Klávesnice a spínací systémy klávesových nástrojů

Klávesnice a spínací systémy klávesových nástrojů

Je mi ctí předložit Vám další skvěle zpracovaný článek p. Zdeňka Hoška, tentokrát pojednávající o spínacích systémech klaviatur hudebních nástrojů. Autorovi tímto mnohokrát děkuji za perfektní práci a sdílení jeho znalostí, které tak mohou být zdrojem informací a inspirace pro všechny zájemce o tuto problematiku.

Na úvod článku o klávesnicích a spínacích systémech varhan a syntezátorů musím připomenout, že není mojí ambicí vyčerpat celou tuto problematiku a tento článek je pouhým souborem poznatků amatéra zabývajícího se příležitostně touto technikou. Každý výrobce má své provedení spínacího systému, řeší ho odlišným způsobem a těchto systémů je velké množství. Princip spínání u klávesových nástrojů zůstává ale stále stejný a to že po stisku klávesy dochází ke vzájemnému spojení různě provedených kontaktů ve spínacím systému a vyvolání reakce, která je dále elektronikou různě vyhodnocena. Jedná se např. o změnu napětí na sběrnici, sepnutí a odpojení signálu, spuštění ovládacích signálů apod. Nevylučuji ale například i bezkontaktní spínání, eventuálně i jiné systémy. Budiž proto tento článek připomenutím alespoň několika verzí klávesových systémů, ke kterým jsem měl přístup a budu rád, pokud se popis stane částečnou inspirací pro další zájemce z oblasti techniky klávesových nástrojů.

Některá rozlišovací hlediska:

Klávesnice varhan či syntezátorů můžeme odlišovat podle mnoha hledisek a to třeba takto:

1. Podle velikosti kláves klávesnice na klasické či harmonikové, kdy ty druhé mají samozřejmě menší rozměry. Standardní rozměry kláves jsou uvedeny níže na obrázku.

2. Podle použitého materiálu na klávesy kombinované ze dřeva a plastu, nebo provedené kompletně pouze z plastu. Kombinované z plastu a dřeva bývají klavírní mechaniky nebo klávesy v dražších nástrojích. Dnešní varhany a syntezátory mají klávesy provedené vesměs z plastu což je výrobně jednodušší. Může to být i např. plast se zvýšenou odolností povrchu nebo s dodatečnou povrchovou úpravou. Barva kláves celých tónů je vesměs bílá nebo nažloutlá, půltóny jsou černé. Vyrábějí se ale i klávesnice inverzní, kdy celé tóny jsou černé a půltóny bílé.

3. Důležitým hlediskem je dělení podle typu spínání a to bez dynamiky úhozu a s dynamikou úhozu. Tyto systémy jsou důležité pro klavírní zvuky. Dynamika je zajištěna např. vyhodnocením rychlosti přepnutí kontaktu mezi dvěma sběrnicemi, opožděným sepnutím druhého kontaktu na klávesnici nebo jiným provedením systému.

4. Dalším hlediskem může být dělení klávesnice na nevyvážené, polovyvážené a vyvážené tzv. kladívkové. V posledním případě se jedná o složitější provedení mechaniky klávesy simulující tvrdost klávesy tak jako u klavírních mechanik.

5. Podle počtu klávesnic mohou být nástroje jednomanuálové až např. pětimanuálové (např. kostelní varhany). Nejčastěji se ale setkáme s jedno, max. s dvoumanuálovým provedením nástrojů.

6. Podle rozsahu oktáv jsou nástroje nejčastěji řešeny jako čtyřoktávové nebo pětioktávové (varhany, syntezátory). Časté je i tříoktávové provedení např. pro použití v monofonních syntezátorech (viz např. Minimoog). Šest a více oktáv lze využít pro klavírní nástroje. Dvě oktávy se používají např. pro řídící midi klávesnice.

Samozřejmě, dělících hledisek může být více.

Již od 50. let je u nás datována výroba amatérských elektromagnetických varhan RWZ. Následně se mezi 70. - 90. léty minulého století vyráběly klávesové nástroje v podniku ČSHN Hradec Králové, kde byla vyrobena např. i série varhan s tvorbou tónů pomocí tzv. fónických kol (na principu Hammond) a to typy Pastorale B50 a menší počet typ Z70. Klávesnice těchto varhan byly trochu specifické a to že byly vyráběny z plastu přímo pro tyto nástroje. Např. typ B50 měl zaoblené hrany kláves umožňující rychlý přechod mezi tóny. Dalším závodem, který v bývalém Československu vyráběl elektronické klávesové nástroje byla Harmonika Hořovice, později Delicia, kde se vyráběly různé typy varhan zde na tomto webu již kompletně popsané. Do těchto nástrojů byly montovány klávesnice s různě řešenými spínacími systémy. Díly byly kvalitně provedeny za pomoci lisovacích nástrojů a vstřikolisů na plasty. Posledním provedením byl spínací systém varhan HT 61-BD, který též popisuji. Klávesnice pro dětské nástroje jaksi vynechám, i když se rovněž vyráběly. Dalším výrobcem klávesových nástrojů k nám tehdy hojně dovážených byly typy od výrobce Harmonikawerke Klingenthal z tehdejší NDR, kdy si několik konstrukčních řešení rovněž popíšeme. Samozřejmě po roce 1990 to byl ve velké míře dovoz zejména tzv. samohrajek od firem Casio a Yamaha, včetně dalších profi nástrojů od firem z celého světa. Zde je již v případě klávesnic vidět markantní ústup od kovových částí, viz např. dále uvedené řešení klávesnic od firmy Yamaha. Ve světě je to celá škála dalších výrobců a to např. Hammond, Moog, Wersi, Hohner, Yamaha, Casio, Korg, Roland atd. Samozřejmě nemohu opomenout amatérsky zhotovené klávesnice a jejich řešení, z nichž mnohé jsem osobně postavil. V době minulé nebylo jednoduché hotovou klávesnici koupit a tak se používaly např. díly z již vyřazených nástrojů, nebo z klavírních mechanik popř. se kompletně stavěly z různých materiálů.

Řešit spínací systém klávesnice lze samozřejmě různě. Pro spínání byly např. v počátku využívány pérové svazky z relé, kde v místě kontaktů je slitina stříbra, dále byly využívány jazýčkové kontakty zatavené ve skle s inertním plynem ovládané magnety, následně to bylo spínání řešené pomocí pružných drátových kontaktů ze slitiny stříbra a sběrnic z podobného materiálu (svařovací dráty se slitinami stříbra). Současně řešené spínací systémy pracují na základě spojení několika např. pozlacených (uhlíkových) plošek různě tvarovaných, spínaných pomocí protilehlých spínačů tvořených uhlíkovými válečky uložených v pružných např. silikonových pouzdrech. Samozřejmostí je u kvalitních systémů zlacení kontaktních spínacích ploch, kdy je ve větší míře eliminován výpadek signálu nebo ovládacích napětí.

Dále uvádím některá řešení klávesnic a spínacích systémů, které jsem pro tento článek zdokumentoval. Samozřejmě výčet není konečný, neboť získat přístup do útrob současných nástrojů, pokud nejsme jejich majiteli je o trochu složitější a rozebrat nástroj není též otázka několika minut.

Několik příkladů pro inspiraci:

Klávesnice a spínací systémy klávesových nástrojů:

1. Ukázka současného řešení spínacích systémů klávesových nástrojů. V tomto případě provedení u nástrojů Yamaha PSR3 a PSR520 a podobných. Plošky vytvořené na plošném spoji (zlacené nebo provedené z uhlíkového materiálu) jsou spínány protilehlým vodivým válečkem umístěným ve vratném gumovém profilu. V případě dynamických klávesnic jsou použity dva tyto válečky za sebou a je vyhodnocován rozdíl v rychlosti spínání těchto plošek. Tyto systémy jsou dnes využívány např. i v řídících klávesnicích MIDI. Klávesnice jsou kompletně provedeny z plastu. Zhruba 3-6 kláves na plastovém výlisku se montuje v několika vrstvách (např. fa Yamaha) a plochy v dolní části plastového výlisku ovládají gumové vodivé válečky pod klávesami. Návrat do výchozí polohy je zajištěn pružností plastů orientovaných ve dvou směrech a to do tvaru kříže. Odpadá zde veškerý kovový materiál kromě šroubků a systém je montážně velmi jednoduchý.

2. Provedení jednomanuálového spínacího systému nástroje Solton-Ketron K160, který byl v devadesátých létech prodáván i u nás. Klávesnice nástroje je dynamická, a proto jsou zde umístěny dvě sběrnice nad sebou, mezi kterými je veden pružný kontakt provedený jako šroubovice. Čas mezi sepnutím kontaktů je vyhodnocován a dále zpracován. Hra na klávesnici je příjemná, přesná a intuitivní s ohledem na precizní provedení jednotlivých dílů.

3. Klávesnice z varhan, které používala Delicia Hořovice v různých typech klávesových nástrojů vyráběných v 80. létech. Jedná se o kvalitní provedení v kombinaci plastových kláves s kovovými profily, i když relativně těžké. Vymezení kláves pomocí filců zajišťovalo dobré stranové vedení. Řešení spínacího sytému z varhan Vega je uvedeno výše. Provedení klávesnice je stejné jako v bodu 7. Klávesnice např. u varhan Vega byla trochu tvrdší, neboť na každé klávese jsou dvě pružiny. Jedna v zadní části klávesy (rozlišená tuhostí u celé a půltónové klávesy) a další pružina umístěná na spínacím dříku klávesy, kterým prochází spínací kontakt.

4. Systém spínání u E-Piana Vermona z Klingenthalu. Jedná se o klasický spínací systém ve formě drátových kontaktů a podélných sběrnic. V případě Vermona strings, kde je tato klávesnice rovněž použita, jsou zde další kontakty na klávesu a další sběrnice. S ohledem na černání sběrnic a kontaktních drátů může se po létech vyskytnout výpadek signálu. Kontakty i sběrnice je v nástroji obtížné vyčistit a tak nejlepším řešením je kompletní demontáž z nástroje a důkladné chemické očištění (osvědčilo se také "propilování" jemným lapovacím smirkovým papírem, pozn. Najvrtsona).

5. Spínací systémy varhan Vermona ET-6.1 a podobných. V tomto případě se jedná o klasické řešení pomocí kontaktů a sběrnic provedených ze stříbrných slitin. Signál prochází z kontaktů na sběrnice. U těchto systémů je potřebné najustovat kontakty tak, aby při sepnutí zaznívaly tóny zhruba stejně. Problém se může vyskytnout po létech provozování s ohledem na korozi a černání stříbra a to výpadkem signálu. Vyčištění v nástroji je problematické a tak nezbude než úplná demontáž kontaktů a sběrnic z nástroje a jejich očištění.

6. Spínací systém varhan ze 70.tých let výrobce Vermona. Jedná se o klasické plastové klávesy umístěné na kovový profil. Vrácení klávesy zajišťuje pružina umístěná v zadní části klávesy. Spínání je zajištěno pružným tenkým plechem zřejmě z fosforbronzu, na kterém jsou umístěny dva kontakty ze stříbrné slitiny zajišťující kontakt se sběrnicemi. Podle potřeby lze do systému doplnit další sběrnice a spínací kontakty. V tomto případě se jedná o jednoduché provedení spínacího systému použitelné např. v jednoduchém syntezátoru.

7. Provedení amatérského spínacího systému jednoduchých varhan. Je použita klávesnice výrobce Delicia Hořovice doplněná spínacím systémem tvořeným základní deskou z cuprextitu na které jsou umístěny veškeré prvky. Provedení vlastní klávesnice je následující: Základem je tvarově vylisovaný plech s prvky, které přidržují jednotlivé klávesy. V přední části jsou to vytvarované držáky, na které jsou nasazeny filcové profily s dolními a horními gumovými dorazy. V zadní části jsou to držáky pro průchod mosazného drátu Ø 2,5 mm. Tento drát prochází současně plastovým výliskem umístěným v kovovém výlisku klávesy, na který je umístěn zacvaknutím vlastní plastový výlisek celé či půltónové klávesy. V zadní části jsou nasazeny krátké pružiny zajišťující vracení kláves do původní polohy. Tyto pružiny jsou rozdílné pro celé a půltónové klávesy s ohledem na vyvážení tvrdosti při stisku klávesy a to z důvodu rozdílné délky při stisku. Na kovové profily tvaru U jsou nasazené vlastní plastové profily celých a půltónových kláves. Tyto smontované komplety jsou pak umístěny do klávesnice. Takto provedená klávesnice je relativně těžká, ale na ovládání poměrně přesná bez výchylek při stlačení. Podobné provedení v 70.tých a 80.tých létech vyrábělo mnoho dalších výrobců. Pod touto klávesnicí je spínací systém tvořený táhlem z pertinaxu, který je uchycený na klávese a otvorem v tomto materiálu prochází kontakt tvořený drátem z kytarové struny nebo jiného materiálu s přídavkem stříbra. Vlastní dělené sběrnice jsou provedeny z drátu též ze stříbrné slitiny (např. pro svařování). Toto řešení se osvědčilo i přes černání stříbra po letech. Výpadky v ovládání nebyly zaznamenány a postačilo občasné vyčištění dotykových míst.

8. Amatérské provedení klávesnice tříoktávového syntezátoru. V 70.tých létech kdy nebyly běžně k dispozici klávesnice pro stavbu klávesových nástrojů, byla zhotovena tato klávesnice ze dřeva a plastových leštěných materiálů. Spínací systém je tvořen drátovými kontakty ze strun a podélnými sběrnicemi ze stříbrných drátů pro svařování. V tomto případě byly použity dvě sběrnice a to jedna pro řízení napětí na vstupu VCO, druhá pro řízení generátorů obálek. Zde se plně projevila nutnost kvalitního povrchu spínacích ploch s ohledem na přesnost tónů VCO a spolehlivé spouštění generátorů obálek. Bylo experimentováno s různými materiály zejména se stříbrnými ale jako nejspolehlivější je samozřejmě pozlacení spínacích kontaktů.

9. Část spínacího systému z varhan HT 61-BD výrobce Delicia Hořovice z 90.tých let. Zajímavá myšlenka na provedení spínacího systému, kdy dvě napařené spínací plochy jsou oddělené malou mezerou. Stlačením dvou ploch klávesou dojde k sepnutí. Vývody z kontaktních plošek jsou ve formě plošných spojů vyvedeny na přívodní kontakty. Vše je zalisováno do celku bez přístupu vzduchu. Bohužel po mnoha letech se může projevit nespolehlivost při spínání a to vlivem koroze napařené plochy. Výměna za originál je dnes nemožná s ohledem na neexistenci výrobce, lze ale provézt rekonstrukci na současný systém např. s gumovými meandry, což ale vyžaduje zásah do konstrukce nástroje.

10.Spínací systém malých tříoktávových varhan HT 37-D výrobce Delicia Hořovice z 80.tých let. Zde byla použita harmoniková klávesnice s menšími klávesami. Jako basový a akordický doprovod v rozsahu jedné oktávy jsou zde telefonní tlačítka s ne příliš přesným spouštěním a hlasitým cvakáním. Byly též vyráběny nástroje se čtyřmi oktávami (HT-49), kdy doprovodná sekce byla vynechána. S ohledem na souvislost s výrobou harmonik jsou jednotlivé prvky provedeny ze dřeva, kovu a plastů. Již v té době se ve spínacím systému u nás vyráběného klávesového nástroje podařilo využít progresivního systému a to gumových meandrů používaných např. v kalkulačkách. Systém je relativně spolehlivý i po mnoha létech používání a v případě poruchy je možné spínací kontakty nahradit kontakty z jiného nástroje.

11.Příklad spínacího systému amatérsky zhotoveného basového pedálu. Zde byly využity kontakty z pérových svazků telefonní ústředny, které jsou zdvojené, mají stříbrné kontakty a pro tento účel se jeví jako plně funkční. V hojné míře se pro tento účel používaly třeba i již zmíněné skleněné jazýčkové kontakty ovládané magnety.

Další konstrukce nalezneme zcela jistě na webu nebo prostým rozebráním klávesového nástroje a jeho prozkoumáním. Jedná se zejména o klávesnice a spínací systémy současných nástrojů např. od firem Yamaha, Casio, Korg, Skytec atd. jejichž provedení může být různorodé.

Údržba klávesnice:

Pro zajištění bezproblémového chodu klávesnice je nutné provádět i občasnou údržbu. O klávesnici nástroje je samozřejmě nutné pečovat a chránit ji před mechanickým poškozením. Je nutné zabránit politím kapalinou, zejména takovou, která naleptává plasty a zabránit jejímu průniku mezi klávesy. Vzhledem k tomu že klávesy jsou provedeny z plastu, dochází vlivem úderů prstů k otěru a otlačení povrchu, které se časem může projevit místním poškozením. Rovněž pot z prstů vykonává své. Proto je vhodné občasné omytí povrchu kláves např. vlhkým hadrem nejlépe s přídavkem mýdla a to tak, aby se voda nedostala do útrob nástroje, event. jiným čistícím prostředkem, který nenaleptává plasty. Dále je možné úzkým štětcem vyčistit mezery mezi klávesami od prachu. Vhodné je též po ukončení hry provézt zakrytí nástroje tak abychom zabránili usazování prachu.

Další údržba klávesnice může být již pro neznalé problematiky složitá, neboť vyžaduje demontáž krytů a dalších komponentů. Jedná se zejména o vyčištění spínacích ploch kontaktů a sběrnic v případě výpadků signálu. Mnohdy nepomáhá ani čištění speciálními roztoky a je nutné provézt generální údržbu vč. demontáže dílů a chemického čištění. Přestože jsou moderní spínací systémy kryty gumovými dorazy, je nutné i zde provézt občasnou údržbu rozebráním a vyčištěním vnitřního prostoru spínání a to s ohledem na znečištění spínacích ploch vodivým materiálem pohyblivého spínače. Dále ne vždy levná je výměna gumových meandrů (pásků) v případě protržení či opotřebení, výměna dorazových a bočních filců kláves v případě tvrdých dorazů a poškození, vhodné je i občasné promazání vodících prvků speciálním mazivem na klávesy. Při poškození povrchu plastových výlisků je nutná kompletní výměna poškozených dílů což mnohdy není jednoduché. Nelze zde popsat všechna konstrukční řešení a možné závady. V případě poruchy bude proto vhodnější obrátit se na specializovanou opravnu.

Je zřejmé, že problematiku klávesnic a jejich konstrukčních řešení jsem zdaleka nevyčerpal. Mnohá další řešení amatérských a profesionálních nástrojů, klávesnic a spínacích systémů lze nalézt na webu. V dnešní době se stavbou klávesových nástrojů již mnoho konstruktérů nezabývá, i když samozřejmě výjimky se najdou a to např. při stavbě zejména syntezátorů, kdy klávesnice jsou stále potřebné. I zde se ale stále ve větší míře používají midi klávesnice s převodníky na napětí a ovládací signály a vše je tak pro případné zájemce o tuto techniku jednodušší.

Několik odkazů na literaturu týkající se klávesových nástrojů:

Detailnější pohled na problematiku konstrukce klávesových nástrojů vč. klávesnic a spínání lze samozřejmě též získat z dostupné literatury. Pro případné zájemce uvádím několik titulů. V našich končinách příliš mnoho tematických knih k této problematice vydáno nebylo. Zásadní literaturu uvádím níže. Mnoho různých článků ke konstrukcím bylo dále publikováno v radioamatérských časopisech např. Amatérské radio, Praktická elektronika, Radiový konstruktér, KTE, Sdělovací technika. Snad se mě podaří někdy tuto literaturu kompletně zmapovat. V zahraniční literatuře je k dispozici velké množství publikací a článků ke konstrukcím varhan a syntezátorů. Pro ilustraci zde rovněž některé uvádím vč. náhledů titulních stran. Podklady lze nalézt též na specializovaných webech s touto tematikou.

V.I.Vološin - Elektronické hudobné nástroje (ALFA-1974)

B.Hanuš - Amatérská stavba elektrických hudebních nástrojů (SNTL-1967)

R.Sýkora, F.Krutílek, J.Včelař - Elektronické hudební nástroje a jejich obvody (SNTL-1981)

J.Vlček, J.Havlík - Elektronika pro hudebníky (BEN-1999)

V.Bělský - Nauka o varhanách (Supraphon-1988)

V.Kotrubenko - Tajemství syntezátorů (Supraphon-1987)

M.Guštar - Elektrofony I+II (Uvnitř-2008)

H.J.Helmstedt - FORMANT PRO, Modulares Sound Systém MSS 2000 (Elektor-2000)

H.J.Schulze, G.Engel - Moderne Musikelektronik (Militärverlag DDR - 1989)

H.Tünker - Electronic-Pianos und Synthesizer (Franzis Verlag München-1979)

J.Řihák - Elektronické hudební nástroje (Radiový konstruktér-1972)

J.Svačina,V.Valčík, K.Svačina - Elektronické hudební nástroje (Amatérské radio B-1979)

F.Kyrš - Elektronická hudba (Amatérské radio B-1977)

V.Stejskal - Klávesový syntezátor (Amatérské radio-1986)

Sborník přednášek - Elektronické hudební nástroje (ČS hudební nástroje HK-1979)

Titulní strany některých knih a časopisů:

Pro Czechkeys

Zdeněk Hošek

1.11.2017