JP2009153103A

JP2009153103A - ノイズ低減イヤホン用の構成部分

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Publication number: JP2009153103A
Application number: JP2008257879A
Authority: JP
Inventors: Mark Donaldson; ドナルドソンマーク; Andre Steyn; ステインアンドレ; Pierre Victor Manuel Guiu; ビクターマニュエルグイウピエール; Damien Oliver Givernet; オリバーギバーネットダミエン; William James Sim; ジェイムズシムウィリアム
Original assignee: Phitek Systems Ltd
Current assignee: Phitek Systems Ltd
Priority date: 2007-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2009-07-09
Also published as: US8666085B2; NZ584418A; JP2014068373A; US20090161885A1

Abstract

【課題】イヤホン内に設けられるアクティブノイズ低減構成部分を提供する。
【解決手段】イヤホン・ハウジング１０内に設けられるアクティブノイズ低減（ＡＮＲ）構成部分２２が開示される。この機器は、ドライバーおよび検知用マイクロフォンを含み、このドライバーおよび検知用マイクロフォンは構成部分ハウジング内に収容される。このイヤホン・ハウジング１０は、ＡＮＲ構成部分２２から耳道までの出口通路を有する。このＡＮＲ構成部分２２は、ハウジング出口通路の物理的寸法または音響パラメータの所定の範囲にわたり耳道にアクティブノイズ低減を与えるように、制御器と共に使用するように構成されている。したがって、このＡＮＲ構成部分２２は、異なるハウジングと共に使用することができ、これがＡＮＲイヤホン製品の製造のための設計工程を簡素化する。
【選択図】図３

Description

本発明はイヤホンに関し、アクティブノイズ制御（active noise control）用のイヤホン装置に特に適用される。本発明はまた、アクティブノイズ消去（active noise cancellation）（ＡＮＣ）またはアクティブノイズ低減（active noise reduction）（ＡＮＲ）と呼ばれることがあるアクティブノイズ制御の分野にも一般的に適用可能である。本明細書では以下、便宜上、アクティブノイズ制御機器およびシステムを呼ぶのに用語ＡＮＲを使用している。

ＡＮＲを含む耳覆い型または耳乗せ型などのヘッドホンはよく知られている。このようなヘッドホンは、本質的に望ましくないノイズを検知するためのマイクロフォンを含み、このノイズを代表する信号がフィードバックまたはフィードフォワード制御器に供給され、次いでそこで位相の異なった信号を望ましくないノイズと重ね合わせるドライバーに制御信号を供給する。そのような機器は、低周波数帯域で良好なアクティブノイズ低減をもたらす傾向にあるが、より高い周波数域ではアクティブに低減するのは困難である。しかしながら、密閉型の耳カップによって提供される効果的なパッシブ遮音と組み合わすことで、広い帯域でのノイズ低減効果を実現することができる。

今日、アクティブノイズ低減イヤホン解決策はほとんど市場に存在しない。開発され市販されてきたこの少数の製品は、ほとんど全てフィードフォワード・アクティブノイズ低減方式に依存している。

フィードフォワード・アクティブノイズ低減システムは、制御応答を発生させるためにリファレンス信号に依存しており、このリファレンス信号はある程度制御を必要とする信号に関連している。

したがって、リファレンス信号として最良なのは、外耳道に対するイヤホンのパッシブ・シールのすぐ外側の周囲ノイズの測定値である。マイクロフォン・トランスデューサーによって得られるこのリファレンス信号は、ノイズ低減電子回路（フィルタ）によって処理され、適切な制御応答が生成される。これは、次にイヤホンのスピーカーまたはドライバーに入力される。上記回路は基準測定位置とドライバー位置との間の音響システムの動的挙動を複製するように設計されている。全ての条件が同じである場合、この制御応答は反転されかつイヤホンのドライバーを介して出力された後、外耳道に侵入したノイズを低減するように働く。

固定型の制御器、すなわちそのパラメータが固定されている制御器は、それ自体の性能のどのような測定値も有さない。それはリファレンス信号および音響システムからの外乱（ノイズ）の既知の知識に依存している。

したがって、あるイヤホン用に設計された固定型または非適応的制御フィルタは、その他のイヤホンに対して正確性を欠く制御フィルタとなる可能性がある。これは、最終的に制御応答の不正確性および性能低下（しばしば所定の周波数帯域でのノイズの増幅（強め合う干渉））を引き起こす可能性がある。

適応フィルタは、測定位置とスピーカーとの間の伝達関数のモデルがリアルタイムで生成され、既知のコスト指数に基づいた最適化法で収束する利点を提供する。しかしながら、やはり製品の単一の具体化に対してのみ正確であるはずの２次経路モデルの正確度によって性能はしばしば制限される。さらに適応フィルタは、システムの挙動が低感度であるが、最大のノイズ消去が要求されるより低い周波数帯域においてモデルの正確性の低下をしばしば引き起こす。

フィードバックまたは調節・制御系は、ドライバーより下流の位置で測定される誤差信号に基づいて上記制御応答を変更する。この誤差信号は、所望の成果と測定された結果との間の相違を示している。誤差信号のフィルタリングは、ノイズ消去の深いレベルを与えるようにシステムの動作を調整することができる。フィードバック・システムが調節されるので、動作は構成部分およびアセンブリの変化により敏感でなくなる。フィードバック・システムで利用可能な増加したノイズ低減（またはノイズ低減の深さ）は、特に低周波においてフィードフォワード構成より優れた重要な利点である。

誤差信号の制御フィルタへの接続がシステム内でフィードバック・ループを作り出すので、フィードバック制御構成の応答は閉ループ不安定性になり易い。アクティブノイズ低減の文脈では、不安定性はそれ自体制御されない鳴り響きとして現れる。そのような状態は不快であり、聴覚器官を損傷させる可能性がある。不安定性問題が、アクティブノイズ低減システムを内蔵する非常にわずかなイヤホンのみしか成功した、商業的に実行可能な消費者製品に結果として至らせてこなかった。１つのそのような消費者製品は、ＰｈｉｔｅｋＳｙｓｔｅｍｓＬｉｍｉｔｅｄの名における国際特許出願第ＷＯ２００７／０５４８０７号に記載され、市場でフィテックシステムズリミテッド（ＰｈｉｔｅｋＳｙｓｔｅｍｓＬｉｍｉｔｅｄ）によってパートＮｏ．２００４イヤホン（ＰａｒｔＮｏ．２００４ＡＮＲＥａｒｐｈｏｎｅ）として上市されている。効果的なフィードバックに基づくアクティブノイズ低減イヤホンの開発は、多数のシステム・パラメータの注意深くバランスさせることが必要となる。

効果的で安定なフィードバックをベースとし、適度なバンド幅にわたって消去できるアクティブノイズ制御イヤホンをエンジニアリングすることは、限られた空気容積、低い減衰および非常に小さな音響空洞内にトランスジューサを組み入れることで一般に生じる変動を考えると、困難であるが関心のある課題である。マイクロフォンおよびドライバーの配置（音響空洞のサイズおよび形態、その通気および減衰など）が重要である。今まで、フィードバック・ベースのアクティブノイズ低減イヤホンの設計および製造は、高度に能力のある設計チームによって製品ごとに注意深く管理されてきた。その結果、設計および生産工程が非常に困難で、時間が掛かりまた高価なものにしている。
国際特許出願第ＷＯ２００７／０５４８０７号

本発明の目的は、イヤホン内に設けられるアクティブノイズ低減構成部分を提供することにある。

あるいは、本発明の目的は、改良されたアクティブノイズ低減イヤホンまたはイヤホン・システムを提供すること、またはノイズ低減イヤホンを提供もしくは設計する改良された方法を提供することにある。

あるいは、本発明の目的は、公知のアクティブノイズ低減製品、または製品設計プロセス若しくはシステムに対して有用な代替物を提供することにある。

イヤホン・ハウジング内に設けられるＡＮＲ構成部分について開示する。この機器はドライバーおよび検知用マイクロフォンを含み、このドライバーおよび検知用マイクロフォンは構成部分のハウジング内に収容される。

いくつかの実施形態では、このＡＮＲ構成部分はドライバー膜とドライバーの前方の構成部分ハウジングとの間に前方空洞を、かつドライバーの前方空洞とは反対側の構成部分ハウジングとドライバーとの間に後方空洞を含む。この後方空洞は、いくつかの実施形態では、通気孔を含む。

いくつかの実施形態では、この後方空洞は減衰材料を含み、イヤホン・ハウジング後方空洞の音響負荷を部分的に切り離すことができる。

別の態様では、本発明の主題は、ＡＮＲ構成部分およびイヤホン・ハウジングを含むＡＮＲイヤホンを包含し、このイヤホン・ハウジングは、ＡＮＲ構成部分の出口から耳道までのハウジング出口通路を有する。

いくつかの実施形態では、このＡＮＲ構成部分は前記ハウジング出口通路の物理的寸法の所定の範囲にわたり、耳道にアクティブノイズ低減を与えるように制御器と共に使用するように構成されている。いくつかの実施形態では、このＡＮＲ構成部分はハウジング出口通路の音響パラメータの所定の範囲にわたり耳道にアクティブノイズ低減を与えるために制御器と共に使用するように構成されている。

さらに別の態様では、本発明の主題は、ＡＮＲ構成部分および複数のイヤホン・ハウジングを含むＡＮＲイヤホン・システムを包含し、このイヤホン・ハウジングのうちの１つは、他のイヤホン・ハウジングと異なるハウジング出口通路を有する。

さらに別の態様では、本発明の主題は、ＡＮＲイヤホンを設ける方法を包含する。この方法は、ＡＮＲ構成部分の出口から耳道までのハウジング出口通路を有するイヤホン・ハウジングと共に使用するように構成されたＡＮＲ構成部分を設けるステップを含む。このＡＮＲ構成部分は、ハウジング出口通路の物理的または音響的寸法の所定の範囲にわたり耳道にアクティブノイズ低減を与えるために制御器と共に使用するように構成されている。

本発明のさらなる態様は、以下の説明から明らかになるであろう。

１つまたは複数の実施形態を添付の図面を参照して以下に説明する。
図１は、アクティブノイズ低減システムの一実施形態の選択された要素の概略図である。
図２Ａは、ＡＮＲイヤホンの一実施形態の背面図である。
図２Ｂおよび図２Ｃは、図２のイヤホンの別の角度からの等角図である。
図３は、図２Ａのイヤホンの分解図である。
図４は、図２Ａの線ＢＢを通る横断面図である。
図５は、カプセルの形態のＡＮＲイヤホン構成部分の一実施形態の平面図である。
図６は、図５の横断面ＡＡでの側面図である。
図７は、図５および６に示すＡＮＲ構成部分の分解等角図である。
図８は、図７のＡＮＲ構成部分との併用に適したドライバーの一実施形態の前面側を示す等角図である。
図９は、図８のドライバーの後面側を示す等角図である。
図１０は、図７に示すＡＮＲ構成部分に使用されるマイクロフォンの周波数応答の一例を示すグラフである。
図１１Ａおよび図１１Ｂは、図７のＡＮＲ構成部分に使用するのに適したプリント回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）の一実施形態の底面および天面それぞれの等角図である。
図１１Ｃ、図１１Ｄおよび図１１Ｅは、図１１Ａおよび１１ＢのＰＣＢＡに対する、それぞれ下からの平面図、側面図および上からの平面図である。
図１２Ａおよび図１２Ｂは、上記の図のイヤホン内に使用するのに適したＰＣＢＡの別の実施形態の底面および天面それぞれの等角投影図である。
図１２Ｃ、図１２Ｄおよび図１２Ｅは、図１２Ａおよび１２ＢのＰＣＢＡに対する、それぞれ下からの平面図、側面図および上からの平面図である。
図１３Ａおよび図１３Ｂは、図２Ａのイヤホンに対するオープン・ループ周波数応答の一例をプロットした図であり、イヤホン・ハウジング後方空洞を密閉し、通気量を漸増させた場合における周波数応答の効果を示しており、
図１４Ａおよび図１４Ｂは、図２Ａのイヤホンのオープン・ループ伝達関数の一例を示すプロットした図である。

一態様では、ＡＮＲ構成部分が内部に配置されるイヤホン・ハウジングのバリエーションに使用可能なＡＮＲ構成部分、すなわち多数の異なるＡＮＲイヤホン製品を構成するのに使用される多数の異なるハウジング構造のうちの１つに配置することができるＡＮＲ構成部分が開示される。このことにより意匠的に多くの異なる設計が可能となる。ここに示す機器は、非常に重要な挑戦に対処している。例えば、そのようにして収容することができるＡＮＲ構成部分は、人間工学的に実現可能な程度に小型化できる。それは内蔵式でかつ頑強とすることもできる。サイズに関する制約としては、薄壁構造が望ましいことを意味するが、薄壁にはその内部支持構造に厳しい制約がある。このことは伝統的なＡＮＲ設計で使用されるバッフル板構造およびシールは収容できないことを意味する。例えば、金属ハウジングを使用することは、構成部分を搭載するために内部支持形状を作り出すことを著しく制限する。さらに、そのような機器の音響特性は、多くのイヤホン形式および形態ファクタで共有できるように調製しなければならない。

以下に説明する１つまたは複数の実施形態は、ほとんどのイヤホンの型式および形態ファクタと互換性のある、特定のハウジング条件の適用によって制御できる音響特性を有する、内蔵式であり、外装を変更でき、人間工学的に互換性のあるカプセル形態のＡＮＲ構成部分を提供する。

図１は、アクティブノイズ低減システム１の一実施形態における選択された要素を示すブロック図である。図示のシステム１の実施形態は、ドライバーおよび検出用マイクロフォン（図示せず）を支持するＡＮＲイヤホンまたはヘッドホンの構成部分２２を含んでいる。制御器４は、ノイズ信号を検知用マイクロフォンから受け取り、効果的なノイズ低減のために適切な電気信号をドライバーに供給するための制御回路を含む。ＡＮＲ構成部分は、ＡＮＲ構成部分２２が中に配置されるイヤホン・ハウジング（図示せず）内に設けられる出口通路５を介して耳道６にＡＮＲを供給する。

この制御器４は、アクティブノイズ低減を行なっている間に使用者が例えば音楽などのフィード信号を聞くことができるように、任意に音響フィード信号を受け取ることができる。実際の実施形態では、この制御器４はイヤホン・ハウジング内に含めることも、例えばメダリオンとして離して設けることもできる。制御器４は、例えばＭＰ３プレーヤーなどの携帯型音楽機器内に、あるいは航空機シートのアームレスト内などの遠隔装置に設けることもできる。

幾つかの実施形態では、開示される装置は、本明細書に参考文献として引用した国際特許出願公開第ＷＯ２００７／０５４８０７号に開示されるようなフィードバックノイズ低減方式を用いている。しかしながら、当業者であれば、フィードフォワード制御の構成またはハイブリッド制御方法もまた使用できると認識するであろう。

イヤホンの一実施形態を図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、３および４に示す。図２Ｃでは、組立体としてのイヤホンの背面側が示されている。図２Ａ〜２Ｃに示すように、このイヤホンは耳挿入型イヤホンであり、１つまたは複数の後方音響通気開口部３０を含む背面キャップ２４を有するハウジング１０を有している。ハウジング１０の１つの実施形態のみを示しているが、非常に様々な異なるハウジング形状および型式を提供できることは理解されるであろう。

図３では、イヤホン６の一実施形態が分解図で示されている。このイヤホン・ハウジング１０は、一端に開口１４を、また他端に開口１５を有する所定形状の空洞１２を有している。ハウジング１０は複数の異なる形状を取りうるが、図示の実施形態では、人間の耳の甲介内にフィットする形状とされている。開口１５の端縁を取り囲むハウジング１０の領域にはリップ１６が設けられ、このリップは耳シール２０に内向きに突起して設けられる環状リング１８と係合するように構成されている。この耳シール２０はシリコン・ゴムなどの弾力性のある材料または弾性の材料で形成されているので、突起部１８は、耳シール２０をリップ１６上に引き伸ばしまたは他の方法で処理することでハウジングに取り付けることができる。耳シール２０は、耳シール２０の本体を貫通する中央開口２１を有している。耳シール２０は、耳道６への入り口との間をシールするように構成されている。

図４を参照すると、図２Ａの実施形態が断面図で示されている。図示の態様では、パイプ１５Ａが空洞１２の下側部分に配置される。パイプ１５Ａおよび耳シール２０の中央開口２１はともにＡＮＲ構成部分２２（以下にさらに説明）の出口５３とイヤホンの出口２１Ａの間に全体として符号５を付しているハウジング出口通路が形成されている。図３に示す実施形態では、このハウジング１０はケーブル支持部１３を備えている。この支持部は、ＡＮＲ構成部分２２を図１の制御器４などの制御器に電気的に接続可能にするための電線またはケーブル接続部材１１を支持している。

図３および４に示すように、イヤホン・ハウジング１０内の空洞１２は、ＡＮＲ構成部分２２を収容するように構成されている。このＡＮＲ構成部分２２が空洞１２内に配置された後には、キャップ２４の壁２６が空洞１２の壁と機器２２の外周面の間に差し込むようにして空洞１２内に当該キャップ２４を挿入することができる。図示の実施形態では、キャップ２４の上面２８はハウジング１０の周囲の外面と面一となる形態に形成されている。１つまたは複数の通気孔３０が、さらに後述するように当該キャップに設けられている。

図４によれば、剛性または半剛性の材料１７を用いることで、リップ１６および出口１５を形成することができる。これは耳シール２０を配置し保持するように働く。この材料１７は、別個の構成部分として形成した後にイヤホン・ハウジング材料の残りとオーバーモールドすることができ、この場合結果として一体のハウジング１０の実施形態を得ることができる。イヤホン・ハウジング１０は、ハウジング構造体とＡＮＲ構成部分２２の間にハウジング後方の空洞２４Ａを有する。

次に、ＡＮＲ構成部分２２の一実施形態を図５，６および７を参照して説明する。

図示の実施形態のＡＮＲ構成部分２２は、ドライバー・アセンブリ３３、マイクロフォン支持構造体３２およびマイクロフォン３４を含む。図示のＡＮＲ構成部分２２はまた、マイクロフォン３４とドライバー・アセンブリ３３との間に設けられる電気コネクタ３６、インナー・ハウジング部３８、および主アウター・ハウジング４０とをさらに含む。

ドライバー・アセンブリ３３は、ドライバー３１およびプリント回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）４２を含む。ドライバー３１は、ＰＣＢＡ４２の前面側に操作可能に搭載されている。電気コネクタ３６は、一実施形態では柔軟性のあるプリント回路基板（ＰＣＢ）であり、一端がマイクロフォン３４に、他端がＰＣＢＡ４２に電気的に接続される。ＰＣＢＡは、制御器および／または電源（不図示）などの外部装置からケーブルを用いた電気的接続を可能にするための媒体を供給する。ケーブルへの接続は、好適にはＰＣＢＡ４２の後面側に設けられる接続点６１にて行うことができる。ＰＣＢＡ４２は、図示の実施形態ではハウジング４０の後端部に設けられ、そうして、ドライバー３１がハウジング４０内に収容された場合にハウジング４０の後面壁が形成される。通気孔６２も、以下に後述するように、ＰＣＢＡ４０またはハウジングの後面壁４０に設けられる。

マイクロフォンと制御器との間を電気的に接続することには困難がある。これは、この接続部分を前方空洞と後方空洞の間のシールを通過させなければならないためである。本発明のシール部材４４は、効果的なシールを維持しながら、コネクタ３６がハウジング４０の内壁４１に隣接するシール部材４４を通過できるようになっている。これに代えて、コネクタ３６は、マイクロフォン支持構造体（以下に後述）３２の内部を通り、ドライバー３１とシール部材４４の間でシール部材４４を通過させ、次いでＰＣＢＡ４２に接続するためにドライバー３１の外壁を横断するように配置することもできる。

一実施形態では、ドライバー３１は、通常９ｍｍから１３ｍｍの直径を有するが、当業者は様々な異なるドライバー形状およびサイズを受け入れられることができることを理解するであろう。本発明の一実施形態に用いられるドライバー３１の直径は、通常９．１ｍｍである。１３ｍｍを超えるドライバー直径も採用可能であるが、それらは人間の耳に対して大きすぎるため好ましくない。例えば、バランスド・アーマチュア・ドライバー（balanced armature driver）、静電型ドライバー、または圧電型ドライバーなどの様々なドライバー技術が存在しており、これらの技術を使用することができる。

図６および７に示す実施形態によれば、シール部材４４はドライバー３１の前端縁部外側に設けられる。一実施形態では、シール部材４４はガスケットからなる。シール部材４４上にマイクロフォン支持構造体３２のフランジ４６が搭載される。図７に最も明瞭に示されているように、このシール４４の外側周縁部はフランジ４６の外側周縁にわずかに（例えば約０．５ｍｍ）被さるように延設されており、それによってハウジング４０の内壁４１と十分に接触できるようになっている。したがって、このシーリング部材４４は、ガスケットとしてもＯリングとしても働く。すなわちシーリング部材４４はフランジ４６とドライバー３１との間をシールし、かつフランジ４６（またはドライバー３１）と内壁４１の間にシールを形成する。

マイクロフォン支持構造体３２は、フランジ４６から垂直に突出する４本のフィンガー４８を含み、各フィンガーは、使用に際し、マイクロフォン３４の外面と係合する内向きの突起４９を有し、これによりマイクロフォン３４を確実に把持できるようになっている（図６参照）。図示の実施形態では、４本のフィンガー４８が示されているが、この数は変更することができる。このマイクロフォン支持構造体３２は、ドライバー３１の一部とすることができる。各フィンガー４８の付け根では、凹部５０がフランジ４６の内径画定していることも理解されよう。凹部５１もフィンガー４８の間のフレームに設けられる。凹部５０および５１によって、ドライバー３１の前面から支持構造体３２を通り、マイクロフォン３４を通過しＡＮＲ構成部分２２の前方空洞５２に通じる音響通路の存在を確実にしている。マイクロフォン３４はドライバー３１と対面し、またはドライバー３１から離すことができる。このドライバー３１およびマイクロフォン３４は、１つのシャーシー上に併設することができる。さらに、マイクロフォン３４は、ドライバー３１の全部を含み、独立した要素とすることもできる。当業者であれば、２つ以上のドライバーおよび／またはマイクロフォンを使用できることも理解されよう。

インナー・ハウジング部３８は、周壁５４を含み、その下側にはドライバー３１の外面としっかり係合できるように直径を小さくした下側スカート部５６を含んでいる。上側で中心に向かって湾曲した上端縁部５８によって後面ハウジング開口６０が形成されている。開口６０は、プリント回路基板アセンブリ４２における凹部６２（図１１Ａ〜１１Ｅおよび図１２Ａ〜１２Ｅ参照）が外部に露出するのに十分な直径とし、これにより１つまたは複数の後面音響開口６２Ａを設け、ドライバーの後側でＡＮＲ構成部分２２内に設けられる後方空洞６４と連通し通気するようになっている。

構成部分のハウジング４０は、第１の略円筒状の外壁６６、壁６６より小径の第２の略円筒状の外壁６８、および肩状部７０を形成する壁６８と６６の間の移行部分６９とを含んでいる。壁６８の下側縁部は、前方空洞５２からＡＮＲ構成部分２２の外側の環境までの前面ポート５３を形成する音響開口を含むフランジ部７２が形成されるように湾曲している。この壁６６は、アセンブリを固定するためにインナー・ハウジング部３８の縁部５８を覆うようにスウエージ加工可能な上端縁部６７を含んでいる。

シール部材４４は、前方空洞５２と後方空洞６４の間の音響シールを形成する。他の実施形態では他の適切な材料が使用され得るが、我々は約０．５ｍｍの厚さのエチレン・ビニル・アセテート（ＥＶＡ）などの半可撓性材料から作られるシール部材４４が、ＡＮＲ構成部分２２内に存在する予期される音圧に耐える音響シールを形成するのに適していることを見出した。一実施形態では、シール部材４４によって前方空洞と後方空洞の間に作り出されるシールは、少なくとも１．８ｍｂａｒの動的圧力までどのような漏れも防止する。

上記のように、シーリング部材４４は、それがドライバーの前側周面とのシールを形成するのでガスケットの機能を備え、またＯリングとして作用し、ＡＮＲ構成部分のハウジング４０の内壁４１とのシールを形成するように突起する周辺部分も有する。シーリング部材４４はまた、必要とされるシールを維持しながら、コネクタ３６を前方空洞５２からＰＣＢＡ４２まで通過させている。このシーリング部材４４はまた、構成部分の垂直公差内でのばらつきにも適応可能である。例えば、ドライバー・アセンブリまたは支持構造体３２に対するハウジング長さの公差の変動に対しては、シーリング部材が構築されるガスケット材料の圧縮可能な性質によって吸収することができる。

前方空洞５２は、ドライバーの前面側から、支持構造体の開口５０または５１を通り前面音響ポート５３まで延びる。フィルタ紙７１またはそれと同様の材料などの音響減衰効果を有する材料を前方空洞５２内に適宜設けることができる。フィルタ紙７１は、減衰効果を与えるのみならず、異物の前方空洞内への侵入も防止することができる。以下でさらに説明するように、フィルタ紙７１などの材料は、ドライバー３１の高周波共鳴モードの減衰を促すため前方空洞の音響容積の一部分とすることができる。次に図８および９では、ドライバー３１の一実施形態がより詳細に示されている。図８に示すように、ドライバー３１はドライバー・ハウジング７９を含んでいる。ドライバー・ハウジング７９は、中央開口８１および一連のより小さな周囲開口８２を有する前面８０を有する。開口８１および８２は、ドライバー膜（図示せず）から前方空洞までの音響通路を形成する。このドライバー膜は、軽量の皴のよらない材料、通常はＭｙｌａｒによって構築される。このドライバー膜は、前方空洞と後方空洞の間の境界を画する。前方空洞５２は、ドライバー膜から出口５３まで延びる。後方空洞５４は、ドライバー膜から通気孔６２まで延びる。開口８１は約２ｍｍの直径とし、各開口部８２は約０．９ｍｍの直径とすることができる。ドライバー３１の合計深さは約３ｍｍから４ｍｍとすることができる。ドライバー３１の後面を図９に示している。通気孔（図示せず）は、後側ハウジング表面８６に設けられるが、音響減衰をもたらす材料によって覆われ、または少なくとも部分的に覆われている。図示の実施形態では、この減衰材料はフィルタ紙８７からなる。ドライバー３１は、１つのユニットから次のユニットへの音響パラメータの一貫性を示している。音響パラメータの問題となる変動なしで、フィルタ紙８７のドライバー３１の後部への固定を大量生産環境で実施することは困難となりうる。例えば、液体接着方法は一般的に不十分であることが明らかにされている。しかしながら、一実施形態では、フィルタ紙８７と表面８６の間に両面テープなどの接着テープを使用した場合には、一貫した結果が得られることが判明してきている。そこで、一実施形態では、両面接着テープを部分的に（または完全に）環状にしたものを用意し、このテープの片面から裏層（backing layer）を取り除いた上で、フィルタ紙８７または表面８６に貼り付ける。次いで、このテープの他方の面の裏層を取り除き、そこに他方の表面８６またはフィルタ紙８７を貼り付ける。かくして、図９に示す構造が形成される。

一実施形態では、フィルタ紙８７の存在は、ドライバー懸架のための等量の容積を減少させるために、ドライバー膜またはダイヤフラムとフィルタ紙８７との間の空気の容量を部分的に閉じ込めるように作用する繊維層を形成する。結果として、後方空洞２４Ａの音響負荷は、複数の設計が可能になるように切り離され、または最小限にされる。

さらにフィルタ紙８７はドライバー３１の機械的抵抗を増加させる。このことは、基本共鳴を減衰させ、それで音響応答を均等化し、かつ閉ループ・システムの安定性を改善するように働く。

マイクロフォン３４としては、商業的に入手可能なマイクロフォン、例えば、エレクトレット・コンデンサ・マイクロフォン（Electret Condenser Microphone）（ＥＣＭ）を用いることができる。一実施形態ではこのマイクロフォン３４は、６５ｄＢより大きな音・ノイズ比を有するＥＣＭであり、図１０の周波数応答プロットにおいて線１０３で示すように、３０Ｈｚより小さな折点周波数を備えた周波数応答を有する。図１０を参照すると、線１００および１０１は許容可能な限界を示し、破線１０２は典型的なＥＣＭの応答を示す。５０Ｈｚをはるかに下回る周波数で相対的に一定の感度を有するマイクロフォンは、結果として不快音になる閉ループの発振を防止するために、通常は低周波数位相遅延フィルタを用いた電子制御による追加の補償を要しない。

図１１Ａから１１Ｅは、ＰＣＢＡ４２をより詳細に示している。特に、ＰＣＢＡ４２の下側は、図１１Ａおよび１１Ｅにフィルタ構成部分１１０が見える状態で示されている。このフィルタ構成部分１１０は、さらに以下で明らかにするように無線周波数（ＲＦ）干渉を低減できるものである。

図１２Ａから１２Ｅは、必要な場合にマイクロフォンのゲインを調整可能な適宜のトリム・ポテンショメーター（ｐｏｔ）１１２を含むＰＣＢＡ４２の一実施形態を示す。このトリムｐｏｔは、マイクロフォン・バイアス回路の一部分である。このトリムｐｏｔ１１２の調整によってマイクロフォンの出力ゲインを調整することができる。あるいは別の態様として、トリムｐｏｔ１１２の代わりに、必要とされる場合、４抵抗器同調方法（four resistor tuning method）を使用し、マイクロフォンのゲインを調整することができる。

ＰＣＢＡ４２、またはＡＮＲ構成部分２２における他のＰＣＢは、そのような回路を含む別個のメダリオンを必要としないように、ＡＮＲ制御回路を含むことができる。さらに、電力を供給するためにＡＮＲ構成部分２２内にまたはそれに隣接して（例えばイヤホン・ハウジング１０内に）小型のバッテリ（不図示）を設けることができる。

一実施形態におけるハウジング１０は、比較的容易にシート材料から成形されるステンレス鋼などの金属材料で形成される。この金属ハウジング構造は、ハウジング内の構成部分に対する無線周波数干渉が低減されるという利点を有する。さらに、このＰＣＢＡ４２は、ＰＣＢＡ４２の少なくとも大部分を覆い、かつハウジングに電気的に接続される導電性材料（例えば、銅）のシートを含むことができる。一実施形態では、この銅シートは金属ハウジング部３８と接触しており、このハウジング部は内部構成部分を無線周波数干渉からさらにシールドするようにハウジング１０と接触している。さらに、フィルタ構成部分１１０はともに、ＲＦ干渉に対して最も問題となりうるＧＳＭ周波数帯に同調されるＬＣロー・パス・フィルタを備える。これにより、さらにハウジング内のＲＦ干渉を低減させる。

一実施形態では、このＡＮＲ構成部分２２は、最初に電気的コネクタ３６をマイクロフォン３４に取り付けることによって製造することができる。ＰＣＢＡ４２を含むドライバー・アセンブリ３３が設置され、コネクタ３６の他端がドライバー３１に取り付けられる。その後、マイクロフォン３４が、例えば圧入によってフレーム３２に取り付けられる。シール部材４４が注意深く支持構造体のフランジ４６と位置合わせされ、これに連結される。次いでドライバー３１がこのシール部材４４に対して位置合わせされ、これに連結される。その後、インナー・ハウジング部３８がドライバー・アセンブリ３１に被せるように配置される。そして、このモジュールは、主アウター・ハウジング４０内に圧入される。シール４４のはみ出した周縁部は固定操作時にアウター・ハウジング４０の内壁４１と接触させ、それによって前方空洞と後方空洞を分離するシールを形成するようにする。この構造は、支持構造体フランジ４６の外周縁部がハウジング４０の肩状部７０に当接するまで外側ハウジング４０内に押し込まれる。このようにして、肩状部７０によってドライバー３１およびマイクロフォン３４の位置がハウジングに対して簡単に、信頼性高くかつ予想通りに配置することができる。インナー・ハウジング部３８の壁５６の下端縁は、シーリング部材４４の突出する周縁部を支持し、外側ハウジング４０の内壁４１と必要なシールが得られるようにする。最終ステップとして、アウター・ハウジング４０の上端縁部６７が、組み立てられた構造体を固定するためにインナー・ハウジング部３８のリップ５８上にてスウエージ加工される。

その後、組み立てられたＡＮＲ構成部分２２は、図４に示すように前面開口５３がハウジングの開口１５に音響的に接続されるようにイヤホン・ハウジング１０の空洞１２内に配置される。次いで、キャップ２４がＡＮＲ構成部分２２の後端部に配置され、イヤホン・アセンブリが完成する。この空洞１２は、前方空洞と後方空洞の間の十分な音響シールを維持するように、ＡＮＲ構成部分２２の外側ハウジング４０の外壁と十分に密着される。正しく使用される場合、耳シール２０は、前方空洞と後方空洞の間の十分な音響シールを維持するように外耳道の内壁とも接触する。

一実施形態では、ドライバー３１の前面の容積は、例えばイヤホンを指で操作している場合などに前面開口部５３が閉塞された場合、閉ループの発振を防止するために通常１００ｍｍ^３より大きい。しかしながら、一実施形態では、イヤホン・ハウジング後方空洞２４Ａは通気させる必要があり、（キャップ２４内の開口３０によって形成される）最小の通気開口面積が０．２５ｍｍ^２より大きい場合に最良の結果が得られる。十分な通気面積は、少なくとも１２０ｄＢ（Ａ）までの音響レベルに対して直線的に挙動すると考えられている。ドライバー入力電圧（Ｖｉｎ）とマイクロフォン出力電圧（Ｖｏｕｔ）とに関する周波数応答（すなわち、検知用マイクロフォンによって測定されるときのドライバー応答）を示す図１３Ａおよび１３Ｂを参照すると、後方空洞２４Ａを密閉することは著しくアクティブノイズ消去性能を制限するが、低周波数でのゲインは０．２５ｍｍ^２を越える通気面積で著しく改善されることが分かる。

前方空洞５２から外耳道へのハウジング出口通路５は、耳シール２０を通るパイプ１５Ａおよび開口２１によって形成される。国際特許出願公開第ＷＯ２００７／０５４８０７号に記載されるように、アクティブノイズ低減について着目する可聴周波数帯域で、この空洞は第１のスティフネスを有するばねのように挙動し、外耳道は第２のスティフネスを有するばねのように挙動する。パイプ内の空気は、それがパイプ内を移動する際に減衰を受ける物体のように挙動する。このことは、所定の共鳴周波数、通常８００Ｈｚにてヘルムホルツ共鳴器の効果を有するが、この共鳴周波数は、出口１５および開口２１の寸法を適宜選択することによって、例えば５００Ｈｚから２ｋＨｚまでの広い範囲にわたって変更することができる。これを開ループ周波数応答を表す図１４Ａおよび１４Ｂに示す。この共鳴効果は、位相復元または選ばれた周波数範囲でシステムの位相を進ませる効果を有する位相前進を与える２次進み補償器（second-order lead compensator）によるものである。これが順に、システムの安定性を改善し、システムが不安定になることなしに制御器のゲインを上げるのを可能にする。これはまた順に、ノイズ低減がノイズ消去システムの閉ループ性能を改善するのに効果的であるバンド幅を広げる。音響共鳴をさらに成形させるために、追加のヘルムホルツ共鳴器をＡＮＲ構成部分２２の構造体内に設計して入れることができる。例えば、いくつかの実施形態では、マイクロフォン支持構造体３２内の凹部５１は、マイクロフォンと前方空洞の残りの容積の間の音響インダクタンス要素として作用させ、その結果ヘルムホルツ共鳴器を作り出すように構成することができる。これらの実施形態では、マイクロフォン３４は出口５３から離れてドライバー３１の方に向いている。

イヤホンの使用に伴って起きる可能性のある閉塞効果を防止または最小限にするために、圧力開放通気孔（図示せず）を設けることができる。これはハウジング１０内に、またはＡＮＲ構成部分２２の本体を貫通して設けることができる。それはまた、ドライバー３１を貫通して設けることもでき、ドライバー膜の過圧を防止する。

したがって、ＡＮＲ構成部分２２とイヤホン・ハウジング１０との間に相互関係が存在する可能性がある。最も注目すべきは、パイプ１５Ａおよび耳シール２０の中央開口２１によって形成されるハウジング出口通路５の物理的パラメータ（したがって、音響パラメータ）を変更することができる。ＡＮＲ構成部分２２は、ハウジング出口通路に用いられる様々な異なるパイプ長および直径で機能するように設計されてきている、すなわち、それは様々な音響インピーダンスを有するパイプで機能し、したがってそれを様々な異なるイヤホン・ハウジング１０または「外装（skin）」の構成で使用できるようにする。これは、様々な異なるＡＮＲイヤホンを形成するために複雑で高価なＡＮＲ設計工程を必要としないことを意味する。その代わりに必要とされるのは、各々異なる製品についての比較的単純なハウジング設計であり、ＡＮＲ機能性はＡＮＲ構成部分２２およびその制御器によって提供される。ＡＮＲ構成部分２２について開示された実施形態に対しては、イヤホン・ハウジング１０用のパイプ直径を約１．８ｍｍ超とし、耳シール２０の端部までのパイプ１５Ａ用のパイプおよび中央開口２１の長さを約４ｍｍから９．８ｍｍとすることで、最良の結果が得られる。パイプ直径を非常に小さくすることで、空気が前面容積からパイプ内に移動するとき空気の速度を増加させる。これは望ましくない高周波数共鳴およびダイナミズムを増加させる。したがって、システム設計者は、「ルールに基づいた」手法に従うことによってＡＮＲイヤホンを開発することができ、それによってハウジング出口通路が所定のパラメータ内に維持される。ＡＮＲ構成部分２２および制御器の設計を決定するために使用することができるハウジング出口通路の音響特性は、ハウジング出口通路の音響インダクタンスである。この音響インダクタンスは、所定の範囲、例えば３．８ｋｇｍ^−４から５．８ｋｇｍ^−４の範囲で変化させることができる。したがって、ハウジング１０用のハウジング出口通路のために提案される設計の音響インダクタンスは、経験的に測定または試験することで適切な結果を得ることができる。いくつかの実施形態では、必要な範囲内にあるときハウジング出口通路インダクタンスは、開ループ伝達関数の選ばれた周波数、例えばおよそ５００Ｈｚにて位相を増加させるための共鳴をもたらす。

以上の実施形態では、この組み立てられたＡＮＲ構成部分２２は、これが制御器に接続されまたは制御器と一緒に設けられる場合、ＡＮＲをもたらすために必要な全ての構成部分を有する。イヤホン・ハウジング１０の寸法は（制限内で）変わる可能性があるが、ＡＮＲ構成部分の重要な音響パラメータは既知である。したがって、このＡＮＲ構成部分は多数の異なるイヤホン・ハウジング構造内に配置することができ、制御器の再設計をまったく必要とすることなく、効果的なＡＮＲを提供することができる。これは、ＡＮＲ構成部分および制御器の単一の設計を多数の異なるイヤホンまたは耳栓製品（またはイヤホンのようなアセンブリを含むヘッドセット）に使用できる利点を有する。したがって、非常に様々な異なるＡＮＲ製品を簡単にかつコスト的に効率良く製造することができる。

したがって、ＡＮＲ構成部分２２の音響パラメータは、各々がこの機器から耳道までのハウジング出口音響通路５を有する多数のイヤホン・ハウジングまたは外装とともにこの機器が機能するように構成される。アクティブノイズ低減は、この装置と共に使用される制御器を最適化することによって、鼓膜のところで、または鼓膜に近接して行うことができる。ハウジング出口音響通路は、様々な異なるハウジングまたは外装構造に対応可能に固定形状にとすることができる。これに代えて、この音響供給通路は、１つのイヤホン・ハウジングから別のイヤホン・ハウジングで異なる材料または寸法（したがって、異なる音響特性）を備えることができる。

ＡＮＲ構成部分２２をモジュール化は、必要な場合（例えば故障が起きる場合）に容易に交換できることを意味する。本発明によって、製造業者は、自分の好みにあったイヤホン・ハウジングを選択する自由を消費者に与えることも可能になる。例えば、消費者は自分の耳の形態に合わせ特別に成型されたハウジングを有するＡＮＲ耳挿入型イヤホンを持つことができる。

以上説明したＡＮＲ構成部分２２によって、広範囲の製品型式で、イヤホン形状ファクタにて効果的なフィードバックＡＮＲを適用するために、最終アセンブリの条件および要素を制御し、小型化し、カプセル化し、高い信頼性で大量生産することが可能になる。これは、製品毎のベースで何とか成し遂げられた複雑な科学を、イヤホン・ハウジングまたは「外層」内に単純に内蔵される信頼性の高い注文構成部分に転換するための機会を与える。本明細書で説明された幾つかの原理はフィードフォワード・システムにも適用可能であることを当業者は理解するであろう。例えば、フィードフォワードＡＮＲ構成部分２２は、ハウジング（ドライバーの後ろに配置されるマイクロフォンを有するハウジング４０など）内で、かつ適切な制御機器を使用することで構築することができる。

以上、特定の実施例および実施形態について説明したが、本発明の範囲および趣旨を逸脱しない範囲内で様々な改変および追加を、本発明の関連する分野の当業者は思いつくであろうことは理解されるであろう。全てのそのような改変および追加は、具体的に本明細書で記載されたかのように本発明の範囲に含まれるものとする。

アクティブノイズ低減システムの一実施形態の選択された要素の線図的概略図である。ＡＮＲイヤホンの一実施形態の背面図である。図２のイヤホンの別の角度からの等角図である。図２のイヤホンの別の角度からの等角投影図である。図２Ａのイヤホンの分解図である。図２Ａの線ＢＢを通る断面図である。カプセルの形態のＡＮＲイヤホン構成部分の一実施形態の平面図である。図５の横断面ＡＡでの側面図である。図５および６に示すＡＮＲ構成部分の分解等角図である。図７のＡＮＲ構成部分との併用に適したドライバーの一実施形態の前面側を示す等角図である。図８のドライバーの後面側を示す等角図である。図７に示すＡＮＲ構成部分に使用されるマイクロフォンの周波数応答の一例を示すグラフである。図７のＡＮＲ構成部分に使用するのに適したプリント回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）の一実施形態の底面の等角投影図である。図７のＡＮＲ構成部分に使用するのに適したプリント回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）の一実施形態の天面の等角図である。図１１Ａおよび１１Ｂに示すＰＣＢＡの下からの平面図である。図１１Ａおよび１１Ｂに示すＰＣＢＡの側面図である。図１１Ａおよび１１Ｂに示すＰＣＢＡの上からの平面図である。前述の図のイヤホン内に使用するのに適したＰＣＢＡの別の実施形態の底面の等角図である。前述の図のイヤホン内に使用するのに適したＰＣＢＡの別の実施形態の天面の等角図である。図１２Ａおよび１２Ｂに示すＰＣＢＡの下からの平面図である。図１２Ａおよび１２Ｂに示すＰＣＢＡの側面図である。図１２Ａおよび１２Ｂに示すＰＣＢＡの上からの平面図である。図２Ａのイヤホンに対するオープン・ループ周波数応答の一例をプロットした図であり、イヤホン・ハウジング後方空洞を密閉し、また通気量を漸増させた場合における周波数応答の効果を示している。図２Ａのイヤホンに対するオープン・ループ周波数応答の一例をプロットした図であり、イヤホン・ハウジング後方空洞を密閉し、また通気量を漸増させた場合における周波数応答の効果を示している。図２Ａのイヤホンのオープン・ループ伝達関数の一例を示すプロットした図である。図２Ａのイヤホンのオープン・ループ伝達関数の一例を示すプロットした図である。

符号の説明

１アクティブノイズ低減システム
４制御器
５出口通路
６イヤホン
６耳道
１０イヤホン・ハウジング
１１ケーブル接続部
１２空洞
１３ケーブル支持部
１４開口
１５開口
１５Ａパイプ
１６リップ
１７剛体のまたは半剛体の材料
１８環状リング、突起部
２０耳シール
２１中央開口
２１Ａイヤホンの出口
２２ヘッドホン構成部分、ＡＮＲ構成部分
２４後部キャップ
２４Ａハウジング後方空洞
２６壁
２８上側表面
３０通気孔
３１ドライバー
３２マイクロフォン支持構造体
３３ドライバー・アセンブリ
３４マイクロフォン
３６電気コネクタ
３８インナー・ハウジング部
４０主外側ハウジング
４１内壁
４２プリント回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）
４４シール部材
４６フランジ
４８フィンガー
４９突起部
５０凹部
５１凹部
５２前方空洞
５３出口
５４後方空洞
５６下側スカート部分
５８縁部
６０後面ハウジング開口
６１接続点
６２通気孔
６２凹部
６４後方空洞
６６外壁
６７上端縁部
６８外壁
６９移行部分
７０肩状部
７１フィルタ紙
７２フランジ
７９ドライバー・ハウジング
８０前面
８１中央開口
８２周囲開口
８６後面ハウジング表面
８７フィルタ紙
１１０フィルタ構成部分
１１２トリム・ポテンショメーター

Claims

ドライバーおよび検知用マイクロフォンを含み、前記ドライバーおよび検知用マイクロフォンが構成部分のハウジング内に収容される、イヤホン・ハウジング内に設けられてなるＡＮＲ構成部分。
前記ＡＮＲ構成部分は前記ドライバー膜と前記ドライバーの前方の前記構成部分ハウジングとの間に前方空洞を含み、かつ前記ドライバー膜と前記ドライバーの前記前方空洞とは反対側の前記構成部分ハウジングとの間に後方空洞とを含む、請求項１に記載のＡＮＲ構成部分。
前記後方空洞は通気孔を含む、請求項２に記載のＡＮＲ構成部分。
前記後方空洞は減衰材料を含む、請求項２に記載のＡＮＲ構成部分。
前記減衰材料は前記イヤホン・ハウジング後方空洞の音響負荷を切り離すものである、請求項４に記載のＡＮＲ構成部分。
請求項１に記載のＡＮＲ構成部分およびイヤホン・ハウジングを含み、前記イヤホン・ハウジングが前記ＡＮＲ構成部分の出口から耳道までのハウジング出口通路を有するＡＮＲイヤホン。
前記ＡＮＲ構成部分は前記ハウジング出口通路の物理的寸法の所定の範囲にわたり耳道にアクティブノイズ低減を与えるように制御器と共に使用するように構成されてなる、請求項６に記載のＡＮＲイヤホン。
前記ＡＮＲ構成部分は、前記ドライバーと前記ＡＮＲ構成部分の出口とは反対側の前記ドライバーの前記デバイス・ハウジングとの間に後方空洞を含む、請求項７に記載のＡＮＲイヤホン。
前記後方空洞は通気孔を含む、請求項８に記載のＡＮＲイヤホン。
前記後方空洞は減衰材料を含む、請求項８に記載のＡＮＲ構成部分。
前記減衰材料は前記イヤホン・ハウジング後方空洞の音響負荷を切り離すものである、請求項１０に記載のＡＮＲ構成部分。
物理的寸法の前記所定の範囲は前記ハウジング出口通路の音響パラメータによって決定されるものである、請求項７に記載のＡＮＲイヤホン。
前記音響パラメータは音響インダクタンスを含む、請求項１２に記載のＡＮＲイヤホン。
ヘルムホルツ共鳴器を含む、請求項６に記載のＡＮＲイヤホン。
前記ＡＮＲ構成部分は前記ハウジング出口通路の音響パラメータの所定の範囲にわたり耳道にアクティブノイズ低減を与えるように制御器と共に使用するように構成されてなる、請求項６に記載のＡＮＲイヤホン。
前記音響パラメータは音響インダクタンスを含む、請求項１５に記載のＡＮＲ構成部分。
請求項１に記載のＡＮＲ構成部分と複数のイヤホン・ハウジングを含み、前記イヤホン・ハウジングのうちの１つが他のイヤホン・ハウジングと異なるハウジング出口通路を有する、ＡＮＲイヤホン・システム。
ＡＮＲ構成部分の出口から耳道までのハウジング出口通路を有するイヤホン・ハウジングと共に使用するように構成されたＡＮＲ構成部分を設け、当該ＡＮＲ構成部分が前記ハウジング出口通路の物理的または音響寸法の所定の範囲にわたり耳道にアクティブノイズ低減を与えるように制御器と共に使用するように構成するステップを含む、ＡＮＲイヤホンを設ける方法。
前記所定の範囲内のハウジング出口通路を有するイヤホン・ハウジングを設けるステップを含む、請求項１８に記載の方法。
実質的に本明細書で説明したようなＡＮＲ構成部分。
実質的に本明細書で説明したようなＡＮＲイヤホン。
実質的に本明細書で説明したようなＡＮＲイヤホンを設ける方法。