JP3661260B2 - 電子楽器の鍵盤装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【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)

1. 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。
2. 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。
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、
   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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