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空川英継
今回はピアノ自動演奏の再生の仕組みの進化について見ていく。 ＊再生上の課題 先ず前々回紹介した基本システムをレビューしてみる。この仕組みで再生される音楽はエンタテイメント的に楽しむことができ、一定のコストパフォーマンスを達成している。約20年前ごろ、当時のエレクトロ技術やメカトロ技術を基盤として各社が発売したモデルのシステムは同様なものであった。しかし目的や使い方によっては再生される音楽は元の実際の演奏と比べると忠実度において欠ける要素がある。特に組み込み型では鍵盤の駆動は鍵盤の後端部の下面から突き上げる形態になるので、実際に人が弾くように鍵盤の手前から駆動するのとはアクション・ハンマの挙動(タッチカーブ)が異なる。しかも鍵盤ごとに条件は変わる。人にも弾き易くて、自動演奏でも駆動し易いピアノのアクション機構に革新するまでには未だ至っていない。 再生システムに於ける改良の課題はつぎの要素である。 ・弱打音量の再生 ・正確な弱音の連打 ・最強打音量の再生 ・鍵盤の戻り：止音のタイミング ・ハーフペダルの再生 ・ペダリングに伴う雑音の発生防止 また上記のほかに駆動ユニットの基本的な課題として ・発熱による推力の低下を抑えること ・耐久性向上 ・コスト低減 ・メンテナンス性が良いこと ・既売のピアノにも実装できること ・雑音・異音が発生しないこと 等があり、実用化のためにはこれらの課題に対して、問題解決または条件を満足する必要がある。そして、より音楽的な再生ができるようにするための要素技術の開発テーマは次の3つに集約される。 （１） フィードバック制御可能な鍵盤用アクチュエータの開発 （２） 位置制御可能なペダル用アクチュエータの開発 （３） 駆動システムの補償技術の開発 順次、これらのテーマについて見ていく。 ＊フィードバック制御可能な鍵盤用アクチュエータの開発 グランドピアノ用としてポテンショメータをソレノイドのプランジャの軸に組み込んでその突き上げ速度を制御する方式が既に米国で20年程前に実用化されている（図１）。プランジャの速度を検出するためにプランジャの下部にマグネットを取り付け、このマグネットの周囲を覆うようにコイルを固定配置している。このようなセンサでは、プランジャに伴うマグネットの移動によってコイルに生じる起電力から、プランジャの速度を検出するようになっている。
図１ 鍵盤駆動速度制御 （USP 4,593,592より） ハンマのレットオフまでは所定の一定速度で鍵盤を駆動して、その時点で実際の鍵盤の速度を推定して所定値を下回る時はそこで鍵盤駆動を加速してハンマに打弦させる。これにより所望の音量で発音してハンマの2度打ちを防ぐことができる。これはマスター収録用ピアノの再生モニター用に開発されたもので、良い再生が可能ではあるが、部品が高価であり、メンテナンスが大変で、普及品に適用するのは難しい。 特にマグネットを用いたプランジャの速度センサにおいては、プランジャが低速度で移動しているときのコイルの出力値が小さく、つまりS／N比が小さく正確な検出が困難となる。従って、プランジャの低速度域での制御や停止制御が困難である。また、上述した位置センサと同様にプランジャのストローク長さ分のマグネットおよびコイルを設ける必要があり、ソレノイドユニットの上下方向の長さが大きくなってしまう。 図２ 別のソレノイドユニットの例 図２は、別の位置センサを有するソレノイドユニットの例を示す。同図に示すように、このソレノイドユニットは、プランジャ1と、プランジャを上下方向に駆動するソレノイド2とを有しており、プランジャの下部にはグレースケール3が取り付けられている。グレースケールは、透明材料からなり、黒で着色され、その黒色の濃淡が上下方向に沿って変化している。そして、固定配置されたフォトインタラブタ4により、グレースケールの濃淡が検出される。この検出結果から、プランジャの位置が検出されるようになっている。しかし、図２に示したグレースケールを用いるセンサでは、プランジャのストローク長さ分のグレースケールをプランジャの下部に取り付ける必要があり、ソレノイドユニットの上下方向の長さが大きくなってしまうとともに、組立作業も繁雑である。また、経時変化等によりグレースケールとフォトインタラブタの位置関係がずれてしまった場合には、プランジャの位置を正確に検出することができなくなる。また、グレースケールは、透明部材に着色する黒白の比率を変化させることにより濃淡を変化させている。従って、このグレースケールを透過した光を受光するフォトインタラブタの出力にリップルが発生することがある。これらのことに起因して正確なプランジャ駆動制御が行えなくなってしまうことがある。 普及品用に提案されている別の鍵盤駆動制御システムを紹介する(図３)。 図３アクチュエータの制御 （特開2001-34261より） 鍵10の下方には、演奏データに基づいて 鍵を駆動するソレノイドユニット30が配置されている。ソレノイドユニットは、プランジャ102 と、プランジャを上下方向に駆動するソレノイドとを有している。プランジャの下方側には、光センサ103が配置されており、光センサはプランジャの底面部102dに光を照射し、その反射光を受光することにより、プランジャの位置等の状態を検出する。この検出結果に基づいてフィードバック制御が行われ、より正確なプランジャの駆動制御を行う。装置の組立の容易化および小型化が可能でありながら、プランジャの状態をより正確に検出してセンサの検出結果に基づいてフィードバック制御を行い、より正確に押鍵動作を制御することができる。 ＊位置制御可能なペダル用アクチュエータの開発 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オンとオフと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、先ず、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。再生の際には、記録データに応じた量だけペダルソレノイドを駆動する。このようなペダルソレノイドの駆動は、ペダルソレノイドへの供給電力を段階的にフィードバック制御することによって行うことができる。なお、この制御は、一般にはパルス幅変調（ＰＷＭ）制御による。
図４ ペダル駆動制御 （特許2606616号より） ペダルを駆動するソレノイド20a,20bと、 ペダルの位置を検出するセンサ35a,35bと、センサで検出されたペダルの位置xと目標位置データxiとの偏差Δxから目標位置データxiを補正するためのフィードバック補正量PWM3を算出する演算器K3と、目標位置データxiおよびフィードバック補正量に基づき、ソレノイドを制御するＰＷＭ制御部とを備える。これにより極めて応答性の高いペダル位置制御を行うことができ、再現性の高い自動演奏を行うことができる。 駆動制御の仕方には鍵盤用のアクチュエータをアレンジして適用することができる。アクチュエータを小型化して、安定性を高めた実施例を図５に示す。 グランドピアノのペダル動作をシミュレートするソレノイドユニット22において、プランジャ24のソレノイド25から突き出した両方の部分に従動部材45の腕部47，48を固定する。そして、腕部の間の長尺部46にグレースケール50を取り付け、ソレノイドユニットのハウジング26に固定したフォトインタラブタ52でグレースケールを検出する。グレースケールは平面図の（A）でプランジャの往復軸線を中心とした仮想円柱Cの接平面にほぼ合致するように向けておく。こうして往復型アクチュエータを短小化することができ、かつ可動部材が傾いたりその軸線を中心として回勤したりしても、検出精度を良好に維持することができる
図５ 往復型アクチュエータの実施例 （特開平10-198348より） ＊駆動システムの補償技術の開発 高性能なアクチュエータの開発とともに、より良い再生のために必要な技術も開発されている。 （１） 駆動電流の生成 ソレノイドユニットのコイルに流す電流には発熱を抑えて所望の推力(鍵盤を突き上げる力)を得る為の工夫がされている。ＰＷＭ制御については一般にはパルス幅変調制御による場合が多いが、例えば、電圧、電流等を制御することによっても行うことができる。駆動データの例を図６に示す。 （ａ）は、リアルタイムによる演奏記録時の発音時期tONRおよび止音時期tOFFRを示す波形であり、同図（ｄ）は自動演奏再生時の発音時期tONPおよび止音時期tOFFPを示す波形である。また、演奏記録時の発音時期tONRと再生自動演奏時の発音時期tONPとの時間差は、500msecである。この時間差をとって弱音から強音までの発音のタイミングを調整する。データを受信してから500msec遅れて発音することになる。 図６ 駆動データの例 ここで、図７に示す各パラメータについ て説明する。 まず、パラメータTKA1およびDKA1並 びにTKA2およびDKA2は、MIDI信号のNOTE ON信号と関連しているパラメータである。この内、パラメータTKA1およびDKA1は、ソレノイド９のプランジャ自重キャンセルと初期鍵打鍵雑音を防止するためのデータであり、パラメータTKA2およびDKA2、鍵２の自重キャンセルによる安定打鍵確保の為（バラツキを含む）のデータである。 次に、パラメータTKTCおよびDKTCは、MIDI信号のVELOCITY信号と関連しているパラメータであり、打弦音量を決定する基本データである。 さらに、パラメータTKR1おびDKR1並びにTKR2およびDKR2は、MIDI信号のNOTE OFF信号と関連しているパラメータであり、鍵２が戻るときのバラツキとバウンシングを抑え、次回の打鍵を安定させるデータである。 加えて、パラメータTKADは、ソレノイド９への通電開始時期から発音時期までのタイムデータであり、パラメータTKRDは、ソレノイドの通電遮断時期から止音時期までのタイムデータである。 また、パラメータDKSTは、鍵２を保持するデータであり、パラメータTKINは、打弦機構４の応答性によって定まるソレノイドのオフ・オン間のインターバルタイムデータである。 （２） 発熱低減 駆動電流の生成はよりよい再生のためとともにアクチュエータの発熱を抑え、安定的な再生ができるようにするための工夫も必要である。
図７ 発熱低減駆動補正 (特開平5-127667より) 鍵の速度を示す速度信号ｖｄｅｔと波形発生器２１の出力信号の偏差が位相補償回路２３において位相補償され、これがサーボアンプ２４によって増幅されるとともに、加算器２５において鍵盤静止質量分定数値が加えられ、さらに、乗算器２６において非線形補償がされた後にドライバ１１を介してアクション系１０に供給される。 この結果、アクション系は位相補償された駆動信号によって制御される。しかも、波形発生器の出力信号に対して、フィードバック信号である速度検出信号ｖｄｅｔによる補正が行われるので、制御回路１２の出力信号である駆動信号は鍵の速度に応じた補正が行われたものとなる。こうしてソレノイドが発熱しても発生音が小さくならず、機械系のバラつきや位相遅れを吸収することができ、しかも、学習をする場合のメモリ容量を少なくすることができる。 （３） 駆動電圧の安定化 ＰＷＭ信号生成回路は、コントローラからの指令に基づき、ソレノイドを駆動するためのＰＷＭ信号を生成し、これを対応するｎチャネルＭＯＳＦＥＴに供給する。ＰＷＭ信号生成回路は、コントローラから複数のソレノイドを同時に駆動すべき指令を受け取った場合、対応するｎチャネルＭＯＳＦＥＴに供給する複数のＰＷＭ信号を同時に立ち上げることなく、２μｓの時間間隔で順次立ち上げることにより、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴを２μｓの時間間隔で順次オフ状態からオン状態へ切り換えていく。こうして、複数のアクチュエータを同時に駆動する場合において、大きなスパイクノイズの発生や電圧降下による影響を抑制することが可能となる。 （４） アクチュエータの再生テーブル 再生自動演奏モードにおいては、フロッピーディスク等に記憶された演奏情報をできるだけ忠実に再現しなければならない。しかし、打弦機構の動特性は、各自動演奏ピアノに固有の特性である。また、鍵を駆動するソレノイドの特性も均一にすることは難しく、ソレノイド駆動信号と実際の変位量、即ち、発音時期、止音時期および音量との関係もリニアでない。このため、ある自動演奏ピアノを用いて記憶した演奏情報を用いて別の自動演奏ピアノで再生自動演奏しても、記憶時の鍵操作を忠実に再現することができないという問題があった。 そこで、各打弦機構の動特性を補正し、再生自動演奏時のソレノイド駆動信号を補正するために、ソレノイド駆動信号（以下、タッチデータTDという）と打弦速度（以下、ゲットデータGDという）との補正テーブルを作成していた。 そして、この補正テーブルを作成するために、まず、88個の鍵に対応したハンマーシャンクに近接してハンマーの通過位置を検出するフォトインタラプタあるいは光ファイバセンサ等からなるハンマー位置センサを設け、一方、各ハンマーシャンクにはハンマー位置センサの出射光を遮るシャッタを設けていた。そして、88個の鍵を予め定められたソレノイド駆動信号によって順次駆動し、各ハンマ位置センサによりハンマの可動範囲内の２点においてハンマが通過する時刻によってそれぞれの打弦速度を求め、これにより、タッチデータTDとゲットデータGDとの補正テーブルを作成する。 ところで、上述した従来の自動演奏ピアノの打鍵力および打鍵タイミング補正装置においては、補正テーブルを作成するために、例えば88個の鍵毎にハンマ位置センサを設ける必要があった。記録再生型の自動演奏ピアノでは記録のためのセンサーシステムによってこれを行うことができるが、再生専用の自動演奏ピアノにおいては演奏記録センサがない。そのために、所定の基準音量に対応する打鍵力で鍵を駆動して実際に発生された音をマイクで拾って音量とタイミングを測定して、打鍵力および打鍵タイミング補正する方法が提案されている(特開平3-98093)。 （５） ピアノのアライメント 良い再生のためには、先ずピアノが十分によく調整されていることが前提となる。自動演奏ピアノではそのために先ず自己診断プログラムによりピアノの状態を診断して、調整不良のところや調律を正常範囲に治めることである。その上で補正テーブルを作成することである。 電子型ピアノやデジタルピアノで自動演奏の際に鍵盤やペダルが動くものも現出しているが、現状ではオン・オフモードで動くので以上述べた補償技術は必要としない。 本節では具体的な紹介を割愛するが、ロボット型の鍵盤駆動装置として可動線輪型アクチュエータを用いたものも提案されている。ペダルの駆動方式も提案されており、より良い再生のための課題とそれへの取り組みが示されている。鍵盤をピアニストが弾くように前から打鍵する方式で、現行のピアノを自動演奏する方式としては、確かに鍵盤幅の制約はあるが高さ方向には自由度が高く、将来、ピアニストに迫り、それを凌駕する可能性もある。しかしながら現在のところ、形態と重量、コストなどの点で商品化は難しく実験装置としての実用化に留まっている（精密工学会誌59/4/1993）。 以上自動演奏ピアノの構造原理とその仕組みについて見てきた。最近のシステムでは高品質な音源の内蔵や映像同期記録への対応など機能的な進化もみられる。究極の自動演奏システムにおいては１指打鍵、１脚ペダリングの正確な再生に留まることなく、演奏意図をもってフィードフォーワード制御で演奏してピアニストの音楽性に迫るシステムに進化していくことが期待される。 次回は、 ・パイプオルガン、チェレスタ等の鍵盤楽器の自動演奏 ・カリオン、ハンドベル、音板打楽器等の自動演奏 ・管楽器の自動演奏、ギターの自動演奏 |