JP2017092841A - 増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スピーカーの温度を常に正常に測定できるようにした増幅装置を提供する。
【解決手段】増幅装置１は、入力するオーディオ信号Ｓａに対してパイロット信号ＳＰを加算する加算器１３と、加算器１３から出力される信号Ｓｅを増幅してスピーカー２に供給する増幅器１５と、スピーカー２に流れる電流を検知した電流検知信号Ｖ１からパイロット信号ＳＰの信号成分を抽出し、その信号成分に基づいてスピーカー２の温度を検出する温度検出回路１８と、加算器１３の前段側で、増幅器１５の最大許容入力に対してパイロット信号ＳＰ相当分の余裕が生じるようにオーディオ信号Ｓａの最大振幅に制限をかけるリミット回路１１と、を備える構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、スピーカーの温度を測定してスピーカーを駆動する増幅装置に関する。

オーディオ信号に基づいてスピーカーを駆動すると、スピーカーに設けられたコイルに電流が流れ、スピーカーの温度が上昇する。そのため、スピーカーを保護する観点から、従来よりスピーカーの温度測定が行われている。

例えば特許文献１には、スピーカーの入力側で予め定められた電圧値の直流電圧をスピーカーのコイルに印加し、コイルに流れる直流電流値を表す信号と、コイルに印加した電圧値とに基づいてコイルの温度を導出するようにした温度測定装置が記載されている。

特開２０１４−２０９７６号公報

しかし、上述した従来の温度測定装置では、オーディオ信号の振幅が大きく、スピーカーを駆動するアンプの最大許容入力を超えている場合には、アンプから出力されるオーディオ信号がクリップしてしまうため、直流電圧をスピーカーのコイルに印加してもその直流電圧がクリップ信号に埋もれてしまい、コイルやスピーカーの温度を正常に測定することができないという問題があった。

そこで本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、スピーカーの温度を常に正常に測定できるようにした増幅装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１に、本発明は、増幅装置であって、入力するオーディオ信号に対してパイロット信号を加算する加算器と、前記加算器から出力される信号を増幅してスピーカーに供給する増幅器と、前記スピーカーに流れる電流を検知した電流検知信号から前記パイロット信号の信号成分を抽出し、該信号成分に基づいて前記スピーカーの温度を検出する温度検出回路と、前記加算器の前段側で、前記増幅器の最大許容入力に対して前記パイロット信号相当分の余裕が生じるように前記オーディオ信号の最大振幅に制限をかけるリミット回路と、を備えることを特徴とする構成である。

この発明によれば、リミット回路によってオーディオ信号にパイロット信号相当分の振幅制限がかけられた後に、オーディオ信号に対してパイロット信号が加算される。そのため、増幅器において加算器から出力される信号が増幅されるときに信号がクリップしてしまうことを防止でき、パイロット信号をスピーカーに対して正常に伝達することができる。

第２に、本発明は、上記第１の構成を有する増幅装置において、前記パイロット信号は、非可聴域の所定周波数の信号であることを特徴とする構成である。

この発明によれば、所定周波数のパイロット信号をスピーカーに対して正常に伝達することができると共に、スピーカーから出力される音質に影響を与えることなく、スピーカーの温度を測定することができる。

第３に、本発明は、上記第２の構成を有する増幅装置において、前記加算器の前段側で、前記オーディオ信号から前記所定周波数を含む帯域の信号を除去するハイパスフィルタを更に備え、前記温度検出回路は、前記電流検知信号から前記所定周波数の信号成分を抽出することを特徴とする構成である。

この発明によれば、パイロット信号とは異なる信号成分がパイロット信号に紛れ込んでしまうことを抑制でき、スピーカーの温度を正確に検出することができる。

第４に、本発明は、上記第２又は第３の構成を有する増幅装置において、前記温度検出回路は、前記電流検知信号から抽出した前記パイロット信号の信号成分に対して前記パイロット信号の遅延信号を乗算し、前記パイロット信号の１周期分積分することにより、前記スピーカーの温度を検出することを特徴とする構成である。

この発明によれば、スピーカーの温度を高精度に検知することができるようになる。

第５に、本発明は、上記第１乃至第４のいずれかの構成を有する増幅装置において、前記温度検出回路が検出する前記スピーカーの温度に基づいて、前記リミット回路の前段で前記オーディオ信号を増幅若しくは減衰するボリューム制御回路を更に備えることを特徴とする構成である。

この発明によれば、温度検出回路が検出するスピーカーの温度に基づいてスピーカーを保護することができるようになる。

本発明によれば、パイロット信号を加算したオーディオ信号でスピーカーを駆動するときに、増幅器から出力される信号がクリップしてしまうことを抑制できるため、パイロット信号の信号成分に基づいてスピーカーの温度を常に正常に測定することができるようになる。

増幅装置の一構成例を示すブロック図である。 増幅装置の各部における信号の概念を示す図である。 温度検出回路の構成例を示す図である。

以下、本発明に関する好ましい実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態において互いに共通する部材には同一符号を付しており、それらについての重複する説明は省略する。

図１は、本発明における増幅装置１の一構成例を示すブロック図である。この増幅装置１は、スピーカー２を駆動する駆動回路を備えており、入力するオーディオ信号Ｓａに基づいてスピーカー２を駆動する。そして増幅装置１は、オーディオ信号Ｓａによってスピーカー２を駆動しているときに、スピーカー２の温度を常時測定し、その測定温度に基づいてスピーカー２の駆動状態を制御するように構成される。

増幅装置１は、スピーカー２を駆動する構成として、ボリューム調整回路１０と、ＤＡ変換器１４と、増幅器１５とを備えている。また増幅装置１は、スピーカー２の温度を測定してスピーカー２の駆動状態を制御するための構成として、リミット回路１１と、ハイパスフィルタ１２と、加算器１３と、ＩＶ変換回路１６と、ＡＤ変換器１７と、温度検出回路１８と、ボリューム制御回路１９と、パイロット信号出力回路２０とを備えている。

パイロット信号出力回路２０は、スピーカー２の温度を測定するために、入力するオーディオ信号Ｓａに加算するパイロット信号ＳＰを出力する回路である。例えば本実施形態におけるパイロット信号出力回路２０は、非可聴域である４ＨｚのＡＣ信号をパイロット信号ＳＰとして生成し、そのパイロット信号ＳＰを加算器１３へ出力する。

ボリューム調整回路１０は、デジタル信号として入力するオーディオ信号Ｓａを、任意に調整可能な増幅率で増幅する回路である。ボリューム調整回路１０における増幅率は、後述するボリューム制御回路１９によって制御される。ボリューム調整回路１０によって増幅されたオーディオ信号Ｓｂは、リミット回路１１へ出力される。

リミット回路１１は、オーディオ信号Ｓｂの振幅に制限をかける回路である。すなわち、オーディオ信号Ｓｂには後段の加算器１３においてパイロット信号ＳＰが加算されるため、リミット回路１１は、加算器１３の前段側においてオーディオ信号Ｓｂの最大振幅を予め所定値に制限する。そしてリミット回路１１において最大振幅が制限されたオーディオ信号Ｓｃは、ハイパスフィルタ１２へ出力される。

ハイパスフィルタ１２は、オーディオ信号Ｓｃから非可聴域の信号成分を除去するフィルタであり、例えば遅延の少ないＩＩＲフィルタによって構成される。すなわち、入力するオーディオ信号Ｓａには非可聴域の低周波の信号成分が含まれていることがあるため、ハイパスフィルタ１２は、加算器１３の前段側において、そのような低周波の信号成分をオーディオ信号Ｓｃから除去する。本実施形態におけるハイパスフィルタ１２のカットオフ周波数は、パイロット信号ＳＰの周波数よりも高い周波数であり、例えば５０Ｈｚに設定される。これにより、オーディオ信号Ｓｃに含まれる５０Ｈｚ以下の信号成分がハイパスフィルタ１２によって除去され、パイロット信号ＳＰの周波数域に信号成分を有さないオーディオ信号Ｓｄが得られる。ハイパスフィルタ１２において低周波の信号成分が除去されたオーディオ信号Ｓｄは、加算器１３へ出力される。

加算器１３は、ハイパスフィルタ１２から出力されるオーディオ信号Ｓｄに対してパイロット信号出力回路２０から出力されるパイロット信号ＳＰを加算し、パイロット信号ＳＰの重畳されたオーディオ信号ＳｅをＤＡ変換器１４へ出力する。

ＤＡ変換器１４は、例えばΔΣ方式のＤＡ変換器であり、加算器１３から出力されるオーディオ信号Ｓｅを高速ＤＡ変換して増幅器１５へ出力する。増幅器１５は、ＤＡ変換器１４においてアナログ信号に変換されたオーディオ信号Ｓｆを所定利得Ａで増幅することによって駆動信号Ｖｏを生成し、その駆動信号Ｖｏをスピーカー２へ出力することによってスピーカー２を駆動する。このような増幅器１５は、正負の電源電圧で動作し、その正負の電源電圧によって定まる出力可能範囲内の駆動信号Ｖｏを生成してスピーカー２へ出力する。そのため、増幅器１５がオーディオ信号Ｓｆに利得Ａを付与して出力するときに出力可能範囲を超える場合には、駆動信号Ｖｏが出力可能範囲の上限値又は下限値でクリップする。つまり、増幅器１５には駆動信号Ｖｏをクリップさせずに出力することが可能な最大許容入力があり、増幅器１５に入力するオーディオ信号Ｓｆの振幅が最大許容入力を超えないときには、駆動信号Ｖｏはクリップせずにスピーカー２へ出力される。

図２は、上記各部における信号の概念を示す図である。まず図２（ａ）はパイロット信号出力回路２０から出力されるパイロット信号ＳＰの一例を示している。パイロット信号ＳＰは、上述のように４ＨｚのＡＣ信号であり、その振幅はＶｐである。パイロット信号出力回路２０は、図２（ａ）に示すようなパイロット信号ＳＰを加算器１３に対して常時出力する。

図２（ｂ）は、ボリューム調整回路１０に入力するオーディオ信号Ｓａの一例を示している。このようなオーディオ信号Ｓａがボリューム調整回路１０において増幅された後、リミット回路１１において振幅制限がかけられると、リミット回路１１から出力されるオーディオ信号Ｓｃは、図２（ｃ）に示すような信号となる。つまり、リミット回路１１から出力されるオーディオ信号Ｓｃは、最大振幅が所定値Ａｔｈに制限された信号となっている。ここで、リミット回路１１では、オーディオ信号Ｓｃの最大振幅を制限するため、増幅器１５の最大許容入力Ａｍａｘに対して、パイロット信号ＳＰの振幅Ｖｐに相当する分の余裕が生じるように所定値Ａｔｈが予め設定される。そしてリミット回路１１は、入力するオーディオ信号Ｓｂの振幅が所定値Ａｔｈ以下のときにはオーディオ信号Ｓｂをそのまま出力するのに対し、オーディオ信号Ｓｂの振幅が所定値Ａｔｈを超えるときには所定値Ａｔｈを超える分の信号を除去し、振幅を所定値Ａｔｈに制限して出力する。これにより、リミット回路１１から出力されるオーディオ信号Ｓｃの最大振幅は、図２（ｃ）に示すように所定値Ａｔｈとなり、増幅器１５の最大許容入力Ａｍａｘに対し、パイロット信号ＳＰの振幅Ｖｐ相当分の余裕が生じる。

そしてハイパスフィルタ１２によって低周波の信号成分が除去された後、加算器１３においてオーディオ信号Ｓｄとパイロット信号ＳＰとが加算されると、加算器１３から出力されるオーディオ信号Ｓｅは、図２（ｄ）に示すような信号となる。つまり、リミット回路１１においてオーディオ信号Ｓｃの最大振幅が所定値Ａｔｈに制限されているため、加算器１３においてオーディオ信号Ｓｄにパイロット信号ＳＰが加算されても、オーディオ信号Ｓｅの最大振幅は、増幅器１５の最大許容入力Ａｍａｘを超えない。そのため、増幅器１５において駆動信号Ｖｏがクリップしてしまうことがなくなるため、スピーカー２の温度を測定するためのパイロット信号ＳＰは、駆動信号Ｖｏに重畳された状態でスピーカー２へ伝達される。

一方、スピーカー２は、ボイスコイル３を備え、駆動信号Ｖｏに応じた電流がボイスコイル３に流れることにより、振動板を振動させ、音響出力を行う。ボイスコイル３は、銅などで構成され、例えば０度の温度環境下で８Ωの抵抗値を有している。このようなボイスコイル３に電流が流れると、ボイスコイル３の温度が上昇し、ボイスコイル３の抵抗値が変化する。本実施形態では、そのようなボイスコイル３の抵抗値の変動を測定することにより、スピーカー２の温度を測定する。つまり、ボイスコイル３自体の温度をスピーカー２の温度として測定するのである。

ボイスコイル３は、その一端が増幅器１５に接続され、他端が抵抗Ｒｃを介して接地点に接続されている。したがって、駆動信号Ｖｏによってボイスコイル３に電流ＩＲが流れると、その電流ＩＲが抵抗Ｒｃにも流れ、抵抗Ｒｃの両端には電流ＩＲに応じた電位差が生じる。ＩＶ変換回路１６は、ボイスコイル３と抵抗Ｒｃとの間に接続され、抵抗Ｒｃに流れる電流ＩＲを電圧に変換する回路であり、電流ＩＲに応じた電圧として現れる電流検知信号Ｖ１をＡＤ変換器１７へ出力する。ＡＤ変換器１７は、例えばΔΣ方式のＡＤ変換器であり、ＩＶ変換回路１６から出力される電流検知信号Ｖ１を高速ＡＤ変換する。ＡＤ変換器１７によってデジタル信号に変換された電流検知信号Ｓｖは、温度検出回路１８へ出力される。

図３は、温度検出回路１８の構成例を示す図であり、図３（ａ）及び図３（ｂ）はそれぞれ異なる構成例を示している。まず図３（ａ）に示す温度検出回路１８は、ローパスフィルタ３１と、絶対値回路３２と、平均化回路３３とを備えて構成される。ローパスフィルタ３１は、ＡＤ変換器１７から出力される電流検知信号Ｓｖから高周波成分を除去するフィルタであり、例えば遅延の少ないＩＩＲフィルタによって構成される。ローパスフィルタ３１のカットオフ周波数は、パイロット信号ＳＰの周波数よりも高く、上述したハイパスフィルタ１２のカットオフ周波数よりも低い周波数に設定される。本実施形態では、ローパスフィルタ３１のカットオフ周波数は、例えば１０Ｈｚに設定される。そのため、ローパスフィルタ３１は、ＡＤ変換器１７から出力される電流検知信号Ｓｖからパイロット信号ＳＰの周波数（４Ｈｚ）に対応する信号成分だけを抽出することができ、その信号成分を絶対値回路３２へ出力する。絶対値回路３２は、ローパスフィルタ３１から出力される信号の絶対値を出力する回路である。平均化回路３３は、絶対値回路３２から出力される信号を積分して平均化することにより、パイロット信号ＳＰの周波数に対応する信号成分の振幅に応じた温度検出信号Ｓｔを出力する回路である。この温度検出信号Ｓｔは、スピーカー２の温度に応じた信号である。すなわち、ボイスコイル３の温度が上昇してボイスコイル３の抵抗値が上がると、それに応じてボイスコイル３に流れる電流ＩＲが減少する。このとき、電流ＩＲに含まれているパイロット信号ＳＰに応じた電流成分も同様に減少する。そのため、電流検知信号Ｓｖから抽出される信号成分（パイロット信号ＳＰの周波数に対応する信号成分）の振幅に対応する温度検出信号Ｓｔは、スピーカー２の温度が上昇することに伴って信号レベルが次第に小さくなる信号であり、スピーカー２の温度に応じた信号である。

また図３（ｂ）に示す温度検出回路１８は、ローパスフィルタ３１と、遅延回路３４と、乗算器３５と、平均化回路３３とを備えて構成される。そして図３（ｂ）に示す温度検出回路１８では、パイロット信号出力回路２０から出力されるパイロット信号ＳＰが遅延回路３４に供給される構成である。ローパスフィルタ３１は、図３（ａ）に示したものと同様であり、ＡＤ変換器１７から出力される信号Ｓｖからパイロット信号ＳＰの周波数（４Ｈｚ）に対応する信号成分だけを抽出した信号Ｓ１を生成し、その信号Ｓ１を乗算器３５へ出力する。ここで、Ｖｔをスピーカー２の温度に応じた振幅とし、ωを角速度とすると、信号Ｓ１は、
Ｓ１＝Ｖｔ・ｓｉｎωｔ …（式１）
として表すことができる。

遅延回路３４は、パイロット信号出力回路２０から出力されるパイロット信号ＳＰを遅延させ、パイロット信号ＳＰの位相を、ローパスフィルタ３１から出力される信号Ｓ１の位相と同期させた信号Ｓ２を生成し、その信号Ｓ２を乗算器３５へ出力する。この信号Ｓ２は、
Ｓ２＝Ｖｐｓｉｎωｔ …（式２）
として表すことができる。

乗算器３５は、信号Ｓ１と信号Ｓ２とを乗算した乗算信号Ｓ３を生成し、その乗算信号Ｓ３を平均化回路３３へ出力する。乗算信号Ｓ３は、
Ｓ３＝Ｓ１・Ｓ２＝Ｖｔｓｉｎωｔ・Ｖｐｓｉｎωｔ …（式３）
として表すことができる。

そして平均化回路３３は、乗算器３５から出力される乗算信号Ｓ３をパイロット信号ＳＰの１周期分で積分して平均化することにより、温度検出信号Ｓｔを出力する。この平均化回路３３による処理を数式で表すと、次の式４のようになる。

上記式４によれば、平均化回路３３から出力される温度検出信号Ｓｔには、周波数成分が含まれないため、スピーカー２の温度に応じた振幅Ｖｔを高精度に検知することができる。そのため、図３（ａ）に示した温度検出回路１８よりも、図３（ｂ）に示した温度検出回路１８の方が、高精度にスピーカー２の温度を検出することが可能である。ただし、本実施形態としては、図３（ａ）に示した温度検出回路１８を採用しても良いし、また図３（ｂ）に示した温度検出回路１８を採用しても良い。

上記のようにして得られる温度検出信号Ｓｔは、ボリューム制御回路１９に出力される。ボリューム制御回路１９は、温度検出信号Ｓｔに基づいてボリューム調整回路１０を制御する制御信号ＣＮＴをボリューム調整回路１０へ出力する回路である。このボリューム制御回路１９は、温度検出信号Ｓｔに基づいて特定されるスピーカー２の温度が所定温度以下のときには、ボリューム調整回路１０における増幅率を所定の値で一定の状態に保持する制御信号ＣＮＴを出力する。これにより、スピーカー２の出力パワーを一定の状態に保持した状態でスピーカー２を駆動することができる。これに対し、温度検出信号Ｓｔに基づいて特定されるスピーカー２の温度が所定温度を超えた場合、ボリューム制御回路１９は、ボリューム調整回路１０における増幅率を所定の値よりも小さい値に切り替えるための制御信号ＣＮＴを出力する。これにより、スピーカー２の出力パワーが低下するので、スピーカー２の温度が更に上昇することを防止でき、スピーカー２を保護することができる。尚、ボリューム制御回路１９は、制御信号ＣＮＴにより、入力するオーディオ信号Ｓａを増幅することも可能である。

またボリューム制御回路１９とボリューム調整回路１０との間にローパスフィルタを介挿しても良い。この場合、ボリューム制御回路１９がボリューム調整回路１０における増幅率を所定の値よりも小さい値に切り替えたときに、ローパスフィルタがその制御信号ＣＮＴを遅延させることになる。これにより、ボリューム調整回路１０は増幅率を急激に変化させず、緩やかに増幅率を低下させていくようになるので、スピーカー２から出力される音質が一時的に悪化してしまうことを抑制することができる。

以上のように本実施形態の増幅装置１は、入力するオーディオ信号Ｓａに対してパイロット信号ＳＰを加算する加算器１３の前段側に、オーディオ信号Ｓｂに対してパイロット信号ＳＰ相当分の振幅制限をかけるリミット回路１１を有しており、このリミット回路１１がオーディオ信号Ｓｂの最大振幅を予め所定値Ａｔｈに制限しておくことにより、後段の加算器１３でパイロット信号ＳＰが重畳された場合であっても、増幅器１５に入力されるオーディオ信号Ｓｆが増幅器１５の最大許容入力を超えてしまうことを未然に防止することができる。したがって、増幅器１５から出力される駆動信号Ｖｏがクリップしてしまうことを防止でき、スピーカー２の温度を測定するためのパイロット信号ＳＰがクリップ信号に埋もれてしまうことがなくなるので、スピーカー２の温度を常に正常に測定することができるようになる。

特にリミット回路１１は、上述のように増幅器１５の最大許容入力に対してパイロット信号ＳＰ相当分の余裕が生じるようにオーディオ信号Ｓｂの最大振幅に制限をかけるため、駆動信号Ｖｏのクリップを防止できる範囲でスピーカー２の出力パワーを最大限に維持しながらスピーカー２を駆動することができる。すなわち、リミット回路１１は、オーディオ信号Ｓｂの最大振幅を、パイロット信号ＳＰの振幅Ｖｐに相当する分だけ低下させるように振幅制限をかけることにより、スピーカー２の出力パワーが著しく低下してしまうことを抑制できるのである。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述したものに限定されるものではなく、種々の変形が適用可能である。例えば上記実施形態では、リミット回路１１がハイパスフィルタ１２の前段に設けられる場合を例示した。しかし、これに限られるものではなく、リミット回路１１は、ハイパスフィルタ１２の後段に設けたものであっても良い。

また上記実施形態では、パイロット信号ＳＰが４ＨｚのＡＣ信号である場合を例示した。しかし、パイロット信号ＳＰは、必ずしもＡＣ信号に限られず、ＤＣ信号であっても構わない。またパイロット信号ＳＰがＡＣ信号である場合においても、パイロット信号ＳＰの周波数は４Ｈｚに限られるものではなく、非可聴域の所定周波数であれば良い。

１…増幅装置、２…スピーカー、１１…リミット回路、１２…ハイパスフィルタ、１３…加算器、１５…増幅器、１８…温度検出回路、１９…ボリューム制御回路、２０…パイロット信号出力回路、ＳＰ…パイロット信号、Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ，Ｓｅ，Ｓｆ…オーディオ信号。

Claims (5)

1. 入力するオーディオ信号に対してパイロット信号を加算する加算器と、
   前記加算器から出力される信号を増幅してスピーカーに供給する増幅器と、
   前記スピーカーに流れる電流を検知した電流検知信号から前記パイロット信号の信号成分を抽出し、該信号成分に基づいて前記スピーカーの温度を検出する温度検出回路と、
   前記加算器の前段側で、前記増幅器の最大許容入力に対して前記パイロット信号相当分の余裕が生じるように前記オーディオ信号の最大振幅に制限をかけるリミット回路と、
   を備えることを特徴とする増幅装置。
2. 前記パイロット信号は、非可聴域の所定周波数の信号であることを特徴とする請求項１に記載の増幅装置。
3. 前記加算器の前段側で、前記オーディオ信号から前記所定周波数を含む帯域の信号を除去するハイパスフィルタを更に備え、
   前記温度検出回路は、前記電流検知信号から前記所定周波数の信号成分を抽出することを特徴とする請求項２に記載の増幅装置。
4. 前記温度検出回路は、前記電流検知信号から抽出した前記パイロット信号の信号成分に対して前記パイロット信号の遅延信号を乗算し、前記パイロット信号の１周期分積分することにより、前記スピーカーの温度を検出することを特徴とする請求項２又は３に記載の増幅装置。
5. 前記温度検出回路が検出する前記スピーカーの温度に基づいて、前記リミット回路の前段で前記オーディオ信号を増幅若しくは減衰するボリューム制御回路を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の増幅装置。

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