JP6191299B2 - ピックアップ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ピックアップ装置に関し、特に、ピアノなどのアコースティック楽器の音を電気信号に変換する技術に関する。

従来、ピアノの音を電気信号に変換するピックアップ装置が知られている。例えば実公昭６１−０３４５５８号公報（特許文献１）には、ピアノの弦の振動を駒に設けられた圧電素子により検出する技術が開示されている。また、特開平７−２４８７６０号公報（特許文献２）および特開２００７−０４９５７８号公報（特許文献３）には、ピアノの響板近傍にマイクを設け、響板から放音される音をマイクにより収音する技術が開示されている。更に、特開２００３−１８６４７６号公報（特許文献４）には、ピアノの響板の背面に取り付けられた加速度センサなどの振動センサにより響板の変位（加速度の２回積分）を検出して音をサンプリングする技術が開示されている。

実公昭６１−０３４５５８号公報 特開平７−２４８７６０号公報 特開２００７−０４９５７８号公報 特開２００３−１８６４７６号公報

上述のピアノの弦の振動を圧電素子により検出する技術によれば、弦の振動しか検出することができず、響板の振動情報を考慮していないため、音情報に乏しく、ピアノの音を再現することが困難である。また、各弦に対応する駒にそれぞれ圧電素子を取り付ける必要があるため、配線や製作工程が複雑になるという問題がある。

ピアノの響板から放音される音をマイクにより収音する上述の技術によれば、スピーカから出力された音の一部がマイクに帰還されることによりハウリングが発生する恐れがある。また、周囲の不要音を拾うという問題がある。さらに、マイクのセッティングにノウハウを必要とし、高品質で集音することは容易ではない。
加速度センサによりピアノの響板の変位を検出する上述の技術によれば、響板の振幅方向の変位しか検出することができない。この変位は音圧に直接影響しない（変位に対して音圧は比例しない）ため、リアル感に欠け、ピアノの音を完全に再現することは難しい。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、ハウリングの発生を抑制し、ピアノなどのアコースティック楽器の自然な音を再現することができるピックアップ装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によるピックアップ装置は、アコースティック楽器の響板の振動速度を検出する速度検出部と、前記速度検出部により検出された振動速度から、放音装置から放音する音を、前記響板の前記振動速度に比例した音圧の音として再現するオーディオ信号を生成して出力する信号生成部と、を具備し、前記速度検出部は、前記響板の振動の加速度における鉛直方向の加速度成分と、水平方向の加速度成分とを検出する多次元センサと、前記多次元センサの出力する鉛直方向の加速度成分と水平方向の加速度成分とが加算された加算信号を積分し、積分結果を前記振動速度とする積分器と、を有する。

本発明の一態様によれば、ハウリングの発生を抑制し、アコースティック楽器の自然な音を再現することができる。

第１実施形態におけるグランドピアノの外観を示す斜視図である。 第１実施形態におけるグランドピアノの内部構造を説明する図である。 第１実施形態における加速度センサの配置を説明する図である。 第１実施形態におけるピックアップ装置の構成例を示す図である。 第２実施形態におけるピックアップ装置の構成例を示す図である。 第２実施形態における速度センサの配置を説明する図である。

以下、図面を参照し、この発明の実施形態について説明する。
なお、以下の実施形態では、この発明によるピックアップ装置をグランドピアノに適用した場合を例として説明するが、この発明によるピックアップ装置は、バイオリンやギターなど、響板を備えた任意のアコースティック楽器に適用することができる。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態におけるグランドピアノ１の外観を示す斜視図である。
公知のグランドピアノと同様に、このグランドピアノ１は、演奏者の手によって演奏操作がなされる鍵２を複数配列してなる鍵盤を前面に有し、かつ、演奏制御用のペダル３を有する。

［グランドピアノ１の構成］
図２は、グランドピアノ１の内部構造を説明する図である。この図においては、各鍵２に対応して設けられている構成については、１つの鍵２に着目して示し、他の鍵２に対応して設けられている部分については記載を省略している。

ハンマ４は、各鍵２に対応して設けられ、鍵２が押下されるとアクション機構（図示略）を介して力が伝達されて移動し、各鍵２に対応する弦（発音体）５を打撃する。また、ダンパ８は、鍵２の押下量、及びペダル３のうちダンパペダル（以下、単にペダル３といった場合にはダンパペダルを示す）の踏込量に応じて、弦５と非接触状態又は接触状態となる。ダンパ８は、弦５と接触しているときには、その弦５の振動を抑制する。

響板７は、木材で形成された板状の部材である。響板７は、その表面には長さの異なる２つの駒６（６Ｈ，６Ｌ）が設けられており、その裏面に複数の響棒７５が配置されている。通常のピアノ演奏に際しては、ハンマ４によって打撃された弦５の振動が駒６を介して響板７に伝達される。２つの駒６のうち、長駒６Ｈは、高音側の弦５を支持する駒であり、短駒６Ｌは、低音側の弦５を支持する駒である。以下では、長駒６Ｈと短駒６Ｌとを互いに特に区別して説明する必要がない場合には、単に駒６という。

響板７には、本実施形態における後述のピックアップ装置１００（図４）を構成する加速度センサ５０が取付部材６０により固定されている。取付部材６０は、響板７と加速度センサ５０とを取り付けることができるものであればよい。取付部材６０の例として、両面テープや接着剤があげられる。加速度センサ５０は、響板７の加速度を検出するためのものである。本実施形態では、加速度センサ５０は、３次元加速度センサであり、響板７の水平方向及び鉛直方向の加速度を検出する。ただし、加速度センサ５０は、３次元加速度センサに限定されず、２次元以上の多次元加速度センサであってもよく、１次元加速度センサであってもよい。

図３は、加速度センサ５０の配置を説明する図であり、グランドピアノ１を下方から見た図である。この例においては、加速度センサ５０として、２つの加速度センサ５０Ｈ、５０Ｌが設けられている。以下、加速度センサ５０Ｈ、５０Ｌを互いに特に区別して説明する必要がない場合には、単に加速度センサ５０という。

図３に示す例においては、加速度センサ５０Ｈ，５０Ｌのそれぞれは、２つの響棒７５の間の響板７の裏面（下面）に設けられている。このうち、加速度センサ５０Ｈは、響板７を挟んで長駒６Ｈと対向する位置に設けられている。一方、加速度センサ５０Ｌは、響板７を挟んで短駒６Ｌと対向する位置に設けられている。すなわち、響板７は、２つの加速度センサ５０と２つの駒６とに挟まれた状態になっている。

また、加速度センサ５０は、響板７の表面（上面）であって、響板７を挟んで響棒７５と対向する位置に設けられてもよい。この場合、響板７は、加速度センサ５０と響棒７５とに挟まれた状態になる。または、加速度センサ５０は、響板７の表裏を問わず、響棒７５の近傍に設けられてもよい。

更に、加速度センサ５０単体であるいは複数の加速度センサ５０が響板の加速度を検出できる位置であれば、響板７は、加速度センサ５０と駒６または響棒７５に挟まれた状態を必須とせず、加速度センサ５０は任意の位置に設けられてもよい。また、響板７に設けられる加速度センサ５０の数は２つに限らず、より多くの数であってもよいし、１つの加速度センサ５０のみが響板７に設けられていてもよい。

図４は、第１実施形態におけるピックアップ装置１００の構成例を示す図である。
ピックアップ装置１００は、速度検出部１１０と信号生成部１２０とを備えている。このうち、速度検出部１１０は、グランドピアノ１の響板７の振動速度を検出するものである。速度検出部１１０は、加速度センサ５０（５０Ｈ，５０Ｌ）、プリ・アンプ１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚ、加算器１１３、積分器１１４、ゲイン調整用アンプ１１５を備えている。

加速度センサ５０は、グランドピアノ１の響板７の振動の加速度を検出し、その加速度のｘ成分、ｙ成分、ｚ成分をそれぞれ示す加速度信号Ｓａｘ、加速度信号Ｓａｙ、加速度信号Ｓａｚを出力するものである。本実施形態では、響板７の振動の加速度のｘ成分およびｙ成分は、響板７の水平方向（２次元方向）の振動の加速度成分であり、ｚ成分は、響板７の鉛直方向の振動の加速度成分である。これらｘ成分、ｙ成分、ｚ成分は同一平面上にはない成分である。ただし、加速度のｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の定義は、この例に限定されず、任意に設定し得る。

プリ・アンプ１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚは、それぞれ、加速度センサ５０から出力される加速度信号Ｓａｘ、加速度信号Ｓａｙ、加速度信号Ｓａｚを増幅するものである。プリ・アンプ１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚの各増幅度は、例えば、加速度センサ５０の取り付け位置に応じて、ピックアップ装置１００から出力されるオーディオ信号ＳＡＵから所望の音が再現されるように、任意に設定し得る。本実施形態では、プリ・アンプ１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚの出力信号には、それぞれ、加速度信号Ｓａｘ、加速度信号Ｓａｙ、加速度信号Ｓａｚの特性が反映されるので、プリ・アンプ１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚの出力信号を加速度信号Ｓａｘ、加速度信号Ｓａｙ、加速度信号Ｓａｚとする。

加算器１１３は、プリ・アンプ１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚによりそれぞれ増幅された加速度信号Ｓａｘ、加速度信号Ｓａｙ、加速度信号Ｓａｚを加算し、その加算結果を示す加算信号Ｓａを出力するものである。
積分器１１４は、加算器１１３から加算信号Ｓａとして入力される加速度信号Ｓａｘ，Ｓａｙ，Ｓａｚの加算結果を積分し、その積分結果を示す信号Ｓｖを出力するものである。響板７の振動の加速度を示す加速度信号Ｓａｘ，Ｓａｙ，Ｓａｚの加算信号Ｓａの積分結果を示す信号Ｓｖは、響板７の振動の速度を示すことから、以下では、信号Ｓｖを速度信号Ｓｖと称す。

ゲイン調整用アンプ１１５は、響板７の振動に対する速度検出部１１０のゲインを調整するためのものである。
信号生成部１２０は、速度検出部１１０により検出された速度を示す速度信号Ｓｖからオーディオ信号ＳＡＵを生成して出力するものである。本実施形態では、信号生成部１２０は、速度信号Ｓｖをオーディオ信号ＳＡＵとして出力する。

なお、加速度センサ５０の出力信号を調整する必要のない場合などにおいては、プリ・アンプ１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚを省略してもよい。また、プリ・アンプ１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚを加速度センサ５０または加算器１１３と一体化してもよい。速度検出部１１０のゲインを調整する必要のない場合にはゲイン調整用アンプ１１５を省略してもよい。また、ゲイン調整用アンプ１１５を積分器１１４と一体化してもよい。即ち、プリ・アンプ１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚおよびゲイン調整用アンプ１１５は、必要に応じて備えればよく、省略可能である。

次に、第１実施形態におけるピックアップ装置１００の動作を説明する。
演奏者が演奏時にグランドピアノ１の鍵２を押下すると、ハンマ４が弦５を打撃し、弦５を振動させる。弦５の振動は駒６を通じて響板７に伝えられる。これにより、響板７が振動して音を発生させる。

加速度センサ５０は、響板７の振動を検出し、その振動の加速度の３次元成分を示す加速度信号Ｓａｘ，Ｓａｙ，Ｓａｚを出力する。加速度信号Ｓａｘ，Ｓａｙ，Ｓａｚは、それぞれ、プリ・アンプ１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚにより増幅されて加算器１１３に与えられる。加算器１１３は、プリ・アンプ１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚにより増幅された加速度信号Ｓａｘ，Ｓａｙ，Ｓａｚを加算して加算信号Ｓａを出力する。積分器１１４は、加算信号Ｓａを時間積分して、響板７の振動の速度を示す速度信号Ｓｖを出力する。この速度信号Ｓｖは、ゲイン調整用アンプ１１５により増幅されて速度検出部１１０から信号生成部１２０に出力される。

信号生成部１２０は、速度検出部１１０から入力される速度信号Ｓｖに基づき、次式（１）によって示される音圧ｐを有する音を再現するオーディオ信号ＳＡＵを生成して出力する。

ここで、Ｚａは、音響インピーダンスであり、響板７の位置と視聴者の位置をパラメータとして有する静的な値である。ｕは、響板７の振動の体積速度である。Ｓは、響板７の振動面の面積である。ｖは、響板７の振動の速度である。ａは、響板７の振動の加速度である。

式（１）から理解されるように、音圧ｐは速度ｖに比例する。また、速度ｖは、響板７の振動の加速度ａを積分することにより得られる。本実施形態では、速度検出部１１０において、響板７の振動の加速度ａを示す加速度信号Ｓａｘ，Ｓａｙ，Ｓａｚの加算結果である加算信号Ｓａを積分器１１４により積分することにより、響板７の振動の速度ｖを示す速度信号Ｓｖを得ている。そして、信号生成部１２０において、速度信号Ｓｖから、響板７の振動の速度ｖに比例した音圧ｐを有する音を再現するオーディオ信号ＳＡＵを生成している。

信号生成部１２０から出力されたオーディオ信号ＳＡＵは、例えば電力増幅器（図示なし）により電力増幅されてスピーカなどの放音装置（図示なし）に供給される。放音装置は、電力増幅されたオーディオ信号ＳＡＵにより駆動され、オーディオ信号ＳＡＵを音響に変換する。これにより、グランドピアノ１の響板７から発生された音がピックアップ装置１００によりピックアップされて放音装置から放音される。

本実施形態によれば、オーディオ信号ＳＡＵにより、響板７の振動の速度ｖに比例した音圧ｐがオーディオ信号ＳＡＵにより再現されるので、ピアノの自然な音を再現することができる。
また、本実施形態によれば、加速度センサ５０は、放音装置から放音された音による振動を殆ど検出しないため、ハウリングが起こり難い。
また、本実施形態によれば、加速度センサ５０が取り付けられる響板７には多くの露出部分が存在するので、その取付作業が容易である。

また、本実施形態によれば、加速度センサ５０として３次元加速度センサを用いたので、響板７の振動の速度を３次元方向から検出することができ、例えば圧電センサやマイクでは得られない響板の振動成分を検出することができる。具体的には、３次元加速度センサによれば、響板７の振動の鉛直方向の加速度成分に加えて、高調波成分を多く含む水平方向の加速度成分を検出することができる。この加速度成分を積分することにより得られる速度に基づいてオーディオ信号ＳＡＵを生成するため、音圧を十分に再現することができ、ピアノの音をリアルに再現することが可能になる。
更に、圧電センサなどの他のセンサに比較して加速度センサは安価であるため、ピックアップ装置１００を安価に実現することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
図５は、第２実施形態におけるピックアップ装置２００の構成例を示す図である。
図６は、第２実施形態における速度センサ５０５の配置を説明する図である。
ピックアップ装置２００は、概略的には、上述の図４に示す第１実施形態のピックアップ装置１００の構成において、加速度センサ５０を速度センサ５０５に置き換えると共に、積分器１１４を除去した構成を有している。

具体的には、ピックアップ装置２００は、速度検出部２１０と信号生成部２２０とを備えている。このうち、速度検出部２１０は、グランドピアノ１の響板７の速度を検出するものであり、速度センサ５０５、プリ・アンプ２１２Ｘ，２１２Ｙ，２１２Ｚ、加算器２１３、ゲイン調整用アンプ２１５を備える。

速度センサ５０５は、３次元速度センサであり、グランドピアノ１の響板７の振動の速度を検出して、その速度のｘ成分、ｙ成分、ｚ成分をそれぞれ示す速度信号Ｓｖｘ、速度信号Ｓｖｙ、速度信号Ｓｖｚを出力するものである。響板７に対する速度センサ５０５の取り付け方は、例えば図６に示すように、ピアノの支柱に速度センサ保持部５５０を設け、当該速度センサ保持部５５０の響板７に対向する箇所に速度センサ５０５を固定部材で固定すればよい。固定部材の例としては、ねじや接着剤等があげられる。本実施形態では、響板７の振動の速度のｘ成分およびｙ成分は、響板７の水平方向（２次元方向）の振動の速度成分であり、ｚ成分は、響板７の鉛直方向の振動の速度成分である。ｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の定義は第１実施形態と同様である。
なお、速度センサ５０５は、３次元速度センサに限定されず、２次元以上の多次元速度センサであってもよく、１次元速度センサであってもよい。

プリ・アンプ２１２Ｘ，２１２Ｙ，２１２Ｚは、それぞれ、速度センサ５０５から出力される速度信号Ｓｖｘ、速度信号Ｓｖｙ、速度信号Ｓｖｚを増幅するものである。プリ・アンプ２１２Ｘ，２１２Ｙ，２１２Ｚは、上述の図４に示す第１実施形態のピックアップ装置１００が備えるプリ・アンプ１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚと同様のものである。本実施形態でも、プリ・アンプ１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚの出力信号を、それぞれ、速度信号Ｓｖｘ、速度信号Ｓｖｙ、速度信号Ｓｖｚと称す。
加算器１１３は、プリ・アンプ２１２Ｘ，２１２Ｙ，２１２Ｚにより増幅された速度信号Ｓｖｘ、速度信号Ｓｖｙ、速度信号Ｓｖｚを加算し、その加算結果を示す速度信号Ｓｖを出力するものである。加算器２１３は、上述の図４に示す第１実施形態のピックアップ装置１００が備える加算器１１３と同様のものである。

ゲイン調整用アンプ２１５は、響板７の振動に対する速度検出部２１０のゲインを調整するためのものである。ゲイン調整用アンプ２１５は、上述の図４に示す第１実施形態のピックアップ装置１００が備えるゲイン調整用アンプ１１５と同様のものである。
信号生成部２２０は、速度検出部２１０により検出された速度を示す速度信号Ｓｖからオーディオ信号ＳＡＵを生成して出力するものであり、上述の図４に示す第１実施形態のピックアップ装置１００が備える信号生成部１２０と同様のものである。

なお、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、必要に応じて、プリ・アンプ２１２Ｘ，２１２Ｙ，２１２Ｚを省略してもよく、プリ・アンプ２１２Ｘ，２１２Ｙ，２１２Ｚを速度センサ５０５または加算器２１３と一体化してもよい。また、ゲイン調整用アンプ２１５を省略してもよく、ゲイン調整用アンプ２１５を加算器２１３と一体化してもよい。

次に、第２実施形態におけるピックアップ装置２００の動作を説明する。
第２実施形態では、速度センサ５０５は、響板７の振動を検出し、その振動の速度の３次元成分を示す速度信号Ｓｖｘ，Ｓｖｙ，Ｓｖｚを出力する。速度信号Ｓｖｘ，Ｓｖｙ，Ｓｖｚは、それぞれ、プリ・アンプ２１２Ｘ，２１２Ｙ，２１２Ｚにより増幅されて加算器２１３に与えられる。加算器２１３は、プリ・アンプ２１２Ｘ，２１２Ｙ，２１２Ｚにより増幅された速度信号Ｓｖｘ，Ｓｖｙ，Ｓｖｚを加算して速度信号Ｓｖを出力する。この速度信号Ｓｖは、ゲイン調整用アンプ２１５により増幅されて速度検出部２１０から信号生成部２２０に出力される。

信号生成部２２０は、速度検出部２１０から入力される速度信号Ｓｖに基づき、次式（２）によって示される音圧ｐを有する音を再現するオーディオ信号ＳＡＵを生成して出力する。

ここで、Ｚａは、音響インピーダンスであり、響板７の位置と視聴者の位置をパラメータとして有する静的な値である。ｕは、響板７の振動の体積速度である。Ｓは、響板７の振動面の面積である。ｖは、響板７の振動の速度である。

式（２）から理解されるように、音圧ｐは速度ｖに比例する。本実施形態では、速度検出部２１０において、響板７の振動の速度ｖを示す速度信号Ｓｖｘ，Ｓｖｙ，Ｓｖｚの加算結果である速度信号Ｓｖから、速度ｖに比例した音圧ｐを有する音を再現するオーディオ信号ＳＡＵを生成している。オーディオ信号ＳＡＵは、第１実施形態と同様に、例えば電力増幅器（図示なし）により電力増幅されてスピーカなどの放音装置（図示なし）に供給される。

第２実施形態によれば、第１実施形態に比較して、積分器１１４を備える必要がないので、装置構成を簡略化することができる。
また、第２実施形態でも第１実施形態と同様の効果を得ることができる。即ち、第２実施形態によれば、響板７の振動の速度ｖに比例した音圧ｐを有する音がオーディオ信号ＳＡＵにより再現されるので、ピアノの自然な音を再現することができる。また、速度センサ５０５は、放音装置から放音された音による振動を殆ど検出しないため、ハウリングが起こり難い。また、グランドピアノ１に対するピックアップ装置２００の取付作業が容易である。更に、速度センサ５０５として３次元速度センサを用いたので、ピアノの音をリアルに再現することが可能になる。

以上、この発明の実施形態を説明したが、この発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形、置換、付加などが可能である。
例えば、第１実施形態では、積分器１１４を加算器１１３の後段に設けたが、プリ・アンプ１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚのそれぞれの後段に積分器を備えてもよい。
また、第１実施形態では、プリ・アンプ１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚによって増幅された加速度信号Ｓａｘ，Ｓａｙ，Ｓａｚを加算器１１３により加算するものとしたが、例えば、加速度信号Ｓａｘ，Ｓａｙの加算結果に加速度信号Ｓａｚを加算するように構成してもよい。第２実施形態についても同様である。

１…グランドピアノ、２…鍵、３…ペダル（ダンパペダル）、４…ハンマ、５…弦（発音体）、６…駒、６Ｈ…長駒、６Ｌ…短駒、７…響板、８…ダンパ、５０，５０Ｈ，５０Ｌ…加速度センサ、６０…取付部材、７５…響棒、１００，２００…ピックアップ装置、１１０，２１０…速度検出部、１２０，２２０…信号生成部、１１２Ｘ，１１２Ｙ，１１２Ｚ，２１２Ｘ，２１２Ｙ，２１２Ｚ…プリ・アンプ、１１３，２１３…加算器、１１４…積分器、１１５，２１５…ゲイン調整用アンプ、５０５…速度センサ、５５０…速度センサ保持部。

Claims (2)

1. アコースティック楽器の響板の振動速度を検出する速度検出部と、
   前記速度検出部により検出された振動速度から、放音装置から放音する音を、前記響板の前記振動速度に比例した音圧の音として再現するオーディオ信号を生成して出力する信号生成部と、
   を具備し、
   前記速度検出部は、
   前記響板の振動の加速度における鉛直方向の加速度成分と、水平方向の加速度成分とを検出する多次元センサと、
   前記多次元センサの出力する鉛直方向の加速度成分と水平方向の加速度成分とが加算された加算信号を積分し、積分結果を前記振動速度とする積分器と、
   を有する
   ことを特徴とするピックアップ装置。
2. 前記アコースティック楽器はピアノであり、
   前記速度検出部は、前記響板を挟んで駒または響棒と対向する位置、または響棒の近傍に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のピックアップ装置。

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