JP2004012421A

JP2004012421A - 音圧変換装置

Info

Publication number: JP2004012421A
Application number: JP2002170059A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Oka; 岡　好和
Original assignee: Kenwood KK
Current assignee: Kenwood KK
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】レーザ光を用いた音圧変換装置において、レーザ光源の消費電力を削減し、レーザ光源の出力強度に依存しない出力を得る。
【解決手段】変調信号を発振する変調信号発振器１１と、前記変調信号に応じて光出力強度が変調されるレーザ光源１３と、音圧に応じて振動する振動板１５と、複数の受光素子からなる光検出器１７と、光検出器１７における複数の受光素子から出力される複数の信号Ｓ３、Ｓ４を減算する減算器２３と、前記複数の信号Ｓ３、Ｓ４を加算する加算器２５と、減算器２３の出力Ｓ５を加算器２５の出力に応じた信号Ｓ８で除する除算器３１とを備えて、光検出器１７はレーザ光源１３から出射され振動板１５で反射された光を受光して、除算器３１での除算結果を振動板１５の振動に応じた信号として出力する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は音響圧力に応じた電気信号を出力する音圧変換装置に関し、特に、レーザ光源を用いる光学式音圧変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下に、従来の音圧変換装置の概要について説明する。図６は従来の音圧変換装置を例示するブロック図である。
図６に示す音圧変換装置６０において、１４はレーザ光源であり、その出力強度は差動増幅回路１２から与えられる電圧によって制御される。１５は振動板であり、与えられた音響圧力に応じて振動し、振動板はその法線方向に移動する。レーザ光源１４から出射したレーザ光は振動板１５で反射され、該反射光は２分割フォトディテクタ１７で検出される。２分割フォトディテクタ１７は図示しない２つの受光素子ＰＤＡ及びＰＤＢで構成され、受光素子ＰＤＡの出力電流（以下、光検出器の出力信号を受光信号とも記す）は増幅回路１９で電圧に変換され、増幅される。同様に、受光素子ＰＤＢの出力電流（受光信号）は増幅回路２１で電圧に変換され、増幅される。
なお、光検出器は２分割フォトディテクタに限らず、偶数個の個別の受光素子を位置をずらせて配置する構成としてもよい。
【０００３】
増幅回路１９の出力は減算回路２３と加算回路２５とに与えられ、増幅回路２１の出力は加算回路２５と減算回路２３とに与えられる。減算回路２３では増幅回路１９の出力信号から増幅回路２１の出力信号が減算され、この減算結果は振動板１５に印加された音響圧力に応じた信号として出力される。音響圧力が振動板１５に与えられると、前記音響板の振動によって、レーザ光が照射される２分割フォトディテクタ１７上の位置が変化する。これによって受光素子ＰＤＡと受光素子ＰＤＢとでそれぞれが受光する光量が変化し、この変化に応じた信号が減算回路２３から出力される。
【０００４】
一方、加算回路２５では増幅回路１９の出力信号と、増幅回路２１の出力信号とが加算され、この加算結果Ｅｆｂは差動増幅回路１２に与えられる。差動増幅回路１２はレーザ光源１４の出力設定用の基準電圧Ｅｓと加算回路２５から与えられた信号Ｅｆｂとの差分を増幅し、レーザ光源１４に与える。
レーザ光源１４の出力を安定化させるための制御ループは、前記した差動増幅回路１２、レーザ光源１４、２分割フォトディテクタ１７、増幅回路２１、加算回路２５によって構成され、加算回路２５の出力が一定になるように制御される。これにより、レーザ光源１４の出力も概略一定に制御され、減算回路２３からは振動板１５に印加された音響圧力に応じた、誤差が少ない出力が得られるとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記した従来の音圧変換装置では、レーザ光源１４の出力は略一定に制御される。このために、レーザ光源１４での消費電力は比較的大きい。レーザ光を用いた音圧変換装置の応用商品には例えばマイクロフォンがあり、小型化が要求される場合が多い。しかしながら、小型のマイクロフォンにおいて高Ｓ／Ｎを得るために出力の大きなレーザ光源を内蔵すると、マイクロフォンにおける消費電力が大きくなるばかりでなく、レーザ光源自体の発熱によってレーザ光の出力が不安定になり、出力信号のＳ／Ｎが劣化するという問題があった。
【０００６】
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザ光を用いた音圧変換装置において、レーザ光源の消費電力を削減し、レーザ光源の出力強度に依存しない変換出力を得られるようにすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、第１の発明は、変調信号を発振して出力する発振器と、前記変調信号に応じてレーザ光の出力強度が変調されるレーザ光源と、印加される音圧に応じて振動する振動板と、前記レーザ光源から出射され前記振動板で反射された光を受光する光検出器とを備え、前記光検出器から出力される複数の受光信号を用いて出力信号を生成するようにした音圧変換装置である。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明の音圧変換装置において、前記光検出器における複数の受光素子から出力される複数の信号同士の減算をする減算器と、前記複数の信号同士の加算をする加算器と、前記減算器の出力に応じた信号を前記加算器の出力に応じた信号で除する除算器とを備え、前記除算器での除算結果に応じた信号を出力するようにした音圧変換装置である。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明の音圧変換装置において、前記減算器の出力のピーク値又はボトム値を前記変調信号と同一の周期で検出して保持するサンプル＆ホールド回路と、前記加算器の出力のピーク値を前記変調信号と同一の周期で検出して保持するピークホールド回路とを備え、前記除算器は前記サンプル＆ホールド回路の出力を前記ピークホールド回路の出力で除するようにした音圧変換装置である。
【００１０】
第４の発明は、第２の発明の音圧変換装置において、前記減算器の出力に対して包絡線検波を行う包絡線検波器と、前記加算器の出力のピーク値を前記変調信号と同一の周期で検出して保持するピークホールド回路とを備え、前記除算器は前記包絡線検波器の出力を前記ピークホールド回路の出力で除するようにした音圧変換装置である。
【００１１】
第５の発明は、第２の発明の音圧変換装置において、前記除算器の出力のピーク値又はボトム値を前記変調信号と同一の周期で検出して保持するサンプル＆ホールド回路と、前記加算器の出力のピーク値を前記変調信号と同一の周期で検出して保持するピークホールド回路とを備え、前記除算器は前記減算器の出力を前記ピークホールド回路の出力で除し、この除算結果を前記サンプル＆ホールド回路へ出力するようにした音圧変換装置である。
【００１２】
第６の発明は、第２の発明の音圧変換装置において、前記除算器の出力に対して包絡線検波を行う包絡線検波器と、前記加算器の出力のピーク値を前記変調信号と同一の周期で検出して保持するピークホールド回路とを備え、前記除算器は前記減算器の出力を前記ピークホールド回路の出力で除し、この除算結果を前記包絡線検波器へ印加するようにした音圧変換装置である。
【００１３】
第７の発明は、第２の発明の音圧変換装置において、前記除算器は前記減算器の出力を前記加算器の出力に応じた信号で除し、且つ、前記除算器の出力に対してパルス幅変調を行うパルス幅変調器と、該パルス幅変調器の出力の高周波分を除去するローパスフィルタとを備えるようにした音圧変換装置である。
【００１４】
第８の発明は、第７の発明の音圧変換装置において、前記加算器の出力のピーク値を前記変調信号と同一の周期で検出して保持するピークホールド回路を備え、前記除算器は前記減算器の出力を前記ピークホールド回路の出力で除するようにした音圧変換装置である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明の音圧変換装置では、レーザ光源の出力は一定強度ではなく、変調信号発振器１１から出力される変調信号に応じた出力強度とされる。そして、光検出器の出力は、レーザ光源の出力がピークとなるタイミングでの値のみが特に有効に利用される。これによりレーザ光源による消費電力を低減できる。
本発明の音圧変換装置ではレーザ光出力を一定に維持するためのフィードバックループを備えない。そして、光検出器を構成する２つの受光素子からの出力（受光信号）の差分値を求め、該差分値をレーザ光強度を示す値で除して正規化する。これにより、レーザ光強度の変動の影響を受けずに、音響圧力を電気信号に変換することが出来る。
【００１６】
図１は本発明音圧変換装置の第１実施例を示すブロック図である。また、図３は本発明音圧変換装置の第１実施例における各部の信号を示す図である。図３に示す信号名Ｓ１、Ｓ２、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ２１は図１に示す符号名と対応する。
図１に示す音圧変換装置１０において、１３はレーザ光源であり、その出力強度は変調信号発振器１１から与えられる変調信号Ｓ１によって制御される。変調信号発振器１１は変調信号となる交流信号例えば三角波を発振しレーザ光源１３に与え、レーザ光源１３の出力強度を示す波形は変調信号Ｓ１と同一である。
【００１７】
１５は振動板であり、印加された音響圧力Ｓ２に応じて振動し、振動板はその法線方向に移動する。レーザ光源１３から出射したレーザ光は振動板１５で反射され、該反射光は２分割フォトディテクタ１７で検出される。２分割フォトディテクタ１７は図示しない２つの受光素子ＰＤＡ及びＰＤＢで構成され、受光素子ＰＤＡの出力電流（受光信号）は増幅回路１９で電圧に変換され、増幅される。同様に、受光素子ＰＤＢの出力電流は増幅回路２１で電圧に変換され、増幅される。
【００１８】
増幅回路１９の出力Ｓ３は減算回路２３と加算回路２５とに与えられ、増幅回路２１の出力Ｓ４は加算回路２５と減算回路２３とに与えられる。減算回路２３では増幅回路１９の出力信号Ｓ３から増幅回路２１の出力信号Ｓ４が減算される。音響圧力が振動板１５に与えられると、前記音響板の振動によって、レーザ光が照射される２分割フォトディテクタ１７上の位置が変化する。これによって受光素子ＰＤＡと受光素子ＰＤＢとでそれぞれに受光する光量が変化し、この変化に応じた差分信号が減算回路２３から出力され、振動板１５に印加された音響圧力に応じた信号Ｓ５としてサンプル＆ホールド回路２７に与えられる。なお、減算回路２３の動作基準電圧Ｅｂはピークホールド回路２９の出力Ｓ８の１／２に設定される。すなわち、信号Ｓ３と信号Ｓ４とが等しいときの減算回路２３の出力電圧Ｅｂは信号Ｓ８の１／２に一致するよう、減算回路２３のバイアス電圧を設定する。
【００１９】
一方、加算回路２５では増幅回路１９の出力信号Ｓ３と、増幅回路２１の出力信号Ｓ４とが加算され、この加算結果Ｓ６は除算回路３１に与えられる。除算回路３１は前記信号Ｓ７を信号Ｓ８で除し、この除算結果として得られた信号Ｓ９を高周波信号をカットするためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）３３に与える。ＬＰＦ３３からは音響圧力Ｓ２に応じた信号Ｓ１０が出力される。
変調信号発振器１１は前記変調信号Ｓ１と同一周期で、且つ前記変調信号に同期した同期パルスＳ２１をサンプル＆ホールド回路２７及びピークホールド回路２９に与える。前記変調信号Ｓ１のピーク時と前記同期パルスＳ２１の立ち上がりのタイミングは一致する。サンプル＆ホールド回路２７では同期パルスＳ２１によって、信号Ｓ５のピーク値又はボトム値が検出され、同期パルスＳ２１の１周期期間保持される。この結果、サンプル＆ホールド回路２７では、減算回路２３の出力信号Ｓ５に対する包絡線検波が行われることになり、図３に示す信号Ｓ２に近い波形の信号Ｓ７が得られる。
【００２０】
ピークホールド回路２９では同期パルスＳ２１によって、信号Ｓ６のピーク値が検出され、同期パルスＳ２１の１周期期間保持される。この結果、ピークホールド回路２９の出力信号Ｓ８の値はレーザ光源１３の出力強度に応じた値となる。
除算回路３１では信号Ｓ７を信号Ｓ８で除す除算が行われる。
除算回路３１で用いるアナログ除算回路の一例を図７に示す。図７に示すアナログ除算回路は、２つの対数変換回路５１、５２と減算回路５３と逆対数変換回路５４とで構成される。前記対数変換回路は入力された値を対数に変換し、前記逆対数変換回路は対数を逆変換して数値に戻す。対数変換回路５１に信号Ｖｘが入力され、対数変換回路５２に信号Ｖｙが入力されると、逆対数変換回路５４の出力ＶｚはＶｘ／Ｖｙとなる。
【００２１】
図１及び図３に示す本発明の第１実施例によれば、レーザ光源１３の出力強度が三角波状になるように変調されている。また、音響圧力Ｓ２に応じた差分信号Ｓ５のサンプリングが、レーザ光の強度がピークとなる時点で行われる。したがって、従来の音圧変換装置の場合と比較すると、例えば、従来例装置におけるレーザ光源の出力と本願発明第１実施例におけるレーザ光源のピーク出力とを一致させた場合、ＬＰＦ３３の出力信号Ｓ１０は従来例と同等以上のＳ／Ｎを維持でき、且つレーザ光源による消費電力を低減することが出来る。
【００２２】
また、レーザ光源における消費電力が低減することによりレーザ光源自体の発熱が減少するから、レーザ光出力の安定化と音圧変換装置の小型化が可能となる。
なお、変調信号発振器１１で発生させる変調信号を、より幅の狭い信号波形にすることにより、レーザ光源１３で消費される電力をいっそう低減させることが出来る。
また、減算回路２３から出力される差分信号Ｓ５に応じた信号Ｓ７をレーザ光源の出力強度に応じた信号Ｓ８で除することにより、除算回路３１の出力は正規化され、レーザ光出力の変動の影響を受けない。
【００２３】
図２は、本発明音圧変換装置の第２実施例を示すブロック図である。図２に示す音圧変換装置２０と図１に示す音圧変換装置１０とで、同一機能で同一作用の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。図２の音圧変換装置２０で図１の音圧変換装置１０と異なる点は、減算回路２３の出力信号Ｓ５が除算回路３１に与えられ、除算回路３１は信号Ｓ５をピークホールド回路２９から与えられた信号Ｓ８で除し、この除算結果である信号Ｓ１１をサンプル＆ホールド回路２７に与える点である。したがって、除算回路３１に入力された差分信号Ｓ５はレーザ光源の出力強度に応じた信号Ｓ８で除され、正規化される。正規化されたあとの信号Ｓ１１はサンプル＆ホールド回路２７で包絡線検波され、該包絡線検波で得られた信号Ｓ１２がＬＰＦ３３に与えられる。
【００２４】
図４は本発明音圧変換装置の第３実施例を示すブロック図である。また、図５は本発明音圧変換装置の第３実施例における各部の信号を示す図である。図５に示す信号名Ｓ２、Ｓ１１、Ｓ１４、Ｖｒは図４に示す符号名と対応する。
図４に示す音圧変換装置４０と図２に示す音圧変換装置２０とで、同一機能で同一作用の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。図４の音圧変換装置４０で図２の音圧変換装置２０と異なる点は、サンプル＆ホールド回路２７がなく、除算回路３１の出力信号Ｓ１１が比較回路（コンパレータ）３２に与えられ、コンパレータ３２では前記信号Ｓ１１と比較電圧Ｖｒと比較され、その比較結果が信号Ｓ１４としてＬＰＦ３４に与えられる点である。
【００２５】
図５に示すように、コンパレータ３２の出力信号Ｓ１４は、信号Ｓ１１の電圧が比較電圧Ｖｒより高いときに高レベルとなり、それ以外は低レベルとなり、信号Ｓ１４のパルス幅は信号Ｓ１１の振幅に応じたものとなる。すなわち、コンパレータ３２はパルス幅変調回路として動作し、ＬＰＦ３４は、十分大きな時定数を採用して２値信号をアナログ信号に変換し、パルス幅復調回路として動作する。この結果、ＬＰＦ３４から出力される信号Ｓ１５は、図５に示す音響圧力Ｓ２に応じた信号となり、レーザ光源１３の出力強度に依存しないものとなるから、レーザ光源１３の出力を一定に維持するための負帰還ループは不要となる。
【００２６】
以上詳述したように、本発明を適用した実施の形態によれば、レーザ光源の出力は一定強度ではなく、変調信号発振器１１から出力される変調信号に応じた出力強度とされる。そして特に、第１の実施例及び第２の実施例においては、光検出器の出力はレーザ光出力がピークとなるときの値のみが特に有効に利用されるから、変調信号の波形を三角波よりさらにパルス幅が狭い波形に変更すれば、より一層レーザ光源での消費電力を低減できる。
本発明の音圧変換装置では、光検出器を構成する２つの受光素子からの出力の差分値を求め、該差分値をレーザ光強度に応じた値で除して正規化する。これにより、レーザ光強度の変動成分を除去した変換出力が得られるから、本発明の音圧変換装置ではレーザ光出力を一定に維持するためのフィードバックループを要しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明音圧変換装置の第１実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明音圧変換装置の第２実施例を示すブロック図である。
【図３】本発明音圧変換装置の第１実施例における各部の信号を示す図である。
【図４】本発明音圧変換装置の第３実施例を示すブロック図である。
【図５】本発明音圧変換装置の第３実施例における各部の信号を示す図である。
【図６】従来の音圧変換装置を例示するブロック図である。
【図７】アナログ除算回路の一例を示す図である。
【符号の説明】
１１　　発振器（変調信号発振器）
１３　　レーザ光源
１５　　振動板
１７　　光検出器（２分割フォトディテクタ）
１９、２１　　増幅回路
２３　　減算器（減算回路）
２５　　加算器（加算回路）
２７　　包絡線検波器（サンプル＆ホールド回路）
２９　　ピークホールド回路
３１　　除算器（除算回路）
３２　　パルス幅変調器（コンパレータ）
３３　　ローパスフィルタ（ＬＰＦ）

Claims

変調信号を発振して出力する発振器と、前記変調信号に応じてレーザ光の出力強度が変調されるレーザ光源と、印加される音圧に応じて振動する振動板と、前記レーザ光源から出射され前記振動板で反射された光を受光する光検出器とを備え、前記光検出器から出力される複数の受光信号を用いて出力信号を生成することを特徴とする音圧変換装置。
前記光検出器における複数の受光素子から出力される複数の信号同士の減算をする減算器と、前記複数の信号同士の加算をする加算器と、前記減算器の出力に応じた信号を前記加算器の出力に応じた信号で除する除算器とを備え、前記除算器での除算結果に応じた信号を出力することを特徴とする請求項１記載の音圧変換装置。
前記減算器の出力のピーク値又はボトム値を前記変調信号と同一の周期で検出して保持するサンプル＆ホールド回路と、前記加算器の出力のピーク値を前記変調信号と同一の周期で検出して保持するピークホールド回路とを備え、前記除算器は前記サンプル＆ホールド回路の出力を前記ピークホールド回路の出力で除することを特徴とする請求項２記載の音圧変換装置。
前記減算器の出力に対して包絡線検波を行う包絡線検波器と、前記加算器の出力のピーク値を前記変調信号と同一の周期で検出して保持するピークホールド回路とを備え、前記除算器は前記包絡線検波器の出力を前記ピークホールド回路の出力で除することを特徴とする請求項２記載の音圧変換装置。
前記除算器の出力のピーク値又はボトム値を前記変調信号と同一の周期で検出して保持するサンプル＆ホールド回路と、前記加算器の出力のピーク値を前記変調信号と同一の周期で検出して保持するピークホールド回路とを備え、前記除算器は前記減算器の出力を前記ピークホールド回路の出力で除し、この除算結果を前記サンプル＆ホールド回路へ出力することを特徴とする請求項２記載の音圧変換装置。
前記除算器の出力に対して包絡線検波を行う包絡線検波器と、前記加算器の出力のピーク値を前記変調信号と同一の周期で検出して保持するピークホールド回路とを備え、前記除算器は前記減算器の出力を前記ピークホールド回路の出力で除し、この除算結果を前記包絡線検波器へ印加することを特徴とする請求項２記載の音圧変換装置。
前記除算器は前記減算器の出力を前記加算器の出力に応じた信号で除し、且つ、前記除算器の出力に対してパルス幅変調を行うパルス幅変調器と、該パルス幅変調器の出力の高周波分を除去するローパスフィルタとを備えることを特徴とする請求項２記載の音圧変換装置。
前記加算器の出力のピーク値を前記変調信号と同一の周期で検出して保持するピークホールド回路を備え、前記除算器は前記減算器の出力を前記ピークホールド回路の出力で除することを特徴とする請求項７記載の音圧変換装置。