1-5-22
小型体導音センサの実装法*○ 平原 達也，清水 奨太（富山県立大学 工学部）
小幡 健一，岩城 一隆，増田 恵介（日本エレクトロニクスサービス㈱）1

はじめに体内外にある様々な音源から体を伝わってくる体導音を体表面で検出できる。体内に音源があるものは体の軟組織による減衰が大きいために[1]、また、体外に音源があるものは体表面でほとんどが反射されるために、体導音は微弱なものとなる。このような微弱な体導音を検出するセンサとして、電子聴診器や、圧電セラミックを用いた心音センサ[2]や、非可聴つぶやき声と呼ばれる微弱な肉導音声を検出する NAM マイク[3]などがある。
本報告では、ダイヤフラムを露出した小型のエレクトレット・コンデンサ・マイクロホン（ECM）をウレタンエラストマーで覆うタイプの小型体導音センサに関する問題点を改善するいくつかの実装法について述べる。

2

従来の体導音センサの構造と問題点

従来の小型体導音センサ[4]は中島によって提案された NAM マイクの構造[5,6]をベースにしている。NAM マイクは Fig.1 に示すようにダイヤフラムを露出した ECM 全体をソフトシリコーンやウレタンエラストマーで包埋するものである。この NAM マイクでは筐体内に充填した高分子材料中に ECM を置くため、その固定には工夫が必要であった。
先に報告した小型体導音センサ[4]の構造は Fig.2 に示すもので、ECM をプリント基板に半田づけしてアクリル筒を被せ、その筒の中にウレタンエラストマーを充填するものであった。この構造では、ECM が固定されるため実装が容易になり、若干の感度向上も認められた。しかし、試作したセンサの感度には大きな個体差が認められた。また、この体導音センサでは NAM マイクと同様に ECM が電気的に浮いているために、センサを皮膚に装着したときに誘導ハム雑音を拾うことがあり、実際に使用する場合は ECM のグラウンド側と体を別途接続させる必要があった。

ウレタンエラストマーソフトシリコーン

ECM

ECM

プラスチック筐体

プラスチック筐体

Fig.1 NAM マイクの構造の一例
ウレタンエラストマー
ECM
アクリル筒

Fig.23プリント基板

先に試作した小型体導音センサの構造

新型体導音センサの構造

これらの体導音センサの問題点を考慮して、Fig.3 に示す構造の体導音センサを試作した。
すなわち、ダイヤフラムを露出した ECM を増幅回路が搭載されたプリント基板に半田づけし、その上に円錐状あるいは円筒状の窪みを持つセンサ筐体を嵌め込み、窪みにウレタ
ンエラストマーを充填して ECM のダイヤフラムを覆う。ECM を載せたプリント基板とセンサ筐体とは接着剤で固定する。
センサ筐体はアルミニウム製で、内径 L =20φ（外形は 22φ）、D = 4 mm の場合、総重量は円筒状筐体で 5 g、円錐状筐体で 6 g である。ウレタンエラストマーは、硬度 15 の人肌φL

ウレタンエラストマー

ECM

ECMD
プリント基板円筒状金属筐体

円錐状金属筐体

Fig.3 円筒状筐体および円錐状筐体を用いた新しい体導音センサの構造*Implementation designs of small body-conducted sound sensors, by HIRAHARA, Tatsuya, SHIMIZU
Shota (Toyama Prefectural Univ.), OBATA Ken'ichi, IWAKI Kazutaka, MASUDA Keisuke (NES)

日本音響学会講演論文集- 705 -

2010年3月

4pressure sensitivity

体導音センサの感度を向上させる方法として、複数の ECM を用いる方法がある。ECMの直径は 6φ なので、内径 20φ の円筒の中に最大で 7 個の ECM を置くことができる。

日本音響学会講演論文集-20
cone-housing-30
75 g weightcylinder-housing

-40
-50
-60
no weight-80

マルチマイク型体導音センサ

20φ, D=4-10-70

新型体導音センサの感度特性

上述した構造の小型体導音センサをそれぞれ 5 個ずつ試作し、50 Hz から 20 kHz までの感度特性を計測した。Fig.4 に代表的なものの音圧感度特性を示す。青線は円錐筐体、赤線は円筒筐体、実線は体導音センサに重量負荷をかけない状態、点線は 75 g の重量負荷をかけた状態での音圧感度特性である。
Fig.2 に示す従来構造のセンサと比較すると、今回試作した体導音センサは、いずれの筐体構造でも 1 kHz 以下での音圧感度が 10～20 dB 向上し、1 kHz 以上の音圧感度はほとんど変わらなかった。センサの上側から重量負荷をかけた場合、100 Hz 以上の感度が 15 dBほど下がるが、低域の音圧感度は上昇した。
この重量負荷をかけた状態は、体導音センサを皮膚に押さえつけて用いる場合に相当する。
また、試作した体導音センサの加速度感度
は 、 1 kHz に お い て -30 ～ -20 dB (0 dB =1V/m/s-2) であった。加速度センサを用いた皮膚伝導マイク（プリモ, S17）の加速度感度は約-45 dB で今回試作した体導音センサよりも低感度である。ただし、皮膚伝導マイクは加速度感度の周波数特性が共振点以下では平坦であるのに対し、試作した体導音センサの加速度感度の周波数特性は平坦ではない。
なお、今回試作した体導音センサの感度特性の個体差は約 5 dB で、従来構造のセンサの個体差よりも小さくなった。また、従来の体導音センサで問題となっていた皮膚装着時の誘導ハムノイズは解消された。

50Sensitivity in dB [ ref 1 V/Pa ]ゲル（エクシールコーポレーション）を用いた。ECM は小型（6φ）で高感度な EM158（プリモ）を用いた。ダイヤフラムを露出させた
ECM の気導感度は 100 Hz～10 kHz で-33dB (0dB = 1V/Pa) であった。
プリント基板に搭載したプリアンプは、単電源オペアンプを用いた利得 20 dB のものである。
なお、低域の通過帯域を拡げるために、カップリングコンデンサの容量は通常よりも大きくしてある。

0.1

1Frequency in kHz

10Fig.4 新型体導音センサの感度特性

体導音は低周波成分が主であり、生体軟組織の音速は空気の音速より速いから、その波長は長く 20 mm 程度の位置差による位相差は無視できる。したがって、複数個の ECM出力を加算することによって、センサ感度を上げることができる。実際に、4 個の ECM を用いた場合、1 個の場合より、気導感度は約 5dB、Fig.2 の従来構造で試作した Quad-マイク
体導音センサの感度は約 4 dB 上昇した。

6まとめ

誘導雑音が無く安定した感度特性が得られる小型体導音センサの実装法と、感度が向上するマルチマイク型体導音センサの実装法を提案し、それらの有効性を示した。
謝辞
本研究は総務省 SCOPE により実施した。
参考文献[1] M.Otani et al., "Numerical simulation of transferand attenuation characteristics of soft-tissue
conducted sound originating from vocal tract,"
Applied Acoustics 70(3), 469-472, 2009.
[2] 今井信臣 他, "圧電セラミック型心音センサの設計," 音響学会誌 49(9), 629-634, 1993.
[3] S.Shimizu, et al., "Frequency characteristics ofseveral non-audible murmur (NAM) microphones," Acoust.Sci.&Tech. 30(2), 139-142, 2009.
[4] 平原、清水, "小型体導音センサによる種々の体導音検出," 音講論, 627-628, 2009-10.
[5] 中島,"ソフトシリコーン型 NAM マイクロフォンの開発と評価,"信学技報 SP2005-07, 2005.
[6] 中島 他, "ウレタンエラストマー二重包埋構
造型 NAM マイクロホン," 音講論, 21-22
2006-09.

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2010年3月