JP2005003742A

JP2005003742A - 鍵位置検出装置

Info

Publication number: JP2005003742A
Application number: JP2003164236A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kamata; 健二鎌田
Original assignee: Kawai Musical Instrument Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kawai Musical Instrument Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-06-09
Filing date: 2003-06-09
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】外乱光の影響を除去し、鍵盤の鍵の位置を正確に検出することができる鍵位置検出装置を提供することを課題とする。
【解決手段】鍵盤の鍵（１０１）に向けて発光するための発光素子（２０１）と、鍵盤の鍵からの反射光を受光し、該反射光を電気信号に変換するための受光素子（２０２）と、交流電気信号により発光素子を発光させるための発光手段と、受光素子により変換された電気信号に応じて鍵盤の鍵の位置を検出するための検出手段とを有する鍵位置検出装置が提供される。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鍵位置検出装置に関し、特に光を用いた鍵位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
下記の特許文献１には、キーセンサが発光ダイオード（ＬＥＤ）とフォトダイオードにより構成され、キーに取付けられたシャッターがＬＥＤの光を遮光するか否かにより、キーのオン／オフイベントを検出することが開示されている。
【０００３】
下記の特許文献２には、鍵を押鍵すると、鍵に設けられたシャッターが発光ヘッドから受光ヘッドへ向かう光路に進入し、フォトトランジスタの受光量が減少し、押鍵を検出することが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１７３５７０号公報
【特許文献２】
特開平９−１５２８７１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
自動演奏ピアノは、自動演奏に対応して、鍵盤の鍵が動く。鍵盤の鍵を正確に動かすには、鍵盤の鍵の位置を検出する必要がある。フォトセンサを用いて、鍵盤の鍵の位置を検出しようとすると、外乱光（環境光）の影響を受け、正確な鍵の位置を検出することが困難である。
【０００６】
本発明の目的は、外乱光の影響を除去し、鍵盤の鍵の位置を正確に検出することができる鍵位置検出装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、鍵盤の鍵に向けて発光するための発光素子と、鍵盤の鍵からの反射光を受光し、該反射光を電気信号に変換するための受光素子と、交流電気信号により発光素子を発光させるための発光手段と、受光素子により変換された電気信号に応じて鍵盤の鍵の位置を検出するための検出手段とを有する鍵位置検出装置が提供される。
【０００８】
受光素子には、鍵盤の鍵からの反射光の他に、外乱光が入射される。外乱光は、受光素子により電気信号に変換されると、直流成分となって現れるものがほとんどである。仮に直流電気信号により発光素子を発光させると、鍵からの反射光と外乱光とが混在した電気信号が生成され、それらを分離することが困難になる。これに対し、交流電気信号により発光素子を発光させると、受光素子により鍵からの反射光が交流電気信号に変換される。鍵からの反射光が交流電気信号に変換され、外乱光が直流電気信号に変換されるので、両者を分離することが容易になる。受光素子により変換された電気信号から直流成分を除去すれば、外乱光成分が除去され、正確な鍵の位置を検出することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態による自動演奏ピアノの構成例を示す。この自動演奏ピアノは、自動演奏に対応して、鍵盤の鍵１０１をソレノイドコイル１０５により動かす。鍵１０１は、支点１０２を中心にして回動可能に支持されており、鍵盤の複数の鍵のうちの１つである。ソレノイドコイル１０５は、鍵１０１を上下方向に移動させ、押鍵及び離鍵の動きを制御することができる。フォトセンサ１０３は、発光素子及び受光素子を有する。発光素子は、制御部１０４から電気信号を入力し、鍵１０１に向けて発光する。受光素子は、鍵１０１からの反射光を受光し、該反射光を電気信号に変換し、制御部１０４に出力する。制御部１０４は、その電気信号を基にフォトセンサ１０３と鍵１０１との間の距離ｄ（ｔ）を検出する。距離ｄ（ｔ）は、時間ｔの関数として表現可能である。距離ｄ（ｔ）が小さいほど、フォトセセンサ１０３が受光する反射光が強く、制御部１０４が入力する電気信号が大きくなる。制御部１０４は、その電気信号を基に距離ｄ（ｔ）を検出し、ソレノイドコイル１０５に電気信号を供給する。ソレノイドコイル１０５は、電気信号に応じて、鍵１０１の位置ｄ（ｔ）を制御する。すなわち、制御部１０４は、鍵の位置ｄ（ｔ）を目標値に向けてフィードバック制御する。
【００１０】
図２は、フォトセンサ１０３の機能を説明するための図である。フォトセンサ１０３は、発光素子２０１及び受光素子２０２を有し、ＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）により構成される。基板２０６上に、フォトセンサ１０３が配置される。発光素子２０１は、鍵盤の鍵１０１に向けて光２０３を発光する。受光素子２０２は、鍵盤の鍵１０１からの反射光２０４を受光し、反射光２０４を電気信号に変換する。受光素子２０２は、反射光２０４の他に、外乱光（環境光）２０５を受光する。外乱光２０５は、鍵１０１の位置を検出する際には不要な成分である。本実施形態では、外乱光２０５の影響を除去するために、交流電気信号により発光素子２０１を発光させる。照射光２０３は交流成分を有し、反射光２０４も交流成分を有する。
【００１１】
図３は、フォトセンサ１０３の電気回路例を示す。フォトセンサ１０３は、発光素子２０１及び受光素子２０２を有する。発光素子２０１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）である。受光素子２０２は、例えばフォトトランジスタである。発振器３０１は、発光ダイオード２０１のアノード端子Ａ及びカソード端子Ｋ間に接続され、交流電気信号（例えば正弦波）を供給する。すると、発光ダイオード２０１は、光（例えば赤外線）２０３を鍵１０１に向けて照射する。鍵１０１の反射光２０４は、フォトトランジスタ２０２に入射する。すると、コレクタ電流Ｉｃ（ｔ）が、フォトトランジスタ２０２のコレクタ端子Ｃ及びエミッタ端子Ｅ間に流れ、制御部１０４（図１）に出力される。
【００１２】
図２において、受光素子２０２には、鍵盤の鍵１０１からの反射光２０４の他に、外乱光２０５が入射される。外乱光２０５は、受光素子２０２により電気信号に変換されると、直流成分となって現れるものがほとんどである。仮に直流電気信号により発光素子２０１を発光させると、鍵１０１からの反射光２０４と外乱光２０５とが混在した電気信号が生成され、それらを分離することが困難になる。これに対し、交流電気信号により発光素子２０１を発光させると、受光素子２０２により鍵１０１からの反射光２０４が交流電気信号に変換される。鍵１０１からの反射光２０４が交流電気信号に変換され、外乱光２０５が直流電気信号に変換されるので、両者を分離することが容易になる。受光素子２０２により変換された電気信号から直流成分を除去すれば、外乱光２０５の成分が除去され、正確な鍵１０１の位置を検出することができる。以下、その詳細を説明する。
【００１３】
まず、直流電気信号により発光ダイオード２０１を発光させる場合を説明する。外乱光２０５が定常的に放射されていると、フォトトランジスタ２０２は、反射光２０４及び外乱光２０５を受光し、式（１）のコレクタ電流Ｉｃ（ｔ）を流す。
【数１】

【００１４】
ここで、ｄ（ｔ）はフォトセンサ１０３と鍵１０１との間の距離であり、Ａｖは発光ダイオード２０１の輝度、Ｄ（ｔ）は外乱光２０５を示す。
【００１５】
このように、コレクタ電流Ｉｃ（ｔ）は、距離ｄ（ｔ）及び外乱光Ｄ（ｔ）に依存した関数になる。そこで、外乱光Ｄ（ｔ）と反射光２０４とを、識別可能な状態にすれば、信号処理によって反射光２０４のみを取り出すことが可能になる。ここで、外乱光Ｄ（ｔ）の性質を考察してみると、外乱光Ｄ（ｔ）は激しい変動はなく、おおよそ一定の光量であると言える。ならば、発光ダイオード２０１の発光に対して何らかの変調を行い、受光した光の電気信号を復調すれば、反射光２０４のみを得ることができるはずである。
【００１６】
図３に示すように、発振器３０１により正弦波の変調を行った交流電気信号を発光ダイオード２０１に供給すると、コレクタ電流Ｉｃ（ｔ）は式（２）で表される。
【数２】

【００１７】
式（２）の両辺を１階微分すると、式（３）になる。
【数３】

【００１８】
ここで、外乱光Ｄ（ｔ）には激しい変動がないとすれば、ｄＤ（ｔ）／ｄｔ≒０が成り立つので、式（３）は式（４）になる。
【数４】

【００１９】
式（４）では、外乱光Ｄ（ｔ）が除去される。式（４）の両辺の絶対値を取ると、式（５）になる。
【数５】

【００２０】
式（５）の両辺に負荷抵抗Ｒを掛けて、積分すれば、式（６）に示すように、電流Ｉｃ（ｔ）から電圧Ｖ（ｔ）に変換することができる。
【数６】

【００２１】
上記の積分により、高周波数成分を除去することができ、制御が容易になる。この電圧Ｖ（ｔ）を基に鍵１０１の位置を検出すれば、外乱光Ｄ（ｔ）の影響がなく、正確な鍵１０１の位置を検出することができる。
【００２２】
図４は、２つの近接した鍵１０１ａ及び１０１ｂに２つのフォトセンサ１０３ａ及び１０３ｂを設けた構成例を示す。フォトセンサ１０３ａ及び１０３ｂは、図２のフォトセンサ１０３と同じ構成を有し、発光素子２０１及び受光素子２０２を有する。各発光素子２０１は、光２０３を鍵１０１ａ，１０１ｂに向けて発光する。各受光素子２０２は、反射光２０４の他に、外乱光２０５を受光する。
【００２３】
ここで、２つの鍵１０１ａ及び１０１ｂが近接し、２つのフォトセンサ１０３ａ及び１０３ｂが近接すると、フォトセンサ１０３ａ及び１０３ｂの光が干渉する。すなわち、フォトセンサ１０３ａはフォトセンサ１０３ｂの照射光２０３の影響を受ける。フォトセンサ１０３ｂはフォトセンサ１０３ａの照射光２０３の影響を受ける。これでは、正確な鍵１０１ａ及び１０１ｂの位置を検出することができない。以下、その解決方法を説明する。
【００２４】
図５は、隣接する４つの鍵１０１ａ〜１０１ｄ及びそれに対応する４つのフォトセンサ１０３ａ〜１０３ｄの構成例を示す。４つのフォトセンサ１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄは、基本的に図２のフォトセンサ１０３と同じ構成を有する。ただし、奇数番目の鍵１０１ａ，１０１ｃに設けられる奇数番目のフォトセンサ１０３ａ，１０３ｃは、ｓｉｎ（ωｔ）で変調された交流電気信号（例えば周波数が１ｋＨｚ）で発光し、復調する。それに対し、偶数番目の鍵１０１ｂ，１０１ｄに設けられる偶数番目のフォトセンサ１０３ｂ，１０３ｄは、ｓｉｎ（２ωｔ）で変調された交流電気信号（例えば周波数が２ｋＨｚ）で発光し、復調する。すなわち、偶数番目のフォトセンサ１０３ｂ、１０３ｄの変調及び復調の周波数は、奇数番目のフォトセンサ１０３ａ，１０３ｃのものの２倍である。このように、隣接する鍵に対応するフォトセンサは、発光素子の交流電気信号の周波数が異なるので、光の干渉を防止し、鍵１０１ａ〜１０１ｄの正確な位置を検出することができる。
【００２５】
図６は、本実施形態による鍵位置検出装置の構成例を示す。正弦波発振器６０１は、正弦波電圧信号を生成する。上記の奇数番目のフォトセンサ１０３ａ，１０３ｃでは１ｋＨｚの正弦波電圧信号を生成し、偶数番目のフォトセンサ１０３ｂ，１０３ｄでは２ｋＨｚの正弦波電圧信号を生成する。電圧電流変換器６０２は、正弦波電圧信号を正弦波電流信号に変換し、発光ダイオード６０３に供給する。発光ダイオード６０３は、交流的に発光する。
【００２６】
フォトトランジスタ６０４は、上式（２）に示すように、受光した光を電気信号（図７（Ａ）参照）に変換する。微分器（直流成分除去手段）６０５は、上式（３）に示すように、変換された電気信号を微分し、直流成分を除去した電気信号（図７（Ｂ）参照）を出力する。これにより、外乱光Ｄ（ｔ）成分等の直流成分は除去される。バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６０６は、正弦波発振器６０１の周波数に応じて、微分された電気信号を所定の周波数領域で通過させるようにフィルタリングする。上記の奇数番目のフォトセンサ１０３ａ，１０３ｃでは１ｋＨｚ変調信号を通過させるためのフィルタリングをし、偶数番目のフォトセンサ１０３ｂ，１０３ｄでは２ｋＨｚ変調信号を通過させるためのフィルタリングをする。
【００２７】
周波数ｆ＝ω／２πのバンドパスフィルタの伝達関数Ｇ（ｓ）は、次式になる。
Ｇ（ｓ）＝２ξωｓ／（ｓ^２＋２ξωｓ＋ω^２）
【００２８】
絶対値化手段６０７は、例えば全波整流器であり、上式（５）に示すように、フィルタリングした電気信号を絶対値化し、その電気信号（図７（Ｃ）参照）を出力する。積分器（高周波成分除去手段）６０８は、上式（６）に示すように、絶対値化した電気信号を積分し、高周波成分を除去した電気信号（図７（Ｄ）参照）を出力する。駆動回路６０９は、積分された電気信号を基に、鍵１０１の位置ｄ（ｔ）を検出し、鍵１０１が目標値に達するように、ソレノイドコイル１０５を駆動する。
【００２９】
なお、高周波成分除去手段６０８は、積分器の代わりに、定期的なピークホールド処理を行うことにより、高周波成分を除去するようにしてもよい。また、微分器６０５及びバンドパスフィルタ６０６を、１つのフィルタで構成してもよい。
【００３０】
図８は、発光ダイオードの電流変調例を示す。正弦波発振器８０１は、正弦波電圧信号を生成する。直流バイアス回路８０２は、直流電圧信号を生成する。加算器８０３は、正弦波電圧信号及び直流電圧信号を加算する。電圧電流変換器８０４は、加算された電圧信号を電流信号（図９参照）に変換し、発光ダイオード８０５に供給する。発光ダイオード８０５は、直流バイアスされた正弦波電流信号を基に発光する。
【００３１】
図９は、発光ダイオード８０５に供給する電流波形例を示す。横軸が時間であり、縦軸が電流値である。電流波形は、１５ｍＡの直流バイアスがされ、１０ｍＡ〜２０ｍＡの間で正弦波振幅する。発光ダイオード８０５の輝度は、電流にほぼ比例しているため、電圧変調ではなく、電流変調を行う必要がある。また、直流バイアスをすることにより、電流波形は正弦波を形成することができる。同様に、フォトトランジスタの出力信号に対しても、直流バイアス点の制御を行えばよい。
【００３２】
図１０は、本実施形態による複数の鍵に対する鍵位置検出装置の構成例を示す。図５と同様に、４つの鍵１０１ａ〜１０１ｄに対応し、４つのフォトセンサ１０３ａ〜１０３ｄが設けられる。フォトセンサ１０３ａ〜１０３ｄは、基板２０６上に配置される。駆動回路１０１１は、フォトセンサ１０３ａ〜１０３ｄの発光ダイオードを駆動するための回路である。検出回路１０１２は、フォトセンサ１０３ａ〜１０３ｄのフォトトランジスタが出力する電気信号を基に、鍵１０１ａ〜１０１ｄの位置を検出する。
【００３３】
まず、駆動回路１０１１について説明する。発振器１００１ａは、例えば１ｋＨｚの正弦波信号を生成する。発振器１００１ｂは、例えば２ｋＨｚの正弦波信号を生成する。奇数番目の電流変調回路１００２ａ及び１００２ｃは、１ｋＨｚの正弦波信号を電流変調し、図９のような電流信号を奇数番目のフォトセンサ１０３ａ，１０３ｃに出力する。フォトセンサ１０３ａ，１０３ｃは、１ｋＨｚの正弦波電流信号に応じて発光する。偶数番目の電流変調回路１００２ｂ及び１００２ｄは、２ｋＨｚの正弦波信号を電流変調し、図９のような電流信号を偶数番目のフォトセンサ１０３ｂ，１０３ｄに出力する。フォトセンサ１０３ｂ，１０３ｄは、２ｋＨｚの正弦波電流信号に応じて発光する。
【００３４】
次に、検出回路１０１２について説明する。復調回路１００３ａ〜１００３ｄは、図６の微分器６０５、バンドパスフィルタ６０６、絶対値化手段６０７及び積分器６０８を含む。奇数番目の復調回路１００３ａ，１００３ｃは、１ｋＨｚ変調信号のバンドパスフィルタを有する。偶数番目の復調回路１００３ｂ，１００３ｄは、２ｋＨｚ変調信号のバンドパスフィルタを有する。駆動回路１００４は、復調された電気信号を基に、鍵１０１ａ〜１０１ｄの位置ｄ（ｔ）を検出し、鍵１０１ａ〜１０１ｄが目標値に達するように、ソレノイドコイル１０５（図１）を駆動する。なお、周波数の種類は、２種類に限定されず、３種類以上使用してもよい。
【００３５】
以上のように、隣接する奇数番目の鍵１０１ａ，１０１ｃ及び偶数番目の鍵１０１ｂ，１０１ｄに対応し、奇数番目のフォトセンサ１０３ａ，１０３ｃ及び偶数番目のフォトセンサ１０３ｂ，１０３ｄが設けられる。奇数番目のフォトセンサ１０３ａ，１０３ｃ及び偶数番目のフォトセンサ１０３ｂ，１０３ｄは、発光素子の正弦波電流信号の周波数が異なる。これに対応し、奇数番目の復調回路１００３ａ，１００３ｃ及び偶数番目の復調回路１００３ｂ，１００３ｄは、フィルタリングするバンドパスフィルタの通過周波数帯域が異なる。
【００３６】
本実施形態では、交流電気信号により発光素子を発光させる。受光素子は、鍵の反射光を受光し、電気信号を出力する。検出回路は、受光素子の出力電気信号に応じて、鍵盤の鍵の位置を検出することができる。交流電気信号により発光素子を発光させると、受光素子により鍵からの反射光が交流電気信号に変換される。鍵からの反射光が交流電気信号に変換され、外乱光が直流電気信号に変換されるので、両者を分離することが容易になる。受光素子により変換された電気信号から微分器等により直流成分を除去すれば、外乱光成分が除去され、正確な鍵の位置を検出することができる。
【００３７】
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、受光素子には、鍵盤の鍵からの反射光の他に、外乱光が入射される。外乱光は、受光素子により電気信号に変換されると、直流成分となって現れるものがほとんどである。仮に直流電気信号により発光素子を発光させると、鍵からの反射光と外乱光とが混在した電気信号が生成され、それらを分離することが困難になる。これに対し、交流電気信号により発光素子を発光させると、受光素子により鍵からの反射光が交流電気信号に変換される。鍵からの反射光が交流電気信号に変換され、外乱光が直流電気信号に変換されるので、両者を分離することが容易になる。受光素子により変換された電気信号から直流成分を除去すれば、外乱光成分が除去され、正確な鍵の位置を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による自動演奏ピアノの構成例を示す図である。
【図２】フォトセンサの機能を説明するための図である。
【図３】フォトセンサの電気回路例を示す図である。
【図４】２つの近接した鍵に２つのフォトセンサを設けた構成例を示す図である。
【図５】隣接する４つの鍵及びそれに対応する４つのフォトセンサの構成例を示す図である。
【図６】本実施形態による鍵位置検出装置の構成例を示す図である。
【図７】図７（Ａ）〜（Ｄ）は電気信号の復調処理例を示す図である。
【図８】発光ダイオードの電流変調例を示す図である。
【図９】発光ダイオードに供給する電流波形例を示す図である。
【図１０】本実施形態による複数の鍵に対する鍵位置検出装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１０１鍵
１０２支点
１０３フォトセンサ
１０４制御部
１０５ソレノイドコイル
２０１発光素子
２０２受光素子
２０３照射光
２０４反射光
２０５外乱光
２０６基板
３０１発振器
６０１発振器
６０２電圧電流変換器
６０３発光ダイオード
６０４フォトトランジスタ
６０５微分器
６０６バンドパスフィルタ
６０７絶対値化手段
６０８積分器
６０９駆動回路
８０１発振器
８０２直流バイアス回路
８０３加算器
８０４電圧電流変換器
８０５発光ダイオード
１００１ａ，１００１ｂ発振器
１００２ａ〜１００２ｄ電流変調回路
１００３ａ〜１００３ｄ復調回路
１００４駆動回路
１０１１駆動回路
１０１２検出回路

Claims

鍵盤の鍵に向けて発光するための発光素子と、
前記鍵盤の鍵からの反射光を受光し、該反射光を電気信号に変換するための受光素子と、
交流電気信号により前記発光素子を発光させるための発光手段と、
前記受光素子により変換された電気信号に応じて前記鍵盤の鍵の位置を検出するための検出手段と
を有する鍵位置検出装置。
前記検出手段は、前記受光素子により変換された電気信号から直流成分を除去するための直流除去手段を有する請求項１記載の鍵位置検出装置。
前記直流除去手段は、微分器である請求項２記載の鍵位置検出装置。
前記検出手段は、さらに、前記直流成分が除去された電気信号を絶対値化するための絶対値化手段を有する請求項２又は３記載の鍵位置検出装置。
前記絶対値化手段は、全波整流器である請求項４記載の鍵位置検出装置。
前記検出手段は、さらに、前記絶対値化された電気信号の高周波成分を除去するための高周波除去手段を有する請求項４又は５記載の鍵位置検出装置。
前記高周波除去手段は、積分器である請求項６記載の鍵位置検出装置。
前記発光手段は、直流バイアスされた交流電気信号により前記発光素子を発光させる請求項１〜７のいずれか１項に記載の鍵位置検出装置。
前記発光手段は、
交流電圧及び直流電圧を加算するための手段と、
前記加算された電圧を電流に変換して前記発光素子を電流駆動する手段とを有する請求項８記載の鍵位置検出装置。
前記検出手段は、前記発光手段の交流電気信号の周波数に応じて、前記受光素子により変換された電気信号をフィルタリングするためのフィルタを有する請求項１〜９のいずれか１項に記載の鍵位置検出装置。
鍵盤で隣接する第１の鍵及び第２の鍵に対応して、各鍵に、前記発光素子、前記受光素子、前記発光手段及び前記検出手段が設けられ、
前記第１の鍵の発光手段の交流電気信号と前記第２の鍵の発光手段の交流電気信号とは、周波数が異なる請求項１〜１０のいずれか１項に記載の鍵位置検出装置。
前記第１の鍵の検出手段及び前記第２の鍵の検出手段は、それぞれ、前記第１の鍵の発光手段及び前記第２の鍵の発光手段の交流電気信号の周波数に応じて、前記第１の鍵の受光素子及び前記第２の鍵の受光素子により変換された電気信号をフィルタリングするためのフィルタを有する請求項１１記載の鍵位置検出装置。
前記発光素子は発光ダイオードであり、前記受光素子はフォトトランジスタである請求項１〜１２のいずれか１項に記載の鍵位置検出装置。
前記発光手段の交流電気信号は、正弦波である請求項１〜１３のいずれか１項に記載の鍵位置検出装置。