JP5218088B2 - 力覚発生構造 - Google Patents

Description

本発明は、各種の電子装置の操作子の操作に対して力覚を付与するための力覚発生構造に関する。

従来、電子楽器、ミキサ装置、カメラ、医療用機器、車両、遠隔操作装置等、各種の電子装置において操作子が設けられる。例えば、電子楽器では鍵やペダル、ミキサ装置ではフェーダ、車両ではペダルが操作子である。そして、これら操作子の操作に対して抵抗力（反力）が付与されるように構成し、適当な操作感触（力覚）を発生させるようにした装置が知られている。

例えば、下記特許文献１の装置では、電子鍵盤楽器の操作子としての鍵に対して抵抗力が付与され、押鍵に対する適切な力覚が付与される力覚発生構造が採用されている。この装置では、ダッシュポットを採用し、適当な粘性を有する流体を充填したシリンダ内を、鍵の運動を伝達するピストンが可動するように構成される。そして、押鍵速度によってシリンダの弁の開度が変わるようにして、流体の粘性抵抗力が実質的に変化するように構成される。

特許３５５５１１５号公報

しかしながら、上記特許文献１の装置では、ピストンとシリンダとは円滑に摺動させる必要があるため、製造許容誤差が小さく、グリスを塗る必要もあることから、構成が複雑になりがちである。また、ピストンとシリンダとが常に摺動するため、耐久性もあまり高くなく、安定した力覚を長期に亘って維持することは困難である。さらに、電子楽器やミキサ等に利用する場合には、力覚発生時において発生する騒音・ノイズが問題となる場合もある。

本発明は上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、磁気を利用した簡単な抵抗発生構造により、変位体の変位に対して力覚を生じさせると共に、安定した力覚を長期間維持することができる力覚発生構造を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の請求項１の力覚発生構造は、収容ケース（４２）と、前記収容ケース内に収容された粘性を有する流体（４４）と、前記収容ケース内に前記流体と共に自由状態に収容され、少なくとも一部分が磁性体でなる可動体（４３、４３−２）と、前記収容ケースの壁面（４２ａ、４２ｂ、４２ｃ）に対向する対向部（３５ａ、３６ａ、３３ａａ、３４ａａ、４６ｎ、４６ｓ）を有し、直接または操作子（１）を介した操作により、少なくとも前記対向部が前記収容ケースに対して相対的に変位し、前記対向部が前記収容ケースの前記壁面に沿って変位するように設けられた変位体（３２、４５）とを有し、前記可動体の前記少なくとも一部分及び前記変位体の前記対向部のいずれか少なくとも一方は磁石で構成されたことを特徴とする。

好ましくは、前記変位体は、その前記対向部が前記収容ケースの前記壁面に対して非接触で変位するように構成される（請求項２）。

好ましくは、前記変位体の前記対向部は電磁石で構成される（請求項３）。

好ましくは、前記可動体は球体である（請求項４）。

上記目的を達成するために本発明の請求項５の力覚発生構造は、固定部（２）と、対向部（６３ａａ、６４ａａ、３５ａ、３６ａ、３３ａａ、３４ａａ、４６ｎ、４６ｓ）を有し、直接または操作子（１）を介した操作により、少なくとも前記対向部が前記固定部に対して相対的に変位可能なように設けられた変位体（６２、３２、４５）と、少なくとも一部分が磁性体でなる可動体（７３、４３、４３−２）と、前記可動体が、前記変位体の前記対向部の変位方向と同じ方向に移動自在となるように、前記固定部に対する前記可動体の相対的な可動方向を規制する規制手段（７０、４２）と、前記可動体の前記磁性体でなる部分及び前記変位体の前記対向部のいずれか少なくとも一方は磁石で構成され、前記可動体と前記変位体の両者間に吸着力が発生するように両者が磁気結合状態とされ、前記変位体の前記対向部が前記可動体に対向している状態で、前記対向部が変位するとき、前記吸着力により前記対向部に前記可動体が追従して移動することで、前記可動体の慣性質量により前記変位体の変位に対して抵抗力が付与されるように構成されたことを特徴とする。

好ましくは、前記変位体の前記対向部と前記可動体とは、常に非接触状態である（請求項６）。

好ましくは、前記可動体と前記変位体との吸着力の強さを可変とする可変手段（３９）を有する（請求項７）。

好ましくは、前記変位体は、操作解除によって初期位置に自動復帰するように構成され、さらに、前記可動体と前記変位体との吸着力による付勢とは別に、前記初期位置に位置している前記変位体の前記対向部に前記可動体が対向するような初期対応位置に前記可動体を復帰させるように、前記可動体を付勢する可動体付勢手段（７４、７５）が設けられる（請求項８）。

好ましくは、少なくとも非操作状態において、前記変位体の前記対向部と前記可動体とは粘性剤を介して接する（請求項９）。

なお、上記括弧内の符号は例示である。

本発明の請求項１によれば、磁気を利用した簡単な抵抗発生構造により、変位体の変位に対して力覚を生じさせると共に、安定した力覚を長期間維持することができる。

請求項２によれば、収容ケースと変位体との摩擦による劣化を回避して耐久性を高めることができる。また、接触による騒音発生がなく静かであるので、電子楽器やミキサ等の音楽装置に好適である。

請求項３によれば、発生する力覚を電磁石の強さで可変にすることができる。

請求項４によれば、可動体の向きの制御が不要となり、構成を簡単にすると共に、発生する力覚を安定させることができる。

本発明の請求項５によれば、磁気を利用した簡単な抵抗発生構造により、変位体の変位に対して力覚を生じさせると共に、安定した力覚を長期間維持することができる。

請求項６によれば、可動体と変位体との摩擦による劣化を回避して耐久性を高めることができる。

請求項７によれば、発生する力覚を可変にすることができる。

請求項８によれば、押鍵操作により変位する変位体のように、初期位置が決まっている変位体の連続操作を円滑にすることができる。

請求項９によれば、粘性剤の粘度によって、変位体に対する可動体の追従のしやすさを調節でき、変位体に付与される抵抗の態様を適切なものにすることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る力覚発生構造が適用される鍵盤装置の構成を示す断面図である。 １つの力覚発生機構部の斜視図（図（ａ））、図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図（図（ｂ）、（ｃ））である。 本実施の形態における第１、第２変形例の力覚発生機構部の断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る力覚発生構造が適用される鍵盤装置における力覚発生機構部の構成を示す断面図（図（ａ））、同力覚発生機構部の斜め下方からみた斜視図（図（ｂ））である。 回転型の変位体に適用される１つの力覚発生機構部の水平断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る力覚発生構造が適用される鍵盤装置の構成を示す断面図である。この鍵盤装置１００は、電子鍵盤楽器に適用される。鍵盤装置１００は、多数の白鍵アセンブリと黒鍵アセンブリとが並列的に配列されて構成されるが、図１では、そのうちの１つの白鍵アセンブリに相当する部分が示されている。他の鍵に関する構成も同様である。以降、前後方向については、奏者側（図１の左側であって鍵１の先端側）を前側とし、左右方向については奏者を基準として呼称する。

鍵１は、その基端部１ｂが、鍵支持部材である鍵盤フレーム２の後端部に固設された円柱状の軸部材５に回動可能に嵌合されており、この軸部材５が鍵１の回動支点となっている。また、鍵盤フレーム２に設けられた円柱状の軸部材９に、クランク状に形成されたハンマ６の後端部６ｂが回動可能に嵌合されている。この軸部材９がハンマ６の回動支点となっている。このハンマ６の後端部６ｂと鍵１の基端部１ｂとの間に、板バネ７が係止されている。この板バネ７により、ハンマ６は軸部材９を回動支点として右旋方向に付勢されて復帰力が与えられている。

ハンマ６の基部には、アクチュエータ８が設けられ、両側部に鍵１の両側面下部に設けた凹部に係合する係合押圧部６ｃが設けられている。これにより、押鍵時に鍵１の下方への回動により鍵１によって係合押圧部６ｃが押し下げられ、ハンマ６は板バネ７の付勢力に抗して押鍵方向に回動されるようになる。すると、プリント基板３ｃ上に配設された鍵スイッチ３が、アクチュエータ８によって駆動される。また、ハンマ６は、板バネ７の付勢力によって係合押圧部６ｃを介して鍵１を常に右旋方向に付勢し、それによって、鍵１に復帰力が与えられている。

また、ハンマ６の動作を光学的に検出する不図示の光センサが各ハンマ６に対応して設けられる。この光センサによって鍵１の動作が間接的に検出され、その検出信号が、不図示の楽音発生機構における楽音制御に用いられる。

鍵盤フレーム２の前部の上には、力覚発生機構部３０が各ハンマ６に対応して配設される。力覚発生機構部３０の上部にある力伝達部３１が、ハンマ６の前端部６ａの下面に固着されている。

ところで、図１に示す、鍵１の前半部下面１ａに設けられる力伝達部３１Ｋと、鍵１の後半部下面１ｂに設けられるアクチュエータ８Ｋについては、後述する変形例において設けられる構成要素であり、本実施の形態では無視する。

図２（ａ）は、１つの力覚発生機構部３０の斜視図である。図２（ｂ）、（ｃ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図２（ｂ）、（ｃ）は正面視に相当する。図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ鍵１の初期位置に対応する非押鍵状態、鍵１の押鍵終了位置に対応する押鍵終了状態に対応している。

力覚発生機構部３０は、鍵盤フレーム２の上に固定された保持体４０と、保持体４０に対して相対的に変位可能な変位体３２とから構成される。変位体３２は、力伝達部３１と、力伝達部３１の下端から左右に二股に分岐した平板状の２つの側板３３、３４とから一体に構成され、力伝達部３１より下方の部分が正面視で下方に開口したコ字状となっている。変位体３２は磁性体でなり、ヨークとして機能する。側板３３の下端部３３ａと側板３４の下端部３４ａの相対向する内側面にそれぞれ永久磁石３５、３６が固設されている。

保持体４０において、支柱４１が鍵盤フレーム２の上に突設され、支柱４１の上端に収容ケース４２が固定される。収容ケース４２は、側板３３、３４間に配置される。収容ケース４２の左側外壁面４２ａ、右側外壁面４２ｂは、平坦面であって且つ前後及び鉛直方向に平行である。永久磁石３５、３６の対向面３５ａ、３６ａは、平坦面であって、左側外壁面４２ａ、右側外壁面４２ｂに対して平行に対向する。対向面３５ａ、３６ａと左側外壁面４２ａ、右側外壁面４２ｂとの間隙はごく僅かである。変位体３２は、ハンマ６に連動して上下動するが、永久磁石３５、３６が上限位置から下限位置まで平行に変位する全行程において、対向面３５ａ、３６ａと左側外壁面４２ａ、右側外壁面４２ｂとは常に近接した非接触状態となる。

収容ケース４２は磁性体でない錫やアルミニウム等の金属、あるいは樹脂やセラミック等の非金属で構成され、内部に粘性流体４４が満たされて密閉状態とされている。粘性流体４４は、粘性のある流体であり、液体に限られない。収容ケース４２内にはまた、粘性流体４４と共に可動体４３が自由状態で収容されている。可動体４３は、鉄等の磁性体で、球体に形成されてなる。可動体４３の直径は、収容ケース４２の左右方向の幅よりやや小さい。従って、収容ケース４２の左右の内側面によって、可動体４３の移動可能な方向は、実質的に前後及び上下に平行な方向に規制されている。

ところで、永久磁石３５、３６の極の配置については、互いに向き合う対向面３５ａ、３６ａが反対の極を有するように配置される。例えば、対向面３５ａにＮ極、対向面３６ａにＳ極が現れるように配置される。

かかる構成において、非押鍵状態の安定状態においては、図２（ｂ）に示すように、永久磁石３５、３６が収容ケース４２の上部に位置し、可動体４３は、永久磁石３５、３６の吸着力によって永久磁石３５、３６間に位置する。すなわち、永久磁石３５から可動体４３を通じて永久磁石３６に至り、さらに変位体３２を通じて永久磁石３５に戻る経路において磁気回路が形成される磁気結合状態となっている。従って、可動体４３は、粘性流体４４の中で浮いた状態となっている。なお、非押鍵状態において可動体４３が上方に位置しやすいようにする上では、可動体４３の比重は、粘性流体４４より小さい方が好ましい。しかし、本発明の構造において粘性流体４４の粘性により力覚を発生させる観点に限れば、可動体４３の比重は問わず、理論上、質量がゼロでもよい。

次に、非常に速い速度で押鍵する強押鍵と、強押鍵よりも遅い速度で押鍵する通常押鍵とに分けて説明する。押鍵操作によりハンマ６の前端部６ａに連動して変位体３２が下方に変位する。永久磁石３５、３６の各対向面３５ａ、３６ａが、収容ケース４２の左側外壁面４２ａ、右側外壁面４２ｂに沿って一定の間隙を保って非接触で変位する。

ここで通常押鍵であった場合は、可動体４３は、永久磁石３５、３６の吸着力によって永久磁石３５、３６と一緒に下降しようとする。その際、粘性流体４４の粘性が抵抗となり、可動体４３には変位動作に抗する反力がかかることになる。そして、磁気結合状態を維持しようと作用するため、可動体４３に加わる反力が永久磁石３５、３６、変位体３２、ハンマ６及び鍵１を通じて、奏者の指に伝わる。指に伝わる反力は、押鍵操作に対する力覚として把握される。

粘性流体４４の粘性係数をμ、可動体４３の変位速度をｖ、押鍵における加速度をａ、可動体４３の質量（慣性質量）をｍとする。粘性流体４４による抵抗力ｆは、ｆ＝ｍａ＋μｖという運動方程式で近似される。ここで、上記式には、ハンマ６による慣性力は含まれていない。また、実際には、粘性流体４４の粘性により、可動体４３が変位体３２に完全に追従して同じ速度で変位するわけでないので、上記式の通りとはならない。ただし、基本的には可動体４３が変位体３２に追従しようとして下降するので、通常押鍵の範囲では、抵抗力は押鍵強さが強いほど大きくなる。

従って、通常押鍵では、ハンマ６の慣性に加えて、粘性流体４４による抵抗力ｆが、押鍵態様に応じて鍵１にかかる。実際には、質量ｍが０でないので、上記式からもわかるように、質量ｍによる慣性力も抵抗力として加わることになるが、本発明では、粘性流体４４の粘性による抵抗力に主眼を置いている。抵抗力ｆがかかる結果、力覚としては、アコースティックピアノにおける通常鍵時の力覚に近似したものとなる。

押鍵終了状態から離鍵して、変位体３２が初期位置に戻る際、可動体４３もそれに追従して上昇して初期位置に復帰する。なお、可動体４３は、移動する際に回転し得るが、球体であるので、その回転動作が力覚に影響することはほとんどない。

一方、非押鍵状態において、押鍵速度がある速度を超えると、押鍵のごく初期には上記と同様に反力が発生するが、ごく初期を過ぎると、可動体４３が変位体３２に追従しきれず、磁気結合状態が破れて、可動体４３は置いて行かれ、変位体３２だけが下方に変位する状態となる。このような状況が、上記した強押鍵で生じるように、粘性係数μ、質量ｍ等の各種のパラメータが設定されている。可動体４３が変位体３２に追従しないと、反力は急に軽いものとなる。これは、アコースティックピアノにおいて、押鍵の初期段階で鍵とハンマとの連動が解かれてハンマが自由に回動していく状況に似ている。従って、いわゆる動的レットオフ感を擬似的に作り出すことができ、力覚は強押鍵時の力覚に近似したものとなる。

すなわち、押鍵感触としては、押鍵速度が遅い場合は、可動体４３が変位体３２に追従するので、グランドピアノにおけるハンマを動かすような重いタッチとなる一方、押鍵速度が速い場合は、追従しないので軽いタッチとなる。特に鍵盤楽器の鍵に適用しているので、押鍵速度が速い場合は、鍵１の変位が妨げられにくく、ダイナミックレンジを大きくとることができる。強押鍵でも疲れにくい。従って、強押鍵における脱進感があるタッチが実現されると共に、軽いピアノ鍵にすることができる。

ところで、可動体４３は球体であるので、上下に移動する際、収容ケース４２の内壁面との接触面積が小さく、摩擦が少ない。そのため、力覚が安定すると共に、摩擦による劣化も少ない。ところで、力覚を発生させることに限れば、可動体４３の形状は問わず、多面体でもよいし、収容ケース４２の内部の前後幅とほぼ同じ厚みを有する円盤状としてもよい。しかし、仮に多面体とすると、可動体４３の向きによって抵抗力が変化し、安定した力覚を維持するのが困難である。その点、可動体４３を球体や円盤状とすれば、向きの制御が不要で構成が簡単となり、発生する力覚の安定化に繋がる。

本実施の形態によれば、磁気を利用した簡単な抵抗発生構造により、変位体である変位体３２の変位に対して力覚を生じさせることができる。また、押鍵の態様に応じた反力が発生するので、自然な力覚を実現することができる。しかも、力覚発生機構部３０においては、ピストンとシリンダのように、構成要素同士が強く摺接するような箇所がないので、機械的な劣化が少なく、安定した力覚を長期間維持することができる。また、ピストンとシリンダとの関係に比べれば、製造許容誤差が大きく、グリスを塗る必要もないので、構成が簡単である。また、小型でもある。さらには、粘性流体４４は密閉して収容されるので、品質劣化がしにくく、一定の力覚が一層長期間維持される。

また、永久磁石３５、３６が、収容ケース４２に対して非接触で変位するので、両者間の摩擦による劣化を回避して耐久性を高めることができる。また、接触による騒音・ノイズの発生がないので、電子楽器やミキサ等の音楽装置に好適である。

ところで、所望の力覚を実現する上で、力覚に影響するパラメータを適切なものに設定すればよい。これらのパラメータとしては、上記した粘性係数μ、質量ｍの他に、可動体４３の直径、形状や収容ケース４２の前後、左右の内側面の幅、永久磁石３５、３６と収容ケース４２との間隙寸法等が挙げられる。なお、摩擦による劣化抑制の効果を望まない場合は、永久磁石３５、３６は、収容ケース４２に摺接するように構成してもよい。

図３（ａ）、（ｂ）は、本実施の形態における第１、第２変形例の力覚発生機構部の断面図である。図３（ａ）に示す第１変形例では、変位体３２と可動体の構成が図２に示す構成と異なり、その他は同様である。すなわち、変位体３２において、永久磁石３５、３６は設けられておらず、収容ケース４２の左側外壁面４２ａ、右側外壁面４２ｂには、側板３３の下端部３３ａの対向面３３ａａと側板３４の下端部３４ａの対向面３４ａａがそれぞれ近接対向している。対向面３３ａａ、３４ａａと外壁面４２ａ、４２ｂとの位置関係や間隙は、図２に示した永久磁石３５、３６の各対向面３５ａ、３６ａと外壁面４２ａ、４２ｂとの関係と同様である。

また、可動体については、可動体４３に代えて磁石でなる可動体４３−２が採用される。可動体４３−２においては、Ｎ極とＳ極とが球体中心を挟んで反端側に形成されている。

かかる構成において、変位体３２は磁性体でなるので、非押鍵状態における安定状態においては、可動体４３−２は、Ｎ極またはＳ極のいずれか一方を対向面３３ａａの側に向けると共に、他方を対向面３４ａａの側に向けた姿勢となる。どちらを向くかは問題でない。この構成でも、磁気結合状態が成立するので、押離鍵時の可動体４３−２の動作や反力発生の態様は図２に示した例と同様のものとなる。

図３（ｂ）に示す第２変形例については、変位体３２を電磁石で構成した点が図２の例と異なり、その他の構成は同様である。すなわち、変位体３２における吸着力の強さを調節する可変手段３９が設けられる。側板３３、３４にはそれぞれ電磁コイル３７が巻回されている。可変手段３９において、可変抵抗３８によって電流の強さを調節でき、各下端部３３ａ、３４ａ間の磁束密度を可変にできる。

この第２変形例では、磁力を一定にするならば、上記した図２や第１変形例（図３（ａ））と同様の作用効果を奏する。しかしそれだけでなく、磁力を可変にすることで、押鍵反力の強さを所望に設定でき、力覚を変えることができる。さらには、押離鍵行程において押鍵深さに応じた磁力の制御を行うようにすれば、変化に富む多様な力覚制御も可能となる。

なお、図１〜図３に示した、変形例を含む本実施の形態においては、変位体３２または可動体４３（４３−２）の一方を磁石で構成したが、双方を磁石で構成してもよい。また、可動体４３（４３−２）には、磁性体でない部分が含まれていてもよい。

なお、本実施の形態では、変位体３２をハンマ６に連結する構成を例示したが、ハンマ６に代えて鍵１に連結してもよく、ハンマを備えない鍵盤装置にも本発明を適用可能である。その場合、図１に仮想線で示したように、力覚発生機構部３０において力伝達部３１に代えて力伝達部３１Ｋを設け、この力伝達部３１Ｋを鍵１の前半部下面１ａに垂設する。また、鍵１の後半部下面１ｂにアクチュエータ８Ｋを垂設し、アクチュエータ８Ｋでスイッチ３を駆動するようにする。板バネ７の前端は、軸部材９に相当する位置に設けられる係止部に係止され、鍵１が非押鍵方向に常に付勢される。

なお、本実施の形態において、可動体４３（４３−２）を、非押鍵状態に対応する初期位置に復帰させる復帰手段を設けてもよい。例えば、収容ケース４２の天井面と底面とにスプリングを設け、両スプリングを可動体４３（４３−２）に連結する。これらのスプリングの強さは、押鍵反力にあまり反映されない程度に弱いものとするのが望ましい。

なお、本実施の形態において、粘性流体４４には、粉体の集合や粒体の集合も含まれるものとする。粉体や粒体であっても、粉の種類や粒径を適切に設定すれば、上記実施の形態に類似する作用を生じさせることができる。

ところで、変位体３２及び／又は可動体４３（４３−２）を磁性体で構成する場合は、それら自身は必然的に質量を有するものとなる。この場合、可動体４３（４３−２）の質量ｍによる慣性力を積極的に押鍵への力覚付与に利用するようにしてもよい。そのようにすれば、ハンマ６の質量を小さくすることができる。これにより、慣性による力覚発生を実現する鍵盤装置をコンパクトで軽いものにすることができる。

（第２の実施の形態）
図４（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る力覚発生構造が適用される鍵盤装置における力覚発生機構部の構成を示す断面図であり、側面視に相当する非押鍵状態を示している。図４（ｂ）は、同力覚発生機構部の斜め下方からみた斜視図である。

本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態に比し、力覚発生機構部の構成が異なり、力覚発生機構部３０に代えて力覚発生機構部６０を採用する。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、力覚発生機構部６０は、変位体６２、ガイド体７０及び可動体７３で構成される。変位体６２の上部の力伝達部６１には、連結部６１ａが一体に突設形成され、連結部６１ａに、鍵１のアクチュエータ１ｃが連結されている。連結部６１ａとアクチュエータ１ｃとの連結態様は、両者の前後方向の相対的変位を許容すると共に、左右方向に沿った軸を中心とした相対的な回動を許容する構成とする。すなわち、回動支点（図１の軸部材５）を中心に揺動する鍵１のアクチュエータ１ｃと、鉛直方向にのみ変位する変位体６２とが、常時係合するように構成される。この構成は、例えば、変位体６２に溝を設けると共に、この溝に嵌合する突起部をアクチュエータ１ｃに設けて両者を係合させる嵌着機構として実現される。

本実施の形態では、力覚発生機構部６０が鍵１によって駆動される構成を例示するが、第１の実施の形態と同様に、ハンマ付きの鍵盤装置に適用する場合は、ハンマに対して力覚発生機構部６０を連結すればよい。

変位体６２は永久磁石でなる。変位体６２は、前後において下方に延設された側板６３、６４を有し、側面視で略コ字状となっている。側板６３、６４の各下端部６３ａ、６４ａの互いに向き合う面が、対向面６３ａａ、６４ａａとなっている。そして、対向面６３ａａ、６４ａａにそれぞれＮ極、Ｓ極（この反対でもよい）の極性が現れるように、変位体６２の全体が磁石で構成されている。

ガイド体７０は、磁性体でない素材にて一体に形成され、鉛直な棒状部分７０ａの途中に鍔部７１、７２が形成されてなる。ガイド体７０の棒状部分７０ａの下端部は、鍵盤フレーム２に圧入接着等で固定され、棒状部分７０ａが真っ直ぐ鉛直方向に立設状態となっている。変位体６２の力伝達部６１には、上下方向に沿った穴６１ｂが形成されており、ガイド体７０の棒状部分７０ａの上端部が穴６１ｂ内に挿入されている。これにより、棒状部分７０ａに対して変位体６２が上下方向に摺動自在になっている。

ガイド体７０の鍔部７１、７２間には、可動体７３が介装される。可動体７３の穴７３ｃを、ガイド体７０の棒状部分７０ａが上下方向に貫通し、可動体７３が棒状部分７０ａに対して上下方向に摺動自在になっている。従って、ガイド体７０の棒状部分７０ａは、変位体６２と可動体７３とを各々上下方向にのみ変位可能なように相対的な可動方向を規制するガイド機能を果たす。

ガイド体７０の棒状部分７０ａは丸棒であるが、可動体７３が棒状部分７０ａを中心に自由に回転するのを避けるために、棒状部分７０ａと穴７３ｃとの関係において、溝と突条との嵌合関係が設けられている（図示せず）。あるいは、棒状部分７０ａ及び可動体７３の穴７３ｃの断面形状を、矩形等の、回転を規制できるような形状としてもよい。

鍔部７１と可動体７３との間、可動体７３と鍔部７２との間には、それぞれコイルスプリング７４、７５が介装されている。仮に磁力を受けない自由状態であるとすると、コイルスプリング７４、７５の付勢力によって、可動体７３は、重力に抗して図４（ａ）に示す初期位置で安定するようになっている。可動体７３の穴７３ｃには、グリスが塗布されている。鍔部７２の周縁は上方に突出して鍔部７２全体が皿状になっており、上記グリスのこぼれが抑制される。

可動体７３は、鉄等の磁性体により直方体形状に形成される。可動体７３の前後の面が、側板６３、６４の各対向面６３ａａ、６４ａａに対向する外面７３ａ、７３ｂとなっている。対向面６３ａａ、６４ａａと外面７３ａ、７３ｂとは、いずれも左右及び鉛直方向に平行で、それぞれ近接した非接触状態となっている。変位体６２または可動体７３が上下に変位しても、対向面６３ａａ、６４ａａと外面７３ａ、７３ｂとの間隙は一定である。このような非接触構造により、摩擦による劣化を回避して耐久性を高めることができる。

なお、対向面６３ａａ、６４ａａと外面７３ａ、７３ｂとは、磁力による吸着力を効率よく大きくするために平坦面としたが、これらの形状は平坦面に限るものではない。特に、可動体７３における外面７３ａ、７３ｂ以外の部分の外郭形状は任意であり、全体形状は直方体に限られない。

かかる構成において、非押鍵状態における安定状態においては、可動体７３は、その外面７３ａ、７３ｂが変位体６２の対向面６３ａａ、６４ａａと正対する位置で静止していて、両者間に、主に水平方向における吸着力が発生している。すなわち、変位体６２において側板６３の対向面６３ａａから力伝達部６１を通じて側板６４に至り、さらに側板６４の対向面６４ａａから可動体７３を通じて、側板６３の対向面６３ａａ戻る経路において磁気回路が形成される磁気結合状態となっている。

本実施の形態では、第１の実施の形態における粘性流体４４による抵抗力は発生せず、専ら、可動体７３の質量ｍに応じた慣性によって抵抗力を得る。

押鍵操作により鍵１に連動して変位体６２が下方に変位する。ここで通常押鍵であった場合は、可動体７３は、対向面６３ａａ、６４ａａからの吸着力によって変位体６２と一緒に下降する。その際、可動体７３の慣性が変位体６２に作用し、操作に対する反力となって鍵１にかかる。奏者の指に伝わる反力は、押鍵操作に対する力覚として把握される。慣性力がかかる結果、力覚としては、アコースティックピアノにおける通常鍵時の力覚に近似したものとなる。

押鍵終了状態から離鍵すると、鍵１は、自動復帰する。変位体６２が鍵１に連動して初期位置に戻る際、可動体７３もそれに追従して上昇して初期位置に復帰する。

一方、非押鍵状態において、押鍵速度がある速度を超えると、押鍵のごく初期には上記と同様に反力が発生するが、ごく初期を過ぎると、可動体７３が変位体６２に追従しきれず、磁気結合状態が破れて、可動体７３は置いて行かれ、変位体６２だけが下方に変位する状態となる。このような状況が、上記した強押鍵で生じるように、質量ｍ、変位体６２の磁力の強さ等の各種のパラメータが設定されている。可動体７３が変位体６２に追従しないと、反力は急に軽いものとなる。従って、第１の実施の形態と同様に、力覚はアコースティックピアノにおける強押鍵時の力覚に近似したものとなる。

本実施の形態によれば、磁気を利用した簡単な抵抗発生構造により、変位体６２の変位に対して力覚を生じさせると共に、安定した力覚を長期間維持することに関し、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

また、コイルスプリング７４、７５の付勢力によって、初期位置に位置している変位体６２の対向面６３ａａ、６４ａａに可動体７３の外面７３ａ、７３ｂが対向するような初期対応位置に、可動体７３が復帰するので、同一の鍵１の連続操作を円滑にすることができる。コイルスプリング７４、７５のいずれか一方を廃止してもよい。

なお、対向面６３ａａ、６４ａａと外面７３ａ、７３ｂとの間には、適度な粘度を有する粘性剤を介在させるようにしてもよい。粘性剤の粘度によって、変位体６２に対する可動体７３の追従のしやすさを調節でき、変位体６２に付与される抵抗の態様を適切なものにすることができる。特に、粘性剤の粘度によって、変位体６２に可動体７３が追従しなくなるときの（強押鍵の範疇に属する）押鍵力の閾値を調節しやすい。さらには、粘性剤の粘度及び／又はコイルスプリング７４、７５の強さを適切に設定することにより、押離鍵時おける可動体７３の暴れ（オーバーシュ−ト振動）を抑制することができる。

ところで、本実施の形態においては、変位体６２を永久磁石で構成したが、図３（ｂ）で例示したのと同様に、可変手段３９を採用し、変位体６２を電磁石として構成してもよい。すなわち、変位体６２を磁性体で構成すると共に、側板６３、６４に電磁コイル３７を巻回し、可変抵抗３８によって電流の強さを調節できるようにする。これにより、力覚の可変に関し、図３（ｂ）に示す構成と同様の効果を奏することができる。

あるいは、変位体６２を単なる磁性体でなるヨークとして構成すると共に、可動体７３を永久磁石で構成してもよいし、両者を磁石で構成してもよい。変位体６２を磁石とする場合は、対向面６３ａａ、６４ａａに磁極が現れるようにすればよいので、図２（ａ）に示す構成と同様に、側板６３、６４の各下端部６３ａ、６４ａに磁石を固設してもよい。

なお、本実施の形態において、変位体６２と可動体７３とは、両者の可動方向が同じ方向の成分を含むように規制されればよく、すなわち、略同一方向に可動となればよい。従って、可動方向の規制手段はガイド体７０のような棒状のガイド機構に限られない。

なお、変位体６２の対向面６３ａａ、６４ａａと可動体７３の外面７３ａ、７３ｂとの間には、両者の吸着力を妨げ過ぎない程度に、他の部材（板状の樹脂等）が介在してもよい。従って、例えば、可動体７３を、第１の実施の形態における収容ケース４２のようなケースですっぽりと囲み、前後左右の動きを規制して専ら上下方向に可動するようにする。そして、収容ケース４２の側壁を挟んで可動体７３が変位体６２から吸着力を受けるように構成してもよい。

なお、本実施の形態において、可動体７３を初期位置に復帰させるコイルスプリング７４、７５は必須ではない。非押鍵状態に対応する初期位置に位置する変位体６２から受ける吸着力によって、可動体７３が初期位置に復帰するように構成してもよい。

なお、変位体６２や可動体７３が、磁性体でない部分を含んでいてもよい。

なお、上記第１の実施の形態においては、可動体４３の慣性よりも粘性流体４４の粘性による抵抗力を主に利用したが、第２の実施の形態と同様の作用効果を狙う場合は、専ら可動体４３の慣性を利用するように構成してもよい。その場合は、収容ケース４２の内部には、粘性流体４４を収容せず、空気のみ収容するか、あるいは真空にしてもよい。あるいは、綿のような、可動体４３の移動をあまり妨げないようなものを収容してもよい。

なお、第１の実施の形態の図２の構成では、可動体４３に対して吸着力を発する部分は左右２箇所である永久磁石３５、３６であったが、永久磁石をいずれか一方のみに設けた構成であっても、同様の作用効果は生じ得る。上記した各種の変形例や第２の実施の形態においても同様で、可動体４３、７３に対して吸着力を発する部分は片側だけとしてもよい。

なお、第１、第２の実施の形態では、力覚発生機構部を鍵盤装置に適用する構成を例示した。しかし、操作子が操作されることで変位する変位体を備える力覚発生機構部であればよいので、力覚発生機構部の適用可能な装置は無数に考えられる。従って、電子楽器に限らず、管楽器等のアコースティック楽器、スライド式の操作子を有する装置（ミキサ装置）等の音響装置、カメラ、医療用機器、車両、遠隔操作装置等、各種の電子装置に適用可能である。

また、いわゆる操作子を備えない装置にも適用可能である。例えば、押圧操作に対して力覚を発生させる装置（例えば、しこり検知装置等の診断練習装置、指圧練習用に人体模型に組み込まれる装置等）にも好適である。変位体は、鍵等の操作子を介して変位するものに限られず、直接操作されるものであってもよい。

また、鍵盤装置の鍵のように操作解除で初期位置に自動復帰するものとは異なり、フェーダ操作子のようにあらゆる位置で静止することがある操作子に力覚発生機構部を連結する場合は、可動体７３を初期位置に復帰させるコイルスプリング７４、７５等の可動体付勢手段（図４参照）は不要となる。

また、第２の実施の形態において、対向面６３ａａ、６４ａａと外面７３ａ、７３ｂとの間に粘性剤を介在させる場合において、トランペット等の管楽器のピストン弁に力覚発生機構部を連結することで、スナップタッチ（押下したときに後から質量体がついてくるような操作感触）を擬似的に実現できる。

また、変位体の可動方向は、第１、第２の実施の形態では基本的に直線的（１次元）であったが、２次元の動きをするものにも応用が可能である。例えば、第１の実施の形態においては、変位体３２が収容ケース４２に対して上下及び前後の方向に変位可能なように（左右方向の移動を規制するように）構成したとすれば、可動体４３もそれに追従して２次元に可動する。

また、第２の実施の形態においては、鍵１を無視し、変位体６２が図４（ａ）の上下及び奥行き方向に変位可能なように構成する。そして、可動体７３を、収容ケース４２のようなケースで囲み、図４（ａ）の上下及び奥行き方向にだけ変位可能なように規制する。さらに、このケースの上部の奥行き方向に離間した２箇所と底面の奥行き方向に離間した２箇所とに対して、可動体７３をコイルスプリング等の可動体付勢手段で接続する。これにより、可動体７３は、変位体６２の上下及び奥行き方向に沿う２次元の変位に追従して２次元で移動すると共に、操作解除で初期位置に復帰する。

これら２次元の移動機構を応用し、その２次元方向に対して直交する軸を中心に変位体が回転するように構成すれば、操作により回転する変位体に対しても力覚を付与するように構成することが可能である。

あるいは、図５に変形例を示すように、第１の実施の形態の構成を、回転型用に改変してもよい。図５は、回転型の変位体に適用される１つの力覚発生機構部の水平断面図である。

この変形例では、収容ケース４２は、不図示の固定部に配設固定される。収容ケース４２は、断面がドーナツ状の外観円柱状に構成され、内部に粘性流体４４と、磁性体でなる可動体４３とが収容される。変位体４５は、軸部４７と軸部４７の下部に固定された円盤部４６とを有する。円盤部４６が、収容ケース４２の内側壁面４２ｃの内側に介装されている。円盤部４６は磁石で構成され、その外面４６ａにＮ極とＳ極が現れている。内側壁面４２ｃと外面４６ａのＮ極部分４６ｎ、Ｓ極部分４６ｓとの関係が、図２でいう収容ケース４２の左側外壁面４２ａ、右側外壁面４２ｂと永久磁石３５、３６の対向面３５ａ、３６ａとの関係に対応している。

非操作状態において、可動体４３は、円盤部４６のＮ極部分４６ｎ（またはＳ極部分４６ｓ）に対向する位置で安定している。変位体４５は、直接の操作、または軸部４７に連結された操作子の操作によって回転する。変位体４５が回転すると、可動体４３は、Ｎ極部分４６ｎ（またはＳ極部分４６ｓ）の変位に追従して粘性流体４４内を移動する。この作用は、第１の実施の形態における上下方向の変位を回転方向に変更したものに相当する。

図５の変形例については、各種の応用例が考えられる。例えば、回転型操作子ヘの力覚制御やＤＪ操作の場面での効果付与操作子ヘの力覚付与に利用できる。効果付与操作子に利用する場合は、操作子の軸部４７に連動したボリュームで、発生音の効果の制御を行う。その際、操作子の回転速さを楽音のＱ値の高低制御に対応させたり、フィルタのカットオフ周波数の時間的変化に対応させたりする。

この場合、力覚制御がなされているので、回転速さの加減（度合い）に対応する力覚の癖（感覚）を把握する（指にカクカクカクとする感触を頭にとどめる）ことによって、楽音表現やラップの口調等の、ある決まった変化パターンを容易に再現できるようになる。

さらに別の使い方として、ＦＭ音源で、自動車や宇宙船等のエンジン音を擬似的に発生させる装置において、コックピットの座席を模した座席に、図５に示すような装置を設置する。そして、ＦＭ音源の基本周波数に対応させて軸部４７を回転させる。この場合、収容ケース４２の周囲は、全体または半径方向の対向する外側２箇所を、フェルト等を介して座席に配設する。

このようにすると、軸部４７の回転時に、座席に振動が付与されて、アミューズメントのゲーム装置やシミュレータに、リアリティのある振動装置を提供することができる。すなわち、エンジンの回転数が上がれば、振動周波数も高くなるが、ある領域で、可動体４３と軸部４７の移動バランスが崩れて次のバランス状態に移行するときの変化音と振動を知覚できる。さらに次のバランス状態では、また異なった変化音と振動を知覚できる。最も感覚に合った振動パターンは、２輪バイクのアイドリング等、低振動数モードにはマッチするものとなる。

これをさらに解説すると、軸部４７が回転したとき、可動体４３が追従しきれなくなって軸部４７と可動体４３との乖離が発生したときと、周回遅れの可動体４３に軸部４７が追いついたときの軸部４７の磁極との吸着タイミングと、これら以外の状態との間で振動が発生することになる。この振動パターンは、例えていえば、板面を振動アクチュエータで振動させたとき、節と腹のパターンが１個から数個でき、周波数を変化させることでそのパターンが変わる現象に似ている。

１ 鍵（操作子）、 ２ 鍵盤フレーム（固定部）、 ３０、６０ 力覚発生機構部、 ３２、４５、６２ 変位体、 ３３ａａ、３４ａａ 対向面（対向部）、 ３５、３６ 永久磁石、 ３５ａ、３６ａ 対向面（対向部）、 ３９ 可変手段、 ４２ 収容ケース（規制手段）、 ４２ａ、４２ｂ 外壁面、 ４２ｃ 内側壁面（壁面）、 ４３、４３−２、７３ 可動体、 ４４ 粘性流体、 ４６ｎ Ｎ極部分（対向部）、 ４６ｓ Ｓ極部分（対向部）、 ６３ａａ、６４ａａ 対向面（対向部）、 ７０ ガイド体（規制手段）、 ７４、７５ コイルスプリング（可動体付勢手段）

Claims (9)

1. 収容ケースと、
   前記収容ケース内に収容された粘性を有する流体と、
   前記収容ケース内に前記流体と共に自由状態に収容され、少なくとも一部分が磁性体でなる可動体と、
   前記収容ケースの壁面に対向する対向部を有し、直接または操作子を介した操作により、少なくとも前記対向部が前記収容ケースに対して相対的に変位し、前記対向部が前記収容ケースの前記壁面に沿って変位するように設けられた変位体とを有し、
   前記可動体の前記少なくとも一部分及び前記変位体の前記対向部のいずれか少なくとも一方は磁石で構成されたことを特徴とする力覚発生構造。
2. 前記変位体は、その前記対向部が前記収容ケースの前記壁面に対して非接触で変位するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の力覚発生構造。
3. 前記変位体の前記対向部は電磁石で構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の力覚発生構造。
4. 前記可動体は球体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の力覚発生構造。
5. 固定部と、
   対向部を有し、直接または操作子を介した操作により、少なくとも前記対向部が前記固定部に対して相対的に変位可能なように設けられた変位体と、
   少なくとも一部分が磁性体でなる可動体と、
   前記可動体が、前記変位体の前記対向部の変位方向と同じ方向に移動自在となるように、前記固定部に対する前記可動体の相対的な可動方向を規制する規制手段と、
   前記可動体の前記磁性体でなる部分及び前記変位体の前記対向部のいずれか少なくとも一方は磁石で構成され、前記可動体と前記変位体の両者間に吸着力が発生するように両者が磁気結合状態とされ、
   前記変位体の前記対向部が前記可動体に対向している状態で、前記対向部が変位するとき、前記吸着力により前記対向部に前記可動体が追従して移動することで、前記可動体の慣性質量により前記変位体の変位に対して抵抗力が付与されるように構成されたことを特徴とする力覚発生構造。
6. 前記変位体の前記対向部と前記可動体とは、常に非接触状態であることを特徴とする請求項５記載の力覚発生構造。
7. 前記可動体と前記変位体との吸着力の強さを可変とする可変手段を有することを特徴とする請求項５または６記載の力覚発生構造。
8. 前記変位体は、操作解除によって初期位置に自動復帰するように構成され、さらに、前記可動体と前記変位体との吸着力による付勢とは別に、前記初期位置に位置している前記変位体の前記対向部に前記可動体が対向するような初期対応位置に前記可動体を復帰させるように、前記可動体を付勢する可動体付勢手段が設けられることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の力覚発生構造。
9. 少なくとも非操作状態において、前記変位体の前記対向部と前記可動体とは粘性剤を介して接することを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の力覚発生構造。

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