JP2000512104A - 電気音響変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、容量性音響素子がインダクタンス（Ｌ）および高速スイッチ（Ｋ₁、Ｋ₂）を介して素子の電荷を充電あるいは放電することによって制御されるような電気音響変換器に関するものである。変換器の音響エネルギーに変換されないエネルギーは各連続制御動作の間インダクタンス（Ｌ）および電気容量（Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃）によって構成される電気回路のエネルギー蓄積器に転送され、それゆえに変換器は効率係数の良い動作が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】 電気音響変換器 （技術分野） 本発明は、電気音響変換器に関し、より詳しくは容量性音響素子および素子を 駆動するための電圧を制御する少なくとも２個のスイッチを具備し、スイッチの オンおよびオフの時間を制御することにより前記素子を駆動する電圧を制御する ようにスイッチが配列された電気音響変換器に関する。 （発明の背景） 磁気式音声スピーカによる音声再生の効率は通常非常に低くたとえば０．５％ である。磁気式音声スピーカをいわゆるチョッパアンプにより制御することは周 知であり、増幅器の効率は適度に良好であるものの音声スピーカのコイルの抵抗 が大きいために大きな電力の損失が発生し、全体としての音声再生の効率はそれ ゆえ非常に低くなる。 ＤＥ−２３２４２１１は容量性音響素子を開示しているが素子の制御構成を開 示していない。また米国特許４，２０７，４４２、４，２８６１２２および５， １６１，１２８も容量性音響素子及び種々の制御スイッチや素子の配列を開示し ている。上述した全ての解決法はそれらの方法では効率係数がさほど改善されな いという点で共 通している。 （発明の概要） 本発明の目的は、効率係数が非常に改善された電気音響変換器を提供すること にある。 本発明の変換器は、インダクタンスが音響素子の少なくとも１つの電極に接続 されてインダクタンス電圧が音響素子に印加されるように配置され、変換器が電 気容量（capacitance）を具備して、電気容量がインダクタンスと共に電子回路 を形成して電気容量とインダクタンスが協同して音響電力に変換されないエネル ギーを蓄えるためのエネルギー蓄積器として機能することを特徴とする。 本発明の本質的な概念は、容量性音響素子が少なくとも２つの高速スイッチ手 段により制御され、スイッチのオフおよびオンの時間を制御することにより変換 器に付与される電圧が制御されることである。別の本質的な概念は、インダクタ ンスが音響素子の少なくとも１つの電極に接続され、インダクタンスの電圧が音 響素子に付与されるように配列されていることである。インダクタンスは変換器 の電気容量と協同して発振回路を形成し、ここで議論されるインダクタンスおよ び電気容量が音響エネルギーに変換されないエネルギーを蓄積し、そのエネルギ ーを再度変換器に供給することを可能にする。音響素子に蓄積されたエネルギー はほとんど損失を生ぜずに、たとえば、素子の他のブロックや独立した蓄積容量 に転 送されて素子に返還される。１つの好ましい実施例の態様としては、音声信号と 変換器の電圧の差分手段によって幅が決定されるパルスによってスイッチが制御 されることすなわちパルス幅変調を使用することである。さらに、第２の好まし い実施例では、音響素子が２つの直列接続された電気容量によって構成され、少 なくとも１つが音響的に能動的である。 本発明の長所は装置の効率係数が非常に高く、消費されるエネルギー量は変換 器から音声パワーとして放出されるエネルギーと制御回路のスイッチ損失エネル ギーのみである。 音響素子が２つの電気容量を具備した場合には電子回路には分離した補助のた めの電気容量は不要になる。 （図面の簡単な説明） 本発明は添付した図面によりさらに詳細に説明される。 図１ａ−ｃは、本発明による電気音響変換器の３つの異なる実施態様のダイア グラムを示したものである。 図２は、本発明による電気音響変換器の第４の実施態様のダイアグラムを示し たものである。 図３は、スイッチの制御パルスを形成する概略を図示したものである。 図４ａおよび４ｂは、本発明の変換器をセンサーとして結合するための選択実 施例を示したものである。 図５ａおよび５ｂは、本発明による電気音響変換器の第５および第６の実施態 様の概略を示したものである。 図６は、本発明による電気音響変換器の第７の実施態様の概略を示したもので ある。 図７ａおよび７ｂは、本発明による電気音響変換器のさらなる実施態様の概略 を示したものである。 図８は、本発明による変換器の並列接続の概略を示したものである。 図９ａおよび９ｂは本発明によるマトリックス構造に形成した変換器の概略図 である。 図１０は、１つの容量性音響変換器の一部の側断面図である。 図１１は、図１０の素子の形成段階を示す。 図１２ａおよび１２ｂは図１０の素子の上面に別の素子を配置した複数の素子 を示す。 （詳細な説明） 図１ａはシステムの原理を示すものである。システムは、容量性音響素子Ｃ₁ 、Ｃ₂、スイッチＫ₁、Ｋ₂、ダイオードＤ₁、Ｄ₂、インダクタンスＬおよび電源 Ｖ₀を備える。スイッチＫ₁、Ｋ₂をたとえば周波数１ＭＨｚでオン、オフのスイ ッチングをして、パルスＰ₁、Ｐ₂のスイッチング回数を制御することにより、Ｃ 点において積分される電圧を制御することができるが、この電圧は変換器の音声 生成電圧である。Ａ点およびＢ点はたとえば図１０において素子の静的表面に接 続される電極Ａ、Ｂを、点Ｃは可動な振動板（diaphragm）２に接続される電極 Ｃを表している。主電圧Ｕは整流され、たとえば変換器の 動作電圧は３２０Ｖである。この電圧は電気容量Ｃ₁、Ｃ₂に蓄積され、これらの いずれかが音声を放出するものであってこれが音響的に能動な容量性素子（acou stically active capacitive element）である。電気的容量に蓄積されたエ ネルギーＥ_cは，０．５×ＣＵ²であるから、たとえば、もしＣ₁＝Ｃ₂＝１μＦで あればＥ_c1はおよそ０．０５Ｊ（ジュール）となる。Ｃ点に印加される電圧はス イッチＫ₁およびＫ₂によって制御される。スイッチＫ₁を時刻ｔ₁にオンにスイッ チングすることにより電気容量Ｃ₁のエネルギーは電流Ｉ₁で示されるようにイン ダクタンスＬに流れ始める。インダクタンスＬに蓄積されるエネルギーは到達し た電流値に依存するが、その電流はスイッチＫ₁がオンする時刻ｔ₂に依存する。 インダクタンスに蓄積されるエネルギーＥ_Lは０．５×ＬＩ²であるから、たとえ ばＬが１００μＨでＩが１アンペアの場合にはＥＬが５０μＪとなる。これによ り、電気容量の蓄積エネルギーは５０μＪほど減少することになる。電気容量（ capacitance）の電圧の低下は公式Ｕ＝（２×ΔＥ/Ｃ）^1/2で表されるので、電 気容量の電圧は１０Ｖ低下することになる。インダクタンスに流入して蓄積され たエネルギーはスイッチＫ₂をオンにスイッチングすることによりもはや電気容 量Ｃ₂に転送され得るのである。このようにして、変換器のＣ点の電圧は特段の 大きな損失も無く制御される。ここで生ずる損失は回路の抵抗によるものである 。たとえば、スイッチングトランジスタ の抵抗は典型的にはほぼ０．２Ωである。したがって電力損失ＰＬはおよそ０． ２Ｗとなる。変換器の音響的効率係数αは標準的にはほぼ１％であって、この場 合にはα×ΔＥ＝０．５μＪだけ音響エネルギーに変換される。制御パルスの長 さが１μｓの場合には、０．５Ｗの電力が音響的変換器を介して変換されたこと になる。損失が０．２Ｗの場合には、システムの効率は６０％となる。インダク タンスおよび電気容量により形成された発振回路はエネルギー源として機能する ために、システムは必要とされる分の付加エネルギーのみを電源に要求すれば良 い。 図１ｂおよび１ｃは、本発明による変換器のスイッチング配列の変形例を示す 。これらの場合には音響素子は、永久的に荷電したエレクトレット（electret） 製振動板を具備し、素子は別途の電極Ｃを有さない。補完用電気容量Ｃ₀はエネ ルギー蓄積器として機能する。 図２は、音声信号Ｓが発振器で発生した三角波と比較器で比較される場合を示 す。この場合にはスイッチを制御するためのパルスが要求される。要求されるパ ルスはディジタル形式でもよく、この場合にはシステムはディジタル音声情報を ディジタル／アナログ変換器を介さずに直接音声に変換する。明確を期すために 本明細書においては図面のすべての要素には名称や説明を付さないが、これらの 意味や動作については当業者であれば明らかであろう。 図３はパルス幅変調の原理を模式的に表したものであって、信号Ｓを三角波と 比較し制御パルスＰの幅が周知の方法で決定される。たとえば、図２の場合には 、制御信号Ｐの値がハイＨであるときにスイッチＫ₁はオンであるように制御さ れ、値がローＬであるときにはスイッチＫ₂がオンであるように制御される。 変換器がスイッチＫ₁およびＫ₂によって制御信号から分離することができるた め、変換器はセンサとして機能する。図４ａにおいて、スイッチＫ₃をオンにス イッチングすることにより、変換器の振動板の変動速度Ｖをサンプルとして測定 することが可能である。図４ｂはブリッジ接続された変換器であって、スイッチ Ｋ₁およびＫ₂がオフのときに、変換器の振動板の変動速度偏差Ｖｘがスイッチ３ をオンにスイッチングすることにより測定することができる。測定された信号は 変換器の制御におけるフィードバック信号あるいは他の目的のためのセンサとし て利用できる。 図５ａは、電気容量Ｃ₀およびインダクタンスＬ₁によって構成されたフィルタ ーを付加してスイッチングパルスの効果を濾波する適用例を示す。インダタタン スＬ₂はＣ点に接続される。図５ｂは、音響素子がＤＣ成分が直接供給されない １つの電気容量Ｃ₁のみから構成される音響素子の適用例を示す。 図６は高ゲインフィードバック増幅器を用いて、ひずみを大幅に軽減した適用 例を示す。入力信号Ｓはスイッ チＫ₁およびＫ₂のための制御パルスを提供する比較器において変換器の電圧と比 較される。 図７ａ乃至７ｃはたとえば１２Ｖの低電圧蓄電器を電源Ｖ₁として使用した解 決手段を示す。スイッチＫ₁をオンにスイッチングすることによりエネルギーが 蓄電器からインダクタンスＬに転送されるが、エネルギー量はスイッチＫ₁がオ ンにある時間に依存する。スイッチＫ₂をオンにスイッチングすることにより、 インダクタンスＬのエネルギーを素子Ｃ₁に転送することができる。上述した連 続動作をたとえば高周波数１ＭＨｚで数回繰り返し、所望の電圧が素子に転送さ れる。そしてまずスイッチＫ₂をオンにスイッチングし、変換器のエネルギーが インダクタンスＬに転送されてそこからスイッチＫ₁をオンにスイッチすること により電源に転送することによって素子の電圧を相応して電源に放電することが できる。 図８は本発明による変換器を並列に接続する場合の原理を示したものである。 図９ａおよび９ｂは変換器がマトリックスに接続されたものを示すが、この場合 にはスイッチの数が減少し、生成される音響場の特性をスイッチを多様な方法で 調整することができるものである。 図１０は多孔性材料で製作され、内部表面が電気伝導性を有する骨格部である 音響素子を示す。内部表面には電極Ａ，Ｂが形成されている。また可動振動板２ は骨格部の間に配列されている。図１０の可動振動板２は中間 部に電気伝導層を有するエレクトレット製振動板である。可動振動板は電気伝導 性振動板が配列する中央部までは非伝導性振動板からなってもよく、あるいは、 振動板２が永久電荷を有する１枚のエレクトレット振動板であっても良い。破線 で示す凹部３はプレートを軽量化するために素子の骨格部１まで形成されている 。振動板２の電極Ｃは複数のブロックに分割することができ、電極ＡおよびＢも 所望なように分割することが可能であり、素子が上述したようにマトリックスと して制御される。 図１１は素子の構築方法の概略を示すものである。骨格部１は可塑性粉末から 型中で焼結され、少なくともその内部表面は金属がコートされている。振動板２ は図１１に示すようにそのエッジ部において引き延ばされる。その結果として、 振動板２が強力に延性変形されて薄手化する方向に方向付けされるように骨格部 １が相互に圧迫加工される。このようにして、異なる電極間の距離が最小化して 効率係数が最大化される。 図１２ａおよび１２ｂはダイポール音源およびモノポール音源双方ならびにセ ンサーが形成されるように異なる素子が他の素子の上面に接続された解決手段を 示す。 上述した図面および明細書の説明は本発明の思想を説明することのみを意図し たものである。請求の範囲で定義されるような本発明の範囲において変更がこれ になされてもよい。したがって、本発明に関連して、たとえば静電変換器、ピエ ゾ変換器、あるいはエレクトレット変 換器などのいかなる容量性音響素子が用いられても良い。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．容量性音響素子および前記素子に供給する電圧を制御するための少なくとも ２つのスイッチ（Ｋ₁、Ｋ₂）を具備し、 前記スイッチ（Ｋ₁、Ｋ₂）のオンおよびオフの時間を制御することによって前 記素子に供給する電圧を制御するように前記スイッチ（Ｋ₁、Ｋ₂）が配列されて いる電気音響変換器であって、 インダクタンス（Ｌ）は、インダクタンス電圧が前記音響素子に供給されるよ うに、少なくとも前記音響素子の１つの電極（Ａ，Ｂ，Ｃ）に接続され、 前記変換器が前記インダクタンス（Ｌ）と協同して電気回路を構成する電気容 量（Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₀）を具備し、前記電気容量（Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₀）が前記インダク タンス（Ｌ）と共に音響電力に変換されないエネルギーを蓄積するためのエネル ギー蓄積器として動作する、 ことを特徴とする電気音響変換器。 ２．前記音響素子が前記インダクタンス（Ｌ）手段によって直列接続された前記 スイッチ（Ｋ₁、Ｋ₂）の結節点に接続されることを特徴とする請求項１に記載の 変換器。 ３．前記スイッチ（Ｋ₁、Ｋ₂）が音声信号（Ｓ）と前記変換器に供給される電圧 との差により形成されるパルス によって制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の変換器。 ４．前記音響素子は２つの電気容量の直列接続により形成され、少なくとも前記 電気容量の１つは音響的に能動であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれ か１項に記載の変換器。 ５．前記音響素子は、ひだ付けされさらに少なくとも内部表面に金属がコートさ れた少なくとも２つの多孔性骨格部（１）を具備し、前記骨格部の間で可動振動 板（２）が延性変形されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記 載の変換器。 ６．前記音響素子はマトリックスとして制御される複数のブロックに分割される ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の変換器。 ７．前記変換器はマトリックスとして制御されるように内部接続され、配列され た複数の音響素子を具備することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に 記載の変換器。