JP2003130722A

JP2003130722A - 光干渉型マイクロ・ハイドロホン

Info

Publication number: JP2003130722A
Application number: JP2001324751A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Niitsuma; 弘明新妻; Masaki Esashi; 正喜江刺; Hiroshi Asanuma; 宏浅沼
Original assignee: Tohoku Techno Arch Co Ltd
Current assignee: Tohoku Techno Arch Co Ltd
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: JP3642570B2

Abstract

(57)【要約】【課題】光ファイバ計測系を用いて、高感度・小型・安
価でかつ耐熱性のある光干渉型マイクロ・ハイドロホン
を提供【解決手段】上下にシリコン構造体１２０とダイヤフラ
ム１４０とを有し、ガラス管１３０と、ファイバ１１０
を固定するために、中心部にファイバ１１０を通す穴が
あいているガラス・スプライス（ガラス継ぎ手）１５０
とを組み合わせている。振動を受けているダイヤフラム
１４０の一部とファイバ１１０とで、ファブリ・ペロー
干渉計部１７０を構成している。このファブリ・ペロー
干渉計部１７０で、ダイヤフラム１４０の振動（音波）
を検出している。細管構造１６２で外部と接続すること
で、ハイドロホン１００には、ハイパス特性を持たせて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光干渉型マイクロ
・ハイドロホンに関するものである。

【０００２】

【技術的背景】半導体集積回路の製造技術を応用して３
次元的な微小構造物を加工するマイクロ・マシニング接
術が、近年急速に発展してきた。マイクロマシニング技
術によれば、これまでにない微細な構造物を製作するこ
とができる（例えば、江刺、藤田、五十嵐、杉山、「マ
イクロマシニングとマイクロメカトロニクス」培風館１
９９２年発行参照）。マイクロセンサは、その中で急
速に発展しつつある領域であり、おもに医療や自動車の
分野での実用化が進んでいる。一方、地下計測技術につ
いて考えると、現在使用されている地下計測用センサは
大型でかつ高価であるために、計測には高額な費用が必
要とされ、観測点数が制限されることが多い。そのた
め、小型で安価なセンサの製作が可能になれば、アレイ
計測や一つのシステムに複数のセンサを組み込んでの同
時計測が容易となる。また、小型のセンサには駆動エネ
ルギーが小さいために応答が速く高感度であるという特
徴がある。そのため、微小な圧力、温度、流量等の変化
も測定可能となり得る。

【０００３】このような背景により、東北大学では１９
９３年より『地下マイクロセンシングプロジェクト』を
実施している。本プロジェクトは、マイクロ・マシニン
グによるマイクロ・センサならびに、マイクロ・ドリリ
ング技術の開発により、マイクロ坑井内計測、マイクロ
ＭＷＤ、マイクロ・インテリジェント検層等の技術を開
発し、地下計測分野の画期的展開を図ろうとするもので
ある（例えば、新妻、「地下情報のマイクロセンシン
グ」、物理探査、９６、ｐｐ．３３-３４、（１９９
７）等参照）。

【０００４】さて、光ファイバ計測系をマイクロ・セン
サに導入することにより、高感度・小型・安価でかつ耐
熱性のある完全受動型センサを構成でき、地下環境にお
いても優れたセンサが実現可能になる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光フ
ァイバ計測系を用いて、高感度・小型・安価でかつ耐熱
性のある光干渉型マイクロ・ハイドロホンを提供するこ
とである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、全反射部を有するダイヤフラムと、端
部にハーフミラーを有する光ファイバと、前記ダイヤフ
ラムを振動するように保持するとともに、前記光ファイ
バを固定する支持部とを備え、前記全反射部と前記光フ
ァイバの前記ハーフミラーとで、ファブリ・ペロー干渉
部を構成し、前記光ファイバは、前記ファブリ・ペロー
干渉部にレーザ光を入射するとともに、前記ファブリ・
ペロー干渉部からの出力を取り出すことができ、前記フ
ァブリ・ペロー干渉部により、前記ダイヤフラムの振動
を検出することを特徴とする光干渉型マイクロ・ハイド
ロホンである。前記支持部は、細管構造により、外部と
接続している構成とすることができる。また、前記支持
部は、前記光ファイバを固定するためのガラス・スプラ
イスと、ガラス管と、シリコン構造体とで構成され、前
記ダイヤフラムは、前記ガラス管により保持されている
構成とすることもできる。前記シリコン構造体には、液
体を注入することができる穴を有し、該穴は、使用時に
はふさがれているようにすることもできる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施形態を説明する。図１に、本発明の実施形態である
光干渉型マイクロ・ハイドロホン１００の構造を示す。
図１において、光干渉型マイクロ・ハイドロホン１００
は、ガラス管１３０と、ファイバ１１０を固定するため
に、中心部にファイバ１１０を通す穴があいているガラ
ス・スプライス（ガラス継ぎ手）１５０の上下に、シリ
コン構造体１２０とダイヤフラム１４０とを有してい
る。振動を受けているダイヤフラム１４０の一部とファ
イバ１１０とで、ファブリ・ペロー干渉計部１７０を構
成している。このファブリ・ペロー干渉計部１７０で、
ダイヤフラム１４０の振動（音波）を検出している。フ
ァブリ・ペロー干渉計部１７０の動作は、図２を用いて
詳しく説明する。振動検出は、ファイバ１１０からレー
ザ光を照射して、ファブリ・ペロー干渉計部１７０での
干渉を、光強度を検出することで行っている。マイクロ
・ハイドロホン１００内部のキャビティ１６０は、細管
構造１６２で外部と接続しており、この構造により、マ
イクロ・ハイドロホン１００には、ハイパス特性を持た
せている。細管構造１６２によるハイパス特性により、
直流分である水圧の部分をカットしている。

【０００８】図２を用いて、振動検出の原理を説明す
る。図２（ａ）は、図１のハイドロホンのファブリ・ペ
ロー干渉計部の動作を示す。図２（ｂ）は、マイクロ・
ハイドロホンのレーザ光の波長と反射率との特性を示す
グラフを示す。図２（ａ）に示すように、本ハイドロホ
ンでは、光ファイバ１１０の先端にハーフミラー１１２
を、ダイヤフラム１４０のファイバ側表面にミラー１４
２を取り付け、ファプリ・ペロー干渉計を構成してい
る。このとき、得られる光強度信号は、次の（１）式で
表される（例えば、P.Hariharan Optical interferomet
ry. Academic Press Australia, Sydney, １９８５，ｐ
ｐ．１５１〜１６３参照）。

【数１】ここで、Ｒ１、Ｒ２：ハーフミラーと全反射ミラーのエ
ネルギー反射率、ηはギャップ間の屈折率、ｄはギャッ
プ長、λは入射光の波長である。上述の（１）式は、図
２（ｂ）に示されるように、観測される光強度が干渉に
よるピークを持つことを示している。本センサでは、こ
の図２（ｂ）で示される干渉パターンのうち、波長の変
化に対して、反射した光の強度信号が直線的に変化する
部分（図２（ｂ）の点線で挟まれる区間）を利用して、
ダイヤフラム１４０の振動を検出している。図２（ｂ）
の動作点は、特定の波長に対して、ギャップ長、ハーフ
ミラーの反射率等を調整することで得られる。

【０００９】＜製作プロセス＞実施形態の各部の製作プ
ロセス例を、図３〜図４を用いて詳しく説明する。（シリコン構造体プロセス）図３にシリコン構造体の製
作プロセス例を示す。（１）まず、シリコン構造体を製作するシリコン基板２
００の両面を研磨して、面の方位を（１００）とし、表
面洗浄を行う。（２）シリコン基板２００の表面を熱で酸化して、両面
に酸化膜（ＳｉＯ_２）２１２，２１４を作成する。（３）シリコン基板２００の酸化膜２１２，２１４上に
ポジ型レジスト２２２，２２４を塗布する。（４）塗布したポジ型レジスト２２２，２２４に対し
て、マスクにより露光して、フォトリソグラフィーを行
う。（５）フォトリソグラフィーを行ったシリコン基板２０
０のＳｉＯ_２膜２１２，２１４に対してエッチングを行
う。（６）TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)溶液によ
るエッチングを行い、細管構造部分を作成する。（７）シリコン基板２００上に塗布したレジスト２２
２，２２４や、作成した酸化膜２１２，２１４を除去し
て、シリコン基板２００を洗浄する。（８）再度、シリコン基板２００に熱処理を行い、酸化
膜２５２，２５４を作成する。（９）再度、シリコン基板２００の酸化膜２５２，２５
４上に、ポジ型レジスト２６２，２６４を塗布する。（１０）塗布したポジ型レジスト２６２，２６４に対し
て、マスクにより露光して、フォトリソグラフィーを行
う。（１１）フォトリソグラフィーを行ったシリコン基板２
００のＳｉＯ_２膜２５２，２５４に対してエッチングを
行う。（１２）シリコン基板２００に対して、ＲＩＥ（反応性
イオン・エッチング）によるドライ・エッチングを行
い、シリコン基板２００の部分を貫通させ、水を通す穴
１８０や、作成したシリコン構造体を切り離すためのエ
ッチングを行う。この穴１８０については後で説明す
る。（１３）シリコン基板２００上に塗布したレジスト２６
２，２６４や、作成した酸化膜２５２，２５４を除去し
て、シリコン基板２００を洗浄する。

【００１０】（ダイヤフラムプロセス）図４に、ダイヤ
フラム製作プロセス例を示す。（１）まず、ダイヤフラムを製作するためのシリコン基
板３００の両面を研磨し、表面洗浄を行う。（２）シリコン基板３００上に、ポジ型レジスト３１
２，３１４を塗布する。（３）マスクを用いて、レジスト３１２，３１４に対し
てフォトリソグラフィーを行う。（４）シリコン基板３００に対して、ＲＩＥ（反応性イ
オン・エッチング）によるドライ・エッチングを行い、
シリコン基板３００に振動子の凹凸部分を作成する。（５）シリコン基板３００上のレジスト３１２，３１４
を除去する。（６）ステンシル・マスクを利用して、金属（例えば、
金や銅）をスパッタリングして、ファブリ・ペロー干渉
計部のミラー１４２を作成する。（７）シリコン基板３００上に、ポジ型レジスト３２
２，３２４を再度塗布する。（８）マスクを用いて、レジスト３２２，３２４に対し
てフォトリソグラフィーを行う。（９）シリコン基板３００に対して、ＲＩＥ（反応性イ
オン・エッチング）によるドライ・エッチングを行い、
シリコン基板３００を貫通させ、作成したダイヤフラム
を切り離すためのエッチングを行う。（１０）シリコン基板３００上のレジスト３２２，３２
４を除去する。（ファイバ・プロセス）スパッタリングにより、ファイ
バ１１０の端面上に、例えば、ＴｉＯ_２ハーフミラーの
製作を行う。

【００１１】（組み立てプロセス）製作した各パーツ
は、例えば、図５に示すような方法で組み立てる。（１）シリコン構造体１２０上に、ガラス・スプライス
１５０を陽極接合により接着する。（２）シリコン構造体１２０上に、外側のガラス管１３
０を陽極接合する。（３）作業台３６０上にギャップ長調節治具３５０をお
き、この治具３５０を用いてファイバ１１０をガラス・
スプライス１５０に挿入し、ダイヤフラムとのギャップ
を正確に決めて、ファイバ１１０をガラス・スプライス
１５０に接着剤で固定する。（４）最後のダイヤフラムを、ガラス管１３０に陽極接
合により接着する。

【００１２】

【実施例】実施例として、図６に、組み上げたマイクロ
・ハイドロホン主要部分１００とマイクロ・ハイドロホ
ン主要部分１００を保護する真鍮ケース３７０の写真を
示す。図示したハイドロホン主要部分１００は直径５ｍ
ｍ、高さ３ｍｍの円柱形状のものである。キャビティ１
６０と外部を細管構造１６２により接続し、ハイパス特
性（ｆｃ＝１００Ｈｚ）を持たせている。また、このハ
イドロホン主要部１００は、真鍮ケースに入れられ、真
鍮ケースのサイズは、直径９ｍｍ、高さ１３ｍｍであ
る。これを製作するときに、シリコン構造体やダイヤフ
ラムを、厚さ２００μｍのシリコン基板から作成した。
ダイヤフラムの振動子の凹凸部分の薄いところは１００
μｍである。ハーフミラー材料としてＴｉＯ_２を、全反
射ミラーの材料としては、Ａｕ／Ｃｒを用いている。実
施例においては、ファプリ・ペロー干渉計部のギャップ
は、３２．６μｍである。ハイドロホン１００の内部を
シリコン構造体に設けた穴１８０からの水で満たすため
に、水中で最終的な組み立てを行った。なお、この穴１
８０は、真鍮ケース３７０に設けたねじ３７５で使用時
には塞いでいる。

【００１３】＜光干渉型マイクロ・ハイドロホンの特性
評価＞製作したマイクロ・ハイドロホン１００の特性評
価は、図７で示すように、小さな水槽（４０ｃｍ×５０
ｃｍ×４０ｃｍ）４５０の中で水中スピーカ４６０を用
いて行った。この評価においては、リファレンス用ハイ
ドロホン（Ｂ＆Ｋ社製８１０３型）４４０とともに計測
を行った。干渉は、光ファイバ１１０に波長可変レーザ
４１０からレーザ光を入射して、ファブリ・ペロー干渉
計部１７０からの出力光を、サーキュレータ４７０で分
離して、パワーメータ４３０で検出している。波形はオ
シロスコープ４２０で観測することもできる。

【００１４】図８に水中スピーカ４６０に３５０Ｈｚの
正弦波を入力した場合の検出波形を示す。どちらのハイ
ドロホンからも歪の小さい信号が得られた。製作したマ
イクロ・ハイドロホン１００の周波数特性を図９に示
す。図中の０ｄＢは、出力の最大値とした。およそ１ｋ
Ｈｚのところまでハイドロホンで検出することができ
た。これ以上の周波数帯域では、水中スピーカの性能
上、測定できなかった。２５０Ｈｚ以下の帯域では、細
管構造によると思われるハイパス特性が確認できた。な
お、３００Ｈｚ、６００Ｈｚに見られるピークは、原因
は不明だが、センサ固有のピークであると考えられる。
また、１５００Ｈｚ付近のピークは、リファレンスセン
サにおいても検出されたので、水槽など測定系の影響に
よるものと思われる。

【００１５】図１０は、横軸にリファレンス用ハイドロ
ホン４４０の出力をとり、縦軸には製作したハイドロホ
ン１００の出力をとったものである。リファレンス用ホ
ンでは音圧に比例して出力が得られていると仮定する
と、グラフの直線性のよい区間が音圧に比例して出力が
得られているといえる。例えば５００Ｈｚの場合、測定
系のノイズレベルは３０ｍＶであり、２．３Ｖ程度まで
直線性が得られた。このとき、センサのダイナミック・
レンジは約３８ｄＢであり、このとき絶対感度は約−１
９７ｄＢ（０ｄＢ＝1Ｖ／μＰａ）であった。

【００１６】＜まとめ＞この光干渉型マイクロ・ハイド
ロホンは、完全に受動素子であるために、高温環境下で
も使用することができる。また、サイズは一般的な圧電
型ハイドロホンの１／１０以下であり、例えば、複数の
マイクロ・ハイドロホンによるアレイ計測も容易とな
る。

【００１７】

【発明の効果】上述するように、本発明の構成により、
光ファイバ計測系を用いることで、高感度・小型・安価
でかつ耐熱性のある光干渉型マイクロ・ハイドロホンを
得ることができる。この構成において、マイクロ・マシ
ニング技術を用いることで、小さいマイクロ・ハイドロ
ホンを製作することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態のマイクロ・ハイドロホンの構成を示
す図である。

【図２】図１の構成のファブリ・ペロー干渉計部を示す
図である。

【図３】マイクロ・マシニング技術によるシリコン構造
体の製造過程を示す図である。

【図４】マイクロ・マシニング技術によるダイヤフラム
の製造過程を示す図である。

【図５】マイクロ・ハイドロホンの組立過程を示す図で
ある。

【図６】マイクロ・ハイドロホンの外観を示す図であ
る。

【図７】実施例のマイクロ・ハイドロホンの特性試験の
構成を示す図である。

【図８】実施例のマイクロ・ハイドロホンの出力を示す
図である。

【図９】実施例のマイクロ・ハイドロホンのゲイン−周
波数特性を示す図である。

【図１０】実施例のマイクロ・ハイドロホンの出力の直
線性を示す図である。

【符号の説明】

１００マイクロ・ハイドロホン１１０光ファイバ１１２ハーフミラー１２０シリコン構造体１３０ガラス管１４０ダイヤフラム１４２ミラー１５０ガラス・スプライス１６０キャビティ１６２細管構造１７０ファブリ・ペロー干渉計部１８０穴２００，３００シリコン基板３００シリコン基板３５０ギャップ長調節治具３６０作業台３７０真鍮ケース４１０波長可変レーザ４２０オシロスコープ４３０パワーメータ４４０リファレンス用ハイドロホン４５０水槽４６０水中スピーカ４７０サーキュレータ２１２，２１４酸化膜２２２，２２４ポジ型レジスト２５２，２５４酸化膜２６２，２６４ポジ型レジスト３１２，３１４ポジ型レジスト３２２，３２４ポジ型レジスト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】全反射部を有するダイヤフラムと、端部にハーフミラーを有する光ファイバと前記ダイヤフ
ラムを振動するように保持するとともに、前記光ファイ
バを固定する支持部とを備え、前記全反射部と前記光ファイバの前記ハーフミラーと
で、ファブリ・ペロー干渉部を構成し、前記光ファイバは、前記ファブリ・ペロー干渉部にレー
ザ光を入射するとともに、前記ファブリ・ペロー干渉部
からの出力を取り出すことができ、前記ファブリ・ペロー干渉部により、前記ダイヤフラム
の振動を検出することを特徴とする光干渉型マイクロ・
ハイドロホン。
【請求項２】請求項１記載の光干渉型マイクロ・ハイ
ドロホンにおいて、前記支持部は、細管構造により、外部と接続しているこ
とを特徴とする光干渉型マイクロ・ハイドロホン。
【請求項３】請求項１又は２に記載の光干渉型マイク
ロ・ハイドロホンにおいて、前記支持部は、前記光ファイバを固定するためのガラス
・スプライスと、ガラス管と、シリコン構造体とで構成され、前記ダイヤフラムは、前記ガラス管により保持されてい
ることを特徴とする光干渉型マイクロ・ハイドロホン。
【請求項４】請求項３記載の光干渉型マイクロ・ハイ
ドロホンにおいて、前記シリコン構造体には、液体を注入することができる
穴を有し、該穴は、使用時にはふさがれていることを特
徴とする光干渉型マイクロ・ハイドロホン。