JP6079893B2 - ヘッドフォン - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子を用いたスピーカ部を備えるヘッドフォンに関するものである。
従来、各種のヘッドフォンが考案され、実使用されている。この中で、特許文献1に記載されているような圧電体を利用したヘッドフォンも考案されている。
特許文献1に記載のヘッドフォンは、当該ヘッドフォンを頭に装着するためのバンドと、該バンドの両端に装着されたイヤーパッド付きのスピーカ部とを備える。放音筐体内には、圧電セラミックス板を用いたスピーカが装着されている。この圧電セラミックス板を放音用駆動信号で駆動することで、ユーザの耳の鼓膜に向けて放音する。さらに、特許文献1に記載のヘッドフォンでは、圧電セラミックス板を備えるスピーカ部が、ユーザの皮膚を介して骨に接触するようにすることで、骨伝導でもユーザに音を提供している。
しかしながら、特許文献1のヘッドフォンでは、鼓膜への放音と骨伝導用振動を、一つの圧電セラミックス板で行う必要があるため、圧電セラミックス板の大きさが大きくなってしまい、重量も重くなってしまう。
また、圧電セラミックス板の形状が大きくなることで、振動時に割れやすくなってしまう。
また、特許文献1のヘッドフォンでは、スピーカ部のイヤーパッドに流体を充填しているので、スピーカ部の形状が厚くなってしまう。このため、薄型にスピーカ部が形成できるはずの圧電セラミックス板を用いても、結果的にスピーカ部が、厚く、大きくなってしまう。
本発明の目的は、薄型軽量で且つ音質特性の良好なヘッドフォンを提供することである。
この発明は、アーチ形状のヘッドバンドと、該ヘッドバンドの両端に装着された放音用ハウジングと、を備えるヘッドフォンに関するものであり、放音用ハウジングは平板状であり、該放音用ハウジングには、有機圧電フィルムおよび駆動用導体を備えた平膜状の圧電アクチュエータが装着されている、ことを特徴としている。
この構成では、圧電アクチュエータの振動によって平板状の放音用ハウジングが振動し、平板面に直交する方向に強い指向性を有するように、放音される。ヘッドバンドをユーザの頭に装着すると、この指向性の強い方向は、ユーザの耳の方向となるので、放音した音は、効果的にユーザの耳へ伝達される。また、有機圧電フィルムを用いているため、薄型で軽量に構成することができる。
また、この発明のヘッドフォンは、ヘッドバンドの内周面における前記アーチ形状が伸長する方向の中央と両端との間の特定位置に、スペーサ部材を備えることが好ましい。
この構成では、スペーサ部材がユーザの頭に当接することで、放音用ハウジングを、耳から離すことができる。これにより、ヘッドフォンの放つ音を聞きながら、外部からの音も聞くことができる。
また、この発明のヘッドフォンは、ヘッドバンドには、有機圧電フィルムおよび検出用導体を備えた平膜状の圧電センサが装着されていることが好ましい。
この構成では、圧電センサによって操作入力を受け付けることができる。
また、この発明のヘッドフォンは、有機圧電フィルムの少なくとも1層はポリ乳酸もしくはポリフッ化ビニリデンからなることが好ましい。
この構成では、薄型でありながら、圧電変換効率の高いスピーカを実現することができる。
また、この発明のヘッドフォンでは、放音用ハウジングは、透光性を有する絶縁性材料からなり、駆動用導体は透光性を有する導電性材料からなることが好ましい。
この構成では、ヘッドフォンにおけるユーザの耳に対向する部分を、透けて見えるようにすることができる。
また、この発明のヘッドフォンでは、ヘッドバンド、放音用ハウジング、および、スペーサ部材は、透光性を有する絶縁性材料からなり、圧電アクチュエータは、透光性を有する材料からなることが好ましい。
また、この発明のヘッドフォンでは、ヘッドバンド、および、放音用ハウジングは、透光性を有する絶縁性材料からなり、圧電アクチュエータおよび圧電センサは、透光性を有する材料からなることが好ましい。
これらの構成では、ヘッドフォン全体を透けて見えるようにすることができる。すなわち、ヘッドフォンを装着していないかのように見せることができる。もしくは、スタイリッシュな感じに見せることができる。
また、この発明のヘッドフォンでは、ヘッドバンドと放音用ハウジングは一体成形されていることが好ましい。
この構成では、ヘッドバンドと放音用ハウジングが接着剤や接続機構で繋がれる構造ではないので、ヘッドフォン全体としての強度を高くすることができる。また、見た目を美しくすることができる。
この発明によれば、薄型軽量で且つ音質特性の良好なヘッドフォンを実現できる。
本発明の第1の実施形態に係るヘッドフォンについて、図を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係るヘッドフォンの正面図である。図2は、本発明の第1の実施形態に係るヘッドフォンの左側面図である。
ヘッドフォン10は、ヘッドバンド11、放音部12L,12R、およびスペーサ13L,13Rを備える。ヘッドバンド11は、ポリマーを材料とする。例えば、ヘッドバンド11には、ポリカーボネイト(PC)樹脂、アクリル(PMMA)樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ABS樹脂、ポリ塩化ビニル(PVC)樹脂等を利用することができる。この際、ヘッドバンド11は、透明もしくは半透明であることが好ましい。
ヘッドバンド11は、正面視してアーチ状からなる帯状体からなる。言い換えれば、ヘッドバンド11は、長尺状であり、長尺方向に沿って湾曲する形状からなる。
放音部12L,12Rは、平板状である。放音部12Lは、ヘッドバンド11の長尺方向の一方端に接合されており、放音部12Rは、ヘッドバンド11の重畳方向の他方端に接続されている。放音部12L,12Rの平板面が、放音部12L,12Rの振動面となる。
放音部12L,12Rは、その平板面が略対向するように配置されている。この際、放音部12L,12Rの正面側端部の間隔は、背面側端部と略同じであるとよく、より好ましくは、放音部12L,12Rの正面側端部の間隔は、背面側端部の間隔よりも狭い。放音部12L,12Rの正面側端部の間隔を、背面側端部の間隔よりも狭くした態様では、人の耳の形状に沿った振動面を形成することができるので、音を耳(鼓膜)に向けて、より効果的に放音することができる。
放音部12L,12Rは、放音用ハウジング120、圧電アクチュエータ20、および保護膜121を備える。図3は、本発明の第1の実施形態に係るヘッドフォンの放音部の構成を示す図であり、図3(A)はヘッドフォンの左側面から見た図であり、図3(B)は図3(A)におけるA−A’断面図である。なお、図3では、放音部12Lを例に説明するが、放音部12Rも同じ構造である。ここでは、放音部12Lのみを説明する。
放音用ハウジング120は、平板状の絶縁性樹脂からなる。放音用ハウジング120は、ヘッドバンド11と異なる材料であってもよく、同じ材料であってもよい。放音用ハウジング120とヘッドバンド11を同じ材料とする場合、放音用ハウジング120はヘッドバンド11と一体成形するとよい。
圧電アクチュエータ20は、平膜状であり、放音用ハウジング12の平板面に装着されている。この際、圧電アクチュエータ20は、圧電アクチュエータ20の平膜面が放音用ハウジング120の平板面と平行になるように、装着されている。この装着には、例えば、接着剤を用いればよい。なお、圧電アクチュエータ20は、放音用ハウジング120の内周側の面に装着されていても、外周側の面に装着されていてもよい。放音用ハウジング120の圧電アクチュエータ20が装着されている面には、圧電アクチュエータ20を覆う形状で保護膜121が形成されている。保護膜121は、絶縁性材料からなる。例えば、保護膜121は、PETフィルムからなる。この保護膜121を備えることで、圧電アクチュエータ20を外部環境から保護することができる。また、圧電アクチュエータ20を、外部環境に対して電気的に絶縁することができる。
圧電アクチュエータ20は、圧電フィルム200と、第1駆動用導体201および第2駆動用導体202を備える。第1駆動用導体201は、圧電フィルム200の一方主面(平膜面)に形成されており、第2駆動用導体202は、圧電フィルム200の他方主面(平膜面)に形成されている。
圧電フィルム200は、ポリ乳酸(以下、PLLAと称する。)もしくはポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFと称する。)を材料として含んでいる。なお、有機圧電フィルム200には、PLLA、PVDFに限らず、ポリ尿素を含む材料等の圧電性樹脂フィルム、好ましくは圧電定数が高い部類の圧電性樹脂フィルムを用いることができる。有機圧電フィルム200にPLLAを用いる場合、有機圧電フィルム200は、延伸方向に対して各外周辺が略45°となるように裁断することで、矩形状を形成するとよい。
第1、第2駆動用導体201,202は、酸化インジウムスズITO、IZO(登録商標)、酸化亜鉛ZnO、ポリチオフェン、ポリアニリンを主成分とする材料を用いることができる。また、第1、第2駆動用導体201,202には、銀ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、グラフェン、を用いることができる。さらに、透光性を有する必要が無い場合には、アルミ蒸着電極を用いることもできる。第1、第2駆動用導体201,202は、信号ケーブル14L,14Rに接続されており、当該信号ケーブル14L,14Rを介して、放音駆動信号が印加される。
このような構造からなる圧電アクチュエータ20は、第1、第2駆動用導体201,202を印加することで、平板面に平行な方向に沿って伸縮する。この圧電アクチュエータ20の伸縮によって、平板状の放音用ハウジング120に応力が加わり、放音用ハウジング120は、平板面に直交する方向へ振動する。すなわち、放音用ハウジング120が振動板となり、音を発生する。これにより、放音用ハウジング120の平板面、すなわち放音部12L,12Rの平板面に直交する方向に強い指向性を有する音が発生する。
スペーサ13L,13Rは、略円柱形状や楕円柱形状からなり、スペーサ13L,13Rの長手方向がヘッドバンド11の幅方向と一致するように、ヘッドバンド11に接合されている。スペーサ13Lは、ヘッドバンド11の長尺方向(伸長する方向)の中央と一方端との途中位置に接合されている。スペーサ13Rは、ヘッドバンド11の長尺方向(伸長する方向)の中央と他方端との途中位置に接合されている。スペーサ13L,13Rは、ヘッドバンド11の湾曲する内側に接合されている。なお、スペーサ13L,13Rは、ユーザが接合位置をかえられるように予め接合しておらず、ユーザが後から適宜接合するようにしてもよい。スペーサ13L,13Rは、シリコンやウレタン等の柔らかい材質からなることが好ましい。
以上のような構成とすることで、薄型で軽量のヘッドフォンを実現することができる。さらに、各構成要素は、透光性を有する材料で形成できるので、透明なヘッドフォンを実現することができる。これにより、装着していないように見えるスタイリッシュなヘッドフォンを実現することができる。
このような構成からなるヘッドフォン10は、図1、図2に示すように、ユーザの頭に装着して利用される。より具体的には、ヘッドフォン10は、ヘッドバンド11が頭の形状に沿って配置され、放音部12L,12Rがユーザの耳に対向する位置に配置されるように、ユーザの頭に装着される。
ヘッドフォン10は、頭に装着していない状態、すなわち、外部応力を受けていない状態では、ヘッドバンド11の湾曲がよりきつく、放音部12L,12Rがユーザの顔幅よりも狭い間隔となるような形状である。しかしながら、ヘッドバンド11に上述のような材料を用いることで、ヘッドバンド11は弾性を有するため、例えば、ユーザが放音部12L,12R側の両端を広げるようにすれば、ユーザの頭側に応力が係る状態で、ヘッドフォン10をユーザの頭に装着することができる。
この際、スペーサ13L,13Rがユーザの頭に当接することにより、放音部12L,12Rが耳に直接接触することを防止できる。すなわち、スペーサ13L,13Rの形状を適宜設定することで、放音部12L,12Rを耳に接触させず、近接させることができる。この構成により、ヘッドフォン10を長時間に亘って装着しても、耳が痛くなることを防止できる。また、耳が放音部12L,12Rによって塞がれないので、ヘッドフォン10からの音を聞きながら、外部環境音を聞くことができる。
また、平膜状の圧電アクチュエータ20を用いた放音部12L,12Rは、電磁コイルを用いた従来の放音部よりも、絶対的な音圧が低くなってしまうが、本実施形態の構成では、放音部12L,12Rが耳の近傍にあるので、耳で感じる音量を、十分に実用的な音圧レベルにすることができる。
さらに、平膜状の圧電アクチュエータ20を用いた放音部12L,12Rは、ヘッドフォン10の内周側だけでなく、外周側にも放音し、低音域では、内周側の音と外周側の音が互いに弱め合うように作用してしまうが、低音域は波長が長く、放音部12L,12Rが耳の近傍にあるため、低音域の音は弱め合う作用が生じ難い。したがって、ヘッドフォン10は、圧電アクチュエータ20を用いた放音部12L,12Rを用いていても、低音域で十分に実用的な音圧レベルを得ることができる。
このように、本実施形態の構成を用いることで、音質特性の良好なヘッドフォンを、薄型且つ軽量で実現することができる。
特に、このような構成からなるヘッドフォン10は、室外環境よりも室内環境で使用する態様に、より好適である。例えば、パソコン、タブレット端末装置、スマートフォンに接続して使用する態様に、より好適である。
このような環境では、ヘッドフォン10からの音を聞きながら、室内からの他の音、例えば、チャイム、室内電話、他の人の会話等を聞くことができる。
また、このような構成からなるヘッドフォン10は、長時間の使用に対して、より好適である。上述のように、本実施形態のヘッドフォン10は、放音部12L,12Rが耳に直接接触しない。したがって、耳が痛くならず、外耳道が蒸れてしまうこともない。したがって、長時間で使用しても不快感を与えない。
なお、本実施形態の圧電アクチュエータ20は、1枚の圧電フィルムを用いた例を示したが、圧電フィルムを複数層に積層したものであってもよい。この構成とすることで、駆動電圧に対する伸縮量を大きくすることができ、アクチュエーション特性を向上することができる。これにより、より低い駆動電圧の放音駆動信号で、十分に実用的な音圧を放音することができる。
次に、本発明の第2の実施形態に係るヘッドフォンについて、図を参照して説明する。図4(A)は、本発明の第2の実施形態に係るヘッドフォンの正面図であり、図4(B)は、本発明の第2の実施形態に係るヘッドフォンの左側面図である。
本実施形態のヘッドフォン10Aは、第1の実施形態に示したヘッドフォン10に対して、圧電センサ15L,15Rを追加したものであり、他の構成は第1の実施形態に示したヘッドフォン10と同じである。したがって、第1の実施形態に示したヘッドフォン10と異なる箇所のみを、具体的に説明する。
圧電センサ15L,15Rの基本構造は、圧電アクチュエータ20と同じである。すなわち、圧電センサ15L,15Rは、圧電フィルムの両主面に検出用導体を備えたものである。
圧電センサ15Lは、ヘッドバンド11の伸長方向に沿った中央と一方端との間に装着されている。より好ましくは、圧電センサ15Lは、ヘッドバンド11の伸長方向に沿った中央とスペーサ13Lの装着位置との間に装着されている。
圧電センサ15Rは、ヘッドバンド11の伸長方向に沿った中央と他方端との間に装着されている。より好ましくは、圧電センサ15Rは、ヘッドバンド11の伸長方向に沿った中央とスペーサ13Rの装着位置との間に装着されている。
圧電センサ15L,15Rは、ヘッドバンド11の内周側の面に装着されている。ヘッドバンド11の内周側の面には、圧電センサ15L,15Rを覆うように絶縁性の保護膜が形成されている。
圧電センサ15L,15Rは、検出用配線(図示せず)を介して押圧検出回路(図示せず)に接続されている。検出用配線は、例えば、ヘッドバンド11、放音部12L,12R、および信号ケーブル14L,14Rに形成されている。押圧検出回路は、例えば、放音駆動信号を発生する装置に備えられている。
このような構成とすることで、ヘッドバンド11に押圧力を加えて、ヘッドバンド11が変形すると、このヘッドバンド11の変形に伴って圧電センサ15L,15Rの圧電フィルムが変位する。この変位によって発生する電荷を検出用導体で検出することで、ヘッドバンドの押圧を検出することができる。押圧検出回路では、この押圧の検出信号に応じたコマンドが予め記憶されており、検出信号に基づいてコマンドを決定し、放音駆動信号を発生する放音制御部に与える。放音制御部は、このコマンドにしたがって、放音駆動信号の信号レベルを変化させたり、放音駆動信号の生成、停止を制御する。
このように、本実施形態の構成を用いることで、ヘッドバンド11に押圧力をかけるだけで、放音制御を行うことができる。これにより、容易な操作で放音制御を行うことができる。例えば、ヘッドバンド11の左側面側を押すと、放音駆動信号の信号レベルを高くし、ヘッドバンド11の右側面側を押すと、放音駆動信号の信号レベルを低くする等の放音制御を行うことができる。
ここで、ヘッドバンド11の左側面側を押した場合、圧電センサ15Lだけでなく、圧電センサ15Rからも電荷が発生する。しかしながら、ヘッドバンド11の左側面側を押した場合には、圧電センサ15Lの発生電荷量が、圧電センサ15Rの発生電荷量よりも大きくなるので、押圧検出回路で、これらの発生電荷量を比較して、発生電荷量の大きな方を選択することで、コマンドを正確に検出することができる。
実際の操作は押圧を加えるという操作のほかに、ヘッドバンド11をトントンと叩くような操作としてもよい。押圧時の信号と、トントンと叩いた際の信号は波形が異なるので、この波形の違いを認識してそれぞれ別の操作に割り当ててもよい。例えば、ヘッドバンド11の右側を叩いた場合は、音楽のON、OFF、左側を叩いた場合は曲の選択、また、右側を押さえた場合は音量のアップ、左側を押さえた場合は音量のダウン等である。
このように、本実施形態の構成を用いることで、音質特性に優れ、操作入力も行うことができるヘッドフォンを薄型且つ軽量に実現することができる。
なお、圧電センサ15L,15Rに替えて、静電容量式のタッチ検出センサを用いてもよい。この場合、一次元の位置検出が可能な静電容量式の位置検出センサを用いれば、操作検出方向によって、放音駆動信号の信号レベル制御を受け付けることができる。
さらには、圧電センサ15L,15Rと静電容量式の位置検出センサとをともに用いてもよい。この際、圧電センサ15L,15Rと静電容量式の位置検出センサを別の位置に配置してもよく、積層して配置してもよい。これにより、さらに多様な操作入力を受け付けることができる。
例えば、圧電センサ15L,15Rによる押圧検出で、操作入力のウェイクアップやオン/オフを受け付け、静電容量式の位置検出センサで具体的な放音駆動信号の信号レベルに対する操作を受け付けることができる。この例であれば、不用意にヘッドバンド11を触っても、放音駆動信号の信号レベル制御が実行されず、意図した時にのみ、放音駆動信号の信号レベル制御を実行することができる。この際、操作入力の受け付けが可能なった時点で、放音部12L,12Rから、受け付け可能を示す音を放音することもできる。
なお、上述の各実施形態では、スペーサ13L,13Rを備えているが、当該スペーサ13L,13Rは、省略することもできる。
また、上述の各実施形態では、放音部12L,12Rを平面視した形状(ヘッドフォン10,10Aを側面視した形状)が略矩形である場合を示したが、この形状に限るものではない。例えば、図5に示す形状であってもよい。図5は、本発明の実施形態に係るヘッドフォンの他の態様を示す外観斜視図である。
ヘッドフォン10Bは、ヘッドバンド11Bと放音部12LB,12RB(より正確には放音部12LB,12RBの放音用ハウジング120)が一体成形されている。放音部12LB,12RBには、図示しない平膜状の圧電アクチュエータが備えられている。放音部12LB,12RBは、球形の一部を切り取ったような形状であり、外側に膨らむ形状からなる。このような形状とすることで、耳を密閉することなく緩やかに覆うことができる。この際、スペーサを用いなくてもよい。
また、上述の実施形態のヘッドフォンに対して、断線検出部を追加してもよい。断線検出部は、上述の放音制御部や押圧検出回路をともに構成すればよい。断線検出部は、信号ケーブル14L,14Rを介して圧電アクチュエータ20に接続されている。断線検出部は、可聴域よりも高周波の断線検出用信号を信号ケーブル14L,14Rを介して圧電アクチュエータ20に与え、当該断線検出信号を観測する。信号ケーブル14L,14Rや、当該信号ケーブル14L,14Rと圧電アクチュエータ20との接続部に断線が生じた場合、断線検出部は、断線検出信号が当該信号ケーブル14L,14Rと圧電アクチュエータ20からなる閉回路を流れていないことを検出することができる。これを検出することで、断線検出部は断線を検出し、放音制御部は放音駆動信号の停止を行うことができる。この際、断線検出信号は、可聴域よりも高周波数側の信号であるので、圧電アクチュエータ20は、当該断線検出信号に対して単にキャパシタとして作用する。したがって、断線検出信号による音は殆ど発生せず、ユーザに不快感を与えない。なお、ここでは、断線のみを検出する場合を示したが、圧電アクチュエータが断線検出信号に対してキャパシタとして作用することを利用して、上記閉回路のインピーダンスを測定し、当該インピーダンスの変化から、圧電アクチュエータの異常検出を行うこともできる。
また、上述の実施形態では、放音用ハウジング120の厚みを一定にする例を示したが、圧電アクチュエータ20が装着される範囲だけ薄くする等、厚みを部分的に異ならせてもよい。例えば、圧電アクチュエータ20が伸長する方向の両端の厚みを厚くし、他の部分の厚みを薄くする。これにより、放音用ハウジング120をより効果的に振動させることができる。
10,10A,10B:ヘッドフォン
11,11B:ヘッドバンド
12L,12R,12LB,12RB:放音部
13L,13R:スペーサ
14L,14R:信号ケーブル
15L,15R:圧電センサ
20:圧電アクチュエータ
120、放音用ハウジング
121:保護膜
200:圧電フィルム
201:第1駆動用導体
202:第2駆動用導体
11,11B:ヘッドバンド
12L,12R,12LB,12RB:放音部
13L,13R:スペーサ
14L,14R:信号ケーブル
15L,15R:圧電センサ
20:圧電アクチュエータ
120、放音用ハウジング
121:保護膜
200:圧電フィルム
201:第1駆動用導体
202:第2駆動用導体
Claims (11)
- アーチ形状のヘッドバンドと、
該ヘッドバンドの両端に装着された放音用ハウジングと、を備えるヘッドフォンであって、
前記放音用ハウジングは平板状であり、
該放音用ハウジングの平板面には、
有機圧電フィルムおよび駆動用導体を備えた平膜状の圧電アクチュエータが装着されており、
前記放音用ハウジングは、前記圧電アクチュエータの平板面に平行な方向に沿った伸縮により前記平板面に直交する方向へ振動する、
ことを特徴とするヘッドフォン。 - 前記放音用ハウジングのうち、前記圧電アクチュエータが装着される範囲は、その他の範囲よりも厚みが薄くなっている、
請求項1に記載のヘッドフォン。 - 前記放音用ハウジングのうち、前記圧電アクチュエータが伸縮する方向の両端部は、その他の部分のよりも厚みが薄くなっている、
請求項1に記載のヘッドフォン。 - 前記ヘッドバンドの内周面における前記アーチ形状が伸長する方向の中央と両端との間の特定位置に、スペーサ部材を備える、
請求項1〜3のいずれかに記載のヘッドフォン。 - 前記ヘッドバンドには、有機圧電フィルムおよび検出用導体を備えた平膜状の圧電センサが装着されている、請求項1〜4のいずれかに記載のヘッドフォン。
- 前記有機圧電フィルムの少なくとも1層はポリ乳酸からなる、
請求項1〜5のいずれかに記載のヘッドフォン。 - 前記有機圧電フィルムの少なくとも1層はポリフッ化ビニリデンからなる、
請求項1〜5のいずれかに記載のヘッドフォン。 - 前記放音用ハウジングは、透光性を有する絶縁性材料からなり、
前記駆動用導体は、透光性を有する導電性材料からなる、
請求項1〜6のいずれかに記載のヘッドフォン。 - 前記ヘッドバンド、前記放音用ハウジング、および、前記スペーサ部材は、透光性を有する絶縁性材料からなり、
前記圧電アクチュエータは、透光性を有する材料からなる、
請求項4に記載のヘッドフォン。 - 前記ヘッドバンド、および、前記放音用ハウジングは、透光性を有する絶縁性材料からなり、
前記圧電アクチュエータおよび前記圧電センサは、透光性を有する材料からなる、
請求項5に記載のヘッドフォン。 - 前記ヘッドバンドと前記放音用ハウジングは一体成形されている、
請求項9または請求項10に記載のヘッドフォン。
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