(57)【要約】      （修正有）【課題】高音質であり且つ電力効率の良い電力増幅装置及び音響装置を提供する。【解決手段】第１のキャパシタに直列に接続された第１の半導体スイッチ及び第２の半導体スイッチと、第２のキャパシタに直列に接続された第３の半導体スイッチ及び第４の半導体スイッチと、第２のキャパシタと負荷とに直列接続された直流カットキャパシタと、第１の接続点と、第２の接続点との間に接続されたインダクタと、第１の接続点と第２の接続点との間において、インダクタと直列接続された電流検出器と、制御回路とを具備する。制御回路は、入力された音声信号に基づいて、電流検出器により検出される電流値が所定の値になるように第１の半導体スイッチ、第２の半導体スイッチ、第３の半導体スイッチ、及び第４の半導体スイッチをオンオフ制御し、インダクタを介して第１のキャパシタと第２のキャパシタとの間で電荷を移動させ、第２のキャパシタの電圧を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源に接続された第１のキャパシタに直列に接続された第１の半導体スイッチ及び第２の半導体スイッチと、
第２のキャパシタに直列に接続された第３の半導体スイッチ及び第４の半導体スイッチと、
前記第２のキャパシタと負荷とに直列接続された直流カットキャパシタと、
前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点である第１の接続点と、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの接続点である第２の接続点との間に接続されたインダクタと、
前記第１の接続点と前記第２の接続点との間において、前記インダクタと直列接続された電流検出器と、
入力された音声信号に基づいて、前記電流検出器により検出される電流値が所定の値になるように前記第１の半導体スイッチ、前記第２の半導体スイッチ、前記第３の半導体スイッチ、及び前記第４の半導体スイッチをオンオフ制御し、前記インダクタを介して前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとの間で電荷を移動させ、前記第２のキャパシタの電圧を制御する制御回路と、
を具備する電力増幅装置。
【請求項２】
前記制御回路は、前記第１の半導体スイッチ、前記第２の半導体スイッチ、前記第３の半導体スイッチ、及び前記第４の半導体スイッチをオンオフ制御することにより、前記第１のキャパシタの電気エネルギーを前記インダクタに磁気エネルギーとして蓄えさせる状態、前記インダクタの磁気エネルギーを前記第２のキャパシタに電気エネルギーとして蓄えさせる状態、前記第２のキャパシタの電気エネルギーを前記インダクタに磁気エネルギーとして蓄えさせる状態、前記インダクタの磁気エネルギーを前記第１のキャパシタに電気エネルギーとして蓄えさせる状態の順に切り替える請求項１に記載の電力増幅装置。
【請求項３】
前記制御回路は、
正側電流目標値及び負側電流目標値を前記音声信号に基づいて設定し、
前記第１のキャパシタの電気エネルギーを前記インダクタに磁気エネルギーとして蓄えさせる状態に切り替わって、前記電流検出器により検出される電流値が前記正側電流目標値に達した場合、前記第２の半導体スイッチ及び前記第３の半導体スイッチをオンし且つ前記第１の半導体スイッチ及び前記第４の半導体スイッチをオフし、
前記インダクタの磁気エネルギーを前記第２のキャパシタに電気エネルギーとして蓄えさせる状態に切り替わり、前記第２のキャパシタの電気エネルギーが前記インダクタの磁気エネルギーを超え、前記第２のキャパシタの電気エネルギーを前記インダクタに磁気エネルギーとして蓄えさせる状態に切り替わり、前記電流検出器により検出される電流値が前記負側電流目標値に達した場合、前記第１の半導体スイッチ及び前記第４の半導体スイッチをオンし且つ前記第２の半導体スイッチ及び前記第３の半導体スイッチをオフする請求項２に記載の電力増幅装置。
【請求項４】
前記制御回路は、予め設定された値に前記音声信号に応じた値を加算することにより、前記正側電流目標値を設定し、予め設定された値から前記音声信号に応じた値を減算することにより、前記負側電流目標値を設定する請求項３に記載の電力増幅装置。
【請求項５】
前記制御回路は、前記第１の半導体スイッチ、前記第２の半導体スイッチ、前記第３の半導体スイッチ、及び前記第４の半導体スイッチをオフからオンにする場合、所定時間遅延させてオンにする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力増幅装置。
【請求項６】
前記制御回路は、前記音声信号が無い状態が一定時間続いた場合、前記第１の半導体スイッチ、前記第２の半導体スイッチ、前記第３の半導体スイッチ、及び前記第４の半導体スイッチを全て停止させる状態と、前記第１の半導体スイッチ、前記第２の半導体スイッチ、前記第３の半導体スイッチ、及び前記第４の半導体スイッチをオンオフ制御する状態とを定期的に繰り返すバーストモード動作を行う請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力増幅装置。
【請求項７】
音声を出力するスピーカと、
電源に接続された第１のキャパシタに直列に接続された第１の半導体スイッチ及び第２の半導体スイッチと、
第２のキャパシタに直列に接続された第３の半導体スイッチ及び第４の半導体スイッチと、
前記第２のキャパシタと前記スピーカとに直列接続された直流カットキャパシタと、
前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点である第１の接続点と、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの接続点である第２の接続点との間に接続されたインダクタと、
前記第１の接続点と前記第２の接続点との間において、前記インダクタと直列接続された電流検出器と、
入力された音声信号に基づいて、前記電流検出器により検出される電流値が所定の値になるように前記第１の半導体スイッチ、前記第２の半導体スイッチ、前記第３の半導体スイッチ、及び前記第４の半導体スイッチをオンオフ制御し、前記インダクタを介して前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとの間で電荷を移動させ、前記第２のキャパシタの電圧を制御する制御回路と、
を具備する音響装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力増幅装置及び音響装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
入力された音声信号（入力音声信号）に基づき、スピーカで出力する為の音声信号（出力音声信号）を生成する電力増幅装置（所謂アンプ）が実用化されている。電力増幅装置は、交流電源を直流電圧に変換する電源と、直流電圧を用いて、入力音声信号である小信号（small signal）を出力音声信号である大信号（large signal）に増幅する増幅器（amplifier）とを有する。
【０００３】
一般的なアンプでは、小信号を大信号に増幅する方法として、Ａ級増幅（class A amplification）、及びＢ級増幅（class B amplification）などが用いられている。
【０００４】
Ａ級増幅により信号を増幅するＡ級増幅器（class A amplifier）は、トランジスタの直流電流増幅率ｈｆｅを利用する。即ち、Ａ級増幅器は、小信号をｈｆｅ倍することにより、大信号に増幅する。Ａ級増幅器は、ベース電流を調整する回路によって、ｈｆｅ倍されたコレクタ電流を調整する。増幅率は、コレクタ電流をベース電流により除算した値である。
【０００５】
Ｂ級増幅により信号を増幅するＢ級増幅器（class B amplifier）は、正極側の波形を増幅する第１の増幅器と、負極側の波形を増幅する第２の増幅器とを有する。Ｂ級増幅器は、入力音声信号が正極であるか負極であるかを判断し、判断結果に基づき第１の増幅器と第２の増幅器とのいずれかを選択し、動作させる。
【０００６】
しかしながら、Ａ級増幅器は、トランジスタのＡ級動作を用いる為、電力効率が悪いという課題がある。また、Ｂ級増幅器は、入力音声信号が０Ｖ付近（ゼロクロス付近）である場合に、入力音声信号の極性を厳密に判断することができない可能性がある。この為、Ｂ級増幅器は、第１の増幅器及び第２の増幅器の接続の遅延や偏りが生じ、出力音声信号に歪みが生じる可能性がある。このように、Ｂ級増幅器は、音質が低下する可能性があるという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−５２７０２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、高音質であり且つ電力効率の良い電力増幅装置及び音響装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施形態に係る電力増幅装置は、電源に接続された第１のキャパシタに直列に接続された第１の半導体スイッチ及び第２の半導体スイッチと、第２のキャパシタに直列に接続された第３の半導体スイッチ及び第４の半導体スイッチと、第２のキャパシタと負荷とに直列接続された直流カットキャパシタと、前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点である第１の接続点と、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの接続点である第２の接続点との間に接続されたインダクタと、前記第１の接続点と前記第２の接続点との間においてインダクタと直列接続された電流検出器と、制御回路とを具備する。制御回路は、入力された音声信号に基づいて、前記電流検出器により検出される電流値が所定の値になるように前記第１の半導体スイッチ、前記第２の半導体スイッチ、前記第３の半導体スイッチ、及び前記第４の半導体スイッチをオンオフ制御し、前記インダクタを介して前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとの間で電荷を移動させ、前記第２のキャパシタの電圧を制御する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、一実施形態に係る電力増幅装置の構成の例について説明する為の図である。
【図２】図２は、制御信号、インダクタを流れる電流、キャパシタの電圧、及び出力音声信号との関係について説明する為の説明図である。
【図３】図３は、制御信号、インダクタを流れる電流、キャパシタの電圧、及び出力音声信号との関係について説明する為の説明図である。
【図４】図４は、入力音声信号と、インダクタを流れる電流の平均値と、出力音声信号との関係について説明する為の説明図である。
【図５】図５は、一実施形態に係る電力増幅装置の制御回路の構成例について説明する為の説明図である。
【図６】図６は、一実施形態に係る電力増幅装置の制御回路の各部における信号について説明する為のタイミングチャートである。
【図７】図７は、一実施形態に係る電力増幅装置の制御回路の各部における信号について説明する為のタイミングチャートである。
【図８】図８は、無音状態においてインダクタを流れる電流について説明する為の説明図である。
【図９】図９は、一実施形態に係る電力増幅装置の制御回路の他の構成例について説明する為の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施の形態について図面を参照して説明する。  
図１は、一実施形態に係る電力増幅装置１の構成例を示す説明図である。  
電力増幅装置１は、入力された音声信号（入力音声信号）に基づき、スピーカ２で出力する為の音声信号（出力音声信号）を生成する装置である。電力増幅装置１は、音声を出力するスピーカ２が接続されることにより、音響装置３が構成される。
【００１２】
電力増幅装置１は、整流平滑回路１１、双方向電力変換回路１２、電流検出器１３、電圧検出器１４、及び制御回路１５を備える。また、電力増幅装置１は、電源入力端子１６、音声信号入力端子１７、音量信号入力端子１８、音声信号出力端子１９を備える。
【００１３】
電源入力端子１６は、交流電源ＡＣに接続される。電源入力端子１６には、交流電源ＡＣから交流電圧が入力される。
【００１４】
音声信号入力端子１７は、アナログの音声信号（入力音声信号）を出力する機器に接続されるＡＵＸ端子である。音声信号入力端子１７には、入力音声信号が入力される。
【００１５】
音声信号出力端子１９は、スピーカ２に接続されるＶｏｕｔ端子である。音声信号出力端子１９は、入力音声信号に応じて電力増幅装置１により生成されたアナログの音声信号（出力音声信号）を出力し、スピーカ２に供給する。
【００１６】
音量信号入力端子１８は、音量信号が入力されるＶｏｌｕｍｅ端子である。音量信号は、音声信号出力端子１９から出力される出力音声信号の強さ（音量）を調整する為の信号である。
【００１７】
整流平滑回路１１は、電源入力端子１６に接続されている。整流平滑回路１１は、整流ブリッジＤＢ１及び第１の平滑キャパシタＣ１を備える。整流ブリッジＤＢ１は、複数のダイオードにより構成された全波整流回路（整流器）である。整流ブリッジＤＢ１の入力端子は、電源入力端子１６を介して交流電源ＡＣに接続される。整流ブリッジＤＢ１は、交流電源ＡＣから供給された交流電圧を全波整流する。全波整流された電圧は、第１の平滑キャパシタＣ１によりにより平滑され直流電圧に変換される。整流平滑回路１１は、後段の回路に直流電圧を供給する。
【００１８】
双方向電力変換回路１２は、制御回路１５の制御に基づいてスイッチングを行うことにより、入力された直流電圧を、任意の電圧の直流に変換する回路である。これに直流カットキャパシタＣ３を設けることにより、直流成分が排除された交流の音声信号が負荷に出力される。
【００１９】
双方向電力変換回路１２は、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、第４の半導体スイッチＳ４、インダクタＬ１、及び第２の平滑キャパシタＣ２を備える。
【００２０】
第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４は、半波導通スイッチである。第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４は、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４は、ドレインからソースへの導通状態を、ゲートの電位によって導通（オン）と遮断（オフ）に切り替える。
【００２１】
また、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４は、いずれもソース側からドレイン側の向きのボディダイオードとしても機能する。即ち、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４は、ゲートの電位に関わらずソースからドレインに電流が流れるダイオードとして機能する。
【００２２】
なお、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４は、それぞれＰチャネルＭＯＳＦＥＴであってもよい。また、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４は、それぞれＩＧＢＴ、ＳｉＣ、ＧａＮ−ＨＥＭＴなどの半導体スイッチであってもよい。また、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４は、複数の半導体スイッチが１つのパッケージに納められたインテリジェントパワーモジュールであってもよい。
【００２３】
第１の半導体スイッチＳ１のドレイン端子は、第１の平滑キャパシタＣ１の正極側の端子に接続されている。第１の半導体スイッチＳ１のソース端子は、第２の半導体スイッチＳ２のドレイン端子に接続されている。第２の半導体スイッチＳ２のソース端子は、第１の平滑キャパシタＣ１の負極側の端子に接続されている。即ち、第１の半導体スイッチＳ１及び第２の半導体スイッチＳ２は、第１の平滑キャパシタＣ１に直列接続されている。
【００２４】
第３の半導体スイッチＳ３のドレイン端子は、第２の平滑キャパシタＣ２の正極側の端子に接続されている。第３の半導体スイッチＳ３のソース端子は、第４の半導体スイッチＳ４のドレイン端子に接続されている。第４の半導体スイッチＳ４のソース端子は、第２の平滑キャパシタＣ２の負極側の端子に接続されている。即ち、第３の半導体スイッチＳ３及び第４の半導体スイッチＳ４は、第２の平滑キャパシタＣ２に直列接続されている。
【００２５】
第１の半導体スイッチＳ１と第２の半導体スイッチＳ２との接続点を第１の接続点Ｍ１と称し、第３の半導体スイッチＳ３と第４の半導体スイッチＳ４との接続点を第２の接続点Ｍ２と称する。インダクタＬ１及び電流検出器１３は、第１の接続点Ｍ１と第２の接続点Ｍ２との間に直列接続されている。
【００２６】
第２の平滑キャパシタＣ２の正極側の端子は、直流カットキャパシタＣ３の一方の端子に接続されている。直流カットキャパシタＣ３の他方の端子は、音声信号出力端子１９の一方に接続されている。また、第２の平滑キャパシタＣ２の負極側の端子は、音声信号出力端子１９の他方に接続されている。音声信号出力端子１９に負荷としてのスピーカ２が接続された場合、直流カットキャパシタＣ３は、第２の平滑キャパシタＣ３と、負荷と、に直列接続される。直流カットキャパシタＣ３は、第２の平滑キャパシタＣ２の電位が、ゼロを中心とした交流となるように電圧を変換し、負荷に出力する。
【００２７】
電流検出器１３は、第１の接続点Ｍ１と第２の接続点Ｍ２との間を流れる電流を検出する。電流検出器１３は、例えば第１の接続点Ｍ１と第２の接続点Ｍ２との間に、インダクタＬ１と直列接続される。電流検出器１３は、検出結果である電流信号ＩＳ１を制御回路１５に供給する。
【００２８】
電圧検出器１４は、第２の平滑キャパシタＣ２の両端子間の電圧を検出する。電圧検出器１４は、第２の平滑キャパシタＣ２の両端子の間に接続される。電圧検出器１４は、検出結果である電圧信号ＶＳ１を制御回路１５に供給する。
【００２９】
制御回路１５は、双方向電力変換回路１２の第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４のオンオフを制御する。制御回路１５は、音声信号入力端子１７に入力される入力音声信号ＡＵＸ、音量信号入力端子１８に入力される音量信号Ｖｏｌｕｍｅ、電流検出器１３から供給される電流信号ＩＳ１、及び電圧検出器１４から供給される電圧信号ＶＳ１に基づいて、第１の半導体スイッチＳ１を制御する制御信号Ｐ１、第２の半導体スイッチＳ２を制御する制御信号Ｐ２、第３の半導体スイッチＳ３を制御する制御信号Ｐ３、及び第４の半導体スイッチＳ４を制御する制御信号Ｐ４をそれぞれ生成する。制御回路１５は、制御信号Ｐ１を第１の半導体スイッチＳ１に入力し、制御信号Ｐ２を第２の半導体スイッチＳ２に入力し、制御信号Ｐ３を第３の半導体スイッチＳ３に入力し、制御信号Ｐ４を第４の半導体スイッチＳ４に入力する。これにより、制御回路１５は、入力音声信号ＡＵＸを音量信号Ｖｏｌｕｍｅに応じた強度の出力音声信号Ｖｏｕｔに変換するように、双方向電力変換回路１２を制御する。
【００３０】
次に、制御回路１５の動作について説明する。  
まず、第２の平滑キャパシタＣ２の電位を増減させる場合の制御回路１５の動作について説明する。なお、本例では、インダクタＬ１を流れる電流を電流ＩＬ１とし、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧を電圧ＶＣ２として説明する。また、電流ＩＬ１の値は、電流検出器１３から供給される電流信号ＩＳ１により示され、電圧ＶＣ２の値は、電圧検出器１４から供給される電圧信号ＶＳ１により示されるものとして説明する。
【００３１】
図２及び図３は、第２の平滑キャパシタＣ２の電位を増加させる場合の制御信号Ｐ１乃至Ｐ４と、インダクタＬ１を流れる電流ＩＬ１の値と、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧ＶＣ２の値と、出力音声信号Ｖｏｕｔとの関係について説明する為の説明図である。図２及び図３の横軸は、時間を示す。縦軸は、上から順に制御信号Ｐ１及びＰ４、制御信号Ｐ２及びＰ３、インダクタＬ１を流れる電流ＩＬ１の値、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧ＶＣ２の値、出力音声信号Ｖｏｕｔの値をそれぞれ示す。
【００３２】
図２は、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧ＶＣ２を増加させる場合の制御信号Ｐ１及びＰ４、制御信号Ｐ２及びＰ３、電流ＩＬ１、電圧ＶＣ２、及び出力音声信号Ｖｏｕｔについて説明する為の説明図である。また、図３は、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧ＶＣ２を減少させる場合の制御信号Ｐ１及びＰ４、制御信号Ｐ２及びＰ３、電流ＩＬ１、電圧ＶＣ２、及び出力音声信号Ｖｏｕｔについて説明する為の説明図である。
【００３３】
図２では、制御回路１５は、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの間、制御信号Ｐ１及びＰ４をオン状態（即ち第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４をオン）にし、制御信号Ｐ２及びＰ３をオフ状態（即ち第２の半導体スイッチＳ２及び第３の半導体スイッチＳ３をオフ）にする。
【００３４】
この場合、第１の平滑キャパシタＣ１の電位によって、第１の平滑キャパシタＣ１の高圧側の端子、第１の半導体スイッチＳ１、インダクタＬ１、電流検出器１３、第４の半導体スイッチＳ４、第１の平滑キャパシタＣ１の低圧側の端子の順の経路で形成された閉ループに電流ＩＬ１が流れる。この閉ループを流れる電流ＩＬ１は、インダクタＬ１の電磁気的作用の為、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの間に徐々に増加する。即ち、この閉ループに電流ＩＬ１が流れることによって、電気的エネルギーがインダクタＬ１の磁気エネルギーに変換される。
【００３５】
次に、制御回路１５は、タイミングｔ２において、制御信号Ｐ１及びＰ４をオフ状態にする。これにより、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４がオフになる。
【００３６】
第１の半導体スイッチＳ１がオフされると、第１の接続点Ｍ１の電位が０以下になる。この為、第２の半導体スイッチＳ２のドレイン端子は、第２の半導体スイッチＳ２のソース端子より電位が低い状態になる。この為、第２の半導体スイッチＳ２は、ソース側からドレイン側の向きのボディダイオードとして機能する。
【００３７】
また、第４の半導体スイッチＳ４がオフされると、第２の接続点Ｍ２の電位が第２の平滑キャパシタＣ２の電位よりも高くなる。この為、第３の半導体スイッチＳ３のドレイン端子は、第３の半導体スイッチＳ３のソース端子より電位が低い状態になる。この為、第３の半導体スイッチＳ３は、ソース側からドレイン側の向きのボディダイオードとして機能する。
【００３８】
インダクタＬ１には、電気エネルギーから変換された磁気エネルギーが蓄積されている。インダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーによって、インダクタＬ１、第３の半導体スイッチＳ３、第２の平滑キャパシタＣ２、第２の半導体スイッチＳ２、インダクタＬ１の順の経路で形成された閉ループに電流ＩＬ１が流れる。この閉ループに電流ＩＬ１が流れることによって、磁気エネルギーが電気的エネルギーに変換される。この向きの電流ＩＬ１は、第２の平滑キャパシタＣ２の電荷を増やし、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧を上昇させる。即ち、インダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーが、電気エネルギーに再変換され、第２の平滑キャパシタＣ２に蓄積される。
【００３９】
なお、電気エネルギーが第２の平滑キャパシタＣ２に蓄積されるにつれて、インダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーが減少する。この結果、タイミングｔ１からタイミングｔ２の間で右上がりだった電流ＩＬ１は、タイミングｔ２から右下がりに変化する。
【００４０】
次に、制御回路１５は、タイミングｔ３において、制御信号Ｐ２及びＰ３をオン状態にする。これにより、タイミングｔ３からタイミングｔ４までの間、第２の半導体スイッチＳ２及び第３の半導体スイッチＳ３がオンになる。この場合も、インダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーによって、インダクタＬ１、第３の半導体スイッチＳ３、第２の平滑キャパシタＣ２、第２の半導体スイッチＳ２、インダクタＬ１の順に電流ＩＬ１が流れる。これにより、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧が増加する。
【００４１】
また、インダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーが減少し、第２の平滑キャパシタＣ２の正極側の端子の電位が、インダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーによる電位と釣り合った場合、閉ループを流れる電流ＩＬ１が０に至る。さらに、第２の平滑キャパシタＣ２の正極側の端子の電位が、インダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーによる電位を上回った場合、第２の半導体スイッチＳ２及び第３の半導体スイッチＳ３が導通状態である為、電流ＩＬ１が逆方向に流れ始める。即ち、電流ＩＬ１がマイナスになり、インダクタＬ１、第２の半導体スイッチＳ２、第２の平滑キャパシタＣ２、第３の半導体スイッチＳ３、インダクタＬ１の順に電流ＩＬ１が流れる。
【００４２】
また、インダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーが全て第２の平滑キャパシタＣ２の電荷に変換されると、インダクタＬ１に流れる電流ＩＬ１はゼロに至る。このとき第１の半導体スイッチＳ２及び第３の半導体スイッチＳ３は、オン状態を継続しているので、引き続き同じ経路で逆向きの電流が流れ始める。そしてインダクタＬ１に逆向きの電流が流れることにより、インダクタＬ１に再び磁気エネルギーが蓄積される。
【００４３】
次に、制御回路１５は、タイミングｔ４において、制御信号Ｐ２及びＰ３をオフ状態にする。これにより、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４がオフになる。
【００４４】
この場合、第１の接続点Ｍ１の電位は、第１の平滑キャパシタＣ１の電位以上に上昇する。この為、第１の半導体スイッチＳ１は、ソース側からドレイン側の向きのボディダイオードとして機能する。また、第２の接続点Ｍ２の電位は、ＧＮＤ電圧以下に下がる。この為、第４の半導体スイッチＳ４は、ソース側からドレイン側の向きのボディダイオードとして機能する。
【００４５】
さらに、インダクタＬ１は、第２の接続点Ｍ２から第１の接続点Ｍ１の向きに電流ＩＬ１を流し続けようとする。この為、インダクタＬ１、第１の半導体スイッチＳ１、第１の平滑キャパシタＣ１、第４の半導体スイッチＳ４、インダクタＬ１の順に電流ＩＬ１が流れる。
【００４６】
次に、制御回路１５は、タイミングｔ５において、再び制御信号Ｐ１及びＰ４をオン状態にする。これにより、タイミングｔ５からタイミングｔ６までの間、第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４をオンにし、第２の半導体スイッチＳ２及び第３の半導体スイッチＳ３をオフにする。
【００４７】
この場合、インダクタＬ１は、第２の接続点Ｍ２から第１の接続点Ｍ１の向きに電流ＩＬ１を流し続けようとする。この為、インダクタＬ１、第１の半導体スイッチＳ１、第１の平滑キャパシタＣ１、第４の半導体スイッチＳ４、インダクタＬ１の順に電流ＩＬ１が流れる閉ループが維持される。
【００４８】
また、インダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーが減少し、第１の平滑キャパシタＣ１の正極側の端子の電位が、インダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーによる電位と釣り合った場合、閉ループを流れる電流ＩＬ１が０に至る。さらに、第１の平滑キャパシタＣ１の正極側の端子の電位が、インダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーによる電位を上回った場合、第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４が導通状態である為、電流ＩＬ１が再び逆方向に流れ始める。
【００４９】
インダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーが全て、第１の平滑キャパシタＣ１の電荷に変換されると、インダクタＬ１を流れる電流ＩＬ１がゼロに至る。さらに第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４が導通状態を継続するため、電流ＩＬ１は、同じ経路で逆方向に流れ始める。
【００５０】
即ち、電流ＩＬ１がプラスになり、第１の平滑キャパシタＣ１、第１の半導体スイッチＳ１、インダクタＬ１、第４の半導体スイッチＳ４、第１の平滑キャパシタＣ１の順に電流ＩＬ１が流れる。これは、上記のタイミングｔ１からタイミングｔ２までの間と同様である。また、これ以降の処理も、上記のタイミングｔ２からタイミングｔ４までの間と同様である。
【００５１】
制御回路１５は、上記のタイミングｔ１乃至タイミングｔ４に亘るフェーズを周期的に繰り返すことにより、インダクタＬ１に流れる高周波三角波電流である電流ＩＬ１を生成する。
【００５２】
なお、電流ＩＬ１の傾きは、第１の平滑キャパシタＣ１の電圧と、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧との両方によって決まる。具体的には、第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４がオンである場合、電流ＩＬ１は増加する。さらに、第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４がオンである場合の電流ＩＬ１の傾きは、第１の平滑キャパシタＣ１の電圧に依存する。より具体的には、電流ＩＬ１の正の勾配（右上がり）は、第１の平滑キャパシタＣ１の電圧に依存し、電流ＩＬ１の負の勾配（右下がり）は、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧に依存する。即ち、第１の平滑キャパシタＣ１の電圧が高ければ、右上がりの勾配が急になり、第１の平滑キャパシタＣ１の電圧が低ければ、右上がりの勾配が緩くなる。また、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧が高ければ、右下がりの勾配が急になり、第１の平滑キャパシタＣ１の電圧が低ければ、右下がりの勾配が緩くなる。
【００５３】
制御回路１５は、まず第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４をオンし、インダクタＬ１に流れる高周波三角波電流である電流ＩＬ１が、図２に示される正側電流目標値に達した場合、第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４をオフする。また、制御回路１５は、第２の半導体スイッチＳ２及び第３の半導体スイッチＳ３をオンし、インダクタＬ１に流れる高周波三角波電流である電流ＩＬ１が、図２に示される負側電流目標値に達した場合、第２の半導体スイッチＳ２及び第３の半導体スイッチＳ３をオフする。これにより、制御回路１５は、正側電流目標値と負側電流目標値とを往復する高周波三角波電流である電流ＩＬ１を双方向電力変換回路１２に生成させる。
【００５４】
制御回路１５は、電流ＩＬ１が図２における動作範囲ＲＩを最低限往復するように正側電流目標値及び負側電流目標値を設定する。電流ＩＬ１が動作範囲ＲＩを往復する高周波三角波電流である場合、電流の平均値はゼロとなる。
【００５５】
例えば、電流ＩＬ１の正側のピークが動作範囲ＲＩを超え、電流ＩＬ１の負側のピークが動作範囲ＲＩ程度である場合、電流の平均値が正側になる。この場合、第１の平滑キャパシタＣ１の電荷は、より多く電流として引き抜かれ、第２区間Ｔ２の電流ＩＬ１がゼロに達するまでの間に、第２の平滑キャパシタＣ２にチャージされる。即ち、第１の平滑キャパシタＣ１の電荷が第２の平滑キャパシタＣ２に移動し、第１の平滑キャパシタＣ１の電圧が減少し、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧が増加する。なお、第１の平滑キャパシタＣ１は、整流ブリッジＤＢ１から供給された直流電力により蓄電される。即ち、第１の平滑キャパシタＣ１は、整流ブリッジＤＢ１から供給された電力により、入力電圧の絶対値に等しい直流電圧に瞬時に復活する。
【００５６】
制御回路１５は、正側電流目標値を動作範囲ＲＩの上限より大きく設定し、負側電流目標値を動作範囲ＲＩの下限程度に設定することにより、電流ＩＬ１の平均を正側に振ることができる。この結果、制御回路１５は、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧ＶＣ２を増加させることができる。
【００５７】
図２の例では、正側電流目標値が動作範囲ＲＩの上限より大きく設定されている。この為、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧ＶＣ２が徐々に増加している。第２の平滑キャパシタＣ２の電圧ＶＣ２は、直流カットキャパシタＣ３によって直流成分がカットされ、出力音声信号Ｖｏｕｔとして音声信号出力端子１９から出力される。出力音声信号Ｖｏｕｔは、電圧ＶＣ２の変化に伴って徐々に増加する。
【００５８】
また、図３でも、制御回路１５の動作は、図２の例と同様である。即ち、図３のタイミングｔ１１乃至タイミングｔ１６において、制御回路１５は、図２のタイミングｔ１乃至タイミングｔ６と同様の処理を行う。図３の例は、正側電流目標値が電流ＩＬ１の動作範囲ＲＩの上限程度に設定され、負側電流目標値が電流ＩＬ１の動作範囲ＲＩの下限よりも低く設定されている点が図２の例と異なる。
【００５９】
図３の例では、電流ＩＬ１の平均値が負側になる。この場合、第２の平滑キャパシタＣ２の電荷は、充電される量に比べてインダクタＬ１に引き抜かれる量の方が多くなる。即ち、双方向電力変換の動作（逆動作）により、第２の平滑キャパシタＣ２の電荷が第１の平滑キャパシタＣ１に移動し、第１の平滑キャパシタＣ１の電圧が増加し、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧が減少する。
【００６０】
上記の様に、制御回路１５は、正側電流目標値を動作範囲ＲＩの上限程度に設定し、負側電流目標値を動作範囲ＲＩの下限よりも低く設定することにより、電流ＩＬ１の平均を負側に振ることができる。この結果、制御回路１５は、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧ＶＣ２を減少させることができる。
【００６１】
図３の例では、負側電流目標値が動作範囲ＲＩの下限よりも小さく設定されている。この為、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧ＶＣ２が徐々に減少している。第２の平滑キャパシタＣ２の電圧ＶＣ２は、直流カットキャパシタＣ３によって直流成分がカットされ、出力音声信号Ｖｏｕｔとして音声信号出力端子１９から出力される。出力音声信号Ｖｏｕｔは、電圧ＶＣ２の変化に伴って徐々に減少する。
【００６２】
次に、第２の平滑キャパシタＣ２の電位を増減させることにより、出力音声信号Ｖｏｕｔを生成する場合の、制御回路１５の動作について説明する。
【００６３】
制御回路１５は、入力音声信号ＡＵＸに基づいて、上記のスイッチング動作、及び電流目標値の設定を繰り返し実行することにより、直流電源を入力音声信号ＡＵＸに応じた出力音声信号Ｖｏｕｔを双方向電力変換回路１２に生成させる。制御回路１５は、例えば、１００ｋＨｚ乃至１ＭＨｚ程度の周期で、上記のスイッチング動作を行うことにより、入力音声信号ＡＵＸに応じた出力音声信号Ｖｏｕｔを、双方向電力変換回路１２に生成させる。
【００６４】
制御回路１５は、上記のスイッチング動作によって、電流ＩＬ１の平均値を正側に偏極させることにより、電圧ＶＣ２を増加させる。また、制御回路１５は、上記のスイッチング動作によって、電流ＩＬ１の平均値を負側に偏極させることにより、電圧ＶＣ２を減少させる。この変動は、直流カットキャパシタＣ３を介することによって、ゼロ電圧を基準とした電圧変動として現れる。例えば、制御回路１５は、電圧ＶＣ２を増加させる動作と減少させる動作とを、５００Ｈｚ周期で切り替えて行うことにより、５００Ｈｚ周期の電圧変動を発生させる。
【００６５】
また、電圧変動の振幅は、出力音声信号Ｖｏｕｔにおける音量に相当する。出力音声信号Ｖｏｕｔにおける変動は、電流ＩＬ１の平均値の絶対値に応じて大きくなる。電流ＩＬ１の平均値の絶対値は、動作範囲ＲＩの上限と正側電流目標値との差、または動作範囲ＲＩの下限と負側電流目標値との差に応じて決まる。
【００６６】
例えば、制御回路１５は、大きい入力音声信号ＡＵＸが入力された場合、正極側に多くの電流を流すように正側電流目標値及び負側電流目標値を設定する。これにより、第１の平滑キャパシタＣ１から第２の平滑キャパシタＣ２に移動する電荷量が増加する。これにより、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧ＶＣ２が比較的早く増加する。これに伴い、出力音声信号Ｖｏｕｔの電圧の増加も早くなる。この結果、同一時間内で比較して、出力音声信号Ｖｏｕｔが著しく高くなる。
【００６７】
次に、制御回路１５は、負極側に多くの電流を流すように、正側電流目標値及び負側電流目標値を設定する。これにより、第２の平滑キャパシタＣ２から第１の平滑キャパシタＣ１に移動する電荷量が増加する。これにより、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧ＶＣ２が比較的早く減少する。これに伴い、出力音声信号Ｖｏｕｔの電圧の減少も早くなる。この結果、同一時間内で比較して、出力音声信号Ｖｏｕｔが著しく低くなる。制御回路１５は、このような処理によって、変動が大きい出力音声信号Ｖｏｕｔを生成させる。
【００６８】
また、例えば、制御回路１５は、入力音声信号ＡＵＸが小さくなった場合、電流ＩＬ１の平均値の絶対値が減少するように制御する。これにより、第１の平滑キャパシタＣ１と第２の平滑キャパシタＣ２との間で移動する電荷量が減少する。これにより、電圧ＶＣ２の変動が減少する。この結果、出力音声信号Ｖｏｕｔの変動が小さくなる。
【００６９】
このように、制御回路１５は、動作範囲ＲＩの上限または下限に対する差が大きくなるように、正側電流目標値及び負側電流目標値を設定することにより、出力音声信号Ｖｏｕｔの変動の振幅を制御することができる。即ち、制御回路１５は、正側電流目標値及び負側電流目標値の設定によってを音量を制御することができる。
【００７０】
図４は、入力音声信号ＡＵＸと、電流ＩＬ１の平均値と、出力音声信号Ｖｏｕｔとの関係について説明する為の説明図である。ここでは、入力音声信号ＡＵＸは、例えば１００Ｈｚの音声信号と、８００Ｈｚの音声信号が重畳された信号であるとする。
【００７１】
例えば、タイミングｔ２１のように、入力音声信号ＡＵＸの傾きがゼロである場合、出力音声信号Ｖｏｕｔも変化させる必要がない。この為、第１の平滑キャパシタＣ１と第２の平滑キャパシタＣ２との間で電荷を移動させる必要が無い。即ち、電流ＩＬ１の平均値がゼロである。。この場合、制御回路１５は、例えば、正側電流目標値を動作範囲ＲＩの上限に設定し、負側電流目標値を動作範囲ＲＩの下限に設定する。
【００７２】
また、例えば、タイミングｔ２２のように、入力音声信号ＡＵＸの傾きが右上がりである場合、出力音声信号Ｖｏｕｔの傾きも右上がりとなる。この場合、第１の平滑キャパシタＣ１から第２の平滑キャパシタＣ２に電荷を移動させる必要がある。また、第１の平滑キャパシタＣ１から第２の平滑キャパシタＣ２への電荷の移動量は、入力音声信号ＡＵＸの傾きによって決まる。即ち、電流ＩＬ１の平均値は、入力音声信号ＡＵＸの微分値として表される。微分値の算出方法としては、微小時間前の入力音声信号ＡＵＸと、現時刻における入力音声信号ＡＵＸとの電圧値を比較する方法がある。具体的には、微分値＝（現時刻の入力音声信号ＡＵＸの電圧値−微小時間前の入力音声信号ＡＵＸの電圧値）／（現時刻−微小時間前の時刻）により算出される。制御回路１５は、この微分値に相当する電流が流れるように、正側電流目標値及び負側電流目標値を適宜設定する。
【００７３】
また、例えば、タイミングｔ２３のように、入力音声信号ＡＵＸの傾きが右下がりである場合、出力音声信号Ｖｏｕｔの傾きも右下がりとなる。この場合、第２の平滑キャパシタＣ２から第１の平滑キャパシタＣ１に電荷を移動させる必要がある。この場合も、制御回路１５は、入力音声信号ＡＵＸの傾きの微分値に相当する電流が流れるように、正側電流目標値及び負側電流目標値を適宜設定する。微分値の算出方法としては、上記の方法と同様である。
【００７４】
なお、入力音声信号ＡＵＸの傾きがゼロである場合も、上記の微分値の算出方法により微分値を算出した結果、微分値がゼロになる。これは、現時刻の入力音声信号ＡＵＸの電圧値と微小時間前の入力音声信号ＡＵＸの電圧値とが等しい為である。この結果、電流ＩＬ１の平均値がゼロになる。
【００７５】
以上のように、入力音声信号ＡＵＸに複数の周波数の信号が重畳されており、且つ入力音声信号ＡＵＸの強弱がある場合であっても、制御回路１５は、入力音声信号ＡＵＸの微分値に応じた電流ＩＬ１が流れるように、正側電流目標値及び負側電流目標値を設定することにより、入力音声信号ＡＵＸに応じた出力音声信号Ｖｏｕｔを、生成させることができる。
【００７６】
次に、上記のような動作を行う制御回路１５の構成例について詳細に説明する。  
図５は、制御回路１５の構成例について説明する為の説明図である。制御回路１５は、入力音声信号ＡＵＸが入力される端子、音量信号Ｖｏｌｕｍｅが入力される端子、電流信号ＩＳ１が入力される端子、及び電圧信号ＶＳ１が入力される端子を備える。また、制御回路１５は、制御信号Ｐ１乃至制御信号Ｐ４を出力する端子を備える。
【００７７】
また、制御回路１５は、微分器ＤＩＦ、乗算器ＭＵＬ、積分器ＩＮＴ、差分器ＳＵＢ、第１の加算器ＡＤＤ１、第２の加算器ＡＤＤ２、第１のコンパレータＣＰ１、第２のコンパレータＣＰ２、第１のセレクタＳＥＬ１、第２のセレクタＳＥＬ２、第３のセレクタＳＥＬ３、第４のセレクタＳＥＬ４、第５のセレクタＳＥＬ５、第６のセレクタＳＥＬ６、及びラッチ回路ＬＡＴＣＨを備える。
【００７８】
微分器ＤＩＦは、入力信号の微分値を出力する。乗算器ＭＵＬは、入力される２つの信号を乗算した値を出力する。積分器ＩＮＴは、入力信号の積分値を出力する。差分器ＳＵＢは、入力される２つの信号の差分値を出力する。第１の加算器ＡＤＤ１及び第２の加算器ＡＤＤ２は、入力信号の加算値を出力する。第１のコンパレータＣＰ１及び第２のコンパレータＣＰ２は、入力される２つの信号の正負の判定結果を出力する。第１のセレクタＳＥＬ１乃至第６のセレクタＳＥＬ６は、それぞれ設定された条件に基づいて、出力する値を切り替える。ラッチ回路ＬＡＴＣＨは、１ビットの情報を保持する回路である。ラッチ回路ＬＡＴＣＨは、Ｓ端子に入力された信号がＨレベルである場合、Ｑ端子から出力する信号をＨレベルで維持する状態になる。また、ラッチ回路ＬＡＴＣＨは、Ｒ端子に入力された信号がＨレベルである場合、Ｑ端子から出力する信号をＬレベルで維持する状態になる。
【００７９】
次に、制御回路１５における信号の流れについて説明する。  
微分器ＤＩＦには、入力音声信号ＡＵＸが入力される。微分器ＤＩＦは、入力音声信号ＡＵＸの微分値を乗算器ＭＵＬに出力する。
【００８０】
乗算器ＭＵＬには、入力音声信号ＡＵＸの微分値と、音量信号Ｖｏｌｕｍｅとが入力される。乗算器ＭＵＬは、入力音声信号ＡＵＸの微分値と、音量信号Ｖｏｌｕｍｅと、を乗算した値を、第１のセレクタＳＥＬ１及び第２のセレクタＳＥＬ２に出力する。即ち、乗算器ＭＵＬは、入力音声信号ＡＵＸの微分値を「音量信号Ｖｏｌｕｍｅ倍」した値を出力する。
【００８１】
第１のセレクタＳＥＬ１は、乗算器ＭＵＬから供給された値が正であれば、乗算器ＭＵＬから供給された値を第１の加算器ＡＤＤ１に出力する。また、第１のセレクタＳＥＬ１は、乗算器ＭＵＬから供給された値が負であれば、０を第１の加算器ＡＤＤ１に出力する。
【００８２】
第２のセレクタＳＥＬ２は、乗算器ＭＵＬから供給された値が負であれば、乗算器ＭＵＬから供給された値を第２の加算器ＡＤＤ２に出力する。また、第２のセレクタＳＥＬ２は、乗算器ＭＵＬから供給された値が正であれば、０を第２の加算器ＡＤＤ２に出力する。
【００８３】
積分器ＩＮＴには、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧を示す電圧信号ＶＳ１が入力される。積分器ＩＮＴは、電圧信号ＶＳ１を所定の時間範囲で積分する。例えば、積分器ＩＮＴは、電圧信号ＶＳ１を比較的大きな時間範囲で積分する。これにより、音声信号の周波数及び振幅がキャンセルされ、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧の平均値が積分値（信号中心電圧）として算出される。積分器ＩＮＴは、電圧信号ＶＳ１の積分値を差分器ＳＵＢに出力する。
【００８４】
差分器ＳＵＢは、予め設定された定数ＮＥＵと、積分器ＩＮＴからの積分値との差分を第１の加算器ＡＤＤ１及び第２の加算器ＡＤＤ２に出力する。定数ＮＥＵは、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧の振幅の最大値の半分の値として設定される。例えば、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧の振幅の最大値を２００Ｖに設定する場合、定数ＮＥＵは、１００Ｖとして設定される。差分器ＳＵＢは、定数ＮＥＵから積分器ＩＮＴの積分値を減算した値を出力する。即ち、定数ＮＥＵより積分器ＩＮＴの積分値が大きい場合、差分器ＳＵＢは、マイナスの値を出力する。また、定数ＮＥＵより積分器ＩＮＴの積分値が小さい場合、差分器ＳＵＢは、プラスの値を出力する。
【００８５】
上記の処理により、第１の加算器ＡＤＤ１には、第１のセレクタＳＥＬ１の出力及び差分器ＳＵＢの出力が入力される。第１の加算器ＡＤＤ１は、第１のセレクタＳＥＬ１の出力と、差分器ＳＵＢの出力と、予め設定された定数ＢＡＳＥＰとを加算し、加算値を第３のセレクタＳＥＬ３に出力する。定数ＢＡＳＥＰは、上記の図２及び図３における動作範囲ＲＩの上限に相当する値である。定数ＢＡＳＥＰは、双方向電力変換回路１２の仕様によって定まる。
【００８６】
また、第２の加算器ＡＤＤ２には、第２のセレクタＳＥＬ２の出力及び差分器ＳＵＢの出力が入力される。第２の加算器ＡＤＤ２は、第２のセレクタＳＥＬ２の出力と、差分器ＳＵＢの出力と、予め設定された定数ＢＡＳＥＭとを加算し、加算値を第４のセレクタＳＥＬ４に出力する。定数ＢＡＳＥＭは、上記の図２及び図３における動作範囲ＲＩの下限に相当する値である。定数ＢＡＳＥＭは、双方向電力変換回路１２の仕様によって定まる。
【００８７】
第３のセレクタＳＥＬ３は、第１の加算器ＡＤＤ１の出力が定数ＢＡＳＥＰより大きければ、第１の加算器ＡＤＤ１の出力をそのまま正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐとして第１のコンパレータＣＰ１に出力する。また、第３のセレクタＳＥＬ３は、第１の加算器ＡＤＤ１の出力が定数ＢＡＳＥＰ以下であれば、定数ＢＡＳＥＰを正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐとして第１のコンパレータＣＰ１に出力する。正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐは、図２及び図３における正側電流目標値を示す。即ち、図２及び図３における正側電流目標値は、動作範囲ＲＩの上限に相当する定数ＢＡＳＥＰ未満の値にならないように第３のセレクタＳＥＬ３により制御される。
【００８８】
第４のセレクタＳＥＬ４は、第２の加算器ＡＤＤ２の出力が定数ＢＡＳＥＭ未満であれば、第２の加算器ＡＤＤ２の出力をそのまま負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍとして、第２のコンパレータＣＰ２に出力する。また、第４のセレクタＳＥＬ４は、第２の加算器ＡＤＤ２の出力が定数ＢＡＳＥＭ以上であれば、定数ＢＡＳＥＭを負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍとして、第２のコンパレータＣＰ２に出力する。負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍは、図２及び図３におけるにおける負側電流目標値を示す。即ち、図２及び図３における負側電流目標値は、動作範囲ＲＩの下限に相当する定数ＢＡＳＥＭより大きい値にならないように、第４のセレクタＳＥＬ４により制御される。
【００８９】
また、上記の構成によると、第１の加算器ＡＤＤ１及び第２の加算器ＡＤＤ２は、ある期間における、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧の平均値（信号中心電圧）の変位を、即時に、正側電流目標値及び負側電流目標値に反映させることができる。また、積分器ＩＮＴにおける時間積分の時間範囲は、変位修正で発生する周波数が１０ヘルツ以下になるように設定される。この周波数は、人間の耳には感知されないので音信号への悪影響はない。
【００９０】
また、第１のコンパレータＣＰ１には、正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐと電流信号ＩＳ１とが入力される。第１のコンパレータＣＰ１は、正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐと電流信号ＩＳ１とを比較し、比較結果をラッチ回路ＬＡＴＣＨのＲ端子に出力する。第１のコンパレータＣＰ１は、電流信号ＩＳ１が正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐより大きい場合、Ｈレベルの信号を出力する。また、第１のコンパレータＣＰ１は、電流信号ＩＳ１が正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐより小さい場合、Ｌレベルの信号を出力する。
【００９１】
第２のコンパレータＣＰ２には、負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍと電流信号ＩＳ１とが入力される。第２のコンパレータＣＰ２は、負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍと電流信号ＩＳ１とを比較し、比較結果をラッチ回路ＬＡＴＣＨのＳ端子に出力する。第２のコンパレータＣＰ２は、電流信号ＩＳ１が負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍより小さい場合、Ｈレベルの信号を出力する。また、第２のコンパレータＣＰ２は、電流信号ＩＳ１が負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍより大きい場合、Ｌレベルの信号を出力する。
【００９２】
ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＲ端子には、第１のコンパレータＣＰ１の出力が入力され、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＳ端子には、第２のコンパレータＣＰ２の出力が入力される。また、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱ端子は、第５のセレクタＳＥＬ５に接続され、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱＢＥＲ端子は、第６のセレクタＳＥＬ６に接続されている。
【００９３】
ラッチ回路ＬＡＴＣＨは、Ｓ端子にＨレベルの信号（Ｈトリガー）が入力された場合、Ｑ端子から第５のセレクタＳＥＬ５にＨレベルの信号を出力し、ＱＢＥＲ端子から第６のセレクタＳＥＬ６に、Ｌレベルの信号を出力する状態を保持する。
【００９４】
また、ラッチ回路ＬＡＴＣＨは、Ｒ端子にＨレベルの信号（Ｈトリガー）が入力された場合、Ｑ端子から第５のセレクタＳＥＬ５にＬレベルの信号を出力し、ＱＢＥＲ端子から第６のセレクタＳＥＬ６に、Ｈレベルの信号を出力する状態を保持する。
【００９５】
第５のセレクタＳＥＬ５は、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱ端子からの出力を、そのまま制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３として出力する。なお、第５のセレクタＳＥＬ５は、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱ端子からの出力が、ＬレベルからＨレベルに変化する場合、所定時間遅延させてＨレベルの信号を出力する。
【００９６】
第６のセレクタＳＥＬ６は、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱＢＥＲ端子からの出力を、そのまま制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４として出力する。なお、第６のセレクタＳＥＬ６は、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱＢＥＲ端子からの出力が、ＬレベルからＨレベルに変化する場合、所定時間遅延させてＨレベルの信号を出力する。
【００９７】
次に、制御回路１５における各種の信号のタイミングチャートについて説明する。  
図６及び図７は、図５に示す制御回路１５の各部における信号について説明する為のタイミングチャートである。図６及び図７の横軸は、時間を示す。縦軸は、上から順に電流ＩＬ１の値、第１のコンパレータＣＰ１の出力、第２のコンパレータＣＰ２の出力、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱ端子の出力、制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱＢＥＲ端子の出力、制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４をそれぞれ示す。
【００９８】
上記の様に、電流ＩＬ１との比較対象として、動作範囲ＲＩの上限である定数ＢＡＳＥＰ、動作範囲ＲＩの下限である定数ＢＡＳＥＭ、正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐ、及び負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍが設定されている。
【００９９】
例えば、図５において、入力音声信号ＡＵＸが０である場合、第１の加算器ＡＤＤ１及び第２の加算器ＡＤＤ２の出力が０となる。この為、第３のセレクタＳＥＬ３により、正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐとして、定数ＢＡＳＥＰが強制的に設定され、第４のセレクタＳＥＬ４により、負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍとして、定数ＢＡＳＥＭが強制的に設定される。正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐが定数ＢＡＳＥＰとして設定され、負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍが定数ＢＡＳＥＭとして設定されている場合、正側と負側で電流が等しくなる。この為、電流ＩＬ１の平均値は０となる。即ち、出力音声信号Ｖｏｕｔが出力されていない状態である。このように、正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐとして定数ＢＡＳＥＰが設定され、負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍとして定数ＢＡＳＥＭが設定されている状態を基底状態と称する。図６は、基底状態におけるタイミングチャートを示す。
【０１００】
図６に示されるように、タイミングｔ３１で電流ＩＬ１が正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐに達した場合、第１のコンパレータＣＰ１からＨレベルの信号（Ｈトリガー）が出力される。これにより、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱ端子からの出力がＨレベルになり、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱＢＥＲ端子からの出力がＬレベルになる。Ｑ端子からの出力がＬレベルからＨレベルになる為、第５のセレクタＳＥＬ５は、所定時間遅延させてＨレベルの信号を制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３として出力する。また、ＱＢＥＲ端子からの出力がＨレベルからＬレベルになる為、第６のセレクタＳＥＬ６は、遅延させずにＬレベルの信号を制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４として出力する。
【０１０１】
また、図６に示されるように、タイミングｔ３２で電流ＩＬ１が負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍに達した場合、第２のコンパレータＣＰ２からＨレベルの信号（Ｈトリガー）が出力される。これにより、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱ端子からの出力がＬレベルになり、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱＢＥＲ端子からの出力がＨレベルになる。Ｑ端子からの出力がＨレベルからＬレベルになる為、第５のセレクタＳＥＬ５は、遅延させずにＬレベルの信号を制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３として出力する。また、ＱＢＥＲ端子からの出力がＬレベルからＨレベルになる為、第６のセレクタＳＥＬ６は、所定時間遅延させてＨレベルの信号を制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４として出力する。
【０１０２】
第１の半導体スイッチＳ１と第２の半導体スイッチＳ２が同時にオンされた場合、第１の平滑キャパシタＣ１の正極、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第１の平滑キャパシタＣ１の負極の閉ループが形成される。第３の半導体スイッチＳ３と第４の半導体スイッチＳ４が同時にオンされた場合、第２の平滑キャパシタＣ２の正極、第３の半導体スイッチＳ３、第４の半導体スイッチＳ４、第２の平滑キャパシタＣ２の負極の閉ループが形成される。閉ループが形成された場合、閉ループの中で短絡電流が流れ、スイッチの破損の原因となる。しかし、上記のように、第５のセレクタＳＥＬ５及び第６のセレクタＳＥＬ６は、信号がＬレベルからＨレベルに切り替えられる際に、所定時間Ｈレベルの立ち上がりを遅延させる。これにより、第１の半導体スイッチＳ１乃至第４の半導体スイッチＳ４が同時にオフされるデッドタイムが設けられ、短絡電流の発生が防がれる。
【０１０３】
制御回路１５は、このような処理を、電流ＩＬ１が、正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐまたは負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍに達したタイミングで、繰り返し行うことにより、電流ＩＬ１を周期的に発振させる。
【０１０４】
図７は、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧ＶＣ２を増加させる場合のタイミングチャートの例を示す。図７の例は、図６の例に比べて正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐがより大きく設定されている点が異なる。なお、各種の信号処理については、図６の例と同様である為、説明を省略する。
【０１０５】
例えば、図５において、入力音声信号ＡＵＸが正である場合、第１のセレクタＳＥＬ１は、正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐを増加させる為の信号を出力する。正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐが増加すると、図７に示されるように、正側の電流が増加する。この結果、電流ＩＬ１の平均値が正側に増加し、第１の平滑キャパシタＣ１の電荷が第２の平滑キャパシタＣ２に移動する電流が優勢となり、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧が増加する。
【０１０６】
上記したように、電力増幅装置１は、電源に接続された第１の平滑キャパシタＣ１に直列に接続された第１の半導体スイッチＳ１及び第２の半導体スイッチＳ２と、負荷が接続される第２の平滑キャパシタＣ２に直列に接続された第３の半導体スイッチＳ３及び第４の半導体スイッチＳ４と、第１の半導体スイッチＳ１と第２の半導体スイッチＳ２との接続点である第１の接続点Ｍ１と、第３の半導体スイッチＳ３と第４の半導体スイッチＳ４との接続点である第２の接続点Ｍ２との間に接続されたインダクタＬ１と、制御回路１５とを備える。制御回路１５は、入力音声信号ＡＵＸに基づいて、電流検出器１３により検出される電流値が所定の値になるように、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４をオンオフ制御し、インダクタＬ１を介して第１の平滑キャパシタＣ１と第２の平滑キャパシタＣ２との間で電荷を移動させ、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧を制御する。
【０１０７】
また、制御回路１５は、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、第４の半導体スイッチＳ４をオンオフ制御することにより、第１の平滑キャパシタＣ１の電気エネルギーをインダクタＬ１に磁気エネルギーとして蓄えさせる状態、インダクタＬ１の磁気エネルギーを第２の平滑キャパシタＣ１に電気エネルギーとして蓄えさせる状態、第２の平滑キャパシタＣ２の電気エネルギーをインダクタＬ１に磁気エネルギーとして蓄えさせる状態、インダクタＬ１の磁気エネルギーを第１の平滑キャパシタＣ１に電気エネルギーとして蓄えさせる状態の順に切り替える。
【０１０８】
また、制御回路１５は、正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐ及び負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍを入力音声信号ＡＵＸに基づいて設定する。制御回路１５は、第１の平滑キャパシタＣ１の電気エネルギーを、インダクタＬ１に磁気エネルギーとして蓄えさせる状態に切り替わってから、第１の接続点Ｍ１から第２の接続点Ｍ２に流れる電流が、正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐに達した場合、第２の半導体スイッチＳ２及び第３の半導体スイッチＳ３をオンし、且つ第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４をオフする。また、制御回路１５は、インダクタＬ１の磁気エネルギーを第２の平滑キャパシタＣ２に電気エネルギーとして蓄えさせる状態に切り替わり、第２の平滑キャパシタＣ２の電気エネルギーがインダクタＬ１の磁気エネルギーを超えて、第２の平滑キャパシタＣ２の電気エネルギーをインダクタＬ１に磁気エネルギーとして蓄えさせる状態に切り替わってから、第２の接続点Ｍ２から第１の接続点Ｍ１に流れる電流が、負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍに達した場合、第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４をオンし、且つ第２の半導体スイッチＳ２及び第３の半導体スイッチＳ３をオフする。
【０１０９】
さらに、上記の構成において、制御回路１５は、入力音声信号ＡＵＸ、音量信号Ｖｏｌｕｍｅ、及び電圧信号ＶＳ１に基づいて、正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐ及び負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍを逐次設定する。また、電力増幅装置１は、設定した正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐ及び負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍと、電流信号ＩＳ１との比較結果に基づいて、第１の半導体スイッチＳ１乃至第４の半導体スイッチＳ４のオンオフを切り替える。これにより、電力増幅装置１は、入力音声信号ＡＵＸを増幅した出力音声信号Ｖｏｕｔを出力する。
【０１１０】
このような構成によると、入力音声信号ＡＵＸがゼロである場合、双方向電力変換回路１２が基底状態になる為、入力音声信号ＡＵＸが入力されていない状態での電力消費を抑える事ができる。また、通常の動作時においても、双方向電力変換回路１２の動作に必要な経路に抵抗成分が無い為、消費電力を抑える事ができる。また、入力音声信号ＡＵＸが０Ｖを跨ぐ場合であっても、双方向電力変換回路１２内における信号処理に変化が無い為、遅延、偏り、歪などの発生を防ぐことができる。また、出力インピーダンスが極めて低い為、スピーカのインピーダンスマッチングを考慮する必要が無くなり、選択可能なスピーカが増える。この結果、高音質であり且つ電力効率の良い電力増幅装置及び音響装置を提供することが可能になる。
【０１１１】
次に、制御回路１５の変形例である制御回路１５Ａについて説明する。  
図８は、無音状態における電流ＩＬ１について説明する為の説明図である。  
無音状態とは、出力音声信号Ｖｏｕｔが変化しない状態を意味する。例えば、双方向電力変換回路１２が基底状態で動作する場合、無音状態となる。しかし、長時間無音状態が続く場合の省電力効果をさらに高める為に、制御回路１５Ａは、双方向電力変換回路１２に定期的に発振動作を行わせる構成であってもよい。即ち、制御回路１５Ａは、双方向電力変換回路１２の第１の半導体スイッチＳ１乃至第４の半導体スイッチＳ４のオンオフ制御を停止させる停止状態と、基底状態とを間欠的に繰り返してもよい。
【０１１２】
例えば、停止状態が長時間続く場合、第２の平滑キャパシタＣ２の電荷が空気中に放電される、または回路内の抵抗で消費される可能性がある。この状態で入力音声信号ＡＵＸが入力された場合、第２の平滑キャパシタＣ２の信号中心電圧がずれた状態で出力音声信号Ｖｏｕｔが生成される可能性がある。これに対し、基底状態では、第１の平滑キャパシタＣ１から第２の平滑キャパシタＣ２に電荷が供給され、第２の平滑キャパシタＣ２の信号中心電圧を一定の値に保たれる。そこで、制御回路１５Ａは、停止状態と、基底状態とを間欠的に繰り返す（以下バーストモード動作と称する）ことにより、第２の平滑キャパシタＣ２の信号中心電圧を一定の値に保つことができる。
【０１１３】
図９は、制御回路１５Ａの構成例について説明する為の説明図である。図９の制御回路１５Ａは、図５で示した制御回路１５の構成と、判定回路２１と、強制停止回路２２とを備える。
【０１１４】
判定回路２１は、乗算器ＭＵＬの出力が０である状態が一定時間継続したか否かを判定する。具体的には、判定回路２１は、通常時に強制停止回路２２にイネーブル信号を供給し続け、乗算器ＭＵＬの出力が０である状態が一定時間継続したと判定した場合、イネーブル信号の出力を停止する。
【０１１５】
強制停止回路２２は、制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３の出力端子と第５のセレクタＳＥＬ５の出力端子との間、並びに制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４の出力端子と第６のセレクタＳＥＬ６の出力端子との間に設けられる。強制停止回路２２は、判定回路２１からイネーブル信号を受信している間、制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３の出力端子と第５のセレクタＳＥＬ５の出力端子との接続、並びに制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４の出力端子と第６のセレクタＳＥＬ６の出力端子とをそれぞれ接続する。強制停止回路２２は、判定回路２１からイネーブル信号が供給されない場合、制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３の出力端子と第５のセレクタＳＥＬ５の出力端子との接続、並びに制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４の出力端子と第６のセレクタＳＥＬ６の出力端子との接続を遮断する。
【０１１６】
上記の構成により、制御回路１５Ａは、入力音声信号ＡＵＸが０であり、乗算器ＭＵＬの出力が０である状態が一定時間継続した場合、停止状態と基底状態とを間欠的に実行するバーストモード動作を行う。この結果、電力増幅装置１は、省電力効果をさらに高めるとともに、音質の低下を防ぐことができる。
【０１１７】
なお、上記の実施形態では、制御回路１５は、正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐ及び負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍと、電流ＩＬ１と、に基づいて、第１の半導体スイッチＳ１乃至第４の半導体スイッチＳ４をオンオフ制御する構成であると説明したが、この構成に限定されない。電流ＩＬ１は、傾きの勾配が第１の平滑キャパシタＣ１の電圧と、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧とのいずれかによって決まるものの、直線的に増減する。従って、制御回路１５は、電流ＩＬ１の傾きと、正側電流目標値ＥＮＶ−Ｐ及び負側電流目標値ＥＮＶ−Ｍと、に基づき、第１の半導体スイッチＳ１乃至第４の半導体スイッチＳ４をオンオフ制御するタイミングを算出し、制御する構成であってもよい。
【０１１８】
また、上記の実施形態において、電力増幅装置１の例について説明したが、この構成に限定されない。電力増幅装置１の各構成は、同等の機能を有する他の構成により置き換えられてもよい。また、制御回路１５の各ブロックは、アナログ回路、ディジタル回路、及びソフトウエアのいずれにより構成されるものであってもよい。
【０１１９】
具体的には、アナログ加算器、アナログ乗算器、オペアンプ（差分器）、コンパレータ（条件分岐制御器）などを組み合わせることにより、制御回路１５をアナログ回路として構成することができる。
【０１２０】
また、音声信号入力端子１７に入力されたアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器、ディジタル信号をアナログ信号に変換して音声信号出力端子１９から出力するＤＡ変換器、ディジタル加算ＩＣ、ディジタル乗算ＩＣ、及びディジタル差分ＩＣなどを組み合わせることにより、制御回路１５をディジタル回路として構成することができる。また、加算、減算、乗算などを行うマイコンをディジタル加算ＩＣ、ディジタル乗算ＩＣ、及びディジタル差分ＩＣの代わりに組み合わせることにより、制御回路１５をソフトウエアとして構成することができる。例えば、制御回路１５をソフトウエアとして構成する場合、第１のセレクタＳＥＬ１乃至第６のセレクタＳＥＬ６は、ＩＦ文またはＣＡＳＥ文などにより実現可能である。
【０１２１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１２２】
１…電力増幅装置、２…スピーカ、３…音響装置、１１…全波整流回路、１２…双方向電力変換回路、１３…電流検出器、１４…電圧検出器、１５…制御回路、１６…電源入力端子、１７…音声信号入力端子、１８…音量信号入力端子、１９…音声信号出力端子、２１…判定回路、２２…強制停止回路、ＡＤＤ１…第１の加算器、ＡＤＤ２…第２の加算器、Ｃ１…第１の平滑キャパシタ、Ｃ２…第２の平滑キャパシタ、Ｃ３…直流カットキャパシタ、ＣＰ１…第１のコンパレータ、ＣＰ２…第２のコンパレータ、ＤＢ１…整流ブリッジ、ＩＳ１…電流信号、Ｌ１…インダクタ、Ｍ１…第１の接続点、Ｍ２…第２の接続点、Ｓ１…第１の半導体スイッチ、Ｓ２…第２の半導体スイッチ、Ｓ３…第３の半導体スイッチ、Ｓ４…第４の半導体スイッチ、ＳＥＬ１…第１のセレクタ、ＳＥＬ２…第２のセレクタ、ＳＥＬ３…第３のセレクタ、ＳＥＬ４…第４のセレクタ、ＳＥＬ５…第５のセレクタ、ＳＥＬ６…第６のセレクタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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