Force sensors for the measurement of finger forces in clarinet playing

Abstract

Beim Spielen der Klarinette hat der Musiker mehrere bestimmte Tonlöcher zu öffnen/schließen und Tasten zu betätigen, die als Ventile fungieren. Während andere expressive Parameter wie Dynamik, Artikulation oder Feinintonation durch den Luftstrom und die Zunge des Musikers bestimmt werden, definieren die Finger ausschließlich die Tonhöhe.<br />Allerdings könnte es vorkommen, dass Klarinettisten nicht immer die minimal notwendigen Kräfte dafür aufwenden. Diese übermäßigen Kräfte könnten die Qualität des Spiels beeinflussen oder sogar zu Schmerzen führen. Die im Rahmen dieser Dissertation präsentierte Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung von Sensoren zur Messung der Fingerkräfte während dem Spielen einer Klarinette. Diese einzigartigen Fingerkraftsensoren weisen ringförmige Geometrien auf; notwendig, um sie an den Tonlöchern einer Klarinette zu befestigen. Eine speziell für diese Anwendung modifizierte Klarinette wird benutzt, um die Kraftsensoren zu beherbergen und gleichzeitig das natürliche Gefühl wie auf einer gewöhnlichen Klarinette aufrechtzuerhalten.<br />Niedertemperatur-Einbrand-Keramik (Low Temperature Co-fired Ceramics, kurz LTCC) Technologie wird für die Herstellung des Sensorgehäuses verwendet. LTCC Technologie ermöglicht das Rapid Prototyping von verschiedenen Geometrien und die Integration von Sensorelementen, Leiterbahnen und aktiven elektronischen Bauelementen. Mechanische Eigenschaften --- Elastizitätsmodul und Biegefestigkeit --- verschiedener LTCC Tape Materialien und einem Zirkonium Hochtemperatur Tape Material wurden untersucht, um die Anwendbarkeit als Sensorelement zu prüfen. Des Weiteren wird das Verhalten von piezoresistiven Dickschichtwiderständen auf diesen Substraten getestet, um eine kompatible Piezowiderstand/Anschluss/Substrat-Kombination zu finden. Als Folgerung wird das Zirkonium Substrat für die Herstellung des Sensorelements verwendet.<br />Die detaillierte Sensorherstellung wird beschrieben, gefolgt von einer mechanischen Charakterisierung des Sensors. Letztendlich werden einige Beispiele präsentiert, die auf der modifizierten Klarinette ausgeführt werden. Diese Beispiele geben einen Eindruck über die dynamischen Eigenschaften der Fingerkraftsensoren unter realistischen Bedingungen und zeigen deren Fähigkeit, gleichzeitig die Position der Finger auf den Tonlöcher zu bestimmen.<br />

When playing the clarinet, the musician has to press down and release multiple certain tone-holes and keys with the fingers, acting as valves. While other expressive parameters such as dynamics, articulation, or fine intonation are controlled by the air stream and tongue of the musician, the fingers only control pitch. However, clarinetists might not always use minimal forces in fingering the clarinet. This overuse may influence the quality of playing or even result in pain.<br />The work presented in this dissertation focuses on the development of sensors to measure the finger force during clarinet playing. These unique finger force sensors feature ring-shaped geometries, fitting around the tone-holes of the clarinet. A clarinet, especially modified for this application, is used to accommodate the force sensors, maintaining completely natural performances like playing on an ordinary, unmodified clarinet.<br />Low temperature co-fired ceramics (LTCC) technology is selected for the fabrication of the sensor's package, providing rapid prototyping of different geometries and the integration of sensing elements, interconnections, and active electronic devices. Mechanical parameters --- modulus of elasticity and flexural strength --- of different kinds of LTCC tape materials as well as a zirconia high temperature ceramic tape material are investigated for their applicability as sensing element. Furthermore, the performance of piezoresistive thick-film resistors is tested on those substrates to find a compatible piezoresistor/termination/substrate combination. As consequence, the zirconia ceramic tape material will be selected for the fabrication of the sensing elements.<br />A detailed description about the fabrication of the finger force is given, followed by the mechanical characterization of the sensors.<br />Finally, sample performances on the modified clarinet are presented, showing the dynamic properties of the finger force sensors under realistic conditions and their ability to also determine the position of a finger on the tone-hole.<br />