(57)【要約】【課題】従来の超音波受波器としては、コンデンサマイクロホンなどがあるが、これらは原理に振動板を用いるため周波数帯域に制限がある。【解決手段】超音波が入射する開口を有し、開口に入射した超音波が伝搬する導波路と、導波路における超音波の伝搬方向と平行な面と接し、導波路を伝搬する超音波の一部が入射する伝搬媒質部と、超音波の伝搬方向と異なる方向から、伝搬媒質部を横切る光波を出射する光源と、伝搬媒質部における伝搬媒質部を横切る光波の伝搬方向の両端に配置され、光波の一部を透過し、残りの一部の光波を反射する部分反射部材と、部分反射部材及び伝搬媒質部を透過した光波を電気信号に変換する光電変換部とを備える超音波受波器を提供する。【選択図】図１
2011205171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境流体で満たされた周囲の空間を伝搬する超音波を受波する超音波受波器であって、
前記超音波が入射する開口を有し、前記開口に入射した超音波が伝搬する導波路と、
前記導波路における前記超音波の伝搬方向と平行な面と接し、前記導波路を伝搬する超音波の一部が入射する伝搬媒質部と、
前記超音波の伝搬方向と異なる方向から、前記伝搬媒質部を横切る光波を出射する光源と、
前記伝搬媒質部を横切る光波の伝搬方向における前記伝搬媒質部の両端に配置され、前記光波の一部を透過し、残りの一部の光波を反射する部分反射部材と、
前記部分反射部材及び前記伝搬媒質部を透過した光波を電気信号に変換する光電変換部とを備え、
前記伝搬媒質部と、前記光源と、前記部分反射部材と、前記光源とが、ファブリ・ペロー干渉計を構成し、
前記伝搬媒質部の密度ρ1、前記伝搬媒質部における音速Ｃ1、前記環境流体の密度ρ2、及び環境流体における音速Ｃ2が、（ρ2／ρ1）＜（Ｃ1／Ｃ2）＜１の関係を満たす
超音波受波器。
【請求項２】
前記伝搬媒質部は、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから形成されている請求項１記載の超音波受波器。
【請求項３】
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記載の超音波受波器。
【請求項４】
前記乾燥ゲルの密度は、５０ｋｇ／ｍ3以上である請求項２記載の超音波受波器。
【請求項５】
前記光源から出射される光波の波長は、４００ｎｍ以上である請求項１記載の超音波受波器。
【請求項６】
前記光源から出射される光波のスポット径は、前記伝搬媒質部を伝搬する超音波の波長よりも小さい請求項１記載の超音波受波器。
【請求項７】
前記伝搬媒質部において、前記超音波の伝搬による屈折率変化が、前記光源からの光波の伝搬方向の分布を持たない請求項１記載の超音波受波器。
【請求項８】
前記環境流体は、空気である請求項１記載の超音波受波器。
【請求項９】
前記伝搬媒質部は、前記導波路の一部を構成する請求項１記載の超音波受波器。
【請求項１０】
前記導波路と前記伝搬媒質部とが接する面上の前記超音波の伝搬方向に沿った任意の位置に設定した点Ｐまでの導波路の長さをＬaとし、前記導波路から前記伝搬媒質部に入射した超音波が収束する所定の収束点から点Ｐまでの長さをＬnとしたとき、
点Ｐの位置にかかわらず、Ｌa／Ｃa＋Ｌn／Ｃnが一定となるように、前記導波路と前記伝搬媒質部とが接する面が形成されている超音波受波器。
【請求項１１】
前記導波路の大きさが、前記開口から前記導波路の終端に向かって、小さくなっている請求項１記載の超音波受波器。
【請求項１２】
前記導波路の終端が閉塞されている請求項１０記載の超音波受波器。
【請求項１３】
前記導波路の終端が開放されている請求項１０記載の超音波受波器。
【請求項１４】
前記導波路の開口に、音響ホーンが接続されている請求項１から１３のいずれか１つに記載の超音波受波器。
【請求項１５】
さらに、前記導波路と前記伝搬媒質部とを保持する保持部を備え、
前記光源から出射される光波が、保持部を伝搬しない請求項１から１４のいずれか１つに記載の超音波受波器。
【請求項１６】
前記保持部の少なくとも一部が前記部分反射部材により構成される請求項１５に記載の超音波受波器。
【請求項１７】
前記ファブリ・ペロー干渉計を透過した光を、前記光電変換部で受光する請求項１から１６のいずれか１つに記載の超音波受波器
【請求項１８】
前記ファブリ・ペロー干渉計を反射した光を、前記光電変換部で受光する請求項１から１６のいずれか１つに記載の超音波受波器
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の受波に対して特に高性能となる超音波受波器、とくに空気などの気体を伝搬する超音波を受波する場合に高性能となる気体用超音波受波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
音波を受波する装置としては、従来から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、振動板を用いるものである。これらのマイクロホンでは、入力された音波が振動板を振動させ、その振動を電気信号として取り出すものである。しかし、振動板を用いるマイクロホンでは振動板が共振特性を持つので限られた周波数帯域でしか使用できないという課題がある。
【０００３】
振動板を用いないマイクロホンについて、特許文献１及び２の技術がある。特許文献１に記載の技術は、図２３のように対向配置された反射部材間の音場を測定するために、反射部材で複数回反射させた光波を検出することで、広い領域内の音を測定するマイクロホンである。
【０００４】
図２４に示すように、特許文献２に記載の技術は、ファブリ・ペロー干渉計を用いて、被検体表面に照射したレーザー光の周波数変化を検出することにより、被検体を伝搬する超音波を高感度で検出する。また、図２５に示すように、特許文献３では、空気などの音響インピーダンスの極めて小さい媒質から、超音波を高い効率で伝搬媒質部内に取り込む、あるいは伝搬媒質部から空気へ高い効率で超音波を放射することができる固体媒質として、シリカ乾燥ゲルについて記載されている。以下、光波を用いて音波を検出するマイクロホンのことを「光マイクロホン」という。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２７９２５９号公報
【特許文献２】特開平９−２８１０８６号公報
【特許文献３】国際公開第２００４／０９８２３４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の光マイクロホンは、反射部材が音波の入力する開口を兼ねる。反射部材の間隔は１ｍ以上であり、反射鏡の大きさが０．６ｍ×０．５ｍ程度であり、これはとても大きな開口である。そのため、特許文献１の光マイクロホンは、航空機騒音のような広い領域の音を測定に用いるものであって、従来のような小さな開口の音響受波器として、そのまま用いることができない。
【０００７】
ミラーの間隔を狭くして開口を小さくすることも考えられるが、光マイクロホンの感度は、光の伝搬距離Ｌと音の伝搬に起因する空気の屈折率の変化量Δｎとの積ΔｎＬに大きく依存するため、ミラーの間隔を狭めると光の伝搬距離Ｌが短くなり十分な感度が得られず、音響受波器として動作させるのは難しい。そのため、特許文献１の光マイクロホンでは、従来のマイクロホンのように小さな開口で局所的な音圧を測定することができない。
【０００８】
特許文献２では、図２４に示すように、ファブリ・ペロー干渉計を用いて、被検体表面に照射したレーザー光の周波数変化を検出することにより、被検体を伝搬する超音波を高い感度で検出する。しかし、これは固体中の音波を検出するものであって、空気中の音波を検出するものではない。これを応用して、空気中の超音波を固体中に取り込み超音波を検出することも考えられるが、通常の固体は空気との音響インピーダンスが大きく異なっており、空気／固体界面での反射が大きいため、効率的に内部へ取り込むことができない。
【０００９】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、振動板を用いることなく、空気中の音波を検出する小型の超音波受波器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明の超音波受波器は、環境流体で満たされた周囲の空間を伝搬する超音波を受波する超音波受波器であって、前記超音波が入射する開口を有し、前記開口に入射した超音波が伝搬する導波路と、前記導波路における前記超音波の伝搬方向と平行な面と接し、前記導波路を伝搬する超音波の一部が入射する伝搬媒質部と、前記超音波の伝搬方向と異なる方向から、前記伝搬媒質部を横切る光波を出射する光源と、前記伝搬媒質部を横切る光波の伝搬方向における前記伝搬媒質部の両端に配置され、前記光波の一部を透過し、残りの一部の光波を反射する部分反射部材と、前記部分反射部材及び前記伝搬媒質部を透過した光波を電気信号に変換する光電変換部とを備え、前記伝搬媒質部と、前記光源と、前記部分反射部材と、前記光源とが、ファブリ・ペロー干渉計を構成し、前記伝搬媒質部の密度ρ1、前記伝搬媒質部における音速Ｃ1、前記環境流体の密度ρ2、及び環境流体における音速Ｃ2が、（ρ2／ρ1）＜（Ｃ1／Ｃ2）＜１の関係を満たす。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ファブリ・ペロー干渉計内に伝搬媒質部を配置してその出力光を検出することで、環境流体から伝搬媒質部に透過した超音波を検出する。これにより、振動板を用いることなく、小さな開口で、かつ小型の超音波受波器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１による光マイクロホンの斜視図
【図２】本発明の実施の形態１による光マイクロホンのｘ−ｚ断面図
【図３】シリカ乾燥ゲルの透過特性を示す図
【図４】実施の形態１の光マイクロホンの他の例を示す斜視図
【図５】伝搬媒質部中の超音波の波長より光波のスポット径が大きい状況を示す図
【図６】伝搬媒質部中の超音波の波長より光波のスポット径が小さい状況を示す図
【図７】本発明の実施の形態１による光マイクロホンのｙ−ｚ断面図
【図８】ファブリ・ペロー干渉計の入出力応答の一例を示す図
【図９】ファブリ・ペロー干渉計のミラーの反射率に対する依存性を示す図
【図１０】実施の形態１の光マイクロホンの他の例を示すｙ−ｚ断面図
【図１１】実施の形態１の光マイクロホンの他の例を示すｙ−ｚ断面図
【図１２】実施の形態１の光マイクロホンの他の例を示すｙ−ｚ断面図
【図１３】実施の形態１の光マイクロホンの他の例を示すｙ−ｚ断面図
【図１４】実施の形態１の光マイクロホンの他の例を示す斜視図
【図１５】反射型ファブリ・ペロー干渉計の入出力応答の一例を示す図
【図１６】本発明の実施の形態２による光マイクロホンのｘ−ｚ断面図
【図１７】実施の形態２による形状の設計を説明する図
【図１８】本発明の実施の形態３による光マイクロホンの斜視図
【図１９】本発明による光マイクロホンの実施例における設計を示すｘ−ｚ断面図
【図２０】本発明による光マイクロホンの実施例における設計を示すｙ−ｚ断面図
【図２１】本発明による光マイクロホンの超音波信号検出結果を示す図
【図２２】本発明による光マイクロホンの音圧に対する出力応答の測定結果を示す図
【図２３】特許文献１による光マイクロホンを示す図
【図２４】特許文献２による超音波検出装置を示す図
【図２５】特許文献３による超音波送受波器の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明による超音波受波器の実施形態を説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１に、本実施の形態における超音波受波器の構成を示す。超音波受波器は、超音波受波器の周囲の空間（外部の空間）を満たす環境流体から伝搬する超音波１４が入射する開口１を有し、開口１から入射した超音波１４が伝搬する導波路１０と、導波路１０を伝搬する超音波１４の一部が伝搬する伝搬媒質部２と、導波路１０と伝搬媒質部２とを保持する保持部７と、伝搬媒質部２を間に挟んで対向するように配置された２つの部分反射部材３ａ、３ｂと、部分反射部材３aに向かって、光波８を出射する光源４と、部分反射部材３ｂを透過してきた光波８を電気信号に変換する光電変換部５と、光電変換部５に電気的に接続され、光電変換部５の出力信号を検出する電気信号検出部６とを備える。図１において、光波８の伝搬方向をＹ軸、超音波１４の伝搬方向をＺ軸、光波８の伝搬方向及び超音波１４の伝搬方向に直行する方向をＸ軸とする。ここで、「環境流体」とは、光マイクロホの外部に存在する流体を示す。環境流体は、例えば、空気などである。
【００１５】
２つの部分反射部材３ａ、３ｂと、光源４と、電気信号検出部６とは、ファブリ・ペロー干渉計を構成する。図２に、光源４の方向（Ｙ軸の正方向）から、本実施の形態における光マイクロホンを見た図を示す。図２に示すように、導波路１０の超音波の伝搬方向と平行な面の一部が、伝搬媒質部２と接している。また、導波路１０の超音波の伝搬方向と平行な面の一部が、伝搬媒質部２によって構成されていてもよい。導波路１０を伝搬する超音波の一部は、屈折伝搬現象により伝搬媒質部２内へと伝搬する。
伝搬媒質部２の密度ρ1、伝搬媒質部２における音速Ｃ1、環境流体の密度ρ2、及び環境流体における音速Ｃ2が、（ρ2／ρ1）＜（Ｃ1／Ｃ2）＜１の関係を満たす。
【００１６】
特許文献３に記載されているように、（ρ2／ρ1）＜（Ｃ1／Ｃ2）＜１の関係を満たす場合には、高い効率で環境流体から伝搬媒質部２に超音波を透過させる事ができる。よって、導波路１０を伝搬する超音波を伝搬媒質部２内に、効率的に取り込むことができる。
【００１７】
（シリカ乾燥ゲル）
（ρ2／ρ1）＜（Ｃ1／Ｃ2）＜１の関係を満たす伝搬媒質部２は、シリカ乾燥ゲルが好ましい。また、疎水化されたシリカ乾燥ゲルを用いることで、空気中の水分による経時劣化を防ぐことができる。シリカ乾燥ゲルは物理的強度が弱いため、図１に示すように、伝搬媒質部２を保持部７で保持することが好ましい。
【００１８】
図３に、密度１５０ｋｇ／ｍ3、音速９０ｍ／ｓｅｃで厚み５ｍｍのシリカ乾燥ゲルを用いて透過特性を測定した結果を示す。図３から、シリカ乾燥ゲルの透過特性は、光の波長が短くなるほど減衰が大きくなっていることがわかる。したがって、光源４から出射される光波８の波長は、少なくとも４００ｎｍ以上であることが好ましい。シリカ乾燥ゲルの密度が５０ｋｇ／ｍ3以下の場合、シリカ乾燥ゲルの作製時にゲルの乾燥工程で白濁し、光の透過率が著しく低下する。よって、シリカ乾燥ゲルの密度は５０ｋｇ／ｍ3以上とするのが好ましい。
【００１９】
（音響ホーン）
図４に示すように、音響ホーン９を開口１の前端に配置し、音響ホーンの集束端９ｂを開口１に接続すると、ホーンの開口端９ａから入力された超音波１４は音響ホーン９を開口端９ａから集束端９ｂへと伝搬するにしたがって圧縮されてエネルギー密度が高くなり、開口１に高エネルギー密度の超音波を伝搬させることができる。
【００２０】
（光マイクロホンの動作）
本実施の形態の光マイクロホンの動作を説明する。本実施の形態の光マイクロホンは、環境流体から伝搬してきた超音波１４を、伝搬媒質部２内に取り込んで、ファブリ・ペロー干渉計によって光信号として検出する。
【００２１】
伝搬媒質部２の内部に、超音波１４が伝搬すると、伝搬媒質部２内に疎密波が生じる。伝搬媒質部２内に疎密波が生じると、粗密波が生じた部分において、屈折率が変化Δｎnする。このとき、伝搬媒質部２内を伝搬する超音波の音圧Ｐと、屈折率変化量Δｎnの間には、Δｎn＝Ｐ（ｎn−１）／（Ｃn2ρn）の関係がある。ここで、ρnは伝搬媒質部２の密度、Ｃnは伝搬媒質部２の音速、ｎnは伝搬媒質部２の屈折率である。このように、超音波が伝搬媒質部２内を伝搬すると、超音波の音圧に応じて屈折率が変化する。
【００２２】
超音波が伝搬するにより、変化するシリカ乾燥ゲル屈折率は、空気中又は水の屈折率の変化量よりも１桁以上大きい。例えば、密度１５０ｋｇ／ｍ3、音速９０ｍ／ｓｅｃのシリカ乾燥ゲルを用いて、屈折率の変化量を測定したところ、音圧１Ｐａに対する屈折率変化量は１．１×１０-7であった。この屈折率変化量の値は、空気中の屈折率変化量（２．０×１０-9）または水の屈折率変化量（１．５×１０-10）と比較して非常に大きい。よって、シリカ乾燥ゲルが、音圧に対する屈折率変化量の大きい媒質であることがわかる。
【００２３】
超音波が伝搬媒質部２の内部を伝搬する際に、伝搬媒質部２の面内で屈折率が、超音波の波長オーダーで分布を持つ。図５及び６に、超音波１４が伝搬している伝搬媒質部２を横切るように、光波８を伝搬する様子を示す。図５には、超音波１４の伝搬方向と光波８の伝搬方向とが直交であるように示しているが、少なくとも超音波１４の伝搬方向と光波８の伝搬方向とが平行でなければ良い。
【００２４】
図５の伝搬媒質部の明度の差は、粗密波が伝搬していることを表す。光源4から入射する光波８のスポット径が大きければ、明度が高い場所（白い部分）と明度が低い場所（黒い部分）のいずれも含むように、光波８が伝搬する。つまり、光波８は、屈折率が正に変化する場所と、屈折率が負に変化する場所を同時に伝搬するため、伝搬媒質部２を透過した光波８から検出できる全体の屈折率変化量は相殺して小さくなってしまう。
【００２５】
そのため、図６に示すように、光波８のスポット径は、伝搬媒質部２を伝搬する超音波の波長Λよりも小さくするほうが好ましい。これにより、屈折率が正に変化する場所と、屈折率が負に変化する場所のいずれかの部分を光波８は伝搬することができる。その結果、光波８のスポット径が大きい場合と比べて、伝搬媒質部２を透過した光波８から検出する屈折率変化の感度が向上する。
【００２６】
また、図４に示すように音響ホーン９を設けた場合、環境流体から伝搬してきた超音波の伝搬方向を揃えることができるため、伝搬媒質部２を伝搬する超音波を、図６のｚ軸の方向に平面波として伝搬させることができる。そのため、光波８の伝搬方向であるｙ軸方向においては、屈折率の分布は無視することができる。
【００２７】
次に、本実施の形態１の光マイクロホンに用いられるファブリ・ペロー干渉計について説明する。
【００２８】
本実施の形態１の光マイクロホンでは、伝搬媒質部２において、光波８が伝搬する方向の両端面に、２つの部分反射部材３ａ、３ｂが配置される。光源４から出射された光波８が、部分反射部材３ａ、伝搬媒質部２、及び部分反射部材３ｂを透過して、光電変換部５に伝搬するまでには、複数の経路がある。
【００２９】
図７に示すように、光源４から出射された光波８の一部は、部分反射部材３ａを透過して前記伝搬媒質部２内を伝搬する。そして、部分反射部材３ａを透過した光の一部は、更にもう一方の部分反射部材３ｂを透過する。
【００３０】
部分反射部材３ａを透過した光の一部は、部分反射部材３ａと部分反射部材３ｂとの間で複数回反射を繰り返して、伝搬媒質部２内を伝搬して、光の一部は部分反射部材３ｂより透過する。本実施の形態１の光マイクロホンにおいては、部分反射部材３ｂの透過光が干渉するように２つの部分反射部材３ａおよび３ｂが配置されることで、ファブリ・ペロー干渉計を構成している。
【００３１】
図８に、ファブリ・ペロー干渉計において、伝搬媒質部２の屈折率が変化により、出力光の強度がどのように変化するかを計算した結果を示す。図８において、縦軸は出力光強度であり、横軸は屈折率変化量である。図８は、図７に示す光マイクロホンにおいて、光波８の波長が６３３ｎｍ、部分反射部材３ａ、３ｂの反射率が共に５０％、超音波が伝搬する前の伝搬媒質部２の屈折率が１．０７、２つの部分反射部材３の間隔が５ｍｍの場合の出力応答を計算した結果である。
【００３２】
これより、屈折率変化に応じて光の強度が変化していることがわかる。なお、動作点は、屈折率変化に対して光の強度が線形に変化する点を選ぶのが好ましい。動作点の調整は、２つの部分反射部材３の間の距離を変化させたり、伝搬媒質部２の屈折率を変化させることで行える。
【００３３】
図９に、部分反射部材３ａおよび３ｂの反射率が変わった場合に、出力応答がどのように変化するかを計算した結果を示す。図９において、縦軸は出力光強度であり、横軸は屈折率変化量である。
【００３４】
図９は、部分反射部材３ａおよび３ｂの反射率がともに３０％、５０％、７０％、９０％と変化した場合の計算した結果である。これより、部分反射部材３ａおよび３ｂの反射率が高くなればなるほど光強度の変化は鋭くなり、動作点を適切に選べば屈折率変化に対して大きな出力強度変化が得られ、高い感度が得られることがわかる。しかし、出力応答が鋭くなれば鋭くなるほど、動作点の設定がシビアになり、最適点から少しずれただけで十分な光強度の変化が得られなくなる。動作点調整の精度や感度を考慮すると、部分反射部材３ａ、３ｂの反射率は、１０％以上７０％以下程度とするのが好ましい。
【００３５】
なお、図７に示すように、部分反射部材３ａ及び３ｂは伝搬媒質部２に接していても良いし、図１０、図１１及び図１２のように、部分反射部材３ａ及び３ｂは伝搬媒質部２と離れていても良い。
【００３６】
図１１に示すように、２つの部分反射部材３の間には、伝搬媒質部２の他に保持部７の一部があっても良い。ただし、その場合は保持部７としてはアクリル材やガラスなどのような透明な材料を用いる必要がある。
【００３７】
また、保持部７は必ずしも伝搬媒質部２の全面を保持する必要はなく、図７、図１０、及び図１２のように光波８の伝搬する部分周辺を保持しないようにすれば、光波８は保持部７を伝搬することなく伝搬媒質部２へ入射する。この場合は、保持部７として透明な材料を用いる必要はない。
【００３８】
また、図７、図１２、及び図１３のように部分反射部材３を保持部７の一部とすることもできる。伝搬媒質部２の表面に成膜を行い、伝搬媒質部２の表面において部分反射が起こるようにすれば、成膜された面を部分反射部材３の代わりに用いることもできる。
【００３９】
なお、ファブリ・ペロー干渉計において光電変換部５に入射する光波は、必ずしも部分反射部材３ｂを透過したものである必要はなく、図１４に示すように、部分反射部材３ａから光源４の方向へ伝搬する光波を入射することもできる。これは、部分反射部材３ａから光源４の方向へ伝搬する光波も、部分反射部材３ｂを透過する光波と同様に、２つの部分反射部材３ａ、３ｂの間で複数回反射した光波の干渉光であるためである。これを行う際には、ビームスプリッター１２を用いると、入射光と干渉光を分離することができ、光電変換部５の配置が容易になる。
【００４０】
図１５に、屈折率変化と出力光の強度変化の様子を示す。図１５は、部分反射部材３ａおよび３ｂの反射率が共に５０％の場合を計算した結果である。図１５から部分反射部材３ｂの透過光を計測した場合と同様に屈折率変化に応じた光強度の変化が得られることがわかる。反射光を計測する場合には、部分反射部材３ｂの反射率を１００％にすることも可能である。
【００４１】
なお、ファブリ・ペロー干渉計を用いた超音波の検出については、特許文献２でも記載されているが、これは被検体からの反射光をファブリ・ペロー干渉計に入射するものである。超音波を伝搬する被検体で反射される際には、ドップラー効果により光の周波数が変化する。この光の周波数変化をファブリ・ペロー干渉計で検出する。
【００４２】
本実施の形態による光マイクロホンでは、ファブリ・ペロー干渉計内の伝搬媒質部２に超音波が伝搬することで干渉計内部の屈折率が変化することにより、ファブリ・ペロー干渉計の出力が変化し、超音波を検出できる。このように、ファブリ・ペロー干渉計内部での超音波の伝搬に伴う屈折率変化を検出する光マイクロホンについてはこれまでに開示されていない。
【００４３】
以上により、環境流体から伝搬してきた超音波を伝搬媒質部２内に取り込み、伝搬媒質部２内の超音波の伝搬がもたらす屈折率変化をファブリ・ペロー干渉計により検出することにより、超音波を光で検出することができる。
【００４４】
（実施の形態２）
本実施形態における光マイクロホンの構成について説明する。図１６に本実施形態による光マイクロホンと実施の形態１による光マイクロホンとの差異を示す断面図を示す。本実施形態による光マイクロホンと実施の形態１による光マイクロホンとの差異は、開口１より接続する導波路１０の形状と、その導波路１０の１部を構成している伝搬媒質部２の形状である。
【００４５】
図１７に、本実施形態の光マイクロホンは、伝搬媒質部２及び導波路１０の形状を示す。図１７では、伝搬媒質部２の内部に、超音波を収束させる収束点Ｆを設定する。
【００４６】
伝搬媒質部２と導波路１０とが接している側面上の任意の点を点Ｐkとしたとき、開口１から点Ｐkまでの距離Ｌakと点Ｐkから収束点Ｆまでの距離Ｌnkについて、Ｌak／Ｃa＋Ｌnk／Ｃnが一定となる曲面に設計する。ここで、導波路１０を伝搬する超音波の音速Ｃa及び伝搬媒質部２を伝搬する超音波の音速ＣnがＣn＜Ｃaである。
【００４７】
開口１より入射して導波路１０を伝搬する超音波の一部が、伝搬媒質部２と導波路１０とが接している側面（Ｐ0、Ｐ1、・・・Ｐn・・・）において、伝搬媒質部２内に屈折伝搬しながら伝搬する。上式を満たすように、導波路１０と伝搬媒質部２とが接する側面が設計されていると、伝搬媒質部２の側面上のどの点（Ｐ0、Ｐ1、・・・Ｐn・・・）から伝搬媒質部２内へ透過した超音波も集束点１１に到達する時間が等しくなる。その結果、導波路１０から伝搬媒質部２内へと伝搬する超音波を集束点１１に集束することができ、集束点１１では大きな音圧が得られる。
【００４８】
なお、導波路１０の幅は一定としても良いし、超音波が伝搬するに従って狭くなるように設計しても良い。また、導波路１０の終端１３は閉じていても良いし、開放してもよい。
【００４９】
収束点Ｆには、超音波を検出する検出部を配置する。例えば、収束点Ｆに、光電変換部５等を配置することにより、
伝搬媒質部２内へ取り込んだ超音波を実施の形態１と同様にファブリ・ペロー干渉計を用いて検出する。その際、光波８を入射する位置を集束点１１にすれば、感度よく超音波を検出することができる。
【００５０】
（実施の形態３）
本実施形態における光マイクロホンの構成について説明する。図１８に、本実施形態による光マイクロホンの斜視図を示す。本実施形態による光マイクロホンは、開口１より入力された超音波を伝搬媒質部２内に取り込む。この際、導波路１０を用いずに開口１に直接伝搬媒質部２を接続する。本実施形態は、屈折伝搬現象を使わない構成である。
【００５１】
伝搬媒質部２の密度ρ1、伝搬媒質部２における音速Ｃ1、環境流体の密度ρ2、及び環境流体における音速Ｃ2が、（ρ2／ρ1）＜（Ｃ1／Ｃ2）＜１の関係を満たす材料であれば音響インピーダンスが小さく、環境流体である空気の音響インピーダンスとの差異も通常の固体に比較して格段に小さいので、空気中の超音波を効率よく伝搬媒質部２中に取り込むことができる。
【００５２】
以上のようにして伝搬媒質部２内へ取り込んだ超音波を実施の形態１と同様にファブリ・ペロー干渉計を用いて検出する。
（実施例１）
本発明の第１の実施形態による光マイクロホンの実施の一例を以下に示す。試作した光マイクロホンの断面図を図１９および図２０に示す。
【００５３】
ホーン９はアルミ二ウム板を機械加工することにより作製した。ホーンの長さはＬhorn＝１００ｍｍ、ホーンの開口の大きさは、幅Ｈin1＝４０ｍｍ、高さＨin2＝５０ｍｍとし、ホーンの集束部の開口の大きさは幅Ｈout1＝４ｍｍ、高さＨout2＝５ｍｍとした。
【００５４】
保持部７は、アクリル板を機械加工することにより作製した。保持部７の大きさは、外形の大きさをそれぞれ、縦Ｌa1＝３０ｍｍ、横Ｌa2＝３５ｍｍとし、厚みＬa3＝１５ｍｍとした。また、伝搬媒質部２の上面、下面および側面を保持する保持部７の厚みｔ1、ｔ2およびｔ3はいずれも５ｍｍとした。導波路１０の幅は、Ｌw＝４ｍｍとした。
【００５５】
部分反射部材３ａ、３ｂは両方とも同じものを用い、大きさは縦Ｌm1および横Ｌm2をともに１５ｍｍとし、厚みＬm3は３ｍｍとした。また、部分反射部材３ａおよび３ｂを配置する際には、予め部分反射部材３ａおよび３ｂの大きさに合わせて支持部７に作製した貫通穴に部分反射部材３ａおよび３ｂを挿入して固定した。
【００５６】
また、伝搬媒質部２の大きさは、縦Ｌn1および横Ｌn2を共に２０ｍｍとし、厚みＬn3は５ｍｍとした。以上より、開口１の大きさは幅４ｍｍ、高さ５ｍｍとなり、これをホーン９の集束端９ｂと接続した。
【００５７】
伝搬媒質部２の材料としては、密度１５０ｋｇ／ｍ3、音速９０ｍ／ｓｅｃのシリカ乾燥ゲルを用いた。シリカ乾燥ゲルは例えば以下の方法で作製できる。
【００５８】
まず、テトラエトキシシラン（以下、ＴＥＯＳと略す。）、エタノール及びアンモニア水を混合した溶液を作製し、これをゲル化させることによって湿潤ゲルを作製する。湿潤ゲルとは、乾燥ゲルの空孔部分に液体が満たされた状態のものを言う。この湿潤ゲルの液体部分を液化炭酸ガスで置換し、炭酸ガスを用いた超臨界乾燥法によって除去することによってシリカ乾燥ゲルが得られる。シリカ乾燥ゲルの密度は、ＴＥＯＳ、エタノール及びアンモニア水の混合比を変えることにより調整でき、音速は密度に応じて変化する。
【００５９】
シリカ乾燥ゲルは、酸化ケイ素の微細な多孔質構造からなる材料であり、骨格部分は疎水化されている。空孔及び骨格部分の大きさは数ｎｍ程度である。このような構造体の空孔部分に液体が含まれた状態から直接溶媒を乾燥させると、溶媒が揮発する際に毛管現象による大きな力が働き、骨格部分の構造が壊れやすい。この破損を防止するために表面張力の働かない超臨界乾燥法を用いることにより、シリカ骨格部分を壊さずに乾燥ゲル体を得ることができる。
【００６０】
光源４としては、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光源を用いた。スポット径は０．６ｍｍ程度である。伝搬媒質部２の音速が９０ｍ／ｓｅｃで、検出する超音波が４０ｋＨｚの場合、伝搬媒質部２中の超音波の波長Λは２．２５ｍｍであるので、これより十分小さい。
【００６１】
部分反射部材３ａおよび３ｂとしては、波長６３３ｎｍにおいて５６％の反射率を持つ誘電体多層膜による部分反射ミラーを用い、反射面が伝搬媒質部２の方を向くように配置した。なお、部分反射ミラーの反射面でない面には無反射コートを施した。
【００６２】
光電変換部５としては、６３３ｎｍの波長において受光感度の良いＳｉフォトダイオードを用いた。
【００６３】
また、光源４、伝搬媒質部２、部分反射部材３ａおよび３ｂ、支持部７、および光電変換部５を配置してファブリ・ペロー干渉計を構成し、光電変換部５の出力を電気信号検出部６に入力した。なお、本実施例では、電気信号検出部６としてオシロスコープを用いた。
【００６４】
続いて、ツイータより空気中に超音波を出力し、試作した光マイクロホンでの受波実験を行った。
【００６５】
ツイータからは、４０ｋＨｚの正弦波信号１波を、音圧の振幅１３．８Ｐａの超音波信号を出力する。オシロスコープでは、ハイパスフィルターを用いて信号のＤＣ成分を除去した後に観測した。測定結果を図２１に測定結果を示す。これより、超音波の検出が確認できる。
【００６６】
また、音圧を変えながら同様の信号を入力し、出力信号の変化を観測した。結果を図２２に示す。これより、音圧に比例して出力が変化することが確認できる。以上により、本発明による光マイクロホンの動作が確認できた。
【００６７】
振動板を用いずに、伝搬媒質部２内に取り込んだ超音波をファブリ・ペロー干渉計により検出するため、振動板の共振に起因する周波数の制限を受けない。そのため、広帯域な超音波受波器を提供できる。
【００６８】
また、本発明による光マイクロホンは、開口１をミリメートルのオーダーで作製することができ、小さい開口の超音波受波器を提供できる。
【００６９】
また、特許文献１のようにレーザードップラー振動計を用いる場合には、レーザードップラー振動系内に、音響光学変調素子や演算部などを組み込む必要があるため装置が大型になるが、本発明による光マイクロホンは、また、本発明による光マイクロホンは、部分反射部材３ａおよび３ｂ、伝搬媒質部２、光源４、保持部７、光電変換部５、電気信号検出部６から構成できるので小型に提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の光マイクロホンによれば、振動板を用いずに超音波を検出することで、広い周波数帯域における超音波の受波が可能となるものである。
【符号の説明】
【００７１】
１  開口
２  伝搬媒質部
３ａ、３ｂ  部分反射部材
４  光源
５  光電変換部
６  電気信号検出部
７  保持部
８  光波
９  ホーン
９ａ  ホーンの開口端
９ｂ  ホーンの集束端
１０  導波路
１１  集束点
１２  ビームスプリッター
１３  終端
１４  超音波
【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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