JP4442531B2 - 電子鍵盤楽器 - Google Patents

Description

本発明は、電子ピアノに用いて好適な電子鍵盤楽器に関する。

アコースティックピアノの鍵を初期位置から徐々に押下してゆくと、ある押下位置において鍵が重くなるように感じられる。換言すれば、鍵を押下するために必要な静荷重が大きくなる。これは、その押下位置において鍵がハンマーアクションおよびダンパアクションの駆動を開始するため、駆動のための運動エネルギーが必要になるからである。この押下位置を駆動開始位置Ｐと呼ぶ。かかる挙動を電子鍵盤楽器においてもシミュレートするため、駆動開始位置Ｐにおいて鍵の静荷重をステップ状に上昇させる技術が特許文献１に開示されている。また、電子鍵盤楽器の鍵速度を測定する際、鍵が初期位置からフルストローク位置に向かうまでの複数の区間において鍵速度を測定し、これら複数の鍵速度に応じて「ソフトな音」、「鋭い音」などの音色を選択し、あるいは非線形成分を増減させて音色を変化させる技術が特許文献２，３に開示されている。

特開２００１−３１２２７９号公報 特公昭６１−５４２３４号公報 特許第３３５５７４３号公報

ところで、鍵の静荷重をステップ状に上昇させる技術と、複数の区間の鍵速度を測定する技術とを併用する場合は、鍵速度を測定する「複数の区間」は、必ず、駆動開始位置Ｐよりも深い押下位置に設けられていた。その理由は、アコースティックピアノの発音構造に鑑みれば明らかである。すなわち、アコースティックピアノの発生する楽音は、弦を叩くハンマの運動状態と、弦を消音するダンパの運動状態とによって決定される。そして、ハンマおよびダンパの運動状態は、駆動開始位置Ｐ以降の鍵の運動状態によって支配されるものであるから、駆動開始位置Ｐよりも浅い位置における鍵の運動状態が軽視されるのは、当然のことであろう。現実に、駆動開始位置Ｐ以降の鍵の運動状態を精密に測定できれば、ハンマおよびダンパの運動状態をほぼ正確に求めることができるのである。

しかし、普及品の電子鍵盤楽器に対して精密な（高価な）センサを装備することは価格面から実現性に乏しく、鍵軌道中の３箇所程度の押下位置を検出することによって、これら３箇所の相互間である２区間の鍵速度を求める程度のセンサが普及品には一般的に使用されている。このようなセンサを用いて駆動開始位置Ｐ以降の鍵の正確な運動状態を求めることは困難であり、結果的には、演奏者が意図するような表現を電子鍵盤楽器において実現することが困難になっていた。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、安価なセンサを用いながらも、表現力豊かな演奏を実現できる電子鍵盤楽器を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため本発明にあっては、下記構成を具備することを特徴とする。なお、括弧内は例示である。
請求項１記載の電子鍵盤楽器にあっては、押下されると、初期位置から第１，第２および第３の位置を順次介してフルストローク位置に移動する鍵（１０）と、前記第１，第２および第３の位置に対応して設けられた第１，第２および第３のスイッチ（基板上のスイッチ部３０の第１，第２，第３接点）と、第１，第２および第３の押下部（２１，２２，２３）を有し前記鍵が押下されると前記第１，第２および第３の押下部（２１，２２，２３）が前記第１，第２および第３のスイッチを順次押下するように変形する弾性部材（２０）とから成り、前記鍵が前記第１の位置から前記第２の位置に移動する際の鍵速度である第１の鍵速度（時間Ｔ1またはベロシティＶ1）と、前記鍵が前記第２の位置から前記第３の位置に移動する際の鍵速度である第２の鍵速度（時間Ｔ2またはベロシティＶ2）とを検出する速度検出手段と、前記第１および第２の鍵速度の組み合わせに基づいて楽音信号を生成する楽音信号生成手段（１０６，１１８）と、前記第１および第２の位置の中間における第１の所定位置において前記鍵を押下するために必要な静荷重が第１の傾きでステップ状に上昇し、該第１の所定位置から、前記第３の位置および前記フルストローク位置の中間における第２の所定位置までの区間において該第１の傾きよりも小さい第２の傾きで静荷重が上昇し、該第２の所定位置から前記フルストローク位置に至る区間において該第２の傾きよりも大きい第３の傾きで静荷重が上昇するように、前記鍵を初期位置方向に付勢する付勢手段とを有することを特徴とする。
さらに、請求項２記載の構成にあっては、請求項１記載の電子鍵盤楽器において、前記付勢手段は、前記弾性部材（２０）によって構成されることを特徴とする。
さらに、請求項３記載の構成にあっては、請求項１記載の電子鍵盤楽器において、前記付勢手段は、回動する質量体（７０）と、前記初期位置から前記第１の所定位置に至るまでの単位ストロークあたりの回転角度よりも前記第１の所定位置から前記第３の位置に至るまでの単位ストロークあたりの回転角度が大きくなるように、前記質量体（７０）を前記鍵（１０）に連動させる連動手段（１４，７４）とから成ることを特徴とする。
さらに、請求項４記載の構成にあっては、請求項１記載の電子鍵盤楽器において、前記弾性部材（２０）は、前記第１，第２および第３の押下部（２１，２２，２３）の少なくとも一部の上方に空洞部（２６，２８）を形成して成り、前記鍵が押下されると、前記空洞部（２６，２８）が潰れることによって前記鍵が押下される際に発生する反発力を抑えるとともに、完全に潰れたときに反発力が増大するようにしたことを特徴とする。

このように、本発明によれば、第１および第２の鍵速度の組み合わせに基づいて楽音信号を生成するとともに、第１および第２の位置の中間における所定位置において鍵を押下するために必要な静荷重がステップ状に上昇するように、鍵を初期位置方向に付勢するから、奏法をきわめて検出しやすくなり、表現力豊かな演奏を実現できる。

1．実施例の原理
アコースティックピアノにおいて、ハンマおよびダンパの運動状態は、鍵がハンマーアクションおよびダンパアクションの駆動を開始する駆動開始位置Ｐ以降の鍵の運動状態によって支配され、駆動開始位置Ｐよりも浅い位置における鍵の運動状態は、一般的にはアコースティックピアノの楽音には無関係であるといえる。しかし、人間である演奏者が楽曲を演奏するときに現れる運動は、鍵が一般的に（物理的に）可能な運動の全範囲に及ぶわけではない。

例えば、ほぼ等速度で鍵を「ポン」と叩くような奏法、加速度を加えながら鍵を抑え付けるような奏法等、いくつかの限られた奏法のパターンに従って、アコースティックピアノは演奏されるのである。そして、駆動開始位置Ｐよりも浅い位置における鍵の運動状態は、「奏法」と密接な関係を有することが判明した。これは、演奏者が初期位置から鍵を押下してゆくとき、駆動開始位置Ｐにおいて静荷重が大きくなったことを指先で感じた後に、意図する奏法に基づく操作の切換、すなわちそのままの速度で押下を続けるのか、加速度を加えるのかの選択をする傾向が強いことによるものである。

さらに、本発明者が検討したところでは、３箇所程度の押下位置を検出する安価なセンサにおいては、駆動開始位置Ｐよりも浅い位置における鍵の運動状態を加味したほうが、駆動開始位置Ｐよりも深い位置のみの運動状態を測定するよりも、より正確に奏法を区別することができる。これは、速度を検出する区間数が少ない場合には、より広いストロークの範囲に渡る鍵速度を検出したほうが、鍵速度と奏法との対応関係が明確になりやすいからである。そして、かかるアコースティックピアノをシミュレートする電子鍵盤楽器においては、区別した「奏法」に応じて音色を選択したり、あるいは非線形成分を増減する等の処理を実行すると、演奏者が意図するような表現を楽音上に表すことが可能になるのである。

2．第１実施例
2．1．第１実施例の構成
以下、この発明の第１実施例による電子鍵盤楽器の構成を図１を参照し説明する。
図において、１０６はＣＰＵであり、ＲＯＭ１０２に記憶されたプログラムに従って、バス１０８を介して他の構成要素を制御する。また、ＲＯＭ１０２には、奏法に応じた複数種類の波形データ、エンベロープ信号を生成するためのエンベロープ・パラメータ、フィルタリング処理の内容を特定するフィルタリング係数等が記憶されている。１０４はＲＡＭであり、ＣＰＵ１０６のワークメモリとして使用される。１１０は通信インタフェースであり、ＭＩＤＩ信号等の入出力を行う。１１２は表示部であり、ユーザに対して各種情報を表示する。１１４は操作部であり、各種スイッチおよびノブ等から構成されている。１１６は演奏操作子であり、演奏用キーボード等から構成されている。１１８は音源・エフェクト部であり、ＣＰＵ１０６から供給された制御信号に基づいて楽音信号を合成するとともに、該楽音信号に対して必要なエフェクトを付与する。１２０はサウンドシステムであり、生成された楽音信号を放音する。

次に、演奏操作子１１６における鍵盤構造を図２を参照し説明する。図２において１０は鍵であり、鍵支持部１２を中心として揺動自在に支持されている。鍵１０の下面には、ゴムをドーム状に形成したラバードーム２０が固着されている。そして、ラバードーム２０の内面上部から下方に向かって、順次短い円柱状に形成された押下部２１，２２，２３が突出している。３０は基板上のスイッチ部であり、パターン形成によって構成される。このスイッチ部３０は、図示せぬフレームに載置されたメンブレンスイッチであってもよい。そして、スイッチ部３０には、押下部２１，２２，２３の下方に第１〜第３接点が各々形成されている。また、押下部２２，２３の上方には、ラバードーム２０内に円柱状の空洞２６，２８が形成されているが、押下部２１の上方においては、ラバードーム２０はゴムによって充填されている。なお、演奏操作子１１６には以上のような鍵１０が複数設けられており、各鍵に対するスイッチ部３０の第１〜第３接点の状態は、ＣＰＵ１０６によって常時監視されている。

上記構成において鍵１０を初期位置からフルストローク位置に向かって押下すると、ラバードーム２０が徐々に潰されるように撓み、押下部２１，２２，２３がスイッチ部３０を順次押下するため、スイッチ部３０の第１〜第３接点が順次オン状態になる。ここで、押下部２１の上方において、ラバードーム２０はゴムによって充填されているから、押下部２１がスイッチ部３０に接触した後は、押下部２１が押圧され、その反発力が鍵１０に印加される。一方、押下部２２，２３がスイッチ部３０に押圧されると、押下部２２，２３の上方の円柱状の空洞２６，２８が潰れるようにラバードーム２０が変形するため、押下部２２，２３によって鍵１０に印加される反発力は、最初の段階ではきわめて小さなものにとどまる。但し、空洞２６，２８が完全に潰れると、さらに鍵１０を深く押下しようとしたときの反発力は再び大きくなる。

従って、鍵１０を押下するための静荷重は、鍵のストロークに応じて、図４(a)に示すように変化する。すなわち、スイッチ部３０において第１接点がオン状態になった後、押下部２１による反発力が印加されるため、鍵１０を押下するための静荷重はステップ状に高くなる。その後、第２，第３接点が順次オンされる間は、静荷重にはほとんど変化がなく、空洞２６，２８が完全に潰れた後に静荷重は再び大きくなるのである。ここで、第１，第２，第３接点がオンされた時刻を各々ｔ1，ｔ2，ｔ3とし、時間Ｔ1＝ｔ2−ｔ1，時間Ｔ2＝ｔ3−ｔ2とする。なお、第１，第２，第３接点のオンタイミング相互間に対する鍵のストロークはラバードーム２０の構造に基づいて既知であるから、時間Ｔ1およびＴ2は、第１，第２接点間のベロシティＶ1および第２，第３接点間のベロシティＶ2に各々対応している。

次に、ＣＰＵ１０６および音源・エフェクト部１１８において実行されるアルゴリズムを図３を参照し説明する。
図３において２０２−１〜２０２−ｍは波形メモリであり、様々な奏法に基づいたｍ種類の波形データを記憶する。２０４はセレクタであり、時間Ｔ1，Ｔ2に基づいて、何れかの波形データを選択する。また、２０６−１〜２０６−ｎはエンベロープ・パラメータメモリであり、エンベロープを生成するためのｎ組のエンベロープ・パラメータを記憶する。２０８はセレクタであり、時間Ｔ1，Ｔ2に基づいて、何れかのエンベロープ・パラメータを選択する。２１０はエンベロープジェネレータであり、セレクタ２０８を介して供給されたエンベロープ・パラメータに基づいてエンベロープ信号を生成する。２１２は乗算器であり、該エンベロープ信号と、セレクタ２０４を介して出力された波形データとを乗算することにより、該波形データに対してエンベロープを付与し、その結果を楽音信号として出力する。

２１４−１〜２１４−ｐは係数メモリであり、フィルタリング処理を行うためのｐ組のフィルタリング係数を記憶する。２１６はセレクタであり、時間Ｔ1，Ｔ2に基づいて、何れかのフィルタリング係数を選択する。２１８はデジタルフィルタであり、選択されたフィルタリング係数に基づいて、乗算器２１２から出力された楽音信号をフィルタリングする。

2．2．実施例の動作
次に、本実施例の動作を図５を参照し説明する。まず、時刻ｔ0において何れかの鍵１０の押下が開始されると、時刻ｔ1，ｔ2において第１，第２接点が順次オン状態になる。ＣＰＵ１０６においては、全ての鍵に対するスイッチ部３０の接点状態が監視されており、当該鍵１０に対応して時刻ｔ1，ｔ2がＲＡＭ１０４に記憶される。次に、時刻ｔ3において第３接点がオン状態になると、時間Ｔ1，Ｔ2が演算によって求められるとともに、音源・エフェクト部１１８において発音チャンネルが確保される。そして、時間Ｔ1，Ｔ2に基づいて、使用すべき波形データ、エンベロープ・パラメータおよびフィルタリング係数がＣＰＵ１０６によって指定される。これにより、音源・エフェクト部１１８においては、指定された各パラメータに基づいて楽音信号の合成が開始される。その後、鍵１０がリリースされると、鍵１０が初期位置に戻るため、スイッチ部３０の第３，第２接点が順次オフ状態になる。鍵１０がさらにリリースされると、時刻ｔ5において第１接点がオフ状態になる。この第１接点のオフ状態が検出されると、ＣＰＵ１０６から音源・エフェクト部１１８に対して、当該鍵１０に係る発音チャンネルの消音が指示され、これによって当該発音チャンネルの楽音信号が消音される。

3．第２実施例
次に、本発明の第２実施例について説明する。第２実施例の構成および動作は第１実施例のものと同様であるが、第２実施例における鍵盤構造は第１実施例のものとは異なるため、その相違点を図６(a)，(b)を参照し説明する。図６(a)において鍵１０は、第１実施例のものと同様に、鍵支持部１２を中心として揺動自在に支持されている。鍵１０の下面には下方に向かう凸部１４が突出している。４０は質量体であり、金属棒状の質量集中部４６と、該質量集中部４６に固着された樹脂部４４とから構成されている。質量体４０は質量体支持部４２を中心として回動自在に軸支されており、樹脂部４４よりも質量集中部４６の重量が大きいため、質量集中部４６を下方向に回動させる方向に質量体４０は付勢される。

樹脂部４４においては、質量集中部４６方向に向かって、断面三角形状の凸部４４ａが形成されており、この凸部４４ａと質量集中部４６との間に電子鍵盤楽器のフレームに固定された爪部６０の先端部が遊挿されている。樹脂部４４の下面には、スイッチ部３０と、該スイッチ部３０に固着されたラバードーム５０とが配置されている。ラバードーム５０は第１実施例のラバードーム２０と同様に構成され、その内面上部から下方に向かって、順次短い円柱状に形成された押下部５１，５２，５３が突出している。但し、押下部５１，５２，５３の上方には、全て空洞部が形成されており、ラバードーム５０自体による反発力はほとんど生じないようになっている。

上記構成において鍵１０を初期位置からフルストローク位置に向かって押下すると、凸部１４が樹脂部４４を上方から押下することによって質量体４０が反時計方向に回動し、樹脂部４４によってラバードーム５０が下方に押下される。これによって、押下部５１，５２，５３がスイッチ部３０を順次押下するため、スイッチ部３０の第１〜第３接点が順次オン状態になる。ここで、押下部５１がスイッチ部３０を押下した後に押下部５２がスイッチ部３０を押下する間に、爪部６０の先端部が凸部４４ａによって上方向に押圧され、やがて爪部６０の先端部が凸部４４ａから外れる。このように、爪部６０の先端部が外れた状態を図６(b)に示す。従って、鍵１０を押下するための静荷重は、鍵のストロークに応じて、図４(b)に示すように変化する。すなわち、スイッチ部３０において第１接点がオン状態になった後、爪部６０による反発力が印加されるため、鍵１０を押下するための静荷重は急激に高くなる。その後、爪部６０が凸部４４ａから外れると、爪部６０による力が鍵に印加されなくなるため、静荷重は再び低下するのである。

4．第３実施例
次に、本発明の第３実施例について説明する。第３実施例の構成および動作も第１実施例のものと同様であるが、第３実施例における鍵盤構造は第１実施例のものとは異なるため、その相違点を図７(a)，(b)を参照し説明する。図７(a)において鍵１０は、第１実施例のものと同様に、鍵支持部１２を中心として揺動自在に支持されている。鍵１０の下面には下方に向かうアクチュエータ１４が突出している。７０は質量体であり、図６(a)の質量体４０と同様に、質量集中部７６と樹脂部７４とから構成されている。

樹脂部７４は、略長方形板状の樹脂をへの字状に折り曲げて成るものであり、質量集中部７６に対してほぼ平行になるように形成された平板部７４ｂと、平板部７４ｂに対して時計回り方向に傾斜した傾斜平板部７４ａとから構成されている。そして、鍵１０が初期位置にある場合には、傾斜平板部７４ａがアクチュエータ１４の端部１４ａに当接するようになっている。また、樹脂部７４の下方には、第２実施例と同様に、スイッチ部３０と、これに固着されたラバードーム５０とが配置されている。

上記構成において鍵１０を初期位置からフルストローク位置に向かって押下すると、アクチュエータ１４の端部１４ａが樹脂部７４の上面を摺動しつつ、樹脂部７４が反時計方向に回動し、樹脂部７４によってラバードーム５０が下方に押下される。これによって、押下部５１，５２，５３がスイッチ部３０を順次押下するため、スイッチ部３０の第１〜第３接点が順次オン状態になる。ここで、押下部５１がスイッチ部３０を押下した後に押下部５２がスイッチ部３０を押下する間に、端部１４ａが傾斜平板部７４ａと平板部７４ｂの境界線に達する。

ここで、端部１４ａが傾斜平板部７４ａを押下している状態と比較すると、端部１４ａが平板部７４ｂを押下している状態にあっては、鍵１０の単位ストロークあたりの質量集中部７６の回転角度が大きくなるため、端部１４ａが傾斜平板部７４ａと平板部７４ｂの境界線に達したときに、押下に要する静荷重がステップ状に上昇する。すなわち、この静荷重は、鍵のストロークに応じて、図４(a)に示すように変化することになる。この第３実施例は原理的な構成を示したものであるため、押鍵時のラバードーム５０の水平方向の変形を防止することが考慮されていない。この水平方向の変形によってスイッチ動作が不安定になる場合には、垂直方向のみの変形が可能になるように、不図示のガイド機構（スイッチカバー体）を設け、このカバー体のコーナーを傾斜平板部７４ａ、平板部７４ｂが押下するように構成すればよい。

5．変形例
本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、例えば以下のように種々の変形が可能である。
(1)上記各実施例においては、静荷重をステップ状に上昇させ、または該静荷重の極大値が現れるように各種鍵盤構造の例を示したが、静荷重を変化させるための鍵盤構造はこれらの例に限られるものではなく、例えば特許文献１に示したものを適用することができる。また、スイッチ部３０を介して検出した時間Ｔ1，Ｔ2、またはベロシティＶ1，Ｖ2に基づいて、楽音信号に様々な変化を付与する技術は、図３のアルゴリズムに示したものに限定されるものではなく、特許文献２，３に示されたものなどを適用してもよい。

本発明の第１実施例の電子鍵盤楽器のブロック図である。 第１実施例の鍵盤構造を示す側面図である。 第１実施例のアルゴリズムのブロック図である。 鍵ストロークと静荷重の関係を示す図である。 第１実施例の動作説明図である。 第２実施例の鍵盤構造を示す側面図である。 第３実施例の鍵盤構造を示す側面図である。

符号の説明

１０：鍵、１２：鍵支持部、１４：アクチュエータ、１４ａ：端部、２０：ラバードーム、２１，２２，２３：押下部、２６，２８：空洞、３０：スイッチ部、４０：質量体、４２：質量体支持部、４４：樹脂部、４４ａ：凸部、４６：質量集中部、５０：ラバードーム、５１，５２，５３：押下部、６０：爪部、７０：質量体、７２：質量体支持部、７４：樹脂部、７４ａ：傾斜平板部、７４ｂ：平板部、７６：質量集中部、１０２：ＲＯＭ、１０４：ＲＡＭ、１０６：ＣＰＵ、１０８：バス、１１０：通信インタフェース、１１２：表示部、１１４：操作部、１１６：演奏操作子、１１８：音源・エフェクト部、１２０：サウンドシステム、２０２−１〜２０２−ｍ：波形メモリ、２０４：セレクタ、２０６−１〜２０６−ｎ：エンベロープ・パラメータメモリ、２０８：セレクタ、２１０：エンベロープジェネレータ、２１２：乗算器、２１４−１〜２１４−ｐ：係数メモリ、２１６：セレクタ、２１８：デジタルフィルタ。

Claims (4)

1. 押下されると、初期位置から第１，第２および第３の位置を順次介してフルストローク位置に移動する鍵と、
   前記第１，第２および第３の位置に対応して設けられた第１，第２および第３のスイッチと、第１，第２および第３の押下部を有し前記鍵が押下されると前記第１，第２および第３の押下部が前記第１，第２および第３のスイッチを順次押下するように変形する弾性部材とから成り、前記鍵が前記第１の位置から前記第２の位置に移動する際の鍵速度である第１の鍵速度と、前記鍵が前記第２の位置から前記第３の位置に移動する際の鍵速度である第２の鍵速度とを検出する速度検出手段と、
   前記第１および第２の鍵速度の組み合わせに基づいて楽音信号を生成する楽音信号生成手段と、
   前記第１および第２の位置の中間における第１の所定位置において前記鍵を押下するために必要な静荷重が第１の傾きでステップ状に上昇し、該第１の所定位置から、前記第３の位置および前記フルストローク位置の中間における第２の所定位置までの区間において該第１の傾きよりも小さい第２の傾きで静荷重が上昇し、該第２の所定位置から前記フルストローク位置に至る区間において該第２の傾きよりも大きい第３の傾きで静荷重が上昇するように、前記鍵を初期位置方向に付勢する付勢手段と
   を有することを特徴とする電子鍵盤楽器。
2. 前記付勢手段は、前記弾性部材によって構成されることを特徴とする請求項１記載の電子鍵盤楽器。
3. 前記付勢手段は、
   回動する質量体と、
   前記初期位置から前記第１の所定位置に至るまでの単位ストロークあたりの回転角度よりも前記第１の所定位置から前記第３の位置に至るまでの単位ストロークあたりの回転角度が大きくなるように、前記質量体を前記鍵に連動させる連動手段と
   から成ることを特徴とする請求項１記載の電子鍵盤楽器。
4. 前記弾性部材は、前記第１，第２および第３の押下部の少なくとも一部の上方に空洞部を形成して成り、前記鍵が押下されると、前記空洞部が潰れることによって前記鍵が押下される際に発生する反発力を抑えるとともに、完全に潰れたときに反発力が増大するようにしたことを特徴とする請求項１記載の電子鍵盤楽器。

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