JP5896866B2 - 電子鍵盤楽器用回路 - Google Patents

Description

本発明は、鍵盤の押鍵・離鍵操作等を検出する電子鍵盤楽器用の回路の改良に関する。

多重打鍵時にキーオンしていないキーがキーオンしたような誤動作をしてしまう「ゴーストキー」の発生を防止する機能である「Ｎキーロールオーバー機能」を実現するためのキーボードやその回路等が多数提案されている。例えば、ＣＭＯＳレベルの走査信号を出力する抵抗マトリクスドライバにより、抵抗式キーマトリクスを走査し、その走査した検出信号をＡ／Ｄコンバータによりデジタルデータに変換する。そして、このデジタルデータとスレショルド用データとの比較を行い、スイッチユニットを形成するスイッチ部のオン・オフを判断することにより、Ｎキーロールオーバー機能を実現するものである（例えば、特許文献１参照。）。

また、最も基本的なキースキャン検出回路においては、スイッチとダイオードとを直列に接続したスイッチユニットをマトリクス状に配置し、このマトリクス状に配置したダイオード式キーマトリクス回路の行方向に接続された複数本の走査線に対して、順番にハイレベル電圧を与えて行き、ダイオード式キーマトリクス回路の列方向に接続された複数本の電圧レベルを検出して、ハイレベル電圧が与えられた走査線に接続されているスイッチユニットのスイッチのオン・オフを判定する方式で「Ｎキーロールオーバー機能」を実現することも提案されていた。

特開平６−１２４１５５号公報（第２−４頁、第１図）

しかしながら、上述した先行技術文献に記載のキーボードの構成によれば、抵抗式キーマトリックスの他にＡ／Ｄコンバータを必要になる。したがって、この分、コスト高になるといった問題があった。また、キーボードに使用する場合には良いが、鍵盤に使用する場合にあっては、スイッチ数が多くなり、走査速度も高速になるため適さないという問題があった。

また、上述したダイオード式キーマトリクス回路によれば、Ａ／Ｄコンバータ等を必要とせず構成は比較的簡単ではあるものの、ダイオードに順方向電圧（約０．６（Ｖ））が発生するため低電圧での動作（換言すれば低い電源電圧での動作）を行うことができなかった。このため、出力電圧を低電圧に変換するレベルコンバータ等が必要となるといった問題があった。また、スイッチにオン抵抗があるとローレベル電圧での検出を確保するために、検出線に接続する負荷抵抗を大きくすることが必要であるが、この負荷抵抗によって波形が鈍ってしまい高速のスキャン（「スキャン」とは一番目のスイッチから最後のスイッチまでのオン・オフ判定を行うことを称する）を行うことができなかった。

本発明は、かかる従来の課題を解決するためになされたもので、簡素な構成でありながら、低電圧動作可能でかつ高速スキャンが可能な電子鍵盤楽器用回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、スイッチ（Ｓ００、…、Ｓ７７）にトランジスタ（３）を接続したスイッチユニット（２）をマトリクス状に配置したトランジスタ式キーマトリクス（１）と、
前記トランジスタ式キーマトリクス（１）の行方向に接続された複数本の走査線（Ｘ０、Ｘ１、…、Ｘ７）に対して、順番にハイレベル電圧を与えて行く処理を繰り返し行うハイレベル電圧付与手段（図２のステップＳ２１０等）と、
前記トランジスタ式キーマトリクス（１）の列方向に接続された複数本の検出線（Ｙ０、Ｙ１、…、Ｙ７）の電圧レベルを判断して、前記ハイレベル電圧が与えられた走査線に接続されている各スイッチユニット（２）のスイッチのオン・オフを判定する判定手段（図２のステップＳ２２０）と、を備え、
各スイッチユニット（２）は、
対応する走査線に前記トランジスタ（３）のベースが接続されると共に前記トランジスタ（３）のエミッタが接地され、更に、対応する検出線と前記トランジスタ（３）のコレクタとの間に前記スイッチが接続されて成ることを特徴とするようにした。

この発明によれば、ハイレベル電圧付与手段は、トランジスタ式キーマトリクス（１）の行方向に接続された複数本の走査線（Ｘ０、Ｘ１、…、Ｘ７）に対して、順番にハイレベル電圧を与えて行く処理を繰り返し行い、判定手段は、トランジスタ式キーマトリクス（１）の列方向に接続された複数本の検出線（Ｙ０、Ｙ１、…、Ｙ７）の電圧レベルを判断して、前記ハイレベル電圧が与えられた走査線に接続されている各スイッチユニット（２）のスイッチのオン・オフを判定する。そして、各スイッチユニット（２）は、対応する走査線にトランジスタ（３）のベースが接続されると共に前記トランジスタ（３）のエミッタが接地され、更に、対応する検出線と前記トランジスタ（３）のコレクタとの間に前記スイッチが接続されて成っているので、ダイオードと比較すると低電圧動作が可能になる（換言すれば電源電圧を低くしても駆動可能になる）と共に、高速のスキャン動作が可能となる。

上記のスイッチユニット（２）において、前記トランジスタ（３）は更に、ベースとエミッタとの間に抵抗（Ｒ１）が接続されている構成とすれば、トランジスタのオフ時間を短縮することができるので好ましい。更に、このスイッチユニット（２）において、ベースに抵抗（Ｒ２）を接続すれば、トランジスタのＶbeのバラツキを抑制することができるので好ましい。

また、本発明の他の態様は、スイッチ（Ｓ００、…、Ｓ７７）にトランジスタ（３）を接続したスイッチユニット（２）をマトリクス状に配置したトランジスタ式キーマトリクス（１）と、
前記トランジスタ式キーマトリクス（１）の行方向に接続された複数本の走査線（Ｘ０、Ｘ１、…、Ｘ７）に対して、順番にハイレベル電圧を与えて行く処理を繰り返し行うハイレベル電圧付与手段（図２のステップＳ２１０等）と、
前記トランジスタ式キーマトリクス（１）の列方向に接続された複数本の検出線（Ｙ０、Ｙ１、…、Ｙ７）の電圧レベルを判断して、前記ハイレベル電圧が与えられた走査線に接続されている各スイッチユニット（２）のスイッチのオン・オフを判定する判定手段（図２のステップＳ２２０）と、を備え、
各スイッチユニット（２）は、
対応する検出線に前記トランジスタのコレクタが接続されると共にエミッタが接地され、更に、対応する走査線にスイッチの一端が接続されると共に、スイッチの他端は、抵抗（Ｒ２）を介してベースに接続されると共にこのベースとエミッタとが抵抗（Ｒ１）を介して接続されて成ることを特徴とするものである。

この他の態様の発明は、スイッチをトランジスタ（３）のコレクタに接続するのでは無く、ベース側に接続した点に特徴があり、スイッチのオン抵抗の影響が無くなる結果、さらに低電圧での駆動が可能になるので一層好ましい。

本発明によれば、簡素な構成でありながら、低電圧動作可能でかつ高速スキャンが可能な電子鍵盤楽器用回路を実現することができるという効果が得られる。

電子鍵盤楽器用回路２００の回路図である。 動作を説明するためのフローチャートである。 トランジスタの他の接続例である。 スイッチオン時のスイッチユニット２の等価回路の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

（構成）
図１は本発明の実施の形態である電子鍵盤楽器用回路２００の回路図である。この電子鍵盤楽器用回路２００は一例として６４個のスイッチを有している。図１に示すように、本実施形態の電子鍵盤楽器用回路２００は、トランジスタ式キーマトリックス１と、このトランジスタ式キーマトリックス１に対する制御動作等を行うコントロールユニット１００とを有して構成されている。そして、このコントロールユニット１００は、トランジスタ式キーマトリクス１の列方向の８本の検出線（Ｙ０、Ｙ１、…、Ｙ７）が接続された入力ポート１０と、トランジスタ式キーマトリクス１の行方向の８本（Ｘ０、Ｘ１、…、Ｘ７）の走査線が接続された出力ポート２０とを備えている。また、列方向の８本の検出線（Ｙ０、Ｙ１、…、Ｙ７）は各々、負荷抵抗（ＲＬ０、ＲＬ１、…、ＲＬ７）を介して電源電圧Ｖｃｃにプルアップされていると共に、行方向の８本（Ｘ０、Ｘ１、…、Ｘ７）の走査線は各々抵抗（ＲＢ０、ＲＢ１、…、ＲＢ７）を介して出力ポート２０に接続されている。なお、各負荷抵抗ＲＬ０、ＲＬ１、…、ＲＬ７の抵抗値は同じ抵抗値とすることが望ましく、また、走査線に接続される各抵抗ＲＢ０、ＲＢ１、…、ＲＢ７の抵抗値は同じ値とすることが望ましい。なお、ＲＢとＲＬは適宜に設定する。

また、コントロールユニット１００には電源電圧Ｖｃｃが供給されると共に、所要の部分が接地（ＧＮＤ）されている。このコントロールユニット１００は、ＣＰＵで実現可能であり、不図示の内蔵又は外付けＲＯＭに記録された動作プログラムを実行することによって制御動作を行うように構成可能である。なお、図１の例では電源電圧Ｖｃｃを「３．３（Ｖ）」に設定しているが、電源電圧はこの値に限られるものではない。

トランジスタ式キーマトリックス１は、スイッチユニット２を「８×８」のマトリクス状に配置して構成される。スイッチユニット２は、この例では６４個配置されている。１番目のスイッチユニット２は、スイッチＳ００とトランジスタ３とを接続して成り、２番目のスイッチユニット２は、スイッチＳ１０とトランジスタ３とを接続して成り、…、６４個目のスイッチユニットは、スイッチＳ７７とトランジスタ３とを接続してなっている。したがって、全く同じ構成のスイッチユニット２が６４個、「８×８」のマトリクス状に配置されている。なお、スイッチユニット２の数を「８×８」個としたのは一例に過ぎなく、行方向と列方向のスイッチユニット２の数が同じである必要も無い。

代表して、図１の左下に丸で囲んだスイッチユニット２を参照すれば分かるように、１つのスイッチユニット２は、対応する走査線にトランジスタ３のベースが接続されると共にトランジスタ３のエミッタが接地（ＧＮＤ）されている。更に、対応する検出線とトランジスタ３のコレクタとの間にはスイッチが接続されて構成されている。そして、各スイッチユニット２のスイッチには、不図示の鍵盤部の鍵が接続されている。この接続態様としては、１個のスイッチに１個の鍵を接続する他、２個のスイッチを１個の鍵を接続する等の各種の態様が挙げられる。２個のスイッチを１個の鍵に接続する場合には、例えば２個のスイッチのオン・オフを判断して鍵の押鍵速度を検出することが挙げられる。

（動作）
次に、図２を参照してコントローラユニット１００の動作を説明する。なお、以下において、ローレベル電圧は例えば「０．２×Ｖｃｃ（電源電圧）」以下の電圧であり、ハイレベル電圧は例えば「０．７×Ｖｃｃ（電源電圧）」以上の電圧とする。具体例としては「Ｖｃｃ＝３．３」の場合、ローレベル電圧は「０．２×３．３＝０．６６」以下の電圧であり、ハイレベル電圧は「０．７×３．３＝２．３１」以上の電圧である。先ず、ステップＳ２００において、変数Ｎに「０」を代入する。この変数Ｎは、各走査線を「ＸＮ」、各検出線を「ＹＮ」、各スイッチを「ＳＮ０〜ＳＮ７」で表現する変数Ｎであり、Ｎを０〜７まで変化させることで各走査線、各検出線、各スイッチを表わす。次いで、ステップ２１０において、走査線ＸＮ（Ｎは変数）にハイレベル電圧を設定し（換言すればハイレベル電圧を与えて）、この走査線ＸＮ以外の走査線をローレベル電圧に設定する。例えば、「Ｎ＝０」の時には走査線「Ｘ０」のみにハイレベル電圧を与え、他の走査線Ｘ１〜Ｘ７をローレベル電圧に設定する。また、「Ｎ＝１」の時には走査線Ｘ１のみにハイレベル電圧を与え、他の走査線Ｘ０、Ｘ２〜Ｘ７をローレベル電圧に設定する。

次いで、ステップ２２０において、検出線Ｙ０〜Ｙ７の各々の電圧レベルを判断して、スイッチＳＮ０〜ＳＮ７（Ｎは変数）のオン・オフの判定を行う。具体的には、検出線ＹＮの電圧レベルがローレベルの場合には、対応するスイッチはオン状態にあると判定する。例えば、「Ｎ＝０」の時（即ち、走査線Ｘ０のみにハイレベル電圧が与えられた時）、検出線Ｙ０〜Ｙ７の電圧レベルを判断して、一列に並ぶスイッチＳ００、Ｓ０１、…、Ｓ０７のオン・オフを判定する。そして、例えば、検出線Ｙ０の電圧レベルがローレベルの場合にはスイッチＳ００がオン状態にあると判定する。また、「Ｎ＝１」の時（即ち、走査線Ｘ１のみにハイレベル電圧が与えられた時）には、検出線Ｙ０〜Ｙ７の電圧レベルを判断して、一列に並ぶスイッチＳ１０、Ｓ１１、…、Ｓ１７のオン・オフを判定する。例えば検出線Ｙ２（不図示）の電圧レベルがローレベルの場合にはスイッチＳ１２（不図示）がオン状態にあると判定する。

次に、ステップＳ２３０において、変数「Ｎ」を１だけインクリメントして「Ｎ＋１」とする。そして、ステップＳ２４０において、変数Ｎの値が「８」であるか否かを判定する。Ｎの値が「８」でない場合（ステップＳ２４０のＮｏ）には、ステップＳ２１０に戻って、Ｎを１だけインクリメントされた「Ｎ＋１」を使用して同様の動作を繰り返して行う。一方、変数Ｎの値が「８」になった場合（ステップＳ２４０のＹｅｓ）には、ステップ２００に移行し、新たにＮを「０」とし、ステップＳ２１０〜ステップＳ２４０までの処理を繰り返して行う。

このように、コントロールユニット１００は、トランジスタ式キーマトリクス１の行方向に接続された複数本の走査線（Ｘ０、Ｘ１、…、Ｘ７）に対して、順番にハイレベル電圧を与えて行く処理を繰り返し行う。そして、コントロールユニット１００は、トランジスタ式キーマトリクス１の列方向に接続された複数本の検出線（Ｙ０、Ｙ１、…、Ｙ７）の電圧レベルを判断して、ハイレベル電圧が与えられた走査線ＸＮに接続されている各スイッチユニット２のスイッチ（ＳＮ０、ＳＮ１、…、ＳＮ７）のオン・オフを判定する。具体的には、複数本の検出線ＹＮの各電圧レベルを判断して、それがローレベルの電圧である場合には、ハイレベル電圧が与えられた走査線ＸＮ（Ｎは０から７のいずれかの値）に接続されている各スイッチユニット２のスイッチがオン状態にあると判定する。

この実施の形態によれば、複数の鍵を同時にオン操作しても、各スイッチユニット２にはトランジスタが使用されているため、各走査線に流す電流はトランジスタ８個をオンさせる電流だけで済む。ダイオードを使用した場合に比べると、例えば、Ｓ００からＳ０７までのスイッチが同時にオンしているとすると、ダイオードを使用した場合のＸ０に流れる電流は「（ＶＣＣ／負荷抵抗）×８」となるが、トランジスタを使用した場合にＸ０に流れる電流は「（ＶＣＣ／（負荷抵抗×ｈfe））×８」となる。つまり、トランジスタを用いればダイオードを使用した場合に比べＸ０に流れる電流は「１／ｈfe」（ここでｈfeはエミッタ接地のｈパラメータであり、エミッタ接地電流増幅率をβとすると「ｈfe＝β」である）で済むため、従来のようにマトリクスドライバが不要となり、簡素な構成でありながら、しかも高速のスキャンを行うことが可能になる。

また、スイッチがオン時の検出線ＹＮ（Ｎ＝０、１、…、７）の電圧は、トランジスタ３のコレクタエミッタ間電圧Ｖceに、「電源電圧ＶccからＶceを引いた電圧を、スイッチオン抵抗と負荷抵抗（ＲＬＮ：Ｎ＝０、１、…、７）とで分圧した、スイッチオン抵抗電圧」を加えたものになる。図４はこれを説明するためのスイッチオン時のスイッチユニット２の等価回路の説明図である。図４を参照すれば分かるように、負荷抵抗ＲＬＮが「１０ｋ（Ω）」、スイッチのオン抵抗が「１ｋ（Ω）」、電源電圧Ｖccが「３（Ｖ）」の場合、オンされたスイッチの電圧は、「０．１（Ｖ）＋（３（Ｖ）−０．１（Ｖ））×（１ｋ（Ω）／（１０ｋ（Ω）＋１ｋ（Ω）））＝０．３６（Ｖ）」となる。ここで、「０．１（Ｖ）」はオン状態のトランジスタ３のエミッタコレクタ間電圧Ｖceであるので、スイッチオン時の検出線ＹＮの電圧は低い電圧となり、電源電圧Ｖｃｃを低くしても動作が可能となる。つまり、この場合には低電圧動作が可能となる。

図３はスイッチユニッチ２の変形例の説明図である。図３（ａ）のスイッチユニット２は、図１にて示したスイッチユニット２を構成するトランジスタ３に対して、更に、トランジスタ３のベースと、接地されたエミッタとの間に抵抗Ｒ１が接続されている点に特徴がある。このスイッチユニット２によれば、トランジスタ３のオフ時間を短縮することができるので回路の動作が一層高速になる。

図３（ｂ）のスイッチユニット２は、図３（ａ）にて示したスイッチユニット２を構成するトランジスタ３に対して、更に、ベースに抵抗Ｒ２を接続した点に特徴がある。トランジスタ３のベースを共通にした場合、Ｖbeにばらつきが存在するとトランジスタ３のオン・オフ時間に影響がでるので、これを抑制するために個々のトランジスタ３にベース電流制限抵抗を接続している。

図３（ｃ）のスイッチユニット２は、図１のスイッチユニット２と比較すれば分かるように、スイッチをトランジスタ３のコレクタに接続するのでは無く、ベース側に接続した点に特徴がある。具体的には、対応する検出線（ＹＮ）にトランジスタ３のコレクタを接続すると共にエミッタを接地する。更に、対応する走査線（ＸＮ）にスイッチの一端を接続すると共に、スイッチの他端は、抵抗Ｒ２を介してベースに接続すると共に、ベースとエミッタとが抵抗Ｒ１を介して接続されて成っている。

図３（ｃ）の構成のスイッチユニット２を使用すれば、スイッチのオン抵抗の影響が無くなる結果、さらに低電圧での駆動が可能になる。トランジスタ３がオンになる場合、検出線「ＹＮ」に印加される電圧はトランジスタ３のＶce（０．１（Ｖ））のみとなり、トランジスタ３がオンになるにはＶbe（約０．６（Ｖ））以上の電圧を印加すれば良いので、１（Ｖ）以下の電源電圧で回路動作が可能になり、低電圧駆動を実現することができる。

なお、以上述べてきた本発明の実施形態は、ＮＰＮ型トランジスタを使用した例であるが、ＰＮＰ型トランジスタを使用しても同様な効果が得ることができる。また、本実施形態にあってはスイッチユニット２のスイッチに鍵を接続した例を挙げて説明してきたが、鍵の代わりにキーボードのキーをスイッチに接続して、キーのオン・オフ操作に応じて、スイッチがオン・オフするキーボード装置を同様な構成で実現することも可能である。

以上説明してきたように、本発明は例えば鍵盤を備えた電子楽器等に利用することができる。

１ トランジスタ式キーマトリックス
２ スイッチユニット
３ トランジスタ
１０ 入力ポート
２０ 出力ポート
１００ コントロールユニット
２００ 電子鍵盤楽器用回路

Claims (4)

1. スイッチにトランジスタを接続したスイッチユニットをマトリクス状に配置したトランジスタ式キーマトリクスと、
   前記トランジスタ式キーマトリクスの行方向に接続された複数本の走査線に対して、順番にハイレベル電圧を与えて行く処理を繰り返し行うハイレベル電圧付与手段と、
   前記トランジスタ式キーマトリクスの列方向に接続された複数本の検出線の電圧レベルを判断して、前記ハイレベル電圧が与えられた走査線に接続されている各スイッチユニットのスイッチのオン・オフを判定する判定手段と、を備え、
   各スイッチユニットは、
   対応する走査線に前記トランジスタのベースが接続されると共に前記トランジスタのエミッタが接地され、更に、対応する検出線と前記トランジスタのコレクタとの間に前記スイッチが接続されて成ることを特徴とする電子鍵盤楽器用回路。
2. 請求項１に記載の電子鍵盤楽器用回路において、
   前記トランジスタは更に、ベースとエミッタとの間に抵抗（Ｒ１）が接続されていることを特徴とする電子鍵盤楽器用回路。
3. 請求項２に記載の電子鍵盤楽器用回路において、
   前記トランジスタは更に、ベースに抵抗（Ｒ２）が接続されていることを特徴とする電子鍵盤楽器用回路。
4. スイッチにトランジスタを接続したスイッチユニットをマトリクス状に配置したトランジスタ式キーマトリクスと、
   前記トランジスタ式キーマトリクスの行方向に接続された複数本の走査線に対して、順番にハイレベル電圧を与えて行く処理を繰り返し行うハイレベル電圧付与手段と、
   前記トランジスタ式キーマトリクスの列方向に接続された複数本の検出線の電圧レベルを判断して、前記ハイレベル電圧が与えられた走査線に接続されている各スイッチユニットのスイッチのオン・オフを判定する判定手段と、を備え、
   各スイッチユニットは、
   対応する検出線に前記トランジスタのコレクタが接続されると共にエミッタが接地され、更に、対応する走査線にスイッチの一端が接続されると共に、スイッチの他端は、抵抗（Ｒ２）を介してベースに接続されると共にこのベースとエミッタとが抵抗（Ｒ１）を介して接続されて成ることを特徴とする電子鍵盤楽器用回路。

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