JP2001169394A - Optical microphone element and optical microphone system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は光マイクロフォン素
子及びこの光マイクロフォン素子を用いた光マイクロフ
ォン装置に関する。The present invention relates to an optical microphone device and an optical microphone device using the optical microphone device.
【0002】[0002]
【従来の技術】図7は従来の光マイクロフォン素子10
の概略構成を示す図である。容器1の入口近傍に振動板
2を張架する。そして発光ダイオード3と、フォトトラ
ンジスタあるいはフォトダイオード5とを容器1内に設
置し、発光ダイオード3からの入射光L1を振動板2の
内側面2bで反射させ、この反射光L2をフォトトラン
ジスタあるいはフォトダイオード等の受光素子5により
受光する。この光マイクロフォン素子10への入射音波
7は振動板2の外側面2aから入射し、この振動板2を
振動させる。振動板2が振動することにより反射光L2
の方向が変化し、受光素子5の異なる受光面5aに入射
するようになる。この受光面5aの変化を検出すること
により振動板2の変位を検出することができる。また入
射光L1及び反射光L2の位置合わせのためにレンズ4
あるいは6を使用することもある。このように従来の光
マイクロフォン素子では発光素子3から一定の角度を付
けて入射光L1を振動板2に対して放射し、その入射角
に対応した反射角で反射光L2を受光し反射光L2の反
射角度の変化に応じて振動板2の変位を検出し音波の再
生を行っていた。2. Description of the Related Art FIG.
It is a figure which shows schematic structure of. A diaphragm 2 is stretched near the entrance of the container 1. Then, the light emitting diode 3 and the phototransistor or the photodiode 5 are installed in the container 1, and the incident light L1 from the light emitting diode 3 is reflected by the inner side surface 2b of the diaphragm 2, and the reflected light L2 is converted to the phototransistor or the phototransistor. Light is received by a light receiving element 5 such as a diode. The sound wave 7 incident on the optical microphone element 10 is incident from the outer surface 2a of the diaphragm 2, and vibrates the diaphragm 2. When the diaphragm 2 vibrates, the reflected light L2
Is changed, and the light enters the different light receiving surface 5a of the light receiving element 5. By detecting the change in the light receiving surface 5a, the displacement of the diaphragm 2 can be detected. A lens 4 is used to position the incident light L1 and the reflected light L2.
Alternatively, 6 may be used. As described above, in the conventional optical microphone element, the incident light L1 is emitted from the light emitting element 3 to the diaphragm 2 at a certain angle, the reflected light L2 is received at the reflection angle corresponding to the incident angle, and the reflected light L2 is received. The sound wave is reproduced by detecting the displacement of the diaphragm 2 according to the change in the reflection angle of the sound wave.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】このような従来の光マ
イクロフォン素子の構造では、発光ダイオード等の発光
素子3とフォトトランジスタやフォトダイオードなどの
受光素子5との位置合わせに数十ミクロン以下の高い精
度が必要となる。このため発光素子3や受光素子5及び
振動板2等を個別部品で構成する場合、製品を製造する
上で高い精度での位置合わせが困難なため、歩留まりの
悪化を招いてしまうという問題点があった。また光マイ
クロフォン素子を小型化する上で限界があった。本発明
は上述した課題を解決するために成されたもので、装置
の小型化が簡単でしかも高精度に受発光素子と振動板と
の位置合わせが可能な光マイクロフォン素子及びこれを
用いた光マイクロフォン装置を提供することを目的とす
る。In such a conventional structure of the optical microphone element, the alignment between the light emitting element 3 such as a light emitting diode and the light receiving element 5 such as a phototransistor or a photodiode is as high as several tens of microns or less. Accuracy is required. For this reason, when the light emitting element 3, the light receiving element 5, the vibration plate 2, and the like are composed of individual components, it is difficult to perform high-accuracy alignment in manufacturing a product, which causes a problem of deteriorating the yield. there were. There is also a limit in reducing the size of the optical microphone element. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and an optical microphone element that can easily align a light-receiving / emitting element and a diaphragm with high accuracy, and an optical microphone using the same. It is an object to provide a microphone device.
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】本発明の光マイクロフォ
ン素子は、同一基板上に発光素子と受光素子とを配置
し、前記基板に対向する位置に設置された振動板に前記
発光素子から光を放射し、前記振動板からの反射光を前
記受光素子で受光して前記振動板の変位を検出する光マ
イクロフォン素子において、前記発光素子として発光強
度分布が同心円状にほぼ均一な垂直表面発光型発光素子
を前記基板の中心部に配置し、前記発光素子を取囲込む
ように同心円状に前記受光素子を配置したことを特徴と
する。According to the optical microphone element of the present invention, a light emitting element and a light receiving element are arranged on the same substrate, and light from the light emitting element is applied to a diaphragm installed at a position facing the substrate. In the optical microphone element which emits and receives the reflected light from the diaphragm with the light receiving element to detect the displacement of the diaphragm, the light emitting element has a vertical surface emission type light emitting element whose emission intensity distribution is substantially uniform in a concentric circle. An element is arranged at the center of the substrate, and the light receiving element is arranged concentrically so as to surround the light emitting element.
【0005】前記光マイクロフォン素子において、前記
受光素子を複数個の素子で構成することが出来る。さら
に、前記光マイクロフォン素子において、前記同心円を
複数個形成することが出来る。また、前記光マイクロフ
ォン素子において、前記発光素子と受光素子とを前記基
板上に同時に形成することが出来る。さらに本発明の光
マイクロフォン素子において、前記基板をガリウム砒素
ウェファとすることが出来る。また、前記光マイクロフ
ォン素子において、前記振動板は前記基板とほぼ平行
に、かつ近接して設置することが出来る。[0005] In the optical microphone element, the light receiving element can be composed of a plurality of elements. Further, in the optical microphone element, a plurality of the concentric circles can be formed. Further, in the optical microphone element, the light emitting element and the light receiving element can be simultaneously formed on the substrate. Further, in the optical microphone device of the present invention, the substrate may be a gallium arsenide wafer. Further, in the optical microphone element, the diaphragm can be installed substantially parallel to and close to the substrate.
【0006】さらに、本発明の光マイクロフォン装置
は、発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂直表面発光
型発光素子を基板の中心部に配置し、前記発光素子を取
囲込むように同心円状に受光素子を配置し、前記基板に
対向する位置に設置された振動板に前記発光素子から光
を放射し、前記振動板からの反射光を前記受光素子で受
光する光マイクロフォン素子と、異なる同心円に属する
受光素子が検出した信号の差動信号を検出する差動検出
器とを備え、前記差動検出器の出力から前記振動板の変
位を検出することを特徴とする。前記光マイクロフォン
装置において、前記振動板は前記基板とほぼ平行に、か
つ近接して設置することが出来る。Further, in the optical microphone device of the present invention, a vertical surface emitting type light emitting element having a light emission intensity distribution substantially concentrically arranged at the center of the substrate, and concentrically surrounding the light emitting element. A light receiving element is arranged, and light is emitted from the light emitting element to a diaphragm installed at a position facing the substrate, and an optical microphone element that receives reflected light from the diaphragm with the light receiving element, in a different concentric circle. A differential detector for detecting a differential signal of a signal detected by the light receiving element belonging to the light receiving element, and detecting a displacement of the diaphragm from an output of the differential detector. In the optical microphone device, the diaphragm can be installed substantially parallel to and close to the substrate.
【0007】[0007]
【発明の実施の形態】図1は本発明による光マイクロフ
ォン素子の基本構造を示す図である。図1(a)は断面
形状を示したもので容器1の底面8に電子回路基板12
を設置し、この基板12上に発光素子と受光素子とを配
置した基板9を取り付ける。取り付けは、基板9と基板
12とを例えばフリップチップボンディングで電気的に
接続することにより行うことも出来る。また底面8をシ
リコンなどの半導体基板で構成すれば、この上に電子回
路を構成できるので電子回路基板12を省略することも
出来る。なお、図1に示す実施の形態では発光素子とし
て面発光レーザダイオードLDを受光素子としてフォト
ダイオードPDを用いている。基板9の中央に円形形状
の面発光レーザダイオードLDを配置し、この面発光レ
ーザダイオードLDを取り巻くように同心円状に受光素
子PDを配置する。FIG. 1 is a diagram showing a basic structure of an optical microphone device according to the present invention. FIG. 1A shows a cross-sectional shape, and an electronic circuit board 12 is provided on the bottom surface 8 of the container 1.
Is mounted, and a substrate 9 on which a light emitting element and a light receiving element are arranged is mounted on the substrate 12. The attachment can also be performed by electrically connecting the substrate 9 and the substrate 12 by, for example, flip chip bonding. If the bottom surface 8 is formed of a semiconductor substrate such as silicon, an electronic circuit can be formed thereon, and the electronic circuit substrate 12 can be omitted. In the embodiment shown in FIG. 1, a surface emitting laser diode LD is used as a light emitting element, and a photodiode PD is used as a light receiving element. A circular surface emitting laser diode LD is arranged at the center of the substrate 9, and the light receiving elements PD are arranged concentrically around the surface emitting laser diode LD.
【0008】図1(b)は図1(a)中に点線で囲んで
示した受発光素子が搭載された基板9の受発光部を拡大
して示した平面図である。図に示すように中心部に円形
形状の発光素子LDを配置し、これを取り囲むように同
心円状に受光素子PD1,PD2,…PDnを配置す
る。なおここで用いられる発光素子LDとしては垂直表
面発光型レーザを用いることができる。この発光素子L
Dと受光素子PDとはガリウム砒素ウェファ上に同時に
半導体製造工程により作製することができる。従って発
光素子LDと受光素子PDとの位置合わせ精度は半導体
製造工程に用いられるマスクの精度によって決められる
ため、その合わせ精度を1μm以下とすることができ、
従来の光マイクロフォン素子の受発光素子の位置合わせ
精度に比べて百分の1以下の高精度で実現が可能であ
る。FIG. 1B is an enlarged plan view showing a light emitting / receiving section of a substrate 9 on which the light emitting / receiving elements shown by dotted lines in FIG. 1A are mounted. As shown in the figure, a circular light emitting element LD is arranged at the center, and light receiving elements PD1, PD2,... PDn are arranged concentrically around the light emitting element LD. Note that a vertical surface emitting laser can be used as the light emitting element LD used here. This light emitting element L
D and the light receiving element PD can be simultaneously manufactured on a gallium arsenide wafer by a semiconductor manufacturing process. Therefore, since the alignment accuracy between the light emitting element LD and the light receiving element PD is determined by the accuracy of the mask used in the semiconductor manufacturing process, the alignment accuracy can be 1 μm or less,
This can be realized with a high accuracy of 1/100 or less as compared with the positioning accuracy of the light receiving / emitting element of the conventional optical microphone element.
【0009】一般に、垂直表面発光型発光素子は発光強
度分布が同心円状にほぼ均一な特性を持っている。従っ
て、中心部に設置された発光素子LDから所定の角度で
振動板2に向かって放射された放射光は同心円状に同一
強度を持って反射し、音波7の受波により振動板2が振
動することにより反射角度が変化し受光素子PDに同心
円状に到達する。従って、同心円状に配列された受光素
子PD1〜PDnの受光光量の変化を検出することによ
り振動板2の振動変位を検出することができる。これに
より入射音波7の強弱を検知することができるため、光
マイクロフォン素子として使用可能となる。なお発光素
子LDや受光素子PDを駆動、もしくは入射光量の検出
のために電極11が形成されている。In general, a vertical surface emitting type light emitting element has a characteristic in which a light emission intensity distribution is substantially uniform concentrically. Therefore, the radiated light emitted from the light emitting element LD installed at the center toward the diaphragm 2 at a predetermined angle is concentrically reflected with the same intensity, and the diaphragm 2 is vibrated by receiving the sound wave 7. As a result, the reflection angle changes and the light reaches the light receiving element PD concentrically. Therefore, the vibration displacement of the diaphragm 2 can be detected by detecting a change in the amount of received light of the light receiving elements PD1 to PDn arranged concentrically. As a result, the strength of the incident sound wave 7 can be detected, so that it can be used as an optical microphone element. An electrode 11 is formed for driving the light emitting element LD and the light receiving element PD or detecting the amount of incident light.
【0010】次に本発明で用いられる発光素子である垂
直表面発光型レーザ(以下VCSELという)について
説明する。図2にはVCSELの発光強度分布を示した
もので、図に示すように放射強度分布は核内に対するガ
ウス分布として与えられる。発光強度分布P0(θ)は
(1)式で示される。Next, a vertical surface emitting laser (hereinafter referred to as VCSEL) which is a light emitting element used in the present invention will be described. FIG. 2 shows the emission intensity distribution of the VCSEL. As shown in the figure, the emission intensity distribution is given as a Gaussian distribution with respect to the inside of the nucleus. The emission intensity distribution P0 (θ) is represented by the equation (1).
【数1】 (Equation 1)
【0011】この発光分布係数αの算出を1次元の場合
について計算すると(2)式のように表わされる。When the calculation of the light emission distribution coefficient α is performed for a one-dimensional case, it is represented by the following equation (2).
【数2】 そしてこれを使って発光強度分布を指定された方位につ
いて計算すると図2に示すような分布が得られる。(Equation 2) Then, when this is used to calculate the emission intensity distribution for the designated azimuth, the distribution as shown in FIG. 2 is obtained.
【0012】図3は発光強度分布を2次元について計算
して図示した場合の図である。この場合、2次元の発光
強度分布P0(θ)は(3)式で与えられる。FIG. 3 is a diagram showing a case where the emission intensity distribution is calculated and illustrated in two dimensions. In this case, the two-dimensional emission intensity distribution P0 (θ) is given by equation (3).
【数3】 (Equation 3)
【0013】θ方向とψ方向につき分布算出係数αとβ
と同様な方法で算出する。発光分布係数αは(4)式で
与えられ、発光分布係数βは(5)式で与えられる。The distribution calculation coefficients α and β for the θ and ψ directions
It is calculated in the same manner as in. The light emission distribution coefficient α is given by Expression (4), and the light emission distribution coefficient β is given by Expression (5).
【数4】 (Equation 4)
【数5】 (Equation 5)
【0014】このようにして得られた2次元の発光強度
分布から明らかなように、垂直表面発光型レーザでは発
光素子の強度分布が同心円状にほぼ均一となっている。
このことからレーザ発光を振動板2の偏倚(変位)とし
て効率的に受光するためには、受光素子を同心円状に配
置するのが最適となる。そして同心円状に配置された異
なる同心円に属する受光素子が検出した信号の差動信号
が音圧変化を与える信号となる。ここで受波信号のダイ
ナミックレンジを制限したり、選別したりするためには
受光素子を同心円状に2つ以上設けることによりそれが
可能となる。As is clear from the two-dimensional emission intensity distribution obtained in this manner, the intensity distribution of the light emitting element is almost concentrically uniform in the vertical surface emitting laser.
Accordingly, in order to efficiently receive the laser light emission as the displacement (displacement) of the diaphragm 2, it is optimal to arrange the light receiving elements concentrically. Then, the differential signal of the signal detected by the light receiving elements belonging to different concentric circles arranged concentrically becomes a signal giving a change in sound pressure. Here, it is possible to limit or select the dynamic range of the received signal by providing two or more light receiving elements concentrically.
【0015】図1に示す光マイクロフォン素子において
は振動板2が容器1の端部で固定されているため音圧に
よって振動板2が中心部で大きく、端部で振動しない、
すなわちレンズ状に振動すると考えられる。しかしこの
ようにレンズ状に振動する場合はかなりの音圧が必要
で、かつ振動板2の大きさが大きい場合であって、直径
3mm程度の振動板の場合にはこのようなレンズ状の振
動は実際上考える必要はなく、振動板2はその中心部で
平行に基板9に対して対向して振動していると考えても
よい。In the optical microphone device shown in FIG. 1, since the diaphragm 2 is fixed at the end of the container 1, the diaphragm 2 is large at the center due to sound pressure and does not vibrate at the end.
In other words, it is considered that the lens vibrates like a lens. However, in the case of such a lens-shaped vibration, a considerable sound pressure is required, and when the size of the diaphragm 2 is large, and in the case of a diaphragm having a diameter of about 3 mm, such a lens-shaped vibration is required. It is not necessary to consider in practice, and it may be considered that the diaphragm 2 is vibrating in parallel with the substrate 9 at the center thereof.
【0016】図4は本発明の光マイクロフォン素子によ
る受光量変調原理を説明するための図である。発光素子
LDから所定の角度で放射された放射光は1/2半値全
角相当が最大感度となるように振動板2で反射し、受光
素子PDに入射する。なお振動板2が当初2cの位置に
あり、振動により偏倚量δだけ振動して2dの位置に移
動したものとする。また受発光素子LD,PDと振動板
2との間の距離をLとし発光素子LDからの1/2半値
全角をθとする。振動板2が静止していた時の反射光の
受光部間の直径をA、振動板2が偏倚量δだけ移動した
時の反射光の到達距離の直径をBとする。FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of modulation of the amount of received light by the optical microphone element of the present invention. Radiation light emitted from the light emitting element LD at a predetermined angle is reflected by the diaphragm 2 so as to have a maximum sensitivity equivalent to a half-half full angle, and is incident on the light receiving element PD. It is assumed that the diaphragm 2 is initially at the position 2c, and vibrates by the amount of deviation δ due to the vibration and moves to the position 2d. Further, the distance between the light receiving / emitting elements LD, PD and the diaphragm 2 is L, and the half angle at half angle from the light emitting element LD is θ. Let A be the diameter between the light receiving portions of the reflected light when the diaphragm 2 is at rest, and B be the diameter of the reach of the reflected light when the diaphragm 2 moves by the amount of deviation δ.
【0017】ここで、θ、L、δ、A、Bをそれぞれ変
化させ、反射光の移動幅rを(6)式により計算し、そ
の結果を表1に示す。Here, θ, L, δ, A, and B are respectively changed, and the moving width r of the reflected light is calculated by equation (6). The results are shown in Table 1.
【数6】 (Equation 6)
【0018】[0018]
【表1】 [Table 1]
【0019】このように発光素子の放射角度によって円
周状受光素子上の移動幅が決定される。目的とする音圧
と振動板2の偏倚量δにより適当なPD幅(3ミクロン
より大)を確保する。この場合A,Bをあまり大きくす
るとガリウム砒素ウェファ上に発光素子及び受光素子を
形成する場合の専有面積が大きくなり、1ウェファ当り
から取り出せる受発光素子の数が少なくなるため注意が
必要である。また図1(b)に示すように受発光素子か
らの電極11やそれに接続されるワイヤーボンディン用
のパッド等の面積を必要とするのでそれらを考慮して設
計する必要がある。なおワイヤーボンディング用のパッ
ドの面積としては各100ミクロン角以下であれば十分
である。また、フリップチップボンディングであればパ
ッドの面積は50ミクロン角以下でよい。As described above, the moving width on the circumferential light receiving element is determined by the radiation angle of the light emitting element. An appropriate PD width (greater than 3 microns) is secured by the target sound pressure and the amount of deviation δ of the diaphragm 2. In this case, if A and B are too large, the area occupied by the light-emitting element and the light-receiving element on the gallium arsenide wafer increases, and the number of light-emitting and light-emitting elements that can be taken out from one wafer decreases. In addition, as shown in FIG. 1B, the area of the electrode 11 from the light emitting / receiving element and the pad for the wire bond connected to the electrode 11 are required. It is sufficient that the area of the pad for wire bonding is 100 μm square or less. In the case of flip chip bonding, the pad area may be 50 μm square or less.
【0020】なお同心円状に形成される受光素子は同一
同心円状に単一のものとしても形成することができる
が、複数の受光素子に分割して形成することも可能であ
る。また同心円の数が、後に説明するように、2つの異
なる同心円状の受光素子から差動信号を取り出すため少
なくとも2つ必要であるが、2つに限定されるものでは
なく複数形成することもできる。一般に垂直表面発光型
発光素子として用いられるレーザダイオードは温度依存
性が大きくその発光出力は時間に従って変化する。また
レーザダイオードの駆動電流の変化等によっても光量の
変化が発生する。そのためそのまま何らの処置を取らず
直接あるいは間接に発光信号を受光素子に入力すると受
光素子から取り出される出力がそのままレーザダイオー
ドの光量変化に従って変化することになる。このような
状態では受光素子からの出力信号に温度依存性及び駆動
電流変化による誤差が発生してしまうことになる。The light-receiving elements formed concentrically can be formed as a single concentric light-receiving element, but can also be formed by dividing the light-receiving elements into a plurality of light-receiving elements. Further, as will be described later, at least two concentric circles are required to extract a differential signal from two different concentric light receiving elements, but the number is not limited to two and a plurality of concentric circles can be formed. . Generally, a laser diode used as a vertical surface emitting type light emitting element has a large temperature dependency, and its light emission output changes with time. A change in the amount of light also occurs due to a change in the drive current of the laser diode, or the like. Therefore, if a light emission signal is directly or indirectly input to the light receiving element without taking any measures, the output taken out of the light receiving element changes as it is in accordance with the light quantity change of the laser diode. In such a state, an error occurs due to a temperature dependency and a change in drive current in the output signal from the light receiving element.
【0021】本発明による光マイクロフォン素子におい
て反射光信号を受光素子で取り出した場合、この発光レ
ーザ信号の温度依存性や駆動電流変化等による光量変化
が起きる可能性がある。この問題を解決するために本発
明では受光素子を複数配置し、それらが受光した信号の
差分を取り出すように構成している。また本発明ではこ
れらの複数の受光素子が同一の製造工程で作られるた
め、その相互のばらつきは極めて小さくその差分を取る
ことによって問題となる打ち消し誤差を極小にすること
ができる。When the reflected light signal is taken out by the light receiving element in the optical microphone element according to the present invention, there is a possibility that the light quantity changes due to the temperature dependency of the emitted laser signal, a change in the driving current, and the like. In order to solve this problem, in the present invention, a plurality of light receiving elements are arranged and a difference between signals received by the light receiving elements is extracted. Further, in the present invention, since the plurality of light receiving elements are manufactured in the same manufacturing process, their mutual variations are extremely small, and by taking the difference between them, the canceling error which is a problem can be minimized.
【0022】図5は本発明の光マイクロフォン素子を用
いた光マイクロフォン装置の回路図の一例を示すもので
ある。ここでVCSELは表面発光型レーザダイオード
を、PD1,PD2はこのVCSELの周囲にこれを取
り巻くように配置されたフォトダイオード等の受光素子
を表わしている。これらのVCSEL及び受光素子PD
1,PD2はそれぞれ抵抗R3,R1,R2を介して電
源20と接地30との間に直列接続され、それぞれ所定
の駆動電流が流れるように構成されている。抵抗R1と
受光素子PD1との接続点は差動増幅器IC1の反転入
力端子に接続される。また抵抗R2と受光素子PD2と
の接続点は非反転入力端子に接続される。差動増幅器I
C1の出力はバッファ用の差動増幅器IC2により取り
出されて出力40が得られる。なお電源20と接地30
との間には雑音信号の消去を行うためのバイパスキャパ
シタC11が接続される。FIG. 5 shows an example of a circuit diagram of an optical microphone device using the optical microphone element of the present invention. Here, VCSEL represents a surface emitting laser diode, and PD1 and PD2 represent light receiving elements such as photodiodes arranged around the VCSEL so as to surround it. These VCSEL and light receiving element PD
1 and PD2 are connected in series between the power supply 20 and the ground 30 via the resistors R3, R1 and R2, respectively, and are configured such that a predetermined drive current flows. The connection point between the resistor R1 and the light receiving element PD1 is connected to the inverting input terminal of the differential amplifier IC1. The connection point between the resistor R2 and the light receiving element PD2 is connected to a non-inverting input terminal. Differential amplifier I
The output of C1 is taken out by a buffer differential amplifier IC2 to obtain an output 40. The power supply 20 and the ground 30
Is connected to a bypass capacitor C11 for canceling a noise signal.
【0023】VCSELから放射された入射光は振動板
2で同心円状に反射されて受光素子PD1,PD2にそ
れぞれ入力される。なお振動板2は基板9にほぼ平行に
配置され、かつ極めて近接して設置されている。また振
動板2の偏倚量(移動量)は1ミクロン程度であるため
ほとんど基板9に対して平行移動していると考えること
ができる。なお図5に示す例では内側に同心円状に配置
された受光素子PD1を反転入力端子に、外側に配置さ
れた受光素子PD2を非反転入力端子に接続している
が、必ずしもこのように接続する必要はなく、実際の回
路の設計状況により最適端子に接続することができる。The incident light emitted from the VCSEL is concentrically reflected by the diaphragm 2 and is input to the light receiving elements PD1 and PD2, respectively. Note that the diaphragm 2 is disposed substantially parallel to the substrate 9 and is disposed very close to the substrate 9. In addition, since the amount of displacement (movement) of the diaphragm 2 is about 1 micron, it can be considered that the diaphragm 2 almost moves in parallel with the substrate 9. In the example shown in FIG. 5, the light receiving element PD1 arranged concentrically inside is connected to the inverting input terminal, and the light receiving element PD2 arranged outside is connected to the non-inverting input terminal. There is no need to connect to the optimum terminal depending on the actual circuit design situation.
【0024】また差動増幅器IC1の出力電流iout
と差動入力電流i1,i2との間にはiout=i1−
i2の関係がある。ここで差動入力i1とi2とに独立
してδi1及びδi2の変化があった場合iout=
((i1+δi1)−(i2+δi2))となる。ここ
でフォトダイオードPD1とPD2とが同時に変化する
場合、この変化量δi1とδi2とはδi1=δi2と
なりiout=i1−i2となる。従って仮にVCSE
Lに温度変化や駆動電流変化により発光に変化が生じた
場合にも、その変化は受光素子PD1とPD2とに同時
に伝達され、それが打ち消されるため差動出力iout
にはVCSELの変動は現われない。また独立した変化
であって電流の大きさが異なる時はiout=[(i1
−i2)+(δi1−δi2)]となってその差分が出
力の変化になって現われることになる。これは反射する
光信号が振動板の変化例えば振動や変位によって変化
し、そのために同心円状に受光される反射光に変化が生
じ各々の受光素子に別々の入力変化があることを表わ
す。The output current iout of the differential amplifier IC1
And iout = i1- between the differential input currents i1 and i2.
There is a relationship of i2. Here, when there is a change in δi1 and δi2 independently of the differential inputs i1 and i2, iout =
((I1 + δi1)-(i2 + δi2)). Here, when the photodiodes PD1 and PD2 change at the same time, the change amounts δi1 and δi2 are δi1 = δi2 and iout = i1-i2. Therefore, temporarily, VCSE
When a change in light emission occurs due to a temperature change or a drive current change in L, the change is simultaneously transmitted to the light receiving elements PD1 and PD2, and is canceled, so that the differential output iout
Does not show a change in the VCSEL. When the currents are independent changes and the magnitudes of the currents are different, iout = [(i1
−i2) + (δi1−δi2)], and the difference appears as a change in output. This means that the reflected optical signal changes due to a change, for example, vibration or displacement of the diaphragm, and consequently, the reflected light received concentrically changes, and there is a separate input change in each light receiving element.
【0025】図6は本発明の他の光マイクロフォン装置
の構成を示す回路図である。この実施の形態では、入力
電流i1,i2をそれぞれ抵抗Rを介して加算回路IC
3および減算回路IC4に入力している。そして加算回
路IC3の出力電流i1+i2と、減算回路IC4の出
力電流i1−i2を回路50に入力する。回路50の出
力から出力電流i1+i2に逆比例する出力が得られ
る。回路50の出力は演算器IC5を介して出力40に
(i1−i2)/(i1+i2)として取り出される。
このように回路50と演算器IC5とにより除算回路が
構成されている。このような回路構成を採用すれば、入
力電流i1,i2が共に増加又は、減少した場合に、図
5の回路構成に比較してより安定した出力を得ることが
出来る。FIG. 6 is a circuit diagram showing the configuration of another optical microphone device according to the present invention. In this embodiment, the input currents i1 and i2 are added to the adder circuit IC via the resistor R, respectively.
3 and the subtraction circuit IC4. Then, the output current i1 + i2 of the addition circuit IC3 and the output current i1-i2 of the subtraction circuit IC4 are input to the circuit 50. An output that is inversely proportional to the output current i1 + i2 is obtained from the output of the circuit 50. The output of the circuit 50 is taken out as (i1−i2) / (i1 + i2) to the output 40 via the arithmetic unit IC5.
Thus, the division circuit is constituted by the circuit 50 and the arithmetic unit IC5. If such a circuit configuration is adopted, a more stable output can be obtained as compared with the circuit configuration of FIG. 5 when both the input currents i1 and i2 increase or decrease.
【0026】[0026]
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明では
同一基板上に発光素子と受光素子とを同時に形成するこ
とができるため相互の位置精度を1ミクロン以下とする
ことができ、従来の受発光素子の位置精度に比べて百分
の1以下の極めて高精度にできるという特徴がある。ま
た発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂直表面発光型
発光素子とその周辺に同心円状に受光素子とを配置した
構造を採用しているため、複数の受光素子からの出力を
差動信号としてその差分を検出して出力とすることがで
きる。従って単一の受光素子を用いて出力信号とした場
合に比べて発光素子の温度変化や駆動電流変化等による
影響を低減することができ、安定な信号出力を得ること
ができる。As described above in detail, according to the present invention, since the light emitting element and the light receiving element can be formed simultaneously on the same substrate, the mutual positional accuracy can be reduced to 1 micron or less. There is a feature that extremely high accuracy of 1/100 or less can be achieved as compared with the positional accuracy of the light receiving / emitting element. In addition, a vertical surface-emitting light-emitting element whose emission intensity distribution is almost concentrically arranged and a light-receiving element arranged concentrically around it are adopted, so that outputs from multiple light-receiving elements are used as differential signals. The difference can be detected and output. Therefore, as compared with a case where an output signal is formed using a single light receiving element, the influence of a change in temperature, a change in drive current, or the like of the light emitting element can be reduced, and a stable signal output can be obtained.
【図1】本発明の光マイクロフォン素子の基本原理を説
明するための図。FIG. 1 is a diagram for explaining a basic principle of an optical microphone element of the present invention.
【図2】本発明に用いられる垂直表面発光型レーザの発
光強度分布を示す図。FIG. 2 is a diagram showing an emission intensity distribution of a vertical surface emitting laser used in the present invention.
【図3】本発明に用いられる発光素子の2次元発光強度
分布を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a two-dimensional emission intensity distribution of a light-emitting element used in the present invention.
【図4】本発明による光マイクロフォン素子の受光量変
調原理を説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of modulating the amount of received light of the optical microphone element according to the present invention.
【図5】本発明の光マイクロフォン素子を用いた光マイ
クロフォン装置の回路構成を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a circuit configuration of an optical microphone device using the optical microphone element of the present invention.
【図6】本発明の光マイクロフォン素子を用いた光マイ
クロフォン装置の他の回路構成を示す図。FIG. 6 is a diagram showing another circuit configuration of an optical microphone device using the optical microphone element of the present invention.
【図7】従来の光マイクロフォン素子の基本構造を示す
図。FIG. 7 is a diagram showing a basic structure of a conventional optical microphone element.
LD 発光素子 PD 受光素子 2 振動板 9 基板 11 電極 VCSEL 垂直表面発光型レーザ IC1,IC2 差動増幅器 IC3 加算回路 IC4 減算回路 50,IC5 除算回路 LD light emitting element PD light receiving element 2 diaphragm 9 substrate 11 electrode VCSEL vertical surface emitting laser IC1, IC2 differential amplifier IC3 addition circuit IC4 subtraction circuit 50, IC5 division circuit
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 服部 裕 東京都渋谷区道玄坂1丁目14番6号 株式 会社ケンウッド内 (72)発明者 宮澤 寛 東京都渋谷区道玄坂1丁目14番6号 株式 会社ケンウッド内 (72)発明者 武田 民主 東京都渋谷区道玄坂1丁目14番6号 株式 会社ケンウッド内 Fターム(参考) 5D021 DD04 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Hiroshi Hattori 1-14-6 Dogenzaka, Shibuya-ku, Tokyo Inside Kenwood Corporation (72) Inventor Hiroshi Miyazawa 1-16-16 Dogenzaka, Shibuya-ku, Tokyo Kenwood Corporation (72) Inventor Democracy Takeda 1-14-6 Dogenzaka, Shibuya-ku, Tokyo F-term (reference) in Kenwood Corporation 5D021 DD04
Claims (8)
置し、前記基板に対向する位置に設置された振動板に前
記発光素子から光を放射し、前記振動板からの反射光を
前記受光素子で受光して前記振動板の変位を検出する光
マイクロフォン素子において、 前記発光素子として発光強度分布が同心円状にほぼ均一
な垂直表面発光型発光素子を前記基板の中心部に配置
し、前記発光素子を取囲込むように同心円状に前記受光
素子を配置したことを特徴とする光マイクロフォン素
子。1. A light-emitting element and a light-receiving element are arranged on the same substrate, light is emitted from the light-emitting element to a diaphragm installed at a position facing the substrate, and reflected light from the diaphragm is reflected by the diaphragm. In an optical microphone element that detects a displacement of the diaphragm by receiving light with a light receiving element, a vertical surface emission type light emitting element in which a light emission intensity distribution is substantially uniform concentrically is disposed at the center of the substrate as the light emitting element, An optical microphone element, wherein the light receiving element is arranged concentrically so as to surround the light emitting element.
において、 前記受光素子が複数個の素子で構成されることを特徴と
する光マイクロフォン素子。2. The optical microphone element according to claim 1, wherein said light receiving element is composed of a plurality of elements.
ン素子において、 前記同心円が複数個形成されていることを特徴とする光
マイクロフォン素子。3. The optical microphone element according to claim 1, wherein a plurality of said concentric circles are formed.
光マイクロフォン素子において、 前記発光素子と受光素子とを前記基板上に同時に形成し
たことを特徴とする光マイクロフォン素子。4. The optical microphone element according to claim 1, wherein the light emitting element and the light receiving element are formed on the substrate at the same time.
光マイクロフォン素子において、 前記基板がガリウム砒素ウェファであることを特徴とす
る光マイクロフォン素子。5. The optical microphone device according to claim 1, wherein the substrate is a gallium arsenide wafer.
光マイクロフォン素子において、 前記振動板は前記基板とほぼ平行に、かつ近接して設置
されることを特徴とする光マイクロフォン素子。6. The optical microphone element according to claim 1, wherein the diaphragm is disposed substantially in parallel with and close to the substrate.
直表面発光型発光素子を基板の中心部に配置し、前記発
光素子を取囲込むように同心円状に受光素子を配置し、
前記基板に対向する位置に設置された振動板に前記発光
素子から光を放射し、前記振動板からの反射光を前記受
光素子で受光する光マイクロフォン素子と、 異なる同心円に属する受光素子が検出した信号の差動信
号を検出する差動検出器とを備え、 前記差動検出器の出力から前記振動板の変位を検出する
ことを特徴とする光マイクロフォン装置。7. A vertical surface-emitting light emitting element having a light emission intensity distribution substantially concentrically arranged at the center of a substrate, and a light receiving element arranged concentrically so as to surround the light emitting element.
An optical microphone element that radiates light from the light emitting element to a diaphragm installed at a position facing the substrate and receives reflected light from the diaphragm with the light receiving element, and a light receiving element belonging to a different concentric circle is detected. An optical microphone device, comprising: a differential detector that detects a differential signal of a signal; and detecting a displacement of the diaphragm from an output of the differential detector.
において、 前記振動板は前記基板とほぼ平行に、かつ近接して設置
されることを特徴とする光マイクロフォン装置。8. The optical microphone device according to claim 7, wherein the diaphragm is installed substantially in parallel with and close to the substrate.
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