CN1433663A - 光学声电换能器 - Google Patents

Abstract

一种通过利用光接收单元接收设置在底板中心的发光器件发出的光的反射部分，具有8字型方向图形的光学声电换能器，该底板平行于振动片、具有通过其可进入声音的开口并与支撑侧板相连。一种通过利用混合电路混合多个具有厚度互相不同振动片的光学麦克风的输出，具有均匀振幅特性的光学声电换能器，可以使接收灵敏度在不同频率范围均匀。一种通过对应于多个平行设置的多个振动片设置多个发光器件(LD)和多个光接收单元(PD)，具有宽带特性的小尺寸定向光学声电换能器。

Description

光学声电换能器

技术领域

本发明涉及利用光将振动片的振动位移转换为电信号的光学声电换能器。

背景技术

有一种用作声电换能器的麦克风。通常，为了垂直于麦克风振动片、在声波的入射方向提供灵敏度尖锐方向性，需要这样配置麦克风装置以使声波不仅入射到振动片的前部，而且入射到振动片的后部。

对于过去广泛使用的动态麦克风，它具有这样的配置，其中为了检测振动片产生的声波，将线圈安装在振动片上，因此线圈等承受从后面进入的声波，以致振动板不能始终象只入射在前部那样振动。然而，难以提供这样的配置，即振动片的前部和后部均全部打开以承受从前部和后部入射的声波。

此外，对于电容式麦克风，它具有这样的配置，其中在通过检测因为振动片的振动引起的电容变化来检测声波时，从结构上说，不能打开后部，以阻止从后部入射的声波。因此，理想的情况是，诸如麦克风的声电换能器在其后部像在其前部那样，什么也没有。

此外，采用光学器件的光学麦克风装置是一种众所周知的麦克风。

例如，第8-297011号日本专利申请未决公开披露了一种采用一对光纤的光纤传感器，在其配置中，光从与光源相连的一条光纤辐照到振动介质，并利用另一条光纤检测该光，指出它适用于麦克风。

用作光学麦克风装置的光学麦克风器件包括：振动片，因为声压产生振动；发光器件，用于将光束辐照到此振动片上；以及光接收单元，用于接收振动片反射的反射光并输出对应于振动片的振动位移的信号。

因此，可以检测因为声波冲击振动片引起的振动片振动位移，而无需接触此振动片，并且可以将检测的振动位移转换为电信号，所以不再需要在振动片上设置振动检测系统，振动部分的重量可以更轻，并且可以有效跟踪声波的微弱振动。

本发明的第一个目的是，为了解决上述第一个问题，提供一种作为其方向特性的仅在垂直于振动片的方向具有方向性的声电换能器。

此外，对于现有技术的麦克风，利用一个光学麦克风器件配置此麦克风装置，使一个振动片覆盖从低频到高频的频率特性。

通常将这种麦克风特性称为单音特性，其中频率范围实际上大致限制在50Hz至20KHz，如图11所示。

因此，由于现有技术光学麦克风装置使用只用一个振动片的一个光学麦克风器件，所以难以利用一个振动片对从低频到高频进行控制使其灵敏度(振幅)平坦。总之，通过增加振动片的厚度，可以相关地提高低频带灵敏度，而通过降低其厚度，可以提高高频带灵敏度。

因此，因为振动片具有这种物理特性，所以难以实现在宽频带范围内其灵敏度(振幅)频率特性平坦的光学麦克风装置。

本发明的第二个目的是，为了解决现有技术中的此第二问题，提供一种类似于在宽频带范围内其灵敏度(振幅)特性平坦的光学麦克风装置的声电换能器。

此外，如果通过设置多个现有技术光学麦克风器件配置宽频带光学麦克风装置，则存在的缺陷是，振动片不能闭合，或者其形状会变大。因为此原因，所以难以实现小型宽频带定向麦克风装置。

此外，由于麦克风装置的振动片的大小是固定的，所以难以设置具有特征的频率特性，并且难以实现在宽频带内有效的麦克风装置。

本发明的第三个目的是，为了解决上述第三个问题，提供一种具有宽频带频率特性的小型定向声电换能器。

发明内容

为了实现本发明的上述第一目的，根据本发明的声电换能器具有这样的配置，其中设置：振动片，因为声压产生振动；发光器件，用于将光束辐照到上述振动片上；光接收单元，用于接收辐照到上述振动片上的上述光束的反射光并输出对应于上述振动片振动位移的信号；底板，具有安装在其上的上述发光器件和上述光接收单元，并对着上述振动片设置该底板；以及支撑侧板，用于耦合上述振动片和上述底板使它们大致平行并靠近，并将上述发光器件和光接收单元大致设置在上述底板的中心位置，该底板周边设置有第一开口，其尺寸允许声波进入。

可以设置多个上述第一开口。此外，还可以在上述声电换能器的上述支撑侧板上设置其尺寸允许声波入射第二开口。不仅如此，还可以设置多个上述第二开口。

为了实现上述第二目的，根据本发明的声电换能器具有这样的配置，其中对声电换能器设置：振动片，因为声压产生振动；发光器件，用于将光束辐照到上述振动片上；光接收单元，用于接收辐照到上述振动片上的上述光束的反射光并输出对应于上述振动片振动位移的信号；支架，用于放置并固定多个上述声电换能器件以将上述各振动片大致定位到同一个平面上；光源驱动电路，通过将预定电流送到上述多个声电换能器件的每个发光器件来驱动上述发光器件；以及混合电路，用于混合上述多个声电换能器件的每个光接收单元产生的输出信号，上述多个声电换能器件的每个振动片的厚度不同，以致在互相不同频率范围内具有大致一致的接收灵敏度。

在上述声电换能器中，可以设置上述声电换能器件使其具有发光与光接收器件，其中将上述发光器件和光接收单元设置在同一个衬底上，并且上述发光器件是将其设置在上述衬底的中心的、其发射光光强分布大致同心均匀的垂直空腔表面发射发光器件，围绕上述发光器件同心设置上述光接收单元。

此外，可以近乎平行于上述衬底并靠近上述衬底设置上述振动片。

这样设置上述声电换能器件，以使上述振动片曝露在形成在上述支架的支架的架表面上的开口内。

此外，还可以在1Hz至100KHz频率范围内使上述混合电路的输出信号的灵敏度的频率特性大致平坦。

为了实现上述第三目的，根据本发明的光学声电换能器在其外壳内具有：振动片，因为声压产生振动；发光器件，用于将光束辐照到上述振动片上；以及光接收单元，用于接收上述振动片反射的反射光并通过将上述振动片的声位移转换为电信号的变化，输出上述振动片的声位移，其中设置多个振动片并对应每个振动片设置多个上述光接收单元。并且在此第一实施例中，设置多个光接收单元以使所述多个光接收单元与多个振动片中的每个振动片和光接收单元相对应。此外，第二实施例具有这样的配置，其中设置一个发光器件，并且通过对应于多个振动片中的每个振动片的反射路径，多个光接收单元接收此单个发光器件发出的光束。此外，通过保持预定间隔，将多个振动片平行设置在不同平面上，或者将它们互相分离设置在同一个平面上。不仅如此，例如，这些振动片包括同样厚度但不同大小的振动片的组合以分别具有不同基频。此外，根据本发明的第一实施例还将多个发光器件中的每个发光器件和与其对应的光接收单元设置在同一个平面上，而第二实施例将一个发光器件与多个光接收单元设置在同一个平面上。优先将垂直空腔表面发光激光器(VCSEL)用作发光器件，并采用如下配置和类似配置。

(i)同心地围绕其发射光大致具有均匀光强分布的VCSEL设置光接收单元。(ii)对外壳设置多个开口，以致通过这些开口，声音可以到达上述振动片。(iii)多个振动片中的一些振动片具有半透明反射镜效果。或者(iv)通过设置在外壳内的半透明反射镜装置分布光束从而使其辐照到每个振动片上。

附图说明

图1示出根据本发明实施例的光学麦克风装置配置的分解透视图。

图2示出根据本发明I的光学麦克风装置的侧视图；

图3示出根据本发明I的光学麦克风装置的侧剖视图；

图4示出根据本发明I另一个实施例的光学麦克风装置配置的侧剖视图和平面图；

图5示出根据本发明I的光学麦克风装置的基本原理图；

图6示出麦克风装置的方向特性图；

图7示出作为本发明II实施例的光学麦克风装置配置的电路框图；

图8示出用于本发明II的光学麦克风器件配置的平面图和侧剖视图：

图9示出用于本发明II的光学麦克风器件的振动片的厚度与振幅之间相对于频率的关系的示意图；

图10示出用于本发明II的复合光学麦克风器件的频率振幅特性；

图11示出现有技术的单音型麦克风的频率振幅特性；

图12示出根据本发明III第一实施例的声电换能器配置的示意图；

图13示出根据本发明III第二实施例的示意图；

图14示出根据本发明III第三实施例的示意图；

图15示出根据本发明III第四实施例的示意图；

图16示出根据本发明III的声电换能器的方向性示意图；

图17示出根据本发明III的声电换能器的频率和灵敏度特性示意图；

图18示出根据本发明III第五实施例的示意图；以及

图19示出根据本发明III第六实施例的示意图。

实施例

以下将参考附图，以光学声电换能器为例说明根据本发明光学声电换能器的配置和运行过程。根据目的和配置，大致可以将本发明分为3种类型。因此，在以下的说明中，为了方便起见，分别将实现上述第一目的、第二目的和第三目的的本发明称为本发明I、本发明II以及本发明III。以下将按顺序说明本发明I、本发明II以及本发明III的配置。[本发明I]

图5示出在侧向没有方向性(以下简称为完全方向特性)的光学麦克风装置的基本原理图。

将因为声波的声压产生振动的振动片3大致设置在外壳5的中心。在振动片3的后部设置发光器件2和光接收单元4，因此发光器件2发出的入射光束L1被振动片3反射为反射光L2，并被光接收单元4接收。因此，在反射光L2的光接收位置发生变化时，就可以利用光接收单元4检测振动片3的振动位移。

在这种情况下，声波6从振动片3的前部入射，声波7从其后部入射，其中如果相应声压相位相同，则振动片3不发生振动，并且光接收单元4不产生输出。

相反，如果a+b的声波6从振动片3的前部入射，而a声波7从其后部入射，则声波a互相抵销，并且只有声波b被振动片3检测到。

在此，在一般环境噪声情况下，麦克风的前部和后部的噪声等输入具有相同相位和振幅。因此将其称为声波a。

相反，只有作为b的语音信号仅从麦克风的前部进入，并且因此只有噪声a被振动片抵销，而只获取语音b。

因此，通过实现允许声波从前部和后部到达振动片的配置，可以获取语音信号，从而降低噪声。此外，通过实现这种配置，可以实现完全方向特性，如图6中的虚线所示。

图1至图3示出作为根据本发明I的实施例的光学麦克风装置配置的示意图，其中图1示出分解透视图，图2示出侧视图，图3示出侧剖视图。

如图1和图3所示，本发明I具有作为一件式发光与光接收器件10形成的并安装在衬底9上的发光器件和光接收单元。靠近底板12的中心安装衬底9。大致平行于振动片3并靠近振动片3设置底板12。

形成用于耦合底板12和振动片3的支撑侧板30，如图2所示。此外，形成此支撑侧板30来全部围绕底板12和振动片3并非总是必要的，但是例如，如图1所示，通过在底板12周边上安装支柱35来配置它，并将振动片3的周边8连接到这些支柱35的下端却是实际的。

它具有这样的配置，其中其上安装了发光与光接收器件10的衬底9与端子11相连，并通过此端子11向发光与光接收器件10及其外围电路提供电能并发送所需信号。此外，本发明I具有设置在底板12上的开口20以接收振动片3的后部入射的声波。

如图1所示，还可以通过在围绕发光与光接收器件10的周边设置多个圆孔来形成这些开口20。通过在底板12上形成这种开口20，可以使噪声从后部进入振动片3。

此外，除了在底板12上设置开口20之外，还可以对支撑侧板30设置开口25以允许声波进入，如图2所示。然而，如果在支撑侧板30上提供开口25具有非常大的开口面积，则振动片3的前部产生的语音会通过这些开口25衍射进入到其后部，从而将语音抵消，因此最好设置足够大小的开口。

图4示出根据本发明I的另一个实施例的示意图，即示出光学麦克风器件的头部配置的示意图。

图4(a)示出剖视图形状，其中在外壳51的底部58上设置电子电路板62，并将在其上设置发光器件和光接收单元的衬底59安装在此电路板62上。例如，还可以利用倒装片接合法，通过电连接衬底59和电路板62，来安装它。此外，如果为底部58配置诸如硅的半导体衬底，可以省略电子电路板62，因为可以将电子电路设置在半导体衬底上。此外，图4所示的实施例将垂直空腔表面发光激光二极管LD用作发光器件，并将光电二极管PD用作光接收单元。将圆形垂直空腔表面发光激光二极管LD设置在衬底59的中部，并围绕LD同心设置光接收单元PD。

图4(b)示出在其上安装图4(a)虚线包围区域所示发光器件和光接收单元的衬底59的光接收部分和发光部分的放大平面图。

如图所示，将圆形发光器件LD设置在中心，并围绕它设置光接收单元PD1、PD2、...PDn。此外，还可以将垂直空腔表面发光激光器用作在此使用的发光器件LD。

利用半导体制造方法，可以在砷化镓晶片上同时制造这些发光器件LD和光接收单元PD。

因此，发光器件LD与光接收单元PD之间的对准精度由半导体制造过程中使用的掩模精度确定，因此由于其对准精度为1μm甚至更低，所以与现有技术的光学麦克风器件的发光器件与光接收单元的对准精度相比，可以使其实现百万分之一甚或更低的高精度。

总之，垂直空腔表面发光器件的特征在于，其发射光的光强分布大致同心均匀。因此，设置在中心的发光器件LD以预定角度对振动片52辐照的辐射光以同样光强被同心反射，并且因为收到声波57，振动片52发生振动，改变了其反射角，以致它同心地到达光接收单元PD。

因此，通过检测同心设置的光接收单元PD1、...PDn接收的光量的变化，可以检测振动片52的振动位移。由于它可以检测入射声波57的强度，所以它可以用作光学麦克风器件。

此外，为了驱动发光器件LD和光电检测单元PD，或者为了检测入射光量，形成电极61。

此外，与图1至图3所示的实施例相同，将未示出的开口设置在外壳51的侧壁和底部58。

由于此实施例使用在同一个平面上以单片结构配置的垂直空腔表面发光器件(VCSEL)和光电二极管(PD)作为发光器件和光接收单元，所以它非常小，可以确保在振动片的后部具有较大空间并且可以消除声阻。

此外，本发明I并不局限于光学麦克风装置，还可以应用于光学传感器。[本发明II]

图7示出作为本发明II实施例的光学麦克风装置配置的电路框图。

根据本发明II，形成光学麦克风器件，该光学麦克风器件是通过分别组合多个其振动片厚度相互不同的光接收单元M1、M2、...M6构成的，它具有这样的配置，其中将其每个光接收单元的输出输入到混合电路71进行混合并产生输出信号72。以这样的方式对它进行配置，以致将预定驱动电流从光源驱动电路70送到每个光学麦克风器件M1至M6的发光器件。

图8示出通过组合多个光学麦克风器件M1至M6配置的复合光学麦克风器件的配置，其中(a)示出顶视图，图(b)示出侧视图。

如图8(b)所示，通过利用屏蔽板85将每个光学麦克风器件M1至M6截断，配置光学麦克风器件M1至M6，并放置和固定它们，从而将多个光学麦克风器件M1至M6的振动片82大致与支架84和86定位在同一个平面上。每个光学麦克风器件均包括：安装在衬底(未示出)上的发光器件81和光接收单元83，以及大致平行于在其上安装了发光器件81和光接收单元83的衬底并靠近衬底设置的振动片82，每个光学麦克风器件分别具有这样的配置，其中发光器件81发出的光束被振动片82反射，并被光接收单元83接收，因此可以获取对应于振动片82的振动位移的信号。

如图8(a)所示，设置振动片82，以使振动片82在形成在支架84和86的支架表面86上的开口内暴露。

将这些振动片82设置在与支架表面86位于同一个平面内，并固定在支架84和86上。

图4(b)示出用于本发明II的光学麦克风器件M1至M6的发光器件和光接收单元的配置。

将垂直空腔表面发光激光二极管LD和诸如光电二极管的光接收单元PD设置在砷化镓衬底59上。将激光二极管LD形成在衬底59的中心，并围绕它同心地形成多个光接收单元PD。激光二极管LD和光接收单元PD伸出电极8。

垂直空腔表面发光激光二极管LD的特征在于，其发射光的光强分布大致同心均匀，其中激光二极管LD同心地辐照的激光束被振动片同心反射，并且被光接收单元PD作为接收信号接收。

此外，对于图4(b)所示的发光与光接收器件，利用差分输出来设置光接收单元，因为它们同心设置在多个圆上，因此，可以消除诸如激光二极管LD的温度变化产生的误差。

在此，将说明用于本发明II的光学麦克风器件振动片。

图9示出振动片的厚度t与振幅特性之间关系。

更具体地说，在接收波声波的频率f低的情况下，振动片的厚度t越薄，则振幅越大。如果频率高，厚度t越厚，则振幅越小。

由于本发明II采用此特性，所以多个光学麦克风器件M1至M6的相应振动片的厚度的不同就可以在互相不同频率范围内具有大致均匀的接收灵敏度。

更具体地说，对于每个光学麦克风器件的振动片，声波的再现频率范围受到限制，因此将振动片的厚度设置得与频率范围一致。

图10示出在改变每个光学麦克风器件M1至M6振动片的厚度并分别指定每个振动片的再现频率情况下的振幅特性。

例如，指定光学麦克风器件M1可以在最低频范围内再现声波，指定光学麦克风器件M6在最高频范围内再现声波。在这种情况下，需要将光学麦克风器件M1的振动片厚度设置为最厚，而将光学麦克风器件M6的振动片厚度设置为最薄。

因此，通过以这样的方式选择振动片的厚度，以致根据对每个光学麦克风器件指定的频率范围使其振幅特性大致变平，可以实现图10所示的振幅特性。

此外，光学麦克风器件M1至M6的振幅特性分别对应于图10所示的A1至A6。

通过将多个光学麦克风器件的振幅特性输入到图7所示的混合电路71并使它们同步，可以实现在整个频率范围内具有平坦振幅特性(如图10所示)的复合光学麦克风器件。

因此，根据本发明，可以实现其混合电路71输出的灵敏度频率特性在1Hz至100KHz范围内大致是平坦的光学麦克风装置。此外，通过为光学麦克风器件配置以单片结构设置的垂直空腔表面发光激光(VCSEL)二极管和光电二极管(PD)，还可以实现小型化。因为此原因，即使组合多个光学麦克风器件，也可以实现小型化。[本发明III]

图12示出根据本发明III的声电换能器的第一实施例，其中(a)示出其剖视图，(b)示出其外形图。

在图12所示的实施例中，将振动片2-1至2-5以预定间隔平行设置在不同平面上，对应于相应振动片2-1至2-5，设置发光器件LD1至LD5和光接收单元PD1至PD5。振动片2-1至2-5是同样厚度、不同大小的圆盘结构。将相应振动片2-1至2-5分别安装到在外壳91内形成的振动片固定件4-1至4-5上。此外，将发光器件LD1至LD5和光接收单元PD1至PD5分别安装到发光与光接收器件固定件5-1至5-5上。通过电子电路板99，将驱动电流送到发光器件LD1至LD5，并从光接收单元PD1至PD5获取光接收电流。此外，为了确保进入的声波到达振动片2-1至2-5并具有到其前部和后部的方向性，对外壳91和固定件4-1至4-5和5-1至5-5设置大量开口3。在聚焦位于相应振动片2-1至2-4中心的发光器件LD1至LD4辐照的光时，靠近的振动片2-2至2-5成为障碍。因此，为了通过入射光和反射光，在较近振动片上设置小孔6，如图12(c)所示。在此，如下表达式给出图12所示的振动片2-1至2-5的基本谐振频率F。 $F_0=(.467t/R^2\sqrt{\{Q/\mathrm{\ρ}(1-{\mathrm{\σ}}^2)\}}$

其中，t＝振动片的厚度(cm)

R＝振动片到外围固定位置的半径(cm)

p＝密度(g/cm³)

σ＝泊松比

Q＝杨氏模量(dyne/cm²)

更具体地说，由于基本谐振频率F0与振动片半径的平方成反比，所以如果将半径除2，就可以获得四倍频。此外，对于基本谐振频率或其偶数倍的谐振频率，它就变成除法模式，其中绕着其中心振幅最大，并且在光聚焦在其上时，谐振频率附近的灵敏度极高。因此，在此实施例中，将振动片2-1至2-5的半径设置为， $1:\sqrt{3}:\sqrt{5}:\sqrt{9}:\sqrt{20}$ 其中相应谐振频率被叠加以覆盖宽频带。在此，由于话音频带被加强，将最高振动片2-5的基本谐振频率设置为100Hz。因此，在接近100Hz至3,000Hz的频率范围内，可以实现极高灵敏度，如图17所示。

此外，如果各振动片之间的间隔大，则即使在低频情况下，方向性仍会进一步变坏，因为存在相位差，因此最好使振动片之间的间隔尽可能小。在此，将间隔约设置为2mm，以致在20kHz的频率特性以下可以实现稳定灵敏度。

图13示出根据本发明III第二实施例的声电换能器的断面结构。此实施例与第一实施例的不同之处在于，将发光器件LD和光接收单元PD安装在同一个固定件97上。与第一实施例相比，采用这种配置可以使声电换能器的外形实现小型化。

图14示出根据本发明III第三实施例的声电换能器的断面结构。

根据本发明III，将发光器件和光接收单元安装在与图13所示的实施例相同的固定件97上。尽管对于图12和图13所示的实施例，需要在靠近的振动片上设置小孔6以刚好通过入射光和反射光，但是通过分别设置振动片2来改变侧面，对它进行配置，以避免由于设置孔106并使小孔位于固定件4-2和4-3以通过光而改变振动片(2-1至2-5)的形状和频率特性。这样就不必在振动片上设置小孔。此外，对于如图14所示的声电换能器，可以将垂直空腔表面发光激光二极管(VCSEL)用作发光器件并使用如图4所示同心围绕发光器件设置的发光与光接收器件。

图15示出根据本发明III第四实施例的声电换能器的原理框图，其中(a)示出其剖视图，(b)示出其外形图。此实施例将所有振动片(2-1至2-5)安装在位于同一个平面上的固定件94上。此外，对应于每个振动片，将发光器件和光接收单元类似地安装在同一个固定件97上。采用这种配置，可以减小垂直厚度，而加大水平厚度。在此实施例中，还可以使用如图4所示的发光与光接收器件。

通过使用上述配置，通过合成多个振动片输出的灵敏度特性最终获得的方向性具有图16所示的形式。尽管由于在背面存在其它振动片、发光器件、光接收单元以及其它部件会少许降低增益，但是仍可以实现具有前向和后向尖锐方向性的声电换能器。

此外，对于如图15所示水平设置的振动片情况，与垂直设置相比，会恶化高频特性，前向和后向方向特性与图16所示的垂直情况大致相同。

如上所述，通过组合多个光学麦克风装置，可以配置宽频带定向麦克风装置。

然而，在这种配置的装置中，在组合多个器件时，以1∶1的比例使用发光器件和振动片，因此需要多对振动片与发光器件组合。

因此，振动片与发光器件之间为1∶1关系的此装置的问题在于，不能靠近设置振动片，或者说它们的形状变大了。因此，作为进一步改进，本发明具有这样的配置，其中为了实现具有宽频带特性的小尺寸定向光学麦克风装置，并为了通过减少所使用的较昂贵发光器件数量来降低成本，使多个振动片与一个发光器件相连。因此，可以减少发光器件的数量，从而实现具有宽频带方向性的小尺寸光学声电换能器。

以下将对其具体配置进行说明。

图18示出根据进一步改进本发明III的第五实施例的声电换能器剖视图。

在外壳101内垂直设置并逐步安装多个振动片2a、2b和2c。

并且将一个发光器件103安装在这些垂直设置振动片的下部。

此外，在安装发光器件103的同一个平面上分别设置并安装光接收单元4a、4b和4c。

此外，在外壳101的外壁表面、振动片2a、2b和2c的固定件以及发光器件103和光接收单元4a至4c的固定板上设置从外部入射声波的开口5。

通过设置这种开口105，对它进行配置以从相应振动片2a和2b的正面和背面都能入射声波。

因此，光学麦克风装置在振动片的正面和背面具有双方向性。

此外，最好将VCSEL用作发光器件103。

发光器件103辐照的激光束入射到振动片2a上并被部分反射，然后入射到光接收单元4a。

此外，其一部分通过此振动片2a，然后入射到振动片2b。

在此反射入射到振动片2b的光，然后入射到光接收单元4b。

此外，通过振动片2b的光入射到振动片2c，并被振动片2c反射，然后入射到光接收单元4c。

因此，需要对振动片2a和2b采用具有半透明反射镜效果的材料。

这样分别确定振动片2a、2b和2c的形状，以致它们具有不同声谐振频率。

在图18所示的例子中，各振动片具有不同尺寸。

因此，小尺寸振动片2c具有高谐振频率，而大尺寸振动片2a具有低谐振频率。

于是，利用不同形状振动片并对3个振动片的输出求和获得的频率特性为宽频带频率特性。

也就是说，为了在要求的频率范围内获得高增益，可以通过合成3个振动片2a、2b和2c的峰值特性形成声音接收特性。

此外，尽管通过对3个光接收单元4a至4b的输出求和获得的输出特性会受到位于背面的其它振动片、发光器件103以及光接收单元4a至4c的影响，并且降低少量增益，但是因为开口105允许振动片自由振动，所以可以具有前向和后向尖锐方向性。

此外，尽管具有图18所示的布局，也无需始终将发光器件103和光接收单元104设置在同一个平面上。

此外，通过分别确定多个振动片2a至2c的形状足以使它们具有不同声谐振频率，而不必使它们只具有不同大小，并且还可以通过分别改变它们的厚度来使它们具有不同声谐振频率。

图19示出根据进一步改进的本发明III的第六实施例的声电换能器的剖视图。

此实施例将振动片2a和2b设置在同一个平面上。

不仅如此，还将发光器件103和光接收单元4a和4b设置在同一个平面上。

此外，将半透明反射镜106设置在外壳101内的预定位置。

发光器件103辐照的光被半透明反射镜106部分反射、投射到振动片2a，并被振动片2a反射，从而入射到光接收单元4a。

另一方面，通过半透明反射镜106的部分光入射到振动片2b，并被振动片2b反射，从而入射到光接收单元4b。

因此，发光器件103辐照的光被半透明反射镜106分配，并分别被振动片2a和2b反射从而入射到光接收单元4a和4b。

根据图19所示的配置，可以进一步小型化声电换能器，因为与图18所示配置相比，垂直长度可以更短。

此外，在图19所示的配置中，还可以使振动片2a和2b分别具有不同形状从而使它们具有不同声谐振频率。

这样合成的声特性即使在宽频带范围内也具有此增益。

此外，通过将VCSEL用作发光器件103，还可以使发光光束具有极小的直径，并且可以自由设置足以对振动片与发光器件之间的距离提供自由度的焦距。

因此，根据本发明III的上述改进装置，可以互相靠近设置振动片，此外还可以具有这样的配置，即在它们之间没有障碍，从而通过对其相应振动片的双方向性求和，实现具有极尖锐方向性并使其频率特性扩展到高频的麦克风装置。

尽管以上以光学麦克风装置为例对本发明I至III的配置进行了说明，但是，显然，本发明并不局限于此光学麦克风装置，本发明还可以应用于声传感器等。工业应用

正如以上根据实施例详细说明的那样，根据本发明I，可以在其上对着振动片设置发光与光接收器件的底板上设置开口，从而主要使噪声入射到振动片上并因此降低噪声。并且还可以使方向图形接近8字型理想形状。

此外，根据本发明II，可以实现其振幅特性在宽频带范围内大致均匀的声电换能器，因为配置了通过组合多个声电换能器件构成的声电换能器件并且组合多个声电换能器件的相应振动片的厚度以使接收灵敏度在不同频率范围内大致一致。

因此，可以将根据本发明的声电换能器广泛用作适于未来的数字时代，音乐的麦克风装置。此外，它不仅可以用作麦克风装置，而且可以用作声传感器。

不仅如此，根据本发明III，通过采用这样的配置，其中将多个振动片设置在同一个平面上或不同平面上，并与其对应设置发光与光接收器件，可以实现尺寸小、具有宽频带特性的良好方向性声电换能器。此外，还可以实现通过改变相应振动片的大小来改变频率特性并在宽频带范围内有效采集声音的声电换能器。

此外，通过将VCSEL用作发光器件，可以使发光光束的直径极小，从而相对自由地设置焦距。

因此，可以对振动片与发光器件之间的距离提供自由度。

可以互相靠近地设置多个振动片，而且在它们之间没有障碍，从而通过对各振动片的双方向性求和实现具有极尖锐方向性和扩展到宽频带的特性的声电换能器。

不仅如此，如果使用不同直径的振动片，则利用各振动片直径确定的谐振频率差值，可以任意改变频率特性。因此，利用最有效频带，可以实现极高灵敏度定向声电换能器。此外，通过对一个发光器件设置多个振动片对它进行进一步改进，可以实现具有成本优势的定向声电换能器。

Claims (22)

1.一种光学声电换能器，所述换能器包括：

振动片，因为声压产生振动；

发光器件，用于将光束辐照到所述振动片上；

光接收单元，用于接收辐照到所述振动片上的所述光束的反射光并输出对应于所述振动片振动位移的信号；

底板，其上具有对着所述振动片设置的所述发光器件和所述光接收单元；以及

支撑侧板，用于连接大致平行并靠近安装的所述振动片和所述底板，

其中将所述发光器件和光接收单元大致设置在所述底板的中心，该底板周边设置有第一开口，其尺寸允许声波进入。

2.根据权利要求1所述的光学声电换能器，其中设置多个所述第一开口。

3.根据权利要求1或2所述的光学声电换能器，其中在上述支撑侧板上设置其尺寸允许声波入射的第二开口。

4.根据权利要求3所述的光学声电换能器，其中设置多个所述第二开口。

5.一种光学声电换能器，所述换能器包括：

光学声电换能器件，具有：振动片，因为声压产生振动；发光器件，用于将光束辐照到所述振动片上；以及光接收单元，用于接收辐照到所述振动片上的光束的反射光并输出对应于所述振动片的振动位移的信号；

支架，用于放置并固定多个所述光学声电换能器件以将所述各振动片大致定位到同一个平面上；

光源驱动电路，通过将预定电流送到所述多个光学声电换能器件的每个发光器件来驱动所述发光器件；以及

混合电路，用于混合所述多个光学声电换能器件的每个光接收单元产生的输出信号，

其中所述多个光学声电换能器件的各振动片的厚度不同，以致在互相不同频率范围内具有大致一致的接收灵敏度。

6.根据权利要求1或5所述的光学声电换能器，

其中所述光学声电换能器件具有发光/光接收器件，其中将所述发光器件和所述光接收单元设置在同一个衬底上，所述发光器件是将其设置在所述衬底的中心、其发射光光强分布大致同心均匀的垂直空腔表面发光发光器件，围绕所述发光器件同心设置上述光接收单元。

7.根据权利要求2所述的光学声电换能器，

其中大致平行于所述衬底并靠近所述衬底设置所述振动片。

8.根据权利要求1至3之任一所述的光学声电换能器，

其中这样设置所述光学声电换能器件以使所述振动片曝露在形成在上述支架的支架表面上的开口内。

9.根据权利要求1至4之任一所述的光学声电换能器，

其中可以在1Hz至100KHz频率范围内使所述混合电路的输出信号的灵敏度实现大致平坦的频率特性。

10.一种光学声电换能器，该光学声电换能器在其外壳内具有：振动片，因为声压产生振动；发光器件，用于将光束辐照到所述振动片上；以及光接收单元，用于接收所述振动片反射的反射光并将所述振动片的声位移转换为电信号来输出转换的电信号，

其特征在于，设置多个振动片，并对应各振动片设置多个所述光接收单元。

11.根据权利要求10所述的光学声电换能器，

其中对应于所述多个光接收单元中各接收单元和振动片，设置多个发光器件。

12.根据权利要求10所述的光学声电换能器，

其中通过对应于所述多个振动片中各振动片的反射路径，所述多个光接收单元接收一个发光器件发出的光束。

13.根据权利要求10所述的光学声电换能器，

其中在保持预定间隔设置的各不同平面上平行设置所述多个振动片。

14.根据权利要求10所述的光学声电换能器，

其中在同一个平面上互相分离设置所述多个振动片。

15.根据权利要求10所述的光学声电换能器，

其中所述多个振动片包括分别具有不同基础频率的各振动片的组合。

16.根据权利要求15所述的光学声电换能器，

其中所述多个振动片包括具有同样厚度的各种不同尺寸振动片的组合。

17.根据权利要求11所述的光学声电换能器，

其中将所述多个发光器件中的每个发光器件设置在与其对应的光接收单元的同一个平面上。

18.根据权利要求12所述的光学声电换能器，

其中将一个发光器件和所述多个光接收单元设置在同一个平面上。

19.根据权利要求10至15之任一所述的光学声电换能器，

其中所述发光器件包括其发射光的光强分布大致同心均匀的垂直空腔表面发光激光器，并且围绕所述激光器设置所述光接收单元。

20.根据权利要求10所述的光学声电换能器，

其中这样对所述外壳设置多个开口，以致可以通过所述开口使声音到达所述振动片。

21.根据权利要求12所述的光学声电换能器，

其中所述多个振动片中的一些振动片具有半透明反射镜效果。

根据权利要求12所述的光学声电换能器，

其中以这样的方式通过设置在所述外壳内的半透明反射镜装置分配光束，以致将分配光束辐照到各所述振动片上。

22.根据权利要求12所述的光学声电换能器，

其中以这样的方式通过设置在所述外壳内的半透明反射镜装置分配光束，以致将分配光束辐照到各所述振动片上。

Images