JPH03171000A - 電子楽器等に用いる改良型容量性変位及び圧力検知方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、限定的にではないが特に電子楽器の鍵盤に適
用可能な、新規な可変の容量性変位及び圧力検知方法及
び装置に関する。

〔従来の技術〕

例えば鍵盤を備えた電子楽器に対する上記のような装置
、即ちセンサを適用することを考えてみると、演奏者に
よってキーが如何に強く、又は如何に速く打鍵されたか
に応じ、楽器音の一つ以上のパラメータを制御できるよ
うにすることが望ましい。また、各々のキーが押し下げ
られた後にどの位強く押さえられたかにより、音の異な
るパラメータを個別に制御できるようにすることも望ま
しいことである。これは「多音感圧性」と称されること
が多い。打鍵の際の力、およびその後のキー上への圧力
を測定するために使用される装置は、鍵盤が予測可能で
制御可能な態様で応答し、演奏者に対してある種の触知
できるフィードバックを与え、そして演奏者に過度の疲
労を与えることなく長時間の演奏を可能ならしめるよう
に、ある一定の動的な機械的特性を許容せねばならない
。

楽器の鍵盤上のヰーがどの位強く打鍵されたかを測定す
るための現在の技術は、基本的に次の二つの装置の何れ
かを取り込んでいる。最初のものは一対のスイッチを用
い、その一つはキーが押し下げられていることを示し、
他方はキーがそのストロークの終わり近くにあることを
示す。二つのスイッチの係合又は解放の間に経過した時
間を用いて、キーがどの位速く押し下げられているのか
が測定される。この装置は、キーが押し下げられた後に
どの位強く押されたままであるかについての情報を与え
ない。

第二の装置は、本出願人であるキー・コンセブッ・イン
コーボレーテッドに譲渡された米国特許第４．　４９１
１１．　３’６５号に記載のものであって、可変コンデ
ンサを用いている。可変コンデンサの一つの電極はキー
に固定されており、他方の電極は楽器本体に設けられて
いる。また、一方の電極は弾性であり、キーに加えられ
る力に応じて接触面積の変化を生ずるような態様で変形
可能である。他方の電極は硬いものであり、誘電率の高
い物質で被覆されている。機能的には、この装置は二つ
の誘電体を有する。即ち硬い電極を被覆する物質と、接
触していない場合に二つの電極を隔てる空気とである。

この装置においては、コンデンサの静電容量が絶えずモ
ニターされる。静止しているキーについては、静電容量
は静止値をとる。−キーが押し下げられるにつれ、キー
に取着された電極は空気中を通って固定電極へと近づき
、従って静電容量は増加する。二つの電極が間に高い誘
電率の物質の層を挟んで接触すると、電極間の距離は事
実上固定されるが、変形可能な電極がキーの運動量を吸
収するにつれて静電容量は増加を続け、この運動量が完
全に吸収されるまで誘電層と接触している電極の面積を
増大させる。

この時点において静電容量は降下を始める。静電容量の
ピーク値からキーの運動量を推定可能であり、適当なハ
ードウェアとソフトウエアを用いて電気信号に変換でき
る。この信号は、キーの打鍵に注がれた努力についての
、音楽的に有用な表現となる。付加的に、この装置は打
鍵後にキーがどの位強く保持されているかについての情
報を提供することができる。

この第二の装置は、二つのスイッチを備えた前述の装置
に比し、幾つもの利点を有している。

何れの装置についても、事実上すべての実施形態におい
て、キーセンサを順次走査するために多重化が用いられ
るが、ある所与の走査速度については、ピーク値を検出
する方法を用いるこの第二の装置が本質的により正確で
ある。また、キーの位置を示す連続的な信号を得られる
ため、打鍵（キー降下）及び解放（キー上昇）閾値、即
ちキーの下方への行程中においてキーが押し下げられた
ことが測定される点と、キーの上昇行程中においてキー
が解放されたことが測定される点を、製造者及びユーザ
ーの何れが調節することも可能である。二つのスイッチ
を備えた前述の装置では、スイッチの位置によってこれ
ら二つの点は調節不能に固定される。さらに、この容量
性装置の連続的な信号は、静止値をある一定量越えて増
加した容量性信号の時点からピーク容量が達或された時
点までの間の経過時間を測定することによって、時間及
び運動量を用いることを可能とし、そしてこれらの測定
時点の間隔はキーの打鍵において、二つのスイッチを用
いる装置の場合よりもさらに離すことができる。最後に
、この弾性変形可能な電極を用いた容量性装置は、最初
の打鍵の後に各々のキーがどの位強く押さえられている
かく多音感圧性）についての情報を連続して提供するこ
とができ、音楽的なパラメータの連続的な制御を行う。

〔発明の解決しようとする課題〕

このように米国特許第４．　４９８．　３６５号に記載
された装置は本技術分野における重要な改善を示すもの
であるが、製造の複雑さ及びそれに伴うコストなどを含
めて、この装置にある種の限界がある用途が存在する。

この装置は各々のキー上に設けられる容量性電極を必要
とし、その結果、各々のキーに対する電気的な接続、即
ち両方の電極に対するものと接続用のものとして、キー
の通常の動きや感触を不当に妨げることのない構造が必
要とされる。

また後述するように、ある種の作動上の限界も存在して
いる。第３Ａ図はかかる静電容量の出力をキーの押し下
げ距離に対して示しており、この場合キーは点線Ｄで示
す可動電極と誘電層の接触点へと降下され、そしてさら
にこの点を越えて動かされる。空気の誘電率は比較的小
さく、また静電容量は距離に反比例して変化するから、
静電容量の増加は最初は極めてゆっくりとしたものであ
り、次いでキー上に設けた電極が固定電極に接近するに
つれて劇的に加速する。

その結果、信号変化の殆どは、キー行程のストロークの
最後に近い僅かな部分にわたって生ずることになる。こ
のことは打鍵及び解放閾値の調節性、並びに確実に検出
可能なキーの上昇行程における最大点の両方について、
厳しい限定を加えることになる。鍵盤の演奏者に対する
このことの機能的な或り行きは、キーが軽く叩かれてキ
ー床で弾んだ場合に二重打鍵の可能性があり、キー床に
対してキーをずっと押さえていないことにより不注意で
音を切ってしまうことがあり、またゆっくりと表現豊か
に演奏している場合に音が「早すぎる」中断（他の鍵盤
に比べて）を行う可能性があるということである。

まーた、常に重要という訳ではないが、キーが下まで打
鍵される場合の装置の触感というものも、問題となるこ
とである。キーがキー床まで打鍵された場合の衝撃を吸
収するために、伝統的な鍵盤では毛のフェルトが用いら
れており、このフェルトはキーのはね返りを最小のもの
とし、演奏者に対して安定した不測の事態の生じないキ
ー床を与えるべく、衝突後のキーの動きを限定するよう
に特に選ばれている。米国特許第４，　４９８．　３６
５号に記載された装置の実施形態は、弾性電極が鍵盤の
打鍵の通常の範囲にわたって力を変換することができ、
且つ押し下げ保持力の変化を忠実に辿るため迅速に復元
するという限りにおいて、かなりのはね返りを生じろる
が、これは一部の演奏者にとっては疲れるものであろう
。何れかの電極の裏側にフェルトその他の吸収材を用い
ると、「接触」以降の行程範囲が増加し、容量信号のピ
ーク値がフェルト等によって吸収される運動量に比例し
て減少し、キー床が歯切れの良さを失って演奏者にとっ
て魅力的でなくなる。

本発明の基本的な課題は、概括的に言って、変位及び圧
力の両者を変換可能な新規な可変容量センサであって、
変位の際に空気中の簡単な容量性素子で達或可能なもの
に比べより大きくより線形な容量性信号の増大を用いる
ものを提供することである。

本発明の別の課題は、この改良型のセンサを電子楽器用
の鍵盤に組み込み、既存の技術を用いて得られるものに
比べて優れたレンジ、調節可能性、及び改善された鍵盤
の触感とを合わせ、そして前述した従来の限定を回避す
ることのできる、新規且つ改良された作動特性を与える
ことである。

本発明のさらなる課題は、簡単且つ経済的に製造できる
鍵盤及びセンサ装置を提供することである。

本発明の他の課題及びさらなる課題並びにその利点は以
下に説明されるところであり、より詳しくは特許請求の
範囲に記載されている。

〔課題を解決するための手段〕

しかしながら概略的に見れば、本発明はその一つの側面
からして、傾斜した又は弓状の弾性で導電性の薄いプラ
スチックシートからなり、シートの内側表面から突出す
る複数個の弾性突起を有し、これらの突起がシートの外
側表面からそこに対して加えられる圧力により圧縮変形
可能である第一の電極と；前記突起に対して同一の広が
りを持って対面し且つ間にある薄い誘電体層によって隔
てられた比較的平坦な第二の電極と；鍵盤のキーの一部
が接触することによる如くにして弾性の第一の電極に対
してその前記外側表面に沿って力が加えられた場合に、
その傾斜した又は弓状の内側表面に沿う弾性の変形可能
な突起を予測可能な順序で前記誘電体層に順次接触せし
める仕方でもって第一の電極が空気中を通って第二の電
極及び誘電体層に接近し、前記力が解除された際に弾性
の第一の電極が最初の位置に戻ると共に前記変形可能な
突起も予測可能な順序で順次後退するように、第一の電
極が第二の電極上で傾斜して又は弓状に延びていること
を組み合わせて有する変位感知性及び感圧性の容量性セ
ンサを包含している。好ましい最適モードの実施例及び
構成要素については、電子音楽を演奏するためのキーボ
ード装置を含めて以下に詳細に説明する。

〔実施例〕

以下、本発明を添付図面を参照して説明する。

第ＩＡ図を参照すると、鍵盤のキー１が支点２によって
支持されている。一端がキーｌに取着され、他端がシャ
シＣに取着されている引張バネ３が図面で見て反時計回
りの回転力を与えており、キー１が静止位置にある場合
にシャシＣに設けられたストッパ４に対してキーを保持
している。キー１から垂下しているものは作動ボスト５
であり、その末端には作動表面６がある。作動表面６は
次いで、フェルト７又は類似の弾性材料で覆われている
。フェルト７は、センサアセンブリの弾性の第一の電極
、即ち変形可能な電極１０の付近にあり又はこれと接触
しておケ、この電極はシャシＣに固定され支持されたプ
リント配線板８上に保持されている。

演奏者が指Ｆでキー１を押すと、このキーは支点２の回
りに図面で見て時計回りに回転し、作動アセンブリ５．
　６．　７を下方に移動させる。フェルト７は、本発明
のセンサアセンブリの第一の変形可能な電極１０の傾斜
した又は弓状の変形可能な外側表面を下方に押し、この
第一の電極をプリント配線板８に向けて押しやる。キー
１が押し下げられると、キーは水平面に対して角度をな
す。そこで作動表面６はそれ自体、キーが完全に押し下
げられた場合にその作動表面がプリント配線板８と平行
になるような角度をなしている。キー１が解放されると
、引張バネ３によってキーは図示の静止位置へと戻され
る。

前述した変形可能な電極１０を組み込んだセンサアセン
ブリの詳細は、第ＩＢ図及び第１ｃ図により完全に示さ
れている。変形可能な電極１０の傾斜した又は弓状表面
の下側即ち内側表面上には、複数個の弾性で変形可能な
突起１１及び１１′が設けられている。この実施例にお
いて、変形可能な突起１１及び１１’は、弾性材料から
なるシートの下側から垂下している平行なりッジ（尾根
状突起）の形を取っており、そのうち三つの突起１１は
例示的に三角形のりッジの形で示され、他方残りの二つ
の突起１１′はほぼ半円筒形である。また、シートから
飛び出している変形可能な突起の高さはほぼ弧Ａに合致
することが観察されるが、その理由は以下の議論から明
らかとなるであろう。変形可能な電極｛０はリベット１
２の如き固定具によってプリント配線板８に固定されて
おり、この変形可能な電極１０の突起１１及び１１′を
含む部分は、周縁にある隣接する端部領域が機械的に接
続された状態で、実質的に平坦な硬い第二の電極、即ち
固定の電極１３に対して傾斜し、又はその上で弓状をな
して支持されている。第一と第二の電極の間のすべての
個所において、接着剤を備えたポリイミドフィルムの如
き誘電率の高い物質１５が、固定の電極１３を覆ってい
る。導電性である変形可能な電極１０はリベット１２に
よって導電性表面１６と接触状態に保持されているが、
二の表面は交流信号を供給する回路１７へと接続されて
いる。この交流信号は、例えば変形可能な電極への１０
０キロヘルツの正弦波である。固定の電極１３はプリン
ト配線板を介して導体１４へと接続されており、この導
体は回路１８へと接続されている。この回路は、固定の
電極１３において存在している前記交流信号の振幅を検
出することにより、この系における静電容量を測定し、
その静電容量に対応して、適当な音響装置の音楽的パラ
メータを制御するのに用いることのできる信号を生或す
る。

第２Ａ図は、変形可能な電極ｌＯの幾つかの部分を示し
ている。Ｓとして示されている部分はバネとして機能す
るものであり、この電極を図示の上方の位置に保持し、
キーが解放された場合にこの位置へと戻るのに必要な力
をもたらす。

Ｂと表示された部分は当接表面であり、変形可能な突起
１１及び１１′の裏打ち部分からなり、固定の電極１３
の表面領域に対応している。Ｈとして示された個所は、
当接表面がキーの押し下げにつれて下方へと枢動するに
際してヒンジとして機能する。Ｌとして示された平坦な
部分は、変形可能な電極１０を位置決めすると共に係止
し、また接触表面を与える。変形可能な突起１１及び１
１′が誘電体１５と接触した場合にこれらの突起上に幾
らかの当接力が確実に加わるように、係止部分Ｌは当接
表面Ｂのシートと突起を合わせたよりも薄い。

第２Ｂ図はキーが押し下げられる前の、静止位置にある
作動アセンブリ５，　６．　７と電極アセンブリを示し
ている。作動アセンブリは、完全に押し下げられた場合
に、変形可能な電極１０の上部表面であって、その下側
に半円筒形の変形可能なりッジ１１′が延びている個所
に当接するように配置されている。

第２Ｃ図は、キーが部分的に押し下げられた場合の作動
アセンブリと電極アセンブリの位置を示している。変形
可能な突起１１と変形可能な電極１０の係止部分Ｌの間
の厚みの差は、変形可能な電極１０の傾斜と相俟って、
誘電体１５のフィルムに対して最初に接触する部分が、
この変形可能な電極１０の係止部分Ｌに一番近い変形可
能な突起１１であることを確実ならしめる。キーを続け
て押し下げると、第２Ｄ図の位置が達或されるまで、変
形可能な突起１．１及び１１′の各々は誘電体に対して
順次接触する。この時点において演奏者は抵抗を感じ、
キーのストロークの終わりに到達したと考える。しかし
ながら、静電容量はかなり増加したとはいえ、変形可能
な電極１０のほんの僅かの面積だけしか実際には誘電体
１５に接触していない。キーにさらに力を加えると、変
形可能な突起１１′は圧縮され、誘電率の高い誘電体１
５のフィルムとの接触面積は増大し、アセンブリの静電
容量をさらに増加して、キーが押し下げられている力の
尺度を与える。

第ＩＢ図の弧Ａを用いて変形可能な突起１１及び１１’
の長さを確立することは、第２Ａ図の当接表面Ｂが誘電
体１５と接触している最初の変形可能な突起ｌｌ上で第
２Ｃ図の如く枢動し始めた場合に、残りの変形可能な突
起１１及び１１′が全部一緒にではなく順番に誘電体１
５と接触することを確実なものとし、第２Ｄ図の如く変
形可能な電極１０が誘電体１５と全面的に接触している
場合にこの変形可能な電極の当接表面Ｂに幾らかの張力
があって、作動アセンブｌＪ５．６．７が変形可能な突
起１１′をさらに圧縮する場合に生ずる揺動力に抗して
変形可能な突起１１をその位置に保持することを確実な
らしめる。

第２Ｄ図をさらに検討すると、変形可能な突起１１及び
１１’について図示の二つの異なる断面が好ましい理由
が示される。変形可能な電極１０が誘電体１５に対して
完全に降下されている場合、静電容量に対する距離の影
響は最小限となり、さらなる静電容量の増大に対する主
要な寄与因子は、誘電体と接触している変形可能な突起
ｌ１及び１１′の面積量となる。突起１１のような三角
形の突起は、突起１１′のような丸みを帯びた突起の場
合よりも、誘電体と接触した場合により低い静電容量を
有する。これは、直接に接触する部分が限定されている
ことと、その表面の要素の面積一距離の積がかなり少な
いことの両者による。しかしながら同じ理由により、所
定の距離だけ突起を圧縮した場合について誘電体と接触
する領域の増加量は、丸みを帯びた突起１１′よりも三
角形の突起１１の方がかなり少ない。第２Ｄ図を詳しく
見ると、キーがさらに押し下げられ作動アセンブ’Ｊ　
５．　６．　７が半円筒形の変形可能な突起１１′を圧
縮した場合、それらは三角形の突起１１の場合よりも、
誘電体１５と接触している変形可能な電極１０の合計面
積の割合がより大きくなるように働くことが示される。

このことはキーの打鍵の際のキーの運動量及びキーが押
された後の圧力の両者について測定に有用な量の静電容
量変化が確実に得られるようにし、且つこの静電容量変
化量をキーの付加的な垂直な動きの最小限の量でもって
生或する。

鍵盤の演奏に関わる力を比較的僅かな距離の間に変換す
るというこの能力は、作動表面６と変形可能な電極１０
の外側表面との間にフェルト７を介在させることを可能
ならしめる。このフエルトはキー床を演奏者にとって柔
らかいものとし、感触をより自然なものとする。これは
また衝撃を吸収し、キーの打鍵から生ずる静電容量のピ
ークを広げてエレクトロニクスによるトラッキングをよ
り容易なものとするが、変形可能な電極１０へと力を伝
達して運動量と圧力の測定を可能ならしめる。その結果
、圧力を加えた際にキーがキー床の「中へと」下方に動
くと演奏者が感ずる場合、この動きの量がフェルト６の
圧縮と変形可能な突起１１′の圧縮とに分割される。こ
れら二つの材料の圧縮比は、フェルトの特性、フエルト
の厚み及び作動面積の選択、並びに作動アセンブリの下
側にある変形可能な突起の材質、数及び形状の変更によ
って設計的に調節できる。

前述した第３Ａ図は、米国特許第４．　４９８．　３６
５号に記載されたタイプの装置について、キーの押し下
げに対する静電容量変化を実験的に導いた曲線を示して
おり、前述したように、単一の電極がその静止位置（静
電容量Ｒ）から空気中を通って点線Ｄで示すように第二
の電極（誘電体層で隔てられている〉と接触するように
移動するにつれて予測される静電容量変化の例を提供し
ている。このような装置においては、キーの押し下げの
間における静電容量変化の大部分は、電極相互間の接触
の直前に生ずる。接触後に引き続いて生ずる付加的な力
は、単一の電極の変形の結果生ずる誘電体との接触面積
の増大を介して、静電容量の連続的な増大をもたらす。

最大値Ｍは通常、電子回路に設定された限界との組み合
わせにおいて、鍵盤の機械的な特性によって確立される
。

第３Ｂ図は、上述した本発明の改良型装置について、同
様の曲線を示している。静電容量は面積と距離の両方の
関数であるから、第２Ａ図から第２Ｄ図に示された装置
は、キーに電極が装着されている装置の場合よりも、よ
り高い静止静電容量Ｒを有する。変形可能な電極１０の
傾斜部分はまた、キーが押し下げられるにつれて静電容
量をより迅速に増大せしめるが、これはキーが底に着く
より十分前に、第一の電極、即ち変形可能な電極ＩＯの
各部分が誘電体１５に接近するからである。最初の変形
可能な突起１ｌが第２Ｃ図の如く誘電体１５と接触する
点は、Ｅという符号によって示されている。最初の静止
静電容ＩＲと比較したＥ点における静電容量の割合は、
キーが押し下げられていることを判定し、且つ静電容量
の降下時にあってはキーが解放されていることを判定す
るための再現性のある検出可能な閾値を確立する。

第２Ｃ図の位置における最初の接触点Ｅから第２Ｄ図の
位置である全面接触点Ｄまで、変形可能な電極１０が誘
電体１５により近づき残りの変形可能な突起１１及び１
１′が誘電体１５に順次接触するにつれて、静電容量は
一定して増大する。

その結果、第３Ｂ図に示すようにＲ点からＤ点までのキ
ーの押し下げと静電容量の間にはほぼ線形な関係が得ら
れ、キーのストロークにおける打鍵点と解放点の選択に
おける調節可能性が与えられ、そして二重打鍵や不注意
による解放は防止される。

第３Ｃ図は通常のキーストロークについて、時間に対す
る静電容量のプロットを示す。キーが静止位置から下方
へと加速されるにつれて、静電容量は静止値Ｒから最初
の接触点Ｅを通って全面接触点Ｄまで上昇する。キーが
底を打つことによる衝撃は、変形可能な突起１１′の引
き続いての圧縮を生ずる．その結果生ずる誘電体１５と
の変形可能な電極１０の接触面積の増大は、信号のピー
ク値Ｐ点においてキーの運動量が吸収されるまで静電容
量を継続的に上昇せしめ、その後静電容量は降下を始め
る。この上昇過程の間、静電容量は時間Ｎにおける予め
設定された打！閾値Ｊを越えるが、これはキーが押し下
げられているということを適当な電子回路に示すもので
ある．この電子回路は静電容量信号を、それが増加を終
了して時間Ｏにおいて降下を開始するまでモニターする
。静電容量のピーク値Ｐはキーの運動量に比例する信号
へと変換され、音響発生装置へとデジタル信号が送られ
る．この装置は適当な音を出し、キーがどの位強く打鍵
されたかを表す「速度」パラメータを提供して例えば音
量の如き音の特性を制御する．Ｎと○の間の時間はキー
の打鍵の強さに反比例しており、ピーク値と共に、或い
はその代わりとして、「速度」パラメータを測定するの
に用いることができる． 最初のピークＰの後、静電容量は典型的には図示の如く
振動するが、これは基本的には鍵盤及びセンサアセンブ
リの構威要素におけるコンブライアンス及びはね返りの
結果生ずるものであり、また部分的には人の指のコンブ
ライアンスによるものである．装置が安定するように、
電子回路は典型的には時間０−Ｑに等しいか又はそれを
越える時間の間、追加的な信号を送出するのを遅延させ
る．その後、キーが解放されるまでの間、静電容量信号
値はエレクトロニクスによってデジタル信号へと変換さ
れ、このデジタル信号はキーが押し下げ保持されている
力（［圧力Ｊ）を表し且つこれに比例する。この信号は
音響発生装置へと規則的に送出され、音量、ビブラート
、或いは他の音色特性といった音楽的なパラメータを連
続的に変化させるのに用いられる． ある時点Ｔでキーは解放され、キー及びセンサアセンブ
リが最初の位置に復元するにつれて、静電容量は最初の
上昇のほぼ逆でもって降下する．この降下の間のある時
点Ｖにおいて、静電容量は予め設定された解放閾値Ｋ以
下に下がり、エレクトロニクスは音響発生装置へと信号
を送って音を切る． 打鍵閾値はＪからほぼＪ゜の間の何処かにあるように製
造業者が選択でき、また演奏者が調節可能である．解放
閾値もまた同様にして、ＫからＫ゛の何処かにあるよう
に調節可能であり、その場合の唯一の制限は、静電容量
値が「音発生」と「音終了」の両方の基準を同時に満足
する状態を防ぐために、解放閾値が打鍵闇値よりも低く
なければならないということである。解放閾値Ｋについ
ての実用的な最小設定値は、静止静電容ＩＲ以上の値で
あって、Ｒから確実に区別することのできる最小の値で
ある．打鍵閾値Ｊについての実用的な最小値は、ＫとＪ
の間の最小の識別可能な差を解放閾値Ｋの最小値に加え
たものである．打鍵閾値Ｊ゜の実用的な最大値は、第２
Ｄ図に示された如く変形可能な突起１１及び１１’が誘
電体１５と全面的に接触している点であるＤよりも僅か
に大きな値である。このレベルのＪ′においては、音を
生ずるためには幾らかの僅かな運動量が必要とされる。

キーがキー床に対して押さえつけられている限り音が生
じたままであることを確実ならしめるため、解放閾値κ
゛の実用的な最大値はＤよりも僅かに小さい．打鍵及び
解放闇値をｉＪ１節する能力を有することは有用である
．第３Ｃ図において解放閾値Ｋを調節すると、キーの上
昇過程において音が切れる点が変わり、かくして新たに
音を出すまでにキーをどの位まで戻さねばならないかが
定まる。解放闇値の下限Ｋは、音を再び生ずるまでには
キーをその静止位置までの３分の２以上戻さねばならな
いことを要求しており、通常のアップライトピアノの動
作や殆どの典型的な二重スイッチ式電子キーボードの振
る舞いを模倣している．しかしながらより大きな解放閾
値Ｋ゛の場合には、新しく音を出す前にキーをその静止
位置に戻る行程のごく僅かだけ持ち上げらることか要求
されるだけであり、十分に調律されたグランドピアノの
動作を模倣している。解放閾値のｉｌｌ節可能性は、演
奏者が手慣れている他の鍵盤のように振る舞うよう鍵盤
を設定することや、その動作を別の演奏条件に合わせて
調節することを可能ならしめる。

理論的には、単一の打鍵閾値Ｊ゛は、ＫからＫ′までの
どのような設定解放閾値との干渉も防ぐものである．し
かし打鍵閾僅の調節には、他のより微妙な理由が関連し
うる。例えば、打ｉｔ閾値がＪの場合、打鍵閾値を通過
してからピーク静電容量Ｐに達するまでの間の時間であ
るＯ引くＮは、打鍵閾値Ｊ゛についての同様の時間であ
るＯ引＜Ｎ’という時間よりもかなり長いことは明らか
である。この理由から、より低い打鍵閾値は状況によっ
てはより有利なものである。

第４図は、一連のセンサアセンブリを切除して示す等測
図であり、本発明の装置の製造性を高める幾つかの特徴
を例示している。隣接するキー用の変形可能な電極１０
は単一の連続的なストリップ材料から、ヒンジＨ、当接
表面Ｂおよびバネ部分Ｓ（第２Ａ図参照）を備えて作威
されており、固定具たるリベット１２によって両端部が
一続きに装着される一方で、個々に独立して動き得るよ
うに分離されている．固定された第二の電極１３とそれ
らの導体ｌ４はプリント配線板８の表面上にエッチング
されており、全ての変形可能な電極１０に対して同じ交
流信号を供給する単一の電源からの導電性表面１６も同
様である。誘電体１５は接着剤で裏打ちされたフイルム
テープであり、或いはエッチングの後にシルクスクリー
ンによってプリント配線板の表面上に設けられている。

変形可能な電極１０が直列に配置される場合には、これ
らの電極ストリップを配置し、位置決めし、そして電気
的な接続を行うことは、これらの電極が別々に設けられ
る場合よりも少数のリベット１２で済む。図示のアセン
ブリは、鍵盤とは完全に別個に構成され、試験され、貯
蔵されうる。コンデンサの同様な配列即ちアレーを、例
えばアルファベットと数字からなるコンピュータ用キー
ボードの如き他の機構によって作動されるように構成し
ても構わない。

第ＩＣ図に戻って見ると、変形可能な突起Ｉ１及び１１
′　として不連続な円錐体や半球体ではなしに、三角形
や半円筒形のりッジを用いることはこの種のセンサにお
いて必ずしも必要ではない。しかしながら、このことは
設計及び製造性の両者において、ある種の利点をもたら
す。第一に、リッジの場合には変形可能な電極１０の制
御可能な可撓性をある特定の軸に沿ってもたらすことが
できる．再び第４図を参照すると、変形可能な電極１０
はＸ軸に沿っては比較的剛性であるが、Ｙ軸に沿っては
選択的に可撓性である．このことは例えば第２Ｄ図に示
された如く変形可能な電極１０を撓曲せしめることで可
変長の変形可能な突起１１及び１１’を用いるのに役立
ち、またセンサアセンブリ相互間の均質性に寄与する。

第二に、再び第４図を参照すると、リツジはＸ軸に沿っ
て力を分散させるものであって、このことはりッジの接
触領域の増大に伴い、不連続な円錐体や半球体の場合と
比較して、より大きな力が比較的少量の垂直方向の動き
でもって変換されることを可能ならしめるのに資する。

製造性の観点から見ると、リツジの場合には例えば押し
出しのような連続的な製造工程を用ｐｓて変形可能な電
極１０をストリップ状に製造することができるが、これ
は戒形のような別の方法と比較して均質性を高めると共
に、部品のコストを削減しうるちのである。最後に、作
動アセンブリが変形可能な電極１０及び第二の固定の電
極１３よりも幅の狭いものである限り、り・冫ジの場合
にはＸ軸に沿って作動アセンブリに対してセンサアセン
ブリを位置決めする場合の誤差を補償することができる
。

キーの押し下げの間の静電容量変化量と接触後の静電容
量変化量との間の関係もまた、変形可能な突起の数、そ
れらの断面形状、及び作動アセンブリと固定の第二の電
極の両者に対するそれらの配置を変えることによって調
節することができる。第５Ａ図は、変形可能な電極１０
であって、二つの同じ変形可能な突起ｌ１と、これらの
変形可能な突起１１が一体として作動するように電極の
他の可動部分に比較してより厚みのある当接表面Ｂとを
有するものを示している。

これら二つの変形可能な突起１１は、比較的小さな三角
形のリッジが上に設けられた半円筒形のりッジであり、
三角形のりフジは演奏者によってそれなりの力が加えら
れるまで、誘電体ｌ５との接触面積を限定するものであ
る．この装置は、降下された場合に両方の変形可能な突
起に当接する大きな作動アセンブリ５，６．７に対応す
るように設計されている。このコンデンサアセンブリは
、第３Ｂ図に示すような基本的な、変位に対して静電容
量の二つの高まりを有する曲線を生じ、比較的高いＥ／
Ｒ比と比較的小さなＤ値を有する。

第５Ｂ図は、変形可能な突起１ｌが変形された半円筒形
のりッジではなく、小さな円錐突起を上に設けた半球体
である点を除き同様のセンサアセンブリを示している。

この装置もまた第３Ｂ図に示されたような基本的な二つ
の傾斜からなる曲線に類似した出力を生威するが、半球
体の頂上にある円錐形の突起によってもたらされる接触
面積が小さいことから、点Ｅ及びラインＤにおける値は
より小さい。圧縮領域における曲線、つまりラインＤを
越えてＭ点までの曲線部分の傾斜は図示のものより急で
あるが、これは半球体が半円筒形のりッジの場合よりも
、所定の力に比例して誘電体１５と接触する面積のより
大きな増大をもたらすからである。

第５Ｃ図は三つの三角形の変形可能な突起１ｌと一つの
半円筒形のりッジ１１′を備えた変形可能な一電極ｌＯ
を示している。この構成には、二つの機能的な設計変更
が含まれている。第一に、半円筒形の突起１１′は、三
角形の突起１１の長さを画定している弧Ａまで延びては
いない。また変形可能な電極１０の上側の、半円筒形の
突起１１′の反対側の部分は丸みを帯びたリッジ１９で
ある。

これらの二つの設計変更の効果は次の如くである．即ち
第２Ｄ図に相応して、変形可能な三角形の突起１１が誘
電体１５と接触するまで変形可能な電極１０がずっと降
下された場合、半円筒形の突起１１′は誘電体１５の上
方に僅かな距離を空けたままとなる．さらに降下させる
力が加えられると、それは丸い突起であるリッジ１９に
よって、半円筒形の突起１１′が誘電体１５と接触する
べく動くように優先的に方向付けられる。その結果、キ
ーの下方への降下運動に際しては三角形の突起１１が静
電容量の増大の大部分の原因となり、その直後に変形可
能な電極１０が誘電体ｌ５と「完全に」接触を行うよう
になる装置が得られる。

しかしながらキー上に加えられる下方への圧力がある闇
値を超越した後には、その後の静電容量の増大の大部分
は半円筒形のりフジである突起１１′の接触及び圧縮か
ら生ずることになる。

第５Ｄ図及び第５Ｅ図は、第５Ｃ図のセンサとは形態的
に異なるが機能的には類似のセンサ構威を示している。

この場合、弓形の変形可能な１ｌｉ極１０が平坦ではな
く丸みを帯びており、変形可能な突起ｌ１、１１’及び
１１＃が平行ではなく同心となっている。バネ部分Ｓが
この構成中に一体化されている．作動アセンブリ５．６
．７が変形可能な電極１０上に押し下げられた場合、突
起１１が最初に誘電体ｌ５に接触する。キーの押し下げ
が続けられると、突起１１’が接触を行うまで、即ち第
２Ｄ図に相応する位置まで、突起１１’及び１１＃は誘
電体１５に接近を続ける。キーにさらに圧力が加え続け
られると、半球形状の変形可能な突起１１″と誘電体ｌ
５との接触がもたらされ、次いでこの突起が圧縮されて
キーの「速度」及び圧力を変換するのに必要とされる面
積の増大が生ずる。この構成は、これまでに説明した殆
どの構威の場合よりも作動アセンブリに対する位置によ
り敏感なものであり、多くの場合よりもより線形でない
変位信号を生ずるが、闇値の調節性が限定されている容
積の大きな構威に有用である． 第５Ａ図から第５Ｅ図に示された構成によってより多く
又は少なくもたらされる「力閾値」の影響は、鍵盤の構
成に対して機能的な重要性を有している．音を延ばした
まま保つためにキーが押し下げられて保持されている場
合、これを保持している力はこれを押し下げるために必
要とされる力より大きい。この理由から、機能的な「下
げ保持」静電容量は第３Ａ図から第３Ｄ図に示されたＤ
よりも大きく、従って圧力を変換するために利用できる
信号の割合は実際には、ＤからＭまでの曲線部分として
示された信号の割合よりも幾らか小さな量である。この
理由から、圧力を変換するべく一つ又はそれ以上の突起
を係合させるために、キーの押し下げに必要な量よりも
幾らか大きな量の圧力が必要とされるようにセンサを構
戒することが有用である． 第５Ｆ図から第５Ｈ図は、特別な用途のための他の幾つ
かのセンサ構戒を例示している。第５Ｆ図は第２Ａ図に
示されたものに類似のセンサを示しているが、ヒンジＨ
の部分が強化されていて、完全な弓形によってもたらさ
れる付加的なバネ部分Ｓを用いることなく、適度なバネ
復元力を提供するようになっている．このような構成は
必要とされる導電性ゴムの使用量を減らし、動作条件が
余り厳しくなく、キー解放時により大きな振動が生ずる
ことを許容しうる装置について有用である． 第５Ｇ図は単一の変形可能な突起を備えた弓形のアーチ
形状が用いられている装置を示しており、行程が最小限
で変位測定能力がごく僅かな衝撃及び圧カセンサを提供
するようになっている。このような装置は第３Ａ図に示
されたような一般的な形状を有する静電容量出力を有す
るが、しかしアーチ状の形状とこれと一体となったバネ
部分Ｓの故に、静止静電容量Ｒは小さく、第４図に示さ
れたセンサ装置と同様の製造上の利点を有し、ピアノの
鍵盤の下側やピアノのハンマーの前側に使用することが
できる。

第５Ｈ図は第５Ｇ図の装置に類似の装置を示しているが
、半円筒形の突起１１′の側部にある変形可能な三角形
のりッジである突起１１を有している．三角形のリッジ
たる突起１１の長さを調節することにより、この装置は
闇値効果を取り込むことができ、また三角形の突起１１
が半円筒形の突起１１’　と同じ高さのものである場合
には、加えられる力がこれを支持する表面に対して垂直
でない条件の下において、センサに安定性と一貫性を与
えることができる。

第６Ａ図から第６Ｃ図に示されているようにして、固定
の電極の形状を変化させることによって、所定の構戒の
変形可能な電極について、キーの押し下げの際における
静電容量の変化量および速度を調節することも可能であ
る。第６Ａ図は第４図に示されたような、単純な矩形の
固定の電極１３を示している。点線Ｚ及びＺ゛は、第Ｉ
Ｂ図の変形可能な電極の突起１ｌ及び１１’の接触点を
示している．第６Ｂ図は異なる構戒を示しており、そこ
において変形可能な突起１ｌは固定の電極ｌ３の幅の狭
い領域と接触し、変形可能な突起１１の接触面積を減少
させ、第３Ｂ図に示された静電容量曲線の最初の段階を
抑制するようになる。固定の電極の他の同様な設計変更
構戒を用いて、第ＩＢ図に示された変形可能な突起１ｌ
又は１１’の何れかのものの誘電体１５との接触面積に
寄与する比率を制御することによって、図示の曲線の事
実上どの点においても、静電容量を選択的に増大又は減
少させることが可能である。

第６Ｃ図は、第５Ｄ図から第５Ｅ図に示された丸みを帯
びた変形可能な電極の構成に関して使用されうる、表面
積の可変な第二の電極を示している。変形可能な突起１
１、１１′及び１１＃の接触点は、点線ｚ，ｚ’及びＺ
″で示されている。

このような同心の構成の場合には、変形可能なリッジの
長さ、従って潜在的な接触面積は、直径が増大するにつ
れて増加する。それゆえ、半径方向に延びるスポークの
形状で示された固定の電極１３の接触面積を変化させて
、種々の変形可能な突起１１、１１′及び１１＃の圧縮
及び接触の際における静電容量の増加量を調節すること
が望ましい。

第７Ａ図及び第７Ｂ図はそれぞれ、第５Ａ図及び第５Ｅ
図に示されたセンサ装置の他の設計変更例を示している
。この設計変更例においては、第二の、即ち非導電性物
質２０を使用してアセンブリの支持構造を提供すること
によって、必要とされる導電性エラストマーの量は最小
限になる．この手法の一つの利点は、この第二の非導電
性物質２０が本来的に、例えば可撓性や耐疲労性など機
械的特性に関して、導電性エラストマーについて得られ
るものよりも優れたものとなるように選択されうるとい
うことにある。

別の潜在的な利点は、非導電性の戒形材料が一般に導電
性の戒形材料よりも安価であり、大量に使用する場合に
はこれに用いる付加的な作業に要する費用が正当化され
るということである。

以上においては本発明を電子音楽を制御するための鍵盤
に関連して説明してきたが、本技術分野における当業者
には、キー又は他の同様な部材の押し下げやこれに働く
力その他の運動に応じて可変的な信号をもたらすことが
望まれるどのような場合についても、本発明が他の有用
な用途を有することが理解されるであろう。特許請求の
範囲に定義され包摂された本発明の本質的な新規な思想
、範囲及び特徴から逸脱することなしに、本発明に対す
る他の付加や設計変更を行うことも可能である。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば、キーの押し下げに伴って静
電容量を連続的に増加させ、しかもキー床に着いた後に
もキーを保持する圧力に応じて音を適宜変化させるよう
に静電容量変化をもたらすことのできる、すぐれた装置
が提供される．この装置は従来の装置よりも構戒的に簡
易であり、コスト的にも廉価に製造しうる。またキーの
はね返りに伴う二重打鍵や音の切れ等の従来の問題点に
も効果的に対処しうるちのである． 〔発明の要約〕 最後に本発明の理解の便宜に資するため、本発明の要約
を記す．本発明によれば、容量性の感圧性で変位感知性
のセンサ装置及び方法が提供され、そこにおいて第一の
電極手段が傾斜した又は弓状の薄い弾性の導電性プラス
チックシートからなる．この電極手段はシートの内側表
面から突出する複数の弾性突起を有し、シートの外側表
面から加えられる圧力によってこれらの突起と共に圧縮
変形可能であり、比較的平坦な第二の電極と共働する．
第二の電極は同一の広がりを有して突起と対面しており
、またそれらの間にある薄い誘電体層によって隔てられ
ている．第一の電極は第二の電極の上方で傾斜して又は
弓状に延びており、この弾性な第一の電極の外側に沿っ
て、例えばこれに接触する鍵盤？キーの如き手段の一部
により力が加えられると、第一の電極は空気中を通って
第二の電極と誘電体層に接近し■、その傾斜した又は弓
状の内側表面に沿って配置された弾性の変形可能な突起
を予測可能な順序で誘電体層に対して順次接触せしめる
．

【図面の簡単な説明】

第ＩＡ図は本発明を取り入れた鍵盤機構の横断面図、第
ＩＢ図はセンサ機横の拡大横断面図、第ＩＣ図は変形可
能な突起の形状を示す下側から見た投影図； 第２Ａ図から第２Ｄ図はキーが押し下げられるにつれて
の動作を示すセンサの横断面図；第３Ａ図、第３Ｂ図及
び第３Ｄ図は静電容量をキーの押し下げに対してプロッ
トして実験的に導いたグラフであり、従来の構成に比し
て改善された変位検出性を示し、また設計変更の結果を
例示しており、第３Ｃ図は典型的なキー打鍵について静
電容量を時間に対してプロットして実験的に導いたグラ
フ： 第４図は単一のアセンブリ内に複数個のセンサを組み込
んだ機構を一部切除して示す等測図；第５Ａ図から第５
Ｈ図は異なる作動特性及び別の動作機構に使用可能な別
のセンサ構戊の横断面図及び投影図； 第６Ａ図から第６Ｃ図は所与の設計の変形可能な電極の
作動の間に静電容量を変化させるのに用いる別の固定電
極の構成を示す説明図；第７Ａ図及び第７Ｂ図はセンサ
の第一の電極を支持するため第二の物質が用いられてい
る別の設計を示す断面投影図である。 １−キー　　２・・・・支点　　３・・・引張バネ４−
・ストッパ　　５・−・作動ポスト６一作動表面　　７
・−フェルト ８−プリント配線板　　１０・・・変形可能な電極１１
．１１’，１１”−−・突起　　１２−・・リベット１
３−・固定の゛電極　　ｌ４−・一導体　　１５・−・
誘電体１６−・導電性表面　　１７．１８一回路１９・
−リッジ　　２〇一非導電性物質Ｂ−一一当接表面　　
Ｈ−・−ヒンジ Ｌ 係止部分 Ｓ・・・バネ Ｃ−・ シャシ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　傾斜した又は弓状の弾性で導電性の薄いプラスチッ
   クシートからなり、シートの内側表面から突出する複数
   個の弾性突起を有し、これらの突起がシートの外側表面
   からそこに対して加えられる圧力により圧縮変形可能で
   ある第一の電極と；前記突起に対して同一の広がりを持
   って対面し且つ間にある薄い誘電体層によって隔てられ
   た比較的平坦な第二の電極と；鍵盤のキーの如き手段の
   一部が接触することによる如くにして弾性の第一の電極
   に対してその前記外側表面に沿って力が加えられた場合
   に、その傾斜した又は弓状の内側表面に沿う弾性の変形
   可能な突起を予測可能な順序で前記誘電体層に順次接触
   せしめる仕方でもって第一の電極が空気中を通って第二
   の電極及び誘電体層に接近するように、第一の電極が第
   二の電極上で傾斜して又は弓状に延びていることを組み
   合わせて有する感圧性及び変位感知性の容量性センサ装
   置。 ２　弾性の第一の電極は前記力が解除された際に、前記
   弾性の変形可能な突起を予測可能な順序で前記誘電体層
   から順次解放せしめる、請求項１の容量性センサ装置。 ３　変形可能な突起がリッジからなる、請求項１の容量
   性センサ装置。 ４　前記リッジが平行又は同心の何れかで配列されてい
   る、請求項３の容量性センサ装置。 ５　弾性の電極の一部がバネとして機能する、請求項１
   の容量性センサ装置。 ６　前記突起が断面積及び／又は形状の異なる突起を含
   む、請求項１の容量性センサ装置。 ７　前記キー手段には前記シートの外側表面に接触する
   圧縮可能な手段が備えられており、前記キー手段を操作
   している演奏者が受ける動きの「感触」が変形可能な突
   起の圧縮と該キー手段の圧縮可能な手段の圧縮との間で
   分割される、請求項１の容量性センサ装置。 ８　前記「感触」を制御するべく前記圧縮の割合を調節
   する手段が備えられる、請求項７の容量性センサ装置。 ９　前記第一の電極の表面の形状は、その範囲のかなり
   の部分にわたって丸みを帯びている、請求項１の容量性
   センサ装置。 １０　前記突起が合体して単一の変形可能な突起を構成
   している、請求項１の容量性センサ装置。 １１　キーの押し下げの際の静電容量変化の量及び速度
   を変えるため前記固定の第二の電極の形状を変化させる
   手段が備えられる、請求項１の容量性センサ装置。 １２　前記形状が幅の段々狭くなる矩形、又は半径方向
   に延びるスポーク形状の何れかである、請求項１１の容
   量性センサ装置。 １３　前記第一の電極が非導電性表面である内側表面に
   よって担持された導電性の変形可能な突起からなる、請
   求項１の容量性センサ装置。 １４　一方の電極が弾性変形可能であり他方の電極の上
   方に傾斜して又は弓状に置かれて間に空間を画定してお
   り、前記他方の電極には誘電体層が担持され、前記一方
   の電極が前記空間に隣接するその内側表面にって弾性で
   導電性の突起を有することからなる一対の容量性電極を
   用いる容量性変位及び圧力感知方法であって、間にある
   前記空間の中へと前記他方の電極に向かう方向において
   前記一方の電極の外側表面の所定の部分に対して変位圧
   力を加え；前記一方の電極を変形し、その傾斜又は弓状
   部分を押し下げて前記第一の電極のかなりの部分が前記
   他方の電極に対して平行に接近し、その連続的な突起が
   前記他方の電極の誘電体層と接触して所定の順序で順次
   圧縮されるよう、前記空間及び方向に向けて前記力を弾
   性的に加え続け；圧縮された突起が前記他方の電極の誘
   電体層との圧縮接触から逆の順序で順次解放されうるよ
   うにし、前記空間を回復し前記一方の電極を前記他方の
   電極の上方に傾斜して又は弓状に置かれた最初の位置に
   戻すべく、その後前記力を解放することからなる方法。 １５　前記一方の電極はその周縁において、前記他方の
   電極の隣接する端部に対して絶縁的に接続されており、
   前記一方の電極は該接続部分から傾斜して又は弓状に延
   びており、且つ該接続部分の回りでヒンジ止めされてい
   て前記第二の電極に対して押し下げられまた解放される
   、請求項１４の方法。