JP3576915B2

JP3576915B2 - Mobile phone equipment

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Publication number: JP3576915B2
Application number: JP2000051937A
Authority: JP
Inventors: 貴久堀田
Original assignee: Kenwood KK
Current assignee: Kenwood KK
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2020-02-28
Also published as: JP2001245397A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は携帯電話装置に係り、特に周囲雑音の影響を低減することのできるマイクロフォンを備えた携帯電話装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常の携帯電話装置では、本体の下端部あるいは本体に取付けられたフラッパの下側にエレクトロレットマイクを装着し使用している。
携帯電話装置の小型化に伴って、これらのマイクロフォンも小型化されてきている。
近年、小型マイクロフォン素子として光マイクロフォン素子が注目されており、特に発光素子として垂直空洞表面発光型レーザー（以下ＶＣＳＥＬという）を用いたものは、より一層の小型化が実現できる。
また、通常の携帯電話装置の使用においては、マイクロフォンと話者の口との関係は近接しているが、近年のカメラを内蔵し画像を伝送できる携帯電話装置にあっては、画像送信時に携帯電話装置と話者との間の距離が遠ざかり、従って話者とマイクロフォンとの距離が遠ざかる場合がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の携帯電話装置にあっては、このような携帯電話装置を通話者の口から遠ざけて使用する場合にも、内蔵されるマイクロフォンについては特別な工夫はなされていなかった。
したがって話者から遠ざけて携帯電話装置を使用する場合、周囲雑音の影響で音声が十分に収音され難いという問題があった。
またディスプレイの表示を見ながら送受信を行う等の操作時に、マイクロフォンが口元から離れるため感度が低下するという問題もあった。
本発明は上述した課題を解決し、内蔵マイクロフォンが話者の口元から離れた距離で使用される場合であっても感度低下を起こすことなく、しかも騒音の混入を極力排除することのできる超小型マイクロフォン素子を用いた携帯電話装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の携帯電話装置は、顔に密着させて使用する第１の使用状態と、顔から離間させて使用する第２の使用状態とを有する携帯電話装置において、顔からの離間距離を検出するセンサを前記装置に取付け、内蔵マイクロフォンとして、発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂直空洞表面発光型レーザー発光素子を配置し、前記発光素子の放射光を受光する為の受光素子を配置した基板と、前記基板に対向する位置にほぼ平行に、かつ近接して設置され、音圧により振動するとともに、前記発光素子からの光を反射させて前記受光素子に放射する振動板と、前記発光素子に駆動電流を供給する光源駆動回路と、前記受光素子から出力される信号の一部を負帰還信号として前記光源駆動回路に供給する負帰還回路とを具備する光マイクロフォンを用い、前記離間距離を示すセンサ信号により前記負帰還信号の大きさを変化させることにより前記光マイクロフォンの指向特性を制御する。
【０００５】
また本発明の携帯電話装置は、顔に密着させて使用する第１の使用状態と、顔から離間させて使用する第２の使用状態とを有する携帯電話装置において、前記第１の使用状態にある時はオフとなり前記第２の使用状態にある時はオンとなる検出信号を出力する近接センサを前記装置に取付け、内蔵マイクロフォンとして、発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂直空洞表面発光型レーザー発光素子を配置し、前記発光素子の放射光を受光する為の受光素子を配置した基板と、前記基板に対向する位置にほぼ平行に、かつ近接して設置され、音圧により振動するとともに、前記発光素子からの光を反射させて前記受光素子に放射する振動板と、前記発光素子に駆動電流を供給する光源駆動回路と、前記受光素子から出力される信号の一部を負帰還信号として前記光源駆動回路に供給する負帰還回路とを具備する光マイクロフォンを用い、前記検出信号に応答して前記負帰還信号の大きさを２段階に切り替えることにより前記光マイクロフォンの指向特性を制御する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の携帯電話装置では内蔵マイクロフォンとしてＶＣＳＥＬを用いた光マイクロフォンを用いている。
光マイクロフォンは指向特性を可変することができ、所定の方向にシャープな指向性ビームパターンを形成することができる。
このため、マイクロフォンと口元までの距離が離れても感度の低下を防ぐことができ騒音の混入も排除することができる。
まず、本発明の携帯電話装置の実施の形態の説明に先立って、本発明に用いられるＶＣＳＥＬを用いた光マイクロフォンの基本原理及びその構造について説明する。
【０００７】
図１１は光マイクロフォン素子５０のヘッド部の構造を示す図である。
マイクロフォンヘッド（容器）１には音波が当たることにより振動する振動板２が張設されている。音波が当たる側の面２ａは外部に露出されている。
従ってこの面２ａに音波７が到達してこの振動板２を振動させる。
図１１（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８に示す例では発光素子として垂直空洞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。
【０００８】
図１１（ｂ）は図１１（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としては垂直空洞表面発光型レーザを用いることができる。
この発光素子ＬＤ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。
【０００９】
一般に、垂直空洞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。
【００１０】
次に本発明で用いられる発光素子である垂直空洞表面発光型レーザ（以下ＶＣＳＥＬという）について説明する。
図１２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。
【数１】
Ｐｏ（θ）＝ｅｘｐ（−α^２ θ^２） …（１）
θ：発光面に立てた垂線からの角度変位
（単位ラジアン）
α：発光広がり角を規定する係数
（本来は「１／α^２」計算上簡略化）
【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。
【数２】
α^２＝−［ｌｎ（ｈ）］／（ＦＡＨＭ／２）^２ …（２）
ｈ：レーザーの発光分布を実測して与えられる相対強度
垂直で１。半値＝０．５。１／ｅ＝０．３１８３。１／ｅ２＝０．１３５３３５
ＦＡＨＭ：通常メーカーからは半値全角（ＦＡＨＭ）値が提供される。
ｈ＝０．５、ＦＡＨＭ＝９度（角度入）なら
ｒａｄ（９／２）＝０．０７８５４
α^２＝−［（ｌｎ（０．５）］／（０．０７８５４）^２＝１１２．３６９
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１２に示すような分布が得られる。
【００１２】
図１３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。
【数３】
Ｐｏ（θ）＝ｅｘｐ（−α^２ θ^２）・ｅｘｐ（−β^２ ψ^２） …（３）
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。
【数４】
α^２＝−［ｌｎ（ｈ）］／（ＦＡＨＭ／２）^２ …（４）
ｈ＝０．５、ＦＡＨＭ＝９度なら
ｒａｄ（９／２）＝０．０７８５４
α^２＝−［（ｌｎ（０．５）］／（０．０７８５４）^２＝１１２．３６９
【数５】
β^２＝−［ｌｎ（ｈ）］／（ＦＡＨＭ／２）^２ …（５）
ｈ＝０．５、ＦＡＨＭ＝９度なら
ｒａｄ（９／２）＝０．０７８５４
β^２＝−［（ｌｎ（０．５）］／（０．０７８５４）^２＝１１２．３６９
【００１３】
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、垂直空洞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。
しかし、図１１に示す光マイクロフォンでは騒音低減効果はさほど期待できない。
すなわち振動板２に到達する騒音によっても振動板２は振動し、これが雑音信号として通常の音波７による振動に重畳されてしまうからである。
【００１４】
この騒音の影響を低減させ、更に騒音低減効果を図った光マイクロフォンとして図３に示すような構造のものが知られている。
図３に示す構造では音波７によって振動する振動板２を容器１のほぼ中央部分に張設している。そして容器１の両側に振動板２に対して互いに対象位置となるように第１開口部１５及び第２開口部１６を設ける。
このように構成することにより音波７はいずれの開口部１５，１６から容器１内に侵入し振動板２を振動させる。
なお図３においては説明の都合上発光素子ＬＤと受光素子ＰＤとを分離した構造を示しているが、実際には、発光素子ＬＤと受光素子ＰＤとを一体として基板９上に形成した図１１に示す構造のものを用いる。
【００１５】
図３に示す光マイクロフォン素子５０において第１開口部１５から侵入する音波と第２開口部１６から侵入する音波のそれぞれの振幅と位相とが等しい場合、これらの２つの音波は振動板２の両面２ａ，２ｂにおいて互いに打ち消しあって振動板２を振動させることはない。
２つの受波感度の等しいマイクロフォン素子を近接して配置し、遠距離で発生した音波を受波した場合、２つのマイクロフォン素子は到来音波を等しく検出することが知られている。
【００１６】
一般に、音波はマイクロフォン素子から近距離だけ離れた人の口から発生する、即ち、音声はこのマイクロフォン素子から近距離の所で発生する。この近距離の人の音声は円形曲線により示されるように球形場特性を有している。
これに対して遠距離で発生する、例えば、騒音音響による音波は平面場の特性を有している。
球状波の音響強度はその球面又は包絡線に沿ってほぼ同一であって、その球の半径に沿って変化するが、平面波の場合には音響強度は平面の全ての点でほぼ同一となる。
【００１７】
従って、図３に示すような光マイクロフォン素子は２つのマイクロフォン素子を結合したものと考えることができるため、これが遠距離場に置かれた場合には第１開口部１５と第２開口部１６とからほぼ同一の振幅と位相特性とを持った音波が振動板２に到来することになり、前述したように互いに打ち消しあってその影響は低減される。
一方、近距離場からの音波は第１開口部１５又は第２開口部１６から不均一に入射するため振動板２を振動させ、受光素子ＰＤから信号として取り出される。このようにして、騒音の影響をより低減させることのできる光マイクロフォン素子が図３の構造により得られる。
【００１８】
図６は図１１および図３に示す光マイクロフォン素子の指向性パターンを示す図である。
（Ａ）は図１１に示す光マイクロフォン素子５０の指向性パターンを示したもので、開口部（図の左側方向）に向かって振動板２に垂直な方向に最大感度を有するほぼ円形状の指向性パターンを有する。
（Ｂ）は図３に示す光マイクロフォン素子５０の指向性パターンを示したもので、開口部１５及び１６の両方向に最大感度を有するほぼ８の字状の指向性パターンを有する。
ここで図１１及び図３に示す光マイクロフォン素子５０の指向性パターンを、図２または図５に示すように最大感度を示す軸方向に伸長させ、または軸に直交する方向で絞り込むように変化させることができる。
【００１９】
このように指向性のパターンを変化させるためには、受光素子ＰＤからの検出出力の一部を負帰還回路を用いて発光素子ＬＤを駆動する光源駆動回路へネガティブフィードバック（負帰還）させればよい。図４はビームパターンを図２又は図５のように変化させるための帰還回路１００を用いた光マイクロフォン装置の概略構成を示す図である。
受光素子ＰＤからの出力はフィルタ回路１８を介して取り出され、増幅器１９により増幅されてマイク出力となる。
フィルタ回路１８は希望周波数範囲の信号成分のみを取り出すために用いられる。
【００２０】
ここで、図４に示す光マイクロフォン装置では、この受光素子ＰＤから取り出される出力信号の一部を負帰還（ネガティブフィードバック：ＮＦＢ）回路１００を介して、発光素子ＬＤに所定電流を供給してこの発光素子ＬＤを駆動している光源駆動回路１３に負帰還信号として供給するように構成している。
負帰還回路１００は小信号増幅回路１０と、その出力から希望周波数範囲の信号成分のみを取り出すフィルタ回路１５と、比較器１６とから構成される。
比較器１６の非反転入力端子には基準電圧となる基準電源１４が接続される。
フィルタ回路１５を介して取り出された信号は比較器１６の反転入力端子に供給される。
【００２１】
このように構成すると比較器１６はフィルタ回路１５の出力が大きいほど小さな出力レベルを出力し、これにより光源駆動回路１３は発光素子ＬＤに供給する電流を減らすように動作する。
ここで、小信号増幅回路１０は入力信号レベルが所定レベル以下の場合のみその信号を増幅し、あるレベル以上の信号は増幅しない。
従って入力信号レベルがあるレベル以上の場合には出力信号レベルは変化せず増幅度（利得）は０となる。また入力信号が所定の信号レベル以下の時には、信号レベルが小さいほど増幅度が大きくなるように増幅する。
更に、入力信号に対する出力信号の増加率は入力信号レベルが小さいほど高くなる。
ここで受光素子ＰＤからの出力は受波音量に比例しているため、小信号増幅回路１０の出力は小音量ほど大きく増幅されて出力される。
【００２２】
この出力はフィルタ回路１５を介して比較器１６の反転入力端子に入力されているため、比較器１６の出力は逆に小音量ほどその出力レベルは低下する。
その結果、発光素子ＬＤに供給される電流は小音量ほど発光素子ＬＤの光出力を低下させるように動作する。
すなわち小音量ほどマイクロフォンの感度は低下することになる。
また所定レベル以上の信号は増幅されないため、その信号レベルでは光出力は制限されない。
そのためマイクロフォンの感度も低下することはない。
振動板に直交する軸方向から来た音でマイクロフォンの感度低下が発生しないような大きさの音に対して、その音を軸方向からずらして行くと本来の指向性パターン曲線に沿って感度は徐々に低下していく。
そしてあるレベル以下になると小信号増幅回路１０が増幅度を持つようになり、光源駆動回路１３の供給電流制御が働いて更にマイクロフォンの感度は低下する。
この結果、負帰還回路１００を有する光マイクロフォン装置では図２あるいは図５に示すように感度の指向性パターンよりも指向性ビームの幅がより絞られたパターンとなる。
【００２３】
図２及び図５は負帰還量を変化させたことによる指向性のパターン変化を示している。
（Ａ）は負帰還をかけない場合の指向性パターンを示しており、この場合にはほぼ円形の指向性パターンとなる。
次に、負帰還をかけた場合の指向性パターンを（Ｂ）および（Ｃ）に示している。
（Ｂ）の場合には負帰還量が小さく、（Ｃ）の場合には負帰還量が大きい。このように小信号増幅回路１０の増幅度を可変することにより負帰還量を変化させて感度の指向性パターンを最大感度の軸方向に伸長させ、または軸に直交する方向に絞り込むように変化させることができる。
このようにして光マイクロフォンの感度の指向特性を変化させることができる。
本発明に係る収音装置ではこのような指向性のビームパターンを変化させることのできる超小型のＶＣＳＥＬによる光マイクロフォンを用いて、選択されたマイクロフォンの指向特性を変化させるようにしている。
【００２４】
次に本発明の携帯電話装置の実施の形態を説明する。
図７は従来の携帯電話装置の概略構成を示す図で、携帯電話装置２００は本体の上端部にスピーカ２０１を、下端部にマイクロフォン２０４を備え、その表面には電話番号やファックスの情報を入力するための各種キー２０３と表示部２０２とが設けられている。
図８は本発明に係る携帯電話装置の一例を示す図で、従来のマイクロフォン２０４に代えて前述した光マイクロフォン素子５０を用いる。
また携帯電話装置２００のマイクロフォン素子５０と話者との位置を検出するための近接センサ５５が携帯電話装置２００の所定の位置に設けられている。
【００２５】
図９は本発明による携帯電話装置の使用方法を示す図で、通常の使用方法においては携帯電話装置２００は話者に密着して使用され、この状態で近接センサ５５が話者と携帯電話機の距離を近接したものと認識する。
また携帯電話装置２００を話者から遠ざけて操作する場合、例えば表示器２０２の表示を見ながら送受信を行うための操作をする場合には、携帯電話装置２００は図９に示す使用状態とは異なり話者から離れた位置に置かれる。
この場合、近接センサ５５は話者と携帯電話装置２００との間の距離を遠距離であると認識する。
なお近接センサ５５による距離認識の具体的な方法については周知であるためその詳細説明は省略する。
【００２６】
本発明では携帯電話機本体に取付けられた近接センサ５５により、話者と携帯電話装置との間の距離を認識し、その認識結果に基づいて光マイクロフォン素子５０の負帰還信号の大きさを変化させることにより、この光マイクロフォン素子５０の指向特性を制御するようにしている。
図１は本発明の携帯電話装置において、マイクロフォンの指向性を変化させる回路を示した図である。
近接センサ５５からのセンサ信号により負帰還回路１００の負帰還量を変化させる。
即ち、近接センサ５５により携帯電話装置２００と話者の口との距離が遠ざかっていると認識された場合には、近接センサ５５の出力信号により負帰還回路１００の負帰還量を大きくし、光マイクロフォン素子５０の指向性パターンを絞り込んでシャープにし、話者の口からの音声を感度よく受波するようにする。
なお負帰還回路１００の負帰還量の調整は、前述したように、図４に示す小信号増幅回路１０の増幅度を大きくすることにより負帰還量を増大することができる。
【００２７】
図１０は本発明の携帯電話装置に用いられる他の回路を示したもので、この場合近接センサ５５の出力により負帰還回路１００を接続又は切断するスイッチ５６を設ける。
近接センサ５５が話者に近接していると認識した場合、スイッチ５６をオフし負帰還回路１００による負帰還を停止する。これにより通常の受波状態となる。
また近接センサ５５が遠距離と判断した場合、このスイッチ５６をオンさせる。
すると負帰還回路１００が動作するため、光マイクロフォン素子５０の指向性パターンは図２または図５に示すようにシャープになり、話者に対して感度が上がるため距離が離れても良好な通話が可能となる。また、周囲雑音の影響も前述したように少なくすることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明では携帯電話装置に用いられるマイクロフォンとしてＶＣＳＥＬを用いた光マイクロフォンを用い、携帯電話機の使用状態に基づいてこの光マイクロフォンの指向性を変化させ、あるいは切り替えるようにしたため、携帯電話装置の使用状態に関わらず良好な受波特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いられる光マイクロフォンの周辺回路を示す回路図。
【図２】本発明に用いる光マイクロフォン素子の指向性パターンの変化を示す図。
【図３】本発明に用いる光マイクロフォン素子の構造を示す図。
【図４】本発明に用いる光マイクロフォン装置の概略構成を示す回路図。
【図５】図３の光マイクロフォン素子の指向性パターンの変化図。
【図６】本発明に用いられる光マイクロフォン素子の指向特性パターン図。
【図７】従来の携帯電話装置の概略構成を示す外観図。
【図８】本発明による携帯電話装置の概略構成を示す外観図。
【図９】本発明による携帯電話装置の使用状態を示す図。
【図１０】本発明の他の実施の形態で用いられる光マイクロフォンの周辺回路を示す回路図。
【図１１】本発明に用いられる光マイクロフォン素子の基本構造を示す図。
【図１２】本発明に用いられるＶＣＳＥＬの発光強度分布を示す図。
【図１３】本発明に用いられるＶＣＳＥＬの発光強度分布を２次元について計算して示した図。
【符号の説明】
２振動板
ＬＤ発光素子
ＰＤ受光素子
７音波
１３光源駆動回路
５０光マイクロフォン素子
５５近接センサ
５６スイッチ
１００負帰還回路
２００携帯電話装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a mobile phone device, and more particularly to a mobile phone device provided with a microphone that can reduce the influence of ambient noise.
[0002]
[Prior art]
In an ordinary mobile phone device, an electrolet microphone is mounted and used at a lower end of a main body or a lower side of a flapper attached to the main body.
With the miniaturization of mobile telephone devices, these microphones have also been miniaturized.
In recent years, optical microphone elements have attracted attention as small microphone elements, and in particular, those using a vertical cavity surface emitting laser (hereinafter, referred to as VCSEL) as light emitting elements can achieve further miniaturization.
Further, in the use of a normal mobile phone device, the relationship between the microphone and the mouth of the speaker is close to each other. In some cases, the distance between the telephone device and the speaker increases, and thus the distance between the speaker and the microphone increases.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional mobile phone device, even when such a mobile phone device is used away from the mouth of a caller, no special measures are taken for the built-in microphone.
Therefore, when using the portable telephone device away from the speaker, there is a problem that it is difficult to sufficiently collect voice due to the influence of ambient noise.
In addition, there is another problem that the sensitivity is reduced because the microphone moves away from the mouth when performing operations such as transmission and reception while watching the display on the display.
The present invention solves the above-described problem, and does not cause a decrease in sensitivity even when the built-in microphone is used at a distance from the speaker's mouth, and furthermore minimizes noise contamination as much as possible. It is an object to provide a mobile phone device using a microphone element.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a mobile phone device according to the present invention has a first usage state in which the mobile phone device is used in close contact with the face and a second usage state in which the mobile phone device is used away from the face. A sensor for detecting the separation distance from the device is attached to the device, and a vertical cavity surface emitting laser light emitting device having a light emission intensity distribution substantially uniform in a concentric circle is arranged as a built-in microphone to receive the light emitted from the light emitting device. A substrate on which the light-receiving element is disposed, and installed substantially parallel to and close to a position facing the substrate, vibrates by sound pressure, reflects light from the light-emitting element, and radiates the light to the light-receiving element. A diaphragm, a light source driving circuit that supplies a driving current to the light emitting element, and a negative feedback circuit that supplies a part of a signal output from the light receiving element to the light source driving circuit as a negative feedback signal. Using light microphone for Bei, controls the directional characteristics of the optical microphone by changing the magnitude of the negative feedback signal by a sensor signal indicative of the distance.
[0005]
Further, the mobile phone device of the present invention is a mobile phone device having a first use state in which the mobile phone device is used in close contact with the face and a second use state in which the mobile phone device is used while being separated from the face. A proximity sensor that outputs a detection signal that is turned off at one time and turned on at the time of the second use state is attached to the device, and as a built-in microphone, a vertical cavity surface emission type in which the emission intensity distribution is substantially uniform concentrically. A laser light-emitting element is arranged, and a substrate on which a light-receiving element for receiving radiation light of the light-emitting element is arranged, is installed substantially parallel to and close to a position facing the substrate, and vibrates by sound pressure. A diaphragm that reflects light from the light emitting element and emits the light to the light receiving element, a light source driving circuit that supplies a driving current to the light emitting element, and a part of a signal output from the light receiving element. A directional characteristic of the optical microphone is controlled by switching the magnitude of the negative feedback signal in two stages in response to the detection signal using an optical microphone having a negative feedback circuit that supplies the signal to the light source driving circuit. I do.
[0006]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the portable telephone device of the present invention, an optical microphone using a VCSEL is used as a built-in microphone.
The optical microphone can change directional characteristics and can form a sharp directional beam pattern in a predetermined direction.
For this reason, even if the distance between the microphone and the mouth is large, a decrease in sensitivity can be prevented, and noise contamination can be eliminated.
First, prior to the description of the embodiment of the mobile phone device of the present invention, the basic principle and structure of an optical microphone using a VCSEL used in the present invention will be described.
[0007]
FIG. 11 is a diagram showing the structure of the head portion of the optical microphone element 50.
A diaphragm 2 that vibrates when subjected to sound waves is stretched over the microphone head (container) 1. The surface 2a on the side to which the sound wave strikes is exposed to the outside.
Accordingly, the sound wave 7 reaches the surface 2a and vibrates the diaphragm 2.
FIG. 11A shows a cross-sectional shape. An electronic circuit board 12 is installed on the bottom surface 8 of the container 1, 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 example shown in FIG. 8, a vertical cavity 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]
FIG. 11B is an enlarged plan view showing a light emitting / receiving section of the substrate 9 on which the light emitting / receiving elements shown by dotted lines in FIG. 11A 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 so as to surround the light emitting element LD. Note that a vertical cavity surface emitting laser can be used as the light emitting element LD used here.
The light emitting element LD 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 made 1 μm or less, and the conventional light receiving and emitting element of the optical microphone element can be used. It can be realized with a high accuracy of 1/100 or less as compared with the alignment accuracy.
[0009]
In general, a vertical cavity surface emitting type light emitting device has a characteristic in which a light emission intensity distribution is concentric and almost uniform. Therefore, the radiated light emitted from the light emitting element LD installed at the center toward the diaphragm 2 at a predetermined angle is reflected concentrically 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.
Accordingly, 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]
Next, a vertical cavity surface emitting laser (hereinafter, referred to as VCSEL) which is a light emitting element used in the present invention will be described.
FIG. 12 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 following equation (1).
(Equation 1)
Po (θ) = exp (−α ² θ ² ) (1)
θ: angular displacement from a vertical line on the light emitting surface (unit radian)
α: Coefficient for defining the emission divergence angle (originally simplified in calculation of “1 / α ² ”)
[0011]
When the calculation of the light emission distribution coefficient α is calculated for a one-dimensional case, it is expressed as in equation (2).
(Equation 2)
α ² = − [ln (h)] / (FAHM / 2) ² (2)
h: 1 at the relative intensity vertical given by actually measuring the laser emission distribution. Half value = 0.5.1 / e = 0.3183.1 / e2 = 0.135335.
FAHM: Normally, the manufacturer provides a full width at half maximum (FAHM) value.
If h = 0.5, FAHM = 9 degrees (with angle), rad (9/2) = 0.07854
α ² = − [(ln (0.5)] / (0.07854) ² = 112.369
Then, using this to calculate the emission intensity distribution for the specified azimuth, the distribution as shown in FIG. 12 is obtained.
[0012]
FIG. 13 is a diagram in 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).
(Equation 3)
Po (θ) = exp (−α ² θ ² ) · exp (−β ² ψ ² ) (3)
The distribution calculation coefficients α and β are calculated for the θ and ψ directions in the same manner. The light emission distribution coefficient α is given by equation (4), and the light emission distribution coefficient β is given by equation (5).
(Equation 4)
α ² = − [ln (h)] / (FAHM / 2) ² (4)
If h = 0.5 and FAHM = 9 degrees, rad (9/2) = 0.07854
α ² = − [(ln (0.5)] / (0.07854) ² = 112.369
(Equation 5)
β ² = − [ln (h)] / (FAHM / 2) ² (5)
If h = 0.5 and FAHM = 9 degrees, rad (9/2) = 0.07854
β ² = − [(ln (0.5)] / (0.07854) ² = 112.369
[0013]
As is apparent from the two-dimensional emission intensity distribution obtained in this way, in the vertical cavity surface emitting laser, the intensity distribution of the light emitting element is almost concentrically uniform.
Therefore, in order to efficiently receive the laser light 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, in order to limit or select the dynamic range of the received signal, it becomes possible by providing two or more light receiving elements concentrically.
However, the optical microphone shown in FIG. 11 cannot expect much noise reduction effect.
That is, the diaphragm 2 also vibrates due to the noise that reaches the diaphragm 2, and this is superimposed on the vibration of the normal sound wave 7 as a noise signal.
[0014]
An optical microphone having a structure as shown in FIG. 3 has been known as an optical microphone which has reduced the influence of this noise and has further improved the noise reduction effect.
In the structure shown in FIG. 3, the vibrating plate 2 vibrated by the sound wave 7 is stretched substantially at the center of the container 1. A first opening 15 and a second opening 16 are provided on both sides of the container 1 so as to be symmetrical with respect to the diaphragm 2.
With such a configuration, the sound wave 7 enters the container 1 from any of the openings 15 and 16 and vibrates the diaphragm 2.
Note that FIG. 3 shows a structure in which the light emitting element LD and the light receiving element PD are separated for convenience of explanation. However, in actuality, FIG. 11 shows that the light emitting element LD and the light receiving element PD are integrally formed on the substrate 9. The structure shown in Fig. 1 is used.
[0015]
In the optical microphone element 50 shown in FIG. 3, when the amplitude and the phase of the sound wave entering from the first opening 15 and the sound wave entering from the second opening 16 are equal, these two sound waves are applied to both surfaces of the diaphragm 2. The vibration plate 2 is not vibrated by canceling each other in 2a and 2b.
It is known that when two microphone elements having the same receiving sensitivity are arranged close to each other and a sound wave generated at a long distance is received, the two microphone elements detect the incoming sound waves equally.
[0016]
Generally, sound waves originate from the mouth of a person at a short distance from the microphone element, ie, sound is generated at a short distance from the microphone element. This short-range person's voice has a spherical field characteristic as shown by the circular curve.
On the other hand, sound waves generated at a long distance, for example, due to noise and acoustics have characteristics of a plane field.
The sound intensity of a spherical wave is approximately the same along its sphere or envelope and varies along the radius of the sphere, but for a plane wave the sound intensity is approximately the same at all points in the plane.
[0017]
Therefore, since the optical microphone element as shown in FIG. 3 can be considered to be a combination of two microphone elements, when it is placed in a far field, the first opening 15 and the second opening 16 As a result, sound waves having substantially the same amplitude and phase characteristics arrive at the diaphragm 2 and cancel each other out as described above, thereby reducing the effect.
On the other hand, a sound wave from the near field is incident nonuniformly through the first opening 15 or the second opening 16 so that the vibration plate 2 is vibrated and extracted as a signal from the light receiving element PD. In this way, an optical microphone element capable of further reducing the influence of noise is obtained by the structure of FIG.
[0018]
FIG. 6 is a diagram showing a directivity pattern of the optical microphone element shown in FIGS.
11A shows the directivity pattern of the optical microphone element 50 shown in FIG. 11, and has a substantially circular directivity having a maximum sensitivity in a direction perpendicular to the diaphragm 2 toward the opening (left side in the figure). Have a sexual pattern.
(B) shows the directivity pattern of the optical microphone element 50 shown in FIG. 3, which has a substantially 8-shaped directivity pattern having maximum sensitivity in both directions of the openings 15 and 16.
Here, the directivity pattern of the optical microphone element 50 shown in FIGS. 11 and 3 is changed so as to extend in the axial direction showing the maximum sensitivity as shown in FIG. 2 or 5, or to narrow down in the direction perpendicular to the axis. be able to.
[0019]
In order to change the directivity pattern as described above, a part of the detection output from the light receiving element PD is negatively fed back (negative feedback) to the light source driving circuit that drives the light emitting element LD using a negative feedback circuit. Good. FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of an optical microphone device using a feedback circuit 100 for changing a beam pattern as shown in FIG. 2 or FIG.
The output from the light receiving element PD is taken out through the filter circuit 18 and amplified by the amplifier 19 to become the microphone output.
The filter circuit 18 is used to extract only a signal component in a desired frequency range.
[0020]
Here, in the optical microphone device shown in FIG. 4, a predetermined current is supplied to a light emitting element LD through a negative feedback (negative feedback: NFB) circuit 100 to supply a part of an output signal taken out of the light receiving element PD. The light source driving circuit 13 that drives the light emitting element LD is configured to be supplied as a negative feedback signal.
The negative feedback circuit 100 includes a small signal amplifier circuit 10, a filter circuit 15 for extracting only a signal component in a desired frequency range from its output, and a comparator 16.
A reference power supply 14 serving as a reference voltage is connected to a non-inverting input terminal of the comparator 16.
The signal extracted through the filter circuit 15 is supplied to the inverting input terminal of the comparator 16.
[0021]
With this configuration, the comparator 16 outputs a lower output level as the output of the filter circuit 15 increases, whereby the light source drive circuit 13 operates to reduce the current supplied to the light emitting element LD.
Here, the small signal amplifying circuit 10 amplifies the signal only when the input signal level is lower than a predetermined level, and does not amplify a signal higher than a certain level.
Therefore, when the input signal level is equal to or higher than a certain level, the output signal level does not change and the amplification (gain) becomes zero. When the input signal is lower than a predetermined signal level, the signal is amplified so that the smaller the signal level, the larger the amplification.
Further, the rate of increase of the output signal with respect to the input signal increases as the input signal level decreases.
Here, since the output from the light receiving element PD is proportional to the received sound volume, the output of the small signal amplifying circuit 10 is amplified and output as the volume becomes smaller.
[0022]
Since this output is input to the inverting input terminal of the comparator 16 via the filter circuit 15, the output level of the comparator 16 decreases as the volume decreases.
As a result, the current supplied to the light emitting element LD operates so that the light output of the light emitting element LD decreases as the volume decreases.
That is, the lower the volume, the lower the sensitivity of the microphone.
Further, since a signal of a predetermined level or higher is not amplified, the light output is not limited at the signal level.
Therefore, the sensitivity of the microphone does not decrease.
For sounds that come from the axial direction perpendicular to the diaphragm and that do not cause a decrease in microphone sensitivity, if the sound is shifted from the axial direction, the sensitivity will follow the original directivity pattern curve. It gradually decreases.
When the level falls below a certain level, the small signal amplifier circuit 10 has an amplification degree, and the supply current control of the light source drive circuit 13 works to further reduce the sensitivity of the microphone.
As a result, in the optical microphone device having the negative feedback circuit 100, as shown in FIG. 2 or FIG. 5, the pattern of the directional beam is narrower than the directional pattern of the sensitivity.
[0023]
2 and 5 show a change in the directivity pattern due to the change in the amount of negative feedback.
(A) shows the directivity pattern when no negative feedback is applied, and in this case, the directivity pattern is substantially circular.
Next, the directivity patterns when negative feedback is applied are shown in (B) and (C).
In the case of (B), the amount of negative feedback is small, and in the case of (C), the amount of negative feedback is large. By changing the amplification degree of the small signal amplifier circuit 10 in this way, the amount of negative feedback is changed to extend the directivity pattern of sensitivity in the axial direction of maximum sensitivity or to narrow down in the direction orthogonal to the axis. be able to.
In this manner, the directional characteristics of the sensitivity of the optical microphone can be changed.
In the sound pickup device according to the present invention, the directivity of the selected microphone is changed by using an optical microphone of a very small VCSEL that can change the beam pattern of the directivity.
[0024]
Next, an embodiment of the portable telephone device of the present invention will be described.
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional mobile phone device. A mobile phone device 200 includes a speaker 201 at an upper end of a main body and a microphone 204 at a lower end, and inputs telephone number and fax information on its surface. Key 203 and a display unit 202 are provided.
FIG. 8 is a diagram showing an example of a mobile phone device according to the present invention, in which the above-described optical microphone element 50 is used instead of the conventional microphone 204.
Further, a proximity sensor 55 for detecting the positions of the microphone element 50 and the speaker of the mobile phone device 200 is provided at a predetermined position of the mobile phone device 200.
[0025]
FIG. 9 is a diagram showing a method of using the mobile phone device according to the present invention. In a normal usage method, the mobile phone device 200 is used in close contact with a speaker, and in this state, the proximity sensor 55 is used to connect the speaker and the mobile phone. It recognizes that the distance is close.
When the mobile phone device 200 is operated away from the speaker, for example, when an operation for transmitting and receiving is performed while watching the display on the display 202, the mobile phone device 200 is different from the use state illustrated in FIG. Placed away from speaker.
In this case, the proximity sensor 55 recognizes that the distance between the speaker and the mobile phone device 200 is a long distance.
Since a specific method of distance recognition by the proximity sensor 55 is well known, a detailed description thereof will be omitted.
[0026]
In the present invention, the proximity sensor 55 attached to the mobile phone body recognizes the distance between the speaker and the mobile phone device, and changes the magnitude of the negative feedback signal of the optical microphone element 50 based on the recognition result. Thus, the directional characteristics of the optical microphone element 50 are controlled.
FIG. 1 is a diagram showing a circuit for changing the directivity of a microphone in a mobile phone device of the present invention.
The amount of negative feedback of the negative feedback circuit 100 is changed by a sensor signal from the proximity sensor 55.
That is, when the proximity sensor 55 recognizes that the distance between the mobile phone device 200 and the speaker's mouth is far, the negative feedback amount of the negative feedback circuit 100 is increased by the output signal of the proximity sensor 55, and the The directivity pattern of the microphone element 50 is narrowed down and sharpened so that sound from the mouth of the speaker is received with high sensitivity.
As described above, the amount of negative feedback of the negative feedback circuit 100 can be adjusted by increasing the degree of amplification of the small signal amplifier circuit 10 shown in FIG.
[0027]
FIG. 10 shows another circuit used in the portable telephone device of the present invention. In this case, a switch 56 for connecting or disconnecting the negative feedback circuit 100 based on the output of the proximity sensor 55 is provided.
When the proximity sensor 55 recognizes that the speaker is close to the speaker, the switch 56 is turned off and the negative feedback by the negative feedback circuit 100 is stopped. As a result, a normal wave receiving state is set.
When the proximity sensor 55 determines that the distance is long, the switch 56 is turned on.
Then, since the negative feedback circuit 100 operates, the directivity pattern of the optical microphone element 50 becomes sharp as shown in FIG. 2 or FIG. 5, and the sensitivity increases with respect to the speaker. It becomes possible. Further, the influence of ambient noise can be reduced as described above.
[0028]
【The invention's effect】
As described above in detail, in the present invention, an optical microphone using a VCSEL is used as a microphone used in a mobile phone device, and the directivity of the optical microphone is changed or switched based on the usage state of the mobile phone. As a result, good wave receiving characteristics can be obtained regardless of the usage state of the mobile phone device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a peripheral circuit of an optical microphone used in the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a change in a directivity pattern of an optical microphone element used in the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a structure of an optical microphone element used in the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a schematic configuration of an optical microphone device used in the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a change in the directivity pattern of the optical microphone element shown in FIG. 3;
FIG. 6 is a directional pattern diagram of an optical microphone element used in the present invention.
FIG. 7 is an external view showing a schematic configuration of a conventional mobile phone device.
FIG. 8 is an external view showing a schematic configuration of a mobile phone device according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a use state of the mobile phone device according to the present invention.
FIG. 10 is a circuit diagram showing a peripheral circuit of an optical microphone used in another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a basic structure of an optical microphone element used in the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing a light emission intensity distribution of a VCSEL used in the present invention.
FIG. 13 is a diagram illustrating a two-dimensionally calculated emission intensity distribution of a VCSEL used in the present invention.
[Explanation of symbols]
2 diaphragm LD light emitting element PD light receiving element 7 sound wave 13 light source driving circuit 50 optical microphone element 55 proximity sensor 56 switch 100 negative feedback circuit 200 mobile phone device

Claims

顔に密着させて使用する第１の使用状態と、顔から離間させて使用する第２の使用状態とを有する携帯電話装置において、
顔からの離間距離を検出するセンサを前記装置に取付け、
内蔵マイクロフォンとして、
発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂直空洞表面発光型レーザー発光素子を配置し、前記発光素子の放射光を受光する為の光素子を配置した基板と、
前記基板に対向する位置にほぼ平行に、かつ近接して設置され、音圧により振動するとともに、前記発光素子からの光を反射させて前記受光素子に放射する振動板と、
前記発光素子に駆動電流を供給する光源駆動回路と、
前記受光素子から出力される信号の一部を負帰還信号として前記光源駆動回路に供給する負帰還回路とを具備する光マイクロフォンを用い、
前記離間距離を示すセンサ信号により前記負帰還信号の大きさを変化させることにより前記光マイクロフォンの指向特性を制御することを特徴とする携帯電話装置。In a mobile phone device having a first use state in which it is used in close contact with the face and a second use state in which it is used while being separated from the face,
A sensor for detecting a separation distance from the face is attached to the device,
As a built-in microphone,
A substrate on which a vertical cavity surface emitting laser light emitting device in which the light emission intensity distribution is substantially uniform in a concentric manner is arranged, and an optical device for receiving radiation light of the light emitting device is arranged,
A diaphragm that is installed substantially in parallel and close to the position facing the substrate, vibrates by sound pressure, reflects light from the light emitting element and emits the light to the light receiving element,
A light source driving circuit that supplies a driving current to the light emitting element;
Using an optical microphone including a negative feedback circuit that supplies a part of the signal output from the light receiving element to the light source driving circuit as a negative feedback signal,
A portable telephone device, wherein the directivity of the optical microphone is controlled by changing the magnitude of the negative feedback signal according to the sensor signal indicating the separation distance.

顔に密着させて使用する第１の使用状態と、顔から離間させて使用する第２の使用状態とを有する携帯電話装置において、
前記第１の使用状態にある時はオフとなり前記第２の使用状態にある時はオンとなる検出信号を出力する近接センサを前記装置に取付け、
マイクロフォンとして、
発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂直空洞表面発光型レーザー発光素子を配置し、前記発光素子の放射光を受光する為の受光素子を配置した基板と、
前記基板に対向する位置にほぼ平行に、かつ近接して設置され、音圧により振動するとともに、前記発光素子からの光を反射させて前記受光素子に放射する振動板と、
前記発光素子に駆動電流を供給する光源駆動回路と、
前記受光素子から出力される信号の一部を負帰還信号として前記光源駆動回路に供給する負帰還回路とを具備する光マイクロフォンを用い、
前記検出信号に応答して前記負帰還信号の大きさを２段階に切り替えることにより前記光マイクロフォンの指向特性を制御することを特徴とする携帯電話装置。In a mobile phone device having a first use state in which it is used in close contact with the face and a second use state in which it is used while being separated from the face,
A proximity sensor that outputs a detection signal that is turned off when in the first use state and turned on when in the second use state is attached to the device,
As a microphone,
A substrate on which a vertical cavity surface emitting laser light emitting device in which the emission intensity distribution is substantially uniform concentrically is arranged, and a light receiving element for receiving emitted light of the light emitting device is arranged,
A diaphragm that is installed substantially in parallel and close to the position facing the substrate, vibrates by sound pressure, reflects light from the light emitting element and emits the light to the light receiving element,
A light source driving circuit that supplies a driving current to the light emitting element;
Using an optical microphone including a negative feedback circuit that supplies a part of the signal output from the light receiving element to the light source driving circuit as a negative feedback signal,
A portable telephone device, wherein the directivity of the optical microphone is controlled by switching the magnitude of the negative feedback signal in two stages in response to the detection signal.