WO2001043494A1

WO2001043494A1 - Transducteur electroacoustique optique

Info

Publication number: WO2001043494A1
Application number: PCT/JP2000/008743
Authority: WO
Inventors: Okihiro Kobayashi; Nobuhiro Miyahara; Yutaka Hattori; Hiroshi Miyazawa; Junichi Hayakawa
Original assignee: Kabushiki Kaisha Kenwood
Priority date: 1999-12-13
Filing date: 2000-12-11
Publication date: 2001-06-14
Also published as: US20030002129A1; KR20020065560A; EP1239698A4; KR100637563B1; DE1239698T1; CN1433663A; EP1239698A1; US7391976B2; CN1213635C

Description

明細書

光学式音響電気変換装置

技術分野

本発明は光を用いて振動板の振動変位を電気信号に変換する光学式音響電気変換装置に関する。

背景技術

音響電気変換装置としてマイクロフォンがある。一般にマイクロフォンの振動板に垂直な音波の入射方向にシャープな感度指向性を持たせるためには振動板の前面部のみならず振動板の裏面部からも音波が入射するようにマイクロフォン装置を構成する必要がある。従来広く用いられているダイナミックマイクロフォンでは、振動板からの音波を検出するために振動板にコイルを取り付ける構造となっていたため、裏面から入ってくる音圧に対してはコイルなどが抵抗となって必ずしも振動板を表面と同じように振動させることができない。しかし、振動板の前面部と裏面部とを完全に開放して前面部と後面部との両側から音波を入射するような構成にすることは困難であった。

また、コンデンサ一マイクロフォンでは振動板の振動による容量変化を検出して音波の検出を行うため、その構造上裏面をオープンにして裏面側から音波を入射することができない構造となっていた。従ってマイクロフォンなどの音響電気変換装置では裏面も表面と同じょうに何もないことが理想である。

また、マイクロフォンの 1 つとして光学素子を用いた光マイクロフォン装置が知られている。

例えば、特開平 8 — 2 9 7 0 1 1号公報は、一対の光ファイバを用い、光源に接続された一方の光ファイバから光を振動媒体に照射し、他方の光ファイバでこの光を検出するよう構成された光フアイバセンサを開示し、マイクロフォンに応用できることを示している。光マイクロフォン装置に用いられる光マイクロフォン素子は、音圧により振動する振動板と、この振動板に光ビームを照射する発光素子と、この振動板からの反射光を受光して振動板の振動変位に対応する信号を出力する受光素子とから構成されている。

これにより振動板に音波が当たることによる振動板の振動変位をこの振動板に非接触で検出して電気信号に変換することができるため、振動検出系を振動板に設ける必要がなくなり、振動部分の重量を軽量化することができしかも微弱な音波の変動にも十分に追従でさる。

本発明は、上述した第 1 の問題点を解決するために、指向特性が振動板の垂直方向のみに指向性を有する音響電気変換装置を提供することを第 1 の目的とする。

また、従来の光マイクロフォン装置では単一の光マイクロフォン素子を用いて装置を構成しており、一つの振動板により音波の低域から高域にわたるまでの周波数特性をカバーするように構成されていた。

このようなマイクロフォン特性は一般にモノトーン特性と言われ周波数カバー範囲は第 1 1 図に示すように 5 0 H z から 2 O K H z の間にほぼ限定されるようなものであった。

このように従来の光マイクロフォン装置では単一の振動板を用いた単一の光マイクロフォン素子を用いていたため、単一の振動板で低域周波数から高域周波数までをその感度（振幅）がフラットになるように制御することは困難であった。一般に振動板の厚さを厚くすれば低域周波数領域での感度が高くなり、厚さを薄くすれば高域周波数領域での感度が高くなる。

従ってこのような振動板の物理的性質から広帯域にわたって感度 (振幅）の周波数特性がフラットな光マイクロフォン装' ' 実現することは困難であった。

本発明は、このような従来の第 2 の問題点を解決するに、広帯域にわたって感度（振幅）特性がフラットな光マイクロオン装置のような音響電気変換装置を提供することを第 2 の目にする。

さらに、従来の光マイクロフォン素子を複数個並べて ¾ Γ域のマイク口フォン装置を構成しょうとした場合、振動板が近：：きなかつたり形状が大きくなつたりする欠点があった。そのた ' 型で広帯域の指向性マイクロフォン装置を実現することが困難 . つ 7こさらにマイクロフォン装置の振動板の大きさが一定でたため周波数特性に特徴を持たせた設定がしづらかったり、広で効率のよい光マイクロフォン装置を実現することが困難であ

本発明は、上述した第 3 の問題点を解決するために、 /j' で広帯域の周波数特性を持つ指向性を持った音響電気変換装置共することを第 3 の目的とする。

発明の開示

上記本発明の第 1 の目的を達成するために、本発明の

換装置は、音圧により振動する振動板と、前記振動板に-' I ームを照射する発光素子と、前記振動板に照射された前記光ビ- - の反射光を受光し、前記振動板の振動変位に対応する信号を出 j マ δ受光素子と、前記発光素子と前記受光素子とを載置し、前記 Γ δに対向するよう配置される底板と、前記振動板と前記底板とがほぼ平行で、かつ近接して設置されるように結合させる支持側板とを備え、前記底板のほぼ中心部に前記発光素子と受光素子とを載置し、周辺部に音波の侵入が可能な大きさを有する第 1 の開口を設けるように構成される。

前記第 1 の開口は、複数個設けることが出来る。また、前記音響電気変換装置において、音波の侵入が可能な大きさを有する第 2 の開口を前記支持側板に設けることが出来る。さらに、前記第 2 の開口も複数個設けることが出来る。

上記第 2 の目的を達成するために、本発明の音響電気変換装置は、音圧により振動する振動板と、前記振動板に光ビームを照射する発光素子と、前記振動板に照射された前記光ビームの反射光を受光し、前記振動板の振動変位に対応する信号を出力する受光素子とを備えた音響電気変換素子と、複数の前記音響電気変換素子を前記振動板がほぼ同一面上に位置するように配置して固定する支持フレームと、前記複数の音響電気変換素子のそれぞれの発光素子に所定電流を供給して前記発光素子を駆動する光源駆動回路と、前記複数の音響電気変換素子のそれぞれの受光素子からの出力信号を混合するミキサ回路とを備え、前記複数の音響電気変換素子のそれぞれの振動板の厚さを、互いに異なる周波数範囲において受波感度がほぼ均一となるよう異ならせるよう構成される。

前記音響電気変換装置において、前記音響電気変換素子が、同一基板上に前記発光素子となし受光素子とが配置され、前記発光素子が発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂直表面発光型発光素子であって前記基板の中心部に配置され、前記発光素子を取囲込むように同心円状に前記受光素子が配置されている受発光素子を有するように構成することが出来る。

また、前記振動板は前記基板とほぼ平行に、かつ近接して設置することが出来る。

前記音響電気変換素子は、前記支持フレームのフレーム面に形成された開口内に前記振動板が露出するよう配置することが出来る。

さらに、前記ミキサ回路からの出力信号の感度の周波数特性が 1 H zから 1 0 O K H z の範囲にわたってほぼ平坦とすることが出来る。

上記第 3の目的を達成するために、本発明の音響電気変換装置は、音響により振動する振動板と、前記振動板に光を入射する発光素子と、前記振動板からの反射光を受光し、前記振動板の音響による変位を電気信号の変化に変換して出力する受光素子とを筐体に備えた光学式音響電気変換装置において、複数個の振動板を設け、それぞれの振動板に対応させて前記受光素子を複数個設けるよう構成されている。そして、第 1 の形態においては、発光素子が、複数の振動板および受光素子のそれぞれに対応して複数個設けられている。また、第 2の形態においては、単一の発光素子が設けられ、複数の受光素子が、この単一の発光素子からの光ビームを、複数の振動板のそれぞれ対応するものによる反射経路を介して受光するよう構成されている。また、複数の振動板は、所定の間隔を保って異なる平面上に平行に配置されるか、もしくは互いに離間させて同一平面上に配置されるようになっている。さらに、これら振動板は、それぞれ異なる基本周波数をもつように、例えば、同一厚さの異なるサイズの組み合わせから成る。さらに、この発明の第 1 の形態においては、 D 複数の発光素子の各々が、その発光素子と対応する受光素子と同一平面上に配置され、第 2の形態においては、単一の発光素子と複数の受光素子とが同一平面上に配置されている。好適には、発光素子として垂直表面発光型レーザ（Vartical Cavity Surface Emitting Laser( V C S E L ) ) が用いられ、（ i ) 同心円状にほぼ均一な発光強度分布を有する V C S E Lの周りを取り囲むように受光素子を配置する、（ii) 筐体に多数の開口を設け、この開口を介して音響が前記振動板に到達するようにする、（iii) 複数の振動板のいくつかにハーフミラ一効果をもたせる、又は（iv) 光ビームを筐体内に配置されたハーフミラー素子を介して分配しそれぞれの振動板に照射させるなどの構成を採用する。

図面の簡単な説明

第 1 図は、本発明 I の一実施形態の光マイクロフォン装置の構成を示す分解斜視図。

第 2図は、本発明 I の光マイクロフォン装置の側面図。

第 3図は、本発明 I の光マイクロフォン装置の側面断面図。

第 4図は、本発明 I の他の実施形態の光マイクロフォン装置の構成を示す側面断面図及び平面図。

第 5図は、本発明 I の光マイクロフォン装置の基本原理図。

第 6図は、マイクロフォン装置の指向特性を示す図。

第 7図は、本発明 Πの一実施形態である光マイクロフォン装置の構成を示すブロック回路図。

第 8図は、本発明 Πに用いられる光マイクロフォン素子の構造を示す平面図および側面断面図。

第 9図は、本発明 Πに用いられる光マイクロフォン素子の振動板の厚さと振幅との関係を周波数に関して示した図。

第 1 0図は、本発明 Πで用いる複合光マイクロフォン素子の周波数一振幅特性を示す図。

第 1 1図は、従来のモノトーン型マイクロフォンの周波数—振幅特性を示す図。

第 1 2図は、本発明 mの第 1 の実施形態に係る音響電気変換装置の構成を示す図。

第 1 3図は、本発明 mの第 2 の実施形態を示す図。

第 1 4図は、本発明 mの第 3 の実施形態を示す図。

第 1 5図は、本発明 mの第 4の実施形態を示す図。

第 1 6図は、本発明 mの音響電気変換装置の指向性を示す図。第 1 7図は、本発明 mの音響電気変換装置の周波数 · 感度特性を示す図。

第 1 8図は、本発明 mの第 5 の実施形態を示す図。

第 1 9図は、本発明 mの第 6 の実施形態を示す図。

発明の実施の形態

以下において、本発明の光学式音響電気変換装置の構成および動作について、光マイクロフォン装置を例にとりあげ図面を参照しながら説明する。本発明は、一般に、その目的および構成との関係において大きく 3つのタイプに分類される。そこで、以下の説明においては、便宜上、上述した本発明の第 1 の目的、第 2の目的および第 3の目的をそれぞれ達成するための発明を、それぞれ発明 I 、発明 Πおよび発明 ΙΠと呼ぶことにする。以下、これら発明 I 、発明 Π および発明 mの構成を順を追って説明する。

発明 I 第 5図はサイド方向に指向性を有しない（以下完全な指向特性という）光マイクロフォン装置の原理図を示す図である。

筐体 5のほぼ中央部に音波の音圧によって振動する振動板 3 を張設する。そしてこの振動板 3の裏面側に発光素子 2 と受光素子 4 とを設け、発光素子 2からの入射光ビーム L 1が振動板 3により反射して反射光 L 2 となって受光素子 4に受光されるように構成する。これにより振動板 3の振動変位が受光素子 4により反射光 L 2の受光位置の変化となって検出される。

この場合振動板 3の前方から音波 6 と後方から音波 7 とが入射しそれぞれの音圧位相が同一であった場合には振動板 3 において振動板の振動は起こらず受光素子 4からの出力は発生しない。

一方、振動板 3 の前方方向から a + bの音波 6が到来し、後方裏面側から aの音波 7が到来した場合には、振動板 3において音波 a は打ち消され bのみが検出されることになる。

ここで一般に周囲雑音や騒音等は同一の位相と振幅とを持ってマイク口フォンの前面と裏面とから入力する。従ってこれが音波 a となる。

一方音声信号は bとしてマイクロフォンの前面方向からのみ入射されるので結局騒音 aのみが振動板 3 により打ち消されて音声 bのみが取り出されることになる。

このようにして振動板に対して前面および裏面側から音波の到来をゆるすような構造にすることにより、音声信号のみを取り出し騒音の低減を図ることができる。またこのような構成にすれば第 6図に点線で示したような完全な指向特性を得ることができる。

第 1 図〜第 3図は本発明 I の一実施形態である光マイクロフォン装置の構成を示す図で、第 1 図はその分解斜視図、第 2図は側面図、第 3図は側面断面図をそれぞれ示している。

第 1 図および第 3図に示すように本発明 I では発光素子と受光素子とは受発光素子 1 0 として一体化して形成され基板 9 に搭載されている。この基板 9は底板 1 2のほぼ中央近傍に取り付けられる。底板 1 2は振動板 3 にほぼ平行でかつ近接して設置される。

この底板 1 2 と振動板 3 とを結合させるための支持側板 3 0が第 2図に示すように形成される。またこの支持側板 3 0は必ずしも全面に底板 1 2 と振動板 3 とを取り囲むように形成する必要はなく、例えば第 1 図に示すように支柱 3 5 を底板 1 2の周囲に立てこの支柱 3 5の下端に振動板 3の周辺部 8 を接続するように構成してもよい。

受発光素子 1 0を搭載する基板 9からは端子 1 1 に接続が行われておりこの端子 1 1 を介して受発光素子 1 0およびその周辺回路に電源の供給や必要な信号の授受を行うように構成される。また本発明 I では振動板 3の裏面側からの音波を入射できるように底板 1 2 に開口 2 0を設ける。

この開口 2 0は第 1 図に示すように受発光素子 1 0 を取り囲むように円周上に複数個円形の穴を設けることにより形成してもよい。このような開口 2 0 を底板 1 2 に形成することにより裏面から騒音を振動板 3へ誘導することができる。

またこの底板 1 2 に設ける開口 2 0に加えて、第 2図に示すように支持側板 3 0にも音波の侵入が可能となるように開口 2 5 を設けることができる。ただし支持側板 3 0 に設ける開口 2 5はあまり大きな開口面積を有するように形成すると振動板 3の前面からの音声がこの開口 2 5 を介して振動板 3の裏面に回り込んで入射し、音声が打ち消されてしまうため適当な大きさの開口を設けることが望ましい。

第 4図は本発明 I の他の実施の形態を示す図で、光マイクロフォン素子のへッド部の構造を示す図である。

第 4図（a )は断面形状を示したもので容器 5 1 の底面 5 8に電子回路基板 6 2を設置し、この基板 6 2上に発光素子と受光素子とを配置した基板 5 9を取り付ける。取り付けは、基板 5 9 と基板 6 2 とを例えばフリップチップボンディングで電気的に接続することにより行うことも出来る。また底面 5 8 をシリコンなどの半導体基板で構成すれば、この上に電子回路を構成できるので電子回路基板 6 2を省略することも出来る。なお、第 4図に示す実施の形態では発光素子として垂直表面発光型レーザダイオード L Dを受光素子としてフォトダイオード P Dを用いている。基板 5 9の中央に円形形状の垂直表面発光型レーザダイオード L Dを配置し、この垂直表面発光型レーザダイオード L Dを取り巻くように同心円状に受光素子 P Dを配置する。

第 4図（b )は第 4図（a)中に点線で囲んで示した受発光素子が搭載された基板 5 9の受発光部を拡大して示した平面図である。

図に示すように中心部に円形形状の発光素子 L Dを配置し、これを取り囲むように同心円状に受光素子 P D 1， P D 2 , ·'· Ρ ϋ ηを配置する。なおここで用いられる発光素子 L Dとしては垂直表面発光型レーザを用いることができる。

この発光素子 L Dと受光素子 P Dとはガリウム砒素ウェファ上に同時に半導体製造工程により作製することができる。従って発光素子 L Dと受光素子 P Dとの位置合わせ精度は半導体製造工程に用いられるマスクの精度によって決められるため、その合わせ精度を 1 z m以下とすることができ、従来の光マイクロフォン素子の受発光素子の位置合わせ精度に比べて百分の 1以下の高精度で実現が可能である。

一般に、垂直表面発光型発光素子は発光強度分布が同心円状にほぼ均一な特性を持っている。従って、中心部に設置された発光素子 L Dから所定の角度で振動板 5 2 に向かって放射された放射光は同心円状に同一強度を持って反射し、音波 5 7 の受波により振動板 5 2が振動することにより反射角度が変化し受光素子 P Dに同心円状に到達する。

従って、同心円状に配列された受光素子 P D l 〜 P D nの受光光量の変化を検出することにより振動板 5 2の振動変位を検出することができる。これにより入射音波 5 7の強弱を検知することができるため、光マイクロフォン素子として使用可能となる。

なお発光素子 L Dゃ受光素子 P Dを駆動、もしくは入射光量の検出のために電極 6 1が形成されている。

なお、容器 5 1 の側壁面や底面 5 8 に図示しない開口を設けるのは、第 1 図〜第 3図に示す実施の形態の場合と同様である。

本実施の形態では、モノリシック構造で構成した、同一平面上にある垂直表面発光型発光素子（V C S E L ) とフォトダイオード（ P D ) とを用いた受発光素子を用いたため、極めて小型で、振動板の裏面側にも大きな空間を確保でき、音圧に対して抵抗となる物を排除することができる。

なお、本発明 I は光マイクロフォン装置に限定されるものではなく、音響センサにも利用できる。

発明 Π

第 7図は本発明 Πの実施の形態である光マイクロフォン装置の構成を示すブロック図である。

本発明 Πではそれぞれ振動板の厚さが互いに異なる複数の受光素子 M l , M 2，〜M 6 を組み合わせて複合された光マイクロフォン素子を形成し、その各々の受光素子からの出力をミキサ回路 7 1 に入力して混合させ、出力信号 7 2 として取り出すように構成している。それぞれの光マイクロフォン素子 M l 〜M 6の発光素子に対して光源駆動回路 7 0から所定の駆動電流が供給されるように構成される。

第 8図は複数の光マイクロフォン素子 M 1 〜M 6 を組み合わせて構成された複合光マイクロフォン素子の構造を示す図で、（a )はその上面図を（b )はその側面断面図をそれぞれ示している。

各光マイクロフォン素子 M l 〜M 6は第 8図（b )に示すように遮蔽板 8 5によりそれぞれが区画されて構成され、支持フレーム 8 4， 8 6 にこれらの複数の光マイクロフォン素子 M 1 〜M 6の振動板 8 2がほぼ同一面上に位置するように配置して固定されている。各光マイクロフォン素子は図示しない基板に取り付けられた発光素子 8 1 と受光素子 8 3 とこの発光素子 8 1および受光素子 8 3の取り付けられた基板にほぼ平行して近接配置された振動板 8 2 とから構成されており、発光素子 8 1からの光ビームが振動板 8 2により反射されこれが受光素子 8 3により受光され振動板 8 2の振動変位に対応する信号が取り出されるように構成されている。

第 8図（a )に示すように支持フレーム 8 4， 8 6のフレーム面 8 6 に形成された開口内にそれぞれの振動板 8 2が露出するように配置される。

これらの振動板 8 2はフレーム面 8 6 と同一面内に位置するように配置され支持フレーム 8 4 , 8 6 に固定される。

第 4図（b )は本発明 Πに用いられる光マイクロフォン素子 M l 〜 M 6の受発光素子の構造を示す図である。

ガリウム砒素基板 5 9の上に垂直面発光型レーザダイオード L D とホトダイオード等の受光素子 P Dとが配置される。基板 5 9の中央部にレーザダイオード L Dが形成され、これを取り囲むように受光素子 P Dが同心円状に複数個形成される。レーザダイオード L D と受光素子 P Dとからは電極 8が取り出される。

垂直面発光型レーザダイオード L Dは発光強度分布が同心円状にほぼ均一な特性を有しておりこのレーザダイオード L Dから同心円状に放射されたレーザビームは振動板により同心円状に反射しこれが受光素子 P Dにより受光され受波信号として取り出される。

なお第 4図（b )に示す受発光素子では受光素子が複数同心円状に形成されているため差動出力で取り出すことができ、これによりレ一ザダイオード L Dの温度変動等の誤差を吸収することができる。

ここで本発明 Πに用いられる光マイクロフォン素子の振動板について説明する。

第 9図は振動板の厚さ t と振幅特性との関係を示す図である。すなわち受波音波の周波数 f が低い場合には振動板の厚さ tが薄いほど振幅は大きくなり周波数が高いと厚さ t が厚いほど振幅が小さくなる。

本発明 Πではこの性質を利用して複数の光マイクロフォン素子 M 1 〜M 6のそれぞれの振動板の厚さを互いに異なる周波数範囲において受波感度がほぼ均一となるように異ならせる。

すなわち、それぞれの光マイクロフォン素子の振動板は再生できる音波の周波数範囲を限定しその周波数範囲に合った厚さの振動板を設定するのである。

第 1 0図は各光マイクロフォン素子 M l 〜M 6の振動板の厚さを変化させ、それぞれが再生できる周波数を分割して割り当てた場合の振幅特性を示している。

例えば光マイクロフォン素子 M 1では最も低い周波数範囲において音波を再生できるように割り当てを行い、光マイクロフォン素子 M 6においては最も高い周波数範囲の音波を再生できるように割り当てる。この場合光マイクロフォン素子 M lでは振動板の厚さを最も厚くし、光マイクロフォン素子 M 6では最も薄く設定する必要がある。

このようにそれぞれの光マイクロフォン素子に割り当てられた周波数範囲に応じてその振幅特性がほぼ平坦となるように振動板の厚さを選択すると第 1 0図に示すような振幅特性が得られる。

なお光マイクロフォン素子 M 1〜M 6の振幅特性がそれぞれ第 1 0 図に示す A 1 〜A 6に対応している。

このような複数の光マイクロフォン素子の振幅特性を第 7図に示すミキサ回路 7 1 に入力して合成すれば第 1 0図に示すような全周波数帯域において平坦な振幅特性を有する複合光マイクロフォン素子が得られる。

このようにして本発明ではミキサ回路 7 1からの感度の周波数特性が 1 H zから 1 0 0 K H z までの範囲にわたってほぼ平坦な光マ丄 b イク口フォン装置を実現することができた。また、モノリシック構造で構成した垂直表面発光型レーザ（V C S E L)ダイオードとフォトダイオード（ P D) とを用いて光マイクロフォン素子を構成すると小型化が実現できる。このため、光マイクロフォン素子を複数個組み合わせても小型化が可能となる。

発明 ΠΙ

第 1 2図は本発明 mの音響電気変換装置の第 1 の実施の形態を示す図で、（a )はその断面図を、（b )は外観図をそれぞれ示したものである。

第 1 2図に示す実施の形態では振動板 2 — ：！〜 2 — 5を所定の間隔を保って異なる平面上に平行に配列し、それぞれの振動板 2 — 1 〜 2 一 5に対応させて発光素子 L D 1 〜 L D 5 と受光素子 P D ：! 〜 P D 5 とを設けている。各振動板 2 _ 1 〜 2 — 5は厚さは同一でサィズが異なる円板構造を有している。これらの振動板 2 — ：！〜 2 — 5はそれぞれ筐体 9 1 内に形成された振動板取り付け部材 4一：！〜 4 — 5に取り付けられる。また発光素子 L D 1 〜 L D 5及び受光素子 P D ：! 〜 P D 5 もそれぞれ受発光素子取り付け部材 5 — 1 〜 5 - 5に取り付けられる。発光素子 L D 1 〜 L D 5への駆動電流の供給及び受光素子 P D 1 〜 P D 5からの受光電流の取り出しは電子回路基板 9 9 を介して行なわれる。また各振動板 2 — 1 〜 2 — 5への音波の到来を確実にし振動板 2 — 1 〜 2 一 5の前方及び後方に指向性を持たせるために筐体 9 1及び取り付け部材 4一：！〜 4一 5 、 5 — 1 〜 5 — 5には多数の開口 3が設けられている。発光素子 L D ：！〜 L D 4から放射される光の焦点をそれぞれの振動板 2 — ：！〜 2 — 4 の中心部に合わせようとすると手前に存在する振動板 2 — 2〜 2 — 1 Ό

5が邪魔になる。従って第 1 2図（c )に示すように入射光や反射光が通過するように手前の振動板に小さな穴 6 を設けている。ここで第 1 2図に示す振動板 2 — ：！〜 2 — 5 の基本共振周波数 F。は次式で示される。

F₀ =(.467 t/R²)V{Q/p(l-a ²)}

ここで、 t =振動板の厚さ（cm)

R =周辺クランプした位置までの振動板の半径 (cm)

P =密度（g/cm³)

σ =ポアソン比

Q =ヤング率（dyne/cm²) すなわち基本共振周波数 F。は振動板の半径の 2乗に反比例するため、半径が半分になれば 4倍の周波数が得られる。さらに基本周波数やその偶数倍の共振周波数では中心付近で振幅が最大となるような分割モードとなるため、光の焦点をそこに合わせればその共振周波数付近で極めて感度が高くなる。従って本実施の形態では 5枚の振動板 2 — 1 〜 2 — 5 の半径を 1 2~0になるように設定し、それぞれの共振周波数を重畳して広い周波数帯域をカバ一できるようにしてある。ここでは音声帯域を重視するため、いちばん大きい振動板 2 — 5 の基本共振周波数を 1 0 0 H z に設定した。これにより第 1 7図に示すように約 1 0 0〜 3 0 0 0 H z の範囲に亘つて極めて高い感度が得られた。

またそれぞれの振動板の間の間隔が大きいと位相のずれによりより低い周波数での指向性が悪化してしまうため、できるだけ狭い間隔で振動板を配置するのが望ましい。ここでは周波数特性が 2 0 k H z程度まで安定に感度が得られるように約 2 m mに設定されている。

第 1 3図は本発明 IEの第 2の実施の形態に係る音響電気変換装置の断面構造を示したものである。本実施の形態では第 1 の実施の形態と異なり、発光素子 L Dと受光素子 P Dとを同一の取り付け部材 9 7上に設置している。このような構成を採用することにより第一の実施の形態に比べて装置の形状を小型にすることが可能である。第 1 4図は本発明 ΙΠの第 3の実施の形態に係る音響電気変換装置の断面構造を示したものである。

本発明 ΠΙでは第 1 3図に示す実施の形態と同様に同一の取り付け部材 9 7上に受発光素子を載置する。第 1 2図及び第 1 3図に示す実施の形態の場合には手前の振動板に入射光や反射光が通るだけの小さな穴 6 を設ける必要があつたが、このような穴 1 0 6を設けることにより振動板（2 — ：！〜 2 _ 5 )の形状が変化し、周波数特性が変化するを防止するために振動板 2 をそれぞれ横方向にずらして配列し、取り付け部材 4 一 2 , 4— 3に光が通るための小さな穴をあけるように構成している。これにより振動板に小さな穴をあける必要がなくなる。また第 1 4図に示すような音響電気変換装置においては発光素子を垂直表面発光型レーザ · ダイオード（VCSEL) とし、その素子を取り込むように同心円状に配列された第 4図に示すような形状の受発光素子を用いることができる。

第 1 5図は本発明 ΙΠの第 4の実施の形態に係る音響電気変換装置の構成図を示したもので、（a )はその断面図を、（b )はその外観図をそれぞれ示している。本実施の形態では振動板（2 — 1 〜 2 — 5 ) はすべて同一平面上にある取り付け部材 9 4上に配置される。また受発光素子も同様に同一の取り付け部材 9 7 に各振動板に対応して配置される。このような構成を採用することにより横方向の大きさは大きくなるものの、縦方向の厚さを薄くすることができる。本実施の形態においても第 4図に示すような構造の受発光素子を用いることができる。

以上説明したような構成を用いることにより、最終的にこれら複数の振動板からの感度特性を合成して得られる指向性は第 1 6図に示すような形状となる。後方には他の振動板ゃ受発光素子その他の構成部品が存在するため、多少ゲインが損なわれるものの前後方向に対し鋭い指向性を持った電気音響変換装置を実現することができる。

なお第 1 5図に示すような平面的に振動板を配置した場合には、高域の特性が縦型に振動板を配置したものよりも劣化するが、前後方向の指向性特性は第 1 6図に示すような縦型のものとほぼ同一の形状となる。

以上説明したように、光マイクロフォン素子を複数個組み合わせることにより周波数帯域幅の広い指向性マイクロフォン装置を構成することが可能となる。

しかしながら、このような装置の構成では、複数の素子を組み合わせるにあたりを発光素子と振動板とを 1 : 1 の関係で用いており、複数対の振動板と発光素子との組み合わせが必要となる。

このように振動板と発光素子との関係が 1 ： 1 となるような装置においては、振動板を近接して配置することができなかったり、あるいは形状が大きくなつてしまう等の問題が生じる。そこで、本発明では、小型で広帯域な周波数特性を持つ指向性光マイクロフォン装置を実現するために、また比較的高価な発光素子の使用数を減らしてコスト低減するために、さらなる改良として、発光素子 1 つに対して複数の振動板を対応づけるような構成とする。これにより発光素子の数を削減し、小型で周波数帯域幅の広い指向性をもつ光学式音響電気変換装置の実現が可能となる。

以下、その具体的構成について説明する。

第 1 8図は本発明 ΠΙのさらなる改良に係る第 5の実施の形態を示す音響電気変換装置の断面図である。

筐体 1 0 1 内には複数個の振動板 2 a， 2 b , 2 cが階段状に縦方向に配置されて取り付けられている。

そして単一の発光素子 1 0 3はこれら縦方向に配列された振動板の下部に載置されている。

また発光素子 1 0 3の載置された同一平面上に受光素子 4 a , 4 b , 4 cがそれぞれ配列されて載置されている。

なお筐体 1 0 1 の外壁面及び振動板 2 a , 2 b , 2 cの取り付け部材及び発光素子 1 0 3ゃ受光素子 4 a〜 4 c の取り付け板には外部からの音波を入射するための開口 5が設けられている。

このような開口 1 0 5 を設けることによって、各振動板 2 a〜 2 bの前面及び裏面から音波が入射されるように構成されている。これにより光マイクロフォン装置は振動板の前面及び裏面に双指向性を有するようになる。

また発光素子 1 0 3 としては 5 £∑^を用ぃるのが望ましい。発光素子 1 0 3から放射されたレーザ光は振動板 2 aに入射し、一部は反射して受光素子 4 aに入射する。

また、その一部はこの振動板 2 aを透過して振動板 2 bに入射される。

振動板 2 bに入射した光は、ここでも一部が反射されて受光素子 4 bに入射する。

また振動板 2 bを透過した光は振動板 2 c に入射し、ここで反射して受光素子 4 c に入射する。

したがって振動板 2 aと 2 bとはハーフミラ一効果を発揮する材質を使用する必要がある。

振動板 2 a ， 2 b， 2 c は音響共振周波数がそれぞれ異なるようにその形状を規定する。

第 1 8図に示す例では振動板のサイズをそれぞれ変化させている _c したがってサイズの小さい振動板 2 c はより高い共振周波数を持ち、サイズの大きい振動板 2 aは低い共振周波数を有する。

このようにそれぞれ形状が異なる振動板を用いて 3つの振動板からの出力を積算して得られる周波数特性は広帯域周波数特性となる。すなわち、受音特性が 3つの振動板 2 a , 2 b , 2 cのピーク特性を合成した形になるため、所望の周波数範囲においてゲイン（利得）を高くすることができるのである。

またこれら 3つの受光素子 4 a〜 4 bの出力を積算して得られる出力特性は振動板の後方においては他の振動板や発光素子 1 0 3 、受光素子 4 a〜 4 cの影響を受け、多少のゲインは損なわれるものの、開口 1 0 5によって振動板が自由振動できるため前後方向に鋭い指向性を持つことができる。

なお、第 1 8図において発光素子 1 0 3と受光素子 1 0 4とは同一平面上に配置されているが必ずしも同一平面上に配置する必要はない。

また、複数の振動板 2 a〜 2 c は音響共振周波数がそれぞれ異なるようにその形状を規定すればよく、必ずしもサイズのみを異なるように形成する必要はなく、厚さを変えることにより音響共振周波数がそれぞれ異なるように形成することも可能である。

第 1 9図は本発明 ΠΙのさらなる改良に係る第 6の実施の形態を示す音響電気変換装置の断面図である。

本実施の形態では振動板 2 a , 2 bを同一平面上に配置している。さらに、発光素子 1 0 3 と受光素子 4 a， 4 bを同一平面上に配置している。

また筐体 1 0 1内の所定位置にハーフミラー 1 0 6を配置している。発光素子 1 0 3から放射された光はハーフミラー 1 0 6 によりその一部が反射し、振動板 2 aに当たってそこで反射し受光素子 4 a に入射する。

一方ハーフミラー 1 0 6 を透過した一部の光は振動板 2 bに入射してそこで反射し受光素子 4 bに入射する。

このように発光素子 1 0 3から照射された光はハーフミラー 1 0 6によって分配され、それぞれ振動板 2 a , 2 bにより反射して受光素子 4 a， 4 bに入射する。

第 1 9図に示す構成では第 1 8図に示す構成と比べて縦方向の長さを短くすることができるためより小型化された音響電気変換装置が実現できる。

なお、第 1 9図に示す実施の形態においても振動板 2 a , 2 の形状を異ならせることによりそれぞれの音響共振周波数が異なるようにすることができる。

これによつて合成された音響特性が広い周波数帯域においてゲインを均一にすることができる。また、発光素子 1 0 3 として V C S E Lを用いると発光ビームの径を極めて細くすることができ、しかも焦点距離の設定がかなり自由にできるために振動板と発光素子との距離に自由度を持たせることができる。

このように本発明 mの上記改良型装置では振動板を互いに近接して配置することができ、しかも振動板と振動板との間に障害物がないように構成することもできるため、各々の振動板による双指向性を積算して指向性が極めて鋭く周波数特性が高域まで延びた指向性マイクロフォン装置を実現することができる。

以上、本発明の I 〜！ 1の構成を光マイクロフォン装置を例にとりあげ詳述したが、本発明は光マイクロフォン装置に限らず、音響センサ等にも利用することができることは言うまでもない。

産業上の利用可能性

以上実施の形態に基づいて詳細に説明したように、本発明 I によれば、振動板に対向して設けられている受発光素子の搭載された底板に開口を設けることにより、主として騒音の振動板への入射を図ることができるため騒音低減を行うことができる。また指向性パ夕 —ンを 8の字状の理想的な形状に近付けることができる。

また、本発明 Πによれば、複数の音響電気変換素子を組み合わせて複合した音響電気変換素子を構成し、複数の音響電気変換素子のそれぞれの振動板の厚さを互いに異なる周波数範囲において受波感度がほぼ均一になるように組み合わせたため、広帯域にわたって振幅特性がほぼ均一な音響電気変換装置を実現することができる。従って本発明の音響電気変換装置は今後のディジタル時代に適応した音楽用のマイクロフォン装置として広く利用することが可能である。またマイクロフォン装置だけでなく音響センサとしても利用することが出来る。

さらに、本発明]]!によれば、複数の振動板を同一平面上あるいは異なる平面上に設置し、これに対応させて受発光素子を設けるような構成を採用したため、小型で広帯域特性を持つ指向性の良い音響電気変換装置を実現することができる。また振動板の大きさをそれぞれ変えて周波数特性を変化させたり、広帯域を効率良く集音する装置を実現することができる。

また、発光素子として V C S E Lを用いると発光ビームの径をきわめて細くすることができるため、焦点距離の設定がかなり自由にできる。

従って、振動板と発光素子との間の距離に自由度を持たせることができる。

このように複数の振動板を極めて近接して設置することができ、しかも各振動板の間に障害物を有することがないため個々の振動板が持つ双指向性を積算することにより指向性が極めて鋭く、広域まで特性が伸びた音響電気変換装置を実現することができる。

さらに振動板の直径の異なったものを用いた場合には、振動板の直径で定まる共振周波数の違いにより周波数特性を任意に変化させることができる。したがって最も効率のよい帯域を使用することにより感度の極めて高い指向性音響電気変換装置が実現できる。その上、複数の振動板を 1個の発光素子に対して複数個配置するようにさらに改良することにより、コスト的に優位な指向性音響電気変換装置を実現することができる。

Claims

請求の範囲

. 音圧により振動する振動板と、

前記振動板に光ビームを照射する発光素子と、

前記振動板に照射された前記光ビームの反射光を受光し、前記振動板の振動変位に対応する信号を出力する受光素子と、

前記発光素子と前記受光素子とを載置し、前記振動板に対向するよう配置される底板と、

前記振動板と前記底板とがほぼ平行で、かつ近接して設置されるように結合させる支持側板とを備え、

前記底板のほぼ中心部に前記発光素子と受光素子とを載置し、周辺部に音波の侵入が可能な大きさを有する第 1 の開口を設けたことを特徴とする光学式音響電気変換装置。

. 請求項 1 に記載の光学式音響電気変換装置において、

前記第 1 の開口を、複数個設けたことを特徴とする光学式音響電気変換装置。

. 請求項 1又は 2 に記載の光学式音響電気変換装置において、音波の侵入が可能な大きさを有する第 2の開口を前記支持側板に設けたことを特徴とする光学式音響電気変換装置。

. 請求項 3に記載の光学式音響電気変換装置において、

前記第 2の開口を複数個設けたことを特徴とする光学式音響電気変換装置。

. 音圧により振動する振動板と、前記振動板に光ビームを照射する発光素子と、前記振動板に照射された前記光ビームの反射光を受光し、前記振動板の振動変位に対応する信号を出力する受光素子とを備えた光学式音響電気変換素子と、前記光学式音響電気変換素子を複数個前記振動板がほぼ同一面上に位置するように配置して固定する支持フレームと、

前記複数の光学式光学式音響電気変換素子のそれぞれの発光素子に所定電流を供給して前記発光素子を駆動する光源駆動回路と前記複数の光学式音響電気変換素子のそれぞれの受光素子からの出力信号を混合するミキサ回路とを備え、

前記複数の光学式音響電気変換素子のそれぞれの振動板の厚さを、互いに異なる周波数範囲において受波感度がほぼ均一となるよう異ならせたことを特徴とする光学式音響電気変換装置。

. 請求項 1および 5 に記載の光学式音響電気変換装置において、前記光学式音響電気変換素子が、

同一基板上に前記発光素子と前記受光素子とが配置され、前記発光素子が発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂直表面発光型素子であって前記基板の中心部に配置され、前記発光素子の周りを取り囲むように前記受光素子が配置されている受発光素子を有することを特徴とする光学式音響電気変換装置。

. 請求項 2 に記載の光学式音響電気変換装置において、

前記振動板は前記基板とほぼ平行に、かつ近接して設置されることを特徴とする光学式音響電気変換装置。

. 請求項 1乃至 3のいずれか 1項に記載の光学式音響電気変換装置において、

前記光学式音響電気変換素子は、前記支持フレームのフレーム面に形成された開口内に前記振動板が露出するよう配置することを特徴とする光学式音響電気変換装置。

. 請求項 1乃至 4のいずれか 1項に記載の光学式音響電気変換装 6 置において、

前記ミキサ回路からの出力信号の感度の周波数特性が 1 H zから 1 0 O K H z の範囲にわたってほぼ平坦であることを特徴とする光学式音響電気変換装置。

0 . 音響により振動する振動板と、前記振動板に光を入射する発光素子と、前記振動板からの反射光を受光し、前記振動板の音響による変位を電気信号の変化に変換して出力する受光素子とを筐体内に備えた光学式音響電気変換装置において、

複数個の振動板を設け、それぞれの振動板に対応させて前記受光素子を複数個設けたことを特徴とする光学式音響電気変換装置, 1 . 請求項 1 0 に記載の光学式音響電気変換装置において、

前記発光素子が、前記複数個の受光素子および振動板のそれぞれに対応して複数個設けられていることを特徴とする光学式音響電気変換装置。

2 . 請求項 1 0に記載の光学式音響電気変換装置において、

前記複数個の受光素子が、単一の発光素子からの光ビームを、前記複数個の振動板のそれぞれ対応するものによる反射経路を介して受光するようになつていることを特徴とする光学式音響電気変換装置。

3 . 請求項 1 0 に記載の光学式音響電気変換装置において、

前記複数個の振動板が、所定の間隔を保って異なる平面上に平行に配置されていることを特徴とする光学式音響電気変換装置。

4 . 請求項 1 0に記載の光学式音響電気変換装置において、

前記複数個の振動板が、互いに離間させて同一平面上に配置されていることを特徴とする光学式音響電気変換装置。

5 . 請求項 1 0に記載の光学式音響電気変換装置において、前記複数個の振動板が、異なる基本周波数をもつ振動板の組み合わせから成ることを特徴とする光学式音響電気変換装置。

6 . 請求項 1 5に記載の光学式音響電気変換装置において、前記複数個の振動板が、同一の厚さの異なるサイズをもつ振動板の組み合わせから成ることを特徴とする光学式音響電気変換装置。

7 . 請求項 1 1 に記載の光学式音響電気変換装置において、前記複数個の発光素子の各々が、その発光素子と対応する受光素子と同一平面上に配置されていることを特徴とする光学式音響電気変換装置。

8 . 請求項 1 2に記載の光学式音響電気変換装置において、前記単一の発光素子と前記複数の受光素子とが同一平面上に配置されていることを特徴とする光学式音響電気変換装置。

9 . 請求項 1 0から 1 5のいずれかに記載の光学式音響電気変換装置において、

前記発光素子が発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂直表面発光型レーザ素子からなり、前記受光素子が前記レーザ素子の周りを取囲むように配置されていることを特徴とする音響電気変換装置。

0 . 請求項 1 0に記載の光学式音響電気変換装置において、前記筐体に多数の開口を設け、前記開口を介して音響が前記振動板に到達することを特徴とする光学式音響電気変換装置。

1 . 請求項 1 2 に記載の光学式音響電気変換装置において、前記複数の振動板のいくつかがハーフミラー効果を発揮することを特徴とする光学式音響電気変換装置。

2 . 請求項 1 2に記載の光学式音響電気変換装置において、前記光ビームを前記筐体内に配置されたハーフミラー素子を介して分配し、前記それぞれの振動板に照射することを特徴とする光学式音響電気変換装置。