JP2007043291A - マイクロフォン素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバセンサを利用したマイクロフォンにおいて、簡便な構造として、製造コストを安価にすることができるマイクロフォン素子を提供する。
【解決手段】媒体の振動を捕捉する振動シート１３に、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）が設けられており、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）は、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部ＳＰを有する構成であり、さらに、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の入射端に対して光を出射する光源１４と、センサ部ＳＰを介して光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の出射端から出射される光を検出する受光部１５とが備えられている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明はマイクロフォン素子に関し、特に、光ファイバセンサを用いたマイクロフォン素子に関するものである。

光ファイバは信号を伝達する手段として広く普及してきており、光ファイバを用いたセンサは種々の方式で様々な目的のために開発されている。
中でも、光ファイバを利用したマイクロフォンとしては、下記の特許文献１〜３に記載がある。

特許文献１には、光ファイバループ干渉計型の音響センサ及び音響検出方法が記載されている。音響信号で振動する振動板に通したループ状光ファイバに時計回り及び反時計回りに光を伝播させて得られる干渉光の強度変化から振動板に伝達される振動を電気信号に変換するものである。

特許文献２には、遠隔検出用の光導波振動センサシステムについて記載されている。ジオフォンにより発生する電気信号により、光導波管内に案内される光信号の位相を変調して得られる干渉パターンからジオフォンに伝えられる機械的振動を電気信号に変換するものである。

特許文献３には、光変調方式マイクロフォンの構造について記載されている。発光素子と受光素子が隔壁で分離された状態で収納される受発光部と、受発光部からの光を伝達する光導波路とが別体で形成され、薄膜ダイヤフラムとともに一体化して構成され、発光部からの光を薄膜ダイヤフラムで反射して受光部で受光し、薄膜ダイヤフラムが音波により振動すると受光部で受光する光の強度が変調されて電気信号に変換されるものである。

しかし、特許文献１に記載の音響センサは、装置全体が複雑であることや、さらには干渉光を検出する装置は高価であるため、音響センサとしても高価になってしまう問題がある。
また、特許文献２に記載の光導波振動センサシステムは、装置全体が複雑であり、光導波振動センサシステムとして高価になってしまう問題があった。
また、特許文献３に記載のマイクロフォンでは、精密な設計が必要であり、製造コストが高くなってしまうという問題があった。

また、上記の光ファイバセンサに関して、いわゆるヘテロコア部をセンサとして用いる構成が特許文献４および特許文献５に記載されている。
しかし、特許文献４および特許文献５には、ヘテロコア型の光ファイバセンサをマイクロフォンとして用いることについての記載はない。
特開２００２−２３２９９９号公報 特開２０００−６５６３３号公報 特開平１１−２５２６９６号公報 国際公開９７／４８９９４号パンフレット 特開２００３−２１４９０６号公報

解決しようとする問題点は、光ファイバセンサを利用したマイクロフォンにおいて、簡便な構造として、製造コストを安価にすることが困難であるという点である。

本発明のマイクロフォン素子は、媒体の振動を捕捉する振動シートと、前記振動シートに設けられ、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部を有する光ファイバと、前記光ファイバの入射端に対して光を出射する光源と、前記センサ部を介して前記光ファイバの出射端から出射される前記光を検出する受光部とを有する。

上記の本発明のマイクロフォン素子は、媒体の振動を捕捉する振動シートに、光ファイバが設けられている。光ファイバは、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部を有する構成である。
さらに、光ファイバの入射端に対して光を出射する光源と、センサ部を介して光ファイバの出射端から出射される光を検出する受光部とが備えられている。

上記の本発明のマイクロフォン素子は、好適には、前記センサ部は、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部であり、前記光ファイバの中途部に接合されてなる構成である。
あるいは、好適には、前記センサ部は、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材が前記光ファイバの中途部に接合されてなる構成である。

上記の本発明のマイクロフォン素子は、好適には、前記光ファイバが前記センサ部を頂部として屈曲するようにして前記振動シートに設けられている。
あるいは、好適には、前記センサ部の部分を含む前記光ファイバが直線状に前記振動シートに設けられている。

上記の本発明のマイクロフォン素子は、好適には、前記光ファイバが前記振動シートに貼り合わされている。
あるいは、好適には、前記光ファイバが前記振動シートに埋め込まれている。

本発明のマイクロフォン素子は、光ファイバセンサを利用したマイクロフォンであって、簡便な構造であり、安価に製造することが可能である。

以下に、本発明のマイクロフォン素子の実施の形態について、図面を参照して説明する。

第１実施形態
図１は本実施形態に係るマイクロフォン素子の模式構成図である。
例えば、媒体の振動を捕捉する振動シート１３に貼り合わされて、あるいは埋め込まれて、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）が設けられている。振動シート１３は、例えば樹脂シートや紙など、空気や水などの樹脂シート１３が置かれている媒体に伝達される振動を捕捉して光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）に伝達することができる材料であればよい。
光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）は、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えた構成であり、光ファイバ２０ａと光ファイバ２０ｂとは、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）中を伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部ＳＰにより接続されている。本実施形態においては、例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）がセンサ部ＳＰを頂部として屈曲するようにして設けられている。
さらに、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の入射端に対して光を出射するレーザダイオードや発光ダイオードなどの光源１４と、センサ部ＳＰを介して光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の出射端から出射される光を検出するフォトダイオードなどの受光部１５を備えている。

上記の構成では、空気や水などの樹脂シート１３が置かれている媒体に振動が伝達して光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）に伝達されると、振動は振動シート１３から光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）に伝達される。
光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）中には、光源１４からのセンサ光が伝送されており、受光部１５で受光されている。
このとき、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部に設けられたセンサ部ＳＰでは、伝達される振動に対応して外界との相互作用の程度が変化し、伝送する光の強度が変化するので、受光部１５で光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の出力光を受光して得られる電気信号は、媒体の振動に対応して強度が変調されており、このようにして振動が電気信号に変換されてマイクロフォンとして機能する。
受光部１５の出力は、アンプ１６で増幅してスピーカー１７から音声として出力することができる。
あるいは、コンピュータ１８あるいはスペクトルアナライザなどに音声データとして取り込み、振動周波数解析など、所望のデータ処理を施すことができる。

図２（ａ）および（ｂ）は、それぞれ上記のマイクロフォン素子の光源１４からの入射光と受光部１５で受光される出射光の強度を示すグラフである。
入射光は一定の強度を有しているのに対し、振動シートに伝達される振動に対応して出射光の強度が変調されている。

上記のマイクロフォン素子を構成する光ファイバとセンサ部について説明する。
図３（ａ）は、センサ部ＳＰの構成の一例を示すための、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のセンサ部ＳＰ近傍での斜視図であり、図３（ｂ）はセンサ部ＳＰ近傍での長手方向の断面図である。
例えば、マイクロフォン素子を構成する光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）は、例えばコア径９μｍのシングルモードファイバであり、光ファイバ２０ａと光ファイバ２０ｂとは、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）中を伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部ＳＰにより接続されている。
光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）は、コア２１と、その外周部に設けられたクラッド２２とを有する。光源１４からの光は、光入射端側からコア２１に入射され、センサ部ＳＰを介して光出射端側のコア２１から受光部へと出射される。

図３（ａ）および（ｂ）に示すセンサ部ＳＰは、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部３であり、コア３１と、その外周部に設けられたクラッド３２とを有する。
ヘテロコア部３におけるコア３１の径ｂｌは、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌより小さく、例えばａｌ＝９μｍ、ｂｌ＝５μｍである。また、ヘテロコア部３の長さｃｌは数ｍｍ〜数ｃｍであり、例えば１ｍｍ程度である。
光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）とセンサ部ＳＰを構成するヘテロコア部３は、長手方向に直交する界面４でコア同士が接合するようにほぼ同軸に、例えば汎用化されている放電による融着などにより、接合されている。

図３（ａ）および（ｂ）に示すように、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰが接合されてなる構成において、ヘテロコア部３におけるコア３１の径ｂｌと光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌとが界面４で異なっており、このコア径の差に起因して光の一部がヘテロコア部３のクラッド３２にリークＷする。リークＷを小さくするように、コア２１とコア３１の径の組み合わせをすると大部分の光は再び光ファイバ２１に入射し、伝送される。このとき、センサの挿入損失は小さく、また、リークＷの程度は屈曲などの外界の変化により、鋭敏に変化する。また、コア２１とコア３１の径の組み合わせによっては、リークＷを極度に大きくすることもできる。この場合、多くのリークＷの光がクラッド３２と外界との境界面においてエバネッセント波を発生させ、外界に作用させ変化を感受することができる。

上記のようにリークする光は、センサ部ＳＰにおける光ファイバの屈曲の度合いや光ファイバが置かれている環境に応じて変化するので、外界と相互作用した結果生じた変化を検知することができる。本実施形態においては、外界からの振動によりリークする光の強度が変調され、従って下流の光ファイバ２０ｂへと伝送される光の強度も変調される。
このようにして受光部１５で光信号を電気信号に変換することで、媒体の振動に対応する電気信号が得られる。

センサ部ＳＰとしては、他の構成を採用することも可能である。
図４（ａ）及び（ｂ）は、センサ部ＳＰの構成の一例を示すための、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のセンサ部ＳＰ近傍での長手方向の断面図である。
図４（ａ）では、センサ部ＳＰを構成するヘテロコア部３のコア３１の径ｂｌが、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌよりも大きな構成となっている。
図４（ｂ）に示すように、ヘテロコア部の代わりに、センサ部ＳＰは、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の屈折率あるいはクラッド２２の屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材３０が光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部に接合されてなる構成とすることもできる。

図面上はセンサ部ＳＰを光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部に１個接続しているが、複数個を直列に接続してもよい。
また、それぞれにセンサ部が設けられた複数の光ファイバを同一の振動シートに設けてもよい。

上記のように、本実施形態に係るマイクロフォン素子は、媒体の振動を捕捉する振動シートと、振動シートに設けられ、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部を有する光ファイバと、光ファイバの入射端に対して光を出射する光源と、センサ部を介して光ファイバの出射端から出射される光を検出する受光部とを有する構成である。

本実施形態のマイクロフォン素子は、光ファイバセンサを利用したマイクロフォンであって、簡便な構造であり、安価に製造することが可能である。

第２実施形態
本実施形態に係るマイクロフォン素子は、実質的に第１実施形態と同様であるが、光ファイバの配置が異なっている。

図５は本実施形態に係るマイクロフォン素子の要部の模式構成図である。
中途部のセンサ部ＳＰの部分を含む光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）が直線状に振動シート１３に設けられている。

本実施形態のマイクロフォン素子は、第１実施形態と同様に、光ファイバセンサを利用したマイクロフォンであって、簡便な構造であり、安価に製造することが可能である。
光ファイバであるため、遠隔利用が容易であり、センサ部に電磁誘導が起きないためＥＭＩ障害が懸念される場所での利用も可能である。また、振動を検知する振動シートと光ファイバの部分では電気を使用しないので、水中での利用や発火の危険のある場所での利用も可能である。

上記の本実施形態のマイクロフォン素子は、マイクロフォン素子が置かれる媒体としては空気などの気体だけでなく、液体中に配置し、液体中に伝達される振動を捉えて電気信号に変換することも可能である。
また、光ファイバに伝達される振動であればどのような形態でも電気信号に変換可能であるので、自動車のエンジンなどの振動する対象物に振動シートや光ファイバを接触させて振動を電気信号に変換する振動センサとしても利用可能であり、その他航空宇宙関連の振動センサとしても利用できる。
また、監視領域において侵入者などが発生させる振動を電気信号として捉えて検知することで、防犯用セキュリティセンサに利用することも可能である。

本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、振動シートは平坦なシート状としているが、これに限らず、様々な形状としてもよい。振動シートの材料としても樹脂シートや紙などのほか、種々の材料を用いることができる。
光源としてはレーザダイオードや発光ダイオードなどの半導体発光素子以外の発光素子などを用いることができる。
受光部としては、フォトダイオードなどのほか、光を電気信号に変換する素子であれば使用できる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本発明のマイクロフォン素子は、空気や水などの媒体に伝達される振動を電気信号に変換するマイクロフォンや振動センサに適用できる。

図１は本発明の第１実施形態に係るマイクロフォン素子の模式構成図である。 図２（ａ）および（ｂ）は本発明の第１実施形態に係るマイクロフォン素子の入射光と出射光の強度を示すグラフである。 図３（ａ）は、センサ部の構成の一例を示すための、光ファイバのセンサ部ＳＰ近傍での斜視図であり、図３（ｂ）はセンサ部近傍での長手方向の断面図である。 図４（ａ）及び（ｂ）は、センサ部の構成の一例を示すための、光ファイバのセンサ部近傍での長手方向の断面図である。 図５は本発明の第２実施形態に係るマイクロフォン素子の要部の模式構成図である。

符号の説明

３…ヘテロコア部
４…界面
１３…振動シート
１４…光源
１５…受光部
１６…アンプ
１７…スピーカー
１８…コンピュータ
２０ａ，２０ｂ…光ファイバ
２１，３１…コア
２２，３２…クラッド
３０…光透過部材
ＳＰ…センサ部
Ｗ…リーク光

Claims (7)

1. 媒体の振動を捕捉する振動シートと、
   前記振動シートに設けられ、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部を有する光ファイバと、
   前記光ファイバの入射端に対して光を出射する光源と、
   前記センサ部を介して前記光ファイバの出射端から出射される前記光を検出する受光部と
   を有するマイクロフォン素子。
2. 前記センサ部は、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部であり、前記光ファイバの中途部に接合されてなる構成である
   請求項１に記載のマイクロフォン素子。
3. 前記センサ部は、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材が前記光ファイバの中途部に接合されてなる構成である
   請求項１に記載のマイクロフォン素子。
4. 前記光ファイバが前記センサ部を頂部として屈曲するようにして前記振動シートに設けられている
   請求項１に記載のマイクロフォン素子。
5. 前記センサ部の部分を含む前記光ファイバが直線状に前記振動シートに設けられている
   請求項１に記載のマイクロフォン素子。
6. 前記光ファイバが前記振動シートに貼り合わされている
   請求項１に記載のマイクロフォン素子。
7. 前記光ファイバが前記振動シートに埋め込まれている
   請求項１に記載のマイクロフォン素子。
   

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