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空川英継
今回は自動演奏ピアノの演奏情報の検出の仕組みの進化の過程について紹介する。 （１）概要 前回、演奏情報の符号化についてその考え方を紹介した。ここではその演奏情報をどのようにして検出するかについてその仕組みを見ていきたい。キーとハンマ操作による音量と発音のタイミングを検出することと､それぞれのペダル操作情報の検出が課題となる。記録媒体がデジタルメディアになって大容量化も進み、マイコンの処理の高速化とも相俟って、より詳細な大量のデータ処理が可能となって精細な演奏情報の検出ができるようになってきた。 それと相俟って、再生のためのアクチュエーターの駆動制御技術も進歩して、より音楽的に高性能な再生表現が可能となってきている。駆動制御のためのセンサ技術もあるがここではそれには触れず後節で取りあげることにする。再生の場合には、次回改めて解説するが、通常鍵盤の後端部を下方から突き上げる形で駆動するが、高い演奏性を再現するためには位置制御しながら駆動する必要があり、そのためにポテンショメータやグレースケールを使った位置検出センサが使われる。要はどのように再生するかを前提に演奏情報を検出して符号化するかである。鍵盤の戻りの速度も記録され、戻りの再生制御も行われるようになっており､鍵盤の動きもより自然になって止音のパターンが厳密に再生されるようになっている（特開平5−３５２６３）。 一方では、デバイスも普及してセンサシステムの低価格化も進んで信頼性も高くなって、その使用目的に合ったシステムへと多様化している。 前々回、エンタテイメント用の自動演奏ピアノの例を基本システムとして紹介したが、本節では、ハンマセンサ、キーセンサ、ペダルセンサについてそれぞれのその後の進化の過程を見ていく。 （２）ハンマセンサの進化 非接触式のハンマセンサの基本原理はＷ.Ｌ.Ｓｔａｈｎｋｅ氏によって１９８１年に発明されている（USP4,307,648）。図１に外観斜視図（一部断面図）を、図２にその動作原理を示す。
図１ S方式ハンマセンサ外観 図２ 動作原理 スリットつきのシャッタ16はハンマシャンク14のハンマ15寄りに取り付けられており、打弦直前のハンマ速度を検出できる。各キーごとに配置される1組の発光素子17aとフォトセル17b間の光りビームをスリットつきシャッターで過ぎることにより、IからVのタイミングをカウントしてハンマーの動作を計測することになる。しかしながら、このシステムはマスタ収録のためのものであり性能は良いのだが、いわば実験装置的なものであるため、商品化のためには量産化、低価格化、メンテナンス性の工夫が必要であった。そこで基本システムとして紹介した光ファイバーを使うシステムに進化を遂げ、実用化された。またその技術はハンマセンサだけでなく鍵盤のキーのONとOFFのタイミングを検出するキーセンサにも展開された（実新登録２５１９７１４）。 ＊非接触光学的センサ方式開発 基本システムをレヴューしてみる。 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ーで接続し、その経路を鍵盤とハンマシャンクの根本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ハンマ速度を算出している。 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。 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（特開平9-152871）。 ＊演奏情報検知の高精度化 しかしながらこのシステムではハンマシャッターがシャンクの根本寄りに取り付けられるため、ハンマの打弦に至る手前2〜10ｍｍの間の平均スピードを検出するものであり、図1のシステムによる演奏情報より劣るものであった。 特にアップライト型ピアノでは打弦直前は特に弱打時にはハンマの上死点にあたり、打弦直前の速度をより厳密に検出する必要がある。 そこで図３に示すように、Ａ，Ｂ，Ｃ，の３点の通過タイミングから打弦直前のＤ点（仮想）でのハンマ速度を推定算出する、３ポイント検知ハンマセンサシステムが提案されている。
図３ 3ポイントハンマセンサ （特開平4-361294より） また、グランドタイプの横型ピアノにあっては、ハンマの打弦直前の速度を拾う必要性とともにその奏法との対応も特定する必要がある。特に弱打領域では鍵盤操作との関連も推定して記録する必要がある。より実演奏に近い再生をするために必要となるのである。そこまでできると演奏情報が厳密に検知され記録されることになる。（特開平10-274980）ここではその詳細の解説は省略する。 今後の課題として、ピアニストによる実際の演奏には音楽性に基づく演奏意図が働いており、これも時系列的な演奏情報として解析検知できる仕組みが望まれる。それはピアノ音楽情報処理のツールとして、またより音楽性の高い再生のために必要となろう。 （３）キーセンサの進化 キーセンサはピアノコーダの時代は接触式のリーフスイッチにより鍵盤のON、OFFのタイミングとスピードを拾うものであったが接触式であるが故の欠点とともにハンマの挙動を拾うものでないため音量と演奏性の情報を的確に検出できなかった。そこで前述の非接触のハンマ／キーセンサ併設型システムが発明されたわけである。 しかしこのシステムは性能は良いのだがコストが高く、ピアノへの組み込みも特にハンマセンサは煩雑であった。未だ比較的高価であった光りファイバーを使わずに逆に安価になり始めた受光素子と発光素子をキーごとに配置して鍵盤だけでキーのONとOFFのタイミングとそのスピードを検出して音量を推定するキーセンサ方式が開発された。ハンマの挙動と鍵盤操作は相関しており、いくつかの例外処理をすることでそのシステムの信頼性を高めてコストパフォーマンスの良い方式として実用化された（特開平9-44148）。 他にも鍵盤の上方に設置する方式の鍵タッチ検出装置も提案され実用化されている（特公平6-64454）。この方式は鍵板の位置情報を検出するもので、鍵操作によって作動する鍵盤楽器の作動部と、鍵操作によっても静止状態を保つ非作動部のうち、一方に光反射手段を固定し、他方に、前記光反射手段に向けて一定方向に発光する発光手段及びその反射光を受光する受光手段を設け、前記光反射手段の表面には、位置情報を有する光を反射するための位置情報手段を、該光反射手段或は発光、受光手段の作動方向に沿って形成する構成を採用している。 従って、前記位置情報手段に修正を加えることで、前記受光手段の出力特性を自由に作り出すことができ、各打鍵機構の機械的なバラツキに応じて、個々の鍵にマッチした鍵タッチの強弱、押鍵の開始から押鍵の終了、放鍵の開始から放鍵の終了、及び押鍵或は放鍵の途中の鍵の動きの単位時間当たりの変化を、1組の検出装置ですべて検出することも可能である。また、本発明に係る鍵タッチ検出装置は、鍵タッチを光学的に検出するため、非接触で検出でき、鍵の微妙なタッチに悪影響を及ぼす恐れがない等の優れた効果を奏するものである。 図４ 鍵タッチ検出装置 図中で、 １， １’ スクリーン［光り反射手段］ 2a 赤外線ＬＥＤ［発光手段］ 2b フォトトランジスタ［受光手段］ またここでは具体的な解説は省くが、、フィン素子、グレーセンサをハンマシャンクに取り付けて、ハンマの位置と速度とその進行方向を検知してより高度の演奏情報の検出に使うセンサシステムも提案されている（特許3051966）。 （４）ペダルセンサの進化 ペダルの操作情報はその位置情報を検知して､それぞれのペダルの演奏情報として意味付けして記録することになる。ＯＮ、ＯＦＦのタイミングとともにその位置情報を時系列的に記録する必要がある。さらには鍵盤操作や、ペダル間操作とインタラクションがあるときにはそのタイミングの連動性も較正が必要である。基本システムではＯＮ、ＯＦＦのタイミングを検知して記録するものであったがそれでは演奏情報として不十分で、良い再生はできなかった。そこでメモリー容量が増加してデータ処理スピードが上がると、先ずこの問題に取組んだ。 ペダルの駆動にあって、「踏み込み」と「解放」の２種の制御状態のみの場合は、ペダルソレノイドをONかOFFのいずれかで制御すればよい。したがって、このようなモード（２ステップモード）における演奏データの記録にあっては、ペダルの「踏み込み」と「解放」との２種の演奏状態を検出して記録すればよく、その再生にあっては、記録データに基づいてペダルソレノイドをオン／オフすればよい。一方、演奏の再現性をより高めるためには、いわゆるハーフペダルを再生する必要があり、このような演奏データを作成するには、ペダルの踏み込み量を連続的に検出して記録する必要がある。
図５ ハーフペダル（特開平8-44348より） ペダルの働きはピアノごとに異なるのでその較正のために動作特性を測定して、変換テーブルを作成し、制御係数算出を行う。ここでは測定原理とハーフペダル動作について説明する。ペダルを駆動するソレノイド20aに供給するＰＷＭ（パルス幅変調）信号を順次増加（パルス幅を増加）させてラウドペダル２１ａを上限まで移動させ、その後にＰＷＭ信号を減少させて元の位置に復帰させると、ＰＷＭ信号の大きさと変位量との関係は図５に示すようになる。この図において、横軸にはＰＷＭ信号の大きさを指令する制御コードがとってある。この制御コードは、１６進表示で［００］〜［７Ｆ］までの値である。なお、制御コードの値は上記範囲に限らず、任意的なものである。また、図５の縦軸には、変位量がとってある。この変位量は、センサの出力信号をＡ／Ｄコンバータにより１２８段階のデジタル値に変換したものである。 ＰＷＭ信号と変位量とが図示のような特性になるのは、ペダル駆動系を構成する部材の弾性特性、および部材間のアソビなどのためである。そして、上昇過程において曲線が横ばいになる領域は、ハーフペダルの領域である。 ここで紹介した例はペダルも駆動再生する仕組みであり、ペダルも動くので視覚的に面白いし、ペダリングの教育にも有用であるが、 駆動系が煩雑となって厳密で安定した再生制御が難しくなり、グレーセンサ方式でそのための工夫もされている（特開10-198348）。一方、ペダルは再生駆動しないものとして駆動メカの動きだけを検出して再生する方式もある（USP4450749,特開2002-14669）。 以上見てきたセンサシステムは、それによって検知される情報のクオリティ(精緻さ、厳密さ)が再生の品質を決めることになるし、演奏情報として活用の範囲を制限することにもなる。またピアノには個体差や経年変化による状態変化がともなうので、ピアノを弾く場合や自動演奏による再生に際してはピアノの状態診断とそのアライメントが必要でそのためにも良いセンサシステムは必要であるし有効である。 次回は、自動演奏ピアノの ・再生の仕組みの進化 について解説する。 |