JP2018148287A - カナル型イヤホン - Google Patents

Abstract

【課題】音源定位感の向上と臨場感の向上を図る。
【解決手段】カナル型イヤホン１０は、ステレオ信号のうちの第１音声信号を第１音波に変換する第１ドライバユニット３０と、第２音声信号を、前記第１音波と同位相及び同振幅の第２音波に変換する第２ドライバユニット４０と、遅延パイプ５０と、ハウジング２０と、前記ハウジング２０に装着されたイヤピース６０と、を備えている。遅延パイプ５０は、所定のパイプ長を有し、第２ドライバユニット４０で変換された第２音波を遅延させてこの位相を遅れさせる。ハウジング２０は、第１、第２ドライバユニット３０，４０及び遅延パイプ５０を収容し、前記変換された第１音波と前記位相が遅れた第２音波とを合成して合成音を再生し、開口部から放出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、クロスフィールド（crossfeed）機能によって頭内定位を改善したカナル型イヤホンに関するものである。

特許文献１には、放音部を外耳道入口に挿入して用いるカナル型イヤホンが記載されている。このカナル型イヤホンでは、電気音響変換器であるドライバユニットから発生する音波を、外耳道入口に伝達する導音部として、経路長の異なる独立した２つの導音管を有している。そして、ドライバユニットから発生し、２つの導音管を通過した２つの音波が、聴取者の外耳道入口で合成され、その２つの導音管の経路差を２分１波長とする周波数の音圧を抑制するようになっている。このような構成により、両端閉管共振による望ましくない周波数における音圧ピークを抑制しながら、音域全体の音量の低下を防止でき、イヤホンを装着しない場合と遜色の無い音質を実現できるという効果がある。

しかし、特許文献１のカナル型イヤホンでは、経路長の異なる２つの導音管を、外耳道入り口に挿入できる太さの中に収めないといけないので、１つの導音管の断面積が小さくなり、その結果、空気の粘性抵抗で高域が減衰するという問題があった。

そこで、その問題を解決するために、特許文献２に記載されたカナル型イヤホンでは、２つ以上の電気音響変換器であるドライバユニットと、このドライバユニットのそれぞれに付随し、おのおの経路長の異なる導音管と、を備えている。そして、２つ以上のドライバユニットから同じ位相で発生し、それぞれの導音管を通過した音波が外耳道入口で合成され、その２つ以上の導音管の間の経路差を２分１波長とする周波数の音圧を抑制するようになっている。このような構成により、両端閉管共振による望ましくない周波数における音圧ピークを抑制しながら、音域全体の音量の低下を防止し、イヤホンを装着しない場合と遜色の無い音圧−周波数特性等を実現できるという効果がある。

特許第４６８１６９８号公報 特許第４９５３４９０号公報

しかしながら、特許文献１、２のカナル型イヤホンを含めたイヤホン及びヘッドホンの音声再生全般の課題として、スピーカの音声再生と比較して、音場が頭の中にできる頭内定位のため、自然環境と比較して不自然であり、臨場感のある再生音を得ることが困難であった。以下、この課題について詳細に説明する。

図２６は、聴取者の耳による音源の知覚を説明する図である。
自然界の音（つまり音源）１は、１点から発生して聴取者２の左耳２Ｌ及び右耳２Ｒの両耳２Ｌ，２Ｒに届く。この時、両耳２Ｌ，２Ｒには、耳介や頭部・身体等の影響を受け、左耳２Ｌと右耳２Ｒとに異なる周波数特性（音色）の音が届く。又、音源１の方向により、到達時間差τが生じる。聴取者２は、それらの情報を基に、音源１の方向・距離等を判断しているものと思われる。

聴取者２の周りに音源１を移動させたときの両耳２Ｌ，２Ｒの音圧差Δｐと位相差Δφを考える。
例えば、公知文献（富士通テン技報、Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．２（１９８４年）、藤田・若松・加藤・本島・長野著「側方スピーカを付加したステレオ音場の解析」ｐ．４７、図６「実音源によるΔｐ−Δφ」）に記載されているように、５００Ｈｚの音源１を、聴取者２を中心とする半円上に移動させた場合、聴取者２の左耳２Ｌ及び右耳２Ｒの音圧差Δｐと位相差Δφは、次のようになる。即ち、音圧差Δｐがプラスの領域は、右耳２Ｒの音圧が高く、位相差Δφがプラスの領域は、右耳２Ｒの位相が進んでいる。例えば、聴取者２から見て、正面から右３０°の音源位置では、右耳２Ｒの音圧が４ｄＢ高く、位相が０．４π進んでいる。

図２７は、スピーカを使ったステレオ音源の再生を示す図である。
ステレオ音源の再生では、前方の左側スピーカ３Ｌ及び右側スピーカ３Ｒから、音が両耳２Ｌ，２Ｒに再生されるよう音圧差・位相差をつけた音を送り出し、図２７に近似するような、所望の音場を形成している。この時、右耳２Ｒには、右側スピーカ３Ｒからの直接音Ｒと左側スピーカ３Ｌからの遅延音Ｌａが届き、左耳２Ｌには、左側スピーカ３Ｌからの直接音Ｌと右側スピーカ３Ｒからの遅延音Ｒａが届いている。

図２８は、ヘッドホンによるステレオ音源の再生を示す図である。
ヘッドホン再生の音源としては、通常、図２７の再生を前提とした音源が流用されている。そして、ヘッドホン再生では、図２８のように、両耳２Ｌ，２Ｒの近くに左側スピーカ３Ｌ及び右側スピーカ３Ｒが置かれる。この時、右耳２Ｒには右側スピーカ３Ｒからの直接音Ｒ、左耳２Ｌには左側スピーカ３Ｌからの直接音Ｌが届いている。

この聴取条件では、遅延音Ｌａ，Ｒａの再生が望めないため、図２７のような音場は形成されない。同じく、図２６のような自然界の音の聴取条件とも異なるため、聴取者２の脳が混乱し、頭の中に音源がある、いわゆる頭内定位現象を生じる。この頭内定位現象が、ヘッドホン・イヤホン聴取時の音質悪化の一因となっている。

例えば、従来の特許文献１、２のカナル型イヤホンでは、スピーカ再生を前提とした音源を使いながら、直接音Ｌ，Ｒだけを再生していて、遅延音Ｌａ，Ｒａの再生を考慮していないので、頭内定位現象による品質悪化の課題がある。

これらを解決するために、従来、例えば、デジタル・シグナル・プロセッサ（以下「ＤＳＰ」という。）を使って頭内定位を改善する提案がされているが、信頼性の高いものが実現されていない。又、ＤＳＰを使ったものは、電子回路を使用するため、構造が複雑で、高価であり、普及の妨げにもなっている。

本発明の目的は、音響回路で遅延回路を作り、パッシブ型で、遅延音Ｌａ，Ｒａを再生することで、従来のカナル型イヤホンの音質を改善しようとするものである。

本発明のカナル型イヤホンは、左右一対の第１音声信号及び第２音声信号を有するステレオ信号のうちの前記第１音声信号を入力して第１音波に変換する第１ドライバユニットと、前記第２音声信号を入力して前記第１音波と同位相及び同振幅の第２音波に変換する第２ドライバユニットと、遅延パイプと、ハウジングと、外耳道挿入用のイヤピースと、を備えることを特徴とする。

ここで、前記遅延パイプは、音源から聴取者の左耳と右耳とに到来する音波の到達距離差に基づいて設定されたパイプ長を有し、前記第２ドライバユニットで変換された前記第２音波を導入し、前記パイプ長により前記第２音波を遅延させて、前記第２音波の位相を所定時間遅れさせるものである。前記ハウジングは、前記第１ドライバユニット、前記第２ドライバユニット、及び前記遅延パイプが収容され、前記第１ドライバユニットで変換された前記第１音波と前記遅延パイプで位相が遅れた前記第２音波とを合成して合成音を再生し、前記合成音を開口部から放出するものである。更に、前記イヤピースは、前記ハウジングの前記開口部に装着され、前記ハウジングから放出された前記合成音を外耳道へ導くものである。

本発明のカナル型イヤホンによれば、第１音声信号及び第２音声信号を有するステレオ音声信号のうちの、第１音声信号を第１ドライユニットに加え、第２音声信号を第２ドライバユニットに加え、遅延パイプによって遅延音を作り、第１ドライバユニットから放出される直接音と、その遅延音と、を合成して音声信号を再生するようにしている。特に、従来のカナル型イヤホンでは再生されていない遅延音を加えることで、頭内定位感の軽減、広い音場感、及び立体感を得ることができる。これにより、音源定位感の向上と臨場感の向上が図れる。更に、構造が簡単であるため、信頼性の高い再生機能と低コスト化が可能になる。

本発明の実施例１におけるカナル型イヤホンの原理を示す概略の構成図 図１中の右耳用イヤホン１０Ｒの斜視図 図２の側面図 図３のＩ−Ｉ線拡大断面図 図３のＩＩ−ＩＩ線拡大断面図 図２の左側面視の分解斜視図 図２の右側面視の分解斜視図 図１中の遅延パイプ長の検討を示す図 図８の遅延距離を示す図 図８の遅延距離の算出例を示す図 図１０の遅延距離の算出結果を示す図 図１（ｂ）の動作波形図 図１２のベクトル表示を示す図 遅延パイプ長のシミュレーション条件を示す図 遅延パイプ長のシミュレーション波形を示す図 遅延パイプ長の計算例を示す図 遅延パイプ長が２２０ｍｍの実験結果を示す波形図 遅延パイプ長が２２０ｍｍの他の実験結果を示す波形図 遅延パイプ長が２２０ｍｍの他の実験結果を示す波形図 実験用イヤホンモデル１の周波数特性を示す波形図 図１８中の一部の周波数特性を示す波形図 図１９の差の周波数特性を示す波形図 遅延パイプ長が１００ｍｍの実験結果を示す波形図 実験用イヤホンモデル２の周波数特性を示す波形図 図２２中の一部の周波数特性を示す波形図 図２３の差の周波数特性を示す波形図 効果確認用の回路基板を示す概略の回路図 聴取者の耳による音源の知覚を説明する図 スピーカを使ったステレオ音源の再生を示す図 ヘッドホンによるステレオ音源の再生を示す図

本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

（実施例１の原理）
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例１におけるカナル型イヤホンの原理を示す概略の構成図であり、同図（ａ）は全体の構成図、及び同図（ｂ）は左耳用イヤホンの等価回路図である。

このカナル型イヤホン１０は、左右一対の第１イヤホン（例えば、左耳用イヤホン）１０Ｌ及び第２イヤホン（例えば、右耳用イヤホン）１０Ｒを備えている。左耳用イヤホン１０Ｌ及び右耳用イヤホン１０Ｒには、ステレオ音声信号である一対の第１音声信号（例えば、左耳用音声信号）ＳＬ及び第２音声信号（例えば、右耳用音声信号）ＳＲを入力するプラグ付きコード１１が接続されている。左耳用イヤホン１０Ｌと右耳用イヤホン１０Ｒとは、入力される左耳用音声信号ＳＬと右耳用音声信号ＳＲとの結線状態が異なるのみであり、同一の部品で構成されているので、それらの構成部品には同一の符号を付している。

左耳用イヤホン１０Ｌは、構成部品を収容するための筐体であるハウジング２０を有している。ハウジング２０内には、第１ドライバユニット（例えば、耳側前方のフロントドライバユニット）３０と、第２ドライバユニット（例えば、後方のリヤドライバユニット）４０と、そのリヤドライバユニット４０及びフロントドライバユニット３０間に連結された遅延パイプ４０と、が収容されている。フロントドライバユニット３０の前方側には、ハウジング２０から突出して外耳道挿入用のイヤピース６０が装着されている。

フロントドライバユニット３０は、コード１１から左耳用音声信号ＳＬを入力して第１音波（例えば、左耳用の直接音）Ｌに変換する電気音響変換器である。リヤドライバユニット４０は、コード１１から右耳用音声信号ＳＲを入力して左耳用直接音Ｌと同位相及び同振幅の第２音波（例えば、左耳用の直接音）Ｒに変換する電気音響変換器である。遅延パイプ５０は、リヤドライバユニット４０で変換された左耳用の直接音Ｒを導入し、この直接音Ｒを遅延させることにより該直接音Ｒの位相を遅れさせて左耳用の遅延音Ｒａを生成するものであり、所定の長さＨを有している。

これらのフロントドライバユニット３０、リヤドライバユニット４０、及び遅延パイプ５０を収容するハウジング２０は、フロントドライバユニット３０で変換された左耳用の直接音Ｌと、遅延パイプ５０で位相が遅れた左耳用の遅延音Ｒａと、を合成して左耳用の合成音（Ｌ＋Ｒａ）を再生し、開口部（例えば、導音管）から放出する機能を有している。又、イヤピース６０は、ハウジング２０の導音管に装着され、そのハウジング２０から放出された合成音（Ｌ＋Ｒａ）を聴取者２の左耳２Ｌの外耳道へ導くものである。

右耳用イヤホン１０Ｒは、左耳用イヤホン１０Ｌと同一の構成であるが、その構成部品の機能が左耳用イヤホン１０Ｌと少し異なっている。

即ち、右耳用イヤホン１０Ｒにおいて、フロントドライバユニット３０は、コード１１から右耳用音声信号ＳＲを入力して第１音波（例えば、右耳用の直接音）Ｒに変換する電気音響変換器である。リヤドライバユニット４０は、コード１１から左耳用音声信号ＳＬを入力して右耳用直接音Ｒと同位相及び同振幅の第２音波（例えば、右耳用の直接音）Ｌに変換する電気音響変換器である。遅延パイプ５０は、リヤドライバユニット４０で変換された右耳用の直接音Ｌを導入し、この直接音Ｌを遅延させることにより該直接音Ｌの位相を遅れさせて右耳用の遅延音Ｌａを生成するものであり、所定の長さＨを有している。

これらのフロントドライバユニット３０、リヤドライバユニット４０、及び遅延パイプ５０を収容するハウジング２０は、フロントドライバユニット３０で変換された右耳用の直接音Ｒと、遅延パイプ５０で位相が遅れた右耳用の遅延音Ｌａと、を合成して右耳用の合成音（Ｒ＋Ｌａ）を再生し、導音管から放出する機能を有している。又、イヤピース６０は、ハウジング２０の導音管から放出された合成音（Ｒ＋Ｌａ）を聴取者２の右耳２Ｒの外耳道へ導くものである。

このように構成されるカナル型イヤホン１０の原理は、次の通りである。

左耳用イヤホン１０Ｌでは、コード１１から送られてくる左耳用音声信号ＳＬ及び右耳用音声信号ＳＲを入力する。入力された左耳用音声信号ＳＬは、フロントドライバユニット３０によって左耳用の直接音Ｌに変換される。更に、入力された右耳用音声信号ＳＲは、リヤドライバユニット４０により、直接音Ｌと同位相及び同振幅の左耳用の直接音Ｒに変換される。変換された直接音Ｒは、遅延パイプ５０によって遅延されて位相が遅れた左耳用の遅延音Ｒａに変換される。ハウジング２０内において、変換された左耳用直接音Ｌと左耳用遅延音Ｒａとが合成され、左耳用合成音（Ｌ＋Ｒａ）が再生される。再生された左耳用合成音（Ｌ＋Ｒａ）は、ハウジング２０の導音管を経由して、左耳用のイヤピース６０から聴取者２の左耳２Ｌの外耳道へ導かれる。

同様に、右耳用イヤホン１０Ｒでは、コード１１から送られてくる左耳用音声信号ＳＬ及び右耳用音声信号ＳＲを入力する。入力された右耳用音声信号ＳＲは、フロントドライバユニット３０によって右耳用の直接音Ｒに変換される。更に、入力された左耳用音声信号ＳＬは、リヤドライバユニット４０により、直接音Ｒと同位相及び同振幅の右耳用の直接音Ｌに変換される。変換された直接音Ｌは、遅延パイプ５０によって遅延されて位相が遅れた右耳用の遅延音Ｌａに変換される。ハウジング２０内において、変換された右耳用直接音Ｒと右耳用遅延音Ｌａとが合成され、右耳用合成音（Ｒ＋Ｌａ）が再生される。再生された右耳用合成音（Ｒ＋Ｌａ）は、ハウジング２０の導音管を経由して、右耳用のイヤピース６０から右耳２Ｒの外耳道へ導かれる。

本実施例１のカナル型イヤホン１０では、従来のカナル型イヤホンでは再生されていない遅延音Ｌａ，Ｒａを直接音Ｌ，Ｒに加えることで、頭内定位感が軽減されて広い音場感と立体感が得られる。これにより、音源定位感の向上と臨場感の向上が図れる。

（実施例１の構成）
図２は図１中の右耳用イヤホン１０Ｒの斜視図、図３は図２の側面図、図４は図３のＩ−Ｉ線拡大断面図、図５は図３のＩＩ−ＩＩ線拡大断面図、図６は図２の左側面視の分解斜視図、及び、図７は図２の右側面視の分解斜視図である。

図１の左側イヤホン１０Ｌは、右側イヤホン１０Ｌと同一の構成である。
図２及び図３中の矢印Ｘはイヤホン１０Ｒの軸方向、矢印Ｙは矢印Ｘの垂直方向、及び、矢印Ｚは矢印Ｘに対する直交方向を示している。

図２及び図３に示す右耳用イヤホン１０Ｒにおいて、部品収容用のハウジング２０は、円筒状のメインハウジング２１を有し、このメインハウジング２１の外周面の一部に、箱形のコード引き出し部２１ａが突設されている。メインハウジング２１の前方側には、フロントハウジング２２が固着されている。フロントハウジング２２は、メインハウジング２１と同一の直径の円筒状をなし、前面が閉塞されて、この閉塞箇所の中央に、円筒状の導音管２２ａが突設されている。導音管２２ａには、楕円体傘形のイヤピース６０が着脱自在に装着されている。メインハウジング２１の後方側には、このメインハウジング２１よりも大きな直径の円筒状のリヤハウジング２３が固着されている。リヤハウジング２４の前面において、メインハウジング２１の後面側外周との間は、閉塞されている。リヤハウジング２３の後面側は、円板状のリヤハウジングキャップ２４が固着されて閉塞されている。

図４及び図５に示す破線の矢印は、リヤドライバユニット４０で変換された右耳用遅延音Ｌａの流れを示している。

図４〜図７に示すように、フロントハウジング２２の前面には、円筒状の導音管２２ａが突設され、この導音管２２ａ内に、円柱状のイコライザ２２ｂが挿入されている。イコライザ２２ｂは、右耳用合成音（Ｒ＋Ｌａ）の周波数を変更して、主に中高音のバランスを取るための部材であり、スポンジ等で形成されている。導音管２２ａの外周面には、イヤピース６０が着脱自在に装着されている。イヤピース６０は、導音管２２ａの外周に装着される円筒状の取り付け部６１と、この取り付け部６１の前端に延設された楕円体傘形の外耳道挿入部６２と、を有し、シリコーンゴム等の弾性部材により形成されている。

フロントハウジング２２の後部側には、円筒状の遅延パイプ取り付け部２２ｂが設けられている。遅延パイプ取り付け部２２ｂには、遅延パイプ５０の他端５２が固定されている。フロントハウジング２２の後部内には、遅延パイプ取り付け部２２ｂの近傍に、フロントドライバユニット３０が装着されている。フロントドライバユニット３０は、丸皿形状のフロントドライバハウジング３１と、電気音響変換器であるフロントドライバ３２と、帽子状のフロントドライバキャップ３３と、により構成されている。フロントドライバハウジング３１は、円形の開口部３１ａを有し、フロントハウジング２２の後部内に装着されている。フロントドライバハウジング３１の開口部３１ａには、フロントドライバ３２が装着されている。フロントドライバキャップ３３は、フロントドライバ３２を後側から覆う部材であり、このフロントドライバキャップ３３の後面側に、貫通孔を有する円筒部３３ａが突設されている。円筒部３３ａ内には、スポンジ等で形成された振動吸収用のフロント側音質調整材３３ｂが挿入されている。

フロントハウジング２２の後方側に配置されたメインハウジング２１内の後部側には、リヤドライバユニット４０が装着されている。リヤドライバユニット４０は、フロントドライバユニット３０の音波発生方向の軸に対して同一の軸上に配置されている。このリヤドライバユニット４０は、丸皿形状のリヤドライバハウジング４１と、電気音響変換器であるリヤドライバ４２と、帽子状のフロントドライバキャップ４３と、により構成されている。リヤドライバハウジング４１は、この前面側に円筒状の遅延パイプ取り付け部４１ａを有し、メインハウジング２１内の後部側に装着されている。遅延パイプ取り付け部４１ａには、遅延パイプ５０の一端５１が固定されている。リヤドライバハウジング４１の内には、リヤドライバ４２が装着されている。リヤドライバ４２の後部側には、リヤドライバ特性調整機構４２ａが取り付けられている。リヤドライバキャップ４３は、リヤドライバ４２を後側から覆う部材であり、このリヤドライバキャップ４３の後面側に、貫通孔を有する円筒部４３ａが突設されている。円筒部４３ａ内には、スポンジ等で形成された振動吸収用のリヤ側音質調整材４３ｂが挿入されている。

メインハウジング２１の後方側に配置されたリヤハウジング２３は、前面側に円形の開口部２３ａが形成され、この開口部２３ａ内に、リヤドライバユニット４０が収容されている。更に、リヤハウジング２３内には、リヤドライバユニット４０の周辺を囲むように、遅延パイプ５０が収容されている。遅延パイプ５０は、リヤドライバユニット４０の音波発生方向に対して直交する方向に、リング状に巻き回した螺旋構造になっており、この螺旋構造の一端５１が、その音波発生方向に対して略Ｕ字形に屈曲して、フロントハウジング２２側の遅延パイプ取り付け部２２ｂに固定され、螺旋構造の他端５２が、その音波発生方向の前方に延びて、リヤドライバハウジング４１側の遅延パイプ取り付け部４１ａに固定されている。リヤハウジング２３の後面側は、リヤハウジングキャップ２４により閉塞されている。

（実施例１の動作）
図２〜図７に示す右側イヤホン１０Ｒの動作を説明する。

右耳用イヤホン１０Ｒでは、コード１１から送られてくる右耳用音声信号ＳＲ及び左耳用音声信号ＳＬを入力する。入力された右耳用音声信号ＳＲは、フロントドライバユニット３０内のフロントドライバ３２によって右耳用の直接音Ｒに変換され、フロントハウジング２２内へ放出される。更に、入力された左耳用音声信号ＳＬは、リヤドライバユニット４０内のリヤドライバ４２により、直接音Ｒと同位相及び同振幅の右耳用の直接音Ｌに変換される。

変換された直接音Ｌは、図５中の破線矢印で示すように、遅延パイプ５０の一端５１から入り、螺旋構造中を伝搬して遅延され、位相が遅れた右耳用の遅延音Ｌａが、図４中の破線矢印で示すように、遅延パイプ５０の他端５２から放出される。放出された右耳用の遅延音Ｌａは、フロントハウジング２２内において、右耳用直接音Ｒと合成され、右耳用合成音（Ｒ＋Ｌａ）が再生される。再生された右耳用合成音（Ｒ＋Ｌａ）は、フロントハウジング２２の導音管２２ａを経由して、右耳用のイヤピース６０から右耳２Ｒの外耳道へ導かれる。

同時に、左耳用イヤホン１０Ｌでも、右耳用イヤホン１０Ｒと同様の動作が行われ、左耳用合成音（Ｌ＋Ｒａ）が再生され、左耳用のイヤピース６０から左耳２Ｌの外耳道へ導かれる。これにより、聴取者２は、両耳２Ｌ，２Ｒにて、頭内定位感が軽減された広い音場感と立体感のあるステレオ音を聞くことができる。

（実施例１の実験結果）
図２７に示すように、ステレオ音源を左右のスピーカ３Ｌ，３Ｒで再生した場合、聴取者２の右耳２Ｒには右側スピーカ３Ｒからの直接音Ｒと左側スピーカ３Ｌからの遅延音Ｌａが届き、左耳２Ｌには左側スピーカ３Ｌからの直接音Ｌと右側スピーカ３Ｒからの遅延音Ｒａが届いている。

図１に示すように、本実施例１のカナル型イヤホン１０では、図２７の両耳２Ｌ，２Ｒへの入力音と比較すれば明らかように、左耳２Ｌには、左耳用の直接音Ｌと遅延パイプ５０による左耳用の遅延音Ｒａとの合成音（Ｌ＋Ｒａ）が再生され，右耳２Ｒには、右耳用の直接音Ｒと遅延パイプ５０による右耳用の遅延音Ｌａとの合成音（Ｒ＋Ｌａ）が再生される。遅延時間は、遅延パイプ５０の長さで調整できる。

図８は、図１中の遅延パイプ長の検討を示す図、更に、図９は、図８の遅延距離を示す図である。
図８及び図９に示すように、両耳間隔を矢印定し（例えば、１８ｃｍ）、正面から右方向の音の到来角度をθ（°）とすると、遅延距離ｈ（ｃｍ）は、図１０のようになる。例えば、到来角度θが３０°の場合は遅延距離ｈが９（ｃｍ）、到来角度θが９０°の場合は遅延距離ｈが１８（ｃｍ）になる。

図１０は、図８の遅延距離の算出例を示す図、更に、図１１は、図１０の遅延距離の算出結果を示す図である。
図１０及び図１１に示すように、聴取者２の頭の半径をｒ（例えば、９ｃｍ）とすると、音の到来角度θ（°）に対する遅延距離ｈ２（ｃｍ）は、式（１）から求めることができる。
ｈ２＝２πｒ×（θ／３６０°） （１）
更に、遅延距離ｈ１は、式（２）から求めることができる。
ｈ１＝（左耳２Ｌへ届く遅延音Ｒａの伝搬距離）
−（右耳２Ｒへ届く直接音Ｒの伝搬距離） （２）
従って、到来角度θ（°）に対する遅延距離ｈ１，ｈ２，ｈ１＋ｈ２は、図１２のようになる。

例えば、到来角度θが３０°の場合、遅延距離ｈ１は４．５ｃｍ、遅延距離ｈ２は４．７１２３８９ｃｍ、及び、遅延距離ｈ１＋ｈ２は９．２１２３８９ｃｍとなる。

次に、図１（ｂ）の等価回路を参照して、音波合成による位相干渉について考察する。
図１２は、図１（ｂ）の動作波形図であり、横軸は時間、縦軸は音圧である。
この図１２には、フロントドライバユニット３０の出力音Ａと、遅延パイプ５０による遅れｘだけ遅れているリヤドライバユニット４０の出力音Ｂと、が示されている。

遅延パイプ５０による遅れｘは、式（１）に基づいて、次式（３）から算出できる。
ｘ＝（２π／λ）Ｈ＝ｋＨ （３）
但し、ｋ＝２π／λ＝ω／ｃ
ｋ；波数（波長定数）
Ｈ；遅延パイプ５０の長さ
ω＝２πｆ；角周波数
ｆ；周波数
ｃ；音速

図１３は、図１２のベクトル表示を示す図である。
フロントドライバユニット３０の出力音Ａ、遅延パイプ５０による遅れｘだけ遅れているリヤドライバユニット４０の出力音Ｂ、及び、出力音Ａと出力音Ｂの合成出力音Ｃは、式（４）で表せる。
（Ａ＋Ｂｃｏｓｘ）^２＋（Ｂｓｉｎｘ）^２＝Ｃ^２ （４）
式（４）を展開すると、式（５）になる。
Ａ^２＋２ＡＢｃｏｓｘ＋（Ｂｃｏｓｘ）^２＋（Ｂｓｉｎｘ）^２
＝Ａ^２＋Ｂ^２＋２ＡＢｃｏｓｘ＝Ｃ^２ （５）
従って、合成出力音Ｃは、式（６）のようになる。
Ｃ＝√（Ａ^２＋Ｂ^２＋２ＡＢｃｏｓｘ） （６）

フロントドライバユニット３０及びリヤドライバユニット４０に同位相・同レベルで入力される信号の合成出力音がＣとなる。フロントドライバユニット３０及びリヤドライバユニット４０に同位相・同レベルで入力される信号とは、図２７において正面・中央に定位する音である。多くの音楽では、ボーカルとベースを正面・中央に定位させているので、それらが位相干渉の影響を受ける。

正面・中央以外に定位するように意図された音は、例えば、レベル差及び位相差をつけて録音されている。この場合の位相干渉は、正面・中央に定位する音よりも小さいと推定される。

図１４−１、図１４−２、図１４−３〜図２４は、最適な遅延パイプ長の算出例を示す図である。
そのうち、図１４−１、図１４−２、図１４−３は、遅延パイプ長のシミュレーションを示す図であり、図１４−１は遅延パイプ長のシミュレーション条件、図１４−２は遅延パイプ長のシミュレーション波形、及び図１４−３は計算例である。図１４−２の波形図の横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は音圧（ｄＢ）である。

図１４−１に示すように、フロントドライバユニット３０の出力音Ａ、遅延パイプ５０による遅れｘだけ遅れているリヤドライバユニット４０の出力音Ｂ、及び遅延パイプ５０の長さＨの条件を矢印定する。例えば、音速は３４０ｍ／ｓ、遅延パイプ長Ｈは２２０ｍｍ、出力音Ａ，Ｂは１、第１ｄｉｐ周波数は０．７７２７２７２７ｋＨｚに矢印定する。そして、Ｌチャンネル・Ｒチャンネルに同相・同振幅で入力される音声信号の出力特性をシミュレートした。

Ｌチャンネル・Ｒチャンネルに同相・同振幅で入力される音声信号とは、正面・中央に定位する音源を想定している。ここには主に、ボーカル・ベースが定位するので、音源再生上、重要な特性になる。このシミュレート結果の波形図が図１４−２に示されている。更に、式（６）を計算する。この計算結果が図１４−３に示されている。なお、音速、遅延パイプ長、出力音Ａ，Ｂは変更できる。

（Ｉ） 実験結果１
図１５は、遅延パイプ長Ｈが２２０ｍｍの実験結果を示す波形図であり、横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は音圧（ｄＢ）である。
横方向への音の広がり感を期待して、つまり音の広がり感最大（真横からの音）を想定して、遅延パイプ長２２０ｍｍを実験した。

フロントドライバユニット３０の出力音Ａ及びリヤドライバユニット４０の出力音Ｂの同相・同振幅の信号を加える。この遅延パイプ５０による位相干渉のシミュレーション結果の波形が図１５に示されている。図１５において、矢印１で示す周波数７７０Ｈｚに、位相干渉による凹みが見える。又、中・高域周波数にも、多くの凹凸が生じている。

図１６は、遅延パイプ長Ｈが２２０ｍｍの他の実験結果を示す波形図であり、横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は音圧（ｄＢ）である。
図１５の実験結果において、実際には、リヤドライバユニット４０の出力音Ｂが、遅延パイプ５０により減衰する。又、高域周波数は、より減衰すると推定される。そこで、図１６では、リヤドライバユニット４０の出力音Ｂが、図１５より半分になった場合をシミュレートした。図１６の矢印２に示すように、位相干渉は、図１５より改善されているのが分かる。

図１７は、遅延パイプ長２２０ｍｍの他の実験結果を示す波形図であり、横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は音圧（ｄＢ）である。
この図１７では、フロントドライバユニット３０の出力音Ａ及びリヤドライバユニット４０の出力音Ｂを同振幅にし、リヤドライバユニット４０の出力音Ｂを逆相にした場合の遅延パイプ５０による位相干渉のシミュレーション結果が示されている。図１７中の矢印３で示すように、位相干渉により、低域周波数レベルが低下しているのが分かる。これは、音楽再生では好ましくないので、リヤドライバユニット４０に対しては、同相給電にすることが必要である。

図１（ａ）中の左耳用イヤホン１０Ｌにおいて、図６及び図７に示すように、遅延パイプ５０を、リング状に巻き回した構造にした実験用イヤホンモデル１を作成した。

図１８は、実験用イヤホンモデル１の周波数特性を示す波形図であり、横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は音圧（ｄＢ）である。
図１８において、破線の波形は、フロントドライバユニット３０側だけに給電した特性である。一点鎖線の波形は、リヤドライバユニット４０側だけに給電した特性である。又、実線の波形は、フロントドライバユニット３０及びリヤドライバユニット４０に同時給電した特性である。

図１８において、矢印４で示すように、位相干渉による凹みが見える。同じく、矢印５及び矢印６で示すように、位相干渉による増加が見える。しかし、矢印７に示すように、フロントドライバユニット３０及びリヤドライバユニット４０に同時給電した場合の位相干渉は、高域周波数ではさほど影響がないことが分かる。

図１５の実験結果と比較してみると、略同じような位相干渉が起きている。しかし、図１８では、位相干渉の周波数が、全体的に低い方にずれているのが観測できる。この理由としては、遅延パイプ５０が等価的に長くなっているのか、或いは、遅延パイプ５０内の音速が遅くなっているのかもしれない。この程度の誤差は、実験の繰り返しで補正できる。

図１９は、図１８中の一部の周波数特性（即ち、図１８から破線の波形と実線の波形とを抜き出した周波数特性）を示す波形図であり、横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は音圧（ｄＢ）である。
この図１９では、図１８においてフロントドライバユニット３０側だけに給電した場合の破線の波形Ｔａｋｅ１５と、フロントドライバユニット３０側及びリヤドライバユニット４０側に同時給電した場合の実線の波形Ｔａｋｅ１７と、が示されている。

図２０は、図１９の差の周波数特性（即ち、図１９における実線の波形Ｔａｋｅ１７と破線の波形Ｔａｋｅ１５との差の周波数特性）を示す波形図であり、横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は音圧（ｄＢ）である。
この図２０では、実線の波形Ｔａｋｅ１７と破線の波形Ｔａｋｅ１５との差の波形（Ｔａｋｅ１７−Ｔａｋｅ１５）が、二点鎖線で示されている。図１５及び図１６のような位相干渉が確認できる。出力音は、フロントドライバユニット３０側から出る直接音Ｌと、リヤドライバユニット４０側からの遅延音Ｒａと、の合成であることが分かる。

（ＩＩ） 実験結果２
図２１は、遅延パイプ長Ｈが１００ｍｍの実験結果を示す波形図であり、横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は音圧（ｄＢ）である。

スピーカ聴取状態を仮定して、延長パイプ長１００ｍｍを実験した。実験結果１と同様に、フロントドライバユニット３０の出力音Ａ及びリヤドライバユニット４０の出力音Ｂの同相・同振幅の信号を加える。この遅延パイプ５０による位相干渉のシミュレーション結果の波形が図２１に示されている。位相干渉周波数が高めに移動することが予想される。

実験結果１と同様に、遅延パイプ長１００ｍｍの遅延パイプ５０を、リング状に巻き回した構造にした実験用イヤホンモデル２を作成した。

図２２は、実験用イヤホンモデル２の周波数特性を示す波形図であり、横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は音圧（ｄＢ）である。
図２２において、破線の波形は、フロントドライバユニット３０側だけに給電した特性である。一点鎖線の波形は、リヤドライバユニット４０側だけに給電した特性である。又、実線の波形は、フロントドライバユニット３０及びリヤドライバユニット４０に同時給電した特性である。

図２２の一点鎖線の波形において、矢印１で示すように、リヤドライバユニット４０側の低域音圧が高い。この領域は同相で合成されるため、矢印２で示すように、合成出力音も増加している。矢印３で示すように、延長パイプ５０が短いため、リヤドライバユニット４０側の出力音の高域の損失が少ないせいか、延長パイプ長２２０ｍｍの実験結果１に比べ、高域での位相干渉が目立つ。

図２３は、図２２中の一部の周波数特性（即ち、図２２から破線の波形と実線の波形とを抜き出した周波数特性）を示す波形図であり、横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は音圧（ｄＢ）である。

この図２３では、図２２においてフロントドライバユニット３０側だけに給電した場合の破線の波形Ｔａｋｅ９と、フロントドライバユニット３０側及びリヤドライバユニット４０側に同時給電した場合の実線の波形Ｔａｋｅ１１と、が示されている。

図２４は、図２３の差の周波数特性（即ち、図２３における実線の波形Ｔａｋｅ１１と破線の波形Ｔａｋｅ９との差の周波数特性）を示す波形図であり、横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は音圧（ｄＢ）である。

この図２４では、実線の波形Ｔａｋｅ１１と破線の波形Ｔａｋｅ９との差の波形（Ｔａｋｅ１１−Ｔａｋｅ９）が、二点鎖線で示されている。図２１のような位相干渉が確認できる。実験結果１の延長パイプ長２２０ｍｍと比べると、位相干渉の周波数が高めにずれていることが分かる。延長パイプ５０の長さＨで、位相遅れが調整できる。

（実施例１の効果）
図２５は、効果確認用の回路基板を示す概略の回路図である。
図２５中のＴＬは左耳用音声信号ＳＬの入力端子、ＴＲは右耳用音声信号ＳＲの入力端子、ＴＧは接地端子、５０Ｌは左耳用イヤホン１０Ｌの遅延パイプ５０に相当する左耳用可変抵抗（例えば、３３０Ω）、及び、５０Ｒは右耳用イヤホン１０Ｒの遅延パイプ５０に相当する右耳用可変抵抗（例えば、３３０Ω）である。

本実施例１の効果を確認するために、図２５に示すような回路基板を作り、音楽を再生しながら、可変抵抗５０Ｌ，５０Ｒの抵抗値を変化させて効果を確認し、次の（１）〜（５）のような結果が得られた。

（１） 音源にもよるが、従前、両耳２Ｌ，２Ｒの位置に定位していた音は、両耳２Ｌ，２Ｒの外側に１０ｃｍ〜２０ｃｍ程度、離れた場所に定位している。元々、両耳２Ｌ，２Ｒから離れて定位していた音は、更に遠方に定位している。音の横方向の広がりは、従来のカナル型イヤホンよりは非常に改善された。
（２） 頭内定位改善は、スピーカ聴取時のようにはいかないが、従来のカナル型イヤホンよりは気にならない。音の横方向の広がり感のせいで、頭内定位の不自然さが和らげられている。
（３） 音場が広がったせいで、臨場感のある再生音が得られている。
（４） 延長パイプ５０の長さＨとしては、聴感上、１００ｍｍに比べて２２０ｍｍの方が音の広がり感に勝る。延長パイプ５０の長さＨは、２２０ｍｍが好ましいが、聴取者２の両耳間隔の違いを考慮して、その長さＨを他の最適値に変更することが可能である。
（５） 構造が簡単であるため、信頼性の高い再生機能と低コスト化が可能になる。

（変形例）
本発明は、上記実施例１に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の（ａ）〜（ｃ）のようなものがある。

（ａ） カナル型イヤホン１０の構造は、図２〜図８のものに限定されず、他の構造に変更しても良い。
（ｂ） 例えば、カナル型イヤホン１０は、実装構造上、小型化が要求されるので、延長パイプ５０は、リング状に巻き回した構造が最適であるが、その取り付け位置等は、図４及び図５のものに限定されない。例えば、遅延パイプ５０は、合成音の放出方向に沿って、リング状に巻回した構造、つまり、第２ドライバユニット４０と第１ドライバユニット３０との間に、合成音の放射方向（即ち、イヤホン１０の軸方向）に沿って、リング状に巻回した構造にしても良い。これにより、イヤホン１０の軸方向の長さを短くすることができる。
（ｃ） 延長パイプ５０は、断面が円形に限らず、四角形、多角形等の他の形状に変更しても良い。

１ 音源
２ 聴取者
２Ｌ 左耳
２Ｒ 右耳
１０ カナル型イヤホン
１０Ｌ 左耳用イヤホン（第１イヤホン）
１０Ｒ 右耳用イヤホン（第２イヤホン）
１１ コード
２０ ハウジング
３０ フロントドライバユニット（第１ドライバユニット）
４０ リヤドライバユニット（第２ドライバユニット）
５０ 遅延パイプ
６０ イヤピース

本発明のカナル型イヤホンは、左右一対の第１音声信号及び第２音声信号を有するステレオ信号のうちの前記第１音声信号を入力して第１音波に変換する第１ドライバユニットと、前記第２音声信号を入力して前記第１音波と同位相及び同振幅の第２音波に変換する第２ドライバユニットと、音源から聴取者の左耳と右耳とに到来する音波の到達距離差に基づいて設定されたパイプ長を有し、前記第２ドライバユニットで変換された前記第２音波を導入し、前記パイプ長により前記第２音波を遅延させて、前記第２音波の位相を所定時間遅れさせる遅延パイプと、前記第１ドライバユニット、前記第２ドライバユニット、及び前記遅延パイプが収容され、前記第１ドライバユニットで変換された前記第１音波と前記遅延パイプで位相が遅れた前記第２音波とを合成して合成音を再生し、前記合成音を開口部から放出するハウジングと、前記ハウジングの前記開口部に装着され、前記ハウジングから放出された前記合成音を外耳道へ導く外耳道挿入用のイヤピースと、を備えている。

そして、前記遅延パイプは、リング状に巻回した構造になっていることを特徴とする。

図８は、図１中の遅延パイプ長の検討を示す図、更に、図９は、図８の遅延距離を示す図である。
図８及び図９に示すように、両耳間隔を設定し（例えば、１８ｃｍ）、正面から右方向の音の到来角度をθ（°）とすると、遅延距離ｈ（ｃｍ）は、図１０のようになる。例えば、到来角度θが３０°の場合は遅延距離ｈが９（ｃｍ）、到来角度θが９０°の場合は遅延距離ｈが１８（ｃｍ）になる。

図１４−１に示すように、フロントドライバユニット３０の出力音Ａ、遅延パイプ５０による遅れｘだけ遅れているリヤドライバユニット４０の出力音Ｂ、及び遅延パイプ５０の長さＨの条件を設定する。例えば、音速は３４０ｍ／ｓ、遅延パイプ長Ｈは２２０ｍｍ、出力音Ａ，Ｂは１、第１ｄｉｐ周波数は０．７７２７２７２７ｋＨｚに設定する。そして、Ｌチャンネル・Ｒチャンネルに同相・同振幅で入力される音声信号の出力特性をシミュレートした。

Claims (8)

1. 左右一対の第１音声信号及び第２音声信号を有するステレオ信号のうちの前記第１音声信号を入力して第１音波に変換する第１ドライバユニットと、
   前記第２音声信号を入力して前記第１音波と同位相及び同振幅の第２音波に変換する第２ドライバユニットと、
   音源から聴取者の左耳と右耳とに到来する音波の到達距離差に基づいて設定されたパイプ長を有し、前記第２ドライバユニットで変換された前記第２音波を導入し、前記パイプ長により前記第２音波を遅延させて、前記第２音波の位相を所定時間遅れさせる遅延パイプと、
   前記第１ドライバユニット、前記第２ドライバユニット、及び前記遅延パイプが収容され、前記第１ドライバユニットで変換された前記第１音波と前記遅延パイプで位相が遅れた前記第２音波とを合成して合成音を再生し、前記合成音を開口部から放出するハウジングと、
   前記ハウジングの前記開口部に装着され、前記ハウジングから放出された前記合成音を外耳道へ導く外耳道挿入用のイヤピースと、
   を備えることを特徴とするカナル型イヤホン。
2. 前記パイプ長により、前記第２音波の位相遅れを調整することを特徴とする請求項１記載のカナル型イヤホン。
3. 前記遅延パイプは、
   リング状に巻回した構造になっていることを特徴とする請求項１又は２記載のカナル型イヤホン。
4. 前記第１ドライバユニットと前記第２ドライバユニットとは、
   前記合成音の放出方向に対して一定距離隔てて配置され、
   前記遅延パイプは、
   前記合成音の放出方向に対して直交する方向に、リング状に巻回した構造になっていることを特徴とする請求項３記載のカナル型イヤホン。
5. 前記第１ドライバユニットは、
   前記ハウジングの前記開口部側に配置され、
   前記第２ドライバユニットは、
   前記開口部側とは逆の前記第１ドライバユニットの後方に配置され、
   前記遅延パイプは、
   前記第２ドライバユニットの音波発生方向に対して直交する方向に、前記リング状に巻回した構造になっていることを特徴とする請求項４記載のカナル型イヤホン。
6. 前記第１ドライバユニットと前記第２ドライバユニットとは、
   前記合成音の放出方向に対して一定距離隔てて配置され、
   前記遅延パイプは、
   前記合成音の放出方向に沿って、リング状に巻回した構造になっていることを特徴とする請求項３記載のカナル型イヤホン。
7. 前記第１ドライバユニットは、
   前記ハウジングの前記開口部側に配置され、
   前記第２ドライバユニットは、
   前記開口部側とは逆の前記第１ドライバユニットの後方に配置され、
   前記遅延パイプは、
   前記第２ドライバユニットと前記第１ドライバユニットとの間に、前記合成音の放射方向に沿って、前記リング状に巻回した構造になっていることを特徴とする請求項６記載のカナル型イヤホン。
8. 前記パイプ長は、２２０ｍｍであることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項記載のカナル型イヤホン。