Synthesizer Kolumne von Erik Steckmann: Tasten und Pads

22. August 2020

Episode 3: Hit me like a ... - Tasten & Pads

Ein Überblick zur Serie:

Die mehrteilige Serie von Erik Steckmann könnt Ihr über folgende Links erreichen:

ableton push 2

Ableton Push mit farbigen Pads

Zum Thema Tasten & Pads

Kaum ein Gerät in der (Audio-) Welt kommt ohne sie aus: Tasten.

Wenn man den Vorgang der Musikproduktion maximal vereinfacht, kann man von einer Veränderung von Zuständen sprechen. Für diese Aufgabe ist wie eh und je nichts besser geeignet als Tasten. Tasten werden generell für fast jede Interaktion des Menschen mit Maschinen oder Computern verwendet und stellen die essentiellste Art der Interaktion mit Musiktechnologie dar. Mehr als ein Grund, dieses Thema genauer zu betrachten.

Typen von Tastenfeldern

Um ein strukturiertes Verständnis von Tasten zu bekommen, ist es sinnvoll, die verschiedenen Arten von Tasten unter die Lupe zu nehmen. Auf Klaviertasten wird bewusst verzichtet, da diesen eine eigene Episode der Kolumne gewidmet wird.

Plastiktasten
Die günstigste Form von Tasten sind einfache Tasten mit Kappen aus hartem Plastik. Diese sind eventuell mit einer zusätzlichen LED versehen, um den Zustand der Taste an den Nutzer zurückzumelden.

Arcade Buttons
Eine Sonderform der Plastiktasten sind sogenannten Arcade-Buttons. Der Name rührt aus der Verwendung in Arcade-Spielautomaten der frühen 80er Jahre. Arcade-Buttons besitzen neben dem spürbaren Klicken beim Betätigen des Schalters eine weitere Besonderheit. Der Hub, also der Weg vom höchsten zum niedrigsten Punkt der Taste, ist so groß, dass völlig klar ist, in welcher Position sie sich gerade befinden. Durch die starken Federn unter der Plastikkappe springen diese Buttons extrem schnell in ihre Ausgangsposition zurück. Dies ermöglicht eine wesentlich schnellere Betätigung in kürzerer Abfolge. Perfekt für Fingerdrumming und natürlich auch Videospiele.

Wie in den 80ern – der MIDIfighter 3D ist mit Arcade-Buttons ausgestattet

Gummitasten
Basierend auf einer Matte aus Gummi und Kontakten, die direkt auf dem PCB aufgebracht sind, stellen Gummitasten die am meisten verwendete Art von Tasten dar. Im Factory Peek am Ende des Artikels werden wir einen genaueren Blick auf die Herstellung und Funktionsweise dieser Tasten werfen.

Pads
Generell größer, unbeweglich und besonders geeignet für expressive Instrumente stellen Drumpads eine Sonderform der Gummitasten dar. Die Urform dieser Tastenart ist mit der MPC-Serie von AKAI berühmt geworden. Eine Spezialform von Drumpads sind die riesengroßen Gummiflächen, die auf Schlagzeug-Controllern wie dem Nord Drum 3P zu finden sind. Gespielt werden diese mit Drumsticks statt den Fingern.

Bigger is better – die Drumpads am Nord Drum 3P sind für das Spielen mit Drumsticks gemacht

Folietasten
Eine Spezialform von normalen Plastiktasten und wesentlich günstiger als diese sind Folietasten. Viele von euch werden sie eventuell eher aus günstigen Fernbedienungen kennen. In der Geschichte der Synthesizer spielten sie eine eher untergeordnete Rolle. Das wohl meistverkaufte Gerät mit Folietasten war der Yamaha DX7. Der für damalige Zeiten futuristische Look des Klassikers wäre ohne die modern und fremdartig anmutenden Plastiktasten, überspannt mit einer bedruckten Folie, nicht möglich gewesen.

Wasserdicht – der DX7 ist mit Folietasten ausgestattet

Beneath the surface – Tastenmechaniken

Tasten unterscheiden sich nicht nur in ihrer physischen Oberfläche, sondern auch in der Technologie unter der Oberfläche. In günstigen Geräten werden Plastiktasten oftmals ohne Feedback realisiert. Es ist dann nur schwer möglich zu fühlen, ob die Taste betätigt wurde oder nicht. Bei Tasten mit geringem Hub ist dies meist problematisch. Eine bessere Lösung sind sogenannte Tactile-Buttons, also Tasten mit taktilem Feedback. Dieses Feedback äußert sich durch ein deutlich spürbares Klicken beim Betätigen der Tasten. Die genauere Rückmeldung sorgt für ein besseres Spielgefühl.

Can you feel it? Nicht immer wird taktiles Feedback gut umgesetzt. Die Roli Control Blocks fördern Sehnenscheidenentzündungen.

Sensitive Moments – Velocity und Aftertouch auf Basis von FSR

Anfangs war es exklusiv Keyboardtasten vorbehalten, auf Anschlagstärke zu reagieren. Seit einigen Jahren ist diese Exklusivität gefallen und auch Gummitasten können mit Velocity-Sensitivity ausgestattet werden.

Möglich macht dies eine Technologie, die sich force sensitive resistor (FSR) nennt. Ins Deutsche übersetzt bedeutet FSR „drucksensitiver Widerstand“.

Hauchdünn – die grüne Folie in diesem Gehäuse ist ein FSR sheet

Die Drucksensitivität wird mittels halbleitenden Materialien, die zwischen zwei dünnen Schichten aus Polyester eingespannt sind, erreicht. Der Widerstand dieser Materialien verändert sich mit der Dichte dieser Materialien, was wiederum Einfluss auf den eingespeisten Strom ausübt. Der Widerstand kann so auf feinste Unterschiede im Druck auf das System reagieren.

Die kompletten FSR-Folien sind nur wenige Mikrometer dünn. Geringfügige Änderungen der Beschaffenheit können extreme Unterschiede im Ansprechverhalten hervorrufen. Im Development Peek seht ihr, wie schwer es ist, diese Technologie richtig umzusetzen.

Feedback – über Hintergrundbeleuchtung und Screenprints

Um klar und eindeutig erkennbar zu machen, welche Funktion einer Taste zugeordnet ist, ist es üblich, diese zu markieren.
Die geläufigste Variante der Markierung nennt sich Screenprint. Dabei handelt es sich um einfache Bedruckung der Taste oder des Bereiches um die Taste. Üblich sind gedruckte Farbe auf Plastiktasten (silk screen printing) oder gelaserter Symbole direkt auf Gummitasten.

Eine andere Art der Übermittlung von Zuständen ist die Farbe, in der die Taste leuchtet. Im Zeitalter von RGB-LEDs können nicht nur 2 Zustände, wie mit einer gewöhnlichen einfarbigen LED markiert, sondern eine Menge zusätzliche Infos übermittelt werden. So sind beispielsweise im Synthstorm Deluge oder dem Novation Circuit auf einem Grid aus Tasten unzählige Funktionen untergebracht, die nur durch LED-Feedback übermittelt werden.

Kunterbunt – das Grid des Synthstorm Deluge stellt einen immensen Funktionsumfang mit eigentlich gleichen Elementen dar. Interessant sind auch die weißen Linien, die dabei helfen, das Grid in Vierergruppen zu teilen.

Besonders große Tasten haben den Nachteil, dass diese sehr hell leuchten und den Benutzer blenden. Um dieses Problem zu umgehen, ermöglichen es einige Hersteller, die Helligkeit der Tasten zu reduzieren, während beispielsweise AKAI oder Elektron die Oberseite der Tastenflächen schwarz bedrucken. Durch die Reduktion der lichtabstrahlenden Fläche sind die Tastenfarben gut zu erkennen und stören kaum beim Spielen.

Decent – die schwarz bedruckten Tasten am AKAI MPC Live sind augenschonend

Ein einfach erkennbares Qualitätsmerkmal von hintergrundbeleuchteten Gummitasten ist die konsistente Lichtbrechung des Gummis. Im optimalen Fall ist die Taste in jedem Zustand und jedem Bereich gleich gut ausgeleuchtet. Es sollte nicht möglich sein, die LED hinter der Taste zu erkennen.

Feeling it – Usability und Navigation in großes Tastenclustern

Das essenzielle Prinzip, die Navigation in großen Clustern aus Tasten gleicher Form und Größe zu erleichtern, ist das der „groups of four“. Das menschliche Gehirn ist in der Lage, extrem schnell und völlig intuitiv, ein Element in einer Gruppe von 4 zu lokalisieren. Dieses Konzept findet sich seit jeher in nahezu jedem Gerät mit einer Hardware-Benutzeroberfläche wieder.

Ein besonders gutes Beispiel ist das Launchpad von Novation. Um die Navigation in der Matrix aus gleichen Tasten zu verbessern, sind die 4 Tasten in der Mitte nicht quadratisch, sondern besitzen eine kleine abgetrennte Ecke. So ist es einfacher, das Feld gedanklich in Vierergruppen zu unterteilen.

Clever – das riesige Tastenfeld der Launchpad Serie wird durch Ecken an den Tasten im Zentrum in groups of four unterteilt

Weitere versteckte Helfer beim Erlangen von Feedback sind spezielle Markierungen in der Oberfläche. So verfügen einige Buttons über kleine, der Brailleschrift ähnlichen Erhöhungen, die dabei helfen, blind zu erkennen, an welcher Position sich der Finger befindet. Das ist nicht nur vorteilhaft für Menschen mit Sehstörungen, sondern soll sogar bei zu starker Intoxikation beim Live-Auftritt helfen.

Stubby fingers – Tastengröße und Abstand

Bei der Wahl der Größe der Tasten scheiden sich die Geister. Oder etwa doch nicht?

Für Fingerdrumming und das expressive Spielen von Pads ist die wohl geringste Größe für ein Drumpad 20 x 20 mm und der geringste Abstand 4 mm. Das sagen zumindest einige Ministudien, die von verschiedenen Herstellern durchgeführt wurden.

Natürlich erhöht sich mit größerer Fläche die Spielbarkeit. Durch die verringerte Anzahl an verschiedenen Kommandos, die aufgrund der geringeren Tastenanzahl gegeben werden können, ist das allerdings immer ein Kompromiss.

Für den Abstand gibt es keine magische Formel. Generell ist der benötigte Abstand mit steigender Tastengröße geringer. Aufgrund des großen Abstands sind deswegen auch die winzigen Buttons der Pocket Operator Serie von Teenage Engineering gut zu betätigen.

Winzig und funktional – die Pocket Operator Serie von Teenage Engineering ist trotz winziger Tasten gut zu bedienen

Welche Tastengröße für euch die optimale, ist hängt natürlich immer von euren Anforderungen an das Spielgefühl und der Größe eurer Finger ab. Daher kann hier kein allgemein gültiges Patentrezept geben werden. Je schneller und intuitiver die Tasten getriggert werden müssen, desto größer sollte deren Fläche sein.

Factory Peek: Rubber Storys – Funktionsweise und Herstellung von Tastenmatten

Die Herstellung von Gummimatten, die für Tasten und Drumpads verwendet werden, ist ein komplexer Prozess. Der Vorgang wird im Fachjargon als Pressformung bezeichnet.

Die Basis ist ein CNC-Designfile, das verwendet wird, um eine Gießform herzustellen. Diese wird als Negativ bezeichnet.
Die Gießform wird im nächsten Schritt mit einer flüssigen Gummimasse gefüllt. Nach dem Trocken werden die überstehenden Kanten entfernt. Farbe bekommen die Tasten entweder durch das Hinzufügen von Pigmenten in die flüssige Gummimasse oder durch das nachträgliche Bedrucken. Mittels Farbdruck oder per Laser werden Labels und Beschriftungen auf die Oberfläche aufgebracht.

Schemazeichnung einer Gummitaste

Der Widerstand der Taste gegen den Druck der Finger basiert nur auf der Biegsamkeit des Materials. Er kann durch die Zusammensetzung der Gummimischung sehr genau kontrolliert werden. Auf die gleiche Art kann auch die Fähigkeit, Licht von LEDs unter der Tastenmatte zu leiten, verändert werden. Oft sind viele Prototypen notwendig, um das richtige Look & Feel der Tasten zu erreichen.
Die Kraft, mit der die Taste wieder in ihre Ausgangsposition bewegt wird, bezeichnet man als snap ratio. Ist diese zu niedrig, verliert die Taste das taktile Feedback, wird aber dafür haltbarer. Die Herausforderung für die Ingenieure ist, das perfekte Mittelmaß zu finden.

Wenn die Qualität stimmt, wird in einem letzten Schritt eine leitfähige Farbe aus Graphit oder Gold auf die Rückseite aufgebracht. Diese ist notwendig, um beim Betätigen der Tasten den Kontakt auf dem PCB zu schließen und den Strom zu leiten, der anliegt.

Die Keymats von einem Korg Electribe EMX1

Auf der anderen Seite des Systems werden Kontaktflächen direkt auf das PCB gedruckt. Beim Betätigen der Tasten und dem damit verbundenen Kontakt mit der leitfähigen Farbe wird so ein Stromkreis geschlossen und das Signal an den Prozessor des Systems gesendet. So schließt sich im wahrsten Sinne des Wortes der Kreis.

The other side – das PCB eines MIDI Controllers mit den gut erkennbaren Kontakten, die kleinen weißen Quadrate in der Mitte sind LEDs in SMD Bauweise

Development Peek: Push the button – Velocity-Sensitivity-Tuning für Pads

Eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung von FSR-basierenden Geräten mit vielen eng aneinander liegenden Pads ist die Konsistenz des Ansprechverhaltens. Um ein natürliches Spielgefühl zu erreichen, müssen die Tasten möglichst gleich reagieren. Diese Konsistenz sollte im Optimalfall auch über eine lange Zeit und bei intensiver Benutzung erhalten bleiben. Um die Reparierbarkeit der Geräte zu sichern, sollte sich auch beim Öffnen und nachträglichem Schließen des Gehäuses keine Veränderung des Spielgefühls ergeben.

The button tester – Testvorrichtung zum Lifetime-Test von Tasten

Den größten Einfluss auf die Spielbarkeit des Systems hat die Stärke der FSR-Folie im Zusammenhang mit der der Tastenmatte und dem Abstand dieser beiden Komponenten. Auch muss verhindert werden, dass die Tastenmatte sich im Gehäuse bewegt und so ihren Abstand zum FSR-Sheet verändert.

Nobody is perfect – mehr als 700 g Gewicht auf einem Ableton Push, dessen Taste keinen Anschlag detektiert

Neben der optimierten Kontrolle der Hardware kann auch besonders gute Firmware dafür sorgen, dass die physischen Unterschiede ausgeglichen werden, bevor sie im Zielsystem Wirkung tragen. Die Konsistenz in der Spielbarkeit sinkt, je größer die Menge an Pads und je geringer deren Abstand ist.

Auch der Produktionsprozess muss genau kontrolliert werden, um Unterschiede von Gerät zu Gerät soweit zu reduzieren wie möglich. Hierfür werden aufwändige Testroboter verwendet. Diese Roboter üben klar kontrollierten Druck auf das Testsystem aus und messen die Reaktion Taste für Taste auf das Gramm genau.

Forum
  1. Profilbild
    pestomusic

    Man weiß, dass man es mit einem super Post zu tun hat, wenn man nebenher noch weitere Tabs aufmacht, weil man sich an bestimmten Stellen tiefer in die Materie einlesen will.
    Danke für die tolle Serie, Erik!

  2. Profilbild
    KrauTronicA  

    Hallo Erik,
    wieder ein sehr informativer Artikel; Danke dafür!

    Der Punkt von wegen Eigenschaften unseres Gehirns bzgl. Lokalisierung einer Vierergruppe ist interessant. Naheliegende Vermutung wäre ein Zusammenhang zu 4 Fingern unserer Hände. Im Gegensatz zum Daumen haben diese ja alle die exakt gleiche „motorische Steuerung“.

    Rein aus technischer Neugier zu den FSR–„Matten“ und ihre Verwendung für velocity und aftertouch:
    Ich nehme an, die velocity Daten sind logisch mit dem kurzen Gate Triggerimpuls verknüpft, während für aftertouch die logische Verknüpfung mit dem Note-On Signal erfolgt? Nur so läßt sich ja der gleiche Sensor für beide Informationen verwenden. Vorteil dabei: auch polyphoner aftertouch möglich, da jede Taste ihre eigene Sensormatte besitzt. Korrekt?
    Frage deshalb, weil ich von Keyboardtastaturen kenne, daß dort velocity und aftertouch meist aus getrennten Sensoren abgeleitet werden. Für aftertouch wird dort offenbar gerne ein Dehnungsmeßstreifen verwendet, bei dem sich das Metallband unter Druckeinfluß dehnt und sich damit dessen Widerstand ändert. Allerdings ist es typisch ein einziger langer Streifen unter allen Tasten, deshalb nur monophoner aftertouch.

    Grüße
    KrauTronicA

    • Profilbild
      Erik Steckmann  RED

      Die Firmware kann aus dem Widerstandswert des FSR Pads alle Signale erzeugen und je nach Design in MIDI oder analoge Spannungswerte umrechnen. Da sich unter jeder Taste ein eigenen Sensor befindet ist Poly-aftertouch möglich und wird auch oft so implementiert.

  3. Profilbild
    zeitlos  

    Ich frage mich, ob es nicht möglich wäre, eine Folie bzw. eine durchsichtige Matte zu konstruieren, die auf das Ipad gelegt werden kann und die imaginieren Tasten für beliebte Apps durch jeweilige Verdickung haptisch fühlbarer macht. Das müsste natürlich für jedes App individuell hergestellt werden und dürfte aber nicht sonderlich aufwendig in der Herstellung und deshalb nicht sonderlich teuer sein.

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