JP4218552B2

JP4218552B2 - 鍵盤楽器

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Publication number: JP4218552B2
Application number: JP2004060623A
Authority: JP
Inventors: 祐二藤原; 保彦大場; 公一石崎
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2024-03-04
Also published as: JP2005250120A; CN1664916B; US20050211049A1; CN1664916A; US7238873B2

Description

本発明は、ソレノイドコイルに駆動電流を供給してペダルや鍵等の操作子を駆動する自動演奏ピアノ等の鍵盤楽器に関する。

従来、自動ピアノ等の鍵盤楽器には、演奏データに従って、アクチュエータとしてのソレノイドコイルに駆動電流を供給してペダルや鍵等の操作子を駆動することで自動演奏を行わせることができるものが知られている（例えば、下記特許文献１）。

例えば、演奏データ等に含まれる操作子の目標位置を規定する目標位置情報に基づいて目標電流値を生成し、これをソレノイドコイルに順次供給することで、プランジャの動作を介して操作子が駆動制御される。
特開平８−４４３４８号公報

しかしながら、ソレノイドコイルが有するインダクタンス成分の影響により、目標電流値を与えてもソレノイドコイルにおける実際の電流値はその立ち上がりが遅延し、目標電流値に収束するまでにはソレノイドコイルの時定数に応じた時間がかかる。その結果、逐次変化する目標位置に、操作子を大きな遅れなく位置制御することが困難であるという問題があった。

本発明は上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、操作子を目標位置に速やかに制御することができる鍵盤楽器を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の請求項１の鍵盤楽器は、ソレノイドコイル（２８）に電流を供給することで駆動される操作子を有する鍵盤楽器であって、前記操作子の目標位置を規定する目標位置情報を順次取得する目標位置情報取得手段（４２）と、前記目標位置情報取得手段により取得された目標位置情報に基づき前記ソレノイドコイルに供給すべき目標電流値を順次生成する目標電流値生成手段（４２）と、前記目標電流値生成手段により生成された目標電流値を前記ソレノイドコイルに順次供給して該ソレノイドコイルを駆動制御する駆動制御手段（４２）とを有し、前記駆動制御手段は、前記生成された目標電流値を前記ソレノイドコイルに供給する際、前記ソレノイドコイルに現在供給している目標電流値を前記生成された目標電流値から差し引いた値を前記生成された目標電流値に加算することで補正目標電流値を算出すると共に、該算出した補正目標電流値を、前記現在供給している目標電流値に代えて所定時間に亘って供給し、その後、前記生成された目標電流値を供給することを特徴とする。

なお、上記括弧内の符号は例示である。

本発明によれば、操作子を目標位置に速やかに制御することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る鍵盤楽器である鍵盤装置の構成を、ある１つの鍵に着目して示した部分断面図である。本鍵盤装置３０は、自動演奏ピアノとして構成される。鍵盤装置３０は、通常のアコーステックピアノと同様、鍵３１の運動をハンマ３２に伝達するアクションメカニズム３３と、ハンマ３２により打撃される弦３４と、弦３４の振動を止めるためのダンパ３６とを備えている。以降、鍵３１の奏者側を「前方」と称する。

また、不図示のソレノイドコイルを有するキードライブユニット２０が、鍵３１ごとに設けられ、鍵３１の後端部側の下方に配置されている。また、キーセンサユニット３７が各鍵３１に対応して設けられる。キーセンサユニット３７は、各鍵３１の前部下方に配置され、鍵３１が押下された状態になると、その鍵３１の押下位置を示す信号を出力する。

演奏データ中の発音イベントデータで規定される音高に対応するキードライブユニット２０に駆動信号が供給されると、そのプランジャが上昇して対応する鍵３１の後端部を突き上げる。これにより鍵３１が押下され、弦３４がハンマ３２により叩かれることによりピアノ音が発音されるようになっている。

鍵盤装置３０にはまた、ダンパ３６を駆動するためのラウドペダルであるペダルＰＤが設けられる。また、ペダルＰＤを駆動するためのペダルアクチュエータ２６と、ペダルＰＤの位置を検出する位置センサ２７とが設けられている。詳細は図示しないが、ペダルアクチュエータ２６は公知の構成のもので、ペダルＰＤに連結されたプランジャ２９と、該プランジャ２９に巻装されたソレノイドコイル２８とを有し（いずれも図２参照）、駆動信号が供給されると、上記プランジャ２９が動作してペダルＰＤが駆動されるようになっている。

鍵盤装置３０はまた、ピアノコントローラ４０、モーションコントローラ４１及びサーボコントローラ４２を備える。ピアノコントローラ４０は、モーションコントローラ４１に演奏データを供給する。この演奏データは、例えば、ＭＩＤＩ（Musical Instrument Digital Interface）コードで構成され、鍵３１及びペダルＰＤの動作を規定する。モーションコントローラ４１は、供給された演奏データに基づいて、各時刻におけるペダルＰＤ及び鍵３１の各位置に対応した位置制御データＰｒ（ｐ）、Ｐｒ（ｋ）をそれぞれ生成し、サーボコントローラ４２に供給する。一方、位置センサ２７の検出信号が、フィードバック信号Ｐｙ（ｐ）としてサーボコントローラ４２に供給され、また、キードライブユニット２０のソレノイドコイルからも、同様にフィードバック信号Ｐｙ（ｋ）がサーボコントローラ４２に供給される。

サーボコントローラ４２は、位置制御データＰｒ（ｐ）、Ｐｒ（ｋ）に応じた励磁電流として電流指示値ｕ（ｐ）、ｕ（ｋ）を生成し、それぞれペダルアクチュエータ２６、キードライブユニット２０に供給する。これら電流指示値ｕ（ｐ）、ｕ（ｋ）は、実際には、ペダルアクチュエータ２６、キードライブユニット２０のそれぞれのソレノイドコイルに流すべき平均電流の目標値に応じたデューティ比となるようにパルス幅変調を施したＰＷＭ信号である。

演奏データに基づく自動演奏においては、サーボコントローラ４２は、位置制御データＰｒ（ｐ）、Ｐｒ（ｋ）とフィードバック信号Ｐｙ（ｐ）、Ｐｙ（ｋ）とをそれぞれ比較し、両者がそれぞれ一致するように電流指示値ｕ（ｐ）、ｕ（ｋ）を随時更新して出力することでサーボ制御を行う。これにより、演奏データに従って、ペダルＰＤ及び鍵３１が駆動されて、自動演奏がなされる。

図２は、鍵盤装置３０の制御機構の構成を示すブロック図である。

鍵盤装置３０の制御機構は、ＣＰＵ１１に、バス１５を通じて、上記キードライブユニット２０、ペダルアクチュエータ２６、位置センサ２７、キーセンサユニット３７のほか、鍵盤部ＫＢ、ＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３、ＭＩＤＩインターフェイス（ＭＩＤＩＩ／Ｆ）１４、タイマ１６、表示部１７、外部記憶装置１８、操作部１９、音源回路２１、効果回路２２及び記憶部２５が接続されて構成される。音源回路２１には効果回路２２を介してサウンドシステム２３が接続されている。

ＣＰＵ１１は、本装置３０全体の制御を司る。ＲＯＭ１２は、ＣＰＵ１１が実行する制御プログラムやテーブルデータ等の各種データを記憶する。ＲＡＭ１３は、演奏データ、テキストデータ等の各種入力情報、各種フラグやバッファデータ及び演算結果等を一時的に記憶する。ＭＩＤＩＩ／Ｆ１４は、不図示のＭＩＤＩ機器等からの演奏データをＭＩＤＩ信号として入力する。タイマ１６は、タイマ割り込み処理における割り込み時間や各種時間を計時する。表示部１７は、例えばＬＣＤを含んで構成され、楽譜等の各種情報を表示する。外部記憶装置１８は、フレキシブルディスク等の不図示の可搬記憶媒体に対してアクセス可能に構成され、これら可搬記憶媒体に対して演奏データ等のデータを読み書きすることができる。操作部１９は、不図示の各種操作子を有し、自動演奏のスタート／ストップの指示、曲選択等の指示、各種設定等を行う。記憶部２５は、フラッシュメモリ等の不揮発メモリで構成され、演奏データ等の各種データを記憶することができる。鍵盤部ＫＢには、上記鍵３１が含まれる。

音源回路２１は、演奏データを楽音信号に変換する。効果回路２２は、音源回路２１から入力される楽音信号に各種効果を付与し、ＤＡＣ（Digital-to-Analog Converter）やアンプ、スピーカ等のサウンドシステム２３が、効果回路２２から入力される楽音信号等を音響に変換する。

なお、上記モーションコントローラ４１及びサーボコントローラ４２の機能は、実際には、ＣＰＵ１１、タイマ１６、ＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３等の協働作用によって実現される。

図３は、本実施の形態におけるペダル制御処理の手順を示すフローチャートである。本処理は一定間隔で（例えば４ｍｓｅｃ毎に）実行される。

まず、モーションコントローラ４１がピアノコントローラ４０から演奏データを取得し（ステップＳ１０１）、その演奏データに基づいて、ペダルＰＤの深さ目標値である位置制御データＰｒ（ｐ）を生成する（ステップＳ１０２）。この位置制御データＰｒ（ｐ）はサーボコントローラ４２に供給される。なお、このとき、サーボコントローラ４２が、供給される位置制御データＰｒ（ｐ）に所定の補間処理を施すようにしてもよい。

次に、サーボコントローラ４２は、ペダルＰＤの位置情報であるフィードバック信号Ｐｙ（ｐ）を取得すると共に、該フィードバック信号Ｐｙ（ｐ）からペダルＰＤの速度ｖ（ｐ）を算出する（ステップＳ１０３）。そして、サーボコントローラ４２は、上記供給された位置制御データＰｒ（ｐ）、取得したフィードバック信号Ｐｙ（ｐ）及び算出した速度ｖ（ｐ）に基づいて、ペダルアクチュエータ２６のソレノイドコイル２８に次に供給すべき目標電流値ｒｕ１を演算する（ステップＳ１０４）。

図４は、ペダルアクチュエータ２６に供給される目標電流値及びペダルアクチュエータ２６のソレノイドコイル２８の電流値の立ち上がりの遷移を示すタイムチャートである。

仮に、現在時刻ｔ０において、サーボコントローラ４２から、ソレノイドコイル２８に電流指示値ｕ（ｐ）として目標電流値ｒｕ０が供給されているときに、ペダルＰＤの深さ目標値が変化し、新たな目標電流値ｒｕ１が生成されたとする。ここで、従来の手法であれば、深さ目標値が更新されるまでの間、例えば、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの間（約４ｍｓｅｃ）、電流指示値ｕ（ｐ）として、現在の目標電流値ｒｕ０に代わって次の目標電流値ｒｕ１がそのまま供給されることになる。ソレノイドコイル２８の電流値は、理想的には目標電流値ｒｕ１にほぼ従って直ちに立ち上がるのが好ましい。しかし、ソレノイドコイル２８は時定数τの一時遅れ要素を有するため、その実際の電流値は第１曲線ｃＡで示されるように遅延して立ち上がる。そこで、本実施の形態では、以下に説明するように、目標電流値ｒｕ１を補正した補正目標電流値ｒｕ（ｔｅｍｐ）を一時的に供給するようにする。

図３に戻り、続くステップＳ１０５では、サーボコントローラ４２は、補正目標電流値ｒｕ（ｔｅｍｐ）を、現在供給している電流指示値ｕ（ｐ）（時刻ｔ０においては目標電流値ｒｕ０）と新たに生成した目標電流値ｒｕ１とに基づいて、下記数式１により算出する。

（数１）
ｒｕ（ｔｅｍｐ）＝ｒｕ１＋（ｒｕ１−ｕ（ｐ））
次に、上記算出した補正目標電流値ｒｕ（ｔｅｍｐ）をペダルアクチュエータ２６のソレノイドコイル２８に供給し（ステップＳ１０６）、これを所定時間Ｔ（例えば１．５ｍｓｅｃ）に亘って（例えば、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで）継続する（図４参照）。そして、所定時間Ｔ経過後に、上記生成した目標電流値ｒｕ１を供給する、すなわち、供給する電流指示値ｕ（ｐ）を補正目標電流値ｒｕ（ｔｅｍｐ）から目標電流値ｒｕ１に戻して（ステップＳ１０７）、本処理を終了する。

その結果、図４の例では、ソレノイドコイル２８の電流値は、第２曲線ｃＢで示されるように、時刻ｔ０から時刻ｔ１にかけては、補正目標電流値ｒｕ（ｔｅｍｐ）に向かって遷移するので、従来の制御手法の場合のように目標電流値ｒｕ１に向かって遷移するのに比し、速やかに立ち上がる。また、ソレノイドコイル２８の電流値は、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけては、目標電流値ｒｕ１に向かって緩やかに遷移するが、時刻ｔ１で既に目標電流値ｒｕ１に近い値になっているため、結果として、第１曲線ｃＡに比し目標電流値ｒｕ１との差異が常に小さく遷移する。

図４では、現在供給している電流指示値ｕ（ｐ）よりも新たな目標電流値ｒｕ１が高いという例を示したが、電流指示値ｕ（ｐ）よりも新たな目標電流値ｒｕ１が低い場合にも同様に処理でき、例えばステップＳ１０５では、上記数式１により補正目標電流値ｒｕ（ｔｅｍｐ）を算出すればよい。

本実施の形態によれば、新たに生成された目標電流値ｒｕ１をソレノイドコイル２８に供給するにあたって、現在供給している電流指示値ｕ（ｐ）に対する目標電流値ｒｕ１の変化方向に目標電流値ｒｕ１を補正した補正目標電流値ｒｕ（ｔｅｍｐ）を所定時間Ｔに亘って供給した後に、目標電流値ｒｕ１を供給するようにしたので、ペダルＰＤを、演奏データに従った目標位置に速やかに制御することができる。

また、上記数式１のような設定により、ソレノイドコイル２８の電流値を安定的に目標電流値ｒｕ１に収束させ、ペダルＰＤにおいて、チャタリング（ペダルノイズ）等の不安定な動作の発生を回避することができる。

すなわち、上記数式１によると、現在の電流指示値ｕ（ｐ）が仮に０であるとすると、目標電流値ｒｕ１の２倍の値が補正目標電流値ｒｕ（ｔｅｍｐ）となることから、最高で目標電流値ｒｕ１の２倍の値が一時的に供給され得ることになる。また、所定時間Ｔは、目標電流値ｒｕ１の更新間隔（図３のペダル制御処理の実行間隔である４ｍｓｅｃ）の１．５／４倍という設定である。仮に、補正目標電流値ｒｕ（ｔｅｍｐ）を、目標電流値ｒｕ１の３倍、４倍といった大きすぎる値に設定し、あるいは所定時間Ｔをもっと長くして目標電流値ｒｕ１の更新間隔に近い値に設定したとすると、制御が発振し、第２曲線ｃＢが目標電流値ｒｕ１を大きくオーバーシュートするおそれがある。少々のオーバーシュートは問題ないが、大きすぎると収束性が悪く制御が不安定となる。従って、上記数式１は一例であるが、目標電流値ｒｕ１の補正の度合いと、補正目標電流値ｒｕ（ｔｅｍｐ）を供給する所定時間Ｔとは、製品仕様に応じて個々に最適値となるように設定し、それに応じて補正のための式も設定するのが好ましい。

具体的には、例えば、第２曲線ｃＢが目標電流値ｒｕ１に達すると想定される時刻ｔｘ（不図示）を求め、現在時刻ｔ０から時刻ｔｘまでの時間Ｔｘより短い範囲で（例えば、時間Ｔｘの０．８倍等に）所定時間Ｔを定めてもよい。その場合、さらに、サーボコントローラ４２におけるサンプリング間隔の整数倍とするのが望ましい。一方、目標電流値ｒｕ１の補正の度合いを決定する上で、補正目標電流値ｒｕ（ｔｅｍｐ）は、常に、デューティ比の変更限度の値としてもよい。すなわち、増大方向なら１００（％）、減少方向なら０（％）である。その場合においても、所定時間Ｔは、上記のような手法で定めてもよい。あるいは、所定時間Ｔを先に定め、ソレノイドコイル２８の電流値が所定時間Ｔ経過後に目標電流値ｒｕ１に達するような曲線（第２曲線ｃＢよりもさらに立ち上がりが急な曲線）の漸近値を、補正目標電流値ｒｕ（ｔｅｍｐ）として設定してもよい。

なお、制御の収束性を高める観点からは、目標電流値ｒｕ１が現在の電流指示値ｕ（ｐ）に対して高い場合においては、現在の電流指示値ｕ（ｐ）が低いときほど上記補正の度合いを大きく、所定時間Ｔを長く設定するのが望ましく、逆に、目標電流値ｒｕ１が現在の電流指示値ｕ（ｐ）に対して低い場合においては、現在の電流指示値ｕ（ｐ）が高いときほど上記補正の度合いを大きく、所定時間Ｔを長く設定するのが望ましい。

ところで、電流指示値ｕ（ｐ）は、実際には、上述のように、流すべき平均電流の目標値に応じたデューティ比のＰＷＭ信号であって、デューティ比の変更限度は１００（％）であるから、新たな目標電流値ｒｕ１が現在の電流指示値ｕ（ｐ）に対して高い場合において、現在の電流指示値ｕ（ｐ）と所定の関係を持つ（例えば「ｒｕ１−ｕ（ｐ）」が、ディーティ比５０％以上である）ときは、上記数式１による補正目標電流値ｒｕ（ｔｅｍｐ）の供給が不可能な場合があり得る。そのような場合は、図３のステップＳ１０６において、デューティ比の変更限度（１００％または０％）を供給する。

かかる観点からは、目標電流値ｒｕ１が、現在の電流指示値ｕ（ｐ）より非常に高い（例えばディーティ比５０％以上）場合、及び現在の電流指示値ｕ（ｐ）より非常に低い場合は、収束性を高めるという効果があまり発揮されないとも考えられる。しかし、このような場合は、目標電流値ｒｕ１の電流指示値ｕ（ｐ）に対する変化量が小さくとも元々電流指示値ｕ（ｐ）が限度値に近い値である場合、若しくは上記変化量が元々大きい場合である。前者の場合は電流値の速やかな立ち上がりの要求が低く、後者の場合も限度値寄りの目標電流を与えることに変わりはない。従って、目標電流値ｒｕ１が電流指示値ｕ（ｐ）に対して大きく変化したときほどソレノイドコイル２８の電流値の速やかな立ち上がりが要求されることに鑑みれば、本発明は実際上きわめて有用である。

なお、図３のペダル制御処理は、一定の間隔（４ｍｓｅｃ）で実行されるとしたが、例えば、前記ステップＳ１０１、Ｓ１０２に相当する処理をモーションコントローラ４１において２０ｍｓｅｃ間隔で実行すると共に、これと並行して、前記ステップＳ１０３〜Ｓ１０７に相当する処理をサーボコントローラ４２において４ｍｓｅｃ間隔で実行するようにしてもよい。あるいは、サーボコントローラ４２とペダルアクチュエータ２６との間にマイクロコンピュータを設け、前記ステップＳ１０６、Ｓ１０７に相当する処理をマイクロコンピュータに実行させるようにしてもよい。

なお、本実施の形態では、制御対象としてラウドペダルを例示したが、これに限られず、例えば、シフトペダル等の他のペダルや、鍵３１等、各種操作子に同様に本発明を適用することができる。

本発明の一実施の形態に係る鍵盤楽器である鍵盤装置の構成を、ある１つの鍵に着目して示した部分断面図である。鍵盤装置の制御機構の構成を示すブロック図である。本実施の形態におけるペダル制御処理の手順を示すフローチャートである。ペダルアクチュエータに供給される目標電流値及びペダルアクチュエータのソレノイドコイルの電流値の立ち上がりの遷移を示すタイムチャートである。

符号の説明

２６ペダルアクチュエータ、２８ソレノイドコイル、３０鍵盤装置（鍵盤楽器）、４１モーションコントローラ、４２サーボコントローラ（目標位置情報取得手段、目標電流値生成手段、駆動制御手段）、ＰＤペダル（操作子）、Ｐｒ（ｐ）位置制御データ（目標位置情報）、ｒｕ１目標電流値、ｕ（ｐ）電流指示値（現在電流値）、ｒｕ（ｔｅｍｐ）補正目標電流値、Ｔ所定時間

Claims

ソレノイドコイルに電流を供給することで駆動される操作子を有する鍵盤楽器であって、
前記操作子の目標位置を規定する目標位置情報を順次取得する目標位置情報取得手段と、
前記目標位置情報取得手段により取得された目標位置情報に基づき前記ソレノイドコイルに供給すべき目標電流値を順次生成する目標電流値生成手段と、
前記目標電流値生成手段により生成された目標電流値を前記ソレノイドコイルに順次供給して該ソレノイドコイルを駆動制御する駆動制御手段とを有し、
前記駆動制御手段は、前記生成された目標電流値を前記ソレノイドコイルに供給する際、前記ソレノイドコイルに現在供給している目標電流値を前記生成された目標電流値から差し引いた値を前記生成された目標電流値に加算することで補正目標電流値を算出すると共に、該算出した補正目標電流値を、前記現在供給している目標電流値に代えて所定時間に亘って供給し、その後、前記生成された目標電流値を供給することを特徴とする鍵盤楽器。