JP5326395B2 - 鍵盤楽器 - Google Patents

Description

本発明は、各鍵盤楽器における鍵の力覚を再現する技術に関する。

電子音源を用いた電子ピアノにおいて、アコースティックピアノの鍵のタッチ感（力覚）を再現するために、ソレノイドなどを用いて鍵に反力を与える装置が開発されている。このような装置において、アコースティックピアノに近い力覚を付与するために、不連続な負荷変動反力、ハンマーアクションのたわみ、ハンマーアクションとハンマーの衝突、かみこみ（ハンマーバックチェック等）などの複雑な現象を再現できるようにした装置も開発されている（例えば、特許文献１）。
特開平１０−１７７３７８号公報

特許文献１のような技術により、アコースティックピアノに限りなく近い力覚を鍵に付与することができるようになったが、鍵の動きによっては非常に大きな力を鍵に与えなくてはならない場合がある。例えば押鍵した直後においては、加速度に対応する反力が非常に大きくなるため、この反力を再現するためには非常に駆動力の大きいソレノイドが必要であった。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、駆動力の小さい小型のソレノイドを用いても複雑な鍵の力覚を再現することができるとともに、各種の鍵盤楽器の鍵の力覚を再現することもできる力覚制御装置、鍵盤楽器、力覚制御方法およびプログラムを提供することを目的とする。また、自動演奏を行うときには、鍵の力覚を発生させる負荷を軽減することにより、自動演奏時に鍵を駆動させるアクチュエータの負荷を低減して省電力化が可能な鍵盤楽器を提供する。

上述の課題を解決するため、本発明は、演奏データに基づく自動演奏を行う自動演奏モードまたは前記自動演奏を行わない通常演奏モードにより動作し、ペダルと、当該ペダルの操作に応じて変位する突き上げ棒と、当該操作に対する弾性負荷を当該突き上げ棒に付与するバネとを有する鍵盤楽器であって、前記自動演奏モードまたは前記通常演奏モードのいずれかを選択するモード選択手段と、前記モード選択手段によって自動演奏モードが選択された場合には、前記演奏データに基づいて前記突き上げ棒を駆動する駆動手段と、前記突き上げ棒と係合する係合手段を有し、当該係合手段により前記突き上げ棒と係合した場合に、前記バネによる弾性負荷を軽減する方向の弾性負荷を前記突き上げ棒に付与する弾性負荷機構と、前記モード選択手段によって自動演奏モードが選択された場合には、前記弾性負荷機構を前記突き上げ棒と係合させるように前記係合手段を制御する制御手段とを具備することを特徴とする鍵盤楽器を提供する。

以下、本発明の一実施形態について説明する。

＜実施形態＞
本実施形態に係る鍵盤楽器１のハードウエアの構成について説明する。図１は、鍵盤楽器１のハードウエアの構成を示すブロック図である。

鍵盤楽器１は、例えば、電子ピアノであり、電子システム１ａ、力覚制御部１ｂ、鍵盤機構１００を有する。電子システム１ａと鍵盤機構１００とは接続され、利用者は鍵盤機構１００を操作して、電子システム１ａに信号を出力する。このとき、力覚制御部１ｂは、利用者の操作に対して力覚を付与する。

電子システム１ａは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１０１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１０２およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１０３を有する情報生成システム１ｃ、アクチュエータ４、センサ５、論理回路６ａおよびソレノイドドライバ５０ａを有する電気負荷部１ｄ、記憶部１０４、操作部１０５、表示部１０６、音声出力部１０７、インターフェイス１０８を具備し、バス２００によって互いに接続されている。電気負荷部１ｄは、力覚制御部１ｂの一部であり、電気負荷部１ｄと機械負荷機構３により利用者の操作に対して力覚を付与する。

ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に記憶されているプログラムを読み出して、ＲＡＭ１０３にロードして実行することにより、鍵盤楽器１の各部について、バス２００を介して制御する。また、ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１が記憶された各データの加工などを行う際のワークエリアとして機能する。

記憶部１０４は、例えば、ハードディスクなどの大容量記憶手段であって、鍵の運動に関する物理量と力覚制御値との関係を示す力覚制御データを複数記憶するとともに、当該力覚制御データの各々に対応した反力制御値を示す反力制御データを記憶する。また、力覚制御データの各々に対応して楽器の種類を示すデータについても記憶する。力覚制御データおよび反力制御データの詳細については後述する。

操作部１０５は、例えば、楽器の種類の選択などを行うための操作ボタン、キーボード、マウスなどである。利用者が操作部１０５を操作するとその操作内容を表すデータがＣＰＵ１０１へ出力される。

表示部１０６は、映像を画面に表示する液晶ディスプレイなどの表示デバイスであって、液晶ディスプレイパネル（Ｌ．Ｃ．Ｄ．）１０６ａ、ディスプレイドライバ（Ｄ．Ｄ．）１０６ｂ、ＤＡ変換器（Ｄ／Ａ）４５を有し（図５参照）、ＣＰＵ１０１に制御され、メニュー画面などの各種画面を表示する。

音声出力部１０７は、スピーカなどの放音手段を有し、利用者が押鍵することにより鍵盤機構１００から出力される信号に応じて、ＣＰＵ１０１による制御に基づいて、楽音を放音する。この楽音は、利用者が操作部１０５における操作ボタンを操作して、楽器の種類を選択することにより、当該楽器の音色で放音される。これは、鍵の押下に対応して、利用者が操作部１０５を操作して選択する楽器の種類に基づいた音色の楽音を発生する楽音発生手段により実現される。また、音声出力部１０７は、ＣＰＵ１０１によって自動演奏用の楽音ファイルが再生されることにより、当該楽音ファイルに基づいて楽音を放音する。

インターフェイス１０８は、外部装置との接続する接続部、各種データの入出力する入出力部、ネットワークを介してサーバ等とデータの送受信を行う通信部などである。

次に、鍵盤機構１００の構成のうち、１つの鍵に対応する構成について、図２、図３を用いて説明する。鍵盤機構１００は、黒鍵２ａ、白鍵２ｂ（以下の説明においては単に鍵２という）、回転支持部２０１、筐体２０２、揺動ストロークガイド２０３および鍵ストッパ２０４を有する。これらの間には、空間２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃが形成されている。ストロークガイド２０３は、鍵２に設けられた突起部２０３ａと、筐体２０２の空間２０２ｂの位置に設けられたガイド部２０３ｂとを有する。鍵ストッパは、筐体２０２の空間２０２ａの位置に設けられている。筐体２０２の空間２０２ｃの位置には、アクチュエータ４が設けられている。

鍵（操作子）２は、筐体２０２に設けられた回転支持部２０１に回転可能に支持され、筐体２０２に設けられた揺動ストロークガイド２０３により上下揺動可能に支持されている。鍵２を押下（矢印ＡＲ１）すると、筐体２０２に設けられた鍵ストッパ２０４に鍵２が接触して押下量の最大量が決められている。鍵２の押下量が最大の状態（図２における２点鎖線）において、後述するハンマ３００は、筐体２０２に設けられたハンマストッパ２０５に接触（矢印ＡＲ２）するようになっている。

機械負荷機構（第２力覚付与手段）３は、図２、図３に示すように、筐体に設けられ、ハンマストッパ２０５、ハンマ３００、作用部３０１、反作用部３０２、支点３０３、回転体３０４ａ、ステッピングモータ３０４ｂ、調整ねじ３０６を有する。筐体２０２の開口部２０２ｄは、ハンマ３００を筐体２０２内外に通じて配置するための開口部である。

ハンマ３００は、筐体２０２に設けられた支点３０３に回転可能に支持されている。そして、ハンマ３００の作用部３０１が、鍵２に設けられた調整ねじ３０６を介して鍵２との当接状態を保持して、押鍵に伴って下方に移動することにより、ハンマ３００は支点３０３を中心に回転し、ハンマ３００の反作用部３０２を上方に移動させる。反作用部３０２は、所定の質量の部材を負荷として有している。これにより、鍵２の操作時に、反作用部３０２は作用部３０１を介して鍵２に機械的な反力を与える。機械負荷機構３は、質量によって負荷を与えるから、鍵２の加速度に対応する反力Ｆ＝ｍ・ａ（Ｆ：力、ｍ：質量、ａ：加速度）を反作用部３０２の重心と支点３０３の距離の比に反比例した力が鍵２の負荷として与えられ、鍵２に慣性負荷に対応する力覚を付与する。なお、反作用部３０２が有する部材の質量は、鍵２に対応する音の高低によって変えるようし、低音部では重く、高音部では軽くするようにしてもよい。

機械負荷機構３の回転体３０４ａは、ＣＰＵ１０１の制御によってパルスジェネレータ（ＰＧ）３０４ｃがステッピングモータ３０４ｂを駆動して回転体３０４ａを回転させることによって軸３０５を中心に回転し、その回転位置に応じて、機械負荷機構３が鍵２に対して反力を与える負荷状態と、機械負荷機構３が鍵に対して反力を与えないように無効化した無負荷状態とを切り替えることができる。無負荷状態は、ハンマ３００の作用部３０１が鍵２に対して、分離離間した状態とし、鍵２を最大深さまで押鍵したときのハンマ３００の位置になるように、回転体３０４ａによって付勢されることによって実現する（図３参照）。なお、回転体３０４については、鍵ごとに回転位置を変えられるようにしてもよいし、全ての鍵において同じ回転位置になるようＣＰＵ１０１によって制御されてもよい。すなわち、鍵ごとに回転体３０４ａを設けて負荷状態と無負荷状態を異なるものとしてもよいし、全ての鍵の回転体３０４ａが接続された棒状の回転体３０４ａを設けて全ての鍵で同一の状態になるようにしてもよい。このように、機械負荷機構３は、鍵２の運動に対して慣性負荷に基づく反力を機械的に与える機能を有し、ＣＰＵ１０１の制御によって、このような反力を無効化する機能も有する。

アクチュエータ（第１力覚付与手段）４は、後述するような制御によって鍵２に負荷を与える機能を有する。また、センサ（鍵挙動検出手段）５は、鍵２の押下量を検出する機能を有する。以下、アクチュエータ４とセンサ５の構成について、図４を用いて説明する。

アクチュエータ４は、ハウジング４０６内に収納された、ヨーク４００内に配置された電磁ソレノイドコイルであるコイル４０１と、コイル４０１の軸心内に、双方向に直線移動が可能なように挿入された棒状のプランジャ４０２とを有する。コイル４０１は軸心が上下方向になるように配置され、プランジャ４０２が上下方向に移動すると、プランジャ４０２の上下端がヨーク４００の上面および底面に設けられた孔を通過可能になっている。プランジャ４０２の上端には、シャフト４０３がプランジャ４０２と同軸に延び、シャフト４０３の上端には鍵２に接触するシャフトヘッド４０４が接続されている。そして、コイル４０１に、後述するソレノイドドライバ５０ａの電流フィードバック回路５１から電流が供給されることによって発生する推力により、プランジャ４０２が上下方向に移動し、シャフトヘッド４０４が鍵２と接触して、プランジャ４０２が移動することにより発生する負荷を鍵２に与えるようになっている。これにより、アクチュエータ４は、後述する制御に基づいて鍵２に力を付与して力覚を与える。

センサ（操作子挙動検出手段）５は、ハウジング５００ａ、５００ｂ内に収納されたアクチュエータ４の下部に設置される位置センサ５ａおよび速度センサ５ｂであって、プランジャ４０２の下端部に接続された被検出部材５０１と、発光素子と受光素子を有する光反射型センサである検出部５０２と、被検出部材５０１の下端部に接続され、バネ５０５の軸上に位置する棒状のマグネット５０４とを有する。被検出部材５０１には、その側面に反射板５０３が設けられ、プランジャ４０２の上下移動に伴って反射板５０３が上下移動する。反射板５０３は、例えば、濃淡のパターンなどによって、反射板５０３の上側は反射率が低く、下側は反射率が高くなるように反射率が制御された板であって、反射板５０３の上下方向の位置により、検出部５０２の発光素子から発された光を反射する量が異なるようになっている。そして、この反射光を受光素子は受光し、その受光量から反射率がわかるから、検出部５０２は、受光素子の受光量に応じて、プランジャ４０２の上下方向の位置を検出することができ、鍵２の押下量を検出できる。

そして、検出部５０２は、検出した鍵２の押下量を示す位置信号Ｓｐを出力する。また、センサ５の下部に位置するコイル５０６を用いることにより、マグネット５０４とコイル５０６とでムービングマグネット型の速度センサ５ｂを構成することができ、コイル５０６は、当該速度センサによって検出した鍵２の速度を示す速度信号Ｓｖをさらに出力することができる。

次に、ＣＰＵ１０１が、ＲＯＭ１０２に記憶されたプログラムを実行することによって実現する鍵盤機構１００の制御機能について説明する。図５は、ＣＰＵ１０１が実現する機能を示したソフトウエアの構成を示すブロック図である。

論理回路６ａは、マルチプレクサ（ＭＰＸ）６、１０、２１、ＡＤ変換器（Ａ／Ｄ）７、１１、２２を有する。マルチプレクサ６は、位置センサ５ａの検出部５０２から出力される位置信号Ｓｐが入力される。マルチプレクサ６は、複数設けられており、また、各々が１２音分（１オクターブ分）の入力端子を持っている。そして、これらの入力端子に同一オクターブ範囲内の各鍵に対応する位置信号Ｓｐが各々入力される。すなわち、マルチプレクサ６は、ピアノの音域に沿ってオクターブごとに設けられており、本実施形態においては、標準的なピアノの８８鍵に対応して８個設けられている。

また、マルチプレクサ６の各入力端子が順次スキャンされ、各鍵の位置情報が順次（例えば、低音側から高音側に向かって）検出されるようになっている。そして、マルチプレクサ６を介して出力される位置信号Ｓｐは、ＡＤ変換器７によってデジタル信号の位置信号ＤＳｐに変換される。

一方、速度センサ５ｂのコイル５０６から出力される各鍵についての位置信号Ｓｐは、マルチプレクサ１０に入力される。マルチプレクサ１０は、マルチプレクサ６と同様に、鍵盤の各音域に対応して複数設けられており、各々が１２音分（１オクターブ分）の入力端子を持っている。マルチプレクサ１０の各入力端子は、マルチプレクサ６の入力端子と同期してスキャンされ、各鍵の速度情報が順次検出されるようになっている。そして、マルチプレクサ１０を介して出力される速度信号Ｓｖは、ＡＤ変換器１１によってデジタル信号の速度信号ＤＳｖに変換される。

また、速度センサ５ｂのコイル５０６から出力される各鍵についての速度信号Ｓｖは、鍵ごとに設けられた微分器（ＤＦ）２０によって加速度を示す加速度信号Ｓａに変換され、マルチプレクサ２１に入力される。マルチプレクサ２１は、マルチプレクサ６、１０と同様に、鍵盤の各音域に対応して複数設けられており、各々が１２音分（１オクターブ分）の入力端子を持っている。マルチプレクサ２１の各入力端子は、マルチプレクサ６、１０の入力端子と同期してスキャンされ、ピアノの各鍵の加速度情報が順次検出されるようになっている。そして、マルチプレクサ２１を介して出力される加速度信号Ｓａは、ＡＤ変換器２２によってデジタル信号の加速度信号ＤＳａに変換される。

以上のように、各鍵の位置、速度、加速度を各々示す位置信号Ｓｐ、速度信号Ｓｖ、加速度信号Ｓａが同期して出力され、かつ、これらが、ＡＤ変換器７、１１、２２によってデジタル信号に変換されるようになっている。

そして、デジタル信号は、ＣＰＵ１０１に定期的に取り込まれ、ＣＰＵ１０１は、位置信号ＤＳｐを使用して、力覚付与テーブル３２、３３、ＰＷＭ指示値発生回路４０にアクセスするとともに、ヒステリシス切換回路２５を介して力覚付与テーブル３０または３１にアクセスする。同様にして、ＣＰＵ１０１は、速度信号ＤＳｖを使用して、ヒステリシス切換回路２５および力覚付与テーブル３２にアクセスし、加速度信号ＤＳａを使用して、力覚付与テーブル３３にアクセスする。力覚付与テーブル３０〜３３は、アクチェータ４が発生すべき反力、すなわち、力覚の特性（鍵の運動に関する物理量と力覚制御値との関係）を記憶しているテーブルであって、力覚付与テーブル３０〜３３の内容を示すデータを力覚制御データといい、力覚制御データは記憶部１０４に複数記憶されている。

また、力覚制御データは、力覚付与テーブル３０〜３３の内容を示すデータであって、鍵の力覚を再現するためのデータであるが、単純な運動方程式では不十分であり、鍵の位置、鍵の速度、鍵の加速度等の種々のパラメータを使用し、これらに適合する反力を求めることが必要である。このような反力については、例えばアコースティックピアノについては、上述した特許文献１（特開平１０−１７７３７８号公報）において詳細に説明されているから、本明細書では省略する。

このような力覚制御データは、上述したように記憶部１０４に複数記憶され、各々の力覚制御データは、楽器の種類を示すデータと対応付けられている。そして、操作部１０５には、楽器の種類が示された操作ボタンが設けられ、利用者がいずれかの操作ボタンを押すと、ＣＰＵ１０１は、当該操作ボタンに対応する楽器の種類に対応した力覚制御データを記憶部１０４から読み出して、力覚付与テーブル３０〜３３として割り当てる。

このとき、ＣＰＵ１０１は、記憶部１０４に記憶された反力制御データのうち、上記力覚制御データに対応する反力制御データを読み出して、当該反力制御データに基づいて制御信号ＣＴＬ１をパルスジェネレータ３０４ｃに出力してステッピングモータ３０４ｂを用いて、機械負荷機構３の回転体３０４ａを回転させて、負荷状態または無負荷状態に切り替える。すなわち、本実施形態においては、反力制御データは、負荷状態または無負荷状態のいずれかを示すデータとなっている。ここで、グランドピアノなど慣性負荷が大きい楽器に対応する反力制御データは、負荷状態を示し、オルガンなど慣性負荷が小さい楽器に対応する反力制御データは、無負荷状態を示している。

ここで、鍵の加速度に対応する力覚付与テーブル３３については、後述するように鍵の加速度に応じた反力を示し、これは慣性負荷に対応する。この慣性負荷については、機械負荷機構３における負荷と同じであるから、機械負荷機構３が負荷状態にあれば、機械負荷機構３によって鍵に与えられる慣性負荷の分だけ、アクチュエータ４において与える反力を低減することができる。すなわち、負荷状態を示す反力制御データに対応する力覚制御データは、鍵の加速度に対応する力覚付与テーブル３３については、機械負荷機構３における負荷の大きさを低減した状態における力覚の特性を示すようになっている。

このような構成とすると、鍵の加速度に対応する慣性負荷が大きい楽器、例えばアコースティックピアノにおいては、機械負荷機構３を負荷状態として、アクチュエータ４においては、鍵の加速度に対応する制御を行わなくするか、慣性負荷の微妙な変化を制御するようにできる。一方、鍵の加速度に対応する慣性負荷が小さい楽器、例えばオルガンにおいては、機械負荷機構３を無負荷状態として、アクチュエータ４において、慣性負荷を与えることができる。これにより、比較的大きな力となり得る慣性負荷を鍵２の力覚を再現するために、アクチュエータ４のみで全ての力を付与しなくても済むので、アクチュエータ４を小型化することができる。

図５の説明に戻る。力覚付与テーブル３０〜３３は、各種パラメータに応じた反力に対応する値（Ｙ1、Ｙ2、Ｙ3）を出力し、各力覚付与テーブル３０〜３３から出力された値は加算器３５、３６によって合成され、これにより、力覚制御データに基づいた反力に対応する値となる。すなわち、鍵の運動に関する物理量に対応した反力を示す値（以下、力覚制御値Ｓｕｍという）を算出することができる。

ここで、力覚付与テーブル３０、３１は、鍵の位置と速度から得られる反力に対応する値を発生する。この場合、力覚付与テーブル３０は、押鍵行程における反力に対応する値を発生し、力覚付与テーブル３１は離鍵行程における反力に対応する値を発生する。より詳細に言えば、力覚付与テーブル３０、３１においては、位置信号ＤＳｐと速度信号ＤＳｖとをパラメータとした値（出力データＹ1）が決定される。すなわち、力覚付与テーブル３０、３１は、図６に示すようにＸ軸が位置信号ＤＳｐの値、Ｙ軸が出力値となっている関係ＰＬ１〜ＰＬんを示すテーブル３０−１〜３０−ｎをＺ軸方向に複数配列して構成されている。そして、Ｚ軸に速度信号ＤＳｖの値をとり、この速度信号ＤＳｖによっていずれかのテーブル３０−１〜３０−ｎが選択され、この選択されたテーブルを用いて位置信号ＤＳｐに対応する出力値が決定される。これは、鍵２の位置に対応した弾性負荷であって、鍵盤楽器の鍵、アクションなどの速度によって変化する弾性負荷を表現している。ここで、速度信号ＤＳｖの値が各テーブルの間にある場合は、その両側にある２つのテーブルが選択され、各テーブルから出力される出力値に対して補間処理を行うことによって出力データＹ1が決定される。また、力覚付与テーブル３１も上記と同様の構成となっている。

そして、力覚付与テーブル３０、３１は、ヒステリシス切換回路２５の出力信号によって、そのいずれか一方が選択されるようになっている。ヒステリシス切換回路２５は、速度信号ＤＳｖの符号を判断し、正である場合に力覚付与テーブル３０を、負である場合に力覚付与テーブル３１を各々選択する。このヒステリシス切換回路２５においては、鍵２が押されて押鍵過程にあるときは速度が正になり、逆に鍵２が離されて離鍵過程にあるときは速度が負になることを検出原理としている。なお、ヒステリシス切換回路２５は、速度の正負の変化に対してある程度の不感帯（時間的不感帯）を設け、切り替えの頻度を減らすことによって、切り替えに伴う不連続な力覚変化の発生を低減するようにしてもよい。

次に、力覚付与テーブル３２、３３は、図６に示す力覚付与テーブル３０と同様の構成になっているが、力覚付与テーブル３２のＸ軸には速度信号ＤＳｖの値がとられ、Ｚ軸には位置信号である位置信号ＤＳｐの値がとられる。また、力覚付与テーブル３３のＸ軸には加速度信号ＤＳａの値がとられ、Ｚ軸には位置信号ＤＳｐの値が取られる。すなわち、力覚付与テーブル３２は、鍵の速度と位置に応じた反力に対応する値を出力する。これは、鍵２の速度に対応した粘性負荷であって、鍵盤楽器の鍵、アクションなどの特に、位置によって大きく変化する粘性負荷を表現している。力覚付与テーブル３３は、鍵の加速度と位置に応じた反力に対応する値を出力する。これは、鍵２の加速度に対応する慣性負荷であって、鍵盤楽器の鍵、アクションなどの特に、位置によって大きく変化する慣性負荷を表現している。

次に、ＰＷＭ指示値発生回路４０は、力覚付与テーブル３０〜３３に基づいて算出された力覚制御値Ｓｕｍと位置信号ＤＳｐとに基づいて、アクチェータ４を駆動するためのパルス幅変調の指示値（以下、ＰＷＭ指示値ＣＴＬ２という）を発生する回路である。具体的には、力覚制御値ＳｕｍをＸ軸、ＰＷＭ指示値をＹ軸にとったテーブルをＺ軸方向に複数設けて構成されている。そして、Ｚ軸には位置信号ＤＳｐの値を取り、この位置信号ＤＳｐによっていずれかのテーブルが選択され、この選択されたテーブルを用いて力覚制御値Ｓｕｍに対応するＰＷＭ指示値ＣＴＬ２が決定される。ここで、位置信号ＤＳｐの値が各テーブルの間にある場合は、その両側にある２つのテーブルが選択され、各テーブルから出力される出力値に対して補間処理を行うことによってＰＷＭ指示値が決定される。ＰＷＭ指示値発生回路４０の目的は、ストローク位置により推力に差が生じるという、ソレノイド特有の非線形な推力発生特性を、このテーブルによって補正しようとするものである。ＰＷＭ指示値発生回路４０内のテーブルにより、任意の推力特性が得られ、ソレノイドの設計が容易になるばかりでなく、効率の最適化、コストの低減など多くの利点が得られる。

ＰＷＭ指示値発生回路４０から出力されるＰＷＭ指示値は、ソレノイドドライバ５０ａのＰＷＭドライバ５０ｂに供給され、ＰＷＭ波形に変換される。ＰＷＭドライバ５０ｂから出力されるＰＷＭ波形は、電流フィードバック回路５１を介して駆動信号ＤＲ１としてアクチェータ４のコイル４０１に供給される。電流フィードバック回路５１は、アクチェータ４に供給される駆動電流がＰＷＭ指示値ＣＴＬ２に一致するようにフィードバック制御を行う。この電流フィードバック制御により、アクチェータの温度上昇に伴う推力変化が補正され、常に、目標とする反力を再現することができる。

一方、力覚制御値Ｓｕｍは、表示部１０６に供給され、ディスプレイドライバ１０６ｂによって処理された信号が、ＤＡ変換器４５によってアナログ信号に変換され、液晶ディスプレイパネル１０６ａに供給される。これにより、表示部１０６の液晶ディスプレイパネル１０６ａには、時事刻々変化する力覚制御値Ｓｕｍの波形、すなわち、鍵に与える負荷に係る波形が写し出される。

次に、本実施形態に係る鍵盤楽器１の動作について説明する。

まず、利用者は、操作部１０５の操作ボタンを操作して、鍵盤を操作して鳴らしたい音の楽器の種類を選択する。ＣＰＵ１０１は、このようにして選択された楽器の種類に対応する力覚制御データおよび反力制御データを記憶部１０４から読み出す。そして、ＣＰＵ１０１は、力覚制御データを各力覚付与テーブル３０〜３３に割り当てる。また、ＣＰＵ１０１は、反力制御データに基づいて、機械負荷機構３の回転体３０４ａを回転させて、機械負荷機構３を負荷状態または無負荷状態に切り替える。

利用者が選択した楽器の種類が、グランドピアノであった場合には、グランドピアノに対応した力覚制御データが選択され、グランドピアノの鍵についての力覚の特性を示した力覚付与テーブル３０〜３３が割り当てられる。そして、グランドピアノに対応した反力制御データに基づいて、回転体３０４ａが回転することにより、機械負荷機構３は負荷状態になる。一方、利用者が選択した楽器の種類が、オルガンであった場合には、オルガンに対応した力覚制御データが選択され、オルガンの鍵についての力覚の特性を示した力覚付与テーブル３０〜３３が割り当てられる。そして、オルガンに対応した反力制御データに基づいて、回転体３０４ａが回転することにより、機械負荷機構３は無負荷状態になる。

利用者が鍵２を操作すると、位置センサ５ａ、速度センサ５ｂから当該操作による鍵２の運動に関する物理量である鍵２の押鍵量を示す位置信号Ｓｐ、速度信号Ｓｖが出力される。この速度信号Ｓｖは、微分器２０によって、加速度信号Ｓａに変換される。そして、これらの信号に応じた反力を示す値が各力覚付与テーブル３０〜３３から出力され、これらが合成されて力覚制御値Ｓｕｍとなる。

そして、力覚制御値Ｓｕｍと位置信号ＤＳｐに応じたＰＷＭ指示値ＣＴＬ２がＰＷＭ指示値発生回路４０から出力され、これに応じた駆動電流ＤＲ１が電流フィードバック回路５１を介して出力される。この結果、アクチェータ４が駆動され、利用者の指に対して反力を与える。このときに、機械負荷機構３が負荷状態になっている場合には、機械負荷機構３によっても利用者の指に対して反力を与えることになり、機械負荷機構３およびアクチュエータ４によって鍵の力覚を再現する。

このように、鍵盤楽器１は、各力覚付与テーブル３０〜３３を用いて２つのパラメータを用いて反力を決めているため、単純に一変数だけに基づいて反力を決める場合に比べて複雑な反力特性にも対応でき、利用者が選択した楽器の種類の鍵の力覚に極めて近いものとなる。しかも、力覚付与テーブル３０〜３３は、各々異なるパラメータの組を用いているため、反力が発生する要因ごとに個別に反力を再現することができ、これらを総合的に用いることにより、極めて高い忠実度をもって力覚の再現を行うことができる。そして、大きな負荷がかかる鍵盤楽器における力覚を再現する場合には、機械負荷機構３を併用することにより、アクチュエータ４の負荷を低減することができ、アクチュエータ４の小型化、低消費電力化することができる。また、鍵２と分離した機械負荷機構３を設けることで、通常のピアノアクションなどで感じられる「アクション連結部のあそび感」、「ハンマの自由な振動感」、「ハンマの衝突感、衝突音」、「アクション系のたわみ感」などを利用者は指から感ずることができ、いわゆる弾きごたえ感を得ることができるという大きな効果を得られる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は以下のように、さまざまな態様で実施可能である。

＜変形例１＞
上述した実施形態においては、機械負荷機構３は、負荷状態、無負荷状態のいずれかの状態にＣＰＵ１０１によって制御されていたが、負荷状態のときの負荷の大きさを制御し、鍵２に与える反力の大きさを変更できるようにしてもよい。この場合には、鍵盤楽器１Ａにおける機械負荷機構３Ａの反作用部３０２Ａを図７に示すような構成とすればよい。反作用部３０２Ａは、フレーム３１０ａ、移動体３１０ｂ、リードスクリュー３１１、モータ３１２、ガイド部材３１３を有する。

モータ３１２のシャフトに取り付けられているリードスクリュー３１１は、移動体３１０ｂを移動させるための軸状の部材であり、その周面には、ねじ山が設けられている。ガイド部材３１３は、軸状の部材であり、移動体３１０ｂを案内するための部材である。移動体３１０ｂは、金属製の円柱状の部材であり、一方の端面から他方の端面に向かって、リードスクリュー３１１が貫通する孔と、ガイド部材３１３が貫通する孔とが設けられている。リードスクリュー３１１が貫通する孔には、リードスクリュー３１１に設けられているねじ山に係わり合うねじ山が設けられており、リードスクリュー３１１とガイド部材３１３とが貫通した状態においてリードスクリュー３１１がモータ３１２によって回転させられると、移動体３１０ｂはガイド部材３１３に沿って図の左右方向に移動する。

記憶部１０４に記憶された反力制御データは、機械負荷機構３Ａにおける負荷の程度を示す反力制御値を示している。反力制御値が０の場合には実施形態において述べたように回転体３０４ａを回転させて無負荷状態とする一方、０より大きく１以下であれば負荷状態となる。ここで、反力制御値が１である場合には、最大負荷となる。

そして、ＣＰＵ１０１が記憶部１０４から反力制御データを読み出して、当該反力制御データの反力制御値に基づいて、回転体３０４ａを制御するとともに、反作用部３０２Ａのモータ３１２を電子システム１Ａａから出力される駆動信号ＤＲ２により制御して、移動体３１０ｂを移動させる。このとき、移動体３１０ｂを実線で示すように、支点３０３から遠ざける方向（図の左方向）に移動させた場合には、慣性負荷が大きくなり、破線で示すように、支点３０３に近づける方向（図の右方向）に移動させた場合には、慣性負荷が小さくなる。このようにして、ＣＰＵ１０１は、反力制御データに基づいて機械負荷機構３Ａにおける負荷の大きさを制御し、鍵２に与える反力を変化させることもできる。

さらに、ＣＰＵ１０１の制御に応じて、支点３０３の位置を図の左右方向に変化させ、作用部３０１が鍵２と接触する位置について、回転支持部２０１からの距離を変えることができる機構を設ければ、鍵２の押下量が同じ量であっても作用部３０１の移動量を異ならせることができるから、利用者が鍵２を同じように押下しても作用部３０１が移動する加速度が変わることになり、反力を変えることもできる。

これにより、様々な負荷の程度を機械負荷機構３Ａで実現することができるから、どのような慣性負荷を有する鍵盤楽器であっても、その慣性負荷の大部分を機械負荷機構３Ａに負担させることにより、アクチュエータ４は慣性負荷の微妙な変化だけを制御するように力覚制御データを作成しておけばよく、アクチュエータ４の負荷をより少なくすることができる。なお、負荷の程度については、全鍵で同じとしてもよいし、鍵ごとに異なるようにしてもよい。

＜変形例２＞
上述した実施形態においては、機械負荷機構３は、ハンマ３００を用いた鍵２の加速度に対応した反力である慣性負荷を機械的に与える機構であったが、慣性負荷でなく鍵２に対して弾性負荷を与える機構としてもよい。弾性負荷の一例として、機械負荷機構３Ｂは、図８に示すようにバネ３２０を用いた構成としてもよい。バネ３２０は、鍵２と支持板３２１に接続されている。支持板３２１は、バネ３２０とは反対側の面から回転体３０４によって支持され、回転体３０４の回転位置によって、支持板３２１が図の上下方向に移動し、鍵２が押下されていないときのバネ３２０の長さ（以下、初期長さという）を変化させることができる。

このような機械負荷機構３Ｂを用いて鍵２の運動に対する反力を与える場合には、バネ３２０の伸縮に応じた力が反力として鍵２に与えられる。すなわち、機械負荷機構３Ｂは、Ｆ＝ｋ・ｘ（ｋ：バネ定数、ｘ：バネの伸縮量）の反力を鍵２に与えるから、鍵２の位置（押下量）に対応する反力である弾性負荷を鍵２に与えることになる。

また、ＣＰＵ１０１の制御に基づいて回転体３０４ａを回転させることにより、初期長さが変化するとバネ３２０の負荷の大きさを制御することができ、鍵２に与える反力の大きさが変化させることができる。具体的には、回転体３０４によって支持板３２１が図の上方に付勢されているときには、バネ３２０が縮む状態であり反力が大きくなる一方、支持板３２１が図の下方に位置するときには、バネ３２０が伸びる方向になるため反力が小さくなる。すなわち、鍵２が押下されていないときにおける反力の大きさを変化させることができるから、鍵２に与える反力の初期荷重を調整する制御を行うことができる。

さらに、ＣＰＵ１０１の制御に応じて、バネ３２０と鍵２が接触する位置を図の左右方向に変化させ、回転支持部２０１からの距離を変えることができる機構を設ければ、鍵２の押下量が同じ量であってもバネ３２０の伸縮量を変えることができ、鍵２の押下量に応じて変化する反力の変化率を変えることもできる。すなわち、バネ定数ｋを変化させる効果と同様な効果を得ることができ、バネ感を調整する制御を行うことができる。

これにより、様々な弾性負荷の大きさを機械負荷機構３Ｂで実現することができるから、どのような弾性負荷を有する鍵盤楽器であっても、その弾性負荷の大部分を機械負荷機構３に負担させることにより、アクチュエータ４は弾性負荷の微妙な変化だけを制御するように力覚制御データを作成しておけばよく、アクチュエータ４の負荷をより少なくすることができる。なお、負荷の程度については、全鍵で同じとしてもよいし、鍵ごとに異なるようにしてもよい。

＜変形例３＞
上述した変形例２においては、機械負荷機構３における弾性負荷の一例としてバネ３２
０を用いた構成としたが、図１７に示すように、板ばね３４０を用いた構成としてもよい。板ばね３４０は、受板３４２と当接し、回転軸３４１ａを中心にステッピングモータ３４１ｂを用いて回転可能および鍵２の長手方向の所定範囲内で移動可能となっている。回転軸３４１ａによって回転させられる角度、移動させられる位置は、ＣＰＵ１０１によって反力制御データの反力制御値に基づいて制御される。このようにすると、回転角によって板ばね３４０が鍵２に与える初期荷重の大きさを変化させることができる。また、長手方向の位置により、板ばね３４０と受板３４２との当接位置が変化し、鍵２の押下量が同じ量であっても板ばね３４０の変化量を変えることができ、実質的にバネ定数を変化させる効果と同様な効果が得られる。なお、図１７においては、板ばね３４０は、鍵２の上面側に設けられていたが、鍵２の下面側に設けられるようにしてもよい。

＜変形例４＞
上述した実施形態においては、機械負荷機構３は、ハンマ３００を用いた鍵２の加速度に対応した反力である慣性負荷を機械的に与える機構であったが、慣性負荷でなく鍵２に対して粘性負荷を与える機構としてもよい。機械負荷機構３Ｃは、粘性負荷の一例として、図９に示すように、可動部材３３０、支柱３３１、筒状部材３３２、オリフィス径制御部３３３から構成されるシリンダとしてもよい。可動部材３３０は筒状部材３３２内部において上下移動可能に配置され、支柱３３１を介して鍵２と接続されている。これにより、鍵２の上下移動と可動部材３３０の上下移動が連動するようになっている。オリフィス径制御部３３３は、ＣＰＵ１０１の制御によって電子システム１Ｃａから出力される駆動信号ＤＲ３によりシリンダ底部の孔３３３ａの径（オリフィス径）が変化するようになっている。このようなシリンダを粘性負荷として用いた場合には、可動部材３３０の移動速度に対応した力が発生し、鍵２の押下速度に対応した反力が鍵２に与えられる。

この粘性負荷の大きさは、オリフィス径に対応して変化し、オリフィス径が小さいほど負荷が大きく、大きいほど負荷が小さくなる。そのため、ＣＰＵ１０１の制御に基づいてオリフィス径を制御することにより、粘性負荷の大きさを制御することができ、鍵２に与える反力の大きさが変化させることができる。

さらに、ＣＰＵ１０１の制御に応じて、支柱３３１と鍵２が接触する位置を図の左右方向に変化させ、回転支持部２０１からの距離を変えることができる機構を設ければ、鍵２の押下量が同じ量であっても可動部材３３０の上下移動量を異ならせることができるから、利用者が鍵２を同じように押下しても可動部材３３０が移動する速度が変わることになり、反力を変えることもできる。

これにより、様々な粘性負荷の大きさを機械負荷機構３Ｃで実現することができるから、どのような粘性負荷を有する鍵盤楽器であっても、その粘性負荷の大部分を機械負荷機構３Ｃに負担させることにより、アクチュエータ４は粘性負荷の微妙な変化だけを制御するように力覚制御データを作成しておけばよく、アクチュエータ４の負荷をより少なくすることができる。なお、負荷の程度については、全鍵で同じとしてもよいし、鍵ごとに異なるようにしてもよい。

＜変形例５＞
上述した実施形態においては、機械負荷機構３が負荷状態になる場合には、加速度に基づいた反力に応じた値を出力する力覚付与テーブル３３については、力覚制御データにより、その出力値が機械負荷機構３の負荷を除いた値になるように割り当てられていた。一方、機械負荷機構３の負荷のみで加速度に対応する反力を再現できる場合には、力覚付与テーブル３３による出力は必要ない。この場合には、力覚付与テーブル３３に加速度信号ＤＳａが入力される前に遮断するようにしてもよいし、力覚付与テーブル３３からの出力が加算器３６に入力されないようにしてもよい。

この場合には、例えば、図１１に示すように、スイッチ３７ａを設けた鍵盤楽器１Ｅとすればよい。このスイッチ３７ａは、機械負荷機構３Ｅの負荷のみで加速度に対応する半力を再現できるか否かに応じたＣＰＵ１０１の制御によって、加速度信号Ｄｓについて、ＡＤ変換器２２から力覚付与テーブル３３への経路の接続、遮断を行うものである。

＜変形例６＞
上述した実施形態においては、アクチュエータ４は電磁ソレノイドコイルを用いたアクチュエータであったが、鍵２の運動に関する物理量に基づいて算出される力覚制御値に基づいて、電気的に制御可能なアクチュエータであれば、モータ（リニアモータ、ロータリーモータ）、ブレーキ装置、あるいは油圧、空圧装置等のアクチュエータであってもよい。

＜変形例７＞
上述した実施形態においては、機械負荷機構３における回転体３０４ａの回転によって、負荷状態と無負荷状態を切り替えていたが、負荷状態と無負荷状態を切り替えることができれば、別の構成によって行なってもよい。例えば、無負荷状態において、図３に示すような位置にハンマ３００を付勢できれば、支点３０３にモータやブレーキ装置を設けたり、別途油圧、空圧装置等を設けたりして、ハンマ３００を付勢できるようにすればよく、どのような構造によって実現してもよい。変形例２、３における機械負荷機構３についても同様に、鍵２と機械負荷機構３との結合状態を解除する機構などを設けて無負荷状態を実現してもよい。さらに、変形例３においては、図９における可動部材３３０の位置を破線で示す図の下方に移動させておけば、鍵２に負荷を与えることがなくなる。

＜変形例８＞
上述した実施形態においては、鍵の力覚を再現するための鍵盤楽器１として説明したが、外部接続される鍵盤機構１００に力覚を付与するための力覚制御部１ｂおよび情報生成システム１ｃを有する力覚制御装置として用いることもできる。

＜変形例９＞
上述した実施形態においては、センサ５は、速度センサ５ｂを有していたが、速度センサ５ｂを用いずに、位置信号Ｓｐを微分することによって速度信号Ｓｖを算出するようにすればよい。この場合には、例えば、図１２に示すように、位置信号Ｓｐを微分して速度信号Ｓｖをマルチプレクサ１０および微分器２０に出力する微分器９を有する鍵盤楽器１Ｇとすればよい。

＜変形例１０＞
アコースティックピアノにおいては、ダンパペダルをオンした場合とオフした場合とで、反力が異なる。そこで、ダンパペダルのオン／オフを検出するとともに、このオン／オフに従って使用する力覚付与テーブルを切り換えるようにしてもよい。この場合には、ダンパペダルオン用、オフ用それぞれに対応する力覚制御データを記憶部１０４に記憶しておき、ＣＰＵ１０１は、ダンパペダルの操作に応じて、対応する力覚制御データを読み出して力覚付与テーブルに割り当てるようにすればよい。

＜変形例１１＞
力覚付与テーブルは、上述した実施形態で説明したもの以外を増設することもできる。すなわち、何らかの感触を演奏者に与える要素があれば、それを再現する力覚付与テーブルを設定し、パラメータとしては、位置信号Ｓｐ、速度信号Ｓｖ、加速度信号Ｓａなど任意のものを２つ以上選択して読み出すように構成すればよい。これを変形例９の構成に適用した場合は、図１３に示すように、上述した実施形態における構成に、マルチプレクサ６０ａとＡＤ変換器６０ｂとを有する増設部６０を設け、増設部６０からの出力を力覚付与テーブル３ｘで変換して加算器３７において力覚制御値Ｓｕｍに加算する構成を有した鍵盤楽器１Ｇ’とすればよい。なお、増設する力覚付与テーブル３ｘのパラメータとしては実施形態で用いたもの以外を用いてもよい。また、力覚付与テーブルは、３次元（パラメータが２つ）に限らず、より多くのパラメータを用いて多次元構成としてもよいし、図中に示した力覚付与テーブル３ｘのように２次元（パラメータが１つ）であってもよい。

また、アコースティックピアノには、打弦後のハンマがハンマーアクション機構に戻ったときのハンマの暴れを防止するために、バックチェックが設けられているが、強い打弦があった場合に、ハンマがバックチェックにあたった後のバックチェック振動に対応する力覚を再現できるようにしてもよい。この場合には、図１３に示すように加算器３８を設け、ＣＰＵ１０１が所定のタイミングで信号を出力し、加算器３８において、力覚制御値Ｓｕｍに加算するようにすればよい。所定のタイミングは、バックチェック振動が発生するタイミングであり、これは打鍵が急峻か否かを検出することによって判断できるから、位置信号ＤＳｐと速度信号ＤＳｖとに基づいて、バックチェック振動が発生するタイミングを決定すればよい。

＜変形例１２＞
上述した実施形態においては、力覚付与テーブルのパラメータは、位置信号ＤＳｐ、速度信号ＤＳｖ、加速度信号ＤＳａを用いていたが、加速度の変化分、すなわち、加加速度を用いてもよい。この加加速度は、自動車などの乗り心地などの指標として用いられることもあり、人間の感覚に重要な要素として知られている。したがって、加加速度を検出し、これを用いる力覚付与テーブルを設定して、力覚制御をしてもよい。

＜変形例１３＞
上述した実施形態においては、押鍵行程と離鍵行程のヒステリシス特性を模倣するために、鍵位置に関する力覚付与テーブル３０、３１を鍵速度の符号に応じて選択するようにしているが、鍵加速度の符号などの他の選択情報により選択するようにしてもよい。また、鍵速度あるいは鍵加速度のヒステリシス特性をも模倣するようにしてもよく、その場合には、鍵速度あるいは鍵加速度に関する力覚付与テーブルを複数設け、鍵速度や鍵加速度の符号などの選択情報に応じて選択するようにしてもよい。このとき、鍵速度あるいは鍵加速度に関する力覚付与テーブルの切り替えは、鍵位置の場合と同様に、選択情報の変化が基準期間を越えた場合にのみ行うことは勿論である。さらに、基準期間を鍵位置、鍵速度、鍵加速度で各々独立に設定可能にすれば、よりきめ細かい制御が可能となる。

＜変形例１４＞
上述した実施形態においては、鍵の位置に関する時間に関する情報を、ヒステリシス特性を模倣するための力覚付与テーブルの切り替えに利用するようにしていたが、これに限らず、所定タイミング（例えば、押鍵が開始された瞬間、あるいは、鍵位置／鍵速度／鍵加速度が０を含む所定値になった瞬間など）から時間経過に応じて力覚を制御するようにしてもよい。これにより、例えば、所定タイミングからの時間が長くなるほど反力を大きくするか、あるいは小さくするといった制御が可能になる。

＜変形例１５＞
上述した実施形態においては、離鍵過程においても力覚制御をしているが、離鍵時の感触があまり問題ない場合は、押鍵過程のみの力覚を制御してもよい。

＜変形例１６＞
上述した実施形態におけるＣＰＵ１０１が実行するプログラムはＲＯＭ１０２に記憶されたプログラムであったが、インターフェイス１０８を介して、当該プログラムが記憶された様々な記録媒体から取得したり、サーバなど外部装置との通信によって当該プログラムを取得したりして、外部から取得するようにしてもよい。

＜変形例１７＞
上述した実施形態、各変形例においては、鍵盤機構１００の鍵２に力覚を付与する鍵盤楽器１を例として説明したが、ダンパペダルやホイールなどの演奏操作子、また、ミキサなどの電子機器の操作子に適用してもよい。例えば、ダンパペダルに適用する場合には、図１における鍵盤機構１００に替えて、または併せて、ペダル機構６００を有する鍵盤楽器１Ｈとすればよい。以下にペダル機構６００の構成の一例について説明する。

図１４は、ペダル機構６００の構成を上面から示す説明図である。ペダル機構６００は、電子鍵盤楽器などで用いられるダンパペダルなどの操作子である複数のペダル部６０１−Ａ、６０１−Ｂ、６０１−Ｃ（以下、総称してペダル部６０１という）を有し、それぞれ回動支点６０２−Ａ、６０２−Ｂ、６０２−Ｃ（以下、総称して回動支点６０２という）によって筐体６００ａに回動自在に設けられている。６０３−Ａ、６０３−Ｂ、６０３−Ｃは、後述する下部アクチュエータ６１０のシャフト６１１が、ペダル部６０１を押し上げる際の押し上げ部分を示し、６０４−Ａ、６０４−Ｂ、６０４−Ｃは、後述する上部アクチュエータ６２０のシャフト６２１が、ペダル部６０１を押し下げる際の押し下げ部分を示している。

図１５は、ペダル機構６００の構成について、１つのペダル部６０１に対応する構成を横方向から示す説明図である。ペダル機構６００は、下部アクチュエータ６１０ａを有する自動演奏部６１０および力覚制御部１Ｈｂを有する。下部アクチュエータ６１０ａは、実施形態におけるアクチュエータ４の機能を有し、自動演奏時などにおいて、ＣＰＵ１０１の制御に基づいて供給される駆動信号ＤＲ１０によりシャフト６１１を上下移動させ、回動支点６０２を中心軸としてペダル部６０１を図中の反時計回りに回動させる。

力覚制御部１Ｈｂは、上部アクチュエータ６２０を有する電気負荷部１ＨｄおよびバネＰ６２２を有する機械負荷機構３Ｈを有する。上部アクチュエータ６２０は、実施形態におけるアクチュエータ４およびセンサ５の機能を有し、上部アクチュエータ６２０から出力される位置信号Ｓｐと力覚付与テーブルとに基づくＣＰＵ１０１の制御に応じて供給される駆動信号ＤＲ１１によりシャフト６２１を上下移動させ、回動支点６０２を中心軸としてペダル部６０１を図中の時計回りに回動させる方向に力を与えることにより、ペダルに力覚を付与する。

バネＱ６１２、バネＲ６１３は、それぞれ下部アクチュエータ６１０ａの部分的バックアップ用バネ、がたつき防止用バネであり、安定性を向上させる機能を有し、シャフト６１１に対して力を与えている。バネＰ６２２は、変形例２における弾性負荷を与える機械負荷機構３Ｂに対応し、シャフト６２１に力を与えている。すなわち、このバネＰ６２２により、上部アクチュエータ６２０がペダル部６０１に与える負荷を低減することができる。

このような構成における上部アクチュエータ６２０の負荷の低減について、図１６を用いて説明する。図１２は、ダンパペダルの踏み込み時、戻し時の押下量と荷重負荷を示す負荷特性（それぞれ、ＰＬ１１、ＰＬ１２）、すなわち力覚の特性を示している。また、バネＱ６１２（バネ定数ｋｑ）、バネＲ６１３（バネ定数ｋｒ）、バネＰ６２２（バネ定数ｋｐ）の負荷特性についても示している。図に示すように、これらのバネについての全体の弾性負荷（以下バネＰ’という）については、Ｆ＝ｋｐ’・ｘ（ここで、ｋｐ’＝ｋｐ−（ｋｑ＋ｋｒ））により表される。そして、力覚付与テーブルについては、ダンパペダルの負荷特性からバネＰ’の弾性負荷を除いた部分のテーブルとすればよい。

例えば、ダンパペダル戻し負荷特性ＰＬ１２については、バネＰ’の弾性負荷により、上部アクチュエータ６２０は、図中の斜線部に対応する微妙な変化となる負荷を与えるだけでよく、特に荷重負荷が大きくなるダンパペダルの押下量が大きい領域においては、大半はバネＰ’の弾性負荷で対応でき、バネＰ’の弾性負荷が無い場合に比べて大幅に消費電力を低減することができる。このように、鍵盤楽器１Ｈは、鍵２に対する力覚の付与を行うだけでなく、様々な操作子に対して力覚を付与することができる。なお、上述した実施形態、各変形例において説明したように負荷の程度を変化させたり、無負荷状態としたりすることを適用してもよい。また、図１５に斜線で示したような所定の質量の負荷部材６３０を設けて、慣性負荷を与えるようにしてもよく、変形例４で説明したような粘性負荷を与える機構を設けてもよい。さらに、実施形態と同様に、利用者が操作部１０５を操作することによって選択した楽器の種類に対応する力覚制御データに基づいて力覚付与テーブルを変更してもよいし、バネＰ’の弾性負荷を変化させるようにしてもよい。このように、鍵盤楽器１Ｈは、鍵盤機構１００とペダル機構６００をそれぞれ並行して力覚の制御をすることができ、さらに別の種類の操作子の力覚を同時に制御してもよい。

＜変形例１８＞
上述した実施形態においては、機械負荷機構３の支点３０３の位置は変化しなかったが、図１８に示すように鍵２の長手方向の所定範囲内で移動可能としてもよい。この移動は、支点３０３と接続されたガイド３５０、回転軸３５１およびガイド３５０と当接する回転体３５２によって実現する。すなわち、回転軸３５１が回転すると、回転体３５２が回転軸３５１を中心に回転して移動すると、回転体３５２に当接するガイド３５０が筐体２０２に沿って鍵２の長手方向に移動することになる。そして、ガイド３５０が移動すると、機械負荷機構３が移動する。これにより、鍵２と作用部３０１とが当接する位置が変化する。したがって、鍵２の押下量が同じ量であっても作用部３０１の移動量を異ならせることができるから、利用者が鍵２を同じように押下しても作用部３０１が移動する加速度が変わることになり、反力を変えることもできる。

このとき、支点３０３の位置が変化して鍵２によって当接される作用部３０１の当接位置が変わることにより、鍵２の押下に伴う作用部３０１に係る当接位置の振れ幅が変化して、ハンマ３００とハンマストッパ２０５とが衝突するときの鍵２の押鍵量が変化する。これを防ぐために、図１９に示す構成にしてもよい。すなわち、上記図１８の構成において、ガイド３５０の移動に対応する筐体２０２の部分が傾斜した傾斜部２０６となっている。このようにすることで、鍵２と作用部３０１とが当接する位置が変わっても、反作用部３０２の振れ幅が変わる一方、作用部３０１に係る当接位置の振れ幅は変化しない。これにより、ハンマ３００とハンマストッパ２０５とが衝突するときの鍵２の押鍵量が、支点３０３の位置によらず変化しないようにすることができる。

また、図１９に示す構成ではなく、図２０に示す構成としてもよい。すなわち、上記図１８の構成において、作用部３０１と鍵２との当接の態様を変更したものである。この態様は、作用部３０１に当接部３６０が設けられ、鍵２に受板２０７が設けられ、当接部３６０と受板２０７とが当接するものとなっている。このようにすることで、支点３０３の位置が変化して当接部３６０によって当接される受板２０７の当接位置が変わる。したがって、当接部３６０の振れ幅が変わらないようにすることができるから、ハンマ３００とハンマストッパ２０５とが衝突するときの鍵２の押鍵量が、支点３０３の位置によらず変化しないようにすることができる。なお、鍵２、受板２０７の形状によっては、支点３０３の位置によって当接部３６０の振れ幅が変化してしまう場合も想定されるが、その場合には、ハンマ３００とハンマストッパ２０５とが衝突するときの鍵２の押鍵量が支点３０３の位置によらず変化しないように、鍵２の形状を調整し、または鍵２の長手方向に対して受板２０７の厚さ、形状を調整すればよい。

＜変形例１９＞
上述した変形例２における弾性負荷を鍵２に与えるときに、バネ３２０を用いる代わりに、図２１に示すような弾性負荷付アクチュエータ４５０を用いて、アクチュエータ４と置き換えてもよい。なお、センサ５については、図示していないが、実施形態のアクチュエータ４の構成と同様に弾性負荷付アクチュエータ４５０に接続して用いることができる。以下、弾性負荷付アクチュエータ４５０の構成について、図２１を用いて説明する。弾性負荷付アクチュエータ４５０は、実施形態におけるアクチュエータ４と、このアクチュエータ４の上部に結合され、弾性負荷を与えることができる弾性負荷機構３７０とを有する。

アクチュエータ４のプランジャ４０２は、弾性負荷機構３７０の中心軸を通り、弾性負荷機構３７０の上面および底面に設けられた孔を通過可能となっている。また、プランジャ４０２は、係合部３７１を有する。この係合部３７１は、プランジャ４０２の一部に設けられた凹部であり、補助アクチュエータ３７２のプランジャ３７３が突出したときに、プランジャ３７３と係合部３７１の凹部が係合するようになっている。補助アクチュエー
タ３７２は、ＣＰＵ１０１によってプランジャ３７３を突出させるか否かの制御が行われる。すなわち、ＣＰＵ１０１は、プランジャ３７３と係合部３７１とを係合させるか係合を解除するかを制御する。

ガイド板３７４は、プランジャ４０２に沿って上下方向に移動可能になっている。ガイド板３７４と補助アクチュエータ３７２とは結合され、ガイド板３７４とアクチュエータ４との間に設けられたバネ３７５によって、上部方向へ付勢されている。

次に、弾性負荷付アクチュエータ４５０の動作について、図２２、２３を用いて説明する。プランジャ３７３と係合部３７１とが係合していないときには、図２２に示すように、鍵２の押下によりプランジャ４０２が下方に移動しても弾性負荷機構３７０はプランジャ４０２に弾性負荷を与えない。一方、プランジャ３７３と係合部３７１とが係合しているときには、図２３に示すように、鍵２の押下によりプランジャ４０２が下方に移動するとバネ３７５が圧縮されるため、弾性負荷機構３７０はプランジャ４０２に弾性負荷を与えることになり、プランジャ４０２に当接する鍵２に対しても弾性負荷を与える。このように、ＣＰＵ１０１は、プランジャ３７３と係合部３７１とを係合させるか否かの制御により、バネ３７５の弾性負荷を鍵２に与えるか否かを制御することができる。

＜変形例２０＞
上述した変形例２においては、鍵２に対して弾性負荷をバネ３２０によって与え、支持板３２１を上下方向に移動させて弾性負荷の大きさを変化させていたが、別の方法によって変化させてもよい。例えば、図２４に示すように、バネ３２０については、筐体２０２に固定して設置されるものとし、バネ３２０とは鍵２を介して反対側の面に当接されるバネ３２２およびバネ３２２の位置を制御する位置制御部３２３を設ければよい。位置制御部３２３は、上下方向に移動することにより、バネ３２２と鍵２とを当接させたり離間させたりするとともに、当接している場合には、バネ３２２を圧縮させ初期長さを制御する。また、位置制御部３２３は、鍵２の長手方向に水平移動することにより鍵２とバネ３２２との当接位置を変更することができる。これによって、鍵に作用する強さが可変となる。なお、位置制御部３２３は、ＣＰＵ１０１によって、反力制御データに基づいて位置が制御される。このようにして、固定された負荷とは別に負荷を設け、別に設けられた負荷の大きさを制御することで、全体としての鍵２に与える全体としての負荷を低減してもよい。

＜変形例２１＞
上述した実施形態、変形例における機械負荷機構３については、それぞれ独立して用いるだけでなく、それぞれを適宜組み合わせて併用することもできる。また、鍵２に反力を与える位置は、どのような位置であってもよく、鍵２の回転支持部２０１の近くに設置するか、遠くに設置するかによっても、鍵２に与える反力の影響を異なるものとすることができる。例えば、図１０に示すように、変形例２による構成と、変形例４による構成を組み合わせた鍵盤楽器１Ｄとすればよい。

＜変形例２２＞
上述した実施形態、変形例における構成については、自動演奏時において、発音に対応する鍵２を駆動させるアクチュエータを有する自動演奏鍵盤楽器にも適用することができる。このような場合には、自動演奏時に鍵２を駆動する機構を設け、自動演奏時には、利用者が鍵２を操作することが無く、力覚を付与する必要が無いから、機械負荷機構３における負荷ができるだけ小さくなるようにＣＰＵ１０１が制御し、望ましくは無負荷状態にするようにすればよい。このようにすれば、自動演奏時に鍵２を駆動させるアクチュエータの負荷を低減することができ、省電力化が可能である。なお、発音に対応する鍵２を駆動させるアクチュエータは、アクチュエータ４であってもよいし、図示しない別のアクチュエータを設けて鍵２を駆動させるものであってもよい。また、変形例１７に示したよう
なペダル部６０１にも適用することができる。

また、逆に力覚駆動アクチュエータと自動演奏駆動アクチュエータの両方を同時活用することで、次のようなことが可能となる。第１に、力覚動作時に鍵の揺動を再現できる。例えば、指を離したときにハンマの戻りによって鍵が揺れる等のアコースティックピアノの動作を正確に再現することができる。第２に、アクチュエータを差動駆動することでサーボゲインを大幅に向上させることができる。これによって、自動演奏時に、駆動中の鍵を急停止させることができるなど、サーボ制御安定化に重要な役割、効果がある。

このような鍵盤楽器は、演奏データに基づく自動演奏を行う自動演奏モードと、自動演奏を行わず、利用者による演奏が行われる通常演奏モードとを有する。いずれかのモードの選択は、利用者による操作部１０５の操作などによって行われる。そして、通常演奏モードが選択された場合には、上述した実施形態、変形例の構成により動作し、自動演奏モードが選択された場合には、上述のように機械負荷機構３における負荷ができるだけ小さくなるように制御される。そして、自動演奏時に鍵２を駆動させるアクチュエータによって、演奏データに基づく発音に対応する鍵２が駆動されるようにすればよい。なお、機械負荷機構３における負荷を小さくするときには、最小負荷でなくてもよく、通常演奏モードの場合における負荷よりも低減されるものとなっていれば、省電力化が可能である。

また、このように自動演奏時に負荷を低減する構成は、アコースティックピアノなどにも適用することができる。以下、複数の具体例を説明する。

例えば、図２５に示すようなアコースティックピアノに用いられるダンパペダル機構の構成において、自動演奏時にペダル部７０１を駆動するアクチュエータ７０２を、変形例１９における弾性負荷付アクチュエータ４５０とし、プランジャ４０２と突上シャフト７０３とを接続すればよい。このダンパペダル機構は、ペダル部７０１が押下されて突上シャフト７０３が上方に移動すると、ペダルレバー７０４が上方に移動し、リフタ７０７、ダンパーヘッド７０８を移動させる構成であり、ペダルレバー７０４と筐体７０５との間には、バネ７０６が設けられている。そして、突上シャフト７０３は、バネ７０６の弾性負荷およびペダルレバー７０４、リフタ７０７、ダンパーヘッド７０８によって下方に付勢され、ペダル部７０１を押下するときの負荷になっている。

ここで、自動演奏時にアクチュエータ７０２がペダル部７０１を駆動する場合には、突上シャフト７０３の下方への付勢力と逆の駆動力を必要とするが、アクチュエータ７０２において、上方への弾性負荷を発生、すなわち、変形例１９における弾性負荷付アクチュエータ４５０のプランジャ３７３と係合部３７１とを係合させることにより、バネ３７５の上方への弾性負荷を発生させれば、バネ３７５がバネ７０６の弾性負荷を低減するように作用してアクチュエータ７０２で駆動することができる。一方、自動演奏時でないときには、アクチュエータ７０２で駆動することなくプランジャ３７３と係合部３７１とを係合を解除した状態として、バネ３７５による上方への弾性負荷を発生させないことにより、ペダル部７０１の押下時の弾性負荷は、バネ７０６の弾性負荷がそのまま低減されていないものになる。これにより、自動演奏時には、自動演奏時でないときのペダル部７０１への弾性負荷より低減させることができるから、アクチュエータ７０２の駆動力が少なくてもペダル部７０１を駆動させることが可能となる。

また、アクチュエータ７０２は、弾性負荷機構３７０が設けられていないアクチュエータとして、弾性負荷を低減させる構成を別の手段によって設けてもよい。例えば、図２６に示すように、バネ７０６の初期荷重を変更できるように、バネ７０６の初期長さを調整するギヤードモータなどにより構成される圧縮伸長部７０９を設けてもよい。そして自動演奏時にはバネ７０６を伸長して初期荷重を低減し、自動演奏時以外の場合にはバネ７０６を圧縮して初期荷重を増加させればよい。

また、図２７に示すように、バネ７０６とペダルレバー７０４を介して反対側にバネ７１０を設け、バネ７１０の位置を制御可能な位置制御部７１１を設ければよい。この構成は、変形例２０における構成と同様な構成であって、ペダルレバー７０４とバネ７１０が当接する位置、およびバネ７１０を圧縮して初期長さの制御をして、バネ７１０のペダルレバー７０４に与える弾性負荷の大きさを変更することができる。そして自動演奏時には、バネ７１０による弾性負荷をペダルレバー７０４に与えることにより、バネ７０６による弾性負荷を低減させることができる。

なお、図２５、図２６、図２７に示すような構成において、自動演奏時にペダルレバー７０４への弾性負荷が低減されたときに、ペダルレバー７０４の位置を安定させるために図示しない別の暴れ防止バネを設けてもよい。また、アクチュエータ７０２のプランジャの重さをキャンセルして、利用者がペダル部７０１を押下するときの本来の力覚に近づけるために、そのプランジャの重さに応じた上方への付勢力を与えるキャンセルバネを設けてもよい。また、圧縮伸長部７０９がバネ７０６を圧縮伸長するとき、および位置制御部７１１がバネ７１０の位置、初期長さを制御するときには、ノイズ発生やペダル部７０１が揺れ動くことを避けるために、所定速度より遅い速度で制御することが望ましい。

＜変形例２３＞
上述した実施形態においては、機械負荷機構３の回転体３０４ａは、その回転位置に応じて機械負荷機構３が鍵２に対して反力を与える負荷状態と、機械負荷機構３が鍵に対して反力を与えないように無効化した無負荷状態とを切り替えていたが、鍵２の押鍵に伴う移動範囲において、所定範囲においては負荷状態、それ以外の範囲においては無負荷状態となるようにしてもよい。この場合には、以下のような構成とすればよい。

記憶部１０４に記憶された反力制御データは、鍵２の移動範囲の少なくとも一部の範囲を指定する範囲制御値をさらに示すようにする。そして、ＣＰＵ１０１は、記憶部１０４に記憶された反力制御データを読み出す際に、この反力制御データが示す範囲制御値に基づいて、回転体３０４ａを回転させる。このとき、図２８に示すように、回転体３０４ａの回転位置は、実施形態における負荷状態と無負荷状態との間の位置に制御される。

このようにすると、鍵２の押鍵量が少ないときには、鍵２とハンマ３００の作用部３０１とは離間状態であり、無負荷状態になっている一方、押鍵量が大きくなってくると、鍵２とハンマ３００の作用部３０１とは当接状態となり、負荷状態になる。ＣＰＵ１０１は、このような負荷状態となる押鍵量の範囲を範囲制御値が指定する範囲になるように回転体３０４の回転角度を制御すればよい。このようにすれば、鍵２の押鍵に伴う移動範囲のうち、鍵２が範囲制御値によって指定される範囲内に存在する場合には負荷状態、範囲外に存在する場合には無負荷状態とすることができる。なお、負荷状態にある鍵２の押鍵量から、さらに押鍵量が大きくなったときに無負荷状態にする場合には、ＣＰＵ１０１は、位置センサ５ａの検出部５０２から出力される位置信号Ｓｐから押鍵量を検出し、範囲制御値が指定する範囲外に鍵２が到った場合に、回転体３０４ａの回転位置を図３に示す位置に制御して無負荷状態にしてもよい。このように、範囲制御値が指定する範囲内に鍵２が存在するか否かは、ＣＰＵ１０１が位置信号Ｓｐから検出するようにしてもよい。

＜変形例２４＞
上述した各変形例において、機械負荷機構３の負荷の大きさを変化させることができる場合には、反力制御データが示す反力制御値に応じて負荷の大きさを変化させていたが、鍵２の押下量に応じて負荷の大きさを変化させられるようにしてもよい。この場合には、記憶部１０４に記憶された反力制御データは、反力制御値と鍵２の押下量との関係を示すデータとし、ＣＰＵ１０１は、位置センサ５ａの検出部５０２から出力される位置信号Ｓｐから押鍵量を検出し、検出した押鍵量に対応する反力制御値に基づいて機械負荷機構３の負荷の大きさを変化させればよい。

実施形態に係る鍵盤楽器の構成を示すブロック図である。 実施形態に係る機械負荷機構が負荷状態である場合の構成を示す説明図である。 実施形態に係る機械負荷機構が無負荷状態である場合の構成を示す説明図である。 実施形態に係るアクチュエータおよびセンサの構成を示す説明図である。 実施形態に係る鍵盤楽器のソフトウエアの構成、および各信号の流れを示す説明図である。 実施形態に係る力覚付与テーブルの説明図である。 変形例１に係る機械負荷機構の構成を示す説明図である。 変形例２に係る機械負荷機構の構成を示す説明図である。 変形例４に係る機械負荷機構の構成を示す説明図である。 変形例２１に係る機械負荷機構の構成を示す説明図である。 変形例５に係る鍵盤楽器のソフトウエアの構成、および各信号の流れを示す説明図である。 変形例９に係る鍵盤楽器のソフトウエアの構成、および各信号の流れを示す説明図である。 変形例１１に係る鍵盤楽器のソフトウエアの構成、および各信号の流れを示す説明図である。 変形例１７に係るペダル機構の構成を示す説明図である。 変形例１７に係るペダル機構の構成を示す説明図である。 変形例１７に係るダンパペダルの負荷特性を示す説明図である。 変形例３に係る機械負荷機構の構成を示す説明図である。 変形例１８に係る機械負荷機構の構成を示す説明図である。 変形例１８に係る機械負荷機構の構成を示す説明図である。 変形例１８に係る機械負荷機構の構成を示す説明図である。 変形例１９に係るアクチュエータの構成を示す説明図である。 変形例１９に係るアクチュエータの構成を示す説明図である。 変形例１９に係るアクチュエータの構成を示す説明図である。 変形例２０に係る機械負荷機構の構成を示す説明図である。 変形例２２に係るダンパペダル機構の構成を示す説明図である。 変形例２２に係るダンパペダル機構の構成を示す説明図である。 変形例２２に係るダンパペダル機構の構成を示す説明図である。 変形例２３に係る機械負荷機構の構成を示す説明図である。

符号の説明

１…鍵盤楽器、１ａ…電子システム、１ｂ…力覚制御部、１ｃ…情報生成システム、１ｄ…電気負荷部、２…鍵、２ａ…黒鍵、２ｂ…白鍵、３…機械負荷機構、４…アクチュエータ、５…センサ、５ａ…位置センサ、５ｂ…速度センサ、６ａ…論理回路、６，１０，２１，６０ａ…マルチプレクサ、７，１１，２２，６０ｂ…ＡＤ変換器、９，２０…微分器、３０〜３３，３ｘ…力覚付与テーブル、３０−１〜３０−ｎ…テーブル、３５〜３８…加算器、３７ａ…スイッチ、４０…ＰＷＭ指示値発生回路、４５…ＤＡ変換器、５０…ＰＷＭドライバ、５０ａ…ソレノイドドライバ、５１…電流ＦＢ回路、６０…増設部、１００…鍵盤機構、１０１…ＣＰＵ、１０２…ＲＯＭ、１０３…ＲＡＭ、１０４…記憶部、１０５…操作部、１０６…表示部、１０６ａ…液晶ディスプレイパネル、１０６ｂ…ディスプレイドライバ、１０７…音声出力部、１０８…インターフェイス、２００…バス、２０１…回転支持部、２０２…筐体、２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ…空間、２０２ｄ…開口部、２０３…揺動ストロークガイド、２０３ａ…突起部、２０３ｂ…ガイド部、２０４…鍵ストッパ、２０５…ハンマストッパ、２０６…傾斜部、２０７…受板、３００…ハンマ、３０１…作用部、３０２…反作用部、３０３…支点、３０４ａ…回転体、３０４ｂ…ステッピングモータ、３０４ｃ…パルスジェネレータ、３０５…軸、３０６…調整ねじ、３１０ａ…フレーム、３１０ｂ…移動体、３１１…リードスクリュー、３１２…モータ、３１３…ガイド部材、３２０…バネ、３２１…支持板、３２２…バネ、３２３…位置制御部、３３０…可動部材、３３１…支柱、３３２…筒状部材、３３３…オリフィス径制御部、３３３ａ…孔、３４０…板ばね、３４１…回転軸、３５０…ガイド、３５１…回転軸、３５２…回転体、３６０…当接部、３７０…弾性負荷機構、３７１…係合部、３７２…補助アクチュエータ、３７３…プランジャ、３７４…ガイド板、３７５…バネ、４００…ヨーク、４０１…コイル、４０２…プランジャ、４０３…シャフト、４０４…シャフトヘッド、４０６…ハウジング、４１０…軸受け、４５０…弾性負荷付アクチュエータ、５００ａ，５００ｂ…ハウジング、５０１…被検出部材、５０２…検出部、５０３…反射板、５０４…マグネット、５０５…バネ、５０６…コイル、６００…ペダル機構、６００ａ…筐体、６０１−Ａ，６０１−Ｂ，６０１−Ｃ…ペダル部、６０２−Ａ，６０２−Ｂ，６０２−Ｃ…回動支点、６０３−Ａ，６０３−Ｂ，６０３−Ｃ…押し上げ部分、６０４−Ａ，６０４−Ｂ，６０４−Ｃ…押し下げ部分、６１０…自動演奏部、６１０ａ…下部アクチュエータ、６１１…シャフト、６１２…バネＱ、６１３…バネＲ、６２０…上部アクチュエータ、６２１…シャフト、６２２…バネＰ、６３０…負荷部材、７０１…ペダル部、７０２…アクチュエータ、７０３…突上シャフト、７０４…ペダルレバー、７０５…筐体、７０６…バネ、７０７…リフタ、７０８…ダンパーヘッド、７０９…圧縮伸長部、７１０…バネ、７１１…位置制御部

Claims (1)

1. 演奏データに基づく自動演奏を行う自動演奏モードまたは前記自動演奏を行わない通常演奏モードにより動作し、ペダルと、当該ペダルの操作に応じて変位する突き上げ棒と、当該操作に対する弾性負荷を当該突き上げ棒に付与するバネとを有する鍵盤楽器であって、
   前記自動演奏モードまたは前記通常演奏モードのいずれかを選択するモード選択手段と、
   前記モード選択手段によって自動演奏モードが選択された場合には、前記演奏データに基づいて前記突き上げ棒を駆動する駆動手段と、
   前記突き上げ棒と係合する係合手段を有し、当該係合手段により前記突き上げ棒と係合した場合に、前記バネによる弾性負荷を軽減する方向の弾性負荷を前記突き上げ棒に付与する弾性負荷機構と、
   前記モード選択手段によって自動演奏モードが選択された場合には、前記弾性負荷機構を前記突き上げ棒と係合させるように前記係合手段を制御する制御手段と
   を具備することを特徴とする鍵盤楽器。

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