JPH067399B2 - 光音響センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、鉄鋼や化学プラント等、電磁誘導の強い場所
や、防爆性の要求される場所等の計測情報伝送システム
や、体内など漏電をきらう場所の計測情報伝送システム
に利用される光音響センサに関する。

従来の技術 光ファイバ音圧センサは(1)光ファイバ自体が計測機能
を持つセンサとなるものと、(2)光ファイバが単に光伝
送媒体として機能しその端面にセンサを付加して計測す
る場合とがある。以下後者(2)の形センサの構成の例を
第４図に示す。ここに１は振動膜、２はエッジ、３はフ
レーム、４ａ，４ｂは光ファイバ、５はレーザ入射端、
６はレーザ出力端である。まず、矢印Ｐの方向から音が
加わると振動膜１が振動する。それが光ファイバ４ａを
振動させる。ここで光ファイバ４ｂは静止しているので
光ファイバ４ａと４ｂとの間に軸づれが生ずる。今レー
ザ入射端５よりレーザ光が入射すると光ファイバ４ａと
４ｂとの間の軸づれのためレーザ出力端６からの光出力
の出力光量が振動によって変化し、音圧Ｐの変化を光の
光量の変化（光強度変調）として検出できる。

発明が解決しようとする問題点 しかしながらいづれのセンサにおいても検出され、ファ
イバ内を伝送される光変調信号はアナログ信号であるた
め、伝送路である光ファイバ内の機械的振動や温度変化
等によって、振動や温度変化等の影響を受け、伝送中に
Ｓ／Ｎを劣化させていた。

本発明は、上記従来の光音響センサが光強度変調された
アナログ信号出力として得られるため、その出力信号を
光伝送する場合、機械的振動や温度変化など伝送路であ
る環境変化によってＳ／Ｎを劣化し伝送品質を悪化させ
ていた要因を除去し、高品質の伝送を可能とするもので
ある。

問題点を解決するための手段 この目的のため本発明では、レーザ光をマイクロレンズ
に入射し、マイクロレンズ端面に対向して振動膜を設
け、上記振動膜に、λ／２以上の単一周波数からなる振
動振巾を与え（λは入射レーザ光の波長）マイクロレン
ズ端面と、上記振動膜からの反射光を受光し振動膜の変
位量をパルスの数を数える手段によって検出するもの
で、振動膜面への受音は音響的共振器を介して受音する
ことにより、受音振動膜に、単一周波数で大振巾の振動
を与えるような構成となっている。

作用 上記の如く構成したセンサの作用（動作原理）について
説明する。マイクロレンズ端面に対向して距離ｄに振動
膜を平行に設けた干渉系にレーザ光を入射し、その反射
光を検出すると、その反射係数は、周知のとおり第２図
のとおりである。ここに横軸は位相差 （noは整数 λはレーザの波長） たて軸は強度反射係数（反射パワ／入射パワー）ここに
マイクロレンズ端面、上記振動膜の反射率をいづれもγ
とした。第２図のとおり、強度反射係数はδがλ／２毎
に０となる。

このように構成されたセンサの上記振動膜をレンズ端面
から任意の位置に設定し、上記振動膜に変位を与えると
第３図のようなセンサ出力が得られることがわかる。こ
の出力波のパルス数（ピーク数）は振動振巾の大きさに
比例する。そこでこのパルス数を数えることにより逆に
振動振巾の大きさを知ることができる。

実施例 本発明の一実施例の構成を第１図に示す。

ここで１はレーザ光源、２はレーザ光を分離する光ビー
ムスプリッタ、３は光ビームスプリッタ２に接続された
光ファイバ、４は光ファイバ３の一端に取付けられたマ
イクロレンズ、５はマイクロレンズ４と距離ｄ離してお
かれた振動膜、６は振動膜５と一体になった音響的共振
器、７は光ビームスプリッタ２で分離された反射光を検
出する受光器、８は受光器７で受けた光パルスを計数す
るパルスカウンタである。ここにレーザ光源１から出射
したレーザ光は光ビームスプリッタ２に入射する。光ビ
ームスプリッタ２を出射した出射光は光ファイバ３を経
てマイクロレンズ４へ入射される。マイクロレンズ４の
光ファイバ３側の端面には無反射コート、振動膜５側の
端面と振動膜５の表面は一定の反射率γとなるようコー
トされている。マイクロレンズ４を出射したレーザ光は
レンズ端面（反射面）に対向して距離ｄを隔ててかつ平
行になるように設置され振動膜面によってその一部は反
射されレンズ反射面へ戻る。レンズ反射面でレーザ光の
一部は透過、一部は反射されて振動膜５へ戻り、振動膜
５で再びその一部は反射されてマイクロレンズ４へ戻
る。このようにマイクロレンズ４と振動膜５との間でく
り返し反射が行なわれる。反射された全光束は光ファイ
バ３、光ビームスプリッタ２を経て受光器７へ導かれ
る。音声信号は、音響的共振器６を介して振動膜５に導
かれ、振動膜へは単一周波数で大振巾の振動変位を与え
るように構成される。

以上のように構成された上記実施例で以下その動作につ
いて説明する。今矢印Ｐ方向からやってきた音波は音響
的共振器６の一端を介して入射し、上記音響的共振器６
を介して振動膜面に達し振動膜５を振動させる。音響的
共振器６は音波の中の単一周波数を選択し振動膜５に大
振巾を与えるためのものである。一方レーザ光源１を出
たレーザ光は、光ビームスプリッタ２、光ファイバ３を
経てマイクロレンズ４に入射し前述のとおりマイクロレ
ンズ端面と振動膜５との間で多重反射をし、反射光は光
ファイバ３、光ビームスプリッタ２を経て受光器７へ達
する。音波によって振動膜５が振動し、マイクロレンズ
４と振動膜５との間の距離ｄが変化すると第２図のとお
り強度反射係数が変化する。この実施例ではレンズと振
動膜の反射率γはγ＝０．６としたので動作線は第３図
のγ＝０．６の線である。また強度反射係数はδがλ／
２毎に０となる。

このように構成された振動膜５を、レンズ端面から任意
の位置に設定し、振動膜５に変位を与えると第３図のよ
うなセンサ出力波形１０が得られる。今、振動膜５に加
わる振動変位の周波数を一定とすると、その振動変位が
λ／２（λは波長）毎に出力パルスの光出力を出し振動
振巾が大きくなると、それに比列したパルス数が得られ
る。そこで音の周波数の半波長毎にパルス数を数えるこ
とにより、振動膜５の振巾即ち音圧を測定できるもので
ある。本実施例では受光器で電気信号に変えた後、パル
スカウントのゲートを開きそのパルス数をカウントする
ようにした。本実施例では音響共振器６を振動膜５につ
けた構成を示したが、受音振動膜６が単一周波数の音波
を加えることのできる構造のものであれば上記音響共振
器はなくてもよい。

発明の効果 従来の光ファイバ音圧センサはアナログで光ファイバを
介して音を伝送するため、ファイバの機械的変動や温度
変化などにより伝送中にＳ／Ｎを劣化し伝送品質を悪化
させていたが、本発明は光出力のパルス数をカウントす
ることにより音圧を測定できるもので、光ファイバを介
して伝送するときの伝送中のＳ／Ｎの劣化や品質劣化を
最小限に抑えることが可能となる。またマイクロホンへ
の音の入射は音響的共振器を用いて単一周波数の音を選
択的に収音できるようにしたため、特定音（ある特別の
周波数）が発生したときに異常を識別する機械等の音響
診断にも利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図は本発
明の位相差（レンズ端面と振動膜間の距離）と強度反射
係数の関係を示す特性図、第３図は本発明の振動膜の変
位に対応したセンサ出力波形を示す波形対応図、第４図
は従来例の構成を示す光音響センサの略断面図である。 １……レーザ光源、２……光ビームスプリッタ、３……
光ファイバ、４……マイクロレンズ、５……振動膜、６
……音響的共振器、７……受光器、８……パルスカウン
タ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 服部 勝治 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−60239（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−169007（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光を光ビームスプリッタに入射し、
   その出射端に光ファイバの一端を接続し、その他端にマ
   イクロレンズを設け、このマイクロレンズ面に対向して
   設けられた振動膜と、音声信号を上記振動膜で受音し上
   記マイクロレンズおよび上記振動膜からの反射レーザ光
   を上記ビームスプリッタに入射し、その出力端に光強度
   を検出する受光器とを設け、上記受光器の光出力のパル
   ス数を音の周波数の半波長毎に数えて入射音の大きさを
   検出することを特徴とする光音響センサ。
2. 【請求項２】振動膜に音響的共振器を取りつけ振動膜の
   反射側から音を入射するように構成した特許請求の範囲
   第１項記載の光音響センサ。