JP4218520B2 - 演奏操作子用のアクチュエータユニット及び前記アクチュエータユニットを備えた鍵盤楽器及び前記アクチュエータユニットのアセンブリ - Google Patents

Description

この発明は、例えばピアノの鍵等のような演奏操作子に好適なアクチュエータユニットに関する。

ピアノ等の鍵盤楽器の鍵を自動的に操作して無人演奏を行う、いわゆる自動演奏ピアノは、各鍵に夫々対応して設けられた複数の鍵駆動装置を演奏すべき自動演奏情報に基づき選択的に駆動することで実現される。下記特許文献１には、従来から知られる自動演奏ピアノ用の鍵駆動装置（アクチュエータ）の一例が示されている。これは、各鍵の奥側下方に電磁ソレノイドからなるアクチュエータを配置し、ソレノイドの可動子が対応する鍵を突き上げることで、無人押鍵操作を実現している。

近年では、この種のアクチュエータ（電磁ソレノイド）により、自動演奏情報に基づき鍵を駆動することのみならず、アクチュエータを駆動する力Ｆを適宜可変制御することで、演奏者の鍵操作に対して所望のタッチ感を与えること（力覚制御）なども行われている。この力覚制御は、例えば、適宜の位置センサによって、ソレノイドの可動子や、鍵自体等の変位を位置情報について検出し、その検出信号（位置情報）に基づき、アクチュエータの駆動を制御することで、鍵に任意の力覚反力を付与することで実現される。アクチュエータを駆動する前記力Ｆは、下記運動方程式によって与えられることが知られている。
Ｆ＝ＭＸ”＋ΡＸ’＋ＫＸ・・・（式１）
上記（式１）において、Ｘは位置情報、Ｘ’は速度情報、Ｘ”は加速度情報、Ｍは質量、Ρは粘性係数、Ｋはバネ係数である。

また、この種のアクチュエータ（電磁ソレノイド）によって力覚制御を行う場合、あるいは、単純にソレノイドをフィードバック制御する際に用いるプランジャセンサの構成例としては、プランジャの底面側に光センサを設け、底面からの反射光からプランジャの動作状態を検出するよう構成したものがあった（例えば特許文献２参照）。
特開平５‐２８１９５号公報 特開２００１‐３４２６１号公報

上記特許文献１又は２に代表される従来の自動ピアノ用のアクチュエータにおいては、一般に、位置、速度及び加速度の各物理量情報について個別に検出することは行われず、例えば位置センサによって位置情報のみを検出し、検出した位置情報を微分することで速度情報及び加速度情報を求めていた。当該アクチュエータによって力覚制御を行う場合には、センサにより実測した位置情報と、それを微分して求めた速度情報及び加速度情報から、前記（式１）の各パラメータの組たるＭＸ”、ΡＸ’、ＫＸを得ることで、作用させるべき力Ｆを制御するための検出信号（制御信号）を発生していた。
しかし、位置情報を微分して速度情報や、加速度情報を算出すると、その算出値にエラー成分が含まれやすいという不都合があった。また、位置情報を微分演算して加速度情報を算出すると、微分して得た値に含まれるノイズ成分をカットするためのフィルタ処理を行う必要があったので、そのための時間的遅延が生じるという不都合があった。このように検出信号のエラーや遅延によって、信号の品質が損なわれることは、アクチュエータの駆動制御、特にタッチ付加制御においては、制御の精度を低下させる要因となり好ましくない。

上記特許文献１又は２に代表される従来の自動ピアノ用のアクチュエータにおいて、異なる種類の物理量（例えば位置と速度）を夫々検出するセンサを個別に設ければ、各物理量の検出信号の質を高めることが可能であるが、従来から知られるセンサ構成では、複数のセンサを具備するとアクチュエータユニットが複雑化・大型化してしまうという不都合があった。例えば、アクチュエータのフィードバックセンサの一例として示した特許文献２に記載の構成によれば、ソレノイド‐センサ間の距離の変化に応じた反射光量の変化によってプランジャ位置を検出する構成であったので、この構成では、アクチュエータユニット全体の高さとして、少なくともプランジャストローク量に応じた高さに加えて、センサ自体の高さが必要となる。また、該特許文献２において、従来技術として記載されたようなグレイスケールをフォトインタラプタで検出する構成では、プランジャ側面からグレイスケールが突き出し、更にその突出したグレイスケールを挟むようにしてフォトインタラプタが構成されていたので、やはりセンサのコンパクト化が難しかった。

この発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、シンプル且つコンパクトな構成で、高品質な位置情報を得ることができるアクチュエータユニットを提供することを第１の目的とし、また、この発明は、前記第１の目的に加えて、プランジャの多次元の高品質な物理情報（位置、速度及び加速度）を利用してフィードバック制御を行うことが可能なアクチュエータユニットを提供することをその第２の目的とするものである。

この発明に係る演奏操作子用のアクチュエータユニットは、上下動可能に配置された可動子の上端部によって演奏操作子を機械的に駆動する演奏操作子駆動手段と、前記可動子の下部に設けられて該可動子と共に上下に直線変位し、該可動子の移動方向に並行して濃度が変化する反射型の濃淡パターンと、前記可動子の下部に設けられ、該可動子と共に上下に直線変位する永久磁石と、前記可動子の下部に設けられた前記濃淡パターンと前記磁石を側方から覆うように、前記演奏操作子駆動手段の下側に設けられたケーシング部材と、前記ケーシング部材において前記濃淡パターンに対して移動方向の側方から対向するように配置され、前記濃淡パターンの濃淡変化に応じた光の反射量の変化によって前記可動子の移動を検出する光反射型センサと、上下に直線変位する前記永久磁石の進入を許すように前記ケーシング部材に配置され、該永久磁石の移動速度に応答する出力を生じる検出コイルとを備えることを特徴とする。

この発明に係るアクチュエータユニットによれば、演奏操作子を駆動する上端部とは反対側の可動子の下部に位置検出用の反射型の濃淡パターンと速度検出用の永久磁石とをまとめて配置し、こうして該可動子の下部にまとめて設けられた濃淡パターンと磁石とを側方から覆うように該演奏操作子駆動手段の下側にケーシング部材を設け、前記ケーシング部材において前記濃淡パターンに対して移動方向の側方から対向するように光反射型センサを配置し、かつ、上下に直線変位する前記永久磁石の進入を許すように検出コイルを前記ケーシング部材に配置した構成からなっているので、反射型の濃淡パターンと光反射型センサとからなる位置検出用手段の構成にあっては、その高さ方向のサイズが濃淡パターンの上下移動範囲分のサイズに限定され、また、永久磁石と検出コイルとからなる速度検出用手段の構成にあっては、その高さ方向のサイズが検出コイルのサイズに永久磁石の上下移動範囲分のサイズを加味した程度のサイズに限定されることとなり、位置検出用手段と速度検出用手段とを併せて具備する構成でありながら、全体として高さ方向（可動子の上下移動方向）のサイズを抑制してコンパクトに構成できる。また、可動子の下部において移動方向の側面に沿って位置検出用手段と速度検出用手段とを配置する構造となっているので、位置検出用手段と速度検出用手段とを近接して一体的に構成することができ、これにより、製品毎のバラツキの少ない位置及び速度検出が行えることとなり、精度のよい検出が可能なアクチュエータユニットを提供することができる。また、近接して配置した位置検出用手段と速度検出用手段とは、光と磁気という異なる検出原理に基づくものを採用しているので、これらを近接配置したとしても相互干渉ノイズ等を起こすことなく同時検出を行うことができる。

また、この発明に従えば、１つの可動子について位置及び速度の２つの情報を、同時、同所で検出することができるので、精度の高い位置情報及び速度情報を、時間的遅延を可及的少なくして得ることができるようになる。また、この２つの情報（位置情報及び速度情報）に基づき加速度情報を算出することで、該加速度情報に含まれるエラー並びに時間的遅延を減少させることもでき、よって、この発明に従えば、コンパクト化したアクチュエータユニットによって、より高品質な位置情報、速度情報及び加速度情報を得ることもできるという優れた効果を奏する。

以下添付図面を参照して、この発明に係るアクチュエータユニットの実施例について説明する。

先ず第１実施例として、光反射型センサと、それとは別体の速度検出手段とがユニット化されたものを有するアクチュエータユニットの構成について説明する。
図１は、この実施例に係るアクチュエータユニットの構成例を説明するための図であって、（ａ）はアクチュエータユニットを側面から見た一部断面図、（ｂ）は（ａ）の矢印Ａから見た平面図である。図１は、ヨーク１において、複数のアクチュエータユニット２ａ，２ｂ…が保持されたアクチュエータアセンブリを示す。各アクチュエータユニット２ａ、２ｂ…は、例えば、図示しないピアノ等の鍵盤楽器の各鍵に夫々対応して具備され、演奏者の鍵操作に対して任意のタッチ感（反力）を与えることに利用される。図１において、１つのアクチュエータユニット２ａが、その縦軸方向についての断面図によって、その構造を詳細に示されている。各アクチュエータユニット２ａ、２ｂ…は、同様に構成されるもので、以下の説明においては、アクチュエータ２ａの構成要素についてのみ符号をとり、他を代表するものとする。

アクチュエータユニット２ａは、大別して、電磁ソレノイドからなるアクチュエータ部１０と、アクチュエータ部１０の可動子の動作位置を検出するための位置センサ部２０と、アクチュエータ部１０の可動子の動作速度を検出するための速度センサ部３０とから構成される。アクチュエータ部１０は、その周囲をヨーク１に覆われており、各アクチュエータユニット２ａ，２ｂ…の各アクチュエータ部が、当該ヨーク１内に配設されることで、複数のアクチュエータユニット２ａ，２ｂ…はヨーク１に共通に保持されることとなる。アクチュエータユニット２ａ（２ｂ…）は、ヨーク１の底面においてネジ止め固定されたケーシング部材３を有する。位置センサ部２０と速度センサ部３０は、このケーシング部材３を介して、アクチュエータ部１に対してユニット化される。

アクチュエータ部１０は、ヨーク１内に配置された電磁ソレノイドコイル１１と、該コイル１１軸心内に、双方向的直線移動可能に挿入された棒状のプランジャ（可動子）１２を有する。コイル１１は、軸心が上下方向を指向する向きで配設され、その上下端がヨーク１の上面及び底面に設けられた貫通孔に連なることで、該貫通孔におけるプランジャ１２の貫通を許す。プランジャ１２の上端からは、シャフト１３が該プランジャ１２と同軸に延び、このシャフト１３の先端に、対応する鍵（図示しない）に接触すべきシャフトヘッド１４が具わる。

プランジャ１２の下端部には、位置センサ部２０の一構成要素たる被検出部材２１が、該プランジャ１２と同軸に連結される。図１に示すように、被検出部材２１は、端面直径が該プランジャ１２の端面と略々同径を有するベース部２１ａを含む。ベース部２１ａは、その上面略中心部から突出した突起２１ｂを有し、この突起２１ｂがプランジャ１２下面の略中心に嵌入されることで、被検出部材２１はプランジャ１２に対して取り付けられる。
被検出部材２１のベース部２１ａの下面部からは、速度センサ部３０の一構成要素たる棒状のマグネット３１が、プランジャ１２と同軸に延設される。ケーシング部材３底面には、該マグネット３１の貫通を許す孔部３１ａが設けられており、マグネット３１はそこを貫通している。
すなわち、位置センサ部２０の一構成要素たる被検出部材２１と、速度センサ部３０の一構成要素たるマグネット３１は、各々、プランジャ２１に対して同軸的に連結されることでユニット化され、且つ、プランジャ１２の直線移動と一体的に運動する。

また、プランジャ１２は、ケーシング部材３内に配設されたバネ１５によって、常時上向きに付勢されており、通常のアクチュエータ非駆動時（電磁コイル１１の通電オフ状態）においても、バネ１５の付勢力によって図１（ａ）に示すような上死点位置に保持されるようになっている。バネ１５は、プランジャ１２が自重によって下がらないように支えるためのもので、その付勢力は、プランジャ１２の重みを支えるのに必要な強さだけ有し、それ以上は余分な負荷が加わらない強さであることが好ましい。図示の例では、アクチュエータユニット２ａは、タッチ付加用のアクチュエータとして構成されているため、プランジャ１２をしたから支えるバネ１５が具備されている。このアクチュエータユニット２ａにおけるタッチ付加制御時の動作説明は後述する。なお、当該アクチュエータの用途によっては（例えば、鍵の駆動用のアクチュエータとして装置する場合等）、このバネ１５は不要である。

位置センサ部２０は、前記被検出部材２１と検出部２２（光反射型センサ）から構成される。ケーシング部材３の側面には開口部３ｂが設けられており、検出部２２は、この開口部３ｂに配置される。検出部２２はセンサ基板２３上に配置されたセンサチップ２４を含み、このセンサチップ２４は、例えば、発光素子と受光素子とを含む小型な反射型の光学センサで構成される。一方、前記センサチップ２４との対向面には、被検出部材２１のベース部２１ａの側面に沿って、該センサチップ２４と協働すべき反射板２５が具備される。反射板２５は、センサチップ２４の発光素子から発された光を反射することで、センサチップ２４の受光素子に、その反射光を受光せしめる。なお、反射板２５の上下方向についての長さは、プランジャ１２の往復ストローク全長に応じ適切に設定されるものとする。

この実施例では、反射板２５において、センサチップ２５と対面する板面上には、図２に示すような白色部分と黒色部分とからなる所定の濃淡パターン（グレイスケール）が形成されている。前記パターンは、プランジャ１２の移動方向に並行して、反射板２５の板面上に占める白色部分（又は黒色部分）の面積率が、漸増（若しくは漸減）変化するよう形成されたものである。このような白色部分（又は黒色部分）の面積がアナログ的に漸増（若しくは漸減）変化するパターンが形成された反射板２５によれば、反射板２５のセンサチップ２４に対する相対的な上下方向の位置変化に応じて、センサチップ２４に対向する前記パターンの白色部分（若しくは黒色部分）の面積率が漸増（若しくは漸減）変化し、それに応じて、当該反射板２５の反射特性が漸増（若しくは漸減）変化する。よって、反射板２５のセンサチップ２４に対する相対的位置の変位に応じて、センサチップ２４が感受する反射光量が漸増（若しくは漸減）変化する。従って、当該位置センサ部２０においては、センサチップ２４が感受する反射板２５からの反射光の光量に応じて、被検出部材２１（反射板２５）の相対的な動作位置に対応する検出値を得ることができる。被検出部材２１は、プランジャ１２の往復動に一体的に連動して、センサチップ２４に対して相対的に上下往復動するものであるから、当該位置センサ部２０によって、アクチュエータ部１０のプランジャ１２の動作位置を検出することが可能である。

当該位置センサ部２０によるプランジャ１２の動作位置の検出特性は、反射板２５上の前記濃淡パターンに応じて、所望の光反射特性（センサ出力特性）を任意に且つ確実に得ることができ、また、プランジャ１２の位置を略直接に検出するので、プランジャ駆動経路途中の機械的撓み等を含まない正確な位置情報を得ることができる。また、上記に一例として示した反射板２５のパターンによれば、白色部分（若しくは黒色部分）の濃度が、被検出部材２１の移動方向に沿ってアナログ的にリニアに漸増（若しくは漸減）するよう形成されているので、位置センサ部２０の出力値はリニアな特性を発揮する、並びに、出力値にリップル（出力電圧のブレ）が出難くい、という利点がある。なお、ここで「リニアな特性」とは、被検出部材２１の変位に応じた反射光量（入力値）と検出値（出力値）が比例することである。このような位置センサ部２０の構成は、小型、簡素且つ低コストで大量生産可能なものでありながらも、高品質な位置情報を出力できるので、この発明に係るアクチュエータユニットに好適である。
なお、反射板２５のパターン構成は上記に限らず、誤差拡散法によって白黒の濃淡比率を配分し、所望の反射特性が得られるようにしたもの等、その他適宜の濃淡パターンによって構成することも可能である。また、反射板２５上に濃淡パターンを形成する構成に限らず、濃淡パターンを移動部材（被検出部材２１）の側面に直接形成してもよい。なお、この発明の第２の観点に従い、位置センサと速度センサとをユニット化することについては、位置センサ部２０として、上記のような光反射型センサ以外の従来から知られるその他適宜の構成の位置センサもまた適用しうる。

なお、ケーシング部材３の底面には、プランジャ１２が下死点位置に位置したときに、反射板２５の下端がケーシング部材３の外部へ抜けるための開口部３ｃが設けられている。

速度センサ部３０は、この例では一例として、ムービングマグネット型の速度センサによって構成されており、これはマグネット３１とコイル３２を有する。マグネット３１は、全体として長細い円柱形状を有し、その上端部において、前述の通り被検出部材２１を介してプランジャ１２に同軸に連結される。マグネット３１は、上下方向（プランジャ１２の移動方向）に沿って延びるよう配設されており、その下端部側が、コイル３２の軸心内に挿入されている。コイル３２は、その軸心がプランジャ１２の直線移動方向に沿う向きで、下部ケーシング部材３の下面に設置されており、その上端開口部（軸心の開口部）が前記孔部３１ａに連なり、マグネット３１の侵入を許している。マグネット３１は、プランジャ１２が直線変位すると、その変位と一体的に、コイル３２に対して相対的に侵入／後退動作する。
この速度センサ部３０によれば、プランジャ１２が上下方向に沿って変位（アクチュエータ駆動時は上向きに変位）すると、これと一体的にマグネット３１がコイル３２に対して相対的に上下方向に沿って変位（アクチュエータ駆動時は上向き変位）する。すなわち、マグネット３１のコイル３２に対する侵入量が変化する。このとき、コイル３２ではマグネット３１の動作（侵入量変化）によって誘起電圧が生じる。速度センサ部３０は、この電圧の変化に基づきマグネット３１の、すなわちプランジャ１２の動作速度を検出することができる。

なお、速度センサ部３０としては、上記ムービングマグネット型に限らず、その他適宜の速度センサによって構成しても差し支えない。

図１（ｂ）は、ヨーク１を下面側から見た平面図である。図示の通り、アクチュエータユニット２ａ，２ｂ…は、図示のように互いに隣接するもの同士の相対的位置を２列分散的（千鳥状）に違えて配列されている。アクチュエータユニット２ａ，２ｂ…の各構成要素が、小型且つシンプルな構成で実現できるので、上記配置例が可能となる。千鳥状配列により、互いに隣接する各アクチュエータユニット２ａ，２ｂ…の相互間隔を十分に的広くとることができるので、各ユニット２ａ，２ｂ…のソレノイドコイルが共通ヨーク１に覆われていても、磁気干渉による動作不整は防止される。

ここで、上記アクチュエータユニット２ａの駆動動作例について、簡単に説明する。なお、この実施例に示すアクチュエータユニット２ａは、対応する鍵に対するタッチ付加を行うために利用され、プランジャ１２の先端部に設けられたシャフトヘッド１４が、対応する鍵の下面側の略中央付近に当接するよう配置されるものとする。前述の通り、アクチュエータユニット２ａは、通常時（非駆動時）から図１（ａ）に示すようなプランジャ１２がコイル１１内に進入した状態にある。このとき、シャフトヘッド１４の先端は対応する鍵（レスト位置にある）に当接しており、演奏者が当該鍵を押鍵操作すると、これに連動して、プランジャ１２は下方へ変位しうる。アクチュエータ部１０に対して、図示しないドライバから駆動信号（電流）が供給され、コイル１１が通電されると、コイル１１にはプランジャ１２を吸引する力が生じるので、当該プランジャ１２には該コイル１１内に引き留まろうとする力が作用する。これにより、当該鍵の押鍵に対して反力を与え、操作者に対して鍵操作のタッチ感を与える。従って、アクチュエータ部１０に供給される駆動信号を可変することで、プランジャ１２を吸引する力を適切に制御し、押鍵操作に対して任意のタッチを付加できることになる。

前述したようなアクチュエータによるタッチ付加制御を的確且つ高精度で実現するには、プランジャ１２の動きをセンシングして得るところのフィードバック信号（検出信号）の質が極めて重要な要素となる。この実施例に係るアクチュエータユニット２ａでは、個別に設けた位置センサ部２０と速度センサ部３０によって、プランジャ１２の位置情報及び速度情報を夫々直接に実測できるので、この２つの実測値をフィードバック信号として利用することで、より精度の高いフィードバック制御を実現することができ、タッチ付加制御の性能を向上させることができる。一例として、タッチ付加制御に利用する任意の力Ｆを付与する場合を考えるに、既述の通り、前記力Ｆは、下記運動方程式（１）によって与えられる。
Ｆ＝ＭＸ”＋ΡＸ’＋ＫＸ・・・（式１）
（式１）において、Ｘは位置情報、Ｘ’は速度情報、Ｘ”は加速度情報、Ｍは質量、Ρは粘性係数、Ｋはバネ係数である。この発明によれば、位置センサ部２０においてプランジャ１２の位置情報Ｘを、また、前記位置センサ部２０とは別体で設けられた速度センサ部３０においてプランジャ１２の速度情報Ｘ’を夫々実測するので、上記運動方程式（１）のうち、バネ係数ＫＸ及び粘性係数Ρの両項を、位置センサ部２０及び速度センサ部３０の実測値に基づき夫々定義できる。さらに速度センサ部３０にて実測した速度情報に基づき加速度情報を算出すれば、そこに含まれる信号エラーや時間的遅延を可及的抑制でき、比較的精度の高い加速度情報Ｘ”に基づき質量係数Ｍの項を定義できる。このように、この実施例に従えば、プランジャ１２の動きを示す物理量として、位置、速度及び加速度の夫々について高品質な信号を得ることができる。よって、より高性能なタッチ付加制御を実現することが可能になる。

上記の例ではアクチュエータ部１０のプランジャが直線移動するタイプについて説明した。図３（ａ）は、この発明に係るセンサ一体型のアクチュエータユニットの別の構成例であって、回転駆動するアクチュエータに位置センサ及び速度センサを一体的に設けた例について説明するための断面図である。
回転モータ（アクチュエータ）１００は、回転軸１０１を介して連結された回転基部１０２に対して、所定角度範囲内における双方向的な回転運動（揺動運動）を与える。回転基部１０２は、外周面において上述した図２に示すものと同様な濃淡パターンＰが形成される。当該濃淡パターンＰは、前記回転基部１０２が回転される所定角度範囲をカバーしうる範囲にわたって設けられている。この回転基部１０２の外周面に対向して、センサ基板１０３ａ及びセンサチップ１０３ｂからなる位置センサ部１０３が具備される。回転基部１０２の外周面において、センサチップ１０３ｂに対向する面は、基部１０２の回転角度に応じて変位する。よって位置センサ部１０３は、回転基部１０２の回転位置に応じた位置情報を出力できる。
このように、可動子（回転基盤１０２）の側面に沿って一体的に若しくは前記可動子上に直接に形成され、該可動子の移動方向に並行して濃度が変化する濃淡パターンと、該濃淡パターンに対向して配置され、前記濃淡パターンの濃淡変化に応じた光の反射量の変化によって前記可動子の移動を検出する構成の光反射型センサは、回転位置センサにも適用できる。

また、速度センサとしてムービングマグネットタイプの速度センサ部１０７が具備される。速度センサ部１０７は、マグネット１０５とフラットコイル１０６からなる。回転基部１０２の壁面にはヨーク１０４ａに保持されたマグネット１０５が設置されている。図３（ｂ）は、（ａ）を矢印Ｂから見た側面概略図であって、図示及び説明の便宜上マグネット１０５を想像線で示し、ヨーク１０４ｂの図示を省略している。図３（ｂ）に示すように、マグネット１０５は、回転軸１０１を中心として略４５度の角度範囲を覆うよう形成された２つのコイル１０５を、該回転軸１０１を通る軸線ａｘｅについて対称に配置したものである。なお、両矢印Ｒは、回転基部１０２の回転（揺動）方向を示す。また、前記ヨーク１０４ａと平行に対面するよう設けられたヨーク１０４ｂは、図示しない何らかの部材に固定的に支持されるもので、当該ヨーク１０４ｂにおいて、フラットコイル１０６が配置される。フラットコイル１０６は、回転モータ１００の非駆動位置（図３に示す位置）において、マグネット１０５に夫々対面するよう位置される。回転基部１０２が回転軸１０１を中心に回転することで、ヨーク１０４ａに保持されたマグネット１０５は、対向するフラットコイル１０６に対して相対的に移動する。これに応じて、マグネット１０５のフラットコイル１０６に対する近接量が変化する。よって、速度センサ部１０７においては、マグネット１０５のフラットコイル１０６に対する近接量に応じて、フラットコイル１０６での誘起電圧が変化するので、回転基部１０２の回転速度に応じた速度情報を出力しうる。
このように、この発明に係る光反射型センサを回転位置センサに適用することで、回転型アクチュエータにおいても、アクチュエータと位置センサ及び速度センサをユニット化する構成をシンプル且つコンパクトに実現できる。

図３（ａ），（ｂ）に例示したタイプの回転型アクチュエータユニットは、例えばジョイスティックタイプ等の多軸操作型の操作子（多次元入力制御装置）に適用することができ、特に、本発明の出願人に係る先願特許出願・特願２００３‐０９９６１３の明細書及び図面に記載されている構成の三次元入力装置に好適である。前記先願特許出願に係る三次元入力装置は、全体として長手棒状の操作子が、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸に沿って夫々変位可能に配設され、前記各軸について操作子の動きを回転変位として検出するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸センサと、該操作子に対して該各軸毎に力覚反力を付与するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸アクチュエータ（回転モータ）を備えている。図３（ａ），（ｂ）に例示したタイプの回転型アクチュエータユニットは、前記三次元入力装置における各軸のセンサ／アクチュエータとして使用することができる。具体的には、位置センサ部１０３及び速度センサ部１０７は、操作者の操作子操作に応じた動きを回転基板１０２の回転運動として検出する。また、回転モータ１００の回転駆動は回転基板１０２を介して操作子に伝達される。位置センサ部１０３及び速度センサ部１０７を具備することで、位置及び速度について高品質な検出信号（操作子の操作量の情報）を得ることができる。よって、これら検出信号に基づき回転モータ１００の駆動をフィードバック制御すれば、より高精度なフィードバック制御を行うことができるようになる。従って、この回転型アクチュエータユニットを適用した三次元入力装置によれば、目標値として与えられた模範操作情報（例えば基準位置情報）と、操作者によって実際に行われた操作とに基づくサーボ制御や、操作子に対するタッチ付加制御をより高精度に行うことができる。

上記実施例１では、アクチュエータ部１０と位置センサ部２０及び速度センサ部３０をユニット化する構成例について説明した。以下、図４を参照して述べる実施例３では、図１に示すアクチュエータユニットから速度センサ部を除いた構成例、つまり、アクチュエータ部１０と位置センサ部２０（光反射型センサ）とからなるアクチュエータユニットの構成例を示す。なお、図１を参照して前述した構成要素については前記と同じ符号を付与するものとし、その詳細な説明を適宜省略する。図４においても，複数のアクチュエータユニット２ａ，２ｂ…を１つのヨークで共通に保持したアクチュエータユニットのアセンブリが示されており、各アクチュエータユニットは、互いに隣接するもの同士の相対的位置を２列分散的（千鳥状）に違えて配列される。
アクチュエータユニット２ａは、位置センサ部２０として、図１と同様に、プランジャ１２の下方において、該プランジャ１２と同軸に連結された被検出部材２１と、そのベース部２１ａの側面に沿って一体的に設けられた反射板２５と、被検出体２１を収納するケーシング部材３において、前記反射板２５に対向面に配置されたセンサチップ２４とを含む。反射板２５の板面上には、図２に示すような所定の濃淡パターン（グレイスケール）が形成される。センサチップ２４は、被検出部材２１の側面に設けられた反射板２５に向けて光を照射し、該反射板２５からの反射光を受光することで、その受光量に応じたプランジャ１２の位置情報を検出している。なお、周知の通り、該検出した位置情報を微分演算することで、速度情報更には加速度情報を得ることが可能である。ケーシング部材３ａの下端には、プランジャ１２が下方へ変位したときに、反射板２５の下端がケーシング部材３から外部へ抜けるための開口部３ｃが設けられており、これにより、ケーシング部材３の上下方向（プランジャ１２の移動方向）のサイズをできるだけ小さく留めている。なお、被検出部材２１の下端側にバネ１５を設けるか否かは、当該アクチュエータユニットの用途に応じる。当該アクチュエータユニットを鍵盤楽器の鍵のタッチ付加制御用として用いる場合は、前述の通りプランジャ１２をバネ１５によって上死点位置に保持する。

この位置センサ部２０によれば、光反射型センサ（センサチップ２４）と反射板２５上の濃淡パターンを、プランジャ１２の動作線に沿って配置することで、限られた空間を効率的に利用して当該光反射型センサが設置できるようになるので、従来から知られる特許文献２のセンサ構成や、フォトインタラプタを用いたセンサ構成に比べて、アクチュエータユニットを全体としてコンパクト化することが可能となる。なお、可動子（プランジャ１２及び被検出部材２１）の機械的な「がた」によって、検出信号中に含まれるノイズ成分の増加を防ぐために、センサチップ２４と反射板２５の表面（濃淡パターン形成面）との距離を適正な値に設定するとよい。センサチップ２４と反射板２５の表面が近すぎると、反射板２５のチップ２４に対する対向面積が小さくなるので、チップ２４の出力特性からわずかな「がた」可動子の機械的「がた」の影響が出やすくなる。この点に鑑みて、反射面２５に対するチップ２４の距離の変化量（或る量の「がた」）に対するセンサ出力値の変化量が可及的小さくなるよう反射板２５とセンサチップ２４の間隔を設定する。また、位置センサ部２０は、ケーシング部材３によって全体を覆われているので、これにより外光が遮断され、ノイズ成分を最小に抑えることができるので、センサ出力値を大きくとることができる。すなわち、検出信号のＳ／Ｎ比を十分に得ることができ、より正確な検出が可能となる。なお、上記の効果については、図１に示す構成のアクチュエータユニットについても同様に言える。

図５（ａ）は、実施例３に係る光反射型センサを具備したアクチュエータユニットの更に別の構成例を示す側面断面図である。また、図５（ｂ）は、（ａ）を矢印Ｃから見た平面概略図である。この例では、前記図２に示すような所定の濃淡パターン（クレイスケール）は、プランジャ１２の下端から同軸に延びるバー１２ａの側面全周囲に直接形成されている。バー１２ａは、プランジャ１２と概ね同径な円筒形状の部材であって、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の樹脂からなる。プランジャ１２及びバー１２ａを覆うボビン１２ｂには、センサチップ２４と対向すべき所定位置において開口窓１２Ｃが設けられており、センサチップ２４は、センサ基板２６上において、該窓１２ｃの対向面に配置される。濃淡パターンがバー１２ａの全周にわたって形成されているので、プランジャ１２が軸を中心に回転してしまったとしても、当該濃淡パターンがセンサチップ２４の対向面から外れることはない。また、図５（ａ）において想像線で示すように、アクチュエータユニットアセンブリの下端側全体を外装カバーで覆うことで、センサに対する外乱光を遮断することができる。また、各プランジャ１２のバー１２ａの下端と前記外装カバー上との間にプランジャを支えるためのバネを設けてもよい。

ここでセンサ基板２６について説明すると、図５（ｂ）に示すように、当該アクチュエータユニットのアセンブリにおいては、各アクチュエータユニットは、互いに隣接するもの同士の相対的位置を２列分散的（千鳥状）に違えて配列されており、センサ基板２６は、アクチュエータユニットの列の間に配設されており、その板面を各列のユニット並びに向けて、ヨーク１下面から立ち上がる。センサ基板２６の長手方向の長さは、アクチュエータユニットの配列の並び方向の長さに相当するもので、１枚のセンサ基板２６で、全てのアクチュエータユニットに対応する複数のセンサチップ２４を保持する。当該アクチュエータユニットアセンブリにおいて、複数のアクチュエータユニットは、センサ基板２６に対して千鳥状に分散して配列されているので、センサチップ２４は、該アクチュエータユニットの分散配置に対応して、該センサ基板２６の両面側に配置されることになる。
なお、図５（ａ）の例では、ボビン１２ｂに開口窓１２ｃを設けて、濃淡パターンとセンサチップを対面させるものとしたが、これに限らず、ボビン１２ｂの下部を全面的にカットして、濃淡パターンの形成されたバー１２ａが剥き出しされていてもよい。

図５に示す構成のアクチュエータユニットによれば、前述した図４に示す構成のアクチュエータユニットにおける各種効果に加えて、プランジャ１２下端から延びるバー１２ａの側面全周囲に、濃淡パターンを直接形成さしたことから、より簡素なセンサ構成で確実な位置検出が可能となる。また、位置センサ部を、ソレノイドコイル１１及びヨーク１と分離することで、該コイル／ヨークからセンサ部への熱伝導を小さくでき、熱によるセンサの出力ドリフトを極小にすることが可能となる。また、センサの構成がシンプルなものとなることから、アクチュエータユニットを極めて低コストで実現できるようになる。

図６は、上記図４に示すタイプのアクチュエータユニットアセンブリが搭載された鍵盤楽器の一例として、電子鍵盤楽器の鍵のアクション機構部分を抽出して示す側面断面図であり、当該鍵盤楽器の箱体を想像線で示す。図６において、符号６０は鍵であり、基部６０ａと外観鍵盤部６０ｂ（木製鍵盤など）とから構成され、フレーム６１に設けた回転支持部６９にはめ込まれ、且つ、揺動ストロークガイド７０により上下揺動可能に支持されている。また、フレーム６１上には、ハンマ６３が回動支点６２を介して揺動可能に支持されている。ハンマ６３は、その一端部において、鍵６０の下面に設けられた位置調整可能な作用点６４が当接され、鍵６０の押鍵操作に応じて、該作用点６４を介して、当該端部が押し下げられることで、回動支点６２を中心に回転ストロークする。ハンマ６３のもう一方の端部は、ハンマ６３のストロークエンド位置において、上限ストッパ６５に当接する。また、鍵６０は、押鍵ストロークエンド位置において、鍵下限ストッパ６６に当接する。図において、鍵６０及びハンマ６３がエンド位置にある状態を、一点鎖線で示している。

図６に示す鍵のアクション機構は、極めて簡単な構成からなるため、演奏者が鍵６０を操作したときに、鍵から受ける操作反力が殆どない。そこで、この発明に係るアクチュエータユニットにより鍵に力覚反力を付与するとよい。アクチュエータユニットアセンブリ６７は、鍵６０の下側においてフレーム６１に固定され、複数のアクチュエータユニット６７ａ…が、当該鍵盤楽器に備わる複数の鍵の各々に対応するよう配置される。各アクチュエータユニット６７ａ…は、対応する鍵６０の支点６２よりも鍵先端寄りの略中央付近に設置されており、プランジャに連結されたシャフトヘッド６８の先端が鍵６０の下面に当接されている。図示の状態では、鍵６０がレスト位置に位置し、アクチュエータユニット６７ａのプランジャはバネ１５の付勢力によって上死点位置にて支えられている。すなわち、バネ１５は、鍵６０をレスト位置に保持する付勢バネとしても活用されている。鍵６０が押鍵操作されると、これに連動してアクチュエータユニット６７ａのプランジャが下方に変位される。このとき、アクチュエータユニット６７ａを駆動して、プランジャを上方に付勢することで、鍵６０に対して反力が付与される。アクチュエータユニット６７ａの駆動は、位置センサ部２０の検出信号に基づきフィードバック制御することができる。

このアクチュエータユニットアセンブリ６７は、プランジャ位置センサとして、プランジャの側面に沿って一体的に形成され、該プランジャの移動方向に並行して濃度が変化する濃淡パターンと、該濃淡パターンに対向して配置され、プランジャ位置を検出する光反射型センサとを具備するものを適用したことから、極めてシンプル且つコンパクトな構成でありながら、鍵６０に対して高精度な反力制御を行うことが可能となり、図６に示すような全体として小型な箱体構造且つ簡素なアクション機構を有する電子鍵盤楽器に好適である。なお、図６の例ではアクチュエータユニットアセンブリをタッチ付加制御に利用する例を示したが、これに限らず、自動ピアノのサーボ駆動に利用することも勿論可能である。

なお、この発明に係るアクチュエータユニットを適用する鍵盤楽器としては、図６に示すタイプの電子鍵盤楽器に限らず、アコースティックピアノ、オルガンなど、適宜の鍵盤楽器であってよく、アコースティックピアノは、グランドピアノあるいはアップライトピアノのいずれであっても良い。
また、図６の例では、複数のアクチュエータユニットがヨークを介して一体的に保持されて成るアクチュエータユニットアセンブリを電子鍵盤楽器に搭載する例を示したが、これに限らず、複数の鍵の各々に対して個別にアクチュエータユニットを取り付けるよう構成してもよい。例えば、図５に示すタイプのアクチュエータユニットアセンブリの変形例として、個々のアクチュエータユニットを各鍵の並び方向に千鳥状に分散して配列して楽器フレーム上に取り付けると共に、そのアクチュエータユニットの列の間に、各アクチュエータユニットに対応する複数のセンサチップを保持したセンサ基板（図５（ｂ）参照）を配置するよう構成してもよい。すなわち、鍵盤楽器への実装に際して、アクチュエータユニット自体がアセンブリ化されていなくてもよい。

また、上述の実施例１乃至３のいずれにおいても、この発明に係るアクチュエータユニット（乃至アクチュエータユニットアセンブリ）を演奏操作子に対する力覚付与のための駆動装置として適用する例を示したが、これに限らず、演奏操作子の駆動をフィードバック制御可能なアクチュエータユニット（乃至アクチュエータユニットアセンブリ）として適用することもできる。また、上記実施例においては、この発明に係るアクチュエータユニット（乃至アクチュエータユニットアセンブリ）を、鍵盤楽器の鍵など、演奏入力用の操作子に適用する例を示したが、この発明に係るアクチュエータユニットは、より一般的に、プランジャ（可動子）の駆動をフィードバック制御するためのセンサを有するアクチュエータユニットとして活用しうる。

（ａ）は、この発明の第１の実施例に係るアクチュエータユニットの構造例を説明するための断面図。（ｂ）は、（ａ）を矢印Ａから見た平面図。 位置センサ部に含まれる反射板に形成される濃淡パターンの１例を示す平面図。 （ａ）は、この発明の第２の実施例に係る回転型のアクチュエータユニットの構造例を説明するための断面図、（ｂ）は、（ａ）のアクチュエータユニットに備わる速度センサ部のコイルとマグネットの配置関係を説明するための図であって、（ａ）の矢印Ｂから見た概略側面図。 この発明の第３の実施例に係るアクチュエータユニットの構造を説明するための側面断面図。 （ａ）は、同実施例に係るアクチュエータユニットの別の構成例を説明するための側面断面図、（ｂ）は、（ａ）を矢印Ｃから見た平面図。 図４に示すアクチュエータユニットアセンブリを搭載した電子鍵盤楽器の一例を示す側面断面図。

符号の説明

１ ヨーク、２ａ，２ｂ アクチュエータユニット、３ ケーシング部材、１０ アクチュエータ部（演奏操作子駆動手段）、１１ コイル、１２ プランジャ（可動子）、１３ シャフト、１４ シャフトヘッド、１５ バネ、２０ 位置センサ部、２１ 被検出部材（被検出体）、２２ 検出部、２３ センサ基板、２４ センサチップ、２５ 反射板、３０ 速度センサ部、３１ マグネット（被検出体）、３２ コイル

Claims (1)

1. 上下動可能に配置された可動子の上端部によって演奏操作子を機械的に駆動する演奏操作子駆動手段と、
   前記可動子の下部に設けられて該可動子と共に上下に直線変位し、該可動子の移動方向に並行して濃度が変化する反射型の濃淡パターンと、
   前記可動子の下部に設けられ、該可動子と共に上下に直線変位する永久磁石と、
   前記可動子の下部に設けられた前記濃淡パターンと前記磁石を側方から覆うように、前記演奏操作子駆動手段の下側に設けられたケーシング部材と、
   前記ケーシング部材において前記濃淡パターンに対して移動方向の側方から対向するように配置され、前記濃淡パターンの濃淡変化に応じた光の反射量の変化によって前記可動子の移動を検出する光反射型センサと、
   上下に直線変位する前記永久磁石の進入を許すように前記ケーシング部材に配置され、該永久磁石の移動速度に応答する出力を生じる検出コイルと
   を備える演奏操作子用のアクチュエータユニット。

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