JP2009516230A - 楽器用の弦 - Google Patents

Abstract

本開示は二相ステンレス鋼を含む楽器用の弦に関係する。この弦は高い機械的強度と高い弛緩耐性性を有する。また、耐食性も高い。したがって、本開示による弦は長い耐用年数を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は請求項１の序言に記載された弦（string）に関係する。

そのような弦は、とりわけ米国特許４，３３３，３７９号で既知であり、それは青銅で覆われた（bronzed）ねずみ鋳鉄の鋼芯（steel core）を有する。

ギターの弦のような音楽用の弦は、或る特性を有さなければならない。重要な特性は、弦の降伏強さおよび引張強さであり、すなわち機械的強度である。この弦は楽器に張られ演奏されるときに要求される張力に耐えることが出来なければならない。この機械的強度の要求は、弦の直径に応じて決まる。例えば、０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）の弦が楽器に張られるためには、少なくとも１５００ＭＰａの引張強さを有することが必要である。さらに、バチで演奏されるのに耐えることが出来るためには、０．２５４ｍｍの弦が約２５００ＭＰａの引張強さを有することが好ましい。

さらに、別の特性は弛緩耐性である。弛緩耐性とは、基本的にはそのギターがどの程度その調律（tune）を維持できるかである。例えば、直径０．３３ｍｍの弦において１Ｎの大きさの力の低下（loss）は、２Ｈｚの周波数の低下に相当する。通常の人の耳は４４０Ｈｚ〜４４１Ｈｚの間の違いを感知することができ、このことは約１Ｎの力の低下が、２Ｈｚの周波数の不調和（これは人の耳によく聞こえる）を生じることを意味する。このような劣化（drop）が起こる場合、その際ギター奏者は望ましい周波数と音調を得るために弦を再調律しなければならない。弦を再調律することは、弦をさらに引き伸ばし、それゆえにその度に引き伸ばしの結果として直径が小さくなることを意味する。したがって、頻繁な再調律は、材料を弱め、音を悪くし、審美的な外観を損ない、そして最終的には弦の切断に至る。したがって、調律の維持と弦の耐用年数の両方のために、高い弛緩耐性を有することが望ましい。

別の特性は、ワイヤーを要求される寸法に製造できることである。弦の材料を、ワイヤーを脆弱にしたりさらには切断することなく、微細なワイヤー直径に冷間引き出しすることが可能でなければならない。このような脆弱性の理由の一つは、変形によって生じた歪み誘起マルテンサイトの生成である。脆弱性の理由の別の例は、材料が金属間層または粒子を含んでおり、材料がワイヤー製造の間に実質的な変形を受けるときに、金属間層または粒子がクラッキングの開始点として働くことである。さらに、弦は単一のワイヤー、一以上のワイヤーをねじった(twisted)もの、または、くるめた（wrapped）ワイヤーを構成してもよい。これは、次に、ワイヤー材料に対して、その元の形の状態でまたはワイヤーの状態、すなわち既に実質的に変形された状態、であるときに、とりわけねじられることができるほど十分な延性があることを必要とする。

エレキギターのような、電気的な楽器のための弦の場合、弦によって生じる音は、弦の電磁気的特性の結果である。ほとんどのエレキギターは、電磁気的なピックアップを採用しているが、圧電性のピックアップも使用される。この電磁気的なピックアップは、永久磁石を有するコイルから構成される。振動する弦は、コイルを通じて磁束の変化を生じ、したがってコイルに電気的な信号を引き起こす。この信号は次にギターアンプに送られ、そこで信号は処理され増幅される。弦が磁気的であるほど、より高い電圧が生み出され、したがって音も大きくなる。

さらに、音楽楽器の弦はいくつかのことなるタイプの腐食を受けることがある。この腐食は、時がたつにつれて機械的特性および調律特性の両方を劣化させる。弦が受ける或るタイプの腐食は、楽器が保存または演奏される環境に起因する大気腐食である。この腐食は、例えば多湿条件または暖かい場所に多い。例えば、室外で演奏するために使用される音楽楽器は、時が経つにつれて多くの大気腐食を受ける。さらに、弦を演奏するとき、汗や油のような物質が、音楽家から弦に移ることがある。このような物質は、弦の腐食も引き起こすことがある。人の汗は例えば塩化ナトリウムを含み、これは弦を腐食させる。また、弦に付いた油っぽい物質は、弦を腐食させることがある他の物質との結合手段として働き、これにより弦の表面にカバーまたはフィルムが形成される。

一般に通常のギターの弦は、種々のワイヤー直径に引き出しされた通常の高炭素鋼合金から出来ている。炭素鋼は多くの良好な品質を有するが、いくつかの大きな欠点も有する。脆弱性の問題に直面することなく、炭素鋼を高い引張強さと降伏強さに引き出すことは容易である。しかしながら、炭素鋼の腐食特性は十分ではない。また、ナイロンで出来た弦が、例えばモダンクラッシックおよびフラメンコギターで使用される。三つの上側の弦は、通常はモノフィラメントナイロンであるが、一方三つの下側の弦は金属ワインディングでくるんだ（wrapped）ナイロン芯を有する。さらに、フラットトップまたはフォークギターは、上側の二つの弦およびときには３番目の弦に鋼ワイヤーを使用し、一方残りの弦は炭素鋼、ニッケル−鋼、青銅またはステンレス鋼でくるんだ鋼芯を有する。通常、このくるむもの（wrapping）は円形の断面積を有する微細なワイヤーで構成されるが（「丸く巻いた」弦）、ときにステンレス鋼の平坦なリボンがくるむもの（wrapping）に使用される（「平坦に巻いた」弦）。他のバリエーションは「平坦に磨いた」弦（丸いワイヤーで巻いたワイヤーであって、その後平坦に磨かれる）、および鋼芯と金属の外側の巻き付けの間にシルクの巻き付けを有する複合弦である。先に述べたとおり、炭素鋼弦の大きな不利益は腐食であり、そして腐食を阻む多くの試みがなされてきたが、成功していない。天然および合成高分子のような種々の材料で鋼芯を被覆するアイデアがなされてきた。残念ながら、被覆は一般的に弦の振動を低減させ、これは鮮やかさを低下させ、そして音質を劣化させる。

したがって、本発明の目的は、耐用年数を延長させた音楽楽器用の弦を提供することである。

上述の目的は、最初に定義され、且つ、請求項１の特徴記載部に記載された特徴を有する弦によって達成される。

音楽楽器用の弦に二相ステンレス鋼を使用することによって、通常使用される材料に比べて腐食特性が実質的に改善される。さらに、機械的特性および弛緩耐性が、要求を満足し、且つ通常使用される材料に比べてさらに改善される。この弦は、振動のみによって、および磁場の変化を生じる振動によって、音が生じる両方の場所で使用可能である。

音楽弦の挙動を理解するために重要であると証明されている種々の特性は、降伏および引張強さ、熱処理、表面仕上げ、耐食性、アコースティック音、弛緩耐性（調律の安定性）であり、場合により電磁気的特性も含まれる。

強さ、弛緩、耐食性および磁性の重要性は、既に議論された。弦の表面仕上げは、演奏されたときに弦の良好な感触および倍音（harmonic sound）を得るために重要である。アコースティック音は、定量化することができない特性であるが、音楽家（およびおそらくはその聴衆）がその弦をどのように感じるかに関して重要である。本発明の弦のアコースティック音の感じは、一般に使用される炭素鋼弦のそれと変わらない。

本開示による弦は、高い機械的強度、たとえば直径０．３３ｍｍで、冷間引き出し条件の場合に、少なくとも２７００ＭＰａの引張強度を有する。さらに、この弦は弛緩耐性も有し、通常の条件下で演奏したときに１０時間毎に１回よりも頻繁に再調律することを必要としない。

さらに、本開示による弦は、弦を操作する間に弦に移る物質または環境によって引き起こされる腐食に対する優れた耐性を有する。そのような物質の例は、楽器を演奏する人から移る汗や油である。この高い耐食性の結果として、この弦は保護を改善するために被覆することを必要としない。

二相ステンレス鋼は、二つの分かれた相、オーステナイト相およびフェライト相を、通常それぞれ３０〜７０％有する。フェライト相が磁性を有するのに対して、オーステナイト相は非磁性である。本開示による弦は両方の相を有するので、この弦も磁気特性を有する。さらに、弦の製造中に、後で詳述するが、鋼のオーステナイト相が少なくとも部分的にマルテンサイトに変態する。マルテンサイトも磁気相であるので、製造した後で弦がより高いパーセンテージの磁性相を有することになり、弦の磁性はさらに増す。また、磁気特性を必要とする楽器、例えばエレキギター、にこの弦が使用されなければならない場合、例えば、良好な磁気特性を有する他の金属ストランドとともにこの二相ステンレス鋼を巻き付ける／くるむことによって、または捻ることによって、あるいは、さらにそのような材料で二相ステンレス鋼を被覆することによって、弦の磁気特性はさらに改善される。そのような材料の例は、Ｎｉ、ＣｕおよびＣｕ合金である。

弦に使用される好適な二相ステンレス鋼は、概して１９〜２８質量％のＣｒ、４〜１０質量％のＮｉ、好ましくは２１〜２６質量％のＣｒと４〜８質量％のＮｉを含む。本発明による二相ステンレス鋼は、例えば、以下の組成（質量パーセント）：
Ｃ 最大０．５
Ｓｉ 最大１
Ｍｎ 最大２
Ｃｒ ２０〜２７
Ｎｉ ４〜１０
Ｍｏ＋０．５Ｗ ０〜５
Ｎ 最大０．５
Ｃｕ 最大０．７
Ｖ＋Ｔｉ 最大０．５
ＲＥＭ＋Ｂ＋Ｃａ 最大０．５
バランスＦｅおよび通常存在する不純物
を有する。

このようなステンレス鋼の例は、ＵＮＳ Ｓ３１８０３、ＵＮＳ Ｓ３２３０４およびＵＮＳ Ｓ３２７５０である。好ましい実施態様によれば、二相ステンレス鋼は、ＵＮＳ Ｓ３１８０３である。

音楽楽器の弦のために種々の二相ステンレス鋼の中から選択するときの重要な基準は、弦を製造するために材料のワイヤーを造ることができることである。選択された組成物を、脆弱にすることなく、０．２５４ｍｍまたは０．３３ｍｍのような非常に微細な直径に冷間引出しすることができることが前提条件である。したがって、製造中に脆弱なシグマ相を形成するリスクの高い二相ステンレス鋼を選択しないことが、望ましい。一般に、高いＣｒ含有率と組み合わせた過剰なＭｏ含有率は、金属間析出を生成するリスクが高まることを意味する。また、Ｎの高含有率は、特にクロム含有率も高いときに、窒化クロムの析出リスクを増す。したがって、上述の範囲内でＣｒ、ＭｏおよびＮを同時に最大にしないことが望ましい。

弦は、ワイヤー製造のための従来プロセスの冷間引出しによって製造される。この冷間引出しプロセスは、誘起マルテンサイトの変形を生じることを引き起こし、これは機械的強度を増すことおよび磁気材料がより多くなることにつながる。冷間変形の量は、望ましい強度と磁気特性を得るために重要である。この弦はまた、望ましい寸法に変形させた後で、熱処理が可能である。この熱処理は、さらにこの材料の特性を改善する。また、変形があまりに脆弱な材料をもたらす場合に、誘起された歪みを低減するためにその材料に熱処理がされてもよく、これにより材料の延性が増す。これらの熱処理プロセスは、二相ステンレス鋼の当業者に一般的に知られている。

この二相ステンレス鋼のワイヤーを製造するための製造プロセスは、良好な表面仕上げの弦をもたらす。これは、音楽家が演奏するのが快適な弦と感じることを意味する。さらに、この弦で不協和（inharmonicity）のような劣化した特性を感じるリスクはない。

孔食は材料の局所的な腐食攻撃の一種である。それは、例えば、塩素イオンによって引き起こされることが可能であり、音楽の弦の場合の塩素イオンは音楽家の汗から材料と接触しうる。孔食に対する耐性は、臨界孔食温度（ＣＰＴ）を伴って表現され、ＣＰＴは孔食攻撃が起こるリスクを伴うことなく材料を晒すことができる最大温度を指す。

さらに、ステンレス鋼の孔食耐性はしばしば、理論ＰＲＥ−値（孔食耐性当量）と表現され、式１によって与えられる。
式１ ＰＲＥ：％Ｃｒ＋％３．３Ｍｏ＋０．１６％Ｎ

これは、ステンレス鋼のＣｒ、Ｍｏおよび／またはＮ含有率が増加すると耐食性が改善することを意味する。

一実施態様によると、この弦は表面層を備えている。この表面層は、例えば審美的な機能または調律機能を有し、例えば磁性を増す。

他の実施態様によると、この弦は金属ストランドでくるんだ二相ステンレス鋼芯を有する。この実施態様では、少なくとも鋼芯は二相ステンレス鋼でできている。

本開示による弦は、ギター、ヴァイオリン、ピアノ、ハープ等の全ての種類の弦音楽楽器で使用可能である。この弦は単一のワイヤーでもよいが、それはくるんだまたは巻いた弦の形態でもよい。この弦はまた捻られてもよい。

例１
試験ワイヤーは、以下の組成（全て質量パーセント）を有する二相ステンレス鋼で製造した：
０．０３％ Ｃ
０．４％ Ｓｉ
１．５％ Ｍｎ
２２％ Ｃｒ
５．２％ Ｎｉ
３．２％ Ｍｏ
０．１７％ Ｎ
バランスＦｅおよび通常存在する不純物。

この合金は、ＵＳ−標準 ＡＩＳＩ ＵＮＳ Ｓ３１８０３の下で標準化されている。

ワイヤーは、それぞれ０．２５４ｍｍ、０．３３ｍｍおよび０．４３ｍｍの直径に冷間引出しした。引き出した後に、それぞれの直径のワイヤーの一つを４７５℃で約１０分間熱処理し、材料の強度増加および高い弛緩耐性をもたらした。

ＳＳ−ＥＮ１０００２−１の引張試験により降伏強度および引張強度を測定し、炭素鋼でできた８つの異なる比較例の弦と比較した。比較例のおおよその組成を表１に示し、比較例の弦の直径も示す。

降伏（Ｒｐ_０．２）および引張（Ｒｍ）試験の結果を表２に記載し、図１で図解する。これらの試験から、材料を二相ステンレス鋼へ変えることは弦の機械的強度を実質的に低下させないことが明らかである。特に引出しした後で熱処理した二相ステンレス鋼の場合に、強度を改善することがなお可能である。

例２
直径０．３３ｍｍおよび０．４３ｍｍの弦を、ピックで１分あたり約２００回弾くことによって、弛緩耐性を試験した。その組成物は例１の組成物であった。試験は２４時間を超えて行った。ピックで弾く箇所は、コンピューターに接続した力センサーから１８ｃｍのところに設定した。各弦の全長は６５ｃｍであり、弦は両端を二つのプラスチック片の上に置いた。端部のそれぞれと力センサーとの間の距離は５ｃｍであった。弦の初めの張力および初めのエンジニアリングストレスと一緒に、直径および対応する音調周波数を表３に示す。

直径０．３３ｍｍの弦の弛緩試験の結果が図２に図解され、直径０．４３ｍｍの弦の試験試験の結果が図３に図解される。結果は線形式２の形で表４に記載され、ここでｙは力であり、ｋは定数であり、ｘは時間（単位は時）であり、そしてｍは定数である。
式２ ｙ＝ｋ×ｘ＋ｍ

各弦に関する線形式が有するｋ−値／傾斜が小さいほど、弛緩特性は良好である。この結果は、冷間引出し条件の二相ステンレス鋼が、ギターの弦の用途で現在使用されている炭素鋼と同じ弛緩特性を有することを示す。しかし、熱処理されると、弛緩特性は著しく増す。

人の耳は１Ｈｚの調律周波数の変化を感知できる。比較例７の弦は２４時間後に１．５Ｎ低下（約２Ｈｚの周波数低下に相当）し、これは音楽家が１２時間毎に１回比較例７の弦を再調律しなければならないことを意味する。これは本発明と比較することができ、本発明は、直径０．４３ｍｍで冷間引き出しの場合に、０．９Ｎ低下（約１．２Ｈｚの周波数低下に相当）し、２０時間毎に１回再調律が必要である。これは、比較例７に比べて本発明の弦の耐用年数がかなり長くなる結果をもたらした。

例１の合金の磁気共鳴をギターで試験し、比較例６のものと比較した。弦をブリッジから１０ｃｍのところで弾き、０．１０ｍｍ銅ワイヤーのせん断ブレークポイントに相当する力をかけた。銅ワイヤーを、弾かれる弦の廻りに弦に直角に輪にし（loop）、次にブレークポイントまで引っ張った。このやり方で、全ての試験ランについて同じ力を適用した。この手順が繰り返されて、銅ワイヤーが他のポイントでブレークした場合、弾かれる弦と接触する点でも銅ワイヤーのブレークポイントがあるはずである。各弦について、成立した試験を５回一組として行った。次に、これらの５回の試験のデータを集めて、各試験シリーズのグラフを図４と図５に示した。

さらに、材料の磁性質量を試験し、比較例４と比較した。磁性及び非磁性相の量を測定するために、磁気天秤を使用した。磁気天秤は、二つの主要な構成要素、電磁石および歪みゲージを含む。電磁石は二つのくさび形の極の間に強力で不均一な磁場を生じ、そこに試験試料が置かれる。試料中に磁性相が存在する場合、磁力により試料が引き落とされる。この力は磁性相の量に比例するが、次に、この力が歪みゲージによって測定される。この測定操作が試料の飽和磁化を生じ、およびこの鋼について理論飽和磁化を計算することにより、試料中に存在する磁性相の量、すなわち磁性質量、を決定することが可能である。磁性質量試験からの値は、表５に示される。

本発明による合金が、比較例で説明される一般的に使用される炭素鋼よりも、かなり低い磁性を有することは明らかである。これは、本発明による二相ステンレス鋼の弦が、エレキギターのような高い磁性を要求する用途での使用を意図したときに、随意的な実施態様において、より高い磁性を有する材料の追加的なワイヤーと一緒にくるむか捻るかすることにより利益を享受することを示唆する。

例１の合金の腐食特性は既に知られており、したがって試験しなかった。本例の組成物は優れた耐食性を有する。これは臨界孔食温度（ＣＰＴ）により説明され、ｐＨ６．０を有する０．５％Ｃｌ^-溶液および３００ｍＶのＳＣＥ（標準塩化第一水銀電極）で試験したときに、例１の二相ステンレス鋼に対するＣＰＴは約８２℃である。これは、この材料が、例えば人の汗に存在する塩素イオンに起因する孔食に、８２℃の温度まで、耐性を示すことを示唆する。これは、例えば、ステンレス鋼ＡＩＳＩ ３０４の場合の２５℃のＣＰＴと比較することができるが、室温よりも高い温度を有する環境で汗に晒される場合、後者の鋼の適合性はかなり低いものである。

さらに、参考として、同じ条件で試験した場合、ＵＮＳ Ｓ３２３０４が３２℃のＣＰＴを有し、ＵＮＳ Ｓ３２７５０は＞１００℃のＣＰＴ値（上記の値は試験しなかった）を有する。

本発明および８つの比較用弦組成物の、０．３３ｍｍおよび０．４３ｍｍの直径を有する、弦の引張試験の結果を説明する。 本発明および比較用弦の、０．３３ｍｍの直径を有する、弦の弛緩試験の結果を説明する。 本発明および比較用弦の、０．４３ｍｍの直径を有する、弦の弛緩試験の結果を説明する。 本発明の弦の磁気共鳴試験の結果を説明する。 比較例の弦の磁気共鳴試験の結果を説明する。

Claims (13)

1. 二相ステンレス鋼を含むことを特徴とする、楽器用の弦。
2. 二相ステンレス鋼が、１９〜２８質量パーセントのＣｒ、および４〜１０質量パーセントのＮｉを含むことを特徴とする、請求項１に記載の弦。
3. 二相ステンレス鋼が、以下の組成（全て質量パーセント）：
   Ｃ 最大０．５
   Ｓｉ 最大１
   Ｍｎ 最大２
   Ｃｒ ２０〜２７
   Ｎｉ ４〜１０
   Ｍｏ＋０．５Ｗ ０〜５
   Ｎ 最大０．５
   Ｃｕ 最大０．７
   Ｖ＋Ｔｉ 最大０．５
   ＲＥＭ＋Ｂ＋Ｃａ 最大０．５
   バランスＦｅおよび通常存在する不純物
   を有することを特徴とする、請求項２に記載の弦。
4. 二相ステンレス鋼が、ＵＮＳ Ｓ３１８０３であることを特徴とする、請求項３に記載の弦。
5. 二相ステンレス鋼が、ＵＮＳ Ｓ３２７５０であることを特徴とする、請求項２に記載の弦。
6. 二相ステンレス鋼が、ＵＮＳ Ｓ３２３０４であることを特徴とする、請求項２に記載の弦。
7. 直径が０．３３ｍｍであるときに、少なくとも２７００ＭＰａの引張強度を有することを特徴とする、請求項１に記載の弦。
8. 少なくとも１０時間で２Ｈｚの周波数の低下に耐えるような、弛緩耐性性を有することを特徴とする、請求項１に記載の弦。
9. 二相ステンレス鋼が冷間引出しされたものであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の弦。
10. 二相ステンレス鋼が熱処理されたものであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の弦。
11. 金属ストランドでくるんだ二相ステンレス鋼芯を有することを特徴とする、請求項１に記載の弦。
12. 表面層を備えることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の弦。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の弦を有することを特徴とする、音楽楽器。

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