(57)【要約】      （修正有）【課題】ノイズヘッドホンの出力である、アクティブな音声信号と、ノイズキャンセリング信号との結合によるノイズレベルの増加を防止する。【解決手段】ノイズキャンセリングヘッドホンは低電力消費のノイズキャンセル回路を用い、音声入力信号１２０は付加的なヘッドホン増幅器を用いることなく直接ヘッドホンに供給される。ノイズキャンセリング回路は周囲のノイズをピックアップするためにマイクロフォン１０２を用い、周囲のノイズ信号１３０と振幅は等しいが極性が反対の信号を生成する。結果として信号は音声入力信号と混合され、ヘッドホン１１６のスピーカに供給される。この方法は、通常のノイズキャンセル回路よりも少ない部品を用い、より少ない部品を用いるために電力消費量も少ないという点で有利である。ノイズキャンセル回路に搭載される音声入力信号において増幅されるものがないので、音声入力信号の歪みも低減する。【選択図】図２
2010136378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部ノイズ信号を受信する受信手段と、
スピーカを駆動可能なレベルに前記外部ノイズ信号を前置増幅可能な前置増幅手段と、
フェーズシフトした出力信号のフェーズ極性が聞き手の耳周辺の外部ノイズ信号のフェーズ極性とは反対になるようにフェーズシフトした出力信号を生成可能なフェーズシフト手段と、
前記ノイズキャンセリング音声信号を生成するように前記フェーズシフトした出力信号と音声入力信号とを合計する合計手段と、
を備え、スピーカにノイズキャンセリング音声信号を出力可能な電力低減ノイズキャンセリング装置。
【請求項２】
前記電力低減ノイズキャンセリング装置は、更に、前記スピーカに前記音声入力信号のインピーダンスを適合させる適合手段を備える、請求項１に記載の電力低減ノイズキャンセリング装置。
【請求項３】
前記前置増幅手段は、スピーカ増幅器の補助なく前記スピーカを駆動するために十分な増幅率を提供する、請求項１に記載の電力低減ノイズキャンセリング装置。
【請求項４】
前記電力低減ノイズキャンセリング装置は、フィードフォワードタイプの電力低減ノイズキャンセリング装置である、請求項１に記載の電力低減ノイズキャンセリング装置。
【請求項５】
前記電力低減ノイズキャンセリング装置は、フィードバックタイプの電力低減ノイズキャンセリング装置である、請求項１に記載の電力低減ノイズキャンセリング装置。
【請求項６】
前記受信手段は、外部ノイズ信号を受信可能なマイクロフォンである、請求項１に記載の電力低減ノイズキャンセリング装置。
【請求項７】
前記ノイズキャンセリング音声信号の振幅は、周囲のノイズのレベルに適合される、請求項１に記載の電力低減ノイズキャンセリング装置。
【請求項８】
前記スピーカは、ヘッドホンスピーカである、請求項１に記載の電力低減ノイズキャンセリング装置。
【請求項９】
前記音声入力信号は、音声源から供給される、請求項１に記載の電力低減ノイズキャンセリング装置。
【請求項１０】
前記音声入力信号は、ＣＤプレーヤ、ＭＰ３プレーヤ、パーソナルコンピュータ、又は類似の機器のような音声源から供給される、請求項９に記載の電力低減ノイズキャンセリング装置。
【請求項１１】
マイクロフォンを通して周囲のノイズ信号を受信するステップと、
結果としてフェーズシフトした信号のフェーズが前記受信した周囲のノイズ信号と極性が反対となるように前記受信したノイズ信号をフェーズシフトするステップと、
前記結果としてフェーズシフトした信号がスピーカを駆動可能であるように前記結果としてフェーズシフトした信号を前置増幅するステップと、
前記前置増幅された結果としてフェーズシフトした信号及び音声入力信号を合計するステップと、
前記合計され、前置増幅された結果としてフェーズシフトした信号及び前記音声入力信号をスピーカに出力するステップと、
を含む、電力低減ノイズキャンセリング回路を用い、音響信号に存在する周囲のノイズを低減する方法。
【請求項１２】
前記方法は、前記音声入力信号のインピーダンスと前記スピーカのインピーダンスとを適合させるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記方法は、前記スピーカを駆動するための付加的なスピーカ増幅器を必要としない、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記電力低減ノイズキャンセリング回路は、フィードフォワードタイプの電力低減ノイズキャンセリング回路である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記電力低減ノイズキャンセリング回路は、フィードバックタイプの電力低減ノイズキャンセリング回路である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記スピーカは、ヘッドホンスピーカである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記音声入力信号は、音声源から供給される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記音声入力信号は、ＣＤプレーヤ、ＭＰ３プレーヤ、携帯機器、又は類似の機器のような音声源から供給される、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノイズキャンセルに関する。特に、本発明は、ヘッドホンを用いるノイズキャンセリングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ノイズキャンセル方式は、ヘッドホンのような音声デバイスを用いることによる不要な周囲の音を低減するように設計される。周囲の音は、特定の場所の背景音圧レベルとして認識されている。ノイズキャンセルシステムを設計するために、ヘッドホンのような音声源は、装着者の耳の周囲の音に対して同じ振幅を有するが異極性を有する音波を発生しなければならない。周囲の音波と、ヘッドホンからの音波とは、新しい波を形成するように結合し、当該２つの波は、装着者の耳でフェーズキャンセルと呼ばれる過程で効率的に相殺する。結果として、周囲の音波は非常に低い振幅になるので、人の耳では聴き取れないものとなる。
【０００３】
特許文献１に開示されているシステムのような、近年のノイズキャンセルヘッドホンシステムは、マイクロフォンの利用を通して周囲の音の波形を取り込み、ヘッドホンを介して上述したような異極性を有する音波を出力する信号処理回路を用いている。上記特許文献１に開示されている信号処理回路は、図示されているように、異極性を有する信号を得るために増幅器やノッチフィルター等の多数の回路部品を用いている。このことは、上記回路が多数の部品に動力を供給するために高電力レベルを消費し、製造するために費用もかかるということを意味する。このことは、個人の利用にとって費用面で効率的なノイズキャンセルシステムを提供するという点で問題である。
【０００４】
これまでは、ノイズキャンセル回路を構築するための前置増幅回路と共にヘッドホン増幅回路を用いることが知られている。このことが要求されるのは、２つの波のキャンセルを実現させるために音波が周囲の音のレベルと同じ振幅レベルで生成される必要があるからである。このような回路を用いることの問題点として、ノイズキャンセル回路のヘッドホン増幅回路の存在により多量の電力を消費すること、及び製造時に部品に高い費用が必要となることが挙げられる。
【０００５】
更に、音楽や他の音声源を聴くために利用される通常のノイズキャンセリングヘッドホンデバイスにとって、ヘッドホンの出力は、音楽をもたらすアクティブな音声信号と、ノイズキャンセリング回路から生成されるノイズキャンセリング信号とが結合されたものである。２つの信号はヘッドホン増幅回路で共に結合され、このことがアナログ増幅器に存在する歪みによるヘッドホン出力に存在するノイズレベルを増加させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５８２５８９７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の目的とするところは、既知の技術における不利な点及び限定を改良したノイズキャンセリングヘッドホンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の側面では、本発明は、外部ノイズ信号を受信する受信手段と、スピーカを駆動可能なレベルに上記外部ノイズ信号を前置増幅可能な前置増幅手段と、フェーズシフトした出力信号のフェーズ極性が聞き手の耳周辺の外部ノイズ信号のフェーズ極性とは反対になるようにフェーズシフトした出力信号を生成可能なフェーズシフト手段と、上記ノイズキャンセリング音声信号を生成するように上記フェーズシフトした出力信号と音声入力信号とを合計する合計手段と、を備え、スピーカにノイズキャンセリング音声信号を出力可能な低減した電力ノイズキャンセリング装置に関するものである。
【０００９】
好ましくは、上記低減した電力ノイズキャンセリング装置は、更に、上記スピーカに上記音声入力信号のインピーダンスを適合させる適合手段を備える。
【００１０】
好ましくは、上記前置増幅手段は、スピーカ増幅器の補助なく上記スピーカを駆動するために十分な増幅率を提供することができる。
【００１１】
好ましくは、上記低減した電力ノイズキャンセリング装置は、フィードフォワードタイプの低減された電力ノイズキャンセリング装置である。
【００１２】
あるいは、上記低減した電力ノイズキャンセリング装置は、フィードバックタイプの低減された電力ノイズキャンセリング装置である。
【００１３】
好ましくは、上記受信手段は、外部ノイズ信号を受信可能なマイクロフォンである。
【００１４】
好ましくは、上記ノイズキャンセリング音声信号の振幅は、周囲のノイズのレベルに適合される。
【００１５】
好ましくは、上記スピーカは、ヘッドホンスピーカである。
【００１６】
好ましくは、上記音声入力信号は、音声源から供給される。
【００１７】
より好ましくは、上記音声入力信号は、ＣＤプレーヤ、ＭＰ３プレーヤ、パーソナルコンピュータ、又は類似の機器のような音声源から供給される。
【００１８】
他の側面では、本発明は、マイクロフォンを通して周囲のノイズ信号を受信するステップと、結果としてフェーズシフトした信号のフェーズが上記受信した周囲のノイズ信号と極性が反対となるように上記受信したノイズ信号をフェーズシフトするステップと、上記結果としてフェーズシフトした信号がスピーカを駆動可能であるように上記結果としてフェーズシフトした信号を前置増幅するステップと、上記前置増幅された結果としてフェーズシフトした信号及び音声入力信号を足し合わせるステップと、上記足し合わされ前置増幅され結果としてフェーズシフトした信号及び上記音声入力信号をスピーカに出力するステップと、を含む、低減した電力ノイズキャンセリング回路を用いる音響信号に存在する周囲のノイズを低減する方法に関するものである。
【００１９】
好ましくは、上記方法は、上記音声入力信号のインピーダンスと上記スピーカのインピーダンスとを適合させるステップを含む。
【００２０】
好ましくは、上記方法は、上記スピーカを駆動するための付加的なスピーカ増幅器を必要としない。
【００２１】
好ましくは、上記低減された電力ノイズキャンセリング回路は、フィードフォワードタイプの低減された電力ノイズキャンセリング回路である。
【００２２】
あるいは、上記低減された電力ノイズキャンセリング回路は、フィードバックタイプの低減された電力ノイズキャンセリング回路である。
【００２３】
好ましくは、上記スピーカは、ヘッドホンスピーカである。
【００２４】
好ましくは、上記音声入力信号は、音声源から供給される。
【００２５】
より好ましくは、上記音声入力信号は、ＣＤプレーヤ、ＭＰ３プレーヤ、携帯機器、又は類似の機器のような音声源から供給される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
本発明の実施形態について、添付の図面を参照しながらほんの一例として以下に記載する。
【図１】関連技術に係る通常のフィードフォワードタイプのノイズキャンセリング回路の回路図である。
【図２】本発明の好適な一実施形態に係る新規なフィードフォワードタイプのノイズキャンセリング回路の回路図である。
【図３】本発明の好適な他の実施形態に係る新規なフィードバックタイプのノイズキャンセリング回路の回路図である。
【図４】ヘッドホンに供給される出力音声信号の電圧成分間の関係を示す図及び式である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下の説明では、本発明の好適な実施形態に関して本発明、すなわちノイズキャンセリングヘッドホンについて記載する。上記好適な実施形態は単に本発明の例として示されているのであって、本発明は上記好適な実施形態に限定されるものではなく、可能な変更例及び修正例は本発明の範囲から逸脱することない範囲で当然に明らかなものである。
【００２８】
図１ａは、関連技術で用いられる典型的なノイズキャンセル回路を示し、図１ａによれば、音声信号が１１０で提供され、１０２で外部の周囲のノイズ信号が提供され、音声信号のみを残し、ユーザの耳の周囲のノイズを打ち消す信号をスピーカ１１６に提供するように結合される。通常のノイズキャンセル回路（図１）では、音声入力信号１１０は、ヘッドホン増幅器１１４に供給される前に音声イコライザー回路１１２に供給されなければならないことが分かる。音声イコライザー回路１１２は、音声入力信号１１０での周波数及びフェーズの不足分を補い、それを均一にすることを要求される。音声入力信号１１０の音声応答は、イコライザー回路の成分値を変更することにより調整可能である。更に、通常のノイズキャンセル回路では、マイクロフォン１０２からの周囲の音の入力１０６は、ノッチフィルター１０４に送り込まれることが分かる。ノッチフィルターは、狭いストップバンド内で周波数を減衰させる特別なバンドストップフィルターである。それは、マイクロフォン１０２から入力される周囲の音信号１０６と同じ振幅を有するフェーズシフト信号を形成することを要求される適当なゲイン及びフェーズ応答を維持するために用いられる。ノッチフィルターの出力は、前置増幅器１０８に供給される。更に、通常のノイズキャンセル回路（図１）では、前置増幅器１０８の出力１１８は、音声イコライザー１１２からの出力と混合され、ヘッドホン１１６に出力される前にヘッドホン増幅器１１４に供給される。以上説明したように、分離した増幅集積回路は、音声入力信号１１０に歪みを付加する傾向にある出力信号を増幅することを要求される。
【００２９】
本発明のノイズキャンセル回路（図２）がより少ない部品を用いることは明らかである。図示されるノイズキャンセル回路は、ノイズキャンセル信号１３０が音声入力信号１２０からの入力を取得しないフィードフォワードタイプのノイズキャンセル回路として知られている。音声入力信号１２０は、ノイズキャンセル回路を介してヘッドホン１１６に入力を送信するＣＤプレーヤ、ＭＰ３プレーヤ、又は携帯機器のような機器からのあらゆるタイプの音入力源信号であってもよい。本発明のノイズキャンセル回路では、音声イコライザーが用いられず、それ故に音声入力信号１２０がヘッドホン１１６に直接供給される。音声イコライザー回路の省略により、回路内で用いられる部品の数を低減させられる。しかしながら、レジスタ及びキャパシタを有するインピーダンス適合回路１３４は、ヘッドホンに入力音声信号１２０のインピーダンスを正確に適合させるために回路内で用いられる。図１及び２に示すように、新規なインピーダンス適合回路では、音声イコライザー回路よりも少ない部品を用いることとなる。
【００３０】
上述したように、特定の場所において周囲の音を低減するために、等しい振幅であるが異極性である音は周囲の音波と混合されることとなる。本発明では、ヘッドホン近辺又はヘッドホン上に設置されたマイクロフォンが、ヘッドホンが用いられる場所の周囲の音を記録するために用いられる。図２は、マイクロフォン１０２を示し、入力される周囲の音信号１３０は前置増幅器１２４に直接供給される。本発明のノイズキャンセル回路は、図１の１０４のようなノッチフィルターに対する必要性を取り除くことが分かる。これにより、更に、回路内の付加的な部品を用いることに対する必要性が低減される。以上説明したように、結果として前置増幅器からの出力がノイズキャンセリング信号であるように、前置増幅器１２４及び関連部品は前置増幅器のフェーズ応答を調整する。前置増幅器は、ヘッドホン１１６から出力されるために適当なレベルで周囲の入力される音波の振幅レベルを維持し、ヘッドホン１１６の周囲の音波を取り消すために十分な振幅を有することができる。更に、本発明（図２）では、前置増幅器からの出力１２６は、音声入力信号１２０と適合されるインピーダンスと直接混合される。前置増幅器の出力信号がヘッドホン１１６を直接駆動するために十分なゲインレベルを維持するので、増幅に対する必要性が取り除かれる。
【００３１】
図３は、本発明の他の好適な実施形態に係るフィードバックタイプのノイズキャンセル回路を示す。フィードバックタイプのノイズキャンセル回路では、音声信号入力２０２は、ノッチフィルター２１４及び前置増幅器２１６よりも前にノイズキャンセル信号と混合される。図３に示すように、周囲の音波は、マイクロフォン２０８を介して入力され、次いでノッチフィルター２１２に供給される。ノッチフィルターは、ノイズキャンセル信号を形成するために要求されるゲイン及びフェーズ応答を提供するために用いられる。次いで、上記信号は、音声入力信号２０２からのフィードバックを取得する前置増幅器２１２に供給される。前置増幅器２１２の出力は、要求されるゲイン及びフェーズ応答を提供するために信号を再修正する他のノッチフィルター２１４に供給される。ノッチフィルター２１４からの出力は、出力されるノイズキャンセル及び音声信号のゲインを十分なレベルにすることを確実なものとする第２の前置増幅器２１６に供給される。結合されたノイズキャンセル及び音声入力信号２１８は、音声入力信号２０２と直接混合される。インピーダンス適合回路２０４は、音声入力信号２０２のインピーダンスを上記実施形態で説明したようなヘッドホン２０６と適合するために用いられる。本発明のフィードバックタイプのノイズキャンセリング回路は、音声イコライザー又はヘッドホン増幅器を要求しないということが分かる。回路は、前置増幅器回路から直接ヘッドホンを駆動するために十分な信号を提供することができる。
【００３２】
図４は、ノイズキャンセル回路の出力信号の構成を説明するために含まれる。図及び式から明らかなように、ヘッドホンに供給される出力電圧信号ｅｄ３０１は、２つのＡＣ電圧成分、すなわち、音声信号成分ｅａｕｄｉｏ３０３及びノイズキャンセル信号成分ｅｎｏｉｓｅ３０５から成る。上記式は、ノイズキャンセル信号ｅｎｏｉｓｅ３０５のソースの全抵抗値Ｒ１（３０７）及び入力音声信号ｅａｕｄｉｏ３０３のソースの全抵抗値Ｒ２及びヘッドホンの抵抗値Ｒ３（３１１）のシンクの点からｅｄ３０１を提供するように形成される。３つの抵抗値Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３は、出力信号の２つのＡＣ電圧成分を出力電圧信号ｅｄ３０１と関連付ける。上記式の目的は、抵抗値Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３の値を操作することにより、入力電圧信号ｅａｕｄｉｏ３０３及びｅｎｏｉｓｅ３０５を調整する必要なくヘッドホン３１１のユーザにより要求されるように出力電圧信号ｅｄ３０１のレベルを変更可能なものとすることを示すことである。出力電圧信号ｅｄ３０１は、２つの信号の合計であるので、音声信号成分ｅａｕｄｉｏ３０３及びノイズキャンセル信号ｅｎｏｉｓｅ３０５の特性を有する。上記特性については、出力で要求される信号を取得するために、Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３を変更することにより操作することができる。
【００３３】
＜効果＞
（ａ）記述したノイズキャンセル回路は、図及び上記説明から明らかなように可能な限り最少の部品を用いる。より少ない部品を用いることで、増幅器ＩＣ及びフィルター回路のような高価な部品を取り除くことができるので、回路の製造コストを低減することとなる。最少の部品の利用によりノイズキャンセル回路のサイズを縮小することにもなり、同様に回路と結合されるヘッドホンのサイズ自体も縮小し、より簡素化することとなる。更に、ノイズキャンセル回路の設計に対してより少ない部品を利用することは、回路の電力消費も低減することを意味する。内蔵ヘッドホン増幅器を用いないことにより、電力の利用は劇的に低減し、電池を備えればヘッドホンをより長い時間使用することができる。
【００３４】
（ｂ）上述したように、ノイズキャンセル回路は、ヘッドホン増幅器の使用を必要としない。ヘッドホン増幅器は、演算増幅器のような能動部品を用いる。アナログ増幅は本質的に歪みをもたらすことになるので、これらの部品の使用は入力音声信号のノイズ及び歪みのレベルを増加させることとなる。ヘッドホン増幅器を取り除くことにより、本発明のノイズキャンセル回路では、ヘッドホンの出力信号からの主たる歪み要因が取り除かれる。
【００３５】
＜変形例＞
上述したように、ノイズキャンセリング回路は、フィードフォワードタイプのノイズキャンセリング回路又はフィードバックタイプのノイズキャンセリング回路として製造されてもよい。フィードフォワードタイプのノイズキャンセリングとして用いられる場合、音声入力信号は２つのパスに分岐し、１つの音声入力信号のパスはヘッドホンに直接供給され、他方の音声入力信号のパスはフィードバックタイプのパスを用いて周囲の音信号と混合される。要求されるゲイン及びフェーズ応答が上述したような出力で維持されることを確実なものとするために、回路は、２つのノッチフィルターを用いることを必要としない。しかしながら、本発明のフィードバックタイプのノイズキャンセル回路では、ヘッドホン増幅器及び音声イコライザーを取り除くことができる。
【００３６】
本明細書の記載を通じて、“備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）”という用語、及び“備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）”や“備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）”等の変化した用語は、他の付加したもの、部品、整数、又はステップを排除するものではない。
【００３７】
上述した内容は本発明の実例によって提供され、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば明らかなあらゆる修正例及び変形例が、上述したように本発明の範囲内に含まれるものと当然に了解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
2010136378000001.pdf