JP4236203B2 - 音響素子 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子を用いて微小な音響波を測定することのできる音響素子に関する。
継続して血圧値を測定するために、指や外耳での脈波検出方法が提案されている。脈波の検出方法としては、コロトコフ音や圧脈波の検出がある（例えば、特許文献１参照。）。しかし、表皮に伝達した動脈の脈動を検出するので、表皮にまで脈動が伝達するような太い動脈の脈動しか検出できなかった。
一方で、音響波を電気信号に変換する音響素子として圧電素子が用いられている。圧電素子は、圧力をかけると電圧が発生する素子である。圧電素子を用いた音響素子は、感度が高いので微小な音響波を検出できるが、音響波は媒質と何らかの圧力が存在すれば必ず発生するので、音響素子周辺からの何らかの圧力が大きな音響ノイズとなっていた。
また、圧電素子は高インピーダンスの素子である。素子が高インピーダンスであると、外部の電磁波が電磁ノイズとして付加されやすい。付加された電磁ノイズにより電気信号が変化するので、圧電素子の出力する電気信号のＳＮ比が劣化しやすかった。
音響ノイズ及び電磁ノイズを防ぐ方法としては、音響波を吸収する吸音材や、電磁波を反射する電磁波シールドを設ける方法がある。しかし、測定しようとする音響波が微小であると、吸音材及び電磁波シールドを設けても、測定しようとする音響波を測定することはできなかった。
特開平６−１４８８８号公報
上記のように、従来の音響素子は、周囲の音響波及び電磁波が大きな音響ノイズ及び電磁ノイズとなるので、微小な音響波の測定が困難だった。
本発明は、微小な音響波を測定することのできる音響素子の提供を目的とする。
本発明は、上記目的を達成するものであり、等しい音響波及び電磁波に対して等しい電気信号を出力する圧電素子を２個備え、圧電素子からの電気信号を差動出力することにより音響ノイズ及び電磁ノイズを相殺可能とすることを特徴とする。
特性の略等しい２個の圧電素子を差動動作させるので、２個の圧電素子に共通して印加される雑音及び電磁波によって発生する音響ノイズ及び電磁ノイズを相殺することができる。一方、測定しようとする音響波は片方の圧電素子のみが測定するので、高感度で検出した音響波の電気信号から音響ノイズ及び電磁ノイズを除去することができる。よって、微小な音響波を測定することのできる音響素子を提供することができる。
具体的には、本発明に係る音響素子は、印加される音圧に応じた電圧を２個の電極間に発生させる材料特性の等しい２個の圧電素子と、同じ極性の前記２個の電極の一方同士を電気的に接続する共通端子と、前記２個の電極の他方と電気的に接続された２個のセンサ出力端子と、前記センサ出力端子の出力を平衡伝送する平衡線路と、前記平衡線路を終端し、前記平衡線路の出力を差動増幅する差動増幅回路と、を備え、前記２個の圧電素子は、共通の筐体内に配置され、かつ、前記２個の圧電素子の片方のみに音響素子の外部からの音響波を測定する受音面を設けたことを特徴とする。
材料特性の等しい２個の圧電素子を備えるので、等しい音響波及び電磁波に対して、等しい電圧を発生させることができる。さらに、２個の圧電素子の同じ極性の電極同士のうち、一方の電極同士が電気的に接続されているので、等しい音響波及び電磁波に対して、等しい電気信号を出力することができる。これにより、２個の圧電素子の同じ極性の電極同士のうち、他方の電極同士からの電気信号を差動検出すれば、２個の圧電素子に発生する音響ノイズ及び電磁ノイズを相殺することができる。ここで、測定しようとする音響波を片方の圧電素子のみが測定するので、高感度で検出した音響波の電気信号から音響ノイズ及び電磁ノイズを除去することができる。よって、微小な音響波を測定することのできる音響素子を提供することができる。
２個の圧電素子から出力された電気信号を平衡伝送することができる。よって、平衡線路を差動終端すれば、平衡線路の終端点で、平衡伝送する途中で印加された外来雑音の同相成分を除去することができる。
センサ出力端子の出力を差動検出するので、２個の圧電素子に印加される音響ノイズ及び電磁ノイズを相殺することができる。さらに、平衡線路を差動終端するので、平衡伝送する途中で印加された外来雑音の同相成分を除去し、２個の圧電素子に生じた電圧の差を効率よく検出することができる。
具体的には、本発明に係る音響素子は、印加される音圧に応じた電圧を２個の電極間に発生させる材料特性の等しい２個の圧電素子と、同じ極性の前記２個の電極の一方同士を電気的に接続する共通端子と、前記２個の電極の他方と電気的に接続された２個のセンサ出力端子と、前記２個のセンサ出力端子の出力を差動増幅する差動増幅回路と、を備え、前記２個の圧電素子は、共通の筐体内に配置され、かつ、前記２個の圧電素子の片方のみに音響素子の外部からの音響波を測定する受音面を設けたことを特徴とする。
材料特性の等しい２個の圧電素子を備えるので、等しい音響波及び電磁波に対して、等しい電圧を発生させることができる。さらに、２個の圧電素子の同じ極性の電極同士のうち、一方の電極同士が電気的に接続されているので、等しい音響波及び電磁波に対して、等しい電気信号を出力することができる。また、センサ出力端子の出力する電気信号を差動検出するので、２個の圧電素子に発生する音響ノイズ及び電磁ノイズを相殺し、測定しようとしている音響波に重畳されている音響ノイズ及び電磁ノイズを除去することができる。ここで、測定しようとする音響波を片方の圧電素子のみが測定するので、高感度で検出した音響波の電気信号から音響ノイズ及び電磁ノイズを除去することができる。よって、微小な音響波を測定することのできる音響素子を提供することができる。
前記差動増幅回路は差動出力し、前記差動増幅回路の差動出力を平衡伝送する平衡線路をさらに備えることが好ましい。
差動増幅した電気信号を平衡伝送することができる。よって、平衡線路を差動終端すれば、平衡線路の終端点で、外来雑音の同相成分を除去することができる。
前記２個の圧電素子のうちの一方に備わる前記２個の電極の他方の表面に配置され、前記圧電素子に対向する素子対向面の表層の固有音響インピーダンスが前記圧電素子の固有音響インピーダンスと略等しく、前記素子対向面に対する面の表層の固有音響インピーダンスが水と略等しい音響整合層をさらに備えることが好ましい。
２個の圧電素子のうちの一方に備わる２個の電極の他方の表面は、測定しようとする音響波の音圧が印加される受音面である。受音面の外部表面の固有音響インピーダンスが水と略等しく、かつ、圧電素子側の固有音響インピーダンスが圧電素子の固有音響インピーダンスと略等しいので、受音面を人体の皮膚と接触させた場合に受音面での音圧の反射を減少させることができる。
前記音響整合層に金属粉末が含まれていることが好ましい。
音響整合層に金属粉末が含まれているので、音響整合層が電磁波を反射することができる。これにより、音響整合層から入射した電磁波によって発生する電磁ノイズを減少させることができる。
前記圧電素子は、前記２個の圧電素子のうちの一方に備わる前記２個の電極の他方の表面を除き、少なくとも一部が、音響波を吸収する吸音材で覆われていることが好ましい。
測定しようとする音響波の印加される受音面を除き、圧電素子の表面が吸音材で覆われている。これにより、外部からの雑音を吸収することができるので、外部からの音響波で発生する音響ノイズを減少させることができる。さらに、圧電素子自体の揺動又は振動を吸収することができる。これにより、音響素子自体の振動又は揺動或いは圧電変化による圧電素子の振動又は揺動で発生する音響ノイズを減少させることができる。
前記２個の圧電素子は、前記吸音材を挟んで隣接していることが好ましい。
圧電素子同士が隣接しているので、２個の圧電素子に発生する音響ノイズ及び電磁ノイズの差を小さくすることができる。さらに、圧電素子同士の間に吸音材が挟まれているので、圧電素子間で発生する音響ノイズを低減することができる。
前記圧電素子は、前記２個の圧電素子のうちの一方に備わる前記２個の電極の他方の表面を除き、少なくとも一部が、電磁波を反射する電磁波反射材又は電磁波を吸収する電磁波吸収材で覆われていることが好ましい。
受音面以外の部分が電磁波反射材又は電磁波吸収材で覆われているので、２個の圧電素子に発生する電磁ノイズを減少させることができる。
本発明によれば、等しい音響波及び電磁波に対して等しい電気信号を出力する圧電素子を２個備え、圧電素子からの電気信号を差動出力することにより音響ノイズ及び電磁ノイズを相殺可能とするので、微小な音響波を測定することのできる音響素子を提供することができる。
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る音響素子の模式図である。図１に示す音響素子９１は、２個の圧電素子１１、１２と、同じ極性の２個の電極の一方同士２１ａ、２２ａを電気的に接続する共通端子１３と、２個の電極の他方２１ｂ、２２ｂと電気的に接続された２個のセンサ出力端子１４、１５と、を備えることを特徴とする。図１では、圧電素子１１の電極の他方２１ｂの外部表面が、測定しようとする音響波１の音圧を印加される受音面３１となっている。なお、図１では、圧電素子１１及び圧電素子１２が、受音面３１、底面３３及び側面３４で構成される筺体内に配置されている。
図１は、本実施形態に係る音響素子の模式図である。図１に示す音響素子９１は、２個の圧電素子１１、１２と、同じ極性の２個の電極の一方同士２１ａ、２２ａを電気的に接続する共通端子１３と、２個の電極の他方２１ｂ、２２ｂと電気的に接続された２個のセンサ出力端子１４、１５と、を備えることを特徴とする。図１では、圧電素子１１の電極の他方２１ｂの外部表面が、測定しようとする音響波１の音圧を印加される受音面３１となっている。なお、図１では、圧電素子１１及び圧電素子１２が、受音面３１、底面３３及び側面３４で構成される筺体内に配置されている。
音響素子９１は、センサ出力端子１４及びセンサ出力端子１５の出力を平衡伝送する平衡線路１６と、平衡線路１６を終端し、平衡線路１６の出力を差動増幅する差動増幅回路１７と、測定しようとする音響波１の印加される受音面３１に配置される音響整合層１８と、圧電素子１１と圧電素子１２の間の音響波の伝達を防ぐ防音板１９とをさらに備えることが好ましい。
圧電素子１１、１２は、印加される音圧に応じた電圧を発生させる材料特性の等しい圧電素子である。すなわち、圧電素子１１は、印加される音圧に応じた電圧を、電極２１ａと電極２１ｂとの間に発生させる。また、圧電素子１２は、印加される音圧に応じた電圧を、電極２２ａと電極２２ｂとの間に発生させる。圧電素子１１、１２は、モノモルフ型であってもよいし、バイモルフ型であってもよいし、積層型であってもよい。
圧電素子１１及び圧電素子１２は、材料特性が等しい。材料特性とは、例えば、圧電方程式の定数である。圧電方程式の定数は、ｄ形式であれば、弾性剛性マトリクス、圧電ひずみ定数マトリクス及び一定応力時の誘電率マトリクスとなる。また、圧電方程式の定数は、ｅ形式であれば、一定応力時の誘電率マトリクス、圧電応力定数マトリクス及び一定ひずみ時の誘電率マトリクスとなる。また、材料特性の等しい圧電素子として、組成、共振周波数、感度又は帯域の等しい圧電素子を用いてもよい。さらに、材料特性として、反共振周波数、機械的品質係数，電気機械結合係数、比誘電率又は静電容量が用いられてもよい。圧電素子１１及び圧電素子１２の材料特性が等しいので、圧電素子１１及び圧電素子１２に等しい音圧又は電磁波が印加された場合に、電極２１ａと電極２１ｂとの間に発生する電圧と、電極２２ａと電極２２ｂとの間に発生する電圧とを等しくすることができる。
圧電素子１１及び圧電素子１２の境界に、音響波の伝達を防ぐ防音板１９が設けられていることが好ましい。防音板１９としては、例えば、音響波を吸収する吸音材、音響波を遮断する遮音材を用いることができる。吸音材としては、例えば、スポンジを用いることができる。スポンジとしては、例えば、多泡性のポリウレタンであるポリウレタンフォーム、ゴムスポンジ、アクリルフォーム、ポリオレフィンフォームがある。遮音材としては、例えば、石膏ボード、合板、鉄板を用いることができる。圧電素子１１と圧電素子１２との境界に防音板１９が挟まれていれば、圧電素子１１に印加された音響波１の音圧が、圧電素子１１から圧電素子１２へ伝達され、圧電素子１２に印加されるのを防ぐことができる。これにより、圧電素子１１に印加された測定対象となる音響波１が一方の圧電素子でしか検出されないので、微小な音響波１を測定することができる。
防音板１９としては、吸音材を用いることが好ましい。吸音材は遮音材に比べて軽量であるので、音響素子９１を搭載した血圧計等の生体情報測定装置を装着する場合に、被検者への負担を軽減することができる。このように、圧電素子１１と圧電素子１２との間に防音板１９が挟まれていれば、圧電素子１１と圧電素子１２との間で発生する音響ノイズを低減することができる。
さらに、圧電素子１１及び圧電素子１２は、吸音材を挟んで隣接していることが好ましい。例えば、防音板１９に吸音材を用い、圧電素子１１と圧電素子１２とができる限り近くに実装されていることが好ましい。圧電素子１１と圧電素子１２とが近くに実装されていれば、２つの圧電素子に付加される音響ノイズ及び電磁ノイズの位相差を少なくすることができる。さらに、音響ノイズ及び電磁ノイズそのものの差も小さくすることができる。
圧電素子１１又は圧電素子１２は、受音面３１を除き、少なくとも一部が、音響波を吸収する吸音材で覆われていることが好ましい。例えば、底面３３が吸音材で覆われていることが好ましい。また、側面３４が吸音材で覆われていることが好ましい。吸音材は、前述の防音板１９で説明したものを用いることができる。
さらに、吸音材は、抗菌作用のあるものが好ましい。例えば、ＴｉＯ２等の光触媒が表面にコーティングされているものを用いることができる。また、光触媒を含有する樹脂を原料とするものを用いることができる。この樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー等のフッ素樹脂；ポリアミド６，ポリアミド６６，ポリアミド１２等のポリアミド；ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン等のポリオレフィン；ポリスチレン、ポリα−メチルスチレン等の芳香族ビニル樹脂；ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル；塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン等の塩素系樹脂；アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、エチレン−酢酸ビニルコポリマー、ノルボルネン樹脂、ポリアセタール、ポリエーテルイミド、ポリカーボネート、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール等が挙げられる。光触媒は、光触媒アパタイトであってもよい。ＴｉＯ２には、３種の結晶構造、アナターゼ型、ルチル型およびブルッカイト型があるが、光触媒活性のあるのは、アナターゼ型およびブルッカイト型のものである。また、天然の抗菌成分を配合した樹脂を用いることができる。例えば、竹の抗菌成分を配合したポリオレフィンフォームがある。筺体の表面に配置される吸音材が抗菌性を有していれば、音響素子９１を人体の表皮に装着する場合に、汗等が付着しても清潔に保つことができる。
このように、音響波を吸収する吸音材で覆われていれば、外部からの雑音２を吸収することができる。これにより、圧電素子１１、１２に到達する雑音２を減少させることができるので、外部からの音響波で発生する音響ノイズを減少させることができる。さらに、圧電素子１１、１２自体の揺動又は振動を吸収することができる。これにより、外部から音響素子９１へ加わった衝撃や振動によって発生する音響ノイズを減少させることができる。又、圧電素子１１、１２に印加される電圧の変化によって圧電素子１１、１２が振動又は揺動する際に発生する音響ノイズを減少させることができる。さらに、筺体の表面に配置される吸音材が抗菌性を有していれば、音響素子９１を人体の表皮に装着する場合に、汗が付着しても清潔に保つことができる。なお、圧電素子１１又は圧電素子１２を覆うのは、吸音材であることが好ましいが、吸音材でなく遮音材で雑音２を遮断してもよい。さらに、吸音材及び遮音材の両方を用いてもよい。
圧電素子は、受音面３１を除き、少なくとも一部が、電磁波を反射する電磁波反射材又は電磁波を吸収する電磁波吸収材で覆われていることが好ましい。例えば、受音面３１以外の筺体が電磁波反射材又は電磁波吸収材で覆われていることが好ましい。受音面３１以外の筺体とは、例えば、底面３３又は側面３４或いはこれらの一部である。また、底面３３及び側面３４であってもよい。電磁波反射材としては、例えば、導電体がある。導電体は金属であってもよいし、炭素繊維織物であってもよい。電磁波吸収材としては、例えば、フェライト粒子を単体で固形化したものがある。このように、受音面３１以外の部分が電磁波反射材又は電磁波吸収材で覆われていれば、筺体内に収容されている圧電素子１１、圧電素子１２、配線への電磁波３の印加を抑えることができる。筺体内に差動増幅回路１７が配置されていれば、電磁波３の印加によって差動増幅回路１７で発生する電磁ノイズを抑えることができる。さらに、圧電素子１１、１２は、筺体の外壁に、防音層を設けることが好ましい。防音層としては、例えば、前述の防音板１９で説明した吸音材を用いることができる。この場合、吸音材は、抗菌作用のあるものが好ましい。
音響整合層１８は、圧電素子１１に対向する素子対向面３２の表層の固有音響インピーダンスが圧電素子１１の固有音響インピーダンスと略等しく、受音面３１の表層の固有音響インピーダンスが水と略等しいものである。音圧と粒子速度とが同位相のときの固有音響インピーダンスを固有音響抵抗といい、水の固有音響抵抗は１．４８×１０６Ｎ・ｓ・ｍ−３である。受音面３１は、２個の圧電素子１１、１２のうちの一方である圧電素子１１に備わる２個の電極２１ａ及び電極２１ｂのうちの他方の電極２１ｂの表面である。素子対向面３２は、圧電素子１１に接している面である。音響整合層１８としては、例えば、セラミックス又は高分子を用いることができる。受音面３１の外部表面の固有音響インピーダンスが水と略等しく、かつ、圧電素子１１側の固有音響インピーダンスが圧電素子１１の固有音響インピーダンスと略等しいので、受音面３１を人体の皮膚と接触させた場合に受音面３１での音圧の反射を減少させることができる。なお、図１では、音響整合層１８と圧電素子１１との間に間隙があるが、音響整合層１８と圧電素子１１とは密着していてもよい。
音響整合層１８は、金属粉末が含まれていることが好ましい。金属粉末としては、例えば、タングステン粉末を用いることができる。この場合、音響整合層１８は、例えば、高分子にタングステン粉末等の金属粉末を混入させた材料を用いて形成することができる。音響整合層１８に金属粉末が含まれていれば、音響整合層１８は電磁波を反射することができる。これにより、圧電素子１１に発生する電磁ノイズを減少させることができる。
共通端子１３は、電極の一方２１ａ及び電極の一方２２ａを電気的に接続する端子である。電極の一方２１ａ及び電極の一方２２ａは、同じ極性同士の電極である。例えば、低電圧側同士又は高電圧側同士のとなる。さらに、共通端子１３は接地されていることが好ましい。電極の一方２１ａと電極の一方２２ａとが電気的に接続されているので、電極の一方２１ａと電極の一方２２ａとの電位差をなくすことができる。
センサ出力端子１４は、電極の他方２１ｂと電気的に接続されている端子である。センサ出力端子１４は、電極２１ａと電極２１ｂとの間で発生した電圧に比例する信号レベルの電気信号５を出力する。センサ出力端子１５は、電極の他方２２ｂと電気的に接続されている端子である。センサ出力端子１５は、電極２２ａと電極２２ｂとの間で発生した電圧に比例する信号レベルの電気信号６を出力する。
ここで、電極の一方２１ａ及び電極の一方２２ａが共通端子１３に接続されているので、電極の他方２１ｂと電極の他方２２ｂの電位差が、圧電素子１１に発生する電圧と圧電素子１２に発生する電圧との電位差となる。このため、電極の他方２１ｂと電極の他方２２ｂとから出力される差動出力の電位差を測定すれば、一方のみに印加されている音圧を測定することができる。
平衡線路１６は、センサ出力端子１４及びセンサ出力端子１５の出力を平衡伝送する線路である。平衡線路１６を差動終端すれば、センサ出力端子１４及びセンサ出力端子１５から差動終端するまでに印加されている外来雑音の同相成分を平衡線路の終端点で除去することができる。これにより、圧電素子１１、１２の外部で発生するノイズを減少させることができる。
差動増幅回路１７は、平衡線路１６を終端し、平衡線路１６の出力を差動増幅する回路である。差動増幅回路１７としては、例えば、オペアンプ又は変圧器を用いることができる。センサ出力端子１４、１５の出力を差動検出するので、２個の圧電素子１１、１２に発生する音響波のコモンモードノイズ及び電磁波のコモンモードノイズを相殺することができる。
図１に示す音響素子９１の動作の一例を説明する。圧電素子１１の受音面３１に測定しようとする音響波１の音圧が印加される。圧電素子１１は音響波１の音圧に比例した電圧を発生させ、センサ出力端子１４は圧電素子１１の発生した電圧に比例した信号レベルの電気信号５を出力する。このとき、圧電素子１１及び圧電素子１２には雑音２及び電磁波３が印加されているので、電気信号５には雑音２及び電磁波３に応じた信号レベルの音響ノイズ及び電磁ノイズが重畳されている。
一方、圧電素子１２は雑音２及び電磁波３に応じた電圧を発生させ、センサ出力端子１５は圧電素子１２の発生した電圧に比例した信号レベルの電気信号６を出力する。ここで、圧電素子１２が圧電素子１１と隣接して配置されており、防音板１９及び底面３３が吸音材で形成されるか、覆われていれば、音響波１で発生した電圧を除いて、圧電素子１２で発生する電圧を圧電素子１１で発生する電圧に近づけることができる。これにより、センサ出力端子１５は、雑音２及び電磁波３によって圧電素子１１が発生する音響ノイズ及び電磁ノイズに応じた電気信号とほぼ等しい電気信号６を出力することができる。
平衡線路１６は、センサ出力端子１４及びセンサ出力端子１５の出力を平衡伝送する。差動増幅回路１７は、平衡線路１６を終端する。平衡線路１６を差動終端するので、センサ出力端子１４及びセンサ出力端子１５から差動終端するまでに印加されている外来雑音の同相成分を平衡線路１６の終端点で除去することができる。さらに、差動増幅回路１７が差動増幅するので、電気信号５と電気信号６とを差動検出することができる。電気信号６は音響ノイズ及び電磁ノイズに応じた電気信号とほぼ等しいので、差動増幅回路１７は電気信号５から音響ノイズ及び電磁ノイズの除去された電気信号を出力することができる。よって、音響素子９１は、音響波１の音圧の印加によって発生した電気信号を抽出することができる。
以上説明したように、本実施形態に係る音響素子９１は、圧電素子１１を用いて微小な音響波１を検出し、圧電素子１１からの出力信号５に重畳されている音響ノイズ及び電磁ノイズを除去することができる。これにより、微小な音響波を測定することのできる音響素子を提供することができる。さらに、平衡伝送路１６及び差動増幅回路１７を設ければ、微小な音響波１の音圧の印加によって発生した電気信号を抽出して増幅することができるので、微小な音響波１を効率よく測定することができる。このように、音響素子９１は、微小な音響波１を測定することができるので、指や外耳のような太い動脈のない部位であっても脈動を検出することができる。
（実施形態２）
図２は、本実施形態に係る音響素子の第１例を示す模式図である。図２に示す音響素子９２は、図１に示す音響素子９１の差動増幅回路１７が２個のセンサ出力端子１４、１５の出力を差動増幅する。圧電素子１１、１２、共通端子１３及びセンサ出力端子１４、１５等の、作動増幅回路１７及び平衡線路１６を除くその他の音響素子９２に備わる構成の機能及び動作については前述の実施形態１と同様である。
図２は、本実施形態に係る音響素子の第１例を示す模式図である。図２に示す音響素子９２は、図１に示す音響素子９１の差動増幅回路１７が２個のセンサ出力端子１４、１５の出力を差動増幅する。圧電素子１１、１２、共通端子１３及びセンサ出力端子１４、１５等の、作動増幅回路１７及び平衡線路１６を除くその他の音響素子９２に備わる構成の機能及び動作については前述の実施形態１と同様である。
作動増幅回路１７は、前述の実施形態１と同様のものを用いることができる。ただし、本実施形態では、差動増幅回路１７は、平衡線路１６を介さず、センサ出力端子１４から出力された電気信号５と、センサ出力端子１５から出力された電気信号６と、を直接差動増幅する。図２では、圧電素子１１、１２の配置されている筺体の外部に差動増幅回路１７が配置されている。この場合、差動増幅回路１７は、圧電素子１１及び圧電素子１２の近くに配置されることが好ましい。また、センサ出力端子１４、１５から差動増幅回路１７までの線路は短いことが好ましい。圧電素子１１及び圧電素子１２から差動増幅回路１７までの線路が短ければ、線路で発生する電磁ノイズを抑制することができる。
図３は、本実施形態に係る音響素子の第２例を示す模式図である。図３に示す音響素子９３は、図２に示す差動増幅回路１７が圧電素子１１、１２の収容されている筺体の内部に配置されている。筺体の内部は、例えば、圧電素子１１及び圧電素子１２の間とすることができる。この場合、差動増幅回路１７は、図３に示すように、防音板１９の間に挟まれていることが好ましい。このように、差動増幅回路１７が筺体の内部に配置されていれば、圧電素子１１及び圧電素子１２から差動増幅回路１７までの線路を短くすることができるので、線路で発生する電磁ノイズをさらに抑制することができる。
（実施形態３）
図４は、本実施形態に係る音響素子の第１例を示す模式図である。図４に示す音響素子９４は、図２に示す音響素子９２の差動増幅回路１７が差動出力し、差動増幅回路１７の差動出力８ａ、８ｂを平衡伝送する平衡線路２０をさらに備える。音響素子９４は、作動増幅回路１７及び平衡線路１６を除いては、音響素子９１と同様の構成とすることができる。例えば、圧電素子１１、１２、共通端子１３及びセンサ出力端子１４、１５は、前述の実施形態１と同様である。
図４は、本実施形態に係る音響素子の第１例を示す模式図である。図４に示す音響素子９４は、図２に示す音響素子９２の差動増幅回路１７が差動出力し、差動増幅回路１７の差動出力８ａ、８ｂを平衡伝送する平衡線路２０をさらに備える。音響素子９４は、作動増幅回路１７及び平衡線路１６を除いては、音響素子９１と同様の構成とすることができる。例えば、圧電素子１１、１２、共通端子１３及びセンサ出力端子１４、１５は、前述の実施形態１と同様である。
作動増幅回路１７は、前述の実施形態１と同様のものを用いることができる。ただし、本実施形態では、差動増幅回路１７は、図１に示す平衡線路１６を介さず、センサ出力端子１４から出力された電気信号５と、センサ出力端子１５から出力された電気信号６と、を直接差動増幅し、差動出力する。図４では、圧電素子１１、１２の配置されている筺体の外部に差動増幅回路１７が配置されている。
図５は、本実施形態に係る音響素子の第２例を示す模式図である。図５に示す音響素子９５は、図４に示す差動増幅回路１７は、圧電素子１１、１２の配置されている筺体の内部に配置されている。筺体の内部は、例えば、圧電素子１１と圧電素子１２との間とすることができる。この場合、差動増幅回路１７は、図５に示すように、防音板１９の間に挟まれていることが好ましい。
以上説明したように、実施形態１、２、３で説明した音響素子９１、９２、９３、９４、９５は、等しい音響波及び電磁波に対して等しい電気信号を出力する圧電素子を２個備え、圧電素子１１、１２からの電気信号を差動出力することにより音響ノイズ及び電磁ノイズを相殺することができるので、圧電素子１１を用いて微小な音響波１を測定することのできる音響素子を提供することができる。
本発明は、微小な音響波を測定することができるので、人体の指先や外耳で簡単に血圧や脈拍数を測定することのできる生体情報測定装置に利用することができる。
１ 音響波
２ 雑音
３ 電磁波
５、６ 電気信号
８ａ、８ｂ 差動出力
１１、１２ 圧電素子
１３ 共通端子
１４、１５ センサ出力端子
１６、２０ 平衡線路
１７ 差動増幅回路
１８ 音響整合層
１９ 防音板
２１ａ、２１ｂ 圧電素子１１の電極
２２ａ、２２ｂ 圧電素子１２の電極
３１ 音響素子の受音面
３２ 音響整合層の素子対向面
３３ 音響素子の筺体の底面
３４ 音響素子の筺体の側面
９１、９２、９３、９４、９５ 音響素子
２ 雑音
３ 電磁波
５、６ 電気信号
８ａ、８ｂ 差動出力
１１、１２ 圧電素子
１３ 共通端子
１４、１５ センサ出力端子
１６、２０ 平衡線路
１７ 差動増幅回路
１８ 音響整合層
１９ 防音板
２１ａ、２１ｂ 圧電素子１１の電極
２２ａ、２２ｂ 圧電素子１２の電極
３１ 音響素子の受音面
３２ 音響整合層の素子対向面
３３ 音響素子の筺体の底面
３４ 音響素子の筺体の側面
９１、９２、９３、９４、９５ 音響素子
Claims (8)
- 印加される音圧に応じた電圧を２個の電極間に発生させる材料特性の等しい２個の圧電素子と、
同じ極性の前記２個の電極の一方同士を電気的に接続する共通端子と、
前記２個の電極の他方と電気的に接続された２個のセンサ出力端子と、
前記センサ出力端子の出力を平衡伝送する平衡線路と、
前記平衡線路を終端し、前記平衡線路の出力を差動増幅する差動増幅回路と、を備え、
前記２個の圧電素子は、共通の筐体内に配置され、かつ、
前記２個の圧電素子の片方のみに音響素子の外部からの音響波を測定する受音面を設けたことを特徴とする音響素子。 - 印加される音圧に応じた電圧を２個の電極間に発生させる材料特性の等しい２個の圧電素子と、
同じ極性の前記２個の電極の一方同士を電気的に接続する共通端子と、
前記２個の電極の他方と電気的に接続された２個のセンサ出力端子と、
前記２個のセンサ出力端子の出力を差動増幅する差動増幅回路と、を備え、
前記２個の圧電素子は、共通の筐体内に配置され、かつ、
前記２個の圧電素子の片方のみに音響素子の外部からの音響波を測定する受音面を設けたことを特徴とする音響素子。 - 前記差動増幅回路は差動出力し、
前記差動増幅回路の差動出力を平衡伝送する平衡線路をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の音響素子。 - 前記２個の圧電素子のうちの一方に備わる前記２個の電極の他方の表面に配置され、前記圧電素子に対向する素子対向面の表層の固有音響インピーダンスが前記圧電素子の固有音響インピーダンスと略等しく、前記素子対向面に対する面の表層の固有音響インピーダンスが水と略等しい音響整合層をさらに備えることを特徴とする請求項１から３に記載のいずれかの音響素子。
- 前記音響整合層に金属粉末が含まれていることを特徴とする請求項４に記載の音響素子。
- 前記圧電素子は、前記２個の圧電素子のうちの一方に備わる前記２個の電極の他方の表面を除き、少なくとも一部が、音響波を吸収する吸音材で覆われていることを特徴とする請求項１から５に記載のいずれかの音響素子。
- 前記２個の圧電素子は、前記吸音材を挟んで隣接していることを特徴とする請求項６に記載の音響素子。
- 前記圧電素子は、前記２個の圧電素子のうちの一方に備わる前記２個の電極の他方の表面を除き、少なくとも一部が、電磁波を反射する電磁波反射材又は電磁波を吸収する電磁波吸収材で覆われていることを特徴とする請求項１から７に記載のいずれかの音響素子。
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