DE112016004743B4 - Sensorbasierte Perkussionsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Perkussionsvorrichtung, umfassend:ein dielektrisches Substrat mit einem Feld aus leitfähigen Bahnen, die auf einer ersten Oberfläche des dielektrischen Substrats ausgebildet sind;ein piezoresistives Substrat, das mit dem dielektrischen Substrat ausgerichtet ist und mit der ersten Oberfläche des dielektrischen Substrats und den leitfähigen Bahnen in Kontakt ist, wobei die leitfähigen Bahnen und das piezoresistive Substrat mehrere Sensorbereiche der Perkussionsvorrichtung bilden, wobei jeder der Sensorbereiche mehrere Sensoren umfasst, wobei jeder der Sensoren einen entsprechenden Sensorausgang aufweist; undSensorschaltungen, die dazu ausgebildet sind, die Sensoren sequenziell anzusteuern, die Sensorausgänge sequenziell abzutasten und Schlagereignisse auf einer oberen Oberfläche der Perkussionsvorrichtung zu detektieren, wobei die Sensorschaltungen dazu ausgebildet sind, für jedes Schlagereignis einen der Sensorbereiche, der dem Schlagereignis entspricht, einen Ort des Schlagereignisses relativ zu dem Feld und eine Geschwindigkeit des Schlagereignisses zu bestimmen.

Description

  • DATEN ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität gegenüber der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 62/241,615 mit dem Titel „Percussion Instrument‟, eingereicht am 14. Oktober 2015, und der US-Patentanmeldung Nr. 15/287,520 mit dem Titel „Sensor-Based Percussion Device“, eingereicht am 6. Oktober 2016 .
  • STAND DER TECHNIK
  • US 2012 / 0097009 A1 zeigt eine Hybrid-Perkussionsvorrichtung, bei der eine akustische und eine elektronische Trommel integriert sind. Bei einem doppellagigen Schlagzeugfell sind eingebaute resistive Kraftsensoren aus leitfähigen Bahnen integriert, um eine Position und Druck eines Schlags zu erfassen.
  • US 2004 / 0060427 A1 zeigt ein Schlagzeug, bei dem die Position und/oder Intensität eines Schlags erfasst wird, um unterschiedliche Geräusche und Lichteffekte zu erzeugen. Dazu ist ein Paar von gegenüberliegenden Membranen vorgesehen, die spiegelbildlich angeordnete leitende Bahnen aufweisen. US 2014 / 0060211 A1 zeigt ein Schlagzeug, bei dem mittels einer kapazitiven, induktiven oder resistiven Sensoranordnung im Schlagzeugfell auftretende Zugkräfte, Bewegungen oder Verformungen gemessen werden.
  • US 2015 / 0261372 A1 offenbart eine Perkussionsvorrichtung mit mehreren piezoresistiven Sensoren und US 2013 / 0082970 A1 zeigt eine Vorrichtung mit einem dielektrischen und einem piezoresistiven Substrat und einer Sensorschaltung.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Gemäß einer bestimmten Klasse von Implementierungen umfasst eine Perkussionsvorrichtung ein dielektrisches Substrat mit einem Feld aus leitfähigen Bahnen, die auf einer ersten Oberfläche des dielektrischen Substrats ausgebildet sind. Ein piezoresistives Substrat ist mit dem dielektrischen Substrat ausgerichtet und mit der ersten Oberfläche des dielektrischen Substrats und den leitfähigen Bahnen in Kontakt. Die leitfähigen Bahnen und das piezoresistive Substrat bilden mehrere Sensorbereiche der Perkussionsvorrichtung. Jeder der Sensorbereiche umfasst mehrere Sensoren. Jeder der Sensoren entspricht einem Sensorausgang. Sensorschaltungen sind dazu ausgebildet, die Sensoren sequenziell anzusteuern, die Sensorausgänge sequenziell abzutasten und Schlagereignisse auf einer oberen Oberfläche der Perkussionsvorrichtung zu detektieren. Die Sensorschaltungen sind dazu ausgebildet, für jedes Schlagereignis einen der Sensorbereiche, der dem Schlagereignis entspricht, einen Ort des Schlagereignisses relativ zu dem Feld und eine Geschwindigkeit des Schlagereignisses zu bestimmen.
  • Gemäß manchen Implementierungen ist das Feld aus leitfähigen Bahnen im Wesentlichen kreisförmig, jeder der Sensorbereiche entspricht einem Quadranten des Feldes und der Ort für jedes Schlagereignis ist ein radialer Abstand relativ zu dem Mittelpunkt des Feldes. Gemäß einer spezifischen Implementierung sind die leitfähigen Bahnen des Feldes in konzentrischen Kreisen angeordnet. Erste der leitfähigen Bahnen sind zum Ansteuern der Sensoren ausgebildet. Zweite der leitfähigen Bahnen sind zum Abtasten der Sensorausgänge ausgebildet. Die ersten und zweiten leitfähigen Bahnen entsprechen abwechselnden der konzentrischen Kreise. Gemäß einer spezifischeren Implementierung sind die jedem Sensorbereich zugeordneten ersten leitfähigen Bahnen mit den anderen Sensorbereichen zugeordneten ersten leitfähigen Bahnen diskontinuierlich, und die ersten leitfähigen Bahnen für jeden Sensorbereich sind durch eine radiale leitfähige Bahn elektrisch miteinander verbunden. Gemäß einer anderen spezifischen Implementierung sind die zweiten leitfähigen Bahnen durch alle Sensorbereiche hindurch kontinuierlich.
  • Gemäß manchen Implementierungen sind die Sensorschaltungen dazu ausgebildet, ein erstes Schlagereignis für einen ersten Sensorbereich basierend auf mehreren Werten der Sensorausgänge für den ersten Bereich zu detektieren. Jeder der Werte entspricht einem der in dem ersten Sensorbereich enthaltenen Sensoren. Die Sensorschaltungen sind dazu ausgebildet, den Ort des ersten Schlagereignisses durch Interpolieren der Werte zu bestimmen. Gemäß einer spezifischen Implementierung sind die Sensorschaltungen dazu ausgebildet, die Werte mittels eines Sensororts, der jedem der Werte zugeordnet ist, und einer Größe von jedem der Werte zu interpolieren.
  • Gemäß manchen Implementierungen sind die Sensorschaltungen dazu ausgebildet, ein erstes Schlagereignis für einen ersten Sensorbereich basierend auf mehreren Werten der Sensorausgänge für den ersten Bereich zu detektieren. Jeder der Werte entspricht einem der in dem ersten Sensorbereich enthaltenen Sensoren. Die Sensorschaltungen sind dazu ausgebildet, die Geschwindigkeit des ersten Schlagereignisses basierend auf einem ersten der Werte mit einer größten Größe der Werte zu bestimmen.
  • Gemäß manchen Implementierungen sind die Sensorschaltungen dazu ausgebildet, ein Schlagereignis für einen ersten Sensor in einem ersten Sensorbereich durch Bestimmen, dass der Sensorausgang für den ersten Sensor eine Amplitudenschwelle länger als eine angegebene Dauer lang überschreitet, zu detektieren.
  • Gemäß manchen Implementierungen ist das piezoresistive Substrat ein piezoresistives Textil.
  • Gemäß manchen Implementierungen ist die obere Oberfläche der Perkussionsvorrichtung ein Silikonsubstrat in einem Stapel von Komponenten, der das dielektrische Substrat und das piezoresistive Substrat umfasst.
  • Gemäß manchen Implementierungen sind mindestens einige der Sensorschaltungen auf einer Leiterplatte enthalten, die in einer Kerbe in dem dielektrischen Substrat angeordnet ist. Leiter der Leiterplatte sind mit mindestens einigen der leitfähigen Bahnen auf dem dielektrischen Substrat verbunden.
  • Gemäß manchen Implementierungen umfasst die Perkussionsvorrichtung einer zweiten Oberfläche des dielektrischen Substrats benachbart, der ersten Oberfläche des dielektrischen Substrats entgegengesetzt, Abschirmung gegenüber elektromagnetischen Interferenzen (EMI). Gemäß einer spezifischen Implementierung umfasst die EMI-Abschirmung ein leitfähiges Gitter, das in die zweite Oberfläche des dielektrischen Substrats eingebunden ist.
  • Gemäß einer anderen Klasse von Implementierungen umfasst eine Perkussionsvorrichtung ein piezoresistives Substrat mit einem darauf ausgebildeten Feld aus leitfähigen Bahnen. Die leitfähigen Bahnen und das piezoresistive Substrat bilden mehrere Sensorbereiche der Perkussionsvorrichtung. Jeder der Sensorbereiche umfasst mehrere Sensoren. Jeder der Sensoren entspricht einem Sensorausgang. Die Sensorschaltungen sind dazu ausgebildet, die Sensoren sequenziell anzusteuern, die Sensorausgänge sequenziell abzutasten und Schlagereignisse auf einer oberen Oberfläche der Perkussionsvorrichtung zu detektieren. Die Sensorschaltungen sind dazu ausgebildet, für jedes Schlagereignis einen der Sensorbereiche, der dem Schlagereignis entspricht, einen Ort des Schlagereignisses relativ zu dem Feld und eine Geschwindigkeit des Schlagereignisses zu bestimmen.
  • Gemäß manchen Implementierungen ist das Feld aus leitfähigen Bahnen im Wesentlichen kreisförmig, jeder der Sensorbereiche entspricht einem Quadranten des Feldes und der Ort für jedes Schlagereignis ist ein radialer Abstand relativ zu dem Mittelpunkt des Feldes. Gemäß einer spezifischen Implementierung sind die leitfähigen Bahnen des Feldes in konzentrischen Kreisen angeordnet. Erste der leitfähigen Bahnen sind zum Ansteuern der Sensoren ausgebildet. Zweite der leitfähigen Bahnen sind zum Abtasten der Sensorausgänge ausgebildet. Die ersten und zweiten leitfähigen Bahnen entsprechen abwechselnden der konzentrischen Kreise. Gemäß einer spezifischeren Implementierung sind die jedem Sensorbereich zugeordneten ersten leitfähigen Bahnen mit den anderen Sensorbereichen zugeordneten ersten leitfähigen Bahnen diskontinuierlich, und die ersten leitfähigen Bahnen für jeden Sensorbereich sind durch eine radiale leitfähige Bahn elektrisch miteinander verbunden. Gemäß einer anderen spezifischen Implementierung sind die zweiten leitfähigen Bahnen durch alle Sensorbereiche hindurch kontinuierlich.
  • Gemäß manchen Implementierungen sind die Sensorschaltungen dazu ausgebildet, ein erstes Schlagereignis für einen ersten Sensorbereich basierend auf mehreren Werten der Sensorausgänge für den ersten Bereich zu detektieren. Jeder der Werte entspricht einem der in dem ersten Sensorbereich enthaltenen Sensoren. Die Sensorschaltungen sind dazu ausgebildet, den Ort des ersten Schlagereignisses durch Interpolieren der Werte zu bestimmen. Gemäß einer spezifischen Implementierung sind die Sensorschaltungen dazu ausgebildet, die Werte mittels eines Sensororts, der jedem der Werte zugeordnet ist, und einer Größe von jedem der Werte zu interpolieren.
  • Gemäß manchen Implementierungen sind die Sensorschaltungen dazu ausgebildet, ein erstes Schlagereignis für einen ersten Sensorbereich basierend auf mehreren Werten der Sensorausgänge für den ersten Bereich zu detektieren. Jeder der Werte entspricht einem der in dem ersten Sensorbereich enthaltenen Sensoren. Die Sensorschaltungen sind dazu ausgebildet, die Geschwindigkeit des ersten Schlagereignisses basierend auf einem ersten der Werte mit einer größten Größe der Werte zu bestimmen.
  • Gemäß manchen Implementierungen sind die Sensorschaltungen dazu ausgebildet, ein Schlagereignis für einen ersten Sensor in einem ersten Sensorbereich durch Bestimmen, dass der Sensorausgang für den ersten Sensor eine Amplitudenschwelle länger als eine angegebene Dauer lang überschreitet, zu detektieren.
  • Gemäß manchen Implementierungen ist das piezoresistive Substrat ein piezoresistives Textil.
  • Gemäß manchen Implementierungen ist die obere Oberfläche der Perkussionsvorrichtung ein Silikonsubstrat in einem Stapel von Komponenten, der das piezoresistive Substrat umfasst.
  • Gemäß manchen Implementierungen sind mindestens einige der Sensorschaltungen auf einer Leiterplatte enthalten, die in einer Kerbe in dem piezoresistiven Substrat angeordnet ist. Leiter der Leiterplatte sind mit mindestens einigen der leitfähigen Bahnen auf dem piezoresistiven Substrat verbunden.
  • Gemäß manchen Implementierungen umfasst die Perkussionsvorrichtung Abschirmung gegenüber elektromagnetischen Interferenzen (EMI). Gemäß einer spezifischen Implementierung umfasst die EMI-Abschirmung ein leitfähiges Gitter, das in ein dielektrisches Substrat eingebunden und von dem piezoresistiven Substrat elektrisch getrennt ist.
  • Ein eingehenderes Verständnis des Wesens und der Vorteile verschiedener Implementierungen wird durch Bezugnahme auf die übrigen Abschnitte dieses Dokuments und die Zeichnungen ermöglicht.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Perkussionsvorrichtung.
    • 2 ist eine Explosionsansicht einer Perkussionsvorrichtung.
    • 3 ist eine Darstellung eines kreisförmigen Sensorfeldes für eine Perkussionsvorrichtung.
    • 4A und 4B zeigen Beispiele für Sensorschaltungen für eine Perkussionsvorrichtung.
    • 5 zeigt EMI-Abschirmung für eine Perkussionsvorrichtung.
    • 6 ist eine Darstellung eines Abschnitts eines kreisförmigen Sensorfeldes für eine Perkussionsvorrichtung.
    • 7 umfasst zwei Schaubilder, welche das Detektieren von Schlagereignissen auf einer Perkussionsvorrichtung darstellen.
    • 8 ist ein Flussdiagramm, das Detektieren von Schlagereignissen für eine Perkussionsvorrichtung darstellt.
    • 9 ist ein Flussdiagramm, das Verarbeiten von Schlagereignissen für eine Perkussionsvorrichtung darstellt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Diese Offenbarung beschreibt und ermöglicht Perkussionsvorrichtungen, welche sich elektronischer Sensortechnologie bedienen. In diesem Dokument werden spezifische Implementierungen, umfassend die besten ins Auge gefassten Ausführungsformen, beschrieben. Beispiele für diese Implementierungen sind in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt. Allerdings ist der Umfang dieser Offenbarung nicht auf die beschriebenen Implementierungen beschränkt. Vielmehr soll diese Offenbarung Alternativen, Modifizierungen und Äquivalente dieser Implementierungen abdecken. In der folgenden Beschreibung werden spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis der beschriebenen Implementierungen zu ermöglichen. Manche Implementierungen können ohne einige oder alle dieser spezifischen Details realisiert werden. Darüber hinaus werden der Klarheit halber gut bekannte Merkmale eventuell nicht im Detail beschrieben.
  • Piezoresistive Materialien umfassen jedwedes aus einer Klasse von Materialien, welche als Reaktion auf mechanische Kraft (z.B. Druck, Schlag, Verformung usw.), die auf das Material aufgebracht wird, eine Änderung des elektrischen Widerstands zeigen. Eine in diesem Dokument beschriebene Klasse von Vorrichtungen umfasst leitfähige Bahnen, die direkt auf dielektrischem Substrat ausgebildet oder auf andere Weise darin eingebunden sind, mit piezoresistivem Material, das dem dielektrischen Substrat benachbart und/oder eng in dieses eingebunden ist und mit mindestens einigen der Bahnen des Dielektrikums in Kontakt ist. Eine in diesem Dokument beschriebene andere Klasse von Vorrichtungen umfasst leitfähige Bahnen, die direkt auf einem Substrat aus piezoresistivem Material, z.B. einem piezoresistiven Textil, ausgebildet oder auf andere Weise in dieses eingebunden sind. Wird Kraft auf einen derartigen dieser beiden Vorrichtungstypen aufgebracht, ändert sich der Widerstand zwischen Bahnen, die durch das piezoresistive Material verbunden sind, auf zeitveränderliche Weise, die für die aufgebrachte Kraft repräsentativ ist.
  • Ein Signal, das für die Größe der aufgebrachten Kraft repräsentativ ist, wird basierend auf der Änderung des Widerstands erzeugt. Dieses Signal wird über die leitfähigen Bahnen (z.B. als Spannung oder Strom) erfasst, digitalisiert (z.B. über einen Analog-Digital-Wandler), verarbeitet (z.B. durch einen zugeordneten Prozessor, eine zugeordnete Steuerung oder geeignete Schaltungen) und einer Steuerungsfunktion zugeordnet (z.B. durch den zugeordneten Prozessor, die zugeordnete Steuerung oder die Schaltungen oder ein gesondertes Steuerungssystem), die in Verbindung mit der Steuerung und/oder dem Betrieb von praktisch jeder Art von Prozess, Vorrichtung oder System verwendet werden kann. Für in diesem Dokument beschriebene Implementierungen umfassen derartige Steuerungsfunktionen die Erzeugung von Audiodarstellungen von Perkussionsinstrumenten.
  • Das piezoresistive Material, mit dem die Bahnen in Kontakt sind oder auf dem die Bahnen ausgebildet sind, kann ein beliebiges aus einer Vielfalt von Web- und Vliesstoffen mit piezoresistiven Eigenschaften sein. Ebenfalls ins Auge gefasst werden Implementierungen, bei denen das piezoresistive Material ein beliebiges aus einer Vielfalt von flexiblen, dehnbaren oder auf andere Weise verformbaren Materialien (z.B. Gummi, oder ein dehnbares Textil wie Elastan oder offenmaschige Textilien) mit piezoresistiven Eigenschaften sein kann. Die leitfähigen Bahnen können auf dem dielektrischen Substrat oder dem piezoresistiven Material mittels einer beliebigen aus einer Vielfalt von leitfähigen Tinten oder Farben ausgebildet werden. Ganz allgemein werden Implementierungen ins Auge gefasst, bei denen die leitfähigen Bahnen mittels eines beliebigen leitfähigen Materials ausgebildet werden, das auf einem beliebigen der beiden Substrattypen ausgebildet werden kann. Bezugnehmend auf das Vorhergesagte sollte es sich verstehen, dass, während spezifische Implementierungen mit Bezugnahme auf spezifische Materialien und Techniken beschrieben werden, der Umfang dieser Offenbarung nicht darauf beschränkt ist.
  • Ins Auge gefasst werden sowohl einseitige als auch zweiseitige Implementierungen, z.B. können leitfähige Bahnen auf einer oder beiden Seiten eines Substrats aufgedruckt oder ausgebildet werden. Es versteht sich, dass zweiseitige Implementierungen einen Mechanismus zum Verbinden von leitfähigen Bahnen auf einer Seite des Substrats mit jenen auf der anderen Seite erfordern können. Manche Implementierungen bedienen sich Vias, durch welche leitfähige Tinte oder Farbe hindurchgeströmt wird, um die Verbindungen herzustellen. Alternativ dazu kann eine breite Palette von leitfähigen Elementen eingeführt werden, um Verbindungen durch das Substrat herzustellen, unter anderem beispielsweise vorgeformte leitfähige Vias, Niete, Heftklammern, Draht, leitfähige Fäden usw. Sowohl einseitige als auch doppelseitige Implementierungen können sich auch Isolationsmaterialien bedienen, die über oder unter leitfähigen Bahnen ausgebildet sind. Dies ermöglicht das Stapeln oder Schichten von leitfähigen Bahnen und Signalleitungen, z.B., um das Rangieren einer Signalleitung zu getrennten Strukturen auf eine Weise analog zu den verschiedenen Schichten einer Leiterplatte zu ermöglichen.
  • Das Rangieren von Signalen auf das Substrat und von diesem weg kann auf verschiedenerlei Weise bewerkstelligt werden. Beispielsweise könnten manche Implementierungen Elastomerverbinder (z.B. ZEBRA®-Verbinder) verwenden, bei denen sich leitfähiger und nichtleitfähiger Gummi mit einer Dichte abwechselt, die für gewöhnlich eine Größenordnung größer als die Breite der leitfähigen Bahnen ist, mit denen sie verbunden sind (z.B. an dem Rand des Substrats). Alternativ dazu kann eine Leiterplatte oder ein Leiterbündel an das Substrat genietet oder auf andere Weise daran befestigt werden. Die Verwendung von Nieten kann auch für mechanische Verstärkung für die Verbindung sorgen.
  • Gemäß manchen Implementierungen können übereinstimmende leitfähige Bahnen oder Pads auf dem Substrat und einer Leiterplatte aneinander befestigt werden, beispielsweise mittels einer Schicht aus leitfähigem Klebstoff (z.B. einem leitfähigen Epoxid wie Masterbond EP79 von Masterbond, Inc. in Hackensack, New Jersey), der auf eine oder beide der Oberflächen aufgetragen wird, welche dann zusammengefügt werden. Die leitfähigen Bahnen oder Pads können auch mit zusätzlichen mechanischen Elementen wie Schallschweißnähten oder Nieten zusammengehalten werden. Wenn leitfähige Niete verwendet werden, um die elektrischen Verbindungen zu den leitfähigen Bahnen des Substrats herzustellen, ist der leitfähige Klebstoff eventuell nicht erforderlich. Auch leitfähige Fäden können verwendet werden, um die leitfähigen Bahnen des Substrats mit einer externen Baugruppe zu verbinden. Andere Beispiele für Methoden zum Verbinden von leitfähigen Bahnen auf einem Substrat mit externen Schaltungen sind in der US-Patentschrift Nr. US 2015/0331533 A1 mit dem Titel „Flexible Sensors and Applications“ beschrieben, deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme für alle Zwecke in dieses Dokument aufgenommen wird. Ganz allgemein wird der breite Rahmen von Variationen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung für Fachkundige offensichtlich sein.
  • Gemäß einer bestimmten Klasse von Implementierungen ist das piezoresistive Material ein druckempfindliches Textil hergestellt von der Eeonyx, Inc. in Pinole, Kalifornien. Das Textil umfasst leitfähige Partikel, die polymerisiert werden, um sie in dem Textil suspendiert zu halten. Das Basismaterial (welches beispielsweise ein Polyesterfilz sein kann) wird hinsichtlich Gleichmäßigkeit von Dichte und Dicke ausgewählt, da dies eine größere Gleichmäßigkeit der Leitfähigkeit des fertigen piezoresistiven Textils fördert. Das heißt, dass die mechanische Gleichmäßigkeit des Basismaterials eine gleichmäßigere Verteilung leitfähiger Partikel ergibt, wenn die Masse, welche die leitfähigen Partikel enthält, eingeführt wird. Bei manchen Implementierungen kann das Textil gewebt sein. Alternativ dazu kann das Textil ein Vlies sein, beispielsweise ein kalandriertes Textil, z.B. durch chemische Behandlung, mechanische Behandlung, Wärmebehandlung oder Lösemittelbehandlung miteinander verbundene Fasern. Für Implementierungen, bei denen leitfähige Bahnen auf dem piezoresistiven Textil ausgebildet werden, kann kalandriertes Material eine glatte äußere Oberfläche bieten, welche eine exaktere Siebung von leitfähigen Tinten begünstigt.
  • Die leitfähigen Partikel in dem Textil können beliebige aus einer breiten Vielfalt von Materialien sein, unter anderem beispielsweise Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Kohlenstoff usw. Für manche Implementierungen können Kohlenstoffgraphenpartikel verwendet werden. Derartige Materialien können anhand von Methoden hergestellt werden, die im US-Patent Nr. US 7,468,332 B2 für „Electroconductive Woven and Non-INoven Fabric“, erteilt am 23. Dezember 2008, beschrieben sind und dessen gesamte Offenbarung durch Bezugnahme für alle Zwecke in dieses Dokument aufgenommen wird. Allerdings sollte auch hier festgehalten werden, dass sich jedes beliebige aus einer breiten Palette von Materialien, welche, wenn Kraft auf das Material aufgebracht wird, eine Änderung des Widerstands oder der Leitfähigkeit zeigen, für die Implementierung von Sensoren, wie sie in diesem Dokument beschrieben wird, eignet.
  • Gemäß einer bestimmten Klasse von Implementierungen werden leitfähige Bahnen, die verschiedene Grade von Leitfähigkeit aufweisen, auf einem dielektrischen Substrat oder piezoresistiven Material mittels leitfähigen silikonbasierten Tinten ausgebildet, die beispielsweise von E.I. du Pont de Nemours and Company (DuPont) in Wilmington, Delaware, und/oder Creative Materials in Ayer, Massachusetts, hergestellt werden. Ein Beispiel für eine leitfähige Tinte, die sich zum Implementieren von hochgradig leitfähigen Bahnen zur Verwendung bei verschiedenen Implementierungen eignet, ist Produkt Nummer 125-19 von Creative Materials, eine flexible, elektrisch leitfähige Hochtemperaturtinte. Beispiele für leitfähige Tinten zum Implementieren von Bahnen mit niedrigerer Leitfähigkeit zur Verwendung bei verschiedenen Implementierungen sind Produkt Nummer 7102 und 7105 von DuPont, beides leitfähige Kohlenstoffzusammensetzungen. Beispiele für dielektrische Materialien, die zum Implementieren von Isolatoren zur Verwendung bei verschiedenen Implementierungen geeignet sind, sind Produktnummern 5018 und 5036 von DuPont, ein UV-aushärtbares Dielektrikum bzw. eine Einkapselungsmasse. Diese Tinten sind flexibel und dauerhaft. Der Leitfähigkeitsgrad für verschiedene Bahnen und Anwendungen kann durch die Menge oder Konzentration von leitfähigen Partikeln (z.B. Silber, Kupfer, Aluminium, Kohlenstoff usw.), die in dem Silikon suspendiert sind, gesteuert werden. Diese Tinten können siebgedruckt oder von einem Tintenstrahldrucker aufgedruckt werden. Gemäß manchen Implementierungen sind die Substrate, auf welche die Tinten aufgedruckt werden, nicht dehnbar, was die Verwendung von weniger teuren Tinten, die eine geringe Flexibilität und/oder Dehnbarkeit aufweisen, ermöglicht. Eine andere Klasse von Implementierungen verwendet leitfähige Farben (z.B. mit Farbe vermischte Kohlenstoffpartikel), beispielsweise jene, die gemeinhin für EMI-Abschirmung und ESD-Schutz verwendet werden.
  • Weitere Beispiele für Sensortechnologie und verwandte Methoden, die bei verschiedenen Implementierungen, die durch die vorliegende Offenbarung ermöglicht werden, verwendet werden können, sind in der US-Patentschrift Nr. US 2011/0088536 A1 mit dem Titel „Foot-Operated Controller‟, eingereicht am 14. Oktober 2010, der US-Patentschrift Nr. US 2013/0239787 A1 mit dem Titel „Multi-Touch Pad Controller“, eingereicht am 13. März 2013, der US-Patentschrift Nr. US 2015/0331522 A1 mit dem Titel „Piezoresistive Sensors and Applications“, eingereicht am 9. Juni 2014, und der US-Patentschrift Nr. US 2015/0331523 A1 mit dem Titel „Two-Dimensional Sensor Arrays“, eingereicht am 20. August 2014, beschrieben, deren jeweilige gesamte Offenbarung durch Bezugnahme für alle Zwecke in dieses Dokument aufgenommen wird. Allerdings sollte auch festgehalten werden, dass Implementierungen ins Auge gefasst werden, welche sich einer Vielfalt anderer geeigneter Sensortechnologien bedienen. Der Umfang dieser Offenbarung sollte daher durch Bezugnahme auf diese Beispiele nicht eingeschränkt werden.
  • Ein Beispiel für eine Perkussionsvorrichtung 100 ist in 1 dargestellt. Eine Explosionsansicht der Perkussionsvorrichtung 100 ist in 2 bereitgestellt. Gemäß einer bestimmten Klasse von Implementierungen weist die Perkussionsvorrichtung vier Quadranten auf. Jeder Quadrant ist dazu ausgebildet, Schlagereignisse zu detektieren und zu melden, umfassend die Anfangsauftreffgeschwindigkeit (von Nutzen beim Formen einer MIDI-Note). Jeder Quadrant ist auch dazu ausgebildet, einen kontinuierlichen Kraftbereich und einen Ort (z.B. radialen Abstand) von Schlagereignissen auf der oberen Oberfläche der Perkussionsvorrichtung 100 zu detektieren und zu melden.
  • Gemäß einer spezifischen Implementierung werden die Quadranten der Perkussionsvorrichtung durch ein Feld aus leitfähigen Bahnen (z.B. siebgedruckte leitfähige Tinte oder Farbe) gebildet, die direkt auf einem dielektrischen Substrat (z.B. auf einem Substrat 202 aus Polyethylenterephthalat oder PET wie in 2 dargestellt) ausgebildet oder auf andere Weise darin eingebunden sind. Ein Beispiel für ein derartiges Feld ist in einer ausführlicheren Abbildung des dielektrischen Substrats 202 in 3 dargestellt. Zu beachten ist, dass die Ausrichtung des Dielektrikums 202 in 3 der in 2 dargestellten entgegengesetzt ist, insofern als die Sensorbahnen in 2 nach unten in Richtung des piezoresistiven Substrats 204 weisen.
  • Das piezoresistive Substrat 204 (z.B. piezoresistive Textilien) ist mit mindestens einigen der leitfähigen Bahnen auf dem dielektrischen Substrat 202 in Kontakt, d.h. den Bahnen auf der dem Substrat 204 zugewandten Seite des Substrats 202, welche nicht durch einen Isolator abgedeckt sind. Diese Substrate sind zwischen Schichten aus Silikongummi 206 und 208 befestigt, welche das Feld schützen und Schlagenergie auf das dielektrische Substrat 202 und das piezoresistive Substrat 204 übertragen.
  • Für Implementierungen, bei denen die Sensorbahnen auf einem piezoresistiven Textil ausgebildet sind, kann die darunterliegende Gummischicht ermöglichen, dass sich das piezoresistive Textil ausdehnen kann, wodurch die durch den Aufprall beeinflusste Fläche des Textils vergrößert wird. Eine Diffuserschicht (z.B. 0,5 mm PET) könnte ebenfalls eingebunden werden, um die Kraft eines Aufprallereignisses (z.B. einen Schlag eines Trommelstocks) zu verteilen, so dass eine größere Fläche des darunterliegenden Textilsensorfeldes beeinflusst wird. Eines oder beide dieser Merkmale können eine breitere Beabstandung der Bahnen der Sensoren und daher weniger zu detektierende und zu verarbeitende Sensorsignale ermöglichen.
  • Das Sensorfeld wird durch analoge Schaltungen und einen Prozessor, der auf einer Leiterplatte (PCB) 210 angeordnet ist, welche mit dem Sensorfeld an der Kerbe 212 in dem dielektrischen Substrat 202 elektrisch verbunden ist, mit Energie gespeist und abgefragt. Auch hier sollte festgehalten werden, dass Implementierungen ins Auge gefasst werden, bei denen die leitfähigen Bahnen stattdessen direkt auf dem piezoresistiven Substrat ausgebildet oder auf andere Weise darin eingebunden sind. Für derartige Implementierungen kann die Leiterplatte 210 auf ähnliche Weise elektrisch mit dem Sensorfeld in dem piezoresistiven Substrat verbunden werden. Bei einer derartigen Implementierung sind die leitfähigen Bahnen auf eine Weise ausgebildet, die im Wesentlichen dem in 3 dargestellten Feld ähnlich ist.
  • Die Konstruktion der Vorrichtung 100 wird durch Befestigen des oberen Gehäuseteils 214 an dem unteren Gehäuseteil 216 mittels Befestigungselementen 218 vervollständigt. Ein Gummifuß 220 wird mit einem Klebstoff, z.B. PSA 222, an dem unteren Gehäuseteil 216 befestigt.
  • 4A und 4B sind vereinfachte Schaltpläne von Sensorschaltungen, die beispielsweise auf der Leiterplatte 210 oder anderen verbundenen Baugruppen zur Verwendung bei in diesem Dokument beschriebenen Implementierungen vorgesehen werden können. Beispielsweise könnten für die in 1 - 3 beschriebene Implementierung derartige Sensorschaltungen mit den leitfähigen Bahnen auf dem dielektrischen Substrat 202 verbunden werden (wie durch das Sensorfeld 401 dargestellt ist). Wenn auf einen der Sensoren Druck ausgeübt wird, wird ein resultierendes Signal (z.B. über die entsprechenden Bahnen erfasst) empfangen (über einen Referenzverstärker 402), gemultiplext (über einen Multiplexer 403) und digitalisiert (über einen A/D-Wandler 404) und kann lokal verarbeitet werden (z.B. durch einen Prozessor 406) und/oder über eine drahtgebundene Verbindung (z.B. einen USB-Steckverbinder 411) oder eine drahtlose Verbindung (z.B. einen Bluetooth-Transceiver (nicht dargestellt) usw.) zu einem verbundenen System oder einer verbundenen Vorrichtung (z.B. einem Personalcomputer 409) übertragen werden. Die Sensoren des Sensorfeldes 401 können durch die Sensorschaltungen selektiv mit Energie versorgt werden (z.B. über einen GPIO(Allzweck-Eingabe-Ausgabe)-Kontaktstift des Prozessors 406 gesteuert). Der Prozessor 406 kann über eine drahtgebundene oder drahtlose Schnittstelle mit einem abgesetzten System kommunizieren. Energie kann den Sensorschaltungen mittels eines beliebigen aus einer Vielfalt von Mechanismen, einschließlich einer oder mehrerer Batterien, bereitgestellt werden. Wie zu erkennen sein wird, sind die in 4A dargestellten Sensorschaltungen lediglich ein Beispiel. Eine weit breitere Palette von Sensorschaltungskomponenten, -konfigurationen und -funktionalitäten als die dargestellten wird ins Auge gefasst. Gemäß einer bestimmten Implementierung kann der Prozessor 406 in die Steuerung C8051F380-GM (bereitgestellt von Silicon Labs in Austin, Texas) eingebunden sein. Ein Speicher 407 (der in den Prozessor 406 eingebunden sein kann oder auch nicht) umfasst nicht transitorische rechnerlesbare Speichermedien, die beliebige aus einer breiten Vielfalt von Typen von flüchtigen und nichtflüchtigen Speichermedien sein können, und kann rechnerlesbare Anweisungen, Datenstrukturen, Programmmodule, Logik, Firmware und/oder andere Daten, welche die in diesem Dokument beschriebenen Funktionalitäten implementieren oder unterstützen, umfassen.
  • Bei der dargestellten Implementierung wird das PWM-Signal von dem Prozessor 406 zur Erzeugung einer Spannung für Vref, die zwischen 0V und Vdd (die Versorgungsspannung der Steuerung) liegt, durch Variieren des Tastverhältnisses des PWM-Signals verwendet. Das Tiefpassfilter unterdrückt die hohe Trägerfrequenz und die Oberschwingungen des PWM-Signals, was zu einer im Wesentlichen konstanten Spannung für Vref führt, die proportional zu dem Tastverhältnis ist.
  • Vref wird auch dem ADC 404 bereitgestellt, um höher aufgelöste Ablesewerte von Sensorausgangssignalen (z.B. in Millivolt/Zählwert) zu ermöglichen. Ein ADC-Zählwert ist gleich (in mV) der positiven Vref minus der negativen Vref dividiert durch den ADC-Bereich. Bei dem Beispiel aus 4A ist die positive Vref das gefilterte PWM-Signal, die negative Vref die Erde und der ADC-Bereich 1024 Zählwerte (10-Bit-Auflösung). In dem Fall von Vref = Vdd = 3,3V gilt (3,3V-0V)/1024 Zählwerte = 3,22mV/Zählwert, wobei in dem Fall von Vref = Vdd/2 = 1,65V (1,65V-0V)/1024 Zählwerte = 1,61 mV/Zählwert gilt. Aufgrund der Umkehrverstärkerkonfiguration steigt der Ausgang der Verstärker nie über Vref, sondern fällt nur darunter. Dies ermöglicht das Vergrößern des Spannungsbereichs von Vref zu Erde, ohne dass der Eingang zu dem ADC über Vref und über den Betriebsbereich des ADC hinaus ansteigt. Somit kann durch Einschränken des ADC-Eingangsbereichs derart, dass er dem Ausgangsbereich des Verstärkers entspricht, die ADC-Schrittgröße in mV/Zählwert verringert werden.
  • Der Betrieb des Sensorfeldes der Perkussionsvorrichtung kann mit Bezugnahme auf das vereinfachte Schaltbild aus 4B verstanden werden, in welchem an einen piezoresistiven Textilsensor f (z.B. durch den Prozessor 406) eine programmierbare Spannung gleich (Vin-Vref) angelegt wird. Der Strom, der durch den Textilsensor fließt, wird in einen digitalen Wert (z.B. durch den ADC 404) umgewandelt und durch den Prozessor erfasst. Gemäß einer bestimmten Implementierung steuert der Prozessor abwechselnd 4 verschiedene leitfähige Bahnen an und tastet 6 verschiedene analoge Kanäle ab, wodurch 24 Sensorbereiche oder -orte angesprochen werden. Diese Sensororte werden jeweils über tausend Mal pro Sekunde abgetastet, um Informationen über die Eingabe des Perkussionisten zu erfassen und diese in einen standardmäßigen MIDI-über-USB-Ausgang umzuwandeln.
  • Es versteht sich, dass das Ansprechverhalten der Sensoren in Feldern, welche durch die vorliegende Offenbarung ermöglicht werden, untereinander verschieden sein kann. Gemäß manchen Implementierungen können kalibrierte Sensordaten gespeichert werden (z.B. im Speicher 407 des Prozessors 406), welche das Ansprechverhalten jedes der Sensoren darstellen. Solche Daten können zum Sicherstellen der Einheitlichkeit in der Art und Weise, wie die Sensorausgänge verarbeitet und/oder verwendet werden, um aufgebrachte Kräfte darzustellen, verwendet werden. Während der Kalibrierung wird der Ausgang jedes Sensors (z.B. wie durch den ADC 404 erfasst) für einen Bereich von bekannten Eingangskräften gemessen. Auf diese Weise wird ein Satz von Datenpunkten für jeden Sensor erfasst (z.B. in einer Tabelle im Speicher 407), der ADC-Werte entsprechenden Kräften (z.B. Gewichten in Gramm oder Kilogramm) zuordnet. Der Datensatz für jeden Sensor kann einen Kraftwert (oder einen Offsetwert) für jeden möglichen Wert des ADC-Ausgangs erfassen. Alternativ dazu können weniger Datenpunkte erfasst werden und die Sensorschaltungen können sich Interpolation bedienen, um Kraftwerte für ADC-Ausgänge, die nicht in dem Datensatz dargestellt sind, abzuleiten.
  • Gemäß manchen Implementierungen wird Abschirmung gegen elektromagnetische Interferenzen (EMI) vorgesehen, um zu verhindern, dass Streufelder die Leistung beeinträchtigen. Derartige Streufelder könnten beispielsweise auf 60-Takt-Netzbrummen, nahe Drahtlosvorrichtungen, kapazitive Kopplung zwischen den Händen des Benutzers und den gedruckten Bahnen usw. zurückzuführen sein. Die EMI-Abschirmung könnte auf verschiedenerlei Weise bereitgestellt werden. Beispielsweise für Implementierungen, bei denen die Sensorbahnen auf piezoresistivem Textil ausgebildet werden, könnte leitfähige Farbe (z.B. Nickelfarbe) auf PET-Bahnen über und/oder unter dem piezoresistiven Textil vorgesehen werden. Die Abschirmung könnte mit der oben besprochenen Diffuserschicht kombiniert werden (z.B. mit der leitfähigen Farbe auf der von dem Textil anderen Seite des Diffusers).
  • Gemäß einer bestimmten Implementierung, bei der die Sensorbahnen auf einem dielektrischen Substrat ausgebildet sind, ist ein leitfähiges Gitter auf der von den Sensorbahnen entgegengesetzten Seite des dielektrischen Substrats vorgesehen. Wie in dem Beispiel von 5 dargestellt ist, kann schraffiertes leitfähiges Gitter 502 auf die obere Seite des dielektrischen Substrats 202 siebgedruckt oder auf andere Weise abgeschieden werden. Das schraffierte Gitter kann mit Erdungspads auf der Leiterplatte 210 und/oder Erdungspads auf der anderen Seite des dielektrischen Substrats 202, z.B. mittels leitfähiger Vias (nicht dargestellt), elektrisch verbunden werden.
  • Jeder Quadrant der Perkussionsvorrichtung entspricht einer der vier Leitungen, die durch den Prozessor angesteuert werden. Die Konfiguration der leitfähigen Bahnen jedes Quadranten kann unter Bezugnahme auf 6 verstanden werden, welche der Klarheit halber nur einige der Bahnen des dielektrischen Substrats 202 darstellt. Die durchgezogenen Bahnen in dem linken oberen Quadranten sind (durch die radiale Bahn 602) alle elektrisch miteinander verbunden und sind die Bahnen, durch welche der Quadrant durch ein Ansteuersignal von dem Prozessor mit Energie versorgt wird. Jede der kreisförmigen Bahnen (gestrichelte Linien) stellt einen der sechs unabhängigen Kanäle dar, durch welche die Sensoren jedes Quadranten abgetastet werden, d.h. Schlagereignisse auf dem Quadranten werden in den Signalen auf diesen Abtastbahnen dargestellt, die als jeweilige Sensorausgänge zu dem Prozessor auf der Leiterplatte (nicht dargestellt) übertragen werden. Der Abschnitt jeder kreisförmigen Abtastbahn, welcher einem bestimmten Quadranten entspricht, bildet mit den benachbarten Ansteuerbahnen in jenem Quadranten einen Sensor. Gemäß einer bestimmten Implementierung ist der Ort, der jedem derartigen Sensor in einem Quadranten zugeordnet ist, der radiale Abstand des entsprechenden Abschnitts der Abtastbahn relativ zu dem Mittelpunkt des Feldes. Zu beachten ist, dass die gestrichelten Linien, welche diese Ansteuerbahnen darstellen, kontinuierliche Leiter sind und dass die gestrichelte Darstellung lediglich veranschaulichenden Zwecken dient.
  • Wie in 3 und 6 dargestellt ist, sind die gekrümmten Ansteuerbahnen in jedem Quadrant mit den Ansteuerbahnen der anderen Quadranten diskontinuierlich und enden an den Rändern des Quadranten, während die kreisförmigen Abtastbahnen durch alle vier Quadranten hindurch kontinuierlich sind. Dies wird durch die Verwendung eines Isolators 604 über der radialen Bahn 602 ermöglicht, der ermöglicht, dass die Abtastbahnen (z.B. die Abtastbahn 606) die radialen Bahnen in jedem der Quadranten kreuzen, wie in der vergrößerten Ansicht dargestellt ist. Der Isolator 604 isoliert auch die radiale Bahn 602 von dem piezoresistiven Substrat. Ähnliche Isolatoren werden in Verbindung mit den anderen radialen Ansteuerbahnen (nicht dargestellt) und den radialen Abtastbahnen, durch welche die Sensorausgänge empfangen werden, verwendet.
  • Der Prozessor steuert die Ansteuerbahnen sequenziell an und tastet die Abtastbahnen sequenziell ab, um einen Schlagereignis-Datensatz zu generieren. Das Generieren dieses Datensatzes wird wiederholt durchgeführt. Für die dargestellte Implementierung umfasst der Schlagereignis-Datensatz einen Wert für jede der 24 Kombinationen aus Ansteuerbahnen und Abtastbahnen. Wie zu erkennen sein wird, kann die Sequenz, die zum Generieren des Datensatzes verwendet wird, für verschiedene Implementierungen verschieden sein. Beispielsweise kann die Sequenz nach Abtastbahn oder nach Ansteuerbahn organisiert werden. Wie auch zu erkennen sein wird, ermöglicht sequenzielle Ansteuerung und Abtastung das Detektieren des Orts von Schlagereignissen innerhalb eines Quadranten in Form des radialen Abstands von dem Mittelpunkt oder dem Rand der Vorrichtung.
  • Gemäß einer bestimmten Klasse von Implementierungen wird Schlagdetektion durch Vergleichen von ADC-Ablesewerten mit einem Offsetwert, der für den entsprechenden Sensor (z.B. in dem Speicher 407) gespeichert ist, durchgeführt. Wie oben besprochen wurde, ist dieser Offset infolge von Schwankungen des Widerstands innerhalb des piezoresistiven Materials für jeden Sensor einzigartig. Die Offsetgröße wird mittels eines Filters mit unendlicher Impulsantwort (IIR-Filter) ermittelt. Neue Ablesewerte werden zu dem mit einem Vorwärtskopplungskoeffizienten multiplizierten aktuellen Offset hinzuaddiert, und diese Summe wird dann durch einen Rückkopplungskoeffizienten gleich dem Vorwärtskopplungskoeffizienten plus Eins dividiert. Diese Berechnung wird nachstehend dargestellt: o f f s e t 2 = ( b ∗ o f f s e t 1 ) + r a w 2 a
    Figure DE112016004743B4_0001
    wobei offset1 der zuvor berechnete Offset ist, raw2 der neueste ADC-Ablesewert ist, a der Rückkopplungskoeffizient ist, b der Vorwärtskopplungskoeffizient ist und offset2 der resultierende neu berechnete Offset ist. Der Offset für jeden Sensor wird wiederholt neu berechnet und gespeichert (z.B. im Speicher 407), um Änderungen beim Rauschen oder dem Widerstand des Materials, beispielsweise infolge von Umwelteinwirkungen, Rechnung zu tragen. Falls ein Schlag nicht aufgezeichnet wird, wird dieser neuberechnete Offset gespeichert.
  • Gemäß einer bestimmten Implementierung wird ein Hystereseschema für die Schlagdetektion implementiert, da das bloße Melden hoher ADC-Ablesewerte zu Fehlauslösungen infolge von einzelnen Rauschspitzen führen könnte. Das Schema bedient sich zweier Schwellen: einer für Amplitude und einer für Dauer. Die Amplitudenschwelle erfordert, dass der ADC-Ablesewert für einen Sensor größer gleich dem Offsetwert plus der Schwelle ist. Wenn die Größe des ADC-Ablesewerts groß genug ist, stellt dies eine Spitze dar und inkrementiert einen Zähler, der die Anzahl benachbarter Spitzen verfolgt. Die Dauerschwelle erfordert, dass die Anzahl benachbarter Spitzen größer gleich der Schwelle ist. Wenn die Anzahl von Spitzen, die in einer Reihe auftreten, groß genug ist, wird ein Schlag erfasst, und der Prozessor setzt einen internen Merker in Vorbereitung zum Melden dieses Ereignisses. Der Betrieb einer bestimmten Implementierung eines Schlagdetektionsschemas ist unter Bezugnahme auf die Abtastwellenform aus 7 und das Flussdiagramm aus 8 (welches den ‚Schlagdetektier‘-Algorithmus für einen bestimmten Quadranten darstellt) zu verstehen.
  • Alle Sensoren werden nach dem Hochlauf zu dem ‚RUHE‘-Zustand initialisiert (802). Wenn ein ADC-Ablesewert 702 eines Sensors über der Ein-Amplitudenschwelle 704 eine Spitze erreicht (804), wird für diesen Sensor ein Zähler inkrementiert (806), z.B. wie durch den Spitzenzustand 706 dargestellt ist. Wenn dieser Zählwert von aneinandergrenzenden Abtastungen über der Ein-Amplitudenschwelle die Ein-Längenschwelle (808) trifft, z.B. wie mit Spitze 710, wird der Zustand 708 des Sensors zu dem ‚GESCHLAGEN‘-Zustand der Zustandsmaschine (810), z.B. 712 übergehen. Dieser Sensor wird mittels eines Boolschen-Merkers zur späteren Verwendung in der ‚Schlagverarbeitungs‘-Funktion als geschlagen markiert. Wenn der Abtastzählwert nicht die Ein-Längenschwelle trifft, z.B. wie mit Spitze 714, bleibt der Zustand des Sensors auf ‚RUHE‘.
  • Wenn ein Sensor in dem ‚GESCHLAGEN‘-Zustand (812) unter die Aus-Amplitudenschwelle (814) fällt, z.B. bei 716, wird ein anderer Zähler inkrementiert (816). Wenn dieser Zählwert aus aneinandergrenzenden Abtastungen unter der Aus-Amplitudenschwelle die Aus-Längenschwelle (818) trifft, wird der Sensor zu dem ‚RUHE‘-Zustand der Zustandsmaschine (820) zurückkehren. Der Sensorschlagmerker wird in diesem Fall gelöscht.
  • Die Berechnung des Zentroids des Quadranten zur Radiusinterpolation erfolgt innerhalb der ‚Schlagdetektier‘-Funktion. Wenn ein Sensor getroffen wird (830), wird (wenn er der größte der aktiven Sensoren in dem Quadranten ist) seine Amplitude zurückbehalten (832) und sein Radius, multipliziert mit seinem Druck, wird zu einem Akkumulator addiert, welcher diese Produkte für alle aktiven Sensoren innerhalb des Quadranten enthält (834). Nachdem alle Terme akkumuliert wurden, wird die Summe aus Produkten durch die Summe aus Drücken dividiert, um den interpolierten Radius (836) zu erhalten, und der Quadrant wird als einen Schlag (838) verzeichnend markiert. Der größte Druck innerhalb des Quadranten (d.h. die größte Amplitude) wird als Druck jenes Quadranten (840) gespeichert.
  • Gemäß einer bestimmten Implementierung wird der interpolierte Ort des Schlags aus den Geschwindigkeiten aller Schlagsensoren innerhalb des betreffenden Quadranten, für den Schläge gemeldet werden, berechnet. Bei einem Beispiel, bei dem drei Sensoren (a, b und c) einen Schlag innerhalb eines Quadranten verzeichnen, kann der interpolierte Ort des Schlags mittels der folgenden gewichteten Durchschnittsgleichung berechnet werden: ( R a d i u s a x G e s c h w i n d i g k e i t a ) + ( R a d i u s b x G e s c h w i n d i g k e i t b ) + ( R a d i u s c x G e s c h w i n d i g k e i t c ) G e s c h w i n d i g k e i t a + G e s c h w i n d i g k e i t b + G e s c h w i n d i g k e i t c = R a d i u s x
    Figure DE112016004743B4_0002
    wobei sich Radius auf den Abstand zwischen dem Sensor und dem Mittelpunkt des Sensorfeldes (d.h. den radialen Abstand von dem Mittelpunkt des Feldes zu der bestimmten kreisförmigen Detektierleitung, mit welcher der Schlag in Korrelation steht) bezieht, Geschwindigkeit sich auf die Größe des ADC-Ablesewerts für den Schlag über dem Offset bezieht, a, b und c sich auf die Sensoren beziehen, für welche Schläge gemeldet wurden, welche beim Berechnen des Ortes verwendet werden, und x sich auf den interpolierten Ort bezieht. Gemäß manchen Implementierungen wird als die Geschwindigkeit des Aufpralls die höchste der Geschwindigkeiten herangezogen. Gemäß anderen Implementierungen kann die Geschwindigkeit des Aufpralls durch einen einfachen Mittelwert der Geschwindigkeiten berechnet werden.
  • Das Flussdiagramm aus 9 (welches den ‚Schlagverarbeitungs‘-Algorithmus für einen bestimmten Quadranten darstellt) stellt den Ausgang von Modulationsleitungen über MIDI-Meldungen durch Verwendung der Quadrantendruck- und Radiuswerte, die innerhalb der ‚Schlagdetektier‘-Funktion berechnet werden, dar. Eine „Modulationsleitung“ ist ein durch einen Benutzer (z.B. in einer Gerätekonfigurationsbenutzeroberfläche) spezifizierter Satz von Parametern, welche die Sensorausgänge zu gewünschten Verhaltensweisen transformieren. Beispielsweise könnte eine Modulationsleitung einen Eingang auswählen, auf diesen Eingang Transformationen wie Gain (z.B. einen Multiplizierer) und Offset (z.B. hinzuaddieren oder subtrahieren) anwenden und den transformierten Wert in einem spezifizierten Meldungsformat ausgeben (z.B. ‚MIDI-Note ein‘ oder ‚MIDI-Tonhöhenbeugung‘). Eine Modulationsleitung könnte auch minimale und maximale Bereichsgrenzen vorgeben sowie Transformationen (z.B. linear, log, exp) anwenden, welche die Form des Ansprechverhaltens ändern. Beispielsweise könnte der Benutzer durch Vorgeben eines Offsets von minus 50% vorgeben, dass Druck auf einem Sensor erst bei 50% des Sensorbereichs erfasst wird. Wenn dann ein Gain-Faktor von 2x spezifiziert wird, wird der effektive Bereich des Sensors verschoben, z.B. zu einem erstrebenswerteren Gestenansprechverhalten.
  • Nunmehr auf 9 Bezug nehmend werden alle Quadranten auf den ‚RUHE‘-Zustand initialisiert (902). Wenn der Quadrant durch einen Merker als geschlagen bezeichnet wird (904), wird er zu dem ‚SCHLAG_START‘-Zustand übergehen(908), wobei die aktuellen Druck- und Radiuswerte als Ausgangsdruck- bzw. Ausgangsradiuswerte beibehalten werden (906). Wenn der Quadrant nicht geschlagen wird, wird er in dem ‚RUHE‘-Zustand bleiben.
  • In dem ‚SCHLAG_START‘-Zustand (910), wenn der Quadrant noch geschlagen wird (911) und der aktuelle Druckwert größer als der vorangehende Ausgangsdruckwert ist (912), werden die neuen Druck- und Radiuswerte als Ausgangswerte zurückbehalten (914). Wenn der aktuelle Druck kleiner gleich dem vorangehenden Ausgangswert ist, wird der Quadrant alle aktiven Modulationsleitungen unter Verwendung der Ausgangsdruck- und -radiuswerte aussenden (918) und in den ‚SCHLAG_STROM‘-Zustand übergehen (916).
  • In dem ‚SCHLAG_STROM‘-Zustand (920) werden, wenn der Quadrant noch geschlagen wird (922), alle Modulationsleitungen, die auf kontinuierliche Ausgabe gestellt sind, unter Verwendung der aktuellen Druck- und Radiuswerte ausgesendet (924).
  • Wenn der Quadrant nicht mehr geschlagen wird, wenn er sich in dem ‚SCHLAG_START‘- oder dem ‚SCHLAG_STROM‘-Zustand befindet, wird er in den ‚RUHE‘-Zustand zurückkehren. Wenn er von dem ‚SCHLAG_STROM‘-Zustand zurückkehrt, in dem Modulationsleitungsausgabe über MIDI-Meldungen erfolgte, werden Note-Aus-Meldungen für jegliche zuvor eingeschaltete Noten gesendet (926)
  • Fachkundige werden erkennen können, dass Änderungen der Form und von Details der in diesem Dokument beschriebenen Implementierungen vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang dieser Offenbarung abzugehen. Darüber hinaus sollte, wenngleich verschiedene Vorteile, Aspekte und Objekte mit Bezugnahme auf verschiedene Implementierungen beschrieben wurden, der Umfang dieser Offenbarung nicht durch Bezugnahme auf derartige Vorteile, Aspekte und Objekte eingeschränkt werden. Vielmehr sollte der Umfang dieser Offenbarung mit Bezugnahme auf die beiliegenden Ansprüche bestimmt werden.

Claims (28)

  1. Perkussionsvorrichtung, umfassend: ein dielektrisches Substrat mit einem Feld aus leitfähigen Bahnen, die auf einer ersten Oberfläche des dielektrischen Substrats ausgebildet sind; ein piezoresistives Substrat, das mit dem dielektrischen Substrat ausgerichtet ist und mit der ersten Oberfläche des dielektrischen Substrats und den leitfähigen Bahnen in Kontakt ist, wobei die leitfähigen Bahnen und das piezoresistive Substrat mehrere Sensorbereiche der Perkussionsvorrichtung bilden, wobei jeder der Sensorbereiche mehrere Sensoren umfasst, wobei jeder der Sensoren einen entsprechenden Sensorausgang aufweist; und Sensorschaltungen, die dazu ausgebildet sind, die Sensoren sequenziell anzusteuern, die Sensorausgänge sequenziell abzutasten und Schlagereignisse auf einer oberen Oberfläche der Perkussionsvorrichtung zu detektieren, wobei die Sensorschaltungen dazu ausgebildet sind, für jedes Schlagereignis einen der Sensorbereiche, der dem Schlagereignis entspricht, einen Ort des Schlagereignisses relativ zu dem Feld und eine Geschwindigkeit des Schlagereignisses zu bestimmen.
  2. Perkussionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Feld aus leitfähigen Bahnen im Wesentlichen kreisförmig ist, wobei jeder der Sensorbereiche einem Quadranten des Feldes entspricht und wobei der Ort für jedes Schlagereignis ein radialer Abstand relativ zu dem Mittelpunkt des Feldes ist.
  3. Perkussionsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die leitfähigen Bahnen des Feldes in konzentrischen Kreisen angeordnet sind, wobei erste der leitfähigen Bahnen zum Ansteuern der Sensoren ausgebildet sind, wobei zweite der leitfähigen Bahnen zum Abtasten der Sensorausgänge ausgebildet sind, wobei die ersten und die zweiten leitfähigen Bahnen abwechselnden der konzentrischen Kreise entsprechen.
  4. Perkussionsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die ersten leitfähigen Bahnen, die jedem Sensorbereich zugeordnet sind, mit den ersten leitfähigen Bahnen, die anderen Sensorbereichen zugeordnet sind, diskontinuierlich sind und wobei die ersten leitfähigen Bahnen für jeden Sensorbereich durch eine radiale leitfähige Bahn miteinander elektrisch verbunden sind.
  5. Perkussionsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die zweiten leitfähigen Bahnen durch alle Sensorbereiche hindurch kontinuierlich sind.
  6. Perkussionsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sensorschaltungen dazu ausgebildet sind, ein erstes Schlagereignis für einen ersten Sensorbereich basierend auf mehreren Werten der Sensorausgänge für den ersten Bereich zu detektieren, wobei jeder der Werte einem der Sensoren entspricht, die in dem ersten Sensorbereich enthalten sind, wobei die Sensorschaltungen ferner dazu ausgebildet sind, den Ort des ersten Schlagereignisses durch Interpolieren der Werte zu bestimmen.
  7. Perkussionsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Sensorschaltungen dazu ausgebildet sind, die Werte durch Verwendung eines Sensororts, der jedem der Werte zugeordnet ist, und einer Größe jedes der Werte zu interpolieren.
  8. Perkussionsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Sensorschaltungen dazu ausgebildet sind, ein erstes Schlagereignis für einen ersten Sensorbereich basierend auf mehreren Werten der Sensorausgänge für den ersten Bereich zu detektieren, wobei jeder der Werte einem der Sensoren entspricht, die in dem ersten Sensorbereich enthalten sind, wobei die Sensorschaltungen ferner dazu ausgebildet sind, die Geschwindigkeit des ersten Schlagereignisses basierend auf einem ersten der Werte mit einer größten Größe der Werte zu bestimmen.
  9. Perkussionsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Sensorschaltungen dazu ausgebildet sind, ein Schlagereignis für einen ersten Sensor in einem ersten Sensorbereich durch Bestimmen, dass der Sensorausgang für den ersten Sensor eine Amplitudenschwelle länger als eine vorgegebene Dauer überschreitet, zu detektieren.
  10. Perkussionsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, wobei das piezoresistive Substrat ein piezoresistives Textil ist.
  11. Perkussionsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 10, wobei die obere Oberfläche der Perkussionsvorrichtung ein Silikonsubstrat in einem Stapel von Komponenten ist, welcher das dielektrische Substrat und das piezoresistive Substrat umfasst.
  12. Perkussionsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 11, wobei mindestens ein Teil der Sensorschaltungen auf einer Leiterplatte enthalten ist, die in einer Kerbe in dem dielektrischen Substrat angeordnet ist, wobei Leiter der Leiterplatte mit mindestens einigen der leitfähigen Bahnen auf dem dielektrischen Substrat verbunden sind.
  13. Perkussionsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 12, ferner umfassend eine einer zweiten Oberfläche des dielektrischen Substrats, die der ersten Oberfläche des dielektrischen Substrats entgegengesetzt ist, benachbarte Abschirmung gegen elektromagnetische Interferenzen, auch EMI-Abschirmung genannt.
  14. Perkussionsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die EMI-Abschirmung ein leitfähiges Gitter umfasst, das in die zweite Oberfläche des dielektrischen Substrats eingebunden ist.
  15. Perkussionsvorrichtung, umfassend: ein piezoresistives Substrat mit einem darauf ausgebildeten Feld aus leitfähigen Bahnen, wobei die leitfähigen Bahnen und das piezoresistive Substrat mehrere Sensorbereiche der Perkussionsvorrichtung bilden, wobei jeder der Sensorbereiche mehrere Sensoren umfasst, wobei jeder der Sensoren einen entsprechenden Sensorausgang aufweist; und Sensorschaltungen, die dazu ausgebildet sind, die Sensoren sequenziell anzusteuern, die Sensorausgänge sequenziell abzutasten und Schlagereignisse auf einer oberen Oberfläche der Perkussionsvorrichtung zu detektieren, wobei die Sensorschaltungen dazu ausgebildet sind, für jedes Schlagereignis einen der Sensorbereiche, der dem Schlagereignis entspricht, einen Ort des Schlagereignisses relativ zu dem Feld und eine Geschwindigkeit des Schlagereignisses zu bestimmen.
  16. Perkussionsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Feld aus leitfähigen Bahnen im Wesentlichen kreisförmig ist, wobei jeder der Sensorbereiche einem Quadranten des Feldes entspricht und wobei der Ort für jedes Schlagereignis ein radialer Abstand relativ zu dem Mittelpunkt des Feldes ist.
  17. Perkussionsvorrichtung nach Anspruch 16, wobei die leitfähigen Bahnen des Feldes in konzentrischen Kreisen angeordnet sind, wobei erste der leitfähigen Bahnen zum Ansteuern der Sensoren ausgebildet sind, wobei zweite der leitfähigen Bahnen zum Abtasten der Sensorausgänge ausgebildet sind, wobei die ersten und die zweiten leitfähigen Bahnen abwechselnden der konzentrischen Kreise entsprechen.
  18. Perkussionsvorrichtung nach Anspruch 17, wobei die ersten leitfähigen Bahnen, die jedem Sensorbereich zugeordnet sind, mit den ersten leitfähigen Bahnen, die anderen Sensorbereichen zugeordnet sind, diskontinuierlich sind und wobei die ersten leitfähigen Bahnen für jeden Sensorbereich durch eine radiale leitfähige Bahn miteinander elektrisch verbunden sind.
  19. Perkussionsvorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die zweiten leitfähigen Bahnen durch alle Sensorbereiche hindurch kontinuierlich sind.
  20. Perkussionsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 15 bis 19, wobei die Sensorschaltungen dazu ausgebildet sind, ein erstes Schlagereignis für einen ersten Sensorbereich basierend auf mehreren Werten der Sensorausgänge für den ersten Bereich zu detektieren, wobei jeder der Werte einem der Sensoren entspricht, die in dem ersten Sensorbereich enthalten sind, wobei die Sensorschaltungen ferner dazu ausgebildet sind, den Ort des ersten Schlagereignisses durch Interpolieren der Werte zu bestimmen.
  21. Perkussionsvorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Sensorschaltungen dazu ausgebildet sind, die Werte durch Verwendung eines Sensororts, der jedem der Werte zugeordnet ist, und einer Größe jedes der Werte zu interpolieren.
  22. Perkussionsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 15 bis 21, wobei die Sensorschaltungen dazu ausgebildet sind, ein erstes Schlagereignis für einen ersten Sensorbereich basierend auf mehreren Werten der Sensorausgänge für den ersten Bereich zu detektieren, wobei jeder der Werte einem der Sensoren entspricht, die in dem ersten Sensorbereich enthalten sind, wobei die Sensorschaltungen ferner dazu ausgebildet sind, die Geschwindigkeit des ersten Schlagereignisses basierend auf einem ersten der Werte mit einer größten Größe der Werte zu bestimmen.
  23. Perkussionsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 15 bis 22, wobei die Sensorschaltungen dazu ausgebildet sind, ein Schlagereignis für einen ersten Sensor in einem ersten Sensorbereich durch Bestimmen, dass der Sensorausgang für den ersten Sensor eine Amplitudenschwelle länger als eine vorgegebene Dauer überschreitet, zu detektieren.
  24. Perkussionsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 15 bis 23, wobei das piezoresistive Substrat ein piezoresistives Textil ist.
  25. Perkussionsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 15 bis 24, wobei die obere Oberfläche der Perkussionsvorrichtung ein Silikonsubstrat in einem Stapel von Komponenten ist, welcher das piezoresistive Substrat umfasst.
  26. Perkussionsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 15 bis 25, wobei mindestens ein Teil der Sensorschaltungen auf einer Leiterplatte enthalten ist, die in einer Kerbe in dem piezoresistiven Substrat angeordnet ist, wobei Leiter der Leiterplatte mit mindestens einigen der leitfähigen Bahnen auf dem piezoresistiven Substrat verbunden sind.
  27. Perkussionsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 15 bis 26, ferner umfassend eine Abschirmung gegen elektromagnetische Interferenzen, auch EMI-Abschirmung genannt.
  28. Perkussionsvorrichtung nach Anspruch 27, wobei die EMI-Abschirmung ein leitfähiges Gitter umfasst, das in ein dielektrisches Substrat eingebunden und von dem piezoresistiven Substrat elektrisch getrennt ist.
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