JP3639483B2 - 音響電気変換装置 - Google Patents
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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変位を電気信号に変換する音響電気変換装置に係り、特に広い周波数帯域において感度の均一な周波数特性を得ることのできる音響電気変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音響電気変換装置の一つとして光マイクロフォン装置が知られている。
【０００３】
光マイクロフォン装置に用いられる光マイクロフォン素子は、音圧により振動する振動板と、この振動板に光ビームを照射する発光素子と、この振動板からの反射光を受光して振動板の振動変位に対応する信号を出力する受光素子とから構成されている。
これにより振動板に音波が当たることによる振動板の振動変位をこの振動板に非接触で検出して電気信号に変換することができるため、振動検出系を振動板に設ける必要がなくなり、振動部分の重量を軽量化することができしかも微弱な音波の変動にも十分に追従できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来の光マイクロフォン装置では単一の光マイクロフォン素子を用いて装置を構成しており、一つの振動板により音波の低域から高域にわたるまでの周波数特性をカバーするように構成されていた。
このようなマイクロフォン特性は一般にモノトーン特性と言われ周波数カバー範囲は図６に示すように５０Ｈｚから２０ＫＨｚの間にほぼ限定されるようなものであった。
このように従来の光マイクロフォン装置では単一の振動板を用いた単一の光マイクロフォン素子を用いていたため、単一の振動板で低域周波数から高域周波数までをその感度（振幅）がフラットになるように制御することは困難であった。一般に振動板の厚さを厚くすれば低域周波数領域での感度が高くなり、厚さを薄くすれば高域周波数領域での感度が高くなる。
従ってこのような振動板の物理的性質から広帯域にわたって感度（振幅）の周波数特性がフラットな光マイクロフォン装置を実現することは困難であった。
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたもので、広帯域にわたって感度（振幅）特性がフラットな光マイクロフォン装置のような音響電気変換装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【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、音圧により振動する振動板と、前記振動板に光ビームを照射する発光素子と、前記振動板に照射された前記光ビームの反射光を受光し、前記振動板の振動変位に対応する信号を出力する受光素子とを備えた音響電気変換素子と、複数の前記音響電気変換素子を前記振動板がほぼ同一面上に位置するように配置して固定する支持フレームと、前記複数の音響電気変換素子のそれぞれの発光素子に所定電流を供給して前記発光素子を駆動する光源駆動回路と、前記複数の音響電気変換素子のそれぞれの受光素子からの出力信号を混合するミキサ回路とを備え、前記複数の音響電気変換素子のそれぞれの振動板の厚さを、互いに異なる周波数範囲において受波感度がほぼ均一となるよう異ならせたことを特徴とする。
前記音響電気変換装置において、前記音響電気変換素子が、同一基板上に前記発光素子となし受光素子とが配置され、前記発光素子が発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂直表面発光型発光素子であって前記基板の中心部に配置され、前記発光素子を取囲込むように同心円状に前記受光素子が配置されている受発光素子を有するように構成することが出来る。
前記振動板は前記基板とほぼ平行に、かつ近接して設置することが出来る。
前記音響電気変換素子は、前記支持フレームのフレーム面に形成された開口内に前記振動板が露出するよう配置することが出来る。
前記ミキサ回路からの出力信号の感度の周波数特性が１Ｈｚから１００ＫＨｚの範囲にわたってほぼ平坦とすることが出来る。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態である光マイクロフォン装置の構成を示すブロック図である。
本発明ではそれぞれ振動板の厚さが互いに異なる複数の受光素子Ｍ１，Ｍ２，…Ｍ６を組み合わせて複合された光マイクロフォン素子を形成し、その各々の受光素子からの出力をミキサ回路２０に入力して混合させ、出力信号３０として取り出すように構成している。それぞれの光マイクロフォン素子Ｍ１〜Ｍ６の発光素子に対して光源駆動回路１０から所定の駆動電流が供給されるように構成される。
【０００７】
図２は複数の光マイクロフォン素子Ｍ１〜Ｍ６を組み合わせて構成された複合光マイクロフォン素子の構造を示す図で、（ａ）はその上面図を（ｂ）はその側面断面図をそれぞれ示している。
各光マイクロフォン素子Ｍ１〜Ｍ６は図２（ｂ）に示すように遮蔽板５によりそれぞれが区画されて構成され、支持フレーム４，６にこれらの複数の光マイクロフォン素子Ｍ１〜Ｍ６の振動板２がほぼ同一面上に位置するように配置して固定されている。各光マイクロフォン素子は図示しない基板に取り付けられた発光素子１と受光素子３とこの発光素子１および受光素子３の取り付けられた基板にほぼ平行して近接配置された振動板２とから構成されており、発光素子１からの光ビームが振動板２により反射されこれが受光素子３により受光され振動板２の振動変位に対応する信号が取り出されるように構成されている。
図２（ａ）に示すように支持フレーム４，６のフレーム面６に形成された開口内にそれぞれの振動板２が露出するように配置される。
これらの振動板２はフレーム面６と同一面内に位置するように配置され支持フレーム４，６に固定される。
【０００８】
図３は本発明に用いられる光マイクロフォン素子Ｍ１〜Ｍ６の受発光素子の構造を示す図である。
ガリウム砒素基板７の上に垂直面発光型レーザダイオードＬＤとホトダイオード等の受光素子ＰＤとが配置される。基板７の中央部にレーザダイオードＬＤが形成され、これを取り囲むように受光素子ＰＤが同心円状に複数個形成される。レーザダイオードＬＤと受光素子ＰＤとからは電極８が取り出される。
垂直面発光型レーザダイオードＬＤは発光強度分布が同心円状にほぼ均一な特性を有しておりこのレーザダイオードＬＤから同心円状に放射されたレーザビームは振動板２により同心円状に反射しこれが受光素子ＰＤにより受光され受波信号として取り出される。
なお図３に示す受発光素子では受光素子が複数同心円状に形成されているため差動出力で取り出すことができ、これによりレーザダイオードＬＤの温度変動等の誤差を吸収することができる。
【０００９】
ここで本発明に用いられる光マイクロフォン素子の振動板２について説明する。
図４は振動板２の厚さｔと振幅特性との関係を示す図である。
すなわち受波音波の周波数ｆが低い場合には振動板２の厚さｔが薄いほど振幅は大きくなり周波数が高いと厚さｔが厚いほど振幅が小さくなる。
本発明ではこの性質を利用して複数の光マイクロフォン素子Ｍ１〜Ｍ６のそれぞれの振動板の厚さを互いに異なる周波数範囲において受波感度がほぼ均一となるように異ならせる。
すなわち、それぞれの光マイクロフォン素子の振動板は再生できる音波の周波数範囲を限定しその周波数範囲に合った厚さの振動板を設定するのである。
【００１０】
図５は各光マイクロフォン素子Ｍ１〜Ｍ６の振動板の厚さを変化させ、それぞれが再生できる周波数を分割して割り当てた場合の振幅特性を示している。
例えば光マイクロフォン素子Ｍ１では最も低い周波数範囲において音波を再生できるように割り当てを行い、光マイクロフォン素子Ｍ６においては最も高い周波数範囲の音波を再生できるように割り当てる。この場合光マイクロフォン素子Ｍ１では振動板の厚さを最も厚くし、光マイクロフォン素子Ｍ６では最も薄く設定する必要がある。
このようにそれぞれの光マイクロフォン素子に割り当てられた周波数範囲に応じてその振幅特性がほぼ平坦となるように振動板の厚さを選択すると図５に示すような振幅特性が得られる。
なお光マイクロフォン素子Ｍ１〜Ｍ６の振幅特性がそれぞれ図５に示すＡ１〜Ａ６に対応している。
【００１１】
このような複数の光マイクロフォン素子の振幅特性を図１に示すミキサ回路２０に入力して合成すれば図６に示すような全周波数帯域において平坦な振幅特性を有する複合光マイクロフォン素子が得られる。
このようにして本発明ではミキサ回路２０からの感度の周波数特性が１Ｈｚから１００ＫＨｚまでの範囲にわたってほぼ平坦な光マイクロフォン装置を実現することができた。また、モノリシック構造で構成した垂直表面発光型発光素子（ＶＣＳＥＬ）とフォトダイオード（ＰＤ）とを用いて光マイクロフォン素子を構成すると小型化が実現できる。このため、光マイクロフォン素子を複数個組合せても小型化が可能となる。
【００１２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明では複数の音響電気変換素子を組み合わせて複合した音響電気変換素子を構成し、複数の音響電気変換素子のそれぞれの振動板の厚さを互いに異なる周波数範囲において受波感度がほぼ均一になるように組み合わせたため、広帯域にわたって振幅特性がほぼ均一な音響電気変換装置を実現することができる。
【００１３】
従って本発明の音響電気変換装置は今後のディジタル時代に適応した音楽用のマイクロフォン装置として広く利用することが可能である。またマイクロフォン装置だけでなく音響センサとしても利用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であ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】本発明に用いられる光マイクロフォン素子の構造を示す平面図および側面断面図。
【図３】本発明の一実施形態である光マイクロフォン装置に用いられる受発光素子の構造を示す平面図。
【図４】本発明に用いられる光マイクロフォン素子の振動板の厚さと振幅との関係を周波数に関して示した図。
【図５】本発明で用いる複合光マイクロフォン素子の周波数−振幅特性を示す図。
【図６】従来のモノトーン型マイクロフォンの周波数−振幅特性を示す図。
【符号の説明】
１ 発光素子
２ 振動板
３ 受光素子
４，６ 支持フレーム
５ 遮蔽板
７ 基板
１０ 光源駆動回路
２０ ミキサ回路
３０ 出力信号
６ フレーム面
Ｍ１〜Ｍ６ 光マイクロフォン素子
【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変位を電気信号に変換する音響電気変換装置に係り、特に広い周波数帯域において感度の均一な周波数特性を得ることのできる音響電気変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音響電気変換装置の一つとして光マイクロフォン装置が知られている。
【０００３】
光マイクロフォン装置に用いられる光マイクロフォン素子は、音圧により振動する振動板と、この振動板に光ビームを照射する発光素子と、この振動板からの反射光を受光して振動板の振動変位に対応する信号を出力する受光素子とから構成されている。
これにより振動板に音波が当たることによる振動板の振動変位をこの振動板に非接触で検出して電気信号に変換することができるため、振動検出系を振動板に設ける必要がなくなり、振動部分の重量を軽量化することができしかも微弱な音波の変動にも十分に追従できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来の光マイクロフォン装置では単一の光マイクロフォン素子を用いて装置を構成しており、一つの振動板により音波の低域から高域にわたるまでの周波数特性をカバーするように構成されていた。
このようなマイクロフォン特性は一般にモノトーン特性と言われ周波数カバー範囲は図６に示すように５０Ｈｚから２０ＫＨｚの間にほぼ限定されるようなものであった。
このように従来の光マイクロフォン装置では単一の振動板を用いた単一の光マイクロフォン素子を用いていたため、単一の振動板で低域周波数から高域周波数までをその感度（振幅）がフラットになるように制御することは困難であった。一般に振動板の厚さを厚くすれば低域周波数領域での感度が高くなり、厚さを薄くすれば高域周波数領域での感度が高くなる。
従ってこのような振動板の物理的性質から広帯域にわたって感度（振幅）の周波数特性がフラットな光マイクロフォン装置を実現することは困難であった。
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたもので、広帯域にわたって感度（振幅）特性がフラットな光マイクロフォン装置のような音響電気変換装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【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、音圧により振動する振動板と、前記振動板に光ビームを照射する発光素子と、前記振動板に照射された前記光ビームの反射光を受光し、前記振動板の振動変位に対応する信号を出力する受光素子とを備えた音響電気変換素子と、複数の前記音響電気変換素子を前記振動板がほぼ同一面上に位置するように配置して固定する支持フレームと、前記複数の音響電気変換素子のそれぞれの発光素子に所定電流を供給して前記発光素子を駆動する光源駆動回路と、前記複数の音響電気変換素子のそれぞれの受光素子からの出力信号を混合するミキサ回路とを備え、前記複数の音響電気変換素子のそれぞれの振動板の厚さを、互いに異なる周波数範囲において受波感度がほぼ均一となるよう異ならせたことを特徴とする。
前記音響電気変換装置において、前記音響電気変換素子が、同一基板上に前記発光素子となし受光素子とが配置され、前記発光素子が発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂直表面発光型発光素子であって前記基板の中心部に配置され、前記発光素子を取囲込むように同心円状に前記受光素子が配置されている受発光素子を有するように構成することが出来る。
前記振動板は前記基板とほぼ平行に、かつ近接して設置することが出来る。
前記音響電気変換素子は、前記支持フレームのフレーム面に形成された開口内に前記振動板が露出するよう配置することが出来る。
前記ミキサ回路からの出力信号の感度の周波数特性が１Ｈｚから１００ＫＨｚの範囲にわたってほぼ平坦とすることが出来る。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態である光マイクロフォン装置の構成を示すブロック図である。
本発明ではそれぞれ振動板の厚さが互いに異なる複数の受光素子Ｍ１，Ｍ２，…Ｍ６を組み合わせて複合された光マイクロフォン素子を形成し、その各々の受光素子からの出力をミキサ回路２０に入力して混合させ、出力信号３０として取り出すように構成している。それぞれの光マイクロフォン素子Ｍ１〜Ｍ６の発光素子に対して光源駆動回路１０から所定の駆動電流が供給されるように構成される。
【０００７】
図２は複数の光マイクロフォン素子Ｍ１〜Ｍ６を組み合わせて構成された複合光マイクロフォン素子の構造を示す図で、（ａ）はその上面図を（ｂ）はその側面断面図をそれぞれ示している。
各光マイクロフォン素子Ｍ１〜Ｍ６は図２（ｂ）に示すように遮蔽板５によりそれぞれが区画されて構成され、支持フレーム４，６にこれらの複数の光マイクロフォン素子Ｍ１〜Ｍ６の振動板２がほぼ同一面上に位置するように配置して固定されている。各光マイクロフォン素子は図示しない基板に取り付けられた発光素子１と受光素子３とこの発光素子１および受光素子３の取り付けられた基板にほぼ平行して近接配置された振動板２とから構成されており、発光素子１からの光ビームが振動板２により反射されこれが受光素子３により受光され振動板２の振動変位に対応する信号が取り出されるように構成されている。
図２（ａ）に示すように支持フレーム４，６のフレーム面６に形成された開口内にそれぞれの振動板２が露出するように配置される。
これらの振動板２はフレーム面６と同一面内に位置するように配置され支持フレーム４，６に固定される。
【０００８】
図３は本発明に用いられる光マイクロフォン素子Ｍ１〜Ｍ６の受発光素子の構造を示す図である。
ガリウム砒素基板７の上に垂直面発光型レーザダイオードＬＤとホトダイオード等の受光素子ＰＤとが配置される。基板７の中央部にレーザダイオードＬＤが形成され、これを取り囲むように受光素子ＰＤが同心円状に複数個形成される。レーザダイオードＬＤと受光素子ＰＤとからは電極８が取り出される。
垂直面発光型レーザダイオードＬＤは発光強度分布が同心円状にほぼ均一な特性を有しておりこのレーザダイオードＬＤから同心円状に放射されたレーザビームは振動板２により同心円状に反射しこれが受光素子ＰＤにより受光され受波信号として取り出される。
なお図３に示す受発光素子では受光素子が複数同心円状に形成されているため差動出力で取り出すことができ、これによりレーザダイオードＬＤの温度変動等の誤差を吸収することができる。
【０００９】
ここで本発明に用いられる光マイクロフォン素子の振動板２について説明する。
図４は振動板２の厚さｔと振幅特性との関係を示す図である。
すなわち受波音波の周波数ｆが低い場合には振動板２の厚さｔが薄いほど振幅は大きくなり周波数が高いと厚さｔが厚いほど振幅が小さくなる。
本発明ではこの性質を利用して複数の光マイクロフォン素子Ｍ１〜Ｍ６のそれぞれの振動板の厚さを互いに異なる周波数範囲において受波感度がほぼ均一となるように異ならせる。
すなわち、それぞれの光マイクロフォン素子の振動板は再生できる音波の周波数範囲を限定しその周波数範囲に合った厚さの振動板を設定するのである。
【００１０】
図５は各光マイクロフォン素子Ｍ１〜Ｍ６の振動板の厚さを変化させ、それぞれが再生できる周波数を分割して割り当てた場合の振幅特性を示している。
例えば光マイクロフォン素子Ｍ１では最も低い周波数範囲において音波を再生できるように割り当てを行い、光マイクロフォン素子Ｍ６においては最も高い周波数範囲の音波を再生できるように割り当てる。この場合光マイクロフォン素子Ｍ１では振動板の厚さを最も厚くし、光マイクロフォン素子Ｍ６では最も薄く設定する必要がある。
このようにそれぞれの光マイクロフォン素子に割り当てられた周波数範囲に応じてその振幅特性がほぼ平坦となるように振動板の厚さを選択すると図５に示すような振幅特性が得られる。
なお光マイクロフォン素子Ｍ１〜Ｍ６の振幅特性がそれぞれ図５に示すＡ１〜Ａ６に対応している。
【００１１】
このような複数の光マイクロフォン素子の振幅特性を図１に示すミキサ回路２０に入力して合成すれば図６に示すような全周波数帯域において平坦な振幅特性を有する複合光マイクロフォン素子が得られる。
このようにして本発明ではミキサ回路２０からの感度の周波数特性が１Ｈｚから１００ＫＨｚまでの範囲にわたってほぼ平坦な光マイクロフォン装置を実現することができた。また、モノリシック構造で構成した垂直表面発光型発光素子（ＶＣＳＥＬ）とフォトダイオード（ＰＤ）とを用いて光マイクロフォン素子を構成すると小型化が実現できる。このため、光マイクロフォン素子を複数個組合せても小型化が可能となる。
【００１２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明では複数の音響電気変換素子を組み合わせて複合した音響電気変換素子を構成し、複数の音響電気変換素子のそれぞれの振動板の厚さを互いに異なる周波数範囲において受波感度がほぼ均一になるように組み合わせたため、広帯域にわたって振幅特性がほぼ均一な音響電気変換装置を実現することができる。
【００１３】
従って本発明の音響電気変換装置は今後のディジタル時代に適応した音楽用のマイクロフォン装置として広く利用することが可能である。またマイクロフォン装置だけでなく音響センサとしても利用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であ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】本発明に用いられる光マイクロフォン素子の構造を示す平面図および側面断面図。
【図３】本発明の一実施形態である光マイクロフォン装置に用いられる受発光素子の構造を示す平面図。
【図４】本発明に用いられる光マイクロフォン素子の振動板の厚さと振幅との関係を周波数に関して示した図。
【図５】本発明で用いる複合光マイクロフォン素子の周波数−振幅特性を示す図。
【図６】従来のモノトーン型マイクロフォンの周波数−振幅特性を示す図。
【符号の説明】
１ 発光素子
２ 振動板
３ 受光素子
４，６ 支持フレーム
５ 遮蔽板
７ 基板
１０ 光源駆動回路
２０ ミキサ回路
３０ 出力信号
６ フレーム面
Ｍ１〜Ｍ６ 光マイクロフォン素子
Claims (5)
- 音圧により振動する振動板と、前記振動板に光ビームを照射する発光素子と、前記振動板に照射された前記光ビームの反射光を受光し、前記振動板の振動変位に対応する信号を出力する受光素子とを備えた音響電気変換素子と、
複数の前記音響電気変換素子を前記振動板がほぼ同一面上に位置するように配置して固定する支持フレームと、
前記複数の音響電気変換素子のそれぞれの発光素子に所定電流を供給して前記発光素子を駆動する光源駆動回路と、
前記複数の音響電気変換素子のそれぞれの受光素子からの出力信号を混合するミキサ回路とを備え、
前記複数の音響電気変換素子のそれぞれの振動板の厚さを、互いに異なる周波数範囲において受波感度がほぼ均一となるよう異ならせた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、
前記音響電気変換素子が、
同一基板上に前記発光素子と前記受光素子とが配置され、前記発光素子が発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂直表面発光型発光素子であって前記基板の中心部に配置され、前記発光素子を取囲込むように同心円状に前記受光素子が配置されている受発光素子を有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、
前記振動板は前記基板とほぼ平行に、かつ近接して設置されることを特徴とする音響電気変換装置。 - 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の音響電気変換装置において、
前記音響電気変換素子は、前記支持フレームのフレーム面に形成された開口内に前記振動板が露出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１乃至４のいずれか１項に記載の音響電気変換装置において、
前記ミキサ回路からの出力信号の感度の周波数特性が１Ｈｚから１００ＫＨｚの範囲にわたってほぼ平坦であることを特徴とする音響電気変換装置。
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1999
- 1999-12-13 JP JP35361999A patent/JP3639483B2/ja not_active Expired - Fee Related
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