JP2017175188A - 断線検知回路、および電力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】電力増幅器と当該電力増幅器の負荷との間の断線を、負荷を駆動しながら検知することを可能にする。【解決手段】電力増幅器から負荷に与える出力信号の信号レベルが第１の閾値電圧を上回る場合に第１の比較結果信号をアクティブレベルとする第１のコンパレータと、負荷に流れる電流に応じた信号の信号レベルが第２の閾値電圧を上回る場合に第２の比較結果信号をアクティブレベルとする第２のコンパレータと、電力増幅器と負荷の間の断線の有無を示す断線検知フラグ信号を、第１の比較結果信号と第２の比較結果信号とに基づいて生成する断線検知フラグ信号生成部と、を有する断線検知回路を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、スピーカ等の負荷を駆動する電力増幅器と負荷との間の断線を検知する技術に関する。

パチンコやパチスロ等の各種遊戯機にはスピーカが搭載されており、遊戯の進行に応じて遊戯を盛り上げるための音（ＢＧＭ（Back Ground Music）や効果音など）がスピーカから放音される。また、遊戯機の中には、不正な方法で出玉を獲得する不正行為（所謂ゴト行為）に対する対策として、不正行為を検知した場合に警報音をスピーカから出力するものもある。遊戯機のスピーカに断線が発生すると様々な不具合が生じる。例えば、遊戯を盛り上げるための音の再生が停止すると、遊技者の興をそぎ、遊技を途中で止めてしまうなど、売上の減少を招きかねない。また、スピーカへの線路が切断されると、不正行為が行われても、スピーカから警報音を放音することができず、不正行為を発見、防止することができなくなる。そこで、オーディオ信号を増幅するパワーアンプなどの電力増幅器と当該電力増幅器の負荷であるスピーカとの間の断線を検知するための技術が種々提案されており、その一例としては特許文献１および特許文献２の各文献に開示の技術が挙げられる。

特許文献１には、スピーカと同等のインピーダンスカーブを持つ等価回路とスピーカとに検査信号を送り、両回路の出力信号の差分が一定以上であれば断線と判断する技術が開示されている。特許文献２に開示の技術は特許文献１に開示に技術の改良版である。特許文献２に開示の技術では、スピーカよりもインピーダンスが十分に大きい抵抗器を介して当該スピーカに検査信号を送り、端子間の電圧を測定することで断線が検知される。

特開２００３−２７４４９１号公報 特開２０１２−１９５８２２号公報 特開平０６−２４２１７２号公報

特許文献１および特許文献２の各文献に開示の技術では、断線検知の際に検査信号をスピーカに与える必要がある。検査信号を与えている間はスピーカにオーディオ信号を与えることはできず、音の再生が停止する。つまり、特許文献１および特許文献２に開示の技術には、音を鳴らしながら断線検知を行えないといった問題がある。

この発明は、以上説明した事情に鑑みて為されたものであり、電力増幅器と当該電力増幅器の負荷との間の断線を、負荷を駆動しながら検知することを可能にする技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、電力増幅器から負荷に与える出力信号と当該負荷に流れる電流に応じた信号とから当該電力増幅器と当該負荷の間の断線を検知する断線検知回路として、以下の第１および第２のコンパレータと断線検知フラグ信号生成部とを有する断線検知回路を提供する。第１のコンパレータは、電力増幅器から負荷に与える出力信号の信号レベルが第１の閾値電圧を上回る場合に第１の比較結果信号をアクティブレベル（例えば、Ｈレベル）とする。第２のコンパレータは、負荷に流れる電流に応じた信号（例えば、負荷に流れる電流を電流検知抵抗に流すことで得られた電圧値を示す信号）の信号レベルが第２の閾値電圧を上回る場合に第２の比較結果信号をアクティブレベルとする。そして、断線検知フラグ信号生成部は、電力増幅器と前記負荷の間の断線の有無を示す断線検知フラグ信号を、第１の比較結果信号と第２の比較結果信号とに基づいて生成する。より具体的には、断線検知フラグ信号生成部は、第２の比較結果信号が非アクティブレベルである期間に第１の比較結果信号のレベル変動が所定回数以上発生した場合に、断線検知フラグ信号をアクティブレベルとする。

本発明において電力増幅器からスピーカに与える出力信号は検査信号である必要はなく、負荷を駆動するための信号であっても良い。例えば、上記負荷がスピーカであれば、各種の音を表すオーディオ信号を当該スピーカに与えて電力増幅器と当該スピーカとの間の断線を検知することができる。つまり、本発明によれば、増幅器と当該電力増幅器の負荷との間の断線を、負荷を駆動しながら検知することが可能になる。

上記断線検知フラグ信号生成部の具体的な構成の一例としては、各々のクロック端子に第１の比較結果信号が与えられ、各々のリセット端子に第２の比較結果信号が与えられる複数のフリップフロップを直列接続（前段のフリップフロップの非反転出力端子を後段のフリップフロップのデータ入力端子に接続）し、最前段のフリップフロップのデータ入力端子には常にアクティブレベルの信号を与え、最後段のフリップフロップの出力信号を断線検知フラグ信号とする構成が考えられる。

特許文献１および特許文献２の各文献に開示の技術には、負荷を駆動しながら断線検知を行えないといった問題に加えて、等価回路が必要となる分だけコストの増加を招き、断線検知を安価に実現できないといった問題もあった。断線検知を安価に実現できないといった問題は特許文献３に開示の技術についても同様である。特許文献３に開示の技術では、断線検知の対象となる経路に電流が流れているか否かをフォトカプラを用いて検出しており、フォトカプラの分だけコストの増加を招くからである。これに対して、上記構成の断線検知回路であれば、特許文献１〜３の各文献に開示の技術に比較して安価に断線検知を実現できる。断線検知を行わない場合に比較して、第１および第２のコンパレータと複数のフリッププロップとが必要になるとはいっても、等価回路やフォトカプラを設ける場合に比較してコストの上昇幅は小さいからである。

また、上記課題を解決するために本発明は、負荷に接続される増幅部と、上記断線検知回路とを有する電力増幅器を提供する。このような態様によっても、電力増幅器と当該電力増幅器の負荷との間の断線を、負荷を駆動しながら検知することが可能になる。

本発明の実施形態による電力増幅器１の構成を示す回路図である。 同電力増幅器１における断線検知動作を説明するための図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、この発明の実施形態による電力増幅器１の構成を示す回路図である。電力増幅器１は、スピーカなどの負荷を駆動するパワーアンプである。図１では電力増幅器１の構成の理解を容易にするため、同電力増幅器１の負荷であるスピーカＳＰが併せて図示されている。

図１に示すように、電力増幅器１は増幅部１００と断線検知回路２００を有する。増幅部１００は、例えばＤ級増幅器であり、オペアンプ１１０、出力段１２０、フィルタ１３０、抵抗１４０および１５０を有する。

オペアンプ１１０は、増幅部１００の入力部をなす回路である。オペアンプ１１０の非反転入力端子には、入力端子１１１を介してオーディオ信号ＡＩＮが入力される。オペアンプ１１０の反転入力端子は抵抗１５０を介して接地されている。

出力段１２０は、トランジスタ１２１および１２２と、出力端子１２３とを有する。図１に示すように、トランジスタ１２１は、正電源＋Ｂと出力端子１２３との間に介挿されている。トランジスタ１２２は、負電源−Ｂと出力端子１２３との間に介挿されている。好ましい態様において、トランジスタ１２１および１２２は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；金属―酸化膜−半導体構造の電界効果トランジスタ）である。出力段１２０は、オペアンプ１１０の出力信号に応じて、トランジスタ１２１をＯＮ、トランジスタ１２２をＯＦＦとして正電源＋Ｂを出力端子１２３に接続し、あるいはトランジスタ１２１をＯＦＦ、トランジスタ１２２をＯＮとして負電源−Ｂを出力端子１２３に接続する。

フィルタ１３０は、出力段１２０の出力信号から、オーディオ帯域以上の高域成分を除去し、残ったオーディオ帯域の周波数成分をスピーカＳＰに供給するローパスフィルタである。このフィルタ１３０は、インダクタ１３１およびキャパシタ１３２を有する。インダクタ１３１は、出力段１２０の出力端子１２３とスピーカＳＰの一端ＳＰＩとの間に介挿されている。キャパシタ１３２は、インダクタ１３１およびスピーカＳＰ間のノード１３３に一端が接続され、他端は接地されている。図１に示すように、キャパシタ１３２は、負荷であるスピーカＳＰに並列接続されている。

抵抗１４０は、ノード１３３と、オペアンプ１１０の反転入力端子との間に介挿されている。抵抗１４０は、スピーカＳＰに対する出力電圧をオペアンプ１１０に帰還させる帰還抵抗の役割を果たし、増幅部１００を自励発振させる自励発振用帰還ループを構成する。増幅部１００は、所定の自励発振周波数で発振しつつ、入力オーディオ信号ＡＩＮに基づいてパルス幅変調されたＰＷＭパルス列信号を出力段１２０から出力する。フィルタ１３０は、このＰＷＭパルス列信号から自励発振周波数以上の高域成分を除去してスピーカＳＰに供給する役割を果たす。以上が増幅部１００の構成である。

次いで、断線検知回路２００の構成を説明する。図１に示すように、断線検知回路２００は、抵抗２１０、２２０、および２３０と、キャパシタ２４０と、コンパレータ２５０および２６０と、Ｄフリップフロップ（図１では、「ＤＦ」と略記）２７０および２８０と、を有する。

抵抗２１０は、スピーカＳＰにおけるノード１３３と反対側の端子ＳＰＯと接地線との間に介挿されている。抵抗２１０は、スピーカＳＰに流れる電流に応じた電圧信号を生成するための電流検知抵抗である。抵抗２２０および２３０は、スピーカＳＰの端子ＳＰＩと接地線との間に直列に介挿されており、抵抗２２０と抵抗２３０の共通接続点はコンパレータ２５０の非反転入力端子に接続されている。抵抗２２０および２３０は、出力段１２０からフィルタ１３０を介してスピーカＳＰへ供給される高電圧出力を、コンパレータ２５０により比較可能な電圧レベルまで降圧する分圧回路の役割を果たす。

キャパシタ２４０は、抵抗２２０と抵抗２３０の共通接続点と接地線の間に介挿さている。つまり、キャパシタ２４０は、抵抗２３０に並列接続されている。キャパシタ２４０は、ＰＷＭキャリア成分による断線検知回路２００の誤動作（より具体的には、コンパレータ２５０における誤判定）を防止するために設けられる。より詳細に説明すると、本実施形態では、キャパシタ２４０と抵抗２２０とにより、ＰＷＭキャリア成分を除去するローパスフィルタ（ＲＣフィルタ）が形成される。キャパシタ２４０の静電容量については、当該ローパスフィルタのカットオフ周波数が可聴帯域の上限（例えば２０ｋＨｚ）程度となるように定めておけば良い。

コンパレータ２５０の反転入力端子は接地線に接続されており、コンパレータ２５０の出力端子はＤフリップフロップ２７０および２８０の各々のクロック端子に接続されている。コンパレータ２５０は、例えば５Ｖ等の正電圧を出力する正電源（図示略）と例えば−５Ｖの負電圧を出力する負電源（図示略）に接続されており、両電源の電位差を動作電圧とし、非反転入力端子と反転入力端子の各々に入力される信号の大きさに応じた第１の比較結果信号を出力する。

前述したように、コンパレータ２５０の非反転入力端子には、抵抗２２０と抵抗２３０の共通接続点の電圧、すなわち、電力増幅器１からスピーカＳＰに与えられる出力信号に応じた電圧が与えられる。コンパレータ２５０の非反転入力端子に与えられる電圧が接地電圧（以下、第１の閾値電圧）以下であると、第１の比較結果信号は非アクティブレベル（本実施形態では、Ｌレベル、すなわち、負電源の電圧）となり、逆に、コンパレータ２５０の非反転入力端子に与えられる電圧が上記第１の閾値電圧より高いと、第１の比較結果信号はアクティブレベル（本実施形態では、Ｈレベル、すなわち、正電源の電圧）となる。

コンパレータ２６０の非反転入力端子はスピーカＳＰの端子ＳＰＯに接続されており、コンパレータ２６０の反転入力端子には接地線電圧よりも若干高い電圧（以下、第２の閾値電圧）Ｖｒｅｆが与えられる。コンパレータ２６０の反転入力端子に与えられる第２の閾値電圧Ｖｒｅｆは接地線電圧であっても良いが、コンパレータ２６０のオフセット電圧に起因する誤動作を回避するため、上記オフセット電圧分だけ接地線電圧よりも高い電圧であることが好ましい。また、コンパレータ２６０としてヒステリシスタイプのものを用いることで上記誤動作を回避しても良い。

コンパレータ２６０の出力端子はＤフリップフロップ２７０および２８０の各々のリセット端子に接続されている。コンパレータ２６０も前述した正電源と負電源の電位差を動作電圧とし、非反転入力端子と反転入力端子の各々に入力される信号の大きさに応じた第２の比較結果信号を出力する。コンパレータ２６０の非反転入力端子に与えられる電圧が第２の閾値電圧Ｖｒｅｆ以下であると、第２の比較結果信号は非アクティブレベルとなり、逆に、コンパレータ２６０の非反転入力端子に与えられる電圧が第２の閾値電圧Ｖｒｅｆより高いと、第２の比較結果信号はアクティブレベルとなる。

Ｄフリップフロップ２７０のデータ入力端子は前述した正電源に接続されている。つまり、Ｄフリップフロップ２７０のデータ入力端子には常にアクティブレベルの信号が与えられる。Ｄフリップフロップ２７０の非反転出力端子はＤフリップフロップ２８０のデータ入力端子に接続されている。つまり、Ｄフリップフロップ２７０とＤフリップフロップ２８０は直列接続されている。Ｄフリップフロップ２７０および２８０の各々も前述した正電源と負電源の電位差を動作電圧とし、本実施形態では、Ｄフリップフロップ２８０の非反転出力端子から出力される信号が、電力増幅器１とスピーカＳＰとの間の断線の有無を示す断線検知フラグ信号の役割を果たす。このように、Ｄフリップフロップ２７０とＤフリップフロップ２８０は、第１の比較結果信号と第２の比較結果信号とに基づいて断線検知フラグ信号を生成する断線検知フラグ信号生成部の役割を果たす。

次いで、断線検知回路２００の動作を図２を参照しつつ説明する。
図２は、電力増幅器１の各部における信号波形を示す図である。より詳細に説明すると、図２（Ａ）における波形Ａ１は電力増幅器１の入力端子１１１に与えられるオーディオ信号ＡＩＮの波形を示し、波形Ａ２は電力増幅器１からスピーカＳＰの端子ＳＰＩに与えられる信号の波形を示す。図２（Ｂ）における波形Ｂ１は電力増幅器１とスピーカＳＰとの間に断線が発生していない場合においてスピーカＳＰに流れる電流に応じた電圧（当該電流を抵抗２１０に流すことにより得られる電圧）の波形を示し、図２（Ｂ）における波形Ｂ２は電力増幅器１とスピーカＳＰとの間に断線（例えば、スピーカＳＰにおける断線）が発生している場合に同電圧の波形を示す。スピーカＳＰにおいて断線が発生している場合には、端子ＳＰＯから抵抗２１０に電流は出力されず、抵抗２１０の端子ＳＰＯ側の端子電圧は接地電圧のままとなるからである。

図２（Ｃ）における波形Ｃ１および波形Ｃ２は何れも、図２（Ａ）の波形Ａ１のオーディオ信号が電力増幅器１に与えられた場合の第１の比較結果信号の波形を示す。より詳細に説明すると、図２（Ｃ）における波形Ｃ１は電力増幅器１とスピーカＳＰとの間に断線が発生していない場合における第１の比較結果信号の波形を示し、同波形Ｃ２はスピーカＳＰにおいて断線が発生している場合の第１の比較結果信号の波形を示す。波形Ｃ１およびＣ２を比較すれば明らかなように、スピーカＳＰにおいて断線が発生しても第１の比較結果信号に当該断線に起因する影響は現れない。

図２（Ｄ）における波形Ｄ１および波形Ｄ２は何れも、図２（Ａ）の波形Ａ１のオーディオ信号が電力増幅器１に与えられた場合の第２の比較結果信号の波形を示す。より詳細に説明すると、図２（Ｄ）における波形Ｄ１は電力増幅器１とスピーカＳＰとの間に断線が発生していない場合における第２の比較結果信号の波形を示し、同波形Ｄ２はスピーカＳＰにおいて断線が発生している場合の第２の比較結果信号の波形を示す。スピーカＳＰにおいて断線が発生している場合には、図２（Ｂ）における波形Ｂ２に示すように、抵抗２１０の端子ＳＰＯ側の端子電圧は接地電圧のままとなる。このため、スピーカＳＰにおいて断線が発生している場合には、第２の比較結果信号も非アクティブレベルのままとなる。

図２（Ｅ）における波形Ｅ１および波形Ｅ２は何れも、図２（Ａ）の波形Ａ１に示すオーディオ信号が電力増幅器１に与えられた場合の断線検知フラグ信号の波形を示す。図２（Ｅ）における波形Ｅ１は電力増幅器１とスピーカＳＰとの間に断線が発生していない場合における断線検知フラグ信号の波形を示し、同波形Ｅ２はスピーカＳＰにおいて断線が発生している場合の断線検知フラグ信号の波形を示す。

Ｄフリップフロップ２７０および２８０の各々は、クロック信号（図２（Ｃ）：波形Ｃ１）の立ち上りにおいて入力信号をサンプルホールドし出力するが、電力増幅器１とスピーカＳＰとの間に断線が発生していない場合には、クロック信号に同期したリセット信号（図２（Ｄ）：波形Ｄ１）が与えられるため、Ｄフリップフロップ２７０および２８０の各々の出力は非アクティブレベルに維持される。このため、電力増幅器１とスピーカＳＰとの間に断線が発生していない場合には、断線検知フラグ信号は非アクティブレベルに維持される（図２（Ｅ）：波形Ｅ１参照）。

これに対して、スピーカＳＰにおいて断線が発生している場合には、Ｄフリップフロップ２７０および２８０の各々にはクロック信号（図２（Ｃ）：波形Ｃ２）が与えられるものの、リセット信号は非アクティブレベルに維持される（図２（Ｄ）：波形Ｄ２）。このため、Ｄフリップフロップ２７０および２８０はリセットされず、断線検知フラグ信号は非アクティブレベルからアクティブレベルに変化する（図２（Ｅ）：波形Ｅ２参照）。したがって、電力増幅器１においては断線検知フラグ１を監視すること、すなわち非アクティブレベルからアクティブレベルに変化するか否かを監視することで断線の発生を検知することができる。

以上説明したように本実施形態の電力増幅器１では、スピーカＳＰから音を出力させるためにスピーカＳＰに与える出力信号（オーディオ信号）とスピーカＳＰを流れる電流に応じた信号とから断線が検知される。つまり、本実施形態によれば、電力増幅器１とスピーカＳＰとの間の断線を、スピーカＳＰを駆動しながら検知することが可能になる。

以上本発明の実施形態について説明したが、この実施形態に以下の変形を加えても勿論良い。
（１）上記実施形態における増幅部１００はＤ級増幅器であったが、増幅部１００として他の増幅器を用いても良い。また、上記実施形態では、電力増幅器１と当該電力増幅器１の負荷であるスピーカＳＰとの間の断線検知への本発明の適用例を説明したが、本発明の適用対象はこれに限られない。例えばアクチュエータを駆動する電力増幅器と当該アクチュエータとの間の断線検知に本発明を適用しても良い。電力増幅器と当該電力増幅器の負荷との間の断線は、当該電力増幅器から当該負荷に与える出力信号と当該負荷に流れる電流に応じた信号とから上記実施形態の要領で検知可能だからである。

（２）上記実施形態では、第１の比較結果信号と第２の比較結果信号とから断線検知フラグ信号を生成する断線検知フラグ信号生成部を、直列接続された２つのＤフリップフロップにより構成したが、３つ以上のＤフリップフロップを直列接続して断線検知フラグ信号生成部を構成しても良い。なお、断線検知フラグ信号生成部を１つのＤフリップフロップにより構成することも考えられるが、クロック信号の立ち上りタイミングとリセット信号の立ち上がりタイミングとに差異がある場合にその差異に起因した誤判定を回避するという観点から、複数のＤフリップフロップを直列接続して断線検知フラグ信号生成部を構成することが好ましい。

また、断線検知フラグ信号生成部をソフトウェアモジュールとして実現することも可能である。例えば、第２の比較結果信号が非アクティブレベルである期間に第１の比較結果信号のレベル変動が所定回数以上発生した場合に、断線検知フラグ信号をアクティブレベルとする処理をＣＰＵに実行させるプログラムを記憶したメモリと、当該プログラムを実行するＣＰＵとにより断線検知フラグ信号生成部を構成しても良い。要は、断線検知フラグ信号生成部は、断線検知フラグ信号を、第１の比較結果信号と第２の比較結果信号とに基づいて生成するものであれば良い。

（３）上記実施形態では、本発明の特徴を顕著に示す断線検知回路２００を含む電力増幅器１について説明した。しかし、断線検知回路２００を単体で製造、販売しても良い。断線検知回路２００を従来の電力増幅器に組み込むことで当該従来の電力増幅器を上記実施形態の電力増幅器１として機能させることが可能になる。

１…電力増幅器、１００…増幅部、１１１…入力端子、１１０…オペアンプ、１２０…出力段、１３０…フィルタ、１４０，１５０…抵抗、ＳＰ…スピーカ、２００…断線検知回路、２１０、２２０、２３０…抵抗、２４０…キャパシタ、２５０，２６０…コンパレータ、２７０，２８０…Ｄフリップフロップ。

Claims (3)

1. 電力増幅器から負荷に与える出力信号と前記負荷に流れる電流に応じた信号とから前記電力増幅器と前記負荷の間の断線を検知する断線検知回路であって、
   前記電力増幅器から前記負荷に与える出力信号の信号レベルが第１の閾値電圧を上回る場合に第１の比較結果信号をアクティブレベルとする第１のコンパレータと、
   前記負荷に流れる電流に応じた信号の信号レベルが第２の閾値電圧を上回る場合に第２の比較結果信号をアクティブレベルとする第２のコンパレータと、
   前記電力増幅器と前記負荷の間の断線の有無を示す断線検知フラグ信号を、前記第１の比較結果信号と前記第２の比較結果信号とに基づいて生成する断線検知フラグ信号生成部と、
   を有することを特徴とする断線検知回路。
2. 前記断線検知フラグ信号生成部は、
   前記第２の比較結果信号が非アクティブレベルである期間に前記第１の比較結果信号のレベル変動が所定回数以上発生した場合に、前記断線検知フラグ信号をアクティブレベルとする
   ことを特徴とする請求項１に記載の断線検知回路。
3. 負荷に接続される増幅部と、
   請求項１または請求項２に記載の断線検知回路と、
   を有することを特徴とする電力増幅器。

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