JPH11146475A

JPH11146475A - マイクロホン、音圧測定装置およびレーザ波長制御装置

Info

Publication number: JPH11146475A
Application number: JP12745598A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Sakai; 正彦酒井
Original assignee: Ono Sokki Co Ltd
Current assignee: Ono Sokki Co Ltd
Priority date: 1997-09-04
Filing date: 1998-05-11
Publication date: 1999-05-28

Abstract

(57)【要約】【課題】気密状態にある空間内の音圧測定に適したマイ
クロホン、気密状態にある空間内の音圧を測定する音圧
測定装置、およびそのマイクロホンを用いた、発振波長
可変なレーザ光源の発振波長を制御するレーザ波長制御
装置を提供する。【解決手段】気密セル１４の内部にマイクロホン１５の
頭部１５ａを配置し、その頭部１５ａに備えられたダイ
ヤフラム１５１にピンホール１５１ｃを形成し、そのマ
イクロホン１５の内部空間１５２を、そのピンホール１
５１ｃ以外、気密構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音圧を測定するマ
イクロホン、マイクロホンを用いた音圧測定装置、およ
びマイクロホンで得られた音圧信号に基づいて発振波長
可変なレーザ光源の発振波長を制御するレーザ波長制御
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ここでは、従来技術として吸光分析法に
よるガス分析技術について説明する。図３は、吸光分析
器の模式図である。白色光源１から発せられた白色光ａ
から干渉フィルタ２で狭帯域の波長の光のみ取り出し、
その干渉フィルタ２を透過した光ｂの一部をハーフミラ
ー３で取り出して光量測定器４に入射させ、ハーフミラ
ー３を透過した光を検出しようとする気体（以下、検出
気体と称する）中を透過させ、その検出気体透過後の光
の一部をハーフミラー５で取り出してもう１つの光量測
定器６に入射させる。

【０００３】検出気体は、その気体成分に応じて特定の
波長の光を吸収するため、光量測定器４での受光光量と
もう１つの光量測定器６での受光光量とを比較すること
により、その検出気体中に含まれる吸光に寄与する成分
量を知ることができる。このような、検出気体の分析手
法は、吸光分析として知られている。図４は、図３に吸
光分析器の白色光源から発せられた光の波長スペクトル
を示した図、図５は、干渉フィルタを透過した光の波長
スペクトルおよび検出気体の吸収線スペクトルを示した
図である。

【０００４】白色光源から発せられた光ａは、図４に示
すように広範囲な波長分布を有しており、干渉フィルタ
により、例えば１０ｎｍ程度の波長幅の光ｂが得られ
る。これに対し、検出気体による吸収線ｃは、例えば半
値幅が１０ｐｍ＝１０×１０^-3ｎｍ程度であり、したが
って検出気体に入射する光の光量に対する、検出気体か
ら出射した光の光量は、高々１／１０００程度減衰して
いるに過ぎない。すなわち、図３に示す吸光分析器で
は、検出しようとする信号変化分は、高々１／１０００
程度であり、その検出しようとする信号に対し約１００
０倍のバイアス成分が重畳されていることになり、その
ような極めて僅かな変化分を高精度に検出するのは極め
て大変であり、高精度な測定を行なうことは難しい。

【０００５】このことから、白色光源に代え、レーザ光
源を用いることが考えられる。レーザ光源から発せられ
るレーザ光の発振線幅は、例えば０．１ｐｍ程度であ
り、検出気体の吸収線の波長幅である１０ｐｍのよりも
十分に狭く、レーザ光の波長を制御するための何らかの
フィードバックループを形成してレーザ光の波長を吸収
線の波長幅内に調整することができれば、そのレーザ光
全体が検出気体による吸収の対象となり、極めて高精度
の吸光分析が可能となる。

【０００６】従来、上記のように、レーザ光を用いて吸
光分析を行なうという考え方自体は存在するものの、実
現されていない。以下、レーザ光を用いた吸光分析手法
の一例について説明し、次いでその問題点について考察
する。図６は、レーザ光を採用した吸光分析器の一例を
示す模式図である。半導体レーザ（以下、ＬＤ（レーザ
ダイオード）と略記する）１１は温度や駆動電流に応じ
て発振波長が変化し、その発振波長はＬＤドライバによ
って制御される。

【０００７】ＬＤ１１は、温度に応じてその発振波長が
大きく変化するため、ＬＤ１１の発振波長（ＬＤ１１か
ら発せられたレーザ光の波長）を安定的に一定の波長に
保つには、何らかのフィードバックループによりＬＤ１
１の発振波長を常に制御する必要がある。ＬＤ１１から
発せられたレーザ光は、チョッパ１３により繰り返し、
オン、オフ変調された後、検出気体が密封されたセル１
４を通過する。このセル１４には、レーザ光が入射する
入射窓１４ａと入射したレーザ光がそのまま内部を通り
抜けて出射する出射窓１４ｂが備えられており、さらに
内部に密封された検出気体の音圧測定用のマイクロホン
１５が、そのマイクロホン１５の頭部１５ａがセル内部
に配置された状態に取着されている。そのマイクロホン
１５で得られた音圧信号はプリアンプ１６で増幅された
後ロックインアンプ１７に入力される。そのロックイン
アンプ１７には、チョッパ１３のチョッピング速度を検
出するセンサ１８で得られた同期信号も入力され、その
ロックインアンプでは、その同期信号に同期した、すな
わち、セル１４に入射するレーザ光のオン、オフに同期
した音圧信号のみが抽出される。このロックインアンプ
１７の出力信号はサーボアンプ１９に入力され、サーボ
アンプ１９の出力信号がよりＬＤドライバ１２に入力さ
れ、ＬＤドライバ１２は、そのサーボアンプ１１の出力
信号に基づいて、ＬＤ１１が所定の波長で発振するよう
に制御しながらＬＤ１１を駆動する。

【０００８】ここで、ＬＤ１１から発せられたレーザ光
の波長がセル１４内部の検出気体の吸収線に合致した波
長のとき、そのレーザ光のエネルギの一部がその検出気
体に吸収される。一方、レーザ光の波長がその検出気体
の吸収線から外れると、レーザ光のエネルギはその検出
気体には吸収されずそのセル１４内をそのまま通過して
しまうことになる。レーザ光のエネルギがセル１４内の
検出気体に吸収されると検出気体が膨張する。このセル
１４に入射するレーザ光はチョッパ１３でオン、オフ変
調されたものであるため、セル内の検出気体はこのオ
ン、オフ変調に同期して膨張、収縮を繰り返し、これが
音圧（圧力の変化分）ΔＰとなってその音圧ΔＰがマイ
クロホン１５で検出される。

【０００９】すなわち、マイクロホン１５で最大の音圧
ΔＰが得られるようにＬＤ１１の発振波長を制御するこ
とにより、セル１４内の検出気体の吸光線に合致した波
長のレーザ光を得ることができる。尚、ここでは解り易
さのためチョッパ１３を備えた構成を示したが、ＬＤ１
１は、その駆動電流を制御することによりレーザ光を断
続的に発することができるものであり、したがって必ず
しもチョッパ１３は備える必要のないものである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図６に示す構成によ
り、一見、この吸光分析器が正しく動作するように思え
る。ところが、セル１４内の検出気体の圧力Ｐ₁ は、外
気圧Ｐ₂ と常に同一であるとは限らず、外気圧Ｐ₂ とは
別の圧力状態での吸光分析を行なう必要を生じたり、あ
るいは、意図的に別の圧力状態を作り出そうとしなくて
も、セル１４内部は密封状態にあるため、セル密封後の
外気圧Ｐ₂ の変化等によりセル１４内の圧力Ｐ₁ が外気
圧Ｐ₂ とは異なってしまう状態が生じる。その場合、マ
イクロホン１５が容易に音圧測定不能な状態となってし
まうことになる。

【００１１】すなわち、セル１４内の音圧ΔＰは極めて
微弱な音圧であり、これを測定するマイクロホン１５と
しては超高感度なマイクロホンが採用される。例えばジ
ェット機のエンジンの近傍等の極めて大きな音（１５０
ホーン程度）であってもその音圧は大気圧の１％程度に
過ぎないものであり、セル１４内の微弱な音圧を測定す
る超高感度なマイクロホン１５は、セル１４内の圧力Ｐ
₁ と外気圧Ｐ₂ が僅かでも異なるとすぐに測定不能な状
態となってしまう。

【００１２】本発明は、上記事情に鑑み、気密状態にあ
る空間内の音圧測定に適したマイクロホン、気密状態に
ある空間内の音圧を測定する音圧測定装置、およびその
音圧測定装置を用いた、発振波長可変なレーザ光源の発
振波長を制御するレーザ波長制御装置を提供することを
目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明のマイクロホンは、表面に音圧を受けて振動するダイ
ヤフラム、そのダイヤフラムの裏面側に配置されダイヤ
フラムの振動をピックアップするセンサ、およびダイヤ
フラムの裏面を隔壁の１つとする内部空間を形成しその
内部空間に上記センサを配置してなる枠体を有するマイ
クロホンにおいて、ダイヤフラム自体もしくは枠体のダ
イヤフラム側に、上記内部空間の気圧をダイヤフラム表
面側の気圧に合わせる孔もしくは隙間が形成されるとと
もに、その内部空間の、ダイヤフラム側に対する反対側
が、気密に形成されてなることを特徴とする。

【００１４】ここで、上記内部空間の気圧をダイヤフラ
ム表面側の気圧に合わせるために、上記マイクロホン
は、ダイヤフラム自体に、そのダイヤフラム表裏面に貫
通するピンホールが形成されてなるものであってもよ
い。従来マイクロホンは、ダイヤフラム裏面側の内部空
間は特に気密状態にはなく、マイクロホンの頭部にはダ
イヤフラムが配置されているためマイクロホンの頭部は
気密状態にあるが、その内部空間は、ダイヤフラム側と
は反対側、すなわち、図６に示すマイクロホン１５で言
えば、そのマイクロホン１５の、セル１４から外に出た
底の部分で部品どうしの隙間を通って内部空間と外部と
が通じており、その内部空間は外気圧と同一の気圧に保
たれている。あるいは枠体の一部にピンホールを穿設し
て内部空間の圧力を積極的に外気圧と同一の圧力に保っ
ているマイクロホンもある。

【００１５】しかしながら、従来、マイクロホンの内部
空間を外気圧とは異なる圧力である可能性のあるセル内
部の圧力と同一の圧力に保つことが、そのセル内部の音
圧測定に欠かせない要素であるという認識はなく、この
ことがレーザ光源を吸光分析等に実際に適用できないで
いる原因である。本発明のマイクロホンは、セル内部に
配置される頭部、例えばダイヤフラム自体、あるいは枠
体の、ダイヤフラムの隣接部分に、ピンホール等、気体
の出入りを許す通路を設けたため、外気圧と異なる圧力
を持った検出気体の音圧を、該検出気体が封じ込められ
た空間に頭部を配置した状態で測定することができ、ま
た本発明のマイクロホンを、図６に示すような、レーザ
光源を採用した吸光分析に適用した場合、レーザ光源の
発振波長を正確に制御することができる。

【００１６】また、上記目的を達成する本発明の音圧測
定装置は、表面に音圧を受けて振動するダイヤフラム、
該ダイヤフラムの裏面側に配置され該ダイヤフラムの振
動をピックアップするセンサ、および該ダイヤフラムの
裏面を隔壁の１つとする内部空間を形成し該内部空間に
前記センサを配置してなる枠体を有するマイクロホン
と、マイクロホンの頭部が内部に配置された状態にマイ
クロホンが取着され、内部が気密状態に保持される気密
セルとを備え、気密セル内部の音圧を測定する音圧測定
装置において、上記内部空間と上記気密セル内部との間
に、内部空間の気圧を気密セル内部の気圧に合わせる気
体流路を有するとともに、上記内部空間と上記気密セル
内部とを合わせた空間が外部からは気密に保たれるもの
であることを特徴とする。

【００１７】ここで、本発明の音圧測定装置は、上述し
た本発明のマイクロホンを採用したものであってもよ
い。すなわち、本発明の音圧測定装置において、上記マ
イクロホンが、気密セル内部に配置された頭部に、上記
気体流路としての孔もしくは隙間を有するとともに、そ
のマイクロホンの、気密セル外部に晒された部分が気密
に形成されてなるものであってもよい。

【００１８】あるいは、本発明の音圧測定装置は、上述
した本発明のマイクロホンとは別のマイクロホンを採用
したものであってもよい。すなわち、本発明の音圧測定
装置は、上記マイクロホンの、気密セル外部に晒された
部分と、気密セルとの間に、上記気体流路が形成されて
なるものであってもよい。上述の、本発明の音圧測定装
置は、１つの用途としてレーザの波長を制御するレーザ
波長制御装置に好適に適用することができる。すなわ
ち、本発明のレーザ波長制御装置は、表面に音圧を受け
て振動するダイヤフラム、そのダイヤフラムの裏面側に
配置されそのダイヤフラムの振動をピックアップするセ
ンサ、およびそのダイヤフラムの裏面を隔壁の１つとす
る内部空間を形成しその内部空間に上記センサを配置し
てなる枠体を有するマイクロホンと、レーザ光の通過が
自在な窓を有するとともに、上記マイクロホンが、その
マイクロホンの頭部が内部に配置された状態に取着さ
れ、内部が気密状態に保持される気密セルと、その気密
セルに取着されたマイクロホンで得られる、その気密セ
ル内部がレーザ光により断続的に照射された際の該気密
セル内部の音圧をあらわす信号に基づいて、その気密セ
ルを通過するレーザ光を発する、発振波長可変なレーザ
光源の発振波長を制御する波長制御部とを備え、上記内
部空間と上記気密セル内部との間に、内部空間の気圧を
気密セル内部の気圧に合わせる気体流路を有するととも
に、上記内部空間と上記気密セル内部とを合わせた空間
が外部からは気密に保たれるものであることを特徴とす
る。

【００１９】ここで、本発明のレーザ波長制御装置にお
ける気体流路には、前述した本発明の音圧測定装置にお
ける気体流路の全ての態様が含まれる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。図１は、本発明の一実施形態のマイクロホン
の内部構造の概要を示す模式図である。ここでは、その
マイクロホンの頭部が内部に配置されている。マイクロ
ホン１５は、その頭部１５ａがセル１４の内部に配置さ
れた状態に、セル１４に気密状態に固定されている。

【００２１】このマイクロホン１５は、その頭部１５ａ
にダイヤフラム１５１を有し、そのダイヤフラム１５１
は、そのダイヤフラム１５１の表面１５１ａにセル１４
の内部に封入された検出気体の音圧ΔＰを受けて振動す
る。このダイヤフラム１５１の裏面１５１ｂの側には、
その裏面１５１ｂを１つの隔壁とする内部空間１５２が
形成されており、その内部空間１５２の、ダイヤフラム
１５１の近傍には、ダイヤフラム１５１の振動をピック
アップするセンサ１５３が配置されている。そのセンサ
１５３は、例えばコンデンサマイクロホンの場合、ダイ
ヤフラム１５１との間の静電容量測定用の電極板からな
り、ダイヤフラム１５１の振動に伴って変化する静電容
量がピックアップされる。そのセンサ１５３は、取付具
１５４を介して枠体１５５に固定されている。

【００２２】ここで、従来のマイクロホンでは、取付具
１５４と枠体１５５との間など部品どうしの隙間を介し
て僅かながら空気の出入りがあり、内部空間の圧力は、
外気圧Ｐ₂ と同一の圧力に保たれるが、この図１に示す
マイクロホン１５の場合、それら部品どうしの隙間は完
全な気密性が保たれるようにシールされ、一方、ダイヤ
フラム１５１の中央に、気体流路としてのピンホール１
５１ｃが穿設されており、そのピンホール１５１ｃを介
してセル１４内部の検出気体がマイクロホン１５の内部
空間１５２に出入りし、その内部空間１５２は、セル１
４の内部の圧力Ｐ₁ と同一の圧力Ｐ₁ に保たれるように
なっている。このため、セル１４内部の圧力がどのよう
な圧力であっても、マイクロホン１５を図１に示すよう
にセル１４に取り付けた状態で暫く放置することによ
り、内部空間５１２はセル１４の内部の圧力Ｐ₁ と同一
の圧力Ｐ₁ となり、ダイヤフラム１５１は平らに張られ
た状態となり、セル１４内部の音圧ΔＰを測定すること
ができる。

【００２３】この図１に示すマイクロホン１５を、例え
ば図６に示す吸光分析器に採用すると、ＬＤ１１から発
せられるレーザ光の波長が常にセル１４内部に封入され
た検出気体の吸光線に一致するように制御される。した
がって、この図１に示すマイクロホン１５を図６に示す
吸光分析器に適用したときの、セル１４内の音圧を測定
する構成部分が本発明の音圧測定装置の一実施形態に相
当し、その吸光分析器の、ＬＤ１１の発振波長を制御す
る構成部分が、本発明のレーザ波長制御装置の一実施形
態に相当する。

【００２４】尚、図１に示すマイクロホンでは、ダイヤ
フラム１５１自体にピンホール１４１ｃを形成したが、
ダイヤフラム１５１自体にはピンホールを形成しなくて
も、例えば枠体１５５の、ダイヤフラム１５１に隣接す
る位置に、セル内部とマイクロホン１５の内部空間１５
２とを結ぶピンホール等を形成してもよい。尚、ピンホ
ール等をダイヤフラム１５１に形成するにしろ、枠体１
５５に形成するにしろ、その寸法は、マイクロホン１５
の内部空間１５２の圧力をセル１４の内部の圧力の変化
に追随させる時定数をどの程度に設計するかという観点
から定められる。

【００２５】さらに、上記実施形態では、吸光分析器に
適用されることを念頭に置いたマイクロホンを説明した
が、本発明のマイクロホンは吸光分析のみに適用される
ものではなく、例えば気密セル内部に固体を配置し、そ
の固体に光を照射しそのときに生じるその気密セル内の
気体の音圧変化をマイクロホンで測定する、いわゆる光
音響セルを用いた計測等にも適用することができる。

【００２６】図２は、本発明の音圧測定装置およびレー
ザ波長制御装置の他の実施形態の、マイクロホン近傍の
部分を示す模式図である。図１との相違点について説明
する。この図２に示すマイクロホン１５のダイヤフラム
１５１にはピンホールは存在せず、それに代わり、マイ
クロホン１５の枠体１５５の、セル１４の外部に晒され
た部分と、セル１４との間に、気体流路２０が形成され
ており、マイクロホン１５の内部空間１５２とセル１４
の内部とを合わせた空間が外部から気密に保たれてい
る。

【００２７】この図２に示す構成によっても、マイクロ
ホン１５の内部空間１５２の圧力はセルの内部の圧力と
同一の圧力に保たれ、ダイヤフラム１５１が平らに張ら
れた状態となり、セル１４内部の音圧ΔＰを測定するこ
とができる。尚、図２に示す構成の音圧測定装置も、図
１に示す構成の場合と同様、レーザ波長制御装置のみで
なく、光音響セルを用いた計測等にも適用することがで
きる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
気密セル内部の音圧を、その気密セル内部の気体の圧力
の如何に拘らず高精度に測定することができ、その一適
用例として、気密セル内部の音圧をフィードバック系に
採用することにより、レーザ光源の発振波長を高精度に
制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態のマイクロホンの内部構造
の概要を示す模式図である。

【図２】本発明の音圧測定装置およびレーザ波長制御装
置の他の実施形態の、マイクロホン近傍の部分を示す模
式図である。

【図３】吸光分光器の模式図である。

【図４】白色光源から発せられた光の波長スペクトルを
示した図である。

【図５】干渉フィルタを透過した光の波長スペクトルお
よび検出気体の吸収線スペクトルを示した図である。

【図６】レーザ光を採用した吸光分析器の一例を示す模
式図である。

【符号の説明】

１１ＬＤ１２ＬＤドライバ１３チョッパ１４セル１４ａ入射窓１４ｂ出射窓１５マイクロホン１５ａ頭部１６プリアンプ１７ロックインアンプ１８センサ１９サーボアンプ２０気体流路１５１ダイヤフラム１５１ａ表面１５１ｂ裏面１５１ｃピンホール１５２内部空間１５３センサ１５４取付具１５５枠体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に音圧を受けて振動するダイヤフラ
ム、該ダイヤフラムの裏面側に配置され該ダイヤフラム
の振動をピックアップするセンサ、および該ダイヤフラ
ムの裏面を隔壁の１つとする内部空間を形成し該内部空
間に該センサを配置してなる枠体を有するマイクロホン
において、前記ダイヤフラム自体もしくは前記枠体の該ダイヤフラ
ム側に、前記内部空間の気圧を該ダイヤフラム表面側の
気圧に合わせる孔もしくは隙間が形成されるとともに、
前記内部空間の、前記ダイヤフラム側に対する反対側
が、気密に形成されてなることを特徴とするマイクロホ
ン。
【請求項２】前記ダイヤフラム自体に、該ダイヤフラ
ム表裏面に貫通するピンホールが形成されてなることを
特徴とする請求項１記載のマイクロホン。
【請求項３】表面に音圧を受けて振動するダイヤフラ
ム、該ダイヤフラムの裏面側に配置され該ダイヤフラム
の振動をピックアップするセンサ、および該ダイヤフラ
ムの裏面を隔壁の１つとする内部空間を形成し該内部空
間に前記センサを配置してなる枠体を有するマイクロホ
ンと、該マイクロホンの頭部が内部に配置された状態に該マイ
クロホンが取着され、該内部が気密状態に保持される気
密セルとを備え、前記気密セル内部の音圧を測定する音圧測定装置におい
て、前記内部空間と前記気密セル内部との間に、該内部空間
の気圧を該気密セル内部の気圧に合わせる気体流路を有
するとともに、前記内部空間と前記気密セル内部とを合
せた空間が外部からは気密に保たれるものであることを
特徴とする音圧測定装置。
【請求項４】前記マイクロホンが、前記気密セル内部
に配置された頭部に、前記気体流路としての孔もしくは
隙間を有するとともに、該マイクロホンの、該気密セル
外部に晒された部分が気密に形成されてなることを特徴
とする請求項３記載の音圧測定装置。
【請求項５】前記マイクロホンの、前記気密セル外部
に晒された部分と、前記気密セルとの間に、前記気体流
路が形成されてなることを特徴とする請求項３記載の音
圧測定装置。
【請求項６】表面に音圧を受けて振動するダイヤフラ
ム、該ダイヤフラムの裏面側に配置され該ダイヤフラム
の振動をピックアップするセンサ、および該ダイヤフラ
ムの裏面を隔壁の１つとする内部空間を形成し該内部空
間に該センサを配置してなる枠体を有するマイクロホン
と、レーザ光の通過が自在な窓を有するとともに、前記マイ
クロホンが、該マイクロホンの頭部が内部に配置された
状態に取着され、内部が気密状態に保持される気密セル
と、該気密セルに取着されたマイクロホンで得られる、該気
密セル内部がレーザ光により断続的に照射された際の該
気密セル内部の音圧をあらわす信号に基づいて、該気密
セルを通過するレーザ光を発する、発振波長可変なレー
ザ光源の発振波長を制御する波長制御部とを備え、前記内部空間と前記気密セル内部との間に、該内部空間
の気圧を該気密セル内部の気圧に合わせる気体流路を有
するとともに、前記内部空間と前記気密セル内部とを合
わせた空間が外部からは気密に保たれるものであること
を特徴とするレーザ波長制御装置。