DE102011015740B4

DE102011015740B4 - Verwendung von amorphen Kohlenstoffschichten als Tonabnehmer für Saiteninstrumente und deren Bauteile

Info

Publication number: DE102011015740B4
Application number: DE102011015740.9A
Authority: DE
Inventors: Saskia Biehl; Christian Rumposch; Volker Schmidt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2031-04-01
Also published as: DE102011015740A1

Abstract

Kraftaufnehmendes Bauteil eines Saiteninstruments aus der Gruppe Wirbel (2), Saitenhalter (3), Sattel (5), Steg (7) sowie deren Auflageflächen und Befestigungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zumindest bereichsweise eine amorphe Kohlenstoffschicht (8) als piezoresistive Beschichtung aufweist, über die mittels elektrischer Kontaktierungen (10, 13) eine Widerstandsänderung abgreifbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein kraftaufnehmendes Bauteil eines Saiteninstruments aus der Gruppe Wirbel, Saitenhalter, Sattel, Steg sowie deren Auflageflächen und Befestigungen am Saiteninstrument, wobei diese Bauteile zumindest bereichsweise eine amorphe Kohlenstoffschicht als piezoresistive Beschichtung aufweisen. Hierdurch können diese Elemente dann als Tonabnehmer fungieren. Ebenso betrifft die Erfindung ein Saiteninstrument, das entsprechende Bauteile aufweist.
Seit Beginn der elektrischen Verstärkung akustischer Saiteninstrumente wurden zu dem Zweck der Abnahme der Schwingungen magnetische Tonabnehmer entwickelt. Sie sind heute noch die am meisten verwendeten Systeme, um Saiteninstrumente, insbesondere elektrische Gitarren, über Verstärker hörbar zu machen.
Ein magnetischer Tonabnehmer funktioniert nur bei magnetisierbaren Metallsaiten. Er besteht in der Regel aus einem oder mehreren Dauermagneten und einer oder mehreren Spulen. Er gehört zu den passiven magnetischen Wandlern und nutzt das elektromagnetische Wandlungsprinzip. Durch die Saitenschwingung wird der magnetische Widerstand im Permanentmagnetkreis verändert, wodurch in der Spulenwicklung eine elektrische Spannung induziert wird.
Aus der DE 10 2005 043 292 A1 ist ein Tonabnehmer für Musikinstrumente bekannt, der im eingebauten Zustand benachbart bzw. unterhalb der Saiten positioniert ist und mit diesem in druckübertragendem Kontakt stehend die Saitenvibration in analoge, elektrische Signale umwandelt.
Aus der DE 10 2006 019 942 A1 ist eine Kraftmessvorrichtung bekannt, die eine auf einem Träger angeordnete amorphe Kohlenstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften umfasst.
Die DE 103 53 662 A1 beschreibt einen piezoelektrischen Wandler, der an eine Brücke eines Saiteninstrumentes angepasst ist. Hiermit können elektrische Signale auf die Detektion von Schwingungen von Saiten hin erzeugt werden.
Die DE 199 54 164 A1 betrifft einen Sensor zur Messung von aktuellen Belastungen, die auf eine Oberfläche mechanischer Komponenten einwirken, wobei als Sensor eine mit mindestens einem metallischen und/oder nicht-metallischen Element dotierte amorphe Kohlenwasserstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften eingesetzt wird, die über Kontakte mit einem Messgerät in Verbindung steht.
Mit diesen Systemen ist der Nachteil verbunden, dass diese durch Aufnahme magnetischer Wechselfelder empfindlich gegen Brummeinstreuungen sind. Weiterhin können diese Systeme nur bei Einsatz magnetisierbarer Metallsaiten eingesetzt werden. Die Fertigung derartiger Systeme ist relativ aufwändig.
Desweiteren wird das piezoelektrische Wandlungsprinzip verwendet. Ein piezoelektrischer Tonabnehmer nutzt den Piezoeffekt von speziellen Kristallen aus. Er wandelt die durch die Saitenschwingung auf den Steg oder den Instrumentenkorpus hervorgerufenen Verformungen des eingebauten Kristalls direkt in eine elektrische Spannung um. Im Gegensatz zu den magnetischen Tonabnehmern handelt es sich hier also um die Wandlung von Kraft in Spannung. Diese Art von Tonabnehmern wird häufig bei akustischen Saiteninstrumenten eingesetzt, deren Klang über einen Verstärker an große Bühnenlautstärken angepasst werden soll.
Die piezoelektrischen Tonabnehmer bringen den Nachteil mit sich, dass hochohmige Vorverstärker erforderlich sind. Zudem resultiert oft ein höhenlastiger harter Klang.
Ausgehend hiervon war es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue Tonabnehmersysteme bereitzustellen, die die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Tonabnehmer überwinden und ein verschleißfestes System darstellen.
Diese Aufgabe wird durch das kraftaufnehmende Bauteil eines Saiteninstruments mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Saiteninstrument mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. Weiterhin wird die Verwendung einer amorphen Kohlenstoffschicht als piezoresistive Beschichtung für kraftaufnehmende Bauteile von Saiteninstrumenten in Anspruch 14 beschrieben.
Erfindungsgemäß wird ein kraftaufnehmendes Bauteil eines Saiteninstruments aus der Gruppe Wirbel, Saitenhalter, Sattel, Steg sowie deren Auflageflächen und Befestigungen bereitgestellt, bei dem das Bauteil zumindest bereichsweise eine amorphe Kohlenstoffschicht als piezoresistive Beschichtung aufweist, über die mittels elektrischer Kontaktierungen eine Widerstandsänderung abgreifbar ist.
Die erfindungsgemäße piezoresistive Beschichtung ermoglicht es, verschiedene metallische Bauteile eines Saiteninstrumentes mit einer piezoresistiven Schicht zu versehen. Diese Schicht wirkt gegenüber dem Trägermaterial zunächst elektrisch isolierend, wird unter Krafteinwirkung aber elektrisch leitend, abhangig von der Hohe der ausgeübten Kraft. Wenn man verschiedene Stellen, auf die die Zugkraft einer Saite einwirkt, mit diesem Material beschichtet, kann man verschiedene Schwingungsanteile einer Saite über die Widerstandsänderung der Beschichtung messbar und damit hörbar machen.
Wenn dieser variable Widerstand in eine elektrische Schaltung eingebaut wird, die aus der Widerstandsänderung eine Spannungsänderung erzeugt, kann diese Spannungsänderung mit Hilfe eines Verstärkers hörbar gemacht werden. Es handelt sich hier also um ein piezoresistives Tonabnahmeverfahren.
Es gibt verschiedene Wellen, mit denen eine Saite schwingt. Longitudinalwellen und Dehnwellen schwingen in Richtung der gespannten Saite innerhalb des Materials, Transversalwellen und Biegewellen in 90° dazu in der Umgebungsluft. Alle diese Schwingungen führen zu periodischen Änderungen der Auflage- oder Zugkraft der gespannten Saite an den Auflage- und Einspannungspunkten. Über die erfindungsgemaße piezoresistive Beschichtung können diese periodischen Kraftänderungen in periodische Widerstandsänderungen überführt werden. Abgesehen davon, dass durch diese Transformation keine Spannung erzeugt wird, wie bei den piezoelektrischen Tonabnehmern, findet hier auch keine Materialverformung statt, wie es z. B. bei elektromechanischen Wandlern nach dem Biegewandler- oder Dehnungsmessstreifenverfahren der Fall ist. Verformungen im Material bedeuten Abschwächung der Schwingungsenergie und damit unerwünschte Dämpfung der Schwingung. Im Gegenteil führt die Harte des Materials zu einer geringeren Schwingungsdämpfung. Die tribologischen Eigenschaften, also hauptsächlich die Reibungsarmut, führen daruber hinaus an Stellen wie Steg und Sattel noch zu verringertem Saitenverschleiß.
Da sich die unterschiedlichen Schwingungen unterschiedlich ausbreiten, kann es vorteilhaft sein, verschiedene kraftaufnehmende Teile mit der erfindungsgemäßen piezoresistiven Beschichtung zu beschichten. Der Aufhängungspunkt der Saite nimmt eher die Zugänderungen der Saite auf, der Steg, also die Auflage der Saite, die Schwingungen in 90°-Richtung gegenuber der Instrumentendecke. Zusätzliche Schwingungsanteile konnen auf Sattel und Wirbel entfallen.
Vorzugsweise sind die amorphen Kohlenstoffe der amorphen Kohlenstoffschicht ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus a-C, a-:CH, i-CH, a-C:H:Me, DLC (Diamond Like Carbons), Me:DLC und/oder Mischungen hieraus.
Vorzugsweise weist die amorphe Kohlenstoffschicht zumindest teilweise sp³-gebundenen Kohlenstoff auf.
Es ist ebenso möglich, dass die amorphe Kohlenstoffschicht dotiert ist.
Prinzipiell können alle metallischen oder nichtmetallischen Elemente des Periodensystems für den Einbau in die Kohlenstoffschichten eingesetzt werden, d. h. als Dotierungselemente, solange die erhaltenen Schichten piezoresistives Verhalten aufweisen. Besonders geeignete Beispiele sind Si, Ti, W, Cr, Ta, Nb, V, Zr, Hf, Mo, Pd, Ni, Co, Pb, Cu, Al sowie Edelmetalle, wie Au, Ag, Pt, Ru, wobei Si, Ti, W und Cr besonders bevorzugt sind. Für die vorliegende Erfindung umfasst der Begriff „metallisches Element” auch Elemente, die den Halbmetallen zuzurechnen sind.
Beispiele für nichtmetallische Dotierungselemente sind Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Fluor und Wasserstoff. Die Elemente konnen in die Schicht als Einzelatome, Cluster oder aber auch Dotierungscarbide eingebaut werden.
Durch die Wahl der Art der eingebauten Elemente und deren Konzentration lässt sich der spezifische Widerstand der damit erhaltenen Schicht in weiten Grenzen frei einstellen, so dass je nach gewünschter Anwendung das Widerstandsniveau und die Druck-Widerstandskennlinie definiert eingestellt werden kann. Es lassen sich somit piezoresistive Schichten mit einstellbaren elektrischen Eigenschaften erhalten.
Hierbei wird das metallische Dotierungselement im Allgemeinen in Form von sog. Nanopartikeln, die in der Regel eine Größe von 5 bis 500 nm aufweisen, in die amorphe Kohlenstoffmatrix eingelagert, wobei die Abstande zwischen den Nanopartikeln in etwa die gleiche Größenordnung aufweisen. Es wird angenommen, dass die Stromführung über diese eingelagerten Partikel erfolgt. Überraschenderweise wurde nunmehr erfindungsgemäß gefunden, dass der Widerstand dieser Schichten von der äußeren Belastung, wie Druckbelastung oder Deformation durch Dehnung, abhangig ist.
Diese Eigenschaft beschränkt sich nicht auf die dotierungselementhaltigen metallhaltigen Kohlenstoffschichten, sondern tritt auch in reinen amorphen Kohlenstoffschichten ohne Dotierungselemente auf. Es wird angenommen, dass in diesem Fall die piezoresistiven Eigenschaften auf die Ausbildung von Inseln mit überwiegendem sp²-Charakter, d. h. mit graphitähnlichef Bindungsverhältnissen, in einer Kohlenstoffmatrix mit sp³-Charakter, d. h, diamantahnlichen Bindungsverhältnissen, bewirkt wird.
Beispielsweise kann die erfindungsgemäß eingesetzte Kohlenstoffschicht Kohlenstoff in einem Anteil von 20 bis 99,9 at-%, vorzugsweise 20 bis 95 at-%, Wasserstoff in einem Anteil von 0,1 bis 35 at-%, vorzugsweise 5 bis 35 at-% und Dotierungselemente z. B. in einem Anteil von 0,01 bis 35 at-%, vorzugsweise 1 bis 45 at-%, enthalten.
Selbstverständlich können die vorstehend genannten Anteile je nach den speziellen Anforderungen des konkreten Anwendungsfalles nach oben oder unten variiert werden.
Vorzugsweise liegt die Dicke der amorphen Kohlenstoffschicht im Bereich von 1 bis 100 μm, besonders bevorzugt von 10 bis 50 μm.
Die amorphe Kohlenstoffschicht weist dabei vorzugsweise eine Härte von mindestens 10 GPa, besonders bevorzugt von mindestens 15 GPa, auf.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Saiteninstrument bereitgestellt, das mindestens eine Saite, die zwischen einem Wirbel und einem Saitenhalter gespannt ist, mindestens einen Sattel, mindestens einen Steg, sowie deren Auflageflächen und Befestigungen am Saiteninstrument aufweist, wobei mindestens eines der Bauteile aus der Gruppe Wirbel, Saitenhalter, Sattel und Steg sowie deren Auflageflächen und Befestigungen am Saiteninstrument zumindest bereichsweise eine amorphe Kohlenstoffschicht als piezoresistive Beschichtung aufweist, über die mittels elektrischer Kontaktierungen eine Widerstandsänderung abgreifbar ist.
Erfindungsgemäß wird ebenso die Verwendung von amorphen Kohlenstoffschichten als piezoresistive Beschichtung von kraftaufnehmenden Bauteilen von Saiteninstrumenten bereitgestellt.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
1 zeigt eine Gitarre gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt einen Saitenhalter einer Gitarre gemäß dem Stand der Technik.
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Saitenhalter.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Gitarre 1 dargestellt, die mehrere zwischen den Wirbeln 2 und dem Saitenhalter 3 gespannte Saiten 4 aufweist. Weiterhin sind mehrere Sattel 5 dargestellt. Die dargestellte Gitarre weist weiterhin drei magnetische Tonabnehmer 6 und einen Steg 7 auf. Die hier eingesetzten magnetisierbaren Metallsaiten können durch die Saitenschwingungen den magnetischen Widerstand im Permanentmagnetkreis verändern, wodurch in der Spulenwicklung eine elektrische Spannung induziert wird.
In 2 ist ein Saitenhalter 3 dargestellt, der aus einem Winkel aus Stahl besteht, dessen breiter Schenkel auf der Gitarre montiert ist. Der schmale Schenkel ist mit Durchfuhrungen für die einzelnen Saiten 4 versehen.
In 3 ist ein erfindungsgemäßer Saitenhalter 3 dargestellt, wobei hier der schmale Schenkel des Saitenhalters 3 auf der Außenseite, d. h. der vom Wirbel abgewandten Seite des Saitenhalters 3 eine piezoresistive Beschichtung 8 aus einer amorphen Kohlenstoffschicht aufweist. Auf jeder Saitendurchführung wird ein Kontaktring 9 mit einer Kontaktfahne 10 gesetzt. Vor dem Kontaktring 9 ist eine Isolierscheibe 11 angeordnet, die den Kontaktring 9 vom Saitenende 12 trennt. Die Widerstandsänderung durch die gezupfte Saite 4 kann zwischen dem Saitenhalter 3 über einen weiteren elektrischen Kontakt 13 und der Kontaktfahne 10 abgegriffen werden. Dieser veränderbare Widerstand wird in eine Verstärkerschaltung integriert, mit der man die Schwingung hörbar machen kann.

Claims

Kraftaufnehmendes Bauteil eines Saiteninstruments aus der Gruppe Wirbel (2), Saitenhalter (3), Sattel (5), Steg (7) sowie deren Auflageflächen und Befestigungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zumindest bereichsweise eine amorphe Kohlenstoffschicht (8) als piezoresistive Beschichtung aufweist, über die mittels elektrischer Kontaktierungen (10, 13) eine Widerstandsänderung abgreifbar ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphen Kohlenstoffe der amorphen Kohlenstoffschicht (8) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus a-C, a-:CH, i-CH, a-C:H:Me, DLC (Diamond Like Carbons), Me:DLC und/oder Mischungen hieraus.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenstoffschicht (8) zumindest teilweise sp³-gebundenen Kohlenstoff aufweist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenstoffschicht (8) mit Wolfram, Nickel, Chrom, Titan, Silber oder Mischungen hiervon dotiert ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der amorphen Kohlenstoffschicht (8) im Bereich von 1 bis 100 μm liegt.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenstoffschicht (8) eine Härte von mindestens 10 GPa aufweist.
Saiteninstrument (1) enthaltend mindestens eine Saite (4), die zwischen einem Wirbel (2) und einem Saitenhalter (3) gespannt ist, mindestens einen Sattel (5), mindestens einen Steg (7) sowie deren Auflageflächen und Befestigungen am Saiteninstrument (1), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Bauteile aus der Gruppe Wirbel (2), Saitenhalter (3), Sattel (5) und Steg (7) sowie deren Auflageflächen und Befestigungen am Saiteninstrument (1) zumindest bereichsweise eine amorphe Kohlenstoffschicht (8) als piezoresistive Beschichtung aufweist, über die mittels elektrischer Kontaktierungen (10, 13) eine Widerstandsänderung abgreifbar ist.
Saiteninstrument nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphen Kohlenstoffe der amorphen Kohlenstoffschicht (8) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus a-C, a-:CH, i-CH, a-C:H:Me, DLC (Diamond Like Carbons), Me:DLC und/oder Mischungen hieraus.
Saiteninstrument nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenstoffschicht (8) zumindest teilweise sp³-gebundenen Kohlenstoff aufweist.
Saiteninstrument nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der amorphen Kohlenstoffschicht (8) im Bereich von 1 bis 100 μm liegt.
Saiteninstrument nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Saitenhalter (3) auf der vom Wirbel (2) abgewandten Seite zumindest bereichsweise die amorphe Kohlenstoffschicht (8) als piezoresistive Beschichtung aufweist, auf der eine Isolierscheibe (11) und ein Kontaktring (9) angeordnet ist, durch die die Saite (4) gezogen ist.
Saiteninstrument nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Kontaktierung (10) am Kontaktring (9) und eine elektrische Kontaktierung (13) am Saitenhalter (3), über die eine Widerstandsänderung abgreifbar ist, angebracht ist.
Saiteninstrument nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Saiteninstrument ein Zupfinstrument oder ein Streichinstrument ist.
Saiteninstrument nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Saiteninstrument eine Gitarre, eine elektrische Violine oder ein Cello ist.
Verwendung von amorphen Kohlenstoffschichten als piezoresistive Beschichtung von kraftaufnehmenden Bauteilen von Saiteninstrumenten.