(57)【要約】【課題】スピーカの振動板の弾性係数は入力の大きさが変動すると非線形に変動し、入力大になると出力が歪む。またスピーカの周波数応答特性は、その機械的構造から高周波成分は低周波成分に対して位相が遅れたり、入力信号が急激に変動した場合、振動は過渡的に遅れ、いわゆる入力と出力とのずれを生じていた。そのため、高忠実度の再生が妨げられていた。【解決手段】入力信号を帯域分割部４で低周波成分と高周波成分とに分け、それぞれバッファメモリ６，１０に一時的に蓄え、所定時間後に帯域分割部４から出て来る信号と共に予見スライディングモード制御部７，１１に入力する。所定時間後の信号は未来の信号として扱われ、未来の変化を予見した制御信号が生成される。その制御信号でスピーカを駆動すると、歪み等のない高忠実度の再生が可能となる。【選択図】図１
2009206966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低周波から高周波にわたる広帯域にわたって入力信号を再生するスピーカ広帯域制御装置において、
入力信号を所定の周波数を境に低周波成分と高周波成分とに分ける帯域分割部と、
該低周波成分を分岐した信号を蓄積し所定時間遅延させて出力する第１のバッファメモリと、
前記高周波成分を分岐した信号を蓄積し所定時間遅延させて出力する第２のバッファメモリと、
前記第１のバッファメモリからの出力と前記帯域分割部からの低周波成分の分岐信号と後記する第２のローパスフィルタ部からの出力とが入力され、前記所定時間先を予見してのスライディングモード制御を行う第１の予見スライディングモード制御部と、
前記第２のバッファメモリからの出力と前記帯域分割部からの高周波成分の分岐信号と後記するハイパスフィルタ部からの出力とが入力され、前記所定時間先を予見してのスライディングモード制御を行う第２の予見スライディングモード制御部と、
前記第１の予見スライディングモード制御部の出力側に接続された第１のローパスフィルタ部と、
該第１のローパスフィルタ部からの信号と前記第２の予見スライディングモード制御部からの信号との合成信号により駆動されるスピーカと、
該スピーカの振動出力を検出する制御量検出部と該検出信号の低周波成分を取り込んで位置フィードバック値を出力する第２のローパスフィルタ部と高周波成分を取り込んで速度フィードバック値を出力するハイパスフィルタ部とから成る検出部と
を具えたことを特徴とするスピーカ広帯域制御装置。
【請求項２】
低周波から高周波にわたる広帯域にわたって入力信号を再生するスピーカ広帯域制御方法において、
入力信号を所定の周波数を境に低周波成分と高周波成分とに分ける帯域分割過程と、
該低周波成分を分岐した信号を蓄積し所定時間遅延させて出力すると共に、前記高周波成分を分岐した信号を蓄積し所定時間遅延させて出力する遅延出力生成過程と、
スピーカの振動出力を検出し、その低周波成分を取り込んで位置フィードバック値を生成すると共に、その高周波成分を取り込んで速度フィードバック値を生成するフィードバック値生成過程と、
前記帯域分割過程で得た低周波成分出力と前記遅延出力生成過程で得た低周波成分出力と前記フィードバック値生成過程で得た位置フィードバック値を入力として、低周波成分につき前記所定時間先を予見したスライディングモード制御を行うと共に、前記帯域分割過程で得た高周波成分出力と前記遅延出力生成過程で得た高周波成分出力と前記フィードバック値生成過程で得た速度フィードバック値を入力として、高周波成分につき前記所定時間先を予見したスライディングモード制御を行う予見スライディングモード制御過程
とを具え、
該予見スライディングモード制御過程で得た低周波成分出力と高周波成分出力とを合成した出力でスピーカを駆動するようにした
ことを特徴とするスピーカ広帯域制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピーカで再生する音を、広帯域において入力信号に出来るだけ忠実なものとなるようにした、スピーカ広帯域制御装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
音楽をスピーカで再生して楽しむ場合、入力する音楽信号に従って元の音が忠実に再現されることが望まれる。最近ではインターネット音楽配信，ホームシアター等の急速な普及もあり、高忠実度での音楽再生の要望は一段と強くなってきている。
音を忠実に再生するには、スピーカの振動板が入力信号に忠実に応じて振動するよう制御する必要があるが、従来、その制御としてはＰＩＤ制御が用いられていた。
図５は、従来のスピーカ制御装置のブロック構成図である。図５において、１は制御部、２はスピーカ、３はフィードバック部、Ｒは入力信号、Ｕは駆動信号、Ｙは振動出力である。
【０００３】
音楽再生の場合、入力信号Ｒは再生しようとする音楽信号である。この信号を目標として、振動出力を得ようとするわけであるから、制御の観点から言えば音楽信号が目標値信号と言うことになる。駆動信号Ｕは、スピーカを駆動する信号（スピーカのボイスコイルに加える信号）であり、振動出力Ｙは、スピーカの振動板の振動出力（言い換えれば再生音）である。
このような従来のスピーカ制御装置での制御の概要は、次の通りである。振動出力Ｙをフィードバック部３を通してフィードバックした値と、入力信号Ｒとの差が０となるようにする駆動信号Ｕを、制御部１で作り出す。この駆動信号Ｕでスピーカ２を駆動することにより、入力信号Ｒに対応した振動出力Ｙを得る。
【０００４】
ここでスピーカの構造の説明をしておく。
図６は、スピーカの構造の１例を示す図である。図６において、３０はスピーカ、３１はフレーム、３２はエッジ、３３はウーハ振動板、３４はキャップ、３５はダンパ、３６は環状プレート、３７は環状マグネット、３８はヨーク、３９はボイスコイル、４０はボビンである。
【０００５】
ボイスコイル３９が巻回されたボビン４０の上端は、ウーハ振動板３３の中央開口縁部と接続されると共に、ダンパ３５により弾性的に支持されつつフレーム３１に接続されている。ウーハ振動板３３の外周縁部は、エッジ３２により弾性的に支持されつつフレーム３１に接続されている。このような接続により、エッジ３２は図のボビン４０の軸方向（図の上下方向）には動き易いが、その他の方向へは動きにくくされている。キャップ３４は、ウーハ振動板３３の中央開口部分を覆うように被されている。
環状マグネット３７，環状プレート３６，ヨーク３８は磁気回路を構成し、該回路の空隙部分にボイスコイル３９が位置するようボビン４０が配設される。ボイスコイル３９に図５の駆動信号Ｕが加えられると、それに応じて振動板が振動し、音（振動出力Ｙ）を発生する。
【０００６】
ボイスコイル３９への駆動信号Ｕが消滅すると、それによる駆動力も消滅するが、振動していたウーハ振動板３３は直ちには停止し得ず、慣性により振動を続けようとする。それに制動をかける力としては、機械的制動力と電磁的制動力とがある。
機械的制動力は、ウーハ振動板３３に接続されているエッジ３２やダンパ３５等からもたらされる機械的な制動力である。これはスピーカの構造から、自ずと存在する制動力である。
【０００７】
電磁的制動力は、磁気回路の空隙中でボイスコイル３９が振動を続けることにより電磁的に誘起される制動力である。ボイスコイル３９が磁気回路の空隙中で振動すると、ボイスコイル３９内にはその振動を妨げる向きの力を生ずるよう起電力が誘起される。これによる制動は電磁制動と呼ばれる。
いずれの制動力によるにせよ、駆動信号Ｕが消滅すると振動もすみやかに停止するのが望ましい。
【０００８】
ところで、人間の聴覚では、音に含まれる種々の周波数成分における位相の違いや、波形の過渡歪み（入力と出力とのずれ）については、認識することが出来ないと長らく信じられており、これらに対する配慮は全くなされていなかった。しかし、脳科学に関しての最近の研究によると、どうやら人間はそれらも認識可能であり、僅かな音色の違いとして感じ取っているということが報告されている（非特許文献１）。
従って、音を出来るだけ忠実に再生しようとする場合には、位相の違いや波形の過渡歪みも出来るだけ軽減ないしは解消すべく、何らかの対策を講ずることが望ましい。
【特許文献１】特開平０６−０２２３９３号公報
【非特許文献１】Ｐａｔｔσｒｓｏｎ，Ｒ．Ｄ：Ｔｈσ  Ｓｏｕｎｄ  ｏｆ  ａｓｉｎｕｓｏｉｄ：Ｔｉｍσｉｎｔσｒｖａｌ  ｍｏｄσｌｓ，Ｊ，Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．ＡＭ，ｐｐ．１４１９−１４２８（１９９６）
【非特許文献２】「離散時間予見スライディングモードサーボ系とその特性」システム制御情報学会論文誌，ｖｏｌ．１４，Ｎｏ．１２，ｐｐ．５８２−５９２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
（問題点）
前記した従来のスピーカの制御装置には、次のような問題点があった。
第１の問題点は、スピーカの振動板の振動特性には非線形的な部分があり、その部分が関与して振動出力が生成される場合には、出力波形が歪んでしまうという点である。
第２の問題点は、スピーカは低周波の信号に対しては位相遅れなく振動するが、高周波の信号に対しては低周波よりも位相が遅れた状態で振動するという性質を有しており、これが信号に忠実な振動の発生を妨げているという点である。
音楽信号には、低周波信号も高周波信号も含まれているわけであるが、高周波信号の方は位相が遅れて振動するから、結局、音楽は忠実には再生されているとは言えない。
第３の問題点は、スピーカは信号を受けてからその信号に応じた振動を開始するから、振動出力は過渡的に遅れて始まるので、いわゆる過渡歪み（入力と出力とのずれ）を生じ、これも信号に忠実な振動の発生を妨げているという点である。
【００１０】
（問題点の説明）
まず第１の問題点について説明する。
スピーカによる音の再生は、図６で示したように、ウーハ振動板３３が振動することによりなされるが、ウーハ振動板３３はエッジ３２とダンパ３５により弾性的に支持されつつフレーム３１に接続されている。従って、ウーハ振動板３３の振動は、エッジ３２やダンパ３５を初めとし、ウーハ振動板の弾性支持に関係している部分の弾性係数を総合した弾性係数に従ってなされる。それを説明の便宜上、「スピーカ弾性係数」と言うことにする。
【００１１】
図７は、スピーカ弾性係数を示す図である。横軸はボイスコイル変位、縦軸はスピーカ弾性係数の値である。スピーカ弾性係数の曲線を点検すると、ボイスコイル変位が小さい領域（入力信号小の領域）では、横軸方向にほぼ平坦に推移している（Ａの部分）。ほぼ平坦に推移するとは、スピーカ弾性係数があまり変動しないということである。しかし、ボイスコイル変位が大きい領域（入力信号大の領域）では、３乗曲線のように急上昇している（Ｂの部分）。ということは、スピーカ弾性係数が非線形的に変動しているということである。この変動により、次に説明するように、出力波形の歪みが生ずる。
【００１２】
図８は、スピーカ弾性係数の変動により生ずる出力歪みを説明する図である。横方向は時間を表し、縦方向は振幅を表す。図８（１）は入力が小の場合の出力を示し、図８（２）は入力が大の場合の出力を示している。
入力が小である場合（ボイスコイル変位小の場合）は、スピーカ弾性係数があまり変動しないので（図７のＡの部分）、振動出力は歪まない。入力が大である場合（ボイスコイル変位大の場合）は、スピーカ弾性係数は非線形的に変動するので（図７のＢの部分）、振動出力は図８（２）の実線の曲線イのように歪む。点線の曲線ロは、歪まなかったとした場合の曲線である。
出力波形がこのような歪んでしまうと、混変調歪みとして聴覚上大きな影響を与えることが知られている。
【００１３】
次に第２の問題点について説明する。
図９は、スピーカのゲイン特性および周波数応答特性を示す図である。図９（１）はゲイン特性であり、横軸は周波数，縦軸はゲインである。低周波域ではほぼ平坦であり、共振周波数ｆR 付近で高くなり、それより高周波域では徐々に低下している。
図９（２）は周波数応答特性であり、低周波域では位相遅れは殆どない。しかし、共振周波数ｆR 付近を中心として急激に位相が遅れ、それより高周波域では位相はほぼ反転（１８０度遅れ）している。
ゲインの低下は所要の増幅措置を講ずることにより適宜対処されて来たが、位相遅れに対しては、人間の聴覚では違いを感じ取れないと信じられてきたこともあり、格別の対策を講じることはなされていなかった。従って、人間の聴覚でも位相遅れによる違いを感じることが出来ることが判明した今日、位相遅れを放置したままでの再生は、高忠実度での再生とは到底言えない。
【００１４】
次に第３の問題点について説明する。
図１０は、スピーカの過渡応答特性を示す図である。２６は入力、２７は出力であり、横方向は時間を表し、縦方向は振幅を表している。図１０（１）は３発の正弦波入力（入力信号Ｒ）を示し、図１０（２）はその時の出力（スピーカからの振動出力Ｙ）を示し、図１０（３）はそれらを時間軸を一致させて重ね合わせた図である。
【００１５】
スピーカのウーハ振動板３３は、慣性を有しているから、入力２６が急激に立ち上がったからとて直ちには振動を開始し得ない。従って、出力２７は少し遅れて立ち上がる（図１０（２）のＡの部分）。また、入力２６が消滅（ゼロとなって終了）したからとて、出力２７は直ちには消滅し得ない。ウーハ振動板３３の慣性による振動が、前記した電磁制動力等により制動されながら、少し遅れて停止する（図１０（２）のＢの部分）。
その結果、図１０（３）に示されるように、入力と出力とのずれ（過渡歪み）を生じることとなり、やはり高忠実度再生の妨げとなっていた。
本発明は、以上のような問題点を解決することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記課題を解決するため、本発明では、低周波から高周波にわたる広帯域にわたって入力信号を再生するスピーカ広帯域制御装置において、下記のものを具える構成とした。
１．入力信号を所定の周波数を境に低周波成分と高周波成分とに分ける帯域分割部
２．該低周波成分を分岐した信号を蓄積し所定時間遅延させて出力する第１のバッファメモリ
３．前記高周波成分を分岐した信号を蓄積し所定時間遅延させて出力する第２のバッファメモリ
４．前記第１のバッファメモリからの出力と前記帯域分割部からの低周波成分の分岐信号と後記する第２のローパスフィルタ部からの出力とが入力され、前記所定時間先を予見してのスライディングモード制御を行う第１の予見スライディングモード制御部
５．前記第２のバッファメモリからの出力と前記帯域分割部からの高周波成分の分岐信号と後記するハイパスフィルタ部からの出力とが入力され、前記所定時間先を予見してのスライディングモード制御を行う第２の予見スライディングモード制御部
６．前記第１の予見スライディングモード制御部の出力側に接続された第１のローパスフィルタ部
７．該第１のローパスフィルタ部からの信号と前記第２の予見スライディングモード制御部からの信号との合成信号により駆動されるスピーカ
８．該スピーカの振動出力を検出する制御量検出部と該検出信号の低周波成分を取り込んで位置フィードバック値を出力する第２のローパスフィルタ部と高周波成分を取り込んで速度フィードバック値を出力するハイパスフィルタ部とから成る検出部
【００１７】
また、本発明では、低周波から高周波にわたる広帯域にわたって入力信号を再生するスピーカ広帯域制御方法において、下記のものを具え、その中の予見スライディングモード制御過程で得た低周波成分出力と高周波成分出力とを合成した出力で、スピーカを駆動することとした。
１．入力信号を所定の周波数を境に低周波成分と高周波成分とに分ける帯域分割過程
２．該低周波成分を分岐した信号を蓄積し所定時間遅延させて出力すると共に、前記高周波成分を分岐した信号を蓄積し所定時間遅延させて出力する遅延出力生成過程
３．スピーカの振動出力を検出し、その低周波成分を取り込んで位置フィードバック値を生成すると共に、その高周波成分を取り込んで速度フィードバック値を生成するフィードバック値生成過程
４．前記帯域分割過程で得た低周波成分出力と前記遅延出力生成過程で得た低周波成分出力と前記フィードバック値生成過程で得た位置フィードバック値を入力として、低周波成分につき前記所定時間先を予見したスライディングモード制御を行うと共に、前記帯域分割過程で得た高周波成分出力と前記遅延出力生成過程で得た高周波成分出力と前記フィードバック値生成過程で得た速度フィードバック値を入力として、高周波成分につき前記所定時間先を予見したスライディングモード制御を行う予見スライディングモード制御過程
【発明の効果】
【００１８】
本発明のスピーカ広帯域制御装置および方法によれば、次のような効果を奏し、低周波から高周波にわたる広帯域において、忠実度の高い再生を行うことが可能となった。
（１）混変調歪みのない再生が出来る。
図７に示したようなスピーカ弾性係数の変動という特性変動（パラメータ変動）を調べたところ、スライディングモード制御で言うところの「マッチング条件を満たす変動」であることが判明した。従って、スピーカ弾性係数が関与するところの再生出力の制御に、スライディングモード制御を用いれば、それが有する本来的な制御作用により、特性変動があってもその変動の影響を受けない出力が得られるような制御が行われる。
【００１９】
具体的に言えば、次の通りである。図７のＢの部分で振動しなければならないような入力が入って来た場合、スピーカ弾性係数は急激に増大（変動）するので、そのままでは入力に対応するような振動は出来ず、振動出力は頭打ちされた波形に歪まされてしまう（図８（２）のイの波形参照）。
しかし、本発明では、スピーカ２へ供給する信号をスライディングモード制御により生成しているので、増大したスピーカ弾性係数に負けることなく入力に対応した振動をちゃんとさせるべく、該信号は自動的に大となるよう生成される。その結果、スピーカの振動出力は入力にちゃんと対応したものとなり、歪んだものとはならない。かくして、混変調歪みのない再生が可能となる。
【００２０】
（２）位相遅れを補償した再生が出来る。
スピーカは、高周波の信号は低周波の信号に対して位相が遅れるという周波数応答特性を有しているが、低周波成分と高周波成分とに分けた入力信号をバッファメモリで一時的に蓄え、位相遅れを補償するタイミングで制御に供するようにしたので、スピーカの段階では位相遅れのない形で忠実に再生することが出来るようになった。
【００２１】
（３）過渡歪みのない再生が出来る。
バッファメモリより次段へ入力信号を供給する際、先に入って来た信号と所定時間後に入って来た信号（先に入って来た信号から見ると未来の信号）とを供給するようにし、未来の信号変化を予見した制御を行うようにしたので、過渡的変化にも良く対応し、過渡歪み（入力と出力とのずれ）のない忠実な再生が出来るようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のスピーカ広帯域制御装置の構成を示すブロック構成図である。符号は図５のものに対応し、３Ａは検出部、４は帯域分割部、５は低周波分制御部、６はバッファメモリ、７は予見スライディングモード制御部、８はローパスフィルタ部、９は高周波分制御部、１０はバッファメモリ、１１は予見スライディングモード制御部、１２は制御量検出部、１３はローパスフィルタ部、１４はハイパスフィルタ部である。そして、図１（１）は全体構成を簡略に示した図、図１（２）は詳細に示した図である。
【００２３】
以下、図１（２）に従って詳細に説明する。
まず構成について説明する。制御部１は、帯域分割部４と低周波分制御部５と高周波分制御部９とから構成され、帯域分割部４の出力が低周波分制御部５，高周波分制御部９へ入力されるよう接続される。
低周波分制御部５は、予見スライディングモード制御部７と、それへの入力の１つを供給するよう接続されたバッファメモリ６と、予見スライディングモード制御部７の出力側に接続されたローパスフィルタ部８とから構成されている。
【００２４】
高周波分制御部９は、それへの入力の１つを供給するよう接続されたバッファメモリ１０とから構成されている。
スピーカ２は、低周波分制御部５と高周波分制御部９との合成出力が供給される位置に接続される。
検出部３Ａは、スピーカ２の振動出力を検出する制御量検出部１２と、その検出信号の低周波成分を処理するローパスフィルタ部１３と、高周波成分を処理するハイパスフィルタ部１４とから構成されている。
【００２５】
次に、各構成部について個別に説明する。
帯域分割部４は、入力信号Ｒを所定周波数より低い低周波成分と、所定周波数より高い高周波成分とに分割するものである（帯域分割過程）。帯域分割部４の入，出力にかかわる図中の記号Ｒ（ｋ＋Ｍr ）等の意味は、次の通りである。
Ｒ（ｋ＋Ｍr ）  …ｋ＋Ｍr 時点における入力信号
ＲL （ｋ＋Ｍr ）…ｋ＋Ｍr 時点における低周波成分
ＲH （ｋ＋Ｍr ）…ｋ＋Ｍr 時点における高周波成分
なお分割の境界である所定周波数としては、図９で示した位相の遅れ方に考慮しつつ、共振周波数ｆR を目安にして選定する。
【００２６】
バッファメモリ６，１０は、データを一時的に蓄え、所定の時間遅らせて出力するためのものであり（遅延出力生成過程）、例えばシフトレジスタで構成される。バッファメモリ６，１０の出力にかかわる図中の記号ＲL （ｋ）等の意味は、次の通りである。
ＲL （ｋ）…ｋ時点における低周波成分
ＲH （ｋ）…ｋ時点における高周波成分
【００２７】
入力信号Ｒ（ｋ＋Ｍr ）は、Ｒ（ｋ）より時間Ｍr だけ後（未来）に入力される入力信号を意味している（デジタル的処理を所定時間間隔のステップを追って行う場合、Ｍr は４０ステップとか５０ステップとかと定めることが出来る）。
従って、ＲL （ｋ＋Ｍr ）は、ＲL （ｋ）より時間Ｍr だけ後（未来）に入力される入力信号低周波成分であり、ＲH （ｋ＋Ｍr ）はＲH （ｋ）より時間Ｍr だけ後（未来）に入力される入力信号高周波成分である。
【００２８】
次段の予見スライディングモード制御部７，１１へは、上記した入力時点の異なる入力信号が、同時に与えられる。ｋ時点を現時点として考えた場合、現時点の入力ＲL （ｋ），ＲH （ｋ）が与えられると共に、時間Ｍr だけ未来の入力ＲL （ｋ＋Ｍr ），ＲH （ｋ＋Ｍr ）も与えられることになる。これにより、未来の入力が予見し得ることになり、未来の変化への対応が可能となる。
【００２９】
ところで、図９（２）で示したように、スピーカの周波数応答特性によると、高周波成分は低周波成分に対して位相が遅れている。そこで、その位相遅れを補償するため、バッファメモリ６，１０から予見スライディングモード制御部７，１１へ信号を入力するタイミングを調節する。
高周波成分の位相遅れはほぼ１８０度であるから、次のようにする。低周波成分は３６０度遅らせたタイミングで出力し、高周波成分は１８０度遅らせたタイミングで出力する。すると、予見スライディングモード制御部７，１１には、高周波成分が低周波成分に対し相対的に１８０度進んで入力されたことになり、スピーカ２の出力の段階では図９（２）で示す位相遅れを補償するものとなる。
【００３０】
検出部３Ａでは、振動出力Ｙを制御量検出部１２で検出する。検出手段としては、ウーハ振動板３３の動きを非接触で検出するセンサ、あるいは再生音を検出するセンサ等を用いることが出来る。
検出信号をローパスフィルタ部１３，ハイパスフィルタ部１４へ送り、低周波成分，高周波成分に分ける。ローパスフィルタ部１３からは、検出した振動出力（つまり位置変位）に対応した値を、予見スライディングモード制御部７へフィードバックする（位置フィードバック）。
【００３１】
しかし、ハイパスフィルタ部１４からは、高周波成分には１８０度の位相遅れあることを考慮し、検出した振動出力を微分した値（つまり位置変位を微分した値）生成し、それを予見スライディングモード制御部１１へフィードバックする（速度フィードバック）（フィードバック値生成過程）。これは、予見スライディングモード制御部１１へ入力される他の信号と、位相がずれないようにするためである。
位相遅れを補償すれば、位相遅れによる音色の違いを生じさせることもなく、忠実度の高い再生をすることが出来る。
【００３２】
予見スライディングモード制御部７，１１には、前記したように未来の入力信号も入力されるから、スライディングモード制御により速やかに目標値に到達して安定な制御を行いつつ、入力されて来る未来の信号により変化を予見し、その変化に対応した動きを事前にするような制御をすることになる（予見スライディングモード制御についての文献としては、非特許文献２がある）。本発明の場合、目標値は音楽の入力信号であるが、その入力信号が急激に変化するという場合には、そのような変化を予見し、スピーカの振動がその変化に出来るだけ対応した動きをするような制御をする（予見スライディングモード制御過程）。
【００３３】
図１１は、スライディングモード制御を説明する図である。原点Ｏは目標値を表し、横軸は状態量ｘ1 ，縦軸は状態量ｘ2 を表し、Ｓは切換線である。Ｐは現時点の状態量ｘ1 ，ｘ2 で定まる状態点であり、それと切換線Ｓとの距離σは、切換関数を表している。状態点Ｐは、スライディングモード制御動作により先ず矢印の線に沿って移動され、切換線Ｓに到達させられる。もし切換線Ｓを行き過ぎて反対側に出ると、スライディングモード制御内でのフィードバックゲインが切り換えられ、切換線Ｓの方へ引き戻される。引き戻し過ぎて切換線Ｓの反対側に出れば、また切換線Ｓの方へ引き戻される。
【００３４】
このようにして状態点Ｐが切換線Ｓ上に拘束されると、次には切換線Ｓ上を原点Ｏへ向かって滑るように移動させられるモード（スライディングモード）に入る。やがて、状態点は原点Ｏに達し、目標値に収束することとなる。このようなスライディングモード制御は、既に公知である。
状態量がｘ1 ，ｘ2 の２つである場合、図１１の如く状態点を示すための位相平面は２次元平面で表せ、フィードバックゲインの切り換えの境界は「切換線」と呼ばれる。この境界は、状態量の数が増えて３次元になると「切換面」と呼ばれ、４次元以上になると「切換超平面」と呼ばれる。
【００３５】
本発明では、このようなスライディングモード制御を利用する。スピーカでの音楽の再生は、入力信号である音楽信号（目標値）に追従させてスピーカの振動板を動かすことであるから、サーボ系の制御について利用するものである。目標値の変化により、現在の状態点と新しい目標値との間に誤差が生ずれば、その誤差をゼロにするよう、サーボ系をスライディングモード制御で制御する。
【００３６】
スライディングモード制御を適用し、その特有の制御作用を発揮させるためには、制御に関係する特性変動（パラメータ変動）や外乱が、スライディングモード制御で言うところの「マッチング条件を満たす変動」であることが必要である。
スライディングモード制御においては、特性変動（パラメータ変動）や外乱が生じても、それがマッチング条件を満たす変動であれば、ゲイン切換により非線形の入力を生じさせ、その変動の影響を打ち消すことが出来る。これにより、公知のように、マッチング条件を満たす変動であれば、切換線上での状態のふるまいは、不確かさに影響されない不変性を保持することが出来る。
【００３７】
スピーカでの音楽再生には、図７に示したようなスピーカ弾性係数の変動という特性変動（パラメータ変動）が関係することは既に述べたが、そのような特性変動が「マッチング条件を満たす変動」であるかどうか調べたところ、次段以降で述べるように、マッチング条件を満たすことが判明した。
従って、スピーカ弾性係数が関与するところの再生出力の制御に、スライディングモード制御を用いれば、それが有する本来的な制御作用により、スピーカ弾性係数の変動という特性変動があっても、その変動の影響を受けない出力が得られるような制御が行われる。
【００３８】
スピーカ弾性係数の変動がマッチング条件を満たす変動であるかどうかを調べるため、先ず次のような式で表されるシステム（不確かさを含むシステム）を考える。
【数１】
2009206966.tif 000003
但し、
ｘは状態で、ｘ∈Ｒn 
ｕは入力で、ｕ∈Ｒm 
ｖ（ｔ）は外乱で、ｖ（ｔ）∈ＲP 
ΔＡ（ｘ，ｔ）は線形入力部分
ΔＢ（ｘ，ｔ）は入力の不確かさ
ｆ（ｘ，ｔ）は非線形部分
であり、ｒａｎｋＢ＝ｍとする。
【００３９】
ここで切換線上での状態のふるまいを調べる。切換線上にあるときは、切換関数σに関し次式が成立する。
【数２】
2009206966.tif 000004
すると、切換線上に拘束されている時の等価制御入力ｕeqは、次式のようになる。
ｕeq＝−｛Ｓ（Ｂ＋ΔＢ）｝-1Ｓ｛（Ａ＋ΔＡ）ｘ＋Ｑｖ（ｔ）｝    （３）
【００４０】
この式より、等価制御系は次のように求められる。
【数３】
2009206966.tif 000005
この式においては、スライディングモード状態が生じても、特性変動（パラメータ変動）や外乱の影響を受けており、スライディングモード制御の不変性は失われてしまっている。
【００４１】
しかし、次の条件（マッチング条件）を与えると、等価制御系の式は（１０）式の如くとなる。
ΔＡ（ｘ，ｔ）＝ＢＤ（ｘ，ｔ）          （５）
ｆ（ｘ，ｔ）＝ＢＥ（ｘ，ｔ）            （６）
ΔＢ（ｘ，ｔ）＝ＢＦ（ｘ，ｔ）          （７）
‖Ｆ（ｘ，ｔ）‖＜１                    （８）
Ｑ（ｘ，ｔ）＝ＢＧ（ｘ，ｔ）            （９）
【数４】
2009206966.tif 000006
【００４２】
等価制御系の式が（１０）のようになるということは、スライディングモード状態となっているとき（状態が切換線上に拘束されているとき）、特性変動（パラメータ変動）や外乱に対して不変となる（影響を受けない）ことを示している。そこで、上記のような条件は、「マッチング条件」と呼ばれている。
特性変動や外乱がマッチング条件を満たすということの物理的意味は、特性変動や外乱が、制御入力と同じチャンネルから入るものとして処理されるということを意味している。
【００４３】
本発明で問題にしているスピーカは、スピーカ弾性係数という特性がボイスコイル変位により変動している（図７参照）ものであるので、１自由度振動系の次のような式で表される単純化したモデルで検証する。
【数５】
2009206966.tif 000007
但し、
ｍ…振動板の質量と、振動板によって動かされる空気の等価質量との合計質量
ｋ（ｘ）…スピーカ弾性係数
ｃ（ｘ）…ダンパによる減衰係数
ｘ…相対変位
ｕ…入力
である。
【００４４】
式（１１）は、変動を生ずる特性（スピーカ弾性係数ｋ（ｘ））を含んでいるが、（１１）式に含まれる下記のシステム行列Ａの変動は、前記したマッチング条件を満たすΔＡとなる。マッチング条件を満たすため、スライディングモード制御をした場合、スピーカ弾性係数の変動の影響を受けることがないような制御がなされる。
【数６】
2009206966.tif 000008
【００４５】
ところで、このようなスライディングモード制御を未来の入力信号を取り入れて行うと、入力信号の変化を予見し得るから、その変化に先立って切換線を、直前の切換線Ｓ1 が通っていた原点を通らないような新たな切換線Ｓ2 に変化させることが可能となる。
その新たな切換線Ｓ2 と状態点との間に誤差が存在すると、状態点を新たな切換線Ｓ2 に拘束しようとするスライディングモード制御が、変化に先立って行われる。このことは、入力信号が実際に変化する前に、その変化に対応するよう状態が変化させられるということを意味している。
【００４６】
具体的には、例えば図１０（１）の入力２６の最初の立ち上がり部分のように、ゼロから急激に立ち上がる場合に注目すると、その急激な立ち上がりの情報が事前に与えられるから（予見）、そのような立ち上がりに追従する出力を出すような制御が、入力が実際に立ち上がるのに先立って行われる。これにより、過渡歪（入力と出力とのずれ）は大幅に改善されることになる（後述する図３，図４参照）。
【００４７】
図２は、本発明でのスライディングモード制御を説明する図であり、図２（１）は予見スライディングモード制御部７で行われる低周波成分の制御のもの、図２（２）は予見スライディングモード制御部１１で行われる高周波成分の制御のものである。横軸のｘはスピーカの振動板の振動位置（変位）を表し、縦軸のｖは振動板の振動速度を表している。また、ＳL は低周波成分の制御における切換線、ＳH は高周波成分の制御における切換線である。
【００４８】
予見スライディングモード制御部７では、低周波成分の状態点がＰL であるとした場合、矢印の線に沿って移動されて切換線ＳL に拘束され、その線上をスライドして原点Ｏに収束させるという制御がなされる。原点Ｏは、入力信号で与えられる低周波成分の目標値を意味している。
予見スライディングモード制御部１１では、高周波成分の状態点がＰH であるとした場合、矢印の線に沿って移動されて切換線ＳH に拘束され、その線上をスライドして原点Ｏに収束させるという制御がなされる。原点Ｏは、入力信号で与えられる高周波成分の目標値を意味している。
【００４９】
低周波成分の制御を行う予見スライディングモード制御部７の後段には、ローパスフィルタ部８を接続しているが、その理由は次の通りである。
図１１で、状態点Ｐが切換線Ｓに拘束される際、もし切換線Ｓを行き過ぎて反対側に出ると、フィードバックゲインが切り換えられて切換線Ｓの方へ引き戻され、引き戻し過ぎて切換線Ｓの反対側に出れば、また切換線Ｓの方へ引き戻されると説明したが、これはチャタリングと呼ばれる現象である。
【００５０】
ところで、予見スライディングモード制御部７の出力側と予見スライディングモード制御部１１の出力側とは電気的に接続され、両者の出力は合成され駆動信号Ｕとされ、これがスピーカ２へ供給される構成となっている。従って、予見スライディングモード制御部７の側でチャタリング（これは高周波）が生じた場合、上記の電気的接続を通じて予見スライディングモード制御部１１の側へ伝わってしまい、そこでの制御動作に干渉する恐れがある。
そこでこの干渉を防止するため、予見スライディングモード制御部７の後段にローパスフィルタ部８を接続し、チャタリングの影響が予見スライディングモード制御部１１の側に伝わらないようにしている。
【００５１】
図３は、本発明での過渡応答の第１の例を示す図である。２０は入力、２１は出力であり、横方向は時間を表し、縦方向は振幅を表している。図３（１）は３発の正弦波入力（入力信号Ｒ）を示し、図３（２）はその時の出力（スピーカからの振動出力Ｙ）を示し、図３（３）はそれらを時間軸を一致させて重ね合わせた図である。
未来の入力を前もって知らされた上での予見スライディングモード制御がなされるので、出力２１は入力２０の未来の変化に対処したものとなる。
【００５２】
例えば、図３（２）のＣの部分は出力２１の開始部分であり、図３（１）の入力２０がゼロから正方向へ急激に立ち上がる部分に対応する部分である。この部分では、入力２０が正方向へ急激に立ち上がるという未来の情報を考慮に入れた予見スライディングモード制御が行われる。その結果、立ち上がりの入力が入って来た時に出力２１も急激に立ち上がれるよう、直前にいったん少し低下させ、それがゼロに復帰するという動きをするときに立ち上がり入力が入って来るというような制御が行われる。
ゼロへの復帰の動きをしているときに立ち上がり入力が入って来れば、その動きに乗じて出力２１は正方向へ一気に立ち上がることが出来る。そのため、入力２０が急激に立ち上がっても、それにあまり遅れることなく出力２１も急激に立ち上がることが出来る。
因みに、従来の図１０（２）のＡの部分では、出力２７は入力２６の立ち上がりに遅れてなだらかにしか上昇していなかった。
【００５３】
図３（２）のＤの部分は出力２１の終了部分であり、図３（１）の入力２０が負から上昇して来て急にゼロとなって終わる部分に対応する部分である。この部分では、入力２０が急にゼロとなるという未来の情報を考慮に入れた予見スライディングモード制御が行われ、その結果、出力２１は上昇の速度を少しづつゆるめながらゼロに近づくよう制御され、やがてゼロとされる。これにより、入力２０がゼロになる時点よりあまり遅れることなく、出力２１もゼロとなって終わる。
因みに、従来の図１０（２）のＢの部分では、出力２７はゼロの上下に行きつ戻りつを繰り返し、入力２６に相当遅れてゼロとなっていた。
図３（３）は、図３（１）の入力２０と図３（２）の出力２１とを、時間軸を一致させて重ね合わせた図であるが、入力２０と出力２１との時間的ずれは殆どない。従って、本発明では、過渡歪は殆どない。
【００５４】
図４は、本発明での過渡応答の第２の例を示す図である。図４において、２２は入力、２３は従来の出力、２４は本発明の出力であり、横方向は時間を表し、縦方向は振幅を表している。図４（１）は、図３の入力２０のような３発の正弦波に高周波が重畳された入力（入力信号Ｒ）を示し、図４（２）は従来の出力（スピーカからの振動出力Ｙ）を示し、図４（３）は本発明の出力を示したものである。
【００５５】
従来の出力２３は、過渡応答が悪くて高周波の変化に追従出来ず、入力２２とは大幅に異なった波形となってしまっている。一方、本発明では、予見制御を取り入れたスライディングモード制御を行っているので、出力２４は入力２２に忠実に従った波形となっており、過渡歪みも殆ど生じない。
また、本発明では、図９（２）に示すような位相の遅れを、バッファメモリ６，１０から出すタイミングを調節して補償するようにしているので、位相遅れによる音色の違いを生ずることもなく、音楽の高忠実度での再生が可能となる。
【００５６】
制御部１により生成された駆動信号Ｕがスピーカ２に供給され、その振動板（図６のウーハ振動板３３）を振動させる。この振動出力Ｙが入力信号Ｒに追従したものであれば、高忠実度の再生がなされるわけであるが、以上述べた本発明によれば、低周波から高周波にわたる広帯域において、入力信号Ｒによく追従した振動出力Ｙを出すことが出来、忠実度の高い再生を行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の構成を示すブロック構成図
【図２】本発明でのスライディングモード制御を説明する図
【図３】本発明での過渡応答の第１の例を示す図
【図４】本発明での過渡応答の第２の例を示す図
【図５】従来のスピーカ制御装置のブロック構成図
【図６】スピーカの構造の１例を示す図
【図７】スピーカ弾性係数を示す図
【図８】スピーカ弾性係数の変動により生ずる出力歪みを説明する図
【図９】スピーカのゲイン特性，周波数応答特性を示す図
【図１０】スピーカの過渡応答特性を示す図
【図１１】スライディングモード制御を説明する図
【符号の説明】
【００５８】
１…制御部、２…スピーカ、３…フィードバック部、３Ａ…検出部、４…帯域分割部、５…低周波分制御部、６…バッファメモリ、７…予見スライディングモード制御部、８…ローパスフィルタ、９…高周波分制御部、１０…バッファメモリ、１１…予見スライディングモード制御部、１２…制御量検出部、１３…ローパスフィルタ部、１４…ハイパスフィルタ部、２０…入力、２１…出力、２２…入力、２３…出力、２４…出力、３０…スピーカ、３１…フレーム、３２…エッジ、３３…ウーハ振動板、３４…キャップ、３５…ダンパ、３６…環状プレート、３７…環状マグネット、３８…ヨーク、３９…ボイスコイル、４０…ボビン
【図１】
2009206966.tif 000009
【図２】
2009206966.tif 000010
【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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【図１０】
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【図１１】
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