(57)【要約】【課題】高周波数領域までフラットな周波数特性を有する光マイクロフォンを提供すること。【解決手段】プリズム２と、金属層３と、受音層４と、光源５と、受光器６と、光源駆動回路８と、検出回路９とからなる光マイクロフォンであって、受音層にシリカ乾燥ゲルなどの多孔質体を用い、音圧によって発生する受音層の屈折率変化を、表面プラズモン共鳴吸収の変化によって検出するため、小型化に伴う感度の低下が無く、高周波数領域までフラットな周波数特性を有するマイクロフォンを実現できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲流体を伝搬する音波を光によって検出する光マイクロフォンであって、
プリズムと、
前記プリズムの一面に設けられた金属層と、
前記金属層の前記プリズムと反対側の表面に設けられ周囲流体に露出した受音層と、
前記プリズムと前記金属層の界面に光ビームを全反射以上の角度で出射する光源と、
前記光源を駆動する光源駆動回路と、
前記プリズムと前記金属層の界面からの反射光を受光する受光器と、
前記受光器からの信号を音波信号へ変換する検出回路と、
からなる光マイクロフォン
【請求項２】
前記受音層は、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから構成されている請求項１記載の光マイクロフォン。
【請求項３】
前記無機酸化物はシリカである請求項２記載の光マイクロフォン
【請求項４】
前記乾燥ゲルの固体骨格部は疎水化されている請求項２又は３に記載の光マイクロフォン
【請求項５】
前記乾燥ゲルは、圧力に対する屈折率変化量が２．０×１０−９Ｐａ−１以上である、請求項２記載の光マイクロフォン
【請求項６】
前記光源は、前記金属層と前記受音層の界面に垂直な電界成分を持つ直線偏光されたレーザ光を出射する請求項１に記載の光マイクロフォン
【請求項７】
前記検出回路は、反射光強度を音圧に変換する請求項1記載の光マイクロフォン
【請求項８】
前記光源は、前記光ビームを、前記プリズムと前記金属層の界面へ、一定以上の入射角範囲を持つ光束とする光学系を有する請求項１記載の光マイクロフォン
【請求項９】
前記受光器は複数の受光素子からなる請求項１記載の光マイクロフォン
【請求項１０】
前記受音層の前記周囲流体側に音響ホーンを有する請求項１記載の光マイクロフォン
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を利用したマイクロフォンに関する。特に音波によって生じる屈折率変化を表面プラズモン共鳴により検出するタイプの光マイクロフォンで、超音波領域までの高周波数領域までフラットな周波数特性を持つ光マイクロフォンに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気中を伝搬する音波を収集して電気信号に変換するデバイスとしては、可聴帯域ではダイナミックマイクロフォンや、コンデンサマイクロフォンが広く利用され、超音波領域では圧電センサが広く利用されている。これらのデバイスは、音波が空気の微細な振動であることを利用して、音波を振動板に入射させて、音によって振動板に励起される微細な振動を導電的、静電的、あるいは圧電的に電気信号に変換している。
【０００３】
一方で、レーザ光に代表される光を利用して、微細で高速な振動を計測するレーザドプラ振動計（以下、単に「ＬＤＶ」と呼ぶ。）などの光学システムが広く利用されており、このような装置を利用した音波の収集が試みられている。
【０００４】
特許文献１に記載されている音圧変換装置では、通常のマイクロフォンにみられる振動板と光三角法による光計測を応用した光マイクロフォンが開示されている。
【０００５】
さらに特許文献２には、音場中にレーザ光を直接伝搬させて、音波によって空気中に生じる屈折率変化をＬＤＶにより直接捉えることにより、音圧を計測するレーザドプラマイクロフォンが開示されている。
【０００６】
以下、図６を参照して、特許文献２におけるレーザドプラマイクロフォンの構造、動作について説明する。図６において、１２１はＬＤＶ、１２２、１２３は一対の反射鏡、１２４はキュービックミラー、１２５はレーザ光経路、１２６は音場、１２７は演算部である。
【０００７】
図６に示された構成において、一対の反射鏡１２２及び１２３は平行に配置され、ＬＤＶ１２１とキュービックミラー１２４は一方反射鏡１２３の上下両端に設けられている。ＬＤＶ１２１からは、反射鏡１２２に向かって適当な角度でレーザ光が照射される。照射されたレーザ光は、反射鏡１２２及び１２３において複数回の反射を伴いながらレーザ光経路１２５に沿って伝搬し、反射鏡１２３の終端に設けられたキュービックミラー１２４に達する。キュービックミラー１２４に入射したレーザ光は、キュービックミラー内部で数回反射した後、キュービックミラー１２４にレーザ光が入射してきた方向に向かってキュービックミラー１２４にから放出され、再び、一対の反射鏡１２２及び１２３によって複数回反射されながら、レーザ光経路１２５を逆方向に伝搬してＬＤＶ１２１に到達する。ＬＤＶ１２１に達したレーザ光は、ＬＤＶ１２１内部で光学的及び電気的な処理を受けるとともに、演算部１２７によって、振動速度成分が換算される。
【０００８】
また微小領域の屈折率変化を検出する方式として、表面プラズモン共鳴現象を利用したクレッチマン型の表面プラズモンセンサが一般に知られている（例えば特許文献３）。
【０００９】
クレッチマン型の表面プラズモンセンサは、プリズムとプリズムの一面に設けられた金属層と、光源、受光器を基本構成とするセンサである。
【００１０】
表面プラズモンは、プリズムと金属層の界面に対して、直線偏光の光ビームを全反射角以上の特定の角度で入射させると、エバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって金属層の表面に表面プラズモンが励起される。光エネルギーが表面プラズモンとなる特定条件において、反射光の強度が著しく低下するものである。
【００１１】
金属層のプリズムとは反対の界面に付着した試料の屈折率と、表面プラズモンの発生する角度には相関関係があり、表面プラズモンの発生する角度変化により、金属層に付着した試料の屈折率、あるいは量などを検出することができる。
【００１２】
前記特許文献３には、金属層の誘電体プリズムとは反対側の表面に、被検出物質が特異的に結合可能な機能層が設けられたクレッチマン型の表面プラズモンセンサが開示されている。この表面プラズモンセンサでは、機能層に非測定物質が結合した際の、表面プラズモンの共鳴吸収角、あるいは反射光強度の変化を検出することにより、被測定物質の濃度や、機能層との反応性などを定量的に評価することができる。しかし従来表面プラズモン共鳴を音波の検出に用いる事は無かった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−１２４２１号公報
【特許文献２】特開２００４−２７９２５９号公報
【特許文献３】特開２００８−２０３１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
特許文献１に開示された光マイクロフォンは、通常のマイクロフォンと同様に振動板の機械共振特性が周波数帯域に大きく影響する。すなわち振動板の機械共振周波数よりも低い周波数では比較的平坦な周波数特性を持つが、共振周波数以上では、急激に感度が低下するためマイクロフォンとしての上限が共振周波数付近までに限定される。このため、振動板を用いる現状のマイクロフォンの高域特性は１００ｋＨｚ程度までに制限されている。
【００１５】
振動板型のマイクロフォンを１００ｋＨｚ以上の高周波数領域にまで対応しうるよう構成するには、極めて微小な振動板を形成する必要がある。これはコストの急激な増加をもたらし、更に小型化に伴う振動板の変位量低下によって感度が低下し、実用に供するよう光マイクロフォンを提供することは、極めて困難である。
【００１６】
また、特許文献２において開示されたレーザドプラマイクロフォンは、振動板を持たないため、機械共振による高周波域の制限がない。また、使用しているＬＤＶの振動計測における高域限界は１ＭＨｚを容易に超える。
【００１７】
しかしながら実際には、空気の音圧に対する屈折率の変化が小さいことから、充分な感度を確保するには極めて長い光経路が必要となる。特許文献２に開示された例では、充分なＳ／Ｎを得るためには１０ｍ以上の光経路長が必要であることが示されている。従って、測定領域の小型化は極めて困難であり、広い領域の平均化された音の収音のみに適用可能である。また長い光路長を確保するために光の反射板を設けている。この反射板の間隔に相当する空気の共振（空洞共振）が発生するため、振動板型のマイクロフォンと同様に高周波数領域までフラットな周波数特性を実現することが極めて困難である。
【００１８】
すなわち従来の光マイクロフォンは、光計測の帯域幅は充分広いものの、機械的な共振現象、小型化に伴うコスト増、感度の低下により、１００ｋＨｚ以上の高周波数に対応した実用的な光マイクロフォンを提供することは極めて困難であった。
【００１９】
本発明の目的は、前記の課題に鑑みなされたものであり、高周波数領域までフラットな周波数特性を有し、小型化しても感度の低下しない光マイクロフォンを実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記従来の課題を解決するために、本発明は以下のように構成する。
【００２１】
本発明の光マイクロフォンは、周囲流体を伝搬する音波を光によって検出する光マイクロフォンであって、プリズムと、前記プリズムの一面に設けられた金属層と、前記金属層の前記プリズムと反対側の表面に設けられ周囲流体に露出した受音層と、前記プリズムと前記金属層の界面に光ビームを全反射以上の角度で出射する光源と、前記光源を駆動する光源駆動回路と、前記プリズムと前記金属層の界面からの反射光を受光する受光器と、前記受光器からの信号を音波信号へ変換する検出回路とから構成されている。本構成によって、高周波数領域までフラットな周波数特性にて音波を検出可能な光マイクロフォンを提供することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の光マイクロフォンは、周囲環境を伝搬する音波を、圧力に対する屈折率変化の大きなシリカ乾燥ゲルなどの多孔質材料からなる受音層で屈折率変化に変換し、この屈折率変化を表面プラズモン共鳴によって検出するものである。
【００２３】
表面プラズモン共鳴は、局所的な屈折率の変化を検出する方法のため、マイクロフォンのサイズによらず感度が一定である。すなわちマイクロフォンを小型化し、高周波数領域まで対応可能な小型化しても感度が低下することが無い。
【００２４】
またガラスなどから構成されるプリズム上に金属層と、シリカ乾燥ゲルなどからなる受音層を直接形成しただけの単純な構成であるため、振動板をもつ構造などの従来のマイクロフォンの複雑な構造に比べ、小型化が容易であり、高周波数領域まで周波数帯域が延びた、広帯域マイクロフォンを低コストで安定的に提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明、実施の形態１における光マイクロフォンの斜視図
【図２】本発明、実施の形態１における受音層の形状を示す断面図
【図３】本発明、実施の形態１における光マイクロフォンの断面図
【図４】本発明、実施の形態２における光マイクロフォンの断面図
【図５】本発明、実施の形態３における光マイクロフォンの一部を示す断面図
【図６】特許文献２における従来の光マイクロフォンを示す図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
シリカ乾燥ゲルなどの多孔質体は、単位音圧あたりの屈折率の変化が、空気中における屈折率の変化に対して、１〜２桁程度高い。通常、音圧による屈折率変化は、固体、液体、気体の順番で大きくなり、固体が一番小さくなるのが常識であった。このような特性は、通常の固体材料には見られない極めて特異な性質である。このような特異な性質は
本発明の本質は、音圧に対する屈折率変化の大きな、シリカ乾燥ゲルなどの多孔質材料を、音圧と屈折率変化の変換材料として用い、発生した屈折率変化を表面プラズモン共鳴によって検出することにある。
【００２７】
表面プラズモン共鳴による検出方式は、極めて微小な領域の屈折率変化を直接検出しうるものであり、検出感度はマイクロフォンサイズや、光路長に無関係である。すなわち高周波数領域に対応させた、小型マイクロフォンでも感度の低下が起こらないものである。
【００２８】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本発明実施の形態１における光マイクロフォンの構成を示す斜視図である。ここで図１中に矢印で示すようにＸＹＺ方向を設定する。
【００３０】
図１において、本発明の光マイクロフォン１は、プリズム２と、プリズム２の一面２ｃに形成された金属層３と、金属層３のプリズム２と反対面に形成された受音層４と、プリズム２を通して金属層３の受音層の存在する部分にレーザ光７（出射光７ａ）する光源５と、金属層３からのレーザ光７（反射光７ｂ）を検出する受光器６と、光源５を駆動する光源駆動回路８と、受光器６からの信号を音圧に変換する検出回路９からなる。光マイクロフォン１の周囲の空間に存在する流体を環境流体１０とする。また、受音層４の金属層３と接する反対側の面（以下、「受波面」という）に対して、Ｚ軸の上方向から伝搬してくる音波の波面を音波１１とする。
【００３１】
（各構成の説明）
光マイクロフォン１において、少なくともプリズム２、金属層３、受音層４の構成は一体化されている。受音層４の金属層３と接する反対側の面（受音面）は環境流体１０に露出しており、環境流体１０を伝搬する音波１１（波面）を受波可能なように構成されている。
【００３２】
光源５は、照射光７ａの照射位置や、角度を任意に変化できるよう図示していない移動ステージに接続されている。また受光器６も同様に反射光７ｂを柔軟に受光しうるよう、位置、角度を任意に設定できる図示していない移動ステージに接続されている。
【００３３】
プリズム２はガラスなど、光ビームに対して透過性を有する材料から構成されており、ガラスのほか、アクリルなどの樹脂も用いることが出来る。
【００３４】
プリズム２の一面２ａは、光ビーム７ａをプリズム２と金属層の界面２ｃへ、全反射以上の角度で入射しうるよう界面２ｃに対してある角度を持って傾斜して形成されている。光ビーム７の入射面と、プリズム２と金属層３の界面が平行であると、屈折率の小さい空気などの環境流体１０から、ガラスなど屈折率の大きいプリズムに光が入射した際に、屈折によって透過光のプリズム２と金属層３の界面に対する入射角が小さくなるため、全反射以上の角度で、プリズム２と金属層３の界面に光ビームを入射させることができない。
【００３５】
またプリズム２の反射光７ｂが通過するプリズム２の一面２ｂはＹ軸に対して、プリズム２の受光面２ａと、ほぼ対称に形成されている。
【００３６】
光源５から入射して、反射光７ｂを、効率よく反射面２ｂを通過させて受光器６で検出するには、以上のようなＹ軸に対して対称の形状が適するが、受光器６で反射光７ｂが検出できるような形状であれば、曲面形状など任意の形状としても良い。
【００３７】
金属層３は、プリズム２の一面に直接に設けられており、Ｙ方向の厚さを約５０ｎｍとしている。これは、表面プラズモン共鳴が観測しやすい厚さとしたものである。表面プラズモン共鳴は、金属層が薄い際に顕著に観測できる現象であり、マイクロメートルオーダー程度まで厚くなった場合には、バルクとしての性質が強くなるため、表面プラズモン共鳴の観測が困難になる。
【００３８】
金属層３は酸化などによる劣化が無いよう金が主に用いられるが、表面プラズモンが励起される金属、又は合金であればよく、銀、銅、白金なども用いることができる。金属層３は、洗浄を行ったプリズムの一面２ｃにスパッタや蒸着などにより直接形成されている。
【００３９】
周囲流体１０を伝搬してきた音波を屈折率変化へ変換する役割を果たす受音層４には、圧力に対する屈折率変化の大きいシリカ乾燥ゲルなどの多孔質材料が好適に用いられる。他に有機系の乾燥ゲルなどを用いることも出来る。
【００４０】
シリカ乾燥ゲルは、製造方法によって様々に特性を変化させることが可能な材料である。本実施形態においては、ゾルゲル法で形成した湿潤ゲルから超臨界乾燥法により液体成分を除去したシリカ乾燥ゲルを用いた。そのシリカ乾燥ゲルの特性は、密度１１０ｋｇ／ｍ３、音速５０ｍ／ｓ、屈折率１．０２２（−）、圧力に対する屈折率変化量１．０×１０−７（Ｐａ−１）であった。
【００４１】
このシリカ乾燥ゲルは、純粋なシリカ（ＳｉＯ２）のみではなく、多少の有機成分を含んでおり、可視領域において少し白濁した半透明となっている。本発明の光マイクロフォンにおいては、受音層には光を透過させる必要がないため高い透過率は必要ない。有機成分を含有させることにより、屈折率変化量が大きくなるように形成している。
【００４２】
本実施形態では、受音層４のＸＺ平面における形状を楕円形状としている。受音層は音波を受け体積変化を伴う変形をすることで屈折率変化を生じる。音波などの外力を受けた際には、音波に同期した形状変化とは別に、受音層の材質と、形状に起因する共振振動を生じることがある。このような共振振動がマイクロフォンの測定周波数範囲にあると、マイクロフォンのフラットな周波数特性を乱すため好ましくない。
【００４３】
共振振動は、四角形状や、円形状などでの形態で特に強く影響が出るため、本実施形態では形状に起因する周波数成分が出にくい楕円形状としている。また図２（ａ）に示すようにＸＺ面方向の形状を不定形にする方法や、図２（ｂ）に示すように五辺の長さが異なる五角形などにすることにより、形状に起因する共振振動を抑制することが出来る。
【００４４】
本実施形態では、プリズム２、および金属膜３は長方形とし、受音層４のみ異なる形状としたが、プリズム、金属膜を受音層と同形状としても良い。
【００４５】
以上のように共振振動を抑制しうる形状とする方法のほかに、マイクロフォンのフラットな周波数特性を維持する方法として、受音層を極めて微小にし、共振周波数を計測周波数よりも高く設定する方法も可能である。
【００４６】
上述した音速５０ｍ／ｓのシリカ乾燥ゲルを用いた場合には、受音層の音波受波面を約２０μｍ角程度の大きさにまで十分小さくすることにより、１．２ＭＨｚ以上に共振を有するようになるため、１ＭＨｚまでのフラットな周波数特性を得ることができる。
【００４７】
しかしながら、このように極めて微細な大きさのマイクロフォン部材は、取扱いが難しく、表面プラズモン共鳴により屈折率変化を検出するための、光ビームを適当な位置に正確に照射させることが困難であるため、通常は受音層のＸＺ面方向サイズを１ｍｍ以上程度の大きさとして形成する。
【００４８】
受音膜を１ｍｍ程度の大きさとした場合にも、受音層をＸＺ面方向において多数に分割し、その最大サイズを２０μｍ以下とすれば、共振周波数を高周波数に位置させることが出来るため、高い周波数までフラットな周波数特性を持つマイクロフォンを実現することが出来る。
【００４９】
（受音層の厚さ）
本実施形態において受音層４のＹ方向厚さは約１０μｍとしている。次に受音層４の厚さを１０μｍとしている理由について記載する。光マイクロフォンの特性からは、高周波数領域に共振周波数を持つよう、薄く設定することが好ましいことは、ＸＺ面方向における形状で先に述べた通りである。
【００５０】
シリカ乾燥ゲルとして音速５０ｍ／ｓを用いた場合の、受音層４のＹ方向の共振周波数を算出すると、Ｙ方向に関しては、波長の１／４の厚さの時に発生するため（ＸＺ方向においては波長の１／２）、厚さ１０μｍにおける共振周波数が約１．２５ＭＨｚとなる。
【００５１】
すなわち、１０μｍより受音層４が薄い範囲では、測定領域より高い周波数領域に共振周波数が設定されているため、測定周波数範囲においてはフラットな特性が得られる。
【００５２】
一方、受音層４の薄層化の制約について記載する。
【００５３】
一つは表面プラズモン共鳴による計測法における制約である。表面プラズモン共鳴は受音層４と、金属層３との界面から、使用する光の１波長程度の変化のみを検出する検出方式である。この領域における屈折率の変化を、表面プラズモン共鳴の変化として十分に得るためには、屈折率が変化する部分を１波長程度、確保しておくことが好ましい。１波長より厚さが、薄い場合には、表面プラズモン共鳴で検出する領域が小さくなるため、検出感度が低下する。本実施形態においては可視領域のレーザ光源を用いているため、８００ｎｍ以上の膜厚が必要である。
【００５４】
次に、シリカ乾燥ゲルの製造プロセス上からの薄層化の制約を述べる。受音層４として設けているシリカ乾燥ゲルは、プリズム上にスパッタや、蒸着によって金属層を形成した後に、更に金属層３上に、ウェットプロセスによって形成されるものである。
【００５５】
乾燥ゲルを形成するプロセスをより具体的に説明する。最初に乾燥ゲルの原料となる原料液を調合し、これをディッピングや、スピンコートで、プリズムの金属層上に塗膜を形成する。この後、ゲル化、溶媒置換、撥水処理、洗浄等のプロセスを経た後、超臨界乾燥を行うものである。
【００５６】
このウェットプロセス工程、すなわち超臨界乾燥の前工程においては、常にウェットの状態を保たなくてはならない。形成した塗膜や、ゲル化後のゲル膜が乾燥すると、構造破壊が起こって、所望の特性が得られない。
【００５７】
超臨界乾燥前の工程における乾燥を防止するためには、ある程度の湿潤ゲルの膜厚が必要になる。より具体的には乾燥後の膜厚で、およそ３μｍ以上あるとほぼ安定的にシリカ乾燥ゲル層の形成が可能である。
【００５８】
受音層となる乾燥ゲル膜は、このように十分薄くするほかに図２に示すように膜厚に傾斜、分布を持たせても良い。これは不定形状による効果で、共振が強く出ないようにする方法である。
【００５９】
膜厚が一定でない場合にも、表面プラズモン共鳴では、金属膜から１μｍ以下の変化しか観測していないため、音波の測定精度等には影響はない。
【００６０】
光源５は、単一波長の光を出射できるものであり、ガスレーザや、半導体レーザなどを用いることができる。レーザ光の波長分散が大きいと、プラズモン共鳴の励起される角度に分散が出るため測定精度の面から好ましくない。光源５は光駆動回路８に接続されており、光駆動回路の入力信号に応じたレーザ光を出射する。
【００６１】
また光源５から出射される光は金属層と平行なＸＺ平面に対して垂直な電界成分を有するｓ偏光である。ｐ偏光（ＸＺ平面に平行）では表面プラズモン共鳴は励起されないため、ｐ偏光が含まれていると、表面プラズモン共鳴が励起されている状態でも反射光が観測されるため、測定精度の点から好ましくない。
【００６２】
受光器６は、プリズム２と金属層３の界面で反射した光を検出可能なように構成されている。光源５に用いた光の周波数に感度を有するタイプの受光器を選択する。可視領域の光を用いた場合には、シリコン系フォトダイオードなどを用いることができる受光器６は、反射光を検出し、検出回路９へと送る。
【００６３】
検出回路９では、受光器からの信号に基づいて受音層に用いているシリカ乾燥ゲルなどの屈折率の変化を算出し、更に受音部の屈折率変化と音圧の相関関係により、音圧へと変換する。検出回路９は、図示していないコンピュータなどに接続されており、音響信号として保存される。
【００６４】
（光マイクロフォン１の動作）
以上のように構成された、光マイクロフォン１の動作について説明する。より理解しやすいように、ここでは図３を用いて説明する。図３は図１に示した光マイクロフォンのＺ方向における、ＸＹ平面の断面図である。
【００６５】
まず光マイクロフォンの初期設定として、受音層に音が届いていない条件にて、プリズムと金属膜の界面からの反射光がほぼ検出されない、すなわち表面プラズモン共鳴が励起されている状態を設定する。
【００６６】
より具体的には、光源に波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ、プリズムに屈折率１．５（−）のガラス、金属層に厚さ５０ｎｍの金、受音層に密度１１０ｋｇ／ｍ３、音速５０ｍ／ｓ、屈折率１．０２２（−）のシリカ乾燥ゲルを用いた場合には、表面プラズモン共鳴の励起される角度は４５．６度である。
【００６７】
よって、図３に示すレーザ光７ａと、プリズムと金属層の界面の垂直方向とのなす角度θＳＰＲが、４５．６度になるように配置している。光源５と受光器６とは、レーザ光７ａ，７ｂが常に角度θＳＰＲが同一となるように位置制御する、いわゆるθ−２θステージを移動ステージとして用いている。
【００６８】
プリズム２は、光をほぼ屈折させずに透過させるよう、図２における金属膜と対向する角２ｄが９０度である二等辺三角形のものを用いている。プリズム形状は上述のようにプリズム２と金属膜３の界面２ｃに全反射以上の角度で入射させることができるものであればどのようなものでも良いが、本実施形態の形状とすると、プリズムと金属界面への入射角度がほぼ同じとなるため、角度および位置の調整が直感的に合わせやすくなるため好ましい。
【００６９】
実際には受光器６の受光信号を観測しながら、光源５、受光器６の位置（図３における角度θＳＰＲ）を変化させ、受光信号強度が最低（ほぼ０）となる位置で、光源、受光器を固定する。この際、プリズム２、金属層３、受音層４からなる一体部分も固定して移動しないようにする。すなわち初期に音波が受音層に到達していない状態では、受光信号強度はほぼ０の状態となっている。
【００７０】
こうした初期設定を行った光マイクロフォンに対して、スピーカ、ツイータ、超音波層送波器などを用いて受音層の周囲流体へ露出している部分へ音を送信する。
【００７１】
音波を受けた受音層は変形、体積変化を起こして、更に屈折率変化を生じる。受音層の屈折率が変化すると、表面プラズモン共鳴角度が変化するため、受光器で検出される受光信号強度が増加する。
【００７２】
初期状態で受光強度がほぼ０だった状態から、音が受音層に入ることで、表面プラズモン共鳴の条件が変化し、受光器６での受光強度が増加する。この受光強度から、受音層であるシリカ乾燥ゲルの屈折率変化量が算出でき、更に音圧と屈折率変化量の関係から音圧へと変換することによって、音波の計測が可能となるものである。
【００７３】
上述したように本実施形態の光マイクロフォン１の構成である、光源５に波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ、プリズム２に屈折率１．５のガラス、金属層３に厚さ５０ｎｍの金、受音層４に屈折率１．０２２（−）のシリカ乾燥ゲルを用いた場合、表面プラズモン共鳴が励起される４５．６度近傍において、受音層４の屈折率が１．０×１０−４（−）程度変化すると、表面プラズモン共鳴吸収の励起される角度が約０．０１度変化し、光ビームの反射率が約１％程度変化する。
【００７４】
ここで受音層４として用いている、シリカ乾燥ゲルの屈折率変化量は１．０×１０−７（Ｐａ−１）であるので、１０００Ｐａ程度の音圧を受けると、表面プラズモン共鳴吸収の角度が０．０１度変化し、光ビームの反射率が１％程度変化する。この光ビームの強度変化を受光器６で検出することにより環境流体１０を伝搬する音波１１の検出が可能となる。受光器６で検出した光強度信号の直流分を、ハイパスフィルタで除去することにより、音波の周波数に応じた交流成分がより明確に検出できる。
【００７５】
本実施形態では、初期設定として表面プラズモン共鳴が励起されている状態を取ったが、初期設定を角度θSPRより、わずかに大きく、あるいは小さく設定しても良い。
【００７６】
受光信号強度が０の位置を初期設定とすると、原点の安定性は良いものの、音圧が高い場合にも、低い場合にも受光信号強度が増加するため、音圧の正負が不明な測定となる。
【００７７】
一方、初期設定を角度θSPRから、ずらした設定とすると、原点の安定性に課題があるが、音圧の正負が判別できるため、適用アプリケーションによっては初期設定を、受光信号強度が最低ではない位置を設定することも有効である。
【００７８】
本発明の光マイクロフォンは、局所的な屈折率変化を検出する表面プラズモン共鳴を用いた方式であるので、小型化しても感度が低下しないという有利な効果を持つものであり、また光マイクロフォン本体が振動板などを持たず、単純で、安定な構造であるため、小型化が容易で、高周波数領域までフラットな周波数特性を有する光マイクロフォンを実現することができる。
【００７９】
また空気などの気体よりも、さらに大きな圧力に対する屈折率変化を有するシリカ乾燥ゲルを、音圧と屈折率変化の変換材料として用いていることにより、高感度化を実現している。
【００８０】
以上のように、音圧を屈折率変化に変換する受音層に対して、空気などの気体よりも更に屈折率変化量の大きなシリカ乾燥ゲルを用い、発生した屈折率変化を、表面プラズモン共鳴により検出する本発明の光マイクロフォンは、小型化しても感度が低下せず、高周波数領域までのフラット周波数特性な特性を実現するという有利な効果を持つものである。
【００８１】
本発明では、受音層としてシリカ乾燥ゲルを用いたが、そのほかにも、チタニア、チタン酸バリウム、アルミナなどの無機酸化物系の乾燥ゲル、あるいは一般的な熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂など例えば、ポリウレタン、ポリウレア、フェノール硬化樹脂、ポリアクリルアミド、又は、ポリメタクリル酸メチルなどの有機乾燥ゲルを用いることもできる。
【００８２】
（実施の形態２）
図４を参照して、本発明、実施の形態２における光マイクフォンの構成、および動作について説明する。図４において図１〜３と同構成には同番号を付与している。
【００８３】
図４に示した本実施形態における光マイクロフォンは、図３に示した実施の形態１における光マイクロフォンとは以下の２点で異なる。１点は、光源５から出射された直線状の光ビームを発散させ、平行光化させるビームエキスパンダー１２と、ビームエキスパンダーから出射された平行光をプリズムのＸＹ平面内でのみ収束させる（Ｚ方向には収束させない）シリンドリカルレンズ１３とを、光源５とプリズム２の間に有している。
【００８４】
２点目は、受光器６が複数の受光素子６１からなることである。本実施形態の受光器は、反射光が透過するプリズム面２ｂとほぼ平行な方向に、複数の受光素子６１が一次元に配列した構造となっている。
【００８５】
このような光マイクロフォンの動作について説明する。はじめに初期設定、すなわち音波を受けていない状態での設定方法について説明する。
【００８６】
図４に示すように光源５から出射された光ビーム７が、ビームエキスパンダー１２、シリンドリカルレンズ１３を通過すると、プリズムと金属層の界面へある角度範囲（θ１〜θ２、θ１＜θ２）を有する光ビームが入射することになる。
【００８７】
この際、θ１とθ２は表面プラズモン共鳴を励起する角度θＳＰＲとの間に、θ１＜θＳＰＲ＜θ２の関係を満たしている。
【００８８】
このような光ビームは、プリズムと金属層の界面へ、幅を持った入射角で入射し、入射角と同じ角度で反射される。反射光も幅を持った角度で得られることになり、１次元に多数配置した受光素子のうち、反射光の角度に対応する位置に存在する受光素子で検出される。
【００８９】
表面プラズモン共鳴が励起される角度に相当する光ビームは反射光強度が低下し、ほぼ０になるため、この光ビームの角度に相当する位置に配置された受光素子６１の受光信号強度はほぼ０にまで低下する。
【００９０】
初期設定として受光強度がほぼ０となる受光素子が、１次元配列した受光器のほぼ中央となるように、位置を調整することが好ましい。こうすることで広い音圧域に渡る音波を検出することが可能となる。
【００９１】
次に音波を受けた際の動作について説明する。受音層４が音波を受けると屈折率変化が生じて、表面プラズモン共鳴の励起される光ビームの角度が変化する。すなわち受光強度がほぼ０になる受光素子６１の位置が変わる。この受光強度が低下した受光素子の位置から、受音層４の屈折率変化、更には音圧を検出することが可能となるものである。
【００９２】
本実施形態の光マイクロフォンによれば、受光素子を多数配置した受光器が必要となり、多少のコスト増をもたらすが、一方で、第一の実施形態より、測定の安定性と、音圧の正負の測定が同時に実現できるという利点がある。
【００９３】
更に１次元配列した受光器の位置を、プリズム２より遠くすることで、分解能を向上することができ、近づけることで受光量を高くすることができるなど測定上の自由度が高い。
【００９４】
実施の形態１と同様に、光源に波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ、プリズムに屈折率１．５（−）のガラス、金属層に厚さ５０ｎｍの金、受音層に屈折率１．０２２（−）のシリカ乾燥ゲルを用い、ビームエキスパンダー１２、シリンドリカルレンズ１３によりプリズム２と金属層３の界面に対する入射角度を４５．３〜４６．０度（θ１＝４５．３度、θ２＝４９．０度）に設定した光マイクロフォンの動作について説明する。本実施形態では、受光器６として、一次元（図４のＸＹ平面内）に約１０００個の受光素子６１が配列した受光器を用いた。受光器６の受光素子６１の配列方向の長さは約１０ｍｍであり、受光素子６１の１素子あたりの配列方向の長さは約１０μｍである。
【００９５】
受光素子６１の１素子あたりに対応する反射光の角度範囲は、プリズム２と金属層３の界面から受光器６までの距離と、受光素子６１の１素子あたりの配列方向の長さで決まる。
【００９６】
本実施形態では、プリズム２と金属層３の界面から受光器６までの距離が１ｍであり、受光素子６１の幅が１０μｍであるので、受光素子６１の１素子に対応する反射光の角度範囲は、５．７×１０−４度となる。
【００９７】
実施の形態１で述べたように、表面プラズモン共鳴が励起される４５．６度近傍においては、受音層４の屈折率が約１．０×１０−４（−）変化すると、表面プラズモン共鳴吸収の励起される角度が約０．０１度変化する。
【００９８】
本実施形態では、受音層４として用いている、シリカ乾燥ゲルの屈折率変化量が１．０×１０−７（Ｐａ−１）であるので、１０００Ｐａ程度の音圧を受けると、表面プラズモン共鳴吸収の角度が０．０１度変化する。これは受光強度がほぼ０となる、すなわち暗線を検出する受光素子が約１７個移動する。このように受光強度がほぼ０となる、受光素子６１の位置から、環境流体１０を伝搬する音波を検出することが可能となるものである。
【００９９】
本実施の形態では１次元に受光素子が配列したタイプの受光器を用いて説明したが、２次元に配列したタイプの受光器を用いてもよい。この場合には、同じ角度に相当する受光素子が複数存在するため、同じ角度に相当する受光素子の光強度の平均を取るなどの方法で、計測の安定度を更に高めることができる。
【０１００】
また本実施形態における光マイクロフォンでの、シリカ乾燥ゲルを音圧と屈折率変化の変換材料として用いる利点について定量的に示す。ここでは図４において受音層４を設けない構造、すなわち空気の屈折率変化を直接計測した場合との感度比較を行う。
【０１０１】
空気の圧力に対する屈折率変化量は約２．０×１０−９（Ｐａ−１）である。光源としてＨｅ−Ｎｅレーザ（波長６３３ｎｍ）、金属層として金を用いた場合には、シリカ乾燥ゲルを受音層に適用すると、空気の屈折率変化を検知する場合と比較して、感度が約５０倍程度に向上する。
【０１０２】
以上のように、本発明実施の形態２における光マイクロフォンは、プリズムと金属層の界面にある角度幅を持った光ビームを入射し、一次元以上に配列した受光素子を持つ受光器を用いた構成とすることで、高周波数領域までのフラットな周波数特性を維持しながら、より安定度の高い測定を可能とした光マイクロフォンを提供することができる。
【０１０３】
（実施の形態３）
図５を用いて本発明実施の形態３における光マイクロフォンの構成、および動作について説明する。本実施形態における実施形態１および２との差異は、図５に示すように受音層の前方、周囲流体の側に音響ホーン１４を有することにあり、他の構成は、実施形態１および２の場合と同じである。音響ホーン１４は図示していないプリズム２との接続部材と結合しており、光マイクロフォン１として一体化している。
【０１０４】
音響ホーンの内部を伝搬する音波は、音響ホーンの入口１４ａが、音響ホーンと受音部との接する出口１４ｂより大きいため、その形状効果によって音波が圧縮され、音圧が高められる。音波圧縮の効果により受音層に発生する屈折率変化が大きくなるため、より小さな音も検出可能となるという有利な効果がある。
【０１０５】
音響ホーンは図５のＹ方向に関して開口面積が指数関数的に変化するように設計すると、音響ホーン内部での音波の反射が少なくなるため好ましい。
【０１０６】
（実施の形態４）
また、本発明の光マイクロフォンは、水中用の光ハイドロフォンとしても利用可能である。水中用のハイドロフォンとして使用する際は、受音層として用いているシリカ乾燥ゲルに撥水処理が必須となる。本実施の形態における光マイクロフォンは実施の形態１〜３で示したいずれの構成でも適用可能である。
【０１０７】
撥水処理を行わないシリカ乾燥ゲルは水の毛管力によって、その内部に無数にある微細な空孔が破壊されてしまうため、大きな屈折率変化を有する材料としての特性が発揮できない。水中の音圧は通常、大気中に比較して極めて大きいため、感度は十分に確保できる。
【０１０８】
シリカ乾燥ゲルの撥水処理には、湿潤ゲルの状態で、触媒となるアンモニア水、ジメチルジメトキシシランなどのアルコキシシランを用いて、処理することによって達成できる。
【０１０９】
このような光マイクロフォンを、実施の形態２で比較したのと同様に、シリカ乾燥ゲルを設けないデバイス構成、すなわち水の屈折率変化を直接に検出する場合とを比較すると（水の屈折率変化量  １．５×１０−１０  Ｐａ−１）、シリカ乾燥ゲルを受音層として用いた場合には約２５０倍程度の高感度化を実現できる。
【実施例１】
【０１１０】
本発明においては、シリカ乾燥ゲルが、音圧を屈折率の変化とする変換材料としての大きな役割を果たしているため、本発明の実施形態で用いているシリカ乾燥ゲルの製造方法の一例を説明する。
１．原料調合
テトラエトキシシランに少量のトリエチルエトキシシランを添加し、更にエタノール、水を一定の割合で調合し、ビーカー中で約１分間混合したゲル原料液を、常温で保持した。
２．塗膜形成
ガラス製のプリズム上に金をスパッタで形成した基板を、プリズムが設置可能なＶ溝を持つアタッチメントに取り付け、スピンコーターへ設置した。調合した原料液を金膜上へ滴下した後、アタッチメントごと１５００ｒｐｍ、３０ｓにて回転させて余分なゲル原料液を振り切って薄いゲル塗膜を形成した。
３．ゲル化
塗膜が乾燥しないよう、すぐにアンモニア水を入れた密閉容器中にアタッチメントごと、プリズム/金膜上にゲル原料液の塗膜が形成されたものを入れ、４０℃、２４ｈで保持して、ゲル化を完了させた。
４．洗浄
未反応の原料液や、触媒を除くため、十分な量のエタノール中に浸漬し、４０℃で６ｈ保持した。
５．疎水化
ジメチルジメトキシシランと、アンモニア水を混合した疎水化液に、洗浄後のプリズム/金/湿潤ゲル体を浸漬し、７０℃、２４時間保持した。
６．溶媒置換
疎水化の完了した、プリズム/金/湿潤ゲル体を再び、十分な量のエタノールに浸漬して、４０℃、６時間保持した。
７．超臨界乾燥
７０℃、１２ＭＰａにてエタノールを炭酸ガスに十分に置換し、その後、温度を保ったまま、ゆっくりと圧力を低下させることによって、超臨界状態から気体状態を経て乾燥を完了させた。
【０１１１】
以上のような製造プロセスにて、密度１１０ｋｇ／ｍ３、音速５０ｍ／ｓ、屈折率変化量１．０×１０−７Ｐａ−１のシリカ乾燥ゲル層が得られた。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明の光マイクロフォンは、従来困難であった高周波数領域までフラットな周波数特性を持つマイクロフォンが実現でき、雑音の計測、音楽用途、音波を使った様々な計測（距離計測、速度計測、流量計測など）に好適に利用可能である。また計測部本体は電気を使用していないため、ＭＲＩなど電磁波環境で使用するマイクロフォンにも好適である。
【符号の説明】
【０１１３】
１  光マイクロフォン
２  プリズム
３  金属層
４  受音層
５  光源
６  受光器
７  光ビーム
８  光源駆動回路
９  検出回路
１０  周囲流体
１１  音波(波面）
１２  ビームエキスパンダー
１３  シリンドリカルレンズ
１４  音響ホーン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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