(57)【要約】  本願に開示された光マイクロホンは、一対の主面２ａ、２ｂ、および、一対の主面の間に位置する少なくとも１つの側面を有する光音響媒質部２と、少なくとも１つの側面と接触し、光音響媒質部の形状変化を抑制する拘束部３と、一対の主面の間において、光音響媒質部を透過する光波を出射する光出射部１０１とを備え、一対の主面は、検出すべき音響波が伝搬する環境流体に接し、自由に振動可能であり、音響波が一対の主面の少なくとも一方から光音響媒質部内へ入射し、光音響媒質部を伝搬することにより生じる光音響媒質部を透過する光波の光路長変化を検出する。
2013061578.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の主面、および、前記一対の主面の間に位置する少なくとも１つの側面を有する光音響媒質部と、
前記少なくとも１つの側面と接触し、前記光音響媒質部の形状変化を抑制する拘束部と、
前記一対の主面の間において、前記光音響媒質部を透過する光波を出射する光出射部と、
を備え、
前記一対の主面は、検出すべき音響波が伝搬する環境流体に接し、自由に振動可能であり、
前記音響波が前記一対の主面の少なくとも一方から前記光音響媒質部内へ入射し、光音響媒質部を伝搬することにより生じる前記光音響媒質部を透過する光波の光路長変化を検出する光マイクロホン。
【請求項２】
前記光波は、前記一対の主面と垂直な方向の、前記一対の主面から等距離にある位置において、前記光音響媒質部へ入射し、前記一対の主面から等距離にある位置において、前記光音響媒質部から出射する請求項１に記載の光マイクロホン。
【請求項３】
光音響媒質部は、音速が空気よりも遅い音速を有する固体によって構成されている請求項１または２に記載の光マイクロホン。
【請求項４】
前記固体はシリカナノ多孔体である請求項３に記載の光マイクロホン。
【請求項５】
前記拘束部は、前記光出射部の光波が入射および／または出射する少なくとも１つの開口を有し、
前記少なくとも１つの開口を除いて、前記拘束部は前記光音響媒質部の前記少なくとも１つの側面と接している請求項１から４のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項６】
前記一対の主面のそれぞれは、矩形形状を有する請求項１から５のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項７】
前記一対の主面のそれぞれは、楕円形状を有する請求項１から５のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項８】
前記一対の主面のそれぞれは、菱形形状の２つの対向する頂点を切り落とした八角形形状を有する請求項１から５のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項９】
前記光音響媒質部は、前記一対の主面と垂直な断面において、前記一対の主面と平行な方向に厚さが変化している請求項１から８のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項１０】
前記厚さは、前記一対の主面と平行な方向において、中央部より両端部の方が大きい請求項９に記載の光マイクロホン。
【請求項１１】
前記厚さは、前記一対の主面と平行な方向において、中央部より両端部の方が小さい請求項９に記載の光マイクロホン。
【請求項１２】
前記光音響媒質部を挟んで前記少なくとも１つの開口と対向する位置に設けられた鏡をさらに備え、
前記光出射部の前記光波は、前記少なくとも１つの開口から前記光音響媒質部へ入射し、前記鏡で反射した後、再度、前記光音響媒質部を透過し、前記少なくとも１つの開口から出射する請求項５に記載の光マイクロホン。
【請求項１３】
前記拘束部は、前記少なくとも１つの側面と非平行な方向に伸びており、前記光音響媒質部に挿入された突起部を有する請求項１から１２のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項１４】
前記突起部は、前記突起部が伸びる方向と平行な断面において、前記伸びる方向と垂直な方向における幅が前記突起部の根元よりも先端において大きい請求項１から１３のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項１５】
前記突起部は前記一対の主面と平行であって、前記少なくとも１つの側面に沿って伸びている請求項１４に記載の光マイクロホン。
【請求項１６】
前記光出射部を含む光学干渉計をさらに備える請求項１から１５のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項１７】
前記光出射部を含むレーザードップラー振動計をさらに備える請求項１から１５のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項１８】
少なくとも１つの面を有するナノ多孔体と、
前記少なくとも１つの側面と接触し、前記光音響媒質部の形状変化を抑制する拘束部と、
を備え、
前記拘束部は、前記少なくとも１つの側面と非平行な方向に伸びており、前記ナノ多孔体に挿入された突起部を有し、
前記突起部は、前記突起部が伸びる方向と平行な断面において、前記伸びる方向と垂直な方向における幅が前記突起部の根元よりも先端の方が大きいナノ多孔体部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、空気などの気体を伝搬する音響波や固体中を伝搬する音響波を受波し、光波を利用して、受波した音響波を電気信号に変換する光マイクロホンに関する。
【背景技術】
【０００２】
音響波を検出する装置として、従来よりマイクロホンが知られている。ダイナミックマイクロホンやコンデンサマイクロホンに代表される多くのマイクロホンは、振動板を用いる。これらのマイクロホンは、入力された音響波が振動板を振動させ、その振動を圧電効果や静電容量の変化などにより電気信号として取り出す。また、振動板の振動をレーザー光などの光波によって検出する光マイクロホンも知られている。【０００３】
一方、特許文献１は、振動板を用いずに光波によって音響波を検出する光マイクロホンを開示している。図３５に示すように、特許文献１に開示される光マイクロホンは、光音響媒質部２０３と、レーザドップラー振動計２０４とを備えている。光音響媒質部２０３は、凹部を有するベース２１０の凹部内に支持されており、凹部の開口を透明板２１１によって覆っている。ベース２１０には開口部２０１が設けられており、開口部は、光音響媒質部２０３の側面２０３ａとベース２１０の凹部の内側面によって構成される音響導波路２０２として機能する空間が設けられている。【０００４】
空気中を伝搬する音響波２０５は、開口部２０１からベース２１０内に取り込まれ、音響導波路２０２中を進行する。音響波２０５は、側面２０３ａから光音響媒質部２０３の内部に取り込まれ、光音響媒質部２０３を伝搬する。【０００５】
光音響媒質部２０３では音響波２０５の伝搬に伴い、屈折率変化が生じる。この屈折率変化をレーザードップラー振動計２０４により光変調として取り出すことにより、音響波２０５を検出する。光音響媒質部２０３として、シリカナノ多孔体（シリカ乾燥ゲル）を用いることで、音響導波路２０２中の音響波２０５を光音響媒質部２０３の内部へ高効率に取り込むことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−０８５８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来の技術では、さらなる音響特性の向上が求められていた。【０００８】
本願の、限定的ではない例示的なある実施形態は、音響特性が改善された光マイクロホンを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様に係る光マイクロホンは、一対の主面、および、前記一対の主面の間に位置する少なくとも１つの側面を有する光音響媒質部と、前記少なくとも１つの側面と接触し、前記光音響媒質部の形状変化を抑制する拘束部と、前記一対の主面の間において、前記光音響媒質部を透過する光波を出射する光出射部とを備え、前記一対の主面は、検出すべき音響波が伝搬する環境流体に接し、自由に振動可能であり、前記音響波が前記一対の主面の少なくとも一方から前記光音響媒質部内へ入射し、光音響媒質部を伝搬することにより生じる前記光音響媒質部を透過する光波の光路長変化を検出する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一態様に係る光マイクロホンによれば、拘束部が光音響媒質部の少なくとも１つの側面と接触することによって形状変化を抑制し、一対の主面が検出すべき音響波が伝搬する環境流体に接し、自由に振動可能にすることによって、従来よりも平坦な周波数特性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による光マイクロホンの第１の実施形態の主要部を示す図である。
【図２】音響受波部への音響波の入射の様子を示す図である。
【図３】解析に用いた光音響媒質部の形状および解析モデルを示す図である。
【図４】図３に示す解析モデルにおける屈折率変化による光路長変化の周波数特性を示す図である。
【図５】図３に示す解析モデルにおける寸法変化による光路長変化の周波数特性を示す図である。
【図６】図４および図５の位相関係を示すナイキスト線図である。
【図７】（ａ）は図３に示す解析モデルにおける屈折率変化および寸法変化による光路長変化の周波数特性を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）は７９５Ｈｚおよび１．３８ｋＨｚの振動解析結果を示す図である。
【図８】試作した光音響媒質部における光路長変化の周波数特性を示す図である。
【図９】図３に示す解析モデルにおいて、長手方向の側面を固定した場合における光路長変化の周波数特性を示す図である。
【図１０】図３に示す解析モデルにおいて、長手方向および短手方向の側面を固定した場合における光路長変化の周波数特性を示す図である。
【図１１】図３に示す解析モデルにおいて、長手方向および短手方向の側面および１つの主面を固定した場合における光路長変化の周波数特性を示す図である。
【図１２】拘束部の他の形態を示す図である。
【図１３】拘束部の他の形態を示す図である。
【図１４】（ａ）から（ｃ）は、アンカーを有する拘束部の形態を示す図である。
【図１５】（ａ）および（ｂ）は、アンカーを有する拘束部を用いた音響受波部の製造方法を示す図である。
【図１６】（ａ）は、楕円形状の光音響媒質部の外形を示す図であり、（ｂ）は、その光路長変化の周波数特性を示す図である。
【図１７】（ａ）は、菱形形状の光音響媒質部の外形を示す図であり、（ｂ）は、その光路長変化の周波数特性を示す図である。
【図１８】（ａ）は、他の楕円形状の光音響媒質部の外形を示す図であり、（ｂ）は、その光路長変化の周波数特性を示す図である。
【図１９】（ａ）は、他の菱形形状の光音響媒質部の外形を示す図であり、（ｂ）は、その光路長変化の周波数特性を示す図である。
【図２０】（ａ）は、他の菱形形状の光音響媒質部の外形を示す図であり、（ｂ）は、その断面を示す図であり、（ｃ）は、その光路長変化の周波数特性を示す図である。
【図２１】（ａ）は、他の菱形形状の光音響媒質部の外形を示す図であり、（ｂ）は、その断面を示す図であり、（ｃ）は、その光路長変化の周波数特性を示す図である。
【図２２】（ａ）および（ｂ）は、光音響媒質部を透過する光波の他の光路を示す図である。
【図２３】本発明による光マイクロホンの第２の実施形態の主要部を示す図である。
【図２４】音響受波部への音響波の入射の様子を示す図である。
【図２５】音響受波部への音響波の入射の様子を示す他の図である。
【図２６】（ａ）解析に用いた光音響媒質部の形状および解析モデルを示す図であり、（ｂ）は、光路高さ（ｈ＝ｄ）の場合の解析結果であって、屈折率変化による光路長変化の周波数特性を示す図である。
【図２７】（ａ）解析に用いた光音響媒質部の形状および解析モデルを示す図であり、（ｂ）は、光路高さ（ｈ＝３ｄ／４）の場合の解析結果であって、屈折率変化による光路長変化の周波数特性を示す図である。
【図２８】（ａ）解析に用いた光音響媒質部の形状および解析モデルを示す図であり、（ｂ）は、光路高さ（ｈ＝ｄ／２）の場合の解析結果であって、屈折率変化による光路長変化の周波数特性を示す図である。
【図２９】（ａ）から（ｃ）は、振動モードの解析結果を示す図である。
【図３０】（ａ）から（ｃ）は、光マイクロホンの他の構成を示す図である。
【図３１】光マイクロホンの具体的な構成を示す図である。
【図３２】光マイクロホンの他の構成を示す図である。
【図３３】ヘテロダイン干渉計を用いた光マイクロホンの構成を示す図である。
【図３４】レーザードップ振動計を用いた光マイクロホンの構成を示す図である。
【図３５】従来の光マイクロホンの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本願発明者は、光マイクロホンの音響特性を向上させるために、特許文献１の光マイクロホンの特性について詳細に検討した。その結果、特許文献１の光マイクロホンには光音響媒質部の大きさに依存する共振周波数が存在するため、平坦な周波数特性を得るのが困難な場合があることが分かった。この課題を解決するために、従来のダイナミックマイクロホンなどにおいて振動板を小さくし、周波数特性を平坦化するように、光マイクロホンにおいても、光音響媒質部を小さくすることが考えられる。しかし、この場合、音響波を取り込む側面が小さくなってしまい、十分な強度で音響波を取り込むことができなることにより、光マイクロホンの感度が低下すると考えられる。
【００１３】
本願発明者は、このような従来技術の課題に鑑み、従来よりも音響特性に優れた光マイクロホン、特に、従来よりも平坦な周波数特性を実現し得る新規な構造を有する光マイクロホンを想到した。本発明の一態様の概要は以下のとおりである。
【００１４】
本発明の一態様である光マイクロホンは、一対の主面、および、前記一対の主面の間に位置する少なくとも１つの側面を有する光音響媒質部と、前記少なくとも１つの側面と接触し、前記光音響媒質部の形状変化を抑制する拘束部と、前記一対の主面の間において、前記光音響媒質部を透過する光波を出射する光出射部とを備え、前記一対の主面は、検出すべき音響波が伝搬する環境流体に接し、自由に振動可能であり、前記音響波が前記一対の主面の少なくとも一方から前記光音響媒質部内へ入射し、光音響媒質部を伝搬することにより生じる前記光音響媒質部を透過する光波の光路長変化を検出する。
【００１５】
本発明の一態様に係る光マイクロホンによれば、拘束部が光音響媒質部の少なくとも１つの側面と接触することによって形状変化を抑制し、一対の主面が検出すべき音響波が伝搬する環境流体に接し、自由に振動可能にすることによって、従来よりも平坦な周波数特性を実現することができる。
【００１６】
本発明の他の一態様である光マイクロホンは、一対の主面、および、前記一対の主面の間に位置する少なくとも１つの側面を有する光音響媒質部と、前記一対の主面の間において、前記光音響媒質部を透過する光波を出射する光出射部とを備え、前記一対の主面は、検出すべき音響波が伝搬する環境流体に接し、自由に振動可能であり、前記光波は、前記一対の主面と垂直な方向の、前記一対の主面から等距離にある位置において、前記光音響媒質部へ入射し、前記一対の主面から等距離にある位置において、前記光音響媒質部から出射し、前記音響波が前記一対の主面の少なくとも一方から前記光音響媒質部内へ入射し、光音響媒質部を伝搬することにより生じる前記光音響媒質部を透過する光波の光路長変化を検出する。
【００１７】
本発明の他の一態様に係る光マイクロホンによれば、音響波を検出するための光波が、一対の主面と垂直な方向の、一対の主面から等距離にある位置において光音響媒質部を透過するため、光音響媒質部の撓みによる影響を抑制し、平坦な周波数特性を実現できる。
【００１８】
他の一態様に係る光マイクロホンは、前記少なくとも１つの側面と接触し、前記光音響媒質部の形状変化を抑制する拘束部をさらに備えていてもよい。
【００１９】
光音響媒質部は、音速が空気よりも遅い音速を有する固体によって構成されていてもよい。
【００２０】
前記固体はシリカナノ多孔体であってもよい。
【００２１】
前記拘束部は、前記光出射部の光波が入射および／または出射する少なくとも１つの開口を有し、前記少なくとも１つの開口を除いて、前記拘束部は前記光音響媒質部の前記少なくとも１つの側面と接していてもよい。
【００２２】
前記一対の主面のそれぞれは、矩形形状を有していてもよい。
【００２３】
前記一対の主面のそれぞれは、楕円形状を有していてもよい。
【００２４】
前記一対の主面のそれぞれは、菱形の２つの角を切り落とした八角形形状を有していてもよい。
【００２５】
前記光音響媒質部は、前記一対の主面と垂直な断面において、前記一対の主面と平行な方向に厚さが変化していてもよい。
【００２６】
前記厚さは、前記一対の主面と平行な方向において、中央部より両端部の方が大きくてもよい。
【００２７】
前記厚さは、前記一対の主面と平行な方向において、中央部より両端部の方が小さくてもよい。
【００２８】
光マイクロホンは、前記光音響媒質部を挟んで前記少なくとも１つの開口と対向する位置に設けられた鏡をさらに備え、前記光出射部の前記光波は、前記少なくとも１つの開口から前記光音響媒質部へ入射し、前記鏡で反射した後、再度、前記光音響媒質部を透過し、前記少なくとも１つの開口から出射していてもよい。
【００２９】
前記拘束部は、前記少なくとも１つの側面と非平行な方向に伸びており、前記光音響媒質部に挿入された突起部を有していてもよい。
【００３０】
前記突起部は、前記突起部が伸びる方向と平行な断面において、前記伸びる方向と垂直な方向における幅が前記突起部の根元よりも先端において大きくてもよい。
【００３１】
前記突起部は前記一対の主面と平行であって、前記少なくとも１つの側面に沿って伸びていてもよい。
【００３２】
光マイクロホンは前記光出射部を含む光学干渉計をさらに備えていてもよい。
【００３３】
光マイクロホンは、前記光出射部を含むレーザードップラ振動計をさらに備えていてもよい。
【００３４】
本発明の一態様であるナノ多孔体部材は、少なくとも１つの面を有するナノ多孔体と、前記少なくとも１つの側面と接触し、前記光音響媒質部の形状変化を抑制する拘束部とを備え、前記拘束部は、前記少なくとも１つの側面と非平行な方向に伸びており、前記ナノ多孔体に挿入された突起部を有し、前記突起部は、前記突起部が伸びる方向と平行な断面において、前記伸びる方向と垂直な方向における幅が前記突起部の根元よりも先端の方が大きい。
【００３５】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による光マイクロホンの第１の実施形態を説明する。図１は、本発明による光マイクロホンの第１の実施形態の主要部の構成を模式的に示している。図１に示す光マイクロホン１５１は、光音響媒質部２および拘束部３を含む音響受波部１と、光出射部１０１とを備える。光出射部１０１は受光部１０２とともに光出射部を持つ光学干渉計１０３を構成している。音響受波部１は、環境流体１１０に接しており、環境流体１１０を伝搬する音響波１２０が音響受波部１に入射する。光出射部１０１から出射した光波４は音響受波部１内を透過する。音響受波部１において、光波の光路長が入射した音響波１２０によって変化するため、この光路長の変化を検出することによって、音響波を検出する。つまり、光波を用いて音響波を検出する。光マイクロホン１５１の主要な特徴の１つは、音響受波部１の構成にあり、これにより、従来よりも平坦な周波数特性を実現する。光波による音響波の検出方法は例えば、特許文献１等に開示された公知の検出方法を用いることができるため、以下の実施形態では、特に、平坦な周波数特性を実現する音響受波部１の構造について詳しく説明する。環境流体１１０は、気体または液体であり、例えば、空気や水であってよい。
【００３６】
１．光マイクロホン１５１の構成
（１）光音響媒質部２
光音響媒質部２は、環境流体１１０から音響波１２０を受け取り、音響波１２０を伝搬させる。音響波１２０は粗密波であるため、音響波１２０が伝搬する領域において、光音響媒質部２の密度が変化し、これによって屈折率の変化が生じる。環境流体１１０と光音響媒質部２との界面において、音響波１２０ができるだけ反射せずに効率よく光音響媒質部２の内部に入射するように、光音響媒質部２は、環境流体に対して音響インピーダンスの差が小さい材料によって構成されていてもよい。例えば、光音響媒質部２の材料として、シリカナノ多孔体（シリカ乾燥ゲル）を用いると、空気との音響インピーダンスの差が小さく、空気中を伝搬する音響波１２０を高効率で取り込むことができる。シリカナノ多孔体の音速は、５０ｍ／ｓｅｃから１５０ｍ／ｓｅｃ程度であり、空気中の音速３４０ｍ／ｓｅｃよりも小さい。また、密度も約７０ｋｇ／ｍ3から２８０ｋｇ／ｍ3と小さい。そのため、音響インピーダンスが空気に対して８〜１００倍程度と差が小さく、界面での反射が小さいため、空気中の音響波を効率よく内部に入射させることができる。例えば、５０ｍ／ｓｅｃの音速、および、１００ｋｇ／ｍ3の密度を有するシリカナノ多孔体を光音響媒質部２に用いると、空気との界面での反射は７０％となり、音響波のエネルギーの３０％程度が界面で反射されずに、内部へ入射する。
【００３７】
また、光音響媒質部２の材料として、シリカナノ多孔体を用いると、他の材料を用いる場合よりも光波に対する屈折率変化量Δｎを大きくすることができる。例えば、空気の屈折率変化量Δｎは、１Ｐａの音圧変化に対して２．０×１０-9であるのに対して、シリカナノ多孔体の１Ｐａの音圧変化に対する屈折率変化量Δｎは１．０×１０-7程度と大きい。
【００３８】
光音響媒質部２は、図１に示すように一対の主面２ａ、２ｂと一対の主面２ａ、２ｂに挟まれた少なくとも１つの側面を有する。本実施形態では、主面２ａ、２ｂは矩形形状を有しているため、光音響媒質部２は４つの側面２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆを有する。主面とは、光音響媒質部２の立体形状を構成する複数の面のうち、最も大きい面積を有する面および次に大きい面積を有する面をいう。本実施形態では、主面２ａと主面２ｂとは同じ形状を有し、主面２ａ、２ｂに垂直な任意の断面において、主面２ａ、２ｂに垂直方向の厚さは一定である。主面２ａ、２ｂは環境媒体１１０から音響波１２０が光音響媒質部２内部へ入射する面である。
【００３９】
光音響媒質部２の形状は、上述した形状に限られず、種々の形状の光音響媒質部２を用いることができる。光音響媒質部２の他の形状については後述する。
【００４０】
光音響媒質部２の大きさは、光マイクロホン１５１の用途や検出したい音響波１２０の周波数、光音響媒質部２を構成する材料などに依存する。
【００４１】
（２）拘束部３
拘束部３は光音響媒質部２と接触し、光音響媒質部２の形状変化を抑制する。従来よりも平坦な周波数特性を実現するために、拘束部３は、光音響媒質部２の少なくとも１つの側面と接触し、光音響媒質部２の側面の形状変化を抑制する。また、一対の主面２ａ、２ｂは、検出すべき音響波１２０が伝搬する環境流体１１０に接し、自由に振動可能である。拘束部３が光音響媒質部２の形状変化を抑制する方向は、音響波１２０の伝搬方向と垂直な全ての方向であっても良いし、音響波の伝搬方向と垂直な任意の１方向であっても良い。本実施形態では、拘束部３は光音響媒質部２の４つの側面２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆに設けられ、これらの側面と接触することによって、音響波１２０の伝搬方向と垂直な全ての方向への光音響媒質部２の形状変化を抑制する。また、本実施形態では、拘束部３は、４つの側面２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆと接する４つの内側面を有するフレーム形状を有している。
【００４２】
拘束部３は、光音響媒質部２の形状変化を抑制するため、光音響媒質部２よりも大きい弾性率を有していてもよい。拘束部３は、ガラスやアクリル等、光出射部１０１から出射する光波４に対して透光性を有する材料によって構成されていてもよい。また、金属やテフロン（登録商標）などの透光性を有さない材料で構成してもよい。ただし、光波４に対して透光性を有さない材料によって、拘束部３を構成する場合、光波４を光音響媒質部２に入射させ、光音響媒質部２を伝搬した光波４を光音響媒質部２から取り出すための少なくとも１つの開口を設けてもよい。本実施形態では、拘束部３は、光音響媒質部２の側面２ｃ、２ｄに対応する位置に開口５、５’を設けている。
【００４３】
光音響媒質部２および拘束部３からなる音響受波部１は、主面２ａ、２ｂから音響波１２０が入射し得る。環境流体１１０を伝搬する音響波１２０は、図２に示すように、一部が主面２ａ、光音響媒質部２に入射すると同時に、主面２ａから入射しなかった他の音響波１２０の一部が回り込んで主面２ｂからも入射する。２つの主面２ａ、２ｂは、振動可能な自由端であってもよい。拘束部３と接触している側面２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆは、振動が抑制された固定端といえる。音響受波部１を支持する筐体が、２つの主面２ａ、２ｂに接触しないように、筐体は拘束部３に設けてもよい。例えば、図１に示すように、支持部８を拘束部３に取り付け、筐体と２つの主面２ａ、２ｂとの間に空隙を設け、主面２ａ、２ｂが環境流体１１０に接するようにしてもよい。これにより、音響波が入射する主面２ａ、２ｂは、環境流体１１０が満たされた空間（空隙）に接する。また、側面２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆは、直接環境流体１１０が満たされた空間とは接しておらず、空間と側面２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆとの間に拘束部３が位置している。
【００４４】
光音響媒質部２を固定する方法としては、光音響媒質部２と拘束部３とを接着剤などにより接着し、固定しても良い。また、拘束部３に締付け機構を設けておき、側面を締付けることで固定しても良い。例えば、拘束部３によって、側面２ｃと側面２ｄとを挟み込み、側面２ｅと側面２ｆとを挟み込んでもよい。また、後述するように、光音響媒質部２をゾルゲル法で作製する場合には、拘束部３にアンカーを設け、アンカーを光音響媒質部２に挿入してもよい。
【００４５】
（３）光出射部１０１、受光部１０２、光学干渉計１０３
光音響媒質部２に音響波１２０が入射すると、縦波である音響波１２０の伝搬に伴って、光音響媒質部２の粗密分布が伝搬し、屈折率変化が生じる。この屈折率変化を検出するため、光出射部１０１から出射した光波４は、主面２ａ、２ｂの間において、光音響媒質部２を伝搬するように光音響媒質部２に入射させる。これにより、光音響媒質部２を透過する光波４の光路長変化を検出することで音響波１２０を検出する。本実施形態の光マイクロホン１５１は、光波４の光路長変化を検出するために、光学干渉計１０３を用いる。具体的には、光波４を光学干渉計の光出射部１０１から出射し、受光部１０２で検出することにより、光音響媒質部２を伝搬する光波４の位相変化を検出する。これにより、光音響媒質部２における光波４の光路長の変化量を検出することができる。光路長変化を検出する光学干渉計としては、ヘテロダイン干渉計、マッハツェンダー型干渉計などのホモダイン干渉計、レーザードップラー振動計などを用いることができる。
【００４６】
２．光マイクロホン１５１の動作および解析結果
本実施形態の光マイクロホン１５１の光音響媒質部２に音響波１２０が入射し、伝搬する際、音響波１２０の入射時に加わる音圧により光音響媒質部２が変形し、寸法変化が生じる。この寸法変化により、光音響媒質部２には光路長変化が生じる。また、音響波１２０は光音響媒質部２に入射した後にその内部を伝搬して屈折率変化を生じさせる。光マイクロホン１５１は、光音響媒質部２の寸法変化による光路長変化および音響波の伝搬による屈折率変化の両方を考慮することによって、従来よりも平坦な周波数特性を実現する。
【００４７】
光音響媒質部２の寸法変化による光路長変化および音響波の伝搬による屈折率変化と音響波１２０の検出との関係を検討するために、図３に示すように、光音響媒質部２をモデル化し、光音響媒質部２の光路長変化と周波数特性との関係について、有限要素法を用いたシミュレーションによる解析を行った。
【００４８】
図３に示すように、解析には、直方体の光音響媒質部２を用いた。具体的には、図３に示すように、２９．３ｍｍ（長手方向）×１７．４ｍｍ（短手方向）×４．８４ｍｍ（厚み方向）の寸法を有する光音響媒質部２を用いた。光音響媒質部２の光路は、直方体の長手方向にとった。光音響媒質部２での光路位置は、直方体の短手方向で８．７ｍｍ、厚さ方向で２．４２ｍｍとした。つまり、長手方向に対向する側面２ｃ、２ｄの中心を通る光路を設定した。
【００４９】
シミュレーションで用いる光音響媒質部２の材料には、０．２４０２ＭＰａの縦弾性係数、０．２４のポアソン比、０．１０８ｇ／ｃｍ3の密度を有するシリカナノ多孔体を用いた。また、光音響媒質部２の減衰係数は、７９０Ｈｚにおいて０．００８４であり、４０ｋＨｚにおいて０．０５９とした。音響波は、直方体の面と環境流体との全ての界面から等圧で入射するとした。周波数特定の３つの解析手順を以下で説明する。
【００５０】
まず、音響波の伝搬による屈折率変化に起因する光路長変化のみを考慮した場合、および、光音響媒質部２の変形による寸法変化に起因する光路長変化のみを考慮した場合における光路長変化と周波数特性との関係を計算した。結果を、図４および図５に示す。
【００５１】
次に、２つの光路長変化の周波数特性から２つの光路長変化の和を計算した。具体的には、図６は、それぞれの光路長変化を位相・振幅を含めて表示するナイキスト線図である。ナイキスト線図のベクトル和（三角のマークおよび実線）が２つの光路長変化の和に相当する。図７（ａ）は、ナイキスト線図で求めた光路長変化から得られた振幅の周波数に対する応答を表す周波数特性を示す。
【００５２】
次に、シミュレーション結果の妥当性を評価するために、図７に示す寸法を有し、シリカナノ多孔体によって構成さる光音響媒質部２を作製し、周波数特性の測定を行った。図８に、周波数特性を測定した結果を示す。具体的には、光音響媒質部２に光波４及び音響波１２０を伝搬させて、光音響媒質部２の周波数特性を測定した。
【００５３】
図８に示す測定結果は、図４および図５に示すシミュレーション結果とはあまり一致せず、図７（ａ）に示すシミュレーション結果とほぼ一致していることが確認できる。このことから、光音響媒質部２に音響波を入射させた場合、音響波の伝搬による屈折率変化に光路長変化のみ、または、光音響媒質部２の寸法変化による光路長変化のみが生じるのではなく、これらの両方によって、光路長変化が生じていると考えられる。
【００５４】
図７（ａ）に示す周波数特性の解析結果では、７９５Ｈｚ及び１．３８ｋＨｚの周波数において共振によるピークが出現し、７３８Ｈｚ及び１．７４ｋＨｚの周波数においてディップが出現している。つまり、７９５Ｈｚおよび１．３８ｋＨｚの周波数で光音響媒質部２は共振している。図７（ｂ）および（ｃ）に示す解析結果から、７９５Ｈｚの周波数は、長手方向での共振に相当し、１．３８ｋＨｚの周波数は短手方向の共振に相当することがわかる。
【００５５】
従来の振動板を用いるようなダイナミックマイクロホンにおいては、振動板を小さくし、振動板の共振周波数を可聴域よりも高周波側にシフトさせることによって、可聴域の周波数帯域の平坦化を行っている。しかし、光マイクロホンにおいて同様の手段を用いて、光音響媒質部２の長手方向および短手方向の大きさを小さくすると、光波４が光音響媒質部２を伝搬する光路長が小さくなり、マイクロホンの感度が小さくなってしまう。そのため、光路長を短くせずに周波数帯域の平坦化を行う必要がある。本実施形態の光マイクロホン１５１では、光路長を短くせずに周波数帯域の平坦化を行うために、光音響媒質部２の側面の境界条件を変えることによって共振の制御を行う。
【００５６】
図３に示す光音響媒質部２のモデルにおいて、光波４の入出射面にあたる面、すなわち長手方向に対して垂直な２つの側面２ｃ、２ｄを固定端として解析を行った。解析結果を図９に示す。図７との比較から分かるように図９では、８００Ｈｚ付近に存在したピークおよびディップが抑制されているのが確認できる。これは、長手方向に対して垂直な２つの側面２ｃ、２ｄを固定することにより、長手方向の共振を抑制できるためと考えられる。同様の理由で、短手方向に対して垂直な２つの面を固定して解析を行った場合には、短手方向の共振を抑制できる。
【００５７】
次に、長手方向に垂直な側面２ｃ、２ｄに加えて、短手方向に対して垂直な側面２ｅ、２ｆについても固定端とした解析した結果を図１０に示す。図７との比較から分かるように図１０では、８００Ｈｚ付近のピークおよびディップに加えて、１．５ｋＨｚ近辺に存在したピークおよびディップが抑制されているのが確認できる。
【００５８】
次に、主面２ａ、２ｂのうちの１面（例えば主面２ｂ）を固定端として周波数特性を解析した。解析結果を図１１に示す。図１０との比較から分かるように図１１では、３ｋＨｚ付近で新たにピークが出現している。このため周波数特性の平坦性が悪化するのが確認できる。以上の解析結果から、図１１に示すように、主面２ａ、２ｂを除く側面を固定した場合に最も光路長変化量の周波数特性が平坦にできることが分かる。
【００５９】
このように本実施形態の光マイクロホンによれば、拘束部によって、光音響媒質部の少なくとも１つの側面と接触することによって形状変化を抑制し、一対の主面が検出すべき音響波が伝搬する環境流体に接し、自由に振動可能にすることによって、従来よりも平坦な周波数特性を実現することができる。このような周波数特性を光音響媒質部２のサイズを小さくすることなく実現できる。このため、検出に用いる光波を一対の主面の間で、光音響媒質部を透過させることにより、光路を長くとることが可能となり、マイクロホンの感度を高めることが可能となる。したがって、高感度で平坦な周波数特性を有する光マイクロホンを実現することができる。
【００６０】
３．変形例
本実施形態の光マイクロホンは、種々の変形が可能である。以下、上記実施形態以外の形態、あるいは、変形例を説明する。
【００６１】
（１）拘束部の変形例
上記実施形態では、拘束部３は、フレーム形状を有していたが、光音響媒質部２の少なくなくとも１つの側面を拘束することにより、従来よりも平坦な周波数特性を実現することができる。
【００６２】
例えば、図１２に示す光マイクロホン１５１´は、４つの分離した拘束部、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆを備えている。拘束部、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆは、光音響媒質部２の側面２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆとそれぞれ接触し、光音響媒質部２の形状の変形を抑制する。拘束部、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆが分離していることによって、形状変形の抑制効果が低下する場合には、拘束部、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆに接続された支持部８を筐体１３０に固定することによって、光音響媒質部２の共振を抑制し、平坦な周波数特性を実現することができる。
【００６３】
図１３に示す光マイクロホン１５１´´は、２つの分離した拘束部、３ｃ、３ｄを備えている。拘束部、３ｃ、３ｄは、光音響媒質部２の側面２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆのうち、側面２ｃ、２ｄとそれぞれ接触し、光音響媒質部２の形状の変形を抑制する。この場合、特に、光音響媒質部２の長手方向の共振を抑制することができる。特定の周波数領域においてのみ平坦な周波数特性が求められる場合には、このような拘束部を用いても、所望の特性を有する光マイクロホンを実現することができる。
【００６４】
また、拘束部と光音響媒質部との接合方法も接着に限られない。光音響媒質部２と拘束部３とを接着剤などで固定すると、接着剤が光音響媒質部２に浸透して光音響媒質部２の特性に影響を与える可能性がある場合には、他の方法によって、拘束部と光音響媒質部とを接合あるいは固定してもよい。
【００６５】
例えば、図１４（ａ）から（ｃ）に示すように、光音響媒質部２の側面と非平行な方向に伸びる突起部１０を有する拘束部３’によって光音響媒質部２と接触し、形状変化を抑制してもよい。これにより、光音響媒質部２の端部が共振等によって振動するのを抑制することができる。拘束部３’は外枠９および外枠から光音響媒質部２の側面と非平行な方向に伸びる、アンカー形状の突起部１０を備えていてもよい。具体的には、突起部１０は、突起部１０が伸びる方向と平行な断面において、伸びる方向と垂直な方向における幅が突起部１０の根元１０ａよりも先端１０ｂにおいて大きい。これにより、光音響媒質部２の収縮による変形を抑制しすることができる。図１４（ａ）から（ｃ）に示すように、先端１０ｂにおける断面形状は矩形、三角形、円形等であってもよい。また、突起部１０の伸びる方向と垂直な断面形状は、円や矩形であってもよいし、光音響媒質部２の対応する側面の長手方向に沿って長手を有する矩形であってもよい。この場合、突起部１０は、光音響媒質部２の対応する側面の長手方向に沿って伸びている。
【００６６】
このような拘束部３’を含む音響受波部１は、例えば、以下の方法によって製造することができる。図１５（ａ）に示すように、拘束部３ｃ’、３ｄ’、３ｅ’、３ｆ’を用意する。拘束部３ｅ’、３ｆ’は、図１４を参照して説明したように、突起部１０を有している。また拘束部３ｃ’、３ｄ’は溝３ｇを有しており、溝３ｇ内に拘束部３ｅ’、３ｆ’の端部が挿入されることによって、また拘束部３ｃ’、３ｄ’と溝３ｇ内に拘束部３ｅ’、３ｆ’とが固定され、全体として矩形の拘束部３’が構成される。
【００６７】
図１５（ａ）に示すように、凹部１２ｒを有する一対の型枠１２、１２’を用意し、凹部１２ｒ内に拘束部３’を配置する。図１５（ｂ）は、型枠１２’の凹部１２ｒ内に拘束部３’を配置した状態を示している。さらに凹部１２ｒを合わせて、型枠１２を型枠１２’上に配置する。型枠１２の開口１２ａから、光音響媒質部２を構成するシリカナノ多孔体の原料となるゾル液を流し込んだ後にゲル化させる。生成した湿潤ゲルを超臨界乾燥などにより乾燥させることによって、拘束部３’に固定された光音響媒質部２を有する音響受波部１が完成する。乾燥時に、湿潤ゲルは収縮しながらシリカナノ多孔体を形成していくが、拘束部３’を用いることによって、突起部１０のアンカー効果によって、シリカナノ多孔体である光音響媒質部２が拘束部３’に引っ張られながら固定される。
【００６８】
このようにして作製される音響受波部１は光音響媒質部２が拘束部３’によって固定されているため、壊れやすいシリカナノ多孔体からなる光音響媒質部２の取り扱いが容易となる。
【００６９】
（２）光音響媒質部２の他の形状
光音響媒質部２は上記実施形態で説明した形状に限られず、種々の形状を有していてよい。以下、光音響媒質部２の主面２ａ、２ｂに対して垂直な方向を厚さ方向、厚さ方向と光波４の伝搬方向とに垂直な方向を幅方向と規定する。主面２ａ、２ｂに垂直な断面において厚さおよび幅に分布をもった形状の光音響媒質部２を用いると、より共振が低減でき、周波数特性が平坦な光マイクロホンを実現できる。
【００７０】
例えば、図１６に示すように、光音響媒質部２の主面２ａ、２ｂは楕円形状を有していてもよい。図１６（ａ）は、解析に用いた光音響媒質部２の形状を示し、図１６（ｂ）は、光路長の変化と周波数との関係を示している。図１６（ａ）に示す光音響媒質部２は、楕円形状の主面２ａ、２ｂを有し、幅は１８ｍｍであり、光路方向の長さが３０ｍｍであり、厚さは５ｍｍである。主面２ａ、２ｂが楕円形状を有しているため、曲面形状の１つの側面２ｈを有する。図１６の光音響媒質部２を側面２ｈの全体が拘束部３に接しているとして解析した結果を図１６（ｂ）に示す。図１６（ｂ）に示すように、５ｋＨｚから１０ｋＨｚ帯でのピークが低減されているのが確認できる。
【００７１】
図１７（ａ）および（ｂ）は、主面２ａ、２ｂが菱形の長手方向の２つの頂点を切り落とした８角形形状を有する光音響媒質部２の形状および解析結果を示している。図１７（ａ）に示す光音響媒質部２の幅は１８ｍｍであり、光路方向の長さが３０ｍｍであり、厚さは５ｍｍである。図１７（ｂ）に解析結果を示す。図１６（ｂ）と同様、平坦な周波数特性が得られている。これらの結果から分かるように、光路方向に沿って幅分布を持つ形状、つまり、光路方向に幅が変化する光音響媒質部２で、光路長変化量の周波数特性がより平坦化されると考えられる。
【００７２】
図１８（ａ）、（ｂ）および図１９（ａ）、（ｂ）は、図１６および図１７に示した形状の光音響媒質部２の側面を図１３を参照して説明したように、突起部を有する拘束部３で支持する場合の形状および解析結果を示している。図１８（ｂ）および図１９（ｂ）に示すように、５ｋＨＺから１０ｋＨｚ帯において、周波数特性に少しピークが見られるが、光路長変化量の周波数特性は大きく平坦性が悪化することはなく、良好な周波数特性がえられている。
【００７３】
また、光音響媒質部２の幅は、厚さ方向に分布を有していてもよい。図２０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および図２１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１９（ａ）に示す形状の光音響媒質部２において、厚さが幅方向および光路方向に変化している。具体的には、図２０（ａ）に示す光音響媒質部２の厚さは、図２０（ｂ）に示すように幅方向および光路方向において、中央部より両端部の方が大きい。また図２１（ａ）に示す光音響媒質部２の厚さは、図２１（ｂ）に示すように幅方向および光路方向において、中央部より両端部の方が小さい。
【００７４】
図２０（ｃ）および図２１（ｃ）は、これらの形状の光音響媒質部２の解析結果を示している。図２０（ｃ）および図２１（ｃ）から分かるように、幅方向および光路方向つまり、主面２ａ、２ｂと平行な方向に厚さが変化する場合には、厚さが変化しない場合よりも、より平坦な周波数特性が得られている。このように、光音響媒質部２は、種々の形状を有することによって、光路長変化量の周波数特性の平坦性が向上する。
【００７５】
（３）光路長変化を検出する他の形態
上記実施形態では、光音響媒質部２の光路長変化を検出するために、光学干渉計の光出射部１０１および受光部１０２は光音響媒質部２を挟むように配置されていた。光音響媒質部２における光路長変化の検出には、他の形態をとり得る。
【００７６】
まず、光音響媒質部２の光路長変化を検出するために、光出射部１０１から出射する光波４を、光音響媒質部２で往復させてもよい。具体的には、図２２（ａ）に示すように、光音響媒質部２の、拘束部３の一方の開口５と対向する開口５’に近接して鏡１３を配置し、開口５から光波４を光音響媒質部２へ入射させる。光音響媒質部２を透過した光波４は、開口５’から出射し、鏡１３で反射した後、光波４’となって開口５’から光音響媒質部２へ入射する。光音響媒質部２を再度透過した後、開口５から光波４’は出射する。この光波４’を受光部１０２で検出する。
【００７７】
このように構成することによって、光波４、４’が光音響媒質部２内を透過する距離、つまり光路長を長くすることができ、光路長変化量も大きくなるため、光マイクロホンの感度を増大させることができる。また、図２２（ｂ）に示すように、開口５’を拘束部３に設ける代わりに、光音響媒質部２と接する位置に鏡１３を設けてもよい。このような構造によっても同様に、光路長を長くとることができ、光マイクロホンの感度を増大させることができる。
【００７８】
（第２の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による光マイクロホンの第２の実施形態を説明する。図２３は、本発明による光マイクロホンの第２の実施形態の主要部の構成を模式的に示している。第１の実施形態と同様、図２３に示す光マイクロホン１５２は、光音響媒質部２および拘束部３を含む音響受波部１と、光出射部１０１とを備える。光出射部１０１は受光部１０２とともに光学干渉計１０３を構成している。音響受波部１は、環境流体１１０に接しており、環境流体１１０を伝搬する音響波１２０が音響受波部１に入射する。光出射部１０１から出射した光波４は音響受波部１内を透過する音響受波部１において、光波の光路長が入射した音響波１２０によって変化するため、この光路長の変化を検出することによって、音響波を検出する。つまり、光波を用いて音響波を検出する。光マイクロホン１５２の主要な特徴の１つは、光波の光路が音響受波部１の中心を通るように設定されている点にあり、これにより、従来よりも平坦な周波数特性を実現する。光波による音響波の検出方法は例えば、特許文献１等に開示された公知の検出方法を用いることができるため、以下の実施形態では、特に、平坦な周波数特性を実現する音響受波部１の構造について詳しく説明する。環境流体１１０は、気体または液体であり、例えば、空気や水であってよい。
【００７９】
１．光マイクロホン１５２の構成
（１）光音響媒質部２
光音響媒質部２は、環境流体１１０から音響波１２０を受け取り、音響波１２０を伝搬させる。音響波１２０は粗密波であるため、音響波１２０が伝搬する領域において、光音響媒質部２の密度が変化し、これによって屈折率の変化が生じる。環境流体１１０と光音響媒質部２との界面において、音響波１２０ができるだけ反射せずに効率よく、光音響媒質部２の内部に入射するように、光音響媒質部２は、環境流体に対して音響インピーダンスの差が小さい材料によって構成されていてもよい。例えば、光音響媒質部２の材料として、シリカナノ多孔体（シリカ乾燥ゲル）を用いると、空気との音響インピーダンスの差が小さく、空気中を伝搬する音響波１２０を高効率で取り込むことができる。シリカナノ多孔体の音速は、５０ｍ／ｓｅｃから１５０ｍ／ｓｅｃ程度であり、空気中の音速３４０ｍ／ｓｅｃよりも小さい。また、密度も約７０ｋｇ／ｍ3から２８０ｋｇ／ｍ３と小さい。そのため、音響インピーダンスが空気に対して８〜１００倍程度と差が小さく、界面での反射が小さいため、空気中の音響波を効率よく内部に入射させることができる。例えば、５０ｍ／ｓｅｃの音速、および、１００ｋｇ／ｍ3の密度を有するシリカナノ多孔体を光音響媒質部２に用いると、空気との界面での反射は７０％となり、音響波のエネルギーの３０％程度が界面で反射されずに、内部へ入射する。
【００８０】
また、光音響媒質部２の材料として、シリカナノ多孔体を用いると、他の材料を用いる場合よりも光波に対する屈折率変化量Δｎを大きくすることができる。例えば、空気の屈折率変化量Δｎは、１Ｐａの音圧変化に対して２．０×１０-9であるのに対して、シリカナノ多孔体の１Ｐａの音圧変化に対する屈折率変化量Δｎは１．０×１０-7程度と大きい。
【００８１】
光音響媒質部２は、図２３に示すように一対の主面２ａ、２ｂと一対の主面２ａ、２ｂに挟まれた少なくとも１つの側面を有する。本実施形態では、主面２ａ、２ｂは矩形形状を有しているため、光音響媒質部２は４つの側面２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆを有する。主面とは、光音響媒質部２の立体形状を構成する複数の面のうち、最も大きい面積を有する面および次に大きい面積を有する面をいう。本実施形態では、主面２ａと主面２ｂとは同じ形状を有し、主面２ａ、２ｂに垂直な任意の断面において、主面２ａ、２ｂに垂直方向の厚さは一定である。主面２ａ、２ｂは環境媒体１１０から音響波１２０が光音響媒質部２内部へ入射する面である。
【００８２】
光音響媒質部２の形状は、上述した形状に限られず、種々の形状の光音響媒質部２を用いることができる。光音響媒質部２の他の形状については後述する。
【００８３】
光音響媒質部２の大きさは、光マイクロホン１５２の用途や検出したい音響波１２０の周波数、光音響媒質部２を構成する材料などに依存する。
【００８４】
（２）拘束部３
拘束部３は、光音響媒質部２と接触し、光音響媒質部２の形状変化を抑制する。光音響媒質部２の一対の主面２ａ、２ｂは、検出すべき音響波１２０が伝搬する環境流体１１０に接し、自由に振動可能である。このため、拘束部３は、光音響媒質部２の一対の主面２ａ、２ｂ以外の少なくとも１つの側面と接触し、光音響媒質部２の側面の形状変化を抑制することが好ましい。また、拘束部３が光音響媒質部２の形状変化を抑制する方向は、音響波１２０の伝搬方向と垂直な全ての方向であっても良いし、音響波の伝搬方向と垂直な任意の１方向であっても良い。本実施形態では、拘束部３は光音響媒質部２の４つの側面２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆに設けられ、これらの側面と接触することによって、音響波１２０の伝搬方向と垂直な全ての方向への光音響媒質部２の形状変化を抑制する。また、本実施形態では、拘束部３は、４つの側面２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆと接する４つの内側面を有するフレーム形状を有している。
【００８５】
拘束部３は、光音響媒質部２の形状変化を抑制するため、光音響媒質部２よりも大きい弾性率を有していてもよい。拘束部３は、ガラスやアクリル等、光出射部１０１から出射する光波４に対して透光性を有する材料によって構成されていてもよい。また、金属やテフロン（登録商標）などの透光性を有さない材料で構成してもよい。ただし、光波４に対して透光性を有さない材料によって、拘束部３を構成する場合、光波４を光音響媒質部２に入射させ、光音響媒質部２を伝搬した光波４を光音響媒質部２から取り出すための少なくとも１つの開口を設けてもよい。本実施形態では、拘束部３は、光音響媒質部２の側面２ｃ、２ｄに対応する位置に開口５、５’を設けている。
【００８６】
光音響媒質部２および拘束部３からなる音響受波部１は、主面２ａ、２ｂから音響波１２０が入射し得る。環境流体１１０を伝搬する音響波１２０は、図２４に示すように、一部が主面２ａ、光音響媒質部２に入射すると同時に、主面２ａから入射しなかった他の音響波１２０の一部が回り込んで主面２ｂからも入射する。２つの主面２ａ、２ｂは、振動可能な自由端であってよい。拘束部３と接触している側面２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆは、振動が抑制された固定端といえる。音響受波部１を支持する筐体が、２つの主面２ａ、２ｂに接触しないように、筐体は拘束部３に設けてもよい。例えば、支持部８を拘束部３に取り付け、筐体と２つの主面２ａ、２ｂとの間に空隙を設け、主面２ａ、２ｂが環境流体１１０に接するようにしてもよい。
【００８７】
光音響媒質部２を固定する方法としては、光音響媒質部２と拘束部３とを接着剤などにより接着し、固定しても良い。また、拘束部３に締付け機構を設けておき、側面を締付けることで固定しても良い。例えば、拘束部３によって、側面２ｃと側面２ｄとを挟み込み、側面２ｅと側面２ｆとを挟み込んでもよい。
【００８８】
（３）光出射部１０１、受光部１０２、光干渉計１０３
光音響媒質部２に音響波１２０が入射すると、縦波である音響波１２０の伝搬に伴って、光音響媒質部２の粗密分布が伝搬し、屈折率変化が生じる。この屈折率変化を検出するため、光出射部１０１から出射した光波４を、主面２ａ、２ｂの間において、光音響媒質部２を伝搬するように光音響媒質部２に入射させる。光音響媒質部２を透過する光波４の光路長変化を検出することで音響波１２０を検出する。本実施形態の光マイクロホン１５２は、光波４の光路長変化を検出するために、光学干渉計１０３を用いる。具体的には、光波４を光学干渉計の光出射部１０１から出射し、受光部１０２で検出することにより、光音響媒質部２を伝搬する光波４の位相変化を検出する。これにより、光音響媒質部２における光波４の光路長の変化量を検出することができる。光路長変化を検出する光学干渉計としては、ヘテロダイン干渉計、マッハツェンダー型干渉計などのホモダイン干渉計、レーザードップラー振動計などを用いることができる。
【００８９】
本実施形態の光マイクロホン１５２において、光出射部から出射する光波４は、一対の主面２ａ、２ｂと垂直な方向の、一対の主面２ａ、２ｂから等距離にある位置Ｉにおいて、光音響媒質部２へ入射してもよい。また、音響媒質部２を透過した光波４は、一対の主面２ａ、２ｂから等距離にある位置Ｏにおいて、光音響媒質部２から出射してもよい。主面２ａ、２ｂと垂直な方向を厚さ方向と定義し、音響媒質部２の厚さをｄとすれば、位置Ｉおよび位置Ｏはいずれも、主面２ａ、２ｂからｄ／２の距離にある。以下において説明するように、このように光波４の光路を設定することによって、従来よりも平坦な周波数特性を実現することができる。
【００９０】
２．光マイクロホン１５２の動作および解析結果
本実施形態の光マイクロホン１５２の光音響媒質部２に音響波１２０が入射し、伝搬する際、音響波１２０の入射時に加わる音圧により、光音響媒質部２が変形し寸法変化が生じる。この寸法変化により、光音響媒質部２には光路長変化が生じる。また、音響波１２０は光音響媒質部２に入射した後にその内部を伝搬して屈折率変化を生じさせる。光マイクロホン１５２は、光音響媒質部２の寸法変化による光路長変化および音響波の伝搬による屈折率変化の両方を考慮することによって、従来よりも平坦な周波数特性を実現する。
【００９１】
音響受波部１において、光音響媒質部２は拘束部３により主面２ａ、２ｂを除く側面２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆは固定されており、主面２ａ、２ｂからのみ、音響波１２０が入射される。主面２ａの上側から環境流体１１０を伝搬する音響波１２０が入射する場合、主面２ａには直接音響波１２０ａが入射するのに対し、主面２ｂには、図２４に示すように音響波１２０ｂが下側に回り込んで入射する。そのため、主面２ａから入射する音響波１２０ａと主面２ｂから入射する音響波１２０ｂとは、互いに音圧が異なる。図２５に示すように、音響受波部１が筐体１１の内部に配置される場合には、より顕著にこの傾向が見られる。
【００９２】
本願発明者の検討の結果、主面２ａと主面２ｂとに入射する音響波１２０の音圧が異なる場合、光音響媒質部２の主面２ａ、２ｂと垂直な方向において、光音響媒質部２の撓みによる寸法変化が発生する。そのため、光音響媒質部２の形状や大きさによって決まる共振周波数において、厚み方向の撓み共振により周波数特性の平坦性が阻害されるという課題が生じることが分かった。
【００９３】
以下、光音響媒質部２における撓み共振を検討するために有限要素法を用いて解析を行った。解析モデルおよび結果を図２６から図２９に示す。
【００９４】
図２６（ａ）に示すように、解析には、直方体の光音響媒質部２を用いた。具体的には、図２６（ａ）に示すように、２９．３ｍｍ（長手方向）×１７．４ｍｍ（短手方向）×４．８４ｍｍ（厚み方向）の寸法を有する光音響媒質部２を用いた。光音響媒質部２の光路は、直方体の長手方向にとった。光音響媒質部２での光路は、長手方向に対向する側面２ｃ、２ｄを貫くようにとった。具体的には、側面２ｅ、２ｆと平行であり、かつ、側面２ｅ、２ｆから等距離の位置であって、図２６（ａ）、図２７（ａ）、図２８（ａ）に示すように、主面２ｂからの高さｈをｈ＝ｄ、３ｄ／４、ｄ／２に設定し、解析を行った。
【００９５】
シミュレーションで用いる光音響媒質部２の材料には、０．２４０２ＭＰａの縦弾性係数、０．２４のポアソン比、０．１０８ｇ／ｃｍ3の密度を有するシリカナノ多孔体を用いた。また、光音響媒質部２の減衰係数は、７９０Ｈｚにおいて０．００８４であり、４０ｋＨｚにおいて０．０５９とした。主面２ａから入射する音響波１２０ａの音圧を１Ｐａとし、主面２ｂから入射する音響波１２０ｂの音圧を０．９Ｐａとした。
【００９６】
図２６（ｂ）、図２７（ｂ）、図２８（ｂ）に、主面２ｂからの高さｈがｄ、３ｄ／４、ｄ／２である場合における光路長変化の周波数依存性を示す。図２６（ｂ）に示すように、ｈ＝ｄの場合、６３５Ｈｚ、１．２３ｋＨｚ、２．１６ｋＨｚ付近でピークおよびディップが確認できる。これは、光音響媒質部２において音響波１が共振しているためであると考えられる。各周波数における共振の様子を知るために、各周波数における光音響媒質部２の振動モードを解析した。結果を図２９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。図２９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）から分かるように、６５３Ｈｚにおいて、光音響媒質部２において厚み方向の撓みによる基本共振モードが存在するのに加え、１．２３ｋＨｚ、２．１６ｋＨｚにおいても、厚み方向の撓みによる高次共振モード確認できる。各周波数において厚み方向の撓み共振によりピークやディップが現れ、周波数特性の平坦性が阻害されることが確認できた。
【００９７】
図２７（ｂ）および図２８（ｂ）は、光路の高さｈが３ｄ／４およびｄ／２である場合の結果を示している。図２７（ｂ）に示すように、ｈ＝ｄの場合（図２６（ｂ））と同様に、６３５Ｈｚ、１．２３ｋＨｚ、２．１６ｋＨｚにおいて、共振によるピークおよびディップがみられる。しかし、その大きさは図２６（ｂ）に比較して小さくなっており、共振が抑制されているのが確認できる。また、光路の高さｈがｄ／２である場合、図２８（ｂ）に示すように、共振によるピークやディップがほとんど抑制されているのが確認できる。
【００９８】
これらの解析において、光音響媒質部２の形状や音響波の入射条件は同じである。したがって、光音響媒質部２における厚み方向の撓み共振が低減されたものではない。光マイクロホンにおいて、光音響媒質部２に光波４を受波させることで検出する物理量は、光波３が光音響媒質部２内を伝搬する光路における光音響媒質部２の撓み（寸法変化）による光路長変化および光音響媒質部２の屈折率分布変化による光路長変化の合計である。光音響媒質部２に音響波１２０が伝搬することによって、厚み方向の撓みが生じている場合、光音響媒質部２において、撓みにより光路長が伸びる部分と、逆に光路長が縮む部分とがある。光路長が伸びる部分では、光音響媒質部２の密度が低下し、光路長が縮む部分では光音響媒質部２の密度が高くなる。（光路方向での寸法変化は拘束部により抑制されているので生じない。光路長変化は撓みによる密度変化に伴う屈折率変化によるものになる。）光音響媒質部２の光路長変化が正の変化をする部分と負の変化をする部分が均衡し、合計すると撓みによる光路長変化が正負で相殺される場合、撓みによる光路長変化の影響は大きく低減される。解析の結果、光路を高さｈがｄ／２となる平面上において撓みによる光路長変化が相殺され、もっとも平坦な周波数特性が得られることがわかった。
【００９９】
なお、光路の高さｈがｄ／２の場合に撓みによる光路長変化が相殺して影響を受けにくくなるのは、主面２ａと主面２ｂとが互いに平行である場合のみに限らず、光音響媒質部２が面対称であって、対称面が主面２ａおよび主面２ｂの間にあれば良い。
【０１００】
以上の解析結果より、光波４の光路の高さｈは、光音響媒質部２の主面２ｂからｄ／２の距離だけ高い部分、つまり、主面２ａと主面２ｂから主面２ａ、２ｂと垂直な方向において等距離の位置であれば、撓みによる影響を抑制でき、平坦な周波数特性を有する光マイクロホンを実現できることがわかる。
【０１０１】
このように本実施形態の光マイクロホンによれば、音響波を検出するための光波が、一対の主面と垂直な方向の、一対の主面から等距離にある位置において光音響媒質部を透過するため、光音響媒質部２の撓みによる影響を抑制し、平坦な周波数特性を実現できる。
【０１０２】
３．他の形態および変形例
本実施形態の光マイクロホンは、種々の変形が可能である。以下、上記実施形態以外の形態、あるいは、変形例を説明する。
【０１０３】
（１）光路長変化を検出する他の形態
上記実施形態では、光音響媒質部２の光路長変化を検出するために、光学干渉計の光出射部１０１および受光部１０２は光音響媒質部２を挟むように配置されていた。光音響媒質部２における光路長変化の検出には、他の形態をとり得る。
【０１０４】
例えば、光音響媒質部２の光路長変化を検出するために、光出射部１０１から出射する光波４を、光音響媒質部２で往復させてもよい。具体的には、図３０（ａ）に示すように、光音響媒質部２の、拘束部３の一方の開口５と対向する開口５’に近接して鏡１３を配置し、開口５から光波４を光音響媒質部２へ入射させる。光音響媒質部２を透過した光波４は、開口５’から出射し、鏡１３で反射した後、光波４’となって開口５’から光音響媒質部２へ入射する。光音響媒質部２を再度透過した後、開口５から光波４’は出射する。この光波４’を受光部１０２で検出する。
【０１０５】
図３０（ｂ）および（ｃ）は、光音響媒質部２の主面２ａ、２ｂと平行な断面および垂直な断面を示している。図３０（ｂ）および（ｃ）に示すように、光波４、４’は、いずれも、主面２ａ、２ｂと垂直な方向の、主面２ａ、２ｂから等距離にある高さで光音響媒質部を透過させる。
【０１０６】
このように構成することによって、光音響媒質部２の撓みによる影響を抑制し、平坦な周波数特性を実現できる。また、光波４、４’が光音響媒質部２内を透過する距離、つまり光路長を長くすることができ、光路長変化量も大きくなるため、光マイクロホンの感度を増大させることができる。
【０１０７】
（２）拘束部の変形例
第１の実施形態で説明したように、拘束部は図１２、１３、１４で示す形状および構造を備えていてよい。
【０１０８】
（３）光音響媒質部２の他の形状
第１の実施形態で説明したように、拘光音響媒質部２は図１６から図２１で示す形状および構造を備えていてよい。
【０１０９】
（その他の実施形態）
第１の実施形態および第２の実施形態は好適に組み合わせることが可能である。  また、第１および第２の実施形態の光マイクロホンは、好適に光学干渉計と組み合わせることができる。図３１は、鏡１３で光波４の光路を折り返す構造を有する第１または第２の実施形態の光マイクロホンと、光学干渉計として、ホモダイン干渉計の一つであるマッハツェンダー型干渉計を用いた光マイクロホンの構成の一例を示している。図３１に示すように、筐体１４内に、音響受波部１と、音響受波部１を挟むように、光出射部１０１および鏡１３とを配置する。また、光出射部１０１と音響受波部１との間に、ハーフミラー１５ａ、１５ｂを配置する。光出射部１０１から出射する光波４の一部を、ハーフミラー１５ａで反射し、鏡１５ｄを用いて光波４の向きを変え、ハーフミラー１５ｃを透過させ、マッハツェンダー型干渉計の光電変換素子である受光部１０２に入射させる。この光波を参照光波とする。音響受波部１の光音響媒質部２を透過した光波４’をハーフミラー１５ｂ、１５ｃで反射し、受光部１０２に入射させる。このような構成によれば、音響受波部１と光学干渉計を同じ筐体内に配置可能であり、可搬性に優れた光マイクロホンが実現する。ただし、図３２に示すように、音響受波部１とマッハツェンダー型干渉計とを独立させてもよい。
【０１１０】
また、光学干渉計として、マッハツェンダー型干渉計以外の干渉計を用いてもよい。図３３に示すように、光出射部１６、光電変換素子である受光部１０２および音響光学素子２１と、ハーフミラー１５および鏡１３などによって構成されるヘテロダイン干渉計を本実施形態の光マイクロホンに用いてもよい。また、図３４に示すように、光出射部および受光部を内蔵したレーザードップラー振動計１５０を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本願に開示された光マイクロホンは、小型の超音波センサ等あるいは可聴音マイクロホン等として有用である。
【符号の説明】
【０１１２】
１  音響受波部
２  伝搬媒質部
２ａ、２ｂ  主面
２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ  側面
３  拘束部
４  光波
５、５’  開口
８  支持部
１３  鏡
１４  筐体
１５  ハーフミラー
１０１  光出射部
１０２  受光部
１２０、１２０ａ、１２０ｂ  音響波
１５１、１５２、１５３  光マイクロホン
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年3月4日(2013.3.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の主面、および、前記一対の主面の間に位置する少なくとも１つの側面を有する光音響媒質部と、
前記少なくとも１つの側面と接触し、前記光音響媒質部の形状変化を抑制する拘束部と、
前記一対の主面の間において、前記光音響媒質部を透過する光波を出射する光出射部と、
音響波が前記一対の主面の少なくとも一方から前記光音響媒質部内へ入射し、前記光音響媒質部を伝搬することにより生じる前記光音響媒質部を透過する光波の光路長変化を検出する検出部と
を備え、
前記一対の主面は、検出すべき前記音響波が伝搬する環境流体に接し、自由に振動可能である、光マイクロホン。
【請求項２】
前記光波は、前記一対の主面と垂直な方向の、前記一対の主面から等距離にある位置において、前記光音響媒質部へ入射し、前記一対の主面から等距離にある位置において、前記光音響媒質部から出射する請求項１に記載の光マイクロホン。
【請求項３】
光音響媒質部は、音速が空気よりも遅い音速を有する固体によって構成されている請求項１または２に記載の光マイクロホン。
【請求項４】
前記固体はシリカナノ多孔体である請求項３に記載の光マイクロホン。
【請求項５】
前記拘束部は、前記光出射部の光波が入射および／または出射する少なくとも１つの開口を有し、
前記少なくとも１つの開口を除いて、前記拘束部は前記光音響媒質部の前記少なくとも１つの側面と接している請求項１から４のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項６】
前記一対の主面のそれぞれは、矩形形状を有する請求項１から５のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項７】
前記一対の主面のそれぞれは、楕円形状を有する請求項１から５のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項８】
前記一対の主面のそれぞれは、菱形形状の２つの対向する頂点を切り落とした八角形形状を有する請求項１から５のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項９】
前記光音響媒質部は、前記一対の主面と垂直な断面において、前記一対の主面と平行な方向に厚さが変化している請求項１から８のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項１０】
前記厚さは、前記一対の主面と平行な方向において、中央部より両端部の方が大きい請求項９に記載の光マイクロホン。
【請求項１１】
前記厚さは、前記一対の主面と平行な方向において、中央部より両端部の方が小さい請求項９に記載の光マイクロホン。
【請求項１２】
前記光音響媒質部を挟んで前記少なくとも１つの開口と対向する位置に設けられた鏡をさらに備え、
前記光出射部の前記光波は、前記少なくとも１つの開口から前記光音響媒質部へ入射し、前記鏡で反射した後、再度、前記光音響媒質部を透過し、前記少なくとも１つの開口から出射する請求項５に記載の光マイクロホン。
【請求項１３】
前記拘束部は、前記少なくとも１つの側面と非平行な方向に伸びており、前記光音響媒質部に挿入された突起部を有する請求項１から１２のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項１４】
前記突起部は、前記突起部が伸びる方向と平行な断面において、前記伸びる方向と垂直な方向における幅が前記突起部の根元よりも先端において大きい請求項１から１３のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項１５】
前記突起部は前記一対の主面と平行であって、前記少なくとも１つの側面に沿って伸びている請求項１４に記載の光マイクロホン。
【請求項１６】
前記光出射部および前記検出部を含む光学干渉計をさらに備える請求項１から１５のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項１７】
前記光出射部および前記検出部を含むレーザードップラー振動計をさらに備える請求項１から１５のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項１８】
少なくとも１つの面を有するナノ多孔体と、
前記少なくとも１つの側面と接触し、前記光音響媒質部の形状変化を抑制する拘束部と、
を備え、
前記拘束部は、前記少なくとも１つの側面と非平行な方向に伸びており、前記ナノ多孔体に挿入された突起部を有し、
前記突起部は、前記突起部が伸びる方向と平行な断面において、前記伸びる方向と垂直な方向における幅が前記突起部の根元よりも先端の方が大きいナノ多孔体部材。
【請求項１９】
光マイクロホンにおける光路長変化の検出方法であって、
前記光マイクロホンは、
一対の主面、および、前記一対の主面の間に位置する少なくとも１つの側面を有する光音響媒質部と、
前記少なくとも１つの側面と接触し、前記光音響媒質部の形状変化を抑制する拘束部と、
前記一対の主面の間において、前記光音響媒質部を透過する光波を出射する光出射部と、
を備え、
前記一対の主面は、検出すべき音響波が伝搬する環境流体に接し、自由に振動可能であり、
検出部が、前記音響波が前記一対の主面の少なくとも一方から前記光音響媒質部内へ入射し、光音響媒質部を伝搬することにより生じる前記光音響媒質部を透過する光波の光路長変化を検出する工程を含む検出方法。
【国際調査報告】
2013061578.tif 000038
2013061578.tif 000039