EP1356449B1

EP1356449B1 - Klaviatur für elektronische musikinstrumente

Info

Publication number: EP1356449B1
Application number: EP01949455A
Authority: EP
Inventors: Rainer Gallitzendörfer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2021-07-02
Also published as: AU2001270607A1; EP1356449A2; WO2002003372A2; DE50109649D1; US20030183066A1; WO2002003372A3; DE10031794C2; ATE324652T1; DE10031794A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klaviatur für elektronische Musikinstrumente gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine derartige Klaviatur ist aus der US 4,899,631 bekannt. Als Aktuator wird dort ein Elektromotor verwendet, der über ein Seil die Vorspannung einer Feder verändert, die ihrerseits die Charakteristik der Tastatur beeinflußt. Der Elektromotor erzeugt in Gegenrichtung zur Betätigungskraft durch den Spieler eine Gegenkraft. Dabei wird er mit einem Gleichstrom beaufschlagt, dem eine Wechselstromkomponente überlagert ist. Die Gleichstromkomponente ist hierbei dauernd, statisch zum Ausgleich des Tasten- und Gleichgewichtes wirksam, während die Wechselstromkomponente die eigentliche dynamische Gegenkraft zur Variation des Spielgefühls darstellt. Als Kenngröße für die Messung der Bewegungsgeschwindigkeit der Taste wird die dem eingeprägten Strom entgegenwirkende Energie gemessen. Damit ist aber eine Messung der momentanen Absolut-Position der Taste während des Niederdrückens nicht möglich, sondern nur eine Messung der Momentan-Beschleunigung der Taste. Aus diesem Grunde wird dort auch ein separater Endpositionsschalter verwendet, der bei Erreichen einer bestimmten vorgegebenen Tastenposition ein Schaltsignal erzeugt.
Die DE 35 34 250 A1 zeigt eine Tastatur-Schaltungsanordnung für elektronische Musikinstrumente mit elektromagnetischen Sensoren zur Abfrage der Tasten-Momentanposition. Die Sensoren bestehen aus einer Spule in Verbindung mit einem an die Taste mechanisch gekoppelten Ferritkern. Die Spulen werden mit einer sinus- oder dreiecksförmigen Spannung kontinuierlich beaufschlagt. Nach einer Spitzenwert-Gleichrichtung dieses stationären signals ergibt eine Auswertung durch einen Mikroprozessor ein der jeweiligen aktuellen Tastenposition entsprechendes Signal.
Die US 5,952,806 zeigt eine Tastatur mit einem linear beweglichen Anker, der durch Magnetspulen in zwei Richtungen beweglich ist. Ein von den Magnetspulen getrennter Sensor erfaßt die jeweilige Position und die Geschwindigkeit des Ankers. Aus den Sensorausgangssignalen wird mittels eines Mikroprozessors und einer Datentabelle eine Gegenkraft bestimmt, die über die Magnetspulen auf den Anker ausgeübt wird.
Die US 4,580,478 zeigt eine Klaviatur mit mehreren Sensoren in zwei prinzipiellen Varianten. Bei einer ersten Variante erfolgt eine Variation einer Spulenausgangsspannung durch Veränderung des Kopplungsgrades mittels Unterbringung eines Transformatorelementes an der beweglichen Taste. Bei der zweiten Variante erfolgt die Variation der Oszillatorfrequenz durch Verändern der Spuleninduktivität mit verschiedenen Mitteln, nämlich einer Kopplungswicklung, einer Kurzschlußwicklung oder mit ferromagnetischem Material.
Die US 5,107,262 zeigt eine Klaviatur mit einem Motor und einem Positionsdetektor, wobei der Positionsdetektor in Verbindung mit einem zentralen Prozessor Ansteuersignale für den Motor erzeugt, der eine Gegenkraft auf die Taste ausübt.
Bei Klaviaturen elektronischer Musikinstrumente will man die Charakteristik der mechanischen Tastatur des entsprechenden Instrumentes möglichst gut nachbilden, beispielsweise hinsichtlich Masseträgheit, Druckpunkt etc., allgemein als "Tastencharakteristik" bezeichnet. Beispielsweise haben Klaviere, bei denen die Taste einen Hammer betätigt, einen sehr charakteristischen Druckpunkt, wobei, wenn der Hammer angeschlagen hat, die Taste sich wieder weicher drücken läßt. Andere Tasteninstrumente, wie z.B. Orgel oder Cembalo, haben demgegenüber wieder eine andere Charakterist.ik.
Schließlich haben auch Klaviere unterschiedlicher Hersteller eine eigene Charakteristik, die für einen geübten Pianisten durchaus fühlbar ist.
Die US 5,783,765 beschreibt eine Tastatur für elektronische Musikinstrumente, bei der die einzelnen Tasten mit einem Stößel bzw. Anker eines Elektromagneten mechanisch gekoppelt sind. Zusätzlich ist jede Taste durch zwei einander entgegenwirkende Federn in eine vorbestimmte Lage vorgespannt. Jeder Taste ist ein separater Positionssensor zugeordnet, der die Stellung der Taste abfragt. In Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Positionssensoren werden die Elektromagneten so erregt, daß sie auf die zugeordnete Taste eine Kraft ausüben, die dem vom Spieler aufgebrachten Tastendruck entgegenwirkt. Diese stellungsabhängige "Gegenkraft" kann frei programmiert werden, um die Tastencharakteristik einzustellen. Als Positionssensor werden dort Dehnungsmeßstreifen vorgeschlagen, die mit einer der Federn gekoppelt sind.
Die Abfrage der Tastenposition durch diverse andere Meßverfahren, wie Kondensator (US 3,943,812, US 4,027,569), Halbleiter (US 4,276,538), leitfähiges Gummi (US 4,615,252), Elektroden (US 4,628,786), Widerstandselemente (US 4,649,784), Schalter (US 4,884,073), piezo-elektrische Filme (US 5,237,125), optische Sensoren (US 5,524,521) und Lichtschranken (US 5,641,925) sind im Stand der Technik bekannt.
Zum aktiven Betätigen der Tasten einer Klaviatur ist auch die Verwendung von Elektromagneten bekannt (vgl. US 4,031,796; US 4,524,669; US 5,506,369 und US 5,527,987).
Die US 4,580,478, US 4,838,139 und US 4,765,218 schlagen vor, zur Messung der Tastenposition Magnetspulen zu verwenden.
Die Simulation des Druckpunktes einer Taste mit einem mechanischen Verfahren nach dem Hammerprinzip ist in der US 4,217,803, der US 4,273,017, US 4,890,533, US 5,062,342 und US 5,739,450 beschrieben. In der US 4,476,769 wird der Druckpunkt durch vorgespannte Federn simuliert; in der US 5,204,486 durch eine Kulissenführung.
Die US 4,899,631 verwendet einen Elektromotor, der über ein Seil die Vorspannung einer Feder verändert, die ihrerseits die Charakteristik einer Tastatur beeinflußt.
Die EP 0 567 024 A2 schließlich simuliert den Spieleindruck eines Klaviers durch Elektromagnete, die eine dem vom Spieler aufgebrachten Tastendruck entgegengesetzte Kraft erzeugt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Klaviatur für Musikinstrumente zu schaffen, die mit einfachen Mitteln beliebige Tastencharakteristiken nachahmen kann.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Grundidee der Erfindung liegt darin, die Taste mit einer Magnetspule zu koppeln und diese Magnetspule mit impulsbreiten-modulierten Signalen anzusteuern und so eine mechanische Gegenkraft zu erzeugen. Gleichzeitig dient die Magnetspule auch als Meßorgan für die jeweilige Tastenstellung. Während des Niederdrückens der Taste kann für die individuelle Charakteristik die Impulsbreite des Ansteuersignales für die Magnetspule verändert werden, um so die gewünschte Charakteristik einzustellen.
Nach einer ersten Variante der Erfindung wird während der Impulspausen des Ansteuersignales die von der Magnetspule erzeugte Gegenspannung (Gegen-EMK) gemessen und ausgewertet. Nach einer zweiten Variante der Erfindung wird während der aktiven Impulse der durch die Magnetspule fließende Strom gemessen und ausgewertet.
Die wesentlichen Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen darin, daß die Magnetspule sowohl als aktives Organ für die mechanische Kraft als auch als Sensor für die Position verwendet wird. Damit ist der Herstellaufwand gering. Es muß keine mechanische Justierung eines zusätzlichen Sensors erfolgen. Der Aufbau ist mechanisch robuster, da wenige und robuste Bauteile verwendet werden. Ein Elektromagnet ist im allgemeinen mechanisch stabiler als die üblicherweise verwendeten Sensoren. Auch hat man einen geringen Verschleiß weniger mechanisch bewegter Teile, die ermüden oder altern können. Durch das Pulsweiten-modulierte Steuersignal kann man besonders gut die bei heutigen elektronischen Musikinstrumenten eingesetzte Digitaltechnik verwenden und macht D/A-Wandler weitgehend überflüssig. Lediglich für den Abgriff des Positionssignales wird zweckmäßigerweise noch ein A/D-Wandler benötigt, vorzugsweise nur einer, der im Zeitmultiplex-Verfahren nacheinander mit Sensoreingängen verbunden wird. Durch die Pulsweitenmodulations-Ansteuerung kann man die Tastengegenkraft über den vollen Tastenweg beliebig variieren und hat nicht nur einen einzigen Druckpunkt in einem engeren Bereich. Das jeweilige "Tastenprofil" kann abgespeichert und individuell für jeden Anwender, für jede Klangfarbe (Piano, Orgel etc.) oder auch für jede Taste (z.B. im Baßbereich schwergängiger) eingestellt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1: ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2: ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Taste 1 einer Klaviatur in einem Schwenklager 2 gelagert und durch eine Feder 3 vorgespannt. Die Taste ist mit einem Stößel 5 einer Magnetspule 4 gekoppelt. Ein erster Anschluß 4.1 der Magnetspule wird von einem Mikroprozessor 8 über dessen Signalausgang 8.1 und eine Treiberschaltung 6 mit Impulsbreiten modulierten Signalen angesteuert. Eine in Sperrichtung gestaltete Diode 10 dient zur Entkopplung einer (negativen) Gegenspannung, die über Diode 10 gegen Masse abgeleitet wird und die Treiberschaltung 6 schützt. Der zweite Anschluß der Magnetspule 4 ist einerseits über einen vertikal-Feldeffekttransistor (V-FET) 9 mit Masse verbunden und andererseits über eine Diode 7 mit einem Meßeingang 8.2 des Mikroprozessors 8. Der Steuereingang des Transistors 9 ist mit dem Signalausgang 8.1 des Mikroprozessors 8 verbunden. Bei positivem Ausgangssignal des Mikroprozessors 8 ist der Transistor 9 durchgeschaltet und verbindet den entsprechenden Anschluß 4.2 der Magnetspule 4 mit Masse. Ein positiver Steuerimpuls drückt den Stößel 5 gegen die Taste 1, wobei die Kraft von der zeitlichen Länge (Breite) der Ansteuerimpulse abhängt. Während der Impulspausen ist der Transistor 9 gesperrt. Die in der Magnetspule 4 induzierte Gegenspannung (Gegen-EMK) hat zur Folge, daß an den beiden Anschlüssen 4.1 und 4.2 der Magnetspule eine Spannung mit umgekehrter Polarität entsteht, so daß von Masse über die Diode 10, die Magnetspule 4 und die Diode 7 ein Strom zum Anschluß 8.2 fließt, der vom Mikroprozessor 8 ausgewertet wird. Es kann der Strom- oder Spannungsverlauf ausgewertet werden, die beide im wesentlichen exponentiell abklingen. Der jeweils durch die Gegen-EMK induzierte Spannungs- bzw. Stromimpuls hängt von der relativen Stellung des Stößels 5 zur Magnetspule ab und ist somit ein Maß für die Betätigung der Taste. Bei entsprechend häufiger bzw, schneller Abfrage kann daraus auch das dynamische Verhalten, z.B. schnelles oder langsames Niederdrücken der Taste erfaßt werden. Der Mikroprozessor 8 kann dann entsprechend einer vorprogrammierten Funktion die Impulsbreite der Steuerimpulse variieren und die Charakteristik der Taste festlegen.
Das am Anschluß 8.2 ankommende Signal liegt als analoges Signal vor und muß vor weiterverarbeitung im Mikroprozessor analog/digital umgesetzt werden. Hierzu kann ein externer, nicht dargestellter A/D-Wandler vorgesehen sein oder auch ein im Mikroprozessor 8 integrierter A/D-Wandler, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.
Die Taste 1 hat zusätzlich zwei Anschlagelemente 1.1 und 1.2, die mit einem gegenüber der beweglichen Taste ortsfesten Anschlagelement 1.1 eine obere und eine untere Grenzstellung der Taste 1 definieren. Die Feder 3 drückt bei nicht erregter Magnetspule 4 die Taste 1 nach oben, bis der Anschlag 1.2 wirksam wird. Der Anschlag 1.1 für die untere Grenzstellung könnte theoretisch auch durch den Stößel 5 gebildet werden. Um die mechanische Beanspruchung des Elektromagneten aber geringer zu halten, ist es vorteilhaft, auch die untere Grenzstellung durch einen separaten mechanischen Anschlag zu begrenzen. Die Kopplung des Stößels 5 des Elektromagneten mit der Taste 1 kann über ein Dämpfungselement 5.1 erfolgen, das federelastische und dämpfende Eigenschaften hat. Der stößel 5 kann durch eine nicht dargestellte, in der Magnetspule 4 angeordnete Feder nach oben gegen die Taste 1 gedrückt werden. Diese Feder kann dann die Funktion der in Fig. 1 dargestellten Feder 3 übernehmen. Schließlich können auch an den Anschlagelementen 1.1 und 1.2 und/oder am Anschlagarm 11 Dämpfungselemente, wie z.B. ein Filz, ein Gummi oder sonstiges dämpfendes und federelastisch wirkendes Material, angebracht sein.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 unterscheidet sich von dem der Fig. 1 schaltungsmäßig im wesentlichen dadurch, daß die Erfassung der Tastenposition durch die Magnetspule 4 während der aktiven Phase des Steuersignals am Anschluß 4.1 erfolgt. Vom Anschluß 8.1 fließt in der aktiven Phase ein Strom über die Treiberschaltung 6 durch die Magnetspule und von dort zu einem Teil über einen Widerstand 9 gegen Masse und zu einem anderen Teil über eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode 7 zum Mikroprozessor. Der Widerstand 9 ist niederohmig. Am Anschluß 8.2 des Mikroprozessors 1 steht im Prinzip also der Spannungsabfall an dem Widerstand 9 an. Die Diode 7 wirkt auch hier im wesentlichen als Entkopplungsdiode. Ihr Spannungsabfall ist vernachlässigbar. Auch hier wird das Eingangssignal am Anschluß 8.2 analog/digital gewandelt und ausgewertet.
Im Mikroprozessor 8 ist bei beiden Ausführungsbeispielen ein programmierbarer Speicher vorhanden, in dem die jeweilige Tastencharakteristik abgespeichert ist, d.h. eine Funktion des Zusammenhanges zwischen Tastenposition und Impulsbreite der Ansteuersignale. Diese Funktion kann für alle Tasten gleich sein, was den Speicheraufwand verringert. Sie kann auch für einzelne Tastengruppen, wie z.B. tiefe, mittlere und hohe Töne, unterschiedlich sein. Schließlich kann sie auch für jede Taste individuell gespeichert werden, so daß im Extremfall jede Taste eine unterschiedliche Charakteristik hat. Zusätzlich können für die gesamte Klaviatur verschiedene unterschiedliche Charakteristiken gespeichert sein, wie z.B. Klavier, Orgel, elektronisches Keyboard, Cembalo etc. Die Ansteuerschaltung (8) kann auch eine nicht dargestellte Schnittstelle aufweisen, mit der die Ansteuerschaltung mit einem PC oder einem sonstigen Eingabegerät koppelbar ist, damit der Benutzer sich nach seinen persönlichen Wünschen die Charakteristik der Tastatur selbst programmieren kann.

Claims

Klaviatur für elektronische Musikinstrumente mit mehreren Tasten, denen jeweils ein elektrischer Aktuator zugeordnet ist, dessen Anker (5) mit der Taste gekoppelt ist, und mit einer Ansteuerschaltung, die den Aktuator so ansteuert, daß er eine vorbestimmte Kraft auf die Taste ausübt, wobei der Aktuator gleichzeitig als Sensor ausgebildet ist, indem die Ansteuerschaltung eine der elektrischen Kenngrößen Strom oder spannung des Aktuators auswertet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Aktuator ein Elektromagnet (4) ist,
daß die Ansteuerschaltung (8) den Elektomagneten (4) mit impulsweiten-modulierten Signalen ansteuert und die Auswerteschaltung (8) die Position der jeweiligen Taste dadurch erfaßt, daß während Impulspausen des Ansteuersignals eine in der Spule des Elektromagneten (4) induzierte Gegenspannung ausgewertet wird und/oder daß während eines Impulses des Ansteuersignals der Verlauf des durch die Magnetspule (4) fließenden Stromes.ausgewertet wird.
Klaviatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbreite der Ansteuersignale nach einer vorgegebenen, gespeicherten Funktion in Abhängigkeit von der Tastenposition verändert wird.
Klaviatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Masseanschluß (4.2) des Elektromagneten über einen elektronischen Schalter (9) mit Masse verbunden ist,
daß ein Steuereingang dieses Schalters (9) mit dem die Ansteuersignale für den Elektromagneten (4) liefernden Anschluß (8.1) der Ansteuerschaltung (8) verbunden ist, derart, daß bei aktivem Ansteuersignal der Schalter (9) geöffnet und in den Impulspausen geschlossen ist,
daß der Masseanschluß (4.2) des Elektromagneten (4) mit einem Auswerteeingang (8.2) der Ansteuerschaltung (8) verbunden ist, und
daß der andere Anschluß (4.1) des Elektromagneten (4) einerseits mit dem Ansteueranschluß (8.1) der Ansteuerschaltung (8) und andererseits über eine in Sperrichtung geschaltete Diode (10) mit Masse verbunden ist.
Klaviatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschluß (4.1) des Elektromagneten (4) mit dem Ansteueranschluß (8.1) der Ansteuerschaltung (8) verbunden ist und daß der andere Anschluß (4.2) des Elektromagneten einerseits über einen niederohmigen Widerstand (9) mit Masse und andererseits mit einem Auswerteanschluß (8.2) der Ansteuerschaltung (8) verbunden ist.
Klaviatur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Taste (1) durch eine Rückholfeder (3) in Richtung zu einer oberen Grenzstellung vorgespannt ist.
Klaviatur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Taste einen oberen und einen unteren Grenzanschlag (1.1, 1.2) aufweist, die zusammen mit einem gegenüber der Taste (1) ortsfesten Anschlagarm (11) eine obere und eine untere Grenzstellung der Taste definieren.