(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板、入力用すだれ状電極、第１出力用すだれ状電極、第２出力用すだれ状電極および信号分析手段から成り、測定対象となる第１の物体中に埋設され前記第１の物体とは音響インピーダンスが異なる第２の物体を測定対象物体としてその振動変位を検出する超音波振動変位センサであって、前記入力用すだれ状電極と、前記第１および第２出力用すだれ状電極は、前記圧電基板の一方の端面に設けられており、前記圧電基板のもう一方の端面は、前記第１の物体に接触され、前記入力用すだれ状電極は、入力電気信号を印加されることにより前記圧電基板に弾性波を励振し、前記弾性波のうちの漏洩成分を前記第１の物体中に縦波として照射し、前記縦波を前記第２の物体で反射させる機能を有し、前記第１出力用すだれ状電極は、反射された前記縦波を第１遅延電気信号に変換する機能を有し、前記第２出力用すだれ状電極は、前記弾性波のうちの非漏洩成分を第２遅延電気信号として検出する機能を有し、前記信号分析手段は、前記第２の物体の振動変位を前記第１遅延電気信号と前記第２遅延電気信号との差から感知する機能を有する超音波振動変位センサ。
【請求項２】
前記第１の物体が細胞質で成り、前記第２の物体が血管で成る請求項１に記載の超音波振動変位センサ。
【請求項３】
前記入力用すだれ状電極および前記第２出力用すだれ状電極の間に増幅器が設けられ、前記増幅器は前記第２遅延電気信号を増幅し、前記入力用すだれ状電極、前記第２出力用すだれ状電極および前記増幅器は遅延線発振器を構成する請求項１または２に記載の超音波振動変位センサ。
【請求項４】
前記入力用すだれ状電極および前記第１出力用すだれ状電極の間に増幅器が設けられ、前記増幅器は前記第１遅延電気信号を増幅し、前記入力用すだれ状電極、前記第１出力用すだれ状電極および前記増幅器は遅延線発振器を構成する請求項１または２に記載の超音波振動変位センサ。
【請求項５】
前記信号分析手段が位相比較器で成り、前記位相比較器は前記第１遅延電気信号の位相および前記第２遅延電気信号の位相を比較し、前記第２の物体の前記振動変位を前記第１遅延電気信号と前記第２遅延電気信号との位相差から感知する請求項１，２，３または４に記載の超音波振動変位センサ。
【請求項６】
前記入力用すだれ状電極と、前記第１および第２出力用すだれ状電極は、それぞれが円弧状を成すとともに互いに同心を有する位置関係を形成する請求項１，２，３，４または５に記載の超音波振動変位センサ。
【請求項７】
前記圧電基板が圧電セラミック薄板で成り、前記圧電セラミック薄板の分極軸の方向がその厚さ方向と平行である請求項１，２，３，４，５または６に記載の超音波振動変位センサ。
【請求項８】
前記圧電基板が圧電性高分子薄板で成る請求項１，２，３，４，５または６に記載の超音波振動変位センサ。
【請求項９】
前記圧電基板が圧電セラミック薄板とアクリル薄板との２層体で成る請求項１，２，３，４，５または６に記載の超音波振動変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１の物体中に埋設され第１の物体とは音響インピーダンスが異なる第２の物体の振動変位を感知する超音波振動変位センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
振動変位を検出する従来のセンサには、接触型と非接触型がある。微小変位測定用の電気マイクロメータやデジタルゲージ、回転軸測定用のロータリエンコーダ、長変位測定用のリニアスケールなどは接触型センサに属する。ロータリエンコーダは回転する被測定物の回転数や回転速度を制御するために用いられ、電気マイクロメータ、デジタルゲージおよびロータリエンコーダは被測定物の長さの基準用などとして用いられている。これらの接触型センサは測定精度、応答時間などに問題を有する。レーザ型センサや電気音響型センサなどは非接触型センサに属する。レーザ型センサは、レーザ光自身のゆらぎによる光路長の増大による測定精度の悪化、装置の規模の小型化が困難であること、測定方法の複雑さなどの問題点を有している。電気音響型センサは変位の測定範囲の狭さや測定精度にも問題点を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、小型軽量でしかも簡便なデバイス構成を実現でき、検出感度が高く、高速応答に優れ、低消費電力駆動が可能な超音波振動変位センサを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の超音波振動変位センサは、圧電基板、入力用すだれ状電極、第１出力用すだれ状電極、第２出力用すだれ状電極および信号分析手段から成る超音波振動変位センサであって、前記入力用すだれ状電極と、前記第１および第２出力用すだれ状電極は、前記圧電基板の一方の端面に設けられており、前記入力用すだれ状電極は、入力電気信号を印加されることにより前記圧電基板に弾性波を励振し、前記弾性波のうちの漏洩成分を前記圧電基板のもう一方の端面に接触する第１の物体中に縦波として照射し、前記第１の物体中に埋設され前記第１の物体とは音響インピーダンスが異なる第２の物体で前記縦波を反射させ、前記第１出力用すだれ状電極は、反射された前記縦波を第１遅延電気信号に変換し、前記第２出力用すだれ状電極は、前記弾性波のうちの非漏洩成分を第２遅延電気信号として検出し、前記信号分析手段は、前記第２の物体の振動変位を前記第１遅延電気信号と前記第２遅延電気信号との差から感知する。
【０００５】
請求項２に記載の超音波振動変位センサは、前記第１の物体が細胞質で成り、前記第２の物体が血管で成る。
【０００６】
請求項３に記載の超音波振動変位センサは、前記入力用すだれ状電極および前記第２出力用すだれ状電極の間に増幅器が設けられ、前記増幅器は前記第２遅延電気信号を増幅し、前記入力用すだれ状電極、前記第２出力用すだれ状電極および前記増幅器は遅延線発振器を構成する。
【０００７】
請求項４に記載の超音波振動変位センサは、前記入力用すだれ状電極および前記第１出力用すだれ状電極の間に増幅器が設けられ、前記増幅器は前記第１遅延電気信号を増幅し、前記入力用すだれ状電極、前記第１出力用すだれ状電極および前記増幅器は遅延線発振器を構成する。
【０００８】
請求項５に記載の超音波振動変位センサは、前記信号分析手段が位相比較器で成り、前記位相比較器は前記第１遅延電気信号の位相および前記第２遅延電気信号の位相を比較し、前記第２の物体の前記振動変位を前記第１遅延電気信号と前記第２遅延電気信号との位相差から感知する。
【０００９】
請求項６に記載の超音波振動変位センサは、前記入力用すだれ状電極と、前記第１および第２出力用すだれ状電極のそれぞれが円弧状を成すとともに互いに同心を有する位置関係を形成する。
【００１０】
請求項７に記載の超音波振動変位センサは、前記圧電基板が圧電セラミック薄板で成り、前記圧電セラミック薄板の分極軸の方向がその厚さ方向と平行である。
【００１１】
請求項８に記載の超音波振動変位センサは、前記圧電基板が圧電性高分子薄板で成る。
【００１２】
請求項９に記載の超音波振動変位センサは、前記圧電基板が圧電セラミック薄板とアクリル薄板との２層体で成る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波振動変位センサは、圧電基板、入力用すだれ状電極、第１出力用すだれ状電極、第２出力用すだれ状電極および信号分析手段から成る簡単な構造を有する。入力用すだれ状電極と、第１および第２出力用すだれ状電極は、圧電基板の一方の端面に設けられている。もしも、入力用すだれ状電極に入力電気信号が印加されると、圧電基板に弾性波が励振される。この弾性波のうちの漏洩成分は、圧電基板のもう一方の端面に接触する第１の物体中に縦波として照射され、その縦波は、第１の物体中に埋設され第１の物体とは異なる音響インピーダンスを有する第２の物体で反射され、第１出力用すだれ状電極によって第１遅延電気信号として検出される。弾性波のうちの非漏洩成分は、第２出力用すだれ状電極によって第２遅延電気信号として検出される。信号分析手段は、第２の物体の振動変位を第１遅延電気信号と第２遅延電気信号との差から感知する。
【００１４】
本発明の超音波振動変位センサでは、第１の物体が細胞質で成り、第２の物体が血管で成る構造が可能である。このようにして、細胞質中にある血管の振動変位、つまり人の脈拍を測定することが可能となる。
【００１５】
本発明の超音波振動変位センサでは、入力用すだれ状電極および第２出力用すだれ状電極の間に増幅器を備えた構造が可能である。このとき、第２遅延電気信号は増幅器によって増幅された後、入力用すだれ状電極に再び印加される。このようにして、入力用すだれ状電極、第２出力用すだれ状電極および増幅器は遅延線発振器を構成する。従って、デバイスの小型軽量化が促進され、低消費電力駆動が可能となる。
【００１６】
本発明の超音波振動変位センサでは、入力用すだれ状電極および第１出力用すだれ状電極の間に増幅器を備えた構造が可能である。このとき、第１遅延電気信号は増幅器によって増幅された後、入力用すだれ状電極に再び印加される。このようにして、入力用すだれ状電極、第１出力用すだれ状電極および増幅器は遅延線発振器を構成する。従って、デバイスの小型軽量化が促進され、低消費電力駆動が可能となる。
【００１７】
本発明の超音波振動変位センサでは、信号分析手段が位相比較器で成る構造が可能である。位相比較器は第１遅延電気信号の位相および第２遅延電気信号の位相を比較し、第２の物体の振動変位を第１遅延電気信号と第２遅延電気信号との位相差から感知する。このようにして、高感度なデバイスを提供することができる。
【００１８】
本発明の超音波振動変位センサでは、入力用すだれ状電極と、前記第１および第２出力用すだれ状電極が、それぞれ円弧状を成すとともに互いに同心を有する構造が可能である。このような構造を採用することにより、圧電基板に励振された弾性波のうちの漏洩成分が効率よく第１の物体中に縦波としてモード変換されるばかりでなく、第２の物体によって反射された縦波が第１出力用すだれ状電極によって効率よく第１遅延電気信号に変換される。従って、第２の物体の振動変位の検出感度を向上させることが可能となる。
【００１９】
本発明の超音波振動変位センサでは、圧電基板が圧電セラミック薄板で成り、その分極軸の方向が厚さ方向と平行である構造、または圧電基板が圧電性高分子薄板で成る構造が可能である。このような構造を採用することにより、第２の物体の振動変位の検出感度を向上させることが可能となるばかりでなく、装置の小型軽量化を促進することができる。
【００２０】
本発明の超音波振動変位センサでは、圧電基板が圧電セラミック薄板とアクリル薄板との２層体で成る構造が可能である。このような層状構造基板の採用により、機械的強度を高めることが可能となる。また、アクリル薄板の使用は液体層との音響結合のための整合性において好都合である。
【００２１】
【実施例】
図１は本発明の超音波振動変位センサの第１の実施例を示す構成図である。本実施例は圧電基板１、入力用すだれ状電極２、第１出力用すだれ状電極３、第２出力用すだれ状電極４、信号分析手段５、位相偏移器６および信号発生器７から成る。圧電基板１は圧電セラミック薄板で成る。本実施例では圧電基板１として圧電セラミック薄板が用いられているが、圧電性高分子薄板を用いたり、あるいは圧電セラミック薄板とアクリル薄板から成る２層構造基板を用いることも可能である。入力用すだれ状電極２、第１出力用すだれ状電極３および第２出力用すだれ状電極４は、それぞれが円弧状を成し、アルミニウム薄膜で成り、圧電基板１の一方の端面上に設けられている。信号分析手段５は位相比較器で成る。図１の超音波振動変位センサを用いて、もしも、第１の物体中にあり第１の物体とは音響インピーダンスが異なる第２の物体の振動変位を測定する場合、第１の物体を圧電基板１のもう一方の端面に接触させる必要がある。たとえば人の脈拍を測定する場合、すなわち、細胞質中にある血管の振動変位を測定する場合には、人の手首の内側に圧電基板１のもう一方の端面を接触させる。このとき、手首の内側の皮膚に予めジェル溶液を塗っておき、皮膚と圧電基板１との間に空間ができないようにするとよい。このようにして、図１の超音波振動変位センサは小型軽量で構造も簡単である。
【００２２】
図２は圧電基板１、入力用すだれ状電極２、第１出力用すだれ状電極３および第２出力用すだれ状電極４で成るデバイスを上方から見たときの平面図である。入力用すだれ状電極２と第１出力用すだれ状電極３の離間距離は６ｍｍで、開口角は４５°である。入力用すだれ状電極２、第１出力用すだれ状電極３および第２出力用すだれ状電極４はともに５対の電極指を有し、電極周期長は３４０μｍで、それらは互いに同心を有するように配置されている。
【００２３】
図１の超音波振動変位センサにおいて、入力用すだれ状電極２の電極周期長に対応する中心周波数にほぼ等しい周波数の入力電気信号が信号発生器７から入力用すだれ状電極２に印加されると、圧電基板１に弾性波が励振される。この弾性波は入力用すだれ状電極２の電極周期長にほぼ対応する波長を有しており、この弾性波のうちの漏洩成分が、圧電基板１と接触する第１の物体中に縦波として伝搬される。つまり、第１の物体中において漏洩弾性波から縦波へのモード変換が起こる。この縦波は第２の物体によって反射され、反射された縦波は、第１出力用すだれ状電極３によって第１出力用すだれ状電極３の電極周期長にほぼ対応する周波数を有する第１遅延電気信号として検出される。一方、弾性波の非漏洩成分は第２出力用すだれ状電極４において第２遅延電気信号として検出される。第１遅延電気信号の位相と第２遅延電気信号の位相は信号分析手段５において比較される。この場合、第１遅延電気信号の位相は、振動変位が検出されないときには、第２遅延電気信号の位相と一致するように位相偏移器６によって予め調整されている。
【００２４】
図３は細胞質中を伝搬する縦波の伝搬路を矢印で示した図である。血管の連続的な伸縮は細胞質中の縦波の伝搬路長の変化をもたらす。この伝搬路長の変化は第１遅延電気信号と第２遅延電気信号との位相差をもたらすことから、この位相差によって第２の物体の振動変位が高感度で検出される。また、このような位相比較による振動変位検出システムは温度変化による影響の軽減にも対応しうる。
【００２５】
図４は圧電基板１に励振される２つのモードの弾性波の位相速度と、弾性波の周波数ｆおよび圧電基板１の厚さｄの積ｆｄとの関係を示す特性図である。圧電基板１中を伝搬する横波の速度は２，４５０ｍ/ｓであり、縦波の速度は４，３９０ｍ/ｓである。
【００２６】
図５は液体中への縦波放射の実効変換効率ηと、ｆｄ値との関係を示す特性図である。Ｓ0モードにおいては１．５ＭＨｚ・ｍｍ近傍で最も高いピークがみられることが分かる。
【００２７】
図６は図２のデバイスの代わりに用いられる別のデバイスを上方から見たときの平面図である。図６のデバイスは圧電基板１、入力用すだれ状電極８、第１出力用すだれ状電極９および第２出力用すだれ状電極１０で成り、図２のデバイスと同様な機能を果たす。
【００２８】
図７は本発明の超音波振動変位センサの第２の実施例を示す構成図である。本実施例は圧電基板１、入力用すだれ状電極２、第１出力用すだれ状電極３、第２出力用すだれ状電極４、信号分析手段５、位相偏移器６および増幅器１１から成る。増幅器１１は入力用すだれ状電極２および第２出力用すだれ状電極４の間に接続されている。
【００２９】
図７の超音波振動変位センサにおいて、入力用すだれ状電極２に入力電気信号が印加されると、圧電基板１に弾性波が励振される。この弾性波のうちの漏洩成分が第１の物体中に縦波として伝搬され、この縦波は第２の物体によって反射され、反射された縦波は、第１出力用すだれ状電極３によって第１遅延電気信号として検出される。一方、弾性波の非漏洩成分は第２出力用すだれ状電極４において第２遅延電気信号として検出される。第２遅延電気信号の一部は増幅器１１によって増幅された後、入力電気信号として再び入力用すだれ状電極２に印加される。このようにして、入力用すだれ状電極２、第２出力用すだれ状電極４および増幅器１１は帰還型の遅延線発振器を構成する。第２遅延電気信号の残部は信号分析手段５に伝えられる。信号分析手段５では第１遅延電気信号の位相と第２遅延電気信号の位相が比較される。このとき、第１遅延電気信号の位相は、振動変位が検出されないときには、第２遅延電気信号の位相と一致するように位相偏移器６によって予め調整されている。もしも第２の物体が振動すると、信号分析手段５において第１遅延電気信号と第２遅延電気信号の位相差が検出される。このようにして、小型軽量で、低消費電力駆動が可能で、感度が良好な超音波振動変位センサが可能となる。
【００３０】
図８は本発明の超音波振動変位センサの第３の実施例を示す構成図である。本実施例は増幅器１１の接続位置を除いて図７の超音波振動変位センサと同様な構造を有する。図８において、増幅器１１は入力用すだれ状電極２および第１出力用すだれ状電極３の間に接続されている。図８の超音波振動変位センサにおいては、第１出力用すだれ状電極３で検出された第１遅延電気信号の一部は、増幅器１１によって増幅された後、入力電気信号として再び入力用すだれ状電極２に印加される。このようにして、入力用すだれ状電極２、第１出力用すだれ状電極３および増幅器１１は帰還型の遅延線発振器を構成する。もしも第２の物体が振動すると、信号分析手段５において第１遅延電気信号と第２遅延電気信号の位相差が検出される。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の超音波振動変位センサにおいて、もしも入力用すだれ状電極に入力電気信号が印加されると、圧電基板に弾性波が励振される。この弾性波のうちの漏洩成分は圧電基板と接触する第１の物体中に縦波として照射され、この縦波は第１の物体中に埋設され第１の物体とは音響インピーダンスが異なる第２の物体によって反射され、第１出力用すだれ状電極によって第１遅延電気信号として検出される。弾性波のうちの非漏洩成分は、第２出力用すだれ状電極によって第２遅延電気信号として検出される。もしも第２の物体が振動すると、振動変位が信号分析手段において第１遅延電気信号と第２遅延電気信号の差として感知される。信号分析手段が位相比較器で成る場合には、第１遅延電気信号と第２遅延電気信号の位相差として感知されることから、高感度なデバイスを提供することが可能となる。また、本発明の超音波振動変位センサでは、第１の物体が細胞質で成り、第２の物体が血管で成る構造、すなわち、生体への応用が可能である。このようにして、細胞質中にある血管の振動変位、つまり人の脈拍を測定することができる。
【００３２】
本発明の超音波振動変位センサでは、入力用すだれ状電極および第２出力用すだれ状電極の間、または入力用すだれ状電極および第１出力用すだれ状電極の間に増幅器を備えた構造が可能である。このような構造は遅延線発振器の構成を可能にする。従って、デバイスの小型軽量化が促進され、低消費電力駆動が可能となる。
【００３３】
本発明の超音波振動変位センサでは、入力用すだれ状電極と、前記第１および第２出力用すだれ状電極が、それぞれ円弧状を成すとともに互いに同心を有する構造が可能である。このような構造を採用することにより、圧電基板に励振された弾性波のうちの漏洩成分が効率よく第１の物体中に縦波としてモード変換されるばかりでなく、第２の物体によって反射された縦波が第１出力用すだれ状電極によって効率よく第１遅延電気信号に変換される。従って、第２の物体の振動変位の検出感度を向上させることが可能となる。
【００３４】
本発明の超音波振動変位センサでは、圧電基板が圧電セラミック薄板で成り、その分極軸の方向が厚さ方向と平行である構造、圧電基板が圧電性高分子薄板で成る構造または圧電基板が圧電セラミック薄板とアクリル薄板との２層体で成る構造が可能である。このような構造を採用することにより、振動変位の検出感度を向上させることが可能となるばかりでなく、装置の小型軽量化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波振動変位センサの第１の実施例を示す構成図。
【図２】圧電基板１、入力用すだれ状電極２、第１出力用すだれ状電極３および第２出力用すだれ状電極４で成るデバイスを上方から見たときの平面図。
【図３】細胞質中を伝搬する縦波の伝搬路を矢印で示した図。
【図４】圧電基板１に励振される２つのモードの弾性波の位相速度と、弾性波の周波数ｆおよび圧電基板１の厚さｄの積ｆｄとの関係を示す特性図。
【図５】液体中への縦波放射の実効変換効率ηと、ｆｄ値との関係を示す特性図。
【図６】図２のデバイスの代わりに用いられる別のデバイスを上方から見たときの平面図。
【図７】本発明の超音波振動変位センサの第２の実施例を示す構成図。
【図８】本発明の超音波振動変位センサの第３の実施例を示す構成図。
【符号の説明】
１    圧電基板
２    入力用すだれ状電極
３    第１出力用すだれ状電極
４    第２出力用すだれ状電極
５    信号分析手段
６    位相偏移器
７    信号発生器
８    入力用すだれ状電極
９    第１出力用すだれ状電極
１０  第２出力用すだれ状電極
１１  増幅器
【図１】
0004547573.tif 000002
【図２】
0004547573.tif 000003
【図３】
0004547573.tif 000004
【図４】
0004547573.tif 000005
【図５】
0004547573.tif 000006
【図６】
0004547573.tif 000007
【図７】
0004547573.tif 000008
【図８】
0004547573.tif 000009