JP3656147B2

JP3656147B2 - 生体用音響センサ

Info

Publication number: JP3656147B2
Application number: JP06335897A
Authority: JP
Inventors: 博福喜多; 尚萩原; 森雄西垣
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2017-03-17
Also published as: JPH10258053A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体表面から体内に可聴周波数帯程度以下の周波数の音波を注入し、あるいは注入した音波を生体表面で検出する生体計測装置用の音響センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、生体からの音波を検出する音響ディテクタと音波を生体に注入する音響エキサイタ（以下総称として生体用音響センサという）としては、例えば前者としてエレクトレットマイクロフォン、後者として電話器用のレシーバが用いられることが「センサハンドブック」等の文献に記述されている。図７はこの従来の生体用音響センサ（エレクトレットマイクロフォン）の構成を示す縦断側面図であり、固定電極３１、エレクトレット３２、空気層３３、可動電極３４、ケース３５、保護網３８、くぼみ層３９等から構成され、矢印Ｘ方向からの音圧Ｓにより可動電極３４とエレクトレット３２を振動させ、固定電極３１の出力を増幅器４０により増幅するようにしてある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のように生体用音響センサとしてエレクトレットマイクロフォンを使用した場合、本来エレクトレットマイクロフォンは空気中での使用を前提として設計されており、このため空気振動を効率良く捕えるため、振動板となるエレクトレット３２や可動電極３４は可能な限り軽く薄く作られ、また振動板を機械的に保護するため振動板の前面にくぼみ層３９や保護網３８等が設けられているのが普通である。このような音響センサにより生体中の音響振動を検出，注入しようとすると、センサと人体の間に空気伝搬層が存在し、音響エネルギーを効率良く伝達させることが困難であり、また、これを避けるために、センサの振動部を直接人体に接触させようとしても、これを安全に実現する手段は提案されていない。
【０００４】
本発明は、前記従来の問題点を解決するものであり、生体に対する音響エネルギーの授受を効率良く行うことができる優れた音響センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の生体用音響センサは、金属板および圧電体からなるモノモルフ振動体と、モノモルフ振動体の金属板に生体に接触し、かつ中央部で厚みが大となる電気的絶縁板をさらに設け、電気的絶縁板を押し当てて生体に振動を注入することを特徴とする。
【０００６】
この発明によれば、安全性が高く、音響エネルギーの授受効率の良い生体用音響センサが得られる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、各図の説明において、同一の部分は同一の符号を用い、その詳細な説明は省略する。
【０００８】
図１は本発明の生体用音響センサの実施の形態を説明するための参考例１である音響ディテクタの構成を示す縦断側面図である。図１において、固定電極１は、電気出力発生の作用を行うもので、金属等から構成されている。エレクトレット２は、通常２００ボルト程度の自発分極を有し、固定電極１に接着されている。空気層３は厚みＬ１が数十ミクロンで、この空気層３を介して可動電極４がエレクトレット２に対向している。この可動電極４は生体Ｂの振動（音圧Ｓ）により変位するものであり、その厚みＬ２はエレクトレット２の厚みＬ３よりも厚く構成されている。ケース５は固定電極１と可動電極４を機械的に支持する。増幅器６は固定電極１の出力を増幅するものであり、ＦＥＴトランジスタ等で構成される。
【０００９】
また、図２の参考例２である音響ディテクタの構成を示す縦断側面図では、図１の構成に加え振動板８を設けたものである。この振動板８は電気的な絶縁体で構成され、生体Ｂの振動（音圧Ｓ）により変位するものであり、可動電極４に密着し一体化している。
【００１０】
また、図３の参考例３である音響ディテクタの構成を示す縦断側面図では、図１の構成に加え振動板８，シールド９，絶縁板１０を設けたものである。振動板８は電気的な絶縁体で構成されて可動電極４に密着して、シールド９は振動板８に密着して接地され、電気的絶縁体で構成された絶縁板１０はシールド９に密着し、これらは生体Ｂの振動（音圧Ｓ）により変位するものである。
【００１１】
次に、図１に示す音響ディテクタの動作を説明する。まず、可動電極４を生体Ｂに押しつけると生体Ｂの音圧Ｓは可動電極４に直接伝達され、可動電極４は変位する。可動電極４と固定電極１はコンデンサを形成し、可動電極４の変位はコンデンサの容量を変化させる。コンデンサの容量変化を大きくするため、すなわち感度を大きくするためには、可動電極４と固定電極１の間の距離を小さくする必要があり、また、可動電極４の変位を大きくとれるようにするためには空気層３を厚くし、エレクトレット２を薄くすることが望ましい。前記のコンデンサはエレクトレット２の分極の影響により電荷を蓄積しているが、容量の変化により電気的信号を固定電極１に発生し、その出力は増幅器６で増幅され出力７が得られる。
【００１２】
一方、可動電極４が生体Ｂの音響振動を効率良く検出できるようにすることを条件に可動電極４の振動板としての弾性的性質が決定されるが、空気に比べ生体組織の音響インピーダンスは大であるので弾性を高めることが可能である。このため、可動電極４は金属、あるいは導電性を有する樹脂等で構成されるが、可動電極４の厚みをエレクトレット２よりも厚くすることにより弾性を高め、生体Ｂに可動電極４を強く押当てた場合に可動電極４とエレクトレット２が接触する可能性を軽減している。
【００１３】
さらに、固定電極に設けられたエレクトレットに対向する位置に可動電極を配置したことにより、可動電極の厚みをエレクトレットよりも厚くすることができ、音響ディテクタを生体に強く押し当てることが可能となるので効率良く生体の音響振動を検出することができる。
【００１４】
また、図２に示すように、振動板８を生体Ｂに押しつけると、生体Ｂの振動は振動板８に直接伝達され、さらに可動電極４に伝達されてこの可動電極４は変位する。生体Ｂと可動電極４の間には電気的な絶縁体である振動板８があり、生体Ｂに電気的な影響を及ぼす可能性を軽減している。振動板８は、生体Ｂの音響振動が効率良く検出できることを条件に振動板としての弾性的性質が決定されるが、空気に比べ生体組織の音響インピーダンスは大であるので弾性を高めることが可能である。このため、振動板８の弾性を高め、生体Ｂに振動板８を強く押し当てた場合に可動電極４とエレクトレット２が接触する可能性を軽減して、また生体Ｂと接触する部分は電気的絶縁体であるため、安全性が増す。
【００１５】
さらに、固定電極に設けられたエレクトレットに対向する位置に一体化した可動電極と振動板を設けたため、振動板の弾性を高めることが可能であり、音響ディテクタを生体に強く押し当てることができ、効率良く生体の音響振動を検出することができ、また生体への電気的影響を軽減することができる。
【００１６】
また、図３に示すように、絶縁板１０を生体Ｂに押しつけると、生体Ｂの振動は絶縁板１０に直接伝達され、シールド９を介して振動板８，可動電極４に伝達され、この可動電極４は変位する。生体Ｂと可動電極４の間にある絶縁板１０は、生体Ｂに電気的な影響を及ぼす可能性を軽減している。シールド９は固定電極１や可動電極４に外部からの電気的な雑音が飛び込むのを防止する。振動板８は、生体Ｂの音響振動が効率良く検出できることを条件に振動板としての弾性的性質が決定されるが、空気に比べ生体組織の音響インピーダンスは大であるので弾性を高めることが可能である。このため、振動板８の弾性を高め、生体Ｂに振動板８を強く押し当てた場合に可動電極４とエレクトレット２が接触する可能性を軽減して、また生体Ｂと接触する部分が電気的な絶縁体であるため、安全性が増す。
【００１７】
さらに、固定電極に設けられたエレクトレットに対向する可動電極と振動板およびシールドと絶縁板を備えているので、振動板の弾性を高めることが可能であり、音響ディテクタを生体に強く押し当てることができ、効率良く生体の音響振動を検出することができ、また生体への電気的影響を軽減し、かつ外部からの電気的雑音の飛び込みを防止できる。
【００１８】
また、図４は参考例４における音響ディテクタの使用状態の一例を示す概略図であり、ディテクタ素子１１は、音響的振動を電気信号に変換する作用を行うもので、例えば前述の図２で説明したように振動板８を備えたエレクトレットマイクロフォンから構成されている。空気孔１２はディテクタ素子１１の空気層の圧力を調整するためのものである。バルーン１３はゴム製の風船状のものであり、膨張することによりディテクタ素子１１を生体、例えば腕Ａに押し当てる。空気管１４は空気圧をディテクタ素子１１とバルーン１３に供給する。圧力制御部１５は空気圧を制御するものであり、乾燥した気体を空気管に送り込むことが望ましい。カフ１６は布等の素材からなるバンド状のもので構成されており、ディテクタ素子１１とバルーン１３を腕Ａに縛りつける。
【００１９】
図４に示す音響ディテクタの使用状態を説明する。まず、ディテクタ素子１１とバルーン１３の内部の圧力は外気圧に等しいとする。次に、ディテクタ素子１１とバルーン１３はカフ１６により腕Ａに軽く縛りつけられる。この状態ではディテクタ素子１１は腕Ａに強く押し当てられていないため、腕Ａの振動を効率良く検出することができないが、圧力制御部１５により空気管１４を介してバルーン１３に空気を送り込みこれを膨張させることにより、ディテクタ素子１１は腕Ａに強く押し当てられる。同時にディテクタ素子１１にも空気孔１２を介して空気が送り込まれる。このようにすることにより、腕Ａからの圧力とディテクタ素子１１の内部の圧力を均衡させることができ、ディテクタ素子１１の振動板が素子内部に押し込まれることを防止できる。
【００２０】
図４に示すように、ディテクタ素子に空気孔が設けられ、バルーンやカフと同等の空気圧を供給することより、ディテクタ素子を生体に強く押当てた場合においてもディテクタ素子の振動板がディテクタ素子内部に押し込まれることを防止することができ、安定して生体の振動を検出することができる。
【００２１】
図５は本発明の生体用音響センサの実施の形態における音響エキサイタの構成を示す縦断側面図である。図５において、圧電体、例えば圧電セラミックス２１は金属板２２に接着され、モノモルフ振動体を構成する。絶縁板２３は樹脂等の電気的な絶縁体で構成され、金属板２２に密着している。ケース２４は前記したモノモルフ振動体の周辺部を支持し、入力２５はモノモルフ振動体に電気信号を供給する。
【００２２】
次に、図５に示す音響エキサイタの動作を説明する。まず、入力２５から供給された電気信号により圧電セラミックス２１と金属板２２より構成されるモノモルフ振動体が振動（音圧Ｓ）し、この振動は絶縁板２３を介して効率良く生体Ｂに注入される。この際、モノモルフ振動体と生体Ｂとの間は絶縁板２３によって電気的に絶縁されているので、生体Ｂに対する安全性を高めることができる。
【００２３】
以上のように本実施の形態の図５に示す音響エキサイタによれば、圧電セラミックスと金属板によりモノモルフ振動体を構成し、金属板に絶縁板を密着させることにより、生体とモノモルフ振動体との間は電気的に絶縁され、生体に対する安全性の高い状態で高効率に音圧を生体Ｂに注入することができる。
【００２４】
また、図６は本実施の形態における音響エキサイタの別構成を示す縦断側面図である。図６において、圧電体、例えば圧電セラミックス２１は金属板２２に接着され、モノモルフ振動体を構成する。絶縁板２６は樹脂等の電気的な絶縁体で構成されて金属板２２に密着しており、さらにこの絶縁板２６はモノモルフ振動体の中央部においてその厚みが増すように成形されている。ケース２４は前記したモノモルフ振動体の周辺部を支持し、入力２５はモノモルフ振動体に電気信号を供給する。
【００２５】
次に、図６に示す音響エキサイタの動作を説明する。まず、入力２５から供給された電気信号により圧電セラミックス２１と金属板２２より構成されるモノモルフ振動体は振動（音圧Ｓ）するが、このモノモルフ振動体は中央部で振動が大きく、周辺部では中央部に対して逆相で振動することが知られており、このような状態でこの振動は絶縁板２６を介して生体Ｂに注入される。一方、絶縁板２６はモノモルフ振動体の中央部で厚みが大であるため、モノモルフ振動体の振動の大きい部分を生体Ｂと強く密着させることが可能であり、より効率良く音圧を生体Ｂに注入できる。またモノモルフ振動体と生体Ｂとの間は絶縁板２６によって電気的に絶縁され、生体Ｂに対する安全性を高めることができる。
【００２６】
以上のように本実施の形態の図６に示す音響エキサイタによれば、圧電セラミックスと金属板によりモノモルフ振動体を構成し、金属板に絶縁板を密着させることにより、生体に対する安全性を高めることができ、また効率良く音圧を生体に注入できる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、生体用音響センサを生体に至近距離で当接することができるので、生体に対する音響エネルギーの授受を効率よく行うことができるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の生体用音響センサの実施の形態を説明するための参考例１の音響ディテクタの構成を示す縦断側面図。
【図２】参考例２の音響ディテクタの構成を示す縦断側面図。
【図３】参考例３の音響ディテクタの構成を示す縦断側面図。
【図４】参考例４の音響ディテクタの使用状態の一例を示す概略図。
【図５】本発明の生体用音響センサの実施の形態における音響エキサイタの構成を示す縦断側面図。
【図６】本実施の形態における音響エキサイタの別構成を示す縦断側面図。
【図７】従来の音響ディテクタ（エレクトレットマイクロフォン）の構成を示す縦断側面図。
【符号の説明】
１…固定電極、２…エレクトレット、３…空気層、４…可動電極、５，２４…ケース、６…増幅器、７…出力、８…振動板、９…シールド、１０，２３，２６…絶縁板、１１…ディテクタ素子、１２…空気孔、１３…バルーン、１４…空気管、１５…圧力制御部、１６…カフ、２１…圧電セラミックス、２２…金属板、２５…入力。

Claims

金属板および圧電体からなるモノモルフ振動体と、前記モノモルフ振動体の前記金属板に生体に接触し、かつ中央部で厚みが大となる電気的絶縁板をさらに設け、前記電気的絶縁板を押し当てて生体に振動を注入することを特徴とする生体用音響センサ。