(57)【要約】【課題】オーディオ再生装置において、パワーアンプとスピーカーをかなりの距離を離して設置するシステムが多い。この時、問題となるのは信号伝送用ケーブルや電源供給用のケーブルがある。これらケーブルは持ち運び不便で、設置が煩わしく邪魔である。【解決手段】スピーカーシステム内にパワーアンプ駆動用電池と電気２重層コンデンサを並列にした電源回路を設け、オーディオ信号の急激な変化による過電流に対応し、且つ市販の小型電池で、音量と音質を維持して長時間動作を可能とした。さらに、オーディオ信号を無線伝送することにより、スピーカーシステムを完全にコードレス化した。また、電池の長寿命化の更なる方策として、負荷インピーダンスによるスピーカー切替器、デジタルアンプを使用した。【選択図】図１
2004328692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線伝送されたオーディオ信号を受信する受信機と、
電力増幅するパワーアンプと、
２次電池もしくは１次電池もしくは太陽電池と２次電池を併設した電池と電気２重層コンデンサを並列接続した電源回路と、
を具備することを特徴とするコードレス・スピーカーシステム。
【請求項２】
請求項１において、
電気２重層コンデンサと電気２重層コンデンサより高周波応答特性のよいコンデンサを並列接続した電源回路を具備することを特徴とするコードレス・スピーカーシステム。
【請求項３】
請求項１において、
２次電池もしくは１次電池もしくは太陽電池と２次電池を併設した電池と、電気２重層コンデンサと、電圧安定化回路もしくは電圧変換回路からなる電源回路と、を具備することを特徴とするコードレス・スピーカーシステム。
【請求項４】
請求項１において、
音量に応じてパワーアンプの負荷インピーダンスを切替える負荷インピーダンス切替器もしくは負荷インピーダンス切替器とアンプ供給電源電圧切替器を具備することを特徴とするコードレス・スピーカーシステム。
【請求項５】
請求項１において、
スピーカーシステムの状況を知らせる表示器もしくはスピーカーシステムの状況を他のシステムへ無線伝送する送信機を具備することを特徴とするコードレス・スピーカーシステム。
【請求項６】
請求項１において、
入力オーディオ信号を検出する検出器と、
検出器によりオーディオ信号が無くなった事が検出された時、パワーアンプへの電源供給線をオフし、電池と電気２重層コンデンサをオフするスイッチと、を具備し、電気２重層コンデンサの残り電荷を有効利用することを特徴とするコードレス・スピーカーシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低消費電力の電池動作のコードレス・スピーカーシステムに関する。
【０００２】
【従来技術】
一般的なオーディオ再生装置は、ＣＤ、ＭＤ、ＳＡＣＤプレーヤーなどの音源再生機。デジタル方式あるいはアナログ方式の電力増幅用パワーアンプ、スピーカーユニットとスピーカーボックスからなるスピーカーシステムそしてスピーカーケーブルから構成される。
例えば、ＣＤプレーヤーからのアナログあるいはデジタル信号は、デジタル・パワーアンプにより電力増幅される。
【０００３】
最近、デジタルアンプは、電力の効率化などを目的に、多くの民生用機器に使われるようになった。デジタル方式アンプは、図３に示すように、３つの主要機能により構成される。デジタルアンプ１００の１０１は、入力されたオーディオ信号を時間軸方向に変化するパルス信号に変換するＰＷＭモジュレーターである。１０１の出力は、電力段のスイチング素子１０２をオン・オフし、その出力がローパスフィルター１０３を通ってアナログ・オーディオ信号に再生され、スピーカー１４を駆動する。これが、デジタルアンプの一般的な構成であるが、オーディオ入力信号がアナログ信号であるかマルチビットデジタル信号（ＳＰＤＩＦ）であるかによって、ＰＷＭモジュレーター１０１は異なる構成となる。アナログ信号入力の場合の一般的なＰＷＭモジュレーターは、入力されたアナログ信号波形と三角波とをコンパレータで比較して、入力信号の大きさに比例したパルス幅の信号に変換する。また、入力信号がデジタル信号の場合は、デジタル信号のビット数ｎに応じたデューティ比のパルス信号に変換する。
【０００４】
また、デジタルアンプの入力がＳＡＣＤプレーヤーからの１ビット化されたＤＳＤ信号の場合は、１ビット信号を直接入力し、その信号で電力段のスイッチング素子をオン・オフしてローパスフィルターにより、オーディオ信号を再生する。
パワーアンプにより電力増幅されたオーディオ信号は、スピーカーケーブルにより、スピーカーボックスにスピーカーユニットを内蔵したスピーカーシステムに伝送され、音波として外界に放出される。なお、オーディオ装置によってはパワーアンプを内蔵するスピーカーシステム所謂パワードスピーカー方式を採用する場合もある。オーディオ装置によって、スピーカーケーブルによる伝送距離はさまざまで、ホームシアタ用後方設置のスピーカーシステム、楽器演奏用スピーカーシステム、屋内外に設置する拡声用スピーカーでは、長いスピーカーケーブルが必要となる。
【０００５】
最近のオーディオ再生装置のパワーアンプは、半導体素子による電力増幅器が多く用いられている。これは、半導体自体のもつ特性により、容易に電流出力による大出力アンプを構成できることによる。大出力アンプが、容易にしかも安価に得られるようになったことから、出力アンプのパワーが大幅に大きくなったことにより、出力音圧感度は低いが、オーディオ信号の全周波数帯域に亘って平坦な特性が得られ易い小型スピーカーユニットと小容積のスピーカーボックスを使うことができる。半導体電力増幅器と小型スピーカーによるオーディオ装置は、小型化と省スペース化では効果を発揮するが、大電力出力を必要とし、効率が悪い。
【０００６】
【発明が解決しようとしている課題】
ところで、上述した従来のオーディオ再生装置においては、パワーアンプとスピーカーをかなりの距離をセパレートして設置するシステムが多い。この他に屋内外の拡声装置でも、マイクや音楽用拡声器とスピーカーシステムはセパレートしている。このとき問題となるのは、パワーアンプとスピーカーシステムを結ぷオーディオ信号伝送用ケーブルがある。この伝送用ケーブルは持ち運び不便で、設置が煩わしく邪魔である。また、パワードスピーカーの場合は、パワーアンプ用電源ケーブルを接続し、電源をスピーカーシステムに供給しなければならず、設置は電源が供給可能な場所に限定される不便がある。
【０００７】
半導体電力増幅器と小型スピーカーによるオーディオ装置は、小型化と省スペース化では効果を発揮するが、その反面、消費される電力は数十ワット〜百ワットになり非常に電力効率が悪い。これを少しでも解消するため、上述のデジタルアンプが使われる傾向がある。デジタルアンプの電力効率は、確に９０％を超えるものもあり、従来のアナログアンプの電力５０％前後に比べると遥かに効率が向上している。しかしながら、実際に電気信号がスピーカーにより音圧に変換される効率は、１０％以下と非常に低く、根本的な解決には至っていない。
すなわち、従来のセパレート・オーディオ再生装置には、スピーカーシステムの設置の煩わしさと非効率的な電力消費の問題があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明では、スピーカーシステムの内部にパワーアンプ駆動用電池を内蔵して完全にコードレス化する方法を採用した。さらに、パワーアンプ側とスピーカーユニット側間に低消費電力化を図る負荷インピーダンス切替回路を用いた。
電池駆動するとき、スピーカーからの音量と音質を保持して、如何に消費電力を低減し電池を長持ちさせるか、電池を小形した時、瞬時電力にどの様に対応するかが問題となる。
【０００９】
この問題解決のために、本発明では、電池には効率の良いニッケル水素イオン電池もしくはリチュウム・イオン電池もしくはカドニカ電池もしくは鉛電池もしくは燃料電池などの２次電池を使用する。しかし、必ずしも２次電池ではなく１次電池あるいは太陽エネルギーを電気変換する所謂太陽電池と２次電池を併設したものを使用しても問題はない。
この時、過電流に対応した電池を用いると、非常に大きな容量の電池が必要となる。これを回避するために、２次電池と並列に超大容量の電気２重層コンデンサを挿入する。このコンデンサによって瞬時大電流が必要になった時、これに十分に対応出来るようになる。
【００１０】
電気２重層コンデンサは誘電体を使うコンデンサと違い、固体と液体の異なる２層が接する界面に、正と負の電荷が極めて短距離で分布することによりコンデンサを形成する。コンデンサの容量は対向する極板間の面積に比例し、距離に反比例することから、電気２重層コンデンサは、極板の面積を最大にし、極板間の実効距離を分子レベルまで低減することで大容量化が実現できる。電気２重層コンデンサの静電容量は、同程度の大きさの電解コンデンサに比べて、３桁大きい。２次電池と電気２重層コンデンサを並列接続すると、電気２重層コンデンサは電池と同じ端子電圧でフロート状態になる。電気２重層コンデンサの内部抵抗は非常に低く、２次電池は非常に高い。負荷が突然大きなピーク電流を要求すると、上記２重層コンデンサに蓄えた電荷でピーク電流を供給することになる。そして、電池は、負荷の要求電流が少ない期間に電気２重層コンデンサを充電することになる。
【００１１】
この事実は、本発明による回路による実験でも実証された。最大出力が２Ｗのデジタルアンプに音楽信号を入力し、５Ｖニッケル水素２次電池で駆動したときの電源電圧の最大瞬時変化は、１００ｍＶを越えていた。これに対して、１７Ｆ（１個当たり５０Ｆの電気２重層コンデンサを３個直列接続した時の値）の電気２重層コンデンサを２次電池に並列にして、デジタルアンプを駆動すると、同じ音楽信号による電源電圧の変動は２０ｍＶ以下と大幅に改善されることが確認できる。これは、パワーアンプへの供給電源が十分安定化されたことにより、入力信号に忠実な高音質な出力が得られることを意味する。
また、電源電圧の変動が少ないことは、電源のエネルギーがパワーアンプへ有効に送られたことで、電池の長寿命化にも寄与している。
【００１２】
【実施の形態】
以下、本発明を適用した一実施形態の低消費電力化オーディオ装置について図面を参照しながら説明する。  図１は、オーディオ信号再生に必要なオーディオ信号を発信する主オーディオ装置２０と本発明によるコードレス・スピーカーシステム１０である。  ２１は、主オーディオ装置２０にあるＣＤプレーヤーである。ＣＤプレーヤからのオーディオ信号は、赤外線送信機２２で赤外線を変調して、スピーカーシステム１０に向けて空間に放射される。スピーカーシステム側では、赤外線受信機１１の受光素子で赤外線を受光し、元のオーディオ信号が復調される。復調されたオーディオ信号は、電源ユニット１３から電源供給されるデジタルアンプ１２により増幅され、スピーカーユニット１４を駆動する。赤外線による信号伝送は、比較的少ない電力消費で伝送が可能で、家庭の室内伝送に適している。また、赤外線受信機は、とくに低消費電力化が可能で、電池動作が可能であり、アンプ電源と共用してもスピーカーシステム全体の消費電力への影響は少ない。ここでは、赤外線による無線伝送をとりあげたが、他の電磁波による近距離無線伝送についても本発明は適用される。
【００１３】
パワーアンプをデジタルアンプとしたのは、アナログアンプに比べるとデジタルアンプの電力効率が高いことによるが、再生装置の用途によっては、低消費電力のアナログアンプを用いることも出来る。そして、デジタルアンプ１２とスピーカユニット１４は、本発明の主旨であるオーディオ再生装置の低消費電力化に適合するよう、出力が数ワット以下のデジタルアンプと音圧感度が出来るだけ高いものを組合せる。また、スピーカーボックスについても、スピーカーユニット背面からの音圧も利用するバックロードホーンのように音圧感度が上がるものがよい。これらの組合せにより、少ない電力供給で高い音圧感度を得ることが出来る。
【００１４】
１３は、デジタルアンプに電源を供給する電源ユニットである。１３は２次電池と電気２重層コンデンサなどの超大容量コンデンサで構成され、長寿命化と負荷の急激な変動に対応できる。ニッケル水素イオン電池は、電圧が１．２Ｖと低いが２Ａｈ〜７Ａｈと長寿命ものが市販されている。本実施形態では、ニッケル水素電池１３１を４個直列接続して４．８Ｖ（実際には５Ｖ以上の電圧が得られる）とし、これに、２．３Ｖの電気２重層コンデンサ３２を３個直列接続したものを並列接続した。そして、直列接続した電気２重層コンデンサ１３２には、均等に電圧が加わるよう３個の高抵抗値の抵抗１３３が、それぞれに並列接続されている。なお、コンデンサへの印加電圧の均等化は、上述の方法だけでなく、半導体のスイッチとコンパレータなどにより、自動的にコンデンサの端子間電圧を設定することも出来る。また、定格電圧がもっと高いものを使ってもよい。この他に電源ユニット１３には、電気２重層コンデンサの高周波応答特性を補うために、これに対応できるセラミックコンデンサなどの高周波応答コンデンサ１３４が、電池に並列接続される。なお、電源ユニットの出力電圧は、市販の出力が２Ｗ程度のデジタルアンプの動作電圧が５±０．５Ｖに合せたもので、特別な意味は無い。
【００１５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるのではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変更実施が可能である。
例えば、電源ユニットの電池、コンデンサの組合せは、その都度の用途により変更できるものである。電池については、ニッケル水素イオン電池だけでなく、リチウム・イオン電池もしくは燃料電池などの２次電池、もしくは１次電池もしくは２次雷池と太陽電池の併用でも可能である。
【００１６】
また、電池電圧の安定化と昇圧のために、電池とコンデンサ間にＤＣ−ＤＣコンバータのような電源安定化と電圧変換回路を挿入することも出来る。
【００１７】
さらに、電池の電荷量が減少したとき、外部に知らせる表示器による点滅もしくは連続もしくは色の変化もしくは文字表示もしくは警告音を備えることも含まれる。また、このようなスピーカーシステムの状況は、赤外線もしくは近距離無線伝送を通して主オーディオ装置側に、電池の状態などスピーカーシステムの状況を知らせることが出来る。常に、主オーディオ装置側とスピーカーシステム側とは双方向通信もしくは単方向通信が出来る装置を提供することも本発明の特徴である。
【００１８】」
図２は、本発明による第２の実施形態で、第１の実施形態と同じ動作をするブロックには、図１と同じ記号を付した。
第２の実施形態で、本発明の効果がより一層強化される。
最近のパワーアンプは、半導体素子トランジスタにより構成されるものが多い。トランジスタによるアンプは、基本的に電流駆動タイプとなり、低いインピーダンス負荷を接続したとき、最大出力が得られる。例えば、市販の最大出力が２ＷのデジタルアンプＩＣの電源電圧を５Ｖとした時、負荷インピーダンスが４Ωの時に２Ｗの出力が得られ、負荷インピーダンスが８Ωの時には１Ｗの出力しか得られない。ただ、負荷インピーダンスが８Ωの時の電力効率は４Ωの時に比べ良い。
この点に着目したのが、本発明の第２の実施形態である。
【００１９】
図２のデジタルアンプ１２の出力は、インピーダンスが、それぞれ８Ωの二つのスピーカーユニット１４を駆動する。したがって、この時のデジタルアンプ１２の負荷インピーダンスは４Ωとなり、最大出力が得られる。ただ、バックグラウンド・ミュージックのようにそれ程の大音量を必要としないときは、スイッチ３１により、一つのスピーカーユニットの接続を切り、デジタルアンプ１２の負荷インピーダンスを８Ωとする。こうすることにより、通常の音量で十分な場合の電力効率を上げられ電源の電池の寿命を延長出来る効果がある。上述の説明では、二つのスピーカーユニットの切替えを示したが、一つのスピーカーユニットのボイスコイルを必要に応じて切替えても同様の目的を達成出来る事は明らかである。
【００２０】
アンプの電力効率を上げる目的で、電源電圧を必要に応じて切替える手法も以前から使用されているが、上述の負荷インピーダンスの切替え法と組合せることにより効果を上げることが出来る。図２の電源ユニット３２には、ニッケル水素イオン電池１３１、電気２重層コンデンサ１３２、スイッチ３２１から構成され、必要に応じて供給電源電圧を変えることが出来る。すなわち、アンプへの入力信号がない時や第２の実施形態では、信号が無線伝送されていないことを検出して、スイッチ３２１を全てオフとして電源の供給を断すれば、更なる電池の消耗を減らし長寿命化が計れる。また、この時、電気２重層コンデンサをアンプの電源からも切り離せば、電気２重層コンデンサに残った電荷を表示器などの低消費電力回路にのみに供給し、電源の有効活用ができることになる。
【００２１】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、スピーカーシステムに設けた電池と電気２重層コンデンサを並列にした電池電源回路とオーディオ信号の無線伝送により、従来のスピーカーシステムで必要とした信号ケーブルと電源ケーブルの接続を全く無くし、スピーカーシステムを完全にコードレス化し、単独で任意の場所に設置できる効果がある。
【００２２】
しかも、電気２重層コンデンサにより、オーディオ信号の急激な変化による過電流に対しても市販の小型２次電池で長時間動作できる効果がある。すなわち、スピーカーから大きな音量を出力し、且つ音質も高音質の状態を維持し、、スピーカーシステムに内蔵される電池は長時間動作出来る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のコードレス・スピーカーシステムの構成を示す図である。
【図２】第２実施形態のコードレス・スピーカーシステムの構成を示す図である。
【図３】デジタルアンプの構成を示す図である。
【符号の説明】
１０  コードレス・スピーカーシステム
１１  赤外線受信機
１２  デジタルアンプ
１３  電源ユニット
１４  スピーカーユニット
２０  主オーディオ装置
２１  ＣＤプレーヤー
２２  赤外線送信機
３１  負荷インピーダンス切替器
３２  切替器付電源ユニット
１００  デジタルアンプの構成図
１０１  ＰＷＭモジュレーター
１０２  電力スイッチ
１０３  ローパスフィルター
１３１  ニッケル水素イオン電池
１３２  電気２重層コンデンサ
１３３  抵抗
１３４  高周波応答コンデンサ
３２１  電圧切替スイッチ
【図１】
2004328692.tif 000003
【図２】
2004328692.tif 000004
【図３】
2004328692.tif 000005