JP4522567B2 - 圧力センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、エレクトレットコンデンサマイクロホンを用いた圧力センサに係り、例えば、健康管理モニタ、人体感知、車両通過感知等、福祉、安全、又は交通等の分野に適用して有効な検出技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、心拍数や呼吸数などを計測するにはセンサなどの検出部を直接人体に取り付けて計測することが行なわれているが、被検者に違和感や不快感を与える場合が多く、測定結果にも少なからず影響を与えることが懸念されていた。また、最近被検者に測定されていることを感じさせないように企図した測定方法として、寝具や座布団の下に敷いて使用するエアーマット状の感知部にマイクロホンを装着した圧力センサユニットを用いる方法が発表されている。このような測定方法及び装置について記載された文献の例として、特開平11−19056、特開平11−28195号公報がある。
【0003】
前記文献に記載の圧力センサユニットはエアー通入孔を有する中空フレームにコンデンサマイクロホンを設けた構成を有し、このコンデンサマイクロホンはフレーム内部に向けて配置した振動板をケーシングに内蔵し、振動板に対設された背電極には開口が形成され、その背面側にエアーチャンバが形成されている。前記エアーチャンバはフレーム側からの低周波の圧力変化による振動板の振動を後方のエアーチャンバで反射させて、共振させ、振幅を大きくして検出を容易化するための手段とされている。そして、前記エアー通入孔はフレームが押圧されたときそのようなコンデンサマイクロホンが飽和しないようにする、とある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記圧力センサユニットにおけるコンデンサマイクロホンは、温度の変化や大気圧の変化によって振動板の前後の気圧差を逃がすために、それ自体にエアーリークが形成されているものではない。前記気圧差を逃がすために、中空フレームに形成した前記エアー通入孔を機能させている。しかしながら、この技術では、手で触れたりして中空フレームに外乱が加えられると、コンデンサマイクロホンの出力もそれに応じて乱れることになるが、エアーマットのような中空フレームの容積が大きいため、収束までの時間が長くなり、安定した計測の妨げになる虞のあることが本発明者によって見い出された。さらに、エアー通入孔が形成された中空フレームには、押圧力が印加されてもその容積をある程度維持することができる構成を必要とする。
【0005】
本発明の目的は、外乱による圧力変化の収束時間が短く圧力変化を安定して計測することが可能な、エレクトレットコンデンサマイクロホンを利用した圧力センサを提供することにある。
【0006】
本発明の別の目的は、エレクトレットコンデンサマイクロホンの振動板の正面が臨む空間を大気圧へ連通させるエアー通入孔を形成しなくてもエレクトレットコンデンサマイクロホンの飽和を防止できる圧力センサを提供することにある。
【0007】
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧力センサは、受圧部と前記受圧部に結合された感圧素子とを有し、前記受圧部は先端部が閉じられたパイプチューブから成る。前記感圧素子は、前記パイプチューブの基端部に結合されその中空部分に内部が連通する素子ケーシングと、前記素子ケーシングに内蔵されたエレクトレットコンデンサマイクロホンとを有し、前記素子ケーシングの内部において前記エレクトレットコンデンサマイクロホンの正面側と背面側とをリークさせるリーク通路が形成されて成る。
【0009】
上記パイプチューブに圧力が加えられるとパイプチューブ内の気体がリーク通路を経てエレクトレットコンデンサマイクロホンの背面側に廻り、当該マイクロホンの振動板の正面及び背面の圧力が均衡する。この状態でパイプチューブに心拍などによる周期的な圧力変化が与えられると、これを正面側から受ける前記エレクトレットコンデンサマイクロホンで形成される静電容量が変化され、その変化に応じた信号が外部に出力される。
【0010】
このとき、前記パイプチューブは、エアーマット状の受圧部に比べて圧力を加えなくても断面形状が安定しているため、周期的な圧力変化の検出途中でパイプチューブに外乱圧力が作用されても短時間で収束し、安定した計測を行うことができる。
【0011】
また、パイプチューブに周期的な圧力変化が与えられると、パイプチューブ内の流体はコンデンサマイクロホンの正面からリーク通路を通って背面側に移動しようとする。これは、周期的な圧力変化が低周波であるほど顕著であるから、低周波の圧力変化に対しても前記静電容量を再帰的に変化させることができ、心拍等による低周波の圧力変化の検出も確実に行うことができる。特に、前記素子ケーシングの内部でエレクトレットコンデンサマイクロホンの背面側に位置して空室を形成すれば、当該空室が流体のバッファとして作用し、低周波の圧力変化の検出を更に安定化させる。望ましい形態として、前記素子ケーシングの内部は大気圧に非導通とするのがよい。低周波の圧力変化に対する検出動作の安定化並びにノイズ除去に好都合だからである。
【0012】
前記圧力センサはパイプチューブを直接押下するように利用してもよい。また、前記パイプチューブが挿入固定される挿入部が形成された袋体を更に設けて圧力センサを構成してもよい。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1には本発明に係る圧力センサの一例が軸断面で示される。圧力センサは、受圧部2と前記受圧部2に結合された感圧素子3とから成る。前記受圧部2は、例えば、先端部がプラスチック栓4で閉じられたポリウレタン製のパイプチューブ5によって構成される。前記パイプチューブ5の基端部に感圧素子3のボス部10Aが挿入固定されている。前記感圧素子3は、ボス部10Aを介して前記パイプチューブ5の中空部分に内部が連通する素子ケーシング10を有し、その内部に、ゴムホルダ12に嵌合されたエレクトレットコンデンサマイクロホン(以下単にマイクロホンとも称する)13が挿入固定され、その背面側に空室14が形成されている。前記マイクロホン13は、特に制限されないが、双指向性のマイクロホンであり、マイクロホンの正面及び背面に開口を持ち、正面感度が最も大きくされる。前記マイクロホン13はその正面側と背面側とをリークさせるリーク通路15を有する。マイクロホン13の出力リード線16は封止栓17を介して外部に導出される。望ましい形態として、特に制限されないが、素子ケーシング10及びこれに連通されたパイプチューブ5の内部はある程度の気密が保たれ、大気圧とは非導通にされている。
【0014】
図2には前記マイクロホン13の軸断面が例示される。同図に示されるマイクロホン13は、例えばアルミニウム製で筒状のマイクロホン用ケーシング21を有し、その正面側FSmに複数個の音波通過開口22が形成され、後端縁28は組み立て工程の最後に内側に折り曲げられ、後述するケーシング21の内部構造を係止している。
【0015】
前記ケーシング21の筒内には、正面側FSmより順次、音波通過開口22に面してコンデンサの一極を成す振動板23、間隙をもって前記振動板23の対極(コンデンサの他極)を成す背電極24、及び回路基板26が設けられている
前記振動板23は、特に制限されないが、ポリエステルフィルム等の誘電体膜の一面に金属膜が蒸着され、その金属膜が振動板リング30に固定され、その誘電体面に絶縁性スペーサ31が固定されている。
【0016】
前記背電極24は、絶縁性リング32の内側段差部分に概略同心状態に嵌合固定され、この状態で前記背電極24が絶縁性スペーサ31に当接される。特に制限されないが、前記背電極24は、導体例えばニッケルメッキされた真ちゅう製であり、前記振動板23との対向面には永久分極を形成するための例えばフッ素樹脂がラミネートされている。尚、これとは逆に、背電極24に対する振動板23の対向面にフッ素樹脂をラミネートしてもよい。
【0017】
前記回路基板26は、プリント配線基板27にインピーダンス変換用の電界効果トランジスタ28を有し、当該トランジスタ28のゲート電極は前記背電極24に、ソース、ドレイン電極は外部端子33,34に接続される。
【0018】
前記プリント配線基板27には背面側RSmからの音波通過開口35が形成され、前記背電極24には背面側RSmからの音波通過開口36が形成されている。
【0019】
図1のリーク通路15は、例えばケーシング21の正面内側に半径方向へ形成した凹溝37(図3参照)、ケーシング21の内周面に形成される嵌合隙間38、及び絶縁性リング32の端面に半径方向へ形成した凹溝39によって構成される。前記凹溝37,39が形成されているので、ケーシングの後端縁28を内側に折り曲げて内部構造を軸方向に押し付け固定してもリーク通路15は閉塞されない。前記リーク通路はパイプチューブ5内の温度変化や大気圧の変化、更にはパイプチューブを押しつぶしたとき等に、振動板23の変位が飽和状態になるのを防ぐ。特に図示はしないが、前記ゴムホルダ12とセンサケーシング10との接触面、或いはマイクロホン13とゴムホルダとの嵌合面に、微小な空気通路を形成して前記リーク通路15を構成してもよい。
【0020】
上記圧力センサの作用を説明する。上記パイプチューブ5に圧力が加えられるとパイプチューブ5内の空気がリーク通路15を経てエレクトレットコンデンサマイクロホン13の背面側に廻り、当該マイクロホン13の振動板23の正面及び背面の圧力が均衡する。この状態でパイプチューブ5に心拍などによる周期的な圧力変化が与えられると、これを正面側から受ける前記マイクロホン13の振動板23と背電極24で形成される静電容量が変化され、その変化に応じた信号がリード線16から外部に出力される。
【0021】
前記パイプチューブ5は、エアーマット状の受圧部に比べて圧力を加えなくても断面形状が安定しているため、周期的な圧力変化の検出途中でパイプチューブ5に圧力的な外乱が作用されても短時間で収束し、安定した計測を行うことができる。例えば、空圧機器に使用される内径2.5mm、外径4mmのポリウレタン製のパイプチューブ5を使用した場合、パイプチューブ5の中に加圧空気を充填しなくても、人が直接座っても大きくつぶれず、圧力変化を安定して検出することが可能である。
【0022】
パイプチューブ5に周期的な圧力変化が与えられると、パイプチューブ5内の空気はコンデンサマイクロホン13の正面からリーク通路15を通って背面側に移動しようとする。これは、周期的な圧力変化が低周波であるほど顕著であるから、低周波の圧力変化に対しても前記静電容量を再帰的に変化させることができ、心拍等による低周波の圧力変化の検出も確実に行うことができる。特に、前記素子ケーシング10の内部にはエレクトレットコンデンサマイクロホン13の背面側に位置して空室14が形成されているから、当該空室14が空気のバッファとして作用し、低周波の圧力変化の検出を更に安定化させる。前記素子ケーシング10は大気圧に非導通とされているから、低周波の圧力変化に対する検出動作の安定化並びにノイズ除去に好都合である。
【0023】
圧力センサ1は、図4に例示されるように、袋体41を更に設けて構成してもよい。前記袋体41には、前記パイプチューブ5が挿入固定される挿入部40が形成されている。袋体41はエアーマット或いはウォータベッドなどであってよい。パイプチューブ5の装着に当たって空気漏れや水漏れについては挿入部40からのもれ防止を考慮するだけでよい。公知例のように袋体それ自体に飽和防止用のエアー通入孔などを設ける必要はないからである。
【0024】
前記圧力センサ1はそのまま座布団の下等に配置し、或いは図4のような構成にて、心拍数や呼吸数などを計測する健康管理モニタとして利用することができる。また、パイプチューブ5に対する踏み付けによって車両の通過感知や人の移動感知にもそのまま適用することがができる。圧力センサ1から得られる信号に対する処理については特に詳細な説明はしないが、バンドパスフィルタでノイズ成分を除去し、等化などの適宜のフィルタリング処理を施して圧力変化に同期した信号パルスを生成するというよいうな、公知の信号処理技術を適用すればよい。
【0025】
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
【0026】
例えば、エレクトレットコンデンサマイクロホンの具体的な構造は図2に限定されず適宜変更可能である。マイクロフォンは双指向性に限らず、単一指向性、さらには無指向性であってもよい。但し、低周波の圧力変化を感知するという点では、背電極背面側の全体的な容積を大きく採ることが容易な双指向性又は単一指向性のマイクロフォンの方が有利である。また、パイプチューブの太さや長さは検出対象に応じて適宜変更すればよい。
【0027】
【発明の効果】
本願発明の圧力センサはパイプチューブを利用してその圧力変化をエレクトレットコンデンサマイクロホンで検出し、圧力センサの内部で前記エレクトレットコンデンサマイクロホンの正面側と背面側とをリークさせる構造を採用したから、外乱による圧力変化の収束時間も短く、圧力の変化を安定して計測することが可能であり、また、エレクトレットコンデンサマイクロホンの振動板の正面が臨む空間を大気圧へ連通させるエアー通入孔を形成せずにエレクトレットコンデンサマイクロホンの飽和を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る圧力センサの一例を示す軸断面図である。
【図2】図1の圧力センサに採用されるエレクトレットコンデンサマイクロホンを例示する軸断面図である。
【図3】図2のエレクトレットコンデンサマイクロホンの正面図である。
【図4】袋体を有する圧力センサの一例を示す外観図である。
【符号の説明】
1 圧力センサ
2 重圧部
3 感圧素子
5 パイプチューブ
10 素子ケーシング
13 エレクトレットコンデンサマイクロホン
14 空室
15 リーク通路
21 ケーシング
23 振動板
24 背電極
37 凹溝
38 嵌合隙間
39 凹溝
40 挿入部
41 袋体
Claims (2)
- 受圧部と前記受圧部に結合された感圧素子とを有し、
前記受圧部は先端部が閉じられた可撓性のパイプチューブから成り、
前記感圧素子は、前記パイプチューブの基端部に結合されその中空部分に内部が連通する素子ケーシングと、前記素子ケーシングに内蔵され前記パイプチューブの内圧の変化を振動板に受けてそれを検出するエレクトレットコンデンサマイクロホンと、前記素子ケーシングの前記エレクトレットコンデンサマイクロホンの背面側に形成され大気圧に非導通の空室と、を有し、前記素子ケーシングの内部において前記エレクトレットコンデンサマイクロホンの正面側と背面側とをリークさせるリーク通路が、前記素子ケーシングの内周部と前記エレクトレットコンデンサマイクロホンの外周部との間に、又は前記エレクトレットコンデンサマイクロホンのケーシングの内周部に前記振動板を迂回して形成され、更に前記空室は前記エレクトレットコンデンサマイクロホンのケーシングの前記振動板背面側の内部に連通されて、成るものであることを特徴とする圧力センサ。 - 前記パイプチューブが挿入固定される挿入部が形成された袋体を更に有して成るものであることを特徴とする請求項1記載の圧力センサ。
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