JP2024042517A - センサシステムおよび電子楽器 - Google Patents

Abstract

【課題】 演奏操作を安定的にセンシングすること。【解決手段】 実施形態によれば、センサシステムは、指板の長手方向に沿って突起する複数の模擬弦と、第１センサ、第２センサ、および導出部を具備する。第１センサは、模擬弦への物体の接触を検知する。第２センサは、模擬弦への押圧を検知する。導出部は、第１センサによる接触の検知時点と、第２センサによる押圧の検知時点との時間差に基づいて、押圧の強度を導出する。【選択図】 図３

Description

本発明の実施形態は、センサシステムおよび電子楽器に関する。

デジタルギターは電子楽器の新たな形態であり、弦が無くても発音できるものが開発されようとしている。正確には、弦を模した６本の筋状の突起が指板（fingerboard）部に形成されており、生体（指など）による演奏操作を電子的にセンシングすることで、発音情報（ＭＩＤＩデータ等）を発生させることができる。
アコースティックギターやエレキギターでは、弦の張力に耐えるためにボディに高い剛性が要求されること、及び、ネックに反力発生機構（内部に渡された長いボルト）を形成したり、弦を引っ張る巻取り機構、各弦を保持するバネなどが必要であった。デジタルギターではこのような重厚かつ部品点数の多い機構を省略できるので、市場の期待は高い。

ところで、演奏を検知するセンサには、ゴム接点と櫛歯状のパターンを併用したり、メンブレンスイッチで押弦位置を検出するものが知られている。しかしこのようなセンシング手法ではＯＮ／ＯＦＦを判定することしかできない。すなわち、押弦位置を特定することはできるが、押弦に至っていない”弦に指が接触している状態”を検知することはできず、まして、押圧の強度を判定することもできなかった。

指が弦を触っている状態を検知できないことは、つまり、重要なギター奏法である”ミュート”ができないことになる。また、それにより、ブラッシングや、カッティングなどの奏法も表現できない。また、”押弦の強度”はハンマリング・オン／プリング・オフなどの奏法を実現するためには重要なファクターであり、これを検知できないことは、自由な演奏表現の足かせになってしまう。

特表２０１１－５３０３９１号公報

タッチパネルのような静電容量式のセンサは、接触部分の静電容量値の変化の大小による判定の閾値を設定し、その閾値を超えることで接触の有無を推定する。この種の技術を応用すれば模擬弦への生体や物体の接触を検知したり、押圧の強度も或る程度、測れることが期待される。しかし静電容量方式は、個人の指の太さのばらつきや体水分量、皮膚表面の状態などに影響されやすく、すべての演奏者に共通した閾値を設定することが非常に困難であった。同じ演奏者であっても乾いた指と汗をかいた指とではセンシング結果が変わってしまうので、非常に不安定と言わざるを得ない。このような事情を解決し得る技術が望まれている。

そこで、本発明は、演奏操作を安定的にセンシングすることの可能なセンサシステムおよび電子楽器を提供することを目的とする。

実施形態によれば、センサシステムは、指板の長手方向に沿って突起する複数の模擬弦と、第１センサ、第２センサ、および導出部を具備する。第１センサは、模擬弦への物体の接触を検知する。第２センサは、模擬弦への押圧を検知する。導出部は、第１センサによる接触の検知時点と、第２センサによる押圧の検知時点との時間差に基づいて、押圧の強度を導出する。

本発明によれば、演奏操作を安定的にセンシングすることの可能なセンサシステムおよび電子楽器を提供することが可能となる。

図１は、実施形態に係わるデジタルギターの一例を示す外観図である。 図２は、インタフェースユニット４０の外観の一例を示す斜視図である。 図３は、図２に示されるインタフェースユニット４０の拡大図である。 図４は、メンブレンスイッチ４２の一例を示す図である。 図５は、メンブレンスイッチ４２の電極部４３の一例を示す図である。 図６は、発音コントローラ５０の一例を示す機能ブロック図である 図７は、静電容量センサ４１の出力の一例を示すグラフである。 図８は、メンブレンスイッチ４２の出力の一例を示す図である。 図９は、強く押弦した場合のセンサ出力の一例を示す図である。 図１０は、弱く押弦した場合のセンサ出力の一例を示す図である。 図１１は、メンブレンスイッチ４２の電極部４３の他の例を示す図である。

＜構成＞
図１は、実施形態に係わるデジタルギターの一例を示す外観図である。エレキギターを模した形状のデジタルギター１は、ボディ１０と、ボディに取り付けられた指板２０とを備える。指板２０の長手方向に沿って、弦を模した筋状の突起（模擬弦３０）が形成される。模擬弦３０の数は典型的には６本であるが、ベースでは４本、多弦ギターでは例えば８本であっても良いし、例えばチャップマンスティックのような特殊な楽器ではそれ以上の数にわたる模擬弦が形成されても良い。

指板２０は、例えばポリエチレンテレフタレート（Polyethyleneterephthalate：ＰＥＴ）などの、適度な柔軟性のある材質で形成するのが好ましい。指板２０の全部または一部に、インタフェースユニット４０が形成される。また、ボディ１０の一部に、インタフェースユニット４０と電気的に接続された発音コントローラ５０がインストールされている。

図２は、インタフェースユニット４０の外観の一例を示す斜視図である。インタフェースユニット４０は、演奏者の指に直接触れる模擬弦３０と、模擬弦３０に直交して形成されるフレット３１とを備える。

図３は、図２に示されるインタフェースユニット４０の囲み部分Ｒの拡大図である。模擬弦３０には、模擬弦３０における指板２０の長手方向に沿う方向に、静電容量センサ４１が形成される。また、模擬弦３０およびフレット３１を含む構造体Ａを支えるように、その構造体Ａの下側にメンブレンスイッチ４２が敷設される。第１センサとしての静電容量センサ４１は、模擬弦３０への物体の接触を検知する。第２センサとしてのメンブレンスイッチ４２は、模擬弦３０への押圧を検知する。

静電容量センサ４１は、模擬弦３０における指板２０の長手方向に沿う方向に塗布された導電膜４１ａと、電極層４１ｂを備える。導電膜４１ａと電極層４１ｂは指板の材質（ＰＥＴなど）により互いに絶縁され、一定の静電容量をもつ。この静電容量センサ４１に指などの物体が近づくにつれて静電容量の安定が破られ、接触すると、閾値を超えた変化を示す。この変化を検知することにより、模擬弦３０への物体（生体）の接触を検知することができる。

導電膜４１ａを保護するため、導電膜４１ａの表面に、ハードコート層をさらに積層したり、あるいは表面ラミネート加工などを施しても良い。このようにすることで表面の耐擦過性を担保することができる。

図４は、メンブレンスイッチ４２の一例を示す図である。図３に示すように、構造体Ａの下面（裏面）に、メンブレンタイプのスイッチが敷設される。
図５は、メンブレンスイッチ４２の電極部４３の一例を示す図である。メンブレンスイッチ４２としては、例えばラップトップコンピュータのキーボードの内部に設置されるような、２枚のシート状の電極の中間にスペーサーを敷く形式のものを適用できる。あるいは、片方のシートがハード基板上での電極のようになっているものでも良い。

図５において、メンブレンスイッチ４２の電極部４３は、指板２０におけるフレット３１で区切られた区間（音程を決定する領域）のそれぞれにおいて、模擬弦３０ごとに設けられる。また、電極部４３は、複数の模擬弦３０のそれぞれを挟むように配設される。これにより、模擬弦３０をまたぐような演奏者の指の動きを検出することができる。つまり、隣接するフレット３１とフレット３１との間に、弦の本数×２個の電極部４３が設けられる。

電極部４３を個別にオン／オフするために、機構的な押圧部を設けても良い。押圧部は、弾性のあるゴムシート状の部材に、電極部４３と位置を合わせて形成した突起状の部材であっても良い。

また、電極部４３を、互いに離間して配置される櫛歯状の接点部で形成し、押圧により変形して接点部を導通させる変形部（突起を備えるゴムシートなど）により押圧部を形成しても良い。つまり、ハード基板、あるいはシート状の接点が櫛歯のようになっている構造にて、そこにかぶせた接点シート上に設置された電極によって櫛歯状の接点が接合されるような形のものであっても構わない。すなわち、押し込み方向の外力により接点が接合し、互いに電気的に結合されるような構造であればよい。電極部４３の出力は、発音コントローラ５０の検知回路や集積回路等に接続され、逐次検索（スキャン）される。

図６は、発音コントローラ５０の一例を示す機能ブロック図である。発音コントローラ５０はいわゆる組み込みコンピュータであり、プロセッサ５１、ＲＯＭ５２、ＲＡＭ５３、音源５５、およびサウンドシステム５６と、これらを通信可能に接続するバス５７とを備える。さらに、内部配線（図示せず）を介して、インタフェースユニット４０がバス５７に電気的に接続される。

ＲＯＭ５２は、プロセッサ５１を導出部として機能させるためのプログラム５２ａを記憶する。ＲＡＭ５３は、プロセッサ５１のワークメモリとして使用される。プロセッサ５１は、インタフェースユニット４０から取得したデータを用いて、発音情報の生成などの各種の演算を行う。音源５５は、プロセッサ５１から与えられる発音情報に基づいてデジタル楽音データを生成し、サウンドシステム５６に出力する。サウンドシステム５６は、音源５５からのデジタル楽音データをアナログ楽音信号に変換し、出力する。

ところで、実施形態においてプロセッサ５１は、静電容量センサ４１のオンタイミングと、このオンタイミングに続くメンブレンスイッチ４２のオンタイミングとの時間差に基づいて、指板２０や模擬弦３０に対する指の押圧の強度を算出する。すなわちプロセッサ５１は、静電容量センサ４１による接触の検知時点と、メンブレンスイッチ４２による押圧の検知時点との時間差を、押圧の強度として算出（導出）する。

＜作用＞
次に、上記構成における作用を説明する。
図７は、静電容量センサ４１の出力の一例を示すグラフである。図７では、ある時点Ｔ０で演奏者の手（又は指）が静電容量センサ４１から十分に距離が離れた状態（静電容量センサ４１が物体を検知していない状態）から、時間が進むにつれて、演奏者の手（又は指）が静電容量センサ４１に近づいていった際の静電容量センサ４１の出力の一例を示している。演奏者が、指板２０に手を触れて演奏を開始すると、指が模擬弦３０に接触する。指が模擬弦３０に近づいていくに連れて静電容量センサ４１の出力はわずかずつ上昇し、指が接触した瞬間（Ｔ１）に急激に上昇する。その後、接触量が安定すると出力の上昇は飽和し、緩やかに上昇しつつ徐々に安定する。

実際の静電容量センサ４１からの出力値と指の近接距離との関係は、おおよそ図７に示されるような特性となる。さらに、閾値を設定することによって、物体の接触を明確に検知することができる。つまり、Ｔ１から飽和するまでの期間を、閾値判定の閾値を設定する期間（閾値設置可能範囲）とし、この範囲の全てを”接触”と判定する。ここでは、Ｔ１の時点において静電容量センサ４１がＯＮ（物体の接触を検知している）になっているとする。このように、広いダイナミックレンジを確保することができるので人体の個体によるばらつきや、汗などによる影響を最小限にして、センシングの安定度を高めることができる。

図８は、静電容量センサ４１の出力とメンブレンスイッチ４２の出力の一例を示す図である。図８では、図７と同様に、ある時点Ｔ０で演奏者の手（又は指）が静電容量センサ４１から十分に距離が離れた状態（静電容量センサ４１が物体を検知していない状態）から、時間が進むにつれて、演奏者の手（又は指）が静電容量センサ４１に近づいていった際の静電容量センサ４１の出力とメンブレンスイッチ４２の出力の一例を示している。指が模擬弦３０に接触した後（Ｔ１以降）の動作は、”押し込み”動作となる。ある一定量を押し込むとメンブレンスイッチ４２のコンタクト部分が接触し、Ｔ２においてスイッチがＯＮとなる。Ｔ２以降では静電容量センサ４１と、メンブレンスイッチ４２の双方がＯＮとなっている。

ここで、指が接触し静電容量センサ４１がＯＮになるタイミングと、メンブレンスイッチ４２がＯＮとなるタイミングとの差をΔＴとする。実施形態では、押弦の強度（強さ）とΔＴとの間に相関性のあることに着目した。すなわち、ΔＴが短ければ押弦の速度が速いので、押弦強度は強いと判定でき、ΔＴが長ければ押弦の速度が遅いので、押弦強度は弱いと判定できる。つまり、ΔＴは強く弦を押し込めば短い時間となり、弱く弦を押し込めば長い時間となる。このΔＴを計測することにより、弦を押し込む強度が推定できることになる。

図９は、強く押弦した場合のセンサ出力の一例を示す図である。図９において、ΔＴ＝ΔＴfaとする。
図１０は、弱く押弦した場合のセンサ出力の一例を示す図である。図１０において、ΔＴ＝ΔＴslとする。
ΔＴfa＜ΔＴslであるので、図９の操作に比較して、図１０の押弦強度は弱いことがわかる。それぞれの押弦強度は、例えばΔＴの値と押弦強度との関係を示すルックアップテーブルを予め用意するなどして、定量的に評価することができる。このように実施形態によれば、押弦の強度を判定することが可能になる。

＜効果＞
以上述べたように実施形態では、模擬弦３０あるいは指板２０への指の接触時点（Ｔ１）を静電容量センサ４１により検知し、押し込みの発生時点（Ｔ２）をメンブレンスイッチ４２により検知できるようにした。そして、ΔＴ＝Ｔ２－Ｔ１を計算し、その値を評価することで押弦の強／弱を判定できるようにした。

すなわち実施形態によれば、”押弦の強度”を判定できることにより、ハンマリング・オン／プリング・オフなどの複雑な各種奏法の判別が可能となる。従ってデジタルギターにおける演奏表現の幅を大きく広げることができる。

さらに、実施形態によれば、”指が弦を触っている状態”を明確に検知できるようになる。これは、”指が接触しているが押し込みは無い状態”であり、いわゆる”ミュート”の状態にほかならない。これは、”Ｔ１だけが検知されＴ２が検知されていない状態”である。言い換えれば、静電容量センサ４１だけがオンになった状態を検知することで、”ミュート”を検知することができる。従って、ブラッシングや、カッティングなどの奏法を自在に表現することができ、デジタルギターにおける演奏表現の幅をさらに大きく広げることができる。

以上のように実施形態では、静電容量センサ４１により弦部分（模擬弦３０）への接触を検知するとともに、メンブレンスイッチ４２により弦部分（模擬弦３０）の押し込みを検知する。静電容量センサ４１とメンブレンスイッチ４２は完全に独立しており、いわばハイブリッドセンシングの手法で、双方がＯＮとして検知された時間の差により押弦強度を推定するとともに、静電容量センサ４１のみＯＮが検知されることにより接触のみの状態も検知できるようにした。

メンブレンスイッチ４２は、ある一定の外力を受けると接点がＯＮになる。つまり、ある設定されたストロークにて各接点が一律にＯＮになるので、演奏者の個体ばらつきの影響を受けることがない。なお、指の大きさによって、ＯＮするスイッチの分布範囲にはばらつきが発生するが、分布の中心を推定することでこのばらつきは無視できる。これは、押し込み強度、あるいは押し込み範囲そのものを、実施形態ではデータとして利用しないからである。

静電容量センサ４１のダイナミックレンジにより演奏者の個体差の影響を抑え、メンブレンスイッチ４２もオン／オフの検知により個体差のばらつきを無視できる。従って演奏者の状態や個人差の影響を無くし、どのような環境でも安定的に押弦の強度、弦への接触を検知することが可能となる。
これらのことから、実施形態によれば、演奏操作を安定的にセンシングすることの可能なセンサシステムおよび電子楽器を提供することが可能となる。ひいては、デジタルギターの入力インターフェースとして、演奏者の個体差ばらつきを排除し、つねに安定した押圧検出が可能となるインターフェース構造を提供することができる。これにより、さらに楽しく演奏することのできる電子楽器を提供することが可能になる。

なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば図３において、模擬弦３０の突起の頂点付近に導電膜４１ａを配置した。これに代えて、さらに幅のある形状とし、指板２０の根本の平面部に至るような形状でも構わない。これは、静電容量センサ４１に求められる感度に応じて自由にデザインすることができる。

また、図３に示した構造体Ａについては、薄板状のシート材の真空／圧空成型等によって製造することもできるし、ゴム成型等による製法でも構わない。各突起部分が中空形状であっても構わない。また、同様の構造物が作れる製法であれば、どのような製法でもよい。

フレット３１、あるいは模擬弦３０は、ギターを模し、演奏者が演奏時に押弦位置を正確に認識できるためのものであるので、これらを必要としない奏法等に対してであれば、フレット３１、あるいは模擬弦３０を設ける必要は必ずしもない。

導電膜４１ａや電極層４１ｂについては、模擬弦３０の表面または中間層、あるいは下面のいずれかの部分に、銀ペーストの印刷、カーボンインクの印刷、メッキ、蒸着等の手法で形成することができるが、このほか、一般的な導電膜の構成手法により形成することができる。導電膜４１ａは、一本の模擬弦３０に対して連続的に１本の電極が割り当てられているような形でもよいし、あるいは各フレット間にて分割されており、多数の電極が敷き詰められているような形でも構わない。

また、本実施形態での静電容量センサ４１では導電膜４１ａと電極層４１ｂを備える相互容量方式によって、物体（生体）の接触を検知していたが、これに限定されない。静電容量センサ４１は、電界を発生させる単一の電極を備える自己容量方式によって接触を検知してもよい。

図１１は、メンブレンスイッチ４２の電極部４３の他の例を示す図である。図５では、各フレット間において、指板２０の長手方向に１つ、短手方向に模擬弦３０を挟むように２つの電極部４３を配置した。これに代えてさらに多数の電極部４３を配置することができる。すなわち、電極部４３を、各フレット間において、指板２０の長手方向に複数配設してもよい。

図１１に示されるように、例えば指板の長手方向に３つ、短手方向に模擬弦３０を挟むように２つの電極部４３を、各フレット間に配置してもよい。この場合、隣接するフレット３１とフレット３１との間に、弦の本数×３個×２個の電極部４３が設けられる。６本の弦のギターでは、フレット間の電極部４３の数は３６個になる。

このように電極部４３の数を増やすことで、フレット間での指の動きをさらに詳細に検出することができる。例えば、チョーキングやビブラート、あるいはスライド奏法などを検知することが可能になる。

また、実施形態で説明した技術は、電子弦楽器のインターフェースとして、あらゆる弦楽器に応用することができる。ギターに限定されず、他の弦楽器にも応用できることは明らかであるし、さらには、フレットの無い弦楽器（バイオリン、チェロなど）に対する応用も可能である。

実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…デジタルギター、１０…ボディ、２０…指板、３０…模擬弦、３１…フレット、４０…インタフェースユニット、４１…静電容量センサ、４１ａ…導電膜、４１ｂ…電極層、４２…メンブレンスイッチ、４３…電極部、５０…発音コントローラ、５１…プロセッサ、５２…ＲＯＭ、５２ａ…プログラム、５３…ＲＡＭ、５５…音源、５６…サウンドシステム、５７…バス。

Claims (10)

1. 指板の長手方向に沿って突起する複数の模擬弦と、
   前記模擬弦への物体の接触を検知する第１センサと、
   前記模擬弦への押圧を検知する第２センサと、
   前記第１センサによる前記接触の検知時点と、前記第２センサによる前記押圧の検知時点との時間差に基づいて、前記押圧の強度を導出する導出部とを具備する、センサシステム。
2. 前記第１センサは、静電容量の変化を検知する静電容量センサである、請求項１に記載のセンサシステム。
3. 前記静電容量センサは、
   前記模擬弦の長手方向に沿って形成される導電膜と、
   前記物体との距離に応じて前記導電膜との間の静電容量が変化する電極層とを備える、請求項２に記載のセンサシステム。
4. 前記導電膜の保護層をさらに備える、請求項３に記載のセンサシステム。
5. 前記第２センサは、メンブレンスイッチである、請求項１に記載のセンサシステム。
6. 前記メンブレンスイッチは、
   前記指板における音程を決定する領域および前記模擬弦ごとに設けられる複数の電極部と、
   前記電極部ごとに設けられ当該電極部を個別にオン／オフする複数の押圧部とを備える、請求項５に記載のセンサシステム。
7. 前記指板は、前記音程を決定する領域を区分する複数のフレットをさらに備え、
   前記電極部は、隣接するフレットとフレットとの間において前記模擬弦を挟むように配設される、請求項６に記載のセンサシステム。
8. 前記電極部は、前記隣接するフレットとフレットとの間において、前記指板の長手方向に複数配設される、請求項７に記載のセンサシステム。
9. 前記電極部は、互いに離間して配置される櫛歯状の接点部を備え、
   前記押圧部は、前記押圧により変形して前記接点部を導通させる変形部を備える、請求項６乃至８のいずれか１項に記載のセンサシステム。
10. 指板と、
    インタフェース部と、
    プロセッサとを具備し、
    前記インタフェース部は、
    前記指板の長手方向に沿って突起する複数の模擬弦と、
    前記模擬弦への物体の接触を検知する第１センサと、
    前記模擬弦への押圧を検知する第２センサとを備え、
    前記プロセッサは、
    前記第１センサによる前記接触の検知時点と、前記第２センサによる前記押圧の検知時点との時間差に基づいて、前記押圧の強度を導出する、電子楽器。