(57)【要約】【課題】簡易な構成でデジタルの振動検出信号を出力することが可能な振動検出装置を提供する。【解決手段】振動膜１１の変位によるレーザ光Ｌの回折角の変化、およびレーザ光Ｌの波長変調によるレーザ光Ｌの回折角の変化をレーザ光源１３への帰還パラメータとするΔΣ変調器を含むようにする。複雑な構成のＡＤ変換部等が不要なり、簡易な構成で振動膜１１の振動が、２値化された音声信号Ｓoutとしてデジタル検出される。また、振動膜１１自身の変位ではなく、レーザ光Ｌの回折角の変化が帰還パラメータとなっているため、装置全体としても簡易な構成となる。【選択図】図１
2008154226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動体と、この振動体に入射するレーザ光を発する光源とを含んで構成され、前記振動体の変位による前記レーザ光の振れ角の変化および前記レーザ光の波長変調によるこのレーザ光の振れ角の変化を前記光源への帰還パラメータとして前記振動体の振動を検出するΔΣ（デルタ・シグマ）変調器を含んで構成されている
ことを特徴とする振動検出装置。
【請求項２】
前記ΔΣ変調器は、
前記レーザ光を前記振動体の変位および前記レーザ光の波長変調に応じた方向に回折し、回折レーザ光を発生させる回折格子と、
前記回折レーザ光をその進行方向に応じて受光し、光電変換を行う一対の光電変換素子と、
前記一対の光電変換素子のうちの一方の光電変換素子からの出力信号と、前記一対の光電変換素子のうちの他方の光電変換素子からの出力信号とを比較する比較器とを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の振動検出装置。
【請求項３】
前記ΔΣ変調器は、前記振動体の振動に応じて動くカンチレバーを含み、
前記回折格子が前記カンチレバー上に配設されている
ことを特徴とする請求項１に記載の振動検出装置。
【請求項４】
以下の（１）式〜（３）式により、前記レーザ光の回折角の変位θ’が大きくなるように前記カンチレバーに対する前記レーザ光の入射角αが設定されている
ことを特徴とする請求項３に記載の振動検出装置。
θ’＝θ＋β−β’                      …（１）
ｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝ｍ×（λ／Λ）      …（２）
ｓｉｎα’＋ｓｉｎβ’＝ｍ×（λ／Λ）  …（３）
但し、
ｍ：回折の次数
λ：レーザ光の波長
Λ：回折格子の格子定数
θ：カンチレバーの振れ角
α：レーザ光の入射角
β：レーザ光の回折角
α’：カンチレバーがθの分だけ振れた後のレーザ光の入射角（＝α＋θ）
β’：カンチレバーがθの分だけ振れた後のレーザ光の回折角
θ’：カンチレバーがθの分だけ振れた際のレーザ光の回折角の変位
【請求項５】
前記回折格子が前記振動体上に配設されている
ことを特徴とする請求項１に記載の振動検出装置。
【請求項６】
前記光源がマルチ波長モードのレーザ光源であり、このレーザ光源の駆動電流を変化させることで前記レーザ光の波長変調を行うように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の振動検出装置。
【請求項７】
前記振動体が音波に応じて振動する振動膜であり、この振動膜の振動を音声信号として検出する光学式マイクロホン装置として構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の振動検出装置。
【請求項８】
前記ΔΣ変調器は、
前記レーザ光を前記振動体の変位および前記レーザ光のｎ次回折角に応じた方向に回折し、回折レーザ光を発生させる音響光学変換素子と、
前記回折レーザ光をその進行方向に応じて受光し、光電変換を行う一対の光電変換素子と、
前記一対の光電変換素子のうちの一方の光電変換素子からの出力信号と、前記一対の光電変換素子のうちの他方の光電変換素子からの出力信号とを比較する比較器とを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の振動検出装置。
【請求項９】
前記ΔΣ変調器は、前記振動体の振動に応じて動くカンチレバーを含み、
前記音響光学変換素子が前記光源から前記カンチレバーまでの光路上に配設されている
ことを特徴とする請求項８に記載の振動検出装置。
【請求項１０】
前記振動体が音波に応じて振動する振動膜であり、この振動膜の振動を音声信号として検出する光学式マイクロホン装置として構成されている
ことを特徴とする請求項８に記載の振動検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動体の変位を光学的に検出する振動検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＳＡＣＤ（Super Audio Compact Disc）や２４ｂｉｔ−９６ｋＨｚのサンプリングを利用した録音方式等が用いられ、高音質化が主流になりつつある。このような流れの中、従来のアナログ方式のマイクロホン装置は、特に２０ｋＨｚ以上の高域の音声の収録に限界があるため、上記録音方式の特徴である高域の再生を生かしてコンテンツを収録しようとする場合に、ボトルネックになっていた。
【０００３】
また、ダイナミックレンジに関しても、上記録音方式の特徴である２４ｂｉｔビット録音により可能な１４４ｄＢまで及ばず、広範なダイナミックレンジを十分に生かしきれていなかった。
【０００４】
さらに、録音現場においては、従来のアナログ方式のマイクロホン装置では、アナログケーブルでの長距離の引き回しに起因してノイズが増加してしまったり、コンデンサマイクに対してミキシングコンソールからファンタム電源を供給しなければならず、録音・制作システムにおける全デジタル化の障害となっていた。
【０００５】
そこで、近年、デジタル方式のマイクロホン装置がいくつか提案されている。例えば、特許文献１では、マッハ・ツェンダ方式などの干渉計においてマイク振動膜の変位により生じる干渉縞の変化を、光電変換素子で信号変換すると共にデジタル的に信号処理することにより、デジタル音声信号出力を得るようにしたものが提案されている。また、例えば特許文献２では、マイケルソン方式の干渉計においてマイク振動板の変位により生じる干渉縞の変化を光電変換素子により信号変換すると共にこの値を２値量子化することでビットストリーム信号を得るようにし、いわゆるΔΣ（デルタ・シグマ）変調器を構成するための帰還路としてマイク振動膜を動かす振動膜駆動手段を持つようにしたものが提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−３０８９９８号公報
【特許文献２】特開平１１−１７８０９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、マイクロホン装置の形態としては、場所をとらず、可搬であることが望ましいため、マイクロホン装置の構成は簡易であることが好ましい。
【０００８】
ところが、上記特許文献１のマイクロホン装置では、２つの光路からのレーザ光を互いに干渉させてその干渉縞を光検出器で検出しているが、その検出信号をデジタルカウント器でカウントする必要があるため、ＡＤ（Analog to Digital）変換部やカウンタ、音声信号変換処理部などの構成が複雑化し、改善の余地があった。
【０００９】
一方、上記特許文献２のマイクロホン装置では、振動板の変位に対して帰還をかけてΔΣ変調器を構成するようにしているため、ＡＤ変換部の構成は簡素化されている。しかしながら、音波に応じて振動する振動板自身に対して帰還をかけ変位させているため、振動板の振動モードが複雑なものとなり、マイクロホン装置全体としては依然として複雑な構成であった。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡易な構成でデジタルの振動検出信号を出力することが可能な振動検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の振動検出装置は、振動体と、この振動体に入射するレーザ光を発する光源とを含んで構成され、振動体の変位によるレーザ光の振れ角の変化およびレーザ光の波長変調によるこのレーザ光の振れ角の変化を光源への帰還パラメータとして振動体の振動を検出するΔΣ（デルタ・シグマ）変調器を含むようにしたものである。
【００１２】
本発明の振動検出装置では、振動によって変位する振動体に対し、光源からレーザ光が入射される。そして振動体が変位したりレーザ光が波長変調するとレーザ光の振れ角が変化し、これらによる振れ角の変化がΔΣ変調器の帰還パラメータとして光源へ帰還され、振動体の振動が検出される。
【００１３】
本発明の振動検出装置では、上記ΔΣ変調器が、レーザ光を振動体の変位およびレーザ光の波長変調に応じた方向に回折し、回折レーザ光を発生させる回折格子と、この回折レーザ光をその進行方向に応じて受光し、光電変換を行う一対の光電変換素子と、これら一対の光電変換素子のうちの一方の光電変換素子からの出力信号と、一対の光電変換素子のうちの他方の光電変換素子からの出力信号とを比較する比較器とを含むように構成可能である。このように構成した場合、回折格子によって振動体の変位およびレーザ光の波長変調に応じた方向にレーザ光が回折され、回折レーザ光となる。そしてこの回折レーザ光がその進行方向に応じて一対の光電変換素子のうちの一方によって光電変換され、これら一対の光電変換素子からの出力信号同士が比較器によって比較されることで、例えば２値化された振動体の検出信号が出力される。また、回折格子を利用しているため、レーザ光に対して波長依存性が生じ、レーザ光に対する波長変調が可能となる。
【００１４】
本発明の振動検出装置では、上記ΔΣ変調器が振動体の振動に応じて動くカンチレバーを含むと共に、このカンチレバー上に上記回折格子を配設するようにするのが好ましい。このように構成した場合、カンチレバーの光テコ作用によって回折レーザ光の振れ角が増加し、その結果、検出対象である振動体の変位量も増加する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の振動検出装置によれば、振動体の変位によるレーザ光の振れ角の変化およびレーザ光の波長変調によるこのレーザ光の振れ角の変化を光源への帰還パラメータとするΔΣ変調器を含むようにしたので、複雑な構成のＡＤ変換部やカウンタ、音声信号処理部などが不要なり、簡易な構成で振動体の振動をデジタル検出することができる。また、振動体自身の変位ではなく、レーザ光の振れ角の変化を帰還パラメータとしているため、装置全体としても簡易な構成となる。よって、簡易な構成でデジタルの振動検出信号を出力することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施の形態に係る振動検出装置（光学式のマイクロホン装置１）の全体構成を表すものである。このマイクロホン装置１は、後述するΔΣ（デルタ・シグマ）変調器を含んで構成され、音波Ｓｗに応じて振動する振動膜（後述する振動膜１１）を利用して２値化された音声信号Ｓoutを出力するものであり、一対の支持部１０Ａ，１０Ｂと、振動膜１１と、カンチレバー１２と、レーザ光源１３と、量子化器１４と、遅延回路１５と、積分器１６と、ゲイン付与回路１７と、光源駆動部１８とを備えている。
【００１８】
振動膜１１は、音波Ｓｗに応じて変位するものであり、円盤状かつ筒状（円柱状）の枠１０によって支持されている。なお、この振動膜１１には、入力する音波Ｓｗにより所望の振動特性を得るため、カプセル状の筐体（図示せず）によって音響回路が構成されるようになっている。
【００１９】
カンチレバー１２は、振動膜１１の変位に応じて動くように構成されており、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術によって作製され、ばね定数が小さくて応答周波数が高いものを用いるのが好ましい。このカンチレバー１２のレーザ光源１３側の表面には、図示しない反射性の回折格子（後述する回折格子１２Ａ）が設けられている。
【００２０】
レーザ光源１３は、カンチレバー１２および回折格子に対してレーザ光Ｌを照射するものであり、例えばマルチモード（ファブリペロー型）のレーザ光源（例えば、端面発光型の半導体レーザ光源）などが用いられる。なお、マルチモードのレーザ光源を用いた場合、後述するように、電流変化によってレーザ光Ｌの波長を変調することができるようになっている。
【００２１】
量子化器１４は、一対の光電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂからなる光電変換素子１４１と、比較器１４２とを有している。
【００２２】
光電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂはそれぞれ、カンチレバー１２上の回折格子１２によって回折されたレーザ光を受光して光電変換するものであり、例えばＰＤ（Photo Diode）などにより構成される。また、詳細は後述するが、カンチレバー１２の変位やレーザ光Ｌの波長変調に応じて、これら光電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂのうちの一方に回折されたレーザ光が入射するようになっている。
【００２３】
比較器１４２は、光電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂそれぞれからの出力信号の差分をとって出力することにより、どちらの光電変換素子に回折されたレーザ光が入射したかを、「＋１」または「−１」という２値化された出力信号（音声信号Ｓout）として出力するものである。
【００２４】
遅延回路１５は、出力信号である音声信号Ｓoutを１サンプル分遅延をかけて出力するものである。また、積分器１６は、遅延回路１５の出力信号に対して積分処理を施すものである。また、ゲイン付与回路１７は、積分器１６の出力信号に対して所定のゲインを付与して出力するものである。なお、これら遅延回路１５、積分器１６およびゲイン付与回路１７によって、光源駆動部１８に対するフィードバックループ（帰還経路）が形成されるようになっている。
【００２５】
光源駆動部１８は、レーザ光源１３を駆動するものである。また、詳細は後述するが、レーザ光Ｌの波長に対して変調を行うようになっている。なお、前述のようにレーザ光源１３がマルチモードのレーザ光源により構成されている場合、駆動電流を駆動することで、レーザ光Ｌの波長を変調することができるようになっている。
【００２６】
次に、図１と比較しつつ図２および図３を参照して、ΔΣ変調器の構成について説明する。ここで、図２は、一般的なΔΣ変調器の構成例（ΔΣ変調器１００）を表したものであり、図３は、以下説明するようにΔΣ変調器２００と等価な構成からなるΔΣ変調器（ΔΣ変調器２００）を表したものである。
【００２７】
図２に示したΔΣ変調器１００は、入力Ｘから後述するゲイン付与回路１０７の出力信号を減算処理する減算器１０３と、この減算器１０３の出力信号に対して積分処理を施す積分器１０１と、この積分器１０１の出力信号から量子化ノイズＮｑで２値量子化を行う量子化器１０４と、この量子化器１０４の出力Ｙに対して１サンプル分遅延をかける遅延回路１０５と、この遅延回路１０５の出力信号に対して所定のゲインを付与するゲイン付与回路１０７とを有している。そして入力Ｘは、例えば以下の（１１）式で示したように変換されて出力Ｙとして出力され、量子化ノイズＮｑに対してノイズシェービング効果が表されるようになっている。
【００２８】
一方、図３に示したΔΣ変調器２００は、入力Ｘ（信号Ｓ２００）に対して積分処理を施す積分器２０１と、この積分器２０１の出力信号から後述する積分器２０６の出力信号を減算処理する減算器２０３と、この減算器２０３の出力信号Ｓ２０３に対して量子化ノイズＮｑで２値量子化を行う量子化器２０４と、この量子化器２０４の出力Ｙ（出力信号Ｓ２０４）に対して１サンプル分遅延をかける遅延回路２０５と、この遅延回路２０５の出力信号Ｓ２０５に対して積分処理を施す積分器２０６とを有している。そして入力Ｘは、例えば以下の（１２）式で示したように変換されて出力Ｙとして出力され、量子化ノイズＮｑに対してノイズシェービング効果が表されるようになっている。つまり、ΔΣ変調器１００に対応する（１１）式と、ΔΣ変調器２００に対応する（１２）式とが同じ結果となるため、これらΔΣ変調器１００，２００は、互いに等価な構成であるといえる。
【００２９】
【数１】
2008154226.tif 000003
【００３０】
ここで、本実施の形態のマイクロホン装置１では、振動膜１１がΔΣ変調器２００における積分器２０１に対応し、量子化器１４がΔΣ変調器２００における量子化器２０４に対応している。
【００３１】
具体的には、振動膜１１は、その機械的な要素として積分特性を付加するものである。より具体的には、例えば面積Ｓｅの振動膜１１に音圧Ｐがかかる場合に力Ｆが生じるものとし、振動膜１１のスティフネスをＳｍ（厳密には、振動膜１１自体のスティフネスと、図示しないカプセル気室によるスティフネスとの和）、質量をｍおよび抵抗をＲｍとすると、以下の（１３）式のような運動方程式が成り立つ。ここで、振動膜の変位ｘは力Ｆに対して２次のローパスフィルタ特性の応答を示すが、その固有振動周波数ｆ０は通常、可聴周波数限界の例えば２０ｋＨｚ付近に設定されており、また、過度な共振が起こらないように抵抗Ｒｍを十分に大きく選択し、共振鋭度が小さく設定されるようになっている。また、現実の振動膜１１の固有振動周波数ｆ０は、ΔΣ変調器１００のサンプリング周波数に比べ十分低いため、この周波数帯域では、振動膜１１は機械的過渡応答として積分特性を持っているとみなしてよい。
【００３２】
【数２】
2008154226.tif 000004
【００３３】
また、量子化器１４では、前述のように、電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂそれぞれからの出力信号の差分をとって出力することにより、どちらの光電変換素子に回折されたレーザ光が入射したかを、「＋１」または「−１」という２値化された出力信号（音声信号Ｓout）として出力するため、振動膜１１の変位（回折されたレーザ光の回折角）というアナログデータを２値化されたデジタルデータ（音声信号Ｓout）として出力する量子化器１０４に対応していることになる。
【００３４】
次に、図４〜図６を参照して、本実施の形態のマイクロホン装置１の動作を、図３に示したΔΣ変調器２００の動作と比較しつつ説明する。ここで、図４は、ΔΣ変調器２００の基本動作を表したものであり、図５および図６は、カンチレバー１２に対するレーザ光Ｌの入射角と回折角との関係を表したものである。
【００３５】
ます、本実施の形態のマイクロホン装置１は、上記のようにΔΣ変調器２００の構成を含んでいる。ここで、このΔΣ変調器２００の基本動作としては、例えば図４に示したようになる。すなわち、入力Ｘ（信号Ｓ２００：図４（Ａ））に対して積分器２０１により積分処理が施され、減算器２０３において、積分器２０１の出力信号から後述する積分器２０６の出力信号が減算される。そしてこの減算器２０３の出力信号Ｓ２０３（図４（Ａ））に対し、量子化器２０４において量子化ノイズＮｑで２値量子化が行われ、出力Ｙ（出力信号Ｓ２０４：図４（Ｂ））として出力される。一方、量子化器２０４の出力Ｙ（出力信号Ｓ２０４）に対し、遅延回路２０５において１サンプル分遅延がかけられると共にこの遅延回路２０５の出力信号Ｓ２０５（図４（Ｃ））に対し、積分器２０６において積分処理が施され、この積分器２０６の出力信号が、上記したように減算器２０３へ入力するようになっている。
【００３６】
次に、各部の動作を具体的に説明すると、まず、レーザ光源１３からレーザ光Ｌが出射されると、このレーザ光Ｌはカンチレバー１２へ到達する。
【００３７】
ここで、カンチレバー１２では、例えば図５に示したように、回折格子１２Ａによって、後述するように振動膜１１の変位およびレーザ光Ｌの波長変調に応じた方向に、入射レーザ光Ｌinが回折され、回折レーザ光Ｌdif1となる。
【００３８】
ここで、振動膜１１の変位およびレーザ光Ｌの波長変調に応じてカンチレバー１２が角度θの分だけ変位すると、例えば図４に示したように、入射レーザ光Ｌinが回折され回折レーザ光Ｌdif2となり、入射角αや回折角βも変位する。これらの関係は、以下の（１４）〜（１６）式によって表される。また、このときレーザ光Ｌの回折角の変位θ’（および光電変換素子１４１における回折されたレーザ光の変位ｘ）がなるべく大きくなるように、カンチレバー１２に対するレーザ光Ｌの入射角αが設定され、検出感度が高まるようになっている。
θ’＝θ＋β−β’                      …（１４）
ｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝ｍ×（λ／Λ）      …（１５）
ｓｉｎα’＋ｓｉｎβ’＝ｍ×（λ／Λ）  …（１６）
但し、ｍは回折の次数であり、λはレーザ光Ｌの波長であり、Λは回折格子１２Ａの格子定数であり、θはカンチレバー１２の振れ角であり、αはレーザ光Ｌの入射角であり、βはレーザ光Ｌの回折角であり、α’はカンチレバー１２がθの分だけ振れた後のレーザ光Ｌの入射角（＝α＋θ）であり、β’はカンチレバー１２がθの分だけ振れた後のレーザ光Ｌの回折角であり、θ’はカンチレバーがθの分だけ振れた際のレーザ光Ｌの回折角の変位であり、ｌはカンチレバー１２と光電変換素子１４１との距離であり、ｘは光電変換素子１４１における回折されたレーザ光Ｌの変位である。
【００３９】
なお、図５に示した入射角および回折角等の具体例としては、例えば図６に示したように、Λ＝５５０ｎｍ、λ＝６５０ｎｍ、ｍ＝１の場合において、α＝１４°、θ＝１°とすると、β＝７０．０３°，β’＝６７．３７°，θ’＝１．６６°となる。
【００４０】
次に、光電変換素子１４１では、カンチレバー１２の変位やレーザ光Ｌの波長変調に応じて、光電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂのうちの一方に回折されたレーザ光が入射する。そして比較器１４２では、電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂそれぞれからの出力信号の差分をとって出力することにより、どちらの光電変換素子に回折されたレーザ光が入射したかが、「＋１」または「−１」という２値化された出力信号として、音声信号Ｓoutが出力される。
【００４１】
また、この際、遅延回路１５、積分器１６およびゲイン付与回路１７によって、光源駆動部１８に対するフィードバックループ（帰還経路）が形成されているため、振動膜１１の変位によるレーザ光Ｌの振れ角の変化、およびレーザ光Ｌの波長変調によるレーザ光Ｌの振れ角の変化が、帰還パラメータとして光源駆動部１９へフィードバックされる。
【００４２】
光源駆動部１８では、振動膜１１の変位およびレーザ光Ｌの波長変調に応じて、レーザ光Ｌの波長に対して変調がかけられ、レーザ光Ｌの波長が変化する。
【００４３】
このようにして本実施の形態のマイクロホン装置１では、音波Ｓｗによる振動によって変位する振動膜１１に対し、レーザ光源１３からレーザ光Ｌが入射される。そして振動膜１１が変位したりレーザ光Ｌが波長変調すると、カンチレバー１２におけるレーザ光Ｌの振れ角（回折角）が変化し、これらによる振れ角の変化がΔΣ変調器の帰還パラメータとして光源１３（光源駆動部１８）へフィードバックされ、振動膜１１の振動が音声信号Ｓoutとして検出される。
【００４４】
なお、レーザ光Ｌの波長変化をΔλとすると、この波長変調によるレーザ光Ｌの回折角の変化Δβは、以下の（１７）式により表される。
Δβ＝［ｍ／（Λ×ｃｏｓβ）］×Δλ  …（１７）
【００４５】
以上のように本実施の形態では、振動膜１１の変位によるレーザ光Ｌの回折角の変化およびレーザ光Ｌの波長変調によるレーザ光Ｌの回折角の変化をレーザ光源１３への帰還パラメータとするΔΣ変調器を含むようにしたので、複雑な構成のＡＤ変換部やカウンタ、音声信号処理部などが不要なり、簡易な構成で振動膜１１の振動を２値化された音声信号Ｓoutとしてデジタル検出することができる。また、振動膜１１自身の変位ではなく、レーザ光Ｌの回折角の変化を帰還パラメータとしているため、装置全体としても簡易な構成となる。よって、簡易な構成でデジタルの振動検出信号を出力することが可能となる。
【００４６】
また、ΔΣ変調器を含むようにしたので、ノイズシェービング効果により、可聴帯域内の低ノイズ化を実現することが可能となる。
【００４７】
また、ΔΣ変調器が振動膜１１の振動に応じて動くカンチレバー１２を含むと共に、このカンチレバー１２上に回折格子１２Ａを設けるようにしたので、このカンチレバー１２の光テコ作用を利用して、回折されたレーザ光の回折角を増加させ、検出対象である振動膜１１の変位量（音声信号Ｓoutの信号レベル）も増加させることができる。よって、検出感度を向上させることが可能となる。
【００４８】
また、上記（１４）〜（１７）式を用いて、レーザ光Ｌの回折角の変位θ’（および光電変換素子１４１における回折されたレーザ光の変位ｘ）がなるべく大きくなるように、カンチレバー１２に対するレーザ光Ｌの入射角αを設定するようにしたので、やはり音声信号Ｓoutの信号レベルも増加させ、検出感度を向上させることが可能となる。
【００４９】
また、レーザ光源１３を、マルチモード（ファブリペロー型）のレーザ光源により構成した場合、電流変化によってレーザ光Ｌの波長を直接変調することができ、簡単に波長変調を行うことが可能となる。
【００５０】
また、反射体ではなく回折格子１２Ａを利用してレーザ光Ｌを光電変換素子１４１の側へ向けるようにしたので、レーザ光Ｌに対して波長依存性を生じさせ、実際にレーザ光Ｌに対する波長変調を行うことが可能となる。
【００５１】
さらに、従来のマイクロホン装置のように、振動膜に対して金蒸着を行うことが不要となるので、振動系を軽量化し、高域特性を向上させることが可能となる。また、高速動作が可能なので、量子化器１４においてサンプリング周波数を高く設定でき、量子化ノイズを低減することも可能となる。
【００５２】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
【００５３】
例えば、上記実施の形態では、回折格子１２Ａをカンチレバー１２上に設けるようにした場合について説明したが、例えばカンチレバー１２を設けないようにすると共に、振動膜１１上に別途作製した回折格子を配置するようにしてもよい。このように構成した場合、検出感度は落ちることになるが、カンチレバー１２を設けなくてもよいため、構成をより簡素化することができる。
【００５４】
また、上記実施の形態では、回折格子１２Ａによる１次回折光を利用して検出する場合について説明したが、１次回折光には限られず、一般化してｎ（ｎ：自然数）次回折光を利用して検出することが可能である。また、上記実施の形態では、反射性の回折を利用して検出する場合について説明したが、例えば透過性の回折を利用して検出するようにしてもよい。
【００５５】
また、上記実施の形態では、レーザ光Ｌを発する光源として半導体レーザを挙げて説明したが、これ以外にも例えば、ガスレーザや固定レーザなどを用いるようにしてもよい。
【００５６】
また、上記実施の形態では、本発明の振動検出装置の一例として、振動体が音波に応じて振動する振動膜（振動膜１１）であり、この振動膜１１の振動を音声信号Ｓoutとして検出する光学式マイクロホン装置について説明したが、本発明の振動検出装置はこれには限られず、他の振動を検出するように構成してもよい。
【００５７】
さらに、本発明の振動検出装置（マイクロホン装置）は、例えば図７に示したように、図１に示したマイクロホン装置１に加え、このマイクロホン装置１から出力される音声信号Ｓoutをエンコードする伝送フォーマットエンコーダ２と、この伝送フォーマットエンコーダ２とデジタル伝送経路（例えば、光ファイバなど）で接続された編集機器３、１ビットストリーム方式レコーダ４およびＰＣＭ（Pulse Code Modulation）方式レコーダ６と、１ビット方式記録メディア５１と、ＰＣＭ方式記録メディア７１と、再生機器アンプスピーカ５２，７２とから構成される音声信号記録再生システムに適用することが可能である。このような構成の音声信号記録再生システムでは、２値化された音声信号Ｓoutを伝送することができるため、アナログの音声信号を伝送する場合と比べ、容易に長距離伝送をすることが可能となる。
【００５８】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図８は、本発明の他の実施形態に係る振動検出装置（光学式のマイクロホン装置１）の全体構成を表すものである。このマイクロホン装置１は、ΔΣ（デルタ・シグマ）変調器を含んで構成され、音波Ｓｗに応じて振動する振動膜（後述する振動膜１１）を利用して２値化された音声信号Ｓoutを出力するものであり、支持部に支持された振動膜１１と、カンチレバー１２と、レーザ光源１３と、ＡＯ素子（音響光学変換素子）２０と、量子化器１４と、遅延回路１５と、積分器１６と、ＡＯ素子ドライバ１９と、光源駆動部１８とを備えている。
【００５９】
振動膜１１は、音波Ｓｗに応じて変位するものであり、円盤状かつ筒状（円柱状）の枠１０によって支持されている。なお、この振動膜１１には、入力する音波Ｓｗにより所望の振動特性を得るため、カプセル状の筐体（図示せず）によって音響回路が構成されるようになっている。
【００６０】
カンチレバー１２は、振動膜１１の変位に応じて動くように構成されており、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術によって作製され、ばね定数が小さくて応答周波数が高いものを用いるのが好ましい。
【００６１】
レーザ光源１３は、カンチレバー１２およびＡＯ素子２０に対してレーザ光Ｌを照射するものであり、例えばマルチモード（ファブリペロー型）のレーザ光源（例えば、端面発光型の半導体レーザ光源）などが用いられる。
【００６２】
量子化器１４は、一対の光電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂからなる光電変換素子１４１と、比較器１４２とを有している。
【００６３】
光電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂはそれぞれ、カンチレバー１２によって反射したレーザ光を受光して光電変換するものであり、例えばＰＤ（Photo Diode）などにより構成される。また、詳細は後述するが、カンチレバー１２の変位やレーザ光ＬのＡＯ素子２０を介した変調に応じて、これら光電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂのうちの一方に回折されたレーザ光が入射するようになっている。
【００６４】
比較器１４２は、光電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂそれぞれからの出力信号の差分をとって出力することにより、どちらの光電変換素子に回折されたレーザ光が入射したかを、「＋１」または「−１」という２値化された出力信号（音声信号Ｓout）として出力するものである。
【００６５】
遅延回路１５は、出力信号である音声信号Ｓoutを１サンプル分遅延をかけて出力するものである。また、積分器１６は、遅延回路１５の出力信号に対して積分処理を施すものである。
【００６６】
また、ＡＯ素子ドライバ１９は、積分器１６の出力信号に対してＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）で周波数変換した音波や超音波信号をＡＯ素子２０に付与するものである。なお、これら遅延回路１５、積分器１６およびＡＯ素子ドライバ１９によって、ＡＯ素子２０に対するフィードバックループ（帰還経路）が形成されるようになっている。また、光源駆動部１８は、レーザ光源１３を駆動するものである。
【００６７】
本実施形態のマイクロホン装置１で適用されるΔΣ変調器の構成は、先に説明した実施形態と同様であり、図２および図３に示す構成となっている。すなわち、図２に示したΔΣ変調器１００は、入力Ｘからゲイン付与回路１０７（本実施形態ではＡＯ素子ドライバ１９）の出力信号を減算処理する減算器１０３と、この減算器１０３の出力信号に対して積分処理を施す積分器１０１と、この積分器１０１の出力信号から量子化ノイズＮｑで２値量子化を行う量子化器１０４と、この量子化器１０４の出力Ｙに対して１サンプル分遅延をかける遅延回路１０５と、この遅延回路１０５の出力信号に対して所定のゲインを付与するゲイン付与回路１０７（本実施形態ではＡＯ素子ドライバ１９）とを有している。そして入力Ｘは、例えば以下の（１１）式で示したように変換されて出力Ｙとして出力され、量子化ノイズＮｑに対してノイズシェービング効果が表されるようになっている。
【００６８】
一方、図３に示したΔΣ変調器２００は、入力Ｘ（信号Ｓ２００）に対して積分処理を施す積分器２０１と、この積分器２０１の出力信号から後述する積分器２０６の出力信号を減算処理する減算器２０３と、この減算器２０３の出力信号Ｓ２０３に対して量子化ノイズＮｑで２値量子化を行う量子化器２０４と、この量子化器２０４の出力Ｙ（出力信号Ｓ２０４）に対して１サンプル分遅延をかける遅延回路２０５と、この遅延回路２０５の出力信号Ｓ２０５に対して積分処理を施す積分器２０６とを有している。そして入力Ｘは、例えば以下の（１２）式で示したように変換されて出力Ｙとして出力され、量子化ノイズＮｑに対してノイズシェービング効果が表されるようになっている。つまり、ΔΣ変調器１００に対応する（１１）式と、ΔΣ変調器２００に対応する（１２）式とが同じ結果となるため、これらΔΣ変調器１００，２００は、互いに等価な構成であるといえる。
【００６９】
ここで、本実施形態のマイクロホン装置１では、振動膜１１が図３に示すΔΣ変調器２００における積分器２０１に対応し、量子化器１４がΔΣ変調器２００における量子化器２０４に対応することになる。
【００７０】
具体的には、振動膜１１は、その機械的な要素として積分特性を付加するものである。より具体的には、例えば面積Ｓｅの振動膜１１に音圧Ｐがかかる場合に力Ｆが生じるものとし、振動膜１１のスティフネスをＳｍ（厳密には、振動膜１１自体のスティフネスと、図示しないカプセル気室によるスティフネスとの和）、質量をｍおよび抵抗をＲｍとすると、以下の（１３）式のような運動方程式が成り立つ。ここで、振動膜の変位ｘは力Ｆに対して２次のローパスフィルタ特性の応答を示すが、その固有振動周波数ｆ０は通常、可聴周波数限界の例えば２０ｋＨｚ付近に設定されており、また、過度な共振が起こらないように抵抗Ｒｍを十分に大きく選択し、共振鋭度が小さく設定されるようになっている。また、現実の振動膜１１の固有振動周波数ｆ０は、ΔΣ変調器１００のサンプリング周波数に比べ十分低いため、この周波数帯域では、振動膜１１は機械的過渡応答として積分特性を持っているとみなしてよい。
【００７１】
また、量子化器１４では、前述のように、電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂそれぞれからの出力信号の差分をとって出力することにより、どちらの光電変換素子に回折されたレーザ光が入射したかを、「＋１」または「−１」という２値化された出力信号（音声信号Ｓout）として出力するため、振動膜１１の変位（回折されたレーザ光の回折角）というアナログデータを２値化されたデジタルデータ（音声信号Ｓout）として出力する量子化器１０４に対応していることになる。
【００７２】
次に、本実施形態のマイクロホン装置１の動作を説明する。本実施形態のマイクロホン装置１では、カンチレバー１２の表面にレーザ光を全反射するミラーが形成されている。図９に示すように、カンチレバー１２を用いることにより光テコの原理で振動膜の微小振動を拡大する。なお、図１０のように音圧あたりの振幅が大きくとれる振動膜１１の場合はカンチレバーが不要であり、振動膜１１に金属蒸着などにより直接全反射面を生成する構成をとることが可能である。以下の説明では、カンチレバー１２を備えるマイクロホン装置１を例とするが、図１０に示すようなカンチレバーの不要なマイクロホン装置１であっても動作原理は同じである。
【００７３】
カンチレバー１２のバネ定数は数ｐＮ／ｎｍ程度のものが開発されており振動膜が音圧により受ける力に比べはるかに小さいため音波による振動への大きな悪影響を及ぼすことはない。
【００７４】
次に、各部の動作を具体的に説明すると、まず、レーザ光源１３からレーザ光Ｌが出射されると、このレーザ光ＬはＡＯ素子２０を介してカンチレバー１２へ到達する。
【００７５】
ここで、カンチレバー１２では、例えば図１１に示したように、振動膜１１の変位およびレーザ光ＬのＡＯ素子２０による変調に応じた方向に、入射レーザ光が全反射され、反射レーザ光となる。
【００７６】
入射レーザ光はカンチレバー１２の表面に入射角αで入射すると出射角αで全反射される。ここで振動膜１１の変位に応じてカンチレバー１２が角度θの分だけ変位すると、入射角はα’になり出射角もα’になる。さらにＡＯ素子２０が帰還信号を受け回折角γを生じると入射角βとなり出射角βの反射光を生じる。さらにカンチレバー１２が角度θだけ変化すると、入射角はβ’となり出射角β’の反射光を生じる。
【００７７】
次に、光電変換素子１４１では、カンチレバー１２の変位やレーザ光ＬのＡＯ素子２０での変調に応じて、光電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂのうちの一方に回折されたレーザ光が入射する。そして比較器１４２では、電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂそれぞれからの出力信号の差分をとって出力することにより、どちらの光電変換素子に回折されたレーザ光が入射したかが、「＋１」または「−１」という２値化された出力信号として、音声信号Ｓoutが出力される。
【００７８】
また、この際、遅延回路１５、積分器１６およびＡＯ素子ドライバ１９によって、ＡＯ素子２０に対するフィードバックループ（帰還経路）が形成されているため、振動膜１１の変位によるレーザ光Ｌの振れ角の変化、およびレーザ光ＬのＡＯ素子２０での変調によるレーザ光Ｌの振れ角の変化が、帰還パラメータとしてＡＯ素子ドライバ１９へフィードバックされる。
【００７９】
ＡＯ素子ドライバ１９では、振動膜１１の変位およびレーザ光ＬのＡＯ素子２０による回折角度の変調に応じてＡＯ素子２０を音波駆動し、レーザ光Ｌの回折角度を変化させる。
【００８０】
ここで、図８に示す本実施形態の構成では、１サンプル前の２値量子化出力をフィードバックするためにＡＯ素子２０を使用することで、帰還ループを実現している。ＡＯ素子２０では、θ：ブラッグ角、λ：レーザ波長、ｆｃ：音波周波数、ｖ：音波進行速度とすると、ブラッグ角θは、以下の（１８）式によって表される。
θ＝λ・ｆｃ／２ｖ  …（１８）
【００８１】
これにより、音波の周波数を変化させることでＡＯ素子２０のブラッグ角を変えることができる。
【００８２】
本実施形態の構成では、積分器１６によって積分された帰還電圧をＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）で周波数変換しＡＯ素子ドライバ１９に与えることにより、ブラッグ角度変化に変換することができる。この回折光はカンチレバー１２に形成されたミラーに入射するが、ＡＯ素子２０により変調された角度によりミラー入射角が変化するため、その角度によって２分割された光電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂ上の適切な位置に結像される。すなわち、図９に示すように、同じカンチレバー１２の角度変化であっても、ＡＯ素子２０を介して出射されるレーザ光の角度が異なることで、カンチレバー１２上の反射位置が変わり、２分割された光電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂ上のレーザ光結像位置が変化する状態となる（図９の一点鎖線および破線参照）。
【００８３】
さらに、音圧により変位せしめられた振動膜１１によりカンチレバー１２の角度が変化するため、このカンチレバー角度を加算した角度をもって出射され、２分割された光電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂ上に結像される。光電変換素子１４１では結像位置がどちらの光電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂ上にあるかを、差動増幅器を用いて判別する。これにより、０次光成分による像が残っていても正しく判別することができる。
【００８４】
そして、この２分割された光電変換素子１４１Ａ，１４１Ｂによりある閾値をもった２値量子化が行なわれたことになる。量子化器１４の出力は伝送路に送り出されるが、２値情報になっているため通常のデジタル信号用の伝送路トランシーバや光ファイバーを使用することで容易に長距離伝送が可能である。
【００８５】
このようにして本実施の形態のマイクロホン装置１では、音波Ｓｗによる振動によって変位する振動膜１１に対し、レーザ光源１３からレーザ光Ｌが入射される。そして振動膜１１が変位したり、レーザ光Ｌの回折角度が変調されると、カンチレバー１２におけるレーザ光Ｌの反射位置が変化し、これらによる変化がΔΣ変調器の帰還パラメータとしてＡＯ素子２０（ＡＯ素子ドライバ１９）へフィードバックされ、振動膜１１の振動が音声信号Ｓoutとして検出される。
【００８６】
以上のように本実施形態では、振動膜１１の変位によるレーザ光Ｌの反射角度の変化およびレーザ光ＬのＡＯ素子２０によるレーザ光Ｌの回折角の変化をＡＯ素子２０への帰還パラメータとするΔΣ変調器を含むようにしたので、複雑な構成のＡＤ変換部やカウンタ、音声信号処理部などが不要なり、簡易な構成で振動膜１１の振動を２値化された音声信号Ｓoutとしてデジタル検出することができる。また、振動膜１１自身の変位ではなく、レーザ光Ｌの回折角の変化を帰還パラメータとしているため、装置全体としても簡易な構成となる。よって、簡易な構成でデジタルの振動検出信号を出力することが可能となる。
【００８７】
また、ΔΣ変調器を含むようにしたので、ノイズシェービング効果により、可聴帯域内の低ノイズ化を実現することが可能となる。また、高速動作が可能なためサンプリング周波数を高く設定でき、量子化ノイズの低減を図ることができる。
【００８８】
また、上記実施の形態では、レーザ光Ｌを発する光源として半導体レーザを挙げて説明したが、これ以外にも例えば、ガスレーザや固定レーザなどを用いるようにしてもよい。
【００８９】
また、上記実施の形態では、本発明の振動検出装置の一例として、振動体が音波に応じて振動する振動膜（振動膜１１）であり、この振動膜１１の振動を音声信号Ｓoutとして検出する光学式マイクロホン装置について説明したが、本発明の振動検出装置はこれには限られず、他の振動を検出するように構成してもよい。
【００９０】
さらに、本発明の振動検出装置（マイクロホン装置）は、例えば図７に示したように、図８に示したマイクロホン装置１に加え、このマイクロホン装置１から出力される音声信号Ｓoutをエンコードする伝送フォーマットエンコーダ２と、この伝送フォーマットエンコーダ２とデジタル伝送経路（例えば、光ファイバなど）で接続された編集機器３、１ビットストリーム方式レコーダ４およびＰＣＭ（Pulse Code Modulation）方式レコーダ６と、１ビット方式記録メディア５１と、ＰＣＭ方式記録メディア７１と、再生機器アンプスピーカ５２，７２とから構成される音声信号記録再生システムに適用することが可能である。このような構成の音声信号記録再生システムでは、２値化された音声信号Ｓoutを伝送することができるため、アナログの音声信号を伝送する場合と比べ、容易に長距離伝送をすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る振動検出装置の全体構成を表すブロック図である。
【図２】一般的なΔΣ変調器の構成例を表すブロック図である。
【図３】一般的なΔΣ変調器の他の構成例を表すブロック図である。
【図４】図３に示したΔΣ変調器の動作を説明するためのタイミング波形図である。
【図５】カンチレバーおよび回折格子に対するレーザ光の入射角と回折角との関係を説明するための図である。
【図６】図５に示した入射角および回折角の一具体例を表す図である。
【図７】図１に示した振動検出装置を備えた音声記録再生システムの構成例を表すブロック図である。
【図８】本発明の他の実施の形態に係る振動検出装置の全体構成を表すブロック図である。
【図９】カンチレバーおよび回折格子に対するレーザ光の入射角と回折角との関係を説明するための図である。
【図１０】振動膜に金属蒸着した例を説明する図である。
【図１１】カンチレバーおよびＡＯ素子によるレーザ光の入射角と反射角との関係を説明するための図である。
【符号の説明】
【００９２】
１…マイクロホン装置、１０…枠、１１…振動膜、１２…カンチレバー、１２Ａ…回折格子、１３…レーザ光源、１４…量子化器、１４１（１４１Ａ，１４１Ｂ）…光電変換素子、１４２…比較器、１５…遅延回路、１６…積分器、１７…ゲイン付与回路、１８…光源駆動部、１９…ＡＯ素子ドライバ、２０…ＡＯ素子、２…伝送フォーマットエンコーダ、３…編集機器、４…１ビットストリーム方式レコーダ、５１…１ビット方式記録メディア、５２，７２…再生機器アンプスピーカ、６…ＰＣＭ方式レコーダ、７１…ＰＣＭ方式記録メディア、Ｓｗ…音波、Ｓout…音声信号、Ｌ…レーザ光、Ｌin…入射光、Ｌdif1，Ｌdif2…回折光、α，α’…入射角、β，β’…回折角、θ…カンチレバーの振れ角、θ’…回折角の変位、ｌ…カンチレバーと光源変換素子との距離、ｘ…光電変換素子上の回折光の変位
【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】
2008154226.tif 000012
【図９】
2008154226.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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