DE60222744T2

DE60222744T2 - Schwingungssensor

Info

Publication number: DE60222744T2
Application number: DE60222744T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Tokorozawa-shi MIYAZAWA; Yoshikazu Midori-ku Yokohama-shi OKA
Original assignee: Kenwood KK
Current assignee: Kenwood KK
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2022-02-09
Also published as: US7114395B2; DE02711415T1; EP1367855A4; JP3951613B2; JP2002243537A; WO2002065812A1; EP1367855B1; US20040067005A1; DE60222744D1; EP1367855A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungsdetektor, der beispielsweise auf ein Mikrophon anwendbar ist, und insbesondere betrifft sie einen Schwingungsdetektor, welcher Schwingung durch Einsatz von Licht detektiert.
STAND DER TECHNIK
Ein gewöhnliches Mikrophon wandelt eine Lageänderung der Membran, die in Reaktion auf Schalldruck schwingt, mittels einer Spule oder eines Kondensators zu einem elektrischen Signal. Es wurde ein Mikrophon jenes Typs vorgeschlagen, bei dem die Schwingung der Membran unter Einsatz von Licht zu einem elektrischen Signal gewandelt wird. Ein bekanntes Mikrophon, das zu einem solchen Licht nutzenden Typ gehört, wird anhand der 15 bis 17 beschrieben. Bei einem in 15 veranschaulichten Mikrophon 70 mit Lichtdetektion besitzt eine Membran 72, die an der Vorderseite eines Gehäuses 71 angebracht ist, auf der Innenseite eine Spiegelfläche und schwingt in Reaktion auf eine sich ausbreitende Schallwelle vor und zurück. Am Gehäuse 71, das an seiner Innenwand eine Spiegelfläche besitzt, ist am vorderen offenen Ende die Membran 72 angebracht und empfängt Schalldruck; außerdem ist am Gehäuse 71 ein Trennblech 75 so montiert, dass ein Spalt 76 zwischen dem oberen Teil des Trennblechs 75 und der Membran 72 verbleibt und dass das Innere des Gehäuses 71, den Spalt 76 ausgenommen, in zwei Räume geteilt wird. Ein Lichtemissionselement 73 und ein Lichtempfangselement 74 sind in den getrennten Räumen in Bezug auf das Trennblech 75 einander gegenüberliegend angeordnet. Das aus dem Lichtemissionselement 73 emittierte Licht wird an der inneren Spiegelfläche der Membran 72 reflektiert, woraufhin es den Spalt 76 passiert und ins Lichtempfangselement 74 eintritt. Eine Kondensorlinse 78 ist auf einem optischen Weg zwischen dem Lichtemissionselement 73 und der Membran 72 angeordnet und konvergiert Licht an einer zuvor bestimmten Stelle der Membran 72. Eine weitere Kondensorlinse 79 ist auf einem optischen Weg zwischen der Membran 72 und dem Lichtempfangselement 74 angeordnet und konvergiert von der Membran 72 reflektiertes Licht am Lichtempfangselement 74. Die Größe des Spalts 76 verändert sich mit der schwingungsbedingten Lageänderung der Membran 72, so dass die Stärke des vom Lichtempfangselement 74 empfangenen Lichts die Funktion einer Größe der schwingungsbedingten Lageänderung der Membran 72 darstellt. Auf diese Weise kann ein elektrisches Signal, das zu einem Schalldruck in Bezug steht, aus der Stärke des vom Lichtempfangselement 74 empfangenen Lichts erzeugt werden.
Bei 16 und 17 handelt es sich jeweils um ein schematisches Diagramm und um ein detailliertes Diagramm, die ein Mikrophon 83 mit Lichtdetektion darstellen, bei welchem Licht entsprechend einer weiteren herkömmlichen Technik genutzt wird. Eine Monitor-Photodiode 85 detektiert die Stärke von Laserlicht, das von einem Halbleiterlaser 84 ausgestrahlt wird. Mittels Laser-APC 86 wird eine Leistung des Halbleiterlasers 84 in Übereinstimmung mit einer Ausgabe der Monitor-Photodiode 85 gesteuert, um so die Strahlungsstärke des Halbleiterlasers 84 während des Betriebs konstant zu halten. Eine vor dem Halbleiterlaser 84 angeordnete Membran 89 besitzt auf ihrer Innenseite eine Spiegelfläche und schwingt in Reaktion auf Schalldruck. Ein Laserstrahl aus dem Halbleiterlaser 84 passiert eine Objektivlinse 90 und fällt auf die Membran 89. Das reflektierte Licht passiert die Objektivlinse 90 und fällt auf eine die Lichtstärke erfassende Diode 91 zur Detektion einer Lageänderung der Membran. Bezugnehmend auf 17 ist jedes in 16 dargestellte Element mit Ausnahme der Membran 89 in einem Gehäuse 93 untergebracht. Die Peripherie der Membran 89 wird von der Vorderwand des Gehäuses 93 gestützt. Das Gehäuse 93 besitzt eine Mehrzahl von Kommunikationslöchern 94, um die innere Oberflächenseite der Membran 89 mit dem Außen kommunizieren zu lassen. Der Halbleiterlaser 84 und die Diode 91 zur Detektion einer Lageänderung der Membran sind auf einem Montagesubstrat 96 angebracht. Ein Laserstrahl aus dem Halbleiterlaser 84 strahlt via ein Element 97 zur Spaltung eines reflektierten Lichtstroms, via die Objektivlinse 90 und via eine achromatische transparente Haube 98 auf die innere Spiegelfläche der Membran 89. Über die achromatische transparente Haube 98, die Objektivlinse 90 und das Element 97 zur Spaltung des reflektierten Lichtstroms fällt das reflektierte Licht auf die Diode 91 zur Detektion einer Lageänderung der Membran. Die achromatische transparente Haube 98 verhindert, dass sich Schalldruck via eine Öffnung ausbreitet, über der die Haube angebracht ist. Ein Fokussieraktor 99 kontrolliert die Position der Objektivlinse 90 entlang der axialen Richtung mittels Anwendung einer bekannten Fokusservosteuerung, die in CD-Playern oder dergleichen benutzt wird. Spezifischer ausgedrückt, wird die Position der Objektivlinse 90 entlang der axialen Richtung gesteuert im Einklang mit den Frequenzkomponenten, z.B. unter 20 Hz (Niedrigfrequenzkomponenten unterhalb hörbarer Frequenzen), eines mit der Diode 91 zur Detektion einer Lageänderung der Membran detektierten Fokusfehlersignals. Ungeachtet der Schwingung der Membran 89 lässt sich der Fokus des Laserstrahls auf der Membran 89 platzieren. Schalldruck im hörbaren Frequenzbereich kann detektiert werden, indem das Fokusfehlersignal bei 20 Hz oder darüber aus der Diode 91 zur Detektion einer Lageänderung der Membran abgeleitet wird.
Das in 15 veranschaulichte Mikrophon 70 mit Lichtdetektion ist mit den folgenden Problemen behaftet: Es bereitet Schwierigkeiten, den Spalt 76 in einem Schalldruck/Lichtempfang-Bereich zu regulieren, wo ein lineares Verhältnis zwischen Schalldruck und Lichtempfangsstärke erreicht werden kann. Die Wahrscheinlichkeit besteht, dass die vom Lichtempfangselement 74 empfangene Lichtstärke aufgrund der Variation eines Divergenzwinkels bei der Lichtemission aus dem Lichtemissionselement 73 und einer Variation der Richtung des Lichtemissionselements 73 unterschiedlich ausfällt. Ferner wirft das in 16 und 17 dargestellte Mikrophon 83 mit Lichtdetektion die folgenden Probleme auf: Obwohl sich eine Variation der Charakteristiken jedes Elements und eine Variation der Montageposition jedes Elements abstellen lassen, besitzt das Layout der Komponenten entlang der axialen Richtung eine beträchtliche Länge, und ein kompaktes Layout ist schwer herzustellen. Um die Richtcharakteristik des Mikrophons zu verbessern, ist es erforderlich, Schalldruck aus einer Schallquelle auch mit der inneren Oberfläche der Membran 89 reagieren zu lassen. Falls jedoch die Membran 89 nahe der Objektivlinse 90 positioniert ist, um das Mikrophon 83 mit Lichtdetektion kompakt zu gestalten, verhindert die Objektivlinse 90 die Ausbreitung von Schalldruck zur inneren Oberfläche der Membran 89, was in einer verschlechterten Richtcharakteristik resultiert. Deswegen besteht beim Mikrophon 83 mit Lichtdetektion die Notwendigkeit, den Laserpunkt auf die Membran 89 zu richten und das reflektierte Licht zu detektieren. Aus diesem Grund ist die innere Spiegelfläche der Membran 89 stets sauber zu halten. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass die innere Spiegelfläche der Membran 89 trübe wird, und zwar bedingt durch die chemische Reaktion des chemischen Gases, das in der atmosphärischen Luft in geringer Menge enthalten ist, und bedingt durch die Anhaftung von Staub.
JP-A-58057898 offenbart ein Mikrophon. Zu diesem Zweck wird der Brechungsindex eines geradlinigen Bereichs von einem Teil einer umlaufenden Kante zur Mitte einer kreisförmigen Membran, die aus transparentem Material, wie z.B. Methacrylharz, gefertigt ist und deren umlaufende Kante gestützt und befestigt wird, größer gemacht als jener anderer Bereiche. Die Grenze des Endes der Rundmembranmitte des geradlinigen Bereichs mit hohem Brechungsindex und der anderen Bereiche wird auf einen vorgeschriebenen Neigungswinkel bezüglich der Oberfläche der kreisförmigen Membran festgelegt, um eine Lichtbrechungsebene zu bilden, und dieser geradlinige Bereich mit hohem Brechungsindex wird als lichtleitender Weg verwendet. Eine Lichtquelle befindet sich an einer Position am Ende der Kante der kreisförmigen Membran am Weg; ein Licht aus der Lichtquelle wird empfangen und mithilfe eines photoelektrischen Wandlungselements, etwa einem Phototransistor, der an einer Position nahe der Mitte einer Seite der Membran angeordnet ist, zu einem elektrischen Signal gewandelt.
SENSORS AND ACTUATORS A, ELSEVIER SEQUOIA S.A., Lausanne Schweiz, Band 79, Nr. 3, Februar 2000 (02/2000), Seite 204-210, offenbart einen optomechanischen Drucksensor, bei dem MMI-Koppler mit Polymerwellenleitern auf einer dünnen p⁺-Si-Membran zum Einsatz kommen.
Ferner offenbart JP-A-61170623 einen faseroptischen Sensor, bei dem Lichtleitfasern in einer mit Druck beaufschlagten Platte eingebettet sind.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Schwingungsdetektor zu bieten, der in der Lage ist zu verhindern, dass sich die Linearität zwischen Schwingungsamplitude und elektrischem Signal durch eine Variation der Anordnung verschlechtert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Schwingungsdetektor zur Verfügung zu stellen, der sich bei gleichzeitiger Beibehaltung einer guten Richtcharakteristik kompakt gestalten lässt.
Erfindungsgemäß werden die obigen Aufgaben durch einen Schwingungsdetektor nach Anspruch 1 erfüllt, welcher dem zwölften Ausführungsbeispiel der folgenden Beschreibung entspricht. Bevorzugte Ausführungsformen, die dem dreizehnten bis achtzehnten Ausführungsbeispiel der folgenden Beschreibung entsprechen, werden in den Unteransprüchen beansprucht. Die Ausführungsbeispiele eins bis elf werden in der folgenden Beschreibung lediglich zu Anschauungszwecken behandelt.
Mit anderen Worten umfasst ein Schwingungsdetektor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel Folgendes: eine Membran, die bei Eingang einer Schwingung schwingt; und einen Lichtleiter, der sich längs einer Richtung einer ebenen Fläche der Membran erstreckt und der mit der Membran bestückt ist, um als Ganzes mit der Membran zu schwingen, wobei sich im Einklang mit der Verformung des Lichtleiters, die durch die Schwingung der Membran hervorgerufen wird, eine Lecklichtstärke des Lichts ändert, das von einem Ende des Lichtleiters her eintrifft und zu einer Außenseite des Lichtleiters austritt, und sich eine Lichtfortpflanzungsstärke des Lichts ändert, das sich zum anderen Ende des Lichtleiters hin fortpflanzt; und eine durch die Schwingung erzeugte Lageänderung der Membran nachgewiesen wird, indem eine Änderung der Lichtfortpflanzungsstärke des Lichtleiters nachgewiesen wird.
Dieser Schwingungsdetektor ist nicht nur als Mikrophon zur Erfassung von sich in Gas ausbreitender Schalldruckschwingung einsetzbar, sondern auch als Detektor zur Erfassung von Flüssigkeitsdruckschwingung oder Feststoffschwingung, die sich jeweils in Flüssigkeit oder Feststoffen fortpflanzt.
Im ersten Ausführungsbeispiel kann der Lichtleiter als Ganzes mit der Membran geformt oder an der Membran befestigt sein. Ausgestattet ist der Schwingungsdetektor vorzugsweise mit einem Lichtemissionselement, welches Licht zum Lichtleiter emittiert, und mit einem Lichtempfangselement, das eine Stärke des aus dem Lichtleiter ausgegebenen Lichts erfasst. Das Lichtemissionselement, das Lichtempfangselement und ein Element zur Verarbeitung einer Lichtempfangsstärke aus dem Lichtempfangselement können außerhalb des Schwingungsdetektors montiert sein. Bei diesem Schwingungsdetektor besteht keine Notwendigkeit, ein langes Layout für die optischen Elemente längs der Schwingungsrichtung der Membran oder längs der Richtung der optischen Achse einer Linse zu verwenden. Folglich lässt sich der Schwingungsdetektor kompakt gestalten. Da eine Spiegelfläche überflüssig ist, können Probleme bezüglich der Verschmutzung der Spiegelfläche behoben werden. Falls der Schwingungsdetektor bei einem Mikrophon zur Anwendung kommt, ist eine gute Richtcharakteristik erzielbar, weil kein optisches Element, wie z.B. eine Objektivlinse, nahe der hinteren Oberfläche der Membran angebracht ist, um das Mikrophon kompakt zu gestalten.
Gemäß einem Schwingungsdetektor eines zweiten Ausführungsbeispiels ändert sich beim Schwingungsdetektor des ersten Ausführungsbeispiels im Einklang mit der Verformung des Lichtleiters, die durch die Schwingung der Membran hervorgerufen wird, eine Stoffdichte eines verformten Abschnitts des Lichtleiters, wodurch ein Brechungsindex des verformten Abschnitts verändert wird; und sich die Lecklichtstärke des Lichts aus dem Lichtleiter mit einer Änderung des Brechungsindexes ändert.
Beim Schwingungsdetektor eines dritten Ausführungsbeispiels wird ein Durchmesser oder eine Dicke des Lichtleiters längs einer Schwingungsrichtung der Membran so festgelegt, dass sich die Lecklichtstärke des Lichts aus dem Lichtleiter mehr oder weniger im Einklang mit der Verformung des Lichtleiters verändert.
Die Form des Lichtleiterquerschnitts kann rechteckig, quadratisch, rund, elliptisch oder dergleichen sein.
Gemäß einem Schwingungsdetektor eines vierten Ausführungsbeispiels ist beim Schwingungsdetektor des ersten Ausführungsbeispiels ein Brechungsindex des Lichtleiters so uneinheitlich festgelegt, dass sich die Lecklichtstärke des Lichts aus dem Lichtleiter mit der Verformung des Lichtleiters ändert.
Gemäß einem Schwingungsdetektor eines fünften Ausführungsbeispiels weist beim Schwingungsdetektor des ersten Ausführungsbeispiels der Lichtleiter einen Unstetigkeitsbereich an einer geeigneten Stelle längs einer Erweiterungsrichtung des Lichtleiters auf; die Lagen der Enden des Lichtleiters, die miteinander dem zwischen ihnen eingefügten Unstetigkeitsbereich gegenüberstehen, verschieben sich in Reaktion auf die Schwingung der Membran relativ zu einer Schwingungsrichtung hin; und die Lecklichtstärke des Lichts aus dem Unstetigkeitsbereich des Lichtleiters ändert sich im Einklang mit der relativen Verschiebung.
Gemäß einem Schwingungsdetektor eines sechsten Ausführungsbeispiels ist beim Schwingungsdetektor des ersten Ausführungsbeispiels der optische Lichtleiter in der Membran eingebunden.
Ein Schwingungsdetektor gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel umfasst Folgendes: Eine Membran, die einen Ablenkbereich aufweist, der bei Eingang einer Schwingung längs einer Schwingungsrichtung ablenkt; einen Lichtleiter, der einen Ablenklichtleiterbereich aufweist, der integral mit einem Ablenkbereich der Membran ablenkt, wobei sich eine Lichtfortpflanzungsstärke mit der Ablenkung vom Ablenklichtleiterbereich ändert; ein Lichtemissionselement für das Einspeisen von Licht in das eine Ende des Lichtleiters; und ein Lichtempfangselement für den Empfang von Licht, das aus dem anderen Ende des Lichtleiters austritt, und zur Ausgabe einer Änderung der Lichtfortpflanzungsstärke des Lichtleiters in Form eines elektrischen Signals, das eine Größe der Verschiebung des Ablenkbereichs der Membran verkörpert.
Gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel umfasst die Membran eine Membran mit einem plattenartigen Schwingungsteil. Bei diesem Schwingungsteil kann es sich um ein Teil handeln, das bei Eingang einer Schwingung, die sich via Luft, Flüssigkeit oder Feststoff fortpflanzt, in Schwingung versetzt wird, oder um die Quelle der Schwingung selbst. Um zu bewirken, dass das Schwingungsteil bei Eingang einer sich über einen Feststoff fortpflanzenden Schwingung ins Schwingen kommt, kann das Gehäuse des Schwingungsdetektors an dem Feststoff auf der Seite der Schwingungsquelle befestigt werden, so dass das Schwingungssteil in Bezug auf das Gehäuse vibriert; als Alternative dazu kann ein zuvor bestimmter Stab zur Schwingungsausbreitung an das Schwingungsteil grenzen. Der Schwingungsdetektor beinhaltet zumindest ein Mikrophon. Beim siebten Ausführungsbeispiel kann das Element zur Verarbeitung eines elektrischen Signals aus dem Lichtempfangselement mit dem Schwingungsdetektor ausgestattet oder außerhalb des Schwingungsdetektors angebracht sein.
Gemäß einem Schwingungsdetektor eines achten Ausführungsbeispiels wird beim Schwingungsdetektor des siebten Ausführungsbeispiels der Lichtleiter zusammen mit der Membran durch einen Lichtleiterhalter gehalten und über den Lichtleiterhalter optisch an das Lichtemissionselement und das Lichtempfangselement gekoppelt.
Gemäß einem Schwingungsdetektor eines neunten Ausführungsbeispiels ist beim Schwingungsdetektor des siebten Ausführungsbeispiels der Ablenklichtleiterbereich des Lichtleiters stufenlos in einem Gebiet ausgebildet, das zum Ablenkbereich der Membran passt; im Einklang mit der durch die Schwingung der Membran erzeugten Verformung des Ablenklichtleiterbereichs verändert sich eine Stoffdichte des Ablenklichtleiterbereichs, wodurch sich ein Brechungsindex des Ablenklichtleiterbereichs verändert; und eine Lecklichtstärke des Lichts aus dem Ablenklichtleiterbereich ändert sich mit einer Änderung des Brechungsindexes.
Gemäß einem Schwingungsdetektor eines zehnten Ausführungsbeispiels ist beim Schwingungsdetektor des siebten Ausführungsbeispiels der Ablenklichtleiterbereich des Lichtleiters stufenlos in einem Gebiet ausgebildet, das zum Ablenkbereich der Membran passt; und ein Durchmesser oder eine Dicke des Ablenklichtleiterbereichs ist längs einer Schwingungsrichtung der Membran so ausgebildet, dass sich eine Lecklichtstärke des Lichts aus dem Ablenklichtleiterbereich mehr oder weniger im Einklang mit der Verformung des Ablenklichtleiterbereichs verändert, die durch die Schwingung der Membran hervorgerufen wird.
Gemäß einem Schwingungsdetektor eines elften Ausführungsbeispiels ist beim Schwingungsdetektor des siebten Ausführungsbeispiels der Ablenklichtleiterbereich des Lichtleiters stufenlos in einem Gebiet ausgebildet, das zum Ablenkbereich der Membran passt; und ein Brechungsindex des Ablenklichtleiterbereichs ist so uneinheitlich festgelegt, dass sich eine Lecklichtstärke des Lichts aus dem Ablenklichtleiterbereich mit der Verformung des Ablenklichtleiterbereichs ändert.
Bei Formung des Lichtleiters können beispielsweise Thermodiffusion oder Ionenimplantation zum Einsatz kommen, die in Verfahren zur Halbleiterherstellung angewandt werden. Zuvor bestimmtes optisch durchlässiges Material (z.B. Lithiumnitrat, LiNO₃) wird selektiv einem Ionenaustauschverfahren unterzogen. Mithilfe dieses Ionenaustauschverfahrens wird ein Brechungsindex des ionenausgetauschten Abschnitts gegenüber dem nicht ionenausgetauschten Abschnitt verändert, so dass ein Lichtleiter, dessen Brechungsindex nicht einheitlich ist, gebildet werden kann. Bei Formung des Lichtleiters kann z.B. eine Mehrzahl dünner Metallfolien oder dielektrischer Folien mit unterschiedlichen Brechungsindexen mittels Druck gebondet oder laminiert werden.
Gemäß einem Schwingungsdetektor eines zwölften Ausführungsbeispiels, welcher der in Anspruch 1 definierten vorliegenden Erfindung entspricht, weist beim Schwingungsdetektor des siebten Ausführungsbeispiels der Ablenklichtleiterbereich des Lichtleiters einen Unstetigkeitsbereich an einer Stelle auf, die zum Ablenkbereich der Membran passt; die Lagen der Enden des Ablenklichtleiterbereichs, die miteinander dem zwischen ihnen eingefügten Unstetigkeitsbereich gegenüberstehen, verschieben sich in Reaktion auf die Schwingung der Membran relativ zu einer Schwingungsrichtung hin; und eine Lecklichtstärke des Lichts aus dem Unstetigkeitsbereich ändert sich im Einklang mit der relativen Verschiebung.
Bei Schwingung eines Schwingungsteils verschieben sich gegenüberliegende Enden des Ablenklichtleiterbereichs im Unstetigkeitsbereich relativ zur Schwingungsrichtung des Schwingungsteils hin. Die Lecklichtstärke des Lichts, das aus dem Ablenklichtleiterbereich zur Außenseite des Unstetigkeitsbereichs tritt, ist hoch, wenn die relative Verschiebung der gegenüberliegenden Enden gering ausfällt, und sie wird noch höher, wenn besagte Verschiebung groß ausfällt. Auf diese Weise lässt sich die Lichtfortpflanzungsstärke zwischen den beiden Enden des Lichtleiters mittels der Schwingung des Schwingungsteils verändern.
Gemäß einem Schwingungsdetektor eines dreizehnten Ausführungsbeispiels ist die Membran beim Schwingungsdetektor des zwölften Ausführungsbeispiels eine Membran, die eine Schwingungsrichtung und eine Dickenausdehnung aufweist, welche miteinander übereinstimmen; der Ablenklichtleiterbereich des Lichtleiters weist einen Unstetigkeitsbereich an einem Ort auf, der zum Ablenkbereich der Membran passt, und mit Bezug auf den Unstetigkeitsbereich ist ein Ablenklichtleiterbereich auf der Lichtemissionselement-Seite des Lichtleiters vorgesehen, und zwei Ablenklichtleiterbereiche sind auf der Lichtempfangselement-Seite vorgesehen; der eine Ablenklichtleiterbereich ist in einem mittleren Gebiet der Membran längs der Dickenausdehnung der Membran angeordnet und die zwei Ablenklichtleiterbereiche in vorderen und hinteren Bereichen des mittleren Gebiets; die Lagen der Enden von allen Ablenklichtleiterbereichen, die miteinander dem zwischen ihnen eingefügten Unstetigkeitsbereich gegenüberstehen, verschieben sich in Reaktion auf die Schwingung der Membran relativ zu einer Schwingungsrichtung hin; und eine Lecklichtstärke des Lichts aus dem Unstetigkeitsbereich eines jeden Ablenklichtleiterbereichs ändert sich im Einklang mit der relativen Verschiebung.
Die vordere und die rückwärtige Fläche des mittleren Gebiets der Membran längs der Dickenausdehnung haben das Verhältnis (Ausdehnung an der einen Fläche und Kontraktion an der anderen Fläche) zueinander, dass die positiven und negativen Reflexionen in Bezug auf die Schwingung der Membran umgekehrt sind. Deshalb kann durch Verwendung einer Differenz zwischen den Ausgangslichtstärken beider Lichtempfangselemente, eine Ausgabe mit einer geringfügigen Variation erzielt werden, die durch Variationen bei der Membranherstellung hervorgerufen wird.
Gemäß einem Schwingungsdetektor eines vierzehnten Ausführungsbeispiels sind beim Schwingungsdetektor des zwölften oder dreizehnten Ausführungsbeispiels die Membran, der Lichtleiter und der Lichtleiterhalter als Ganzes aus einer Platte eines optisch durchlässigen Materials gefertigt.
Beim Formen des optischen Lichtleiters aus einer Platte aus optisch durchlässigem Material finden beispielsweise Thermodiffusion oder Ionenimplantation Anwendung, die bei Verfahren zur Halbleiterherstellung eingesetzt werden. Zuvor bestimmtes optisch durchlässiges Material (z.B. Lithiumnitrat, LiNO₃) wird selektiv einem Ionenaustauschverfahren unterzogen. Mithilfe dieses Ionenaustauschverfahrens wird ein Brechungsindex des ionenausgetauschten Abschnitts gegenüber jenem des nicht ionenausgetauschten Abschnitts verändert.
Gemäß einem Schwingungsdetektor eines fünfzehnten Ausführungsbeispiels ist beim Schwingungsdetektor des vierzehnten Ausführungsbeispiels die Membran mit linienförmigen Durchgangslöchern oder Rillen ausgestattet, um die Ablenkung vom Ablenkbereich der Membran zu verbessern.
Die linienförmigen Durchgangslöcher oder Rillen in der Membran werden so geformt, dass sie sich längs der Strahlungsrichtung und/oder der Umfangsrichtung der Membran erstrecken. Da das optisch durchlässige Material über eine verhältnismäßig hohe Steifigkeit verfügt, kann die richtige Ablenkung durch Formung von Durchlöchern oder Rillen erzielt werden.
Der Unstetigkeitsbereich des Lichtleiters ist vorzugsweise an der Stelle angelegt, die zu dem Durchgangsloch oder der Rille gehört. Indem das linienförmige Durchgangsloch oder die Rille an einer spezifischen Position der Membran angebracht wird, lässt sich die Ablenkung der Membran an besagter spezifischer Position vergrößern. Durch Anordnen des Lichtleiter-Unstetigkeitsbereichs an einer Position, die zu jener Position passt, welche die gesteigerte Ablenkung aufweist, können die Charakteristiken der Lichtfortpflanzungsstärke zwischen den beiden Enden des Lichtleiters in Bezug auf die Schwingung der Membran verbessert werden.
Gemäß einem Schwingungsdetektor eines sechzehnten Ausführungsbeispiels ist die Membran beim Schwingungsdetektor des fünfzehnten Ausführungsbeispiels eine Membran, die eine Schwingungsrichtung und eine Dickenausdehnung aufweist, die miteinander übereinstimmen; die passende Anzahl von Lichtleiterhaltern, welche die Membran am Lichtleiter halten, ist längs einer Dickenausdehnung der Membran angeordnet; Licht der gleichen Stärke wird in jeden der Lichtleiter von dem Lichtemissionselement eingespeist, das an einem Ende eines jeden aus der passenden Anzahl von Lichtleiterhaltern angebracht ist; und das Lichtempfangselement, das am anderen Ende eines jeden aus der passenden Anzahl von Lichtleiterhaltern angebracht ist, registriert eine Stärke des Lichtaustritts aus jedem der Lichtleiter.
Durch Verarbeiten einer zuvor bestimmten Kombination aus Lichtfortpflanzungsstärken zwischen beiden Enden jedes Lichtleiters, der entlang der Breitenausdehnung der Membran angeordnet ist, kann ein elektrisches Signal gewonnen werden, das eine Schwingungsamplitude der Membran genau wiedergibt.
Gemäß einem Schwingungsdetektor eines siebzehnten Ausführungsbeispiels sind beim Schwingungsdetektor des vierzehnten oder fünfzehnten Ausführungsbeispiels die Membran und der Lichtleiterhalter im Wesentlichen kreisförmig; weiterhin sind das Lichtemissionselement und das Lichtempfangselement, die optisch an den Lichtleiterhalter gekoppelt sind, auf einem flexiblen Substrat montiert, das einen peripheren Bereich der Membran und den Lichtleiterhalter umgibt.
Zur Verbindung von elektrischen Leitungen und Elementen auf dem flexiblen Substrat wird vorzugsweise Flip-Chip-Montage eingesetzt. Durch Einsatz des flexiblen Substrats lässt sich die optische Verbindung zwischen dem Lichtemissionselement, dem Lichtempfangselement und dem Lichtleiter und der Laminatanordnung problemlos herstellen.
Gemäß einem Schwingungsdetektor eines achtzehnten Ausführungsbeispiels sind beim Schwingungsdetektor des vierzehnten oder fünfzehnten Ausführungsbeispiels ein peripherer Bereich der Membran und der Lichtleiterhalter zwischen Keramikschichten sandwichartig eingeschlossen und ferner sind das Lichtemissionselement und das Lichtempfangselement, die optisch an den Lichtleiterhalter gekoppelt sind, in eine Mehrzahl von Keramikschichten eingebettet.
Da sich die Membran, das Lichtemissionselement und das Lichtempfangselement als Modul ausführen lassen, kann die Herstellungseffizienz gesteigert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Längsschnittansicht eines Mikrophons mit Lichtdetektion.
2 ist eine Vorderansicht des Schalldruckdetektormoduls aus 1.
3 ist eine Längsschnittansicht der Membran aus 2 und deren Montagestruktur.
4 ist ein Entwicklungsdiagramm des in 2 dargestellten Ringrahmens.
5 ist ein Diagramm, welches ein Prinzip der Schalldruckdetektion eines Schalldruckdetektormoduls veranschaulicht.
6 ist eine Querschnittansicht eines Schalldruckdetektormoduls, das eine Laminatstruktur aus Keramikschichten aufweist.
7(a) und 7(b) sind jeweils eine Vorder- und eine Längsschnittansicht, die ein Schalldruckdetektormodul veranschaulichen, das einen Lichtleiter mit einer anderen Struktur besitzt.
8 ist ein Diagramm, welches Lecklicht aus einem Unstetigkeitsbereich zeigt, das durch Ablenkung der Membran aus 7 hervorgerufen wird.
9(a) und 9(b) sind jeweils eine Vorder- und eine Längsschnittansicht, die ein Schalldruckdetektormodul mit einer gewellten Membran darstellen.
10(a) bis 10(c) sind vergrößerte Darstellungen gewellter Membranen, welche Modifikationen entsprechen.
11 ist eine Vorderansicht eines Schalldruckdetektormoduls, das über eine Membran mit Aussparungen verfügt.
12 ist eine vergrößerte Darstellung der Membran aus 11 im Querschnitt.
13 ist ein Schaubild, welches das Verhältnis zwischen der Größe der Lageänderung einer Membran entlang einer Schwingungsrichtung und einer Gesamtstärke des von beiden Lichtempfangselementen empfangenen Lichts zeigt.
14 ist ein Schaubild, welches das Verhältnis zwischen der Größe der Lageänderung einer Membran des Schalldruckdetektormoduls aus 8 und einer Differenz zwischen Lichtempfangsstärken beider Lichtempfangselemente veranschaulicht.
15 ist ein schematisches Diagramm, das ein bekanntes Mikrophon mit Lichtdetektion zeigt.
16 ist ein schematisches Diagramm, das ein weiteres bekanntes Mikrophon mit Lichtdetektion zeigt.
17 ist ein detailliertes Diagramm des in 16 dargestellten Mikrophons mit Lichtdetektion.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. 1 bis 5 zeigen keine Ausführungsformen der Erfindung.
Bei 1 handelt es sich um eine Darstellung im Längsschnitt durch ein Mikrophon 10 vom Typ mit Lichtdetektion. Eine vordere perforierte Abdeckung 12 und eine rückwärtige perforierte Abdeckung 13 decken eine vordere Öffnung und eine rückwärtige Öffnung eines zylindrischen Gehäuses 11 ab, das sich in axialer Richtung erstreckt. Die vordere 12 und die rückwärtige 13 perforierte Abdeckung verhindern, dass Staub und Fremdkörper in das Innere des zylindrischen Gehäuses 11 dringen, und gestatten, dass sich eine Schwallwelle in das zylindrische Gehäuse 11 fortpflanzt. Bei Betrachtung von der Vorderseite aus ist ein kreisrundes Schalldruckdetektormodul 17 annähernd am Mittelbereich des zylindrischen Gehäuses 11 entlang dessen axialer Ausdehnung befestigt und weist eine Membran 27 auf, deren Peripherie von einem Ringrahmen 18 gestützt wird. In 1 repräsentiert F den Schalldruck und A die Schwingung des Schalldruckdetektormoduls 17, die vom Schalldruck F hervorgerufen wird. Die physischen Abmessungen des Mikrophons 10 vom Typ mit Lichtdetektion lauten wie folgt:
Länge des zylindrischen Gehäuses 11 in axialer Richtung: höchstens 10 mm;
Außendurchmesser des zylindrischen Gehäuses 11: höchstens 10 mm;
Dicke der Membran 27: höchstens 10 ìm; und
Gesamtgewicht des Mikrophons vom Typ mit Lichtdetektion: höchstens 2 g.
Bei 2 handelt es sich um eine Vorderansicht des Schalldruckdetektormoduls 17. Der Ringrahmen 18 umgibt den Umfang der Membran 27, die aus optisch durchlässigem Material besteht und einen Lichtleiter 28 aufweist, der sich im Innern eines Membranhauptkörpers 29 entlang dem Durchmesser der Membran 27 erstreckt.
3 ist ein Längsschnitt durch die in 2 dargestellte Membran 27 und deren Montagestruktur. Bei Fertigung des Lichtleiters 28 der Membran 27 wird besagte (z.B. aus Lithiumnitrat, LiNO₃ bestehende) Membran 27 durch Einsatz von Techniken aus der Halbleiterherstellung einem Ionenaustauschverfahren unterzogen, indem der Abschnitt, der dem Lichtleiter 28 entspricht, maskiert wird. Mithilfe dieses Ionenaustauschverfahrens wird der Brechungsindex des ionenausgetauschten Abschnitts niedriger gemacht als jener des nicht ionenausgetauschten Abschnitts, der zum Lichtleiter 28 wird. Damit der Lichtleiter 28 die Lichtfortpflanzungsstärke zwischen seinen gegenüberliegenden Enden in Übereinstimmung mit einer Ablenkung in Richtung seines Durchmessers oder seiner Dicke, d.h. in Schwingungsrichtung der Membran 27, verändert – oder anders ausgedrückt – damit der Lichtleiter eine Stärke des Lichts verändert, das zur Außenseite des Lichtleiters 28 im Einklang mit einer Ablenkung in Schwingungsrichtung des Lichtleiters 28 leckt, muss der Lichtleiter 28 dünn gestaltet werden; beispielsweise wird der Durchmesser bzw. die Dicke des Lichtleiters 28 so festgelegt, dass er bzw. sie ungefähr das Zehnfache der Wellenlänge des sich ausbreitenden Lichts oder weniger beträgt. Ein Lichtemissionselement 20 und ein Lichtemissionsüberwachungselement 21 sind an beiden Oberflächen der Membran 27 an dem einem Ende des Lichtleiters 28 befestigt. Lichtempfangselemente 24 sind an beiden Oberflächen der Membran 27 an dem anderen Ende des Lichtleiters 28 festgemacht. Optische Beugungselemente 33 werden in der Membran 27 an gegenüberliegenden Enden des Lichtleiters 28 durch Ionenimplantierung in ähnlicher Weise wie der Lichtleiter 28 gebildet. In die Membran 27 einfallendes Licht aus dem Lichtemissionselement 20 wird durch die optischen Beugungselemente 33 am einen Ende des Lichtleiters 28 zu Letzterem gelenkt, und eine zuvor bestimmte Menge des einfallenden Lichts wird zum Lichtemissionsüberwachungselement 21 geleitet. Die optischen Beugungselemente 33 am anderen Ende des Lichtleiters 28 bewirken, dass Licht aus dem Lichtleiter 28 auf beide Lichtempfangselemente 24 fällt.
Bei 4 handelt es sich um ein Entwicklungsdiagramm des in 2 dargestellten Ringrahmens 18. Dieser Ringrahmen 18 verfügt über ein flexibles Substrat 19 und verschiedene elektrische Bauelemente, die auf dem flexiblen Substrat mittels Flip-Chip-Montage angebracht sind. Das flexible Substrat 19 weist Folgendes auf: ein Paar Ring-Seitenplatten 35 mit kreisförmiger Öffnung 37, um die Membran 27 sandwichartig anzuordnen; einen Kopplungsstreifen 36, um beide Ring-Seitenplatten 35 elektrisch zu verbinden; und ein Hakenband 38, das an eine Ring-Seitenplatte 35 gekoppelt ist, um beide Ring-Seitenplatten 35 festzuhalten, wobei die Peripherie der Membran 27 sandwichartig zwischen den Ring-Seitenplatten 35 angeordnet ist und die Ring-Seitenplatten elektrisch verbunden sind. An der Ring-Seitenplatte 35 mit dem Hakenband 38 sind das Lichtemissionsüberwachungselement 21 und das Lichtempfangselement 24 an gegenüberliegenden Enden entlang der Durchmesserrichtung angebracht. Signalverarbeitende IC-Bausteine 40 und 41 sind nahe gegenüberliegenden Enden des Lichtemissionsüberwachungselements 21 montiert. An der anderen Ring-Seitenplatte 35, die durch das Hakenband 38 gekoppelt ist, sind das Lichtemissionselement 20 und das Lichtempfangselement 24 an gegenüberliegenden Enden entlang der Durchmesserrichtung angebracht. Signalverarbeitende IC-Bausteine 40 und 41 sind nahe gegenüberliegenden Enden des Lichtempfangselements 24 montiert. In der Nähe des Lichtemissionselements 20 ist ein IC-Baustein 39 zur automatischen Regelung der Lichtemission festgemacht. Der IC-Baustein 39 zur automatischen Regelung der Lichtemission steuert die Energieversorgung für das Lichtemissionselement 20 im Einklang mit einer Ausgangsgröße des Lichtemissionsüberwachungselements 21, um die Lichtemissionsstärke des Lichtemissionselements 20 so zu regeln, dass sie konstant ist. Der signalverarbeitende IC-Baustein 40 gibt ein elektrisches Signal aus, das einem Wert (einem Additionswert im Fall des Schalldruckdetektormoduls 17) entspricht, der aus einer Lichtempfangsstärke beider Lichtempfangselemente 24 berechnet wird. Beim Lichtemissionselement 20 handelt es sich um eine Halbleiterlichtquelle, wie z.B. um eine Leuchtdiode (LED) und einen Halbleiterlaser zur Oberflächenbestrahlung.
5 ist ein Diagramm, welches das Prinzip der Schalldruckdetektion des Schalldruckdetektormoduls 17 veranschaulicht. In dieser Zeichnung repräsentiert A die Richtung einer durch Schalldruck hervorgerufenen Schwingung der Membran 27, und L steht für Lecklicht aus dem Lichtleiter 28, das durch eine Ablenkung des Lichtleiters 28 bedingt ist. Bei Eingang von Schalldruck schwingt die Membran 27 in Dickenrichtung mit einer Amplitude, die in Bezug zum Schalldruck steht. Während die Membran 27 schwingt, lenkt der Lichtleiter 28 in Durchmesserrichtung oder in Dickenrichtung ab. Eine seitliche Ablenkung der Membran 27 bewirkt, dass sich Lecklicht L zur Außenseite des Lichtleiters 28 fortpflanzt. Eine Stärke des Lecklichts aus dem Lichtleiter 28 steht in Bezug zu einer Größe der Ablenkung des Lichtleiters 28 in Durchmesser- oder Dickenrichtung, d.h. zur Größe einer seitlichen Ablenkung und daher zu einem Schalldruck, der auf die Membran 27 wirkt. Als Ergebnis davon steht eine Gesamtlichtstärke, die in den Lichteiter 28 einfällt, in Bezug zum Schalldruck. Der signalverarbeitende IC-Baustein 40 gibt ein elektrisches Signal aus, das dem Schalldruck entspricht. Bei 13 handelt es sich um ein Schaubild, welches das Verhältnis zwischen der Größe einer Lageänderung der Membran 27 in Schwingungsrichtung und einer Lichtempfangsstärke beider Lichtempfangselemente 24 aufzeigt. Die Größe der Lageänderung der Membran ist in der vorderen Richtung des Mikrophons 10 mit Lichtdetektion positiv.
6 ist eine Darstellung eines Schalldruckdetektormoduls 17b im Querschnitt, das eine Laminatstruktur aus Keramikschichten 43 besitzt. Fünf Keramikschichten 43 werden so gestapelt, dass die Membran 27 abgesehen von ihrem peripheren Bereich exponiert ist. Eine Mehrzahl von Elektroden 44 ist auf der Unterseite der untersten Keramikschicht 43 exponiert. Das Lichtemissionselement 20 und eines der Lichtempfangselemente 24 sind in der selben Schicht angeordnet wie der Lichtleiter 28. Als Lichtemissionselement 20 wird beispielsweise ein Fabry-Perot-Halbleiterlaser mit Facettenstrahlung eingesetzt. Die optischen Beugungselemente 33 werden auf einer Seite des Lichtleiters 28 gebildet, und zwar nur auf dessen Oberseite, wie aus 6 ersichtlich.
7(a) und 7(b) zeigen jeweils eine Vorder- und eine Längsschnittansicht eines Schalldruckdetektormoduls 17c, das einen Lichtleiter 28c mit einer anderen Struktur aufweist. In 7(a) und 7(b), die das Schalldruckdetektormodul 17(c) veranschaulichen, werden Elemente, die identisch mit jenen des Schalldruckdetektormoduls 17 aus 5 und 6 sind, mithilfe der gleichen Symbole dargestellt, und entsprechende Elemente werden durch ein mit „c" versehenes Symbol repräsentiert. Erläutert werden nur die wichtigen Punkte. Der Lichtleiter 28c besitzt ungefähr im mittleren Gebiet der Membran 27c einen Unstetigkeitsbereich 45. Durch diesen Unstetigkeitsbereich 45 wird der Lichtleiter 28c in einen stromauf liegenden Bereich 46 auf der Seite des Lichtemissionselements 20 und in stromab liegende Bereiche 47 auf der Seite des Lichtempfangselements 24 geteilt. Es ist ein stromauf liegender Bereich 46 vorhanden, der sich im mittleren Gebiet der Membran 27 in Dickenrichtung erstreckt. Überdies sind zwei stromab liegende Bereiche 47 vorhanden, die im vorderen und im hinteren Bereich des mittleren Gebiets der Membran 27 parallel in Dickenrichtung verlaufen. Der Durchmesser des stromauf liegenden Bereichs 46 ist größer als jener der stromab liegenden Bereiche 47. Wenn sich die Membran 27c in ausgeglichener Lage (Lage ohne Ablenkung) befindet, ist das ausgegebene Licht, das sich geradlinig vom stromauf liegenden Bereich 46 aus fortpflanzt, annähernd gleichmäßig verteilt und dringt in jeden stromab liegenden Bereich 47.
8 zeigt Lecklicht L aus dem Unstetigkeitsbereich 45, das durch eine Ablenkung der in 7 dargestellten Membran 27c hervorgerufen wird. Mit Blick auf 7 und 8 fällt Licht aus dem Lichtemissionselement 20 in den stromauf liegenden Bereich 46 ein und wird im stromauf liegenden Bereich 46 in Richtung des Unstetigkeitsbereichs 45 gelenkt und dann aus dem Ende des stromauf liegenden Bereichs 46 auf der Seite des Unstetigkeitsbereichs 45 an den Unstetigkeitsbereich 45 abgegeben. Ein Teil des an den Unstetigkeitsbereich 45 abgegebenen Lichts wird zu Lecklicht L und zur Außenseite der Membran 27c durchgelassen, wohingegen das übrige Licht in die beiden stromab liegenden Bereiche 47 einfällt und in den stromab liegenden Bereichen 47 in Richtung der Lichtempfangselemente 24 gelenkt wird. Bei Eingang von Schalldruck schwingt die Membran 27c. Wenn sich die Membran 27c in ausgeglichener Lage befindet, d.h. wenn sich die Größe einer Ablenkung der Membran 27c auf null beläuft, fällt ausgehend vom stromauf liegenden Bereich 46 Licht mit der gleichen Stärke Q in jeden stromab liegenden Bereich 47 ein. Wenn die Membran 27c eine konvexe Ablenkung in eine Richtung aufweist, besteht eine relative Verlagerung zwischen dem stromauf liegenden Bereich 46 und jedem stromab liegenden Bereich 47 der Membran 27c in Schwingungsrichtung. Deshalb fällt Licht mit der Stärke Q + ÄQ und Licht mit der Stärke Q – ÄQ vom stromauf liegenden Bereich 46 aus in die stromab liegenden Bereiche 47 ein. Folglich beläuft sich die Differenz zwischen den Lichtempfangsstärken beider Lichtempfangselemente 24 auf 2·ÄQ in Bezug auf den Schalldruck, einschließlich des Gehäuses, wobei die Größe der Lageänderung der Membran 27c null beträgt.
Bei 14 handelt es sich um ein Schaubild, welches das Verhältnis zwischen der Größe einer Lageänderung der Membran 27c des in 8 dargestellten Schalldruckdetektormoduls 17c und einer Differenz zwischen den Lichtempfangsstärken beider Lichtempfangselemente 24 zeigt. Die Größe einer Lageänderung der Membran 27c ist in der vorderen Richtung des Mikrophons 10 mit Lichtdetektion positiv.
Bei 9(a) und 9(b) handelt es sich jeweils um eine Vorder- und eine Längsschnittansicht eines Schalldruckdetektormoduls 17d mit einer gewellten Membran 27d. In den 9(a) und 9(b), die das Schalldruckdetektormodul 17d zeigen, werden Elemente, die mit jenen der Schalldruckdetektormodule 17 und 17c aus 5 und 8 identisch sind, mithilfe der gleichen Symbole dargestellt, und entsprechende Elemente werden durch ein mit „d" versehenes Symbol repräsentiert. Erläutert werden nur die wichtigen Punkte. Die Membran 27d ist an einer Grenzlinie 51 in eine innere mittlere Zone 49, die gewellt und dick ist, und in eine flache Zone 50 in einem äußeren peripheren Bereich aufgeteilt. Sowohl auf der vorderen als auch auf der rückwärtigen Fläche der Membran 27d sind in Radiusrichtung abwechselnd ein konvexer Abschnitt und ein konkaver Abschnitt angeordnet, und der konvexe Abschnitt auf der einen Oberfläche ist an einer Position geformt, die zu jener des konkaven Abschnitts auf der anderen Oberfläche passt, um die Dicke der Membran 27d entlang der Radiusrichtung einheitlich zu gestalten. Linien auf den konvexen Abschnitten werden, wie von der Vorderseite der Membran 27d aus erkennbar, durch zwei Grenzlinien 52 verkörpert. Der Lichtleiter 28d besitzt Unstetigkeitsbereiche 53 im Gebiet von der einen äußeren flachen Zone 50 bis zur anderen flachen Zone 50, wie aus der Draufsicht hervorgeht. In 9 weist der Lichtleiter 28d fünf Unstetigkeitsbereiche 53 auf. Die gewellte dicke Zone 49 erhöht die Ablenkung der Membran 27d stärker als die flache Struktur. Darüber hinaus hat die gewellte dicke Zone 49 die Funktion, die Ablenkrichtung zu regulieren. Durch Abstimmen der Ablenkrichtung der Membran 27d mit der Eingangsrichtung des Schalldrucks lässt sich die Größe der Ablenkung je Schalldruck steigern.
10 zeigt vergrößerte Darstellungen gewellter Membrane, welche Modifikationen entsprechen. In 10(a) bis 10(c), welche die gewellten Membrane 27e, 27f und 27g veranschaulichen, werden Elemente, die mit jenen der Membran 27d aus 9 identisch sind, mithilfe der gleichen Symbole repräsentiert; auf die Beschreibung dieser Elemente wird jedoch verzichtet; entsprechende Elemente werden dadurch dargestellt, dass „d" zu „e", „f" oder „g" geändert wird. Auf jeder der vorderen und rückwärtigen Oberflächen der Membrane 27e und 27f sind ein konvexer Abschnitt 64 und ein konkaver Abschnitt 65 abwechselnd in Radiusrichtung angeordnet, und der konvexe Abschnitt 64 auf der einen Oberfläche ist an der Position geformt, die jener des konkaven Abschnitts 65 auf der anderen Oberfläche an der gleichen Stelle in Radiusrichtung entspricht, damit die Dicke der Membranen 27e und 27f entlang der Radiusrichtung einheitlich gestaltet wird. Der Lichtleiter 28e der in 10(a) gezeigten Membran 27e und der Lichtleiter 28f der in 10(b) gezeigten Membran 27f erstrecken sich in den Membranhauptkörpern 29e und 29f wellenförmig entlang den gewellten Formen der Membranen 28e und 28f. Der Lichtleiter 28e der Membran 27e verläuft stetig, wohingegen der Lichtleiter 28f der Membran 27f eine Mehrzahl von Unstetigkeitsbereichen 53 aufweist. Um die Phase der Membran 27f während des Schwingens abzustimmen, ist der Unstetigkeitsbereich 53 an der Position geformt, die jener des konvexen Abschnitts 64 auf einer Oberfläche an der gleichen Stelle in Radiusrichtung entspricht. Die in 10(c) veranschaulichte Membran 27g stellt eine Modifikation von Membran 27f dar. Bei dieser Membran 27g ist der konvexe Abschnitt 64 auf der einen Oberfläche an der Position geformt, die jener des konvexen Abschnitts 64 auf der anderen Oberfläche entspricht, und der konkave Abschnitt 65 ist auf der einen Oberfläche an der Position geformt, die jener des konkaven Abschnitts 65 auf der anderen Oberfläche entspricht, und zwar jeweils an der gleichen Stelle in Radiusrichtung. Die Steifigkeit der Membran 27g an der Stelle in Radiusrichtung, wo der konkave Abschnitt 65 geformt ist, wird geringer als jene an der Stelle in Radiusrichtung, wo der konvexe Abschnitt 64 geformt ist, so dass die Membran leicht ablenkbar ist. Der Unstetigkeitsbereich 53 ist in diesem leicht ablenkbaren Bereich geformt. Die Stärke des Lecklichts L, das durch die Schwingung der Membran 27g hervorgerufen wird, kann sich erheblich verändern.
Bei 11 handelt es sich um eine Vorderansicht eines Schalldruckdetektormoduls 17h, das eine Membran 27h mit Aussparungen 58 aufweist, und 12 ist eine vergrößerte Darstellung der Membran 27h im Querschnitt. In den 11 und 12, die das Schalldruckdetektormodul 17h zeigen, sind Elemente, die identisch mit jenen des Schalldruckdetektormoduls 17 sind, mithilfe der gleichen Symbole dargestellt, und entsprechende Elemente werden durch ein mit „h" versehenes Symbole repräsentiert. Erläutert werden nur die wichtigen Punkte. Ausgehend vom mittleren Gebiet weist die Membran 27h in Radiusrichtung der Reihenfolge nach einen kreisförmigen flachen Bereich 55, einen mittleren Ringbereich 56 und einen peripheren flachen Bereich 57 auf. Wie aus 12 hervorgeht, ragt der kreisförmige flache Bereich 55 entlang der axialen Richtung der Membran 27h in Bezug auf den peripheren flachen Bereich 57 vor. Der mittlere Ringbereich 56 verläuft hinsichtlich des kreisförmigen flachen Bereichs 55 und des peripheren flachen Bereichs 57 schräg. Der Lichtleiter 28h erstreckt sich im Membranhauptkörper 29h entlang der Querschnittumrisslinie der Membran 27h. Eine in 11 veranschaulichte Grenzlinie 59 gibt die Grenze zwischen dem kreisförmigen flachen Bereich 55 und dem mittleren Ringbereich 56 an; ferner bezeichnet eine Grenzlinie 60 die Grenze zwischen dem mittleren Ringbereich 56 und dem peripheren flachen Bereich 57. Eine Mehrzahl von Aussparungen 58 sind durch den mittleren Ringbereich 56 in gleichwinkligen Abständen entlang der Umfangsrichtung angebracht. Die Breite jeder Aussparung 58 ist in 11 übertrieben dargestellt und beläuft sich tatsächlich auf 50 μm. Die Biegung des mittleren Ringbereichs 56 lässt sich durch die Aussparungen 58 vergrößern. Der Lichtleiter 28h weist Unstetigkeitsbereiche 61 nahe Kreuzungspunkten mit den Grenzlinien 59 und 60 auf. Insgesamt gibt es vier Unstetigkeitsbereiche 61. Bei Eingang von Schalldruck weist die Membran 27h die größte Ablenkung in Schwingungsrichtung an Positionen auf, die den Grenzlinien 59 und 60 entsprechen. Durch Anlegen der Unstetigkeitsbereiche 61 an jenen Positionen, wo die größte Ablenkung der Membran 27h auftritt, nimmt eine Veränderung der Lichtfortpflanzungsstärke zwischen gegenüberliegenden Enden des Lichtleiters 28h in Bezug auf eine Einheit der veränderten Größe des Schalldrucks zu.

Claims

Schwingungsdetektor, umfassend: eine Membran (27c), die einen Ablenkbereich aufweist, der bei Eingang einer Schwingung längs einer Schwingungsrichtung ablenkt; einen Lichtleiter (28c), der einen Ablenklichtleiterbereich aufweist, der als Ganzes mit einem Ablenkbereich der Membran (27c) ablenkt, wobei sich eine Lichtfortpflanzungsstärke mit der Ablenkung von dem Ablenklichtleiterbereich ändert; ein Lichtemissionselement (20), welches bewirkt, dass Licht an einem Ende des Lichtleiters (28c) einfällt; und ein Lichtempfangselement (24) für den Empfang von Licht, das aus dem anderen Ende des Lichtleiters (28c) austritt, und zur Ausgabe einer Änderung der Lichtfortpflanzungsstärke des Lichtleiters (28c) in Form eines elektrischen Signals, das eine Größe der Verschiebung des Ablenkbereichs der Membran (27c) verkörpert, DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS der Ablenklichtleiterbereich des Lichtleiters (28c) einen Unstetigkeitsbereich (45) an einem Ort aufweist, welcher zum Ablenkbereich der Membran (27c) passt; Endflächen des Ablenklichtleiterbereichs, die einander gegenüberstehen und im Wesentlichen senkrecht zur Ausdehnungsrichtung des Lichtleiters (28c) sind, wobei der Unstetigkeitsbereich (45) zwischen denselben eingefügt ist, einander in Reaktion auf die Schwingung der Membran (27c) relativ verschieben; und sich im Einklang mit der relativen Verschiebung eine Lecklichtstärke des Lichts aus dem Unstetigkeitsbereich ändert.
Schwingungsdetektor nach Anspruch 1, wobei: die Membran eine Membran ist, die eine Schwingungsrichtung und eine Dickenausdehnung aufweist, die miteinander übereinstimmen; der Ablenklichtleiterbereich des Lichtleiters einen Unstetigkeitsbereich an einem Ort aufweist, welcher zum Ablenkbereich der Membran passt, und mit Bezug auf den Unstetigkeitsbereich ein Ablenklichtleiterbereich auf der Lichtemissionselement-Seite des Lichtleiters vorgesehen ist und zwei Ablenklichtleiterbereiche auf der Lichtempfangselement-Seite vorgesehen sind; der eine Ablenklichtleiterbereich in einem mittleren Gebiet der Membran längs der Dickenausdehnung der Membran angeordnet ist und die zwei Ablenklichtleiterbereiche in vorderen und hinteren Bereichen des mittleren Gebiets angeordnet sind; Endflächen jedes der Ablenklichtleiterbereiche, die einander gegenüberstehen und im Wesentlichen senkrecht zur Ausdehnungsrichtung des Lichtleiters sind, wobei der Unstetigkeitsbereich zwischen denselben eingefügt ist, einander in Reaktion auf die Schwingung der Membran relativ verschieben; und sich im Einklang mit der relativen Verschiebung eine Lecklichtstärke des Lichts aus dem Unstetigkeitsbereich jedes der Ablenklichtleiterbereiche ändert.
Schwingungsdetektor nach Anspruch 2, wobei die Membran, der Lichtleiter und der Lichtleiterhalter als Ganzes aus einer Platte eines optisch durchlässigen Materials angefertigt sind.
Schwingungsdetektor nach Anspruch 3, wobei die Membran mit linienförmigen Durchgangslöchern oder Rillen ausgestattet ist, um die Ablenkung vom Ablenkbereich der Membran zu verbessern.
Schwingungsdetektor nach Anspruch 4, wobei: die Membran eine Membran ist, welche eine Schwingungsrichtung und eine Dickenausdehnung aufweist, die miteinander übereinstimmen; die passende Anzahl der Lichtleiterhalter, welche die Membran am Lichtleiter halten, längs einer Dickenausdehnung der Membran angeordnet ist; Licht der gleichen Stärke dazu gebracht wird, an jedem der Lichtleiter ausgehend vom Lichtemissionselement einzufallen, das an einem Ende eines jeden aus der passenden Anzahl von Lichtleiterhaltern angebracht ist; und das Lichteempfangselement, das am anderen Ende eines jeden aus der passenden Anzahl von Lichtleiterhaltern angebracht ist, eine Stärke des Lichtaustritts aus jedem der Lichtleiter erfasst.
Schwingungsdetektor nach Anspruch 3 oder 4, wobei: die Membran und der Lichtleiterhalter im Wesentlichen kreisförmig sind; und das Lichtemissionselement sowie das Lichtempfangselement, die optisch an den Lichtleiterhalter gekoppelt sind, auf einem flexiblen Substrat angebracht sind, welches einen peripheren Bereich der Membran und den Lichtleiterhalter umgibt.
Schwingungsdetektor nach Anspruch 3 oder 4, wobei ein peripherer Bereich der Membran und des Lichtleiterhalters sandwichartig zwischen Keramikschichten angeordnet sind und das Lichtemissionselement sowie das Lichtempfangselement, die optisch an den Lichtleiterhalter gekoppelt sind, in eine Mehrzahl von Keramikschichten eingebettet sind.