DE4329131C1 - Tastatur zur Dynamiksteuerung bei digitaler Tonerzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Tastatur zur Dynamiksteuerung bei digitaler Tonerzeugung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Tastaturen, die zur elektronischen Tonerzeugung beispielsweise in elektronischen Musikinstrumenten, Keybords gegebenenfalls kombiniert mit einer mechanischen Tonerzeugung wie beispielsweise bei Pianos oder Flügeln mit mechanischer und elektronischer Tonerzeugung dienen, umfas­ sen Sensoren zum Erfassen der Tastenbetätigung, entsprechend der die Tonerzeugung vorgenommen wird. Als Sensoren für diesen Zweck sind Hall- Generatoren bekannt, die bei entsprechender Tastenbetätigung infolge An­ näherung eines am Tastenende befindlichen Magneten während des Tasten­ hubs infolge entsprechender Änderung des magnetischen Flusses ein Aus­ gangssignal berührungs- und kontaktlos liefern, das die Tonerzeugung auslöst, vgl. DE 80 16 536 U1 oder die DE-Zeitschrift Elektor, Juli/Aug. 1970, S. 147-148. Hierdurch ist jedoch die Tonstärke nicht steuerbar, d. h. es handelt sich um keine dynamische Tastatur.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Tastatur nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 zu schaffen, die dynamisch wirkt und das Spielge­ fühl möglichst nicht verfälscht.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Hierbei wird jeder Hall-Generator mit zwei Komparatoren gekop­ pelt ist, die entgegengesetzt zueinander jeweils entsprechend einem vor­ bestimmten Betrag und der Polarität des auf den Hall-Generator einwir­ kenden magnetischen Flusses des zugehörigen Magneten einen entsprechen­ den Ausgang liefern, wobei der Magnet mit seiner durch Nord- und Südpol verlaufenden Achse im wesentlichen in Richtung des Tastenwegs mit der Taste beweglich und in der Ausgangsstellung mit einem Pol neben dem Hall-Generator derart angeordnet ist, daß die Ausgänge entgegengesetzte Polarität aufweisen. Hierbei wird die Zeit zwischen dem Umschalten der beiden Ausgänge in die jeweils andere Polarität bei Tastenbetätigung als Maß für das Anklingen (Attack) und die Lautstärke des zu erzeugenden Tons verwendet. Die Tasten werden hierbei mechanisch rückwirkungsfrei abgetastet.

Durch Wahl des Abstandes zwischen Nord- und Südpol der Magne­ ten und entsprechende Anordnung kann ein unverfälschter Originalanschlag beispielsweise einer Pianotastatur erhalten werden, wobei die Montage der Hallsensoren und Magnete toleranzunempfindlich ist, so daß keine Justage erforderlich ist. Die Magnete können sehr klein ausgebildet sein, z. B. als Würfel mit einer Kantenlänge von 3 mm. Die Hallsensoren können ebenfalls in sehr kleiner Bauweise von beispielsweise 5×3,5×1,5 mm verwendet werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch und ausschnittweise eine rückseitige Ansicht einer Tastatur für ein Tastenmusikinstrument.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm eines bipolaren Hallsensors für die Tastatur von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt diagrammartig den magnetischen Fluß und die Aus­ gangsspannungen am Hallsensor bei einer Tastenbetätigung.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Schaltkreisanordnung für die Ta­ statur.

Die dargestellte Tastatur umfaßt ein Gehäuse 1, das eine Viel­ zahl von nebeneinander angeordneten Tasten 2 (Ganzton- und Halbtonta­ sten) aufweist, die jeweils gegen eine Gewichts- (beim Piano) oder Fe­ dervorspannung aus einer Ausgangsstellung durch Betätigung um eine ge­ meinsame Achse 3 schwenkbar sind. Jede Taste 2 trägt an ihrem im Gehäuse 1 befindlichen Ende einen Magneten 4, dessen durch seinen Nordpol N und seinen Südpol S gebildete Achse im wesentlichen auf dem Tastenweg an dieser Stelle liegt.

Benachbart zum jeweiligen Magneten 4 befindet sich jeweils ein bipolarer Hallsensor 5, der einen Hall-Generator 6 umfaßt, an dessen An­ schlüssen 7, 8 eine Vorsorgungsspannung anlegbar ist. Die vom Hall-Gene­ rator 6 erzeugte Spannung wird über einen Verstärker 9 verstärkt zwei parallelen Komparatoren 10, 11, einer für negative und einer für positi­ ve Spannung, zugeführt, die entgegengesetzt zueinander entsprechend dem Betrag und der Polarität und des auf den Hall-Generator 6 einwirkenden magnetischen Flusses eine Ausgangsspannung am Ausgang 12 bzw. 13 eines jeweils nachgeschalteten FET′s 14 liefern.

Ohne magnetische Beeinflussung des Hall-Generators 6 liefern die Komparatoren 10 und 11 an den Ausgängen 12, 13 jeweils eine Aus­ gangsspannung "high", vgl. Fig. 3. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedoch der jeweilige Magnet 4 an der zugehörigen Taste 2 derart an­ gebracht, daß sein Südpol S in der Ausgangsstellung der Taste 2 den Hall-Generator 6 so beaufschlagt, daß die Ausgangsspannung am Ausgang 12 "low" ist. Beim Betätigen der Taste 2 vermindert sich zunächst der Ein­ fluß des Südpols S auf den Hall-Generator 6, bis der Betrag des magneti­ schen Flusses so gering geworden ist, daß die Ausgangsspannung am Aus­ gang 12 an der Stelle A des Tastenweges auf "high" umspringt. Ein weite­ res Drücken der Taste 2 führt an der Stelle B des Tastenweges dazu, daß der magnetische Fluß des Nordpols N groß genug wird, so daß die Aus­ gangsspannung am Ausgang 13 von "high" auf "low" umspringt. (Würde sich der Magnet 4 infolge Tastenbetätigung soweit bewegen können, daß der Nordpol N den Hall-Generator 6 nicht mehr genügend beaufschlagt, würde die Ausgangsspannung am Ausgang 13 wieder auf "high" zurückspringen.) Das Rückstellen der Taste 2 ist für die Tonerzeugung auch einsetzbar, so kann die Zeit von B bis A beispielsweise für die Dauer des Ausklingens der Töne verwendet werden (velocity-Wert 0-127 bei note off einer Midi- Schnittstelle (Midi = musical instrument digital interface), die Daten wie die Tastennummer, die Tastenbewegungsgeschwindigkeit ausgedrückt durch Zahlen zwischen 0 und 127 und den eingestellten Sound seriell übertragt).

Die zum Zurücklegen des Tastenweges zwischen den Stellen A und B benötigte Zeit wird als Maß für die Stärke des Anschlags und damit als Maß für die Stärke des zu erzeugenden Tons verwendet.

Der obere und untere Schaltpunkt des bipolaren Hallsensors 5 werden durch den Abstand zwischen Nordpol N und Südpol S des Magneten 4 und nicht durch die Stärkeänderung des Magnetfeldes definiert. Dadurch ist die Tastatur toleranzunempfindlich montierbar.

Die relative Position des Magneten 4 und des Hall-Generators 6 in Bewegungsrichtung der Taste 2 bestimmt die Stelle A. Die Anordnung wird beispielsweise derart getroffen, daß der Punkt A bei etwa einem Drittel und der Punkt B bei etwa zwei Dritteln des Tastenhubs liegt. Dies entspräche dem Anschlagverhalten bei einem Piano oder Flügel, bei dem ein von einer Taste betätigter Hammer nach etwa zwei Dritteln des Tastenhubs an die zugehörige Saite zwecks Tonerzeugung anschlägt. Wenn man daher ein derartiges Instrument verwendet, bei dem die mechanische Tonerzeugung über die Hämmer unterdrückbar ist, kann man über elektroni­ sche Tonerzeugung und Kopfhörer mittels der Abtastung der Tastenbetäti­ gung durch die bipolaren Hallsensoren 5 für die Umgebung geräuschlos üben, ohne daß auf das dynamische Verhalten der Instrumententastatur verzichten zu müssen. Das typische Piano-Spielgefühl wird somit nicht verfälscht.

Wie in Fig. 4 dargestellt ist, werden zum Niedrighalten des Stromverbrauchs die Hallsensoren 5 in Gruppen von insbesondere acht Stück zur seriellen Aktivierung mit einem eine entsprechende Anzahl von Adreßleitungen 14′, 14′′ und Ausgangsleitungen 15 zum Ansteuern der Hallsensoren 5 aufweisenden Decoder 16 gekoppelt, wobei die Ausgangssi­ gnale der Hallsensoren 5 auf gemeinsame Signalleitungen 17 und 18 gege­ ben werden. So können Blöcke von jeweils acht Hallsensoren 5 über die decodierten Adressleitungen 14′′ angesteuert werden, so daß 4 × 8 = 32 Hallsensoren 5 aktiviert werden können. Durch Zusammenschalten solcher Einheiten können bis zu 128 Hallsensoren 5 und damit Tasten 2 durch ein Tastatur-Interface 19 angesteuert werden.

Durch die Übernahme der Ausgangssignale auf den Signalleitun­ gen 17, 18 in zwei Flip-Flops 20 kann die Aktivierung der Hallsensoren 5 sehr schnell erfolgen, beispielsweise mit bis zu 500 kHz, d. h. pro Sen­ sor also in 2 µsec, so daß die Abfrage von 128 Tasten 2 nur 256 µsec dauert. Das Tastatur-Interface 19, das von einem Taktgeber 21 von bei­ spielsweise 4 MHz gesteuert die Adressierung der entsprechenden Hallsen­ soren 5 vornimmt, besitzt entsprechende Zähler, die beim Erreichen von A gesetzt und bis Erreichen von B (vgl. Fig. 3) für die jeweilige Taste 2 zählen, wobei die bei B erreichte Zahl ein Maß für die Lautstärke des zu erzeugenden Tons darstellt. Die Zähler erreichen dabei Werte zwischen 1 und 127, was dem velocity-Parameter einer Midi-Schnittstelle entspricht. Damit kann eine digitale Tonerzeugung über den Midi-Eingang in Anschlag und Lautstärke und gegebenenfalls im Abklingverhalten des Tones gesteu­ ert werden. Wird beispielsweise die Taste "null" aktiviert, so wird das Ausgangssignal auf der Signalleitung 17 nach 2 µsec mit der positiven Flanke eines mit dem Taktgeber 21 synchronisierten 0,5 MHz-Taktgebers 22 im zugehörigen Flip-Flip 20 gespeichert und vom Tastatur-Interface 19 im Tastenzyklus "eins" das Signal der Taste "null" auf einer Leitung 23 übernommen, wie aus dem Zeitdiagramm zu Fig. 4 hervorgeht. Dadurch hat jeder Hallsensor 5 zwischen Aktivierung und Abgabe des Ausgangssignals 2 µsec Zeit. Die gleiche Zwischenspeicherung erfolgt für den zweiten Aus­ gang der Hallsensoren 5 auf der Leitung 18.

Anstelle eines Tastatur-Interface 19 kann auch ein Mikropro­ zessor verwendet werden.

Eine weitere Möglichkeit der Sensor-Aktivierung besteht in der für Leitgummi-Kontakte bekannten Matrixverschaltung der Hallsensoren 5, bei der jeder achte Hallsensor 5 parallel aktiviert und über entspre­ chende IC′s die entsprechenden Leitungen selektiert werden, um dann an das zugehörige Flip-Flop 20 gelegt zu werden. Hierbei wird zwar mehr Strom benötigt, aber die Anzahl von IC′s verringert.

Claims (5)

1. Tastatur zur Dynamiksteuerung bei digitaler Tonerzeugung mit einer Vielzahl von Tasten (2), die jeweils einen Magneten (4) tra­ gen, der bei Tastenbetätigung mit einem zugehörigen Hall-Generator (6) zum Abgeben eines Steuersignals zur Tonerzeugung zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hall-Generator (6) mit zwei Kom­ paratoren (10, 11) gekoppelt ist, die entgegengesetzt zueinander jeweils entsprechend einem vorbestimmten Betrag und der Polarität des auf den Hall-Generator (6) einwirkenden magnetischen Flusses des zugehörigen Ma­ gneten (4) einen entsprechenden Ausgang liefern, wobei der Magnet (4) mit seiner durch Nord- und Südpol (N, S) verlaufenden Achse im wesentli­ chen in Richtung des Tastenhubs mit der Taste (2) beweglich und in der Ausgangsstellung mit einem Pol neben dem Hall-Generator (6) so angeord­ net ist, daß die Ausgänge entgegengesetzte Polarität aufweisen, wobei eine Zeitmeßeinrichtung zum Messen der Zeit zwischen dem Umschalten der beiden Ausgänge in die jeweils andere Polarität bei Tastenbetätigung als Maß für die Lautstärke des zu erzeugenden Tons vorgesehen ist.

2. Tastatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsensoren (5) seriell abtastbar sind.

3. Tastatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsensoren (5) matrixartig abtastbar sind.

4. Tastatur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausgänge der Hallsensoren (5) in Flip-Flops (20) zwi­ schengespeichert werden.

5. Tastatur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zeitmeßeinrichtung Zähler umfaßt.