JP6931753B1 - 電気音響アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】長時間聴取しても疲れにくく、骨伝導（軟骨伝導）のみのイヤホンでは難しかった高音質のイヤホンに最適な電気音響アクチュエータを、圧電素子を用いて骨伝導を使いながら実現するものである。【解決手段】本発明は長時間聴取しても疲れにくく、骨伝導（軟骨伝導）のみのイヤホンでは難しかった高音質のイヤホンに最適な電気音響アクチュエータを、圧電素子を用いて骨伝導を使いながら実現するとともに、難聴になりにくい高音質で且つ再生される音を好みの音質にすることができる電気音響アクチュエータを提供するものであり、外形Ｔ字型の筒状のケースと、該ケースのＴの横棒部分に挿入される振動ステー及び振動ステーと一体に形成された２つの振動接点によって挟持された平板状の振動子によって構成され、且つ前記振動子は筒状ケースのＴ字型筒内の縦棒部分に吊り下げられ、自由端には前記振動子に電気信号を供給する信号線が接続されていることを特徴とする電気音響アクチュエータである。【選択図】図１

Description

本発明は、インナーイヤー型イヤホンとして最適な、電気音響アクチュエータを提供するもので有り、且つ特に固体振動子を用いて高音質なものを提供することにあって、ＭＲＩの騒音下で、かつ強磁性の環境下でも聴取可能で且つ高音質のインナーイヤー型イヤホンが実現可能な電気音響アクチュエータに関する。

例えば特許文献１には、外耳道に挿入されるシリコンゴムやウレタンゴム等の樹脂で成型された棒状部材１３に積層型圧電アクチュエータ素子あるいは積層型バイモルフ振動子から成る振動体が埋設される構造が開示されており、外耳道に挿入されたときに棒状部材が耳栓として機能するとともに棒状部材の振動で音波を鼓膜に導き、棒状部材の振動を外耳道内壁近傍の軟骨を介して骨伝送として伝達するイヤホンが開示されている。

しかしながら、このイヤホンは振動子が樹脂の中に埋設されているために振動が制限され、骨伝導としても吸音作用を持つ弾性体が介在しているために、音響変換効率や伝達効率が悪い等の欠点が有った。

また、特許文献２には特許文献１の棒状部材に相当し、中央に貫通孔を設けた特許文献１と同様な構成のイヤホンが開示されており、特許文献１の文献とは異なる点は、貫通孔を介して外部の音を聞くことができる構成であるが、特許文献１と構造が同様であるため、音響変換効率が悪く、音質を好みに応じて可変することは出来なかった。

特許文献３には、一部が外耳道に挿入されるイヤーパッドと円筒状の筒体と筒体に一体的に設けられた延在部と、延在部に取り付けられた圧電素子が設けられて伝達部材が構成され、イヤーパッドと筒体に貫通する孔を設けて外部の音が聞くことができるようにし、イヤーパッドで音声振動を鼓膜に伝達するとともに、伝達部材で耳珠に当接させて耳珠を介して軟骨振動によっても音声を伝達しようとするものが開示されている。

しかしながらこの特許文献３に開示されているものは、主に耳珠に当接させて再生音を伝達するものであり、外耳道内に弾性変形部材から成るイヤーパッド３と振動部分６が挿入されるものであるが、圧電素子が延在部２ａに全体が貼り付けられているために変換効率が悪く、全体の素材を変える以外に音質を変える事もできない等の欠点が有った。

特許文献４は、出願人が先に発明した特許で有り、本発明は先の特許のイヤホンとして最適な電気音響アクチュエータの音質的な改良を行ったものである。

特開２００９−２３２４４３号公報 特開２０１４−１０７８２８号公報 特開２０１４−１４６９４９号公報 特許６４２１３６０号公報

特許文献１、２に記載されているイヤホンは、振動体が外耳道に挿入される部材に外耳道と並行して配置される構造で有ったために主として外耳道に対する軟骨振動主体の音響再生であり、振動子が樹脂の中に埋設されているために振動が制限され、骨伝導としても吸音作用を持つ弾性体を介しているために、音響変換効率や伝達効率が悪い等の欠点が有り、且つ構造的に音質を好みに応じて変えることは出来なかった。

また、特許文献３に開示されているものは、空気伝搬による音声信号と伝達部材で耳珠に当接させて耳珠を介して軟骨振動によっても音声を伝達しようとするものであるが、圧電素子が延在部２ａに全体が貼り付けられているために音響変換効率が悪く、且つ構造的に音質を好みに応じて可変することは出来なかった。

また、ハイファイと言われる高音質の殆どのイヤホンは磁気回路を用いて振動板を電気信号によって振動させて音波を外耳道に送り、音波によって鼓膜を振動させるものである。このために従来のイヤホンにおいては、いつも耳元に音源が有ることになり、鼓膜に対して強い音圧を加える事になる。

その場合の音圧レベルは９０ｄＢから１００ｄＢに達する事があり、この音圧レベルはカード下で電車の通過音を聞く場合と同じレベルである。
従って、このようなイヤホンは、長時間聴取すると耳が疲労したり、また大音量で聞いたりすると、耳の機能にダメージを与えることから難聴になるなどの問題が有り、一度難聴になってしまうと元の状態には戻らないために、イヤホンで音楽を聴取することが多い若年層が難聴になることは大きな社会問題であった。

このような従来のイヤホンの欠点を無くすために特許文献１から３に示すような骨伝導や軟骨伝導等が提供されているが、音響的に満足できるものは少なく、広帯域の再生すなわち高音質再生に向かない等の欠点が有った。

本発明は長時間聴取しても疲れにくく、骨伝導（軟骨伝導）のみのイヤホンでは難しかった高音質のイヤホンに最適な電気音響アクチュエータを、圧電素子を用いて骨伝導を使いながら実現するとともに、難聴になりにくい高音質で且つ再生される音を好みの音質にすることができる電気音響アクチュエータを提供するものであり、外形Ｔ字型の筒状のケースと、該ケースのＴの横棒部分に挿入される振動ステー及び振動ステーと一体に形成された２つの振動接点によって挟持された平板状の振動子によって構成され、且つ前記振動子は筒状ケースのＴ字型筒内の縦棒部分に吊り下げられ、自由端には前記振動子に電気信号を供給する信号線が接続されていることを特徴とする電気音響アクチュエータである。

本発明の電気音響アクチュエータにおいては、ケースのＴの横棒部分に挿入される振動ステー及び振動ステーと一体に形成された２つの振動接点によって挟持された平板状の振動子によって構成され、且つ前記振動子は筒状ケースのＴ字型筒内の縦棒部分に吊り下げられ、振動接点によって振動子が小さなほぼ点に近い面積で挟持されていることにより、振動子の振動が固定などによって妨げられることがなく、且つ入力信号によって何ら歪等を生じることなく振動することになるため、振動子を筐体などに固定するものとはことなり、入力信号を忠実に振動に変換して、振動接点と一体に形成された振動ステーに伝達することができるもので有る。

また、本発明の電気音響アクチュエータにおいては、振動子が筒状のケースに当たること無く保持されるもので有るから、ケースに伝わることによって減衰する振動が少なくなるもので、更に振動子は振動接点で挟持される事によってのみ保持されるもので有るから、振動子が振動する範囲を大きく取ることができることになり、振動効率が上がるとともに電気音響変換効率が上がる効果を有するものである。

また、本発明の電気音響アクチュエータにおいては、従来の骨伝導と比べて振動効率等が上がるのに加え、骨伝導のみならず振動体で振動ステーを通じて空気振動をも生み出すことができ、振動ステーの質量が振動子に比べて大きくなるので、振動子から発生する音波をある程度抑制しつつ、骨伝導ヘッドホンの長所である「耳穴が痛くならない」「鼓膜に負担がかからない」「衝撃音や周囲の雑音が気にならない」「周囲の音が通常通り聞こえる」「伝音性難聴者によく聞こえる」等の骨伝導（軟骨伝導）の特徴も生かすことで、外耳道に挿入しても、鼓膜に直接与える音圧は再生音の３０％程度で外耳道から骨伝導によって聴取者に伝達する再生音が７０％程度になるために直接鼓膜に振動を伝える音圧が少なく、鼓膜に与える負担が少なくなるので、耳が疲れない電気音響アクチュエータを提供できるものである。

更に本発明の電気音響アクチュエータにおいては、振動接点によって振動子が小さな面積のほぼ点に近い面積で挟持されていることにより、振動子の振動が固定などによって妨げられることがなく、入力信号によって何ら歪等を生じることなく振動することになるため、振動子を筐体などに固定するものとはことなり、入力信号を忠実に振動に変換して、振動接点と一体に形成された振動ステーに伝達することができるもので有るから、振動子の振動範囲を大きく取ることができることになり、従来の骨伝導のみならず振動体で空気振動も生み出すことができる構成にしたことにより、骨伝導の欠点である「イヤホンより大きなドライブパワーが必要」「大きな音量が得られない」「広帯域音の再生に向かない」「感音性難聴者では聞こえにくい」「補聴器では感度を上げるとハウリングが起き易い」等の欠点を改善することができるものである。

そのほか本発明においては、振動接点及び振動ステーの素材として、伝達係数や固有振動数の異なる材質を適宜選択できるように構成し、それらの部材の組み合わせによって、再生音の音質を好みのものに替えることができるようにするものである。

また、本発明においては非磁性体で電気音響アクチュエータの全ての部分を構成することができるためにＭＲＩの中等の磁性体を使うことができない場所で使用することができるものである。

本発明の電気音響アクチュエータの外観を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は背面図である。 本発明の電気音響アクチュエータの断面図で振動子１０の位置で断面し概念的に示したもので有り、ｂ）図のＥ−Ｆ断面を正面から見た断面図、（ｂ）は側面から見た断面図、（ｃ）はｂ）図のＧ−Ｈ断面を背面から見た断面図である。 本発明の電気音響アクチュエータの音の伝達を概念的に示した側図である。 本発明の音響調整プレートを説明するための図で概念的に示したものであり、（ａ）は図２（ｂ）と同じで有り、（ｂ）は音響調整プレートと振動子の関係、（ｃ）は本発明において、音質や周波数特性を変える場合を例示するもので有る。 （ａ）から（ｄ）は本発明の電気音響アクチュエータの音響特性等を変える場合の振動子と振動接点、音響調整プレートの等の関係を概念的に示す図である。 は周波数特性を示す図である。 は本発明の電気音響アクチュエータの全体を示す図である。 は耳の挿入された場合の本発明の電気音響アクチュエータを示す図である。 は従来の電気音響アクチュエータを示す図である。

以下に図面を参照して、本発明の電気音響アクチュエータの実施例を説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されないものとする。
図１は本発明のインナーイヤー形の電気音響アクチュエータの実施例を示す外観図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は背面図である。
ケース１は断面Ｔ字型の筒状のパイプでありＴ字の横棒の一方は他方より長く形成して有り、筒状のソフトパッド３が配置されていて、その中心には後述する振動ステーが配置されている。Ｔ字の縦棒に相当する部分２は空洞であり、後述するように内部の空間には振動子が配置されるように構成されている。
なお、図において、４は保護リング、１１はホールドパット、１３は信号線である。

図２は、本発明の電気音響アクチュエータの内部を示す図面で、図（ａ）は図（ｂ）に示す側断面のＥ−Ｆ位置の断面を耳に挿入される側から見た図で調整プレート１５と振動子１０との関係を理解しやすいように概念的に示して有る。
図（ｃ）は図（ｂ）のＧ−Ｈ位置の断面を背面側から見た図で音響調整プレート１４と振動子１０との関係を理解しやすいように概念的に示して有る。図において、１０は圧電バイモルフ素子や圧電アクチュエータ素子等で構成される振動子で、Ｔ字型ケースの縦のケース２の内部に配置され、上端付近を振動接点７と８のそれぞれによって挟持されており、振動子の他端はリード固定電極１２によって信号線１３に接続されている。

振動ステー６はケース１内にダクト２の内部形状と適合する形に形成されており、ケース１にその周辺を接着される事により、振動接点７で振動子１０と接触し、後述する振動ステー６、振動接点８とともに振動接点８によって振動子１０の端部付近を挟持して保持するもので有る。
３はシリコン等からなるソフトパッドで有り、振動ステー６の周辺に挿入されて、外耳道に挿入されたときに周辺で外耳道に接触して抜けるのを防止するとともに、ソフトパッド３を介して振動ステー６の振動を外耳道に軟骨伝導として伝える働きをするものである。さらに、外耳道を痛めないように耳を保護する役目を持ち、音響的には雑音となる高域のホワイトノイズを吸収することから音質的にも重要なものである。

また、ソフトパッド３の中央には貫通した穴が形成されており、振動ステー６のこの穴を用いて振動ステー６の周辺に挿入され、振動ステー６の振動を図８の外耳道内周辺の軟骨を通して蝸牛へ伝達し一方は外耳道から鼓膜へ伝達し蝸牛から脳へ伝えられるものある。
４は保護リングで、ソフトパッド３の位置決めを行い、ソフトパッド８が振動ステー６に挿入され過ぎて振動ステー６がむき出しになることで、外耳道を痛める事が無いように構成されている。
振動ステー９は振動接点８とともに振動子１０の背面側すなわち音の放射方向に対して反対側に位置して振動ステー６、振動接点７と共に振動子１０の端部付近を挟持するものである。
なお、図２において、５はダクト２によって構成される音響キャビティーを示すものである。

図２において、１４及び１５は弾性体からなる音響調整プレートで、振動子１０の両面に貼ることによって振動子１０の過剰な振動を抑制して、音質を高める効果が有り、図４の（ｂ）に示すように音響調整プレートの長さを変える事により再生音の音質を変える事ができるもので有る。
また、（ｂ）に示すように、音の放射方向の背面側の音響調整プレート１４は、振動子１０の上端まで伸びて貼られており、振動接点８が音響調整プレート１４を介して振動子１０に当接するように構成されている。
音響調整プレート１４、１５が短い場合は振動子１０固有の高音域の振動が多く出る傾向があり、長い場合は低音域が強くなる傾向が有るので、適宜長さを調整することによって所望の音質を得ることができるもので有る。

図３は本発明の電気音響アクチュエータの音の出方を概念的に示したもので有り、振動ステー６の振動は周辺に放射方向に広がり、周辺に配置されたソフトパッド３を通して外耳道に振動を伝達され、周辺の軟骨振動として蝸牛から脳に伝わると共に、通常のイヤホンと同じように矢印２３の方向、すなわち鼓膜の方向に音波として伝搬するもので有る。
図において、２５−２は振動を図示したもので有り、振動ステー６の２５−１の位置から放射される音声波形の一例を図示したもので有る。

図４は上記したように、振動子１０とその振動子１０の両側に貼付する音響調整プレート１４のバリエーションを示したもので、（ａ）は図２（ｂ）と同じ図で、（ｂ）は音響調整プレート１４、１５の長さを変更して、音質が調整可能であることを示している。
図４（ｃ）は、更に振動接点７と振動子１０の間に音声フィルター１６を設け、振動接点が音声フィルター１６を通して振動子１０に当接するようにしたもので有る。
このように音声フィルター１６を介して振動接点７、振動ステー６が振動子１０の振動を受信するように構成した事により、音声フィルター１６の素材を選択することにより、更に音質を所望のものに近づける事ができるようになるものである。
音響フィルター１６の素材としては、硬質の材料を用いる事により、高音域の耳障りな音を改善することができるものである。

図５は本発明の振動接点及び振動ステーの形状のバリエーションを示したもので、（ａ）は図２及び図４に示したものと同じ形状で、振動接点７及び８が柱状に形成されているもので有り、振動子１０をホールドする面積が比較的広くとることができ、振動子１０の振動が確実に振動すてー６に伝わりやすくなる。
図５（ｂ）は振動ステー６−１及び９−１と振動接点７−１及び８−１がそれぞれ別部材で構成され、振動ステー６−１、９−１と振動接点７−１及び８−１が異なる材料で構成され、振動子１０と接触する部分が、鋭く尖っており、点接触になるように構成されているもので有る。
このように構成した図５（ｂ）の場合は、振動子１０の振動を点で振動ステーに伝達することになり、発明者の実験によれば抜けの良いクリアーな音になることが分かっている。

図５（ｃ）は、振動接点の形状が異なるだけではなく、音の放射方向と背面側とで振動接点の形状を異ならせたものであり、また、同一素材で振動接点６−２、７−２と振動ステー８−２を構成したものである。
図５（ｄ）は更にその形状を異ならせたもので、設計者の得たい音質及び音圧等によって適宜変更可能であることを示しているもので有る。
この発明の電気音響アクチュエータは例示したこれらの形状に限定されるものではなく、振動ステー及び振動接点は自由に選択することができる事はもちろんである。

図６は振動子に貼付する音響調整プレートの長さを変更した場合の再生音の周波数特性を概念的に示したもので、２６は振動子基本周波数特性で、２７は振動子周波数を音響調整プレートを用いて調整した場合の調整周波数特性である。
振動子のみの周波数特性だと、低域の音声が低く高い周波数成分のみになるが、音響調整プレートを用いる事によって、低域の再生音を増強することができ、固体振動子の場合広域の音が耳に着く場合が多いが、本発明の場合、電気音響アクチュエータとしても低域から広域まで再生することができるもので、音響調整プレートを用いて、長さを調整することによって、再生音の低域をコントロールして、所望の音質が得られるようになるものである。

図７は本発明の電気音響アクチュエータとしての外観を示すもので、通常のインナーイヤー型のイヤホンと同じように使うことができるものである。
図８は本発明の電気音響アクチュエータを耳に挿入したときの概念を示したもので、鼓膜に向かう音声振動は矢印３２であり、軟骨振動により直接人体に振動を伝えるものは矢印３１で示してある。

１．ダクト
２．ダクト
３．ソフトパット
４．保護リング
５．音響キャビティー
６．振動ステー
７．振動接点
８．振動接点
９．振動ステー
１０．振動子
１１．ホールドパッド
１２．リード固定電極
１３．信号線
１４．音響調整プレート
１４−１．音響調整プレートの例
１４−２．音響調整プレートの例
１５．音響調整プレート
１５−１．音響調整プレートの例
１５−２．音響調整プレートの例
１６．音声フィルター
２４．本発明の電気音響アクチュエータ
２５．出力振動周波数
２６．振動子基本周波数特性
２７．振動子周波数調整波特性
２８．接続プラグ
３０．イヤホン
３１．スピーカ
３２．リード線
３３．イヤホンプラグ

Claims (6)

1. 筒状のパイプをＴ字型に組み合わせた筐体と、その筐体内のＴ字の縦棒に相当する筒状のパイプの長手方向に配置され電気信号を与える事によって振動する圧電素子からなる振動子と、当該振動子の上端をイヤホンの耳への挿入方向とその背面側にそれぞれ当接して前記振動子を挟持するための振動接点を有する一対の振動ステーとを有し、それぞれの振動ステーは筐体のＴ字の横棒に相当する部分に接着固定され且つ一方の振動ステーは耳に挿入されて振動子の再生音が耳に放出されるように構成されたことを特徴とする電気音響アクチュエータ。
2. 前記振動子を挟持する振動接点は振動子と接触する部分が点接触となるように円錐状に構成されたことを特徴とする請求項１記載の電気音響アクチュエータ。
3. 前記振動子の少なくとも一方の面には弾性体からなる音響調整プレートが貼付されていることを特徴とする請求項１記載の電気音響アクチュエータ。
4. 前記振動子を挟持する振動接点と、振動ステーが別の素材から構成されており、一体になるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の電気音響アクチュエータ。
5. 前記振動子は少なくともその音響調整プレートもしくは振動接点と接する面の一方を弾性材から成る音響調整プレートを介して振動接点によって挟持されていることを特徴とする請求項１記載の電気音響アクチュエータ。
6. 前記振動子は音の放射方向に硬質又は軟質の材料から成る音声フィルターを介して振動接点によって挟持されていることを特徴とする請求項１記載の電気音響アクチュエータ。

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