JP2001268696A - 光マイクロフォン - Google Patents
光マイクロフォンInfo
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- JP2001268696A JP2001268696A JP2000075532A JP2000075532A JP2001268696A JP 2001268696 A JP2001268696 A JP 2001268696A JP 2000075532 A JP2000075532 A JP 2000075532A JP 2000075532 A JP2000075532 A JP 2000075532A JP 2001268696 A JP2001268696 A JP 2001268696A
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- microphone
- optical microphone
- optical
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- Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 不感帯がなくダイナミックレンジの広い振動
検出を可能とする光マイクロフォンを提供する。 【解決手段】 光ビーム（４１，４３，４５）をマイク
ロフォンの振動板に投射し、その反射光を光検出器（４
２，４４，４６）で光検出し、前記マイクロフォン振動
板の振動に相当する音声を光信号として読み出すよう構
成した光マイクロフォンにおいて、前記光検出器（４
４）上で前記光検出器（４４）の大きさと同じ大きさの
ビーム径を有する光ビーム（４３）を用いるよう構成し
たり、複数の素子に分割された光検出器を用い、その複
数の素子に分割された光検出器として位置検出型光検出
器を用いるよう構成する。
検出を可能とする光マイクロフォンを提供する。 【解決手段】 光ビーム（４１，４３，４５）をマイク
ロフォンの振動板に投射し、その反射光を光検出器（４
２，４４，４６）で光検出し、前記マイクロフォン振動
板の振動に相当する音声を光信号として読み出すよう構
成した光マイクロフォンにおいて、前記光検出器（４
４）上で前記光検出器（４４）の大きさと同じ大きさの
ビーム径を有する光ビーム（４３）を用いるよう構成し
たり、複数の素子に分割された光検出器を用い、その複
数の素子に分割された光検出器として位置検出型光検出
器を用いるよう構成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、マイクロフォン
振動板の変位、すなわち音声を光ビームを用いて読み出
す光マイクロフォンに関するものである。
振動板の変位、すなわち音声を光ビームを用いて読み出
す光マイクロフォンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】光ビーム、例えばＬＥＤ（発光ダイオー
ド）の光をマイクロフォンの振動板（Diaphragm ）にあ
て、その反射光を光検出器で検出する「光マイクロフォ
ン」が提案されている（１９９９年１０月１９日付電波
新聞およびＯ plus Ｅ, １９９９年１１月ｐ．１３６
７）。その提案されている光マイクロフォン構造の模式
図は、前述の資料で図１のように示されている。ＬＥＤ
１１からの光ビーム１２はマイクロフォンの振動板１３
により反射され、その反射光は光検出器１４で光検出さ
れ音声信号が光信号に変換されて読み出されている。こ
こで同図のフィードバック回路１５はいかなる動作をす
るのか前述の資料になんら記載されていないので不明で
ある。そしてかかるマイクロフォンは小型、軽量、鋭い
指向特性などの特徴を持つことが予測される。
ド）の光をマイクロフォンの振動板（Diaphragm ）にあ
て、その反射光を光検出器で検出する「光マイクロフォ
ン」が提案されている（１９９９年１０月１９日付電波
新聞およびＯ plus Ｅ, １９９９年１１月ｐ．１３６
７）。その提案されている光マイクロフォン構造の模式
図は、前述の資料で図１のように示されている。ＬＥＤ
１１からの光ビーム１２はマイクロフォンの振動板１３
により反射され、その反射光は光検出器１４で光検出さ
れ音声信号が光信号に変換されて読み出されている。こ
こで同図のフィードバック回路１５はいかなる動作をす
るのか前述の資料になんら記載されていないので不明で
ある。そしてかかるマイクロフォンは小型、軽量、鋭い
指向特性などの特徴を持つことが予測される。
【０００３】前述の資料には、具体的な変位検出方法は
説明されていないが、容易に予測できる方法として、図
２を参照して以下に説明するような方法が想定できる。
すなわち、その構成は後にも詳述されるよう振動板２１
の中立位置２５からの反射光ビーム２４のすべてが光検
出器２９に入射するように配置されている。振動板２１
の変位により、反射光ビーム２４の位置が変化すると、
光検出器２９に入射する光の量が減るため、光量を測定
することにより振動板の変位を求めることができるとい
うものである。
説明されていないが、容易に予測できる方法として、図
２を参照して以下に説明するような方法が想定できる。
すなわち、その構成は後にも詳述されるよう振動板２１
の中立位置２５からの反射光ビーム２４のすべてが光検
出器２９に入射するように配置されている。振動板２１
の変位により、反射光ビーム２４の位置が変化すると、
光検出器２９に入射する光の量が減るため、光量を測定
することにより振動板の変位を求めることができるとい
うものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この方法では、反射光
ビームが検出器からはずれ始めるまでは光量の変化が検
出できないため、小振幅の時不感帯が生じるという問題
があるだろう。一方、それをなくすために、反射光ビー
ムスポットの大きさを大きくしすぎると、再び不感帯を
生じてしまうという問題があるだろう（図４を参照して
後に説明する）。
ビームが検出器からはずれ始めるまでは光量の変化が検
出できないため、小振幅の時不感帯が生じるという問題
があるだろう。一方、それをなくすために、反射光ビー
ムスポットの大きさを大きくしすぎると、再び不感帯を
生じてしまうという問題があるだろう（図４を参照して
後に説明する）。
【０００５】本発明では、光マイクロフォンにおいて、
不感帯を生じない光ビーム径（正確には振動板の変位に
よって生ずる光ビームの移動方向の光ビームの幅）と光
検出器の大きさ（正確には前記光ビームの移動方向の検
出器の幅）とに関係を与え、これにより優れた性能をも
つ光マイクロフォンを提供することを目的とするもので
ある。さらに、本発明では、光マイクロフォンにおい
て、高感度を保ちつつ高ダイナミックレンジを実現する
ことの可能な、優れた性能をもつ光マイクロフォンを提
供することを目的とするものである。またさらに、本発
明では、光マイクロフォンにおいて、出力の非直線性か
ら生じる歪みを低減することの可能な、優れた性能をも
つ光マイクロフォンを提供することを目的とするもので
ある。
不感帯を生じない光ビーム径（正確には振動板の変位に
よって生ずる光ビームの移動方向の光ビームの幅）と光
検出器の大きさ（正確には前記光ビームの移動方向の検
出器の幅）とに関係を与え、これにより優れた性能をも
つ光マイクロフォンを提供することを目的とするもので
ある。さらに、本発明では、光マイクロフォンにおい
て、高感度を保ちつつ高ダイナミックレンジを実現する
ことの可能な、優れた性能をもつ光マイクロフォンを提
供することを目的とするものである。またさらに、本発
明では、光マイクロフォンにおいて、出力の非直線性か
ら生じる歪みを低減することの可能な、優れた性能をも
つ光マイクロフォンを提供することを目的とするもので
ある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前述の諸課題を解決する
ため、まず、本発明においては、最適な光ビーム径の大
きさ（光検出器の大きさに対する相対値）を定めた。す
なわち請求項１に係る本発明光マイクロフォンは、前記
光検出器上で前記光検出器の大きさ（正確には振動板の
変位によって生ずる光ビームの移動方向の検出器の幅）
と同じ大きさのビーム径（正確には前記光ビームの移動
方向の光ビームの幅）を有する光ビームを用いるよう構
成している。これにより不感帯を生じない検出が可能と
なる。さらに、前述の諸課題を解決するため、請求項２
に係る本発明光マイクロフォンは、複数の素子に分割さ
れた光検出器を用いるよう構成している。
ため、まず、本発明においては、最適な光ビーム径の大
きさ（光検出器の大きさに対する相対値）を定めた。す
なわち請求項１に係る本発明光マイクロフォンは、前記
光検出器上で前記光検出器の大きさ（正確には振動板の
変位によって生ずる光ビームの移動方向の検出器の幅）
と同じ大きさのビーム径（正確には前記光ビームの移動
方向の光ビームの幅）を有する光ビームを用いるよう構
成している。これにより不感帯を生じない検出が可能と
なる。さらに、前述の諸課題を解決するため、請求項２
に係る本発明光マイクロフォンは、複数の素子に分割さ
れた光検出器を用いるよう構成している。
【０００７】またさらに、前記請求項２に係る発明にお
いて、前記複数の素子に分割された光検出器として位置
検出型光検出器を用いるよう構成したのが請求項３記載
の本発明光マイクロフォンであり、前記請求項３に係る
発明において、前記位置検出型光検出器の複数の素子に
分割された各光検出器素子に２進の重み付けが施され、
位置情報を直接デジタル値として与えるよう構成したの
が請求項４記載の本発明光マイクロフォンであり、請求
項３または４に係る発明において、前記振動板の相対的
に微小な変位に対する光検出感度を高めるよう、前記光
検出器の各素子を十分小さく構成したのが請求項５記載
の本発明光マイクロフォンであり、同じく請求項３また
は４に係る発明において、前記振動板の相対的に大きな
変位に対する光ビームの位置変化までを捕捉でき、前記
光マイクロフォンのダイナミックレンジを広く取ること
ができるよう、光検出器の素子数を十分多く構成したの
が請求項６記載の本発明光マイクロフォンである。
いて、前記複数の素子に分割された光検出器として位置
検出型光検出器を用いるよう構成したのが請求項３記載
の本発明光マイクロフォンであり、前記請求項３に係る
発明において、前記位置検出型光検出器の複数の素子に
分割された各光検出器素子に２進の重み付けが施され、
位置情報を直接デジタル値として与えるよう構成したの
が請求項４記載の本発明光マイクロフォンであり、請求
項３または４に係る発明において、前記振動板の相対的
に微小な変位に対する光検出感度を高めるよう、前記光
検出器の各素子を十分小さく構成したのが請求項５記載
の本発明光マイクロフォンであり、同じく請求項３また
は４に係る発明において、前記振動板の相対的に大きな
変位に対する光ビームの位置変化までを捕捉でき、前記
光マイクロフォンのダイナミックレンジを広く取ること
ができるよう、光検出器の素子数を十分多く構成したの
が請求項６記載の本発明光マイクロフォンである。
【０００８】またさらに、請求項２に係る発明におい
て、２分割された光検出器を用い、一方の光検出器の出
力と他方の光検出器の出力との差を検出して差動検出で
きるよう構成したのが請求項７記載の本発明光マイクロ
フォンであり、特に、請求項７に係る発明において、前
記振動板が中立位置にある時に、差動検出の出力が零と
なるよう構成したのが請求項８記載の本発明光マイクロ
フォンである。このように構成することにより、高感度
の光マイクロフォンを構成することができる。これは、
信号が零からずれたかどうかを検出するのが、非常に高
感度に行えるためである。また、請求項２に係る発明に
おいて、複数の前記光検出器素子間に隙間があっても、
または前記振動板の比較的小さな変位に対しても十分な
感度を有するよう、前記光検出器の位置での前記隙間に
対する反射光スポットの大きさを十分大きく構成したの
が請求項９記載の本発明光マイクロフォンであり、同じ
く請求項２に係る発明において、前記振動板の比較的大
きな変位に対しても反射光スポットが光検出器から外れ
ることなく、高いダイナミックレンジが達成できるよ
う、個々の光検出器素子を前記反射光スポットに対して
十分大きく構成したのが請求項１０記載の本発明光マイ
クロフォンである。
て、２分割された光検出器を用い、一方の光検出器の出
力と他方の光検出器の出力との差を検出して差動検出で
きるよう構成したのが請求項７記載の本発明光マイクロ
フォンであり、特に、請求項７に係る発明において、前
記振動板が中立位置にある時に、差動検出の出力が零と
なるよう構成したのが請求項８記載の本発明光マイクロ
フォンである。このように構成することにより、高感度
の光マイクロフォンを構成することができる。これは、
信号が零からずれたかどうかを検出するのが、非常に高
感度に行えるためである。また、請求項２に係る発明に
おいて、複数の前記光検出器素子間に隙間があっても、
または前記振動板の比較的小さな変位に対しても十分な
感度を有するよう、前記光検出器の位置での前記隙間に
対する反射光スポットの大きさを十分大きく構成したの
が請求項９記載の本発明光マイクロフォンであり、同じ
く請求項２に係る発明において、前記振動板の比較的大
きな変位に対しても反射光スポットが光検出器から外れ
ることなく、高いダイナミックレンジが達成できるよ
う、個々の光検出器素子を前記反射光スポットに対して
十分大きく構成したのが請求項１０記載の本発明光マイ
クロフォンである。
【０００９】さらに、請求項１から１０いずれかに係る
発明において、前記反射光位置の変化と振動板の変位と
が線形になるよう補正する非線形補正回路を内蔵したの
が請求項１１記載の本発明光マイクロフォンである。ま
た、請求項１２に係る本発明光マイクロフォンでは、前
記反射光の前記光検出器上での位置の変化と前記振動板
の変位とが非線形であるのを補正するよう、前記光ビー
ムのスポットを長方形としており、請求項１３に係る本
発明光マイクロフォンでは、前記光ビームのスポットを
振動板の中心を外して振動板の周辺部に当てるよう構成
している。
発明において、前記反射光位置の変化と振動板の変位と
が線形になるよう補正する非線形補正回路を内蔵したの
が請求項１１記載の本発明光マイクロフォンである。ま
た、請求項１２に係る本発明光マイクロフォンでは、前
記反射光の前記光検出器上での位置の変化と前記振動板
の変位とが非線形であるのを補正するよう、前記光ビー
ムのスポットを長方形としており、請求項１３に係る本
発明光マイクロフォンでは、前記光ビームのスポットを
振動板の中心を外して振動板の周辺部に当てるよう構成
している。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照し、実施例
により本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、
先の前記資料に報告されている光マイクロフォンの構造
を示している。図２は、前記資料に報告されている光マ
イクロフォンの動作原理を説明するための想定図であ
る。図２において、２１は音（空気の振動）により振動
する振動板である。ＬＥＤ（発光ダイオード）２２より
発せられた光ビーム２３は振動板２１で反射され光検出
器２９に導かれる。２５，２６，２７は振動板２１がそ
れぞれ中立状態、上方に変位された状態、下方に変位さ
れた状態を示している。光検出器２９はそこに入射する
光の量に比例した電気信号を出力するので、振動板の変
位に従って出力が変化する。これにより振動板２１の変
位を知ることができる。
により本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、
先の前記資料に報告されている光マイクロフォンの構造
を示している。図２は、前記資料に報告されている光マ
イクロフォンの動作原理を説明するための想定図であ
る。図２において、２１は音（空気の振動）により振動
する振動板である。ＬＥＤ（発光ダイオード）２２より
発せられた光ビーム２３は振動板２１で反射され光検出
器２９に導かれる。２５，２６，２７は振動板２１がそ
れぞれ中立状態、上方に変位された状態、下方に変位さ
れた状態を示している。光検出器２９はそこに入射する
光の量に比例した電気信号を出力するので、振動板の変
位に従って出力が変化する。これにより振動板２１の変
位を知ることができる。
【００１１】しかし、光検出器２９からの出力は上方へ
の変位が２６に達するまでは、２１における値と変わら
ない。すなわち、変位が小さい時には変化を検出するこ
とができない。また、さらに振動板が変位し位置２８に
達すると、それ以上いくら変位が変わっても光検出器２
９の出力は零のままである。すなわち、本発明の光マイ
クロフォンのダイナミックレンジ（ＤＲ）は変位２８ま
でである。
の変位が２６に達するまでは、２１における値と変わら
ない。すなわち、変位が小さい時には変化を検出するこ
とができない。また、さらに振動板が変位し位置２８に
達すると、それ以上いくら変位が変わっても光検出器２
９の出力は零のままである。すなわち、本発明の光マイ
クロフォンのダイナミックレンジ（ＤＲ）は変位２８ま
でである。
【００１２】同じことを、横軸を振動板の変位とし、縦
軸を光検出器の出力として模式的に表すと図３のように
なり、検知可能な振動板の最小変位は±Ａ（感度）、最
大変位は±Ｂ（ＤＲ）となる。
軸を光検出器の出力として模式的に表すと図３のように
なり、検知可能な振動板の最小変位は±Ａ（感度）、最
大変位は±Ｂ（ＤＲ）となる。
【００１３】これに対して、光検出器の大きさ（正確に
は反射光ビームの移動方向の光検出器の幅）に対する光
ビームの径（正確には反射光ビームの移動方向の光ビー
ムの幅）との関係を最適化することにより不感帯を生じ
ない検出が可能となる。この関係を図４を参照して説明
する。ここで説明を簡潔にするため、光ビーム４１，４
３，４５はすべて方形、光検出器４２，４４，４６もす
べて方形とした。図４（ａ）に示したように、光ビーム
４１が光検出器４２より小さい場合には、光ビームが光
検出器から外れ始めるまでが不感帯となる。一方、図４
（ｃ）に示したように、光ビーム４５が光検出器４６よ
り大きい場合にも不感帯が生じてしまう。従って、図４
（ｂ）に示したように、光ビームを光検出器とほぼ同じ
大きさにすることにより不感帯を持たない検出が可能と
なる（請求項１に対応）。
は反射光ビームの移動方向の光検出器の幅）に対する光
ビームの径（正確には反射光ビームの移動方向の光ビー
ムの幅）との関係を最適化することにより不感帯を生じ
ない検出が可能となる。この関係を図４を参照して説明
する。ここで説明を簡潔にするため、光ビーム４１，４
３，４５はすべて方形、光検出器４２，４４，４６もす
べて方形とした。図４（ａ）に示したように、光ビーム
４１が光検出器４２より小さい場合には、光ビームが光
検出器から外れ始めるまでが不感帯となる。一方、図４
（ｃ）に示したように、光ビーム４５が光検出器４６よ
り大きい場合にも不感帯が生じてしまう。従って、図４
（ｂ）に示したように、光ビームを光検出器とほぼ同じ
大きさにすることにより不感帯を持たない検出が可能と
なる（請求項１に対応）。
【００１４】ビーム径の調整としては様々な方法を利用
できるが、例えば、光軸中にレンズを挿入し、その焦点
距離に応じて挿入する位置を調整することにより、光検
出器上でのビームの大きさを変えることは容易にでき
る。これに対して、光検出器を複数の素子からなるよう
にすると、感度を高くしてかつＤＲを大きくするように
できる。
できるが、例えば、光軸中にレンズを挿入し、その焦点
距離に応じて挿入する位置を調整することにより、光検
出器上でのビームの大きさを変えることは容易にでき
る。これに対して、光検出器を複数の素子からなるよう
にすると、感度を高くしてかつＤＲを大きくするように
できる。
【００１５】図５に、複数素子からなる光検出器として
位置検出型検出器（ＰＳＤ）を用いた場合を示す。振動
板５１が中立位置５２にある場合の、ＬＥＤ５３からの
光ビーム５４の反射光ビームはＰＳＤ５５上の位置５
２′にあたる。振動板５１が、上方５７、下方５８に変
位すると、反射光はＰＳＤ５５上のそれぞれ５７′，５
８′にあたる。ＰＳＤ上の位置は瞬時に長さの単位で表
されるから、例えば、入射角が４５度の時には変位がＰ
ＳＤ上の位置の変化に等しい。これよりＰＳＤの素子を
十分小さくすることによって高感度を、ＰＳＤ自体を十
分長くすることにより広いＤＲ（ダイナミックレンジ）
を達成できる（請求項２であって、かつ請求項３である
場合に対応）。
位置検出型検出器（ＰＳＤ）を用いた場合を示す。振動
板５１が中立位置５２にある場合の、ＬＥＤ５３からの
光ビーム５４の反射光ビームはＰＳＤ５５上の位置５
２′にあたる。振動板５１が、上方５７、下方５８に変
位すると、反射光はＰＳＤ５５上のそれぞれ５７′，５
８′にあたる。ＰＳＤ上の位置は瞬時に長さの単位で表
されるから、例えば、入射角が４５度の時には変位がＰ
ＳＤ上の位置の変化に等しい。これよりＰＳＤの素子を
十分小さくすることによって高感度を、ＰＳＤ自体を十
分長くすることにより広いＤＲ（ダイナミックレンジ）
を達成できる（請求項２であって、かつ請求項３である
場合に対応）。
【００１６】同じ効果が、素子が２つに分割された光検
出器を用いても得られる。図６で、ＬＥＤ６２から発せ
られた光ビームは振動板６１で反射され、素子６３およ
び素子６４よりなる光検出器６５に入射する。素子６
３，６４はそれぞれ入射する光の強度に比例した電気信
号を出力をするので、２つの信号の差を求めることによ
り、光検出器上での反射光スポット６６の位置の変化、
ひいては振動板６１の変位を高感度に求めることができ
る。これは、振動板６１が中立位置６７にある時に、反
射光スポット６６が２つの素子６３，６４に均等にまた
がっているとすると、２つの素子からの出力の差信号は
零になる。振動板６１が上方に変位すると素子６３に入
射する光の量が増加し、素子６４に入射する光の量は減
少する。振動板６１が下方に変位した場合は逆の変化が
起きる（請求項７に対応）。
出器を用いても得られる。図６で、ＬＥＤ６２から発せ
られた光ビームは振動板６１で反射され、素子６３およ
び素子６４よりなる光検出器６５に入射する。素子６
３，６４はそれぞれ入射する光の強度に比例した電気信
号を出力をするので、２つの信号の差を求めることによ
り、光検出器上での反射光スポット６６の位置の変化、
ひいては振動板６１の変位を高感度に求めることができ
る。これは、振動板６１が中立位置６７にある時に、反
射光スポット６６が２つの素子６３，６４に均等にまた
がっているとすると、２つの素子からの出力の差信号は
零になる。振動板６１が上方に変位すると素子６３に入
射する光の量が増加し、素子６４に入射する光の量は減
少する。振動板６１が下方に変位した場合は逆の変化が
起きる（請求項７に対応）。
【００１７】振動板の変位と差分信号の大きさとの関係
を図７に示す。これにより、わずかな変位でも高感度に
検出できることがわかる。ここでは、振動板が中立位置
にある時の出力信号が零７１であるような配置（請求項
８に対応）を例にとって説明したが、零でない値からス
タートする配置によっても同程度に高感度な装置を構成
できることは明らかである。
を図７に示す。これにより、わずかな変位でも高感度に
検出できることがわかる。ここでは、振動板が中立位置
にある時の出力信号が零７１であるような配置（請求項
８に対応）を例にとって説明したが、零でない値からス
タートする配置によっても同程度に高感度な装置を構成
できることは明らかである。
【００１８】なお、２つの素子の間には隙間が生じるの
が避けられないが、反射光スポット６６が隙間に比べて
小さいと、スポット６６が隙間から抜け出るまで差分出
力に変化が起こらない領域が生じてしまう。これを回避
するために、反射光スポット６６は素子の隙間に比べて
十分大きいことが望ましい。配置の関係で小さくなって
しまう場合には、レンズなどを光路に挿入して素子上で
の反射光スポットを大きくするのが有効である（請求項
９に対応）。一方、反射光スポット６６が各素子に比較
して大きい場合には、振動板６１のわずかな変位でスポ
ット６６の全体が検出器素子６３または６４からはみ出
して、信号は全く変化しないためＤＲが制限されてしま
う。これを防ぐためには、素子６３および６４は反射光
スポット６６に比べて十分に大きいことが望ましい（請
求項１０に対応）。
が避けられないが、反射光スポット６６が隙間に比べて
小さいと、スポット６６が隙間から抜け出るまで差分出
力に変化が起こらない領域が生じてしまう。これを回避
するために、反射光スポット６６は素子の隙間に比べて
十分大きいことが望ましい。配置の関係で小さくなって
しまう場合には、レンズなどを光路に挿入して素子上で
の反射光スポットを大きくするのが有効である（請求項
９に対応）。一方、反射光スポット６６が各素子に比較
して大きい場合には、振動板６１のわずかな変位でスポ
ット６６の全体が検出器素子６３または６４からはみ出
して、信号は全く変化しないためＤＲが制限されてしま
う。これを防ぐためには、素子６３および６４は反射光
スポット６６に比べて十分に大きいことが望ましい（請
求項１０に対応）。
【００１９】２つの検出素子からなる光検出器の各素子
の大きさとビーム径との関係をさらに模式的に示したの
が図８である。ここでも説明を簡潔にするため、図４に
ならって光ビーム８１，８３，８５はすべて方形、光検
出器８２，８４，８６もすべて方形とした。また２つの
検出素子は図８（ａ），（ｂ）および（ｃ）でそれぞれ
＋，−の記号で示されている。また、図８（ａ）の光ビ
ーム中心の位置対差動出力で光ビーム全体が一方の光検
出器素子に入った時の出力を単位１とし、（ｂ），
（ｃ）にもこの単位を適用している。
の大きさとビーム径との関係をさらに模式的に示したの
が図８である。ここでも説明を簡潔にするため、図４に
ならって光ビーム８１，８３，８５はすべて方形、光検
出器８２，８４，８６もすべて方形とした。また２つの
検出素子は図８（ａ），（ｂ）および（ｃ）でそれぞれ
＋，−の記号で示されている。また、図８（ａ）の光ビ
ーム中心の位置対差動出力で光ビーム全体が一方の光検
出器素子に入った時の出力を単位１とし、（ｂ），
（ｃ）にもこの単位を適用している。
【００２０】さて図８で、ビーム径（正確にはビームの
移動方向の光ビーム幅）が光検出器の大きさ（正確には
ビームの移動方向の光検出器の幅）よりも大きいと、不
感帯が生じてしまうことが図８（ｃ）よりわかる。一
方、光ビームが小さくなって図８（ａ）に示したビーム
径より小さくなるとやはり不感帯を生じてしまうため、
ビームの大きさは、光検出器全体より小さく、差動検出
のための一方の素子よりも大きい必要がある。また、図
８図示の光ビーム中心の位置対差動出力からわかるよう
に、差動出力信号は一度最大値を取った後零に向かって
減少する（逆向きの変位に対しては逆符号で同様の変化
をする）。常識的な考え方では、最大値と最小値との間
（図８（ａ）に示したＡの区間）が利用できる範囲とな
るが、信号が最大値を超えた回数および最小値を超えた
回数を記憶しておくことにより、同じ差動出力信号に対
しても、どの変位に対応するかが判別できるため、利用
できる範囲が飛躍的に拡大（図８（ａ）に示したＢの区
間）でき、言い換えればダイナミックレンジを飛躍的に
拡大することができる。
移動方向の光ビーム幅）が光検出器の大きさ（正確には
ビームの移動方向の光検出器の幅）よりも大きいと、不
感帯が生じてしまうことが図８（ｃ）よりわかる。一
方、光ビームが小さくなって図８（ａ）に示したビーム
径より小さくなるとやはり不感帯を生じてしまうため、
ビームの大きさは、光検出器全体より小さく、差動検出
のための一方の素子よりも大きい必要がある。また、図
８図示の光ビーム中心の位置対差動出力からわかるよう
に、差動出力信号は一度最大値を取った後零に向かって
減少する（逆向きの変位に対しては逆符号で同様の変化
をする）。常識的な考え方では、最大値と最小値との間
（図８（ａ）に示したＡの区間）が利用できる範囲とな
るが、信号が最大値を超えた回数および最小値を超えた
回数を記憶しておくことにより、同じ差動出力信号に対
しても、どの変位に対応するかが判別できるため、利用
できる範囲が飛躍的に拡大（図８（ａ）に示したＢの区
間）でき、言い換えればダイナミックレンジを飛躍的に
拡大することができる。
【００２１】さらに、図７からわかるように、差分検出
出力信号の大きさは振動板の変位に対して線形でない。
これは、音のひずみ等の問題につながる可能性があるた
め望ましくない。この課題は図９に示したような非線形
補正回路９１を挿入することにより線形の出力とし歪み
を解消することができる（請求項１１に対応）。同じ効
果を光学的に得ることもできる。図１０に示したよう
に、２つに分割した光検出素子１０３，１０４上での反
射光スポット１０６の形が長方形または正方形になるよ
うに調整することにより、変位と出力信号との関係をが
図１１のような直線的な関係とすることができる。具体
的には、図１０において、ＬＥＤ１０２を出た断面が円
形の光を長方形の孔の開いた板１０８を通すことにより
整形し、光検出器上でのスポット１０６の形を長方形と
することができる。これにより、図９に記載した補正回
路を使用することなく単純な光学系で、線形出力を示す
装置を構成することができる（請求項１２に対応）。
出力信号の大きさは振動板の変位に対して線形でない。
これは、音のひずみ等の問題につながる可能性があるた
め望ましくない。この課題は図９に示したような非線形
補正回路９１を挿入することにより線形の出力とし歪み
を解消することができる（請求項１１に対応）。同じ効
果を光学的に得ることもできる。図１０に示したよう
に、２つに分割した光検出素子１０３，１０４上での反
射光スポット１０６の形が長方形または正方形になるよ
うに調整することにより、変位と出力信号との関係をが
図１１のような直線的な関係とすることができる。具体
的には、図１０において、ＬＥＤ１０２を出た断面が円
形の光を長方形の孔の開いた板１０８を通すことにより
整形し、光検出器上でのスポット１０６の形を長方形と
することができる。これにより、図９に記載した補正回
路を使用することなく単純な光学系で、線形出力を示す
装置を構成することができる（請求項１２に対応）。
【００２２】さらに、これまでの説明においては、ＬＥ
Ｄから発せられた光ビームはすべて振動板１２１の中央
部１２３に照射される例を用いてきた。中央部にあたる
例は、解析が直接的であり、光学系の調整が容易である
という長所を持つ。しかし、光ビームは必ずしも振動板
１２１の中央にあたる必要はなく、むしろ、周辺部１２
４にあたった方が感度が高い（請求項１３に対応）。そ
れを図１２を用いて以下に説明する。振動板１２１が中
立位置にある時の反射光スポット１２５の位置はどちら
の場合も２分割光検出素子１２６，１２７の中央とす
る。図から明らかなように振動板１２１が上方１２８ま
たは下方１２９に変位した時の反射光スポット１２５位
置の移動量は光が周辺部１２４にあたった時の方が大き
い。中央部１２３にあてるか周辺部１２４にあてるか、
それぞれに長所があるため、必要に応じて使い分けるこ
とが可能である。
Ｄから発せられた光ビームはすべて振動板１２１の中央
部１２３に照射される例を用いてきた。中央部にあたる
例は、解析が直接的であり、光学系の調整が容易である
という長所を持つ。しかし、光ビームは必ずしも振動板
１２１の中央にあたる必要はなく、むしろ、周辺部１２
４にあたった方が感度が高い（請求項１３に対応）。そ
れを図１２を用いて以下に説明する。振動板１２１が中
立位置にある時の反射光スポット１２５の位置はどちら
の場合も２分割光検出素子１２６，１２７の中央とす
る。図から明らかなように振動板１２１が上方１２８ま
たは下方１２９に変位した時の反射光スポット１２５位
置の移動量は光が周辺部１２４にあたった時の方が大き
い。中央部１２３にあてるか周辺部１２４にあてるか、
それぞれに長所があるため、必要に応じて使い分けるこ
とが可能である。
【００２３】以上いくつかの実施例により、本発明の実
施の形態を詳細に説明してきたが、本発明はこれらに限
定されることなく、発明の要旨内で各種の変形、変更の
可能なことは自明であろう。例えば、本発明実施例にお
いては、光源としてＬＥＤを用いる系を例として説明し
てきたが、光源としてはＬＥＤの他に各種レーザ、各種
ランプを用いることも可能なことは勿論である。
施の形態を詳細に説明してきたが、本発明はこれらに限
定されることなく、発明の要旨内で各種の変形、変更の
可能なことは自明であろう。例えば、本発明実施例にお
いては、光源としてＬＥＤを用いる系を例として説明し
てきたが、光源としてはＬＥＤの他に各種レーザ、各種
ランプを用いることも可能なことは勿論である。
【００２４】
【発明の効果】本発明に係る光マイクロフォンを用いる
ことにより、光ビームの大きさと光検出器の大きさを最
適化することにより不感帯のない振動検出を可能とする
ものであり、複数素子からなる光検出器を適用すること
により、不感帯のないかつ高ダイナミックレンジの広い
振動検出を可能とするものであり、電気的または光学的
な非線形補償手段を備えることにより、歪みのない振動
検出を可能とするものであり、光ビームを照射する位置
を調整することにより、高感度な振動検出を可能とする
ものである。
ことにより、光ビームの大きさと光検出器の大きさを最
適化することにより不感帯のない振動検出を可能とする
ものであり、複数素子からなる光検出器を適用すること
により、不感帯のないかつ高ダイナミックレンジの広い
振動検出を可能とするものであり、電気的または光学的
な非線形補償手段を備えることにより、歪みのない振動
検出を可能とするものであり、光ビームを照射する位置
を調整することにより、高感度な振動検出を可能とする
ものである。
【図１】 従来技術の光マイクロフォン構造の模式図。
【図２】 従来技術の光マイクロフォンの動作原理を説
明する図。
明する図。
【図３】 従来技術の光マイクロフォンにおける振動板
の変位と光検出器の出力との関係を示す図。
の変位と光検出器の出力との関係を示す図。
【図４】 光検出器の大きさと光ビーム径との関係を最
適化する本発明に係る光マイクロフォンを説明するため
の図。
適化する本発明に係る光マイクロフォンを説明するため
の図。
【図５】 複数素子よりなる本発明に係る光検出器とし
て位置検出型検出器を用いた場合の光マイクロフォンの
構成例を示す図。
て位置検出型検出器を用いた場合の光マイクロフォンの
構成例を示す図。
【図６】 複数素子よりなる本発明に係る光検出器とし
て２分割光検出器を用いた場合の光マイクロフォンの構
成例を示す図。
て２分割光検出器を用いた場合の光マイクロフォンの構
成例を示す図。
【図７】 図６図示２分割光検出器を用いた光マイクロ
フォンにおける振動板の変位と差分検出信号との関係を
示す図。
フォンにおける振動板の変位と差分検出信号との関係を
示す図。
【図８】 ２つの検出素子からなる光検出器の各素子の
大きさとビーム径の関係を模式的に示す図。
大きさとビーム径の関係を模式的に示す図。
【図９】 振動板の変位と差分検出出力との関係を線形
とするために補正回路を挿入した本発明光マイクロフォ
ンの構成例を示す図。
とするために補正回路を挿入した本発明光マイクロフォ
ンの構成例を示す図。
【図１０】 振動板の変位と差分検出出力との関係を線
形とするために光学系に長方形の孔を挿入した本発明光
マイクロフォンの構成例を示す図。
形とするために光学系に長方形の孔を挿入した本発明光
マイクロフォンの構成例を示す図。
【図１１】 図１０図示光マイクロフォンにおける振動
板変位と差分検出信号との関係を示す図。
板変位と差分検出信号との関係を示す図。
【図１２】 振動板上の異なる位置に光をあてる光マイ
クロフォンの構成例を示す図。
クロフォンの構成例を示す図。
１１ ＬＥＤ（発光ダイオード） １２ 光ビーム １３ 振動板 １４ 光検出器 １５ フィードバック回路 ２１ 振動板 ２２ ＬＥＤ ２３ 光ビーム ２４ 反射光ビーム ２５ 振動板の中立状態 ２６ 振動板の上方に変位した状態 ２７ 振動板の下方に変位した状態 ２８ 振動板がさらに上方に変位した状態 ２９ 光検出器 ４１，４３，４５ それぞれの大きさの光ビーム ４２，４４，４６ それぞれの光ビームに対応する光検
出器 ５１ 振動板 ５２ 振動板の中立状態 ５２′振動板の中立状態の時のＰＳＤの位置 ５３ ＬＥＤ ５４ 光ビーム ５５ ＰＳＤ（位置検出型検出器） ５７ 振動板の上方に変位した状態 ５７′振動板の上方に変位した状態の時のＰＳＤ上の反
射光ビームの位置 ５８ 振動板の下方に変位した状態 ５８′振動板の下方に変位した状態の時のＰＳＤ上の反
射光ビームの位置 ６１ 振動板 ６２ ＬＥＤ ６３，６４ ２つに分割されたそれぞれの光検出器素子 ６５ ２つの素子からなる光検出器 ６６ 反射光ビーム ６７ 振動板の中立状態 ７１ 振動板が中立位置にある時の出力信号 ８１，８３，８５ それぞれの大きさの光ビーム ８２，８４，８６ それぞれの光ビームに対応する光検
出器 ９１ 非線形補償回路 ９２ ＬＥＤ ９３ ２つの素子からなる光検出器 ９４ 差動増幅器 １０２ ＬＥＤ １０３，１０４ ２つに分割されたそれぞれの光検出器
素子 １０６ 光検出器上の光スポット １０８ 長方形の開口を有するスリット １２１ 振動板 １２３ 中央部 １２４ 周辺部 １２５ 反射光スポット １２６，１２７ ２つに分割されたそれぞれの光検出器
素子 １２８ 振動板の上方に変位した状態 １２９ 振動板の下方に変位した状態
出器 ５１ 振動板 ５２ 振動板の中立状態 ５２′振動板の中立状態の時のＰＳＤの位置 ５３ ＬＥＤ ５４ 光ビーム ５５ ＰＳＤ（位置検出型検出器） ５７ 振動板の上方に変位した状態 ５７′振動板の上方に変位した状態の時のＰＳＤ上の反
射光ビームの位置 ５８ 振動板の下方に変位した状態 ５８′振動板の下方に変位した状態の時のＰＳＤ上の反
射光ビームの位置 ６１ 振動板 ６２ ＬＥＤ ６３，６４ ２つに分割されたそれぞれの光検出器素子 ６５ ２つの素子からなる光検出器 ６６ 反射光ビーム ６７ 振動板の中立状態 ７１ 振動板が中立位置にある時の出力信号 ８１，８３，８５ それぞれの大きさの光ビーム ８２，８４，８６ それぞれの光ビームに対応する光検
出器 ９１ 非線形補償回路 ９２ ＬＥＤ ９３ ２つの素子からなる光検出器 ９４ 差動増幅器 １０２ ＬＥＤ １０３，１０４ ２つに分割されたそれぞれの光検出器
素子 １０６ 光検出器上の光スポット １０８ 長方形の開口を有するスリット １２１ 振動板 １２３ 中央部 １２４ 周辺部 １２５ 反射光スポット １２６，１２７ ２つに分割されたそれぞれの光検出器
素子 １２８ 振動板の上方に変位した状態 １２９ 振動板の下方に変位した状態
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 正英 東京都世田谷区砧１丁目10番11号 日本放 送協会 放送技術研究所内 Ｆターム(参考） 5D021 DD04 5F089 BA10 BB01 BB09 BC04 BC07 CA17 CA21 FA06
Claims (13)
- 【請求項１】 光ビームをマイクロフォンの振動板に投
射し、その反射光を光検出器で検出し、前記マイクロフ
ォン振動板の振動に相当する音声を光信号として読み出
すよう構成した光マイクロフォンにおいて、前記光検出
器上で前記光検出器の大きさと同じ大きさのビーム径を
有する光ビームを用いるよう構成したことを特徴とする
光マイクロフォン。 - 【請求項２】 光ビームをマイクロフォンの振動板に投
射し、その反射光を光検出器で検出し、前記マイクロフ
ォン振動板の振動に相当する音声を光信号として読み出
すよう構成した光マイクロフォンにおいて、複数の素子
に分割された光検出器を用いるよう構成したことを特徴
とする光マイクロフォン。 - 【請求項３】 請求項２記載の光マイクロフォンにおい
て、前記複数の素子に分割された光検出器として位置検
出型光検出器を用いるよう構成したことを特徴とする光
マイクロフォン。 - 【請求項４】 請求項３記載の光マイクロフォンにおい
て、前記位置検出型光検出器の複数の素子に分割された
各光検出器素子に２進の重み付けが施され、位置情報を
直接デジタル値として与えるよう構成したことを特徴と
する光マイクロフォン。 - 【請求項５】 請求項３または４記載の光マイクロフォ
ンにおいて、前記振動板の相対的に微小な変位に対する
光検出感度を高めるよう、前記光検出器の分割された各
素子を十分小さく構成したことを特徴とする光マイクロ
フォン。 - 【請求項６】 請求項３または４記載の光マイクロフォ
ンにおいて、前記振動板の相対的に大きな変位に対する
光ビームの位置変化までを捕捉でき、前記光マイクロフ
ォンのダイナミックレンジを広く取ることができるよ
う、前記光検出器の分割された素子数を十分多く構成し
たことを特徴とする光マイクロフォン。 - 【請求項７】 請求項２記載の光マイクロフォンにおい
て、２分割された光検出器を用い、一方の光検出器の出
力と他方の光検出器の出力との差を検出して差動検出で
きるよう構成したことを特徴とする光マイクロフォン。 - 【請求項８】 請求項７記載の光マイクロフォンにおい
て、前記振動板が中立位置にある時、前記差動検出の出
力が零となるよう構成したことを特徴とする光マイクロ
フォン。 - 【請求項９】 請求項２記載の光マイクロフォンにおい
て、複数の前記光検出器素子間に隙間があっても、また
は前記振動板の比較的小さな変位に対しても十分な感度
を有するよう、前記光検出器の位置での前記隙間に対す
る反射光スポットの大きさを十分大きく構成したことを
特徴とする光マイクロフォン。 - 【請求項１０】 請求項２記載の光マイクロフォンにお
いて、前記振動板の比較的大きな変位に対しても反射光
スポットが光検出器から外れることなく、高いダイナミ
ックレンジが達成できるよう、個々の光検出器素子を前
記反射光スポットに対して十分大きく構成したことを特
徴とする光マイクロフォン。 - 【請求項１１】 請求項１から１０いずれか記載の光マ
イクロフォンにおいて、前記反射光の位置の変化と前記
振動板の変位とが線形になるよう補正する非線形補正回
路をさらに内蔵したことを特徴とする光マイクロフォ
ン。 - 【請求項１２】 光ビームをマイクロフォンの振動板に
投射し、その反射光を光検出器で光検出し、前記マイク
ロフォン振動板の振動に相当する音声を光信号として読
み出すよう構成した光マイクロフォンにおいて、前記反
射光の前記光検出器上での位置の変化と前記振動板の変
位とが非線形であるのを補正するよう、前記光ビームの
スポットを長方形としたことを特徴とする光マイクロフ
ォン。 - 【請求項１３】 光ビームをマイクロフォンの振動板に
投射し、その反射光を光検出器で光検出し、前記マイク
ロフォン振動板の振動に相当する音声を光信号として読
み出すよう構成した光マイクロフォンにおいて、前記光
ビームのスポットを振動板の中心を外して振動板の周辺
部に当てるよう構成したことを特徴とする光マイクロフ
ォン。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000075532A JP2001268696A (ja) | 2000-03-17 | 2000-03-17 | 光マイクロフォン |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000075532A JP2001268696A (ja) | 2000-03-17 | 2000-03-17 | 光マイクロフォン |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001268696A true JP2001268696A (ja) | 2001-09-28 |
| JP2001268696A5 JP2001268696A5 (ja) | 2007-04-05 |
Family
ID=18593412
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000075532A Pending JP2001268696A (ja) | 2000-03-17 | 2000-03-17 | 光マイクロフォン |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001268696A (ja) |
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2010266392A (ja) * | 2009-05-18 | 2010-11-25 | Kochi Univ Of Technology | インフラサウンド測定装置 |
| JP2016070823A (ja) * | 2014-09-30 | 2016-05-09 | 富士通株式会社 | 振動検出部品、これを用いた音響装置及び情報機器 |
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2000
- 2000-03-17 JP JP2000075532A patent/JP2001268696A/ja active Pending
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