JP2005283160A - Vibration analysis device and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、音声認識などで使われる高機能で小型のマイクロフォンに係り、特に微小電気機械システム(MEMS)の手法を用いた振動解析装置及び振動解析方法に関する。 The present invention relates to a high-performance and small-sized microphone used in speech recognition and the like, and more particularly to a vibration analysis apparatus and a vibration analysis method using a micro electro mechanical system (MEMS) technique.
音声分析による特徴抽出は音声認識率を向上させるための重要な技術である。 例えば、マイクロフォンでは振動板に入射してきた音波を電気信号に変換し、フィルタにより150Hz〜8kHzの音声周波数をフィルタリングした後、A/Dコンバータにより22kHz程度のサンプリング・レートでデジタル化される。その後、FFT(高速フーリエ変換)により求めた、パワースペクトルを用いてスペクトル分析を行う。したがって、精度の良い音声分析を行うためには高分解能なA/Dコンバータ及び高性能なFFT装置が必要となるが、現状ではこれらの要求を十分に満足する装置を得ることは難しい。 Feature extraction by speech analysis is an important technique for improving speech recognition rate. For example, in a microphone, a sound wave incident on a diaphragm is converted into an electric signal, and a sound frequency of 150 Hz to 8 kHz is filtered by a filter, and then digitized at a sampling rate of about 22 kHz by an A / D converter. Thereafter, spectrum analysis is performed using the power spectrum obtained by FFT (Fast Fourier Transform). Therefore, in order to perform accurate voice analysis, a high-resolution A / D converter and a high-performance FFT device are required, but at present, it is difficult to obtain a device that sufficiently satisfies these requirements.
一方、音響信号を電気信号に変換するマイクロフォンには、様々な種類があるが、マイクロフォンの振動板に光波を照射してその反射光の強度を検出することで、振動変位を得る、光マイクロフォンは、感度を振動板と独立に設定できる、等の特徴がある。光マイクロフォンを使用して複数のマイクロフォンを使用する際の時分割多重に伴う回路構成を簡易化するとともに、ワイヤレスマイクロフォンとして使用した際の変調回路の単純化及び簡易化を実現した光マイクロフォン装置が提案されている(特許文献1参照。)。 On the other hand, there are various types of microphones that convert acoustic signals into electrical signals. Optical microphones obtain vibration displacement by irradiating light waves on the microphone diaphragm and detecting the intensity of the reflected light. The sensitivity can be set independently from the diaphragm. Proposed an optical microphone device that simplifies the circuit configuration associated with time division multiplexing when using multiple microphones using an optical microphone, and simplifies and simplifies the modulation circuit when used as a wireless microphone. (See Patent Document 1).
特許文献1に記載された光マイクロフォン装置では、音波を受けて振動する振動板と、この振動板に対して放射光を出射する発光素子と、振動板で反射された放射光を受光する受光素子とを有する光マイクロフォンと、発光素子を駆動する駆動電流を発光素子に印加する駆動回路と、を備えた光マイクロフォン装置において、駆動回路が、所定繰返し周波数を持つパルス電流を駆動電流として供給するようにしている。
しかし、特許文献1に記載された光マイクロフォン装置では、所定の繰返し周波数を音声信号のサンプリング周波数としている。即ち、上述したように、音声信号をデジタル処理するためには、音圧、時間のデジタル化が必要であり、これには量子化とサンプリングが必要である。又、周波数分析を行うためにはFFTを行う必要があり、これには、サンプリングをNとして、N×log Nの計算量が必要となる。 However, in the optical microphone device described in Patent Document 1, a predetermined repetition frequency is set as the sampling frequency of the audio signal. That is, as described above, in order to digitally process an audio signal, the sound pressure and time must be digitized, which requires quantization and sampling. In addition, in order to perform frequency analysis, it is necessary to perform FFT, and this requires a calculation amount of N × log N, where N is sampling.
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、直接、音響信号のデジタル化及び周波数分析が可能な周波数分析機能を持った振動解析装置及び振動解析方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to provide a vibration analysis apparatus and a vibration analysis method having a frequency analysis function capable of directly digitizing an acoustic signal and analyzing the frequency. The purpose is to do.
上記目的を達成するために、本発明の第1の特徴は、(イ)機械的振動により振動する振動板と、(ロ)この振動板に対し、繰返し信号で駆動して、強度が周期的に変化する光を照射する変調光照射手段と、(ハ)振動板を経由した光を検出し、且つ繰返し信号を用いて復調することにより、機械的振動の周波数分析をする復調手段とを備える振動解析装置であることを要旨とする。 In order to achieve the above object, the first feature of the present invention is that (a) a diaphragm that vibrates due to mechanical vibration, and (b) the diaphragm is driven by a repetitive signal and the intensity is periodic. And (d) a demodulating means for detecting the light passing through the diaphragm and demodulating it using a repetitive signal, thereby analyzing the frequency of the mechanical vibration. The gist is that it is a vibration analyzer.
本発明の第2の特徴は(イ)機械的振動により振動している振動板に対し、繰返し信号で駆動して、強度が周期的に変化する光を照射する段階と、(ロ)振動板を経由した光を検出し、且つ繰返し信号を用いて復調することにより、機械的振動の周波数分析をする段階とを備える振動解析方法であることを要旨とする。 The second feature of the present invention is that (a) a vibration plate that vibrates due to mechanical vibration is driven by a repetitive signal to irradiate light whose intensity changes periodically; And a step of analyzing the frequency of mechanical vibration by detecting light passing through and demodulating using a repetitive signal.
本発明によれば、直接、デジタル化及び周波数分析が可能な振動解析装置及び振動解析方法を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a vibration analysis apparatus and a vibration analysis method that can be directly digitized and frequency-analyzed.
図面を参照して、以下に本発明の第1〜第3の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 First to third embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings. Further, the following embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the material, shape, structure, The layout is not specified as follows. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係る振動解析装置は、図1に示すように、機械的振動により振動する振動板21と、この振動板21に対し、繰返し信号で駆動して、強度が周期的に変化する光を照射する変調光照射手段1と、振動板21を経由した光を検出し、且つ周期的な繰返し信号を同期信号として復調することにより、機械的振動の周波数分析をする復調手段2とを備える。「繰返し信号」は、三角波や矩形波に限らず任意の波形でも、周期的に繰返し変化を示せば構わないが、ここでは、簡単化のために、強度xin(t)が、以下の(1)式で示されるような正弦波で変化する場合について説明する。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the vibration analyzing apparatus according to the first embodiment of the present invention has a vibration plate 21 that vibrates due to mechanical vibration, and the vibration plate 21 is driven by a repetitive signal and has a strength. The frequency of mechanical vibration is analyzed by detecting the modulated light irradiation means 1 that irradiates periodically changing light and the light that has passed through the diaphragm 21 and demodulating the periodic repetitive signal as a synchronization signal. Demodulation means 2. The “repetitive signal” is not limited to a triangular wave or a rectangular wave, but any waveform may be used to indicate a cyclic change periodically. Here, for simplicity, the intensity x in (t) is expressed as follows ( The case of changing with a sine wave as shown in equation (1) will be described.
即ち、第1の実施の形態に係る振動解析装置においては、以下の(1)式で示されるような正弦波で変化する光を照射する変調光照射手段1と、振動板21を経由した光を検出し、且つ(1)式と同一の正弦波を同期信号として、復調(同期検出)することにより、機械的振動の周波数分析をする復調手段2とを備える:
xin(t)=sin(ω0At+φ) ・・・・・(1)
変調光照射手段1は、振動板21に対し、光を照射する光源43と、光の強度xin(t)が(1)式の正弦波で変化するように光源43の出力を変調する変調器42とを備える。光源43が、例えば半導体レーザ若しくは発光ダイオード(LED)等の半導体発光素子であれば、変調器42は、これらの半導体発光素子の駆動電流を、(1)式の正弦波で変調すれば良い。
That is, in the vibration analyzing apparatus according to the first embodiment, the light that has passed through the diaphragm 21 and the modulated light irradiating means 1 that irradiates light that changes in a sine wave as represented by the following equation (1): And a demodulating means 2 for performing frequency analysis of mechanical vibration by demodulating (synchronizing detection) using the same sine wave as that of the equation (1) as a synchronizing signal:
x in (t) = sin (ω 0A t + φ) (1)
The modulated light irradiating means 1 modulates the output of the
又、復調手段2は、振動板21を経由した光を検出し、電気信号に変換する光検出器31と、電気信号を増幅する増幅器32と、この増幅器32により増幅された電気信号を(1)式の正弦波を同期信号として復調し、振動板21の振動の振幅及び位相情報を得て、機械的振動の周波数分析をする復調器33とを備える。変調器42及び復調器33には、同期信号としての周波数ω0Aの正弦波信号を供給する発信器41が接続されている。増幅器32と復調器33とをあわせてロックインアンプのような構成として、同期検出をしても良い。
The
従来の光マイクロフォンでは、光学的に振動変位を測定するために、一定の強度を持った光を振動板に入射していたが、発明の実施の形態に係る振動解析装置では、(1)式で示されるような、周波数ω0の正弦波の強度が変化する光を振動板21に入射させている。このため、振動板21からの反射光には、基本周波数ω0A=2πf0Aとその高調波成分以外含まれないため、容易に振動板21の振動の周波数分析が可能となる。なお、基本周波数ω0Aは、図1に示すように、出力の一部を入力側にフィードバックをかけることで振動板21の共振周波数f0に合わせ込むことができる。更に、出力の一部を入力側にフィードバックをかけることで、感度の調整、ダイナミックレンジの拡大、SN比の向上などが行える。 In the conventional optical microphone, in order to optically measure the vibration displacement, light having a certain intensity is incident on the diaphragm. However, in the vibration analysis apparatus according to the embodiment of the present invention, the expression (1) The light whose intensity of the sine wave having the frequency ω 0 changes as shown in FIG. For this reason, since the reflected light from the diaphragm 21 does not include anything other than the fundamental frequency ω 0A = 2πf 0A and its harmonic components, it is possible to easily analyze the vibration frequency of the diaphragm 21. As shown in FIG. 1, the fundamental frequency ω 0A can be adjusted to the resonance frequency f 0 of the diaphragm 21 by applying a part of the output to the input side. Furthermore, by applying a part of the output to the input side, sensitivity adjustment, dynamic range expansion, SN ratio improvement, and the like can be performed.
更に、時分割で、互いに異なる周波数ω0Aを有する複数の正弦波を用いて同期検出したり、正弦波の周波数ω0Aを一定周期で掃引しながら同期検出したりすることにより、入力音波の周波数を同定することが可能である。時分割で、互いに異なる周波数ω0Aを有する複数の正弦波を発生するためには、図1で複数の発信器41を用意し、これら複数の発信器41を時分割で制御する制御装置を更に備えればよい。正弦波の周波数ω0Aを一定周期で掃引しながら同期検出する場合は、図1の発信器41を掃引発信器とすれば良い。
Furthermore, the frequency of the input sound wave can be detected by synchronizing detection using a plurality of sine waves having different frequencies ω 0A in a time-sharing manner or by sweeping the frequency ω 0A of the sine waves at a constant period. Can be identified. In order to generate a plurality of sine waves having different frequencies ω 0A in time division, a plurality of
例えば、振動板21が、人間の音声の音圧により変動するとする。人間の声道を単一音響管とすると、音響管の共鳴周波数は、音速をc、音響管の長さをlとすれば、
fn=(2n−1)c/4l ・・・・・(2)
で与えられる。音声は基本周波数f0とその高調波f1, f2, f3,・・・・・fn,・・・・・から成り立っていると考えられるため、振動板の振幅は
f n = (2n−1) c / 4l (2)
Given in. Since the sound is considered to be composed of the fundamental frequency f 0 and its harmonics f 1 , f 2 , f 3 ,... F n ,.
と表すことができる。音源フィルタ理論によれば、発声された出力スペクトルP(f)は、喉頭音源スペクトルU(f)、声道の伝達関数T(f)、放射特性R(f)との積で表すことができて、
P(f)=U(f)T(f)R(f) ・・・・・(4)
となる(レイ・D・ケント/チャールズ・リード著、荒井隆行/菅原勉監訳「音声の音響分析」海文堂出版参照。)。U(f)、R(f)の項を一定とすると、例えば、複数の特性の異なるフィルタが並列接続されたフィルタバンクのようなアナログフィルタやデジタルフィルタにより、T(f)を求めることで、音声分析できる。この様にして得られた波形の周波数分析するために、従来は、FFT(高速フーリエ変換)により、フーリエ展開(Fourier Transform)して、スペクトル分析をしていた。例えば、次式によりフーリエ変換していた:
P (f) = U (f) T (f) R (f) (4)
(See Ray D. Kent / Charles Reed, translated by Takayuki Arai / Takuo Sugawara, “Sound Analysis of Speech,” published by Kaibundo.) If the terms of U (f) and R (f) are constant, for example, T (f) is obtained by an analog filter or a digital filter such as a filter bank in which a plurality of filters having different characteristics are connected in parallel. Voice analysis is possible. In order to analyze the frequency of the waveform obtained in this way, conventionally, spectrum analysis is performed by performing Fourier expansion by FFT (Fast Fourier Transform). For example, it was Fourier transformed by the following formula:
これはアナログ処理であって、デジタル処理では、DFT (Discrete Fourier Transform離散フーリエ変換):
或いはDCT (Discrete Cosine Transform離散コサイン変換):
又は、その変形である、MDCT (Modified Discrete Cosine Transform変形離散コサイン変換):
を用いて周波数分析していた。この場合、高周波成分をカットしておかないと、エイリアシング(離散化に伴う高周波ノイズ)により、正確なスペクトルが得られない。本発明の第1の実施の形態に係る振動解析装置では、この様なFFT等を用いた複雑な処理をせず、振動板21に周波数ω0の正弦波の光を照射し、これを復調(同期検出)することで、音響信号入力に対して周波数ごとの振動板21の振幅及び位相情報が簡便に得られる。 Was used for frequency analysis. In this case, if the high frequency component is not cut, an accurate spectrum cannot be obtained due to aliasing (high frequency noise accompanying discretization). In the vibration analysis apparatus according to the first embodiment of the present invention, the diaphragm 21 is irradiated with a sine wave having a frequency ω 0 without performing complicated processing using such an FFT, and demodulated. By performing (synchronous detection), the amplitude and phase information of the diaphragm 21 for each frequency can be easily obtained with respect to the acoustic signal input.
本発明の第1の実施の形態に係る振動解析装置の振動板21は、図2に示すように、反射型の回折格子を備えるようにしても良い。図2では、図1に示した振動解析装置のうち、音圧により振動する振動板21と、回折格子に光を照射する光源43と、回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する光検出器31とを詳細に示している。図2に示す光検出器31には、フォトダイオードアレイ等のイメージセンサを用いるのが好ましい。即ち、光検出器31は、光強度の違いを検出するのではなく、回折像の2次元的な像の検出により、2次元的な振動板21の変位の検出を行うフォトダイオードアレイが好ましい。このため、光検出器(フォトダイオードアレイ)31は、回折像を漏れなく検知できるように、回折光に対して十分に広いエリアが確保されている。
The diaphragm 21 of the vibration analyzing apparatus according to the first embodiment of the present invention may include a reflective diffraction grating as shown in FIG. In the vibration analysis apparatus shown in FIG. 2, the vibration plate 21 that vibrates due to sound pressure, the
反射型の回折格子を備える振動板21を用いた振動解析装置においては、光源43より照射された光が、振動板21に入射すると、光源43から照射された光波は回折格子で反射し、光検出器31の面上で回折像をもたらす。即ち、反射型回折格子を備えた振動板21の変位を光学的に光検出器31で検出し、更にこれを電気信号に変換する。
In the vibration analysis apparatus using the vibration plate 21 including the reflection type diffraction grating, when the light irradiated from the
このため、振動板21は、固定部4a,4bから弾性接続部5a,5bで吊るされている。具体的には、図3に示すように、支持基板11に設けられた固定部4a,4bに弾性接続部5a,5bを介して振動板21が懸架されている。平面パターンとして見れば、固定部4a,4bは、支持基板11の上面に設けられた空洞部9Rを囲む額縁状の形状である。そして、振動板21は、図3に示すような断面が舟形の空洞部9Rの上部に、ダイアフラム状の蓋として配置されている。
For this reason, the diaphragm 21 is suspended from the fixing
固定部4a及び4bはそれぞれ、単結晶Siからなる支持基板11上に順に堆積された埋め込み絶縁膜12,素子分離絶縁膜13,層間絶縁膜14,パッシベーション膜15から構成されている。振動板21も埋め込み絶縁膜12,素子分離絶縁膜13,層間絶縁膜14,パッシベーション膜15からなる積層構造である。弾性接続部5a及び5bは、埋め込み絶縁膜12,素子分離絶縁膜13,層間絶縁膜14から構成され、素子分離絶縁膜13の層にポリシリコン接続体21a,21bが埋め込まれている。
Each of the fixing
振動板21に設けられる反射型の回折格子は、図4(a)に示す2次元回折格子でも、図4(b)に示す1次元回折格子でも構わない。図4(a)では、振動板21にマトリクス状に配置された複数の穴(凹部)Hi-1,1,・・・・・,Hi,1,H1,2,H1,3,・・・・・,Hi+2,6により2次元回折格子が構成された例を示している。又、図4(b)では、振動板21に周期的に配置された複数の溝G1,G2,G3,・・・・・,G6により1次元回折格子を構成した例を示している。 The reflection type diffraction grating provided on the diaphragm 21 may be a two-dimensional diffraction grating shown in FIG. 4A or a one-dimensional diffraction grating shown in FIG. In FIG. 4A, a plurality of holes (recesses) H i−1,1 ,..., H i, 1 , H 1,2 , H 1,3 arranged in a matrix on the diaphragm 21. ,..., H i + 2,6 shows an example in which a two-dimensional diffraction grating is configured. FIG. 4B shows an example in which a one-dimensional diffraction grating is constituted by a plurality of grooves G 1 , G 2 , G 3 ,..., G 6 periodically arranged on the diaphragm 21. ing.
図2に示す状態で、図3に示すような構造の回折格子を有する振動板21に音圧が入力されると、振動板21は、弾性接続部5a,5bと固定部4a,4bとの境界を支点として振動する。図2で、振動板21が変位する前の回折像を太い実線及び太い破線で示している。振動板21が静止時、即ち音声による入力の無い場合には、光源43より照射された光によって、図2中の太い実線及び太い破線で示すような間隔で光検出器31の面上に回折像が現れる。
In the state shown in FIG. 2, when sound pressure is input to the diaphragm 21 having the diffraction grating having the structure shown in FIG. 3, the diaphragm 21 is connected to the elastic connecting
音声による入力があり、振動板21と光検出器31間との距離が変化すると、光検出器31の面上の回折像の間隔が細い実線及び細い破線で示すように、2次元的に変化する。図2中の細い実線及び細い破線は、振動板21の振動に伴い回折像の間隔が変化したことを示している。
When there is an input by sound and the distance between the diaphragm 21 and the
この様に、光検出器31の上で得られた回折像は、ある同次、同方位の回折像に注目すると振動の前後で、光検出器31の上で差分が得られる。光検出器31の上での、回折像の変位を検出することで、振動板21の振動変位として出力する。
In this way, in the diffraction image obtained on the
本発明の第1の実施の形態に係る振動解析装置によれば、回折格子によって自己結像する回折光を用いることにより、従来の光マイクロフォンで必要とした、振動板21からの反射光を絞るためのレンズ、光波を任意の方向へ導くための光ファイバ或いは光ガイドといった導波路の設置の必要性が無くなる。光波の回折効果を利用するため、レンズ等を介さなくても自ら結像するため、光検出器31の表面において、フォーカシングすることができ、高い分解能で検出することができる。又、振動板21に対して入射させる入射光の光路に関しても制約が大幅に軽減される。
According to the vibration analyzing apparatus according to the first embodiment of the present invention, the reflected light from the diaphragm 21 required for the conventional optical microphone is narrowed down by using the diffracted light that is self-formed by the diffraction grating. Therefore, it is not necessary to install a waveguide such as an optical fiber or a light guide for guiding a light wave in an arbitrary direction. Since the diffraction effect of the light wave is used and an image is formed without using a lens or the like, focusing can be performed on the surface of the
振動板21に対する入反射光の光学的な制約が軽減されるため、本発明の第1の実施の形態に係る振動解析装置によれば、シンプルなシステムが構成でき、小型化することも可能になり使用できるアプリケーションが広がる。更に、本発明の第1の実施の形態に係る振動解析装置によれば、光検出器31にフォトダイオードアレイを用いることによって、画素上において検出と同時にデジタル変換されている。このため、A/Dコンバータが不要にもなり、応答速度も向上し、回路規模を小さくできる。図2に示すような、反射型回折格子においては、光源43、光検出器31の電源、駆動回路、処理回路を同一基板で形成することができる。更に、光検出器31やその周辺回路同様、回折格子を形成した振動板21を半導体製造プロセスで製造することができる。この結果、本発明の第1の実施の形態に係る振動解析装置の製造コストを減少することが可能になる。
図3から容易に理解できるように、振動板21上の回折格子を形成する際、つまり、基板上に溝・格子を形成するにあたって、半導体製造プロセスを用いることは有用である。半導体製造プロセスを用いることにより、任意の格子周期を有する回折格子を再現性良く形成でき、量産に適している。又、支持基板11として用いる半導体基板は様々な物性を有していることから、振動板21の質量やバネ定数を容易に変更できる。例えば、振動板21にシリコン(Si)を用い、光源43に波長λ=1000nm以下のレーザを使用し、格子の側壁に反射率の高い物質をコートすれば、シリコン部に入射した光は吸収し、格子側壁からの回折光のみを光検出器31の上へ回折させるため、光検出器31への迷光をカットし、結果S/Nを向上させることができる。
Since the optical restriction of incident / reflected light on the diaphragm 21 is reduced, the vibration analysis apparatus according to the first embodiment of the present invention can be configured with a simple system and can be downsized. Applications that can be used will expand. Furthermore, according to the vibration analysis apparatus according to the first embodiment of the present invention, by using a photodiode array for the
As can be easily understood from FIG. 3, it is useful to use a semiconductor manufacturing process when forming the diffraction grating on the vibration plate 21, that is, when forming the groove / grating on the substrate. By using a semiconductor manufacturing process, a diffraction grating having an arbitrary grating period can be formed with good reproducibility, which is suitable for mass production. Further, since the semiconductor substrate used as the support substrate 11 has various physical properties, the mass and spring constant of the diaphragm 21 can be easily changed. For example, if silicon (Si) is used for the diaphragm 21, a laser having a wavelength λ = 1000 nm or less is used for the
図6は本発明の第1の実施の形態に係る振動解析装置の実装構造の一例を示す。図6(b)に示ように、回折格子を有し下方から入射する音波Φの音圧により振動する振動板21を有する半導体基板51と、回折格子に光を照射する面発光型半導体レーザ(光源)43、回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換するフォトダイオード(光検出器)31を有する実装基板55とを互いに積層している。半導体基板51と実装基板55とは、ガラス基板(透明基板)53を介して貼り合わせられている。この結果、実装基板55、この実装基板55の下のガラス基板(透明基板)53、そしてガラス基板(透明基板)53の下に配置された半導体基板51とからなる3層構造で、本発明の第1の実施の形態に係る振動解析装置の一部を構成し、音圧による振動板21の変位を電気信号に変換する。この3層構造は、例えば熱融着技術或いは接着剤で一体化すれば良い。 FIG. 6 shows an example of a mounting structure of the vibration analyzing apparatus according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6B, a semiconductor substrate 51 having a diffraction grating and having a vibration plate 21 that vibrates by the sound pressure of a sound wave Φ incident from below, and a surface-emitting type semiconductor laser that irradiates light to the diffraction grating ( And a mounting substrate 55 having a photodiode (photodetector) 31 that detects light diffracted by the diffraction grating and converts it into an electrical signal. The semiconductor substrate 51 and the mounting substrate 55 are bonded together via a glass substrate (transparent substrate) 53. As a result, a three-layer structure comprising a mounting substrate 55, a glass substrate (transparent substrate) 53 under the mounting substrate 55, and a semiconductor substrate 51 disposed under the glass substrate (transparent substrate) 53, the present invention A part of the vibration analyzing apparatus according to the first embodiment is configured, and the displacement of the diaphragm 21 due to the sound pressure is converted into an electric signal. This three-layer structure may be integrated with, for example, a heat fusion technique or an adhesive.
図6(a)は、実装基板55の裏面のパターンを示す平面図である。光源用凹部155に搭載された光源43は、図6(a)に示すように、光源43上のボンディングパッドと配線152c,152dとがボンディングワイヤ162c,162dで接続されている(なお、光源43の裏面が一方の電極になっている場合は、例えば配線152dを光源43の裏面に導き、光源43の上のボンディングパッドと配線152cとをボンディングワイヤ162cで接続すれば良い。)。そして、実装基板55の表面に形成された配線152c,152dを介して、光源43の上のボンディングパッドは、パッド(電極パッド)151c,151dとそれぞれ電気的に接続されている。パッド(電極パッド)151c,151dは、図6において図示を省略した変調器42に接続されている(図1参照。)。
FIG. 6A is a plan view showing a pattern on the back surface of the mounting substrate 55. In the
同様に、光検出器用凹部156に搭載された光検出器31上のボンディングパッドは、配線152a,152bとボンディングワイヤ162a,162bで接続されている(なお、光検出器31の裏面が一方の電極になっている場合は、例えば配線152bを光検出器31の裏面に導き、光検出器31の上のボンディングパッドと配線152aとをボンディングワイヤ162aで接続すれば良い。)。そして、光検出器31上のボンディングパッドは、図6(a)に示すように、実装基板55の表面に形成された配線152a,152bを介して、パッド(電極パッド)151a,151bにそれぞれ導かれる。パッド(電極パッド)151a,151bは、図6において図示を省略した増幅器32に接続されている(図1参照。)。
Similarly, the bonding pads on the
図6(b)を参照すれば理解できるように、ガラス基板(透明基板)53の両端付近はパッド151a〜151dの一部が顔を出すようになっているので、光源43の駆動用配線と光検出器31からの信号取り出し配線の電気的接続が可能となる。
As can be understood by referring to FIG. 6B, the portions of the
実装基板55の材料としては、有機系の種々な合成樹脂、セラミック、ガラス、半導体等の無機系の材料が使用可能である。有機系の樹脂材料としては、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂等が、使用可能で、又板状にする際の芯となる基材は、紙、ガラス布、ガラス基材などが使用される。無機系の基板材料として一般的なものはセラミック又は半導体である。又、放熱特性を高めるものとして金属基板、透明な基板が必要な場合には、ガラスが用いられる。セラミック基板の素材としてはアルミナ(Al2O3)、ムライト(3Al2O3・2SiO2)、ベリリア(BeO)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化珪素(SiC)等が使用可能である。更に、鉄、銅などの金属上に耐熱性の高いポリイミド系の樹脂板を積層して多層化した金属ベースの基板(金属絶縁基板)でも構わない。これらの材料中、実装基板55に半導体基板を用いれば、光源用凹部155及び光検出器用凹部156を半導体集積回路の製造工程と同様な、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術で簡単に形成できるので好ましい。
As the material of the mounting substrate 55, various organic materials such as synthetic resins, ceramics, glass, and semiconductors can be used. As the organic resin material, phenol resin, polyester resin, epoxy resin, polyimide resin, fluororesin, etc. can be used, and the base material used as a core when making a plate is paper, glass cloth, glass base Materials are used. A common inorganic substrate material is ceramic or semiconductor. In addition, glass is used when a metal substrate or a transparent substrate is required to enhance heat dissipation characteristics. As the material for the ceramic substrate, alumina (Al 2 O 3 ), mullite (3Al 2 O 3 .2SiO 2 ), beryllia (BeO), aluminum nitride (AlN), silicon nitride (SiC), or the like can be used. Further, a metal base substrate (metal insulating substrate) in which a polyimide resin plate having high heat resistance is laminated on a metal such as iron or copper may be used. Of these materials, it is preferable to use a semiconductor substrate for the mounting substrate 55 because the
半導体基板51は、図6ではあたかも単層の半導体基板であるかのように例示しているが、SOI基板等の複合膜等でも構わない。 The semiconductor substrate 51 is illustrated as if it is a single layer semiconductor substrate in FIG. 6, but may be a composite film such as an SOI substrate.
図4に示すように、半導体振動膜(振動板)21には、マトリクス状に、一定の深さの複数の穴(凹部)Hi-1,1,・・・・・,Hi,1,Hi,2,Hi,3,・・・・・,Hi+2,6が配置され、2次元回折格子が構成されている。この様な周期的なパターン(2次元回折格子)が形成された半導体振動膜(振動板)21は、弾性梁115a,115bにより、半導体基板51に設けられた底部空洞部57の側壁に固定されている。図6(a)に2点鎖線で示したように、平面パターンとして見れば、半導体基板に底部空洞部57が矩形額縁状の形状で設けられている。そして、図6に示すように、振動板21は底部空洞部57の内部に、矩形のダイアフラム状に配置されている。図6(a)では、弾性梁115a,115bも2点鎖線で示した。
As shown in FIG. 4, the semiconductor vibration film (diaphragm) 21, in a matrix, a plurality of holes of a predetermined depth (recess) H i-1,1, ·····, H i, 1 , H i, 2 , H i, 3 ,..., H i + 2,6 are arranged to form a two-dimensional diffraction grating. The semiconductor diaphragm (diaphragm) 21 formed with such a periodic pattern (two-dimensional diffraction grating) is fixed to the side wall of the
半導体レーザ(光源)43のビームは、図6に示すように、ガラス基板(透明基板)53を透過後に半導体振動膜(振動板)21の回折格子で回折され、再びガラス基板(透明基板)53を透過して、フォトダイオード(光検出器)31で検出される。 As shown in FIG. 6, the beam of the semiconductor laser (light source) 43 passes through the glass substrate (transparent substrate) 53 and is diffracted by the diffraction grating of the semiconductor vibration film (vibration plate) 21, and again, the glass substrate (transparent substrate) 53. And is detected by a photodiode (photodetector) 31.
本発明の第1の実施の形態に係る振動解析装置は、実装基板55、ガラス基板(透明基板)53、半導体基板51のいずれも60μm〜600μm程度、好ましくは、100μm〜300μm程度の薄膜を3層を貼り合わせた構造とすることが可能であり、小型化、薄型化に好適である。更に、本発明の第1の実施の形態によれば、振動板の微小な振動変位を反射光強度の大きな差分として観測するが可能で、低コストで、使用範囲の限定が少ない振動解析装置が実現できる。このため、高指向性を備え、安定性に優れ、小型薄型で耐環境性があり、且つ製造歩留まりの高い振動解析装置が提供できる。 In the vibration analysis apparatus according to the first embodiment of the present invention, all of the mounting substrate 55, the glass substrate (transparent substrate) 53, and the semiconductor substrate 51 are thin films of about 60 μm to 600 μm, preferably about 100 μm to 300 μm. A structure in which layers are bonded to each other can be used, which is suitable for downsizing and thinning. Furthermore, according to the first embodiment of the present invention, there is provided a vibration analysis apparatus that can observe a minute vibration displacement of a diaphragm as a large difference in reflected light intensity, is low in cost, and has a limited use range. realizable. Therefore, it is possible to provide a vibration analysis apparatus having high directivity, excellent stability, small and thin, environmental resistance, and a high manufacturing yield.
特に、共振周波数f0が異なる複数の振動板21をマトリクス状、若しくはアレイに配列した半導体基板51を用意し、この複数の振動板21のそれぞれに光を照射する面発光型半導体レーザ(光源)43、複数の振動板21で回折した光を検知し電気信号に変換するフォトダイオード(光検出器)31を有するように、光源43及び光検出器31をそれぞれ複数個用い、異なった正弦波の周波数ω0Aをそれぞれの光源43から照射し、対応する正弦波の周波数ω0Aでそれぞれ同期信号として用い復調(ロックイン増幅)すれば、同時に異なった周波数の解析が可能になる。
In particular, a surface-emitting type semiconductor laser (light source) that prepares a semiconductor substrate 51 in which a plurality of diaphragms 21 having different resonance frequencies f 0 are arranged in a matrix or array, and irradiates light to each of the plurality of diaphragms 21. 43. A plurality of
更に、一定の場合は、本発明の第1の実施の形態に係る振動解析装置において、透明基板53を省略することも可能である。例えば、図7(a)に示ように、発信器41,変調器42,面発光型半導体レーザ(光源)43、フォトダイオード(光検出器)31、増幅器32,復調器33を集積化した第2半導体基板18を実装基板とし、半導体振動膜(振動板)21を形成した第1半導体基板51とを直接接合法で接合した2層構造でも構わない。図7(a)においては、化合物半導体からなる第2半導体基板18上に形成したエピタキシャル成長層19を用いて、光源43と光検出器31とが形成され、光源43と光検出器31との間を絶縁膜やプロトン(H+)照射による高抵抗領域からなる素子分離領域181で電気的に分離されている。第1半導体基板51は、薄い半導体振動膜(振動板)21の機械的強度を考慮すればシリコン(Si)が好ましいが、化合物半導体基板でも構わない。面発光型半導体レーザ(光源)43とフォトダイオード(光検出器)31との距離はフォトリソグラフィ技術で設計できるので微細化が容易で、小型化・薄膜化に優れた構造である。光源43は、図7(b)に示すような、n側ブラッグ反射膜191,n側クラッド層192,活性層193,p側クラッド層,p側ブラッグ反射膜195及びp側電極182等を備える面発光半導体レーザで構成すれば良い。光検出器31としては、図7(b)に示した面発光半導体レーザをフォトダイオードとして用いれば、面発光半導体レーザと禁制帯幅が同一のフォトダイオードを用いたことになり、波長の共鳴効果により、雑音や迷光の影響を受けない、極めて好感度な振動解析装置が実現できる。
Further, in certain cases, the transparent substrate 53 can be omitted in the vibration analysis apparatus according to the first embodiment of the present invention. For example, as shown in FIG. 7A, a
図7に示す構造でも、共振周波数f0が異なる複数の振動板21をマトリクス状、若しくはアレイに配列した半導体基板51を用意し、この複数の振動板21のそれぞれに光を照射するように発信器41,変調器42,光源43を構成し、且つ、複数の振動板21で回折した光をそれぞれ復調(同期検出)するように、光検出器31,増幅器32,復調器33を構成し、異なった正弦波の周波数ω0Aをそれぞれの光源43から照射し、対応する正弦波の周波数ω0Aでそれぞれ同期検出(ロックイン検出)すれば、同時に異なった周波数の解析が可能になる。
Even in the structure shown in FIG. 7, a semiconductor substrate 51 in which a plurality of diaphragms 21 having different resonance frequencies f 0 are arranged in a matrix or array is prepared, and light is emitted so that each of the plurality of diaphragms 21 is irradiated with light. A
本発明の第1の実施の形態に係る振動解析装置及び振動解析方法によれば、FFT等の複雑な手法を用いなくても、直接、デジタル化及び周波数分析が可能である。 According to the vibration analysis apparatus and the vibration analysis method according to the first embodiment of the present invention, digitalization and frequency analysis can be directly performed without using a complicated technique such as FFT.
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る振動解析装置は、図8に示すように、透過型の回折格子を有し、機械的振動により振動する振動板21を備える点が、第1の実施の形態に係る振動解析装置と異なる。即ち、透過型の回折格子を有する振動板21と、この振動板21に対し、強度xin(t)が正弦波で変化する光を照射する変調光照射手段1と、振動板21を透過し、回折した光を検出し、且つ正弦波の周波数ω0Aで復調(同期検出)することにより、機械的振動の周波数分析をする復調手段2とを備える。なお、第1の実施の形態に係る振動解析装置で述べたように、より一般には、変調光照射手段1は、繰返し信号を用いて強度が周期的に変化する光を照射するようにし、復調手段2は、繰返し信号を同期信号として用いて復調すれば良い。即ち、「繰返し信号」は、三角波や矩形波に限らず任意の波形でも、周期的に繰返し変化を示せば構わないが、第2の実施の形態では、簡単化のために、強度xin(t)が、以下の(1)式で示されるような正弦波で変化する場合について説明する。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 8, the vibration analyzing apparatus according to the second embodiment of the present invention includes a transmission type diffraction grating and includes a vibration plate 21 that vibrates due to mechanical vibration. This is different from the vibration analysis apparatus according to the embodiment. That is, the diaphragm 21 having a transmission type diffraction grating, the modulated light irradiation means 1 for irradiating the diaphragm 21 with light whose intensity x in (t) changes in a sine wave, and the diaphragm 21 are transmitted. And demodulating means 2 for analyzing the frequency of the mechanical vibration by detecting the diffracted light and demodulating (synchronizing detection) with the frequency ω 0A of the sine wave. In addition, as described in the vibration analysis apparatus according to the first embodiment, more generally, the modulated light irradiation means 1 emits light whose intensity periodically changes using a repetitive signal, and demodulates the light. The
振動板21が、固定部4a,4bから弾性接続部5a,5bで吊るされている点は、図2に示した振動解析装置と同様である。変調光照射手段1は、第1の実施の形態に係る振動解析装置と同様に、振動板21に対し、光を照射する光源43と、光の強度xin(t)が正弦波で変化するように光源43の出力を変調する変調器42とを備える。光源43が、例えば半導体レーザ若しくは発光ダイオード(LED)等の半導体発光素子であれば、変調器42は、これらの半導体発光素子の駆動電流を、(1)式の正弦波で変調すれば良い。復調手段2は、振動板21を透過し、回折した光を検出し、電気信号に変換する光検出器(フォトダイオードアレイ)31と、電気信号を増幅する増幅器32と、この増幅器32により増幅された電気信号を(1)式の正弦波を同期信号として、復調(同期検出)し、振動板21の振動の振幅及び位相情報を得て、機械的振動の周波数分析をする復調器33とを備える。変調器42及び復調器33には、周波数ω0Aの正弦波信号を供給する発信器41が接続されている。
The point that the diaphragm 21 is suspended from the fixed
図8に示す光検出器31には、図2に示した振動解析装置と同様に、フォトダイオードアレイ等のイメージセンサを用いるのが好ましい。即ち、光検出器31は、光強度の違いを検出するのではなく、回折像の2次元的な像の検出により、2次元的な振動板21の変位の検出を行う。このため、光検出器31は、回折像を漏れなく検知できるように、回折光に対して十分に広いエリアが確保されている。
For the
図8に示した第2の実施の形態に係る振動解析装置においては、光源43より照射された光が、振動板21に入射し、振動板21には透過型の回折格子が形成されているので、光源43から照射された光波は振動板21を透過し、光検出器31の面上で回折像をもたらす。図8は、回折格子が形成された振動板21が、音声の入力によって振動し、光検出器31の上での回折像の変位が変化した様子を示す。振動板21が静止時、即ち音声による入力の無い場合は、光源43より照射された光によって、図8中の太い実線及び太い破線で示すような間隔で光検出器31の面上に回折像が現れる。次に、この状態に音圧が入力されると、振動板21は、弾性接続部5a,5bと基板との境界を支点として振動する。したがって、振動板21と光検出器31間との距離が変化し、光検出器31の面上の回折像の間隔が細い実線及び細い破線で2次元的に変化する。図8中の細い実線及び細い破線は、振動板21の振動に伴い回折像の間隔が変化したことを示している。
In the vibration analysis apparatus according to the second embodiment shown in FIG. 8, light emitted from the
ここで、光検出器31の上で得られた回折像について、ある同次、同方位の回折像に注目すると、振動の前後で、光検出器31の上で差分が得られる。光検出器31の上での、回折像の変位を検出することで、振動板21の振動変位として出力する。このとき、振動板21の静止時、又は振動時に限らず、連続した振動板21の振動を検出し出力する。回折格子が形成された振動板21は、入力された音声のあらゆる周波数に対しフラットな特性を示すように設計されているが、振動板21の質量或いは固定面と振動板21を繋ぐ弾性接続部5a,5bのバネ定数を異ならせた、振動板21を複数設置して、入力された音声の周波数に対して広帯域により高い感度を有する構造にしても良い。
Here, with respect to the diffraction image obtained on the
又、光検出器31やその周辺回路同様、回折格子を形成した振動板21においても、半導体製造プロセスで製造することができる。特に、振動板21上の回折格子を形成する際、つまり基板上に溝・格子を形成するにあたって、半導体製造プロセスを用いることは有用で、任意の格子周期を有する回折格子を再現性良く形成でき量産に適している。又、様々な物性を有していることから、振動板21の質量やバネ定数を容易に変更できる。例えば、振動板21にシリコン(Si)を用い、光源43に波長λ=1000nm以下のレーザを使用し、格子の側壁に反射率の高い物質をコートすれば、シリコン部に入射した光は吸収し、格子側壁からの回折光のみを光検出器31の上へ回折させるため、光検出器31への迷光をカットし、結果S/Nを向上させることができる。
Similarly to the
本発明の第2の実施の形態に係る振動解析装置及び振動解析方法によれば、第1の実施の形態と同様に、FFT等の複雑な手法を用いなくても、直接、デジタル化及び周波数分析が可能である。 According to the vibration analysis apparatus and the vibration analysis method according to the second embodiment of the present invention, as in the first embodiment, digitization and frequency can be directly performed without using a complicated method such as FFT. Analysis is possible.
第2の実施の形態に係る振動解析装置及び振動解析方法は、第1の実施の形態と同様に、時分割で、互いに異なる周波数ω0Aを有する複数の正弦波を用いて同期検出したり、正弦波の周波数ω0Aを一定周期で掃引しながら同期検出したりすることにより、入力音波の周波数を同定することが可能である。 As in the first embodiment, the vibration analysis apparatus and the vibration analysis method according to the second embodiment detect time synchronously using a plurality of sine waves having different frequencies ω 0A , The frequency of the input sound wave can be identified by performing synchronous detection while sweeping the frequency ω 0A of the sine wave at a constant period.
(第3の実施の形態)
第1及び第2の実施の形態に係る振動解析装置では、時分割で、互いに異なる周波数ω0Aを有する複数の正弦波を用いて同期検出したり、正弦波の周波数ω0Aを一定周期で掃引しながら同期検出したりすることにより、入力音波の周波数を同定することが可能であることを述べたが、周波数ω0Aを掃引することは周波数変調になる。
(Third embodiment)
In the vibration analysis apparatus according to the first and second embodiments, synchronous detection is performed using a plurality of sine waves having different frequencies ω 0A in a time division manner, or the frequency ω 0A of the sine waves is swept at a constant period. While it has been described that it is possible to identify the frequency of the input sound wave by performing synchronous detection while sweeping the frequency ω 0A , frequency modulation is performed.
即ち、本発明の第1及び第2の実施の形態に係る振動解析装置では、(1)式で示されるような一定の周波数ω0Aの正弦波で光を変調し、これを同期検出(復調)する場合について説明した。本発明の第3の実施の形態に係る振動解析装置では、変調指数δとして、(1)式ではなく、以下の(9)式に示すように、角周波数ωSの変調信号sinωStで周波数変調する場合について説明する。 That is, in the vibration analyzers according to the first and second embodiments of the present invention, light is modulated by a sine wave having a constant frequency ω 0A as shown by the equation (1), and this is detected synchronously (demodulated). ) Explained the case. The vibration analyzer according to a third embodiment of the present invention, as the modulation index [delta], (1) rather than the formula, as shown in the following equation (9), the angular frequency omega S in modulated signal sin .omega S t A case of frequency modulation will be described.
xin(t)=sin(ω0At+δsinωSt+φ) ・・・・・(9)
図5(b)は、搬送波の角周波数ω0Aの入射光が、信号波の角周波数ωSで変調された様子を示す。図5(a)は、入射音波の振動を示す。角周波数ωSの変調信号sinωStで周波数変調することにより、入射音波の振動に合わせ込み、周波数解析することも可能を示す。
x in (t) = sin (ω 0A t + δ sin ω S t + φ) (9)
FIG. 5B shows a state in which the incident light having the angular frequency ω 0A of the carrier wave is modulated with the angular frequency ω S of the signal wave. FIG. 5A shows the vibration of the incident sound wave. By frequency modulation at the angular frequency omega S of the modulated signal sin .omega S t, narrowing combined with the vibration of the incident sound wave shows also possible to frequency analysis.
このため、第3の実施の形態に係る振動解析装置では、図9に示すように、機械的振動により振動する振動板21と、この振動板21に対し、強度xin(t)が、(9)式で示されるような周波数変調された正弦波で変化する光を照射する変調光照射手段1と、振動板21を経由した光を検出し、且つ(9)式の変調信号sinωStで復調することにより、機械的振動の周波数分析をする復調手段2とを備える。変調光照射手段1及び復調手段2には、変調信号sinωStを供給する局部発信器47が接続されている。更に、変調光照射手段1には、角周波数ω0Aの搬送波の発信器46が接続されている。
For this reason, in the vibration analyzing apparatus according to the third embodiment, as shown in FIG. 9, the vibration plate 21 vibrates due to mechanical vibration and the strength x in (t) is ( a modulated light irradiation means 1 for irradiating a light varies with frequency modulated sine wave as shown by 9), to detect the light passing through the diaphragm 21, and (9) of the modulated signal sin .omega S t And a demodulating means 2 for analyzing the frequency of mechanical vibrations. The modulated light irradiation means 1 and the demodulation means 2,
変調光照射手段1は、振動板21に対し、光を照射する光源43と、光の強度xin(t)が(9)式の正弦波で変化するように光源43の出力を変調する変調器42とを備える。変調器42は、図10に示すように、ミキサー421とオペアンプ422とから構成される。オペアンプ422の出力端子と反転端子(−端子)との間に光源43が接続され、オペアンプ422の非反転端子(+端子)にミキサー421の出力が接続されている。ミキサー421により、発信器46からの搬送波と、局部発信器47からの変調信号sinωStが混合され、(9)式で示されるような周波数変調された正弦波が生成される。光源43が、例えば半導体レーザ若しくは発光ダイオード(LED)等の半導体発光素子であれば、変調器42は、これらの半導体発光素子の駆動電流を、(9)式の周波数変調された正弦波で変調すれば良い。
The modulated light irradiation means 1 modulates the output of the
又、復調手段2は、振動板21を経由した光を検出し、電気信号に変換する光検出器31と、電気信号を増幅する増幅器32と、この増幅器32により増幅された電気信号を(9)式の変調信号sinωStで復調し、振動板21の振動の振幅及び位相情報を得て、機械的振動の周波数分析をする復調器33とを備える。増幅器32は、オペアンプ321で構成され、光検出器31の出力が入力抵抗R1を介して、オペアンプ321の反転端子(−端子)に入力される。オペアンプ321の出力端子と反転端子(−端子)との間には、帰還抵抗R2が接続されている。復調器33は、図10に示すように、ミキサー331とバンドパスフィルタ(BPF)332とアンプ333とから構成される。ミキサー331には、オペアンプ321の出力端子からの変調された正弦波と、局部発信器47からの変調信号sinωStが入力され、ミキサー331で混合される。これにより、ミキサー331では、搬送波の正弦波と局部発信器47の出力する変調信号sinωStとの差の周波数の信号が抽出される。差の周波数の信号は、バンドパスフィルタ(BPF)332を通過後、アンプ333で増幅される。
The
本発明の第3の実施の形態に係る振動解析装置及び振動解析方法によれば、第1及び第2の実施の形態と同様に、FFT等の複雑な手法を用いなくても、直接、デジタル化及び周波数分析が可能である。 According to the vibration analysis apparatus and the vibration analysis method according to the third embodiment of the present invention, as in the first and second embodiments, the digital data can be directly digitalized without using a complicated method such as FFT. And frequency analysis are possible.
(その他の実施の形態)
本発明は第1〜第3の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
Although the present invention has been described with reference to the first to third embodiments, it should not be understood that the descriptions and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
例えば第1〜第3の実施の形態の説明では、振動板21が、音圧により変動する場合について例示し説明したが、地震計のように、他の機械的振動で振動する場合も同様に、その振動の周波数解析が可能である。
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
For example, in the description of the first to third embodiments, the case where the diaphragm 21 fluctuates due to the sound pressure has been illustrated and described, but the same applies to the case where the diaphragm 21 vibrates due to other mechanical vibrations such as a seismometer. The frequency analysis of the vibration is possible.
As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
1…変調光照射手段
2…復調手段
4a,4b…固定部
5a,5b…弾性接続部
9R…空洞部
11…振動板
11…支持基板
12…絶縁膜
13…素子分離絶縁膜
13…素子分離絶縁膜
14…層間絶縁膜
15…パッシベーション膜
18…第2半導体基板
19…エピタキシャル成長層
21…振動板
21a,21b…ポリシリコン接続体
31…光検出器(フォトダイオードアレイ)
32…増幅器
33…復調器
41,46…発信器
42…変調器
43…光源
47…局部発信器
51…半導体基板(第1半導体基板)
53…透明基板
55…実装基板
57…底部空洞部
115a,115b…弾性梁
151a〜151d…パッド
152a,152b,152c,152d…配線
155…光源用凹部
156…光検出器用凹部
162a,162b,162c,162d…ボンディングワイヤ
181…素子分離領域
182…p側電極
191…n側ブラッグ反射膜
192…n側クラッド層
193…活性層
195…側ブラッグ反射膜
321…オペアンプ
331,421…ミキサー
333…アンプ
422…オペアンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Modulated light irradiation means 2 ... Demodulation means 4a, 4b ...
32 ...
53 ... Transparent substrate 55 ... Mounting
Claims (5)
繰返し信号で駆動して、強度が周期的に変化する光を、前記振動板に照射する変調光照射手段と、
前記振動板を経由した前記光を検出し、且つ前記繰返し信号を用いて復調することにより、前記機械的振動の周波数分析をする復調手段
とを備えることを特徴とする振動解析装置。 A diaphragm that vibrates due to mechanical vibration;
A modulated light irradiation means that is driven by a repetitive signal and irradiates the diaphragm with light whose intensity changes periodically;
And a demodulating means for analyzing the frequency of the mechanical vibration by detecting the light passing through the diaphragm and demodulating the light using the repetitive signal.
前記振動板を経由した前記光を検出し、電気信号に変換する光検出器と、
前記電気信号を増幅する増幅器と、
該増幅器により増幅された電気信号を、前記繰返し信号を同期信号として用いて同期検出する復調器
とを備え、前記復調手段から前記振動板の振動の振幅及び位相情報を得ることを特徴とする請求項1又は2に記載の振動解析装置。 The demodulating means includes
A photodetector that detects the light passing through the diaphragm and converts it into an electrical signal;
An amplifier for amplifying the electrical signal;
And a demodulator for synchronously detecting the electrical signal amplified by the amplifier using the repetitive signal as a synchronization signal, and obtaining amplitude and phase information of vibration of the diaphragm from the demodulation means. Item 3. The vibration analysis device according to Item 1 or 2.
前記変調信号で、前記周期的に変化する光を周波数変調し、
前記復調手段は、
前記振動板を経由した前記光を検出し、電気信号に変換する光検出器と、
前記電気信号を増幅する増幅器と、
該増幅器により増幅された電気信号と前記変調信号とを周波数混合するミキサー
とを備え、前記復調手段から前記振動板の振動の振幅及び位相情報を得ることを特徴とする請求項1又は2に記載の振動解析装置。 A local oscillator connected to the modulated light irradiating means and the demodulating means for outputting a modulated signal;
The modulated signal is used to frequency modulate the periodically changing light,
The demodulating means includes
A photodetector that detects the light passing through the diaphragm and converts it into an electrical signal;
An amplifier for amplifying the electrical signal;
3. A mixer for frequency-mixing the electric signal amplified by the amplifier and the modulation signal, and obtaining amplitude and phase information of vibration of the diaphragm from the demodulating means. Vibration analysis equipment.
前記振動板を経由した前記光を検出し、且つ前記繰返し信号を用いて復調することにより、前記機械的振動の周波数分析をする段階
とを備えることを特徴とする振動解析方法。
A stage that is driven by a repetitive signal and irradiates light whose intensity changes periodically with respect to a diaphragm that is vibrating due to mechanical vibration;
And a frequency analysis of the mechanical vibration by detecting the light passing through the diaphragm and demodulating using the repetitive signal.
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Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2010506496A (en) * | 2006-10-05 | 2010-02-25 | デラウェア ステイト ユニバーシティ ファウンデーション,インコーポレイティド | Fiber optic acoustic detector |
WO2016021313A1 (en) * | 2014-08-08 | 2016-02-11 | ソニー株式会社 | Information processing device, information processing method, and program |
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JP2017175622A (en) * | 2016-03-25 | 2017-09-28 | ノースロップ グラマン システムズ コーポレイションNorthrop Grumman Systems Corporation | Optical microphone system |
EP3304046A4 (en) * | 2015-06-01 | 2018-07-11 | Elbit Systems Land and C4I Ltd. | System and method for determining audio characteristics from within a body |
US11079230B2 (en) | 2019-05-10 | 2021-08-03 | Northrop Grumman Systems Corporation | Fiber-optic gyroscope (FOG) assembly |
WO2021172287A1 (en) * | 2020-02-25 | 2021-09-02 | パナソニック インテレクチュアル プロパティ コーポレーション オブ アメリカ | Optical microphone |
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2004
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Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010506496A (en) * | 2006-10-05 | 2010-02-25 | デラウェア ステイト ユニバーシティ ファウンデーション,インコーポレイティド | Fiber optic acoustic detector |
KR101617729B1 (en) | 2014-01-21 | 2016-05-03 | 한국표준과학연구원 | Apparatus and methods for vibration using change of the amount of light, Analysis system for analyzing sample and Method thereof |
WO2016021313A1 (en) * | 2014-08-08 | 2016-02-11 | ソニー株式会社 | Information processing device, information processing method, and program |
US10520430B2 (en) | 2014-08-08 | 2019-12-31 | Sony Corporation | Information processing apparatus and information processing method |
EP3304046A4 (en) * | 2015-06-01 | 2018-07-11 | Elbit Systems Land and C4I Ltd. | System and method for determining audio characteristics from within a body |
US10321825B2 (en) | 2015-06-01 | 2019-06-18 | Elbit Systems Land And C4I Ltd | System and method for determining audio characteristics from within a body |
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JP2017175622A (en) * | 2016-03-25 | 2017-09-28 | ノースロップ グラマン システムズ コーポレイションNorthrop Grumman Systems Corporation | Optical microphone system |
US9992581B2 (en) | 2016-03-25 | 2018-06-05 | Northrop Grumman Systems Corporation | Optical microphone system |
US11079230B2 (en) | 2019-05-10 | 2021-08-03 | Northrop Grumman Systems Corporation | Fiber-optic gyroscope (FOG) assembly |
WO2021172287A1 (en) * | 2020-02-25 | 2021-09-02 | パナソニック インテレクチュアル プロパティ コーポレーション オブ アメリカ | Optical microphone |
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