(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜鳴打楽器の膜の振動を電気信号に変換する、可撓性を有するシート状圧電センサと、
前記圧電センサが固定され、長さを調節可能なアームと、
前記膜鳴打楽器に着脱自在に固定される固定部と、
前記アームと前記固定部とを連結する支持部と、
前記圧電センサから得られた電気信号を増幅して出力する出力回路と、を備えた有音程の膜鳴打楽器の調律装置であって、
前記圧電センサが、湾曲部を有し、下面に前記膜の振動が伝達される圧電フィルムセンサからなり、
前記調律装置が、前記固定部により前記膜鳴打楽器に着脱自在に固定されることを特徴とする有音程の膜鳴打楽器の調律装置。
【請求項２】
さらに、前記圧電センサから得られた電気信号を処理して音名を判別する処理部と、
処理部による判別結果を表示する表示部と、を備えることを特徴とする請求項１の有音程の膜鳴打楽器の調律装置。
【請求項３】
前記圧電センサが、Ｕ字状の圧電フィルムセンサからなることを特徴とする請求項１または２の有音程の膜鳴打楽器の調律装置。
【請求項４】
前記圧電センサが、ポリフッ化ビニルデン（ＰＶＤＦ）のフィルムを含んで構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの有音程の膜鳴打楽器の調律装置。
【請求項５】
前記支持部が、長さを調節可能であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの有音程の膜鳴打楽器の調律装置。
【請求項６】
前記膜鳴打楽器が、ティンパニであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの有音程の膜鳴打楽器の調律装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は有音程の膜鳴打楽器の調律方法および装置に関し、特にティンパニ（ケトルドラムともいう）の調律方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有音程打楽器のチューニング（調律）を簡単に行うチューナーとしては、マイクロフォンから採取した音声を電気信号に変換し、増幅器により所望のレベルの電気信号に増幅し、増幅器の出力信号からマイクロフォンで採取した音声の基本周期を抽出し、あらかじめ設定した基準音により調律する調律装置がある。特許文献１には、外付けマイクによりヘッドの打音を検出し、チューニングメーターにより周波数を測定して音程を判別し、その判別信号に基づきヘッドの張り具合を自動設定するティンパニの音程調節装置が開示されている。
【０００３】
管楽器のチューニング（調律）を簡単に行うチューナーとしては、コンタクトマイク・ピエゾマイクを使用したクリップタイプのものが販売されている。コードレスタイプのものも提案されており、例えば、特許文献２には、楽器に装着するためのクリップと、前記クリップに設けられた振動センサと、前記クリップと連結部を介して連結されるとともに、前記振動センサから得られた信号を処理することで前記楽器における音声状態を判別する電子回路と、前記電子回路での判別結果を表示する表示部を有することを特徴とする調律装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１０９３０２号公報
【特許文献２】特開２００３−２５５９３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のようにマイクロフォンで音を採取する構成においては、周囲の全ての音が検出されるため、多人数で合奏するような場合など調律対象音以外の音が存在するような環境下では、正確な調律が困難であるという問題があった。特に演奏中にチューニングゲージを用いて音程変更を正確に行うことは実質上不可能であった。
【０００６】
また、特許文献２に示すようなコンタクトマイク・ピエゾマイクと管楽器用チューナーを膜鳴打楽器（革やプラスチック膜を張った打楽器）のチューニングに使用することはできなかった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決することができる、有音程の膜鳴打楽器の調律方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
従来のコンタクトマイク・ピエゾマイクにより有音程の膜鳴打楽器のチューニングを行った場合、打音の周波数を正確に測定することはできなかった。これは、従来のコンタクトマイク・ピエゾマイクでは、セラミック系圧電（ピエゾ）センサを使用していることが原因であることを発明者は考えた。すなわち、発明者は、セラミック系圧電センサは図１に示すように硬い材料でできており柔軟な構造ではないため、ティンパニのヘッドに取り付けた場合、ヘッドの振動を阻害するだけでなく図２に示すようなティンパニのヘッドの振動を電気信号に変換することができないことの知見をえた。そこで、発明者は、可撓性を有するシート状圧電センサにより打音の周波数を正確に測定することはできないかと考え、鋭意検討の上、本発明を創作した。
【０００９】
すなわち、第１の発明は、膜鳴打楽器の膜の振動を電気信号に変換する、可撓性を有するシート状圧電センサと、前記圧電センサが固定され、長さを調節可能なアームと、前記膜鳴打楽器に着脱自在に固定される固定部と、前記アームと前記固定部とを連結する支持部と、前記圧電センサから得られた電気信号を増幅して出力する出力回路と、を備えた有音程の膜鳴打楽器の調律装置であって、前記圧電センサが、湾曲部を有し、下面に前記膜の振動が伝達される圧電フィルムセンサからなり、前記調律装置が、前記固定部により前記膜鳴打楽器に着脱自在に固定されることを特徴とする有音程の膜鳴打楽器の調律装置である。
第２の発明は、第１の発明において、さらに、前記圧電センサから得られた電気信号を処理して音名を判別する処理部と、処理部による判別結果を表示する表示部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第１または２の発明において、前記圧電センサが、Ｕ字状の圧電フィルムセンサからなることを特徴とする。
第４の発明は、第１ないし３のいずれかの発明において、前記圧電センサが、ポリフッ化ビニルデン（ＰＶＤＦ）のフィルムを含んで構成されていることを特徴とする。
第５の発明は、第１ないし４のいずれかの発明において、前記支持部が、長さを調節可能であることを特徴とする。
第６の発明は、第１ないし５のいずれかの発明において、前記膜鳴打楽器が、ティンパニであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、有音程の膜鳴打楽器の調律を圧電センサにより簡易かつ正確に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来のセラミック系圧電センサの構造を示す側面図である。
【図２】ティンパニのヘッドの振動イメージを示す上面図である。
【図３】実施例１に係る調律装置を用いた測定態様を示す写真である。
【図４】実施例１に係る調律装置により測定した際の電圧変化のグラフである。
【図５】図４の周波数スペクトルである。
【図６】実施例２に係る調律装置により測定した際の電圧変化のグラフである。
【図７】図６の周波数スペクトルである。
【図８】実施例３に係る圧電フィルムセンサの構造を示す上面図および側面図である。
【図９】圧電フィルムセンサの構造と共振周波数の変化の仕方を説明する図である。
【図１０】実施例３に係る圧電フィルムセンサにより測定した際の電圧変化のグラフである。
【図１１】図１０の周波数スペクトルである。
【図１２】実施例４に係る圧電フィルムセンサにより測定した際の電圧変化のグラフである。
【図１３】図１２の周波数スペクトルである。
【図１４】実施例４に係る圧電フィルムセンサの構造を示す側面図である。
【図１５】実施例４に係る圧電フィルムセンサにより測定した際の周波数スペクトルである。
【図１６】図１４のi〜ivの各位置で測定した際の周波数スペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、可撓性を有するシート状圧電センサを膜鳴打楽器の膜に配置して膜の振動を電気信号に変換し、当該電気信号を処理する電子回路により音名を判別する有音程の膜鳴打楽器の調律方法および装置に関する。
【００１４】
圧電センサはヘッド（膜）の振動に追従する必要があるため、可撓性を有するシート状圧電センサ、好ましくは弾性のあるフィルム形状のものを利用する。圧電フィルムとしてはＰＶＤＦ（Polyvinylidene fluoride film：ポリフッ化ビリニデン）やチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などからなる圧電セラミックまたは圧電セラミック薄膜が挙げられるが、軽量で柔軟性に富み、加工性がよいＰＶＤＦが好ましい材としてあげられる。ＰＶＤＦは応答帯域がきわめて広く、固有の共振周波数を持ちにくいという特徴も有する。なお、圧電素子にはセラミック等の非可撓性材からなるものもあるが、上述のとおりヘッド（膜）の振動に追従できないため、本発明では利用しない。
【００１５】
圧電センサの下面側には、必要に応じて粘着層を形成し、或いは両面粘着シートや粘着テープ等を用いてティンパニのヘッドに貼着可能とする。この際、圧電センサの上面側から一定面積以上の面または複数点で押圧する部材によって圧電センサをヘッドに圧接させてもよい。
他の形態としては、カンチレバータイプの圧電フィルムセンサを用いることが開示される。この圧電フィルムセンサは、膜鳴打楽器の膜に配置される基板と、基板に垂直に設けられたピンと、基板と略水平になるようにピンに取りつけられた板状の検知エレメントと、検知エレメントに配置されたシート状圧電センサ（圧電フィルム）と、検知エレメントに取付取り外し自在に設けられた重りを備えて構成される。
圧電センサの数は単数でもよいし、複数設けてもよい。
【００１６】
圧電センサは、導電布テープなどでシールドすることでノイズ対策を施すのが好ましい。導電布テープは電子機器の電磁波や静電気のシールド、信号ケーブルやコネクタのシールドに使用される一般的なものでよく、粘着面にも導電性があり、貼り合わせても導通があるため、確実にシールド効果を得ることができる。
【００１７】
圧電センサからの信号は、必要に応じ増幅回路により所望のレベルの電気信号に増幅され、市販のチューニングメーター（調律器）に入力される。チューニングメーターでは、入力された音の基本周期を分析して抽出し、抽出した基本周期と基本音の周期が比較されて入力された音の音程が決定され、決定された音程におけるピッチ誤差が検出される。入力された音の音程とピッチ誤差は、チューニングメーターの表示部に表示される。このように、本発明に係る圧電センサは、市販のチューニングメーターを利用して調律を行うことを可能とするものである。
上述した可撓性を有するシート状圧電センサ（または増幅回路）からの電気信号を記憶手段に記憶した判別基準情報に基づき音名を判別する処理部および液晶ディスプレイ等の表示手段にピッチ誤差がｃｅｎｔ目盛等で表示する表示部を備えた調律装置も本発明の範囲に含まれる。
【００１８】
有音程の膜鳴打楽器として、ティンパニが知られている。ティンパニは、ヘッドの張り具合を調整することで音程を変え、正確にドレミの音を出し分けることができる。１つのティンパニには例えばドからラ♭（フラット）までの音域があり、演奏時には４〜５つのティンパニを並べて使用するのが通常である。
【００１９】
ティンパニは、銅、ＦＲＰ、アルミなどでできた丸い鍋型のケトルにヘッド（膜）を張り、それをバチ（マレット）で叩くことにより演奏する。ヘッドの張り具合を調整することで音程を変え、正確にドレミの音を出し分けることができる。ヘッドの張り具合の調整手段としては、チューニングボルトを１つ１つ手で締める手締め式、全てのチューニングボルトをハンドルを回して一度に調整するハンドル式、ペダルの踏みこみ操作によりヘッドの張力を変化させるペダル式がある。チューニングボルトは、ヘッド中央の金具から放射線状に設けられたテンションロッドと接続されており、テンションロッドによりヘッドの張り具合が調整される。
【００２０】
ティンパニは、ヘッドの中央ではなく、ヘッドの縁の近傍をバチで叩いて音を出す。ヘッド全体は中央を左右に通る直線を節にして波打っていて、縁は振動の腹の部分に当たる。図２は、縁の近傍を叩いた際のヘッドの振動イメージを示す上面図である。図２中、塗りつぶした箇所がふくらんだ部分、塗りつぶしていない箇所がへこんだ部分であり、（Ａ）と（Ｂ）の状態を繰り返し、ヘッド全体が波打ちながら音を出す。丸いケトルの中に閉じ込められた空気により規律の正しい整数倍の膜振動が得られると言われている。
【００２１】
以下では、本発明の詳細を実施例により説明するが、本発明は実施例により何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００２２】
実施例１は、圧電フィルムセンサを用いたティンパニの調律装置に関する。
実施例１では、予め調律されたティンパニのヘッドのほぼ中央に圧電フィルムを貼着して、音名判別が正しく行えるかを実験した（図３参照）。実施例１の調律装置は、圧電フィルムからの信号を、第１の増幅器（自作のチャージアンプ）および第２の増幅器（四国計測工業社製）で増幅し、データロガー（ＯＭＲＯＮ社製ＺＲ−ＭＤＲ１０）およびその専用ＰＣソフトで観測するように構成されている。
増幅器を２段構成とされており、１段目（チャージアンプ）は圧電フィルムに誘起された電荷を電圧に変換するアンプであり、２段目（電圧調整アンプ）は出力側の測定機器等の入力電圧によって電圧変換するアンプである。１段目（チャージアンプ）で増幅度を変更すると入力抵抗等が変化する可能性があるため、１段目（チャージアンプ）を一定として入力抵抗変化なしに圧電フィルムに誘起された電荷を電圧に変換し、出力電圧が小さい場合は２段目（電圧調整アンプ）で増幅するようにしている。
実施例１の調律装置は、圧電フィルムからの信号を、四国計測工業社製の第１の増幅器（チャージアンプ）および第２の増幅器（電圧調整アンプ）で増幅し、データロガー（ＯＭＲＯＮ社製ＺＲ−ＭＤＲ１０）およびその専用ＰＣソフトで観測するように構成されている。
【００２３】
電源周波数である６０Ｈｚ（東日本は５０Ｈｚ）とその３倍高調波である１８０Ｈｚ（東日本は１５０Ｈｚ）付近は測定条件により雑音が観測される可能性があるため、ノッチフィルタを入れている。
【００２４】
実施例１では東京センサ社の圧電フィルム（ＦＤＴシリーズ）を使用した。この製品は、この圧電フィルムは、銀インクスクリーン印刷電極をセンサ部と一体のフレキシブル回路として延ばし、コネクタをつけて構成される。実施例１で使用した圧電フィルムの仕様を以下に示す。
【００２５】
型番：ＦＤＴ１−０５２Ｋ
シート部寸法：１６ｍｍ×２３５ｍｍ
電極部寸法：１２ｍｍ×３０ｍｍ
全体の厚さ：８５μｍ
フィルムの厚さ：５２μｍ
静電容量：０．７４ｎＦ
【００２６】
図４は、Ａの音（２２０Ｈｚ）を打音した際の圧電フィルムからの信号を、第１の増幅器で１０００倍に増幅し、第２の増幅器で１１．３倍に増幅して得られた電圧変化のグラフである。図５は、図４をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルであり、２２２．１７Ｈｚにピークを観測することができた
【００２７】
続いて、市販のチューナー（ヤマハ社製ＴＤＭ−７０）との連系実験をした。予め調律されたティンパニを弱く叩き、チューニング周波数を４４０Ｈｚに設定したチューナーに、第１の増幅器で１０００倍に増幅した圧電フィルムの信号を入力したところ、ｃｅｎｔ目盛の針が中央の０を示すと共に音が合ったことを示すグリーンランプが点灯した。
【００２８】
以上の結果から、実施例１の調律装置により、Ａの音（２２０Ｈｚ）を正しく判別できることを確認することができた。
【実施例２】
【００２９】
実施例１と同じ調律装置を用いて、ティンパニのヘッドのほぼ中央に圧電フィルムを貼着して、音名判別が正しく行えるかを実験した。実施例２では、実施例１からティンパニのペダルを動かし、調律がされていない状況とした。なお、実施例２は、実施例１と同じ強さで叩いているが、人手によるため完全に同じ強さではない。
【００３０】
図６は、Ａの音（２２０Ｈｚ）を打音した際の圧電フィルムからの信号を、第１の増幅器で３倍に増幅し、第２の増幅器で１１．３倍に増幅して得られた電圧変化のグラフである。図７は、図６をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルである。図７から、２２１．５６Ｈｚにピークを観測することができた。
【実施例３】
【００３１】
実施例３は、カンチレバータイプの圧電フィルムセンサを用いたティンパニの調律装置に関する。実施例３では、実施例１と比べ約１０倍程度の出力が得られため、増幅器を用いない簡易な構成とすることができる。すなわち、実施例３の圧電フィルムセンサによれば、市販のチューナー（ヤマハ社製ＴＤＭ−７０）に圧電フィルムセンサを直結して調律を行うことも可能である。
【００３２】
図８は、実施例３に係るカンチレバータイプの圧電フィルムセンサの上面図および側面図である。実施例１では東京センサ社のＭｉｎｉＳｅｎｓｅ  １００を使用した。この製品は、低コストのカンチレバータイプの振動センサで、低周波数で高い感度を発揮するおもり１３を備えている。ピン１２は簡単に取り付けられるように設計されており、プリント基板（ＰＣＢ）等に半田付けが可能である。アクティブなセンサ部分がシールド加工されており、ＲＦＩ／ＥＭＩノイズの影響を受けにくくなっている。圧電フィルム１１はＰＶＤＦであり、異なる周波数応答および感度を選択できるように、検知するおもりの重量を変更することができる。水平に取り付けられたビームの端部に重量の慣性力がかかると、垂直平面の加速度によってビームに曲がりが生じ、ビームが歪むことによってピエゾ電気が応答し、センサの電極から電荷すなわち電圧出力として検知される。ＭｉｎｉＳｅｎｓｅ  １００はもともとローパスフィルタになっているためティンパニの発生する周波数に合わせることができれば電子回路的なフィルタはほとんど必要ない。また、共振周波数もあるため感度の高い共振部分を使用することも考えられる。
【００３３】
圧電フィルムセンサは、ティンパニの中心付近に設置するのが好ましい。叩いた反対側にセンサを張り付けると振動が制限されるためである。ティンパニの真中は理論的には殆ど振動しない部分ではあるが、実際にはセンサで検出するのに十分な程度は振動していることが後述の測定結果より確認できた。
圧電フィルムセンサの構造と共振周波数の変化は、図９に示す相関関係がある。すなわち、共振周波数の上下は、おもりの重さ、おもりとピンの距離、圧電フィルムの硬さとそれぞれ相関関係が認められる。
【００３４】
実施例１と同じデータロガーおよびその専用ＰＣソフトを用いて、Ａの音（２２０Ｈｚ）を圧電フィルムセンサにより測定した。
図１０は、Ａの音（２２０Ｈｚ）をおもりの重さを変えて測定した場合の電圧変化を示すグラフである。図１０（Ａ）では２個のおもり（約０．２４ｇ）を圧電フィルム先端に配置し、図１０（Ｂ）では１個のおもり（約０．１２ｇ）を圧電フィルム先端に配置し、図１０（Ｃ）ではおもり無しで測定を行った。
図１１は図１０をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルのグラフである。図１１（Ａ）および（Ｂ）ではＡの音に近い２２３Ｈｚ付近に大きなピークが見られる。なお、１６４Ｈｚ付近にもピークが見られるが、これは叩いたときの衝撃によるものと推測される。図１１（Ｃ）では、２２４Ｈｚ付近に加え、１６６Ｈｚおよび３３６Ｈｚにそれより小さなピークが観測できる。ここで、３３６Ｈｚのピークが新たにでてきたが、これは基本周波数の１オクターブ下の１１２Ｈｚの３倍音なので、これが観測できても不思議なことではない。
図１０および図１１から、カンチレバータイプの圧電フィルムセンサによれば、増幅器を用いずとも高い出力を得られることが確認された。
【実施例４】
【００３５】
実施例３と同じ条件で、Ｇの音（９７Ｈｚ）をおもりの重さを変えて測定した。
図１２は、Ｇの音（９７Ｈｚ）をおもりの重さを変えて測定した場合の電圧変化を示すグラフである。図１２（Ａ）では２個のおもり（約０．２４ｇ）を圧電フィルム先端に配置し、図１２（Ｂ）では１個のおもり（約０．１２ｇ）を圧電フィルム先端に配置し、図１２（Ｃ）ではおもり無しで測定を行った。
図１１は図１２をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルのグラフである。図１３（Ａ）および（Ｂ）ではＧの音に近い９７Ｈｚ付近に大きなピークが見られる。なお、ここでは余韻をフーリエ変換しても比率に変化はなかった。図１３（Ｃ）では、９７Ｈｚ付近にピークを観測することができなかった。これは、おもり無しの場合、高い周波数成分しか拾えないためである。
図１２および図１３から、おもりの重さと共振周波数の変化に相関関係があることが確認された。また、Ｇの音は周波数が低いため、この製品のおもりとピンの距離、圧電フィルムの硬さでは、おもり無しでは測定が難しいことが確認された。
なお、実施例３と比べ１オクターブ下のＡの音（１１０Ｈｚ）においても同様の傾向が観測され、おもり無しでは測定が難しいことが確認された。
【実施例５】
【００３６】
実施例５は、湾曲させた圧電フィルムセンサを有するティンパニの調律装置に関する。
本実施例の圧電センサ１０は、Ｕ字状に湾曲した圧電フィルム１１と、圧電フィルム１１の上面が固定されたアーム１４と、アーム１４に連結された棒状体からなる支持部１５と、支持部１５の下方に設けられた固定部１６とを備える。この圧電センサ１０は、固定部１６から延出される図示しない信号線により、実施例１の第１および第２の増幅器に接続されて使用される。圧電フィルム１１は、上面、下面および湾曲部を有し、上面と下面が略水平となる体勢において、下面がティンパニのヘッド２１に当接する状態で使用される。ここで、上面と下面の長さは同じ長さである必要はなく、下面の一定面積がヘッド２１に当接すれば足りる。
【００３７】
図１４に示すように、圧電センサ１０は、固定部１６によりティンパニのチューニングボルトやフレーム等に着脱自在に固定することができる。本実施例の固定部１６は、ティンパニのチューニングボルト２２をバネ付勢された顎により掴持する器具である。圧電センサ１０は、圧電フィルム１１の下面がティンパニのヘッド２１に当接する位置に取り付けられる。ここで、支持部１５は、ネジ等により棒状体の長さを調節できるように構成することが好ましい。
アーム１４は、圧電フィルム１１がヘッド２１の外周（締め枠）から所定の距離に位置する長さに構成される。
図１５は、本実施例の圧電センサ１０による出力をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルのグラフである。図１５（Ａ）はＧの音を、図１５（Ｂ）ではＥの音を測定した結果を示すところ、前者では９８Ｈｚにピークが見られ、後者では８２Ｈｚにピークが見られ、良好な測定結果が得られることが確認された。
【００３８】
測定可能な周波数は、圧電フィルム１１とヘッド２１との位置関係により異なる。すなわち、圧電フィルム１１のヘッド２１の外周からの距離を変えることにより、測定可能な周波数が異なるものとなる。そのため、ティンパニの半径の範囲でアーム１４の長さをネジ等により長さを調節できるように構成することが好ましい。また、ティンパニ毎にアーム１４の最適長さは異なるため、各メーカーの特定の型番に対応した長さのアーム１４を有する圧電センサ１０を提供するようにしてもよい。
【００３９】
図１６は、図１４のi〜ivの各位置においてＧの音を測定した際の出力をフーリエ変換して得られた周波数スペクトルのグラフである。同図から分かるように、測定となる周波数（９８Ｈｚ）以外のピークの出方が、測定位置（締め枠からの距離）によって異なることが分かる。すなわち、最適な測定位置（同図においてはiiiの位置）を選択することにより、測定対象となる周波数を低ノイズで測定できることを確認することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１  上部電極
２  圧電材料
３  下部電極
４  配線＋
５  配線−
１０  圧電センサ
１１  圧電フィルム
１２  ピン
１３  おもり
１４  アーム
１５  支持部
１６  固定部
２０  ティンパニ
２１  ヘッド
２２  チューニングボルト
２３  フレーム
２４  ケトル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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