(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に発光素子と受光素子とを配置し、前記基板に対向する位置に設置された振動板に前記発光素子から光を放射し、前記振動板からの反射光を前記受光素子で受光して前記振動板の変位を検出する電気音響変換装置において、
前記発光素子として、発光強度分布が同心円状にほぼ均一な共振キャビティ構造の垂直空洞表面発光型半導体レーザを前記基板の中心部に配置し、前記受光素子として、前記レーザを取囲込むようにフォトダイオードを配置し、
前記フォトダイオードの受光側表面に波長λ1 よりも短い波長の光を透過させずに反射させるフィルタ被膜を形成し、
前記振動板として、前記レーザの波長分布帯域λ2 ±Δλ2 を含む波長λ3 よりも短い波長の光を反射させる光反射特性を持たせ、かつ波長λ1 、λ2 、λ3 の関係を、
λ1 ＜λ2 ±Δλ2 ＜λ3
となるようにしたことを特徴とする電気音響変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電気音響変換装置において、
前記フィルタ被膜が金属薄膜または誘電体薄膜で構成されることを特徴とする電気音響変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電気音響変換装置において、
前記振動板の表面に金属薄膜または誘電体薄膜を形成することにより前記光反射特性を持たせることを特徴とする電気音響変換装置。
【請求項４】
基板上に発光素子と受光素子とを配置し、前記基板に対向する位置に設置された振動板に前記発光素子から光を放射し、前記振動板からの反射光を前記受光素子で受光して前記振動板の変位を検出する電気音響変換装置において、
前記発光素子として、発光ダイオードを配置し、
前記受光ダイオードの受光側表面に波長λ1 よりも短い波長の光を透過させずに反射させる第１のフィルタ被膜を形成し、
前記発光ダイオードの発光側表面に波長分布帯域λ2 ±Δλ2 の光を通過させる第２のフィルタ被膜を形成し、
前記振動板として、前記波長分布帯域λ2 ±Δλ2 を含む波長λ3 よりも短い波長の光を反射させる光反射特性を持たせ、かつ、波長λ1 、λ2 、λ3 の関係を、
λ1 ＜λ2 ±Δλ2 ＜λ3
となるようにしたことを特徴とする電気音響変換装置。
【請求項５】
請求項４に記載の電気音響変換装置において、
前記第１および／または第２のフィルタ被膜が金属薄膜または誘電体薄膜で構成されることを特徴とする電気音響変換装置。
【請求項６】
請求項４に記載の電気音響変換装置において、
前記振動板の表面に金属薄膜または誘電体薄膜を形成することにより前記光反射特性を持たせることを特徴とする電気音響変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は音響電気変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音響電気変換装置の一例として光マイクロフォン装置が知られている。
この光マイクロフォン装置は基板上に発光素子と受光素子とを配置し、基板に対向する位置に設置された振動板（メンブレム）に発光素子から光を放射し、この振動板からの反射光を受光素子で受光して振動板の変位を検出するようにしたものである。
【０００３】
発光素子としては発光ダイオード、受光素子としてはフォトダイオードが、通常、用いられる。また振動板と受発光素子との間には光を制御するための導光トンネルが配置されている。
振動板には有機材料または金属薄膜が使用されるが、素材のままでは光の反射が不十分な場合、更に反射を増加させるために金属薄膜や誘電体薄膜などの反射薄膜を形成する。
発光素子として用いられる発光ダイオードはその放射波長域が１００ｎｍ程度の幅を持っているため、この発光を振動板に投射して戻る反射光を効率よく受光しようとすると、できるだけ発光波長の領域全域をカバーする光電変換性能を持つ受光素子を使用する必要がある。
【０００４】
図３は発光ダイオードの発光スペクトル特性を示す特性図である。
また図４はフォトトランジスタの分光感度特性を示す特性図である。
また受光素子としてＰＩＮフォトダイオードを用いる場合もあり、図５はその分光感度特性を示す図で、波長λに対する量子効率ηを示している。
また図６はＰＩＮフォトダイオードの分光感度特性を示すもので、波長λに対する相対感度Ｓ（％）を示している。
このように受光素子の光電変換性能は発光素子の発光波長領域をカバーする必要がある。
【０００５】
一般に、光マイクロフォン装置の構造は振動板の片側が音源に対向するように配置され、振動板の背後に受発光素子が配置され振動板の振動状態を検知するように構成されている。
指向特性を良好に保つためには振動板の両側を外部音源に対して開放した構造とする必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、振動板の背面側から外部音響が入り込むように開放した構造となっている光マイクロフォン装置の場合、外部の光がこの開放された開口部から迷光となって漏れ込んで受光素子に入射する場合がある。
この迷光が受光素子に入射されると、検出信号にノイズとなって重畳される。これを防ぐために光マイクロフォン装置の背後の構造は受光素子の感度範囲に渡って遮光する必要があり、遮光塗料の分光反射特性などを考慮しておく必要があった。
【０００７】
図７は戸外の太陽の分光エネルギー分布を示すもので反射板の分光透過率特性によってはこの光が振動板を通過して直接受光素子に入射する場合もあり、これもノイズとなって受波特性を悪化させる。
本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、外部の光が迷光となって漏れ込んできたり、あるいは振動板を通過して入り込んできてもこれが音響検出信号にノイズとして重畳することのない電気音響変換装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板上に発光素子と受光素子とを配置し、前記基板に対向する位置に設置された振動板に前記発光素子から光を放射し、前記振動板からの反射光を前記受光素子で受光して前記振動板の変位を検出する電気音響変換装置において、前記発光素子として、発光強度分布が同心円状にほぼ均一な共振キャビティ構造の垂直空洞表面発光型半導体レーザを前記基板の中心部に配置し、前記受光素子は、前記レーザを取囲込むように配置し、前記受光ダイオードの受光側表面に波長λ1 よりも短い波長の光を透過させずに反射させるフィルタ被膜を形成し、前記振動板として、前記レーザの波長分布帯域λ2 ±Δλ2 を含む波長λ3 よりも短い波長の光を反射させる光反射特性を持たせ、かつ波長λ1 、λ2 、λ3 の関係を、
λ1 ＜λ2 ±Δλ2 ＜λ3
となるようにしたものである。
前記フィルタ被膜は金属薄膜または誘電体薄膜で構成することが出来る。
また、前記振動板の表面に金属薄膜または誘電体薄膜を形成することにより前記光反射特性を持たせることが出来る。
【０００９】
本発明の異なる態様では、基板上に発光素子と受光素子とを配置し、前記基板に対向する位置に設置された振動板に前記発光素子から光を放射し、前記振動板からの反射光を前記受光素子で受光して前記振動板の変位を検出する電気音響変換装置において、前記発光素子として、発光ダイオードを配置し、前記受光ダイオードの受光側表面に波長λ1 よりも短い波長の光を透過させずに反射させる第１のフィルタ被膜を形成し、前記発光ダイオードの発光側表面に波長分布帯域λ2 ±Δλ2 の光を通過させる第２のフィルタ被膜を形成し、前記振動板として、前記波長分布帯域λ2 ±Δλ2 を含む波長λ3 よりも短い波長の光を反射させる光反射特性を持たせ、かつ、波長λ1 、λ2 、λ3 の関係を、
λ1 ＜λ2 ±Δλ2 ＜λ3
となるようにすることも出来る。
上記態様において、前記第１および／または第２のフィルタ被膜を金属薄膜または誘電体薄膜で構成することが出来る。
また、前記振動板の表面に金属薄膜または誘電体薄膜を形成することにより前記光反射特性を持たせることも出来る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態では発光素子として垂直空洞表面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用い、受光素子として同一基板上にＶＣＳＥＬを取り囲むようにフォトダイオード（ＰＤ）を配置して用いる。ＧａＡｓ基板上に、面発光レーザーの活性層とこれを挟むミラー両層からなる面発光レーザー層と、さらにフォトダイオード層とを重ねてエピタキシャル成長させ、イオンビーム処理等によりダイオードを所定のパターンに形成した後、これをマスキングして面発光ダイオードの発光部を形成する。受光素子としてはフォトダイオードの他に、ＰＩＮダイオードやアバランシェダイオードなども使用することができる。
【００１１】
図１は本発明の一実施形態に係る電気音響変換装置の一つである光マイクロフォン素子の構造を示す図である。
図１（Ａ）はその断面形状を、また、図１（Ｂ）はその底面部の平面図を示したものである。
容器１の底面３に図示しない電子回路基板を設置し、この基板上に発光素子５と受光素子６とを配置した基板を取り付ける。
ここで、発光素子５としてＶＣＳＥＬを、受光素子６としてＰＤを用いる。
【００１２】
中心部に円形形状のＶＣＳＥＬを配置し、これを取り囲むように同心円上にＰＤを複数個配置する。
これらの受発光素子に対向する位置に振動板２を設置する。
発光素子５からのレーザ光が振動板２により反射して、振動に応じた変位で反射され受光素子６により検出される。底面３には図１（Ｂ）に示すように背面側からの音響を振動板２の背面に導入するための複数個の開口４が設けられている。
【００１３】
ＰＤ６の受光側表面には短い側の波長を通さないシャープカットフィルタ（ＦＰＤ）８を金属薄膜または誘電体薄膜で構成した薄膜フィルタを形成しておく。
一方、振動板２の表面にはＶＣＳＥＬ５の波長分布より短い波長を反射する金属被膜または誘電体被膜からなる薄膜７を成膜する。
なお、振動板２自体をこのような反射特性を有する材質で構成すれば、別途薄膜７を振動板２に成膜する必要はない。
【００１４】
図８はＶＣＳＥＬの２５℃における分光エネルギー分布を示す図である。
発光出力Ｐ0が１ミリワット（ｍＷ）について相対光強度を示したものであるが、発光出力によって波長幅は多少変動するがその波長幅は非常に狭いのが特徴である。
ＰＤ６の前面に成膜する薄膜フィルタ８の垂直入射時の５〜９５％変化波長幅を５０ｎｍ以下とし、その９５％透過率となる波長をλ1 とする。
そしてＶＣＳＥＬ５の発光波長をλ2 とし、その使用環境温度が変化するときの発信波長変動を±Δλ2 とする。
振動板２に光が垂直に入射する時の振動板反射膜７の透過率が５％以上になる波長をλ3 とする時、これらの波長λ1 、λ2 、λ3 をλ1 ＜λ2 ±Δλ2 ＜λ3 となるように設定する。
【００１５】
図２はこのように構成された光マイクロフォン装置の光学特性を示した図である。
ＶＣＳＥＬの波長幅は通常の発光ダイオードの１／１０以下の数ｎｍであるため、これを反射する振動板の反射特性をＰＤの長波長側がレーザ発振波長と同様に急速に低下する特性を利用して、広い波長幅の反射膜より構成が簡単なシャープカット特性とし、一方でＰＤの受光側表面にレーザ発振波長より短い波長では光を通さないコーティングをすることにより、ＰＤの短波長側がノイズとなる外部迷光を拾うことを防いでいる。
これにより良好なノイズ特性を実現することができる。
このようにＶＣＳＥＬの分光エネルギー分布帯域幅が振動板反射特性のカットオフ波長λ3 よりも短波長側にありかつＰＤ表面コート反射特性のカットオフ波長λ1 よりも長波長側にあるようにフィルタ被膜７，８の特性を選択することにより有効に外部からの迷光によるノイズ発生を抑制することができる。
【００１６】
図９は発光ダイオードとＰＩＮフォトダイオードとを用いた従来の光マイクロフォン装置の光学特性を示したもので、図２に示す本発明の光学特性と比較すると大きな差異があることが分かる。
しかしこのような従来の発光ダイオードとＰＩＮフォトダイオードとを用いた場合であっても、その表面に上述したような反射特性と透過特性とを有するフィルタ被膜を形成しておけば上述した実施の形態の場合と同様の光学特性を得ることができる。
【００１７】
すなわちＰＩＮフォトダイオードの受光側表面に波長λ1 よりも短い波長の光を透過させずに反射させるフィルタ被膜を形成し、発光ダイオードの発光側表面には波長分布帯域λ2 ±Δλ2 の光を通過させるフィルタ被膜を形成し、振動板として波長分布帯域λ2 ±Δλ2 を含む波長λ3 よりも短い波長の光を反射させる光反射特性を持たせて、この波長λ1 、λ2 、λ3 の関係を前述のような関係としておけばよい。
このような構成とすることによりＶＣＳＥＬを用いる場合よりも若干光学特性は劣るものの、ノイズの低減効果を十分に発揮する光マイクロフォン装置を形成することができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明では長波長側で透過率が増加するシャープカット特性を持った薄膜を振動板と受光素子とにコートしこれを発光素子の光に対してバンドバスフィルタとして働かせるようにしたため、外部からの迷光によるノイズ発生を光学的に抑圧することができる。
また光源として波長幅が数ｎｍと狭いＶＣＳＥＬを用いることにより、格段にノイズ特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気音響変換装置の一実施形態を示す断面図。
【図２】本発明の電気音響変換装置の光学特性を示す図。
【図３】発光ダイオードの発光スペクトル特性。
【図４】フォトトランジスタの分光感度特性。
【図５】ＰＩＮフォトダイオードの分光感度特性。
【図６】ＰＩＮフォトダイオードの分光感度特性。
【図７】太陽の分光エネルギー分布を示す図。
【図８】ＶＣＳＥＬの発光エネルギー分布図。
【図９】従来の電気音響変換装置の光学特性を示す図。
【符号の説明】
２    振動板
３    底面
４    開口
５    発光素子
６    受光素子
７    フィルタ被膜
８    フィルタ被膜
【図１】
0003673996.tif 000002
【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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【図７】
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【図８】
0003673996.tif 000009
【図９】
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