JP7380314B2

JP7380314B2 - ヘッドホン

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Publication number: JP7380314B2
Application number: JP2020029167A
Authority: JP
Inventors: 優土橋
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2020-02-25
Publication date: 2023-11-15
Anticipated expiration: 2040-02-25
Also published as: JP2021136484A; US20210266656A1; US11330360B2

Description

本発明は、ヘッドホンに関する。

周囲の騒音を消して音楽を聴くことができるヘッドホンが知られている。例えば、マイクで騒音を拾い、逆位相の音波を発生させることで、騒音の音波を打ち消すことができる。このような、位相によるノイズキャンセリングは、低周波帯域のノイズを打ち消すには適している。

国際公開第２０１５／０７６００６号特開２０１９－１０３０１２号公報

ノイズキャンセリングの性能を上げるためには、低周波帯域の振幅が相対的に大きい周波数特性にすることが好ましい。一方で、ヘッドホンの音響特性をノイズキャンセリングが高性能になるように適応させると、ノイズキャンセリングをオフにしたときに周波数特性のバランスが崩れるという問題が生ずる。なお、特許文献１及び２には、周波数特性を調整する方法が開示されている。

ここでは、高性能なノイズキャンセリング及び高音質の両立が目的である。

ヘッドホンは、電気信号から音を再生するためのドライバーユニットと、前記ドライバーユニットが取り付けられたハウジングと、ノイズ音に逆位相音を加算することによって前記ノイズ音を減衰させるノイズキャンセリング回路と、前記ハウジング内の空洞及び前記空洞に連通する管状空洞を含んで構成されるヘルムホルツ共鳴器の共振周波数を変更する共振周波数変更部と、前記共振周波数の変更及び前記ノイズキャンセリング回路の切り替えを連動して行うためのスイッチと、を有する。

これによれば、ノイズキャンセリングを駆動したときと、ノイズキャンセリングを停止したときとで、音響特性を切り替えることができ、高性能なノイズキャンセリング及び高音質の両立が可能になる。

ヘッドホンの全体図である。第１の実施形態に係るハウジングの平面図である。図２に示すハウジングのIII－III線断面図である。図３に示すハウジングの斜視図である。ノイズキャンセリングのブロック図である。第２の実施形態に係るハウジングの平面図である。図６に示すハウジングのVII－VII線断面図である。図７に示すハウジングの斜視図である。第１位置での周波数特性を示す図である。第２位置での周波数特性を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。但し、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

［第１の実施形態］
図１は、ヘッドホンの全体図である。ヘッドホン１００は、図示しない音響機器（音楽プレーヤ、音響ミキサ又はスマートフォンなど）と有線又は無線で接続される。ヘッドホン１００は、ヘッドバンド１０２と、一対のハウジング１０を有する。なお、イヤホンは、ヘッドホン１００の一種であるものとする。

図２は、第１の実施形態に係るハウジング１０の平面図である。図３は、図２に示すハウジング１０のIII－III線断面図である。図４は、図３に示すハウジング１０の斜視図である。ハウジング１０には、ドライバーユニット１２が取り付けられている。ドライバーユニット１２は、音楽などの原音の電気信号から音を再生するようになっている。ダイナミック型であれば、電気信号に基づいてコイルに電流を流し、磁力で振動板１４（ダイアフラム）を振動させることで音が再生される。

ハウジング１０は、外ケース１６を含む。外ケース１６は、ユーザの耳に対向するように配置される出力面１８に、出力開口２０を有する。出力面２０に、ドライバーユニット１２の振動板１４が、出力開口２０を塞ぐように取り付けられている。出力面１８には、出力開口２０及びドライバーユニット１２を囲んで、イヤカップ２２が取り付けられている。なお、外ケース１６は、出力開口２０以外に、音響特性を調整するための孔（ポート）を有していてもよい。

ハウジング１０は、内ケース２４を含む。内ケース２４によって、外ケース１６の内部空間が、ドライバーユニット１２がある前方空間２６と後方空間２８に区画される。例えば、内ケース２４は、出力面１８の裏面に取り付けられて、ドライバーユニット１２を囲む側壁部３０と、側壁部３０に囲まれた空間を塞ぐリッド部３２を含む。内ケース２４は、ドライバーユニット１２を覆うようになっている。内ケース２４は、前方空間２６及び後方空間２８の間で貫通する貫通孔３４を有する。なお、内ケース２４は、貫通孔３４以外に、音響特性を調整するための孔（ポート）を有していてもよい。

ヘッドホン１００は、ノイズキャンセリング機能を備えており、ノイズ音に逆位相音を加算することによってノイズ音を減衰させるようになっている。ノイズキャンセリングには、第１マイク３６及び第２マイク３８が使用される。第１マイク３６は、外の雑音や環境音などのノイズ音を拾うようになっている。第２マイク３８は、ユーザの耳に入る聴取音を拾うようになっている。ヘッドホン１００は、ハウジング１０内に電装盤４０を有する。電装盤４０は、例えば内ケース２４と外ケース１６の間に配置される。

図５は、ノイズキャンセリングのブロック図である。電装盤４０の回路は、ノイズキャンセリング回路４２を有する。ノイズキャンセリング回路４２は、フィードフォワード処理部４４及びフィードバック処理部４６を含む。

ノイズ音は、第１マイク３６で拾われて、ノイズ音信号に変換されて出力される。ノイズ音信号は、フィードフォワード処理部４４に入力される。フィードフォワード処理部４４は、ノイズ音信号の位相を反転させて、必要に応じて調整し、逆位相信号を生成して出力する。

音楽などの原音に対応する電気信号である原音信号は、必要に応じてイコライザ（ＥＱ）４８で調整されて、フィードフォワード処理部４４からの逆位相信号に加算されるとともに、フィードバック処理部４６に入力される。

ドライバーユニット１２で再生された音は、ドライバーユニット１２、ハウジング１０(外ケース１６）、イヤカップ２２及びユーザの耳で囲まれた空間の伝達関数（Ｈ）５０の影響を受けて、ユーザの耳に入る聴取音になる。聴取音は、第２マイク３８で拾われて、聴取音信号に変換されて出力される。聴取音信号は、フィードバック処理部４６に入力される。フィードバック処理部４６は、聴取音信号と原音信号の差分を打ち消すための差分信号を出力する。差分信号は、フィードフォワード処理部４４から出力される逆位相信号に加算される。

合算された原音信号、逆位相信号及び差分信号は、デジタル信号であり、Ｄ／Ａコンバータ（ＤＡＣ）５２でアナログ信号に変換されて、ドライバーユニット１２に入力される。こうして、ノイズキャンセリングが適用された音が再生される。

図３及び図４に示すように、ヘッドホン１００は、アダプタ５４を有する。アダプタ５４は補助貫通孔５６を有する。アダプタ５４は、移動可能になっている。図２に示す第２位置Ｐ２では、アダプタ５４は、補助貫通孔５６が貫通孔３４に連通するように配置される。アダプタ５４は、第１位置Ｐ１に動かせるようになっている。第１位置Ｐ１では、アダプタ５４は、補助貫通孔５６が貫通孔３４との連通を避けるように配置される。ハウジング１０（外ケース１６）の外側にあるスイッチ５８を、矢印方向にスライドさせることで、アダプタ５４を移動させることができる。詳しくは、スイッチ５８とアダプタ５４がロッド６０で連結され、スイッチ５８のスライド移動によってロッド６０が揺動して、アダプタ５４が曲線移動する。

スイッチ５８は、ノイズキャンセリング回路４２のオン／オフを切り替えるようにもなっている。詳しくは、アダプタ５４が第１位置Ｐ１に配置されると、ノイズキャンセリング回路４２はオンになる。アダプタ５４が第２位置Ｐ２に配置されると、ノイズキャンセリング回路４２はオフになる。このように、スイッチ５８は、アダプタ５４の位置の切り替えとノイズキャンセリング回路４２の切り替えを連動して行うようになっている。

ハウジング１０には、ヘルムホルツ共鳴器が構成される。ヘルムホルツ共鳴器の共振周波数は、空洞の体積と、空洞に連通する管状空洞の長さと、管状空洞の断面積によって決まる。共振周波数は、空洞の体積及び管状空洞の長さのそれぞれに反比例し、管状空洞の断面積に正比例する。ヘルムホルツ共鳴器によって、管状空洞の開口では、共振周波数での減音効果が得られる。

ヘッドホン１００において、ヘルムホルツ共鳴器の空洞はハウジング１０内にある。ヘルムホルツ共鳴器は、前方空間２６に空洞が構成される第１ヘルムホルツ共鳴器と、後方空間２８に空洞が構成される第２ヘルムホルツ共鳴器を含む。

内ケース２４の貫通孔３４が、ヘルムホルツ共鳴器の管状空洞の少なくとも一部である。アダプタ５４が第２位置Ｐ２にあるときには、補助貫通孔５６及び貫通孔３４が連通し、両者がヘルムホルツ共鳴器の管状空洞を構成する。アダプタ５４が第１位置Ｐ１にあるときには、貫通孔３４がヘルムホルツ共鳴器の管状空洞を構成する。

ヘッドホン１００は、共振周波数変更部（例えばロッド６０）を有する。共振周波数変更部は、ヘルムホルツ共鳴器の共振周波数を変更するようになっている。例えば、ロッド６０によってアダプタ５４が移動して、管状空洞の長さが変わる。共振周波数変更部は、管状空洞の断面積、管状空洞の長さ、または空洞の体積のいずれか１つを変化させるようになっている。

スイッチ５８は、共振周波数の変更及びノイズキャンセリング回路４２の切り替えを連動して行うようになっている。スイッチ５８は、アダプタ５４の位置を、第１位置Ｐ１及び第２位置Ｐ２の間で切り替えるようになっている。

第１位置Ｐ１で、アダプタ５４は、補助貫通孔５６が貫通孔３４との連通を避けるように配置される。貫通孔３４から管状空洞の全体が形成されるので、その長さが小さくなり、共振周波数が高くなる。第１位置Ｐ１では、ノイズキャンセリング回路４２がオンであり、オフのときよりも、共振周波数が高い。つまり、減音効果が得られる周波数帯域が高い。図９は第１位置Ｐ１での周波数特性を示したグラフである。第１位置Ｐ１では共振周波数はｆ_Ｈとなり、高周波帯域の振幅が小さくなるため、相対的に低周波帯域の振幅が大きくなる。したがって、ノイズキャンセリング効果をより高性能にすることができる。

第２位置Ｐ２で、アダプタ５４は、補助貫通孔５６が貫通孔３４に連通するように配置される。貫通孔３４及び補助貫通孔５６から管状空洞が形成されるので、その長さが大きくなり、共振周波数が低くなる。第２位置Ｐ２では、ノイズキャンセリング回路４２がオフであり、オンのときよりも、共振周波数が低い。つまり、減音効果が得られる周波数帯域が低い。図１０は第２位置Ｐ２での周波数特性を示したグラフである。第２位置Ｐ２では共振周波数がｆ_Ｌとなり、低周波帯域の振幅が小さくなるため、相対的に高周波帯域の振幅が大きくなる。したがって、適正なバランスの周波数特性を得ることができる。

本実施形態によれば、ノイズキャンセリングを駆動したときと、ノイズキャンセリングを停止したときとで、音響特性を切り替えることができ、高性能なノイズキャンセリング及び高音質の両立が可能になる。

［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態に係るハウジングの平面図である。図７は、図６に示すハウジングのVII－VII線断面図である。図８は、図７に示すハウジングの斜視図である。

アダプタ２５４は凹面２６２を有する。凹面２６２によって凹部が構成される。アダプタ２５４は移動可能になっている。図６に示す第２位置Ｐ２では、アダプタ２５４は、凹面２６２の周囲でハウジング２１０（内ケース２２４）の内面と密着するように配置される。アダプタ２５４は、第１位置Ｐ１に動かせるようになっている。第１位置Ｐ１では、アダプタ２５４は、凹面２６２の周囲でもハウジング２１０の内面から離れるように配置される。ハウジング２１０（外ケース２１６）の外側にあるスイッチ２５８を、矢印方向にスライドさせることで、アダプタ２５４を移動させることができる。詳しくは、スイッチ２５８とアダプタ２５４がロッド２６０で連結され、スイッチ２５８のスライド移動によってロッド２６０が揺動して、アダプタ２５４が曲線移動する。

ヘルムホルツ共鳴器の空洞は、前方空間２２６及び後方空間２２８の、アダプタ２５４が位置する一方（例えば前方空間２２６）に構成される。共振周波数変更部は、ヘルムホルツ共鳴器の共振周波数を変更するようになっている。ロッド２６０によってアダプタ２５４が移動して、ヘルムホルツ共鳴器の空洞の体積が変わる。

第２位置Ｐ２で、アダプタ２５４は、凹面２６２の周囲でハウジング２１０の内面と密着するように配置される。凹面２６２及びハウジング２１０（内ケース２２４）の内面で封止された空間が、ヘルムホルツ共鳴器の空洞から除外される。そのため、ヘルムホルツ共鳴器の空洞の体積が小さくなり、共振周波数が高くなる。第２位置Ｐ２では、ノイズキャンセリング回路がオンであり、オフのときよりも、共振周波数が高い。つまり、減音効果が得られる周波数帯域が高い。図９を参照すると、第２位置Ｐ２では共振周波数はｆ_Ｈとなり、高周波帯域の振幅が小さくなるため、相対的に低周波帯域の振幅が大きくなる。したがって、ノイズキャンセリング効果をより高性能にすることができる。

第１位置Ｐ１で、アダプタ２５４は、凹面２６２の周囲でもハウジング２１０の内面から離れるように配置される。したがって、ヘルムホルツ共鳴器の空洞が大きくなる。第１位置Ｐ１では、ヘルムホルツ共鳴器の空洞の体積が大きくなり、共振周波数が低くなる。第１位置Ｐ１では、ノイズキャンセリング回路がオフであり、オンのときよりも、共振周波数が低い。つまり、減音効果が得られる周波数帯域が低い。図１０を参照すると、第１位置Ｐ１では共振周波数がｆ_Ｌとなり、低周波帯域の振幅が小さくなるため、相対的に高周波帯域の振幅が大きくなる。したがって、適正なバランスの周波数特性を得ることができる。第１の実施形態で説明したその他の内容は、第２の実施形態でも適用可能である。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、実施形態で説明した構成は、実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えることができる。

１０ハウジング、１２ドライバーユニット、１４振動板、１６外ケース、１８出力面、２０出力開口、２２イヤカップ、２４内ケース、２６前方空間、２８後方空間、３０側壁部、３２リッド部、３４貫通孔、３６第１マイク、３８第２マイク、４０電装盤、４２ノイズキャンセリング回路、４４フィードフォワード処理部、４６フィードバック処理部、４８イコライザ、５０伝達関数、５２Ｄ／Ａコンバータ、５４アダプタ、５６補助貫通孔、５８スイッチ、６０ロッド、１００ヘッドホン、１０２ヘッドバンド、２１０ハウジング、２１６外ケース、２２４内ケース、２２６前方空間、２２８後方空間、２５４アダプタ、２５８スイッチ、２６０ロッド、２６２凹面、Ｐ１第１位置、Ｐ２第２位置。

Claims

電気信号から音を再生するためのドライバーユニットと、
前記ドライバーユニットが取り付けられたハウジングと、
ノイズ音に逆位相音を加算することによって前記ノイズ音を減衰させるノイズキャンセリング回路と、
前記ハウジング内の空洞及び前記空洞に連通する管状空洞を含んで構成されるヘルムホルツ共鳴器の共振周波数を変更する共振周波数変更部と、
前記共振周波数の変更及び前記ノイズキャンセリング回路の切り替えを連動して行うためのスイッチと、
を有するヘッドホン。
請求項１に記載されたヘッドホンにおいて、
前記共振周波数変更部は、前記管状空洞の断面積、前記管状空洞の長さ、または前記空洞の体積のいずれか１つを変化させるようになっているヘッドホン。
請求項１又は２に記載されたヘッドホンにおいて、
前記ノイズキャンセリング回路がオンのとき、オフのときよりも、前記共振周波数が高いヘッドホン。
請求項１から３のいずれか１項に記載されたヘッドホンにおいて、
前記ノイズキャンセリング回路がオフのとき、オンのときよりも、前記共振周波数が低いヘッドホン。
請求項１から４のいずれか１項に記載されたヘッドホンにおいて、
前記ハウジングは、外ケースと、前記外ケースの内部空間を前記ドライバーユニットがある前方空間と後方空間に区画する内ケースと、を含み、
前記内ケースは、前記前方空間及び前記後方空間の間で貫通する貫通孔を有し、
前記貫通孔が、前記ヘルムホルツ共鳴器の前記管状空洞の少なくとも一部であるヘッドホン。
請求項５に記載されたヘッドホンにおいて、
補助貫通孔を有するアダプタをさらに有し、
前記スイッチは、前記アダプタの位置を、第１位置及び第２位置の間で切り替えるようになっており、
前記第１位置で、前記アダプタは、前記補助貫通孔が前記貫通孔との連通を避けるように配置されて、前記貫通孔から前記管状空洞の全体が形成され、
前記第２位置で、前記アダプタは、前記補助貫通孔が前記貫通孔に連通するように配置されて、前記貫通孔及び前記補助貫通孔から前記管状空洞が形成されるヘッドホン。
請求項６に記載されたヘッドホンにおいて、
前記ヘルムホルツ共鳴器は、前記前方空間に前記空洞が構成される第１ヘルムホルツ共鳴器と、前記後方空間に前記空洞が構成される第２ヘルムホルツ共鳴器と、を含むヘッドホン。
請求項５に記載されたヘッドホンにおいて、
凹面を有するアダプタをさらに有し、
前記スイッチは、前記アダプタの位置を、第１位置及び第２位置の間で切り替えるようになっており、
前記第１位置で、前記アダプタは、前記凹面の周囲が前記ハウジングの内面と密着するように配置されて、前記凹面及び前記ハウジングで封止された空間が前記空洞から除外され、
前記第２位置で、前記アダプタは、前記凹面の周囲が前記ハウジングの前記内面から離れるように配置されるヘッドホン。
請求項８に記載されたヘッドホンにおいて、
前記ヘルムホルツ共鳴器の前記空洞は、前記前方空間及び前記後方空間の、前記アダプタが位置する一方に構成されるヘッドホン。