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Verwendung von druckempfindlichen Körpern zur Indirekttastung von
elektronischen Musikinstrumenten Das Problem, die Lautstärke der angeschlagenen
Töne eines elektronischen Musikinstruments von der Art des Tastenanschlags und nach
Möglichkeit auch von der Tastenanschlagsgeschwindigkeit abhängig zu machen, wurde
für Direkttastung, d. h. daß die Tasten direkt das Signal ein- und ausschalten,
bereits dadurch gelöst, daß beispielsweise Plattenkondensatoren mit durch den Tastendruck
veränderbarem Plattenabstand benutzt wurden oder bei anderen Geräten glyzeringetränkte
Schaumstoffstreifen zur Anwendung gelangten.
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Diese Lösungen stoßen sowohl auf mechanische, elektrische und Wartungsschwierigkeiten
als auch darauf, daß die mit ihnen erzielbaren
Klangwirkungen begrenzt
sind. Zu den elektrischen Schwierigkeiten gehört insbesondere, daß die bekannten
Werkstoffe zu einem großen Rauschanteil des Signals beitragen.
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Man hat daher auf die Indirekttastung zurückgegriffen, d. h.
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mittels des Tastenkontaktes wird eine elektrische Spannung erzeugt,
die ihrerseits erst das Signal ein- und ausschaltet. So ist beispielsweise aus den
deutschen Offenlegungsschriften 1 622 885 und 1 797 161 eine Indirekttastschaltung
bekannt geworden, bei der das Tastsignal-dadurch erzeugt wird, daß in Abhängigkeit
vom Tastendruck und der Tastenanschlagsgeschwindigkeit ein Magnet in eine Spule
hineinbewegt wird und die dadurch entstehende Induktionsspannung zur Lautstärkesteuerung
benutzt wird. Somit ist für jede Taste eines elektronischen Musikinstruments eine
Magnet-Spulen-Kombination erforderlich.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 044 462 ist es andererseits
bekannt, die Lautstärkeinformation mittels von der Tastenanschlagsgeschwindigkeit
abhängiger Kondensatorumladung zu gewinnen. Universell verwendbare Schaltungsanordnungen
für die tastenanschlagsgeschwindigkeitsabhängige Lautstärkesteuerung von elektronischen
Musikinstrumenten sind ferner vom Erfinder in der Zeitschrift "Funktechnik", 1972,
1. Oktoberheft, Seiten 695 bis 699 beschrieben. Die Gewinnung der Lautstärkeinformation
aus dem Tastendruck für ein elektronisches Klavier unter Verwendung spezieller Feldeffekttransistoren,
mehrerer Kontakte pro Taste und ohne die Spielmöglichkeit Pedal, d. h. Nachklang
auch bei losgelassener Taste, ist schließlich in der deutschen Offenlegungsschrift
2 102 411 beschrieben.
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Sämtliche Verfahren des bekannten Standes der Technik erfordern entweder
einen sehr großen schaltungstechnischen Aufwand oder sind von ihrem Prinzip her
nur für Perkussionsklänge geeignet. Ein einfaches Mittel zur Gewinnung der Lautstärkeinformation
aus der Art
des Tastenanschlages für elektronische Musikinstrumente
mit Indirekttastung steht bisher nicht zur Verfügung. Es ist daher Aufgabe der Erfindung,
ein solches Mittel anzugeben. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Steuerelement
für die Indirekttastung von elektronischen Musikinstrumenten mit tastenanschlagsabhängiger
Lautstärke elektrisch leitende Körper verwendet werden, deren elektrischer Widerstand
von einem auf sie ausgeübten Druck abhängig ist. Hierfür sind insbesondere druckempfindliche
Ferrite oder elektrisch leitende Schaumstoffe geeignet Unter den Ferriten sind insbesondere
Mangan-Zink-Ferrite und ähnliche Materialien dieser Art bei der Erfindung verwendbar
Diese Ferrite ändern ihren ohmschen Widerstand in Abhängigkeit vom auf sie ausgeübten
Druck um mehrere Zehnerpotenzen. Dabei tritt praktisch keine meßbare Verformung
des Ferritkörpers auf, so daß die Tasten der Klaviatur des elektronischen Musikinstruments,
über die Druck auf die Ferritkörper zur Gewinnung einer Lautstärkeinformation ausgeübt
wird, sich beim Bespielen nicht zu bewegen brauchen. Es läßt sich somit ein elektronisches
Musikinstrument mit Klaviertasten ohne bewegte Teile aufbauen, was sich günstig
auf dessen Lebensdauer und Störanfälligkeit auswirkt. insbesondere hervorzuheben
ist jedoch, daß durch den Fortfall bewegter Teile ein extrem schnelles Stakkatospiel
ermöglicht wird, wie es sonst nur mit elektronischen Berührungskontakten möglich
wäre. Im Gegensatz zu solchen Berührungskontakten ist jedoch die Lautstärke des
gespielten Tones vom jeweiligen Druck auf die Taste abhängig, so daß auch extrem
gefühlvolles und tremolierendes Legatospiel ohne jegliches zusätzliches Umschalten
entsprechender Register oder Kontakte lediglich durch Ändern der Spieltechnik möglich
ist Die bei den meisten Ferritmaterialien zur Druckausübung erforderliche hohe Kraft
von einigen Dekanewton bzw einigen Kilopond läßt sich durch Ausbildung der Tasten
als ein oder zweiarmige Hebel leicht erzielen.
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Die erfindungsgemäß ferner verwendbaren elektrisch leitenden Schaumstoffe
zeigen ein etwas anderes druckabhängiges Verhalten.
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Sie werden bei Einwirkung des Druckes erheblich zusammengepreßt und
kehren bei Fortfall des Drucks in ihre ursprüngliche Form zurück. Um zu verhindern,
daß der Schaumstoff auf weniger als 30 % seiner ursprünglichen Ausdehnung zusammengedrückt
wird und somit bleibende Deformationen auftreten können, ist ein Anschlag erforderlich.
Das Zusammendrücken auf 30 % ergibt eine Widerstandsänderung um etwa den Faktor
100. Andererseits sind jedoch im Gegensatz zu Ferriten nur geringe einwirkende Kräfte
von weniger als 1 Newton bzw. 100 Pond.bei einem Würfel von 1 cm Kantenlänge erforderlich,
damit eine Komprimierung auf 30 % erreicht wird. Bei Verwendung von elektrisch leitendem
Schaumstoff müssen die Tasten daher Bewegungen ausführen können.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung und Schaltungsanordnungen zum Betrieb
der erfindungsgemäß verwendeten druckabhängigen Körper sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet und werden nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Figuren
näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen bruckempfindlichen
Körper mit zugehöriger Betriebsschaltung, Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen
druckempfindlichen Körpers nach Fig. 1, ebenfalls mit zugehöriger Betriebsschaltung,
Fig. 3 zeigt das Schaltbild der Ansteuerung von Gatterschaltungen mit der Betriebsschaltung
nach Fig. 1, Fig. 4 zeigt eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach Fig. 3
und Fig. 5 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform des druckempfindlichen
Körpers mit zugehöriger Betriebsschaltung.
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In Fig. 1 ist schematisch eine Taste T mit zugehörigem Hebelarm 1
aus Isoliermaterial gezeigt, der im Punkt 2 drehbar gelagert ist. Die auf dem druckempfindlichen
Körper 3 aufliegende Fläche kann jedoch auch aus elektrisch leitendem Material sein,
wie dies in Fig. 2 bei 1t gezeigt ist. Auf der von der Taste abgewandten Oberflächenseite
des druckempfindlichen Körpers 3 sind in Abstand vonolnander die beiden Elektrodenkontakte
4 und 5 angebracht. Der Kontakt 4 liegt an der festen Gleichspannung UT, während
der Kontakt 5 über das Parallel-RC-Glied R, C mit dem Schaltungsnullpunkt verbunden
ist. Die Steuerspannung u kann dann am Kontakt 5 abgenommen werden.
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Im Ruhezustand ist der Widerstand des~druckempfindlichen Körpers 3
zwischen dem Kontakt 4 und 5 sehr hoch. Zweckmäßigerweise ist der Wert des Widerstandes
R klein gegenüber diesem hohen Widerstand.
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Damit ist auch die Steuerspannung u im Ruhezustand niedrig. Wird auf
die Taste T gedrückt, so verringert sich der Widerstand zwischen den Kontakten 4
und 5, so daß die Steuerspannung u ansteigt.
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Mit ihr können beliebige und beliebig viele Gatterschaltungen direkt
oder über Stromverstärker (Emitterfolger) gesteuert werden. Da die Steuerspannung
vom Druck auf den druckempfindlichen Körper 3 abhängt, ist ein sehr feinfühliges
SPiel möglich. Der Kondensator C unterdrückt den Rauschspannungsanteil der Steuerspannung
u, der durch den druckempfindlichen Körper 3 verursacht wird.
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Besteht der druckempfindliche Körper 3 aus dem oben erwähnten Ferrit
oder einem ähnlichen harten Material und ist der Hebelarm 1 starr ausgeführt, so
bewegt sich die Taste beim Spiel praktisch nicht und es ist ein sehr schnelles Stakkato
möglich. In der Praxis wird man den Hebelarm 1 jedoch etwas elastisch ausführen,
da das Spielen auf vollkommen ruhenden Tasten ungewohnt ist. Durch elastische Ausbildung
des Hebels kann auch eine kombinierte Druck und Wegabhängigkeit erzielt werden Durch
Ausbildung des- Hebelarms 1 als
einarmiger Hebel hat man es durch
Wahl der Strecken zwischen der Taste und dem druckempfindlichen Körper bzw. dem
druckempfindlichen Körper und dem Drehpunkt 2 in der Hand, die zur Widerstandsänderung
erforderliche Kraft durch leichtes Drücken auf die Taste zu erzielen. Eine Ausbildung
des Hebelarms 1 als zweiarmiger Hebel ist ebenfalls möglich.
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Die Steuerspannung u kann nicht zu null werden, da bei der gezeigten
Konstruktion zwischen den Kontakten 4 und 5 im Ruhezustand Pol Restwiderstand erhalten
bleibt. Diese Ruhe spannung. kann jedoch weiter herabgesetzt werden, wenn, wie in
Fig. 2 gezeigt, der erwähnte metallische Hebelarmteil 1' über den weiteren Widerstand
R' mit dem Schaltungsnullpunkt verbunden wird. Bei genügend großem.Abstand der Kontakte
4 und 5 wird der Widerstand zwischen ihnen groß gegen die Widerstände R und Rl sowie
gegen die zwischen den Kontakten 4, 5 und dem metallischen Hebelarmteil 1' liegenden
Widerstände, so daß das Verhältnis der Steuerspannung u bei ungedrückter und der
Steuerspannung u bei gedrückter Taste erheblich vergrößert wird.
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In Fig. 3 ist der Anschluß der in Fig. 1 gezeigten Betriebsschaltung
an zwei integrierte Orgelgatter TBA 470 gezeigt. Diese Orgelgatter sind in der Zeitschrift
"Funktechnik"r 1972, Heft 1, Seiten 7 bis 11 beschrieben. Nach Fig. 3 wird an den
Kontakt 5 über den Widerstand R5 die positive Hilfsspannung UH angelegt, während
die Gleichspannung UT negativ ist. Die Steuerspannung u wird über die Widerstände
R2 und R3 an jeweils einen Eingang der Gatter TBA 470 gelegt, an denen über die
Widerstände R1 und R4 die Ausgänge von die entsprechenden Tonfrequenzen erzeugenden
Schaltungen angeschlossen sind. In Fig. 3 sind beispielsweise die Frequenzen für
die Töne a und A angegeben. Die zwischen den Kontakt 5 und den Schaltungsnllpunkt
gelegte Diode D1 wobei deren Kathode am Schaltungsnullpunkt liegt sorgt für eine
derartige Potentialfestlegung, daß die Steuerspannung u nur eine Polarität aufweist.
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Ist der über die Widerstände R1 bis R4 fließende Strom bei Anschluß
mehrerer Gatterschaltungen genügend große so daß bei nichtgedrückter Taste T die
Steuerspannung u die Flußspannung der Diode D1 mit 0,7 V nicht unterschreitet, so
kann auf den Widerstand R verzichtet werden, der daher in Fig. 3 lediglich gestrichelt
eingezeichnet ist.
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In Fig. 4 ist das Schaltbild einer Hüllkurvenschaltung gezeigt, mit
der das Register "Sustain" realisiert werden kann, wobei die Sustain-Wirkung einstellbar
ist und außerdem zur Erreichung gitarrenähnlicher Klänge die Löschtaste TL vorgesehen
ist. Zwischen den am Kontakt 5 liegenden Anschluß des Widerstandes R und den schaltungsnullpunktabgewandten
Anschluß des Kondensators C ist die Diode D2 geschaltet, und zwar liegt bei den
gewählten Polaritäten der Gleichspannung UT und der Hilfsspannungen UH und -UH die
Kathode der Diode D2 am Kontakt 5. Von der Anode der Diode D2 führen wiederum die
Widerstände R2 und R3 zu den Gatterschaltungen TBA 470, wie in Fig. 3 gezeigt. Ferner
liegt die Anode der Diode D2 über die Kathoden-Anoden-Strecke der Diode D4 am Kontaktarm
der als Umschalter ausgebildeten Löschtaste TL r deren Ruhekontakt mit der negativen
Hilfsspannung UH und deren Arbeitskontakt über den Widerstand R7 an der positiven
Hilfsspannung +UH angeschlossen ist. Ferner liegt die Anode der Diode D2 über den
Widerstand R5 an der positiven Hilfsspannung +UH und über die wie in Fig. 3 geschaltete
Diode D1 am Schaltungsnullpunkt.
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An der Anode der Diode D2 liegt somit die Steuerspannung ut. Die Einstellbarkeit
der Registerwirkung "Sustain" wird durch die Diode D3 und den dazu in Serie liegenden
Widerstand R6 gewährleistet, über welche Serienschaltung eine in ihrem Tastverhältnis
veränderbare Rechteckspannung angelegt werden kann, wie dies in dem eingangs genannten
ersten Oktoberheft der Zeitschrift "Funktechnik", 1972, Seite 696, linke Spalte
beschrieben ist. Die Diode D3 liegt dabei mit ihrer Kathode an der Anode der Diode
D2.
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In Fig. 5 ist schließlich eine andere Anordnung der Kontakte am druckempfindlichen
Körper 3 gezeigt. Hierbei befindet sich jeweils ein Kontakt auf zwei voneinander
abgewandten Oberflächenseiten.
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Der druckempfindliche Körper 3 weist somit die Kontakte 4 und 5f auf,
wobei am Kontakt 4 wiederum die (negative) Gleichspannung UT liegt und mit dem Kontakt
5' der metallische Hebelarm 1 in Verbindung steht. In Fig. 5 ist ferner eine Ausbildung
gezeigt, bei der mit dem metallischen Hebelarm 1 der Ruhekontakt 6 in Verbindung
steht, über den die Zusatz-Gleichspannung UT angelegt wird und der beim Niederdrücken
der Taste T sich öffnet. Mit einer solchen Ausbildung sind universelle Hüllkurvenschaltungen
realisierbar, wie sie in dem erwähnten Aufsatz aus dem ersten Oktoberheft der Zeitschrift
"Funktechnik" beschrieben sind So ist in der weiteren Schaltung der Fig. 5 eine
Hüllkurvenschaltung gezeigt, die im wesentlichen derjenigen nach Bild 3 auf Seite
695 der erwähnten Zeitschrift entspricht.
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Im einzelnen ist in Fig. 5 mit dem Drehpunkt 2 des metallischen Hebelarms
1 der Widerstand R8 verbunden, dessen anderes Ende zu der Parallelschaltung aus
dem Widerstand R9, dem Kondensator C1 und der Diode D5 führt. Das nicht mit dem
Widerstand R8 verbundene Ende dieser Parallelschaltung liegt einerseits über die
Kathoden-Anoden-Strecke der Diode D6 und andererseits über die Serienschaltung aus
der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T1 und dem Widerstand R10 am Kondensator
C, dessen anderes Ende am Schaltungsnullpunkt liegt. Die Kathode der Diode D6 liegt
ferner über die Anoden-Kathoden-Strecke der Diode D7 am Ruhekontakt des Umschalters
S, dessen Arbeitskontakt mit der Basis des Transistors T1 verbunden ist und dessen
Kontaktarm am Schaltungsnullpunkt angeschlossen ist. Über die Serienschaltung aus
der Diode D3 und dem Widerstand R6 kann wiederum eine in ihrem Tastverhältnis veränderbare
Rechteckspannung zur Steuerung der entsprechenden Flanke der Hüllkurve angelegt
werden.
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In Fig. 5 wird das Einschaltverhalten vom auf den druckempfindlichen
Körper 3 einwirkenden Druck bestimmt, während das Ausschaltverhalten durch die tastverhältnisveränderliche
Rechtecksteuerspannung festgelegt ist. Die Zeitkonstante Cl R9 soll dabei etwa zehnmal
größer sein als diejenige der Hüllkurvenschaltung nach der genannten Veröffentlichung,
d. h.
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sie soll etwa 50 bis 100 ms betragen.
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Der Kondensator C nach Fig. 4 ist wesentlich größer zu wählen als
der Kondensator nach Fig. 3. Beim Niederdrücken der Taste T wird er über die Diode
D2 auf eine mehr oder weniger negative Spannung mehr oder weniger schnell aufgeladen.
Nach Loslassen der Taste kann sich der Kondensator C nur über die Widerstände R2,
R3 und R4 und in Intervallen über die Diode D3 und den Widerstand R6 entladen, so
daß der Nachklang in erster Näherung vom Tastverhältnis der am Widerstand RG anliegenden
unipolaren Rechteckspannung abhängt.
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Die Abklingzeit läßt sich durch Verändern des Tastverhältnisses dieser
Rechteckspannung weitgehend verändern. Um bei gleichem Anschlag gleiche Lautstärke
zu erhalten, ist es zweckmäßig, bei Andern des Tastverhältnisses die Tastspannung
-UT mitzuändern.
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Um bei längeren Nachklängen Gitarreneffekte simulieren zu können,
kann die Löschtaste TL vorgesehen werden, die bei Betätigung alle Kondensatoren
C über die Diode D4 und den Widerstand R7 mit sehr kurzer Zeitkonstante entlädt.
Die Diode D4 ist dabei für jede Taste, die Löschtaste und der Widerstand R7 nur
einmal pro Manual erforderlich. Die Löschtaste wird dabei zweckmäßigerweise als
lange Tastleiste vor oder hinter dem normalen Tastenfeld ausgebildet.
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Ein gewisser Nachteil der Indirekttastung ist die bei gleichzeitigem
Betätigen mehrerer Tasten auftretende Summierung von Spannungen und Strömen der
Signale. Dies bewirkt, daß die an den Lautsprechern auftretende Spitzenleistung
mit dem Quadrat der Anzahl der gedrückten
Tasten ansteigt. Wird
also z. Bein Dreiklang durch Betätigung von drei Tasten erzeugt, so treten die Spitzen
der Schwebung mit der neunfachen Leistung am Lautsprecher auf. Dies läßt sich verhindern,
indem der Innenwiderstand der Gleichspannung UT erhöht wird, am einfachsten durch
einen einstellbaren Vorwiderstand pro Manual. Diese Ma.nahme ist jedoch auch bei
direkter Tastung möglich und erlaubt eine Einstellung der Dynamik in sehr weiten
Grenzen.
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10 Patentansprüche 2 Blatt Zeichnungen mit 5 Figuren