專利名稱：電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路、靜電型換能器、超聲波揚(yáng)聲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用D類(數(shù)字)功率放大器的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路、靜電型換能器、電路常數(shù)的設(shè)定方法、超聲波揚(yáng)聲器、顯示裝置和指向性音響系統(tǒng)，特別涉及適合于驅(qū)動(dòng)如下超聲波揚(yáng)聲器的D類功率放大器的電路結(jié)構(gòu)，該超聲波揚(yáng)聲器通過從作為電容性負(fù)載的靜電型換能器輸出利用可聽頻帶的音響信號(hào)對(duì)超聲波頻帶的載波進(jìn)行調(diào)制而得到的調(diào)制波，從而再現(xiàn)具有高指向性的聲音。
背景技術(shù)：
超聲波揚(yáng)聲器可以通過輸出通過可聽頻帶的音響信號(hào)將超聲波頻帶的載波進(jìn)行調(diào)制而得到的調(diào)制波，從而再現(xiàn)具有高的指向性的聲音。
在超聲波揚(yáng)聲器的換能器(傳送器(transmitter))中，一般使用壓電型的換能器。但是，壓電型的換能器利用元件的尖銳敏銳的諧振特性，所以可以得到高的聲壓，但是頻帶非常窄。因此，在使用壓電型的換能器的超聲波揚(yáng)聲器中，可再現(xiàn)的頻帶窄，與擴(kuò)音器(loudspeaker)比較具有再現(xiàn)音質(zhì)差的傾向。因此，正在進(jìn)行用于改善上述問題的各種努力(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。
相對(duì)于此，存在使用如下類型的靜電型換能器的超聲波揚(yáng)聲器(參照?qǐng)D11所示的靜電型超聲波換能器的例子)，該靜電型換能器使靜電力在振動(dòng)膜的電極與固定電極之間作用，從而使振動(dòng)膜振動(dòng)，使產(chǎn)生聲壓。靜電型換能器具有可以在寬的頻率范圍內(nèi)得到平坦的輸出聲壓特性的特征。因此，使用靜電型換能器的超聲波揚(yáng)聲器與使用壓電型換能器的超聲波揚(yáng)聲器相比，有能夠進(jìn)一步提高再現(xiàn)音質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。
但是，使用模擬放大器來驅(qū)動(dòng)該靜電型換能器的情況下，有如下說明的問題。
圖21是表示單端推挽(push-pull)電路的例子的圖，根據(jù)此圖，說明使用一般的模擬功率放大器來驅(qū)動(dòng)電阻性的負(fù)載的情況下的損失和驅(qū)動(dòng)電容性的負(fù)載的情況下的損失的區(qū)別。如圖21所示，一般的模擬功率放大器使用在輸出級(jí)(功率放大級(jí))上下地級(jí)聯(lián)連接了NPN晶體管Tr1和PNP晶體管Tr2的單端推挽電路。使輸出級(jí)晶體管以作為AB(B級(jí))或者A級(jí)而動(dòng)作。并且，圖21(A)表示驅(qū)動(dòng)作為電阻性負(fù)載的負(fù)載阻抗RL的情況下的例子，圖21(B)表示驅(qū)動(dòng)作為電容性負(fù)載的負(fù)載靜電電容(靜電型換能器等)CL的情況下的例子。
圖22是表示在模擬功率放大器的輸出級(jí)晶體管(單側(cè))產(chǎn)生的功率損失的例子的圖，表示使輸出級(jí)晶體管以B級(jí)而動(dòng)作的情況下，圖21所示的上側(cè)晶體管Tr1的集電極發(fā)射極間的電壓VCE和集電極電流IC的關(guān)系。
在電阻性的負(fù)載的情況下，輸出電壓(負(fù)載電壓)的相位和輸出電流(負(fù)載電流)的相位大致相等，所以晶體管的集電極發(fā)射極之間的電壓VCE和集電極電流IC的相位關(guān)系如圖22(A)所示，成為反相的關(guān)系。即，當(dāng)輸出電流(IC)最大時(shí)VCE成為最小，當(dāng)輸出電流最小時(shí)VCE成為最大。
與此相對(duì)，在負(fù)載靜電電容CL的情況下，輸出電壓(負(fù)載電壓)的相位和輸出電流(負(fù)載電流)的相位偏移大約90度，所以VCE和IC之間的相位關(guān)系也如圖22(B)所示，偏移大約90度。此時(shí)，當(dāng)輸出電流(IC)最大時(shí)VCE具有大值而不是最小值，所以在晶體管中產(chǎn)生大的損失WQ。從而，在晶體管中產(chǎn)生比電阻性的負(fù)載的情況下更大的功率損失。
如上所述，在使用一般的模擬功率放大器來驅(qū)動(dòng)靜電型換能器(電容性負(fù)載)的情況下，在相同的輸出功率時(shí)，與電阻性的負(fù)載相比電容性的負(fù)載在輸出級(jí)晶體管中的功率損失更大。因此，在使用模擬功率放大器來驅(qū)動(dòng)靜電型換能器的情況下，與驅(qū)動(dòng)電阻性的負(fù)載的情況相比需要輸出更大的功率放大器，從而存在裝置大型化的問題。
另一方面，最近，作為音頻用功率放大器，使輸出級(jí)晶體管進(jìn)行切換(switching)動(dòng)作的D類功率放大器正在普及(例如，參照專利文獻(xiàn)2)。D類功率放大器有如下的優(yōu)點(diǎn)在輸出級(jí)元件中使用導(dǎo)通電阻小的功率MOSFET，通過使MOSFET進(jìn)行切換動(dòng)作，從而可以降低在輸出級(jí)元件中的損失。這樣，D類功率放大器與模擬放大器相比，在輸出級(jí)元件中的損失小，所以可以省略在模擬功率放大器中必需的散熱器或者可實(shí)現(xiàn)小型化。從而，可以實(shí)現(xiàn)小型并且高輸出的放大器。因此，D類功率放大器在要求小型化、低損失的車載用放大器和便攜終端用的放大器、輸出頻道數(shù)多的AV放大器等中被采用的例子越來越多。
圖23是表示D類功率放大器的一般的結(jié)構(gòu)例的圖。在圖23所示的D類功率放大器40中，輸入信號(hào)41通過PWM調(diào)制器42被進(jìn)行PWM(Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制)調(diào)制或者PDM(Pulse densityModulation，脈沖密度調(diào)制)調(diào)制，從而被調(diào)制為高頻的數(shù)字信號(hào)，然后通過柵極驅(qū)動(dòng)電路43，驅(qū)動(dòng)D類輸出級(jí)44。D類輸出級(jí)44使用導(dǎo)通電阻小的功率MOSFET，通過柵極驅(qū)動(dòng)電路43使功率MOSFET在飽和區(qū)域上動(dòng)作，即、使功率MOSFET進(jìn)行切換動(dòng)作(導(dǎo)通/截止動(dòng)作)。功率MOSFET截止時(shí)，幾乎沒有電流流過，所以功率MOSFET中的損失大致為零(0)。另一方面，功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)，電流流向負(fù)載，但是導(dǎo)通時(shí)的功率MOSFET的電阻，即所謂的導(dǎo)通電阻為幾mΩ～幾十mΩ左右的非常小的值，所以即使流過大電流，也可以把功率MOSFET的損失抑制得非常小。從而，與模擬放大器相比，在D類功率放大器40中輸出級(jí)元件中產(chǎn)生的損失非常小，所以可以實(shí)現(xiàn)小型并且高輸出的放大器。
這樣，D類輸出級(jí)44的輸出成為切換波形(調(diào)制波形)，所以有必要在使用低通濾波器除去切換/載波成分之后，提供給負(fù)載。該濾波器一般使用功率損失小的LC低通濾波器(LPF)45。
然而，LC低通濾波器能夠與適當(dāng)值的負(fù)載電阻連接而開始獲得有效的低通濾波器的頻率特性。例如圖24示出了把截止頻率設(shè)定為約50kHz時(shí)的二階LC低通濾波器的頻率特性的一例，可以看出截止頻率附近的響應(yīng)根據(jù)負(fù)載電阻RL的值而有很大不同。
這樣，若與LC低通濾波器連接的負(fù)載電阻RL的值過于小，則導(dǎo)致頻率特性變得很遲鈍，增大了驅(qū)動(dòng)頻帶中的增益減小，反過來若負(fù)載電阻RL的值過大則在頻率特性中產(chǎn)生大的峰值。擴(kuò)音器的阻抗通常為4～8Ω，因此對(duì)于通常的音頻用D類功率放大器，把LC低通濾波器設(shè)計(jì)成當(dāng)連接4～8Ω的負(fù)載時(shí)，具有平坦的輸出頻率特性。
與擴(kuò)音器不同，靜電型換能器具有與電容器相同的結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于換能器的阻抗，靜電電容成分是支配性的。作為等效電路，與負(fù)載的靜電電容成分串聯(lián)連接的電阻成分即所謂等效串聯(lián)電阻(ESR)非常小，而并聯(lián)連接的電阻成分非常大。(雖然也存在電感成分，但是由于數(shù)值微小而在這里忽略不計(jì)。)因此，若使靜電型換能器與LC低通濾波器的輸出連接，則等同于將LC低通濾波器的輸出開放，因此LC低通濾波器的輸出在濾波器的諧振頻率附近顯示出具有非常尖銳的峰值的響應(yīng)。因此，若使用通常的音頻用D類功率放大器，把靜電型換能器作為負(fù)載來驅(qū)動(dòng)(使用D類功率放大器的LC低通濾波器來去除切換/載波成分)，則會(huì)導(dǎo)致在輸出的頻率特性中產(chǎn)生大的峰值(例如參照?qǐng)D24中R＝16Ω的曲線)，無法獲得平坦的頻率特性，除了該問題外，還存在最差的情況下會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作不穩(wěn)定的問題。特別是在將靜電型換能器用作超聲波揚(yáng)聲器時(shí)，由于無法獲得平坦的輸出特性而導(dǎo)致再現(xiàn)音質(zhì)降低。
如果把靜電型換能器連接適當(dāng)值的外帶電阻，則能夠使頻率特性變平坦，但相反由于電阻而產(chǎn)生大的功率損失。這就抹消了靜電型換能器的損失小這樣的優(yōu)點(diǎn)，并非是理想的方法。
專利文獻(xiàn)1日本特開2001-86587號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2日本特開2002-158550號(hào)公報(bào)如上所述，若使用通常的音頻用D類功率放大器，把靜電型換能器(電容性負(fù)載)作為負(fù)載來驅(qū)動(dòng)，則產(chǎn)生在輸出的頻率特性中產(chǎn)生大的峰值，而無法獲得平坦的頻率特性的問題，此外還產(chǎn)生在最差的情況下會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作不穩(wěn)定的問題。特別是在將靜電型換能器用作超聲波揚(yáng)聲器時(shí)，若無法獲得平坦的輸出特性則導(dǎo)致再現(xiàn)音質(zhì)降低。
如果把靜電型換能器連接適當(dāng)值的外帶電阻，則能夠使頻率特性變平坦，但相反由于電阻而產(chǎn)生大的功率損失。這就抹消了靜電型換能器的損失小這樣的優(yōu)點(diǎn)，并非是理想的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述問題而提出的，其目的在于提供電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路、靜電型換能器、電路常數(shù)的設(shè)定方法、超聲波揚(yáng)聲器、顯示裝置和指向性音響系統(tǒng)，所述電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路、靜電型換能器、電路常數(shù)的設(shè)定方法、超聲波揚(yáng)聲器、顯示裝置和指向性音響系統(tǒng)能夠在使用D類功率放大器來驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載時(shí)，使損失低，并在驅(qū)動(dòng)頻帶中實(shí)現(xiàn)平坦的頻率特性。
本發(fā)明是為了解決上述問題而提出的，本發(fā)明的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路的特征在于，所述電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路包括誤差放大電路，其對(duì)外部輸入信號(hào)與來自輸出側(cè)的負(fù)反饋信號(hào)之差進(jìn)行放大；調(diào)制電路，其對(duì)從所述誤差放大電路輸出的信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制；功率切換(switching)電路，其對(duì)電源電壓與接地電位之間或者正負(fù)兩個(gè)電源電壓間進(jìn)行切換；柵極驅(qū)動(dòng)電路，其根據(jù)從所述調(diào)制電路輸出的調(diào)制信號(hào)，生成對(duì)構(gòu)成所述功率切換電路的切換元件進(jìn)行切換控制的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)；低通濾波器，其與所述功率切換電路的輸出側(cè)連接，去除在該功率切換電路的輸出信號(hào)中包含的切換/載波成分；輸出變壓器，所述輸出變壓器的一次側(cè)線圈與所述低通濾波器的輸出端連接，且該輸出變壓器對(duì)低通濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行升壓；電容性負(fù)載，其與所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈并聯(lián)連接；以及負(fù)反饋電路，其從所述低通濾波器的輸出端向所述誤差放大電路的輸入側(cè)施加負(fù)反饋。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，在功率切換電路(D類功率放大器的輸出級(jí)等)的輸出側(cè)設(shè)置低通濾波器(LC低通濾波器等)，使該低通濾波器的輸出通過輸出變壓器而施加于負(fù)載靜電電容(例如靜電型換能器等)。這樣，通過將由LC低通濾波器、輸出變壓器和負(fù)載靜電電容構(gòu)成的輸出濾波器，與功率切換電路組合而構(gòu)成負(fù)載靜電電容的驅(qū)動(dòng)電路。另外，將來自低通濾波器的后級(jí)的負(fù)反饋信號(hào)反饋至輸入側(cè)，使用誤差放大電路對(duì)該負(fù)反饋信號(hào)與外部輸入信號(hào)的誤差信號(hào)進(jìn)行放大，通過調(diào)制電路對(duì)該放大的誤差信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制(例如PWM調(diào)制或PDM調(diào)制)。在柵極驅(qū)動(dòng)電路中，基于由調(diào)制電路生成的調(diào)制信號(hào)，生成功率切換電路的切換元件的柵極信號(hào)，對(duì)該切換元件進(jìn)行導(dǎo)通/截止控制。
由此，不需要對(duì)負(fù)載靜電電容連接負(fù)載電阻(阻尼(damper)電阻)即能夠?qū)崿F(xiàn)平坦的輸出頻率特性。并且由于不需要負(fù)載電阻，所以能夠同時(shí)減少負(fù)載電阻中的損失和功率切換電路的輸出級(jí)元件中所產(chǎn)生的損失，并且能夠非常高效地驅(qū)動(dòng)包含負(fù)載在內(nèi)的電路整體。另外，通過從LC低通濾波器之后、輸出變壓器之前施加負(fù)反饋，從而即使在負(fù)載靜電電容變化的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的偏差小的平坦的輸出頻率特性(通過特性)。因此，例如在使用靜電型換能器作為負(fù)載靜電電容時(shí)，能夠在寬頻帶范圍內(nèi)穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)靜電型換能器。特別是在將本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路用于超聲波揚(yáng)聲器時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)基于平坦的輸出特性的再現(xiàn)音質(zhì)的提高。
本發(fā)明的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路的特征在于，所述誤差放大電路構(gòu)成為包括積分器。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在通過誤差放大電路對(duì)來自低通濾波器(LC低通濾波器等)的后級(jí)的負(fù)反饋信號(hào)與外部輸入信號(hào)的誤差信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，使該誤差放大電路具有誤差信號(hào)的積分功能(積分器)。
由此，能夠控制成使得在誤差信號(hào)中不會(huì)產(chǎn)生恒定偏移(恒定偏差)，使負(fù)反饋信號(hào)與外部輸入信號(hào)一致。
本發(fā)明的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路的特征在于，所述低通濾波器是二階LC低通濾波器。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，使得在功率切換電路(D類功率放大器的輸出級(jí)等)之后設(shè)置的低通濾波器為二階LC低通濾波器。由此，不會(huì)消耗來自功率切換電路(D類功率放大器的輸出級(jí)等)的輸出功率，能夠去除切換/載波成分。另外，通過從二階LC低通濾波器之后施加負(fù)反饋，能夠?qū)⒇?fù)反饋信號(hào)的相位旋轉(zhuǎn)量抑制在180度以內(nèi)，從而抑制負(fù)反饋電路的振蕩，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的負(fù)反饋控制。
本發(fā)明的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路的特征在于，所述負(fù)反饋電路構(gòu)成為包括相位補(bǔ)償電路。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在負(fù)反饋電路中設(shè)置相位補(bǔ)償電路。由此能夠擴(kuò)大負(fù)反饋的相位余量，進(jìn)行穩(wěn)定的負(fù)反饋控制。
本發(fā)明的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路的特征在于，由所述低通濾波器、輸出變壓器、負(fù)載靜電電容形成的輸出電路構(gòu)成為從輸入側(cè)觀察，該輸出電路具有兩個(gè)并聯(lián)諧振頻率f1、f3和兩個(gè)串聯(lián)諧振頻率f2、f4(f1＜f2＜f3＜f4)，構(gòu)成輸出電路的各電路元件的常數(shù)設(shè)定成使得所述諧振頻率中第一并聯(lián)諧振頻率f1與電容性負(fù)載的額定驅(qū)動(dòng)頻率或載波頻率fd一致或大致一致。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，把電路常數(shù)設(shè)定成使得D類功率放大器所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載側(cè)的并聯(lián)諧振頻率f1與負(fù)載靜電電容的額定驅(qū)動(dòng)頻率或載波頻率一致或大致一致。
由此，能夠使在負(fù)載靜電電容的驅(qū)動(dòng)頻帶中負(fù)載側(cè)的阻抗提高，使來自功率切換電路(D類功率放大器的輸出級(jí)等)的輸出電流減小，降低功率損失。
本發(fā)明的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路的特征在于，由所述低通濾波器、輸出變壓器、負(fù)載靜電電容形成的輸出電路構(gòu)成為，從輸入側(cè)觀察，該輸出電路具有兩個(gè)并聯(lián)諧振頻率f1、f3和兩個(gè)串聯(lián)諧振頻率f2、f4(f1＜f2＜f3＜f4)，構(gòu)成輸出電路的各電路元件的常數(shù)設(shè)定成使得所述諧振頻率中第一串聯(lián)諧振頻率f2與電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)頻帶的截止頻率fc一致或大致一致。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，把各電路常數(shù)設(shè)定成使得第二串聯(lián)諧振頻率f2與負(fù)載靜電電容的驅(qū)動(dòng)頻帶(通帶)的截止頻率fc一致或大致一致。
由此，能夠有效地阻止比負(fù)載靜電電容的驅(qū)動(dòng)頻帶(通帶)高的頻率成分通過，減小輸出噪聲。
本發(fā)明的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路的特征在于，由所述低通濾波器、輸出變壓器、負(fù)載靜電電容形成的輸出電路構(gòu)成為，從輸入側(cè)觀察，該輸出電路具有兩個(gè)并聯(lián)諧振頻率f1、f3和兩個(gè)串聯(lián)諧振頻率f2、f4(f1＜f2＜f3＜f4)，上述漏感和其它電路常數(shù)設(shè)定成使得所述諧振頻率中第二串聯(lián)諧振頻率f4位于比調(diào)制電路的調(diào)制頻帶低的頻域側(cè)。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，把各電路常數(shù)設(shè)定成使得第二串聯(lián)諧振頻率f4位于比調(diào)制電路的調(diào)制頻帶(功率切換電路的切換頻帶(調(diào)制用載波頻帶))低的頻域側(cè)。
由此，能夠使在功率切換電路(D類功率放大器的輸出級(jí)等)的切換頻帶中所述低通濾波器的衰減斜率增大，從而充分地去除功率切換電路輸出中的切換/載波成分，減小輸出噪聲。
本發(fā)明的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路的特征在于，所述電容性負(fù)載為靜電型換能器，該靜電型換能器具有具有多個(gè)孔的第一電極；具有與所述第一電極的孔成對(duì)的多個(gè)孔的第二電極；以及振動(dòng)膜，該振動(dòng)膜具有導(dǎo)電層，且該振動(dòng)膜被由所述第一、第二電極構(gòu)成的一對(duì)電極所夾持，該導(dǎo)電層上被施加直流偏壓，所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈具有中心抽頭，所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈的一個(gè)端子與所述靜電型換能器的第一電極連接，而另一個(gè)端子與第二電極連接，以所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈的中心抽頭為基準(zhǔn)，所述振動(dòng)膜的導(dǎo)電層上被施加直流偏壓。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，作為由本發(fā)明的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載靜電電容，例如使用圖11所示的推挽式的靜電型換能器，將輸出變壓器T的二次側(cè)線圈的一個(gè)端子與前面?zhèn)裙潭姌O(第一電極)連接，而將另一個(gè)端子與背面?zhèn)裙潭姌O(第二電極)連接，以輸出變壓器T的二次側(cè)線圈的中心抽頭為基準(zhǔn)，向振動(dòng)膜的導(dǎo)電層(振動(dòng)膜電極)施加直流偏壓。
由此，能夠在寬頻帶范圍內(nèi)低損失地驅(qū)動(dòng)推挽式的靜電型換能器。特別是在將靜電型換能器用作超聲波揚(yáng)聲器的情況下，能夠獲得基于平坦的輸出特性的再現(xiàn)音質(zhì)的提高。
本發(fā)明的靜電型換能器的特征在于，該靜電型換能器包括誤差放大電路，其對(duì)外部輸入信號(hào)與來自輸出側(cè)的負(fù)反饋信號(hào)之差進(jìn)行放大；調(diào)制電路，其對(duì)從所述誤差放大電路輸出的信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制；功率切換(switching)電路，其對(duì)電源電壓與接地電位之間或者正負(fù)兩個(gè)電源電壓間進(jìn)行切換；柵極驅(qū)動(dòng)電路，其根據(jù)從所述調(diào)制電路輸出的調(diào)制信號(hào)，生成對(duì)構(gòu)成所述功率切換電路的切換元件進(jìn)行切換控制的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)；低通濾波器，其與所述功率切換電路的輸出側(cè)連接，去除在該功率切換電路的輸出信號(hào)中包含的切換/載波成分；負(fù)反饋電路，其從所述低通濾波器的輸出端向所述誤差放大電路的輸入側(cè)施加負(fù)反饋；以及輸出變壓器，所述輸出變壓器的一次側(cè)線圈與所述低通濾波器的輸出端連接，且該輸出變壓器對(duì)低通濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行升壓，所述靜電型換能器與所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈并聯(lián)連接，作為電容性負(fù)載而被驅(qū)動(dòng)。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，在功率切換電路(D類功率放大器的輸出級(jí)等)的輸出側(cè)設(shè)置低通濾波器(LC低通濾波器等)，使該低通濾波器的輸出通過輸出變壓器而施加于靜電型換能器(負(fù)載靜電電容)。這樣，通過將由LC低通濾波器、輸出變壓器和負(fù)載靜電電容構(gòu)成的輸出濾波器，與功率切換電路組合而構(gòu)成靜電型換能器的驅(qū)動(dòng)電路。另外，將來自低通濾波器的后級(jí)的負(fù)反饋信號(hào)反饋至輸入側(cè)，使用誤差放大電路對(duì)該負(fù)反饋信號(hào)與外部輸入信號(hào)的誤差信號(hào)進(jìn)行放大，通過調(diào)制電路對(duì)該放大的誤差信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制(例如PWM調(diào)制或PDM調(diào)制)。在柵極驅(qū)動(dòng)電路中，基于由調(diào)制電路生成的調(diào)制信號(hào)，生成功率切換電路的切換元件的柵極信號(hào)，對(duì)該切換元件進(jìn)行導(dǎo)通/截止控制。
由此，不需要對(duì)靜電型換能器連接負(fù)載電阻(阻尼(damper)電阻)即能夠?qū)崿F(xiàn)平坦的輸出頻率特性。并且由于不需要負(fù)載電阻，所以能夠同時(shí)減少負(fù)載電阻中的損失和功率切換電路的輸出級(jí)元件中所產(chǎn)生的損失，并且能夠非常高效地驅(qū)動(dòng)包含負(fù)載在內(nèi)的電路整體。另外，通過從LC低通濾波器之后、輸出變壓器之前施加負(fù)反饋，從而即使在靜電型換能器的負(fù)載靜電電容變化的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的偏差小的平坦的輸出頻率特性(通過特性)。因此，能夠在寬頻帶范圍內(nèi)穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)靜電型換能器。特別是在將本發(fā)明的靜電型換能器用于超聲波揚(yáng)聲器時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)基于平坦的輸出特性的再現(xiàn)音質(zhì)的提高。
本發(fā)明的靜電型換能器的特征在于，所述誤差放大電路構(gòu)成為包括積分器。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在通過誤差放大電路對(duì)來自低通濾波器(LC低通濾波器等)的后級(jí)的負(fù)反饋信號(hào)與外部輸入信號(hào)的誤差信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，使該誤差放大電路具有誤差信號(hào)的積分功能(積分器)。
由此，能夠控制成使得在誤差信號(hào)中不會(huì)產(chǎn)生恒定偏移(恒定偏差)，使負(fù)反饋信號(hào)與外部輸入信號(hào)一致。
本發(fā)明的靜電型換能器的特征在于，所述低通濾波器是二階LC低通濾波器。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，使得在功率切換電路(D類功率放大器的輸出級(jí)等)之后設(shè)置的低通濾波器為二階LC低通濾波器。由此，不會(huì)消耗來自功率切換電路(D類功率放大器的輸出級(jí)等)的輸出功率，能夠去除切換/載波成分。另外，通過從二階LC低通濾波器之后施加負(fù)反饋，能夠?qū)⒇?fù)反饋信號(hào)的相位旋轉(zhuǎn)量抑制在180度以內(nèi)，從而抑制負(fù)反饋電路的振蕩，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的負(fù)反饋控制。
本發(fā)明的靜電型換能器的特征在于，所述負(fù)反饋電路構(gòu)成為包括相位補(bǔ)償電路。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在負(fù)反饋電路中設(shè)置相位補(bǔ)償電路。由此能夠擴(kuò)大負(fù)反饋的相位余量，進(jìn)行穩(wěn)定的負(fù)反饋控制。
本發(fā)明的靜電型換能器的特征在于，由所述低通濾波器、輸出變壓器、負(fù)載靜電電容形成的輸出電路構(gòu)成為從輸入側(cè)觀察，該輸出電路具有兩個(gè)并聯(lián)諧振頻率f1、f3和兩個(gè)串聯(lián)諧振頻率f2、f4(f1＜f2＜f3＜f4)，構(gòu)成輸出電路的各電路元件的常數(shù)設(shè)定成使得所述諧振頻率中第一并聯(lián)諧振頻率f1與靜電型換能器的額定驅(qū)動(dòng)頻率或載波頻率fd一致或大致一致。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，把電路常數(shù)設(shè)定成使得D類功率放大器所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載側(cè)的并聯(lián)諧振頻率f1與靜電型換能器的額定驅(qū)動(dòng)頻率或載波頻率大致一致。
由此，能夠使在靜電型換能器的驅(qū)動(dòng)頻帶中負(fù)載側(cè)的阻抗提高，使來自功率切換電路(D類功率放大器的輸出級(jí)等)的輸出電流減小，降低功率損失。
本發(fā)明的靜電型換能器的特征在于，由所述低通濾波器、輸出變壓器、負(fù)載靜電電容形成的輸出電路構(gòu)成為，從輸入側(cè)觀察，該輸出電路具有兩個(gè)并聯(lián)諧振頻率f1、f3和兩個(gè)串聯(lián)諧振頻率f2、f4(f1＜f2＜f3＜f4)，構(gòu)成輸出電路的各電路元件的常數(shù)設(shè)定成使得所述諧振頻率中第一串聯(lián)諧振頻率f2與靜電型換能器的驅(qū)動(dòng)頻帶的截止頻率fc一致或大致一致。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，把各電路常數(shù)設(shè)定成使得第二串聯(lián)諧振頻率f2與靜電型換能器的驅(qū)動(dòng)頻帶(通帶)的截止頻率一致或大致一致。
由此，能夠有效地阻止比靜電型換能器的驅(qū)動(dòng)頻帶(通帶)高的頻率成分通過，減小輸出噪聲。
本發(fā)明的靜電型換能器的特征在于，由所述低通濾波器、輸出變壓器、負(fù)載靜電電容形成的輸出電路構(gòu)成為，從輸入側(cè)觀察，該輸出電路具有兩個(gè)并聯(lián)諧振頻率f1、f3和兩個(gè)串聯(lián)諧振頻率f2、f4(f1＜f2＜f3＜f4)，上述輸出變壓器的漏感和其它電路常數(shù)設(shè)定成使得所述諧振頻率中第二串聯(lián)諧振頻率f4位于比調(diào)制電路的調(diào)制頻帶低的頻域側(cè)。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，把各電路常數(shù)設(shè)定成使得第二串聯(lián)諧振頻率f4位于比調(diào)制電路的調(diào)制頻帶(功率切換電路的切換頻帶(調(diào)制用載波頻帶))低的頻域側(cè)。
由此，能夠使在功率切換電路(D類功率放大器的輸出級(jí)等)的切換頻帶中所述低通濾波器的衰減斜率增大，從而充分地去除功率切換電路輸出中的切換/載波成分，減小輸出噪聲。
本發(fā)明的靜電型換能器的特征在于，該靜電型換能器具有具有多個(gè)孔的第一電極；具有與所述第一電極的孔成對(duì)的多個(gè)孔的第二電極；以及振動(dòng)膜，該振動(dòng)膜具有導(dǎo)電層，且該振動(dòng)膜被由所述第一、第二電極構(gòu)成的一對(duì)電極所夾持，該導(dǎo)電層上被施加直流偏壓，所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈具有中心抽頭，所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈的一個(gè)端子與所述靜電型換能器的第一電極連接，而另一個(gè)端子與第二電極連接，以所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈的中心抽頭為基準(zhǔn)，所述振動(dòng)膜的導(dǎo)電層上被施加直流偏壓。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，作為本發(fā)明的靜電型換能器，例如使用圖11所示推挽式的靜電型換能器，將輸出變壓器T的二次側(cè)線圈的一個(gè)端子與前面?zhèn)裙潭姌O(第一電極)連接，而將另一個(gè)端子與背面?zhèn)裙潭姌O(第二電極)連接，以輸出變壓器T的二次側(cè)線圈的中心抽頭為基準(zhǔn)，向振動(dòng)膜的導(dǎo)電層(振動(dòng)膜電極)施加直流偏壓。
由此，能夠在寬頻帶范圍內(nèi)低損失地驅(qū)動(dòng)推挽式的靜電型換能器。特別是在將靜電型換能器用作超聲波揚(yáng)聲器的情況下，能夠獲得基于平坦的輸出特性的再現(xiàn)音質(zhì)的提高。
本發(fā)明的電路常數(shù)的設(shè)定方法，其特征在于，該電路常數(shù)的設(shè)定方法包括以下步驟使用誤差放大電路對(duì)外部輸入信號(hào)與來自輸出側(cè)的負(fù)反饋信號(hào)之差進(jìn)行放大；使用調(diào)制電路對(duì)從所述誤差放大電路輸出的信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制；使用功率切換電路對(duì)電源電壓與接地電位之間或者正負(fù)兩個(gè)電源電壓之間進(jìn)行切換；使用柵極驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)從所述調(diào)制電路輸出的調(diào)制信號(hào)，生成對(duì)構(gòu)成所述功率切換電路的切換元件進(jìn)行切換控制的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)；使用與所述功率切換電路的輸出側(cè)連接的低通濾波器，去除在該功率切換電路的輸出信號(hào)中包含的切換/載波成分；使用負(fù)反饋電路，從所述低通濾波器的輸出端向所述誤差放大電路的輸入側(cè)施加負(fù)反饋；使用一次側(cè)線圈與所述低通濾波器的輸出端連接、且在二次側(cè)線圈上并聯(lián)連接了靜電型換能器作為電容性負(fù)載的輸出變壓器，對(duì)所述低通濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行升壓；進(jìn)行設(shè)定以使得由所述低通濾波器、輸出變壓器、靜電型換能器構(gòu)成的輸出電路從輸入側(cè)觀察，該輸出電路具有兩個(gè)并聯(lián)諧振頻率f1、f3和兩個(gè)串聯(lián)諧振頻率f2、f4(f1＜f2＜f3＜f4)，并把各電路元件的常數(shù)設(shè)定成使得所述諧振頻率中第一并聯(lián)諧振頻率f1與所述靜電型換能器的額定驅(qū)動(dòng)頻率或載波頻率fd一致或大致一致。
根據(jù)這樣的步驟，把電路常數(shù)設(shè)定成使得D類功率放大器所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載側(cè)的并聯(lián)諧振頻率f1與靜電型換能器的額定驅(qū)動(dòng)頻率或載波頻率大致一致。
由此，能夠提高在靜電型換能器的驅(qū)動(dòng)頻帶中負(fù)載側(cè)的阻抗，使來自功率切換電路(D類功率放大器的輸出級(jí)等)的輸出電流減小，減小功率損失。
本發(fā)明的超聲波揚(yáng)聲器的特征在于，該超聲波揚(yáng)聲器具有靜電型換能器，該靜電型換能器將利用可聽頻帶的音響信號(hào)對(duì)超聲波頻帶的載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制而得到的調(diào)制信號(hào)作為輸入信號(hào)，使該靜電型換能器被超聲波頻帶的信號(hào)所驅(qū)動(dòng)，所述靜電型換能器包括誤差放大電路，其對(duì)外部輸入信號(hào)與來自輸出側(cè)的負(fù)反饋信號(hào)之差進(jìn)行放大；調(diào)制電路，其對(duì)從所述誤差放大電路輸出的信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制；功率切換(switching)電路，其對(duì)電源電壓與接地電位之間或者正負(fù)兩個(gè)電源電壓間進(jìn)行切換；柵極驅(qū)動(dòng)電路，其根據(jù)從所述調(diào)制電路輸出的調(diào)制信號(hào)，生成對(duì)構(gòu)成所述功率切換電路的切換元件進(jìn)行切換控制的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)；低通濾波器，其與所述功率切換電路的輸出側(cè)連接，去除在該功率切換電路的輸出信號(hào)中包含的切換/載波成分；負(fù)反饋電路，其從所述低通濾波器的輸出端向所述誤差放大電路的輸入側(cè)施加負(fù)反饋；以及輸出變壓器，所述輸出變壓器的一次側(cè)線圈與所述低通濾波器的輸出端連接，且該輸出變壓器對(duì)低通濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行升壓，并且所述靜電型換能器與所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈并聯(lián)連接，作為電容性負(fù)載而被驅(qū)動(dòng)。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，利用可聽頻帶的信號(hào)波來調(diào)制超聲波頻帶的載波，將該經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)輸入到具有負(fù)反饋控制的靜電型換能器的驅(qū)動(dòng)電路(D類功率放大器)，驅(qū)動(dòng)靜電型換能器。
由此，在超聲波揚(yáng)聲器中使用靜電型換能器，利用D類功率放大器來驅(qū)動(dòng)該靜電型換能器時(shí)，能夠在寬頻帶范圍內(nèi)低損失地且穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)該超聲波揚(yáng)聲器，能夠?qū)崿F(xiàn)超聲波揚(yáng)聲器的再現(xiàn)音質(zhì)的提高。
本發(fā)明的顯示裝置的特征在于，該顯示裝置具有超聲波揚(yáng)聲器，其利用從音響源供給的音頻信號(hào)來調(diào)制超聲波頻帶的載波信號(hào)，利用該調(diào)制信號(hào)來驅(qū)動(dòng)靜電型換能器，再現(xiàn)可聽頻帶的信號(hào)聲音；以及在投影面上投影視頻的投影光學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)成所述超聲波揚(yáng)聲器的靜電型換能器包括誤差放大電路，其對(duì)外部輸入信號(hào)與來自輸出側(cè)的負(fù)反饋信號(hào)之差進(jìn)行放大；調(diào)制電路，其對(duì)從所述誤差放大電路輸出的信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制；功率切換(switching)電路，其對(duì)電源電壓與接地電位之間或者正負(fù)兩個(gè)電源電壓間進(jìn)行切換；柵極驅(qū)動(dòng)電路，其根據(jù)從所述調(diào)制電路輸出的調(diào)制信號(hào)，生成對(duì)構(gòu)成所述功率切換電路的切換元件進(jìn)行切換控制的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)；低通濾波器，其與所述功率切換電路的輸出側(cè)連接，去除在該功率切換電路的輸出信號(hào)中包含的切換/載波成分；負(fù)反饋電路，其從所述低通濾波器的輸出端向所述誤差放大電路的輸入側(cè)施加負(fù)反饋；以及輸出變壓器，所述輸出變壓器的一次側(cè)線圈與所述低通濾波器的輸出端連接，且該輸出變壓器對(duì)低通濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行升壓，并且所述靜電型換能器與所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈并聯(lián)連接，作為電容性負(fù)載而被驅(qū)動(dòng)。
在上述結(jié)構(gòu)的顯示裝置中，使用由本發(fā)明的靜電型換能器構(gòu)成的超聲波揚(yáng)聲器。并且通過該超聲波揚(yáng)聲器進(jìn)行從音響源供給的音頻信號(hào)的再現(xiàn)。
由此，在顯示裝置中，能夠使用具有平坦的輸出頻率特性且能夠低損失地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的超聲波揚(yáng)聲器。因此，能夠使音響信號(hào)具有充分的聲壓和寬頻帶特性，以從形成于屏幕等聲波反射面附近的虛擬聲源發(fā)出的方式進(jìn)行再現(xiàn)。并且也易于對(duì)音響信號(hào)的再現(xiàn)范圍進(jìn)行控制。
本發(fā)明的指向性音響系統(tǒng)的特征在于，該指向性音響系統(tǒng)具有超聲波揚(yáng)聲器，其利用從音響源供給的音頻信號(hào)中的第一音域的信號(hào)來調(diào)制超聲波頻帶的載波信號(hào)，利用該調(diào)制信號(hào)來驅(qū)動(dòng)靜電型換能器，再現(xiàn)可聽頻帶的信號(hào)聲音；以及再現(xiàn)用揚(yáng)聲器，其再現(xiàn)從所述音響源供給的音頻信號(hào)中第二音域的信號(hào)，所述指向性音響系統(tǒng)通過所述超聲波揚(yáng)聲器再現(xiàn)從音響源供給的音頻信號(hào)，在屏幕等聲波反射面附近形成虛擬聲源，構(gòu)成所述超聲波揚(yáng)聲器的靜電型換能器包括誤差放大電路，其對(duì)外部輸入信號(hào)與來自輸出側(cè)的負(fù)反饋信號(hào)之差進(jìn)行放大；調(diào)制電路，其對(duì)從所述誤差放大電路輸出的信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制；功率切換(switching)電路，其對(duì)電源電壓與接地電位之間或者正負(fù)兩個(gè)電源電壓間進(jìn)行切換；柵極驅(qū)動(dòng)電路，其根據(jù)從所述調(diào)制電路輸出的調(diào)制信號(hào)，生成對(duì)構(gòu)成所述功率切換電路的切換元件進(jìn)行切換控制的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)；低通濾波器，其與所述功率切換電路的輸出側(cè)連接，去除在該功率切換電路的輸出信號(hào)中包含的切換/載波成分；負(fù)反饋電路，其從所述低通濾波器的輸出端向所述誤差放大電路的輸入側(cè)施加負(fù)反饋；以及輸出變壓器，所述輸出變壓器的一次側(cè)線圈與所述低通濾波器的輸出端連接，且該輸出變壓器對(duì)低通濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行升壓，并且所述靜電型換能器與所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈并聯(lián)連接，作為電容性負(fù)載而被驅(qū)動(dòng)。
上述結(jié)構(gòu)的指向性音響系統(tǒng)中，使用由本發(fā)明的靜電型換能器構(gòu)成的超聲波揚(yáng)聲器。并且通過該超聲波揚(yáng)聲器進(jìn)行從音響源供給的音頻信號(hào)中的中高音域(第一音域)的音頻信號(hào)的再現(xiàn)。并且，使用低音再現(xiàn)用揚(yáng)聲器對(duì)從音響源供給的音頻信號(hào)中的低音域(第二音域)的音頻信號(hào)進(jìn)行再現(xiàn)。
因此，在指向性音響系統(tǒng)中，能夠使用由D類功率放大器來驅(qū)動(dòng)、并具有平坦的輸出頻率特性且能夠低損失地驅(qū)動(dòng)的超聲波揚(yáng)聲器。因此，能夠使中高音域的音響具有充分的聲壓和寬頻帶特性，以從形成于屏幕等聲波反射面附近的虛擬聲源發(fā)出的方式再現(xiàn)。并且，低音域的音響從音響系統(tǒng)所具備的低音再現(xiàn)用揚(yáng)聲器直接輸出，因此能夠加強(qiáng)低音域，創(chuàng)造現(xiàn)場(chǎng)感高的音場(chǎng)環(huán)境。


圖1是表示本發(fā)明的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)例的圖。
圖2是表示各部的動(dòng)作波形的一例的圖。
圖3是表示輸出電路部分的等效電路的圖。
圖4是表示圖3所示電路的增益頻率特性曲線的圖。
圖5是表示將4Ω電阻與CL1串聯(lián)連接時(shí)的增益-相位特性的圖。
圖6是表示本發(fā)明的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路的具體結(jié)構(gòu)例的圖。
圖7是表示本發(fā)明的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路的電路結(jié)構(gòu)與常數(shù)設(shè)定的一例的圖。
圖8是表示圖7所示電路的環(huán)路、相位特性的圖。
圖9是表示圖7所示電路的負(fù)載端子電壓(輸出電壓)的頻率特性的圖。
圖10是表示對(duì)應(yīng)于負(fù)載變動(dòng)的輸出電壓頻率特性的圖。
圖11是表示靜電型超聲波換能器的結(jié)構(gòu)的一例的圖。
圖12是表示超聲波揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)例的圖。
圖13是表示基于模擬控制的全橋電路結(jié)構(gòu)例的圖。
圖14是表示基于數(shù)字控制的全橋電路結(jié)構(gòu)例的圖。
圖15是表示圖14所示電路的具體結(jié)構(gòu)例的圖。
圖16是表示把靜電型超聲波換能器作為負(fù)載時(shí)的電路結(jié)構(gòu)例的圖。
圖17是表示本發(fā)明實(shí)施方式的投影儀使用狀態(tài)的圖。
圖18是表示圖17所示投影儀的外觀結(jié)構(gòu)的圖。
圖19是表示圖17所示投影儀的電結(jié)構(gòu)的框圖。
圖20是使用超聲波換能器的再現(xiàn)信號(hào)的再現(xiàn)狀態(tài)的說明圖。
圖21是表示單端/推挽電路的例子的圖。
圖22是表示在模擬功率放大器中產(chǎn)生的功率損失的例子的圖。
圖23是表示D類功率放大器的通常結(jié)構(gòu)例的圖。
圖24是表示二階LC低通濾波器的頻率特性的圖。
標(biāo)號(hào)說明1、2電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路；2靜電型超聲波換能器；4超聲波揚(yáng)聲器；11誤差放大電路；11A比例積分電路；11B誤差運(yùn)算器；11C控制器；12調(diào)制電路；12A PWM調(diào)制電路；13柵極驅(qū)動(dòng)電路；14D類輸出級(jí)；15LC低通濾波器；16負(fù)反饋電路；16aRC并聯(lián)電路；17相位補(bǔ)償電路；18積分器；19放大器；20固定電極；20A前面?zhèn)裙潭姌O；20B背面?zhèn)裙潭姌O；21支持部件；22振動(dòng)膜；22A振動(dòng)膜電極；22B絕緣膜；24、24A、24B貫通孔；26直流電源；28A、28B交流信號(hào)；31可聽頻率信號(hào)源；32載波信號(hào)源；33調(diào)制器；CL、CL1、CL2負(fù)載靜電電容；L、L1、L2、L3電感；LL漏感；M互感；RL負(fù)載電阻；T輸出變壓器；131柵極驅(qū)動(dòng)電路A；132柵極驅(qū)動(dòng)電路B；141D類輸出級(jí)A；142D類輸出級(jí)B；151低通濾波器(LPFA)；152低通濾波器(差動(dòng)放大器)；162A/D轉(zhuǎn)換器；171相位補(bǔ)償電路A；172相位補(bǔ)償電路B；
201投影儀；202屏幕；203視聽者；210操作輸入部；212再現(xiàn)范圍設(shè)定部；213再現(xiàn)范圍控制處理部；214音頻/視頻信號(hào)再現(xiàn)部；216載波振蕩源；217A、217B高通濾波器；218A、218B調(diào)制器；219低通濾波器；220投影儀主體；221混頻器；222A、222B驅(qū)動(dòng)電路部；222C功率放大器；223低音再現(xiàn)用揚(yáng)聲器；224A、224B靜電型超聲波換能器；231投影儀鏡頭；232視頻生成部；233投影光學(xué)系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖對(duì)用于實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行說明。
圖1是表示本發(fā)明的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)例的圖。圖2是表示各部的動(dòng)作波形的一例的圖。
如圖1所示，本發(fā)明的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路1的基本構(gòu)成要素包括誤差放大電路11、調(diào)制電路12、柵極驅(qū)動(dòng)電路13、D類輸出級(jí)14、LC低通濾波器(LPF)15、負(fù)反饋電路16、輸出變壓器T以及負(fù)載靜電電容CL。
誤差放大電路11用于對(duì)從外部輸入的信號(hào)VIN與來自負(fù)反饋電路(后述)的信號(hào)之差進(jìn)行放大，誤差放大電路11的非反轉(zhuǎn)輸入端子(+)被輸入外部輸入信號(hào)VIN，反轉(zhuǎn)輸入端子(-)被輸入來自負(fù)反饋電路16的反饋信號(hào)。
經(jīng)過誤差放大電路11放大的誤差信號(hào)VΔ，由調(diào)制電路12轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)即調(diào)制信號(hào)VM。調(diào)制方式可以采用例如PWM(Pulse WidthModulation，脈寬調(diào)制)調(diào)制，或者PDM(Pulse Density Modulation，脈沖密度調(diào)制)調(diào)制。
從誤差放大電路11輸出的模擬信號(hào)的振幅信息，在PWM調(diào)制中被調(diào)制為比模擬信號(hào)的周期短的周期的脈沖的脈寬，在PDM調(diào)制中被調(diào)制為比模擬信號(hào)的周期短的周期的脈沖密度。另外，如圖2所示的調(diào)制信號(hào)VM為實(shí)施了作為PDM調(diào)制的一個(gè)方式的Δ∑調(diào)制波形時(shí)的例子。調(diào)制電路12可使用通常的公知的電路結(jié)構(gòu)，所以省略具體說明。
經(jīng)調(diào)制電路12調(diào)制的調(diào)制信號(hào)VM由柵極驅(qū)動(dòng)電路13轉(zhuǎn)換為能夠驅(qū)動(dòng)D類輸出級(jí)14的電平的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，提供給D類輸出級(jí)14。D類輸出級(jí)14由兩個(gè)Nch功率MOSFET構(gòu)成上側(cè)切換元件和下側(cè)切換元件，根據(jù)從柵極驅(qū)動(dòng)電路輸出的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在正負(fù)兩電源之間進(jìn)行切換。
上述柵極驅(qū)動(dòng)電路13包括電平移位電路(未圖示)，其將經(jīng)調(diào)制電路12調(diào)制的調(diào)制信號(hào)(PWM信號(hào)或PDM信號(hào))VM的電平移位以使其變成能夠驅(qū)動(dòng)構(gòu)成D類輸出級(jí)14的功率MOSFET的柵極的電平；滯后時(shí)間(dead time)生成電路(未圖示)，其用于使D類輸出級(jí)的上側(cè)切換元件與下側(cè)切換元件的導(dǎo)通/截止驅(qū)動(dòng)定時(shí)彼此錯(cuò)開；下側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成電路(未圖示)和上側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成電路(未圖示)；以及與上側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成電路連接的浮充(floating)電源(未圖示)，上述柵極驅(qū)動(dòng)電路13分別生成用于驅(qū)動(dòng)構(gòu)成D類輸出級(jí)的上側(cè)Nch功率MOSFET的柵極的信號(hào)和驅(qū)動(dòng)下側(cè)的Nch功率MOSFET的柵極的信號(hào)并輸出。
另外，對(duì)于本實(shí)施方式例中的D類輸出級(jí)示出了上下均使用Nch的功率MOSFET的結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于上側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以上側(cè)功率MOSFET的源極電位即D類輸出級(jí)的輸出電壓VS為基準(zhǔn)，輸出加上了上述浮充電源電壓VF后的電壓。圖2中示出了上側(cè)功率MOSFET的柵極電壓VGH(未圖示)與源極電壓(D類輸出電壓)VS的差電壓，即柵極-源極間電壓VGSH的波形，上側(cè)功率MOSFET當(dāng)VGSH為VF時(shí)(VGH為VF+VS時(shí))導(dǎo)通，而當(dāng)VGSH為0時(shí)(VGH為VS時(shí))截止。
另一方面，對(duì)于下側(cè)柵極信號(hào)，以下側(cè)功率MOSFET的源極電位即負(fù)電源電壓-VDD為基準(zhǔn)，輸出加上了下側(cè)柵極用電源電壓VG后的電壓。圖2中示出了下側(cè)功率MOSFET的柵極電壓VGL與負(fù)電源電壓-VDD的差電壓，即柵極-源極間電壓VGSL的波形，下側(cè)功率MOSFET當(dāng)VGSL為VG時(shí)(VGL為VG-VDD時(shí))導(dǎo)通，而當(dāng)VGSL為0時(shí)(VG為-VDD時(shí))截止。
上側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)與下側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有相位為180度反相的關(guān)系，生成上下的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)以使得不會(huì)發(fā)生上下的功率MOSFET同時(shí)導(dǎo)通的情況。并且，通過上述滯后時(shí)間生成電路，對(duì)應(yīng)于功率MOSFET的切換速度，進(jìn)行控制以使得上側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升(下降)與下側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升(下降)的定時(shí)錯(cuò)開(插入延遲)，當(dāng)切換轉(zhuǎn)移時(shí)上下的功率MOSFET不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。另外，對(duì)于柵極驅(qū)動(dòng)電路的具體結(jié)構(gòu)，由于可以使用公知的電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，所以省略詳細(xì)說明。
來自D類輸出級(jí)的輸出電壓VS經(jīng)二階LC低通濾波器去除(衰減)調(diào)制波形的切換/載波成分。
通過LC低通濾波器后的信號(hào)VO，經(jīng)由輸出變壓器T升壓后，施加于負(fù)載靜電電容CL上。此時(shí)，通過負(fù)載靜電電容CL和輸出變壓器T的線圈電感也形成濾波器，所以通過上述LC低通濾波器沒有完全除去的切換/載波成分在這里進(jìn)一步衰減，被提供給負(fù)載(VCL、ICL)。同時(shí)，通過LC低通濾波器后的信號(hào)VO，經(jīng)由負(fù)反饋電路16反饋至上述誤差放大電路11的反轉(zhuǎn)輸入端子(-)。
圖2示出了圖1所示驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)的各部的動(dòng)作波形，VIN表示至驅(qū)動(dòng)電路的外部輸入信號(hào)的電壓波形，VΔ表示來自誤差放大電路的輸出電壓波形，VM表示Δ∑調(diào)制信號(hào)電壓波形(以邏輯電平來表示)，VGSH表示上側(cè)功率MOSFET柵極-源極間電壓波形，VGSL表示下側(cè)功率MOSFET柵極-源極間電壓波形，VS表示D類輸出級(jí)的輸出電壓波形，VO表示LC低通濾波器輸出電壓波形(輸出變壓器一次側(cè)電壓波形)，VCL表示負(fù)載靜電電容CL的端子電壓波形，ICL表示負(fù)載靜電電容CL的電流波形。
下面對(duì)本發(fā)明驅(qū)動(dòng)電路中的電路常數(shù)的設(shè)定方法進(jìn)行說明。
首先確定LC低通濾波器以后的輸出電路的常數(shù)。
圖3是表示輸出電路部分的等效電路的圖，設(shè)把負(fù)載靜電容量CL換算成輸出變壓器T的一次側(cè)而得到的為CL1，把輸出變壓器T的二次側(cè)線圈短路時(shí)的一次側(cè)線圈的電感為漏感LL，輸出變壓器T的互感為M，則LC低通濾波器以后的輸出電路的等效電路如圖3所示。另外，由于電路的電阻成分很小，此處忽略不計(jì)。
若設(shè)角頻率為ω，則從圖3的等效電路的輸入側(cè)觀察到的阻抗Z為數(shù)式1Z=Anω4+Bnω2+CnAdω4+Bdω2+Cd.]]>此處數(shù)式2An＝(2M+LL)LLLCCL1Bn＝-{(M+LL)(C+CL1)+(2M+LL)LLCL1}Cn＝L+M+LLAd＝(2M+LL)LLCCL1Bd＝-(C+CL1)(M+LL)Cd＝1另外，若設(shè)輸出變壓器T的一次側(cè)線圈的自感為L(zhǎng)1，輸出變壓器T的一次側(cè)線圈與二次側(cè)線圈的耦合系數(shù)為k，則“M＝L1-LL＝kL1”。另外上式所表示的Z的根有四個(gè)。分母的根，即，數(shù)式3ω1=-Bd-Bd2-4AdCd2Ad,]]>ω3=-Bd+Bd2-4AdCd2Ad]]>為圖3的等效電路的極，表示并聯(lián)諧振角頻率(反諧振角頻率)。
另外，分子的根，即，數(shù)式4

ω2=-Bn-Bn2-4AnCn2An,]]>ω4=-Bn+Bn2-4AnCn2An,]]>為圖3的等效電路的零點(diǎn)，表示串聯(lián)諧振角頻率。
例如，當(dāng)輸出電路的各電路常數(shù)為L(zhǎng)＝10μH、C＝0.47μF、L1＝20μH、LL＝0.4μH、CL1＝1μF時(shí)，根據(jù)上式，各諧振頻率f1～f4為，f1＝29.4kHz、f2＝50.1kHz、f3＝315kHz、f4＝321kHz。
圖4示出了從恒壓源(輸出阻抗為0.1Ω)供給信號(hào)時(shí)的圖3所示電路的增益頻率特性曲線，如圖4(B)所示，電路電流(恒壓源的輸出電流)在并聯(lián)諧振頻率f1、f3時(shí)取極小值，在串聯(lián)諧振頻率f2、f4時(shí)取極大值。
在本發(fā)明中，把上述輸出電路的各元件的常數(shù)設(shè)定成使得電容性負(fù)載的額定驅(qū)動(dòng)頻率或載波頻率與并聯(lián)諧振頻率f1大致相等。由此，在額定驅(qū)動(dòng)頻率時(shí)，能夠抑制流經(jīng)變壓器一次側(cè)的電流，可減小損失。
另外，如圖4(A)所示，負(fù)載靜電電容CL1的電壓從f2到f3，以12dB/octave的斜率衰減，從f4到高頻域側(cè)以24dB/octave的斜率衰減。在本發(fā)明中，把D類輸出級(jí)的切換頻率設(shè)定在比串聯(lián)諧振頻率f4高的頻域。由此，在切換頻帶，能夠獲得更大的衰減率，進(jìn)一步降低輸出的高次諧波失真。
在圖3所示電路中，由于電路中沒有電阻成分(或者小至可以忽略不計(jì))，因此在增益的頻率特性中存在圖4所示的尖銳的峰值，無法獲得平坦的通過特性。因此無法滿足作為要求平坦的通過特性的放大器的性能。因此，通常通過連接負(fù)載電阻來獲得阻尼器的特性，使頻率特性平穩(wěn)。
圖5示出了把4Ω的電阻與負(fù)載靜電電容CL1串聯(lián)連接時(shí)的增益相位特性，通過連接負(fù)載電阻，能夠獲得沒有峰值的平坦的通過特性。在通常的音頻放大器中，擴(kuò)音器作為驅(qū)動(dòng)負(fù)載，通常具有幾Ω左右的電阻成分。通過該電阻成分使負(fù)載自身具有強(qiáng)的阻尼器的特性，從而實(shí)現(xiàn)平坦的通過特性。
與此相對(duì)，在本發(fā)明中，驅(qū)動(dòng)對(duì)象為靜電電容CL1，其(串聯(lián))電阻成分非常小。雖然通過連接電阻而使通過特性變得平坦，但相反卻在電阻中產(chǎn)生功率損失。特別是負(fù)載靜電電容越大或者驅(qū)動(dòng)頻率越高，負(fù)載阻抗就越小，而流經(jīng)負(fù)載的電流就越大。從而導(dǎo)致電阻中的功率損失非常大，效率顯著降低。靜電型換能器這樣的電容性負(fù)載具有設(shè)備自身的損失非常小的優(yōu)點(diǎn)，但是如果按如上所述連接負(fù)載電阻，則會(huì)抹消該優(yōu)點(diǎn)，這是不希望的。
本發(fā)明為了解決該問題，不連接(大的串聯(lián))負(fù)載電阻，而通過進(jìn)行負(fù)反饋控制，從而實(shí)現(xiàn)低損失且實(shí)現(xiàn)平坦的通過特性。因此，構(gòu)成為從LC低通濾波器的后級(jí)進(jìn)行負(fù)反饋。
在上述輸出電路中，通過二階LC低通濾波器使相位旋轉(zhuǎn)180度，并通過輸出變壓器T和負(fù)載靜電電容CL1進(jìn)一步使相位旋轉(zhuǎn)180度。為了進(jìn)行穩(wěn)定的負(fù)反饋，從二階LC低通濾波器之后，輸出變壓器T之前施加負(fù)反饋，從而能夠首先將輸出電路部分中的相位旋轉(zhuǎn)量抑制于180度以內(nèi)。由于在該狀態(tài)下施加負(fù)反饋時(shí)的相位余量尚小，所以進(jìn)一步在負(fù)反饋電路內(nèi)追加相位補(bǔ)償(相位超前)電路，以擴(kuò)大相位余量，從而實(shí)施穩(wěn)定的負(fù)反饋。
圖6是表示本發(fā)明的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路的具體結(jié)構(gòu)例的圖，示出了進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)框圖。圖7是表示該電路結(jié)構(gòu)和常數(shù)設(shè)定的一例的圖。
圖6所示的誤差放大電路11之后的積分器18與放大器19組合起來而構(gòu)成PI(比例積分)控制系統(tǒng)，用于抑制在輸出中所產(chǎn)生的DC偏置(恒定偏差)。由誤差放大電路11、積分器18和放大器19所構(gòu)成的比例積分電路11A，在實(shí)際電路中例如圖7所示，可構(gòu)成為包括與進(jìn)行誤差放大同時(shí)提供比例增益的運(yùn)算放大器和4.7kΩ、220kΩ的電阻；和進(jìn)行積分的22kΩ的電阻、0.1μF的電容器。
負(fù)反饋電路16和相位補(bǔ)償電路17例如圖7所示，可由RC并聯(lián)電路16a構(gòu)成。
在圖7所示例中，示出了以負(fù)載電壓250V、驅(qū)動(dòng)頻帶40kHz～80kHz來驅(qū)動(dòng)合成靜電電容為10nF的靜電型換能器(負(fù)載靜電電容CL)時(shí)的電路常數(shù)的一個(gè)例子?？紤]D類輸出級(jí)的切換頻率為約1MHz。
使由負(fù)載靜電電容10nF和變壓器二次側(cè)線圈自感L2構(gòu)成的諧振電路的諧振頻率為驅(qū)動(dòng)頻帶的中心頻率60kHz左右的L2的值為大約850μH。
在信號(hào)輸入為1V時(shí)用于獲得250V輸出的電壓增益為48dB，其中若分配為在預(yù)驅(qū)動(dòng)級(jí)為8dB，在D類輸出級(jí)為20dB，在變壓器為20dB，則變壓器的一次側(cè)線圈的自感為8.5μH。
設(shè)截止頻率為約80kHz，使用上述輸出電路的公式來設(shè)定LC低通濾波器的常數(shù)L、C和變壓器的耦合系數(shù)k的值，以使上述輸出電路的諧振頻率中f3、f4小于1MHz，則當(dāng)L＝4μH、C＝0.47μF、k＝0.98時(shí)，f1＝45.2kHz、f2＝78.4kHz、f3＝483kHz、f4＝493kHz。
如果如圖7所示對(duì)上述輸出電路設(shè)定誤差放大器的增益和負(fù)反饋增益、以及相位補(bǔ)償電容，則獲得圖8所示的環(huán)路增益和相位特性，以及圖9所示的閉環(huán)路特性。
如圖8所示，充分確保相位余量和增益余量，成為穩(wěn)定的負(fù)反饋特性。從二階LC低通濾波器的后級(jí)取出負(fù)反饋環(huán)路，因此受到LC低通濾波器和LC低通濾波器后級(jí)的諧振電路的阻抗的影響，在環(huán)路增益特性中存在尖銳的峰值。在不施加負(fù)反饋或者如通常的音頻用D類放大器那樣從LC低通濾波器之前施加負(fù)反饋的情況下，只要不連接負(fù)載電阻，就會(huì)在輸出電壓的特性中直接表現(xiàn)出這種尖銳的諧振特性。但是在本發(fā)明中，由于利用該諧振特性來施加負(fù)反饋，因此能夠在諧振峰值的位置使環(huán)路增益即制動(dòng)力更大，使控制力作用于進(jìn)一步抹消諧振的峰值的方向。因此如圖9所示，可知閉環(huán)路特性中沒有峰值，盡管沒有負(fù)載電阻，也能夠獲得平坦的輸出特性。進(jìn)而如圖10所示，即使負(fù)載靜電電容發(fā)生大的變化(5nF～15nF)時(shí)，輸出特性也不會(huì)發(fā)生大的變化，能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)于大的負(fù)載變化的穩(wěn)定且平坦的輸出特性。
另外，通過輸出變壓器T的電感成分和負(fù)載靜電電容成分，在變壓器二次側(cè)也形成LC低通濾波器，因此僅二階LC低通濾波器的結(jié)構(gòu)即能夠提高切換/載波的除去性能。在圖9的例子中1MHz可獲得約-10dB的衰減性能。
另外，通過增大輸出變壓器T的漏感LL(減小耦合系數(shù))，能夠?qū)⒅C振頻率f3、f4的值設(shè)定為更小。
若增大輸出變壓器T的漏感，則使輸出頻率特性相對(duì)于負(fù)載靜電電容變化的變化增大，但由于諧振頻率f3、f4的位置向更低頻域側(cè)移動(dòng)，因此能夠進(jìn)一步減小切換頻帶的增益(進(jìn)一步增大衰減)。因此能夠進(jìn)一步提高切換/載波的除去性能，進(jìn)一步使輸出高次諧波失真減小?；蛘咴谙嗤那袚Q/載波的除去性能的情況下，可將切換頻率設(shè)定得更低，所以能夠使輸出級(jí)元件中的切換損失進(jìn)一步減小，構(gòu)成為更高效的電路。
如上所述的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路適合用作使用靜電型換能器的超聲波揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)電路。超聲波揚(yáng)聲器通過輸出利用可聽頻帶的音響信號(hào)來調(diào)制超聲波頻帶的載波而得到的調(diào)制波，從而能夠再現(xiàn)具有高指向性的聲音。
靜電型換能器具有較寬頻帶的聲壓-頻率特性，因此如果將靜電型超聲波換能器用作超聲波揚(yáng)聲器的換能器，則與窄頻帶的壓電型換能器相比能夠提高再現(xiàn)音質(zhì)。
圖11示出了適合用作超聲波揚(yáng)聲器的靜電型超聲波換能器的結(jié)構(gòu)的一例。
圖11(A)示出了靜電型超聲波換能器3的剖面，包括具有導(dǎo)電層(振動(dòng)膜電極)221的振動(dòng)膜22；以及由與該振動(dòng)膜22的各面對(duì)置而設(shè)置的前面?zhèn)裙潭姌O(第一電極)20A和背面?zhèn)裙潭姌O(第二電極)20B構(gòu)成的一對(duì)固定電極(在指前面?zhèn)裙潭姌O20A和背面?zhèn)裙潭姌O20B雙方時(shí)稱為固定電極20)。振動(dòng)膜22也可以如圖11(A)所示形成為由絕緣膜22B夾持著形成電極的導(dǎo)電層(振動(dòng)膜電極)22A，也可以由導(dǎo)電性材料形成振動(dòng)膜整體。
另外，在扶持著振動(dòng)膜的前面?zhèn)裙潭姌O20A設(shè)有多個(gè)貫通孔24A，并且在背面?zhèn)裙潭姌O20B上與設(shè)置于前面?zhèn)裙潭姌O20A上的各貫通孔24A對(duì)置的位置上，設(shè)有相同形狀的貫通孔24B(在指貫通孔24A和貫通孔24B雙方的情況下稱為貫通孔24)。前面?zhèn)裙潭姌O20A和背面?zhèn)裙潭姌O20B分別通過支持部件21而被支持成與振動(dòng)膜22隔開規(guī)定的間隙，如圖11(A)所示，支持部件形成為使振動(dòng)膜22與固定電極20隔著一部分間隙對(duì)置。圖11(B)示出了靜電型超聲波換能器3的單側(cè)平面外觀(將固定電極20的局部切去后的狀態(tài))，上述多個(gè)貫通孔24排列成蜂窩狀。圖11(C)是接合了所述支持部件的固定電極的平面圖，示出了從換能器的振動(dòng)膜側(cè)觀察固定電極側(cè)的狀態(tài)。支持部件21由絕緣材料構(gòu)成，例如以在印刷基板上進(jìn)行抗蝕劑印刷的要領(lǐng)，在固定電極20的表面(與振動(dòng)膜對(duì)置的一側(cè))上使用絕緣材料進(jìn)行圖形印刷而形成支持部件21。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，向靜電型超聲波換能器的前面?zhèn)裙潭姌O20A和背面?zhèn)裙潭姌O20B上，施加振幅相同而相位彼此反相的交流信號(hào)28A、28B。并且通過直流電源26對(duì)振動(dòng)膜電極22A施加直流偏壓。這樣，通過對(duì)振動(dòng)膜電極22A施加直流偏壓，向前面?zhèn)裙潭姌O20A和背面?zhèn)裙潭姌O20B上施加彼此相位反相的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(交流信號(hào))，從而能夠同時(shí)對(duì)振動(dòng)膜22沿同方向作用靜電吸引力和靜電排斥力。每當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)(交流信號(hào))的極性反轉(zhuǎn)時(shí)，上述靜電吸引力和靜電排斥力的作用方向改變，從而使振動(dòng)膜22被推挽驅(qū)動(dòng)。其結(jié)果，由振動(dòng)膜產(chǎn)生的聲波通過設(shè)置于前面?zhèn)裙潭姌O20A和背面?zhèn)裙潭姌O20B上的貫通孔24而放出至外部。
圖12是表示使用靜電型超聲波換能器的超聲波揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)例的圖。在圖12中，使用生成可聽頻帶的信號(hào)波的可聽頻率波信號(hào)源(音頻信號(hào)源)31、生成并輸出超聲波頻帶的載波的載波信號(hào)源32、調(diào)制器33，使用調(diào)制器33對(duì)從載波信號(hào)源32輸出的超聲波頻帶的載波進(jìn)行調(diào)制，將該調(diào)制信號(hào)作為超聲波揚(yáng)聲器4的輸入信號(hào)。
超聲波揚(yáng)聲器4是將對(duì)超聲波頻帶的載波利用音頻信號(hào)(可聽范圍的信號(hào))進(jìn)行AM調(diào)制而得到的調(diào)制信號(hào)放出到空氣中的揚(yáng)聲器，當(dāng)將該調(diào)制信號(hào)放出到空氣中時(shí)，由于空氣的非線性，而在空氣中自己再現(xiàn)為原來的音頻信號(hào)。即由于聲波是以空氣為媒介而傳播的疏密波，因此在經(jīng)過調(diào)制的超聲波傳播的過程中，在空氣密的部分和疏的部分顯著表現(xiàn)出區(qū)別，在密的部分聲速快而疏的部分聲速慢，從而在調(diào)制波自身中產(chǎn)生失真，其結(jié)果波形分離成載波(超聲波)和可聽波(原音頻信號(hào))，而人類僅能聽到20kHz以下的可聽聲音(原音頻信號(hào))，該原理通常稱為參量陣效應(yīng)。
圖12所示的超聲波揚(yáng)聲器4與圖6所示的電路結(jié)構(gòu)的區(qū)別是，在輸出變壓器T的二次側(cè)線圈中設(shè)有中心抽頭(center tap)，以中心抽頭為基準(zhǔn)，將直流偏壓施加于靜電型超聲波換能器3的振動(dòng)膜電極上。圖11所示的靜電型超聲波換能器3如圖12所示，能夠利用串聯(lián)連接了兩個(gè)靜電電容CL1、CL2的等效電路來表示，其串聯(lián)連接點(diǎn)相當(dāng)于振動(dòng)膜電極22A(圖11)。
如圖12所示，通過連接輸出變壓器T和靜電型超聲波換能器3，從而對(duì)兩固定電極施加相位彼此反相而振幅相等的交流電壓，因此能夠輸出失真小的聲波。
如上所述，在本發(fā)明中，將由LC低通濾波器、輸出變壓器和負(fù)載靜電電容構(gòu)成的輸出濾波器、與D類放大器組合，并且從LC低通濾波器的后級(jí)施加負(fù)反饋，從而即使不連接負(fù)載電阻(阻尼電阻)也能夠?qū)崿F(xiàn)平坦的輸出頻率特性。由此，能夠同時(shí)降低負(fù)載電阻中的損失和功率放大器的輸出級(jí)元件中的損失，能夠以非常高的效率驅(qū)動(dòng)包括負(fù)載在內(nèi)的電路整體。
并且，通過從LC低通濾波器之后、輸出變壓器之前施加負(fù)反饋，即使在負(fù)載靜電電容變化的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定且偏差小的平坦的輸出頻率特性(通過特性)。因此，能夠在寬頻域范圍內(nèi)穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)靜電型換能器。特別是在將本發(fā)明的靜電型換能器電路用作超聲波揚(yáng)聲器的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)基于平坦的輸出特性的再現(xiàn)音質(zhì)的提高。
下面對(duì)本發(fā)明的第二實(shí)施方式進(jìn)行說明。
圖13示出了每?jī)山M地使用柵極驅(qū)動(dòng)電路、D類輸出級(jí)、LC濾波器，以平衡輸出進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的全橋電路結(jié)構(gòu)例。
從PWM調(diào)制電路12A向柵極驅(qū)動(dòng)電路A 131和柵極驅(qū)動(dòng)電路B 132供給彼此相位反相的PWM信號(hào)，D類輸出級(jí)A 141與D類輸出級(jí)B 142在相位彼此反相的狀態(tài)下進(jìn)行切換動(dòng)作。從作為L(zhǎng)C低通濾波器的LPFA151和LPFB 152獲得的輸出成為平衡輸出。
在相位補(bǔ)償電路A 171、相位補(bǔ)償電路B 172中，分別對(duì)LPFA 151和LPF 152的輸出進(jìn)行超前相位補(bǔ)償。同時(shí)，使電壓衰減至差動(dòng)放大器161的輸入電平為止，通過差動(dòng)放大器161將兩者的差電壓進(jìn)行放大，然后輸入誤差放大電路11的反轉(zhuǎn)輸入端子。
在設(shè)定電路常數(shù)時(shí)，通過對(duì)LPFA 151和LPFB 152的電感成分L1、L2以串聯(lián)方式合成，對(duì)電容成分C1、C2以并聯(lián)方式合成，從而能夠直接使用圖3所示的等效電路來進(jìn)行計(jì)算。
這樣，通過使用全橋結(jié)構(gòu)，雖然構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路的部件數(shù)量增加，但是能夠獲得大的輸出。并且，能夠降低為了獲得與半橋的情況下相同的輸出而需要的PWM調(diào)制率，從而能夠在電路元件的AC特性和驅(qū)動(dòng)電路的增益設(shè)計(jì)中獲得余量，容易使特性擴(kuò)展至高頻域。并且，由于輸出電路系統(tǒng)和反饋電路系統(tǒng)平衡動(dòng)作，所以能夠不易受到共態(tài)噪聲(commonmode noise)的影響。
下面對(duì)本發(fā)明的第三實(shí)施方式進(jìn)行說明。
圖14示出了通過差動(dòng)放大器161對(duì)來自LPFA 151和LPFB 152的平衡輸出進(jìn)行放大，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器162轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，從與輸入信號(hào)的誤差檢測(cè)到PWM調(diào)制的一系列處理全部使用數(shù)字處理來進(jìn)行的結(jié)構(gòu)。誤差運(yùn)算器11B檢測(cè)出輸入信號(hào)與反饋信號(hào)的誤差，控制器11C控制PWM調(diào)制率以使輸入輸出之間(輸入信號(hào)IN和FB信號(hào))的誤差為0。PWM調(diào)制電路12A對(duì)來自控制器11C的輸出進(jìn)行PWM調(diào)制。
誤差運(yùn)算器11B、控制器11C、PWM調(diào)制電路12A由DSP(DigitalSignal Processor，數(shù)字信號(hào)處理器)或CPU等運(yùn)算處理裝置或者邏輯電路構(gòu)成。
這樣，通過將反饋信號(hào)數(shù)字化，能夠利用數(shù)字電路(運(yùn)算裝置)來實(shí)現(xiàn)控制電路系統(tǒng)、PWM調(diào)制電路系統(tǒng)，從而能夠?qū)嵤└呒?jí)信號(hào)處理和控制。
下面對(duì)本發(fā)明的第四實(shí)施方式進(jìn)行說明。
圖15是表示將圖14的反饋電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具體化的一例的圖。
在圖15所示的結(jié)構(gòu)例中，由電阻R1、電容器C3、電阻R2、電容器C4構(gòu)成相位超前補(bǔ)償電路，電阻R1和R3以及電阻R2和R4構(gòu)成使電壓衰減的衰減器(分壓電路)。電阻R5、R6為差動(dòng)放大器的輸入電阻，而利用電阻比“R7/R5”和“R8/R6”來設(shè)定差動(dòng)放大器161的增益。
差動(dòng)放大器161的平衡輸出被輸入到具有差動(dòng)輸入的A/D轉(zhuǎn)換器162的差動(dòng)輸入端子，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器162實(shí)施A/D轉(zhuǎn)換。由電阻R9、R10構(gòu)成的分壓電路提供差動(dòng)放大器的基準(zhǔn)電壓(偏置電壓)。在全橋結(jié)構(gòu)的情況下，反饋信號(hào)成為平衡信號(hào)，因此能夠直接向A/D轉(zhuǎn)換器供給平衡信號(hào)，提高A/D轉(zhuǎn)換時(shí)的S/N比。
并且電感L3是為了對(duì)輸出變壓器T的漏感成分進(jìn)行補(bǔ)償而作為外帶線圈所追加的電感成分。當(dāng)輸出變壓器T的漏感變大時(shí)，諧振頻率f3、f4的位置向低頻域側(cè)移動(dòng)，因此能夠提高LC低通濾波器(LPF)的切換/載波的去除性能。這里，不是在輸出變壓器T側(cè)生成漏感成分，而是通過將對(duì)應(yīng)于漏感的電感成分作為外帶線圈進(jìn)行追加，從而容易進(jìn)行與漏感相當(dāng)?shù)某煞值恼{(diào)整。
下面對(duì)本發(fā)明的第五實(shí)施方式進(jìn)行說明。
圖16示出了將圖11所示的靜電型超聲波換能器作為負(fù)載進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)的電路結(jié)構(gòu)例的圖。
在圖16所示的結(jié)構(gòu)例中，除了在輸出變壓器T的二次側(cè)線圈中設(shè)有中心抽頭，以中心抽頭為基準(zhǔn)將直流偏壓(VBIAS)施加于靜電型超聲波換能器3的振動(dòng)膜電極上，除此以外與圖15相同。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在使用D類功率放大器來驅(qū)動(dòng)推挽式靜電型換能器的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)低損失、在驅(qū)動(dòng)頻帶中獲得平坦的頻率特性。
下面對(duì)具有本發(fā)明的靜電型換能器且使用由超聲波頻帶的信號(hào)所驅(qū)動(dòng)的靜電型超聲波換能器(以下簡(jiǎn)稱為“超聲波換能器”)的顯示裝置的例子進(jìn)行說明。
圖17示出了作為顯示裝置的一例，將內(nèi)置有超聲波揚(yáng)聲器的投影儀作為例子，示出了其使用狀態(tài)。如圖所示，投影儀201設(shè)置于視聽者203的后方，向設(shè)置于視聽者203前方的屏幕202投影視頻，并且通過安裝于投影儀201上的超聲波揚(yáng)聲器在屏幕202的投影面上形成虛擬聲源，再現(xiàn)聲音。另外，將使用在投影屏幕上形成虛擬聲源的超聲波揚(yáng)聲器的音響裝置或內(nèi)置有超聲波揚(yáng)聲器的投影儀等稱為指向性音響系統(tǒng)。
投影儀201的外觀結(jié)構(gòu)如圖18所示。投影儀201構(gòu)成為包括投影儀主體220，其包括將視頻投影到屏幕等投影面上的投影光學(xué)系統(tǒng)；超聲波換能器224A、224B，其可以振蕩超聲波頻帶的聲波，投影儀201與根據(jù)從音響源供給的音頻信號(hào)再現(xiàn)可聽頻帶的信號(hào)聲音的超聲波揚(yáng)聲器一體地構(gòu)成。在本實(shí)施方式中，為了再現(xiàn)立體聲音音頻信號(hào)，夾著構(gòu)成投影光學(xué)系統(tǒng)的投影儀鏡頭231，在投影儀主體上左右地安裝構(gòu)成超聲波揚(yáng)聲器的超聲波換能器224A、224B。
進(jìn)而，在投影儀主體220的底面設(shè)置有低音再現(xiàn)用揚(yáng)聲器223。并且，225為用于進(jìn)行投影儀主體220的高度調(diào)節(jié)的高度調(diào)節(jié)螺絲，226為冷卻風(fēng)扇用的排氣口。
并且，在投影儀201中，在構(gòu)成超聲波揚(yáng)聲器的超聲波換能器224A、224B中使用本發(fā)明的靜電型換能器。該超聲波換能器224A、224B由包括D類功率放大器、濾波器、變壓器等的具有負(fù)反饋控制的驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)平坦的輸出頻率特性，并可降低驅(qū)動(dòng)電路整體的損失。由此，能夠以高聲壓振蕩寬頻帶的音響信號(hào)(超聲波頻帶的聲波)。
通過變更載波的頻率來控制可聽頻帶的再現(xiàn)信號(hào)的空間性的再現(xiàn)范圍，從而不需要以往需要的大規(guī)模的音響系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)由立體環(huán)繞系統(tǒng)或5.1ch環(huán)繞系統(tǒng)等可得到的音響效果，并且可以實(shí)現(xiàn)容易搬運(yùn)的投影儀。
下面，投影儀201的電結(jié)構(gòu)如圖19所示。投影儀201具有操作輸入部210；由再現(xiàn)范圍設(shè)定部212、再現(xiàn)范圍控制處理部213、音頻/視頻信號(hào)再現(xiàn)部214、載波振蕩源216、調(diào)制器218A、218B、驅(qū)動(dòng)電路部222A、222B以及超聲波換能器224A、224B構(gòu)成的超聲波揚(yáng)聲器；高通濾波器217A、217B；低通濾波器219；混頻器221；功率放大器222C；低音再現(xiàn)用揚(yáng)聲器223；以及投影儀主體220。另外，驅(qū)動(dòng)電路部222A、222B是如圖1、圖6、圖7、圖13、圖14、圖15和圖16等所示的電容性負(fù)載(靜電型換能器)的驅(qū)動(dòng)電路。
投影儀主體220具有生成視頻的視頻生成部232和將生成的視頻投影到投影面上的投影光學(xué)系統(tǒng)233。根據(jù)如上所述，投影儀201將超聲波揚(yáng)聲器以及低音再現(xiàn)用揚(yáng)聲器223與投影儀主體220一體地構(gòu)成。
操作輸入部210具有包括0～9數(shù)字鍵、數(shù)字鍵、用于進(jìn)行電源的接通、斷開的電源鍵的各種功能鍵。再現(xiàn)范圍設(shè)定部212可通過用戶對(duì)操作輸入部210進(jìn)行鍵操作而輸入用于指定再現(xiàn)信號(hào)(信號(hào)聲音)的再現(xiàn)范圍的數(shù)據(jù)，如果該數(shù)據(jù)被輸入，則規(guī)定再現(xiàn)信號(hào)的再現(xiàn)范圍的載波頻率被設(shè)定并且被保持。通過指定再現(xiàn)信號(hào)從超聲波換能器224A、224B的聲波放射面起在放射軸方向上到達(dá)的距離，來進(jìn)行再現(xiàn)信號(hào)的再現(xiàn)范圍的設(shè)定。
并且，再現(xiàn)范圍設(shè)定部212可以通過從音頻/視頻信號(hào)再現(xiàn)部214對(duì)應(yīng)于視頻內(nèi)容而輸出的控制信號(hào)，來設(shè)定載波的頻率。
并且，再現(xiàn)范圍控制處理部213具有參照再現(xiàn)范圍設(shè)定部212的設(shè)定內(nèi)容來控制載波振蕩源216，以便變更由載波振蕩源216生成的載波的頻率，從而成為設(shè)定的再現(xiàn)范圍的功能。
例如，在作為再現(xiàn)范圍設(shè)定部212的內(nèi)部信息，設(shè)定了與載波頻率為50kHz對(duì)應(yīng)的上述距離的情況下，對(duì)載波振蕩源216進(jìn)行控制使其以50kHz振蕩。
再現(xiàn)范圍控制處理部213具有存儲(chǔ)部，該存儲(chǔ)部預(yù)先存儲(chǔ)有表示規(guī)定再現(xiàn)范圍的再現(xiàn)信號(hào)從超聲波換能器224A、224B的聲波放射面起在放射軸方向上到達(dá)的距離、與載波頻率的關(guān)系的表格。該表格的數(shù)據(jù)可以通過實(shí)際測(cè)量載波的頻率與上述再現(xiàn)信號(hào)的到達(dá)距離的關(guān)系而得到。
再現(xiàn)范圍控制處理部213基于再現(xiàn)范圍設(shè)定部212的設(shè)定內(nèi)容，參照上述表格求出與設(shè)定的距離信息對(duì)應(yīng)的載波的頻率，控制載波振蕩源216以便成為該頻率。
音頻/視頻信號(hào)再現(xiàn)部214為例如使用DVD作為視頻介質(zhì)的DVD播放器，再現(xiàn)的音頻信號(hào)中R頻道的音頻信號(hào)經(jīng)由高通濾波器217A輸出到調(diào)制器218A，L頻道的音頻信號(hào)經(jīng)由高通濾波器217B輸出到調(diào)制器218B，視頻信號(hào)輸出到投影儀主體220的視頻生成部232。
并且，從音頻/視頻信號(hào)再現(xiàn)部214輸出的R頻道的音頻信號(hào)和L頻道的音頻信號(hào)通過混頻器221被合成，經(jīng)由低通濾波器219輸入到功率放大器222C中。音頻/視頻信號(hào)再現(xiàn)部214相當(dāng)于音響源。
高通濾波器217A、217B具有分別只使R頻道、L頻道的音頻信號(hào)中的中高音域的頻率成分通過的特性，并且低通濾波器具有只使R頻道、L頻道的音頻信號(hào)中的低音域的頻率成分通過的特性。
從而，上述R頻道、L頻道的音頻信號(hào)中的中高音域的音頻信號(hào)分別通過超聲波換能器224A、224B被再現(xiàn)，上述R頻道、L頻道的音頻信號(hào)中的低音域的音頻信號(hào)通過低音再現(xiàn)用揚(yáng)聲器223被再現(xiàn)，并且，音頻/視頻信號(hào)再現(xiàn)部214不僅限于DVD播放器，也可以是再現(xiàn)從外部輸入的視頻信號(hào)的再現(xiàn)裝置。并且，音頻/視頻信號(hào)再現(xiàn)部214具有向再現(xiàn)范圍設(shè)定部212輸出用于指示再現(xiàn)范圍的控制信號(hào)，以便動(dòng)態(tài)地變更再現(xiàn)聲音的再現(xiàn)范圍，從而產(chǎn)生與再現(xiàn)的視頻的場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的音響效果的功能。
載波振蕩源216具有生成由再現(xiàn)范圍設(shè)定部212所指示的超聲波頻帶的頻率的載波，并輸出到調(diào)制器218A、218B的功能。
調(diào)制器218A、218B具有利用從音頻/視頻信號(hào)再現(xiàn)部214輸出的可聽頻帶的音頻信號(hào)對(duì)從載波振蕩源216供給的載波進(jìn)行AM調(diào)制，將該調(diào)制信號(hào)分別輸出到驅(qū)動(dòng)電路部222A、222B的功能。
超聲波換能器224A、224B具有分別通過從調(diào)制器218A、218B經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路部222A、222B而輸出的調(diào)制信號(hào)而被驅(qū)動(dòng)，將該調(diào)制信號(hào)變換成有限振幅電平的聲波而放射到媒介中，再現(xiàn)可聽頻帶的信號(hào)聲音(再現(xiàn)信號(hào))的功能。
視頻生成部232具有液晶顯示器、等離子體顯示面板(PDP)等顯示器和根據(jù)從音頻/視頻信號(hào)再現(xiàn)部214輸出的視頻信號(hào)來驅(qū)動(dòng)該顯示器的驅(qū)動(dòng)電路等，生成由從音頻/視頻信號(hào)再現(xiàn)部214輸出的視頻信號(hào)而得到的視頻。
投影光學(xué)系統(tǒng)233具有將顯示于顯示器上的視頻投影到設(shè)置于投影儀主體220的前方的屏幕等投影面上的功能。
下面，說明由上述結(jié)構(gòu)構(gòu)成的投影儀201的動(dòng)作。首先，通過用戶的鍵操作，從操作輸入部210對(duì)再現(xiàn)范圍設(shè)定部212設(shè)定用于指示再現(xiàn)信號(hào)的再現(xiàn)范圍的數(shù)據(jù)(距離信息)，對(duì)音頻/視頻信號(hào)再現(xiàn)部214進(jìn)行再現(xiàn)指示。
其結(jié)果，在再現(xiàn)范圍設(shè)定部212中，設(shè)定了規(guī)定再現(xiàn)范圍的距離信息，再現(xiàn)范圍控制處理部213取入在再現(xiàn)范圍設(shè)定部212中設(shè)定的距離信息，參照在內(nèi)置的存儲(chǔ)部中存儲(chǔ)的表格，求出與上述設(shè)定的距離信息對(duì)應(yīng)的載波頻率，控制載波振蕩源216以生成該頻率的載波。
其結(jié)果，載波振蕩源216生成與在再現(xiàn)范圍設(shè)定部212中設(shè)定的距離信息對(duì)應(yīng)的頻率的載波，輸出到調(diào)制器218A、218B。
另一方面，音頻/視頻信號(hào)再現(xiàn)部214將再現(xiàn)的音頻信號(hào)中的R頻道的音頻信號(hào)經(jīng)由高通濾波器217A輸出到調(diào)制器218A，將L頻道的音頻信號(hào)經(jīng)由高通濾波器217B輸出到調(diào)制器218B，將R頻道的音頻信號(hào)以及L頻道的音頻信號(hào)輸出到混頻器221，將視頻信號(hào)輸出到投影儀主體220的視頻生成部232。
從而，通過高通濾波器217A將上述R頻道的音頻信號(hào)中的中高音域的音頻信號(hào)輸入到調(diào)制器218A中，通過高通濾波器217B將上述L頻道的音頻信號(hào)中的中高音域的音頻信號(hào)輸入到調(diào)制器218B中。
并且，上述R頻道的音頻信號(hào)以及L頻道的音頻信號(hào)通過混頻器221被合成，通過低通濾波器219將上述R頻道的音頻信號(hào)以及L頻道的音頻信號(hào)中的低音域的音頻信號(hào)輸入到功率放大器222C中。
在視頻生成部232中，基于輸入的視頻信號(hào)來驅(qū)動(dòng)顯示器，生成視頻并顯示。在該顯示器上顯示的視頻通過投影光學(xué)系統(tǒng)233，投影到投影面例如圖17所示的屏幕202上。
另一方面，調(diào)制器218A利用從高通濾波器217A輸出的上述R頻道的音頻信號(hào)中的中高音域的音頻信號(hào)，對(duì)從載波振蕩源216輸出的載波進(jìn)行AM調(diào)制，輸出到驅(qū)動(dòng)電路部222A。
并且，調(diào)制器218B利用從高通濾波器217B輸出的上述L頻道的音頻信號(hào)中的中高音域的音頻信號(hào)，對(duì)從載波振蕩源216輸出的載波進(jìn)行AM調(diào)制，并輸出到驅(qū)動(dòng)電路部222B。
通過驅(qū)動(dòng)電路部222A、222B放大的調(diào)制信號(hào)分別施加到超聲波換能器224A、224B的前面?zhèn)裙潭姌O10A與背面?zhèn)裙潭姌O10B(參照?qǐng)D11)之間，該調(diào)制信號(hào)被變換為有限振幅電平的聲波(音響信號(hào))，放射到媒介(空氣中)中，從超聲波換能器224A再現(xiàn)上述R頻道的音頻信號(hào)中的中高音域的音頻信號(hào)，從超聲波換能器224B再現(xiàn)上述L頻道的音頻信號(hào)中的中高音域的音頻信號(hào)。
并且，由功率放大器222C放大的上述R頻道以及L頻道的低音域的音頻信號(hào)通過低音再現(xiàn)用揚(yáng)聲器223被再現(xiàn)。
如上所述，在通過靜電型超聲波換能器向媒介(空氣中)中放射的超聲波的傳播中，隨著其傳播在聲壓高的部分聲速變快，在聲壓低的部分聲速變慢。其結(jié)果，產(chǎn)生波形的失真。
在將放射的超聲波頻帶的信號(hào)(載波)利用可聽頻帶的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(AM調(diào)制)的情況下，由于上述波形失真的結(jié)果，在調(diào)制時(shí)使用的可聽頻帶的信號(hào)波與超聲波頻帶的載波分離，以自解調(diào)的形式形成。此時(shí)，再現(xiàn)信號(hào)的擴(kuò)展由于超聲波的特性而成為束狀，只在與普通的揚(yáng)聲器完全不同的特定方向上再現(xiàn)聲音。
從構(gòu)成超聲波揚(yáng)聲器的超聲波換能器224A、224B輸出的束狀的再現(xiàn)信號(hào)，通過投影光學(xué)系統(tǒng)233被放射到投影視頻的投影面(屏幕)，被投影面反射而擴(kuò)散。在此情況下，與在再現(xiàn)范圍設(shè)定部212中設(shè)定的載波的頻率相對(duì)應(yīng)，由于從超聲波換能器224A、224B的聲波放射面起到在該放射軸方向(法線方向)上再現(xiàn)信號(hào)從載波分離的距離、載波的束寬度(束的擴(kuò)展角度)不同，因而再現(xiàn)范圍產(chǎn)生變化。
投影儀201的構(gòu)成為包括超聲波換能器224A、224B的超聲波揚(yáng)聲器進(jìn)行再現(xiàn)信號(hào)的再現(xiàn)時(shí)的狀態(tài)如圖20所示。在投影儀201中，當(dāng)通過利用音頻信號(hào)來調(diào)制載波而得到的調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波換能器時(shí)，在通過再現(xiàn)范圍設(shè)定部212設(shè)定的載波頻率低的情況下，從超聲波換能器224A、224B的聲波放射面起到在其放射軸方向(聲波放射面的法線方向)上再現(xiàn)信號(hào)從載波分離的距離，即，到再現(xiàn)地點(diǎn)的距離變長(zhǎng)。
從而，再現(xiàn)的可聽頻帶的再現(xiàn)信號(hào)的波束不怎么擴(kuò)展地到達(dá)投影面(屏幕)202，以該狀態(tài)在投影面202上產(chǎn)生反射，所以再現(xiàn)范圍成為圖20中的虛線箭頭表示的可聽范圍A，成為能在距投影面202比較遠(yuǎn)且窄的范圍內(nèi)聽到再現(xiàn)信號(hào)(再現(xiàn)聲音)的狀態(tài)。
與此相對(duì)，在通過再現(xiàn)范圍設(shè)定部212設(shè)定的載波頻率比上述的情況高的情況下，從超聲波換能器224A、224B的聲波放射面放射的聲波，與載波頻率低的情況相比更集中，但是從超聲波換能器224A、224B的聲波放射面到在其放射軸方向(聲波放射面的法線方向)上再現(xiàn)信號(hào)從載波分離的距離，即，到再現(xiàn)地點(diǎn)的距離變短。
從而，再現(xiàn)的可聽頻帶的再現(xiàn)信號(hào)的波束在到達(dá)投影面202之前擴(kuò)展而到達(dá)投影面202，以該狀態(tài)在投影面202上產(chǎn)生反射，所以再現(xiàn)范圍成為圖20的實(shí)線箭頭表示的可聽范圍B，成為能在距投影面202比較近且寬的范圍內(nèi)聽到再現(xiàn)信號(hào)(再現(xiàn)聲音)的狀態(tài)。
如以上說明，在本發(fā)明的顯示裝置(投影儀等)中，使用具有本發(fā)明的靜電型換能器的驅(qū)動(dòng)電路的超聲波揚(yáng)聲器，可以確保該超聲波揚(yáng)聲器在驅(qū)動(dòng)頻帶中的平坦的輸出頻率特性，同時(shí)可以低損失地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。所以，可以使音響信號(hào)具有足夠的聲壓和寬頻域特性，以從在屏幕等聲波反射面附近形成的虛擬聲源發(fā)出聲音的方式進(jìn)行再現(xiàn)。并且，也可以容易地進(jìn)行其再現(xiàn)范圍的控制。
并且，上述的投影儀是在想以大畫面的形式觀看視頻的情況下使用的，但隨著最近大畫面液晶電視和大畫面等離子電視快速地普及，也可以把使用了本發(fā)明的靜電型換能器的超聲波揚(yáng)聲器有效地使用于這些大畫面電視中。
即，通過在大畫面電視中使用超聲波揚(yáng)聲器，可以向大畫面電視的前方局部地放射音頻信號(hào)。
以上對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說明，但是本發(fā)明的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路、靜電型換能器和顯示裝置并不局限于上述圖示例子，當(dāng)然在不脫離本發(fā)明的要旨的范圍內(nèi)可以進(jìn)行各種變更。
權(quán)利要求
1.一種電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，所述電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路包括誤差放大電路，其對(duì)外部輸入信號(hào)與來自輸出側(cè)的負(fù)反饋信號(hào)之差進(jìn)行放大；調(diào)制電路，其對(duì)從所述誤差放大電路輸出的信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制；功率切換電路，其對(duì)電源電壓與接地電位之間或者正負(fù)兩個(gè)電源電壓之間進(jìn)行切換；柵極驅(qū)動(dòng)電路，其根據(jù)從所述調(diào)制電路輸出的調(diào)制信號(hào)，生成對(duì)構(gòu)成所述功率切換電路的切換元件進(jìn)行切換控制的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)；低通濾波器，其與所述功率切換電路的輸出側(cè)連接，去除在該功率切換電路的輸出信號(hào)中包含的切換/載波成分；輸出變壓器，所述輸出變壓器的一次側(cè)線圈與所述低通濾波器的輸出端連接，且該輸出變壓器對(duì)低通濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行升壓；電容性負(fù)載，其與所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈并聯(lián)連接；以及負(fù)反饋電路，其從所述低通濾波器的輸出端向所述誤差放大電路的輸入側(cè)施加負(fù)反饋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，所述誤差放大電路構(gòu)成為包括積分器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，所述低通濾波器是二階LC低通濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，所述負(fù)反饋電路構(gòu)成為包括相位補(bǔ)償電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，由所述低通濾波器、輸出變壓器、負(fù)載靜電電容形成的輸出電路構(gòu)成為，從輸入側(cè)觀察，該輸出電路具有兩個(gè)并聯(lián)諧振頻率f1、f3和兩個(gè)串聯(lián)諧振頻率f2、f4(f1＜f2＜f3＜f4)，構(gòu)成輸出電路的各電路元件的常數(shù)設(shè)定成使得所述諧振頻率中第一并聯(lián)諧振頻率f1與電容性負(fù)載的額定驅(qū)動(dòng)頻率或載波頻率fd一致或大致一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，由所述低通濾波器、輸出變壓器、負(fù)載靜電電容形成的輸出電路構(gòu)成為，從輸入側(cè)觀察，該輸出電路具有兩個(gè)并聯(lián)諧振頻率f1、f3和兩個(gè)串聯(lián)諧振頻率f2、f4(f1＜f2＜f3＜f4)，構(gòu)成輸出電路的各電路元件的常數(shù)設(shè)定成使得所述諧振頻率中第一串聯(lián)諧振頻率f2與電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)頻帶的截止頻率fc一致或大致一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，由所述低通濾波器、輸出變壓器、負(fù)載靜電電容形成的輸出電路構(gòu)成為，從輸入側(cè)觀察，該輸出電路具有兩個(gè)并聯(lián)諧振頻率f1、f3和兩個(gè)串聯(lián)諧振頻率f2、f4(f1＜f2＜f3＜f4)，上述輸出變壓器的漏感和其它電路常數(shù)設(shè)定成使得所述諧振頻率中第二串聯(lián)諧振頻率f4位于比調(diào)制電路的調(diào)制頻帶低的頻域側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，所述電容性負(fù)載為靜電型換能器，該靜電型換能器具有具有多個(gè)孔的第一電極；具有與所述第一電極的孔成對(duì)的多個(gè)孔的第二電極；以及振動(dòng)膜，該振動(dòng)膜具有導(dǎo)電層，且該振動(dòng)膜被由所述第一、第二電極構(gòu)成的一對(duì)電極所夾持，該導(dǎo)電層上被施加直流偏壓，所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈具有中心抽頭，所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈的一個(gè)端子與所述靜電型換能器的第一電極連接，而另一個(gè)端子與第二電極連接，以所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈的中心抽頭為基準(zhǔn)，所述振動(dòng)膜的導(dǎo)電層上被施加直流偏壓。
9.一種靜電型換能器，其特征在于，該靜電型換能器包括誤差放大電路，其對(duì)外部輸入信號(hào)與來自輸出側(cè)的負(fù)反饋信號(hào)之差進(jìn)行放大；調(diào)制電路，其對(duì)從所述誤差放大電路輸出的信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制；功率切換電路，其對(duì)電源電壓與接地電位之間或者正負(fù)兩個(gè)電源電壓之間進(jìn)行切換；柵極驅(qū)動(dòng)電路，其根據(jù)從所述調(diào)制電路輸出的調(diào)制信號(hào)，生成對(duì)構(gòu)成所述功率切換電路的切換元件進(jìn)行切換控制的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)；低通濾波器，其與所述功率切換電路的輸出側(cè)連接，去除在該功率切換電路的輸出信號(hào)中包含的切換/載波成分；負(fù)反饋電路，其從所述低通濾波器的輸出端向所述誤差放大電路的輸入側(cè)施加負(fù)反饋；以及輸出變壓器，所述輸出變壓器的一次側(cè)線圈與所述低通濾波器的輸出端連接，且該輸出變壓器對(duì)低通濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行升壓，所述靜電型換能器與所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈并聯(lián)連接，作為電容性負(fù)載而被驅(qū)動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的靜電型換能器，其特征在于，所述誤差放大電路構(gòu)成為包括積分器。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的靜電型換能器，其特征在于，所述低通濾波器是二階LC低通濾波器。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的靜電型換能器，其特征在于，所述負(fù)反饋電路構(gòu)成為包括相位補(bǔ)償電路。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任一項(xiàng)所述的靜電型換能器，其特征在于，由所述低通濾波器、輸出變壓器、負(fù)載靜電電容形成的輸出電路構(gòu)成為，從輸入側(cè)觀察，該輸出電路具有兩個(gè)并聯(lián)諧振頻率f1、f3和兩個(gè)串聯(lián)諧振頻率f2、f4(f1＜f2＜f3＜f4)，構(gòu)成輸出電路的各電路元件的常數(shù)設(shè)定成使得所述諧振頻率中第一并聯(lián)諧振頻率f1與靜電型換能器的額定驅(qū)動(dòng)頻率或載波頻率fd一致或大致一致。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13中任一項(xiàng)所述的靜電型換能器，其特征在于，由所述低通濾波器、輸出變壓器、負(fù)載靜電電容形成的輸出電路構(gòu)成為，從輸入側(cè)觀察，該輸出電路具有兩個(gè)并聯(lián)諧振頻率f1、f3和兩個(gè)串聯(lián)諧振頻率f2、f4(f1＜f2＜f3＜f4)，構(gòu)成輸出電路的各電路元件的常數(shù)設(shè)定成使得所述諧振頻率中第一串聯(lián)諧振頻率f2與靜電型換能器的驅(qū)動(dòng)頻帶的截止頻率fc一致或大致一致。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14中任一項(xiàng)所述的靜電型換能器，其特征在于，由所述低通濾波器、輸出變壓器、負(fù)載靜電電容形成的輸出電路構(gòu)成為，從輸入側(cè)觀察，該輸出電路具有兩個(gè)并聯(lián)諧振頻率f1、f3和兩個(gè)串聯(lián)諧振頻率f2、f4(f1＜f2＜f3＜f4)，上述輸出變壓器的漏感和其它電路常數(shù)設(shè)定成使得所述諧振頻率中第二串聯(lián)諧振頻率f4位于比調(diào)制電路的調(diào)制頻帶低的頻域側(cè)。
16.根據(jù)權(quán)利要求9至15中任一項(xiàng)所述的靜電型換能器，其特征在于，該靜電型換能器具有具有多個(gè)孔的第一電極；具有與所述第一電極的孔成對(duì)的多個(gè)孔的第二電極；以及振動(dòng)膜，該振動(dòng)膜具有導(dǎo)電層，且該振動(dòng)膜被由所述第一、第二電極構(gòu)成的一對(duì)電極所夾持，該導(dǎo)電層上被施加直流偏壓，所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈具有中心抽頭，所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈的一個(gè)端子與所述靜電型換能器的第一電極連接，而另一個(gè)端子與第二電極連接，以所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈的中心抽頭為基準(zhǔn)，所述振動(dòng)膜的導(dǎo)電層上被施加直流偏壓。
17.一種電路常數(shù)的設(shè)定方法，其特征在于，該電路常數(shù)的設(shè)定方法包括以下步驟使用誤差放大電路對(duì)外部輸入信號(hào)與來自輸出側(cè)的負(fù)反饋信號(hào)之差進(jìn)行放大；使用調(diào)制電路對(duì)從所述誤差放大電路輸出的信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制；使用功率切換電路對(duì)電源電壓與接地電位之間或者正負(fù)兩個(gè)電源電壓之間進(jìn)行切換；使用柵極驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)從所述調(diào)制電路輸出的調(diào)制信號(hào)，生成對(duì)構(gòu)成所述功率切換電路的切換元件進(jìn)行切換控制的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)；使用與所述功率切換電路的輸出側(cè)連接的低通濾波器，去除在該功率切換電路的輸出信號(hào)中包含的切換/載波成分；使用負(fù)反饋電路，從所述低通濾波器的輸出端向所述誤差放大電路的輸入側(cè)施加負(fù)反饋；使用一次側(cè)線圈與所述低通濾波器的輸出端連接、且在二次側(cè)線圈上并聯(lián)連接了靜電型換能器作為電容性負(fù)載的輸出變壓器，對(duì)所述低通濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行升壓；進(jìn)行設(shè)定，使得從輸入側(cè)觀察，由所述低通濾波器、輸出變壓器、靜電型換能器形成的輸出電路具有兩個(gè)并聯(lián)諧振頻率f1、f3和兩個(gè)串聯(lián)諧振頻率f2、f4(f1＜f2＜f3＜f4)，并把各電路元件的常數(shù)設(shè)定成使得所述諧振頻率中第一并聯(lián)諧振頻率f1與所述靜電型換能器的額定驅(qū)動(dòng)頻率或載波頻率fd一致或大致一致。
18.一種超聲波揚(yáng)聲器，其特征在于，該超聲波揚(yáng)聲器具有靜電型換能器，該靜電型換能器將利用可聽頻帶的音響信號(hào)對(duì)超聲波頻帶的載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制而得到的調(diào)制信號(hào)作為輸入信號(hào)，使該靜電型換能器被超聲波頻帶的信號(hào)所驅(qū)動(dòng)，所述靜電型換能器包括誤差放大電路，其對(duì)外部輸入信號(hào)與來自輸出側(cè)的負(fù)反饋信號(hào)之差進(jìn)行放大；調(diào)制電路，其對(duì)從所述誤差放大電路輸出的信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制；功率切換電路，其對(duì)電源電壓與接地電位之間或者正負(fù)兩個(gè)電源電壓之間進(jìn)行切換；柵極驅(qū)動(dòng)電路，其根據(jù)從所述調(diào)制電路輸出的調(diào)制信號(hào)，生成對(duì)構(gòu)成所述功率切換電路的切換元件進(jìn)行切換控制的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)；低通濾波器，其與所述功率切換電路的輸出側(cè)連接，去除在該功率切換電路的輸出信號(hào)中包含的切換/載波成分；負(fù)反饋電路，其從所述低通濾波器的輸出端向所述誤差放大電路的輸入側(cè)施加負(fù)反饋；以及輸出變壓器，所述輸出變壓器的一次側(cè)線圈與所述低通濾波器的輸出端連接，且該輸出變壓器對(duì)低通濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行升壓，并且所述靜電型換能器與所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈并聯(lián)連接，作為電容性負(fù)載而被驅(qū)動(dòng)。
19.一種顯示裝置，其特征在于，該顯示裝置具有超聲波揚(yáng)聲器，其利用從音響源供給的音頻信號(hào)來調(diào)制超聲波頻帶的載波信號(hào)，利用該調(diào)制信號(hào)來驅(qū)動(dòng)靜電型換能器，再現(xiàn)可聽頻帶的信號(hào)聲音；以及在投影面上投影視頻的投影光學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)成所述超聲波揚(yáng)聲器的靜電型換能器包括誤差放大電路，其對(duì)外部輸入信號(hào)與來自輸出側(cè)的負(fù)反饋信號(hào)之差進(jìn)行放大；調(diào)制電路，其對(duì)從所述誤差放大電路輸出的信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制；功率切換電路，其對(duì)電源電壓與接地電位之間或者正負(fù)兩個(gè)電源電壓之間進(jìn)行切換；柵極驅(qū)動(dòng)電路，其根據(jù)從所述調(diào)制電路輸出的調(diào)制信號(hào)，生成對(duì)構(gòu)成所述功率切換電路的切換元件進(jìn)行切換控制的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)；低通濾波器，其與所述功率切換電路的輸出側(cè)連接，去除在該功率切換電路的輸出信號(hào)中包含的切換/載波成分；負(fù)反饋電路，其從所述低通濾波器的輸出端向所述誤差放大電路的輸入側(cè)施加負(fù)反饋；以及輸出變壓器，所述輸出變壓器的一次側(cè)線圈與所述低通濾波器的輸出端連接，且該輸出變壓器對(duì)低通濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行升壓，并且所述靜電型換能器與所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈并聯(lián)連接，作為電容性負(fù)載而被驅(qū)動(dòng)。
20.一種指向性音響系統(tǒng)，其特征在于，該指向性音響系統(tǒng)具有超聲波揚(yáng)聲器，其利用從音響源供給的音頻信號(hào)中第一音域的信號(hào)來調(diào)制超聲波頻帶的載波信號(hào)，利用該調(diào)制信號(hào)來驅(qū)動(dòng)靜電型換能器，再現(xiàn)可聽頻帶的信號(hào)聲音；以及再現(xiàn)用揚(yáng)聲器，其再現(xiàn)從所述音響源供給的音頻信號(hào)中第二音域的信號(hào)，所述指向性音響系統(tǒng)通過所述超聲波揚(yáng)聲器再現(xiàn)從音響源供給的音頻信號(hào)，在屏幕等聲波反射面附近形成虛擬聲源，構(gòu)成所述超聲波揚(yáng)聲器的靜電型換能器包括誤差放大電路，其對(duì)外部輸入信號(hào)與來自輸出側(cè)的負(fù)反饋信號(hào)之差進(jìn)行放大；調(diào)制電路，其對(duì)從所述誤差放大電路輸出的信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制；功率切換電路，其對(duì)電源電壓與接地電位之間或者正負(fù)兩個(gè)電源電壓之間進(jìn)行切換；柵極驅(qū)動(dòng)電路，其根據(jù)從所述調(diào)制電路輸出的調(diào)制信號(hào)，生成對(duì)構(gòu)成所述功率切換電路的切換元件進(jìn)行切換控制的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)；低通濾波器，其與所述功率切換電路的輸出側(cè)連接，去除在該功率切換電路的輸出信號(hào)中包含的切換/載波成分；負(fù)反饋電路，其從所述低通濾波器的輸出端向所述誤差放大電路的輸入側(cè)施加負(fù)反饋；以及輸出變壓器，所述輸出變壓器的一次側(cè)線圈與所述低通濾波器的輸出端連接，且該輸出變壓器對(duì)低通濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行升壓，并且所述靜電型換能器與所述輸出變壓器的二次側(cè)線圈并聯(lián)連接，作為電容性負(fù)載而被驅(qū)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明提供電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路、靜電型換能器、電路常數(shù)的設(shè)定方法、超聲波揚(yáng)聲器、顯示裝置、指向性音響系統(tǒng)。本發(fā)明的電容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路，在以D級(jí)功率放大器來驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載時(shí)可確保驅(qū)動(dòng)頻帶中的平坦的輸出電壓頻率特性，并能進(jìn)行低損失的驅(qū)動(dòng)。在D類功率放大器的輸出級(jí)(14)的輸出側(cè)設(shè)有LC低通濾波器(15)，該LC低通濾波器的輸出通過輸出變壓器(T)施加于負(fù)載靜電電容CL上。此時(shí)通過負(fù)反饋電路(16)，從LC低通濾波器的后級(jí)反饋負(fù)反饋信號(hào)，利用誤差放大電路(11)將該負(fù)反饋信號(hào)與外部輸入信號(hào)VIN的誤差信號(hào)放大，通過調(diào)制電路(12)對(duì)該放大的誤差信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制(PWM調(diào)制或PDM調(diào)制等)。并且，柵極驅(qū)動(dòng)電路(13)基于調(diào)制信號(hào)生成D類功率放大器的輸出級(jí)(14)的切換元件的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)該切換元件進(jìn)行導(dǎo)通/截止控制。
文檔編號(hào)H04R27/00GK1976544SQ200610162938
公開日2007年6月6日 申請(qǐng)日期2006年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月29日
發(fā)明者宮崎新一 申請(qǐng)人:精工愛普生株式會(huì)社