光超音波マイクロフォン
【課題】超音波領域まで音圧計測が可能で高感度な光超音波マイクロフォンを提供する。
【解決手段】本発明の光超音波マイクロフォンは、開口部４から音波を取り込み伝搬させる音響導波路６と、音響導波路６の壁面の少なくとも一部を形成する光音響伝搬媒質２と、ＬＤＶヘッド８により構成され、音響導波路６を進行する音波を光音響伝搬媒質２に取り込み、光音響伝搬媒質２内に音波の進行による屈折率変化を高効率で発生させ、ＬＤＶヘッド８により光変調として取り出すことにより、極めて広帯域な光超音波マイクロフォンを構成する。
【解決手段】本発明の光超音波マイクロフォンは、開口部４から音波を取り込み伝搬させる音響導波路６と、音響導波路６の壁面の少なくとも一部を形成する光音響伝搬媒質２と、ＬＤＶヘッド８により構成され、音響導波路６を進行する音波を光音響伝搬媒質２に取り込み、光音響伝搬媒質２内に音波の進行による屈折率変化を高効率で発生させ、ＬＤＶヘッド８により光変調として取り出すことにより、極めて広帯域な光超音波マイクロフォンを構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を利用したマイクロフォン、特に空気などの気体を伝搬する超音波を受波し、受波した超音波を、光を利用して、電気信号に変換する光超音波マイクロフォンに関する。
【背景技術】
【０００２】
音波を収集して電気信号に変換するデバイスとしては、可聴帯域ではダイナミックマイクロフォンや、コンデンサマイクロフォンが広く利用され、超音波領域では圧電センサが広く利用されている。これらのデバイスは、音波が空気の微細な振動であることを利用して、音波を振動板に入射させて、音によって振動板に励起される微細な振動を導電的、静電的、あるいは圧電的に電気信号に変換している。
【０００３】
一方で、レーザ光に代表される光を利用して、微細で高速な振動を計測するレーザドプラ振動計（以下、単に「ＬＤＶ」と呼ぶ。）などの光学システムが広く利用されており、このような装置を利用した音波の収集が試みられている。
【０００４】
特許文献１に記載の音圧変換装置では、通常のマイクロフォンにみられる振動板と光三角法による光計測を応用した光マイクロフォンが開示されている。
【０００５】
さらに特許文献２には、音場中にレーザ光を直接伝搬させて、音波によって空気中に生じる屈折率変化をＬＤＶにより直接捉えることにより、音圧を計測するレーザドプラマイクロフォンが開示されている。
【０００６】
以下、図１１を参照して、特許文献２におけるレーザドプラマイクロフォンの構造、動作について説明する。図１１において、１２１はＬＤＶ、１２２、１２３は一対の反射鏡、１２４はキュービックミラー、１２５はレーザ光経路、１２６は音場、１２７は演算部である。
【０００７】
図１１に示された構成において、一対の反射鏡１２２及び１２３は平行に配置され、ＬＤＶ１２１とキュービックミラー１２４は一方反射鏡１２３の上下両端に設けられている。ＬＤＶ１２１からは、反射鏡１２２に向かって適当な角度でレーザ光が照射される。照射されたレーザ光は、反射鏡１２２及び１２３において複数回の反射を伴いながらレーザ光経路１２５に沿って伝搬し、反射鏡１２３の終端に設けられたキュービックミラー１２４に達する。キュービックミラー１２４に入射したレーザ光は、キュービックミラー内部で数回反射した後、キュービックミラー１２４にレーザ光が入射してきた方向に向かってキュービックミラー１２４にから放出され、再び、一対の反射鏡１２２及び１２３によって複数回反射されながら、レーザ光経路１２５を逆方向に伝搬してＬＤＶ１２１に到達する。ＬＤＶ１２１に達したレーザ光は、ＬＤＶ１２１内部で光学的及び電気的な処理を受けるとともに、演算部１２７によって、振動速度成分が換算される。
【０００８】
図１１における構成においては、振動する部分が無いので通常は振動速度成分は０である。反射鏡１２２及び１２３が作る空間に音波が存在する場合には、音波により空気の密度に粗密が生じる。これらの密度の変化は空気中の屈折率の変化となり、レーザ光の伝搬速度を変化させるため、反射鏡１２２、１２３やキュービックミラー１２４に振動が発生したかのように、音圧に対応した速度成分が計測される。
【０００９】
また、本発明者は、特許文献３において、気体中において超音波の屈折を利用して高感度、広帯域に超音波を送受波しうる気体用超音波送受波器に関する発明を開示している。また、非特許文献１において、５００ｋＨｚの超高周波領域における送受信特性を報告している。
【００１０】
図１２に、特許文献３及び特許文献４に開示している発明の超音波送受波器の模式図を示す。
【００１１】
図１２に示すように、特許文献３の発明の超音波送受波器１０１は、少なくとも超音波振動子１０２と、超音波振動子１０２の前面に設けられ、環境流体１０４と超音波振動子１０２の間を埋める伝搬媒質部１０３を有している。１０５は超音波の進行方向を示している。このような形態の超音波送受波器を、特に、屈折伝搬型超音波送受波器（又は、斜め伝搬型超音波送受波器本体）と呼ぶこととする。
【００１２】
ここで、超音波振動子１０２と伝搬媒質部１０３の界面を第１表面領域１１１と定義し、伝搬媒質部１０３と環境流体１０４の界面を第２表面領域１１２として定義する。
【００１３】
特許文献３の屈折伝搬型超音波送受波器は、空気などの音響インピーダンスの極めて小さい媒質から、超音波を高い効率で伝搬媒質の伝搬媒質部内に取り込むことで高感度に超音波を送受波することを可能としたものである。
【００１４】
通常、気体と固体のように音響インピーダンスの大きく異なる媒質の界面では、殆どの超音波が反射し、高い感度で送波、あるいは受波することが出来ない。このように気体中で高効率の超音波の透過を実現するために、屈折伝搬型超音波送受波器１０１では、特殊な材料からなる伝搬媒質部１０３を利用して超音波送受波器１０１を構成している。伝搬媒質部１０３には、音速が環境流体１０４より遅く、密度が環境流体１０４より大きい特性が必要となり、特許文献３ではこのような材料として、シリカ骨格からなる乾燥ゲル材料を用いている。シリカ乾燥ゲルは、製造プロセスによって様々な音速と密度を持たせることが可能な材料であるが、一例として、密度２００ｋｇ／ｍ３、音速１５０ｍ／ｓのように、高効率で超音波を透過しうる伝搬媒質部１０３の条件を満足する値を取りうる材料である。
【００１５】
このような材料を伝搬媒質部１０３として用いて、図１２に示すように伝搬媒質部１０３の内部における第２表面領域１１２の法線と超音波伝搬方向のなす角度θ１と、環境流体１０４内における超音波伝搬方向とのなす角度θ２を適切にそれぞれ選択する事によって、第２表面領域１１２における超音波の反射をほぼ０にして、高い送受波感度を持つ超音波送受波器を実現することができる。また、第２表面領域１１２における透過効率には音波の周波数が無関係であるため、原理的に広帯域特性を実現し、様々な周波数を高い効率で測定することができる。
【００１６】
具体的には、超音波を送波する場合には、超音波振動子１０２が、図示していない駆動回路により電気信号を与えられて、超音波を発生する。ここで、図１２のようにＸＹＺ方向を設定する。超音波振動子１０２で発生した超音波は、第１表面領域１１１から第２表面領域１１２に向かって、伝搬媒質部１０３をＹ軸の正方向に伝搬していく。そして、第２表面領域１１２に達した超音波は、屈折の法則に従って伝搬方向を変えて、超音波伝搬経路１０５の方向（この場合には、矢印の反対方向）に向けて流体１０４へ伝搬していく。
【００１７】
超音波を受波する場合には、送波の場合と逆に、周囲空間の流体１０４を伝搬してきた超音波は第２表面領域１１２に到達すると屈折して伝搬媒質部１０３に透過し、Ｙ軸の負方向に向かって伝搬媒質部１０３の内部を伝搬して超音波振動子１０２に到達する。超音波振動子１０２に到達した超音波は超音波振動子１０２を変形させることで電極間に電位差を発生させて、図示していない受波回路により検出される。
【００１８】
斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１では、流体１０４が空気等の音響インピーダンス（材質の音速×材質の密度）の極めて小さい媒質の場合でも、流体１０４から伝搬媒質部１０３に超音波が高い効率で入射し、あるいは伝搬媒質部１０３から流体１０４へ高い効率で超音波を出射することができる。
【００１９】
斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１において、超音波の透過効率を高くするために、超音波の伝搬媒質部１０３での音速Ｃ１、超音波の流体１０４での音速Ｃ２、伝搬媒質部１０３の密度ρ１、流体１０４の密度ρ２は、以下の式（２）を満たすように設定されている。
【００２０】
【数１】
また、θ１はＣ１、Ｃ２、ρ１、ρ２を用いて以下の式（３）を満たすように設定されている。
【００２１】
【数２】
また、θ１とθ２の間には、以下の式（４）に示す関係がある。
【００２２】
【数３】
特許文献４に示すように、前記式（２）と式（３）と式（４）を満たしたときに、第２表面領域１１２における超音波の透過効率がほぼ１となる。それにより、高い効率で超音波を送波及び受波できる、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１としての斜め伝搬型超音波センサを提供することが可能になる。
【００２３】
【特許文献１】特開２００４−１２４２１号公報
【特許文献２】特開２００４−２７９２５９号公報
【特許文献３】ＷＯ２００４／０９８２３４号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００５／０１３９０１３号明細書
【非特許文献１】「ナノフォーム材料の音響特性と超音波センサへの応用（一般／アコースティックイメージング）（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｎａｎｏｆｏａｍ Ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｓｅｎｓｏｒｓ）」橋本 雅彦、永原 英知、杉ノ内 剛彦（ＨＡＳＨＩＭＯＴＯ Ｍａｓａｈｉｋｏ，ＮＡＧＡＨＡＲＡ Ｈｉｄｅｔｏｍｏ，ＳＵＧＩＮＯＵＣＨＩ Ｔａｋｅｈｉｋｏ）、社団法人 電子情報通信学会発行、電子情報通信学会技術研究報告、Ｖｏｌ．１０５，Ｎｏ．６１９、ＵＳ２００５−１２７（Ｐ．２９−３４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
特許文献１に開示された光マイクロフォンは、通常のマイクロフォンと同様に振動板の機械共振特性が周波数帯域に大きく影響する。すなわち振動板の機械共振周波数よりも低い周波数では比較的平坦な周波数特性を持つが、共振周波数以上では、急激に感度が低下するためマイクロフォンとしての上限が共振周波数付近までに限定される。このため、振動板を用いる現状のコンデンサマイクロフォンの高域特性は１００ｋＨｚ程度までに制限されており、それ以上の場合には圧電型が用いられる。従って、充分な感度を保持しながら１００ｋＨｚ以上まで帯域特性が伸びた振動板を持つマイクロフォンを構成することは極めて困難である。
【００２５】
また、特許文献２において開示されたレーザドプラマイクロフォンは振動板を持たないため、機械共振による高周波域の制限がない。また、使用しているＬＤＶの振動計測における高域限界は１ＭＨｚを容易に超える。ところが、空気の音圧に関する屈折率変化が小さいことから、充分な感度を確保するには極めて長い光経路が必要となる。特許文献２に開示された例では、充分なＳ／Ｎを得るためには１０ｍ以上の光経路長が必要である。従って、対応する測定領域の小型化が極めて困難である。従って、高周波領域では、測定領域内において音波干渉が容易に発生し、正確な音圧の測定が困難となる。この現象は、振動板タイプの場合の機械共振に相当し、「空洞共振」と呼ばれる。すなわち、測定範囲の寸法がマイクロフォンの高域限界を決定し、空気の音速は一般的な振動板の弾性波速度よりも遅いために、測定領域と振動板が同じ面積の場合、高域限界はレーザドプラマイクロフォンの方が低くなる。
【００２６】
従来の光マイクロフォンでは、光計測の帯域幅は充分広いものの、利用する機械共振や空洞共振によって高周波帯域が制限され、特に１００ｋＨｚ以上の超高周波領域で動作をさせることが困難であるという課題を有している。
【００２７】
また、特許文献３の超音波送受波器１０１においては、シリカ乾燥ゲルで構成された伝搬媒質部１０３への音波取り込みに周波数特性が無いため、広い周波数領域において音波が取り込こむことが可能であるが、取り込まれた音波を電気信号に変換するために、圧電セラミックなどの超音波振動子１０２が必要である。シリカ乾燥ゲル１０３と圧電セラミック１０２との音響インピーダンス値は２桁から３桁の違いがあり、シリカ乾燥ゲル１０３を伝搬して圧電セラミミック１０２に進入する音波は、シリカ乾燥ゲル１０３と圧電セラミック１０２の界面（第１表面領域１１１）において大部分が反射される。反射された音波は、シリカ乾燥ゲル１０３内を逆向きに伝搬して一部は空気へ放出されるが、残りはシリカ乾燥ゲル１０３内の境界（第２表面領域１１２）で反射を繰り返しながらシリカ乾燥ゲル１０３内を伝搬して残響となる。
【００２８】
この伝搬媒質部１０３と超音波振動子１０２の界面（第１表面領域１１１）における反射現象は、シリカ乾燥ゲルで構成された伝搬媒質部１０３内に、電気信号への変換のための素子として圧電セラミック１０２などの音響インピーダンスの異なる物質を配置した構成においては、本質的に避けられない。この反射に伴う残響は、後から到達する音波信号に重畳してＳ／Ｎを低下させる要因となり、また不要な共振現象など周波数特性を悪化させるという課題がある。
【００２９】
さらに、特許文献３の超音波送受波器１０１においては、受波感度が低いという課題も有している。以下、この課題の原因について説明する。
【００３０】
流体１０４を伝搬してきた超音波のエネルギー密度は、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１に受波されるときに低下する。これが受波感度が低い原因である。図１２を用いて、受波感度が低い原因を説明する。図１２においては、超音波伝搬経路１０５を実線の矢印で示している。前記したように、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１が高効率で超音波を受波するためには、式（２）と式（３）と式（４）を満たす必要がある。このとき、流体１０４を伝搬してくる超音波の経路は、第２表面領域１１２の法線とのなす角度がθ２を満たしている。
【００３１】
よって、図１２では、超音波は、流体１０４の長さ（Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）の範囲を斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１に向かって伝搬し、さらに超音波の伝搬経路と第２表面領域１１２の法線とのなす角度がθ２を満たしているとする。ここで、長さＬ２の範囲とは、超音波の進行方向１０５に平行な範囲であって、超音波が、第２表面領域１１２に全く到達しない範囲を意味する。長さＬ３の範囲とは、長さＬ２の範囲に隣接し、かつ、超音波の進行方向１０５に平行な範囲であって、超音波が、第２表面領域１１２に全て到達可能な範囲を意味する。長さＬ４の範囲とは、長さＬ３の範囲に隣接し、かつ、超音波の進行方向１０５に平行な範囲であって、超音波が、第２表面領域１１２に全て到達しない範囲を意味する。
【００３２】
図１２に示すように、流体１０４の長さ（Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）の範囲を伝搬してくる全ての超音波が、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１に受波されるわけではない。長さＬ３の範囲を伝搬してくる超音波は、第２表面領域１１２に到達して、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１に受波される。しかし、長さＬ２の範囲及び長さＬ４の範囲を伝搬してくる超音波は、第２表面領域１１２に到達することができず、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１に受波されない。
【００３３】
つまり、流体１０４を伝搬してきた超音波（長さＬ２＋Ｌ３＋Ｌ４の範囲を伝搬してくる超音波）のうちの一部の超音波（長さＬ３の範囲を伝搬してくる超音波）が、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１に受波される。
【００３４】
そして、流体１０４の長さＬ３の範囲を伝搬してきた超音波は第２表面領域１１２を透過し、長さＬ１の範囲の超音波振動子１０２に検出される。このとき、Ｌ３＜＜Ｌ１であるために、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１で受波される超音波は、第２表面領域１１２で拡散されて超音波振動子１０２に到達する。従って、超音波が斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１に受波されるときに、そのエネルギー密度が低下する。この超音波が有するエネルギー密度の低下により、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１の受波感度が低下する。
【００３５】
以上の理由により、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１の受波感度は低いものである。すなわち、第２表面領域１１２で受波することが可能な超音波の伝搬範囲の長さＬ３が超音波振動子１０２の長さＬ１より小さいため、斜め伝搬型超音波受波器本体１０１の受波感度は低いものとなっている。
【００３６】
本発明の目的は、前記の課題に鑑みなされたものであり、従来のマイクロフォンの高域限界を大きく越えた超音波領域まで音圧計測が可能で、かつ高感度な光超音波マイクロフォンを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、気体で満たされた周囲の空間に対して音波の受波を行うマイクロフォンであって、
前記周囲の空間から前記音波を取り込む開口部と、前記開口部より取り込んだ前記音波を伝達する音響導波路とを有するとともに、前記音響導波路の少なくとも一部を構成しかつ前記音響導波路からの前記音波と光を伝搬させる光音響伝搬媒質部を保持するベースと、
前記光音響伝搬媒質部に対して前記光を照射する光源と、
前記光源から前記光音響伝搬媒質部内に照射されかつ前記光音響伝搬媒質部を伝搬した前記光を検出し、前記音波による前記光の変調を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果から音圧換算用の出力信号を求める演算部を具備し、
前記光音響伝搬媒質部の光音響伝搬媒質の密度ρｎ及び音速Ｃｎが、前記音響導波路を満たす気体の密度ρａ及び音速Ｃａとの間において、以下の式を満たす光超音波マイクロフォンを提供する。
【００３８】
【数４】
本発明の第８態様によれば、第１の開口を有し、前記第１の開口から入射する音波を音波伝搬方向へ伝搬させる音響導波路を規定する音響導波部材と、
透過面を有し、前記透過面が前記音波の伝搬方向に沿って前記音響導波路の一面を構成するように前記音響導波路に設けられた光音響伝搬媒質部であって、前記音響導波路を伝搬するに従って前記音波の一部が前記透過面からそれぞれ前記伝搬媒質部へ透過し、収束点に収束するように前記透過面が構成され、前記音響導波路に対して配置されている伝搬媒質部と、
前記光音響伝搬媒質部の前記収束点に対して光を照射する光源と、
前記光源から前記光音響伝搬媒質部の前記収束点に照射されかつ前記光音響伝搬媒質部を伝搬した前記光を検出し、前記収束点に収束した前記音波による前記光の変調を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果から音圧換算用の出力信号を求める演算部を具備し、
前記光音響伝搬媒質部は前記透過面と前記収束点との間を満たしている伝搬媒質を含み、
前記音響導波路は環境流体で満たされており、前記光音響伝搬媒質部の光音響伝搬媒質の密度ρｎ及び音速Ｃｎが、前記音響導波路を満たす前記環境流体の密度ρａ及び音速Ｃａとの間において、
【数５】
の関係を満たし、
前記音響導波路の前記第１の開口から、前記透過面上の前記音波の伝搬方向に沿った任意の点Ｐｋまでの前記音響導波路の長さをＬａｋとし、前記任意の点Ｐｋから前記収束点までの長さをＬｎｋとしたとき、任意のｋに対して、
【数６】
の関係を満たしている光超音波マイクロフォンを提供する。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の光超音波マイクロフォンによれば、周囲空間の気体を伝搬してくる音波を開口部から音響導波路に取り込み、音響導波路内から光音響伝搬媒質部内を進行する音波を、光を用いて計測することにより、従来の振動板の機械共振などによる限界を大きく超える高周波領域まで測定可能であり、かつ従来の圧電セラミックなどの電気音響変換器による音波の反射の影響を回避して、より高感度で精密な音圧測定が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
本発明者は、前記のシリカ乾燥ゲルが光学的に透明に近い性質を有していることに着目し、光音響伝搬媒質部の光音響伝搬媒質例えばシリカ乾燥ゲルにおける音圧と屈折率の変化率が空気中における変化率に対して、１桁程度高いことを見出した。音圧による屈折率変化率は、通常固体、液体、気体の順番で大きくなり、通常のバルク材料には見られない極めて特異な性質である。
【００４１】
本発明の本質は、気体などの音響インピーダンスの極めて低い物体から固体へと高い効率で超音波を伝搬させることの出来る屈折伝搬型超受波器の界面現象の基本原理を利用するとともに、これらの条件を満たす固体材料が、音波によって極めて大きな屈折率変化を発生させるという現象を使って、極めて高周波領域まで帯域特性が伸びる光超音波マイクロフォンを構成した点にある。
【００４２】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００４３】
本発明の第１態様によれば、気体で満たされた周囲の空間に対して音波の受波を行うマイクロフォンであって、
前記周囲の空間から前記音波を取り込む開口部と、前記開口部より取り込んだ前記音波を伝達する音響導波路とを有するとともに、前記音響導波路の少なくとも一部を構成しかつ前記音響導波路からの前記音波と光を伝搬させる光音響伝搬媒質部を保持するベースと、
前記光音響伝搬媒質部に対して前記光を照射する光源と、
前記光源から前記光音響伝搬媒質部内に照射されかつ前記光音響伝搬媒質部を伝搬した前記光を検出し、前記音波による前記光の変調を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果から音圧換算用の出力信号を求める演算部を具備し、
前記光音響伝搬媒質部の光音響伝搬媒質の密度ρｎ及び音速Ｃｎが、前記音響導波路を満たす気体の密度ρａ及び音速Ｃａとの間において、以下の式を満たす光超音波マイクロフォンを提供する。
【数７】
本発明の第２態様によれば、前記光音響伝搬媒質部は、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから構成されている第１の態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第３態様によれば、前記乾燥ゲルは、密度１００ｋｇ／ｍ３以上、音速３００ｍ／ｓ以下の物性を有する第２の態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第４態様によれば、前記乾燥ゲルの固体骨格部は疎水化されている第２又は３の態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第５態様によれば、前記光源がレーザ光源である第１〜４のいずれか１つの態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第６態様によれば、前記光検出手段は、前記レーザ光源からのレーザ光の周波数の変調を検出する第５の態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第７態様によれば、前記光源と前記光検出手段は、レーザドプラ検出手段で兼用するように構成されている第６の態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第８態様によれば、第１の開口を有し、前記第１の開口から入射する音波を音波伝搬方向へ伝搬させる音響導波路を規定する音響導波部材と、
透過面を有し、前記透過面が前記音波の伝搬方向に沿って前記音響導波路の一面を構成するように前記音響導波路に設けられた光音響伝搬媒質部であって、前記音響導波路を伝搬するに従って前記音波の一部が前記透過面からそれぞれ前記光音響伝搬媒質部へ透過し、収束点に収束するように前記透過面が構成され、前記音響導波路に対して配置されている伝搬媒質部と、
前記光音響伝搬媒質部の前記収束点に対して光を照射する光源と、
前記光源から前記光音響伝搬媒質部の前記収束点に照射されかつ前記光音響伝搬媒質部を伝搬した前記光を検出し、前記収束点に収束した前記音波による前記光の変調を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果から音圧換算用の出力信号を求める演算部を具備し、
前記伝搬媒質部は前記透過面と前記収束点との間を満たしている伝搬媒質を含み、
前記音響導波路は環境流体で満たされており、前記光音響伝搬媒質部の光音響伝搬媒質の密度ρｎ及び音速Ｃｎが、前記音響導波路を満たす前記環境流体の密度ρａ及び音速Ｃａとの間において、
【数８】
の関係を満たし、
前記音響導波路の前記第１の開口から、前記透過面上の前記音波の伝搬方向に沿った任意の点Ｐｋまでの前記音響導波路の長さをＬａｋとし、前記任意の点Ｐｋから前記収束点までの長さをＬｎｋとしたとき、任意のｋに対して、
【数９】
の関係を満たしている光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第９態様によれば、前記音響導波路の前記第１の開口の前端に音響ホーンが接続されている第８の態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第１０態様によれば、前記音響導波路の高さ及び幅が、前記マイクロフォンで受波する超音波の波長の１／２以下である第１〜９のいずれか１つの態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第１１態様によれば、前記音響導波路の高さが、前記音響導波路の終端側に向かって減少するように前記音響導波路が前記ベースと前記光音響伝搬媒質部とにより構成されている第１〜１０のいずれか１つの態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第１２態様によれば、前記周囲の気体は空気である第１〜１１のいずれか１つの態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第１３態様によれば、前記光源と前記光検出手段は、レーザドプラ検出手段で兼用するように構成され、
前記音波が前記光音響伝搬媒質部の一面から前記光音響伝搬媒質部内に進入するときの前記音波の音波伝搬方向に対して直交する方向沿いに、前記レーザドプラ検出手段の光軸を配置するとともに、前記レーザドプラ検出手段の光軸沿いでかつ前記レーザドプラ検出手段と対向するように配置されたミラーをさらに備えて、前記レーザドプラ検出手段と前記ミラーとの間でかつ前記光音響伝搬媒質部内で光経路を構成するようにしている、第１〜６のいずれか１つの態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
【００４４】
以下、図面を参照しながら本発明による超音波送受波器の種々の実施形態を説明する。
【００４５】
（第１実施形態）
以下、図１Ａから図４を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。
図１Ａ及び図１Ｂは、本第１実施形態における光超音波マイクロフォン１の構成を示す斜視図及び一部断面正面図である。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、高さ方向をＺ方向とし、高さ方向と互いに直交する２方向をＸＹ方向としたＸＹＺ方向を設定する。光超音波マイクロフォン１はＹ方向沿いに配置され、光超音波マイクロフォン１の厚み方向がＸ方向となっている。
【００４６】
図１Ａ及び図１Ｂにおいて、光超音波マイクロフォン１は、気体（例えば空気）１４で満たされた光超音波マイクロフォン１の周囲の空間に対して音波（例えば超音波）の受波を行うマイクロフォンであって、前記周囲の空間から前記音波を取り込む開口部４と、前記開口部４より取り込んだ前記音波を伝達する音響導波路６とを有するとともに、前記音響導波路６の少なくとも一部を構成しかつ前記音響導波路６からの前記音波と光を伝搬させる光音響伝搬媒質より構成される光音響伝搬媒質部２を保持するベース３と、前記光音響伝搬媒質部２に対して前記光（例えばレーザ光１０）を照射する光源８と、前記光源８から前記光音響伝搬媒質部２内に照射されかつ前記光音響伝搬媒質部２を伝搬した前記光を検出し、前記音波による前記光の変調を検出する光検出手段８と、前記光検出手段８の検出結果から音圧換算用の出力信号を求める演算部９を具備し、前記光音響伝搬媒質部２の光音響伝搬媒質の密度ρｎ及び音速Ｃｎが、前記音響導波路６を満たす気体の密度ρａ及び音速Ｃａとの間において後述する式（６）［ただし、式（６）では、光音響伝搬媒質の密度ρｎ及び音速Ｃｎは、それぞれ、密度ρＮＦ及び音速ＣＮＦで表されている。］を満たすように構成している。本第１実施形態では、前記光源及び光検出手段の一例として、前記光源及び光検出手段の両方の機能を有する、レーザドプラ検出手段の一例であって、レーザ光に代表される光を利用して微細で高速な振動を計測するレーザドプラ振動計（以下、単に「ＬＤＶ」と呼ぶ。）を備えて、前記光源及び光検出手段の両方を兼用するとともに、演算部の一例としてＬＤＶ演算処理部９を備えている。前記光源及び光検出手段の一例として、レーザドプラ振動計（ＬＤＶ）で構成するとき、そのレーザ光１０の発光及び受光部分をＬＤＶヘッド８ａとして、レーザー光源や干渉計を持つ本体部８ｂから分離させ、ＬＤＶヘッド８ａのみを、シリカ乾燥ゲル２に対して二次元走査可能としている。
【００４７】
ＬＤＶヘッド８は、シリカ乾燥ゲル２の表面（厳密には、透明支持板７の表面）であるＺＹ平面に対して、ＺＹ方向にそれぞれ２次元的に移動して２次元走査して計測可能としている。ＬＤＶヘッド８を２次元走査させるために、図２に示すように、ＬＤＶヘッド移動装置８８を備えている。ＬＤＶヘッド移動装置８８は、例えば、ＸＹステージで構成することができる。
【００４８】
前記構成において、光音響伝搬媒質部２、ベース３、及び透明支持板７により、音響導波路６及び開口部４が構成されている。音響導波路６は、開口部４からＹ方向に音響導波路６の終端部に向かうにつれてＺ方向の寸法が徐々に小さくなるように設計されている。このとき、一例として、音響導波路６のＸ方向の寸法（幅寸法）は、開口部４から終端部まで一定の幅寸法としているが、一定の幅寸法に代えて、幅寸法が徐々に小さくなるようにしてもよい。
【００４９】
より具体的には、光音響伝搬媒質部２は、厚みが一定の四角形の平板状部材より構成しており、ベース３の凹部３ａ内に収納保持されるようにしている。
【００５０】
ベース３は大略板状部材より構成し、一方の面には、光音響伝搬媒質部２を収納可能でかつ深さが一定の凹部３ａを有している。この凹部３ａは、その平面形状を台形とすることにより、音響導波路６の一部（上面）を構成する、ベース３の凹部３ａの内面３ｂが、音響導波路６の一方の開口端部である開口部４からＹ方向（音響導波路６の長手方向）沿いに音響導波路６の終端部に向かうにつれて、光音響伝搬媒質部２の上面２ａに接近するように構成している。このように構成することにより、音響導波路６のＺ方向の寸法が、開口部４から音響導波路６の終端部に向かうにつれて徐々に小さくなるように構成している。音響導波路６は、図１Ａにおいて、その左右の側面は、ベース３の凹部３ａの底面３ｃと透明支持板７の内面とで構成され、音響導波路６の上面はベース３の凹部３ａの側面３ｂで構成され、音響導波路６の下面は光音響伝搬媒質部２の上面２ａで構成されるようにして、大略直方体形状の空間としている。また、ベース３の凹部３ａの底面３ｃは、レーザ光に代表される光を反射可能な鏡面としている。一例として、ベース３は、アルミニウム材、又は、凹部底面３ｃに反射膜を形成した樹脂材で構成することができる。ベース３の材料としては、通常の金属材料、又は、プラスチック材料で構成可能である。なお、光音響伝搬媒質部２あるいは音響導波路６からこれらの部材に進入する音波は、ほとんど無視できる程度のものである。これは、空気やナノ多孔体に比べて、これらの材料の音響インピーダンスが極めて大きいためのである。
【００５１】
透明支持板７は、透光性に優れた透明の薄い板状部材であって、少なくともベース３の凹部３ａの全面、好ましくは、ベース３の凹部３ａが形成されている面の全面を覆うことにより、ベース３の凹部３ａの内に収納する光音響伝搬媒質部２を支持するようにしている。また、透明支持板７は、光音響伝搬媒質部２を支持するのに加えて、レーザ光に代表される光を利用して、微細で高速な振動を計測するレーザドプラ振動計すなわちＬＤＶヘッド８から照射されるレーザ光１０が光音響伝搬媒質部２を透過するとともに、光音響伝搬媒質部２を透過したレーザ光１０がベース３の凹部３ａの底面（鏡面）３ｃで反射したのち、再び光音響伝搬媒質部２を透過してきた反射レーザー光１０の光経路の一部を構成するようにしている。透明支持板７は、通常のガラス材料、又は、アクリルなどの樹脂材料で十分な性能を得ることができる。なお、光音響伝搬媒質部２あるいは音響導波路６からこれらの部材に進入する音波、及び、透明支持板７を通過しての音波漏れは、ほとんど無視できる程度のものである。これは、空気やナノ多孔体に比べて、これらの材料の音響インピーダンスが極めて大きいためのである。
【００５２】
従って、ベース３の凹部３ａに光音響伝搬媒質部２を収納したのち、透明支持板７でベース３の凹部３ａ及び光音響伝搬媒質部２を覆うように固定する結果、開口部４のみが外部に開口し、ベース３の凹部３ａの他の部分は開口していないように構成している。
【００５３】
図１Ａ及び図１Ｂの構成において、光音響伝搬媒質部２の光音響伝搬媒質の材料の一例として、固体骨格部が疎水化されているシリカ乾燥ゲルを用いる。すなわち、光音響伝搬媒質は、無機酸化物又は有機高分子のナノ多孔体、例えば、シリカナノ多孔体より構成されている。取り扱いのしやすさ及び強度上の観点から、光音響伝搬媒質部２の厚さは少なくとも１ｍｍ以上とする。一例として、その大きさは２０ｍｍｘ２０ｍｍである。前記シリカ乾燥ゲルは、前記のように、製造プロセスを調整することにより、光音響伝搬媒質部２の光音響伝搬媒質の密度を１００ｋｇ／ｍ３以上とし、光音響伝搬媒質部２の内部での音速を３００ｍ／ｓ以下にすることができる。このようなシリカ乾燥ゲルは、周囲環境気体１４である空気との関係において、次の式（６）を満たす。
【００５４】
【数１０】
ここで、前記式（６）において、ρａ、Ｃａ、及びρＮＦ、ＣＮＦは、それぞれ、空気の密度と音速、ならびに、シリカ乾燥ゲルの密度と音速を示している。前記式（６）が成り立つ条件下において、空気とシリカ乾燥ゲルとの境界面では、反射係数が０となる屈折角が存在することが特許文献３に示されている。すなわち、これは、空気中から境界面に到達した音波のエネルギーは、損失なくシリカ乾燥ゲルに取り込まれる角度が存在することを意味する。
【００５５】
また、前記シリカ乾燥ゲルの固体骨格部は疎水化されており、その密度は５００ｋｇ／ｍ３以下である。この乾燥ゲルは、平均細孔直径が１００ｎｍ以下のナノ多孔体乾燥ゲル（ナノ多孔質乾燥ゲル）である。
【００５６】
なお、無機酸化物の乾燥ゲルの固体骨格部は、少なくとも酸化ケイ素（シリカ）又は酸化アルミニウム（アルミナ）を成分とすることが好ましい。また、有機高分子の乾燥ゲルの固体骨格部は、一般的な熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂により構成することができる。例えば、ポリウレタン、ポリウレア、フェノール硬化樹脂、ポリアクリルアミド、又は、ポリメタクリル酸メチルなどを用いることができる。
【００５７】
光音響伝搬媒質部２を、例えばシリカを主成分とするナノ多孔体乾燥ゲルから形成する場合、その密度ρ１が２００ｋｇ／ｍ３であれば、音速Ｃ１を１００ｍ／ｓから１８０ｍ／ｓ程度の範囲に設定することができる。周囲空間を満たす流体が空気である場合、空気の密度ρ２は１．２２ｋｇ／ｍ３、音速Ｃ２は３４０ｍ／ｓであるので、前記の光音響伝搬媒質部２を採用することにより、ρ２＜ρ１、及び、Ｃ１＜Ｃ２の関係を同時に満足させ、かつ、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）の関係を満足させることができる。
【００５８】
前記した構成によれば、空気中を伝搬してきた音波は、音波伝搬方向５に沿って開口部４に入射し、開口部４から音響導波路６内に入射する。音響導波路６を伝搬する音波は、その伝搬に伴って、光音響伝搬媒質部２の上面２ａから光音響伝搬媒質部２を構成するシリカ乾燥ゲルの中に進入し音波伝搬方向９４（図１Ｂ参照）に伝搬する。９３は音波伝搬の等位相面（波面）を模擬的に示している。一方、ＬＤＶヘッド８からシリカ乾燥ゲル２へ照射されたレーザ光１０はシリカ乾燥ゲル２の中を通過し、ベース３の凹部３ａの底面３ｃにより反射され、反射されたレーザ光１０は、再び、シリカ乾燥ゲル２の中を通過して、シリカ乾燥ゲル２から射出され、ＬＤＶヘッド８によって再び受光される。このとき、レーザ光１０がシリカ乾燥ゲル２中を通過する際に、前記進入した音波によりレーザ光１０が変調される。このレーザ光１０の変調は、シリカ乾燥ゲル２の中での音波の伝搬に伴うシリカ乾燥ゲル２の内部の密度変化及び屈折率変化に起因する。ＬＤＶヘッド８から照射されてシリカ乾燥ゲル２を通過しているレーザ光１０、又は、一旦シリカ乾燥ゲル２を通過したのちベース３の凹部３ａの底面３ｃにより反射されてシリカ乾燥ゲル２を通過しているレーザ光１０が、前記シリカ乾燥ゲル２に進入した音波により変調されるか否かにかかわらず、最終的にシリカ乾燥ゲル２から射出されて、ＬＤＶヘッド８によって再び受光され、ＬＤＶ演算処理部９によって光学的及び電気的に復調される。前記音波により変調されたレーザ光１０がＬＤＶ演算処理部９によって光学的及び電気的に復調されて、変調された信号として生成される。この変調された信号は、音圧換算用の出力信号の例としてのＬＤＶの計測速度信号（あるいは積分された変位信号）としてＬＤＶ演算処理部９から出力され、この出力信号から、ＬＤＶ演算処理部９に接続された音圧換算用演算部９０で、シリカ乾燥ゲル２の内部を伝搬する音波の音圧が換算できる。
【００５９】
ここで、シリカ乾燥ゲル２の内部でのレーザ光１０による音波計測点においては、音波は、ほぼ完全な進行波となっている。また、通常のＬＤＶヘッド程度のレーザ出力においては、レーザ光による音波の影響は無視できる。また、本第１実施形態にかかる光超音波マイクロフォン１は、従来のマイクロフォンや超音波センサのように振動板や圧電素子などの電気機械変換機構が無い構造であることから、これらの電気機械変換機構による音波反射現象が原因となる残響や不要共振などが無いため、前記光超音波マイクロフォン１では、極めて原音に忠実な音波の計測が可能である。さらに、前記光超音波マイクロフォン１においては、計測点以降の部分については、構造的な制約は無いため、計測点以降の光音響伝搬媒質部２の端部に音波吸収機構や音波散乱機構を構成し、光音響伝搬媒質部２内の不要な音波伝搬を抑制することができる。
【００６０】
図２は、本発明第１実施形態における前記光超音波マイクロフォンのＸ−Ｚ方向の断面図である。以下、図２を参照して、本発明の音圧計測の原理を説明する。図２において、音響導波路６には、図２の紙面の表側から裏側方向に音響平面波が伝搬しているとする。音響平面波は、その一部が光音響伝搬媒質部２であるシリカ乾燥ゲルに取り込まれ、音波伝搬方向２１（音波伝搬方向９４の下向き成分のみに対応）の方向に伝搬する。音波伝搬方向２１は、単純化するため、下向きに示しているが、実際には、空気とシリカ乾燥ゲル２の図２の紙面裏側に向かう成分も併せて持っている。
【００６１】
シリカ乾燥ゲル２内を伝搬する音波は、ここでは、パルス上の波束２２として濃淡で示してある。波束２２の黒い部分は音圧が０の部分で、白い部分は音圧のピーク（正負含む）を示している。波束２２の白い部分では、音圧によりシリカ乾燥ゲル２の体積Ｖの伸縮、すなわち体積変化ΔＶが生じている。これらの体積変化ΔＶにより、シリカ乾燥ゲル２の屈折率ｎがΔｎだけ変化する。これらの関係は、式（７）となる。
【００６２】
【数１１】
本発明の第１実施形態においては、前記したように、シリカ乾燥ゲル２の内部で音波は音響平面波として伝搬する。従って前記体積変化ΔＶは音波の進行方向の変位のみに限定されるため、式（８）が成立する。
【００６３】
【数１２】
ここで、ｌはシリカ乾燥ゲル２において音波に伴う音波伝搬方向の長さ、Δｌはシリカ乾燥ゲル２において音波に伴う音波伝搬方向の変位、Ｓは音波伝搬方向におけるシリカ乾燥ゲル２のひずみを示す。シリカ乾燥ゲル２の内部の音圧Ｐは、ひずみＳとシリカ乾燥ゲル２の弾性定数ＥＮＦにより式（９）で表現できる。
【００６４】
【数１３】
また、弾性定数ＥＮＦは、シリカ乾燥ゲル２の密度ρＮＦ、音速ＣＮＦより、以下の式（１０）により求められる。
【００６５】
【数１４】
式（６）から式（１０）によれば、シリカ乾燥ゲル２の内部の音圧Ｐは、シリカ乾燥ゲル２の密度ρＮＦ、音速ＣＮＦ、屈折率ｎ、屈折率変化Δｎ、ならびに音波とレーザ光１０が干渉する距離Ｌと、計測に使用するＬＤＶヘッド８の変位出力ΔＬあるいは、速度出力νによって、式（１１）となる。
【００６６】
【数１５】
従って、出力される速度出力νあるいは変位出力ΔＬを用いれば、音圧Ｐを計測することができる。
【００６７】
前記第１実施形態の１つの実施例において、シリカ乾燥ゲル２は密度１６０ｋｇ／ｍ３、音速９０ｍ／ｓとした。屈折率はｎ＝１．０７である。特許文献３に開示された理論より、空気からの入射角８９．５度で反射率は０となり、このときの屈折角は約１６度である。前記のように空気からの入射角は境界界面にほぼ平行であるので、音響導波路６に音響平面波を伝搬させた場合には、音響平面波の持つ音圧値と同じ音圧値の音響平面波が、シリカ乾燥ゲル２の内部に伝搬する。第１実施形態の音響導波路６は、開口部４から遠くなるに従い（開口部４から終端部に向かうにつれて）高さが徐々に低く（Ｚ方向の寸法が徐々に小さく）なっている。この効果により、シリカ乾燥ゲル２の内部に音響エネルギーが取り込まれても、音響導波路６の内部での音圧低下が無く、一様な音圧の音響平面波が、シリカ乾燥ゲル２内に伝搬する構造とした。
【００６８】
以下、原理評価系の関係から１００ｋＨｚ以下の音波で、原理実証した結果について述べる。計測音波として中心周波数４０ｋＨｚ、駆動信号１波長で広帯域ツィータから放射した場合の結果について示す。中心周波数４０ｋＨｚを考慮して、音響導波路６の幅と初期高さ（開口部４での高さ）は、共に４ｍｍとした。光音響伝搬媒質部２の一例であるシリカ乾燥ゲルの厚みも４ｍｍである。シリカ乾燥ゲル２を往復するレーザ光１０の計測には、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを使用したヘテロダイン方式のレーザドプラ振動計（ＬＤＶヘッド８）を、光源及び光検出手段の一例として用いた。音波による光の変調は、周波数変調である。ベース３にはアルミニウム材を用い、透明支持板７には厚み１ｍｍのアクリル板を使用した。Ｈｅ−Ｎｅレーザから照射されるレーザ光１０は、透明支持板７のアクリル板を通過した後にシリカ乾燥ゲル２に入射し、ベース３の凹部３ａの底面３ｃによって反射されて、光経路を逆に伝搬してＬＤＶヘッド８に戻る。従って、音波計測用の光経路は、シリカ乾燥ゲル２の厚み４ｍｍの２倍である８ｍｍである。
【００６９】
図３は、本発明の第１実施形態における光超音波マイクロフォン１のＬＤＶ出力波形（変位振幅計測波形）３１の一例を示している。図４のＹ＝８ｍｍ、Ｚ＝３ｍｍの位置における波形である。図３より、ツィータによる送波音圧が忠実に再現されており、極めて広帯域な音圧計測が可能であることが示された。すなわち、本発明の第１実施形態によれば、従来では困難であった高い周波領域でかつ広帯域な超音波の受波が可能となり、１００ｋＨｚ以上の実効的な帯域を持つ標準マイクロフォンが実現できることになる。
【００７０】
図４は、シリカ乾燥ゲル２の内部の音波伝搬を、ＬＤＶヘッド８で２次元走査して計測した伝搬時間の結果から、音波伝搬の等位相面（波面）４２の状況を示したものである。音波伝搬方向４１は設計値とほぼ一致しており、約１６度の屈折角でシリカ乾燥ゲル２を平面波として伝搬していることが観察でき、理論設計どおりの動作を確認した。
【００７１】
図３の波形３１からピーク変位は約２２ｎｍである。式（１１）から換算される音圧Ｐは約５４．５Ｐａ程度となり、入力換算音圧の３８Ｐａよりもやや高めであった。これらは、前記光超音波マイクロフォン１と音圧校正に用いた標準マイクロフォンの回折効果が原因である。前記計測されて換算される音圧と前記入力換算音圧とは、オーダー的には十分に一致しており、前記計測されて換算される音圧を適切に校正することにより、極めて正確な音圧測定が可能である。音圧１Ｐａあたりの屈折率の変化率は、約５．４ｘ１０−８であり、空中の屈折率変化（２．０ｘ１０−９）や水の屈折率変化（１．５ｘ１０−１０）と比較して１桁以上大きい。この大きな屈折率の変化率により、音波計測用の光経路長は８ｍｍという極めて短い光経路で音圧計測を可能としている。
【００７２】
なお、ここでは、シリカ乾燥ゲル２を光音響伝搬媒質部の一例として用いたが、原理的には、有機乾燥ゲルで式（６）を満たすものであれば使用することができる。その場合には、吸収の少ない波長帯のＬＤＶヘッド８を選択して使用する必要がある。また、透明支持板７としては、使用するレーザ光１０に対して吸収の少ないものであればよく、また、ベース３等の構造により、光音響伝搬媒質部２が十分に保持されていれば、透明支持板７は無くてもかまわない。
【００７３】
（第２実施形態）
図５Ａに、本発明の第２実施形態の光超音波マイクロフォン５１の斜視図を示す。以下、第１実施形態と同じ機能、形の構成要素については、同じ番号を用いる。
【００７４】
図５Ａにおいて、５１は光超音波マイクロフォン、５２は第１実施形態の光音響伝搬媒質部２と同じ機能を有しかつ光音響伝搬媒質の一例であるシリカ乾燥ゲルより構成される光音響伝搬媒質部、５３は第１実施形態のベース３と同じ機能を有するベース、７１は音響ホーン（収束部）の開口、５５は音波（例えば超音波）の音波伝搬方向、５６は第１実施形態の音響導波路６と同じ機能を有する音響導波路６０を形成するための音響導波部材、５７はシリカ乾燥ゲル５２における音波の収束点、５８は第１実施形態のレーザ光１０と同様なレーザ光を示す。
【００７５】
図５Ａに示す第２実施形態の光超音波マイクロフォン５１の特徴は、音響ホーン及びその開口７１を持つことと、シリカ乾燥ゲル５２、及び、音響導波路６０の形状が曲線形状になっていることである。図５Ａでは、理解しやすくするため、シリカ乾燥ゲル５２の表面側に位置するベース５３の一部を破断させて、シリカ乾燥ゲル５２を露出させるように図示しているが、実際には、シリカ乾燥ゲル５２の表面は、後述する計測用貫通穴５３ａを除き、ベース５３で全て覆われている。すなわち、シリカ乾燥ゲル５２の図５Ａの表面及び裏面及び左側面及び底面をベース５３で支持しかつ残りの右側面を音響導波部材５６で覆って音響導波路６０の一部として構成することにより、シリカ乾燥ゲル５６はベース５３及び音響導波部材５６で十分に保持されており、前記第１実施形態の透明支持板７に相当する透明支持体は持たないものである。レーザ光５８は、便宜上、空中の経路のみを記載している。ＬＤＶヘッド８及びＬＤＶ演算処理部９は第１実施形態と同様である。
【００７６】
本発明の第２実施形態にかかる光超音波マイクロフォン５１は、気体などの音響インピーダンスの極めて小さい環境流体１４から固体へ高い効率で音波を伝搬させ、固体に透過した音波を固体内部で収束させることによって音波のエネルギー密度を高めることができ、これにより、音波を高感度で受信することができるものである。
【００７７】
環境流体を伝搬する音波は、音響導波部材５６の先端に連結された音響ホーンである収束部７７の開口部７１から入射し、収束部７７によって音波の音圧が高められる。収束部７７で音圧が高められた音波は、収束部７７に連結された音響導波部材５６の音響導波路６０へ導かれる。音響導波路６０は、音波を所定の方向へ伝搬させる。光音響伝搬媒質部の一例であるシリカ乾燥ゲル５２は、音響導波部材５６に隣接して、音響導波路６０の一部を構成するように設けられており、音波が音響導波路６０内を伝搬するに従って、音響導波路６０に接した界面から少しずつ、音波が光音響伝搬媒質部５２へ透過する。このとき、界面において音波の伝搬方向が屈折する。
【００７８】
光音響伝搬媒質部５２へ透過する音波は、ＬＤＶヘッド８が設けられた位置である収束点５７へ収束するように伝搬媒質部５２内へ入射するため、ＬＤＶヘッド８は、光音響伝搬媒質部５２へ少しずつ透過しかつ収束点５７で収束した音波を、レーザ光５８を利用して第１実施形態と同様に検出する。ベース５３は伝搬媒質部５２を保持するために設けられている。ベース５３は実際には、光音響伝搬媒質部５２のＸ方向における手前側及び奥側にも設けられているが、図５Ａでは、光音響伝搬媒質部５２を示すために省略されている。
【００７９】
以下、各部の構造を詳細に説明する。
図５Ｂは、図５Ａに示す光超音波マイクロフォン５１の一部を、Ｘ方向における収束部７７及び音響導波部材５６の中央で、ＹＺ平面と平行な平面によって切断した断面図を示している。
【００８０】
収束部７７は、音響導波部材５６の開口（第１の開口）６３に接続される端部７２及び開口（第２の開口）７１を有する内空間７０を規定している音響ホーンである。開口７１は開口６３よりも大きい。開口７１から音波伝搬方向５５で入射した音波は、内空間７０によって伝搬方向が制御されるとともに、圧縮される。このために、内空間７０は、開口７１から音波の伝搬する伝搬方向ｇ７に沿って、伝搬方向ｇ７に垂直な断面積ａ７が徐々に小さくなるように構成されている。
【００８１】
より好ましくは、断面積ａ７が、開口７１から音響導波路６０の開口６３に向う伝搬方向ｇ７に対して指数関数的に減少するよう、内空間７０を規定する収束部７７の内側面が伝搬方向ｇ７に沿って曲面形状を有しているように構成する。収束部７７のＸ方向の幅寸法は一定でもよいし、幅寸法が徐々に小さくなっていてもよい。収束部７７のＸ方向の幅寸法が一定である場合には、Ｚ方向の幅寸法は伝搬方向ｇ７に対して指数関数的に減少するように構成するのが好ましい。また、収束部７７のＸ方向の幅寸法及びＺ方向の幅寸法を伝搬方向ｇ７に対して√ｅに比例して減少させることにより、断面積ａ７を指数関数的に減少させてもよい。このように断面積ａ７が指数関数的に減少することにより、収束部７７での音波の反射を最小に抑えて、位相の乱れなく音波を圧縮し、音圧を高めることができる。
【００８２】
収束部７７は、例えば、Ｙ方向に１００ｍｍの長さを有し、開口７１はＺ方向及びＸ方向にそれぞれ５０ｍｍの長さを有する正方形状である。また、端部７２は、Ｘ方向及びＺ方向に２ｍｍの長さを有する正方形状である。本第２実施形態では、Ｚ方向及びＸ方向の２方向に長さを変化させている。ホーン開口７１の位置をＹ方向の原点（０）とした場合、原点からのＹ方向の位置＝０ｍｍ／２０ｍｍ／４０ｍｍ／６０ｍｍ／８０ｍｍ／１００ｍｍのそれぞれの位置における内空間７０のＸ方向及びＺ方向の長さ（Ｘ方向の長さとＺ方向の長さとはそれぞれの位置で同一。）は、５０．０ｍｍ／２６．３ｍｍ／１３．８ｍｍ／７．２ｍｍ／３．８ｍｍ／２．０ｍｍである。
【００８３】
上述のサイズを備えた収束部７７によれば、収束部７７が無い場合に比べて、約１０ｄＢ程度の音波の音圧上昇の効果が得られる。また、音圧の時間変化となる音圧波形の形状は、開口７１と端部７２とでの測定結果において、ほとんど変化が見られず、環境流体（例えば空気）１４を伝搬する音波を乱すことなく、端部７２において音波エネルギーが圧縮されている。
【００８４】
収束部７７は、例えば、金属である肉厚５ｍｍのアルミニウム板を機械加工により所定の形状に加工することによって構成することができる。内空間７０を伝搬する音波がほとんど透過せず、形状の効果によって音波エネルギーの密度を高めることのできる材料であれば、アルミニウム以外の材料によって収束部７７を形成してもよい。例えば、樹脂やセラミックなどの材料を用いて収束部７７を構成してもよい。また、収束部７７はホーン型の外形を有していなくてもよく、内空間７０が上述したようなホーン形状を有していればよい。
【００８５】
音響導波部材５６は、音波を所定の方向へ伝搬させる音響導波路６０を規定している。本第２実施形態では、導波路６０は、図５Ｂに示すように、ＺＹ平面において伝搬方向ｇ６が曲がっており、ＺＹ平面における幅寸法も位置によって変化している。伝搬方向ｇ６はＺＹ平面に対して平行である。導波路６０のＸ方向の幅寸法も一定であり、例えば、２ｍｍである。しかしＸ方向の幅寸法も変化するように設計することも可能である。
【００８６】
音響導波路６０は、光音響伝搬媒質部５２と接し、光音響伝搬媒質部５２との界面により規定される透過面６１と、音響導波部材５６により規定される導波路外面６２とを含んでいる。また、導波路６０のＸ方向の手前側及び奥側も、音響導波部材５６により規定されている。
【００８７】
以下において詳細に説明するように、音波が導波路６０を伝搬するに従って音波の一部が透過面６１から光音響伝搬媒質部５２へ透過し、導波路６０を伝搬する音波のエネルギーが低下する。このため、エネルギーの低下を補うように音波を圧縮するために導波路６０の断面積を小さくする。具体的には、透過面６１と導波路外面６２とは、ＹＺ平面における伝搬方向ｇ６に垂直な幅が伝搬方向に対して単調減少するように構成されており、導波路６０は導波路終端６４において閉塞されている。これにより、導波路６０を伝搬する音波のエネルギー密度を一定に保ちながら音波を伝搬媒質部５２へ効率的に屈折透過させることができる。
【００８８】
前述したように、透過面６１は光音響伝搬媒質部５２によって規定され、透過面６１は光音響伝搬媒質部５２へ音波が透過する透過面となる。光音響伝搬媒質部５２は、環境流体１４よりも音波の伝搬速度が遅いという特徴を備え、伝搬媒質によって構成されている。つまり、伝搬媒質及び環境流体１４における音波の音速をＣｎ及びＣａとしたとき、以下の関係の式（１２）を満たしている。
【００８９】
【数１６】
【００９０】
このような伝搬媒質としては、無機酸化合物又は有機高分子の乾燥ゲルが挙げられる。無機酸化合物の乾燥ゲルとしては、シリカ乾燥ゲルを用いることが好ましい。シリカ乾燥ゲルは、例えば以下の方法により得られる。
【００９１】
まず、テトラエトキシシラン（以下、ＴＥＯＳと略す。）、エタノール及びアンモニア水を混合した溶液を作製し、これをゲル化させることによって湿潤ゲルを作製する。湿潤ゲルとは、乾燥ゲルの空孔部分に液体が満たされた状態のものを言う。この湿潤ゲルの液体部分を液化炭酸ガスで置換し、炭酸ガスを用いた超臨界乾燥法によって除去することによってシリカ乾燥ゲルが得られる。シリカ乾燥ゲルの密度は、ＴＥＯＳ、エタノール及びアンモニア水の混合比を変えることにより調整でき、音速は密度に応じて変化する。
【００９２】
シリカ乾燥ゲルは、酸化ケイ素の微細な多孔質構造からなる材料であり、骨格部分は疎水化されている。空孔及び骨格部分の大きさは数ｎｍ程度である。このような構造体の空孔部分に液体が含まれた状態から直接溶媒を乾燥させると、溶媒が揮発する際に毛管現象による大きな力が働き、骨格部分の構造が壊れやすい。この破損を防止するために表面張力の働かない超臨界乾燥法を用いることにより、シリカ骨格部分を壊さずに乾燥ゲル体を得ることができる。
【００９３】
以下において詳細に説明するように、光音響伝搬媒質部５２の伝搬媒質は、より好ましくは、伝搬媒質及び環境流体１４の密度をそれぞれρｎ及びρａとしたとき、以下の条件の式（１３）を満足している。
【００９４】
【数１７】
【００９５】
光音響伝搬媒質部５２の伝搬媒質は、より好ましくは、１００ｋｇ／ｍ３以上の密度ρｎ及び３００ｍ／ｓ以下の音速Ｃｎを有している。
【００９６】
本第２実施形態で用いる光音響伝搬媒質部５２を構成するシリカ乾燥ゲルの密度ρｎ及び音速Ｃｎは、それぞれ２００ｋｇ／ｍ３及び１５０ｍ／ｓである。これらの値は、特許文献１に示した屈折伝搬現象を満たす材料である。なお、空気の密度ρａ、音速Ｃａは室温付近で、それぞれ１．１２ｋｇ／ｍ３、３４０ｍ／ｓである。
【００９７】
また、光音響伝搬媒質部５２は、環境流体１４から取り込んだ音波を収束点５７まで伝搬させる役割を果たすため、内部損失が大きいと、収束点５７に到達する音波が弱まってしまう。このため、光音響伝搬媒質部５２は、内部損失が少ない材料が好ましい。シリカ乾燥ゲルは、上述の音速及び密度の条件を満たし、内部損失が小さい材料である。
【００９８】
このようなシリカ乾燥ゲルは密度が低いことから、機械的強度も低い。このため、取り扱いが困難である。本第２実施形態でも、光音響伝搬媒質部５２を支持するためにベース５３を設けている。
【００９９】
音響導波部材５６及びベース５３は、例えば、図５Ｃ及び図５Ｄに示す形状によって構成することができる。図５Ｃに示すように、アルミニウム部材を用いて、導波路外面６２を含む導波路６０を規定する音響導波部材５６を成形する。
【０１００】
一方、図５Ｄに示すように、光音響伝搬媒質部５２を保持するベース５３を用意する。ベース５３によって保持された光音響伝搬媒質部５２の露出した面は、透過面６１を規定する。例えば、多孔質セラミックスからなるベース５３をまず成形し、透過面６１を規定する面がフッ素系樹脂などから構成される型にベース５３をはめ込み、空間内に湿潤ゲルを導入する。その後、液体部分を液化炭酸ガスで置換し、乾燥させることにより、光音響伝搬媒質部５２とベース５３とが一体化した部材を得る。
【０１０１】
図５Ｄに示されるように光音響伝搬媒質部５２を保持したベース５３のＡ及びＢの両端部分と、図５Ｃに示す音響導波部材５６のＣ及びＤの両端部分をそれぞれ対応させて、エポキシ樹脂などの接着材などにより接合することによって、光音響伝搬媒質部５２によって透過面６１が規定された導波路６０を構成することができる。
【０１０２】
次に音響導波部材５６が規定する導波路６０及び光音響伝搬媒質部５２の幾何学的形状と音波の伝搬を詳細に説明する。
図５Ｅは、導波路６０の一部を拡大して示している。図５Ｅにおいて透過面６１、及び導波路外面６２を点線で示し、透過面６１の任意の点における接線の垂線を一点鎖線で示している。また、音波の伝搬方向を矢印５５ａで示している。
【０１０３】
図５Ｅに示すように、導波路６０内を進行する音波は、導波路６０の形状に従って進行方向を変化させながら導波路６０を満たしている環境流体１４中を伝搬していく。このうち、導波路６０と光音響伝搬媒質部５２との界面である透過面６１へ接触する音波の成分は、透過面６１の法線に対して角度θａで透過面６１に入射し、スネルの法則を満足するように、透過面６１の法線と一定の角度θｎをもって光音響伝搬媒質部５２へ屈折透過していく。
【０１０４】
光音響伝搬媒質部５２の内部における音波の伝搬方向の角度θｎは以下の式（１４）で示される。ここで、前記式（１２）の関係を満たすとき、式（１４）によって求められる角度θｎは正の値となり、光音響伝搬媒質部５２内に音波が屈折透過する。
【０１０５】
【数１８】
【０１０６】
ここで式（１４）において、ρａ、Ｃａは、それぞれ環境流体の密度及び音速であり、ρｎ、Ｃｎはそれぞれ、光音響伝搬媒質部５２の伝搬媒質の密度及び音速である。それぞれの値は上述したとおりである。
【０１０７】
一方、導波路６０と光音響伝搬媒質部５２との界面における反射率Ｒは、下記式（１５）で示される。
【０１０８】
【数１９】
【０１０９】
音響導波路６０から光音響伝搬媒質部５２へできるだけ高効率で音波を屈折透過させるためには、反射率Ｒは小さいほうが好ましい。Ｃｎ、Ｃａ、ρｎ、ρａが前記式（１３）を満たす場合、式（１５）の分子がゼロとなる角度θａ、θｎが必ず存在する。つまり、反射率Ｒがゼロとなる。
【０１１０】
本第２実施形態では、環境流体１４及び光音響伝搬媒質部５２は、上述した空気及びシリカ乾燥ゲルであり、ρａ、Ｃａ、ρｎ、Ｃｎは上述した値を有する。これらの値を式（１４）に代入すると、角度θｎは約２６度となる。このとき、角度θａが約８９度であれば、反射率Ｒはほぼゼロとなる。よって、本第２実施形態の条件においては、透過面６１の法線に対して、約８９度で透過面６１に音波が入射することによって、角度θｎが約２６度となる方向へ音波は高い透過効率で光音響伝搬媒質部５２の内部へと透過していく。
【０１１１】
反射率Ｒがほぼゼロとなる場合の屈折角度θｎは約２６度であり一定であるが、透過面６１を曲面にすることによって、透過面６１の異なる位置から光音響伝搬媒質部５２へ透過した音波を所定の点に向かって伝搬させ、音波を収束させることができる。また、透過面６１に沿って導波路６０を屈曲させることによって、音波が導波路６０を伝搬するに従って、音波の一部を常に一定の角度θａで透過面６１に入射させることができる。本第２実施形態では、このことを利用して、導波路６０を伝搬する音波を少しずつ光音響伝搬媒質部５２へ屈折透過させ、光音響伝搬媒質部５２内の一点に音波を収束させることによって、高い受波感度を実現する。
【０１１２】
また、式（１４）で示される屈折角度θｎや式（１５）で示される反射率Ｒは、音波の周波数に依存しないため、伝搬する音波の周波数に関わらず、音波を高い透過効率で光音響伝搬媒質部５２へ透過させることができる。従って、本第２実施形態の光超音波マイクロフォン５１は、広帯域の音波を高い感度で検出することが可能である。すなわち、本発明の第２実施形態によれば、従来では困難であった高い周波領域でかつ広帯域な超音波の受波が高い感度で可能となり、１００ｋＨｚ以上の実効的な帯域及び高い感度を持つ標準マイクロフォンが実現できることになる。
【０１１３】
なお、光学レンズの分野において、例えば、日本特許第２７３１３８９号は、光導波路の側面から放出される光を収束させる構造を開示している。しかし、一般に光導波路では、クラッド層と導波路との境界で光が反射を繰り返しながら伝搬するのに対し、本第２実施形態の導波路６０では音波は導波路６０の外面や側面で音波は反射しない。このため、光導波路６０では伝搬する光の位相が揃っていないのに対して、本第２実施形態では位相の揃った音波を伝播させることが重要である。このようなことから、光学分野におけるこうした技術は、本第２実施形態とは全く発想の異なる技術といえる。
【０１１４】
図６Ａは、導波路６０と光音響伝搬媒質部５２を拡大し、音波の伝搬経路を実線の矢印で示した図である。ここで、音波を収束させる収束点５７を光音響伝搬媒質部５２内に設定する。収束点５７には、第１実施形態で説明したように、ＬＤＶヘッド８を対向させて、レーザ光５８を利用してＬＤＶヘッド８及びＬＤＶ演算処理部９で音波を検出するようにしている。
【０１１５】
図６Ａにおいて、透過面６１の開口６３における点を始点Ｐ０とし、透過面６１の開口６３に近い方から順に点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・・、Ｐｎとする。また、点Ｐ０から点Ｐ１までの距離をＬａ１、点Ｐ１から点Ｐ２までの距離をＬａ２、・・・、点Ｐｎ−１から点Ｐｎまでの距離をＬａｎとする。さらに、点Ｐ１、Ｐ２、・・・・Ｐｎと収束点５７との距離を、それぞれＬｎ１、Ｌｎ２、・・・・、Ｌｎｎとする。
【０１１６】
開口６３から入射し、導波路６０内を伝搬し、さらに光音響伝搬媒質部５２へ屈折透過した音波が、収束点５７で集束するためには、以下の式（１６）を満たすことが必要である。
【０１１７】
【数２０】
【０１１８】
光音響伝搬媒質部５２内の収束点５７に音波が集束するということは、収束点５７において音波の位相が揃うということを意味している。すなわち、開口６３から、収束点５７までの音波の到達時間がどの経路を通った場合も同一であることを意味する。具体的には、式（１６）において、最も左の等号の左辺は、音波が環境流体１４中を距離Ｌａ１だけ伝搬し、光音響伝搬媒質部５２中を距離Ｌｎ１だけ伝搬することによって、収束点５７に到達するまでの時間を示している。また、最も左の等号の右辺は、音波が環境流体１４中を距離（Ｌａ１＋Ｌａ２）だけ伝搬し、光音響伝搬媒質部５２中を距離Ｌｎ２だけ伝搬することによって、収束点５７に到達するまでの時間を示している。同様の手順により、各点Ｐｋにおいて、導波路６０から光音響伝搬媒質部５２へ透過した音波が収束点５７に到達するまでの時間を、求めることができる。
【０１１９】
式（１６）を一般化し、導波路６０の開口６３から、透過面６１上の音波の伝搬方向に沿った任意の点Ｐｋまでの導波路の距離をＬａｋとし、点Ｐｋから、光音響伝搬媒質部５２中の、点Ｐｋとは異なる収束点Ｆ（５７）までの距離をＬｎｋとしたとき、式（１６）は、１からｎまでの任意のｋに対して、以下の式（１７）を満たす条件として表される。
【０１２０】
【数２１】
【０１２１】
式（１７）は、上述したように、透過面６１の任意の位置における開口６３から収束点５７までの所要時間が、どの点を取っても一定であることを示している。言い換えれば、前記式（１７）を満たすことにより、光音響伝搬媒質部５２内に取り込まれた音波は、音波収束点５７に収束することを意味している。図５Ａにおける構成において、光音響伝搬媒質部５２の音響導波路６０側の形状は、式（１７）を満たしている。
すなわち、前記したように、図６Ａはこの原理を説明する図であり、音響導波路開口６３を始点として、光音響伝搬媒質部５２の音響導波路６０の内側面６１の任意の点からシリカ乾燥ゲル５２内に進入した音波であっても、式（１７）を満たす音響導波路内側面６１であれば、音波収束点５７に収束する。これは、光音響伝搬媒質部５２内で、音波収束点５７を中心とした円筒形（部分円筒形）の波面を構成する形状になっているためである。
なお、厳密には、導波路６０を伝搬する音波の伝搬距離は、導波路６０の中央の経路を用いて算出するのが、より正確であると思われる。しかし、以下で説明するように導波路６０の幅寸法は、その長さに比べて十分小さい。このため、上述の近似で実用的には十分な精度を有している。
【０１２２】
次に、導波路６０を規定する透過面６１及び導波路外面６２の形状の設計を説明する。透過面６１及び導波路外面６２の形状は、次のようなステップで設計される。
【０１２３】
まず、導波路６０の開口６３の大きさから、音波を効率良く光音響伝搬媒質部５２に取り込める導波路６０の長さが決定される。導波路６０の長さより、透過面６１が音波を収束する形状として設計される。その後、決定した透過面６１の形状と導波路６０に必要な幅を考慮して、透過面６１の形状が設計される。
【０１２４】
導波路６０の開口６３の大きさは、受波する音波の波長の１／２以下であることが好ましい。導波路の幅が伝搬する音波の波長の１／２よりも大きい場合、導波路６０の内部で音波が反射し易くなり、音波の伝搬を乱し、正確な音波の測定が困難になるからである。
【０１２５】
本第２実施形態においては、一例として、周波数８０ｋＨｚまでの音波の受波を考慮しているため、周波数８０ｋＨｚの１／２波長である２．１ｍｍより小さい２．０ｍｍとし、開口６３は一辺が２．０ｍｍの正方形状を有している。収束部７７の端部７２は開口６３と等しいサイズに設計されている。
【０１２６】
導波路６０の長さは、導波路６０内を伝搬する音波のできるだけ大部分が、光音響伝搬媒質部５２に屈折透過していくような、十分な長さを備えていることが好ましい。図１２を参照して説明したように、屈折伝搬型音波の場合、長さＬ３の範囲を伝搬してきた音波が第２表面領域１１２を介して光音響伝搬媒質部１０３の内部へと透過していく。図１２の長さＬ３及び長さＬ５は、図６Ａに示す導波路６０のＹＺ平面における開口６３のＺ方向の長さ及び透過面６１のＹＺ平面における長さに対応している。透過面６１のＹＺ平面における長さ、つまり、導波路６０における音波の伝搬方向ｇ６の長さが十分でなければ、音波を十分に光音響伝搬媒質部５２へ透過させることができず、受波感度の低下や、取り込めなかった音波の反射の影響などにより、測定精度が低下するなどの悪影響が発生する。
【０１２７】
本第２実施形態においては、環境流体１４中における光音響伝搬媒質部５２の法線と、音波伝搬方向５５ａのなす角度であるθａ（図５Ｅ）が、約８９．３度であるため、長さＬ２と長さＬ１の比は、約Ｌ１／Ｌ２＝８８となる。このため、理想的には開口６３の約９０倍以上の長さを導波路６０が有していることが好ましい。本第２実施形態では、導波路６０の開口６３が２ｍｍであり、導波路６０の長さを開口６３の１００倍となる２００ｍｍに設定している。
【０１２８】
このように、開口６３及び導波路６０の長さが決定され、導波路６０の長さに基づいて透過面６１の形状が設計され、さらに導波路外面の形状が設計される。
【０１２９】
以上のように構成される第２実施形態の光超音波マイクロフォン５１の導波路６０を伝搬する音波が光音響伝搬媒質部５２へ透過し、収束点５７に収束する過程を計算実験により求めた結果を図６Ｂ〜図６Ｇに示す。図６Ｂ〜図６Ｇでは、音波の位置や位相を分かりやすく表示するため、光超音波マイクロフォン５１の導波路６０と光音響伝搬媒質部５２のみを示している。
【０１３０】
図６Ｂ〜図６Ｇは、音波が伝播する様子を、時間を追って示しており、図６Ｂが時間的に一番早く、図６Ｇが一番遅い状態を示している。図６Ｂ〜図６Ｇに示す導波路６０を規定する透過面６１及び導波路外面６２は、上述した手順によって、収束点５７に導波路６０を伝搬する音波が収束するように設計されている。導波路６０の開口６３は上方に位置し、閉塞した終端は下方に位置している。導波路６０内は環境流体１４、ここでは空気で満たされている。
【０１３１】
図６Ｈは、開口６３から入射させる音波の波形を示している。音波の中心周波数は約４０ｋＨｚであり、音波は、約５波長分の長さを有している。図６Ｂ〜図６Ｇにおいて、光音響伝搬媒質部５２の内部及び、導波路６０の内部の音波の音圧レベルが色の濃淡で示されている。色の濃い部分は大気圧を基準としてより高い音圧を示しており、色の薄い部分は大気圧より低い音圧を示している。同じ色、例えば黒と黒、あるいは白と白との間が４０ｋＨｚ、つまり、音波の１波長に相当する。図６Ｂ〜図６Ｇにおいては、導波路６０が非常に狭いため確認が困難であるが、導波路６０の内部においては、空気の音速が３４０ｍ／ｓであることから、同じ色の間の距離、すなわち、１波長の距離は約８．５ｍｍとなる。一方、光音響伝搬媒質部５２の内部においては、光音響伝搬媒質部５２を構成する乾燥ゲルの音速が１５０ｍ／ｓであることから、同色の間の距離、すなわち、１波長の距離は約３．７５ｍｍとなる。
【０１３２】
図６Ｂは、開口６３より音波の３波長分が導波路６０に伝搬し、ちょうど４波目の振幅の山が開口６３より導波路６０の内部へと伝搬した瞬間を示している。音波の導波路６０の内部に伝搬した部分は、導波路６０と接している透過面６１から光音響伝搬媒質部５２へ伝搬している。光音響伝搬媒質部５２の内部に濃淡で示されている部分は透過面６１から光音響伝搬媒質部５２に屈折透過した音波の成分である。
【０１３３】
図６Ｃは、図６Ｂに示す状態から時間的に少し進んだ状態を示しており、導波路６０の内部では、音波が導波路６０の形状に沿って伝搬している。また、導波路６０の内部を伝搬する音波が、徐々に光音響伝搬媒質部５２に屈折透過し、光音響伝搬媒質部５２内部を伝搬していく状態を示している。図６Ｂ及び図６Ｃに示されるように、黒と白の濃淡で示される音波は、導波路６０内のほうが、光音響伝搬媒質部５２内に比べて、開口６３からより長い距離を伝搬している。これは、導波路６０内の環境流体１４である空気の音速のほうが、伝搬媒質である乾燥ゲルの音速に比べて速いことを示している。
【０１３４】
図６Ｄも同様に、音波の一部が導波路６０を伝播するにつれて、光音響伝搬媒質部５２に屈折透過し、光音響伝搬媒質部５２内部を伝搬していく様子を示している。屈折透過のため、透過面６１において黒と白の濃淡で示されるパターンは折り曲がっているが、光音響伝搬媒質部５２内においては、黒と白の濃淡で示されるパターンは、きれいな曲線を描きつつある。これは、光音響伝搬媒質部５２内を伝搬する音波の位相が揃っていることを示している。
【０１３５】
図６Ｅは、導波路６０のほぼ終端近傍を伝搬する音波と、光音響伝搬媒質部５２の内部で収束点５７に向けて徐々に収束しつつある音波の様子を示している。
【０１３６】
図６Ｆは、さらに音波の伝搬が進行し、導波路６０の内部を伝搬する音波が導波路終端に達し、全て光音響伝搬媒質部５２の内部に屈折透過し、光音響伝搬媒質部５２の内部を伝搬する音波は、さらに収束点５７に向かって収束しつつある様子を示している。
【０１３７】
図６Ｇは、光音響伝搬媒質部５２の内部を伝搬した音波の最初の波面が、収束点５７に到達している。図６Ｇに示されるように、黒の濃淡がより濃くなっている、これは、収束点５７において、音波が収束し、音圧が高められていることを示している。
【０１３８】
図６Ｂ〜図６Ｇでは具体的な数値は示していないが、実験結果から、導波路６０の内部における大気圧からの音波による音圧の変化が約４Ｐａである場合、収束点５７付近における大気圧からの音圧の変化は約３４Ｐａであることが分った。これは、音波の音圧が８倍以上に高められたことを示しており、本第２実施形態によれば、高い感度で環境流体中の音波を観測することができることが明らかとなった。
【０１３９】
このように本第２実施形態によれば、音波を屈折させて環境流体１４から光音響伝搬媒質部５２に透過させることによって、音響インピーダンスの異なる界面での音波の反射を抑制し、高い効率で音波を光音響伝搬媒質部５２に透過させることができる。また、環境流体１４で満たされた導波路６０の一面を構成するように光音響伝搬媒質部５２を配置し、導波路６０を伝搬するに従って、音波の一部が光音響伝搬媒質部５２へ透過し、かつ所定の収束点５７に収束するように、導波路６０と接している面の形状を設計することにより、少しずつ光音響伝搬媒質部５２へ透過した音波の位相を一致させて収束点５７に収束させることができる。従って、導波路６０の開口６３から入射した音波の大部分を利用して音波を収束させることができ、受波した音波の音圧を高めることができる。これにより、高い感度で音波を検出することができる。
【０１４０】
なお、本第２実施形態の光超音波マイクロフォン５１では、導波路６０の終端は閉塞している。しかし、導波路６０は、その終端を開放してもよい。図６Ｉに示す第２実施形態の変形例にかかる光超音波マイクロフォン５１Ａでは、導波路６０の終端部６４Ａが開放されている。導波路６０を伝搬する音波のエネルギーが比較的高く、全てのエネルギーを取り込む必要が無い場合は、導波路６０を伝搬する音波のうち光音響伝搬媒質部５２へ透過しなかった部分が終端で反射して悪影響を与えないように、導波路６０から除去することが好ましい。音波受波器１０３によれば、導波路６０の終端６４が開放されているため、光音響伝搬媒質部５２へ透過しなかった音波を除去することができる。これにより、受波した音波が乱れることなく、目的の音波を正確に検出を行うことができる。この場合導波路６０の長さは上述したように開口との関係で定められる好ましい長さよりも短くてもよい。
【０１４１】
図７は、前記光超音波マイクロフォン５１において、シリカ乾燥ゲル５２の内部の音波伝搬を、ＬＤＶヘッド８で２次元走査して計測した伝搬時間の結果から、音波伝搬の等位相面（波面）７２の状況を示したものである。ここでは、光音響伝搬媒質部５２の一例として、密度２７０ｋｇ／ｍ３、音速１４５ｍ／ｓのシリカ乾燥ゲルを使用した。この場合の各点における入射角は８９．５度で、屈折角は２６度となる。この音速値を基に曲面を設計した。音波伝搬方向７１、等位相面７２はシリカ乾燥ゲル５２を円筒波として音波収束点５７に向かって伝搬していることが観察でき、理論設計どおりの動作を確認した。
【０１４２】
図８は、音波収束点５７の付近における光超音波マイクロフォン５１のＬＤＶ出力波形（振幅計測波形）８１の一例を示す図である。第１実施形態と同様に、計測音波として中心周波数４０ｋＨｚ、駆動信号１波長で広帯域ツィータから放射した場合の結果である。中心周波数４０ｋＨｚを考慮して、音響導波路６０の幅と初期高さ（開口部５４での高さ）は共に４ｍｍとした。光音響伝搬媒質部５２の光音響伝搬媒質の一例であるシリカ乾燥ゲルの厚みも４ｍｍである。光音響伝搬媒質部５２を往復するレーザ光５８の計測には、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを使用したヘテロダイン方式のレーザドプラ振動計（ＬＤＶヘッド８）を、光源及び光検出手段の一例として用いた。音波による光の変調は、周波数変調である。ベース３にはアルミニウム材を用いている。Ｈｅ−Ｎｅレーザから照射されるレーザ光５８は、シリカ乾燥ゲル５２の表面側に位置するベース５３の計測用貫通穴（収束点５７に形成された貫通穴）５３ａを介してシリカ乾燥ゲル５２に入射し、シリカ乾燥ゲル５２を厚み方向に貫通したのち、光経路を逆に伝搬し、シリカ乾燥ゲル５２の裏面側のベース５３の内面で反射したのち、再び、シリカ乾燥ゲル５２を厚み方向に貫通し、シリカ乾燥ゲル５２の表面側に位置する前記ベース５３の貫通穴５３ａから出射して、ＬＤＶヘッド８に戻る。従って、音波計測用の光経路は、シリカ乾燥ゲル５２の厚み４ｍｍの２倍である８ｍｍである。
【０１４３】
図８の結果より、第１実施形態と同様に極めて広帯域な受波特性を有していることがわかる。図８の波形８１からピーク変位は約５ｎｍである。式（１１）から換算される音圧Ｐは約５４．２Ｐａ程度である。音響ホーン終端での入力換算音圧は２５Ｐａ程度で２倍程度の収束効果が確認できた。この場合も、前記計測されて換算される音圧と前記入力換算音圧とは、オーダー的には十分に一致しており、前記計測されて換算される音圧を適切に校正することにより、極めて正確な音圧測定が可能である。
【０１４４】
第２実施形態においては、シリカ乾燥ゲル５２の内部で音波を収束させることにより、より高い感度で広帯域受波が可能となる。
【０１４５】
（第３実施形態）
図９は、本発明の第３実施形態の光超音波マイクロフォン９１のＹＺ断面図を示したものである。図９に示す構成において、図１Ａ及び図１Ｂに示す第１実施形態との違いは、ＬＤＶヘッド８及び光音響伝搬媒質部２の一例としてのシリカ乾燥ゲルの相対的な位置関係が異なることと、ミラー９２が存在することである。９４はシリカ乾燥ゲル２における音波の音波伝搬方向、９３は音波伝搬の等位相面（波面）を模擬的に示している。
【０１４６】
すなわち、ＬＤＶヘッド８は、その光軸が、光音響伝搬媒質部２の厚み方向ではなく、厚み方向と直交する方向沿いとなるように、かつ、ミラー９２と対向するように配置されている。好ましくは、図９に示すように、ＬＤＶヘッド８の光軸が、矩形の光音響伝搬媒質部２の音響導波路６の一部を形成する上面２ａに対して傾斜して配置されている。より詳しくは、音波がこの上面２ａから光音響伝搬媒質部２内に進入するときの音波の音波伝搬方向９４に対して直交する方向沿いに、ＬＤＶヘッド８とミラー９２との間で形成される光経路が配置されるようにしている。ＬＤＶヘッド８から出射されたレーザ光１０は、光音響伝搬媒質部２内入り、光音響伝搬媒質部２内を音波伝搬の等位相面（波面）９３沿いに進み、ＬＤＶヘッド８と対向して配置されたミラー９２で反射され、再び、同じ光経路を進み、光音響伝搬媒質部２内を音波伝搬の等位相面（波面）９３沿いに進み、光音響伝搬媒質部２内から出て、ＬＤＶヘッド８で受波される。ＬＤＶヘッド８は、走査する必要が無く、固定配置されている。
【０１４７】
第１実施形態における図４に示したように、シリカ乾燥ゲル２内の音波伝搬は平面波状で、直線的な波面４２が良好に形成される。第３実施形態ではこの現象を利用したものであって、波面９３に平行にレーザ光１０を長距離伝搬させる。光は、音波に比較して圧倒的に高速で伝搬するので、時間的な遅れ無しに、光経路長を延長することによって感度を向上させることが可能となる。従って、第３実施形態によれば、一例として、第１実施形態において８ｍｍであった光経路長を４５ｍｍ程度まで延長することが可能で、音波と光が重なり相互作用が起こる実効経路長を考慮しても、５倍程度の感度向上が可能となる。
【０１４８】
図１０は、本発明の第３実施形態の変形例にかかる光超音波マイクロフォン９５を示した、一部透視した状態の斜視図である。図１０に示す構成において、図９に示す第３実施形態との違いは、ＬＤＶヘッド８及びミラー９２とシリカ乾燥ゲル２の相対的な位置関係と、光反射面９８、及び光透過窓９６、９７が設けられていることである。
【０１４９】
図１０の光超音波マイクロフォン９５においては、透明支持板７とシリカ乾燥ゲルの光音響伝搬媒質部２との境界面において光反射面９８が形成されている。光反射面９８は、透明支持板７の一面に、アルミニウムなどの金属を蒸着することで容易に形成できる。レーザ光１０は、透明支持板７の一部に設けた光透過窓９６及び９７によってなされる。なお、図１０では、本第３実施形態の動作を説明するため、便宜的に、光反射面９８より背面の構造を透視図で表現している。光透過窓９６、９７は、透明支持板７に金属を蒸着する際に、密着マスクなどを用いて作成することができる。光透過窓９６、９７は、音波伝搬の等位相面９３に沿った方向に配置する。ＬＤＶヘッド８及びミラー９２はそれぞれ光透過窓９６、及び９８に配置され、図示していない保持機構によって所定の入射角、反射角を保持している。
【０１５０】
よって、前記構成によれば、ＬＤＶヘッド８から出射したレーザ光１０は、光透過窓９６を通過して、シリカナノ多孔体の光音響伝搬媒質部２に入射し、シリカナノ多孔体の光音響伝搬媒質部２のベース３との境界面（ベース３の凹部底面３ｃ）及び光反射面９８により所定の角度で反射されながら、等位相面９３内を伝搬する。例えば、光透過窓９６から光音響伝搬媒質部２に入射したレーザ光１０は、光音響伝搬媒質部２を透過したのち、ベース３の凹部底面３ｃで反射し、再び、光音響伝搬媒質部２を透過したのち、光反射面９８で反射する。光反射面９８で反射した、レーザ光１０は、光音響伝搬媒質部２を透過したのち、ベース３の凹部底面３ｃで反射し、再び、光音響伝搬媒質部２を透過したのち、光反射面９８で反射する。これを繰り返すことによって、等位相面９３に沿って光音響伝搬媒質部２内をレーザ光１０が伝搬したのち、光透過窓９７に到達したレーザ光１０は、光透過窓９７を透過してミラー９２により、入射方向へ反射されて、逆方向に伝搬し、光透過窓９６を通過して、ＬＤＶヘッド８に到達する。レーザ光１０の伝搬速度は、シリカナノ多孔体２内の音速より約６桁だけ高速であるので、等位相面９４の伝搬方向９４での移動は無視できる。光透過窓９６，９７の間隔をＤ、シリカナノ多孔体２内でのレーザ光１０の反射角をθ、シリカナノ多孔体２の厚みをｔとしたとき、式（１８）の関係が成立する。ここで、Ｎは繰り返し回数で、ＬはＬＤＶヘッド８からミラー９２までの片道の光路長である。
【０１５１】
【数２２】
前記式（１８）の関係から、例えば、光透過窓９６，９７の間隔Ｄを２２ｍｍ、反射角θを５度、シリカナノ多孔体２の厚みｔを４ｍｍとすると、ＬＤＶヘッド８からミラー９２までの片道の往復繰り返し回数Ｎは３１回になる。このときの片道の光路長Ｌ約２４９ｍｍであるので、全体としての光路長は約５００ｍｍとなり、第１実施形態と比較して約６０倍の光路長を実現でき、飛躍的な感度向上が可能である。
【０１５２】
第３実施形態においては、第１実施形態の作用効果に加えて、シリカ乾燥ゲルを伝搬する音波の等位相面の空間的な広がりを利用することによって光路長の拡大を図り、屈折率変化計測の感度を大幅に向上させることができる。
【０１５３】
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５４】
本発明の光超音波マイクロフォンによれば、従来では困難であった高い周波領域でかつ広帯域な超音波の受波が可能となり、１００ｋＨｚ以上の実効的な帯域を持つ標準マイクロフォンが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１５５】
【図１Ａ】本発明第１実施形態における光超音波マイクロフォンの斜視図
【図１Ｂ】本発明第１実施形態における光超音波マイクロフォンの一部断面正面図
【図２】本発明第１実施形態における光超音波マイクロフォンのＸ−Ｚ断面図
【図３】本発明第１実施形態における光超音波マイクロフォンのＬＤＶ出力波形の一例を示す図
【図４】本発明第１実施形態における光超音波マイクロフォンの光音響伝搬媒質部の音波伝搬の等位相面の計測結果を示す図
【図５Ａ】本発明第２実施形態における光超音波マイクロフォンの斜視図
【図５Ｂ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンの断面図である。
【図５Ｃ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンのベースの一部を示す斜視図
【図５Ｄ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンの音響導波部材の一部を示す斜視図
【図５Ｅ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンにおける音波の伝搬・屈折を説明する図
【図６Ａ】本発明第２実施形態における光超音波マイクロフォンの音波収束を説明する図
【図６Ｂ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンにおける音波の伝搬の様子を具体的に示す計算実験結果を示す図
【図６Ｃ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンにおける音波の伝搬の様子を具体的に示す計算実験結果を示す図
【図６Ｄ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンにおける音波の伝搬の様子を具体的に示す計算実験結果を示す図
【図６Ｅ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンにおける音波の伝搬の様子を具体的に示す計算実験結果を示す図
【図６Ｆ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンにおける音波の伝搬の様子を具体的に示す計算実験結果を示す図
【図６Ｇ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンにおける音波の伝搬の様子を具体的に示す計算実験結果を示す図
【図６Ｈ】図６Ｂ〜図６Ｇに示す実験に用いた音波の波形を示す図
【図６Ｉ】本発明による第２実施形態の変形例を示す断面図
【図７】本発明第２実施形態における光超音波マイクロフォンの光音響伝搬媒質部の音波伝搬の等位相面の計測結果を示す図
【図８】本発明第２実施形態における光超音波マイクロフォンのＬＤＶ出力波形の一例を示す図
【図９】本発明第３実施形態における光超音波マイクロフォンのＹＺ断面図
【図１０】本発明第３実施形態の変形例における光超音波マイクロフォンの一部透視した状態の斜視図
【図１１】特許文献２における従来の超音波送受波器の断面図
【図１２】特許文献３における従来の光マイクロフォンの構成図
【符号の説明】
【０１５６】
１、５１、９１、９５ 光超音波マイクロフォン
２、５２ 光音響伝搬媒質部（乾燥ゲルで構成）
３、５３ ベース部
３ａ ベース部の凹部
３ｂ ベース部の凹部の側面
３ｃ ベース部の凹部の底面
４、５４ 開口部
５、２１、４１、５５、７１、９４，１０５ 音波伝搬方向
６、６０ 音響導波路
７ 透明支持板
８ ＬＤＶヘッド
９ ＬＤＶ演算処理部
１０、５８ レーザ光
１４ 空気
２２ 音波（波束）
３１、８１ 振幅計測波形
４２、７２、９３ 等位相面
５６ 音響導波部材
５７ 音波収束点
６１ 導波路内面
６２ 導波路外面
６３ 導波路開口
６４ 導波路終端
８８ ＬＤＶヘッド移動装置
９２ ミラー
９６，９７ 光透過窓
９８ 光反射面
１０１ 超音波送受波器
１０２ 超音波振動子
１０３ 伝搬媒質
１０４ 環境流体
１１１ 第一表面領域
１１２ 第二表面領域
１２１ ＬＤＶ
１２２、１２３ 反射鏡
１２４ キュービックミラー
１２５ レーザ光経路
１２６ 音場
１２７ 演算部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を利用したマイクロフォン、特に空気などの気体を伝搬する超音波を受波し、受波した超音波を、光を利用して、電気信号に変換する光超音波マイクロフォンに関する。
【背景技術】
【０００２】
音波を収集して電気信号に変換するデバイスとしては、可聴帯域ではダイナミックマイクロフォンや、コンデンサマイクロフォンが広く利用され、超音波領域では圧電センサが広く利用されている。これらのデバイスは、音波が空気の微細な振動であることを利用して、音波を振動板に入射させて、音によって振動板に励起される微細な振動を導電的、静電的、あるいは圧電的に電気信号に変換している。
【０００３】
一方で、レーザ光に代表される光を利用して、微細で高速な振動を計測するレーザドプラ振動計（以下、単に「ＬＤＶ」と呼ぶ。）などの光学システムが広く利用されており、このような装置を利用した音波の収集が試みられている。
【０００４】
特許文献１に記載の音圧変換装置では、通常のマイクロフォンにみられる振動板と光三角法による光計測を応用した光マイクロフォンが開示されている。
【０００５】
さらに特許文献２には、音場中にレーザ光を直接伝搬させて、音波によって空気中に生じる屈折率変化をＬＤＶにより直接捉えることにより、音圧を計測するレーザドプラマイクロフォンが開示されている。
【０００６】
以下、図１１を参照して、特許文献２におけるレーザドプラマイクロフォンの構造、動作について説明する。図１１において、１２１はＬＤＶ、１２２、１２３は一対の反射鏡、１２４はキュービックミラー、１２５はレーザ光経路、１２６は音場、１２７は演算部である。
【０００７】
図１１に示された構成において、一対の反射鏡１２２及び１２３は平行に配置され、ＬＤＶ１２１とキュービックミラー１２４は一方反射鏡１２３の上下両端に設けられている。ＬＤＶ１２１からは、反射鏡１２２に向かって適当な角度でレーザ光が照射される。照射されたレーザ光は、反射鏡１２２及び１２３において複数回の反射を伴いながらレーザ光経路１２５に沿って伝搬し、反射鏡１２３の終端に設けられたキュービックミラー１２４に達する。キュービックミラー１２４に入射したレーザ光は、キュービックミラー内部で数回反射した後、キュービックミラー１２４にレーザ光が入射してきた方向に向かってキュービックミラー１２４にから放出され、再び、一対の反射鏡１２２及び１２３によって複数回反射されながら、レーザ光経路１２５を逆方向に伝搬してＬＤＶ１２１に到達する。ＬＤＶ１２１に達したレーザ光は、ＬＤＶ１２１内部で光学的及び電気的な処理を受けるとともに、演算部１２７によって、振動速度成分が換算される。
【０００８】
図１１における構成においては、振動する部分が無いので通常は振動速度成分は０である。反射鏡１２２及び１２３が作る空間に音波が存在する場合には、音波により空気の密度に粗密が生じる。これらの密度の変化は空気中の屈折率の変化となり、レーザ光の伝搬速度を変化させるため、反射鏡１２２、１２３やキュービックミラー１２４に振動が発生したかのように、音圧に対応した速度成分が計測される。
【０００９】
また、本発明者は、特許文献３において、気体中において超音波の屈折を利用して高感度、広帯域に超音波を送受波しうる気体用超音波送受波器に関する発明を開示している。また、非特許文献１において、５００ｋＨｚの超高周波領域における送受信特性を報告している。
【００１０】
図１２に、特許文献３及び特許文献４に開示している発明の超音波送受波器の模式図を示す。
【００１１】
図１２に示すように、特許文献３の発明の超音波送受波器１０１は、少なくとも超音波振動子１０２と、超音波振動子１０２の前面に設けられ、環境流体１０４と超音波振動子１０２の間を埋める伝搬媒質部１０３を有している。１０５は超音波の進行方向を示している。このような形態の超音波送受波器を、特に、屈折伝搬型超音波送受波器（又は、斜め伝搬型超音波送受波器本体）と呼ぶこととする。
【００１２】
ここで、超音波振動子１０２と伝搬媒質部１０３の界面を第１表面領域１１１と定義し、伝搬媒質部１０３と環境流体１０４の界面を第２表面領域１１２として定義する。
【００１３】
特許文献３の屈折伝搬型超音波送受波器は、空気などの音響インピーダンスの極めて小さい媒質から、超音波を高い効率で伝搬媒質の伝搬媒質部内に取り込むことで高感度に超音波を送受波することを可能としたものである。
【００１４】
通常、気体と固体のように音響インピーダンスの大きく異なる媒質の界面では、殆どの超音波が反射し、高い感度で送波、あるいは受波することが出来ない。このように気体中で高効率の超音波の透過を実現するために、屈折伝搬型超音波送受波器１０１では、特殊な材料からなる伝搬媒質部１０３を利用して超音波送受波器１０１を構成している。伝搬媒質部１０３には、音速が環境流体１０４より遅く、密度が環境流体１０４より大きい特性が必要となり、特許文献３ではこのような材料として、シリカ骨格からなる乾燥ゲル材料を用いている。シリカ乾燥ゲルは、製造プロセスによって様々な音速と密度を持たせることが可能な材料であるが、一例として、密度２００ｋｇ／ｍ３、音速１５０ｍ／ｓのように、高効率で超音波を透過しうる伝搬媒質部１０３の条件を満足する値を取りうる材料である。
【００１５】
このような材料を伝搬媒質部１０３として用いて、図１２に示すように伝搬媒質部１０３の内部における第２表面領域１１２の法線と超音波伝搬方向のなす角度θ１と、環境流体１０４内における超音波伝搬方向とのなす角度θ２を適切にそれぞれ選択する事によって、第２表面領域１１２における超音波の反射をほぼ０にして、高い送受波感度を持つ超音波送受波器を実現することができる。また、第２表面領域１１２における透過効率には音波の周波数が無関係であるため、原理的に広帯域特性を実現し、様々な周波数を高い効率で測定することができる。
【００１６】
具体的には、超音波を送波する場合には、超音波振動子１０２が、図示していない駆動回路により電気信号を与えられて、超音波を発生する。ここで、図１２のようにＸＹＺ方向を設定する。超音波振動子１０２で発生した超音波は、第１表面領域１１１から第２表面領域１１２に向かって、伝搬媒質部１０３をＹ軸の正方向に伝搬していく。そして、第２表面領域１１２に達した超音波は、屈折の法則に従って伝搬方向を変えて、超音波伝搬経路１０５の方向（この場合には、矢印の反対方向）に向けて流体１０４へ伝搬していく。
【００１７】
超音波を受波する場合には、送波の場合と逆に、周囲空間の流体１０４を伝搬してきた超音波は第２表面領域１１２に到達すると屈折して伝搬媒質部１０３に透過し、Ｙ軸の負方向に向かって伝搬媒質部１０３の内部を伝搬して超音波振動子１０２に到達する。超音波振動子１０２に到達した超音波は超音波振動子１０２を変形させることで電極間に電位差を発生させて、図示していない受波回路により検出される。
【００１８】
斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１では、流体１０４が空気等の音響インピーダンス（材質の音速×材質の密度）の極めて小さい媒質の場合でも、流体１０４から伝搬媒質部１０３に超音波が高い効率で入射し、あるいは伝搬媒質部１０３から流体１０４へ高い効率で超音波を出射することができる。
【００１９】
斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１において、超音波の透過効率を高くするために、超音波の伝搬媒質部１０３での音速Ｃ１、超音波の流体１０４での音速Ｃ２、伝搬媒質部１０３の密度ρ１、流体１０４の密度ρ２は、以下の式（２）を満たすように設定されている。
【００２０】
【数１】
また、θ１はＣ１、Ｃ２、ρ１、ρ２を用いて以下の式（３）を満たすように設定されている。
【００２１】
【数２】
また、θ１とθ２の間には、以下の式（４）に示す関係がある。
【００２２】
【数３】
特許文献４に示すように、前記式（２）と式（３）と式（４）を満たしたときに、第２表面領域１１２における超音波の透過効率がほぼ１となる。それにより、高い効率で超音波を送波及び受波できる、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１としての斜め伝搬型超音波センサを提供することが可能になる。
【００２３】
【特許文献１】特開２００４−１２４２１号公報
【特許文献２】特開２００４−２７９２５９号公報
【特許文献３】ＷＯ２００４／０９８２３４号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００５／０１３９０１３号明細書
【非特許文献１】「ナノフォーム材料の音響特性と超音波センサへの応用（一般／アコースティックイメージング）（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｎａｎｏｆｏａｍ Ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｓｅｎｓｏｒｓ）」橋本 雅彦、永原 英知、杉ノ内 剛彦（ＨＡＳＨＩＭＯＴＯ Ｍａｓａｈｉｋｏ，ＮＡＧＡＨＡＲＡ Ｈｉｄｅｔｏｍｏ，ＳＵＧＩＮＯＵＣＨＩ Ｔａｋｅｈｉｋｏ）、社団法人 電子情報通信学会発行、電子情報通信学会技術研究報告、Ｖｏｌ．１０５，Ｎｏ．６１９、ＵＳ２００５−１２７（Ｐ．２９−３４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
特許文献１に開示された光マイクロフォンは、通常のマイクロフォンと同様に振動板の機械共振特性が周波数帯域に大きく影響する。すなわち振動板の機械共振周波数よりも低い周波数では比較的平坦な周波数特性を持つが、共振周波数以上では、急激に感度が低下するためマイクロフォンとしての上限が共振周波数付近までに限定される。このため、振動板を用いる現状のコンデンサマイクロフォンの高域特性は１００ｋＨｚ程度までに制限されており、それ以上の場合には圧電型が用いられる。従って、充分な感度を保持しながら１００ｋＨｚ以上まで帯域特性が伸びた振動板を持つマイクロフォンを構成することは極めて困難である。
【００２５】
また、特許文献２において開示されたレーザドプラマイクロフォンは振動板を持たないため、機械共振による高周波域の制限がない。また、使用しているＬＤＶの振動計測における高域限界は１ＭＨｚを容易に超える。ところが、空気の音圧に関する屈折率変化が小さいことから、充分な感度を確保するには極めて長い光経路が必要となる。特許文献２に開示された例では、充分なＳ／Ｎを得るためには１０ｍ以上の光経路長が必要である。従って、対応する測定領域の小型化が極めて困難である。従って、高周波領域では、測定領域内において音波干渉が容易に発生し、正確な音圧の測定が困難となる。この現象は、振動板タイプの場合の機械共振に相当し、「空洞共振」と呼ばれる。すなわち、測定範囲の寸法がマイクロフォンの高域限界を決定し、空気の音速は一般的な振動板の弾性波速度よりも遅いために、測定領域と振動板が同じ面積の場合、高域限界はレーザドプラマイクロフォンの方が低くなる。
【００２６】
従来の光マイクロフォンでは、光計測の帯域幅は充分広いものの、利用する機械共振や空洞共振によって高周波帯域が制限され、特に１００ｋＨｚ以上の超高周波領域で動作をさせることが困難であるという課題を有している。
【００２７】
また、特許文献３の超音波送受波器１０１においては、シリカ乾燥ゲルで構成された伝搬媒質部１０３への音波取り込みに周波数特性が無いため、広い周波数領域において音波が取り込こむことが可能であるが、取り込まれた音波を電気信号に変換するために、圧電セラミックなどの超音波振動子１０２が必要である。シリカ乾燥ゲル１０３と圧電セラミック１０２との音響インピーダンス値は２桁から３桁の違いがあり、シリカ乾燥ゲル１０３を伝搬して圧電セラミミック１０２に進入する音波は、シリカ乾燥ゲル１０３と圧電セラミック１０２の界面（第１表面領域１１１）において大部分が反射される。反射された音波は、シリカ乾燥ゲル１０３内を逆向きに伝搬して一部は空気へ放出されるが、残りはシリカ乾燥ゲル１０３内の境界（第２表面領域１１２）で反射を繰り返しながらシリカ乾燥ゲル１０３内を伝搬して残響となる。
【００２８】
この伝搬媒質部１０３と超音波振動子１０２の界面（第１表面領域１１１）における反射現象は、シリカ乾燥ゲルで構成された伝搬媒質部１０３内に、電気信号への変換のための素子として圧電セラミック１０２などの音響インピーダンスの異なる物質を配置した構成においては、本質的に避けられない。この反射に伴う残響は、後から到達する音波信号に重畳してＳ／Ｎを低下させる要因となり、また不要な共振現象など周波数特性を悪化させるという課題がある。
【００２９】
さらに、特許文献３の超音波送受波器１０１においては、受波感度が低いという課題も有している。以下、この課題の原因について説明する。
【００３０】
流体１０４を伝搬してきた超音波のエネルギー密度は、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１に受波されるときに低下する。これが受波感度が低い原因である。図１２を用いて、受波感度が低い原因を説明する。図１２においては、超音波伝搬経路１０５を実線の矢印で示している。前記したように、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１が高効率で超音波を受波するためには、式（２）と式（３）と式（４）を満たす必要がある。このとき、流体１０４を伝搬してくる超音波の経路は、第２表面領域１１２の法線とのなす角度がθ２を満たしている。
【００３１】
よって、図１２では、超音波は、流体１０４の長さ（Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）の範囲を斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１に向かって伝搬し、さらに超音波の伝搬経路と第２表面領域１１２の法線とのなす角度がθ２を満たしているとする。ここで、長さＬ２の範囲とは、超音波の進行方向１０５に平行な範囲であって、超音波が、第２表面領域１１２に全く到達しない範囲を意味する。長さＬ３の範囲とは、長さＬ２の範囲に隣接し、かつ、超音波の進行方向１０５に平行な範囲であって、超音波が、第２表面領域１１２に全て到達可能な範囲を意味する。長さＬ４の範囲とは、長さＬ３の範囲に隣接し、かつ、超音波の進行方向１０５に平行な範囲であって、超音波が、第２表面領域１１２に全て到達しない範囲を意味する。
【００３２】
図１２に示すように、流体１０４の長さ（Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）の範囲を伝搬してくる全ての超音波が、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１に受波されるわけではない。長さＬ３の範囲を伝搬してくる超音波は、第２表面領域１１２に到達して、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１に受波される。しかし、長さＬ２の範囲及び長さＬ４の範囲を伝搬してくる超音波は、第２表面領域１１２に到達することができず、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１に受波されない。
【００３３】
つまり、流体１０４を伝搬してきた超音波（長さＬ２＋Ｌ３＋Ｌ４の範囲を伝搬してくる超音波）のうちの一部の超音波（長さＬ３の範囲を伝搬してくる超音波）が、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１に受波される。
【００３４】
そして、流体１０４の長さＬ３の範囲を伝搬してきた超音波は第２表面領域１１２を透過し、長さＬ１の範囲の超音波振動子１０２に検出される。このとき、Ｌ３＜＜Ｌ１であるために、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１で受波される超音波は、第２表面領域１１２で拡散されて超音波振動子１０２に到達する。従って、超音波が斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１に受波されるときに、そのエネルギー密度が低下する。この超音波が有するエネルギー密度の低下により、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１の受波感度が低下する。
【００３５】
以上の理由により、斜め伝搬型超音波送受波器本体１０１の受波感度は低いものである。すなわち、第２表面領域１１２で受波することが可能な超音波の伝搬範囲の長さＬ３が超音波振動子１０２の長さＬ１より小さいため、斜め伝搬型超音波受波器本体１０１の受波感度は低いものとなっている。
【００３６】
本発明の目的は、前記の課題に鑑みなされたものであり、従来のマイクロフォンの高域限界を大きく越えた超音波領域まで音圧計測が可能で、かつ高感度な光超音波マイクロフォンを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、気体で満たされた周囲の空間に対して音波の受波を行うマイクロフォンであって、
前記周囲の空間から前記音波を取り込む開口部と、前記開口部より取り込んだ前記音波を伝達する音響導波路とを有するとともに、前記音響導波路の少なくとも一部を構成しかつ前記音響導波路からの前記音波と光を伝搬させる光音響伝搬媒質部を保持するベースと、
前記光音響伝搬媒質部に対して前記光を照射する光源と、
前記光源から前記光音響伝搬媒質部内に照射されかつ前記光音響伝搬媒質部を伝搬した前記光を検出し、前記音波による前記光の変調を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果から音圧換算用の出力信号を求める演算部を具備し、
前記光音響伝搬媒質部の光音響伝搬媒質の密度ρｎ及び音速Ｃｎが、前記音響導波路を満たす気体の密度ρａ及び音速Ｃａとの間において、以下の式を満たす光超音波マイクロフォンを提供する。
【００３８】
【数４】
本発明の第８態様によれば、第１の開口を有し、前記第１の開口から入射する音波を音波伝搬方向へ伝搬させる音響導波路を規定する音響導波部材と、
透過面を有し、前記透過面が前記音波の伝搬方向に沿って前記音響導波路の一面を構成するように前記音響導波路に設けられた光音響伝搬媒質部であって、前記音響導波路を伝搬するに従って前記音波の一部が前記透過面からそれぞれ前記伝搬媒質部へ透過し、収束点に収束するように前記透過面が構成され、前記音響導波路に対して配置されている伝搬媒質部と、
前記光音響伝搬媒質部の前記収束点に対して光を照射する光源と、
前記光源から前記光音響伝搬媒質部の前記収束点に照射されかつ前記光音響伝搬媒質部を伝搬した前記光を検出し、前記収束点に収束した前記音波による前記光の変調を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果から音圧換算用の出力信号を求める演算部を具備し、
前記光音響伝搬媒質部は前記透過面と前記収束点との間を満たしている伝搬媒質を含み、
前記音響導波路は環境流体で満たされており、前記光音響伝搬媒質部の光音響伝搬媒質の密度ρｎ及び音速Ｃｎが、前記音響導波路を満たす前記環境流体の密度ρａ及び音速Ｃａとの間において、
【数５】
の関係を満たし、
前記音響導波路の前記第１の開口から、前記透過面上の前記音波の伝搬方向に沿った任意の点Ｐｋまでの前記音響導波路の長さをＬａｋとし、前記任意の点Ｐｋから前記収束点までの長さをＬｎｋとしたとき、任意のｋに対して、
【数６】
の関係を満たしている光超音波マイクロフォンを提供する。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の光超音波マイクロフォンによれば、周囲空間の気体を伝搬してくる音波を開口部から音響導波路に取り込み、音響導波路内から光音響伝搬媒質部内を進行する音波を、光を用いて計測することにより、従来の振動板の機械共振などによる限界を大きく超える高周波領域まで測定可能であり、かつ従来の圧電セラミックなどの電気音響変換器による音波の反射の影響を回避して、より高感度で精密な音圧測定が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
本発明者は、前記のシリカ乾燥ゲルが光学的に透明に近い性質を有していることに着目し、光音響伝搬媒質部の光音響伝搬媒質例えばシリカ乾燥ゲルにおける音圧と屈折率の変化率が空気中における変化率に対して、１桁程度高いことを見出した。音圧による屈折率変化率は、通常固体、液体、気体の順番で大きくなり、通常のバルク材料には見られない極めて特異な性質である。
【００４１】
本発明の本質は、気体などの音響インピーダンスの極めて低い物体から固体へと高い効率で超音波を伝搬させることの出来る屈折伝搬型超受波器の界面現象の基本原理を利用するとともに、これらの条件を満たす固体材料が、音波によって極めて大きな屈折率変化を発生させるという現象を使って、極めて高周波領域まで帯域特性が伸びる光超音波マイクロフォンを構成した点にある。
【００４２】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００４３】
本発明の第１態様によれば、気体で満たされた周囲の空間に対して音波の受波を行うマイクロフォンであって、
前記周囲の空間から前記音波を取り込む開口部と、前記開口部より取り込んだ前記音波を伝達する音響導波路とを有するとともに、前記音響導波路の少なくとも一部を構成しかつ前記音響導波路からの前記音波と光を伝搬させる光音響伝搬媒質部を保持するベースと、
前記光音響伝搬媒質部に対して前記光を照射する光源と、
前記光源から前記光音響伝搬媒質部内に照射されかつ前記光音響伝搬媒質部を伝搬した前記光を検出し、前記音波による前記光の変調を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果から音圧換算用の出力信号を求める演算部を具備し、
前記光音響伝搬媒質部の光音響伝搬媒質の密度ρｎ及び音速Ｃｎが、前記音響導波路を満たす気体の密度ρａ及び音速Ｃａとの間において、以下の式を満たす光超音波マイクロフォンを提供する。
【数７】
本発明の第２態様によれば、前記光音響伝搬媒質部は、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから構成されている第１の態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第３態様によれば、前記乾燥ゲルは、密度１００ｋｇ／ｍ３以上、音速３００ｍ／ｓ以下の物性を有する第２の態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第４態様によれば、前記乾燥ゲルの固体骨格部は疎水化されている第２又は３の態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第５態様によれば、前記光源がレーザ光源である第１〜４のいずれか１つの態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第６態様によれば、前記光検出手段は、前記レーザ光源からのレーザ光の周波数の変調を検出する第５の態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第７態様によれば、前記光源と前記光検出手段は、レーザドプラ検出手段で兼用するように構成されている第６の態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第８態様によれば、第１の開口を有し、前記第１の開口から入射する音波を音波伝搬方向へ伝搬させる音響導波路を規定する音響導波部材と、
透過面を有し、前記透過面が前記音波の伝搬方向に沿って前記音響導波路の一面を構成するように前記音響導波路に設けられた光音響伝搬媒質部であって、前記音響導波路を伝搬するに従って前記音波の一部が前記透過面からそれぞれ前記光音響伝搬媒質部へ透過し、収束点に収束するように前記透過面が構成され、前記音響導波路に対して配置されている伝搬媒質部と、
前記光音響伝搬媒質部の前記収束点に対して光を照射する光源と、
前記光源から前記光音響伝搬媒質部の前記収束点に照射されかつ前記光音響伝搬媒質部を伝搬した前記光を検出し、前記収束点に収束した前記音波による前記光の変調を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果から音圧換算用の出力信号を求める演算部を具備し、
前記伝搬媒質部は前記透過面と前記収束点との間を満たしている伝搬媒質を含み、
前記音響導波路は環境流体で満たされており、前記光音響伝搬媒質部の光音響伝搬媒質の密度ρｎ及び音速Ｃｎが、前記音響導波路を満たす前記環境流体の密度ρａ及び音速Ｃａとの間において、
【数８】
の関係を満たし、
前記音響導波路の前記第１の開口から、前記透過面上の前記音波の伝搬方向に沿った任意の点Ｐｋまでの前記音響導波路の長さをＬａｋとし、前記任意の点Ｐｋから前記収束点までの長さをＬｎｋとしたとき、任意のｋに対して、
【数９】
の関係を満たしている光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第９態様によれば、前記音響導波路の前記第１の開口の前端に音響ホーンが接続されている第８の態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第１０態様によれば、前記音響導波路の高さ及び幅が、前記マイクロフォンで受波する超音波の波長の１／２以下である第１〜９のいずれか１つの態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第１１態様によれば、前記音響導波路の高さが、前記音響導波路の終端側に向かって減少するように前記音響導波路が前記ベースと前記光音響伝搬媒質部とにより構成されている第１〜１０のいずれか１つの態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第１２態様によれば、前記周囲の気体は空気である第１〜１１のいずれか１つの態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
本発明の第１３態様によれば、前記光源と前記光検出手段は、レーザドプラ検出手段で兼用するように構成され、
前記音波が前記光音響伝搬媒質部の一面から前記光音響伝搬媒質部内に進入するときの前記音波の音波伝搬方向に対して直交する方向沿いに、前記レーザドプラ検出手段の光軸を配置するとともに、前記レーザドプラ検出手段の光軸沿いでかつ前記レーザドプラ検出手段と対向するように配置されたミラーをさらに備えて、前記レーザドプラ検出手段と前記ミラーとの間でかつ前記光音響伝搬媒質部内で光経路を構成するようにしている、第１〜６のいずれか１つの態様に記載の光超音波マイクロフォンを提供する。
【００４４】
以下、図面を参照しながら本発明による超音波送受波器の種々の実施形態を説明する。
【００４５】
（第１実施形態）
以下、図１Ａから図４を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。
図１Ａ及び図１Ｂは、本第１実施形態における光超音波マイクロフォン１の構成を示す斜視図及び一部断面正面図である。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、高さ方向をＺ方向とし、高さ方向と互いに直交する２方向をＸＹ方向としたＸＹＺ方向を設定する。光超音波マイクロフォン１はＹ方向沿いに配置され、光超音波マイクロフォン１の厚み方向がＸ方向となっている。
【００４６】
図１Ａ及び図１Ｂにおいて、光超音波マイクロフォン１は、気体（例えば空気）１４で満たされた光超音波マイクロフォン１の周囲の空間に対して音波（例えば超音波）の受波を行うマイクロフォンであって、前記周囲の空間から前記音波を取り込む開口部４と、前記開口部４より取り込んだ前記音波を伝達する音響導波路６とを有するとともに、前記音響導波路６の少なくとも一部を構成しかつ前記音響導波路６からの前記音波と光を伝搬させる光音響伝搬媒質より構成される光音響伝搬媒質部２を保持するベース３と、前記光音響伝搬媒質部２に対して前記光（例えばレーザ光１０）を照射する光源８と、前記光源８から前記光音響伝搬媒質部２内に照射されかつ前記光音響伝搬媒質部２を伝搬した前記光を検出し、前記音波による前記光の変調を検出する光検出手段８と、前記光検出手段８の検出結果から音圧換算用の出力信号を求める演算部９を具備し、前記光音響伝搬媒質部２の光音響伝搬媒質の密度ρｎ及び音速Ｃｎが、前記音響導波路６を満たす気体の密度ρａ及び音速Ｃａとの間において後述する式（６）［ただし、式（６）では、光音響伝搬媒質の密度ρｎ及び音速Ｃｎは、それぞれ、密度ρＮＦ及び音速ＣＮＦで表されている。］を満たすように構成している。本第１実施形態では、前記光源及び光検出手段の一例として、前記光源及び光検出手段の両方の機能を有する、レーザドプラ検出手段の一例であって、レーザ光に代表される光を利用して微細で高速な振動を計測するレーザドプラ振動計（以下、単に「ＬＤＶ」と呼ぶ。）を備えて、前記光源及び光検出手段の両方を兼用するとともに、演算部の一例としてＬＤＶ演算処理部９を備えている。前記光源及び光検出手段の一例として、レーザドプラ振動計（ＬＤＶ）で構成するとき、そのレーザ光１０の発光及び受光部分をＬＤＶヘッド８ａとして、レーザー光源や干渉計を持つ本体部８ｂから分離させ、ＬＤＶヘッド８ａのみを、シリカ乾燥ゲル２に対して二次元走査可能としている。
【００４７】
ＬＤＶヘッド８は、シリカ乾燥ゲル２の表面（厳密には、透明支持板７の表面）であるＺＹ平面に対して、ＺＹ方向にそれぞれ２次元的に移動して２次元走査して計測可能としている。ＬＤＶヘッド８を２次元走査させるために、図２に示すように、ＬＤＶヘッド移動装置８８を備えている。ＬＤＶヘッド移動装置８８は、例えば、ＸＹステージで構成することができる。
【００４８】
前記構成において、光音響伝搬媒質部２、ベース３、及び透明支持板７により、音響導波路６及び開口部４が構成されている。音響導波路６は、開口部４からＹ方向に音響導波路６の終端部に向かうにつれてＺ方向の寸法が徐々に小さくなるように設計されている。このとき、一例として、音響導波路６のＸ方向の寸法（幅寸法）は、開口部４から終端部まで一定の幅寸法としているが、一定の幅寸法に代えて、幅寸法が徐々に小さくなるようにしてもよい。
【００４９】
より具体的には、光音響伝搬媒質部２は、厚みが一定の四角形の平板状部材より構成しており、ベース３の凹部３ａ内に収納保持されるようにしている。
【００５０】
ベース３は大略板状部材より構成し、一方の面には、光音響伝搬媒質部２を収納可能でかつ深さが一定の凹部３ａを有している。この凹部３ａは、その平面形状を台形とすることにより、音響導波路６の一部（上面）を構成する、ベース３の凹部３ａの内面３ｂが、音響導波路６の一方の開口端部である開口部４からＹ方向（音響導波路６の長手方向）沿いに音響導波路６の終端部に向かうにつれて、光音響伝搬媒質部２の上面２ａに接近するように構成している。このように構成することにより、音響導波路６のＺ方向の寸法が、開口部４から音響導波路６の終端部に向かうにつれて徐々に小さくなるように構成している。音響導波路６は、図１Ａにおいて、その左右の側面は、ベース３の凹部３ａの底面３ｃと透明支持板７の内面とで構成され、音響導波路６の上面はベース３の凹部３ａの側面３ｂで構成され、音響導波路６の下面は光音響伝搬媒質部２の上面２ａで構成されるようにして、大略直方体形状の空間としている。また、ベース３の凹部３ａの底面３ｃは、レーザ光に代表される光を反射可能な鏡面としている。一例として、ベース３は、アルミニウム材、又は、凹部底面３ｃに反射膜を形成した樹脂材で構成することができる。ベース３の材料としては、通常の金属材料、又は、プラスチック材料で構成可能である。なお、光音響伝搬媒質部２あるいは音響導波路６からこれらの部材に進入する音波は、ほとんど無視できる程度のものである。これは、空気やナノ多孔体に比べて、これらの材料の音響インピーダンスが極めて大きいためのである。
【００５１】
透明支持板７は、透光性に優れた透明の薄い板状部材であって、少なくともベース３の凹部３ａの全面、好ましくは、ベース３の凹部３ａが形成されている面の全面を覆うことにより、ベース３の凹部３ａの内に収納する光音響伝搬媒質部２を支持するようにしている。また、透明支持板７は、光音響伝搬媒質部２を支持するのに加えて、レーザ光に代表される光を利用して、微細で高速な振動を計測するレーザドプラ振動計すなわちＬＤＶヘッド８から照射されるレーザ光１０が光音響伝搬媒質部２を透過するとともに、光音響伝搬媒質部２を透過したレーザ光１０がベース３の凹部３ａの底面（鏡面）３ｃで反射したのち、再び光音響伝搬媒質部２を透過してきた反射レーザー光１０の光経路の一部を構成するようにしている。透明支持板７は、通常のガラス材料、又は、アクリルなどの樹脂材料で十分な性能を得ることができる。なお、光音響伝搬媒質部２あるいは音響導波路６からこれらの部材に進入する音波、及び、透明支持板７を通過しての音波漏れは、ほとんど無視できる程度のものである。これは、空気やナノ多孔体に比べて、これらの材料の音響インピーダンスが極めて大きいためのである。
【００５２】
従って、ベース３の凹部３ａに光音響伝搬媒質部２を収納したのち、透明支持板７でベース３の凹部３ａ及び光音響伝搬媒質部２を覆うように固定する結果、開口部４のみが外部に開口し、ベース３の凹部３ａの他の部分は開口していないように構成している。
【００５３】
図１Ａ及び図１Ｂの構成において、光音響伝搬媒質部２の光音響伝搬媒質の材料の一例として、固体骨格部が疎水化されているシリカ乾燥ゲルを用いる。すなわち、光音響伝搬媒質は、無機酸化物又は有機高分子のナノ多孔体、例えば、シリカナノ多孔体より構成されている。取り扱いのしやすさ及び強度上の観点から、光音響伝搬媒質部２の厚さは少なくとも１ｍｍ以上とする。一例として、その大きさは２０ｍｍｘ２０ｍｍである。前記シリカ乾燥ゲルは、前記のように、製造プロセスを調整することにより、光音響伝搬媒質部２の光音響伝搬媒質の密度を１００ｋｇ／ｍ３以上とし、光音響伝搬媒質部２の内部での音速を３００ｍ／ｓ以下にすることができる。このようなシリカ乾燥ゲルは、周囲環境気体１４である空気との関係において、次の式（６）を満たす。
【００５４】
【数１０】
ここで、前記式（６）において、ρａ、Ｃａ、及びρＮＦ、ＣＮＦは、それぞれ、空気の密度と音速、ならびに、シリカ乾燥ゲルの密度と音速を示している。前記式（６）が成り立つ条件下において、空気とシリカ乾燥ゲルとの境界面では、反射係数が０となる屈折角が存在することが特許文献３に示されている。すなわち、これは、空気中から境界面に到達した音波のエネルギーは、損失なくシリカ乾燥ゲルに取り込まれる角度が存在することを意味する。
【００５５】
また、前記シリカ乾燥ゲルの固体骨格部は疎水化されており、その密度は５００ｋｇ／ｍ３以下である。この乾燥ゲルは、平均細孔直径が１００ｎｍ以下のナノ多孔体乾燥ゲル（ナノ多孔質乾燥ゲル）である。
【００５６】
なお、無機酸化物の乾燥ゲルの固体骨格部は、少なくとも酸化ケイ素（シリカ）又は酸化アルミニウム（アルミナ）を成分とすることが好ましい。また、有機高分子の乾燥ゲルの固体骨格部は、一般的な熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂により構成することができる。例えば、ポリウレタン、ポリウレア、フェノール硬化樹脂、ポリアクリルアミド、又は、ポリメタクリル酸メチルなどを用いることができる。
【００５７】
光音響伝搬媒質部２を、例えばシリカを主成分とするナノ多孔体乾燥ゲルから形成する場合、その密度ρ１が２００ｋｇ／ｍ３であれば、音速Ｃ１を１００ｍ／ｓから１８０ｍ／ｓ程度の範囲に設定することができる。周囲空間を満たす流体が空気である場合、空気の密度ρ２は１．２２ｋｇ／ｍ３、音速Ｃ２は３４０ｍ／ｓであるので、前記の光音響伝搬媒質部２を採用することにより、ρ２＜ρ１、及び、Ｃ１＜Ｃ２の関係を同時に満足させ、かつ、（ρ２／ρ１）＜（Ｃ１／Ｃ２）の関係を満足させることができる。
【００５８】
前記した構成によれば、空気中を伝搬してきた音波は、音波伝搬方向５に沿って開口部４に入射し、開口部４から音響導波路６内に入射する。音響導波路６を伝搬する音波は、その伝搬に伴って、光音響伝搬媒質部２の上面２ａから光音響伝搬媒質部２を構成するシリカ乾燥ゲルの中に進入し音波伝搬方向９４（図１Ｂ参照）に伝搬する。９３は音波伝搬の等位相面（波面）を模擬的に示している。一方、ＬＤＶヘッド８からシリカ乾燥ゲル２へ照射されたレーザ光１０はシリカ乾燥ゲル２の中を通過し、ベース３の凹部３ａの底面３ｃにより反射され、反射されたレーザ光１０は、再び、シリカ乾燥ゲル２の中を通過して、シリカ乾燥ゲル２から射出され、ＬＤＶヘッド８によって再び受光される。このとき、レーザ光１０がシリカ乾燥ゲル２中を通過する際に、前記進入した音波によりレーザ光１０が変調される。このレーザ光１０の変調は、シリカ乾燥ゲル２の中での音波の伝搬に伴うシリカ乾燥ゲル２の内部の密度変化及び屈折率変化に起因する。ＬＤＶヘッド８から照射されてシリカ乾燥ゲル２を通過しているレーザ光１０、又は、一旦シリカ乾燥ゲル２を通過したのちベース３の凹部３ａの底面３ｃにより反射されてシリカ乾燥ゲル２を通過しているレーザ光１０が、前記シリカ乾燥ゲル２に進入した音波により変調されるか否かにかかわらず、最終的にシリカ乾燥ゲル２から射出されて、ＬＤＶヘッド８によって再び受光され、ＬＤＶ演算処理部９によって光学的及び電気的に復調される。前記音波により変調されたレーザ光１０がＬＤＶ演算処理部９によって光学的及び電気的に復調されて、変調された信号として生成される。この変調された信号は、音圧換算用の出力信号の例としてのＬＤＶの計測速度信号（あるいは積分された変位信号）としてＬＤＶ演算処理部９から出力され、この出力信号から、ＬＤＶ演算処理部９に接続された音圧換算用演算部９０で、シリカ乾燥ゲル２の内部を伝搬する音波の音圧が換算できる。
【００５９】
ここで、シリカ乾燥ゲル２の内部でのレーザ光１０による音波計測点においては、音波は、ほぼ完全な進行波となっている。また、通常のＬＤＶヘッド程度のレーザ出力においては、レーザ光による音波の影響は無視できる。また、本第１実施形態にかかる光超音波マイクロフォン１は、従来のマイクロフォンや超音波センサのように振動板や圧電素子などの電気機械変換機構が無い構造であることから、これらの電気機械変換機構による音波反射現象が原因となる残響や不要共振などが無いため、前記光超音波マイクロフォン１では、極めて原音に忠実な音波の計測が可能である。さらに、前記光超音波マイクロフォン１においては、計測点以降の部分については、構造的な制約は無いため、計測点以降の光音響伝搬媒質部２の端部に音波吸収機構や音波散乱機構を構成し、光音響伝搬媒質部２内の不要な音波伝搬を抑制することができる。
【００６０】
図２は、本発明第１実施形態における前記光超音波マイクロフォンのＸ−Ｚ方向の断面図である。以下、図２を参照して、本発明の音圧計測の原理を説明する。図２において、音響導波路６には、図２の紙面の表側から裏側方向に音響平面波が伝搬しているとする。音響平面波は、その一部が光音響伝搬媒質部２であるシリカ乾燥ゲルに取り込まれ、音波伝搬方向２１（音波伝搬方向９４の下向き成分のみに対応）の方向に伝搬する。音波伝搬方向２１は、単純化するため、下向きに示しているが、実際には、空気とシリカ乾燥ゲル２の図２の紙面裏側に向かう成分も併せて持っている。
【００６１】
シリカ乾燥ゲル２内を伝搬する音波は、ここでは、パルス上の波束２２として濃淡で示してある。波束２２の黒い部分は音圧が０の部分で、白い部分は音圧のピーク（正負含む）を示している。波束２２の白い部分では、音圧によりシリカ乾燥ゲル２の体積Ｖの伸縮、すなわち体積変化ΔＶが生じている。これらの体積変化ΔＶにより、シリカ乾燥ゲル２の屈折率ｎがΔｎだけ変化する。これらの関係は、式（７）となる。
【００６２】
【数１１】
本発明の第１実施形態においては、前記したように、シリカ乾燥ゲル２の内部で音波は音響平面波として伝搬する。従って前記体積変化ΔＶは音波の進行方向の変位のみに限定されるため、式（８）が成立する。
【００６３】
【数１２】
ここで、ｌはシリカ乾燥ゲル２において音波に伴う音波伝搬方向の長さ、Δｌはシリカ乾燥ゲル２において音波に伴う音波伝搬方向の変位、Ｓは音波伝搬方向におけるシリカ乾燥ゲル２のひずみを示す。シリカ乾燥ゲル２の内部の音圧Ｐは、ひずみＳとシリカ乾燥ゲル２の弾性定数ＥＮＦにより式（９）で表現できる。
【００６４】
【数１３】
また、弾性定数ＥＮＦは、シリカ乾燥ゲル２の密度ρＮＦ、音速ＣＮＦより、以下の式（１０）により求められる。
【００６５】
【数１４】
式（６）から式（１０）によれば、シリカ乾燥ゲル２の内部の音圧Ｐは、シリカ乾燥ゲル２の密度ρＮＦ、音速ＣＮＦ、屈折率ｎ、屈折率変化Δｎ、ならびに音波とレーザ光１０が干渉する距離Ｌと、計測に使用するＬＤＶヘッド８の変位出力ΔＬあるいは、速度出力νによって、式（１１）となる。
【００６６】
【数１５】
従って、出力される速度出力νあるいは変位出力ΔＬを用いれば、音圧Ｐを計測することができる。
【００６７】
前記第１実施形態の１つの実施例において、シリカ乾燥ゲル２は密度１６０ｋｇ／ｍ３、音速９０ｍ／ｓとした。屈折率はｎ＝１．０７である。特許文献３に開示された理論より、空気からの入射角８９．５度で反射率は０となり、このときの屈折角は約１６度である。前記のように空気からの入射角は境界界面にほぼ平行であるので、音響導波路６に音響平面波を伝搬させた場合には、音響平面波の持つ音圧値と同じ音圧値の音響平面波が、シリカ乾燥ゲル２の内部に伝搬する。第１実施形態の音響導波路６は、開口部４から遠くなるに従い（開口部４から終端部に向かうにつれて）高さが徐々に低く（Ｚ方向の寸法が徐々に小さく）なっている。この効果により、シリカ乾燥ゲル２の内部に音響エネルギーが取り込まれても、音響導波路６の内部での音圧低下が無く、一様な音圧の音響平面波が、シリカ乾燥ゲル２内に伝搬する構造とした。
【００６８】
以下、原理評価系の関係から１００ｋＨｚ以下の音波で、原理実証した結果について述べる。計測音波として中心周波数４０ｋＨｚ、駆動信号１波長で広帯域ツィータから放射した場合の結果について示す。中心周波数４０ｋＨｚを考慮して、音響導波路６の幅と初期高さ（開口部４での高さ）は、共に４ｍｍとした。光音響伝搬媒質部２の一例であるシリカ乾燥ゲルの厚みも４ｍｍである。シリカ乾燥ゲル２を往復するレーザ光１０の計測には、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを使用したヘテロダイン方式のレーザドプラ振動計（ＬＤＶヘッド８）を、光源及び光検出手段の一例として用いた。音波による光の変調は、周波数変調である。ベース３にはアルミニウム材を用い、透明支持板７には厚み１ｍｍのアクリル板を使用した。Ｈｅ−Ｎｅレーザから照射されるレーザ光１０は、透明支持板７のアクリル板を通過した後にシリカ乾燥ゲル２に入射し、ベース３の凹部３ａの底面３ｃによって反射されて、光経路を逆に伝搬してＬＤＶヘッド８に戻る。従って、音波計測用の光経路は、シリカ乾燥ゲル２の厚み４ｍｍの２倍である８ｍｍである。
【００６９】
図３は、本発明の第１実施形態における光超音波マイクロフォン１のＬＤＶ出力波形（変位振幅計測波形）３１の一例を示している。図４のＹ＝８ｍｍ、Ｚ＝３ｍｍの位置における波形である。図３より、ツィータによる送波音圧が忠実に再現されており、極めて広帯域な音圧計測が可能であることが示された。すなわち、本発明の第１実施形態によれば、従来では困難であった高い周波領域でかつ広帯域な超音波の受波が可能となり、１００ｋＨｚ以上の実効的な帯域を持つ標準マイクロフォンが実現できることになる。
【００７０】
図４は、シリカ乾燥ゲル２の内部の音波伝搬を、ＬＤＶヘッド８で２次元走査して計測した伝搬時間の結果から、音波伝搬の等位相面（波面）４２の状況を示したものである。音波伝搬方向４１は設計値とほぼ一致しており、約１６度の屈折角でシリカ乾燥ゲル２を平面波として伝搬していることが観察でき、理論設計どおりの動作を確認した。
【００７１】
図３の波形３１からピーク変位は約２２ｎｍである。式（１１）から換算される音圧Ｐは約５４．５Ｐａ程度となり、入力換算音圧の３８Ｐａよりもやや高めであった。これらは、前記光超音波マイクロフォン１と音圧校正に用いた標準マイクロフォンの回折効果が原因である。前記計測されて換算される音圧と前記入力換算音圧とは、オーダー的には十分に一致しており、前記計測されて換算される音圧を適切に校正することにより、極めて正確な音圧測定が可能である。音圧１Ｐａあたりの屈折率の変化率は、約５．４ｘ１０−８であり、空中の屈折率変化（２．０ｘ１０−９）や水の屈折率変化（１．５ｘ１０−１０）と比較して１桁以上大きい。この大きな屈折率の変化率により、音波計測用の光経路長は８ｍｍという極めて短い光経路で音圧計測を可能としている。
【００７２】
なお、ここでは、シリカ乾燥ゲル２を光音響伝搬媒質部の一例として用いたが、原理的には、有機乾燥ゲルで式（６）を満たすものであれば使用することができる。その場合には、吸収の少ない波長帯のＬＤＶヘッド８を選択して使用する必要がある。また、透明支持板７としては、使用するレーザ光１０に対して吸収の少ないものであればよく、また、ベース３等の構造により、光音響伝搬媒質部２が十分に保持されていれば、透明支持板７は無くてもかまわない。
【００７３】
（第２実施形態）
図５Ａに、本発明の第２実施形態の光超音波マイクロフォン５１の斜視図を示す。以下、第１実施形態と同じ機能、形の構成要素については、同じ番号を用いる。
【００７４】
図５Ａにおいて、５１は光超音波マイクロフォン、５２は第１実施形態の光音響伝搬媒質部２と同じ機能を有しかつ光音響伝搬媒質の一例であるシリカ乾燥ゲルより構成される光音響伝搬媒質部、５３は第１実施形態のベース３と同じ機能を有するベース、７１は音響ホーン（収束部）の開口、５５は音波（例えば超音波）の音波伝搬方向、５６は第１実施形態の音響導波路６と同じ機能を有する音響導波路６０を形成するための音響導波部材、５７はシリカ乾燥ゲル５２における音波の収束点、５８は第１実施形態のレーザ光１０と同様なレーザ光を示す。
【００７５】
図５Ａに示す第２実施形態の光超音波マイクロフォン５１の特徴は、音響ホーン及びその開口７１を持つことと、シリカ乾燥ゲル５２、及び、音響導波路６０の形状が曲線形状になっていることである。図５Ａでは、理解しやすくするため、シリカ乾燥ゲル５２の表面側に位置するベース５３の一部を破断させて、シリカ乾燥ゲル５２を露出させるように図示しているが、実際には、シリカ乾燥ゲル５２の表面は、後述する計測用貫通穴５３ａを除き、ベース５３で全て覆われている。すなわち、シリカ乾燥ゲル５２の図５Ａの表面及び裏面及び左側面及び底面をベース５３で支持しかつ残りの右側面を音響導波部材５６で覆って音響導波路６０の一部として構成することにより、シリカ乾燥ゲル５６はベース５３及び音響導波部材５６で十分に保持されており、前記第１実施形態の透明支持板７に相当する透明支持体は持たないものである。レーザ光５８は、便宜上、空中の経路のみを記載している。ＬＤＶヘッド８及びＬＤＶ演算処理部９は第１実施形態と同様である。
【００７６】
本発明の第２実施形態にかかる光超音波マイクロフォン５１は、気体などの音響インピーダンスの極めて小さい環境流体１４から固体へ高い効率で音波を伝搬させ、固体に透過した音波を固体内部で収束させることによって音波のエネルギー密度を高めることができ、これにより、音波を高感度で受信することができるものである。
【００７７】
環境流体を伝搬する音波は、音響導波部材５６の先端に連結された音響ホーンである収束部７７の開口部７１から入射し、収束部７７によって音波の音圧が高められる。収束部７７で音圧が高められた音波は、収束部７７に連結された音響導波部材５６の音響導波路６０へ導かれる。音響導波路６０は、音波を所定の方向へ伝搬させる。光音響伝搬媒質部の一例であるシリカ乾燥ゲル５２は、音響導波部材５６に隣接して、音響導波路６０の一部を構成するように設けられており、音波が音響導波路６０内を伝搬するに従って、音響導波路６０に接した界面から少しずつ、音波が光音響伝搬媒質部５２へ透過する。このとき、界面において音波の伝搬方向が屈折する。
【００７８】
光音響伝搬媒質部５２へ透過する音波は、ＬＤＶヘッド８が設けられた位置である収束点５７へ収束するように伝搬媒質部５２内へ入射するため、ＬＤＶヘッド８は、光音響伝搬媒質部５２へ少しずつ透過しかつ収束点５７で収束した音波を、レーザ光５８を利用して第１実施形態と同様に検出する。ベース５３は伝搬媒質部５２を保持するために設けられている。ベース５３は実際には、光音響伝搬媒質部５２のＸ方向における手前側及び奥側にも設けられているが、図５Ａでは、光音響伝搬媒質部５２を示すために省略されている。
【００７９】
以下、各部の構造を詳細に説明する。
図５Ｂは、図５Ａに示す光超音波マイクロフォン５１の一部を、Ｘ方向における収束部７７及び音響導波部材５６の中央で、ＹＺ平面と平行な平面によって切断した断面図を示している。
【００８０】
収束部７７は、音響導波部材５６の開口（第１の開口）６３に接続される端部７２及び開口（第２の開口）７１を有する内空間７０を規定している音響ホーンである。開口７１は開口６３よりも大きい。開口７１から音波伝搬方向５５で入射した音波は、内空間７０によって伝搬方向が制御されるとともに、圧縮される。このために、内空間７０は、開口７１から音波の伝搬する伝搬方向ｇ７に沿って、伝搬方向ｇ７に垂直な断面積ａ７が徐々に小さくなるように構成されている。
【００８１】
より好ましくは、断面積ａ７が、開口７１から音響導波路６０の開口６３に向う伝搬方向ｇ７に対して指数関数的に減少するよう、内空間７０を規定する収束部７７の内側面が伝搬方向ｇ７に沿って曲面形状を有しているように構成する。収束部７７のＸ方向の幅寸法は一定でもよいし、幅寸法が徐々に小さくなっていてもよい。収束部７７のＸ方向の幅寸法が一定である場合には、Ｚ方向の幅寸法は伝搬方向ｇ７に対して指数関数的に減少するように構成するのが好ましい。また、収束部７７のＸ方向の幅寸法及びＺ方向の幅寸法を伝搬方向ｇ７に対して√ｅに比例して減少させることにより、断面積ａ７を指数関数的に減少させてもよい。このように断面積ａ７が指数関数的に減少することにより、収束部７７での音波の反射を最小に抑えて、位相の乱れなく音波を圧縮し、音圧を高めることができる。
【００８２】
収束部７７は、例えば、Ｙ方向に１００ｍｍの長さを有し、開口７１はＺ方向及びＸ方向にそれぞれ５０ｍｍの長さを有する正方形状である。また、端部７２は、Ｘ方向及びＺ方向に２ｍｍの長さを有する正方形状である。本第２実施形態では、Ｚ方向及びＸ方向の２方向に長さを変化させている。ホーン開口７１の位置をＹ方向の原点（０）とした場合、原点からのＹ方向の位置＝０ｍｍ／２０ｍｍ／４０ｍｍ／６０ｍｍ／８０ｍｍ／１００ｍｍのそれぞれの位置における内空間７０のＸ方向及びＺ方向の長さ（Ｘ方向の長さとＺ方向の長さとはそれぞれの位置で同一。）は、５０．０ｍｍ／２６．３ｍｍ／１３．８ｍｍ／７．２ｍｍ／３．８ｍｍ／２．０ｍｍである。
【００８３】
上述のサイズを備えた収束部７７によれば、収束部７７が無い場合に比べて、約１０ｄＢ程度の音波の音圧上昇の効果が得られる。また、音圧の時間変化となる音圧波形の形状は、開口７１と端部７２とでの測定結果において、ほとんど変化が見られず、環境流体（例えば空気）１４を伝搬する音波を乱すことなく、端部７２において音波エネルギーが圧縮されている。
【００８４】
収束部７７は、例えば、金属である肉厚５ｍｍのアルミニウム板を機械加工により所定の形状に加工することによって構成することができる。内空間７０を伝搬する音波がほとんど透過せず、形状の効果によって音波エネルギーの密度を高めることのできる材料であれば、アルミニウム以外の材料によって収束部７７を形成してもよい。例えば、樹脂やセラミックなどの材料を用いて収束部７７を構成してもよい。また、収束部７７はホーン型の外形を有していなくてもよく、内空間７０が上述したようなホーン形状を有していればよい。
【００８５】
音響導波部材５６は、音波を所定の方向へ伝搬させる音響導波路６０を規定している。本第２実施形態では、導波路６０は、図５Ｂに示すように、ＺＹ平面において伝搬方向ｇ６が曲がっており、ＺＹ平面における幅寸法も位置によって変化している。伝搬方向ｇ６はＺＹ平面に対して平行である。導波路６０のＸ方向の幅寸法も一定であり、例えば、２ｍｍである。しかしＸ方向の幅寸法も変化するように設計することも可能である。
【００８６】
音響導波路６０は、光音響伝搬媒質部５２と接し、光音響伝搬媒質部５２との界面により規定される透過面６１と、音響導波部材５６により規定される導波路外面６２とを含んでいる。また、導波路６０のＸ方向の手前側及び奥側も、音響導波部材５６により規定されている。
【００８７】
以下において詳細に説明するように、音波が導波路６０を伝搬するに従って音波の一部が透過面６１から光音響伝搬媒質部５２へ透過し、導波路６０を伝搬する音波のエネルギーが低下する。このため、エネルギーの低下を補うように音波を圧縮するために導波路６０の断面積を小さくする。具体的には、透過面６１と導波路外面６２とは、ＹＺ平面における伝搬方向ｇ６に垂直な幅が伝搬方向に対して単調減少するように構成されており、導波路６０は導波路終端６４において閉塞されている。これにより、導波路６０を伝搬する音波のエネルギー密度を一定に保ちながら音波を伝搬媒質部５２へ効率的に屈折透過させることができる。
【００８８】
前述したように、透過面６１は光音響伝搬媒質部５２によって規定され、透過面６１は光音響伝搬媒質部５２へ音波が透過する透過面となる。光音響伝搬媒質部５２は、環境流体１４よりも音波の伝搬速度が遅いという特徴を備え、伝搬媒質によって構成されている。つまり、伝搬媒質及び環境流体１４における音波の音速をＣｎ及びＣａとしたとき、以下の関係の式（１２）を満たしている。
【００８９】
【数１６】
【００９０】
このような伝搬媒質としては、無機酸化合物又は有機高分子の乾燥ゲルが挙げられる。無機酸化合物の乾燥ゲルとしては、シリカ乾燥ゲルを用いることが好ましい。シリカ乾燥ゲルは、例えば以下の方法により得られる。
【００９１】
まず、テトラエトキシシラン（以下、ＴＥＯＳと略す。）、エタノール及びアンモニア水を混合した溶液を作製し、これをゲル化させることによって湿潤ゲルを作製する。湿潤ゲルとは、乾燥ゲルの空孔部分に液体が満たされた状態のものを言う。この湿潤ゲルの液体部分を液化炭酸ガスで置換し、炭酸ガスを用いた超臨界乾燥法によって除去することによってシリカ乾燥ゲルが得られる。シリカ乾燥ゲルの密度は、ＴＥＯＳ、エタノール及びアンモニア水の混合比を変えることにより調整でき、音速は密度に応じて変化する。
【００９２】
シリカ乾燥ゲルは、酸化ケイ素の微細な多孔質構造からなる材料であり、骨格部分は疎水化されている。空孔及び骨格部分の大きさは数ｎｍ程度である。このような構造体の空孔部分に液体が含まれた状態から直接溶媒を乾燥させると、溶媒が揮発する際に毛管現象による大きな力が働き、骨格部分の構造が壊れやすい。この破損を防止するために表面張力の働かない超臨界乾燥法を用いることにより、シリカ骨格部分を壊さずに乾燥ゲル体を得ることができる。
【００９３】
以下において詳細に説明するように、光音響伝搬媒質部５２の伝搬媒質は、より好ましくは、伝搬媒質及び環境流体１４の密度をそれぞれρｎ及びρａとしたとき、以下の条件の式（１３）を満足している。
【００９４】
【数１７】
【００９５】
光音響伝搬媒質部５２の伝搬媒質は、より好ましくは、１００ｋｇ／ｍ３以上の密度ρｎ及び３００ｍ／ｓ以下の音速Ｃｎを有している。
【００９６】
本第２実施形態で用いる光音響伝搬媒質部５２を構成するシリカ乾燥ゲルの密度ρｎ及び音速Ｃｎは、それぞれ２００ｋｇ／ｍ３及び１５０ｍ／ｓである。これらの値は、特許文献１に示した屈折伝搬現象を満たす材料である。なお、空気の密度ρａ、音速Ｃａは室温付近で、それぞれ１．１２ｋｇ／ｍ３、３４０ｍ／ｓである。
【００９７】
また、光音響伝搬媒質部５２は、環境流体１４から取り込んだ音波を収束点５７まで伝搬させる役割を果たすため、内部損失が大きいと、収束点５７に到達する音波が弱まってしまう。このため、光音響伝搬媒質部５２は、内部損失が少ない材料が好ましい。シリカ乾燥ゲルは、上述の音速及び密度の条件を満たし、内部損失が小さい材料である。
【００９８】
このようなシリカ乾燥ゲルは密度が低いことから、機械的強度も低い。このため、取り扱いが困難である。本第２実施形態でも、光音響伝搬媒質部５２を支持するためにベース５３を設けている。
【００９９】
音響導波部材５６及びベース５３は、例えば、図５Ｃ及び図５Ｄに示す形状によって構成することができる。図５Ｃに示すように、アルミニウム部材を用いて、導波路外面６２を含む導波路６０を規定する音響導波部材５６を成形する。
【０１００】
一方、図５Ｄに示すように、光音響伝搬媒質部５２を保持するベース５３を用意する。ベース５３によって保持された光音響伝搬媒質部５２の露出した面は、透過面６１を規定する。例えば、多孔質セラミックスからなるベース５３をまず成形し、透過面６１を規定する面がフッ素系樹脂などから構成される型にベース５３をはめ込み、空間内に湿潤ゲルを導入する。その後、液体部分を液化炭酸ガスで置換し、乾燥させることにより、光音響伝搬媒質部５２とベース５３とが一体化した部材を得る。
【０１０１】
図５Ｄに示されるように光音響伝搬媒質部５２を保持したベース５３のＡ及びＢの両端部分と、図５Ｃに示す音響導波部材５６のＣ及びＤの両端部分をそれぞれ対応させて、エポキシ樹脂などの接着材などにより接合することによって、光音響伝搬媒質部５２によって透過面６１が規定された導波路６０を構成することができる。
【０１０２】
次に音響導波部材５６が規定する導波路６０及び光音響伝搬媒質部５２の幾何学的形状と音波の伝搬を詳細に説明する。
図５Ｅは、導波路６０の一部を拡大して示している。図５Ｅにおいて透過面６１、及び導波路外面６２を点線で示し、透過面６１の任意の点における接線の垂線を一点鎖線で示している。また、音波の伝搬方向を矢印５５ａで示している。
【０１０３】
図５Ｅに示すように、導波路６０内を進行する音波は、導波路６０の形状に従って進行方向を変化させながら導波路６０を満たしている環境流体１４中を伝搬していく。このうち、導波路６０と光音響伝搬媒質部５２との界面である透過面６１へ接触する音波の成分は、透過面６１の法線に対して角度θａで透過面６１に入射し、スネルの法則を満足するように、透過面６１の法線と一定の角度θｎをもって光音響伝搬媒質部５２へ屈折透過していく。
【０１０４】
光音響伝搬媒質部５２の内部における音波の伝搬方向の角度θｎは以下の式（１４）で示される。ここで、前記式（１２）の関係を満たすとき、式（１４）によって求められる角度θｎは正の値となり、光音響伝搬媒質部５２内に音波が屈折透過する。
【０１０５】
【数１８】
【０１０６】
ここで式（１４）において、ρａ、Ｃａは、それぞれ環境流体の密度及び音速であり、ρｎ、Ｃｎはそれぞれ、光音響伝搬媒質部５２の伝搬媒質の密度及び音速である。それぞれの値は上述したとおりである。
【０１０７】
一方、導波路６０と光音響伝搬媒質部５２との界面における反射率Ｒは、下記式（１５）で示される。
【０１０８】
【数１９】
【０１０９】
音響導波路６０から光音響伝搬媒質部５２へできるだけ高効率で音波を屈折透過させるためには、反射率Ｒは小さいほうが好ましい。Ｃｎ、Ｃａ、ρｎ、ρａが前記式（１３）を満たす場合、式（１５）の分子がゼロとなる角度θａ、θｎが必ず存在する。つまり、反射率Ｒがゼロとなる。
【０１１０】
本第２実施形態では、環境流体１４及び光音響伝搬媒質部５２は、上述した空気及びシリカ乾燥ゲルであり、ρａ、Ｃａ、ρｎ、Ｃｎは上述した値を有する。これらの値を式（１４）に代入すると、角度θｎは約２６度となる。このとき、角度θａが約８９度であれば、反射率Ｒはほぼゼロとなる。よって、本第２実施形態の条件においては、透過面６１の法線に対して、約８９度で透過面６１に音波が入射することによって、角度θｎが約２６度となる方向へ音波は高い透過効率で光音響伝搬媒質部５２の内部へと透過していく。
【０１１１】
反射率Ｒがほぼゼロとなる場合の屈折角度θｎは約２６度であり一定であるが、透過面６１を曲面にすることによって、透過面６１の異なる位置から光音響伝搬媒質部５２へ透過した音波を所定の点に向かって伝搬させ、音波を収束させることができる。また、透過面６１に沿って導波路６０を屈曲させることによって、音波が導波路６０を伝搬するに従って、音波の一部を常に一定の角度θａで透過面６１に入射させることができる。本第２実施形態では、このことを利用して、導波路６０を伝搬する音波を少しずつ光音響伝搬媒質部５２へ屈折透過させ、光音響伝搬媒質部５２内の一点に音波を収束させることによって、高い受波感度を実現する。
【０１１２】
また、式（１４）で示される屈折角度θｎや式（１５）で示される反射率Ｒは、音波の周波数に依存しないため、伝搬する音波の周波数に関わらず、音波を高い透過効率で光音響伝搬媒質部５２へ透過させることができる。従って、本第２実施形態の光超音波マイクロフォン５１は、広帯域の音波を高い感度で検出することが可能である。すなわち、本発明の第２実施形態によれば、従来では困難であった高い周波領域でかつ広帯域な超音波の受波が高い感度で可能となり、１００ｋＨｚ以上の実効的な帯域及び高い感度を持つ標準マイクロフォンが実現できることになる。
【０１１３】
なお、光学レンズの分野において、例えば、日本特許第２７３１３８９号は、光導波路の側面から放出される光を収束させる構造を開示している。しかし、一般に光導波路では、クラッド層と導波路との境界で光が反射を繰り返しながら伝搬するのに対し、本第２実施形態の導波路６０では音波は導波路６０の外面や側面で音波は反射しない。このため、光導波路６０では伝搬する光の位相が揃っていないのに対して、本第２実施形態では位相の揃った音波を伝播させることが重要である。このようなことから、光学分野におけるこうした技術は、本第２実施形態とは全く発想の異なる技術といえる。
【０１１４】
図６Ａは、導波路６０と光音響伝搬媒質部５２を拡大し、音波の伝搬経路を実線の矢印で示した図である。ここで、音波を収束させる収束点５７を光音響伝搬媒質部５２内に設定する。収束点５７には、第１実施形態で説明したように、ＬＤＶヘッド８を対向させて、レーザ光５８を利用してＬＤＶヘッド８及びＬＤＶ演算処理部９で音波を検出するようにしている。
【０１１５】
図６Ａにおいて、透過面６１の開口６３における点を始点Ｐ０とし、透過面６１の開口６３に近い方から順に点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・・、Ｐｎとする。また、点Ｐ０から点Ｐ１までの距離をＬａ１、点Ｐ１から点Ｐ２までの距離をＬａ２、・・・、点Ｐｎ−１から点Ｐｎまでの距離をＬａｎとする。さらに、点Ｐ１、Ｐ２、・・・・Ｐｎと収束点５７との距離を、それぞれＬｎ１、Ｌｎ２、・・・・、Ｌｎｎとする。
【０１１６】
開口６３から入射し、導波路６０内を伝搬し、さらに光音響伝搬媒質部５２へ屈折透過した音波が、収束点５７で集束するためには、以下の式（１６）を満たすことが必要である。
【０１１７】
【数２０】
【０１１８】
光音響伝搬媒質部５２内の収束点５７に音波が集束するということは、収束点５７において音波の位相が揃うということを意味している。すなわち、開口６３から、収束点５７までの音波の到達時間がどの経路を通った場合も同一であることを意味する。具体的には、式（１６）において、最も左の等号の左辺は、音波が環境流体１４中を距離Ｌａ１だけ伝搬し、光音響伝搬媒質部５２中を距離Ｌｎ１だけ伝搬することによって、収束点５７に到達するまでの時間を示している。また、最も左の等号の右辺は、音波が環境流体１４中を距離（Ｌａ１＋Ｌａ２）だけ伝搬し、光音響伝搬媒質部５２中を距離Ｌｎ２だけ伝搬することによって、収束点５７に到達するまでの時間を示している。同様の手順により、各点Ｐｋにおいて、導波路６０から光音響伝搬媒質部５２へ透過した音波が収束点５７に到達するまでの時間を、求めることができる。
【０１１９】
式（１６）を一般化し、導波路６０の開口６３から、透過面６１上の音波の伝搬方向に沿った任意の点Ｐｋまでの導波路の距離をＬａｋとし、点Ｐｋから、光音響伝搬媒質部５２中の、点Ｐｋとは異なる収束点Ｆ（５７）までの距離をＬｎｋとしたとき、式（１６）は、１からｎまでの任意のｋに対して、以下の式（１７）を満たす条件として表される。
【０１２０】
【数２１】
【０１２１】
式（１７）は、上述したように、透過面６１の任意の位置における開口６３から収束点５７までの所要時間が、どの点を取っても一定であることを示している。言い換えれば、前記式（１７）を満たすことにより、光音響伝搬媒質部５２内に取り込まれた音波は、音波収束点５７に収束することを意味している。図５Ａにおける構成において、光音響伝搬媒質部５２の音響導波路６０側の形状は、式（１７）を満たしている。
すなわち、前記したように、図６Ａはこの原理を説明する図であり、音響導波路開口６３を始点として、光音響伝搬媒質部５２の音響導波路６０の内側面６１の任意の点からシリカ乾燥ゲル５２内に進入した音波であっても、式（１７）を満たす音響導波路内側面６１であれば、音波収束点５７に収束する。これは、光音響伝搬媒質部５２内で、音波収束点５７を中心とした円筒形（部分円筒形）の波面を構成する形状になっているためである。
なお、厳密には、導波路６０を伝搬する音波の伝搬距離は、導波路６０の中央の経路を用いて算出するのが、より正確であると思われる。しかし、以下で説明するように導波路６０の幅寸法は、その長さに比べて十分小さい。このため、上述の近似で実用的には十分な精度を有している。
【０１２２】
次に、導波路６０を規定する透過面６１及び導波路外面６２の形状の設計を説明する。透過面６１及び導波路外面６２の形状は、次のようなステップで設計される。
【０１２３】
まず、導波路６０の開口６３の大きさから、音波を効率良く光音響伝搬媒質部５２に取り込める導波路６０の長さが決定される。導波路６０の長さより、透過面６１が音波を収束する形状として設計される。その後、決定した透過面６１の形状と導波路６０に必要な幅を考慮して、透過面６１の形状が設計される。
【０１２４】
導波路６０の開口６３の大きさは、受波する音波の波長の１／２以下であることが好ましい。導波路の幅が伝搬する音波の波長の１／２よりも大きい場合、導波路６０の内部で音波が反射し易くなり、音波の伝搬を乱し、正確な音波の測定が困難になるからである。
【０１２５】
本第２実施形態においては、一例として、周波数８０ｋＨｚまでの音波の受波を考慮しているため、周波数８０ｋＨｚの１／２波長である２．１ｍｍより小さい２．０ｍｍとし、開口６３は一辺が２．０ｍｍの正方形状を有している。収束部７７の端部７２は開口６３と等しいサイズに設計されている。
【０１２６】
導波路６０の長さは、導波路６０内を伝搬する音波のできるだけ大部分が、光音響伝搬媒質部５２に屈折透過していくような、十分な長さを備えていることが好ましい。図１２を参照して説明したように、屈折伝搬型音波の場合、長さＬ３の範囲を伝搬してきた音波が第２表面領域１１２を介して光音響伝搬媒質部１０３の内部へと透過していく。図１２の長さＬ３及び長さＬ５は、図６Ａに示す導波路６０のＹＺ平面における開口６３のＺ方向の長さ及び透過面６１のＹＺ平面における長さに対応している。透過面６１のＹＺ平面における長さ、つまり、導波路６０における音波の伝搬方向ｇ６の長さが十分でなければ、音波を十分に光音響伝搬媒質部５２へ透過させることができず、受波感度の低下や、取り込めなかった音波の反射の影響などにより、測定精度が低下するなどの悪影響が発生する。
【０１２７】
本第２実施形態においては、環境流体１４中における光音響伝搬媒質部５２の法線と、音波伝搬方向５５ａのなす角度であるθａ（図５Ｅ）が、約８９．３度であるため、長さＬ２と長さＬ１の比は、約Ｌ１／Ｌ２＝８８となる。このため、理想的には開口６３の約９０倍以上の長さを導波路６０が有していることが好ましい。本第２実施形態では、導波路６０の開口６３が２ｍｍであり、導波路６０の長さを開口６３の１００倍となる２００ｍｍに設定している。
【０１２８】
このように、開口６３及び導波路６０の長さが決定され、導波路６０の長さに基づいて透過面６１の形状が設計され、さらに導波路外面の形状が設計される。
【０１２９】
以上のように構成される第２実施形態の光超音波マイクロフォン５１の導波路６０を伝搬する音波が光音響伝搬媒質部５２へ透過し、収束点５７に収束する過程を計算実験により求めた結果を図６Ｂ〜図６Ｇに示す。図６Ｂ〜図６Ｇでは、音波の位置や位相を分かりやすく表示するため、光超音波マイクロフォン５１の導波路６０と光音響伝搬媒質部５２のみを示している。
【０１３０】
図６Ｂ〜図６Ｇは、音波が伝播する様子を、時間を追って示しており、図６Ｂが時間的に一番早く、図６Ｇが一番遅い状態を示している。図６Ｂ〜図６Ｇに示す導波路６０を規定する透過面６１及び導波路外面６２は、上述した手順によって、収束点５７に導波路６０を伝搬する音波が収束するように設計されている。導波路６０の開口６３は上方に位置し、閉塞した終端は下方に位置している。導波路６０内は環境流体１４、ここでは空気で満たされている。
【０１３１】
図６Ｈは、開口６３から入射させる音波の波形を示している。音波の中心周波数は約４０ｋＨｚであり、音波は、約５波長分の長さを有している。図６Ｂ〜図６Ｇにおいて、光音響伝搬媒質部５２の内部及び、導波路６０の内部の音波の音圧レベルが色の濃淡で示されている。色の濃い部分は大気圧を基準としてより高い音圧を示しており、色の薄い部分は大気圧より低い音圧を示している。同じ色、例えば黒と黒、あるいは白と白との間が４０ｋＨｚ、つまり、音波の１波長に相当する。図６Ｂ〜図６Ｇにおいては、導波路６０が非常に狭いため確認が困難であるが、導波路６０の内部においては、空気の音速が３４０ｍ／ｓであることから、同じ色の間の距離、すなわち、１波長の距離は約８．５ｍｍとなる。一方、光音響伝搬媒質部５２の内部においては、光音響伝搬媒質部５２を構成する乾燥ゲルの音速が１５０ｍ／ｓであることから、同色の間の距離、すなわち、１波長の距離は約３．７５ｍｍとなる。
【０１３２】
図６Ｂは、開口６３より音波の３波長分が導波路６０に伝搬し、ちょうど４波目の振幅の山が開口６３より導波路６０の内部へと伝搬した瞬間を示している。音波の導波路６０の内部に伝搬した部分は、導波路６０と接している透過面６１から光音響伝搬媒質部５２へ伝搬している。光音響伝搬媒質部５２の内部に濃淡で示されている部分は透過面６１から光音響伝搬媒質部５２に屈折透過した音波の成分である。
【０１３３】
図６Ｃは、図６Ｂに示す状態から時間的に少し進んだ状態を示しており、導波路６０の内部では、音波が導波路６０の形状に沿って伝搬している。また、導波路６０の内部を伝搬する音波が、徐々に光音響伝搬媒質部５２に屈折透過し、光音響伝搬媒質部５２内部を伝搬していく状態を示している。図６Ｂ及び図６Ｃに示されるように、黒と白の濃淡で示される音波は、導波路６０内のほうが、光音響伝搬媒質部５２内に比べて、開口６３からより長い距離を伝搬している。これは、導波路６０内の環境流体１４である空気の音速のほうが、伝搬媒質である乾燥ゲルの音速に比べて速いことを示している。
【０１３４】
図６Ｄも同様に、音波の一部が導波路６０を伝播するにつれて、光音響伝搬媒質部５２に屈折透過し、光音響伝搬媒質部５２内部を伝搬していく様子を示している。屈折透過のため、透過面６１において黒と白の濃淡で示されるパターンは折り曲がっているが、光音響伝搬媒質部５２内においては、黒と白の濃淡で示されるパターンは、きれいな曲線を描きつつある。これは、光音響伝搬媒質部５２内を伝搬する音波の位相が揃っていることを示している。
【０１３５】
図６Ｅは、導波路６０のほぼ終端近傍を伝搬する音波と、光音響伝搬媒質部５２の内部で収束点５７に向けて徐々に収束しつつある音波の様子を示している。
【０１３６】
図６Ｆは、さらに音波の伝搬が進行し、導波路６０の内部を伝搬する音波が導波路終端に達し、全て光音響伝搬媒質部５２の内部に屈折透過し、光音響伝搬媒質部５２の内部を伝搬する音波は、さらに収束点５７に向かって収束しつつある様子を示している。
【０１３７】
図６Ｇは、光音響伝搬媒質部５２の内部を伝搬した音波の最初の波面が、収束点５７に到達している。図６Ｇに示されるように、黒の濃淡がより濃くなっている、これは、収束点５７において、音波が収束し、音圧が高められていることを示している。
【０１３８】
図６Ｂ〜図６Ｇでは具体的な数値は示していないが、実験結果から、導波路６０の内部における大気圧からの音波による音圧の変化が約４Ｐａである場合、収束点５７付近における大気圧からの音圧の変化は約３４Ｐａであることが分った。これは、音波の音圧が８倍以上に高められたことを示しており、本第２実施形態によれば、高い感度で環境流体中の音波を観測することができることが明らかとなった。
【０１３９】
このように本第２実施形態によれば、音波を屈折させて環境流体１４から光音響伝搬媒質部５２に透過させることによって、音響インピーダンスの異なる界面での音波の反射を抑制し、高い効率で音波を光音響伝搬媒質部５２に透過させることができる。また、環境流体１４で満たされた導波路６０の一面を構成するように光音響伝搬媒質部５２を配置し、導波路６０を伝搬するに従って、音波の一部が光音響伝搬媒質部５２へ透過し、かつ所定の収束点５７に収束するように、導波路６０と接している面の形状を設計することにより、少しずつ光音響伝搬媒質部５２へ透過した音波の位相を一致させて収束点５７に収束させることができる。従って、導波路６０の開口６３から入射した音波の大部分を利用して音波を収束させることができ、受波した音波の音圧を高めることができる。これにより、高い感度で音波を検出することができる。
【０１４０】
なお、本第２実施形態の光超音波マイクロフォン５１では、導波路６０の終端は閉塞している。しかし、導波路６０は、その終端を開放してもよい。図６Ｉに示す第２実施形態の変形例にかかる光超音波マイクロフォン５１Ａでは、導波路６０の終端部６４Ａが開放されている。導波路６０を伝搬する音波のエネルギーが比較的高く、全てのエネルギーを取り込む必要が無い場合は、導波路６０を伝搬する音波のうち光音響伝搬媒質部５２へ透過しなかった部分が終端で反射して悪影響を与えないように、導波路６０から除去することが好ましい。音波受波器１０３によれば、導波路６０の終端６４が開放されているため、光音響伝搬媒質部５２へ透過しなかった音波を除去することができる。これにより、受波した音波が乱れることなく、目的の音波を正確に検出を行うことができる。この場合導波路６０の長さは上述したように開口との関係で定められる好ましい長さよりも短くてもよい。
【０１４１】
図７は、前記光超音波マイクロフォン５１において、シリカ乾燥ゲル５２の内部の音波伝搬を、ＬＤＶヘッド８で２次元走査して計測した伝搬時間の結果から、音波伝搬の等位相面（波面）７２の状況を示したものである。ここでは、光音響伝搬媒質部５２の一例として、密度２７０ｋｇ／ｍ３、音速１４５ｍ／ｓのシリカ乾燥ゲルを使用した。この場合の各点における入射角は８９．５度で、屈折角は２６度となる。この音速値を基に曲面を設計した。音波伝搬方向７１、等位相面７２はシリカ乾燥ゲル５２を円筒波として音波収束点５７に向かって伝搬していることが観察でき、理論設計どおりの動作を確認した。
【０１４２】
図８は、音波収束点５７の付近における光超音波マイクロフォン５１のＬＤＶ出力波形（振幅計測波形）８１の一例を示す図である。第１実施形態と同様に、計測音波として中心周波数４０ｋＨｚ、駆動信号１波長で広帯域ツィータから放射した場合の結果である。中心周波数４０ｋＨｚを考慮して、音響導波路６０の幅と初期高さ（開口部５４での高さ）は共に４ｍｍとした。光音響伝搬媒質部５２の光音響伝搬媒質の一例であるシリカ乾燥ゲルの厚みも４ｍｍである。光音響伝搬媒質部５２を往復するレーザ光５８の計測には、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを使用したヘテロダイン方式のレーザドプラ振動計（ＬＤＶヘッド８）を、光源及び光検出手段の一例として用いた。音波による光の変調は、周波数変調である。ベース３にはアルミニウム材を用いている。Ｈｅ−Ｎｅレーザから照射されるレーザ光５８は、シリカ乾燥ゲル５２の表面側に位置するベース５３の計測用貫通穴（収束点５７に形成された貫通穴）５３ａを介してシリカ乾燥ゲル５２に入射し、シリカ乾燥ゲル５２を厚み方向に貫通したのち、光経路を逆に伝搬し、シリカ乾燥ゲル５２の裏面側のベース５３の内面で反射したのち、再び、シリカ乾燥ゲル５２を厚み方向に貫通し、シリカ乾燥ゲル５２の表面側に位置する前記ベース５３の貫通穴５３ａから出射して、ＬＤＶヘッド８に戻る。従って、音波計測用の光経路は、シリカ乾燥ゲル５２の厚み４ｍｍの２倍である８ｍｍである。
【０１４３】
図８の結果より、第１実施形態と同様に極めて広帯域な受波特性を有していることがわかる。図８の波形８１からピーク変位は約５ｎｍである。式（１１）から換算される音圧Ｐは約５４．２Ｐａ程度である。音響ホーン終端での入力換算音圧は２５Ｐａ程度で２倍程度の収束効果が確認できた。この場合も、前記計測されて換算される音圧と前記入力換算音圧とは、オーダー的には十分に一致しており、前記計測されて換算される音圧を適切に校正することにより、極めて正確な音圧測定が可能である。
【０１４４】
第２実施形態においては、シリカ乾燥ゲル５２の内部で音波を収束させることにより、より高い感度で広帯域受波が可能となる。
【０１４５】
（第３実施形態）
図９は、本発明の第３実施形態の光超音波マイクロフォン９１のＹＺ断面図を示したものである。図９に示す構成において、図１Ａ及び図１Ｂに示す第１実施形態との違いは、ＬＤＶヘッド８及び光音響伝搬媒質部２の一例としてのシリカ乾燥ゲルの相対的な位置関係が異なることと、ミラー９２が存在することである。９４はシリカ乾燥ゲル２における音波の音波伝搬方向、９３は音波伝搬の等位相面（波面）を模擬的に示している。
【０１４６】
すなわち、ＬＤＶヘッド８は、その光軸が、光音響伝搬媒質部２の厚み方向ではなく、厚み方向と直交する方向沿いとなるように、かつ、ミラー９２と対向するように配置されている。好ましくは、図９に示すように、ＬＤＶヘッド８の光軸が、矩形の光音響伝搬媒質部２の音響導波路６の一部を形成する上面２ａに対して傾斜して配置されている。より詳しくは、音波がこの上面２ａから光音響伝搬媒質部２内に進入するときの音波の音波伝搬方向９４に対して直交する方向沿いに、ＬＤＶヘッド８とミラー９２との間で形成される光経路が配置されるようにしている。ＬＤＶヘッド８から出射されたレーザ光１０は、光音響伝搬媒質部２内入り、光音響伝搬媒質部２内を音波伝搬の等位相面（波面）９３沿いに進み、ＬＤＶヘッド８と対向して配置されたミラー９２で反射され、再び、同じ光経路を進み、光音響伝搬媒質部２内を音波伝搬の等位相面（波面）９３沿いに進み、光音響伝搬媒質部２内から出て、ＬＤＶヘッド８で受波される。ＬＤＶヘッド８は、走査する必要が無く、固定配置されている。
【０１４７】
第１実施形態における図４に示したように、シリカ乾燥ゲル２内の音波伝搬は平面波状で、直線的な波面４２が良好に形成される。第３実施形態ではこの現象を利用したものであって、波面９３に平行にレーザ光１０を長距離伝搬させる。光は、音波に比較して圧倒的に高速で伝搬するので、時間的な遅れ無しに、光経路長を延長することによって感度を向上させることが可能となる。従って、第３実施形態によれば、一例として、第１実施形態において８ｍｍであった光経路長を４５ｍｍ程度まで延長することが可能で、音波と光が重なり相互作用が起こる実効経路長を考慮しても、５倍程度の感度向上が可能となる。
【０１４８】
図１０は、本発明の第３実施形態の変形例にかかる光超音波マイクロフォン９５を示した、一部透視した状態の斜視図である。図１０に示す構成において、図９に示す第３実施形態との違いは、ＬＤＶヘッド８及びミラー９２とシリカ乾燥ゲル２の相対的な位置関係と、光反射面９８、及び光透過窓９６、９７が設けられていることである。
【０１４９】
図１０の光超音波マイクロフォン９５においては、透明支持板７とシリカ乾燥ゲルの光音響伝搬媒質部２との境界面において光反射面９８が形成されている。光反射面９８は、透明支持板７の一面に、アルミニウムなどの金属を蒸着することで容易に形成できる。レーザ光１０は、透明支持板７の一部に設けた光透過窓９６及び９７によってなされる。なお、図１０では、本第３実施形態の動作を説明するため、便宜的に、光反射面９８より背面の構造を透視図で表現している。光透過窓９６、９７は、透明支持板７に金属を蒸着する際に、密着マスクなどを用いて作成することができる。光透過窓９６、９７は、音波伝搬の等位相面９３に沿った方向に配置する。ＬＤＶヘッド８及びミラー９２はそれぞれ光透過窓９６、及び９８に配置され、図示していない保持機構によって所定の入射角、反射角を保持している。
【０１５０】
よって、前記構成によれば、ＬＤＶヘッド８から出射したレーザ光１０は、光透過窓９６を通過して、シリカナノ多孔体の光音響伝搬媒質部２に入射し、シリカナノ多孔体の光音響伝搬媒質部２のベース３との境界面（ベース３の凹部底面３ｃ）及び光反射面９８により所定の角度で反射されながら、等位相面９３内を伝搬する。例えば、光透過窓９６から光音響伝搬媒質部２に入射したレーザ光１０は、光音響伝搬媒質部２を透過したのち、ベース３の凹部底面３ｃで反射し、再び、光音響伝搬媒質部２を透過したのち、光反射面９８で反射する。光反射面９８で反射した、レーザ光１０は、光音響伝搬媒質部２を透過したのち、ベース３の凹部底面３ｃで反射し、再び、光音響伝搬媒質部２を透過したのち、光反射面９８で反射する。これを繰り返すことによって、等位相面９３に沿って光音響伝搬媒質部２内をレーザ光１０が伝搬したのち、光透過窓９７に到達したレーザ光１０は、光透過窓９７を透過してミラー９２により、入射方向へ反射されて、逆方向に伝搬し、光透過窓９６を通過して、ＬＤＶヘッド８に到達する。レーザ光１０の伝搬速度は、シリカナノ多孔体２内の音速より約６桁だけ高速であるので、等位相面９４の伝搬方向９４での移動は無視できる。光透過窓９６，９７の間隔をＤ、シリカナノ多孔体２内でのレーザ光１０の反射角をθ、シリカナノ多孔体２の厚みをｔとしたとき、式（１８）の関係が成立する。ここで、Ｎは繰り返し回数で、ＬはＬＤＶヘッド８からミラー９２までの片道の光路長である。
【０１５１】
【数２２】
前記式（１８）の関係から、例えば、光透過窓９６，９７の間隔Ｄを２２ｍｍ、反射角θを５度、シリカナノ多孔体２の厚みｔを４ｍｍとすると、ＬＤＶヘッド８からミラー９２までの片道の往復繰り返し回数Ｎは３１回になる。このときの片道の光路長Ｌ約２４９ｍｍであるので、全体としての光路長は約５００ｍｍとなり、第１実施形態と比較して約６０倍の光路長を実現でき、飛躍的な感度向上が可能である。
【０１５２】
第３実施形態においては、第１実施形態の作用効果に加えて、シリカ乾燥ゲルを伝搬する音波の等位相面の空間的な広がりを利用することによって光路長の拡大を図り、屈折率変化計測の感度を大幅に向上させることができる。
【０１５３】
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５４】
本発明の光超音波マイクロフォンによれば、従来では困難であった高い周波領域でかつ広帯域な超音波の受波が可能となり、１００ｋＨｚ以上の実効的な帯域を持つ標準マイクロフォンが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１５５】
【図１Ａ】本発明第１実施形態における光超音波マイクロフォンの斜視図
【図１Ｂ】本発明第１実施形態における光超音波マイクロフォンの一部断面正面図
【図２】本発明第１実施形態における光超音波マイクロフォンのＸ−Ｚ断面図
【図３】本発明第１実施形態における光超音波マイクロフォンのＬＤＶ出力波形の一例を示す図
【図４】本発明第１実施形態における光超音波マイクロフォンの光音響伝搬媒質部の音波伝搬の等位相面の計測結果を示す図
【図５Ａ】本発明第２実施形態における光超音波マイクロフォンの斜視図
【図５Ｂ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンの断面図である。
【図５Ｃ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンのベースの一部を示す斜視図
【図５Ｄ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンの音響導波部材の一部を示す斜視図
【図５Ｅ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンにおける音波の伝搬・屈折を説明する図
【図６Ａ】本発明第２実施形態における光超音波マイクロフォンの音波収束を説明する図
【図６Ｂ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンにおける音波の伝搬の様子を具体的に示す計算実験結果を示す図
【図６Ｃ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンにおける音波の伝搬の様子を具体的に示す計算実験結果を示す図
【図６Ｄ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンにおける音波の伝搬の様子を具体的に示す計算実験結果を示す図
【図６Ｅ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンにおける音波の伝搬の様子を具体的に示す計算実験結果を示す図
【図６Ｆ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンにおける音波の伝搬の様子を具体的に示す計算実験結果を示す図
【図６Ｇ】図５Ａに示す光超音波マイクロフォンにおける音波の伝搬の様子を具体的に示す計算実験結果を示す図
【図６Ｈ】図６Ｂ〜図６Ｇに示す実験に用いた音波の波形を示す図
【図６Ｉ】本発明による第２実施形態の変形例を示す断面図
【図７】本発明第２実施形態における光超音波マイクロフォンの光音響伝搬媒質部の音波伝搬の等位相面の計測結果を示す図
【図８】本発明第２実施形態における光超音波マイクロフォンのＬＤＶ出力波形の一例を示す図
【図９】本発明第３実施形態における光超音波マイクロフォンのＹＺ断面図
【図１０】本発明第３実施形態の変形例における光超音波マイクロフォンの一部透視した状態の斜視図
【図１１】特許文献２における従来の超音波送受波器の断面図
【図１２】特許文献３における従来の光マイクロフォンの構成図
【符号の説明】
【０１５６】
１、５１、９１、９５ 光超音波マイクロフォン
２、５２ 光音響伝搬媒質部（乾燥ゲルで構成）
３、５３ ベース部
３ａ ベース部の凹部
３ｂ ベース部の凹部の側面
３ｃ ベース部の凹部の底面
４、５４ 開口部
５、２１、４１、５５、７１、９４，１０５ 音波伝搬方向
６、６０ 音響導波路
７ 透明支持板
８ ＬＤＶヘッド
９ ＬＤＶ演算処理部
１０、５８ レーザ光
１４ 空気
２２ 音波（波束）
３１、８１ 振幅計測波形
４２、７２、９３ 等位相面
５６ 音響導波部材
５７ 音波収束点
６１ 導波路内面
６２ 導波路外面
６３ 導波路開口
６４ 導波路終端
８８ ＬＤＶヘッド移動装置
９２ ミラー
９６，９７ 光透過窓
９８ 光反射面
１０１ 超音波送受波器
１０２ 超音波振動子
１０３ 伝搬媒質
１０４ 環境流体
１１１ 第一表面領域
１１２ 第二表面領域
１２１ ＬＤＶ
１２２、１２３ 反射鏡
１２４ キュービックミラー
１２５ レーザ光経路
１２６ 音場
１２７ 演算部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体で満たされた周囲の空間に対して音波の受波を行うマイクロフォンであって、
前記周囲の空間から前記音波を取り込む開口部と、前記開口部より取り込んだ前記音波を伝達する音響導波路とを有するとともに、前記音響導波路の少なくとも一部を構成しかつ前記音響導波路からの前記音波と光を伝搬させる光音響伝搬媒質部を保持するベースと、
前記光音響伝搬媒質部に対して前記光を照射する光源と、
前記光源から前記光音響伝搬媒質部内に照射されかつ前記光音響伝搬媒質部を伝搬した前記光を検出し、前記音波による前記光の変調を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果から音圧換算用の出力信号を求める演算部を具備し、
前記光音響伝搬媒質部の光音響伝搬媒質の密度ρｎ及び音速Ｃｎが、前記音響導波路を満たす気体の密度ρａ及び音速Ｃａとの間において、以下の式を満たす光超音波マイクロフォン。
【数１】
【請求項２】
前記光音響伝搬媒質部は、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから構成されている請求項１に記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項３】
前記乾燥ゲルは、密度１００ｋｇ／ｍ３以上、音速３００ｍ／ｓ以下の物性を有する請求項２に記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項４】
前記乾燥ゲルの固体骨格部は疎水化されている請求項２又は３に記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項５】
前記光源がレーザ光源である請求項１〜４のいずれか１つに記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項６】
前記光検出手段は、前記レーザ光源からのレーザ光の周波数の変調を検出する請求項５に記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項７】
前記光源と前記光検出手段は、レーザドプラ検出手段で兼用するように構成されている請求項６に記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項８】
第１の開口を有し、前記第１の開口から入射する音波を音波伝搬方向へ伝搬させる音響導波路を規定する音響導波部材と、
透過面を有し、前記透過面が前記音波の伝搬方向に沿って前記音響導波路の一面を構成するように前記音響導波路に設けられた光音響伝搬媒質部であって、前記音響導波路を伝搬するに従って前記音波の一部が前記透過面からそれぞれ前記光音響伝搬媒質部へ透過し、収束点に収束するように前記透過面が構成され、前記音響導波路に対して配置されている光音響伝搬媒質部と、
前記光音響伝搬媒質部の前記収束点に対して光を照射する光源と、
前記光源から前記光音響伝搬媒質部の前記収束点に照射されかつ前記光音響伝搬媒質部を伝搬した前記光を検出し、前記収束点に収束した前記音波による前記光の変調を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果から音圧換算用の出力信号を求める演算部を具備し、
前記光音響伝搬媒質部は前記透過面と前記収束点との間を満たしている伝搬媒質を含み、
前記音響導波路は環境流体で満たされており、前記光音響伝搬媒質部の光音響伝搬媒質の密度ρｎ及び音速Ｃｎが、前記音響導波路を満たす前記環境流体の密度ρａ及び音速Ｃａとの間において、
【数２】
の関係を満たし、
前記音響導波路の前記第１の開口から、前記透過面上の前記音波の伝搬方向に沿った任意の点Ｐｋまでの前記音響導波路の長さをＬａｋとし、前記任意の点Ｐｋから前記収束点までの長さをＬｎｋとしたとき、任意のｋに対して、
【数３】
の関係を満たしている光超音波マイクロフォン。
【請求項９】
前記音響導波路の前記第１の開口の前端に音響ホーンが接続されている請求項８に記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項１０】
前記音響導波路の高さ及び幅が、前記マイクロフォンで受波する超音波の波長の１／２以下である請求項１〜９のいずれか１つに記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項１１】
前記音響導波路の高さが、前記音響導波路の終端側に向かって減少するように前記音響導波路が前記ベースと前記光音響伝搬媒質部とにより構成されている請求項１〜１０のいずれか１つに記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項１２】
前記周囲の気体は空気である請求項１〜１１のいずれか１つに記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項１３】
前記光源と前記光検出手段は、レーザドプラ検出手段で兼用するように構成され、
前記音波が前記光音響伝搬媒質部の一面から前記光音響伝搬媒質部内に進入するときの前記音波の音波伝搬方向に対して直交する方向沿いに、前記レーザドプラ検出手段の光軸を配置するとともに、前記レーザドプラ検出手段の光軸沿いでかつ前記レーザドプラ検出手段と対向するように配置されたミラーをさらに備えて、前記レーザドプラ検出手段と前記ミラーとの間でかつ前記光音響伝搬媒質部内で光経路を構成するようにしている、請求項１〜６のいずれか１つに記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項１】
気体で満たされた周囲の空間に対して音波の受波を行うマイクロフォンであって、
前記周囲の空間から前記音波を取り込む開口部と、前記開口部より取り込んだ前記音波を伝達する音響導波路とを有するとともに、前記音響導波路の少なくとも一部を構成しかつ前記音響導波路からの前記音波と光を伝搬させる光音響伝搬媒質部を保持するベースと、
前記光音響伝搬媒質部に対して前記光を照射する光源と、
前記光源から前記光音響伝搬媒質部内に照射されかつ前記光音響伝搬媒質部を伝搬した前記光を検出し、前記音波による前記光の変調を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果から音圧換算用の出力信号を求める演算部を具備し、
前記光音響伝搬媒質部の光音響伝搬媒質の密度ρｎ及び音速Ｃｎが、前記音響導波路を満たす気体の密度ρａ及び音速Ｃａとの間において、以下の式を満たす光超音波マイクロフォン。
【数１】
【請求項２】
前記光音響伝搬媒質部は、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから構成されている請求項１に記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項３】
前記乾燥ゲルは、密度１００ｋｇ／ｍ３以上、音速３００ｍ／ｓ以下の物性を有する請求項２に記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項４】
前記乾燥ゲルの固体骨格部は疎水化されている請求項２又は３に記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項５】
前記光源がレーザ光源である請求項１〜４のいずれか１つに記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項６】
前記光検出手段は、前記レーザ光源からのレーザ光の周波数の変調を検出する請求項５に記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項７】
前記光源と前記光検出手段は、レーザドプラ検出手段で兼用するように構成されている請求項６に記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項８】
第１の開口を有し、前記第１の開口から入射する音波を音波伝搬方向へ伝搬させる音響導波路を規定する音響導波部材と、
透過面を有し、前記透過面が前記音波の伝搬方向に沿って前記音響導波路の一面を構成するように前記音響導波路に設けられた光音響伝搬媒質部であって、前記音響導波路を伝搬するに従って前記音波の一部が前記透過面からそれぞれ前記光音響伝搬媒質部へ透過し、収束点に収束するように前記透過面が構成され、前記音響導波路に対して配置されている光音響伝搬媒質部と、
前記光音響伝搬媒質部の前記収束点に対して光を照射する光源と、
前記光源から前記光音響伝搬媒質部の前記収束点に照射されかつ前記光音響伝搬媒質部を伝搬した前記光を検出し、前記収束点に収束した前記音波による前記光の変調を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果から音圧換算用の出力信号を求める演算部を具備し、
前記光音響伝搬媒質部は前記透過面と前記収束点との間を満たしている伝搬媒質を含み、
前記音響導波路は環境流体で満たされており、前記光音響伝搬媒質部の光音響伝搬媒質の密度ρｎ及び音速Ｃｎが、前記音響導波路を満たす前記環境流体の密度ρａ及び音速Ｃａとの間において、
【数２】
の関係を満たし、
前記音響導波路の前記第１の開口から、前記透過面上の前記音波の伝搬方向に沿った任意の点Ｐｋまでの前記音響導波路の長さをＬａｋとし、前記任意の点Ｐｋから前記収束点までの長さをＬｎｋとしたとき、任意のｋに対して、
【数３】
の関係を満たしている光超音波マイクロフォン。
【請求項９】
前記音響導波路の前記第１の開口の前端に音響ホーンが接続されている請求項８に記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項１０】
前記音響導波路の高さ及び幅が、前記マイクロフォンで受波する超音波の波長の１／２以下である請求項１〜９のいずれか１つに記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項１１】
前記音響導波路の高さが、前記音響導波路の終端側に向かって減少するように前記音響導波路が前記ベースと前記光音響伝搬媒質部とにより構成されている請求項１〜１０のいずれか１つに記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項１２】
前記周囲の気体は空気である請求項１〜１１のいずれか１つに記載の光超音波マイクロフォン。
【請求項１３】
前記光源と前記光検出手段は、レーザドプラ検出手段で兼用するように構成され、
前記音波が前記光音響伝搬媒質部の一面から前記光音響伝搬媒質部内に進入するときの前記音波の音波伝搬方向に対して直交する方向沿いに、前記レーザドプラ検出手段の光軸を配置するとともに、前記レーザドプラ検出手段の光軸沿いでかつ前記レーザドプラ検出手段と対向するように配置されたミラーをさらに備えて、前記レーザドプラ検出手段と前記ミラーとの間でかつ前記光音響伝搬媒質部内で光経路を構成するようにしている、請求項１〜６のいずれか１つに記載の光超音波マイクロフォン。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図６Ｆ】
【図６Ｇ】
【図６Ｈ】
【図６Ｉ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図６Ｆ】
【図６Ｇ】
【図６Ｈ】
【図６Ｉ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−８５８６８（Ｐ２００９−８５８６８Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５８６２２（Ｐ２００７−２５８６２２）
【出願日】平成１９年１０月２日（２００７．１０．２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月２日（２００７．１０．２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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