JP3661260B2 - 電子楽器の鍵盤装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子ピアノ等の電子楽器における鍵に連動して駆動される質量体(ハンマ)を有する鍵盤装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電子ピアノの鍵盤装置は、支持部材である鍵盤フレームに複数の鍵をそれぞれ揺動可能に支持すると共に、その各鍵の揺動に伴ってそれぞれ回動する質量体(「ハンマ」と称す)を回動可能に設け、押鍵時にアコースティックピアノに似たタッチ感触が得られるようにしている。
また、押鍵速度を検出して楽音制御をしたり、押鍵時に発生する楽音のアタックレベルを制御したり各種効果を付与したりする楽音制御が行なわれるものがある。さらに、アフタタッチ制御としての押鍵力を検出して楽音制御しようとするものもある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
直接押鍵力を検出する手段としては、いわゆるアフタタッチセンサがあるが、これは押鍵後の力を検出するものであり、押鍵過程および離鍵過程での押鍵力を検出することはできない。
【0004】
押鍵過程および離鍵過程の押鍵力を検知する方法としては、鍵の変位を検出し、時間軸上で2回微分することによって押鍵力波形を検知することが考えられる。しかし、微分とは微小時間の変動量を表わすものであるため、電気的なノイズや機械的なノイズ(ガタやスリップあるいはバックラッシュ等)をも検知してしまう。
さらに、2回微分においてはこの傾向が強調され、現実的には信号として使い物にならない。
【0005】
この発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、演奏者の鍵操作による押鍵過程,押鍵後および離鍵過程の各押鍵力を直接的に検出可能にし、且つ上述のようなノイズの問題もなくすことを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記の目的を達成するため、複数の鍵と、その各鍵を揺動可能に支持する支持部材と、各鍵の揺動に伴ってそれぞれ回動する質量体と、その各質量体を回動可能に支持する支持部とを備えた電子楽器の鍵盤装置において、上記支持部に発生する力を検出する力検出手段を設けたものである。
【0007】
また、上記各鍵の各質量体に対して独立して、それぞれ一端又は両端が固定された梁を設け、その各梁上に上記支持部を設け、その各梁の歪み又は変位を検出することによって、上記支持部に発生する力を各鍵毎に独立して検出する力検出手段を設けるとよい。
あるいは、一端又は両端が固定された複数の梁を設け、その複数の梁で複数の鍵の各質量体に対して共通の取付部を支持させ、その共通の取付部上に上記支持部を設けると共に、上記複数の梁の歪み又は変位をそれぞれ検出し、その各検出結果の和を求めることによって上記支持部に発生する力を複数鍵に亘って検出する力検出手段を設けるようにしてもよい。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
図1は、この発明の第1の実施形態を示す鍵盤装置の白鍵部の長手方向に沿う断面図である。
この図1において、支持部材である鍵フレーム12は下側のメイン水平部12aと、その後端から上方へ直角に折曲した垂直部12bと、その上端から折り返すように直角に折曲した上側のサブ水平部12cとからなり、そのサブ水平部12cの後端部付近に係止孔12dを設けている。
【0009】
そして、この鍵フレーム12は、その係止孔12dに各鍵11(白鍵と黒鍵があるが図では白鍵を示している)の後端部下面に設けた係合突部11aを嵌入させて、各鍵11を当接点aを支点として押離鍵方向に揺動可能に支持している。なお、押離鍵動作をしても鍵が係止孔12dから離脱しないように、破線で示した支点への圧接バネSPや、一点鎖線で示した弾性部材7付き鍵脱落防止部材8、あるいはその両方を設けるようにするとよい。
また、鍵11の前端部付近の内側には、内側に突出して鍵幅方向にハンマ回転軸11bを設け、そのハンマ回転軸11bに、く字形アーム状の質量体であるハンマ13の前端部13aを回転自在に枢着している。
【0010】
そのハンマ13の後端部13bは鍵11の揺動支点付近まで延び、その内部に質量の大きい鉄,鉛等からなる錘り13cを埋設している。
また、このハンマ13の折曲部付近の下側にアクチュエータ部13dを突設している。このハンマ13は、鍵11にアコースティックピアノの鍵に似た重みのあるタッチ感を与えるためと、上昇方向の復帰力を与える役目をなす。
【0011】
鍵フレーム12のサブ水平部12cの前端部には、キーガイド16を立設しており、このキーガイド16を鍵11の両側壁11c間に挿入して、鍵1の押離鍵方向をガイドしている。
一方、鍵フレーム12のメイン水平部12aの前端部には、鍵並び方向に延びる梁支持部材19とその後方にプリント基板17が配設され、そのプリント基板17上に各鍵毎のセンサとしてフォトリフレクタ18を配設している。
【0012】
このフォトリフレクタ18は、合成ゴム等によって成形されたドーム状弾性体18aの基部をプリント基板17上に固定し、上部に円柱状の押圧部18bを突設して、その内面に平面状の反射面18cを形成している。そして、その反射面18cに対向するプリント基板17上に、発光素子Pと受光素子Qを所定の間隔で配設した反射型フォトセンサ18dを設けている。
【0013】
そして、各鍵11のハンマ13ごとに、板バネからなる梁20の一端を梁支持部材19上に固定し、他端を自由端として鍵長手方向の後方へ延設している。その梁20の長手方向の中間部の下面をフォトリフレクタ18の押圧部18bの上面に当接させ、それより自由端寄りの上面に、フエルトあるいは樹脂等の緩衝材兼滑り部材を貼着した支持部21を設け、その上面にハンマ13のアクチュエータ部13dを当接させ、その当接点dをハンマ13の揺動支点とするように、これらの支持部21,梁20,梁支持部材19,及びフォトリフレクタ18によって、鍵フレーム12上に各鍵のハンマ13をそれぞれ揺動可能に支持している。
【0014】
そして、梁20とフォトリフレクタ18によって、支持部21に発生する力を検出する力検出手段を構成し、各梁20の歪み又は変位を各フォトリフレクタ18によって検出することによって、支持部21に発生する力を各鍵ごとに独立して検出する。なお、梁20はその長手方向の両端を、一対の梁支持部材19を介して鍵フレーム12に固定するようにしてもよい。両端支持の場合は、支持部21を両端の支持点の中央に位置するようにすると変位対力の変換効率をよくすることができる。
【0015】
鍵フレーム12のメイン水平部12aの後端部寄りの上面には、ハンマ13の後端部13bの下降位置を規制するハンマ下限ストッパ15を、サブ水平部12cの係止孔12dの手前側の下面に、ハンマ13の後端部13bの上昇位置を規制するハンマ上限トッパ14を、それぞれ鍵並び方向に沿って延びるフエルトあるいは軟質樹脂等の緩衝材により、各鍵のハンマ13に共通に配設している。
【0016】
次に、この鍵盤装置の作用を説明する。
鍵11の前端部が演奏者の指25によってF1の力で押下されると、鍵11がa点を中心に矢視G方向に揺動し、ハンマ回転軸11bが下降するので、ハンマ13が梁20上の支持部21との当接点dを支点として矢視H方向に揺動する。このとき、ハンマ13の揺動に応じて当接点dが若干後方へずれる。すなわち、支持部21は摺動支点となっており、ハンマ回転軸11bの中心から当接点dまでの水平距離をL3、錘り13cの重心から当接点dまでの水平距離をL4とすると、L3:L4=1:3 程度になるように設定されている。
【0017】
ハンマ13の後端部13bに埋設されている錘り13cの質量が20gであり、その他のプラスチック13製のアーム部分の質量を無視すると、ハンマ回転軸11b上(押鍵力F1の作用位置)を静的に押下するのに必要な力は60gfとなる。そして、ハンマ回転軸11b上における等価質量は180gとなり、極めてピアノに類似したタッチ感触を実現できる。
【0018】
図2,図3はこの鍵盤装置における押鍵過程を示す図であり、図2は押鍵初期の状態を、図3は押鍵後の状態をそれぞれ示している。なお、圧接バネSPや鍵脱落防止部材8は図示を省略している。
ここで、錘り13cに対して加速を生じさせるような力F3を発生させるためにF1なる押鍵力が必要であり、その結果、押鍵過程において支持部21に対する力F2が観測される。
【0019】
演奏者がF1(gf)の力で押鍵したとき、支持部21に発生する下向きの力F2(gf)は、次式によって求められる。
F2=(L1/L2)×F1
ここで、L1は鍵11の揺動支点であるa点から指25による押圧点までの距離、L2は同じくa点からハンマ13の当接点dまでの距離である。
【0020】
この例においては、L1/L2=1.2であり、F2=1.2×F1となる。支持部21は板バネの梁20上に設置されており、板バネは力F2の大きさに比例して図1に仮想線で示すように変形する。この変形をフォトリフレクタ18で検出することにより、支持部21に発生する力F2の大きさを検出することができる。これから逆に押鍵力F1を、F1=F2/1.2によって求めることができる。
【0021】
すなわち、押鍵によりハンマ13のアクチュエータ部13dを支持する支持部21に発生する力F2によって、板バネによる梁20が仮想線で示すように弾性変形し、フォトリフレクタ18の押圧部18bを押圧するので、その反射面18cの位置が変化して、反射型フォトセンサ18dの受光素子Qによる受光量が変化し、その出力信号が変わることによって、力F2を検出することができる。
この力F2から逆に押鍵力F1を、F1=F2/1.2の演算によって求めることもできる。また、F3は、F3=(1/3)F1 と表わせる。したがつて、F3=(1/3)(F2/1.2) である。
【0022】
ここで、実際のピアノに類似した発音感覚(発音タイミングおよび音量感)を得るために、仮想的なハンマを考える。仮想的なハンマの質量をM(g)とすると、仮想的なハンマの加速度はF3/M(cm/s・s)となる。この仮想的なハンマの加速度を積分することによって仮想的なハンマの速度(Vとする)が判り、仮想的なハンマの速度Vをさらに積分することによって仮想的なハンマの変位(Dとする)がわかる。この仮想的なハンマが仮想的な弦に到達した時点で発音タイミングを指示する。また、その仮想的な弦に到達した時点における仮想的なハンマの速度でベロシティを決定する。
【0023】
以下具体的に説明する。フォトリフレクタ18の出力をA/D変換した後、演算処理を行ない、力F2を検知することができる。検知した力F2に対してfHzのサンプリングを行なう。
T=1/f毎にフォトリフレクタ18の出力を一時レジスタに取り込んで演算を行なう。このタイミングは100μSec〜2mSec毎程度でよく、無駄なく適当な精度で行なわれるためには、実験によると250μSec即ちf=4KHz前後がよい。これを事象的に説明すると、押鍵力F1が60gfを越えた時点、すにわちF3が20gfを越えた時点から、鍵11の移動すなわちハンマ13の回動が開始する。したがって、
F2=1.2×F1=72gf
を検知した時点からハンマ13の回動が開始する。
【0024】
仮想的なハンマの移動開始後得られる力をF4とすると、F4=F3−20(gf)がハンマの回動に寄与するから、このF4のサンプリング値を順次積算していくことによって、仮想的なハンマの、力F4のサンプリング時点における速度が得られる。また力F4のサンプリング値を得た各時点で得られるハンマの各速度を順次積算していくことによって仮想的なハンマの、力F4のサンプリング時点における変位が得られる。
【0025】
時刻Tにおける仮想的なハンマの速度V(cm/s)は次のようになる。
V=(ハンマの移動開始後、時刻Tまでに得られるF4のサンプリング値の総和)/f
時刻Tにおける仮想的なハンマの変位D(cm)は次のようになる。
D=(ハンマの移動開始後F4のサンプリングごとに得られるVの値の総和)/f
【0026】
Dの値がピアノにおけるハンマと弦間の距離に達した時点でキーオン情報を、その時点のVの値に応じてベロシティを決定して楽音を制御する。離鍵過程に関しても同様にして、キーオフタイミングを決めてやることができる。
この仮想的なハンマと弦間の距離を3cm(=30mm)とした場合の上記の例による処理のフローチャートを図4に示す。この処理は、この鍵盤装置に備える図示しないマイクロコンピュータを用いた信号処理部によって実行される。
【0027】
そのマイクロコンピュータでは、音色合成,音色設定等多数の仕事がメインルーチンにおいてなされるが、これらの多数の仕事は、並行して行なわれている。そして、その中の一つの仕事に着目して、その処理を表わすと図4のような書き方になる。図4のフローチャートで見る限り、他の多数の仕事が全て省略された書き方になっている。
すなわち、メインルーチンの図示しないステップでセンシング処理の開始指令(通常は電子楽器の電源投入後、イニシャライズ処理が終了した後)があると、図4の処理をスタートし、ステップS1に移る。
【0028】
そのステップS1では、加速度=力/質量 の式にあてはめるため、支持部21に発生する力F2(gf)を検出して、F3=(1/3)(F2/1.2)の式によってF3を求める。
ついで、ステップS2で、そのF3からハンマ13が移動を開始するために要する力20(gf)を減じた力を錘りの質量20(g)で除して得られる加速度を、1回積分して仮想的ハンマの速度情報を求めて、それをレジスタVにセトットする。さらに、その速度情報をもう1回積分して仮想的ハンマの変位情報をもとめ、それをレジスタDにセットする。
【0029】
そして、ステップS3で、そのレジスタDの変位情報が「0」以下か否かを判断し、ドリフトなどによって変位情報が「0」以下の場合には、ステップS4へ進んで、レジスタDおよびレジスタVをリセットし、経過時間tのカウント値もリセットする。
【0030】
レジスタDの変位情報が「0」以下でないときは、ステップS5に進んで、レジスタDの変位情報が「3」以上か否かを判断する。これは、変位情報が仮想的なハンマと弦間の距離(3cm)になったとき、すなわちハンマ停止位置から3cm動いたときにそれを判断するためであり、このステップS5の判断で「No」の間はステップS1へ戻って、上述の処理を繰り返す。
ステップS5の判断で「Yes」になると、その時のレジスタVの速度情報に応じたベロシティで発音指示(楽音発生タイミングを決定)し、その時およびその後の速度情報に基づいて楽音情報の少なくとも一つを制御する。
【0031】
この実施形態の効果を、従来の押鍵により鍵のアクチュエータ部に押圧されて時間差を持ってオンする2つのスイッチを設けた2メーク方式と比較すると、次のような利点がある。
・ピアニシモを表現しやすく、ピアノライクである。すなわち、接点方式ではないため、必ずしも所定の変位まで押し込まれなくても発音できるからである。
・連打性がよく、ピアノライクである。接点方式ではないため、必ずしも所定の変位まで鍵が戻らなくても再発音させることができる。
・キーオン・キーオフのタイミングに対して仮想ハンマを使っているため、レガーテイブな表現がやりやすく、ピアノライクである。
【0032】
このようにして、演奏者の鍵操作による押鍵過程および離鍵過程の押鍵力を検出することによって、きわめてピアノに近い発音感覚を実現することができる。押鍵後の押鍵力検出に関しては、図3に示すように押鍵後さらに押鍵力F1を加えると、ハンマ13はハンマ上限ストッパ14によって回動が規制されており、その結果支持部21に力F2が発生する。この力F2をフォトリフレクタ18によって検出して、アフタタッチデータとして使うことができる。
この実施形態によれば、各鍵ごとにその発音タイミングおよび発生楽音のパラメータを制御することができる。
【0033】
次に、この発明の第2の実施形態を図5および図6によって説明する。
図5は、その鍵盤装置の白鍵部の長手方向に沿う断面図であり、図1と対応する部分には同一の符号を付している。図6は、その梁24及び梁支持部材23と共通の取付部22の平面図である。
【0034】
この鍵盤装置も、図1に示した第1の実施形態の鍵盤装置とほぼ同様に構成されているが、各鍵11に連動して回動する質量体であるハンマ13の支持部21は、複数の鍵11の各ハンマ13に対して共通の取付部22上に設けられている。その共通の取付部22は、一端が梁支持部材23によって鍵フレーム12に固定された複数の板バネによる梁24の自由端部上に図6に示すように鍵配列方向に延びて配設されて支持されている。
【0035】
その各梁24の自由端部付近の下面と鍵フレーム12のメイン水平部12aとの間に、フォトリフレクタ18を設けており、これらによって力検出手段を構成している。この力検出手段は、押鍵時における複数(図示の例では一対)の梁24の歪み又は変位を、各フォトリフレクタ18によつてそれぞれ検出し、その各検出結果の和を求めることによって、支持部21に発生する力を複数鍵に亘って検出する。
【0036】
この鍵盤装置によっても、前述の第1の実施形態の電子楽器の鍵盤装置と同様な作用・効果を得ることができ、かつ構成を簡素化して安価に提供することができる。
なお、図6に仮想線で示すように、梁24を取付部22を図で右側にも延設し、その先端部をもう1本の梁支持部材23を介して鍵フレーム12に固定し、梁24の両端を固定するようにしてもよい。
【0037】
なお、いずれの実施形態においても、支持部21に発生する力F2を検出するためのセンサとしてフォトリフレクタを使用した例を示したが、これに限らず、梁20又は24の歪みあるいは変位を検出できるセンサであれば、種々のセンサを使用することができる。例えば、歪みゲージ,ロードセル,磁気センサ,静電容量センサ等を使用できる。
【0038】
【発明の効果】
以上説明してきたように、この発明による電子楽器の鍵盤装置は、演奏者による鍵操作中の押鍵過程,押鍵後,および離鍵過程での押鍵力を直接的に検出可能であり、それを質量で除した加速度を1回積分することによって仮想的なハンマの速度情報を、2回積分することによって仮想的なハンマの変位情報をそれぞれ得ることができるので、微分により電気的および機械的ノイズを強調して検知してしまうという問題も発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施形態を示す鍵盤装置の白鍵部の長手方向に沿う断面図である。
【図2】図1に示した鍵盤装置の押鍵初期の状態を示す説明図である。
【図3】図1に示した鍵盤装置の押鍵後の状態を示す説明図である。
【図4】図1に示した鍵盤装置による具体的に動作例を示すフロー図である。
【図5】この発明の第2の実施形態を示す鍵盤装置の白鍵部の長手方向に沿う断面図である。
【図6】図5に示した鍵盤装置における梁及び梁支持部材と共通の取付部の平面図である。
【符号の説明】
11…鍵、11a…係合突部、11b…ハンマ回転軸、11c…側壁、12…鍵フレーム(支持部材)、12d…係止孔、13…ハンマ(質量体)、16…キーガイド、17…プリント基板、18…フォトリフレクタ、18a…ドーム状弾性体、18b…押圧部、18c…反射面、18d…反射型フォトセンサ、19,23…梁支持部材、20,24…梁(板バネ)、21…支持部、22…共通の取付部
Claims (3)
- 複数の鍵と、その各鍵を揺動可能に支持する支持部材と、前記各鍵の揺動に伴ってそれぞれ回動する質量体と、その各質量体を回動可能に支持する支持部とを備えた電子楽器の鍵盤装置において、
前記支持部に発生する力を検出する力検出手段を設けたことを特徴とする電子楽器の鍵盤装置。 - 複数の鍵と、その各鍵を揺動可能に支持する支持部材と、前記各鍵の揺動に伴ってそれぞれ回動する質量体と、その各質量体を回動可能に支持する支持部とを備えた電子楽器の鍵盤装置において、
前記各鍵の各質量体に対して独立して、それぞれ一端又は両端が固定された梁を設け、その各梁上に前記支持部を設けると共に、
前記各梁の歪み又は変位を検出することによって、前記支持部に発生する力を各鍵毎に独立して検出する力検出手段を設けたことを特徴とする電子楽器の鍵盤装置。 - 複数の鍵と、その各鍵を揺動可能に支持する支持部材と、前記各鍵の揺動に伴ってそれぞれ回動する質量体と、その各質量体を回動可能に支持する支持部とを備えた電子楽器の鍵盤装置において、
一端又は両端が固定された複数の梁を設け、前記複数の鍵の各質量体に対して共通の取付部を前記複数の梁で支持し、その共通の取付部上に前記支持部を設けると共に、
前記複数の梁の歪み又は変位をそれぞれ検出し、その各検出結果の和を求めることによって前記支持部に発生する力を複数鍵に亘って検出する力検出手段を設けたことを特徴とする電子楽器の鍵盤装置。
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