JP3653900B2

JP3653900B2 - Keyboard device

Info

Publication number: JP3653900B2
Application number: JP32570196A
Authority: JP
Inventors: 繁松村
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1996-12-05
Filing date: 1996-12-05
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2016-12-05
Also published as: JPH10161652A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、簡易な構成で双方向の力を付与することができる鍵盤装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鍵盤楽器のうち電子楽器には、人が指で鍵盤を演奏する手動演奏モードと、電子楽器自体が鍵盤を駆動する自動演奏モードを有するものがあった。ところで、自然楽器のピアノの鍵盤は、鍵操作によってハンマを駆動し、弦を叩いて楽音を発生させる。一方、電子楽器の鍵盤はハンマ等の機械的要素を駆動する必要がないので、簡易な構成で作られるのが一般である。このため、電子楽器を演奏した場合、鍵盤のタッチ感が、自然楽器とかなり異なったものとなってしまう。そこで、手動演奏モードにあっては、電子楽器の鍵盤のタッチ感を自然楽器の鍵盤のタッチ感に近づけるため、鍵盤への反力をアクチュエータを用いて制御することが行われる。なお、鍵盤への反力は人の指に力覚を与えるものであるので、本明細書では力覚の観点からこのモードを力覚制御モードと称する。一方、自動演奏モードにあっては、楽曲の進行に合わせて鍵盤をアクチュエータを用いて駆動することが行われる。
【０００３】
このような電子楽器に用いられるアクチュエータの駆動方式としては、上下２個のアクチュエータを設け、これらを個別に駆動制御する方式が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般にアクチュエータは、コイル、ヨークおよびプランジャから構成される。上述した方式に用いられる上下２個のアクチュエータでは、プランジャは共通に使用できるが、コイルおよびヨークは別個に設ける必要がある。このため、部品点数が多く、構造が複雑になり、しかも外形が大きいものになってしまう。特に、コイルに用いられる銅の量が２倍必要となる。さらに、アクチュエータを個々に駆動するため、駆動回路を２系統設ける必要がある。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、自動演奏モードおよび力覚制御モードの両方に対応できる鍵盤装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、鍵と、コイルと、当該コイルへの給電に応じて前記鍵に対し、当該鍵の押下方向またはその反対方向の力を与えるプランジャとを備えるアクチュエータと、前記鍵を前記押下方向に付勢する第１の弾性体と、前記鍵を前記反対方向に付勢する第２の弾性体と、前記鍵を演奏者が操作する手動操作の場合と、前記鍵を演奏データに従って自動操作する自動操作の場合とで、前記コイルに給電がなされていない場合における前記コイルと前記プランジャの相対的な位置を異ならせる機構部とを備え、当該機構部は、前記位置を異ならせることで、前記第１の弾性体と前記第２の弾性体によって付勢されている前記鍵に対し、前記コイルへの給電に応じて前記プランジャが与える力の方向を、前記手動操作の場合は前記反対方向、前記自動操作の場合は前記押下方向に切り換えることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、前記手動操作の場合において前記プランジャが前記鍵に与えるべき力を第１の指令値として算出する一方、前記自動操作の場合において前記プランジャが前記鍵に与えるべき力を第２の指令値として算出する演算手段と、前記手動操作の場合には前記第１の指令値に基づいて前記コイルに給電を行う一方、前記自動操作の場合には前記第２の指令値に基づいて前記コイルに給電を行う給電手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明に係わる一実施形態を説明する。
１．鍵盤およびその駆動機構
図１は、鍵盤およびその駆動機構を説明するための断面図である。図１（Ａ），（Ｂ）において、１０は鍵盤であって、支点Ａを中心として上下に回動できるように軸支されており、上方向の回動は図示を省略したストッパによって規制されている。また、２０はプランジャ２１と一体に構成される突き上げヘッドである。アクチュエータは、プランジャ２１、ソレノイドヨーク２２、およびソレノイドコイル２３で構成される。ソレノイドヨーク２２とソレノイドコイル２３は一体に構成されており、ソレノイドコイル２３に電流が給電されると、ソレノイドコイル２３とプランジャ２１の間に電磁力が作用し、プランジャ２１が移動するようになっている。なお、図１（Ａ），（Ｂ）にあっては、ソレノイドコイル２３に電流が給電されていないものとする。
【００１０】
また、２４はガイドプレートであり、ソレノイドヨーク２２と摺接しており、アクチュエータを上下方向に移動可能に保持している。また、巻きバネ５０は、鍵盤１０と固定端５１との間に配設され、鍵盤１０を下方向に付勢する。一方、巻きバネ６０は、ガイドプレート２４の下辺とプランジャ２１との間に配設され、プランジャ２１を上方向に付勢する。ここで、巻きバネ６０を巻きバネ５０に比して強いバネとし、ソレノイドコイル２３に電流が給電されない場合には、鍵盤１０は上方向に付勢される。この場合、上述したように、鍵盤１０の上方向の回動はストッパにより規制されるので、ソレノイドコイル２３に電流が給電されない場合には、鍵盤１０は、ストッパにより規制される位置（＝レスト位置）に位置する。
【００１１】
また、３０はセンサであって、これにより、プランジャ２１の位置や速度が検出される。なお、プランジャ２１と突き上げヘッド２０は、上述したように一体として構成されており、また、鍵盤１０は巻きバネ５０および巻きバネ６０によって上下の両方向から付勢されているため、突き上げヘッド２０は常に鍵盤１０に当接しているので、センサ３０の検出結果は、鍵盤１０の位置情報として利用できる。また、４０は支点Ｂを中心に回動自在に設けられた昇降カムであり、ソレノイドヨーク２２の下側に設けられている。ここで、昇降カム４０を右側に回動させると、図１（Ａ）に示す状態から図１（Ｂ）に示す状態へ変化する。この場合、昇降カム４０の回動に連動して、ソレノイドヨーク２２およびソレノイドコイル２３は次第に上昇し、昇降カム４０が停止ピン４１と当接すると、その上昇が停止する。なお、カム４０の駆動は、演奏者の操作に応じて、機械的に行うようにしてもよく、またモーター等により電気的に行うようにしてもよい。
【００１２】
図１（Ａ）に示す状態では、プランジャ２１がソレノイドヨーク２２から突出している。この状態でソレノイドコイル２３に電流を給電すると、プランジャ２１には下向きの力が加わる。この力は巻きバネ６０の付勢力の一部を相殺するように作用するため、鍵盤１０は、巻きバネ５０の付勢力によって押し下げられる。したがって、ソレノイドコイル２３に給電する電流の値を調整すれば、鍵盤１０の位置を制御することができる。
【００１３】
一方、図１（Ｂ）に示す状態では、プランジャ２１がソレノイドヨーク２２の中に引き込まれている。この状態でソレノイドコイル２３に電流を給電すると、プランジャ２１には上向きの力が加わる。この力は、突き上げヘッド２０を介して鍵盤１０に伝達される。したがって、人が指で鍵盤１０を押し下げた場合に、上向きの力を反力として指に付与することができる。
【００１４】
この例にあっては、自動演奏モードでは図（Ａ）に示す状態となり、力覚制御モードでは図（Ｂ）に示す状態となるように、昇降カム４０が図示せぬ駆動機構によって駆動される。これにより、一つのソレノイドコイル２３によって、プランジャ２１を双方向に駆動させることが可能となる。
【００１５】
２．駆動回路
次に、アクチュエータの駆動回路について図面を参照しつつ説明する。図２は、駆動回路の主要部を示す回路図である。図において、１００は自動演奏テーブルであって、そこにはＭＩＤＩ演奏データＭＤを第１のＰＷＭ指令値Ｐ１に変換するテーブルが格納されている。２００は力覚制御テーブルであって、そこには、プランジャ２１の位置情報Ｘ，速度情報Ｘ'および加速度情報Ｘ''と反力として付与する力覚との関係を規定するテーブルが格納されており、このテーブルを参照することによって第２のＰＷＭ指令値Ｐ２が生成される。具体的には、運動方程式の各項の値を示すパラメータが格納されている。運動方程式は、例えば、Ｆ＝ＭＸ”＋ρＸ’＋ｋＸで与えられる。ここで、Ｘは位置情報、Ｘ’は速度情報、Ｘ”は加速度情報、Ｍは質量、ρは粘性係数、ｋはバネ係数であり、また、ＭＸ”，ρＸ’，ｋＸは、パラメータの組である。そして、ＭＸ”，ρＸ’，ｋＸを加算した値Ｆに基づいて第２のＰＷＭ指令値Ｐ２が生成される。
【００１６】
また、３００はＰＷＭ回路であって、自動演奏モードでは第１のＰＷＭ指令値Ｐ１に基づいて、一方、力覚制御モードでは第２のＰＷＭ指令値Ｐ２に基づいて、ＰＷＭ信号Ｐ３を生成する。このＰＷＭ信号Ｐ３のデューティが高くなる程、ＦＥＴ３０１に流れ込む電流は増加し、その電流がソレノイドコイル２３に電源Ｖｃｃから給電される。一方、ＰＷＭ信号のデューティが低くなると、ＦＥＴ３０１はオフ状態に近づき、デューティ０％にてソレノイドコイル２３への給電は停止される。なお、ソレノイドコイル２３はインダクタンス成分を有するため、ＰＷＭ信号Ｐ３の状態が急に変化すると、ＦＥＴ３０１とソレノイドコイル２３の接続点の電圧がコイルのキックバック電圧によって電源Ｖｃｃの電圧を大幅に上回ることがある。ダイオード３０２は、このような大振幅の電圧によって、前記接続点の電圧がＦＥＴ３０１の耐圧を越えないように保護するための保護回路として機能する。
【００１７】
ここで、上述の駆動回路によって付与されるストローク量Ｘとプランジャ２１の推力Ｆとの関係を図３，４を用いて説明する。なお、ストローク量Ｘは、プランジャ２１の移動距離の絶対値を表すものである。図３に自動演奏モードにおける関係を示し、図４には力覚制御モードにおける関係を示す。図３，４において、Ｘ１は、プランジャ２１が各々図１（Ａ），（Ｂ）の状態にある場合（鍵盤１０がレスト位置にある場合）のストローク量である。また、図３のＸ２は、プランジャ２１が引き込まれる限界におけるストローク量であり、図４のＸ２は、プランジャ２１が突出できる限界におけるストローク量である。したがって、斜線部分がアクチュエータの使用範囲となる。ここで両図を比較すると、両者は全く逆特性になっていることが判る。これは、ソレノイドコイル２３に給電する電流値を両者で等しくすると、プランジャ２１に付与される推力Ｆが、ソレノイドコイル２３とプランジャ２１との相対的な位置関係によって定まるからである。
【００１８】
このように、ソレノイドコイル２３とプランジャ２１の相対的な位置を昇降カム４０によって変動させたので、アクチュエータを双方向駆動とすることができる。この場合、ソレノイドコイル２３は単一で足りるから、部品点数を削減し、小型化を図ることができる。また、電流の向きを切り換えることなく、双方向駆動を実現できるから、駆動回路を簡易に構成することができる。
また、ソレノイドコイル２３に給電されない場合には、レスト位置で一定の上方向のバネ負荷を残しながら鍵盤１０が釣り合うように巻きバネ５０，６０のバネ定数が設定されるので、低消費電力で鍵盤１０を双方向に駆動することができる。
なお、本実施形態においては図示せぬ電子音源を有しており、センサ３０により検出される鍵盤１０の位置に応じて鍵盤１０の押離鍵を判別し、対応する楽音を電子的に発生するようになっている。
【００１９】
次に、図２の動作を説明する。まず、使用者は、力覚制御モードと自動演奏モードのいずれかを選択する。また、これに応じてカム４０を駆動する。
まず、自動演奏モードが選択された場合の動作を説明する。このとき、図示せぬ記憶装置に記憶されたＭＩＤＩ演奏データＭＤが読み出され、あるいは、外部からＭＩＤＩ演奏データＭＤが供給される。このＭＩＤＩ演奏データＭＤは、押鍵を指示するイベントの場合には、押鍵を示すキーオンデータ、押す鍵を示すキーコード、押鍵速度を示すベロシティデータ等からなり、離鍵を指示するイベントの場合には、離鍵を示すキーオフデータ、離す鍵を示すキーコード等からなる。なお、記憶装置にＭＩＤＩ演奏データＭＤを記憶する場合には、各イベントの発生タイミングを示すタイミングデータをも記憶し、このタイミングデータの示すタイミングで各イベントのデータが読み出す。
【００２０】
記憶装置から読み出され、あるいは、外部から供給されたＭＩＤＩ演奏データＭＤが押鍵を指示するイベントである場合には、自動演奏テーブル１００をＭＩＤＩ演奏データＭＤに含まれるベロシティデータを参照してＰＷＭ指令値Ｐ１を得、このＰＷＭ信号指令値Ｐ１に応じたＰＷＭ信号Ｐ３を生成し、このＰＷＭ信号Ｐ３をＭＩＤＩ演奏データＭＤに含まれるキーコードが示す鍵に対応するソレノイドコイル２３に供給する。これにより、ＭＩＤＩ演奏データＭＤに含まれるキーコードが示す鍵がＭＩＤＩ演奏データＭＤに含まれるベロシティデータに示される速度で駆動される。
【００２１】
一方、記憶装置から読み出され、あるいは、外部から供給されたＭＩＤＩ演奏データＭＤが離鍵を指示するイベントである場合には、ＭＩＤＩ演奏データＭＤに含まれるキーコードが示す鍵に対応するソレノイドコイル２３への給電を停止する。これにより、ＭＩＤＩ演奏データＭＤに含まれるキーコードが示す鍵が離鍵される。
【００２２】
次に、力覚制御モードが選択された場合の動作を説明する。このとき、力覚制御テーブル２００には、前述したように、演奏者により鍵盤１０の押下げに抗する方向の力を、鍵盤１０の位置、速度、加速度に応じて発生するためのパラメータが格納されている。そして、演奏者が鍵盤１０を押し下げると、センサ３０により、鍵盤１０の位置が検知される。この鍵盤１０の位置から鍵盤１０の位置の時間変化（＝速度）および鍵盤１０の速度の時間変化（＝加速度）を算出し、この位置情報、速度情報および加速度情報で力覚制御テーブルを参照することにより、ＰＷＭ指令値Ｐ２を得、ＰＷＭ指令値Ｐ２に応じたＰＷＭ信号Ｐ３を生成し、このＰＷＭ信号Ｐ３を押し下げられた鍵盤に対応するソレノイドコイル２３に供給する。これにより、押し下げられた鍵盤１０に対して鍵盤１０の位置、速度、加速度に応じた反力が付与される。
【００２３】
３．力覚制御の具体例
次に、上述した鍵盤装置における力覚制御の具体的構成を図面を用いて詳細に説明する。図５は、この鍵盤装置のブロック図である。図において、４００は鍵盤部であって、上述した図１（Ｂ）に相当する。なお、電子楽器には、図示した鍵盤部４００の他、同一構成のものが複数設けられているが、ここでは省略してある。１０１，１０２は微分回路であって、センサ３０によって検出された鍵盤１０の位置情報Ｘを順次微分して、速度情報Ｘ'と加速度情報Ｘ''を各々生成する。１０４，１０５，１０６は、マルチプレクサであって、複数の鍵盤部４００からの位置情報Ｘ、速度情報Ｘ'または加速度情報Ｘ''を時分割多重して、Ａ／Ｄ変換器１０７，１０８，１０９に出力する。これにより、Ａ／Ｄ変換器１０７〜１０９から後段の構成は各鍵盤部４００に対応して時分割で動作する。
【００２４】
また、１１０は位置情報２次元テーブル群であって、そこには位置情報Ｘと力Ｆ１の関係を規定する複数のテーブルが格納されている。この位置情報２次元テーブル群１１０に速度情報Ｘ'が供給されると、速度情報Ｘ'に応じて複数のテーブルのうち一つが選択され、このテーブルを参照して、力Ｆ１を指示する第１の力覚データＤ１が出力される。例えば、速度情報Ｘ'の正負によって参照するテーブルを切り換えることができる。この場合には、鍵盤１０が押し下げられる場合と押し戻される場合とで異なる力覚を指に付与することができる。
【００２５】
また、１１１は速度情報２次元テーブル群であって、そこには速度情報Ｘ'と力Ｆ２の関係を規定する複数のテーブルが格納されている。速度情報２次元テーブル群１１１に位置情報Ｘが供給されると、位置情報Ｘに応じて複数のテーブルのうち一つが選択され、このテーブルを参照して、力Ｆ２を指示する第２の力覚データＤ２が出力される。
【００２６】
１１２は加速度情報２次元テーブル群であって、そこには加速度情報Ｘ''と力Ｆ３の関係を規定する複数のテーブルが格納されている。加速度情報２次元テーブル群１１２に位置情報Ｘが供給されると、速度情報Ｘ'に応じて複数のテーブルのうち一つが選択され、このテーブルを参照して、力Ｆ３を指示する第３の力覚データＤ３が出力される。
【００２７】
また、１１３は、ＣＰＵ１１４の制御の下に例外処理を行うための２次元テーブル群であって、速度情報Ｘ'および加速度情報Ｘ''とは無関係な力Ｆ４を指示する力覚データＤ４を出力する。この２次元テーブル群１１３も複数のテーブルから構成され、位置情報Ｘに応じて複数のテーブルのうち一つが選択され、このテーブルを参照して、力覚データＤ４が出力される。例えば、ボリュームを操作するとその操作量に応じて外部入力ＥＸＴの値が変化するように構成し、２次元テーブル群１１４に所定の変数値を格納しておけば、操作量に応じてタッチ感を創出できる。
【００２８】
第１〜第３の力覚データＤ１〜Ｄ３が加算器１１５で加算されると、その出力データは、加算器１１６によって第４の力覚データＤ４と加算される。これにより、運動方程式の各項の値が加算される。この場合の運動方程式は、例えば、Ｆ＝ＭＸ”＋ρＸ’＋ｋＸ＋ｆであり、ＭＸ”＝Ｆ３，ρＸ’＝Ｆ２，ｋＸ＝Ｆ１，ｆ＝Ｆ４である。
【００２９】
こうして算出された加算結果は、第２のＰＷＭ指令値Ｐ２としてＰＷＭテーブル１１７に供給される。ＰＷＭテーブル１１７は、ソレノイドコイル２３、プランジャ２１とヨーク２２によって発生される推力のヒシテリシス特性を補正できるように複数のテーブルから構成され、このうちの一つが位置情報Ｘに基づいて選択される。このため、第２のＰＷＭ指令値Ｐ２がＰＷＭテーブル１１７に供給されると、選択されたテーブルが参照され、第２のＰＷＭ指令値Ｐ２に補正が施された補正ＰＷＭ指令値Ｐ２'が出力される。そして、ＰＷＭドライバ１１８は補正ＰＷＭ指令値Ｐ２'に基づいてソレノイドコイル２３を駆動する。なお、２次元テーブル１１０〜１１３は、図２に示す力覚制御テーブル２００に相当し、また、ＰＷＭテーブル１１７とＰＷＭドライバ１１８は、同図に示すＰＷＭ回路３００、ＦＥＴ３０１、およびダイオード３０２に相当する。
【００３０】
次に、図５を参照して、この電子楽器の動作を説明する。ここで、鍵盤１０の質量をＭｋ、突き上げヘッド２０とプランジャ２１の質量をＭｐ、支点Ａから鍵盤１０上の巻きバネ５０までの距離をＬ１、支点Ａから鍵盤１０上の突き上げヘッド２０までの距離をＬ２、支点Ａから鍵盤１０上の指の位置までの距離をＬ３とする。また、巻きバネ５０，６０のバネ定数をＫ１，Ｋ２とし、指が鍵盤１０を押し下げる力をＦｆとし、アクチュエータの推力をＦａとする。
この場合、各要素のモーメントが釣り合っており、鍵盤１０が静止しているとすると、これらのモーメントの関係は以下に示す式１で与えられる。ただし、摩擦力は無視するものとし、Ｋ１＜Ｋ２とする。

式１を変形すると、式２が導かれる。

ここで、α＝（Ｌ１／Ｌ２）²・Ｋ１、β＝Ｌ３／Ｌ２、γ＝−Ｋ２＋（Ｍｋ＋Ｍｐ）・ｇとおくと、定数α，β，γを用いて、ＦａはＸとＦｆの関数で表され以下に示す式３で与えられる。
Ｆａ＝α・Ｘ＋（β・Ｆｆ＋γ） ………式３
【００３１】
式３が成立するのは、例えば、鍵盤１０を指でそっと押し下げて、レスト位置とエンド位置との間で鍵盤１０を静止させた場合である。この場合には、指は鍵盤１０から上向きの反力を力覚として感じる。Ｆａは上述した２次元テーブル１１０〜１１３等によって生成される。
上述した応用例によれば、力覚制御モードにおいて、鍵盤１０が押し下げられる場合と押し戻される場合とで異なる力覚を指に付与するといったように複雑な力覚を創出することが可能となる。
【００３２】
４．変形例
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、以下に述べる各種の変形が可能である。
（１）上述した実施形態にあっては、ソレノイドコイル２３とプランジャ２１の相対的な位置を変化させるのに、昇降カムを用いてソレノイドヨーク２２とソレノイドコイル２３を上下方向に駆動したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ソレノイドコイル２３とプランジャ２１の相対的な位置を変化させる機構であればどのようなものを用いてもよい。例えば、図６に示すように、Ｌ型の部材ＬＡを支点Ａで軸支し、この部材ＬＡの先端部にソレノイドヨーク２２とソレノイドコイル２３を固定して、部材ＬＡを回動させることによりソレノイドコイル２３とプランジャ２１の相対的な位置を変化させるようにしてもよい。
【００３３】
また、図７に示すように支点Ｃで軸支されるカム機構ＣＭを設け、突き上げヘッド２０とカム機構ＣＭが水平に接触するように配置してもよい。この場合は、ソレノイドヨーク２２とソレノイドコイル２３を水平に移動させることによって、ソレノイドコイル２３とプランジャ２１の相対的な位置を変化させることができる。
【００３４】
▲２▼上述した実施形態において、巻きバネ５０は鍵盤１０の上側に、巻きバネ６０、アクチュエータおよび昇降カム４０は鍵盤１０の下側に配設されていたが、これらを逆に配置するようにしてもよい。また、巻きバネ５０，６０は、板バネ等の弾性体であってもよい。
【００３５】
▲３▼上述した実施形態において、センサ３０は、光学的に位置を検出するものの他、歪みゲージを用いて電気的に位置を検出するものであってもよい。また、上述した応用例にあっては、センサ３０で位置情報Ｘのみを検出する例を説明したが、センサ３０で速度、加速度を検出してもよい。また、センサ３０は、力覚制御モードにおいて力覚を決定するための鍵盤位置（速度・加速度）情報を得るために用いたが、フィードバックサーボループで制御を行う自動演奏モードにおいて、センサ３０を鍵盤位置（速度）のフィードバックセンサとして使用するようにしてもよい。
【００３６】
▲４▼上述した実施形態において、複数の鍵盤１０から構成される電子楽器鍵盤の一部を自動演奏モードとし、他の部分を力覚制御モードとなるようにしてもよい。この場合には、一部の鍵盤を図１（Ａ）の状態とし、その他の鍵盤を図１（Ｂ）の状態になるように昇降カム４０を制御すればよい。これにより、自動演奏モードで伴奏パートを自動演奏しつつ、力覚制御モードでメロディパートを手動演奏するといった連弾を行うことが可能となる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の発明特定事項によれば、コイルとプランジャの相対的な位置を可変することによって、一つのアクチュエータで鍵盤を双方向に駆動できるようにしたので、簡易な構成で自動演奏と手動演奏を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる鍵盤およびその駆動機構を説明するための断面図である。
【図２】同実施形態に用いられるアクチュエータの駆動回路の主要部を示す回路図である。
【図３】同実施形態の力覚制御モードにおけるプランジャの推力とそのストローク量との関係を示すグラフである。
【図４】同実施形態の自動演奏モードにおけるプランジャの推力とそのストローク量との関係を示すグラフである。
【図５】同実施形態の応用例を説明するための回路図である。
【図６】同実施形態に係わる鍵盤およびその駆動機構の変形例を説明するための断面図である。
【図７】同実施形態に係わる鍵盤およびその駆動機構の変形例を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１０…鍵盤、２３…ソレノイドコイル（コイル）、２１…プランジャ、４１…昇降カム（機構部）、５０…巻きバネ（第１の弾性体）、６０…巻きバネ（第２の弾性体）、１００…自動演奏テーブル（第２の演算手段）、２００…力覚制御テーブル（第１の演算手段）、Ｐ１…第１のＰＷＭ指令値（第２の指令値）、Ｐ２…第２のＰＷＭ指令値（第１の指令値）、３００…ＰＷＭ回路（給電手段）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a keyboard device capable of applying a bidirectional force with a simple configuration.
[0002]
[Prior art]
Among keyboard instruments, some electronic musical instruments have a manual performance mode in which a person plays a keyboard with a finger and an automatic performance mode in which the electronic musical instrument itself drives the keyboard. By the way, the piano keyboard of a natural musical instrument drives a hammer by a key operation and strikes a string to generate a musical sound. On the other hand, since the keyboard of an electronic musical instrument does not need to drive a mechanical element such as a hammer, it is generally made with a simple configuration. For this reason, when an electronic musical instrument is played, the touch feeling of the keyboard is considerably different from that of a natural musical instrument. Therefore, in the manual performance mode, in order to make the touch feeling of the keyboard of the electronic musical instrument close to the touch feeling of the keyboard of the natural musical instrument, the reaction force to the keyboard is controlled using an actuator. Since the reaction force to the keyboard gives a force sense to a human finger, this mode is referred to as a force sense control mode from the viewpoint of force sense in this specification. On the other hand, in the automatic performance mode, the keyboard is driven using an actuator as the music progresses.
[0003]
As a driving method of an actuator used in such an electronic musical instrument, there is known a method in which two actuators are provided on the upper and lower sides and these are individually driven and controlled.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, generally an actuator is comprised from a coil, a yoke, and a plunger. In the upper and lower two actuators used in the above-described system, the plunger can be used in common, but the coil and the yoke must be provided separately. For this reason, the number of parts is large, the structure is complicated, and the outer shape is large. In particular, twice the amount of copper used in the coil is required. Further, in order to individually drive the actuators, it is necessary to provide two drive circuits.
[0005]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a keyboard device that can handle both the automatic performance mode and the force sense control mode with a simple configuration.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
To solve the above problems, the invention according to claim 1, a key, and a coil, with respect to the key according to power the coil, a plunger to provide a push direction or opposite direction of the force that the said key an actuator Ru and a first elastic member for biasing the key to the pressing direction, and a second elastic member for urging the key into the opposite direction, the manual operation a player operates the key And a mechanism for differentiating the relative positions of the coil and the plunger when power is not supplied to the coil in the case of automatic operation in which the key is automatically operated according to performance data , The mechanism unit is configured to change the position of the key that is urged by the first elastic body and the second elastic body according to the power supplied to the coil by the plunger. Direction, front For manual operation the opposite direction, when the automatic operation is characterized in that switching to the pressing direction.
[0008]
In the invention according to claim 2 , the force that the plunger should give to the key in the case of the manual operation is calculated as a first command value , while the plunger gives the key in the case of the automatic operation. calculating means for calculating a should force as the second command value, the manual operation whereas cormorants line feeding to the coil based on the first command value in the case of, in the case of the automatic operation is the second Power supply means for supplying power to the coil based on the command value.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings.
1. Keyboard and its driving mechanism FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the keyboard and its driving mechanism. In FIG. 1 (A), (B) , 10 is a keyboard, is axially supported so as to be upper and lower pivot around the fulcrum A, the rotation of the upward direction depending on stopper path which is not shown It is regulated. Reference numeral 20 denotes a push-up head configured integrally with the plunger 21. The actuator includes a plunger 21, a solenoid yoke 22, and a solenoid coil 23. The solenoid yoke 22 and the solenoid coil 23 are integrally formed. When a current is supplied to the solenoid coil 23, an electromagnetic force acts between the solenoid coil 23 and the plunger 21 so that the plunger 21 moves. Yes. In FIGS. 1A and 1B, it is assumed that no current is supplied to the solenoid coil 23.
[0010]
Reference numeral 24 denotes a guide plate, which is in sliding contact with the solenoid yoke 22 and holds the actuator so as to be movable in the vertical direction. The winding spring 50 is disposed between the keyboard 10 and the fixed end 51 and urges the keyboard 10 downward. On the other hand, the winding spring 60 is disposed between the lower side of the guide plate 24 and the plunger 21 and biases the plunger 21 upward. Here, when the winding spring 60 is made stronger than the winding spring 50 and no current is supplied to the solenoid coil 23, the keyboard 10 is urged upward. In this case, as described above, since the direction of rotation on the keyboard 10 is more restricted in stock path, when the current to the solenoid coil 23 is not powered, the keyboard 10 is located more is restricted in stopper Pas (= Rest position).
[0011]
Reference numeral 30 denotes a sensor which detects the position and speed of the plunger 21. The plunger 21 and the push-up head 20 are integrally formed as described above, and the keyboard 10 is urged from both the upper and lower directions by the winding spring 50 and the winding spring 60. Since it is in contact with the keyboard 10, the detection result of the sensor 30 can be used as position information of the keyboard 10. Reference numeral 40 denotes an elevating cam provided so as to be rotatable about the fulcrum B, and is provided below the solenoid yoke 22. Here, when the elevating cam 40 is rotated to the right, the state shown in FIG. 1A changes to the state shown in FIG. In this case, the solenoid yoke 22 and the solenoid coil 23 gradually rise in conjunction with the rotation of the lift cam 40 , and when the lift cam 40 contacts the stop pin 41, the lift stops. The drive of the cam 40 may be mechanically performed according to the player's operation, or may be electrically performed by a motor or the like.
[0012]
In the state shown in FIG. 1A, the plunger 21 protrudes from the solenoid yoke 22. When a current is supplied to the solenoid coil 23 in this state, a downward force is applied to the plunger 21. Since this force acts to cancel part of the urging force of the winding spring 60, the keyboard 10 is pushed down by the urging force of the winding spring 50. Therefore, the position of the keyboard 10 can be controlled by adjusting the value of the current supplied to the solenoid coil 23.
[0013]
On the other hand, in the state shown in FIG. 1B, the plunger 21 is drawn into the solenoid yoke 22. When a current is supplied to the solenoid coil 23 in this state, an upward force is applied to the plunger 21. This force is transmitted to the keyboard 10 via the push-up head 20. Therefore, when a person presses down the keyboard 10 with a finger, an upward force can be applied to the finger as a reaction force.
[0014]
In this example, the lift cam 40 is driven by a drive mechanism (not shown) so that the state shown in FIG. (A) is obtained in the automatic performance mode and the state shown in FIG. . Thereby, the plunger 21 can be driven bidirectionally by one solenoid coil 23.
[0015]
2. Drive circuit Next, the drive circuit of the actuator will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a circuit diagram showing the main part of the drive circuit. In the figure, 100 is an automatic performance table, in which a table for converting MIDI performance data MD into a first PWM command value P1 is stored. Reference numeral 200 denotes a force sense control table, which stores a table for defining the relationship between the position information X, the speed information X ′ and the acceleration information X ″ of the plunger 21 and the force sense applied as a reaction force. The second PWM command value P2 is generated by referring to this table. Specifically, parameters indicating the values of the terms of the equation of motion are stored. The equation of motion is given by, for example, F = MX ″ + ρX ′ + kX, where X is position information, X ′ is velocity information, X ″ is acceleration information, M is mass, ρ is a viscosity coefficient, and k is a spring coefficient. MX ″, ρX ′, kX is a set of parameters. The second PWM command value P2 is generated based on the value F obtained by adding MX ″, ρX ′, kX.
[0016]
A PWM circuit 300 generates the PWM signal P3 based on the first PWM command value P1 in the automatic performance mode, and based on the second PWM command value P2 in the haptic control mode. As the duty of the PWM signal P3 increases, the current flowing into the FET 301 increases, and the current is supplied to the solenoid coil 23 from the power source Vcc. On the other hand, when the duty of the PWM signal becomes low, the FET 301 approaches an off state, and power supply to the solenoid coil 23 is stopped at a duty of 0%. Since the solenoid coil 23 has an inductance component, when the state of the PWM signal P3 changes suddenly, the voltage at the connection point between the FET 301 and the solenoid coil 23 may greatly exceed the voltage of the power supply Vcc due to the kickback voltage of the coil. is there. The diode 302 functions as a protection circuit for protecting the voltage at the connection point from exceeding the breakdown voltage of the FET 301 by such a large amplitude voltage.
[0017]
Here, the relationship between the stroke amount X given by the drive circuit and the thrust F of the plunger 21 will be described with reference to FIGS. The stroke amount X represents the absolute value of the movement distance of the plunger 21. FIG. 3 shows the relationship in the automatic performance mode, and FIG. 4 shows the relationship in the force sense control mode. 3 and 4, X1 is a stroke amount when the plunger 21 is in the state shown in FIGS. 1A and 1B (when the keyboard 10 is at the rest position). 3 is a stroke amount at the limit at which the plunger 21 is retracted, and X2 in FIG. 4 is a stroke amount at a limit at which the plunger 21 can protrude. Therefore, the shaded portion is the actuator usage range. Comparing the two figures here, it can be seen that the two have completely opposite characteristics. This is because if the current values supplied to the solenoid coil 23 are equal to each other, the thrust F applied to the plunger 21 is determined by the relative positional relationship between the solenoid coil 23 and the plunger 21.
[0018]
Thus, since the relative position of the solenoid coil 23 and the plunger 21 is changed by the elevating cam 40, the actuator can be driven bidirectionally. In this case, a single solenoid coil 23 is sufficient, so the number of parts can be reduced and the size can be reduced. In addition, since the bidirectional driving can be realized without switching the direction of the current, the driving circuit can be simply configured.
When the solenoid coil 23 is not supplied with power, the spring constants of the winding

springs

50 and 60 are set so that the keyboard 10 is balanced while leaving a constant upward spring load at the rest position. 10 can be driven in both directions.
In this embodiment, an electronic sound source (not shown) is provided, and the key pressed and released from the keyboard 10 is determined according to the position of the keyboard 10 detected by the sensor 30, and the corresponding musical sound is generated electronically. It is like that.
[0019]
Next, the operation of FIG. 2 will be described. First, the user selects either the force sense control mode or the automatic performance mode. In response to this, the cam 40 is driven.
First, the operation when the automatic performance mode is selected will be described. At this time, the MIDI performance data MD stored in a storage device (not shown) is read or the MIDI performance data MD is supplied from the outside. In the case of an event for instructing key depression, the MIDI performance data MD is composed of key-on data indicating key depression, key code indicating key depression, velocity data indicating key depression speed, and the like. In this case, it consists of key-off data indicating key release, a key code indicating a key to be released, and the like. In the case where the MIDI performance data MD is stored in the storage device, timing data indicating the occurrence timing of each event is also stored, and the data of each event is read at the timing indicated by this timing data.
[0020]
When the MIDI performance data MD read from the storage device or supplied from the outside is an event for instructing key depression, the automatic performance table 100 is referred to the velocity data included in the MIDI performance data MD and PWM is used. A command value P1 is obtained, a PWM signal P3 corresponding to the PWM signal command value P1 is generated, and this PWM signal P3 is supplied to the solenoid coil 23 corresponding to the key indicated by the key code included in the MIDI performance data MD. As a result, the key indicated by the key code included in the MIDI performance data MD is driven at the speed indicated by the velocity data included in the MIDI performance data MD.
[0021]
On the other hand, when the MIDI performance data MD read from the storage device or supplied from the outside is an event for instructing the key release, the solenoid coil corresponding to the key indicated by the key code included in the MIDI performance data MD The power supply to 23 is stopped. As a result, the key indicated by the key code included in the MIDI performance data MD is released.
[0022]
Next, an operation when the haptic control mode is selected will be described. At this time, the haptic control table 200 stores parameters for generating a force in a direction against the pressing of the keyboard 10 by the performer according to the position, speed, and acceleration of the keyboard 10 as described above. ing. When the performer depresses the keyboard 10, the position of the keyboard 10 is detected by the sensor 30. The time change (= speed) of the position of the keyboard 10 and the time change (= acceleration) of the speed of the keyboard 10 are calculated from the position of the keyboard 10, and the force control table is referred to by the position information, speed information and acceleration information. Thus, the PWM command value P2 is obtained, the PWM signal P3 corresponding to the PWM command value P2 is generated, and this PWM signal P3 is supplied to the solenoid coil 23 corresponding to the depressed keyboard. As a result, a reaction force corresponding to the position, speed, and acceleration of the keyboard 10 is applied to the depressed keyboard 10.
[0023]
3. Specific example of force sense control Next, a specific configuration of force sense control in the above-described keyboard device will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 5 is a block diagram of the keyboard device. In the figure, reference numeral 400 denotes a keyboard portion, which corresponds to the above-described FIG. The electronic musical instrument is provided with a plurality of components having the same configuration in addition to the illustrated keyboard unit 400, but is omitted here.

Reference numerals

101 and 102 denote differentiating circuits which sequentially differentiate the position information X of the keyboard 10 detected by the sensor 30 to generate speed information X ′ and acceleration information X ″, respectively.

Reference numerals

104, 105, and 106 denote multiplexers, which time-division multiplex position information X, velocity information X ′, or acceleration information X ″ from a plurality of keyboard sections 400, and A /

D converters

107, 108, and 109. Output to. As a result, the subsequent configuration from the A / D converters 107 to 109 operates in a time-sharing manner corresponding to each keyboard unit 400.
[0024]
Reference numeral 110 denotes a position information two-dimensional table group, in which a plurality of tables defining the relationship between the position information X and the force F1 are stored. When the speed information X ′ is supplied to the position information two-dimensional table group 110, one of a plurality of tables is selected according to the speed information X ′, and the first F1 indicating the force F1 is referred to this table. Haptic data D1 is output. For example, the table to be referred to can be switched depending on whether the speed information X ′ is positive or negative. In this case, it is possible to give different sensations to the finger when the keyboard 10 is pressed down and when it is pressed back.
[0025]
Reference numeral 111 denotes a speed information two-dimensional table group, in which a plurality of tables defining the relationship between the speed information X ′ and the force F2 are stored. When the position information X is supplied to the velocity information two-dimensional table group 111, one of a plurality of tables is selected according to the position information X, and a second force sense indicating the force F2 is referred to this table. Data D2 is output.
[0026]
Reference numeral 112 denotes an acceleration information two-dimensional table group, in which a plurality of tables defining the relationship between the acceleration information X ″ and the force F3 are stored. When the position information X is supplied to the acceleration information two-dimensional table group 112, one of a plurality of tables is selected according to the speed information X ′, and the third force indicating the force F3 is referred to this table. The sense data D3 is output.
[0027]
Reference numeral 113 denotes a two-dimensional table group for performing exceptional processing under the control of the CPU 114, and outputs force data D4 indicating a force F4 unrelated to the speed information X ′ and the acceleration information X ″. To do. The two-dimensional table group 113 is also composed of a plurality of tables, and one of the plurality of tables is selected according to the position information X, and the force data D4 is output with reference to this table. For example, when the volume is operated, the value of the external input EXT changes according to the amount of operation, and if a predetermined variable value is stored in the two-dimensional table group 114, a touch feeling is provided according to the amount of operation. Can be created.
[0028]
When the first to third haptic data D1 to D3 are added by the adder 115, the output data is added to the fourth haptic data D4 by the adder 116. Thereby, the value of each term of the equation of motion is added. The equation of motion in this case is, for example, F = MX ″ + ρX ′ + kX + f, MX ″ = F3, ρX ′ = F2, kX = F1, and f = F4.
[0029]
The addition result thus calculated is supplied to the PWM table 117 as the second PWM command value P2. The PWM table 117 is composed of a plurality of tables so that the hysteresis characteristics of the thrust generated by the solenoid coil 23, the plunger 21 and the yoke 22 can be corrected, one of which is selected based on the position information X. Therefore, when the second PWM command value P2 is supplied to the PWM table 117, the selected table is referred to, and a corrected PWM command value P2 ′ obtained by correcting the second PWM command value P2 is output. The Then, the PWM driver 118 drives the solenoid coil 23 based on the corrected PWM command value P2 ′. The two-dimensional tables 110 to 113 correspond to the haptic control table 200 shown in FIG. 2, and the PWM table 117 and the PWM driver 118 correspond to the PWM circuit 300, FET 301, and diode 302 shown in FIG. .
[0030]
Next, the operation of this electronic musical instrument will be described with reference to FIG. Here, the mass of the keyboard 10 is Mk, the mass of the push-up head 20 and the plunger 21 is Mp, the distance from the fulcrum A to the winding spring 50 on the keyboard 10 is L1, and the distance from the fulcrum A to the push-up head 20 on the keyboard 10 Is L2, and the distance from the fulcrum A to the finger position on the keyboard 10 is L3. The spring constants of the winding

springs

50 and 60 are K1 and K2, the force with which the finger pushes down the keyboard 10 is Ff, and the thrust of the actuator is Fa.
In this case, assuming that the moments of the respective elements are balanced and the keyboard 10 is stationary, the relationship between these moments is given by Equation 1 shown below. However, the frictional force is ignored and K1 <K2.

Transforming equation 1 leads to equation 2.

Here, if α = (L1 / L2) ² · K1, β = L3 / L2, and γ = −K2 + (Mk + Mp) · g, then using constants α, β and γ, Fa is a function of X and Ff. And given by Equation 3 below.
Fa = α · X + (β · Ff + γ) (3)
[0031]
Formula 3 is established, for example, when the keyboard 10 is gently pushed down with a finger and the keyboard 10 is stopped between the rest position and the end position. In this case, the finger feels an upward reaction force from the keyboard 10 as a force sense. Fa is generated by the two-dimensional tables 110 to 113 described above.
According to the application example described above, in the haptic control mode, it is possible to create a complicated haptic sense such that a different haptic sense is applied to the finger when the keyboard 10 is pressed down and when it is pressed back.
[0032]
4). Modifications The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications described below are possible.
(1) In the above embodiment, for changing the relative positions of the solenoid coil 23 and the plunger 21 has been driven solenoid yoke 22 and the solenoid coil 2 3 in the vertical direction using a vertically moving cam, The present invention is not limited to this, and any mechanism that changes the relative positions of the solenoid coil 23 and the plunger 21 may be used. For example, as shown in FIG. 6, the L-shaped member LA axially supported at the fulcrum A, to fix the solenoid yoke 22 and the solenoid coil 2 3 to the distal end of the member LA, by rotating the member LA The relative positions of the solenoid coil 23 and the plunger 21 may be changed.
[0033]
Furthermore, it provided a cam mechanism CM, which is pivotally supported by the fulcrum C as shown in FIG. 7, the push-up head 2 0 and the cam mechanism CM may be arranged to horizontally contact. In this case, by moving the solenoid yoke 22 and the solenoid coil 2 3 horizontally, it is possible to vary the relative position of the solenoid coil 23 and the plunger 21.
[0034]
(2) In the embodiment described above, the winding spring 50 is disposed on the upper side of the keyboard 10, and the winding spring 60, the actuator and the lifting cam 40 are disposed on the lower side of the keyboard 10. However, these are arranged in reverse. May be. The winding springs 50 and 60 may be elastic bodies such as leaf springs.
[0035]
(3) In the embodiment described above, the sensor 30 may be one that electrically detects a position using a strain gauge in addition to one that optically detects the position. Moreover, in the application example mentioned above, although the example which detects only the positional information X with the sensor 30 was demonstrated, you may detect a speed and an acceleration with the sensor 30. FIG. Further, the sensor 30 is used to obtain keyboard position (speed / acceleration) information for determining a force sense in the force sense control mode. However, in the automatic performance mode in which the control is performed by a feedback servo loop, the sensor 30 is used. It may be used as a position (speed) feedback sensor.
[0036]
(4) In the embodiment described above, a part of the electronic musical instrument keyboard composed of the plurality of keys 10 may be set to the automatic performance mode, and the other part may be set to the force sense control mode. In this case, the raising / lowering cam 40 may be controlled so that some keys are in the state shown in FIG. 1A and other keys are in the state shown in FIG. Thus, it is possible to perform repetitive bullets such as playing the accompaniment part automatically in the automatic performance mode and manually playing the melody part in the force sense control mode.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, according to the invention specific matters of the present invention, the relative position of the coil and the plunger can be changed, so that the keyboard can be driven bidirectionally by one actuator. Performance and manual performance can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a keyboard and its driving mechanism according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a main part of an actuator drive circuit used in the embodiment.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the plunger thrust and the stroke amount in the force sense control mode of the embodiment;
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the plunger thrust and the stroke amount in the automatic performance mode of the embodiment.
FIG. 5 is a circuit diagram for explaining an application example of the embodiment;
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a modified example of the keyboard and its drive mechanism according to the embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a modified example of the keyboard and its drive mechanism according to the embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Keyboard, 23 ... Solenoid coil (coil), 21 ... Plunger, 41 ... Elevating cam (mechanism part), 50 ... Winding spring (1st elastic body), 60 ... Winding spring (2nd elastic body), 100 ... automatic performance table (second computing means), 200 ... force sense control table (first computing means), P1 ... first PWM command value (second command value), P2 ... second PWM command value (First command value), 300... PWM circuit (power feeding means).

Claims

Key and
A coil, and an actuator to said key in response to supply of power to the coil, which Ru and a plunger to provide a push direction or opposing force that of the key,
A first elastic body for biasing the key in the pressing direction ;
A second elastic body for urging the key in the opposite direction ;
Relative positions of the coil and the plunger in the case of manual operation in which the player operates the key and in the case of automatic operation in which the key is automatically operated in accordance with performance data, when power is not supplied to the coil. and a mechanism for varying the, the mechanism, the position by varying the relative to the key which is urged by the first elastic member and the second elastic body, to the coil The direction of the force applied by the plunger in response to power supply is switched to the opposite direction in the case of the manual operation and to the pressing direction in the case of the automatic operation.
Keyboard device comprising a call.

The force that the plunger should give to the key in the case of the manual operation is calculated as a first command value , while the force that the plunger should give to the key in the case of the automatic operation is calculated as a second command value . Computing means;
And power supply means when the manual operation whereas cormorants line feeding to the coil based on the first command value, in the case of the automatic operation for supplying power to said coil based on said second command value The keyboard device according to claim 1, further comprising: