(57)【要約】【課題】周波数応答が変動することなく感度調整が可能な光マイクロホンおよび感度調整が可能な光学式変位センサを得る。【解決手段】音波を受けて振動する振動板７と、光源２からの光を振動板７に向かって出射する投光側光ガイド４と、振動板７からの反射光を受けて受光素子３に導く受光側光ガイド５と、を有し、受光素子３から音声信号が出力される。投光側光ガイド４と受光側光ガイド５は互いに長さ方向に並列的に配置され、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５との間に弾性部材が介在し、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５から弾性部材を圧縮する向きに加える圧力の調整により感度調整が可能。【選択図】図１
2015156617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音波を受けて振動する振動板と、
光源からの光を上記振動板に向かって出射する投光側光ガイドと、
上記振動板からの反射光を受けて受光素子に導く受光側光ガイドと、を有し、
上記受光素子から音声信号が出力される光マイクロホンであって、
上記投光側光ガイドと上記受光側光ガイドは互いに長さ方向に並列的に配置され、
上記投光側光ガイドと上記受光側光ガイドとの間に弾性部材が介在し、
上記投光側光ガイドと上記受光側光ガイドから上記弾性部材を圧縮する向きに加える圧力を調整することにより感度調整を可能にした感度調整構造を備えた光マイクロホン。
【請求項２】
上記弾性部材は遮光部材からなる請求項１記載の光マイクロホン。
【請求項３】
上記投光側光ガイドの先端部に上記受光側光ガイドとは反対側に傾斜した切除面が形成されることにより光の出射面が制限され、上記切除面は光の反射面になっている請求項１または２記載の光マイクロホン。
【請求項４】
上記受光側光ガイドの先端部に上記投光側光ガイドとは反対側に傾斜した切除面が形成されることにより光の入射面が制限され、上記切除面は光の反射面になっている請求項１，２または３記載の光マイクロホン。
【請求項５】
上記投光側光ガイドと上記受光側光ガイドはそれぞれ圧力を受ける加圧部材を有する請求項１乃至４のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項６】
上記感度調整構造による感度調整時に、上記投光側光ガイドと上記受光側光ガイドは互いに平行移動する請求項１乃至５のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項７】
上記感度調整構造による感度調整時に、上記投光側光ガイドと上記受光側光ガイドは互いのなす角度が変化する請求項１乃至５のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項８】
外力を受けて変位する検知膜と、
光源からの光を上記検知膜に向かって出射する投光側光ガイドと、
上記検知膜からの反射光を受けて受光素子に導く受光側光ガイドと、を有し、
上記受光素子から上記検知膜の変位信号が出力される光学式変位センサであって、
上記投光側光ガイドと上記受光側光ガイドは互いに長さ方向に並列的に配置され、
上記投光側光ガイドと上記受光側光ガイドとの間に弾性部材が介在し、
上記投光側光ガイドと上記受光側光ガイドから上記弾性部材を圧縮する向きに加える圧力を調整することにより感度調整を可能にした感度調整構造を備えた光学式変位センサ。
【請求項９】
上記投光側光ガイドの先端部に上記受光側光ガイドとは反対側に傾斜した切除面が形成されることにより光の出射面が制限され、上記切除面は光の反射面になっている請求項８記載の光学式変位センサ。
【請求項１０】
上記受光側光ガイドの先端部は、上記投光側光ガイドとは反対側に傾斜した切除面が形成されることにより光の入射面が制限され、上記切除面は光の反射面になっている請求項８または９記載の光学式変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感度調整が可能な光マイクロホンおよび微小な変位を検出可能な光学式変位センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
検知膜の変位を光によって検知する光学式センサが知られている。この光学式センサは、物理的な外力を受けて変位する検知膜に光を照射し、検知膜で反射される光を受光するものである（例えば、特許文献1参照）。特許文献１に記載の光学式センサは、熱膨張係数の異なる物質からなる複数の素材を重ねて検知膜の支持体を形成している。上記複数の素材の熱膨張に差を持たせることにより、検知膜に張力を付加することを特徴としている。上記検知膜を、音波を受けて振動する振動板とすることで、光マイクロホンを構成することができる。この光マイクロホンは、振動板で反射される光を受光素子で受光して電気信号に変換する。
【０００３】
光ガイドを用いた光学式マイクロホンおよびセンサも知られている。光源から振動板（「メンブレン」という場合もある）に至る光の経路に第１の光ガイドを、振動板から光検出器に至る光の経路に第２の光ガイドを用いる（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００４】
特許文献２に記載の発明は、第１、第２の光ガイドの先端部を楔状に形成し、この楔状の先端を突き合わせている。光ガイドの先端部を楔状に形成することで、光ガイドに沿って導かれる光が内部で全反射を起こすようにしている。振動板は、第１、第２の光ガイドの先端部に対向させて、上記光ガイドの長さ方向に配置されている。第１の光ガイドの楔状先端部で全反射された光を第１の光ガイドの外側に出射させ、振動板で反射させる。この反射光を第２の光ガイドに入射させ、第２の光ガイドの楔状先端部で全反射させる。そして、反射光を第２の光ガイドに沿って導き、光検出器で検出する。この光検出器は、振動板の振動、その他の物理的な変化に対応した検出信号を出力できるため、光学式マイクロホンあるいは変位センサとして利用可能である。
【０００５】
特許文献３に記載の光マイクロホンおよびセンサは、第１、第２の光ガイドを平行に配置している。第１の光ガイドの先端面から振動板に向かって光を出射させ、振動板からの反射光を第２の光ガイド先端面から入射させるものである。第１、第２の光ガイドの先端部は互いに外側部が斜めに切断されている。この切断面は光の反射面になっている。上記切断面が形成されることにより、第１、第２の光ガイドの先端面は狭められていて、これらの先端面に対向して反射膜が配置されている。第１の光ガイドから出射される光は、上記反射膜で反射される。この反射光が第２の光ガイドの先端面から入射し、受光素子で受光される。受光素子の出力信号は上記膜の変位に依存するため、膜の変位を検出することができ、あるいは電気音響変換信号を得ることができる。
【０００６】
上記光ガイドを、微細な径の光ファイバを束ねた光ファイバ束で構成したものもある。このような光ガイドは、検出対象の微細な位置変化、表面粗さなどを検出することができる。図５は光ファイバ束の概要を示している。図５において、多数の光ファイバ１１０を束ねた投光側光ファイバ束１００と、多数の光ファイバ２１０を束ねた受光側光ファイバ束２００とが平行に配置されている。投光側光ファイバ束１００と受光側光ファイバ束２００はそれぞれ特許文献３に記載されている第１、第２の光ガイドに代わるものと考えればよく、上記第１、第２の光ガイドとほぼ同等の機能を持つ。
【０００７】
特許文献３に記載されている発明において、第１、第２の光ガイドの間には、遮光部材が介在している。この遮光部材は、光源から出射した光が反射膜を介することなく直接受光素子に入射することのないようにするものである。また、図５に示す光ガイドは、コアをクラッドで覆った複数の光ファイバ１１０、２１０を束にして構成している。光は、コアとクラッドの境界において反射を繰り返しながら進行する。上記クラッドは光がガイドの外に漏洩することを防いでいる。
【０００８】
光学式変位センサは、受光素子により受光した光の量（以下「光量」という）を測定する。対象物に照射された光は対象物で反射される。この反射光は、受光素子によって検出される。上記反射光は、対象物の凹凸などにより光量が変化する。光学式変位センサは、この検出した光量から、対象物の変位を測定する。対象物を検知膜とすることで、光学式変位センサは、圧力測定に利用できる。また、対象物を振動板とすることで、光学式変位センサは、光マイクロホンとして利用できる。
【０００９】
投光側から検知膜に投光される光が通過する空間のうち、検知膜の変位の読み取りに寄与する部分を有感部とする。有感部が広いほど受光部で検出する光量が多くなる。
【００１０】
検知膜または振動板の変動により、反射した光の光量は変化する。この光量の変化を測定することで、測定対象の変位または、音声波を電気音響変換することができる。
【００１１】
以上説明した従来の光マイクロホンおよび光学式変位センサにおいては、感度調整に関しては考慮されていない。しかし、マイクロホンやセンサとして利用する上では、感度調整を可能にすると都合がよい。光マイクロホンおよび光学式変位センサにおいて感度調整をする方法としては、発光素子および受光素子と振動板または検知膜との間隔の調整、投光面および入射面と振動板または検知膜との間隔の調整が考えられる。
【００１２】
しかし、上記間隔の調整によって光マイクロホンまたは光学式変位センサの感度調整を行うと、検知膜または振動板の特性が変動してしまう。したがって、検知膜または振動板の特性を変化させずに、感度を可変できると望ましい。特に光マイクロホンの場合は、上記間隔調整によって上記間隔内の空気層抵抗が変化するから、これによっても周波数応答が変動してしまう。よって、上記間隔調整による感度調整は望ましくない。
【００１３】
一方、光学式変位センサの場合、上記間隔の調整によって応答性能が変動する。特に、水流や風量の経時変化を測定するような場合、検知膜の微小変位を監視しなければならない。このような計測においては、検知膜の応答性能の変動は正確な測定を妨げる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００２−２１３９９５号公報
【特許文献２】特開２００１−３３３４９６号公報
【特許文献３】特開２００２−１８６０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、周波数応答が変動することなく感度調整が可能な光マイクロホンおよび感度調整が可能な光学式変位センサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る光マイクロホンは、
音波を受けて振動する振動板と、
光源からの光を上記振動板に向かって出射する投光側光ガイドと、
上記振動板からの反射光を受けて受光素子に導く受光側光ガイドと、を有し、
上記受光素子から音声信号が出力される光マイクロホンであって、
上記投光側光ガイドと上記受光側光ガイドは互いに長さ方向に並列的に配置され、
上記投光側光ガイドと上記受光側光ガイドとの間に弾性部材が介在し、
上記投光側光ガイドと上記受光側光ガイドから上記弾性部材を圧縮する向きに加える圧力を調整することにより感度調整を可能にした感度調整構造を備えていることを最も主要な特徴とする。
【００１７】
本発明に係る光学式変位センサは、
外力を受けて変位する検知膜と、
光源からの光を上記検知膜に向かって出射する投光側光ガイドと、
上記検知膜からの反射光を受けて受光素子に導く受光側光ガイドと、を有し、
上記受光素子から上記検知膜の変位信号が出力される光学式変位センサであって、
上記投光側光ガイドと上記受光側光ガイドは互いに長さ方向に並列的に配置され、
上記投光側光ガイドと上記受光側光ガイドとの間に弾性部材が介在し、
上記投光側光ガイドと上記受光側光ガイドから上記弾性部材を圧縮する向きに加える圧力を調整することにより感度調整を可能にした感度調整構造を備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、周波数応答が変動することなく感度調整が可能な光マイクロホンおよび光学式変位センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る光マイクロホンおよび光学式変位センサの実施例を示す縦断面図である。
【図２】上記実施例の異なる動作態様を示す縦断面図である。
【図３】光ガイドと振動板または検知膜との間隔に対する検出出力の関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係る光マイクロホンおよび光学式変位センサの別の実施例を示す縦断面図である。
【図５】光ファイバを束ねた光ガイドの従来例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る光マイクロホンおよび光学式変位センサの実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２１】
［光マイクロホン］
図１、図２は光マイクロホンの実施例を示しているものとする。図１、図２において、光マイクロホンは、光源２、投光側光ガイド４、受光側光ガイド５、受光素子３、遮光部材６、振動板７を主要な構成部材として有している。これらの各部材はハウジング１内に組み込まれている。振動板７は保持リング８の図１において下面に適宜の張力を付与して固着されている。保持リング８に保持された振動板７は、ハウジング１の上端面に固着されている。振動板７は音波を受けると保持リング８の内周側において振動する。
【００２２】
ハウジング１内には、ＬＥＤなどの発光素子からなる光源２および受光素子３が組み込まれている。さらに、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５も、ハウジング１内に、互いに長さ方向に並列的に組み込まれている。投光側光ガイド４は光源２からの光を図１において上方に向かってガイドするように構成されている。したがって、投光側光ガイド４にガイドされた光は、上端の出射面４３から振動板７に向かって出射する。振動板７の下面は反射面になっている。
【００２３】
また、受光側光ガイド５は、振動板７の反射面からの光を図１において下方に向かってガイドするように構成されている。そのため振動板７の反射面は、投光側光ガイド４から出射された光を受光側光ガイド５に向かって反射する。この反射光は受光側光ガイド５の上端の入射面５３から受光側光ガイド５内に導かれる。そして、反射光は受光側光ガイド５に沿って下方に向かってガイドされ、受光素子３で受光される。
【００２４】
本実施例では、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５は長さ方向に互いに平行かつ並列に配置されている。投光側光ガイド４と受光側光ガイド５との間には、遮光部材６が介在している。遮光部材６は弾性部材からなる。そのため、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５を、遮光部材６の弾力に抗して両側から圧縮すると上記両ガイド４，５の間隔が狭くなる。反対に、上記圧縮力を弱めると遮光部材６の弾力により上記両ガイド４，５の間隔が広くなる。したがって、上記両ガイド４，５の間隔は上記両ガイド４，５に加わる圧縮力に対応して決まる。
【００２５】
投光側光ガイド４の先端部は、受光側光ガイド５とは反対側に傾斜した切除面が形成されている。上記切除面が形成されていることにより、光の出射面４３が制限されている。投光側光ガイド４の上記切除面には、反射膜のコーティングなどによって、光の反射面４１が形成されている。受光側光ガイド５の先端部においても、投光側光ガイド４とは反対側に傾斜した切除面が形成されている。上記切除面が形成されることにより、光の入射面５３が制限されている。受光側光ガイド５の上記切除面にも反射膜のコーティングなどによって光の反射面５１が形成されている。投光側光ガイド４と受光側光ガイド５は、遮光部材６を挟んで互いに背中合わせに配置されている。投光側光ガイド４と受光側光ガイド５の上記背中合わせ面にはそれぞれ光の反射膜４２，５２が形成されている。
【００２６】
上記のようにして、投光側光ガイド４は、その出射面４３が制限されている。また、投光側光ガイド４には、傾斜した反射面４１と反射膜４２が形成されている。その結果、投光側光ガイド４内をガイドされた光源２からの光が出射面４３から集中的に出射される。また、反射膜４２が形成されることによっても、光源２からの光が投光側光ガイド４内を効率よくガイドされる。このような構成は、出射面４３から光を集中的に出射することに寄与している。
【００２７】
上記集中的な出射光は、振動板７で反射される。そして、反射した光は、受光側光ガイド５の入射面５３から受光側光ガイド５内に入射する。受光側光ガイド５内に入射した光は、反射面５１、反射膜５２で反射される。その結果、受光側光ガイド５内に入射した光は、受光素子３の受光面に向かってガイドされることにより、受光素子３によって効率的に受光される。このように、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５は、光源２から受光素子３に至る光を効率よくガイドする。
【００２８】
図１に示すように、投光側光ガイド４の出射面４３から出射される光の出射範囲１０は振動板７に向かって順次広がる。逆に、振動板７で反射され受光側光ガイド５の入射面５３に入射する光の入射範囲２０は入射面５３に向かって順次狭まる。この実施形態において、上記出射範囲１０と入射範囲２０が重なる範囲が有感部３０となる。有感部３０が広ければ広いほど感度は高くなる。上記出射面４３および入射面５３と振動板７との間隔を狭くすると有感部３０が狭くなり、感度は低くなる。これは有感部の広さによって、受光部に到達する光の量が変化するためである。
【００２９】
そこで、図１、図２に示す実施例では、感度調整を可能にした感度調整構造を備えている。感度調整構造は、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５との間隔を調整可能にするものである。具体的には、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５との間に、遮光部材６を介在させ、遮光部材６を圧縮する向きに加える圧力を調整することができる構成になっている。遮光部材６は、弾性部材からなっている。側面から圧力を加えることで、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５の間隔を調整することができる。投光側光ガイド４と受光側光ガイド５はそれぞれ外部から圧力を受ける加圧部材４４，５４を有している。加圧部材４４，５４はそれぞれハウジング１に形成されている孔１１，１２からハウジング１の外方に突出している。これら加圧部材４４，５４の突出端から投光側光ガイド４と受光側光ガイド５に圧力を加える構成になっている。
【００３０】
図２に示す態様は、図１に示す態様と比較して投光側光ガイド４と受光側光ガイド５に加えられる圧力が強い状態を示している。遮光部材６の弾力に抗して投光側光ガイド４と受光側光ガイド５が図１に示す態様より接近している。本実施例では、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５がともに平行移動することにより、双方のガイド４，５が互いに接近し、離間する構成になっている。
【００３１】
図１と図２に示す態様における前記有感部３０を比較すると、図２に示す有感部３０の方が、図１に示す有感部３０よりも大きい。そのため、図２の方が感度も高くなっている。投光側光ガイド４と受光側光ガイド５に加える圧力を弱くすると、感度が低くなる。遮光部材６の弾力によって投光側光ガイド４と受光側光ガイド５の間隔が広げられるためである。
【００３２】
図１に示す態様での感度を図３のグラフＡで、図２に示す態様での感度を図３のグラフＢで表している。図３において横軸は、投受光側ガイド４，５の投受光面４３，５３と振動板７との間隔ｄを示している。図３において縦軸は受光素子３の信号出力すなわち受光量を示している。図３に示すグラフＡ、Ｂは何れも間隔ｄが広がるにしたがって比例的にすなわち直線的に受光素子の信号出力が増加している。上記有感部３０が大きくなるからである。しかし、間隔ｄがある程度まで広がると、受光素子の信号出力は頭打ちとなってピークが生じ、以後は間隔ｄの広がりに従って上記出力信号は低下する。これは、受光部に到達する光が拡散等を理由に減少することが原因である。
【００３３】
図３に示すグラフＡ、Ｂから明らかなように、図２の態様におけるグラフＢの方が、図１の態様におけるグラフＡよりも立ち上がりが急峻で、感度が高いことがわかる。したがって、図２に示す態様の方が振動板の振動による距離ｄの変化を感度良く捉えることができる。以上が、投受光側ガイド４，５の投受光面４３，５３を接近させ、また離間させることによって感度調整が可能になる理由である。上記グラフＡ，Ｂのいずれにしろ、直線的に立ち上がる範囲内において感度調整を行うことが望ましい。振動板の変位を読み取る範囲がグラフの頂点に位置する点を含む場合、信号出力がクリップする原因となるためである。したがって、感度調整は、振動板の振動に応じて信号出力の変動を検知できる範囲内（グラフの線形領域）で利用することが望ましい。
【００３４】
以上説明した光マイクロホンの実施例によれば、音波を受けて振動板７が振動すると、振動板７の振動位置に対応して受光側光ガイド５に入射する光量が変化する。この光量の変化が受光素子３の出力信号の変化として現れるので、受光素子３から音声信号として出力することができる。
【００３５】
光マイクロホンの感度調整は、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５に加える圧力を調整して投光側光ガイド４と受光側光ガイド５の間隔を変えることによって調整することができる。この感度調整方式は、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５の出射面４３および入射面５３と振動板７との間隔を変えるものではない。よって、周波数応答を変化させることなく感度を調整することができる。
【００３６】
図１、図２に示す実施例では、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５の両方から圧力を加えて感度調整を行うようになっている。しかし、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５の一方を固定し、他方から加える圧力を調整する構成であってもよい。投光側光ガイド４または受光側光ガイド５に加える圧力は、手動力によるものであってもよい。また、投光側光ガイド４または受光側光ガイド５に加える圧力は、適宜のアクチュエータ、例えばモータ、流体シリンダなどの機械力によるものであってもよい。
【実施例２】
【００３７】
本発明にかかる光マイクロホンの第２の実施例について図４を参照しながら説明する。この実施例が第１の実施例と異なる点は、感度調整構造の構成である。第１の実施例が投光側光ガイド４と受光側光ガイド５を平行移動させる構成であるのに対し、第２の実施例では、互いのなす角度が変化するように構成されている。図４に示す実施例では、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５がそれぞれの底部の一点である支点６１を通る軸に向かって傾くことができるように構成されている。
【００３８】
図４に示す態様では、加圧部材４４，５４が外力によって押され、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５が互いに接近する向きに力が加わっている。遮光部材６は支点６１から上部に向かうほど弾性が増すように構成される。加圧部材４４，５４により力が加えられると、投光側光ガイド４の出射面４３と受光側光ガイド５の入射面５３は支点６１を含む軸線に向かって傾く。この投光側光ガイド４と受光側光ガイド５の傾きは、弾性部材からなる遮光部材６を圧縮しながら行われる。遮光部材６は、支点６１のある下端部から出射面４３および入射面５３のある上端部に向かって徐々に柔らかくなるように構成される。その結果、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５のそれぞれの上端部が互いに接近する。
【００３９】
結果的には、第１の実施例の図２に示した場合と同様に、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５が互いに接近した状態になる。そのため、光マイクロホンの感度が高くなる。加圧部材４４，５４に加える外力を弱めると、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５は遮光部材６の反発力で押し戻され、投光側光ガイド４と受光側光ガイド５の上端部の間隔が広がる。その結果、光マイクロホンの感度は低くなる。このように、加圧部材４４，５４から投光側光ガイド４と受光側光ガイド５に加えられる圧力の大きさにより投光側光ガイド４と受光側光ガイド５は互いのなす角度が変化する。この角度を調整することによって光マイクロホンの感度を調整することができる。
【００４０】
以上説明した点が第１の実施例と異なる。その他の構成および作用、効果は第１の実施例と同じである。したがって、同じ構成部分には共通の符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００４１】
［光学式変位センサ］
次に、光学式変位センサの実施例について説明する。光学式変位センサの場合、前記光マイクロホンの実施例における振動板７を、外力を受けて変位する被検部材とすることによって実現できる。上記被検部材が圧力に応じて変位するものであれば、圧力センサとなる。光源２、受光素子３、投光側光ガイド４、受光側光ガイド５、その他の構成は図１、図２または図４に示す実施例の構成と同じでよい。受光素子３からは、上記被検部材の変位に対応した変位信号が出力される。
【００４２】
投光側光ガイド４または受光側光ガイド５に加える圧力に応じて投光側光ガイド４または受光側光ガイド５の間隔が変化する。これにより、前述のように感度を調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、光学式マイクロホンをはじめ、音波、風量、水流などによる被検部材の変化を検出する圧力センサなどに適用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１    ハウジング
２    光源
３    受光素子
４    投光側光ガイド
５    受光側光ガイド
６    遮光部材
７    振動板（被検部材）
３０    有感部
４１    反射面
４２    反射膜
４３    出射面
４４    加圧部材
５１    反射面
５２    反射膜
５３    入射面
５４    加圧部材
【図１】
2015156617.tif 000003
【図２】
2015156617.tif 000004
【図３】
2015156617.tif 000005
【図４】
2015156617.tif 000006
【図５】
2015156617.tif 000007