(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第１の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、前記発光素子から第１の光路を通って前記振動板に放射された光の反射光を前記第１の受光素子で受光して第１の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、
前記発光素子と前記振動板との間の所定位置に配置され、前記発光素子から放射された光の一部を反射させる反射面を備えた反射板と、
前記発光素子から前記第１の光路と交差しない独立した第２の光路を通って、前記反射板に放射された光の反射光を受光して第２の電気信号として取出す第２の受光素子と、
前記第２の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、
前記第１の電気信号と前記第２の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板の移動量の変化を前記第２の電気信号の時間を基準とした前記第１の電気信号の時間差の変化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前記発光素子と前記振動板との距離の温度補償を行う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前記振動板の振動量の大きさに非線形に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。
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。
【０００３】
【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。
【０００４】
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。
【０００５】
【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第１の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、前記発光素子から第１の光路を通って前記振動板に放射された光の反射光を前記第１の受光素子で受光して第１の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、前記発光素子と前記振動板との間の所定位置に配置され、前記発光素子から放射された光の一部を反射させる反射面を備えた反射板と、前記発光素子から前記第１の光路と交差しない独立した第２の光路を通って、前記反射板に放射された光の反射光を受光して第２の電気信号として取出す第２の受光素子と、前記第２の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、前記第１の電気信号と前記第２の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板の移動量の変化を前記第２の電気信号の時間を基準とした前記第１の電気信号の時間差の変化として取出すことを特徴とする。
【０００６】
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前記発光素子と前記振動板との距離の温度補償を行うことが出来る。
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前記振動板の振動量の大きさに非線形に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の全体ブロック図、図２はその光学系部分の構成を示すブロック図である。
本実施の形態においては、図３に示す従来の装置の構成に加えて、振動板４と面発光レーザ素子３との間にあって面発光レーザ素子３及びフォトディテクタ５から所定の基準距離だけ離れた位置に反射面１２ａを有するガラス板１２を設ける。
【０００８】
また、ガラス板１２からの反射光はフォトディテクタ５と同一面上に設置されたフォトディテクタ１３により受光される。
また、面発光レーザ素子駆動回路２に面発光レーザ素子３の光パワーを設定するための面発光レーザ素子光パワー設定回路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。
【０００９】
さらに、所定の周期でクロック波形を出力するクロック発振回路１０と、面発光レーザ素子駆動回路２の出力をこのクロック発振回路１０の出力でチョッピングするチョッピング回路１１と、電流電圧変換増幅器６の出力と電流電圧変換増幅器１４の出力とを位相比較する位相比較器１６と、位相比較器１６の出力から低周波成分のみを取出すためのローパスフィルタ１７とを設ける。
また、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非線形増幅曲線回路２１を設け、ローパスフィルタ１７からの低周波出力を非線形増幅器１８で増幅して位相微調整回路１９を介してクロック発振回路１０の位相調整を行うようにする。
【００１０】
さらに、ガラス板１２の反射面１２ａと面発光レーザ素子３との間の基準距離が温度変化によって変化するのを補償するための温度補償設定回路２０を設け、これにより位相微調整回路１９の位相調整を行い、これによりクロック発振回路１９の位相量を調整するように構成する。
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、ＡＰＣ回路９を介して面発光レーザ素子駆動回路２に送られる。ここでクロック発振回路１０のクロック波形により、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・オフのチョッピングが行われる。
【００１１】
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、これによりオン・オフのレーザ発光が得られる。面発光レーザ素子３により出射されたレーザ光はガラス板１２の反射面１２ａで反射し、フォトディテクタ１３に戻る。
このフォトディテクタ１３で受光されたレーザ光の反射光はフォトディテクタ１３の出力電流となり、電流電圧変換増幅回路１４により電圧に変換されて出力される。この出力電圧はピークホールド回路１５でその最大値が電気的に保持される。
【００１２】
ホールドされた電圧はＡＰＣ回路９で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。比較の結果、面発光レーザ素子３の出射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は制御される。
また、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は制御される。この結果、所望する面発光レーザ素子光パワー設定回路１の設定値に近づく。
【００１３】
一方、面発光レーザ素子３から出射されたレーザ光は、振動板４で反射されフォトディテクタ５により受光され、電流電圧変換増幅器６を介して電圧に変換されて位相比較器１６の一方の入力端子に入力される。
位相比較器１６の他方の入力端子には電流電圧変換増幅器１４からの出力が入力され、２つの出力電圧は位相比較器１６により位相比較される。位相比較器１６の出力電圧はその高周波成分がローパスフィルタ１７により取り除かれ、低周波成分のみが取り出されて増幅器７を介して増幅され電圧出力８として取出される。
【００１４】
ここで図２から明らかなように、面発光レーザ素子３から出射されたレーザ光はガラス板１２の反射面１２ａで反射し、フォトディテクタ１３によって受光される。
ここで振動板４と面発光レーザ素子３及びフォトディテクタ１３，５との間の配置距離は一定として変化しないものとすると、面発光レーザ素子３からフォトディテクタ１３に反射光が受光されるまでの時間が一定となる。
また、面発光レーザ素子３から振動板４で反射し、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４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を断続するパルス光とすれば、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。
【００１５】
図４は音響振動板の基準位置に対する音響による振動板の移動量位置の関係を示した図である。また、図５はフォトディテクタの出力電圧の波形図を示したものである。
面発光レーザ素子３から出射されたレーザ光はガラス板１２の反射面１２ａに当たり反射し、「時間０」を経過した後フォトディテクタ１３に戻ってくる。この反射光はフォトディテクタ１３でレーザ光から電流に変換される。
これを電流電圧変換増幅器１４により電圧変換した出力電圧が図５（Ａ）に示される。
【００１６】
図５（Ｂ）は面発光レーザ素子の光パワー波形である。
次に、面発光レーザ素子３から出射されたレーザ光は反射板４に当たりフォトディテクタ５に戻ってくる。
この時音響による音圧に比例して振動板４の位置により「音響振動板基準位置」の前後に、「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。
それぞれの時間１、２、３におけるフォトディテクタ５の出力電圧をそれぞれ図５（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）に示す。
次に「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。
【００１７】
このようにして「時間０」を基準として「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」の変化は音響振動板４の移動量として実時間として検知できるようになる。
図６中に点線で示したクロック波形の立上がり部分を結ぶ線は音響による振動板の移動量の時間的推移を表している。
このようにして本発明では音響による振動板の移動量の変化はフォトディテクタ１３の出力電圧の時間を基準としたフォトディテクタ５の時間差の変化として取出される。
【００１８】
図１あるいは図２に示される基準距離が温度変化特性を持つ場合には、これを補償するために面発光レーザ素子３からの出射パルスに所定のパルス時間遅れ（位相差）を付加する必要がある。
このため温度補償設定回路２０と位相微調整回路１９とを設け、温度変化に応じた量だけ位相を微調整してクロック発振回路１０のクロック波形を補償する。また、ある大きさのみの音響による振動板の移動量に着目してこれを強調するためには、ローパスフィルタ１７からの出力電流を非線形増幅器１８を介して非線形増幅しこれを位相変化としてクロック発振回路１０のクロック波形に加えればよい。そのために非線形増幅器１８と非線形曲線設定回路２１とを設けている。
なお、この非線形増幅器１８は線形増幅器となるように構成することも可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明では音響による音響振動板の移動量の変化はフォトディテクタ１３の出力電圧の時間を基準としたフォトディテクタ５の時間差の変化として取扱うことができる。
このため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、またガラス板と面発光レーザ素子との間の基準距離に精度がなくとも図５に示す「時間０」は一定するため、配置距離の精度を図３に示すような従来の場合における精度ほど正確に管理する必要はなくなる。
このため製造段階では配置距離の設定仕上がりが生産の歩止まりを支配することはなく高歩留まりの受光方式センサを生産することが容易となる。
また、本発明による音響電気変換装置では、振動板の表面の腐食等により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、装置の振動板の経年劣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受光方式センサの全体構成を示すブロック図。
【図２】図１の光学系部分の詳細構成を示すブロック図。
【図３】従来の音響電気変換装置の概略構成を示すブロック図。
【図４】音響振動板の振動による基準位置の変化を説明するための図。
【図５】音響振動板の振動位置によるフォトディテクタの出力電圧の検出波形を示す図。
【図６】音響による振動板の移動量の時間的推移を示す図。
【符号の説明】
１    面発光レーザ素子光パワー設定回路
２    面発光レーザ素子駆動回路
３    面発光レーザ素子
４    音響振動板
５    フォトディテクタ
８    電圧出力
９    自動パワー制御（ＡＰＣ）回路
１０    クロック発振回路
１１    チョッピング回路
１２    ガラス板
１３    フォトディテクタ
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    非線形増幅曲線回路
【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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