JPS6127518A - 音響一光変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、従来の音響信号を電気信号に変換し電気によ
って信号伝送をおこなうマイクロホン（以下、電気マイ
クロホンと呼ぶ）の通常の利用分野に加えて、音響信号
を直接光信号に変換し光によって信号を伝送することに
より、従来の電気マイクロホンでは、その耐電磁誘導性
、防爆性。

リーク電流など性能、信頼性、安全性などの面から問題
となる特殊環境下における利用分野も含めた広範囲な使
用を可能とする音響−光変換器に関するものである。

従来例の構成とその問題点 近年、マイクロホンは、半導体レーザ、光ファイバなど
が実用期に入ったことにより、光計測や光伝送などの高
精度性、高品質性、高安全性などの特徴に着目して、光
波術の導入が試みられ、音響−光変換器に関して種々の
原理に基づくものが提案されている。

以下に従来の音響−光変換器について説明する。

第１図は、第１の従来例の構成断面図を示すものであり
、１は振動板、２は筐体で、振動板１を保持している。

３は固定光ファイバで、その先端部が筐体２に固定され
ている。４は可動光ファイバで、その先端部が振動板１
に固定され、間隔をおいてその一部が筐体２に固定され
ている。さらに、固定光ファイバ３の先端部と可動光フ
ァイバ４の先端部は接近して、かつ、両光ファイバの光
軸は振動板の振動方向（第１図では、上又は下方向）に
、光ファイバのコア径の約２分の１の寸法でずらして配
置されている。又、光は、固定光ファイバ３から可動光
ファイバ４へ、あるいはその逆方向に伝送されている。

以上のように構成された従来の音響−光変換器について
、以下その動作について説明する。

今、音波が振動板１に加わると、振動板１が振動し、そ
れにともなって振動板１に固定された可動光ファイバ４
は振動する。一方、固定光ファイバ３はいつも一定の位
置に保持されている。その結果、固定光ファイバ３と可
動光フッイノ（４の間で伝送される光量が変化する。そ
の光量変化分を検出し出力信号とするものである。

しかしながら上記のような構成では、固定光ファイバ３
と可動光フッイノ（４の光軸の位置合わせ、経時変化が
問題となっていた。又、感度を向上するためには、光フ
ァイバのコア径を小さくし、たとえば、６μｍ程度に、
さらに振動板１と可動光ファイバ４で構成される振動部
分のスチフネスをあった。さらに小形化することは困難
であった。

次に、第２の従来例の音響−光変換器について説明する
。

第２図は、第２の従来例の構成断面図を示すものであり
、１０は振動板（反射板）、１１は集光レンズ、１２は
入射用光ファイバ、１３は出射用光ファイバ、１４は筐
体である。

以上のように構成された第２の従来例の音響−光変換器
について、以下その動作について説明する。

まず、振動板１０が静止している時は、入射用光ファイ
バ１２、集光レンズ１１、振動板１０、および出射用光
ファイバ１３がある一定の光学的結合度をもって結合さ
れており、入射用光ファイバ１２に入射した光は、出射
用光ファイバ１３から取り出される。今、音波が加わり
、振動板１０の振動によって、振動板１０と集光レンズ
１１との距離が変化すると、静止状態における前記光学
的結合度が変化し、それが出射用光ファイ・ミ１３Ｉの
出力光の光量変化として現われる。その光量変化分を検
出し出力信号とするものである。

しかしながら上記のような構成では、第１の従来例より
も小形化できかつ安定性も高いという特徴がありマイク
ロホンとして実現の可能性が高いが、音波に対する振動
板１０の振幅量は通常１μｂａｒの音圧に対して約１　
ｎｆｆ１程度であり極めて微小なため、第１の従来例と
同様に感度が低い欠点があった。

次に、第３の従来の音響−光変換器について説明する。

第３図は、第３の従来例の構成ブロック図を示すもので
あり、２０は振動板で、反射板になっている。２１は集
光レンズ、２２は光ファイバ、２３は半導体レーザで、
一定の直流電流が流れている。

以上のように構成された第３の従来例の音響−光変換器
について、以下その動作について説明する。

まず半導体レーザ２３のコヒーレントの高い出力光であ
る入射光は光ファイバ２２、集光レンズ９！１を介して
振動板２０に照射されると同時に反射され、帰還光とし
て再び集光レンズ２１、光ファイバ２２を介して半導体
レーザ２３に帰還する。

すると、半導体レーザ２３の内部共振器で干渉し帰還光
の位相に対応した半導体レーザ２３の光出力が得られる
。すなわち、振動板２０の変位によって帰還光の位相が
変化し、その結果、振動板２゜の変位に対応した半導体
レーザ２３の・光出力が現われる。この光出力をモニタ
ー側で検出し出力信号とするものである。このように、
第３の従来例では、光の位相変化によって振動板２０の
変位を検出して艷るため非常に高感度にできる特徴があ
る。又、第２の従来例と同様に小形化できる特徴もある
。

しかしながら上記のような構成では、半導体レーザ２３
の発振モードがシングルモードで外乱に対しても安定し
ていること、さらに光ファイバ２２の屈折率と長さが熱
や応力に対して変化しないことなどが条件となり、極め
て厳密な光の波長２位相調整が必要で、現状の半導体レ
ーザや光ファイバの性能では実用化は困難であるという
問題点を有していた。

発明の目的 本発明は、第１に前記従来の音響−電気変換器からなる
電気マイクロホンの問題点を解消するとともに、第２に
前記従来の音響−光変換器（光マイクロホン）の問題点
を解消するもので、耐電磁誘導性に優れ、防爆性に優れ
、リーク電流がなく、さらに、感度が高く、小形化を可
能とする音響−光変換器を提供することを目的とする。

発明の構成 本発明は、連続スペクトル分布を有する光源と、平面ガ
ラス板およびそれに平行に配置した鏡面の振動板で構成
したファブリ・ペロー共振器と、前記光源と前記ファプ
リ・ペロー共振器の平面ガラス板との光伝送路間に配置
した平行光線形成レンズと、前記光源と前記平行光線形
成レンズとの光伝送路間に配置した光分岐器と、前記光
分岐器によって分岐された前記ファプリ・ペロー共振器
からの帰還光を光電変換する光検出器と、前記光検出器
に接続され、かつ前記ファブリ・ペロー共振器の共振周
波数に対応した周波数帯域を有するＦＭ復調器と、前記
光源と前記光分岐器との間の第１の光伝送路と、前記光
分岐器と前記平行光線形成レンズとの間の第２光伝送路
と、前記光分岐器と前記光検出器との間の第３の光伝送
路とを備え、前記光源の光出力を前記第１の光伝送路、
前記光分岐器および前記第２の光伝送路を介して前記平
行光線形成レンズに導き、前記平行光線形成レンズで平
行光線にし、その光軸に対して垂直に配置された前記フ
ァプリ・ペロー共振器の平面ガラス板に入射させ、前記
ファブリ・ペロー共振器内で繰り返し反射させ波長選択
し、その帰還光を再び前記第２の光伝送路を介して前記
光分岐器に導き、分岐して前記第３の光伝送路を介して
前記光検出器に導き、光電変換し、さらに前記ＦＭ復調
器によって復調することにより、前記振動板の変位をＦ
Ｍ信号として取シ出す構成とした音響−光変換器であり
、音響信号を光信号に高感度で直接変換しＦＭ信号とし
て光伝送することにより、耐電磁誘導性に優れ、防爆性
に優れ、リーク電流がなく、さらに、高感度で、小形化
を可能とするものである。

実施例の説明 第４図は本発明の一実施例における音響−光変換器の基
本構成図を示すものである。第４図において４０は連続
スペクトル分布を有する光源で、赤外発光ダイオードを
用いている。４１はファプリ・ペロー共振器で、ファプ
リ・ペロー共振器４１は平面ガラス板４２、ニッケル薄
膜に石英ガラスをスパッタリングし７さらに誘電体の多
層膜をコーティングした振動板４３である。４４は平行
光線形成レンズ、４５はプリズムで構成された光分岐器
、４６．４７．４８はそれぞれ第１．第２．第３の光伝
送路で光ファイバを用いている。４９は光検出器で、ア
バランシェ・ホトダイオードを用いている。６０はＦＭ
復調器である。

以上のように構成された本実施例の音響−光変換器につ
いて、以下その動作を説明する。

まず、赤外発光ダイオード４０の連続スペクトル分布を
もった光は、第１の光ファイバ４６、光分岐器４５およ
び第２の光ファイバ４７を介して平行光線形成レンズ４
４に導かれ、平行光線形成レンズ４４で平行光線にされ
、その光軸に対して垂直に配置されたファプリ・ペロー
共振器４１の平面ガラス板４２に入射される。その連続
スペクトル分布をもつ光は、ファプリ・ペロー共振器４
１内で繰り返し反射され、共振器長をｄ、共振器内の媒
質の屈折率をη、光の波長をλ、共振の次数をｍとする
と、 λ＝２ＸηＸｄ／ｍ の関係が成立する光が波長選択される。高次の成分は、
平面ガラス板４２および振動板４３に設けた誘電体の多
層膜によって除去される。ファプリ・ペロー共振器４１
で波長選択された光は、再び平行光線形成レンズ４４に
帰還され、光分岐器４５および第３の光ファイバ４８を
介して光検出器４９に導かれ、光電変換された後、ＦＭ
復調器５０によって復調される。ＦＭ信号の周波数νは
、光速をＣとすると ｙ＝ｃ／λ＝ｃ　（２Ｘ’ｉＸｄ　） で与えられる。なお、上式の共振器長ｄは振動板４３の
振動変位に対応して変化する。

以上のように本実施例によれば、連続スペクトル分布を
有する光源と、平面ガラス板およびそれに平行に配置し
た鏡面の振動板で構成したファプリ・ペロー共振器と、
前記光源と前記ファプリ・ペロー共振器の平面ガラス板
との光伝送路間に配置した平行光線形成レンズと、前記
光源と前記平行光線形成レンズとの光伝送路間に配置し
た光分岐器と、前記光分岐器によって分岐された前記フ
ァプリ・ペロー共振器からの帰還光を光電変換する光検
出器と、前記光検出器に接続きれかつ前記７７プリ・ペ
ロー共振器の共振周波数に対応した周波数帯域を有する
ＦＭ復調器と、前記光源と前記光分岐器との間の第１の
光伝送路と、前記光分岐器と前記平行光線形成レンズと
の間の第２光伝送、路と、前記光分岐器と前記光検出器
との間の第３の光伝送路を備え、前記光源の光出力を前
記第１の光伝送路、前記光分岐器および前記第２の光伝
送路を介して前記平行光線形成レンズに導き、前記平行
光線形成レンズで平行光線にし、その光軸に対して垂直
に配置された前記ファプリ・ペロー共振器の平面ガラス
板に入射させ、前記７７プリ・ベロー共振器内で繰り返
し反射させ波長選択し、その帰還光を再び前記第２の光
伝送路を介して前記光分岐器に導き、分岐して前記第３
の光伝送路を介して前記光検出器に導き、光電変換し、
さらに前記ＦＭ復調器によって復調することにより、前
記振動板の変位をＦＭ信号として取り出す構成にするこ
とにより、耐電磁誘導性に優れ、防爆性に優れ、リーク
電流がなく、さらに、高感度で、小形化を可能とする。

なお２本実施例において、光伝送路４６．４７゜４８を
光ファイバとしたが、そのすべての部分、あるいは、一
部を空間伝送でおこなってもよい。

又、ファプリ・ペロー共振器４１の共振器長を固定とし
たが、振動板４３の位置を移動することにより共振器長
を可変にしてもよい。こうすることによって、ＦＭ信号
の周波数領域を可変することができ、１本の光ファイバ
で多重伝送が可能となる。ＦＭ復調器６ｏの周波数が固
定の場合は、シアブリ・ベロー共振器４１の共振器長の
微調によって同調させることができる。

発明の効果 本発明は、連続スペクトル分布を有する光源の光出力を
１面が振動板となるファブリ・ペロー共振器に入射し、
その中で干渉させ波長選択された光をＦＭ信号として取
シ出すことにより、音響信号を直接光信号に変換するこ
とができ、さらに光伝送路を光ファイバにすることによ
り、特にファブリ・ペロー共振器に結合される光伝送路
を光ファイバにし延長することにより、電気回路部をセ
ンサ部から遠隔地に設置でき、石油プラントや化学プラ
ントなど防爆性の必要とされる場所での使用や、放送局
のスタジオその他工場など耐電磁誘導性を必要とされる
場所での使用や、υ〜り電流が問題となるたとえば心臓
の心音・血圧測定などでの使用が可能となる。さらに、
センサ部はファブリ・ペロー共振器で構成しているため
高感度と鈑。又２感度調整、信号周波数はファブリ・ペ
ロー共振器の共振器によって可変であるだめ、目的に応
じた設計が容易である。多重伝送も容易である。又、出
力がＦＭ信号であるため、光伝送路に外乱があってもＡ
Ｍ信号の伝送時のような問題はない。以上のように本発
明は優れた音響−光変換器を実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の従来例の音響−光変換器の構成図、第２
図は第２の従来例の音響−光変換器の構成図、第３図は
第３の従来例の音響−光変換器の構成図、第４図は本発
明の一実施例における音響−光変換器の基本構成図であ
る。 ４ｏ・・・・・・光源、４１・・・・・・ファブリ・ペ
ロー共振器、４２・・・・・・平面ガラス板、４３・・
・・・・振動板、４４・・・・・・平行光線形成レンズ
、４５・・・・・・光分岐器、４６・・・・・・第１の
光伝送路、４７・・・・・・第２の光伝送路、４８・・
・・・・第３の光伝送路、４９・・・・・・光検出器、
６ｏ・・・・・・ＦＭ復調器。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１基筒　
１　図 第２図 第３図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）連続スペクトル分布を有する光源と、平面ガラス
   板および前記平面ガラス板に平行に配置した鏡面の振動
   板で構成したファブリ・ペロー共振器と、前記光源と前
   記ファブリ・ペロー共振器の平面ガラス板との光伝送路
   間に配置した平行光線形成レンズと、前記光源と前記平
   行光線形成レンズとの光伝送路間に配置した光分岐器と
   、前記光分岐器によって分岐された前記ファブリ・ペロ
   ー共振器からの帰還光を光電変換する光検出器と、前記
   光検出器に接続され、かつ前記ファブリ・ペロー共振器
   の共振周波数に対応した周波数帯域を有するＦＭ復調器
   と、前記光源と前記光分岐器との間の第１の光伝送路と
   、前記光分岐器と前記平行光線形成レンズとの間の第２
   の光伝送路と、前記光分岐器と前記光検出器との間の第
   ３の光伝送路とを備え、前記光源の光出力を前記第１の
   光伝送路、前記光分岐器および前記第２の光伝送路を介
   して前記光行光線形成レンズに導き、前記平行光線形成
   レンズで平行光線にし、その光軸に対して垂直に配置さ
   れた前記ファブリ・ペロー共振器の平面ガラス板に入射
   させ、前記ファブリ・ペロー共振器内で繰り返し反射さ
   せ波長選択し、その帰還光を再び前記第２の光伝送路を
   介して前記光分岐器に導き、分岐して前記第３の光伝送
   路を介して前記光検出器に導き、光電変換し、さらに前
   記ＦＭ復調器によって復調することにより、前記振動板
   の変位をＦＭ信号として取り出す構成とした音響−光変
   換器。
2. （２）第１の光伝送路、第２の光伝送路、および第３の
   光伝送路のすべてを光ファイバにしたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の音響−光変換器。
3. （３）第１の光伝送路、第２の光伝送路および第３の光
   伝送路のすべてあるいは一部を空間にし、残りの部分を
   光ファイバにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の音響−光変換器。
4. （４）光源を発光ダイオードとしたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の音響−光変換器。
5. （５）ファブリ・ペロー共振器の共振器長を可変にした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の音響−光
   変換器。
6. （６）ファブリ・ペロー共振器の振動板を金属薄膜とし
   、かつ、その表面に石英ガラスの層を形成し、さらにそ
   の上に誘電体の多層膜の層を設けたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の音響−光変換器。