特許 6997846 電力駆動増幅器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2021-12-21

(45)【発行日】2022-01-18

(54)【発明の名称】電力駆動増幅器

(51)【国際特許分類】

   H04R 3/00 20060101AFI20220111BHJP

【ＦＩ】

H04R3/00 310

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020168071

(22)【出願日】2020-09-14

【審査請求日】2020-10-12

(73)【特許権者】

【識別番号】502416707

【氏名又は名称】佐藤 紀元

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 紀元

【審査官】大石 剛

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１７１０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－４４９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－１３９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｒ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項3】

スピーカー駆動電圧駆動増幅であって、当該スピーカー駆動電圧増幅器の出力部に出力トランスを設け、当該出力トランスの一次巻線に当該出力部を接続し、当該出力トランスの二次巻線の一方の端子をスピーカー接続端子としこれとアース端子とからスピーカー出力を取り出し、当該出力トランスの当該二次巻線の他の端子とアース端子の間に電流検出抵抗器を設け、当該電流検出抵抗器より負帰還電流を取り出し負帰還をかける回路を設け、当該出力トランスの他の二次巻線の一方の端子を当該スピーカー接続端子に接続し、当該出力トランスの他の二次巻線の他の端子を当該アース端子に接続することを特徴とするスピーカー電圧駆動増幅器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明はスピーカーを駆動するための電力駆動増幅器に関するものである。

【技術背景】

【0002】

スピーカーの再生駆動方式については電圧駆動型のスピーカー駆動増幅器が一般的に普及しており、電流駆動型のスピーカー駆動増幅器が見られるがそれ以外の駆動方式はほとんど見られない。

【先行技術文献】

【0003】

【特許文献】

【文献】特願２０１８－１５５８２２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一般的に今日、電圧駆動方式と電流駆動方式が見られるが、両駆動方式に共通して存在する問題はスピーカーから発生する逆起電圧に起因する周波数ー振幅特性の平坦性が得られないことである。一方、この二つの駆動方式を組み合わせて前記周波数ー振幅特性を平担にする方式が特願２０１８－１５５８２２等に示されている。しかしこれらは一般に市販されているマルチウエイシステムに適用するためには以下に示す課題がある。

【0005】

電圧駆動増幅器の出力と電流駆動増幅器の出力をそれぞれに対応するスピーカーを駆動し、空気中で音圧として合成する方法があるが、ネットワークを用いた３ウエイスピーカーシステム等ではスピーカーユニットの数が多くなり不都合である。

【0006】

前記電圧駆動増幅器の出力と前記電流駆動増幅器の出力をダブルボイスコイルのスピーカーを用いてそれらを別個に駆動し、その駆動力を力学的に合流して振動板を動かす方法がある。これは市販されている３ウエイスピーカーシステムにはネットワークが介在しているので不都合である。

【0007】

出力トランス付きのスピーカー駆動増幅器として、当該出力トランスに複数の１次巻線を設けて，電圧駆動増幅器の出力と電流駆動増幅器の出力をそれぞれ当該１次巻線に接続し磁気的に合成し、その２次巻線から出力する方法がある。
１次巻線側で磁気的に磁気回路にて合成するため振幅歪や出力トランスからの音質劣化が伴う。

【0008】

以上の三つの方法で電圧駆動増幅器出力と電流駆動増幅器の出力の合成方法では、単一のボイスコイルスピーカーや３ウエイスピーカーシステムを駆動するには難点がある。

【0009】

本発明による方法によって単一ボイスコイルのスピーカーや３ウエイスピーカーシステムを駆動し、クロスオーバーポイントで生じるインピーダンスの山谷の乱れを抑える等のためになされものである。

【0010】

真空管電力増幅器には出力トランスがその出力部に用いられているが当該出力トランスに求められる特性として周波数特性やインピーダンス特性等が平坦であること、出力レベルにかかわりなく歪が少ないことが求められる。
本発明では歪成分をインピーダンス変化としてとらえ、それに起因する歪の削減と周波数ー振幅特性を平たんに近ずけるものである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

請求項１について本発明は前記課題のため以下の手段を案出した。
オーディオ電力駆動増幅器であって，電圧駆動増幅器と電流駆動増幅器から構成し、当該電圧駆動増幅器の入力信号と当該電流駆動増幅器の入力信号を同一信号とし、当該電圧駆動増幅器の出力端子と当該電流駆動増幅器の出力端子を接続し、これをスピーカーを接続するための出力端子としアース端子とからスピーカー出力を取り出し、当該電流駆動増幅器の利得と当該電圧駆動増幅器の利得を等しくすることによって機能するオーディオ電力駆動増幅器である。

【0012】

請求項２について本発明は前記課題のため以下の手段を案出した。
オーディオ電力駆動増幅器であって，電圧駆動増幅器と電流駆動増幅器とから構成し，当該電圧駆動増幅器の入力信号と当該電流駆動増幅器の入力信号を同一信号とし、当該電圧駆動増幅器の出力信号をスピーカー接続端子とし、当該電流駆動増幅器の出力部から電流検出抵抗器の一方の端子を接続し、この他方の端子をスピーカー接続端子に接続し、当該電流検出抵抗器を流れる電流を検出する増幅器を設けて、その出力信号を当該電流駆動増幅器の負帰還入力部へ負帰還をかけ、当該スピーカー出力端子とアース端子とからスピーカーを駆動する出力信号を取り出すオーディオ電力駆動増幅器である。

【0013】

請求項３について本発明は前記課題のため以下の手段を案出した。
スピーカー駆動電圧増幅器であって、当該スピーカー駆動電圧増幅器の出力部に出力トランスを設け、当該出力トランスの一次巻線に当該出力部を接続し、当該出力トランスの二次巻線の一方の端子をスピーカー出力端子とし、これとアース端子とからスピーカー出力を取り出し、当該出力トランスの当該二次巻線の他の端子とアース端子の間に電流検出抵抗器を設け、当該電流検出抵抗器より負帰還電流を取り出し負帰還をかける回路を設け、当該出力トランスの他の二次巻線の一方の端子を当該スピーカー出力端子に接続し、当該出力トランスの他の二次巻線の他の端子を当該アース端子に接続するスピーカー駆動電圧増幅器である。

【発明の効果】

【0014】

請求項１と請求項２について動作原理が同じなので請求項１、２について図１に基づいて以下説明する。電圧駆動増幅器（１）の出力部（５）と電流駆動増幅器（２）の出力部（６）を直接接続し、これとスピーカー端子（３）とを接続し、アース端子（４）との間からスピーカーへの出力を取り出すので当該スピーカーから発生する逆起電圧を磁気回路やダブルボイスコイルルや複数のスピーカーからの空気中での音圧合成が介在しないで直接電気的に相殺する音質の向上，歪成分の減少となる。

【0015】

ウーファーやスコーカー，ツイーターの複数のスピーカーを含めたネットワーク付きのマルチウエイスピーカーシステムを前記電圧駆動増幅器と前記電流駆動増幅器の合成した出力信号によって単一のスピーカーを駆動する場合と同様に駆動することができる。

【0016】

ウーファーやスコーカー、ツイーター等複数のスピーカーユニッ卜をネットワーク付きで用いるとクロスオーバーポイントでインピーダンス特性の乱れが生じるが，本発明によって前記インピーダンス特性の乱れは逆起電圧として表れるので、前記電圧駆動増幅器（１）の出力電圧と前記電流駆動増幅器（２）の出力電圧が合流することで当該逆起電圧は相殺され、平坦なインピーダンスーレスポンス特性を示しこれによる周波数歪が削減する。

【0017】

逆起電圧が相殺され、削減されるので信号の応答性が速くなり音質向上となる。以下請求項３について説明する。

【0018】

出力トランスの一次巻線の一次インダクタンスＬｐの変化によるスピーカー端子（３４）では電圧駆動増幅器（４１）の出力電圧Ｖｖ＝Ｖｏ－ｊｗＬｐ’．Ｉとなり電流駆動増幅器（４２）の出力電圧Ｖｉ＝Ｖｏ＋ｊｗＬｐ’．Ｉとなり、前記ＶｖとＶｉは並列接続となっているので合流電圧Ｖｔ＝Ｖｏ＋ｊｗＬｐ’―ｊｗＬｐ’＝Ｖｏとなり一次インダクタンスＬｐは相殺され当該Ｌｐに起因する周波数歪や振幅歪が削除される。
ここでＬｐ’は前記一次インダクタンスＬｐの二次巻線での変換値とする。

【0019】

高域周波数帯では、リーケージインダクタンスＬｓが二次巻線に存在し、当該Ｌｓによって電流駆動する二次巻線側の端子（３８）とアース端子（３３）間にはＶａ＝Ｖｏ＋ｊｗＬｓである出力電圧が出力し、二次巻線を電圧駆動するとＶｂ＝Ｖｏ－ｊｗＬｓである出力電圧が出力し，当該ＶａとＶｂを並列接続することでＶｓ＝Ｖｏ＋（ｊｗＬｓ―ｊｗＬｓ）＝Ｖｏとなり前記リーケージインダクタンスＬｓによる電圧は相殺され消去される。これによって前記出力トランスの前記スピーカー端子（３４）アース端子（３５）には一次巻線と二次巻線の巻線比に対応した出力だけが得られるので高域周波数帯での周波数特性は平たんになる。

【0020】

前記一次インダクタンスＬｐは前記出力トランスへの入力レベルによって変化するが、二次巻線側の前記スピーカー端子（３４）とアース端子（３５）間の出力電圧は、前記一次インダクタンスＬｐの変化分が相殺されるのでその影響は少ない。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】は本発明によるオーディオ電力駆動増幅器の原理図である。

【図2】は本発明による電流駆動と電圧駆動のブロック図である。

【図3】は本発明による出力トランス付き電圧駆動増幅器の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

請求項１について図１に基づいて説明する。電圧駆動増幅器（１）の入力端子（９）と電流駆動増幅器（２）の入力端子（１０）を接続し、入力を受ける端子（８）に接続する。前記電圧駆動増幅器（１）の出力端子（５）と前記電流駆動増幅器（２）の出力端子（６）を接続し、これをスピーカーを接続するためのスピーカー端子（３）に接続し、こことアース端子（４）間から出力を取り出すオーディオ電力駆動増幅器を構成している。

【0023】

入力端子（８）からの入力信号は前記電圧駆動増幅器（１）に入り、その出力信号（１４）は前期出力端子（５）に出力する。一方、前記入力信号は前記電流駆動増幅器（２）に入り出力信号（１５）は前記出力端子（６）とアース端子（４）間に出力する。前記出力端子（５）と前記出力端子（６）は前記スピーカー端子（３）と接続されている。

【0024】

前記電圧駆動増幅器（１）と前記電流駆動増幅器（２）の利得は等しいものとする。

【0025】

前記電圧駆動増幅器（１）の出力端子（５）に出力する入力信号に対応する信号電圧をＶｏとすると、スピーカーのボイスコイルに加わる電圧Ｖｓｐは当該ボイスコイル内に発生する逆起電圧をＶｒとして、これは前記ボイスコイルに流れる電流を妨げる方向なのでＶｓｐ＝Ｖｏ―Ｖｒ………（１）となる。

【0026】

前記電流駆動増幅器（２）の出力端子（６）に出力する入力信号に対応する信号電流をＩｏとすると、前記ボイスコイルに加わる電圧Ｖｓｓ＝Ｉｏ（Ｚｏ＋Ｚｒ）…（２）となる。Ｚｏは前記ボイスコイルの公称インピーダンスで、Ｚｒは増加するインピーダンスとする。Ｉｏ．Ｚｏは前記ボイスコイルに加わる電圧で前記Ｖｏに等しいのは自明である。Ｉｏ．Ｚｒはインピーダンスの増加に対応する電圧で逆起電圧Ｖｒに等しい。前記電圧駆動増幅器（１）と前記電流駆動増幅器（２）との出力は並列接続になっているので両者を加算してもＶｏの電圧は不変でありＶｓｐ＋Ｖｓｓ＝Ｖｏ＋（Ｖｒ―Ｖｒ）＝Ｖｏ…（３）となる。前記ボイスコイルに加わる電圧は入力信号に対応する前記信号電圧Ｖｏだけであり、前記逆起電圧Ｖｒの影響は受けてないので周波数ーレスポンス特性は平たんになりこれによる音質劣化のない動作となっている。

【0027】

前記逆起電圧Ｖｒはボイスコイルに電流が流れ、その結果として発生するのでこの逆起電圧Ｖｒはインピーダンスにたとえられる。前記逆起電圧Ｖｒがインピーダンスに置換されるのはＶｒ＝ＢＬ・Ｆ・１０^－８／Ｚｒ……（４）であり、ここでＢＬはフォースファクターであり、Ｆはボイスコイルに発生する駆動力で，Ｚｒは見かけのインピーダンスとする。（４）式から、ＺｒはキャパシターＣと抵抗ＲとインダクタンスＬとの並列接続された並列インピーダンスと等価となるように導かれるので、前記逆起電圧Ｖｒがインピーダンスにたとえられるのは自明である。

【0028】

請求項２について図２に基づいて説明する。電圧駆動増幅器（２６）と電流駆動増幅器（１７）への入力信号が共通した入力端子（１６）とアース端子（１０）との間に入力する。前記電圧駆動増幅器（２６）の出力信号はスピーカー端子（２５）に接続し、前記電流駆動増幅器（１７）の出力信号は、電流検出抵抗器Ｒ（２４）の一方の端子（１９）に接続し、他方の端子（２０）を通して当該スピーカー端子（２５）に接続し、当該電流検出抵抗器Ｒ（２４）を通して流れる電流を電圧信号として変換して電圧増幅器（１８）に入力する。前記電圧増幅器（１８）の出力信号を前記電流駆動増幅器（１７）の負帰還入力端子（１１）に入力し、当該電流駆動増幅器（１７）の出力は前記スピーカー端子（２５）とアース端子（２２）間から電流出力として取り出す。前記スピーカー端子（２５）において前記電圧駆動増幅器（２６）の出力信号と前記電流駆動増幅器（１７）の出力信号が合流し、当該合流した信号がスピーカーのボイスコイルを駆動する。

【0029】

前記電圧駆動増幅器（２６）の出力信号は前記入力信号に対応して出力する。前記スピーカーのボイスコイルでは、動きを妨げる方向の逆起電圧Ｖｒが発生

駆動増幅器（２６）の出力信号である。前記電流駆動増幅器（１７）の出力信号はス

駆動増幅器（１７）の出力電流であり、Ｚｏは公称インピーダンス、Ｚｒはみかけのインピーダンスである。ＩｏＺｏは前記Ｖｏに等しくＩｏＺｒは前記逆起電圧Ｖｒに等しい。ここで前記電流駆動増幅器（１７）と前記電圧駆動増幅器（２６）での公称インピーダンス負荷時の前記端子（２５）とアース端子（２２）の電圧が共に前記Ｖｏと等しくなるように互いの増幅利得を合わせる。前記電圧駆動増幅器（２６）と前記電流駆動増幅器（１７）との出力は並列接続になっているので両者を加算しても前記Ｖｏは不変であり，Ｖａ＋Ｖｂ＝Ｖｏ＋（Ｖｒ―Ｖｒ）＝Ｖｏとなり逆起電圧の影響は無くなり、周波数特性は平坦な特性となる。

【0030】

請求項３について図３に基づいて説明する。入力信号は入力端子（３６）とアース端子（３７）を通して電圧駆動増幅器（２７）に入りその出力部（２９）より出力トランス（４３）の一次巻線の端子（２８）とアース間に出力信号として加わる。前記出力トランス（４３）の二次巻線を２回路設け、一回路の端子（３０）と端子（３１）から電圧出力を取り出し、当該一回路の端子（３０）と他の一回路の端子（３８）とスピーカー端子（３４）とを接続する。

【0031】

前記他の一回路の別の端子（３２）とアース端子（３３）の間に電流駆動のための電流検出抵抗器（３９）を接続し、当該別の端子（３２）から前記電圧駆動増幅器（２７）の負帰還入力部（４０）へ負帰還をかける。前記スピーカー端子（３４）とアース端子（３５）をスピーカーを接続するための出力端子とする。

【0032】

出力トランスの性能として、周波数特性やインピーダンス特性の平坦さが求められる。前記周波数特性に影響を及ぼすのは低域周波数帯域における一次巻線での一次インダクタンスＬｐである。前記出力トランスの二次巻線（４２）を電流駆動すると前記一次インダクタンスＬｐの二次巻線にインピーダンス変換したインダクタンスＬｐ’に対応してその出力電圧は増加する。二次巻線側を二回路設けてその一回路を電流駆動するが、他の一回路について電圧駆動すると前記インダクタンスＬｐ’に対応してその出力電圧は減少する。

【0033】

前記二次巻線（４２）を電流駆動するとその出力端子（３８）とアース端子（３５）にはＶｉ＝Ｖｏ＋ｊｗＬｐ’・Ｉｉ……（７）という出力電圧が得られる。ここでＶｉは前記出力電圧で、Ｖｏは一次巻線と二次巻線の巻線比で前記二次巻線（４２）に誘導される電圧で、ｊｗＬｐ’は前記二次巻線変換したインダクタンスを示し、Ｉｉは前記二次巻線（４２）を流れる電流を示す。ｊｗＬｐ’・Ｉｉは電流駆動による電圧増加成分である。前記他の一回路の二次巻線（４１）を電圧駆動すると前記二次巻線（４１）のインダクタンスによってＶｖ＝Ｖｏ―ｊｗｌｐ’・Ｉｉ……（８）という出力電圧が得られる。ここでーｊｗＬｐ’・Ｉｉは電圧駆動による電圧降下成分である。Ｖｖは前期端子（３０）とアース端子（３１）間の出力電圧とし、ｊｗＬｐ’・ＩｉとＶｏは（７）式に示されたものと等しく設定する。

【0034】

前記端子（３０）と前記端子（３８）と前記スピーカー端子（３４）は接続しており、並列接続になっているので（７）式と（８）式は合流して加算されるがＶｏは変化なく、前記スピーカー端子（３４）とアース端子（３５）間の出力電圧ＶｔはＶｔ＝Ｖｏ＋（ｊｗｌｐ’Ｉｉ－ｊｗＬｐ’Ｉｉ）＝Ｖｏとなり、Ｖｔ＝Ｖｏとなり一次インダクタンスの影響が消去され、巻線比（Ｎ１／Ｎ２）^２に誘導された電圧出力だけとなる。

【0035】

前記一次インダクタンスはもろもろの条件で変化する。出力トランスでの前記一次インダクタンスＬｐは非透磁率と比例関係にある。フェライトやパーマロイ等材質の違いによって前記非透磁率は異なってくる結果前記一次インダクタンスＬｐも変わってくる。また入力レベルが変化しても前記一次インダクタンスＬｐは変わり入力レベルが増加するにつれ増加する。

【0036】

鉄心の磁化特性はヒステレヒス特性をもつので二次巻線に誘導される出力電流は一次巻線に比例しない歪となるが、これは前記一次インダクタンスＬｐの変化となって現れる。

【0037】

高域周波数帯で音質劣化の原因になるのが二次インダクタンスｊｗＬｓであって、これも［００３４］の説明と同様に＋ｊｗＬｓと－ｊｗＬｓとで相殺され、これに起因する周波数歪や振幅歪が消える。

【0038】

これらの動作は出力トランスの二次巻線側でなされるので、当該出力卜ランスの磁気回路のおいて生じる周波数歪や振幅歪が解消され音質の向上となる。電流駆動増幅器としてカレントミラー増幅器も適用可能である。

【符号の説明】

【0039】

１：電圧駆動増幅器
２：電流駆動増幅器
３：スピーカー端子
４：アース端子
８：入力端子
１１：負帰還入力端子
１６：入力端子
１７：電流駆動増幅器
１８：電圧増幅器
２２：アース端子
２４：電流検出抵抗器
２５：スピーカー端子
２６：電圧駆動増幅器
２７：電圧駆動増幅器
３４：スピーカー端子
３９：電流検出抵抗器
４０：負帰還入力部
４３：出力トランス

【要約】      （修正有）

【課題】電圧駆動方式と電流駆動方式が見られるが、両駆動方式に共通して存在する問題はスピーカーから発生する逆起電圧に起因する周波数ー振幅特性の平坦性が得られない。本発明は逆起電圧を減らしまた、出力トランスの一次インダクタンスを減らすことの出来るスピーカーを駆動するための電力駆動増幅器を提供する。
【解決手段】オーディオ電力駆動増幅器において、電圧駆動増幅器１の出力電圧と電流駆動増幅器２の出力電圧を直接加算合流することで逆起電圧を相殺し平坦なインピーダンスーレスポンス特性を示し、これによる周波数歪が減少する。また出力トランスの一次インダクタンスを削減する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】