JP3481179B2 - 音響電気変換装置 - Google Patents
音響電気変換装置Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は音響電気変換装置に
係り、特に発光素子として垂直空洞表面発光型レーザー
ダイオード（ＶＣＳＥＬ）を用いた音響電気変換装置に
関する。
係り、特に発光素子として垂直空洞表面発光型レーザー
ダイオード（ＶＣＳＥＬ）を用いた音響電気変換装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】ＶＣＳＥＬを用いた超小型音響電気変換
装置として光マイクロフォン装置が知られており、その
一例が本願の発明者等によって先願として特願平１１−
３４５４３８号に提案されている。上記先願発明におい
て、直径３ｍｍ程度の小径の振動板（メンブレム）を用
いると、外来音波の音圧に対して振動板の移動変位は±
０．５μｍ程度となる。そして受光部での光の移動幅
（変位幅）はレーザーの放射角が１２°であれば半値幅
で０．２１μｍ程度となる。したがって半値角位置で
０．２１μｍ、半値全角の幅で０．４２μｍ程度の移動
幅における受光素子での電気信号の変化を差動増幅器又
は、除算器等の増幅器で増幅することになる。
装置として光マイクロフォン装置が知られており、その
一例が本願の発明者等によって先願として特願平１１−
３４５４３８号に提案されている。上記先願発明におい
て、直径３ｍｍ程度の小径の振動板（メンブレム）を用
いると、外来音波の音圧に対して振動板の移動変位は±
０．５μｍ程度となる。そして受光部での光の移動幅
（変位幅）はレーザーの放射角が１２°であれば半値幅
で０．２１μｍ程度となる。したがって半値角位置で
０．２１μｍ、半値全角の幅で０．４２μｍ程度の移動
幅における受光素子での電気信号の変化を差動増幅器又
は、除算器等の増幅器で増幅することになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ここで、増幅器の出力
を実用的なレベルまで大きくしようとすれば、増幅器の
増幅率を大きくする必要があり、増幅器の設計を複雑に
してしまう。また、増幅率を大きくすると、それに併な
って電子回路上で発生する雑音も一緒に大きくすること
になってしまい、信号・雑音（Ｓ／Ｎ）比を高くするこ
とが困難になる。そこで増幅器の増幅率を上げることな
くＳ／Ｎ比の高い信号を得るためには、受光素子で反射
光を受ける際の反射光の移動幅の変化を大きくする必要
がある。本発明は、先願発明における移動幅変化量を拡
大することにより高Ｓ／Ｎ比で音を再生できる音響電気
変換装置を提供することを目的とする。
を実用的なレベルまで大きくしようとすれば、増幅器の
増幅率を大きくする必要があり、増幅器の設計を複雑に
してしまう。また、増幅率を大きくすると、それに併な
って電子回路上で発生する雑音も一緒に大きくすること
になってしまい、信号・雑音（Ｓ／Ｎ）比を高くするこ
とが困難になる。そこで増幅器の増幅率を上げることな
くＳ／Ｎ比の高い信号を得るためには、受光素子で反射
光を受ける際の反射光の移動幅の変化を大きくする必要
がある。本発明は、先願発明における移動幅変化量を拡
大することにより高Ｓ／Ｎ比で音を再生できる音響電気
変換装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、発光強度分布
が同心円状にほぼ均一な垂直空洞表面発光型レーザー発
光素子を中心部に配置し、前記発光素子を取囲込むよう
に同心円状に受光素子を配置した基板と、前記基板に対
向する位置にほぼ平行に、かつ近接して設置され、前記
発光素子からの光を反射させて前記受光素子に放射する
振動板とを有し、前記振動板の音響による変位を前記受
光素子により電気信号の変化に変換する音響電気変換装
置において、前記基板と前記振動板との光路上に、前記
発光素子からの入射光を収束して前記振動板に導びき、
前記振動板からの発散反射光を収束させて前記受光素子
に導びくレンズ素子をその光軸上に前記発光素子を有す
るよう配置したことを特徴とする。前記音響電気変換装
置において、前記レンズ素子をマイクレンズホログラム
とすることが出来る。さらに前記音響電気変換装置にお
いて、前記レンズ素子の焦点位置よりわずかに遠ざかる
位置に前記振動板が位置するよう前記レンズ素子を配置
することが出来る。
が同心円状にほぼ均一な垂直空洞表面発光型レーザー発
光素子を中心部に配置し、前記発光素子を取囲込むよう
に同心円状に受光素子を配置した基板と、前記基板に対
向する位置にほぼ平行に、かつ近接して設置され、前記
発光素子からの光を反射させて前記受光素子に放射する
振動板とを有し、前記振動板の音響による変位を前記受
光素子により電気信号の変化に変換する音響電気変換装
置において、前記基板と前記振動板との光路上に、前記
発光素子からの入射光を収束して前記振動板に導びき、
前記振動板からの発散反射光を収束させて前記受光素子
に導びくレンズ素子をその光軸上に前記発光素子を有す
るよう配置したことを特徴とする。前記音響電気変換装
置において、前記レンズ素子をマイクレンズホログラム
とすることが出来る。さらに前記音響電気変換装置にお
いて、前記レンズ素子の焦点位置よりわずかに遠ざかる
位置に前記振動板が位置するよう前記レンズ素子を配置
することが出来る。
【０００５】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態の説明に先立
って、音響電気変換装置の一つである光マイクロフォン
素子の基本構造とその動作原理について説明する。図２
は光マイクロフォン素子の基本構造を示す図である。図
２（ａ）は断面形状を示したもので容器１の底面８に電
子回路基板１２を設置し、この基板１２上に発光素子と
受光素子とを配置した基板９を取り付ける。取り付け
は、基板９と基板１２とを例えばフリップチップボンデ
ィングで電気的に接続することにより行うことも出来
る。また底面８をシリコンなどの半導体基板で構成すれ
ば、この上に電子回路を構成できるので電子回路基板１
２を省略することも出来る。なお、図２に示す例では発
光素子として面発光レーザダイオードＬＤを受光素子と
してフォトダイオードＰＤを用いている。基板９の中央
に円形形状の面発光レーザダイオードＬＤを配置し、こ
の面発光レーザダイオードＬＤを取り巻くように同心円
状に受光素子ＰＤを配置する。
って、音響電気変換装置の一つである光マイクロフォン
素子の基本構造とその動作原理について説明する。図２
は光マイクロフォン素子の基本構造を示す図である。図
２（ａ）は断面形状を示したもので容器１の底面８に電
子回路基板１２を設置し、この基板１２上に発光素子と
受光素子とを配置した基板９を取り付ける。取り付け
は、基板９と基板１２とを例えばフリップチップボンデ
ィングで電気的に接続することにより行うことも出来
る。また底面８をシリコンなどの半導体基板で構成すれ
ば、この上に電子回路を構成できるので電子回路基板１
２を省略することも出来る。なお、図２に示す例では発
光素子として面発光レーザダイオードＬＤを受光素子と
してフォトダイオードＰＤを用いている。基板９の中央
に円形形状の面発光レーザダイオードＬＤを配置し、こ
の面発光レーザダイオードＬＤを取り巻くように同心円
状に受光素子ＰＤを配置する。
【０００６】図２（ｂ）は図２（ａ）中に点線で囲んで
示した受発光素子が搭載された基板９の受発光部を拡大
して示した平面図である。図に示すように中心部に円形
形状の発光素子ＬＤを配置し、これを取り囲むように同
心円状に受光素子ＰＤ１，ＰＤ２，…ＰＤｎを配置す
る。なおここで用いられる発光素子ＬＤとしては垂直空
洞表面発光型レーザを用いることができる。この発光素
子ＬＤと受光素子ＰＤとはガリウム砒素ウェファ上に同
時に半導体製造工程により作製することができる。従っ
て発光素子ＬＤと受光素子ＰＤとの位置合わせ精度は半
導体製造工程に用いられるマスクの精度によって決めら
れるため、その合わせ精度を１μｍ以下とすることがで
き、従来の光マイクロフォン素子の受発光素子の位置合
わせ精度に比べて百分の１以下の高精度で実現が可能で
ある。
示した受発光素子が搭載された基板９の受発光部を拡大
して示した平面図である。図に示すように中心部に円形
形状の発光素子ＬＤを配置し、これを取り囲むように同
心円状に受光素子ＰＤ１，ＰＤ２，…ＰＤｎを配置す
る。なおここで用いられる発光素子ＬＤとしては垂直空
洞表面発光型レーザを用いることができる。この発光素
子ＬＤと受光素子ＰＤとはガリウム砒素ウェファ上に同
時に半導体製造工程により作製することができる。従っ
て発光素子ＬＤと受光素子ＰＤとの位置合わせ精度は半
導体製造工程に用いられるマスクの精度によって決めら
れるため、その合わせ精度を１μｍ以下とすることがで
き、従来の光マイクロフォン素子の受発光素子の位置合
わせ精度に比べて百分の１以下の高精度で実現が可能で
ある。
【０００７】一般に、垂直空洞表面発光型発光素子は発
光強度分布が同心円状にほぼ均一な特性を持っている。
従って、中心部に設置された発光素子ＬＤから所定の角
度で振動板２に向かって放射された放射光は同心円状に
同一強度を持って反射し、音波７の受波により振動板２
が振動することにより反射角度が変化し受光素子ＰＤに
同心円状に到達する。従って、同心円状に配列された受
光素子ＰＤ１〜ＰＤｎの受光光量の変化を検出すること
により振動板２の振動変位を検出することができる。こ
れにより入射音波７の強弱を検知することができるた
め、光マイクロフォン素子として使用可能となる。なお
発光素子ＬＤや受光素子ＰＤを駆動、もしくは入射光量
の検出のために電極１１が形成されている。
光強度分布が同心円状にほぼ均一な特性を持っている。
従って、中心部に設置された発光素子ＬＤから所定の角
度で振動板２に向かって放射された放射光は同心円状に
同一強度を持って反射し、音波７の受波により振動板２
が振動することにより反射角度が変化し受光素子ＰＤに
同心円状に到達する。従って、同心円状に配列された受
光素子ＰＤ１〜ＰＤｎの受光光量の変化を検出すること
により振動板２の振動変位を検出することができる。こ
れにより入射音波７の強弱を検知することができるた
め、光マイクロフォン素子として使用可能となる。なお
発光素子ＬＤや受光素子ＰＤを駆動、もしくは入射光量
の検出のために電極１１が形成されている。
【０００８】次に本発明で用いられる発光素子である垂
直空洞表面発光型レーザ（以下ＶＣＳＥＬという）につ
いて説明する。図３にはＶＣＳＥＬの発光強度分布を示
したもので、図に示すように放射強度分布は核内に対す
るガウス分布として与えられる。発光強度分布Ｐ０
（θ）は（１）式で示される。
直空洞表面発光型レーザ（以下ＶＣＳＥＬという）につ
いて説明する。図３にはＶＣＳＥＬの発光強度分布を示
したもので、図に示すように放射強度分布は核内に対す
るガウス分布として与えられる。発光強度分布Ｐ０
（θ）は（１）式で示される。
【数１】
Ｐｏ（θ）＝ｅｘｐ（−α2 θ2 ） …（１）
θ：発光面に立てた垂線からの角度変位（単位ラジア
ン） α：発光広がり角を規定する係数（本来は「１／α2 」
計算上簡略化）
ン） α：発光広がり角を規定する係数（本来は「１／α2 」
計算上簡略化）
【０００９】この発光分布係数αの算出を１次元の場合
について計算すると（２）式のように表わされる。
について計算すると（２）式のように表わされる。
【数２】
α2 ＝−［Ｉｎ（ｈ）］／（ＦＡＨＭ／２）2 …（２）
ｈ：レーザーの発光分布を実測して与えられる相対強度
放射の角度は垂直で１。半値＝０．５。１／ｅ＝０．３
１８３。 １／ｅ2＝０．１３５３３５。 ＦＡＨＭ＝通常メーカーからは半値全角（ＦＡＨＭ）値
が提供される。 ｈ＝０．５、ＦＡＨＭ＝９度なら ｒａｄ（９／２）＝０．０７８５４ α2 ＝−［（Ｉｎ（０．５）］／（０．０７８５４）2
＝１１２．３６９ そしてこれを使って発光強度分布を指定された方位毎に
ついて計算すると図３に示すような分布が得られる。
１８３。 １／ｅ2＝０．１３５３３５。 ＦＡＨＭ＝通常メーカーからは半値全角（ＦＡＨＭ）値
が提供される。 ｈ＝０．５、ＦＡＨＭ＝９度なら ｒａｄ（９／２）＝０．０７８５４ α2 ＝−［（Ｉｎ（０．５）］／（０．０７８５４）2
＝１１２．３６９ そしてこれを使って発光強度分布を指定された方位毎に
ついて計算すると図３に示すような分布が得られる。
【００１０】図４は発光強度分布を２次元について計算
して図示した場合の図である。この場合、２次元の発光
強度分布Ｐ０（θ）は（３）式で与えられる。
して図示した場合の図である。この場合、２次元の発光
強度分布Ｐ０（θ）は（３）式で与えられる。
【数３】
Ｐｏ（θ）＝ｅｘｐ（−α2 θ2 ）・ｅｘｐ（−β2 ψ2 ） …（３）
【００１１】θ方向とψ方向につき分布算出係数αとβ
と同様な方法で算出する。発光分布係数αは（４）式で
与えられ、発光分布係数βは（５）式で与えられる。
と同様な方法で算出する。発光分布係数αは（４）式で
与えられ、発光分布係数βは（５）式で与えられる。
【数４】
α2 ＝−［Ｉｎ（ｈ）］／（ＦＡＨＭ／２）2 …（４）
ｈ＝０．５、ＦＡＨＭ＝９度なら
ｒａｄ（９／２）＝０．０７８５４
α2 ＝−［（Ｉｎ（０．５）］／（０．０７８５４）2
＝１１２．３６９
＝１１２．３６９
【数５】
β2 ＝−［Ｉｎ（ｈ）］／（ＦＡＨＭ／２）2 …（５）
ｈ＝０．５、ＦＡＨＭ＝９度なら
ｒａｄ（９／２）＝０．０７８５４
β2 ＝−［（Ｉｎ（０．５）］／（０．０７８５４）2
＝１１２．３６９
＝１１２．３６９
【００１２】このようにして得られた２次元の発光強度
分布から明らかなように、垂直空洞表面発光型レーザで
は発光素子の強度分布が同心円状にほぼ均一となってい
る。このことからレーザ発光を振動板２の偏倚（変位）
として効率的に受光するためには、受光素子を同心円状
に配置するのが最適となる。そして同心円状に配置され
た異なる同心円に属する受光素子が検出した信号の差動
信号が音圧変化を与える信号となる。ここで受波信号の
ダイナミックレンジを制限したり、選別したりするため
には受光素子を同心円状に２つ以上設けることによりそ
れが可能となる。
分布から明らかなように、垂直空洞表面発光型レーザで
は発光素子の強度分布が同心円状にほぼ均一となってい
る。このことからレーザ発光を振動板２の偏倚（変位）
として効率的に受光するためには、受光素子を同心円状
に配置するのが最適となる。そして同心円状に配置され
た異なる同心円に属する受光素子が検出した信号の差動
信号が音圧変化を与える信号となる。ここで受波信号の
ダイナミックレンジを制限したり、選別したりするため
には受光素子を同心円状に２つ以上設けることによりそ
れが可能となる。
【００１３】図２に示す光マイクロフォン素子において
は振動板２が容器１の端部で固定されているため音圧に
よって振動板２が中心部で大きく、端部で振動しない、
すなわちレンズ状に振動すると考えられる。しかしこの
ようにレンズ状に振動する場合はかなりの音圧が必要
で、かつ振動板２の大きさが大きい場合であって、直径
３ｍｍ程度の振動板の場合にはこのようなレンズ状の振
動は実際上考える必要はなく、振動板２はその中心部で
平行に基板９に対して対向して振動していると考えても
よい。
は振動板２が容器１の端部で固定されているため音圧に
よって振動板２が中心部で大きく、端部で振動しない、
すなわちレンズ状に振動すると考えられる。しかしこの
ようにレンズ状に振動する場合はかなりの音圧が必要
で、かつ振動板２の大きさが大きい場合であって、直径
３ｍｍ程度の振動板の場合にはこのようなレンズ状の振
動は実際上考える必要はなく、振動板２はその中心部で
平行に基板９に対して対向して振動していると考えても
よい。
【００１４】図５は光マイクロフォン素子による受光量
変調原理を説明するための図である。発光素子ＬＤから
放射された放射光の１／２半値全角相当が受光される位
置を考える。振動板２で反射した放射光は、受光素子Ｐ
Ｄに入射する。なお振動板２が当初２ｃの位置にあり、
振動により偏倚量δだけ振動して２ｄの位置に移動した
ものとする。また受発光素子ＬＤ，ＰＤと振動板２との
間の距離をＬとし発光素子ＬＤからの１／２半値全角を
θとする。振動板２が静止していた時の反射光の受光部
間の直径をＡ、振動板２が偏倚量δだけ移動した時の反
射光の到達距離の直径をＢとする。
変調原理を説明するための図である。発光素子ＬＤから
放射された放射光の１／２半値全角相当が受光される位
置を考える。振動板２で反射した放射光は、受光素子Ｐ
Ｄに入射する。なお振動板２が当初２ｃの位置にあり、
振動により偏倚量δだけ振動して２ｄの位置に移動した
ものとする。また受発光素子ＬＤ，ＰＤと振動板２との
間の距離をＬとし発光素子ＬＤからの１／２半値全角を
θとする。振動板２が静止していた時の反射光の受光部
間の直径をＡ、振動板２が偏倚量δだけ移動した時の反
射光の到達距離の直径をＢとする。
【００１５】ここで、θ、Ｌ、δ、Ａ、Ｂをそれぞれ変
化させ、反射光の移動幅ｒを（６）式により計算し、そ
の結果を表１に示す。
化させ、反射光の移動幅ｒを（６）式により計算し、そ
の結果を表１に示す。
【数６】
ｒ＝Ｂ／２−Ａ／２
≒ｔａｎ（θ／２）・２・（Ｌ＋δ）−ｔａｎ（θ／２）・２・（Ｌ−δ）
…（６）
【００１６】
【表１】
このように発光素子の放射角度によって円周状受光素子
上の移動幅が決定される。
上の移動幅が決定される。
【００１７】目的とする音圧と振動板２の偏倚量δによ
り適当なＰＤ幅（３ミクロンより大）を確保する。この
場合Ａ，Ｂをあまり大きくするとガリウム砒素ウェファ
上に発光素子及び受光素子を形成する場合の専有面積が
大きくなり、１ウェファ当りから取り出せる受発光素子
の数が少なくなるため注意が必要である。また図２
（ｂ）に示すように受発光素子からの電極１１やそれに
接続されるワイヤーボンディン用のパッド等の面積を必
要とするのでそれらを考慮して設計する必要がある。な
おワイヤーボンディング用のパッドの面積としては各１
００ミクロン角以下であれば十分である。また、フリッ
プチップボンディングであればパッドの面積は５０ミク
ロン角以下でよい。なお同心円状に形成される受光素子
は同一同心円状に単一のものとしても形成することがで
きるが、複数の受光素子に分割して形成することも可能
である。また同心円の数が、後に説明するように、２つ
の異なる同心円状の受光素子から差動信号を取り出すた
め少なくとも２つ必要であるが、２つに限定されるもの
ではなく複数形成することもできる。
り適当なＰＤ幅（３ミクロンより大）を確保する。この
場合Ａ，Ｂをあまり大きくするとガリウム砒素ウェファ
上に発光素子及び受光素子を形成する場合の専有面積が
大きくなり、１ウェファ当りから取り出せる受発光素子
の数が少なくなるため注意が必要である。また図２
（ｂ）に示すように受発光素子からの電極１１やそれに
接続されるワイヤーボンディン用のパッド等の面積を必
要とするのでそれらを考慮して設計する必要がある。な
おワイヤーボンディング用のパッドの面積としては各１
００ミクロン角以下であれば十分である。また、フリッ
プチップボンディングであればパッドの面積は５０ミク
ロン角以下でよい。なお同心円状に形成される受光素子
は同一同心円状に単一のものとしても形成することがで
きるが、複数の受光素子に分割して形成することも可能
である。また同心円の数が、後に説明するように、２つ
の異なる同心円状の受光素子から差動信号を取り出すた
め少なくとも２つ必要であるが、２つに限定されるもの
ではなく複数形成することもできる。
【００１８】次に本発明の実施の形態について説明す
る。本発明では、基板９と振動板２との光路上に、レン
ズ素子３を図１に示すように配置する。なお、図１にお
いて、レンズ素子３以外の構成は図５に示すものと同一
であるため、同一符号を付して示し、その詳細説明は省
略する。光路上に配置されたレンズ素子３は発光素子Ｌ
Ｄからの入射光を収束して振動板２に導びき、振動板２
からの発散反射光を収束させて受光素子ＰＤに導びく。
レンズ素子３としては、マイクロレンズまたはホログラ
ムを使用することが出来る。マイクロレンズの場合には
単品でも使用可能であるが、イオン交換でスラブガラス
にレンズを形成して受発光素子をこれに密着させて使用
することも出来る。
る。本発明では、基板９と振動板２との光路上に、レン
ズ素子３を図１に示すように配置する。なお、図１にお
いて、レンズ素子３以外の構成は図５に示すものと同一
であるため、同一符号を付して示し、その詳細説明は省
略する。光路上に配置されたレンズ素子３は発光素子Ｌ
Ｄからの入射光を収束して振動板２に導びき、振動板２
からの発散反射光を収束させて受光素子ＰＤに導びく。
レンズ素子３としては、マイクロレンズまたはホログラ
ムを使用することが出来る。マイクロレンズの場合には
単品でも使用可能であるが、イオン交換でスラブガラス
にレンズを形成して受発光素子をこれに密着させて使用
することも出来る。
【００１９】図１に示す実施の形態では、発光素子ＬＤ
と振動板２との間の距離を１．３ｍｍとし、レンズ径を
０．２５ｍｍ、拡大倍率を６．５とするレンズ素子３を
光路上に配置した。このレンズ素子３の焦点位置近傍に
振動板２を配置し、これを基準位置とする。図１のａ点
は結像位置を示す。またｂ点は振動板２で反射し、折り
返した位置での結像点を示す。なお図１に示す状態は、
振動板２が高圧により凹んだ状態である。角θはレンズ
素子３の収束角で定まり、本実施形態ではθ≒１２゜で
ある。Δは、光軸上での結像位置の基準位置からの偏位
を示し、Ｍをレンズ素子３の倍率とすると、（７）式に
より計算される。
と振動板２との間の距離を１．３ｍｍとし、レンズ径を
０．２５ｍｍ、拡大倍率を６．５とするレンズ素子３を
光路上に配置した。このレンズ素子３の焦点位置近傍に
振動板２を配置し、これを基準位置とする。図１のａ点
は結像位置を示す。またｂ点は振動板２で反射し、折り
返した位置での結像点を示す。なお図１に示す状態は、
振動板２が高圧により凹んだ状態である。角θはレンズ
素子３の収束角で定まり、本実施形態ではθ≒１２゜で
ある。Δは、光軸上での結像位置の基準位置からの偏位
を示し、Ｍをレンズ素子３の倍率とすると、（７）式に
より計算される。
【数７】
Δ＝２×δ×Ｍ2 ＝２×８×６．５2 …（７）
【００２０】受発光素子ＬＤ，ＰＤと振動板２との間の
基準の距離をレンズの基準物像間距離Ｌ0 とすると、レ
ンズと受発光素子ＬＤ，ＰＤとの距離Ｌは近似値として Ｌ＝Ｌ0 ×Ｍ／（１＋Ｍ） …（８） で与えられる。なお、図１の場合には、発光素子ＬＤか
らＡ／２だけ離れた位置が振動板２の変位２δでＢ／２
となる場合を示す。
基準の距離をレンズの基準物像間距離Ｌ0 とすると、レ
ンズと受発光素子ＬＤ，ＰＤとの距離Ｌは近似値として Ｌ＝Ｌ0 ×Ｍ／（１＋Ｍ） …（８） で与えられる。なお、図１の場合には、発光素子ＬＤか
らＡ／２だけ離れた位置が振動板２の変位２δでＢ／２
となる場合を示す。
【００２１】変位＋δのＢ／２は（９）式，変位−δの
Ａ／２は（１０）式によりそれぞれ近似計算される。
Ａ／２は（１０）式によりそれぞれ近似計算される。
【数８】
Ｂ／２＝−（Hap）・［Ｌ−｛Ｌ＋（２ｄ・Ｍ2）−（２δ・Ｍ2）｝］／
｛Ｌ＋（２ｄ・Ｍ2）−（２δ・Ｍ2）｝ …（９）
【数９】
Ａ／２＝−（Hap）・［Ｌ−｛Ｌ＋（２ｄ・Ｍ2）−（２δ・Ｍ2）｝］／
｛Ｌ＋（２ｄ・Ｍ2）−（２δ・Ｍ2）｝ …（１０）
【００２２】また、振動板（反射板）２の偏位ｄは基準
位置からのオフセット量である。さらに、（Ｈａｐ）＝
戻り光の光束高さと定義すると、受光部への投影半径の
変化は、振動板振幅＋δでの投影半径をＢ／２、振動板
振幅δではＡ／２とすると、ｄがマイナスの時、振動板
がレンズから遠ざかり、この場合は光束はレンズ径いっ
ぱいを使って戻るから戻り光束高さ（Ｈａｐ）はφ／２
をとる。一方、振動板がレンズに近づく時、ｄはプラス
となり、戻り光の光束高さは２ｄ相当比分小さくなる点
となるので、戻り光束高さ（Ｈａｐ）は縮小する。ここ
で、振動板２の振れを±０．５μｍとし、Ｌ0 ＝１．３
９ｍｍ、レンズ径（φ）０．２５ｍｍ、Ｍ＝６．５とし
て、オフセット量ｄを変化させたときの、Δ，Ｌ，Ａ／
２，Ｂ／２、移動幅の変化を計算して［表２］に示す。
位置からのオフセット量である。さらに、（Ｈａｐ）＝
戻り光の光束高さと定義すると、受光部への投影半径の
変化は、振動板振幅＋δでの投影半径をＢ／２、振動板
振幅δではＡ／２とすると、ｄがマイナスの時、振動板
がレンズから遠ざかり、この場合は光束はレンズ径いっ
ぱいを使って戻るから戻り光束高さ（Ｈａｐ）はφ／２
をとる。一方、振動板がレンズに近づく時、ｄはプラス
となり、戻り光の光束高さは２ｄ相当比分小さくなる点
となるので、戻り光束高さ（Ｈａｐ）は縮小する。ここ
で、振動板２の振れを±０．５μｍとし、Ｌ0 ＝１．３
９ｍｍ、レンズ径（φ）０．２５ｍｍ、Ｍ＝６．５とし
て、オフセット量ｄを変化させたときの、Δ，Ｌ，Ａ／
２，Ｂ／２、移動幅の変化を計算して［表２］に示す。
【００２３】
【表２】
【００２４】表２に示す例では、レンズ素子３の焦点位
置に振動板２を配置した場合を基準位置（＝０）とし、
この基準位置からｄ（表２中では±５μｍ）だけオフセ
ットさせて、振動板の振幅を±０．５μｍ変化させて算
出している。表２の結果から、数μｍだけ振動板２をレ
ンズ素子３の焦点位置から遠ざかるように離した方が移
動幅が大きくなる、即ち受光感度が高くなることがわか
る。
置に振動板２を配置した場合を基準位置（＝０）とし、
この基準位置からｄ（表２中では±５μｍ）だけオフセ
ットさせて、振動板の振幅を±０．５μｍ変化させて算
出している。表２の結果から、数μｍだけ振動板２をレ
ンズ素子３の焦点位置から遠ざかるように離した方が移
動幅が大きくなる、即ち受光感度が高くなることがわか
る。
【００２５】またレンズの拡大効果を較べるため、図５
に示すレンズ素子のない場合と比較する。表１に示す先
願発明の場合、発光素子ＬＤからの光の放射角が１２゜
のとき移動幅の０．２１μｍと比較すると大幅に増大し
ている。このようにレンズ素子３を光路上に設置するこ
とにより、振動板２からの反射光は振動板２の変位量δ
の２倍に光学倍率Ｍの２乗を乗じた分だけ変化する。即
ち、振動板２の変位量δの８４倍の移動幅が得られる。
なお、本発明は光マイクロフォン装置に限定されるもの
ではなく、光センサにも適用されることはいうまでもな
い。
に示すレンズ素子のない場合と比較する。表１に示す先
願発明の場合、発光素子ＬＤからの光の放射角が１２゜
のとき移動幅の０．２１μｍと比較すると大幅に増大し
ている。このようにレンズ素子３を光路上に設置するこ
とにより、振動板２からの反射光は振動板２の変位量δ
の２倍に光学倍率Ｍの２乗を乗じた分だけ変化する。即
ち、振動板２の変位量δの８４倍の移動幅が得られる。
なお、本発明は光マイクロフォン装置に限定されるもの
ではなく、光センサにも適用されることはいうまでもな
い。
【００２６】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明では
受発光素子の搭載された基板と振動板との間にレンズ素
子の光軸上に受発光素子を共軸配置することにより、反
射光の移動幅を大幅に増大させることが出来る。したが
って増幅器の増幅率を増大させることなく、Ｓ／Ｎ比の
高い再生音を実現出来る。
受発光素子の搭載された基板と振動板との間にレンズ素
子の光軸上に受発光素子を共軸配置することにより、反
射光の移動幅を大幅に増大させることが出来る。したが
って増幅器の増幅率を増大させることなく、Ｓ／Ｎ比の
高い再生音を実現出来る。
【図１】本発明による光マイクロフォン素子の受光量変
調原理を説明するための図。
調原理を説明するための図。
【図２】光マイクロフォン素子の基本原理を説明するた
めの図。
めの図。
【図３】本発明に用いられる垂直表面発光型レーザの発
光強度分布を示す図。
光強度分布を示す図。
【図４】本発明に用いられる発光素子の２次元発光強度
分布を示す図。
分布を示す図。
【図５】先願発明による光マイクロフォン素子の受光量
変調原理を説明するための図。
変調原理を説明するための図。
ＬＤ 発光素子
ＰＤ 受光素子
２ 振動板
３ レンズ素子
９ 基板
ＶＣＳＥＬ 垂直空洞表面発光型レーザ
フロントページの続き
(72)発明者 服部 裕
東京都渋谷区道玄坂１丁目14番６号 株
式会社ケンウッド内
(56)参考文献 特開 昭53−138382（ＪＰ，Ａ)
実開 昭57−149000（ＪＰ，Ｕ)
特表2002−511987（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H04R 23/00 320
G01H 9/00
Claims (4)
- 【請求項１】 発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂
直空洞表面発光型レーザー発光素子を中心部に配置し、
前記発光素子を取囲込むように同心円状に受光素子を配
置した基板と、前記基板に対向する位置にほぼ平行に、
かつ近接して設置され、前記発光素子からの光を反射さ
せて前記受光素子に放射する振動板とを有し、前記振動
板の音響による変位を前記受光素子により電気信号の変
化に変換する音響電気変換装置において、 前記基板と前記振動板との光路上に、前記発光素子から
の入射光を収束して前記振動板に導びき、前記振動板か
らの発散反射光を収束させて前記受光素子に導びくレン
ズ素子をその光軸上に前記発光素子を有するよう配置す
ることを特徴とする音響電気変換装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の音響電気変換装置にお
いて、 前記レンズ素子がマイクロレンズであることを特徴とす
る音響電気変換装置。 - 【請求項３】 請求項１に記載の音響電気変換装置にお
いて、 前記レンズ素子がホログラムであることを特徴とする音
響電気変換装置。 - 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の音響
電気変換装置において、 前記レンズ素子の焦点位置よりわずかに遠ざかる位置に
前記振動板が位置するよう前記レンズ素子を配置するこ
とを特徴とする音響電気変換装置。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000008380A JP3481179B2 (ja) | 2000-01-17 | 2000-01-17 | 音響電気変換装置 |
| EP00978067A EP1235463A4 (en) | 1999-12-03 | 2000-12-01 | ELECTROACOUSTIC TRANSDUCER USING AN OPTICAL DEVICE |
| US10/148,468 US20050163509A1 (en) | 1999-12-03 | 2000-12-01 | Acoustoelectric transducer using optical device |
| DE1235463T DE1235463T1 (de) | 1999-12-03 | 2000-12-01 | Elektroakustischer übertrager mit verwendung eines optischen geräts |
| CNB008166153A CN1203727C (zh) | 1999-12-03 | 2000-12-01 | 采用光学器件的声电换能器 |
| PCT/JP2000/008537 WO2001041502A1 (fr) | 1999-12-03 | 2000-12-01 | Transducteur electroacoustique utilisant un dispositif optique |
| KR1020027007087A KR100629048B1 (ko) | 1999-12-03 | 2000-12-01 | 광학소자를 이용한 음향전기 변환장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000008380A JP3481179B2 (ja) | 2000-01-17 | 2000-01-17 | 音響電気変換装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001204097A JP2001204097A (ja) | 2001-07-27 |
| JP3481179B2 true JP3481179B2 (ja) | 2003-12-22 |
Family
ID=18536659
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000008380A Expired - Fee Related JP3481179B2 (ja) | 1999-12-03 | 2000-01-17 | 音響電気変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3481179B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3522212B2 (ja) | 2000-11-10 | 2004-04-26 | 株式会社ケンウッド | 音響等による微小変位検出装置 |
| US7134343B2 (en) | 2003-07-25 | 2006-11-14 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Opto-acoustoelectric device and methods for analyzing mechanical vibration and sound |
-
2000
- 2000-01-17 JP JP2000008380A patent/JP3481179B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001204097A (ja) | 2001-07-27 |
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