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補聴器技術で世界中の人々の聴覚を支援

Sonion 社は, 振動音響モデリングと実験的検証を用いて, 補聴器やプロ用オーディオ機器の部品を開発しています. 同社の Michele Colloca 氏が, チームの取り組みと補聴器技術の将来について COMSOL に語りました.

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, 補聴器といった人気のオーディオ技術は, 多くの場合, 単一のブランド名で呼ばれますが, これらの製品のほとんどは, 様々な企業によって設計・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用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といった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 社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, 初期構想から設計の改良, 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, 共同開発を行うことです” と, Sonion 社のレシーバー＆ 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 社とその顧客の様々な研究開発部門に対し, 既存製品や新製品のコンセプトに関するモデリング支援, 実験によるモデルの検証, Sonion 社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といった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, エンドユーザーの体験を向上させるために, 私たちとお客様が協力し合う場なのです” と Colloca 氏は語ります.

以下の Q&A で紹介されているように, 私たちは Colloca 氏にインタビューを行い, 補聴器の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役立つか, そして Sonion 社が補聴器技術をどのように進化させているかについて話を伺いました.

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は何ですか?

"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, 機器の音質, 特に騒音下での音声理解を向上させることが含まれます. 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向上し, 人々が補聴器を装着したくなるようにすることも重要です. 最終的には, 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含まれます."

補聴器用部品の設計において, 主な課題は何ですか?

"Sonion 社では, 幅広い補聴器の出力レベルと用途に対応するバランスドアーマチュア型レシーバー (シングル構成とデュアル構成の両方), 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, 既製のスチール製またはプラスチック製の補聴器用耳あな型レシーバー(RIC), そして高性能かつ低電力補聴器向けの小型エレクトレットおよび MEMS マイクロフォンを設計, 開発しています (図1).

そのため, 私たちは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, 私たちの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ちながら, 振動に対しては低感度である必要があります. 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, 私たち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コストの増加につながる可能性があります. OEM (相手先ブランド供給) 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などです."

Sonion 社が補聴器部品の開発にモデリングとシミュレーションを活用する理由は何ですか?

"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難しい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を教えていただけますか?

"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近づくことがあります. 例えば, イヤホンなどの補聴器を充電ケースに入れた際に, このような問題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, 充電ケースからの外部磁場と BA レシーバーからの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低下したり, 音が歪んだりするため, 補聴器またはイヤホンが誤動作す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気経路に磁束が追加されると, 磁束によって磁気回路全体の磁気抵抗が変化し, レシーバーの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つ目の事例を挙げていただけますか?

"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, 音響流路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, 開口端を持つ流路や, バッフルと呼ばれる無限平面に開口部を持つ流路などです. 端部補正を音響口または音響入口の音響質量に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 (流路の音響抵抗に対応) の端部補正係数は, 通常, 音響質量の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と, それに接続される音響負荷に大きく依存します. こ場合, 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ています. 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カップラーとて知られる耳シミュレーターです. しかし, この耳シミュレーターの全体の体積と特殊な機能, そして受信機と耳シミュレーター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連成 FEA モデルになってしまいます.

音響チューブと711カップラーを, 完全連成 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ションするアプローチを採用しました. このアプローチ, 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, カプラの完全な 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, さまざま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, ラボでのテスト用の物理プロトタイプを開発す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 社におけるシミュレーションの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ことはできません. 常に物理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, 仮想プロトタイプが1つ必要で, その構築には約7時間かかります. しかし, 仮想プロトタイプがなければ, 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, 平均で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を導入すること で, 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."

Sonion 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 社の製品は, 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の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することができます. さらに, 私たちは常に費用対効果の高いソリューションを設計することで, より手頃な価格の補聴ケアをサポートできるようにしています.

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高め, 計算時間を大幅に短縮し, FEA 解析を通じて集中素子モデルベース回路のパラメーターベクトルを改善していく予定です."

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るでしょう. また, コンピューターの処理速度の向上により, 設計からテストへの移行, 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, さまざま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強化するための AI がますます多く搭載されるようになるでしょう."