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補聴器技術で世界の聴覚をサポート

Sonion は, 振動音響モデリングと実験的試験を用いて, 補聴器およびプロオーディオ向けコンポーネントを開発しています. Sonion の Michele Colloca 氏は, COMSOL のインタビューで, チームの取り組みと補聴器技術の将来について語りました.

Joseph Carew 著
2025年2月

オーディオモニター, イヤホン, ヘッドホン, 補聴器, その他の一般的なオーディオ技術には, 多くの場合, 単一のブランド名が付けられていますが, これらの製品のほとんどは, 複数の企業によって設計・製造された部品が組み込まれています. 例えば, 世界最大の補聴器メーカー6社のうち5社は, 補聴器メーカーやプロオーディオメーカー向けに, バランスドアーマチュアレシーバー, ハイエンドマイク, 音声ピックアップセンサー, その他の電気機械部品など, 高度な小型部品を設計・製造するグローバル企業である Sonion が開発したトランスデューサー部品を採用しています. Sonion のエンジニアは, 初期コンセプトから設計の改良, 量産に至るまで, 製品開発の各段階で顧客をサポートしています. “私たちの目標は, 単なるサプライヤーではなく, お客様とパートナーとなり, 共に開発していくことです” と, Sonion のレシーバー & RIC 開発責任者である Michele Colloca 氏は述べています.

Colloca 氏は, オランダとベトナムのシミュレーションエンジニアチームを率い, Sonion とその顧客に対し, 既存製品や新製品のコンセプトに関するモデリングサポート, 実験によるモデルの検証, Sonion のトランスデューサーの仕組みの説明などを行っています. “モデリングは, 情報交換や問題解決など, 相互理解を深める場だと考えています. 私たちのモデルは, 私たちとお客様が協力し, エンドユーザーの体験を向上させるための場なのです” と Colloca 氏は述べます.

以下の Q&A で紹介されているように, Colloca と連携し, 補聴器設計における主な課題, モデリングとシミュレーションが研究開発の加速にどのように貢献しているか, そして Sonion がどのように補聴器技術を進化させているかについて話を聞きました.

補聴器技術の新たな発展を牽引しているトレンドと消費者のニーズとはどのようなものでしょうか?

"補聴器の主な目的は, あらゆる環境下で人々がより良く聞こえるようにすることです. これには, 補聴器の音質, 特に騒音下での音声理解の向上が含まれます. さらに, 補聴器の堅牢性を高め, 小型化することで見た目を改善し, 人々が装着したくなるようにすることも重要です. 最後に, 聴覚ケアをより身近で手頃な価格にすることで, より多くの人々が補聴器を利用できるようになることも重要です."

補聴器の部品設計において, 主な課題は何でしょうか?

"Sonion では, 幅広い補聴器の出力レベルと用途に対応する, シングル構成とデュアル構成の両方のバランスドアーマチュアレシーバー, 特殊用途およびプロフェッショナル用途向けのハイブリッド型および静電型レシーバー, 補聴器用の既製のスチール製またはプラスチック製の耳穴型レシーバー (RIC) システム, 高性能および低電力補聴器用の小型エレクトレットおよび MEMS マイク (図 1) を設計開発しています.

そのため, 複数の重要なトレードオフに対処する必要があります. 例えば, トランスデューサーは補聴器に収まるほど小型でありながら, 低消費電力, 最小限の歪み, そしてバランスドアーマチュアレシーバーの場合は機械振動, 磁気フィードバック, 音響フィードバックによる干渉を低減する必要があります. さらに, MEMS マイクは音に対して高い感度を持つ必要がありますが, 振動に対しては感度を持ちません. さらに, 部品は温度, 湿度, 耳垢や埃による汚染に対して信頼性が高く堅牢でなければなりません.

モデリングの観点から見ると, 当社のデバイスは本質的にマルチフィジックスであり, 強い非線形性を特徴としています. 例えば, モデルの電気領域を最適化すると, 音響領域に悪影響を与える可能性があり, その逆もまた同様です. “適切なバランスを見つけることは, 常に困難でありながらも魅力的な作業です."

この作業の重要性を考慮すると, 設計を間違えた場合, どのような結果が生じるでしょうか?

"最適な設計が達成されない場合, 複数回の設計反復が必要になり, 開発期間の長期化と研究開発費の増加, OEM (相手先ブランド製造会社) の市場投入および製品発売の遅延, 入札段階での設計受注機会の喪失につながる可能性があります."

Sonion はなぜ補聴器部品の開発にモデリングとシミュレーションを採用しているのでしょうか?

"モデリングとシミュレーションを活用することで, 試作段階に入る前に時間とリソースをより効率的に活用できます. COMSOL Multiphysics^® ソフトウェアで仮想プロトタイプを構築することで, 設計コンセプトの反復作業を迅速化できます. さらに, このソフトウェアに搭載されている有限要素解析 (FEA) 技術を活用することで, 実験室では測定や観察が困難な製品の挙動を徹底的に研究することができます."

モデリングとシミュレーションが特に重要だと感じた事例はありますか?

"多くの用途において, バランスドアーマチュア (BA) レシーバーは強力な外部磁石に接近する可能性があります. 例えば, イヤホンなどの補聴器を充電ケースに入れた場合, このような状況が発生する可能性があります. 充電ケースには, 挿入された機器を所定の位置に誘導するための磁石が内蔵されている場合があります. しかし, 外部磁石の磁場が BA レシーバーの高透磁率部品を貫通し, 磁気動作に干渉する可能性があるため, 悪影響が生じる可能性があります. その結果, 充電ケースと BA レシーバーから発生する外部磁場と内部磁場の相互作用により, BA レシーバーの音生成能力が阻害され, 補聴器またはイヤホンが誤動作する可能性があります. あるいは, 音に大きな歪みが生じる可能性があります." (図 2)

"この相互作用を解析するために, COMSOL^® でモデルを作成し, 外部磁石による磁束と, アーマチュアを変位させる BA レシーバーによって生成される磁束との干渉を解析しました. シミュレーション結果から, 外部磁石によってレシーバー内部の磁路に磁束が追加されると, その磁束によって磁気回路全体の磁気抵抗が変化し, レシーバー磁石が減磁することが示されました." (図 3)

モデリングとシミュレーションの活用が有益だった2つ目の例を教えてください.

"プロフェッショナルオーディオおよび補聴器技術において, 集中定数モデルは, MEMS マイクなどのオーディオトランスデューサーの挙動を予測するための迅速で便利なツールとしてよく用いられます. これらのモデルの精度を高めるには, 音響チャネル長に, 音響噴出口または音響入口の端部補正を考慮する必要があります. これらの端部補正は, 音響チャネルが外部環境に対してどのように開いているかを表します. 例えば, 開口端を持つチャネルや, バッフルと呼ばれる無限平面に開口部を持つチャネルなどです. 噴出口または入口の音響質量に対する端部補正を反映する係数はよく知られています. 音響インピーダンスの実部 (チャネルの音響抵抗に対応する) の端部補正係数は, 通常, 音響質量の端部補正係数と同じであると仮定されます. 本研究では, COMSOL の熱粘性音響モデルを用いて, 音響抵抗の端部補正を導入し, 定量化しました. その結果, 音響質量の端部補正は, 音響抵抗の端部補正とは異なる可能性があることが分かりました." (図 4)

集中要素モデルは, オーディオおよび聴覚技術の研究開発においてなぜ重要なのでしょうか?

"電気インピーダンス, 音圧レベル, 振動といった受信機の主要な性能指標は, トランスデューサー自体の設計だけでなく, それに接続される音響負荷にも大きく依存します. この場合, 音響負荷は人間の耳とそれに接続する音響チャネルを表します. 平均的な人間の耳をモデル化するために使用される典型的な装置は, 711カップラーとして知られる耳シミュレータです. しかし, この耳シミュレータの全体的な容積と特殊な機能, そして受信機と耳シミュレータを接続するために必要な音響チューブの構造を考慮すると, 計算コストのかかる非常に大規模な完全結合FEAモデルになってしまいます.

私たちは, 音響チューブと711カップラーを, 完全結合 FEA モデルではなく, 2ポートネットワークとしてシミュレートする手法を採用しました. この手法は, 計算時間を大幅に短縮できます. COMSOL Multiphysics ソフトウェアを用いて, トランスデューサー, チューブ, カップラーの完全な FEA に対して伝達行列法を検証しました. 伝達行列実装を採用することで, チューブとカップラーの集中定数表現を設定することで, モデルの複雑さと計算時間が大幅に削減されました. 最終的には, 様々なコンセプトをテストし, 仮想プロトタイプを迅速に選択して, 実験室でのテスト用の物理プロトタイプへと発展させることができました."

COMSOL^® ソフトウェアのどのような機能が, 日々の業務で役立っていると思いますか?

"私たちは, ソフトウェアのアドオン製品である AC/DC モジュールの 磁場 インターフェースの容易な実装と柔軟性, そしてアドオン音響モジュールの 圧力音響, 熱粘性音響, 固体力学 インターフェースから大きな恩恵を受けています. また, 内蔵材料ライブラリの磁性材料特性と機械材料特性の定義からも大きな恩恵を受けています. さらに, COMSOLの可視化機能は非常に強力で, 研究上の疑問に明確な答えを提供し, 他の同僚や関係者にCOMSOLデータを提示することができます. 最後に, 補助スイープや材料スイープなどのスイープ機能は, 1回のシミュレーションで異なるパラメータの影響を調査できるため, 特に便利です."

Sonion では, シミュレーションによって製品開発はどのように改善されましたか?

"仮想プロトタイプは実際のプロトタイプに取って代わるものではありません. 物理的なプロトタイプを作成し, 測定を行い, モデルを検証する必要があります. しかし, モデルが検証されれば, 仮想プロトタイプは適切な設計コンセプトを選択するのに十分な堅牢性を持つようになります. この点をさらに説明するために, プロトタイピングプロセスの例を考えてみましょう. 単一の設計コンセプトをテストする場合, 仮想プロトタイプは1つ必要で, その作成には約7時間かかります. しかし, 仮想プロトタイプがない場合, 各コンセプトごとに少なくとも5つのサンプルを作成し, テストと測定を行う必要があり, 平均40時間かかります. つまり, シミュレーションによって, 1つの設計コンセプトのテストに必要な時間が少なくとも5.7分の1に短縮されます. このシナリオでは, 仮想プロトタイピングの導入により, 投資額あたりの学習プロセス数が飛躍的に増加しました."

貴社の製品は, 補聴器技術の進歩にどのように貢献していますか?

"Sonion 製品は, 補聴器市場の主要なトレンドに対応しています. 私たちは, 製品の性能向上と音質向上に努めています. 新製品は厳格な品質基準を満たす必要があり, より優れた堅牢な補聴器を実現するために, 製品の信頼性の限界を常に押し広げています. 当社の製品設計は補聴器全体を考慮しているため, メーカーはより小型の補聴器を製造できます. さらに, より手頃な価格の補聴ケアをサポートできるよう, 常に費用対効果の高いソリューションを設計しています.

今後は, マルチフィジックスモデルをさらに開発し, 部品サイズのバリエーションを追加することで仮想プロトタイプの精度を向上させ, 計算時間を大幅に短縮し, FEA (有限要素法) による集中定数モデルベース回路のパラメータベクトルの精度向上を目指します."

補聴器技術の将来において, シミュレーションはどのような役割を果たすのでしょうか?

"仮想プロトタイプはより正確になり, 物理プロトタイプとのギャップは最小限に抑えられます. また, コンピューター処理速度の向上により, 設計からテスト, そしてテストから製品発売への移行が迅速化されます.

補聴器技術全般の将来については, 様々な環境における音声明瞭度, 接続性, 音質, 堅牢性, そして小型化を向上させる高度な信号処理機能が含まれると考えています. 新しい補聴器プラットフォームには, 消費電力とのトレードオフはあるものの, 騒音下での音声認識を向上させる AI がますます多く搭載されるようになるでしょう."