JP2009063741A

JP2009063741A - 鍵盤装置

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Publication number: JP2009063741A
Application number: JP2007230292A
Authority: JP
Inventors: Soichi Takigawa; 宗一瀧川
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2009-03-26

Abstract

【課題】簡単かつ軽量な構造で鍵のタッチ感を任意のタッチ感に調節できるようにする。
【解決手段】揺動自在に支持された鍵１０と、鍵１０の押鍵操作に対する反力を発生する反力発生手段とを備える鍵盤装置１において、反力発生手段として、電圧の印加によって変形する弾性材からなる電気活性ポリマ２０を設けた。これにより、反力発生手段を従来の機械的な構造に比べて大幅に簡素化することができ、鍵盤装置１の軽量化を図ることができる。その一方で、電気活性ポリマ２０に印加する電圧を制御することよって、押鍵操作に対する反力（演奏抵抗感）を任意に設定することができ、鍵１０のタッチ感を自由に調節できるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子ピアノや電子オルガンなどの電子鍵盤楽器に用いて好適な鍵盤装置に関する。

従来のアコースティックピアノでは、ハンマやダンパなどを含むアクションの構造によって、演奏時の鍵のタッチ感、すなわち鍵の演奏抵抗感が生じるようになっている。また、電子ピアノや電子オルガンなどの電子鍵盤楽器では、鍵に重りを取り付けたり、鍵の動作に連動して押鍵に対する反力を付与する質量体を設けたりすることで、従来のアコースティックピアノなどの鍵盤楽器と近似した演奏抵抗感を鍵に付与することが行われている。

これらの鍵盤楽器では、鍵の演奏抵抗感は、アクションの構造や鍵に取り付けた重りあるいは質量体の重さなどによって一義的に決まるものであった。そのため、鍵盤楽器において設定されている鍵のタッチ感を任意のタッチ感に変更することはできなかった。しかしながら、鍵盤楽器の演奏者は、幼児から老人までその年齢層が広く、かつ、初心者から熟練した演奏家までその鍵盤楽器に対する習熟度も様々である。そのため、各演奏者が個人の適正や好みなどに応じて、鍵のタッチ感を自由に変更できることが望まれている。また、電子楽器が発生する楽音の種類や音色（例えば、ピアノ音色やオルガン音色など）によっても鍵のタッチ感を変更できるとよい。この点を考慮して、特許文献１あるいは特許文献２では、鍵のタッチ感を変更することが可能な鍵盤装置が開示されている。

特許文献１の鍵盤装置は、機械的な機構によって鍵のタッチ感を調整する構造を備えている。この鍵盤装置は、鍵と、押鍵に対する演奏抵抗感を生じさせる重りとを備え、押鍵のストローク内にて鍵と重りの係合位置を任意の位置に設定可能となっている。具体的には、重りの自由端に当接するレールの位置をレバーあるいはソレノイドなどの位置設定手段によって調整することで、鍵に対する重りの係合位置を調整可能としている。これにより、押鍵の際に鍵が重りから反力を受ける範囲を押鍵のストローク内における任意の範囲に設定できるようになっている。

特許文献２の鍵盤装置は、鍵のタッチ感を電気的に制御する機構を備えている。この鍵盤装置では、押鍵に対する演奏抵抗感を生じさせる手段として、磁石及びコイルを用いている。具体的には、各鍵に設けたセンサで鍵の動作を検出することによってフィードバック補正が成され、これに基づいて磁石及びコイルで発生する演奏抵抗感が調整されるようになっている。
特許３４８０７４９号公報特許２７４８６１６号公報

特許文献１に記載の鍵盤装置では、機械的な機構によって鍵のタッチ感を調整するように構成しているので、鍵盤装置の部品点数が多くなり構造が複雑になる。また、この鍵盤装置では、鍵が重りから反力を受ける範囲を変えることだけで鍵のタッチ感を変更するので、鍵のストローク範囲における決められた一部のみでしかタッチ感の変更が行えない。したがって、鍵のストロークの全体でタッチ感を変化させたり、その中で範囲を決めてタッチ感を変化させるなど、きめ細かいタッチ感の調節ができない。

これに対して特許文献２に記載の鍵盤装置では、センサによる鍵動作の検出結果に基づくフィードバック制御により鍵のタッチ感を調整するため、特許文献１の鍵盤装置と比較してきめ細かいタッチ感の調節を行うことが可能となる。しかしながら、この鍵盤装置では、各鍵に対応して磁石及びコイルを設置する必要があるため、特許文献１の鍵盤装置と同様、鍵盤装置の部品点数が増加して構造が複雑になる。また、部品点数の増加に伴い鍵盤装置の重量が重くなってしまう。さらに、多数のコイルを備えるため、鍵盤装置の消費電力が大きくなるという問題もある。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、簡単かつ軽量な構造で鍵のタッチ感を任意のタッチ感に調節することが可能な鍵盤装置を提供することにある。

上記課題を解決するため本発明の鍵盤装置は、揺動自在に支持された鍵と、鍵の押鍵操作に対する反力を発生する反力発生手段と、を備え、反力発生手段は、電圧の印加によって変形する弾性材からなる電気活性ポリマを含んで構成されることを特徴とする。

この構成によれば、簡単かつ軽量な構造で、押鍵に対する反力を生じさせることができるとともに、鍵のタッチ感を任意のタッチ感に調節することができる鍵盤装置となる。すなわち、反力発生手段に電気活性ポリマを用いたことで、特許文献１あるいは特許文献２に記載の鍵盤装置のような反力発生手段としての機械的な構成部品が不要となるので、反力発生手段の構造を簡単にすることができ、その軽量化を図ることができる。一方、電圧の印加によって電気活性ポリマを変形させることで、電気活性ポリマにて発生する反力の大きさを変えて押鍵操作に対する反力（演奏抵抗感）を任意の反力に設定することができるようになる。なお、電気活性ポリマに電圧を印加しない場合は、電気活性ポリマは通常の弾性体として機能するので、その場合でも押鍵に対して一定の反力を発生させることが可能となる。

また、上記の鍵盤装置では、電気活性ポリマは、鍵が非押鍵位置にあるときに物理的に変形された状態となるように設けられていてもよい。

この構成によれば、鍵が非押鍵位置にあるときに電気活性ポリマに物理的な変形による与圧（荷重）がかかった状態になる。したがって、電気活性ポリマから鍵に対してこの与圧に対する反力がかかるので、鍵を非押鍵位置において安定した状態で支持することが可能となる。

また、この構成によれば、鍵が非押鍵位置にあるときに電気活性ポリマにかかる物理的な変形による与圧を適当な与圧に設定しておくことで、電気活性ポリマに電圧を印加する際あるいは電圧の印加を停止する際に電気活性ポリマの変形によって鍵が移動することを防止でき、非押鍵位置における鍵の位置ずれを効果的に防止できる。

また、上記の鍵盤装置では、電気活性ポリマに印加する電圧の指令値を出力する指令値出力手段と、指令値出力手段から出力された指令値に基づいて電気活性ポリマに電圧を印加して電気活性ポリマにて発生する反力を制御する反力制御手段と、を備えてもよい。

この構成によれば、指令値出力手段と反力制御手段とによって電気活性ポリマにて発生する反力を任意に設定できるので、鍵のタッチ感を任意のタッチ感に調節することが可能となる。

また、上記の鍵盤装置では、鍵の動作を検出する鍵動作検出手段を備えるとともに、指令値出力手段は、鍵動作検出手段で検出された鍵の動作に基づいて電気活性ポリマに印加する電圧の指令値を出力するようにしてもよい。

この構成によれば、鍵動作検出手段で検出された鍵の動作に基づいて電気活性ポリマにて発生する反力を設定できるので、実際の鍵の動作に応じて鍵のタッチ感を調節することが可能となる。

また、上記の鍵盤装置では、鍵の動作制御に関する複数の制御パターンを格納した制御パターンテーブルを有し、鍵動作検出手段で検出された鍵の動作に基づいて、制御パターンテーブルからいずれかの制御パターンを選択し、該選択した制御パターンに基づいて、電気活性ポリマにて発生させる反力の情報を出力する反力情報出力手段を備えるとともに、指令値出力手段は、電気活性ポリマにて発生させる複数の反力に対応する複数の電圧指令値を格納した電圧指令値テーブルを有し、反力情報出力手段の出力に基づいて電圧指令値テーブルからいずれかの電圧指令値を選択し、該選択した電圧指令値を反力制御手段に出力するようにしてもよい。

この構成によれば、鍵の動作に関する制御パターンをあらかじめ複数用意しておき、その中から選択した制御パターンに基づいて鍵の動作を制御することが可能となる。したがって、電子楽器が発生する楽音の種類や音色などの要素や、電子楽器の操作パネルから入力された情報などに基づいて、多様な鍵のタッチ感を実現することが可能となる。

本発明の鍵盤装置によれば、簡単かつ軽量な構造で、鍵のタッチ感を任意のタッチ感に調節することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明では、鍵盤装置が備える鍵の長手方向における両側のうち、鍵盤を演奏する演奏者の側を手前あるいは前といい、その反対側を奥あるいは後という。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態にかかる鍵盤装置１が備える鍵１０の構成例を示す図であり、鍵１０及びその周辺の構成部品を示す概略側断面図である。なお、同図では、鍵盤装置１が備える１個の鍵１０及びその周辺の構成部品を示している。鍵盤装置１は、底板２と、底板２に取り付けられたフレーム３と、フレーム３に対して揺動自在に支持された鍵１０と、鍵１０とフレーム３の間に設けられた電気活性ポリマ２０とを備えて構成されている。なお、図１では、鍵１０が白鍵である場合を示しているが、黒鍵の場合も同様の構成になっている。

底板２は、鍵１０を配列する棚板やケースの底部を構成する略平板状の部材である。フレーム３は、底板２の上面側に設置されており、鍵盤装置１の後部近傍で上下方向に延びる後面部３ａと、後面部３ａから前方に向かって水平に突出して鍵１０の前後方向の途中位置まで延びる平面部３ｂと、平面部３ｂの前端近傍の下面から下方に伸びる前面部３ｃとを一体に備えて形成され、後面部３ａの下端と前面部３ｃの下端とが底板２上に固定されている。なお、底板２及びフレーム３は、鍵盤装置１のスケール方向（図１の紙面に直交する方向）に延びており、複数の鍵１０に対応する位置に跨って配置されている。

鍵１０は、フレーム３の後面部３ａにおける上部の前面側に設けた鍵支持片４に支持されている。鍵１０は、長手方向の後端が鍵支持片４に設けた鍵支点５に軸支されており、鍵支点５を中心に前側が上下に揺動自在になっている。鍵１０の後側の上方には、平板状のパネル６が取り付けられている。パネル６は、フレーム３の後面部３ａの上端、及び鍵盤装置１の両端部を構成する図示されない側板の上端に支持されて前側に水平に張り出している。パネル６も鍵盤装置１のスケール方向に延びて複数の鍵１０に対応する位置に跨って配置されている。パネル６の前端の下面側には、ストッパー７が設けられている。ストッパー７は、図１に示す非押鍵位置にある鍵１０の上面に当接し、鍵１０が非押鍵位置より上方へ回動することを規制する。

底板２の前端は、鍵１０の前端の真下位置まで延びており、その位置には、鍵１０に向かって上方に張り出した張出部２ａが設けられている。張出部２ａの上面には、鍵スイッチ８が設置されている。鍵スイッチ８は、押鍵によって鍵１０が下降すると鍵１０の下面で押圧されてオンするようになっている。また、鍵１０の下面における鍵スイッチ８よりも後側の位置には、下方に突出する駆動片１１が形成されている。駆動片１１は、フレーム３の前面部３ｃと底板２の張出部２ａとの隙間に配置されている。駆動片１１の下端には、後側に向かって水平に突出する突起状の固定部１１ａが形成されている。一方、フレーム３の平面部３ｂの前端は、前面部３ｃから前側に向かって水平に突出する突起状の固定部３ｄになっている。フレーム３の固定部３ｄと鍵１０の固定部１１ａとは、上下方向に所定間隔を有して対向する位置に配置されている。

そして、固定部３ｄと固定部１１ａとの間には、電気活性ポリマ２０が取り付けられている。電気活性ポリマ２０は、鍵１０の押鍵操作に対する反力を発生する反力発生手段として機能する部材である。さらに、この鍵盤装置１には、電気活性ポリマ２０に電圧を印加するための手段として、いずれも図示は省略するが、電源と、該電源からの電圧を電気活性ポリマ２０に印加して電気活性ポリマ２０を駆動するコントローラとが設けられている。

電気活性ポリマ２０は、後述する構造を有する弾性材からなり、長方形の薄板状（フィルム状）に形成されていて、その長手方向の一端がフレーム３の固定部３ｄに固定され、他端が鍵１０の固定部１１ａに固定されている。電気活性ポリマ２０を固定部３ｄあるいは固定部１１ａに固定する手段としては、接着剤による接着あるいはカシメ（熱カシメを含む）などが用いられる。

鍵１０にはその自重によって鍵支点５を中心に図１に示す時計回り方向にモーメント（回転モーメント）がかかっている。このモーメントによって下方に移動しようとする鍵１０が電気活性ポリマ２０で支えられているので、図１に示す非押鍵位置では、電気活性ポリマ２０は、引っ張られて伸びた状態になっている。したがって、非押鍵位置では、電気活性ポリマ２０に引っ張りによる与圧（荷重）がかかった状態になっており、鍵１０の自重と電気活性ポリマ２０から鍵１０に与えられる反力（与圧に対する反力）、及びストッパー７からの反力との釣り合いによって、鍵１０が静止状態で支持されている。このように、電気活性ポリマ２０は、鍵１０が非押鍵位置にあるときに、鍵１０から加えられる力によって物理的に変形された状態で設けられている。

図２は、電気活性ポリマ２０の構造を説明するための図で、（ａ）は、電気活性ポリマ２０に電圧を印加していないときの状態を示す図、（ｂ）は、電圧を印加したときの状態を示す図である。電気活性ポリマ２０は、二枚の電極膜２１，２１の間に絶縁膜２２を挟んだ構造を有している。電極膜２１には、一例として厚さ数１０μｍの導電性シリコン樹脂からなる膜が用いられ、絶縁膜２２には、一例として厚さ数１０μｍの絶縁性シリコン樹脂からなる膜が用いられる。この電気活性ポリマ２０では、二枚の電極膜２１，２１に電位差を与えると、静電力により両電極膜２１，２１が近づくことで、絶縁膜２２が厚さ方向に圧縮される。これにより、電極膜２１，２１及び絶縁膜２２が縦横方向に伸びてその面積が広がる。また、電極膜２１，２１及び絶縁膜２２は弾性を有する素材からなるため、電気活性ポリマ２０に電圧を印加していない状態でも、電気活性ポリマ２０は通常の弾性体として機能する。

ここで、電気活性ポリマ２０が以下に示す構造及び寸法を備えている場合に電気活性ポリマ２０から鍵１０に与えられる反力について検討する。なお、以下では、電気活性ポリマ２０の公称応力が線形に変化する場合について考える。
積層数：１層
弾性係数：Ｅ＝０．５ＧＰａ
幅：ｈ＝１０ｍｍ厚さ：ｔ＝０．０５ｍｍ初期長さ（自然長）：ｌ₀＝３０ｍｍ
この場合、電気活性ポリマ２０の断面積Ａ、応力σ、ひずみεとすると、電気活性ポリマ２０にかかる与圧Ｆと全長ｌ（または伸びｌ−ｌ₀）関係は（式１）のようになる。

非押鍵位置における電気活性ポリマ２０の長手方向の自然長に対する変形量（伸び量）を２０ｍｍとすると、その状態で電気活性ポリマ２０にかかる与圧は、（式１）より、０．１７０ｋｇとなる。この与圧から鍵１０の自重分を指し引いたものは、電気活性ポリマ２０に電圧を印加していない状態で鍵１０を押し始めるときの鍵１０から指に与えられる反力となる。

一方、非押鍵位置において、電気活性ポリマ２０に電圧を印加することで、電気活性ポリマ２０が長手方向に１０ｍｍ変形（伸張）する場合、非押鍵位置での電気活性ポリマ２０の全体の伸び量が２０ｍｍのまま変わらないとすると、鍵１０からかかる与圧による電気活性ポリマ２０の変形量（伸び量）は１０ｍｍとなる。この状態で電気活性ポリマ２０にかかる与圧は、０．０８５ｋｇとなる。この与圧から鍵１０の自重分を指し引いたものは、電気活性ポリマ２０に電圧を印加した状態で鍵１０を押し始めるときの鍵１０から指に与えられる反力となる。

このように、電圧の印加によって電気活性ポリマ２０が伸びることで、電気活性ポリマ２０にかかる与圧が小さくなるので、その分、鍵１０を押し始めるときの鍵１０から指に与えられる反力を小さくすることができる。つまり、電気活性ポリマ２０に電圧を印加することによって、鍵１０のタッチ感を軽くすることができる。したがって、本実施形態の鍵盤装置１では、演奏時に電気活性ポリマ２０に電圧を印加しておくことで、鍵１０のタッチ感を任意に設定することが可能となる。なお、ここで電気活性ポリマ２０にかける与圧は、非押鍵位置において電気活性ポリマ２０に電圧を印加して電気活性ポリマ２０を伸張させた場合でも、鍵１０とフレーム３の間の電気活性ポリマ２０の長さが変化せず、鍵１０が動かない（鍵１０の支持が不安定な状態にならない）程度の与圧とする。

なお、仮に、非押鍵位置において電気活性ポリマ２０に与圧をかけていないとすると、鍵１０を押す力を解除したときに鍵１０が非押鍵位置に戻る力が弱くなる。あるいは、非押鍵位置への鍵１０の戻りの速度が遅くなる。また、電気活性ポリマ２０に電圧を印加した際に電気活性ポリマ２０が伸びて弛みが生じ、鍵１０の支持が不安定になったり、鍵１０が非押鍵位置から移動してその位置がずれたりする。したがって、上記のように、鍵１０が非押鍵位置にある状態で電気活性ポリマ２０を伸ばした状態で設置して、電気活性ポリマ２０に与圧をかけておくことが望ましい。

本実施形態では、押鍵操作に対する反力を発生するための反力発生手段として、電気活性ポリマ２０のみを備える場合を説明したが、本発明の鍵盤装置が備える反力発生手段としては、上記の電気活性ポリマ２０に他の反力発生手段を併設することも可能である。一例として、図示は省略するが、鍵１０とフレーム３の間に電気活性ポリマ２０を取り付け、さらにバネやゴムなどの他の弾性体を取り付けることができる。これにより、電気活性ポリマ２０と他の弾性体とを併用して押鍵に対する反力を発生させることができる。この場合でも、電気活性ポリマ２０に電圧を印加することで、押鍵に対する反力の大きさを変えて鍵１０のタッチ感を変更することが可能である。

また、本実施形態では、電気活性ポリマ２０を細長いフィルム状（薄板状）に形成した場合を示したが、電気活性ポリマ２０は、フィルム状以外の形状とすることも可能である。一例として、棒状あるいは紐状、または円筒状などの筒状に形成してもよい。また、電気活性ポリマ２０の積層数も一層には限らず、電気活性ポリマ２０にて発生させる反力の大きさに応じて二層以上の積層構造とすることも可能である。

ここで、図３及び図４を参照して本実施形態の鍵盤装置１における鍵を押す力（押鍵力）について考察する。図３及び図４は、それぞれ電気活性ポリマ２０に電圧を印加しないときと電圧を印加するときの鍵１０の動作を示す模式図である。まず、図３に示す電気活性ポリマ２０に電圧を印加しない場合について考える。同図において、（ａ）は、電気活性ポリマ２０に外力が作用していない自然長の状態を示し、（ｂ）は、電気活性ポリマ２０に与圧をかけて（引き伸ばして）鍵１０に取り付けた状態を示し、（ｃ）は、鍵１０を押し下げた状態を示している。ここで、F：押鍵力（押鍵に対する反力）、I：鍵の慣性モーメント、M：鍵の質量、ａ：鍵支点と重心との距離、ｂ：鍵支点と電気活性ポリマの固定位置との距離、ｃ：鍵支点と押鍵位置との距離、ｇ：重力加速度、ｋ：電気活性ポリマの弾性係数、ｘ：押鍵による電気活性ポリマの変形量、ｘ₀：与圧による電気活性ポリマの変形量、θ：押鍵による鍵の回転量、θ₀：与圧による鍵の回転量、とすると、この場合の鍵１０の運動方程式は下記の（式２）になり、この運動方程式から求まる押鍵力Ｆは下記の（式３）になる。

次に、図４に示す電気活性ポリマ２０に電圧を印加する場合について考える。同図において、（ａ）は、電気活性ポリマ２０に外力が作用していない自然長の状態で、かつ、電気活性ポリマ２０に電圧を印加していない状態を示し、（ｂ）は、自然長の電気活性ポリマ２０に電圧を印加した状態を示し、（ｃ）は、電圧を印加した電気活性ポリマ２０に与圧をかけて（引き伸ばして）鍵１０に取り付けた状態を示し、（ｄ）は、電気活性ポリマ２０に電圧を印加した状態で鍵１０を押し下げた状態を示している。ここで、ｘ_e：電圧印加による電気活性ポリマの変形量、ｘ₀' ：電圧印加時の与圧による電気活性ポリマの変形量、θ₀' ：電圧印加時の与圧による鍵の回転量、とすると、この場合の鍵１０の運動方程式は下記の（式４）になり、この運動方程式から求まる押鍵力Ｆ' は下記の（式５）になる。

（式３）及び（式５）から、下記の（式６）が導かれる。

（式６）から明らかなように、電気活性ポリマ２０に電圧を印加すると、電圧を印加しない場合よりも鍵１０を押す力（鍵１０から指にかかる反力）が小さくなる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態にかかる鍵盤装置について説明する。なお、第２実施形態の説明及び対応する図面においては、第１実施形態と同一又は相当する構成部分には同一の符号を付し、以下ではその部分の詳細な説明は省略する。また、以下で説明する事項以外の事項については、第１実施形態と同じである。これらの点は他の実施形態についても同様とする。

図５は、本発明の第２実施形態にかかる鍵盤装置１−２が備える鍵１０及びその周辺の構成部品を示す概略側面図で、（ａ）は、鍵１０が非押鍵位置にある状態を示す図、（ｂ）は、鍵１０が押された状態を示す図である。第１実施形態の鍵盤装置１では、電気活性ポリマ２０を鍵１０とフレーム３の間に取り付けて、押鍵により電気活性ポリマ２０が長手方向に引っ張られるように構成していたが、本実施形態の鍵盤装置１−２では、電気活性ポリマ２０の取付構造を変更して、押鍵によって電気活性ポリマ２０の面が押圧されるようにしている。

すなわち、鍵盤装置１−２では、鍵１０の下面に電気活性ポリマ２０を押圧するための駆動片１２が形成されている。駆動片１２は、下方に突出する軸状の突起として形成されている。電気活性ポリマ２０は、駆動片１２の下側においてその外周がフレーム３あるいは底板２に固定されて膜状（ダイアフラム状）に配置されており、上面が駆動片１２の下端に対向して設置されている。なお、本実施形態においても鍵１０が非押鍵位置にあるときに、鍵１０の自重によって駆動片１２が電気活性ポリマ２０に当接してこれを押圧した状態になる。したがって、電気活性ポリマ２０は鍵１０によって与圧をかけられた状態（押圧されて伸ばされた状態）で設置されている。

図５（ｂ）に示すように、押鍵による鍵１０の移動に伴って、電気活性ポリマ２０が駆動片１２で押し伸ばされるようになっている。この際、電気活性ポリマ２０に電圧を印加しておくことで、第１実施形態と同様、鍵１０を押し始めるときに鍵１０から指に与えられる反力を小さくして、鍵１０のタッチ感を軽くすることができる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態にかかる鍵盤装置について説明する。第１実施形態の鍵盤装置１あるいは第２実施形態の鍵盤装置１−２では、演奏時に電気活性ポリマ２０に印加する電圧は一定であり、押鍵操作の途中で鍵１０のタッチ感を変化させることはなかった。これに対して、第３実施形態では、押鍵操作の途中で鍵１０の動作を検出し、検出した動作に基づいて電気活性ポリマ２０に印加する電圧を変化させ、鍵１０のタッチ感を変更できるように構成している。

図６は、本実施形態の鍵盤装置１−３が備える制御機構３０の構成を示すブロック図である。制御機構３０は、主制御部（ＣＰＵ）３１、ＲＡＭ３２、ＲＯＭ３３、操作部３４、表示部３５を備えている。操作部３４は、この鍵盤装置１−３を備えた電子楽器の操作パネル（図示せず）などで構成されている。また、表示部３５は、この鍵盤装置１−３を備えた電子楽器の表示パネル（図示せず）などで構成されている。

また、制御機構３０は、押鍵による鍵１０の動作を検出する鍵動作検出手段４０を備えている。鍵動作検出手段４０は、鍵１０の変位を検出する鍵変位検出部４１、鍵１０の速度を検出する鍵速度検出部４２、鍵１０の加速度を検出する鍵加速度検出部４３によって構成されている。鍵変位検出部４１、鍵速度検出部４２、鍵加速度検出部４３による検出信号は、それぞれＡ／Ｄ変換部４４，４５，４６でデジタル信号に変換されてＣＰＵ３１に入力されるようになっている。なお、図６では、鍵動作検出手段４０として鍵変位検出部４１、鍵速度検出部４２、鍵加速度検出部４３を備える場合を示したが、鍵１０の変位のみ、あるいは鍵１０の変位と速度のみを検出するのであれば、鍵速度検出部４２や鍵加速度検出部４３は必ずしも設けなくてもよい。

鍵変位検出部４１には、ホール素子を備える変位センサを用いることができる。この変位センサは、図示は省略するが、鍵１０に取り付ける磁石と、フレーム３における磁石に対向する位置に取り付けるホール素子とを備えて構成される。この変位センサでは、鍵１０の移動による磁石とホール素子の距離の変化によって、磁石からホール素子に入射する磁気が変化し、ホール素子の出力が変化する。したがって、ホール素子の出力を測定することで、磁石とホール素子の距離を算出して鍵１０の変位を検出することができる。

また、鍵変位検出部４１の他の例として、グレースケールを備える変位センサを用いることができる。この変位センサは、図示は省略するが、鍵１０に取り付けるグレースケールと、フレーム３におけるグレースケールに面する位置に設置する発光素子及び受光素子を備えて構成される。この変位センサでは、発光素子から出てグレースケールを透過あるいは反射した光が受光素子で受光される。その際、押鍵による鍵１０の移動によって受光素子で受光される光の光量が変化するので、受光素子の出力に基づいて鍵１０の変位を検出することができる。なお、発光素子及び受光素子は、グレースケールに面する位置に設置する以外にも、他の位置に設置した発光素子及び受光素子から光ファイバを延ばし、この光ファイバの先端をグレースケールに向けて配置してもよい。

鍵速度検出部４２としては、コイル及び磁石を備える速度センサを用いることができる。この速度センサは、図示は省略するが、鍵１０に取り付ける磁石と、フレーム３における磁石に対向する位置に取り付けるコイルとを備えて構成される。この速度センサでは、押鍵による鍵１０の移動によってコイル内部を通過する磁束が変化して、コイルに起電力が発生する。コイルの起電力を測定することで鍵１０の速度を検出することができる。

また、鍵速度検出部４２の他の例として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ジャイロスコープを備える角速度センサを用いることができる。この角速度センサは、図示は省略するが、鍵１０にＭＥＭＳジャイロスコープを取り付けて構成される。このＭＥＭＳジャイロスコープによって、鍵支点５を中心に回転運動する鍵１０の角速度を計測することで、鍵１０の瞬間速度を検出することができる。

鍵加速度検出部４３としては、ＭＥＭＳ角加速度センサを用いることができる。ＭＥＭＳ角加速度センサは、図示は省略するが、鍵１０に取り付けて使用することができる。このＭＥＭＳ角加速度センサによって、鍵支点５を中心に回転運動する鍵１０の角加速度を計測することで、鍵１０の加速度を検出することができる。

一方、ＲＯＭ３３には、制御パターンテーブル３６とアクチュエータ出力テーブル（電圧指令値テーブル）３７とが格納されている。図７は、制御パターンテーブル３６とアクチュエータ出力テーブル３７の概念図である。同図（ａ）に示す制御パターンテーブル３６は、鍵動作（変位、速度、加速度）に応じた鍵１０のタッチ感を生じさせるための制御パターンを格納したテーブルであり、鍵動作に対応して電気活性ポリマ２０にて発生させる反力（アクチュエータ出力）のパターンを多数格納している。また、同図（ｂ）に示すアクチュエータ出力テーブル３７は、アクチュエータ出力に対応する電気活性ポリマ２０への印加電圧の指令値（ＰＷＭ駆動におけるＰＷＭ信号のデューティ比）のパターンを多数格納したテーブルである。

制御パターンテーブル３６とＣＰＵ３１とで、電気活性ポリマ２０にて発生させる反力の情報を出力する反力情報出力手段６０が構成されている。また、アクチュエータ出力テーブル３７とＣＰＵ３１とで、反力情報出力手段６０からの反力の情報に基づいて電圧指令値を出力する指令値出力手段７０が構成されている。

操作部３４は、制御パターンテーブル３６から参照する制御パターンの設定を入力するために用いられる。表示部３５は、設定された制御パターンを表示するために用いられる。なお、操作部３４及び表示部３５は、鍵盤装置１−３を備える電子楽器が発生する楽音の種類や音色などの設定及び表示を含む他の設定及び表示を行うためにも用いられる。

また、鍵盤装置１−３は、電気活性ポリマ２０に電圧を印加して電気活性ポリマ２０を駆動するコントローラ５０を備えている。コントローラ５０は、アクチュエータ出力テーブル３７から参照された電圧の指令値（ＰＷＭ駆動におけるＰＷＭ信号のデューティ比）に基づいて、電気活性ポリマ２０に電圧を印加して、電気活性ポリマ２０にて発生する反力を制御するもので、反力制御手段として機能する。

上記構成の鍵盤装置１−３において鍵１０のタッチ感を調節する手順を説明する。図８は、この手順を説明するためのフローチャートである。まず、操作部３４から鍵１０のタッチ感の設定が入力されたか否かを判定する（ステップＳＴ１）。鍵１０のタッチ感の設定が入力された場合には、押鍵操作による鍵１０の移動に応じて、鍵変位検出部４１で鍵１０の変位（ｘ）を検出する（ステップＳＴ２）。また、鍵速度検出部４２で鍵１０の移動速度（ｖ）を検出する（ステップＳＴ３）。また、鍵速度検出部４２で鍵１０の加速度（ａ）を検出する（ステップＳＴ４）。なお、鍵１０の変位（ｘ）のみ、あるいは鍵１０の変位（ｘ）と速度（ｖ）のみを検出する場合は、ステップＳＴ３やステップＳＴ４の手順は省略することが可能である。

続いて、反力情報出力手段６０は、操作部３４から入力されたタッチ感の設定とステップＳＴ２〜ステップＳＴ４で検出された鍵１０の動作とに基づいて、制御パターンテーブル３６から参照したいずれかの制御パターンを選択し、この選択した制御パターンに基づいて、電気活性ポリマ２０にて発生させる反力（アクチュエータ出力）の情報を出力する（ステップＳＴ５）。指令値出力手段７０は、反力情報出力手段６０からの反力の情報に基づいて、アクチュエータ出力テーブル３７から参照したいずれかの電圧指令値（ＰＷＭ信号のデューティ比）を選択し（ステップＳＴ６）、この選択した電圧指令値をコントローラ５０に出力する。（ステップＳＴ７）。コントローラ５０は、この電圧指令値に基づいて、電気活性ポリマ２０に電圧を印加して、電気活性ポリマ２０にて発生する反力を制御する（ステップＳＴ８）。こうして、電圧の印加によって電気活性ポリマ２０が変形することで、電気活性ポリマ２０から鍵１０にかかる反力が変化し、鍵１０のタッチ感が変更される。その後、操作部３４で入力されたタッチ感の設定に基づいて、引き続き鍵１０の動作を検出してタッチ感を調節する必要がある場合は、ステップＳＴ２に戻り、ステップＳＴ２以降の手順を行う（ステップＳＴ９）。

本実施形態の鍵盤装置１−３によれば、鍵動作検出手段４０により鍵１０の動作を検出し、検出した動作に基づいて電気活性ポリマ２０に電圧を印加することで、押鍵操作の途中で鍵１０のタッチ感を様々なパターンで変化させることが可能となる。例えば、鍵１０が押し下られる間は、電気活性ポリマ２０に電圧を印加して鍵１０を軽い力で押せるようにし、鍵１０が非押鍵位置へ戻るときは、電気活性ポリマ２０に印加する電圧をオフにして鍵１０を非押鍵位置へ迅速に戻すようにすることができる。また、鍵１０が押し下げられる途中で電気活性ポリマ２０に印加する電圧を変えれば、鍵１０が押し下げられる途中にも鍵１０から指にかかる反力を変化させることが可能となる。

ここで、本実施形態の鍵盤装置１−３における電気活性ポリマ２０への電圧の印加による演奏抵抗感の変化について考察する。ここでも、先の図３及び図４に示すモデルを基に考えると、上記の（式３）及び（式５）より、下記の（式７）が導かれる。

また、電気活性ポリマへの印加電圧をＶとすると、（式８）に示すようになる。

（式７）及び（式８）から明らかなように、電気活性ポリマ２０への印加電圧を変化させることで、押鍵に対する反力（演奏抵抗感）を任意に設定することが可能となる。

次に、本実施形態の鍵盤装置１−３におけるタッチ感（演奏抵抗感）の設定の一例を説明する。図９は、従来のグランドピアノにおける押鍵時及び離鍵時の鍵の変位と鍵を押す指にかかる反力との関係を示すグラフである。同図のグラフでは、横軸に非押鍵位置からの鍵の変位を取り、縦軸に指にかかる反力を取っている。なお、同図に示す例では、鍵を等速でゆっくりと移動させた場合に指にかかる反力を測定し、その測定点を曲線状に結んだものを示している。グランドピアノは、移動する鍵によってダンパやハンマなどが順次動かされる構造であるため、同図に示すように、鍵から指にかかる反力は一定ではなく、鍵の移動に伴って変化する。したがって、押鍵操作の途中で鍵のタッチ感が大きく変化する。

そこで、本実施形態の鍵盤装置１−３において、図９のグラフに従って電気活性ポリマ２０にて発生する反力を変化させるように設定すれば、グランドピアノに近似するタッチ感を得ることが可能となる。このタッチ感の制御パターンを制御パターンテーブル３６に格納しておけば、演奏者が操作部３４において当該制御パターンを選択することで、グランドピアノに近似した鍵１０のタッチ感を簡単に実現できるようになる。

図９に示す例では、グランドピアノにおいて鍵をゆっくりと等速で移動させた場合の反力分布を示しているが、鍵を速く移動させたり、速度を変化させて移動させる場合には、図９に示す例とは異なる反力分布となる。したがって、同じグランドピアノのタッチ感を模したタッチ感の設定でも、押鍵による鍵の速度に応じて反力の制御パターンは異なるものとなる。このため、制御パターンテーブル３６には、鍵の動作に基づく多数の制御パターンを格納しておく必要がある。

なお、上記の鍵１０のタッチ感の設定は一例であり、本実施形態の鍵盤装置１−３では、上記以外にも様々な設定で鍵１０のタッチ感を変化させることが可能である。例えば、グランドピアノ以外にも、オルガンなど他の鍵盤装置の演奏抵抗感を模したタッチ感を設定することもできる。また、操作部で操作入力された演奏者の年齢や鍵盤楽器に対する熟練度の情報などに応じて、制御パターンテーブルから制御パターンを参照し、当該演奏者の年齢や熟練度に適応する鍵のタッチ感を実現することも可能である。

以上説明したように、本発明の実施形態にかかる鍵盤装置１乃至１−３によれば、押鍵操作に対する反力を発生する反力発生手段として電気活性ポリマ２０を用いたので、簡単かつ軽量な構造で鍵１０のタッチ感を任意のタッチ感に調節することが可能となる。特に、電気活性ポリマ２０は、ソレノイドなどと比較して重量が軽く構造が簡単なので、従来と比較して鍵盤装置の大幅な軽量化、簡素化を図ることが可能となる。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載のない何れの形状・構造・材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。

例えば、反力発生手段である電気活性ポリマ２０の設置数や設置位置は、上記実施形態に示すものには限定されず、電気活性ポリマ２０は、複数を設置することもできるし、上記以外の位置に設置することもできる。また、上記実施形態で示した電気活性ポリマ２０の具体的な形状や構造は一例であり、電気活性ポリマ２０は、上記以外の形状や構造とすることも可能である。

また、第３実施形態の鍵盤装置１−３では、鍵動作検出手段４０として、変位センサと速度センサと加速度センサを備える場合を説明したが、鍵動作検出手段４０としては、これ以外にも、押鍵による鍵１０の移動に伴って段階的にオンあるいはオフされる複数のスイッチを設置することも可能である。この構成によれば、押鍵あるいは離鍵の際に複数のスイッチのオン・オフ状態を検知することで鍵の変位を検出し、複数のスイッチが順番にオンあるいはオフするタイミング（時間）を検出することで鍵１０の速度を検出することができるようになる。

本発明の第１実施形態にかかる鍵盤装置の構成例を示す図である。電気活性ポリマの構造を説明するための図である。電気活性ポリマに電圧を印加しない場合の鍵の動作を示す図である。電気活性ポリマに電圧を印加する場合の鍵の動作を示す図である。本発明の第２実施形態にかかる鍵盤装置の構成例を示す図である。本発明の第３実施形態にかかる鍵盤装置が備える制御機構の構成を示すブロック図である。制御パターンテーブルとアクチュエータ出力テーブルの概念図である。鍵のタッチ感を調節する手順を説明するためのフローチャートである。従来のグランドピアノにおける鍵の変位と鍵を押す指にかかる反力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１鍵盤装置
２底板
３フレーム
４鍵支持片
５鍵支点
６パネル
７ストッパー
８鍵スイッチ
１０鍵
１１駆動片
１２駆動片
２０電気活性ポリマ（反力発生手段）
２１電極膜
２２絶縁膜
３０制御機構
３４操作部
３５表示部
３６制御パターンテーブル
３７アクチュエータ出力テーブル（電圧指令値テーブル）
４０鍵動作検出手段
４１鍵変位検出部
４２鍵速度検出部
４３鍵加速度検出部
４４Ａ／Ｄ変換部
４５Ａ／Ｄ変換部
４６Ａ／Ｄ変換部
５０コントローラ（反力制御手段）
６０反力情報出力手段
７０指令値出力手段

Claims

揺動自在に支持された鍵と、
前記鍵の押鍵操作に対する反力を発生する反力発生手段と、を備え、
前記反力発生手段は、電圧の印加によって変形する弾性材からなる電気活性ポリマを含んで構成されることを特徴とする鍵盤装置。
前記電気活性ポリマは、前記鍵が非押鍵位置にあるときに物理的に変形された状態となるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の鍵盤装置。
前記電気活性ポリマに印加する電圧の指令値を出力する指令値出力手段と、
前記指令値出力手段から出力された指令値に基づいて前記電気活性ポリマに電圧を印加して前記電気活性ポリマにて発生する反力を制御する反力制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の鍵盤装置。
前記鍵の動作を検出する鍵動作検出手段を備えるとともに、
前記指令値出力手段は、前記鍵動作検出手段で検出された前記鍵の動作に基づいて前記電気活性ポリマに印加する電圧の指令値を出力することを特徴とする請求項３に記載の鍵盤装置。
前記鍵の動作制御に関する複数の制御パターンを格納した制御パターンテーブルを有し、前記鍵動作検出手段で検出された前記鍵の動作に基づいて、前記制御パターンテーブルからいずれかの制御パターンを選択し、該選択した制御パターンに基づいて前記電気活性ポリマにて発生させる反力の情報を出力する反力情報出力手段を備えるとともに、
前記指令値出力手段は、前記電気活性ポリマにて発生させる複数の反力に対応する複数の電圧指令値を格納した電圧指令値テーブルを有し、前記反力情報出力手段の出力に基づいて前記電圧指令値テーブルからいずれかの電圧指令値を選択し、該選択した電圧指令値を前記反力制御手段に出力することを特徴とする請求項４に記載の鍵盤装置。