JPH05227597A - マイクロフォン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 音波を受ける振動板を排斥し、低歪みで広帯
域、広ダイナミックレンジのマイクロフォンを得る。 【構成】 開放され、空気の存在する音波入力部１に音
波Ｓを入力する。音波Ｓを横切るように、ファブリペロ
ー型レーザ光干渉計の一構成要素となる一対の反射鏡
３，４間でレーザ光Ｂを往復させる。音波Ｓのそのとき
どきの音圧に応じた空気の粗密変化により、レーザ光の
光路長に光学的、等価的な変化を与え、これを受光装置
５で捕える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は音波を捕え、光信号また
は電気信号に変換するためのマイクロフォンに関する。

【０００２】

【従来の技術】音波を電気信号に変換するマイクロフォ
ンの歴史は古く、特性的にも徐々に進歩はしてきたが、
長い間に亙り、革新的な改良というものは見られなかっ
た。ちなみに、従来のマイクロフォンをその動作原理に
基づいて分類してみると、マグネティック型ないしダイ
ナミック型と呼ばれる電磁誘導型のもの、エレクトレッ
トコンデンサ型等、静電効果を利用したもの、そしてク
リスタル型とかセラミック型等と呼ばれる、圧電効果を
利用したものに限られていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のマ
イクロフォンは、それぞれの動作原理ごとに一長一短が
あるが、共通した欠点は、いずれもアナログ電気信号し
か取り出せず、しかもその大きさが、代表的に数ｍＶ程
度と微弱なことである。そのため、良好なＳ／Ｎ（信号
対雑音）比を取ることが難しく、マイクロフォン回路全
体として高い変換性能を得ようとすれば、後続の増幅器
にも極めて低雑音のものを要求し、増幅器までの配線に
も大いに気を使わねばならなかった。また、電界や磁界
の非一様性に伴う非直線歪みから逃れ得ず、相当に優秀
なる特性のものでも、数％オーダの歪みの発生を避け得
なかった。これは、後続の増幅器における増幅歪みに比
し、三桁も四桁も劣る値である。極く簡単な増幅器でも
コンマ数％オーダの歪みのものは容易に得られるし、高
級な増幅器では、最早％オーダではなく、ｐｐｍオーダ
で歪みを計らねばならない程、低雑音、低歪みのものさ
えあることを考えると、入力におけるマイクロフォンの
歪みこそ、大いに低減せねばならない問題である。さら
に、浮遊容量やインダクタンスの影響により、周波数特
性も余り伸びず、高級なエレクトレットコンデンサ型で
は、可聴帯域上限とされている２０ＫＨ_Zを余裕を持っ
てクリアする周波数特性を持つものもありはしたが、大
方は狭い周波数帯域を甘受せざるを得なかった。したが
って当然のことながら、可聴帯域のみを検出すれば良い
という、これまでのマイクロフォンの概念を越え、例え
ば超音波帯域を検出し得るような要求がなされても、こ
れに応え得るものはほとんどなかった。さらに、もっと
根本的な問題として、これまでに提供されているマイク
ロフォンは、いずれも、音波によって振動する機械的な
振動板を必須としている点が挙げられる。確かに、振動
板の振動系だけを考えるならば、振動板に用いる材質や
質量、成形精度や弾性支持方法を最適化することによ
り、入力音波に対して相当にリニアリティの良い振動系
を得ることはできる。しかし、それでも歪みが零になる
訳ではないし、振動系の機械的な共振周波数により周波
数特性にも制限が生まれ、ダイナミックレンジにもおの
ずと限界がある。機械造的にも複雑にならざるを得な
い。本発明は、このような実情に鑑みてなされたもの
で、全くにして新たなる動作原理に従い、そもそも振動
板の存在を排斥することにより、既存のマイクロフォン
の持つ上述の欠点を解消ないし大いに緩和し、さらには
昨今の高精度なデジタル記録技術や光伝送方式、光回路
技術にも真にふさわしいマイクロフォンを提供せんとす
るものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、まず、入力してくる音波に対して開放された
空間であり、空気の存在する音波入力部を設ける。そし
て、この音波入力部に対し、レーザ光を照射する手段
と、音波入力部に入力してきた音波による、当該音波入
力部内の空気の密度変化により、レーザ光に生ずる変化
を検出する手段とを設ける。こうした本発明の基本構成
に対し、下位の態様としては、音波入力部がレーザ干渉
計の一部を構成するようにし、空気の密度変化に伴うレ
ーザ光路長の変化を検出することで入力音波を捕える
か、または音波入力部に空気と屈折率の異なるレーザ光
透過部材を設け、空気の密度変化に伴う当該空気の屈折
率変化により、レーザ光透過部材から出射したレーザ光
に生ずる角度的な変化を検出することで音波を捕えるマ
イクロフォンも提案する。

【０００５】

【実施例】図１には、本発明に従って構成されたマイク
ロフォンの第一の実施例の概略構成が示されている。ま
ず、検出すべき音波Ｓの入力する音波入力部１がある。
この実施例の音波入力部１は、音波の進行方向と直交す
る方向に対峙した、互いに平行な一対の半透鏡３，４を
有し、換言すればこの一対の半透鏡３，４の間の空間部
分が、検出対象の音波Ｓの入力してくる音波入力部１と
なる。当該音波入力部１は、入力してくる音波に対し、
開放された空間を形成している（つまり、何らかの振動
部材や遮蔽部材等を経ることなく、直接に音波が入力し
てくる空間部分である）必要があり、したがって実用環
境下では当然に、ここには空気が存在する。

【０００６】一対の半透鏡３，４の一方、例えば半透鏡
３の外側から当該半透鏡３に対し、レーザ光源２の発す
るレーザ光Ｂを照射し、このレーザ光Ｂが、音波入力部
１を横切りながら一対の半透鏡３，４間を繰り返し反射
により適当回数往復するように図る。明らかなように、
このような装置機構は、周知のファブリペロー型レーザ
干渉計を構成するから、一対の半透鏡３，４間を往復反
射するレーザ光Ｂが干渉し合うので、他方の半透鏡４か
ら出射した干渉光を受光装置５にて捕えれば、これら一
対の半透鏡３，４間の光学的距離変化をナノメートルオ
ーダで検出できる非常に高精度な検出系となる。

【０００７】しかるに、本発明においては、原理構造は
このような既存のファブリペロー型干渉計を利用するも
のの、一対の半透鏡３，４間の物理的な位置の変化を検
出するように用いるのではなく、これらは共に幾何的に
固定、定置し、それらの間の空気に対し、音波Ｓの及ぼ
す密度変化を利用する。すなわち、音波Ｓはそもそも空
気の粗密変化であるから、レーザ光Ｂの光路中において
このような空気の密度変化が生ずれば、それはレーザ光
Ｂにとって等価的には光学的な光路長の変化となる。音
波Ｓによる空気の密度変化自体は、せいぜいマイクロバ
ールのオーダであるが、当該音波Ｓの入力する入力部１
が、ファブリペロー干渉計の一部を構成する一対の半透
鏡３，４間の間の空間部分１であるならば、それら一対
の半透鏡３，４間の幾何的な間隔を、検出対象とする音
波の上限周波数における波長に比し、小さく取っても、
レーザ光Ｂには十分なる光路長変化を生じさせることが
できる。

【０００８】したがって、受光装置５が、既存のファブ
リペロー干渉計における受光機構と同様な原理により、
干渉の程度を検出できるものであれば、その検出情報を
音波の検出情報として、アナログ的な電気信号や、デジ
タルバイナリコードとしての電気信号に変換することは
容易であるから、極めて高精度（低歪み）、広帯域のマ
イクロフォンを構成することができる。ダイナミックレ
ンジにおいても、本発明の構成によれば、原理的にこれ
に制限を設けるものはないから、実際にも相当広く取
れ、かつ、設計の自由度も高まる。もちろん、電気信号
に変換することなく、光信号のまま、レーザ増幅器（図
示せず）等によって後続の光回路に送出することも可能
である。

【０００９】なお、この実施例も含め、以下述べるいず
れの実施例においても、各構成要素に付した符号が他の
実施例におけるそれと同じものは、同一または対応する
構成要素であり、どれかの実施例において各構成要素に
つき説明した事項は、特に適用できないことを明記しな
い限り、他の実施例においても対応する構成要素に関
し、等しく適用することができる。

【００１０】図２には、二光路型のレーザ干渉計を利用
した本発明の第二の実施例が示されている。レーザ光源
２から発せられたレーザ光Ｂは、ビームスプリッタ６に
よって二光路に分割され、必要に応じて設けることので
きる、適当なる反射鏡７₁ ，７₂ を介した後、光学的に
は同一の機能を果たすように構成された、それぞれ一対
の反射鏡３₁ ，４₁ と３₂ ，４₂ 間に至って、これらの
間で適当回数往復した後、合波器８を介して再び一つの
光路に合成され、受光装置５に至る。ここで、分割され
た各レーザ光Ｂ₁ ，Ｂ₂ の光路長をそれぞれ等しくなる
ように設計すれば、それらレーザ光Ｂ₁ ，Ｂ₂ は、合波
された時点で相互に干渉し、したがってこうした装置構
成は、周知の二光路型レーザ干渉計を構成する。

【００１１】しかるに、本発明では、このように二光路
長の差異を精密に測定できる二光路型レーザ干渉計の原
理を利用しながら、各一対の反射鏡３₁ ，４₁ ：３₂ ，
４₂の中、一方の組３₁ ，４₁ の間をのみ、入力音波Ｓ
に対して開放し、空気の存在する音波入力部１とし、他
方には音波Ｓが入力しないようにしている。そのため
に、図中において模式的に示すように、他方の組の一対
の反射鏡３₂ ，４₂ の前には、入力音波Ｓを遮蔽する遮
音板９を設けている。

【００１２】このようになっているため、一方の反射鏡
対３₁ ，４₁ の間にてのみ、入力音波Ｓにより、その音
圧に応じた空気の粗密変化が生ずるので、二つに分割さ
れた一対のレーザ光Ｂ₁ ，Ｂ₂ の間にも、当該音波Ｓの
そのときどきの音圧に応じた光路差が生ずる。したがっ
て、受光装置５により、これを光の干渉原理を利用して
検出すれば、極めて高い精度で入力音波Ｓを検出するこ
とができる。この実施例の場合にも、各一対の反射鏡３
₁ ，４₁ ：３₂ ，４₂ のそれぞれの間隔を、入力音波の
波長に比して相当小さく取っても、図示のように、それ
ら反射鏡間で適当なる複数回、レーザ光Ｂ₁ ，Ｂ₂ が反
射する構成とすれば、それらの間に十分大きな等価光路
差を得ることができる。

【００１３】図３には、本発明の第三の実施例が示され
ている、この実施例は、これまでの実施例のように、レ
ーザ光干渉原理を利用するのではなく、音波Ｓの音圧に
応じた空気の屈折率変化を検出するものである。すなわ
ち、レーザ光源２から発せられたレーザ光Ｂは、レーザ
光透過部材としてこの実施例で選択されたプリズム１２
に入射した後、再度、空気中に出る。このときの屈折角
は、プリズム１２を構成している材質（例えばガラス）
と空気との屈折率比によって決定され、一方、空気の屈
折率は、そのときどきの当該空気の密度によって変化す
る。そこで、レーザ光Ｂが、このプリズム１２から再度
空気中に出る部分を、音波Ｓの入力部１とすれば、当該
プリズム１２から空気中に出るときのレーザ光Ｂのその
ときどきの屈折角は、そのときどきの音波Ｓの音圧に応
じて変化するので、これを受光装置５で捕えれば、当該
レーザ光のそのときどきの受光装置５に対する入射位置
の変化により、音波Ｓを検出した光検出信号または変換
電気信号を得ることができる。簡単かつ代表的な構成例
として、受光装置５には、例えばフォトダイオード等の
光検出素子をレーザ光Ｂの入射位置変位の方向に沿って
アレイ状に並べたもの等を使用できる。

【００１４】もちろん、上記によるレーザ光Ｂの一回の
屈折角の変化は小さいが、図示の通り、適当なる反射鏡
手段１０,・・・・・・ を用い、繰り返し、レーザ光Ｂがプリ
ズム１２中を通るように構成すれば、積分された屈折角
変化を得ることができ、検出に十分となる。なお、レー
ザ光源２からの当初のレーザ光Ｂは、例えば図面紙面に
直交する方向の手前側、やや斜め上から照射し、最初の
反射鏡１０には掛らないようにしてプリズム１２に入射
させるようにし、こうして入射されたレーザ光Ｂが、複
数の反射鏡１０,・・・・・・ の間を所定回数往復した後、最
初の反射鏡１０の部分を、これに触れないように、図面
紙面に直交する裏側方向に抜けて受光装置５に至るよう
にすれば、装置構成も簡単になり、特に半透鏡構成等は
不要になる。

【００１５】しかるに、上述の実施例では、いずれも音
波入力部１に関し、レーザ光Ｂの入口と出口は空間的に
分離されていた。しかし、レーザ光Ｂの入出力を時間的
に分離すれば、入口、出口は空間的に同一の個所とする
こともできる。図４は、レーザ光干渉計原理を利用した
実施例の改変例として、このような装置構成例を示して
いる。すなわち、当初、レーザ光源２から出射したレー
ザ光Ｂは、まずは仮想線の矢印ａで示すように、適当に
短い時間で良い第一の時間幅だけ、光スイッチ１３を通
過する。この光スイッチ１３を出たレーザ光Ｂは、音波
入力部１を経て反射鏡４に入射し、全反射されるが、こ
の実施例の場合、当該音波入力部１には、音波Ｓの進行
方向に正対する遮音板９が挿入され、したがって、実質
的な音波入力部１は、この遮音板９の上方の空間部分で
あり、遮音板９の下の部分には音波Ｓの影響が及ばな
い。図４中ではこの点、模式的にしか示していないが、
いずれにしても、遮音板９の上方空間部分である音波入
力部１を通過したレーザ光Ｂも、遮音板９の下の、音波
の影響を受けない空間部分を通過したレーザ光Ｂも、共
に反射鏡４にて反射され、光スイッチ１３の方に戻る。

【００１６】しかるに、光スイッチ１３は、上記の第一
の時間幅が経過すると、次の一定時間の間は光路を閉
じ、一種の全反射鏡として機能する。したがって、当該
一定時間の間、レーザ光Ｂは反射鏡４と光スイッチ１３
との間を往復する。これは、これまでの実施例中におい
ても述べたように、音波入力部１における当該音波Ｓの
影響に応じた空気の粗密変化の大きさに対し、音波入力
部１を通過する光路中のレーザ光Ｂの光路長変化を増幅
するためである。もし、この時間の間のレーザ光Ｂの減
衰が問題になるようであれば、図中に併示されているよ
うに、適当なる光増幅器１４を挿入すれば良い。

【００１７】必要な時間が経過すると、これに引き続い
て、光スイッチ１３はこれも適当に短い第二の時間幅だ
け、仮想線の矢印ｂで示すように光路を切り替え、反射
鏡４からの反射レーザ光Ｂを受光装置５に入力させる。
こうした操作を、音波Ｓの速度よりも十分に速い速度で
繰返せば、遮音板９を挟む上下のレーザ光成分の位相差
情報に基づき、入力音波Ｓのそのときどきの音圧を実質
的にほとんどリアルタイムで検出することができる。

【００１８】なお、光路切り替えのための光スイッチ１
３は、例えば偏向素子と電気光学効果を組合せる等し
て、既存の技術により当業者であれば極めて容易に組む
ことができる。もちろん、この図４に示された実施例に
よる、時間的なレーザ光入出力分離の方法は、図３に示
された、屈折率変化を利用する実施例に対しても適用し
得ることは自明である。また、図３に示されたプリズム
ないしレーザ光透過部材の材質は、ガラスに限らず、空
気とは異なる屈折率を有する材質であれば良いが（ただ
し、レーザ光の減衰を起こし難いものが望ましい）、そ
の相違の程度が大きいものの方が有利である。

【００１９】

【発明の効果】本発明により提供されるマイクロフォン
は、振動板等、音波の振動を機械的な振動に変換する部
分を全く持たないので、構成自体が極めて至便になり、
保守性も高まることはもとより、従来技術で問題となっ
ていた変換系における歪みを劇的に低減（原理的にはゼ
ロに）することができる。さらに、周囲の電界、磁界の
影響がなく、浮遊容量やインダクタンスの影響もないた
め、極めて広大な周波数特性を持ち、かつ、ダイナミッ
クレンジも十分広く、設計自由度も高いマイクロフォン
を提供することができる。また、光のまま伝送したり、
直接に音圧情報をデジタルコード化することも可能なの
で、これからのデジタル伝送技術、デジタル記録技術に
とって真にふさわしいものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従って構成された第一の実施例におけ
るマイクロフォンの概略構成図である。

【図２】本発明に従って構成された第二の実施例におけ
るマイクロフォンの概略構成図である。

【図３】本発明に従って構成された第三の実施例におけ
るマイクロフォンの概略構成図である。

【図４】本発明に従って構成された第四の実施例におけ
るマイクロフォンの概略構成図である。

【符号の説明】

１ 音波入力部， ２ レーザ光源， ３ 反射鏡， ４ 反射鏡， ５ 受光装置， ９ 遮音板， １３ 光スイッチ， Ｓ 入力音波， Ｂ レーザ光．

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力してくる音波に対して開放された空
   間であり、空気の存在する音波入力部と；該音波入力部
   に対し、レーザ光を照射する手段と；該音波入力部に入
   力してきた上記音波による、該音波入力部内の上記空気
   の密度変化により、該レーザ光に生ずる変化を検出する
   手段と；を有して成るマイクロフォン。
2. 【請求項２】 請求項１記載のマイクロフォンであっ
   て；上記音波入力部はレーザ干渉計の一部を構成し；上
   記レーザ光に生ずる変化は、上記空気の密度変化に伴う
   レーザ光路長の変化であること；を特徴とするマイクロ
   フォン。
3. 【請求項３】 請求項２記載のマイクロフォンであっ
   て；上記レーザ干渉計は、ファブリペロー型レーザ干渉
   計であること；を特徴とするマイクロフォン。
4. 【請求項４】 請求項２記載のマイクロフォンであっ
   て；上記レーザ干渉計は、二光路型レーザ干渉計である
   こと；を特徴とするマイクロフォン。
5. 【請求項５】 請求項１記載のマイクロフォンであっ
   て；上記音波入力部は上記空気と屈折率の異なるレーザ
   光透過部材を含み；上記レーザ光に生ずる変化は、上記
   空気の密度変化に伴う該空気の屈折率の変化により、上
   記レーザ光透過部材から出射した該レーザ光に生ずる角
   度的な変化であること；を特徴とするマイクロフォン。
6. 【請求項６】 請求項５記載のマイクロフォンであっ
   て；上記レーザ光透過部材はプリズムであること；を特
   徴とするマイクロフォン。