CN100527218C - 琴键作动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种键盘乐器的琴键作动系统(1)，该系统有助于在手动操作过程中通过使与推动琴键的力相关的反作用力降低来快速推动琴键，且该系统协助力量较小的人演奏键盘乐器。用于键盘乐器的琴键作动系统在琴键(3)被推动时产生声音，该系统包括：压力检测传感器(11)，检测琴键上的推压力；状态检测传感器(13)，检测琴键的运动状态；作动器(15)，在琴键推动方向上作动琴键；和控制部(19)，当压力检测传感器检测到推压力且状态检测传感器检测到琴键运动时，该控制部控制作动器的操作，以便将由压力检测传感器检测到的压力维持为一压力阈值，该压力阈值处于如下的范围内，即大于0且小于琴键上的仅通过手指推动来产生声音所需的推压力。

Description

琴键作动系统

技术领域

本发明涉及一种琴键作动系统，其控制或调整琴键的反作用力，该反作用是由于当演奏者用手来演奏键盘乐器或键盘(clavier)时所施加的力而产生的。

本发明要求于2006年9月4日递交的日本专利申请No.2006-239500的优先权，其内容在此合并以作参考。

背景技术

在已有技术中，诸如电键盘乐器和声学钢琴这样的键盘乐器，具有诸如螺线管这样的、用于独立地操作或作动琴键的作动器(例如，见日本未审查专利申请第一次公开No.H02-254494，后文称为专利文件1，和日本未审查专利申请第一次公开No.H04-204697，后文称为专利文件2)。通过使用作动器、根据对应于构成音乐的声音序列(sequence of sounds)的音乐信息，这种键盘乐器可操作或作动每一个琴键并能自动演奏音乐

已经存在各种传统的键盘乐器，且如专利文件1所述的一种这样的键盘乐器具有能检测琴键操作和运动的位置传感器。因此，专利文件1中披露的键盘乐器构成为能基于位置传感器的检测结果、通过使用作动器而在自动演奏该乐器时适当地操作琴键。

而且，通过使用专利文件2中披露的、能产生电声的电键盘乐器，可以在自动演奏模式和手动演奏模式之间切换。进而，在手动演奏模式中，当演奏者通过他/她的手指推动琴键时，反作用力(琴键的制动力)受到琴键上的推力的影响。因此，专利文件2披露了一种结构，具有的目的是使琴键的反作用力感觉像是自然或非电键盘乐器的琴键反作用力。因为对于电键盘乐器来说琴键的反作用力小于自然或非电键盘乐器的琴键反作用力，所以专利文件2应用了反作用力。

另一方面，对于自然或非电键盘乐器来说，以诸如击打琴弦这样的方式来产生自然的声音，且如果被移动或操作的乐器部件对应较低的声音则这些部件是很重的。因此，存在的问题是，与用于较高声音的部件相比，有必要以较大的力来推动用于较低声音的琴键，且很难快速推动琴键。而且，对于初学者、儿童和中年人和老年人来说，很难演奏上述自然或非电键盘乐器。

应注意，专利文件1和2不能解决上述问题。即，专利文件1披露了一种构造，其中在自动操作的情况下，琴键仅通过使用作动器来作动或操作，而且，在专利文件2中，应用了反作用力，以便获得推动自然或非电键盘乐器的琴键的感受。因此，在两种情况下，当手动演奏键盘乐器时，都不可能减少用于推动琴键所必要的动力或力。

发明内容

本发明的构思是为了解决上述问题，且具有的目的是提供一种琴键作动系统，该系统有助于在手动操作过程中通过使与推动琴键的力相关的反作用力减少来快速推动琴键，且该系统协助力量较小的人演奏键盘乐器。

为了解决上述问题，本发明具有以下方面。

本发明的第一方面是用于键盘乐器的琴键作动系统，该键盘乐器在琴键被推动时产生声音，所述琴键作动系统包括：压力检测传感器，检测琴键上的推压力；状态检测传感器，检测琴键的运动状态；作动器，在琴键推动方向上作动琴键；和控制部，当压力检测传感器检测到推压力且状态检测传感器检测到琴键运动时，该控制部控制作动器的操作，以便将由压力检测传感器检测到的压力维持为一压力阈值，该压力阈值处于如下的范围内，即大于0且小于琴键上的仅通过手指推动来产生声音所需的推压力。

根据本发明的上述方面的琴键作动系统，推压力以及琴键的运动或操作都会被检测。因此，可以检测到通过演奏者的手指推动琴键的开始。当演奏者推动琴键时，控制部控制作动器的操作，其方式是琴键在琴键的推动方向上移动，以便将压力检测传感器的压力检测结果维持为一压力阈值，该压力阈值小于推动琴键所需的压力(在仅通过演奏者的手指推动琴键的情况下的压力)。因此，可以通过以比推动琴键所需的正常压力更小的压力来推动琴键，从而产生声音。换句话说，在手动操作时，作动器辅助演奏者推动琴键，以便减少由于在琴键上的推压力而导致的反作用力。

本发明的第二方面可以是上述琴键作动器系统，其中在控制作动器的操作以便将压力检测传感器检测到的压力维持为压力阈值之后，控制部执行作动器的反馈操作，以便基于状态检测传感器的检测结果来追随琴键的运动。

本发明的第三方面可以是上述琴键作动器系统，其进一步包括：校准表，显示了用于产生声音所必要的并施加在琴键上的推压力的时间记录，该代表时间与压力之间关系的记录；和存储器部，存储对应于琴键运动速度的校准表，其中当压力检测传感器检测到推压力且状态检测传感器检测到琴键的运动时，控制部基于状态传感器的检测结果来计算琴键的运动速度，控制部读取对应于所计算的运动速度的校准表，且控制部参考所读取的校准表来设置压力阈值。

根据本发明的第一方面，可以减少由于演奏者的手指在琴键上的推力而导致的反作用力。因此，通过将压力阈值设置为固定值，可以快速推动琴键，不管是高音部分或低音部分，即使是具有诸如弦槌这样的、被移动或操作的较重部件的键盘乐器也是如此。而且，压力阈值可以根据演奏者的力量来调整。因此，即使演奏者具有较小的力量，也可以演奏具有被移动或操作的上述部件的键盘乐器。

根据本发明的第二方面，作动器执行反馈控制操作。因此，可以可靠地防止琴键的演奏者操作受到因作动器带来的不期望的影响。即，可以可靠地防止琴键操作异常或不自然。

根据本发明的第三方面，校准表存储于存储器中，该记录表显示了在推动琴键时压力的时间记录(代表时间与压力之间关系的记录)，与琴键的运动速度或推动速度相应。因此，可以容易地基于状态检测传感器的检测结果设置或优化压力阈值。

而且，琴键的慢运动速度与用于产生小声音的校准表联系起来，琴键的快运动速度与用于产生大声音的校准表联系起来。因此，通过改变推动琴键时的运动/推动速度，可以容易地改变响应推动琴键而产生的声音的音量。

附图说明

图1为大概的结构视图，其显示了本发明一实施例的琴键作动系统的结构。

图2为本发明一实施例的琴键作动系统的作动控制流程图。

图3为显示时间记录(代表时间与压力之间关系的记录)中的关系的图，包括用于产生声音所需的琴键推压力，琴键行程和抵靠琴键的推压力，该推压力根据图2显示的图来控制。

图4为大概的侧视图，其显示了本发明另一实施例的琴键作动系统的状态检测传感器。

图5为大概的侧视图，其显示了本发明另一实施例的琴键作动系统的状态检测传感器。

图6为大概的侧视图，其显示了本发明另一实施例的琴键作动系统的压力检测传感器和作动器的设置形式。

具体实施方式

后文中，参见图1-3，对本发明一实施例的琴键作动系统进行解释。如图1所示，琴键作动系统1具有在手动操作键盘乐器时对与推动琴键的压力有关的反作用力进行调整的作用。

键盘乐器的琴键3的每一个具有在琴键3的后端3b上的支点F1，以便相对于框架(图中未示出)可转动地运动或枢转，且可转动运动的杠杆5设置在琴键3的下侧，该杠杆5连接至框架，以便可转动运动或枢转。

可转动运动的杠杆5设置为具有与琴键3的长度方向相同的长度方向，以及具有在可转动运动杠杆5中部的支点F2，以便被框架支承并可转动地运动。该可转动运动杠杆5的前端5a与琴键3的前端3a接合。因此，根据琴键3的运动，可转动运动杠杆5绕作为中心的支点F2可转动地运动。

在后端5b的一侧上连接有诸如用于敲击琴弦的声学钢琴弦槌这样的重物，该后端5b设置在相对于可转动运动的杠杆5上的支点F2来说的后侧。可转动运动杠杆5的重心移动到后端5b，而不是在支点F2上。因此，因为可转动运动杠杆5的重量，在琴键3上存在朝向旋转运动方向中的一个方向(方向A)的偏移趋势。即，可转动运动杠杆5具有偏移装置的功能，用于使琴键3朝向方向A偏移。

键盘乐器具有这样的构造，其中琴键3的表面3c被演奏者的手指推动且琴键和可转动运动杠杆5沿与方向A相反的方向(方向B)可转动地运动，以便产生声音。

琴键作动系统1包括：压力检测传感器11，其检测琴键3的表面3c上的压力；状态检测传感器13，其检测琴键3的运动状态；作动器15，其使琴键3沿琴键的按压方向(方向B)作动或移动；存储器部17，其存储用于操作作动器15的参考数据；和控制部19，其基于压力检测传感器11和状态检测传感器13的检测结果以及存储在存储器17中的参考数据来控制作动器15。

压力检测传感器11由处于薄膜状态的压力感知传感器构成，该传感器连接到琴键3的表面3c。该压力感知传感器例如由压电元件构成，该压电元件将从推动琴键3的表面3c的演奏者手指而来的压力转换为电压。可以直接检测推动琴键3的压力，因为压力检测传感器11由压电感知传感器构成。

状态检测传感器13由位置传感器构成，其甚至在琴键3可转动地运动时也能检测琴键3的位置。该位置传感器例如由霍尔元件21和磁体23构成，该霍尔元件21连接到琴键3前端3a的背侧表面3d上，用于检测磁场强度作为电压，该磁体23连接到框架，以便面对霍尔元件21。

当琴键不被推动时，霍尔元件21处于初始位置，即，霍尔元件21设置在距磁体23最远的位置处。如果琴键3沿方向B可转动地运动，则霍尔元件接近磁体23。当霍尔元件21距磁体23较远时，被霍尔元件21检测到的电压较小，且当霍尔元件21接近磁体23时，电压较大。因此，通过检测电压的量，位置传感器就可以检测正在可转动地运动的琴键3的位置。

至于位置传感器，应注意可以将磁体23固定到琴键3的背侧表面3d上，同时霍尔元件21固定在框架的一侧。而且，可以通过使用光学传感器等来构成位置传感器，因为如果可以检测到正在可转动地运动的琴键3的位置则有必要且足以使用位置传感器作为状态检测传感器13。

作动器15具有这样的构成，其包括：螺线管线圈25，其布置在可转动运动杠杆5的后端5b的底侧且被固定到框架上；和柱销27，其插入并穿过螺线管线圈25，以便接触可转动运动杠杆5的后端，且柱销27为磁体。至于作动器15，当电流施加于螺线管线圈25时，柱销27从可转动运动杠杆5的后端5b的底侧向上推动，且可以沿方向B使琴键3和可转动运动杠杆5作可转动地运动。此处，通过改变施加于螺线管线圈25的电流的量，可以控制通过柱销27施加的、将可转动运动杠杆5的后端5b向上推的力。

应注意，在没有电流施加于螺线管线圈25的状态下，柱销27设置在预定位置且具有阻力部件的作用，其能抵制可转动运动杠杆5和琴键3沿方向A可转动地运动。

而且，如图3所示，多个校准表G1存储在存储器部17中作为上述参考数据，多个校准表G1显示了在琴键上的、用于产生声音所需要的压力(琴键上的、仅通过手指推动的压力)的时间记录(表示时间和压力之间关系的记录)的，同时校准表G1对应琴键3在初始阶段的移动速度(后文中，为琴键3的初始速度)。例如，琴键3的慢初始速度对应用于产生小声音的校准表G1，而琴键3的快初始速度对应用于产生大声音的校准表G1。

接下来，对通过使用如上所述构成的琴键作动系统1来执行的琴键3作动控制方法进行解释。应注意，下文所解释的琴键3的作动控制应用于这样的情况：演奏者用他/她的手指推动琴键，即，演奏者手动地操作键盘。

如图2所示，首先，琴键3处于这样的状态：琴键3设置在初始位置且判断压力感知传感器是否检测到推压力P_k(N/m²)(步骤1)。即，在步骤S1中，判断演奏者的手指是否触碰并推动琴键3的表面3c。该步骤S1重复执行直到推压力P_k大于0。

此后，如果在步骤S1中压力感知传感器检测到推压力P_k大于0，则位置传感器判断是否检测到琴键3的运动(步骤S2)。即，在步骤S2中，检测琴键3是否由于演奏者手指的动作而从初始位置沿方向B移动。步骤S2重复执行，直到琴键3从初始位置开始、沿方向B的可转动运动距离L_k(m)大于0。

如上所述，在步骤S1和S2中，检查推压力P_k和琴键3从初始位置上的运动。因此，控制部19可以判断演奏者对琴键的推动是否已经开始。

此后，如果在步骤S2中判断出位置传感器检测到可转动运动距离L_k大于0，则控制部19基于位置传感器在步骤2检测到的检测结果来设置预定的压力阈值X(N/m²)(步骤S3)。压力阈值X设置为大于0且设置为小于琴键上用于仅通过手指推动来产生声音所需的推压力(见图3)。即，压力阈值X设置为这样的值：用于通过施加比推压力更小的力来推动琴键。

作为具体的例子，在步骤S3中，控制部19基于可转动运动距离L_k来计算琴键3的初始速度，该距离L_k是在步骤S2检测到的，该控制部19从存储器部17处读取对应初始速度(图3)的校准表G1，并参考校准表G1来设置压力阈值X。

在步骤3之后，控制部19控制作动器15的操作，其方式是：压力感知传感器的检测结果维持为压力阈值X，且琴键3相应于显示推压力的校准表G1而移动。

在具体的操作步骤中，首先，控制部19将被压力感知传感器所检测到的推压力P_k与压力阈值X进行比较(步骤S4)。如果判断推压力P_k小于压力阈值X，则因为演奏者手指不能够追随琴键3的运动，所以提供到螺线管线圈25的作动电流根据控制部19的要求而减小(步骤S5)。在这种情况下，通过作动器15施加到琴键3的作动力降低。因此，推压力P_k增加且在推动琴键时演奏者的手指可以追随琴键3的运动。

应注意，在该步骤S5中，即使作动电流为0且推压力小于压力阈值X，作动电流也设置为0。换句话说，仅存在一种供应到螺线管线圈25的作动电流方向，且作动器15构造为不会沿方向A作动琴键3。

另一方面，在步骤S4中，如果推压力P_k大于压力阈值X，则提供到作动器15的螺线管线圈25的作动电流根据控制部19的要求而增加(步骤S6)。因此，施加到琴键3的作动力通过作动器15增加，且可以使抵抗推动琴键的手指的反作用力降低，以便成为压力阈值X。

在步骤S5或S6之后，控制部19基于位置传感器的检测结果来计算琴键3的移动速度、加速度等。控制部19执行作动器15操作的反馈控制，以便追随琴键3的移动速度和加速度(步骤S7)。施加到螺线管线圈25的电流也在该反馈控制中增加或减少。因此，通过执行该步骤S7，由于作动器15，可以可靠地防止琴键3受到不期望因素的影响。即，可以可靠地防止琴键3的运动不自然。

在上述步骤S7之后，在琴键3可转动地运动时位置检测传感器检测琴键3的位置，且检测琴键3是否已经回到初始位置(L_k＝0)(步骤S8)。此处，如果判断琴键3已经回到初始位置，则操作再次返回步骤S4且将推压力P_k与压力阈值X进行比较。

而且，如果在步骤S8中判断琴键3已经回到初始位置，则通过演奏者进行的推动琴键的操作已经结束。

根据如上所述的琴键3上的作动操作，图3的双点划线显示了被压力感知传感器检测的推压力P_k的时间记录(代表时间和压力之间关系的记录)。即，如果推压力P_k等于或小于压力阈值X，则推压力P_k与校准表G1相同，且在这种情况下，没有电流施加于作动器15。另一方面，如果推压力P_k达到压力阈值X，则电流施加于作动器15，以便作动3以辅助推动琴键。

根据上述琴键作动系统1，控制部19控制作动器15的操作，沿方向B移动琴键3，其方式是压力检测传感器的检测结果——即推压力P_k——维持为压力阈值X，该压力阈值X设置为低于推动琴键的压力。因此，可以通过以比用于产生声音所需的推动琴键的正常压力的更小的力来推动琴键，从而产生声音。换句话说，在手动操作期间，作动器15辅助手指推动琴键，以便减小与琴键上的推力相关的反作用力。

因此，可以快速地推动琴键，不是管高音部分或低音部分，即使是具有诸如弦槌这样的较重部件的键盘乐器，也是如此。而且，可根据演奏者的力量来调整压力阈值X。因此，可以即使演奏者具有较小的力量，也可以演奏具有被移动或操作的上述部件的键盘乐器。

校准表G1存储于存储器部17中，与琴键的移动速度或推动速度相应。因此，可以基于位置检测传感器的检测结果容易地设置或优化压力阈值X。

而且，琴键的慢移动速度与产生小声音的校准表G1联系起来，琴键的快移动速度与产生大声音的校准表G1联系起来，且校准表存储于存储器部17中。因此，通过改变推动琴键时的初始运动/推动速度，就可以容易地改变响应琴键3的推动而产生的音量。

在上述实施例中，基于琴键3的初始移动速度来设置压力阈值X。然而，这并非是一种限制，例如，可以在琴键3的作动控制开始之前将一预定值设置为压力阈值X。

而且，在上述描述中，在步骤S7，作动器15的反馈控制是基于位置传感器的检测结果的。然而，这并不是一种限制，例如，如图3所示，存储器部17可以事先存储琴键3的行程的时间记录G2，该时间记录G2相当于琴键上的推压力的校准表G1。在这种情况下，在步骤S7，可以执行作动器15的反馈操作，以便使琴键3的位置与行程的时间记录G2同步。

而且，在上述描述中，状态检测传感器13由位置传感器构成，用于在琴键3可转动地运动时检测其位置。然而，这并不是一种限制，且有必要检测琴键3的运动状态。例如，状态检测传感器13可由速度传感器和加速度传感器等构成，该速度传感器检测琴键3的运动速度，该加速度传感器检测琴键3的加速度。而且，状态传感器13可由位置传感器、速度传感器和加速度传感器相结合来构成。

应注意，如果状态检测传感器13由加速度传感器构成，例如，如图4所示，加速度传感器31可由线圈33和磁体35构成，该线圈33固定在比琴键3的前端3a低的位置，该磁体35固定在琴键3的前端3a的背侧表面3d处且根据琴键3的可转动运动而在线圈33内移动。在这种构造中，根据琴键3的可转动运动速度在线圈33处产生感应电动势。因此，可以在琴键3可转动地运动时直接检测其速度。

另一方面，如果状态传感器13由加速度传感器构成，例如，如图5所示，可以将加速度传感器37固定到琴键3的前端3a的背侧表面3d上，该加速度传感器为MEMS(微型机电系统)式。

而且，在上述描述中，压力检测传感器11由连接在琴键3的表面3c上的压力感知传感器构成。然而，这并不是一种限制，其可以应用其他的结构，其中可以检测到影响琴键3的推压力P_k。

换句话说，例如，如图6所示，压力检测传感器11可由应变计41构成，该应变计41与琴键3的后端3b和框架连接。应变计41例如由压电元件构成，其在琴键3沿方向B可转动地运动时产生电流，并检测应变作为电压。为了将应变计41用作压力检测传感器，控制部19基于所检测的应变来计算施加在琴键3上的推压力P_k。

进而，在上述描述中，作动器15设置为将可转动运动杠杆5的后端5b向上推。然而，这并不是一种限制，且可以将作动器15设置为沿方向B将琴键3和可转动运动杠杆5都向上推。因此，例如，如图6所示，作动器15可设置在比琴键3的前端3a的一侧更低的位置。应注意，在该结构中，有必要通过使用柱销27沿方向B拉动琴键3，以便使琴键3可转动地运动。因此，有必要事先将柱销27连接到琴键3的背侧表面3d。

而且，在上述描述中，作动器15由螺线管线圈25和柱销27构成。然而，这并不是一种限制，且可应用其他的结构，其中基于从控制部19而来的命令沿方向B移动琴键3和可转动运动杠杆5。因此，作动器15例如可由超声马达、电磁马达、形状记忆合金、聚合物作动器(polymer actuator)或表面声波马达(surface acoustic wave motor)构成。

尽管已经对本发明的优选实施例进行了描述和显示，但应理解，这些都是本发明的示例而不应理解为是限制性的。此外，在不脱离本发明的精神和范围内可做省略、替换和其他修改。因而，不应理解为本发明受到上述描述的限制，而应是仅受到所附权利要求的范围的限制。

Claims (3)

1、一种用于键盘乐器的琴键作动系统，所述键盘乐器在琴键被推动时产生声音，所述琴键作动系统包括：

压力检测传感器，检测琴键上的推压力；

状态检测传感器，检测琴键的运动状态；

作动器，在琴键推动方向上作动琴键；和

控制部，当压力检测传感器检测到推压力且状态检测传感器检测到琴键运动时，该控制部控制作动器的操作，以便将由压力检测传感器检测到的压力维持为一压力阈值，该压力阈值处于如下的范围内，即大于0且小于琴键上的仅通过手指推动来产生声音所需的推压力。

2、如权利要求1所述的琴键作动系统，其中

在控制作动器的操作以便将由压力传感器检测到的压力维持为压力阈值之后，控制部执行作动器的反馈操作，以便基于状态检测传感器的检测结果来追随琴键的运动。

3、如权利要求1所述的琴键作动系统，进一步包括：

校准表，显示了用于产生声音所必要的并施加在琴键上的推压力的时间记录，该时间5记录代表时间与压力之间关系；和

存储器部，存储对应于琴键运动速度的校准表，其中

当压力检测传感器检测到推压力且状态检测传感器检测到琴键的运动时，控制部基于状态传感器的检测结果来计算琴键的运动速度，控制部读取对应于所计算的运动速度的校准表，且控制部参考所读取的校准表来设置压力阈值。

Images