JP5012402B2

JP5012402B2 - 鍵盤装置

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Publication number: JP5012402B2
Application number: JP2007272601A
Authority: JP
Inventors: 昭彦小松
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-10-19
Also published as: US20090100986A1; JP2009098583A; US7605319B2

Description

本発明は、鍵盤装置に関するものである。

アコースティックピアノ等の自然鍵盤楽器は、例えば押鍵に伴って回動するハンマーが弦を打つことにより生の音が発生するように構成されている。この種の自然鍵盤楽器には鍵とハンマーとの間に所謂アクション機構が設けられており、演奏者はこのアクション機構によって鍵から独特の反力(鍵制動力)を受けるようになっている。すなわち、自然鍵盤楽器においては、アクション機構を設けることにより、これに特有の鍵のタッチ感が得られるようになっている。

一方、電子ピアノのように電子音を発生する従来の電子鍵盤楽器においては、アコースティックピアノ等の自然鍵盤楽器のタッチ感を模擬するために、鍵を初期位置に復帰させるスプリングや質量体（ハンマー）部材等の機械的な機構が設けられており、押鍵の際にスプリングや質量体部材の復帰力に抗して鍵を操作するようになっている。一般には電子鍵盤楽器の機械的機構は、自然鍵盤楽器のアクション機構と比べてコンパクトで複雑ではないため、電子鍵盤楽器における鍵のタッチ感は、厳密には自然鍵盤楽器におけるタッチ感とは異なっている。

そこで、従来では、この電子鍵盤楽器でも自然鍵盤楽器と同様のタッチ感が得られるように、ソレノイドなどの駆動手段により鍵を駆動して押鍵に対する反力を変化させる鍵盤装置が提案されている。上述したようなソレノイドを用いた鍵盤装置においては、上下双方向に直線運動するソレノイドのプランジャ（可動子）と、支点を中心に回動する鍵と、を接合させる必要がある。上記プランジャ及び鍵を無理なく接合する鍵盤装置として、鍵に前後方向に沿った溝を設けて、前後方向に摺動可能となるようにプランジャの先端を溝内に嵌め込む鍵盤装置が提案されている（例えば特許文献１）。しかしながら、特許文献１に記載されたような従来の鍵盤装置では、接合構造が複雑であり、摺動による摩擦が発生する。また、鍵に設けた溝とプランジャの先端との間にガタが発生し、押鍵時のタッチ感に影響を与える、という問題が生じていた。

また、鍵とプランジャとの接点のガタを極小に抑えた鍵盤装置として、鍵を押鍵方向に付勢する押鍵方向付勢部材と、鍵を離鍵方向に付勢すると共に押鍵方向付勢部材と共動して鍵をレスト位置にバランスさせる離鍵方向付勢部材とを設けた鍵盤装置が提案されている（例えば特許文献２）。しかしながら、特許文献２に記載されたような従来の鍵盤装置では、押鍵方向付勢部材と離鍵方向付勢部材とのバランスが押鍵時のタッチ感に影響を与えるため、鍵をレスト位置にバランスさせるように正確に押鍵方向付勢部材と離鍵方向付勢部材とを調整する必要があり、その調整が非常に困難である、という問題が生じていた。
特公平７−１１１６３１号公報特開平１０−２０８５７号公報

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、簡単な構成で、鍵と可動子との接合部における摩擦力、ガタを極力抑えた鍵盤装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、上下双方向に直動運動する可動子により、支点を中心に回動する鍵に外力を加える鍵盤装置において、可動子と鍵との接合部が、鍵に固定された板状の第１固定部と、可動子に固定された板状の第２固定部と、第１固定部及び第２固定部間の隙間に充填された複数の球状の隙間制御用微粒子と、を有していて、そして、第１固定部及び第２固定部に互いに近づく吸引力が働いている。

請求項２記載の発明は、第１固定部及び第２固定部が各々、導電部材から構成されていて、第１固定部及び第２固定部間に電圧を印加する電源を有していて、そして、前記第１固定部及び前記第２固定部間に働く吸引力が、前記電源により電圧を印加することにより発生する静電引力である。

請求項３記載の発明は、第１固定部及び第２固定部が、互いに近づく磁力が発生するように着磁された磁石から構成されている。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、互いに近づく吸引力により第１固定部及び第２固定部が接合される。また、球状の隙間制御用微粒子上を転がりながら第１固定部及び第２固定部が移動するため、簡単な構成で、鍵と可動子との接合部における摩擦力、ガタを極力抑えることができる。

請求項２記載の発明によれば、第１固定部及び第２固定部間に電圧を印加することにより、簡単な構成で第１固定部及び第２固定部が互いに近づく吸引力を発生させることができる。

請求項３記載の発明によれば、第１固定部及び第２固定部を磁石で構成することにより、電源を用いる必要がなく簡単な構成で第１固定部及び第２固定部が互いに近づく吸引力を発生させることができる。

第１実施形態
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の鍵盤装置１００の一実施形態を示す概略断面図である。図２は、第１実施形態における図１に示す接合部４０の初期位置における拡大図である。図３は、図１に示す接合部４０の押鍵時における拡大図である。以下説明において、鍵盤装置１００の「上下左右前後」は演奏時の演奏者側から見た正立状態における「上下左右前後」を意味する。

鍵盤装置１００は、例えば電子鍵盤楽器に用いられるものである。同図に示すように、鍵盤装置１００は、鍵としての複数の白鍵１０及び黒鍵１１と、フレーム２０と、駆動手段としての電磁ソレノイド３０と、を備えている。上記白鍵１０及び黒鍵１１は、左右方向に複数並設されている。フレーム２０は、例えば板状、あるいは底面に開口が設けられた箱型に設けられていて、白鍵１０、黒鍵１１の下方やフレーム２０の内部に白鍵１０及び黒鍵１１の押鍵速度を検出する速度センサ、白鍵１０及び黒鍵１１の位置を検出する位置センサ（何れも図示せず）などが収納されている。

上記フレーム２０の上面には、白鍵１０及び黒鍵１１が上下方向に回動可能となるように白鍵１０及び黒鍵１１の中央部を支持する鍵支持部２１Ａが設けられている。白鍵１０及び黒鍵１１は、鍵支持部２１Ａに軸支されていて、支点Ｃ１を中心に回動する。

上記電磁ソレノイド３０は、可動子としてのプランジャ３１と、駆動部３２と、から構成されている。プランジャ３１は、強磁性体から構成されている。プランジャ３１の先端は、後述する接合部４０によって白鍵１０の支点Ｃ１よりも後側の上面に接合されている。駆動部３２は、磁性フレーム３２Ａと、固定鉄心３２Ｂと、ボビン３２Ｃと、コイル３２Ｄと、から構成されている。

磁性フレーム３２Ａは、強磁性体から構成されていて、その内部にプランジャ３１、固定鉄心３２Ｂ、ボビン３２Ｃ及びコイル３２Ｄが収容されている。磁性フレーム３２Ａは、上下方向に並んだ上側開口部３２Ａ１及び下側開口部３２Ａ２が設けられている。上述したプランジャ３１は、先端が下側開口部３２Ａ２から突出し、かつ、上下方向に移動可能となるように磁性フレーム３２Ａ内に収容されている。固定鉄心３２Ｂは、上側開口部３２Ａ１を塞ぐように磁性フレーム３２Ａに取り付けられて固定されている。即ち、プランジャ３１と固定鉄心３２Ｂとは上下方向に並べられて磁性フレーム３２Ａ内に収容されている。

ボビン３２Ｃは、絶縁材料で設けられている。ボビン３２Ｃは、円筒状に設けられていて、その筒内にプランジャ３１及び固定鉄心３２Ｂが収容されている。コイル３２Ｄは、銅線などから構成されていて、上記ボビン３２Ｃに巻回されている。上記駆動部３２は、コイル３２Ｄに流れる電流を制御することによりプランジャ３１と固定鉄心３２Ｂとの間に働く吸引力を制御して、プランジャ３１を上下双方向に直線運動させて白鍵１０に外力を加える。コイル３２Ｄに流れる電流は、図示しないコンピュータにより制御されている。コンピュータは、白鍵１０の位置や速度などに応じて自然鍵盤楽器と同様のタッチ感が得られるようにコイル３２Ｄに流れる電流を制御して白鍵１０に加える外力を制御する。なお、図１では電磁ソレノイド３０は白鍵１０に設けられていたが、電磁ソレノイド３０は、黒鍵１１に対しても同様に設けられ、外力を加える。

次に、上述した電磁ソレノイド３０のプランジャ３１と白鍵１０及び黒鍵１１との接合部４０の構成について説明する。図２及び図３に示すように、接合部４０は、第１固定部としての第１電極４１と、第２固定部としての第２電極４２と、隙間制御用微粒子４３と、を有している。第１電極４１は、板状の導電部材から構成されている。第１電極４１の下面は、接着剤５０によって白鍵１０及び黒鍵１１の上面に固定されている。

第２電極４２は、板状の導電部材から構成されている。第２電極４２の上面には、プランジャ３１に対して第２電極４２が上下方向に回動可能となるようにプランジャ３１先端が取り付けられるプランジャ取付部４２Ａが設けられている。上記第２電極４２は、プランジャ取付部４２Ａにより支点Ｃ２を中心に上下方向に回動可能にプランジャ３１に固定されている。隙間制御用微粒子４３は、第１電極４１の上面及び第２電極４２の下面間の隙間Ｇ１に複数充填されている。隙間制御用微粒子４３は、例えば直径が１０μｍ程度の真球状のプラスチック微粒子から構成されている。

上述した第１電極４１及び第２電極４２間には電源Ｅにより電圧が印加されている。これにより、第１電極４１及び第２電極４２には、互いに近づく静電引力（吸引力）が働く。この静電引力により第１電極４１及び第２電極４２は、常に隙間制御用微粒子４３の直径だけ離間した状態で互いに水平になるように保たれる。

次に、上述した構成の鍵盤装置１００の接合部４０での動作について図２及び図３を参照して説明する。図２に示すように、初期位置においては、白鍵１０及び黒鍵１１の上面は、水平に保たれている。よって、第１電極４１及び第２電極４２も水平に保たれていて、プランジャ３１は、第２電極４２に対して垂直に取り付けられている。

一方、図３に示すように、押鍵操作が行われると、白鍵１０及び黒鍵１１は支点Ｃ１を中心に図中時計回りに回動する。そして、白鍵１０及び黒鍵１１の回動と同様に第１電極４１も支点Ｃ１を中心に時計回りに回動する。第２電極４２はプランジャ３１に固定されているため、第２電極４２は支点Ｃ２を中心に時計回りに回転する。これにより、第１電極４１が前側に第２電極４２が後側に相対的に移動する。このとき、第１電極４１及び第２電極４２は、球状の隙間制御用微粒子４３上を転がりながら移動する。

その後、離鍵操作が行われると、白鍵１０及び黒鍵１１は支点Ｃ１を中心に図中反時計回りに回動する。そして、白鍵１０及び黒鍵１１の回動と同様に第１電極４１も支点Ｃ１を中心に反時計回りに回動する。第２電極４２はプランジャ３１に固定されているため、第２電極４２は支点Ｃ２を中心に反時計回りに回転する。これにより、第１電極４１が後側に第２電極４２が前側に相対的に移動する。このとき、第１電極４１及び第２電極４２は、球状の隙間制御用微粒子４３上を転がりながら移動する。

上述した鍵盤装置１００によれば、互いに近づく静電引力により第１電極４１及び第２電極４２が接合される。また、球状の隙間制御用微粒子４３上を転がりながら第１電極４１及び第２電極４２が移動するため、簡単な構成で、白鍵１０及び黒鍵１１とプランジャ３１との接合部４０における摩擦力、ガタを極力抑えることができる。

また、上述した鍵盤装置１００によれば、第１電極４１及び第２電極４２間に電圧を印加することにより、簡単な構成で第１電極４１及び第２電極４２が互いに近づく静電引力（吸引力）を発生させることができる。

第２実施形態
次に、第２実施形態について図４を参照して説明する。図４において、上述した第１実施形態ですでに説明した図２及び図３の接合部４０と同等の部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。鍵盤装置１００は、第１実施形態と同様に、白鍵１０及び黒鍵１１と、フレーム２０と、電磁ソレノイド３０と、を備えている。これらについては第１実施形態と同様の構成であるため、詳細な説明は省略する。第１実施形態と第２実施形態とで大きく異なる点は、接合部４０の構成である。図４に示すように、接合部４０は、第１固定部としての第１磁石４５と、第２固定部としての第２磁石４６と、隙間制御用微粒子４３と、を有している。第１磁石４５は、板状に構成されている。第１磁石４５の下面は、接着剤５０によって白鍵１０及び黒鍵１１の上面に固定されている。

第２磁石４６は、板状に構成されている。第２磁石４６の上面には、プランジャ３１が上下方向に回動可能となるようにプランジャ３１の先端が取り付けられるプランジャ取付部４２Ａが設けられている。第２磁石４６は、プランジャ取付部４２Ａにより支点Ｃ２を中心に回動可能にプランジャ３１に固定されている。隙間制御用微粒子４３は、第１磁石４５の上面及び第２磁石４６の下面間の隙間Ｇ１に複数充填されている。

第１磁石４５及び第２磁石４６は互いに近づく磁力が発生するように着磁されていて、第１磁石４５及び第２磁石４６には、互いに近づく磁気引力（吸引力）が働く。この磁気引力により第１磁石４５及び第２磁石４６は、常に隙間制御用微粒子４３の直径だけ離間した状態で互いに平行になるように保たれる。なお、第２実施形態の接合部４０での動作は第１実施形態の接合部４０での動作と同等のため詳細な説明は省略する。

上述した鍵盤装置１００によれば、第１実施形態と同様に、互いに近づく磁気引力により第１磁石４５及び第２磁石４６が接合される。また、球状の隙間制御用微粒子４３上を転がりながら第１磁石４５及び第２磁石４６が移動するため、簡単な構成で、白鍵１０及び黒鍵１１とプランジャ３１との接合部４０における摩擦力、ガタを極力抑えることができる。

また、上述した鍵盤装置１００によれば、第１固定部及び第２固定部を第１磁石４５及び第２磁石４６で構成することにより、電源を用いる必要がなく簡単な構成で第１磁石４５及び第２磁石４６が互いに近づく吸引力を発生させることができる。

なお、上述した吸引力は、演奏時に作用するプランジャ３１と白鍵１０及び黒鍵１１とを離す力である離鍵力の最大値が加わっても第１電極４１及び第２電極４２、第１磁石４５及び第２磁石４６とが離れないような値に設定されている。上記離鍵力は、白鍵１０及び黒鍵１１を強打して、白鍵１０及び黒鍵１１が押し切り状態となりストッパに当たったときに最大になる。このとき使用する電磁ソレノイド３０のプランジャ３１の質量ｍを２５ｇ、強打してストッパに当たったときの白鍵１０及び黒鍵１１の最大加速度ａを２０Ｇとすると、上記離鍵力の最大値ｆｍａｘは下記の式（１）に示すようになる。
ｆｍａｘ＝ｍ×ａ＝０．０２５×２０×９．８＝４．９Ｎ …（１）
よって、吸引力は、４．９Ｎ以上あればよい。

次に、第１実施形態において、吸引力５Ｎ（≒４．９Ｎ）が得られる第１電極４１及び第２電極４２に印加する電圧を求める。第１電極４１及び第２電極４２の面積Ｓ、第１電極４１及び第２電極４２間の距離Ｘ、印加電圧Ｖ、第１電極４１及び第２電極４２間の物質の比誘電率をεｒ、真空の比誘電率をε０としたとき、第１電極４１及び第２電極４２にかかる静電引力Ｆは下記の式（２）で表される。
Ｆ＝（ε０×εｒ×Ｖ^２×Ｓ）／（２×Ｘ^２） …（２）
よって、Ｓ＝１０ｍｍ×２５ｍｍ、隙間制御用微粒子４３の直径であるＸ＝１０μｍ、εｒ＝８．８３×１０^−１２、ε０＝３としたとき、静電引力Ｆは下記の式（３）で表される。
Ｆ＝（３×８．８５×１０^−１２×１０×１０^−３×２５×１０^−３×Ｖ^２）／（２×１０^−５×１０^−５）
＝３３．２×１０^−６×Ｖ^２ …（３）
吸引力５（≒４．９）を得る電圧Ｖは、下記の式（４）となる。
Ｖ＝√（５／３３．２）×１０^３≒３８８Ｖ
よって、第１電極４１及び第２電極４２間に約４００Ｖの電圧を印加すればよい。

次に、第２実施形態において、吸引力４．９Ｎが得られる第１磁石４５及び第２磁石４６について求める。第１磁石４５及び第２磁石４６の磁束密度をＢ、第１磁石４５、第２磁石４６の面積をＳ、真空の透磁率をｕ０とすると、２つの第１磁石４５及び第２磁石４６間に働く力Ｆは下記の式（５）で表される。
Ｆ＝（Ｂ^２×Ｓ）／（２×ｕ０） …（５）
図５に示すような角柱状磁石（ａ×ｂ×Ｌｍ）から距離ｌだけ離れた位置での磁束密度Ｂの計算方法は、下記の式（６）で表される。

安価なフェライトで想定した場合、残留磁束密度Ｂｒ＝５００ｍＴ、ａ＝１０ｍｍ、ｂ＝２５ｍｍ、Ｌｍ＝１０ｍｍ、ｌ＝１０μｍ（隙間制御用微粒子４３の直径）の場合、Ｂ＝２２１ｍＴとなる。従って、このような寸法、磁束密度の磁石を第１磁石４５及び第２磁石４６を用いれば、下記の式（７）で示すように４．９Ｎの磁気吸引力が得られる。
Ｆ＝（０．２２１×０．２２１×２５×１０^−４）／（２×１．２５×１０×^−６）
＝４．９（Ｎ） …（７）

なお、上述した第１実施形態では、第１電極４１及び第２電極４２を平板状に形成していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば図６に示すように、第１電極４１に第２電極４２の縁部を囲むように第２電極４２側に向かって突出する隙間制御用微粒子４３の落下を防止する落下防止用凸部６０を設けることも考えられる。なお、この落下防止用凸部６０と第２電極４２の前後方向の縁部との間には少なくとも押鍵時の第１電極４１に対する第２電極４２の移動分だけの隙間Ｇ２を設ける必要がある。このように落下防止用凸部６０を設けることにより、第１電極４１及び第２電極４２に対する電圧印加を停止して静電吸引力が働かなくなっても、第１電極４１及び第２電極４２の隙間Ｇ１から隙間制御用微粒子４３が落下することがない。

なお、図６に示すように落下防止用凸部６０は、第１電極４１及び第２電極４２のうち鉛直下側に配置された第１電極４１に設けるのが最適であるが、第２電極４２側に落下防止用凸部６０を設けるようにしてもよい。即ち、第１電極４１及び第２電極４２の何れか一方に他方の縁部を囲むように他方側に向かって突出する隙間制御用微粒子４３の落下を防止する落下防止用凸部６０を設ければよい。また、第１磁石４５及び第２磁石４６の何れか一方に落下防止用凸部６０を設けてもよい。

また、上述した第１実施形態では、プランジャ３１は、支点Ｃ１より後側の白鍵１０及び黒鍵１１の上面に接合していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、プランジャ３１が、支点Ｃ１より後側の白鍵１０及び黒鍵１１の下面に接合するようにしてもよい。また、図７に示すように、プランジャ３１が、支点Ｃ１より前側の白鍵１０及び黒鍵１１の下面に接合するようにしてもよいし、支点Ｃ１より前側の白鍵１０及び黒鍵１１の上面に接合するようにしてもよい。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の鍵盤装置の一実施形態を示す概略断面図である。第１実施形態における図１に示す接合部の初期位置における拡大図である。図１に示す接合部の押鍵時における拡大図である。第２実施形態における図１に示す接合部の初期位置における拡大図である。図４に示す第１磁石及び第２磁石の斜視図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、他の実施形態における第１磁石、第２磁石、第１電極、第２電極を示す斜視図及びＩ−Ｉ線断面図である。他の実施形態における本発明の鍵盤装置の概略断面図である。

符号の説明

１０…白鍵（鍵）、１１…黒鍵（鍵）、３０…電磁ソレノイド（駆動手段）、３１…プランジャ（可動子）、３２…駆動部、４０…接合部、４１…第１電極（第１固定部）、４２…第２電極（第２固定部）、４３…隙間制御用微粒子、４５…第１磁石（第１固定部）、４６…第２磁石（第２固定部）、Ｅ…電源、Ｃ１…支点、Ｇ１…隙間

Claims

支点を中心に回動する鍵と、前記鍵に接合された可動子、及び、前記可動子を上下双方向に直線運動させて前記鍵に外力を加える駆動部、から構成された駆動手段と、前記鍵及び前記可動子の接合部と、を有する鍵盤装置において、
前記接合部が、前記鍵に固定された板状の第１固定部と、前記可動子に固定された板状の第２固定部と、前記第１固定部及び前記第２固定部間の隙間に充填された複数の球状の隙間制御用微粒子と、を有していて、そして、
前記第１固定部及び前記第２固定部に互いに近づく吸引力が働いている
ことを特徴とする鍵盤装置。
前記第１固定部及び前記第２固定部が各々、導電部材から構成されていて、
前記第１固定部及び前記第２固定部間に電圧を印加する電源を有していて、そして、
前記第１固定部及び前記第２固定部間に働く吸引力が、前記電源により電圧を印加することにより発生する静電引力であることを特徴とする請求項１に記載の鍵盤装置。
前記第１固定部及び前記第２固定部が、互いに近づく磁力が発生するように着磁された磁石から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の鍵盤装置。