(57)【要約】【課題】感音状態の最適化を容易且つ迅速に行うことができる外部音知覚装置を提供する。【解決手段】外部音を超音波振動により知覚するための外部音知覚装置であって、入力された外部音に基づいて音信号を生成する音信号生成手段１０と、音信号に基づいてキャリア信号を変調することにより、振動信号を生成する振動信号生成手段２０と、振動信号に基づいて生体に超音波振動を伝達する振動伝達手段３０とを備え、振動伝達手段３０は、生体の所定位置に当接させた状態で固定可能な複数の振動子３１を備えており、振動信号生成手段２０は、振動子３１毎にそれぞれ異なる振動信号を生成可能に構成されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部音を超音波振動により知覚するための外部音知覚装置であって、
入力された外部音に基づいて音信号を生成する音信号生成手段と、
前記音信号に基づいてキャリア信号を変調することにより、振動信号を生成する振動信号生成手段と、
前記振動信号に基づいて生体に超音波振動を伝達する振動伝達手段とを備え、
前記振動伝達手段は、生体の所定位置に当接させた状態で固定可能な複数の振動子を備えており、
前記振動信号生成手段は、前記振動子毎にそれぞれ異なる前記振動信号を生成可能に構成されている外部音知覚装置。
【請求項２】
前記振動信号生成手段は、少なくとも１つの前記振動子に対応する前記キャリア信号の周波数及び／又は位相を調節可能な入力部を備える請求項１に記載の外部音知覚装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部音を超音波振動により知覚するための外部音知覚装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
外部音を知覚するための外部音知覚装置として、難聴者用の補聴器が知られている。補聴器には、音の振動が鼓膜を介して脳の聴覚器官に伝達される気導型の補聴器と、音の振動が鼓膜を介さずに頭蓋骨などから直接人体に伝わる骨導型の補聴器とがあり、振動子を人体の所定部位に取り付けて使用する。
【０００３】
最近では、振動子を介して超音波振動を脳の聴覚器官に伝達することにより、外部音を知覚可能にした構成も知られている（特許文献１及び２）。特許文献２には、１つの変調部から出力された超音波信号が、直列又は並列に接続された複数の超音波振動子にそれぞれ入力されるように構成し、これら複数の超音波振動子を頭部の所定部位に配置することが示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３２０７９９号公報（第１頁、第９図）
【０００５】
【特許文献２】
特開２００２−３００７００号公報（第１，５頁、第６〜１０図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
複数の超音波振動子を使用する場合は、単一の超音波振動子を使用する場合に比べて感音状態（外部音の知覚状態）を良好にすることができるが、振動子の取り付け位置によって感音状態が変化する。このため従来は、感音状態を確認しながら各振動子を徐々に移動させて取り付け位置を決定するようにしていたが、このような方法では感音状態の微調整が困難であり、各振動子を最適位置に取り付けるのに時間を要していた。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みなされたものであって、感音状態の最適化を容易且つ迅速に行うことができる外部音知覚装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、頭部モデルを用いた実測及び数値シミュレーションを行うことにより、後述するように、複数の振動子を用いた場合の頭部内の音圧分布を調べた。この結果、超音波刺激の場合には、可聴音刺激に比べて生体内における音圧分布が複雑なものとなり、各振動子の取り付け位置によって音圧分布が大きく変化することが明らかになった。本発明者らは、種々の条件下で頭部内の音圧分布を解析することにより、以下の知見を得た。
【０００９】
即ち、本発明の前記目的は、外部音を超音波振動により知覚するための外部音知覚装置であって、入力された外部音に基づいて音信号を生成する音信号生成手段と、前記音信号に基づいてキャリア信号を変調することにより、振動信号を生成する振動信号生成手段と、前記振動信号に基づいて生体に超音波振動を伝達する振動伝達手段とを備え、前記振動伝達手段は、生体の所定位置に当接させた状態で固定可能な複数の振動子を備えており、前記振動信号生成手段は、前記振動子毎にそれぞれ異なる前記振動信号を生成可能に構成されている外部音知覚装置により達成される。
【００１０】
この外部音知覚装置において、前記振動信号生成手段は、少なくとも１つの前記振動子に対応する前記キャリア信号の周波数及び／又は位相を調節可能な入力部を備えることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実態形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る外部音知覚装置の概略構成を示す正面図であり、図２は、そのブロック図である。図１及び図２に示すように、この外部音知覚装置は、入力された外部音に基づいて音信号を生成する音信号生成部１０と、得られた音信号に基づいて振動信号を生成する振動信号生成部２０と、前記振動信号に基づく機械的振動を伝達する振動伝達部３０とを備える。
【００１２】
音信号生成部１０は、マイクロホンなどから構成されており、外部からの音を検出して増幅することにより音信号を生成する。
【００１３】
振動信号生成部２０は、キャリア信号を生成するキャリア信号発生部２２と、キャリア信号の周波数、振幅およびタイミング（位相）を調整可能な入力部２４と、音信号生成部１０において生成された音信号に基づいてキャリア信号を変調することにより振動信号を生成するキャリア信号変調部２６とを備えている。キャリア信号の周波数は、高度の難聴者であっても良好な感音状態が得られるように、超音波領域である２０〜１００ｋＨｚであることが好ましく、２０〜５０ｋＨｚであることがより好ましい。したがって、入力部２４は、上記周波数域の一部または全部を含む範囲でキャリア信号の周波数を調整可能であることが好ましい。入力部２４は、例えば、周波数、振幅、位相をそれぞれ連続的に変化させることができるように、個別に調整可能なボリュームスイッチから構成することができる。
【００１４】
振動伝達部３０は、振動信号を機械的な振動として外部に伝達する振動子を複数備えている。図３に示すように、振動伝達部３０は、振動子３１が収容された円筒状のケース３２を複数備えており、各ケース３２の開口縁に吸盤３４を取り付けて構成されている。各ケース３２は、可撓性を有する連結部材等により結合してもよい。
【００１５】
振動子３１は、ジンバル機構により、互いに直交する２軸の回りに揺動可能に支持されている。即ち、振動子３１は、振動面を露出させるように第１の枠体４０に固定されており、第１の枠体４０は、第１の支持軸４２を介して第２の枠体４４に揺動自在に支持されている。そして、第２の枠体４４は、第１の支持軸４２と直交する第２の支持軸４６を介してケース３２の内部に揺動自在に支持されている。振動子３１の振動面は、ケース３２の開口からわずかに突出しており、吸盤３４を所定の取付部位に吸着させると、振動子３１の振動面が被吸着面に接触して押圧するように構成されている。各ケース３２の底部（図の上部）中央には連通孔３２ａが形成されており、この連通孔３２ａに球状の袋状体４８が結合されている。袋状体４８はゴム材などの弾性材からなり、押圧により弾性変形可能に構成されている。袋状体４８の内部空間は、連通孔３２ａを介してケース３２の内部と連通している。
【００１６】
以上の構成を備えた外部音知覚装置において、振動信号生成部２０は、複数の振動子３１に対応して複数設けられており、各振動子３１に対してそれぞれ異なるキャリア信号に基づく振動信号を出力できるように構成されている。
【００１７】
次に、上記外部音知覚装置の作動について説明する。まず、複数の振動子３１を、人体の所定部位（例えば、乳様突起の近傍）にそれぞれ取り付ける。各振動子３１は、袋状体４８を手で摘んだ状態で所定部位に吸盤３４を押し付けることにより、ジンバル機構によって人体に確実に接触させることができる。この後、摘んでいた手を離すと、袋状体４８の形状復元力によりケース３２の内部が負圧になって吸着力が得られるので、振動子３１の取り付けを確実にすることができる。
【００１８】
この後、外部音知覚装置のスイッチをＯＮにして、外部音が入力されると、音信号生成部１０は、外部音を電気信号に変換して音信号を生成し、所定のレベルまで増幅した後に、振動信号生成部２０に向けて出力する。
【００１９】
振動信号生成部２０は、キャリア信号発生部２２が、所定の振幅及び周波数を有するキャリア信号を生成し、キャリア信号変調部２６が、このキャリア信号を音信号に基づいて変調することにより、振動信号を生成する。振動信号生成部２０は、振動子３１毎に対応する振動信号を個別に生成し、振動伝達部３０に出力する。振動伝達部３０は、入力された振動信号に基づいて各振動子３１を振動させる。この結果、外部音に対応する超音波振動が人体に伝達される。なお、キャリア信号変調部２６は、音信号が入力されない期間は、振動信号を出力しないように制御する。
【００２０】
振動伝達部３０からの超音波振動によって、頭部内に音圧分布が生じる。本実施形態においては、振動伝達部３０の上記構成によって振動子３１の経時的な位置ずれを効果的に防止することができるが、頭部内の音圧分布は、各振動子３１の取り付け位置の僅かな相違によって大きく変化するため、感音状態が最適となる部位に各振動子３１を正確に取り付けることは困難である。そこで、本実施形態においては、各振動子３１に対応するキャリア信号の周波数、位相および振幅を入力部２４において個別に調整可能に構成しており、任意の振動子３１に対応する周波数、位相および振幅のいずれかを徐々に変化させることで、頭部内における音圧分布の微調整を可能にしている。この結果、超音波の干渉によって生じる腹及び節の位置を制御したり、超音波の焦点を絞って局所的に音圧を高めたりすることが可能になり、感音状態を容易且つ迅速に最適化することができる。
【００２１】
感音状態を最適化するための具体的な方法は特に限定されるものではないが、例えば、以下の方法を挙げることができる。まず、複数の振動３１から発せられる超音波の振幅を小さめに設定し、感音状態が概ね良好となるようにそれぞれ乳様突起に対して適当に取り付けていくことで、各振動子３１の位置決めを行う。そして、感音状態がより良好となるように、各振動子３１の周波数及び位相を調整し、決定する。例えば振動子３１を２個取り付けて使用する場合、各振動子３１に対応するキャリア信号の周波数を同時に変化させて、感音状態が最も良好になる周波数をそれぞれ設定する。この後、各振動子３１に対応するキャリア信号の位相についても同様の方法で設定することにより、キャリア信号の最適な周波数及び位相及を振動子３１毎に個別に得ることができ、感音状態を最適化することができる。周波数及び位相の設定は、どちらが先であってもよい。最後に、所望の感音状態が得られるように、振幅を所望の大きさに設定する。
【００２２】
感音状態を最適化する方法としては、これ以外に、一方の振動子３１に対応するキャリア信号の周波数、位相及び振幅をそれぞれ所定値に維持したまま、他方の振動子３１に対応するキャリア信号の周波数、位相及び振幅を順次変化させて、感音状態を最適化することも可能である。この場合には、少なくとも１つの振動子３１に対応するキャリア信号の周波数、位相及び振幅を入力部２４において調整可能に構成されていればよい。
【００２３】
【実施例】
流体中の音場解析に用いられる時間領域有限差分法（ＦＤＴＤ法：Ｆｉｎｉｔｅ−  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ  Ｍｅｔｈｏｄ）を用いて、振動子により頭部内に形成される音場を計算により求め、各振動子に対応するキャリア信号の周波数及び位相の相違による音圧分布の変化を調べた。
【００２４】
具体的には、まず、標準的な日本人男性の頭部解剖図を参考に人体頭部モデルを作成し、この頭部モデルの左耳付近に半径５ｍｍの円形振動板を複数配置して、それが一様振動するものとして骨導音呈示を模擬した。蝸牛を含むｘｙ平面の頭部モデルの断面図を図４（ａ）に示す。図４における「Ｉ」、「ＩＩ」及び「ＩＩＩ」は、それぞれ振動子Ｉ、振動子ＩＩ及び振動子ＩＩＩの取り付け位置を示しており、「Ｉ」が耳の前、「ＩＩ」が耳の後ろ、「ＩＩＩ」が耳の更に後ろである。音源に与える励振波形は、立ち上がり波にランプ関数をかけた連続正弦波とした。一例として、３０ｋＨｚの励振波形を図４（ｂ）に示す。
【００２５】
（条件１）  周波数の相違による音圧分布の変化
上記頭部モデルにおいて振動子Ｉ及び振動子ＩＩを使用し、振動子Ｉの周波数を３０ｋＨｚに維持した状態で振動子ＩＩの周波数を変化させ、頭部内の音圧分布を調べた。
振動子Ｉ及び振動子ＩＩの位相は同じ（位相差０）に設定した。図５及び図６は、図４に示す頭部断面における音圧分布を濃淡で示したものであり、縦軸及び横軸の単位はｍｍである。図５（ａ）〜（ｄ）は、振動子ＩＩの周波数が１５ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、３０ｋＨｚ及び３０．００１ｋＨｚの場合にそれぞれ対応しており、図６（ａ）〜（ｄ）は、振動子ＩＩの周波数が３０．０１ｋＨｚ、３０．１ｋＨｚ、３１ｋＨｚ及び３２ｋＨｚの場合にそれぞれ対応している。また、図７及び図８は、それぞれ図５及び図６に対応する周波数条件下での左の蝸牛における音圧（縦軸）の時間（横軸）変化を示している。
【００２６】
図５〜図８から明らかなように、振動子の励振周波数を徐々に変化させることにより、頭部内の音圧分布及び所定部位における感音レベルも徐々に変化する。このように、一方の振動子に対応するキャリア信号の周波数を調節することにより、感音状態を制御可能である。
【００２７】
（条件２）  位相の相違による音圧分布の変化
上記頭部モデルにおいて振動子Ｉ及び振動子ＩＩを使用し、振動子Ｉ及び振動子ＩＩの周波数を３０ｋＨｚに維持した状態で振動子Ｉと振動子ＩＩとの位相差を生じさせ、頭部内の音圧分布を調べた。図９〜図１２は、図４に示す断面での音圧分布を濃淡で示したものであり、縦軸及び横軸の単位はｍｍである。図９（ａ）〜（ｃ）は、振動子Ｉの位相に対する振動子ＩＩの位相の遅れが、それぞれ１８０゜，１５０゜及び１２０゜の場合にそれぞれ対応しており、図１０（ａ）〜（ｃ）は、振動子Ｉの位相に対する振動子ＩＩの位相の遅れが、それぞれ９０゜，６０゜及び３０゜の場合にそれぞれ対応している。また、図１１（ａ）〜（ｃ）は、振動子Ｉの位相に対する振動子ＩＩの位相の進みが、それぞれ１８０゜，１５０゜及び１２０゜の場合にそれぞれ対応しており、図１２（ａ）〜（ｃ）は、振動子Ｉの位相に対する振動子ＩＩの位相の進みが、それぞれ９０゜，６０゜及び３０゜の場合にそれぞれ対応している。また、図１３〜図１６は、それぞれ図９〜図１２に対応する周波数条件下での左の蝸牛における音圧（縦軸）の時間（横軸）変化を示している。
【００２８】
図９〜図１６から明らかなように、複数の振動子における励振波形間の位相差を徐々に変化させることにより、頭部内の音圧分布及び所定部位における感音レベルも徐々に変化する。このように、一方の振動子に対応するキャリア信号の位相を調節することにより、感音状態を制御可能である。
【００２９】
（条件３）  取付位置の相違による音圧分布の変化
上記頭部モデルにおいて、３つの振動子（振動子Ｉ、振動子ＩＩ及び振動子ＩＩＩ）から使用する２以上の振動子の組み合わせを変えて、頭部内の音圧分布を調べた。図１７は、図４に示す断面での音圧分布を濃淡で示したものであり、縦軸及び横軸の単位はｍｍである。図１７（ａ）〜（ｄ）は、振動子Ｉ・ＩＩ、振動子ＩＩ・ＩＩＩ、振動子Ｉ・ＩＩＩ及び振動子Ｉ・ＩＩ・ＩＩＩの各組み合わせに対応している。また、図１８は、図１７に対応する各条件下での左の蝸牛における音圧（縦軸）の時間（横軸）変化を示している。各振動子の周波数は３０ｋＨｚであり、位相差は０とした。
【００３０】
図１７及び図１８から明らかなように、振動子の取り付け位置が僅かに異なるだけで、音圧分布及び所定部位における音圧レベルが大きく変化している。このように、振動子の取り付け位置を変えることにより感音状態を最適化することは困難である。
【００３１】
（条件４）  可聴音による音圧分布
上記条件３において、各振動子の周波数を３ｋＨｚとする他は同様の条件下で頭部内の音圧分布を調べた。図１９（ａ）〜（ｄ）は、振動子Ｉ・ＩＩ、振動子ＩＩ・ＩＩＩ、振動子Ｉ・ＩＩＩ及び振動子Ｉ・ＩＩ・ＩＩＩの各組み合わせに対応している。また、図２０は、図１９に対応する各条件下での左の蝸牛における音圧（縦軸）の時間（横軸）変化を示している。
【００３２】
図１９及び図２０から明らかなように、振動子の取り付け位置が変化しても、音圧分布及び所定部位における音圧レベルはほとんど変化しない。このように、可聴音の場合には、振動子の取り付け位置が感音状態に与える影響は少ない。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、感音状態の最適化を容易且つ迅速に行うことができる外部音知覚装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る外部音知覚装置の概略構成を示す正面図である。
【図２】前記外部音知覚装置のブロック図である。
【図３】前記外部音知覚装置における振動伝達部の断面図である。
【図４】人体の頭部内における音圧分布の解析に用いる（ａ）頭部モデル及び（ｂ）励振波形を示す図である。
【図５】頭部内音圧分布の解析結果の一例を示す図である。
【図６】頭部内音圧分布の解析結果の他の例を示す図である。
【図７】図５に対応する所定部位における音圧の時間変化を示す図である。
【図８】図６に対応する所定部位における音圧の時間変化を示す図である。
【図９】頭部内音圧分布の解析結果の一例を示す図である。
【図１０】頭部内音圧分布の解析結果の他の例を示す図である。
【図１１】頭部内音圧分布の解析結果の更に他の例を示す図である。
【図１２】頭部内音圧分布の解析結果の更に他の例を示す図である。
【図１３】図９に対応する所定部位における音圧の時間変化を示す図である。
【図１４】図１０に対応する所定部位における音圧の時間変化を示す図である。
【図１５】図１１に対応する所定部位における音圧の時間変化を示す図である。
【図１６】図１２に対応する所定部位における音圧の時間変化を示す図である。
【図１７】頭部内音圧分布の解析結果の一例を示す図である。
【図１８】図１７に対応する所定部位における音圧の時間変化を示す図である。
【図１９】頭部内音圧分布の解析結果の一例を示す図である。
【図２０】図１９に対応する所定部位における音圧の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
１０  音信号生成部
２０  振動信号生成部
２２  キャリア信号発生部
２４  入力部
２６  キャリア信号変調部
３０  振動伝達部
３１  振動子
３２  ケース
３４  吸盤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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