, tape is attached to the openings that may enter the space 4.
  • a sealing material molded from resin in advance may be prepared and attached to the plate-shaped member 35 and the substrate 10.
  • the space 4 of FIGS. 1 (A) and 6 may be filled with a material having an elastic modulus lower than that of the band 20 or the plate-shaped member 35.
  • the elastic modulus of the material filled in the space 4 is higher than the elastic modulus of the band 20 or the plate-shaped member 35, the vibration of the substrate 10 is suppressed. Therefore, the elastic modulus of the material filled in the space 4 is preferably set to 1/5 or less of the elastic modulus of the band 20 and the plate-shaped member 35.
  • the material filled in the space 4 is, for example, a gas such as air or gas, a gel, rubber, or a resin.
  • the elastic modulus of the material filled in the space 4 is, for example, 0 to 10 Mpa.
  • 7 (A) and 7 (B) are plan views showing the configuration of the vibration sensor.
  • the vibration of the pulse wave is easily absorbed by the band 20 or the plate-shaped member 35, and it is difficult to accurately transmit it to the substrate 10.
  • both end portions 11 may be considered as a support region or a support side side. Therefore, as shown in FIG. 7A, ground electrodes 25 may be formed on both ends 11 of the back surface 10a of the substrate 10 in the X direction. The thickness of the ground electrode 25 may be adjusted to increase the strength of both end portions 11. Further, as shown in FIG. 7B, solder 26 or hard resin 27 may be formed on both ends 11 of the front surface 10b of the substrate 10 in the X direction.
  • solder 26 it is preferable that a metal made of copper is provided under the coating region because of the wettability of the solder.
  • the solder 26 is applied to both ends 11 by printing and then cured.
  • the hard resin 27 is applied to both ends 11 by potting and then cured.
  • the ground electrode 25, the solder 26, or the hard resin 27 functions as a member for increasing the strength of both ends 11 of the substrate 10. In this way, the ground electrode 25, the solder 26, or the hard resin 27 cures both end portions 11 (fixed ends) of the substrate 10 to increase its strength. Since it can be fixed to 35, the vibration of the pulse wave can be accurately transmitted to the substrate 10.
  • the piezoelectric element 13 passes through the space 4.
  • Both ends 11 of the substrate 10 in the X direction (that is, the opposite supporting side 10c of the back surface 10a of the substrate 10) facing the band 20 or the plate-shaped member 35 are protrusions of the first recess 2 of the band 20 or the plate-shaped member 35. Supported by 36.
  • the space 4 is filled with an empty space or a material having an elastic modulus lower than the elastic modulus of the band 20. Therefore, the vibration of the substrate 10 is not suppressed, and the vibration of the pulse wave can be accurately detected.
  • the vibration detection device 100 includes a case that supports both ends 11 (fixed ends of the substrate 10) of the substrate 10 in the X direction.
  • the same reference numerals are given to the same configurations as those in the first embodiment, and the description thereof will be omitted.
  • the shapes, structures, and materials of the members shown in FIGS. 1 (A) to 7 (B) and the first embodiment are the same members of the second embodiment after FIG. Applicable to structures and materials.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view showing the configuration of the vibration sensor according to the second embodiment.
  • 8 (B) and 8 (C) are cross-sectional views of a case included in the vibration sensor.
  • 9 (A) to 9 (D) show the shape of the case in four patterns.
  • the vibration sensor 1 includes a substrate 10, a piezoelectric element 13, an element 17, and a convex member 18.
  • the case 40 as a mounted member is fixed to the substrate 10.
  • the case 40 is made of a resin such as silicon, polycarbonate or ABS.
  • the elastic modulus of the case 40 is, for example, 50 to 3000 Mpa, which is lower than the elastic modulus of the substrate 10.
  • the vibration sensor 1 is attached to the recess 6 of the band 20, and the case 40 is fixed to the recess 6 with an adhesive.
  • the band 20 and the case 40 may be integrated by heat fusion.
  • the case 40 connects a pair of first wall portions 42 having steps 44 supporting both ends 11 in the X direction of the substrate 10 and the two first wall portions 42.
  • a bottom portion 43 that covers the back surface 10a of the substrate 10 is provided.
  • the bottom portion 43 is formed parallel to the XY plane, and the two first wall portions 42 are provided at both ends of the bottom portion 43 in the X direction and are arranged parallel to the YZ plane.
  • at least one of the first wall portions 42 is formed with a recess 45 for drawing out the wiring from the substrate 10.
  • the wiring extending from the signal processing / communication unit 22 and the power supply unit 23 of FIG. 2A is inserted into the space 50 (FIG. 8A) via the recess 45, and the conductive pattern 12 on the back surface 10a of the substrate 10 is inserted. Is electrically connected to.
  • the first side wall 42 is provided at the positions of the two side sides of the diagonally upper right and the diagonally lower left, and the positions of the two side sides of the diagonally upper left and the diagonally lower right (XZ surface side). Has no walls and is open as an opening.
  • the conductive film 41 is formed so as to cover the inner wall of the case 40 (the surfaces of the plurality of first wall portions 42 and the bottom portion 43 in contact with the space 50), and the inside of the case 40 is shielded.
  • the conductive film 41 may be formed so as to cover the outer wall of the case 40. Further, the conductive film 41 may be formed inside the case 40 as shown in FIG. 8C.
  • the substrate 10 made of an insulating material is fixed to the conductive film 41 via an insulating adhesive or solder.
  • the space 50 is composed of the substrate 10, the plurality of first wall portions 42, and the bottom portion 43, and blocks electromagnetic waves from the outside. It is even better if a shield film is provided over the entire front surface 10b of the substrate 10.
  • the space 50 is filled with a material having an elastic modulus lower than that of the case 40.
  • the elastic modulus of the material filled in the space 50 is higher than the elastic modulus of the case 40, the vibration of the substrate 10 is suppressed. Therefore, the elastic modulus of the material filled in the space 50 is preferably set to 1/5 or less of the elastic modulus of the case 40.
  • FIG. 9 there are openings at diagonally upper left and diagonally lower right positions of the case 40. Air is contained in the space 50 by sticking a film such as a tape so as to close the opening.
  • the material filled in this space 50 is, for example, a gas such as air or N2 gas, a gel-like soft resin, rubber, or a resin such as urethane or silicon.
  • the elastic modulus of the material filled in the space 50 is, for example, 0 to 10 Mpa.
  • FIGS. 9 (A) and 9 (C) will be described below.
  • the case 40 of FIGS. 9A and 9C supports two opposing side surfaces (support side side 10c) of the substrate 10 over the entire length, except for the recess 45 as the wiring outlet.
  • the two steps 44 provided on the case 40 have the two end portions 11 in the X direction of the substrate 10, that is, the two opposite sides 11 and 11 of the back surface 10a of the substrate 10, respectively, from one end to the other. Support across the edges.
  • the second side walls 47, 47 connecting the ends of the first side walls 42, 42 are provided.
  • the upper surface of the second side wall 47 is formed lower than the step 44, does not come into contact with the back surface 10a of the substrate, and a gap is provided between the substrate 10 and the upper surface of the second side wall 47.
  • four side walls 44, 44, 47, 47 stand up around the bottom surface 43 of the case 40, so that the strength of the case 40 itself is enhanced. Therefore, the flexibility of the substrate 10 itself is improved.
  • both ends 11 are fixed to the step 44 along the Y direction, vibration (expansion and contraction) of the substrate 10 in the ⁇ X direction is efficiently generated, and the substrate 10 is vertically bent in the Z direction. appear. In this way, the vibration of the pulse wave can be efficiently detected.
  • FIGS. 9 (B) and 9 (D) will be described.
  • two first wall portions 42, 42 rising vertically from the bottom surface 43 are provided.
  • the contact surface with the substrate 10 included in the steps 44 constituting the first side walls 42, 42 has a recess 46 dented downward from the surface.
  • the recess 46 is not visible, but two steps 44 each having the recess 46 support the substrate 10 and are supported at four points.
  • the substrate 10 is basically supported in the shape of a double-sided beam, but it is presumed that the substrate 10 is more likely to be deformed because the bonding area of the substrate 10 is reduced.
  • the case 40 shown in FIG. 9D is provided with two second wall portions 47 connected to both ends of the two first wall portions 42, erected from the bottom portion 43, and not in contact with the substrate 10.
  • the four side walls 44, 44, 47, 47 stand up, so that the strength of the case 40 itself is enhanced.
  • it is supported at four points it is presumed that the flexibility of the substrate 10 itself is further improved.
  • the case 40 of FIGS. 9 (C) and 9 (D) can further block electromagnetic waves from the outside.
  • both ends 11 of the substrate 10 are support regions in which the substrate 10 is supported by the band 20, they are formed along the short side of the substrate 10 in the Y direction as shown in FIG. 3A. .. That is, it is provided from one end to the other end of the short side of the substrate 10.
  • the support region (both ends 11) on which the substrate 10 is supported is the substrate 10. It may be provided at or near the four corners of. Therefore, as shown in FIG. 7B, by increasing the strength of the support region 11 (support side side 10c), when the convex member 18 receives the force due to the vibration of the pulse wave from the measurement object, the force is applied.
  • the substrate 10 is displaced from the position shown by the broken line in FIG. 5 to the position shown by the solid line and easily bends, the vibration of the substrate 10 is not suppressed and the vibration such as a pulse wave can be accurately detected. become.
  • FIG. 10 is a diagram showing a state in which the vibration sensor 1 according to the second embodiment integrated with the case 40 is attached or sealed to the band 20.
  • the front surface 10b of the substrate 10 is exposed from the belt 20, and the convex member 18 is further projected from the front surface 10b.
  • the surface 10b is covered with the belt 20 and is not exposed, but a part of the convex member 18 is exposed from the belt 20.
  • both the substrate 10 and the convex member 18 are completely sealed in the belt 20, but since the vibration sensor 1 is arranged near the surface of the band 20, the surface of the band 20 is the convex member 18. It protrudes along the shape of.
  • the vibration sensor 1 is arranged at the center inside the band 20, both the substrate 10 and the convex member 18 are completely sealed in the belt 20.
  • the present inventor manufactured the sensor of FIG. 1 (A) of Patent Document 2, attached this sensor to the band 20, and measured the pulse wave of the radial artery 33.
  • four cases 40 of FIG. 9A were manufactured using different materials, and the case 40 and the vibration sensor 1 were sequentially attached to the band 20 to measure the pulse wave of the radial artery 33.
  • the elastic moduli of the four cases 40 were Soft (50Mpa), Medium (1600Mpa), Hard1 (2200Mpa) and Hard2 (3000Mpa), respectively.
  • FIG. 11A is a diagram showing an example of the waveform of the pulse wave signal.
  • FIG. 11B shows the S / N ratio of the pulse wave signal measured by the sensor of Patent Document 2 and the S / N ratio of the pulse wave signal measured by the vibration sensor 1 using the four cases 40. It is a figure.
  • the S / N ratio of the pulse wave signal is the ratio of the signal component and the noise component included in the pulse wave signal as shown in FIG. 11 (A).
  • the S / N ratio of the pulse wave signal measured by the sensor of Patent Document 2 was 17.1 dB.
  • the S / N ratios of the pulse wave signals measured by the vibration sensor 1 using the four cases 40 are all 20 dB or more, which is a good pulse wave with less noise than the sensor of Patent Document 2. It was confirmed that the signal could be measured.
  • the space 50 in the case 40 is held as it is or is filled with a material having an elastic modulus lower than the elastic modulus of the case 40. Since the case 40 supports both ends 11 of the substrate 10 in the X direction (fixed ends of the substrate 10), vibration such as pulse waves is generated in the band 20 or the plate shape even when the elastic modulus of the band 20 or the plate-shaped member 35 is low. Vibrations such as pulse waves can be accurately transmitted to the substrate 10 without being absorbed by the member 35. Therefore, the vibration of the substrate 10 is not suppressed, and the vibration such as a pulse wave can be accurately detected.
  • the reliability of the element 17 and the piezoelectric element 13 will be described with reference to FIG. 2 (C).
  • the convex member 18 is provided in the first region 101. Since the convex member 18 is fixed with an adhesive or the like, the first region 101 is relatively flat. When an external force is applied to the convex member 18, the inside of the first region 101 is slightly flat and the outside of the first region 101 is deformed with the outer circumference of the first region 101 as a boundary. In FIG.
  • both the outside and the inside of the first region 101 are flat, but when judged microscopically, the boundary between the inside and the outside of the first region 101 and the second region 102
  • the element 17 is arranged on the boundary between the second region 102 and the third region 103, it is not preferable in consideration of solder cracks and the like.
  • the piezoelectric element 13 is preferably arranged inside the second region 102. Further, the element 17 is provided inside the second region 102 or inside the third region 103, avoiding the boundary between the second region 102 and the third region 103, thereby causing mechanical defects such as solder cracks. Can be prevented.

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Abstract

振動測定用基板モジュールとしての振動センサ１は、対向する第１面１０ｂおよび第２面１０ａと、対向する一対の支持側辺１０ｃと、支持側辺と交差する一対の非接触側辺１０ｄと、一対の支持側辺又はその近傍に設けられた一対の固定端１１とを有する基板１０と、一対の固定端に挟まれ、基板の第１面の中央またはその近傍に設けられた凸状部材１８と、第２面に設けられた導電パターン１２と、凸状部材が固定される第１領域１０１に対応する第２面上の第２領域内１０２に設けられ、導電パターンと接続された圧電素子１３と、を有する。　

Description

振動測定用基板モジュール及び振動検出装置
　本発明は、振動測定用基板モジュール及び振動検出装置に関する。
　近年、人体の脈波等を検出する圧電素子を有する振動センサが開発されている。この振動センサでは、圧電素子が脈波等の振動を検知し電気信号に変換して外部装置に出力する。例えば、基板と、基板上に配置された圧電素子と、当該圧電素子を囲むように基板上に配置され、人体に直接押し当てられる筒状部材又は筒状の導電性スペーサ（以下スペーサと呼ぶ）とを備える振動センサが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
国際公開第２０１３／１４５３５２号 国際公開第２０１７／１８７７１０号
　この振動センサに於いて、圧電素子は前述したスペーサで囲まれており、このスペーサに脈波等が伝わり、そのスペーサの脈波等の振動が基板を介して最終的に圧電素子に伝わっていた。
　更にはスペーサと基板で成す空間に樹脂が封止されていた。そのため、脈波等が圧電素子に伝わりづらく、より正確な検知が求められていた。
　本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、測定対象物の振動を正確に検知することが可能な振動測定用基板モジュール及び振動検出装置を提供することを目的とする。
　本発明は、対向する第１面および第２面と、対向する一対の支持側辺と、前記支持側辺と交差する一対の非接触側辺と、前記一対の支持側辺又はその近傍に設けられた一対の支持領域とを有する基板と、前記一対の支持領域に挟まれ、前記基板の第１面の中央またはその近傍に設けられた凸状部材と、前記第２面に設けられた導電パターンと、前記凸状部材が固定される第１領域に対応する前記第２面上の第２領域内に設けられ、前記導電パターンと接続された圧電素子と、を有する振動測定用基板モジュールである。
　上記構成において、前記支持領域は電極又は絶縁性樹脂がさらに設けられ、前記電極又は前記絶縁性樹脂の設置領域は、前記基板の他の領域よりも高い強度を有する構成とすることができる。
　上記構成において、前記第２面は、前記第２領域の外側に第３領域を含み、前記圧電素子と電気的に接続される素子は、前記第２領域及び前記第３領域の境界を避けて、前記第２領域及び前記第３領域のいずれか一方の内部に設けられる構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１領域の形状は、平面視で円または長軸が前記非接触側辺と交差する楕円である構成とすることができる。
　上記構成において、前記素子は、前記圧電素子の出力を増幅する素子を有する構成とすることができる。
　本発明は、第１面と当該第１面の反対側にある第２面とを有する基板と、前記基板の略中央で、前記第１面に固定された凸状部材と、前記凸状部材が固定された前記第１面の第１領域に対応する前記第２面の第２領域内に固定された圧電素子と、前記基板の第２面の周囲に設けられ、前記圧電素子または前記凸状部材を挟む様に設けられた２つの支持領域と固着する当接面と、前記支持領域と交差する一対の非接触側辺を有し、前記基板の第２面と内壁により隙間を構成する被装着部材と、を有する振動検出装置である。
　上記構成において、前記第２面は、前記第２領域の外側に第３領域を含み、前記圧電素子と電気的に接続される素子が前記第２面に設けられ、前記圧電素子と電気的に接続される素子は、前記第２領域及び前記第３領域の境界を避けて、前記第２領域及び前記第３領域のいずれか一方の内部に設けられる構成とすることができる。
　上記構成において、前記被装着部材は、バンド又はケースである構成とすることができる。
　上記構成において、前記非装着部材の内壁にはシールド膜が設けられ、前記素子は、前記圧電素子の信号を増幅し、デジタルアンプの前段のアンプとなる構成とすることができる。
　上記構成において、前記隙間には、前記被装着部材の弾性率よりも低い弾性率を有する素材が充填される構成とすることができる。
　上記構成において、第１面と当該第１面の反対側にある第２面とを有する基板と、前記基板の略中央で、前記第１面に固定された凸状部材と、前記凸状部材が固定された前記第１面上の第１領域に対向する前記第２面の第２領域内に固定された圧電素子と、前記圧電素子が固定された前記第２面を覆い、空間を介して前記圧電素子に対向し、前記基板の前記第２面の対向する２辺を支持するケースと、を備え、前記空間には、前記ケースの弾性率よりも低い弾性率を有する素材が充填される振動検出装置である。
　上記構成において、前記ケースは、前記基板の前記第２面の対向する２辺を支持する段差を有する２つの第１壁部と、前記２つの第１壁部と連結し、前記第２面を覆う底部とを備える構成とすることができる。
　上記構成において、前記段差は、凹部を有する構成とすることができる。
　上記構成において、前記ケースは、前記２つの第１壁部の両端に連結され、前記底部から立設され、前記基板と接触しない２つの第２壁部を備える構成とすることができる。
　本発明によれば、測定対象物の振動を正確に検知することができる。
図１（Ａ）は、第１の実施の形態に係る振動検出装置の構成を示す断面図である。図１（Ｂ）は、振動センサが装着されるバンドの一部を示す断面図である。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）の＋Ｚ方向から見た場合の振動センサの構成を示す透過図である。 図２（Ａ）は、振動センサが装着されたバンドの構成を示す断面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のバンドが手首に巻かれた状態を示す図である。図２（Ｃ）は、振動センサの基板の第１面及び第２面の領域を示す図である。 図３（Ａ）は、振動センサの構成を示す平面図である。図３（Ｂ）は、振動センサの第１変形例の構成を示す平面図である。図３（Ｃ）は、振動センサの第２変形例の構成を示す平面図である。図３（Ｄ）は、振動センサの第３変形例の構成を示す平面図である。 図４は、振動センサ、信号処理・通信部及び電源部の構成を示すブロック図である。 図５は、凸状部材が振動による力を受けたときの振動センサを示す断面図である。 図６（Ａ）は、振動センサが装着された被装着部材の変形例を示す断面図である。図６（Ｂ）及び（Ｃ）は、－Ｚ方向から見た場合の板状部材の構造を示す図である。 図７（Ａ）及び（Ｂ）は、振動センサの構成を示す平面図である。 図８（Ａ）は、第２の実施の形態に係る振動センサの構成を示す断面図である。図８（Ｂ），（Ｃ）は、振動センサに装着されるケースの断面図である。 図９（Ａ）～（Ｄ）は、ケースの例を示す図である。 図１０は、ケースと一体の第２の実施の形態に係る振動センサがバンドに装着または封止された状態を示す図である。 図１１（Ａ）は、脈波信号の波形の一例を示す図である。図１１（Ｂ）は、特許文献２のセンサで測定された脈波信号のＳ／Ｎ比と４つのケースを使った振動センサ１で測定された脈波信号のＳ／Ｎ比とを示す図である。
　以下、図面を参照し本発明の実施の形態について説明する。
　（第１の実施の形態）
　図１（Ａ）は、第１の実施の形態に係る振動検出装置の構成を示す断面図である。図１（Ｂ）は、振動センサが装着されるバンドの一部を示す断面図である。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）の＋Ｚ方向から見た場合の振動センサの構成を示す透過図である。図２（Ａ）は、振動センサが装着されたバンドの構成を示す断面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のバンドが手首に巻かれた状態を示す図である。図２（Ｃ）は、振動センサの基板の第１面及び第２面の領域を示す図である。図３（Ａ）は、振動センサの構成を示す平面図である。図３（Ｂ）は、振動センサの第１変形例の構成を示す平面図である。図３（Ｃ）は、振動センサの第２変形例の構成を示す平面図である。図３（Ｄ）は、振動センサの第３変形例の構成を示す平面図である。図１（Ａ）において、基板のおもて面に垂直な方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な面内で互いに直交する２方向をＸ方向（第１方向）及びＹ方向（第２方向）とする。図３（Ａ）～（Ｃ）は、図１（Ａ）の＋Ｚ側から見られた基板を示す。
　なお、本実施の形態では、振動センサ１は、人のバイタルを測定するもので、脈波、心臓の鼓動または血圧などを測定するものである。例えば、市販の血圧計の様に、この振動センサはバンドに設けられ、手（手首や腕）または足（足首や腿）にこのバンドを巻き付けることで測定を可能とするものである。また測定対象物は人体に限定されるものではなく、振動を発生する物体が対象となる。また、振動センサ１を装着する被装着部材は、バンドに限定されるものではない。
　また、本実施形態では便宜上検知する振動を脈波で説明しているが、検知する振動は脈波に限られない。
　被装着部材は、後述するバンド２０に代えて、指尖用バンド、時計バンド、アクセサリ、シートベルト、又はハンドルでもよい。被装着部材として、椅子、シート、便座などが使用される場合は、振動センサ１は人体の一部により圧力が加えられる部位、例えば臀部や背中が当たる部分に設けられる。被装着部材が椅子やシートである場合は、振動センサ１は座板の上、背板、又はひじ掛けに取り付けられたクッションの中に設けられる。被装着部材が便座である場合は、振動センサ１は臀部がのる座板の中に設けられる。被装着部材がベッドである場合は、主に振動センサ１は床板の上のクッションの中に設けられる。被装着部材がハンドルである場合は、ハンドルが樹脂製なので、振動センサ１は指や手の平が当たるハンドルの位置に設けられる。また車の一構成物、例えばタイヤを駆動するモータ、車体の異常な振動を検知するための車の椅子、床またはボンネットに振動センサ１が固定されても良い。以下、被装着部材として腕や手首に巻くバンドを用いた例を説明する。
　図１（Ａ）において、本実施の形態に係る振動検出装置１００は、振動測定用基板モジュールとしての振動センサ１と、被装着部材としてのバンド２０を備えている。振動センサ１は、基板１０、圧電素子１３、素子１７及び凸状部材１８を有する。基板１０は、略平板状であり、第１面としてのおもて面１０ｂと、おもて面１０ｂの反対側の面、つまり裏面１０ａであり、ここでは第２面と呼ぶことにする。基板１０は、ＸＹ平面視で矩形又は正方形である。尚、基板１０のＸ方向の両端部１１の各々が、Ｙ方向に長さを持ち、圧電素子１３または凸状部材１８を挟んで対向位置に配置され、この基板１０がケースなどによって支持される両端部１１を有するのであれば、基板１０は矩形以外の形状でもよい。例えば、楕円、円または多角形などの両端がカットされて、Ｙ方向に支持可能な直線部がある形状の基板であれば、その基板を基板１０として適用可能である。
　図３（Ａ）では、基板１０は、例えば、１５ｍｍ（ｘ）×１５ｍｍ（ｙ）×０．８ｍｍ（ｚ）のサイズを有している。基板１０は、対向する一対の支持側辺１０ｃ及び支持側辺１０ｃと交差する一対の非接触側辺１０ｄを有する。基板１０のＸ方向の両端部１１は一対の支持側辺１０ｃ又はその近傍に設けられている。基板１０は、絶縁性を有する材料で形成されており、例えば、ガラスエポキシなどの絶縁性樹脂で形成されている。尚、基板１０は、絶縁性セラミック（例えば、アルミナ）で形成されてもよいし、若しくは少なくとも裏面１０ａが樹脂膜で絶縁処理された金属板または合金板で形成されてもよい。この樹脂膜の上に導電パターン１２が形成される。
　例えば、基板１０の少なくとも裏面１０ａには、不図示のパッド電極と接続される導電パターン１２が設けられている。そして圧電素子１３、この圧電素子１３と回路を構成する素子１７（電気部品）は、パッド電極と半田を介して電気的に接続されている。ここで、基板１０は、裏面１０ａに一層メタルで形成されているが、両面二層以上で構成されても良い。尚、後述するが振動センサ１が取り付けられる空間の内壁にシールドメタルとしての導電膜５が設けられるため、基板１０の両端部１１には、ＧＮＤ接地用の電極が設けられても良い。また、基板１０は、例えば、２０ＧＰａ以上の弾性率を有し、バンド２０や凸状部材１８の弾性率よりも高い。
　後述するが、本実施形態においては基板１０の両端部１１がバンド２０に支持されている。この場合、基板１０を効率よく撓ませるために、基板１０のおもて面１０ｂの中心部分に凸状部材１８を設けるので、圧電素子１３は基板１０の裏面１０ａの中心付近に配置されるのが好ましい。そして、圧電素子１３は不図示のパッド電極に半田を介して実装されている。圧電素子１３は、例えば、３．２ｍｍ（ｘ）×１．６ｍｍ（ｙ）×０．８ｍｍ（ｚ）のサイズを有した直方体である。図３（Ａ）～（Ｄ）に示すように、＋Ｚ方向から観た場合に、圧電素子１３は、凸状部材１８が固定されている領域の内側に位置する。
　図２（Ｃ）に示すように、凸状部材１８は基板１０のおもて面１０ｂの略中央に位置する第１領域１０１（図３（Ａ）～（Ｄ）の点線領域に対応する）に固定され、圧電素子１３は、基板１０の裏面１０ａの第２領域１０２に固定されている。第２領域１０２の面積は第１領域１０１の面積と同じであり、第２領域１０２は第１領域１０１の反対に位置する。裏面１０ａには、第２領域１０２の外側に第３領域１０３が形成されている。第２領域１０２は、凸状部材１８が固定される第１領域１０１の反対にあり、比較的平坦を維持することから、圧電素子１３の半田クラックなどを抑止し、信頼性の点で好ましい領域である。
　図１（Ａ）に示す圧電素子１３の外形は、チップコンデンサの様に、直方体の形状を成す。そして、圧電素子１３は、圧電体１４、端子電極１５及び端子電極１６を有する。圧電体１４は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とする圧電材料で形成される。圧電体１４には、予め＋Ｚ方向側及び－Ｚ方向側で圧電体１４を上下で挟む様に分極端子（不図示）が用意され、Ｚ方向及び－Ｚ方向から所定の電圧をかけて分極処理が行われ、圧電体１４の分極方向をＺ方向にしている。なお、この分極処理に必要である分極端子は削除されても良いし、残しておいても良い。
　端子電極１５及び端子電極１６は、チップコンデンサのような直方体であり、圧電体１４の左右両端に配置される。端子電極１５は、圧電体１４の－Ｘ側の端部、端子電極１６は、圧電体１４の＋Ｘ側の端部に配置される。圧電体１４がＺ方向及び／又は－Ｚ方向に力を受けて変位すると、電荷が発生し、その結果、端子電極１５、１６の間には、その力に応じた電気信号が発生する。
　尚、本実施形態において、凸状部材１８を通じて外力が加わることにより、巨視的に見ると基板１０が上下に撓み、微視的に見ると、基板１０の裏面１０ａは水平方向に伸びたり縮んだりしている。その結果、基板１０の上に載せられた圧電素子１３も伸びたり縮んだりするので、端子電極１５と１６の間に電気信号が発生する。ここでは、圧電素子１３の分極方向は基板１０の垂直方向に整列されたものである。
　素子１７は、例えば、圧電素子１３で発生した信号を増幅する増幅回路を構成する素子である。たとえばＦＥＴ（Field Effect Transistor）やダイオードなどの半導体素子、またはチップコンデンサなどの受動素子である。またアンプを構成するＩＣでも良い。この素子１７は、基板１０の裏面１０ａに設けられたパッド電極に、半田で固定されている。素子１７は、不図示の配線を介して圧電素子１３に電気的に接続されている。尚、基板のおもて面１０ｂに不図示のシールドメタルが設けられても良い。この場合、シールドメタルは裏面１０ａに設けられたＧＮＤ用の配線や電極とビアを介して接続される。
　凸状部材１８は、基板１０のおもて面１０ｂの略中央に樹脂製の接着剤、半田などのロウ材又は導電ペーストなどで固定されており、基板１０のおもて面１０ｂから－Ｚ方向、に突出している。圧電素子１３の配置と同様に、基板１０の変形のし易さを考えると、凸状部材１８の配置も基板１０の中央又はその近傍が好ましい。
　凸状部材１８は、図１（Ａ）に示すように、圧電素子１３に対向する位置に設けられている。凸状部材１８は、例えば、径９．５ｍｍ、高さ７．４ｍｍのサイズを有している。図２（Ｃ）に示すように、凸状部材１８は第１領域１０１に配置され、第１領域１０１と反対に位置する第２領域１０２内に圧電素子１３が配置される。
　凸状部材１８は、シリコン、ポリカーボネート又はＡＢＳなどの樹脂、又は鉄やニッケルなどの金属で形成されている。この場合、凸状部材１８が樹脂で成る場合、前述の樹脂製接着剤で基板１０に固定され、金属の場合、樹脂製の接着剤、ロウ材または導電ペーストで基板１０に固定される。また、おもて面１０ｂが金属膜、例えば銅などで全面被覆されて、シールドされている場合は、凸状部材１８はロウ材や導電ペーストで固定するのが適切である。この場合、金属膜は、シールドと凸状部材の固着部材として機能する。
　また凸状部材１８が樹脂である場合、凸状部材１８の弾性率は、例えば５０～３０００Ｍｐａである。凸状部材１８が金属である場合、凸状部材１８の弾性率はＧｐａオーダーである。なお、凸状部材１８は上述した弾性率を有する限り、エアーチューブのような中空形状でもよい。
　バンド２０は、例えば、シリコン、ポリカーボネート又はＡＢＳなどの樹脂で構成され、バンド２０の弾性率は、例えば５０～３０００Ｍｐａである。
　図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、バンド２０の下面には、基板１０の裏面１０ａをカバーし、素子１３、１７を収納する空きスペースである第２凹部３と、第２凹部３の周囲に、基板１０の裏面１０ａの外周を保持する保持スペース、つまり第１凹部２が設けられている。別の言い方をすれば、バンド２０の下面には、段差が設けられた凹部が構成され、当該凹部は図１（Ｂ）の符号３の引き出し線が当たっている部分が第１底部、符号２の引き出し線が当たっている部分が第２底部２ａを備えている。第２底部２ａは、基板１０の両端部１１（支持領域）と固着する当接面に相当する。
　第１凹部２は、基板１０の厚みと同じ高さを有する。第２凹部３は、圧電素子１３及び素子１７を収容できる高さを有し、空間４を介して基板１０の裏面１０ａと対向する。第１凹部２の上に第２凹部３が形成されている。図１（Ａ）に示すように、基板１０は、裏面１０ａが第２凹部３と対向するように、バンド２０の第１凹部２に絶縁接着剤で固定される。
　図１（Ｃ）に示すように、バンド２０の第２底部２ａが、基板１０の両端部１１と固着し、両端部１１を支持する。バンド２０は第２底部２ａ又は基板１０の両端部１１と交差する一対の内側面２０ａ（非接触側辺）を有する。一対の内側面２０ａと基板１０のＸ方向（長手方向）に平行な一対の対向する非接触側辺１０ｄとの間には、隙間９が形成されている。隙間９により、基板１０の非接触側辺１０ｄが内側面２０ａと接触することがなく、基板１０の振動が抑制するのを回避できる。なお、基板１０の非接触側辺１０ｄが内側面２０ａと接触しなければ、隙間９を設けなくてもよい。また、隙間９は後述する図９（ｃ）や（ｄ）に示すように、基板１０と第２壁部４７との間に形成される隙間でも良い。隙間があることで基板１０が撓み、圧電素子１３内の圧電体１４を効率的に変位させることができる。その結果、圧電素子１３が脈波等の振動による力を感度よく検知することができる。
　また、第１凹部２及び第２凹部３の内壁には、導電膜５が形成されている。圧電素子１３や素子１７が出力する信号（例えば脈波信号）、特に圧電素子１３は、微弱な信号であるため、外部からハムノイズなど外乱（電磁波）の影響を受けやすいため、金属膜で覆う事が好ましい。
　そこで、絶縁性を有する材料で形成されている基板１０を第１凹部２の導電膜５に絶縁性接着材で固定することで、第２凹部３内部の空間４を封止し、外部からの電磁波を遮断している。一方、導電膜５が銅などの半田の濡れ性の良い金属であれば、基板１０の両端部１１に銅のＧＮＤメタルを配置することで、このＧＮＤメタルを介して導電膜５をＧＮＤにできる。
　なお、バンド２０が金属で形成されている場合、若しくはバンド２０の外周が導電膜で覆われている場合には、外部からの電磁波が遮断されるので、図１に示す導電膜５は不要になる。
　図２（Ａ）に示すように、バンド２０は、例えば、一本のテープ状に形成されており、その両端にマジックテープ（登録商標）２１などの固定手段が設けられている。さらに、バンド２０は、振動センサ１に加えて、信号処理・通信部２２及び電源部２３を備えている。
　振動センサ１、信号処理・通信部２２及び電源部２３の構成を図４に示す。振動センサ１は、圧電素子１３と、素子１７としてのアンプ１７１とを備えている。ここで、アンプ１７１は、後述するデジタルアンプとしてのプログラマブルアンプ２２１の前段に配置され、例えば、インスツルメンテーションアンプやチャージアンプである。アンプ１７１は、圧電素子１３で発生した信号（例えば脈波信号）を増幅し、信号処理・通信部２２に出力する。
　ここで、圧電素子１３の出力信号は、非常に微弱であり、後述のプログラマブルアンプ２２１の動作が可能な入力レベルまで、このアンプ１７１で、前段の増幅をしている。前述の様に、圧電素子１３の出力信号は、微弱な信号であるため、外からのノイズが入ると、誤動作が生じたり、精度の低い検出となるため、バンド２０の空間内壁、図８で後述するケース４０の内壁、または基板１０の裏面１０ａにはシールドメタル又は導電膜５が必要になる。
　尚、前述の通り圧電素子１３の出力信号は、非常に微弱であり、ノイズが出来るだけ空間４に入らないようにするためには、アンプ１７１を圧電素子１３の近くに配置する必要がある。本実施例では、第２領域１０２の内側または、第２領域１０２及び第３領域１０３の境界の近傍にこのアンプ１７１を設けることで、ノイズの侵入を防ぐ。
　信号処理・通信部２２は、プログラマブルアンプ２２１と、Ａ／Ｄ変換器２２２と、通信モジュール２２３と、マイコン２２４とを備えている。プログラマブルアンプ２２１はアンプ１７１から受信した脈波信号をさらに増幅する。Ａ／Ｄ変換器２２２は、プログラマブルアンプ２２１によって増幅された脈波信号をデジタル信号に変換する。マイコン２２４はＡ／Ｄ変換器２２２で変換されたデジタル信号を通信可能なデジタルデータに変換する。また、マイコン２２４は通信モジュールの通信タイミングなども制御する。通信モジュール２２３は、例えば、ＢＬＥ（Bluetooth（登録商標） Low Energy）又は無線ＬＡＮなどの無線通信を行い、脈波信号を示すデジタルデータを不図示の外部装置（例えばコンピュータやスマートフォンなど）に送信する。
　電源部２３は、ボタン電池又は充電可能なリチウムイオン電池などである。電源部２３は信号処理・通信部２２及び振動センサ１に電気的に接続されており、信号処理・通信部２２及び振動センサ１に含まれる各構成要素（回路やアンプなど）に電力を供給する。尚、リチウムイオン電池は暴走する場合があるため、できるだけ安定した位置に置くべきである。例えば、図２（Ｂ）でみると、電源部２３は、手の甲側に配置されているが、手のひら側の手首の方が平らであるため、好ましくは手のひら側の手首における橈骨３１と尺骨３２との間の部分に配置した方が良い。
　次に、図２（Ａ）のバンド２０を左の手首３０に巻いた状態を図２（Ｂ）に示す。図２（Ｂ）では、指先側から見た断面図が示されており、マジックテープ２１は省略されている。手首３０は、橈骨３１、尺骨３２及び橈骨動脈３３を含む。振動センサ１が橈骨動脈３３に対向するように、バンド２０は手首３０に巻かれる。これにより、振動センサ１が橈骨動脈３３の脈波を検出することができる。
　図１（Ａ）に示すように、基板１０のＸ方向の両端部１１は、バンド２０の第１凹部２に両持ち梁状に絶縁接着剤で固定されている。ここの接着の仕方は、図９の説明に於いて、ケースをバンドと置き換えることで理解される。つまり、基板１０のＸ方向の両端部１１は、基板１０の振動の固定端として機能する。バンド２０が手首に巻かれ、図５の矢印で示すように、測定対象物（例えば、手首）から凸状部材１８が脈波の振動による力を受けると、その力が凸状部材１８から基板１０へ伝達され、基板１０が破線で示す位置から実線で示す位置へ変位して、＋Ｚ方向または－Ｚ方向の撓みとなる。なお、基板１０が＋Ｚ方向に撓んだ場合でも、圧電素子１３及び素子１７は、バンド２０の第２凹部３（底に相当する内壁）に接触しない。図５は、凸状部材１８が振動による力を受けたときの振動センサ１を示す断面図である。このとき、基板１０に固定された部分の凸状部材１８のＸ方向（またはＹ方向）の長さが基板１０のＸ方向（またはＹ方向）の長さよりも小さいので、凸状部材１８が基板１０を効率的に撓ませることができる。また、凸状部材１８が基板１０の裏面１０ａの圧電素子１３に対応した位置に配置されているので、基板１０のおもて面１０ｂにおける圧電素子１３付近の領域を効率的に撓ませることができる。これにより、圧電素子１３内の圧電体１４を効率的に変位させることができ、圧電素子１３が脈波の振動による力を感度よく検知することができる。
　凸状部材１８の底面（即ちおもて面１０ｂに固定されている面又は接着面）が図３（Ａ）に示すように円形である場合、図２（Ｂ）に於いて、左右の位置ずれによる脈波不検出の懸念がある。つまり図２（Ｂ）に示すように凸状部材１８の頂部１８ａは、実質的に一点となり、この頂部と橈骨動脈３３を対向させて脈波を検出しようとしても、凸状部材１８の頂部１８ａが橈骨動脈３３の対向位置から右または左にずれると、振動センサ１が橈骨動脈３３の脈波を検出しづらい傾向がある。尚、人体の皮膚、そしてその下の筋肉は、柔軟性があり、軟らかいので、実際は、頂部１８ａと人体は、点接触にはならないが、凸状部材１８の頂部１８ａが橈骨動脈３３の対向位置からずれることで脈波の検出精度が低下する傾向にある。
　そこで、図３（Ｂ）に示すように、凸状部材１８のＸ方向の長さをＹ方向の長さよりも大きくして、長軸がＸ方向と平行になる楕円形状としてもよい。例えば、凸状部材１８のＸ方向の長さは、凸状部材１８のＹ方向の長さの１．２～２倍程度が好ましい。
　図３（Ｃ）に示すように、凸状部材１８のＹ方向の長さをＸ方向の長さよりも大きくして、長軸がＹ方向と平行になる楕円形状としてもよい。例えば、凸状部材１８のＹ方向の長さは、凸状部材１８のＸ方向の長さの１．２～２倍程度が好ましい。
　さらに、図３（Ｄ）に示すように、凸状部材１８のＹ方向の長さを基板１０のＹ方向の長さよりも大きくしてもよい。例えば、凸状部材１８のＹ方向の長さは、基板１０のＹ方向の長さの１．１～１．３倍程度が好ましい。
　バンド２０が手首、腕、太腿又は足首などの人体の一部に巻き付けるバンドである場合には、図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）の振動センサ１の基板１０は、凸状部材１８のＹ方向（長手方向）がバンド２０を巻き付ける方向と一致するようにバンド２０に装着される。この場合、図３（Ａ）の場合よりも、凸状部材１８が橈骨動脈３３に対向する領域が左右（巻き付け方向）に拡張されるので、橈骨動脈３３の脈波の検出が容易になる。また、図３（Ｄ）の凸状部材１８のＹ方向の長さは、図３（Ｃ）よりも更に長いので、図３（Ｄ）の凸状部材１８が図３（Ｃ）よりも橈骨動脈３３の脈波の検出が容易になる。
　図６（Ａ）は、振動センサ１が装着された被装着部材の変形例を示す断面図である。図６（Ｂ）及び（Ｃ）は、－Ｚ方向から見た場合の板状部材の構造を示す図である。図６（Ａ）では、図１（Ａ）のバンド２０に代えて、板状部材３５及び封止材３７が使用される。図６の振動センサ１は、図１（Ａ）の振動センサ１と同一である。なお、図６の板状部材３５を手首に巻き付けられるバンドに適用する場合には、板状部材３５のＸ方向の両端に手首に巻き付けられるバンドが固定される。
　板状部材３５は、樹脂又は金属で形成されている。板状部材３５が樹脂である場合、板状部材３５の弾性率は、例えば５０～３０００Ｍｐａである。板状部材３５が金属である場合、板状部材３５の弾性率はＧｐａオーダーである。
　板状部材３５には、例えば、図６（Ｂ）に示すように、一対の対向する側辺３５ｂの近傍に２つの突起３６が設けられる。板状部材３５の変形例として、図６（Ｃ）に示すように、２対の対向する側辺３５ｂ，３５ｃの近傍に４つの突起３６が設けられる。図６（Ｂ）の突起３６は、図７の符号２５に示す長さの様に、基板１０の右側辺、左側辺と実質に同じ長さで設けられ、基板１０の対向側辺の全長に渡り当接して、基板１０を支持する。ただし、図１とは違い、突起３６の当接部分が凸状であるため、接着しにくい事から封止材３７で基板１０と板状部材３５を固定している。板状部材３５は突起３６で基板１０を支持するので、後述するケース４０と同様に基板１０の支持部材として機能する。なお、図６（Ｃ）に示すように、４つの突起３６が設けられる場合には、基板１０の振動を確保するために、例えば、一対の対向する側辺３５ｂと平行な２つの突起３６が基板１０に固定され、一対の対向する側辺３５ｃと平行な２つの突起３６は基板１０に固定されない。
　図６（Ａ）では、板状部材３５の裏面３５ａ、複数の突起３６及び基板１０で囲まれる領域が空間４になる。基板１０が＋Ｚ方向に撓んだ場合でも、圧電素子１３及び素子１７は板状部材３５の裏面３５ａに接触しない。なお、外部からの電磁波を遮断するため、板状部材３５の裏面３５ａ及び複数の突起３６には導電膜５が形成されてもよい。板状部材３５が金属である場合には、導電膜５は不要である。
　封止材３７は振動センサ１及び突起３６の周辺を封止している。封止材３７は、例えば樹脂であり、封止材３７の弾性率は、例えば５０～３０００Ｍｐａである。一般にこの封止材３７を使って板状部材３５の裏側を封止する場合、封止材３７は硬化前に流動性を有するため、空間４内に入り込む恐れがある開口部は、テープを貼って、空間４に樹脂が入らないようにする。尚、封止材３７は、予め樹脂で成形された封止材を用意し、板状部材３５及び基板１０に取り付けてもよい。
　図１（Ａ）及び図６の空間４には、バンド２０又は板状部材３５の弾性率よりも低い弾性率を有する素材が充填されても良い。空間４に充填される素材の弾性率がバンド２０又は板状部材３５の弾性率よりも高い場合には、基板１０の振動が抑制されてしまう。このため、空間４に充填される素材の弾性率は、バンド２０および板状部材３５の弾性率の５分の１以下に設定されるのが好ましい。空間４に充填される素材は、例えば、空気・ガスなどの気体、ゲル、ゴム、又は樹脂などである。空間４に充填される素材の弾性率は、例えば０～１０Ｍｐａである。
　尚、大気中で製造する場合、空間４内には空気が存在するため、充填しなくても空気は存在している。
　図７（Ａ）及び（Ｂ）は振動センサの構成を示す平面図である。
　バンド２０又は板状部材３５が比較的軟質（低弾性率）である場合、脈波の振動がバンド２０又は板状部材３５に吸収されやすく、基板１０に的確に伝達しにくい。
　このため、脈波の振動を基板１０に的確に伝達するには、基板１０のＸ方向の両端部１１をより固くすることが好ましい。本実施形態では、両端部１１を支持領域または支持側辺として考えてもよい。そこで、図７（Ａ）に示すように、基板１０の裏面１０ａのＸ方向の両端部１１にグランド電極２５を形成してもよい。このグランド電極２５の厚さを調整して、この両端部１１の強度を増強しても良い。また、図７（Ｂ）に示すように、基板１０のおもて面１０ｂのＸ方向の両端部１１に半田２６又は硬質樹脂２７を形成してもよい。半田２６の場合は、この塗布領域の下には、半田の濡れ性のため、銅からなるメタルが設けられると良い。半田２６は印刷により両端部１１に塗布された後に硬化される。一方、硬質樹脂２７はポッティングにより両端部１１に塗布され、その後に硬化される。
　グランド電極２５、半田２６又は硬質樹脂２７は基板１０の両端部１１の強度を増加させる部材として機能する。このように、グランド電極２５、半田２６又は硬質樹脂２７が基板１０の両端部１１（固定端）を硬化してその強度が増強するため、基板の両端部１１をしっかりとバンド２０又は板状部材３５に固定できるため、脈波の振動を基板１０に的確に伝達することができる。
　以上説明したように、第１の実施の形態によれば、基板１０がバンド２０（図１）又は板状部材３５（図６）に装着されるときに、圧電素子１３が空間４を介してバンド２０又は板状部材３５に対向し、基板１０のＸ方向の両端部１１（つまり基板１０の裏面１０ａの対向する支持側辺１０ｃ）がバンド２０の第１凹部２又は板状部材３５の突起３６に支持される。そして、空間４には、何も充填されない空間、またはバンド２０の弾性率よりも低い弾性率を有する素材が充填される。このため、基板１０の振動が抑制されることがなく、脈波の振動を正確に検知することができる。
（第２の実施の形態）
　第２の実施の形態では、ケースで振動センサ１を保持する場合を説明する。第２の実施の形態は、振動検出装置１００が基板１０のＸ方向の両端部１１（基板１０の固定端）を支持するケースを備える点で第１の実施の形態と異なる。第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同一の構成については同一の参照符号を付し、その説明を省略する。尚、図１（Ａ）～図７（Ｂ）及び第１の実施の形態に示された各部材の形状、構造および材料は、図８以降の第２の実施の形態の同一部材の形状、構造および材料に適用可能である。
　図８（Ａ）は、第２の実施の形態に係る振動センサの構成を示す断面図である。図８（Ｂ），（Ｃ）は振動センサが備えるケースの断面図である。図９（Ａ）～（Ｄ）はケースの形状を４パターンで示してある。
　図８（Ａ）に示すように、第２の実施の形態に係る振動センサ１は、基板１０、圧電素子１３、素子１７、凸状部材１８を有する。被装着部材としてのケース４０は基板１０に固定されている。ケース４０は、シリコン、ポリカーボネート又はＡＢＳなどの樹脂で形成されている。ケース４０の弾性率は、例えば、５０～３０００Ｍｐａであり、基板１０の弾性率よりも低い。また、振動センサ１はバンド２０の凹部６に装着され、ケース４０が凹部６に接着剤で固定される。また、バンド２０とケース４０が熱融着で一体化されても良い。
　図８（Ａ）及び図９（Ａ）を参照して説明する。ケース４０は、図９（Ａ）に示す様に、基板１０のＸ方向の両端部１１を支持する段差４４を有する一対の第１壁部４２と、この２つの第１壁部４２を連結し基板１０の裏面１０ａを覆う底部４３とを備える。底部４３はＸＹ平面と平行に形成され、２つの第１壁部４２は底部４３のＸ方向の両端に設けられ、ＹＺ平面と平行に配置されている。また、図９（Ａ）に示すように、第１壁部４２の少なくとも一つには、基板１０からの配線を引き出すための凹部４５が形成されている。例えば、図２（Ａ）の信号処理・通信部２２及び電源部２３から延びる配線が凹部４５を介して空間５０（図８（Ａ））内に挿入され、基板１０の裏面１０ａの導電パターン１２と電気的に接続される。
　尚、図９（Ａ）に示すように、第１側壁４２は、斜め右上と斜め左下の二側辺の位置に設けられ、斜め左上と斜め右下の二側辺の位置（ＸＺ面側）には壁がなく、開口部として開放されている。
　図８（Ａ）に示すように、ケース４０の内壁（空間５０に接する複数の第１壁部４２及び底部４３の面）を覆うように導電膜４１が形成されて、ケース４０の内部はシールドされている。導電膜４１は、図８（Ｂ）に示すように、ケース４０の外壁を覆うように形成されてもよい。また、導電膜４１は、図８（Ｃ）に示すように、ケース４０の内部に形成されてもよい。
　図８（Ａ）～（Ｃ）のいずれの場合も、絶縁性を有する材料で形成されている基板１０は、導電膜４１に絶縁性接着材または半田などを介して固定される。基板１０、複数の第１壁部４２及び底部４３で空間５０を構成し、外部からの電磁波を遮断している。尚、基板１０のおもて面１０ｂの全域に、シールド膜が設けられればさらに良い。
　また、空間５０には、ケース４０の弾性率よりも低い弾性率を有する素材が充填されるのが好ましい。空間５０に充填される素材の弾性率がケース４０の弾性率よりも高い場合には、基板１０の振動が抑制されてしまう。このため、空間５０に充填される素材の弾性率はケース４０の弾性率の５分の１以下に設定されるのが好ましい。尚、前述したように、図９に於いて、ケース４０の斜め左上と斜め右下の位置には開口部がある。この開口部を塞ぐようにテープなどのフィルムが貼りあわされることで、空間５０内には空気が含まれる。
　この空間５０に充填される素材は、例えば、空気やＮ２ガスなどの気体、ゲル状の軟質樹脂、ゴム、又はウレタンやシリコンなどの樹脂などである。空間５０に充填される素材の弾性率は、例えば０～１０Ｍｐａである。
　以下に図９（Ａ）及び図９（Ｃ）を説明する。図９（Ａ）及び図９（Ｃ）のケース４０は配線引き出し口としての凹部４５を除いて、基板１０の対向する２つの側辺（支持側辺１０ｃ）を、全長に渡り支持する。まず図９（Ａ）では、ケース４０に設けられた２つの段差４４は、基板１０のＸ方向の両端部１１、即ち基板１０の裏面１０ａの対向する２辺１１、１１をそれぞれ実質一端から他端に渡り支持する。また両持ち梁で、基板１０の左上と右下の側辺（非接触側辺１０ｄ）はケース４０に支持されないため、断面がＵ字型のケース４０と基板１０のＹ方向の両端に開口部が設けられる。
　一方、図９（Ｃ）のケース４０は、図９（Ａ）のケース４０の構造に加え、第１側壁４２、４２の端部をつなぐ第２側壁４７、４７が設けられている。しかしこの第２側壁４７の上面は、段差４４よりも低く形成され、基板の裏面１０ａとは当接せず、基板１０と第２側壁４７の上面の間には、隙間が設けられている。この構造は、ケース４０の底面４３の周囲には、４つの側壁４４、４４、４７、４７が立ち上がるため、ケース４０自体の強度が増強される。そのため、基板１０自体の撓み易さが向上する。
　どちらにしても、両端部１１がＹ方向に沿って段差４４に固定されるため、±Ｘ方向の基板１０の振動（伸び縮み）が効率良く発生し、基板１０は、Ｚ方向の上下撓みが発生する。こうして、脈波の振動を効率よく検知することができる。
　次に、図９（Ｂ）及び図９（Ｄ）を説明する。図９（Ｂ）及び図９（Ｄ）のケース４０では、底面４３から垂直に立ち上がる２つの第１壁部４２、４２が設けられている。この第１側壁４２、４２を構成する段差４４に含まれる基板１０との当接面は、その面から下方にへこむ凹部４６を有する。尚、凹部４５が設けられる第２側壁４２は、この凹部４６が目視できないが、それぞれ凹部４６を有する２つの段差４４が基板１０を支持し、４点支持となる。この場合、基板１０は基本的に両持ち梁状に支持されるが、基板１０の接着エリアが減少するため、基板１０の変形がより起こり易いと推察した。そのため、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の基板１０の振動が抑制されることがなく、圧電素子１３は図９（Ａ）及び図９（Ｃ）の場合よりも脈波の振動をより正確に検知することができると推察した。
　図９（Ｄ）に示すケース４０は、２つの第１壁部４２の両端に連結され、底部４３から立設され、基板１０と接触しない２つの第２壁部４７を備えている。ここは、図９（Ｃ）と同様に、４つの側壁４４、４４、４７、４７が立ち上がるため、ケース４０自体の強度が増強される。一方、４点支持であるため、基板１０自体の撓み易さはより向上すると推察される。
　尚、図１、図８に示す様に、第２側壁４７も含め、ケース４０の内側に導電膜４１が形成されれば、５面でシールドされるため、外部からの電磁波を遮断する。従って、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）のケース４０と比べて、図９（Ｃ）、（Ｄ）のケース４０の方が、外部からの電磁波をより遮断できる。
　尚、基板１０の両端部１１は、バンド２０によって基板１０が支持される支持領域であるため、図３（Ａ）に示すように、基板１０のＹ方向の短辺に沿って形成されている。すなわち基板１０の短辺の一端から他端に渡り設けられている。しかし、図９（Ｂ）、（Ｄ）のように、ケース４０が基板１０の４角を４点で支持する場合には、基板１０が支持される支持領域（両端部１１）は、基板１０の４角又はその近傍に設けられていてもよい。よって、図７（Ｂ）のように、支持領域１１（支持側辺１０ｃ）の強度を増強させることにより、測定対象物から凸状部材１８が脈波の振動による力を受けた際、その力が凸状部材１８から基板１０へ効率よく伝達される。基板１０は図５の破線で示す位置から実線で示す位置へ変位し、撓みやすくなるため、基板１０の振動が抑制されることがなく、脈波等の振動を正確に検知することができるようになる。
　図１０は、ケース４０と一体の第２の実施の形態に係る振動センサ１がバンド２０に装着または封止された状態を示す図である。
　状態Ｓ１では、基板１０のおもて面１０ｂがベルト２０から露出し、さらにおもて面１０ｂから凸状部材１８が突出している。状態Ｓ２は、表面１０ｂがベルト２０に覆われて露出していないが、凸状部材１８の一部がベルト２０から露出している。状態Ｓ３は、基板１０も凸状部材１８もベルト２０内に完全に封止されているが、振動センサ１はバンド２０の表面近くに配置されているため、バンド２０の表面が凸状部材１８の形状に沿って突出している。更に状態Ｓ４は、振動センサ１はバンド２０の内部中央に配置されているため、基板１０も凸状部材１８もベルト２０内に完全に封止されている。
　本発明者は、特許文献２の図１（Ａ）のセンサを製造し、バンド２０にこのセンサを取り付けて、橈骨動脈３３の脈波を計測した。また、図９（Ａ）のケース４０を異なる材料を使って４つ製造し、バンド２０に順次ケース４０及び振動センサ１を取り付けて、橈骨動脈３３の脈波を計測した。４つのケース４０の弾性率は、それぞれＳｏｆｔ（５０Ｍｐａ）、Ｍｅｄｉｕｍ（１６００Ｍｐａ）、Ｈａｒｄ１（２２００Ｍｐａ）及びＨａｒｄ２（３０００Ｍｐａ）であった。
　図１１（Ａ）は、脈波信号の波形の一例を示す図である。図１１（Ｂ）は、特許文献２のセンサで測定された脈波信号のＳ／Ｎ比と４つのケース４０を使った振動センサ１で測定された脈波信号のＳ／Ｎ比とを示す図である。脈波信号のＳ／Ｎ比は、図１１（Ａ）に示すような脈波信号に含まれる信号成分と雑音成分の比である。
　図１１（Ｂ）に示すように、特許文献２のセンサで測定された脈波信号のＳ／Ｎ比は１７．１ｄＢであった。これに対して、４つのケース４０を使った振動センサ１で測定された脈波信号のＳ／Ｎ比は、全て２０ｄＢ以上であり、特許文献２のセンサよりも、ノイズの少ない良好な脈波信号を計測できることを確認した。
　以上説明したように、第２の実施の形態によれば、ケース４０内の空間５０には、そのまま空間として保持するか、あるいはケース４０の弾性率よりも低い弾性率を有する素材が充填され、ケース４０が基板１０のＸ方向の両端部１１（基板１０の固定端）を支持するので、バンド２０又は板状部材３５の弾性率が低い場合でも、脈波等の振動がバンド２０又は板状部材３５に吸収されることがなく、脈波等の振動を基板１０に的確に伝達することができる。このため、基板１０の振動が抑制されることがなく、脈波等の振動を正確に検知することができる。
　尚、素子１７や圧電素子１３の信頼性に関し図２（Ｃ）を使って説明する。凸状部材１８が第１領域１０１に設けられている。凸状部材１８は接着剤などで固定されるため、第１領域１０１は比較的平坦である。そして凸状部材１８に外力が加わると、第１領域１０１の外周を境界にして、第１領域１０１の内側はやや平坦で、第１領域１０１の外側は変形する。図５では、基板１０が概略的に描かれたため、第１領域１０１の外側も内側も平坦であるが、微視的に判断すると、第１領域１０１の内側と外側の境界及び第２領域１０２と第３領域１０３との境界には、平坦な部分と湾曲部分との境界、すなわち変曲ラインが存在すると推察される。よって図２（Ｃ）では、素子１７が第２領域１０２と第３領域１０３との境界上に配置されているため、半田クラックなどを考えると好ましくない。圧電素子１３は、第２領域１０２の内部に配置されるのが好ましい。また素子１７は、第２領域１０２の内部か、あるいは、第２領域１０２と第３領域１０３との境界を避けて、第３領域１０３の内部に設けることで、半田クラックなどの機械的不良を防止できる。
　以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
　１　振動センサ
　４、５０　空間
　５、４１　導電膜
　１０　基板
　１０ａ　裏面
　１０ｂ　おもて面
　１１　両端部
　１３　圧電素子
　１４　圧電体
　１５、１６　端子電極
　１７　素子
　１８　凸状部材
　４０　ケース
　４２　第１壁部
　４３　底部
　４４　段差
　４７　第２壁部
　

Claims (14)

  1. 　対向する第１面および第２面と、対向する一対の支持側辺と、前記支持側辺と交差する一対の非接触側辺と、前記一対の支持側辺又はその近傍に設けられた一対の支持領域とを有する基板と、
    　前記一対の支持領域に挟まれ、前記基板の第１面の中央またはその近傍に設けられた凸状部材と、
    　前記第２面に設けられた導電パターンと、
    　前記凸状部材が固定される第１領域に対応する前記第２面上の第２領域内に設けられ、前記導電パターンと接続された圧電素子と、
    　を有する振動測定用基板モジュール。
  2. 　前記支持領域は電極又は絶縁性樹脂がさらに設けられ、前記電極又は前記絶縁性樹脂の設置領域は、前記基板の他の領域よりも高い強度を有することを特徴とする請求項１に記載の振動測定用基板モジュール。
  3. 　前記第２面は、前記第２領域の外側に第３領域を含み、
    　前記圧電素子と電気的に接続される素子は、前記第２領域及び前記第３領域の境界を避けて、前記第２領域及び前記第３領域のいずれか一方の内部に設けられる請求項１又は２に記載の振動測定用基板モジュール。
  4. 　前記第１領域の形状は、平面視で円または長軸が前記非接触側辺と交差する楕円である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動測定用基板モジュール。
  5. 　前記素子は、前記圧電素子の出力を増幅する素子を有する請求項４に記載の振動測定用基板モジュール。
  6. 　第１面と当該第１面の反対側にある第２面とを有する基板と、
    　前記基板の略中央で、前記第１面に固定された凸状部材と、
    　前記凸状部材が固定された前記第１面の第１領域に対応する前記第２面の第２領域内に固定された圧電素子と、
    　前記基板の第２面の周囲に設けられ、前記圧電素子または前記凸状部材を挟む様に設けられた２つの支持領域と固着する当接面と、前記支持領域と交差する一対の非接触側辺を有し、前記基板の第２面と内壁により隙間を構成する被装着部材と、
    を有する振動検出装置。
  7. 　前記第２面は、前記第２領域の外側に第３領域を含み、
    　前記圧電素子と電気的に接続される素子が前記第２面に設けられ、
    　前記圧電素子と電気的に接続される素子は、前記第２領域及び前記第３領域の境界を避けて、前記第２領域及び前記第３領域のいずれか一方の内部に設けられる請求項６に記載の振動検出装置。
  8. 　前記被装着部材は、バンド又はケースである請求項６又は７に記載の振動検出装置。
  9. 　前記非装着部材の内壁にはシールド膜が設けられ、
    　前記素子は、前記圧電素子の信号を増幅し、デジタルアンプの前段のアンプとなる請求項７に記載の振動検出装置。
  10. 　前記隙間には、前記被装着部材の弾性率よりも低い弾性率を有する素材が充填される請求項６乃至９のいずれか１項に記載の振動検出装置。
  11. 　第１面と当該第１面の反対側にある第２面とを有する基板と、
    　前記基板の略中央で、前記第１面に固定された凸状部材と、
    　前記凸状部材が固定された前記第１面上の第１領域に対向する前記第２面の第２領域内に固定された圧電素子と、
    　前記圧電素子が固定された前記第２面を覆い、空間を介して前記圧電素子に対向し、前記基板の前記第２面の対向する２辺を支持するケースと、を備え、
    　前記空間には、前記ケースの弾性率よりも低い弾性率を有する素材が充填される振動検出装置。
  12. 　前記ケースは、前記基板の前記第２面の対向する２辺を支持する段差を有する２つの第１壁部と、
    　前記２つの第１壁部と連結し、前記第２面を覆う底部と
    を備える請求項１１に記載の振動検出装置。
  13. 　前記段差は、凹部を有する請求項１２に記載の振動検出装置。
  14. 　前記ケースは、前記２つの第１壁部の両端に連結され、前記底部から立設され、前記基板と接触しない２つの第２壁部を備える請求項１２又は１３に記載の振動検出装置。
    　
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