WO2012035578A1 - 振動検出装置 - Google Patents

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vibration detection
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啓 真鍋
佐藤　宏
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フォスター電機株式会社
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    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/46—Special adaptations for use as contact microphones, e.g. on musical instrument, on stethoscope
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2460/00—Details of hearing devices, i.e. of ear- or headphones covered by H04R1/10 or H04R5/033 but not provided for in any of their subgroups, or of hearing aids covered by H04R25/00 but not provided for in any of its subgroups
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    • H04R2499/00—Aspects covered by H04R or H04S not otherwise provided for in their subgroups
    • H04R2499/10—General applications
    • H04R2499/11—Transducers incorporated or for use in hand-held devices, e.g. mobile phones, PDA's, camera's

Definitions

  • the present invention relates to a vibration detection device that is used in, for example, a mobile phone or a voice input device, and detects vibration caused by voice emitted from a human body.
  • Non-Patent Document 1 In recent years, bone-conduction microphones and meat-conduction microphones have been developed and attracted attention as contact-type microphones that directly collect sound from the human body (see Non-Patent Document 1).
  • Bone conduction microphones utilize sound transmission using human bones as a medium, and a microphone sensor is attached to a relatively thin area such as the forehead to pick up sounds and the like.
  • a meat conduction microphone collects sound transmission using soft tissues of the human body, for example, elastic tissues such as skin, muscles, and fats, as a medium, and a vibration detection element is brought into contact with the neck and the lower part of the ear.
  • soft tissues of the human body for example, elastic tissues such as skin, muscles, and fats, as a medium
  • a vibration detection element is brought into contact with the neck and the lower part of the ear.
  • the body-conducted sound refers to meat-conducted sound or bone-conducted sound.
  • sound that propagates in air is called air conduction sound.
  • the meat conduction sound is a sound caused by meat conduction.
  • the meat conduction microphone is used for an electronic stethoscope and can directly sample the body conduction sound transmitted through the soft tissue, so that it has an advantage that even a sound volume smaller than a normal utterance volume can be detected with high sensitivity.
  • an object of the present invention is to provide a vibration detection device capable of improving the intelligibility by improving the sensitivity in a desired frequency band and decreasing the sensitivity outside this band.
  • the invention of claim 1 has a vibration detection element that detects vibration from a vibration source, a first case that houses a vibration detection surface of the vibration detection element facing the vibration source, and a resonance hole,
  • the lid attached to the upper part of the first case and the first case are arranged to vibrate the vibration detection element so as to form a space acting as a resonance container on the vibration detection surface of the vibration detection element.
  • a vibration transmission medium in which the first case is embedded in the second case and the vibration from the vibration source is transmitted to the vibration detection surface of the vibration detection element through the resonance hole. This is a characteristic vibration detection device.
  • a contact surface of the vibration transmission medium with the vibration source has a convex shape toward the vibration source.
  • the second case has a pressure limiting portion for limiting an excessive pressure applied to the vibration detection surface on a contact surface side with the vibration source.
  • the vibration transmission medium detects vibration from the vibration source through the resonance hole in the state where excessive contact pressure with the vibration source is limited by the pressure limiting unit. It is transmitted to the surface.
  • the vibration detecting device according to the first aspect, further comprising a skin contact plate formed of a material harder than the vibration transmission medium, provided on an upper surface of the vibration transmission medium, and in contact with the vibration source. It is characterized by doing.
  • the skin contact plate has a dome shape toward the vibration source.
  • a lid provided with a resonance hole is attached to the inner case that houses the vibration detection element, and the space between the lid and the vibration detection surface of the vibration detection element is used as a resonance container.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a vibration detection apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a vibration detection element 1a housed in an inner case (first case) 1 is disposed in a bottomed cylindrical outer case (second case) 5 formed of resin, metal, or the like.
  • a polymer material having a Shore A hardness of 0 to 50 such as a silicone material, having a Young's modulus of about 4.5 ⁇ 10 5 [Pa] and a density of about 1.00 ⁇ 10 3 [Kg / m 3 ].
  • the structure is such that the vibration detecting element 1a is embedded by filling an elastomer.
  • the Shore A hardness of 0 to 50 polymer material reduces the reflection attenuation as much as possible from the surface of the human body that is the vibration source, such as the skin, and reliably transmits the vibration to the vibration detection surface 2 of the vibration detection element 1a. It acts as a vibration transmission medium 3 for this purpose. Therefore, the vibration transmission medium 3 needs to be surely brought into contact with the vibration detection surface 2 of the vibration detection element 1a.
  • the Shore A hardness is a hardness calculated from a force that pushes back a needle when a needle connected to a spring is pressed, and is measured by, for example, a hardness meter called a durometer.
  • the vibration detection element 1a is accommodated in the inner case 1 made of, for example, aluminum with the vibration detection surface 2 facing up (facing the vibration source).
  • an ECM electrot condenser microphone
  • the inner case 1 is composed of a bottom plate and side plates erected around the bottom plate, and the upper part is open.
  • a lid body 6 made of, for example, aluminum and having a resonance hole 4 is attached to the opening at the upper end of the side plate.
  • the resonance hole 4 preferably has a circular shape and is formed at the center of the lid 6.
  • a space 12 is formed between the lid 6 and the vibration detection surface 2 of the vibration detection element 1a. And it acts as a vibration transmission medium 3 in the gap between the space 12, the resonance hole 4 portion, the outer surface of the inner case 1, and the inner surface of the outer case 5 that is larger than the inner case 1 and arranged on the outer side. Intervening polymer material.
  • the upper portion of the vibration transmission medium 3 protrudes in a spherical shape from the opening at the upper end of the outer case 5, and this protruding portion becomes the surface of the human body that is the vibration source, for example, the skin contact surface 3a that contacts the skin.
  • the skin contact surface 3a can be formed by raising the upper part into a spherical shape due to surface tension.
  • a signal line drawing hole is preferably formed in the center of the bottom plate of the inner case 1 and in the center of the bottom plate of the outer case 5, and the inner case 1 and the vibration transmission medium 3 are formed from the back side of the vibration detecting element 1a.
  • the signal line 7 is led to the outside via the outer case 5.
  • the vibration detection element 1a housed in the inner case 1 protects the vibration detection element 1a and forms a space 12 acting as a resonance container (resonance box) between the lid 6 and the vibration detection surface 2. Because. Further, the vibration transmission medium 3 is interposed in the space 12 and the resonance hole 4, respectively, so that the space 12 acts as a resonance container, and the space 12 and the resonance hole 4 constitute a Helmholtz resonator. This is because by adjusting the band to the frequency band of the voice, the vibration caused by the voice is amplified from the vibration propagated from the skin contact surface 3a, and the vibration other than the voice is attenuated. Furthermore, the reason why the vibration transmission medium 3 is interposed between the side surface and back surface of the inner case 1 and the outer case 5 is to prevent external noise applied to the vibration detecting element 1a from the outer surface and back surface of the outer case 5.
  • f Resonance frequency [Hz]
  • M inertance of the resonance hole 4 [kg / m 4 ]
  • C Acoustic compliance [m 5 / N] of the space 12 between the lid 6 and the vibration detection surface 2 It is.
  • V Volume [m 3 ] of the space 12 between the lid 6 and the vibration detection surface 2
  • ⁇ density [kg / m 3 ] of the vibration transmission medium 3 existing in the space 12 between the lid 6 and the vibration detection surface 2
  • c Sound velocity [m / s] of the vibration transmission medium 3 existing in the space 12 between the lid 6 and the vibration detection surface 2
  • E Young's modulus [Pa] of the vibration transmission medium 3 existing in the space 12 between the lid 6 and the vibration detection surface 2 It is.
  • the size of the space 12 and the resonance hole 4 that is, the diameter of the resonance hole 4, based on the above formulas (1), (2), and (3).
  • the resonance frequency are determined to coincide with each other.
  • the resonance frequency when the polymer material (vibration transmission medium 3) is filled in the space 12 and the resonance hole 4 formed by the vibration detection surface 2 and the lid 6 under the following conditions is calculated.
  • the resonance frequency is about 3400 [Hz].
  • Resonance hole 4 diameter 1.0 [mm] Lid 6 thickness: 0.5 [mm] Diameter of vibration detection surface 2: 2.0 [mm] Distance between lid 6 and vibration detection surface 2: 0.5 [mm] Young's modulus of the vibration transmission medium 3: 4.5 ⁇ 10 5 [Pa] Density of vibration transmission medium 3: 1.00 ⁇ 10 3 [Kg / m 3 ]
  • the case where the resonance hole 4 and the vibration detection surface 2 are circular is shown.
  • the vibration detection element 1a is housed from above in the inner case 1 having an opening on the upper side. Thereafter, a lid 6 having a resonance hole 4 is attached to the upper end portion of the inner case 1.
  • the bottom of the outer case 5 having an opening on the upper side is filled with the vibration transmission medium 3 as shown in FIG.
  • the inner case 1 is stored in the outer case 5.
  • the signal line 7 is pulled out through a signal line lead-out hole formed at the bottom center of the inner case 1 and the outer case 5.
  • the vibration transmission medium 3 is filled in the space 12, the resonance hole 4, and the outer case 5.
  • the vibration transmission medium 3 fills the space 12, the inside of the resonance hole 4, the side surface and the back surface of the inner case 1, and the vibration detection element.
  • the vibration detection surface 2 of 1a is covered.
  • the upper portion of the vibration transmission medium 3 can be raised to a spherical shape by utilizing the surface tension. Therefore, the manufacturing process is not complicated.
  • the shape of each member is simple and the number of assembly parts is small, each member can be easily manufactured, and the parts can be assembled and assembled sequentially from one direction, so that the assembly is good and suitable for mass production. Therefore, the manufacturing cost can be reduced.
  • FIG. 2 shows the relative response (indicated by a thick solid line 10) to the frequency characteristics of the vibration detection device according to the first embodiment of the present invention formed under the above-described conditions, and the upper end of the inner case 1 without the cover body 6.
  • the relative response is constant at ⁇ 20 to ⁇ 10 dBV in the frequency range from over 100 Hz to about 10000 Hz. That is, the sound pressure is constant throughout the desired measurement frequency range, and the sensitivity is good. Further, the sensitivity is drastically lowered at a frequency of 10,000 Hz or higher. That is, the relative response can be improved by resonance in the voice frequency band, and the sensitivity can be lowered in the high frequency band outside the voice band. In the comparative example, it is approximately ⁇ 30 dBV, and the sensitivity is worse than the product of the present invention.
  • the sensitivity of the voice is improved by matching the resonance band to the frequency band of the voice, and the vibration of the voice transmitted from the body surface is clarified by reducing the sensitivity other than the voice band. Sound can be collected.
  • the upper part (skin contact surface 3a) of the vibration transmission medium 3 into a spherical convex surface, even when the human body surface and the vibration detection surface 2 of the vibration detection device are not parallel, the adhesion between the human body surface and the human body surface is improved. It can be kept good, and vibrations from the human body can be detected without interruption.
  • Example 1 the case where the Shore A hardness of the polymer material serving as the vibration transmission medium 3 is 0 to 50 is shown, but the more preferable Shore A hardness is 10 to 30, and most preferably 15 to 25. .
  • a polymer material having a Shore A hardness of 15 to 25 has the highest sensitivity because it is close to the hardness of human skin and muscles. Sensitivity decreases as the value falls outside this range, but an effect is obtained when the Shore A hardness is 0 to 50.
  • resin and metal are exemplified as the material of the outer case 5, and aluminum is exemplified as the material of the inner case 1 and the lid body 6, but it is not limited thereto.
  • the resonance hole 4 is not limited to a circle, but may be a square or other suitable shape.
  • a plurality of resonance holes may be provided in one lid 6 according to the required frequency characteristics.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a vibration detection apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the outer case has a configuration different from that of the first embodiment. That is, the outer case 8 includes a pressure restricting portion 8a that restricts the pressure applied to the vibration detecting surface 2 of the vibration detecting element 1a along the outer periphery of the upper end portion that contacts the skin that is the vibration source. Further, a flange 8b that protrudes outward is formed on the outer peripheral upper portion of the outer case 8. Examples of the material of the outer case 8 include resin and metal, but are not limited thereto.
  • the vibration transmission medium 3 is filled so that the upper surface (skin contact surface) 3a is lower than the pressure limiting portion 8a provided on the upper portion of the outer case 8, and the front surface position of the flange 8b is vibrated. It is substantially equal to the front surface position of the transmission medium 3.
  • the protruding pressure limiting portion 8a limits the contact pressure between the skin and the vibration transmission medium 3 to be equal to or lower than the detection limit of the vibration detecting element 1a. In other words, even if the vibration detecting element 1a is pressed strongly against the skin via the vibration transmission medium 3, the pressure limiting unit 8a prevents excessive pressure (pressure exceeding the detection limit) from being applied to the vibration detecting element 1a. I am doing so.
  • vibration from the skin is detected by the vibration detection surface of the vibration detection element 1a in a state where the contact pressure with the skin is limited by the pressure limiting unit 8a. 2 can be transmitted.
  • vibration that does not exceed the vibration detection range of the vibration detection element 1 a can be applied to the vibration detection surface 2.
  • the vibration transmission medium 3 is relatively soft and comes into contact with the skin together with the pressure limiting portion 8a, the wearability can be improved.
  • the vibration from the vibration source can be clearly picked up by improving the sensitivity in a predetermined frequency band and decreasing the sensitivity outside this band. Moreover, it is possible to prevent a pressure exceeding an allowable amount from being applied when pressing against the skin while improving the wearability to the skin.
  • the vibration transmission medium 3 shows a case where the upper surface 3a of the vibration transmission medium 3 has a convex shape, it may be a flat surface as long as it is lower than the pressure limiting portion 8a provided at the upper end of the outer case 8.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a vibration detecting apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the third embodiment is different from the second embodiment described above in that the upper surface 3a of the vibration transmission medium 3 is filled so as to be lower than the pressure limiting portion 8a provided on the upper portion of the outer case 8, and this vibration transmission is performed.
  • the skin contact plate 9 is provided so as to cover the upper surface 3 a of the medium 3.
  • the skin contact plate 9 is formed of a material harder than the vibration transmission medium 3, for example, resin or metal, and has a dome-like convex shape.
  • the skin contact plate 9 protects the upper surface 3a so that the contact pressure is evenly applied to the vibration detection surface 2 when the vibration detection device is pressed against the skin, and has a dome-shaped convex shape. .
  • the top position is preferably substantially equal to or slightly inward of the upper end position of the pressure limiting portion 8a. Since other configurations are the same as those of the second embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the upper surface 3a of the vibration transmission medium 3 is positioned below the upper end of the pressure limiting portion 8a of the outer case 8, and the upper surface 3a is By covering with the skin contact plate 9 harder than the vibration transmission medium 3, pressure can be applied uniformly to the upper surface 3a of the vibration transmission medium 3, and the upper surface 3a can be protected.
  • the surface of the human body and the skin contact surface that the vibration detector is in contact with are covered with a material harder than the polymer material, thereby preventing the surface of the flexible polymer material from deteriorating and improving the good adhesion to the human body surface. Can keep time.
  • the wearability can be improved, and the pressure acting on the vibration detection surface 2 of the vibration detection element 1a is detected by the pressure limiting unit 8a when pressed against the body surface. Since it can restrict
  • the part which contacts a body surface demonstrated taking the dome shape as an example, a cylinder, a hemisphere, etc. may be sufficient.
  • the hardness of the skin contact plate 9 is preferably low when the Shore A hardness of the vibration transmission medium 3 is low.
  • the part of the human body that detects vibration, the characteristics of the vibration detection element 1a, etc. The material, thickness, shape and the like may be determined together with the Shore A hardness of the medium 3.
  • the case where the pressure limiting portion 8a is provided along the outer periphery of the upper end portion pressed against the vibration source (the body surface of the human body, for example, the skin) of the outer case 8 has been described as an example.
  • the upper surface 3a of the vibration transmission medium 3 lower than the upper end portion of the outer case 8
  • a part of the outer case 8 can be used as a pressure limiting portion.
  • the upper surface of the outer case 8 can limit the pressure on the body surface that contacts the skin contact plate 9 or the upper surface 3a of the vibration transmission medium 3 so that the vibration detection range of the vibration detection element 1a is not exceeded.
  • FIG. 5 shows an application example 1 in which the vibration detection device of the present invention is applied to, for example, a foldable mobile phone.
  • the mobile phone includes an operation unit 13 that performs key input operations and the like, and a display unit 14 that displays various information, and vibrations for sound collection are provided on both sides of the lower part of the display unit 14.
  • the detection devices 15 and 16 are provided. Since both lower sides of the display unit 14 can come into contact with the lower part of the ear and the position of the cheeks, the vibration detection devices 15 and 16 provided on the display unit 14 of the mobile phone are pressed against the parotid gland (mandibular bone corner). Thus, a very small sound such as a whisper of a person using a mobile phone can be collected, and a so-called silent phone can be obtained.
  • FIG. 6 shows an application example 2 in which the vibration detection device of the present invention is applied to a voice input device.
  • This voice input device 17 has a configuration in which a vibration detection device 18 for collecting sound is provided at an ear-attack provided at least at one end of a headband made of a deformable elastic member attached to the head.
  • the sound can be picked up by bringing the vibration detecting device 18 into contact with the soft tissue around the ear.
  • the vibration detection device can improve the sensitivity at a specific resonance frequency according to the principle of the Helmholtz resonator by attaching the lid body having the resonance hole to the inner case housing the vibration detection element. Therefore, it is possible to improve the clarity by improving the sensitivity of a desired frequency band and decreasing the sensitivity other than this band.
  • the present invention can be used as a contact-type microphone that picks up voice or other flesh-conducted sound directly from the human body, and is suitable for, for example, a mobile phone or a voice input device.

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Abstract

　所望の周波数帯域の感度を向上させ、この帯域以外の感度を低下させることで、明瞭度を向上できる振動検出装置を提供する。　振動検出装置は、振動検出素子（１ａ）、第一、第二のケース（１、５）、蓋体（６）および振動伝達媒体（３）を備える。上記第一のケース（１）は、振動検出素子（１ａ）の振動検出面（２）を振動源に対向させて収容する。上記蓋体（６）は共鳴孔（４）を有し、振動検出素子（１ａ）の振動検出面（２）上に共鳴容器として作用する空間（１２）を形成するように、第一のケース（１）の上部に装着される。上記振動伝達媒体（３）は、上記空間（１２）内、上記共鳴孔（４）部分および上記第二のケース（５）内に充填されたショアＡ硬度０～５０の高分子材料で形成され、上記第一のケース（１）を上記第二のケース（５）内に埋設し、振動源からの振動を上記共鳴孔（４）を介して上記振動検出素子（１ａ）の振動検出面（２）に伝達する。

Description

振動検出装置
　本発明は、例えば携帯電話や音声入力装置に用いられ、人体から発せられた音声による振動を検出する振動検出装置に関する。
　近年、人体から直接音声を収音する接触型マイクロホンとして、骨伝導マイクロホンや肉伝導マイクロホンが開発され注目されている（非特許文献１参照）。
　骨伝導マイクロホンは、人体の骨を媒体とする音の伝達を利用するものであり、額部分などの比較的皮膚の薄いところにマイクとなるセンサを取り付けて音声等を収音する。
　一方、肉伝導マイクロホンは、人体の軟部組織、例えば皮膚や筋肉、脂肪などの弾性のある組織を媒体とする音の伝達を収音するものであり、首部や耳の下部に振動検出素子を接触させてささやき声のような極小さな体導音を拾うものが提案されている（非特許文献２参照）。ここに体導音としては、肉導音や骨導音をいう。これに対し、空気を伝搬する音は気導音という。なお、肉導音は肉伝導による音のことである。肉伝導マイクロホンは電子聴診器などに使われ、軟部組織を介して伝わる体導音を直接サンプリングできるので、通常の発声音量より小さいものでも感度良く検出できるという利点がある。
社団法人 情報処理学会研究報告 (IPSJ SIG Technical Report)2004-H1-109(6) 2004-SLP-52(6) 2004/7/16 pp.33-40 中島淑貴、竹笛浩司、柏岡秀紀、鹿野清宏、ニックキャンベル、"NAMInterface Communication"
日本音響学会講演論文集 2008年9月 pp.637-638 清水奨太、平原達也、大谷真、「小型体導音センサの構造と感度特性」
　しかしながら、骨伝導マイクロホンや肉伝導マイクロホン等の従来の振動検出装置は、その構造上、数Ｈｚから数十ＫＨｚの広帯域な振動を検出するので、声を発した際に体表に伝わる音声の振動を収音する場合に音声以外の振動も検出してしまい、目的とする音声の明瞭度を低下させるという問題がある。
　従って、本発明の目的は、所望の周波数帯域の感度を向上させ、この帯域以外の感度を低下させることで、明瞭度を向上できる振動検出装置を提供することにある。
　請求項１の発明は、振動源からの振動を検出する振動検出素子と、前記振動検出素子の振動検出面を前記振動源に対向させて収容する第一のケースと、共鳴孔を有し、前記振動検出素子の振動検出面上に共鳴容器として作用する空間を形成するように、前記第一のケースの上部に装着される蓋体と、前記第一のケースを、前記振動検出素子の振動検出面を前記振動源に対向させて収容する第二のケースと、前記空間内、前記共鳴孔内および前記第二のケース内に充填されたショアＡ硬度０～５０の高分子材料で形成され、前記第一のケースを前記第二のケース内に埋設し、前記振動源からの振動を前記共鳴孔を介して前記振動検出素子の振動検出面に伝達する振動伝達媒体とを具備することを特徴とする振動検出装置である。
　請求項２の発明は、請求項１の振動検出装置において、前記振動伝達媒体における前記振動源との接触面は、前記振動源に向かって凸面形状であることを特徴とする。
　請求項３の発明は、請求項１の振動検出装置において、前記第二のケースは、前記振動源との接触面側に、前記振動検出面にかかる過剰な圧力を制限する圧力制限部を有し、前記振動伝達媒体は、前記圧力制限部により前記振動源との過剰な接触圧力が制限された状態で、前記振動源からの振動を前記共鳴孔を介して前記振動検出素子の前記振動検出面に伝達することを特徴とする。
　請求項４の発明は、請求項１の振動検出装置において、前記振動伝達媒体より硬質な材料で形成され、前記振動伝達媒体の上面に設けられ、前記振動源と接触する皮膚接触板を更に具備することを特徴とする。
　請求項５の発明は、請求項４の振動検出装置において、前記皮膚接触板は、前記振動源に向かってドーム形状であることを特徴とする。
　本発明によれば、振動検出素子を収容した内ケースに共鳴孔を設けた蓋体を装着し、この蓋体と振動検出素子の振動検出面との間の空間を共鳴容器として利用し、共鳴容器と共鳴孔で形成されるヘルムホルツ共鳴器の共振帯域を声の周波数帯域に合わせることで声の感度を向上させ、声の周波数帯域外の感度を下げることができ、体表より伝わる声の振動を明瞭に収音することができる。
本発明の実施例１に係る振動検出装置を示す断面図である。 本発明の実施例１に係る振動検出装置の周波数特性に対する相対応答と、共鳴孔を有する蓋体を設けずに内ケースの上端を開放状態にし、振動検出素子の振動検出面の上部に振動伝達媒体を同じ高さまで充填した比較例としての振動検出装置の周波数特性に対する相対応答とを比較して示す実測データである。 本発明の実施例２に係る振動検出装置を示す断面図である。 本発明の実施例３に係る振動検出装置を示す断面図である。 本発明の振動検出装置の応用例１について説明するためのもので、携帯電話に組み込んだ場合の斜視図である。 本発明の振動検出装置の応用例２について説明するためのもので、音声入力装置に適用した場合の正面図である。
　本発明について添付図面を参照しながら詳細に説明する。
　図１は、本発明の実施例１に係る振動検出装置を示す断面図である。この振動検出装置は、樹脂や金属などで形成された有底円筒形状の外ケース（第二のケース）５内に、内ケース（第一のケース）１に収容した振動検出素子１ａを配置し、その周りをショアＡ硬度が０～５０の高分子材料、例えばシリコーン系であってヤング率４．５×１０５［Ｐａ］程度、密度１．００×１０３［Ｋｇ／ｍ３］程度のエラストマを充填して振動検出素子１ａを埋設した構造になっている。上記ショアＡ硬度０～５０の高分子材料は、振動源である人体の体の表面、例えば皮膚からの振動を反射減衰を極力少なくし、上記振動検出素子１ａの振動検出面２に確実に伝達するための振動伝達媒体３として作用する。よって、この振動伝達媒体３は、振動検出素子１ａの振動検出面２に確実に接触させる必要がある。ここでショアＡ硬度とは、スプリングと連結した針を押し当てた時に、針を押し返す力から算出する硬さのことであり、例えばデュロメータと呼ばれる硬度計で測定する。
　上記振動検出素子１ａは、例えばアルミニウムで形成された上記内ケース１内に、上記振動検出面２を上にして（振動源に対向させて）収容されている。この振動検出素子１ａとしては、例えばＥＣＭ（エレクトレットコンデンサマイクロホン）を用いることができる。
　上記内ケース１は、底板と、この底板の周囲に立設された側板とからなり、上方は開口している。側板の上端の開口部には、例えばアルミニウムで形成され、共鳴孔４を有する蓋体６が装着される。共鳴孔４は好ましくは円形をなし、蓋体６の中央部に形成されている。蓋体６と振動検出素子１ａの振動検出面２との間には、空間１２が形成されている。そして、空間１２内、共鳴孔４部分、および内ケース１の外面と、内ケース１より形状が大きく、外側に配置された外ケース５の内面との間の隙間にそれぞれ振動伝達媒体３として作用する高分子材料が介在している。この振動伝達媒体３の上部は、外ケース５の上端の開口部から球面状に突出しており、この突出部分が振動源である人体の体の表面、例えば皮膚に接触する皮膚接触面３ａとなる。皮膚接触面３ａは、例えば高分子材料を外ケース５に充填する際、表面張力により上部が球面状に盛り上がることで形成できる。なお、内ケース１の底板の好ましくは中央部、外ケース５の底板の中央部に信号線引出用の孔が形成され、振動検出素子１ａの背面側からは、内ケース１、振動伝達媒体３および外ケース５を介して信号線７が外部に導出される。
　内ケース１内に振動検出素子１ａを収納したのは、振動検出素子１ａを保護するとともに、蓋体６と振動検出面２との間に共鳴容器（共鳴箱）として作用する空間１２を形成するためである。また、空間１２内と共鳴孔４内にそれぞれ振動伝達媒体３を介在させたのは、空間１２を共鳴容器として作用させ、この空間１２と共鳴孔４とでヘルムホルツの共鳴器を構成し、共振帯域を声の周波数帯域に合わせることで、皮膚接触面３ａから伝播された振動の中から音声による振動を増幅させ、音声以外の振動を減衰させするためである。さらに、内ケース１の側面および背面と外ケース５間に振動伝達媒体３を介在させたのは、外ケース５の外側面、背面から振動検出素子１ａに加わる外部雑音を防ぐためである。
　すなわち、このような構成によれば、振動検出素子１ａを収容した内ケース１に、共鳴孔４を備えた蓋体６を装着することで、ヘルムホルツ共鳴器の原理により、下式（１）、（２）、（３）により表される共鳴周波数の感度を向上できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上式（１）において、
ｆ：共振周波数［Ｈｚ］
Ｍ：共鳴孔４のイナータンス［ｋｇ／ｍ４］
Ｃ：蓋体６と振動検出面２との間の空間１２の音響コンプライアンス［ｍ５／Ｎ］
である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　上式（２）において、
ｍ：共鳴孔４内に存在する振動伝達媒体３の質量［ｋｇ］
Ｓ：共鳴孔４の断面積［ｍ２］
である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　上式（３）において、
Ｖ：蓋体６と振動検出面２との間の空間１２の体積［ｍ３］
ρ：蓋体６と振動検出面２との間の空間１２に存在する振動伝達媒体３の密度［ｋｇ／ｍ３］
ｃ：蓋体６と振動検出面２との間の空間１２に存在する振動伝達媒体３の音速［ｍ／ｓ］
Ｅ：蓋体６と振動検出面２との間の空間１２に存在する振動伝達媒体３のヤング率［Ｐａ］
である。
　上述したヘルムホルツ共鳴器の原理を効果的に利用するために、上式（１）、（２）、（３）に基づいて、上記空間１２と共鳴孔４の大きさ、すなわち共鳴孔４の直径、蓋体６の厚さ、振動検出面２の直径、および蓋体６と振動検出面２との間の距離、あるいは振動伝達媒体３のヤング率や密度などをそれぞれ、感度を上げたい周波数帯域と共振周波数とが一致するように決定する。
　一例を挙げると、以下に示す条件において、振動検出面２と蓋体６で形成される空間１２および共鳴孔４内に高分子材料（振動伝達媒体３）を充填した場合の共振周波数を計算すると、共振周波数はおよそ３４００［Ｈｚ］となる。
　共鳴孔４の直径：１．０［ｍｍ］
　蓋体６の厚さ：０．５［ｍｍ］
　振動検出面２の直径：２．０［ｍｍ］
　蓋体６と振動検出面２との間の距離：０．５［ｍｍ］
　振動伝達媒体３のヤング率：４．５×１０５［Ｐａ］
　振動伝達媒体３の密度：１．００×１０３［Ｋｇ／ｍ３］
　なお、ここでは共鳴孔４と振動検出面２が円形の場合を示した。
　つぎに、本発明の振動検出装置の組立工程について説明する。まず上方に開口部を有する内ケース１に、上方から振動検出素子１ａを収納する。その後、内ケース１の上端部に、共鳴孔４を有する蓋体６を装着する。つぎに上方に開口部を有する外ケース５内の底部に図１のように振動伝達媒体３を充填する。しかる後、その内ケース１を外ケース５内に収納する。この過程で、好ましくは内ケース１および外ケース５の底部中央に形成された信号線引出孔を介し信号線７を外部に引き出す。ついで、振動伝達媒体３を空間１２内、共鳴孔４内および外ケース５内にそれぞれ充填し、振動伝達媒体３によって空間１２内、共鳴孔４内および内ケース１の側面および背面並びに振動検出素子１ａの振動検出面２を覆う。この際、表面張力を利用して振動伝達媒体３の上部を球面状に盛り上げることができる。従って、製造工程が複雑化することはない。しかも、各部材の形状はシンプルで、組立部品点数も少ないため、各部材の製作が容易で、かつ一方向から順次部品を組み込んで組立てることができ、組立性が良く量産に適する。よって製造コストを安価にし得る。
　図２は、前述した条件で形成した、本発明の実施例１に係る振動検出装置の周波数特性に対する相対応答（太い実線１０で示す）と、蓋体６を設けずに内ケース１の上端を開放状態にし、振動検出面２の上部に振動伝達媒体３を実施例１と同じ高さまで充填した比較例としての振動検出装置の周波数特性に対する相対応答（細い実線１１で示す）の実測データの対比を示す。
　図２に示す如く、本実施例１の振動検出装置は、１００Ｈｚを超える周波数から１００００Ｈｚ程度の周波数の範囲で相対応答（Relative Response）は－２０～－１０ｄＢＶで一定である。すなわち、所望の測定周波数範囲全体にわたって音圧が一定となる構成とし、感度を良好としている。また、１００００Ｈｚ以上の周波数では感度を急激に低くしている。つまり、声の周波数帯域では共振によって相対応答を向上させ、声の帯域外の高周波数帯域では感度を下げることができる。比較例では、ほぼ－３０ｄＢＶであり、感度が本発明品に比べ悪い。
　従って、上述したような構成によれば、共振帯域を声の周波数帯域に合わせることで声の感度を向上させ、声の帯域以外の感度を下げることで、体表より伝わる声の振動を明瞭に収音することができる。
　また、振動伝達媒体３の上部（皮膚接触面３ａ）を球面状の凸面とすることで、人体の体表と振動検出装置の振動検出面２が平行でない場合でも人体の表面との密着性を良好に保つことができ、人体からの振動を途切れることなく検出することが可能となる。
　なお、上記実施例１では、振動伝達媒体３として働く高分子材料のショアＡ硬度が０～５０の場合を示したが、より好ましいショアＡ硬度は１０～３０、最も好ましくは１５～２５である。ショアＡ硬度１５～２５の高分子材料は、人体の皮膚や筋肉の硬さに近いため最も感度が高い。この範囲から外れるにつれて感度が低下するが、ショアＡ硬度が０～５０までは効果が得られる。
　また、上記外ケース５の材質として樹脂や金属、上記内ケース１と蓋体６の材質としてはアルミニウムを例に挙げたが、これらに限定されるわけではない。
　更に、上記共鳴孔４としては、円形に限らず、四角形やその他の適形状としても良い。また、必要とする周波数特性に応じて一つの蓋体６に複数の共鳴孔を設けても良い。
　図３は、本発明の実施例２に係る振動検出装置を示す断面図である。この振動検出装置は、外ケースが実施例１と異なる構成になっている。すなわち、この外ケース８は、振動源である皮膚に接触する上端部の外周に沿って、振動検出素子１ａの振動検出面２に加わる圧力を制限する圧力制限部８ａを備えている。また、外ケース８の外周上方部に、外側に向かって張り出したフランジ８ｂが形成されている。この外ケース８の材質としては、樹脂や金属が例として挙げられるが、これらに限定されるわけではない。
　そして、上記振動伝達媒体３は、その上面（皮膚接触面）３ａが外ケース８の上部に設けた圧力制限部８ａより低い位置になるように充填されており、かつフランジ８ｂの前面位置は振動伝達媒体３の前面位置とほぼ等しくなっている。
　その他の構成は、前述の実施例１と同じであるため、同一部材は同じ符号で示す。
　上記のような構成において、突出した圧力制限部８ａにより、皮膚と振動伝達媒体３との接触圧力が、上記振動検出素子１ａの検出限界以下になるように制限される。換言すると、皮膚に振動伝達媒体３を介して振動検出素子１ａを強く押し当てても、振動検出素子１ａへの過剰な圧力（検出限界以上の圧力）が加わるのを圧力制限部８ａによって防止するようにしている。
　このような構成によれば、前述した実施例１の効果に加えて、圧力制限部８ａにより皮膚との接触圧力が制限された状態で、皮膚からの振動を上記振動検出素子１ａの振動検出面２に伝達することができる。この結果、振動検出素子１ａの振動検出範囲を超えない振動を振動検出面２に与えることができる。また、振動伝達媒体３は比較的軟らかく、圧力制限部８ａとともに皮膚に接触するので装着性も向上できる。
　従って、所定の周波数帯域の感度を向上させ、この帯域以外の感度を低下させることで、振動源からの振動を明瞭に収音することができる。しかも、皮膚への装着性を向上しつつ、皮膚に押し当てる際に許容量以上の圧力が加わるのを防止できる。
　なお、図３では、振動伝達媒体３の上面３ａが凸面形状の場合を示しているが、外ケース８の上端部に設けた圧力制限部８ａより低ければ平面であっても良い。
　図４は、本発明の実施例３に係る振動検出装置を示す断面図である。本実施例３が上述した実施例２と異なるのは、振動伝達媒体３の上面３ａが外ケース８の上部に設けた圧力制限部８ａより低い位置になるように充填されており、この振動伝達媒体３の上面３ａを覆うように皮膚接触板９が設けられている点にある。この皮膚接触板９は、振動伝達媒体３より硬質な材料、例えば樹脂や金属で形成され、ドーム状の凸面形状になっている。皮膚接触板９は、振動検出装置を皮膚に押し当てた場合、接触の圧力が振動検出面２に均等にかかるようにし、なおかつ上面３ａを保護するもので、ドーム状の凸面形状になっている。なお、頂部の位置は、好ましくは圧力制限部８ａの上端位置とほぼ等しいか、僅かに内側の位置としている。その他の構成は、前述の実施例２と同じであるため、同一部材は同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　上記のような構成によれば、前述した実施例２の効果に加え、振動伝達媒体３の上面３ａを外ケース８の圧力制限部８ａの上端部より下に位置するようにし、その上面３ａを振動伝達媒体３より硬い皮膚接触板９で覆うことで、振動伝達媒体３の上面３ａに均等に圧力がかかるようにでき、上面３ａを保護することもできる。しかも、人体の表面と振動検出装置の接する皮膚接触面を高分子材料より硬質な材料で覆うことで、柔軟な高分子材料の表面の劣化を防ぎ、人体の表面との良好な密着性を長時間保つことができる。
　従って、本実施例３の振動検出装置によれば、装着性を向上でき、また、体表に押し当てる際に、圧力制限部８ａで振動検出素子１ａの振動検出面２に作用する圧力を検出限界に達しないように制限できるので、許容量以上の圧力が振動検出素子１ａに加わることはなく、収音できなくなるのを防止できる。
　なお、皮膚接触板９の材質として樹脂や金属を例に挙げたが、もちろんこれらに限定されるわけではない。また、体表に接触する部分がドーム形状を例にとって説明したが円柱や半球などでも良い。この皮膚接触板９の硬度は、振動伝達媒体３のショアＡ硬度が低い時には低い方が好ましいが、用途や振動を検出する人体の部位、あるいは振動検出素子１ａの特性などに応じて、振動伝達媒体３のショアＡ硬度とともに、材質や厚さ、形状などを決定すると良い。
　変形例
　なお、上記実施例２、３では、外ケース８の振動源（人体の体表、例えば皮膚）に押し当てる上端部の外周に沿って、圧力制限部８ａを設ける場合を例にとって説明した。しかし、振動伝達媒体３の上面３ａを外ケース８の上端部よりも低くすることで外ケース８の一部を圧力制限部として利用することができる。すなわち、外ケース８の上端部により、皮膚接触板９あるいは振動伝達媒体３の上面３ａに当たる体表の圧力を制限し、振動検出素子１ａの振動検出範囲を超えないようにできる。
　応用例１
　図５は、本発明の振動検出装置を例えば折り畳み式の携帯電話に適用した応用例１を示す。図５に示すように、この携帯電話は、キー入力操作などを行う操作部１３と、種々の情報を表示する表示部１４とを備えており、表示部１４の下部両側に収音用の振動検出装置１５、１６を設けた構成になっている。表示部１４の下部両側は耳の下部や頬の位置に当接できるため、携帯電話の表示部１４に設けた振動検出装置１５、１６を耳下腺部(下顎の骨の角)に押し当てることで携帯電話を使用している人のささやき声のような極小さな音を収音することができ、いわゆる無音声電話とすることができる。
　応用例２
　図６は、本発明の振動検出装置を音声入力装置に適用した応用例２を示す。この音声入力装置１７は、頭部に装着する変形自在な弾性部材からなるヘッドバンドの少なくとも一端部に設けた耳あて部に、収音用の振動検出装置１８を設けた構成になっている。
　このような構成によれば、耳の周囲の軟部組織に振動検出装置１８を接触させて音声を拾うことができる。
　以上のように、本発明に係る振動検出装置は、振動検出素子を収容した内ケースに共鳴孔を持つ蓋体を装着することで、ヘルムホルツ共鳴器の原理により特定の共鳴周波数における感度を向上できるので、所望の周波数帯域の感度を向上させ、この帯域以外の感度を低下させることで明瞭度を向上できる。本発明は、人体から直接音声やその他の肉導音を収音する接触型マイクロホンとして用いることができ、例えば携帯電話や音声入力装置などに好適である。
１　　内ケース（第一のケース）
１ａ　　振動検出素子
２　　振動検出面
３　　振動伝達媒体
３ａ　　振動伝達媒体の上面（皮膚接触面）
４　　共鳴孔
５　　外ケース（第二のケース）
６　　蓋体
７　　信号線
８　　外ケース（第二のケース）
８ａ　　圧力制限部
８ｂ　　フランジ
９　　皮膚接触板
１０　　本発明の実施例１に係る振動検出装置の周波数特性
１１　　蓋体を設けずに内ケースの上端を開放状態にした振動検出装置の周波数特性
１３　　操作部
１４　　表示部
１５、１６、１８　　振動検出装置
１７　　音声入力装置

Claims (5)

  1. 　振動源からの振動を検出する振動検出素子（１ａ）と、
    　前記振動検出素子（１ａ）の振動検出面（２）を前記振動源に対向させて収容する第一のケース（１）と、
    　共鳴孔（４）を有し、前記振動検出素子（１ａ）の振動検出面（２）上に共鳴容器として作用する空間（１２）を形成するように、前記第一のケース（１）の上部に装着される蓋体（６）と、
    　前記第一のケース（１）を、前記振動検出素子（１ａ）の振動検出面（２）を前記振動源に対向させて収容する第二のケース（５、８）と、
    　前記空間（１２）内、前記共鳴孔（４）内および前記第二のケース（５、８）内に充填されたショアＡ硬度０～５０の高分子材料で形成され、前記第一のケース（１）を前記第二のケース（５、８）内に埋設し、前記振動源からの振動を前記共鳴孔（４）を介して前記振動検出素子（１ａ）の振動検出面（２）に伝達する振動伝達媒体と
    　を具備する振動検出装置。
  2. 　前記振動伝達媒体（３）における前記振動源との接触面（３ａ）は、前記振動源に向かって凸面形状である請求項１の振動検出装置。
  3. 　前記第二のケース（８）は、前記振動源との接触面側に、前記振動検出面（２）にかかる過剰な圧力を制限する圧力制限部（８ａ）を有し、前記振動伝達媒体（３）は、前記圧力制限部（８ａ）により前記振動源との過剰な接触圧力が制限された状態で、前記振動源からの振動を前記共鳴孔（４）を介して前記振動検出素子（１ａ）の前記振動検出面（２）に伝達する請求項１の振動検出装置。
  4. 　前記振動伝達媒体（３）より硬質な材料で形成され、前記振動伝達媒体（３）の上面に設けられ、前記振動源と接触する皮膚接触板（９）を更に具備する請求項１の振動検出装置。
  5. 　前記皮膚接触板（９）は、前記振動源に向かってドーム形状である請求項４の振動検出装置。
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