WO2002065812A1 - Detecteur de vibrations - Google Patents

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WO2002065812A1
WO2002065812A1 PCT/JP2002/001087 JP0201087W WO02065812A1 WO 2002065812 A1 WO2002065812 A1 WO 2002065812A1 JP 0201087 W JP0201087 W JP 0201087W WO 02065812 A1 WO02065812 A1 WO 02065812A1
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optical waveguide
diaphragm
light
vibration
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PCT/JP2002/001087
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Hiroshi Miyazawa
Yoshikazu Oka
Original Assignee
Kabushiki Kaisha Kenwood
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R23/00—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00
    • H04R23/008—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00 using optical signals for detecting or generating sound

Definitions

  • the present invention relates to a vibration detection device applicable to, for example, microphones and the like, and more particularly, to a vibration detection device that detects vibration using light.
  • FIGS. 15 to 17 illustrate such a known microphone utilizing light.
  • the diaphragm 72 provided on the front surface of the case 71 has a mirror surface on the inner surface, and vibrates in the front-rear direction by receiving the transmitted sound wave. .
  • a case 71 having a mirror-finished inner surface is provided with a diaphragm 72 arranged at the front open end of the case 71 and receiving sound pressure, and a gap 76 between the diaphragm 72 at the tip.
  • the light-emitting element 73 and the light-receiving element 74 are arranged in a partition room part opposite to the partition plate 75, and light emitted from the light-emitting element 73 is an inner side of the diaphragm 72 as a mirror surface. Then, the light passes through the gap 76 and enters the light receiving element 74.
  • the condenser lens 78 is arranged in an optical path between the light emitting element 73 and the diaphragm 72, and collects light at a predetermined position on the diaphragm 72.
  • the converging lens 79 is disposed in the optical path between the diaphragm 72 and the light receiving element 74, and converges the reflected light from the diaphragm 72 to the light receiving element 74.
  • the dimension of the gap 76 changes according to the vibration displacement of the diaphragm 72, and as a result, the amount of light received by the light receiving element 74 becomes a function of the amount of vibration displacement of the diaphragm 72.
  • the light receiving element 74 receives the light.
  • An electrical signal related to the sound pressure can be generated from the quantity.
  • FIG. 16 and FIG. 17 are a schematic diagram and a detailed diagram of another conventional light detection type microphone 83 utilizing light.
  • the semiconductor laser 84 emits laser light forward, and the monitor photodiode 85 detects the amount of laser light emitted from the semiconductor laser 84.
  • the laser APC 86 controls the output of the semiconductor laser 84 based on the output of the monitor photodiode 85 so that the amount of emitted light during operation of the semiconductor laser 84 is kept constant.
  • the diaphragm 89 disposed in front of the semiconductor laser 84 has a mirror surface on the inner surface, and vibrates in response to sound pressure. The laser beam from the semiconductor laser 84 passes through the objective lens 90 and then irradiates the diaphragm 89.
  • each element of FIG. 16 except for the vibration plate 89 is housed in a case 93.
  • the peripheral portion of the diaphragm 89 is supported by the front wall of the case 93, and the case 93 has a plurality of communication holes 94 for communicating the inner surface side of the diaphragm 89 to the outside.
  • the semiconductor laser 84 and the diaphragm displacement detecting diode 91 are mounted on a mounting substrate 96, and the laser light from the semiconductor laser 84 is reflected by the reflected light beam splitting element 97, the objective lens 90, and The light is applied to the back surface of the diaphragm 89 as a mirror surface via the colorless transparent cover 98, and the reflected light is displaced through the colorless transparent cover 98, the objective lens 90, and the reflected light beam splitting element 97. The light enters the detection diode 91.
  • the colorless and transparent lid 98 blocks the transmission of sound pressure through the opening in which it is mounted.
  • the focusing lens 990 controls the axial position of the objective lens 90 by using a focus support control known to CD (compact disk) players and the like. That is, among the focus error signals detected by the diaphragm displacement detection diode 91, for example, the axial position of the objective lens 90 based on a frequency component lower than 20 Hz (low frequency component lower than the audible frequency). The focus of the laser beam is thus controlled by the diaphragm 8 Despite the vibration of 9, the sound pressure in the audible frequency range is detected by extracting the focus error signal from the diaphragm displacement detection diode 91 to 20 Hz or higher, which is located on the diaphragm 89 it can.
  • CD compact disk
  • the photodetection microphone 70 shown in FIG. 15 it is difficult to adjust the gap 76 between the sound pressure and the light receiving region where a linear relationship between the sound pressure and the received light amount is obtained.
  • the amount of light received by the light receiving element 74 tends to vary due to variation in the spread angle of light emission and variation in the direction of the light emitting element 73.
  • the photodetection microphone 83 shown in FIGS. 16 and 17 variations in characteristics of each element and variations in mounting can be suppressed, but the arrangement of components in the direction of the optical axis becomes longer, and miniaturization is difficult.
  • the diaphragm When the 89 is brought close to the objective lens 90, the existence of the objective lens 90 inhibits the reach of the sound pressure to the inner surface side of the diaphragm 89, and the directivity deteriorates. Furthermore, in the photodetection microphone 83, it is necessary to irradiate the spot of one laser beam to the diaphragm 89 and detect the reflected light, so that the inner surface of the diaphragm 89 is made a clean mirror surface. Although it must be maintained, the mirror surface on the inner surface side of the diaphragm 89 is easily clouded due to chemical change due to chemical gas contained minutely in the atmosphere and dust adhesion.
  • An object of the present invention is to provide a vibration detection device capable of eliminating the inhibition of linearity of vibration amplitude-electric signal due to variation in assembly.
  • Another object of the present invention is to provide a vibration detection device that can exert its power in miniaturization while maintaining good directivity.
  • a vibration detection device includes a vibration plate that vibrates by receiving vibration, and a vibration plate that extends in a plane direction of the vibration plate, and is provided on the vibration plate so as to vibrate integrally with the vibration plate.
  • the amount of transmitted light changes, and the change in the amount of light transmitted in the optical waveguide is detected to detect the amount of displacement accompanying the vibration of the diaphragm.
  • This vibration detection device shall include not only microphones that detect sound pressure vibrations propagating in gas, but also those that detect liquid pressure vibrations and solid vibrations propagating in liquids and solids. .
  • the optical waveguide may be formed integrally with the diaphragm, or may be fixed to the diaphragm.
  • the vibration detecting device preferably includes a light emitting element for making light incident on the optical waveguide, and a light receiving element for detecting the amount of light emitted from the optical waveguide, and the light emitting element, the light receiving element, and the light receiving element are provided.
  • the element for processing the amount of received light may be externally provided to the vibration detecting device.
  • the vibration detecting device it is not necessary to arrange the optical elements long in the vibration direction of the diaphragm or in the optical axis direction of the lens, so that the vibration detecting device can be downsized.
  • the vibration detection device since no mirror surface is required, it is possible to eliminate the adverse effects caused by mirror surface contamination.
  • the vibration detection device when the vibration detection device is applied to a microphone, it is not necessary to bring an optical element such as an objective lens close to the back side of the diaphragm in order to reduce the size of the microphone. Can be secured.
  • a vibration detecting device is the vibration detecting device according to the first aspect, wherein a material density of a deformed portion of the optical waveguide changes according to the deformation of the optical waveguide caused by vibration of the diaphragm. Accordingly, the refractive index of the portion also changes, and the change in the refractive index changes the amount of light leakage from the optical waveguide.
  • the diameter or the thickness of the optical waveguide in the vibration direction of the diaphragm is such that the amount of light leakage from the optical waveguide changes according to the deformation of the optical waveguide.
  • the thickness is set.
  • the cross-sectional shape of the optical waveguide includes, for example, a rectangle, a square, a circle, and an ellipse.
  • a vibration detecting device is the vibration detecting device according to the first aspect, wherein the refractive index of the optical waveguide is changed from the optical waveguide in accordance with the deformation of the optical waveguide. Are set non-uniformly so that the amount of light leakage varies.
  • a vibration detecting device is the vibration detecting device according to the first aspect of the present invention, wherein the optical waveguide has a discontinuous portion at an appropriate position in its extending direction, and faces each other across the discontinuous portion.
  • the end position of the optical waveguide is relatively displaced in the vibration direction with the vibration of the vibration plate, and the amount of light leakage from the discontinuous portion of the optical waveguide changes accordingly.
  • a vibration detecting device is the vibration detecting device according to the first invention, wherein an optical waveguide is mounted in the vibration plate.
  • a vibration detecting device includes: a vibrating body having a bending portion that bends in a vibration direction by receiving vibration; and a bending light guiding portion that bends integrally with a bending portion of the vibrating body.
  • An optical waveguide that changes the amount of light transmission according to the deflection of the light guide portion; a light emitting element that inputs light to one end of the optical waveguide; and a light guide that receives light emitted from the other end of the optical waveguide; And a light-receiving element that outputs a change in the amount of light transmitted in step (1) as an electric signal related to the amount of displacement of the bent portion of the diaphragm.
  • the vibrating body includes a vibrating plate as a plate-shaped vibrating body.
  • the vibrating body may be configured to vibrate by receiving vibration transmitted from a vibration source via a gas, a liquid, and a solid, or the vibrating body itself may be a vibration source.
  • the housing of the vibration detection device is fixed to the solid on the vibration source side, and the vibrating body is vibrated relatively to the housing.
  • a predetermined vibration transmission rod can be applied to the vibrator.
  • the vibration detecting device includes at least a microphone phone.
  • the element for processing the electric signal from the light receiving element may be provided in the vibration detecting device or may be externally attached to the vibration detecting device.
  • An eighth aspect of the present invention provides the vibration detecting device according to the seventh aspect, wherein the optical waveguide is held by an optical waveguide holder together with the diaphragm, and the light emitting element and the light receiving element are passed through the optical waveguide holder. Optically connected.
  • a vibration detecting device according to a ninth aspect is the vibration detecting device according to the seventh aspect, wherein the bent light-guiding portion of the optical waveguide is continuously formed at the bent portion of the diaphragm. In accordance with the deformation of the bent light guide portion, the material density of the bent light guide portion changes, whereby the refractive index of the bent light guide portion also changes. The amount of light leakage from the part changes. '
  • the bent light-guiding portion of the optical waveguide is formed continuously at the bent portion of the diaphragm.
  • the diameter or thickness of the bent light guide portion in the vibration direction of the body changes in the amount of light leakage from the bent light guide portion according to the deformation of the bent light guide portion accompanying the vibration of the diaphragm. It is set to a diameter or thickness of the order.
  • a vibration detecting device is the vibration detecting device according to the seventh aspect, wherein the bent light guide portion of the optical waveguide is formed continuously at the bent portion of the diaphragm.
  • the refractive index of the portion is set to be non-uniform so that the amount of light leakage from the bent light guide portion changes according to the deformation of the bent light guide portion.
  • a thermal diffusion method or an ion implantation method employed in semiconductor manufacturing technology is used to generate the optical waveguide.
  • Given material is a light transmitting material (eg Richiumunaiore Ichito L i N 0 3) selectively by ion exchange, the refractive index of the exchange unit is varied with respect to the refractive index of the non-exchange section
  • An optical waveguide having a non-uniform refractive index can be generated.
  • a method for producing an optical waveguide for example, there is a method in which a metal thin film or a dielectric film is used, and a plurality of materials having different refractive indices are pressed and laminated.
  • a vibration detecting device is the vibration detecting device according to the seventh aspect, wherein the bent light guide portion of the optical waveguide has a discontinuous portion at the bent portion of the diaphragm, and the discontinuous portion
  • the positions of the end portions of the bent light guide portions that face each other across the diaphragm relatively change in the vibration direction with the vibration of the diaphragm, and accordingly, the amount of light leakage from the discontinuous portions Changes. Due to the vibration of the vibrating body, both ends of the bent portion of the light guide portion are relatively displaced in the vibration direction of the vibrating body.
  • the amount of light leakage from the discontinuous portion of the bent light guide portion to the outside increases when the relative displacement between the both ends is small, and increases when the relative displacement between both ends is large.
  • the light transmission amount between both ends of the optical waveguide can be changed according to the vibration of the vibrating body.
  • a vibration detection device is the vibration detection device according to the seventh, eighth, and twelve inventions, wherein the vibration plate has a vibration direction coincident with a thickness direction.
  • the bent light guide portion of the optical waveguide has one discontinuous portion in the bent portion of the diaphragm, and one light emitting element connection side and one light receiving element connection side of the optical waveguide with respect to the discontinuous portion.
  • the one flexure movement portion is disposed at the center in the thickness direction of the diaphragm, and the two flexure light guide portions are
  • the end portion values of the bent light guide portions which are arranged at the front and rear portions of the center in the thickness direction of the diaphragm and face each other with the discontinuous portion interposed therebetween, are determined by the vibration of the diaphragm. As a result, it is relatively displaced in the vibration direction, and the Light leakage discontinuities or these light portions is changed.
  • both sides of the center portion in the thickness direction have a relationship in which the positive and negative of the deflection with respect to the vibration of the diaphragm are opposite to each other (if one extends, the other contracts). Therefore, by obtaining the difference between the amounts of light emitted from both the light receiving element side portions, it is possible to obtain an output with less variation due to a manufacturing error of the diaphragm.
  • the vibrating body, the optical waveguide and the optical waveguide holding body may have one light transmission. It is formed integrally from a conductive material.
  • optical waveguide from one light-transmitting material for example, certain substances (eg a t light transmissive material thermal diffusion method or an ion implantation method being utilized in semiconductor manufacturing techniques, etc. are employed: Due to the selective ion exchange of lithium niolate L i N 0 3 ), the refractive index of the exchange part becomes the refractive index of the non-exchange part. Change with respect to
  • the diaphragm has a linear through hole or a groove for improving the flexibility of the flexible portion. I have.
  • the linear through hole / groove in the diaphragm is formed so as to extend in the radial direction and / or the circumferential direction of the diaphragm. Since the light transmitting material has relatively high rigidity, appropriate flexibility can be obtained by forming the through hole and the groove.
  • the discontinuous portion of the optical waveguide is formed at a position related to the position of the through hole / groove of the diaphragm.
  • the formation of linear grooves or through holes at specific locations on the diaphragm increases the flexibility of the diaphragm at certain locations. By providing a discontinuous portion of the optical waveguide at such a location where the flexibility is increased, it is possible to improve the characteristic of the amount of light transmitted between both ends of the optical waveguide with respect to the vibration of the diaphragm.
  • a vibration detecting device is the vibration detecting device according to the seventh aspect, wherein the vibrating body is a vibrating plate whose vibration direction coincides with a thickness direction.
  • An appropriate number of the held optical waveguide holders are arranged in the thickness direction of the diaphragm, and a light emitting element provided on one end side of the appropriate number of optical waveguide holders has the same amount of light in each optical waveguide. Light is made incident, and the amount of light emitted from each optical waveguide is detected by a light receiving element provided on the other end side of each optical waveguide holder.
  • a vibration detecting device is the vibration detecting device according to the fourteenth or fifteenth aspect, wherein the diaphragm and the optical waveguide holder are substantially circular.
  • the light-emitting element and the light-receiving element connected to each other are provided on a flexible substrate mounted so as to surround the periphery of the diaphragm and the optical waveguide holder.
  • a connection is made between the electric wiring on the flexible substrate and each element.
  • a lip chip structure is used.
  • the vibration detecting device is the vibration detecting device according to the fourteenth or fifteenth aspect, wherein the peripheral portion of the diaphragm and the optical waveguide holder are sandwiched between ceramic layers.
  • the light emitting element and the light receiving element that are optically connected to the waveguide holder are also embedded in a plurality of ceramic layers.
  • the diaphragm, light-emitting element, and light-receiving element are modularized, which increases manufacturing efficiency.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a photodetection microphone.
  • FIG. 2 is a front view of the sound pressure detection module of FIG.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the diaphragm shown in FIG. 2 and an assembly thereof.
  • FIG. 4 is a development view of the annular frame portion of FIG.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of a sound pressure detection principle of the sound pressure detection module.
  • FIG. 6 is a sectional view of a sound pressure detection module having a laminated structure of ceramic layers.
  • Fig. 7 (a) and (b) are a front view and a vertical cross-sectional view of a sound pressure detection module equipped with an optical waveguide having another structure.
  • FIG. 8 is a view showing light leakage from a discontinuous portion due to the deflection of the diaphragm shown in FIG.
  • FIGS. 9 (a) and (b) are a front view and a vertical cross-sectional view of a sound pressure detection module including a corrugated diaphragm.
  • FIGS. 10 (a) and (b) are enlarged views of a modified example of the corrugated diaphragm.
  • FIG. 11 is a front view of a sound pressure detection module including a notched diaphragm.
  • FIG. 12 is an enlarged new front view of the diaphragm shown in FIG.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the amount of displacement of the diaphragm in the vibration direction and the total amount of light received by both light receiving elements.
  • FIG. 14 is a diagram showing a relationship between a displacement amount of a diaphragm and a difference between light receiving amounts of both light receiving elements in the sound pressure detecting module of FIG.
  • FIG. 15 is a schematic view of a known photodetection microphone.
  • FIG. 1 ′ is a schematic view of another known light detection type microphone.
  • FIG. 17 is a detailed view of the photodetection microphone of FIG. Embodiment of the Invention
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the photodetection microphone 10.
  • the front perforated cover 12 and the rear perforated cover 13 cover the front and rear openings in the axial direction of the cylindrical case 11 to prevent dust and foreign matter from entering the cylindrical case 11.
  • the transmission of sound waves into the cylindrical case 11 is allowed.
  • the sound pressure detection module 17 having a circular front view is provided with a diaphragm 27 fixed at a substantially axial center of the cylindrical case 11 and having a peripheral portion supported by an annular frame 18. I have.
  • F indicates sound pressure
  • A indicates vibration of the sound pressure detection module 17 caused by the sound pressure F.
  • examples of the specifications of the photodetection microphone 10 are as follows.
  • Axial dimension of cylindrical case 1 10 mm or less.
  • Outer diameter of cylindrical case 11 10 mm or less.
  • Diaphragm 27 thickness 10 m or less.
  • Total weight of light detection microphone 10 2 g or less.
  • FIG. 2 is a front view of the sound pressure detection module 17 of FIG.
  • the annular frame 18 surrounds the periphery of the diaphragm 27.
  • the diaphragm 27 is made of a light-transmitting material, and has an optical waveguide 28 extending inside the diaphragm main body 29 along the diameter of the diaphragm 27.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the diaphragm 27 of FIG. 2 and an assembly thereof.
  • a semiconductor manufacturing technology Using a technique, while applying a mask to the portion of the optical waveguide 28, the diaphragm 27 (for example, lithium niolate Li N ⁇ 3 ) is ion-exchanged, and the refractive index of the exchange section is not exchanged. The non-exchange portion becomes the optical waveguide 28.
  • the optical waveguide 28 In order for the optical waveguide 28 to change the amount of light transmission between both ends according to its diameter or thickness direction, that is, the deflection of the vibration plate 27 in the vibration direction, in other words, the vibration direction of the vibration plate 27 In order to change the amount of light leaking out of the optical waveguide 28 according to the bending of the optical waveguide 28, the optical waveguide 28 must be made thin, for example, by making the diameter or thickness of the optical waveguide 28 about 10 times the wavelength of the transmitted light. Do the following. A light-emitting element 20 and a light-emitting monitor element 21 are fixed to both surfaces of the vibration plate 27 at one end of the optical waveguide 28, and both surfaces of the vibration plate 27 at the other end of the optical waveguide 28 are Light receiving element 24 is fixed.
  • the diffraction optical element portion 33 is generated in the diaphragm 27 by ion implantation at both ends of the optical waveguide 28. Due to the diffractive optical element portion 33 on one end side of the optical waveguide 28, light incident on the diaphragm 27 from the light emitting element 20 is guided to the optical waveguide 28, and a predetermined amount of the light is guided to the light emitting monitor element 21. I will Further, the light from the optical waveguide 28 is incident on both light receiving elements 24 by the diffractive optical element portion 33 on the other end side of the optical waveguide 28.
  • FIG. 4 is a development view of the annular frame portion 18 of FIG.
  • the annular frame portion 18 includes a flexible substrate 19 and various electric elements mounted on the flexible substrate 19 by a flip-chip structure.
  • the flexible substrate 19 has a pair of annular side plates 35 with a circular opening 37 inside the diaphragm 27 sandwiching the diaphragm 27 from both sides, and a coupling circuit band connecting the two annular side plates to each other in an electric circuit manner.
  • 36 and one annular side plate 35 connected to one annular side plate 35 and connected to the circuit of the other annular side plate 35 with the peripheral portion of the diaphragm 27 interposed therebetween.
  • a fastening band circuit section 38 to be fixed.
  • the light-emitting monitor element 21 and the light-receiving element 24 are respectively assembled at both ends in the diametrical direction, and near the both sides of the light-emitting monitor element 21.
  • the signal Processing ICs 40 and 41 are assembled.
  • the light emitting element 20 and the light receiving element 24 are respectively assembled at both ends in the diametrical direction, and near the both sides of the light receiving element 24, respectively.
  • Signal processing ICs 40 and 41 are assembled, and an automatic light emission adjustment IC 39 is assembled near the light emitting element 20.
  • the automatic light emission adjustment IC '39 controls the power supplied to the light emitting element 20 based on the output of the light emitting monitor element 21 to control the light emission amount of the light emitting element 20 at a constant level.
  • the signal processing IC 40 outputs an electric signal corresponding to the calculated value of the amount of light received by both light receiving elements 24 (addition value in the case of the sound pressure detection module 17).
  • a semiconductor light source such as an LED (light emitting diode) or a surface emitting semiconductor laser is employed.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of the sound pressure detection principle of the sound pressure detection module 17.
  • A indicates the vibration direction of the diaphragm 27 due to the sound pressure
  • L indicates the light leaked from the optical waveguide 28 due to the bending of the optical waveguide 28.
  • the diaphragm 27 vibrates in the thickness direction at an amplitude related to the sound pressure.
  • the optical waveguide 28 bends in the diameter or thickness direction due to the vibration of the diaphragm 27.
  • the lateral deflection of the optical waveguide 28 causes leakage light L from the optical waveguide 28 to the outside.
  • the amount of light leakage from 28 is related to the bending of the optical waveguide 28 in the diameter or thickness direction, that is, the amount of bending in the lateral direction, and therefore the sound pressure acting on the diaphragm 27.
  • the sum of the amounts of light incident on the two optical waveguides 28 becomes a value related to the sound pressure, and the signal processing IC 40 outputs an electric signal related to the sound pressure.
  • FIG. 13 shows the relationship between the amount of displacement of diaphragm 27 in the vibration direction and the total amount of light received by both light receiving elements 24.
  • the displacement of the diaphragm 27 is positive in the forward direction of the photodetection microphone 10.
  • FIG. 6 is a sectional view of a sound pressure detecting module 17b having a laminated structure of ceramic layers 43.
  • a total of five ceramic layers 43 are laminated so as to expose portions other than the periphery of the diaphragm 27.
  • the plurality of electrodes 44 are exposed on the lower surface of the lowermost ceramic layer 43.
  • Light emitting element 20 and one of The light receiving element 24 is disposed on the same layer as the layer of the optical waveguide 28, and the light emitting element 20 employs, for example, an edge-emitting fiber-optic semiconductor laser.
  • the diffractive optical element portion 33 is formed only on one side of the optical waveguide 28, and only on the upper side in FIG.
  • FIG. 7 is a front view and a vertical sectional view of a sound pressure detection module 17c equipped with an optical waveguide 28c of another structure.
  • the optical waveguide 28 c has a discontinuous portion 45 substantially at the center of the diaphragm 27 c, and the upstream side portion 46 on the light emitting element 20 side and the light receiving element 24 side from the discontinuous portion 45.
  • the downstream part is divided into four and seven.
  • the upstream portion 46 has a single number and extends along the center of the diaphragm 27 in the thickness direction.
  • the number of the downstream portion 47 is two, and each of the downstream portions 47 is disposed at the front and rear portions of the center of the diaphragm 27 in the thickness direction, and extends in parallel with each other.
  • the incoming outgoing light is substantially equally split and enters each downstream portion 47.
  • FIG. 8 shows the leakage light L from the discontinuous portion 45 due to the deflection of the diaphragm 27c in FIG. In FIGS.
  • FIG. 14 shows the relationship between the displacement of the diaphragm 27c and the difference between the amounts of light received by both light receiving elements 24 in the sound pressure detection module 17c of FIG.
  • the displacement of the diaphragm 27c is positive in the forward direction of the photodetection microphone 10.
  • FIG. 9 is a front view and a vertical sectional view of a sound pressure detection module 17d including a corrugated diaphragm 27d.
  • the same parts as those of the sound pressure detection modules 17 and 17c in Figs. 5 and 8 are indicated by the same reference numerals, and "d" is added for the corresponding elements. Only the main points will be described.
  • the diaphragm 27 d is divided into a central corrugated thick portion 49 on the inner side and a flat portion 50 on the outer side of the boundary 51.
  • the concave portions and the convex portions are arranged alternately in the radial direction, and the convex portion on one surface is formed in the concave portion on the other surface so that the thickness of the diaphragm 27 d is uniform in the radial direction.
  • a line connecting the convex portions when the diaphragm 27 d is viewed from the front side is indicated by two boundary lines 52.
  • the optical waveguide 28 d has a discontinuous portion 53 between the outer flat portion 50 and the other flat portion 50 .In the figure, the discontinuous portion 53 is located at a total of five locations on the optical waveguide 28 d. Is provided.
  • the corrugated portion 49 has the effect of increasing the flexibility of the diaphragm 27d as compared with a flat structure.
  • the corrugated portion 49 also has a function of defining the direction of the bending, and the amount of bending with respect to the sound pressure can be increased by adjusting the bending direction of the diaphragm 27 d to the direction in which the sound pressure is received.
  • FIG. 10 is an enlarged view of a modification of the corrugated diaphragm.
  • the same elements as those of the diaphragm 27 d of FIG. Is omitted The corresponding elements are indicated by changing the sign of "d" to "e", "f", and "g", respectively.
  • the convex portions 64 and the concave portions 65 are alternately arranged in the radial direction, so that the thickness of the diaphragms 27 e and 27 f is uniform in the radial direction.
  • the optical waveguide 28 e of the diaphragm 27 e in FIG. 10 (a) and the optical waveguide 28 f of the diaphragm 27 f of FIG. 10 (b) are composed of the diaphragms 28 e, 28 f While extending along the corrugated shape of the above, it extends in the diaphragm main bodies 29 e and 29 f.
  • the optical waveguide 28 e of the diaphragm 27 e is continuous, and the optical waveguide 28 f of the diaphragm 27 f has a plurality of discontinuous portions 53.
  • the discontinuous portion 53 is provided so that the position in the radial direction of the convex portion 64 on one surface coincides with the phase of the vibrating plate 27 e during vibration.
  • the diaphragm 27 g in FIG. 10 (c) is a deformation of the diaphragm 27 f.
  • the convex portion 64 on one surface and the convex portion 64 on the other surface are different from each other.
  • the recess 65 on one surface and the recess 65 on the other surface are formed at the same radial position.
  • the rigidity of the diaphragm 27 g is reduced at the radial position where the concave portion 65 is present, as compared with the radial position where the convex portion 64 is present, that is, the diaphragm 27 g is easily flexed.
  • a discontinuous portion 53 is provided.
  • Fig. 11 is a front view of a sound pressure detection module 17h including a diaphragm 27h with a notch 58
  • Fig. 12 is an enlarged sectional view of the diaphragm 27h.
  • the diaphragm 27 h has a circular flat plate portion 55, an annular intermediate portion 56, and a peripheral flat plate portion 57 in order from the center in the radial direction. As can be seen from FIG.
  • the circular flat portion 55 protrudes in the axial direction of the diaphragm 27 h with respect to the peripheral flat portion 57, and the annular intermediate portion 56 has a circular flat portion 55 and a circular flat portion 55.
  • the optical waveguide 28 extends inside the diaphragm main body 29 h along the cross-sectional contour of the diaphragm 27 h.
  • the boundary line 59 shown in FIG. 11 indicates the boundary line between the circular flat portion 55 and the annular intermediate portion 56, and the boundary line 60 indicates the boundary line between the annular intermediate portion 56 and the peripheral flat portion 57.
  • a plurality of notches 58 are formed in the annular intermediate portion 56 at equal angular intervals in the circumferential direction.
  • each notch 58 is exaggerated in the figure and is actually 50 m.
  • the notch 58 improves the flexibility of the annular intermediate portion 56.
  • the optical waveguide 28 h has discontinuous portions 61 at intersections with the boundary lines 59 and 60, and the total number of the discontinuous portions 61 is four.
  • the diaphragm 27 h receives sound pressure, the diaphragm 27 h has the maximum flexure in the vibration direction at the boundary 59 and the boundary 60.
  • the discontinuous portion 61 By setting the discontinuous portion 61 at a place where the maximum deflection of the diaphragm 27 h occurs, the amount of change in the amount of light transmission between both ends of the optical waveguide 284 with respect to the unit amount of change in sound pressure increases.

Description

明 細 書 振動検出装置 技術分野
本発明は、 例えば ィクロホン等に適用可能である振動検出装置に 関し、 詳しくは光を利用して振動を検出する振動検出装置に関するも のである。
背景技術
通常のマイクロホンは、 音圧を受けて振動する振動板の変位をコィ ルゃコンデンサにより電気信号へ変換するものであるのに対し、 光を 利用して、 振動板の振動を電気信号へ変換するマイクロホンが提案さ れている。 第 1 5図〜第 1 7図においてこのような光利用型の公知の マイクロホンについて説明する。 第 1 5図の光検出型マイクロホン 7 0では、 ケース 7 1の前面に設けられた振動板 7 2は、 内面側は鏡面 となっており、 伝搬されて来る音波を受けて、 前後方向振動する。 内 面側が鏡面とされているケース 7 1は、 該ケース 7 1の前方開口端部 に配置されて音圧を受ける振動板 7 2、 及び先端において振動板 7 2 との間に間隙 7 6を残しつつ該間隙 7 6を除く他の範囲においてケー ス 7 1内を 2室に仕切っている仕切り板 7 5を有している。 発光素子 7 3及び受光素子 7 4は、 仕切り板 7 5に対して相互に反対側の仕切 り室部分に配置され、 発光素子 7 3から出た光は鏡面としての振動板 7 2の内面側で反射した後、 間隙 7 6を通過して、 受光素子 7 4に入 射する。 集光レンズ 7 8は、 発光素子 7 3と振動板 7 2との間の光路 に配置されて、 振動板 7 2上の所定位置に光を集める。 収束レンズ 7 9は、 振動板 7 2と受光素子 7 4との間の光路に配置されて、 振動板 7 2からの反射光を受光素子 7 4へ収束する。 間隙 7 6の寸法は振動 板 7 2の振動変位に応じて変化し、 結果、 受光素子 7 4の受光量は振 動板 7 2の振動変位量の関数となる。 こうして、 受光素子 7 4の受光 量から音圧に関係した電気信号を生成することができる。
第 1 6図及び第 1 7図は光利用の別の従来技術の光検出型マイクロ ホン 8 3の概略図及び詳細図である。 半導体レーザー 8 4はレーザー 光を前方へ照射し、 モニターフォ トダイオード 8 5は、 半導体レーザ 一 8 4から照射されるレーザー光の光量を検出する。 レーザー A P C 8 6は、 半導体レーザー 8 4の作動中の出射光量が一定 ίこ保持される ように、 モニターフォ トダイォード 8 5の出力に基づいて半導体レー ザ一 8 4の出力を制御する。 半導体レーザ一 8 4の前方に配置された 振動板 8 9は、 内面側は鏡面となっており、音圧を受けて、振動する。 半導体レーザー 8 4からのレーザー光は、 対物レンズ 9 0を通過して から、 振動板 8 9に照射され、 その反射光は、 対物レンズ 9 0を通過 してから、 振動板変位検出ダイオード 9 1に入射し、 その光量が振動 板変位検出ダイオード 9 1により検出される。 第 1 7図において、 振 動板 8 9を除く第 1 6図の各素子はケース 9 3内に収容されている。 振動板 8 9の周縁部はケース 9 3の前壁に支持され、該ケース 9 3は、 振動板 8 9の内面側を外部へ連通させる複数個の連通孔 9 4を有して いる。 半導体レ一ザ一 8 4及び振動板変位検出ダイオード 9 1は取付 け用基板 9 6に取付けられ、半導体レーザ一 8 4からのレーザー光は、 反射光束分割素子 9 7、 対物レンズ 9 0、 及び無色透明蓋 9 8を介し て鏡面としての振動板 8 9の裏面に照射され、 その反射光は、 無色透 明蓋 9 8、 対物レンズ 9 0、 及び反射光束分割素子 9 7を経て振動板 変位検出ダイオード 9 1に入射する。 無色透明蓋 9 8は、 それが装着 されている開口を介しての音圧の伝達を阻止している。 フォーカシン グ用ァクチユエ一夕 9 9は、 C D (コンパク トディスク） プレーヤ等 に周知のフォーカスサ一ポ制御を利用して対物レンズ 9 0の軸方向位 置を制御している。 すなわち、 振動板変位検出ダイオード 9 1におい て検出されるフォーカスエラー信号のうち、 例えば 2 0 H z未満の周 波数成分 （可聴周波数未満の低周波成分） に基づいて対物レンズ 9 0 の軸方向位置が制御され、 こうして、 レーザー光の焦点は、 振動板 8 9の振動にもかかわらず、 振動板 8 9上に位置し、 振動板変位検出ダ ィオード 9 1から 2 0 H z以上のフォーカスエラ一信号を抽出するこ とにより可聴周波数領域の音圧を検出できる。
第 1 5図の光検出型マイクロホン 7 0では、 音圧と受光量との直線 性関係が得られる音圧ー受光領域に間隙 7 6を調整するのが難しいこ と、 発光素子 7 3'の発光の広がり角のばらつきや発光素子 7 3の向き のばらつきのために受光素子 7 4の受光量がばらつき易いこと等の問 題がある。 第 1 6図及び第 1 7図の光検出型マイクロホン 8 3では、 各素子の特性のばらつきや取付け上のばらつきは抑制できるが、 光軸 方向へ部品の配列が長くなり、 小型化が難しい。 マイクロホンの指向 性を向上させるためには、 振動板 8 9の内面側にも、 音源からの音圧 を作用させる必要があるが、 光検出型マイクロホン 8 3の小型化のた めに、 振動板 8 9を対物レンズ 9 0へ接近させると、 対物レンズ 9 0 の存在が、 振動板 8 9の内面側への音圧の到達性を阻害し、 指向性が 悪化する弊害がある。 さらに、 光検出型マイクロホン 8 3では、 レー ザ一光のスポッ トを振動板 8 9に照射して、 その反射光を検出する必 要があるので、 振動板 8 9の内面を清浄な鏡面に維持しなければなら ないが、 振動板 8 9の内面側の鏡面は、 大気中に微小に含まれる化学 性ガスによる化学変化や、 ちりの付着により曇り易い。
発明の開示
本発明の目的は、 組み立て上のばらつきによる振動振幅 -電気信号 の直線性阻害を排除できる振動検出装置を提供することである。
本発明の他の目的は、 良好な指向性を維持しつつ、 小型化に威力を 発揮できる振動検出装置を提供することである。
第 1の発明の振動検出装置は、 振動を受けて振動する振動板と、 前 記振動板の平面方向に延びており、 該振動板と一体的に振動するよう に該振動板に装備された光導波路とを備えてなり、 前記振動板の振動 に伴う前記光導波路の変形に応じて、 当該光導波路の一端から入射し た光が光導波路の外部へ漏れる光漏れ量並びに当該光導波路の他端へ 伝送される光伝送量が変化し、 この光導波路における光伝送量の変化 を検出して前記振動板の振動に伴う変位量を検出する。
この振動検出装置は、 気体内を伝搬して来る音圧振動を検出するマ イク口ホンだけでなく、 液体内や固体内を伝搬して来る液圧振動及び 固体振動を検出するものを含むものとする。
第 1の発明では、 光導波路は、 振動板に一体形成されていてもよい し、 振動板に固着しているものであってもよい。 振動検出装置は、 好 ましくは、 光導波路へ光を入射させる発光素子、 及び光導波路からの 出射光の光量を検出する受光素子を装備するが、 それら発光素子、 受 光素子、 及び受光素子の受光量を処理する素子は振動検出装置に外付 けされてもよい。
該振動検出装置では、 振動板の振動方向あるいはレンズの光軸方向 へ光学素子を長く配列する必要がないので、 振動検出装置を小型化す ることができる。 また、 鏡面を必要としないので、 鏡面の汚れによる 弊害を排除できる。 さらに、 振動検出装置をマイクロホンに適用する 場合には、 該マイクロホンの、 小型化のために、 振動板の裏面側に対 物レンズのような光学素子を接近させる必要もないので、 良好な指向 性を確保できる。
第 2の発明の振動検出装置は、第 1の発明の振動検出装置において、 振動板の振動に伴う前記光導波路の変形に応じて該光導波路の変形部 分の材料密度が変化し、 これによつて当該部分の屈折率も変化し、 こ の屈折率の変化によって前記光導波路からの光漏れ量が変化する。
第 3の発明の振動検出装置は、 振動板の振動方向における前記光導 波路の直径又は厚みは、 前記光導波路の変形に応じて、 該光導波路か らの光漏れ量が変化する程度の直径又は厚みに設定されている。
なお、 光導波路の横断面の形状には、 例えば長方形、 正方形、 円、 楕円等がある。
第 4の発明の振動検出装置は、第 1の発明の振動検出装置において、 光導波路の屈折率は、 該光導波路の変形に応じて、 当該光導波路から の光漏れ量が変化するように、 不均一に設定されている。
第 5の発明の振動検出装置は、第 1の発明の振動検出装置において、 光導波路は、 その延び方向の適所に不連続部分を有し、 該不連続部分 を挟んで相互に向かい合つている前記光導波路の端部位置は、 前記振 動板の振動に伴って振動方向へ相対的に変位し、 これに応じて前記光 導波路の不連続部分からの光漏れ量が変化する。
第 6の発明の振動検出装置は、第 1 の発明の振動検出装置において、 光導波路は前記振動板の中に装着されている。
第 7の発明の振動検出装置は、 振動を受けて振動方向へ撓む撓み部 分を有する振動体と、 前記振動体の撓み部分と一体的に撓む撓み導光 部分を有し、 該撓み導光部分の撓みに応じて光伝送量を変化する光導 波路と、 前記光導波路の一端に光を入射する発光素子と、 前記光導波 路の他端からの出射光を受光し、 該光導波路における光伝送量の変化 を前記振動板の撓み部分の変位量に関係する電気信号として出力する 受光素子とを具備する。
第 7の発明において、 振動体には、 板状の振動体としての振動板が 含まれる。 振動体は、 振動源から気体、 液体、 及び固体を介して伝達 される振動を受けて振動するものであってもよいし、 振動体自体が振 動源であってもよい。 固体を介して伝搬される振動を受けて振動体を 振動させるには、 振動検出装置の筐体を振動源側の固体に固定して、 筐体に対して振動体を相対的に振動させたり、 所定の振動伝達棒を振 動体に当てたりすることができる。 振動検出装置は少なくともマイク 口ホンを含む。 第 7の発明において、 受光素子からの電気信号を処理 する素子は、 振動検出装置に装備されていてもよいし、 振動検出装置 に外付けされてもよい。
第 8の発明の振動検出装置は、 第 7の振動検出装置において、 光導 波路は、 前記振動板と共に光導波路保持体によって保持されており、 該光導波路保持体を通して発光素子及び受光素子に対して光学的に接 冗してある。 第 9の発明の振動検出装置は、第 7の発明の振動検出装置において、 光導波路の撓み導光部分は、 前記振動板の撓み部分において連続的に 形成されており、 前記振動板の振動に伴う前記撓み導光部分の変形に 応じて、 該撓み導光部分の材料密度が変化し、 これによつて当該撓み 導光部分の屈折率も変化し、 この屈折率の変化によって前記撓み動光 部分からの光漏れ量が変化する。'
第 1 0の発明の振動検出装置によれば、 第 7の発明の振動検出装置 において、 光導波路の撓み導光部分は、 前記振動板の撓み部分におい て連続的に形成されており、 前記振動体の振動方向における前記撓み 導光部分の直径又は厚みは、 前記振動板の振動に伴う前記撓み導光部 分の変形に応じて、 該撓み導光部分からの光漏れ量が変化が変化する 程度の直径又は厚みに設定されている。
第 1 1の発明の振動検出装置は、 第 7の発明の振動検出装置におい て、 光導波路の撓み導光部分は、 前記振動板の撓み部分において連続 的に形成されており、 この撓み導光部分の屈折率は、 該撓み導光部分 の変形に応じて、当該撓み導光部分からの光漏れ量が変化するように、 不均一に設定されている。
光導波路の生成には、 例えば、 半導体製造技術において採用されて いる熱拡散法やイオン注入法が利用される。 光透過性材料である所定 の物質 （例 ： リチウムナイォレ一ト L i N 0 3) を選択的にイオン交換 することにより、交換部の屈折率は非交換部の屈折率に対して変化し、 屈折率が一様でない光導波路を生成することができる。 なお、 光導波 路の生成方法としては、 例えば、 金属薄膜や誘電体膜を使い、 屈折率 の異なる複数個の材料を圧着、 積層するものもある。
第 1 2の発明の振動検出装置は、 第 7の発明の振動検出装置におい て、 光導波路の撓み導光部分は、 前記振動板の撓み部分において不達 続部分を有し、 該不連続部分を挟んで相互に向い合つている前記撓み 導光部分の端部位置は、 前記振動板の振動に伴って振動方向へ相対的 に変化し、 これに応じて前記不連続部分からの光漏れ量が変化する。 振動体の振動により、 撓み導光部分の不連続部分の両端は振動体の 振動方向へ相対的に変位する。 該撓み導光部分の不連続部分からの外 部への光漏れ量は、 該両端の相対変位量が小のときは大きく、 大のと きは増大する。 こうして、 光導波路の両端間の光伝送量を振動体の振 動に応じて変化させることができる。
第 1 3の発明の振動検出装置は、 第 7、 第 8及び第 1 2の発明の振 動検出装置において、 振動板は、 その振動方向と厚み方向が一致して いる振動板であり、 前記光導波路の撓み導光部分は前記振動板の撓み 部分において 1個の不連続部分を有し、 かつ該不連続部分に対して前 記光導波路の発光素子接続側は 1本、 受光素子接続側は 2本の撓み導 光部分をもって構成されており、 前記 1本の撓み動向部分は前記振動 板の厚み方向における中心部に配置されており、 また、 前記 2本の撓 み導光部分は前記振動板の厚み方向における中心部の前部及び後部に それぞれ配置されており、 前記不連続部分を挟んで相互に向い合って いる各撓み導光部分の端部位値は、 前記振動板の振動に伴って振動方 向へ相対的に変位し、 これに応じて前記撓み導光部分の不連続部分か らの光漏れ量が変化する。
前記振動板において、 厚み方向における中心部の両側は、 振動板の 振動に対する撓みの正負が相互に逆の関係 （一方が伸びれば、 他方は 縮む関係。） となる。 したがって、 両受光素子側部分からの出射光量の 差分を取れば、 振動板の製造誤差に因るばらつきの少ない出力を得る ことができる。
第 1 4の発明の振動検出装置によれば、 第 7〜第 1 3のいずれかの 発明の振動検出装置において、 振動体と前記光導波路及び光導波路保 持体とは、 1枚の光透過性材料から一体的に形成されている。
1枚の光透過性材料からの光導波路の生成は、 例えば、 半導体製造 技術等において利用されている熱拡散法やイオン注入法が採用される t 光透過性材料である所定の物質（例：リチウムナイォレート L i N 0 3) の選択的なイオン交換等により、 交換部の屈折率は非交換部の屈折率 に対して変化する。
第 1 5の発明の振動検出装置によれば、 第 1 4の発明の振動検出装 置において、 振動板は、 撓み部分の撓み性を向上させるための線状の 透孔又は溝を有している。
振動板における線状の透孔ゃ溝は、 振動板の放射方向及び 又は周 方向へ延びるように、 形成される。 光透過性材料は、 比較的剛性が高 いので、 透孔ゃ溝の形成により適切な撓み性を得ることができる。 好ましくは、 光導波路の不連続部分は、 振動板の透孔ゃ溝の位置に 関係した位置に形成される。 振動板における特定の個所への線状の溝 や透孔の形成により、 振動板の所定の場所の撓み性が増大する。 この ような撓み性の増大した個所に光導波路の不連続部分を設置すること により振動板の振動に対する光導波路の両端間の光伝送量の特性を改 善することができる。
第 1 6の発明の振動検出装置は、 第 7の発明の振動検出装置におい て、振動体は、その振動方向と厚み方向が一致している振動板であり、 該振動板に前記光導波路を保持させた光導波路保持体は、 前記振動板 の厚み方向に適数個配置されており、 前記適数個の光導波路保持体の 一端側に設けた発光素子により各光導波路にそれぞれ等光量の光を入 射させ、 前記各光導波路保持体の他端側に設けた受光素子により各光 導波路からの出射光の光量を検出する。
振動板の厚さ方向へ分布する各光導波路の両端間の光伝送量を所定 の組み合わせで処理することにより、 振動板の振動振幅を精確に反映 する電気信号を得ることができる。
第 1 7の発明の振動検出装置は、 第 1 4又は第 1 5の発明の振動検 出装置において、 振動板及び光導波路保持体は実質的に円形であり、 前記光導波路保持体に光学的に接続される前記発光素子及び前記受光 素子は、 前記振動板の周辺部及び光導波路保持体を包囲するように装 着されるフレキシブル基板に配備されている。
好ましくはフレキシブル基板上の電気配線と各素子との接続にはフ リップチップ構造が利用される。 フレキシブル基板の利用により発光 素子及び受光素子と振動板の光導波路との光接続と積層的な組立が円 滑に行われる。
第 1 8の発明の振動検出装置は、 第 1 4又は第 1 5の発明の振動検 出装置において、 振動板の周辺部及び光導波路保持体はセラミック層 め間に挟まれており、 前記光導波路保持体に対して光学的に接続され る前記発光素子及び前記受光素子も複数のセラミック層に埋設されて いる。
振動板、 発光素子、 及び受光素子はモジュール化され、 製造上の能 率が高まる。
図面の簡単な説明
第 1図は、 光検出型マイクロホンの縦断面図である。
第 2図は、 第 1図の音圧検出モジュールの正面図である。
第 3図は、 第 2図の振動板及びその組付け物の縦断面図である。 第 4図は、 第 2図の環状枠部の展開図である。
第 5図は、 音圧検出モジュールの音圧検出原理の説明図である。 第 6図は、 セラミック層の積層構造をもつ音圧検出モジュールの断 面図である。
第 7図 （ a ) 及び （b ) は、 他の構造の光導波路を装備する音圧検 出モジュールの正面図及び垂直断面図である。
第 8図は、 第 7図の振動板の撓みに伴う不連続部分からの漏れ光を 示す図である。
第 9図 （ a ) 及び （b ) は、 コルゲート状の振動板を備える音圧検 出モジュールの正面図及び垂直断面図である。
第 1 0図 （ a ) 及び （b ) は、 コルゲート状振動板の変形例の拡大 図である。
第 1 1図は、 切り欠き付き振動板を備える音圧検出モジュールの正 面図である。
第 1 2図は、 第 1 1図の振動板の拡大新面図である。 第 1 3図は、 振動方向への振動板の変位量と両受光素子の合計の受 光量との関係を示す図である。
第 1 4図は、 第 8図の音圧検出モジュールにおける振動板の変位量 と両受光素子の受光量の差分との関係を示す図である。
第 1 5図は、 公知の光検出型マイクロホンの概略図である。
第 1' 6図は、 別の公知の光検出型マイクロホンの'概略図である。 第 1 7図は、 第 1 6図の光検出型マイクロホンの詳細図である。 発明の実施の形態
以下、 発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
第 1図は光検出型マイクロホン 1 0の縦断面図である。 前側穿設カ バー 1 2及び後ろ側穿設カバ一 1 3は、 円筒ケース 1 1の軸方向前側 及び後ろ側の開口を覆い、 円筒ケース 1 1内へのちりや異物の侵入を 阻止しつつ、 円筒ケース 1 1内への音波の伝達を許容している。 正面 視が円形の音圧検出モジュール 1 7は、 円筒ケース 1 1内において、 その軸方向ほぼ中心部に固定され、 環状枠部 1 8により周辺部を支持 されている振動板 2 7を備えている。 第 1図において、 Fは音圧、 A は音圧 Fに起因する音圧検出モジュール 1 7の振動を示している。 こ こで、 光検出型マイクロホン 1 0の諸元を例示すると、 次のとおりで ある。
円筒ケース 1 1の軸方向寸法： 1 0 m m以下。
円筒ケース 1 1の外径： 1 0 mm以下。
振動板 2 7の厚さ ： 1 0 m以下。
光検出型マイクロホン 1 0の全体の重量： 2 g以下。
第 2図は第 1図の音圧検出モジュール 1 7の正面図である。 環状枠 部 1 8は振動板 2 7の周囲を包囲している。 振動板 2 7は、 光透過性 材料から成り、 振動板 2 7の直径に沿って振動板本体 2 9内を延びて いる光導波路 2 8を有している。
第 3図は第 2図の振動板 2 7及びその組付け物の縦断面図である。 振動板 2 7における光導波路 2 8の形成方法としては、 半導体製造技 術を使って、 光導波路 2 8の部分にはマスクを施しつつ、 振動板 2 7 (例えばリチウムナイォレート L i N〇3) にイオン交換処理をして、 交換部の屈折率を、 非交換部に対して低下させ、 該非交換部が光導波 路 2 8となる。 光導波路 2 8が、 その直径または厚み方向、 すなわち 振動板 2 7の振動方向の撓みに応じて両端間の光伝送量を変化させる ためには、 '換言すれば、 振動板 2 7の振動方向の撓み^応じて光導波 路 2 8の外への光漏れ量を変化させるためには、光導波路 2 8を細く、 例えば光導波路 2 8の直径または厚みを伝送光の波長の約 1 0倍以下 にする。 光導波路 2 8の一端側における振動板 2 7の両面には発光素 子 2 0及び発光モニター素子 2 1が固定され、 また、 光導波路 2 8の 他端側における振動板 2 7の両面には受光素子 2 4が固定される。 回 折光学素子部分 3 3は、 光導波路 2 8と同様に、 光導波路 2 8の両端 部においてイオン注入により振動板 2 7内に生成される。 光導波路 2 8の一端側における回折光学素子部分 3 3により、 発光素子 2 0から 振動板 2 7への入射光は、 光導波路 2 8へ導かれ、 その所定分が発光 モニター素子 2 1へ導かれる。 また、 光導波路 2 8の他端側における 回折光学素子部分 3 3により、 光導波路 2 8からの光が両受光素子 2 4へ入射される。
第 4図は第 2図の環状枠部 1 8の展開図である。 環状枠部 1 8は、 フレキシブル基板 1 9と、 フレキシブル基板 1 9にフリップチップ構 造により組み付けられた各種電気素子とを備えている。 フレキシブル 基板 1 9は、 振動板 2 7を両側から挟み込み内側に円形開口 3 7をも つ 1対の環状側板部 3 5と、 両環状側板部を相互に電気回路的に接続 する結合回路帯部 3 6と、 一方の環状側板部 3 5に結合していて他方 の環状側板部 3 5の回路に接続しつつ振動板 2 7の周辺部を間に挟ん で両環状側板部 3 5を相互に固着する留めバンド回路部 3 8とを有し ている。留めバンド回路部 3 8の着いている方の環状側板部 3 5では、 直径方向両端位置に発光モニター素子 2 1及び受光素子 2 4がそれぞ れ組み付けられ、 発光モニター素子 2 1の両側近傍にはそれぞれ信号 処理 I C 4 0， 4 1が組み付けられている。 結合回路帯部 3 6で接続 されているもう一方の環状側板部 3 5では、 直径方向両端位置に発光 素子 2 0及び受光素子 2 4がそれぞれ組み付けられ、 受光素子 2 4の 両側近傍にはそれぞれ信号処理 I C 4 0， 4 1が組み付けられ、 発光 素子 2 0の近傍には発光自動調整 I C 3 9が組み付けられている。 発 光自動調整 I C ' 3 9は、 発光モニタ一素子 2 1の出力に基づいて発光 素子 2 0への供給電力を制御して、 発光素子 2 0の発光量を一定に制 御する。 信号処理 I C 4 0は両受光素子 2 4の受光量の計算値 （音圧 検出モジュール 1 7の場合は加算値）に対応する電気信号を出力する。 発光素子 2 0には、 例えば L E D (発光ダイオード） や面発光の半導 体レーザー等の半導体光源が採用される。
第 5図は音圧検出モジュール 1 7の音圧検出原理の説明図である。 第 5図において、 Aは音圧に因る振動板 2 7の振動方向を示し、 Lは 光導波路 2 8の撓みに因る光導波路 2 8からの漏れ光を示している。 振動板 2 7は、 音圧を受けると、 音圧に関係した振幅で肉厚方向へ振 動する。 光導波路 2 8は、 振動板 2 7の振動に伴い、 直径または厚み 方向へ撓む、 光導波路 2 8の横方向の撓みは、 光導波路 2 8から外部 への漏れ光 Lを引き起こし、 光導波路 2 8からの光漏れ量は光導波路 2 8の直径または厚み方向への撓み、 すなわち横方向の撓み量、 した がって振動板 2 7に作用する音圧に関係する。 この結果、 両光導波路 2 8へ入射される光の量の合計は音圧に関係した値になり、 信号処理 I C 4 0からは音圧に関係する電気信号が出力される。 第 1 3図は振 動方向への振動板 2 7の変位量と両受光素子 2 4の合計の受光量との 関係を示している。 振動板 2 7の変位量は光検出型マイクロホン 1 0 の前方向を正としている。
第 6図はセラミック層 4 3の積層構造をもつ音圧検出モジュール 1 7 bの断面図である。 計 5層のセラミック層 4 3が、 振動板 2 7の周 縁部以外を露出させつつ、 積層されている。 複数個の電極 4 4は最下 層のセラミック層 4 3の下面に露出している。 発光素子 2 0と一方の 受光素子 2 4とは、 光導波路 2 8の層と同層に配置され、 発光素子 2 0には例えば端面発光のフアブリべ口型半導体レーザ一を採用する。 回折光学素子部分 3 3は光導波路 2 8の片側、 第 6図では上側にのみ に形成される。
第 7図は他の構造の光導波路 2 8 cを装備する音圧検出モジュール 1 7 cの正面図及び垂直断面図である。 音圧検出モジュール 1 7' cに おいて、 第 5図及び第 6図の音圧検出モジュール 1 7と同一の部分は 同符号で指示し、 また、 対応要素については" c "を付加した符号で指 示し、 主要点についてのみ説明する。 光導波路 2 8 cは、 振動板 2 7 cのほぼ中心部において不連続部分 4 5を備え、 不連続部分 4 5を境 に発光素子 2 0側の上流側部分 4 6と受光素子 2 4側の下流側部分 4 7とに分割される。 上流側部分 4 6は、 個数が 1本であり、 振動板 2 7の肉厚方向の中心部に沿って延びている。 下流側部分 4 7は個数が 2本であり、 各下流側部分 4 7は、 振動板 2 7の肉厚方向の中心部の 前部及び後部に配置され、 相互に平行に延びている。 また、 上流側部 分 4 6の直径は、 各下流側部分 4 7の直径より大きく、 振動板 2 7 c が中立位置 （=撓み 0の位置） にあるとき、 上流側部分 4 6から直進 して来る出射光は、 ほぼ等分されて、 各下流側部分 4 7へ入射する。 第 8図は第 7図の振動板 2 7 cの撓みに伴う不連続部分 4 5からの 漏れ光 Lを示している。 第 7図及び第 8図において、 発光素子 2 0か らの光は、 上流側部分 4 6に入射して、 上流側部分 4 6内を不連続部 分 4 5の方へ導かれ、 上流側部分 4 6の不連続部分 4 5側の端から不 連続部分 4 5へ出射する。 不連続部分 4 5への出射光の一部は、 漏れ 光 Lとなって、 振動板 2 7 cの外部へ漏れ、 残部は 2本の下流側部分 4 7へ入射して、 各下流側部分 4 7に導かれて、 各受光素子 2 4に入 射する。 振動板 2 7 cは、 音圧を受けて、 振動する。 振動板 2 7 じが 中立位置にあるとき、すなわち振動板 2 7 cの変位量が 0であるとき、 両下流側部分 4 7には上流側部分 4 6から等光量 Qの光が入射してい る。 これに対して、 振動板 2 7 cがー方向へ凸に撓んでいるとき、 振 動板 2 7 cの振動方向への上流側部分 4 6と各下流側部分 4 7 との相 対的なずれにより、 上流側部分 4 6から各下流側部分 4 7への入射光 量はそれぞれ Q + A Q , Q—△ Qの光が入射される。 これにより、 両 受光素子 2 4の受光量の差分は、 振動板 2 7 cの変位量 = 0のときも 含めて、 音圧に対して 2 · となる。
第 1 4図は第' 8図の音圧検出モジュール 1 7 cにおける振動板 2 7 cの変位量と両受光素子 2 4の受光量の差分との関係を示している。 振動板 2 7 cの変位量は光検出型マイクロホン 1 0の前方向を正とし ている。
第 9図はコルゲ一ト状の振動板 2 7 dを備える音圧検出モジュール 1 7 dの正面図及び垂直断面図である。 音圧検出モジュール 1 7 に おいて第 5図、 第 8図の音圧検出モジュール 1 7 、 1 7 cと同一の部 分は同符号で指示し、 また、 対応要素については" d "を付加した符号 で指示し、 主要点についてのみ説明する。 振動板 2 7 dは境界線 5 1 を境に内側の中央のコルゲート状肉厚部分 4 9と外側周辺の平坦部分 5 0とに分割されている。各面において、凹部と凸部とは半径方向へ交 互に配列され、 振動板 2 7 dの肉厚が半径方向へ均一になるように、 一方の面における凸部は他方の面における凹部になっている。 振動板 2 7 dを正面側から見て凸部を連ねる線は 2本の境界線 5 2により示 される。 光導波路 2 8 dは外側の一方の平坦部分 5 0から他方の平坦 部分 5 0に至る間において不連続部分 5 3があり、 図では不連続部分 5 3は光導波路 2 8 dに計 5個所設けられている。 コルゲート形状部 分 4 9は、 平坦構造よりも振動板 2 7 dの撓み性を増大する効果があ る。 コルゲート形状部分 4 9は、 また、 撓みの方向性を規定する機能 もあり、 振動板 2 7 dの撓み方向を音圧を受ける方向へ合わせること により、 音圧に対する撓み量を増大できる。
第 1 0図はコルゲート状振動板の変形例の拡大図である。 第 1 0図 の振動板 2 7 e , 2 7 f , 2 7 gにおいて、 第 9図の振動板 2 7 dと 同一の要素は振動板 2 7 dの要素と同一符号で指示して、 説明は省略 し、 対応要素については、 " d "の符号をそれぞれ" e "、 " f "、 及び" g "に変更して、 指示している。振動板 2 7 e ， 2 7 f の各面において、 凸部 6 4と凹部 6 5とは半径方向へ交互に配列され、 振動板 2 7 e , 2 7 f の肉厚が半径方向へ均一になるように、 同一の半径方向位置の 両面では、 一方の面が凸部 6 4に、 また、 他方の面には凹部 6 5にな つている。 第 1 0図 （a ) の振動板 2 7 eの光導波路 2 8 e及び第 1 0図 （b ) の振動板 2 7 f の光導波路 2 8 f は、 振動板 2 8 e , 2 8 f のコルゲ一ト形状に沿って波打ちながら振動板本体 2 9 e , 2 9 f 内を延びている。 振動板 2 7 eの光導波路 2 8 eは連続であり、 振動 板 2 7 f の光導波路 2 8 f は複数個の不連続部分 5 3を有している。 不連続部分 5 3は、 振動板 2 7 eの振動時の位相が揃うように、 一方 の面における凸部 6 4と半径方向位置を一致させて、設けられている。 第 1 0図 （c ) の振動板 2 7 gは振動板 2 7 f の変形であり、 該振動 板 2 7 gでは、一方の面の凸部 6 4と他方の面の凸部 6 4とが、また、 一方の面の凹部 6 5と他方の面凹部 6 5とが、 同一の半径方向位置に 形成されている。 これにより、 凹部 6 5のある半径方向位置では凸部 6 4のある半径方向位置に対して振動板 2 7 gの剛性が低下し、 すな わち撓み易くなり、 また、 この撓み易い位置に不連続部分 5 3が設け られている。 こうして、 振動板 2 7 gの振動に対する漏れ光 Lの量の 変化を顕著にできる。
第 1 1図は切欠き 5 8付き振動板 2 7 hを備える音圧検出モジユー ル 1 7 hの正面図、 第 1 2図は振動板 2 7 hの拡大断面図である。 音 圧検出モジュール 1 7 hにおいて音圧検出モジュール 1 7と同一の部 分は同符号で指示し、 また、 対応要素については" h "を付加した符号 で指示し、 主要点についてのみ説明する。 振動板 2 7 hは、 半径方向 へ中心から順番に円形平板部 5 5、 環状中間部 5 6、 及び周辺平板部 5 7を有している。 第 1 2図から分かるように、 円形平板部 5 5は周 辺平板部 5 7に対して振動板 2 7 hの軸方向へ突出しており、 環状中 間部 5 6は円形平板部 5 5及び周辺平板部 5 7に対して斜めに広がつ ている。 光導波路 2 8は、 振動板 2 7 hの断面輪郭線に沿って振動板 本体 2 9 h内を延びている。 第 1 1に示す境界線 5 9は円形平板部 5 5と環状中間部 5 6との境界線、 境界線 6 0は環状中間部 5 6と周辺 平板部 5 7との境界線を示している。 環状中間部 5 6には、 複数個の 切欠き 5 8が周方向へ等角度間隔に穿設されている。 各切欠き 5 8の 幅は、 図では誇張されて描かれて'おり、 実際には 5 0 mである。 切 欠き 5 8により環状中間部 5 6の可撓性が向上する。 光導波路 2 8 h は、 境界線 5 9及び境界線 6 0との交差個所において不連続部分 6 1 を有しており、 不連続部分 6 1の総計は 4個となっている。 振動板 2 7 hは、 音圧を受けると、 境界線 5 9及び境界線 6 0の個所において 振動方向へ最大の撓みになる。 不連続部分 6 1を振動板 2 7 hの最大 撓みの生じる個所に設定することにより、 音圧の単位変化量に対する 光導波路 2 8 4の両端間の光伝送量の変化量が増大する。

Claims

請求の範囲
1 . 振動を受けて振動する振動板と、
前記振動板の平面方向に延びており、 該振動板と一体的に振動する ように該振動板に装備された光導波路とを備えた振動検出装置であつ て、
前記振動板の振動に伴う前記光導波路の変形に応じて、 当該光導波 路の一端から入射した光が光導波路の外部へ漏れる光漏れ量並びに当 該光導波路の他端へ伝送される光伝送量が変化し、
この光導波路における光伝送量の変化を検出して前記振動板の振動 に伴う変位量を検出する振動検出装置。
2 . 前記振動板の振動に伴う前記光導波路の変形に応じて、 該光導 波路の変形部分の材料密度が変化し、 これによつて当該部分の屈折率 も変化し、
この屈折率の変化によって前記光導波路からの光漏れ量が変化する 請求項 1に記載の振動検出装置。
3 . 前記振動板の振動方向における前記光導波路の直径又は厚みは、 前記光導波路の変形に応じて、 該光導波路からの光漏れ量が変化する 程度の直径又は厚みに設定されている請求項 1に記載の振動検出装置,
4 . 前記光導波路の屈折率は、 該光導波路の変形に応じて、 当該光 導波路からの光漏れ量が変化するように、 不均一に設定されている請 求項 1に記載の振動検出装置。
5 . 前記光導波路は、 その延び方向の適所に不連続部分を有し、 該不連続部分を挟んで相互に向かい合つている前記光導波路の端部 位置は、 前記振動板の振動に伴って振動方向へ相対的に変位し、
これに応じて前記光導波路の不連続部分からの光漏れ量が変化する 請求項 1に記載の振動検出装置。
6 . 前記光導波路は、 前記振動板の中に装備されている請求項 1に 記載の振動検出装置。
7 . 振動を受けて振動方向へ撓む撓み部分を有する振動板と、 前記振動板の撓み部分と一体的に撓む撓み導光部分を有し、 該撓み 導光部分の撓みに応じて光伝送量が変化する光導波路と、
前記光導波路の一端に光を入射する発光素子と、
前記光導波路の他端からの出射光を受光し、 該光導波路における光 伝送量の変化を前記振動板の撓み部分の変位量に関する電気的信号と
'して出力する受光素子とを具備する振動検出'装置。
8 . 前記光導波路は、 前記振動板と共に光導波路保持体によって保 持されており、 該光導波路保持体を通して発光素子及び受光素子に対 して光学的に接続してある請求項 7に記載の振動検出装置。
9 . 前記光導波路の撓み導光部分は、 前記振動板の橈み部分におい て連続的に形成されており、
前記振動板の振動に伴う前記撓み導光部分の変形に応じて、 該撓み 導光部分の材料密度が変化し、 これによつて当該撓み導光部分の屈折 率も変化し、
この屈折率の変化によつて前記撓み動光部分からの光漏れ量が変化 する請求項 7に記載の振動検出装置。
1 0 . 前記光導波路の撓み導光部分は、 前記振動板の撓み部分にお いて連続的に形成されており、
前記振動体の振動方向における前記橈み導光部分の直径又は厚みは. 前記振動板の振動に伴う前記撓み導光部分の変形に応じて、 該撓み導 光部分からの光漏れ量が変化が変化する程度の直径又は厚みに設定さ れている請求項 7に記載の振動検出装置。
1 1 . 前記光導波路の撓み導光部分は、 前記振動板の撓み部分にお いて連続的に形成されており、
この撓み導光部分の屈折率は、 該撓み導光部分の変形に応じて、 当 該撓み導光部分からの光漏れ量が変化するように、 不均一に設定され ている請求項 7に記載の振動検出装置。
1 2 . 前記光導波路の撓み導光部分は、 前記振動板の撓み部分にお いて不連続部分を有し、 該不連続部分を挟んで相互に向い合つている前記撓み導光部分の端 部位置は、 前記振動板の振動に伴って振動方向へ相対的に変化し、 これに応じて前記不連続部分からの光漏れ量が変化する請求項 7に 記載の振動検出装置。
1 3 . 前記振動板は、 その振動方向と厚み方向が一致している振動 板で'あり、 '
前記光導波路の撓み導光部分は前記振動板の撓み部分において 1個 の不連続部分を有し、 かつ該不連続部分に対して前記光導波路の発光 素子接続側は 1本、 受光素子接続側は 2本の撓み導光部分をもって構 成されており、
前記 1本の撓み動向部分は前記振動板の厚み方向における中心部に 配置されており、 また、 前記 2本の撓み導光部分は前記振動板の厚み 方向における中心部の前部及び後部にそれぞれ配置されており、 前記不連続部分を挟んで相互に向い合つている各橈み導光部分の端 部位値は、 前記振動板の振動に伴って振動方向へ相対的に変位し、 これに応じて前記撓み導光部分の不連続部分からの光漏れ量が変化 する請求項 7、 8又は 1 2のいずれかに記載の振動検出装置。
1 4 . 前記振動体と前記光導波路及び光導波路保持体とは、 1枚の 光透過性材料から一体的に形成されている請求項 7から 1 3のいずれ かに記載の振動検出装置。
1 5 . 前記振動板は、 撓み部分の撓み性を向上させるための線状の 透孔又は溝を有している請求項 7から 1 4のいずれかに記載の振動検 出装置。
1 6 . 前記振動板は、 その振動方向と厚み方向が一致している振動 板であり、
該振動板に前記光導波路を保持させた光導波路保持体は、 前記振動 板の厚み方向に適数個配置されており、
前記適数個の光導波路保持体の一端側に設けた発光素子により各光 導波路にそれぞれ等光量の光を入射させ、 前記各光導波路保持体の他端側に設けた受光素子により各光導波路 からの出射光の光量を検出する請求項 7から 1 5のいずれかに記載の 振動検出装置。
1 7 . 前記振動板及び光導波路保持体は実質的に円形であり、 前記光導波路保持体に光学的に接続される前記発光素子及び前記受 光素子ば、 前記振動板の周辺部及び光導波路保持体を包囲するように 装着されるフレキシブル基板に配備されている請求項 1 4又は 1 5に 記載の振動検出装置。
1 8 . 前記振動板の周辺部及び光導波路保持体はセラミック層の間 に挟まれており、 前記光導波路保持体に対して光学的に接続される前 記発光素子及び前記受光素子も複数のセラミック層に埋設されている 請求項 1 4又は 1 5に記載の振動検出装置。
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