JP4071730B2 - 振動解析装置及び振動解析方法 - Google Patents

Description

本発明は、音声認識などで使われる高機能で小型のマイクロフォンに係り、特に微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の手法を用いた振動解析装置及び振動解析方法に関する。

音声分析による特徴抽出は音声認識率を向上させるための重要な技術である。 例えば、マイクロフォンでは振動板に入射してきた音波を電気信号に変換し、フィルタにより１５０Ｈｚ〜８ｋＨｚの音声周波数をフィルタリングした後、Ａ／Ｄコンバータにより２２ｋＨｚ程度のサンプリング・レートでデジタル化される。その後、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）により求めた、パワースペクトルを用いてスペクトル分析を行う。したがって、精度の良い音声分析を行うためには高分解能なＡ／Ｄコンバータ及び高性能なＦＦＴ装置が必要となるが、現状ではこれらの要求を十分に満足する装置を得ることは難しい。

一方、音響信号を電気信号に変換するマイクロフォンには、様々な種類があるが、マイクロフォンの振動板に光波を照射してその反射光の強度を検出することで、振動変位を得る、光マイクロフォンは、感度を振動板と独立に設定できる、等の特徴がある。光マイクロフォンを使用して複数のマイクロフォンを使用する際の時分割多重に伴う回路構成を簡易化するとともに、ワイヤレスマイクロフォンとして使用した際の変調回路の単純化及び簡易化を実現した光マイクロフォン装置が提案されている（特許文献１参照。）。

特許文献１に記載された光マイクロフォン装置では、音波を受けて振動する振動板と、この振動板に対して放射光を出射する発光素子と、振動板で反射された放射光を受光する受光素子とを有する光マイクロフォンと、発光素子を駆動する駆動電流を発光素子に印加する駆動回路と、を備えた光マイクロフォン装置において、駆動回路が、所定繰返し周波数を持つパルス電流を駆動電流として供給するようにしている。
特開２０００−２８７２８６号公報

しかし、特許文献１に記載された光マイクロフォン装置では、所定の繰返し周波数を音声信号のサンプリング周波数としている。即ち、上述したように、音声信号をデジタル処理するためには、音圧、時間のデジタル化が必要であり、これには量子化とサンプリングが必要である。又、周波数分析を行うためにはＦＦＴを行う必要があり、これには、サンプリングをＮとして、N×log Nの計算量が必要となる。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、直接、音響信号のデジタル化及び周波数分析が可能な周波数分析機能を持った振動解析装置及び振動解析方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、（イ）機械的振動により振動する振動板と、（ロ）この振動板に対し、繰返し信号で駆動して、強度が周期的に変化する光を照射する変調光照射手段と、（ハ）振動板を経由した光を検出し、且つ繰返し信号を用いて復調することにより、機械的振動の周波数分析をする復調手段とを備える振動解析装置であることを要旨とする。

本発明の第２の特徴は（イ）機械的振動により振動している振動板に対し、繰返し信号で駆動して、強度が周期的に変化する光を照射する段階と、（ロ）振動板を経由した光を検出し、且つ繰返し信号を用いて復調することにより、機械的振動の周波数分析をする段階とを備える振動解析方法であることを要旨とする。

本発明によれば、直接、デジタル化及び周波数分析が可能な振動解析装置及び振動解析方法を提供できる。

図面を参照して、以下に本発明の第１〜第３の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置は、図１に示すように、機械的振動により振動する振動板２１と、この振動板２１に対し、繰返し信号で駆動して、強度が周期的に変化する光を照射する変調光照射手段１と、振動板２１を経由した光を検出し、且つ周期的な繰返し信号を同期信号として復調することにより、機械的振動の周波数分析をする復調手段２とを備える。「繰返し信号」は、三角波や矩形波に限らず任意の波形でも、周期的に繰返し変化を示せば構わないが、ここでは、簡単化のために、強度ｘ_in（ｔ）が、以下の（１）式で示されるような正弦波で変化する場合について説明する。

即ち、第１の実施の形態に係る振動解析装置においては、以下の（１）式で示されるような正弦波で変化する光を照射する変調光照射手段１と、振動板２１を経由した光を検出し、且つ（１）式と同一の正弦波を同期信号として、復調（同期検出）することにより、機械的振動の周波数分析をする復調手段２とを備える：
ｘ_in（ｔ）＝sin（ω_0Aｔ＋φ） ・・・・・（１）
変調光照射手段１は、振動板２１に対し、光を照射する光源４３と、光の強度ｘ_in（ｔ）が（１）式の正弦波で変化するように光源４３の出力を変調する変調器４２とを備える。光源４３が、例えば半導体レーザ若しくは発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子であれば、変調器４２は、これらの半導体発光素子の駆動電流を、（１）式の正弦波で変調すれば良い。

又、復調手段２は、振動板２１を経由した光を検出し、電気信号に変換する光検出器３１と、電気信号を増幅する増幅器３２と、この増幅器３２により増幅された電気信号を（１）式の正弦波を同期信号として復調し、振動板２１の振動の振幅及び位相情報を得て、機械的振動の周波数分析をする復調器３３とを備える。変調器４２及び復調器３３には、同期信号としての周波数ω_0Aの正弦波信号を供給する発信器４１が接続されている。増幅器３２と復調器３３とをあわせてロックインアンプのような構成として、同期検出をしても良い。

従来の光マイクロフォンでは、光学的に振動変位を測定するために、一定の強度を持った光を振動板に入射していたが、発明の実施の形態に係る振動解析装置では、（１）式で示されるような、周波数ω₀の正弦波の強度が変化する光を振動板２１に入射させている。このため、振動板２１からの反射光には、基本周波数ω_0A＝２πf_0Aとその高調波成分以外含まれないため、容易に振動板２１の振動の周波数分析が可能となる。なお、基本周波数ω_0Aは、図１に示すように、出力の一部を入力側にフィードバックをかけることで振動板２１の共振周波数ｆ₀に合わせ込むことができる。更に、出力の一部を入力側にフィードバックをかけることで、感度の調整、ダイナミックレンジの拡大、ＳＮ比の向上などが行える。

更に、時分割で、互いに異なる周波数ω_0Aを有する複数の正弦波を用いて同期検出したり、正弦波の周波数ω_0Aを一定周期で掃引しながら同期検出したりすることにより、入力音波の周波数を同定することが可能である。時分割で、互いに異なる周波数ω_0Aを有する複数の正弦波を発生するためには、図１で複数の発信器４１を用意し、これら複数の発信器４１を時分割で制御する制御装置を更に備えればよい。正弦波の周波数ω_0Aを一定周期で掃引しながら同期検出する場合は、図１の発信器４１を掃引発信器とすれば良い。

例えば、振動板２１が、人間の音声の音圧により変動するとする。人間の声道を単一音響管とすると、音響管の共鳴周波数は、音速をｃ、音響管の長さをｌとすれば、
ｆ_n＝(２ｎ−１)ｃ／４ｌ ・・・・・（２）
で与えられる。音声は基本周波数ｆ₀とその高調波ｆ₁, ｆ₂, ｆ₃,・・・・・ｆ_n,・・・・・から成り立っていると考えられるため、振動板の振幅は

と表すことができる。音源フィルタ理論によれば、発声された出力スペクトルＰ（ｆ）は、喉頭音源スペクトルＵ（ｆ）、声道の伝達関数Ｔ（ｆ）、放射特性Ｒ（ｆ）との積で表すことができて、
Ｐ（ｆ）＝Ｕ（ｆ）Ｔ（ｆ）Ｒ（ｆ） ・・・・・（４）
となる（レイ・Ｄ・ケント／チャールズ・リード著、荒井隆行／菅原勉監訳「音声の音響分析」海文堂出版参照。）。Ｕ（ｆ）、Ｒ（ｆ）の項を一定とすると、例えば、複数の特性の異なるフィルタが並列接続されたフィルタバンクのようなアナログフィルタやデジタルフィルタにより、Ｔ（ｆ）を求めることで、音声分析できる。この様にして得られた波形の周波数分析するために、従来は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）により、フーリエ展開（Fourier Transform）して、スペクトル分析をしていた。例えば、次式によりフーリエ変換していた：

これはアナログ処理であって、デジタル処理では、DFT (Discrete Fourier Transform離散フーリエ変換)：

或いはDCT (Discrete Cosine Transform離散コサイン変換)：

又は、その変形である、MDCT (Modified Discrete Cosine Transform変形離散コサイン変換)：

を用いて周波数分析していた。この場合、高周波成分をカットしておかないと、エイリアシング（離散化に伴う高周波ノイズ）により、正確なスペクトルが得られない。本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置では、この様なＦＦＴ等を用いた複雑な処理をせず、振動板２１に周波数ω₀の正弦波の光を照射し、これを復調（同期検出）することで、音響信号入力に対して周波数ごとの振動板２１の振幅及び位相情報が簡便に得られる。

本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置の振動板２１は、図２に示すように、反射型の回折格子を備えるようにしても良い。図２では、図１に示した振動解析装置のうち、音圧により振動する振動板２１と、回折格子に光を照射する光源４３と、回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する光検出器３１とを詳細に示している。図２に示す光検出器３１には、フォトダイオードアレイ等のイメージセンサを用いるのが好ましい。即ち、光検出器３１は、光強度の違いを検出するのではなく、回折像の２次元的な像の検出により、２次元的な振動板２１の変位の検出を行うフォトダイオードアレイが好ましい。このため、光検出器（フォトダイオードアレイ）３１は、回折像を漏れなく検知できるように、回折光に対して十分に広いエリアが確保されている。

反射型の回折格子を備える振動板２１を用いた振動解析装置においては、光源４３より照射された光が、振動板２１に入射すると、光源４３から照射された光波は回折格子で反射し、光検出器３１の面上で回折像をもたらす。即ち、反射型回折格子を備えた振動板２１の変位を光学的に光検出器３１で検出し、更にこれを電気信号に変換する。

このため、振動板２１は、固定部４ａ，４ｂから弾性接続部５ａ，５ｂで吊るされている。具体的には、図３に示すように、支持基板１１に設けられた固定部４ａ，４ｂに弾性接続部５ａ，５ｂを介して振動板２１が懸架されている。平面パターンとして見れば、固定部４ａ，４ｂは、支持基板１１の上面に設けられた空洞部９Ｒを囲む額縁状の形状である。そして、振動板２１は、図３に示すような断面が舟形の空洞部９Ｒの上部に、ダイアフラム状の蓋として配置されている。

固定部４ａ及び４ｂはそれぞれ、単結晶Ｓｉからなる支持基板１１上に順に堆積された埋め込み絶縁膜１２，素子分離絶縁膜１３，層間絶縁膜１４，パッシベーション膜１５から構成されている。振動板２１も埋め込み絶縁膜１２，素子分離絶縁膜１３，層間絶縁膜１４，パッシベーション膜１５からなる積層構造である。弾性接続部５ａ及び５ｂは、埋め込み絶縁膜１２，素子分離絶縁膜１３，層間絶縁膜１４から構成され、素子分離絶縁膜１３の層にポリシリコン接続体２１ａ，２１ｂが埋め込まれている。

振動板２１に設けられる反射型の回折格子は、図４（ａ）に示す２次元回折格子でも、図４（ｂ）に示す１次元回折格子でも構わない。図４（ａ）では、振動板２１にマトリクス状に配置された複数の穴（凹部）Ｈ_i-1,1，・・・・・，Ｈ_i,1，Ｈ_1,2，Ｈ_1,3，・・・・・，Ｈ_i+2,6により２次元回折格子が構成された例を示している。又、図４（ｂ）では、振動板２１に周期的に配置された複数の溝Ｇ₁，Ｇ₂，Ｇ₃，・・・・・，Ｇ₆により１次元回折格子を構成した例を示している。

図２に示す状態で、図３に示すような構造の回折格子を有する振動板２１に音圧が入力されると、振動板２１は、弾性接続部５ａ，５ｂと固定部４ａ，４ｂとの境界を支点として振動する。図２で、振動板２１が変位する前の回折像を太い実線及び太い破線で示している。振動板２１が静止時、即ち音声による入力の無い場合には、光源４３より照射された光によって、図２中の太い実線及び太い破線で示すような間隔で光検出器３１の面上に回折像が現れる。

音声による入力があり、振動板２１と光検出器３１間との距離が変化すると、光検出器３１の面上の回折像の間隔が細い実線及び細い破線で示すように、２次元的に変化する。図２中の細い実線及び細い破線は、振動板２１の振動に伴い回折像の間隔が変化したことを示している。

この様に、光検出器３１の上で得られた回折像は、ある同次、同方位の回折像に注目すると振動の前後で、光検出器３１の上で差分が得られる。光検出器３１の上での、回折像の変位を検出することで、振動板２１の振動変位として出力する。

本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置によれば、回折格子によって自己結像する回折光を用いることにより、従来の光マイクロフォンで必要とした、振動板２１からの反射光を絞るためのレンズ、光波を任意の方向へ導くための光ファイバ或いは光ガイドといった導波路の設置の必要性が無くなる。光波の回折効果を利用するため、レンズ等を介さなくても自ら結像するため、光検出器３１の表面において、フォーカシングすることができ、高い分解能で検出することができる。又、振動板２１に対して入射させる入射光の光路に関しても制約が大幅に軽減される。

振動板２１に対する入反射光の光学的な制約が軽減されるため、本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置によれば、シンプルなシステムが構成でき、小型化することも可能になり使用できるアプリケーションが広がる。更に、本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置によれば、光検出器３１にフォトダイオードアレイを用いることによって、画素上において検出と同時にデジタル変換されている。このため、Ａ／Ｄコンバータが不要にもなり、応答速度も向上し、回路規模を小さくできる。図２に示すような、反射型回折格子においては、光源４３、光検出器３１の電源、駆動回路、処理回路を同一基板で形成することができる。更に、光検出器３１やその周辺回路同様、回折格子を形成した振動板２１を半導体製造プロセスで製造することができる。この結果、本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置の製造コストを減少することが可能になる。
図３から容易に理解できるように、振動板２１上の回折格子を形成する際、つまり、基板上に溝・格子を形成するにあたって、半導体製造プロセスを用いることは有用である。半導体製造プロセスを用いることにより、任意の格子周期を有する回折格子を再現性良く形成でき、量産に適している。又、支持基板１１として用いる半導体基板は様々な物性を有していることから、振動板２１の質量やバネ定数を容易に変更できる。例えば、振動板２１にシリコン（Ｓｉ）を用い、光源４３に波長λ＝１０００ｎｍ以下のレーザを使用し、格子の側壁に反射率の高い物質をコートすれば、シリコン部に入射した光は吸収し、格子側壁からの回折光のみを光検出器３１の上へ回折させるため、光検出器３１への迷光をカットし、結果Ｓ／Ｎを向上させることができる。

図６は本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置の実装構造の一例を示す。図６（ｂ）に示ように、回折格子を有し下方から入射する音波Φの音圧により振動する振動板２１を有する半導体基板５１と、回折格子に光を照射する面発光型半導体レーザ（光源）４３、回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換するフォトダイオード（光検出器）３１を有する実装基板５５とを互いに積層している。半導体基板５１と実装基板５５とは、ガラス基板（透明基板）５３を介して貼り合わせられている。この結果、実装基板５５、この実装基板５５の下のガラス基板（透明基板）５３、そしてガラス基板（透明基板）５３の下に配置された半導体基板５１とからなる３層構造で、本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置の一部を構成し、音圧による振動板２１の変位を電気信号に変換する。この３層構造は、例えば熱融着技術或いは接着剤で一体化すれば良い。

図６（ａ）は、実装基板５５の裏面のパターンを示す平面図である。光源用凹部１５５に搭載された光源４３は、図６（ａ）に示すように、光源４３上のボンディングパッドと配線１５２ｃ，１５２ｄとがボンディングワイヤ１６２ｃ，１６２ｄで接続されている（なお、光源４３の裏面が一方の電極になっている場合は、例えば配線１５２ｄを光源４３の裏面に導き、光源４３の上のボンディングパッドと配線１５２ｃとをボンディングワイヤ１６２ｃで接続すれば良い。）。そして、実装基板５５の表面に形成された配線１５２ｃ，１５２ｄを介して、光源４３の上のボンディングパッドは、パッド（電極パッド）１５１ｃ，１５１ｄとそれぞれ電気的に接続されている。パッド（電極パッド）１５１ｃ，１５１ｄは、図６において図示を省略した変調器４２に接続されている（図１参照。）。

同様に、光検出器用凹部１５６に搭載された光検出器３１上のボンディングパッドは、配線１５２ａ，１５２ｂとボンディングワイヤ１６２ａ，１６２ｂで接続されている（なお、光検出器３１の裏面が一方の電極になっている場合は、例えば配線１５２ｂを光検出器３１の裏面に導き、光検出器３１の上のボンディングパッドと配線１５２ａとをボンディングワイヤ１６２ａで接続すれば良い。）。そして、光検出器３１上のボンディングパッドは、図６（ａ）に示すように、実装基板５５の表面に形成された配線１５２ａ，１５２ｂを介して、パッド（電極パッド）１５１ａ，１５１ｂにそれぞれ導かれる。パッド（電極パッド）１５１ａ，１５１ｂは、図６において図示を省略した増幅器３２に接続されている（図１参照。）。

図６（ｂ）を参照すれば理解できるように、ガラス基板（透明基板）５３の両端付近はパッド１５１ａ〜１５１ｄの一部が顔を出すようになっているので、光源４３の駆動用配線と光検出器３１からの信号取り出し配線の電気的接続が可能となる。

実装基板５５の材料としては、有機系の種々な合成樹脂、セラミック、ガラス、半導体等の無機系の材料が使用可能である。有機系の樹脂材料としては、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂等が、使用可能で、又板状にする際の芯となる基材は、紙、ガラス布、ガラス基材などが使用される。無機系の基板材料として一般的なものはセラミック又は半導体である。又、放熱特性を高めるものとして金属基板、透明な基板が必要な場合には、ガラスが用いられる。セラミック基板の素材としてはアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）、ベリリア（ＢｅＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（ＳｉＣ）等が使用可能である。更に、鉄、銅などの金属上に耐熱性の高いポリイミド系の樹脂板を積層して多層化した金属ベースの基板（金属絶縁基板）でも構わない。これらの材料中、実装基板５５に半導体基板を用いれば、光源用凹部１５５及び光検出器用凹部１５６を半導体集積回路の製造工程と同様な、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術で簡単に形成できるので好ましい。

半導体基板５１は、図６ではあたかも単層の半導体基板であるかのように例示しているが、ＳＯＩ基板等の複合膜等でも構わない。

図４に示すように、半導体振動膜（振動板）２１には、マトリクス状に、一定の深さの複数の穴（凹部）Ｈ_i-1,1，・・・・・，Ｈ_i,1，Ｈ_i,2，Ｈ_i,3，・・・・・，Ｈ_i+2,6が配置され、２次元回折格子が構成されている。この様な周期的なパターン（２次元回折格子）が形成された半導体振動膜（振動板）２１は、弾性梁１１５ａ，１１５ｂにより、半導体基板５１に設けられた底部空洞部５７の側壁に固定されている。図６（ａ）に２点鎖線で示したように、平面パターンとして見れば、半導体基板に底部空洞部５７が矩形額縁状の形状で設けられている。そして、図６に示すように、振動板２１は底部空洞部５７の内部に、矩形のダイアフラム状に配置されている。図６（ａ）では、弾性梁１１５ａ，１１５ｂも２点鎖線で示した。

半導体レーザ（光源）４３のビームは、図６に示すように、ガラス基板（透明基板）５３を透過後に半導体振動膜（振動板）２１の回折格子で回折され、再びガラス基板（透明基板）５３を透過して、フォトダイオード（光検出器）３１で検出される。

本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置は、実装基板５５、ガラス基板（透明基板）５３、半導体基板５１のいずれも６０μｍ〜６００μｍ程度、好ましくは、１００μｍ〜３００μｍ程度の薄膜を３層を貼り合わせた構造とすることが可能であり、小型化、薄型化に好適である。更に、本発明の第１の実施の形態によれば、振動板の微小な振動変位を反射光強度の大きな差分として観測するが可能で、低コストで、使用範囲の限定が少ない振動解析装置が実現できる。このため、高指向性を備え、安定性に優れ、小型薄型で耐環境性があり、且つ製造歩留まりの高い振動解析装置が提供できる。

特に、共振周波数ｆ₀が異なる複数の振動板２１をマトリクス状、若しくはアレイに配列した半導体基板５１を用意し、この複数の振動板２１のそれぞれに光を照射する面発光型半導体レーザ（光源）４３、複数の振動板２１で回折した光を検知し電気信号に変換するフォトダイオード（光検出器）３１を有するように、光源４３及び光検出器３１をそれぞれ複数個用い、異なった正弦波の周波数ω_0Aをそれぞれの光源４３から照射し、対応する正弦波の周波数ω_0Aでそれぞれ同期信号として用い復調（ロックイン増幅）すれば、同時に異なった周波数の解析が可能になる。

更に、一定の場合は、本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置において、透明基板５３を省略することも可能である。例えば、図７（ａ）に示ように、発信器４１，変調器４２，面発光型半導体レーザ（光源）４３、フォトダイオード（光検出器）３１、増幅器３２，復調器３３を集積化した第２半導体基板１８を実装基板とし、半導体振動膜（振動板）２１を形成した第１半導体基板５１とを直接接合法で接合した２層構造でも構わない。図７（ａ）においては、化合物半導体からなる第２半導体基板１８上に形成したエピタキシャル成長層１９を用いて、光源４３と光検出器３１とが形成され、光源４３と光検出器３１との間を絶縁膜やプロトン（Ｈ⁺）照射による高抵抗領域からなる素子分離領域１８１で電気的に分離されている。第１半導体基板５１は、薄い半導体振動膜（振動板）２１の機械的強度を考慮すればシリコン（Ｓｉ）が好ましいが、化合物半導体基板でも構わない。面発光型半導体レーザ（光源）４３とフォトダイオード（光検出器）３１との距離はフォトリソグラフィ技術で設計できるので微細化が容易で、小型化・薄膜化に優れた構造である。光源４３は、図７（ｂ）に示すような、ｎ側ブラッグ反射膜１９１，ｎ側クラッド層１９２，活性層１９３，ｐ側クラッド層，ｐ側ブラッグ反射膜１９５及びｐ側電極１８２等を備える面発光半導体レーザで構成すれば良い。光検出器３１としては、図７（ｂ）に示した面発光半導体レーザをフォトダイオードとして用いれば、面発光半導体レーザと禁制帯幅が同一のフォトダイオードを用いたことになり、波長の共鳴効果により、雑音や迷光の影響を受けない、極めて好感度な振動解析装置が実現できる。

図７に示す構造でも、共振周波数ｆ₀が異なる複数の振動板２１をマトリクス状、若しくはアレイに配列した半導体基板５１を用意し、この複数の振動板２１のそれぞれに光を照射するように発信器４１，変調器４２，光源４３を構成し、且つ、複数の振動板２１で回折した光をそれぞれ復調（同期検出）するように、光検出器３１，増幅器３２，復調器３３を構成し、異なった正弦波の周波数ω_0Aをそれぞれの光源４３から照射し、対応する正弦波の周波数ω_0Aでそれぞれ同期検出（ロックイン検出）すれば、同時に異なった周波数の解析が可能になる。

本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置及び振動解析方法によれば、ＦＦＴ等の複雑な手法を用いなくても、直接、デジタル化及び周波数分析が可能である。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る振動解析装置は、図８に示すように、透過型の回折格子を有し、機械的振動により振動する振動板２１を備える点が、第１の実施の形態に係る振動解析装置と異なる。即ち、透過型の回折格子を有する振動板２１と、この振動板２１に対し、強度ｘ_in（ｔ）が正弦波で変化する光を照射する変調光照射手段１と、振動板２１を透過し、回折した光を検出し、且つ正弦波の周波数ω_0Aで復調（同期検出）することにより、機械的振動の周波数分析をする復調手段２とを備える。なお、第１の実施の形態に係る振動解析装置で述べたように、より一般には、変調光照射手段１は、繰返し信号を用いて強度が周期的に変化する光を照射するようにし、復調手段２は、繰返し信号を同期信号として用いて復調すれば良い。即ち、「繰返し信号」は、三角波や矩形波に限らず任意の波形でも、周期的に繰返し変化を示せば構わないが、第２の実施の形態では、簡単化のために、強度ｘ_in（ｔ）が、以下の（１）式で示されるような正弦波で変化する場合について説明する。

振動板２１が、固定部４ａ，４ｂから弾性接続部５ａ，５ｂで吊るされている点は、図２に示した振動解析装置と同様である。変調光照射手段１は、第１の実施の形態に係る振動解析装置と同様に、振動板２１に対し、光を照射する光源４３と、光の強度ｘ_in（ｔ）が正弦波で変化するように光源４３の出力を変調する変調器４２とを備える。光源４３が、例えば半導体レーザ若しくは発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子であれば、変調器４２は、これらの半導体発光素子の駆動電流を、（１）式の正弦波で変調すれば良い。復調手段２は、振動板２１を透過し、回折した光を検出し、電気信号に変換する光検出器（フォトダイオードアレイ）３１と、電気信号を増幅する増幅器３２と、この増幅器３２により増幅された電気信号を（１）式の正弦波を同期信号として、復調（同期検出）し、振動板２１の振動の振幅及び位相情報を得て、機械的振動の周波数分析をする復調器３３とを備える。変調器４２及び復調器３３には、周波数ω_0Aの正弦波信号を供給する発信器４１が接続されている。

図８に示す光検出器３１には、図２に示した振動解析装置と同様に、フォトダイオードアレイ等のイメージセンサを用いるのが好ましい。即ち、光検出器３１は、光強度の違いを検出するのではなく、回折像の２次元的な像の検出により、２次元的な振動板２１の変位の検出を行う。このため、光検出器３１は、回折像を漏れなく検知できるように、回折光に対して十分に広いエリアが確保されている。

図８に示した第２の実施の形態に係る振動解析装置においては、光源４３より照射された光が、振動板２１に入射し、振動板２１には透過型の回折格子が形成されているので、光源４３から照射された光波は振動板２１を透過し、光検出器３１の面上で回折像をもたらす。図８は、回折格子が形成された振動板２１が、音声の入力によって振動し、光検出器３１の上での回折像の変位が変化した様子を示す。振動板２１が静止時、即ち音声による入力の無い場合は、光源４３より照射された光によって、図８中の太い実線及び太い破線で示すような間隔で光検出器３１の面上に回折像が現れる。次に、この状態に音圧が入力されると、振動板２１は、弾性接続部５ａ，５ｂと基板との境界を支点として振動する。したがって、振動板２１と光検出器３１間との距離が変化し、光検出器３１の面上の回折像の間隔が細い実線及び細い破線で２次元的に変化する。図８中の細い実線及び細い破線は、振動板２１の振動に伴い回折像の間隔が変化したことを示している。

ここで、光検出器３１の上で得られた回折像について、ある同次、同方位の回折像に注目すると、振動の前後で、光検出器３１の上で差分が得られる。光検出器３１の上での、回折像の変位を検出することで、振動板２１の振動変位として出力する。このとき、振動板２１の静止時、又は振動時に限らず、連続した振動板２１の振動を検出し出力する。回折格子が形成された振動板２１は、入力された音声のあらゆる周波数に対しフラットな特性を示すように設計されているが、振動板２１の質量或いは固定面と振動板２１を繋ぐ弾性接続部５ａ，５ｂのバネ定数を異ならせた、振動板２１を複数設置して、入力された音声の周波数に対して広帯域により高い感度を有する構造にしても良い。

又、光検出器３１やその周辺回路同様、回折格子を形成した振動板２１においても、半導体製造プロセスで製造することができる。特に、振動板２１上の回折格子を形成する際、つまり基板上に溝・格子を形成するにあたって、半導体製造プロセスを用いることは有用で、任意の格子周期を有する回折格子を再現性良く形成でき量産に適している。又、様々な物性を有していることから、振動板２１の質量やバネ定数を容易に変更できる。例えば、振動板２１にシリコン（Ｓｉ）を用い、光源４３に波長λ＝１０００ｎｍ以下のレーザを使用し、格子の側壁に反射率の高い物質をコートすれば、シリコン部に入射した光は吸収し、格子側壁からの回折光のみを光検出器３１の上へ回折させるため、光検出器３１への迷光をカットし、結果Ｓ／Ｎを向上させることができる。

本発明の第２の実施の形態に係る振動解析装置及び振動解析方法によれば、第１の実施の形態と同様に、ＦＦＴ等の複雑な手法を用いなくても、直接、デジタル化及び周波数分析が可能である。

第２の実施の形態に係る振動解析装置及び振動解析方法は、第１の実施の形態と同様に、時分割で、互いに異なる周波数ω_0Aを有する複数の正弦波を用いて同期検出したり、正弦波の周波数ω_0Aを一定周期で掃引しながら同期検出したりすることにより、入力音波の周波数を同定することが可能である。

（第３の実施の形態）
第１及び第２の実施の形態に係る振動解析装置では、時分割で、互いに異なる周波数ω_0Aを有する複数の正弦波を用いて同期検出したり、正弦波の周波数ω_0Aを一定周期で掃引しながら同期検出したりすることにより、入力音波の周波数を同定することが可能であることを述べたが、周波数ω_0Aを掃引することは周波数変調になる。

即ち、本発明の第１及び第２の実施の形態に係る振動解析装置では、（１）式で示されるような一定の周波数ω_0Aの正弦波で光を変調し、これを同期検出（復調）する場合について説明した。本発明の第３の実施の形態に係る振動解析装置では、変調指数δとして、（１）式ではなく、以下の（９）式に示すように、角周波数ω_Sの変調信号sinω_Sｔで周波数変調する場合について説明する。

ｘ_in（ｔ）＝sin（ω_0Aｔ＋δsinω_Sｔ＋φ） ・・・・・（９）
図５（ｂ）は、搬送波の角周波数ω_0Aの入射光が、信号波の角周波数ω_Sで変調された様子を示す。図５（ａ）は、入射音波の振動を示す。角周波数ω_Sの変調信号sinω_Sｔで周波数変調することにより、入射音波の振動に合わせ込み、周波数解析することも可能を示す。

このため、第３の実施の形態に係る振動解析装置では、図９に示すように、機械的振動により振動する振動板２１と、この振動板２１に対し、強度ｘ_in（ｔ）が、（９）式で示されるような周波数変調された正弦波で変化する光を照射する変調光照射手段１と、振動板２１を経由した光を検出し、且つ（９）式の変調信号sinω_Sｔで復調することにより、機械的振動の周波数分析をする復調手段２とを備える。変調光照射手段１及び復調手段２には、変調信号sinω_Sｔを供給する局部発信器４７が接続されている。更に、変調光照射手段１には、角周波数ω_0Aの搬送波の発信器４６が接続されている。

変調光照射手段１は、振動板２１に対し、光を照射する光源４３と、光の強度ｘ_in（ｔ）が（９）式の正弦波で変化するように光源４３の出力を変調する変調器４２とを備える。変調器４２は、図１０に示すように、ミキサー４２１とオペアンプ４２２とから構成される。オペアンプ４２２の出力端子と反転端子（−端子）との間に光源４３が接続され、オペアンプ４２２の非反転端子（＋端子）にミキサー４２１の出力が接続されている。ミキサー４２１により、発信器４６からの搬送波と、局部発信器４７からの変調信号sinω_Sｔが混合され、（９）式で示されるような周波数変調された正弦波が生成される。光源４３が、例えば半導体レーザ若しくは発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子であれば、変調器４２は、これらの半導体発光素子の駆動電流を、（９）式の周波数変調された正弦波で変調すれば良い。

又、復調手段２は、振動板２１を経由した光を検出し、電気信号に変換する光検出器３１と、電気信号を増幅する増幅器３２と、この増幅器３２により増幅された電気信号を（９）式の変調信号sinω_Sｔで復調し、振動板２１の振動の振幅及び位相情報を得て、機械的振動の周波数分析をする復調器３３とを備える。増幅器３２は、オペアンプ３２１で構成され、光検出器３１の出力が入力抵抗Ｒ１を介して、オペアンプ３２１の反転端子（−端子）に入力される。オペアンプ３２１の出力端子と反転端子（−端子）との間には、帰還抵抗Ｒ２が接続されている。復調器３３は、図１０に示すように、ミキサー３３１とバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３３２とアンプ３３３とから構成される。ミキサー３３１には、オペアンプ３２１の出力端子からの変調された正弦波と、局部発信器４７からの変調信号sinω_Sｔが入力され、ミキサー３３１で混合される。これにより、ミキサー３３１では、搬送波の正弦波と局部発信器４７の出力する変調信号sinω_Sｔとの差の周波数の信号が抽出される。差の周波数の信号は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３３２を通過後、アンプ３３３で増幅される。

本発明の第３の実施の形態に係る振動解析装置及び振動解析方法によれば、第１及び第２の実施の形態と同様に、ＦＦＴ等の複雑な手法を用いなくても、直接、デジタル化及び周波数分析が可能である。

（その他の実施の形態）
本発明は第１〜第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば第１〜第３の実施の形態の説明では、振動板２１が、音圧により変動する場合について例示し説明したが、地震計のように、他の機械的振動で振動する場合も同様に、その振動の周波数解析が可能である。
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置の振動板の近傍を詳細に示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置の振動板の具体的な構造例を示す断面図である。 図４（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置の振動板に用いる反射型の２次元回折格子を示す鳥瞰図、図４（ｂ）は振動板に用いる反射型の１次元回折格子を示す鳥瞰図である。 図５（ａ）は、入射音波の振動を示す模式図で、図５（ｂ）は、正弦波を更に、信号波の角周波数で変調した様子を示す模式図である。 図６（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置の実装構造を示すための、実装基板の裏面から見たパターンを示す平面図で、図６（ｂ）は、実装基板、ガラス基板（透明基板）、半導体基板からなる３層構造を説明する模式的な断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る振動解析装置の他の実装構造を説明する模式的な断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る振動解析装置の構成を示す模式図である。 本発明の第３の実施の形態に係る振動解析装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る振動解析装置の振動板の近傍を詳細に示す模式図である。

符号の説明

１…変調光照射手段
２…復調手段
４ａ，４ｂ…固定部
５ａ，５ｂ…弾性接続部
９Ｒ…空洞部
１１…振動板
１１…支持基板
１２…絶縁膜
１３…素子分離絶縁膜
１３…素子分離絶縁膜
１４…層間絶縁膜
１５…パッシベーション膜
１８…第２半導体基板
１９…エピタキシャル成長層
２１…振動板
２１ａ，２１ｂ…ポリシリコン接続体
３１…光検出器（フォトダイオードアレイ）
３２…増幅器
３３…復調器
４１，４６…発信器
４２…変調器
４３…光源
４７…局部発信器
５１…半導体基板（第１半導体基板）
５３…透明基板
５５…実装基板
５７…底部空洞部
１１５ａ，１１５ｂ…弾性梁
１５１ａ〜１５１ｄ…パッド
１５２ａ，１５２ｂ，１５２ｃ，１５２ｄ…配線
１５５…光源用凹部
１５６…光検出器用凹部
１６２ａ，１６２ｂ，１６２ｃ，１６２ｄ…ボンディングワイヤ
１８１…素子分離領域
１８２…ｐ側電極
１９１…ｎ側ブラッグ反射膜
１９２…ｎ側クラッド層
１９３…活性層
１９５…側ブラッグ反射膜
３２１…オペアンプ
３３１，４２１…ミキサー
３３３…アンプ
４２２…オペアンプ

Claims (10)

1. 回折格子を備え、機械的振動により振動する振動板と、
   繰返し信号で駆動して、強度が周期的に変化する光を、前記振動板の前記回折格子に照射する変調光照射手段と、
   前記振動板の前記回折格子に照射された前記光により形成された回折像を検出して電気信号に変換し、該電気信号を前記繰返し信号を用いて復調することにより、前記機械的振動の周波数分析をする復調手段
   とを備えることを特徴とする振動解析装置。
2. 前記回折像が、２次元的な像であることを特徴とする請求項１記載の振動解析装置。
3. 前記復調手段は、
   前記回折格子に照射された前記光により形成された回折像を検出し、電気信号に変換する光検出器と、
   前記電気信号を増幅する増幅器と、
   該増幅器により増幅された電気信号を、前記繰返し信号を同期信号として用いて同期検出する復調器
   とを備え、前記復調手段から前記振動板の振動の振幅及び位相情報を得ることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動解析装置。
4. 前記変調光照射手段と前記復調手段とに接続され、変調信号を出力する局部発信器を更に備え、
   前記変調信号で、前記周期的に変化する光を周波数変調し、
   前記復調手段は、
   前記回折格子に照射された前記光により形成された回折像を検出し、電気信号に変換する光検出器と、
   前記電気信号を増幅する増幅器と、
   該増幅器により増幅された電気信号と前記変調信号とを周波数混合するミキサー
   とを備え、前記復調手段から前記振動板の振動の振幅及び位相情報を得ることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動解析装置。
5. 前記光検出器がイメージセンサであることを特徴とする請求項３又は４に記載の振動解析装置。
6. それぞれ回折格子を備え、機械的振動により振動する、共振周波数の異なる複数の振動板と、
   それぞれ繰返し信号で駆動して、強度が周期的に変化する光を、前記複数の振動板のそれぞれの前記回折格子に照射する複数の変調光照射手段と、
   前記複数の振動板の前記回折格子のそれぞれに照射された前記光により形成されたそれぞれの回折像を検出して電気信号に変換し、該電気信号を前記繰返し信号を用いて復調することにより、前記機械的振動の周波数分析をする復調手段
   とを備えることを特徴とする振動解析装置。
7. 前記複数の変調光照射手段が、互いに異なった正弦波の周波数で変調された前記光を、前記複数の振動板のそれぞれの前記回折格子に照射することを特徴とする請求項６記載の振動解析装置。
8. 回折格子を備え、機械的振動により振動している振動板の前記回折格子に対し、繰返し信号で駆動して、強度が周期的に変化する光を照射する段階と、
   前記振動板の前記回折格子に照射された前記光により形成された回折像を検出して電気信号に変換し、該電気信号を前記繰返し信号を用いて復調することにより、前記機械的振動の周波数分析をする段階
   とを備えることを特徴とする振動解析方法。
9. それぞれ回折格子を備え、機械的振動により振動する、共振周波数の異なる複数の振動板に対し、それぞれ繰返し信号で駆動して、強度が周期的に変化する光を、それぞれ照射する段階と、
   前記複数の振動板の前記回折格子のそれぞれに照射された前記光により形成されたそれぞれの回折像を検出して電気信号に変換し、該電気信号を前記繰返し信号を用いて復調することにより、前記機械的振動の周波数分析をする段階
   とを備えることを特徴とする振動解析方法。
10. 互いに異なった正弦波の周波数で変調された前記光を、前記複数の振動板のそれぞれの前記回折格子に照射することを特徴とする請求項９記載の振動解析方法。

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