DE10031794C2 - Klaviatur für elektronische Musikinstrumente - Google Patents
Klaviatur für elektronische MusikinstrumenteInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Klaviatur für elektroni
sche Musikinstrumente gemäß dem Oberbegriff des Patentan
spruches 1.
Eine derartige Klaviatur ist aus der US 4,899,631 bekannt.
Als Aktuator wird dort ein Elektromotor verwendet, der
über ein Seil die Vorspannung einer Feder verändert, die
ihrerseits die Charakteristik der Tastatur beeinflußt.
Der Elektromotor erzeugt in Gegenrichtung zur Betätigungs
kraft durch den Spieler eine Gegenkraft. Dabei wird er
mit einem Gleichstrom beaufschlagt, dem eine Wechselstromkom
ponente überlagert ist. Die Gleichstromkomponente ist hierbei
dauernd, statisch zum Ausgleich des Tasten- und Gleichgewich
tes wirksam, während die Wechselstromkomponente die eigentli
che dynamische Gegenkraft zur Variation des Spielgefühls
darstellt. Als Kenngröße für die Messung der Bewegungsge
schwindigkeit der Taste wird die dem eingeprägten Strom
entgegenwirkende Energie gemessen. Damit ist aber eine
Messung der momentanen Absolut-Position der Taste während
des Niederdrückens nicht möglich, sondern nur eine Messung
der Momentan-Beschleunigung der Taste. Aus diesem Grunde
wird dort auch ein separater Endpositionsschalter verwendet,
der bei Erreichen einer bestimmten vorgegebenen Tastenposi
tion ein Schaltsignal erzeugt.
Die DE 35 34 250 A1 zeigt eine Tastatur-Schaltungsanordnung
für elektronische Musikinstrumente mit elektromagnetischen
Sensoren zur Abfrage der Tasten-Momentanposition. Die Senso
ren bestehen aus einer Spule in Verbindung mit einem an
die Taste mechanisch gekoppelten Ferritkern. Die Spulen
werden mit einer sinus- oder dreiecksförmigen Spannung
kontinuierlich beaufschlagt. Nach einer Spitzenwert-Gleichrichtung
dieses stationären Signals ergibt eine Auswertung
durch einen Mikroprozessor ein der jeweiligen aktuellen
Tastenposition entsprechendes Signal.
Bei Klaviaturen elektronischer Musikinstrumente will man
die Charakteristik der mechanischen Tastatur des entspre
chenden Instrumentes möglichst gut nachbilden, beispielsweise
hinsichtlich Masseträgheit, Druckpunkt etc., allgemein
als "Tastencharakteristik" bezeichnet. Beispielsweise haben
Klaviere, bei denen die Taste einen Hammer betätigt, einen
sehr charakteristischen Druckpunkt, wobei, wenn der Hammer
angeschlagen hat, die Taste sich wieder weicher drücken
läßt. Andere Tasteninstrumente, wie z. B. Orgel oder Cembalo,
haben demgegenüber wieder eine andere Charakteristik.
Schließlich haben auch Klaviere unterschiedlicher Hersteller
eine eigene Charakteristik, die für einen geübten Pianisten
durchaus fühlbar ist.
Die US 5,783,765 A beschreibt eine Tastatur für elektronische
Musikinstrumente, bei der die einzelnen Tasten mit einem
Stößel bzw. Anker eines Elektromagneten mechanisch gekoppelt
sind. Zusätzlich ist jede Taste durch zwei einander entgegen
wirkende Federn in eine vorbestimmte Lage vorgespannt.
Jeder Taste ist ein separater Positionssensor zugeordnet,
der die Stellung der Taste abfragt. In Abhängigkeit vom
Ausgangssignal der Positionssensoren werden die Elek
tromagneten so erregt, daß sie auf die zugeordnete Taste
eine Kraft ausüben, die dem vom Spieler aufgebrachten
Tastendruck entgegenwirkt. Diese stellungsabhängige "Gegen
kraft" kann frei programmiert werden, um die Tastencharak
teristik einzustellen. Als Positionssensor werden dort
Dehnungsmeßstreifen vorgeschlagen, die mit einer der Federn
gekoppelt sind.
Die Abfrage der Tastenposition durch diverse andere Meß
verfahren, wie Kondensator (US 3,943,812, US 4,027,569),
Halbleiter (US 4,276,538), leitfähiges Gummi (US 4,615,252),
Elektroden (US 4,628,786), Widerstandselemente (US 4,649,784),
Schalter (US 4,884,073), piezo-elektrische
Filme (US 5,237,125 A), optische Sensoren (US 5,524,521 A)
und Lichtschranken (US 5,641,925 A) sind im Stand der Technik
bekannt.
Zum aktiven Betätigen der Tasten einer Klaviatur ist auch
die Verwendung von Elektromagneten bekannt (vgl. US 4,031,796;
US 4,524,669; US 5,506,369 A und US 5,527,987 A).
Die US 4,580,478, US 4,838,139 und US 4,765,218 schlagen
vor, zur Messung der Tastenposition Magnetspulen zu
verwenden.
Die Simulation des Druckpunktes einer Taste mit einem
mechanischen Verfahren nach dem Hammerprinzip ist in der
US 4,217,803, der US 4,273,017, US 4,890,533, US 5,062,342
und US 5,739,450 A beschrieben. In der US 4,476,769 wird
der Druckpunkt durch vorgespannte Federn simuliert; in
der US 5,204,486 A durch eine Kulissenführung.
Die US 4,899,631 verwendet einen Elektromotor, der über
ein Seil die Vorspannung einer Feder verändert, die
ihrerseits die Charakteristik einer Tastatur beeinflußt.
Die EP 0 567 024 A2 schließlich simuliert den Spieleindruck
eines Klaviers durch Elektromagnete, die eine dem vom Spieler
aufgebrachten Tastendruck entgegengesetzte Kraft erzeugt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Klaviatur für Musikinstru
mente zu schaffen, die mit einfachen Mitteln beliebige
Tastencharakteristiken nachahmen kann.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil
dungen der Erfindungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Grundidee der Erfindung liegt darin, die Taste mit
einer Magnetspule zu koppeln und diese Magnetspule mit
impulsbreiten-modulierten Signalen anzusteuern und so eine
mechanische Gegenkraft zu erzeugen. Gleichzeitig dient
die Magnetspule auch als Meßorgan für die jeweilige
Tastenstellung. Während des Niederdrückens der Taste kann
für die individuelle Charakteristik die Impulsbreite des
Ansteuersignales für die Magnetspule verändert werden,
um so die gewünschte Charakteristik einzustellen.
Nach einer ersten Variante der Erfindung wird während der
Impulspausen des Ansteuersignales die von der Magnetspule
erzeugte Gegenspannung (Gegen-EMK) gemessen und ausgewertet.
Nach einer zweiten Variante der Erfindung wird während
der aktiven Impulse der durch die Magnetspule fließende
Strom gemessen und ausgewertet.
Die wesentlichen Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen
darin, daß die Magnetspule sowohl als aktives Organ für
die mechanische Kraft als auch als Sensor für die Position
verwendet wird. Damit ist der Herstellaufwand gering. Es
muß keine mechanische Justierung eines zusätzlichen Sensors
erfolgen. Der Aufbau ist mechanisch robuster, da wenige
und robuste Bauteile verwendet werden. Ein Elektromagnet
ist im allgemeinen mechanisch stabiler als die üblicherweise
verwendeten Sensoren. Auch hat man einen geringen Verschleiß
weniger mechanisch bewegter Teile, die ermüden oder altern
können. Durch das impulsbreiten-modulierte Steuersignal kann
man besonders gut die bei heutigen elektronischen Musik
instrumenten eingesetzte Digitaltechnik verwenden und macht
D/A-Wandler weitgehend überflüssig. Lediglich für den Abgriff
des Positionssignales wird zweckmäßigerweise noch ein A/D-
Wandler benötigt, vorzugsweise nur einer, der im Zeitmulti
plex-Verfahren nacheinander mit Sensoreingängen verbunden
wird. Durch die Impulsbreitenmodulations-Ansteuerung kann
man die Tastengegenkraft über den vollen Tastenweg beliebig
variieren und hat nicht nur einen einzigen Druckpunkt in
einem engeren Bereich. Das jeweilige "Tastenprofil" kann
abgespeichert und individuell für jeden Anwender, für jede
Klangfarbe (Piano, Orgel etc.) oder auch für jede Taste
(z. B. im Baßbereich schwergängiger) eingestellt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei
spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In Fig. 1 ist eine Taste 1 einer Klaviatur in einem Schwenk
lager 2 gelagert und durch eine Feder 3 vorgespannt. Die
Taste ist mit einem Stößel 5 einer Magnetspule 4 gekoppelt.
Ein erster Anschluß 4.1 der Magnetspule wird von einem
Mikroprozessor 8 über dessen Signalausgang 8.1 und eine
Treiberschaltung 6 mit impulsbreiten-modulierten Signalen
angesteuert. Eine in Sperrichtung gestaltete Diode 10 dient
zur Entkopplung einer (negativen) Gegenspannung, die über
Diode 10 gegen Masse abgeleitet wird und die Treiberschaltung
6 schützt. Der zweite Anschluß der Magnetspule 4 ist einer
seits über einen Vertikal-Feldeffekttransistor (V-FET)
9 mit Masse verbunden und andererseits über eine Diode
7 mit einem Meßeingang 8.2 des Mikroprozessors 8. Der
Steuereingang des Transistors 9 ist mit dem Signalausgang
8.1 des Mikroprozessors 8 verbunden. Bei positivem Aus
gangssignal des Mikroprozessors 8 ist der Transistor 9
durchgeschaltet und verbindet den entsprechenden Anschluß
4.2 der Magnetspule 4 mit Masse. Ein positiver Steuerimpuls
drückt den Stößel 5 gegen die Taste 1, wobei die Kraft
von der zeitlichen Länge (Breite) der Ansteuerimpulse
abhängt. Während der Impulspausen ist der Transistor 9
gesperrt. Die in der Magnetspule 4 induzierte Gegenspannung
(Gegen-EMK) hat zur Folge, daß an den beiden Anschlüssen
4.1 und 4.2 der Magnetspule eine Spannung mit umgekehrter
Polarität entsteht, so daß von Masse über die Diode 10,
die Magnetspule 4 und die Diode 7 ein Strom zum Anschluß
8.2 fließt, der vom Mikroprozessor 8 ausgewertet wird.
Es kann der Strom- oder Spannungsverlauf ausgewertet werden,
die beide im wesentlichen exponentiell abklingen. Der jeweils
durch die Gegen-EMK induzierte Spannungs- bzw. Stromimpuls
hängt von der relativen Stellung des Stößels 5 zur Magnet
spule ab und ist somit ein Maß für die Betätigung der Taste.
Bei entsprechend häufiger bzw. schneller Abfrage kann daraus
auch das dynamische Verhalten, z. B. schnelles oder langsames
Niederdrücken der Taste erfaßt werden. Der Mikroprozessor
8 kann dann entsprechend einer vorprogrammierten Funktion
die Impulsbreite der Steuerimpulse variieren und die
Charakteristik der Taste festlegen.
Das am Anschluß 8.2 ankommende Signal liegt als analoges
Signal vor und muß vor Weiterverarbeitung im Mikroprozessor
analog/digital umgesetzt werden. Hierzu kann ein externer,
nicht dargestellter A/D-Wandler vorgesehen sein oder auch
ein im Mikroprozessor 8 integrierter A/D-Wandler, wie es
in Fig. 1 dargestellt ist.
Die Taste 1 hat zusätzlich zwei Anschlagelemente 1.1 und
1.2, die mit einem gegenüber der beweglichen Taste ortsfesten
Anschlagelement 11 eine obere und eine untere Grenzstellung
der Taste 1 definieren. Die Feder 3 drückt bei nicht erregter
Magnetspule 4 die Taste 1 nach oben, bis der Anschlag 1.2
wirksam wird. Der Anschlag 1.1 für die untere Grenzstellung
könnte theoretisch auch durch den Stößel 5 gebildet werden.
Um die mechanische Beanspruchung des Elektromagneten aber
geringer zu halten, ist es vorteilhaft, auch die untere
Grenzstellung durch einen separaten mechanischen Anschlag
zu begrenzen. Die Kopplung des Stößels 5 des Elektromagneten
mit der Taste 1 kann über ein Dämpfungselement 5.1 erfolgen,
das federelastische und dämpfende Eigenschaften hat. Der
Stößel 5 kann durch eine nicht dargestellte, in der Magnet
spule 4 angeordnete Feder nach oben gegen die Taste 1
gedrückt werden. Diese Feder kann dann die Funktion der
in Fig. 1 dargestellten Feder 3 übernehmen. Schließlich
können auch an den Anschlagelementen 1.1 und 1.2 und/oder
am Anschlagarm 11 Dämpfungselemente, wie z. B. ein Filz,
ein Gummi oder sonstiges dämpfendes und federelastisch
wirkendes Material, angebracht sein.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 unterscheidet sich von
dem der Fig. 1 schaltungsmäßig im wesentlichen dadurch,
daß die Erfassung der Tastenposition durch die Magnetspule
4 während der aktiven Phase des Steuersignals am Anschluß
4.1 erfolgt. Vom Anschluß 8.1 fließt in der aktiven Phase
ein Strom über die Treiberschaltung 6 durch die Magnetspule
und von dort zu einem Teil über einen Widerstand 9' gegen
Masse und zu einem anderen Teil über eine in Durchlaßrichtung
geschaltete Diode 7 zum Mikroprozessor. Der Widerstand
9' ist niederohmig. Am Anschluß 8.2 des Mikroprozessors
1 steht im Prinzip also der Spannungsabfall an dem Widerstand
9' an. Die Diode 7 wirkt auch hier im wesentlichen als
Entkopplungsdiode. Ihr Spannungsabfall ist vernachlässigbar.
Auch hier wird das Eingangssignal am Anschluß 8.2 analog/
digital gewandelt und ausgewertet.
Im Mikroprozessor 8 ist bei beiden Ausführungsbeispielen
ein programmierbarer Speicher vorhanden, in dem die jeweilige
Tastencharakteristik abgespeichert ist, d. h. eine Funktion
des Zusammenhanges zwischen Tastenposition und Impulsbreite
der Ansteuersignale. Diese Funktion kann für alle Tasten
gleich sein, was den Speicheraufwand verringert. Sie kann
auch für einzelne Tastengruppen, wie z. B. tiefe, mittlere
und hohe Töne, unterschiedlich sein. Schließlich kann sie
auch für jede Taste individuell gespeichert werden, so
daß im Extremfall jede Taste eine unterschiedliche
Charakteristik hat. Zusätzlich können für die gesamte
Klaviatur verschiedene unterschiedliche Charakteristiken
gespeichert sein, wie z. B. Klavier, Orgel, elektronisches
Keyboard, Cembalo etc. Die Ansteuerschaltung (8) kann auch
eine nicht dargestellte Schnittstelle aufweisen, mit der
die Ansteuerschaltung mit einem PC oder einem sonstigen
Eingabegerät koppelbar ist, damit der Benützer sich nach
seinen persönlichen Wünschen die Charakteristik der Tastatur
selbst programmieren kann.
Claims (6)
1. Klaviatur für elektronische Musikinstrumente mit mehre
ren Tasten, denen jeweils ein elektrischer Aktuator
zugeordnet ist, dessen Anker mit der Taste gekoppelt
ist, und mit einer Ansteuerschaltung, die den Aktuator
so ansteuert, daß er eine vorbestimmte Kraft auf die
Taste ausübt, wobei der Aktuator gleichzeitig als
Sensor ausgebildet ist, indem die Ansteuerschaltung
eine elektrische Kenngröße des
Aktuators auswertet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Aktuator ein Elektromagnet (4) ist,
daß die Ansteuerschaltung (8) den Elektromagneten (4) mit impulsbreiten-modulierten Signalen ansteuert und die Auswerteschaltung (8) die Position der jeweiligen Taste dadurch erfaßt, daß während Impulspausen des Ansteuersignals eine in der Spule des Elektromagneten (4) induzierte Gegenspannung ausgewertet wird und/oder daß während einer aktiven Phase des Ansteuersignals der Verlauf des durch die Magnetspule (4) fließenden Stromes ausgewertet wird.
daß der Aktuator ein Elektromagnet (4) ist,
daß die Ansteuerschaltung (8) den Elektromagneten (4) mit impulsbreiten-modulierten Signalen ansteuert und die Auswerteschaltung (8) die Position der jeweiligen Taste dadurch erfaßt, daß während Impulspausen des Ansteuersignals eine in der Spule des Elektromagneten (4) induzierte Gegenspannung ausgewertet wird und/oder daß während einer aktiven Phase des Ansteuersignals der Verlauf des durch die Magnetspule (4) fließenden Stromes ausgewertet wird.
2. Klaviatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Impulsbreite der Ansteuersignale nach einer
vorgegebenen, gespeicherten Funktion in Abhängigkeit
von der Tastenposition verändert wird.
3. Klaviatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Masseanschluß (4.2) des Elektromagneten über
einen elektronischen Schalter (9) mit Masse verbunden
ist,
daß ein Steuereingang dieses Schalters (9) mit dem die Ansteuersignale für den Elektromagneten (4) liefernden Anschluß (8.1) der Ansteuerschaltung (8) ver bunden ist, derart, daß bei aktivem Ansteuersignal der Schalter (9) geöffnet und in den Impulspausen geschlossen ist,
daß der Masseanschluß (4.2) des Elektromagneten (4) mit einem Auswerteeingang (8.2) der Ansteuerschaltung (8) verbunden ist, und
daß der andere Anschluß (4.1) des Elektromagneten (4) einerseits mit dem Ansteueranschluß (8.1) der Ansteuerschaltung (8) und andererseits über eine in Sperrichtung geschaltete Diode (10) mit Masse verbunden ist.
daß ein Steuereingang dieses Schalters (9) mit dem die Ansteuersignale für den Elektromagneten (4) liefernden Anschluß (8.1) der Ansteuerschaltung (8) ver bunden ist, derart, daß bei aktivem Ansteuersignal der Schalter (9) geöffnet und in den Impulspausen geschlossen ist,
daß der Masseanschluß (4.2) des Elektromagneten (4) mit einem Auswerteeingang (8.2) der Ansteuerschaltung (8) verbunden ist, und
daß der andere Anschluß (4.1) des Elektromagneten (4) einerseits mit dem Ansteueranschluß (8.1) der Ansteuerschaltung (8) und andererseits über eine in Sperrichtung geschaltete Diode (10) mit Masse verbunden ist.
4. Klaviatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Anschluß (4.1) des Elektromagneten (4) mit
dem Ansteueranschluß (8.1) der Ansteuerschaltung (8)
verbunden ist und daß der andere Anschluß (4.2) des
Elektromagneten einerseits über einen niederohmigen
Widerstand (9') mit Masse und andererseits mit einem
Auswerteanschluß (8.2) der Ansteuerschaltung (8) ver
bunden ist.
5. Klaviatur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Taste (1) durch eine Rückholfeder (3) in Rich
tung zu einer oberen Grenzstellung vorgespannt ist.
6. Klaviatur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Taste einen oberen und einen unteren Grenzan
schlag (1.1, 1.2) aufweist, die zusammen mit einem
gegenüber der Taste (1) ortsfesten Anschlagarm (11)
eine obere und eine untere Grenzstellung der Taste
definieren.
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