JP3959020B2 - 光学的変位検出器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は被測定物に光を照射し、その反射光の強度、角度変化を検出することによって、被測定物の変位、振動、音響、加速度、圧力などの検出を行う光学的変位検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光素子から発光された光を光学系を介して被測定物に照射し、被測定物からの反射光の強度変化や角度変化を測定する光学的変位検出器の応用例の一つに光マイクロフォンがある。この光マイクロフォンにおいては、感度向上の為にダイヤフラム（被側定物）近傍まで導光路を設けているものが多い。また、感度向上の為に導光路をダイヤフラムに近づけ過ぎるとダイヤフラム近傍の空気の流動によって問題が生じる為に導光路の形状を工夫したり、光損失の低減を狙った構造の導光路を使用した例も見られるようになってきている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−３３１９８９号公報（第３頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光マイクロフォンなどの光学的変位検出器は基本的にダイヤフラムからの反射光の強度変化を直接、または導光路を通して受光素子で検出する方式でありダイヤフラムの変位に伴う光路長変化が光量変化の第一要素であり小型化要求の強い音響マイクロフォン、圧力センサ、振動センサ、加速度センサなどでは外形形状の制限もあり単純な反射散乱光の強度や変位を直接または簡易的な導光路を通して受光素子に入射する構成が取られており感度的に十分な特性が得られていないのが現状である。このように、光学的変位検出器を応用した音響マイクロフォンや圧力センサなどでは小型化した場合に十分な感度が得られない欠点があり光学的変位検出方式以外の静電型や電磁型が使用される場合が多いが静電型や電磁型では周辺からのノイズの影響を受け易い欠点がある。
【０００５】
（発明の目的）
本発明は上記課題を解決して小型で高感度な光学的変位検出器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の光学的変位検出器は、発光素子からの光を平行化して被測定物に照射し、その反射光の光路に臨界角付近での光学特性を利用した光学素子を配置して検出感度の向上を達成する。更に二つの受光素子を用いて、光学素子の境界面における反射光と透過光とを検出し、それぞれの出力を差動処理することにより更なる感度向上とノイズの低減を行い小型、高感度、低ノイズの光学的変位検出機構を達成する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
[第一の実施形態]
本実施形態は本発明における光学的変位検出器を音響マイクロフォンに適用した例について説明する。図１は本実施形態における光音響マイクロフォンを示す概略断面図である。図１に示すように、本実施形態における光音響マイクロフォンは、発光素子として光源に用いるＬＥＤ１と、空気振動に伴って変位、振動するダイヤフラム２と、光学素子３と、第１の受光素子４と、第２の受光素子５と、前記ＬＥＤ１の台６と、前記第１の受光素子４の台７と、前記第２の受光素子５の台８と、前記ダイヤフラム２の支持台９と、全体を乗せる基台１０とを備えている。尚、前記ＬＥＤ１は光源を樹脂で封止したタイプで樹脂には発光した光を平行光化して外部に出力するレンズ機能も持ったものである。また、前記ＬＥＤ１から出射した光束１５を矢印で示す。
【０００８】
次にこの構成での変位検出動作について図１、図２、図３を用いて説明する。図１において、外部からの音響入力があるとダイヤフラム２が振動する。光音響マイクロフォンとしてはこの振動状態を検出するのが目的となり本実施形態ではＬＥＤ１から平行化された光束１５がダイヤフラム２に照射され、ダイヤフラム２から反射された光束１５は光学素子３に入射する。更に光学素子３の境界面で反射された光束が第１の受光素子４に入射され、前記光学素子３の境界面を透過した光束が第２の受光素子５に入射される。
【０００９】
前記ダイヤフラム２の振動状態の検出は、時間とともに変化するダイヤフラム２の変位の検出である。以下、図１の部分拡大図である図２を用いてダイヤフラム２からの反射光の光路変化を検出する方法について説明する。
【００１０】
図２中のＬＥＤ１から照射される光束１５は実際には太さを持っているが説明の簡略化の為に矢印線で表示する。また、図２において、無音時の定常状態でのダイヤフラムの定常位置２０を実線で示し、図２の上方へ変位した状態のダイヤフラム２の上方変化の上限位置２１を一点鎖線で示し、図２の下方に変位した状態でのダイヤフラムの下方変化の下限位置２２を破線で示す。今後の説明では、ダイヤフラムの振動によるそれぞれの位置を、ダイヤフラムの定常位置２０、ダイヤフラムの上限位置２１、ダイヤフラムの下限位置２２として説明する。
【００１１】
ダイヤフラムの下限位置２２における反射光２４、ダイヤフラムの定常位置２０における反射光２５、ダイヤフラムの上限位置２１における反射光２６は、光学素子３へ入射され光学素子３内を進行して光学素子３の境界面で反射光と透過光に分割される。図２では前記反射光２４が光学素子３の境界面で反射した光を反射光２４Ｒ、透過した光を透過光２４Ｔとし、前記反射光２５が境界面で反射した光を反射光２５Ｒ、透過した光を透過光２５Ｔとし、前記反射光２６が境界面で反射した光を反射光２６Ｒ、透過した光を透過光２６Ｔと表現している。
【００１２】
前記光学素子３の境界面での反射光２４Ｒ、２５Ｒ、２６Ｒは光学素子３の形状が球面または放物面などの集光形状であるため受光素子４上に集光する。一方光学素子３を透過する透過光２４Ｔ、２５Ｔ、２６Ｔも光学素子３のレンズ効果により受光素子５上に集光される。
【００１３】
次に、図２をさらに拡大した図３、及び光の反射、透過特性を示す図４を用いて本実施形態における光の光路変化の検出方法について説明する。図３にダイヤフラム２からの反射光２４、２５、２６が光学素子３の境界面に入射する点における法線３０、３１、３２及び光学素子３の境界面に対する入射角３３、３４、３５を示す。
【００１４】
本実施形態の光学素子３では光学素子３に曲面を持たせることにより入射光の位置により光学素子３から出射される反射光、透過光が大幅に変化するような構造とする為に図３中でダイヤフラムの上限位置２１における反射光２６の入射角３５を臨界角より若干小さい角度とし、ダイヤフラムの下限位置２２における反射光２４の入射角３３もブリュースター角より若干大きめとなるように設定してある。
【００１５】
上記の入射角３３、３５の設定で入射角の範囲を臨界角に対して若干小さく、ブリュースター角に対して若干大きくしているのは部品や組立ての誤差により光の入射角が上記ブリュースター角と臨界角の範囲を越えないようにする為である。
【００１６】
図２においてダイヤフラム２の動作時の位置が定常位置２０、上限位置２１、下限位置２２の間で変化すると図３で示したようにダイヤフラム２からの反射光２４、２５、２６の状態で光学素子３に入射される。光学素子３に入射し、さらに光学素子３から外部への境界面まで達した光は境界面で反射光と透過光にわかれる。
【００１７】
光が屈折率の高い媒体から屈折率の低い媒体へ入射する点における入射光に対する反射光の強度は、入射角により図４に示すような特性を示す。図４は代表的な光学ガラスであるＢＫ７の特性である。以降の説明はＢＫ７を光学素子３の材質として説明する。
【００１８】
屈折率の異なる媒体境界面での反射率は入射光成分の入射面に平行な波面を持つＲｐ成分と入射面に垂直な波面を持つＲｓ成分で特性が異なる。本実施形態における光学素子３の特徴である境界面は、屈折率の高い媒体から屈折率の低い媒体への境界面に光が入射された場合であり、この場合の反射特性を図４を用いて説明する、図４ではＲｓ、Ｒｐの各偏光面における反射の状態を示しており偏光の無いＬＥＤなどの光源での反射率はＲｓとＲｐの中間的な反射となる。図４からわかるように反射光量はブリュースター角から臨界角までの間で大きく変化する。このような反射、透過の現象はフレネルの公式により説明されており図４もフレネルの公式より導かれた図である。なお図４は高屈折率媒体に光学ガラスＢＫ７、低屈折率媒体を空気とした特性であり他の媒体では若干ブリュースター角、臨界角は変化する。また光学素子材料に光の透過率の良い上記ＢＫ７やアクリル樹脂材料を用いた場合は、入射光が反射光と透過光に分割され損失はほとんど発生しない。
【００１９】
以上のように本実施形態では光学素子３の曲面上の境界面への入射角をブリースター角と臨界角の間に設定することにより光学素子３の境界面での反射光、透過光の比率が大きく変化する為、光学素子３から出射される光は透過光、反射光共に大幅に変化し第１の受光素子４及び第２の受光素子５へ入射される光量もダイヤフラム２の変位に対して大幅に変化し受光素子４、５から大きな信号出力が得られる。
【００２０】
本実施形態の光学素子３では光学素子面に球面や放物面などの光学的に集光効果のある曲面を持っている為、光学素子３から出力される光は光学素子境界面での透過光、反射光共に収束光である。図３中の前記光学素子３の境界面での反射光２４Ｒ、２５Ｒ、２６Ｒは受光素子４上に集光される。また光学素子境界面での透過光２４Ｔ、２５Ｔ、２６Ｔは受光素子５上に集光される。この収光効果により光の有効利用度が上がり、感度の向上が達成される。更に受光素子３の面積も小さくできる為ノイズ特性の向上やコストダウンの効果も達成される。
【００２１】
本実施形態では受光手段として受光素子を２つ用いており２つの受光素子に入射される光量はダイヤフラムの変位に対して差動的であり一方に多く入射される条件では他方の受光量は減じる為２つの受光素子の出力を電気回路により差動的に処理することにより更に感度が向上する。さらに外部ノイズに対しては２つの受光素子の位置が近く、ほぼ同等のノイズが入力される為、第１の受光素子４、第２の受光素子５の二つの出力を電気的に差動処理を行うことにより感度の向上とノイズの低減効果も得られる。
【００２２】
次に光学素子３について説明する、図５は光学素子３を示し、材質は前述した代表的な光学ガラスＢＫ７として説明するが実施においては他の光学ガラスや樹脂材料でも実施可能である。図５中、図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は上面図、図５（ｃ）は側面図を示す。光学素子３は二つの平面と一つの曲面で構成され、曲面は球面や放物面のような多次関数曲面が好ましく本実施形態では放物面としている。入射光と平面との関係は平面に対して法線付近の角度になることが不要反射の低減の為に有効であり、また曲面で反射された成分の光が他平面より出射する角度も同様である。
【００２３】
光学素子３の二つ平面での反射光は検出時のノイズになる為、高感度検出には二つの平面に反射防止膜を配置することも有効である。またダイヤフラム２の反射面は鏡面であることが感度向上の為に好ましい。
【００２４】
次に検出回路について説明する。図６は本実施形態の検出回路例で発光素子にＬＥＤを用い、二つの受光素子にフォトダイオード（以降の説明ではＰＤ）を使用している例である。図６中において前記検出回路は、ＬＥＤ５０、第１のＰＤ５１、第２のＰＤ５２、第１のＰＤの信号を増幅する第１のヘッドアンプ５３、第２のＰＤの信号を増幅する第２のヘッドアンプ５４、二つのヘッドアンプ出力を差動増幅する差動アンプ５５、ＬＥＤ５０に電流を流して点灯するＬＥＤドライバー５７で構成されており、その出力は検出器出力５６で表してある。
【００２５】
図６の構成の検出回路では第１のＰＤ５１からの信号と第２のＰＤ５２からの信号とを第１のヘッドアンプ５３及び第２のヘッドアンプ５４で増幅し、さらに差動アンプ５５によって差動的に増幅する。前記第１のＰＤ５１と第２のＰＤ５２とは近傍に設置出来る為、外部からの電磁ノイズの進入はほぼ同量でありこの２つの出力の差を取ることによりノイズ成分の抑圧が達成される。また必要な信号成分はダイヤフラム２の変位に伴う第１のＰＤ５１、第２のＰＤ５２への光入力が差動的に変化する為、単一の受光素子を使用する場合に対して約２倍の感度が得られる。
【００２６】
次に検出感度を安定化させた検出回路の改良型の実施例を示す。図７は図６の検出回路の改良版で回路的には、やや複雑であるが検出感度の安定化が計れる方式である。ＬＥＤへ流す電流は直流の一定値とすることが回路的にも簡単であり一般的であるが改良型の本実施例では第１のＰＤ５１、第２のＰＤ５２からの出力を増幅した第１のヘッドアンプ５３、第２のヘッドアンプ５４の出力を加算回路により処理して出力の和信号を得る。出力の和は光学素子内での損失等の成分を無視すれば発光素子ＬＥＤ５０からの出力光強度に比例するため和信号を一定となるような回路構成とすることで温度や電源変動等による変動をキャンセルした一定の感度を得ることができる。この改良型の検出回路では、図７に示すように、加算回路と加算回路の出力が一定となるように構成したサーボ回路を内臓したＬＥＤドライバー５８を備えている。
尚、本実施形態では発光素子にＬＥＤ（発光ダイオード）、受光素子にＰＤ（フォトダイオード）を使用しているが他の発光素子、受光素子を利用しても実施は可能である。
【００２７】
[第二の実施形態]
受光手段として受光素子を１個使用した光学的変位検出器を音響マイクロフォンに適用した実施形態を図８に示す。図８に示すように、本実施形態における音響マイクロフォンは、図１に示す第一の実施形態における音響マイクロフォンから光学素子境界面で反射された光を受光する第１の受光素子４を省略し、第２の受光素子５で透過光のみを検出するようにしている。受光素子２個のタイプの第一の実施形態に比べて感度は約半分になるが、従来の反射光を直接受ける構造に比べれば光学素子による臨界角付近の急激な透過光変化の特性が利用できるため高感度となる。本実施形態における音響マイクロフォンはローコスト化がはかれるメリットがある。
【００２８】
[第三の実施形態]
受光手段として受光素子を１個使用した光学的変位検出器を音響マイクロフォンに適用した他の実施形態を図９に示す。図９に示すように、本実施形態における音響マイクロフォンは、図１に示す第一の実施形態における音響マイクロフォンから光学素子境界面で透過された光を受光する第２の受光素子５を省略し、第１の受光素子４の反射光のみを検出する方式を採用したものである。受光素子２個のタイプの実施形態に比べて感度は約半分になるが、従来の反射光を直接受ける構造に比べれば光学素子による臨界角付近の急激な反射光変化の特性が利用できるため高感度となる。本実施形態における音響マイクロフォンはローコスト化がはかれるメリットがある。
【００２９】
尚、各実施形態においては、光学的変位検出器を音響マイクロフォンに適用した例で説明したが、この他に、圧力センサ、振動センサ、加速度センサ等に適用した場合においても同様の効果を得ることが出来る。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明の光学的変位検出器によればダイヤフラム等の振動体の変位を光学的検出手段を用いて高感度に測定することが可能となる。また、受光素子を２つ用いることにより更なる感度の向上とノイズの低減をはかることが可能となると共に検出回路で２つの受光素子からの信号の和を利用した制御を行うことにより高い安定度を得ることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態における光学的変位検出器を応用した音響マイクロフォンを示す概略図。
【図２】本発明の第一の実施形態における音響マイクロフォンの臨界角特性を利用した原理の説明図。
【図３】図２の部分拡大詳細図。
【図４】光学ガラスＢＫ７での反射、透過特性特性図。
【図５】本発明の第一の実施形態における光学素子外形図。
【図６】本発明の第一の実施形態における検出回路を示す図。
【図７】本発明の第一の実施形態における検出回路の他の例を示し、和信号処理を含めた検出回路を示す図。
【図８】本発明の第二の実施形態における音響マイクロフォンを示し、受光素子を１個を用い光学素子からの透過光を検出する方式を示す概略図。
【図９】本発明の第三の実施形態における音響マイクロフォンを示し、受光素子を１個用い光学素子からの反射光を検出する方式を示す概略図。
【符号の説明】
１ ＬＥＤ
２ ダイヤフラム
３ 光学素子
４ 第１の受光素子
５ 第２の受光素子
６ 発光素子台
７ 第１の受光素子台
８ 第２の光素子台
９ ダイヤフラム支持台
１０ 基台
１５ 発光素子からの出射光束
２０ ダイヤフラム定常位置
２１ ダイヤフラム上限位置
２２ ダイヤフラム下限位置
２４ ダイヤフラム下限位置での反射光
２５ ダイヤフラム定常位置での反射光
２６ ダイヤフラム上端位置での反射光
２４Ｔ 光学素子からの透過光
２５Ｔ 光学素子からの透過光
２６Ｔ 光学素子からの透過光
２４Ｒ 光学素子からの反射光
２５Ｒ 光学素子からの反射光
２６Ｒ 光学素子からの反射光
３０ 光学素子の境界面での法線
３１ 光学素子の境界面での法線
３２ 光学素子の境界面での法線
３３ 光学素子の境界面での入射角
３４ 光学素子の境界面での入射角
３５ 光学素子の境界面での入射角
５０ ＬＥＤ
５１ 第１のＰＤ
５２ 第２のＰＤ
５３ 第１のヘッドアンプ
５４ 第２のヘッドアンプ
５５ 差動アンプ
５６ 検出器出力
５７ ＬＥＤドライバー
５８ 和信号処理機能を備えたＬＥＤドライバー

Claims (4)

1. 被測定物に光を照射する発光素子と、前記被測定物からの反射光の光路に配置する光学素子と、該光学素子の出射光の位置、角度変化を検出する受光手段とを備え、前記光学素子の少なくとも一方の面に、球面、放物面等の多次関数曲面を形成し、前記受光手段が第１の受光素子と第２の受光素子との２つの受光素子を有し、前記第１の受光素子が前記光学素子の境界面における反射光の位置、角度変化を検出し、前記第２の受光素子が前記光学素子の境界面における透過光の位置、角度変化を検出し、前記光学素子の臨界角付近の反射、透過特性を利用して前記被測定物からの反射光の位置、角度変化を拡大することによって検出感度を向上させるように構成されていることを特徴とする光学的変位検出器。
2. 前記光学素子の多次関数曲面における前記被測定物の上限位置からの反射光の入射角が臨界角より小さい角度に設定され、前記光学素子の多次関数曲面における前記被測定物の下限位置からの反射光の入射角がブリュースター角より大きい角度に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光学的変位検出器。
3. 前記２つの受光素子の出力を差動的に処理する処理回路を有することを特徴とする請求項１に記載の光学的変位検出器。
4. 前記２つの受光素子の出力の和が一定となるように前記発光素子の出力が制御されていこることを特徴とする請求項１に記載の光学的変位検出器。

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