JP2001238293A - Acoustoelectric transducer - Google Patents

Acoustoelectric transducer

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JP2001238293A JP2000052190A JP2000052190A JP2001238293A JP 2001238293 A JP2001238293 A JP 2001238293A JP 2000052190 A JP2000052190 A JP 2000052190A JP 2000052190 A JP2000052190 A JP 2000052190A JP 2001238293 A JP2001238293 A JP 2001238293A
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裕 服部
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an acoustoelectric transducer that can reproduce sound with high S/N. SOLUTION: The acoustoelectric transducer provided with a diaphragm vibrated by sound, a light emitting element that makes light incident onto the diaphragm, a photodetector that transducers a displacement of the diaphragm by sound into a change in an electric signal and provides an output, and a lens element that converges the incident light from the light emitting element and leads the converged light to the diaphragm, converges a divergent reflecting light from the diaphragm between a 1st focal position and a 2nd focal position on an optical axis and leads the converged light to the light receiving element, is provided with a shade means that shades part of the divergent reflecting light converged between the 1st focal position and the 2nd focal position.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は音響電気変換装置に
係り、特に発光素子として垂直共振器型面発光レーザダ
イオード(VCSEL)を用いた音響電気変換装置に関
する。
The present invention relates to an acoustoelectric converter, and more particularly to an acoustoelectric converter using a vertical cavity surface emitting laser diode (VCSEL) as a light emitting element.

【0002】[0002]

【従来の技術】VCSELを用いた超小型音響電気変換
装置として光マイクロホン装置が知られている。図6は
光マイクロホン装置の基本構造を示す図である。図6
(a)は断面形状を示したもので、筐体1の底面8に電
子回路基板12を設置し、この基板12上に発光素子L
Dと受光素子PDとを配置した基板9を取り付ける。発
光素子としては面発光レーザダイオードLDを、受光素
子としてはフォトダイオードPDを用いている。基板9
の中央に円形形状の面発光レーザダイオードLDを配置
し、この面発光レーザダイオードLDを取り巻くように
同心円状に受光素子PDを配置する。
2. Description of the Related Art An optical microphone device is known as a very small acoustoelectric conversion device using a VCSEL. FIG. 6 is a diagram showing a basic structure of the optical microphone device. FIG.
(A) shows a cross-sectional shape, in which an electronic circuit board 12 is installed on the bottom surface 8 of the housing 1 and a light emitting element L
The substrate 9 on which D and the light receiving element PD are arranged is attached. A surface emitting laser diode LD is used as a light emitting element, and a photodiode PD is used as a light receiving element. Substrate 9
A circular surface emitting laser diode LD is arranged at the center of the light emitting device, and the light receiving elements PD are arranged concentrically around the surface emitting laser diode LD.

【0003】図6(b)は、図6(a)中に点線で囲ん
で示した受発光素子が搭載された基板9の受発光部を拡
大して示した平面図である。図に示すように中央部に円
形形状の発光素子LDを配置し、これを取り囲むように
同心円状に受光素子PD1,PD2,…,PDnを配置
する。なおここで用いられる発光素子LDとしては垂直
共振器型面発光レーザを用いることができる。この発光
素子LDと受光素子PDとはガリウムヒ素ウエハ上に同
時に半導体製造工程により作製することができる。従っ
て発光素子LDと受光素子PDとの位置合わせ精度は半
導体製造工程に用いられるマスクの精度によって決めら
れるため、その合わせ精度を1μm以下とすることがで
き、従来の光マイクロホン素子の受発光素子の位置合わ
せ精度に比べ百分の一以下の高精度で実現が可能であ
る。
FIG. 6B is an enlarged plan view showing a light emitting / receiving section of the substrate 9 on which the light emitting / receiving elements shown by dotted lines in FIG. 6A are mounted. As shown in the figure, a circular light emitting element LD is arranged at the center, and light receiving elements PD1, PD2,..., PDn are arranged concentrically so as to surround the light emitting element LD. Note that a vertical cavity surface emitting laser can be used as the light emitting element LD used here. The light emitting element LD and the light receiving element PD can be simultaneously manufactured on a gallium arsenide wafer by a semiconductor manufacturing process. Therefore, since the alignment accuracy between the light emitting element LD and the light receiving element PD is determined by the accuracy of the mask used in the semiconductor manufacturing process, the alignment accuracy can be made 1 μm or less, and the conventional light receiving and emitting element of the optical microphone element can be used. It can be realized with a high accuracy of 1/100 or less as compared with the positioning accuracy.

【0004】一般に、垂直共振器型面発光レーザ発光素
子は発光強度分布が同心円状にほぼ均一な特性を持って
いる。従って、中央部に設置された発光素子LDから所
定の角度で振動板2に向かって放射された放射光は、同
心円状に同一強度を持って反射し、音波7の受波により
振動板2が振動することにより反射角度が変化し、受光
素子PDの同心円状に到達する。したがって、同心円状
に配列された受光素子PD1〜PDnの受光光量の変化
を検出し、これを電気信号の変化に変換して出力するこ
とにより振動板2の振動変位を検出することができる。
これにより入射音波7の強弱を検知することができるた
め、光マイクロホン素子として使用可能となる。なお発
光素子LDや受光素子PDを駆動、もしくは入射光量の
検出のために電極11が形成されている。
In general, a vertical cavity surface emitting laser light emitting device has a characteristic in which the light emission intensity distribution is substantially uniform concentrically. Therefore, the radiated light emitted from the light emitting element LD installed at the central portion toward the diaphragm 2 at a predetermined angle is reflected concentrically with the same intensity, and the diaphragm 2 is received by receiving the sound wave 7. By vibrating, the reflection angle changes and reaches the concentric shape of the light receiving element PD. Therefore, the change in the amount of received light of the light receiving elements PD1 to PDn arranged concentrically is detected, and the change in the amount of received light is converted into a change in the electric signal and output, whereby the vibration displacement of the diaphragm 2 can be detected.
Thereby, the strength of the incident sound wave 7 can be detected, and thus, it can be used as an optical microphone element. An electrode 11 is formed for driving the light emitting element LD and the light receiving element PD or detecting the amount of incident light.

【0005】受光素子PDから検出される電気信号の変
化を差動増幅器または除算器等の増幅器で増幅すること
により振動板2の変位を検出する。ここで増幅器の出力
を実用的なレベルまで大きくしようとすれば増幅器の増
幅率を大きくする必要があり、増幅器の設計を複雑にし
てしまう。また増幅率を大きくするとそれに伴って電子
回路上で発生する雑音も一緒に大きくすることになって
しまい、信号/雑音(S/N)比を高くすることが困難
になる。そこで増幅器の増幅率を上げることなく、S/
N比の高い信号を得るためには受光素子で反射光を受け
る際の反射光の移動幅の変化を大きくする必要がある。
The displacement of the diaphragm 2 is detected by amplifying a change in the electric signal detected from the light receiving element PD with an amplifier such as a differential amplifier or a divider. Here, if the output of the amplifier is to be increased to a practical level, it is necessary to increase the amplification factor of the amplifier, which complicates the design of the amplifier. In addition, when the amplification factor is increased, the noise generated on the electronic circuit is also increased accordingly, making it difficult to increase the signal / noise (S / N) ratio. Therefore, without increasing the amplification factor of the amplifier, S /
In order to obtain a signal with a high N ratio, it is necessary to increase the change in the movement width of the reflected light when the light receiving element receives the reflected light.

【0006】図7は反射光の移動幅を拡大させるために
基板9と振動板2との光路上にレンズ素子3を配置した
構造を示している。発光素子LDと振動板2との間の距
離(L0)を1.3mmとし、レンズ径を0.25m
m、拡大倍率を6.5とするレンズ素子3を光路上に配
置する。このレンズ素子3の焦点位置近傍に振動板2を
配置し、これを基準位置とする。図7のa点は結像位置
を示す。またb点は振動板2で反射し、折り返した位置
での結像点を示す。図7に示す状態は振動板2が高圧の
音響により凹んだ状態である。角θはレンズ素子3の収
束角で定まり、図7に示す状態ではθ=12°である。
なお振動板2は当初2cの位置にあり、振動により所定
の変奇量δだけ振動して2dの位置に移動する。また振
動板2が静止していた時の反射光の到達距離の直径を2
A、振動板2が変奇量δだけ移動したときの反射光の到
達距離の直径を2Bとする。図7に示すような構成では
レンズ素子3によって収束した反射光が受光素子PDに
到達する際の移動幅が大きくなり、受光感度が高くな
る。
FIG. 7 shows a structure in which the lens element 3 is arranged on the optical path between the substrate 9 and the diaphragm 2 in order to increase the movement width of the reflected light. The distance (L0) between the light emitting element LD and the diaphragm 2 was 1.3 mm, and the lens diameter was 0.25 m.
m, a lens element 3 having a magnification of 6.5 is arranged on the optical path. The diaphragm 2 is arranged near the focal position of the lens element 3 and is set as a reference position. The point a in FIG. 7 indicates the imaging position. Point b indicates an image point at the position where the light is reflected by the diaphragm 2 and turned back. The state shown in FIG. 7 is a state in which diaphragm 2 is dented by high-pressure sound. The angle θ is determined by the convergence angle of the lens element 3, and θ = 12 ° in the state shown in FIG.
The diaphragm 2 is initially at the position 2c, and vibrates by a predetermined amount of strangeness δ due to the vibration, and moves to the position 2d. Further, the diameter of the reach distance of the reflected light when the diaphragm 2 is stationary is 2
A, assume that the diameter of the reaching distance of the reflected light when the diaphragm 2 moves by the strange amount δ is 2B. In the configuration as shown in FIG. 7, the movement width when the reflected light converged by the lens element 3 reaches the light receiving element PD increases, and the light receiving sensitivity increases.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし図7に示す改良
された光マイクロホン装置の構造によってもなお感度が
必ずしも充分高いとはいえなかった。そこで本発明は図
7に示すようなレンズ素子を用いた音響電気変換装置に
おいてさらに受光感度の高い装置を提供することを目的
とする。
However, even with the structure of the improved optical microphone device shown in FIG. 7, the sensitivity was not always sufficiently high. Therefore, an object of the present invention is to provide an acoustoelectric conversion device using a lens element as shown in FIG.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、音響により振
動する振動板と、前記振動板に光を入射する発光素子
と、前記振動板からの反射光を受光し、前記振動板の音
響による変位を電気信号の変化に変換して出力する受光
素子と、前記発光素子からの入射光を収束して前記振動
板に導き、前記振動体からの発散反射光を光軸上の第1
の焦点位置と第2の焦点位置との間に収束させて前記受
光素子に導くレンズ素子とを備えた音響電気変換装置に
おいて、前記第1の焦点位置と前記第2の焦点位置との
間に収束された前記発散反射光の一部を遮蔽する遮蔽手
段を設けたものである。
According to the present invention, there is provided a vibration plate vibrating by sound, a light emitting element for irradiating light to the vibration plate, and light reflected from the vibration plate to be received by the sound of the vibration plate. A light receiving element that converts the displacement into a change in an electric signal and outputs the converted light, and converges incident light from the light emitting element and guides the light to the diaphragm, and diverges and reflects light from the vibrating body on a first optical axis.
An acousto-electric conversion device comprising a lens element that converges between the first focus position and the second focus position and guides the lens to the light receiving element. A shielding means for shielding a part of the converged divergent reflected light is provided.

【0009】前記音響電気変換装置において、前記発光
素子を前記遮蔽手段とほぼ同位置の前記光軸上に設ける
ことが出来る。また、前記音響電気変換装置において、
前記受光素子は前記光軸に対して2分されて構成するこ
とが出来る。さらに、前記音響電気変換装置において、
前記発光素子を垂直共振器型面発光レーザ素子とするこ
とが出来る。前記音響電気変換装置において、前記遮蔽
手段を前記光軸に対してほぼ直角に設けられたナイフエ
ッジとすることが出来る。
In the acoustoelectric conversion device, the light emitting element may be provided on the optical axis at substantially the same position as the shielding means. Further, in the acoustoelectric conversion device,
The light receiving element can be configured to be divided into two with respect to the optical axis. Further, in the acoustoelectric conversion device,
The light emitting device may be a vertical cavity surface emitting laser device. In the acoustoelectric conversion device, the shielding means may be a knife edge provided substantially at right angles to the optical axis.

【0010】また、本発明は、音響により振動する振動
板と、前記振動板に光を入射する発光素子と、前記振動
板からの反射光を受光し、前記振動板の音響による変位
を電気信号の変化に変換して出力する受光素子と、前記
発光素子からの入射光を収束して前記振動板に導き、前
記振動体からの発散反射光を光軸上の第1の焦点位置と
第2の焦点位置との間に収束させて前記受光素子に導く
レンズ素子とを備えた音響電気変換装置において、前記
第1の焦点位置と前記第2の焦点位置とにそれぞれ収束
する前記発散反射光をさらに反射させて前記受光素子に
導くミラー手段を設けたものである。前記音響電気変換
装置において、前記発光素子を前記ミラー手段とほぼ同
位置の前記光軸上に設けることが出来る。
Further, the present invention provides a vibration plate vibrating by sound, a light emitting element for making light incident on the vibration plate, a light reflected from the vibration plate, and a displacement of the vibration plate due to sound being an electric signal. And a light-receiving element that converts the light into a change and outputs the light, and converges the incident light from the light-emitting element to guide the light to the diaphragm. An acousto-electric conversion device comprising a lens element converging between the first focus position and the second focus position, wherein the divergent reflected light converges at the first focus position and the second focus position, respectively. Mirror means for further reflecting and guiding the light to the light receiving element is provided. In the acoustoelectric conversion device, the light emitting element may be provided on the optical axis at substantially the same position as the mirror unit.

【0011】さらに本発明は、発光面の発光強度分布が
同心円状にほぼ均一で、前記発光面から所定の角度で立
下るミラー面を有した台形状の垂直共振器型面発光レー
ザ発光素子を中心部に配置し、前記発光素子の両側に光
軸4からd=h・tan(180−2・α)ただし、α
>45°の距離で2分された受光素子を配置した基板
と、前記基板に対向する位置にほぼ平行に、かつ近接し
て設置され、音響により振動する振動板と、前記発光素
子からの入射光を収束して前記振動板に導き、前記振動
板からの発散反射光を光軸上の第1の焦点位置と第2の
焦点位置との間に収束させて前記受光素子に導くレンズ
素子とを備え、前記発光素子の前記発光面を前記光軸上
の前記第1の焦点位置と前記第2の焦点位置との間に配
置し、収束された前記発散反射光を前記ミラー面で反射
させて前記受光素子に導くようにしたものである。前記
音響電気変換装置において、前記発光素子と前記受光素
子とを同一基板上に同一工程で作製することが出来る。
また、前記音響電気変換装置において、前記発光素子と
前記受光素子とを異なる基板上に異なる工程で作製する
ことも出来る。
The present invention further provides a trapezoidal vertical cavity surface emitting laser light emitting device having a light emitting surface having a substantially uniform concentric emission distribution and a mirror surface falling at a predetermined angle from the light emitting surface. It is arranged at the center, and d = h · tan (180−2 · α) where α is located on both sides of the light emitting element from the optical axis 4.
A substrate on which a light receiving element divided by two at a distance of> 45 ° is disposed, a diaphragm that is installed substantially parallel to and close to a position facing the substrate, vibrates by acoustics, and an incident light from the light emitting element A lens element that converges light and guides the light to the diaphragm, and converges divergent reflected light from the diaphragm between a first focus position and a second focus position on an optical axis and guides the light to the light receiving element; And disposing the light emitting surface of the light emitting element between the first focal position and the second focal position on the optical axis, and reflecting the divergent reflected light on the mirror surface. The light is guided to the light receiving element. In the acoustoelectric conversion device, the light emitting element and the light receiving element can be manufactured over the same substrate in the same step.
Further, in the acoustoelectric conversion device, the light emitting element and the light receiving element can be manufactured on different substrates in different steps.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】図1は本発明の構成を説明するた
めの原理図である。本発明ではレンズ素子3と受光素子
PDとの間に収束された発散反射光の一部を遮蔽する遮
蔽手段を設ける。図1に示す例では遮蔽手段としてナイ
フエッジ10を設けている。振動板2で反射し発散され
た反射光はレンズ素子3により収束されて光軸4上の2
つの焦点位置f1,f2に収束するように集光される。
そこで本発明ではナイフエッジ10を短焦点位置f1と
長焦点位置f2との間に設ける。これにより振動板3か
らの戻り光が片側の光束が遮られ、焦点前後の光束が受
光素子PDの光軸に対して2分されて構成された領域A
及び領域Bに分割されて到達する。したがってA領域か
ら検出される光信号とB領域から検出される光信号との
差信号をとることにより、図7に示すような構造のもの
に比較してより感度の高い受光量変調をおこなうことが
できる。ナイフエッジ10と受光素子PDとの間の距離
Δを変えることにより最適な受光素子のサイズと感度と
を得ることができる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a principle diagram for explaining the configuration of the present invention. In the present invention, a shielding means for shielding a part of the divergent reflected light converged between the lens element 3 and the light receiving element PD is provided. In the example shown in FIG. 1, a knife edge 10 is provided as shielding means. Reflected light reflected and diverged by the diaphragm 2 is converged by the lens element 3 and
Light is condensed so as to converge at two focal positions f1 and f2.
Therefore, in the present invention, the knife edge 10 is provided between the short focal position f1 and the long focal position f2. As a result, the return light from the diaphragm 3 blocks the light flux on one side, and the light flux before and after the focus is divided into two parts with respect to the optical axis of the light receiving element PD.
And the area B is reached. Therefore, by taking the difference signal between the optical signal detected from the area A and the optical signal detected from the area B, the received light quantity modulation can be performed with higher sensitivity as compared with the structure shown in FIG. Can be. By changing the distance Δ between the knife edge 10 and the light receiving element PD, an optimum light receiving element size and sensitivity can be obtained.

【0013】図2は図1に示す構成の動作原理を説明す
るための図である。図2(a)に示す例ではレンズ3か
らの戻り光がナイフエッジ10に対して短焦点位置f1
側に収束した例である。この場合には、レンズ3の上側
からの戻り光はナイフエッジ10に遮られて受光素子P
DのB領域に到達することはなく、A領域のみにレンズ
素子3からの戻り光が照射される。図2(b)の場合に
は、レンズ3からの戻り光は短焦点位置f1と長焦点位
置f2の間のナイフエッジ10の位置に収束している。
この例では受光素子PDのA領域で受光される受光量と
B領域で受光される受光量とは等しくなる。図2(c)
の例では、戻り光はナイフエッジ10に対して長焦点位
置f2側に収束している。この場合には、レンズ3の上
側からの戻り光のみが受光素子PDのB領域で受光され
る。受光素子PDのA領域とB領域とで受光した光信号
の大きさを差信号として取り出すことにより図7に示す
場合に比べて大きな差信号を得ることができる。
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation principle of the configuration shown in FIG. In the example shown in FIG. 2A, the return light from the lens 3 is shifted to the short focal position f1 with respect to the knife edge 10.
This is an example that converged to the side. In this case, the return light from above the lens 3 is blocked by the knife edge 10 and the light receiving element P
The return light from the lens element 3 is irradiated only to the region A without reaching the region B of D. In the case of FIG. 2B, the return light from the lens 3 converges on the position of the knife edge 10 between the short focal position f1 and the long focal position f2.
In this example, the amount of light received in the region A of the light receiving element PD is equal to the amount of light received in the region B. FIG. 2 (c)
In this example, the return light is converged on the long focal position f2 side with respect to the knife edge 10. In this case, only the return light from above the lens 3 is received in the region B of the light receiving element PD. By extracting, as a difference signal, the magnitude of the optical signal received in the A region and the B region of the light receiving element PD, a large difference signal can be obtained as compared with the case shown in FIG.

【0014】なお図1(a)〜(c)に示す図は受光素
子PDでの戻り光の受光状態を示す図で図2(a)〜
(c)にそれぞれ対応している。なお、図1に示す実施
の形態において、ナイフエッジ10と受光素子PDとの
間の距離をΔ、振動板2の振動変位を±δとし、発光素
子LDと振動板との間の距離を1.39mm、レンズ径
を0.25mm、拡大倍率を6.5とすると、発光素子
LDとレンズとの間の距離Lは1.2mm、またレンズ
3と振動板2の距離Fは0.19mmとなる。なお図1
に示す例では発光素子LDは光軸4上にあって、ナイフ
エッジ10の設置位置と同位置にある。さらに、振動板
2の変位dは基準位置からのオフセット量である。さら
にHapをレンズ上での戻り光の光束高さとした場合、
振動板2の変位±δによる受光素子PD上での光束高さ
A,Bを示しており、表1に示す結果が得られる。
FIGS. 1 (a) to 1 (c) show the state of receiving the return light at the light receiving element PD, and FIGS.
(C) respectively. In the embodiment shown in FIG. 1, the distance between the knife edge 10 and the light receiving element PD is Δ, the vibration displacement of the diaphragm 2 is ± δ, and the distance between the light emitting element LD and the diaphragm is 1 Assuming that .39 mm, the lens diameter is 0.25 mm, and the magnification is 6.5, the distance L between the light emitting element LD and the lens is 1.2 mm, and the distance F between the lens 3 and the diaphragm 2 is 0.19 mm. Become. FIG. 1
In the example shown in (1), the light emitting element LD is on the optical axis 4 and is at the same position as the installation position of the knife edge 10. Further, the displacement d of the diaphragm 2 is an offset amount from the reference position. If Hap is the luminous flux height of the return light on the lens,
The luminous flux heights A and B on the light receiving element PD according to the displacement ± δ of the diaphragm 2 are shown, and the results shown in Table 1 are obtained.

【0015】[0015]

【表1】 [Table 1]

【0016】図3は本発明の他の実施の形態を示す図
で、本実施の形態では図1に示すような遮蔽手段を用い
て一方の戻り光を遮蔽するのではなく、戻り光をさらに
反射させて受光素子に導くようにミラー手段20a,2
0bを設けている。このミラー手段20a,20bによ
り短焦点位置f1に収束する戻り光は受光素子A1,A
2に反射されて導かれ、長焦点位置f2に収束する戻り
光は受光素子B1,B2に導かれる。このようなミラー
手段により戻り光の光束が2つの受光素子にそれぞれ分
離されて受光される。そこで両側にある受光素子の差信
号の和をとることにより受光量変調を増幅して出力する
ことができる。すなわち図3に示す例では受光出力信号
は受光素子A1とB1との差と、A2とB2との差の和
信号として取り出すことができる。なお、ミラー手段2
0a,20bは光軸4に対して対称に所定の角度だけ傾
けて配置される。また発光素子はこのミラー手段20
a,20bの先端部の光軸4上に設置することができ
る。図3に示す例では、発光素子LDは光軸4上にあっ
て短焦点位置f1と長焦点位置f2との間に位置するよ
うに設置されている。またミラー手段20a,20bの
頂点に位置し、これによりほぼ台形状の形状が形成され
る。
FIG. 3 is a view showing another embodiment of the present invention. In this embodiment, one return light is not blocked by using a blocking means as shown in FIG. Mirror means 20a, 2 so that the light is reflected and guided to the light receiving element.
0b is provided. The return light converged to the short focal point position f1 by the mirror means 20a, 20b is received by the light receiving elements A1, A
2, the return light converging to the long focal position f2 is guided to the light receiving elements B1 and B2. The light beam of the return light is separated into two light receiving elements and received by such a mirror means. Therefore, the sum of the difference signals of the light receiving elements on both sides can be amplified to output the light amount modulation. That is, in the example shown in FIG. 3, the light receiving output signal can be extracted as a sum signal of the difference between the light receiving elements A1 and B1 and the difference between A2 and B2. Mirror means 2
0a and 20b are arranged symmetrically with respect to the optical axis 4 and inclined at a predetermined angle. The light emitting element is provided by the mirror means 20.
a, 20b can be installed on the optical axis 4 at the tip end. In the example shown in FIG. 3, the light emitting element LD is installed on the optical axis 4 so as to be located between the short focal position f1 and the long focal position f2. It is located at the apex of the mirror means 20a, 20b, thereby forming a substantially trapezoidal shape.

【0017】図4は図3に示す第2の実施の形態の詳細
動作原理を説明する図である。発光面から所定の角度α
で立下るミラー面20a,20bを有した台形状の垂直
共振器型面発光レーザ発光素子LDを中心部に配置し、
この発光素子LDの両側に光軸4からd=h・tan
(180−2・α)(ただしα>45°)の距離で2分
された受光素子A1,B1を配置した基板が用いられ
る。ここでhは台形の高さで、ミラー面20a,20b
の端を傾きαのまま延長し、光軸4との交点から基板ま
での高さである。またdは光軸4から2分された受光素
子の分割点までの距離である。光軸4に沿った、レンズ
3からの戻り光は、入射角、反射角がαとなり、d=h
・tan(180−2・α)の関係が成立する。図2
(d)はこのようなミラー手段20a,20bを用いた
ときの戻り光の反射状態を示す図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining the detailed operation principle of the second embodiment shown in FIG. A predetermined angle α from the light emitting surface
A trapezoidal vertical cavity surface emitting laser light emitting element LD having mirror surfaces 20a and 20b falling at
D = h · tan from the optical axis 4 on both sides of the light emitting element LD.
A substrate on which light receiving elements A1 and B1 divided into two by a distance of (180-2 · α) (where α> 45 °) is used. Here, h is the height of the trapezoid, and the mirror surfaces 20a, 20b
Is extended with the inclination α, and is the height from the intersection with the optical axis 4 to the substrate. Also, d is the distance from the optical axis 4 to the division point of the light receiving element divided into two. The return light from the lens 3 along the optical axis 4 has an incident angle and a reflection angle of α, and d = h
A relationship of tan (180-2 · α) is established. FIG.
(D) is a diagram showing a reflection state of return light when such mirror means 20a and 20b are used.

【0018】図5は図3に示す実施の形態における発光
素子とミラー手段との作製方法を説明する図で、(a)
はガリウムヒ素基板に受発光素子並びにミラー手段を同
一工程で製造する方法を示し、(b)は受光素子をシリ
コン基板上に作製したのち、別途形成した発光素子とミ
ラー手段との複合体をこの受光素子と組合せる方法を示
している。
FIG. 5 is a view for explaining a method of manufacturing the light emitting element and the mirror means in the embodiment shown in FIG.
Shows a method of manufacturing a light receiving and emitting element and a mirror means on a gallium arsenide substrate in the same process, and FIG. 2 (b) shows a method of manufacturing a light receiving element on a silicon substrate and then forming a composite of a light emitting element and a mirror means separately formed. The method of combining with a light receiving element is shown.

【0019】図5(a)に示す同一工程で製造する方法
は、工程数を減らすことが可能であるが、ガリウムヒ素
基板が高価であるという欠点がある。この方法ではガリ
ウムヒ素基板を用意し(ステップ40)、発光素子が形
成される部分を中央に残してその周辺部をエッチング除
去する(ステップ41)。ついで全面に結晶成長を行な
う(ステップ42)。ついで中央部に形成される発光素
子LDの側壁を所定の角度でエッチングし、斜面に形成
する(ステップ43)。次にこの斜面に鏡面コートを行
ない、光が反射するようにしてミラー手段の形成を行な
う。
The method of manufacturing in the same step shown in FIG. 5A can reduce the number of steps, but has a disadvantage that the gallium arsenide substrate is expensive. In this method, a gallium arsenide substrate is prepared (step 40), and its peripheral portion is removed by etching (step 41) while leaving a portion where a light emitting element is formed at the center. Next, crystal growth is performed on the entire surface (step 42). Next, the side wall of the light emitting element LD formed at the center is etched at a predetermined angle to form a slope (step 43). Next, a mirror coating is performed on the slope to form mirror means so that light is reflected.

【0020】図5(a)による製造方法では発光素子、
受光素子及びミラー手段が同一基板上に一体として形成
されるため精度の高い超小型の音響電気変換装置を実現
することができる。しかし前述したようにガリウムヒ素
基板が高価なため、コストが上昇するという欠点があ
る。図5(b)に示す方法は、基板価格の安価なシリコ
ン基板を用いて受光素子のみを形成し、発光素子ならび
にミラー手段は高価なガリウムヒ素基板に形成してこれ
をダイボンドにより一体に形成したものである。
In the manufacturing method according to FIG.
Since the light receiving element and the mirror means are integrally formed on the same substrate, a highly accurate ultra-compact acoustoelectric converter can be realized. However, since the gallium arsenide substrate is expensive as described above, there is a disadvantage that the cost increases. In the method shown in FIG. 5 (b), only the light receiving element is formed using a low-priced silicon substrate, and the light emitting element and the mirror means are formed on an expensive gallium arsenide substrate, which is integrally formed by die bonding. Things.

【0021】ステップ50に示すようにシリコン基板を
用意し、基板エッチングと結晶成長とを行なうことによ
り(ステップ51,52)、受光素子部分を形成する。
一方ガリウムヒ素基板を用意し、これに結晶成長を行い
(ステップ60,61)、発光素子を形成する。ついで
ステップ61により形成された結晶面に所定の角度で斜
面形成を行い、この斜面に鏡面コートを行なうことによ
り(ステップ62)、発光素子とこの発光素子に一体化
されたミラー手段とを形成する。次にこれをダイシング
により分離し(ステップ63)、分離された発光素子と
ミラー手段とからなるチップをダイボンドによりシリコ
ン基板からなる受光素子に結合することにより(ステッ
プ53)、受発光素子並びにミラー手段を形成する。本
製造方法は工程数が増えるものの、シリコン基板がガリ
ウムヒ素基板に比べて安価であるため、装置のコストを
減少させることができる。
As shown in Step 50, a silicon substrate is prepared, and the substrate is etched and crystal grown (Steps 51 and 52) to form a light receiving element portion.
On the other hand, a gallium arsenide substrate is prepared, and a crystal is grown thereon (steps 60 and 61) to form a light emitting element. Then, a slope is formed at a predetermined angle on the crystal surface formed in step 61, and the slope is mirror-coated (step 62), thereby forming a light emitting element and mirror means integrated with the light emitting element. . Next, this is separated by dicing (step 63), and the separated chip composed of the light emitting element and the mirror means is bonded to the light receiving element made of a silicon substrate by die bonding (step 53), whereby the light receiving / emitting element and the mirror means are connected. To form Although this manufacturing method requires more steps, the cost of the apparatus can be reduced because the silicon substrate is cheaper than the gallium arsenide substrate.

【0022】[0022]

【発明の効果】以上の実施の形態に基づいて詳細に説明
したように、本発明では戻り光の一部を遮蔽する遮蔽手
段あるいは戻り光をさらに反射させるミラー手段を設け
たことにより戻り光の検出信号の差が大きくなるか、あ
るいは戻り光の移動幅を大幅に増大することができるた
め、高S/Nの再生音を実現することができる。なお、
本発明は光マイクロホン装置に利用できるだけでなく音
響センサ等にも利用することができることは言うまでも
ない。
As has been described in detail based on the above embodiments, the present invention has a shielding means for shielding a part of the return light or a mirror means for further reflecting the return light, thereby providing a return light. Since the difference between the detection signals becomes large or the moving width of the return light can be greatly increased, a high S / N reproduction sound can be realized. In addition,
It goes without saying that the present invention can be used not only for optical microphone devices but also for acoustic sensors and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態に係る音響電気変換
装置の構成原理を示す図。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration principle of an acoustoelectric conversion device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1及び図3に示す構成の動作原理を説明する
ための図。
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation principle of the configuration shown in FIGS. 1 and 3;

【図3】本発明の第2の実施の形態の動作原理を説明す
るための図。
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation principle of the second embodiment of the present invention.

【図4】図3に示す第2の実施形態の詳細動作原理を説
明するための図。
FIG. 4 is a view for explaining the detailed operation principle of the second embodiment shown in FIG. 3;

【図5】受発光素子の製造方法を示す工程図。FIG. 5 is a process chart showing a method for manufacturing a light receiving and emitting element.

【図6】従来の電気音響変換装置の一例を示す図。FIG. 6 is a diagram showing an example of a conventional electroacoustic transducer.

【図7】従来のレンズ素子を用いた音響電気変換装置の
動作原理を説明するための図。
FIG. 7 is a diagram for explaining the operation principle of an acoustoelectric conversion device using a conventional lens element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 振動板 3 レンズ素子 LD 発光素子 PD 受光素子 10 ナイフエッジ 20a,20b ミラー手段 2 diaphragm 3 lens element LD light emitting element PD light receiving element 10 knife edge 20a, 20b mirror means

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新造 徹 東京都渋谷区道玄坂1丁目14番6号 株式 会社ケンウッド内 (72)発明者 小林 興弘 東京都渋谷区道玄坂1丁目14番6号 株式 会社ケンウッド内 (72)発明者 宮原 信弘 東京都渋谷区道玄坂1丁目14番6号 株式 会社ケンウッド内 (72)発明者 服部 裕 東京都渋谷区道玄坂1丁目14番6号 株式 会社ケンウッド内 (72)発明者 ジム ハング アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 ウ ォバーン スート 3000 ウェスト カミ ングス パーク 400 ニュー ディメン ション テクノロジー インク.内 (72)発明者 ビクター ラザレフ アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 ウ ォバーン スート 3000 ウェスト カミ ングス パーク 400 ニュー ディメン ション テクノロジー インク.内 Fターム(参考) 5D021 DD04 5F089 BB01 BB08 CA06 GA01  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Toru Shinzo 1-14-6 Dogenzaka, Shibuya-ku, Tokyo Inside Kenwood Co., Ltd. (72) Inventor Hirohiro Kobayashi 1-14-6 Dogenzaka, Shibuya-ku, Tokyo Stock Company Kenwood Inside (72) Inventor Nobuhiro Miyahara 1-14-6 Dogenzaka, Shibuya-ku, Tokyo Co., Ltd. Kenwood Inside (72) Inventor Hiroshi Hattori 1-14-6 Dogenzaka, Shibuya-ku, Tokyo Kenwood Co., Ltd. (72) Invention Jim Hang Woburn Suites, Massachusetts, USA 3000 West Cummings Park 400 New Dimension Technology, Inc. (72) Inventor Victor Lazarev, Woburnsuite, Mass., USA 3,000 West Cummings Park 400 New Dimension Technology, Inc. F-term (reference) 5D021 DD04 5F089 BB01 BB08 CA06 GA01

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 音響により振動する振動板と、前記振動
板に光を入射する発光素子と、前記振動板からの反射光
を受光し、前記振動板の音響による変位を電気信号の変
化に変換して出力する受光素子と、前記発光素子からの
入射光を収束して前記振動板に導き、前記振動板からの
発散反射光を光軸上の第1の焦点位置と第2の焦点位置
との間に収束させて前記受光素子に導くレンズ素子とを
備えた音響電気変換装置において、 前記第1の焦点位置と前記第2の焦点位置との間に収束
された前記発散反射光の一部を遮蔽する遮蔽手段を設け
たことを特徴とする音響電気変換装置。
1. A vibrating plate that vibrates by sound, a light emitting element that irradiates light to the vibrating plate, and a light reflected from the vibrating plate is received, and a displacement of the vibrating plate due to sound is converted into a change in an electric signal. And a light receiving element that outputs the light, and converges incident light from the light emitting element and guides the light to the diaphragm, and diverges and reflects light from the diaphragm to a first focal position and a second focal position on the optical axis. An acousto-electric conversion device comprising a lens element converged between the first focal position and the second focal position, and a part of the divergent reflected light converged between the first focal position and the second focal position. An acousto-electric conversion device comprising a shielding means for shielding the sound.
【請求項2】 請求項1に記載の音響電気変換装置にお
いて、 前記発光素子を前記遮蔽手段とほぼ同位置の前記光軸上
に設けたことを特徴とする音響電気変換装置。
2. The acoustoelectric conversion device according to claim 1, wherein the light emitting element is provided on the optical axis at substantially the same position as the shielding means.
【請求項3】 請求項1に記載の音響電気変換装置にお
いて、 前記受光素子が前記光軸に対して2分されて構成される
ことを特徴とする音響電気変換装置。
3. The acoustoelectric conversion device according to claim 1, wherein the light receiving element is divided into two with respect to the optical axis.
【請求項4】 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の
音響電気変換装置において、 前記発光素子が垂直共振器型面発光レーザ素子であるこ
とを特徴とする音響電気変換装置。
4. The acoustoelectric conversion device according to claim 1, wherein the light emitting element is a vertical cavity surface emitting laser element.
【請求項5】 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の
音響電気変換装置において、 前記遮蔽手段が前記光軸に対してほぼ直角に設けられた
ナイフエッジからなることを特徴とする音響電気変換装
置。
5. The acoustic-electric conversion device according to claim 1, wherein said shielding means comprises a knife edge provided substantially at right angles to said optical axis. Electric conversion device.
【請求項6】 音響により振動する振動板と、前記振動
板に光を入射する発光素子と、前記振動板からの反射光
を受光し、前記振動板の音響による変位を電気信号の変
化に変換して出力する受光素子と、前記発光素子からの
入射光を収束して前記振動板に導き、前記振動体からの
発散反射光を光軸上の第1の焦点位置と第2の焦点位置
との間に収束させて前記受光素子に導くレンズ素子とを
備えた音響電気変換装置において、 前記第1の焦点位置と前記第2の焦点位置とにそれぞれ
収束する前記発散反射光をさらに反射させて前記受光素
子に導くミラー手段を設けたことを特徴とする音響電気
変換装置。
6. A vibrating plate vibrating by sound, a light emitting element for emitting light to the vibrating plate, and receiving reflected light from the vibrating plate, and converting a displacement of the vibrating plate by sound into a change in an electric signal. And a light receiving element that outputs the light, and converges incident light from the light emitting element and guides the light to the diaphragm, and diverges and reflects light from the vibrating body to a first focal position and a second focal position on the optical axis. Wherein the divergent reflected light converging to the first focal position and the second focal position is further reflected. An acoustoelectric conversion device comprising a mirror means for guiding to the light receiving element.
【請求項7】 請求項6に記載の音響電気変換装置にお
いて、 前記発光素子を前記ミラー手段とほぼ同位置の前記光軸
上に設けたことを特徴とする音響電気変換装置。
7. The acoustoelectric transducer according to claim 6, wherein the light emitting element is provided on the optical axis at substantially the same position as the mirror means.
【請求項8】 発光面の発光強度分布が同心円状にほぼ
均一で、前記発光面から所定の角度で立下るミラー面を
有した台形状の垂直共振器型面発光レーザ発光素子を中
心部に配置し、前記発光素子を取囲むように受光素子を
配置した基板と、 前記基板に対向する位置にほぼ平行に、かつ近接して設
置され、音響により振動する振動板と、 前記発光素子からの入射光を収束して前記振動板に導
き、前記振動板からの発散反射光を光軸上の第1の焦点
位置と第2の焦点位置との間に収束させて前記受光素子
に導くレンズ素子とを備え、 前記発光素子の前記発光面を前記光軸上の前記第1の焦
点位置と前記第2の焦点位置との間に配置し、収束され
た前記発散反射光を前記ミラー面で反射させて前記受光
素子に導くことを特徴とする音響電気変換装置。
8. A trapezoidal vertical cavity surface emitting laser light emitting device having a light emitting surface having a substantially uniform concentric emission distribution and a mirror surface falling at a predetermined angle from the light emitting surface. A substrate on which a light receiving element is disposed so as to surround the light emitting element; a diaphragm that is installed substantially parallel to and close to a position facing the substrate and vibrates by sound; and A lens element that converges incident light and guides it to the diaphragm, and converges divergent reflected light from the diaphragm between a first focal position and a second focal position on an optical axis and guides the divergent reflected light to the light receiving element And disposing the light emitting surface of the light emitting element between the first focal position and the second focal position on the optical axis, and reflecting the converged divergent reflected light on the mirror surface Acousto-electric conversion device, Place.
【請求項9】 請求項8に記載の音響電気変換装置にお
いて、 前記発光素子と前記受光素子とを同一基板上に同一工程
で作製したことを特徴とする音響電気変換装置。
9. The acoustoelectric conversion device according to claim 8, wherein the light emitting element and the light receiving element are manufactured on the same substrate in the same process.
【請求項10】 請求項8に記載の音響電気変換装置に
おいて、 前記発光素子と前記受光素子とを異なる基板上に異なる
工程で作製したことを特徴とする音響電気変換装置。
10. The acoustoelectric conversion device according to claim 8, wherein the light emitting element and the light receiving element are manufactured on different substrates in different steps.
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CN108056754A (en) * 2017-12-01 2018-05-22 华中科技大学 Rapid axial scanning opto-acoustic microscopic imaging device based on sound graded index mirror

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