JP2016072802A - 音・振動検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】長時間胎動記録法に供することができるような高感度のセンサを提供することを課題とする。
【解決手段】電極２０に、開口率が１０％以下になるように小径の貫通穴２７を多数設ける。
【効果】微細な貫通穴を電極の電極に設けた。電極を音響が透過するような現象が起こり、エレクトレット膜のみが空中に浮いているようになる。すると、エレクトレット膜が大きく振動する。結果、従来の静電型マイクロフォンに比較して１５ｄＢ程度感度を高めることができた。
【選択図】図２

Description

本発明は、音と振動の少なくとも一方を静電容量の変化に基づいて検出する音・振動検出センサ、詳しくは、電極部分に半永久的に電荷を保持するエレクトレット膜を配置した、いわゆるＥＣＭ（エレクトレットコンデンサーマイクロフォン）型のセンサであって、エレクトレット膜を振動させ、且つ振動膜に錘を取付けて振動膜を加速するように意図したセンサに関する。

現在の周産期医療の臨床検査は、超音波断層法と超音波ドプラー法による胎動心拍数図法（あるいは分娩監装置法）という２つの方法で胎児の健康状態を診断している。健康の指標としては、心拍数や胎動を検討している。これらの方法は、超音波を使用しているために、胎児の発達を考え、通常短時間記録しか行わない。周産期死亡率が下がったといっても、０．２％の子宮内胎児死亡は、依然と存在するし、原因も不明である。そして、上記２つの方法では、記録が短時間であるために、胎児の神経学的発達が不解明のために、分娩環境が良くなった現在においても一向に脳性麻痺の出現率が減少しない。これらの問題を解決するためには、超音波法でなく、完全非侵襲で、長時間記録でき、胎児の健康状態が把握できる、胎動（胎児の体動）を記録することが望まれている。

胎動は、振動信号である。非侵襲のために母親の腹部から胎動信号を記録しなければならないので、高感度のマイクロフォンで長時間胎動記録する方法の試みがなされている。この場合、胎児への影響と、機器の価格の面とから、いわゆる、コンデンサーマイク（静電型マイクロフォン）が採用される。
静電型マイクロフォンには、各種の構造の物が実用に知られている（例えば、特許文献１（図１）参照。）。

図１５は従来の静電型マイクロフォンの基本構成を説明する図であり、静電型マイクロフォン１００では、金属製の筐体１０１に、テーパー付きリング１０２が収納され、テーパー付きリング１０２の形成されているテーパー１０３に振動膜１０４が下から当てられ、この振動膜１０４が突き上げリング１０５で抑えられ、この突き上げリング１０５がリングナット１０６で押し上げられる。このリングナット１０６のねじ込み量を調節することで、振動膜１０４の張力が調節できる。

突き上げリング１０５にナット形状のガラス製保持具１０７がねじ込まれ、このガラス製保持具１０７に背極と呼ばれる電極１０８が載せられ、止めねじ状の端子１０９で固定される。電極１０８の上面にはエレクトレット膜１１１が貼られている。

振動膜１０４とエレクトレット膜１１１との間に僅かなギャップが設定されており、振動膜１０４が振動すると、振動膜１０４とエレクトレット膜１１１との間の静電容量が変化する。この電気情報を端子１０９から取り出す。

このような構造の静電型マイクロフォン１００を、胎動記録法に供したところ、不適当であることが判明した。すなわち、電気信号が低レベルであるため、検査・診断に必要な十分なＳ／Ｎ比が得られないことである。更に、この低レベルの信号に、胎動と母体の心音・体動が含まれ、更に血流音が加わっている。胎動信号を分離するには、電気信号のレベルを十分に高め、結果的に良好なＳ／Ｎ比を確保する必要がある。
したがって、以上のような背景から胎動記録法に供することができるような高感度のセンサが望まれる。

実用新案登録第２５１４２０４号公報

本発明は、胎動の長時間記録法に供することができるような高感度のセンサを提供することを課題とする

請求項１に係る発明は、筐体と、この筐体の内壁から延びる電気絶縁材と、この電気絶縁材で支持される電極と、この電極に取付けられたエレクトレット膜とを備え、
音と振動の少なくとも一方を静電容量の変化に基づいて検出する音・振動検出センサであって、
前記電極には、貫通穴が設けられており、
この貫通穴は、０．０１ｍｍ〜２．０ｍｍの穴径で、単位面積当たりの前記貫通穴の開口面積の総和を前記単位面積で除して得られる開口率が２０％を超えないように穴数が決められており、
前記エレクトレット膜は、膜厚が１．０μｍ〜２０μｍであって、前記貫通穴の一端を塞ぐように且つ周縁部のみが前記電極に接着固定されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、筐体と、この筐体の内壁から延びる電気絶縁材と、この電気絶縁材で支持される電極と、この電極に取付けられたエレクトレット膜とを備え、
音と振動の少なくとも一方を静電容量の変化に基づいて検出する音・振動検出センサであって、
前記電極には、貫通穴が設けられており、
この貫通穴は、０．０１ｍｍ〜２．０ｍｍの穴径で、単位面積当たりの前記貫通穴の開口面積の総和を前記単位面積で除して得られる開口率が２０％を超えないように穴数が決められており、
前記エレクトレット膜は、膜厚が１．０μｍ〜２０μｍであって、前記貫通穴の一端を塞ぐように且つ前記貫通穴を除く部位にて前記電極に接着固定されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、エレクトレット膜に平行に配置する振動膜を備え、この振動膜の中心付近に点状又は島状の錘を備えていることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、請求項１〜３のいずれか１項記載の音・振動検出センサは、妊婦の腹部に当てて胎動を検出する振動センサであることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、電極に、微細な貫通穴を設けた。詳しくは詳細な説明の項で説明するが、電極を音響が透過するような現象が起こり、エレクトレット膜のみが空中に浮いているようになる。さらには、エレクトレット膜は、周縁部が傘部に固定されている。周辺固定、中央自由であるため、エレクトレット膜は、大きく振れる。結果、従来の静電型マイクロフォンに比較して２５ｄＢ程度感度を高めることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１と同様に、電極に、微細な貫通穴を設けた。電極を音響が透過するような現象が起こり、エレクトレット膜のみが空中に浮いているようになる。さらには、エレクトレット膜は貫通穴に対応する部位が、拘束されていないため、大いに振れる。結果、従来の静電型マイクロフォンに比較して１５ｄＢ程度感度を高めることができる。

請求項３に係る発明では、エレクトレット膜に平行に配置する振動膜を備え、この振動膜の中心付近に点状又は島状の錘を備えた。点又は島であれば、振動膜の曲げ剛性を高めることはなく、振動膜の共振周波数を下げる役割を果たし、エレクトレット膜の振動と錬成して、出力を高める。

請求項４に係る発明では音・振動検出センサは、妊婦の腹部に当てて胎動を検出する胎動センサである。音・振動検出センサは、従来の静電型マイクロフォンに比較して１５ｄＢ〜２５ｄＢ程度感度を高めることができるため、胎動信号を分離することができる。すなわち、長時間胎動記録法に供することができるような高感度の胎動センサが提供される。

本発明に係る音・振動検出センサの断面図である。 図１の要部拡大図である。 図２の３−３矢視図である。 図３の４部拡大図である。 検証装置の原理図である。 検証で得た音響曲線図である。 貫通穴の径と音響透過率の相関を調べたグラフである。 音・振動検出センサの原理図である。 音・振動検出センサの作用図である。 音・振動検出センサの変更例を示す図である。 錘の変更例を説明する図である。 接着層の変更例を説明する分解図である。 変更例に係る音・振動検出センサの要部断面図である。 図１３の１４部拡大図である。 従来の静電型マイクロフォンの基本構成を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

図１に示すように、音・振動検出センサ１０は、円筒状の筐体１１と、この筐体１１の内壁から延びるガラス製の電気絶縁材１２と、この電気絶縁材１２で支持される電極２０と、この電極２０に取付けられたエレクトレット膜１４とを備えている。なお、電気絶縁材１２は、単に絶縁材と呼ばれるが、振動を緩和する振動絶縁材、伝熱を抑制する熱絶縁材、音を遮断する音響絶縁材と区別するために、電気絶縁材と呼ぶ。

筒状の筐体１１の内径は、１０〜３０ｍｍである。
さらに、筐体１１の一端が振動膜１５で塞がれ、好ましくはこの振動膜１５に質量増加のための錘１６が付設されている。その上で、振動膜１５等を覆う保護キャップ１７が筐体１１に取付けられている。

振動膜１５は、厚さが１０μｍ程度の金属（例えばチタン、ステンレス）膜である。
錘１６は、タングステンが好適である。タングステンの比重は１９．３であり、鉛の比重が１１．４であるから、タングステンは十分に重く、質量増加材料として適している。その他、高価ではあるが比重が１９．３である金や、比重が２１．５である白金も使用可能である。

電極２０は、単なる柱や筒であってもよいが、好ましくは、電気絶縁材１２で支えられる柱部２１と、この柱部２１の一端に一体形成される傘部２２とで構成する。柱部２１の下部に端子２３が取付けられ、この端子２３にプリント基板２４が取付けられ、このプリント基板２４からケーブル２５が延びている。筐体１１の下端にエンドキャップ２６が取付けられ、防塵が図られる。

図１の要部拡大図である図２に示すように、電極２０は、電気絶縁材（図１、符号１２）で支持される柱部２１と、この柱部２１の一端から柱部の軸直角方向へ広がる傘部２２とからなり、この傘部２２に、柱部２１の軸に平行又は略平行に延びる多数の貫通穴２７が設けられている。

そして、傘部２２は、エレクトレット膜１４が取付けられる辺が底辺であるところの二等辺三角形断面を呈している。柱部２１から傘部２２に向かって徐々に断面積が拡大するため、エレクトレット膜１４の外径が大きくなる。大きな径のエレクトレット膜１４は接着層２８で支持され、上下に大きく振動する。

エレクトレット膜１４は、厚さが１．０μｍ〜２０μｍの四フッ化エチレン六フッ化プロピレンの共重合体（ＦＥＰと略称される。）である。音を検出する場合は数μｍ、振動を検出する場合は１０〜〜２０μｍとすることが推奨される。

図３に示すように、傘部２２の縁に接着層２８が形成される。そして、傘部２２には多数の貫通穴２７が設けられている。
図４は拡大図であり、貫通穴２７などが１０倍に拡大されている。
図４に示すように、貫通穴２７の穴径がｄであり、貫通穴２７と隣の貫通穴２７のピッチがＰであり、縦の長さがａで横の長さがａであるエリア２９に、ｎ個の貫通穴２７が設けられている。

開口率は、単位面積当たりの貫通穴の開口面積の総和を、単位面積で除して得られる。これを図面の表記に合わせると、開口率（％）は、１００×（ｎ×πｄ２／４）／ａ２で算出される。
例えば、ｎ＝９個、ｄ＝１ｍｍ、Ｐ＝３．１ｍｍ、ａ＝９．３ｍｍであれば、１００×（９×π×１２）／９．３２＝８．２の計算により、開口率は約８％となる。

従来は、図１を参照すれば、振動膜１５に対し、電極部分を帯電させるため電圧をかけるか、エレクトレット膜１４を貼りこれに事前に電圧をかけ半永久的に（外部電源無しで）半永久的に帯電させる。エレクトレット膜１４は、極めて薄いＦＥＰ膜であるため、いわゆる“腰が弱い”。そのため、電極２０の全面でエレクトレット膜１４を支持する構造が採用される。この観点から、大きな径の貫通穴を設けることや、開口率を高めることには抵抗がある。

本発明では、上記したように開口率は約８％であり、開口率が大きいとは言えない。
貫通穴２７の径ｄにしても、１．０ｍｍ程度としているため、穴径が過大であるとは言えない。
本発明者らの検討では、開口率は３０％まで高めることが可能である。しかし、安全若しくは余裕を見込んで、開口率は２０％を上限とすることにした。

上述した約８％の開口率を更に検証する。
図５に示すような検証装置４０を作製した。検証装置４０は、１／３オクターブトーンバーストジェネレータ４１と、パワーアンプ４２と、スピーカ４３と、マイクロフォン４４と、ヘッドアンプ４５と、レベルレコーダ４６とからなる。すなわち、スピーカ４３で発生した音をマイクロフォン４４で受ける。

スピーカ４３とマイクロフォン４４の間隔Ｌを１０００ｍｍに設定する。そして、スピーカ４３とマイクロフォン４４の間に何も置かないで、音圧レベル（ｄＢ）を調べた。この調査は順次、周波数を変えながら実施したものである。結果、図６に示す「試料無し」の曲線を得た。

次に、図５にて、想像線で示す試料４７を、スピーカ４３とマイクロフォン４４の間に置いた。試料４７は傘部２２に相当する。
試料４７は、図４に示すように、１．０ｍｍの貫通穴２７が配置され、開口率が８％であって１．０ｍｍ厚さのアルミニウム板である。そして、周波数を変えながら音圧レベル（ｄＢ）を調べた。結果、図６に示す「試料有り」の曲線を得た。

常識的にみて、開口率が８％であれば、音を通さない部分が９２％となり、スピーカ４３で発生した音の大部分が遮断されてマイクロフォン４４に到達しないはずである。
しかし、図６によれば、試料の有無による差はごく僅かであり、音が遮断されることなく、マイクロフォン４４に到達したことになる。この現象は、上記の常識を逸脱するものであり、更なる検証が必要である。

そこで、次に、貫通穴２７の穴径を検証する。
微細な穴は、レーザ加工や放電加工で開けることができる。ただし、加工コストの面から０．１ｍｍを下限とすることが推奨される。そこで、開口率を８％（一定）とし、貫通穴２７の径ｄが０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、２．０ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍの試料４７を作製し、図５に示す検証装置４０に掛けた。なお、最小穴径は、０．０１ｍｍであっても差し支えない。

図６に示すような音圧曲線が得られる。次に、曲線のグラフから次式により音響透過率Ｘ（％）を算出した。ただし、Ｌ０は図６の試料無しの音圧レベル（ｄＢ）、Ｌ１は図６の試料有りの音圧レベル（ｄＢ）である。

得られた音響透過率が、１００％であれば、全ての音が試料を透過したことになり、０％であれば、全ての音が試料で遮断されたことになる。結果を図７に示す。

図７に示すように、貫通穴２７の径が０．１〜１．０ｍｍの範囲では、音響透過率が約９０％となり、ほぼ全音響透過現象が認められた。
貫通穴２７の径が１．０〜２．０ｍｍの範囲では、音響透過率が５０〜９０％となり、音響透過率は良好であった。
一方、貫通穴２７の径が２．０〜１０ｍｍの範囲では、音響透過率が５０％未満となり、音響透過率は不良であった。

図７のような曲線が出現した理由は、現在までのところ研究、解明されていないが、開口率を一定（８％）としたため、例えば穴径の低下と共に穴同士が接近するなど、穴径と穴の数に波動音響的な因果関係が予想される。そこで、穴の数、ピッチなどを調べることにした。

中央に記載した、穴径が１．０ｍｍの貫通穴が基準になる。図４で説明したように、穴の数ｎは９個、ピッチＰは３．１ｍｍである。任意の貫通穴の縁と隣の貫通穴の縁との最短距離は（Ｐ−ｄ）で表され、（３．１−１．０）＝２．１ｍｍと計算される。

ｄが０．１ｍｍの貫通穴であれば、穴の数は９００個になり、（Ｐ−ｄ）は０．２ｍｍになる。貫通穴同士の距離が僅か０．２ｍｍである。貫通穴同士が接近していることと、音の波動性との相関により、特異な音響現象が促されたと推定される。この傾向は、ｄが０．５ｍｍの貫通穴でも同様に起こっていると思われる。

これに対して、ｄが５ｍｍの貫通穴では、（Ｐ−ｄ）が１０．６ｍｍとなり、貫通穴同士が十分に離れており、特異な音響現象が起こりにくくなっていると思われる。

図７に示す曲線は、開口率を１０％に変更しても、殆ど変化がなかった。
よって、図７に基づき、開口率が１０％以下であれば、貫通穴の穴径は０．０１〜２．０ｍｍ、好ましくは０．１〜１．０ｍｍの範囲に設定することが推奨される。

次に、本発明に係る音・振動検出センサ１０の形態を説明する。
図８（ａ）は、図１で説明した音・振動検出センサ１０の原理図である。すなわち、音・振動検出センサ１０は、底板５１で塞がれた筒形の筐体１１と、この筐体１１の内壁から延びる電気絶縁材１２と、この電気絶縁材１２で支持される電極２０と、この電極２０に取付けられたエレクトレット膜１４と、このエレクトレット膜１４と底板５１との間に配置するようにして筐体１１に渡した振動膜１５とからなる。

図８（ｂ）は変更例を示し、音・振動検出センサ１０Ｂは、底板５１を保護グリッド（網）５２に変更したものである。その他は、図８（ａ）と同じであるため、符号を流用して、詳細な説明を省略する。

図８（ｃ）も変更例を示し、音・振動検出センサ１０Ｃは、図８（ａ）から振動膜１５を省いたものである。この構造でも差し支えないことを、図９（ａ）、（ｂ）で説明する。

図９（ａ）に示すように、妊婦の腹部５３へ音・振動検出センサ１０Ｃの底板５１を当てる。胎動や母体の心音などが、底板や筐体（ケース）５１を振動させる。底板５１から矢印（１）のように伝播しエレクトレット膜１４を振動させる。矢印（１）の音は空気層を伝播する空気音である。

並行して、図９（ｂ）に示すように、音は一次固体音すなわち振動として、筐体１１、電気絶縁材１２、柱部２１、傘部２２、エレクトレット膜１４の順に伝播する（矢印（２））。矢印（２）の音は固体内を伝播する固体音である。
空気音と固体音との合成音でエレクトレット膜１４が振動するが、空気音より固体音の方が大きい。そして、固体音による振動は振動膜１５の有無に影響されない。
結果、音・振動検出センサ１０Ｃで胎動などを検出することができる。胎動の検出に、図８（ａ）、（ｂ）に示す音・振動検出センサ１０、１０Ｂを採用できることは言うまでもない。

更なる変更例を次に説明する。
図１０（ａ）は変更例を示し、音・振動検出センサ１０Ｄは、電極２０の構造を変更したものである。その他は、図８（ａ）と同じであるため、符号を流用して、詳細な説明を省略する。すなわち、電極２０は、柱部２１と、傘部２２とからなるが、傘部２２は平板である。平板であれば、二等辺三角形断面のものより、造り易く、安価となる。

図１０（ｂ）も変更例を示し、音・振動検出センサ１０Ｅは、電極２０の構造を変更したものである。その他は、図８（ｂ）と同じであるため、符号を流用して、詳細な説明を省略する。
図１０（ｃ）は変更例を示し、音・振動検出センサ１０Ｆは、電極２０の構造を変更したものである。その他は、図８（ｃ）と同じであるため、符号を流用して、詳細な説明を省略する。

次に、錘１６の形態について説明する。
図１では、振動膜１５に平板状の錘１６を付設し、エレクトレット膜の振動と練成して出力増幅効果を加速することを意図したものである。
図１１に示すように、錘１６は、点状や島状や円錐状であってもよい。円錐状の錘１６を振動膜１５の中央に載せる。
したがって、錘１６の形態は任意であるが、振動膜の曲げ剛性（スティフネス）を増大させ振動が拘束されることなく振動膜系全体の共鳴周波数ｆｃを低下させることを意図したものである。因みに、純粋に共鳴周波数だけを１オクターブ下げることができれば、感度、すなわち出力は約１２ｄＢ上昇する、とされている。
なお、錘１６は質量が大きいが、付着する膜部分の質量の１０００倍を超えないようにする。

ところで、図２では、エレクトレット膜１４は、接着層２８で周辺が固定されている。この固定構造は次のように変更することができる。
図１２は分解図であり、接着層２８は、薄膜５５に小穴５６を設けたものである。
傘部２２に接着層２８を載せ、この接着層２８にエレクトレット膜１４を重ねる。
接着層２８は塗布してもよいが、この場合は、塗布後に貫通穴２７に合わせて小穴５６を設ける。そして、エレクトレット膜１４を重ねそのすぐ背後が貫通穴に接するようにする。

出来上がった形態の断面図を、図１３に示す。すなわち、傘部２２の上面に接着層２８を介してエレクトレット膜１４が取付けられている。
図１４に示すように、穴径がｄである貫通穴２７に、厚さがｔであるエレクトレット膜１４が被せられる。ｄは、例えば１０００μｍ（１．０ｍｍ）であり、ｔは、例えば１．０μｍである。厚さｔに対して穴径ｄは十分に大きい。結果、エレクトレット膜１４は上下に大きく振れる。すなわち、エレクトレット膜１４は、貫通穴２７を除く部位にて電極（傘部２２の上面）に接着固定されている。

図１３の構造では、従来比で１５ｄＢ程度の感度向上が得られた。これに対して、図２に示す周辺固定構造（周辺のみを固定する形態）では、従来比で２５ｄＢ程度の感度向上が得られた。
よって、図１３の構造よりは、図２の構造の方が感度向上が見込めることになる。
逆に、腰が弱いエレクトレット膜１４のほぼ全面を受ける構造である図１３の構造の方が、図２の構造より、製造が容易で構造的にも安定する。
すなわち、性能重視であれば図２の構造を採用し、コスト重視であれば図１３の構造を採用すればよい。因みに、周辺に加え中心部の数点を固定するそれらの中間的な形態も本請求の範囲であることは言を待たない．

尚、本発明の音・振動検出センサは、胎動センサに好適であるが、その他の音を検出する音センタや、その他の振動を検出する振動センサとして使用することは差し支えなく、本請求の範囲と位置づける。

本発明の音・振動検出センサは、胎動センサに好適であるが、一方で、市販されている静電型の音・振動センサ（即ち、コンデンサーマイクロホンや振動加速度ピックアップ、等）の感度上昇手段としても広く実施可能である。

１０、１０Ｂ〜１０Ｆ…音・振動検出センサ、１１…筐体、１２…電気絶縁材、１４…エレクトレット膜、１６…錘、２０…電極、２１…柱部、２２…傘部、２７…貫通穴、２８…接着層、５３…妊婦の腹部、ｄ…貫通穴の径（穴径）、ｔ…エレクトレット膜の膜厚。

Claims (4)

1. 筐体と、この筐体の内壁から延びる電気絶縁材と、この電気絶縁材で支持される電極と、この電極に取付けられたエレクトレット膜とを備え、
   音と振動の少なくとも一方を静電容量の変化に基づいて検出する音・振動検出センサであって、
   前記電極には、貫通穴が設けられており、
   この貫通穴は、０．０１ｍｍ〜２．０ｍｍの穴径で、単位面積当たりの前記貫通穴の開口面積の総和を前記単位面積で除して得られる開口率が２０％を超えないように穴数が決められており、
   前記エレクトレット膜は、膜厚が１．０μｍ〜２０μｍであって、前記貫通穴の一端を塞ぐように且つ周縁部のみが前記電極に接着固定されていることを特徴とする音・振動検出センサ。
2. 筐体と、この筐体の内壁から延びる電気絶縁材と、この電気絶縁材で支持される電極と、この電極に取付けられたエレクトレット膜とを備え、
   音と振動の少なくとも一方を静電容量の変化に基づいて検出する音・振動検出センサであって、
   前記電極には、貫通穴が設けられており、
   この貫通穴は、０．０１ｍｍ〜２．０ｍｍの穴径で、単位面積当たりの前記貫通穴の開口面積の総和を前記単位面積で除して得られる開口率が２０％を超えないように穴数が決められており、
   前記エレクトレット膜は、膜厚が１．０μｍ〜２０μｍであって、前記貫通穴の一端を塞ぐように且つ前記貫通穴を除く部位にて前記電極に接着固定されていることを特徴とする音・振動検出センサ。
3. 前記エレクトレット膜に平行に配置する振動膜を備え、この振動膜の中心付近に点状又は島状の錘を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の音・振動検出センサ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の音・振動検出センサは、妊婦の腹部に当てて胎動を検出する振動センサであることを特徴とする音・振動検出センサ。

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