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1. (WO2018180288) 流体圧力検出装置
Document

明 細 書

発明の名称 流体圧力検出装置

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0005   0006  

課題を解決するための手段

0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015  

発明の効果

0016  

図面の簡単な説明

0017  

発明を実施するための形態

0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053  

符号の説明

0054  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22   23   24   25   26   27   28   29   30   31   32   33   34   35   36   37  

明 細 書

発明の名称 : 流体圧力検出装置

技術分野

[0001]
 本発明は、管内を通過する流体の圧力を検出する流体圧力検出装置に関する。

背景技術

[0002]
 例えば、心臓は、右心房、右心室、左心房、左心室と呼ばれる4つの部分が同時に運動することで、血液を全身に循環させており、生命におけるポンプである。規則正しく一定のリズムで動いていれば正常な「拍動」を刻んでいるということになる。血管や配管などの管の中を通るものについては、「拍動」ではなく「脈動」という言葉を使い、容積式往復運動ポンプの場合に脈動が発生する。脈波形は動脈の内圧波形であり、この内圧波形を体表から圧電セラミックスや圧電高分子樹脂を用いて検出する方法が提案されている。
[0003]
 下記特許文献1は、広帯域センサに関し、絶縁基板と、絶縁基板の表面に搭載された圧電素子と、圧電素子を囲んで取り付けられる筒状部材と、を有し、筒状部材の反絶縁基板側の開口を体表に当接させ、筒状部材内に密閉キャビティを形成し、体表下の血管から伝動される脈波をキャビティ内の空気圧変化として圧電素子で検知する構成を開示する。

先行技術文献

特許文献

[0004]
特許文献1 : 特許第5899308号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0005]
 特許文献1の広帯域センサは、絶縁基板と体表と筒状部材とで形成するキャビティの密閉度によって圧電素子の出力が変動するため、圧力変化の正確性を高めることが困難であった。
[0006]
 本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、管内を通過する流体の圧力変化を管外から正確に検出することの可能な流体圧力検出装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0007]
 本発明のある態様は、流体圧力検出装置である。この流体圧力検出装置は、
 管内を通過する流体の圧力を検出する装置であって、
 基材と、
 前記基材の一方の面に設けられた圧電素子と、
 前記圧電素子の両側において前記基材の前記一方の面を支持する支持体と、を備え、
 前記支持体を介して前記基材の他方の面で前記管を変形させる。
[0008]
 本発明のもう1つの態様は、流体圧力検出装置である。この流体圧力検出装置は、
 管内を通過する流体の圧力を検出する装置であって、
 基材と、
 前記基材の一方の面に設けられた圧電素子と、
 前記圧電素子の両側において前記基材の前記一方の面を支持する支持体と、
 前記支持体を反基材側から押圧して前記基材の他方の面を前記管に向けて押し付ける押圧部材と、を備える。
[0009]
 前記押圧部材は、前記支持体の反基材側から40mmHg以上の圧力をかけてもよい。
[0010]
 前記圧電素子の出力を積分する積分回路を備えてもよい。
[0011]
 前記支持体は、前記圧電素子を囲む第1長方形の少なくとも相互に対向する2辺に沿う部分において前記基材の前記一方の面を支持してもよい。
[0012]
 前記圧電素子は、長辺が前記第1長方形の長辺と略垂直な長方形であってもよい。
[0013]
 前記圧電素子は、前記第1長方形の長手方向に沿って、前記基材の前記一方の面に複数配列されてもよい。
[0014]
 前記基材は、前記第1長方形の長手方向における各圧電素子の両側にスリットを有してもよい。
[0015]
 なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

発明の効果

[0016]
 本発明によれば、管内を通過する流体の圧力変化を管外から正確に検出することの可能な流体圧力検出装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0017]
[図1] 本発明の実施の形態1に係る流体圧力検出装置1の斜視断面図。
[図2] 図1の支持体30の斜視図。
[図3] 流体圧力検出装置1の断面図。
[図4] 流体圧力検出装置1の他の構成例1を示す断面図。
[図5] 流体圧力検出装置1の他の構成例2を示す断面図。
[図6] 比較例に係る流体圧力検出装置の断面図。
[図7] 流体圧力検出装置1の、信号取出しに係る構成まで含めた斜視図。
[図8] 同断面図。
[図9] 流体圧力検出装置1を管7に直接押し付けた状態を示す模式図。
[図10] 流体圧力検出装置1の管7に対する押力を1N,2N,3N,4N,5Nとした各場合における、管7内を流れる流体6の圧力差とセンサ出力の関係を示すグラフ。
[図11] 流体圧力検出装置1の圧電素子20の出力電流を電圧に変換するI-V変換回路(インピーダンス変換回路)の一例を示す回路図。
[図12] 図11に示す回路の出力電圧Vout1の波形と、流体6の圧力を不図示の水圧センサで直接検出した直接検出値Vtの波形と、を示す波形図。
[図13] 流体圧力検出装置1の圧電素子20の出力電流を積分する積分回路の一例を示す回路図。
[図14] 管7内を流れる流体6を最低圧力50mmHg~最高圧力170mmHgで脈動させた場合における、図13に示す回路の出力電圧Vout2と、流体6の圧力を不図示の水圧センサで直接検出した直接検出値Vtと、の相関図。
[図15] 管7内を流れる流体6を最低圧力50mmHg~最高圧力130mmHgで脈動させた場合における、図13に示す回路の出力電圧Vout2と、流体6の圧力を不図示の水圧センサで直接検出した直接検出値Vtと、の相関図。
[図16] 同場合における、図13に示す回路の出力電圧Vout2の波形と、流体6の圧力を不図示の水圧センサで直接検出した直接検出値Vtの波形と、を示す波形図。
[図17] 流体圧力検出装置1を人肌ゲル7aを介して管7に押し付けた状態を示す模式図。
[図18] 人肌ゲル7aを介さずに流体圧力検出装置1を管7に押し付けた場合(図9)、及び人肌ゲル7aを介して流体圧力検出装置1を管7に押し付けた場合(図17)、の各々において、管7内を流れる流体6を最低圧力50mmHg~最高圧力150mmHgで脈動させた場合における、図13に示す回路の出力電圧Vout2の波形図。
[図19] 管7内を流れる流体6を最低圧力50mmHg~最高圧力150mmHgで脈動させた場合における、人肌ゲル7aを介さずに流体圧力検出装置1を管7に押し付けたときの図13に示す回路の出力電圧Vout2と、流体6の圧力を不図示の水圧センサで直接検出した直接検出値Vtと、の相関図。
[図20] 同場合における、人肌ゲル7aを介して流体圧力検出装置1を管7に押し付けたときの図13に示す回路の出力電圧Vout2と、流体6の圧力を不図示の水圧センサで直接検出した直接検出値Vtと、の相関図。
[図21] 流体圧力検出装置1を人体5の表面(皮膚)に押し付け、人体5内の動脈である管7を変形させた状態を示す模式図。
[図22] 図22(A)及び図22(B)は、実施例1~3で用いた測定装置の概略断面図であって、図22(A)は測定前の状態を示す概略断面図、図22(B)は測定中の状態を示す概略断面図。
[図23] 実施例3における測定結果(出力電圧Vout1のピークピーク値Vpp)をまとめた表。
[図24] 図23の表を棒グラフで示した図。
[図25] 実施例3における被験者No.8に対する測定(40mmHg)から得られた、図11のI-V変換回路(インピーダンス変換回路)による出力電圧Vout1、及び図13の積分回路による出力電圧Vout2の波形図。
[図26] 図26(A)及び図26(B)は、本発明の実施の形態2に係る流体圧力検出装置の基材10及び圧電素子20の平面図であり、図26(A)は第1構成例の場合を示す平面図、図26(B)は第2構成例の場合を示す平面図。
[図27] 図27(A)~図27(C)は、実施の形態2における支持体30の斜視図であり、図27(A)は全辺支持型の斜視図、図27(B)は長辺支持型(短辺抜き)の斜視図、図27(C)は短辺支持型(長辺抜き)の斜視図。
[図28] 実施の形態2の流体圧力検出装置の規格化感度(mV/mmHg)を、比較例に係る流体圧力検出装置の規格化感度と比較した棒グラフ。
[図29] 実施の形態2の流体圧力検出装置と比較例に係る流体圧力検出装置の各々における、管7に対する位置ずれと感度変化率との関係を示すグラフ。
[図30] 実施の形態2の流体圧力検出装置における、圧電素子20の形状ごとの、押力と規格化感度との関係を示すグラフ。
[図31] 図31(A)及び図31(B)は、本発明の実施の形態3に係る流体圧力検出装置の基材10及び圧電素子20の平面図であり、図31(A)は第1構成例の場合を示す平面図、図31(B)は第2構成例の場合を示す平面図。
[図32] 図32(A)及び図32(B)は、実施の形態3に係る流体圧力検出装置における管7に対する位置ずれと規格化感度との関係を示すグラフであり、図32(A)は第1構成例の場合を示すグラフ、図32(B)は第2構成例の場合を示すグラフ。
[図33] 図33(A)及び図33(B)は、実施の形態3に係る流体圧力検出装置における管7に対する位置ずれと感度変化率との関係を示すグラフであり、図33(A)は第1構成例の場合を示すグラフ、図33(B)は第2構成例の場合を示すグラフ。
[図34] 基材10と管7との角度ずれを示す説明図。
[図35] 図35(A)及び図35(B)は、実施の形態3に係る流体圧力検出装置における管7に対する角度ずれと規格化感度との関係を示すグラフであり、図35(A)は第1構成例の場合を示すグラフ、図35(B)は第2構成例の場合を示すグラフ。
[図36] 図36(A)及び図36(B)は、実施の形態3に係る流体圧力検出装置における管7に対する角度ずれと感度変化率との関係を示すグラフであり、図36(A)は第1構成例の場合を示すグラフ、図36(B)は第2構成例の場合を示すグラフ。
[図37] 基材10と管7との角度ずれ及び位置ずれが組み合わさった場合を示す説明図。

発明を実施するための形態

[0018]
 以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
[0019]
(実施の形態1)
 図1~図21を参照し、本発明の実施の形態1に係る流体圧力検出装置1を説明する。流体圧力検出装置1は、油圧計、水位計、血圧計等に用いられるものであり、図1に示すように、基材10(ダイヤフラム)、圧電素子20、支持体30、及び蓋体40、を備える。基材10は、例えば、厚さ10~200μmの板状ないしシート状であり、ステンレス鋼等の金属からなる。基材10の上面(一方の面)は、圧電素子20の搭載面であり、下面(他方の面)は、図9に示す管7に対する押圧面である。圧電素子20は、例えば、厚さ10~200μmの圧電セラミックスであり、基材10の上面(一方の面)に設けられる(装着される)。圧電素子20の両面にはそれぞれ、信号取り出し用の金属電極(例えば金のスパッタによる数μm~20μm程度の金電極)が設けられるが、図1では図示を省略している。当該金属電極と、圧電素子20とが、圧電ユニモルフを構成する。基材10及び圧電素子20は、図1の例では略円形である。
[0020]
 支持体30は、圧電素子20よりも十分に大きい厚さ(高さ)を有する円環状部材であり、ステンレス鋼等の剛体からなる。支持体30は、圧電素子20を囲むように設けられる。図1及び図3に示すように、支持体30は、下面の内縁部近傍に段差部32を有し、段差部32により基材10の外縁近傍の上面を支持する。図2に示すように、支持体30は、内縁に配線引出し用の切欠31を有する。
[0021]
 蓋体40は、平面視で基材10と略同形状の板状ないしシート状であって、ステンレス鋼等の金属からなる。蓋体40は、支持体30の上部開口(一端開口)を閉じるように支持体30の上端(一端)に設けられる。図7に示すように、支持体30の切欠31と連通する配線引出し用の貫通穴41を有する。蓋体40の上面には、配線51によって圧電素子20と電気的に接続された端子部50が設けられる。端子部50から、図示しない測定装置内の回路(図11又は図13)に接続するためのケーブル60が延出する。
[0022]
 支持体30による基材10の支持は、図1及び図3に示す段差部32による支持に限定されず、図4に示すように段差部32を有さない支持体30の下面で基材10を支持してもよい。また、図5に示すように、蓋体40を設けなくてもよい。なお、図6に示す比較例は、支持体30の内周面で基材10の外縁(外周面)を支持するものであるが、圧力検出の再現性の点では図3~図5に示す支持構造が好ましい。
[0023]
 図9は、流体圧力検出装置1を管7に直接押し付けた状態を示す模式図である。この模式図は、流体圧力検出装置1を定量評価するための評価装置の断面を示す。管7は、柔軟性ないし粘弾性を有する例えばシリコーンチューブであり、断面U字状の管ホルダ8に保持される。ここでは、管7の外径は6mmとした。図示しないピストンポンプから供給された流体6が、管7内を流れる(脈動と共に移送される)。流体6の圧力検出の際には、フォースゲージ9により流体圧力検出装置1を蓋体40側から押圧して(支持体30を基材10の反対側から押圧して)、基材10の他方の面を管7に向けて押し付け、基材10の他方の面により管7を変形させる。後述の測定結果は、前記ピストンポンプのポンプ作用により96bpmで流体6を供給した場合のものである。流体6の圧力は、流体圧力検出装置1の出力の評価のために、図示しない圧力センサ(キーエンス社製の型番AP-13S)により直接検出も行った。
[0024]
 図10は、流体圧力検出装置1の管7に対する押力を1N,2N,3N,4N,5Nとした各場合における、管7内を流れる流体6の圧力差とセンサ出力の関係を示すグラフである。本グラフは、圧力差を40mmHg(最低圧力50mmHg~最高圧力90mmHg)、80mmHg(最低圧力50mmHg~最高圧力130mmHg)、120mmHg(最低圧力50mmHg~最高圧力170mmHg)とした各場合について測定を行い、押力ごとに流体圧力検出装置1の出力電圧(後述の図11に示す回路の出力電圧Vout1)のピークピーク値を線形近似したものである。図10より、いずれの押力においても、管7内を流れる流体6の圧力差と、流体圧力検出装置1の出力電圧とは、相関係数が0.98を超える高い相関関係があり、略比例することが確認できた。以下の測定では、押力は3Nとした。
[0025]
 図11は、流体圧力検出装置1の圧電素子20の出力電流を電圧に変換するI-V変換回路(インピーダンス変換回路)の一例を示す回路図である。この回路は、圧電素子20と抵抗R1により閉ループを構成したもので、抵抗R1の両端に出力電圧Vout1が現れる。出力電圧Vout1は、圧電素子20に発生する電荷の時間微分に比例し、すなわち流体6の圧力変化速度に比例する(比例定数は抵抗R1の抵抗値)。図12は、図11に示す回路の出力電圧Vout1の波形と、流体6の圧力を不図示の水圧センサで直接検出した直接検出値Vtの波形と、を示す波形図である。図12より、出力電圧Vout1は、直接検出値Vtの傾きに連動していることが確認できた。図11に示す回路により、ピストンポンプの拍動に伴って生じる流体圧力の圧差(最大圧力-最小圧力)を検出することができる。
[0026]
 図13は、流体圧力検出装置1の圧電素子20の出力電流を積分する積分回路の一例を示す回路図である。この回路は、演算増幅器A1を利用した積分回路であり、演算増幅器A1の出力端子と反転入力端子との間に設けたコンデンサC1に圧電素子20の出力電流を蓄積する。圧電素子20の一端は固定電圧端子としてのグランドに接続される。圧電素子20の他端は、抵抗R2の一端に接続される。抵抗R2の他端は、演算増幅器A1の反転入力端子に接続される。演算増幅器A1の非反転入力端子は、グランドに接続される。演算増幅器A1の出力端子と反転入力端子との間に、コンデンサC1と抵抗R3が並列接続される。抵抗R3は、演算増幅器A1の出力の飽和を防止するために設けられる。演算増幅器A1は、両電源駆動であり、正側の電源ライン(電圧Vcc)と負側の電源ライン(電圧-Vcc)に接続される。仮想ショートにより演算増幅器A1の反転入力端子の電圧はグランド電位と略等しくなるため、演算増幅器A1の出力端子に現れる出力電圧Vout2は、コンデンサC1の両端の電圧となり、圧電素子20の出力電流の積分に比例する(比例定数はコンデンサC1の容量値の逆数)。図13に示す回路により、圧電素子20本来の電荷発生出力波形を得て、圧力変化を算出することができる。
[0027]
 図14は、管7内を流れる流体6を最低圧力50mmHg~最高圧力170mmHgで脈動させた場合における、図13に示す回路の出力電圧Vout2と、流体6の圧力を不図示の水圧センサで直接検出した直接検出値Vtと、の相関図である。なお、図14の結果は、1kHzのサンプリング周波数で10秒間測定したものであり、データ数は10,000である。図15、図19、図20に示す相関図においても同様である。図14より、出力電圧Vout2と直接検出値Vtとの間には、相関係数が0.99を超える高い相関関係があることが確認できた。したがって、出力電圧Vout2のピークピーク値より、管7内を流れる流体6の最低圧力と最高圧力の差を検出することができる。
[0028]
 図15は、管7内を流れる流体6を最低圧力50mmHg~最高圧力130mmHgで脈動させた場合における、図13に示す回路の出力電圧Vout2と、流体6の圧力を不図示の水圧センサで直接検出した直接検出値Vtと、の相関図である。図16は、同場合における、図13に示す回路の出力電圧Vout2の波形と、流体6の圧力を不図示の水圧センサで直接検出した直接検出値Vtの波形と、を示す波形図である。図15より、図14と同様に出力電圧Vout2と直接検出値Vtとの間に高い相関関係が確認できた。また、図16より、出力電圧Vout2と直接検出値Vtの波形は互いに概ね一致する形状となることが確認できた。
[0029]
 図17は、流体圧力検出装置1を人肌ゲル7aを介して管7に押し付けた状態を示す模式図である。この模式図は、流体圧力検出装置1を定量評価するための評価装置の断面を示すものであり、図9と比較して、柔軟性ないし粘弾性を有する人肌ゲル7aが追加された点で相違し、その他の点で一致する。人肌ゲル7aを追加したことにより、人体の血管内を流れる血流の圧力測定(血圧測定)に近い状態にしている。
[0030]
 図18は、人肌ゲル7aを介さずに流体圧力検出装置1を管7に押し付けた場合(図9)、及び人肌ゲル7aを介して流体圧力検出装置1を管7に押し付けた場合(図17)、の各々において、管7内を流れる流体6を最低圧力50mmHg~最高圧力150mmHgで脈動させた場合における、図13に示す回路の出力電圧Vout2の波形図である。図18より、人肌ゲル7aを介して流体圧力検出装置1を管7に押し付けた場合は、人肌ゲル7aを介さずに流体圧力検出装置1を管7に押し付けた場合と比較して、感度(振幅)が低下する以外は概ね一致する形状の波形を得られることが確認できた。
[0031]
 図19は、管7内を流れる流体6を最低圧力50mmHg~最高圧力150mmHgで脈動させた場合における、人肌ゲル7aを介さずに流体圧力検出装置1を管7に押し付けたときの図13に示す回路の出力電圧Vout2と、流体6の圧力を不図示の水圧センサで直接検出した直接検出値Vtと、の相関図である。図20は、同場合における、人肌ゲル7aを介して流体圧力検出装置1を管7に押し付けたときの図13に示す回路の出力電圧Vout2と、流体6の圧力を不図示の水圧センサで直接検出した直接検出値Vtと、の相関図である。図20の結果の基になる測定では、人肌ゲル7aとして、エクシールコーポレーション社製の人肌ゲル(型番H0-2)を用いた。図19及び図20の対比より、人肌ゲル7aを介して流体圧力検出装置1を管7に押し付けた場合は、人肌ゲル7aを介さずに流体圧力検出装置1を管7に押し付けた場合と比較して、僅かに相関係数が低くなるものの、出力電圧Vout2と直接検出値Vtとの間に、相関係数が0.97を超える高い相関関係があることが確認できた。
[0032]
 図21は、流体圧力検出装置1を人体5の表面(皮膚)に押し付け、人体5内の動脈である管7を変形させた状態を示す模式図である。押圧部材70は、支持体30を反基材10側から押圧して基材10の下面を管7に向けて押し付けるものであり、簡易的には、絆創膏等の粘着面を有する粘着テープや、ベルトであってもよい。支持体30を介して基材10の下面を管7に向けて押し付けて図21に示すように管7を変形させることで、管7内を流れる流体6(血液)の最低圧力(最低血圧)と最高圧力(最高血圧)の差を人体5の外から従来と比較して高精度に検出することができる。支持体30があることで、検出を安定で再現性に優れたものにできる。
[0033]
実施例1
 図22(A)及び図22(B)は、実施例1~3で用いた測定装置の概略断面図であって、図22(A)は測定前の状態を示す概略断面図、図22(B)は測定中の状態を示す概略断面図である。この測定装置は、支持体30の外径を12mmとした図7の流体圧力検出装置1に、枠体81、丸線コイルスプリング82、及びキャップ83を組み合わせたものである。枠体81は、キャップ83の押し込みをガイドし、かつ押し込んだキャップ83を保持するために設けられる。丸線コイルスプリング82は、外径8mm、全長15mm、ばね定数0.1N/mmのものを用いた。キャップ83は、ポリウレタン製で、外径18mm、内径14mmのものを用いた。キャップ83のザグリ深さa、流体圧力検出装置1の厚さb、及び丸線コイルスプリング82の全長(自然長)は、図22(B)に示すようにキャップ83を下限位置まで押し込んだときに、丸線コイルスプリング82により流体圧力検出装置1の上面に40mmHgの圧力がかかるように設定した。
[0034]
 上記の測定装置を、8名の各被験者の浅側頭動脈上の皮膚(脈が触れる位置)に対して、3M社製サージカルテープを用いて、図22(B)に示すように丸線コイルスプリング82が圧縮された状態で固定し、図11のI-V変換回路(インピーダンス変換回路)による出力電圧Vout1を測定した。その結果、いずれの被験者においても、安定した出力が得られた。よって、流体圧力検出装置1の上面に40mmHgの圧力をかければ、浅側頭動脈上において正常な血圧測定が可能なことが分かった。
[0035]
実施例2
 実施例1と同様の測定を、8名の各被験者の総頸動脈に対して行った。すなわち、上記の測定装置を総頸動脈上の皮膚(脈が触れる位置)に対して実施例1と同じ方法で固定して出力電圧Vout1を測定した。その結果、いずれの被験者においても、安定した出力が得られた。よって、流体圧力検出装置1の上面に40mmHgの圧力をかければ、総頸動脈上において正常な血圧測定が可能なことが分かった。
[0036]
実施例3
 実施例1と同様の測定を、8名の各被験者の橈骨動脈に対して行った。すなわち、上記の測定装置を橈骨動脈上の皮膚(脈が触れる位置)に対して実施例1と同じ方法で固定して出力電圧Vout1を測定した。但し、本実施例では、丸線コイルスプリング82に、外径8mm、全長20mm、ばね定数0.1N/mmのものと、外径10mm、全長15mm、ばね定数0.2N/mmのものと、を加えて3種類とし、かつ、キャップ83のザグリ深さを調整することで、丸線コイルスプリング82により流体圧力検出装置1の上面に40mmHg, 60mmHg, 80mmHg, 100mmHg, 120mmHgの各圧力をかけて測定を行った。
[0037]
 図23は、実施例3における測定結果(出力電圧Vout1のピークピーク値Vpp)をまとめた表である。図24は、図23の表を棒グラフで示した図である。測定結果の数値は、30秒の測定時間における終わりの10拍分のピークピーク値Vpp(最高-最低)の平均値である。図23及び図24において、「テープで固定」は、枠体81、丸線コイルスプリング82、及びキャップ83を用いないで、圧力を意識せずに、流体圧力検出装置1が位置ずれしないようにサージカルテープで止めた場合である。図23及び図24より、「テープで固定」の場合、被験者No.6, No.8の2名では出力が得られなかった。一方、流体圧力検出装置1の上面に40mmHg, 60mmHg, 80mmHg, 100mmHg, 120mmHgの圧力をかけた各場合は、いずれの被験者においても出力が得られた。よって、流体圧力検出装置1の上面に40mmHgの圧力をかければ、橈骨動脈上において正常な血圧測定が可能なことが分かった。
[0038]
 最も高いピークピーク値Vppが得られる圧力は被験者によって異なったが、全ての被験者において、40mmHgよりも60mmHgのほうが高いピークピーク値Vppが得られ、60mmHgよりも80mmHgのほうが高いピークピーク値Vppが得られた。また、被験者No.2以外の全ての被験者において、80mmHgよりも100mmHgのほうが高いピークピーク値Vppが得られた。一方、被験者No.5, No.6以外の全ての被験者において、100mmHgよりも120mmHgのほうが低いピークピーク値Vppとなった。被験者への負荷の観点では、圧力は小さいほど好ましい。したがって、感度と被験者への負荷とのバランスを考えると、圧力は、100mmHg以下、あるいは80mmHg以下とすることが好ましいことが分かった。
[0039]
 流体圧力検出装置1による血圧測定において、上記の測定装置のように枠体81、丸線コイルスプリング82、及びキャップ83を用いる必要はない。必要の圧力を得るために、ゴム等の弾性体を流体圧力検出装置1上に配置して、当該弾性体の上からサージカルテープで流体圧力検出装置1を測定箇所上に固定してもよい。あるいは、伸縮性のあるテープを所定長だけ伸ばし、当該テープにより流体圧力検出装置1を測定箇所上に固定してもよい。その際、厚みを稼ぐために流体圧力検出装置1上にスペーサー(パッド等)を配置してもよい。流体圧力検出装置1を測定箇所上に固定する部材も含めた全体を流体圧力検出装置としてもよい。
[0040]
 図25は、実施例3における被験者No.8に対する測定(40mmHg)から得られた、図11のI-V変換回路(インピーダンス変換回路)による出力電圧Vout1、及び図13の積分回路による出力電圧Vout2の波形図である。図25より、ノイズの少ない波形となることが確認できた。
[0041]
(実施の形態2)
 図26(A)及び図26(B)は、本発明の実施の形態2に係る流体圧力検出装置の基材10及び圧電素子20の平面図であり、図26(A)は第1構成例の場合を示し、図26(B)は第2構成例の場合を示す。本実施の形態の流体圧力検出装置は、実施の形態1のものと比較して、基材10及び圧電素子20が略長方形であり、支持体30が基材10の外形と同様の長方形環状である点で相違し、その他の点で一致する。流体6の圧力検出の際には、基材10の長手方向と管7の延出方向が平行になるようにする。図26(A)に示す第1構成例では、圧電素子20の長辺は基材10の長辺と略垂直(短辺と略平行)であり、図26(B)に示す第2構成例では、圧電素子20の長辺は基材10の長辺と略平行である。支持体30は、図27(A)に示す全辺支持型であれば基材10の全辺(4辺)及びその近傍を支持し、図27(B)に示すは長辺支持型(短辺下部に凹部33を有するもの)であれば基材10の2つの長辺及びその近傍を支持し(短辺とは非接触)、図27(C)に示す短辺支持型(長辺下部に凹部34を有するもの)であれば基材10の2つの短辺及びその近傍を支持する(長辺とは非接触)。以降の説明においては、支持体30は、図27(A)に示す全辺支持型であるものとする。
[0042]
 図28は、実施の形態2の流体圧力検出装置の規格化感度(mV/mmHg)を、比較例に係る流体圧力検出装置の規格化感度と比較した棒グラフである。規格化感度とは、図11に示す回路の出力電圧Vout1のピークピーク値を最低圧力と最高圧力の差で除したものであり、実測値に基づいている。図28において、#1は、比較例であり、基材10を直径9mmの円形とし、支持体30を円環状とし、圧電素子20を本実施の形態の第1構成例と同形状にしたものである。#2は、本実施の形態の第1構成例であり、基材10のサイズを8mm×18mmとしたものである。#3は、比較例であり、基材10を直径9mmの円形とし、支持体30を円環状とし、圧電素子20を本実施の形態の第2構成例と同形状にしたものである。#4は、本実施の形態の第2構成例であり、基材10のサイズを8mm×18mmとしたものである。#1~#4のいずれにおいても、圧電素子20のサイズは2mm×4mmとした。なお、比較例は、実施の形態2における比較例であり、本発明から除外されるものではない。
[0043]
 #1及び#2の対比より、圧電素子20の長手方向が基材10の短手方向と平行な場合は、基材10を長方形としたほうが、基材10が円形の場合と比較して、長方形の短辺が円形の直径より短くても高い感度となることが分かった。また、#3及び#4の対比より、圧電素子20の長手方向が基材10の長手方向と平行な場合は、基材10を円形にしても長方形にしても感度に大差は無いことが分かった。
[0044]
 図29は、実施の形態2の流体圧力検出装置と比較例に係る流体圧力検出装置の各々における、管7に対する位置ずれと感度変化率との関係を示すグラフである。図29の横軸の位置ずれは、管7の延出方向と基材10の長手方向が平行なまま、管7が基材10の短手方向に相対的にずれた量であり、0mmは、管7が基材10の短手方向中心を通る場合である。図29より、2mm以内の位置ずれの場合、基材10が長方形である#2及び#4のほうが、基材10が円形である#1及び#3と比較して、位置ずれに対する感度低下が抑制されることが分かった。
[0045]
 本実施の形態によれば、基材10が円形で支持体30が円環状である場合と比較して、位置ずれに対する感度低下を抑制することができる。したがって、流体圧力検出装置の取付位置が制約を受ける場合も、感度低下を抑制することができる。また、第1構成例のように圧電素子20の長手方向が基材10の短手方向と平行な場合には、基材10が円形である場合と比較して感度を更に高めることができる。
[0046]
 図30は、実施の形態2の流体圧力検出装置における、圧電素子20の形状ごとの、押力と規格化感度との関係を示すグラフである。#5は、本実施の形態の第2構成例において圧電素子20のサイズを1mm×8mmとしたものである。図30より、#2の構成が最も規格化感度が高かった。そのため、後述の実施の形態3では、#2の構成をベースに更なる改善を図る。
[0047]
(実施の形態3)
 図31(A)及び図31(B)は、本発明の実施の形態3に係る流体圧力検出装置の基材10及び圧電素子20の平面図であり、図31(A)は第1構成例の場合を示し、図31(B)は第2構成例の場合を示す。本実施の形態の第1構成例は、実施の形態2の第1構成例(図26(A))と比較して、圧電素子20が基材10の長手方向に沿って3個配列されている(アレイ化されている)点で相違し、その他の点で一致する。本実施の形態の第2構成例は、第1構成例と比較して、基材10が、各圧電素子20の短手方向両側に、圧電素子20の長手方向と平行なスリット11を有する点で相違し、その他の点で一致する。なお、3つの圧電素子20を区別するために、図中上方から順に、E1、E2、E3の符号を併せて付している。各圧電素子20に対して、図11に示すI-V変換回路や図13に示す積分回路が設けられる。
[0048]
 図32(A)及び図32(B)は、実施の形態3に係る流体圧力検出装置における管7に対する位置ずれと規格化感度との関係を示すグラフであり、図32(A)は第1構成例の場合を示し、図32(B)は第2構成例の場合を示す。図33(A)及び図33(B)は、実施の形態3に係る流体圧力検出装置における管7に対する位置ずれと感度変化率との関係を示すグラフであり、図33(A)は第1構成例の場合を示し、図33(B)は第2構成例の場合を示す。図32(A)及び図32(B)の対比、並びに図33(A)及び図33(B)の対比より、基材10がスリット11を有するほうが、2mm以内の位置ずれによる感度低下が抑制されることが分かった。
[0049]
 図34は、基材10と管7との角度ずれを示す説明図である。以下で検討する角度ずれは、図34に示すように、管7が基材10の中心を通る状態で、管7の延出方向が基材10の長手方向に対して相対的に回転した角度であり、0度は、管7の延出方向が基材10の長手方向と平行な場合である。
[0050]
 図35(A)及び図35(B)は、実施の形態3に係る流体圧力検出装置における管7に対する角度ずれと規格化感度との関係を示すグラフであり、図35(A)は第1構成例の場合を示し、図35(B)は第2構成例の場合を示す。図36(A)及び図36(B)は、実施の形態3に係る流体圧力検出装置における管7に対する角度ずれと感度変化率との関係を示すグラフであり、図36(A)は第1構成例の場合を示し、図36(B)は第2構成例の場合を示す。各グラフに示すように、中央の圧電素子20は、角度ずれが発生しても、角度ずれが無い場合と比較して、80%以上の高い感度を維持できていることが分かった。ここで、図37(A)及び図37(B)に示すように、角度ずれに一定以上の位置ずれが加わった場合、中央以外の圧電素子20が高感度を維持できることになる。具体的には、図37(A)の場合は同図中下方の圧電素子20が高感度を維持し、図37(B)の場合は同図中上方の圧電素子20が高感度を維持する。
[0051]
 本実施の形態によれば、圧電素子20をアレイ化したことで、管7の角度ずれ(及び、角度ずれと位置ずれの組合せ)による感度低下を抑制することができる。また、第2構成例のようにスリット11を設けることで、管7の位置ずれによる感度低下を抑制することができる。なお、圧電素子20の数は、3個に限定されず、2個又は4個以上であってもよい。また、圧電素子20は、基材10の長手方向及び短手方向に沿って、あるいは任意の二方向に沿って、行列配置(マトリックス配置)されてもよい。
[0052]
 以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。
[0053]
 基材10、支持体30、及び蓋体40は、樹脂等の絶縁体であってもよい。支持体30は、単一の環状部材に限定されず、圧電素子20の両側に、あるいは圧電素子20を囲むように、複数設けられてもよい。実施の形態で示した具体的な数値(基材10及び圧電素子20のサイズ、押力等)は、一例であり、要求される仕様等に応じて適宜変更可能である。

符号の説明

[0054]
1 流体圧力検出装置、5 人体、6 流体、7 管、7a 人肌ゲル、8 管ホルダ、9 フォースゲージ、10 基材、11 スリット、20 圧電素子、30 支持体、31 切欠、32 段差部、33,34 凹部、40 蓋体、41 貫通穴、50 端子部、51 配線、60 ケーブル、70 押圧部材、81 枠体、82 丸線コイルスプリング、83 キャップ

請求の範囲

[請求項1]
 管内を通過する流体の圧力を検出する装置であって、
 基材と、
 前記基材の一方の面に設けられた圧電素子と、
 前記圧電素子の両側において前記基材の前記一方の面を支持する支持体と、を備え、
 前記支持体を介して前記基材の他方の面で前記管を変形させる、流体圧力検出装置。
[請求項2]
 管内を通過する流体の圧力を検出する装置であって、
 基材と、
 前記基材の一方の面に設けられた圧電素子と、
 前記圧電素子の両側において前記基材の前記一方の面を支持する支持体と、
 前記支持体を反基材側から押圧して前記基材の他方の面を前記管に向けて押し付ける押圧部材と、を備える、流体圧力検出装置。
[請求項3]
 前記押圧部材は、前記支持体の反基材側から40mmHg以上の圧力をかける、請求項2に記載の流体圧力検出装置。
[請求項4]
 前記圧電素子の出力を積分する積分回路を備える、請求項1から3のいずれか一項に記載の流体圧力検出装置。
[請求項5]
 前記支持体は、前記圧電素子を囲む第1長方形の少なくとも相互に対向する2辺に沿う部分において前記基材の前記一方の面を支持する、請求項1から4のいずれか一項に記載の流体圧力検出装置。
[請求項6]
 前記圧電素子は、長辺が前記第1長方形の長辺と略垂直な長方形である、請求項5に記載の流体圧力検出装置。
[請求項7]
 前記圧電素子は、前記第1長方形の長手方向に沿って、前記基材の前記一方の面に複数配列されている、請求項6に記載の流体圧力検出装置。
[請求項8]
 前記基材は、前記第1長方形の長手方向における各圧電素子の両側にスリットを有する、請求項7に記載の流体圧力検出装置。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]

[ 図 13]

[ 図 14]

[ 図 15]

[ 図 16]

[ 図 17]

[ 図 18]

[ 図 19]

[ 図 20]

[ 図 21]

[ 図 22]

[ 図 23]

[ 図 24]

[ 図 25]

[ 図 26]

[ 図 27]

[ 図 28]

[ 図 29]

[ 図 30]

[ 図 31]

[ 図 32]

[ 図 33]

[ 図 34]

[ 図 35]

[ 図 36]

[ 図 37]