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今回はまず、自動演奏ピアノの仕組みと機能について概説する。前回見たように構造原理と機能・性能はメーカによって､またはその目的によって多様化している。ここでは主としてエンタテイメントのための組み込み型モデルについてその基本となる仕組みについて解説する。メーカで新しく作られるピアノに組み込まれるものと既にユーザーのもとにあるピアノを改造して組み込むものとがある。 １． 機器構成 アップライト型の自動演奏ピアノの構造を図１にイラストで示す。 図１ 構造イラスト 記録・再生モデルと再生専用モデルがあり、システムの構成を図２に示す。システムはコントロールユニット、?／Oユニット、ドライブユニット、センサユニット、電源ユニットからなり、再生専用モデルでは記録のためのセンサユニットが不要となる。記録媒体は3．5インチのフロッピーディスク（2DD）を使用し、コントロールユニットにはフロッピディスクドライバが1台組み込まれている。 図２ システム構成 各ユニットの配置を図２に示す。アップライト型のシリーズ、グランドピアノ型のシリーズがある。システムの基本構成は共通であるが、ユニットの仕様・形態はそれぞれ異なる。 2．自動演奏の仕組み アップライトピアノモデルの記録・再生の仕組みについて、図３に図式的に示す。 （1）記録の仕組み 記録はピアノの音を録音するのではなく、演奏情報を記録する（情報の流れは図中、白の経路で示す）。そのために、鍵盤用センサ（1系列K）と、ハンマ用センサ（2系列Hl、H2）を併設して、打鍵のタイミングとハンマの打弦スピードと鍵盤を戻すタイミングを検出する。鍵盤センサとハンマセンサは、共に非接触の光学式センサであり、それが鍵盤タッチに影響したり、メカ雑音の原因になることはない。 一方、ペダルについては踏み込まれた状態（オン）と戻された状態（オフ）をリーフスイッチセンサで検出してラウドペダルとソフトペダルのオン／オフのタイミングを記録する。
図３ 記録再生の仕組み （2）再生の仕組み フロッピーディスクに記録された演奏情報を読み出して、アクチュエータの駆動信号に変換・生成する（情報の流れは図中、黒の経路で示す）。鍵盤駆動用アクチュエータは、各鍵ごとにその後端下方に小形の直流（ＤＣ）ソレノイドを配置し、鍵盤を下方から突き上げる。一方ペダル用は大型のDCソレノイドにより、ペダル系を駆動する。こうして、鍵盤とペダルが弾かれたときのようなタイミングと速さで動くことになる。駆動信号は100VのPWM（パルス幅変調）波であり、記録された128段階の強さに応じたパルス幅の信号で駆動することになり、強音から弱音までの再生が可能である。 再生機能として、内蔵するマイコンでデータを変換することにより、音量やテンポを変えたり、移調したりすることができ、プログラム再生、リピート再生も可能である。 （3）ミュージックソフトとMIDI機能 記録・再生のためのメディアは3．5インチのフロッピーディスクを使用しており、演奏データは628Kバイト、または60曲まで収録可能であり、MIDI＊規格基準のE−Seq（Event Sequencer：演奏データの統一規格）フォーマットで記録される。市販のディスクを自分でフォーマットして記録することもできるが、すでに多数のミュージックソフトも発売されていて、自分の好みのソフトを選ぶことができる。また、チャネル情報を付与したアンサンブルソフトを作れば、ほかのMIDI音源や楽器をピアノとともに自動演奏させることができ、もちろんMIDIピアノとして、ピアノを弾きながら、ほかのMIDI音源を重ねて鳴らすことができる（図４参照）。MIDI INがあるので、ピアノが弾けなくても、ミュージックコンピュータで作曲してピアノに自動演奏させることができる。 図４MIDI規格のキーボードなどとの接続 3．利用されるエレクトロニクス技術 ここで紹介したモデルは、伝統的なピアノ技術とエレクトロニクス等の新しい技術が結合してできたもので、後者の技術としては、専用のLSIの採用、プラスチック光ファイバやエンジニアリングプラスチック等の新素材の活用、3．5インチフロッピーディスクドライバ搭載があげられる。 （1）専用LSI開発とプログラム開発 図３のコントロールユニットにはCPUとメモリへの読書き制御用LSIを装着しており、データの高速処理が可能となった。また、センサボードには、センサ信号処理専用の LSIと、?／Oシートにはアクチュエータ駆動信号生成処理の専用LSIを装着しており、大量のデータ処理のロジック（プログラム）の開発とそのハード化に成功している。さらにMIDI IN／ＯＵＴの制御用専用LSIも開発している。これらの専用のLSIと市販のIC、ROMの活用により、システムの集積小形化をはかっている。コントローラ用のシステムプログラム、?／O制御プログラムの開発により高性能化・多機能化を実現している。 （2）非接触光学式センサ方式の開発 鍵盤センサとハンマセンサは、いかにしてピアノの限られたスペースに組み込むかが課題であり、さらに、ピアノのタッチに影響することなく、メカ雑音も発生しないことが必要である。そのために、発光素子と受光素子をフレキシブルなプラスチック光ファイバで接続し、その経路を鍵盤とハンマに取り付けたシャッタで遮断することでバンマと鍵盤の動作タイミングを検出している。 鍵盤用センサでは、発光素子（LED）をC♯〜Cの各音ごとに配置し、受光素子（PD） を1〜8オクターブの各オクターブごとに配置し、それぞれの素子に対して複数本の光ファイバを配線して、音名とオクターブのマトリクス経路網を形成して、少ない素子と光ファイバで全鍵をカバーしている。図５にファイバーの接続状態を示す。
図５ 光ファイバーの接続状態 （特開平9−152871より） 例えば、鍵♯3が押下されることにより、LEDbが光パルスを発したタイミングでフォトトランジスタPTr2が信号を出力するから、まず、発光ヘッド20a3〜75が特定される。次に、フォトトランジスタPT r2が信号を出力したことにより、受光ヘッド4〜24が特定される。これにより、発光ヘッド20a3と受光ヘッド20b4の間の鍵＃3が特定され、キーセンサは、鍵♯3による押鍵がなされたことを示す信号を出力する。 ハンマ用センサでは、これが2系列併設されている。こうして、薄型にして実装性のすぐれたセンサユニットが実現し、光ファイバは電気的なノイズの問題がなく、しかもそのフレキシビリティ性から、多様な機種に対応したユニット化が可能で、高性能のセンサシステムを実現している。 （3）鍵盤駆動ユニットの開発 鍵盤駆動ユニットは、鍵盤後端側下面と棚板（鍵盤を並べるための台）上面との間に収納されており、これもセンサと同様に、限られたスペースの中で、いかにして安定した推力特性のアクチュエータを開発できるかが課題である。図６に実装例を示す。
図６ アクチュエータ組み込み (特許平3-55834より) 電磁プランジャ5を鍵下面2aとほぼ平行になるように配設しているので、前後のプランジャ5の突上げボタン12と鍵下面2aとの間隔を等しく設定することができ、しかも前列の電磁プランジャ群5Aの突上げボタン12の上昇ストローク（Ll）を後列の電磁プランジャ群5Aの突上げボタン12の上昇ストローク（L2）より小さく設定しているので、前列の電磁プランジャ群5Aの駆動力と後列の電感プランジャ群5Bの駆動力とをほぼ等しくすることができる。したがって、演奏を忠実に再生でき、特に弱音再生時に前、後列で均等の弱い打鍵力（駆動力）が得られるため、弱音再生域が弱音側に拡がることにより、良好な再生性能が得られる。また、突上げボタン12の頂端面は初期位置状態における鍵2の下面2aと平行に対向しているため、上昇して鍵2を突上げる際、頂端面が全面に亘つて鍵下面2aと面接触する。したがって、この時点では電磁プランジャ5の駆動力が鍵下面2aに対して直角に作用して分力が生じず、駆動力の低下を防止できる。このように薄型小形にして比較的大きい推力が得られ、ヨークがコ字状一体型となっているので放熱効果にもすぐれ、温度特性も安定して、高性能のキードライブユニットを実現している。 ここで紹介したモデルは組み込み型であるが､｢ピアノコーダ｣にあった外付けのロボット型のモデル(図７)の類は、エンタテイメント用としての提案（図８）はあるものの、再生だけの自動演奏装置であり、ピアノの拡売にはならないというピアノメーカー論理により現在のところ実用化・販売はされていない。（図７，８は米国特許ＵＳＰ４，８４３，９３６より）
図７ ピアノコーダ・ボルセッサー型 コントロールユニットとペダル駆動ユニットが箱2に組み込まれその上に高さ可変で鍵盤駆動部３が高さ可変に連接されている。
図８ 他のロボット型モデル コントローラとペダル駆動ユニットは椅子１７に組み込まれている。鍵盤駆動ユニット１３を 鍵盤の上に着脱自在に設定する。 この節では20年ほど前に誕生したアップライトピアノのひとつのモデルを例にしてその仕組みの概要を述べてきたが、その後のマイコンとメディアの進歩の恩恵を受けてシステムはより高性能で多機能なものへと進化している。次回以降はその差分について見ていく。まず次回は自動演奏ピアノのシステムを構築するときにその基本となる、 ・ピアノの演奏情報の符号化と記録／再生 についてひとつのケースを解説する。 （注） MIDl（ミディ）：MIDIとはMusical Instrument Digital Interfaceの略で、直訳すれば“楽器間ディジタル結合”とか“楽器間ディジタル通信”の意味で、その規格書に基づくハードウェアに従って複数の機器を接続して、主として実演奏の情報を伝送することを目的として制定された。 16のチャネル情報と同期のためのクロック信号や特殊形式（エクスクルーシプ）の情報等から成り、一つの事象はメッセージと呼ばれる複数のバイトによって送られ、1秒間に31.25Kビットの情報の伝送が可能である。 |