JP6293951B1 - 音声再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ΔΣ駆動パルスによってスピーカーを効率的に駆動して高音質を実現できる新規な音声再生装置の提供。【解決手段】ΔΣ駆動パルス信号のパルス正負切り替えのときに、隣接する正負のパルス同士を相殺して残ったパルスを出力する。これによって、ΔΣ駆動パルス信号がＬＰＦで打ち消される成分がなくなって電源電圧が安定するため、ＬＰＦを省略することが可能となると共に、駆動電圧を略最大電圧にできるため、音響スピーカー４０の振動板を駆動する力が入力電圧に比例して音質が向上する。【選択図】図３

Description

本発明は、ΔΣ駆動パルス信号によって音響スピーカーを駆動するための音声再生装置に関するものである。

従来、ＣＤやＤＶＤなどの音楽メディアに記録されているＰＣＭ（Pulse Code Modulation）入力信号を１ビットデジタル信号に変換するための方式として、パルス幅変調方式（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）と、パルス密度変調方式（ＰＤＭ：Pulse Density Modulation）が知られている。現在はＰＷＭが一般的に用いられているが、高い信号対ノイズ比（ＳＮＲ：Single to Noie Ratio）を実現する場合には、ノイズシェーピング特性を有するΔΣ変調器を用いた方式が用いられている。

図１２はＰＷＭ変調方式を用いた従来のオーディオ装置の構成の一例を示したものである。図示するようにＰＷＭ駆動パルスは２レベル間を規則的かつ瞬間的に変化する矩形波であり、ＰＣＭ信号を変調器でＰＷＭ変調してからこれを増幅器（Ｄ級アンプ）で信号増幅し、その後その増幅信号をＬＰＦ（Low Pass Filter：高周波遮断回路）でアナログ信号に変換し、そのアナログ信号によってスピーカーを駆動するようになっている。

ところで、このＰＷＭ駆動パルスを増幅するための増幅器であるＤ級アンプは、その出力が常にプラス（＋）かマイナス（−）の電圧となっており、１周期のうち＋と−の同じ長さのパルスが打ち消し合って残った成分のみがスピーカー駆動の信号として出力される。そして、打ち消し合ったエネルギーは、一端ＬＰＦまでいってから跳ね返されてＤ級アンプの電源回路に戻ってくるが、その戻ってきたエネルギーによって電源電圧が不安定になって音質が劣化するという問題がある。

そこで、例えば以下の特許文献１などではＬＰＦで打ち消されると分かっているエネルギー成分がある場合、その出力をやめて出力をゼロに保持する方法が提案されている。このようにすることでＬＰＦで打ち消される成分がなくなるため、ＬＰＦから戻ってくるエネルギーを大幅に減少させることが可能となる。さらに＋、−の切り替えが少なくなることによりＬＰＦを省略できるため、駆動電圧を略最大電圧にできる。この結果、スピーカーの振動板を駆動する力が入力電圧に比例し、音質が向上するという効果も期待できる。

ＵＳ−Ａ１−００５６１７０５８公報

ところで、ＰＷＭ駆動パルスで発生するような問題は、駆動信号としてΔΣ変調駆動パルスでも同様に発生することが考えられる。しかしながら、ΔΣ変調駆動パルスは等幅で周期の短いパルスが連続して出力されるため、前記のようなＰＷＭ駆動パルスに適用する構成では、その問題を解消することはできない。

そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その主な目的は、ΔΣ駆動パルスによってスピーカーを効率的に駆動して高音質を実現できる新規な音声再生装置を提供するものである。

前記課題を解決するために第１の発明は、入力されるΔΣ駆動パルス信号を処理するパルス処理器と、当該パルス処理器で処理したΔΣ駆動パルス信号を増幅してスピーカーを駆動する増幅器とを有し、前記パルス処理器は、前記ΔΣ駆動パルス信号のうち隣接する正負のパルス同士を相殺して残ったパルスを出力することを特徴とする音声再生装置である。

このような構成によれば、パルス処理器２０で予め正負のパルス同士を相殺して残ったパルスを出力するようにしたため、ΔΣ駆動パルス信号がＬＰＦで打ち消される成分がなくなって＋、−の切り替えが少なくなる。これにより、ＬＰＦを省略することが可能となり、駆動電圧を略最大電圧にできるため、音響スピーカーの振動板を駆動する力が入力電圧に比例し、音質が向上する。

第２の発明は、第１の発明において、前記パルス処理器と増幅器とを電磁シールドされたケース内に収容し、当該ケースをスピーカーボックス内に組み込んでなることを特徴とする音声再生装置である。このような構成によれば、パルス処理器や増幅器で発生する高周波ノイズを電磁シールドされたケースおよびスピーカーボックス内で確実に遮蔽できるため、高周波ノイズによる音質の悪化や周囲にある家電などへの悪影響を確実に防止できる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記パルス処理器の後に第２のパルス処理器を設け、当該第２のパルス処理器は、前記パルス処理器から出力されたΔΣ駆動パルス信号のパルス幅を元のパルス幅よりも短くして出力することを特徴とする音声再生装置である。このような構成によれば、出力されるパルスが連続してもその切り替えのタイミングでアンプ出力部分が瞬間的に短絡状態になるのを防止できると共に、歪が発生しても毎回出力されるすべてのパルスが同じ形となるため、パルスの数に比例するエネルギーを安定して出力することができる。これによってΔΣ駆動パルス波形の歪みによる音質劣化を防止することが可能となり、音量が小さくなっても優れた高音質を発揮できる。

本発明によれば、パルス処理器２０で予め正負のパルス同士を相殺して残ったパルスを出力するようにしたため、ΔΣ駆動パルス信号がＬＰＦで打ち消される成分がなくなって＋、−の切り替えが少なくなる。これにより、ＬＰＦを省略することが可能となり、駆動電圧を略最大電圧にできるため、音響スピーカー４０の振動板を駆動する力が入力電圧に比例し、音質が向上するといった優れた効果を発揮できる。

本発明に係る音声再生装置１００の第１の実施形態を示す構成図である。 第１の実施形態に係るパルス処理器２０を示すブロック図である。 パルス処理器２０によるパルス処理の例を示すΔΣ駆動パルスを示す波形図である。 ΔΣ駆動パルスをプラス駆動出力とマイナス駆動出力に分けた例を示す波形図である。 パルス処理器２０によるパルス処理の流れの一例を示す波形図である。 パルス処理器２０によるパルス処理の流れの一例を示す波形図である。 本発明に係る音声再生装置１００の第２の実施形態を示す構成図である。 第２の実施形態に係る第２のパルス処理器９０を示すブロック図である。 第２のパルス処理器９０によるΔΣ駆動パルスの処理例を示す波形図である。 理想的なΔΣ駆動パルスと実際のΔΣ駆動パルスを示す波形図である。 本発明に係る音声再生装置１００の第３の実施形態を示す構成図である。 ＰＷＭ変調方式を用いた従来のオーディオ装置の構成の一例を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係る音声再生装置１００の第１の実施形態を示したものである。図示するようにこの音声再生装置１００は、ΔΣ変調器１０と、パルス処理器２０と、増幅器３０と、音響スピーカー４０とから構成されている。

ΔΣ変調器１０は、公知の１ビットデジタル変調器の１つであり、ＣＤやＤＶＤなどのメディアに記録されたＰＣＭ信号（４４．１ＫＨｚ、１６ビット）からオンとオフの信号列からなる等幅のΔΣ駆動パルス（パルス列）信号を生成してパルス処理器２０に出力するようになっている。図３（Ａ）はこのΔΣ変調器１０から出力されるΔΣ駆動パルス信号の波形の一例であり、等幅のプラス（＋）またはマイナス（−）のΔΣ駆動パルスＰが休み無く連続して出力されている。

増幅器３０は、例えばフルブリッジと呼ばれる４つのトランジスタを組み合わせた公知のＤ級アンプであり、プラスの電源１つだけで音響スピーカー４０に正負両方の電圧を印加ができるようになっている。音響スピーカー４０は、電磁コイルと磁石とコーンとからなる公知のダイナミックスピーカーであり、増幅器３０から出力された正負のデジタル信号を可聴域の音に変換して出力するようになっている。

パルス処理器２０は、図２に示すような回路構成となっており、３つ（第１乃至第３）のフリップフロップ回路２１，２２，２３と、同じく３つ（第１乃至第３）のＡＮＤ回路２４，２５，２６と、それぞれ１つのＸＯＲ回路２７およびダウンカウンター２８といった複数の論理回路から構成されている。

このパルス処理器２０は、図示するようにΔΣ変調器１０から送られてきたΔΣ信号（駆動パルス）を第１のフリップフロップ回路２１およびＸＯＲ回路２７に入力し、以後、第２フリップフロップ回路２２、第３フリップフロップ回路２３、ＡＮＤ回路２４，２５，２６、ダウンカウンター２８において処理されて、それぞれΔΣ信号と共に送られてくるΔΣクロック周波数に従って順次後述するようなパルス相殺処理を行って所定のパルスのみを出力するようになっている。なお、このダウンカウンター２８は、初期値は０であり、カウンターが０のとき出力オン、入力がオンになると２周期オフになってカウント０でオンに戻り、各ＡＮＤ回路２４，２５，２６を動作するようになっている。

すなわち、このパルス処理器２０は例えば図３（Ａ）に示すような波形のΔΣ駆動パルスが入力されると、隣接する＋（プラス）駆動出力パルスと−（マイナス）駆動出力パルス同士を相殺し、同図（Ｂ）に示すように相殺されなかった駆動パルス（図の例では＋駆動出力パルスＰ３とＰ１２）のみを出力するようになっている。図３（Ａ）の例では斜線で塗りつぶされたパルスが相殺されて出力されなかったパルスを示す。

図４はこのΔΣ駆動パルスをプラス駆動出力とマイナス駆動出力に分けたものであり、図５および図６はこのパルス処理器２０によるパルス処理（パルス相殺処理）の一例を示したものである。先ず、このパルス処理器２０は、図５（Ａ）に示すように最初の＋駆動出力パルス（以後、＋パルスと称す）Ｐ１が入力されると、図２に示すようにこの＋パルスＰ１は第１のフリップフロップ回路２１およびＸＯＲ回路２７に入力し、ＸＯＲ回路２７側では第２のＡＮＤ回路２５を介してダウンカウンター２８に入力されて、そのカウンター値が２にセットされる。

次に、図５（Ａ）に示すように次の−駆動出力パルス（以後、−パルスと称す）Ｐ２が入力されると、図２に示すようにこの−パルスＰ２は、同じく第１のフリップフロップ回路２１およびＸＯＲ回路２７に入力し、ＸＯＲ回路２７側では第２のＡＮＤ回路２５を介してダウンカウンター２８に入力されてそのカウンター値が１となり、図５（Ｂ）に示すように最初の＋パルスＰ１と打ち消しが行われる。この結果、いずれのパルスＰ１，Ｐ２も出力されることなく、その内部で相殺されると共に、そのカウンター値が０にリセットされる。

次に、図５（Ｃ）に示すように次の＋パルスＰ３，Ｐ４が続いて入力された後、−パルスＰ５が入力されると、＋パルスＰ３の直前の−パルスＰ２はすでに最初の＋パルスＰ１の相殺に使用されてカウンター値が０になっているため、打ち消しが行われず、そのまま＋駆動パルスとして出力される。一方、その次の＋パルスＰ４は、その後の−パルスＰ５によって打ち消されるため、−パルスＰ５と同様に出力されることはない。さらに、同図（Ｄ）に示すようにこの−パルスＰ５に続いて入力された−パルスＰ６は、その後に入力された＋パルスＰ７によって相殺されるため、＋パルスＰ７と同様に出力されることはない。

以後は、図６（Ａ）〜（Ｄ）に示すように隣接する＋パルスと−パルス同士が順次打ち消し合って相殺され、カウンター値が０になって打ち消し合う相手パルスがなかったパルスのみ（この例では＋パルスＰ３とＰ１２）がこのパルス処理器２０から出力されて増幅器３０に入力されることになる。

このように本発明の音声再生装置１００は、パルス処理器２０で予め正負のパルス同士を相殺して残ったパルスのみを出力するようにしたため、ΔΣ駆動パルス信号がＬＰＦで打ち消される成分がなくなって＋、−の切り替えが少なくなる。これにより、ＬＰＦを省略することが可能となり、駆動電圧を略最大電圧にできるため、音響スピーカー４０の振動板を駆動する力が入力電圧に比例し、音質が向上するといった優れた効果を発揮できる。

なお、本実施の形態では、このパルス処理器２０の前段にΔΣ変調器１０を設けた構成となっているが、ＳＡＣＤ（Super Audio CD）のようにはじめから１ビットのΔΣ駆動パルス信号で音声情報が記録されているメディアを音源として用いた場合は、ΔΣ変調処理が不要となる。そのため、このような場合は図１に示すようにΔΣ変調器１０の後段に切り替えスイッチ１１を設け、その音源となるΔΣ駆動パルス信号を直接パルス処理器２０に入力するようにしても良い。

次に、図７乃至図９は本発明に係る音声再生装置１００の第２の実施形態を示したものである。先ず図７に示すようにこの音声再生装置１００は、ΔΣ変調器１０と、パルス処理器２０と、第２のパルス処理器７０と、増幅器３０と、音響スピーカー４０とから構成されており、第２のパルス処理器７０以外の構成は、前記第１の実施形態と同じ構成となっている。すなわち、本実施の形態は前述したパルス処理器２０と増幅器３０との間に、新たに第２のパルス処理器７０を設けたものである。

この第２のパルス処理器７０は、図８に示すような回路構成となっており、ΔΣ信号とクロック信号を入力するフリップフロップ回路７１と、第１および第２のＡＮＤ回路７２，７３とから構成されている。そして、この第２パルス処理器７０においては、この最初のパルス処理器２０から出力されたΔΣ信号の各パルスは、フリップフロップ回路７１に入力し、このΔΣ信号に付随して入力されるクロック信号によって図９に示すようなその幅が約半分の短幅パルスｐに変形される。

変形された短幅パルスｐがプラスのときは、そのまま第１のＡＮＤ回路７２を介してプラス（＋）駆動電圧として出力され、短幅パルスｐがマイナスに切り替わったときは、第２のＡＮＤ回路７３を介してマイナス（−）駆動電圧として出力される。これら各短幅パルスｐは、いずれも同じ形状でかつ半分に短縮されたぶんだけ一定の間隔を隔てて生成される。

図９の例では、１周期の半分を休止することにより、各ΔΣ駆動パルスＰ３〜Ｐ６がそれぞれ元のパルス幅の約半分の短幅パルスｐ３〜ｐ６に変形されて隣接するパルス間に一定の間隔を隔てて生成されることによってこの間隔が休止時間となっている。このようにパルス間に一定の間隔を隔てて生成されることによってΔΣ駆動パルス波形の歪みによる音質劣化を防止することが可能となり、音量が小さくなっても優れた高音質を発揮できる。その理由を以下に説明する。

ΔΣ駆動パルスは、図１０（Ａ）に示すように２レベル間を規則的かつ瞬間的に変化する矩形波となるのが理想的であるが、実際には同図（Ｂ）に示すようにパルスの立ち上がりで緩やかに遅れる特性がある。これはパルスを生成するアナログの駆動素子（トランジスタ）はオンになっても出力が最大電流、最大電圧に達するまでに時間がかかるからであり、オンからオフに切り替わるときも同様に緩やかに変化する。この結果、同図（Ｂ）に示すように波形が乱れてしまい、以下に示すような問題が生ずる。

すなわち、先ず出力がプラス、マイナスに切り替わるとき、同図（Ｂ）に示すように瞬間的に両方の駆動回路がオンになって電流が回路内で短絡してしまう。その結果、短絡している間の電力はスピーカーへ届かず、トランジスタを発熱させてしまうことがある。次に同図（Ｂ）の斜線部に示すようにパルスの角が歪みで欠けることによって出力されるエネルギーがトランジスタのオンオフ制御信号の長さと正確に比例しないため、エネルギーロスの比率が大きくなることがある。

このため、本実施の形態では、この駆動素子の遅れを見込んで図９（Ｂ）に示すようにパルスのオンオフの切り替えのタイミングに休止時間（デッドタイム）を設けたものである。このようにすれば、パルスの切換のタイミングでアンプ出力部分が瞬間的に短絡状態になるのを防止できると共に、歪が発生しても毎回出力されるすべてのパルスが同じ形となるため、パルスの数に比例するエネルギーを安定して出力することができる。この結果、ΔΣ駆動パルス波形の歪みによる音質劣化を防止することが可能となり、音量が小さくなっても優れた高音質を発揮できる。

次に、図１１は本発明に係る音声再生装置１００の第３の実施形態を示したものである。図示するようにこの音声再生装置１００は、前述したΔΣ変調器１０、パルス処理器２０、増幅器３０などの電磁波を発生する機器を電磁シールド材料、例えば金属板や金属網などで形成されたケース５０内に収容し、このケース５０を音響スピーカー４０を取り付けるスピーカーボックス６０内に一体的に組み込んだものである。

すなわち、ΔΣ駆動パルス信号はＭＨｚオーダーの信号であり、これを１Ｗ〜１００Ｗの電力伝送を行う場合、その輻射電波量も増大となり、音質や周囲の電化製品に悪影響を及ぼすことが考えられる。そこで、本実施の形態ではこれらの機器を電磁シールドされたケース５０内に収容すると共にさらにこのケース５０をスピーカーボックス６０内に一体的に組み込んだものであり、これによってこれらの機器から発生する不要な高周波輻射を確実に遮蔽して音質や周囲の電化製品への悪影響を抑制することができる。

また、このように構成することによりパルス処理器２０や増幅器３０などを設置するスペースが不要となって室内空間を有効利用できると共に、音響スピーカー４０へ接続するケーブルが不要または大幅に短縮できるため、コストダウンや伝送時の信号劣化などによる音質低下も同時に回避することができる。

１００…音声再生装置
１０…ΔΣ変調器
１１…切り替えスイッチ
２０…パルス処理器
２１〜２３…第１乃至第３のフリップフロップ回路（第１実施形態）
２４〜２６…第１乃至第３のＡＮＤ回路（第１実施形態）
３０…増幅器
４０…音響スピーカー
５０…ケース（電磁シールド）
６０…スピーカーボックス
７０…第２のパルス処理器
７１…フリップフロップ回路（第２実施形態）
７２，７２…第１及び第２のＡＮＤ回路（第２実施形態）
Ｐ…ΔΣ駆動パルス
ｐ…短幅のΔΣ駆動パルス

Claims (3)

1. 入力されるΔΣ駆動パルス信号を処理するパルス処理器と、当該パルス処理器で処理したΔΣ駆動パルス信号を増幅してスピーカーを駆動する増幅器とを有し、
   前記パルス処理器は、前記ΔΣ駆動パルス信号のうち、隣接する正負のパルス同士をその入力順に相殺し、相殺したパルスは次のパルスの相殺に用いることなく、残ったパルスを出力することを特徴とする音声再生装置。
2. 請求項１に記載の音声再生装置において、
   前記パルス処理器と増幅器とを電磁シールドされたケース内に収容し、当該ケースをスピーカーボックス内に組み込んでなることを特徴とする音声再生装置。
3. 請求項１または２に記載の音声再生装置において、
   前記パルス処理器の後に第２のパルス処理器を設け、当該第２のパルス処理器は、前記パルス処理器から出力されたΔΣ駆動パルス信号のパルス幅を元のパルス幅よりも短くして出力することを特徴とする音声再生装置。

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