JP2009540379A - 触覚又は皮膚感覚シミュレーション装置と、少なくとも１つの同様のシミュレーション装置を含む演奏用キーボード - Google Patents

Abstract

本発明は、手動制御ユニット（５００）の前進に、制御シーケンスを反映した反作用で対抗する触覚又は皮膚感覚シミュレーション装置に関し、本装置は、磁気流動性の流体を収容するチャンバと、前記流体と機械的に相互作用し、制御ユニット（５００）に機械的に連結される可動要素（１０）であって、２つの所定の位置の間で可動である可動要素（１０）と、制御ユニットの運動の運動学的及び／又は動的な大きさを表す少なくとも１つのセンサ（６１０）と、制御ユニット（７００）と、チャンバ周辺に変更可能な磁場を生成し、手動制御ユニット（５００）の運動についてシミュレーションされた動的特徴とリアルタイム測定値とに基づいて磁場を適用する手段（１４）とを有し、これらのアセンブリ全体が、手動制御ユニット（５００）の行程の間に磁気流動性の流体の見かけ粘度が変化するように構成されている。

Description

本発明は、手動式制御コンポーネントの動きを反映する反作用により当該制御部の前進に対抗する触覚装置又は皮膚感覚装置に関し、この装置は磁場の変調により反作用を生成する手段として磁気流動性の流体を使用する。
特にこの装置を使用して演奏用キーボードのキーによって加えられる力、又はキーの動きを制御することにより、ミュージシャンの感覚を改善することができる。

実際、従来のキーボード、特にピアノのキーボードに対し、デジタル楽器のキーボードの主な欠点は感覚である。１オクターブ当たり１２のキーを有するクロマチックデジタル楽器のキーボードの魅力を、感覚という観点から改善することを目的に、近年多くの技術開発が行われている。
タッチ感覚を改善するために使用されるいわゆる受動的システムが、特に特許文献１及び２に既知である。これらのシステムは、複雑な動きを有する較正済みのハンマーを使用するもので、このハンマーは、システムの慣性の総量を増大させることにより、動きに対するキーの抵抗を増大させるという効果を持つ。特許文献３にも、レコーディングされたタッチに近づけるために複数のセンサからの情報を使用する音波発生システムに連結された受動的フォースフィードバックシステムが開示されている。

また、電磁気の作用を利用するいわゆる能動的システムも周知である。これらの能動的システムは、キーを押し下げるのに必要な力をモニタリングするために直線的又は回転的な電磁気の作用を利用する。この種のシステムは、例えば特許文献４及び５に記載されている。
従来のピアノ、特にコンサート用グランドピアノのキーの動作システムは複雑であるので、電磁気アクチュエータは、キーが動く間に起こる全ての物理的現象を再現することができない。更に、必要な動きの応答時間、力の範囲、及び振幅の観点から、電磁気の作用はこの用途の要件を満たすには不十分である。最後に、電磁気アクチュエータは元来システムへエネルギーを伝達しやすいので振動による不安定性を生み、制御スキームはこれを除去するように設計されなければならない。

更に、特許文献６に、ケーブルの動きに対抗する装置を備えたボディビルディング器具が既知である。この力は調整可能であり、ウエイトを持ち上げることにより通常感じる連続的な反作用と同一の反作用を有する。
この器具は、磁気流動性の流体を収容する容器、ユーザが動かすケーブルの作用下で自軸を中心に回転するディスク、及び磁気流動性流体の見かけ上の粘性を修正する磁場源を備える。

ボディビルディング器具は、ケーブルに加わる力及び／又はケーブルの動きのセンサも備えており、これらのデータを使用して磁場を変調する。
このように、その軸を中心としたディスクの連続的な回転の速度は、ケーブルに加わる負荷をシミュレーションしながら磁気流動性の流体の見かけ粘度を変化させることにより調整される。

この種の装置は、製造するのに複雑であり、且つ大型化するという欠点を有する。
したがって、同装置は、小型化及びデジタル楽器のキーボードのキーのような小型のシステムへの適用に適さない。

加えて、上記運動器具は、十分に迅速でなく、また、必要な反作用を迅速に、つまり運動に特徴的な時間スケールで変更できなければならず、且つ例えばピアノのキーを押し下げるときの感覚をシミュレーションしたい場合に、そのような反作用をほぼ瞬時に感じることで前記運動を効果的に制御可能でなければならないシステムに導入できように設計されてもいない。
更に、先行技術の運動器具は、１オクターブ当たり１２のキーを有するクロマチック楽器のキーボード等の高精度のシステムに十分な感度を有さない。

米国特許出願公開第２００４／００６５１８６号 米国特許出願公開第２００５／００１１３３０号 米国特許出願公開第２００３／０１３１７２０号 米国特許第５７８３７６５号 米国特許第５９７７４６６号 米国特許第５４０９４３５号

よって、本発明の目的は、導入が容易な触覚又は皮膚感覚のシミュレータを提供することである。
本発明の更なる目的は、小型の触覚又は皮膚感覚のシミュレータを提供することである。

本発明の別の目的は、応答性及び感度の大きい触覚又は皮膚感覚のシミュレータを提供することである。
本発明の最後の目的は、主制御ループが振動に対して本質的に安定な触覚又は皮膚感覚のシミュレータを提供することである。

前記目的は、適切な磁場に曝される磁気流動性の流体を用いて、例えば電気楽器のキーボードのキーのような制御コンポーネントの運動に必要な力、又は運動自体を制御する、手動制御コンポーネントの操作に対する感覚の触覚又は皮膚感覚シミュレータにより達成される。
磁気流動性の流体は、磁場の作用に応答して流体の見かけ粘度を変化させる、懸濁液中のマイクロ粒子を含む。

この場合、応答時間は１ミリ秒のオーダーである。本発明による装置は、本装置によって決定される流体運動の振幅に関していかなる限界も示さない。加えて、本発明による装置は、適切な磁場を与えて抵抗力を非常に高い値に変化させるために使用される。
本発明によれば、本シミュレータは、磁気流動性の流体を収容するチャンバと、手動制御コンポーネントに機械的に連結されて、第１及び第２の所定の位置の間で可動な少なくとも１つの要素であって、磁気流動性の流体と相互作用する要素と、この要素又は制御コンポーネントの運動を表わす動作範囲又はダイナミックレンジの大きな少なくとも１つのセンサであって、磁場生成器に連結された制御コンポーネントに連結されたセンサとを備える。

即ち、本シミュレータは、磁気流動性の流体と相互作用する要素であって、制御コンポーネントの動作範囲の両端を画定する２つの所定の位置の間で可動な要素を備える。一方の位置から他方の位置まで通過する間に、磁気流動性の流体の見かけ粘度は磁場によって変化し、この磁場は、制御コンポーネントの運動の運動学的及び／又は動的強度に従ってリアルタイムで制御される。
本発明のシミュレータは設計が単純で小型であり、よって特に演奏用キーボードのキーに適している。本シミュレータは小型であるのでキーの下又は上に組み込むことができる。加えて、磁気流動性の流体の特性により、本シミュレータの応答速度及び応答感度は大きい。加えて、制御コンポーネントと、磁気流動性の流体と相互作用する可動要素との連鎖が低減されている。この場合、シミュレーションされる応答は、従来の伝統的なピアノの場合に感じられる応答に非常に近い。

特許文献６に記載の運動器具は、使用者が動いている間に、当該使用者に有る程度一定の力を加えるもので、この力の値（「Ｖｒｅｆ」）は、器具外部のコマンドにより所定のレベル（「閾値」）に調整可能である。対照的に、本発明のシミュレータは、その動態モデルが制御コンポーネントに明白に導入されている第三者装置（例えば従来の演奏用キーボード）の動態的作用をリアルタイムでシミュレーションしながら、使用者に対し、２つの位置の間で運動が行われる間に自動的に変化する力を加える。
特許文献６に記載された運動器具の磁場の制御方式は、第１に、リアルタイムで磁場を計算しないので、所定の方式に従って供給される力を計算することをせず、第２に、使用者に印加される急速に変化しうる力を正確に制御するためには、使用者と被制御コンポーネントの間の連鎖（図６ないし１０に示す）に、柔軟性の中間的機械要素が多すぎる。本発明は、制御コンポーネントと被制御コンポーネント（磁気流動性の流体と相互作用する可動要素）の間に準剛性の連結を有し、力の基準レベル（「Ｖｒｅｆ」）を中間動態モデルによって置換し、ニュートンの１０分の１のオーダーの精度で１ミリ秒単位の時定数での力の制御を可能にする。

従って、本発明の主な課題は、手動制御コンポーネントの動きに対し、制御動作を反映した反作用を加える触覚又は皮膚感覚シミュレーション装置であり、本装置は、磁気流動性の流体を収容するチャンバと、当該流体と機械的に相互作用する可動要素であって、磁気流動性の流体と相互作用して当該流体をせん断するように設計された可動ブレードによって形成されており、制御コンポーネントと機械的に連結され、２つの所定の位置の間で可動な要素と、この要素又は制御コンポーネントの運動を表わす動作範囲又はダイナミックレンジの大きい少なくとも１つのセンサと、チャンバ周辺に適切な磁場を生成する手段を有する制御コンポーネントであって、前記センサと連結されており、且つ磁場生成手段と連結されている制御コンポーネントとを備え、全体として、手動制御コンポーネントが動く間に、磁気流動性の流体の見かけ粘度を変化させる。

制御コンポーネントは、少なくとも１つのセンサから到来する測定値をリアルタイムで受信して、第１にシミュレーション対象の装置の動態モデルに基づいて、第２に少なくとも１つのセンサから到来するリアルタイムの測定値に基づいて、時間の関数として、磁場を生成する手段に印加される電流を計算する。
センサは、手動制御コンポーネントに又は手動制御コンポーネントにより追加される力センサと、手動制御コンポーネント又は可動要素の動きのセンサとから選択することができる。

本発明によれば、可動要素は磁気流動性の流体をせん断するように設計されたブレードである。
このブレードは有利には柔軟で、よって可動要素の運動が促進され、且つ装置が更に頑丈になる。

この場合、本シミュレーション装置は、ブレードの座屈抵抗力より大きな同抵抗力を持つブレード支持体を備えることができ、この支持体はブレードを手動制御コンポーネントに接続するように設計されており、ブレードが座屈現象を起こす危険を排除する。
このブレードは、例えば真鍮、銅又はマイカ等の非磁気材料から作製することができる。別の構成では、ブレードは、鉄又は鋼等の磁気材料から作製することができ、この場合、有利には非磁気材料から作製されたガイド手段を設ける。

本発明によれば、チャンバは、磁気流動性の流体を収容する１つの柔軟なポケットを備える。このポケットは磁場生成手段の１つの極とブレードの間に挟まれており、前記ブレードとポケットの外層膜との接触はほぼ平坦な面で行われる。
一変形例では、チャンバは、磁気流動性の流体を収容する複数の柔軟なポケットを備え、これらのポケットは磁場生成手段の１つの極とブレードの間に挟まれており、前記ブレードとポケットの外層膜との接触はほぼ平坦な面で行われる。

本発明の一変形例によれば、ブレードは磁気流動性の流体中に突き出している。
この変形例では、ブレード支持体は２つの部分からなるロッドを備えることができ、その第１の部分はチャンバ内に位置し、第２の部分はチャンバ外に位置しており、チャンバの一方の端部を密閉式に閉じる柔軟な膜が、これらロッドの２つの部分の間に挟まれている。

本シミュレーション装置は、手動制御コンポーネントを休止位置に戻す手段を備えることができる。
加えて、可変磁場生成手段は、少なくとも１つの電気的ソレノイドを備える。

本発明の実施形態の一変形例によれば、有利には、磁場生成手段及びプレート又はシェルによってチャンバを直接側方に区切ることができ、この場合、磁気流動性の流体が磁場生成手段に直接接触し、チャンバの第１の端部は柔軟な膜によって縦方向に区切られ、及び／又は第２の端部はキャップ又は柔軟な膜によって区切られる。
チャンバは、単一の部品として加えられた要素により直接側方に区切ることもでき、磁場生成手段の電極によって閉じられる側方開口部を有し、磁気流動性の流体は磁場生成手段と直接接触し、チャンバの第１の端部は柔軟な膜によって縦方向に区切られ、及び／又は第２の端部はキャップ又は柔軟な膜によって区切られる。

本発明の別の課題は、少なくとも１つの手動制御コンポーネントと、前記制御コンポーネントに接続された本発明の少なくとも１つのシミュレーション装置とを有する手動制御システムである。
本発明のまた別の課題は、１オクターブ当たり１２のキーと、各キーに接続された本発明のシミュレーション装置とを有するクロマチック楽器のキーボードである。

後述の説明において、本発明のシミュレータは演奏用キーボードのキーと接続されて、ミュージシャンの指に対し、従来のキーボード、例えばピアノのキーボードによって掛かる作用と感覚の点で同様の作用を掛けるものである。これは、ミュージシャンがキーを押し下げるときの、従来のキーボードのキー、例えばピアノのキーボードのキーの動的挙動をシミュレーションすることにより行われる。しかしながら、本発明は、手動制御コンポーネントに印加される力に応じて感覚を人工的に再現することが望まれるあらゆる装置に適用される。
「手動制御コンポーネント」という用語は、手又は指を使用して操作される要素に限定されず、実際には足等の体の他のいずれかの部分で操作することができるあらゆる要素を指し、そのような場合、手動制御コンポーネントはペダルとすることができる。

添付図面を参照する後述の説明を読むことにより、本発明に対する理解を更に深めることができるであろう。添付図面における左と右、上と下は、それぞれ図面の左側と右側、上部と下部に対応する。
本発明のシミュレーション装置の一実施形態の一部断面を示す概略側面図である。 図１の装置の拡大図である。 本発明の一変形例の斜視図である。 図３の装置の正面図である。 図３の装置の一方の端部の拡大図である。 図３の装置の他方の端部の拡大図である。 図３の装置の上面図である。 Ａ及びＢは、磁気流動性の流体を収容するチャンバの第２の実施例の斜視図である。 ＡないしＣは、ガイド用システムの一実施例を示しており、第２実施例のブレード（Ａ）の上部（Ｂ）と下部（Ｃ）を示す。 磁気流動性の流体を収容するチャンバの第２の実施例に使用される回転スライダクランク機構を示す。 本発明のシミュレータの全ての要素とその環境のブロック図である。

図１及び２には、磁気流動性の流体を収容するポケット（１１０）と、磁気流動性の流体と相互作用して当該流体をせん断する可動ブレード（１１２）とを備えた本発明のシミュレータの第１の実施形態を示す。
この使用例において、「ブレード」という用語は、厚みに対して長さと幅が非常に大きな面積を有し、磁気流動性の流体をせん断するように設計されており、同時に厚みが小さいことによりその断面が運動に対して小さい抵抗を示す要素を指す。

本発明によるシミュレータは、磁気流動性の流体を収容するポケット（１１０）の領域周辺に位置する磁場生成手段（１１４）を更に備える。
この手段（１１４）は、例えば磁気回路（１１４．１）を含み、この上の、可動要素（１１２）が磁気流動性の流体と相互作用してこの流体をせん断する領域のいずれかの側に、一以上のソレノイド（１１４．２）が配置される。

こうして、一以上のソレノイド（１１４．２）は動力を供給され、それらによって囲まれる領域に磁場を生成する。すると、この領域に含まれる強磁性の粒子が磁場の方向に整列し、アクティブボリュームの流体の見かけ粘度が変化し、よって磁気流動性の流体に対する可動ブレードのせん断運動が多少の制動を受ける。
ブレードは、その平均平面に含まれる軸方向に沿って移動する。

電磁石及びソレノイドからなる電力供給手段（図示しない）も設けられる。
磁気流動性の流体を使用する装置と電磁的作動装置の組み合わせは、流体の初期粘度を補償することにより、抵抗の小さい領域における抵抗力の帯域を増大させるという利点を有する。この組み合わせは、供給電流のリアルタイム制御を向上させ、従ってシステムが供給する抵抗力のリアルタイム制御を向上させる。

このようにして、例えばピアノの、従来のキーボードのキーが移動する間に起こる様々な機械的現象の効果を再現することができる。
可動要素又は手動制御要素の運動を表す運動学的又は動的な幅を有する１以上のセンサも設けられる。単一のセンサだけでも十分であり、また予めモデルを決定することでも十分である。第２のセンサは、シミュレーションの精度を上げるために有用でありうる。１以上のセンサは、キー上に直接配置することができる。

１以上のセンサ及び１以上のアナログ−デジタル変換器によって行われる一時的な測定に基づいて制御コンポーネント（７００）（図１１）が電流の振幅をリアルタイムで決定することにより、手段（１４）は、キーに印加される反力に適した磁場を生成することができる。磁場の計算は、センサから到来するデータと、制御コンポーネントのメモリに予め記録される、シミュレーション対象の動的挙動の数学的モデルに基づくデータとを使用して実行される。
図１１は、参照番号５００で示される手動制御コンポーネント、参照番号６００で示されるシミュレータ、及び参照番号７００で示される制御コンポーネント間の相互作用を示すシミュレーション装置の線図である。

上記に示唆したように、シミュレータ（６００）は、磁気流動性の流体をせん断するように設計された可動要素（１１２）、力及び／又は運動センサ（６１０）、及び磁場生成手段（１４）を備える。
制御コンポーネント（７００）は、１以上のアナログ−デジタル変換器とメモリとを備えるリアルタイムコンピュータ（７１０）、一般的にはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）又はその他の種類のマイクロプロセッサを備えており、このコンピュータは、デジタル−アナログ変換器、及び場合によっては電力増幅器（７２０）により、コンピュータ（７１０）に格納された機械的挙動の動的モデルに基づいて、磁場生成手段に印加すべき電流を決定する。
制御コンポーネントは電力増幅器（７２０）を備えることもできる。

次に、図１１の図に基づいて、一般的な方法で本発明のシミュレータの動作を説明する。
手動制御コンポーネント（５００）の作動中、シミュレータ（６００）の可動要素（１１２）が動くと、センサ（６１０）が、この運動の少なくとも１つの特徴的な物理的幅の時間による変化を測定し、一時的に測定された流れが制御コンポーネント（７００）のコンピュータ（７１０）に送信される。コンピュータは、時間的に連続した電流の振幅値をリアルタイムで決定し、適切であれば、電力増幅器（７２０）を介してシミュレータ（６００）の磁場生成手段に送信する。すると、作動中に磁気流動性の流体の見かけ粘度が変化し、反作用が可動要素（１１２）を介して制御コンポーネントに送信される。

次に、図１及び２に示す装置の特定の動作を説明する。
ミュージシャンが制御コンポーネントを形成するキーを押し下げると、ブレード（１１２）に運動が伝わり、ブレードが動いて磁気流動性の流体をせん断する。

キーの運動、並びにキーに印加される力は、ミュージシャンの動作の間にセンサによって測定されて（通常は２ｋＨｚのサンプリング周波数で）、制御コンポーネントに伝達され、制御コンポーネントは印加される磁場の値を決定して（通常は２ｋＨｚのサンプリング周波数で。但し、２つのサンプリング周波数は必ずしも同じでない）、対応する電流を磁場生成手段（１４）内に生成する。
磁場の作用下では、流体の見かけ粘度が変化することで、磁気流動性の流体をせん断するように設計されたブレード（１１２）の動きを多かれ少なかれ困難にする。従って、この動きに必要な力は、シミュレーションされたモデルに従って制御されて、ミュージシャンには所望の反作用が感じられる。

ミュージシャンがキーに力を掛けることを止めると、前記センサがこれを検出し、電磁石が動作を始める。有利な方法では、このリターンフェーズにおいて制御コンポーネントにより磁気流動性の流体にゼロの磁気誘導が印加され、流体が高速で流れて休止位置に素早く戻る。実際には、ソレノイドに電流が流れていなくとも、磁気回路に残留磁気誘導が存在する。これは、保磁場に相当する電流を印加することにより最小化されなければならない。
伸縮バネに牽引されて可動ブレード（１１２）が下方に引き付けられ、キーを休止位置に戻す。

このシミュレータは、磁気流動性の流体及びキーとブレード（１１２）の間に存在する連鎖の応答時間が短いことにより、高い応答性を有する。加えて、シミュレーションされた反作用は、従来のピアノの所定のモデルに従ってミュージシャンが感じる機械的抵抗をリアルタイムで計算することにより、非常に正確で、従来のピアノに感じられる反作用に非常に近いものにすることができる。
このシミュレータは、非常に小型であるという利点を有し、よってピアノのキーの下に容易に取り付けられる。従ってこのシミュレータは非常に目立たない。

次に、図１及び２のシミュレータの詳細を説明する。本発明の触覚又は皮膚感覚シミュレータの第１の実施形態は、キーボード式の楽器に適用される。
図示の制御コンポーネント（５００）は、概ね正中部分でピボット（１０４）を中心に回転するように装着された従来の演奏用キーボードの縦軸Ｘ上に位置する１つのキーによって形成されている。このキーは、固定点を中心に旋回するレバーで置きかえることができる。

ミュージシャンの力が掛かるキー（５００）の一端（５００．１）にはガイド手段（１０６）が設けられている。このキーは、先行技術のピアノのキーとほぼ同じものである。
本発明のシミュレータは、磁気流動性の流体で満たされた柔軟なポケット（１１０）と、磁場生成手段（１１４）とを備えることにより、磁気流動性の流体の見かけ粘度を変化させることができる。

図示の実施例では、手段（１１４）は、同軸上に離間して位置する２つのソレノイド（１１４．１）と、それらソレノイドの間に、ポケット（１１０）と可動エレメントとが配置されるエアギャップ（１１４．３）を形成する磁気コア（１１４．２）とを備え、全体として磁場を導く磁気回路を形成している。
ポケット（１１０）の厚みは、その長さ及び幅と比較して小さい。当該ポケット（１１０）は、磁気回路のエアギャップ内で、キー（５００）に取り付けられてその運動に従属する可動要素（１１２）とコアの電極（１１４．２．１）の一方との間に挟まれている。

長い形状の要素（１１２）は、キー（５００）のＸ軸にほぼ垂直なＹ軸上に位置する。有利には、要素（１１２）はブレードによって形成され、ブレードの大きな面積が、ポケットの大きな面積とほぼ平坦な面内で接触する。
非常に有利には、ブレード（１１２）は柔軟性で、キー（５００）に力が印加されたとき側方の変形を吸収するために使用される。

ブレード（１１２）は、例えば真鍮、銅又はマイカ等の非磁性材料から作製することができる。
よって、そのＹ軸に沿ったブレードの動きにより、ポケット（１１０）に収容されている流体がせん断される。

可変磁場の印加により、流体の見かけ粘度が制御され、せん断効果に必要な力及びブレード（１１２）の運動に対する抵抗が制御される。その結果、キー（５００）が運動する間にミュージシャンが感じる反作用は、所定のモデルの特徴を示す。
力及び運動センサ（図示しない）が更に設けられて、キーの運動、速度及び加速度と、キーに印加される力が決定される。

これらのセンサは、キー上に直接配置するか、又はキーとブレード（１１２）の間に配置することができる。
これらのセンサは、手段（１１４）に適切な磁場を生成させる可変の電流をリアルタイムで生成する制御ユニット（７００）（図１１）に連結される。磁場の計算は、センサの時間的測定値に基づき、シミュレーションされて制御コンポーネントのメモリに予め記録されている動的挙動の数学的モデルを用いて行われる。

更にキーとテーブル（１０９）の間にリターン手段（１１６）が設けられ、キーを休止位置に戻す。この手段は、ブレード（１１２）が固定されるキーの面の反対側で、例えばブレード（１１２）に概ね対向するように配置される。
図示の実施例では、リターン手段（１１６）はバネによって駆動される。しかしながら、バネを電磁アクチュエータ要素で置き換えることができる。

図示の実施例では、キー、ピボット、及びガイド手段は従来のピアノのものであるが、これらを同じ機能を有するいずれかの手段で置き換えることができる。
例えば、ピボットは、キー（５００）のＸ軸に垂直な、キーに形成された穴を通る軸によって形成することができる。

例として、磁気回路は以下の寸法を有することができる。
−長さ：６０ｍｍ
−幅：３０ｍｍ
−高さ：５０ｍｍ
ブレードの長さは７０ｍｍとすることができ、ソレノイドは直径０．２５ｍｍのワイヤ１０００巻きを有することができる。

次に、本発明の装置の動作を説明する。
ここでは、図１１に関して上述した動作を使用する。

ミュージシャンがキー（５００）を押し下げると、キーに印加された力及び／又はキーの運動が測定されて、一般的に２ｋＨｚのサンプリング周波数で制御ユニットに送信される。
これらの測定値とシミュレーション対象である装置の動的モデルとに従って、制御ユニットは、印加される磁場をリアルタイムで決定し、磁場生成手段（１１４）内に適切な電流を生成する。

すると、流体の見かけ粘度が変化して、ブレード（１１２）の運動による流体のせん断が多かれ少なかれ困難になる。よって、ミュージシャンは、キーを押すという動作の間に亘って、従来のキーボード、例えばピアノのキーボードの感覚をシミュレーションする可変の抵抗性を感じる。
ミュージシャンがキーに掛けていた力を解除すると、リターン手段（１１６）によってキーは休止位置に戻る。次いで磁気流動性の流体にゼロの磁気誘導が印加され、その見かけ粘度が最小化されて休止位置のブレードに対する流れが起こされる。

図３ないし８は、本発明のシミュレーション装置の実施形態の一変形例を示し、この場合磁気流動性の流体にはせん断応力も掛かる。
本発明の装置は、所定のスペース（２０１）に磁場を生成する手段（２１４）と、前記スペース（２０１）内に配置される、磁気流動性の流体を収容するチャンバ（２０２）とを備える。

図示の実施例では、手段（２１４）は矩形の断面を有する磁気回路（２１４．２）を含み（図７）、その長辺が開いてスペース（２０１）を形成している。このとき、長辺の開口部には、２つの同軸のブランチ（２１４．５）とスペース（２０１）が含まれる。手段（２１４）は、スペース（２０１）の各側に、ブランチ（２１４．５）のまわりに装着された２つのソレノイド（２１２）を有し、ブランチ（２１４．５）の端部（２１４．６）がソレノイド（２１２）から突出して磁極を形成している。
図示の実施例では、チャンバ（２０２）は磁極（２１４．６）に直接面する２つの辺上で側方に区切られて、他の２つの辺はプレート（２０４）のような２つの壁部に面しており、２つの磁極（２１４．６）を接続してチャンバの周囲を閉じている。

プレート（２０４）は例えば磁極に接着剤によって取り付けられている。
この実施例では、磁気流動性の流体は磁極（２１４．６）と直接接触する。この構成は、磁気回路の抵抗が小さくなるという利点を有する。ソレノイドの電気回路の巻きの数を少なくすることができ、これによりその時定数が減少して小型化される。

空洞（２０２）の縦方向の第１端部（２０６）と第２端部（２０８）は、閉鎖手段（２１０、２１１）によって閉じられる。
端部（２０６）を閉じず、この端部（２０６）を開口としてもよい。

閉鎖手段（２１０）を図６に詳細に示す。この実施例の閉鎖手段（２１０）は、装置の上部に位置し（この場合、シミュレータの動作に厳密に必要ではない）、軸方向の一方の端部（２１６．１）によって磁極（２１４．６）の上端（２１４．７）に密閉式に取り付けられた管状要素（２１６）を備える。管状要素（２１６）の内径は、空洞（２０２）の大きい方の左右面より大きく、その外径はスペース（２０１）の幅より小さい。
管状要素（２１６）は例えば磁極（２１４．６）の上に接着剤によって取り付けられる。

キャップ（２１７）は、例えば管状要素にねじ込まれることにより、管状要素（２１６）の別の軸方向の端部（２１６．２）を密閉式に閉じる。
図５に示す第２の閉鎖手段（２１１）は、空洞（２０２）の下端を閉じている。空洞内には、この実施例ではキーボードのキーとすることができる、制御コンポーネントに取り付けられた要素が通り、この要素が磁気流動性の流体をせん断する。この実施形態では、この要素はブレード（２２８）である。

有利には、ブレード（２２８）は、その縦方向の寸法が比較的小さいことにより座屈の危険が制限されており、この場合に生じる力の大きさによる座屈の危険が全く無いブレード支持体（２２４）によってキーに接続される。
ブレード（２２８）は有利には柔軟性であり、よってキーの回転運動が、磁極間の磁気ギャップ内の可動要素の直線運動に変換される。

ブレード（２２８）は、例えば真鍮、銅又はマイカ等の非磁性材料から作製することができる。
この第２の閉鎖手段（２１１）は、管状要素（２１６）と同じような寸法を有し、その一面（２１８．１）によって磁極（２１４．６）に取り付けられている管状要素（２１８）を備える。

管状要素（２１８）の第２の面（２１８．２）は、部分的に広がる柔軟な膜（２２０）によって閉鎖されている。
柔軟な膜（２２０）は、概ね管状又はテーパ形状とすることもできる。

磁気流動性の流体のシールを形成する膜（２２０）は、固定されたリング（２２２）の側の、第１端（２２０．１）によって管状要素（２１８）の面（２１８．２）の側に、例えばネジにより密閉式に取り付けられ、第二端（２２０．２）によってブレード支持体に取り付けられている。
図示の実施例では、ブレード支持体（２２４）は２つの部分からなるロッドで構成されている。これについては後述する。

膜（２２０）は、リング（２２２）に接着剤によって取り付けられるか、又は例えば同時成型により、リング（２２２）との一体部分として生成される。
ロッドは、チャンバ（２０２）内部に位置する第１の部分（２２４．１）と、チャンバ（２０２）の外側に位置する第２の部分（２２４．２）とから構成され、膜の第２端（２２０．２）はロッドのこれら二つの部分（２２４．１、２２４．２）の間に挟まれて密閉される。ロッドの二つの部分（２２４．１、２２４．２）は、ネジ留め、接着、又は他のいずれかの取り付け手段によって互いに取り付けることができる。

図示の実施例では、ブレードは空洞の底から空洞内に突出するが、ブレード（２２８）は上から空洞に突出する構成とすることもでき、これによってピアノのキーの下方に完全に組み込むことが可能になる。
ロッド（２２４）は空洞（２０２）のＹ軸に沿って直線運動することができ、且つ膜（２２０）によって空洞（２０２）のシールを損なうことなく動くことができる。

ロッド（２２４）の第１の縦方向の端部（図示しない）は、本実施例ではキーボードのキーである制御コンポーネントに接続され、ロッドの第２の縦方向の端部（２２６）は、スペース（２０１）内において２つの磁極（２１４．６）の間でＸ軸に沿って動くように設計されたブレード（２２８）を担持している。
複合ロッドをブレード支持体として使用することにより、座屈の危険が排除され、且つ広がった膜（２２０）を容易に密閉式に取り付けることができる。

この場合、チャンバ（２０２）は磁極（２１４．６）と膜（２２０）の間のスペースによって形成され、磁気流動性の流体は磁極（２１４．６）と膜（２２０）の間のスペースを満たす。
更に力及び／又は運動センサが設けられることにより、キーに印加される力及び／又はその運動が測定される。

これらセンサは直接キー、ブレード（２２８）又はロッド（２２４）の上に配置することができる。
これらのセンサは、手段（２１４）による適切な磁場の生成を可能にする可変電流をリアルタイムで生成する制御ユニット（図１１）に連結される。磁場の計算は、センサから到来するデータ、及び制御コンポーネント（７００）のメモリに予め記録されているシミュレーション対象の挙動の数学的モデルに基づくデータを用いて行われる。

可動要素が非磁気性であるとき、好ましくはその厚みをできるだけ小さくすることにより磁気回路の抵抗を最小化する。これにより所要電力が低減される。
チャンバ（２０２）をシールするための他の手段、例えばＯリング、リップシール、パッキン押さえ等を設けることができる。部分的に広がる膜のシステムは、手動制御コンポーネントの前進に対する機械的抵抗が非常に低く、且つ補助的能動素子を必要としないという利点を有する。

バネ、付加質量（シミュレータの構成に従う）、電磁石等の、休止位置へロッドを戻す手段を設けることもできる。
一実施例では、磁気回路は、長さ５０ｍｍ〜７０ｍｍ、幅１８ｍｍ〜２７ｍｍ、及び高さ７０ｍｍとすることができる。磁気ギャップの厚みは１ｍｍとすることができる。ブレードは、例えば、厚さ０．２ｍｍ、幅６．８ｍｍ及び高さ８５ｍｍである。チャンバは、幅７ｍｍ及び高さ１０５ｍｍである。
この場合装置の全体の高さは１４０ｍｍであり、このような装置は電気ピアノのキーボードのキーの下に取り付けるのに特に適している。

次に、シミュレーション装置の動作について説明する。
ここでも、図１１を参照して上述した動作を用いる。

ミュージシャンがキーを押し下げると、キーに加わった力及び／又はキーの動きが測定されて、通常は２ｋＨｚのサンプリング周波数で制御ユニットに送信される。
これらの測定値と、シミュレーション対象の装置の動的モデルとに従って、制御コンポーネントは、印加される磁場をリアルタイムで決定し、磁場生成手段（２１４）に適切な電流を生成する。

すると流体の見かけ粘土が変化して、ブレード（１１２）の運動により引き起こされる流体のせん断が多かれ少なかれ困難になる。それにより、キーを押し下げる動作の間に亘り、例えばピアノの、従来のキーボードの感覚をシミュレーションする可変の抵抗がミュージシャンに感じられる。
ミュージシャンがキーに掛けていた圧力を解除すると、リターン手段（図示しない）によりキーは休止位置に戻る。すると磁気流動性の流体にゼロの磁気誘導が掛かり、ブレードがその休止位置に戻される。

本発明によれば、キーの動き及び／又はキーに掛かる力が、力が印加されている期間全体に亘って測定されることにより、キーが動いている間に磁場を変調し、従来のキーボードのタッチ感覚をできる限り精密に再現することができる。
本発明の第２の実施形態の非常に有利な変形例によれば、図８に示すように、チャンバ（３０２）は、例えば機械加工又は成型によって製造された単一の部品として加えられる一要素（３００）によって区切られている。

この要素（３００）は、長い形状で、本実施例では互いに対向する２つの側方開口部（３０２）を有し、これら開口部は磁極（２１４．６）によって閉鎖される。
要素（３００）はまた、縦方向に沿って、要素（３００）の開口部（３０２）の間に開く第１の開口端（３０４）と第２の開口端（３０６）とを有する。

図３及び４に示す実施例では、キャップ（２１７）が、要素（３００）の縦方向に沿った第１の端部（３０４）上にねじ込まれており、膜の支持体を形成するリング（２２２）が要素（３００）の縦方向に沿った第２の端部（３０６）にねじ込まれている。
有利には、使用される部品の数が低減されることにより、この要素によってシールが向上する。

上述のように、端部を閉じなくともよい（２１０）。
一変形例では、磁気流動性の流体内に突出するブレード（２２８）は、磁性材料から作製される。この利点は、磁気流動性の流体と相互作用する方法の効率が高まることにより、所定の電気回路に印加される力が最大化されることである。この場合、ブレードをその移動中に側方にガイドすることにより、磁極への付着を完全に回避することが好ましい。

図９Ａは、このようなガイドの一実施例を示す。ブレード（２２８）の縦方向に沿った端部の各々（２２８．１、２２８．２）には、円形断面を有する延長部（３０８、３１０）が設けられ、これらの延長部はチャンバ（２０２）の両端部に設けられた穴（３０９、３１１）内に突出する。これらの穴は、図９Ｂ及び９Ｃに示すように、一方がキャップ（２１７’）によって閉鎖され、他方がリング（２２２’）に形成される。
図９Ｂは、延長部（３０８）の径に合わせて調節される穴（３０９）を有するキャップ（２１７’）の断面を示す。

図９Ｃは、延長部（３１０）の径に合わせて調節される穴（３１１）を有するリング（２２２’）の断面を示す。穴はチャネル（３１３）によって囲まれて、磁気流動性の流体を通過させる。
このように、延長部（３０８、３１０）はチャンバ（２０２）の端部内にスライドして入り、チャンバ（２０２）内で縦方向に沿ってブレードの動きをガイドする。これにより、ブレードが磁極の一方に付着する危険が排除される。

ブレードがこのようなガイド手段を備えるものの、ブレードが磁性材料から作製されていない装置も、本発明の範囲に含まれる。
また、有利には、ブレードを、櫛のように取り付けられた一組のブレードとすることができ、この櫛型ブレード群は、一方の磁極に固定された別の櫛型ブレード群に対して可動であり、磁性流動性の流体と相互作用する領域を増大させるために使用される。

図１０は、手動制御コンポーネントの回転運動を変換することができる第２の実施形態の一変形例を示し、演奏用キーボードへの応用例では、前記回転運動はブレードの直線運動に変換される。
図１０に示す変形例では、装置は、手動制御コンポーネントをブレードに接続する回転スライダクランク機構（３１２）を備える。

クランク及び接続ロッド（３１２）は既知の種類で、２つのアームを備え、これらアームは各々の一方の端部によって回転可能に接続されており、一方のアーム（３１４）は他方の端部によって制御コンポーネントに回転式に接続されている。他方のアームはロッド（２２４）の第２部分（２２４．１）によって形成されている。
回転運動から直線運動への変換は、別の既知のシステム、例えばラック及びピニオンシステム等によっても達成できる。

このようにして、手動制御コンポーネントと、磁気流動性の流体と相互作用する可動要素との連結が改善される。
本発明は、特にデジタルピアノに適用されるが、力を制御可能にするために逆反作用を必要とする全ての手動制御システムに適用される。

本発明は、演奏用キーボードのキー以外にも、車両又はそれ以外におけるペダル、ジョイスティック、バーチャルリアリティの生成又は遠隔操作用（例えば外科用又は不良環境における）の皮膚感覚装置を含め、マン−マシンインターフェース等の可変フォースフィードバックを有するあらゆる装置に適用することができる。

Claims (19)

1. 手動制御コンポーネント（５００）の動きに対し、当該制御コンポーネントの操作を反映する反作用で対抗する触覚又は皮膚感覚シミュレーション装置であって、
   磁気流動性の流体を収容するチャンバ（１１０、２０２）と、
   磁気流動性の流体をせん断するように設計されており、手動制御コンポーネント（５００）に機械的に連結された少なくとも１つの可動要素（１１２、２２８）であって、少なくとも１つのブレードを有し、２つの所定の位置の間で可動な前記要素（１１２、２２８）と、
   前記要素又は制御コンポーネントの動きを表す動作範囲又はダイナミックレンジの大きい少なくとも１つのセンサと、
   制御コンポーネントと、
   チャンバ（１１０、２０２）の周りに適切な磁場を生成する手段（１４、１１４、２１４）と
   を有し、前記センサが、制御コンポーネントに連結されており、制御コンポーネントが磁場生成手段（１４、１１４、２１４）に連結されており、全体として、手動制御コンポーネント（５００）が動く間に磁気流動性の流体の見かけ粘度が変化するように構成されている、シミュレーション装置。
2. 制御コンポーネントが、少なくとも１つのセンサから測定値をリアルタイムで受信し、且つ第１にシミュレーションの対象である装置の動的モデルに基づいて、第２に前記センサから到来したリアルタイム測定値に基づいて、時間の関数として、磁場生成手段に印加される電流を計算するように設計されている、請求項１に記載のシミュレーション装置。
3. センサが、手動制御コンポーネントに適用されるか又は同コンポーネントにより適用される力センサと、手動制御コンポーネント又は可動要素の動きのセンサとから選択される、請求項１又は２に記載のシミュレーション装置。
4. 可動要素（１１２、２２８）が、櫛と呼ばれる２つのグループに組み合わされた複数のブレードを含み、一方のグループが他方のグループに対して可動であることにより、せん断される流体の領域が増大する、請求項１に記載のシミュレーション装置。
5. 可動要素（１１２、２２８）が、真鍮、銅又はマイカ等の非磁性材料から作製されている、請求項１又は４に記載のシミュレーション装置。
6. 可動要素（１１２、２２８）が、鉄又は鋼等の磁性材料から作製されており、非磁性材料から作製されたガイド手段を備えている、請求項１又は４に記載のシミュレーション装置。
7. 可動要素（１１２、２２８）が柔軟性を有する、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のシミュレーション装置。
8. チャンバ（１１０）が、磁気流動性の流体を収容する一の柔軟なポケットから構成され、前記ポケット（１１０）が、磁場生成手段（１１４）の極（１１４．２）とブレード（１１２）とに挟まれており、前記ブレード（１１２）とポケット（１１０）の外装膜との接触が概ね平坦面内で行われる、請求項１ないし７のいずれか一項に記載のシミュレーション装置。
9. チャンバ（１１０）が、磁気流動性の流体を収容する複数の柔軟なポケットから構成され、前記ポケット（１１０）が、磁場生成手段（１１４）の極（１１４．２）とブレード（１１２）とに挟まれており、前記ブレード（１１２）とポケット（１１０）の外装膜との接触が概ね平坦面内で行われる、請求項１ないし７のいずれか一項に記載のシミュレーション装置。
10. ブレード（２２８）が磁気流動性の流体中に突出している、請求項１ないし９のいずれか一項に記載のシミュレーション装置。
11. ブレード（２２８）を手動制御コンポーネントに接続するブレード支持体（２２４）が、ブレード（２２８）の座屈に対する抵抗力より大きな同抵抗力を有する、請求項１０に記載のシミュレーション装置。
12. ブレード支持体（２２４）が、２つの部分（２２４．１、２２４．２）からなる一のロッドから構成されており、２つの部分のうちの第１の部分（２２４．１）はチャンバ（２０２）内に位置し、第２の部分（２２４．２）はチャンバ（２０２）の外側に位置し、チャンバ（２０２）の一端を密閉式に閉鎖する柔軟な膜（２２０）が、ロッドの前記２つの部分（２２４．１、２２４．２）の間に挟まれている、請求項１１に記載のシミュレーション装置。
13. 手動制御コンポーネントを休止位置に戻す手段を有する、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載のシミュレーション装置。
14. 可変磁場生成手段（１４、１１４、２１４）が、少なくとも一のソレノイドと、チャンバのいずれかの側に一のコアを有する、請求項１ないし１３のいずれか一項に記載のシミュレーション装置。
15. 可変磁場生成手段（１４、１１４、２１４）が、少なくとも１つのソレノイドを有する、請求項１ないし１４のいずれか一項に記載のシミュレーション装置。
16. チャンバ（２０２）が磁場生成手段（２１４）及びプレート又はシェル（２０４）によって直接側方に区切られており、磁気流動性の流体が磁場生成手段（２１４）と直接接触し、且つチャンバ（２０２）の第一端が柔軟な膜（２２０）によって縦方向に区切られており、第二端がキャップ、柔軟な膜、又は開口を有する、請求項１０ないし１３のいずれか一項に記載の装置と組み合わせた請求項１４又は１５に記載のシミュレーション装置。
17. チャンバ（２０２）が、側方開口部を有し、磁場生成手段（２１４）によって閉鎖される単一部品として追加された要素（３００）によって直接側方に区切られており、磁気流動性の流体が磁場生成手段（２１４）と直接接触し、且つチャンバ（２０２）の第一端が柔軟な膜（２２０）によって縦方向に区切られており、第二端がキャップ、柔軟な膜、又は開口を有する、請求項１０ないし１３のいずれか一項に記載の装置と組み合わせた請求項１４又は１５に記載のシミュレーション装置。
18. 少なくとも１つの手動制御コンポーネントと、前記制御コンポーネントに接続された請求項１ないし１７のいずれか一項に記載の少なくとも１つのシミュレーション装置とを備えた手動制御システム。
19. １オクターブ当たり１２のキーと、少なくとも１つのキーに接続された請求項１ないし１７のいずれか一項に記載の少なくとも１つのシミュレーション装置とを備えたクロマチック楽器のキーボード手段。

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