変位検出装置
【課題】簡易な構成で、ノイズレベルが低く、かつ感度が高い変位検出装置を提供する。
【解決手段】変位（振動）可能に支持された金属層１４と、光学ガラス２３の表面に設けられた金属層２４とが所定のギャップｇを介して互いに対向配置されている。発光素子３０が所定の位置に固定されており、金属層２４の裏面に対して、所定の波長の光を所定の角度θで射出するようになっている。受光素子４０は、発光素子３０から射出された光のうち反射光を検出するようになっている。
【解決手段】変位（振動）可能に支持された金属層１４と、光学ガラス２３の表面に設けられた金属層２４とが所定のギャップｇを介して互いに対向配置されている。発光素子３０が所定の位置に固定されており、金属層２４の裏面に対して、所定の波長の光を所定の角度θで射出するようになっている。受光素子４０は、発光素子３０から射出された光のうち反射光を検出するようになっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動部材の変位を電気信号に変換する変位検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のマイクロフォンでは、例えば、ダイヤフラムと電極（背極板）とによりコンデンサを構成したコンデンサ型のものや、光反射面を有するダイヤフラムと、光反射面に光を照射する光源と、光反射面で反射した光を検知する受光素子とからなる光学型のものがある。コンデンサ型のマイクロフォンでは、ダイヤフラムと電極との間に直流電圧がかけられており、ダイヤフラムの振動による静電容量の変化がそれに比例した電圧の変化として出力されるようになっている。光学型のマイクロフォンでは、ダイヤフラムの振動による光の変化がそれに比例した電圧の変化として出力されるようになっている（特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３５５８９３号公報
【特許文献２】特開２００２−２１８５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述のコンデンサ型のマイクロフォンでは、広いダイナミックレンジを実現することが容易ではなかった。そこで、従来では、ノイズレベルを低減するために、音響抵抗を低減したり、ギャップを広げたりすることが行われていた。しかし、音響抵抗を低減すると、ダイヤフラムと背極板との対向面積が小さくなり、それに伴って静電容量も小さくなるので、感度が悪くなってしまうという問題があった。また、ギャップを広げても、静電容量が小さくなるので、上記と同様、感度が悪くなってしまうという問題があった。
【０００５】
また、上述の光学型のマイクロフォンでは、ダイヤフラムの振動を光の変化として捕らえるためには、フォーカスサーボ機構が必要であり、システムが複雑になってしまうという問題があった。
【０００６】
なお、このような問題は、音響分野だけでなく、ダイヤフラムを利用して変位を検出する分野、例えば、圧力センサや加速度センサの分野においても同様に生じるものである。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成で、ノイズレベルが低く、かつ感度が高い変位検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の変位検出装置は、変位可能に支持された変位部と、変位部の変位に応じて変位部との間隙が変化する位置に配置された金属層を備えたものである。この変位検出装置は、さらに、金属層に向かって光を射出する発光素子と、発光素子から射出された光のうち金属層での反射光を検出する受光素子とを備えている。ここで、変位部は、少なくとも金属層と間隙を介して対向する対向面に、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらのうち少なくとも１つを含む合金を含んで構成されている。
【０００９】
本発明の変位検出装置では、変位可能に支持された変位部のうち、少なくとも金属層と間隙を介して対向する対向面がＮｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらのうち少なくとも１つを含む合金を含んで構成されている。これにより、金属層の変位を反射光の光強度の変化として捉えることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の変位検出装置によれば、金属層の変位を反射光の光強度の変化として捉えることができるようにした。これにより、出力信号のノイズレベルを低く抑えることができ、さらに、高感度を実現することができる。また、本発明では、金属層の変位を反射光の光強度の変化として捉える際に、フォーカスサーボ機構などの複雑なシステムを必要としないことから、簡易な構成で、低ノイズレベルおよび高感度を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る変位検出装置の構成図である。
【図２】図１の変位検出装置の一変形例の構成図である。
【図３】変位部の金属層がＮｉからなるときの入射角と反射率との関係図である。
【図４】変位部の金属層がＡｇからなるときの入射角と反射率との関係図である。
【図５】変位部の金属層が種々の金属からなるときのギャップの幅と反射率との関係図である。
【図６】図１の光学ガラスの形状の一例を表す構成図である。
【図７】図１の変位検出装置における、金属層の変位と反射光の光強度の変位との関係図である。
【図８】図１の変位検出装置における、金属層の変位と反射光の光強度の変位との関係図である。
【図９】比較例に係る変位検出装置における、金属層の変位と反射光の光強度の変位との関係図である。
【図１０】比較例に係る変位検出装置における、金属層の変位と反射光の光強度の変位との関係図である。
【図１１】本発明の一適用例に係るマイクロフォンの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態（変位検出装置）
２．適用例（マイクロフォン）
【００１３】
＜実施の形態＞
図１は、本発明の一実施の形態に係る変位検出装置１の概略構成を表したものである。この変位検出装置１は、音、圧力、加速度などを検出することの可能なものであり、例えば、図１に示したように、変位部１０、光学素子２０、発光素子３０および受光素子４０を備えている。変位検出装置１は、さらに、受光素子４０からの出力信号を処理する信号処理部（図示せず）を備えている。
【００１４】
（変位部１０）
変位部１０は、外部から伝播してきた音や、外部の圧力、変位検出装置１にかけられた加速度によって変位（振動）可能に支持されたものである。変位部１０は、例えば、図１に示したように、支持基板１１と、金属層１２とを含んで構成されており、板状の形状となっている。なお、変位部１０は、図示しないが、板状の形状とは異なる形状、例えば、球形状となっていてもよい。また、金属層１２が自立できる程度の剛性を有している場合には、変位部１０に支持基板１１が設けられていなくてもよい。
【００１５】
支持基板１１は、高分子フィルムや合成樹脂板などによって構成されている。支持基板１１は、外部から伝播してきた音や、外部の圧力、変位検出装置１にかけられた加速度に応じた変位が生じるようになっていることが好ましい。
【００１６】
金属層１２は、支持基板１１の、光学素子２０側の表面に形成されたものである。金属層１２は、支持基板１１の表面のうち、少なくとも金属層２４（後述）との対向領域に形成されており、例えば、図１に示したように、金属層２４との対向領域を含む領域に形成されている。なお、金属層１２は、例えば、図２に示したように、金属層２４との対向領域にだけ形成されていてもよい。金属層１２は、Ａｕ、ＡｇまたはＣｕとは異なる金属材料、例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらのうち少なくとも１つを含む合金によって構成されている。金属層１２は、例えば、蒸着やスパッタリングなどによって成膜されたものである。また、金属層１２は、入射光が透過しない十分な厚さ（例えば１００ｎｍ以上）を持っている。なお、金属層１２がＮｉやステンレスなどからなり、薄くても十分な強度を有し、自立できる程度の剛性を有している場合には、変位部１０に支持基板１１が設けられていなくてもよい。
【００１７】
金属層１２の材料として上記の材料を用いた場合には、金属層１２の材料としてＡｕ、ＡｇまたはＣｕを用いた場合と比べて、入射光と表面プラズモンとの結合効率が低く、表面プラズモンが励起し難い。また、金属層１２の材料として挙げた上記の材料は、発光素子３０の光が臨界角以上の所定の角度θで金属層２４に入射したときの反射率がギャップｇの幅ｄの変位に対して直線的に変化するギャップｇの幅ｄの範囲が、変位部１０のうち少なくとも金属層２４との対向面にＡｕ、ＡｇまたはＣｕを用いた場合のそれよりも広くなるような材料である。これは、金属層１２の材料として上記の材料を用いた場合には、ギャップの広い変化幅において反射率の直線性が良いことを意味している。なお、ギャップｇは、空気で満たされていてもよいし、空気以外の気体や液体で満たされていてもよい。
【００１８】
ここで、表面プラズモンの励起とは、ある波数で入射した光によって金属層２４の表面の自由電子が集団的に振動することを指している。本実施の形態では、表面プラズモンを励起させることで反射光強度が著しく減少する現象を利用する。金属層１２と金属層２４とのギャップｇの幅ｄのわずかな変化で共鳴状態が変化することから、ギャップｇの幅ｄまたは金属層２４の変位（振動）を特定することができる。
【００１９】
ギャップｇの幅ｄを変化させることで共鳴状態が変化する。例えば、図３に示したように、金属層１２がＮｉによって構成されている場合には、ギャップｇの幅ｄが小さくなるにつれて、共鳴角が大きくなる。また、例えば、図３に示したように、金属層１２がＮｉによって構成されている場合には、入射角度を固定した上で、ギャップｇの幅ｄを変化させた場合には、ギャップｇの幅ｄが小さくなるにつれて、反射率がゆるやかに大きくなる。この特徴は、金属層１２がＦｅ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらのうち少なくとも１つを含む合金によって構成されている場合にも当てはまる。一方、金属層１２がＡｕ、ＡｇまたはＣｕによって構成されている場合には、例えば、図４に示したように、ギャップｇの幅ｄが小さくなるにつれて、反射率が急峻に大きくなる。つまり、金属層１２がＮｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらのうち少なくとも１つを含む合金によって構成されている場合と、金属層１２がＡｕ、ＡｇまたはＣｕによって構成されている場合とでは、反射率の変化が大きく異なる。金属層１２がＡｕ、ＡｇまたはＣｕによって構成されている場合には、結合効率が低下しないので、図４に示したように、共鳴が維持されたまま、共鳴角が変化する。そのため、この場合には、固定角度での検出が困難である。
【００２０】
上記の特徴について説明するにあたって、まず、例えば、図５に示したように、金属層１２の材料として、３つのグループを想定する。１つ目のグループ（第１グループＧ１）には、Ｎｉ、Ｆｅ、およびこれらのうち少なくとも１つを含む合金が含まれる。２つ目のグループ（第２グループＧ２）には、Ａｌ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびこれらのうち少なくとも１つを含む合金が含まれる。３つ目のグループ（第３グループＧ３）には、Ａｕ、ＡｇまたはＣｕが含まれる。
【００２１】
例えば、図４に示したように、金属層１２が第１グループＧ１の材料によって構成されている場合には、反射率が０．２から０．８まで変化するときのギャップｇの幅ｄの変化量Δｄ１は、おおよそ４５０ｎｍである。また、例えば、図４に示したように、金属層１２が第２グループＧ２の材料によって構成されている場合には、反射率が０．２から０．８まで変化するときのギャップｇの幅ｄの変化量Δｄ２は、おおよそ４００ｎｍである。また、例えば、図４に示したように、金属層１２が第３グループＧ３の材料によって構成されている場合には、反射率が０．２から０．８まで変化するときのギャップｇの幅ｄの変化量Δｄ３は、おおよそ１００ｎｍである。なお、金属層１２が第３グループＧ３の材料の１つであるＡｇによって構成されている場合には、入射角度を固定した上で、ギャップｇの幅ｄを変化させたときに、例えば、図５に示したように、ギャップｇの幅ｄが小さくなるにつれて、反射率が急峻に大きくなることがわかる。
【００２２】
このように、金属層１２が第１グループＧ１または第２グループＧ２の材料によって構成されている場合には、金属層１２が第３グループＧ３の材料によって構成されている場合と比べて、反射率が０．２から０．８まで変化するときのギャップｇの幅ｄの変化量がおおよそ４倍大きく、反射率がゆるやかに変化していることがわかる。従って、金属層１２は、発光素子３０の光Ｌ１が臨界角以上の所定の角度で金属層２４に入射したときの反射率がギャップｇの幅ｄの変位に対して直線的に変化するギャップｇの幅ｄの範囲が、変位部１０のうち少なくとも金属層２４との対向面にＡｕ、ＡｇまたはＣｕを用いた場合のそれよりも広い材料によって構成されている、といえる。
【００２３】
（光学素子２０）
光学素子２０は、変位部１０と所定の間隙ｇを介して対向する位置に配置されたものである。光学素子２０は、表面プラズモンを励起するための光学系であり、いわゆるクレッチマン配置となっている。光学素子２０は、例えば、図１に示したように、プリズム２１、マッチングオイル２２、光学ガラス２３および金属層２４を有している。
【００２４】
プリズム２１は、発光素子３０から射出された光を金属層２４の表面に導くためのものであり、かつ金属層２４で反射された光を受光素子４０に導くものである。プリズム２１は、例えば、屈折率１．４以上の誘電体材料によって構成されている。プリズム２１は、棒状の光学素子、例えば、半円柱形状のプリズムによって構成されている。なお、プリズム２１は、発光素子３０から射出された光が金属層２４の表面に表面プラズモン共鳴角で入射することの可能な形状および屈折率を有していればよく、上述した半円柱形状とは異なる形状となっていてもよい。例えば、発光素子３０から射出された光が垂直に入射する平面と、金属層２４で反射された光が垂直に入射する平面とを含む多角柱形状のプリズムとなっていてもよい。
【００２５】
マッチングオイル２２は、プリズム２１と光学ガラス２３とを互いに光学的に接合するためのものである。光学ガラス２３は、金属層２４のうち光入射側の面に接すると共に金属層２４を支持する光透過性部材であり、例えば、屈折率１．４以上の誘電体材料によって構成されている。る。この光学ガラス２３は、金属層１１と金属層２４との対向面積を規定するものであり、例えば、図６（Ａ）に示したように、金属層２４と接する面２３Ａが平坦となった板状のガラス（光透過性部材）によって構成されている。なお、面２３Ａが、例えば、図６（Ｂ）に示したように、金属層１２側に突出した曲面となっていてもよい。この場合には、面２３Ａが凸状となっていることで、面２３Ａと金属層１２との位置関係に傾きがあった場合であっても、許容度が増す。
【００２６】
金属層２４は、通常の表面プラズモン共鳴法に用いられる薄膜からなり、例えば、金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）を蒸着した薄膜によって構成されている。金属薄膜は、例えば、数十ｎｍ程度の厚さとなっている。
【００２７】
光学素子２０は、また、例えば、図１に示したように、発光素子３０と金属層２４（またはプリズム２１）との間に、コリメートレンズ２５、偏光板２６およびピンホール２７を発光素子３０側から順に有している。光学素子２０は、さらに、例えば、図１に示したように、受光素子４０と金属層２４（またはプリズム２１）との間に、ピンホール２８を有している。コリメートレンズ２５、偏光板２６およびピンホール２７は、発光素子３０から射出される光の光軸上に配置されている。ピンホール２８および受光素子４０は、発光素子３０から射出された光のうち金属層２４で反射された光の光軸上に配置されている。コリメートレンズ２５、偏光板２６、ピンホール２７およびピンホール２８は、プリズム２１、マッチングオイル２２、光学ガラス２３および金属層２４と共に、所定の位置に固定されている。従って、これらプリズム２１、マッチングオイル２２、光学ガラス２３、金属層２４、コリメートレンズ２５、偏光板２６、ピンホール２７およびピンホール２８は全て、変位検出装置１の使用時に回動や走査がなされるものではない。
【００２８】
コリメートレンズ２５は、発散性ビームを平行ビームに変換するものである。偏光板２６は、入射光のうち、特定の方向の偏光成分だけを透過し、それ以外の成分を吸収するものである。偏光板２６は、例えば、発光素子３０から射出された光のうちｐ偏光成分だけを透過し、ｓ偏光成分を吸収するようになっている。ピンホール２７は、発光素子３０から射出された光のビーム径を制御するものであり、例えば円形状の開口を有している。ピンホール２８は、発光素子３０から射出された光のうち金属層２４で反射された光のビーム径を制御するものであり、例えば円形状の開口を有している。ピンホール２８は反射光ビームのうち、θSPRでの反射光減衰による暗線上の光強度を選択的に検出する役割を有している。すなわちギャップｄが減少するにしたがって最も近接している暗線上の位置の光強度が増大するので、受光素子４０（後述）がこの点の光を選択的に検出するようになっている。なお、θSPRとは、対向金属が無限遠にある場合に表面プラズモン共鳴が励起する角度のことを意味している。
【００２９】
（発光素子３０）
発光素子３０は、金属層２４の裏面（光学ガラス２３との接触面）に向かって、所定の波長の光を所定の角度θで射出するものである。角度θは、全反射条件となる角度、すなわち、臨界角以上の角度となっている。発光素子３０の光を所定の角度θで金属層２４の裏面に入射させたときに、金属層２４の表面（変位部１０側の面）に誘起されるエバネッセント波の波数が表面プラズモンの波数と一致させることができる。発光素子３０から射出される光の波長は、上記の波数を与える値になっている。発光素子３０は、例えば、レーザダイオード（LD: Laser Diode）、ガスレーザ、固体レーザなどの単一波長の光源によって構成されている。発光素子３０は、金属層２４への光入射角が一定となるように、所定の位置に固定されている。
【００３０】
（受光素子４０）
受光素子４０は、発光素子３０から射出された光のうち反射光を検出するものである。受光素子４０は、例えば、フォトダイオード(PD: Photo Diode)によって構成されている。受光素子４０は、発光素子３０と同様、所定の位置に固定されている。
【００３１】
（動作）
次に、本実施の形態の変位検出装置１の動作の一例について説明する。本実施の形態では、発光素子３０から入射光Ｌ１がプリズム２１、マッチングオイル２２、光学ガラス２３を経由して金属層２４に全反射条件で入射する。その際、入射光Ｌ１の一部は、金属層２４を透過し、プリズム２１とは反対側の表面に到達し、この表面にエバネッセント波を発生させる。エバネッセント波の波数が表面プラズモンの波数と一致する入射角度で表面プラズモン共鳴が励起される。
【００３２】
このとき、本実施の形態では、金属層２４と所定の間隙ｇを介して金属層１２が設けられているので、間隙ｇの幅ｄの変化により共鳴条件が変化する。この共鳴条件は金属層１２の材料によって異なる。本実施の形態では、金属層１２が、上述した第１グループＧ１または第２グループＧ２に含まれる高損失の金属材料によって構成されているので、結合効率が低くなる。そのため、表面プラズモン共鳴のＱ値が低いので、例えば、図５に示したように、間隙ｇの幅ｄの変化に対する反射率の変化が緩やかとなる。
【００３３】
本実施の形態の変位検出装置１は、間隙ｇの幅ｄの変化に対する反射率の変化がゆるやかとなる特徴を有していることから、例えば、外部から音が伝播してきたり、変位検出装置１に加速度がかけられたりして、変位部１０（金属層１２）が振動した場合には、例えば、図７に示したように、変位部１０の振動に応じて反射光Ｌ２の光強度が緩やかに振動する。また、例えば、図７に示したように、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値が大きく異なっていても、間隙ｇの幅ｄの振幅がほぼ等しい場合には、反射率の振幅もほぼ等しくなる。また、例えば、外部の圧力の大きさに応じて変位部１０が変位した場合には、例えば、図８に示したように、変位部１０の変位に応じて反射光Ｌ２の光強度が変位する。また、例えば、図８に示したように、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値が大きく異なっていても、間隙ｇの幅ｄの変化量がほぼ等しい場合には、反射率の変化量もほぼ等しくなる。
【００３４】
このように、本実施の形態では、変位部１０（金属層１２）の変位を反射光の光強度の変化として捉えることができる。これにより、出力信号のノイズレベルを低く抑えることができ、さらに、高感度を実現することができる。また、本実施の形態では、変位部１０（金属層１２）の変位を反射光の光強度の変化として捉える際に、フォーカスサーボ機構や、発光素子３０を走査する機構などの複雑なシステムを必要としない。さらに、本実施の形態では、発光素子３０が固定されていることから、受光素子４０は、発光素子３０を走査させたときのような大面積の受光面を必要とせず、ＰＤで十分である。従って、本実施の形態では、簡易な構成で、低ノイズレベルおよび高感度を実現することができる。
【００３５】
ところで、金属層１２が、上述した第３グループＧ３に含まれる低損失の金属材料によって構成されている場合（比較例）には、結合効率が高くなる。そのため、表面プラズモン共鳴のＱ値が高いので、例えば、図５に示したように、間隙ｇの幅ｄの変化に対する反射率の変化が急峻となる。これにより、例えば、外部から音が伝播してきたり、変位検出装置１に加速度がかけられたりして、変位部１０（金属層１２）が振動した場合には、例えば、図９に示したように、変位部１０の振動に応じて反射光Ｌ２の光強度が微小にしか振動しなかったり、変位部１０の振動に応じて反射光Ｌ２の光強度が高振幅で振動したりする。このように、比較例では、間隙ｇの幅ｄの振幅がほぼ等しい場合であっても、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値が大きく異なる場合には、反射率の振幅が大きく異なってしまう。また、例えば、外部の圧力の大きさに応じて変位部１０が変位した場合には、例えば、図１０に示したように、変位部１０の変位に応じて反射光Ｌ２の光強度が微小にしか変位しなかったり、変位部１０の振動に応じて反射光Ｌ２の光強度が大きく変位したりする。このように、比較例では、間隙ｇの幅ｄの変化量がほぼ等しい場合であっても、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値が大きく異なる場合には、反射率の変化量が大きく異なってしまう。従って、比較例では、ダイナミックレンジが極めて小さいことがわかる。なお、比較例において、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値に応じて、反射率の振幅を補正したり、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値に応じて、反射率の変化量を補正したりすることにより、ダイナミックレンジを広げることも可能である。しかし、そのようにした場合には、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値や、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値によって、分解能が大きく異なってしまう。
【００３６】
一方、本実施の形態では、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値が大きく異なる場合であっても、間隙ｇの幅ｄの変化量がほぼ等しいときには、反射率の振幅もほぼ等しくなる。また、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値が大きく異なる場合であっても、間隙ｇの幅ｄの変化量がほぼ等しいときには、反射率の変化量もほぼ等しくなる。従って、本実施の形態では、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値や、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値に依らず、分解能が常にほぼ等しいので、反射率の振幅や変化量を補正する必要がない。従って、簡易な構成で、大きなダイナミックレンジを実現することができる。
【００３７】
なお、本実施の形態において、信号処理部に、光強度と金属層１２の変位量との対応を記述したＬＵＴ(Look-Up Table)を設け、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値に応じて、反射率の振幅を補正したり、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値に応じて、反射率の変化量を補正したりしてもよい。このようにした場合であっても、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値や、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値に依らず、分解能が常にほぼ等しいので、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値や、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値によって、分解能が大きく異なってしまうことがないからである。
【００３８】
＜適用例＞
以下に、上記実施の形態の変位検出装置１の一適用例について説明する。本適用例に係るマイクロフォン２は、外部から伝播してきた音を検出するために、上記実施の形態の変位検出装置１を用いたものである。マイクロフォン２は、空気圧の変動である空気の疎密波を変動部１０が受けて、変動部１０の振動を、金属層２４からの反射光の光強度の変化として検出するものである。
【００３９】
マイクロフォン２は、例えば、図１０に示したように、変位検出装置１と、変位検出装置１の変動部１０を変位（振動）可能に支持する指示部６０と、光学素子２０、発光素子３０および受光素子４０からなる光学セット５０を指示する指示部７０とを備えている。マイクロフォン２は、従来のコンデンサマイクに必要な背極板の代わりに変位検出装置１を有し、変動部１０の振動を静電容量の変化として検出する代わりに、金属層２４からの反射光の光強度の変化として検出するようになっている。これにより、コンデンサマイクの静電容量を確保するために必要とされた金属蒸着の量を大幅に少なくすることができるので、振動系の質量を軽減することができる。その結果、高域周波数特性が向上する。また、従来のコンデンサマイクで必要であった背極板が不要となるので、背極板によって加えられる空気抵抗に起因する音響抵抗をなくすることができる。これにより、熱振動ノイズを低減することができる。従って、本適用例では、出力信号のノイズレベルが低く、しかも、高いダイナミックレンジを実現することができる。また、マイクロフォン２では、フォーカスサーボ機構や、発光素子３０を走査する機構などの複雑なシステムを必要としない。さらに、発光素子３０が固定されていることから、受光素子４０は、発光素子３０を走査させたときのような大面積の受光面を必要とせず、ＰＤで十分である。従って、本適用例では、小型で、しかも低ノイズレベルおよび高感度のマイクロフォンを実現することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１…変位検出装置、２…マイクロフォン、１０…変位部、１１…支持基板、１２，２４…金属層、２０…光学素子、２１…プリズム、２２…マッチングオイル、２３…光学ガラス、２５…コリメートレンズ、２６…偏光板、２７，２８…ピンホール、３０…発光素子、４０…受光素子、５０…光学セット、６０，７０…支持部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動部材の変位を電気信号に変換する変位検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のマイクロフォンでは、例えば、ダイヤフラムと電極（背極板）とによりコンデンサを構成したコンデンサ型のものや、光反射面を有するダイヤフラムと、光反射面に光を照射する光源と、光反射面で反射した光を検知する受光素子とからなる光学型のものがある。コンデンサ型のマイクロフォンでは、ダイヤフラムと電極との間に直流電圧がかけられており、ダイヤフラムの振動による静電容量の変化がそれに比例した電圧の変化として出力されるようになっている。光学型のマイクロフォンでは、ダイヤフラムの振動による光の変化がそれに比例した電圧の変化として出力されるようになっている（特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３５５８９３号公報
【特許文献２】特開２００２−２１８５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述のコンデンサ型のマイクロフォンでは、広いダイナミックレンジを実現することが容易ではなかった。そこで、従来では、ノイズレベルを低減するために、音響抵抗を低減したり、ギャップを広げたりすることが行われていた。しかし、音響抵抗を低減すると、ダイヤフラムと背極板との対向面積が小さくなり、それに伴って静電容量も小さくなるので、感度が悪くなってしまうという問題があった。また、ギャップを広げても、静電容量が小さくなるので、上記と同様、感度が悪くなってしまうという問題があった。
【０００５】
また、上述の光学型のマイクロフォンでは、ダイヤフラムの振動を光の変化として捕らえるためには、フォーカスサーボ機構が必要であり、システムが複雑になってしまうという問題があった。
【０００６】
なお、このような問題は、音響分野だけでなく、ダイヤフラムを利用して変位を検出する分野、例えば、圧力センサや加速度センサの分野においても同様に生じるものである。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成で、ノイズレベルが低く、かつ感度が高い変位検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の変位検出装置は、変位可能に支持された変位部と、変位部の変位に応じて変位部との間隙が変化する位置に配置された金属層を備えたものである。この変位検出装置は、さらに、金属層に向かって光を射出する発光素子と、発光素子から射出された光のうち金属層での反射光を検出する受光素子とを備えている。ここで、変位部は、少なくとも金属層と間隙を介して対向する対向面に、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらのうち少なくとも１つを含む合金を含んで構成されている。
【０００９】
本発明の変位検出装置では、変位可能に支持された変位部のうち、少なくとも金属層と間隙を介して対向する対向面がＮｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらのうち少なくとも１つを含む合金を含んで構成されている。これにより、金属層の変位を反射光の光強度の変化として捉えることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の変位検出装置によれば、金属層の変位を反射光の光強度の変化として捉えることができるようにした。これにより、出力信号のノイズレベルを低く抑えることができ、さらに、高感度を実現することができる。また、本発明では、金属層の変位を反射光の光強度の変化として捉える際に、フォーカスサーボ機構などの複雑なシステムを必要としないことから、簡易な構成で、低ノイズレベルおよび高感度を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る変位検出装置の構成図である。
【図２】図１の変位検出装置の一変形例の構成図である。
【図３】変位部の金属層がＮｉからなるときの入射角と反射率との関係図である。
【図４】変位部の金属層がＡｇからなるときの入射角と反射率との関係図である。
【図５】変位部の金属層が種々の金属からなるときのギャップの幅と反射率との関係図である。
【図６】図１の光学ガラスの形状の一例を表す構成図である。
【図７】図１の変位検出装置における、金属層の変位と反射光の光強度の変位との関係図である。
【図８】図１の変位検出装置における、金属層の変位と反射光の光強度の変位との関係図である。
【図９】比較例に係る変位検出装置における、金属層の変位と反射光の光強度の変位との関係図である。
【図１０】比較例に係る変位検出装置における、金属層の変位と反射光の光強度の変位との関係図である。
【図１１】本発明の一適用例に係るマイクロフォンの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態（変位検出装置）
２．適用例（マイクロフォン）
【００１３】
＜実施の形態＞
図１は、本発明の一実施の形態に係る変位検出装置１の概略構成を表したものである。この変位検出装置１は、音、圧力、加速度などを検出することの可能なものであり、例えば、図１に示したように、変位部１０、光学素子２０、発光素子３０および受光素子４０を備えている。変位検出装置１は、さらに、受光素子４０からの出力信号を処理する信号処理部（図示せず）を備えている。
【００１４】
（変位部１０）
変位部１０は、外部から伝播してきた音や、外部の圧力、変位検出装置１にかけられた加速度によって変位（振動）可能に支持されたものである。変位部１０は、例えば、図１に示したように、支持基板１１と、金属層１２とを含んで構成されており、板状の形状となっている。なお、変位部１０は、図示しないが、板状の形状とは異なる形状、例えば、球形状となっていてもよい。また、金属層１２が自立できる程度の剛性を有している場合には、変位部１０に支持基板１１が設けられていなくてもよい。
【００１５】
支持基板１１は、高分子フィルムや合成樹脂板などによって構成されている。支持基板１１は、外部から伝播してきた音や、外部の圧力、変位検出装置１にかけられた加速度に応じた変位が生じるようになっていることが好ましい。
【００１６】
金属層１２は、支持基板１１の、光学素子２０側の表面に形成されたものである。金属層１２は、支持基板１１の表面のうち、少なくとも金属層２４（後述）との対向領域に形成されており、例えば、図１に示したように、金属層２４との対向領域を含む領域に形成されている。なお、金属層１２は、例えば、図２に示したように、金属層２４との対向領域にだけ形成されていてもよい。金属層１２は、Ａｕ、ＡｇまたはＣｕとは異なる金属材料、例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらのうち少なくとも１つを含む合金によって構成されている。金属層１２は、例えば、蒸着やスパッタリングなどによって成膜されたものである。また、金属層１２は、入射光が透過しない十分な厚さ（例えば１００ｎｍ以上）を持っている。なお、金属層１２がＮｉやステンレスなどからなり、薄くても十分な強度を有し、自立できる程度の剛性を有している場合には、変位部１０に支持基板１１が設けられていなくてもよい。
【００１７】
金属層１２の材料として上記の材料を用いた場合には、金属層１２の材料としてＡｕ、ＡｇまたはＣｕを用いた場合と比べて、入射光と表面プラズモンとの結合効率が低く、表面プラズモンが励起し難い。また、金属層１２の材料として挙げた上記の材料は、発光素子３０の光が臨界角以上の所定の角度θで金属層２４に入射したときの反射率がギャップｇの幅ｄの変位に対して直線的に変化するギャップｇの幅ｄの範囲が、変位部１０のうち少なくとも金属層２４との対向面にＡｕ、ＡｇまたはＣｕを用いた場合のそれよりも広くなるような材料である。これは、金属層１２の材料として上記の材料を用いた場合には、ギャップの広い変化幅において反射率の直線性が良いことを意味している。なお、ギャップｇは、空気で満たされていてもよいし、空気以外の気体や液体で満たされていてもよい。
【００１８】
ここで、表面プラズモンの励起とは、ある波数で入射した光によって金属層２４の表面の自由電子が集団的に振動することを指している。本実施の形態では、表面プラズモンを励起させることで反射光強度が著しく減少する現象を利用する。金属層１２と金属層２４とのギャップｇの幅ｄのわずかな変化で共鳴状態が変化することから、ギャップｇの幅ｄまたは金属層２４の変位（振動）を特定することができる。
【００１９】
ギャップｇの幅ｄを変化させることで共鳴状態が変化する。例えば、図３に示したように、金属層１２がＮｉによって構成されている場合には、ギャップｇの幅ｄが小さくなるにつれて、共鳴角が大きくなる。また、例えば、図３に示したように、金属層１２がＮｉによって構成されている場合には、入射角度を固定した上で、ギャップｇの幅ｄを変化させた場合には、ギャップｇの幅ｄが小さくなるにつれて、反射率がゆるやかに大きくなる。この特徴は、金属層１２がＦｅ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらのうち少なくとも１つを含む合金によって構成されている場合にも当てはまる。一方、金属層１２がＡｕ、ＡｇまたはＣｕによって構成されている場合には、例えば、図４に示したように、ギャップｇの幅ｄが小さくなるにつれて、反射率が急峻に大きくなる。つまり、金属層１２がＮｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらのうち少なくとも１つを含む合金によって構成されている場合と、金属層１２がＡｕ、ＡｇまたはＣｕによって構成されている場合とでは、反射率の変化が大きく異なる。金属層１２がＡｕ、ＡｇまたはＣｕによって構成されている場合には、結合効率が低下しないので、図４に示したように、共鳴が維持されたまま、共鳴角が変化する。そのため、この場合には、固定角度での検出が困難である。
【００２０】
上記の特徴について説明するにあたって、まず、例えば、図５に示したように、金属層１２の材料として、３つのグループを想定する。１つ目のグループ（第１グループＧ１）には、Ｎｉ、Ｆｅ、およびこれらのうち少なくとも１つを含む合金が含まれる。２つ目のグループ（第２グループＧ２）には、Ａｌ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびこれらのうち少なくとも１つを含む合金が含まれる。３つ目のグループ（第３グループＧ３）には、Ａｕ、ＡｇまたはＣｕが含まれる。
【００２１】
例えば、図４に示したように、金属層１２が第１グループＧ１の材料によって構成されている場合には、反射率が０．２から０．８まで変化するときのギャップｇの幅ｄの変化量Δｄ１は、おおよそ４５０ｎｍである。また、例えば、図４に示したように、金属層１２が第２グループＧ２の材料によって構成されている場合には、反射率が０．２から０．８まで変化するときのギャップｇの幅ｄの変化量Δｄ２は、おおよそ４００ｎｍである。また、例えば、図４に示したように、金属層１２が第３グループＧ３の材料によって構成されている場合には、反射率が０．２から０．８まで変化するときのギャップｇの幅ｄの変化量Δｄ３は、おおよそ１００ｎｍである。なお、金属層１２が第３グループＧ３の材料の１つであるＡｇによって構成されている場合には、入射角度を固定した上で、ギャップｇの幅ｄを変化させたときに、例えば、図５に示したように、ギャップｇの幅ｄが小さくなるにつれて、反射率が急峻に大きくなることがわかる。
【００２２】
このように、金属層１２が第１グループＧ１または第２グループＧ２の材料によって構成されている場合には、金属層１２が第３グループＧ３の材料によって構成されている場合と比べて、反射率が０．２から０．８まで変化するときのギャップｇの幅ｄの変化量がおおよそ４倍大きく、反射率がゆるやかに変化していることがわかる。従って、金属層１２は、発光素子３０の光Ｌ１が臨界角以上の所定の角度で金属層２４に入射したときの反射率がギャップｇの幅ｄの変位に対して直線的に変化するギャップｇの幅ｄの範囲が、変位部１０のうち少なくとも金属層２４との対向面にＡｕ、ＡｇまたはＣｕを用いた場合のそれよりも広い材料によって構成されている、といえる。
【００２３】
（光学素子２０）
光学素子２０は、変位部１０と所定の間隙ｇを介して対向する位置に配置されたものである。光学素子２０は、表面プラズモンを励起するための光学系であり、いわゆるクレッチマン配置となっている。光学素子２０は、例えば、図１に示したように、プリズム２１、マッチングオイル２２、光学ガラス２３および金属層２４を有している。
【００２４】
プリズム２１は、発光素子３０から射出された光を金属層２４の表面に導くためのものであり、かつ金属層２４で反射された光を受光素子４０に導くものである。プリズム２１は、例えば、屈折率１．４以上の誘電体材料によって構成されている。プリズム２１は、棒状の光学素子、例えば、半円柱形状のプリズムによって構成されている。なお、プリズム２１は、発光素子３０から射出された光が金属層２４の表面に表面プラズモン共鳴角で入射することの可能な形状および屈折率を有していればよく、上述した半円柱形状とは異なる形状となっていてもよい。例えば、発光素子３０から射出された光が垂直に入射する平面と、金属層２４で反射された光が垂直に入射する平面とを含む多角柱形状のプリズムとなっていてもよい。
【００２５】
マッチングオイル２２は、プリズム２１と光学ガラス２３とを互いに光学的に接合するためのものである。光学ガラス２３は、金属層２４のうち光入射側の面に接すると共に金属層２４を支持する光透過性部材であり、例えば、屈折率１．４以上の誘電体材料によって構成されている。る。この光学ガラス２３は、金属層１１と金属層２４との対向面積を規定するものであり、例えば、図６（Ａ）に示したように、金属層２４と接する面２３Ａが平坦となった板状のガラス（光透過性部材）によって構成されている。なお、面２３Ａが、例えば、図６（Ｂ）に示したように、金属層１２側に突出した曲面となっていてもよい。この場合には、面２３Ａが凸状となっていることで、面２３Ａと金属層１２との位置関係に傾きがあった場合であっても、許容度が増す。
【００２６】
金属層２４は、通常の表面プラズモン共鳴法に用いられる薄膜からなり、例えば、金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）を蒸着した薄膜によって構成されている。金属薄膜は、例えば、数十ｎｍ程度の厚さとなっている。
【００２７】
光学素子２０は、また、例えば、図１に示したように、発光素子３０と金属層２４（またはプリズム２１）との間に、コリメートレンズ２５、偏光板２６およびピンホール２７を発光素子３０側から順に有している。光学素子２０は、さらに、例えば、図１に示したように、受光素子４０と金属層２４（またはプリズム２１）との間に、ピンホール２８を有している。コリメートレンズ２５、偏光板２６およびピンホール２７は、発光素子３０から射出される光の光軸上に配置されている。ピンホール２８および受光素子４０は、発光素子３０から射出された光のうち金属層２４で反射された光の光軸上に配置されている。コリメートレンズ２５、偏光板２６、ピンホール２７およびピンホール２８は、プリズム２１、マッチングオイル２２、光学ガラス２３および金属層２４と共に、所定の位置に固定されている。従って、これらプリズム２１、マッチングオイル２２、光学ガラス２３、金属層２４、コリメートレンズ２５、偏光板２６、ピンホール２７およびピンホール２８は全て、変位検出装置１の使用時に回動や走査がなされるものではない。
【００２８】
コリメートレンズ２５は、発散性ビームを平行ビームに変換するものである。偏光板２６は、入射光のうち、特定の方向の偏光成分だけを透過し、それ以外の成分を吸収するものである。偏光板２６は、例えば、発光素子３０から射出された光のうちｐ偏光成分だけを透過し、ｓ偏光成分を吸収するようになっている。ピンホール２７は、発光素子３０から射出された光のビーム径を制御するものであり、例えば円形状の開口を有している。ピンホール２８は、発光素子３０から射出された光のうち金属層２４で反射された光のビーム径を制御するものであり、例えば円形状の開口を有している。ピンホール２８は反射光ビームのうち、θSPRでの反射光減衰による暗線上の光強度を選択的に検出する役割を有している。すなわちギャップｄが減少するにしたがって最も近接している暗線上の位置の光強度が増大するので、受光素子４０（後述）がこの点の光を選択的に検出するようになっている。なお、θSPRとは、対向金属が無限遠にある場合に表面プラズモン共鳴が励起する角度のことを意味している。
【００２９】
（発光素子３０）
発光素子３０は、金属層２４の裏面（光学ガラス２３との接触面）に向かって、所定の波長の光を所定の角度θで射出するものである。角度θは、全反射条件となる角度、すなわち、臨界角以上の角度となっている。発光素子３０の光を所定の角度θで金属層２４の裏面に入射させたときに、金属層２４の表面（変位部１０側の面）に誘起されるエバネッセント波の波数が表面プラズモンの波数と一致させることができる。発光素子３０から射出される光の波長は、上記の波数を与える値になっている。発光素子３０は、例えば、レーザダイオード（LD: Laser Diode）、ガスレーザ、固体レーザなどの単一波長の光源によって構成されている。発光素子３０は、金属層２４への光入射角が一定となるように、所定の位置に固定されている。
【００３０】
（受光素子４０）
受光素子４０は、発光素子３０から射出された光のうち反射光を検出するものである。受光素子４０は、例えば、フォトダイオード(PD: Photo Diode)によって構成されている。受光素子４０は、発光素子３０と同様、所定の位置に固定されている。
【００３１】
（動作）
次に、本実施の形態の変位検出装置１の動作の一例について説明する。本実施の形態では、発光素子３０から入射光Ｌ１がプリズム２１、マッチングオイル２２、光学ガラス２３を経由して金属層２４に全反射条件で入射する。その際、入射光Ｌ１の一部は、金属層２４を透過し、プリズム２１とは反対側の表面に到達し、この表面にエバネッセント波を発生させる。エバネッセント波の波数が表面プラズモンの波数と一致する入射角度で表面プラズモン共鳴が励起される。
【００３２】
このとき、本実施の形態では、金属層２４と所定の間隙ｇを介して金属層１２が設けられているので、間隙ｇの幅ｄの変化により共鳴条件が変化する。この共鳴条件は金属層１２の材料によって異なる。本実施の形態では、金属層１２が、上述した第１グループＧ１または第２グループＧ２に含まれる高損失の金属材料によって構成されているので、結合効率が低くなる。そのため、表面プラズモン共鳴のＱ値が低いので、例えば、図５に示したように、間隙ｇの幅ｄの変化に対する反射率の変化が緩やかとなる。
【００３３】
本実施の形態の変位検出装置１は、間隙ｇの幅ｄの変化に対する反射率の変化がゆるやかとなる特徴を有していることから、例えば、外部から音が伝播してきたり、変位検出装置１に加速度がかけられたりして、変位部１０（金属層１２）が振動した場合には、例えば、図７に示したように、変位部１０の振動に応じて反射光Ｌ２の光強度が緩やかに振動する。また、例えば、図７に示したように、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値が大きく異なっていても、間隙ｇの幅ｄの振幅がほぼ等しい場合には、反射率の振幅もほぼ等しくなる。また、例えば、外部の圧力の大きさに応じて変位部１０が変位した場合には、例えば、図８に示したように、変位部１０の変位に応じて反射光Ｌ２の光強度が変位する。また、例えば、図８に示したように、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値が大きく異なっていても、間隙ｇの幅ｄの変化量がほぼ等しい場合には、反射率の変化量もほぼ等しくなる。
【００３４】
このように、本実施の形態では、変位部１０（金属層１２）の変位を反射光の光強度の変化として捉えることができる。これにより、出力信号のノイズレベルを低く抑えることができ、さらに、高感度を実現することができる。また、本実施の形態では、変位部１０（金属層１２）の変位を反射光の光強度の変化として捉える際に、フォーカスサーボ機構や、発光素子３０を走査する機構などの複雑なシステムを必要としない。さらに、本実施の形態では、発光素子３０が固定されていることから、受光素子４０は、発光素子３０を走査させたときのような大面積の受光面を必要とせず、ＰＤで十分である。従って、本実施の形態では、簡易な構成で、低ノイズレベルおよび高感度を実現することができる。
【００３５】
ところで、金属層１２が、上述した第３グループＧ３に含まれる低損失の金属材料によって構成されている場合（比較例）には、結合効率が高くなる。そのため、表面プラズモン共鳴のＱ値が高いので、例えば、図５に示したように、間隙ｇの幅ｄの変化に対する反射率の変化が急峻となる。これにより、例えば、外部から音が伝播してきたり、変位検出装置１に加速度がかけられたりして、変位部１０（金属層１２）が振動した場合には、例えば、図９に示したように、変位部１０の振動に応じて反射光Ｌ２の光強度が微小にしか振動しなかったり、変位部１０の振動に応じて反射光Ｌ２の光強度が高振幅で振動したりする。このように、比較例では、間隙ｇの幅ｄの振幅がほぼ等しい場合であっても、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値が大きく異なる場合には、反射率の振幅が大きく異なってしまう。また、例えば、外部の圧力の大きさに応じて変位部１０が変位した場合には、例えば、図１０に示したように、変位部１０の変位に応じて反射光Ｌ２の光強度が微小にしか変位しなかったり、変位部１０の振動に応じて反射光Ｌ２の光強度が大きく変位したりする。このように、比較例では、間隙ｇの幅ｄの変化量がほぼ等しい場合であっても、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値が大きく異なる場合には、反射率の変化量が大きく異なってしまう。従って、比較例では、ダイナミックレンジが極めて小さいことがわかる。なお、比較例において、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値に応じて、反射率の振幅を補正したり、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値に応じて、反射率の変化量を補正したりすることにより、ダイナミックレンジを広げることも可能である。しかし、そのようにした場合には、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値や、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値によって、分解能が大きく異なってしまう。
【００３６】
一方、本実施の形態では、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値が大きく異なる場合であっても、間隙ｇの幅ｄの変化量がほぼ等しいときには、反射率の振幅もほぼ等しくなる。また、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値が大きく異なる場合であっても、間隙ｇの幅ｄの変化量がほぼ等しいときには、反射率の変化量もほぼ等しくなる。従って、本実施の形態では、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値や、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値に依らず、分解能が常にほぼ等しいので、反射率の振幅や変化量を補正する必要がない。従って、簡易な構成で、大きなダイナミックレンジを実現することができる。
【００３７】
なお、本実施の形態において、信号処理部に、光強度と金属層１２の変位量との対応を記述したＬＵＴ(Look-Up Table)を設け、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値に応じて、反射率の振幅を補正したり、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値に応じて、反射率の変化量を補正したりしてもよい。このようにした場合であっても、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値や、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値に依らず、分解能が常にほぼ等しいので、間隙ｇの幅ｄの振幅の中心値や、間隙ｇの幅ｄが変化する前の幅ｄの値によって、分解能が大きく異なってしまうことがないからである。
【００３８】
＜適用例＞
以下に、上記実施の形態の変位検出装置１の一適用例について説明する。本適用例に係るマイクロフォン２は、外部から伝播してきた音を検出するために、上記実施の形態の変位検出装置１を用いたものである。マイクロフォン２は、空気圧の変動である空気の疎密波を変動部１０が受けて、変動部１０の振動を、金属層２４からの反射光の光強度の変化として検出するものである。
【００３９】
マイクロフォン２は、例えば、図１０に示したように、変位検出装置１と、変位検出装置１の変動部１０を変位（振動）可能に支持する指示部６０と、光学素子２０、発光素子３０および受光素子４０からなる光学セット５０を指示する指示部７０とを備えている。マイクロフォン２は、従来のコンデンサマイクに必要な背極板の代わりに変位検出装置１を有し、変動部１０の振動を静電容量の変化として検出する代わりに、金属層２４からの反射光の光強度の変化として検出するようになっている。これにより、コンデンサマイクの静電容量を確保するために必要とされた金属蒸着の量を大幅に少なくすることができるので、振動系の質量を軽減することができる。その結果、高域周波数特性が向上する。また、従来のコンデンサマイクで必要であった背極板が不要となるので、背極板によって加えられる空気抵抗に起因する音響抵抗をなくすることができる。これにより、熱振動ノイズを低減することができる。従って、本適用例では、出力信号のノイズレベルが低く、しかも、高いダイナミックレンジを実現することができる。また、マイクロフォン２では、フォーカスサーボ機構や、発光素子３０を走査する機構などの複雑なシステムを必要としない。さらに、発光素子３０が固定されていることから、受光素子４０は、発光素子３０を走査させたときのような大面積の受光面を必要とせず、ＰＤで十分である。従って、本適用例では、小型で、しかも低ノイズレベルおよび高感度のマイクロフォンを実現することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１…変位検出装置、２…マイクロフォン、１０…変位部、１１…支持基板、１２，２４…金属層、２０…光学素子、２１…プリズム、２２…マッチングオイル、２３…光学ガラス、２５…コリメートレンズ、２６…偏光板、２７，２８…ピンホール、３０…発光素子、４０…受光素子、５０…光学セット、６０，７０…支持部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位可能に支持された変位部と、
前記変位部の変位に応じて前記変位部との間隙が変化する位置に配置された金属層と、
前記金属層に向かって光を射出する発光素子と、
前記発光素子から射出された光のうち前記金属層での反射光を検出する受光素子と
を備え、
前記変位部は、少なくとも前記金属層と前記間隙を介して対向する対向面にＮｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらのうち少なくとも１つを含む合金を含んで構成されている
変位検出装置。
【請求項２】
前記金属材料は、前記発光素子の光が臨界角以上の所定の角度で前記金属層に入射したときの反射率が前記間隙の変位に対して直線的に変化する間隙の範囲が、前記対向面にＡｕ、ＡｇまたはＣｕを用いた場合のそれよりも広い材料である
請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記金属層のうち光入射側の面に接すると共に前記金属層を支持する光透過性部材を備えた
請求項１または請求項２に記載の変位検出装置。
【請求項４】
前記光透過性部材のうち前記金属層と接する面が、前記変位部側に突出した曲面となっている
請求項３に記載の変位検出装置。
【請求項５】
前記発光素子は、前記金属層への光入射角が一定となるように固定されている
請求項１または請求項２に記載の変位検出装置。
【請求項６】
前記光入射角は臨界角以上である
請求項５に記載の変位検出装置。
【請求項７】
前記受光素子からの出力信号を処理する信号処理部を備え、
前記信号処理部は、光強度と前記金属層の変位量との対応を記述したＬＵＴ(Look-Up Table)を有する
請求項５または請求項６に記載の変位検出装置。
【請求項８】
前記受光素子は、フォトダイオード(PD: Photo Diode)である
請求項１または請求項２に記載の変位検出装置。
【請求項１】
変位可能に支持された変位部と、
前記変位部の変位に応じて前記変位部との間隙が変化する位置に配置された金属層と、
前記金属層に向かって光を射出する発光素子と、
前記発光素子から射出された光のうち前記金属層での反射光を検出する受光素子と
を備え、
前記変位部は、少なくとも前記金属層と前記間隙を介して対向する対向面にＮｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、あるいはこれらのうち少なくとも１つを含む合金を含んで構成されている
変位検出装置。
【請求項２】
前記金属材料は、前記発光素子の光が臨界角以上の所定の角度で前記金属層に入射したときの反射率が前記間隙の変位に対して直線的に変化する間隙の範囲が、前記対向面にＡｕ、ＡｇまたはＣｕを用いた場合のそれよりも広い材料である
請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記金属層のうち光入射側の面に接すると共に前記金属層を支持する光透過性部材を備えた
請求項１または請求項２に記載の変位検出装置。
【請求項４】
前記光透過性部材のうち前記金属層と接する面が、前記変位部側に突出した曲面となっている
請求項３に記載の変位検出装置。
【請求項５】
前記発光素子は、前記金属層への光入射角が一定となるように固定されている
請求項１または請求項２に記載の変位検出装置。
【請求項６】
前記光入射角は臨界角以上である
請求項５に記載の変位検出装置。
【請求項７】
前記受光素子からの出力信号を処理する信号処理部を備え、
前記信号処理部は、光強度と前記金属層の変位量との対応を記述したＬＵＴ(Look-Up Table)を有する
請求項５または請求項６に記載の変位検出装置。
【請求項８】
前記受光素子は、フォトダイオード(PD: Photo Diode)である
請求項１または請求項２に記載の変位検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−３５６４７（Ｐ２０１１−３５６４７Ａ）
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７９７３５（Ｐ２００９−１７９７３５）
【出願日】平成２１年７月３１日（２００９．７．３１）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月３１日（２００９．７．３１）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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