AT508620B1 - Elektronisches musikinstrument - Google Patents

Abstract

Bei einem elektronischen Musikinstrument mit einer Konzertflügelklaviatur werden an Stelle von Saiten die von einer oder mehreren Platinen (8) kammartig auskragenden Messwertaufnehmer (5) in Form von elastischen Zungen (7) mit jeweils mindestens einem Dehnungssensor (6,6') im Wurzelbereich der Zunge (7) von einem Hammerkopf (4) angeschlagen. Vorzugsweise tragen die Zungen (7) vier Dehnungssensoren (6,6') im Übergangsbereich zu der Platine (8), paarweise oben und unten auf der Zunge (7) und bilden eine Brückenschaltung. Die Zungenschwingung verursacht Druck- und Zugspannungen, die als elektrische Signale von den Dehnungssensoren (6,6') abgegeben und in Microcontrollern als Auswerteschaltung umgesetzt werden. Ein Rechner (9) verfügt über ein MIDI Interface und setzt die Signale jeweils in einen Ton um, wobei die Signale die im Rechner (9) gespeicherten wiederzugebenden Töne (z.B. authentische Klaviersaitentöne) abrufen. Die für den Ton maßgebende Schwingungskurve kann durch Gewichte auf jeder Zunge (7) beeinflusst werden. Eine synthetische Kalibrierung der Zunge (7) durch Gewichte, die wieder entfernt werden, ist möglich.

Description

österreichisches Patentamt AT508 620B1 2012-06-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein elektronisches Musikinstrument mit einer Klaviatur, die eine Konzertflügelmechanik mit beispielsweise 88 oder 97 Tasten umfasst, die über ein Hebelsystem jeweils einen Hammerkopf in eine Schwenkbewegung in Richtung auf einen Messwertaufnehmer versetzen, der an Stelle einer Saite montiert ist und der Sensorelemente zur Erfassung von Anschlagparametern, insbesondere der Anschlagstärke und zur Weiterleitung der Signale an einen Rechner für die Tonwiedergabe einschließt. Neben den weit verbreiteten Keyboards sind elektronische Klaviere bekannt. Innerhalb dieser Gruppe besteht eine Nachfrage nach solchen Instrumenten, die sich im Anschlaggefühl für einen Pianisten nicht von einem Konzertflügel unterscheiden. Natürlich soll auch der Ton, wenn gleich dieser elektronisch generiert bzw. aus einer Datenbank abgerufen wird, jenem einer schwingenden Saite entsprechen.

[0002] Ein Klaviaturmusikinstrument dieser Art ist in der DE 1 964 4780 A1 beschrieben. Es wird eine Klaviatur eines Pianos eingesetzt, die eine Hammeranordnung einschließt. An Stelle von mit Filz belegten schmalen Hammerköpfen werden zylindrische Körper aus Metall oder Kunstharz an den freien Enden der Hammerstiele eingesetzt. Diese schlagen jeweils gegen einen starr angeordneten Messwertaufnehmer, der ein piezoelektrisches Element umfasst, welches zwischen geräuschabsorbierenden Schichten eingebettet ist. Ein solcher Messwertaufnehmer entspricht hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften nicht einer durch Anschlägen zur Schwingung gebrachten Saite.

[0003] Aus der EP 1 975 921 A2 ist ein Musikinstrument bekannt, das sämtliche Bauelemente eines Konzertflügels umfasst, jedoch zusätzlich eine Einrichtung zum Stummschalten und zum Einschalten von elektronischen Komponenten zur Tonerzeugung aufweist. Das Umschalten und Stummschalten der Saiten erfolgt durch Abfangen der Hämmer vor Erreichen der Saiten. Den Tasten der Klaviatur werden unmittelbar die Messwertaufnehmer für die elektronische Tonerzeugung zugeordnet, so wie dies auch bei Keyboards der Fall ist. Die Messwertaufnehmer sind als Tastensensoren in Form von Solenoiden ausgebildet, wobei Eisenkerne in den Spulen eintauchen. Abhängig vom Tastenweg beim Anschlag und von der Geschwindigkeit erfolgt das Einschalten und Abschalten des elektronisch generierten Tones, jeweils anschwellend und abschwellend. Ab dem Abschalten beim Loslassen einer Taste kann ein Nachklang generiert werden, bis ein Dämpfersignal erfolgt. Die eigentlichen Töne sind gespeichert und werden über ein digitales Interface (MIDI-Musical Instrument Digital Interface) in bekannterWeise abgerufen. Dieses Klavier verfälscht durch Abfangen der Hämmer das Anschlaggefühl des Pianisten.

[0004] Aus der JP 2000112460 A ist eine Tastatur bekannt, die beim Anschlag den Eindruck eines Klaviers vermitteln soll. Während vielfach bei kostengünstigen Ausführungen die Tasten gegen einen dem Klavier nachempfundenen Widerstand in Form von Federn oder der gleichen angeschlagen werden, ist hier eine Klaviermechanik zusätzlich zu den mit den Tasten direkt verbundenen Sensoren für einen Tongenerator vorhanden. Es wird beim Tastenanschlag der Ton generiert und auch jeweils ein Hammerkopf gegen eine federnde Zunge in Bewegung gesetzt, die den Hammerkopf möglichst geräuschlos zurückwerfen soll. Diese Zungen können kammartig von einem plattenförmigen Streifen auskragen, der fest mit einem Chassis verschraubt ist. Die Ausführung zielt auf eine zusätzliche Hammermechanik ab, die selbst keinen Ton generiert und weitgehend geräuschlos einen Klavieranschlag vortäuscht.

[0005] Die Erfindung zielt darauf ab, ein elektronisches Musikinstrument der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das einem Pianisten - z.B. zu Übungszwecken für einen Konzertauftritt - ein Anschlaggefühl vermittelt, das von jenem eines Konzertflügels nicht zu unterscheiden ist und weiters ein authentisches Klangbild gespielter Klaviertöne vermittelt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Messwertaufnehmer Dehnungssensoren vorzugsweise im Wurzelbereich von an sich bekannten, in der Position von Klaviersaiten angeordneten Zungen umfassen, die von einer starr befestigten Platine kammartig auskragen, wobei die Dehnungssensoren bei Auslenkung der jeweiligen Zunge durch den Anschlag eines zugeordneten Hammerkopfes ein elektrisches Signal über Leiterbahnen der Platine an eine Auswerteschaltung führen, das nach 1 /5 österreichisches Patentamt AT508 620 B1 2012-06-15

Größe und zeitlichem Verlauf dem Anschlag entspricht und dass der Rechner die wiederzugebenden Töne im Rahmen einer MIDI-Schaltung als Speicherinhalte enthält, die durch das von der Auswerteschaltung kommende Signal für die akustische Wiedergabe abrufbar sind. Die Messwertaufnehmer in der besonderen Ausführungsform sind somit nicht unmittelbar unter den Tasten angeordnet und werden auch nicht durch harte Hämmer mit harten Köpfen angeschlagen. Es handelt sich um frei schwingende Zungen, die die Originalsaiten nicht nur örtlich, sondern auch im Sinne ihrer Eigenschaften ersetzen. Genauso, wie eine angeschlagene Saite den Hammerkopf zurückschleudert, reagieren die kammartig auskragenden, biegsamen Zungen mit den Dehnungssensoren. Das Signal der Dehnungssensoren entspricht einer elektrischen Schwingung, die hinsichtlich ihrer Parameter den besonderen Anschlag des Pianisten kennzeichnet. Im Rechner sind die Töne gespeichert, die beispielsweise von einem Konzertflügel aufgenommen wurden und die dann durch das vorgenannte Signal bzw. auf Grund der Signalparameter selektiert ("aus dem Rechner abgeholt") werden. Es ist zweckmäßig, wenn mindestens ein Dehnungssensor auf jeweils einer Zunge vorgesehen ist, wobei die Zungen aus mehrschichtigen Kunststoffplatten aufgebaut sind und unterschiedliche Längen, gegebenenfalls unterschiedliche Breiten und insbesondere auch unterschiedliche Trapezformen aufweisen. Diese Zunge reagiert auf Grund ihrer Stärke, Materialauswahl, ihres Aufbaues und ihrer Formgebung genauso wie die Saite, die von der Zunge gewissermaßen ersetzt wird.

[0006] Eine Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungssensoren auf den elastischen Zungen jeweils zu beiden Seiten der Zungen, insbesondere in Brückenschaltung mit vier Dehnungssensoren, angeordnet sind. Die Dehnungssensoren, sind stäbchenförmig ausgebildet und mit ihrem Anfang und Ende in Längsrichtung der Zunge jeweils fest mit der Zunge verbunden. Diese Sensoren können Dehnungen und Stauchungen erfassen, also Signale entsprechend und proportional den Schwingungen der Zunge wiedergeben, auf der sie angeordnet sind. Die mehrfache Anordnung ermöglicht den Aufbau der erwähnten Brückenschaltung im Rahmen der Auswerteschaltung auf der Platine. Es werden als Parameter Kurvenform und Schwingungsamplituden über der Zeitachse aufgenommen und ausgewertet. Um einen Ton richtig wiederzugeben, wird eine Kalibrierung vorgenommen. Dazu weist die Zunge in Längsrichtung Bohrungen zum Anbringen von Gewichten auf. Durch Gewichtveränderung der Zunge wird ein anderes Schwingungsverhalten erreicht und somit eine andere Kurvenform hervorgerufen. Sobald diese auf Grund der Kalibrierung durch die temporär aufgebrachten Gewichte dem gewünschten Klang und der entsprechenden Lautstärke entspricht, wird diese fixiert, sodass die Gewichte von der Zunge für die Zukunft entfernt werden können (synthetische Kalibrierung). Um den Ton perfekt zu erzeugen bzw. abzurufen und wiederzugeben, ist es erforderlich, dass ein weiterer Messwertaufnehmer als Sensor innerhalb der Klaviatur zur Erfassung des Tastenweges ab dem Anschlag bis zum Aufsetzzeitpunkt eines Dämpfers vorgesehen ist und dass das Signal dieses und des in Saitenposition vorgesehenen Messwertaufnehmers dem Rechner zuführbar ist, der ein MIDI - Signal generiert und dieses in einen Ton umsetzt. Damit wird der Ton ausgewählt bzw. aus dem Speicher des Rechners abgeholt und der Zeitpunkt (Beginn und Ende) seiner Wiedergabe bestimmt. Die Intensität ergibt sich durch den Anschlag auf die Zunge. Wichtig ist hier in erster Linie die Vermittlung des Anschlaggefühls durch die Beibehaltung der Konzertflügelklaviatur einschließlich der unveränderten Hammerköpfe, die auf die Zungen mit den Dehnungssensoren fast unhörbar schlagen, welche in mechanischer Hinsicht (Schwingungsverhalten) den jeweiligen Saiten nachgebildet sind.

[0007] Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in den Zeichnungen dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die Tastaturmechanik eines Konzertflügels und Fig. 2 ein Detail aus Fig. 1 in Draufsicht, zusammen mit einer elektronischen Schaltung.

[0008] Eine Klaviermechanik einer handelsüblichen Bauart wird beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 als Ausgangsbasis verwendet. Eine Taste 1 ist Teil eines zweiarmigen Hebels, der einerseits an einem Dämpferhebel 3 anliegt und der andererseits über ein mehrfaches Hebelsystem einen Hammerkopf 4 nach oben schleudert (Pfeilrichtung). An Stelle einer Klaviersaite ist dort ein Messwertaufnehmer 5 vorgesehen. Dieser umfasst für jede Saite mindestens 2/5 österreichisches Patentamt AT508 620 B1 2012-06-15 einen kammartig von einer Platine 8 auskragenden Dehnungssensor 6, 6'. Dieser ist auf einer elastischen Zunge 7, hier im Übergangsbereich zwischen der Zunge 7 und einer Platine 8, angeordnet. Diese Baueinheit ist hinsichtlich der Materialauswahl, dem eventuellen Schichtenaufbau und der Materialstärken sowie hinsichtlich der Formgebung so beschaffen, dass der Hammerkopf 4 beim Anschlägen auf die Zunge 7 die völlig gleichen Eigenschaften vorfindet, wie bei einer Klaviersaite dieser Tonhöhe. Insbesonders bezieht sich diese Charakteristik auf die Elastizität, die das Reflexionsverhalten des Hammerkopfes 4 bestimmt. Durch Aufbringen von Gewichten (nicht dargestellt) kann allenfalls eine weitere Verbesserung erreicht werden. Es wird damit sichergestellt, dass der Pianist beim Spielen des elektronischen Klaviers exakt das Anschlagempfinden hat, wie bei einem (seinem) Konzertflügel.

[0009] Es können mehr als ein Dehnungssensor 6, 6' (Dehnungsmessstreifen) auf der Zunge 7, insbesondere im Übergangsbereich zur Platine 8, z.B. also vier Dehnungssensoren 6, 6' in Brückenschaltung, vorgesehen sein. Im letzten Fall können diese Dehnungssensoren 6, 6' einander paarweise oberhalb und unterhalb der Zunge 7 im Wurzelbereich derselben gegenüberliegen und an der Brückenschaltung auf der Platine 8 angeschlossen sein (Fig. 2). Die Dehnungssensoren 6, 6' generieren Spannungssignale bei Dehnung und Stauchung (Zug und Druck) entsprechend der Schwingung der Zunge 7 bei und nach einem Anschlag durch den Hammerkopf 4. Die elektrischen Signale ergeben über die Zeitachse eine Kurvenform, die für den Ton und den Klang von Bedeutung ist. Bei einem Anschlag steigt die Spannung zuerst an, bis ein maximaler Wert erreicht ist. Dies ist der Zeitpunkt, da der Hammerkopf 4 seine Bewegungsrichtung ändert. Der Maximalwert wie auch der Beginn und das Ende des elektrischen Signals - im Intervall, da der Dämpferhebel 3 von einem Reflexionssensor 10 abhebt und wieder aufsetzt - sind maßgebend. Zur Kalibrierung vor einem Speichern wird diese Kurvenform optimiert. Dazu sind in der Zunge 7 Bohrungen für temporär eingesetzte Kalibrierungsgewichte vorgesehen. Sobald die Kurvenform bzw. der Klang bei einem Anschlag optimal ist, wird diese Kurvenform gespeichert. Sie entspricht der Saitencharakteristik bei einem mechanischen Klavier. Die Gewichte können entfernt werden, da es sich um eine synthetische Kalibrierung handelt, die jedenfalls auf elektronischem Weg durch Speicherung und wiederkehrendes Abrufen bei jedem Anschlag erhalten bleibt.

[0010] Fig. 2 zeigt die Platine 8 im Aufriss mit der Zunge 7. Von einer Platine 8 können auch mehrere Zungen 7 parallel zueinander auskragen. Auf der Zunge 7 sind zwei oben liegende Dehnungssensoren 6' zu sehen. Diese sind zusammen mit den beiden unten liegenden, nicht sichtbaren Dehnungssensoren 6 als Viererbrücke an die Platine 8 angeschlossen, die als Microcontroller mit einer Auswerteschaltung ausgebildet ist und mit einem Rechner 9 in Verbindung steht. Der Rechner 9 enthält im Speicher die eigentlichen Töne und umfasst ein Musical Instrument Digital Interface, also eine MIDI - Schaltung. Ein Eingang des Rechners 9 ist an einen Reflexsensor 10 beim Dämpferhebel 3 und an einen Tastensensor 11 (Fig. 1) angeschlossen. Es wird so die Länge des Tones vom Anschlag bis zum Aufsetzten des Dämpfers und der Klang zusätzlich beeinflusst. Gemäß Fig. 2 schließt an den Rechner 9, der auch einen Tongenerator enthalten kann, ein Verstärker 12 und ein Lautsprecher 13 an. Es wird hier natürlich nur eine prinzipielle Anordnung der elektronischen Baugruppen wiedergegeben.

[0011] Für die Ansteuerung der MIDI-Schaltung wird ein Datenstrom seitens der Platine 8 generiert. Maßgebend sind Anschlagstärke (velocity), nämlich die Maximalwerte der Dehnungssensoren 6, 6', der Anschlagzeitpunkt (Note on), also der Zeitpunkt bei Erreichen des Maximalwertes, ferner das Ende des Tones (Note off), wenn der Dämpferhebel 3 den Aufsetzpunkt erreicht (Reflexsensor 10) und Pedalwerte, die über eigene, hier nicht dargestellte Sensoren die Position der Pedale (analog) erfassen. Im konkreten Fall ergibt sich eine Anschlagstärke in 127 Stufen und die Zeitachse für Note on und off erfasst Veränderungen innerhalb einer Millisekunde. 3/5

Claims (4)

1. österreichisches Patentamt AT508 620B1 2012-06-15 Patentansprüche 1. Elektronisches Musikinstrument mit einer Klaviatur, die eine Konzertflügelmechanik mit beispielsweise 88 oder 97 Tasten umfasst, die über ein Hebelsystem jeweils einen Hammerkopf (4) in eine Schwenkbewegung in Richtung auf einen Messwertaufnehmer (5) versetzen, der an Stelle einer Saite montiert ist und der Sensorelemente zur Erfassung von Anschlagparametern, insbesondere der Anschlagstärke und zur Weiterleitung der Signale an einen Rechner (9) für die Tonwiedergabe einschließt dadurch gekennzeichnet, dass die Messwertaufnehmer (5) Dehnungssensoren (6, 6') vorzugsweise im Wurzelbereich von an sich bekannten, in der Position von Klaviersaiten angeordneten Zungen (7) umfassen, die von einer starr befestigten Platine (8) kammartig auskragen, wobei die Dehnungssensoren bei Auslenkung der jeweiligen Zunge (7) durch den Anschlag eines zugeordneten Hammerkopfes (4) ein elektrisches Signal über Leiterbahnen der Platine (8) an eine Auswerteschaltung führen, das nach Größe und zeitlichem Verlauf dem Anschlag entspricht und dass der Rechner (9) die wiederzugebenden Töne im Rahmen einer MIDI-Schaltung als Speicherinhalte enthält, die durch das von der Auswerteschaltung kommende Signal für die akustische Wiedergabe abrufbar sind.
2. 2. Elektronisches Musikinstrument nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dehnungssensor (6, 6') auf jeweils einer Zunge (7) vorgesehen ist, wobei die Zungen (7) aus mehrschichtigen Kunststoffplatten aufgebaut sind und unterschiedliche Längen, gegebenenfalls unterschiedliche Breiten und insbesondere auch unterschiedliche Trapezformen aufweisen.
3. 3. Elektronisches Musikinstrument nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungssensoren (6,6') auf den elastischen Zungen (7) jeweils zu beiden Seiten der Zungen (7), insbesondere in Brückenschaltung mit vier Dehnungssensoren, angeordnet sind.
4. 4. Elektronisches Musikinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Messwertaufnehmer als Sensor (10) innerhalb der Klaviatur zur Erfassung des Tastenweges ab dem Anschlag bis zum Aufsetzzeitpunkt eines Dämpfers (3) vorgesehen ist und dass das Signal dieses und des in Saitenposition vorgesehenen Messwertaufnehmers (5) dem Rechner (9) zuführbar ist, der ein MIDI - Signal generiert und dieses in einen authentischen Ton umsetzt. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 4/5