(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動膜と、この振動膜と所定の間隔をもって対向配置された背極と、前記振動膜の前記背極に対向しない面に取り付けられた錘とを有し、前記振動膜及び前記背極の間に存在する気体によってコンデンサを形成し、前記振動膜の振動による前記コンデンサの容量変化に基づいて前記振動膜に対する加速度を検出する加速度センサにおいて、
前記振動膜及び前記背極を保持する略円筒形の内部ケースであって、前記振動膜側の最外面に穴を有するとともに、前記背極側の最外面に、穴を有するリアプレートを保持する内部ケースと、
前記内部ケースを収納する気密性の樹脂製外部ケースとを有し、
前記外部ケースが、前記内部ケースを前記外部ケース内面と間隔をもたせて支持する支持手段を有し、
前記支持手段が、前記外部ケースの内側底面及び内側面に一体形成されたリブ又は突起であり、前記リブ又は突起の断面形状が、前記外部ケースの内面から先端に向かうほど細くなる形状を有し、
前記振動膜及び前記背極には穴が設けられるとともに、前記錘が前記振動膜に設けられた穴に対応した穴を有し、
前記錘に設けられた穴及び前記リアプレートの穴を覆う、通気性を有する音響抵抗部材を有することを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
前記錘の、前記振動膜への取り付け面側にリブ又は突起を有することを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
【請求項３】
前記振動膜に設けられた穴が前記振動膜の中心に設けられ、前記錘がリング形状を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の加速度センサ。
【請求項４】
前記振動膜と前記リアプレートの間が前記内部ケースと前記外部ケース内面との間隔により通気性を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は加速度センサに関し、特に心音マイクロホンとして好適に使用可能な加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、たとえば、心疾患や呼吸器系等の診断においては、聴診器等による直接聴診が広く行われている。直接聴診は簡便な診断方法として有用である反面、以下のような問題がある。
【０００３】
１）医師の個人差が反映されるため、客観性及び定量性に欠ける。
２）心音の記録ができないため、過去の状態と比較したり、他の分析に供することができない。
３）心音の主要な成分は３０〜８００Ｈｚと低い周波数帯に存在するが、ヒトの聴覚特性上低周波領域の判別は難しく、特に数１０Ｈｚの領域で心音成分を聞き分けるのは困難である。
このような問題に対処するため、心音を検出し、例えば心音図として記録することが従来行われている。
【０００４】
心音の検出、記録を行う心音計は、主に、心音を検出するための心音マイクロホン、心音マイクマイクロホンが出力する信号を増幅する増幅器、記録する周波数成分の選択や、雑音成分を除去するフィルタ、心音波形を記録する記録装置等を有してなる。
【０００５】
心音マイクロホンは被験者の胸部に取り付けられ、心拍動に伴う胸壁の機械的振動を電気信号に変換するものであり、変換方式としては可動コイル型、圧電型、静電型が知られており、また出力としては変位、速度、加速度等が得られる。
【０００６】
従来、心音マイクロホンとしては、圧電素子を用い、加速度を電気信号に変換して出力する構成を有する圧電型加速度センサが広く用いられている。具体的には、密閉されたケース内に、圧電素子から構成され、錘が取り付けられた振動膜を支持した構成を有する。このような構成の心音マイクロホンに振動が伝わると、錘は慣性の法則によりその場に止まろうとするため、圧電素子に力が加わる。この力によって圧電素子が発生する電圧は、錘の慣性力、すなわち入力された振動の大きさに比例するため、電圧の大きさから加速度を検出することが可能である。
【０００７】
心音マイクロホンは胸壁に伝播する心音という微小な振動を検出するため、高い感度を有する必要がある。上述の心音マイクロホンの感度を上げるには、振動膜に取り付ける錘を重くすればよい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、重い錘はサイズが大きく、また圧電素子からなる振動膜に対する負荷も大きくなるため、衝撃に弱く、１ｍ程度の高さから落下しても破損してしまう。また、大きな錘を用いるため、心音マイクロホンの大型化を招いていた。心音マイクロホンは人体の胸部という弾性体上に装着して用いるため、心音マイクロホンが重いと心音の高音成分が減衰されてしまう。さらに、大型化によって、被験者の肋間に装着することが困難になる。
【０００９】
また、振動膜をケース内に支持するホルダやリングは、通常ケース側面全体に密着した形状を有しており、本来検出すべき、振動膜に垂直な方向の振動だけでなく、側面から入力される外来ノイズ等の影響を受けやすかった。
【００１０】
一方、加速度センサには、例えば特開平５−２３２１３６号公報に開示されるように、密閉されたケース中に微小間隔を持って配置した振動膜と電極板とでコンデンサを形成し、このコンデンサの容量変化による電圧変化から加速度を検出する静電型の加速度センサが知られている。
【００１１】
静電型の加速度センサは、振動膜から直接電圧を検出する必要がないため、振動膜に錘をつける必要が無く、重量、大きさの点で圧電型加速度センサより優れている。
【００１２】
しかしながら、静電型加速度センサにおいても、依然として振動膜や電極板をケース内に支持するホルダがケース内側面にほぼ全面に渡って密接した構成を有するため、振動膜に垂直方向な、検出すべき振動の他に、ケース側面等から入力される外来ノイズ等の影響を受けやすかった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、小型軽量で堅牢であるとともに、外来ノイズの影響を低減可能な加速度センサを提供することにある。
【００１４】
この目的を達成するため、本発明による加速度センサは、振動膜と、この振動膜と所定の間隔をもって対向配置された背極と、振動膜の背極に対向しない面に取り付けられた錘とを有し、振動膜及び背極の間に存在する気体によってコンデンサを形成し、振動膜の振動によるコンデンサの容量変化に基づいて振動膜に対する加速度を検出する加速度センサにおいて、振動膜及び背極を保持する略円筒形の内部ケースであって、振動膜側の最外面に穴を有するとともに、背極側の最外面に、穴を有するリアプレートを保持する内部ケースと、内部ケースを収納する気密性の樹脂製外部ケースとを有し、外部ケースが、内部ケースを外部ケース内面と間隔をもたせて支持する支持手段を有し、支持手段が、外部ケースの内側底面及び内側面に一体形成されたリブ又は突起であり、リブ又は突起の断面形状が、外部ケースの内面から先端に向かうほど細くなる形状を有し、振動膜及び背極には穴が設けられるとともに、錘が振動膜に設けられた穴に対応した穴を有し、錘に設けられた穴及びリアプレートの穴を覆う、通気性を有する音響抵抗部材を有することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明をその好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明による加速度センサの構成例を示す分解斜視図、図２は図１のＡ−Ａにおける垂直断面図である。
【００１６】
図２からわかるように、本実施形態に係る加速度センサ１００は、樹脂製の下ケース１及び上ケース１７からなる、気密性を有する外部ケース内に、内部ケースとしてのユニットケース２に保持されたセンサ本体２０が支持される構成を有している。後述するように、センサ本体２０を筐体内面と離して支持することにより、密閉されたセンサ上下での通気が可能となり、センサの感度損失を低減可能である上、不要な振動の検出をも低減可能である。
【００１７】
図１及び、センサ本体２０の垂直断面図である図３を参照して、本実施形態に係る加速度センサの構成について更に詳細に説明する。
【００１８】
センサ本体は略円筒形状を有する金属製ユニットケース２内に各部品３〜１６を積層し、ユニットケース２の上下面を構成する鍔部２１及び２２によって部品をケース内に保持した構成を有している。ユニットケース２内の最上面（使用時には最下面となるが、図に合わせて説明する。以下他の構成要素についても同様）にはフロントリング３が設けられ、後述する調整用錘５とユニットケース２の顎部２１内面とのスペーサの役目を果たしている。
【００１９】
振動膜７は、例えば金属蒸着された樹脂薄膜から構成され、その周囲を振動膜リング８に固定されることで所定の張力を有している。また、振動膜７の中央には、通気用の穴７１が設けられている。振動膜７表面には、中心を共通とするリング状の錘６が取り付けられ、必要に応じてさらに錘６の上にやはりリング状の調整用錘５が設けられる。調整用錘５はセンサ感度や共振点の調整用錘であり、錘６に比べて十分軽量である。調整用錘５は不要の場合もあれば、複数枚用いる場合もある。
【００２０】
後述するように、錘５の形状は、振動膜７と背極１０との距離を一定に保持したり、振動膜７と背極１０との吸着を防止する上で大きな意味を持つ。
【００２１】
調整用音響抵抗４は錘６（及び調整用錘５）の穴を覆うように取り付けられた通気性を有する膜であり、リアプレート１６の穴１６ａに設けられているもう一方の調整用音響抵抗（図１では見えないが、図２及び図３に図示）とともに、センサを通過する空気に対する流体抵抗として機能する。
【００２２】
調整用音響抵抗４により、センサの感度、振動膜の共振点、共振の鋭さ等の微調整を行うことが可能である。調整用音響抵抗４は例えば不織布から構成できる。
【００２３】
リング状のスペーサ９は、その厚みにより振動膜７と後述の背極１０とを所定距離離間させるとともに、これらを絶縁するために設けられる。従って、振動膜７と背極１０は、スペーサ９による距離に等しい厚みを有する空気の層を誘電体とするコンデンサを形成する。スペーサ９の厚みは数１０μｍ程度である。
【００２４】
背極１０は圧電膜を圧着した金属板から構成され、通気用の穴１０ａが本実施形態では４箇所に設けられている。
【００２５】
背極１０はコンタクトプレート１１とともにインシュレータ１２に周囲を保持される。コンタクトプレート１１はプリント配線基板（ＰＣ板）１３上に実装される各種回路、特にインピーダンス調整用のＦＥＴ１４と背極１０とを電気的に導通させるための導体である。
【００２６】
ＰＣ板１３にはインピーダンス調整用のＦＥＴ１４他、センサ出力を生成するための電気回路素子（図示せず）が実装される。ＰＣ板１３にも通気用の穴１３ａが設けられる。
【００２７】
固定リング１５はＰＣ板１３上の回路部品がリアプレート１６に接触しないように設けられるスペーサである。リアプレート１６はセンサ本体２０の底面を構成する。リアプレート１６にはＰＣ板１３上の回路から出力信号を取り出すためのケーブル（図示せず）を引き出すための穴と、一対の通気用の穴１６ａがそれぞれ設けられる。また、上述のように、リアプレート１６には通気用の穴１６ａを覆うように調整用音響抵抗４が設けられる。
【００２８】
このような構成を有するセンサ本体２０は、さらに上ケース１７及び下ケース１から構成されるケースに収納、密閉されて加速度センサを構成する。本実施形態に係る加速度センサは、センサ本体２０をケース内面に設けた突起もしくはリブの頂点により支持することで、センサ本体２０とケース内面の接触面積が少なくなり、ケースに加わる外来ノイズが直接センサ本体に及ぼす影響を大きく減少することが可能である。
【００２９】
例えば、本実施形態において、センサ本体２０は下ケース１の内側底面に設けられたリング状のリブ１ａと、下ケース１の内側面に設けたリング状のリブ１ｂによってケース内に支持される。これらリブ１ａ，１ｂはケースが樹脂製である場合には一体成形すればよいし、ケース内面に設けた溝にリブ１ａ、１ｂをはめ込む等してもよい。リブの断面形状は任意であるが、センサ本体２０との接触面積を減らすため、図４に示すように先端に向かうほど細くなる形状が好ましい。
【００３０】
また、全周に渡って支持する必要は必ずしも無く、センサ本体２０をがたつき無く支持可能であれば、複数の突起によりセンサ本体を支持しても良い。この場合、センサ側面では３点以上、ユニットケース２の顎部２１では２点以上を支持することが好ましい。
【００３１】
また、センサ本体２０を支持するリブ又は突起の位置は必ずしも図２や図４で示した位置である必要はなく、センサ本体２０をケース内面から離して支持可能で、かつセンサの動作に支障を与えない位置であれば任意の位置で支持することが可能である。
【００３２】
センサ本体２０を支持するリブ又は突起の高さは任意に設定可能であるが、高すぎるとセンサ全体の大型化を招き、低すぎるとセンサ本体２０の周囲に存在する空気層による外来ノイズの緩衝効果が低下するため、センサが所望のサイズを満たす範囲内でなるべく高いリブ又は突起を設けることが好ましい。
【００３３】
本実施形態に係る加速度センサは、センサ本体２０を構成するリアプレート１６、ＰＣ板１３、背極１０、振動膜７、錘６、調整用錘５にそれぞれ穴が設けられており、さらにこれら部品のうち最も外側に位置する調整用錘５とリアプレート１６の穴を覆うように取り付けられた調整用音響抵抗４も通気性を有するため、センサ本体２０内部を空気が通過可能である。さらに、センサ本体２０がケース内面から離れて支持されるため、ケース内部に支持された状態でセンサ本体２０の上下面も空気が行き来可能である。従って、空気の粘性抵抗による感度低下を抑制できる。
【００３４】
このような構成の加速度センサにおいて、ユニットケース２及びＦＥＴ１４を介して振動膜７と背極１０に所定の電圧を印加すると、振動膜７と背極１０の対向面に電荷が蓄積し、コンデンサを形成する。この状態でケースが振動すると、センサ本体２０に振動が伝達する。センサ本体２０は振動するが、振動膜７に取り付けられた錘６（及び調整用錘５）は慣性によって元の位置に留まろうとする。その結果、振動膜７が振動し、背極１０との距離が変化することにより、振動膜７、背極１０及びその間の空気層から構成されるコンデンサの容量が変化する。コンデンサの容量変化は振動膜７と背極１０間の電圧値の変化として観測され、この電圧値からセンサ本体２０に加わった加速度を検知することが可能である。
【００３５】
次に、振動膜７に取り付ける錘５の形状について説明する。上述の通り、振動膜７と背極１０との距離は数１０μｍと非常に狭い。しかも、動作中は振動膜７と背極１０の対向面には反対極性を有する電荷が現れるため、振動膜７と背極１０を引き合う力が発生する。
【００３６】
振動膜７はその周囲を固定されているため、その中心へ向かうほど可動量が大きい。しかも、感度を上げるために錘を取り付ける場合、少ない錘で大きい効果を得ようと中心につける傾向が大きい。そのため、中心部と周辺部の移動量の差がさらに増大し、振動時に振動膜７の中心部が背極１０により接近するようになる。その結果、場合によっては振動膜７の中心部付近と背極１０とが吸着し、センサとしての機能を果たさなくなる虞がある。
【００３７】
本発明はこのような状況に鑑み、振動膜７に取り付ける錘６の形状を改良することによって、振動膜７と背極１０との吸着を防止し、かつ安定したセンサ出力の取得を可能にした。
【００３８】
すなわち、本発明に係る加速度センサにおいて、振動膜７に取り付けられる錘６は、その取り付け面積ができるだけ大きくなるように構成されている。これは、換言すれば同じ重さの錘であれば、薄く、かつ外径が大きくなるように構成することである。この様な形状の錘を振動膜に取り付けることにより、小さい取り付け面積の錘を用いた場合（図５（ａ））と比較して振動膜の平面性をより広範囲で保つことが可能になる（図５（ｂ））。
【００３９】
この結果、振動膜と背極との距離が広範囲に渡って均等になるため、中心部の吸着を防止することが可能になるほか、振動による振動膜と背極との距離変動がやはり広範囲に発生することになるため、振動による容量の変化をより高精度に得ることが可能になる。
【００４０】
本実施形態においては、錘６の外径を大きくするため、中心部をくりぬいたリング形状としている。また、通気用の穴を錘６が取り付けられない振動膜７の中心部に設けることによって、形状面でも中心部の吸着を防止している。
【００４１】
なお、本技術分野に属する当業者には明らかであろうが、錘６の形状を定めるに当たり、単純にその外径を大きく採ればよいというわけではない。すなわち、錘が薄くなりすぎ、剛性不足で振動膜の平面性を保てなくなったり、リング形状の場合に外径は大きくてもリングが細すぎると振動膜中心部の平面性が得られない。また、振動膜を取り付ける振動膜リングの内径と錘６の外径との差が小さすぎると、振動膜が動きにくくなる。従って、（１）振動膜の振動を妨げず、（２）振動膜中央部の平面性が維持可能、な範囲で、振動膜との取り付け面積が大きくなるように錘の形状を決定することになる。なお、本明細書において「取り付け面積」とは、実質的に錘によって振動膜の平面性が保たれる面積を意味し、その面積全体が振動膜と固着されることを必要としない。
【００４２】
錘の形状による特性の変化についてさらに説明する。図２の構成を有する加速度センサであって、図６に示すように、外径１４．５ｍｍ、内径１２．５ｍｍのステンレス製振動膜リングに、中心に直径１ｍｍの穴を設けた振動膜（厚さ４μｍ、ＰＰＳ製、表面に金を蒸着）を接着剤によって取り付け、ＦＥＰのエレクトレットフィルムを圧着した黄銅製背極と５０μｍ間隔で配置した加速度センサを用い、同じ重さ（０．７ｇ）で形状の異なる錘を取り付けて入出力特性を測定した。
【００４３】
中心に直径１ｍｍの穴が設けられた円板状で、直径６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍの３種類の錘を用いた。錘と振動膜とは穴の位置が対応するように、穴の開いていない振動膜に錘を接着剤で取り付け、その後振動膜と錘を貫通する直径１ｍｍの穴を設けた。一定の加速度（０．９８ｍ／Ｓ2）を加えた場合の、周波数２０〜１ｋＨｚにおける入出力特性を図７に示す。図７から明らかなように、同じ重さの錘であっても、外径が大きい錘を用いた方がより大きな出力が得られていることが分かる。これは振動膜の広い範囲で平面性が保たれており、振動による容量変化が構成で検出可能なことに起因するものと考えられる。また、何れの場合も振動膜と背極との吸着は見られなかった。
【００４４】
このように、本実施形態によれば、軽量かつ堅牢で耐久性に優れ、また外来ノイズの影響を抑制しつつ高感度の加速度検出を実現する、心音等微弱な振動の検出に適した加速度センサが実現される。
【００４５】
【他の実施形態】
上述の実施形態においては、ケース内の雰囲気が空気である場合を説明したが、不活性ガス等他の気体（単成分ガス、混合ガスいずれも可能）を充填することも可能である。
【００４６】
また、上述の実施形態では振動膜に取り付ける錘の形状がリング状もしくは円板状である場合についてのみ説明したが、必ずしも真円である必要はない。また、錘の数についても１つに限定される物ではなく、振動膜の平面性が広範囲に保たれ、かつ振動の妨げにならなければ、複数の錘を振動膜上に配置してもよい。
【００４７】
また、錘の形状を改良することによる吸着防止効果及び感度上昇効果は、必ずしも通気用の穴が設けられた振動膜を有する加速度センサに限って得られるものではなく、また静電型以外の、例えば圧電型の加速度センサに対しても有効である。
【００４８】
また、振動膜と背極との吸着をより防止するため、図８に示すように、錘６の振動膜７への取り付け面側に微小なリブ又は突起を設けることも可能である。このような構成とすることで、振動膜７と背極１０との接触があった場合でもその接触面積が低減され、振動膜７と背極１０とが離れやすくなる。この場合、錘６に設けるリブや突起の形状は頂点が尖りすぎていると振動膜を破損する虞があるため、丸みを帯びた形状とすることが好ましい。また、高さについても振動の妨げにならないように設定する。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の加速度センサによれば、加速度センサ本体をケース内面と隙間をあけて保持することにより、加速度センサの上下面での通気が可能となり、より感度の良い加速度センサが実現できるほか、加速度センサ本体とケース内面との隙間に存在する空気により、不要な外来ノイズが加速度センサに与える影響を緩和することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る加速度センサの構成例を示す分解斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１のセンサ本体部２０の垂直断面図である。
【図４】下ケース１の、センサ本体２０を支持するリブ構造例を示す部分斜視図である。
【図５】錘の形状による振動膜の動きの相違を説明する図である。
【図６】実験に用いた振動膜及び錘のパラメータを説明する図である。
【図７】錘の形状を変化させた場合の出力特性を示す図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る加速度センサの錘の形状を示す図である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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