耳穴装着型中空骨伝導スピーカの開発　 金沢大学 三浦英充,上野敏幸,山田外史.

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1 耳穴装着型中空骨伝導スピーカの開発　 金沢大学 三浦英充,上野敏幸,山田外史

2 骨導音 通常の音「気導音」 空気の振動 感知、集音 骨の振動音「骨導音」 骨の振動 感知、集音 図1 音の伝達経路 骨導音の特徴
図1　音の伝達経路 骨導音の特徴 引用：ゴールデンダンス株式会社 騒音下でも明瞭に感知、集音 装着位置の自由度が高い 骨導音を利用した機器→「骨伝導デバイス」

3 軍事、災害現場用では既に普及が進んでいる
骨伝導デバイスの現状 軍事、災害現場用では既に普及が進んでいる マスクやヘルメットと一体型構造 図2　災害現場での使用例 一般用の普及はまだ途上 振動伝達にバンドが必要 耳穴を塞ぐ→気導音が遮断 図3　一般用の使用例 引用　株式会社ゴールデンダンス

4 本研究の目的 骨伝導スピーカ 耳穴装着＋中空構造 脱着容易で軽量 気導音を遮断しない 現行のイヤホンと遜色ない使用感
クラクションなどの危険信号を聞き逃さない

5 Step1　試作機の製作及び評価

6 製作した骨伝導スピーカ 鉄ガリウム合金「Fe-Ga」 (Fe-81.6%, Ga-18.4%) デバイスとしての小型化が容易 特徴
現行のイヤホンと同等の装着性を実現 中空構造で耳を塞がない 素材は全て鉄系材料で頑強 磁歪材料「Fe-Ga」を振動子として使用 鉄ガリウム合金「Fe-Ga」 (Fe-81.6%, Ga-18.4%) 図5 Fe-Ga 延性材料 加工性が良い 形状の「小型化」 に優れた材料 高機械強度 大応力に耐える 高比透磁率 駆動電圧が低い 5V程度の駆動源で駆動可能 デバイスとしての小型化が容易

7 骨伝導スピーカの構成 Vibration Ring(Fe) Spacer(Fe) Fe-Ga Coil 図6 製作したスピーカの寸法と形状
図6　製作したスピーカの寸法と形状 Fe-Ga：音声信号→音声振動 スペーサとFe-Gaで閉磁路を構成 振動リングの振動が骨に伝達

8 駆動原理 「磁歪材料」Fe-Ga 磁歪効果 内部磁束の変化に応じて伸縮する 図7 磁歪効果 縦振動 曲げ振動
図7　磁歪効果 縦振動 曲げ振動 図8　駆動時のスピーカの振動原理

9 物理量評価 周波数帯域 音声認識に必要な範囲：300Hz-3.5kHz 音楽鑑賞に必要な範囲：20Hz-20kHz 縦振動 曲げ振動
図9 測定系 20Hz-20kHzの帯域で 変位と加速度を評価

10 電流－変位 図10 励磁電流ー変位 縦振動 最大変位：2μm 曲げ振動 最大変位：16μm 縦振動の約８倍の変位量

11 変位の周波数応答 縦振動 周波数による変動が少ない 曲げ振動 500Hz以上で大きく減衰 図11 変位の振幅応答 曲げ振動
図11 変位の振幅応答 曲げ振動 共振点を高域にする必要がある 図12 変位の位相応答

12 振動加速度レベル 振動加速度レベル 20log10(a/a0) 加速度 a 基準加速度レベル a0 = 10-5[m/s2]
60dBが人間の感知する最小の振動加速度 20Hz-20kHzの帯域で加速度を測定 上式により振動加速度レベルを算出

13 振動加速度レベルの周波数応答 図13　振動加速度レベルの周波数応答 曲げ振動＞縦振動 全域にかけて60dB以上の高レベル

14 まとめ 縦振動 最大変位：2μm 変位：可聴域全域でフラット 振動加速度レベル：全域にかけて60dB以上 曲げ振動 最大変位：16μm
周波数特性 変位：可聴域全域でフラット 振動加速度レベル：全域にかけて60dB以上 曲げ振動 最大変位：16μm 周波数特性 変位：500Hz以降で大きく減衰 振動加速度レベル：全域にかけて100dB以上 変位量、加速度レベルが共に大きい曲げ振動を採用 共振周波数を高域にすることで変位の減衰を防ぐ

15 実装 実際に耳に装着し、音声を再生 （曲げ振動） ポータブルデバイスで十分な出力 楽器の音は明瞭に感知 音声の感知に難がある
微少ノイズが常時発生 音声認識に必要な周波数帯域をカバーしきれていない

16 官能評価 各周波数における「聞こえ方」を検証する 周波数100Hz-20kHz 最小可聴値測定 骨導音を人がどのように知覚するかを検証
ラウドネス比較実験 骨導音、気導音の「音の大きさ」を比較

17 最小可聴域測定 可聴可能である最小レベル 入力電圧値を測定 可聴不可である最大レベル 1.0V = 1dB 使用音源 正弦波 測定周波数
[kHz]の1/3.oct. 設置部位 耳穴 電圧（音量） 　　調整 測定 可聴不可能な最大電圧 可聴可能な最小電圧 図14　測定方法

18 測定結果 図15 最小可聴域測定 2-10kHzまでは駆動電圧2mVで感知 12.5kHz以上で必要電圧が440倍に
図15　最小可聴域測定 2-10kHzまでは駆動電圧2mVで感知 12.5kHz以上で必要電圧が440倍に 500Hz以下で必要電圧が急激に上昇 音声認識に必要な範囲：300Hz-3.5kHz

19 研究の流れ Step1 バイモルフ型スピーカを試作評価 大きなノイズが発生 Step2 構造、電子制御両面から改善策を検討 Step3-1
構造改善 制御回路設計 →共振周波数の高域化 →線形化処理 ユニモルフ型スピーカ フィードバック制御回路

20 Step2 ノイズ除去手法の検討 バイモルフ型スピーカで発生するノイズの原因を検証 構造からのアプローチ 共振周波数の再設定
電子制御からのアプローチ セルフセンシング 両方を平行して行う

21 Step2 構造からのアプローチ バイモルフ型 Galfenolが二本 縦振動と曲げ振動が混在する 変位大 パワー大 ユニモルフ型
曲げ振動のみ存在 縦振動型 縦振動のみ存在 共振点の高域化 （4kHz以上）

22 Step2 電子制御からのアプローチ 変位‐電流が非線形 電子制御で線形化 IIRフィルタ

23 Step3-1 構造改善 強度が明らかに足りない Galfenol幅0.5mm ヨーク幅 0.3mm コイル幅 0.5mm
パラメータの再設定

24 ヨーク部の素材選定

25 振動リングの素材選定 音響インピーダンス 皮膚：1.52×106 頭蓋骨：3.75～7.38×106 媒質名 密度[g/cm3]
縦波音速[m/s] 横波音速[m/s] 音響インピーダンス[kg/m2s] SUS304 7.7 5960 3240 46×106 / 25×106 A2024P 2.8 6420 3040 18×106 / 8.5×106 シリコン 2.2 8433 アクリル 1.2 2735 1397 3.3×106 / 1.68×106 音響インピーダンス 皮膚：1.52×106 頭蓋骨：3.75～7.38×106

26 改良型の構造 Galfenol幅1mm ヨーク幅 1mm 梁間隔 mm ヨーク幅と梁間隔を変えて 等価バネ係数を変化

27 製作したヨーク ヨーク幅1mm コイル幅1mm ヨーク幅0.7mm ヨーク幅[mm] 梁間隔[mm] Y0.7-W0.5型 0.7 0.5

28 測定準備 変位測定用のターゲット:0.019×10-3 アルミ：非磁性低密度 振動子の質量[kg] 0.077×10-3 ヨークの質量
0.35×10-3 振動リングの質量 1.16×10-3 磁石の質量 0.4×10-3 アルミ：非磁性低密度

29 バイアス磁石の選定 電流ー磁束密度 電流ー磁束密度 パラメータ：磁石の断面積 パラメータ：磁石の長さ

30 磁歪特性 電流ー変位 時間ー変位 パラメータ：励磁電流 パラメータ：励磁電流 線形領域のみで約6μmの変位（縦振動の4倍）
　　　　（0.4App(66.8AT)の励磁電流）

31 磁束密度ー変位 磁束密度ー変位 パラメータ：励磁電流

32 変位の周波数応答 共振周波数約2kHz （バイモルフ：約500Hz）

33 まとめ 残りのパターンの物理量評価、比較 共振周波数を4kHz以上にするためのパラメータの推定 官能試験→音響的な評価 ヨーク幅[mm]
Y0.7-W0.5型 0.7 0.5 Y1-W0.5型 1 Y1-W1型 残りのパターンの物理量評価、比較 共振周波数を4kHz以上にするためのパラメータの推定 官能試験→音響的な評価

34 縦振動構造のバイアス

35 電流-変位，電流-磁束密度

36 変位の周波数応答

37 縦振動構造 バイモルフ構造の部品で 製作可能

38 伝達関数の決定 発生力 22.4 等価バネ係数[N/m] 0.15×106 等価質量[kg] 2.5×10-3 減衰比 0.05
磁歪素子の挙動をシミュレーションに組み込むためには 入力：信号電圧　出力：変位　の伝達関数を求める必要がある デバイスを一次機械モデルと近似 運動方程式から伝達関数を算出 各等価係数を実験的に求めた 発生力 22.4 等価バネ係数[N/m] 0.15×106 等価質量[kg] 2.5×10-3 減衰比 0.05 臨界減衰定数 38.7 粘性減衰定数 1.9 カップリング係数 41

39 デバイスの等価パラメータ 発生力 22.4 等価バネ係数[N/m] 0.15×106 等価質量[kg] 2.5×10-3 減衰比 0.05
臨界減衰定数 38.7 粘性減衰定数 1.9 カップリング係数 41

40 ステップ入力時の遅延

41 入出力の時間波形(正弦波1kHz)

42 入出力の時間波形(正弦波5kHz)

43 今後の課題 構造 残りのパターンの物理量評価、比較 官能試験

44 御清聴ありがとうございました

45

46 Step3-2 電子制御 音声信号波形に変位波形が追従しているかを検知 フィードバック回路によって補正を行う サーチコイル
検知にはセンサが必須： ひずみゲージ

47 サーチコイルによる変位検知 サーチコイルをGalfenolの主磁路に巻く Galfenolの変位変化に応じて磁路内で磁束変化が発生
サーチコイルに誘導電圧が発生する これをセンサとして利用 誘導電圧（磁束密度）と変位の線形性を調べる

48 磁束密度-変位特性（正弦波入力） 相関性99.9％を確認

49 回路概要 オペアンプ電源 フィードバック制御部 センサ信号増幅部 制御信号出力部 位相反転出力

50 センサ信号出力部 センシング信号としてフィードバック部に入力 サーチコイル信号 反転増幅により微少信号を増幅

51 フィードバック制御部 センシング信号 音声信号 差動回路により差分を出力

52 制御信号出力部 音声信号 音声信号と センシング信号の差分値 加算回路により音声信号＋差分値を 制御信号として出力

53 回路概要（再掲） オペアンプ電源 音声信号との 差分値を出力 微少なセンサ信号を増幅 制御信号として出力 位相反転出力

54 シミュレーションによる動作確認 センサ信号波形(10Hz)：実際の測定データにより入力 音声信号：10Hzの正弦波と仮定 制御信号が
音声信号＋（音声信号ーセンサ信号） となっているか確認

55 シミュレーション結果

56 シミュレーション結果

57 まとめ 共振周波数以上の周波数では共振音が支配的 ノイズの主原因？ 伝達関数の整合性を実験的に検証(周波数、波形)
実際の音声信号でシミュレーション 回路制作