JPS63236927A - 音響センサ - 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 本発明は圧力、振動などの物理状態を光信号に変換する
音響センサに関するものである。

従来の技術 近年、光センサは計測、監視、検査を目的とする多くの
装置システムに応用されている。

従来の技術としては１例えば、天場　他「光フアイバプ
ローブマイクロホン」電子学会論文誌（Ｖｏｌ、　Ｊ　
６４−ＣＡ２Ｐ　Ｐ　１３−ｒ　〜１４３１９８１／２
）　　に示されているような音響センサがある。

以下図面を参照しながら、上述した従来の音響センサの
一例について説明する。

第４図は従来の音響センナの構成を示すブロック図であ
る。第４図において９はレーザ、１ｏはアイソレータで
レーザ９への戻り光を阻止するものである。２６は枠２
２に取り付けられた振動膜で、光ファイバ１２と中子２
８を介して対向位置関係にある。２３はビームスプリッ
タで光を分岐するものである。２４は光電検出器でビー
ムスプリッタ２３からの分岐光を電気に変換するもので
ある。２５はフィルタ、１７は出力端子である。

Ａは入射光、Ｃは反射光、Ｂは外部からの物理状態を示
し、ここでは圧力である。

以上のように構成された音響センナについて、以下その
動作について説明するＱ まず、レーザ９からの光はアイソレータ１０を介して光
ファイバ１２に導かれる。さらにビームスプリッタ２３
を経由して入射光Ａとなる０入射光Ａは光ファイバ１２
の一端に形成された反射膜面に導かれ、光ファイバ１２
と対向位置関係にある雲母の振動膜２６に形成した反射
膜面との間で繰り返し反射干渉し、反射光Ｃになる。反
射光Ｃはビームスプリッタ２３で分岐され光電変換器２
４で電気信号に変換される。さらにフィルタ２６を介し
て出力信号として出力端子１７よシ検出される。次に変
換原理について説明する０ 第５図は変換器部の構成を示す模式図である。

入射光Ａは光フアイバ部１２の端面に形成された反射率
４０％の反射膜からＸなる屈折角で、振動膜２６の反射
率４０チを有する反射膜面に導かれ、一部は透過し、一
部は反射して再び光ファイノく部１２の端面に戻ってく
る。戻ってきた光の一部は反射光Ｃとなって光ファイバ
を伝搬して光信号となり、一部は反射されて再び振動膜
２６の反射面に導かれる。以下、同様に振動膜２６と光
ファイバ１２との間で繰シ返し反射干渉する、上記の光
信号は入射光Ａの強度と反射光Ｃの強度との比である強
度反射係数で決まる。入射光への強度を工ｉ。

反射光Ｃの強度工、とすると、強度反射係数は次式であ
られすことができる。

ここで δ＝４π・ｎｏＩｌｄ１１ＣＯ３（ｘ）／λｃｉ＝ｃｉ
ｏ＋Δｄ ｒ＝ｒ１＝ｒ２ ｒ　：光ファイバ端、振動膜の振幅反射係数ｎ゛。：空
気の屈折率 ｄｏ：光ファイバ端と振動膜との間隔 Δｄ：振動膜の変位 Ｘ　：光ファイバ端から空気への屈折角λ　：入射波長 である。一般に用いられる反射率は、この振幅反射係数
を二乗したものである。

いま入射波長λを１．３μｍ、厚さ１６．０μｍの雲母
に誘電体多層膜コーティングを施した振動膜２６の振幅
反射係数と、同様に誘電体多層膜コーティングを施した
光フアイバ部１２の振幅反射係数が同一とし、ｄｏを最
適に設定すると、第１式から強度反射係数がｄの値によ
って変化する。つまり、外部からの圧力Ｂによる撮動膜
２６の変位Δｄによって変化することがわかる。

また、第４図の中子２８と光ファイバ１２との固定状態
の断面図を第６図に示した。第６図から中子２８に光フ
ァイバ１２を挿入固定し、光ファイバ１２の端面を研磨
する。中子２８には孔２了が設けである。これは中子２
８と振動膜２６とで形成される密室内の空気の膨張によ
る振動膜２６の直線性を改善すると同時に安定性も改善
するものである＠ここでは前述したように振動膜２６は
雲母を用いているため圧力に対する振動膜２ｅの変位量
が小さい。つまり、感度が低くなりＳ／Ｎが悪くなる。

このため振動膜２θは雲母に比ベヤフグ率と密度の比が
約４分の１の高分子フィルム（単にフィルムという）を
用いるのが一般的である。

しかし、フィルムを光学的な平面を確保するためにはフ
ィルムを緊張保持し、平面性を確保する突き上げ機構が
必要になってくる。従って振動膜２６の外径が大きくな
り、小型化を図ろうとすると光ファイバ１２の端面の周
囲面積を小さくしなければならず孔２７を設けることが
出来ない。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記のような構成で小型、高感度を実現
するためには振動膜緊張機構が必要となり、中子や枠も
大きくなり、必然的にセンサの形状も大きくなる。従っ
て狭空間での測定、検査には不可能であった。さらに、
測定、検査の音場や気流を乱すなど形状的に問題があっ
た０故に小型で高安定を有する音響センサの開発が望ま
れている０ 本発明は上記問題点を鑑み、小型の音響センサを提供す
るものであるＯ 問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明の音響センサは、貫
通孔と上記貫通孔より大きく深さの浅い孔を有する第１
のパイプの端に中心から外周の方向に少なくとも１以上
の溝を設け、上記第１の貫通孔に円周に直交し、且つ円
筒面上の方向に溝を設けた第２のパイプを挿入一体化し
た中子に光ファイバを挿入固定し、上記中子の第１のパ
イプの未挿入部に比べて長いパイプ状のスペーサを第１
のパイプに挿入固定し、上記４ペーサにて突き上げ緊張
保持された振動膜と第１のパイプとが対向する位置関係
にある構成となっている。

作　　用 本発明は上記した構成によって、大気と導通する微細な
溝を中子に設けることができるため小型が図れ、狭空間
での音響的な情報が得られる。

実施例 以上本発明の一実施例の音響センサについて、図面を参
照しながら説明する。第１図は本発明における音響セン
サの構成を示す分解斜視図であるＯ第１図において、第
１のパイプ１と第２のパイプ４の溝２と６が連続溝にな
るように、第１のパイプ１の貫通孔３に第２のパイプ４
を挿入固定一体化した中子に、光ファイバ１２を挿入固
定する０溝は放電加工で施した。この時、第１のパイプ
１の溝２と第２のパイプ４の溝６は必ずしも同一方向で
ある必要はない。なぜならば、第１パイプの貫通孔３よ
り直径が大きく深さの浅い孔によって、第１のパイプ１
の溝２と第２のパイプ４の溝６とが連続的になるからで
ある０挿入したファイバ１２の第２のパイプ側の端面は
研磨し、スペーサ７を第２のパイプ４に挿入固定する０
ここでの固定法はＹＡＧレーザ溶続、半田付けを用いた
。上記研磨したファイバ１２の端面は誘電体多層膜をコ
ーティングして４０％の反射膜を形成している。振動膜
ユニット８の振縁膜は厚さが７６６μｍのポリイミドフ
ィルムで、第３図に示す枠２２に保持されている・この
ポリイミドフィルムは耐熱が約４００℃あり、３００℃
〜３５０℃の耐熱を要するハードコーティングが可能の
ものであるＯ前述と同様にここでは誘電体の多層膜をコ
ーティングしている。このときの反射率は４０チにした
。反射率は用途、目的によっては必ずしも４０％である
必要はない。当然のことながら反射膜をコーティングし
たポリイミドフィルムの裏面は無反射のハードコーティ
ングを施している。上記振動膜ユニット８の振動膜の反
射膜と光ファイバ６の反射膜とは対向するように配置、
固定され、ここで共振系が形成される。

第２図は以上のように構成された音響センサの変換部の
断面図である。第２図に於て振動膜ユニット８の振動膜
はスペーサ７の突出部で突き上げられて光学的な平面性
を確保しており、第１のパイプ１の溝２と第２のパイプ
４の溝５とが第１パイプの貫通孔３より直径が大きく深
さの浅い孔を介して連続溝になっている。ここで各部品
の金属材料はニッケルが３２％、コバルトが４％、鉄が
６４チの低膨張合金を用いた。第３図は以上のように構
成された音響センサを用いた音響センサ装置の全体構成
を示すものである。第３図に於て９はレーザ、１０はア
イソレータ、２０はレンズで光を平行光、あるいは集光
させるものである。１１は光分岐器で光を２等分に分岐
するもので、光ファイバカグラとも呼ばれている。１２
は光ファイバで一端面には反射膜が形成されている。１
３は振動膜で光ファイバ１２０反射膜面と対向する面に
反射膜を形成している◇１４はフォトダイオードで、光
分岐器１１で分岐された光を電気信号に変換するもので
、増幅器１６によって増幅される０１６はフィルタ、１
７は出力端子である。１８はレーザ９の温度分制御する
温度制御回路、１９はレーザ９の駆動回路である。なお
、レーザ９、アイソレータ１０、ファイバ１２、出力端
子１７、枠２２は従来例と同一である。この枠２２と振
動膜１３とで振動膜ユニット８を構成する０以上のよう
に構成された音響センサについて、以下第３図を用いて
その動作を説明する。第３図に於て、ｋ−ザ９からの光
はレンズ２０で平行光に変換されアイソレータ１０を介
して光分岐器１１に結合される◇このアイソレータ１０
はレーザ９への戻シ光を阻止するものである。ここでは
２段用いている。光分岐器１１からの光は光ファイバ１
２を伝搬し、入射光Ａとなる。入射光Ａはファイバ１２
の端面に施した反射膜と振動膜１３に施した反射膜間で
繰夛返し反射干渉し、反射光Ｃになる０反射光Ｃは再び
光ファイバ１２を伝搬し、光分岐器１１で分岐されフォ
トダイオード１４で電気信号に変換されて、増幅器１６
、フィルタ１６を介して出力端子１７に導かれる。ここ
で１８は温度制御回路であシ、温度変化によるレーザ９
の発振波長の不安定性を制御するものである。１９はレ
ーザ９を駆動させるための定電流の駆動回路である。な
お、動作原理は従来例と同一である。

このように本実施例によれば、第１のパイプと第２のパ
イプの２部品に各々設けた溝２と５が、第１パイプの貫
通孔より直径が大きく深さの浅い孔を介して連続溝にな
るように一体化した中子２１を用いることにより、中子
２１自体が小型化にできるためセンサ全体も小型化でき
る０ 以上のように本実施例によれば、振動膜１３と光ファイ
バ１２とで形成される気密性の高い空間を大気と同じ圧
力を維持する微細な溝を有する中子２１を用いることに
よシ小型化が図れる。

発明の効果 以上のように本発明は、微細な溝を有する中子を用いる
ため小型化が実現できる。従って、計測。

検査する雰囲気、状態を乱すことなく正確な情報が得ら
れ、今まで計ることが不可能であった狭空間における計
測が可能となる。さらに、光学的平面性を維持する振動
膜緊張機構も設けることができ品質的に安定なセンサが
得られる。また、第１のパイプの溝と第２のパイプの溝
の位置を合致させなくてもよく、このため量産性が向上
し安価に提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例における音響センナの構成を示す分解
斜視図、第２図は変換部の断面図、第３図は同音響セン
サを用いた音響センサ装置のブロック図、第４図は従来
の音響センサの構成を示すブロック図、第５図は変換部
の構成を示す模式図、第６図は変換部の断面図である０ １・・・・・・第１のパイプ、２・・・・・・第１のパ
イプの溝、４・・・・・・第２のパイプ、５・・・・・
・第２のパイプの溝、１２・・・・・・光ファイバ、９
・・・・・・レーザ、１３・・・・・・撮動膜、２１・
・・・・・中子、２２・・・・・・枠、２７・・・・・
・孔、２８・・・・・・中子、Ａ・・・・・・入射光、
Ｂ・・・・・・圧力、Ｃ・・・・・・反射光。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名ｆ“
−−ｇ＋−へ＋イフ′ ２−、ノー）二、−１］ ３−　ダ　　／Ｉｔｔｈに ４゛−琴２−八１１ヂ ５−　　　・・　　６溝 ｆ２−・−え７アｊｒ（

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 貫通孔と上記貫通孔より大きく深さの浅い孔を有する第
   １のパイプの端に中心から外周の方向に少なくとも１以
   上の溝を設け、上記第１の貫通孔に円周に直交し、且つ
   円筒面上の方向に溝を設けた第２のパイプを挿入一体化
   した中子に光ファイバを挿入固定し、上記中子の第１の
   パイプの未挿入部に比べて長いパイプ状のスペーサを上
   記第１のパイプに挿入固定し、上記スペーサにて突き上
   げ緊張保持された振動膜と上記第１のパイプとが対向す
   る位置関係にある構成としたことを特徴とする音響セン
   サ。