Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 08/2018, 17.08.2018

Klein, stark mit guter Beschleunigung

Kleinstantriebe von Faulhaber leisten in unterschiedlichsten Anwendungen beachtliches. Klein, drehmomentstark, dynamisch bei präziser Ansteuerung und geräuschlos, das sind Anforderungen, die nicht nur industrielle Anwendungen an die Antriebe stellen. Auch bei der Entwicklung eines innovativen Klavier-Konzepts waren diese Eigenschaften wichtig.

In der Entwicklunge von Klavieren gab es im 18. und 19. Jahrhundert zahlreiche Innovationen. Vor rund 140 Jahren galten sie als ausentwickelt. Heute stehen Musiker und Komponisten aber wieder vor einem ähnlichen Problem wie in der aufkommenden Romantik: Mehr Kraft, Lautstärke und Dynamik sind gefragt in den riesigen Konzertsälen.
Wie im Klavier ein Ton entsteht, ist bekannt: Drückt der Pianist eine Taste, wird über die Mechanik der Hammer gegen die Saite geschlagen, die den Ton erzeugt. Wird die Taste hart gedrückt, ist der Ton laut, bei schwächerem Druck leiser. Das Spektrum, das ein Pianist zwischen leisen und lauten Tönen abdecken kann, ist abhängig von seiner Fingerkraft. Hinzu kommen die konstruktiven Eigenheiten des Klaviers wie Anschlagweg der Taste, Hebelverhältnis, mit dem dieser Weg in die Hammerbewegung übersetzt wird und das Gewicht des Hammers selbst. An diesen Parametern muss arbeiten, wer die Klangdynamik optimieren möchte. Allerdings: Der Anschlag wurde schon verlängert, mit der Zeit von etwa 7 auf 10 mm. Je schneller man spielt, desto problematischer wird ein längerer Weg. Die Praxis zeigt, dass grössere Wege ungeeignet sind. Das Hebelverhältnis von 5 mm lässt sich aus konstruktiven Gründen ebenfalls kaum verändern. Und der Hammer sollte nicht schwerer werden als seine aktuellen 10 bis 12 g, bei grösserer Masse würde seine Trägheit das Spiel behindern. Sind also die Grenzen des Möglichen bereits erreicht?
Der Physiker und Amateurpianist Dr. Antoine Letessier-Selvon suchte eine Lösung, zusammen mit Laurent Bessières, dem Klavierstimmer der Pariser Philharmonie, und dem Klavierbauer Stephen Pauello. Die Grundidee: Die Erzeugung des Klangs ganz vom Anschlag zu trennen und eine maschinelle Kraftquelle einzufügen. Ein geeigneter Antrieb sollte kompakt, robust, drehmomentstark, dynamisch bei präziser Ansteuerung und geräuschlos sein. Die Lösung fanden die Klavierforscher bei Faulhaber. Letessier-Selvon berichtet: «Nachdem wir diverse ungeeignete Modelle aussortiert hatten, wurden wir mit dem Linearmotor LM 1247 fündig. Er bietet hohe Leistungsdichte und mit 12,5 mm Durchmesser und 49,4 mm Länge genau die richtige Grösse – exakt so breit wie eine Klaviertaste!»
Letessier-Selvon und seine Kollegen wollten kein selbstspielendes mechanisches Klavier bauen, sondern eines, das dem Pianisten neue Möglichkeiten eröffnet. Er erläutert die technisch Funktion so: «Wir befestigen einen Beschleunigungssensor am Hammerstiel, der mit dem Druck auf die Taste bewegt wird. Der Sensor erfasst die Bewegung des Anschlags präzise in Stärke und Tempo. Sein Signal übermittelt der Controller an den Linearmotor. Dieser übersetzt es präzise in eine Bewegung des Hammers. Der sitzt auf der Achse des Motors, an derselben Stelle unter der Saite wie bei der herkömmlichen Mechanik.» Der gewählte lineare DC-Servomotor überzeugt mit einem ausgezeich­neten Leistungs-/Volumenverhältnis, seiner robusten Konstruktion sowie einfachem Einbau und leichter Inbetriebnahme. Zudem benötigt er keine Schmierung. Dank fehlender statischer Rastmomente sind diese Antriebe ideal für solche Mikro-Positionieraufgaben. Letessier-Selvon betont die Wichtigkeit des LM 1247 für die Lösung: «Ohne ihn hätten wir nicht beginnen können. Noch vor einigen Jahren gab es keinen Motor mit den nötigen Leistungsmerkmalen. Erst die Fortschritte der letzten Jahre, so bei den Neodym-Permanentmagneten, haben dies ermöglicht.»
Durch den Einsatz des externen Antriebs können die Klavierforscher nun zwei entscheidende Parameter verändern: Sie können das Gewicht des Hammers problemlos auf 50 g und mehr erhöhen und so ein grösseres Klangvolumen erreichen, und das Hebelverhältnis zwischen Anschlag und Hammerweg lässt sich nun dynamisch anpassen. Zudem lässt sich der Tastenweg einfach einstellen. Innert zehn Minuten kann der Klavierstimmer alle Hämmer austauschen und so genau an die Bedürfnisse des Musikers anpassen. Die herkömmliche Mechanik erfordert dazu stundenlange Arbeit.
Ein weiteres gewichtiges Argument für die Antriebe war ihre hohe Dynamik. Während Kritiker befürchteten, durch die zwischengeschaltete Sensorik, Elektronik und Aktorik entstehte eine Verzögerung zwischen Anschlag und Tonerzeugung, ist genau das Gegenteil der Fall. Die klassische Mechanik besitzt nämlich eine beträchtliche Trägheit, je nachdem, ob man leise oder laut spielt. So bewegt sich der Hammer beim Fortissimo rund zehnmal schneller als bei leisem Spiel. Ähnliches gilt für den Tastenanschlag, der bei sehr schnellem Spiel etwa 10 Millisekunden benötigt. Letessier-Selvon ergänzt: «Die Reaktionszeit des Antriebs liegt eher unter einer Millisekunde und die Elektronik reagiert ebenfalls im Millisekundenbereich. Faulhaber hat das längste Intervall gemessen: Der Zeitverzug zwischen Stromgabe des Controllers und Stromaufnahme des Motors liegt im Bereich weniger hundert Mikrosekunden. Der Pianist spürt keine Verzögerung.»
Die technische Machbarkeit des Konzepts wurde mit einer einzelnen Saite getestet und so gezeigt, dass Beschleunigungssensor und Motor in der Praxis funktionieren. Faulhaber hat extra für diese Anwendung eine beschleunigungsorientierte Steuerung entwickelt, die besser zum Instrument passt als die übliche Geschwindigkeitssteuerung mit Speed Controller. Derzeit verfeinern Letessier-Selvon und sein Team die assistierte Mechanik im Detail. «Sobald wir die Oktave beherrschen, statten wir den ganzen Flügel mit der assistierten Mechanik aus», erklärt er.

Faulhaber Minimotor SA
6980 Croglio, Tel. 091 611 31 00
info@minimotor.ch
Sindex Halle 3.0 Stand C16



Der Linearmotor LM 1247 von Faulhaber – Herzstück des assistierten Klaviers. (Bild: Faulhaber)


Tonerzeugung beim Konzertflügel mit herkömmlicher Hammerbetätigung (links hinten im Bild) und dem neuen vertikalen Linearsystem (vorne links, gelb unterlegt). (Bild: LPNHE – CNRS Letessier-Selvon)