【Arduino電子ピアノ】圧電ブザーで音楽演奏！tone関数の使い方完全ガイド

はじめに：Arduinoで音楽を奏でる楽しさ

「電子工作で楽器を作ってみたい！」そう思ったことはありませんか？

今回は、Arduino UNO R4と圧電ブザーを使って、本格的な電子ピアノを自作します。プログラミングで音階をコントロールし、実際に曲を演奏できる楽器を、たった1時間程度で作ることができます。

この記事では、音が鳴る仕組みから回路設計、プログラミングまで、初心者の方にもわかりやすく丁寧に解説していきます。記事の最後には、実際にArduinoが「パプリカ」を自動演奏する様子もお見せします！

📝 この記事で学べること：

• 圧電ブザーから音が鳴る仕組み
• tone関数を使った音階の生成方法
• 電子ピアノの回路設計と配線
• 実際に曲を演奏するプログラミング技術

💡 Arduinoが初めての方へ
Arduino IDEのインストールや基本的な使い方については、こちらの記事をご覧ください：
👉 【Arduino入門】開発環境の準備とLED点滅でHello World！

🎵 必要な部品リスト

必須部品

オプション部品（視覚効果用）

💡 推奨スターターキットのご紹介

これから始める方には、Arduino UNO R4と基本部品がセットになったスターターキットがおすすめです。個別に揃えるより経済的で、すぐに始められます。

ℹ️ 重要な注意点
圧電ブザーには「アクティブ型」と「パッシブ型」があります。今回使用するのは**パッシブ型（自励式）**です。アクティブ型は単一の音しか鳴らせないため、必ずパッシブ型を選んでください。パッケージに「Passive Buzzer」または「圧電スピーカー」と記載されているものを選びましょう。

🔧 圧電ブザーの仕組みを理解しよう

圧電効果とは？

圧電ブザーは、**圧電効果（ピエゾ効果）**という物理現象を利用して音を鳴らします。圧電セラミックと呼ばれる特殊な素材は、電圧をかけると物理的に伸び縮みする性質を持っています。

音が鳴る仕組み：

1. 電圧ON → 圧電セラミックが伸びる → 金属板が押される → 「カチッ」
2. 電圧OFF → 圧電セラミックが縮む → 金属板が引っ張られる → 「カチッ」
3. この伸縮を高速で繰り返す（例：毎秒440回）→ 連続した音（ラの音）として聞こえる

音階と周波数の関係

音の高さ（音階）は、**振動の速さ（周波数）**で決まります。周波数が高いほど高い音、低いほど低い音になります。

例：

• ド（C4）: 523.3 Hz（1秒間に523.3回振動）
• ラ（A4）: 880 Hz（1秒間に880回振動）

つまり、Arduinoから目的の音階に対応する周波数のパルス信号を出力すれば、圧電ブザーがその音階を鳴らしてくれるのです！

📐 回路設計と配線方法

回路図の全体構成

回路の構成要素：

配線のポイント

1. 圧電ブザーの接続

   • プラス（赤）→ D2ピン
   • マイナス（黒）→ GND

2. タクトスイッチの接続

   • 一方の端子 → D3〜D10ピン（各1本ずつ）
   • もう一方の端子 → GND（共通）
   • プログラムで内部プルアップを有効化するため、プルアップ抵抗は不要

3. LED（オプション）の接続

   • アノード（長い足）→ 各ピン（D3〜D10）と330Ω抵抗経由
   • カソード（短い足）→ GND（共通）

💡 LED抵抗値の計算方法
LEDを使う場合の抵抗値計算については、こちらの記事で詳しく解説しています：
👉 電子工作の登竜門｜LEDを光らせる【オームの法則】

ブレッドボード配線例

配線のコツ：

• ジャンパー線の色を統一すると、後からトラブルシューティングがしやすくなります
  • 赤：5V電源
  • 黒：GND
  • 青：デジタル入力
  • 黄：デジタル出力
• 配線が交差しないように、できるだけシンプルなルートを選びましょう

💻 プログラムコードの実装

完全なソースコード

// Arduino電子ピアノプログラム
// 圧電ブザーで8音階を演奏

void setup()
{
    // D3～D10ピンを入力モードに設定し、内部プルアップを有効化
    for(int i=3; i<=10; i++) {
        pinMode(i, INPUT);
        digitalWrite(i, HIGH); // 内部プルアップ抵抗を有効化
    }
    
    // D2ピンは圧電ブザー用（tone関数が自動設定するため明示不要）
}

void loop()
{
    int frequency = 0; // 出力する周波数を格納する変数

    // 各タクトスイッチの状態をチェックし、対応する周波数を設定
    if(digitalRead(3)==LOW)  frequency = 523;  // ド（C4）
    if(digitalRead(4)==LOW)  frequency = 587;  // レ（D4）
    if(digitalRead(5)==LOW)  frequency = 659;  // ミ（E4）
    if(digitalRead(6)==LOW)  frequency = 698;  // ファ（F4）
    if(digitalRead(7)==LOW)  frequency = 784;  // ソ（G4）
    if(digitalRead(8)==LOW)  frequency = 880;  // ラ（A4）
    if(digitalRead(9)==LOW)  frequency = 988;  // シ（B4）
    if(digitalRead(10)==LOW) frequency = 1046; // ド（C5）高いド

    // 周波数が設定されていれば音を鳴らし、なければ停止
    if (frequency != 0) {
        tone(2, frequency);  // D2ピンから指定周波数のパルス信号を出力
    } else {
        noTone(2);           // 音を停止
    }
}

コードの詳細解説

setup関数（初期設定）

for(int i=3; i<=10; i++) {
    pinMode(i, INPUT);
    digitalWrite(i, HIGH); // 内部プルアップ
}

何をしているのか？

• D3～D10ピンを「入力モード」に設定
• digitalWrite(i, HIGH) で内部プルアップ抵抗を有効化
  • スイッチが押されていない時：HIGH（5V）
  • スイッチが押された時：LOW（0V）
  • 外部にプルアップ抵抗を付ける必要がなくなります

loop関数（メイン処理）

ステップ1：スイッチの状態を確認

if(digitalRead(3)==LOW) frequency = 523;

• digitalRead(3) でD3ピンの状態を読み取り
• LOWなら（スイッチが押されているなら）周波数を523Hzに設定

ステップ2：音を出力

if (frequency != 0) {
    tone(2, frequency);
} else {
    noTone(2);
}

• tone(ピン番号, 周波数) で指定した周波数のパルス信号を出力
• どのスイッチも押されていない場合（frequency == 0）は noTone() で音を停止

tone関数の仕組み

tone(pin, frequency) は、Arduinoに標準搭載されている便利な関数です。

機能：

• 指定したピンから、指定した周波数の矩形波（パルス信号）を出力
• 内部的にタイマー割り込みを使用して、正確な周波数を生成
• 複数のピンで同時に使うことはできません（Arduino UNO/R4では1つのピンのみ）

使用例：

tone(2, 440);      // D2ピンから440Hz（ラの音）を出力
tone(2, 880, 500); // 500ミリ秒間だけ880Hzを出力（第3引数で時間指定）
noTone(2);         // 音を停止

🔗 詳しく知りたい方へ
Arduino tone()関数の公式リファレンス： https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/advanced-io/tone/

よくある質問

Q: なぜif文が8個も並んでいるの？switch文じゃダメ？

A: もちろんswitch文でも書けます！ただし、この書き方には「複数のスイッチを同時に押した時、最後にチェックしたスイッチの音が優先される」という特徴があります。より高度な実装（和音を鳴らすなど）をしたい場合は、配列を使った方法もあります。

Q: 音が出ない場合は？

A: 以下をチェックしてください：

1. 圧電ブザーの極性（+/−）が正しいか
2. 使っているのが「パッシブ型」の圧電ブザーか（アクティブ型では音階が変えられません）
3. タクトスイッチの配線が正しいか
4. シリアルモニタで Serial.println(digitalRead(3)); などを使って、スイッチの状態を確認

🎼 音階と周波数の対応表

音階（ドレミファソラシド）は、それぞれ決まった周波数を持っています。以下は、ピアノの「中央ド（C4）」を基準とした3オクターブ分の周波数表です。

主要な音階の周波数一覧

📝 豆知識

• ラ（A4）= 440Hz は、世界標準の「基準音」として定められています（ISO 16規格）
• オクターブが1つ上がると、周波数はちょうど2倍になります（例：A4=440Hz → A5=880Hz）
• 今回のプログラムでは、太字の**オクターブ4（中央ド）**の音階を使用しています

プログラムでの使用例

上記の表から好きな周波数を選んで、プログラムに組み込むことができます：

// 低い音域を使いたい場合（オクターブ3）
if(digitalRead(3)==LOW) frequency = 262;  // 低いド（C3）

// 高い音域を使いたい場合（オクターブ5）
if(digitalRead(3)==LOW) frequency = 1047; // 高いド（C5）

🧪 実践！電子ピアノを組み立てて演奏してみよう

完成した回路

回路図に従って、ブレッドボード上に実際に組み立ててみました。

配線のポイント：

• ジャンパー線が多く複雑に見えますが、パターンは同じことの繰り返しです
• 1つずつ丁寧に配線していけば、初心者でも30分程度で完成します
• より本格的に仕上げたい方は、ユニバーサル基板にはんだ付けするとコンパクトで丈夫になります

動作テストの手順

1. Arduino IDEでプログラムを書き込み

   • 上記のコードをArduino IDEにコピー＆ペースト
   • ボードは「Arduino UNO R4 Minima」または「Arduino UNO R4 WiFi」を選択
   • 「マイコンボードに書き込む」ボタンをクリック

2. 動作確認

   • タクトスイッチを1つずつ押して、それぞれ違う音が鳴るか確認
   • LEDを付けている場合は、押したスイッチが光るか確認
   • 音が出ない場合は、上記の「よくある質問」を参照

3. 実際に演奏してみる

   • まずは「ドレミファソラシド」と順番に押してみましょう
   • 慣れてきたら、簡単な曲に挑戦！

📺 演奏デモ動画：ドレミの歌

実際にこの電子ピアノで「ドレミの歌」を演奏してみました。8bitゲーム音楽のような懐かしいサウンドが楽しめます！

動画のポイント：

• タクトスイッチを押すとLEDが光り、同時に対応する音が鳴ります
• 手動演奏なので、リズムは多少ずれますが、それも手作り楽器の味わいです
• 圧電ブザーの素朴な音色が、レトロな雰囲気を醸し出しています

🎁 応用編：Arduinoで曲を自動演奏させよう

手動演奏も楽しいですが、プログラミングの力を使えば、Arduinoに自動で曲を演奏させることもできます！

自動演奏プログラムの基本

tone() 関数に第3引数を追加すると、指定した時間だけ音を鳴らすことができます：

tone(2, 523, 500);  // D2ピンから523Hz（ド）を500ミリ秒間出力
delay(550);         // 音の長さ + 少し間を空ける

これを応用して、音階と音の長さの配列を作れば、メロディを自動演奏できます：

// メロディの例：ドレミファソファミレド
int melody[] = {523, 587, 659, 698, 784, 698, 659, 587, 523};
int noteDurations[] = {4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4}; // 4分音符

void loop() {
    for (int i = 0; i < 9; i++) {
        int noteDuration = 1000 / noteDurations[i];
        tone(2, melody[i], noteDuration);
        delay(noteDuration * 1.3); // 音と音の間に少し間隔を空ける
    }
    delay(2000); // 2秒待ってから繰り返し
}

📺 自動演奏デモ：パプリカ

実際に「パプリカ」のメロディをプログラムで自動演奏させてみました。このレトロな8bitサウンドは、ファミコン世代には懐かしく、若い世代には新鮮に聞こえるはずです！

自動演奏のメリット：

• 複雑な曲でも正確に演奏できる
• リズムやテンポが安定する
• 電源を入れるだけで曲が流れる「オルゴール」のような装置が作れる
• MIDI音源のような本格的な演奏システムへの第一歩

さらなる応用アイデア

基本ができたら、次のような拡張に挑戦してみましょう：

1. 複数の曲を切り替え

   • ボタンを追加して、曲を選択できるようにする

2. 音量調整機能

   • PWMとアンプICを使って音量を変えられるようにする

3. 録音・再生機能

   • EEPROMやSDカードに演奏データを保存
   • 自分で弾いたメロディを記録して再生

4. MIDIコントローラー化

   • USBシリアル通信でPCに接続
   • DAWソフト（DTMソフト）と連携して本格的な音源を鳴らす

🧠 まとめ：電子ピアノ製作で学んだこと

この記事では、Arduinoと圧電ブザーを使った電子ピアノの製作を通じて、以下の技術を学びました：

習得した知識・技術

✅ 圧電効果の原理

• 電圧で物質が伸び縮みする圧電効果を利用して音を発生
• 周波数（振動の速さ）が音の高さを決定する

✅ tone関数の使い方

• tone(pin, frequency) で任意の音階を生成
• tone(pin, frequency, duration) で音の長さも指定可能
• noTone(pin) で音を停止

✅ デジタル入力の基礎

• 内部プルアップ抵抗の活用で外部抵抗を削減
• タクトスイッチの状態読み取り
• 複数入力の効率的な処理方法

✅ 回路設計の実践

• ブレッドボードでの配線技術
• 電源とGNDの適切な分配
• 部品配置の最適化

次のステップへ：さらなる挑戦

この電子ピアノは、基本的な電子楽器です。ここから先は、あなたのアイデア次第で無限に拡張できます：

🎯 初級レベルの拡張

• 音階を増やす → タクトスイッチを12個にして半音（#/♭）を追加
• オクターブ切替 → 1つのボタンでオクターブを上下できるようにする
• LEDパターン → 演奏に合わせてLEDを点滅させるエフェクトを追加

🎯 中級レベルの拡張

• 録音・再生機能 → 演奏を記録してリピート再生
• リズムパターン → ドラムマシンのようなリズム伴奏を追加
• 液晶ディスプレイ → 押した音名や曲名を表示

🎯 上級レベルの拡張

• MIDI対応 → PC用音源ソフトと連携
• Bluetooth連携 → スマートフォンアプリで制御
• マルチティンバー → 複数の音色を切り替え可能に

電子工作の可能性は無限大

この記事で作った電子ピアノは、「センサー入力 → データ処理 → 出力」という、すべての電子工作に共通する基本パターンを含んでいます。

この基礎を応用すれば、次のようなプロジェクトにも挑戦できます：

• IoTデバイス → センサーデータをクラウドに送信
• 自動制御システム → 温度や湿度に応じて機器を制御
• ロボット → モーターやサーボを制御して動く装置を製作
• ゲーム機 → レトロゲーム風の電子ゲームを自作

あなたの想像力が、電子工作の可能性を無限に広げます。

ぜひこの記事をきっかけに、次のプロジェクトに挑戦してみてください。作品ができたら、SNSでシェアしていただけると嬉しいです！

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Happy Making! 🎵✨