JP2024098234A - Pulse wave sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、脈波センサに関する。 The present invention relates to a pulse wave sensor.
心臓が血液を送り出すことに伴い発生する脈波を検出する脈波センサが知られている。一例として、外力の作用により撓み可能に支持されている起歪体となる受圧板と、その受圧板の撓みを電気信号に変換する圧電変換手段とが設けられた脈波センサが挙げられる。この脈波センサは、受圧板の可撓領域が外方に向かって凸曲面となるドーム状に形成されており、圧電変換手段として受圧板における頂部の内面に圧力検出素子を備えている(例えば、特許文献1参照)。 Pulse wave sensors are known that detect pulse waves generated when the heart pumps blood. One example is a pulse wave sensor that is provided with a pressure-receiving plate that is a strain-generating body supported so that it can flex under the action of an external force, and a piezoelectric conversion means that converts the flexure of the pressure-receiving plate into an electrical signal. In this pulse wave sensor, the flexible area of the pressure-receiving plate is formed in a dome shape that is a convex curved surface facing outward, and a pressure detection element is provided on the inner surface of the apex of the pressure-receiving plate as the piezoelectric conversion means (see, for example, Patent Document 1).
脈波センサは、微小な信号を検出する必要があるため、必要な感度を確保するために薄い起歪体が用いられるが、一方では耐久性も要求されるため剛性と両立する必要がある。しかしながら、従来の脈波センサでは、感度と剛性との両立は十分に検討されていなかった。 Pulse wave sensors need to detect minute signals, so a thin strain element is used to ensure the necessary sensitivity, but durability is also required, so it must be compatible with rigidity. However, with conventional pulse wave sensors, the compatibility of sensitivity and rigidity has not been fully considered.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、感度と剛性とを両立した脈波センサを提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above points, and aims to provide a pulse wave sensor that combines sensitivity and rigidity.
本脈波センサは、筒状の側壁部を備えた筐体と、前記側壁部の一端に設けられた起歪体固定面に第1面の外周部を固定された、開口部を有していない起歪体と、前記第1面において前記外周部よりも中心側に設けられた、各々が受感部を備えた複数のひずみゲージと、を有し、前記起歪体固定面は、環状部と、前記環状部の内縁から前記第1面の中心側に突起し、前記第1面の中心を挟んで互いに対向する2つの突起部と、を含み、複数の前記ひずみゲージは、前記第1面の中心を通ると共に2つの前記突起部の対向する辺同士を結ぶ最短の直線である第1仮想直線の上に位置し、かつ前記第1面の中心よりも前記突起部に近い側に前記第1面の中心を挟んで互いに対向して配置された第1ひずみゲージ及び第2ひずみゲージを含み、前記起歪体の変形に伴なう前記複数のひずみゲージの前記受感部の出力の変化に基づいて脈波を検出する。 This pulse wave sensor has a housing with a cylindrical side wall, a flexure body without an opening, the outer periphery of which is fixed to a flexure body fixing surface provided at one end of the side wall, and a plurality of strain gauges each having a sensing part provided on the first surface closer to the center than the outer periphery. The flexure body fixing surface includes an annular part and two protrusions that protrude from the inner edge of the annular part toward the center of the first surface and face each other across the center of the first surface. The plurality of strain gauges include a first strain gauge and a second strain gauge that are located on a first virtual line that passes through the center of the first surface and is the shortest line connecting the opposing sides of the two protrusions, and are arranged opposite each other across the center of the first surface on the side closer to the protrusion than the center of the first surface. The pulse wave sensor detects a change in output of the sensing part of the plurality of strain gauges due to deformation of the flexure body.
開示の技術によれば、感度と剛性とを両立した脈波センサを提供できる。 The disclosed technology makes it possible to provide a pulse wave sensor that combines sensitivity and rigidity.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Below, a description of the embodiment of the invention will be given with reference to the drawings. In each drawing, the same components are given the same reference numerals, and duplicated explanations may be omitted.
〈第1実施形態〉
図1は、第1実施形態に係る脈波センサを例示する斜視図(その1)である。図2は、第1実施形態に係る脈波センサを例示する斜視図(その2)である。図3は、第1実施形態に係る脈波センサを例示する分解斜視図である。図4は、第1実施形態に係る脈波センサを例示する断面図である。なお、図1及び図4では、起歪体が上側に位置するように脈波センサを配置した場合を図示している。これに対して、図2及び図3では、起歪体が下側に位置するように脈波センサを配置した場合を図示している。
First Embodiment
FIG. 1 is a perspective view (part 1) illustrating a pulse wave sensor according to a first embodiment. FIG. 2 is a perspective view (part 2) illustrating a pulse wave sensor according to a first embodiment. FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating a pulse wave sensor according to a first embodiment. FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a pulse wave sensor according to a first embodiment. Note that FIGS. 1 and 4 show a case where the pulse wave sensor is arranged so that the strain generating body is located on the upper side. In contrast to this, FIGS. 2 and 3 show a case where the pulse wave sensor is arranged so that the strain generating body is located on the lower side.
図1~図4を参照すると、脈波センサ1は、筐体10と、起歪体40と、第1ひずみゲージ100A、第2ひずみゲージ100B、第3ひずみゲージ100C、及び第4ひずみゲージ100Dとを有している。
Referring to Figures 1 to 4, the
脈波センサ1において、筐体10は起歪体40を保持する部分である。筐体10は、筒状の側壁部20と、側壁部20の一方側の開口を塞ぐ蓋部30とを備えている。側壁部20は、例えば、中空円筒状であるが、これには限られない。筐体10において、蓋部30の反対側は開口されている。側壁部20及び蓋部30は、例えば、金属や樹脂等から形成できる。側壁部20及び蓋部30は、同一の材料から形成されてもよいし、異なる材料から形成されてもよい。側壁部20又は蓋部30に、配線取り出し用の穴が設けられてもよい。
In the
図示の例では、側壁部20には、4つのネジ穴20xが周方向に略等間隔に設けられている。また、蓋部30の外周部には、ネジ50の頭が配置される4つの凹部30xがネジ穴20xと対応する位置に設けられている。蓋部30は、4つのネジ50により側壁部20に固定されている。なお、これは一例であり、蓋部30は、接着や溶接等の他の方法により側壁部20に固定されてもよい。あるいは、蓋部30は、側壁部20と一体に形成されてもよい。
In the illustrated example, the
起歪体40は、筐体10の開口を塞ぐように、例えば接着剤により固定されている。つまり、起歪体40は、筐体10の側壁部20の蓋部30とは反対側に固定されている。例えば、起歪体40の外周部の全体が、接着剤により、側壁部20の起歪体固定面22と接着される。起歪体40は、例えば、金属製である。起歪体40を構成する金属としては、例えば、ステンレス、リン青銅、アルミニウム等が挙げられる。起歪体40は、アルミナ、ジルコニア、ガラス等の無機系材料を用いて形成してもよい。また、起歪体40は、ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン等の樹脂系材料を用いて形成してもよい。
The
起歪体40は平板状であり、開口部を有していない。起歪体にスリット等の開口部が設けられると、起歪体の剛性が低下し、起歪体が塑性変形しやすくなる。これに対して、起歪体40は、開口部を有していないため、剛性を高くすることができる。
The
また、起歪体にスリット等の開口部を設ける場合、プレスによる打ち抜き、化学エッチング、レーザー加工などの手法が用いられるため、起歪体のコスト上昇に繋がる。これに対して、起歪体40は、開口部を有していないため、低コスト化が可能である。
In addition, when providing openings such as slits in the flexure body, methods such as press punching, chemical etching, and laser processing are used, which leads to increased costs for the flexure body. In contrast,
また、起歪体は人の肌に直接触れるため、起歪体にスリット等の開口部が設けられると、人の汗、体毛などが開口部から脈波センサの内部にコンタミとして侵入するおそれがある。これに対して、起歪体40は開口部を有していないため、脈波センサ1の内部にコンタミが侵入することを抑制できる。
In addition, because the flexure body comes into direct contact with human skin, if an opening such as a slit is provided in the flexure body, there is a risk that human sweat, body hair, etc. may enter the inside of the pulse wave sensor through the opening as contaminants. In contrast, because the
起歪体40は、例えば、円形状であるが、これには限定されない。起歪体40は、例えば、楕円形状や矩形状等であってもよい。なお、以降は、起歪体40が円形状である場合の例について説明する。
The
起歪体40の直径は、例えば、14mm以上20mm以下程度とすることができる。起歪体40の厚さtは、40μm以上200μm以下とすること好ましい。起歪体40の厚さtが薄くなれば感度は高くなるが剛性は低くなり、起歪体40の厚さtが厚くなれば剛性は高くなるが感度は低くなる。起歪体40の厚さtを40μm以上200μm以下とすることで、剛性と感度を両立することができる。
The diameter of the
起歪体40は、第1面40mと、第2面40nとを備えている。起歪体40は、筐体10から露出する第2面40n側が被験者の橈骨動脈に当たるようにして使用される。起歪体40は可撓性を有しており、被験者の脈波に応じて起歪体40に負荷が加わると、負荷の大きさに応じて起歪体40が弾性変形する。起歪体40の弾性変形に伴ない、第1ひずみゲージ100A、第2ひずみゲージ100B、第3ひずみゲージ100C、及び第4ひずみゲージ100Dの受感部の出力が変化するため、脈波センサ1では、この出力の変化に基づいて脈波を検出することができる。
The
起歪体40は、被験者と接する側の面である第2面40nから筐体10とは反対側に突起する負荷部45を有してもよい。負荷部45は、例えば、起歪体40の中心を含む位置に設けられる。負荷部45は、例えば、起歪体40の直径の1/10から2/10程度の円形とすることができる。負荷部45の中心は、起歪体40の中心と一致することが好ましい。起歪体40の第2面40nを基準とする負荷部45の突起量は、例えば、0.1mm程度とすることができる。起歪体40に、第2面40nから突起する負荷部45を設けることで、被験者の脈波に応じた負荷を起歪体40に伝わり易くすることができる。
The
第1ひずみゲージ100A、第2ひずみゲージ100B、第3ひずみゲージ100C、及び第4ひずみゲージ100Dの4つのひずみゲージは、起歪体40の第1面40mに設けられている。起歪体40は平板状であるため、ひずみゲージを容易に貼り付けることができる。起歪体40に4つのひずみゲージを設けることで、フルブリッジにより、起歪体40のひずみを検出することができる。
Four strain gauges, a
ここで、図5及び図6を参照しながら、筐体10の側壁部20と、起歪体40と、第1ひずみゲージ100A、第2ひずみゲージ100B、第3ひずみゲージ100C、及び第4ひずみゲージ100Dとの位置関係について、詳細に説明する。
Now, with reference to Figures 5 and 6, the positional relationship between the
図5は、側壁部の起歪体固定面を起歪体固定面に垂直な方向から視た図である。図5に示すように、側壁部20の一端には、外周突起部21と、外周突起部21よりも内側に位置する起歪体固定面22とが設けられている。外周突起部21の内壁面と起歪体固定面22とで段差を形成しており、この段差は、起歪体40の第1面40mの外周部を起歪体固定面22に固定する際の位置決めとして使用することができる。40cは、起歪体固定面22に起歪体40が固定されたときの第1面40mの中心の位置を示している。
Figure 5 is a view of the flexure body fixing surface of the side wall portion viewed from a direction perpendicular to the flexure body fixing surface. As shown in Figure 5, one end of the
起歪体固定面22は、略一定幅の環状部23と、環状部23の内縁から第1面40mの中心40c側に突起する突起部24a~24dとを含む。環状部23の幅は、例えば、0.5mm~1.5mm程度とすることができる。なお、図5では、便宜上、環状部23と突起部24a~24dとの境界を破線で示しているが、環状部23と突起部24a~24dとは一体に形成されたものである。
The strain generating
突起部24aと突起部24cは、第1面40mの中心40cを挟んで互いに対向する。また、突起部24bと突起部24dは、第1面40mの中心40cを挟んで互いに対向する。突起部24a~24dは、環状部23の内縁に沿って略等間隔に設けられていることが好ましい。
突起部24a~24dの幅wは、例えば、2mm~3mm程度とすることができる。なお、突起部24a~24dの幅wは、図6に示す後述の第1仮想直線V1または第2仮想直線V2の延長線上の各位置において、各仮想直線と垂直方向に計測した突起部の幅の平均値で規定するものとする。突起部24a~24dの各々の幅wは、等しいことが好ましい。ここで、等しいとは、突起部24a~24dの各々の幅wが、突起部24a~24dの各々の幅wの平均値に対して±10%の範囲内にあることとする。
The width w of the
環状部23の内縁を基準とする突起部24a~24dの突起量pは、例えば、0.5mm~1.5mm程度とすることができる。対向する突起部の対向する辺の間の距離が短すぎると、起歪体40の径方向のひずみが減少するため、突起量pを必要最小限とする趣旨である。なお、突起量pは、図6に示す後述の第1仮想直線V1または第2仮想直線V2の延長線上の位置で規定するものとする。突起部24a~24dの各々の突起量pは、等しいことが好ましい。ここで、等しいとは、突起部24a~24dの各々の突起量pが、突起部24a~24dの各々の突起量pの平均値に対して±10%の範囲内にあることとする。
The projection amount p of the
図6は、起歪体の第1面を第1面に垂直な方向から視た図である。図6では、起歪体40の第1面40mにおいて、起歪体固定面22に固定される外周部を破線で示している。つまり、図6の破線よりも外側が、起歪体40の第1面40mの外周部である。また、図6では、起歪体40の第1面40mにおいて、起歪体固定面22との位置関係を示すために、起歪体固定面22の対応する位置の符号を破線で示している。
Figure 6 is a view of the first surface of the flexure body viewed from a direction perpendicular to the first surface. In Figure 6, the outer periphery of the
図6に示すように、起歪体40の第1面40mにおいて、外周部よりも中心40c側に、第1ひずみゲージ100A、第2ひずみゲージ100B、第3ひずみゲージ100C、及び第4ひずみゲージ100Dの4つのひずみゲージが設けられている。
As shown in FIG. 6, on the
図6において、第1面40mの中心40cを通ると共に突起部24a及び24cの対向する辺同士を結ぶ最短の直線を第1仮想直線V1としている。また、第1面40mの中心40cを通ると共に第1仮想直線V1と直交す直線を第2仮想直線V2としている。
In FIG. 6, the shortest line that passes through the
第1ひずみゲージ100A及び第2ひずみゲージ100Bは、第1仮想直線V1の上に位置し、かつ第1面40mの中心40cよりも突起部24a及び24cに近い側に第1面40mの中心40cを挟んで互いに対向して配置されている。
The
図6において、130Rは、各々のひずみゲージにおいて抵抗体が形成される受感領域を示している。第1仮想直線V1は、第1ひずみゲージ100Aの受感領域130Rと、第2ひずみゲージ100Bの受感領域130Rとを通ることが好ましい。後述のシミュレーション結果からわかるように、第1仮想直線V1上の第1面40mの中心40cよりも突起部24a及び24cに近い側は大きなひずみが生じる領域である。そのため、第1ひずみゲージ100A及び第2ひずみゲージ100Bの受感領域130Rをこのような領域に配置することで、第1ひずみゲージ100A及び第2ひずみゲージ100Bのひずみの検出感度を向上することができる。
In FIG. 6, 130R indicates the sensitive area where the resistor is formed in each strain gauge. The first virtual line V1 preferably passes through the
第1仮想直線V1は、第1ひずみゲージ100Aの受感領域130Rの中心近傍と、第2ひずみゲージ100Bの受感領域130Rの中心近傍とを通ることがより好ましい。これにより、第1ひずみゲージ100A及び第2ひずみゲージ100Bのひずみの検出感度をより向上することができる。なお、受感領域130Rの中心近傍とは、受感領域130Rの中心から半径50μmの範囲内であるとする。
It is more preferable that the first virtual straight line V1 passes near the center of the
また、第3ひずみゲージ100C及び第4ひずみゲージ100Dは、第2仮想直線V2の上に位置していることが好ましい。そして、第3ひずみゲージ100C及び第4ひずみゲージ100Dは、第1ひずみゲージ100A及び第2ひずみゲージ100Bよりも第1面40mの中心40cに近い側で第1面40mの中心40cを挟んで互いに対向して配置されていることが好ましい。また、突起部24b及び24dは、第2仮想直線V2の上に位置することが好ましい。
The
第2仮想直線V2は、第3ひずみゲージ100Cの受感領域130Rと、第4ひずみゲージ100Dの受感領域130Rとを通ることが好ましい。後述のシミュレーション結果からわかるように、第2仮想直線V2上の第1面40mの中心40cに近い側は大きなひずみが生じる領域である。そのため、第3ひずみゲージ100C及び第4ひずみゲージ100Dの受感領域130Rをこのような領域に配置することで、第3ひずみゲージ100C及び第4ひずみゲージ100Dのひずみの検出感度を向上することができる。
The second virtual line V2 preferably passes through the
第2仮想直線V2は、第3ひずみゲージ100Cの受感領域130Rの中心近傍と、第4ひずみゲージ100Dの受感領域130Rの中心近傍とを通ることがより好ましい。これにより、第3ひずみゲージ100C及び第4ひずみゲージ100Dのひずみの検出感度をより向上することができる。
It is more preferable that the second virtual line V2 passes near the center of the
図7は、起歪体に生じるひずみの分布に関するシミュレーション結果(その1)である。図7では、図1~図6に示す形状の脈波センサ1において、起歪体40の負荷部45に細矢印方向から負荷をかけた場合の起歪体40のひずみの大きさを示している。なお、このシミュレーションにおいて、起歪体40の材料はSUS304、起歪体40の直径は17mm、起歪体40の厚さtは100μmとした。
Figure 7 shows the results of a simulation (part 1) regarding the distribution of strain occurring in the flexure body. Figure 7 shows the magnitude of strain in the
図7において、4つの太矢印は、側壁部の起歪体固定面の4つの突起部の位置を示している。また、図7において、白黒画像で表示したときに、薄い灰色や白色に近い部分ほど大きなひずみが発生していることを示している。つまり、図7では、各突起部の近傍と負荷部45の外周部分に大きなひずみが発生している。図7より、負荷部45に負荷をかけると、太矢印で示す4カ所の突起部が支点となり、4カ所の突起部の近傍に大きなひずみ(引張応力)が生じることがわかる。また、負荷部45の外周部にも大きなひずみ(圧縮応力)が生じることがわかる。こに対して、太矢印で示す4カ所の突起部の近傍及び負荷部45の外周部以外では、大きなひずみは生じていない。
In FIG. 7, the four thick arrows indicate the positions of the four protrusions on the side wall portion's strain body fixing surface. Also, in FIG. 7, when displayed in black and white, the lighter the gray or white the area, the greater the strain. That is, in FIG. 7, large strain occurs near each protrusion and on the outer periphery of the
図8は、起歪体に生じるひずみの分布に関するシミュレーション結果(その2)である。図8では、側壁部の起歪体固定面に4つの突起部を設けない点以外は、図1~図6に示す脈波センサ1と同様の形状の脈波センサ(比較例)において、図7と同様の条件でシミュレーションした結果を示している。また、図8においても、図7と同様に、白黒画像で表示したときに、薄い灰色や白色に近い部分ほど大きなひずみが発生していることを示している。図8より、支点となる突起部が存在しないと、起歪体40の外周側に略均等にひずみが生じることがわかる。このひずみの大きさは、図7において4カ所の突起部の近傍に生じるひずみの大きさに対して20%程度小さい。
Figure 8 shows the results of a simulation (part 2) regarding the distribution of strain generated in the flexure body. Figure 8 shows the results of a simulation under the same conditions as Figure 7 for a pulse wave sensor (comparative example) having the same shape as
図7及び図8の結果から、側壁部の起歪体固定面に4つの突起部を設けることで、起歪体40の突起部の近傍に、突起部を設けない場合と比べて大きなひずみが生じることがわかった。すなわち、起歪体40の突起部の近傍において、起歪体40の径方向の歪みの割合を増やし、周方向の歪みの割合を減らすことができることがわかった。このことから、図6に示した位置に第1ひずみゲージ100A及び第2ひずみゲージ100Bを配置することにより、ひずみの検出感度を向上できるといえる。また、図7の結果から、起歪体40の負荷部45の外周部は大きなひずみが生じる領域なので、図6に示した位置に第3ひずみゲージ100C及び第4ひずみゲージ100Dを配置することにより、ひずみの検出感度を向上できるといえる。
From the results of Figures 7 and 8, it was found that by providing four protrusions on the flexure body fixing surface of the side wall, a larger strain is generated near the protrusions of the
すなわち、図6のような配置により、第1ひずみゲージ100A及び第2ひずみゲージ100Bにより引張応力を有効に検出し、第3ひずみゲージ100C及び第4ひずみゲージ100Dにより圧縮応力を有効に検出することができる。その結果、第1ひずみゲージ100A、第2ひずみゲージ100B、第3ひずみゲージ100C、及び第4ひずみゲージ100Dでフルブリッジ回路を構成することにより、大きな電圧出力を得ることができる。
In other words, with the arrangement shown in FIG. 6, tensile stress can be effectively detected by the
このように、開口部を有していない起歪体40の第1面40mにおいて、図6に示した位置に4つのひずみゲージを配置することにより、感度と剛性とを両立した脈波センサ1を実現することができる。
In this way, by arranging four strain gauges at the positions shown in FIG. 6 on the
なお、図6において、突起部24b及び24dの近傍には、ひずみゲージを配置していない。そのため、側壁部20の起歪体固定面22に突起部24a及び24cのみを設け、突起部24b及び24dを設けない構造としてもよい。この場合も、図6においてひずみージを配した位置には大きなひずみが生じるため、高感度の脈波センサを実現できる。
In FIG. 6, no strain gauges are placed near the
しかし、起歪体40を側壁部20の起歪体固定面22に接着する際に、ひずみが生じる場合がある。接着により生じるひずみは、本来測定するべきひずみではないため、ノイズ成分となる。このようなノイズ成分が問題となる場合は、突起部24a~24dを均等に配置することで、接着により生じるひずみを低減することができる。この際、突起部24a~24dの幅を全て等しくし、かつ突起部24a~24dの突起量を全て等しくすることが好ましい。これにより、起歪体40を側壁部20の起歪体固定面22にバランスよく接着できるため、接着により生じるひずみをより低減することができる。
However, distortion may occur when the
ここで、第1ひずみゲージ100Aについて説明する。
Here, we will explain the
図9は、第1実施形態に係る第1ひずみゲージを例示する平面図である。図10は、第1実施形態に係る第1ひずみゲージを例示する断面図(その1)であり、図9のA-A線に沿う断面を示している。図11は、第1実施形態に係る第1ひずみゲージを例示する断面図(その2)であり、図10に相当する断面を示している。 Figure 9 is a plan view illustrating the first strain gauge according to the first embodiment. Figure 10 is a cross-sectional view (part 1) illustrating the first strain gauge according to the first embodiment, showing a cross section along line A-A in Figure 9. Figure 11 is a cross-sectional view (part 2) illustrating the first strain gauge according to the first embodiment, showing a cross section corresponding to Figure 10.
なお、以下では第1ひずみゲージ100Aについて説明するが、第2ひずみゲージ100B、第3ひずみゲージ100C、第4ひずみゲージ100Dも第1ひずみゲージ100Aと同様の構造とすることができる。ただし、各ひずみゲージは、必要に応じ、部分的に異なる構造としてもよい。例えば、基材の大きさやカバー層の有無、その他の仕様は必要に応じて変えてよい。
Note that, although the following describes the
図9~図11を参照すると、第1ひずみゲージ100Aは、基材110と、抵抗体130と、配線140と、電極150と、カバー層160とを有している。なお、便宜上、カバー層160の外縁のみを破線で示している。なお、カバー層160は、必要に応じて適宜設ければよい。
Referring to Figures 9 to 11, the
なお、図9~図11の説明では、便宜上、第1ひずみゲージ100Aにおいて、基材110の抵抗体130が設けられている側を「上側」と称し、抵抗体130が設けられていない側を「下側」と称する。また、各部位の上側に位置する面を「上面」と称し、各部位の下側に位置する面を「下面」と称する。ただし、第1ひずみゲージ100Aは天地逆の状態で用いることもできる。また、第1ひずみゲージ100Aは任意の角度で配置することもできる。また、平面視とは、基材110の上面110aに対する上側から下側への法線方向で対象物を視ることを指すものとする。そして、平面形状とは、前記法線方向で対象物を視たときの、対象物の形状を指すものとする。
9 to 11, for the sake of convenience, the side of the
基材110は、抵抗体130等を形成するためのベース層となる部材である。基材110は可撓性を有する。基材110の厚さは特に限定されず、第1ひずみゲージ100Aの使用目的等に応じて適宜決定されてよい。例えば、基材110の厚さは5μm~500μm程度であってよい。第1ひずみゲージ100Aの下面側は、接着層等を介して起歪体40と接合される。なお、起歪体40から受感部へのひずみの伝達性、及び、環境変化に対する寸法安定性の観点から考えると、基材110の厚さは5μm~200μmの範囲内であることが好ましい。また、絶縁性の観点から考えると、基材110の厚さは10μm以上であることが好ましい。
The
基材110は、例えば、PI(ポリイミド)樹脂、エポキシ樹脂、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂、PEN(ポリエチレンナフタレート)樹脂、PET(ポリエチレンテレフタレート)樹脂、PPS(ポリフェニレンサルファイド)樹脂、LCP(液晶ポリマー)樹脂、ポリオレフィン樹脂等の絶縁樹脂フィルムから形成できる。なお、フィルムとは、厚さが500μm以下程度であり、可撓性を有する部材を指す。
The
基材110が絶縁樹脂フィルムから形成される場合、当該絶縁樹脂フィルムには、フィラーや不純物等が含まれていてもよい。例えば、基材110は、シリカやアルミナ等のフィラーを含有する絶縁樹脂フィルムから形成されてもよい。
When the
基材110の樹脂以外の材料としては、例えば、SiO2、ZrO2(YSZも含む)、Si、Si2N3、Al2O3(サファイヤも含む)、ZnO、ペロブスカイト系セラミックス(CaTiO3、BaTiO3)等の結晶性材料が挙げられる。また、前述の結晶性材料以外に非晶質のガラス等を基材110の材料としてもよい。また、基材110の材料として、アルミニウム、アルミニウム合金(ジュラルミン)、チタン等の金属を用いてもよい。金属を用いる場合、金属製の基材110上に絶縁膜が設けられる。
Examples of materials other than resin for the
抵抗体130は、基材110の上側に所定のパターンで形成された薄膜である。第1ひずみゲージ100Aにおいて、抵抗体130は、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部である。抵抗体130は、基材110の上面110aに直接形成されてもよいし、基材110の上面110aに他の層を介して形成されてもよい。
The
抵抗体130は、複数の細長状部が長手方向を同一方向(図9のA-A線の方向)に向けて所定間隔で配置され、隣接する細長状部の端部が互い違いに連結されて、全体としてジグザグに折り返す構造である。すなわち、抵抗体130は、並置された複数の細長状部と、隣接する細長状部の端部同士を接続する折り返し部分とを含む。複数の細長状部の長手方向がグリッド方向となり、グリッド方向と垂直な方向がグリッド幅方向(図9のA-A線と垂直な方向)となる。
The
グリッド幅方向の最も外側に位置する2つの細長状部の長手方向の一端部は、グリッド幅方向に屈曲し、抵抗体130のグリッド幅方向の各々の終端130e1及び130e2を形成する。抵抗体130のグリッド幅方向の各々の終端130e1及び130e2は、配線140を介して、電極150と電気的に接続されている。言い換えれば、配線140は、抵抗体130のグリッド幅方向の各々の終端130e1及び130e2と各々の電極150とを電気的に接続している。
One end in the longitudinal direction of the two elongated portions located at the outermost sides in the grid width direction is bent in the grid width direction to form respective ends 130e1 and 130e2 in the grid width direction of the
また、抵抗体130は、例えば、Cr(クロム)を含む材料、Ni(ニッケル)を含む材料、又はCrとNiの両方を含む材料から形成できる。すなわち、抵抗体130は、CrとNiの少なくとも一方を含む材料から形成できる。Crを含む材料としては、例えば、Cr混相膜が挙げられる。Niを含む材料としては、例えば、Cu-Ni(銅ニッケル)が挙げられる。CrとNiの両方を含む材料としては、例えば、Ni-Cr(ニッケルクロム)が挙げられる。
The
ここで、Cr混相膜とは、Cr、CrN、Cr2N等が混相した膜である。Cr混相膜は、酸化クロム等の不可避不純物を含んでもよい。 Here, the Cr mixed phase film is a film in which Cr, CrN, Cr 2 N, etc. are mixed together. The Cr mixed phase film may contain inevitable impurities such as chromium oxide.
抵抗体130の厚さは、特に限定されず、第1ひずみゲージ100Aの使用目的等に応じて適宜決定されてよい。例えば、抵抗体130の厚さは0.05μm~2μm程度であってよい。特に、抵抗体130の厚さが0.1μm以上であると、抵抗体130を構成する結晶の結晶性(例えば、α-Crの結晶性)が向上する。また、抵抗体130の厚さが1μm以下である場合、抵抗体130を構成する膜の内部応力に起因する、(i)膜のクラック及び(ii)膜の基材110からの反りが、低減される。細長状部31の幅は、抵抗値や横感度等の要求仕様に対して最適化し、かつ破断対策も考慮して、例えば、10μm~100μm程度とすることができる。
The thickness of the
例えば、抵抗体130がCr混相膜である場合、安定な結晶相であるα-Cr(アルファクロム)を主成分とすることで、ゲージ特性の安定性を向上させることができる。また例えば、抵抗体130がCr混相膜である場合、抵抗体130がα-Crを主成分とすることで、第1ひずみゲージ100Aのゲージ率を10以上、かつゲージ率温度係数TCS及び抵抗温度係数TCRを-1000ppm/℃~+1000ppm/℃の範囲内とすることができる。ここで、「主成分」とは、抵抗体130を構成する全物質の50重量%以上を占める成分のことを意味する。ゲージ特性を向上させるという観点から考えると、抵抗体130はα-Crを80重量%以上含むことが好ましい。更に言えば、同観点から考えると、抵抗体130はα-Crを90重量%以上含むことがより好ましい。なお、α-Crは、bcc構造(体心立方格子構造)のCrである。
For example, when the
また、抵抗体130がCr混相膜である場合、Cr混相膜に含まれるCrN及びCr2Nは20重量%以下であることが好ましい。Cr混相膜に含まれるCrN及びCr2Nが20重量%以下であることで、ゲージ率の低下を抑制できる。
Furthermore, when the
また、Cr混相膜におけるCrNとCr2Nとの比率は、CrNとCr2Nの重量の合計に対し、Cr2Nの割合が80重量%以上90重量%未満となるようにすることが好ましい。更に言えば、同比率は、CrNとCr2Nの重量の合計に対し、Cr2Nの割合が90重量%以上95重量%未満となるようにすることがより好ましい。Cr2Nは半導体的な性質を有する。そのため、前述のCr2Nの割合を90重量%以上95重量%未満とすることで、TCRの低下(負のTCR)が一層顕著となる。更に、前述のCr2Nの割合を90重量%以上95重量%未満とすることで抵抗体130のセラミックス化を低減し、抵抗体130の脆性破壊が起こりにくくすることができる。
In addition, the ratio of CrN and Cr 2 N in the Cr mixed phase film is preferably such that the ratio of Cr 2 N is 80% by weight or more and less than 90% by weight with respect to the total weight of CrN and Cr 2 N. More specifically, it is more preferable that the ratio of Cr 2 N is 90% by weight or more and less than 95% by weight with respect to the total weight of CrN and Cr 2 N. Cr 2 N has a semiconductor property. Therefore, by setting the ratio of Cr 2 N to 90% by weight or more and less than 95% by weight, the decrease in TCR (negative TCR) becomes more significant. Furthermore, by setting the ratio of Cr 2 N to 90% by weight or more and less than 95% by weight, the ceramicization of the
一方で、CrNは化学的に安定であるという利点を有する。Cr混相膜にCrNをより多く含むことで、不安定なNが発生する可能性を低減することができるため、安定なひずみゲージを得ることができる。ここで「不安定なN」とは、Cr混相膜の膜中に存在し得る、微量のN2もしくは原子状のNのことを意味する。これらの不安定なNは、外的環境(例えば高温環境)によっては膜外へ抜け出ることがある。不安定なNが膜外へ抜け出るときに、Cr混相膜の膜応力が変化し得る。 On the other hand, CrN has the advantage of being chemically stable. By including more CrN in the Cr mixed-phase film, the possibility of unstable N being generated can be reduced, and a stable strain gauge can be obtained. Here, "unstable N" means a trace amount of N2 or atomic N that may be present in the Cr mixed-phase film. These unstable N may escape to the outside of the film depending on the external environment (e.g., high temperature environment). When unstable N escapes to the outside of the film, the film stress of the Cr mixed-phase film may change.
第1ひずみゲージ100Aにおいて、抵抗体130の材料としてCr混相膜を用いた場合、高感度化かつ、小型化を実現することができる。例えば、従来のひずみゲージの出力が0.04mV/2V程度であったのに対して、抵抗体130の材料としてCr混相膜を用いた場合は0.3mV/2V以上の出力を得ることができる。また、従来のひずみゲージの大きさ(ゲージ長×ゲージ幅)が3mm×3mm程度であったのに対して、抵抗体130の材料としてCr混相膜を用いた場合のひずみゲージの大きさ(ゲージ長Lg×ゲージ幅Wg)は0.3mm×0.3mm程度に小型化することができる。
In the
なお、図9に示すゲージ長Lg×ゲージ幅Wgで決まる領域が、図6に示した受感領域130Rである。図6において、第1ひずみゲージ100A及び第2ひずみゲージ100Bは、グリッド方向を第1仮想直線V1と平行な方向に向けて配置されていることが好ましい。また、第3ひずみゲージ100C及び第4ひずみゲージ100Dは、グリッド方向を第2仮想直線V2と平行な方向に向けて配置されていることが好ましい。
The area determined by the gauge length Lg × gauge width Wg shown in FIG. 9 is the
第1ひずみゲージ100A及び第2ひずみゲージ100Bのグリッド方向を第1仮想直線V1と平行な方向に向けて配置し、第3ひずみゲージ100C及び第4ひずみゲージ100Dのグリッド方向を第2仮想直線V2と平行な方向に向けて配置することで、起歪体40の径方向のひずみを効果的に検出することができる。
By arranging the grid directions of the
また、突起部24a及び24cの幅は、第1ひずみゲージ100A及び第2ひずみゲージ100Bのゲージ幅Wgと等しいことが好ましい。これにより、起歪体40の周方向のひずみを効果的に減らしつつ、径方向のひずみを増やすことができる。すなわち、起歪体40が変形した際に、第1ひずみゲージ100A及び第2ひずみゲージ100Bの受感領域に大きなひずみを生じさせることができる。ここで、突起部24a及び24cの幅が第1ひずみゲージ100A及び第2ひずみゲージ100Bのゲージ幅Wgと等しいとは、突起部24a及び24cの幅が第1ひずみゲージ100A及び第2ひずみゲージ100Bのゲージ幅Wgに対して±10%の範囲を含むものとする。
The width of the
配線140は、基材110上に設けられている。配線140は、一端側が抵抗体130の両端に電気的に接続されており、他端側が電極150と電気的に接続されている。配線140は、直線状には限定されず、任意のパターンとすることができる。また、配線140は、任意の幅及び任意の長さとすることができる。
The
電極150は、基材110上に設けられている。電極150は、配線140を介して抵抗体130と電気的に接続されている。電極150は、平面視において、配線140よりも拡幅して略矩形状に形成されている。電極150は、ひずみにより生じる抵抗体130の抵抗値の変化を外部に出力するための一対の電極である。電極150には、例えば外部接続用のリード線等が接合される。
The
カバー層160は、基材110上に形成され、抵抗体130及び配線140を被覆し電極150を露出する。配線140の一部は、カバー層160から露出してもよい。抵抗体130及び配線140を被覆するカバー層160を設けることで、抵抗体130及び配線140に機械的な損傷等が生じることを防止できる。また、カバー層160を設けることで、抵抗体130及び配線140を湿気等から保護できる。なお、カバー層160は、電極150を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。
The
カバー層160は、必要に応じ、基材110の上面110aに、抵抗体130及び配線140を被覆し電極150を露出するように設けられる。カバー層160の材料としては、例えば、PI樹脂、エポキシ樹脂、PEEK樹脂、PEN樹脂、PET樹脂、PPS樹脂、複合樹脂(例えば、シリコーン樹脂、ポリオレフィン樹脂)等の絶縁樹脂が挙げられる。なお、カバー層160は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層160の厚さは、特に制限されず、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、カバー層160の厚さは2μm~30μm程度とすることができる。カバー層160を設けることで、抵抗体130に機械的な損傷等が生じることを抑制することができる。また、カバー層160を設けることで、抵抗体130を湿気等から保護することができる。
The
また、第1ひずみゲージ100Aは、ゲージ特性を安定化する観点から、下地層として、基材110の上面110aに、例えば、コンベンショナルスパッタ法により所定の膜厚で成膜された機能層120を含んでもよい。
In order to stabilize the gauge characteristics, the
本願において、機能層120とは、少なくとも上層である抵抗体130の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層120は、更に、基材110に含まれる酸素や水分による抵抗体130の酸化を防止する機能や、基材110と抵抗体130との密着性を向上する機能を備えていることが好ましい。機能層120は、更に、他の機能を備えていてもよい。
In this application, the
基材110を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むため、特に抵抗体130がCrを含む場合、Crは自己酸化膜を形成するため、機能層120が抵抗体130の酸化を防止する機能を備えることは有効である。
The insulating resin film that constitutes the
機能層120の材料は、少なくとも上層である抵抗体130の結晶成長を促進する機能を有する材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、Cr(クロム)、Ti(チタン)、V(バナジウム)、Nb(ニオブ)、Ta(タンタル)、Ni(ニッケル)、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)、Si(シリコン)、C(炭素)、Zn(亜鉛)、Cu(銅)、Bi(ビスマス)、Fe(鉄)、Mo(モリブデン)、W(タングステン)、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Re(レニウム)、Os(オスミウム)、Ir(イリジウム)、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Ag(銀)、Au(金)、Co(コバルト)、Mn(マンガン)、Al(アルミニウム)からなる群から選択される1種又は複数種の金属、この群の何れかの金属の合金、又は、この群の何れかの金属の化合物が挙げられる。
The material of the
機能層120は、例えば、機能層120を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にAr(アルゴン)ガスを導入したコンベンショナルスパッタ法により真空成膜できる。コンベンショナルスパッタ法を用いることにより、基材110の上面110aをArでエッチングしながら機能層120が成膜されるため、機能層120の成膜量を最小限にして密着性改善効果を得ることができる。
The
ただし、これは、機能層120の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層120を成膜してもよい。例えば、機能層120の成膜の前にAr等を用いたプラズマ処理等により基材110の上面110aを活性化することで密着性改善効果を獲得し、その後マグネトロンスパッタ法により機能層120を真空成膜する方法を用いてもよい。
However, this is just one example of a method for forming the
なお、抵抗体130、配線140、及び電極150の下地層として基材110の上面110aに機能層120を設けた場合には、第1ひずみゲージ100Aは図11に示す断面形状となる。機能層120を設けた場合の第1ひずみゲージ100Aの平面形状は、例えば、図9の抵抗体130、配線140、及び電極150と同様となる。ただし、前述のように、機能層120は、基材110の上面110aの一部又は全部にベタ状に形成される場合もある。
When a
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments have been described above in detail, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the claims.
例えば、上記の実施形態では、起歪体に第1ひずみゲージ、第2ひずみゲージ、第3ひずみゲージ、及び第4ひずみゲージを設ける例を示した。しかし、起歪体に第1ひずみゲージ及び第2ひずみゲージのみを設けてもよい。この場合は、ハーフブリッジにより、起歪体のひずみを検出することができる。 For example, in the above embodiment, an example was shown in which the first strain gauge, the second strain gauge, the third strain gauge, and the fourth strain gauge were provided on the strain body. However, only the first strain gauge and the second strain gauge may be provided on the strain body. In this case, the strain of the strain body can be detected by the half bridge.
また、上記の実施形態では、各ひずみゲージの受感部に抵抗体を用いたが、これには限定されない。例えば、受感部として、抵抗体の代わりに磁性体を用いてもよい。この場合、各ひずみゲージは、起歪体に生じるひずみによって生じる磁気変化を検出して出力する。 In addition, in the above embodiment, a resistor is used as the sensing part of each strain gauge, but this is not limited to this. For example, a magnetic material may be used as the sensing part instead of a resistor. In this case, each strain gauge detects and outputs magnetic changes caused by strain occurring in the strain body.
1 脈波センサ、10 筐体、20 側壁部、20x ネジ穴、21 外周突起部、22 起歪体固定面、23 環状部、24a,24b,24c,24d 突起部、30 蓋部、30x 凹部、40 起歪体、40m 第1面、40n 第2面、45 負荷部、50 ネジ、100A 第1ひずみゲージ、100B 第2ひずみゲージ、100C 第3ひずみゲージ、100D 第4ひずみゲージ、110 基材、110a 上面、130 抵抗体、130R 受感領域、140 配線、150 電極、160 カバー層、130e1、130e2 終端 1 Pulse wave sensor, 10 Housing, 20 Side wall portion, 20x Screw hole, 21 Outer peripheral protrusion portion, 22 Strain body fixing surface, 23 Annular portion, 24a, 24b, 24c, 24d Protrusion portion, 30 Lid portion, 30x Recessed portion, 40 Strain body, 40m First surface, 40n Second surface, 45 Load portion, 50 Screw, 100A First strain gauge, 100B Second strain gauge, 100C Third strain gauge, 100D Fourth strain gauge, 110 Base material, 110a Top surface, 130 Resistor, 130R Sensing area, 140 Wiring, 150 Electrode, 160 Cover layer, 130e 1 , 130e 2 Termination
Claims (11)
前記側壁部の一端に設けられた起歪体固定面に第1面の外周部を固定された、開口部を有していない起歪体と、
前記第1面において前記外周部よりも中心側に設けられた、各々が受感部を備えた複数のひずみゲージと、を有し、
前記起歪体固定面は、環状部と、前記環状部の内縁から前記第1面の中心側に突起し、前記第1面の中心を挟んで互いに対向する2つの突起部と、を含み、
複数の前記ひずみゲージは、前記第1面の中心を通ると共に2つの前記突起部の対向する辺同士を結ぶ最短の直線である第1仮想直線の上に位置し、かつ前記第1面の中心よりも前記突起部に近い側に前記第1面の中心を挟んで互いに対向して配置された第1ひずみゲージ及び第2ひずみゲージを含み、
前記起歪体の変形に伴なう前記複数のひずみゲージの前記受感部の出力の変化に基づいて脈波を検出する、脈波センサ。 A housing having a cylindrical side wall portion;
a strain body having no opening, the outer periphery of a first surface being fixed to a strain body fixing surface provided at one end of the side wall portion;
a plurality of strain gauges each having a sensing portion, the strain gauges being provided on the first surface closer to the center than the outer circumferential portion;
the strain-generating body fixing surface includes an annular portion and two protruding portions that protrude from an inner edge of the annular portion toward a center of the first surface and face each other across the center of the first surface,
the plurality of strain gauges include a first strain gauge and a second strain gauge that are located on a first virtual line that passes through a center of the first surface and is the shortest line connecting opposing sides of the two protrusions, and are disposed opposite each other across the center of the first surface on a side closer to the protrusions than the center of the first surface,
A pulse wave sensor that detects a pulse wave based on a change in output of the sensing parts of the plurality of strain gauges that accompanies deformation of the strain body.
前記第3ひずみゲージ及び前記第4ひずみゲージは、前記第1ひずみゲージ及び前記第2ひずみゲージよりも前記第1面の中心に近い側で前記第1面の中心を挟んで互いに対向して配置されている、請求項1に記載の脈波センサ。 the plurality of strain gauges include a third strain gauge and a fourth strain gauge positioned on a second imaginary line that passes through a center of the first surface and is perpendicular to the first imaginary line;
2. The pulse wave sensor according to claim 1, wherein the third strain gauge and the fourth strain gauge are arranged opposite each other across the center of the first surface on a side closer to the center of the first surface than the first strain gauge and the second strain gauge.
2つの前記第2突起部は、前記第2仮想直線の上に位置する、請求項2に記載の脈波センサ。 the strain-generating body fixing surface includes two second protruding portions that protrude from an inner periphery of the annular portion toward a center of the first surface and face each other across the center of the first surface,
The pulse wave sensor according to claim 2 , wherein the two second protrusions are located on the second imaginary line.
2つの前記第2突起部と、2つの前記突起部は、全て突起量が等しい、請求項3に記載の脈波センサ。 The two second protrusions and the two protrusions all have the same width,
The pulse wave sensor according to claim 3 , wherein the two second protrusions and the two protrusions have an equal protrusion amount.
前記突起部の幅は、ゲージ幅と等しい、請求項9に記載の脈波センサ。 The resistors of the first strain gauge and the second strain gauge are arranged such that a grid direction is parallel to the first virtual line,
The pulse wave sensor of claim 9 , wherein the width of the protrusion is equal to the gauge width.
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