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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-03
(45)【発行日】2024-07-11
(54)【発明の名称】拡声装置
(51)【国際特許分類】
H04R 27/00 20060101AFI20240704BHJP
H03F 1/02 20060101ALI20240704BHJP
H03F 3/20 20060101ALI20240704BHJP
【ＦＩ】
H04R27/00 Z
H03F1/02 111
H03F3/20
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2022532901
(86)(22)【出願日】2020-06-30
(86)【国際出願番号】 JP2020025737
(87)【国際公開番号】W WO2022003844
(87)【国際公開日】2022-01-06
【審査請求日】2022-10-12
(73)【特許権者】
【識別番号】000223182
【氏名又は名称】ＴＯＡ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110004196
【氏名又は名称】弁理士法人ナビジョン国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】浅田 和磨
(72)【発明者】
【氏名】尾▲崎▼ 亮介
【審査官】大石 剛
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１６０２８２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２０／０２１５９１（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｒ ２７／００
Ｈ０３Ｆ １／０２
Ｈ０３Ｆ ３／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
給電装置から入力される直流電源の電圧変換を行う電圧変換部と、電圧変換後の直流電源を用いて音声信号を増幅し、電気音響変換器を駆動する駆動信号を生成するパワーアンプと、
前記給電装置からの入力電力を検出する電力検出部と、
前記給電装置の供給上限電力に対応する電力判定閾値を保持する閾値保持部と、
前記入力電力及び前記電力判定閾値に基づいて、前記電圧変換部の出力電圧を制御する電圧制御部と、
前記電圧変換部及び前記パワーアンプの間に接続され、前記電圧変換部の出力電圧の低下時に前記パワーアンプに電源を供給する電荷蓄積部とを備え、
前記電圧制御部は、前記入力電力が前記電力判定閾値を超える場合に、前記出力電圧が第１電圧となるように制御し、前記入力電力が前記電力判定閾値以下の場合に、前記出力電圧が第１電圧よりも高い第２電圧となるように制御することを特徴とする拡声装置。
【請求項2】
前記電力検出部は、前記電圧変換部の出力電流を検出する電流検出部を備え、前記電圧変換部の出力電圧及び出力電流に基づいて前記入力電力を求めることを特徴とする請求項１に記載の拡声装置。
【請求項3】
前記供給上限電力は、前記給電装置からの電源供給の開始前に、予め定められたプロトコルに基づいて、前記給電装置との間で行われるネゴシエーションにおいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の拡声装置。
【請求項4】
前記給電装置は、複数の電力クラスを有するＩＥＥＥ８０２．３規格に準拠して給電を行うものであり、ＩＥＥＥ８０２．３規格に準拠して、前記給電装置からの電源供給の開始前に前記給電装置との間で行われるネゴシエーションを通じて、前記複数の電力クラスからいずれかの電力クラスを決定するＰｏＥインターフェース部を備え、
前記供給上限電力は、前記ＰｏＥインターフェース部により決定された電力クラスに対応する、ＩＥＥＥ８０２．３規格で定められた供給上限電力であることを特徴とする請求項１に記載の拡声装置。
【請求項5】
前記第１電圧は、前記駆動信号が最大電力である場合に、前記入力電力が前記供給上限電力を超えない値であることを特徴とする請求項１に記載の拡声装置。
【請求項6】
前記電荷蓄積部の端子電圧及び予め定められた電圧判定閾値の比較結果に基づいて、前記音声信号の振幅制限を行う振幅制限部を備え、前記電圧判定閾値が、前記第１電圧及び前記第２電圧の間の値であることを特徴とする請求項１に記載の拡声装置。
【請求項7】
前記振幅制限部は、予め定められた振幅制限期間の経過後に終了することを特徴とする請求項６に記載の拡声装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、拡声装置に係り、さらに詳しくは、給電装置からの電源供給を受けて動作する拡声装置の改良に関する。
【背景技術】
【0002】
屋内又は屋外の放送エリア内の滞在者に対し、音声により情報を伝達する拡声放送システムが知られている。拡声放送システムは、１又は２以上の拡声装置を備える。各拡声装置は、音声信号を増幅してスピーカ駆動信号を生成するパワーアンプと、スピーカ駆動信号を音波に変換するスピーカとを備え、音声信号に応じた音声を出力する。また、拡声装置における消費電力は、その大部分がパワーアンプの消費電力である。このため、拡声装置の消費電力は、音声信号に応じて変動する。従って、外部の給電装置から電源供給を受けている場合、拡声装置への入力電力は大きく変動する。
【0003】
給電装置の電源容量に十分な余裕がある場合には、拡声装置の入力電力の変動は問題とならない。しかし、給電装置の電源容量が十分ではなく、拡声装置に供給可能な供給上限電力が拡声装置の最大消費電力よりも小さい場合がある。このような場合には、供給上限電力を超えないように、拡声装置の消費電力を抑制する必要がある。
【0004】
例えば、パワーアンプの電源電圧を低下させることにより、パワーアンプにおける消費電力を抑制することができる。しかし、電源電圧が低下すれば、スピーカ出力が低下し、放送エリア内の聴者が音声を聴別し、理解することが難しくなるという問題があった。
【0005】
しかも、電源電圧が同一であっても、正弦波の電力は、歪みのないときの「無歪最大電力」が方形波の電力の約５０％であることから、電源電圧は、音声信号が方形波であっても供給上限電力を超えない値に決定しなければならない。このため、音声信号が正弦波の場合には、供給上限電力の５０％しか使用することができず、給電装置の電源容量が十分でない場合、必要なスピーカ出力を確保することが難しいという問題があった。
【0006】
さらに、ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格で定められるＰｏＥ（Power over Ethernet）や、その上位規格ＩＥＥＥ８０２．３ａｔで定められるＰｏＥ＋に準拠した給電装置の場合、受電装置としての拡声装置が、供給上限電力を超える電力を消費した場合、直ちに電源供給を停止し、電源供給を再開するには、拡声装置をリセットする必要がある。このため、ＰｏＥに準拠した給電装置から電源供給を受ける場合、十分なスピーカ出力を確保することが難しいという問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、入力電力が給電装置の供給上限電力を超えないように電力制御を行いつつ、音声の聴別を容易にする拡声装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明による第１の実施態様による拡声装置は、給電装置から入力される直流電源の電圧変換を行う電圧変換部と、電圧変換後の直流電源を用いて音声信号を増幅し、電気音響変換器を駆動する駆動信号を生成するパワーアンプと、前記給電装置からの入力電力を検出する電力検出部と、前記給電装置の供給上限電力に対応する電力判定閾値を保持する閾値保持部と、前記入力電力及び前記電力判定閾値に基づいて、前記電圧変換部の出力電圧を制御する電圧制御部と、前記電圧変換部及び前記パワーアンプの間に接続され、前記電圧変換部の出力電圧の低下時に前記パワーアンプに電源を供給する電荷蓄積部とを備える。
【0009】
このような構成を採用することにより、給電装置から入力される直流電源が、電圧変換部を介してパワーアンプに供給され、給電装置からの入力電力に基づいて、電圧変換部の出力電圧を制御することができる。このため、供給上限電力を超えないように入力電力を制御することができる。
【0010】
また、電圧変換部の出力が低下した直後には、パワーアンプに対し電荷蓄積部から電源を供給することができる。このため、給電装置からの入力電力を制限しつつ、入力電力よりも大きな電力をパワーアンプに供給することができる。
【0011】
また、連続音出力期間の少なくとも冒頭部分について、入力電力の制限を受けることなく、音声を出力することができる。このため、放送エリア内の聴者は、拡声装置から出力される音声を聴別することが容易になる。
【0012】
本発明による第２の実施態様による拡声装置は、上記構成に加えて、前記電力検出部が、前記電圧変換部の出力電流を検出する電流検出部を備え、前記電圧変換部の出力電圧及び出力電流に基づいて前記入力電力を求めるように構成される。
【0013】
本発明による第３の実施態様による拡声装置は、上記構成に加えて、前記供給上限電力が、前記給電装置からの電源供給の開始前に、予め定められたプロトコルに基づいて、前記給電装置との間で行われるネゴシエーションにおいて決定されるように構成される。
【0014】
本発明による第４の実施態様による拡声装置は、上記構成に加えて、前記供給装置が、複数の電力クラスを有するＩＥＥＥ８０２．３規格に準拠して給電を行うものであり、ＩＥＥＥ８０２．３規格に準拠して、前記給電装置からの電源供給の開始前に前記給電装置との間で行われるネゴシエーションを通じて、前記複数の電力クラスからいずれかの電力クラスを決定するＰｏＥインターフェース部を備え、前記供給上限電力が、前記ＰｏＥインターフェース部により決定された電力クラスに対応する、ＩＥＥＥ８０２．３規格で定められた供給上限電力であるように構成される。
【0015】
本発明による第５の実施態様による拡声装置は、上記構成に加えて、前記電圧制御部が、前記入力電力が前記電力判定閾値を超える場合に、前記出力電圧が第１電圧となるように制御し、前記入力電力が前記電力判定閾値以下の場合に、前記出力電圧が第１電圧よりも高い第２電圧となるように制御し、第１電圧が、前記駆動信号が最大電力である場合に、前記入力電力が前記供給上限電力を超えない値であるように構成される。
【0016】
本発明による第６の実施態様による拡声装置は、上記構成に加えて、前記電荷蓄積部の端子電圧及び予め定められた電圧判定閾値の比較結果に基づいて、前記音声信号の振幅制限を行う振幅制限部を備え、前記電圧判定閾値が、前記第１電圧及び前記第２電圧の間の値であるように構成される。
【0017】
本発明による第７の実施態様による拡声装置は、上記構成に加えて、前記電荷蓄積部の前記振幅制限部は、予め定められた振幅制限期間の経過後に終了するように構成される。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、入力電力が給電装置の供給上限電力を超えないように電力制御を行いつつ、音声の聴別を容易にする拡声装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の実施の形態１による拡声装置２を含む拡声放送システム１００の一構成例を示した図である。
【図3】ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ、ＩＥＥＥ８０２．３ａｔ及びＩＥＥＥ８０２．３ｂｔ規格で定められた電力クラスと供給上限電力Ｐｍａｘとを示す図である。
【図5】本発明と比較すべき比較例を示した図であり、電力制限を行わない場合のスピーカ出力が示されている。
【図6】本発明と比較すべき比較例を示した図であり、電圧制限を行う場合のスピーカ出力が示されている。
【図7】本発明の実施の形態２による拡声装置２の一構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による拡声装置２を含む拡声放送システム１００の一構成例を示した図である。拡声放送システム１００は、音声データを生成する音源装置１と、音声を再生する拡声装置２と、音源装置１及び拡声装置２間において音声データを中継するスイッチングハブ３とを備える。
図１は、本発明の実施の形態１による拡声装置２を含む拡声放送システム１００の一構成例を示した図である。拡声放送システム１００は、音声データを生成する音源装置１と、音声を再生する拡声装置２と、音源装置１及び拡声装置２間において音声データを中継するスイッチングハブ３とを備える。
【0021】
拡声放送システム１００は、予め定められた屋内又は屋外の放送エリア内の滞在者に対し、音声により情報を伝達するシステムであり、例えば、オフィスビル、ショッピングセンター、駅、空港、学校、コンサートホール、グランドなどに設置されるＰＡシステム（public address system）である。情報伝達に使用される音声は、発話音、音楽、災害警報のような警報音、チャイムのような効果音などにより構成される。
【0022】
音源装置１は、音声データ又は制御データを含むパケットデータを生成する装置であり、例えば、インターネットプロトコル通信が可能なＩＰパケットが生成される。音声データには、マイクなどから入力される入力音声、記憶媒体に予め保持されている録音音声、電子音源が生成する合成音声などの音声情報が含まれる。制御データは、拡声装置２に対する制御データであり、例えば、拡声装置２内に保持している録音音声等の音声データ（内蔵音声データ）を指定するデータである。生成されたパケットデータは、音源装置１から拡声装置２へ送信される。パケットデータは、宛先を指定して送出され、１つの音源装置１に２以上の拡声装置２が接続されている場合、各拡声装置２に対し、同一のパケットデータ又は異なるパケットデータを送出することができる。
【0023】
拡声装置２は、音声を再生する音声再生装置であり、再生された音声を放送エリアに放出する。拡声装置２は、音源装置１からパケットデータを受信し、当該パケットデータから音声データ及び制御データを抽出することにより音声を再生する。拡声装置２は、例えば、業務放送や非常放送等の拡声放送（パブリックアドレス）の用途に用いられる。
【0024】
スイッチングハブ３は、音源装置１からパケットデータを受信し、その宛先に応じた拡声装置２へ送信する中継装置である。音源装置１は、有線又は無線によりスイッチングハブ３に接続され、拡声装置２は、ケーブル４を用いてスイッチングハブ３に接続される。２以上のスイッチングハブ３を介在させて、音源装置１及び拡声装置２を接続することもできる。また、スイッチングハブ３を介在させることなく、ケーブル４を用いて、音源装置１及び拡声装置２を直接的に接続することもできる。
【0025】
拡声装置２は、ケーブル４を介して、パケットデータを受信するとともに、電源の供給を受ける。拡声装置２及びスイッチングハブ３間の給電は、例えば、ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格で定められるＰｏＥ（Power over Ethernet）及びＩＥＥＥ８０２．３ａｔ規格で定められているＰｏＥ＋に準拠しており、スイッチングハブ３が給電装置（ＰＳＥ：Power Source Device）、拡声装置２が受電装置（ＰＤ：Powered Device）として用いられる。なお、スイッチングハブ３を介在させることなく、音源装置１及び拡声装置２をケーブル４で接続する場合には、音源装置１が給電装置として用いられる。
【0026】
ケーブル４は、それぞれ２本の導線を撚り合わせて構成される４対のツイストペアを内蔵し、これらのツイストペアが、データ通信用又は電源供給用に割り当てられる。また、１つのツイストペアをデータ通信用及び電源供給用の両方に用いることもできる。このため、単一のケーブル４を用いて接続するだけで、拡声装置２及びスイッチングハブ３間において、電源供給及びデータ通信を同時に行うことができる。
【0027】
ケーブル４を用いることにより、拡声装置２の設置時に電源ラインを敷設する必要がなくなり、拡声装置２の設置作業を容易化することができる。例えば、天井のように設置作業が困難な場所に拡声装置２を設置する場合、電源ラインの敷設を省略することができるので、設置コストを抑制することができるとともに、拡声装置２の設置場所の自由度を向上させることができる。
【0028】
図２は、図１の拡声装置２の一構成例を示したブロック図である。拡声装置２は、インターフェース部２００、音声処理部２０１、パワーアンプ２０２、スピーカ２０３、電圧変換部２０４、電力検出部２０５、電圧制御部２０６、閾値保持部２０７、電荷蓄積部２０８及び音声入力端子２０９を備える。また、拡声装置２は、ケーブル４を介して、音源装置１、スイッチングハブ３などの給電装置１０が接続されている。
【0029】
インターフェース部２００は、給電装置１０との双方向通信を行うとともに、給電装置１０から直流電源が供給される。また、インターフェース部２００は、音声処理部２０１へ音声データ又は制御データを出力し、閾値保持部２０７へ電力クラスを出力し、さらに、拡声装置２内の各ブロックに直流電源を供給する。
【0030】
給電装置１０から供給された直流電源は、電圧変換部２０４に入力されるとともに、音声処理部２０１、電圧制御部２０６、閾値保持部２０７などにも駆動電源として供給される。
【0031】
インターフェース部２００は、給電装置１０との間でネゴシエーションを行って電力クラスを決定し、決定した電力クラスに応じた閾値電力Ｐｔｈを閾値保持部２０７へ出力する。給電装置１０とのネゴシエーションは、拡声装置２が給電装置１０に接続され、給電装置１０からの電源供給が開始される際、予め定められたプロトコルに従って行われる。例えば、ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格又はＩＥＥＥ８０２．３ａｔ規格で定められた給電装置及び受電装置間でのネゴシエーションが行われる。
【0032】
電力クラスは、供給上限電力Ｐｍａｘに対応づけられており、電力クラスを決定すれば、給電装置１０から拡声装置２へ供給可能な最大電力が決まる。このため、電力クラスの決定後に、拡声装置２における消費電力が当該電力クラスに相当する供給上限電力Ｐｍａｘを超えると、給電装置１０からの電力供給は直ちに停止される。すなわち、給電装置１０は、拡声装置２における消費電力を所定の周期で検知し、検知した消費電力が電力クラスに応じた供給上限電力Ｐｍａｘを超えると電力供給を停止するよう構成されている。
【0033】
閾値電力Ｐｔｈは、供給上限電力Ｐｍａｘに基づき決定される。電力判定閾値Ｐｔｈは、拡声装置２の入力電力が供給上限電力Ｐｍａｘを超えないように、電圧変換部２０４の電圧制御を行うための閾値である。例えば、電力クラスに対応する供給上限電力Ｐｍａｘと同一の値、又は、所定のマージンを考慮した値を電力判定閾値Ｐｔｈとすることができる。
【0034】
図３は、３つの上記規格ＰｏＥ、ＰｏＥ＋及びＰｏＥ＋＋にまたがって設定されている電力クラスと、電力クラスごとに定められている供給上限電力Ｐｍａｘとについて、一例を示した図である。ネゴシエーションにより電力クラスが決定されると、当該電力クラスに対応する供給上限電力Ｐｍａｘが分かる。例えば、ネゴシエーションの結果、電力クラス４が決定された場合、供給上限電力Ｐｍａｘは２５．５Ｗであることが分かり、２５．５Ｗ又はこれを若干下回る値を閾値電力Ｐｔｈとして決定する。インターフェース部２００は、図３に示すような、ネゴシエーションによって特定されうる複数の電力クラスと、電力クラスごとの供給上限電力Ｐｍａｘとが対応付けられた表を保持し、この表を参照して、ネゴシエーションにより特定された電力クラスに対応する閾値電力Ｐｔｈを決定する。あるいは、各電力クラスに対応する供給上限電力Ｐｍａｘに基づき予め閾値電力Ｐｔｈを決定しておき、各電力クラスと閾値電力Ｐｔｈとを対応づけた表を保持し、この表を参照して、ネゴシエーションにより特定された電力クラスに対応する閾値電力Ｐｔｈを決定することもできる。
【0035】
また、インターフェース部２００は、給電装置１０からパケットデータを受信すれば、当該パケットデータから音声データ又は制御データを抽出し、音声処理部２０１へ出力する。
【0036】
音声処理部２０１は、インターフェース部２００から入力される音声データ又は制御データに基づいて、アナログ信号又はデジタル信号としての音声信号を生成する。音声信号は、給電装置１０から受信した音声データに基づいて生成することができる。また、音声処理部２０１が予め保持している２以上の音声データ（内蔵音声データ）のうち、制御データが指定する音声データに基づいて音声信号を生成することもできる。また、給電装置１０からの受信パケットデータに音声データ及び制御データの両方が含まれる場合、音声処理部２０１は、音声データに基づく音声信号と、制御データが指定する内蔵音声データに基づく音声信号とをミキシングした音声信号を生成することもできる。
【0037】
音声入力端子２０９は、マイクロホン等の外部音源と接続され、外部音源から音声信号の入力を受け付ける端子である。音声入力端子２０９は、音声処理部２０１とパワーアンプ２０２との間に接続され、音声入力端子２０９を介して入力された音声信号はパワーアンプ２０２に供給される。
【0038】
パワーアンプ２０２は、音声信号の電力増幅を行って、スピーカ２０３を駆動するためのスピーカ駆動信号を生成する増幅回路であり、電圧変換部２０４を介して駆動電源が供給される。パワーアンプ２０２は、音声処理部２０１から入力される音声信号、音声入力端子２０９から入力される音声信号、又は、これらがミキシングされた音声信号を増幅する。スピーカ２０３は、パワーアンプ２０２からのスピーカ駆動信号を音波に変換し、放送エリアに出力する手段である。
【0039】
スピーカ２０３の出力電力（以下、スピーカ出力という。）は、パワーアンプ２０２の消費電力であるとみなすことができる。パワーアンプ２０２の消費電力は、音声信号に応じて変化し、また、パワーアンプ２０２に供給される電源電圧に応じて変化する。このため、例えば、音声信号の振幅が増大すれば、スピーカ出力も増大し、振幅が減少すればスピーカ出力も減少する。また、パワーアンプ２０２の駆動電源の電圧が増加すれば、スピーカ２０３の最大出力電力が増大し、低下すればスピーカ２０３の最大出力電力も減少する。
【0040】
電圧変換部２０４は、直流電源の電圧変換を行うＤＣ－ＤＣコンバータであり、インターフェース部２００からの入力電源の電圧を異なる電圧に変換する。電圧変換部２０４の出力電圧は、電圧制御部２０６の電圧制御信号Ｓ１に基づいて制御され、高電圧Ｖ２又は低電圧Ｖ１のいずれかを出力する。例えば、入力電圧が４４～５７Ｖの場合に、出力電圧は、高電圧Ｖ２を１７Ｖ、低電圧Ｖ１を１２Ｖにすることができる。
【0041】
電力検出部２０５は、給電装置１０からの入力電力Ｐｉを検出する手段である。電力検出部２０５は、電圧変換部２０４の出力電流ｉＤを検出する電流検出部２０５ｅを備え、検出された電流値に基づいて、給電装置１０からの入力電力Ｐｉを求める。電圧変換部２０４の出力電流ｉＤは、例えば、電圧変換部２０４の出力端子に小抵抗を直列接続し、当該抵抗の端子間電圧を計測することにより検出される。電圧変換部２０４及び電荷蓄積部２０８の間に電流検出部２０５ｅを設けることにより、電荷蓄積部２０８の放電による影響を受けることなく、電圧変換部２０４の出力電流ｉＤを計測することができる。
【0042】
給電装置１０からの入力電力は、その大部分が電圧変換部２０４において電圧変換され、パワーアンプ２０２又は電荷蓄積部２０８に供給され、最終的にはスピーカ出力となる。このため、電圧変換部２０４の出力電力を給電装置１０からの入力電力とみなすことができる。電圧変換部２０４の出力電力は、電圧変換部２０４の出力電圧及び出力電流ｉＤから求めることができ、電圧変換部２０４の出力電圧は、電圧制御部２０６によって制御される既知の値である。このため、電流検出部２０５ｅの検出電流に基づいて、給電装置１０からの入力電力を求めることができる。
【0043】
電圧制御部２０６は、給電装置１０からの入力電力に応じて、電圧変換部２０４の出力電圧を制御する手段であり、入力電力が供給上限電力Ｐｍａｘを超えることがないように制御を行っている。電圧制御部２０６は、電力検出部２０５が求めた入力電力に基づいて電圧制御信号Ｓ１を生成し、電圧変換部２０４の出力電圧を制御する。
【0044】
電圧制御信号Ｓ１は、給電装置１０からの入力電力と、閾値保持部２０７が保持する電力判定閾値Ｐｔｈとを比較することにより生成される。例えば、入力電力が電力判定閾値Ｐｔｈ以下であれば、高電圧Ｖ２（第２電圧）を指示する電圧制御信号Ｓ１が生成され、電力判定閾値Ｐｔｈを超えていれば、低電圧Ｖ１（第１電圧）を指示する電圧制御信号Ｓ１が出力される。低電圧Ｖ１は、スピーカ出力が最大になる音声信号が音声処理部２０１から出力された場合であっても、スピーカ出力が供給上限電力Ｐｍａｘを超えないパワーアンプ２０２の電源電圧として予め決定される。
【0045】
閾値保持部２０７は、電力判定閾値Ｐｔｈを保持する手段である。電力判定閾値Ｐｔｈは、インターフェース部２００が決定した電力クラスに基づいて定められる。例えば、電力クラスに対応する供給上限電力Ｐｍａｘに所定のマージンを考慮した値を電力判定閾値Ｐｔｈとすることができるが、本実施の形態では、便宜上、電力判定閾値Ｐｔｈが供給上限電力Ｐｍａｘと一致している場合の例について説明する。
【0046】
電荷蓄積部２０８は、パワーアンプ２０２及び電力検出部２０５間に接続された容量素子であり、電荷蓄積部２０８の端子電圧が、パワーアンプ２０２の電源電圧となる。電荷蓄積部２０８は、電圧変換部２０４が高電圧Ｖ２を出力しているときに充電される。また、電荷蓄積部２０８は、電圧変換部２０４が低電圧Ｖ１を出力しているときに放電し、蓄積電荷をパワーアンプ２０２に供給する。つまり、スピーカ出力は、電圧変換部２０４及び電荷蓄積部２０８によって供給される。
【0047】
図４は、図２の拡声装置２の動作の一例を示したタイミングチャートであり、例えば、１秒未満の短い音を大音量で出力する音声信号が与えられた場合の様子が示されている。図中の（ａ）には、スピーカ２０３の出力電力、（ｂ）には、給電装置１０から供給される入力電力Ｐｉ、（ｃ）には、電圧制御部２０６が生成する電圧制御信号Ｓ１、（ｄ）には、電荷蓄積部２０８の端子電圧がそれぞれ示されている。
【0048】
図中の（ａ）に実線で示した特性Ｌ１は、図２の拡声装置２におけるスピーカ出力の変化を示しており、破線で示した特性Ｌ２は、音声信号の通りにスピーカ２０３を駆動することができたと仮定した場合におけるスピーカ出力の変化を示している。図中の（ｂ）に示した実線の特性Ｌ１及び破線の特性Ｌ２も、入力電力Ｐｉについて同様に示したものである。
【0049】
音声信号は、スピーカ出力を低出力から高出力に増大させた後、再び低出力に戻すように変化し、高出力時におけるスピーカ出力は供給上限電力Ｐｍａｘを超えている。図中のＰ１は、低出力時におけるスピーカ２０３の出力電力であり、電力判定閾値Ｐｔｈよりも小さな値である。図中のＰ２は、高出力時におけるスピーカ２０３の出力電力であり、電力判定閾値Ｐｔｈよりも大きな値である。音声信号は、時刻ｔ１に電力判定閾値Ｐｔｈを跨いで、スピーカ出力を低電力Ｐ１から高電力Ｐ２へ変化させた後、時刻ｔ３に再び電力判定閾値Ｐｔｈを跨いで、スピーカ出力を高電力Ｐ２から低電力Ｐ１に変化させる。
【0050】
図中のＴｓは、音声信号の通りにスピーカを駆動して音声出力を行った場合に、連続音が出力される連続音出力期間Ｔｓである。本明細書における連続音とは、スピーカ出力が供給上限電力Ｐｍａｘを上回る状態が続く一連の音を指すものとする。連続音出力期間Ｔｓは、このような連続音の出力期間であり、スピーカ出力が供給上限電力Ｐｍａｘ以下になる休止期間によって区切られた期間である。
【0051】
入力電力Ｐｉが電力判定閾値Ｐｔｈよりも小さい低電力Ｐ１であれば、電圧制御部２０６は高電圧Ｖ２を指示する電圧制御信号Ｓ１を生成し、電圧変換部２０４は高電圧Ｖ２を出力する。図４では、最初、このような状態が継続し、電荷蓄積部２０８は、高電圧Ｖ２に充電された状態になっている。
【0052】
その後、スピーカ出力が増大し、電力判定閾値Ｐｔｈに到達する（時刻ｔ１）。その後は、電圧変換部２０４の出力電圧が、低電圧Ｖ１及び高電圧Ｖ２の間を往復するように振動することにより、入力電力が抑制される。
【0053】
電圧変換部２０４が高電圧Ｖ２を出力している状態において、スピーカ出力が電力判定閾値Ｐｔｈに到達すれば、入力電力Ｐｉも電力判定閾値Ｐｔｈに到達する。このため、電圧制御部２０６が低電圧Ｖ１を指示する電圧制御信号Ｓ１を生成し、電圧変換部２０４の出力電圧は、低電圧Ｖ１に切り替わる。しかし、電圧変換部２０４の出力電圧が低電圧Ｖ１に切り替わると、当該出力電圧は、電荷蓄積部２０８の端子電圧よりも低くなる。このため、パワーアンプ２０２への電源供給は、電荷蓄積部２０８によって行われ、出力電流ｉＤはゼロ、入力電力Ｐｉもほぼゼロになる。その結果、電圧制御部２０６は高電圧Ｖ２を指示する電圧制御信号Ｓ１を生成し、電圧変換部２０４の出力電圧は、再び高電圧Ｖ２に切り替わる。
【0054】
つまり、時刻ｔ１以降、電圧制御信号Ｓ１は、高電圧Ｖ２及び低電圧Ｖ１の間で交互に切り替わり、電圧変換部２０４の出力電圧は、高電圧Ｖ２及び低電圧Ｖ１の間を往復するように振動する。例えば、２０μ秒の周期で振動する。この周期は、供給装置１０が拡声装置２の消費電力を検知する周期、例えば、数ｍ秒～数１０ｍ秒よりも十分早い周期となるよう設定されている。このようにして出力電圧を振動させることにより、入力電力Ｐｉが電力判定閾値Ｐｔｈを超えないように電力制限を行うことができる。
【0055】
また、時刻ｔ１以降、電荷蓄積部２０８は放電し、電荷蓄積部２０８の端子電圧は、高電圧Ｖ２から次第に低下し、時刻ｔ２において低電圧Ｖ１に到達する。つまり、時刻ｔ１～ｔ２までの間、パワーアンプ２０２への電源供給は、主として電荷蓄積部２０８によって行われている。このため、電力判定閾値Ｐｔｈを超えないように入力電力を抑制しつつ、電力判定閾値Ｐｔｈを超えるスピーカ出力を実現することができる。
【0056】
時刻ｔ２以降は、振動中の電圧変換部２０４によりパワーアンプ２０２への電源供給が行われる。このとき、電荷蓄積部２０８の端子電圧は、低電圧Ｖ１を維持している。
【0057】
その後、音声信号に従ってスピーカ出力が低下し、時刻ｔ３に電力判定閾値Ｐｔｈに到達する。さらにスピーカ出力が低下し、電力判定閾値Ｐｔｈを下回る。このとき、電荷蓄積部２０８の充電が開始されるため、入力電力には、電荷蓄積部２０８の充電に用いられる電力が新たに加わる。このため、スピーカ出力が電力判定閾値Ｐｔｈ以下になっても、入力電力は電力判定閾値Ｐｔｈ以下にならず、電圧変換部２０４の出力電圧は振動を継続する。
【0058】
ここで、電圧変換部２０４の出力電圧が高電圧Ｖ２から低電圧Ｖ１へ低下する変化は迅速に行われる一方、低電圧Ｖ１から高電圧Ｖ２へ増大する変化は所定の時定数に従って緩やかに行われる。このため、電圧変換部２０４の出力電圧が振動中であっても、スピーカ出力が電力判定閾値Ｐｔｈ未満であれば、電荷蓄積部２０８の充電を行うことができる。
【0059】
その後、スピーカ出力が更に低下し、それに応じて電荷蓄積部２０８の充電電流が増大する（時刻ｔ３～ｔ４）。しかし、電荷蓄積部２０８の端子電圧は、電荷の蓄積によって次第に上昇し、充電電流は減少に転じる。その結果、入力電力が電力判定閾値Ｐｔｈを下回るようになれば、電圧変換部２０４の出力電圧は、高電圧Ｖ２になり、振動を停止する（時刻ｔ５）。電荷蓄積部２０８の充電は、その後も継続され、端子電圧が高電圧Ｖ２に達すれば充電を終了する（時刻ｔ６）。
【0060】
【0061】
図５には、電力制限を行わない場合のスピーカ出力が示されている。図中に示した実線の特性Ｌ１及び破線の特性Ｌ２は、図４の（ａ）の場合と同様である。電力制限を行っていないため、スピーカ出力が供給上限電力Ｐｍａｘに到達した時点で、給電装置１０からの電源供給が停止する。このため、その後、拡声装置２をリセットし、給電装置１０との間で電力クラスのネゴシエーションを開始しなければ、動作を再開することができない。
【0062】
図６には、電圧制限を行う場合のスピーカ出力が示されている。図中に示した実線の特性Ｌ１及び破線の特性Ｌ２は、図４の（ａ）の場合と同様である。上述した通り、低電圧Ｖ１は、音声信号にかかわらず、スピーカ出力が供給上限電力Ｐｍａｘを超えないパワーアンプ２０２の電源電圧である。このため、電圧変換部２０４の出力電圧を低電圧Ｖ１に固定することにより、入力電圧が供給上限電力Ｐｍａｘを超えるのを防止することができる。この場合、スピーカ出力が単純に減少し、供給上限電力Ｐｍａｘを超えることがないため、音声が聞き取りにくくなる。
【0063】
本実施の形態による拡声装置２は、電圧変換部２０４を介して、パワーアンプ２０２に電源を供給するとともに、給電装置１０からの入力電力に基づいて電圧変換部２０４の出力電圧を制御し、入力電力の電力制限を行っている。例えば、入力電力が電力判定閾値Ｐｔｈ以上であれば、電圧変換部２０４の出力電圧を高電圧Ｖ２から低電圧Ｖ１に低下させる。このため、供給上限電力Ｐｍａｘを超えないように入力電力を抑制することができる。
【0064】
また、電圧変換部２０４及びパワーアンプ２０２の間に電荷蓄積部２０８を設けることにより、電圧変換部２０４の出力電圧を低下させた直後は、パワーアンプ２０２に対し電荷蓄積部２０８から電源を供給することができる。このため、給電装置１０からの入力電力を制限しつつ、入力電力よりも大きなスピーカ出力を実現することができる。つまり、供給上限電力Ｐｍａｘを超えないように入力電力を抑制しつつ、供給上限電力Ｐｍａｘを超えるスピーカ出力を行うことができる。
【0065】
特に、電荷蓄積部２０８を用いることにより、連続音出力期間Ｔｓの少なくとも冒頭部分について、供給上限電力Ｐｍａｘの制限を受けることなく、音声を出力することができる。一般に、連続音を聴別する場合、その冒頭部分を明瞭に聞き取ることが重要であると言われている。このため、冒頭部分について供給上限電力Ｐｍａｘの制限を受けないことにより、放送エリア内の聴者は、拡声装置２から出力される音声を聴別し、理解することが容易になる。
【0066】
また、電圧変換部２０４及び電荷蓄積部２０８の間に電流検出部２０５ｅを設け、電圧変換部２０４の出力電流ｉＤを検出し、出力電流ｉＤに基づいて、給電装置１０からの入力電力を求めている。このため、電荷蓄積部２０８の放電による影響をうけることなく、入力電力を迅速に検出することができる。
【0067】
また、入力電力を電力判定閾値Ｐｔｈと比較した結果に基づいて、電圧変換部２０４の出力電圧を制御し、電力判定閾値Ｐｔｈは、給電装置１０とのネゴシエーションにおいて決定した電力クラスに基づいて定められる。このため、電力クラスに応じた電力制限を行うことができる。
【0068】
実施の形態２．
実施の形態１では、入力電力の電力制限を行う拡声装置２の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、電力制限中にさらに音声信号の振幅制限を行うことにより、電荷蓄積部２０８の充電を促進する場合の例について説明する。
実施の形態１では、入力電力の電力制限を行う拡声装置２の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、電力制限中にさらに音声信号の振幅制限を行うことにより、電荷蓄積部２０８の充電を促進する場合の例について説明する。
【0069】
図７は、本発明の実施の形態２による拡声装置２の一構成例を示した図である。この拡声装置２は、図２の拡声装置２（実施の形態１）と比較すれば、電圧検出部２１０及び振幅制限部２１１を備えている点で相違する。なお、図２に示した構成と対応する構成については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0070】
電圧検出部２１０は、パワーアンプ２０２に供給される電源電圧を検出する手段であり、電荷蓄積部２０８及びパワーアンプ２０２の間に接続される。検出電圧Ｖａは、振幅制限部２１１へ出力される。
【0071】
振幅制限部２１１は、検出電圧Ｖａに基づいて、音声信号の振幅制限を行う手段である。振幅制限は、音声信号の振幅を予め定められた値でクリップする処理である。つまり、音声信号の振幅のうち、所定のクリップ値を超える振幅をクリップ値に置き換え、超過部分を削除する処理である。振幅制限を行うことにより、再生音声に大きな歪みが生じるが、スピーカ電力を抑制することができる。例えば、音声信号の最大振幅の１／３をクリップ値として定めることができる。
【0072】
振幅制限部２１１は、検出電圧Ｖａを予め定められた電圧判定閾値Ｖｔｈと比較し、その比較結果に基づいて音声信号の振幅を制限し、振幅制限された音声信号をパワーアンプ２０２へ出力する。電圧判定閾値Ｖｔｈは、高電圧Ｖ２よりも低く、低電圧Ｖ１より高い値として予め定められる。例えば、高電圧Ｖ２が１７Ｖ、低電圧Ｖ１が１２Ｖの場合、電圧閾値を１４Ｖにすることができる。
【0073】
検出電圧Ｖａが電圧判定閾値Ｖｔｈを超えていれば、振幅制限部２１１は、振幅制限を行うことなく、入力された音声信号がそのままパワーアンプ２０２へ出力する。一方、検出電圧Ｖａが電圧判定閾値Ｖｔｈ以下であれば、振幅制限された音声信号をパワーアンプ２０２へ出力する。この振幅制限は、検出電圧Ｖａが電圧判定閾値Ｖｔｈを超えてから振幅制限時間Ｔｄが経過するまで継続される。振幅制限時間Ｔｄは、例えば、予め定められた一定時間である。
【0074】
図８は、図７の拡声装置２の動作の一例を示したタイミングチャートであり、例えば、約１秒未満の短い音を大音量で出力するための音声信号が与えられたときの様子が示されている。図中の（ａ）には、スピーカ２０３の出力電力、（ｂ）には、給電装置１０から供給される入力電力Ｐｉ、（ｃ）には、電圧制御部２０６が生成する電圧制御信号Ｓ１、（ｄ）には振幅制限部２１１における振幅制限処理、（ｅ）には、電荷蓄積部２０８の端子電圧がそれぞれ示されている。なお、図中の（ａ）及び（ｂ）に示した実線の特性Ｌ１及び破線の特性Ｌ２の違いは、図４の場合と同様である。
【0075】
時刻ｔ１２までの動作は、図４の時刻ｔ２までの動作と同一である。最初、スピーカ電力及び入力電力はともに電力判定閾値Ｐｔｈよりも小さい低電力Ｐ１であり、電圧変換部２０４は高電圧Ｖ２を出力し、電荷蓄積部２０８は、高電圧Ｖ２に充電された状態になっている。その後、スピーカ出力が増大し、時刻ｔ１１に入力電力が電力判定閾値Ｐｔｈに到達すると、電圧変換部２０４の出力電圧が高電圧Ｖ２及び低電圧Ｖ１の間を往復するように振動し、入力電力が電力判定閾値Ｐｔｈを超えないように抑制される。
【0076】
このとき、パワーアンプ２０２への電源供給は、主として電荷蓄積部２０８によって行われている。このため、電荷蓄積部２０８の端子電圧は次第に低下し、電圧判定閾値Ｖｔｈに到達する（時刻ｔ１２）。このとき、振幅制限部２１１による音声信号の振幅制限が開始される。その結果、スピーカ出力は大幅に低下し、電力判定閾値Ｐｔｈを下回る値になるが、スピーカ出力の低下に伴って、電荷蓄積部２０８の充電が開始される。その結果、入力電力には、電荷蓄積部２０８の充電に用いられる電力が新たに加わるため、電圧変換部２０４の出力電圧は振動を継続する。
【0077】
その後、電荷蓄積部２０８の端子電圧は、電荷の蓄積によって次第に上昇し、充電電流が次第に減少する。充電電流が所定値まで減少すれば、入力電力が電力判定閾値Ｐｔｈ以下になり、電力制限が解除される（時刻ｔ１３）。つまり、電圧変換部２０４の出力電圧は、振動を止めて高電圧Ｖ２になる。
【0078】
その後も、電荷蓄積部２０８の充電は継続しているが、充電電流は次第に減少し、それに応じて入力電力も次第に減少する。そして、電荷蓄積部２０８の端子電圧が高電圧Ｖ２になれば、充電が完了する（時刻ｔ１４）。従って、その後は、入力電力はスピーカ出力と一致するようになる。
【0079】
振幅制限は、振幅制限時間Ｔｄが経過した後に解除される。図８では、短い音を出力する音声信号であるため、スピーカ出力は、時刻ｔ１５に電力判定閾値Ｐｔｈに到達しているが、振幅制限が解除されるのは、それよりも後の時刻ｔ１６になる。
【0080】
このような振幅制限を行うことにより、連続音出力期間Ｔｓの終了前に電荷蓄積部２０８の充電を開始することができ、電荷蓄積部２０８の充電を早期に終了することができる。
【0081】
本実施の形態による拡声装置２は、実施の形態１の拡声装置２（図２）と同様、電力制限を行うことにより入力電力を抑制しつつ、電荷蓄積部２０８を用いることにより、十分なスピーカ出力を確保している。しかし、十分なスピーカ出力を確保できる期間は、電荷蓄積部２０８の容量に依存し、連続音出力期間Ｔｓ中の冒頭部分のみに限定される。このため、電荷蓄積部２０８の端子電圧が電圧判定閾値Ｖｔｈまで低下すれば、振幅制限を行ってスピーカ出力を低下させ、電荷蓄積部２０８の充電を開始する。従って、連続音出力期間Ｔｓの終了（時刻ｔ１５）を待つことなく、電荷蓄積部２０８の充電が開始され（時刻ｔ１２）、電荷蓄積部２０８の充電を早期に終了することができる（時刻ｔ１４）。このため、短い休止期間を挟んで、複数の連続音が順次に出力される場合に、各連続音出力期間Ｔｓの冒頭部分について、十分なスピーカ出力を確保することが可能になる。
【0082】
【0083】
時刻ｔ２４までの動作は、図８の時刻ｔ１４までの動作と同一である。図９では、図８よりもやや長い音を出力する音声信号であるため、時刻ｔ２５に振幅制限が解除されるが、スピーカ出力が減少して電力判定閾値Ｐｔｈに到達するのは、その後の時刻ｔ２６である。
【0084】
特性Ｌ２が電力判定閾値Ｐｔｈを上回っている連続音出力期間Ｔｓ中に振幅制限が解除されると、スピーカ出力が電力判定閾値Ｐｔｈを超えることになるため、再び電力制限が開始される（時刻ｔ２５）。つまり、電圧変換部２０４の出力電圧が振動し、入力電力が電力判定閾値Ｐｔｈを超えないように抑制する。このとき、パワーアンプ２０２への電源供給は、主として電荷蓄積部２０８の放電によって行われ、電荷蓄積部２０８の端子電圧は次第に低下していく。
【0085】
その後、電荷蓄積部２０８の端子電圧が電圧判定閾値Ｖｔｈまで低下する前に、スピーカ出力が低下して電力判定閾値Ｐｔｈを下回るため、電荷蓄積部２０８の充電が開始される（時刻ｔ２６）。その後、電荷蓄積部２０８の端子電圧は、充電により次第に上昇し、充電電流は次第に減少する。そして、充電電流が所定値まで減少すれば、入力電力が電力判定閾値Ｐｔｈ以下になり、電力制限が解除される（時刻ｔ２７）。電荷蓄積部２０８は、その後も継続して充電され、時刻ｔ２８に充電が終了する。
【0086】
つまり、連続音出力期間Ｔｓ中において、１回目の電力制限及び振幅制限が解除された後、さらに２回目の電力制限が開始されるが、そのすぐ後に連続音出力期間Ｔｓが終了する。このため、２回目の振幅制限は開始されないが、電荷蓄積部２０８の端子電圧は大きく低下していないため、振幅制限を行わなくても、比較的短時間の充電で高電圧Ｖ２に戻ることができる。
【0087】
【0088】
時刻ｔ３５まで動作は、図９の時刻ｔ２５までの動作と同一である。また、その後の時刻ｔ３９まで動作は、時刻ｔ３５までの動作の繰り返しである。つまり、連続音出力期間Ｔｓが長くなれば、周期的に同じ動作が繰り返される。そして、時刻ｔ３９に振幅制限を解除した後、時刻ｔ４０に連続音出力期間Ｔｓが終了するため、時刻ｔ３９～ｔ４２の動作は、図９のｔ２５～２８と同一である。
【0089】
つまり、連続音出力期間Ｔｓの終了時には、電荷蓄積部２０８の充電を早期に終了しつつ、連続音出力期間Ｔｓが長い場合には、電力判定閾値Ｐｔｈを超えるスピーカ出力が周期的に繰り返される。このため、放送エリア内の聴者は音声を聴別し、理解することが容易になる。
【0090】
上記実施の形態では、ＩＥＥＥ８０２．３規格で定められるＰｏＥ、ＰｏＥ＋及びＰｏＥ＋＋に準拠する拡声装置２について説明したが、本発明が適用可能な装置は、上記規格に準拠する装置には限定されない。例えば、供給上限電力が定められる外部の給電装置からパワーアンプの駆動電源が供給される様々な拡声装置に適用することができる。供給上限電力が定められた給電規格の別例として、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）パワーデリバリー規格がある。
【0091】
また、上記実施の形態では、ＰＡシステムの例について説明したが、本発明の適用対象は、このようなシステムを構成する拡声装置のみに限定されない。本発明は、パワーアンプを含み、入力された音声を増幅する様々な拡声装置に適用することができる。例えば、本発明は、スピーカ、ヘッドホン、イヤホン等の電気音響変換器が接続される拡声装置であって、音声信号を増幅して駆動信号を生成し、これらの電気音響変換器に対し駆動信号を出力するものに適用することができる。また、本発明は、ハンズフリー通話機能を有する電話機（スピーカーフォン）、インターホン、インターカムのような通話装置に適用することもできる。
【符号の説明】
【0092】
１ 音源装置
２ 拡声装置
３ スイッチングハブ
４ ケーブル
１０ 給電装置
１００ 拡声放送システム
２００ インターフェース部
２０１ 音声処理部
２０２ パワーアンプ
２０３ スピーカ
２０４ 電圧変換部
２０５ 電力検出部
２０５ｅ 電流検出部
２０６ 電圧制御部
２０７ 閾値保持部
２０８ 電荷蓄積部
２１０ 電圧検出部
２１１ 振幅制限部
Ｐ１ 低電力
Ｐ２ 高電力
Ｐｍａｘ 供給上限電力
Ｐｔｈ 電力判定閾値
Ｓ１ 電圧制御信号
Ｔｄ 振幅制限時間
Ｔｓ 連続音出力期間
Ｖ１ 低電圧
Ｖ２ 高電圧
Ｖａ 検出電圧
Ｖｔｈ 電圧判定閾値
ｉＤ 出力電流
２ 拡声装置
３ スイッチングハブ
４ ケーブル
１０ 給電装置
１００ 拡声放送システム
２００ インターフェース部
２０１ 音声処理部
２０２ パワーアンプ
２０３ スピーカ
２０４ 電圧変換部
２０５ 電力検出部
２０５ｅ 電流検出部
２０６ 電圧制御部
２０７ 閾値保持部
２０８ 電荷蓄積部
２１０ 電圧検出部
２１１ 振幅制限部
Ｐ１ 低電力
Ｐ２ 高電力
Ｐｍａｘ 供給上限電力
Ｐｔｈ 電力判定閾値
Ｓ１ 電圧制御信号
Ｔｄ 振幅制限時間
Ｔｓ 連続音出力期間
Ｖ１ 低電圧
Ｖ２ 高電圧
Ｖａ 検出電圧
Ｖｔｈ 電圧判定閾値
ｉＤ 出力電流
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】