(57)【要約】【課題】  高温となる環境下でも安定した出力が得られる音響マイクロフォンを得る。【解決手段】  ４９０℃以上の高キュリー温度を有する圧電素子３を用いるとともに、圧電素子３を固定するための各種部材として高耐熱性を有するものを用い、またケーブルの耐熱線８ａ、８ｂのマイクロフォン本体への接続を機械的締結とし、更に圧電素子３を耐熱金属ケース４内に密封する。また、耐熱金属ダブルナット５によって圧電素子３を耐熱金属ケース４に締め付ける構造を採る。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音圧の変化を検知するための検知素子に圧電素子を用いた音響マイクロフォンであって、前記圧電素子として、４９０℃以上のキュリー温度を有する材料を用いたことを特徴とする音響マイクロフォン。
【請求項２】
前記圧電素子は、メタニオブ酸鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、チタン酸鉛、水晶のうちのいずれかからなることを特徴とする請求項１記載の音響マイクロフォン。
【請求項３】
前記圧電素子が複数個積層されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の音響マイクロフォン。
【請求項４】
前記圧電素子と、前記圧電素子を収容し前記圧電素子と接する平面を有する導電性を有する金属容器と、前記圧電素子の前記金属容器の前記平面と接触する面と反対側の面に接触させる導電性の金属端子と、前記圧電素子を前記金属容器の前記平面側に付勢する付勢部材と、前記金属端子と前記金属容器夫々に接続され前記圧電素子が音圧を受けることで発生する電圧を取り出すための２本の信号線を有するケーブルと、を具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の音響マイクロフォン。
【請求項５】
前記金属容器は、その内面にネジが切られており、前記付勢部材は、前記金属容器内面に形成されたネジに螺合するナットと、前記金属端子と接触する部分を絶縁処理した金属マスとを具備し、前記ナットを前記圧電素子側にねじ込むことで、前記金属マスを介して前記圧電素子を付勢することを特徴とする請求項４記載の音響マイクロフォン。
【請求項６】
前記圧電素子と前記金属容器との間及び前記圧電素子と前記金属端子との間に前記圧電素子の接触共振を抑制する部材を介在させたことを特徴とする請求項５記載の音響マイクロフォン。
【請求項７】
前記２本の信号線夫々は、ニッケル線にセラミック皮膜を施したもの又はステンレス線にアルミニウム又はセラミックの皮膜を施したものであることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれかに記載の音響マイクロフォン。
【請求項８】
前記２本の信号線の一方と前記金属端子との接続及び前記２本の信号線の他方と前記金属容器との接続が溶接又は機械的締結にて行われることを特徴とする請求項４から請求項７のいずれかに記載の音響マイクロフォン。
【請求項９】
前記ケーブルは、セラミック皮膜ケーブル、ガラスファイバ被覆ケーブル又はポリイミドケーブルであることを特徴とする請求項４から請求項８のいずれかに記載の音響マイクロフォン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温下での使用にも耐える音響マイクロフォンに関し、例えば原子力発電所の蒸気パイプの漏洩検知に用いて好適な音響マイクロフォンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、音響マイクロフォンとして、コンデンサマイクロフォンやダイナミックマイクロフォンが知られている（特許文献１、特許文献２）。
コンデンサマイクロフォンは、固定電極と誘導性の振動板との間に、外部からの直流電源によって静電気を蓄えるコンデンサを形成し、音圧の変化によって振動板と固定電極との間の距離が変化することにより静電容量が変化する構造である。
【０００３】
一方、ダイナミックマイクロフォンは、磁界を形成する構成のために永久磁石を使用するが、永久磁石は高温に曝されると減磁するため、マイクロフォンとして機能しなくなったり、性能が劣化してしまう。また、圧電素子を用いたマイクロフォンも知られている（特許文献３、特許文献４）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−８２９３号公報
【特許文献２】特開平１１−１９６４８９号公報
【特許文献３】特開平５−１２２７８３号公報
【特許文献４】特開平５−８３７９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献３，４で使用されている一般的なＰＺＴ系圧電素子は、そのキュリー温度が３２０℃程度である。圧電素子の実用温度（温度上昇により圧電性が劣化するが、使用に耐える許容温度）は最大でキュリー温度の３分の２程度のため、キュリー温度が３２０℃程度の圧電素子では、３００℃を超えるような高温雰囲気中での使用には適さない。また、一般に市販されている圧電素子は分解能及び感度が低く、音圧として１００ｄＢ以上でないと十分なＳ／Ｎがとれないこともあって実用的でない。すなわち、マイクロフォンを利用した高温雰囲気中での異常検知としては、６０ｄＢ程度の音圧を検知する必要があるので、市販の圧電素子では対応できない。
【０００６】
このように、従来の音響マイクロフォンは、高温となる環境下での使用、例えば配管洩れにより３００℃以上にも達してしまう虞がある原子力発電所における蒸気パイプの蒸気漏洩検知には適さなかった。
【０００７】
本発明は係る点に鑑みてなされたものであり、例えば原子力発電所の蒸気パイプ周囲などの高温となる環境下でも安定した出力を得ることができる音響マイクロフォンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る請求項１記載の音響マイクロフォンは、音圧の変化を検知するための検知素子に圧電素子を用いた音響マイクロフォンであって、前記圧電素子として、４９０℃以上のキュリー温度を有する材料を用いたことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る請求項２記載の音響マイクロフォンは、請求項１記載の音響マイクロフォンにおいて、前記圧電素子は、メタニオブ酸鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、チタン酸鉛、水晶のうちのいずれかからなることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る請求項３記載の音響マイクロフォンは、請求項１又は請求項２記載の音響マイクロフォンにおいて、前記圧電素子が複数個積層されてなることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る請求項４記載の音響マイクロフォンは、請求項１から請求項３のいずれかに記載の音響マイクロフォンにおいて、前記圧電素子と、前記圧電素子を収容し前記圧電素子と接する平面を有する導電性を有する金属容器と、前記圧電素子の前記金属容器の前記平面と接触する面と反対側の面に接触させる導電性の金属端子と、前記圧電素子を前記金属容器の前記平面側に付勢する付勢部材と、前記金属端子と前記金属容器夫々に接続され前記圧電素子が音圧を受けることで発生する電圧を取り出すための２本の信号線を有するケーブルと、を具備することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る請求項５記載の音響マイクロフォンは、請求項４記載の音響マイクロフォンにおいて、前記金属容器は、その内面にネジが切られており、前記付勢部材は、前記金属容器内面に形成されたネジに螺合するナットと、前記金属端子と接触する部分を絶縁処理した金属マスとを具備し、前記ナットを前記圧電素子側にねじ込むことで、前記金属マスを介して前記圧電素子を付勢することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る請求項６記載の音響マイクロフォンは、請求項５記載の音響マイクロフォンにおいて、前記圧電素子と前記金属容器との間及び前記圧電素子と前記金属端子との間に前記圧電素子の接触共振を抑制する部材を介在させたことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る請求項７記載の音響マイクロフォンは、請求項４から請求項６のいずれかに記載の音響マイクロフォンにおいて、前記２本の信号線夫々は、ニッケル線にセラミック皮膜を施したもの又はステンレス線にアルミニウム又はセラミックの皮膜を施したものであることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る請求項８記載の音響マイクロフォンは、請求項４から請求項７のいずれかに記載の音響マイクロフォンにおいて、前記２本の信号線の一方と前記金属端子との接続及び前記２本の信号線の他方と前記金属容器との接続が溶接又は機械的締結により行われることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る請求項９記載の音響マイクロフォンは、請求項４から請求項８のいずれかに記載の音響マイクロフォンにおいて、前記ケーブルは、セラミック皮膜ケーブル、ガラスファイバ被覆ケーブル又はポリイミドケーブルであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、４９０℃以上の高キュリー温度を有する圧電素子を用いるとともに、圧電素子を固定するための各種部材として高耐熱性を有するものを用い、またケーブルの信号線のマイクロフォン本体への接続を溶接又は機械的締結とし、更に圧電素子を金属容器内に密封したので、例えば原子力発電所の蒸気パイプ周囲などの高温となる環境下でも安定した出力が得られる。
また、ナットによって圧電素子を締め付ける構造を採り、更に好ましくは圧電素子の電極面にグリスや軟質耐熱金属材などの共振抑制部材を介在させることによって、圧電素子における接触共振の発生を抑えることができて、音圧の変化を精度よく検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る音響マイクロフォンの好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る音響マイクロフォンの一実施の形態による構成図、図２は図１の音響マイクロフォンに用いられる圧電素子を示す斜視図である。
図１において、音響マイクロフォン１は、両端が閉口した円筒形状の耐熱金属ケース２と、耐熱金属ケース２内部の一端側（図では上端）に軸心を共通にして配置される圧電素子３と、この圧電素子３を耐熱金属ケース２内部の一端側に向けて付勢して固定するための耐熱金属マス４及び第１の耐熱金属ダブルナット５と、圧電素子３の耐熱金属ケース２と接触する面と反対側の面に接触する導電性の耐熱金属端子１０と、耐熱金属端子１０と耐熱金属マス４との間並びに耐熱金属マス４と第１の耐熱金属ダブルナット５との間夫々に介挿される耐熱絶縁体６、７と、圧電素子３の正負電極より信号を取り出すための耐熱線８ａ、８ｂを有する耐熱ケーブル９とを備えて構成される。
【００１９】
耐熱金属ケース２の内側には、第１の耐熱金属ダブルナット５を嵌め込むためのネジが切られている。耐熱金属マス４には、その中心部分に長さ方向に貫通する貫通孔が形成されており、また圧電素子３と対向する側には耐熱絶縁体６を嵌装する円形の溝が形成されている。耐熱絶縁体６は後述する圧電素子３と略同様の大きさの円板状に形成されており、その中心部分に貫通孔が形成されている。耐熱絶縁体７は、断面Ｔ字状に形成されており、その鍔部以外の部分が耐熱金属マス４の貫通孔に嵌挿できる大きさに形成されている。また、その軸心方向に貫通孔が形成されている。
【００２０】
圧電素子３は、４９０℃以上の高キュリー温度を有する材料、例えばメタニオブ酸鉛（キュリー温度：５７０℃）、ニオブ酸リチウム（キュリー温度：１２１０℃）、タンタル酸リチウム（キュリー温度：６６５℃）、チタン酸鉛（キュリー温度：４９０℃）、水晶（キュリー温度：５７３℃）のうちのいずれかから作製され、図２に示すように円板状に形成されている。具体的な寸法としては、厚さが０．５〜１０ｍｍ、直径が１５〜３５ｍｍである。圧電素子３は、そのマイナス電極側の面が耐熱金属ケース２と接触し、プラス電極側の面が耐熱金属端子１０と接触する。この場合、圧電素子３のマイナス電極は耐熱金属ケース２、第１の耐熱金属ダブルナット５を介して耐熱線８ｂに接続され、プラス電極は耐熱金属端子１０を介して耐熱線８ａに接続される。耐熱金属端子１０は、図３に示すように、円板状部１０ａと、この円板状部１０ａの中心部分から垂直方向に延びる棒状部１０ｂとからなる。
【００２１】
耐熱金属端子１０の棒状部１０ｂは、その先端部分が耐熱金属マス４の貫通孔から突出して第１の耐熱金属ダブルナット５の内側に至る長さに形成されている。この棒状部１０ｂの先端部分には第２の耐熱金属ダブルナット１１をねじ込むためのネジが切られており、その部分に第２の耐熱金属ダブルナット１１をねじ込むことで、耐熱線８ａを耐熱金属端子１０に固定・接続する。この場合、耐熱金属端子１０の棒状部１０ｂは、耐熱絶縁体７によって支持されるので、耐熱金属マス４に接触することがない。
【００２２】
第１の耐熱金属ダブルナット５には、その耐熱金属マス４と接触する側と反対側の一部分に耐熱線８ｂを第１の耐熱金属ダブルナット５に固定するためのネジが切られており、その部分にネジ１２をねじ込むことで、耐熱線８ｂを第１の耐熱金属ダブルナット５に固定・接続する。
第１の耐熱金属ダブルナット５は、圧電素子３を耐熱金属ケース２と耐熱金属端子１０との間の密着度を高めて圧電素子３の接触共振の発生を抑えるものである。すなわち、圧電素子３を耐熱金属ケース２と耐熱金属端子１０及び耐熱金属マス４とで挟持することから、特定の周波数において共振（接触共振）が起き易いが、耐熱金属ダブルナット５によって圧電素子３を締め付ける構造を採ることによって、耐熱金属ケース２と耐熱金属端子１０及び耐熱金属マス４との密着度が高まり、接触共振の発生を抑えることができる。
【００２３】
この場合、圧電素子３の電極面、つまり、圧電素子３の、耐熱金属ケース２の平面と接する面及び耐熱金属端子１０の円板状部１０ａと接する面にグリス（例えば、テフロングリス（テフロンは米国デュポン社の登録商標））又は軟質耐熱金属材（例えば、金箔）を介在させたり、耐熱金属マス４を耐熱弾性部材（例えば、ゴム）とすることにより、更に密着度を高めることができ、接触共振が更に起こり難い構造とすることができる。これらの構造を採用することにより、十数ｋＨｚ程度までフラットな周波数特性を得ることが可能である。
【００２４】
耐熱線８ａ、８ｂには、耐温度特性、耐ノイズ特性の面からニッケル線にセラミック皮膜を施したもの又はステンレス線にアルミニウム又はセラミックの皮膜を施したものが使用される。また、耐熱ケーブル９には、耐温度特性、耐ノイズ特性の面から、セラミック皮膜ケーブル、ガラスファイバ被覆ケーブル、ポリイミドが使用される。耐熱線８ａ、８ｂの接続・固定に、第１の耐熱金属ダブルナット５と耐熱金属ネジ１２による機械的締結を用いることで、耐熱性が得られる。
【００２５】
なお、上記耐熱金属ケース２は金属容器に対応し、耐熱金属端子１０は金属端子に対応する。また、耐熱金属マス４は金属マスに対応し、耐熱線８ａ、８ｂは信号線に対応し、耐熱ケーブル９はケーブルに対応する。また、第１の耐熱金属ダブルナット５と耐熱金属マス（金属マス）４は圧電素子３の付勢部材を構成する。
【００２６】
このような構造の音響マイクロフォン１において、外部より音圧が加わると、耐熱金属ケース２を通じて圧電素子３に音圧振動が伝わり、圧電素子３より電圧が発生する。発生した電圧は出力信号として、耐熱金属端子１０と、耐熱金属ケース２に接触状態にある耐熱金属ダブルナット５を介して取り出される。
【００２７】
このように、本実施の形態の音響マイクロフォン１によれば、４９０℃以上の高キュリー温度を有する圧電素子３を用いるとともに、圧電素子３を固定するための各種部材として高耐熱性を有するものを用い、また、耐熱線８ａ、８ｂのマイクロフォン本体への接続を機械的締結とし、更に圧電素子３を耐熱金属ケース４内に密封したので、例えば原子力発電所の蒸気パイプ周囲などの高温となる環境下でも安定した出力が得られる。
また、第１の耐熱金属ダブルナット５によって圧電素子３を締め付ける構造を採ったので、圧電素子３における接触共振の発生を抑えることができ、音圧の変化を精度よく検出することが可能となる。
【００２８】
なお、上述した実施の形態の音響マイクロフォン１では、ケーブルの耐熱線８ａ、８ｂのマイクロフォン本体への接続を機械的締結としたが、溶接による締結であっても良い。
また、上述した実施の形態の音響マイクロフォン１では、圧電素子３から発生する電圧をそのまま出力するようにしたが、増幅器を用いて増幅するようにしても良い。
【００２９】
図４は本発明に係る音響マイクロフォンの他の実施の形態を示す構成図、図５は図４の音響マイクロフォンに用いられる圧電素子を示す斜視図である。
上述した実施の形態の音響マイクロフォン１では、単層の圧電素子３を用いたが、本実施の形態の音響マイクロフォン２０では、図５に示すように、単層の圧電素子３を２枚積層した圧電素子２１を用いて構成されている。なお、圧電素子２１以外の部材は先の実施の形態と同様であるので、同一部分には同一の符号を付けて説明を省略する。
【００３０】
図５に示すように、圧電素子２１を構成する２枚の単層圧電素子３のうち、耐熱絶縁体６と隣接する側の圧電素子３には、その中心部分に耐熱絶縁体６と同様の貫通孔が形成されている。２枚の圧電素子３の間には耐熱金属端子１０の円板状部１０ａが介在し、棒状部１０ｂが圧電素子３の貫通孔を通り、第１の耐熱金属ダブルナット５内まで延伸している。
【００３１】
このように、本実施の形態の音響マイクロフォン２０は、単層の圧電素子３を２枚積層した圧電素子２１を用いたので、単層の場合よりも大きな出力が得られる。また、増幅器を使用する場合、単層の圧電素子３と比べて増幅率を小さく設定できるので、その分省電力化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る音響マイクロフォンの一実施の形態による構成図である。
【図２】図１の音響マイクロフォンに用いられる圧電素子を示す斜視図である。
【図３】図１の音響マイクロフォンに用いられる圧電素子並びに金属端子を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る音響マイクロフォンの他の実施の形態による構成図である。
【図５】図４の音響マイクロフォンに用いられる圧電素子並びに金属端子を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３３】
１、２０  音響マイクロフォン
２  耐熱金属ケース
３、２１  圧電素子
４  耐熱金属マス
５、１１  耐熱金属ダブルナット
６、７  耐熱絶縁体
８ａ、８ｂ  耐熱線
９  耐熱ケーブル
１０  耐熱金属端子
１２  耐熱金属ネジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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