JP2004502364A - 光マイクロホン/センサ - Google Patents
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Abstract
チャンバを規定し、かつ、開口を有するハウジングと、一対の光導波路であって、そのそれぞれが、入力端部および出力端部を有し、第1の導波路の入力端部が、光源に光学的に結合され、第2の導波路の出力端部が、光強度検出器に光学的に結合された、一対の光導波路と、開口全体に広がる2つの表面を有し、ハウジング内部に密閉されたチャンバを形成する膜と、お互いに近接して固定して配置された第2の光導波路の入力端部と第1の光導波路の出力端部とを含むヘッドと、を含むマイクロホン/センサを提供する。このマイクロホン/センサは、膜の2つの表面上における圧力を等しくするための圧力等化手段をさらに含む。
【選択図】図1
【選択図】図1
Description
【0001】
(技術分野)
本発明は、光マイクロホン/センサに関する。より詳細には、本発明は、米国特許第5,777,091号および米国特許出願第09/037,137号に記載の、可聴音領域、超音波領域、および、超低周波音領域における音を感知し、かつ、媒体までの距離および/または媒体の物理的特性を測定するための光ファイバーおよびソリッド体導波路マイクロホン/センサに関し、それらの公知技術の開示内容は、この明細書に援用される。
【0002】
(背景技術)
米国特許第5,777,091号および米国特許出願第09/037,137号の示唆によれば、光センサは、測定に使用される光を発生する光源を備える。一方の光ファイバーまたは導波路が、この光をセンサの光ヘッドへ伝送し、その光が、測定媒体から反射された後、他方の光ファイバーまたは導波路を通って光強度測定手段に到達し、その光強度測定手段が、戻ってきた光の強度を測定する。
【0003】
マイクロホン/センサ、とりわけ、ここで問題にしているような種類のマイクロホン/センサは、大気圧の変動にきわめて敏感である。そのような変動は、マイクロホン/センサの感度および精度に影響を及ぼす。
【0004】
(発明の開示)
したがって、本発明の大きな目的は、良く知られているような種類の光マイクロホン/センサの欠点を克服し、大気圧の変動に影響されにくいマイクロホン/センサを提供することである。
【0005】
本発明のさらなる目的は、金属でない部品からなる光マイクロホン/センサを提供し、そのマイクロホン/センサを電磁界から影響されないものにすることである。
【0006】
したがって、本発明によれば、チャンバを規定し、かつ、開口を有するハウジングと、少なくとも1つの一対の光導波路であって、そのそれぞれが、入力端部および出力端部を有し、第1の導波路の入力端部が、光源に光学的に結合され、第2の導波路の出力端部が、光強度検出器に光学的に結合された、少なくとも1つの一対の光導波路と、前記開口全体に広がる2つの背中合わせの表面を有し、前記ハウジング内部に密閉されたチャンバを形成する膜と、少なくともお互いに近接してしっかりと固定して配置された前記第2の光導波路の入力端部と前記第1の光導波路の出力端部とを含むヘッドであって、前記第1の導波路の出力端部および前記第2の導波路の入力端部のそれぞれが、光軸および出力面を有し、前記出力面が、前記光軸に対して角度θで切断され、前記光軸は、それらがお互いに角度αをなし、動作中には、前記第1の導波路の出力端部から出射する光が、入射角βで前記膜の表面に突き当たり、ここで、β=f(α,θ)である、ヘッドと、を備えたマイクロホン/センサが提供され、前記マイクロホン/センサが、前記膜の2つの表面上における圧力を等しくするための圧力等化手段をさらに含むことを特徴とする。
【0007】
本発明をより良く理解できるように、以下、説明のための図面を参照して、いくつかの好ましい実施形態に関連して本発明を説明する。
【0008】
ここで、図面を具体的に詳しく参照するにあたって、それらの図面は、ただ単に、例として示されたものであり、また、本発明の好ましい実施形態を例として説明するためのものであることに注意されたい。また、それらの図面は、本発明の原理および概念的構成に関する説明を容易に理解するのにもっとも役立つと考えられるものを提供するためのものである。この点に関して、本発明の詳細な構造については、本発明を基本的に理解するのに必要なことしか図示していない。また、図面に関する説明は、本発明のいくつかの形態をどのようにしたら実際に実施できるかをこの分野に精通する者に明らかにするものである。
【0009】
(発明の実施の形態)
図1には、本発明による非金属材料からなるマイクロホン/センサ2が示され、ハウジング4と、ハウジングの内面に沿って延びる一対の光ファイバー6および8とを備え、それぞれのファイバーは、入力端および出力端を有する。ファイバー6の入力端10は、光源12から光を受け取るように接続される。ファイバー8の出力端14は、光検出器16に接続される。光源12は、なんらかの適切な電源18から電力を受け取り、そして、光検出器16の出力は、前置増幅器20に接続される。ファイバー6の出力端部22とファイバー8の入力端部24とのリムは、米国特許第5,771,091号に示唆されるように、所定の角度で切断され、それらがお互いに所定の角度をなすように配置される。端部22および24は、1つかまたはそれ以上の貫通孔27を有する凝固材料26の中に埋め込まれるか、さもなければ、ハウジング4内部にしっかりと保持され、それによって、マイクロホン/センサ・ヘッドを構成する。
【0010】
マイクロホン/センサ2は、さらに、ハウジング開口30全体に張られた膜28を含む。より好ましくは、音響フィルタ32が、膜28の上方に配置され、機械的損傷から膜を保護する。毛細管のような管34が、好都合には、ハウジング2の底部において、ファイバー6および8に隣接して、そのハウジング2の壁を貫通する。管34の長さおよび直径は、大気圧のきわめて小さな変動、例えば、0.01Hz以下の周波数変動をもたらすような大気圧の変動しかハウジング4内部の圧力に影響を与えないように選択される。すなわち、管34の役割は、マイクロホン/センサ2のハウジング内部の圧力を、マイクロホン/センサを取り巻く大気圧と実質的に等しくすることであり、それによって、膜の2つの表面上において、釣り合いのとれない圧力が形成されるのを防止する。これに関連して、膜28は、そのマイクロホン/センサのために予め定められた動作周波数領域に基づいて選択されることに注意されたい。可聴音または音波に感応する膜は、約20Hzから20KHzまでの領域で動作する。超低周波音周波数に使用されるマイクロホン/センサの膜は、約0.01Hzから500Hzまでの間にある周波数で動作することを意図したものであり、超音波周波数の場合には、約20KHzから500KHzまでの周波数で動作することを意図したものである。
【0011】
図2は、図1に示されるマイクロホン/センサ2をわずかに変更したものを示し、この変形においては、膜38は、材料26の上方に配置されたリング40に取り付けられている。ハウジング4は、環状の壁部分42によって、開口30を部分的に塞いでおり、保護カバーの役割をなす。オプションとして、音響フィルタ32は、壁部分42上に取り付けられる。圧力等化管44が、ハウジング4の上部外周に沿って延び、材料26の下方にあるハウジング4内部のチャンバ46から膜38の上方にあるチャンバ48へ通じている。
【0012】
ここで、図3を参照すると、図2に示されるものと同じ構造のマイクロホン/センサ2が示されており、壁部分42の開口30内に取り付けられた小さな管50が付加されている。
【0013】
図4は、音波進入開口52が保護壁部分42の外壁部分に配置されていることを除けば、図2に示されるものに類似した構造のマイクロホン/センサを示している。1つだけでなくそれよりも多い開口が、提供されてもよい。
【0014】
図4の実施形態を改善したものが、図5に示されており、その図5においては、外壁に作られた開口52に取り付けられた小さな管50が、示されている。そのような管による音響受信は、管がない場合よりも効果的である。
【0015】
図6には、図2に示されるものに類似した光センサ/マイクロホンの実施形態が示される。しかしながら、光ファイバー6および8の代わりに、光導波路は、ソリッド体54によって構成される。ソリッド体54は、不透明な隔壁60によって分離された光ガイド56および58からなる。より好ましくは、光源62および検出器64は、ソリッド体54の中に埋め込まれる。電気的な端子66および68は、それぞれ、光源62および検出器64へ通じている。ソリッド体54は、なんらかの適切な材料70によってハウジング4の内部に取り付けられてもよい。
【0016】
本発明が、上述した実施形態の詳細な説明に限定されないこと、および、本発明の精神および本質的な特性から逸脱することなく、その他の特定の形態で実施できることは、この分野に精通する者には明らかなことである。したがって、上述の実施形態は、すべての点において、説明のためのものであり、限定するものではないと考えるべきであり、本発明の範囲は、上述した説明によってではなく、請求の範囲によって規定され、ゆえに、請求の範囲に記載されるものと同等の趣旨および範囲を有するあらゆる変更はそれに含まれる。
【0017】
[図面の簡単な説明]
[図1]
本発明の一実施形態による光ファイバーマイクロホン/センサの断面図である。
[図2]〜[図5]
本発明による光ファイバーマイクロホン/センサのさらなる様々な実施形態の断面図である。
[図6]
ソリッド体導波路に基づいた実施形態の断面図である。
(技術分野)
本発明は、光マイクロホン/センサに関する。より詳細には、本発明は、米国特許第5,777,091号および米国特許出願第09/037,137号に記載の、可聴音領域、超音波領域、および、超低周波音領域における音を感知し、かつ、媒体までの距離および/または媒体の物理的特性を測定するための光ファイバーおよびソリッド体導波路マイクロホン/センサに関し、それらの公知技術の開示内容は、この明細書に援用される。
【0002】
(背景技術)
米国特許第5,777,091号および米国特許出願第09/037,137号の示唆によれば、光センサは、測定に使用される光を発生する光源を備える。一方の光ファイバーまたは導波路が、この光をセンサの光ヘッドへ伝送し、その光が、測定媒体から反射された後、他方の光ファイバーまたは導波路を通って光強度測定手段に到達し、その光強度測定手段が、戻ってきた光の強度を測定する。
【0003】
マイクロホン/センサ、とりわけ、ここで問題にしているような種類のマイクロホン/センサは、大気圧の変動にきわめて敏感である。そのような変動は、マイクロホン/センサの感度および精度に影響を及ぼす。
【0004】
(発明の開示)
したがって、本発明の大きな目的は、良く知られているような種類の光マイクロホン/センサの欠点を克服し、大気圧の変動に影響されにくいマイクロホン/センサを提供することである。
【0005】
本発明のさらなる目的は、金属でない部品からなる光マイクロホン/センサを提供し、そのマイクロホン/センサを電磁界から影響されないものにすることである。
【0006】
したがって、本発明によれば、チャンバを規定し、かつ、開口を有するハウジングと、少なくとも1つの一対の光導波路であって、そのそれぞれが、入力端部および出力端部を有し、第1の導波路の入力端部が、光源に光学的に結合され、第2の導波路の出力端部が、光強度検出器に光学的に結合された、少なくとも1つの一対の光導波路と、前記開口全体に広がる2つの背中合わせの表面を有し、前記ハウジング内部に密閉されたチャンバを形成する膜と、少なくともお互いに近接してしっかりと固定して配置された前記第2の光導波路の入力端部と前記第1の光導波路の出力端部とを含むヘッドであって、前記第1の導波路の出力端部および前記第2の導波路の入力端部のそれぞれが、光軸および出力面を有し、前記出力面が、前記光軸に対して角度θで切断され、前記光軸は、それらがお互いに角度αをなし、動作中には、前記第1の導波路の出力端部から出射する光が、入射角βで前記膜の表面に突き当たり、ここで、β=f(α,θ)である、ヘッドと、を備えたマイクロホン/センサが提供され、前記マイクロホン/センサが、前記膜の2つの表面上における圧力を等しくするための圧力等化手段をさらに含むことを特徴とする。
【0007】
本発明をより良く理解できるように、以下、説明のための図面を参照して、いくつかの好ましい実施形態に関連して本発明を説明する。
【0008】
ここで、図面を具体的に詳しく参照するにあたって、それらの図面は、ただ単に、例として示されたものであり、また、本発明の好ましい実施形態を例として説明するためのものであることに注意されたい。また、それらの図面は、本発明の原理および概念的構成に関する説明を容易に理解するのにもっとも役立つと考えられるものを提供するためのものである。この点に関して、本発明の詳細な構造については、本発明を基本的に理解するのに必要なことしか図示していない。また、図面に関する説明は、本発明のいくつかの形態をどのようにしたら実際に実施できるかをこの分野に精通する者に明らかにするものである。
【0009】
(発明の実施の形態)
図1には、本発明による非金属材料からなるマイクロホン/センサ2が示され、ハウジング4と、ハウジングの内面に沿って延びる一対の光ファイバー6および8とを備え、それぞれのファイバーは、入力端および出力端を有する。ファイバー6の入力端10は、光源12から光を受け取るように接続される。ファイバー8の出力端14は、光検出器16に接続される。光源12は、なんらかの適切な電源18から電力を受け取り、そして、光検出器16の出力は、前置増幅器20に接続される。ファイバー6の出力端部22とファイバー8の入力端部24とのリムは、米国特許第5,771,091号に示唆されるように、所定の角度で切断され、それらがお互いに所定の角度をなすように配置される。端部22および24は、1つかまたはそれ以上の貫通孔27を有する凝固材料26の中に埋め込まれるか、さもなければ、ハウジング4内部にしっかりと保持され、それによって、マイクロホン/センサ・ヘッドを構成する。
【0010】
マイクロホン/センサ2は、さらに、ハウジング開口30全体に張られた膜28を含む。より好ましくは、音響フィルタ32が、膜28の上方に配置され、機械的損傷から膜を保護する。毛細管のような管34が、好都合には、ハウジング2の底部において、ファイバー6および8に隣接して、そのハウジング2の壁を貫通する。管34の長さおよび直径は、大気圧のきわめて小さな変動、例えば、0.01Hz以下の周波数変動をもたらすような大気圧の変動しかハウジング4内部の圧力に影響を与えないように選択される。すなわち、管34の役割は、マイクロホン/センサ2のハウジング内部の圧力を、マイクロホン/センサを取り巻く大気圧と実質的に等しくすることであり、それによって、膜の2つの表面上において、釣り合いのとれない圧力が形成されるのを防止する。これに関連して、膜28は、そのマイクロホン/センサのために予め定められた動作周波数領域に基づいて選択されることに注意されたい。可聴音または音波に感応する膜は、約20Hzから20KHzまでの領域で動作する。超低周波音周波数に使用されるマイクロホン/センサの膜は、約0.01Hzから500Hzまでの間にある周波数で動作することを意図したものであり、超音波周波数の場合には、約20KHzから500KHzまでの周波数で動作することを意図したものである。
【0011】
図2は、図1に示されるマイクロホン/センサ2をわずかに変更したものを示し、この変形においては、膜38は、材料26の上方に配置されたリング40に取り付けられている。ハウジング4は、環状の壁部分42によって、開口30を部分的に塞いでおり、保護カバーの役割をなす。オプションとして、音響フィルタ32は、壁部分42上に取り付けられる。圧力等化管44が、ハウジング4の上部外周に沿って延び、材料26の下方にあるハウジング4内部のチャンバ46から膜38の上方にあるチャンバ48へ通じている。
【0012】
ここで、図3を参照すると、図2に示されるものと同じ構造のマイクロホン/センサ2が示されており、壁部分42の開口30内に取り付けられた小さな管50が付加されている。
【0013】
図4は、音波進入開口52が保護壁部分42の外壁部分に配置されていることを除けば、図2に示されるものに類似した構造のマイクロホン/センサを示している。1つだけでなくそれよりも多い開口が、提供されてもよい。
【0014】
図4の実施形態を改善したものが、図5に示されており、その図5においては、外壁に作られた開口52に取り付けられた小さな管50が、示されている。そのような管による音響受信は、管がない場合よりも効果的である。
【0015】
図6には、図2に示されるものに類似した光センサ/マイクロホンの実施形態が示される。しかしながら、光ファイバー6および8の代わりに、光導波路は、ソリッド体54によって構成される。ソリッド体54は、不透明な隔壁60によって分離された光ガイド56および58からなる。より好ましくは、光源62および検出器64は、ソリッド体54の中に埋め込まれる。電気的な端子66および68は、それぞれ、光源62および検出器64へ通じている。ソリッド体54は、なんらかの適切な材料70によってハウジング4の内部に取り付けられてもよい。
【0016】
本発明が、上述した実施形態の詳細な説明に限定されないこと、および、本発明の精神および本質的な特性から逸脱することなく、その他の特定の形態で実施できることは、この分野に精通する者には明らかなことである。したがって、上述の実施形態は、すべての点において、説明のためのものであり、限定するものではないと考えるべきであり、本発明の範囲は、上述した説明によってではなく、請求の範囲によって規定され、ゆえに、請求の範囲に記載されるものと同等の趣旨および範囲を有するあらゆる変更はそれに含まれる。
【0017】
[図面の簡単な説明]
[図1]
本発明の一実施形態による光ファイバーマイクロホン/センサの断面図である。
[図2]〜[図5]
本発明による光ファイバーマイクロホン/センサのさらなる様々な実施形態の断面図である。
[図6]
ソリッド体導波路に基づいた実施形態の断面図である。
Claims (14)
- チャンバを規定し、かつ、開口を有するハウジングと、
少なくとも1つの一対の光導波路であって、そのそれぞれが、入力端部および出力端部を有し、第1の導波路の入力端部が、光源に光学的に結合され、第2の導波路の出力端部が、光強度検出器に光学的に結合された、少なくとも1つの一対の光導波路と、
前記開口全体に広がる2つの背中合わせの表面を有し、前記ハウジング内部にシールされたチャンバを形成する膜と、
少なくともお互いに近接してしっかりと固定して配置された前記第2の光導波路の入力端部と前記第1の光導波路の出力端部とを含むヘッドであって、前記第1の導波路の出力端部および前記第2の導波路の入力端部のそれぞれが、光軸および出力面を有し、前記出力面が、前記光軸に対して角度θで切断され、前記光軸は、それらがお互いに角度αをなし、動作中には、前記第1の導波路の出力端部から出射する光が、入射角βで前記膜の表面に突き当たり、ここで、β=f(α,θ)である、ヘッドと、
を備えたマイクロホン/センサであって、
前記マイクロホン/センサが、前記膜の2つの表面上における圧力を等しくするための圧力等化手段をさらに含むことを特徴とするマイクロホン/センサ。 - 前記膜が、前記開口全体に張られた請求項1に記載のマイクロホン/センサ。
- 前記膜が、前記出力面から所定の間隔だけ離れた状態で、前記ハウジングの内部に取り付けられた請求項1に記載のマイクロホン/センサ。
- 前記膜が、その膜が取り付けられたリングを用いて、前記ハウジングの内部に取り付けられた請求項1に記載のマイクロホン/センサ。
- 前記圧力等化手段が、前記チャンバを大気と接続するアパーチャーである請求項1に記載のマイクロホン/センサ。
- 前記アパーチャーが、毛細管のような管の形態を有する請求項5に記載のマイクロホン/センサ。
- 前記毛細管のような管の直径および長さが、大気圧の予想変動に基づいて決定される請求項6に記載のマイクロホン/センサ。
- 前記アパーチャーが、前記ヘッドに近接するハウジングの外面に沿って延びる請求項5に記載のマイクロホン/センサ。
- 前記アパーチャーが、毛細管のような管の形態を有する請求項8に記載のマイクロホン/センサ。
- 前記ヘッドが、前記チャンバから前記膜の一方の表面へ通じる1つかまたはそれ以上の孔を備えた請求項1に記載のマイクロホン/センサ。
- 前記ハウジングが、前記膜を覆うアパーチャー付きカバー部分を含む請求項1に記載のマイクロホン/センサ。
- 前記カバーのアパーチャーが、管を取り付けられ、あるいは、管によって構成される請求項11に記載のマイクロホン/センサ。
- 前記膜の上方に所定の間隔だけ離れた状態で配置された音響フィルタをさらに備えた請求項1に記載のマイクロホン/センサ。
- 前記光強度検出器に接続された前置増幅器をさらに備えた請求項1に記載のマイクロホン/センサ。
Applications Claiming Priority (2)
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DE (1) | DE1168884T1 (ja) |
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