JPH034696A - スピーカーの振動子の駆動方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はオーディオソースをより忠実に再生するスピー
カーの振動子の駆動方法およびその装置に関するもので
ある。

（従来の技術） 近年、コンパクトディスク（ＣＤ）　、ディジタルオー
ディオテープ（ＤＡＴ）等、ディジタルで音を記録再生
する方法、装置が広く普及している。

それらは、電気信号を、最終的には、ディジタルアナロ
グ変換器を通しパワーアンプで増幅してスピーカーの振
動子を駆動し音を発生させている。

（本発明が解決しようとする課題） 前記のようなシステムでは２つの本質的な欠点を持って
いる。

（１）アナログ増幅器に固有の欠点 ■　増幅器の直線性 ■　アナログ回路に特有のノイズの問題（２）スピーカ
ーに固有の欠点 ■　周波数に対して音響出力が一定でないこと■　高調
波・歪があること スピーカーのボイスコイルの駆動はオーブンループなの
で、ボイスコイルを駆動するアナログ信号とスピーカー
の振動が一致している保証はない。

スピーカーの代表的形式としてコーンスピーカーがある
が、このスピーカーの音の発生原理は次のようになって
いる。それを模式的に示す第３図において、ボイスコイ
ルボビン１に巻き付けられたボイスコイル２とこれを囲
繞する永久磁石３によって電磁気回路がつくられている
。増幅器４から音声信号としてアナログ電流信号ｉがボ
イスコイル２に流れると、ボイスコイルボビン１はフレ
ミング左手の法則に基づいて、 Ｆ＝ＢＩｉ　　　（Ｎ）　　　　（弐１）　なる力を受
ける。

ここで、Ｂはギャップ部の磁束密度（ｗｂ／ｍ２）　、
　１はボイスコイルの長さ（ｍ）　、　ｉはボイスコイ
ルに流れている電流（Ａ）である。

ボイスコイルボビン１と振動体としてのコーン５は一体
となっているので、ボイスコイルボビン１が受けた力Ｆ
によってコーンは移動することになる。このように電気
信号をコーンの機械振動に変換し、更にそれを空気の疎
密波に変換し、音が発生する。

（式１）はボイスコイルボビン１に加えられた力Ｆが電
流ｉに比例していることを保証しているだけで、コーン
５の振動は必ずしもボイスコイルボビン１に加えられた
力Ｆに対して比例している訳ではない。たとえば、コー
ンを１０μ＋の方向へ動かす時の電流の増分は、そのと
きコーンがどの位置にいるかで異なった値となる。コー
ンの位置がＯμの時に１０μ移動させるのに要する力Ｆ
１と、コーンの位置が１■すでに動いているとき更に１
０μ移動させるのに要する力Ｆ２とでは、船釣にＦ２の
ほうが大きい。

またスピーカーの振動体のスティフネスと重量からきま
る共振周波数近辺においては、振動体は加えられた入力
信号とは無関係な挙動を示す。共振周波に近づくにつれ
て、高調波歪は指数関数的に増加し、−船釣には１０％
を超える。従って低音用のスピーカーは特に忠実な再生
が困難である。

更に温度、湿度によってコーンの物性が変わり、温度が
変化すれば磁束密度も変化するので、コーンの駆動に要
する力および、駆動力Ｆも変化する。

スピーカーに加えられた電気入力は殆んどが熱に変わる
ため、１００Ｗ程度の電気入力であっても、すぐに１０
０°Ｃを超えてしまうので、使用中にも変動することに
なる。更にまた長期的にはダンパーの弾性が経時的に変
化し振動特性が低下してくることもコーンの振動に影響
する。

このように、電気信号がディジタル等の手法によって高
忠実度化されても、その電気信号を忠実に再生できる保
証はない。

これを改良するものとして、例えば、特開昭５５−１５
３４９５の様にボイスコイルボビンに位置検出器を設は
スピーカー駆動増幅器の入力にアナログの負帰還をかけ
る装置が提案されているが、電気信号とボイスコイルボ
ビンの振動が一致することは困難であろう。

本発明は振動体の挙動を電気信号の挙動により忠実に行
わしめるものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、スピーカーのハウジングに対する振動体の位
置を検出し、或る時刻の前記の位置とその時刻の電気信
号に対応すべき振動体の位置との差分を演算し、前記の
差分に依り後続する電気信号を補正することを特徴し、
更にスピーカーのハウジングに設けられる検出素子と振
動体に設けられる検出素子とを有してハウジングに対す
る振動体の位置を検出する振動体位置検出手段と、或る
時刻の前記の位置とその時刻の電気信号に対応すべき位
置との差分を演算し且つその差分に依り後続する電気信
号を補正する位置制御プロセッサーとを有することを特
徴とするものである。

スピーカーのハウジングに対する振動体の位置を検出す
る手段としては、光学手法、静電容量手法などの相対距
離検出手段が適用できるが、振動体に設けられる検出素
子としては特に軽量、小面積であることが好ましい。

光学手法としては、例えば、光反射材として振動体の主
振動領域の複数個所に張り付けられるアルミニウム箔の
小片と、このアルミニウム箔ニ光を投射して其の反射光
を受光してアルミニウム箔との相対距離を検出するエン
コーダとからなる振動体位置検出手段が好適である。エ
ンコーダとしては、例えば、５００Ｈｚの振動に対する
分解能０、１μ、最大変位２ｍｍ位のものが好適に利用
できる。振動体の複数個所の位置を検出して、それらの
平均値を振動体の位置とする。

静電容量手法としては、振動体の主振動領域の複数個所
に張りつけられるアルミニウム箔の小片と、これに対応
してハウジングに設けられる電極との間でコンデンサー
を形成し、その容量変化から振動体の位置を検出するも
のである。

或る時刻の振動体の実際の位置とその時刻の電気信号に
対応すべき振動体の位置との差分を演算し、その差分に
依り後続する電気信号を補正する手段としてはディジタ
ル、アナログ又は両者の併用など電子回路手段を好適に
利用できる。

後続する電気信号は、或る時刻から適当な時間後の時刻
の電気信号であり、その時間刻み及び後続の何番目の時
刻にするかは、スピーカーの構造、材質、大きさ、目的
、再生音、種類などに応じて決定する。

補正は、実施例で説明するように、差分に相当する電気
量を後続する電気信号に比例的に付加することが一般的
であるが、差分の５０〜８０％を付加したり、或いは２
次関数、三角関数、比例要素、微分要素、積分要素など
併用した補正を行う。これらは、エンクロージャー等の
周辺条件を含むスピーカーシステムの使用状況に応じて
、音圧レベル、歪レベル等の観点からシステムが最適に
作動するように実験的に決定できる。

（作用） 本発明では、スピーカーのハウジングに対する振動体の
実際の位置を検出し、或る時刻の前記の位置とその時刻
の電気信号に対応すべき振動体の位置との差分を演算す
ること、即ちその時刻、位置における振動体の挙動と電
気信号との単離度合を演算し、それに依で後続する電気
信号を補正するので、後続する電気信号に対応する位置
に振動体の実際の位置がより一致するようになる。換言
すれば補正された電気信号に依る振動体の実際の位置と
補正前の電気信号に対応すべき振動体の位置がより一致
するようになるので、電気信号に高度に忠実な振動体の
挙動を可能にした。

（実施例） 本発明の実施例として、低音用コーン形スピーカー（ウ
ーハ−）を第１図にて説明する。

スピーカーの基本構成は従来のものと同様であり、すな
わち、 ボイスコイル２はボイスコイルボビン１の円筒表面上に
巻き付けられており、永久磁石３と共に電磁気回路を形
成している。ボイスコイルボビン２の端部にはコーン５
が接続され、コーン５はその円錐面の上下でダンパー６
Ａ、６Ｂで支持され、ダンパー６Ａ、６Ｂは更にハウジ
ング７に取り付けられている。ボイスコイル２は電気信
号に依り力を受ける。

コーン５は、ダンパー６Ａ、６Ｂで拘束されているので
、主としてコーン５の中央部分が振動し音を発生する。

コーン５の円錐面のほぼ中央外側に直径２０ＩＩＩＩＩ
ｌのアルミニウム箔小片よりなる反射板８が円周上はぼ
３等分間隔で３組取り付けられている。センサープロー
ブ９は、半導体レーザーの発光素子と受光素子からなり
、発光素子から発せられた光が反射板８に反射して受光
素子の何処の位置に戻ってきたかによって、センサープ
ローブと反射板の距離を計測するものである。センサー
プローブ９は反射板８に対峙する位置でハウジング７に
取りつけられ、ソース入力信号がＯの時に、Ｏになるよ
うに調整される。３個所より得られる出力信号をセンサ
ープローブに接続されるエンコーダ処理器１０で平均化
し、その平均値を更にディジタル化して位置測定データ
が得られる。エンコーダ処理器ｌＯに接続される位置制
御プロセッサ１１に位置制御データが送られる；一方、
音声情報としての電気信号は、それがアナログソースの
場合にはＡ／Ｄコンバータ１２を経て、またそれがディ
ジタルソースの場合にはそのままで、音圧調整器１３に
送られ、其処で調整されて位置制御プロセッサ１１に入
力される。

位置制御プロセッサ１１では、或る時刻の振動体の実際
の位１データとその時刻の電気信号に対応すべき振動体
の位置との差分を演算し、それに依で後続する電気信号
を補正して、それをボイスコイルに送る。これに依って
コーン５の振動挙動は電気信号をより忠実に再現する。

２０Ｈｚから５００Ｈｚまでの周波数帯域を再生する低
音用コーン型スピーカー（ウーハ−）の場合に、例えば
センサープローブ９として５００Ｈｚの振動に対して分
解能０．１μ、最大変位２鵬まで検出するものを利用し
、１００μｓ毎にサンプリングすると、５００Ｈｚの１
周期の波に対して２０個のデータ、２０Ｈｚの１周期に
対して５００個のデータを持っていることになる。ディ
ジタル化した位置測定データは長さの位Ｗ（例えばμ）
を持ち、時刻ｔｉに於ける位置測定データをＭｔｉと呼
び制御に使用する。

アナログの入力ソースはまず５００Ｈｚのローパスフィ
ルターを通した後、Ａ／Ｄコンバータ１２にて１６ビツ
トでディジタル化し、ＣＤやＤＡＴのディジタル信号ソ
ースと同一の扱いができるようにする。

ＣＤ、ＤＡＴ等のディジクルソースも同様に５００Ｈｚ
以上の成分はカットして、２０〜５００Ｈｚの低音成分
のみを取り出す。

音圧調整器１３にてディジタル信号から制御データＳｔ
ｉがつくられる。音圧調整器１３の役割は時刻ｔｉに於
てコーンのあるべき位置を決める制御データＳｔｉを決
めることである。ＳｔｉはＭｔｉと同様に長さの位置を
もっている。ＳＬｉはＭｔｔと直接比較して制御するの
で、Ｍｔｉと同じ分解能、レンジでなければならず、最
小０．１μから０．１μ刻みに２０００μまでの２０．
０００通りのディジタル値を採ることができる。この範
囲内でユーザが所望する音響出力の平均レベルを決める
ことになる。

具体的には入力ソース（Ｘｔｉ）基準データ（Ｘｓｔｄ
、ここではＸ５ｔｄ・４０９６．２′りを事前に決めて
おき、この基準データを制御データＳのいくらの値（Ｓ
ｓｔｄ）に対応させるかによって平均音響レベルを調整
することができる。制御データＳｔｉの計算は５ｔｉ＝
Ｓｓｔｄ＊Ｘｔｉ／　５ｓｔｄ　　　　（式２）による
が、Ｓ’ｔｉは位置制御ＩデータＭｔｉと同じ分解能、
レンジしか採り得ないので最小分解能以下、即ち０．１
μ以下は四捨五入、２０００μ以上の制御データは２０
００μとして、オーバーレンジのメツセージをだしてい
る。位置測定データＭｔｉ、制御データＳｔｉはサンプ
リング時間間隔毎に、即ち１００μｓ毎に位置制御プロ
セッサ１１に取り込まれる。位置制御プロセッサー１１
はボイスコイル２に流す電流値を１００μＳ毎に制御し
ている。

制御の概念を示す第２図において、 横軸は時刻でサンプリング周波数毎、つまり１００μｓ
毎に制御データと位置測定データを示し、縦軸は振動対
の位置を示している。現在の時刻はｔ２、現在より１０
０μｓ前の時刻はｔＩ、現在より１００μｓ後の時刻は
ｔ、である。ｔ、に於ける制御データ、位置測定データ
は共に２０μ、ｔ２の制御データは３２μ、位置測定デ
ータは３４μ、ｔ、に於ける制御データは４０μとする
と、Ｌ２〜も１時間（１００μｓ）に移動すべき振動体
は４Ｏ−３４＝６μとなっているので、現在位置測定デ
ータに対して＋６μ振動体が位置を変化させるよう駆動
する。

サンプリング時刻む、に於ては既に振動体は３４−３２
＝２μだけ余分に移動しており次のサンプリング時刻む
、に向けて２μだけマイナスの方向へ修正をしていくと
いう制御方法である。この時間内に於ける移動速度はお
おむね一定の制御でよい。即ちＬ２〜も、にかけては一
定の電流値増分を加える制御になる。

ｉ　　ｔ４＝に本（Ｓ５−Ｍｂ）　　＊ｔ＋ｉｔ、　　
　　　（式３）但し　ｉｔ、：ｔ、〜Ｌ、に於けるボイ
スコイル電流 に：比例定数 Ｓｔ＝：ｔ＝に於ける制御データ Ｍｔｔ：ｔｔに於ける位置測定データ ｔ：時刻、む＝Ｏ（ａｔ　ｔｚ）、ｔ＝１００ｕｓ（ａ
ｔ　ｔＩ）ｌｔ＋：Ｌ＋　〜ｔ２に於けるボイスコイル
電流の現在値 １、（１，の１００μｓ後のサンプリング時刻）の制御
データが、５ｔ４＝２２μのようにも、の制御データが
この近傍で最大値となる場合には式３の代わりに２次式
等の多項式あるいは三角関数を用いても良い。如何なる
制御式が適当かは、−概に決定できるものではなく、コ
ーン、ダンパーの機械的特性、エンコーダーの特性、位
置制御器の特性等全体のシステムに依存している。実施
例では、最も単純な線形制御式（弐３）を採用している
。

センサープローブ９は絶対的位置を計測することは難し
く、基準位置からの相対位置を計測することができるだ
けである。入力信号は時々０になることがあるので、こ
の時を基準位置の０としてエンコーダの自動更正を行う
。具体的には入力が０．０１秒間０、即ち１００個のサ
ンプリングデータＳｔｉが連続して０である時、エンコ
ーダ８の出力値Ｍｔｉを自動的にオフセットをキャンセ
ルしてＯにする。また特に温度、湿度等の環境の変化や
、音響出力調整器１２を変化させた時に対応するため、
式２の定数Ｋを過去のデータを参照して最適な値に時々
刻々変えていく修正をかける。

定数にの修正は過去の１００個のデータを用いて、０．
０１秒毎に修正する。修正式は下式４を用いる。

Ｋｎ：次の０．０１秒間に用いる定数ＫＫｏ：今までの
０．０１秒間に使用したに式４の分子のかっこ内の分母
、Ｍ　ｔ　ｉ＋　１　　Ｍ　ｔ　ｒがＯになった場合に
は計算不能になるので、この時のデータは使用しない。

従って１００個のデータを採るのにｏ、ｏｉ秒以・上の
時間がかかることもあるが、修正に関して差障りはない
。帯域周波数５００Ｈｚ以上のセンプリング時間１００
μｓ、１秒間に１０．０００回位置を制御しているので
、５００Ｈｚ以下の所定の入力に対しては正確にコーン
の振動を制御することができる。

第１図においては、差分の処理などがディジタル手法で
行われるが、全系がアナログ手法によって処理されるこ
とも可能である。

（発明の効果） 本発明によれば、スピーカーの振動体の挙動と電気信号
との単離をその瞬間毎に即時的に検出して、電気信号を
補正するので、振動体の挙動が電気信号により忠実に追
随し、周波数に対する音響出力特性が平坦になり、高調
波歪などの乱れを軽減し、全体として高忠実度な再生を
可能とするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の模式図、第２図は振動子の駆
動状況を示すグラフ、第３図は従来のスピーカーの模式
図である。 １−ボイスコイルボビン、２−ボイスコイル、３永久磁
石、４−・増巾器、５−コーン（振動体）、６−・−ダ
ンパー、７−ハウジング、８−反射板、９センサープロ
ーブ、１０−エンコーダ処理器、１１位置制御プロセッ
サー　１２・−Ａ　／　Ｄコンバータ、１３−・−音圧
調整器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）スピーカーのハウジングに対する振動体の位置を
   検出し、或る時刻の前記の位置とその時刻の電気信号に
   対応すべき振動体の位置との差分を演算し、前記の差分
   に依り後続する電気信号を補正することを特徴とするス
   ピーカーの振動子の駆動方法
2. （２）スピーカーのハウジングに設けられる検出素子と
   振動体に設けられる検出素子とを有してハウジングに対
   する振動体の位置を検出する振動体位置検出手段と、或
   る時刻の前記の位置とその時刻の電気信号に対応すべき
   位置との差分を演算し且つその差分に依り後続する電気
   信号を補正する位置制御プロセッサーとを有することを
   特徴とするスピーカーの振動子の駆動装置