JP6213679B2 - デジタルスピーカ、スピーカシステム及びイヤホン - Google Patents

Description

本発明は、デジタル信号に基づいて音響を発生するデジタルスピーカ、該デジタルスピーカを備えるスピーカシステム、及び該スピーカシステムを備えるイヤホンに関する。

デジタル信号に基づいて音響を発生するデジタルスピーカが知られている（例えば特許文献１を参照）。このようなデジタルスピーカでは、オーディオアンプ等からスピーカへのアナログ系による音質劣化がないため、高音質を実現することができる。また、携帯電話等の小型機器では、音響を出力する端子として、アナログ端子（いわゆるピンジャック）よりも小型であるデジタル端子を採用する方が、機器のデザイン上好ましいため、デジタル端子から出力されたデジタル信号に基づいて音響を発生するデジタルスピーカの重要性が増している。

デジタルスピーカは、入力されたデジタル信号のビット毎に別々の音響発生装置を配列する必要がある。しかしながら、各音響発生装置として、従来は、永久磁石とボイスコイルを用いたスピーカユニットが多く用いられているため、複数のコイル間の相互誘導の問題が生じていた。また、複数用いられるコイルの固体差に起因する音質低下の問題もあった。そして、ビット数と同数のスピーカユニットが必要になるため、小型化が困難であった。

なお、特許文献２には、１つの圧電素子に、ビット数と同数の電極が配設されたデジタルスピーカが開示されている。各電極は、対応するビットに応じて異なる電圧が印加されるか、対応するビットに応じた面積となっている。しかしながら、特許文献２には、各電極に電圧を付与する回路が開示されておらず、そのままでは実施できない（特に圧電素子の中央部にいかにして電圧を付与するかが不明である）。また、ビット毎の電圧が圧電素子の中央部と周辺とに別々に付与されるため、圧電素子におけるビット毎の周波数特性が均一でない。

特開２０００−１７４８５４号公報 特開平０９−２６６５９９号公報

本発明は、小型で高音質のデジタルスピーカ、該デジタルスピーカを備えるスピーカシステム、及び該スピーカシステムを備えるイヤホンを提供することを目的とする。

本発明のデジタルスピーカは、
入力されるデジタル信号をビット単位に分割する信号分割回路と、
前記信号分割回路の出力するｎ個の分割後デジタル信号に基づいて、前記ビット単位で電圧を出力するｎ個（ｎ≧２）のＤ／Ａ変換器と、
前記Ｄ／Ａ変換器から出力される電圧を受ける、ｎ個の電極を離間して設けた１つの圧電素子とを備え、
前記デジタル信号の下位からｉビット目（ｉ＝１，・・・，ｎ）に係る前記分割後デジタル信号を処理する前記Ｄ／Ａ変換器から出力される電圧をＶｉとし、この電圧を受ける電極の面積をＳｉとするとき、Ｓｉ・Ｖｉ＝ｒ２^ｉ−１（ｒは定数）を満たし、
前記圧電素子は円盤状であり、
前記圧電素子の表面に同心円状の区分を設け、前記ｎ個の電極の各々は２以上の区分に配され、複数の区分に配された１個の電極の離間部分には、他の（ｎ−１）個の電極が配されている。

この構成によれば、圧電素子の発する音圧が電圧、面積の双方に比例することを活用して、１つの圧電素子を使用してデジタルスピーカを構成することができる。また、デジタルスピーカを１つの圧電素子によって構成するので小型化が可能となる。また、圧電素子によって振動を発生させるので、コイルの相互誘導の問題がない。さらにこの構成によれば、ビット毎の電極が圧電素子の表面で偏らずに配置される。よって、圧電素子全体の周波数特性を良好にする。

本発明のデジタルスピーカは、
Ｖｉが定数である。

この構成によれば、全ての電極に同一の電圧を加える。

本発明のデジタルスピーカは、
１つの電圧源の発生する電圧が、前記ｎ個の電極の全てに供給される。

この構成によれば、全ての電極に加える同一の電圧を１つの電圧発生機器で発生させることができるので、個体差の問題が少ない。

本発明のスピーカシステムは、
周波数帯域によって音域を区分して２つ以上のスピーカに別々に出力させるスピーカシステムであって、最高周波数帯の音域の出力を行うスピーカが上述のデジタルスピーカである。

この構成によれば、デジタルスピーカをツイータとして活用することができる。

本発明のスピーカシステムは、
全てのスピーカが上述のデジタルスピーカである。

この構成によれば、ツイータに限らずウーハも（必要であればスコーカ等も）デジタルスピーカとしているので、スピーカシステムを小型化することができる。

本発明のイヤホンは、
上述のスピーカシステムを備える。

この構成によれば、小型のスピーカシステムを活用したイヤホンを提供することができる。

本発明によれば、小型で高音質のデジタルスピーカを提供することが可能となる。小型のデジタルスピーカを備える小型のスピーカシステムを提供することができ、小型機器であるイヤホンに高音質のスピーカシステムを提供することが可能となる。

デジタルスピーカの構成を示す図である。 電極の配置を示す図である。 スピーカシステムの構成を示す図である。

以下、デジタルスピーカの実施例１、及びイヤホンの実施例２を示す。

図１は、デジタルスピーカ１の構成を示す図である。デジタルスピーカ１は、信号分割回路２、圧電素子４、電極５１，５２，５３、電圧源６及びスイッチ７１，７２，７３を含んで構成される。

信号分割回路２は、入力されたデジタル信号を、ビット単位に分割して、分割後デジタル信号３１、３２及び３３を生成する。分割後デジタル信号３１は、最下位ビットを示す信号であり、分割後デジタル信号３２は、中位ビットを示す信号であり、分割後デジタル信号３３は、最上位ビットを示す信号である。本実施例では、デジタル信号は、３ビットの信号とするが、4ビット以上でもよい。

圧電素子４は、電圧を力に変換する。圧電素子４は、一例として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等のセラミックスから構成される。圧電素子４は、実際には、円板状に成形されている。

電極５１、５２、５３は、圧電素子４に取り付けられた電極である。電極５１は最下位ビットの分割後デジタル信号３１に、電極５２は中位ビットの分割後デジタル信号３２に、電極５３は最上位ビットの分割後デジタル信号３３に対応する。

各々のビットの表す値の大小に対応し、電極５１、５２、５３の面積比は、１：２：４（１Ｓ：２Ｓ：４Ｓ）となっている。３ビットに限らない一般論として、デジタル信号の下位からｉビット目（ｉ＝１，・・・，ｎ；ｎは自然数）に係る電極の面積Ｓｉは、Ｓｉ＝ｒ２^ｉ−１となる（ｒは定数）。

電圧源６は、電極５１、５２、５３に電圧を付与するための電圧源である。本実施例では、１つの電圧源６から電極５１、５２、５３の全てに電圧Ｖを付与する。その意義については後述する。

スイッチ７１、７２、７３は、電圧源６から電極５１、５２、５３への電圧供給のオン／オフを行う。スイッチ７１、７２、７３は、電気的に接続・切断の行われる電気スイッチとする。

ビット単位毎の分割後デジタル信号３１、３２、３３は、時間の経過に伴って、０又は１の値を示す。してみれば、スイッチ７１、７２、７３を分割後デジタル信号３１、３２、３３の値が１の時にオン、０の時にオフとすれば、スイッチ７１、７２、７３（及び電圧源６）によってＤ／Ａ変換器が構成されることとなる。これにより、スイッチ７１は、デジタル信号の下位から１ビット目に係る分割後デジタル信号３１を処理するＤ／Ａ変換器として動作し、スイッチ７２は、デジタル信号の下位から２ビット目に係る分割後デジタル信号３２を処理するＤ／Ａ変換器として動作し、スイッチ７３は、デジタル信号の下位から３ビット目に係る分割後デジタル信号３３を処理するＤ／Ａ変換器として動作する。なお、スイッチ７１、７２、７３は、分割後デジタル信号の数に基づいて設けられるので、ｎ個（ｎ≧２；ｎは自然数）の分割後デジタル信号が存在する場合、スイッチの数はｎ個となる。

次に、デジタルスピーカ１の動作について説明する。

デジタル信号は、所定の周波数でサンプリングされ、所定のビット数を有する、音量を示す時系列数値データである。信号分割回路２は、デジタル信号をビット単位に分割して、分割後デジタル信号３１、３２及び３３を生成する。分割後デジタル信号３１、３２及び３３は、所定の周波数でサンプリングされ０又は１の値を示す時系列数値データとなる。

デジタルスピーカ１は、分割後デジタル信号３１、３２、３３の値が１の時にスイッチ７１，７２，７３をそれぞれオンに、０の時にスイッチ７１，７２，７３をそれぞれオフにする。

スイッチ７１，７２，７３がオンとなると、電極５１，５２，５３に電圧源６の電圧Ｖが付与される。

電極５１、５２、５３の面積が各々のビットの表す値の大小に対応しているので、圧電素子４には、デジタル信号の値に対応した面積に対応する部分に電圧源６の電圧が印加される。圧電素子においては電圧を印加された面積に音圧が比例するため、デジタル信号の値に対応した音圧が圧電素子４から発生する。

なお、圧電素子４自体の振動によって音圧を発生させるか、圧電素子４の振動を受ける振動体（金属、樹脂などの適度の弾力性を有する素材のもの）を設けるかは、適宜設計してよい。

以上のとおり、デジタル信号の値がビット単位でＤ／Ａ変換され、全ビットの値の合計に対応する音圧が発生する。

なお、Ｄ／Ａ変換については、ビット単位で別々のＤ／Ａ変換器を用いることとしてもよい。また、圧電素子４で発生する音圧は、電圧が印加された面積のほか、印加された電圧にも比例するため、電極５１、５２、５３の面積比を１：２：４とせず、電極５１、５２、５３の面積Ｓｉに印加電圧Ｖｉを乗じた値を１：２：４としてもよい。ただし、この場合、電極５１、５２、５３の各々に対して別々のＤ／Ａ変換器を使用することとなるため、Ｄ／Ａ変換器の個体差に基づく音質劣化のリスクが残る。

本実施例の構成においては、１つの電圧源６を用いるため、Ｄ／Ａ変換器の出力電圧が等しく、Ｄ／Ａ変換器の個体差に基づく音質劣化が発生しない。（電圧源６の電圧Ｖが変動しても、電極５１、５２、５３の全てについて均一に電圧が変動するため、音量は変動するものの、音質は劣化しない。）

以上詳細に説明したように、本実施例のデジタルスピーカ１は、信号分割回路２、圧電素子４、電極５１、５２、５３、電圧源６及びスイッチ７１，７２，７３を含んで構成される。１つの電圧源６を用い、スイッチ７１，７２，７３によってＤ／Ａ変換が行われるため、機器の個体差による音質劣化がない。また、ボイスコイルを用いないので、複数のコイル間の相互誘導の問題もない。よって、本実施例１のデジタルスピーカ１によれば、１つの圧電素子４を使用して小型で高音質なデジタルスピーカ１が実現される。

以下、電極の配置に基づく周波数特性について説明する。

図２は、電極５１、５２、５３の配置を示す図である。圧電素子４は円盤状であり、圧電素子４の表面に電極５１、５２、５３が設けられている。図２において電極５１、５２、５３を異なった網掛けで示す。圧電素子４の表面が同心円状の区画に分割され、電極５１、５２、５３は、外側から中心に向かって順に電極５１、５２、５３、５１、５２、５３と配されている。なお、内側の区画に存在する電極５１、５２、５３と外側の区画に存在する電極５１、５２、５３とを連結させるため、内側の区画に存在する電極５３を除く他の電極５１、５２、５３は、同心円において３６０度の中心角を占有せず、電極５１、５２、５３同士の接続を実現する接続部が円状の部分を遮るように伸びる余地を残す。

電極５１、５２、５３は全て、円盤表面の周縁付近の区画（外側の区画）と円盤表面の中心寄りの区画（内側の区画）の２つの区画に配されている。例えば電極５１において、周縁付近の区画と中心寄りの区画との間には、他の電極５２、５３が配されている（電極５２、５３についても同様）。言い換えれば、周縁付近の区画と中心寄りの区画とに配された電極５１の離間部分（隙間部分）には、他の電極５２、５３が配されている。この配置関係は、電極５２、５３についても同様である。

円盤状の圧電素子４（又は圧電素子４の付された振動体）は、別の実施例で示すように、フレームによって周縁部分が支持されるため、円盤表面の周縁付近と中心寄りとで周波数特性が相違する。しかし、各電極５１、５２、５３を上記のように入れ子状に配することで、ビット毎の電極５１、５２、５３が圧電素子４の表面で偏らずに配置され、圧電素子４（又は圧電素子４の付された振動体）の周波数特性を均一化できる。

以上の電極５１、５２、５３の配置によれば、本実施例のデジタルスピーカ１は、ビット毎の周波数特性の相違が減少し、音質がさらに高くなる。

本実施例２は、実施例１のデジタルスピーカ１を備えるスピーカシステム及びそのスピーカシステムを備えるイヤホンを示すものである。デジタルスピーカ１（ツイータ１１、スコーカ１２、ウーハ１３）は、実施例１と同様であり、詳細な説明を省略する。

図３は、スピーカシステム１００の構成を示す図である。デジタルスピーカ１である、ツイータ（高音域用スピーカ）１１、スコーカ（中音域用スピーカ）１２、及びウーハ（低音域用スピーカ）１３は、周縁部分が、フレーム８に支持されている。フレーム８は、例えば金属、樹脂等を用いて一定の肉厚を有する円筒状に成形されている。フレーム８に支持される圧電素子４は円盤状である（図は断面図である）。ただし、矩形、楕円形など、任意の形状を採用してもよい。

デジタルスピーカ１の電圧源６及び信号分割回路２等は、図示しない（図の下方に設けられている。具体的には、ツイータ１１を基準としてウーハ１３よりも遠い、フレーム８の外に設けられている）。なお、フレーム８を、イヤホンの一部、具体的には、耳道に挿入される部分とすることができる。

実施例２のスピーカシステム１００では、３つのデジタルスピーカが存在するので、デジタル信号を３つに分配する方法について説明する。ツイータ１１、スコーカ１２、ウーハ１３は、別個の周波数帯域を担当する。したがって、時間領域における強度分布で示されるデジタル信号に対してデジタルフーリエ変換を施して周波数領域におけるデジタル信号の強度分布を求め、強度分布を求めた周波数領域をクロスオーバー周波数において３分割し、分割された周波数領域ごとにデジタル逆フーリエ変換を施して、時間領域における３つのデジタル信号とすることができる。このように、デジタル信号は、アナログ信号と比して、周波数分割が容易である。なお、クロスオーバー周波数における分割は、境界値で一律に分割せずに適度なウインドウイング処理を行ってもよい。ここで、クロスオーバー周波数とは、ツイータ１１、スコーカ１２、ウーハ１３がそれぞれ担当する周波数帯域の境界である。また、ウインドウイング処理とは、境界外に存在する信号を一定量、周波数帯域に含めるといった信号処理である。

以上のように分配された３つのデジタル信号を、ツイータ１１、スコーカ１２、ウーハ１３の信号分割回路２にそれぞれ入力する。以下、実施例１と同様に、デジタル信号が、ツイータ１１、スコーカ１２、ウーハ１３で音圧に変換される。

以上詳細に説明したように、本実施例のスピーカシステムによれば、小型で高音質なスピーカシステム１００を実現できる。また、本実施例のスピーカシステムをイヤホンに適用することで、高音質なイヤホンを実現することができる。

なお、スコーカ１２及びウーハ１３については、低周波数であるために圧電素子４の音質が適さないのであれば、デジタルスピーカを用いずにダイナミックスピーカ等を用いてもよい。ただし、ツイータ１１についてはデジタルスピーカを用いることが好ましい。

また、デジタルスピーカ、スピーカシステム及びイヤホンにおいては、スコーカ１２を備えることなくツイータ１１とウーハ１３とで構成してもよく、又は４つ以上のスピーカを備える等して構成してもよい。即ち、スピーカの数は３つに限定されるものではない。

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

なお、本願については、２０１５年５月２０日に出願された日本国特許出願２０１５−１０２３４７号を基礎とする優先権を主張し、本明細書中に日本国特許出願２０１５−１０２３４７号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。

本発明は、小型で高音質のデジタルスピーカ、スピーカシステム、イヤホンに係り、多くの音響機器製造業者による利用が考えられる。

１ デジタルスピーカ
１１ ツイータ
１２ スコーカ
１３ ウーハ
２ 信号分割回路
３１ 分割後デジタル信号
３２ 分割後デジタル信号
３３ 分割後デジタル信号
４ 圧電素子
５１ 電極
５２ 電極
５３ 電極
６ 電圧源
７１ スイッチ
７２ スイッチ
７３ スイッチ
８ イヤホン（フレーム）
１００ スピーカシステム

Claims (6)

1. 入力されるデジタル信号をビット単位に分割する信号分割回路と、
   前記信号分割回路の出力するｎ個の分割後デジタル信号に基づいて、前記ビット単位で電圧を出力するｎ個（ｎ≧２）のＤ／Ａ変換器と、
   前記Ｄ／Ａ変換器から出力される電圧を受ける、ｎ個の電極を離間して設けた１つの圧電素子とを備え、
   前記デジタル信号の下位からｉビット目（ｉ＝１，・・・，ｎ）に係る前記分割後デジタル信号を処理する前記Ｄ／Ａ変換器から出力される電圧をＶｉとし、この電圧を受ける電極の面積をＳｉとするとき、Ｓｉ・Ｖｉ＝ｒ２^ｉ−１（ｒは定数）を満たし、
   前記圧電素子は円盤状であり、
   前記圧電素子の表面に同心円状の区分を設け、前記ｎ個の電極の各々は２以上の区分に配され、複数の区分に配された１個の電極の離間部分には、他の（ｎ−１）個の電極が配されている、デジタルスピーカ。
2. Ｖｉが定数である、請求項１に記載のデジタルスピーカ。
3. １つの電圧源の発生する電圧が、前記ｎ個の電極の全てに供給される、請求項２に記載のデジタルスピーカ。
4. 周波数帯域によって音域を区分して２つ以上のスピーカに別々に出力させるスピーカシステムであって、最高周波数帯の音域の出力を行うスピーカが請求項１に記載のデジタルスピーカである、スピーカシステム。
5. 全てのスピーカが請求項１に記載のデジタルスピーカである、請求項４に記載のスピーカシステム。
6. 請求項４に記載のスピーカシステムを備えることを特徴とする、イヤホン。

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