(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響によって振動する振動板に対向して発光素子と受光素子とを配置し、光パワー設定回路で設定された設定値に基づいて発光素子駆動回路によって前記発光素子を駆動し、前記発光素子から前記振動板に放射された光の反射光を前記受光素子で受光して電気信号として取出すことにより前記振動板の音響による振動変位を検出する音響電気変換装置において、
所定の周期でオン・オフするクロック波形を出力するクロック発振回路と、
前記クロック発振回路のクロック出力信号により前記発光素子駆動回路の駆動出力をチョッピングして前記所定の周期でオン・オフされる駆動電流を前記発光素子に供給するチョッピング回路と、
前記受光素子から取出された前記電気信号の最大値を電気的に保持するピークホールド回路と、
前記光パワー設定回路の設定値と前記ピークホールド回路の保持値とを比較し、比較結果に応じて前記発光素子駆動回路の駆動出力を制御して所望の光パワー制御値を得る自動パワー制御（ＡＰＣ）回路と、
前記クロック出力信号と前記受光素子から取出された前記電気信号との位相比較を行う位相比較器とを備え、
前記位相比較器からの低周波成分を前記振動変位の検出出力として取出すことを特徴とする音響電気変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の音響電気変換装置において、
前記クロック発振回路のクロック波形の位相を温度変化に応じて補償する位相補償手段を設けたことを特徴とする音響電気変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の音響電気変換装置において、
前記クロック発振回路のクロック波形の位相を所定の大きさの音響による前記振動板の振動量に応じて補正する非線形位相補正手段を設けたことを特徴とする音響電気変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気音響変換装置に係り、特に受光方式センサのように音響による振動板の移動量を振動板からの反射光をフォトディテクタとなる受光素子で受光し、これを電気信号に変換して振動変位を検出する音響電気変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来の音響電気変換装置である受光方式センサの概略構成を示す図である。
音響振動板４の音響による移動量を知るためにこの音響振動板４に対向して配置された面発光レーザ素子などの発光素子３とフォトディテクタなどの受光素子５とを用いてこれを検出していた。
【０００３】
面発光レーザ素子３を駆動するための面発光レーザ素子駆動回路２からの駆動により面発光レーザ素子３は所定の強度のレーザ光を音響振動板４に向かって出射し、振動板４からの反射光は反射角度θで反射しフォトディテクタ５により受光される。
振動板４の振動によりフォトディテクタ５に受光される反射光の受光量は変化し、これが電気信号に変換されて電流量の変化となって現れる。このフォトディテクタ５からの出力電流を電流電圧変換増幅器６により電圧変換し、所定の増幅度を持った増幅器７を介して取出し、これを電圧出力８として得る。
なお振動板４と発光素子３及び受光素子５との間の配置距離は装置毎に所定の大きさに選定されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示すように面発光レーザ素子３から出射したレーザ光を振動板４により反射させフォトディテクタ５により受光するためには所定の反射角度θを設定しなければならない。
この反射角度θを得るためには、振動板４と面発光レーザ素子３及びフォトディテクタ５との配置距離は正確さを要求される。このため受光方式センサの製造段階ではこの配置距離の設定仕上がりが生産の歩留まりを支配し、高歩留まりの受光方式センサを生産することは従来非常に困難であった。
【０００５】
また、音響による振動板４の移動量はフォトディテクタ５の電流出力を電流電圧変換増幅器６を介して電圧に変換して電圧変化量として出力していたため、振動板４の反射光量に振動板移動量情報が重畳されることになる。
したがって振動板４の表面が腐食等によって変化すると反射率変化は振動板の移動量の検知精度に強い影響を与えるという問題があった。
本発明はこのような従来の問題点を解消するためになされたもので、振動板の表面に腐食等により反射率の変化が生じてもその影響が振動量測定精度に影響を与えることのない音響電気変換装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、音響によって振動する振動板に対向して発光素子と受光素子とを配置し、光パワー設定回路で設定された設定値に基づいて発光素子駆動回路によって前記発光素子を駆動し、前記発光素子から前記振動板に放射された光の反射光を前記受光素子で受光して電気信号として取出すことにより前記振動板の音響による振動変位を検出する音響電気変換装置において、所定の周期でオン・オフするクロック波形を出力するクロック発振回路と、前記クロック発振回路のクロック出力信号により前記発光素子駆動回路の駆動出力をチョッピングして前記所定の周期でオン・オフされる駆動電流を前記発光素子に供給するチョッピング回路と、前記受光素子から取出された前記電気信号の最大値を電気的に保持するピークホールド回路と、前記光パワー設定回路の設定値と前記ピークホールド回路の保持値とを比較し、比較結果に応じて前記発光素子駆動回路の駆動出力を制御して所望の光パワー制御値を得る自動パワー制御（ＡＰＣ）回路と、前記クロック出力信号と前記受光素子から取出された前記電気信号との位相比較を行う位相比較器とを備え、前記位相比較器からの低周波成分を前記振動変位の検出出力として取出すことを特徴とする。
前記音響電気変換装置において、前記クロック発振回路のクロック波形の位相を温度変化に応じて補償する位相補償手段を設けることが出来る。
前記音響電気変換装置において、前記クロック発振回路のクロック波形の位相を所定の大きさの音響による前記振動板の振動量に応じて補正する非線形位相補正手段を設けることが出来る。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る音響電気変換装置の一実施形態である受光方式センサの全体構成を示すブロック図、図２は図１の光学系部分の詳細構成を示すブロック図である。
本発明においては図３に示す従来の構成に加えて、面発光レーザ素子３への光パワーの設定を行う光パワー設定回路１と面発光レーザ素子駆動回路２との間に自動パワー制御（ＡＰＣ）回路９を設ける。
【０００８】
また、所定の周期でオン・オフするクロック波形を出力するクロック発振回路１０と、このクロック発振回路１０のクロック出力信号により面発光レーザ素子駆動回路２の駆動出力をチョッピングして所定の周期でオン・オフする駆動電流を面発光レーザ素子３に供給するチョッピング回路１１と、クロック発振回路１０の出力と電流電圧変換増幅器６の出力とを入力して位相比較を行う位相比較器１６と、位相比較器１６の出力から低周波成分のみを取出すローパスフィルタ１７とを設ける。
また、音響による振動板４の移動距離が温度変化を持つ場合にこれを補償するための温度補償設定回路２０と位相微調整回路１９とを設ける。
さらに、ある大きさのみの音響による振動板４の移動量に着目してこれを強調するために非線形増幅器１８とその非線形曲線を設定するための非線形増幅器曲線設定回路２１とを設ける。
【０００９】
面発光レーザ素子３の出射光パワーは面発光レーザ素子光パワー設定回路１により設定され、この設定値はＡＰＣ回路９に送られその制御により面発光レーザ素子駆動回路２が駆動される。
ここでクロック発振回路１０の電圧波形タイミングにより面発光レーザ素子駆動回路２の出力電流はチョッピング回路１１によりオン・オフ制御されてチョッピングされる。さらに、そのチョッピング回路１１の出力電流は面発光レーザ素子３に送られオン・オフされたレーザ発光が得られる。
【００１０】
面発光レーザ素子３から出射されたレーザ光は、音響振動板４で反射されフォトディテクタ５に戻り、電流電圧変換増幅器６により電圧に変換される。この電流電圧変換増幅器６の出力電圧とクロック発振回路１０の出力電圧とは位相比較器１６に入力され位相比較される。
位相比較器１６の出力の高周波波成分はローパスフィルタ１７により除去され、低周波成分のみが取り出されて増幅器７で増幅され電圧出力８となって取出される。
【００１１】
面発光レーザ素子３から出射されたレーザ光は音響振動板４により反射され、フォトディテクタ５に戻って出力電流となり、この出力電流は電流電圧変換増幅器６により電圧に変換されてピークホールド回路１５によりその最大値が電気的に保持される。
このホールドされた電圧はＡＰＣ回路９に入力され、面発光レーザ素子光パワー設定回路１からの設定値と比較される。
【００１２】
ここで面発光レーザ素子３からのレーザ光パワーが小の時は面発光レーザ素子駆動回路２の出力電流値を上げるようにＡＰＣ回路９の制御を行い、面発光レーザ素子３のレーザ光パワーが大の時は面発光レーザ素子駆動回路２の出力電流値を下げるようにＡＰＣ回路９の制御を行う。
この結果、面発光レーザ素子３からのレーザ光パワーは所望する面発光レーザ素子光パワー設定回路１で設定された値に近づく。
【００１３】
図２において面発光レーザ素子３から出射され音響振動板４で反射してフォトディテクタ５で受光されるまでの時間は音響による振動板の移動量に比例する。
この時、面発光レーザ素子３から出射されるレーザ光はチョッピング回路１１によりオン・オフ制御された断続するパルス光となっているため、図５に示すような時間差として音響による振動板の移動量を検知することができる。
【００１４】
図４は振動板と面発光レーザ素子及びフォトディテクタとの間の配置距離と、音響による振動板４の振動による移動量位置との関係を示す図である。
また、図５は音響による振動板の移動量位置によってフォトディテクタ５が検出する出力電圧の波形図を示している。
面発光レーザ素子３から出射されたレーザ光はクロック発振回路１０を内部クロックとして時間の基準とし、これを「時間０」とする。次に面発光レーザ素子３から出射されたレーザ光は音響振動板４に当たり反射してフォトディテクタ５に戻ってくる。
この時、音響による音圧に比例して音響振動板４の位置により「音響振動板基準位置」の前後にそれぞれ「音響による振動板の移動量位置１」と「音響による振動板の移動量位置２」とがあり、それぞれレーザ光のフォトディテクタ５に戻ってくる時間は「時間１」、「時間２」、「時間３」のように時間差が発生する。
次いで、「時間０」を基準として「時間２」を計測すると音響振動板４の移動量を検知することができる。
【００１５】
図５はこのようなフォトディテクタの出力電圧の変化を示している。
「時間０」を基準とした「時間２」の計測を連続して続けると図６に示すように「時間２」の変化により音響振動板の移動量を実時間で検知できるようになる。
なお音響による振動板の移動距離が温度変化特性を持つ場合には、それに相当するだけのパルス時間遅れ（位相差）を付加するために温度補償設定回路２０と位相微調整回路１９とを備える。
すなわち、温度変化に応じた温度補償設定値を設定回路２０に設定し、この設定値によって位相微調整回路１９の位相量を変化させ、これによりクロック発振回路１０のパルス時間遅れを位相差として付加する。
【００１６】
また、振動出力中のある大きさのみの音響による振動板の移動量を注目して強調させるためには非線形増幅器１８によりローパスフィルタ１７の出力を非線形増幅し、その出力を位相微調整回路１９に入力して位相量を変化させ、クロック発振回路１０のクロック波形の位相を調整すればよい。
また、非線形曲線を設定するための非線形増幅曲線設定回路２１を備え、非線形増幅器１８の非線形曲線を設定する。
なお、この非線形増幅器１８は線形増幅器に切り換えて使用することも可能である。
図５は矩形波で示したが、図１のチョッピング回路の出力波形、図１の内部クロックの出力波形は、正弦波や高調波成分をもつ変調された正弦波でもよい。
【００１７】
【発明の効果】
図３に示すような従来の構成では音響振動板の移動量の変化はフォトディテクタの電流値の大きさとして表れるため、位置精度を上げないと検出精度が悪くなる。
しかし本発明の場合には、音響による振動板の移動量の変化の検出は図６に示すようにフォトディテクタの出力電圧の時間を基準としたフォトディテクタの時間差の変化として取扱うことができる。
したがって図４に示す振動板と面発光レーザ素子及びフォトディテクタとの間の配置距離の精度がなくとも、クロック発振回路１０を内部クロックとして図５に示す「時間０」を知ることができるため、従来ほど配置距離の精度を正確に管理する必要がなくなる。
【００１８】
また光学的、機械的に基準距離となる点を用いてクロック時間の基準を用意する必要がないため、光学反射板ガラス等の光学部品や機械部品の削減とはコスト減とは容易となり、安価な音響電気変換装置を実現することができる。
このため製造段階では、振動板と面発光レーザ素子及びフォトディテクタとの配置距離の設定仕上がりが生産の歩留まりを支配することはないため、高歩留まりの製品を生産することが容易となる。
【００１９】
さらに本発明では振動板の振動変位の情報はフォトディテクタの出力電圧の時間を基準とした時間差の変化として入手でき、フォトディテクタの出力電流の振幅方向への変化としては表われないため、振動板表面の腐食等による反射率変化が生じても時間差測定には影響は小であるため、振動板の経年変化による振動量測定精度への劣化の影響は著しく小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る音響電気変換装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】図１の装置の光学系部分の詳細構成を示すブロック図。
【図３】従来の装置の概略構成を示すブロック図。
【図４】音響振動板の基準位置からの振動変位による移動量位置を示す図。
【図５】音響による振動板の移動量位置でのフォトディテクタの出力電圧の波形図。
【図６】内部クロックを基準としたフォトディテクタの時間差の変化を示す図。
【符号の説明】
１    光パワー設定回路
２    面発光レーザ素子駆動回路
３    面発光レーザ素子
４    振動板
５    フォトディテクタ
８    電圧出力
９    ＡＰＣ回路
１０    クロック発振回路
１１    チョッピング回路
１５    ピークホールド回路
１６    位相比較器
１７    ローパスフィルタ
１８    非線形増幅器
１９    位相微調整回路
２０    温度補償設定回路
２１    非線形増幅曲線設定回路
【図１】
0003948700.tif 000002
【図２】
0003948700.tif 000003
【図３】
0003948700.tif 000004
【図４】
0003948700.tif 000005
【図５】
0003948700.tif 000006
【図６】
0003948700.tif 000007