JP6809607B2 - 反力発生ユニット - Google Patents

Description

本発明は、操作子の操作により押圧されて、弾性変形により反力を発生させる反力発生ユニットに関する。

従来、操作子の操作により押圧されて、弾性変形により反力を発生させる反力発生ユニットが知られている。例えば、電子鍵盤楽器の分野で、基板面から膨出した弾性膨出部の内側に、基板面に向かって膨出するドーム部を有し、鍵等の部材により押圧されて弾性変形するスイッチを有する楽器が知られている（下記特許文献１）。この種の楽器では、ドーム部等が弾性変形することで、実質的に鍵に対する反力が発生する。特許文献１の楽器では、共通の押圧部材である鍵に押圧されるドーム部が複数設けられる。

ところで、押圧部材により押圧される行程においてドーム部が回動等の変位をするユニットが多く、そのようなユニットでは、基板面の法線方向に対するドーム部の軸心方向の傾きは刻々と変化する。ドーム部と当接関係となる基板面等の対向面に対するドーム部の先端の接触（着地）の際に、対向面の法線方向に対してドーム部の軸心方向の傾きが大きくなりすぎると、着地動作が不安定となる。すると、反力の大きさ及び反力発生のタイミングが不安定となり、耐久性も低下する。

共通の押圧部材に押圧される複数ドームを有する装置では、対向面への各ドーム部の先端の接触の際に、対向面の法線方向に対して各ドーム部の軸心方向の傾きがそれぞれ所望の角度となるのが理想的である。そのためには、ドーム部ごとに軸心方向の傾きを設定するのが理想である。なお、非押圧状態において、対向面の法線方向に対してドーム部の軸心方向を傾けた反力発生ユニットは知られている（下記特許文献２）。

特開２００７−２５５７６号公報 特開２０１５−６８９６９号公報

しかしながら、共通の押圧部材に押圧されるドームが複数である装置において、押圧力を受けていない状態での軸心方向の傾きがドーム部ごとに異なる設計とすると、反力発生ユニットの加工が難しくなり高い製品精度を確保するのが困難となる。すなわち、この種の反力発生ユニットは一般に、金型内に弾性材料を充填させて成形することにより製造される。通常、金型の抜き方向がドーム部の軸心方向と一致するため、軸心方向が互いに異なるドーム部を複数有する反力発生ユニットを金型により精度良く一体成形することは容易でない。なお、スライド金型を用いるとコスト高や精度低下となり現実的でない。

本発明の目的は、発生する反力を安定させると共に、加工精度を高めることができる反力発生ユニットを提供することである。

上記目的を達成するために本発明によれば、対向部材（１０）と、前記対向部材から膨出するスカート部（２４）、前記スカート部に連接する基部（２１）、及び、前記基部から前記対向部材に向かって膨出する複数のドーム部（２２）を有し、前記ドーム部の各々の軸心に直交する断面形状が略線対称である、弾性材で成る被押圧体（２０）と、を有し、非操作状態からの操作子の操作によって前記対向部材と前記基部とが相対的に近づく行程が押圧行程となるように構成され、前記基部が押圧力を受けていないと仮定した自然状態においては、前記ドーム部の各々の軸心（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３）は互いに略平行であり、前記自然状態においては、前記対向部材における前記ドーム部に対向する対向面の法線（Ｘ０）と前記各々の軸心とが、０°より大きい所定角度（θ０）を形成し、前記押圧行程における、前記自然状態を基準として前記複数のドーム部のうち第１のドーム部の先端が前記対向面への接触を開始するまでの、前記対向面の前記法線に対する前記第１のドーム部の軸心の相対的な第１の角度変化量と、前記押圧行程における、前記自然状態を基準として前記複数のドーム部のうち第２のドーム部の先端が前記対向面への接触を開始するまでの、前記対向面の前記法線に対する前記第２のドーム部の軸心の相対的な第２の角度変化量と、を按分した角度に、前記所定角度が設定されている、反力発生ユニットが提供される。

なお、上記括弧内の符号は例示である。

本発明によれば、発生する反力を安定させると共に、加工精度を高めることができる。

反力発生装置（反力発生ユニット）の構成を示す模式的断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 押圧行程において先端が対向面に当接した瞬間の軸心と法線との関係を示す模式図である。 押圧行程において先端が対向面に当接した瞬間の軸心と法線との関係を示す模式図である。 押圧行程において先端が対向面に当接した瞬間の軸心と法線との関係を示す模式図である。 ドーム部の断面形状の変形例を示す図である。 ドーム部の断面形状の変形例を示す図である。 ドーム部の断面形状の変形例を示す図である。 ドーム部の断面形状の変形例を示す図である。 ドーム部の断面形状の変形例を示す図である。 押圧ストロークと反力との関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る反力発生装置（反力発生ユニット）の構成を示す模式的断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。この反力発生装置は、少なくとも、被押圧体２０及び対向部材１０を含む。被押圧体２０は弾性材で一体に形成され、対向部材１０上に配設される。対向部材１０上に、弾性を有するスカート部２４が膨出し、スカート部２４に基部２１が連接している。一例として、押圧部材１３は回動軸Ｐを中心に回動するかまたは回動を伴う変位をする。押圧部材１３は操作子自身であってもよいが、操作子の操作によって変位する変位部材であってもよい。対向部材１０は例えば変位しない部材であるが、それに限らず、対向部材１０と押圧部材１３との少なくともいずれかが変位することで、協働して被押圧体２０を押圧する構成であってもよい。

被押圧体２０は、例えば金型内に弾性材料を充填して一体成形される。外ドームであるスカート部２４の内側において、基部２１からは、複数（３つ）のドーム部として、第１のドーム部２２−１、第２のドーム部２２−２、第３のドーム部２２−３が対向部材１０に向かって膨出する。各ドーム部２２−１、２２−３、２２−２は、この順に一直線上に並んで配置される。各ドーム部２２は先端２３（２３−１、２３−２、２３−３）を有する。なお、以降、３つのドーム部２２同士及び先端２３同士を区別しないときは、単にドーム部２２、先端２３と記す。押圧部材１３により基部２１が押圧されると各ドーム部２２の先端２３が対向部材１０に相対的に近づく方向へ変位し、その際、ドーム部２２が弾性変形することで、操作子に対する適切な反力が発生する。先端２３の形状（先端面の形状）は、一例として略円形で平坦面である（図２参照）。対向部材１０は各ドーム部２２の先端２３に対向する対向面１１を有する。

図１では、操作子の非操作状態を示している。非操作状態では、押圧部材１３は変位を開始しておらず、被押圧体２０は何ら押圧荷重を受けていない自由状態である。押圧部材１３が予め被押圧体２０に接触するように配設されることも考えられる。このような配設態様も想定し、被押圧体２０が押圧力を受けていないと仮定した状態を「自然状態」と呼称する。操作子、押圧部材１３、または操作子から押圧部材１３までの間に介在する部材がストッパ等に当接することで、押圧部材１３の変位終了位置が規制されるように構成されている。

本実施の形態では、対向部材１０の対向面１１の法線Ｘ０に対して少し斜めの方向に各ドーム部２２が膨出する構成を例にとる。各ドーム部２２の断面形状は共通である。ドーム部２２−１、２２−２、２２−３のそれぞれ概ね膨出する方向が各ドーム部２２の軸心Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３となる。詳細には、軸心Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３は、対応する先端２３の図心Ｇを通る直線であって、この直線の所定の範囲内では、任意の位置における直交面に関するドーム部２２の断面形状が互いに相似形となるような直線である。軸心Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３に直交する対応するドーム部２２の断面形状は略線対称で、図１の例では円形（円環状）である。この線対称に係る対称軸Ａｘと軸心Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３とを含む仮想面をＳｘとする。仮想面Ｓｘに対して各ドーム部２２の立体形状は略対称である。

第１のドーム部２２−１を例にとって説明する。図１に示す操作子の非操作状態で且つ被押圧体２０の自然状態において、第１のドーム部２２−１の軸心Ｘ１と対向面１１の法線Ｘ０とが形成する鋭角側の角度は、０°より大きい所定角度θ０である。軸心Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３は互いに略平行であり、軸心Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３と対向面１１の法線Ｘ０とが形成する鋭角側の角度は所定角度θ０で略共通である。

非操作状態からの操作子の操作によって対向部材１０と基部２１とが相対的に近づく行程が押圧行程となる。押圧部材１３の変位終了位置が規制されることで押圧終了状態となる。従って、自然状態の被押圧体２０が、操作子の変位に基づき、対向面１１に対する相対的な最大可動範囲に対応する押圧終了状態へ遷移するまでの行程が、押圧行程となる。なお、対向部材１０による押圧が解除されると、被押圧体２０は弾性により初期状態（図１の例では自由状態）に復帰する。押圧行程においてドーム部２２は変形するが、仮想面Ｓｘは変化しない。従って、仮想面Ｓｘは法線Ｘ０と常に略平行である。

図３、図４、図５は、押圧行程において先端２３−１、２３−３、２３−２がそれぞれ対向面１１に当接した瞬間の軸心Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３と法線Ｘ０との関係を示す模式図である。押圧行程においては、先端２３−１、２３−３、２３−２の順で対向面１１に当接する。押圧行程において各ドーム部２２が回動変位をし、対向面１１の法線方向に対するドーム部２２の軸心方向の傾きは刻々と変化する。なお、各軸心Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３と法線Ｘ０とが形成する角度は、厳密には仮想面Ｓｘ上で考えるとする。

まず、自然状態を基準として第１のドーム部２２−１の先端２３−１が対向面１１への接触を開始するまでの、法線Ｘ０に対する軸心Ｘ１の相対的な角度変化量を角度変化量Δθ１（第１の角度変化量）とする（図３）。非操作状態からこの時点までは、軸心Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３はいずれも法線Ｘ０と平行となることはない。また、自然状態を基準として第３のドーム部２２−３の先端２３−３が対向面１１への接触を開始するまでの、法線Ｘ０に対する軸心Ｘ３の相対的な角度変化量を角度変化量Δθ３とする（図４）。この時点では、軸心Ｘ３は法線Ｘ０と略平行となる。すなわち、軸心Ｘ３は、押圧行程において先端２３−３が対向面１１への接触開始したときに対向面１１に対して略直交する（そのように所定角度θ０が設定されている）。また、自然状態を基準として第２のドーム部２２−２の先端２３−２が対向面１１への接触を開始するまでの、法線Ｘ０に対する軸心Ｘ２の相対的な角度変化量を角度変化量Δθ２（第２の角度変化量）とする（図５）。この時点までに軸心Ｘ２が法線Ｘ０と平行となる状態を経る。角度変化量の大小関係は、Δθ１＜Δθ３＜Δθ２となっている。

ここで、対向面１１に対するドーム部２２の先端２３の接触（着地）の際に、対向面１１の法線方向に対してドーム部の軸心方向の傾きが大きすぎると着地動作が不安定となる。しかし、特に、配置方向における真ん中の第３のドーム部２２−３の先端２３−３は対向面１１への接触を開始した時点で対向面１１に対して略直交するので、第３のドーム部２２−３の接触動作は安定する。従って、第３のドーム部２２−３が発生させる反力の大きさ及び反力発生のタイミングが安定し、耐久性も高まる。ところで、所定角度θ０は、角度変化量Δθ１と角度変化量Δθ２とを按分した値に設定されている。一例として、両角度を半分にした値が所定角度θ０とされ、所定角度θ０＝（Δθ１＋Δθ２）／２となっている。これにより、第１のドーム部２２−１、第２のドーム部２２−２のいずれかの、対向面１１への接触時における軸心方向の傾きが一方的に過大となることが回避される。よって、ドーム部２２−１、２２−２間で反力の大きさ及び反力発生タイミングの安定化のバランスをとることができ、被押圧体２０全体としての反力発生を適切なものにすることができる。なお、図１の例では先端２３−３は対向面１１への接触開始時に対向面１１に略直交するので、角度変化量Δθ３は所定角度θ０と略等しい。

ところで、自然状態において各ドーム部２２の軸心Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３は互いに略平行である。これにより、金型により成形する上で各ドーム部２２に関する金型の抜き方向を軸心Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３と略一致させることができるので、被押圧体２０の成形が容易となる。高い精度を確保できることから、加工精度を高めることができる。

ところで、軸心Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３は互いに「略平行」としたが、略平行は、製造誤差はもちろんのこと、金型による成形上の事情により生じる差異も、略平行の範囲に含めるとする。すなわち、被押圧体２０を金型で成形する際、金型に抜き勾配を設けることがある。ドーム部２２の各々において、異なった箇所に抜き勾配を設けたり、同じ箇所だが異なる角度の抜き勾配を設けたりすると、各ドーム部２２単体としての軸心を把握したとき、軸心が金型の抜き方向と一致しなくなるドーム部２２が生じ得る。すると、厳密には、各ドーム部２２の軸心同士がわずかに平行でなくなることがある。しかし、このような抜き勾配の設定に起因する軸心の不一致は、本実施の形態では一致（略平行）に含めるとする。

本実施の形態によれば、自然状態において、各ドーム部２２の軸心Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３は互いに略平行であり、軸心Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３と対向面１１の法線Ｘ０とが、０°より大きい所定角度θ０を形成する。これにより、発生する反力を安定させると共に、加工精度を高めることができる。また、軸心Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３が互いに略平行であることから、隣接するドーム部２２間の間隔を小さくでき、サイズの縮小化に寄与する。

また、所定角度θ０は、角度変化量Δθ１と角度変化量Δθ２とを按分した角度に設定されるので、押圧行程において対向面１１にそれぞれ最初と最後に当接するドーム部２２−１、２２−２間で、反力の大きさ及び反力発生タイミングの安定化のバランスをとることができる。また、第３のドーム部２２−３の先端２３−３は対向面１１への接触開始時点で対向面１１に略直交するので、第３のドーム部２２−３の接触動作は安定し、第３のドーム部２２−３が発生させる反力の大きさ及び反力発生のタイミングが安定する。

なお、本実施の形態では、軸心Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３に直交する各ドーム部２２の断面形状は円形であった。しかし、図６Ａ〜Ｅに例示するように、各軸心に直交するドーム部２２の断面形状は略線対称であればよい。すなわち、断面形状は、角が丸い長方形（図６Ａ）、楕円形（図６Ｂ）、直線部を有する環状（図６Ｃ）、角が丸い菱形（図６Ｄ）、直線部及び半円部を有する異形形状（図６Ｅ）のいずれでもよい。

なお、各ドーム部２２の先端２３が対向面１１と接触を開始する時点で、先端２３と対向面１１とは略平行となるが、それは必須でなく、接触開始時に先端２３が対向面１１に対して傾きを有してもよい。また、各ドーム部２２の先端２３は平坦面であるとしたがそれも必須でない。先端２３が平坦でない場合は、ドーム部２２の概ね膨出方向における先端２３の投影形状で図心Ｇは把握される。なお、上記した各角度値は、例示した値に限定されるものではない。

なお、本実施の形態では、ドーム部２２の数は３つとしたが、２つ以上であればよく、４つ以上であってもよい。なお、所定角度θ０は、複数のドーム部２２のうち任意の１組に関する、自然状態を基準として先端２３が対向面１１への接触を開始するまでの法線Ｘ０に対する軸心の相対的な角度変化量を按分した角度に設定してもよい。特にドーム部２２が３つ以上の場合は、押圧行程において対向面１１に対する当接順が最初及び最後であるドーム部２２を組として、両者に関する角度変化量を按分した角度に所定角度θ０を設定することで、全ドーム部２２間のバランスが確保されやすい。なお、按分の比率は半分に限定されず、任意の比率を採用可能である。

なお、押圧行程において、先端２３と対向面１１との接触開始時点で、２番目に当接する第３のドーム部２２−３の軸心Ｘ３が対向面１１に対して略直交するとしたが、そのようなドーム部２２は第３のドーム部２２−３に限定されない。すなわち、複数のドーム部２２のうちいずれか１つ（例えば、ドーム部２２−１またはドーム部２２−２）の軸心が対向面１１に対して略直交するようにしてもよい。

なお、押圧行程において先端２３と対向面１１との接触開始時点で軸心が対向面１１に対して略直交するドーム部２２が、押圧行程において対向面１１に最初または最後に当接するドーム部２２以外の（対向面１１に対する当接順が最初でなく最後でもない）ドーム部２２であれば、複数のドーム部２２間で、反力の大きさ及び反力発生タイミングの安定化のバランスをとることが容易となる。なお、先端２３と対向面１１との接触開始時点で軸心が対向面１１に対して略直交するようなドーム部２２が存在することは必須でない。なお、対向面１１に当接する順番は例示に限定されず、並び順とはかかわりなく、いずれのドーム部２２が最初または最後であってもよい。

なお、押圧行程において、複数のドーム部２２のうちいずれか１つのドーム部２２が反力ピークを発生させるときに、当該いずれか１つのドーム部２２の軸心が対向面１１に対して略直交するように構成してもよい。図７に例示するように、押圧行程において、ある１つのドーム部２２は、対向面１１と当接した後のストロークで反力ピークを発生させる。なお、反力ピークは、押圧終了状態となるより前における反力の最大値である。反力ピーク発生時に軸心が対向面１１に対して略直交するためには、先端２３が対向面１１と接触開始するまでは軸心が対向面１１に対して直交することがないようにする（例えば、図３で例示した第１のドーム部２２−１の軸心Ｘ１）。これにより、当該いずれか１つのドーム部２２は、反力ピークの発生時に分力が発生しにくくなるので、安定した反力を効率よく発生させることができる。従って、荷重発生と姿勢の安定性の確保により、所望の反力を所望のタイミングで発生させることが可能となり、耐久性向上にもつながる。

なお、操作子の非操作状態で基部２１と押圧部材１３とは予め当接（軽い圧接も含む）する構成であってもよい。しかしその場合でも、被押圧体２０の「自由状態」は、何らかの装置に配設されたが押圧部材１３が接触していない状態を指すとする。

なお、本発明の反力発生装置を鍵盤装置や楽器に適用してもよい。反力発生装置を鍵盤楽器に適用する場合、対向部材１０または押圧部材１３は、鍵盤の鍵または鍵の移動に伴って変位する部材のいずれかであってもよく、例えば、押鍵操作に対して慣性を与えるハンマであってもよい。

なお、反力発生装置を、鍵等の操作子の押離操作を検知するスイッチ装置としても利用でき、例えば鍵盤楽器等に適用可能である。その場合、例えば対向部材１０を基板として構成して対向面１１に固定接点を配設すると共に、各ドーム部２２の先端２３に可動接点を配設する。そして固定接点と可動接点との接触によって押離鍵操作を検出するようにしてもよい。複数のドーム部２２による接点動作の検出結果により、押鍵・離鍵ベロシティや発音・消音タイミングを決定してもよい。反力発生装置を、上記のようなスイッチ装置として構成した場合、ドーム部２２の先端２３の着地動作の安定により接点動作が安定し、精度の高い検知動作が可能となって、チャタリングの抑止等に寄与する。

ところで、鍵盤装置において、ストッパが軟質材である場合、押圧部材１３または操作子から押圧部材１３までの間に介在する部材がストッパ等に当接しても押圧部材１３は直ちに停止せず、慣性でわずかに移動する。ストッパ当接時から押圧部材１３及び被押圧体２０が実際に停止するまでの間に発生する反力が安定することで、押圧部材１３へ戻りの適切な初速を与えることが可能となり、連打性が向上するという利点もある。押圧部材１３（ないし操作子）に対する戻りの初期段階での初速を与え、連打性を向上させることには、ドーム部２２、スカート部２４、ストッパの反力が寄与する。これらのうちドーム部２２及びスカート部２４が発生させる反力が安定することで、押圧部材１３（ないし操作子）に対する安定した戻りの初速を発生させることができる。押圧部材１３の戻りが速くなることで直ちに次の打鍵が可能となるため連打性の向上につながる。なお、複数のドーム部２２のそれぞれにスイッチ機能を持たせた場合、連打性向上の観点からは、戻りの初期段階で与えられる初速により、少なくとも往行程の最後に配置されるスイッチのオン位置まで押圧部材１３が戻るように構成する。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。

１０ 対向部材
１１ 対向面
１３ 押圧部材
２０ 被押圧体
２１ 基部
２２−１、２２−２、２２−３ ドーム部
２３ 先端
Ｘ０ 法線
Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３ 軸心

Claims (7)

1. 対向部材と、
   前記対向部材から膨出するスカート部、前記スカート部に連接する基部、及び、前記基部から前記対向部材に向かって膨出する複数のドーム部を有し、前記ドーム部の各々の軸心に直交する断面形状が略線対称である、弾性材で成る被押圧体と、を有し、
   非操作状態からの操作子の操作によって前記対向部材と前記基部とが相対的に近づく行程が押圧行程となるように構成され、
   前記基部が押圧力を受けていないと仮定した自然状態においては、前記ドーム部の各々の軸心は互いに略平行であり、
   前記自然状態においては、前記対向部材における前記ドーム部に対向する対向面の法線と前記各々の軸心とが、０°より大きい所定角度を形成し、
   前記押圧行程における、前記自然状態を基準として前記複数のドーム部のうち第１のドーム部の先端が前記対向面への接触を開始するまでの、前記対向面の前記法線に対する前記第１のドーム部の軸心の相対的な第１の角度変化量と、前記押圧行程における、前記自然状態を基準として前記複数のドーム部のうち第２のドーム部の先端が前記対向面への接触を開始するまでの、前記対向面の前記法線に対する前記第２のドーム部の軸心の相対的な第２の角度変化量と、を按分した角度に、前記所定角度が設定されている、反力発生ユニット。
2. 前記押圧行程において、前記複数のドーム部のうちいずれか１つのドーム部の先端が前記対向面への接触を開始したときに、当該いずれか１つのドーム部の軸心が前記対向面に対して略直交するように、前記所定角度が設定されている請求項１に記載の反力発生ユニット。
3. 前記押圧行程において、前記複数のドーム部のうちいずれか１つのドーム部が反力ピークを発生させるときに、当該いずれか１つのドーム部の軸心が前記対向面に対して略直交するように、前記所定角度が設定されている請求項１に記載の反力発生ユニット。
4. 複数の前記ドーム部は、前記押圧行程において前記対向面に順番に当接するよう構成され、
   前記第１のドーム部及び前記第２のドーム部は、前記押圧行程において前記対向面に最初に当接するドーム部及び前記対向面に最後に当接するドーム部である請求項１に記載の反力発生ユニット。
5. 複数の前記ドーム部は、前記押圧行程において前記対向面に順番に当接するよう構成され、
   前記いずれか１つのドーム部は、前記押圧行程において前記対向面に最初または最後に当接するドーム部以外のドーム部である請求項２に記載の反力発生ユニット。
6. 複数の前記ドーム部は、対称軸と前記軸心とを含む仮想面に対して立体形状が略対称であり、前記押圧行程において前記仮想面は変化しない請求項１〜５のいずれか１項に記載の反力発生ユニット。
7. 前記ドーム部の各々の軸心は、対応するドーム部の先端の図心を通る直線であって、前記直線の所定の範囲内では、任意の位置における直交面に関する前記対応するドーム部の断面形状が互いに相似形となるような直線である請求項１〜６のいずれか１項に記載の反力発生ユニット。

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