JP5056338B2

JP5056338B2 - 鍵盤装置

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Publication number: JP5056338B2
Application number: JP2007271020A
Authority: JP
Inventors: 昭彦小松
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2027-10-18
Also published as: JP2009098483A

Description

本発明は、電子ピアノや電子オルガンあるいは鍵盤型シンセサイザなどの電子鍵盤楽器の鍵盤装置に係わり、特に、鍵を押下した指の位置と接触面積に応じて、押鍵時の鍵の力覚を制御する力覚制御、楽音の音色、音量、効果などを制御する楽音制御に適した鍵盤装置に関する。

従来、アコースティックピアノの鍵のタッチ感に近づけるために、ばねやおもりを用いた簡易アクション機構を採用した電子ピアノが知られている。一方、簡易アクション機構を設けることなく、鍵が押される速度や力を検出し、アクチュエータを用いて鍵下から鍵に外力を付与することにより、アコースティックピアノの鍵のタッチ感を再現する技術が知られている（例えば、特許文献１）。この特許文献１には、タッチ感を実現する制御機構の一例として圧力センサを用いたものが開示されている。すなわち、鍵上面に設けた上部材と下部部材の間に感圧ゴムを挟み込んで圧力センサを構成し、この圧力センサからの力信号によりアクチュエータの発生すべき力を演算するようにしている。

また、鍵のタッチ感は、鍵長手方向の押下位置（指接触位置）によっても異なるものであり、この鍵長手方向の押下位置を検出してタッチ感の制御等に利用するのも有用である。なお、この鍵長手方向の押下位置（接触位置）を検出する技術として、鍵上面に抵抗式のセンサを設けるようにしたものがある（例えば、特許文献２）。この特許文献２のものは楽音制御に関する技術であるが、その位置検出センサは、鍵の表面に鍵長手方向に沿って２つの抵抗体を設けるとともに、その上にスペーサを介して導電性フィルムを設けるようにしている。そして、抵抗体の端部の端子から信号を取り出すことにより、導電性フィルムと抵抗体を介した抵抗値から鍵長手方向における指の接触位置を検出するようにしている。
特公平７−１１１６３１号公報実公平７−３４４６８号公報

特許文献１における圧力センサによれば、鍵の表面に感圧ゴムを配設しているので、ゴムの弾性により押鍵時に鍵表面がわずかに変位することになり、タッチ感上問題がある。また、特許文献２の位置検出センサでは、単なる導電体ではない抵抗体が必要であり、上部電極と下部抵抗体を浮かせるスペーサーが必要であり、このスペーサーをつかって上部電極と下部抵抗体間に一定スペースを保つという組立てが必要となり、鍵の上面に複雑な構造を要する。特に黒鍵のように側面と上面との間が曲面となるような３次元的な物体への組立てが非常に複雑となる。また、押鍵時に上記スペース分だけ鍵表面が変位するので、タッチ感上問題がある。さらに、この特許文献２のものでは、押鍵時の圧力相当の接触面積を検出することができない。

本発明は、押鍵時の鍵表面のタッチ感を損なうことなく、構造が簡単で押鍵時の指の接触面積と接触位置とを検出できるようにし、押鍵時の鍵の力覚制御や、楽音制御に好適な鍵盤装置を提供することを課題とする。

請求項１の鍵盤装置は、鍵に対して、鍵長手方向に複数の櫛歯が連なる櫛型電極の対からなるペア電極と、その上の絶縁層とからなる鍵表面部を設けるようにした。また、ペア電極は、鍵先端部から鍵基端部に向かうに従い、一方の櫛型電極の櫛歯の櫛幅が増加し、他方の櫛型電極の櫛歯の櫛幅が減少するように形成した。そして、一対の櫛型電極に交流電圧源により電圧を印加し、鍵を押下した指と櫛型電極とで構成されるキャパシターに掛かる電圧から、鍵に対する指の接触位置及び指の接触面積を算出するようにした。

請求項２の鍵盤装置は、請求項１において、櫛歯の中心線の鍵長手方向のピッチを一定、一方の櫛型電極の櫛歯の櫛幅の増加量と、他方の櫛型電極の櫛歯の櫛幅の減少量とを、互いに一定同量とした。この場合、指の接触面積一定とした場合、指の接触位置と、指の一方（または他方）の櫛型電極に対する対向面積とは線形関係になる。

請求項３の鍵盤装置は、請求項１または２において、鍵の押下にてオンオフされる鍵スイッチ部を有し、キャパシターに掛かる電圧を、鍵スイッチ部のオンタイミングでモニタするようにした。

なお、櫛型電極は４つ以上であってもよい。すなわちペア電極は複数対であってもよい。

請求項１の鍵盤装置によれば、鍵の上にペア電極と絶縁層とからなる鍵表面部を設けるだけという簡単な構造となるとともに、鍵表面部は、鍵本体（表面部より下の部分）に対して鍵の押下方向に変位させる必要がないので平坦で剛性の高いものとすることができ、鍵のタッチ感を損なうことがない。また、鍵を押下した指の接触位置と接触面積を算出するので、鍵を押下した位置と、押圧力に対応する接触面積との両方によって、鍵の力覚を制御したり、楽音の音色、音量、効果などを制御することができる。

請求項２の鍵盤装置によれば、接触位置と櫛型電極に対する対向面積とが線形関係になるので、計算が簡単になる。また、上記線形関係から鍵長手方向の変位量に対する上記対向面積の変化量が略一定となるので、極接触位置の検出精度が接触位置にかかわらず略一定となる。

請求項３の鍵盤装置によれば、確実に鍵盤に指が接している場合に接触位置と接触面積を検出することができるとともに、処理が簡単になる。特に、音色、音量、効果など楽音を制御する場合に適している。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は実施形態の鍵盤装置を適用した電子楽器の要部基本構成図である。この電子楽器は、実施形態の鍵盤装置１００、各種のパラメータを入力する入力部３０、楽音の発生を制御する楽音制御部４０、楽音信号を発生する音源５０、楽音信号に効果を付与する効果制御部６０、楽音を発生するサウンドシステム７０を備えている。

鍵盤装置１００は、鍵並び方向に併設された複数の白鍵１０Ｗ，１０Ｗ，…と黒鍵１０Ｂ，１０Ｂ，…を備えており、各白鍵１０Ｗ及び黒鍵１０Ｂは鍵基端部１０Ｅにおいて鍵支持部２０ａに回動自在に支持されている。なお、以下の説明で白鍵と黒鍵を区別しないときは「鍵１０」として説明する。鍵フレーム２０上には、各鍵１０の各々の押鍵及び離鍵時にオンオフする鍵スイッチ部３と、各鍵１０の各々に対して外力（押鍵力に対する反力または引込み力）を付与するアクチュエータ４とが配設されている。また、鍵盤装置１００は、鍵盤制御部５、交流電圧電源６及び検出回路７を備えている。なお、後述説明するように、交流電圧電源６は、鍵１０のペア電極１に交流電圧を印加し、検出回路７はペア電極１から鍵１０と指Ｆの接触面積及び接触位置に関する電圧を検出するものである。

鍵スイッチ部３は、弾性部材で形成された可動接点部材３ａと基板等からなる固定接点部材３ｃとからなる。可動接点部材３ａには第１可動接点ＳＷ１と、第２可動接点ＳＷ２とをその内側に有し、これらの可動接点ＳＷ１，ＳＷ２は対向する固定接点部３ｂとともに、メークスイッチを構成している。すなわち、可動接点ＳＷ１，ＳＷ２と対応する固定接点が接触／離間することにより、スイッチがＯＮ／ＯＦＦする。なお、第１可動接点ＳＷ１とその対向する固定接点部３ｂとを「第１スイッチＳＷ１」、第２可動接点ＳＷ２とその対向する固定接点部３ｂとを「第２スイッチＳＷ２」として説明する。鍵１０の押鍵時には、第１スイッチＳＷ１がＯＮとなり、次に第２スイッチＳＷ２がＯＮとなる。

アクチュエータ４は例えばソレノイドで構成されており、このアクチュエータ４は鍵盤制御部５から制御信号が入力される図示しない駆動回路により駆動される。そして、アクチュエータ４は、鍵盤制御部５から指示された駆動力により、上記の外力を鍵１０に付与する。

鍵盤制御部５は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備え、ＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、鍵盤装置１００の制御、楽音制御部４０との間でのデータの授受等を行う。すなわち、一般的なキースキャン回路の構成として、鍵盤制御部５は全部の鍵１０に対応する鍵スイッチ部３におけるＯＮ／ＯＦＦを監視しており、第２スイッチＳＷ２のＯＮによりキーオンを検出し、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２のＯＮの時間差により押鍵速度（ベロシティ）を検出し、楽音制御部４０に操作された鍵のキーオン／キーオフ信号及びベロシティデータを出力する。

また、鍵盤制御部５は、後述説明するように、検出回路７を介して鍵１０のペア電極１から電圧信号を入力し、鍵１０に対する指Ｆの接触面積及び接触位置の算出を行う。そして、後述の第１実施例では、これらの算出結果に基づいてアクチュエータ４を制御する。なお、このとき、入力部３０から入力されたパラメータに基づいて楽音制御部４０で発生する設定値に応じて、アクチュエータ４の駆動力を制御して、鍵の力覚制御を行う。また、後述の第２実施例では、楽音制御部４０に対して指の接触位置及び接触面積等のデータを出力し、楽音制御を行う。

入力部３０はパネルスイッチなどの各種操作子、鍵１０のタッチ感の選択を入力するためのダイヤル、及びその他のインターフェースで構成されている。そして、この入力部３０で設定された音色番号や、選択されたタッチ感に対応するパラメータが楽音制御部４０に入力される。

楽音制御部４０は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路で構成されており、鍵盤制御部５から入力されるデータに応じて楽音の制御を行う。具体的には、鍵盤制御部５からの検出信号に応じて、ノートコード、ノートオン／ノートオフ、ベロシティ等の楽音パラメータや効果制御パラメータ等の各種のデータを生成し、音源５０及び効果制御部６０に出力する。音源５０は楽音制御部４０から設定される楽音パラメータに基づいて楽音信号を発生し、効果制御部６０に出力する。また、効果制御部６０は楽音制御部４０で生成された効果制御パラメータに基づいて楽音信号に効果を付与してサウンドシステム７０に出力する。そして、サウンドシステム７０は楽音信号のＤ／Ａ変換や増幅等を行ってスピーカーで発音する。

（鍵及びペア電極の構成）以下の説明で、鍵盤装置１００に対して、演奏時の演奏者側を「手前」、その反対側を「奥」とし、さらに「左右方向」とは電子楽器の正立状態での演奏者側から見た左右方向（鍵並び方向）とする。鍵１０は、鍵本体１０ａと鍵表面部１０ｂとから構成されている。鍵表面部１０ｂは、鍵本体１０ａ上に配した後述のペア電極１と、該ペア電極１上に配したプラスチックフィルム等の絶縁層２とから構成されている。なお、図１においてペア電極１と絶縁層２（鍵表面部１０ｂ）は薄膜状であるが、その厚みは誇張して図示してある。

図２はペア電極１の配置領域の一実施例を示しており、ペア電極１の部分は網点で示している。この例では、ペア電極１は、白鍵１０Ｗにおいては鍵の先端から奥側の黒鍵１０Ｂの先端までの奥行き略４６ｍｍの長さで、白鍵１０Ｗの左右幅相当の２０ｍｍの範囲に形成されている。黒鍵１０Ｂにおいては鍵の先端から奥行き略４６ｍｍの範囲に形成されている。なお、ペア電極１は図１の例に示すように鍵１０の全長に形成してもよい。

図３は鍵１０におけるペア電極１の平面図であって一部拡大図（二点鎖線の部分）でもある。ペア電極１は、第１の櫛型電極１１と第２の櫛型電極１２とで構成されている。なお、この櫛型電極１１，１２は、絶縁性の薄膜基板上に導電性薄膜を形成してエッチング処理等により薄膜パターンとして形成したものである。第１の櫛型電極１１は、鍵並び方向を長手方向、鍵長手方向を短手方向とする櫛歯１１ａを複数有し、この複数の櫛歯１１ａは、鍵１０の左端に隣接して鍵長手方向に延びる共通ライン１１ｂと一体になって鍵長手方向に連なっている。第２の櫛型電極１２は、鍵並び方向を長手方向、鍵長手方向を短手方向とする櫛歯１２ａを複数有し、この複数の櫛歯１２ａは、鍵１０の右端に隣接して鍵長手方向に延びる共通ライン１２ｂと一体になって鍵長手方向に連なっている。また、櫛型電極１１，１２の各共通ライン１１ｂ，１２ｂの鍵基端部１０Ｅ側の端部は電極端子１１ｃ，１２ｃとなっている。

第１の櫛型電極１１は、鍵先端部１０Ｆ側から鍵基端部１０Ｅ側に向かうに従い、櫛歯１１ａの櫛幅Ｌ１（拡大図参照）が増加するように２０個の櫛歯１１ａを形成したものである。一方、第２の櫛型電極１２は、鍵先端部１０Ｆ側から鍵基端部１０Ｅ側に向かうに従い、櫛歯１２ａの櫛幅Ｌ２が減少するように２０個の櫛歯１２ａを形成したものである。また、櫛型電極１１と櫛型電極１２は、櫛歯１１ａ，１２ａが交互に入れ子になるように形成されている。そして、第１の櫛型電極１１と第２の櫛型電極１２の対向部分、すなわち、櫛歯１１ａの縁と櫛歯１２ａの縁との対向部分、櫛歯１１ａの縁と共通ライン１２ｂの縁との対向部分、櫛歯１２ａの縁と共通ライン１１ｂの縁との対向部分には、それぞれ一定幅ｗのギャップＧが形成されている。

この実施形態ではギャップＧの幅ｗは０．１ｍｍである。さらに、櫛歯１１ａ，１２ａの櫛幅Ｌ１，Ｌ２はギャップＧの幅ｗの整数倍であり、櫛歯１１ａの櫛幅Ｌ１は、鍵先端部１０Ｆ側から順にｗづつ増加して、ｗ，２ｗ，３ｗ，…，１９ｗ，２０ｗとなっている。また、櫛歯１２の櫛幅Ｌ２は、鍵先端部１０Ｆ側から順にｗづつ減少して、２０ｗ，１９ｗ，…，３ｗ，２ｗ，ｗとなっている。また、隣接する櫛歯１１ａ，１１ａの中心線ｃ１，ｃ１の間隔ｐ１、隣接する櫛歯１２ａ，１２ａの中心線ｃ２，ｃ２の間隔ｐ２は、それぞれ「櫛歯の中心線の鍵長手方向のピッチ」であり、上記の条件により、この実施形態では、ｐ１＝ｐ２＝２５．５ｗ（一定）となっている。

また、図４は櫛歯１１ａ，１２ａとギャップＧの幅ｗの関係を説明する図であり、実施形態の櫛型電極１１，１２は、さらに以下の条件となるように形成されている。櫛歯１１ａ，１２ａの櫛幅はそれぞれＬ１，Ｌ２であるが、櫛型電極１１における隣接する櫛歯１１ａ，１１ａの間隙の幅をＴ１とし、櫛型電極１２における隣接する櫛歯１２ａ，１２ａの間隙の幅をＴ２とする。そして、櫛型電極１１において、交互に並ぶＬ１，Ｔ１，…のうち、鍵１０の先端側のＬ１に対してそれに隣接する後端側のＴ１を採って一組とすると、この組となるＬ１とＴ１の合計の幅は各組共通に２３ｗ（ギャップＧの幅ｗの２３倍）となる。また、櫛型電極１２においては、鍵１０の先端側のＴ２と隣接する後端側のＬ２とを組とし、その組のＴ２とＬ２の合計の幅は各組共通に２３ｗとなる。この組の幅（２３ｗ）を「ペア幅」という。一方、ペア幅内にはギャップＧが二あるので、このペア幅の中の櫛歯１１ａ，１２ａによる実際の電極幅は２１ｗ（＝２３ｗ−２ｗ）となる。このペア幅２３ｗと実際の電極幅２１ｗにより後述の接触面積の補正係数が決まる。

図５は実施形態におけるペア電極１、交流電圧源６及び検出回路７の回路図である。櫛型電極１１の電極端子１１ｃ及び櫛型電極１２の電極端子１２ｃにはそれぞれ負荷抵抗６１，６１が直列に接続され、この負荷抵抗６１，６１の他端には正弦波電源６２が接続され、この正弦波電源６２の他端は接地されている。また、電極端子１１ｃと負荷抵抗６１との接続点には検波器ＤとローパスフィルタＬが直列に接続されている。同様に、電極端子１２ｃと負荷抵抗６１との接続点には検波器ＤとローパスフィルタＬが直列に接続されている。そして、各ローパスフィルタＬ，Ｌの出力端には他端を接地した分圧抵抗ｒ，ｒがそれぞれ接続され、このローパスフィルタＬと分圧抵抗ｒとの接続点は出力端子Ｏ１，Ｏ２にそれぞれ接続されている。負荷抵抗６１，６１及び正弦波電源６２は交流電圧源６を構成し、検波器Ｄ，Ｄ、ローパスフィルタＬ，Ｌ及び分圧抵抗ｒ，ｒは検出回路７を構成している。また、出力端子Ｏ１は第１の櫛型電極１１に対応する電圧信号の出力端子であり、出力端子Ｏ２は第２の櫛型電極１２に対応する電圧信号の出力端子である。

以上の構成により、正弦波電源６２から例えば２４０ＫＨｚで発信する交流電圧を出力し、負荷抵抗６１を介して櫛型電極１１，１２に交流電圧を印加する。そして、櫛型電極１１，１２の電圧を検波器Ｄ及びローパスフィルタＬを通して出力端子Ｏ１，Ｏ２から出力する。なお、ローパスフィルタＬのカットオフ周波数は１００Ｈｚ程度である。このとき、鍵盤１０の表面の前記絶縁層２に指Ｆを触れると、櫛型電極１１，１２と指Ｆはそれぞれ電荷を保持する電極と考えられ、櫛型電極１１，１２と指Ｆはそれぞれ「キャパシター」すなわちコンデンサを形成する。

図６は図５の櫛型電極１１または櫛型電極１２に対応する１つの系列の回路の等価回路図であり、キャパシター（コンデンサ）１−Ｆは、上記櫛型電極１１（または１２）と絶縁層２（鍵１０）に接触した指Ｆとで構成されるものである。電圧計で測定される電圧は出力端子Ｏ１（またはＯ２）から得られる電圧である。この場合のキャパシター１−ＦのキャパシタンスＣは一般に次式（１）で表される。

ここで、
Ｃ：キャパシタンス（Ｆ）
ｋ：電極間物質（絶縁層２）の比誘電率
ε₀：真空の誘電率（８．８５×１０^-12Ｆ／ｍ）／空気も同じとみなしてよい。
Ａ：電極の対向面積（ｍ²）
ｄ：電極間距離（ｍ）
である。

この場合の電極の対向面積Ａは櫛型電極１１（または１２）と指Ｆとの対向面積であり、キャパシタンスＣはこの櫛型電極１１（または１２）と指Ｆとの対向面積に比例する。また、正弦波電源６２のピーク電圧をＥとすると、出力端子Ｏ１，Ｏ２から得られる電圧Ｖは、Ｅの実効値電圧×（１−（抵抗６１のインピーダンス／ＲＣ回路の全体のインピーダンス））であり、後述具体例で説明するように、この電圧Ｖは櫛型電極１１，１２と指Ｆとの間のキャパシタンスＣに応じて変化する。したがって、両方の櫛型電極１１，１２のそれぞれにおけるキャパシターに掛かる電圧（測定電圧Ｖ）から、指Ｆと櫛型電極１１，１２とのそれぞれの対向面積Ｓ１，Ｓ２を求めることができる。また、指Ｆと絶縁層２との全接触面積Ｓは、ギャップＧを無視するとＳ１＋Ｓ２となる。したがって、第１の櫛型電極１１と第２の櫛型電極１２についてのそれぞれの測定電圧Ｖから、指Ｆと絶縁層２との全接触面積Ｓを求めることができる。

一方、片方の櫛型電極、例えば第１の櫛型電極１１は、鍵１０の先端側から鍵基端部１０Ｅ方向にかけて単位面積当たりの電極面積が大きくなっているので、絶縁層２への指Ｆの全接触面積Ｓを一定とすると、指Ｆと櫛型電極１１との対向面積Ｓ１は鍵１０の先端からの位置に比例する。また、接触位置を一定とすると、対向面積Ｓ１は全接触面積Ｓに略比例する。したがって、全接触面積Ｓと片方の対向面積Ｓ１から接触位置を求めることができる。以上の説明は、全接触面積と接触位置を求める原理的方法であるが、次に、この接触面積と接触位置を算出する具体例について説明する。

（具体例）平均的な大人の指の場合を想定して、全接触面積Ｓは１（ｃｍ）×２（ｃｍ）＝２×１０^-4（ｍ²）とする。絶縁層２をプラスチックで厚さが０．３ｍｍとすると、比誘電率ｋ＝４、ｄ＝３×１０^-4（ｍ）である。したがって、キャパシタンスＣ＝２４（ｐＦ）程度の値である。

出力電圧ＶとキャパシタンスＣの関係は次のとおりである。図６の等価回路において、正弦波電源６２の電圧を５Ｖ、印加する正弦波の周波数ｆ、直列抵抗６１を２２ＫΩとすると、正弦波電源６２の実効値電圧は５×（１／√２）≒３．５となるので、検出される出力電圧Ｖは次式（２）となる。

また、上式（２）の関係から、正弦波電源６２で印加する正弦波の周波数ｆに応じてキャパシタンスＣを変化させたときの出力電圧は図７のようになる。

（指位置検出方法）絶縁層２に対する指Ｆの接触領域のモデルを図８のように矩形であると仮定する。また、鍵１０の先端から鍵基端部１０Ｅに向かう方向をｘ方向、鍵１０の幅方向をｙ方向とし、ｘ方向においてａの位置が接触領域の中心（接触位置）であるとする。すなわち、指Ｆを絶縁層２に押しつけるにしたがい、ｘ方向には２ｂ、ｙ方向にはｂの幅で接触面積が広がるとする。

実施形態（図３）のように櫛型電極１１，１２の櫛歯１１ａ，１２ａの櫛幅Ｌ１，Ｌ２を変化させた場合、ペア電極１の全長が４６ｍｍ（正確には４５．９ｍｍ）であるから、位置ｘにおける櫛型電極１１，１２のそれぞれの電極の面積率（単位面積中の電極の面積の割合）をσ１（ｘ），σ２（ｘ）とすると、このσ１（ｘ），σ２（ｘ）は近似的に以下のようになる。
σ１（ｘ）＝ｘ×１／４６＝ｘ／４６（櫛型電極１１）
σ２（ｘ）＝−ｘ×１／４６＋１＝−ｘ／４６＋１（櫛型電極１２）

したがって、櫛型電極１１，１２にそれぞれ対応する対向面積Ｓ１，Ｓ２は、σ１（ｘ），σ２（ｘ）のａを中心にした−ｂ〜＋ｂ間での定積分を考慮して、ａ，ｂを使って次式（３），（４）のように表される。

上式を計算すると
Ｓ１＝１／２３×ａ×ｂ²…（５）
Ｓ２＝−１／２３×ａ×ｂ²＋２×ｂ²…（６）
となる。したがって、
Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２…（７）
を算出すれば、ｂの値が計算でき、ａ（ｍｍ）は、
ａ＝４６×Ｓ１／Ｓ…（８）
または
ａ＝４６×（１−Ｓ２／Ｓ）…（８′）
となり、指の接触位置ａが求まる。このように、ａとＳ１の関係及びａとＳ２の関係は線形になる。

一方、図７で求めたグラフの関係により、出力電圧Ｖから櫛型電極１１，１２にそれぞれ対応する対向面積Ｓ１，Ｓ２が計算できる。

（実際の指接触面積検出方法）絶縁層２に対する指Ｆの全接触面積ＳＡは、
ＳＡ＝（Ｓ１＋Ｓ２）×２３／２１…（９）
である。なお、係数（２３／２１）の値は、ペア電極１の全面積(櫛型電極の面積とギャップＧの面積の総和）と、櫛型電極１１，１２の面積の総和との比である。すなわち、絶縁層２に指Ｆが接触している場合、櫛型電極１１，１２との対向面積は、実際の全接触面積よりもギャップＧの面積の分だけ少ない。これは、前記図４について説明したペア幅２３ｗと実際の電極幅２１ｗの違いによる。そこで、この対向面積から全接触面積を求めるために上記の係数（２３／２１）で補正する。

（計算の具体例）周波数ｆは２４０ＫＨｚ、絶縁層２はプラスチックで厚さ＝０．３ｍｍ、櫛型電極１１，１２の電極パターンは実施形態（図３）のものを使用する。この場合、標準的な大人の指で実施形態の鍵１０のある位置を押したとき、第１の櫛型電極１１に係る測定電圧は２．６Ｖ、第２の櫛型電極１２に係る測定電圧は１．９として、それぞれ検出できた。図７のグラフから櫛型電極１１のキャパシタンスは８ｐＦであり、対向面積Ｓ１は６７ｍｍ²、櫛型電極１２のキャパシタンスは１６ｐＦであり、対向面積Ｓ２は１３３ｍｍ²となる。

したがって、Ｓ１＋Ｓ２＝２００、２ｂ²＝２００、ｂ＝１０、ａ＝１５．４ｍｍ、Ｓ＝（Ｓ１＋Ｓ２）×２３／２１＝２１９ｍｍ²となる。すなわち、指で押さえた位置は鍵盤先端部１０Ｆから１５．４ｍｍの位置であり、接触面積は２１９ｍｍ²である。

以上のように、出力電圧から図７のグラフの関係または前式（２）に基づいて、櫛型電極１１，１２に係るそれぞれのキャパシタンスが求まり、このキャパシタンスから前式（１）に基づいて各櫛型電極１１，１２に対する対向面積Ｓ１，Ｓ２が求まる。さらに、このＳ１，Ｓ２から前式（７），（８）または（８′），（９）に基づいて、全接触面積ＳＡと接触位置ａが求まる。

前記鍵盤制御部５には、図７のグラフの関係を示すテーブルまたは前式（２）に関する計算プログラム、前式（１），（５），（６），（７），（８）または（８′）に関する計算プログラムを記憶しており、この鍵盤制御部５は、出力端子Ｏ１，Ｏ２から得られる電圧値から上記全接触面積ＳＡと接触位置ａを求める。そして、この全接触面積と接触位置に基づいて以下の第１実施例及び第２実施例の制御を行う。

なお、以上の説明からわかるように、図７のグラフまたは式（１）の関係、式（２），（７），（８）または（８′），（９）の関係は、ペア電極１、絶縁層２、交流電圧電源６及び検出回路７の構成により決まるので、出力端子Ｏ１，Ｏ２から得られる各電圧値の組（セット）に対して、全接触面積ＳＡと接触位置ａの組（セット）も一意的に決まる。したがって、この全接触面積ＳＡと接触位置ａを求めるために、各電圧値の組を入力、全接触面積ＳＡと接触位置ａの組を出力とするテーブルを用いるようにしてもよい。

（制御の第１実施例）鍵盤制御部５は、例えば、櫛型電極１１，１２に対する対向面積Ｓ１，Ｓ２のうち、対向面積が大きい方の出力電圧を検出し、その検出値が所定レベル（例えば３．０Ｖ）を下回ったことを検知して、その検知時点から電圧のホールド値（例えば図７の場合１Ｖ）に達する時点まで、出力電圧を随時検出する。これにより、出力電圧の変化率を求めることができる。そして、この変化率の絶対値（以下、単に「変化率」という。）と接触位置に基づいてアクチュエータ４で鍵１０に与える外力を制御する。

すなわち、この電圧値の変化率が大きいほど押鍵速度が大きいことになる。この変化率に基づいて鍵盤制御部５が設定する外力の大きさを制御する。例えば、上記求めた変化率に応じた押鍵速度で指が鍵に衝突すると仮定すると、指の押鍵速度が大きいほど押鍵時の衝突の勢いが大きい。そこで、鍵盤制御部５は、上記変化率（押鍵速度）に応じて外力（この場合反力）の大きさを設定する。変化率が大きいほど（押鍵速度が速いほど）大きな外力（反力）を設定する。また、接触位置が鍵１０の先端に近いほど大きな外力を設定する。

なお、変化率の大きさと外力の大きさは線形な関係でもよいし、非線形な関係でもよい。また、鍵盤制御部５によって設定される外力の大きさは、鍵１０の種類や音高に応じて異なっていてもよい。例えば、黒鍵１０Ｂに付与する外力は隣接する白鍵１０Ｗに付与する外力より小さく設定してもよい。また、高音の鍵に付与する外力は低音の鍵に付与する外力より小さく設定してもよい。外力の大きさの設定は、音高毎に異なって設定してもよいし、例えばオクターブ単位で異なって設定してもよい。

また、演奏者に応じたタッチ感を実現するために、入力部３０から外力の度合いを示すパラメータを設定することができる。例えば、入力部３０は、タッチ感として「重い」から「軽い」までの何段階かの度合いを選択できるようなダイヤルや操作子を設け、子供が演奏者である場合は「軽い」を、大人が演奏者である場合は「重い」を選択できるようにする。このように外力の大きさを可変に設定できる構成を採用することにより、アコースティックピアノのタッチ感再現の微妙な調整を演奏者が実施することが可能である。

なお、上記の例では電圧値の変化率を求めるようにしたが、キャパシタンスＣの変化率でもよいし、全接触面積ＳＡの変化率でもよい。

（制御の第２実施例）楽音制御部４０は上記変化率に応じて楽音制御を行う。例えば、押鍵していって上記変化率が「ゼロ」となった時点、すなわちホールド値が検出できた時点でも、まだキーオン（第２スイッチＳＷがＯＮ）されることがない場合があり、その時にはキーオン時に上記変化率を加味したパラメータで楽音を制御することができる。すなわち、キーオン時に鍵スイッチ部３の第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２の接点時間差からベロシティが求められるが、このベロシティが同一でも異なる複数の状態がある。すなわち、同一ベロシティで変化率が異なる状態がある。このような場合、同一ベロシティでも変化率が大きい方を、そのキーオン時の楽音の音色の高調波を大きくするなどの制御を行う。

また、楽音制御部４０は接触位置に応じて楽音を制御する。例えば、接触位置が鍵先端部１０Ｆ側であるほど柔らかい音色とし、接触位置が鍵基端部１０Ｅ側になるほど、硬い音色とする。なお、この音色制御は、例えば効果制御部６０のローパスフィルタのカットオフ周波数を低周波数側に移動（柔らかい音色）したり、高周波数側（硬い音色）に移動すればよい。このローパスフィルタはデジタルフィルタでもアナログフィルタでもよい。

また、楽音制御部４０は、鍵１０の鍵表面部１０ｂをアフターコントロールセンサとして利用し、接触面積に応じて楽音を制御する。例えば、押鍵後の音量のコントロール、音色のコントロールを行うことができる。また、トレモロの深さを接触面積が大きくなるほど大きくしたり、トレモロの速さを接触面積が大きくなるほど速くするなど、トレモロのコントロールもできる。また、その他、ワウワウ効果、グライド効果、ピッチ（音高）などをコントロールすることもできる。また、これらの各種効果を接触位置に応じて制御してもよい。

また、楽音制御部４０は、接触面積に応じてイニシャルタッチの制御を行ってもよい。例えば、鍵スイッチ部３の接点時間差から求めたベロシティを、接触面積が大きいほど大きくすることもできる。これにより、イニシャルタッチのダイナミックレンジを増大することができる。

なお、図５に二点差線の吹き出し部に図示したように、ペア電極１と検出回路７との間に鍵スイッチ部３の第２スイッチＳＷのＯＮに同期してオンとなるスイッチ３１を設るようにしてもよい。この例は、接触位置及び接触面積の検出時期をキーオンの時としたものである。こにより、確実に指が鍵盤に接している場合に接触位置と接触面積を検出できる。すなわち、コンデンサモデルの場合、非接触でも電圧が発生する状況が発生するので、これを回避することができる。

以上の実施形態では、櫛型電極１１，１２の櫛歯１１ａと櫛歯１２ａとの間にギャップＧを設けているが、このギャップＧを無くした構造としてもよい。例えば図９に示すように、絶縁基板上に櫛歯１１ａ、絶縁スペーサ１３、櫛歯１２ａ及び絶縁層２を、この順番で形成する。このようにして、櫛歯１１ａと櫛歯１２ａの間に絶縁スペーサ１３を挟むようにし、櫛歯１１ａの縁１１ａ１と櫛歯１２ａの縁１２ａ１とを鍵長手方向において同一位置とする。図９では厚みを誇張して図示してあるが、この場合、櫛歯１１ａ，１２ａの厚みは例えば０．３ｍｍ、絶縁スペーサ１３の厚みは０．０５ｍｍのように薄膜層である。このように櫛歯１１ａ，１２ａの間にギャップを無くすと、全接触面積を求める時の前記のような補正を必要としない。

また、特にギャップＧが小さい場合には、指と鍵との接触面積は前記全接触面積ＳＡでなく、指とペア電極１（櫛型電極１１及び１２）との対向面積を接触面積と見なしてもよい。この場合には前記ギャップＧがある場合でも、当然に前記の補正は必要としない。

本発明の実施形態の鍵盤装置を適用した電子楽器の要部基本構成図である。実施形態の鍵盤装置におけるペア電極の配置領域の一実施例を示す図である。実施形態におけるペア電極の平面図及び一部拡大図である。実施形態における櫛歯とギャップの幅の関係を説明する図である。実施形態におけるペア電極、交流電圧源及び検出回路の回路図である。図５の櫛型電極に対応する１つの系列の回路の等価回路図である。櫛型電極に印加する正弦波の周波数に応じたキャパシタンスと出力電圧の関係を示す図である。実施形態における指の接触領域のモデルを示す図である。実施形態における櫛型電極間のギャップを無くした構造の一例を示す図である。

符号の説明

１…ペア電極、２…絶縁層、３…鍵スイッチ部、５…鍵盤制御部（算出手段）、６…交流電圧源、１０…鍵、１０ａ…鍵本体、１０ｂ…鍵表面部、１０Ｆ…鍵先端部、１０Ｅ…鍵基端部、１１，１２…櫛型電極、１１ａ，１２ａ…櫛歯、１００…鍵盤装置、Ｌ１，Ｌ２…櫛幅、１−Ｆ…キャパシター、Ｆ…指

Claims

長尺状の鍵を有する鍵盤装置において、
鍵本体上に配されるとともに鍵長手方向に複数の櫛歯が連なる櫛型電極の対からなるペア電極と、このペア電極の上に配した絶縁層とからなる鍵表面部と、
前記一対の櫛型電極に電圧を印加する交流電圧源と、
を備え、
前記ペア電極は、前記鍵の鍵先端部から鍵基端部に向かうに従い、一方の櫛型電極の櫛歯の櫛幅が増加し、他方の櫛型電極の櫛歯の櫛幅が減少するように形成してなり、
前記鍵を押下した指と前記櫛型電極とで構成されるキャパシターに掛かる電圧から、鍵に対する指の接触位置及び指の接触面積を算出する算出手段を設けたことを特徴とする鍵盤装置。
前記櫛歯の中心線の鍵長手方向のピッチが一定であり、前記一方の櫛型電極の櫛歯の櫛幅の増加量と、前記他方の櫛型電極の櫛歯の櫛幅の減少量とが、互いに一定同量であることを特徴とする請求項１に記載の鍵盤装置。
前記鍵の押下にてオンオフされる鍵スイッチ部を有し、前記キャパシターに掛かる電圧を、前記鍵スイッチ部のオンタイミングでモニタすることを特徴とする請求項１または２に記載の鍵盤装置。