JPH0879896A

JPH0879896A - スピーカ

Info

Publication number: JPH0879896A
Application number: JP6212549A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Miyagawa; 秀明宮川; Masaichi Sato; 政一佐藤; Reiji Mitarai; 礼治御手洗; Kenichi Nagasawa; 健一長沢
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-09-06
Filing date: 1994-09-06
Publication date: 1996-03-22
Also published as: EP0701386A2; EP0701386B1; US6384550B1; DE69535303D1; EP0701386A3

Abstract

(57)【要約】【目的】逆起電力の発生、共振現象、群遅延現象等、
従来のスピーカが有している欠点を悉く解決することが
でき、高忠実な再生音声を得ることができる全く新規な
スピーカを提供すること。【構成】オーデイオアンプ１０からの音声信号を駆動
回路１１にて速度信号に変換し、進行性振動波により駆
動される振動波モータ１２により、リンク１６及び板バ
ネ１３を介して振動板を構成するコーン紙１５を駆動す
る構成を採用している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスピーカに関し、所謂ダ
イナミックスピーカの欠点を悉く改良することのでき
る、全く新規なスピーカに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、一般に使用されているスピーカ
は、所謂ダイナミック型と呼ばれる電磁誘導型のものが
ほとんどであり、極めて一部のハイファイスピーカが静
電型のものである。

【０００３】この、ダイナミック型スピーカは既に８０
年以上の歴史を有し、その基本原理は電磁誘導現象に基
づくものである。即ち、磁界の中に電流をが生じるとそ
の電流量に応じて磁界が発生し、その結果力を生じるの
であるが、この力によってスピーカの振動板を駆動する
ものである。言い換えれば、所謂フレミングの左手の法
則に基づき一定磁界中でボイスコイルに音声電流が流れ
るとスピーカモータが駆動されるものである。

【０００４】図７に、この種のダイナミック型のスピー
カの概略構成を示す。図中、１はエッジ部材、２はコー
ン紙で、これらで振動板を構成する。４はスパイダー、
５はボイスコイル、６はマグネット、７はハウジングで
あり、ボイスコイル５はスパイダー４によってハウジン
グ内に懸架されている。ボイスコイル５に音声信号に従
う電流を流すと、このボイスコイル５は振動し、この振
動によりコーン紙２が振動して、再生音声を得る。

【０００５】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、上
述の如き従来のスピーカには、以下の如き欠点がある。

【０００６】（１）ダイナミックモータの逆起電力図７に示す如く、磁界中にボイスコイル５という導体が
移動すると、当然フレミングの右手の法則に従う逆起電
力という反作用も発生する。この逆起電力の問題はアン
プのインピーダンスと複雑に絡み合うことになり、ダイ
ナミックモータの線形性を損なう等、スピーカに対して
様々な悪影響を及ぼす。上記、ダイナミック型の変形で
ある所謂リボン型のスピーカにおいても、やはり同様の
問題が発生する。

【０００７】（２）共振現象スピーカの可動部分の質量及びその周囲の空気が揺り動
かされる時の等価質量により、スピーカ固有の共振周波
数が定まる。通常はｆ₀ と称される最低共振周波数はそ
のスピーカの再生可能な最低周波数を示している。今、
音声入力が周波数ｆ₀ のサイン波であったとすると、逆
起電力がアンプと関連して電気的なダンパの役目を果た
すが、結果として位相の乱れ、インピーダンスの変化を
生じ、当然利得の変化からスピーカ全体の入出力特性は
非線形となる。

【０００８】また、スピーカは図７に示した様に、ハウ
ジング７に取りつけられたスパイダー４エッジ部材１
が、ボイスコイル５及びコーン紙２等の可動部材を本体
と結合している。この両者も、メカニカルダンパとして
機能し、所謂共振時のＱ（共振の鋭さを表すQuality Fa
ctor）を制御する役目を果たしている。しかしながら、
この機構も受動的なメカニカルダンパとして、スピーカ
全体の応答特性を鈍くしている。このようなメカニカル
ダンパは、上記Ｑのコントロール、残余振動の制御及び
応答特性及び線形性等の総合判断から設計されている。

【０００９】（３）群遅延現象通常、音声信号は電圧信号として処理されている。マイ
クロホンにて扱うｍｖ以下の電圧から、メインアンプに
入力される数ｖ程度の電圧までは、電圧増幅で所謂位相
ずれは殆どない。しかしながら、メインアンプではスピ
ーカを駆動するため、電力、即ち（電圧×電流）を出力
する。このメインアンプの出力でダイナミックスピーカ
を駆動する時、群遅延現象と呼ばれる低音の遅れ現象が
生じる。単純に言えば、音声入力はマイクロホン出力か
らメインアンプへの入力時においては、同一の波形で単
に電圧のみが異なっていたのに対し、ダイナミックスピ
ーカからの音声出力は低音程遅延して再生されることに
なり、元の音声波形とは似ても似つかぬものになる場合
がある。

【００１０】これを解決するためにフーリエ変換を用い
て、各周波数における利得を揃えることは可能である
が、これは時間軸上で平均化したものに過ぎない。実
は、従来のダイナミックスピーカでは元の音声波形をそ
のまま再生することは、原理上不可能である。一方、人
間の聴覚は低音程位相情報を敏感に知覚するといわれて
おり、諸説があるが、一般に１．５ｋH_Z程度までは判別
可能と考えられる。従って、当然低周波域程その識別能
力は高くなると思われ、群遅延特性は従来のスピーカが
持っている宿命的な欠陥の１つということができる。

【００１１】本件発明は、上述の如き従来のスピーカが
有している欠点を悉く解決することができる、全く新規
なスピーカを提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段及び作用】上述の目的下に
於て、本件発明のスピーカは、進行性振動波により駆動
される振動波モータにより、振動板を駆動する構成を採
用している。また、その実施に伴う好適な実施態様とし
て、音声信号を振動波モータの速度に係る速度信号に変
換する変換回路を有し、該変換回路からの速度信号に応
じてその振動波モータを駆動する構成を採用している。

【００１３】上述の如く構成することにより、振動波モ
ータが電磁誘導を用いていないために、逆起電力の発生
はない。また、振動波モータが可動部分に対し大きな質
量をもち、且、接触駆動するために静止摩擦係数が大き
くなり共振現象も生じない。更には、電圧駆動であるた
めに群遅延現象も見られない。従って、特に低周波用と
して極めて優れた特性のスピーカ、即ち、高忠実性を有
するスピーカが得られる。

【００１４】

【実施例】以下、本件発明の実施例について、図面を参
照して説明する。

【００１５】図１は本発明の一実施例としてのスピーカ
の概略構成を示す図である。図中、１０は音声信号を発
生するソースとしてのオーデイオアンプであり、該アン
プ１０から出力された音声信号は駆動回路１１に供給さ
れる。駆動回路１１は後に詳説するが、音声信号の振幅
情報を超音波モータ１２を駆動するための進行波の周波
数や振幅情報に変換し、この周波数及び振幅情報により
発生された互いに位相が（例えば９０°）異なる駆動信
号を超音波モータ１２の一対のトランスに供給する。

【００１６】超音波モータ１２はここでは回転型を用い
ており、その回転位相（回転角度）の絶対値を示す位相
情報を出力するアブソリュートロータリーエンコーダを
搭載している。このエンコーダの出力する位相情報は駆
動回路１１にフィードバックされ、上記周波数及び振幅
情報の決定に寄与する。これによって、超音波モータ１
２はオーデイオアンプ１０から出力される音声信号の振
幅に対応した回転位相となる様駆動されることになる。

【００１７】図１において、１６は超音波モータ１２の
回転子に結合された円板部材の中心に結合され、回動す
るリンクであり、このリンク１６の一端にはこの超音波
モータ１２の回転運動を直線運動に変換するための板バ
ネ１３が結合されている。この板バネ１３は振動板のコ
ーン紙１５に結合されている。尚、図中１４はこのコー
ン紙１５を不図示のスピーカハウジングに結合、固定す
るためのエッジ部材である。尚、図示していないが、超
音波モータ１２そのものは不図示の機構によってエッジ
部材１４が固定されているハウジングに固定されてい
る。

【００１８】この超音波モータ１２としては、例えば本
件出願人が先に出願した特開昭５９−１５６１６９号公
報等に記載のモータを使用可能であるが、その概略構成
を図２に示す。図２において、２１はステータ、２２は
ロータであり、ステータ２１は圧電セラミック２３と金
属リング（弾性体）２４よりなり、この金属リング２４
はロータ２２側のフランジ状バネ２５を介して回転子本
体（振動体）２６を駆動する。

【００１９】圧電セラミック２３は周知の様に例えば、
長さが１／２波長に相当する電極と１／４波長に相当す
る電極とを異なる極性の電極が交互に配置される様に多
数配列してなり、この圧電セラミック２３の２種類の電
極に結合されるトランスに対して互いに９０°の位相差
を有する進行波を供給することによってこの圧電セラミ
ック２３を駆動する。この圧電セラミック２３の駆動に
伴い上記金属リング２４も同様に振動され、この金属リ
ング２４上に多数設けられた突起の頂点に楕円運動を生
起せしめる。

【００２０】この、楕円運動はフランジ状バネ２５を結
果として所定方向に回動させることになり、この回動
が、回転子本体２６に伝達され、回転子本体２６が回転
する。ここで、この回転子２６には上述の様に円板部材
が結合されており、この円板部材を介して、リンク１６
及び板バネ１３を駆動する。

【００２１】次に、図３を参照して、図１における駆動
回路１１の詳細について説明する。図中、５１は図１の
オーデイオアンプ１０から入力されたアナログオーデイ
オ信号が入力される端子、５２は入力されたオーデイオ
信号の高周波成分を除去するローパスフィルタ（ＬＰ
Ｆ）であり、そのカットオフ周波数は例えば２００H_Z程
度に設定される。ここで、このカットオフ周波数は超音
波モータの追従性に従い適宜決定可能であるが、音声信
号の位相情報が人間の知覚により感じやすい周波数以下
の周波数をこのＬＰＦ５２にて濾波することが本実施例
のスピーカの目的、即ち、位相情報が人間の知覚により
感じやすい周波数域以下における群遅延特性を補償する
という目的に適合している。

【００２２】このＬＰＦ５３の出力する低周波の音声信
号は、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器５３に入力
され、折り返し歪みが生じないナイキスト周波数より充
分高い周波数、例えば１ＫH_Z程度の周波数でデジタル化
される。量子化ビット数は、他の機器との整合性を考慮
して１６ビットにするのが好ましい。

【００２３】一方、５０は超音波モータ１２の回転位相
を検出し、その絶対位相をデジタル値で出力するアブソ
リュートロータリーエンコーダであり、例えば、振動板
の自由位置（板バネ１３が存在しないと仮定した時の振
動板の位置）が０となる様にその出力値が設定されてい
る。一方、音信号は０振幅を中心に変動する信号であ
り、これによって０振幅に対応する振動板の位置が自由
位置となる。

【００２４】このエンコーダ５０の出力及びＡ／Ｄ変換
器５３の出力は減算器５４に供給され、Ａ／Ｄ変換器５
４の出力する音声信号の振幅値からエンコーダ５０の出
力が減算されることになる。即ち、この減算器５４の出
力は実際に位置せしめたい超音波モータの（回転子の）
回転位相に対する現在の位相の差、つまり、モータ１２
をどれだけ駆動すればよいかを示すことになる。ここ
で、この減算器の出力５４に係数器５５にて適切な係数
を乗算することによって、停止状態から所望の回転位相
にモータを駆動するための回転速度に対応するデジタル
情報が得られる。ところで、この超音波モータの回転速
度には限界があるため、指示される回転速度が最高速度
を越えない様にリミッタ５６にてデジタル値の上限を制
限する。

【００２５】一方、減算器の出力の最上位ビットはその
デジタル値の正負の符号を示しており、これは駆動方向
を示す情報として抽出され、後述の位相シフタ６５に供
給されている。また、エンコーダ５０の出力する位相情
報は微分回路５７にて微分され、現在の超音波モータ１
２の回転速度が得られる。従って、リミッタ５６の出力
する目標回転速度から微分回路５７の出力する実際の回
転速度を減算器５８にて減算すれば必要となる加速度が
算出され、この減算器５８の出力に応じて超音波モータ
を駆動すれば、図１の板バネが音声信号に追従した位置
に移動する様に制御されることになる。

【００２６】尚、図１に示す実施例においては超音波モ
ータ１２の回転運動を板バネ１３により直線運動に変換
しているので、厳密には音声信号の振幅に対して超音波
モータの回転位相が非線形に変化しなければならない。
図３の例では、超音波モータのストロークが充分小さ
く、板バネ１３がモータの回転子の外周の接線に沿って
配されているために無視しているが、上記非線形な変化
を意識する場合には、入力された音声信号をルックアッ
プテーブル（ＬＵＴ）等を用いて非線形変換する必要が
ある。この変換はＡ／Ｄ変換器５３の直後にＬＵＴを配
したり、もしくはＡ／Ｄ変換器５３の特性そのものを非
線形にすることによって実現できる。

【００２７】この減算器５８の出力は、更に積分器５９
及び係数器６０に入力される。ここでは、減算器５８の
出力を積分器５９を介して積分することにより音声信号
の直流に近い低周波応答への忠実性、また、安定な制御
を実現している。また、係数器６０の係数を適宜設定す
ることによって、比較的高い成分への応答具合を調整で
きる。これら、積分器５９の出力及び係数器６０の出力
は加算回路６１にて加算され、超音波モータを駆動する
進行波の周波数を決定する周波数決定回路６２及びその
振幅を決定する振幅決定回路６３に供給される。

【００２８】上述の特開昭５９−１５６１６９号公報に
も開示されている様に、超音波モータの駆動は例えば互
いに９０°の位相差を持った進行波を互いに極性の異な
る交互配列された電極群７２，７３に供給することによ
ってなされる。そして、モータの回転速度はその進行波
の振幅及び周波数によって決定される。即ち、周波数が
高くなれば速度は低くなり、振幅が大きくなれば速度が
大きくなるといった具合である。但、夫々、周波数及び
振幅を変化させることのできる範囲が定まっているの
で、一方だけでは制御できない速度範囲について相補的
に制御する様に進行波の周波数及び振幅が回路６２，６
３にて決定される。

【００２９】周波数決定回路６２からのデジタル周波数
情報は、例えば電圧に変換され電圧制御発振器等からな
る発振器６４の発振周波数を制御し、発振器６４を所望
の周波数で発振させる。また、この発振器６４の出力は
±９０°位相シフタ６５に入力され、その位相が９０°
シフトされる。ここで、この位相のシフト方向によりモ
ータの回転方向が決定されるので、前述の減算器５４の
最上位ビットをその位相シフト方向を決定する制御信号
として用いている。

【００３０】発振器６４，位相シフタ６５の出力は夫々
乗算器６６，６７に入力され、振幅決定回路６３により
決定された振幅情報を乗算する。これによって、超音波
モータを音声信号振幅に従って駆動するため、その位
相、周波数及び振幅が制御された２相の駆動信号が電流
アンプ６８，６９に入力される。ここで、この電流アン
プ６８，６９の出力はトランス７０，７１を介して互い
に極性が異なり、ステータ上に交互に配置された電極群
１，２（７２，７３）に印加される。

【００３１】上述の如き構成の超音波モータを用いたス
ピーカシステムにあっては、従来のボイスコイルを用い
たダイナミック型スピーカが解決できなかった様々な問
題を根本から解決できるスピーカシステムとなり得る。
即ち、逆起電力、共振現象、及び群遅延特性等従来のス
ピーカが潜在的に有していた問題が発生せず、これらに
起因する出力音への悪影響が発生しないものである。

【００３２】次に、本発明の変形例についていくつか説
明する。

【００３３】図４は本発明の他の実施例としてのスピー
カシステムを示し、図１と同一もしくは同様の構成要件
については同一の番号を付した。図中、１８は板バネ１
３に接続されたバーであり、このバー１８は直進運動案
内機構１９内に摺動自在に配されており、振動板に対し
て垂直な方向にのみ移動可能になっている。このように
直進運動案内機構を設けることにより、板バネ１３の撓
み等に因する振動板の不安定な振動を防止でき、より忠
実な再生音声を得ることができる。

【００３４】図５は本発明の更に他の実施例としてのス
ピーカシステムを示し、図１もしくは図２と同様の構成
要件については同一番号を付した。図５において３１は
一部が直線状となる超音波モータのステータであり、図
示の如く一対用意され、上下から不図示の弾性体を介し
て移動子となるリンク３４を挟み込む様に配置されてい
る。

【００３５】このようなステータについては、例えば本
出願人が先に出願した特開平３−２８９３７０号公報に
も詳細に開示されているので、詳細については省略する
が、図６にその斜視図を示す。図６において４１が金属
弾性体、４２が圧電セラミックである。図５の上図を側
面から見た図が下図であり、図示の如くリンク３４はス
テータ３１の直前部分同士で挟み込まれており、ステー
タの電極に上述の様な進行波を印加することによってこ
のリンク３１は直線運動する。

【００３６】この直線運動はリニアエンコーダ３２にて
検出され、この検出信号を駆動回路１１にフィードバッ
クし、図３に示す回路によって超音波モータを駆動す
る。この時、駆動回路からの互いに９０°の位相差を有
する２種類の発振信号を上下のステータに夫々供給する
ことになる。

【００３７】この図５、図６を用いて説明したスピーカ
システムにおいては、回転運動を直線運動に変換する必
要がなく、図１のスピーカに比しこの変換に伴うロスが
少なく、忠実な音声の再生が行える。

【００３８】尚、上述の各実施例においては駆動回路を
ハードウエア構成としたが、図３の回路の一部若しくは
殆どをソフトウエアにて構成することも勿論可能であ
る。例えば、図３においてＡ／Ｄ変換器５３以後、周波
数及び振幅決定回路６２，６３までをソフトウエアにて
構成することも可能である。

【００３９】また、超音波モータの構成そのものについ
ても様々なものが考えられ、図２、図６に示したもの以
外のものも当然本件発明に適用可能である。例えば、本
実施例においては、現在最も普及している進行波形の振
動波モータについて説明したが、定在波形の振動波モー
タを利用しても本件発明のスピーカを構成可能である。

【００４０】上述の如き構成の超音波モータを用いたス
ピーカの特徴をまとめると以下のとおりである。即ち、
超音波モータ、一般に振動波モータは圧電素子を超音波
域において駆動して、回転子若しくは移動子に回転もし
くは直線運動を与える構成となっているので、電磁誘導
ではなく、逆起電力は生じない。

【００４１】また、超音波モータはその構造上可動部分
の質量がダイナミック型スピーカに比べて大きく、且、
接触型で静止摩擦抵抗が大きいので、所謂最低共振周波
数に相当するものが存在しない。従って、共振現象や、
この共振現象に伴う特性の劣化も生じない。

【００４２】更に、超音波モータは基本的には電圧駆動
であり、ダイナミック型スピーカに見られる様な問題、
即ち低周波数ほど再生音声が遅延するといった群遅延特
性は見られない。この特性は原音声波形を忠実にスピー
カが再生するというハイファイの目的にとって非常に重
要であり、従来のダイナミック型スピーカでは原理的に
不可能であっただけに、超音波モータを用いたスピーカ
の優位性は明らかであろう。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように本発明のスピーカ
は、進行性振動波により駆動される振動波モータによ
り、振動板を駆動する構成としたので、逆起電力の発生
はなく、共振現象も生じず、群遅延現象も見られない。
従って、特に低周波用として極めて優れた特性のスピー
カ、即ち、高忠実性を有するスピーカが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としての、スピーカの概略構
成を示す図である。

【図２】図１のスピーカにて用いられる超音波モータの
構成を示す図である。

【図３】図１における駆動回路の構成例を示す図であ
る。

【図４】本発明の他の実施例としての、スピーカの概略
構成を示す図である。

【図５】本発明の更に他の実施例としての、スピーカの
概略構成を示す図である。

【図６】図５のスピーカにて用いられる超音波モータの
構成を示す図である。

【図７】従来のスピーカの概略構成を示す図である。

【符号の説明】

１０オーデイオアンプ１１駆動回路１２超音波モータ１３板バネ１４エッジ部材１５コーン紙１６リンク１８バー１９直線運動案内機構３１超音波モータステータ３２リニアエンコーダ３４リンク５０アブソリュートロータリーエンコーダ５４，５８減算器５５，６０係数器５６リミッタ５７微分回路５９積分回路６２周波数決定回路６３振幅決定回路６４発振器６５ ±９０°位相シフタ６６，６７乗算器７２，７３電極群

フロントページの続き (72)発明者長沢健一東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動波により駆動される振動波モータに
より、振動板を駆動することを特徴とするスピーカ。
【請求項２】前記モータにより発生された回転運動を
直線運動に変換して、前記振動板に伝達することを特徴
とする請求項１のスピーカ。
【請求項３】前記モータはそのロータとステータ間に
直線運動を発生し、該直線運動により前記振動板を駆動
することを特徴とする請求項１のスピーカ。
【請求項４】音声信号を前記モータの速度に係る速度
信号に変換する変換回路を有し、該変換回路からの速度
信号に応じて前記モータを駆動することを特徴とする請
求項１〜３いずれかのスピーカ。
【請求項５】前記振動波モータはその動作を検出する
エンコーダを有し、前記変換回路は前記音声信号のサン
プル値と該エンコーダから出力される位置情報とを比較
する手段を有し、該比較手段の出力に応じて前記モータ
の駆動方向を決定することを特徴とする請求項１〜４い
ずれかのスピーカ。