JP2006197206A - スピーカ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 時間の経過に関係なく、また十分なフィードバックゲインが得られなくてもスピーカから発生する歪を低減するスピーカ装置を提供する。
【解決手段】 力係数補正手段１０ａは、あたかも力係数Ｂｌが目標値Ａとなるように入力信号のレベルを補正する。力係数補正手段１０ａで補正された入力信号は、加算器１１に入力される。増幅器１２は加算器１１で出力された信号を増幅する。スピーカ１３はその増幅された信号に応じて振動し、センサ１４はスピーカ１３の振動を検出する。センサ１４の出力に基づく帰還信号はセンサ用の増幅器などを用いて適宜増幅されてから、力係数補正手段１０ａで補正された入力信号に対して極性が反転するように、加算器１１に入力される。すなわち、センサ１４の出力信号によって負帰還となるフィードバック処理が行われる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スピーカ装置に関し、より特定的には、スピーカから発生する歪を低減するスピーカ装置に関する。

従来から、スピーカを用いて電気信号を音波に変換する方法が知られている。入力とする電気信号に応じてスピーカの振動板などの振動系が振動し、電気信号は音波に変換される。ここで、電気信号から音波へ忠実に変換されることが望まれているが、実際のスピーカでは、その構造上の制限から忠実な変換を行うことは難しい。例えば、スピーカを構成する磁気回路の構造上、振動系が振動する中心位置からの変位（以下、振動変位という）が大きくなるにしたがい、磁気ギャップ内の磁束密度は減少する。そして、磁束密度の減少に伴って力係数も減少する。その結果、振動変位は入力される電気信号の大きさに比例しなくなる。また、スピーカを構成するダンパーやエッジなどの支持系のスティフネスは、その支持系の構造上、振動変位に対して変化する。その結果、振動変位は入力される電気信号の大きさに常に比例するとは限らない。

以上のように、実際のスピーカではその構造上の制限によって振動変位が入力の大きさに比例しなくなる（非線形となる）。この非線形となる範囲においてスピーカから歪（以下、非線形歪という）が発生するという問題がある。

そこで、上記非線形歪を低減させる方法として、従来からフィードフォワード処理（例えば、特許文献１参照。）やフィードバック処理（例えば、特許文献２参照。）などの電気信号処理を用いた方法が提案されている。

図２７は、フィードフォワード処理を用いた従来のスピーカ装置２００を示すブロック図である。図２７において、スピーカ装置２００は、非線形補正回路２０１、増幅器２０２およびスピーカ２０３を備える。図２８は、スピーカ２０３の入力対振幅特性を示す図である。図２８において、スピーカの入力対振幅特性は、振動変位ｘが大きいほど入力電圧と振動変位は比例せず、非線形の特性となる。電気信号が入力信号として非線形補正回路２０１に入力される。非線形補正回路２０１は、図２８に示す入力対振幅特性に基づいて、その特性の非線形部分が線形となるように入力信号のレベルを補正する。なお、図２８に示す入力対振幅特性は、スピーカ２０３がもつ固有の特性であり、予め求められる。増幅器２０２は、非線形補正回路２０１によって補正された入力信号を増幅する。スピーカ２０３はその増幅された入力信号に応じて振動系が振動することで入力信号を音波に変換する。以上のように、非線形補正回路２０１において入力信号のレベルを補正して出力するフィードフォワード処理を行うことによって、スピーカ装置２００は、スピーカ２０３から発生する非線形歪を低減することができる。

図２９は、フィードバック処理を用いた従来のスピーカ装置２１０を示すブロック図である。図２９において、スピーカ装置２１０は、加算器２１１、フィルタ２１２、マイクロフォン用増幅器２１３、マイクロフォン２１４、増幅器２０２およびスピーカ２０３を備える。電気信号が入力信号として加算器２１１に入力される。増幅器２０２は加算器２１１において出力された信号を増幅する。スピーカ２０３はその増幅された信号に応じて振動することでその増幅された信号を音波に変換する。マイクロフォン２１４はスピーカ２０３の振動を検出する。そして、マイクロフォン２１４の出力信号は、マイクロフォン用増幅器２１３で増幅される。そして、その増幅された出力信号はフィルタ２１２を介して、入力信号に対して極性が反転するように、加算器２１１に入力される。このような負帰還となるフィードバック処理を行うことにより、スピーカ装置２１０は、上記非線形歪に限らず、スピーカ２０３から発生する様々な歪を低減することができる。

なお、フィルタ２１２は、マイクロフォン２１４の出力信号から特定周波数を除去して、発振を防止する。特定周波数とは、スピーカ２０３が特定環境に設置されることにより生じる音響系の共振の周波数である。スピーカ２０３で変換された音波は、その共振の周波数で位相が回転する。そして、マイクロフォン２１４の出力信号も共振の周波数において位相が回転している。したがって、上記共振の周波数において、マイクロフォン２１４の出力信号の位相が回転して位相の遅れが生じ、入力信号と同じ極性で加算器２１１に入力されることになる。このように入力信号に対して同じ極性で帰還する（正帰還となる）ことによって、発振が起こる。そのため、フィルタ２１２は、帰還されるマイクロフォン２１４の出力信号から正帰還となる共振の周波数付近の信号を除去し、発振を防止する。
特開昭６０−１９６０９８号公報 特開昭６０−２３２７９７号公報

ここで、スピーカを構成するエッジやダンパーなどの支持系は、一般的に布や樹脂などの材料で作られる。布や樹脂などの材料は、時間の経過とともにその特性が変化（経年変化）する。そのため、材料の経年変化とともに支持系の特性（例えばスティフネスなど）は変化する。また、環境温度や支持系にかかる応力などの条件によって、時間の経過とともに材料が伸びたり、柔らかくなったりする現象（クリープ現象）も起こる。このような経年変化やクリープ現象によって、図２８に示すスピーカの入力対振幅特性は時間の経過とともに変化してしまう。すなわち、実際のスピーカの入力対振幅特性は常に一定とは限らない。ここで、上記フィードフォワード処理では、非線形補正回路２０１は予め求められた入力対振幅特性に基づいて補正する。したがって、スピーカの入力対振幅特性は時間の経過とともに変化するので、非線形補正回路２０１は実際のスピーカの入力振幅特性に基づいた補正を行うことができない。その結果、上記フィードフォワード処理では、時間の経過とともに非線形歪を低減させる効果が悪化するという課題があった。

また、実際のスピーカで変換される音波は、上記特定環境に設置されたことにより生じる音響系の共振以外に最低共振周波数ｆｏやその他様々な共振により位相が著しく回転している。したがって、上記フィードバック処理では、あらゆる周波数で発振しないように設計すると、フィードバックゲインが十分に得られない。その結果、上記フィードバック処理では歪を所望とされるレベルまで低減することが難しいという課題があった。

それ故に、本発明の目的は、時間の経過に関係なく、また十分なフィードバックゲインが得られなくてもスピーカから発生する歪を低減するスピーカ装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。なお、括弧内の参照符号および図番号は、本発明の理解を助けるために図面との対応関係を示したものであって、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

第１の発明は、力係数に起因する歪を打ち消すように、入力される電気信号のレベルを補正する力係数補正手段（１０ａ、１０ｂ）と、力係数補正手段において補正された電気信号を入力する加算器（１１）と、加算器において出力された電気信号を増幅する増幅器（１２）と、増幅器において増幅された電気信号に基づいて振動することにより、当該増幅された電気信号を音波に変換するスピーカ（１３）と、スピーカの振動を検出し、当該振動に応じた特性を示す信号を出力する、少なくとも１つのセンサ（１４）とを備え、センサの出力に基づく帰還信号を加算器に入力する、スピーカ装置である。

第２の発明は、第１の発明に従属する発明であって、センサの出力を入力とし、センサの出力信号の特性を所定の特性に変換して、加算器に入力する変換手段（１５、１５ａ、１５ｂ）をさらに備える。

第３の発明は、第１の発明に従属する発明であって、センサは、振動に応じた特性を示す信号を力係数補正手段にさらに入力し、力係数補正手段は、センサの出力信号を参照しながら、力係数に起因する歪を打ち消すように、入力される電気信号のレベルを補正する（図１３、図１４、図１５）。なお、力係数補正手段が参照する信号は、必ずしもセンサの出力信号そのものに限らず、その出力信号を変換フィルタなどで適宜に変換した信号であってもよい。

第４の発明は、第３の発明に従属する発明であって、センサの出力信号は、スピーカの振動変位を示す信号であることを特徴とする（図１３、図１５）。

第５の発明は、第３の発明に従属する発明であって、センサの出力を入力とし、センサの出力信号をスピーカの振動変位を示す信号に変換して、力係数補正手段に入力する変位変換フィルタ（１６）をさらに備える（図１４）。

第６の発明は、第１の発明に従属する発明であって、スピーカ装置は、入力される電気信号に基づいて、スピーカが線形で振動すると仮定したときの振動変位を示す信号を算出するフィルタ（１００）をさらに備え、力係数補正手段は、フィルタで算出された信号を参照しながら、力係数に起因する歪を打ち消すように、入力される電気信号のレベルを補正する（図１６、図１７）。

第７の発明は、第１の発明に従属する発明であって、スピーカ装置は、電気信号のレベルを変化させるイコライザ（１８）をさらに備え、帰還信号は、スピーカの振動加速度を示す信号であることを特徴とする（図１８、図１９）。

第８の発明は、第１の発明に従属する発明であって、帰還信号は、スピーカの振動加速度を示す第１の帰還信号と、スピーカの振動速度を示す第２の帰還信号とを含む（図２１、図２２、図２４）。

第９の発明は、第１の発明に従属する発明であって、力係数補正手段は、スピーカの振動変位の大きさに応じて変化する力係数の値を示す特性の逆特性に基づいて、入力される電気信号のレベルを補正する（図６）。

第１０の発明は、第９の発明に従属する発明であって、力係数補正手段は、スピーカの振動変位の大きさに応じて変化する力係数の値を示す特性を近似化して求められる関数で表し、当該関数に基づく演算処理によって、入力される電気信号のレベルを補正する。

第１１の発明は、第９の発明に従属する発明であって、力係数補正手段は、スピーカの振動変位の大きさに応じて変化する力係数の値を示す特性を所定間隔に区切られた各変位に対応する力係数の各値を示す情報（図７）で表し、当該情報に基づく演算処理によって、入力される電気信号のレベルを補正する。

第１２の発明は、第１１の発明に従属する発明であって、力係数補正手段は、入力される電気信号のレベルまたは振動変位と、力係数に起因する歪を打ち消すように補正された電気信号のレベルとが対応付けされる予め作成されたテーブルを用いて、入力される電気信号を補正する。

第１３の発明は、第１から第１２のいずれかの発明に従属する発明であって、スピーカに所定のレベル以上の電気信号が入力されないように電気信号のレベルを制限する制限手段（１７）をさらに備える。なお、制限手段は、力係数補正手段の中に組み込まれてもよい（図１１）。

第１４の発明は、第１から第１３のいずれかの発明に従属する発明であって、増幅器は、定電流増幅器であることを特徴とする。

第１５の発明は、電気信号を入力するための第１の入力端子と、スピーカ（１３）の振動を検出するセンサ（１４）の出力に基づく帰還信号を入力するための第２の入力端子と、力係数に起因する歪を打ち消すように、前記第１の入力端子を通じて入力される電気信号のレベルを補正する力係数補正手段（１０ａ、１０ｂ）と、力係数補正手段において補正された電気信号を入力する加算器（１１）と、加算器において出力された電気信号を増幅器に出力するための出力端子とを備え、帰還信号を第２の入力端子を通じて加算器に入力する、集積回路である。

第１の発明によれば、スピーカ装置は、力係数補正手段において力係数に起因する歪を打ち消すように、入力される電気信号を補正することで、スピーカの振動変位が大きくなるにつれて力係数が減少し、スピーカの振動変位と入力される電気信号のレベルとが比例しなくなることによって生じる歪を低減させることができる。また、スピーカは力係数に起因する歪が除去された形で振動し、その振動をセンサが検出する。そのセンサの出力に基づく帰還信号を加算器に入力する帰還処理において、すでに力係数に起因する歪は力係数補正手段において除去されている。したがって、十分なフィードバックゲインが得られなくても、力係数に起因する歪以外の他の歪（例えば支持系の経年変化やクリープ現象によって生じる歪など）を大幅に低減することができる。

第２の発明によれば、センサの出力信号の特性を所定の特性に変換して加算器に入力することで、帰還処理の周波数帯域を自由に設定することができる。

第３の発明によれば、力係数補正手段はセンサの出力信号を参照することで、そのセンサの出力信号に応じた正確な補正が可能となる。

第４の発明によれば、力係数補正手段はスピーカの振動変位を示すセンサの出力信号を参照することで、実際のスピーカの振動変位に基づいた精度の高い補正をすることができる。

第５の発明によれば、変位変換フィルタによってセンサの出力信号をスピーカの振動変位を示す信号に変換することで、異なる信号を出力する様々なセンサを自由に選択して使用することができる。

第６の発明によれば、力係数補正手段はフィルタで算出された線形で振動すると仮定したときの振動変位を示す信号を参照することで、線形で振動するときの振動変位に基づいた精度の高い補正をすることができる。

第７の発明によれば、スピーカの振動加速度を示す帰還信号を加算器に入力する帰還処理をすることで、低域周波数範囲のみならず中高域周波数範囲においても低歪化を実現することができる。また、振動加速度を示す帰還信号を加算器に入力することで生じるスピーカから放射される音圧周波数特性の低域の盛り上がりを、イコライザによって電気信号のレベルを変化させることで改善し、低域から高域まで広範囲の周波数で平坦な特性にすることができる。

第８の発明によれば、スピーカの振動加速度を示す帰還信号を加算器に入力する帰還処理を行うことで、低域周波数範囲のみならず中高域周波数範囲においても低歪化を実現することができる。また、振動加速度を示す帰還信号を加算器に入力することで生じるスピーカから放射される音圧周波数特性の低域の盛り上がりを、スピーカの振動速度を示す帰還信号を加算器に入力する帰還処理を行うことで改善し、低域から高域まで広範囲の周波数で平坦な特性にすることができる。

第９の発明によれば、力係数補正手段は、力係数の値を示す特性の逆特性に基づいて力係数に起因する歪を打ち消すように補正することで、力係数に起因する歪を低減することができる。

第１０の発明によれば、力係数補正手段は、力係数の値を示す特性を近似化して求められる関数で表し、その関数に基づく演算処理を行うことで、振動変位の大きさに応じて変化する力係数の値に正確に対応した補正をすることができる。

第１１の発明によれば、力係数補正手段は、力係数の値を示す特性を所定間隔を有する各変位に対応する力係数の各値を示す情報で表し、その情報に基づく演算処理を行うことで、振動変位大きさに応じて変化する力係数の値に正確に対応した補正をすることができる。

第１２の発明によれば、力係数補正手段において予め求められたテーブルが用いられることで、入力される電気信号を補正する処理負担を軽減することができる。

第１３の発明によれば、スピーカ装置は、スピーカに所定のレベル以上の電気信号が入力されないように電気信号のレベルを制限する制限手段によって、過大入力によるスピーカの破損を防止できる。

第１４の発明によれば、ボイスコイルの電気インピーダンスによる歪が予め除去されるので、さらなる歪の低減効果を得ることができる。

第１５の発明によれば、第１の発明と同様の効果が得られる。

以下、本発明の種々の実施形態を図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るスピーカ装置１について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るスピーカ装置１の構成を示すブロック図である。図１において、スピーカ装置１は、力係数補正手段１０ａ、加算器１１、増幅器１２、スピーカ１３およびセンサ１４を備える。なお、スピーカ装置１の詳細を説明する前に、非線形歪が発生する要因について先に説明する。

図２は、一般的なスピーカ１３の断面図である。図２において、スピーカ１３は、ボイスコイル２０、振動板２１、マグネット２２、磁気回路２３、磁気ギャップ２４、ダンパー２５およびエッジ２６を備える。磁気ギャップ２４には磁束密度Ｂが発生する。そして、その磁束密度Ｂとボイスコイル２０に流れる電流とでフレミングの左手の法則にしたがって、ボイスコイル２０は振動板２１と一体となり振動変位ｘの上下方向に振動する。そして、振動板２１はダンパーおよびエッジに支持され、振動変位ｘの上下方向に安定して振動し、空気を動かすことによって音を放射する。なお、図２に示されるスピーカ１３は一例であってこれに限定されない。例えばキャンセルマグネットを含む防磁タイプのスピーカであってもよいし、内磁型の磁気回路を構成するスピーカであってもよい。また、図２において、振動変位ｘが０となる位置は、ボイスコイル２０や振動板２１が振動する中心位置を示し、後述する図３、図４、図５、図６、図７、図１１における振動変位ｘが０となる原点に相当する。

上記スピーカ１３において、非線形歪が発生する主な要因が３つある。第１の要因としては、磁気ギャップ２４に発生する磁束密度Ｂが要因として挙げられる。図３は、磁気ギャップ２４付近の振動変位ｘに対する力係数Ｂｌの特性の一例を示す図である。磁気ギャップ２４の内部（振動変位ｘ＝０付近）では磁束密度Ｂの大きさは概ね一定である。しかし、振動変位ｘが大きいときは、磁路が形成されにくいため急激に磁束密度Ｂが減少する。したがって、磁束密度Ｂによって求められる力係数Ｂｌとボイスコイル２０の振動変位ｘとの関係は図３に示すような関係となる。このとき、図３に示す力係数Ｂｌの特性は、振動変位ｘの力係数関数Ｂｌ（ｘ）として表現される。

また、ボイスコイル２０を振動させるための駆動力Ｆ（ｔ）は、ボイスコイル２０に流れる入力信号の電流をＩ（ｔ）とすると、以下の式で表現される。

Ｆ（ｔ）＝Ｂｌ（ｘ）＊Ｉ（ｔ） （１）

したがって、ボイスコイル２０の振動変位ｘが大きくなる（Ｆ（ｔ）が大きくなる）場合、力係数Ｂｌ（ｘ）の値は減少する（図３参照。）。そして、上式（１）より、駆動力Ｆ（ｔ）は入力信号Ｉ（ｔ）のレベルに比例しなくなる。また、後述するスティフネスＫが一定であると仮定すると、振動変位ｘはＦ（ｔ）に比例するので、結果的に振動変位ｘは入力信号Ｉ（ｔ）のレベルに比例しなくなる。その結果、スピーカ１３から非線形歪が発生する。

第２の要因としては、ダンパー２５およびエッジ２６などの支持系が要因として挙げられる。ダンパー２５やエッジ２６は、その形状上、無限に伸びることはなく、ある程度伸びたところで突っ張り始める。図４は、振動変位ｘに対する支持系のスティフネスＫの特性の一例を示す図である。図４おいて、ボイスコイル２０の振動変位ｘが小さい場合には、スティフネスＫの値は略一定である。ボイスコイル２０の振動変位ｘが大きくなる場合には、スティフネスＫの値が大きくなる。したがって、振動変位ｘが大きくなるとスティフネスＫの値は変化するので、振動変位ｘは駆動力Ｆ（ｔ）に比例しなくなる。また、上記Ｂｌ（ｘ）が一定であると仮定すると、駆動力Ｆ（ｔ）は入力信号Ｉ（ｔ）のレベルに比例するので、結果的に振動変位ｘは入力信号Ｉ（ｔ）のレベルに比例しなくなる。以上の要因でスピーカ１３から非線形歪が発生する。

また、図５は、入力信号の大きさに対するスティフネスＫの特性の変化を示す図である。図５において、スティフネスＫの特性は入力信号の大きさに応じて変化し、常に一定の曲線とはならない。また、ダンパー２５やエッジ２６は布や樹脂などの材料で作られるため、その材料の経年変化やクリープ現象によっても図４に示されるスティフネスＫの特性は変化する。以上の要因によっても振動変位ｘは入力信号Ｉ（ｔ）のレベルに比例しなくなる。その結果、スピーカ１３から非線形歪が発生する。

第３の要因としては、ボイスコイル２０の電気インピーダンス特性が要因として挙げられる。スピーカの磁気回路は一般的に、透磁率の高い鉄などを材料が使用されるため、振動変位の大きさによってボイスコイル２０が有するインダクタンス成分が変化することになる。また振動変位の大きさには依存しないが、ボイスコイル２０は電気信号が入力されると発熱するため、ボイスコイル２０が有する抵抗成分が時間とともに変化する。したがって、ボイスコイル２０の電気インピーダンス特性（抵抗成分やインピーダンス成分）が変化することによってボイスコイル２０に流れる入力信号の電流が歪まされる。その結果、スピーカ１３から非線形歪が発生する。

ここで、スピーカ１３を定電圧駆動させた場合において、スピーカ１３に入力される入力信号の電圧Ｅ（ｔ）と振動変位ｘ（ｔ）の関係は下式（２）で表現される。

Bl*E(t)/Ze=K*x(t)+(r+Bl²/Ze)*dx(t)/dt+m*d²x(t)/dt² （２）

ただし、支持系のスティフネスをＫ、スピーカの機械抵抗をｒ、ボイスコイルの電気インピーダンスをＺｅおよび振動系質量をｍとする。なお、非線形歪が発生する３つの主な要因はそのほとんどが振動変位ｘに依存する。したがって、上式（２）において力係数ＢｌやスティフネスＫや電気インピーダンスＺｅを振動変位ｘの関数として表現すると下式（３）となる。

Bl(x)*E(t)/Ze(x)=K(x)*x(t)+(r+Bl(x)²/Ze(x))*dx(t)/dt+m*d²x(t)/dt² （３）

次に、スピーカ装置１について説明する。図１において、電気信号は入力信号として力係数補正手段１０ａに入力される。力係数補正手段１０ａは、力係数Ｂｌに起因する非線形歪を打ち消すように入力信号のレベルを補正する。力係数補正手段１０ａで補正された入力信号は、加算器１１に入力される。増幅器１２は加算器１１において出力された信号を増幅する。スピーカ１３はその増幅された信号に応じて振動することでその増幅された信号を音波に変換する。センサ１４は、スピーカ１３の振動を検出し、その振動に応じた特性を示す信号を出力する。センサ１４の出力に基づく帰還信号は、センサ用の増幅器などを用いて適宜増幅されてから、力係数補正手段１０ａで補正された入力信号に対して極性が反転するように、加算器１１に入力される。すなわち、センサ１４の出力信号によって負帰還となるフィードバック処理が行われる。

力係数補正手段１０ａは、あたかも力係数Ｂｌが図６の点線で示す値となるように入力信号のレベルを補正する。図６は、本発明における力係数Ｂｌの目標値の一例を示す図である。以下、具体的な補正方法を説明する。予め力係数の振動変位ｘについての力係数関数Ｂｌ（ｘ）を算出しておく。力係数関数Ｂｌ（ｘ）の算出方法としては、まず、スピーカ１３において図６の実線に示されるような力係数Ｂｌの特性を測定する。そして、力係数関数Ｂｌ（ｘ）は測定された力係数Ｂｌの特性に基づいて多項式近似を行い、下式（４）と算出される。なお式（４）において、各項の係数（Ａ０、Ａ１、…）は測定された力係数Ｂｌの特性に基づいて設定された係数である。

Ｂｌ（ｘ）＝Ａ０＋Ａ１＊ｘ＋Ａ２＊ｘ²＋Ａ３＊ｘ³＋… （４）

上式（４）を満たす力係数関数Ｂｌ（ｘ）を予め算出しておく。

また、予め時間毎の入力信号ｕ（ｔ）のレベルに対するスピーカの振動変位ｘを求めておく。時間毎の入力信号ｕ（ｔ）のレベルに対するスピーカの振動変位ｘを求める方法としては、例えば十分に低い周波数の電気信号をスピーカ１３に入力し、そのときの振動板２１の振動変位ｘを測定する方法がある。また、スピーカ１３に入力の大きさをステップ状に変化させた直流電気信号を入力して、直流電気信号の各ステップでの振動板の振動変位ｘを測定する方法などがある。

ここで、時間毎の入力信号ｕ（ｔ）のレベルに対するスピーカの振動変位ｘを求めることによって、振動変位ｘは入力信号ｕの関数としてｘ（ｕ）と表現される。そして、振動変位ｘの関数である力係数関数Ｂｌ（ｘ）は、入力信号ｕの関数である力係数関数Ｂｌ’（ｕ）と表現される。すなわち、Ｂｌ’（ｕ）は入力信号ｕ（ｔ）のレベルに応じて変化する力係数Ｂｌの関数となる。

以上により、力係数補正手段１０ａは、上記力係数関数Ｂｌ’（ｕ）に基づいて、下式（５）を満たすように入力信号のレベルを補正する。なお、式（５）において、補正後の入力信号をｕｍ（ｔ）、力係数Ｂｌの目標値をＡとする。

ｕｍ（ｔ）＝Ａ／Ｂｌ’（ｕ）＊ｕ（ｔ） （５）

以上のように、力係数補正手段１０ａは、入力信号ｕ（ｔ）のレベルに応じて変化する力係数関数Ｂｌ’（ｕ）の逆特性を示す関数を用いて、あたかも力係数Ｂｌが目標値Ａ（一定値）となるように入力信号のレベルを補正する。これにより、力係数に起因する非線形歪（すなわち第１の要因に起因する非線形歪）を打ち消すように入力信号のレベルを補正する。すなわち、振動変位ｘと入力信号ｕ（ｔ）が比例し、力係数に起因する非線形歪をなくすことができる。

なお、式（４）で示される力係数関数Ｂｌ（ｘ）の代わりに、力係数Ｂｌの離散化したデータ（以下、離散化データという）を用いてもよい。図７は、離散化した力係数Ｂｌの特性を示す図である。図７において、力係数Ｂｌの離散化データは、振動変位ｘの所定範囲をＮ等分し、振動変位ｘ１〜ｘｎに対応する力係数Ｂｌの値をそれぞれＢｌ１〜Ｂｌｎとするデータである。また、離散化データは、測定や有限要素法を用いたシミュレーションで求められる。

また、上記離散化データを用いて、例えば式（５）を満たすように入力信号ｕ（ｔ）のレベルと補正後の入力信号ｕｍ（ｔ）のレベルとを対応させた変換テーブルを作成し、力係数補正手段１０ａに予め設定しておく。そして、力係数補正手段１０ａは、当該変換テーブルに基づいて入力信号のレベルを補正する方法であってもよい。

ここで、一般的なスピーカの振動変位とその位相は図８に示される特性となる。図８において、スピーカの振動変位は周波数ｆｏ以下の範囲で大きさが一定である。すなわち、ｆｏ以下の周波数帯域で時間毎の入力信号のレベルに対するスピーカの振動変位ｘと実際のスピーカの振動変位ｘとが一致する。また、周波数がｆｏ以下の範囲で位相は０°となる。すなわち、ｆｏ以下の周波数帯域で入力信号の位相と実際のスピーカの振動変位ｘの位相とが一致する。また、ｆｏ以下の周波数帯域では、スピーカの振動変位ｘは大きくなるので非線形歪が多く発生しやすい帯域である。

したがって、上記力係数関数Ｂｌ’（ｕ）に基づいて、下式（５）を満たすように入力信号のレベルを補正する本実施形態では、非線形歪が多く発生しやすいｆｏ以下の周波数帯域において、スピーカ１３から発生する非線形歪を低減することができる。また、非線形歪を低減させる範囲を拡大する場合は、例えばスピーカ自体のｆｏを所望される帯域に合わせて変化させる方法がある。また、図８に示す振動変位の周波数特性（以下、振動変位特性という）と近似するフィルタを用いて、ｆｏ以上の入力信号を除去する方法でもよい。

センサ１４は、スピーカ１３の振動を検出し、その振動に応じた特性を示す信号を出力する。またセンサ１４は、例えばレーザなどの光ピックアップ、マイクロフォン、圧電ピックアップなどを用いる。また図１では、センサ１４は、スピーカ１３の外側に配置されているが、スピーカ１３の内部に構成されてもよい。このとき、センサ１４から出力される信号は、入力信号に対して反転した極性となるので、そのまま加算器１１に入力すればよい。

なお、上記フィードバック処理が行われる周波数帯域は、センサ１４から出力される振動に応じた特性を示す信号の種類によって変化する。ここで、振動に応じた特性を示す信号の種類について説明する。振動に応じた特性を示す信号として、振動変位ｘに比例する信号、振動速度ｄｘ／ｄｔに比例する信号および振動加速度ｄ²ｘ／ｄｔ²に比例する信号がある。なお、センサ１４のうちレーザ変位計や変位ピックアップなどのセンサは、振動変位に比例する信号を出力し、変位センサ１４ａと呼ぶとする。マイクロフォンや圧電加速度センサなどのセンサは、振動加速度に比例する信号を出力し、加速度センサ１４ｂと呼ぶとする。また、レーザ速度計などのセンサは、振動速度に比例する信号を出力し、速度センサ１４ｃと呼ぶとする。

各センサが出力する信号の特性を図９に示す。図９において、振動変位はスピーカのｆｏをカットオフとして、ｆｏ以上の周波数範囲で−１２ｄＢ／ｏｃｔで減衰する特性である。振動速度はスピーカのｆｏをカットオフとして、ｆｏ以下の周波数範囲で−６ｄＢ／ｏｃｔで減衰し、ｆｏ以上の周波数範囲で−６ｄＢ／ｏｃｔで減衰する特性である。振動加速度はスピーカのｆｏをカットオフとして、ｆｏ以下の周波数範囲で−１２ｄＢ／ｏｃｔで減衰する特性である。

ここで、ハイパスフィルタなどの微分回路やローパスフィルタなどの積分回路を用いて、センサが出力する信号の特性を相互に変換させることができる。図９において、例えば加速度センサ１４ｂから出力される振動加速度に比例する信号を２次のローパスフィルタなどを用いて時間ｔについての２階積分を行うことで、振動変位に比例する信号に変換することができる。また、振動変位に比例する信号を１次のハイパスフィルタなどを用いて時間ｔについての１階微分を行い、振動速度に比例する信号に変換することができる。

したがって、図１０に示すように、センサ１４と加算器１１との間に変換フィルタ１５を挿入することにより、センサ１４の出力信号を所望する特性を示す信号に変換してフィードバック処理を行うことが可能となる。図１０は、第１の実施形態に係るスピーカ装置１に変換フィルタ１５を挿入した構成を示すブロック図である。変換フィルタ１５は、ローパスフィルタなどの積分回路やハイパスフィルタなどの微分回路などで構成され、所望する特性を示す信号に変換する。そして、その所望する特性を示す信号が加算器１１に帰還入力されることにより、フィードバック処理を行う周波数帯域およびフィードバックゲインを自由に調整することができる。なお、変換フィルタ１５において、バンドパスフィルタなどをさらに加えてもよい。その結果、フィードバック処理を行う周波数帯域を狭く調整することもできる。

以上、本実施例で説明したスピーカ装置１は、力係数補正手段１０ａにおいて、あたかも力係数Ｂｌが目標値Ａとなるように入力信号を補正する。その結果、１つ目の要因である、スピーカ１３の振動変位が大きくなるにつれて力係数Ｂｌが減少し、スピーカの振動変位と入力信号のレベルとが比例しなくなることにより生じる非線形歪を低減させることができる。

また、本実施例で説明したスピーカ装置１では、力係数補正手段１０ａで補正された入力信号を増幅器１２で増幅してスピーカ１３に入力する。スピーカ１３は力係数Ｂｌによる非線形性要因が除去された形で振動し、音波に変換する。そして、その振動をセンサ１４で検出し、加算器１１にその検出信号を負帰還させるフィードバック処理を行う。その結果、非線形歪が発生する要因の２および３つ目である、支持系のスティフネスＫによる非線形歪と、ボイスコイルの電気インピーダンスによる非線形歪を除去することができる。また、力係数Ｂｌによる非線形歪が除去された信号に基づいてフィードバック処理を行うので、十分にフィードバックゲインが得られなくても、スピーカから発生する非線形歪を大幅に低減させることができる。なお、フィードバック処理により上記非線形歪に限らず、スピーカ１３から生じる様々な歪を低減することができることはいうまでもない。

また、例えばスピーカの厚みが薄い（全高が低い）薄型スピーカにおいては、マグネットの厚みと支持系の振動変位が十分に確保されない。そのため、薄型スピーカにおいては力係数と支持系の線形性が著しく悪化する場合が多い。このような場合であっても本実施形態によれば、歪を低減させて高音質化を図ることができる。

また、力係数補正手段１０ａは、あたかも力係数Ｂｌが図６の点線で示す値となるように入力信号のレベルを補正するとしたが、力係数Ｂｌが図１１の点線で示す値となるように入力信号のレベルを補正してもよい。図１１は、振動変位ｘが大きいときに力係数Ｂｌを若干下げるようにした目標値を示す図である。図６の点線で示すように力係数Ｂｌを完全に一定となるようにした場合、振動変位ｘが大きいとき、さらにスピーカ１３に大入力を加わることとなる。そして、大入力によってスピーカ１３が破損する可能性がある。したがって、力係数補正手段１０ａは図１１の点線に示される値を力係数Ｂｌの目標値とすることによって、スピーカ１３への入力を制限することができる。その結果、大入力によるスピーカ１３の破損を防止できる。

また、力係数補正手段１０ａにおいて力係数Ｂｌの目標値を図１１の点線で示す値にするのではなく、リミッタ１７を設けて大入力によるスピーカ１３の破損を防止してもよい。図１２は、スピーカ装置１にリミッタ１７を設けた構成の一例を示すブロック図である。図１２において、リミッタ１７は入力信号の大きさをスピーカ１３が破損するレベル以下に制限する。したがって、大きな入力信号が入力されても、スピーカ１３にはリミッタ１７で設定したレベル以上は入力されないのでスピーカ１３の破損を防止できる。なお、リミッタ１７の位置は、図１２に示される位置に限定されず、例えば力係数補正手段１０ａの出力側にあってもよいし、増幅器１２の中に組み込まれてもよい。すなわち、スピーカ１３の入力を制限できる位置であればどこでもよい。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るスピーカ装置２について、図１３を用いて説明する。図１３は、本発明の第２の実施形態に係るスピーカ装置２の構成を示すブロック図である。図１３において、スピーカ装置２は、力係数補正手段１０ｂ、加算器１１、増幅器１２、スピーカ１３および変位センサ１４ａを備える。なお、加算器１１、増幅器１２およびスピーカ１３は、第１の実施形態で説明した各構成と同一の機能を有し、同一の符号を付す。

図１３において、電気信号は入力信号として力係数補正手段１０ｂに入力される。力係数補正手段１０ｂは、変位センサ１４ａで検出される振動変位に比例する信号を参照しながら、力係数Ｂｌに起因する非線形歪を打ち消すように入力信号のレベルを補正する。力係数補正手段１０ｂで補正された入力信号は、加算器１１に入力される。増幅器１２は加算器１１において出力された信号を増幅する。スピーカ１３はその増幅された信号に応じて振動することでその増幅された信号を音波に変換する。変位センサ１４ａは、スピーカ１３の振動を検出し、振動変位に比例した信号を出力する。そして、変位センサ１４ａの出力に基づく帰還信号は分岐され、一方の帰還信号は、センサ用の増幅器などを用いて適宜増幅されてから、力係数補正手段１０ｂで補正された入力信号に対して極性が反転するように、加算器１１に入力される。すなわち、変位センサ１４ａの出力信号によって負帰還となるフィードバック処理が行われる。また、帰還信号の他方は、力係数補正手段１０ｂに入力される。

変位センサ１４ａは、例えばレーザ変位計などの変位ピックアップなどで構成され、スピーカ１３の振動を検出し、振動変位に比例した信号を出力する。すなわち、変位センサ１４ａは、実際のスピーカ１３の振動変位ｘに比例した信号を出力する。なお、図１４に示すように変位センサ１４ａの代わりにセンサ１４を用いてもよい。このとき、センサ１４の出力信号は、変位変換フィルタ１６によって振動変位に比例した信号に変換される。変位変換フィルタ１６は、ローパスフィルタなどの積分回路で構成され、センサの種類によって異なる特性をもつ各出力信号を振動変位に比例する信号に変換する。なお、変位変換フィルタ１６には、振動変位に比例する信号の特性を適宜調整または加工できるようにハイパスフィルタやバンドパスフィルタなどがさらに構成されてもよい。

また、第１の実施形態と同様に、図１５に示すように変位センサ１４ａと加算器１１との間に変換フィルタ１５が挿入されてもよい。その結果、第１の実施形態と同等の効果が得られる。なお、図１４において、図示しないがセンサ１４と加算器１１との間に変換フィルタ１５が挿入されてもよいことはいうまでもない。また、図１３〜図１５のブロック図では、変位センサ１４ａおよびセンサ１４をスピーカの外側に描いているが、スピーカの内部に構成してもかまわない。

力係数補正手段１０ｂには、第１の実施形態と同様、予め力係数Ｂｌの振動変位ｘについての力係数関数Ｂｌ（ｘ）を算出しておく。したがって、力係数補正手段１０ｂは、変位センサ１４ａから出力される実際のスピーカ１３の振動変位ｘに比例する信号を参照しながら、下式（６）を満たすように入力信号レベルを補正する。なお、式（６）において、式（５）と同様に補正後の入力信号をｕｍ（ｔ）、力係数Ｂｌの目標値をＡとする。

ｕｍ（ｔ）＝Ａ／Ｂｌ（ｘ）＊ｕ（ｔ） （６）

以上のように、力係数補正手段１０ｂは、実際のスピーカ１３の振動変位ｘに比例する信号を参照しながら、その振動変位ｘによって変化する力係数関数Ｂｌ（ｘ）の逆特性を示す関数を用いて、あたかも力係数Ｂｌが目標値Ａとなるように入力信号のレベルを補正する。これにより、力係数に起因する非線形歪を打ち消すように入力信号のレベルを補正する。すなわち、振動変位ｘと入力信号ｕ（ｔ）が比例し、力係数に起因する非線形歪をなくすことができる。

なお、第１の実施形態と同様に、式（６）で示される力係数関数Ｂｌ（ｘ）の代わりに、力係数Ｂｌの離散化データ（図７参照。）を用いてもよい。また、例えば式（６）を満たすように振動変位ｘと補正後の入力信号ｕｍ（ｔ）のレベルとを対応させた変換テーブルを作成し、力係数補正手段１０ｂに予め設定しておく。そして、力係数補正手段１０ｂは、当該変換テーブルに基づいて入力信号のレベルを補正する方法であってもよい。

以上、本実施例で説明したスピーカ装置２は、力係数補正手段１０ｂにおいて、あたかも力係数Ｂｌが目標値Ａとなるように入力信号を補正する。その結果、１つ目の要因である、スピーカ１３の振動変位が大きくなるにつれて力係数Ｂｌが減少し、スピーカの振動変位と入力信号のレベルとが比例しなくなることにより生じる非線形歪を低減させることができる。また、力係数補正手段１０ｂは実際のスピーカ１３の振動変位ｘに比例する信号を参照しながら入力信号のレベルを補正するので、より正確な補正が可能となる。その結果、さらなる非線形歪の低減効果を得ることができる。

また、本実施例で説明したスピーカ装置２では、力係数補正手段１０ｂで補正された入力信号を増幅器１２で増幅してスピーカ１３に入力する。スピーカ１３は力係数Ｂｌによる非線形性要因が除去された形で振動し、音波に変換する。そして、その振動をセンサ１４で検出し、加算器１１にその検出信号を負帰還させるフィードバック処理を行う。その結果、非線形歪が発生する要因の２および３つ目である、支持系のスティフネスＫによる非線形歪と、ボイスコイルの電気インピーダンスによる非線形歪を除去することができる。また、力係数Ｂｌによる非線形歪が除去された信号に基づいてフィードバック処理を行うので、十分にフィードバックゲインが得られなくても、スピーカから発生する非線形歪を大幅に低減させることができる。なお、フィードバック処理により上記非線形歪に限らず、スピーカ１３から生じる様々な歪を低減することができることはいうまでもない。

なお、大入力によるスピーカ１３の破損を防止するために、第１の実施形態と同様に力係数Ｂｌが図６の点線で示す値となるように入力信号のレベルを補正するとしたが、力係数Ｂｌが図１１の点線で示す値となるように入力信号のレベルを補正してもよい。または、図１２に示すようにリミッタ１７を挿入してもよい。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係るスピーカ装置３について、図１６を用いて説明する。図１６は、本発明の第３の実施形態に係るスピーカ装置３の構成を示すブロック図である。図１６において、スピーカ装置３は、力係数補正手段１０ｂ、フィルタ１００、加算器１１、増幅器１２、スピーカ１３およびセンサ１４を備える。なお、力係数補正手段１０ｂは第２の実施形態で説明した機能と同一であり、同一の符号を付す。また、加算器１１、増幅器１２、スピーカ１３およびセンサ１４は、第１の実施形態で説明した各構成と同一の機能を有し、同一の符号を付す。

図１６において、電気信号は入力信号として力係数補正手段１０ｂおよびフィルタ１００に入力される。フィルタ１００は、入力信号に基づいて擬似的なスピーカの振動変位に比例する信号を生成する。力係数補正手段１０ｂは、フィルタ１００で擬似的に作られたスピーカの振動変位に比例する信号を参照しながら、力係数Ｂｌに起因する非線形歪を打ち消すように入力信号のレベルを補正する。力係数補正手段１０ｂで補正された入力信号は、加算器１１に入力される。増幅器１２は加算器１１において出力された信号を増幅する。スピーカ１３はその増幅された信号に応じて振動することでその増幅された信号を音波に変換する。センサ１４は、スピーカ１３の振動を検出し、その振動に応じた信号を出力する。センサ１４の出力に基づく帰還信号は、センサ用の増幅器などを用いて適宜増幅されてから、力係数補正手段１０ｂで補正された入力信号に対して極性が反転するように、加算器１１に入力される。すなわち、センサ１４の出力信号によって負帰還となるフィードバック処理が行われる。

フィルタ１００は、入力信号に基づいて擬似的なスピーカの振動変位に比例する信号を生成する。ここで、スピーカが線形で振動する振動変位の範囲（以下、線形範囲という）の入力電圧Ｅ（ｔ）と振動変位ｘ（ｔ）の関係は、下式（７）で示される。なお、線形範囲の力係数をＢｌｏ、線形範囲の支持系スティフネスをＫｏ、線形範囲のボイスコイルの電気インピーダンスをＺｅｏとする。

Blo*E(t)/Ze=Ko*x(t)+(r+Blo²/Zeo)*dx(t)/dt+m*d²x(t)/dt² （７）

ここで、上式（７）より、入力を入力信号の電圧Ｅ（ｔ）、出力を振動変位ｘ（ｔ）と考えると、線形範囲の伝達関数Ｈ（ｓ）はラプラス変換を行い下式（８）となる。なお、ｓ＝δ＋ｊωとする。

H(s)=Blo/(Zeo(m*s²+r*s+Ko)+Blo²*s) （８）

以上のように、フィルタ１００は、上式（８）となる伝達関数Ｈ（ｓ）に基づいて線形範囲の擬似的な振動変位に比例した信号を算出し、力係数補正手段１０ｂに出力する。また、伝達関数Ｈ（ｓ）は、使用するスピーカ１３がもつ振動変位の周波数特性となるように、式（８）に示される各パラメータが適宜調整される。

力係数補正手段１０ｂは、第２の実施形態では変位センサ１４ａの出力信号を参照したが、本実施形態では、フィルタ１００から出力される線形範囲の擬似的な振動変位に比例する信号を参照する。そして、力係数補正手段１０ｂは、その線形範囲の振動変位に比例する信号によって変化する力係数関数Ｂｌ（ｘ）の逆特性を示す関数を用いて、あたかも力係数Ｂｌが目標値Ａとなるように入力信号のレベルを補正する。すなわち、力係数補正手段１０ｂは、計算された線形範囲の振動変位ｘを参照しながら、力係数に起因する非線形歪を打ち消すように入力信号のレベルを補正する。

なお、第２の実施形態と同様に、式（６）で示される力係数関数Ｂｌ（ｘ）の代わりに、力係数Ｂｌの離散化データ（図７参照。）を用いてもよい。

以上、本実施例で説明したスピーカ装置３は、力係数補正手段１０ｂにおいて、あたかも力係数Ｂｌが目標値Ａとなるように入力信号のレベルを補正する。その結果、１つ目の要因である、スピーカ１３の振動変位が大きくなるにつれて力係数Ｂｌが減少し、スピーカの振動変位と入力信号のレベルとが比例しなくなることにより生じる非線形歪を低減させることができる。また、力係数補正手段１０ｂはフィルタ１００により、擬似的に作られる線形範囲の振動変位に比例する信号を参照する。したがって、線形範囲でのスピーカの動作状態に近似する補正が可能であり、著しく歪除去効果が増す。また、センサ１４の出力を力係数補正手段１０ｂに入力する必要がないので、装置全体を簡素化できる。

また、本実施例で説明したスピーカ装置３では、力係数補正手段１０ｂで補正された入力信号を増幅器１２で増幅してスピーカ１３に入力する。スピーカ１３は力係数Ｂｌによる非線形性要因が除去された形で振動し、音波に変換する。そして、その振動をセンサ１４で検出し、加算器１１にその検出信号を負帰還させるフィードバック処理を行う。その結果、非線形歪が発生する要因の２および３つ目である、支持系のスティフネスＫによる非線形歪と、ボイスコイルの電気インピーダンスによる非線形歪を除去することができる。また、力係数Ｂｌによる非線形歪が除去された信号に基づいてフィードバック処理を行うので、十分にフィードバックゲインが得られなくても、スピーカから発生する非線形歪を大幅に低減させることができる。なお、フィードバック処理により上記非線形歪に限らず、スピーカ１３から生じる様々な歪を低減することができることはいうまでもない。

なお、以上で説明したセンサ１４は、第１の実施形態と同様に例えばレーザなどの光ピックアップ、マイクロフォン、圧電ピックアップなどを用いてもよい。また、第１の実施形態と同様に、図１７に示すようにセンサ１４と加算器１１との間に変換フィルタ１５が挿入されてもよい。その結果、第１の実施形態と同等の効果が得られる。また図１６、図１７では、センサ１４は、スピーカの外側に配置されているが、スピーカの内部に構成されてもよい。このとき、センサ１４で検出される検出信号は、入力信号に対して反転した極性となるので、そのまま加算器１１に入力すればよい。

また、大入力によるスピーカ１３の破損を防止するために、第１の実施形態と同様に力係数Ｂｌが図６の点線で示す値となるように入力信号のレベルを補正するとしたが、振動変位ｘが大きいときには、力係数Ｂｌが図１１の点線で示す値となるように入力信号のレベルを補正してもよい。または、図１２に示すようにリミッタ１７を挿入してもよい。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係るスピーカ装置４について、図１８を用いて説明する。図１８は、本発明の第４の実施形態に係るスピーカ装置４の構成を示すブロック図である。図１８において、スピーカ装置４は、イコライザ１８、力係数補正手段１０ａ、加算器１１、増幅器１２、スピーカ１３および加速度センサ１４ｂを備える。なお、力係数補正手段１０ａ、加算器１１、増幅器１２およびスピーカ１３は、第１の実施形態で説明した各構成と同一の機能を有し、同一の符号を付し、説明を省略する。

図１８において、電気信号は入力信号としてイコライザ１８に入力される。イコライザ１８は、入力信号の低域の特性を変化させる。力係数補正手段１０ａは、力係数Ｂｌに起因する非線形歪を打ち消すように入力信号のレベルを補正する。力係数補正手段１０ａで補正された入力信号は、加算器１１に入力される。増幅器１２は加算器１１において出力された信号を増幅する。スピーカ１３はその増幅された信号に応じて振動することでその増幅された信号を音波に変換する。加速度センサ１４ｂは、スピーカ１３の振動を検出し、振動加速度に比例した信号を出力する。加速度センサ１４ｂの出力に基づく帰還信号は、センサ用の増幅器などを用いて適宜増幅されてから、力係数補正手段１０ａで補正された入力信号に対して極性が反転するように、加算器１１に入力される。すなわち、加速度センサ１４ｂの出力信号によって負帰還となるフィードバック処理が行われる。また、帰還信号は振動加速度に比例した信号であり、振動加速度によるフィードバック処理（以下、加速度フィードバック処理という）が行われる。

加速度センサ１４ｂは、例えばマイクロフォンなどで構成され、スピーカ１３の振動を検出し、振動加速度に比例した信号を出力する。なお、図１９に示すように加速度センサ１４ｂの代わりにセンサ１４を用いてもよい。このとき、センサ１４の出力信号は、加速度変換フィルタ１５ａによって振動加速度に比例した信号に変換される。加速度変換フィルタ１５ａは、ハイパスフィルタなどの微分回路で構成され、センサの種類によって異なる特性をもつ各出力信号を振動加速度に比例する信号に変換する。また、加速度変換フィルタ１５ａにおいて、ローパスフィルタやバンドパスフィルタなどをさらに加えて振動加速度に比例する信号の特性を適宜調整または加工できるようにしてもよい。

ここで、加速度フィードバック処理を行う場合について説明する。加速度フィードバック処理を行う場合、スピーカ１３の音圧周波数特性はあたかもｆｏが低下し、ｆｏでの共振鋭度Ｑｏが増加したようになる。ここで、図２０は、加速度フィードバック処理を行った場合の一般的なスピーカの音圧周波数特性の変化を示す特性図である。図２０において、音圧周波数特性が実線から点線で示される特性に変化する。すなわち、低域周波数範囲の音圧は盛り上がる問題はあるが、中高域周波数範囲の音圧は低下する。振動加速度に比例する信号によるフィードバック処理が行われることで、その振動加速度に比例する信号の特性（図９参照。）に対応した中高域周波数範囲において十分なフィードバックゲインが得られる。したがって、上記加速度フィードバック処理を行う場合には、低域周波数範囲のみならず中高域周波数範囲においても低歪化を実現させることができる。

イコライザ１８は、低域周波数範囲の音圧の盛り上がりを抑えるように入力信号の低域の特性を変化させる。したがって、上記加速度フィードバック処理を行うに際し問題であった低域周波数範囲の音圧の盛り上がりを抑えることができる。以上のように、スピーカ１３から放射される音圧周波数特性を、低域から高域まで広範囲の周波数で平坦な特性にすることができる。なお、イコライザ１８の位置は、図１８、図１９において示される位置に限定されない。例えば、力係数補正手段１０ａの出力側に設けられてもよい。

以上、本実施形態で説明したスピーカ装置４は、加速度フィードバック処理を行うことで、中高域周波数範囲においてさらに低歪化を実現させることができる。すなわち、広い周波数範囲において、低歪化を図ることが可能となる。またスピーカ装置４は、イコライザ１８を用いることによって低域周波数の音圧の盛り上がりを抑え、低域から高域まで広い範囲の周波数でスピーカ１３から放射される音圧周波数特性を平坦な特性にすることができる。

図１８において、力係数に基づく入力信号の補正方法としては、第１の実施形態と同様に力係数補正手段１０ａを用いる方法としているが、第２の実施形態で説明した力係数補正手段１０ｂを用いる方法でもよい。力係数補正手段１０ｂを用いる場合には、加速度センサ１４ｂまたはセンサ１４それぞれの出力信号は、図１４に示すように変位変換フィルタ１６を介して振動変位に比例した信号に変換され、力係数補正手段１０ｂに入力される。その結果、第２の実施形態と同等の効果が得られる。また、力係数補正手段１０ｂは、第３の実施形態と同様にフィルタ１００による擬似的な線形範囲の振動変位を参照してもよい。その結果、第３の実施形態と同様の効果が得られる。

また、大入力によるスピーカ１３の破損を防止するために、第１の実施形態と同様に力係数Ｂｌが図６の点線で示す値となるように入力信号のレベルを補正するとしたが、力係数Ｂｌが図１１の点線で示す値となるように入力信号のレベルを補正してもよい。または、図１２に示すようにリミッタ１７を挿入してもよい。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態に係るスピーカ装置５について、図２１を用いて説明する。図２１は、本発明の第５の実施形態に係るスピーカ装置５の構成を示すブロック図である。図２１において、スピーカ装置５は、力係数補正手段１０ａ、加算器１１、増幅器１２、スピーカ１３、加速度センサ１４ｂおよび速度センサ１４ｃを備える。なお、力係数補正手段１０ａ、加算器１１、増幅器１２およびスピーカ１３は、第１の実施形態で説明した各構成と同一の機能を有し、同一の符号を付して説明を省略する。

図２１において、電気信号は入力信号として力係数補正手段１０ａに入力される。力係数補正手段１０ａは、力係数Ｂｌに起因する非線形歪を打ち消すように入力信号のレベルを補正する。力係数補正手段１０ａで補正された入力信号は、加算器１１に入力される。増幅器１２は加算器１１において出力された信号を増幅する。スピーカ１３はその増幅された信号に応じて振動することでその増幅された信号を音波に変換する。加速度センサ１４ｂは、スピーカ１３の振動を検出し、振動加速度に比例した信号を出力する。加速度センサ１４ｂの出力に基づく帰還信号は、センサ用の増幅器などを用いて適宜増幅されてから、力係数補正手段１０ａで補正された入力信号に対して極性が反転するように、加算器１１に入力される。すなわち、加速度フィードバック処理が行われる。速度センサ１４ｃは、スピーカ１３の振動を検出し、振動速度に比例した信号を出力する。速度センサ１４ｃの出力に基づく帰還信号は、センサ用の増幅器などを用いて適宜増幅されてから、力係数補正手段１０ａで補正された入力信号に対して極性が反転するように、加算器１１に入力される。すなわち、振動速度によるフィードバック処理（以下、速度フィードバック処理という）が行われる。

加速度センサ１４ｂは、例えばマイクロフォンなどで構成され、スピーカ１３の振動を検出し、振動加速度に比例した信号を出力する。また、第４の実施形態と同様、図２２に示すように加速度センサ１４ｂの代わりにセンサ１４を用いてもよい。センサ１４の出力信号は、加速度変換フィルタ１５ａによって振動加速度に比例した信号に変換される。

速度センサ１４ｃは、例えばレーザ速度計などで構成され、スピーカ１３の振動を検出し、振動速度に比例した信号を出力する。なお、図２２に示すように速度センサ１４ｃの代わりにセンサ１４を用いてもよい。このとき、センサ１４の出力信号は、速度変換フィルタ１５ｂによって振動速度に比例した信号に変換される。速度変換フィルタ１５ｂは、ハイパスフィルタなどの微分回路やローパスフィルタなどの積分回路で構成され、センサの種類によって異なる特性をもつ各出力信号を振動速度に比例する信号に変換する。また、速度変換フィルタ１５ｂにおいて、バンドパスフィルタなどをさらに加えて速度特性を適宜調整または加工できるようにしてもよい。

本実施形態では、第４の実施形態で説明したイコライザ１８ではなく、速度センサ１４ｃで検出された振動速度による速度フィードバック処理を行うことで、低域周波数の音圧の盛り上がりを抑える。図２３は、速度フィードバック処理を行ったときの一般的なスピーカの音圧周波数特性の変化を示す特性図である。図２３において、速度フィードバック処理を行うことで音圧周波数特性は、実線から点線で示される特性に変化する。

以上、本実施形態で説明したスピーカ装置５は、加速度フィードバック処理を行うことで、中高域周波数範囲においてさらに低歪化を実現させることができる。すなわち、広い周波数範囲において、低歪化を図ることが可能となる。またスピーカ装置５は、速度フィードバック処理を行うことで低域周波数の音圧の盛り上がりを抑え、低域から高域まで広い範囲の周波数でスピーカ１３から放射される音圧周波数特性を平坦な特性にすることができる。

なお、図２１において、力係数に基づく入力信号の補正方法として、第１の実施形態と同様の力係数補正手段１０ａを用いる方法としているが、第２の実施形態と同様の力係数補正手段１０ｂを用いる方法でもよい。力係数補正手段１０ｂを用いる場合、加速度センサ１４ｂ、速度センサ１４ｃまたはセンサ１４それぞれの出力信号は、図１４に示すように変位変換フィルタ１６を介して振動変位に比例した信号に変換され、力係数補正手段１０ｂに入力される。その結果、第２の実施形態と同等の効果が得られる。また、力係数補正手段１０ｂは、第３の実施形態と同様にフィルタ１００による擬似的な線形範囲の振動変位を参照してもよい。その結果、第３の実施形態と同様の効果が得られる。

また、加速度センサ１４ｂおよび速度センサ１４ｃは、図２４に示すようにセンサ１４として１つで構成されてもよい。図２４において、センサ１４は、その出力を分岐し、それぞれの出力に加速度変換フィルタ１５ａ、速度変換フィルタ１５ｂがそれぞれ接続される。そして、各出力は振動速度に比例した信号、振動加速度に比例した信号にそれぞれ変換される。したがって、１つのセンサ１４を用いても図２１に示すスピーカ装置５と同様の効果が得られる。

また、大入力によるスピーカ１３の破損を防止するために、第１の実施形態と同様に力係数Ｂｌが図６の点線で示す値となるように入力信号のレベルを補正するとしたが、力係数Ｂｌが図１１の点線で示す値となるように入力信号のレベルを補正してもよい。または、図１２に示すようにリミッタ１７を挿入してもよい。

なお、第１〜第５の実施形態において、スピーカ１３を駆動する増幅器１２は一般的には電圧増幅器を用いるが、電流増幅器を用いてもよい。増幅器１２が電圧増幅器を用いた定電圧駆動の場合、スピーカ１３の機械系等価回路は図２５のようになる。図２５において、スピーカの機械系等価回路は振動系重量３０、支持系スティフネスの逆数であるコンプライアンス３１、機械抵抗３２、電磁制動抵抗３３および定電圧駆動力源３４ａで表現される。ここで、電磁制動抵抗Ｒｍｅは以下の式（９）となる。なお、力係数をＢｌ、ボイスコイル電気インピーダンスをＺｅとする。

Ｒｍｅ＝Ｂｌ²／Ｚｅ （９）

また、上述した非線形歪が発生する３つの主な要因を考慮すると、入力信号の電圧Ｅ（ｔ）と振動変位ｘ（ｔ）の関係は上述の式（３）となる。

増幅器１２が電流増幅器を用いた定電流駆動の場合、スピーカ１３の機械系等価回路は図２６のようになる。図２６において、スピーカ１３の機械系等価回路は電磁制動抵抗３３が省かれ、振動系重量３０、支持系スティフネスの逆数であるコンプライアンス３１、機械抵抗３２および定電流駆動力源３４ｂで表現される。したがって、増幅器１２が定電流駆動の場合には、入力信号の電圧Ｅ（ｔ）と振動変位ｘ（ｔ）の関係は、式（３）から電磁制動抵抗Ｚｍｅを取り除いた下式（１０）となる。

Bl(x)*I(t)=K(x)*x(t)+r*dx(t)/dt+m*d²x(t)/dt² （１０）

式（３）と式（１０）を比較すると明らかなように、増幅器１２として電流増幅器を用いた式（１０）では非線形項Ｚｅ（ｘ）が省かれる。すなわち、非線形歪の３つ目の要因であるボイスコイルの電気インピーダンスによる歪が予め除去されるので、さらなる非線形歪の低減効果を得ることができる。

また、第１〜第５の実施形態で説明したスピーカ装置１〜スピーカ装置５において、力係数補正手段１０ａ、１０ｂ、加算器１１、フィルタ１００、変換フィルタ１５、加速度変換フィルタ１５ａ、速度変換フィルタ１５ｂ、変位変換フィルタ１６、リミッタ１７およびイコライザ１８は、集積回路で構成されてもよい。このとき集積回路は、増幅器１２に出力する出力端子と、電気信号を入力する入力端子と、センサ１４の出力信号を入力する入力端子とを備える。

本発明に係るスピーカ装置は、力係数に起因する歪をフィードフォワード処理で、それ以外の歪をフィードバック処理でそれぞれ低減することにより、時間の経過に関係なく、また十分なフィードバックゲインが得られなくても、歪の少ない音波への変換を可能とするスピーカ装置、薄型スピーカ等の用途にも適用できる。

本発明の第１の実施形態に係るスピーカ装置１の構成を示すブロック図 一般的なスピーカ１３の断面図 磁気ギャップ２４付近の振動変位ｘに対する力係数Ｂｌの特性の一例を示す図 振動変位ｘに対する支持系のスティフネスＫの特性の一例を示す図 入力信号のレベルに対するスティフネスＫの特性の変化を示す図 本発明における力係数Ｂｌの目標値の一例を示す図 離散化した力係数Ｂｌの特性を示す図 一般的なスピーカの振動変位とその位相の関係を示す図 各センサが出力する信号の特性を示す図 第１の実施形態に係るスピーカ装置１に変換フィルタ１５を挿入した構成を示すブロック図 振動変位ｘが大きいときに力係数Ｂｌを若干下げるようにした目標値を示す図 スピーカ装置１にリミッタ１７を設けた構成の一例を示すブロック図 本発明の第２の実施形態に係るスピーカ装置２の構成を示すブロック図 変位変換フィルタ１６を設けたスピーカ装置２の構成を示すブロック図 変換フィルタ１５を設けたスピーカ装置２の構成を示すブロック図 本発明の第３の実施形態に係るスピーカ装置３の構成を示すブロック図 変換フィルタ１５を設けたスピーカ装置３の構成を示すブロック図 本発明の第４の実施形態に係るスピーカ装置４の構成を示すブロック図 加速度変換フィルタ１５ａを設けたスピーカ装置４の構成を示すブロック図 加速度フィードバック処理を行った場合の一般的なスピーカの音圧周波数特性の変化を示す特性図 本発明の第５の実施形態に係るスピーカ装置５の構成を示すブロック図 加速度変換フィルタ１５ａおよび速度変換フィルタ１５ｂを設けたスピーカ装置５の構成を示すブロック図 速度フィードバック処理を行ったときの一般的なスピーカの音圧周波数特性の変化を示す特性図 センサ１４を１つとした場合における加速度変換フィルタ１５ａおよび速度変換フィルタ１５ｂを設けたスピーカ装置５の構成を示すブロック図 定電圧駆動の場合におけるスピーカ１３の機械系等価回路 定電流駆動の場合におけるスピーカ１３の機械系等価回路 フィードフォワード処理を用いた従来のスピーカ装置２００を示すブロック図 スピーカの入力対振動変位特性を示す図 フィードバック処理を用いた従来のスピーカ装置２１０を示すブロック図

符号の説明

１０ａ 力係数補正手段
１０ｂ 力係数補正手段
１１ 加算器
１２ 増幅器
１３ スピーカ
１４ センサ
１４ａ 変位センサ
１４ｂ 加速度センサ
１４ｃ 速度センサ
１５ 変換フィルタ
１５ａ 加速度変換フィルタ
１５ｂ 速度変換フィルタ
１６ 変位変換フィルタ
２０ ボイスコイル
２１ 振動板
２２ マグネット
２３ 磁気回路
２４ 磁気ギャップ
２５ ダンパー
２６ エッジ
３０ 振動系重量
３１ コンプライアンス
３２ 機械抵抗
３３ 電磁制動抵抗
３４ａ 定電圧駆動力源
３４ｂ 定電流駆動力源
１００ フィルタ

Claims (15)

1. 力係数に起因する歪を打ち消すように、入力される電気信号のレベルを補正する力係数補正手段と、
   前記力係数補正手段において補正された電気信号を入力する加算器と、
   前記加算器において出力された電気信号を増幅する増幅器と、
   前記増幅器において増幅された電気信号に基づいて振動することにより、当該増幅された電気信号を音波に変換するスピーカと、
   前記スピーカの振動を検出し、当該振動に応じた特性を示す信号を出力する、少なくとも１つのセンサとを備え、
   前記センサの出力に基づく帰還信号を前記加算器に入力する、スピーカ装置。
2. 前記センサの出力を入力とし、前記センサの出力信号の特性を所定の特性に変換して、前記加算器に入力する変換手段をさらに備える、請求項１に記載のスピーカ装置。
3. 前記センサは、前記振動に応じた特性を示す信号を前記力係数補正手段にさらに入力し、
   前記力係数補正手段は、前記センサの出力信号を参照しながら、力係数に起因する歪を打ち消すように、入力される電気信号のレベルを補正する、請求項１に記載のスピーカ装置。
4. 前記センサの出力信号は、前記スピーカの振動変位を示す信号であることを特徴とする、請求項３に記載のスピーカ装置。
5. 前記センサの出力を入力とし、前記センサの出力信号を前記スピーカの振動変位を示す信号に変換して、前記力係数補正手段に入力する変位変換フィルタをさらに備える、請求項３に記載のスピーカ装置。
6. 前記スピーカ装置は、前記入力される電気信号に基づいて、前記スピーカが線形で振動すると仮定したときの振動変位を示す信号を算出するフィルタをさらに備え、
   前記力係数補正手段は、前記フィルタで算出された信号を参照しながら、力係数に起因する歪を打ち消すように、入力される電気信号のレベルを補正する、請求項１に記載のスピーカ装置。
7. 前記スピーカ装置は、電気信号のレベルを変化させるイコライザをさらに備え、
   前記帰還信号は、前記スピーカの振動加速度を示す信号であることを特徴とする、請求項１に記載のスピーカ装置。
8. 前記帰還信号は、前記スピーカの振動加速度を示す第１の帰還信号と、前記スピーカの振動速度を示す第２の帰還信号とを含む、請求項１に記載のスピーカ装置。
9. 前記力係数補正手段は、前記スピーカの振動変位の大きさに応じて変化する前記力係数の値を示す特性の逆特性に基づいて、入力される電気信号のレベルを補正する、請求項１に記載のスピーカ装置。
10. 前記力係数補正手段は、前記スピーカの振動変位の大きさに応じて変化する前記力係数の値を示す特性を近似化して求められる関数で表し、当該関数に基づく演算処理によって、入力される電気信号のレベルを補正する、請求項９に記載のスピーカ装置。
11. 前記力係数補正手段は、前記スピーカの振動変位の大きさに応じて変化する前記力係数の値を示す特性を所定間隔に区切られた各変位に対応する力係数の各値を示す情報で表し、当該情報に基づく演算処理によって、入力される電気信号のレベルを補正する、請求項９に記載のスピーカ装置。
12. 前記力係数補正手段は、入力される電気信号のレベルまたは前記振動変位と、前記力係数に起因する歪を打ち消すように補正された電気信号のレベルとが対応付けされる予め作成されたテーブルを用いて、入力される電気信号を補正する、請求項１１に記載のスピーカ装置。
13. 前記スピーカに所定のレベル以上の電気信号が入力されないように電気信号のレベルを制限する制限手段をさらに備える、請求項１から１２のいずれかに記載のスピーカ装置。
14. 前記増幅器は、定電流増幅器であることを特徴とする、請求項１から１３のいずれかに記載のスピーカ装置。
15. 電気信号を入力するための第１の入力端子と、
    スピーカの振動を検出するセンサの出力に基づく帰還信号を入力するための第２の入力端子と、
    力係数に起因する歪を打ち消すように、前記第１の入力端子を通じて入力される電気信号のレベルを補正する力係数補正手段と、
    前記力係数補正手段において補正された電気信号を入力する加算器と、
    前記加算器において出力された電気信号を増幅器に出力するための出力端子とを備え、
    前記帰還信号を前記第２の入力端子を通じて前記加算器に入力する、集積回路。
    

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