WO2012042572A1

WO2012042572A1 - 振動検出装置

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Publication number: WO2012042572A1
Application number: PCT/JP2010/005886
Authority: WO
Inventors: 啓真鍋; 佐藤　宏
Original assignee: フォスター電機株式会社
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-04-05

Abstract

　大振幅の振動を検出可能な振動検出装置を提供する。　振動検出装置は、ヨーク（８）、振動系（１０ａ）、ケース（１）、および封止部材（４）を含んで構成される。振動系（１０ａ）は、ポール（１０）、皮膚接触板（２）、コイル（５）およびブッシュ（１１）を備える。ポール（１０）の両端に、皮膚接触板（２）とコイル（５）が装着され、その間にブッシュ（１１）が設けられる。封止部材（４）は、人体の軟部組織と実質的に等しい音響インピーダンスを有する高分子材料で形成され、皮膚接触板（２）における振動検出面（３）の少なくとも一部を露出させた状態で、ヨーク（８）およびポール（１０）をケース（１）内に埋設する。

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、電子聴診器などに用いられ、人体から発せられ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、"NAM Interface 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」

　ところで、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では、振動検出素子に圧電セラミック素子やエレクトレット膜を利用したものが提案されている。
　しかしながら、いずれの場合もその材料の変位特性から微小振幅の振動しか検出できず、大声による大振幅や音源近傍での使用などによる大振幅に対応できないという問題がある。

　従って、本発明の目的は、大振幅の振動を検出可能な振動検出装置を提供することにある。

　請求項１の発明は、相対的な移動により電磁誘導作用を起こすように配置されたコイルおよびマグネットと、前記コイルおよびマグネットの一方を備え、前記マグネットにより磁気回路が形成されるヨークと、ポールと、前記ポールの一端に装着された皮膚接触板と、前記ポールの他端に装着された、前記コイルおよびマグネットの他方と、前記ポールにおける前記皮膚接触板と前記コイルおよびマグネットの他方との間に配設されるブッシュとを備える振動系と、前記ヨークおよび前記振動系を収容するケースと、人体の軟部組織と実質的に等しい音響インピーダンスを有する高分子材料で形成され、前記皮膚接触板における振動検出面の少なくとも一部を露出させた状態で、前記ヨークおよび前記ポールを前記ケース内に埋設する封止部材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、前記コイルおよびマグネットの他方と前記柱状部との間に介在され、人体の軟部組織と実質的に等しい音響インピーダンスの高分子材料で形成された支持部材をさらに具備す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、前記コイルおよびマグネットの他方と前記ポールの他端との間に介在された磁性体をさらに具備することを特徴とする。

　請求項４の発明は、請求項３の振動検出装置において、前記ヨークは、中央部に立設された柱状部を有する底部と、前記柱状部の周囲であって底部外周において立設された側部と、この側部の上端部において内側に折曲され、かつ中央部が開口した折曲部と、この折曲部の内端面側に設けられ、前記折曲部の開口内に配置された前記磁性体の外周と離隔して対向するように配置される突起部とを有することを特徴とする。

　請求項５の発明は、請求項１の振動検出装置において、前記皮膚接触板の振動検出面は、前記ケースの上端部より下に配置されることを特徴とする。

　請求項６の発明は、請求項５の振動検出装置において、前記振動検出面は、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、振動系を人体の軟部組織と同程度の音響インピーダンスの高分子材料を介在して振動させることによって、皮膚接触板に加えられた大きな振動を、それに対応する大きな変位でマグネットに伝達できる。このマグネットの振動で電磁誘導作用によりコイル内に起電力が発生し、磁気回路の磁束は皮膚接触板に加えられた振動の速度の大きさに対応して変化する。マグネットの可動範囲を大きくすれば、検出可能な変位量を大きくでき、圧電セラミック素子やエレクトレット膜を利用した振動検出素子に比べて大振幅の振動を検出できる。

本発明の実施例に係る振動検出装置を示す断面図である。図１に示した振動検出装置の磁気回路について説明するための断面図である。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ケース１内にヨーク８と振動系１０ａを配置し、その周りを人体の軟部組織と同程度（人体の軟部組織と実質的に等しい）の音響インピーダンスの高分子材料、例えばシリコーン系であってヤング率４．５×１０^５［Ｐａ］程度、密度１．００×１０^３［Ｋｇ／ｍ^３］程度のエラストマを充填した構造になっている。このエラストマをショアＡ硬度で表すと、好ましくは１５～２５の範囲である。この範囲から外れるにつれて感度が低下する。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。上記高分子材料は、磁気回路を構成するヨーク８と振動系１０ａの電磁誘導作用に関係する部分とをケース１内に埋設する封止部材４となる。この封止部材４における振動系１０ａの近傍は、肉導音を採音するために、人体の体の表面、例えば皮膚からの振動に対応して振動可能な振動系１０ａを振動させるために機能する。また、ヨーク８の側面および背面を覆う他の部分は、ケース１の外側面、背面から振動系１０ａに加わる外部雑音を防ぐために機能する。振動系１０ａについては後述する。

　上記ケース１には、外周上方部に外側に向かって張り出したフランジ１ａが形成されている。このフランジ１ａの前面位置は封止部材４の前面位置とほぼ等しくなっている。このフランジ１ａは、組込む際の取付部である。よって、フランジ１ａはなくても良い。上記ヨーク８は、磁性体、例えば鉄で形成されている。ヨーク８は、ケース１の底板側に位置し、かつ中央部にケース１の開口側に立設された柱状部８ｂを有する底部と、この柱状部８ｂの周囲であって底部外周においてケース１の開口側に立設された側部と、側部の上端部において内側に折曲され、かつ中央部が開口した折曲部とにて構成されている。折曲部の内端側上部には、凹状の段差１３が形成されている。また、この折曲部の内端面側には、その内端面より断面積を小とした突起部８’が突設されている。そして、内部に形成された円柱状の柱状部８ｂに、筒状の紙やプラスチックなどからなるボビン５Ａが設けられ、このボビン５Ａの外周部に導線が巻設されてボイスコイル（コイル）５が形成されている。ボイスコイル５は特に図示しないが信号線７に接続され、この信号線７は例えばヨーク８の背面側から封止部材４、およびケース１の底板の中央部に形成された信号線引出孔を介して外部に導出される。そして、電磁誘導作用によりボイスコイル５内に磁束の変化が生じると、このボイスコイル５に起電力が発生し、信号線７を介して振動系１０ａに与えられた振動に対応する電圧が出力される。

　上記振動系１０ａは、皮膚接触板２、ポール１０、弾性部材からなるブッシュ１１、磁性体６Ａおよびマグネット６などで構成される。ポール１０は、例えば柱状部８ｂの上面に対応する円柱状をなしており、樹脂などで形成される。このポール１０の一端（上端）には振動源である皮膚に接触する皮膚接触板２が設けられ、他端（下端）には磁性体６Ａとマグネット６が設けられている。ポール１０の外周部には切り欠き状の溝１２が形成され、この溝１２にブッシュ１１の内端部が嵌合され、ブッシュ１１はヨーク８の折曲部の段差部１３に設けられる。折曲部上面とブッシュ１１の上面とは面一状に形成されている。上記磁性体６Ａは、上記ヨーク８の折曲部に形成された開口内に、その外周が上記突起部８’の内端面と離間して対向するように配置される。

　上記皮膚接触板２は、振動検出面３が振動源に向かってドーム状の凸面形状をしており、樹脂や金属などで形成される。この皮膚接触板２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３に均等にかかるようにするとともに、封止部材４の上面を保護するものである。なお、皮膚接触板２の頂部は平坦または曲面のいずれでも良い。また、頂部の位置は、好ましくはケース１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。

　上記マグネット６は、ヨーク８に形成された柱状部８ｂ上に軟質であって圧縮、復元可能な部材からなる支持部材９を介在して配設される。マグネット６がヨーク８の柱状部８ｂ上に配置されることにより、図２において矢印で示すようにヨーク８内に磁気回路８ａが形成される。また、このマグネット６は、柱状部８ｂに設けられたボイスコイル５と電磁誘導作用を起こし得るようになっている。上記支持部材９は、好ましくは人体の軟部組織と同程度の音響インピーダンスの高分子材料、例えばシリコーン系であってヤング率４．５×１０^５［Ｐａ］程度、密度１．００×１０^３［Ｋｇ／ｍ^３］程度のエラストマで形成される。エラストマのショアＡ硬度は、封止部材４と等しいのが望ましく、好ましくは１５～２５の範囲である。

　ブッシュ１１は、ポール１０の外周に密着する形状である必要があり、横から見た断面形状が例えば楕円形を有し、ゴムなどからなるオーリングなどで形成される。そして、上述のように、ポール１０の外周に沿って形成された切り欠き状の溝１２と、ヨーク８の上面に形成された段差部１３に嵌合される。ブッシュ１１は、ケース１内に封止部材４を形成するための高分子材料を充填する際にヨーク８の内部に高分子材料が侵入するのを阻止するストッパとして働く。この高分子材料は、皮膚接触板２の振動検出面３が隠れない高さまで、すなわち振動検出面３の少なくとも一部を露出させるように配置されている。

　このような構成によれば、人体の軟部組織と同程度の音響インピーダンスの高分子材料（封止部材４、支持部材９）を介在して振動系１０ａを振動させることによって、皮膚接触板２の振動検出面３に加えられた振動を反射や減衰が極力少なくマグネット６に伝達できる。しかも、高分子材料は容易に大きく変形するので、大きな振動はそれに対応する大きな変位でマグネット６に伝達できる。このマグネット６の振動で電磁誘導作用によりボイスコイル５内に起電力が発生し、磁気回路８ａの磁束は振動検出面３に加えられた振動の速度の大きさに対応して変化する。マグネット６の可動範囲を大きくする事で、検出可能な変位量を大きくでき、圧電セラミック素子やエレクトレット膜を利用した振動検出素子に比べて大振幅の振動を検出できる。種々の条件や設計などによって異なるので単純な比較はできないが、圧電セラミック素子やエレクトレット膜を利用した振動検出素子に比べて、検出可能変位の閾値を１０～２０倍程度大きくできることが推定される。また、マグネット６の上に磁性体６Ａを配置することで、磁力線を磁性体６Ａ内に閉じ込め、かつ磁束を集中させて、突起部８’からマグネットへ（または逆方向へ）向かう磁束の量を増やすことができ、発電量を大きくできる。

　しかも、皮膚接触板２が、人体の軟部組織と同程度の音響インピーダンスの比較的軟らかい封止部材４を介在して体表に接触するので装着性を向上できる。また、封止部材４の上面をケース１の上端部より下に位置するようにし、この上面を封止部材４より硬い皮膚接触板２で覆うことで、封止部材４の上面に均等に圧力がかかるようにでき、上面を保護することもできる。さらに、人体の表面と振動検出装置の接する面を封止部材４の高分子材料より硬質な材料（皮膚接触板２）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。

　なお、上記実施例では、マグネットを振動させるムービング・マグネット型の振動検出装置を例にとって説明したが、相対的な移動により電磁誘導作用を起こすようにコイルとマグネットを配置すれば、コイルとマグネットの位置を入れ替えてムービング・コイル型の振動検出装置を構成することもできる。

　また、ケース１として有底円筒形状、材質としては樹脂や金属などを例として挙げたが、形状や材質はこれらに限定されるわけではない。

　ヨーク８として図１に示したような形状を例に挙げたが、もちろんこの形状に限定されるわけではない。また、ヨーク８の材質として鉄を例にとって説明したが、磁性体であれば別の材質でも同様な作用効果が得られる。

　さらに、封止部材４および支持部材９として、ヤング率４．５×１０^５［Ｐａ］程度、密度１．００×１０^３［Ｋｇ／ｍ^３］程度のエラストマを例に挙げたが、人体の軟部組織と同等な音響インピーダンスを有する材質であればこれに限定されるわけではない。

　また、支持部材９を設けず、マグネット６とヨーク８の柱状部８ｂとの間を空隙にしても同様な作用効果が得られる。さらに、突起部８’からマグネットへ（または逆方向へ）向かう磁束の量が十分な場合、あるいは大きな発電量が必要ない場合には磁性体６Ａを設けなくても良い。

　皮膚接触板２の形状としては、ドーム状以外に円柱や半球形などの形状を用いることもできる。材質としては樹脂や金属などを挙げたが、これらに限定されるわけではない。

　ポール１０が円柱状の樹脂からなることを例にとって説明したが、他の形状や材質を用いることもできる。

　また、ブッシュ１１として楕円形の断面を持ったオーリングを例にとって説明したが、ポール１０の外周に密着するような形状であれば他の形状でも良く、ゴム以外の材質を用いることもできる。

　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、ヨーク８の内部にある柱状部８ｂに、ボイスコイル５を上方から被せ、信号線７と電気的に接続する。引き続き、この柱状部８ｂの上に、人体の軟部組織と同程度の音響インピーダンスの高分子材料からなる支持部材９を形成する。

　その後、ポール１０の中ほどの溝１２にブッシュ１１を装着し、両端に皮膚接触板２とマグネット６を装着して振動系１０ａを形成する。そして、振動系１０ａをヨーク８の上方から皮膚接触板２を上にして挿入する。この際、マグネット６と支持部材９が接触し、かつブッシュ１１をヨーク８の段差部１３に嵌合させるようにする。

　つぎに、ケース１内の底部に封止部材４として人体の軟部組織と同程度の音響インピーダンスの高分子材料をケース１内に充填する。引き続き、上述したように形成した、ヨーク８と振動系１０ａとの組立体をケース１内の封止部材４上に配置し、ケース１内に収容する。この過程で、好ましくは封止部材４とケース１の底部中央に形成された信号線引出孔を介して信号線７をケース１の外部に引き出す。ついで、ケース１内に封止部材４として人体の軟部組織と同程度の音響インピーダンスの高分子材料を再び充填する。この際、封止部材４の上面の高さは、振動検出面３が隠れない高さ、ここでは皮膚接触板２の下面の高さと一致するようにした。なお、皮膚接触板２の振動検出面３はケース１の上部より下に配置されるようにする。

　上述した組立工程では、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。

　応用例１
　図３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３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１４と、種々の情報を表示する表示部１５とを備えており、表示部１５の下部両側に収音用の振動検出装置１６、１７を設けた構成になっている。表示部１５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１５に設けた振動検出装置１６、１７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４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１８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１９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１９を接触させて音声を拾うことができる。

　なお、図示しないが、本発明は、電子聴診器における収音用の振動検出装置として用いることもできる。

　以上のように、本発明に係る振動検出装置は、振動系を人体の軟部組織と同程度の音響インピーダンスの高分子材料を介在して振動させることによって、皮膚接触板に加えられた振動をマグネットに伝達できるので、マグネットの可動範囲内であれば大振幅の振動でも検出できる。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、電子聴診器などに好適である。

１　　ケース
１ａ　　フランジ
２　　皮膚接触板
３　　振動検出面
４　　封止部材（高分子材料）
５　　ボイスコイル（コイル）
５Ａ　　ボビン
６　　マグネット
６Ａ　　磁性体
７　　信号線
８　　ヨーク
８’　　突起部
８ａ　　磁気回路
８ｂ　　柱状部
９　　支持部材（高分子材料）
１０　　ポール
１０ａ　　振動系
１１　　ブッシュ
１２　　溝
１３　　段差部
１４　　操作部
１５　　表示部
１６、１７、１９　　振動検出装置
１８　　音声入力装置

Claims

　相対的な移動により電磁誘導作用を起こすように配置されたコイル（５）およびマグネット（６）と、
　前記コイル（５）およびマグネット（６）の一方を備え、前記マグネット（６）により磁気回路が形成されるヨーク（８）と、
　ポール（１０）と、前記ポール（１０）の一端に装着された皮膚接触板（２）と、前記ポール（１０）の他端に装着された、前記コイル（５）およびマグネット（６）の他方と、前記ポール（１０）における前記皮膚接触板（２）と前記コイルおよびマグネット（６）の他方との間に配設されるブッシュ（１１）とを備える振動系（１０ａ）と、
　前記ヨーク（８）および前記振動系（１０ａ）を収容するケース（１）と、
　人体の軟部組織と実質的に等しい音響インピーダンスを有する高分子材料で形成され、前記皮膚接触板（２）における振動検出面（３）の少なくとも一部を露出させた状態で、前記ヨーク（８）および前記ポール（１０）を前記ケース（１）内に埋設する封止部材（４）と
　を具備する振動検出装置。
　前記コイル（５）およびマグネット（６）の他方と前記柱状部（８ｂ）との間に介在され、人体の軟部組織と実質的に等しい音響インピーダンスの高分子材料で形成された支持部材（９）をさらに具備する請求項１の振動検出装置。
　前記コイル（５）およびマグネット（６）の他方と前記ポール（１０）の他端との間に介在された磁性体（６Ａ）をさらに具備する請求項１の振動検出装置。
　前記ヨーク（８）は、中央部に立設された柱状部（８ｂ）を有する底部と、前記柱状部（８ｂ）の周囲であって底部外周において立設された側部と、この側部の上端部において内側に折曲され、かつ中央部が開口した折曲部と、この折曲部の内端面側に設けられ、前記折曲部の開口内に配置された前記磁性体（６Ａ）の外周と離隔して対向するように配置される突起部（８’）とを有する請求項３の振動検出装置。
　前記皮膚接触板（２）の振動検出面（３）は、前記ケース（１）の上端部より下に配置される請求項１の振動検出装置。
　前記振動検出面（３）は、振動源に向かってドーム形状である請求項５の振動検出装置。