JP2579638B2

JP2579638B2 - 容量性圧力検出方法及び装置

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Publication number: JP2579638B2
Application number: JP62141282A
Authority: JP
Inventors: ドナルド・エイ・ダンカン; ジェフリー・ビー・トリップ
Original assignee: KII KONSEPUTSU Inc
Current assignee: KII KONSEPUTSU Inc
Priority date: 1987-06-05
Filing date: 1987-06-05
Publication date: 1997-02-05
Anticipated expiration: 2012-02-05
Also published as: JPH0192632A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は圧力検出方法及び装置に係る。より詳細に
は、本発明は新規の二次元的容量性センサとその技術、
特に二次元的表面に加えられるタッチや力の変化に応答
する楽器及びリズム楽器やその他の装置に使用されるセ
ンサに係る。但し用途はこれらに限定されるものではな
い。

〔従来の技術〕

本発明の一人であるジェフ・トリップの米国特許第4,
498,365号の中に開示されている新規の容量性圧力セン
サは、弾性的に成形された曲線状又はテーパ状の導電性
電極を備え、この電極が楽器のキーの作動その他の圧力
によって変形されて、該電極とは電気的に分離された固
定電極と可変容量的な協働を行うように構成されてお
り、１つの限定された圧力の接触領域により作動するの
に最も有効なセンサである。このようなセンサは楽器で
電子音調を発成する場合のように連続的に検出を行う。
また楽器のキーボードの使用を例にとれば、第２音の発
成又はピッチや音色の変更を行えるようにするといった
目的で、キー作動その他の圧力接触後の圧力変動を可能
にする。同様の応答を要するその他の用途にも有効であ
ることは明白である。

〔発明の解決しようとする問題点〕

ところが、二次元的表面全体に圧力を加えられるよう
にすると共に、打撃又は衝撃の変動に対する感受性及び
／又は二次元的表面全体での圧力の特定パターン又は動
的形状の変化に対する応答性を実現したい場合がある。
例えばドラムの皮膜の作動はスティックで打ったりドラ
ムブラシで撫でて行う他にも、指や手で撫でて行うこと
もあり、皮膜全体にいろいろ動的圧力パターン及び変動
が生じる。そのため、個々の微細な点又は領域の圧力を
二次元的に検出し、電気的信号に変換することにより、
このような圧力又は圧力パターンを特徴化した音声を生
成できるようにする必要がある。別の例としては、後述
するように多数の電極が共通の弾性電極と協働する構成
とし、手、指又は足の形跡及びその運動における変動を
可視パターンに再生することができる。この場合も連続
的、動的に二次元的検出を行う。

感覚フィードバックを生み出す触覚的センサに使用す
るものとして、触覚部アレーを備えたコンプライアンス
形導電性エラストマーパッドが開発された。このエラス
トマーパッドは、電圧励起されて、圧力に応じた抵抗の
変化によって動作されるものであり、列から行の順に走
査されてマルチビットデジタル信号出力を発生する（バ
リー・ライト・コーポレーション（Barry Wright Corpo
ration）1984年版社報「センサフレックス／アステッ
ク」（“Sensorflex/Astek"）17,18頁等参照）。このよ
うなセンサは二次元的センサではあるが、経時的導電率
の安定性において問題がある上、複雑な電子装置を要
し、また実際にはパッドの抵抗から見てモニタできる大
きさ又は面積にも限界がある。

従って本発明の目的は、上記のような用途を初め二次
元的感圧応答を要する各種用途に使用される新規かつ改
良された二次元的感圧応答方法及びその装置を提供する
ことである。

本発明の別の目的は、本発明の新規の感圧方法を使用
する結果、ドラムのような楽器も含めて柔軟性に富む新
規の楽器及びリズム楽器を提供することである。

本発明のその他の目的については以下に説明すると共
に、特許請求の範囲により詳細に示す。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明についてその特徴の１つから簡単に述べると、
本発明の係る容量性感圧センサは、薄い弾性導電性プラ
スチックシートにその片面から突出する複数の弾性導電
性突起を間隔を密に設け、該突起の隣接領域を該シート
の反対側の面に圧力を加えることにより圧力変形するよ
うに構成してなる第１電極手段と、前記突起と向かい合
って同一空間にわたって延設され、かつ該突起との間に
設けた薄い誘電体層によって該突起と分離されている第
２電極手段とを組み合わせて具備する。ドラム楽器を含
めて好適な及び最適な実施態様と構成部品について以下
に詳細に説明する。

では次に添付図面を参照しながら本発明について説明
することにする。

第１図を参照すると、ここに示された好適形式の圧力
センサは薄い導電性プラスチックゴム又はその他の弾性
エラストマーからなるパッド電極１を含む。パッド電極
は望ましくは後に詳述するようなマイラー（Mylar（商
品名））等の保護用被覆層Ｃを備え、その平面状表面の
片面（図では底面として示す）を曲面状に、即ち厚さを
変化させて形成するか、或いは該表面から同じ導電性弾
性材料のテーパ状突起１′を突出させることにより、間
隔の狭い二次元的均等アレーを構成する。この時、望ま
しくはいくらか弾性変形し得る薄い誘電体層２によって
突起１′から分離されながら前記アレーと同一空間にわ
たって延びる二次元的導電性電極面３とアレーとが容量
的に密接な関係になるように該アレーを配設するのが望
ましい。図示の電極面３は硬質の固定板Ｂ上に固定され
ているため、電極１を押して固定電極３と機械的力で接
触させることにより、測定すべき所望のキャパシタンス
変化が生み出されると同時に、電極３が上側のエラスト
マーパッド電極の圧下を制限する働きをする。第3A図〜
第3D図に突起１′のいろいろな曲面形状又はテーパ形状
を示す。詳細には、それぞれ実質的な半球形、切頭半球
に円錐状又はテーパ状の先端部を付けたもの、二段円錐
形、円錐形の先端部をやや丸めたものである。

本発明者の発見したところでは、第１図の指Ｆなどに
よって電極１の反対面（上面）が変形した場合、指先の
描くパターンの下にある曲面状又はテーパ状の突起１′
もそれに従って押し下げられて変形し、そのテーパ部分
の高さが圧縮されることによって容量効果が大きくな
る。この時、突起の変形を実質的に個々に独立して選択
して、指の輪郭及び指先の各部がそのすぐ下にある個々
の突起に及ぼす力をシミュレートすることができる。後
述するようにこの可変キャパシタ１−１′−２−３の出
力端子4,5に適当な電子装置を接続することにより、指
先の当接又は運動の生み出す容量差を容易に信号処理
し、この信号を用いて楽音又は音響の生成の制御を、聴
覚効果を圧力に比例させると共に指先の打撃又は衝撃及
び指先を電極パッド面１上で移動させて生じる表面領域
の動的圧力パターンに対応させるように行うことができ
る。ドラムの被覆層又はヘッドＣをシリコーンゴムその
他のエラストマー製パッド電極１上に配置することによ
り、パッドを摩擦や汚れ、及び静電気による埃の吸着か
ら保護する。被覆層Ｃはまた、電気的絶縁体及びアイソ
レータとしての働きもし、人体の容量がシステムに影響
を与えるのを防止し、ノイズの導入を抑制する。層Ｃは
更に「拡散装置」の役割も果たし、局部的に大きな力が
かかる場合に（ドラムスティック先端などによって）、
パッドの圧縮永久歪みを防止すると同時に衝撃を広範囲
のキャパシタに拡散することによって、信号を機械的に
増幅する働きをする。

次に第4A図の実施態様を参照する。ドラムヘッドの皮
膜又は被覆層Ｃをドラムスティックやワイヤブラシで打
ったり、皮膜の上をスティック、ブラシ、指、手などで
撫でたりすることによって、二次元表面全体に個別の容
量差が生まれるという知見を得た。この容量差を望まし
くは前掲米国特許に記載の単一センサユニットのような
連続感圧方式により信号処理して、加えられた圧力に対
応し実質的に圧力に比例応答する音響パターンとするこ
とができる。前掲米国特許に記載のように、また第５図
にも示すように、圧下中に生じる第２打撃効果や音質変
動効果も含めた個々の音質効果又は音響効果に関して、
圧下の程度に対する信号閾値を設定することができる。

第2A図〜第2C図はこの二次元的に成形された弾性容量
性電極構造を用いた場合に容量差によって生成される出
力信号を実験的に獲得してこれを視覚的に表現したグラ
フであり、それぞれ皮膜に対して軽度、中位度、強度の
ドラムスティックによる衝撃又は打撃を与えた結果を電
極に接続したプリンタで表示したものである。信号の生
成については第５図に関連して詳述することにする。電
極１−１′は厚さ2.54mm（1/10インチ）、硬度約60ジュ
ロメータ（硬さ試験機）のシリコーンに炭素を添加した
エラストマー系プラスチックシート材上に、成形突起を
二次元アレー状に間隔を密にして配設した（１cm²あた
り15.5個の突起（１平方インチあたり突起100個）を配
設）もので構成してある。各突起は厚さ約0.889mm（0.0
35インチ）のウェブである弾性パッド電極１から約1.52
4mm（0.06インチ）突出させた。他方の電極３は１ミル
のアルミ箔に厚さ約１ミルの「カプトン」（“Kapto
n"、デュポン社製ポリイミドプラスチック）からなる誘
電体層２を設けたものとした。

表面圧力パターンの効果を第2D図と第2E図に示す。第
2D図は力が加えられた面積に対する検知面出力（任意単
位）を示し、第2E図は検出セクタに加えられる力を関数
とする出力を示す。

第4A図のドラム形式の実施態様に戻ると、縁締め９に
よってこの組立体を装飾プレート７（第4A,4C図）と共
に保持することができ、装飾プレートには研摩面を含ま
せても良い。必要に応じて、後述するように信号処理用
の電子装置を基板Ｂの下側、第4C図Ｂ′に装着すること
もできる。

ドラムヘッドＣに第4A図の6,6′…のように個別のセ
クタ又は領域を設けて各領域又はセクタ毎に異なる効果
が個別に得られるようにすると共に、各領域と領域の間
には成形金属の「スパイダー」セパレータ10を設ける。
スパイダーセパレータは接着剤層８を用いてドラムヘッ
ド被覆層Ｃに接着し、領域間の漏話を防止できる構造と
する。

従ってシステムの基本的構造は、（１）検出用下部電
極３、駆動信号をエラストマー上部電極１−１′に接続
する手段、主電子装置に接続する手段を含むP.C.ボード
等（マイラー（Mylar）等のポリエステルフィルム上に
被覆したもの）と；（２）P.C.ボード上に接続又は被覆
される、又はされない誘電体シート２と；（３）上述の
ような表面組織を有する導電性エラストマー製上部電極
と；（４）上部被覆層又はドラムヘッドと；（５）エラ
ストマー電極１に駆動信号を与え、検出用キャパシタの
反対側に逆の駆動信号を供給し、センサ領域のキャパシ
タンスの変化を監視し、キャパシタンスの変化を有効電
子信号に変換する電子装置とである。第4B図に示すよう
に、単一のエラストマーシート電極１−１′の下に多数
の電極３を設けて、後に詳述するように独立区域の数も
多数にしても良い。

現在構成されているシステムの総垂直撓みはほぼ1.58
75mm（1/16インチ）である。ある領域を偏向させるのに
必要な力は生成される信号に少なくともほぼ比例し、力
を「戻す」ことによって有効な圧力センサとする。上述
のようなシステムは必要に応じて機械的電子的に変更し
て、より広範囲の力を変換できるようにしたり、使用す
る用途によって作動距離を深くしたりすることができ
る。

システムが平面的性質を持つということは、検出区域
の全面積に対する作動面積の比率が小さければ小さいほ
ど、その区域の「基本」キャパシタンス、即ち休止時キ
ャパシタンスに対する作動信号が小さくなるということ
を意味する。大型の区域が使用されているため、この基
本キャパシタンスも大きくなっている。また、一旦ゴム
製突起１′が完全に押し下げられると、それ以上力や圧
力が加えられても信号が増加することはない。垂直行程
が制限されているため、小面積に高速の打撃を与えた場
合は直ちに上限に達する。半剛性のマイラー製被覆材Ｃ
を機械的増幅用に用いることによって、キャパシタの別
の領域も小面積における軽度、重度両方の打撃に対して
作用させ、より広範囲の弁別可能な「アタック」を生み
出すことができる。作用するようになる近接キャパシタ
の面積対作動部分面積の比率は作動部分面積が大きくな
るに従って減少し、作動部分が区域と同じ大きさになる
ともはや増幅効果を示さなくなる。換言すると、機械的
増幅手段を使用することによって、広範囲の力と面積の
積（圧力又は衝撃）を、センサと電子装置で変換する際
には狭い範囲に圧縮して行えるということである。

導電性ゴム電極１−１′のウェブは、ウェブの厚さを
調節してシステムを個々の用途に適合させのると同じで
はないにせよ、それと類似の働きをすることが注目に値
する。

このような構成によって表面の局部領域の独立度が低
下するのも事実であるが、小面積を高速に打撃した場合
（ドラムスティック）と大面積を低速で打撃した場合
（指）に比較可能な信号が獲得できるようにもなる。ヘ
ッドの半剛性被覆層Ｃはさらに、ドラムの動的機能をも
果たす。層Ｃの打ち方が強いほどその瞬間的剛性が大き
くなり、影響を受けるキャパシタンス面積も大きくなる
（この場合も機械的増幅）。被覆層は全く存在しない場
合から薄いエラストマー製（保護用のみ）、薄い半剛性
（薄いマイラー製）、より厚い半剛性、剛性と変えるこ
とができる。

最後に挙げた剛性カバーは、秤量装置や個別衝撃セン
サのような高範囲、低分布の用途に使用すべくシステム
を面積不感性とするために用いたり、あるいは別のセン
サと共に積み重ねて使用し、上部センサから面積検出情
報を誘導すると同時に底部センサから面積不感性情報を
誘導するのに使用される。或いはまた多数のセンサを積
層して長距離にわたって精密な力の測定を行う場合にも
使用される。

本発明を多区域形またはセクタ形の電子ドラムに応用
した場合、その実際の構成例を第4A図と第4B図に示した
ように、該ドラムはその上面の独立した５つの打撃区域
６′,6″,6…と５つのCV（アナログ制御電圧）出力を
備える。12ボルトの電池又はその他の直流電源から給電
され、後述するように底部に備えた締付具を介して標準
形トムポストに装着される。本システムは定常的な力と
瞬間的力の両方に応答し、応答速度が数10マイクロ秒以
内、周波数応答はキロヘルツ範囲に十分に入る。

出力はパッドに対する打撃又は押圧によるキャパシタ
ンスの変動に追従するアナログ電圧であり、これらを評
価して、殆どの場合使用されるCV電子ドラムの「中枢
部」を駆動する。先にも述べたように、第１図、第4A図
及び第4B図のセンサと共に動作させるのに好適な電子回
路を示したのが第５図であり、この電子回路は第4A図及
び第4B図の両実施態様に共通して、第4C図のような底部
分が使用される。実際の装置では、装置本体が例えば厚
さ25.4mm（１インチ）のパーティクルボードディスク7B
の裏面に電子回路用の空洞Ｂ′を設けてなる。この上に
マイラーの打ち抜きシートなどからなるプリント基板11
を配設し、その上に導電性パターンを形成して５つの区
域６′,6″,6…用の５つの底部電極面３を設ける。導
電体4,5を用いて駆動信号をエラストマー電極１−１′
に接続する。導体4,5はこれらの領域と電子装置Ｅを接
続するためのものである。装置本体の周囲から電子回路
用空洞Ｂ′までを包む皮膜の尾部11′に沿ってトレース
が伝わる。その後電極領域３上にウレタンを主成分とす
る材料を被覆し、誘電体層２を形成する。この層を前記
尾部にも設けて絶縁を行うのが望ましい。プリント基板
上にエラストマーを打ち抜いて形成した５つの電極片１
−１′とスパイダセパレータ10が配置される。スパイダ
セパレータはねじなどの固定具Ｆをいくつか用いて、プ
リント基板を貫通させて本体の中に固定される。これと
同時に電極１−１′も定位置に配置され、パターン４と
５つの電極を連続的に接続して駆動信号が提供される。

打ち抜き粘着膜８をスパイダセパレータ10の上に置い
た状態でスペーサリング12をアセンブリの周囲に配置
し、ヘッドＣをアセンブリ上に配置した後、装飾リング
９を配置する。この時はまだ装飾リングを底部上で圧伸
成形しない。アセンブリを逆向きにして装飾プレート７
を設置し、装飾リングを圧伸成形してその最終的形状と
する。アクセスプレートＢ上に５つの出力ジャック及び
パワージャックＪと２つの電位差計Ｐを設ける。これら
の端子については、後に第５図の回路において固定す
る。これらの端子をアクセスプレートの底部Ｂ′に装着
した電子装置Ｅに接続する。次に皮膜尾部を電子回路に
接続し、定位置に固定されているトムクランプ14を用い
てアクセスプレートを本体に固定し、アセンブリを完成
する。

第4B図に示したようなエラストマーパッドを１つだけ
使用する変形例を使用した場合、打ち抜きエラストマー
電極とスパイダ及び粘着膜がなくなる代わりに単一の成
形パッドが用いられ、その上に固体導電性ゴムの部分
１″によって分離した５つの電極区域１−１′が形成さ
れる。これらの固定部分とプリント基板を貫通して本体
内に入るように固定具を締め、アセンブリを定位置に固
定すると同時に導電体４と電極１−１′の接続も行う。

本発明を単一区域センサに応用した場合、本発明は次
のような点で相当の新規性を提供する：（１）表面上の
いろいろな地点において、同様の入力からは同様の信号
を生成することができる。（２）表面上のあらゆる地点
において面積と圧力の合成結果を同時に変換することが
できる。（３）表面状の静的圧力パターン又は動的圧力
パターンの何れにも比例する出力を連続して提供するこ
とができる。本システムが弁別できないのは、（１）圧
力入力が表面上のどこにあるか、（２）表面上の特定の
地点に加えられている力、（３）面積・圧力パターンが
大面積で力の小さい型か小面積で力の大きい型の何れ
か、ということである。このような情報を作り出すため
には、後述するように多数の第２電極を使用する必要が
ある。

出力はパッドに対する打撃又は押圧によるキャパシタ
ンスの変化に追従するアナログ電圧であり、これらを測
定して、殆どの場合に使用されるCV電子ドラムの「中枢
部」を駆動する。先にも示したように、第１図、第4A図
及び第4B図のセンサと共に動作させるのに好適な電子回
路を示したのが第５図であり、高周波数の交流電圧源を
使用し、交流電源の流れ度を測定する。Ｉを単位アンペ
アの電流の流れ、Ｅを印加される交流（正弦波と仮定す
る）電圧、Ｆをその周波数、Ｃをセンサ１−１′−２−
３のキャパシタンス（単位ファラド）とする時、電流の
流れは式:I＝2EFCによって与えられる。本発明をドラム
に応用した場合のこれらの変数の標準値は下記の通りと
なる。

Ｅ＝８ボルトＦ＝100KHz Ｃ＝300pF Ｉ＝1.0mA 従って電流の流れの大きさが瞬間的なキャパシタンス
量を表し、そのキャパシタンス量がセンサに加えられた
瞬間的力と面積の積を反映する。力を加えられていない
時の「基本キャパシタンス」を「引く」方法はいくつか
ある。中でも好適な方法は、等しいが、180度位相の異
なる電圧を基本キャパシタンスに等しい固定キャパシタ
に印加し、その結合をセンサ出力に接続する方法であ
る。圧力がセンサを通る電力を増大させると、正味電流
がゼロから上昇して有効出力を与えるようになる。

第５図上部に示されているプッシュプル形正弦波電力
発振器は２つのトランジスタT₁，T₂と、回路網抵抗器R₁
〜R₅と、中央タップ付チョークコイルCTと、並列キャパ
シタＣ′とで構成される。コイルCTのインダクタンス
（250マイクロヘンリー）とキャパシタンスＣ′（0.01
マイクロファラド）を結合して、共振周波数ほぼ100KHz
の共振タンク回路が生ずる。ベース・コレクタ抵抗器
R₃，R₅（22KΩ）が発振の開始及び維持に必要なフィー
ドバックを与え、ベース・エミッタ抵抗器R₂，R₄（4.7K
Ω）がトランジスタベースのオーバドライブを抑制す
る。直列抵抗器R₁（470Ω）が発振器の正弦波をほぼ完
全（歪み度約１％）にする電流源をシミュレートする。
コイルCTの中央タップを接地しているため、コイル両端
部からは残りの回路部分と等しい振幅を有する厳密に異
相の正弦波が得られる。“DRIVE OUT"と表示された方の
発振器出力はセンサの共通プレート（例えば第4B図の導
電性ゴムパッド１−１′）へ、反対側の発振器出力は次
に説明する信号処理回路機構へと進む。

残りの回路機構は、５つのセンサパッド又はセンサセ
クタ用に設けられた５つの類似回路からなるが、ここで
はセンサ（パッド）♯１（例えばセクタ６′）用の回路
を例に挙げて説明することにする。圧力センサは“DRIV
E OUT"と表示された端子と“PAD 1 IN"と表示された端
子との間に外部接続される。従ってセンサのキャパシタ
ンスに比例する容量性電流が“PAD 1 IN"の端子に流入
する。同時に、発振器反対側から反対相の容量性電流が
直列抵抗・キャパシタンス回路網結合を介して“PAD 1
IN"端子に流入する。この時抵抗値は固定されており、
キャパシタ（Ｃ″）の値は一定範囲内で変化させること
ができる。実際には、先に説明したようにキャパシタ値
がセンサの基本容量と等しくなるようにキャパシタを調
整する。抵抗器は導電性ゴムパッド１−１′の有限抵抗
を補償することにより、２つの電流の消去をより完全に
行う。Ｃ″と抵抗の両方が整合している場合にのみ、完
全な平衡が達成される。実際の抵抗はインピーダンス全
体の小部分に過ぎないため、抵抗の整合は余り重要では
ない（20％の抵抗不整合があっても殆ど効果はない）。

センサに対して圧力が加わると、“PAD 1 IN"端子に
入る正味電流がゼロから増大する。この電流が抵抗器
Ｒ″（4.7K）の両端に小さい交流電圧を生み出す。この
AC電圧をダイオードＤ（IN270ゲルマニウム）によって
整流し、その結果得た直流電圧を0.10μＦキャパシタで
保持する。ゲルマニウムダイオードＤが使用されるの
は、シリコンダイオードの場合正方向電圧降下が比較的
高い（0.6ボルト）ため閾値降下が生じるので、それを
回避するためである。圧力が大きくなると、0.01μＦキ
ャパシタの両端に生まれる正の直流電圧も大きくなる。
圧力が小さくなると、キャパシタの電荷が数ミリセカン
ドの時間をかけてゆっくりとダイオードＤを通って漏出
する。こうして0.10μＦキャパシタは圧力ピーク値を暫
時保持する。キャパシタの比較的小さな電圧（普通は１
ボルト以下）が演算増幅器Ａ（LM358）とフィードバッ
ク回路網R_f，R_f′（例えばそれぞれ100Kと22K）とによ
って６倍にされる。増幅器出力電圧は最終的に1KΩ保護
用抵抗器R_oを介して“PAD 1 OUT"端子に印加される。そ
の後この電圧（及び他の４チャネルの電圧も）は周知の
ような電圧レベルの変化に所望の方法で応答するシンセ
サイザに送られる。

実際に使用する場合には、圧力に対する回路の感度及
び応答を調整できるようにするのが望ましい。センサの
全体的感度は、発振器T₁〜T₂の出力電圧を変えることで
変更することができ、発振器出力電圧の変更は、発振器
の出力電圧の変更によって達成される。これは、電位差
計P₁（1KΩ）を“Sens.Hi"、“Sens.Wipe"、“Sens.Lo
w"の各端子に外部接続することによって達成できること
が証明されている。“Sens.Low"端子に470Ω抵抗器を接
続することで調整が３対１の範囲に制限される。“Thre
sh.Wipe"端子の直流電圧を変更することによって閾値効
果ももたせることができる。この電圧がゼロの時、最終
的出力電圧は0.10μＦの濾波キャパシタの両端に出現す
る整流交流電圧を正確に６倍にしたものとなる。これは
正となるため、出力電圧（負にならない）はゼロから、
整流電圧が“Thresh.Wipe"端子（第５図下部圧側）の電
圧に関する閾値を超して増大するまで大きくなることは
ない。1KΩ電位差計P₂を３つの“Thresh."端子に外部接
続することによってもこのことが達成される。“Thres
h.Hi"端子に15K抵抗器を接続することで、閾値調整が有
効範囲に制限される。

従って第５図の動作を要約すると、発振器信号（100K
Hz）が“Dreve Out"端子を介して導電性ゴム電極全部に
接続される。「駆動」信号の振幅は、“Sens.Hi"、“Se
ns.Low"、“Sens.Wipe"の３端子に接続した電位差計P₁
によって制御される。５つの検出区域の各々の２番目の
電極を“Pad 1"〜“Pad 5"と表示された入力を介して５
つの同様の回路の１つに接続する。これらの回路は各セ
ンサを通る交流容量性電流を4.7K抵抗器両端の交流電圧
に変換することによって測定する。この交流電圧がダイ
オードＤによって直流電圧に変換された後、増幅されて
“Pad Out"端子から出力ジャックに送られる。これらの
回路の各々が逆駆動信号を受信する。２つの駆動信号が
消去されるまで各可変キャパシタを調整し、容量性電流
（ひいては各休止システムの電圧出力）をできるだけゼ
ロに近付ける。応答を出す最小信号の制御は「閾値」電
位差計の調整によって行うことができる。

センサ区域に圧力が加わると、キャパシタンスが変化
し、容量性電流が増加し、出力の直流電圧が上昇する。
圧力を除去すると出力はゼロに戻る。高速の打撃は第2A
図，第2C図に示すような高速に上下するパルスを生ずる
が、ゆっくりと圧力を加えた場合は出力電圧をゆっくり
と比例増加させるだけである。このようなアナログ出力
は上述のように音楽業界でCVと呼ばれるものであるが、
この出力を音響発生装置に接続され、音響発生装置はCV
入力を受信する。この時、音響制御のレベルは総て音響
発生装置の能力にかかる。

音響発生装置はCV電子ドラムの中枢部であるが、これ
らはその入力回路機構の特定に基づいて異なる応答の仕
方をする。例えば「中枢部」への入力が交流結合されて
いる場合、強い打撃（直流出力が交流をシミュレートす
る）のみが結果的に音響を生成させる。ところが「中枢
部」入力が直流結合されている場合は、特定の電圧閾値
を超える信号は総て音響を生成する。本発明のドラムが
特殊な効果をもたらすのは、このようなシステムにおい
てである。本発明のシステムは従来の圧電制御器と異な
り、電圧を圧力に比例させておくためである。パッドの
上に圧力をかけたままとすると、出力電圧が「中枢部」
の閾値電圧より上に保持され、連続音又は短い繰り返し
音を発生する。入力信号の電圧振幅によってピッチを変
更した場合、パッド上の圧力の揺らぎがそれに応じた音
響ピッチの変化を生み出す。

〔発明の効果〕

先にも述べたように、これまでの電子ドラム制御器
（ドラムパッド）はトランスジューサとして圧電結晶を
使用している。本発明のトランスジューサが絶対的基本
線に関して連続信号を生成するのに対し、圧電トランス
ジューサは変化速度に比例した過渡信号を生成する。圧
電トランスジューサは物理的に歪曲された時に電圧を生
成し、「屈曲」が高速に又は大幅に行われるほど生成さ
れる電圧が高くなる。ところが歪曲を止めると、たとえ
屈曲位置に保持されていても電圧の生成が停止され、出
力はゼロに戻る。このため圧電トランスジューサは本発
明と異なり、最初の打撃に続く圧力に基づいて連続的に
制御を行うのに使用することができるのである。また、
圧電トランスジューサは変化速度に基づいて動作するた
め、ゆっくりと歪曲しても有効信号が生成されない。こ
の理由により圧電トランスジューサはトリガ信号のみを
必要とされて、この信号を相当の衝撃によって生成する
ような用途に用いるトランスジューサとしては特に適す
るが、昔の連続的制御が望まれる場合の鍵盤式の制御器
には余り適さないと言える。

従って本発明の装置は、ドラムスティックで叩いた時
にはトランスジューサとして圧電結晶を使用している従
来の電子ドラム制御器の生む出力波形に類似した出力波
形を生ずるが、本発明のシステムは圧電システムと異な
り、残留圧力に比例した信号を引き続き生成するため、
初期打撃の後も音響発生装置の制御を引き続き行うこと
ができる。また、圧電システムからは有効な信号を生成
するに適さないような急激性に乏しい力も、本発明のシ
ステムは有効に変化することができる。

本発明の制御器は、リズム音以外の音を生成し、CV
（制御電圧）入力を使用するように設定されているシン
セサイザーと共にも動作させることができる。シンセサ
イザーを用いると、入力電力をいろいろな音楽パラメー
タを制御するようにプログラムできるため、電位効果の
範囲が増大する。

第５図の回路は完全にアナログ式の回路である。これ
にデジタル信号プロセッサを併合するためには、増幅前
又は増幅後の各出力をADC（アナログ・デジタル変換
器）に通す。マイクロプロセッサ（又はその他周知のデ
ジタル信号処理用回路機構）がパッドキャパシタンスの
経時的変化のデジタル表示をモニタし、予めプログラム
した論理規則（ソフトウェア）に従ってそれに対応する
デジタル制御信号を構成する。

上述のシステムを変更して、MIDI（楽器用デジタルイ
ンタフェース）又はその他の通信設備を通じてデジタル
制御信号を出力するようにすることも可能である。これ
はADCを用いて個別回路出力の各々を処理してセンサキ
ャパシタンスの経時的変動をデジタル表示することで達
成される。マイクロプロセッサその他のデジタル信号処
理回路機構がこれらのデジタル表示をモニタして、予め
プログラムした論理規則により対応するデジタル制御信
号を構成する。その他の制御装置（スイッチ、滑り電位
差計、ディスプレイ等）や適当なハードウェア及びソフ
トウェアを併用して、ユーザが上記の事前プログラムさ
れた論理規則を変更できるようにすることができる。そ
の他の構成によりコンピュータやロボットと通信させる
ことも可能である。このための技術は当業者に周知であ
る。

外形の変更、構成方法の変更、打撃区域の形状の変
更、打撃区域の数の変更、厳密に平坦な構成から離れる
変形例、スティックや槌よりも手で演奏するために（コ
ンガ等）最適化した変形例なども含めて上記以外の変更
を行うことも可能である。

楽器の分野での別の例として、上述のサンドイッチ形
の電極１−１′−２−３を２〜３個の小さな検出区域を
有するギターのピックガードに組み入れ、これを叩いた
りかき鳴らしてCV信号を生成し、ドラム装置又は駆動MI
DI変換器の制御を行うことができる。電子装置はピック
ガードの下の空洞に配置することができる。

この製品を別の構成とすると１つの又はそれ以上の移
動パッド１−１′−２−３を使用し、これをギター表面
の所定個所、例えば右腕の下や演奏者の手その他の身体
部位上に適当な固定機構を用いて取り付けることがで
き、備え付けの電子装置を用いてピックガードの固定パ
ッドと同様の機能を果たすようにできる。また、電子装
置を変更してMIDI信号又はその他デジタル式に符号化し
た情報の何れかを生成するようにして、次にそれを用い
てMIDI音楽装置、ギター効果、舞台装置等の制御を行う
こともできる。

作動パッド１−１′の形状の変更、作動パッドの数の
変更、パッドの取り付け個所をギターの他の部分に変え
る、機能的に同様のシステムを独立して又は他の楽器に
装着するといったことも可能であることは明らかであ
る。

システムの感度を低くして絶対的な圧力又は衝撃を変
換したい場合、弾性パッド電極１−１′の上に剛性層を
設ければ良い。またドラム状の楽器を前掲米国特許に記
載されているような効果、即ちヘッドにかかる圧力を保
持することにより信号を保持し、圧力を同様させること
でピッチ又は音質を制御するといった効果を有する鍵盤
として機能させることもできる。

先にも述べたように、本発明はプリンタ又は陰極線管
上に圧力の変動及びパターンを可視的に表示又は作画す
ることも含めて楽器以外の目的に使用することもでき
る。特に遠隔分析用の入力センサ、弁の閉塞などを目的
とする圧力モニタ、自動車用の接触モニタとして有効で
ある。

当業者であれば、以上に述べた以外の変更も考え付く
であろうが、このような変更も特許請求の範囲に定義し
た本発明の精神と範囲に該当するものと考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施に使用するのに好適な二次元容量
性圧力センサの横断面図である。第2A図〜第2C図は第１図のセンサをドラムスティックで
衝撃を与えることにより実験的に獲得された変化を示
し、第2D図と第2E図は加えられる表面圧力パターンと出
力の関係を示す。第3A図〜第3D図は第１図のセンサの電極として有効な突
起部形状を示す拡大横断面図である。第4A図は複数のセンサパッド又は検出区域を有効に用い
て選択的かつ比較的独立した効果をもたせた多区分形ド
ラムを部分的に切除して示す等角図である。第4B図も第4A図と同様の図であるが、ここでは単一のエ
ラストマーパッドセンサ電極が使用されている。第4C図は第4A図及び第4B図の両実施態様に使用できるド
ラムの底部を示す斜視図である。第５図は第4A図及び第4B図の楽器のセンサの容量差に応
答して、例えば音響生成装置の制御を行って所望の楽
音、音響を生成するのに使用される信号を生成するのに
好適な信号処理装置の回路図である。１…弾性パッド電極１′…突起２…誘電体層３…第２電極Ｃ…ドラム被覆層

フロントページの続き (56)参考文献特開昭53−112784（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−207939（ＪＰ，Ａ) 実開昭56−3595（ＪＰ，Ｕ) 実公昭59−30952（ＪＰ，Ｙ２)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】薄い弾性導電性プラスチックシートにその
片面から突出する複数の弾性導電性突起を間隔を密にし
て設け、該突起の隣接領域を該シートの反対側の面に圧
力を加えることにより圧力変形するように構成してなる
第１電極手段と；前記突起と向かい合って同一空間にわ
たって延設されかつ該突起との間に設けた薄い誘電体層
によって該突起と分離されている第２電極手段とを組み
合わせて具備する容量性圧力検出センサ。
【請求項２】前記複数の突起が突起間の間隔を密にした
二次元アレー状に配列されている、特許請求の範囲第１
項に記載の容量性センサ。
【請求項３】不動的に配置されている第２電極手段の存
在により変形時の突起の圧下が制限されるように構成さ
れている、特許請求の範囲第２項に記載の容量性セン
サ。
【請求項４】前記突起が前記アレー全体に実質的に均等
に配分されており、前記誘電体層を介在させて前記第２
電極手段に対して押圧された時に変形可能な曲面を有し
ている、特許請求の範囲第３項に記載の容量性センサ。
【請求項５】前記センサの各電極手段が第１電極手段の
圧力変形によって生ずる容量差を検出してそれに対応す
る信号を生成する電子装置に接続されている、特許請求
の範囲第４項に記載の装置。
【請求項６】前記電子装置が、前記第１電極手段の前記
反対側の面に衝撃が与えられることによって生じるセン
サキャパシタンスの変化に応じて信号を生成する、特許
請求の範囲第５項に記載の装置。
【請求項７】前記電子装置が、前記第１電極手段の前記
反対側の面に加えられる圧力と面積のパターンに応じて
信号を生成する、特許請求の範囲第５項に記載の装置。
【請求項８】生成された信号を圧力変形の可聴表示に変
換するための手段が設けられている、特許請求の範囲第
５項に記載の装置。
【請求項９】前記可聴表示が第１電極手段の反対側の面
にドラムの様に衝撃を与えたり撫でたりすることによっ
て生成される学音及び音響である、特許請求の範囲第８
項に記載の装置。
【請求項１０】前記反対側の面の上に装着されているド
ラムヘッド層を介して前記反対側の面に圧力が加えられ
る、特許請求の範囲第９項に記載の装置。
【請求項１１】前記第１センサに隣接して同様のセンサ
領域がさらに設けられており、多区域で別個のドラム式
効果を生むように構成されている、特許請求の範囲第９
項に記載の装置。
【請求項１２】生成された信号を圧力変形の可視表示に
変換するための手段が設けられている、特許請求の範囲
第５項に記載の装置。
【請求項１３】前記突起がややテーパを持っているなど
の可変厚さを有している、特許請求の範囲第２項に記載
の装置。
【請求項１４】前記シートの厚さが2.54mm程度であり、
前記突起が１平方センチあたり約15.5個の割合で配分さ
れていて、その厚さが0.254mm程度であり、前記第２電
極手段及び誘電体層の厚さがそれぞれ数ミル程度であ
る、特許請求の範囲第13項に記載の装置。
【請求項１５】前記第２電極手段が、単一の共通第１弾
性電極手段と協働する複数の隣接扇形電極を含んでな
る、特許請求の範囲第１項に記載の容量性センサ。
【請求項１６】前記第１弾性電極手段が複数の個別の扇
形弾性電極を含んでなる、特許請求の範囲第１項に記載
の容量性センサ。
【請求項１７】前記扇形弾性電極の間にセパレータ手段
が配設されている、特許請求の範囲第16項に記載の容量
性センサ。
【請求項１８】前記第１弾性電極手段上に半剛性の被覆
層が配設されている、特許請求の範囲第16項に記載の容
量性センサ。
【請求項１９】前記第１弾性電極手段上に半剛性の被覆
層が配設されている、特許請求の範囲第15項に記載の容
量性センサ。
【請求項２０】前記単一弾性電極手段が導電性のエラス
トマー系ゴムのような材料で形成されており、導電性固
体ゴム片によって扇形部分に分割されている、特許請求
の範囲第19項に記載の容量性センサ。
【請求項２１】前記弾性電極手段が導電性のエラストマ
ー系ゴムのような材料で形成されている、特許請求の範
囲第17項に記載の容量性センサ。
【請求項２２】ドラム形式の楽器であって、薄い導電性
プラスチック電極手段にその内側表面から突出する複数
の弾性導電性突起を間隔を密にして設け、該突起の隣接
領域が該電極手段の外側表面に圧力を加えることにより
圧力変形するように構成されてなる第１電極手段と；前
記弾性電極手段の外側表面上に配設されて圧力を受容
し、その圧力を弾性電極手段に伝える半剛性のドラム被
覆層と、前記突起と向かい合って同一空間にわたって延
設され、かつ該突起との間に設けた薄い誘電体層によっ
て該突起と分離されている第２電極手段と；該電極手段
に接続されて該電極手段に交流電圧又は電流を印加し、
圧力変形によるキャパシタンスの変化を検出する手段と
を組み合わせて具備するドラム式楽器。
【請求項２３】前記第２電極手段が、前記薄い弾性電極
手段と協働する複数の隣接扇形電極を含んでなる、特許
請求の範囲第22項に記載のドラム式楽器。
【請求項２４】前記薄い弾性電極手段が単一の弾性導電
性シートを含んでなる、特許請求の範囲第23項に記載の
ドラム式楽器。
【請求項２５】前記薄い弾性電極手段が複数の個別扇形
弾性シート電極を含んでなる、特許請求の範囲第22項に
記載のドラム式楽器。
【請求項２６】前記扇形弾性電極の間に漏話を防止する
ための手段が配設されている、特許請求の範囲第25項に
記載のドラム式楽器。
【請求項２７】容量性圧力検出方法であって、間隔を密
にして二次元アレー状に配列された導電性プラスチック
突起に隣接する領域を所定の方向に、前記アレーの１つ
又はそれ以上の領域に延びる所定の圧力パターンに対応
する圧力分布において動的に変形せしめ；各突起がその
上にかかる圧力によって変形することにより、前記アレ
ーと同一空間にわたって延びて薄い誘電媒体により該ア
レーと分離されており該アレーと協働する容量性電極面
によって該突起の輪郭変形を固定位置において制限し；
圧力下で該突起が変形することによって生じる動的容量
差を検出してそれに対応する電気信号を生成することを
含んでなる方法。
【請求項２８】変形中に前記信号を可聴楽音及び音響に
変換する、特許請求の範囲第27項に記載の方法。
【請求項２９】変形中に前記信号を可視表示に変換す
る、特許請求の範囲第27項に記載の方法。