JP5129196B2 - コンデンサ型電気音響変換器を駆動する方法及び電子装置 - Google Patents

Description

本発明はコンデンサ型電気音響変換器を駆動する方法及び電子装置に関し、特に高電圧／低電流方式でコンデンサ型電気音響変換器を駆動し、その帯域幅と電力消費を制御する方法及び電子装置に関する。

マルチメディアアプリケーションの普及に伴って、携帯型音楽プレイヤーや音楽再生機能を有する携帯型装置はよく見かけるようになった。携帯型装置にとって電力消費が主要な課題である。スピーカー内蔵の携帯型マルチメディア装置を例に挙げれば、スピーカーに必要な電力消費は全体の電力消費の２０％〜７０％を占める。従来のダイナミックスピーカーは大電流／低電圧の増幅器で駆動され、１０ｃｍの距離で音量９３〜１００ｄＢのステレオ音声を出力するためには１．５〜２Ｗの電力消費を要する。これは携帯型マルチメディア装置にとってあまりにも高い電力消費である。

したがって、スピーカーの電力消費を節減し、携帯型マルチメディア装置の使用時間を延長させることは、設計上重要な課題である。

本発明は目的のひとつは、コンデンサ型電気音響変換器を駆動する方法及び電子装置を提供し、コンデンサ型電気音響変換器の低電力消費の物理的特性を利用して電力を節約することにある。

本発明では電子装置を開示する。当該電子装置は、コンデンサ型電気音響変換器と、コンデンサ型電気音響変換器に結合され、高電圧増幅器を含み、入力音声信号を受信して出力音声信号に変換し、これでコンデンサ型電気音響変換器を駆動する音声ドライバーとを含む。入力音声信号の電圧の絶対値は出力音声信号の電圧の絶対値より小さい。コンデンサ型電気音響変換器はエレクトレットスピーカーまたはエレクトレットイヤホンである。コンデンサ型電気音響変換器はエレクトレット振動板と穴開き電極板を含む。

本発明ではコンデンサ型電気音響変換器を駆動する方法を開示する。当該方法は、高電圧増幅器で入力音声信号を受信して出力音声信号に変換し、入力音声信号の電圧の絶対値が出力音声信号の電圧の絶対値より小さい段階と、出力音声信号に基づいてコンデンサ型電気音響変換器を駆動する段階とを含む。

本発明によるコンデンサ型電気音響変換器を駆動する電子装置の第一の実施例を表す説明図である。 本発明によるコンデンサ型電気音響変換器を駆動する電子装置の第二の実施例を表す説明図である。 図２に示すコンデンサ型電気音響変換器を表す説明図である。 本発明によるコンデンサ型電気音響変換器を駆動する方法の動作例を表すフローチャートである。 本発明によるコンデンサ型電気音響変換器を駆動する方法の他の動作例を表すフローチャートである。

図１を参照する。図１は本発明によるコンデンサ型電気音響変換器を駆動する電子装置１００の第一の実施例を表す説明図である。図１に示すように、電子装置１００は音声信号源１１０と、交流−直流／直流−直流（ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ−ＤＣ）電源変換器１２０と、音声ドライバー１３０と、コンデンサ型電気音声変換器１７０とを含む（もっともこれに限らない）。音声信号源１１０は入力音声信号Ｓ_ＩＮを提供するもので、例えばＭＰ３プレイヤー、ＣＤプレイヤー、またはスマートフォンなど音声信号を提供する携帯型マルチメディア装置である。音声ドライバー１３０は音声信号源１３０と、ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ−ＤＣ電源変換器１２０と、コンデンサ型電気音響変換器１７０に結合され、入力音声信号Ｓ_ＩＮを受信し、これを出力音声信号Ｓ_ＯＵＴに変換してコンデンサ型電気音響変換器１７０を駆動する高電圧増幅器ＯＰ１を含む。一般に、入力音声信号Ｓ_ＩＮの電圧は約０〜３Ｖｐｐ（ピーク・ツー・ピーク電圧）であり、出力音声信号Ｓ_ＯＵＴの電圧は８４Ｖｐｐ以上である。ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ−ＤＣ電源変換器１２０は高電圧増幅器ＯＰ１に結合され、１１０Ｖ〜２２０Ｖの交流商用電力Ｖ_ＡＣまたは第一直流電圧Ｖ_ＤＣ１を、第一直流電圧Ｖ_ＤＣ１より大きい第二直流電圧Ｖ_ＤＣ２に変換する。一般に、第一直流電圧Ｖ_ＤＣ１は約２．５Ｖ〜５Ｖであり、第二直流電圧Ｖ_ＤＣ２は約８０Ｖ〜１００Ｖである。

注意すべきは、電子装置１００は携帯電話、ゲーム機、またはＰＤＡ（パーソナルデジタルアシスタント）である。もっとも本発明はそれに限らず、他のマルチメディア電子装置を電子装置１００とすることもできる。なお、コンデンサ型電気音響変換器１７０はエレクトレットスピーカーまたはエレクトレットイヤホンである。もっとも本発明はそれに限らず、他のコンデンサ型電気音響変換器を利用することもできる。図１を参照する。コンデンサ型電気音響変換器１７０は穴開き電極板１８０とエレクトレット振動板（ｅｌｅｃｔｒｅｔ ｄｉａｐｈｒａｇｍ）１９０を含む。穴開き電極板１８０は複数の孔１８２を備え、エレクトレット振動板１９０は板体１９２と電極層１９４を含む。板体１９２は電荷（図示せず）を帯び、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）またはフッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）から構成される（もっとも本発明はこれに限らない）。なお、電極層１９４はアルミニウム、クロム、または他の導電材料から構成される。

本実施例では、入力音声信号Ｓ_ＩＮはシングルエンド信号であり、出力音声信号Ｓ_ＯＵＴは１対の差動信号で、第一信号Ｓ_ＯＵＴ１と第二信号Ｓ_ＯＵＴ２を含む。もっとも本発明はこれに限らず、シングルエンド信号もしくは１対の差動信号を入力音声信号Ｓ_ＩＮとし、またはシングルエンド信号もしくは１対の差動信号を出力音声信号Ｓ_ＯＵＴとすることができる。出力音声信号Ｓ_ＯＵＴが１対の差動信号であった場合、コンデンサ型電気音響変換器１７０の穴開き電極板１８０はこの１対の差動信号のうち第一信号Ｓ_ＯＵＴ１を受信し、エレクトレット振動板１９０は前記１対の差動信号のうち第二信号Ｓ_ＯＵＴ２を受信する（図１に示す）。出力音声信号Ｓ_ＯＵＴがシングルエンド信号であった場合、コンデンサ型電気音響変換器１７０のエレクトレット振動板１９０はシングルエンド信号を受信し、穴開き電極板１８０は接地する（図示せず）。

簡単に言えば、電子装置１００の音声信号源１１０は入力音声信号Ｓ_ＩＮ（例えば１．６８Ｖｐｐ）を音声ドライバー１３０の高電圧増幅器ＯＰ１に与え、ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ−ＤＣ電源変換器１２０は１１０Ｖ〜２２０Ｖの交流商用電力Ｖ_ＡＣまたは第一直流電圧Ｖ_ＤＣ１を第二直流電圧Ｖ_ＤＣ２（例えば８４Ｖ）に変換し、この第二直流電圧Ｖ_ＤＣ２を動作電源として高電圧増幅器ＯＰ１に与える。最後に、高電圧増幅器ＯＰ１は入力音声信号Ｓ_ＩＮを出力音声信号Ｓ_ＯＵＴ（例えば第一信号Ｓ_ＯＵＴ１は＋８４Ｖｐで、第二信号Ｓ_ＯＵＴ２は−８４Ｖｐである）に変換し、コンデンサ型電気音響変換器１７０を駆動する。本実施例では、高電圧増幅器ＯＰ１は高電圧／低電流方式でコンデンサ型電気音響変換器１７０を駆動する。

図２を参照する。図２は本発明によるコンデンサ型電気音響変換器を駆動する電子装置２００の第二の実施例を表す説明図である。図２に示す電子装置２００は図１に示す電子装置１００と同様な構造を有する。両者の相違点は、電子装置２００が第一低域通過フィルタ（ＬＰＦ）と、自動利得制御装置（ＡＧＣ）２２０と、第二ＬＰＦ２５０とを含むことにある。第一ＬＰＦ２１０とＡＧＣ２２０は音声ドライバー２３０に設けられ、第二ＬＰＦ２５０は高電圧増幅器ＯＰ１とコンデンサ型電気音響変換器１７０の間に結合されている。第一ＬＰＦ２１０は音声信号源１１０に結合され、入力音声信号Ｓ_ＩＮをフィルターして入力音声信号Ｓ_ＩＮ１を生成する。第一ＬＰＦ２１０はコンデンサ型電気音響変換器１７０の帯域幅を制御する。例えば携帯電話の音声通話に必要な帯域幅は４ＫＨｚにとどまり、マルチメディア音声の再生には１０ＫＨｚが必要である。ＡＧＣ２２０は第一ＬＰＦ２１０と高電圧増幅器ＯＰ１の間に結合され、入力音声信号Ｓ_ＩＮ１の利得を調整して入力音声信号Ｓ_ＩＮ２を生成する。

注意すべきは、前記高電圧増幅器ＯＰ１はＡＢ級増幅器またはＤ級増幅器により実施されるが、本発明はこれに限らない。なお、第二ＬＰＦ２５０はＤ級増幅器（すなわち高電圧増幅器ＯＰ１）に結合され、出力音声信号Ｓ_ＯＵＴ２の高周波信号成分をフィルターして除去する。

図３を参照する。図３は図２に示すコンデンサ型電気音響変換器１７０を表す説明図である。コンデンサ型電気音響変換器１７０はコンデンサ（その容量値をＣとする）とみなすことができるので、コンデンサ型電気音響変換器１７０のエレクトレット振動板１９０が受ける力（Ｆとする）は下記式で示すことができる。

上記Ｃは容量値を示し、Ｅはエレクトレット振動板１９０の静電荷からなる静電場を示し、ΔＶはコンデンサ両端の電位差（すなわちエレクトレット振動板１９０と穴開き電極板１８０により受信された信号Ｓ_ＯＵＴ１とＳ_ＯＵＴ２の電圧差）を示す。なお、上記容量値Ｃと静電場Ｅは下記式で示すことができる。

上記ε_ｒは真空の誘電率を示し、ε_０は比誘電率を示し、Ａはコンデンサの面積（エレクトレット振動板１９０と穴開き電極板１８０の面積）を示し、ｄはコンデンサ両端の距離（すなわちエレクトレット振動板１９０と穴開き電極板１８０の距離）を示し、Ｖ_{ｓｔａｔｉｃ}はエレクトレット振動板１９０上の静電荷の静電位を示す。上記式２、式３を式１に代入すれば、エレクトレット振動板１９０が受ける力Ｆが電位差ΔＶと正比例することがわかる。

なお、コンデンサ型電気音響変換器１７０はコンデンサとしてみなすことができるので、コンデンサ型電気音響変換器１７０の容量値Ｃは一般に下記式で定義することができる。

上記Ｑはコンデンサの帯電量を示し、ΔＶはコンデンサ両端の電位差（すなわちエレクトレット振動板１９０と穴開き電極板１８０により受信された信号Ｓ_ＯＵＴ１とＳ_ＯＵＴ２の電圧差）を示し、Ｉは電流値を示し、ｔは時間を示し、ｆは帯域幅（すなわちコンデンサ型電気音響変換器１７０の帯域幅）を示す。コンデンサの帯電量ＱはＩ×ｔであり、ｔ＝Ｉ／ｆであるので、帯域幅ｆと電流値Ｉの関係は上記式４から導出することができる。

上記式５に示すように、容量値Ｃとコンデンサ両端の電位差ΔＶを一定にした場合、帯域幅ｆと電流値Ｉは正比例する。言い換えれば、第一ＬＰＦ２１０を用いて電流値Ｉを制御し、コンデンサ型電気音響変換器１７０の帯域幅ｆを定めることができる。例えば、電流値Ｉを２ｍＡとすれば、帯域幅ｆは約１０ＫＨｚとなり、電流値Ｉを１ｍＡとすれば、帯域幅ｆは約４ＫＨｚとなる。人間の耳で受信できる周波数範囲は２０Ｈｚ〜２０ＫＨｚであり、そのうち１０ＫＨｚ〜２０ＫＨｚが占める割合が小さい（約１％〜５％）ので、電流値Ｉを低減させてコンデンサ型電気音響変換器１７０の帯域幅ｆを１０ＫＨｚにし、これでコンデンサ型電気音響変換器１７０の電力消費を低減させることができる。もっとも、上記１０ＫＨｚの例は本発明を説明するために挙げるに過ぎず、本発明を限定するものではない。当業者に周知のように、コンデンサ型電気音響変換器１７０の帯域幅ｆは実際の要求に応じて設計することができる。

また、コンデンサ型電気音響変換器１７０の電力消費は下記式で示すことができる。

上記電位差ΔＶは相当に大きく（例えば１６８Ｖｐｐ）、容量値Ｃは極めて小さい（通常２０ｐＦ〜２０ｎＦ）ので、コンデンサ型電気音響変換器１７０の電力消費はμＷ級で極めて小さい。例えば、出力音量９３〜１００ｄＢのステレオ音声の場合、ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ−ＤＣ電源変換器１２０と、音声ドライバー１３０と、コンデンサ型電気音響変換器１７０に必要な全体電力消費はわずか４２０ｍＷにとどまり、大電流／低電圧の増幅器で駆動される従来のダイナミックスピーカーの電力消費１．５〜２Ｗよりはるかに小さい。したがって、本発明による高電圧／低電流の高電圧増幅器でコンデンサ型電気音響変換器１７０を駆動するメカニズムは先行技術に比べて３〜４倍の電力消費を節減することができる。

コンデンサ型電気音響変換器１７０に入力される電流値Ｉの大きさはシステム全体の電力消費に影響するので、第一ＬＰＦ２１０で電流を限定するか、高電圧増幅器ＯＰ１の電流限定機能を利用して電力消費を節減することができる。図４は本発明によるコンデンサ型電気音響変換器を駆動する方法の動作例を表すフローチャートである。同方法は以下のステップを含む（下記ステップは図４に示す順序で実行するに限らず、所要の結果を得るために適宜調整することができる。）。

ステップ４０２：開始。
ステップ４０４：入力音声信号を与える。
ステップ４０６：高電圧増幅器で入力音声信号を受信して出力音声信号に変換する。この入力音声信号の電圧の絶対値は出力音声信号の電圧の絶対値より小さい。
ステップ４０８：出力音声信号に基づいてコンデンサ型電気音響変換器を駆動する。
ステップ４１０：交流商用電力または第一直流電圧を第二直流電圧に変換する。この第二直流電圧は第一直流電圧より大きい。
ステップ４１２：第二直流電圧を高電圧増幅器の動作電源とする。

各素子の動作は、図４に示す各ステップと図１に示す各素子を合わせて参照すれば理解できるので、説明を簡潔にするために、図４に示すステップの詳しい説明は省略される。注意すべきは、上記フローは一実施例に過ぎず、本発明を限定するものではない。本発明の精神に反しない限り、他のステップを挿入したり、複数のステップを一つに合併したりすることができる。

図５を参照する。図５は本発明によるコンデンサ型電気音響変換器を駆動する方法の他の動作例を表すフローチャートである。同方法は以下のステップを含む（もっともこれに限らない）。
ステップ４０２：開始。
ステップ４０４：入力音声信号を与える。
ステップ５１０：第一ＬＰＦで入力音声信号に対してフィルター動作を実行する。
ステップ５２０：入力音声信号の利得を調整する。
ステップ４０６：高電圧増幅器で入力音声信号を受信して出力音声信号に変換する。この入力音声信号の電圧の絶対値は出力音声信号の電圧の絶対値より小さい。
ステップ４０８：出力音声信号に基づいてコンデンサ型電気音響変換器を駆動する。
ステップ５３０：第二ＬＰＦで出力音声信号のうち特定の周波数より高い信号成分をフィルターして除去する。
ステップ４１０：交流商用電力または第一直流電圧を第二直流電圧に変換する。この第二直流電圧は第一直流電圧より大きい。
ステップ４１２：第二直流電圧を高電圧増幅器の動作電源とする。

注意すべきは、図５に示すステップは図４に示すステップと類似しており、図５は図４の変化例である。両者の相違点は、図５では図４のステップにフィルター動作（ステップ５１０）と、利得調整（ステップ５２０）と、高周波信号成分除去（ステップ５３０）が追加されたことにある。各素子の動作は、図５に示す各ステップと図２に示す各素子を合わせて参照すれば理解できるので、説明を簡潔にするために、図５に示すステップの詳しい説明は省略される。上記ステップ５１０は第一ＬＰＦ２１０で実行され、ステップ５２０はＡＧＣ２２０で実行され、ステップ５３０は第二ＬＰＦ２５０で実行される。

前記実施例は本発明の技術的特徴を説明するに過ぎず、本発明を限定するものではない。以上のように、本発明では高電圧／低電流方式でコンデンサ型電気音響変換器を駆動する方法及び電子装置を提供する。大電流／低電圧の増幅器でダイナミックスピーカーを駆動する従来の方法に比べて、出力音量が同一（例えば９３〜１００ｄＢのステレオ音声）の場合、本発明による高電圧／低電流の高電圧増幅器でコンデンサ型電気音響変換器１７０を駆動するメカニズムは３〜４倍の電力消費を節減することができ、コンデンサ型電気音響変換器１７０の出力音声は平面波で、従来のダイナミックスピーカーの出力音声のような球面波とは異なるので、エコーを有効に減少し、携帯電話のスピーカーモードでの通話品質を向上させることができる。なお、コンデンサ型電気音響変換器１７０はコンデンサとみなすことができるので、容量値Ｃとコンデンサ両端の電位差ΔＶを一定にした場合、帯域幅ｆは電流値Ｉと正比例する。したがって、第一ＬＰＦで電流値Ｉを制御することで、コンデンサ型電気音響変換器１７０の帯域幅ｆを定めることができる。電流値Ｉを減らせば、コンデンサ型電気音響変換器１７０の帯域幅ｆを、携帯電話の音声通話に適する帯域幅４ｋＨｚまで減少することができ、音声ドライバー１３０とコンデンサ型電気音響変換器１７０の電力消費を減少することができる。電流値Ｉを増加すれば、コンデンサ型電気音響変換器１７０の帯域幅ｆを、マルチメディア音声再生に適する帯域幅１０ｋＨｚまで増加し、音質を最適化することができる。

注意すべきは、上記フローは一実施例に過ぎず、本発明を限定するものではない。本発明の精神に反しない限り、他のステップを挿入したり、複数のステップを一つに合併したりすることができる。

以上は本発明に好ましい実施例であって、本発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、本発明の精神の下においてなされ、本発明に対して均等の効果を有するものは、いずれも本発明の特許請求の範囲に属するものとする。

１００、２００ 電子装置
１１０ 音声信号源
１２０ ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ−ＤＣ電源変換器
１３０、２３０ 音声ドライバー
１７０ コンデンサ型電気音響変換器
１８０ 穴開き電極板
１８２ 孔
１９０ エレクトレット振動板
１９２ 板体
１９４ 電極層
２１０ 第一ＬＰＦ
２２０ ＡＧＣ
２５０ 第二ＬＰＦ
ｄ 距離
ＯＰ１ 高電圧増幅器
Ｓ_ＩＮ、Ｓ_ＩＮ１、Ｓ_ＩＮ２ 入力音声信号
Ｓ_ＯＵＴ 出力音声信号
Ｓ_ＯＵＴ１ 第一信号
Ｓ_ＯＵＴ２ 第二信号
Ｖ_ＡＣ 交流商用電力
Ｖ_ＤＣ１ 第一直流電圧
Ｖ_ＤＣ２ 第二直流電圧
Ｖ_{ｓｔａｔｉｃ} 静電位
ΔＶ 電位差

Claims (16)

1. 電子装置であって、
   コンデンサ型電気音響変換器と、
   前記コンデンサ型電気音響変換器に結合され、高電圧増幅器を含み、入力音声信号を受信して出力音声信号に変換し、これで前記コンデンサ型電気音響変換器を駆動する音声ドライバーとを含み、
   前記音声ドライバーは、前記入力音声信号を受信し、これに対してフィルタ動作を実行する第一低域通過フィルタ（ＬＰＦ）を含み、前記第一ＬＰＦは、電流値を制御することで、前記コンデンサ型電気音響変換器の帯域幅を定め、
   前記入力音声信号の電圧の絶対値は前記出力音声信号の電圧の絶対値より小さい、電子装置。
2. 前記音声ドライバーは更に、
   前記高電圧増幅器に結合され、交流商用電力または第一直流電圧を、第二直流電圧に変換する交流−直流／直流−直流（ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ−ＤＣ）電源変換器を含み、
   前記第二直流電圧は前記高電圧増幅器の動作電源とされ、
   前記第一直流電圧を第二直流電圧に変換する場合は、前記第二直流電圧は、前記第一直流電圧より大きい、請求項１に記載の電子装置。
3. 前記第一直流電圧は約２．５Ｖ〜５Ｖであり、前記第二直流電圧は約８０Ｖ〜１００Ｖである、請求項２に記載の電子装置。
4. 前記音声ドライバーは更に、
   前記第一ＬＰＦと前記高電圧増幅器の間に結合され、前記入力音声信号の利得を調整する自動利得制御装置（ＡＧＣ）を含む、請求項１に記載の電子装置。
5. 前記入力音声信号はシングルエンド信号または１対の差動信号である、請求項１に記載の電子装置。
6. 前記出力音声信号はシングルエンド信号であり、前記コンデンサ型電気音響変換器のエレクトレット振動板は前記シングルエンド信号を受信し、前記コンデンサ型電気音響変換器の穴開き電極板を接地する、請求項１に記載の電子装置。
7. 前記出力音声信号は１対の差動信号であり、前記コンデンサ型電気音響変換器の穴開き電極板は前記差動信号のうち第一信号を受信し、前記コンデンサ型電気音響変換器のエレクトレット振動板は前記差動信号のうち第二信号を受信する、請求項１に記載の電子装置。
8. 前記高電圧増幅器はＡＢ級増幅器またはＤ級増幅器である、請求項１に記載の電子装置。
9. 前記電子装置は更に、前記Ｄ級増幅器に結合され、出力音声信号のうち特定の周波数より高い信号成分をフィルタして除去する第二ＬＰＦを含む、請求項８に記載の電子装置。
10. 前記コンデンサ型電気音響変換器はエレクトレットスピーカーまたはエレクトレットイヤホンである、請求項１に記載の電子装置。
11. コンデンサ型電気音響変換器を駆動する方法であって、
    高電圧増幅器で入力音声信号を受信して出力音声信号に変換し、入力音声信号の電圧の絶対値が出力音声信号の電圧の絶対値より小さい段階と、
    第一ＬＰＦで前記入力音声信号を受信し、これに対してフィルタ動作を実行し、前記ＬＰＦは、電流値を制御することで、前記コンデンサ型電気音響変換器の帯域幅を定める段階と、
    前記出力音声信号に基づいて前記コンデンサ型電気音響変換器を駆動する段階とを含む、コンデンサ型電気音響変換器の駆動方法。
12. 前記方法は更に、
    交流商用電力または第一直流電圧を、第二直流電圧に変換する段階と、
    前記第二直流電圧を高電圧増幅器の動作電源とする段階とを含み、
    前記第一直流電圧を第二直流電圧に変換する場合は、前記第二直流電圧は、前記第一直流電圧より大きい、請求項１１に記載のコンデンサ型電気音響変換器の駆動方法。
13. 前記第一直流電圧は約２．５Ｖ〜５Ｖであり、前記第二直流電圧は約８０Ｖ〜１００Ｖである、請求項１２に記載のコンデンサ型電気音響変換器の駆動方法。
14. 前記方法は更に、
    前記入力音声信号の利得を調整する段階を含む、請求項１１に記載のコンデンサ型電気音響変換器の駆動方法。
15. 前記入力音声信号はシングルエンド信号または１対の差動信号である、請求項１１に記載のコンデンサ型電気音響変換器の駆動方法。
16. 前記出力音声信号はシングルエンド信号または１対の差動信号である、請求項１１に記載のコンデンサ型電気音響変換器の駆動方法。
    

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