(57)【要約】【課題】安価で、高音質かつ低消費電流の圧電ブザー及びその圧電ブザーを用いて音声を再生する音声再生装置を提供することを目的とする。【解決手段】圧電体６１に信号電圧を加えることで発生する圧電体６１の振動を音声として出力する圧電素子ＰＺと、圧電素子ＰＺに直列に接続され、圧電素子ＰＺと等価であるキャパシタとともにローパスフィルタを構成する抵抗６５（Ｒ０）と、を備えることを特徴とする圧電ブザーを提供する。また、その圧電ブザーを用いて音声を再生する音声再生装置を提供する。【選択図】図６
2018107752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体に信号電圧を加えることで発生する前記圧電体の振動を音声として出力する圧電素子と、
前記圧電素子に直列に接続され、前記圧電素子と等価であるキャパシタとともにローパスフィルタを構成する抵抗と、を備えることを特徴とする圧電ブザー。
【請求項２】
前記圧電素子と前記抵抗とで構成するＲＣ回路の折れ点周波数が前記圧電素子の共振点以下である請求項１記載の圧電ブザー。
【請求項３】
前記圧電素子と前記抵抗とで構成するＲＣ回路の折れ点周波数の１／２が前記圧電素子の共振点以下である請求項１記載の圧電ブザー。
【請求項４】
前記圧電素子と前記抵抗とがパッケージに収容され、１つの部品として構成される請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電ブザー。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧電ブザーと、
音声信号に応じたＰＷＭ信号を出力するマイクロコンピュータと、
前記マイクロコンピュータから出力されるＰＷＭ信号に応じた信号電圧を前記圧電素子に出力することで前記圧電ブザーの音声出力を実行する駆動回路と、を備えることを特徴とする音声再生装置。
【請求項６】
前記制御回路は、４つのバイポーラトランジスタで構成されるＨブリッジ回路である請求項５記載の音声再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体に信号電圧を加えることで圧電体が歪み、その圧電体の振動を音声として出力する圧電ブザー、及びその圧電ブザーを用いて音声を再生する音声再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電ブザー（圧電スピーカー、ピエゾメーカー、圧電サウンダーともいう。）は、小型で消費電力が少ないことから、電子ブザーなどの発音デバイス（発音部品）として用いられている。圧電ブザーは、特定周波数のＳｉｎ波や矩形波を出力するように電気的・音響的に設計されている。
【０００３】
圧電ブザーから音楽や人の声を出力する場合、次のような問題が存在する。まず、圧電ブザーは、特定周波数の音声出力しか想定していないため、共振を利用して特定周波数の音を高い音圧で出力するように設計されている。このように、圧電ブザーは特定周波数の音声出力に適した設計であるので、圧電ブザーから出力する音楽や人の声は実用的な音質にならない（つまり音質が悪い）。また、圧電ブザーの電気的特性は、基本的コンデンサ（キャパシタ）であるので、圧電ブザーから出力する音の周波数が上がるほど消費電流が増える。特に圧電ブザーをフィルタレスＤ級アンプで駆動する場合、矩形波に含まれる高調波成分によって消費電流が増大する。そのため、圧電ブザーには可聴帯以外の周波数成分を抑圧するためのフィルタが必要となる。
【０００４】
例えば、下記特許文献１には、所定の周波数成分をカットするローパスフィルタを備えたＤ級アンプが開示されている。このＤ級アンプは、ピエゾスピーカー（圧電素子）と直列にコイル（インダクタ）と抵抗が接続されている（図１０参照）。そして、ピエゾスピーカーはコンデンサ（キャパシタ）と等価であり、ピエゾスピーカーとコイルとでローパスフィルタであるＬＣフィルタ（２次フィルタ）を構成している。抵抗はＬＣフィルタの共振を抑制するために設けられている。
【０００５】
また、下記特許文献２には、圧電ブザー（圧電素子）に音量調整用の抵抗が接続された構成の制御回路が開示されている。ただし、圧電ブザーに接続された抵抗は、音量調整用であって、フィルタを構成するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１６５６８９号公報
【特許文献２】特開２００８−２３３３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された構成では、ピエゾスピーカー（圧電素子）とコイルとでＬＣフィルタを構成しているので、ＲＣフィルタを構成する場合と比較して価格が高くなってしまう。また、特許文献２に記載された構成では、圧電ブザー（圧電素子）に接続された抵抗はブザーの音量を調整するために設けられたものであって、ブザーの音質を改善するためのＲＣフィルタを構成するものではない。
【０００８】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであり、安価で、高音質かつ低消費電流の圧電ブザー及び音声再生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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明では、圧電体に信号電圧を加えることで発生する圧電体の振動を音声として出力する圧電素子と、圧電素子に直列に接続され、圧電素子と等価であるキャパシタとともにローパスフィルタを構成する抵抗と、を備えることを特徴とする圧電ブザーを提供する。
【００１０】
また、圧電素子と抵抗とで構成するＲＣ回路の折れ点周波数が圧電素子の共振点以下であることが好ましい。また、圧電素子と抵抗とで構成するＲＣ回路の折れ点周波数の１／２が圧電素子の共振点以下であってもよい。
【００１１】
また、圧電素子と抵抗とがパッケージに収容され、１つの部品として構成されてもよい。
【００１２】
また、本発明は、上記の圧電ブザーと、音声信号に応じたＰＷＭ信号を出力するマイクロコンピュータと、マイクロコンピュータから出力されるＰＷＭ信号に応じた信号電圧を圧電素子に出力することで圧電ブザーの音声出力を実行する駆動回路と、を備えることを特徴とする音声再生装置を提供する。
【００１３】
また、制御回路は、４つのバイポーラトランジスタで構成されるＨブリッジ回路である構成でもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、抵抗が圧電素子に直列に接続され、圧電素子と等価であるキャパシタと抵抗とでローパスフィルタを形成するので、安価な圧電ブザーを使用することができ、コストを大幅に削減することができる。また、そのような圧電ブザーを使用した場合であっても、高音質の音声出力を実現することができ、またローパスフィルタで高い周波数成分を抑制するので、低消費電流で圧電ブザーを駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る音声再生装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示すマイクロコンピュータの構成を示すブロック図である。
【図３】音声信号とＰＷＭ信号との関係を示す波形図である。
【図４】ＰＷＭ信号の周波数成分を示す図である。
【図５】図１に示すＨブリッジ回路の構成を示す回路図である。
【図６】本発明に係る圧電ブザーの構成を示す図である。
【図７】圧電素子及び抵抗がパッケージに収容された圧電ブザーの構成を示す斜視図である。
【図８】１次ローパスフィルタの回路図及び１次ローパスフィルタの周波数特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。また、図面においては、実施形態を説明するため、一部分を大きくまたは強調して記載するなど適宜縮尺を変更して表現することがある。
【００１７】
図１は、本発明に係る音声再生装置の構成を示すブロック図である。なお、図１（Ａ）は、従来の第１態様の音声再生装置の構成を示し、図１（Ｂ）は、従来の第２態様の音声再生装置の構成を示し、図１（Ｃ）は、本発明に係る音声再生装置の構成を示している。
【００１８】
図１（Ａ）に示す従来の第１態様の音声再生装置は、マイクロコンピュータ１０Ａ（以下、マイクロコンピュータをマイコンと略す。）と、ＤＡＣＬＳＩ（Ｄ／ＡコンバータＬＳＩ）２０Ａと、アナログ系専用電源ＩＣ３０と、アンプ４０と、スピーカー５０とを備えている。マイコン２０Ａは、ＣＰＵやメモリなどを１つのＬＳＩチップ（ＬＳＩ：Large Scale Integration）に集積した回路である。このマイコン２０Ａは、圧縮された音声データをＰＣＭ（pulse code modulation）形式のアナログ波形の音声信号（デジタルデータ）に変換する。マイコン２０Ａは、ＰＣＭ形式の音声信号をＤＡＣＬＳＩ２０Ａに出力する。なお、圧縮された音声データは、マイコン１０Ａのメモリに記憶されている。
【００１９】
ＤＡＣＬＳＩ２０Ａは、図１（Ａ）に示すように、ＤＡＣ（Ｄ／Ａコンバータ）２１、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２２、及び電子ボリューム２３を有している。ＤＡＣＬＳＩ２０ＡのＤＡＣ２１は、マイコン２０Ａから出力されたＰＣＭ形式の音声信号を階段状のアナログ波形の音声信号に変換する。ＬＰＦ２２は、遮断周波数より低い周波数の成分はほとんど減衰させず、遮断周波数より高い周波数の成分を逓減させるフィルタである。ＤＡＣ２１から出力された音声信号は、ＬＰＦ２２によってノイズ成分が除去されたアナログ波形に整形される。電子ボリューム２３は、ＬＰＦ２２から出力された音声信号の音量を調整してアンプ４０に出力する。
【００２０】
アナログ系専用電源ＩＣ３０は、アナログ系電源からの入力電力から所望の出力電力を生成し、生成した出力電力をアンプ４０に供給する。アンプ４０は、ＤＡＣＬＳＩ２０Ａ（つまり電子ボリューム２３）から出力された音声信号を所定のゲインで増幅してスピーカー５０から音声出力させる。上記のような従来の第１態様の音声再生装置は、アンプ４０における放熱を気にしなければならず、また、アナログ部品（アンプ４０、アナログ系専用電源ＩＣ３０、ＬＰＦ２２等）が必要なため、部品コストが高くなってしまう。
【００２１】
図１（Ｂ）に示す従来の第２態様の音声再生装置は、マイコン１０Ｂと、Ｈブリッジ回路２０Ｂ（駆動回路）と、スピーカー５０とを備えている。図１（Ｂ）に示すように、マイコン１０Ｂのメモリ（図１（Ｂ）において図示せず）には、音声出力デバイス（Ｈブリッジ回路２０Ｂ、スピーカー５０）の駆動するためのミドルウェアであるドライバー１２Ａが記憶されている。マイコン１０Ｂ（ＣＰＵ）は、圧縮された音声データをＰＣＭ形式のデジタルデータの音声信号に変換する。そして、マイコン１０Ｂは、メモリに記憶されたドライバー１２Ａに基づいて、ＰＣＭ形式の音声信号を、パルス幅が信号レベルに比例するＰＷＭ信号（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation、パルス幅変調）に変換する（後述する図３参照）。
【００２２】
Ｈブリッジ回路２０Ｂは、４つのＦＥＴ（Field effect transistor：電界効果トランジスタ）で構成されている。このＨブリッジ回路２０Ｂは、マイコン１０ＢからのＰＷＭ信号に基づいて４つのＦＥＴがスイッチング動作することで電力増幅を行い、スピーカー５０を駆動する。図１（Ｂ）に示す従来の第２態様の音声再生装置は、図１（Ａ）に示す従来の第１態様の音声再生装置と比較して、部品コストを大幅に削減することができ、また、回路がデジタルであるので発熱が最小限に抑えられ、電力の使用効率も向上し、ランニングコストの削減にも寄与する。また、基板の作り直しのリスクがなく、基板の長期利用や製品の長期供給保証が可能となる。さらに、ＦＥＴの動作温度範囲が広いため、製品の動作温度範囲も広くなる。
【００２３】
図１（Ｃ）に示す本発明に係る音声再生装置は、マイコン１０Ｃと、Ｈブリッジ回路２０Ｃと、圧電ブザー６０とを備えている。図１（Ｃ）及び図２に示すように、マイコン１０Ｃのメモリ（図２のメモリ１２を参照）には、音声出力デバイス（Ｈブリッジ回路２０Ｃ、圧電ブザー６０）を駆動するためのミドルウェアであるドライバー１２Ｂが組み込まれている。マイコン１０ＣのＣＰＵ（図２のＣＰＵ１１参照）は、圧縮された音声データをＰＣＭ形式のデジタルデータの音声信号に変換する。そして、ＣＰＵ１１は、メモリ１２に記憶されたドライバー１２Ｂに基づいて、ＰＣＭ形式の音声信号をＰＷＭ信号に変換する（後述する図３参照）。
【００２４】
Ｈブリッジ回路２０Ｃは、４つのバイポーラトランジスで構成されている（後述する図５を参照）。このＨブリッジ回路２０Ｂは、マイコン１０ＣからのＰＷＭ信号に基づいて４つのバイポーラトランジスタがスイッチング動作することで電力増幅を行い、圧電ブザー６０を駆動する。図１（Ｃ）に示す本発明に係る音声再生装置は、図１（Ｂ）に示す従来の第２態様の音声再生装置と同様の効果を奏する。すなわち、部品コストを大幅に削減することができ、また、回路がデジタルであるので発熱が最小限に抑えられ、電力の使用効率も向上し、ランニングコストの削減にも寄与する。また、基板の長期利用や製品の長期供給保証が可能となる。
【００２５】
また、図１（Ｃ）に示す本発明に係る音声再生装置は、図１（Ｂ）に示す従来の第２態様の音声再生装置と比較して、スピーカー５０よりも安価な圧電ブザー６０で高音質の音声を再生することができる。従って、製品のコストを大幅に削減することができる。また、電池で動作する製品にも適用することができる。すなわち、コイルを用いたスピーカー５０では消費電力が大きく、電池駆動は不可能であったが、本発明に係る音声再生装置では、圧電ブザー６０を用いているので、電池での音声再生を実現することができる。さらに、Ｈブリッジ回路２０ＢはＦＥＴを用いる必要があったのに対して、Ｈブリッジ回路２０Ｃはバイポーラトランジスタで構成することが可能であるため、部品コスト及び回路面積のいずれも省コスト化を実現することができる。
【００２６】
図２は、図１に示すマイクロコンピュータ１０Ｃの構成を示すブロック図である。また、図３は、音声信号とＰＷＭ信号との関係を示す波形図である。図２に示すように、マイコン１０Ｃは、ＣＰＵ１１、メモリ１２、及びタイマ１３を有している。また、メモリ１２にはドライバー１２Ｂが記憶されている。なお、メモリ１２には圧縮された音声データ（音声圧縮データ）や、圧縮された音声データをデコードしながら再生するためのミドルウェア（再生制御ミドルウェア）なども記憶されている。
【００２７】
図２に示す構成において、ＣＰＵ１１は、不図示の再生制御ミドルウェアに基づいて、圧縮された音声データをデコードしてＰＣＭ形式の音声信号に変換する。ＰＣＭ形式の音声信号は、図３に示すアナログ波形の「元の音声信号」に対応する信号である。なお、ＰＣＭ形式の音声信号は、所定のサンプリング周波数の離散的なデジタルデータである。
【００２８】
ＣＰＵ１１は、ドライバー１２Ｂに基づいてマイコン１０Ｃ内蔵のタイマ１３を制御することにより、ＰＣＭ形式のアナログ波形の音声信号に応じたＰＷＭ信号を生成する。図３に示すように、ＰＷＭ信号は、出力パルスの周期ｔｗは一定である。一方、ＰＷＭ信号は、入力されるアナログ波形の音声信号の大きさに応じて、パルスの「Ｈ」（ハイレベル）と「Ｌ」（ロウレベル）の時間（幅）が異なる。
【００２９】
すなわち、タイマ１３は、ドライバー１２Ｂの制御に従って、ＰＣＭ形式の音声信号の信号レベルの大きさに応じたパルス幅のＰＷＭ信号に変換する。ＰＣＭ形式の音声信号の信号レベルが「０」のときは、パルスの「Ｈ」と「Ｌ」の幅が同じであるＰＷＭ信号が生成される。また、ＰＣＭ形式の音声信号の信号レベルが「プラス」の区間は、パルスの「Ｈ」の幅が「Ｌ」の幅よりも大きく、信号レベルが大きいほど「Ｈ」の幅が大きくなるようにＰＷＭ信号が生成される。また、ＰＣＭ形式の音声信号の信号レベルが「マイナス」の区間は、パルスの「Ｌ」の幅が「Ｈ」の幅よりも大きく、信号レベルが大きいほど「Ｌ」の幅が大きくなるようにＰＷＭ信号が生成される。
【００３０】
上記したように、タイマ１３は、ＰＣＭ形式の音声信号の大きさに比例したパルス幅のＰＷＭ信号（デジタルパルス）を生成する。そして、図２に示すように、マイコン１０Ｃは、タイマ１３が生成した２つのＰＷＭ信号を２つの出力ピンからＨブリッジ回路２０Ｃに出力する。
【００３１】
図４は、ＰＷＭ信号の周波数成分を示す図である。図４（Ａ）はデューティ比５０％の場合のＰＷＭ信号の周波数成分を示し、図４（Ｂ）はデューティ比５０％以外の場合のＰＷＭ信号の周波数成分を示す。ここで、デューティ比とは、１周期の中で信号レベルが「Ｈ」である割合をいう。
【００３２】
デジタル回路の発生するノイズの源の一つに高調波がある。ＰＷＭ信号に含まれる高調波について説明する。一般に、一定の繰り返し周期をもつ全ての波は、繰り返し周波数である基本波と、その整数倍の周波数を持つ高調波に分解することができる。基本波に対する倍数を、高調波の次数と呼ぶ。ＰＷＭ信号は繰り返す波形が多いので、周波数分布（スペクトラムという。）を観測すると高調波に分解され、離散的なスペクトラムに見える。
【００３３】
図４（Ａ）に示すデューティ比５０％の場合、ＰＷＭ信号に含まれる高調波は、ｆ１（＝１／πＴ）からｆ２（＝１／πｔｒ）までの周波数では−２０ｄＢ／ｄｅｃで減衰し、ｆ２以上の周波数では−４０ｄＢ／ｄｅｃで減衰する。ここで、Ｔはパルスの周期を表し、ｔｒはパルスの立ち上がり時間を表している。図４（Ｂ）に示すデューティ比５０％以外の場合、ＰＷＭ信号に含まれる高調波は、１／πτ以下の周波数では減衰せず、１／πτから１／πτｒまでの周波数では−２０ｄＢ／ｄｅｃで減衰し、１／πτｒ以上の周波数では−４０ｄＢ／ｄｅｃで減衰する。ここで、τはパルス幅を表し、τｒはパルスの立ち上がり時間を表している。
【００３４】
ＰＷＭ信号の高調波のうち、周波数の高い（次数の大きい）成分は、容易に放射され、ノイズの原因になりやすい性質がある。そこで、信号波形への影響が少ない高次の高調波を除去することが、ノイズ対策として行われる。
【００３５】
図５は、図１に示すＨブリッジ回路２０Ｃの構成を示す回路図である。図５に示すように、Ｈブリッジ回路２０Ｃは、４つのバイポーラトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４を備えている。以下、バイポーラトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４を単にトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４と記す。
【００３６】
トランジスタＴｒ１，Ｔｒ３はＰＮＰトランジスタであり、トランジスタＴｒ２，Ｔｒ４はＮＰＮトランジスタである。ＰＮＰトランジスタ（トランジスタＴｒ１，Ｔｒ３）は、電源電圧Ｖｃｃに対して低い電圧がベースに印加されたときにオンとなる。ＮＰＮトランジスタ（トランジスタＴｒ２，Ｔｒ４）は、グラウンドに対して高い電圧がベースに印加されたときにオンとなる。
【００３７】
トランジスタＴｒ１のエミッタ端子は電圧Ｖｃｃ（例えば電圧値１５Ｖ）の電源と接続されている。トランジスタＴｒ１のコレクタ端子はトランジスタＴｒ２のコレクタ端子と接続されている。トランジスタＴｒ１のベース端子と電源との間に抵抗Ｒ１（例えば抵抗値３３ｋΩ）が接続されている。また、トランジスタＴｒ１のベース端子と電源との間にショットキーバリアダイオードＳＢＤ１が抵抗Ｒ１と並列に接続されている。トランジスタＴｒ１のベース端子とトランジスタＴｒ２のベース端子との間にコンデンサＣ１（例えば容量０．１μＦ）が接続されている。トランジスタＴｒ２のベース端子はＰＷＭ信号（ＰＷＭφ）を入力する信号入力端子と接続され、トランジスタＴｒ２のエミッタ端子はグラウンドと接続されている。
【００３８】
トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４、抵抗Ｒ２、ショットキーバリアダイオードＳＢＤ２、及びコンデンサＣ２からなる回路の構成は、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２、抵抗Ｒ１、ショットキーバリアダイオードＳＢＤ１、及びコンデンサＣ１からなる回路の構成と同様である。すなわち、トランジスタＴｒ３のエミッタ端子は電圧Ｖｃｃの電源と接続されている。トランジスタＴｒ３のコレクタ端子はトランジスタＴｒ４のコレクタ端子と接続されている。トランジスタＴｒ３のベース端子と電源との間に抵抗Ｒ２（例えば抵抗値３３ｋΩ）が接続されている。また、トランジスタＴｒ３のベース端子と電源との間にショットキーバリアダイオードＳＢＤ２が抵抗Ｒ２と並列に接続されている。トランジスタＴｒ３のベース端子とトランジスタＴｒ４のベース端子との間にコンデンサＣ２（例えば容量０．１μＦ）が接続されている。トランジスタＴｒ４のベース端子はＰＷＭ信号（ＰＷＭφ）を入力する信号入力端子と接続され、トランジスタＴｒ４のエミッタ端子はグラウンドと接続されている。
【００３９】
トランジスタＴｒ１のコレクタ端子とトランジスタＴｒ２のコレクタ端子との接続点と、トランジスタＴｒ３のコレクタ端子とトランジスタＴｒ４のコレクタ端子との接続点との間に、圧電素子ＰＺ及び抵抗Ｒ０が直列に接続されている。圧電素子ＰＺの電気的特性はコンデンサ（キャパシタ）である（つまり、圧電素子ＰＺはコンデンサと等価である）。従って、圧電素子ＰＺと抵抗Ｒ０とで１次ローパスフィルタを構成する。なお、圧電素子ＰＺにおけるコンデンサとしての容量は例えば５０ｎＦであり、抵抗Ｒ０の抵抗値は例えば１ｋΩであるものとする。本実施形態では、圧電素子ＰＺと抵抗Ｒ０とで圧電ブザー６０を構成する。
【００４０】
なお、Ｈブリッジ回路２０Ｃを構成する各素子の値（抵抗値、容量値）や圧電ブザー６０を構成する各素子（圧電素子ＰＺ、抵抗Ｒ０）の値（抵抗値、容量値）は一例であって、上記の値に限定されるわけではなく、圧電素子ＰＺの特性などに合わせて適宜設定される。
【００４１】
Ｈブリッジ回路２０Ｃにおいて、４つのトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４がオフの場合、圧電素子ＰＺ及び抵抗Ｒ０には電圧が印加されない。トランジスタＴｒ１及びトランジスタＴｒ４がオンであり、トランジスタＴｒ２及びトランジスタＴｒ３がオフのとき、図５の（１）の経路（電源電圧Ｖｃｃ、トランジスタＴｒ１、抵抗Ｒ０、圧電素子ＰＺ、トランジスタＴｒ４、グラウンド）で電流が流れる。一方、トランジスタＴｒ２及びトランジスタＴｒ３がオンであり、トランジスタＴｒ１及びトランジスタＴｒ４がオフのとき、図５の（２）の経路（電源電圧Ｖｃｃ、トランジスタＴｒ３、圧電素子ＰＺ、抵抗Ｒ０、トランジスタＴｒ２、グラウンド）で電流が流れる。
【００４２】
トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のベース端子は、それぞれ、抵抗Ｒ１によって電圧Ｖｃｃよりも低い電圧が印加されている。すなわち、トランジスタＴｒ１のベース端子の電位は、トランジスタＴｒ１のエミッタ端子の電位よりも低くなっている。また、トランジスタＴｒ２のベース端子の電位は、トランジスタＴｒ２のコレクタ端子の電位（０Ｖ）よりも高くなっている。
【００４３】
このような状態において、信号入力端子から入力されるＰＷＭ信号が「Ｈ」のときは、トランジスタＴｒ１がオフとなり、トランジスタＴｒ２がオンとなる。また、信号入力端子から入力されるＰＷＭ信号が「Ｌ」のときは、トランジスタＴｒ１がオンとなり、トランジスタＴｒ２がオフとなる。同様に、信号入力端子から入力されるＰＷＭ信号が「Ｈ」のときは、トランジスタＴｒ３がオフとなり、トランジスタＴｒ４がオンとなる。また、信号入力端子から入力されるＰＷＭ信号が「Ｌ」のときは、トランジスタＴｒ３がオンとなり、トランジスタＴｒ４がオフとなる。このように、Ｈブリッジ回路２０Ｃは、４つのトランジスタ（スイッチ）のうち対角線上にある二組のトランジスタが交互にオンすることで負荷の電流方向を逆向きにすることができ、電池の持つ電圧を最大限に活かすことができる。
【００４４】
上記したように、Ｈブリッジ回路２０Ｃの電源電圧を１５Ｖとしているのに対して、小さなボタン型電池（コイン型電池ともいう。）の電圧は１Ｖ〜３Ｖ程度である。ボタン型電池を用いてＨブリッジ回路２０Ｃを駆動する場合、チャージポンプでボタン型電池の電圧を電源電圧まで昇圧させる。これにより、本発明の音声再生装置をヘルスケア製品（例えば体温計、血糖値計）などの小さな機器にも搭載することが可能となる。
【００４５】
図６は、本発明の圧電ブザー６０の構成を示す図である。図６に示す圧電素子（圧電振動板）は、薄い円板状の圧電体（圧電セラミックス）６１と、黄銅やニッケルなどの薄い円板状の金属板６２とを貼り合わせた（接着した）構造である。このような圧電素子の構造をユニモルフ構造という。圧電体６１の表面には電極が形成され、その電極にリード（ケーブル）６３が接続されている。また、金属板６２の表面にも電極が形成され、その電極にリード（ケーブル）６４が接続されている。抵抗６５がリード６４の途中に接続されている。圧電体６１及び金属板６２が図５に示した圧電素子ＰＺに相当し、抵抗６５が図５に示した抵抗Ｒ０に相当する。なお、抵抗６５はリード６４の途中ではなくリード６３の途中に接続されてもよい。
【００４６】
圧電素子に電圧が印加されると圧電体６１が伸びるが、圧電体６１に接着している金属板６２は伸縮せずに所定方向に曲がる。また、圧電素子に逆方向の電圧が印加されると圧電体６１が縮むが、圧電体６１に接着している金属板６２は伸縮せずに所定方向とは逆方向に曲がる。圧電素子に電圧の向きが交互に変わる信号電圧が印加されると両方向の振動が発生して音波が発生する。
【００４７】
本実施形態では、圧電体（圧電セラミックス）と金属板とで構成される素子を圧電素子といい、圧電素子と抵抗とを含む構成を圧電ブザーという。なお、一般には、圧電体（圧電セラミックス）のことを圧電素子という場合があり、また、圧電体と金属板とで構成される素子を圧電ブザーという場合もある。また、圧電ブザーは、圧電スピーカー（ピエゾスピーカー）、圧電サウンダーなどと呼ばれ、明確に区別されていないが、本実施形態における圧電ブザーは、上記の圧電スピーカー（ピエゾスピーカー）、圧電サウンダーなどを含む構成である。
【００４８】
圧電素子としては、圧電体の材料、径、厚さや、金属板の材料、径、厚さなどに応じて特性が変化する。例えば、圧電素子によって、共振点（共振周波数）、共振抵抗、静電容量が変化する。上述したように、本発明は、安価な圧電ブザーを用いて高音質の音声出力を実現することを目的としているため、本実施形態では、電子ブザーとして利用されるような圧電素子を用いることを想定している。
【００４９】
図７は、圧電素子及び抵抗がパッケージ６６に収納された圧電ブザー６０Ａの構成を示す斜視図である。図７に示すように、圧電体６１と金属板６２とで構成される圧電素子と、その圧電素子に接続された抵抗６５とがパッケージ６６内に収容されている。このような構成の場合、圧電素子と抵抗６５とが１つの部品として構成されることとなる。
【００５０】
図８は、１次ローパスフィルタの回路図及び１次ローパスフィルタの周波数特性を示すグラフである。上述したように、圧電素子ＰＺは電気的特性としてコンデンサ（キャパシタ）Ｃ０とみなされる。図８の回路図に示すように、抵抗Ｒ０とコンデンサＣ０とで構成されるＲＣ回路は１次ローパスフィルタ（ＲＣフィルタ）として機能する。ＲＣ回路の折れ点周波数ｆｃは、ｆｃ＝１／（２π・Ｒ０・Ｃ０）となる。図８のグラフに示すように、ＲＣ回路からなる１次ローパスフィルタは、ＲＣ回路の折れ点周波数ｆｃ以下の周波数の信号を通過させ、ＲＣ回路の折れ点周波数ｆｃ以上の周波数の信号を−２０ｄＢ／ｄｅｃで減衰させる。
【００５１】
本実施形態では、圧電素子ＰＺと抵抗Ｒ０とで構成するＲＣ回路の折れ点周波数ｆｃが圧電素子ＰＺの共振点（共振周波数）以下としている。このような構成によれば、圧電素子ＰＺの共振点よりも高い周波数成分をＲＣフィルタで抑制することができ、人の声や音楽などを高音質で出力することが可能となる。
【００５２】
また、圧電素子ＰＺと抵抗Ｒ０とで構成するＲＣ回路の折れ点周波数の１／２が圧電素子ＰＺの共振点以下としてもよい。このような構成によれば、より高い周波数成分をＲＣフィルタで抑制することができ、より一層、人の声や音楽などを高音質で出力することが可能となる。
【００５３】
圧電素子ＰＺと直列に接続される抵抗Ｒ０（図６の抵抗６５）には、以下に示す４つの役割がある。
１．上述したように、圧電素子と等価であるコンデンサとともにＲＣフィルタ（１次ローパスフィルタ）を形成する役割がある。
２．圧電ブザー６０に存在する機械振動の共振のＱを下げる役割がある。一般に、圧電ブザーは電子ブザーとして使用されるので、故意にＱの高い機械振動が起きやすいように設計されている。本実施形態では、圧電素子ＰＺの特性に合わせて抵抗Ｒ０の抵抗値を調整することで１次ローパスフィルタの通過帯域を設定することができる。この通過帯域を適切に設定することで可聴帯域外の信号の抑圧し、また可聴帯域内の圧電ブザーの機械振動のＱを下げることが可能となる。
３．ＰＷＭ信号に存在する、矩形波の高次高調波における圧電素子のインピーダンスを下げる役割がある。このような役割によって圧電ブザー６０を電池で駆動することが可能となる。
４．圧電素子では高音を出力しやすいように設計されているが、その高音の出力を抑えて特性をフラットにする役割がある。
【００５４】
以上に説明したように、本実施形態では、抵抗Ｒ０が圧電素子ＰＺに直列に接続され、圧電素子ＰＺと等価であるキャパシタＣ０と抵抗Ｒ０とでローパスフィルタを形成するので、安価な圧電ブザーを使用することができ、コストを大幅に削減することができる。また、そのような安価な圧電ブザー６０を使用した場合であっても、高音質の音声出力を実現することができる。また、ローパスフィルタで高い周波数成分を抑制するので、低消費電流で圧電ブザー６０の駆動することができる。
【００５５】
本発明の圧電ブザー及び音声再生装置は、ガイド音声を出力する機器として用いることができる。例えば、鉄道やバス等の車内／構内アナウンス、信号、ビル入退管理端末、監視カメラ、医療機器、ＡＥＤ（Automated External Defibrillator；自動体外式除細動器）、産業用プリンタ、オフィス用複合プリンタ、民生用インクジェットプリンタ、アミューズメント機器の効果音などに利用可能である。また、本発明の圧電ブザー及び音声再生装置は、厳しい温度／環境条件下での音声出力する機器として用いることができる。例えば、火災／ガス／避難警報、建設機械、自動車、自販機、ＡＴＭなどに利用可能である。
【００５６】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、上記の実施形態に記載の範囲には限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記の実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能である。また、上記の実施形態で説明した要件の１つ以上は、省略されることがある。そのような変更または改良、省略した形態も本発明の技術的範囲に含まれる。また、上記した実施形態や変形例の構成を適宜組み合わせて適用することも可能である。
【００５７】
例えば、上記の実施形態では、圧電素子ＰＺの２つの端子の一方に抵抗を接続していたが、２つの端子の両方に抵抗を接続してもよい。このような場合でもＲＣフィルタとして機能させることができ。また、圧電素子は、ユニモルフ構造の素子を用いていたが、バイモルフ構造の素子や積層タイプの素子を用いてもよい。また、Ｈブリッジ回路は４つのバイポーラトランジスタで構成されたものを用いていたが、４つのＦＥＴで構成されたもの（図１（Ｂ）のＨブリッジ回路２０Ｂ）を用いてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１０Ｃ  マイクロコンピュータ
１２Ｂ  ドライバー
２０Ｃ  Ｈブリッジ回路（駆動回路）
６０  圧電ブザー
６１  圧電体
６２  金属板
６５  抵抗
６６  パッケージ
Ｔｒ１〜Ｔｒ４  バイポーラトランジスタ（トランジスタ）
Ｒ０  抵抗
ＰＺ  圧電素子
【図１】
2018107752.tif 000003
【図２】
2018107752.tif 000004
【図３】
2018107752.tif 000005
【図４】
2018107752.tif 000006
【図５】
2018107752.tif 000007
【図６】
2018107752.tif 000008
【図７】
2018107752.tif 000009
【図８】
2018107752.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成29年7月18日(2017.7.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体に信号電圧を加えることで発生する前記圧電体の振動を音声として出力する圧電素子、及び前記圧電素子に直列に接続され、前記圧電素子と等価であるキャパシタとともにローパスフィルタを構成する抵抗を有する圧電ブザーと、
ミドルウェアに基づいて、圧縮された音声データをデコードして音声信号に変換し、その音声信号に応じたＰＷＭ信号を生成するマイクロコンピュータと、
前記マイクロコンピュータで生成される前記ＰＷＭ信号に基づいてバイポーラトランジスタがスイッチング動作することで電力増幅を行い、前記ＰＷＭ信号に応じた信号電圧を前記圧電素子及び前記抵抗に出力して前記圧電ブザーの音声出力を実行する駆動回路と、を備えることを特徴とする音声再生装置。
【請求項２】
前記駆動回路は、電池を電源電圧として動作する請求項１記載の音声再生装置。
【請求項３】
前記電池はボタン型電池であり、
前記ボタン型電池の電圧を前記電源電圧まで昇圧させるチャージポンプを備える請求項２記載の音声再生装置。
【請求項４】
前記圧電ブザーは、前記圧電素子の２つの端子の両方に抵抗を直列に接続する請求項１から請求項３のいずれか１項記載の音声再生装置。
【請求項５】
前記マイクロコンピュータは、前記ミドルウェアとしての再生制御ミドルウェアに基づいて、圧縮された音声データをデコードしながらＰＣＭ形式の音声信号に変換し、前記ミドルウェアとしてのドライバーに基づいて、前記音声信号に応じたＰＷＭ信号を生成して前記駆動回路に出力する請求項１から請求項３のいずれか１項記載の音声再生装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであり、安価で、高音質かつ低消費電流の音声再生装置を提供することを目的とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明では、圧電体に信号電圧を加えることで発生する圧電体の振動を音声として出力する圧電素子、及び圧電素子に直列に接続され、圧電素子と等価であるキャパシタとともにローパスフィルタを構成する抵抗を有する圧電ブザーと、ミドルウェアに基づいて、圧縮された音声データをデコードして音声信号に変換し、その音声信号に応じたＰＷＭ信号を生成するマイクロコンピュータと、マイクロコンピュータで生成されるＰＷＭ信号に基づいてバイポーラトランジスタがスイッチング動作することで電力増幅を行い、ＰＷＭ信号に応じた信号電圧を圧電素子及び抵抗に出力して圧電ブザーの音声出力を実行する駆動回路と、を備えることを特徴とする音声再生装置を提供する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
また、駆動回路は、電池を電源電圧として動作する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、電池はボタン型電池であり、ボタン型電池の電圧を電源電圧まで昇圧させるチャージポンプを備える。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
また、圧電ブザーは、圧電素子の２つの端子の両方に抵抗を直列に接続する。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
また、マイクロコンピュータは、ミドルウェアとしての再生制御ミドルウェアに基づいて、圧縮された音声データをデコードしながらＰＣＭ形式の音声信号に変換し、ミドルウェアとしてのドライバーに基づいて、音声信号に応じたＰＷＭ信号を生成して駆動回路に出力する。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のベース端子は、それぞれ、抵抗Ｒ１によって電圧Ｖｃｃよりも低い電圧が印加されている。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
例えば、上記の実施形態では、圧電素子ＰＺの２つの端子の一方に抵抗を接続していたが、２つの端子の両方に抵抗を接続してもよい。このような場合でもＲＣフィルタとして機能させることができる。また、圧電素子は、ユニモルフ構造の素子を用いていたが、バイモルフ構造の素子や積層タイプの素子を用いてもよい。また、Ｈブリッジ回路は４つのバイポーラトランジスタで構成されたものを用いていたが、４つのＦＥＴで構成されたもの（図１（Ｂ）のＨブリッジ回路２０Ｂ）を用いてもよい。
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月15日(2017.12.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体に信号電圧を加えることで発生する前記圧電体の振動を音声として出力する、共振を利用して特定周波数の音声出力に適した圧電素子と、前記圧電素子に直列に接続され、前記圧電素子と等価であるキャパシタとともにローパスフィルタを構成する抵抗とを有し、別途のローパスフィルタを用いずに周波数成分を抑圧する圧電ブザーと、
ミドルウェアに基づいて、音声信号に応じたＰＷＭ信号を生成するマイクロコンピュータと、
前記マイクロコンピュータで生成される前記ＰＷＭ信号に基づいて、Ｈブリッジ回路を構成する４つのバイポーラトランジスタがスイッチング動作することで電力増幅を行い、前記ＰＷＭ信号に応じた低消費電流の信号電圧を前記圧電素子と該圧電素子の特性に合わせた抵抗値の前記抵抗とが直列に接続された前記圧電ブザーに出力して前記圧電ブザーの音声出力を実行する駆動回路と、を備えることを特徴とする音声再生装置。
【請求項２】
前記Ｈブリッジ回路を構成する２つの対称の回路は、それぞれ、２つのバイポーラトランジスタのベース端子の間にコンデンサが接続され、前記コンデンサの一方の端子と電源との間にショットキーバリアダイオードが接続され、前記コンデンサの他方の端子に前記ＰＷＭ信号を入力する信号入力端子が接続される請求項１記載の音声再生装置。
【請求項３】
前記駆動回路は、電池の電圧で動作し、
前記電池の電圧を電源電圧まで昇圧させるチャージポンプを備える請求項１または請求項２記載の音声再生装置。
【請求項４】
前記マイクロコンピュータは、前記ミドルウェアとしての再生制御ミドルウェアに基づいて、圧縮された音声データをデコードしながらＰＣＭ形式の音声信号に変換し、前記ミドルウェアとしてのドライバーに基づいて、前記音声信号に応じたＰＷＭ信号を生成して前記駆動回路に出力する請求項１から請求項３のいずれか１項記載の音声再生装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明では、圧電体に信号電圧を加えることで発生する圧電体の振動を音声として出力する、共振を利用して特定周波数の音声出力に適した圧電素子と、圧電素子に直列に接続され、圧電素子と等価であるキャパシタとともにローパスフィルタを構成する抵抗とを有し、別途のローパスフィルタを用いずに周波数成分を抑圧する圧電ブザーと、ミドルウェアに基づいて、音声信号に応じたＰＷＭ信号を生成するマイクロコンピュータと、マイクロコンピュータで生成されるＰＷＭ信号に基づいて、Ｈブリッジ回路を構成する４つのバイポーラトランジスタがスイッチング動作することで電力増幅を行い、ＰＷＭ信号に応じた低消費電流の信号電圧を圧電素子と該圧電素子の特性に合わせた抵抗値の抵抗とが直列に接続された圧電ブザーに出力して圧電ブザーの音声出力を実行する駆動回路と、を備えることを特徴とする音声再生装置を提供する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
また、Ｈブリッジ回路を構成する２つの対称の回路は、それぞれ、２つのバイポーラトランジスタのベース端子の間にコンデンサが接続され、コンデンサの一方の端子と電源との間にショットキーバリアダイオードが接続され、コンデンサの他方の端子にＰＷＭ信号を入力する信号入力端子が接続される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、駆動回路は、電池の電圧で動作し、電池の電圧を電源電圧まで昇圧させるチャージポンプを備える。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】削除
【補正の内容】