JP3522212B2 - 音響等による微小変位検出装置 - Google Patents

音響等による微小変位検出装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、音響等による振動
板の振動を微小変位として検出し電気信号として検出す
ることのできる音響等による微小変位検出装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、音響電気素子を用いた微小変位検
出装置として光マイクロホン装置が知られている。微小
振動検出装置の一例として、光マイクロホン装置を用い
て従来の装置の概要を説明する。
【0003】図7に示す装置は、検出装置筐体7の一部
に設けられた開口部に音響等によって微小振動する振動
板1を設け、これに対向して配置された基板18上に発
光素子13と受光素子14とを配置した構造となってい
る。また、発光素子13と受光素子14との間には遮光
壁15を設け、発光素子13からの入射光が直接受光素
子14に入射しないように構成されている。発光素子1
3からの入射光は、振動板1が音響等によって振動する
ことによりその反射光の受光素子14に対する入射光量
が変化する。この入射光量の変化を受光素子14により
電気信号として検出することにより光マイクロホン装置
として動作させることができる。
【0004】図8に示す装置では、この入射光量の変化
を大きくするために、発光素子13と振動板1との光路
上及び振動板1と受光素子14との光路上に、それぞれ
集光レンズ16と収束レンズ17とを設けたものであ
る。このような集光レンズ16や収束レンズ17を設け
ることにより、振動板1からの反射光の受光素子14へ
の入射光量の変化を大きくすることができる。
【0005】図9は、発光強度分布が同心円上にほぼ均
一な垂直共振器型面発光レーザ素子を発光素子13とし
て用い、これを中心部に配置し、この発光素子13を取
り囲むように同心円上に受光素子14を配置した発光素
子と受光素子とを一体化した発光受光素子5を用い、発
光素子13からの入射光を収束して振動板1に導くとと
もに、振動板1からの発散反射光を収束させて受光素子
14に導く集光素子2を発光受光素子5と振動板1との
間の光路上に設けている。
【0006】基板の中央に円形形状の面発光レーザ素子
を配置し、この面発光レーザ素子をとりまくように同心
円上に受光素子を配置して発光受光素子5を構成する。
一般に面発光レーザ素子は発光強度分布が同心円上にほ
ぼ均一な特性を持っている。従って中心部に配置された
発光素子13から所定の角度で振動板1に向かって放射
された放射光が同心円上に同一強度を持って反射し、振
動板1が振動することにより反射角度が変化し受光素子
14に同心円上に到達する。従って同心円上に配列され
た受光素子14の受光光量の変化を検出することにより
振動板1の振動変位を検出することができる。このよう
な構造を採用することにより反射光の入射光量を大幅に
増加することができるだけでなく装置を小型化すること
ができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】図10は図7の装置の
トンネルダイアグラムを示したもので、発光素子13及
び受光素子14は遮光壁15を基準にしてそれぞれ一定
の距離aに設置される必要があることを示している。ま
た、図9において受光素子14は、基板の中央に配置さ
れた面発光レーザ素子を取り囲むように同心円状に配置
される必要があった。この様な従来の音響等による微小
変位検出装置では、受光感度を十分にとるために発光素
子に対して受光素子の構成、配置が制限されるため、発
光および受光素子部分の簡素化が困難であり、製造工程
が複雑になるという問題があった。また、ホログラム以
外の反射光束分割手段を用いた場合に、光学部品点数の
増加と装置の大型化、各光学部品のアライメントが複雑
になるなどの問題点があった。本発明は、上述した課題
を解決するためになされたもので、集光素子と発光受光
素子との間に収束された反射光を分割する反射光束分割
素子を設けることにより、受光素子の構成、配置の自由
度が増し、発光受光素子の製造工程の簡素化を可能に
し、集光素子を平面基板上に作製されたマイクロレン
ズ、もしくはホログラムレンズで、反射光束分割素子を
平面基板上に作製されたホログラムで達成することによ
り、光学部品点数の削減と装置の小型化を可能にし、各
光学部品のアライメントを容易に行うことができる微小
変位検出装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に発光
素子と受光素子とを配置し、前記基板に対向する位置に
設置された振動板に前記発光素子から光を放射し、前記
振動板からの反射光を前記受光素子で受光して前記振動
板の音響等による微小変位を電気信号として検出する音
響等による微小変位検出装置において、前記基板と前記
振動板との光路上に、前記発光素子からの入射光を収束
して前記振動板に導くとともに前記振動板からの発散反
射光を収束させて前記受光素子に導く集光素子と、前記
集光素子により収束された前記発散反射光を分割して前
記受光素子に導く反射光束分割素子とを設ける。
【0009】また、前記微小変位検出装置において、前
記集光素子として、平面基板上に設置されたマイクロレ
ンズ又はホログラムレンズを用いることを特徴とする。
また、前記微小変位検出装置において、前記反射光束分
割素子として、平面基板上に作製されたホログラムを用
いることを特徴とする。また、前記微小変位検出装置に
おいて、前記発光素子と前記受光素子とを同一平面基板
上に接合配置することを特徴とする。さらに、前記微小
変位検出装置において、前記集光素子と前記反射光束分
割素子とを合体させて構成する。
【0010】本発明は、さらに、基板上に発光素子と受
光素子とを配置し、前記基板に対向する位置に設置され
た振動板に前記発光素子から光を放射し、前記振動板か
らの反射光を前記受光素子で受光して前記振動板の音響
等による微小変位を電気信号として検出する微小変位検
出装置において、前記基板と前記振動板との光路上に、
前記発光素子からの入射光を収束して前記振動板に導く
第1集光素子と、前記振動板からの発散反射光を収束し
て前記受光素子に導く第2集光素子とを設ける。また、
前記微小変位検出装置において、前記第1集光素子と第
2集光素子として、平面基板上に作製されたホログラム
を用いることを特徴とする。また、前記微小変位検出装
置において、前記発光素子と前記受光素子とを同一平面
基板上に接合配置することを特徴とする。さらに、前述
したいずれかの微小変位検出装置において、前記発光素
子として、垂直共振器型面発光レーザ素子を用いること
を特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】図1〜図3は本発明に係る音響等
による微小変位検出装置の実施の形態をそれぞれ示した
ものである。なお図1〜図3に示す実施の形態において
は発光素子13と受光素子14とを同一基板上に形成し
た構造を採用している。発光素子として垂直共振器型面
発光レーザ素子を用い、受光素子としてフォトダイオー
ドを用いることができる。このように構成された発光受
光素子5を受発光部筐体6に設置する。
【0012】次に互いに平行する対向辺に集光素子2と
反射光束分割素子3とを作製した平行平面基板4を設置
する。検出装置筐体7の一端は開口され、この開口部に
は振動板1が設けられており外来音響により微小振動を
行う。発光素子13、反射光束分割素子3の中心、集光
素子2の中心、及び振動板1の中心はそれぞれ同一線上
にあるように配置される。ここで集光素子2としてはマ
イクロレンズもしくはホログラムレンズが用いられる。
ホログラムはガラスなどの表面に細かい溝を多数刻んだ
回折格子の一種である。この溝のパターンにより、その
表面に当たった光ビームの進行方向をある角度で屈折
(回折)させたりレンズ作用を持たせたりすることがで
きる。またマイクロレンズは従来のマクロレンズに比べ
て特に形が小さいことを強調するために用いられている
用語で、通常は直径数μm〜数mm程度の小さなレンズ
を言う。
【0013】発光受光素子5内の発光素子13からの出
射光は所定の放射角で反射光束分割素子3を構成するホ
ログラムに到達し、0次の回折光としてこれを通過し、
集光素子2に入射する。ここで集光素子2はマイクロレ
ンズもしくはホログラムレンズを使用することができ
る。仮に集光素子2がマイクロレンズであった場合、入
射光は屈折されて振動板1上に収束する。また集光素子
2がホログラムレンズであった場合には入射光は回折
し、1次の回折光として振動板1上に収束する。
【0014】振動板1により反射し振動板1の振動によ
り発散した発散反射光は再び集光素子2により収束され
て反射光束分割素子3に入射する。反射光束分割素子3
に入射した発散反射光は、このホログラムにより一次の
回折光として進行方向が変えられ、発光受光素子5上の
受光素子14上に収束する。ここで音響等により振動板
1が振動すると集光素子2により収束させられている入
射光の反射位置が変化し、同時に発光受光素子5上に収
束している発散反射光の収束状態が変化し振動幅の変化
となって現れる。
【0015】この収束状態の変化量、即ち、反射光の入
射光量の変化を受光素子14により電気信号の変化とし
て検出することにより振動板1の音響等による振動変位
量を検出することができる。この反射光の入射光量の変
化量の検出方法としてはビームサイズ法、非点収差法、
フーコー法等が知られている。なお図2は発光受光素子
5を直接、平面基板8に接合配置した例を示したもので
ある。なお接合配置に当たってはフリップチップボンデ
ィング等により行うことが可能である。これにより発光
受光素子に対する反射光束分割素子3の位置精度を上げ
ることが可能になり、しかも製造工程を簡単にすること
ができる。
【0016】図3は図1に示す装置において集光素子2
がマイクロレンズである場合に、このマイクロレンズ上
にホログラムを形成して反射光束分割素子を形成し、集
光素子と反射光束分割素子とを合体させて集光/分割素
子9を構成したものである。このようにして形成した集
光/分割素子9を発光受光素子5が接合配置された平面
基板10に載置することにより装置の構成とアライメン
トとをより簡素化することができる。
【0017】図4及び図5は本発明の他の実施の形態を
示す図である。発光素子13からの出射光を収束する集
光素子11と振動板1からの発散反射光を収束する収束
素子とは別々に設けられこれらの集光素子11,12に
ホログラムレンズを使用している。発光素子13から放
射された出射光はホログラムレンズによる集光素子11
により一次の回折光として進行方向を変えられ振動板1
上に収束する。また振動板1から反射された発散反射光
はホログラムレンズによる集光素子12により一次の回
折光として進行方向を変えられて受光素子14上に収束
する。
【0018】図5は図4において受光発光素子5を直接
平面基板10に接合して構成した場合を示している。こ
れにより図4に示すように発光受光素子5を受発光部筐
体6に設置する場合に比べてホログラムレンズ11,1
2の位置精度を上げることが可能となり製造工程をも簡
単にすることができる。
【0019】図6は本発明の動作原理を説明するための
図で、図1に示す構成に対応している。ここでθはホロ
グラムの回折角を、λは発光素子13の発振波長を、P
はホログラム基準ピッチを、dは発光素子13と受光素
子14との間の距離を、zは発光受光素子5とホログラ
ム3との間の距離をそれぞれ示す。
【0020】ホログラムの回折角はθ=sin-1(λ/
P)で規定され、発光素子と受光素子との間の距離はd
=z×tanθで規定される。今、発光素子の発振波長
λを780nm、発光受光素子とホログラム間の距離z
を0.5mmとした時のホログラム基準ピッチPに対す
る発光素子と受光素子間の距離dとの関係を表1に示
す。
【0021】
【表1】
【0022】従ってホログラムの基準ピッチPを変える
ことにより発光受光素子5上での収束位置を変えること
ができる。なお本発明は光マイクロホン装置に限定され
るものではなく光センサ等についても適応されることは
言うまでもない。
【0023】
【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明では集
光素子により収束された発散反射光を分割して受光素子
に導く反射光束分割素子を設けたことにより受光素子の
構成、配置の自由度が増し、発光受光素子の製造を簡素
化することができる。また光学部品点数の削減と装置の
小型化を可能にし且つ各光学部品のアライメントを容易
に行うことのできる微小変位検出装置を実現することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を示す図。
【図2】本発明の第2の実施の形態を示す図。
【図3】本発明の第3の実施の形態を示す図。
【図4】本発明の第4の実施の形態を示す図。
【図5】本発明の第5の実施の形態を示す図。
【図6】本発明の動作原理を説明するための図。
【図7】従来の微小変位検出装置の一例を示す図。
【図8】従来の他の微小変位検出装置の一例を示す図。
【図9】従来の更に他の微小変位検出装置の一例を示す
図。
【図10】図7の装置のトンネルダイヤグラムを示す
図。
【符号の説明】
1 振動板 2 集光素子 3 反射光束分割素子 4 平面基板 5 発光受光素子 6 受発光部筐体 7 検出装置筐体 8 平面基板 9 集光/分割素子 11 集光素子 12 集光素子 13 発光素子 14 受光素子 18 基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/00 - 11/30 H04R 23/00 G01B 7/22

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に垂直共振器型面発光レーザ素子
    を用いた発光素子と受光素子とを配置し、前記基板に対
    向する位置に設置された振動板に前記発光素子から光を
    放射し、前記振動板からの反射光を前記受光素子で受光
    して前記振動板の音響等による微小変位を電気信号とし
    て検出する音響等による微小変位検出装置において、 前記基板と前記振動板との光路上に、 前記発光素子からの入射光を収束して前記振動板に導く
    とともに前記振動板からの発散反射光を収束させて前記
    受光素子に導くホログラムレンズを用いた集光素子と、 前記集光素子により収束された前記発散反射光を分割し
    て前記受光素子に導くホログラムを用いた反射光束分割
    素子と、 を設けたことを特徴とする音響等による微小変位検出装
    置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の微小変位検出装置にお
    いて、 前記発光素子と前記受光素子とを同一平面基板上に接合
    配置することを特徴とする音響等による微小変位検出装
    置。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の微小変位検出装置にお
    いて、 前記集光素子と前記反射光束分割素子とを合体させて構
    成することを特徴とする音響等による微小変位検出装
    置。
  4. 【請求項4】 基板上に垂直共振器型面発光レーザ素子
    を用いた発光素子と受光素子とを配置し、前記基板に対
    向する位置に設置された振動板に前記発光素子から光を
    放射し、前記振動板からの反射光を前記受光素子で受光
    して前記振動板の音響等による微小変位を電気信号とし
    て検出する微小変位検出装置において、 前記基板と前記振動板との光路上に、 前記発光素子からの入射光を収束して前記振動板に導く
    ホログラムを用いた第1集光素子と、 前記振動板からの発散反射光を収束して前記受光素子に
    導くホログラムを用いた第2集光素子と、 を設けたことを特徴とする音響等による微小変位検出装
    置。
  5. 【請求項5】 請求項に記載の微小変位検出装置にお
    いて、 前記発光素子と前記受光素子とを同一平面基板上に接合
    配置することを特徴とする音響等による微小変位検出装
    置。
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