JP6219889B2 - 音響機器 - Google Patents

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Description

本発明は、生体センシング機能を備えた音響機器に関する。
昨今、イヤホンに血流量や血圧等の測定するセンサを備えた音響機器が開発されている。また、オープンエア型の補聴器が知られている。
米国特許出願公開2008/220535号明細書 米国特許出願公開2012/283578号明細書 特開2006−304147号公報
しかしながら、イヤホン等に生体センサを搭載した場合の実際的な課題については、なんら検討がなされていない。
例えば、オープンエア型の音響機器を使用する場合の課題について十分検討がなされていない。
従って、実際的に有用な生体センサ機能を備えた音響機器を提供することにある。
本発明にかかる音響機器は、耳に外部から当接されて、且つ耳に挿入されない音響部と、耳の内部に挿入される生体センサ部とを備え、生体センサ部は、左用と右用との一対のセンサ部を備え、左用と右用との一対のセンサ部は、それぞれが脈拍あるいは血流量あるいは体温のいずれかの生体データを測定し、当該左右のセンサ部は異なる生体データを計測する
本発明の音響機器は、実際的な課題を考慮した有用な音響機器となる。
本発明の一実施形態に係る音響機器の外観図である。 音響機器のパネル及び圧電素子の湾曲を示す模式図である。 音響機器のブロック図である。 音響機器の音響部および筺体部の厚さ方向の断面図及び音響部の下面図である。 音響機器の生体センサ部の断面図及び表面図である。 音響機器の他の生体センサ部の断面図及び表面図である。 生体センサ部の他の実施例にかかる断面図及び表面図である。 音響機器を装着した状態を示す図である。 音響特性の実測値を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の一実施形態に係る音響機器は、例えば補聴器やヘッドホンであって、大略的に音響部10と生体センサ部500と、これらを保持する保持部60とを備える。
音響部10は、湾曲する圧電素子101と該圧電素子101によって直接的に曲げられて振動するパネル102とを備える。図2に圧電素子101によりパネル102が湾曲する様子を模式的に示す。パネル102は、圧電素子101により直接的に曲げられて振動するため、パネルの中央付近が両端部に比較して盛り上がるように大きく湾曲している。音響部10は、主に振動による人体振動音をユーザに対して聞かせる。なお、パネルの面積にもよるが、気導音が発生してもよい。気導音とは、物体の振動に起因する空気の振動が外耳道を通って鼓膜に伝わり、鼓膜が振動することによって利用者の聴覚神経に伝わる音である。人体振動音とは、振動する物体に接触する利用者の体の一部(例えば外耳の軟骨)を介して利用者の聴覚神経に伝わる音である。この人体振動音には、外耳道の内部で振動から気道に代わる成分が含まれることがある。特にパネル102の面積が小さい場合であっても、耳が振動することにより、暗騒音を十分に超える程度の6次以上の倍音が3か所以上、出現することが発明者の研究でわかっており、この倍音成分を併せて聞かせることで、パネル102が小さくて(たとえば縦横3cm×1cm以下の長尺状)、十分に音を聞かせることができる。特に音の明瞭度に貢献するため、高音が聞こえにくい老人性難聴向けの補聴器にも適している。
圧電素子101は、電気信号(電圧)を印加することで、構成材料の電気機械結合係数に従い伸縮または屈曲(湾曲)する素子である。圧電素子101は、パネル102に、両面テープを介して直に貼り付けられる。これらの素子は、例えばセラミック製や水晶からなるものが用いられる。圧電素子101は、ユニモルフ、バイモルフまたは積層型圧電素子であってもよい。積層型圧電素子には、ユニモルフを積層した(たとえば16層から100層程度、積層した)積層型ユニモルフ素子、またはバイモルフを積層した(例えば16層から48層程度、積層した)積層型バイモルフ素子が含まれる。積層型の圧電素子は、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる複数の誘電体層と、該複数の誘電体層間に配置された電極層との積層構造体から構成される。ユニモルフは、電気信号(電圧)が印加されると伸縮し、バイモルフは、電気信号(電圧)が印加されると屈曲する。
パネル102は、例えばガラス、サファイヤ等の硬質材料、またはアクリルやポリカーボネート等の合成樹脂により形成される。好適にはパネル102の形状は板状であり、以下パネル102の形状が板状であるものとして説明する。たとえば縦2cmから5cm程度、横0.5cmから2cm程度である。パネル102には、圧電素子101が両面テープ等により直に貼り付けられる。
マイク部20は、音源からの音、具体的にはユーザの耳輪近傍に到来した音を集音する。これにより、耳輪に遮られて、外耳道から漏れてくる音を拾い難く(ハウリングしにくく)、且つ、ユーザの自然な聞こえを再現することがしやすい。
左右それぞれの音響部10に対応して、マイク部が左右それぞれに配置されていてもよい。また、一のマイクからの信号を左右の音響部10に用いてもよい。
なお、周囲の音を集音して聞かせる機能が不要な音響機器であれば、マイクは不要である。もちろん、通話用の入力としてマイクを用いてもよい。外部からの音声信号や内部の記憶領域に記憶された音声信号を制御部30に入力させればよい。
図3にブロック図の一例を示す。制御部(IC)30は、音響機器1に係る各種制御を行う。制御部30は、圧電素子101に所定の電気信号(音信号に応じた電圧)を印加する。具体的には制御部30において、マイク部20で集音した音信号を、アナログデジタル変換部31がデジタル信号に変換する。そして信号処理部32は、音量調整インタフェース部40による音量や音質に係る情報及び記憶部50に格納された情報に基づき、音響部10を駆動するデジタル信号を出力する。デジタルアナログ変換部33は当該デジタル信号をアナログの電気信号に変換し、圧電アンプ34により増幅処理をして電気信号を圧電素子101に印加する。制御部30が圧電素子101に対して印加する電圧は、例えば、気導音による音の伝導を目的とした気導イヤホンスピーカの印加電圧よりも高い電圧であってよい。これにより、パネル102に十分な振動を発生させ、利用者の体の一部を介する人体振動音を発生させることができる。なお、どの程度の印加電圧を用いるかは、パネル102の固定強度もしくは圧電素子101の性能に応じて適宜調整可能である。制御部30が圧電素子101に電気信号を印加すると、圧電素子101は長手方向に湾曲する。
このとき、圧電素子101が取り付けられたパネル102は、圧電素子101の伸縮または屈曲にあわせて変形し、パネル102が振動する。パネル102は、圧電素子101の伸縮または屈曲によって湾曲する。パネル102は、圧電素子101によって直接的に曲げられる。ここで「パネル102が圧電素子101によって直接的に曲げられる」とは、従来のパネルスピーカで採用されているような、圧電素子101をケーシング内に配設して構成される圧電アクチュエータの慣性力によりパネル102の特定の領域が加振されてパネル102が変形する現象とは異なる。「パネル102が圧電素子101によって直接的に曲げられる」とは、圧電素子101の伸縮または屈曲(湾曲)が、接合部材を介して直にパネル102を曲げることを意味する。
以上、説明したようにパネル102が振動するため、パネル102に耳珠を接触させた場合、耳珠を介して人体振動音を発生させる。好適にはパネル102は、当該パネル102の両端近傍を節、中央を腹として振動し、パネル102の中央近傍が耳珠や対耳珠に当接する。このようにすることで、パネル102の振動を効率よく耳珠や対耳珠に伝達することができる。
図1に示すように、保持部60が、その両端において、それぞれ筺体部70を保持している。さらに筺体部70が、耳に対峙する位置に音響部10を支持している。
保持部60は、音響部10と生体センサ部500とを保持する。そして、音響部10が耳に当接される。ここで音響部10がユーザの耳に当接する位置は、例えば耳珠や対耳珠であってもよい。以下、本実施の形態では、ユーザの耳に当接する位置が耳珠である例について説明する。生体センサ部500は、筺体部70の下部から延出されたジョイント部604により、ユーザの耳の外耳甲を塞ぐ位置に配置される。ジョイント部604は、適度な弾性を有する板ばね等の部材が用いられる。もちろん金属製でも樹脂製でもよい。ジョイント部604の内部には、生体センサ部500からの出力信号や、生体センサ部500へ電力を供給するための各種配線510が配置されている。
保持部60は、ユーザの後頭部を半周するアーム部601を備える。アーム部601は、筺体部70が耳の例えば耳珠に当接する際に、0.1Nから10N程度に押圧加重を調整可能なように設計されていてもよい。アーム部601は、例えば所定形状に湾曲させた金属バネを樹脂により被覆することにより或いは樹脂製のバネ等により製造されて、適切な弾性を備えていればよい。
保持部60は、アーム部601に連続する一対の耳掛け部602を備える。耳掛け部602は、図8に示すように、ユーザの耳輪の一部に引っ掛かるように湾曲している。耳掛け部602はアーム部601と一体的に製造されてよい。
保持部60のそれぞれの耳掛け部602にマイク部20が配置されている。マイク部20は左右の耳に対応して2つあるとよいが、左右のどちらか一つでもよい。マイク部20から信号は、保持部60(耳掛け部602、支持部603)内に配置された信号配線(図示せず)により、後述する制御部30に入力される。
保持部60は、耳掛け部602の先端において、筺体部70を支持する支持部603を備える。支持部603は、筺体部70に配置されたパネル102がユーザの耳に当接するように、筺体部70を支持する。
筺体部70は、保持部60の支持部603により支持されており、内部に基板702等を備える。以下、筺体部70及び音響部10について図4を例に詳述する。
図4は、音響部10及び筺体部70を厚さ方向からみた断面図である。上述したように音響部10は、圧電素子101と、パネル102とを備える。好適には図4に示すように圧電素子101は板状である。
圧電素子101は、パネル102に、接合部材103xにより接合される。接合部材103xは、圧電素子101の主面とパネル102の主面との間に設けられる。接合部材103xは、非加熱型硬化性の接着材、または両面テープであるとよい。例えば布に接着樹脂を含浸させた両面テープ等であればよい。
好適にはパネル102の主面は、圧電素子101の主面の面積の0.8倍から10倍の面積を有する。パネル102の主面が圧電素子101の主面の0.8倍から10倍の範囲の面積であれば、圧電素子101の伸縮または屈曲にあわせて変形でき、かつユーザの耳への接触面積が十分に確保できる。尚、圧電素子と、パネルの面積は、例えば0.8倍から5倍がより好適である。
また、パネル102は、その耳側の主面において、凹形状をなしていてもよい。これにより突出した耳珠に対する接触のしやすさを、平板状の主面である場合に比較して、確保しやすい。即ち、位置ずれにたいして有効である。
パネル102の裏面側(筐体部70と対向する側)には、一対の両面テープ103yが配置されている。両面テープ103yは、パネル102と筺体部70の主面とを接着している。これにより、筺体部70にパネル102が接着される。両面テープ103yは、圧電素子101の両端側のそれぞれに配置されている。圧電素子101の両端側以外の中央部等には配置されていないため、中央部等において、低消費電力で且つ十分な振動のし易さを確保できる。尚、圧電素子101のパワーが十分強力であれば、パネル102の全域にたいして筺体部70と接着する両面テープ103yを備えていてもよい。
両面テープ103yは、圧電素子101の両端部の3方を囲むように、U字状、コ字状に形成されている場合、パネル102の狭い面積を有効活用しつつ接着強度を容易に強化することができてよい。これにより、両面テープ103yによってパネル102の湾曲が阻害されることが生じがたい。
圧電素子101の裏面側(筺体部70と対向する側)には、一対の半田104が形成され、後述する筺体部70内の基板702に接続するためのワイヤ704が接合されている。
筺体部70は、筺体701、基板702、電池703、ワイヤ704、ネジ705を備え、さらに制御部(IC)30を内蔵している。
筺体701は、例えばプラスティックからなる。具体的にはポリカーボネート樹脂やアミン系樹脂等の樹脂材を成形して得られる。尚、合成樹脂にガラス繊維を編み込んだもの(たとえばレニー:三菱ガス化学社製)を使用してもよい。耳輪に負担にならないようにできるだけ軽くて、落下等の衝撃にたいして強ければよい。一方、あまりに軽くて且つ厚みが薄いと、容易に共振を生じてしまい、エネルギー損失をまねくため、双方の性質を加味して材料、重量が決定されるとよい。すなわち、振動の観点からはできるだけ剛体的な性質を有するとよい。その観点からは厚みのある金属からなっていてもよい。
筺体701は、2つの部材をネジ705により締結することにより、一の筺体となる。電池703が充電式ではない場合、取り換えのためには、先の2つの部材を接着するよりも、ネジ止めのほうがよい。
筺体701内部の基板702は、制御部30や、圧電素子101と半田104、ワイヤ704を介して電気的に接続されている。また、基板には、電池703も搭載されている。
図8は、本発明の一実施形態に係る音響機器1をユーザの耳に装着した状態を示す図である。本発明に係る音響機器1は、音響部10をユーザの耳の外側から、ユーザの耳珠や対耳珠辺りに当接させ、振動を耳珠や対耳珠辺りに伝達させることにより、音をユーザに聞かせる。図5に示す例では、音響部10をユーザの耳の外側からユーザの耳珠に当接させている。もちろん一方の片耳だけに音響部10を押圧するようにしてもよい。左右の耳の双方にたいして音響部10を押圧するようにしてもよい。
好適には音響部10は、ユーザの耳に0.1Nから3Nの力で押圧されてもよい。音響部10が0.1Nから3Nの範囲で押圧される場合であっても、音響部10による振動が耳に十分伝達される。また押圧が3N以下であれば、音響機器1を長時間装着してもユーザの疲労感は少なく、装着時の快適性を維持することができる。また、耳珠が多少押しつぶされても、それにより外耳道を閉鎖しないため、こもり感が発生しにくい。
続いて本発明の一実施形態に係る音響機器1について、図9を用いて音響特性を説明する。図9は、本発明の音響機器1の右側の音響部10における周波数特性の実測値である。12個のサンプルとその平均値を示している。これによれば、15dBVの外部入力にたいして、200Hzから8kHzにおける各周波数帯において、十分な音響性能を有していることが分かる。特に、3kHzから4kHzにおいても、高い音圧を得ることができており、日本語以外の英語等の言語を使用する難聴者にたいしても有効である。或いはイヤホンとして用いる場合も、適用周波数帯域が広いため好ましい。尚、この図6に示す音響機器1においては、8kHz以上、徐々に信号を減衰させるローパスフィルタを使用している。
尚、ローパスフィルタ等を使用しない場合、例えば40kHzといった超音波帯域にたいしても圧電素子101を振動させることができる。各種超音波を発生させる音響機器として使用可能である。
図3に生体センサ部500のブロック図を示す。本実施の形態に係る生体センサ部500は、図5や図6に示すように、耳に挿入される筺体504に搭載された生体センサ501L,501R(受光部508や発光部507)により例えばユーザの脈拍を測定する。生体センサ501L,501Rの発光部507と受光部508とは、筺体504内部に遮光用の壁を隔てて並列的に配置されており、その上に保護用の透光パネル505が配置され、当該透光パネル505により、筺体504内部が密閉されている。
脈拍を測定する場合、発光部507は、青(波長:400〜430nm)、あるいは緑(波長:500〜550nm)のLEDやレーザを用いる。上記波長の青や緑の光は、ヘモグロビンに吸収されやすく、血流量が多いと光の吸収量が多くなり、受光部508の出力が弱くなる。また、赤色(波長:630〜650nm)のLEDやレーザを用いてもよい。この場合、ヘモグロビンが赤外線を反射するため、血流量が多いと光の反射量が多くなり、受光部の出力が強くなる。受光部508は、それぞれの波長に対応したフォトダイオードが用いられる。
また血流量を測定する場合は、たとえば赤(波長:1.31マイクロm、あるいは1.55マイクロm)のレーザを用いて、ドップラーシフトにより生じた周波数の位相差から相対的な血流量を検出する。
筺体504の内部には、基板506や制御部502を備える。基板506に搭載された制御部502は、発光部507と受光部508の発光のタイミングを制御するとともに、受光部508からの信号から、エラーやノイズ信号を判定する判定部や、脈拍や血流量を演算処理する演算部を備えていてもよい。サンプリングの周期は、0.005秒〜0.1秒に1回である。判定部は、脈拍として、通常、人体には発生しえない高い周波数を検出したときにはエラーと判定する。
本実施の他の形態に係る生体センサ部500が、血流量を測定するセンサである場合は、たとえば赤(波長:1.31マイクロm、あるいは1.55マイクロm)のレーザを用いて、ドップラーシフトにより生じた周波数の位相差から相対的な血流量を検出するとよい。
筺体504の内部の制御部502は、脈拍を測定するセンサの場合と同様、発光部507と受光部508の発光のタイミングを制御するとともに、受光部508からの信号から、エラーやノイズ信号を判定する判定部や、血流量を演算処理する演算部を備えていてもよい。サンプリングの周期は、0.005秒〜0.1秒に1回である。
脈拍を測るセンサと体温を測定するセンサとが1つずつである場合は、たとえば生体センサ501Lが脈拍センサであり、生体センサ501Rが体温測定センサ511であってもよい。もちろん、血流センサと脈拍センサとの組み合わせや、血流センサと体温測定センサの組み合わせでもよい。体温測定センサ511は、たとえば耳の外耳道から外部へ向かう赤外線を検出して体温を測定する。上述の例と同様に、筺体504内に基板506や制御部502を備えていればよい。基板506に実装された制御部502は、体温を計測するための受光部の動作制御や体温データの管理等を行う。
各種生体センサからの生体データは、記憶部503に記憶される。記憶部503は、図3では、音響機能用の記憶部50と別途に示されているが共用してもよいし、別途、設けてもよい。記憶部503に記憶された生体データは、必要に応じて、通信部1001等を介して外部に提供されてもよい。
次に図7を用いて、センサ構造の他の変形例について説明する。
図7では、生体センサ部500が外耳道に挿入される挿入部509を備える点で、図5や図6の実施例とは異なる。このため筺体504が係合部504’を備え、挿入部509に設けられた被係合部509’と係合する。挿入部509は、たとえばショア硬さ30〜60程度のゴムを用いたもので良い。また、硬質のポリイミド樹脂を成型したものであってもよい。また、筺体504には、ベント(空気孔)512が設けられることにより、こもり感を低減してもよい。
図8に、本発明の音響機器1を装着した場合の一例の図を示す。
耳の内部の耳甲介に生体センサ部500の筺体504が向かい合うように配置される。発光部507が耳甲介に向かって光を放射する。この光が外部に漏れにくい。筺体504の後ろ側(耳の外側)は、耳珠の裏側、及び対耳珠の裏側部分と当接し、これにより、筺体504が耳の内部に保持されることとなる。一方、筺体504の前側は、耳甲介に面しており(仮に耳甲介に当接してもよい)、耳甲介と筺体504の前側で囲まれた空間は、筺体504の外周部分により外部から光が入りにくい状態となっている。これにより、外部からの光が受光部508に入りにくくなるため、センサの測定の信頼性を容易に向上させることができる。
また、音響部10が耳珠に当接されて、外耳道の内壁を振動させて気導音を聞かせることができる。この際、音響部10と生体センサ500が耳珠を耳の内と外から挟み込む場合、振動の伝達が確実になりやすい。
次に、生体センサ部500が体温と脈拍を測るセンサの組み合わせである場合の使用例を示す。
最初に、センサの電源がONされ、脈拍と体温の測定が同時にあるいは順次開始される。次に、生体センサがデータを取得する。次に、体温が閾値の温度以上(たとえば38℃以上)であり、且つ、脈拍が閾値の脈拍以下(たとえば覚醒時の平時の脈拍10%以下)であるか否かを判定する。この場合、たとえば音響部10から熱中症等の可能性がある旨を通知してもよい。また、本発明の音響機器に通信部1001が備えられている場合、当該通信部1001により、登録された特定の相手方に対して熱中症である旨や、測定された各種生体データ(脈拍、体温、血流量)を送信してもよい。主治医や看護人等が連絡相手先に設定される。
通信部1001は、従来周知の通信方法であればよく、たとえばLTE等の通信方式に則ったものや、Wi−Fi等を用いるものでもよい。図1では、保持部60の後側、すなわち後頭部あたりに通信部1001を配置しているが限定されない。
なお、本実施の形態では、音響機器1が補聴器である例を示したが、これに限られない。例えば音響機器は音楽等の再生用のものであってもよく、この場合、マイク部20は備えなくともよい。また、音響機器の内部メモリに記憶された音楽データに基づく音や、外部サーバ等に記憶されている音楽データに基づく音がネットワークを介して音響機器により再生されるようにしてもよい。もちろん、上述した報知の例である熱中症である旨を告げるための合成された音声やアラーム音等を記憶しておいてもよい。
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各部材等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段や部材等を1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
1 音響機器(補聴器)
10 音響部
101 圧電素子
102 パネル
103 両面テープ
104 半田
20 マイク部
30 制御部(IC)
31 アナログデジタル変換部
32 信号処理部
33 デジタルアナログ変換部
34 圧電アンプ
40 音量調整インタフェース部
50 記憶部
60 保持部
70 筺体部
500 生体センサ部
501(501L,501R) 生体センサ
502 制御部
503 記憶部
504 筺体
505 透光パネル
506 基板
507 発光部
508 受光部
509 挿入部
510 配線
511 体温測定センサ
512 ベント
601 アーム部
602 耳掛け部
603 支持部
604 ジョイント部
70 筺体部
701 筺体
702 基板
703 電池
704 ワイヤ
705 ネジ
1001 通信部

Claims (12)

  1. 耳に外部から当接されて、且つ耳に挿入されない音響部と、耳の内部に挿入される生体センサ部とを備え
    前記生体センサ部は、左用と右用との一対のセンサ部を備え、前記左用と右用との一対のセンサ部は、それぞれが脈拍あるいは血流量あるいは体温のいずれかの生体データを測定し、当該左右のセンサ部は異なる生体データを計測する音響機器。
  2. 前記音響機器は、耳珠あるいは対耳珠に外側から当接される請求項1に記載の音響機器。
  3. 前記生体センサ部は、脈拍あるいは血流量あるいは体温のいずれかを測定する請求項1に記載の音響機器。
  4. 前記音響部は、左用と右用との一対の音響部を備える請求項1に記載の音響機器。
  5. 前記生体センサ部は、耳甲介に挿入される請求項1に記載の音響機器。
  6. 前記生体センサ部は、発光部と、受光部とを備え、前記発光部は、耳甲介に向かって光を放射する請求項1に記載の音響機器。
  7. 前記音響部は、圧電素子とパネルとを備え、パネルが湾曲することにより音を伝達する請求項1に記載の音響機器。
  8. 通信部をさらに備え、
    前記生体データを外部に送信する請求項1に記載の音響機器。
  9. 前記生体データから、ユーザの身体に異常が生じている可能性を検出した場合、その旨を前記音響部から報知する請求項1に記載の音響機器。
  10. 前記音響部と前記生体センサ部とで、耳珠を挟持している請求項1に記載の音響機器。
  11. 前記生体センサ部は、外耳道に挿入される挿入部を備える請求項1に記載の音響機器。
  12. 前記生体センサ部には、外耳道と外部を連通するベントが設けられている請求項1に記載の音響機器。
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