特許第6422300号(P6422300)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

ホーム > 特許ランキング > 国立大学法人埼玉大学

このエントリーをはてなブックマークに追加

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ 国立大学法人埼玉大学の特許一覧

特許6422300デュアルエレクトレットセンサ、硬度測定方法及びデュアルエレクトレットセンサの製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6422300
(24)【登録日】2018年10月26日
(45)【発行日】2018年11月14日
(54)【発明の名称】デュアルエレクトレットセンサ、硬度測定方法及びデュアルエレクトレットセンサの製造方法
(51)【国際特許分類】
   H04R 19/01 20060101AFI20181105BHJP
   H04R 19/00 20060101ALI20181105BHJP
   H04R 19/04 20060101ALI20181105BHJP
   H04R 31/00 20060101ALI20181105BHJP
   G01N 29/24 20060101ALI20181105BHJP
   G01N 3/40 20060101ALI20181105BHJP
   G01H 11/06 20060101ALI20181105BHJP
   G01N 29/11 20060101ALI20181105BHJP
   G01N 29/46 20060101ALI20181105BHJP
   G01N 29/48 20060101ALI20181105BHJP
【ＦＩ】
   H04R19/01
   H04R19/00 330
   H04R19/04
   H04R31/00 C
   H04R31/00 330
   G01N29/24
   G01N3/40 C
   G01H11/06
   G01N29/11
   G01N29/46
   G01N29/48
【請求項の数】7
【全頁数】30
(21)【出願番号】特願2014-213028(P2014-213028)
(22)【出願日】2014年10月17日
(65)【公開番号】特開2016-82447(P2016-82447A)
(43)【公開日】2016年5月16日
【審査請求日】2017年9月7日
(73)【特許権者】
【識別番号】504190548
【氏名又は名称】国立大学法人埼玉大学
(74)【代理人】
【識別番号】100108914
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 壯兵衞
(72)【発明者】
【氏名】蔭山 健介
【審査官】 渡邊 正宏
(56)【参考文献】
【文献】 国際公開第２００９／１２５７７３（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０１Ｈ １／００−１７／００
Ｇ０１Ｎ ３／００− ３／６２
Ｇ０１Ｎ ２９／００−２９／５２
Ｈ０４Ｒ １／００− １／０２
Ｈ０４Ｒ １／０６
Ｈ０４Ｒ １／２０− １／３４
Ｈ０４Ｒ １／４０
Ｈ０４Ｒ １／４４
Ｈ０４Ｒ ３／００
Ｈ０４Ｒ ９／００
Ｈ０４Ｒ １１／００−１１／０６
Ｈ０４Ｒ １１／１４
Ｈ０４Ｒ １３／００−１５／０２
Ｈ０４Ｒ １７／００
Ｈ０４Ｒ １７／１０
Ｈ０４Ｒ １９／００−１９／０４
Ｈ０４Ｒ ２１／００−２１／０２
Ｈ０４Ｒ ２３／００−２３／０２
Ｈ０４Ｒ ２９／００−３１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
無負荷時において平坦な振動面を有する第１振動電極、前記第１振動電極に対向して配置された第１背面電極、前記第１振動電極と前記第１背面電極との間に設けられた第１のマイクロギャップを含む誘電体領域とで第１のエレクトレット構造体を構成した第１のフィルム状エレクトレットセンサと、
無負荷時において平坦な振動面を有する第２振動電極、前記第２振動電極に対向して配置された第２背面電極、前記第２振動電極と前記第２背面電極との間に設けられた第２のマイクロギャップを含む誘電体領域とで第２のエレクトレット構造体を構成した第２のフィルム状エレクトレットセンサと、
前記第１のフィルム状エレクトレットセンサと前記第２のフィルム状エレクトレットセンサとの間に挿入され、前記第１のフィルム状エレクトレットセンサと前記第２のフィルム状エレクトレットセンサとを互いに接合する層間接着層と、
を備え、前記第１及び第２のフィルム状エレクトレットセンサのそれぞれの全体の音響インピーダンスが、被測定試料の音響インピーダンスよりも小さくなるように、前記第１及び第２のマイクロギャップが調整されていることを特徴とするデュアルエレクトレットセンサ。
【請求項2】
前記第１及び第２のエレクトレット構造体が、互いに同一構造であることを特徴とする請求項１に記載のデュアルエレクトレットセンサ。
【請求項3】
前記第１及び第２のマイクロギャップで区切られた前記デュアルエレクトレットセンサ中の３つの等価層中をそれぞれ伝搬する音速の最小値をｖmin、測定に使用する周波数帯域の最大値をｆmaxとしたとき、前記３つの等価層のそれぞれの厚さの最大値ｌmaxが、ｖmin/20πｆmaxよりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載のデュアルエレクトレットセンサ。
【請求項4】
無負荷時において平坦な振動面を有する第１振動電極、前記第１振動電極に対向して配置された第１背面電極、前記第１振動電極と前記第１背面電極との間に設けられた第１のマイクロギャップを含む誘電体領域とで第１のエレクトレット構造体を構成した第１のフィルム状エレクトレットセンサと、無負荷時において平坦な振動面を有する第２振動電極、前記第２振動電極に対向して配置された第２背面電極、前記第２振動電極と前記第２背面電極との間に設けられた第２のマイクロギャップを含む誘電体領域とで第２のエレクトレット構造体を構成した第２のフィルム状エレクトレットセンサと、前記第１のフィルム状エレクトレットセンサと前記第２のフィルム状エレクトレットセンサとの間に挿入され、前記第１のフィルム状エレクトレットセンサと前記第２のフィルム状エレクトレットセンサとを互いに接合する層間接着層とを備えるデュアルエレクトレットセンサを、被測定試料に密着させるステップと、
前記第１及び第２のフィルム状エレクトレットセンサのいずれか一方を送信用素子として、該送信用素子から前記被測定試料に対し、機械的振動を出射するステップと、
前記第１及び第２のフィルム状エレクトレットセンサのいずれか他方を受信用素子として、該受信用素子が前記被測定試料から前記機械的振動を受信するステップと、
前記受信用素子で受信した送受信波形のそれぞれのピーク強度と重心周波数を用いて前記被測定試料の硬さを測定するステップと、
を含み、前記第１及び第２のフィルム状エレクトレットセンサのそれぞれの全体の音響インピーダンスが、前記被測定試料の音響インピーダンスよりも小さくなるように、前記第１及び第２のマイクロギャップが調整されていることを特徴とする硬度測定方法。
【請求項5】
無負荷時において平坦な振動面を有する第１振動電極、前記第１振動電極に対向して配置された第１背面電極、前記第１振動電極と前記第１背面電極との間に設けられた第１のマイクロギャップを含む誘電体領域とで第１のエレクトレット構造体を構成した第１のフィルム状エレクトレットセンサを構成する工程と、
無負荷時において平坦な振動面を有する第２振動電極、前記第２振動電極に対向して配置された第２背面電極、前記第２振動電極と前記第２背面電極との間に設けられた第２のマイクロギャップを含む誘電体領域とで第２のエレクトレット構造体を構成した第２のフィルム状エレクトレットセンサを構成する工程と、
前記第１のフィルム状エレクトレットセンサと前記第２のフィルム状エレクトレットセンサとの間に層間接着層を挿入して、前記第１のフィルム状エレクトレットセンサと前記第２のフィルム状エレクトレットセンサとを互いに接合する工程と、
を含み、前記第１及び第２のフィルム状エレクトレットセンサのそれぞれの全体の音響インピーダンスを、被測定試料の音響インピーダンスよりも小さくなるように、前記第１及び第２のマイクロギャップを調整することを特徴とするデュアルエレクトレットセンサの製造方法。
【請求項6】
前記第１のフィルム状エレクトレットセンサを構成する工程は、
第１振動電極の上にフッ素樹脂フィルムを真空溶着して、第１振動板絶縁層を形成するステップと、
第１背面電極の上にフッ素樹脂フィルムを真空溶着して、第１エレクトレット層を形成するステップと、
前記第１エレクトレット層上にコロイダルシリカを塗布してシリカ凝集体を形成するステップと、
シリカ凝集体にコロナ放電によるチャージを行うステップと
を含むことを特徴とする請求項５に記載のデュアルエレクトレットセンサの製造方法。
【請求項7】
前記第１のフィルム状エレクトレットセンサを２つ折りに折り畳んで接着するステップを更に含むことを特徴とする請求項６に記載のデュアルエレクトレットセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気音響変換素子に係り、特に機械的振動の送信と受信が同時に可能なデュアルエレクトレットセンサ、このデュアルエレクトレットセンサを用いた硬度測定方法及びデュアルエレクトレットセンサの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
農作物の熟度を硬さの変化から判定する場合、或いは、ゴム，エラストマー、生体のような軟質材料の硬さの測定は、デュロメータに代表されるような圧子８１の押し込み試験により測定されている。図２７に示すように、バネ８２と圧子８１を用いて被測定試料２ｘに圧子８１を押し込み、そのときの一定時間経過後までの最大反発力η2から硬さを測定する。この測定法には（イ）圧子８１で押しこむため押付時の圧力が高く被測定試料２ｘを損傷させる恐れがある。（ロ）１秒間程度加圧を続ける必要があり、測定時間が長い。（ハ）計測器の小型化が困難というような問題がある。
【0003】
又、デュロメータを応用した硬さ測定器として筋硬度計がある。これは原理はデュロメータと同じで筋肉の硬さを測定することで疲労や疾患を診断する目的に使用されている。一方、筋硬度は個人差が大きいため、診断に使用するためには同一被験者に対して繰り返し測定を行い、筋硬度の変動を調べることが有効である。しかし、デュロメータのような測定器は簡単に装着できるものではないため長期間の自動測定は不可能である。
一方、植物の水ポテンシャル測定は灌水管理において有用な指標であり、水ポテンシャル測定を非破壊的かつ自動で行えるようになれば，灌水管理の指標として非常に有用である。水ポテンシャルの測定方法としてプレッシャーチャンバー法が広く用いられている。プレッシャーチャンバー法は葉を葉柄部で切断し、チャンバーにより葉を加圧する。そして、葉柄の切断面から水がにじみ出るときの加圧力から水ポテンシャルを測定する。この測定法には（イ）葉を切断するため，測定回数が限られる。（ロ）加圧が必要なため，測定時間が長い。（ハ）ボンベが必要など計測器の小型化が困難。（ニ）現在の水ポテンシャル測定法では長期間自動測定を行うことは不可能である、というような問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】ＷＯ２００９／１２５７７３号パンフレット
【特許文献2】特開２００７−２９８２９７号公報
【特許文献3】ＷＯ２０１３／１５７５０５号パンフレット
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】ゾンフー＝シア(Zhongfu Xia)他４名、『多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜のエレクトレットの電荷と圧電気の安定性に対する多孔性の影響(Influence of porosity on the stability of charge and piezoelectricity for porous polytetrafluoroethylene film electrets)』、ジャーナル・オブ・エレクトロスタチックス( Journal of Electrostatics）、第５９巻、２００３年、ｐ５７−５９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記問題を鑑み、本発明はデュロメータ硬さ（タイプＡ）１００以下の軟質材料の硬さによる音響の伝達率の変化を効率よく捉えることができ、被測定試料を損傷させる恐れがないデュアルエレクトレットセンサ、このデュアルエレクトレットセンサを用いた硬度測定方法及びデュアルエレクトレットセンサの製造方法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】
【0007】
上記目的を達成するために、本発明の態様は、(a)無負荷時において平坦な振動面を有する第１振動電極、第１振動電極に対向して配置された第１背面電極、第１振動電極と第１背面電極との間に設けられた第１のマイクロギャップを含む誘電体領域とで第１のエレクトレット構造体を構成した第１のフィルム状エレクトレットセンサと、(b)無負荷時において平坦な振動面を有する第２振動電極、第２振動電極に対向して配置された第２背面電極、第２振動電極と第２背面電極との間に設けられた第２のマイクロギャップを含む誘電体領域とで第２のエレクトレット構造体を構成した第２のフィルム状エレクトレットセンサと、(c)第１のフィルム状エレクトレットセンサと第２のフィルム状エレクトレットセンサとの間に挿入され、第１のフィルム状エレクトレットセンサと第２のフィルム状エレクトレットセンサとを互いに接合する層間接着層とを備えるデュアルエレクトレットセンサであることを要旨とする。本発明の態様に係るデュアルエレクトレットセンサにおいて、第１及び第２のフィルム状エレクトレットセンサのそれぞれの全体の音響インピーダンスが、被測定試料の音響インピーダンスよりも小さくなるように、第１及び第２のマイクロギャップが調整されている。
【0008】
本発明の他の態様は、(a)無負荷時において平坦な振動面を有する第１振動電極、第１振動電極に対向して配置された第１背面電極、第１振動電極と第１背面電極との間に設けられた第１のマイクロギャップを含む誘電体領域とで第１のエレクトレット構造体を構成した第１のフィルム状エレクトレットセンサと、無負荷時において平坦な振動面を有する第２振動電極、第２振動電極に対向して配置された第２背面電極、第２振動電極と第２背面電極との間に設けられた第２のマイクロギャップを含む誘電体領域とで第２のエレクトレット構造体を構成した第２のフィルム状エレクトレットセンサと、第１のフィルム状エレクトレットセンサと第２のフィルム状エレクトレットセンサとの間に挿入され、第１のフィルム状エレクトレットセンサと第２のフィルム状エレクトレットセンサとを互いに接合する層間接着層とを備えるデュアルエレクトレットセンサを被測定試料に密着させるステップと、(b)第１及び第２のフィルム状エレクトレットセンサのいずれか一方を送信用素子とし、この送信用素子から被測定試料に対し、機械的振動を出射するステップと、(c)第１及び第２のフィルム状エレクトレットセンサのいずれか他方を受信用素子とし、この受信用素子が被測定試料から機械的振動を受信するステップと、(d)送信波形及び受信波形のそれぞれのピーク強度と重心周波数を用いて被測定試料の硬さを測定するステップとを含む硬度測定方法であることを要旨とする。本発明の他の態様に係る硬度測定方法においては、第１及び第２のフィルム状エレクトレットセンサのそれぞれの全体の音響インピーダンスが、被測定試料の音響インピーダンスよりも小さくなるように、第１及び第２のマイクロギャップが調整されている。
【0009】
本発明の更に他の態様は、(a)無負荷時において平坦な振動面を有する第１振動電極、第１振動電極に対向して配置された第１背面電極、第１振動電極と第１背面電極との間に設けられた第１のマイクロギャップを含む誘電体領域とで第１のエレクトレット構造体を構成した第１のフィルム状エレクトレットセンサを構成する工程と、(b)無負荷時において平坦な振動面を有する第２振動電極、第２振動電極に対向して配置された第２背面電極、第２振動電極と第２背面電極との間に設けられた第２のマイクロギャップを含む誘電体領域とで第２のエレクトレット構造体を構成した第２のフィルム状エレクトレットセンサを構成する工程と、(c)第１のフィルム状エレクトレットセンサと第２のフィルム状エレクトレットセンサとの間に層間接着層を挿入して、第１のフィルム状エレクトレットセンサと第２のフィルム状エレクトレットセンサとを互いに接合する工程とを含むデュアルエレクトレットセンサの製造方法であることを要旨とする。本発明の更に他の態様に係るデュアルエレクトレットセンサの製造方法においては、第１及び第２のフィルム状エレクトレットセンサのそれぞれの全体の音響インピーダンスが、被測定試料の音響インピーダンスよりも小さくなるように、第１及び第２のマイクロギャップを調整する。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、デュロメータ硬さ１００以下の軟質材料の硬さによる音響の伝達率の変化を効率よく捉えることができ、被測定試料を損傷させる恐れがないデュアルエレクトレットセンサ、このデュアルエレクトレットセンサを用いた硬度測定方法及びデュアルエレクトレットセンサの製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの概略構成を説明する模式的な断面図である。
【図2】本発明の第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサを用いた測定系の一部を説明する模式的な横面図である。
【図3】本発明の第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサを用いた硬度測定システムの概略を説明するブロック図である。
【図4】本発明の第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサを用いた測定系の他の例を説明する模式的な横面図である。
【図5】図５（ａ）はシールド層を備えた第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの構造を示す図で、図５（ｂ）は図５（ａ）の構造に対応する音響インピーダンスを説明するためのマイクロギャップ部をバネとした等価回路である。
【図6】図６（ａ）は背面板を備えた第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの構造を示す図で、図６（ｂ）は図６（ａ）の構造に対応する音響インピーダンスを説明するためのマイクロギャップ部をバネとした等価回路である。
【図7】背面板を備えた第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの音響インピーダンスの等価回路である（背面板の音響インピーダンスをＺb，デュアルエレクトレットセンサの全体の音響インピーダンスをＺs，被測定試料の音響インピーダンスをＺmとする。）。
【図8】背面板を備えた第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの音響インピーダンスの等価回路である（第１等価層側の音響インピーダンスをＺ１，第２等価層の音響インピーダンスをＺ２，残りの層の音響インピーダンスをＺ３とする。）。
【図9】背面板を備えた第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの音響インピーダンスの等価回路である（背面板からの第２等価層までの音響インピーダンスをＺ１，第３等価層の音響インピーダンスをＺ２，残りの層の音響インピーダンスをＺ３とする。）。
【図10】背面板を備えた第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの音響インピーダンスの等価回路である（背面板の音響インピーダンスをＺ１，第１等価層の音響インピーダンスをＺ２，被測定試料の音響インピーダンスをＺ３とする。）。
【図11】第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサから得られた送受信波形の時間変化を示す図である。
【図12】ポリイソブチレンの応力緩和特性を示す図である。
【図13】図１１の送受信波形の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）スペクトルである。
【図14】押付圧力に対する第１ピークの大きさ（ピーク強度）Ｖｐの関係を示す図である。
【図15】押付圧力に対する重心周波数ｆwの関係を示す図である。
【図16】天然ゴム（デュロメータ硬さ７１）のピーク強度Ｖｐと重心周波数ｆwの関係を示す図である。
【図17】硬質シリコーンゴム（デュロメータ硬さ５１）のピーク強度Ｖｐと重心周波数ｆwの関係を示す図である。
【図18】エラストマー（デュロメータ硬さ１０）のピーク強度Ｖｐと重心周波数ｆwの関係を示す図である。
【図19】係数ａ＝０．７のときの、係数ｃとデュロメータ硬さ（Ａ）の関係を示す図である。
【図20】図２０（ａ）は本発明の第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの折り畳む前の状態を説明する平面図で、図２０（ｂ）は第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの折り畳んだ後の状態を説明する平面図である。
【図21】図２１（ａ）は、折り畳まれたフィルム状エレクトレットセンサで構成された受信用素子の平面図で、図２１（ｂ）は、折り畳まれたフィルム状エレクトレットセンサで構成された送信用素子の平面図で、図２１（ｃ）は、図２１（ａ）の受信用素子と図２１（ｂ）の送信用素子を積層して第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサを組み立てた状態を示す平面図で、図２１（ｄ）は、図２１（ｃ）に対応する断面図である。
【図22】フレキシブルに変形可能な第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサを、被測定試料の形状に合わせて接触させる例を説明する模式的な鳥瞰図である。
【図23】図２３（ａ）は、第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサを用いて測定した水ポテンシャルと係数ｃとの相関を説明する図で、図２３（ｂ）は、水ポテンシャルと減衰率αとの相関を説明する図である。
【図24】第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの概略構成を説明する模式的な断面図である。
【図25】第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの応用例を説明する模式図である。
【図26】第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの他の応用例を説明する模式図である。
【図27】従来技術であるデュロメータによる押し込み試験を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。又、第１及び第２の実施の形態で例示的に記述した各層の厚さや寸法等も限定的に解釈すべきではなく、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものであり、設計指針と要求される特性や仕様に応じて、種々の値に決定することが可能であることに留意すべきである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
又、以下に示す第１及び第２の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【0013】
(第１の実施の形態)
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１は、無負荷時において平坦な振動面を有する第１振動板(２６ａ，２５ａ)、第１振動板(２６ａ，２５ａ)の振動面に対向した平坦な第１主面及びこの第１主面に平行に対向する第２主面で定義され、分極方向を揃えた第１エレクトレット層２３ａ、第１エレクトレット層２３ａの第２主面に第１主面を接した第１背面電極２２ａを備える第１のフィルム状エレクトレットセンサと、第１のフィルム状エレクトレットセンサの第１背面電極２２ａの第２主面に第１主面を接した層間接着層（第１層間接着層）２１ａと、第１層間接着層２１ａの第２主面に第１主面を接し、無負荷時において平坦な振動面を有する第２振動板(２６ｂ，２５ｂ)、第２振動板(２６ｂ，２５ｂ)の振動面に対向した平坦な第２主面及びこの第２主面に平行に対向する第２主面で定義され、分極方向を揃えた第２エレクトレット層２３ｂ、第２エレクトレット層２３ｂの第２主面に第１主面を接した第２背面電極２２ｂを備える第２のフィルム状エレクトレットセンサと、第２のフィルム状エレクトレットセンサの第２背面電極２２ｂの第２主面に第１主面を接した第２層間接着層２１ｂと、第２層間接着層２１ｂの第２主面に第１主面を接したシールド層２８と、を備え、耐圧に優れたフィルム状のフレキシブル素子である。即ち、２枚のフィルム状エレクトレットセンサが第１層間接着層２１ａを介して積層された構造をなしている。
【0014】
図１において、第１振動板（２６ａ，２５ａ）と第１エレクトレット層２３ａと第１背面電極２２ａとで受信用素子１ａを構成し、第２振動板（２６ｂ，２５ｂ）と第２エレクトレット層２３ｂと第２背面電極２２ｂとで送信用素子１ｂを構成している。図１に示す第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１により、送信時の送信用素子１ｂの振動を受信用素子１ａを用いて知ることができる。なお、図１に示す第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１おいて、第１振動板(２６ａ，２５ａ)は、導電体からなる第１振動電極２６ａと第１振動電極２６ａの下面（第２主面）に第１主面を接した第１振動板絶縁層２５ａを備え、第２振動板(２６ｂ，２５ｂ)は、導電体からなる第２振動電極２６ｂと第２振動電極２６ｂの下面（第２主面）に第１主面を接した第２振動板絶縁層２５ｂを備える。
【0015】
第１背面電極２２ａと第１エレクトレット層２３ａとは、金属学的に接合していてもよく、接着剤等により接着されていてもよく、或いは、機械的な圧力で単に接している状態でもよい。同様に、第２背面電極２２ｂと第２エレクトレット層２３ｂとは、金属学的に接合していてもよく、接着剤等により接着されていてもよく、或いは、機械的な圧力で単に接している状態でもよい。
第１エレクトレット層２３ａ及び第２エレクトレット層２３ｂは、電荷を帯び、電界を外部に放出している層であり、例えば、コロナ放電により高分子フィルムを帯電させたり、強誘電体を加熱して表面電荷を除去したりして製造する。そして、第１振動板絶縁層２５ａと第１エレクトレット層２３ａとの間には、粒径が１０ｎｍ〜１００μｍの絶縁体の微粒子からなる第１スペーサ２４ａi-2，２４ａi-1，２４ａi，２４ａi+1，２４ａ1+2が挿入され、第１振動板絶縁層２５ａと第１エレクトレット層２３ａとの間に定義される「第１のマイクロギャップ」の間隔を制御している。同様に、第２振動板絶縁層２５ｂと第２エレクトレット層２３ｂとの間は、粒径が１０ｎｍ〜１００μｍの絶縁体の微粒子からなる第２スペーサ２４ｂi-2，２４ｂi-1，２４ｂi，２４ｂi+1，２４ｂ1+2が挿入され、第２振動板絶縁層２５ｂと第２エレクトレット層２３ｂとの間に定義される「第２のマイクロギャップ」の間隔を制御している。
【0016】
無負荷時には、第１エレクトレット層２３ａの第１主面は、第１振動板(２６ａ，２５ａ)の振動面に平行に対向し、第２エレクトレット層２３ｂの第２主面は、第２振動板(２６ｂ，２５ｂ)の振動面に平行に対向している。第１の実施形態に係るフィルム状エレクトレットセンサにおいて、図１に示したフッ素樹脂フィルム等からなる第１エレクトレット層２３ａと、第１エレクトレット層２３ａの下面に形成された第１背面電極２２ａと、第１エレクトレット層２３ａの上面に形成された複数の島状シリカ領域等からなる第１スペーサ２４ａi-2，２４ａi-1，２４ａi，２４ａi+1，２４ａ1+2とを備える積層構造体の全体によって「第１のエレクトレット構造体」が定義され、フッ素樹脂フィルム等からなる第２エレクトレット層２３ｂと、第２エレクトレット層２３ｂの下面に形成された第２背面電極２２ｂと、第２エレクトレット層２３ｂの上面に形成された複数の島状シリカ領域等からなる第２スペーサ２４ｂi-2，２４ｂi-1，２４ｂi，２４ｂi+1，２４ｂ1+2とを備える積層構造体の全体によって「第２のエレクトレット構造体」が定義される。
【0017】
第１振動電極２６ａと第１エレクトレット層２３ａの間が、巨視的な「第１ギャップ幅Ｗg1」を定義し、第２振動電極２６ｂと第２エレクトレット層２３ｂの間が、巨視的な「第２ギャップ幅Ｗg2」を定義している。第１ギャップ幅Ｗg1及び第２ギャップ幅Ｗg2は、それぞれ０．１〜１００μｍの範囲内である。第１振動板絶縁層２５ａと第１エレクトレット層２３ａとの間に定義される微視的な空気ギャップである第１のマイクロギャップとは、第１ギャップ幅が１０ｎｍ〜１００μｍでギャップ中の空気の絶縁破壊強度が５〜２００ＭＶ／ｍと巨視的なギャップ中よりも向上しているギャップである。第２振動板絶縁層２５ｂと第２エレクトレット層２３ｂとの間に定義される微視的な空気ギャップである第２のマイクロギャップとは、第２ギャップ幅が１０ｎｍ〜１００μｍでギャップ中の空気の絶縁破壊強度が５〜２００ＭＶ／ｍと巨視的なギャップ中よりも向上しているギャップである。巨視的な第１ギャップ幅Ｗg1及び第２ギャップ幅Ｗg2の場合、空気の絶縁破壊強度は３ＭＶ／ｍ程度である。但し、巨視的な第１ギャップ幅Ｗg1中、及び巨視的な第２ギャップ幅Ｗg2中は空気以外にフッ素系ガスなどの絶縁ガスを注入すること、或いは真空にすることにより更に絶縁破壊強度を向上できる。
【0018】
第１振動電極２６ａは第１エレクトレット層２３ａの静電力により引き付けられて撓むが、これが第１のマイクロギャップの絶縁破壊強度を低下させる。撓んだ状態での第１振動電極２６ａのギャップ側の面の凹凸を中心線平均粗さＲａで表した場合、上記のような高い絶縁破壊強度を得るためには、中心線平均粗さＲａは第１ギャップ幅の１０分の１以下でなければならない。同様に、第２振動電極２６ｂは第２エレクトレット層２３ｂの静電力により引き付けられて撓むが、これが第２のマイクロギャップの絶縁破壊強度を低下させる。撓んだ状態での第２振動電極２６ｂのギャップ側の面の凹凸を中心線平均粗さＲｂで表した場合、上記のような高い絶縁破壊強度を得るためには、中心線平均粗さＲｂは第２ギャップ幅の１０分の１以下でなければならない。
【0019】
第１振動板(２６ａ，２５ａ)は、撓みが第１ギャップ幅Ｗgの１０分の１以下であり、第１振動電極２６ａが導電性に優れ、第１振動板絶縁層２５ａが電気絶縁性に優れていれば、どのような材料を使用してもかまわない。同様に、第２振動板(２６ｂ，２５ｂ)は、撓みが第２ギャップ幅Ｗgの１０分の１以下であり、第２振動電極２６ｂが導電性に優れ、第２振動板絶縁層２５ｂが電気絶縁性に優れていれば、どのような材料を使用してもかまわない。第１振動板(２６ａ，２５ａ)及び第２振動板(２６ｂ，２５ｂ)は、剛性が高い必要があるが、高い周波数に追随できるために軽量である方が好ましい。
【0020】
このため、第１振動板(２６ａ，２５ａ)及び第２振動板(２６ｂ，２５ｂ)としては、アルミニウムとその合金又は、マグネシウムとその合金を第１振動電極２６ａ及び第２振動電極２６ｂとして用い、第１振動板絶縁層２５ａ及び第２振動板絶縁層２５ｂとしてＦＥＰ層を貼り付けたものが採用可能である。或いは、ＰＥＴ、ＰＥＮ、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等を第１振動板絶縁層２５ａとして用い、この第１振動板絶縁層２５ａ及び第２振動板絶縁層２５ｂ上にアルミニウムを蒸着して第１振動電極２６ａ及び第２振動電極２６ｂとしてもよい。或いは、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素セラミックス等を第１振動板絶縁層２５ａ及び第２振動板絶縁層２５ｂとして用い、この第１振動板絶縁層２５ａ上にアルミニウムを蒸着又は、銀を焼付して第１振動電極２６ａ及び第２振動電極２６ｂとしてもよい。
【0021】
その他にも、従来のエレクトレットマイクロフォンの絶縁層に使用しているＦＥＰ樹脂やシリカ層を有するシリコン基板などを第１振動板絶縁層２５ａ及び第２振動板絶縁層２５ｂに用いることも可能であるが、この場合、撓みが第１ギャップ幅の１０分の１以下となるように厚さを増すことが必要であり、従来のエレクトレットマイクロフォンの設計思想とは大きく異なる。又、その他の絶縁性に優れた樹脂(シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ウレタン、ＡＢＳ、軟質塩化ビニルなど)等を第１振動板絶縁層２５ａとして用い、この第１振動板絶縁層２５ａ及び第２振動板絶縁層２５ｂ上に、接着、蒸着、焼付により第１振動電極２６ａ及び第２振動電極２６ｂをそれぞれ取り付け、第１振動板(２６ａ，２５ａ)及び第２振動板(２６ｂ，２５ｂ)とすることも可能である。この場合、第１振動電極２６ａか第１振動板絶縁層２５ａの厚さを増して、第１振動板(２６ａ，２５ａ)に必要な剛性を確保し、第２振動電極２６ｂか第２振動板絶縁層２５ｂの厚さを増して、第２振動板(２６ｂ，２５ｂ)に必要な剛性を確保する。
【0022】
第１スペーサ２４ａi-2，２４ａi-1，２４ａi，２４ａi+1，２４ａ1+2と第２スペーサ２４ｂi-2，２４ｂi-1，２４ｂi，２４ｂi+1，２４ｂ1+2はいずれも電気絶縁性に優れた材料を使用する必要がある。具体的には、シリカ、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックス、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ポリエチレン系樹脂(ＰＥＴなどを含む)、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ウレタン、ＡＢＳ、軟質塩化ビニルなどの樹脂が使用可能である。又、第１スペーサ２４ａi-2，２４ａi-1，２４ａi，２４ａi+1，２４ａ1+2と第２スペーサ２４ｂi-2，２４ｂi-1，２４ｂi，２４ｂi+1，２４ｂ1+2は、両方を弾性率が２ＧＰａ以下の材料を使用することも可能である。但し、第１振動板(２６ａ，２５ａ)側に第１振動板絶縁層２５ａがあり、その第１振動板絶縁層２５ａの弾性率が２ＧＰａ以下である場合は、第１スペーサ２４ａi-2，２４ａi-1，２４ａi，２４ａi+1，２４ａ1+2の弾性率に制限はなく、第２振動板(２６ｂ，２５ｂ)側に第２振動板絶縁層２５ｂがあり、その第２振動板絶縁層２５ｂの弾性率が２ＧＰｂ以下である場合は、第２スペーサ２４ｂi-2，２４ｂi-1，２４ｂi，２４ｂi+1，２４ｂ1+2とエレクトレット絶縁層１６の弾性率に制限はない。電気絶縁性に優れ弾性率が２ＧＰａ以下の材料には、具体的には、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ウレタン、ＡＢＳ、軟質塩化ビニルなどの樹脂がある。
【0023】
第１スペーサ２４ａi-2，２４ａi-1，２４ａi，２４ａi+1，２４ａ1+2及び第２スペーサ２４ｂi-2，２４ｂi-1，２４ｂi，２４ｂi+1，２４ｂ1+2は、図１に示すような、粒径が１０ｎｍ〜１００μｍの微粒子の他、第１振動板絶縁層２５ａの下面、第１エレクトレット層２３ａ上面のいずれかの表面、又は対向する両面側、並びに、第２振動板絶縁層２５ｂの下面、第２エレクトレット層２３ｂ上面のいずれかの表面、又は対向する両面側に、パルスレーザ照射、リソグラフィー、エッチング、プレスなどで形成させた高さ１０ｎｍ〜１００μｍの微小突起を設けてもよい。
【0024】
粒子や突起は、第１振動板絶縁層２５ａと第１エレクトレット層２３ａとの間で支持部となり、これにより第１のマイクロギャップが形成され、第２振動板絶縁層２５ｂと第２エレクトレット層２３ｂとの間との間で支持部となり、これにより第２のマイクロギャップが形成される。第１のマイクロギャップを形成できれば第１スペーサ２４ａi-2，２４ａi-1，２４ａi，２４ａi+1，２４ａ1+2の形状及び第２のマイクロギャップを形成できれば第２スペーサ２４ｂi-2，２４ｂi-1，２４ｂi，２４ｂi+1，２４ｂ1+2の形状はどのようなものでも構わないが、突起の接触点の曲率が大きい方が望ましい。又、最大高さ(Ｒmax)が１０ｎｍ〜１００μｍの表面粗さをもつ層を積層すれば、第１スペーサ２４ａi-2，２４ａi-1，２４ａi，２４ａi+1，２４ａ1+2がなくても第１のマイクロギャップを形成でき、第２スペーサ２４ｂi-2，２４ｂi-1，２４ｂi，２４ｂi+1，２４ｂ1+2がなくても第２のマイクロギャップを形成できる。
【0025】
第１振動板絶縁層２５ａ及び第２振動板絶縁層２５ｂは、上述のように１０ｎｍ〜１００μｍの突起を形成させるか、粒径が１０ｎｍ〜１００μｍの微粒子を表面に付着させた絶縁体の層である。必要に応じて複数の絶縁層を積層して、第１のマイクロギャップ層及び第２のマイクロギャップ層の数をそれぞれ増やすことができる。又は、一部の絶縁層の表面にのみ突起の形成又は微粒子の付着を行い、残りは、密着させるか、乾燥接触させて表面粗さにより第１のマイクロギャップ及び第２のマイクロギャップを形成することも可能である。第１ギャップ幅及び第２ギャップ幅が１００μｍ以内に収まれば、絶縁フィルムの積層枚数が多い方が、音響のダンピング特性が向上する。又、絶縁層を厚くすると第１ギャップ幅及び第２ギャップ幅も大きくなるが、これにより第１振動電極２６ａの撓みによる第１のマイクロギャップの絶縁破壊強度の低下や、第２振動電極２６ｂの撓みによる第２のマイクロギャップの絶縁破壊強度の低下を防ぐことができる。しかし、第１ギャップ幅及び第２ギャップ幅の増大は、ギャップ中の電界強度の低下にもつながる。そのため、絶縁層の厚さ、第１のマイクロギャップ及び第２のマイクロギャップの構造などにより最適な積層枚数が決まる。
【0026】
第１エレクトレット層２３ａ及び第２エレクトレット層２３ｂは、ギャップに５〜２００ＭＶ／ｍの電界を発生させるだけの表面電位を有していなければならない。第１エレクトレット層２３ａ及び第２エレクトレット層２３ｂの代表例として、以下の二種類が採用可能である：
（イ）コロナ放電により帯電させた絶縁層：
フッ素系樹脂又はシリカ表面にコロナ放電により電荷を帯電させて第１エレクトレット層２３ａとしたもの；
（ロ）加熱により帯電させた強誘電層：
強誘電層としては、強誘電体の単結晶若しくは多結晶、又は結晶性高分子が採用可能で、強誘電体としては、ペロブスカイト型化合物、タングステンブロンズ構造化合物、ビスマス系層状構造化合物、ウルツ鉱構造結晶、酸化亜鉛、水晶、ロッシェル塩、等が使用できる。例えば、ＰＺＴ、ＬｉＮｂＯ3、ＰＶＤＦなどの分極方向が一方向に配向した強誘電体を加熱し、焦電効果により一時的に分極を低下させて表面電荷を除去し、再び室温に冷却することで第１エレクトレット層２３ａとしたもの。
【0027】
第１エレクトレット層２３ａ及び第２エレクトレット層２３ｂの厚さは、以下に示す式（１０）で表されるｌmaxより小さくなるように決定する必要がある。例えば、式（１０）考慮して、１０〜８０μｍ程度、第１背面電極２２ａ及び第２背面電極２２ｂの厚さは例えば８〜４０μｍ程度、第１振動板(２６ａ，２５ａ)及び第２振動板(２６ｂ，２５ｂ)の厚さは例えば８〜４０μｍ程度に選定することができる。即ち、以下に示す式（１０）で表されるｌmaxより小さくなるように選定されている限り、第１振動板(２６ａ，２５ａ)、第２振動板(２６ｂ，２５ｂ)、第１エレクトレット層２３ａ、第２エレクトレット層２３ｂ、第１背面電極２２ａ及び第２背面電極２２ｂの具体的な厚さや平面寸法は、設計指針と要求される性能や仕様に応じて決定することができる。
【0028】
第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１によれば、図２に示すように、デュアルエレクトレットセンサ１を構成する片方のフィルム状エレクトレットセンサを送信用素子１ｂとして、デュロメータ硬さ１００以下の軟質材料からなる被測定試料２ｐに振動を送信し、もう片方のフィルム状エレクトレットセンサを受信用素子１ａとして被測定試料２ｐからの振動を受信して、送受信波形を測定すれば，送受信波形のピーク強度と重心周波数を用いて、軟質材料からなる被測定試料２ｐの硬さと押付圧力を測定することが可能である。
【0029】
例えば、図２に示す測定系において、天然ゴム（デュロメータ硬さ７１），シリコーン３種類（デュロメータ硬さ５１，３３，２９），エラストマー（デュロメータ硬さ１０）のような軟質材料のブロックを被測定試料２ｐとした場合は、このブロックの表面に第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１を搭載して、Ａｌ板３８とロードセル３７を介し、ロードセル３７で上から加圧板３６を用いて、圧縮荷重を被測定試料２ｐに負荷すればよい。第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１とＡｌ板３８との間には両面テープ３９が保護材として挿入されている。加圧板３６の４隅には貫通孔が開口されており、この貫通孔にボルト５１Ａ，５１Ｂ，…が挿入されている。ナット５２Ａ，５２Ｂ，…；５３Ａ，５３Ｂ，…をボルト５１Ａ，５１Ｂ，…に沿って移動することにより、加圧板３６をボルト５１Ａ，５１Ｂ，…の方向に沿って移動することにより、圧縮荷重が被測定試料２ｐに負荷される。そして、この圧縮荷重が被測定試料２ｐに負荷された状態で、送信用素子１ｂに１５Ｖのステップ波を入力することで送信用素子１ｂから振動を発生させ，そのときの振動を受信用素子１ａで測定することで、軟質材料からなる被測定試料２ｐの振動の応答特性を調べることにより、被測定試料２ｐの硬さと押付圧力を測定することが可能である。
【0030】
第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１によれば、測定系の音響インピーダンスを被測定試料２ｐを構成しているデュロメータ硬さ１００以下の軟質材料の音響インピーダンスに近づけることで軟質材料の硬さによる音響の伝達率の変化を効率よく捉えることができる。例えば、被測定試料２ｐを構成する軟質材料として、人体や植物などの生体，農作物などが好適であり、これらの被測定試料２ｐに接触させることにより、振動特性の変化から被測定試料２ｐに対する接触圧力や被測定試料２ｐの硬さ（硬度）を測定できる。
【0031】
第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサは、図１に例示したような、フィルム状エレクトレットセンサが２枚積層された構造であるので、フィルム状エレクトレットセンサ内部のマイクロギャップにより他の機械電気変換素子を用いたセンサより音響インピーダンスを低くすることができる。その結果、デュロメータ硬さ（タイプＡ）１００以下軟質材料の音響インピーダンスに近づけることで軟質材料の硬さによる音響の伝達率の変化を効率よく捉えることができる。このとき、被測定試料に密着させた状態でフィルム状エレクトレットセンサの送受信波形を測定すれば，送受信波形のピーク強度と重心周波数を用いて、軟質材料の硬さと押付圧力を測定することが可能である。
【0032】
又、第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサは、フレキシブルな薄型センサであることから２枚のフィルム状エレクトレットセンサの積層が容易であり、かつ軟質材料に密着させることが可能である。更に、わずかな押付圧力で測定が可能であるため果実等の被測定試料を損傷させる恐れがない。
なお、第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１は、図１に例示した構造に限定されるものではない。例えば、非特許文献１に開示されているような、多孔質ポリマーを帯電させることで第１及び第２のエレクトレット構造体を構成した構造を採用してもよい。即ち、非特許文献１に開示されたエレクトレット素子としての多孔質層を、第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１の構成の一部として使用することが可能である。但し、製造コストを考慮すると薄膜フィルムを積層するだけで第１及び第２のエレクトレット構造体を製造することが可能な図１に例示した構造のデュアルエレクトレットセンサ１の方が実用的である。
【0033】
＜硬度測定システム＞
本発明の第１の実施の形態に係る硬度測定システムは、図３に示すように、デュアルエレクトレットセンサ１の送信用素子１ｂを発振させために必要なパルス波又はステップ波の電圧波形を生成する発振器６１と、デュアルエレクトレットセンサ１の振動による受信用素子１ａからの出力電圧をデジタルデータの送受信波形に変換するＡＤ変換器６２と、ＡＤ変換器６２が変換したデジタルデータを取り込むバッファ６３と、バッファ６３からデータを取り込んで、デュロメータ硬さを算出する演算回路６４とを有する測定器６を備える。
【0034】
発振器６１は、例えば、１００μｓ以下の立ち上がり時間、好ましくは１０μｓ以下の立ち上がり時間のパルス又はステップ電圧を送信用素子１ｂに出力可能であることが望ましい。ＡＤ変換器６２は、受信用素子１ａからの信号波形を例えば、１０μｓ以下のサンプリング時間、好ましくは１μｓ以下のサンプリング時間で変換可能であることが望ましい。バッファ６３は、ＡＤ変換器６２は、ＡＤ変換で得られた波形を１ｍｓ〜１ｓで取り込み可能であることが望ましい。より好ましくは、バッファ６３は、１ｍｓ〜１０ｍｓで取り込み可能であることが望ましい。演算回路６４は、信号波形の振幅値の演算とＦＦＴスペクトルの算出及び重心周波数ｆwの演算をする。
【0035】
図１６〜１８を用いて後述するように、被測定試料２ｐを構成している軟質材料の重心周波数ｆw（縦軸）と送受信波形の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）スペクトルの第１ピーク（図１３参照。）の大きさであるピーク強度Ｖｐ（横軸）の間には、或る近似曲線で示す関係があることが分かる。この近似曲線を係数ｃと係数ａを用いると、以下の式（１）で表すことができる：

ｃ＝ｆw（Ｖｐ）a ………（１）

ここで、ｉを１からｎまでの正の整数として、スペクトル強度Ｉ(i)の周波数成分ｆ(i)の重心周波数ｆwは、Σをｉ＝１からｉ＝ｎまでの数列の総和を意味するとして、以下の式で定義される：

ｆw＝Σ（Ｉ(i)×ｆ(i)）/ΣＩ(i) ………（２）
【0036】
図１９を用いて後述するように、式（１）の近似から、特定の係数ａに対し、それぞれ係数ｃとデュロメータ硬さ（Ａ）の関係が得られる。第１の実施の形態に係る硬度測定システムの演算回路６４は、信号波形の振幅値の演算とＦＦＴスペクトルの算出及び重心周波数の演算を可能とするために、バッファ６３に取り込まれた送受信波形から信号振幅を抽出し、取り込まれた送受信波形からＦＦＴスペクトルを算出し、ＦＦＴスペクトルから式（２）を用いて重心周波数を抽出するパラメータ抽出手段６４１と、あらかじめ設定された係数ａを用いて係数ｃを算出する係数ｃ算出手段６４２と、係数ｃ算出手段６４２によって得られた係数ｃに対し、あらかじめ設定された係数ｃとデュロメータの相関データからデュロメータ硬さに変換するデュロメータ硬さ変換手段６４３とを備える。即ち、式（１）の近似から、デュロメータ硬さ変換手段６４３は、係数ｃを用いてデュロメータ硬さを決定する。
【0037】
更に、第１の実施の形態に係る硬度測定システムの測定器６は、使用するデュアルエレクトレットセンサ１の設定データとしての係数ａを格納する係数ａ記録ファイル６５１と、係数ｃとデュロメータ硬さとの相関データを格納する係数ｃとデュロメータ硬さとの相関データ記録ファイルとを有するデータ記憶装置６５と、入力装置６６と、出力装置６７とを有する。
第１の実施の形態に係る硬度測定方法は、図３に示す第１の実施の形態に係る硬度測定システムを用いることにより、あらかじめ，入力装置６６を介して、使用するデュアルエレクトレットセンサ１の設定データとして式（１）の係数ａ及び係数ｃとデュロメータ硬さとの相関データを測定器６のデータ記憶装置６５の係数ａ記録ファイル６５１及び係数ｃとデュロメータ硬さとの相関データ記録ファイルに格納しておく。
【0038】
次に、発振器６１によりパルス波又はステップ波の電圧波形を生成して、デュアルエレクトレットセンサ１の送信用素子１ｂを発振させ、被測定試料2ｐに対し超音波を出射する。そして、デュアルエレクトレットセンサ１の振動による受信用素子１ａからの出力電圧をＡＤ変換器６２によりデジタルデータの送受信波形に変換し、バッファ６３に取り込む（このとき，デュアルエレクトレットセンサ１からの信号を増幅器により増幅してもよい。）。
演算回路６４のパラメータ抽出手段６４１は、バッファ６３に取り込まれた送受信波形から信号振幅を抽出する。更に、パラメータ抽出手段６４１は、取り込まれた送受信波形からＦＦＴスペクトルを算出し、式（２）を用いてＦＦＴスペクトルから重心周波数を抽出する。
【0039】
更に、演算回路６４の係数ｃ算出手段６４２が、あらかじめ設定された係数ａを用いて係数ｃを算出する。その後、演算回路６４のデュロメータ硬さ変換手段６４３が、得られた係数ｃと、あらかじめ設定された係数ｃとデュロメータの相関データからデュロメータ硬さに変換する。デュロメータ硬さ変換手段６４３は、得られたデュロメータ硬さを出力装置６７に出力する。
なお、簡略化した測定装置として、発振器６１とＡＤ変換器６２及び演算回路のみとして、得られたピーク強度Ｖｐ及びｆｗを出力し、別途、式（１）の係数ａ及び係数ｃとデュロメータ硬さの相関データからデュロメータ硬さを算出する方式でもよい。
【0040】
＜センサの音響インピーダンス＞
第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１は、それぞれがマイクロギャップを有するフィルム状エレクトレットセンサを積層した構造である。フィルム状エレクトレットセンサのマイクロギャップ部が他の層よりも極端に剛性が低いことから，第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１の動作は、図5（ｂ）に示すような、マイクロギャップ部をバネとした等価回路に置き換えて検討することができる。即ち、第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１のように、同じマイクロギャップ構造のフィルム状エレクトレットセンサを２つ密着させて一体化した構造は、図６のような同じバネ定数Ｋｇ（＝Ｋｇａ＝Ｋｇｂ）の２つバネからなる等価回路に置き換えて検討することができる。以下においては、図６に示した等価回路を用い、片方のフィルム状エレクトレットセンサに交流電圧を入力して振動させる、単純な１自由度のバネモデルで第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１の動作を近似する。
【0041】
この１自由度のバネモデルにおいては、バネの振動は第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１に接触している被測定試料２へと伝播する。このとき、振動の被測定試料２への振動の透過率τは、図７に示すデュアルエレクトレットセンサ１の全体の音響インピーダンスＺsと、デュアルエレクトレットセンサ１に接触している被測定試料２の音響インピーダンスＺmとによって式（３）のように決定される：

τ＝4ＺsＺm／（Ｚs＋Ｚm）２ ………（３）

デュアルエレクトレットセンサ１の音響インピーダンスＺsはマイクロギャップにより固体よりも低くなっている。そのため，周波数が十分高い振動の場合、Ｚs＜＜Ｚmとなるので
式（３）は、

τ＝4Ｚs／Ｚm ………（４）

で、近似できることとなり、透過率τは無視できるほど小さくなる。そのため、第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１の振動は、通常は固体である被測定試料２中にはほとんど伝搬しない。
一方，音響インピーダンスＺは、ρを密度，ｖを音速，Ｅを弾性率（ヤング率）とすると、以下の式で表される：

Ｚ＝ ρｖ＝(ρＥ)1/2 ………（５）
【0042】
図１２にポリイソブチレンの応力緩和特性を示す。横軸に示した作用時間が長くなるほど縦軸に示した弾性率Ｅが低下することが分かる。ポリイソブチレン以外でも、デュロメータ硬さ１００以下の軟質材料は全て同様の特性を示す。即ち、振動の周波数が低下すると応力緩和により弾性率Ｅが低下に伴い音響インピーダンスも低下することが分かる。なお、図１２によれば、作用時間がおよそ１０−１２〜１０−３ｈｒでは弾性率Ｅの変化が一様である。これから周波数にして０．３Ｈｚ〜３０ＭＨｚの間で音響インピーダンスが一様に変化すると考えられる。
【0043】
デュロメータ硬さ１００以下の軟質材料の場合、図１２に示すように、応力緩和のために作用時間即ち周波数が低くなるに連れて弾性率Ｅは著しく低下する。即ち低周波の振動になるに連れて軟質材料の音響インピーダンスは低下する。すると、軟質材料の音響インピーダンスＺmと比較して第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１の音響インピーダンスＺsは無視できない大きさとなる。その場合、式（４）は成立せず、式（３）に従って振動が軟質材料に透過（伝播）していく。このように、周波数が低くなるにつれて軟質材料の場合、応力緩和により弾性率Ｅが低下する。それに伴い音響インピーダンスＺmも低下するので、透過率τが上昇し、被測定試料２に振動が伝播するようになる。
【0044】
即ち、周波数が低いほど、より多くの振動エネルギーが接触している軟質材料からなる被測定試料２に伝播し、結果として第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１に残る振動は弱まる。
このとき，デュアルエレクトレットセンサ１の厚さが大きすぎると、デュアルエレクトレットセンサ１内部の各層における音響インピーダンスがセンサ内部の振動の伝播に影響を及ぼすようになる。例えば，図８のように背面板２９の音響インピーダンスをＺ１，デュアルエレクトレットセンサ１の第１等価層Ｌ1の音響インピーダンスをＺ２，残りの層（第２等価層Ｌ2，第３等価層Ｌ3）と被測定試料２を合わせた音響インピーダンスをＺ３とする。このとき，各等価層Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3はマイクロギャップにより区切られている緻密な層であり、マイクロギャップ部のスペーサは含まれない。
【0045】
このような３つの媒質における振動の透過率τｔは、ｌを第１等価層Ｌ1の厚さ、λを第１等価層Ｌ1の振動の波長、δ＝2πl/λを第１等価層Ｌ1中の振動の伝搬の位相差とすれば、以下の式で表される：

τｔ＝4／(((Ｚ3/Ｚ1)1/2+(Ｚ1/Ｚ3)1/2)2cos2δ+((Ｚ1/(Ｚ1Ｚ3)1/2+(Ｚ1Ｚ3)1/2/Ｚ2)2sin2δ) ………（６）

したがって、位相差δ＝2πl/λが十分小さければ，式（６）は以下のように近似できる。

τｔ＝4／((Ｚ3/Ｚ1)1/2+(Ｚ1/Ｚ3)1/2)2＝4Ｚ1Ｚ3／（Ｚ1＋Ｚ3）２ ……（７）

この場合、Ｚ２が式（７）に含まれないので第１等価層Ｌ1の音響インピーダンスの影響は無視できることが分かる。又、位相差δ＝2πl/λが０．１以下であれば，sin2δは１％以下となり、式（７）のように近似できると考えられる。ここで、位相差δ＝０．１とし、第１等価層Ｌ1の音速をｖ，測定周波数をｆとすると、

λ＝ｖ/ｆ ………（８）

より

ｌ＝ｖ/20πｆ ………（９）

となる。例えば第１等価層Ｌ1が極薄の金属層からなる電極，フッ素樹脂層からなるエレクトレット層及び極薄の接着層の積層構造であると考えると、第１等価層Ｌ1の大部分をエレクトレット層が占めるため，その音速はフッ素樹脂の音速にほぼ等しい。
そこで第１等価層Ｌ1の音速をフッ素樹脂層（ＰＴＦＥ）の音速である１５２０ｍ／ｓとする。そして、測定周波数ｆを１００ｋＨｚとすると、厚さｌは２４０μｍとなる。このとき、測定周波数ｆが小さくなると厚さｌは増加することから，第１等価層Ｌ1の厚さは、測定に用いる測定周波数ｆの最大値における厚さｌより小さければ、つねに式（７）が成立する。即ち、上記の例の場合、測定周波数ｆの最大値が１００ｋＨｚであれば，第１等価層Ｌ1の厚さは２４０μｍ以下とすれば音響インピーダンスがデュアルエレクトレットセンサ１内部の振動に及ぼす影響を無視できることになる。
【0046】
このようなモデルは図９，図１０のようにデュアルエレクトレットセンサ１の第２等価層Ｌ2，第３等価層Ｌ3についても同じことがいえる。従って、フィルム状エレクトレットセンサのマイクロギャップ層で区切られた第１等価層Ｌ1，第２等価層Ｌ2，第３等価層Ｌ3の音速の最小値をｖmin，測定に使用する周波数帯域の最大値をｆmaxとすると各層の厚さは、以下に示す式（１０）で表されるｌmaxより小さくすればよい。

ｌmax＝ｖmin/20πｆmax ………（１０）

又、上記のモデルにおいて２枚のフィルム状エレクトレットセンサのどちらが送信用素子１ｂ又は受信用素子１ａであっても同じ構造のマイクロギャップであれば，被測定試料２への振動の伝播は変わらない。
【0047】
背面板２９については、できるだけ第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１の振動を背面板２９に伝播させないことで被測定試料２への振動の伝播へ影響を及ぼさないようにする必要がある。従って図７に示すように背面板２９の音響インピーダンスをＺbとすると、式（３）のＺmをＺbとしたとき、透過率τが無視できるほど小さくなるようにすることが必要である。
即ち、背面板２９の音響インピーダンスがデュアルエレクトレットセンサ１の音響インピーダンスより十分大きいことが必要である。しかし、第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１はマイクロギャップを有しているので、緻密な固体であれば金属は勿論高分子材料であっても上記の条件を満たす。但し、高分子材料の場合、被測定試料２と同様に応力緩和が生じるため，背面板２９の硬さによってデュアルエレクトレットセンサ１の送受信波形も変化してしまう。この場合、少なくとも被測定試料２よりもデュロメータ硬さの大きい材料を背面板２９に用いることで、被測定試料２より応力緩和の影響が小さい材料を選ぶことが必要である。
【0048】
例えば，図１１は、第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１から得られた送受信波形を示す。図１１から分かるように破線で示したアクリル樹脂は太い実線で示したアルミニウム（Ａｌ合金）と送受信波形に差はほとんどなく，硬質プラスチックであれば応力緩和の影響は小さいことが分かる。従って例えばＰＥＴフィルムなどを背面板２９に用いれば，背面板２９が第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１の送受信波形に及ぼす影響がなく，同時に第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１を被測定試料２にあわせて変形させることが可能となる。
【0049】
又、図１１から分かるように、点線で示した天然ゴム（デュロメータ硬さ７１）は応力緩和の影響が見られるが、一点鎖線で示した硬質シリコーンゴム（デュロメータ硬さ５１）や二点鎖線で示した軟質シリコーンゴム（デュロメータ硬さ３３）と比較して、硬質材料では送受信波形の変化は著しく小さく、Ａｌ合金，アクリル樹脂のようなデュロメータ硬さ１００以上の硬質の材料と比較して、材料が軟質になるに連れて、減衰が増加することが分かる。従って果実や生体のようなシリコーンゴムに近い又はそれより低い硬さの材料を測定する場合は、天然ゴムを背面板２９としてもその影響は無視できることが分かる。このように、被測定試料２より十分硬さが大きい材料を背面板２９に用いればよい。具体的にはその背面板２９を用いて測定を行い，デュロメータによる測定も同時に行って、図１９のような係数ｃとデュロメータ硬さとの相関を導き出せばよい。
【0050】
図１に示すように、第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１の内部は、２枚のフィルム状エレクトレットセンサを接着させるための第１層間接着層２１ａ及びフィルム状エレクトレットセンサとシールド層２８を接着させるための第２層間接着層２１ｂがある。図６においては、第２層間接着層２１ｂは、フィルム状エレクトレットセンサと背面板２９とを接着させている。これらの第１層間接着層２１ａ及び第２層間接着層２１ｂは、マイクロギャップ部より音響インピーダンスが十分大きいことが必要である。しかし、緻密な層であれば上記条件を満たすので、第１層間接着層２１ａ及び第２層間接着層２１ｂは、通常の接着剤や両面テープなどで空隙が生じないように接着すればよい。
【0051】
又、第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１の表面を保護するために更にＰＰテープのようなフィルムを接着させてもよい。この場合も，緻密な層であればよく，このような保護層を含めて各層の厚さが式（１０）を満たせばよい。更に、フィルム状エレクトレットセンサのノイズを低減するために、シールド層を付与してもよい。この場合も，緻密な層であればよく，このような保護層を含めて各層の厚さが式（１０）を満たせばよい。
以上のように、第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１の送信用素子１ｂ及び受信用素子１ａに用いられるフィルム状エレクトレットセンサはマイクロギャップを有することで音響インピーダンスＺsを著しく低下させることができることが必要である。従って、圧電セラミックスや圧電高分子を用いた電気音響変換素子はギャップのような空隙が存在しないことからデュアルエレクトレットセンサ１の素子として使用することはできない。
【0052】
図１３に図１１の送受信波形の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）スペクトルを示すが、
太い実線で示したアルミニウム（Ａｌ合金）、破線で示したアクリル樹脂や点線で示した天然ゴム（デュロメータ硬さ７１）のスペクトルに比し、一点鎖線で示した硬質シリコーンゴム（デュロメータ硬さ５１）、二点鎖線で示した軟質シリコーンゴム（デュロメータ硬さ３３）や細い実線で示したエラストマー（デュロメータ硬さ１０）のスペクトル強度が低下していることが分かる。特に、このスペクトル強度の低下は、低周波領域で顕著で、低周波になるほどデュロメータ硬さ１００以下の軟質材料のスペクトル強度が低下していることが分かる。結果として、材料の硬さが低下すると、音響インピーダンスの低下によって第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１が受信する振動波形は弱くなり、特に低周波成分が減少する。
【0053】
そこで、図１３に示したＦＦＴスペクトルの第１ピークの大きさＶｐと、送受信波形の重心周波数ｆwとの関係を調べた。重心周波数ｆwはΣをｉ＝１からｉ＝ｎまでの数列の総和を意味するとして、上述した式（２）で算出できる。図１３を考慮すると、第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１においては、重心周波数ｆwは例えば、１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚの間のＦＦＴスペクトル強度から算出すればよいことが分かる。一般的に、軟質材料では１ＭＨｚを越える振動は減衰が強くほとんど伝播しない。又、１０Ｈｚ以下の振動は測定系自体の揺れなどを含む恐れがある。そのため重心周波数の算出に用いる周波数帯域は１０Ｈｚ〜１ＭＨｚ，好ましくは１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚがよい。
【0054】
図１４に横軸に示した押付圧力に対する第１ピークの大きさ（ピーク強度）Ｖｐの関係を示す。図１４から分かるように、ピーク強度Ｖｐは材料の硬さによらず、横軸に示した押付圧力に依存しており、第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１の場合、１０〜５０ｋＰａの押付圧力の範囲内で比例関係にある。つまり、第１ピークの大きさであるピーク強度Ｖｐにより押付圧力を測定することが可能である。
電極の剛性（弾性率Ｅ、厚さ）、スペーサの形状や間隔を調整することで、デュアルエレクトレットセンサ１の等価バネ剛性を変化させることができ、それにより測定可能な圧力範囲を変えられる。但し、押付圧力が低すぎるとフレキシブルなデュアルエレクトレットセンサ１でも被測定試料２ｐと密着しなくなり、押付圧力が高すぎるとデュアルエレクトレットセンサ１の感度が極端に低下してしまう。測定できる圧力範囲は１〜１０００ｋＰａと考えられる。
【0055】
図１５に押付圧力に対する重心周波数ｆwの関係を示す。重心周波数ｆwは押付圧力と比例関係にあるが、その大きさは被測定試料２ｐの硬さにより大きく異なり、硬さが低いほど重心周波数ｆwは増加する。即ち、同一押付圧力において比較すれば、アルミニウム（Ａｌ合金）やアクリル樹脂の重心周波数ｆwに対して、天然ゴム（デュロメータ硬さ７１）の重心周波数ｆwの方が高い。更に、同一押付圧力の下では、天然ゴムの重心周波数ｆwよりも硬質シリコーンゴム（デュロメータ硬さ５１）や軟質シリコーンゴム（デュロメータ硬さ３３）の重心周波数ｆwの方が高く、硬質シリコーンゴム及び軟質シリコーンゴムの重心周波数ｆwよりもエラストマー（デュロメータ硬さ１０）の重心周波数ｆwの方が高いことが分かる。このときのピーク強度Ｖｐと重心周波数ｆwの関係を図１６〜１８に示す。即ち、図１６は、天然ゴム（デュロメータ硬さ７１）のピーク強度Ｖｐと重心周波数ｆwの関係を示し、図１７は硬質シリコーンゴム（デュロメータ硬さ５１）のピーク強度Ｖｐと重心周波数ｆwの関係を、図１８はエラストマー（デュロメータ硬さ１０）のピーク強度Ｖｐと重心周波数ｆwの関係を示す。図１６〜１８にいずれの材料も、式（１）に示した近似曲線で表すことができることが分かる。
【0056】
式（１）で示めされる近似曲線において、係数ａ＝０．７とすると、図１６〜１８に示したいずれの材料でもよい一致を示した。このことから、係数ｃが材料の硬さと関係があるはずである。図１９に係数ａ＝０．７のときの係数ｃとデュロメータ硬さ（Ａ）の関係を示す。デュロメータ硬さ３０〜１００の範囲において比例関係にあり、この範囲内であれば、係数ｃを用いて硬さを測定できることが分かる。
生体や果実などの農産物の硬さは、デュロメータ硬さ３０〜１００の範囲内にあり、第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１を用いてこれらの硬さを測定することができる。そして、これを利用することで、第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１を被測定試料２に軽く押し付けて送受信波形を得るだけでデュロメータ硬さを測定することができる。
【0057】
第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１の条件では、デュロメータ硬さＡで３０から１００の間のみ測定可能であるが、第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１の音響インピーダンスを調節することで、測定範囲を変えることも可能である。第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１の音響インピーダンスは、第１スペーサ２４ａi-2，２４ａi-1，２４ａi，２４ａi+1，２４ａ1+2と第２スペーサ２４ｂi-2，２４ｂi-1，２４ｂi，２４ｂi+1，２４ｂ1+2の剛性に支配されているので、マイクロギャップ部の第１スペーサ２４ａi-2，２４ａi-1，２４ａi，２４ａi+1，２４ａ1+2と第２スペーサ２４ｂi-2，２４ｂi-1，２４ｂi，２４ｂi+1，２４ｂ1+2の配置や上下の電極の剛性を変えることで、第１の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１の音響インピーダンスを制御可能である。
このような硬度測定は、果実などの農作物の評価にも広く使用されており、非破壊的な手法として有用である。更に、茎や葉のストレスによるわずかな硬さ変化を検出することもできる。例えば，植物体の水ポテンシャルが低下すると、茎や幹の硬さが増加することが知られている。
【0058】
（第２の実施形態）
図２４に示すように、本発明の第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサは、無負荷時において平坦な振動面を有する第１振動板(２６ａ，２５ａ)、第１振動板(２６ａ，２５ａ)の振動面に対向した平坦な第１主面及びこの第１主面に平行に対向する第２主面で定義され、分極方向を揃えた第１エレクトレット層２３ａ、第１エレクトレット層２３ａの第２主面に第１主面を接した第１背面電極２２ａを備える第１のフィルム状エレクトレットセンサと、第１のフィルム状エレクトレットセンサの第１背面電極２２ａの第２主面に第１主面を接した層間接着層（第１層間接着層）２１ａと、第１層間接着層２１ａの第２主面に第１主面を接し、無負荷時において平坦な振動面を有する第２振動板(２６ｂ，２５ｂ)、第２振動板(２６ｂ，２５ｂ)の振動面に対向した平坦な第２主面及びこの第２主面に平行に対向する第２主面で定義され、分極方向を揃えた第２エレクトレット層２３ｂ、第２エレクトレット層２３ｂの第２主面に第１主面を接した第２背面電極２２ｂを備える第２のフィルム状エレクトレットセンサと、第２のフィルム状エレクトレットセンサの第２背面電極２２ｂの第２主面に第１主面を接した第２層間接着層２１ｂと、第２層間接着層２１ｂの第２主面に第１主面を接したシールド層２８とを備える。即ち、それぞれが２つ折り構造にされた２枚のフィルム状エレクトレットセンサが第１層間接着層２１ａを介して積層された構造をなしている。
【0059】
第１の実施形態に係るフィルム状エレクトレットセンサと同様に、第２の実施形態に係るフィルム状エレクトレットセンサにおいても、図２４に示したフッ素樹脂フィルム等からなる第１エレクトレット層２３ａと、第１エレクトレット層２３ａの下面に形成された第１背面電極２２ａと、第１エレクトレット層２３ａの上面に形成された複数の島状シリカ領域等からなる第１スペーサ（図示省略。）を備える積層構造体の全体によって「第１のエレクトレット構造体」が定義され、フッ素樹脂フィルム等からなる第２エレクトレット層２３ｂと、第２エレクトレット層２３ｂの下面に形成された第２背面電極２２ｂと、第２エレクトレット層２３ｂの上面に形成された複数の島状シリカ領域等からなる第２スペーサ（図示省略。）を備える積層構造体の全体によって「第２のエレクトレット構造体」が定義される。
【0060】
第２の実施形態に係るフィルム状エレクトレットセンサにおいて、第１及び第２スペーサの深いトラップ準位に付着した負電荷は、第１及び第２スペーサが第１振動板絶縁層２５ａ又は第２振動板絶縁層２５ｂと接触しても、第１振動板絶縁層２５ａ又は第２振動板絶縁層２５ｂに拡散することはない。したがって、第２の実施形態に係るフィルム状エレクトレットセンサは、第１振動電極２６ａと第１背面電極２２ａとの間、及び第２振動電極２６ｂと第２背面電極２２ｂとの間に、それぞれ極めて狭いギャップ（マイクロギャップ）を有するように構成することが可能であり、耐圧に優れている。
【0061】
便宜上、第１のフィルム状エレクトレットセンサに着目して説明すると、第２の実施形態に係るデュアルエレクトレットセンサの製造は、以下のように行えばよい：
（ａ）先ず、第１振動電極２６ａのギャップ空間側にフッ素樹脂フィルム等からなる第１振動板絶縁層２５ａを形成する。具体的には、厚さ１０μｍのＡｌフィルムを用意し、それぞれ、１２×３０ｍｍと１０×２０ｍｍに切り出す。そして、１２×３０ｍｍのＡｌフィルムを第１背面電極２２ａとし、１０×２０ｍｍのＡｌフィルムを第１振動板絶縁層２５ａとする。そして、厚さ１２．５μｍのＰＦＡフィルムを、これらの第１背面電極２２ａ及び第１振動板絶縁層２５ａの上に真空溶着して、第１エレクトレット層２３ａ及び第１振動板絶縁層２５ａをそれぞれ形成する。
【0062】
（ｂ）そして、第１エレクトレット層２３ａ上に、エアスプレーによりコロイダルシリカ（スノーテックス２０Ｌ、日産化学）を塗布し、乾燥させてシリカ凝集体を第１エレクトレット層２３ａの上に形成する。このときのシリカ凝集体の塗布量は１．２μｇ／ｍｍ２、マイクロメータにより測定したシリカ凝集体の高さは、例えば２２μｍが好ましい。
（ｃ）そして、エレクトレット構造体を構成するシリカ凝集体にコロナ放電によるチャージを行い、その表面電位を例えば−１ｋＶとする。そして、エレクトレット構造体と対向するように、第１振動板(２６ａ，２５ａ)を積層し、図２０（ａ）に示すような１２×３０ｍｍの大きさのフレキシブルなフィルム状エレクトレットセンサを実現する。図２４に示すように、このフレキシブル構造は、第１振動電極２６ａと、第１振動電極２６ａの下面に設けられた第１振動板絶縁層２５ａと、第１振動板絶縁層２５ａに対向した第１エレクトレット層２３ａと、第１エレクトレット層２３ａの上面に形成された複数の第１スペーサと、第１エレクトレット層２３ａの下面に接合された第１背面電極２２ａとを備える。なお、第１スペーサは、第１振動電極２６ａ側の第１振動板絶縁層２５ａ上に形成してもよい。
【0063】
（ｄ）その後更に、銅テープを用いて第１背面電極２２ａの一部に第１背面電極側引出電極ＧＮＤを設け、第１振動電極２６ａ側の一部に第１振動電極側引出電極Ｏ2を設ける。そして、両面テープ２０ａの層を包み込むように、図２０（ｂ）に示すように、第１振動電極２６ａの側が折り込まれるように、第１の折り曲げ線Ａ−Ａを介して、この１２×３０ｍｍの大きさのフィルム状エレクトレットセンサを２つ折りに折り畳んで接着すると、図２１（ａ）に示すように１２×１５ｍｍの大きさで、第１背面電極側引出電極ＧＮＤ及び第１振動電極側引出電極Ｏ2を有する第１のフィルム状エレクトレットセンサが完成する。
【0064】
（ｅ）第１のフィルム状エレクトレットセンサと同様に、１２×３０ｍｍの大きさのフィルム状エレクトレットセンサを２つ折りに折り畳んで接着して、図２１（ｂ）に示すような１２×１５ｍｍの大きさで、第２背面電極側引出電極ＧＮＤ及び第２振動電極側引出電極Ｉ1を有する第２のフィルム状エレクトレットセンサを用意する。
（ｆ）そして、両面テープを層間接着層（第１層間接着層）２０として、図２１（ｃ）及び（ｄ）に示すように、それぞれ２つ折りに畳み込まれた１２×１５ｍｍの大きさの第１及び第２のフィルム状エレクトレットセンサを貼り合わせれば、第３の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサが完成する。
【0065】
＜水ポテンシャルの測定＞
なお、図２１に示すような構造の第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサを用いてミニトマト等の植物の茎部に対する水ポテンシャルの測定実験を行ってもよい。図２１に示すようなフレキシブルなデュアルエレクトレットセンサ１の構造とすることにより、図２２のように植物の茎や葉の形状にあわせて変形させながらデュアルエレクトレットセンサ１を押し付けて水ポテンシャルを測定することができる。更に、図２２に示すように植物の茎等にデュアルエレクトレットセンサ１を押し付けた後、その上からプラスチックフィルム等の保護膜３５を押しつけても良い。
【0066】
例えば、図４に示すようにミニトマト茎部を被測定試料２ｐとして、実験を行うことが可能である。第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサとフィルム状エレクトレットセンサが１つだけで構成されたシングルセンサ１ｃにより、ミニトマト茎部からなる被測定試料２ｐを挟み込み、加圧板３６を用いて被測定試料２ｐを両側から押し付けた。そして、第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの送信用素子１ｂにより振動を発生させ，その振動を第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの受信用素子１ａで測定するとともに、ミニトマト茎部を伝播してきた振動をシングルセンサ１ｃで測定した。又、ミニトマト茎部の根元を切断することで、乾燥ストレスを与え，水ポテンシャルを増大させながら測定を繰り返した。
【0067】
第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの送受信波形から前述した方法で式（１）の係数ｃを算出するとともに、第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサでの送受信波形のスペクトルのピーク強度Ｖｐとシングルセンサ１ｃでの受信波形ピークＶｓを用いて以下の式から減衰率αを計算した：

α＝２０log（Ｖｐ/Ｖｓ）a ………（１１）
【0068】
図２３（ａ）にその結果を示すように、水ポテンシャルと係数ｃは強い相関を示し、図２３（ｂ）に示すように、水ポテンシャルと減衰率αは強い相関を示した。このことから，ミニトマト茎部を被測定試料２ｐとして、被測定試料２ｐに第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ又は、第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサとシングルセンサ１ｃを設置し、定期的に送受信測定を行えば，水ポテンシャルの変動を非破壊的に測定することができる。又、同じ種で同程度の茎径であれば同様の結果が得られるはずなので、同じ種の同じ大きさの茎、枝、葉についてあらかじめ水ポテンシャルに対する係数ｃや減衰率αの挙動を調べておけば，水ポテンシャルの定量的な測定も可能となる。又、屋外での測定の場合、温度変化が大きいと上記の水ポテンシャルと係数ｃの関係が変化する可能性があるため、温度との関係も調べておく必要がある。茎や葉柄など光合成への影響が少ない部位へ第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサを設置できれば、そのまま長期間水ポテンシャルの測定を続けることができる。これを温度、湿度、ＣＯ2、日射などの他のデータを合わせることで、植物の健康状態を診断するために有用な指標となる。
以上のべたように、第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサによれば、植物の水ポテンシャル変動のわずかな変化も測定することができるので、水ポテンシャルを非破壊的かつ短時間で測定できる。
【0069】
＜果実の熟度判定＞
図２１の第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサを用いれば、桃、スイカ、ラフランスのような果実の熟度の判定に応用できる。即ち、熟度の判定が必要な果実を被測定試料として、図２２のように被測定試料の形状にあわせてフレキシブルに変形可能な第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサを接触させれば、果実の硬さを測定し、果実の熟度の判定ができる。
例えば５ｍｍ角以下の小型のデュアルエレクトレットセンサであれば、図２５のようにフレキシブルではなくても指などでデュアルエレクトレットセンサ１を果実に押し付けることで果実側を変形させて測定する。このとき被測定試料である果実が損傷しない範囲で変形できるようにセンサを小型化することが重要である。
【0070】
第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサを果実に接触させる方法は、果実に機械的に押し付ける、果実に指で押し付ける、床に果実を設置し、果実を転がして接触させるなどの方法がある。
第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサによれば、図１１のような送受信波形の応力緩和の時間依存性の特性を得るには５ｍｓあればよいので、その後の重心周波数ｆwの計算時間などを考慮しても１０ｍｓあれば硬さの測定が可能である。なお、２枚のフィルム状エレクトレットセンサを積層した第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの場合、送信用素子１ｂと受信用素子１ａの位置を入替えても同じ結果が得られる。
【0071】
又、第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの全体をコーティング，フィルムでくるむなどしてデュアルエレクトレットセンサを保護することで、防水性を向上できる。全体にコーティング等を施すことにより、被測定試料である果実などが濡れていても第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサによる測定に問題はない。
図２４に示す構成に図６〜図１０に示したような背面板２９を付加してもよい。背面板２９を付加すれば、背面板２９の裏にヘッドアンプを内蔵することも可能であり、ヘッドアンプを内蔵することにより、第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの受信感度の向上に有効である。例えば，ＦＥＴと抵抗を背面板２９の裏に設置し、受信用素子１ａと接続してもよい。このようなアンプを用いれば、第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ送信用素子１ｂの入力電圧を下げることができる。
【0072】
送信用素子１ｂへの入力はステップ電圧，パルス電圧，正弦波，矩形波など任意の信号波形を用いることができる。第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサにおいては、送信用素子１ｂへ入力する信号波形は必要な周波帯域に応じて使い分ければよい。
第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサにおいて、送信用素子１ｂと受信用素子１ａは同じ構造のフィルム状エレクトレットセンサであることが望ましいが、送信用素子１ｂは、圧電素子に置き換えることも可能である。
以上のべたように、第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサによれば、果実の熟成の進行による植物体及び作物のわずかな硬さ変化も測定することで、熟成度を非破壊的かつ短時間で測定できる。
【0073】
＜筋硬度センサ＞
図２１に例示した第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサは、筋硬度センサとして用いることが可能である。この場合は、第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサを自動的に送受信波形を取得して硬さを算出して記録する機器と接続することが好ましい。そして、定期的に第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサを人体の同じ部位に接触させて硬さを記録し、その経時変化から疲労や疾患を診断することができる。
【0074】
第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサの装着方法としては、図２５に示すように、指で軽く押し付ける方法が最も単純で、任意の部位の診断が可能である。特に、腕時計のようなリストバンドを用いて診断装置をリストバンドと一体化すれば、常時装着することが可能となり、連続的な測定を行うことでより精密な診断が可能となる。
図２１に例示したような第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサ１をアレイ状に配置したシートを用いれば、圧力分布と硬さ分布を同時測定することが可能となる。例えば、図２６のようにマットレスの上に、デュアルエレクトレットセンサ１をアレイ状に配置し、その上に被験者が寝ることで、マットレスに加わる圧力分布とその結果生じるマットレスの硬さ変化を測定することができる。この測定を連続的に行うことで寝ている人の疲労状態の変化も知ることができる。その結果、人が寝たときに疲労が少ない若しくは回復が早い押付圧力及び硬さ分布を明らかにすることができ、快適なマットレスの開発に利用できる。
【0075】
第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサは、図２１及び図２４に示すような、フィルム状エレクトレットセンサが２枚積層された構造であるので、フィルム状エレクトレットセンサ内部のマイクロギャップにより他の機械電気変換素子を用いたセンサより音響インピーダンスを低くすることができる。その結果、デュロメータ硬さ１００以下の軟質材料の音響インピーダンスに近づけることで軟質材料の硬さによる音響の伝達率の変化を効率よく捉えることができる。このとき、被測定試料に密着させた状態でフィルム状エレクトレットセンサの送受信波形を測定すれば，送受信波形のピーク強度と重心周波数を用いて、軟質材料の硬さと押付圧力を測定することが可能である。
又、第２の実施の形態に係るデュアルエレクトレットセンサは、フレキシブルな薄型センサであることから２枚のフィルム状エレクトレットセンサの積層が容易であり、かつ軟質材料に密着させることが可能である。更に、わずかな押付圧力で測定が可能であるため果実等の被測定試料を損傷させる恐れがない。
【0076】
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は第１及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な態様や代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、第２の実施形態に係るフィルム状エレクトレットセンサの製造方法において、厚さ１０μｍの１２×２０ｍｍのＡｌフィルムの方を第１背面電極２２ａとし、１０×３０ｍｍのＡｌフィルムを第１振動板絶縁層２５ａとしてもよい。その後、第２の実施形態と同様に、厚さ１２．５μｍのＰＦＡフィルムを、これらの第１背面電極２２ａ及び第１振動板絶縁層２５ａの上に真空溶着して、第１エレクトレット層２３ａ及び第１振動板絶縁層２５ａをそれぞれ形成する。第２の実施形態と同様に、第１エレクトレット層２３ａ上にシリカ凝集体を第１エレクトレット層２３ａの上に形成し、シリカ凝集体にコロナ放電によるチャージを行う。そして、エレクトレット構造体と対向するように、第１振動板(２６ａ，２５ａ)を積層しても、図２０（ａ）に示すような１２×３０ｍｍの大きさのフレキシブルなフィルム状エレクトレットセンサが実現する。但し、本発明のその他の実施形態においては、銅テープを用いて第１背面電極２２ａの一部に第１背面電極側引出電極Ｏ2を設け、第１振動電極２６ａ側の一部に第１振動電極側引出電極ＧＮＤを設ける。そして、両面テープ２０ａの層を包み込むように、図２０（ｂ）に示すように、第１背面電極２２ａの側が折り込まれるように、第１の折り曲げ線Ａ−Ａを介して、この１２×３０ｍｍの大きさのフィルム状エレクトレットセンサを２つ折りに折り畳んで接着しても、外観上は図２１（ａ）に示したのと同様な１２×１５ｍｍの大きさで、第１背面電極側引出電極Ｏ2及び第１振動電極側引出電極ＧＮＤを有する第１のフィルム状エレクトレットセンサが完成する。
【0077】
同様に、１２×３０ｍｍの大きさのフィルム状エレクトレットセンサを第２背面電極２２ｂの側が折り込まれるように、２つ折りに折り畳んで接着して、外観上は図２１（ｂ）に示したのと同様な、１２×１５ｍｍの大きさで、第２背面電極側引出電極Ｉ1及び第２振動電極側引出電極ＧＮＤを有する第２のフィルム状エレクトレットセンサを完成して、第１及び第２のフィルム状エレクトレットセンサを貼り合わせるようにしてもよい。第１背面電極２２ａの側及び第２背面電極２２ｂの側が折り込まれるようにした場合は、図２４に示した構造における第１振動電極２６ａが第１背面電極に、第１振動板絶縁層２５ａが第１エレクトレット層に、第１エレクトレット層２３ａが第１振動板絶縁層に、第１背面電極２２ａが第１振動電極に置き換えられ、図２４に示した構造における第２振動電極２６ｂが第２背面電極に、第２振動板絶縁層２５ｂが第２エレクトレット層に、第２エレクトレット層２３ｂが第２振動板絶縁層に、第２背面電極２２ｂが第２振動電極に置き換えられることは勿論である。
【0078】
なお、マイクロギャップの形態としては、第１及び第２の実施の形態に示したもの以外に種々の構造が採用可能である。即ち、微細なナノ粒子を凝集させた構造にして接触点の直径を極めて小さくしてもよく、フィルムの表面粗さによりマイクロギャップを形成した構造等により簡便にマイクロギャップを形成してもよい。
更に、ミクロンサイズの粒子の表面にナノ粒子を凝集させた構造にすれば、ギャップ幅をミクロンサイズに広げつつ上記と同様な効果を期待できる。更に、研磨、エッチングなどにより表面粗さを周期的に変化させた構造にして、接触点の平均間隔の制御が容易になるようにしてもよい。更に、プレスにより１０μｍ〜の１ｍｍ間隔でフィルムに突起を形成し、その上に微粒子を塗布した構造にして、容易に接触点間隔を広く取ることができるようにしてもよく、ギャップ部に第１ギャップ絶縁層と第２ギャップ絶縁層等の複数の絶縁層を積層して、マイクロギャップ層の数を増してもよい。
このように、本発明はここでは記載していない様々な態様や実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【0079】
１…デュアルエレクトレットセンサ
１６…エレクトレット絶縁層
１ａ…受信用素子
１ｂ…送信用素子
１ｃ…シングルセンサ
２０…層間接着層（第１層間接着層）
２０ａ…両面テープ
２１ａ…層間接着層（第１層間接着層）
２１ｂ…第２層間接着層
２２ａ…第１背面電極
２２ｂ…第２背面電極
２３ａ…第１エレクトレット層
２３ｂ…第２エレクトレット層
２４ａi-2，２４ａi-1，２４ａi，２４ａi+1，２４ａ1+2…第１スペーサ
２４ｂi-2，２４ｂi-1，２４ｂi，２４ｂi+1，２４ｂ1+2…第２スペーサ
２５ａ…第１振動板絶縁層
２５ｂ…第２振動板絶縁層
２６ａ…第１振動電極
２６ｂ…第２振動電極
２８…シールド層
２９…背面板
２ｐ，２ｘ…被測定試料
３５…保護膜
３６…加圧板
３７…ロードセル
３８…Ａｌ板
３９…両面テープ
５１Ａ，５１Ｂ，…ボルト
５２Ａ，５２Ｂ，…ナット
６…測定器
６１…発振器
６２…ＡＤ変換器
６３…バッファ
６４…演算回路
６５…データ記憶装置
６４１…パラメータ抽出手段
６４２…算出手段
６４３…変換手段
６５１…記録ファイル
６６…入力装置
６７…出力装置
８１…圧子
８２…バネ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
Copyright © 2010-2025 Science Impact Inc. All Rights Reserved.