JP3593295B2

JP3593295B2 - 音響電気変換装置

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Publication number: JP3593295B2
Application number: JP2000049923A
Authority: JP
Inventors: 貴久堀田
Original assignee: Kenwood KK
Current assignee: Kenwood KK
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: JP2001245396A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光を用いて振動板の振動を電気信号に変換する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（以下ＶＣＳＥＬという）を用いた、指向性を可変できる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、その一例が本願出願人による先願として特願平１１−３４５４３８号に提案されている。
また指向性を可変でき、したがって所定の方向にシャープな指向性ビームパターンを形成することのできる光マイクロフォン装置も、本願出願人による先願として特願平１１−２９４２２２号に提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特願平１１−２９４２２２号で提案されている光マイクロフォン装置では、可変のシャープな指向性を有する装置を実現しているものの、超小型化の観点からは課題があった。
そこで、本発明は超小型でしかも指向性を可変することの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】
上記目的を達成するための本発明の音響電気変換装置は、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配置し、前記発光素子の放射光を受光する為の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、音圧により振動するとともに、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、前記発光素子に駆動電流を供給する光源駆動回路と、前記受光素子から出力される信号の一部を負帰還信号として前記光源駆動回路に供給する負帰還回路とを具備する。
前記音響電気変換装置において、前記負帰還回路は、出力端子が前記光源駆動回路の制御端子に接続され、非反転入力端子が所定電位点に接続された比較器と、前記受光素子から出力される前記信号が所定レベル以下の時増幅しかつ信号レベルが小さいほど増幅度が大きくなる小信号増幅回路とから構成され、前記小信号増幅回路の出力を前記比較器の反転入力端子に供給する。
さらに、前記音響電気変換装置において、前記小信号増幅回路の出力を所定周波数範囲のみを通過させるフィルタ回路を介して前記比較器の反転入力端子に供給することが出来る。
また、前記音響電気変換装置において、前記負帰還信号の負帰還量を可変する負帰還量可変手段を設けることが出来る。
【０００５】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の音響電気変換装置の実施の形態を説明するに先立って本発明による光マイクロフォン装置の基本原理とＶＣＳＥＬを用いた光マイクロフォン素子の基本構造について説明する。
光マイクロフォン装置の振動板は基本的には速度型マイクロフォンと呼ばれるマイクロフォンの原理に従って動作する。今、近接した２点間の音圧差に比例した出力電圧を発生するマイクロフォンを想定し、図６に示すように音の進行方向ｘに対して角度θで交差する軸ｙに沿ってだけ動ける物体Ａがあると仮定する。
【０００６】
この物体Ａの軸ｙに垂直な端面の面積をＳ、両端面間の距離をｄとすると、両端面に働く力の差すなわち物体Ａに働く軸ｙ方向の駆動力Ｆは角周波数をω、大気密度をρ_０、粒子密度をｕとすると、
【数１】

で表わされる。
【０００７】
次に、この物体Ａの機械インピーダンスをＺｍとすると軸方向の速度Ｖは
【数２】

と表わされる。
従ってこの種の速度型マイクロフォンの軸方向の速度Ｖは周波数と振動板の面積に比例し、また粒子速度にも比例する。そして、振動板の機械インピーダンスには反比例する。
【０００８】
光マイクロフォンの場合、光源から発射した光を振動板に当て、その反射光を検出するように構成されているので、マイクロフォンの出力電圧は振動板の振幅（変位）Ｘに比例する。
従って（３）式の関係が成立する。
【数３】

光マイクロフォンの振動板の振幅は、音の進行方向が振動板の動く軸の方向と一致している時（θ＝０、１８０°）最大となり、その両者が直角のとき（θ＝９０°、２７０°）最小となる。
【０００９】
この振動板の振幅は感度に比例するため、その感度を示す指向特性は図７に示すように表わされる。
ここで振動板の音圧をＰ、音速をｃとすると、（４）式が成立する。
【数４】

【００１０】
音圧に対する振幅感度は（５）式で表わされる。
【数５】

【００１１】
このように光マイクロフォンの感度は振動板の面積に比例し、振動板の機械インピーダンスに反比例する。また振動板の振動方向と音の進行方向とが一致したときに最大感度となり、それが直角のときに最小感度となる。
ここで、振動板の機械インピーダンスが抵抗性の場合（振動板の両側に音響抵抗などを入れた抵抗制御状態の場合）、感度は周波数に無関係な値となる。しかし、振動板をピンと張って緊張させた状態にした場合（スティフネス制御）、感度は周波数に比例して高域ほど高くなる。逆に振動板をフラフラに緩くした場合（慣性制御）、感度は周波数に反比例するため高域ほど感度が下がる。
スティフネス制御や慣性制御の場合には、感度が周波数に依存するため電気的な補正が必要となる。
【００１２】
このように光マイクロフォン装置ではその音波に対する感度が図７に示すような固定された指向性パターンを有している。
そこで本発明の光マイクロフォン装置では図７に示す感度の指向性パターンをθ＝０、１８０°の軸方向に伸長させ、θ＝９０、２７０°の軸に直交する方向で絞り込むように感度の指向特性を変化させるようにしている。
【００１３】
次にＶＣＳＥＬを用いた光マイクロフォン素子の基本構造について説明する。
図８は本発明による光マイクロフォン素子の基本構造を示す図である。
図８（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１２を省略することも出来る。なお、図８に示す実施の形態では発光素子として垂直空洞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。
【００１４】
図８（ｂ）は図８（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。
【００１５】
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。
【００１６】
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（ＶＣＳＥＬ）について説明する。
図９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（６）式で示される。
【数６】

【００１７】
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（７）式のように表わされる。
【数７】

そしてこれを使って発光強度分布を指定された方位について計算すると図９に示すような分布が得られる。
【００１８】
図１０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（８）式で与えられる。
【数８】

【００１９】
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（９）式で与えられ、発光分布係数βは（１０）式で与えられる。
【数９】

【数１０】

【００２０】
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。
【００２１】
図１は本発明に係る音響電気変換装置の一実施形態としての光マイクロフォン装置の構成を示すブロック図である。
なお、本発明による光マイクロフォン装置においてもマイクロフォンヘッド部の構造は図８に示す構造と同一であるので、本発明に関係する部分のみを図１に示した。
受光素子ＰＤからの出力はフィルタ回路１８を介して取り出され、増幅器１９により増幅されてマイク出力となる。フィルタ回路１８は希望周波数範囲の信号成分のみを取り出すために用いられる。
【００２２】
本発明の光マイクロフォン装置では、この受光素子ＰＤからの出力信号の一部を負帰還（ネガティブフィードバック：ＮＦＢ）回路１００を介して、受光素子ＬＤに所定電流を供給してこの発光素子ＬＤを駆動している光源駆動回路１３に負帰還信号として供給するように構成している。
負帰還回路１００は小信号増幅回路１５と、その出力から希望周波数範囲の信号成分のみを取り出すフィルタ回路１６と、比較器１７とから構成される。比較器１７の非反転入力端子には基準電圧となる基準電源１４が接続されている。
フィルタ回路１６を介して取り出された信号は、比較器１７の反転入力端子に供給される。
小信号増幅回路１５は所定レベル以下の信号のみを増幅する。このように構成すると、比較器１７はフィルタ回路１６の出力が大きいほど小さな出力レベルを出力し、これにより光源駆動回路１３は発光素子ＬＤに供給する電流を減らすように動作する。
【００２３】
次に、図１に示す回路の回路動作を説明する。
図５は小信号増幅回路１５の回路動作を説明するための図である。
すなわち、小信号増幅回路１５は入力信号レベルが所定レベル以下の場合のみその信号を増幅し、あるレベル以上の信号は増幅しない。
図５において、入力信号レベルがＢ点以上の場合には出力信号レベルは変化せず従って増幅度（利得）は０となる。また、入力信号が所定の信号レベルＢ以下の時には、信号レベルが小さいほど増幅度が大きくなるように増幅する。
図５に示すように、入力信号に対する出力信号の増加率は入力信号レベルが小さいほど高くなっている。ここで、受光素子ＰＤからの出力は受波音量に比例しているため、小信号増幅回路１５の出力は小音量ほど大きく増幅されて出力される。
これがフィルタ回路１６を介して比較器１７の反転入力端子に入力されているため、比較器１７の出力は逆に小音量ほどその出力レベルが低下する。その結果、発光素子ＬＤに供給される電流は小音量ほど発光素子ＬＤの光出力を低下させるように動作する。すなわち、小音量ほどマイクロフォンの感度は低下することになる。
【００２４】
また所定レベル以上の信号は増幅されないため、その信号レベルでは光出力は制限されない。そのためマイクロフォンの感度も低下することはない。その結果、音の大きさを変化させた時の感度の指向性パターンは図４に示すようになる。ここでＳｓは小さい音、Ｍｓは中位の音、Ｌｓは大きい音をそれぞれ示している。
この結果、あるレベル以上の音に対してはマイク感度は変化しないが音のレベルが下がっていくに従ってマイクの感度が小さくなる。
そこで、振動板に直交する軸方向からきた音でマイクロフォンの感度低下が発生しないような大きさの音に対して、その音を軸方向からずらしていくと本来の指向特性によって感度は徐々に低下していくそして、あるレベル以下になると小信号増幅回路１５が増幅度を持つようになり、光源駆動回路１３の供給電流制御が働いて更にマイクロフォンの感度は低下する。
この結果、負帰還回路１００を有する光マイクロフォン装置では、図７に示すような感度の指向性パターンよりも指向性ビームの幅がより絞られたパターンとなる。ここで、小信号増幅回路１５の増幅度を大きくすることにより負帰還量は大きくなり、より小さい音に対して発光素子ＬＤの電流抑制が働き、指向性パターンは更に絞られたものとなる。
【００２５】
図３は負帰還量を変化させることにより指向性のパターンを変化させた例を示す図で、図３（Ａ）は負帰還をかけない場合の指向性パターンを示したものである。この場合にはほぼ円形の指向性パターンとなる。
次に負帰還をかけた場合の指向性パターンを（Ｂ）および（Ｃ）に示している。
（Ｂ）の場合には負帰還量が小さく、（Ｃ）の場合には負帰還量が大きい。
このように小信号増幅回路１５の増幅度を可変することにより負帰還量を変化させて、感度の指向性パターンを最大感度の軸方向に伸長させ、軸に直交する方向に絞り込むよう変化させることができるが、図５に示す小信号増幅回路１５が増幅を始めるポイントＢを可変することによっても指向性パターンを変化させることはできる。これは指向性パターンの感度が低下するポイントを可変させるためである。
このようにして光マイクロフォンの感度の指向特性を可変することができる。
【００２６】
図２は小信号増幅回路１５の一例を示す回路図である。
増幅器２０の反転入力端子と出力端子との間に極性をそれぞれ正逆方向に並列接続した２つのダイオードＤ１，Ｄ２を接続する。増幅器２０の非反転入力端子は接地される。
入力はインピーダンスＺ１を介して増幅器２０の反転入力端子に入力される。
このような構成の回路において、増幅器２０の利得Ａ１はダイオードＤ１，Ｄ２のインピーダンスをＺｄに等しいとすると式（１１）で表わされる。
Ａｌ＝Ｚｄ／Ｚ１ …（１１）
インピーダンスＺｄはダイオードのインピーダンスのため、その両端電圧がダイオードの導通電圧を越えると極端に小さくなるため、そのレベル以上の信号では利得Ａ１はほぼ０となる
Ａ１≒０ …（１２）
【００２７】
ダイオードＤ１，Ｄ２の両端電圧が上記レベル以下の場合にはダイオードの内部インピーダンスは大きくなり、両端電圧が小さいほど内部インピーダンスは大きくなるため、出力電圧が小さいほど（小信号レベルほど）（１１）式に従って利得Ａ１は大きくなる。
そして出力電圧があるレベル以上（ダイオードの導通電圧以上）になると利得はなくなり、それ以上の出力は出なくなる。従って、反転入力端子側に接続されたインピーダンスＺ１を変えることにより増幅度（利得）を変えることができる。
またダイオードＤ１，Ｄ２の種類を変えることにより増幅度が０となる信号出力レベルを変えることもできる。
例えば、シリコンダイオードなら０．６ボルト、ゲルマニウムダイオードなら０．２〜０．３ボルト、ショットキダイオードなら約０．３ボルトとすることができる。
【００２８】
なお本発明の動作原理を説明するに際し、説明の便宜上、光マイクロフォン装置のヘッド部の構成として、音波が振動板２の片側からのみ入射するような構造のヘッド部を開示したが、実用的な観点からは、振動板２の両側から音波が入射するように構成する必要がある。本発明のような超小型の速度型光マイクロフォンにおいては、振動板２がヘッド１の内部で音波により自由に振動する必要があり、振動板２に近接対向して音波の入射しない閉塞面が存在すると、振動板２の振動が阻害されてしまい、指向特性が前述したようなパターン形状にならず、場合によっては無指向性になってしまうからである。
このように両側から音波が均一に入射するようヘッド１の中央部に振動板２を設けた光マイクロフォン装置では、図３、図４に示す指向性パターンは、反対側にも対称に現われ、いわゆる８の字特性を示すことは言うまでもない。
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、光センサにも適用出来ることはいうまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の音響電気変換装置では、受光素子から出力される出力信号の一部を負帰還回路を介して発光素子の駆動回路にネガティブフィードバックするようにしているため、音圧の小さい小信号レベルほど負帰還がかかり発光素子に供給される電流が小さくなり感度が低下する。
従って感度の指向性パターンは本来の指向性パターンよりも絞られたパターンとなる。このため装置の指向特性がシャープとなり特定の方向のみの音波を的確に受波できるため、騒音などの周辺ノイズを抑制することができるという利点がある。また、ＶＣＳＥＬを発光素子として用いているため装置を超小型化することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る光マイクロフォン装置の構成を示すブロック回路図。
【図２】本発明で用いられる小信号増幅回路の一例を示す回路図。
【図３】本発明による光マイクロフォン装置の感度の指向性特性を示す図。
【図４】図１に示す回路の動作特性を示す図。
【図５】本発明に用いられる小信号増幅回路の動作原理を説明するための図。
【図６】速度型マイクロフォンのマイクロフォン原理を説明するための図。
【図７】通常の光マイクロフォンにより得られる感度の指向性パターンを示す図。
【図８】本発明の光マイクロフォン素子の基本原理を説明するための図。
【図９】本発明に用いられる垂直空洞表面発光型レーザの発光強度分布を示す図。
【図１０】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。
【符号の説明】
ＬＤ発光素子
ＰＤ受光素子
ＶＣＳＥＬ垂直空洞表面発光型レーザ
２振動板
９基板
１１電極
１３光源駆動回路
１４基準電源
１５小信号増幅回路
１７比較器
２０増幅器
１００負帰還回路

Claims

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配置し、前記発光素子の放射光を受光する為の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、音圧により振動するとともに、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、
前記発光素子に駆動電流を供給する光源駆動回路と、
前記受光素子から出力される信号の一部を負帰還信号として前記光源駆動回路に供給する負帰還回路とを、
具備することを特徴とする音響電気変換装置。
請求項１に記載の音響電気変換装置において、
前記負帰還回路が、
出力端子が前記光源駆動回路の制御端子に接続され、非反転入力端子が所定電位点に接続された比較器と、
前記受光素子から出力される前記信号が所定レベル以下の時増幅しかつ信号レベルが小さいほど増幅度が大きくなる小信号増幅回路とから構成され、
前記小信号増幅回路の出力を前記比較器の反転入力端子に供給することを特徴とする音響電気変換装置。
請求項２に記載の音響電気変換装置において、
前記小信号増幅回路の出力を所定周波数範囲のみを通過させるフィルタ回路を介して前記比較器の反転入力端子に供給することを特徴とする音響電気変換装置。
請求項１乃至４に記載の音響電気変換装置において、
前記負帰還信号の負帰還量を可変する負帰還量可変手段を設けたことを特徴とする音響電気変換装置。