(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受圧部と前記受圧部に結合された感圧素子とを有し、
前記受圧部は先端部が閉じられた可撓性のパイプチューブから成り、
前記感圧素子は、前記パイプチューブの基端部に結合されその中空部分に内部が連通する素子ケーシングと、前記素子ケーシングに内蔵され前記パイプチューブの内圧の変化を振動板に受けてそれを検出するエレクトレットコンデンサマイクロホンと、前記素子ケーシングの前記エレクトレットコンデンサマイクロホンの背面側に形成され大気圧に非導通の空室と、を有し、前記素子ケーシングの内部において前記エレクトレットコンデンサマイクロホンの正面側と背面側とをリークさせるリーク通路が、前記素子ケーシングの内周部と前記エレクトレットコンデンサマイクロホンの外周部との間に、又は前記エレクトレットコンデンサマイクロホンのケーシングの内周部に前記振動板を迂回して形成され、更に前記空室は前記エレクトレットコンデンサマイクロホンのケーシングの前記振動板背面側の内部に連通されて、成るものであることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記パイプチューブが挿入固定される挿入部が形成された袋体を更に有して成るものであることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エレクトレットコンデンサマイクロホンを用いた圧力センサに係り、例えば、健康管理モニタ、人体感知、車両通過感知等、福祉、安全、又は交通等の分野に適用して有効な検出技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、心拍数や呼吸数などを計測するにはセンサなどの検出部を直接人体に取り付けて計測することが行なわれているが、被検者に違和感や不快感を与える場合が多く、測定結果にも少なからず影響を与えることが懸念されていた。また、最近被検者に測定されていることを感じさせないように企図した測定方法として、寝具や座布団の下に敷いて使用するエアーマット状の感知部にマイクロホンを装着した圧力センサユニットを用いる方法が発表されている。このような測定方法及び装置について記載された文献の例として、特開平１１−１９０５６、特開平１１−２８１９５号公報がある。
【０００３】
前記文献に記載の圧力センサユニットはエアー通入孔を有する中空フレームにコンデンサマイクロホンを設けた構成を有し、このコンデンサマイクロホンはフレーム内部に向けて配置した振動板をケーシングに内蔵し、振動板に対設された背電極には開口が形成され、その背面側にエアーチャンバが形成されている。前記エアーチャンバはフレーム側からの低周波の圧力変化による振動板の振動を後方のエアーチャンバで反射させて、共振させ、振幅を大きくして検出を容易化するための手段とされている。そして、前記エアー通入孔はフレームが押圧されたときそのようなコンデンサマイクロホンが飽和しないようにする、とある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記圧力センサユニットにおけるコンデンサマイクロホンは、温度の変化や大気圧の変化によって振動板の前後の気圧差を逃がすために、それ自体にエアーリークが形成されているものではない。前記気圧差を逃がすために、中空フレームに形成した前記エアー通入孔を機能させている。しかしながら、この技術では、手で触れたりして中空フレームに外乱が加えられると、コンデンサマイクロホンの出力もそれに応じて乱れることになるが、エアーマットのような中空フレームの容積が大きいため、収束までの時間が長くなり、安定した計測の妨げになる虞のあることが本発明者によって見い出された。さらに、エアー通入孔が形成された中空フレームには、押圧力が印加されてもその容積をある程度維持することができる構成を必要とする。
【０００５】
本発明の目的は、外乱による圧力変化の収束時間が短く圧力変化を安定して計測することが可能な、エレクトレットコンデンサマイクロホンを利用した圧力センサを提供することにある。
【０００６】
本発明の別の目的は、エレクトレットコンデンサマイクロホンの振動板の正面が臨む空間を大気圧へ連通させるエアー通入孔を形成しなくてもエレクトレットコンデンサマイクロホンの飽和を防止できる圧力センサを提供することにある。
【０００７】
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧力センサは、受圧部と前記受圧部に結合された感圧素子とを有し、前記受圧部は先端部が閉じられたパイプチューブから成る。前記感圧素子は、前記パイプチューブの基端部に結合されその中空部分に内部が連通する素子ケーシングと、前記素子ケーシングに内蔵されたエレクトレットコンデンサマイクロホンとを有し、前記素子ケーシングの内部において前記エレクトレットコンデンサマイクロホンの正面側と背面側とをリークさせるリーク通路が形成されて成る。
【０００９】
上記パイプチューブに圧力が加えられるとパイプチューブ内の気体がリーク通路を経てエレクトレットコンデンサマイクロホンの背面側に廻り、当該マイクロホンの振動板の正面及び背面の圧力が均衡する。この状態でパイプチューブに心拍などによる周期的な圧力変化が与えられると、これを正面側から受ける前記エレクトレットコンデンサマイクロホンで形成される静電容量が変化され、その変化に応じた信号が外部に出力される。
【００１０】
このとき、前記パイプチューブは、エアーマット状の受圧部に比べて圧力を加えなくても断面形状が安定しているため、周期的な圧力変化の検出途中でパイプチューブに外乱圧力が作用されても短時間で収束し、安定した計測を行うことができる。
【００１１】
また、パイプチューブに周期的な圧力変化が与えられると、パイプチューブ内の流体はコンデンサマイクロホンの正面からリーク通路を通って背面側に移動しようとする。これは、周期的な圧力変化が低周波であるほど顕著であるから、低周波の圧力変化に対しても前記静電容量を再帰的に変化させることができ、心拍等による低周波の圧力変化の検出も確実に行うことができる。特に、前記素子ケーシングの内部でエレクトレットコンデンサマイクロホンの背面側に位置して空室を形成すれば、当該空室が流体のバッファとして作用し、低周波の圧力変化の検出を更に安定化させる。望ましい形態として、前記素子ケーシングの内部は大気圧に非導通とするのがよい。低周波の圧力変化に対する検出動作の安定化並びにノイズ除去に好都合だからである。
【００１２】
前記圧力センサはパイプチューブを直接押下するように利用してもよい。また、前記パイプチューブが挿入固定される挿入部が形成された袋体を更に設けて圧力センサを構成してもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１には本発明に係る圧力センサの一例が軸断面で示される。圧力センサは、受圧部２と前記受圧部２に結合された感圧素子３とから成る。前記受圧部２は、例えば、先端部がプラスチック栓４で閉じられたポリウレタン製のパイプチューブ５によって構成される。前記パイプチューブ５の基端部に感圧素子３のボス部１０Aが挿入固定されている。前記感圧素子３は、ボス部１０Aを介して前記パイプチューブ５の中空部分に内部が連通する素子ケーシング１０を有し、その内部に、ゴムホルダ１２に嵌合されたエレクトレットコンデンサマイクロホン（以下単にマイクロホンとも称する）１３が挿入固定され、その背面側に空室１４が形成されている。前記マイクロホン１３は、特に制限されないが、双指向性のマイクロホンであり、マイクロホンの正面及び背面に開口を持ち、正面感度が最も大きくされる。前記マイクロホン１３はその正面側と背面側とをリークさせるリーク通路１５を有する。マイクロホン１３の出力リード線１６は封止栓１７を介して外部に導出される。望ましい形態として、特に制限されないが、素子ケーシング１０及びこれに連通されたパイプチューブ５の内部はある程度の気密が保たれ、大気圧とは非導通にされている。
【００１４】
図２には前記マイクロホン１３の軸断面が例示される。同図に示されるマイクロホン１３は、例えばアルミニウム製で筒状のマイクロホン用ケーシング２１を有し、その正面側ＦＳｍに複数個の音波通過開口２２が形成され、後端縁２８は組み立て工程の最後に内側に折り曲げられ、後述するケーシング２１の内部構造を係止している。
【００１５】
前記ケーシング２１の筒内には、正面側ＦＳｍより順次、音波通過開口２２に面してコンデンサの一極を成す振動板２３、間隙をもって前記振動板２３の対極（コンデンサの他極）を成す背電極２４、及び回路基板２６が設けられている
前記振動板２３は、特に制限されないが、ポリエステルフィルム等の誘電体膜の一面に金属膜が蒸着され、その金属膜が振動板リング３０に固定され、その誘電体面に絶縁性スペーサ３１が固定されている。
【００１６】
前記背電極２４は、絶縁性リング３２の内側段差部分に概略同心状態に嵌合固定され、この状態で前記背電極２４が絶縁性スペーサ３１に当接される。特に制限されないが、前記背電極２４は、導体例えばニッケルメッキされた真ちゅう製であり、前記振動板２３との対向面には永久分極を形成するための例えばフッ素樹脂がラミネートされている。尚、これとは逆に、背電極２４に対する振動板２３の対向面にフッ素樹脂をラミネートしてもよい。
【００１７】
前記回路基板２６は、プリント配線基板２７にインピーダンス変換用の電界効果トランジスタ２８を有し、当該トランジスタ２８のゲート電極は前記背電極２４に、ソース、ドレイン電極は外部端子３３，３４に接続される。
【００１８】
前記プリント配線基板２７には背面側ＲＳｍからの音波通過開口３５が形成され、前記背電極２４には背面側ＲＳｍからの音波通過開口３６が形成されている。
【００１９】
図１のリーク通路１５は、例えばケーシング２１の正面内側に半径方向へ形成した凹溝３７（図３参照）、ケーシング２１の内周面に形成される嵌合隙間３８、及び絶縁性リング３２の端面に半径方向へ形成した凹溝３９によって構成される。前記凹溝３７，３９が形成されているので、ケーシングの後端縁２８を内側に折り曲げて内部構造を軸方向に押し付け固定してもリーク通路１５は閉塞されない。前記リーク通路はパイプチューブ５内の温度変化や大気圧の変化、更にはパイプチューブを押しつぶしたとき等に、振動板２３の変位が飽和状態になるのを防ぐ。特に図示はしないが、前記ゴムホルダ１２とセンサケーシング１０との接触面、或いはマイクロホン１３とゴムホルダとの嵌合面に、微小な空気通路を形成して前記リーク通路１５を構成してもよい。
【００２０】
上記圧力センサの作用を説明する。上記パイプチューブ５に圧力が加えられるとパイプチューブ５内の空気がリーク通路１５を経てエレクトレットコンデンサマイクロホン１３の背面側に廻り、当該マイクロホン１３の振動板２３の正面及び背面の圧力が均衡する。この状態でパイプチューブ５に心拍などによる周期的な圧力変化が与えられると、これを正面側から受ける前記マイクロホン１３の振動板２３と背電極２４で形成される静電容量が変化され、その変化に応じた信号がリード線１６から外部に出力される。
【００２１】
前記パイプチューブ５は、エアーマット状の受圧部に比べて圧力を加えなくても断面形状が安定しているため、周期的な圧力変化の検出途中でパイプチューブ５に圧力的な外乱が作用されても短時間で収束し、安定した計測を行うことができる。例えば、空圧機器に使用される内径２．５ｍｍ、外径４ｍｍのポリウレタン製のパイプチューブ５を使用した場合、パイプチューブ５の中に加圧空気を充填しなくても、人が直接座っても大きくつぶれず、圧力変化を安定して検出することが可能である。
【００２２】
パイプチューブ５に周期的な圧力変化が与えられると、パイプチューブ５内の空気はコンデンサマイクロホン１３の正面からリーク通路１５を通って背面側に移動しようとする。これは、周期的な圧力変化が低周波であるほど顕著であるから、低周波の圧力変化に対しても前記静電容量を再帰的に変化させることができ、心拍等による低周波の圧力変化の検出も確実に行うことができる。特に、前記素子ケーシング１０の内部にはエレクトレットコンデンサマイクロホン１３の背面側に位置して空室１４が形成されているから、当該空室１４が空気のバッファとして作用し、低周波の圧力変化の検出を更に安定化させる。前記素子ケーシング１０は大気圧に非導通とされているから、低周波の圧力変化に対する検出動作の安定化並びにノイズ除去に好都合である。
【００２３】
圧力センサ１は、図４に例示されるように、袋体４１を更に設けて構成してもよい。前記袋体４１には、前記パイプチューブ５が挿入固定される挿入部４０が形成されている。袋体４１はエアーマット或いはウォータベッドなどであってよい。パイプチューブ５の装着に当たって空気漏れや水漏れについては挿入部４０からのもれ防止を考慮するだけでよい。公知例のように袋体それ自体に飽和防止用のエアー通入孔などを設ける必要はないからである。
【００２４】
前記圧力センサ１はそのまま座布団の下等に配置し、或いは図４のような構成にて、心拍数や呼吸数などを計測する健康管理モニタとして利用することができる。また、パイプチューブ５に対する踏み付けによって車両の通過感知や人の移動感知にもそのまま適用することがができる。圧力センサ１から得られる信号に対する処理については特に詳細な説明はしないが、バンドパスフィルタでノイズ成分を除去し、等化などの適宜のフィルタリング処理を施して圧力変化に同期した信号パルスを生成するというよいうな、公知の信号処理技術を適用すればよい。
【００２５】
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
【００２６】
例えば、エレクトレットコンデンサマイクロホンの具体的な構造は図２に限定されず適宜変更可能である。マイクロフォンは双指向性に限らず、単一指向性、さらには無指向性であってもよい。但し、低周波の圧力変化を感知するという点では、背電極背面側の全体的な容積を大きく採ることが容易な双指向性又は単一指向性のマイクロフォンの方が有利である。また、パイプチューブの太さや長さは検出対象に応じて適宜変更すればよい。
【００２７】
【発明の効果】
本願発明の圧力センサはパイプチューブを利用してその圧力変化をエレクトレットコンデンサマイクロホンで検出し、圧力センサの内部で前記エレクトレットコンデンサマイクロホンの正面側と背面側とをリークさせる構造を採用したから、外乱による圧力変化の収束時間も短く、圧力の変化を安定して計測することが可能であり、また、エレクトレットコンデンサマイクロホンの振動板の正面が臨む空間を大気圧へ連通させるエアー通入孔を形成せずにエレクトレットコンデンサマイクロホンの飽和を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧力センサの一例を示す軸断面図である。
【図２】図１の圧力センサに採用されるエレクトレットコンデンサマイクロホンを例示する軸断面図である。
【図３】図２のエレクトレットコンデンサマイクロホンの正面図である。
【図４】袋体を有する圧力センサの一例を示す外観図である。
【符号の説明】
１  圧力センサ
２  重圧部
３  感圧素子
５  パイプチューブ
１０  素子ケーシング
１３  エレクトレットコンデンサマイクロホン
１４  空室
１５  リーク通路
２１  ケーシング
２３  振動板
２４  背電極
３７  凹溝
３８  嵌合隙間
３９  凹溝
４０  挿入部
４１  袋体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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