JP2014204261A

JP2014204261A - スピーカ

Info

Publication number: JP2014204261A
Application number: JP2013078429A
Authority: JP
Inventors: 智博木村; Tomohiro Kimura
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2013-04-04
Filing date: 2013-04-04
Publication date: 2014-10-27

Abstract

【課題】限られた電源供給しか得られない状況下において長時間駆動する。
【解決手段】スピーカは、音声信号を振動エネルギとして出力するスピーカユニット１２０と、スピーカユニットから出力された振動エネルギを電気エネルギに変換する圧電変換手段１３０と、圧電変換手段で変換された電気エネルギを昇圧及び蓄電する昇圧蓄電手段３４０と、昇圧蓄電手段で昇圧及び蓄電された電気エネルギをスピーカユニットの電源として供給する電源供給手段３５０とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、音声信号を振動エネルギとして出力可能なスピーカの技術分野に関する。

この種の装置に対する電源供給方法として、例えばＡＣ電源を整流及び平準化して得られるＤＣ電源を、ＡＣアダプタ等によって作り出して供給する方法が知られている。この方法では、安定的な電源を供給することができるが、ＡＣ電源の確保が条件とされる。一方、パソコン等のＵＳＢ端子からＵＳＢケーブルを介してＤＣ電源を供給する方法も知られている。この方法では、接続機器から電源を供給することができため、ＡＣ電源が確保されない場合であっても利用できる。

他方、スピーカ等に関する技術として、発せられた振動エネルギを他のエネルギに変換するという技術が知られている。例えば特許文献１では、振動エネルギを電気エネルギに変換し、無線モジュールを動作させるという技術が提案されている。特許文献２では、スピーカ背面に放射される振動エネルギを、熱エネルギ又は電磁エネルギに変換するという技術が提案されている。特許文献３では、振動エネルギを電気エネルギに変換した後、シャント回路において消費させジュール熱として大気に放出するという技術が提案されている。

特開平０６−０２８８９３号公報特開２００３−２８４１８９号公報特開２００７−２９８９９９号公報

近年、スピーカの利用シーンは変化しており、ＡＣ電源を確保できない状況での利用が増加する傾向にある。しかしながら、ＡＣ電源が確保できない状況では、電源供給経路が接続機器の内蔵バッテリ等に限定されてしまうため、結果としてスピーカの十分な駆動時間を確保できないという技術的問題点が生ずる。

ここで、上述した各特許文献には、振動エネルギを他のエネルギに変換する技術が記載されているものの、変換したエネルギを装置の駆動に再利用するという構成は開示されていない。このため、上述した技術を利用して振動エネルギから他のエネルギを得られたとしても、スピーカの駆動時間を延ばすことは困難である。即ち、ＡＣ電源を確保できない状況で利用されるスピーカにおいて、十分な駆動時間を確保できないという技術的問題点を解消することはできない。

本発明は、例えば上述した問題点に鑑みなされたものであり、限られた電源供給しか得られない状況下においても長時間にわたり駆動することが可能なスピーカを提供することを課題とする。

本発明のスピーカは上記課題を解決するために、音声信号を振動エネルギとして出力するスピーカユニットと、前記スピーカユニットから出力された振動エネルギを電気エネルギに変換する圧電変換手段と、前記圧電変換手段で変換された電気エネルギを昇圧及び蓄電する昇圧蓄電手段と、前記昇圧蓄電手段で昇圧及び蓄電された電気エネルギを前記スピーカユニットの電源として供給する電源供給手段とを備える。

本発明の作用及び利得は次に説明する発明を実施するための形態から明らかにされる。

実施例に係るパワードスピーカの使用例を示す概念図である。実施例に係るパワードスピーカの内部構造を示す断面図である。実施例に係る音圧・電気変換素子の構成を示す拡大断面図である。実施例に係る制御回路の構成を示すブロック図である。変形例に係る制御回路の構成を示すブロック図（その１）である。変形例に係る制御回路の構成を示すブロック図（その２）である。

本実施形態に係るスピーカは上記課題を解決するために、音声信号を振動エネルギとして出力するスピーカユニットと、前記スピーカユニットから出力された振動エネルギを電気エネルギに変換する圧電変換手段と、前記圧電変換手段で変換された電気エネルギを昇圧及び蓄電する昇圧蓄電手段と、前記昇圧蓄電手段で昇圧及び蓄電された電気エネルギを前記スピーカユニットの電源として供給する電源供給手段とを備える。

本実施形態に係るスピーカは、例えばダイナミック型のスピーカユニットをエンクロージャに取付けることで構成されており、その動作時には、パソコン等の外部機器から入力された音声信号が振動エネルギとしてスピーカユニットから出力される。

ここで本実施形態に係るスピーカは特に、スピーカユニットから出力された振動エネルギを電気エネルギに変換する圧電変換手段を備えている。圧電変換手段は、例えばＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）及びＢａＴｉＯ_３（チタン酸バリウム）等からなる圧電素子として構成される。圧電変換手段は、例えばエンクロージャの内壁に沿って設けられており、スピーカユニットからエンクロージャ内部に向けて出力される振動エネルギを電気エネルギに変換する。この場合、エンクロージャによって遮蔽される振動エネルギ（言い換えれば、外部に出力すべきでない余分な振動エネルギ）が電気エネルギに変換されるため、効率的に電気エネルギを得ることができる。

圧電変換手段で変換された電気エネルギは、昇圧蓄電手段において昇圧及び蓄電され、電源供給手段によりスピーカユニットの電源として供給される。これにより、スピーカユニットの駆動に消費される電気エネルギを少なくとも部分的に補うことができ、結果としてスピーカ全体としての消費電力を低減できる。

ちなみに、昇圧蓄電手段による昇圧及び蓄電は、圧電変換手段において得られる電気エネルギを電源として好適に供給するため行われるものであり、圧電変換手段において得られる電気エネルギに対して昇圧及び蓄電を行わずにスピーカユニットの駆動用電源として供給できる場合には、昇圧及び蓄電を適宜省略することもできる。

なお、圧電変換手段における変換で得られる電気エネルギは、スピーカユニットから得られた振動エネルギによるものであるため、スピーカユニットの駆動を常時行えるまでの電力量とするのは難しい。このため、本実施形態に係るスピーカは、電源供給手段とは異なる経路で電源を供給する手段を備えていることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態に係るスピーカによれば、振動エネルギを電気エネルギに変換して再利用することができるため、効果的に消費電力を低減することが可能である。本実施形態に係るスピーカは、例えばポータブル端末に接続して利用するシーンのように、十分なＡＣ電源が確保できず電源供給経路が限られる場合に特に有効である。

本実施形態に係るスピーカの一態様では、前記電源供給手段とは相異なる経路で前記スピーカユニットに電源を供給する第２の電源供給手段と、前記スピーカユニットの消費電力及び前記電源供給手段から供給可能な電力を夫々監視する監視手段と前記監視手段の監視結果に応じて、前記スピーカユニットに対する電源の供給元を前記電源供給手段及び前記第２の電源供給手段間で切替える切替手段とを備える。

この態様によれば、スピーカユニットに対して、第２の電源供給手段からも電源が供給される。第２の電源供給手段としては、例えば音声信号を得るために接続したパソコン等の外部機器が挙げられる。この場合、スピーカには、例えばＵＳＢ等の端子を介して音声信号と共に電源が供給される。或いは、第２の電源供給手段は、ＡＣ電源に接続されたＡＣアダプタ等であってもよい。

ここで本態様では特に、監視手段によって、スピーカユニットの消費電力及び電源供給手段から供給可能な電力（言い換えれば、圧電変換手段で変換され、昇圧蓄電手段で昇圧及び蓄電された電力）が夫々監視される。なお、ここでの「スピーカユニットの消費電力」とは、スピーカユニット内で消費される電力だけを指すものではなく、例えばスピーカユニットの駆動回路で消費される電力等、スピーカユニットを駆動するために消費される全ての電力を包括する広い概念である。

監視手段での監視結果は切替手段に伝達され、切替手段では、監視結果に応じてスピーカユニットに対する電源の供給元が切替えられる。即ち、スピーカユニットに対する電源の供給元が、電源供給手段及び第２の電源供給手段間で切替えられる。言い換えれば、スピーカユニットの駆動に利用される電力が、圧電変換手段で変換した電力と、圧電変換手段とは異なる経路で供給される電力と相互に切替えられる。

より具体的には、例えばスピーカユニットの消費電力が電源供給手段から供給可能な電力で賄える程度の量であれば、スピーカユニットに対する電源の供給元が電源供給手段に切替えられる。一方で、スピーカユニットの消費電力が電源供給手段から供給可能な電力で賄えない量であれば、スピーカユニットに対する電源の供給元が第２の電源供給手段に切替えられる。

なお、上述した切替えは、電源の供給元として電源供給手段及び第２の電源供給手段の一方を選択するような制御に限られず、例えば電源供給手段及び第２の電源供給手段の両方から電源を供給している場合に、それらの電源供給割合を変更するような制御であっても構わない。

本態様によれば、電源供給手段から供給可能な電力に応じて、適宜電源の供給元が切替えられるため、駆動電力の不足を回避しつつ、効率的に消費電力の低減を実現することが可能である。

本実施形態に係るスピーカの作用及び他の利得については、以下に示す実施例において、より詳細に説明する。

以下では、図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明する。なお、本発明のスピーカの一例としてパワードスピーカを例に挙げて説明する。

先ず、本実施例に係るパワードスピーカの全体構成について、図１及び図２を参照して説明する。ここに図１は、実施例に係るパワードスピーカの使用例を示す概念図である。また図２は、実施例に係るパワードスピーカの内部構造を示す断面図である。

図１において、本実施例に係るパワードスピーカ１００は、ノートパソコン２００とＵＳＢケーブル２５０を介して接続される。パワードスピーカ１００の動作時には、ノートパソコン２００からＵＳＢケーブル２５０を介して音声信号が入力される。また、パワードスピーカ１００を駆動するためのＤＣ電源も、ノートパソコン２００からＵＳＢケーブル２５０を介して供給される。即ち、パワードスピーカ１００を駆動する電源は、ノートパソコン２００の内蔵バッテリから供給される。

図２において、本実施例に係るパワードスピーカ１００は、エンクロージャ１１０、スピーカユニット１２０、音圧・電気変換素子１３０、制御回路１４０を備えて構成されている。

エンクロージャ１１０は、スピーカユニット１２０を保持する箱状の筐体として構成されており、スピーカユニット１２０の後方に出力される振動エネルギを遮蔽する機能を有している。

スピーカユニット１２０は、例えばダイナミック型スピーカとして構成されており、入力されるオーディオ信号に応じて振動エネルギを放出する。

音圧・電気変換素子１３０は、本発明の「圧電変換手段」の一例であり、音圧（即ち、スピーカユニット１２０から放出される振動エネルギ）を電気エネルギに変換可能な素子として構成されている。音圧電気変換素子１３０は、エンクロージャ１１０の内壁に沿うように設けられており、スピーカユニットからエンクロージャ１１０内部に向けて出力される振動エネルギを電気エネルギに変換する。このように構成すれば、エンクロージャ１１０によって遮蔽される振動エネルギが電気エネルギに変換されるため、効率的に電気エネルギを得ることができる。

以下では、この音圧・電気変換素子１３０のより具体的な構成について、図３を参照して説明する。ここに図３は、実施例に係る音圧・電気変換素子の構成を示す拡大断面図である。

図３において、本実施例に係る音圧・電気変換素子１３０は、圧電材料１３１を、上部電極１３１及び下部電極１３２が挟み込むようにして構成されている。なお、上部電極１３１及び下部電極１３２には夫々、上部電極配線１３４及び下部電極配線１３５が設けられており、音圧・電気変換素子１３０において変換した電気エネルギは制御回路１４０へと出力可能とされている。

圧電材料１３１は、例えばＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）及びＢａＴｉＯ_３（チタン酸バリウム）等を含んで構成される。この中でもＰＶＤＦは特に、加工性が良く、大面積で薄膜化が容易な音圧・電気変換素子１３０を実現できる。また、他の材料と比較して、すぐれた柔軟性、耐衝撃性、対高電圧性、耐水性、科学的安定性を備えている。よって、音圧・電気変換素子１３０は、ＰＶＤＦを含んで構成されることが好ましい。ただし、どのような圧電材料１３１を利用する場合であっても、後述の本実施例に係る技術的効果は相応に得られる。

図２に戻り、制御回路１４０は、スピーカユニット１２０、音圧・電気変換素子１３０及びＵＳＢケーブル２５０と電気的に接続された電子回路として構成されており、パワードスピーカ１００の駆動を制御する。

以下では、この制御回路１４０の具体的な構成と共に、本実施例に係るパワードスピーカの動作について、図４を参照して詳細に説明する。ここに図４は、実施例に係る制御回路の構成を示すブロック図である。

図４において、制御回路１４０は、電源・オーディオ受信部３１０と、プリステージ部及びパワーステージ部３３０を含む低周波増幅回路１４１と、昇圧・蓄電回路３４０、電圧電源部３５０及び電流電源部３６０を含む電源回路１４２とを備えて構成されている。

電源・オーディオ受信部３１０は、ＵＳＢ端子２５５を介して外部から入力される電源及びオーディオ信号を受信する。電源・オーディオ受信部３１０は、電源を電流電源部３６０に出力すると共に、ＵＳＢケーブルで伝送されるオーディオ信号をアナログ形式のオーディオ信号に変換したのちプリステージ部３４０に出力することが可能とされている。

プリステージ部３２０は、電源・オーディオ受信部３１０から入力されたオーディオ信号を電圧増幅する。プリステージ部３２０において電圧増幅されたオーディオ信号は、パワーステージ部３３０へ出力される。

パワーステージ部３３０は、プリステージ部３２０において電圧増幅されたオーディオ信号を電流増幅する。パワーステージ部３３０において電流増幅されたオーディオ信号は、スピーカユニット１２０へ出力される。

昇圧・蓄電回路３４０は、本発明の「昇圧蓄電手段」の一例であり、音圧・電気変換素子１３０から供給される電源（即ち、振動エネルギから変換された電気エネルギ）を所定の電圧に昇圧し、スピーカユニット１２０の駆動に要する電力として適宜取り出せるようにコンデンサ等に蓄電する。これにより、スピーカユニット１２０から放出される振動エネルギのレベルに応じて変動する不安定な電源を、安定な電源とすることができる。

電圧電源部３５０は、昇圧・蓄電回路３４０に蓄電された電力を、プリステージ部３２０に供給する。即ち、ここでの電圧電源部３５０は、本発明の「電源供給手段」の一例であり、音圧・電気変換素子１３０によって得られた電気エネルギを、スピーカユニット１２０を駆動するための電源として供給するものとして構成されている。

電流電源部３６０は、電源・オーディオ受信部３１０から供給される電力を、パワーステージ部３３０に供給する。即ち、電流電源部３６０は、上述した電圧電源部３５０とは相異なる経路で電源を供給するように構成されている。

以上説明した構成によれば、プリステージ部３２０における消費電力が、音圧・電気変換素子１３０によって得られた電気エネルギによって賄われる。このため、スピーカユニット１２０の駆動電力全てを外部から供給される電源に頼る場合と比べて、装置全体としての消費電力を低減できる。従って、外部からの電源供給が限られている場合であっても、長時間の駆動を実現できる。

なお、上述したプリステージ部３２０に求められる電力は数十から数百ミリワットと比較的微弱であるのに対して、パワーステージ部３３０に求められる電力は数から数十ワット程度である。このため、消費電力が小さいプリステージ部３２０の電源を、音圧・電気変換素子１３０によって得られる電気エネルギで賄うようにすれば、スピーカユニット１２０から放出される振動エネルギの変動によって小さい電力しか得られない場合、或いは音圧・電気変換素子１３０の変換効率限界により小さい電力しか得られない場合であっても、駆動電力の不足を好適に回避することができる。

ちなみに、図４で示した制御回路１４０の構成は一例であり、その構成が限定されるものではない。以下では、制御回路１４０の変形例について、図５及び図６を参照して説明する。ここに図５及び図６は夫々、変形例に係る制御回路の構成を示すブロック図である。

図５に示す変形例では、電源・オーディオ受信部３１０が、電圧電源部３５０及び電流電源部３６０のいずれにも電源を供給可能に構成されている。同様に、昇圧・蓄電回路３４０も、電圧電源部３５０及び電流電源部３６０のいずれにも電源を供給可能に構成されている。即ち、ここでは昇圧・蓄電回路３４０が、本発明の「電源供給手段」の一例として機能し、電源・オーディオ受信部３１０が、本発明の「第２の電源供給手段」の一例として機能する。

ここで特に、電圧電源部３５０及び電流電源部３６０は、各々の電源供給先であるプリステージ部３２０及びパワーステージ部３３０における消費電力、並びに昇圧・蓄電回路３４０から供給可能な電力を夫々監視している。即ち、ここでの電圧電源部３５０及び電流電源部３６０は、本発明の「監視手段」及びの一例として機能する。

電圧電源部３５０は、監視の結果、プリステージ部３２０における消費電力が昇圧・蓄電回路３４０から供給可能な電力を下回る場合に、昇圧・蓄電回路３４０からの電力をプリステージ部３２０に供給する。一方で、プリステージ部３２０における消費電力が昇圧・蓄電回路３４０から供給可能な電力を上回る場合には、電源・オーディオ受信部３１０からの電力をプリステージ部３２０に供給する。

他方、電流電源部３６０は、監視の結果、パワーステージ部３３０における消費電力が昇圧・蓄電回路３４０から供給可能な電力を下回る場合に、昇圧・蓄電回路３４０からの電力をパワーステージ部３３０に供給する。一方で、パワーステージ部３３０における消費電力が昇圧・蓄電回路３４０から供給可能な電力を上回る場合には、電源・オーディオ受信部３１０からの電力をパワーステージ部３３０に供給する。

即ち、ここでの電圧電源部３５０及び電流電源部３６０は、本発明の「切替手段」の一例として機能し、プリステージ部３２０及びパワーステージ部３３０における消費電力と、昇圧・蓄電回路３４０から供給可能な電力との相対的な関係に応じて、電力が不足しないように電源供給元を切替える。よって、音圧・電気変換素子１３０からの変動し得る電力を、プリステージ部３２０及びパワーステージ部３３０の各々に安定的に供給することが可能となる。

図６に示す変形例では、電源・オーディオ受信部３１０からの電力及び音圧・電気変換素子１３０からの電力が共に昇圧・蓄電回路３４０に供給され、昇圧・蓄電回路３４０から電圧電源部３５０及び電流電源部３６０の各々に駆動用電源として供給される。即ち、ここでは、昇圧・蓄電回路３４０が、本発明の「電源供給手段」及び「第２の電源供給手段」の一例として機能する。

ここで特に、昇圧・蓄電回路３４０は、電圧電源部３５０及び電流電源部３６０の各々から要求される電力（言い換えれば、電源供給先であるプリステージ部３２０及びパワーステージ部３３０における消費電力）、並びに昇圧・蓄電回路３４０から供給可能な電力を夫々監視している。即ち、ここでの昇圧・蓄電回路３４０は、本発明の「監視手段」及びの一例としても機能する。

昇圧・蓄電回路３４０は、監視の結果、電圧電源部３５０から要求される電力が音圧・電気変換素子１３０から供給される電力を下回る場合に、音圧・電気変換素子１３０からの電力を電圧電源部３５０に供給する。一方で、電圧電源部３５０から要求される電力が音圧・電気変換素子１３０から供給される電力を上回る場合には、電源・オーディオ受信部３１０からの電力を電圧電源部３５０に供給する。

他方、昇圧・蓄電回路３４０は、監視の結果、電流電源部３６０から要求される電力が音圧・電気変換素子１３０から供給される電力を下回る場合に、音圧・電気変換素子１３０からの電力を電流電源部３６０に供給する。一方で、電流電源部３６０から要求される電力が音圧・電気変換素子１３０から供給される電力を上回る場合には、電源・オーディオ受信部３１０からの電力を電流電源部３６０に供給する。

即ち、ここでの昇圧・蓄電回路３４０は、本発明の「切替手段」の一例としても機能し、電圧電源部３５０及び電流電源部３６０の各々から要求される電力と、音圧・電気変換素子１３０からの電力との相対的な関係に応じて、電力が不足しないように電源供給元を切替える。よって、音圧・電気変換素子１３０からの変動し得る電力を、電圧電源部３５０及び電流電源部３６０（即ち、プリステージ部３２０及びパワーステージ部３３０）の各々に安定的に供給することができる。

以上説明したように、本実施例に係るパワードスピーカ１００によれば、スピーカユニット１２０から放出される振動エネルギを電気エネルギに変換して好適に再利用することができるため、消費電力を低減することが可能である。

なお、上述の実施例では、パワードスピーカ１００がノートパソコン２００の内蔵バッテリから電源を得る態様について説明したが、パワードスピーカ１００の電源は、ＡＣ電源からＡＣアダプタ等を介して供給されてもよい。即ち、パワードスピーカ１００への電源供給経路は特に限定されるものではない。

ただし、本発明に係る消費電力を低減するという効果は、上述した実施例のように、限られた電源供給しか得られない場合において顕著に発揮される。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うスピーカもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１００パワードスピーカ
１１０エンクロージャ
１２０スピーカユニット
１３０音圧・電気変換素子
１３１圧電材料
１３２上部電極
１３３下部電極
１３４上部電極配線
１３５下部電極配線
１４０制御回路
１４１低周波増幅回路
１４２電源回路
１５０環境音データ受信部
１６０環境音データ出力処理部
１７０合成出力部
２００ノートパソコン
２５０ＵＳＢケーブル
２５５ＵＳＢ端子
３１０電源・オーディオ受信部
３２０プリステージ部
３３０パワーステージ部
３４０昇圧・蓄電回路
３５０電圧電源部
３６０電流電源部

Claims

音声信号を振動エネルギとして出力するスピーカユニットと、
前記スピーカユニットから出力された振動エネルギを電気エネルギに変換する圧電変換手段と、
前記圧電変換手段で変換された電気エネルギを昇圧及び蓄電する昇圧蓄電手段と、
前記昇圧蓄電手段で昇圧及び蓄電された電気エネルギを前記スピーカユニットの電源として供給する電源供給手段と
を備えることを特徴とするスピーカ。
前記電源供給手段とは相異なる経路で前記スピーカユニットに電源を供給する第２の電源供給手段と、
前記スピーカユニットの消費電力及び前記電源供給手段から供給可能な電力を夫々監視する監視手段と
前記監視手段の監視結果に応じて、前記スピーカユニットに対する電源の供給元を前記電源供給手段及び前記第２の電源供給手段間で切替える切替手段と
を備えることを特徴とする請求項１に記載のスピ−カ。