設有能覆蓋寬檢測範圍的光束髮生器的位置傳感器的製作方法

2024-03-05 15:39:15

專利名稱：設有能覆蓋寬檢測範圍的光束髮生器的位置傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於把物體的位置轉換成電信號的位置傳感器，更確切地說，涉及一種帶有光束髮生器的位置傳感器，所述的光束髮生器可覆蓋較寬的檢測範圍。
在美國專利5374775中公開了一種與鍵式樂器例如無聲鋼琴相結合的位置傳感器。無聲鋼琴是在有聲鋼琴的基礎上製造的，在無聲鋼琴中把音錘限制器、位置傳感器、數據處理單元、音調發生器和耳機結合在一起。
當把音錘限制器移到使音錘限制器不能阻止音錘運動的自由位置時，無聲鋼琴具有與標準有聲鋼琴相似的效果，而且鋼琴演奏者能夠在無聲鋼琴上演奏出有聲的樂曲。
另一方面，如果將音錘限制器變為使音錘在敲擊琴弦之前從音錘限制器上彈回的阻擋位置，那麼無聲鋼琴就成為鍵式電子樂器。位置傳感器監視琴鍵/音錘，並把琴鍵/音錘的位置信息段傳送到數據處理單元。數據處理單元以實時的方式處理位置信息並產生代表琴鍵/音錘運動的音樂數據碼。把音樂數據碼傳送到音調發生器音調發生器把音樂數據碼處理成聲音信號。聲音信號傳送到耳機，使演奏者聽到電子聲響而不是通常的音響。
數據處理單元不僅要精確測定壓下的琴鍵而且還要確定產生電聲的時間和音錘在與其相關的琴弦附近的速度。鋼琴聲的音量與音錘速度成正比，而且數據處理單元根據音錘速度確定電聲的音量。
一個對無聲鋼琴有效的位置傳感器的典型實例是通過閘板和遮光器來實現的。在閘板上形成有一個窗口，且該閘板裝在琴鍵的下表面上。另一方面，遮光器發射橫穿闡板軌道的光束，而且闡板將光束遮斷兩次。在使闡板沿軌道運動的同時，引導緣第一次將光束遮斷，然後，光束通過窗口，對窗口起限定作用的內邊緣再次將光束遮斷。遮光器改變與光強度有關的光電流量和琴鍵位置信號的能級(potential level)。在第一次光遮斷和第二次光遮斷時，遮光器把琴鍵位置信號變為低能級，而且數據處理單元根據琴鍵速度測定音錘速度，琴鍵速度是通過用從第一次光遮斷到第二次光遮斷的時間除引導緣和內邊緣之間的距離算出的。
然而，由於琴鍵運動通常是沿相當複雜的軌道運行的，所以不可能精確表示兩次光遮斷的複雜軌道。為了使電聲的音響與通過相同琴鍵運動產生的鋼琴聲的音響相匹配，可以增加遮光器；然而，這種解決辦法將會增加生產成本。
美國專利5001339號公開了一種適用於有聲鋼琴的光電傳感裝置。按照該美國專利，對於有聲鋼琴的一個鍵來說，由信號發送器(flag)和遮光器共同形成已有技術的光電傳感裝置。將信號發送器安裝到琴鍵的下表面上，使其繞一個軸轉動。遮光器發射穿過信號發送器軌道的光束，信號發送器呈斜角形，該斜角形能夠線性改變與其角位置有關的光束的光量。微處理器檢出用光量表示的琴鍵位置數位訊號，並確定目前的琴鍵位置。因此，已有的光電傳感裝置產生琴鍵位置信號，該信號根據目前琴鍵位置連續改變值。
在未審查的申請，日本專利公開號6-138870和6-149233中公開了另一種已有的位置傳感器。該已有的位置傳感器適用於有聲鋼琴的踏板。把一個板狀半透明尺和一個光學讀出頭結合在位置傳感器中，所述的板狀半透明尺上印有亮度不連續變化的圖案。把半透明尺裝到有聲鋼琴的踏板上，使其與踏板一起運動。另一方面，光學讀出頭是靜止的，它可光學讀取亮度。當琴鍵和半透明尺一起運動時，從半透明尺上讀出的光學亮度是變化的，由此光學讀出頭可產生代表踏板當前位置的踏板位置信號。
日本專利公開中的未審查申請4-75096公開了另一種適合於有聲鋼琴的已有的位置傳感器。這種已有的位置傳感器包括設在琴鍵下面的光反射器和裝到下表面上的反射表面，光反射器向反射表面發射光束。當琴鍵運動時，反射光的強度會發生變化，光反射器將連續改變琴鍵位置信號。
然而，這些已有的位置傳感器存在以下問題。
首先，美國專利中公開的已有光電傳感裝置存在檢測範圍窄的問題。信號發送器線性地改變投射到遮光器的光檢測元件上的光量，微處理器根據投射的光量來確定目前的琴鍵位置。因此，檢測範圍是由光束確定。然而，市售的遮光器所能發射的光束太窄，以致於難以覆蓋有聲鋼琴琴鍵的移動量。所以，已有的光電傳感裝置需要採取一些措施來達到較寬的檢測範圍。但是，目前大多數遮光器形成的光束具有圓形截面，而要實現琴鍵位置和投射光量之間的線性關係則希望製造商向信號發送器提供精確的具有斜角形截面的光束。這樣的精確加工既費時又增加了生產成本。
已有的位置傳感器存在校準的問題。半透明尺和光學讀出頭分別裝在踏板機構和靜止的板件上，它們之間的相對關係不斷改變。因此需要製造商精確地校準已有位置傳感器的每個產品，並測定所耗費的時間和勞動力。然而，即使是在出廠前對已有的位置傳感器進行過校準，也會因年代的作用而使相對位置發生變化，而且老化對已有的位置傳感器的影響很嚴重。
第三種已有的位置傳感器存在精度問題。如上所述，反射器向琴鍵的下表面發射光束，並根據反射的光量確定目前琴鍵的位置。然而，反射的光量不受反射器和琴鍵下表面之間的距離控制。例如，它是通過反射表面的表面粗糙度和反射表面與光束之間的角度來改變反射的光量。因此，已有的位置傳感器不能精確地檢測目前的琴鍵位置。
因此，本發明的一個重要目的是提供一種具有較寬的檢測範圍、且提高了精度和生產成本較低的位置傳感器。
為了達到這個目的，本發明建議在運動物體沿著軌道運動的方向上延長光束。
根據本發明，提供了一種用於確定運動物體在沿第一方向伸展的軌道上的當前位置的位置傳感器，該傳感器包括設在軌道的一側上用於發射穿過軌道且具有第一截面形狀的光束的光源；設置在軌道另一側上且能使光束投射到其上的光束接收器，運動物體能夠改變投射到光束接收器上的光量；設置在光源和光束接收器之間用於改變光束使之在第一方向上具有伸長的第二截面形狀的截面形狀改變器。
通過以下結合附圖進行的描述將更有助於理解本發明所述位置傳感器的特徵和優點，其中

圖1是表示設有本發明位置傳感器的無聲鋼琴結構的示意性側視圖；圖2是表示裝在無聲鋼琴中的琴鍵傳感器的底視圖；圖3是表示設置在一個琴鍵上的光束髮生器的側視圖；圖4是表示光束髮生器的底視圖；圖5是表示光束髮生器的側視圖；圖6是表示從構成光束髮生器一部分的傳感頭上發出的光束的前視圖7是表示光束接收器的底視圖；圖8是表示光束接收器的側視圖；圖9是表示光束投射到構成光束接收器一部分的傳感頭上的前視圖；圖10是表示與半導體光檢測二極體相連的電流一電壓轉換器的電路圖；圖11是表示模擬琴鍵位置信號的勢能級與當前琴鍵位置之間相互關係的曲線圖；圖12是表示半導體光發射/檢測二極體和光束髮生器/接收器之間連接的光導纖維的布置圖；圖13是表示裝在光束髮生器上的一個凸透鏡變型例的底視圖；圖14是表示該凸透鏡變型例的側視圖；圖15是表示從該變型例所述凸透鏡射向傳感頭的光束的前視圖；圖16是表示傳感頭第一變型例的平面圖；圖17是表示在圖16所示傳感頭上反射的光束截面的視圖；圖18是表示傳感頭第二變型例的平面圖；圖19是表示在圖18所示傳感頭上反射的光束截面的視圖；圖20是表示第二變型例的前視圖；圖21是表示傳感頭第三變型例的平面圖；圖22是表示第三變型例的側視圖；圖23是表示第三變型例的前視圖；圖24是表示一排傳感頭的平面圖；圖25是表示該排傳感頭的剖面圖；圖26是表示另一排傳感頭的底視圖；圖27是表示該排傳感頭的剖面圖；圖28是表示一排光纖支承體的底視圖；圖29是表示整個光束髮生器和整個光束接收器的底視圖；圖30是表示光束接收器整體的側視圖；圖31是表示琴鍵傳感器另一種布局的平面圖。
首先參照附圖中的圖1，一架無聲鋼琴大致上包括有聲鋼琴1，音錘限制器2和電聲發生系統3。在以下的描述中，詞「前」的意思是指與「後部」位置相比更靠近演奏者在鋼琴上彈奏樂曲的位置，而且參照對附圖的有關描述來確定順時針方向和逆時針方向。
在有聲鋼琴中設置有琴鍵1a/1b，琴鍵作用機構1c，音錘1d，琴弦1e和制音機構(未示出)，其演奏方式類似於標準的豎式鋼琴。在有聲鋼琴1中設有88個琴鍵1a/1b，它們互彼結合成一個琴鍵盤。每個琴鍵1a/1b都能夠繞嵌入平衡軌道1g中的平衡銷軸1f轉動。當鋼琴演奏者壓下琴鍵1a/1b時，壓下的琴鍵1a/1b從靜止位置RP變到終止位置EP。另一方面，當鋼琴演奏者釋放壓下的琴鍵1a/1b時，藉助自重使壓下的琴鍵1a/1b返回到靜止位置RP1。對於熟悉本領域的技術人員來說已非常熟悉標準的豎式鋼琴，因此，在下文中不再對此作進一步描述。
音錘限制器2包括可雙向轉動的軸2a和裝在軸2a上的緩衝件2b。音錘限制器2通過軸2a的轉動可在自由位置FP和限制位置BP之間轉換。當音錘限制器2處於自由位置FP時，音錘1d能夠敲到與之相關的琴弦1e上從而產生與標準豎式鋼琴相類似的聲響。另一方面，當音錘限制器2變到阻擋位置BP時，音錘1d在敲到琴弦1e之前從緩衝件2b上彈回，而且不產生聲音。
電聲發生系統3包括多個琴鍵傳感器3a，控制單元3b和耳機3c。琴鍵傳感器3a分別監測琴鍵1a/1b，並產生代表有關硬琴鍵1a/1b當前的琴鍵位置的琴鍵位置信號KP。控制單元3b處理由琴鍵位置信號KP得到的位置信息。控制單元3b指出壓下的琴鍵，並確定音錘的速度，且在有關的音錘1d敲出琴弦1e時確定撞擊的時間和在有關的制音機構消音時確定消音時間。控制單元3b根據這些信息塊產生音樂數據碼，並將音樂數據碼送到其音頻發生器中。音頻發生器產生聲信號AD並通過耳機3c形成電聲。
把琴鍵傳感器3a設置在位於相關琴鍵1a/1b下部前軌道和平衡軌道1g之間的琴鍵底座1h上。閘板3d、光束髮生器3e和光束接收器3f(見圖2)作為一個整體構成每個琴鍵傳感器3a。雖然是將閘板3d是分別裝到琴鍵1a/1b的下表面上，但是要把每個光束髮生器3e和每個光束接收器3f共同裝在兩個相鄰的琴鍵1a/1b之間。
光束髮生器3e由用螺栓固定到琴鍵底座1h上的支架3g支承，並以光學方式連接到半導體發光二極體3h上(見圖2)。光束接收器3f也由支架3g支承，並以光學方式連接到半導體光電檢測二極體3i上(見圖2)。把半導體發光二極體3h和半導體光電檢測二極體3i引入信號轉換器3hi，控制單元3b通過信號轉換器3hi與光束髮生器3e及光束接收器3f連通。把半導體發光二極體3h和半導體發光二極體3i配置在電路板3hj上，而電路板3hj由支架3g支承。半導體發光二極體3h響應驅動信號DR並選擇性地向光束髮生器3e供光，半導體光電檢測二極體3i把光轉換成光電流以便使信號轉換器3hi把代表當前琴鍵位置的琴鍵位置信號KP送到控制單元3b。
參見附圖中的圖2，把光束髮生器3e和光束接收器3f交替地設置在支架3g上部的背面上，在支架3g上且在光束髮生器3e和光束接收器3f之間形成有多個方形孔3j。每個閘板的軌道3d穿過相應的方孔3j，光束髮生器3e發射的光束LB1/LB2/LB3/LB4穿過與琴鍵1a/1b相應的軌道。光束LB1-LB4投射到光束接收器3f上，投射的光量LB5/LB6隨光閘在軌道上的位置而變化。雖然在圖2中示出了三個琴鍵傳感器，但是全部88個琴鍵1a/1b分別與各琴鍵傳感器3a相關聯。
半導體發光二極體3h通過光導纖維3k與光束髮生器3e相連。光纖支承體3n，凸透鏡3o和傳感頭3p結合形成每個光束髮生器3e，而且所有光束髮生器3e的結構彼此相同。光導纖維由塗有含氟樹脂的丙烯酸樹脂製成，其把恆定亮度的光從半導體發光二極體3h送至光束髮生器3e。
光纖支承體3n用與光導纖維3k同樣的丙烯酸樹脂製成，並具有立方體結構。如從圖3中所能更好地看到的那樣，在光纖支承體3n上形成有通孔3na，通孔3na對著傳感頭3p。將光導纖維3k插入通孔3na，並粘接到光纖支承體3n上。以能使光束LB7/LB8射向傳感頭3p的方式將凸透鏡3o和光纖支承體3n設置成一體。凸透鏡3o具有半圓柱狀結構，這將在下文中詳細描述。在光纖支承體3n的頂部表面上形成有凸起3nb，該凸起恰好能裝在支架3g上形成的孔3ga內。
傳感頭3P包括基板3Pa、反射稜鏡體3Pb和凸透鏡3Pc。基板3Pa應能恰好裝入支架3g上形成的孔3gb內，並將反射稜鏡體3Pb固定到基板3Pa上。反射稜鏡體3Pb由一對稜鏡構成，該稜鏡具有直角三角形截面(見圖2)。這一對稜鏡以一個稜鏡的斜面與另一個稜鏡的斜面相對的方式相互結合。兩個稜鏡上分別設有反射表面3Pd和3Pe，而凸透鏡3Pc一與稜鏡的另一個表面構成一體以便將光束LB7/LB8引向反射表面3Pd/3Pe。光束LB7/LB8在反射表面3Pd/3Pe上反射，並等分成光束LB1/LB3和LB2/LB4。
光束LB7/LB8在凸透鏡3o和傳感頭3P之間傳播的過程中其截面變大，發散的光束LB7/LB8的寬度足以覆蓋閘板3b在靜止位置RP和終端位置EP之間的運動範圍。然而，由於半圓柱形凸透鏡3o並不會使橢圓光束LB7/LB8在橫向上有較寬範圍的延伸，為此，應使凸透鏡3Pc具有比較大的曲率半徑，且易於製造。
光束接收器3f通過光導纖維3m與半導體光電檢測二極體3i相連，而且這些光束接收器3f彼此具有相同結構。光導纖維3k是用塗有含氟樹脂的丙烯酸樹脂製成的，其把投射到光束接收器3f上的光傳播到半導體光電檢測二極體3i。半導體光電檢測二極體3i把光轉換成光電流，而光電流與投射到半導體光電檢測二極體3i上的光量成正比。
光束接收器3f包括光纖支承體3q、凸透鏡3r和傳感頭3s。光纖支承體3q和傳感頭3s與光束髮生器3e上的光纖支承體和傳感頭結構相同，而且分別與光纖支承體3n和傳感頭3p相匹配。因此，為了避免重複，在下文中不再對光纖支承體3q和傳感頭3s進行說明。凸透鏡3r具有半球形結構，並與光纖支承體3q形成一體。
在方孔3j之間的區域內只設置一個光束髮生器3e和光束接收器3f。把琴鍵1a/1b設計成使之具有小的間距，而且相應的方孔3j之間的區域也很窄。在這種情況下，需要把光束髮生器/接收器3e/3f交替設置以利於安裝琴鍵傳感器3a。而且，把光纖支承體3n/3q與傳感頭3p/3s分開，只使傳感頭3p/3s位於方孔3j之間。製造商在支架3g上制出寬的方孔3d，而且並不強制性地要求把閘板3d裝到琴鍵1a/1b的下表面上。然而，製造商可自由地調節發散的/會聚的橢圓形光束LB7/LB8和LB5/LB6的放大/縮倍率。
光纖支承體3n/3q處於與方孔d相對的同一側上。在兩個光導纖維3k/3m間設有間隙，光纖的布置很簡單。
如上所述，將每個光束髮生器3e布置在兩個閘板3d之間，並且把每個光束接收器3f也布置在兩個閘板3d之間。此外，把光導纖維3k分別連接到光束髮生器3e上，而把光束接收器3f分別連接到光導纖維3m上。這意味著每個光導纖維3k/3m都設在兩個閘板3d之間。這樣，可以使用數量較少的光導纖維3k/3m和光束髮生器/接收器3e/3f，因此製造商可降低電聲發生系統3的生產成本。
光束髮生器參照附圖中的圖4、5和6，光束髮生器3e向其兩側上的光束接收器3f發射光束LB1和LB2。一個半導體發光二極體3h響應驅動脈衝信號DR並產生光脈衝，光導纖維3k把光脈衝傳送到光束髮生器3e。光束髮生器3e通過光束LB7至光束LB1/LB2產生光脈衝。雖然另一個光束髮生器3e也發射光束LB3/LB4，但是由於光束髮生器3e通過光導纖維3k與另一個半導體發光二極體3h相連，所以半導體發光二極體3h在不同的時刻產生光脈衝。因此，光束LB2和LB3並不同時投射到處於它們之間的光束接收器3f上。
凸透鏡3o具有半圓柱體結構，半圓形的上下表面30a垂直於閘板3d的軌道。因此，光束LB7在上下方向上很少有折射，而是以較寬的範圍從凸透鏡3o向傳感頭3p發散(見圖5)。然而，凸透鏡3o使光束LB7在橫向上向內折射，而且如圖4所示，光束LB7在橫向上的發散程度小於在上下方向上的發散程度。結果，光束LB7形成了如圖6中所示的橢圓截面CR0。
凸透鏡3Pc使光束LB7向內發散，並使光束LB7發散成平行光束LB7』。把反射表面3Pd/3Pe調整成使之與橢圓形截面相內接。反射表面3Pd/3Pe把平行光束LB7』分成光束LB1/LB2，所以光束LB1和LB2也是平行光束。反射表面3Pd/3Pe使投射到其上的平行光束反射，因此，光束LB1/LB2具有矩形截面CR1。在圖5中用點來表示光束LB1。反射表面3Pd/3Pe具有各自的投影平面，該投影平面垂直於平行光束LB7』，投影平面的面積彼此相等。這樣，反射表面把平行光分量等分成光束LB1和LB2。
平行光束LB1和LB2是所需要的。即使是製造商錯誤地把閘板3d安裝到偏離傳感頭3p和3s之間中間位置的位置上，這種偏移的情況也不會影響當前的琴鍵位置和投射到光束接收器3f上的光量之間的關係。因此，平行光束LB1/LB2使得安裝工作變得簡單了。
在這種情況下，光束髮生器3e把橢圓光束LB7變為矩形光束LB1/LB2，其光損失小於從圓形光束變為矩形光束。
光束接收器反過來參照附圖中的圖2和圖3，圖2中只示出了光束LB1/B2之一穿過閘板3d的軌道，並投射到光束接收器3f上的情況。光束接收器3f不僅接收來自其左側光束髮生器3e的光束LB2而且還接收在不同時刻來自其右側光束髮生器3e的光束LB3。因此，控制單元3b能夠控制琴鍵傳感器3a。為了簡單起見，僅對光束LB2進行說明。
圖7、8和9表示光束接收器3f。光束LB2投射到傳感頭3s的一個反射表面上，在圖8中用點表示。光束LB2在反射表面上反射，並通過內反射改變方向。如上所述，傳感頭3s與傳感頭3p結構相同，並向凸透鏡3r發射光束LB5。傳感頭3s的凸透鏡使光束LB5朝著凸透鏡3r會聚。
半球形凸透鏡3r使光束LB5朝著光導纖維3m的入口端進一步會聚，投射光通過光導纖維3m傳送到一個半導體光電檢測二極體3i。
琴鍵傳感器的工作狀況把每個半導體光電檢測二極體3i連接到電源線Vdd和地線GND之間，而且如圖10所示，把電流一電壓轉換器R1插在半導體光電檢測二極體3i和地線GND之間。半導體光電檢測二極體3i同時提交光電流和投射到其上的光量，電流一電壓轉換器R1使模擬琴鍵位置信號KP的能級與光電流量成正比改變。電流-電壓轉換器R1構成信號轉換器3hi的部件。
現在假設將琴鍵1a/1b向下壓，閘板3d遮擋光束LB2，向下的琴鍵運動使光束LB2與閘板3d重疊的區域變大。在琴鍵1a/1b向下運動期間，光束髮生器3e斷續地發射穿過閘板3d軌道的光束LB2，投射到光束接收器3f上的光束LB2的量越來越少。此外，半導體光電檢測二極體逐漸減小光電流，而且電壓-電流轉換器R1降低模擬琴鍵位置信號kp的勢能級。控制單元3b根據模擬琴鍵位置信號kp的能級在靜止位置RP和中止位置EP之間確定當前的琴鍵位置。雖然在圖中沒有示出，但是可以在信號轉換器3hi中進一步設置一個模/數轉換器，以便把模擬式琴鍵位置信號kp轉換成數字式琴鍵信號。
該光束具有矩形截面CR1，而且截面CR1在上下方向上拉長。當琴鍵1a/1b處於靜止位置RP時，閘板3d與矩形截面CR1稍有重疊。在琴鍵向下運動期間重疊面積逐漸增加，而當琴鍵1a/1b達到終止位置EP時，重疊面積達到最大。半圓柱形的凸透鏡3o把光束LB2拉長，截面CR1覆蓋靜止位置RP和終止位置EP之間的閘板3d的軌道。而且，矩形閘板3d線性地改變矩形截面CR1的重疊面積。因此，如圖11中的曲線PL1所示，模擬琴鍵位置信號kp線性地改變與當前的琴鍵位置有關的電位。這樣便可以簡單地計算當前的琴鍵位置。
光導纖維3k發射圓形截面的光束。凸透鏡3o使光束在上下方向上拉長，而反射表面3Pa/3Pe把橢圓光LB7變成矩形光束LB1/LB2。圓形光束的強度在整個表面上是均勻的；然而，橢圓光束LB7的強度在整個表面上並不是嚴格地均勻。橢圓形光束的強度在頂部和底部比在側面區域稍弱。雖然反射表面3Pd/3Pe從橢圓形光束LB7中部分地除去了頂部和底部區域，但是在矩形光束LB1/LB2中可能仍然會留下亮區和陰影區。因此，應這樣布置琴鍵傳感器3a，即如圖11所示，使閘板3d的運動落在曲線PL1的中部區域內。這樣，琴鍵傳感器3a可以嚴格地按照與閘板3d的位移之間的比例關係改變琴鍵位置信號kp，位置檢測的精度高於採用反射器的已有位置傳感器的精度。
如上所述，琴鍵傳感器3a並不僅僅檢測遮住的光束而且還能精確地確定處於靜止位置RP和終止位置EP之間的當前琴鍵位置。即使在琴鍵從終止位置回到靜止位置的中途將琴鍵1a/1b壓下，控制單元3b也能精確地測定琴鍵的運動。此外，控制單元3b可根據琴鍵1a/1b的微小移動計算出琴鍵速度。因此，控制單元3b能產生代表有聲鋼琴所發聲音的音樂數據碼，而且耳機3c能在同一時刻以與有聲鋼琴同樣的音量和相同的延續時間產生電聲。
凸透鏡3o使光束LB7朝著傳感頭3p發散，光束髮生器3e使光束LB1/LB2的寬度足以覆蓋閘板在靜止位置RP和終止位置EP之間的運動範圍。換句話說，本發明所述的琴鍵傳感器3a即不需要沿閘板3d的軌道布置多個遮光器，也不需要半透明尺。而且，希望線性增大閘板3d與矩形光束LB1/LB2的重疊面積。在這個實例中，閘板3d由矩形板狀件構成，而且矩形閘板3d線性地增大重疊面積。最後，按照本發明所述的琴鍵傳感器3a不必進行採用反射器的已有位置傳感器所需完成的工作，也不需要半透明尺。因此，閘板3d比已有光電傳感裝置的信號發送器簡單，而且這種簡單的閘板3d有利於製造商降低位置傳感器的生產成本。
為了控制由琴鍵傳感器3a監視的各個琴鍵，如圖12所示，把光導纖維3k/3m接在半導體發光二極體/光電檢測二極體3h/3i和光束髮生器/接收器3e/3f之間。
把光導纖維3k分成12束3ka、3kb、3kc，…及3km，將它們選擇性地連接在半導體發光裝置3ha、3hb、3hc，…及3hm和光束髮生器3e之間，同樣，把光導纖維3m分成8束3ma、3mb、…3mg及3mh，將它們選擇性地連接在半導體光電檢測裝置3ia、3ib、3ic、…3ig以及3ih和光束接收器3f之間。
把88個琴鍵1a/1b從#1至#88分別編號，利用琴鍵右側上的琴鍵編號可以示出每個琴鍵1a/1b。例如，將最左側的光束髮生器3e和最左側的光束髮生器3f分別標以#1和#2。表1示出了半導體發光二極體3ha-3hm和光束髮生器3e之間的內在聯繫，而表2示出了半導體光電檢測二極體3ia-3ih和光束接收器3f之間的內在聯繫。
表1
表2
控制單元3b具有驅動信號埠3ba和信號接收埠3bb。把驅動脈衝信號DR順序地從驅動信號埠3ba送至半導體發光二極體3ha-3hm，半導體發光二極體3ha-3hm在不同的時刻產生光脈衝。當半導體發光二極體3ha受激後產生光脈衝時，其它半導體發光二極體3hb-3hm截止，這時光脈衝發給光束髮生器#1、#25、#49、#73。接著，控制單元3b把驅動脈衝信號DR以驅動信號編口3ba送至半導體發光二極體3hb，並把光脈中分給光束髮生器#3、#27、#51、#75。用這種方式，可順序激勵半導體發光二極體3ha-3hm，並選擇性地把光脈衝送到光束髮生器3e。即使是把每個光束接收器3f設在相鄰兩個光束髮生器3e之間，光束LB2和LB3也不會同時發射到相同的光束接收器3f。例如，雖然把光束接收器#2設在光束髮生器#1和#3之間，但由於光束髮生器#1和#3在不同的時刻產生光脈衝，所以光束接收器#2在不同的時間接收來自光束髮生器#1和#3的光束。因此，如果半導體光電檢測二極體3ia在半導體發光二極體3ha發光時改變了琴鍵位置信號kp，那麼控制單元3b便斷定該琴鍵位置信號kp代表的是琴鍵#1的當前琴鍵位置。
在這個實例中，半導體發光二極體3h，光導纖維3k和光纖支承體3n作為一個整體構成光源，而凸透鏡3o和傳感頭3p則組合形成截面變化器。
變型例雖然以上已經展示和描述了本發明的優選實施例，但是很顯然，對於本領域的技術人員來說，在不脫離本發明的構思和範圍的情況下，可以對本發明作出各種各種變化和改進。
例如，本發明的位置傳感器可以監視音錘而不是琴鍵1a/1b，從而作為音錘傳感器。而且，琴鍵傳感器和音錘傳感器均可由本發明的位置傳感器實現。
琴鍵或音錘可直接遮擋光束髮生器和光束接收器之間的光束。
橢圓形光束LB7/LB8可以在不變成矩形光束LB1-LB4的情況下簡單地朝光束接收器反射。在這種情況下，模擬琴鍵位置信號的電位與琴鍵1a/1b的位置不再是線性關係。因此，要求控制單元3b通過複雜的計算來確定當前的琴鍵位置。
雖然光束髮生器3e和光束接收器3f分別帶有半圓柱形凸透鏡3o和半球形凸透鏡3r，但是光束髮生器/接收器可以都具有加工成半球形結構的凸透鏡。這樣便可將把與凸透鏡形成一體的光纖支承體配置在光束髮生器和光束接收器之間。然而，光束LB7/LB8具有圓形截面，而且反射表面3Pd/3pe把圓形光束LB7/LB8變成矩形光束LB1-LB4。這意味著，通過這種變換會造成大量損失。
凸透鏡3r不限於半球形結構。半球形凸透鏡3r把光束LB5/LB6聚焦到光導纖維3m的入口端上，並使光束LB5/LB6與半球形凸透鏡3r的中線稍有偏移。因此，半球球凸透鏡3r是比較理想的。然而，半圓柱形凸透鏡3o則適合於光束接收器3f。如上所述，凸透鏡3o也可以具有半球形結構。如果凸透鏡3o和3r具有同樣的結構，那麼光束髮生器3e和光束接收器3f便可以彼此互換。
圖13-15表示適用於光束髮生器和/或光束接收器的凸透鏡的變型例。改型的凸透鏡11與光纖支承體3n成一體，並使光束LB7朝傳感頭3P擴散。凸透鏡11具有半橢圓形結構，而且由此在假想水平面上的橢圓截面及曲率半徑小於假想垂直面上的橢圓截面及曲率半徑(將圖3與圖4相比)。所以，光束LB7在上下方向上擴散的範圍較寬；然而，凸透鏡11限制了在橫向上的橫向擴散。光束LB7具有橢圓形截面CR2，而且反射表面3Pd/3Pe把光束LB7變成矩形光束LB1/LB2。在圖15中用CR3表示光束LB1/LB2的矩形截面。
可以把凸透鏡3o/3r與光纖支承體3n/3g分離。
圖16和17表示傳感頭的第一變型例。圖16中所示的傳感頭21除了具有平直表面21a之外其它均與傳感頭3p相似。光束LB21投射到平直表面21a上，並分成兩束光LB22和LB23。光束LB22/LB23從平直表面21b和21c上射出，光束LB22/LB23的截面CR4比平直側表面21b/21c窄。在這種情況下，所設置的透鏡最好使光束LB21成為平行光。傳感頭21的反射表面21d/21e把光束LB22/LB23變成矩形截面。當用傳感頭21作為光束接收器3f時，最好是在從傳感頭21到凸透鏡3r的光路上設置一個凸透鏡。
圖18、19和20表示傳感頭的第二變型例。圖18-20中所示的傳感頭22除了具有凸形側表面22a/22b和平直的入射表面22c之外，其它均與傳感頭3p相類似。光束LB24投射到平直表面22c上，反射表面22d和22e把光束LB24分成兩束光LB25和LB26。凸形側面22a/22b使光束LB25和LB26稍有折射，並使光束LB25/LB26成為平行光。第二變型例還適用於光束接收器3f的傳感頭。
圖21、22和23表示傳感頭的第三變型例。圖21-23中所示的傳感頭23適合於從半球形凸透鏡發射的光束LB27。傳感頭23除了具有半球形凸透鏡23a之外，其它與傳感頭3p相似。光束LB27投射到半球形凸透鏡23a上，其圓形截面CR6的半徑小於半球形凸透鏡23a的半徑。半球形凸透鏡23a使光束LB27成為平行光，而且反射表面23b/23c把光束LB27分成光束LB28和LB29。反射表面23b/23c上的光束LB27的半徑等於投射到半球形凸透鏡23a上的光束27的半徑，而且光束LB28/LB29的截面CR7是半圓形。把半圓形截面CR7在上下方向上拉長，且反射表面23b/23c起截面變換器的作用。
光束LB28/LB29分別從平直側面23d/23e上射出。與閘板3d重疊的區域呈非線性改變；然而，把所有的入射光都分成光束LB28/LB29，而且光束LB28/LB29增大了光電流量。
圖24和25表示整排傳感頭31a/31b，傳感頭31a/31b分別與傳感頭3p/3s相類似。把傳感頭31a設置在與光束髮生器3e相當的光束髮生器中，傳感頭31b構成相當於光束接收器3f的光束接收器的一部分。傳感頭31a/31b與分隔器31c和基板31d構成一體，而且把基板31d安裝到琴鍵底板1h的上表面上。傳感頭31a/31b與琴鍵底板1h呈垂直狀態設置，閘板3d在傳感頭31a和31b之間運動。安裝工人可以簡單地把基板31d安裝到主板1h上，而且安裝-整排傳感頭31a/31b比分別安裝傳感頭3p/3r的安裝工作要簡單的多。
圖26和27表示另一整排傳感頭32a/32b，這些傳感頭與傳感頭3n/3s相類似。把傳感頭32a和傳感頭32b分別裝在相當於光束髮生器3e的光束髮生器上和相當於光束接收器3f的光束接收器上。傳感頭32a/32b還通過分隔器32c與基板32d構成一體，基板32d裝到支架3g的底面上。基板32d具有梳形結構，指形部分32e從凸起部分32f上突出。方形孔3j與指狀部分32e交替布置，閘板3d遮擋從傳感頭32a射出的光束。這樣，安裝工人能簡單地把基板32d安裝到支架38上，而且一整排傳感器32a/32b也使安裝工作變得容易。
圖28表示安裝到支架3g底表面上的一排光纖支承體33a/33b。光纖支承體33a/33b與基板34形成一個整體，此外凸透鏡3c和3r與光纖支承體33a/33b構成一體。安裝工人能夠簡單地把基板34安裝到支架3g上，而且一排式結構的纖維支承體33a/33b使安裝工作變得容易。
圖29和30表示一個整體的光束髮生器35a和整體的光束接收器35b。光纖支承體3n和傳感頭3p與基板36a構成一體，光纖支承體3q和傳感頭3s與基板36b構成一體。安裝工人可以交替地把整體的光束髮生器35a和整體的光束接收器35b安裝到支架3g的底表面上，整體的光束髮生器35a和整體的光束接收器35b使安裝工作變得容易。
按照本發明所述的位置傳感器的應用領域並不限於無聲鋼琴。還可以將琴鍵傳感器和/或音錘傳感器用於自動演奏的鋼琴，而本發明所述的位置傳感器也適用於自動演奏鋼琴的琴鍵傳感器/音錘傳感器。同樣，還可以把本發明的位置傳感器用到訓練鋼琴上，這種鋼琴包括代替琴弦的限制器，帶有練習音錘的電子琴鍵和標準電子琴鍵。而且，本發明所述的位置傳感器適用於任何一種運動物體。
可以把半導體發光二極體和半導體光電檢測二極體直接裝到光纖支承器3n/3q上。
從凸透鏡30發射的光束可以通過折射改變其方向。
通過在光纖支承體3q上安裝凸透鏡3r便可簡單地構成一個光束接收器。在這種情況下，把光纖支承體3q移到傳感頭3s佔據的位置上。可用光纖支承體3q直接支承半導體光電檢測二極體。
在上述實施例中，凸透鏡3o把光束LB7/LB8在上下方向上拉長，而且在光纖支承體3n和閘極3d之間設置截面變換器。然而，也可以把截面變換器設置在閘板和光束接收器之間。
在光束LB1-LB4的截面太窄以致於無法覆蓋閘板運動範圍的情況下，可以在光束LB1-LB4的光路上插入一個合適的透鏡。
光纖支承體3n、傳感頭3p、傳感頭3s和光纖支承體3q彼此之間可以選擇性地構成一體。當然，也可以將所有傳感頭3n/3s和光纖支承體3n/3q彼此構成一體。
最後，如圖31所示，可以將與凸透鏡3o構成一體的光纖支承體3n設置成使之與和凸透鏡3r構成一體的光纖支承體3q直接相對。在這種情況下，閘板3d在琴鍵1a/1b的寬度方向上伸展。因此，本發明的琴鍵傳感器比琴鍵傳感器3a簡單。
權利要求
1.用於測定運動物體(3d)在沿第一方向伸展的軌道上所處的當前位置的位置傳感器，包括設在所說軌道一側上的光源(3k)，該光源發射穿過軌道且具有第一截面的光束；和設在所說軌道另一側上的光束接收器(3f)，該光束接收器允許所說光束投射到其上從而可通過所說的運動物體改變投射到所說光束接收器上的光量；其特徵在於進一步包括設在所說光源和所說光束接收器之間的截面變換器(30；11；23b/23c 30)，使得所說光束變成在所說第一方向上具有拉長的第二截面(CR0；CR2；CR7)的光束。
2.根據權利要求1所述的位置傳感器，其特徵在於所說的截面變換器包括在所說的第一方向和與所說第一方向垂直的第二方向之間具有不同反射能量的透鏡(30；11)。
3.根據權利要求1所述的位置傳感器，其特徵在於所說的光源由光導纖維(3k)構成，該光導纖維能使所說光束擴散，所說的截面變換器包括凸透鏡(30；11)，凸透鏡在所說第一方向上的正反射能量小於所說第二方向上的反射能量。
4.根據權利要求3所述的位置傳感器，其特徵在於所說的凸透鏡(30；11)位於所說的光導纖維和所說的運動物體之間。
5.根據權利要求4所述的位置傳感器，其特徵在於所說的光導纖維(3k)由光纖維支承體(3n)支承，和所說的凸透鏡(30；11)與所說的光纖支承體構成一體。
6.根據權利要求4所述的位置傳感器，其特徵在於把凸透鏡(30；11)加工成從一組由半圓柱形和半橢圓形構成的結構中選定的一種結構。
7.根據權利要求1所述的位置傳感器，其特徵在於所說的截面變換器包括用於把所說第二截面變成矩形截面(CR1；CR4；CR5)的光束變化裝置(3Pd/3Pe；21d/21e；22d/22e)。
8.根據權利要求1所述的位置傳感器，其特徵在於所說的截面變換器包括使所說光束成為平行光的平行化裝置(3Pc；22a、22b、23a)。
9.根據權利要求1所述的位置傳感器，其特徵在於所說的截面變換器包括用於把所說光束分成分別射向所說光束接收器和另一光束接收器這樣兩束分光束(LB1/LB2；LB22/LB23；LB25/LB26；LB28/LB29)的分光裝置(3Pd/3Pe；21d/21e；22d/22e；23b/23c)。
10.根據權利要求1所述的位置傳感器，其特徵在於所說的截面變換器包括用於使所說光束轉向所說軌道的光路改變裝置(3Pd/3Pe；21d/21e；22d/22e，23b/23c)。
11.根據權利要求1所述的位置傳感器，其特徵在於所說的光束具有圓形截面，所說的截面變換器包括一個反射面(23b/23c)，該反射面把所說光束分成兩束具有半圓形截面的分光束(LB28/LB29)。
12.根據權利要求1所述的位置傳感器，其特徵在於所說的光源由光導纖維(3k)構成，而光導纖維由第一光纖支承體(3n)支承，所說的截面變換器包括第一凸透鏡(30；11)，其接收來自所說光導纖維的光束而且在所說第一方向上的正折射量小於在與所說第一方向垂直的第二方向上的折射能力，和第一傳感頭(3p；31a；32a；33a)，其接收來自所說凸透鏡的光束並向所說運動物體發射具有所說矩形截面的所說光束，和所說光束接收器包括第二傳感頭(3s；31b；32b；33b)，其接收穿過所說軌道的光束並使所說光束彎成一定角度，由第二光纖支承體(3q)支承的第二光導纖維(3m)和第二凸透鏡(3r)，其使所說光束從所說第二傳感器朝著所說第二光導纖維會聚。
13.根據權利要求12所述的位置傳感器，其特徵在於所說第一傳感頭(31a；32a)與所說第二傳感頭(31b；32b)構成一體。
14.根據權利要求12所述的位置傳感器，其特徵在於所說第一光纖支承體(33a)和所說第二光纖支承體(33b)彼此構成一體。
15.根據權利要求12所述的位置傳感器，其特徵在於所說的第一光纖支承體(3n)、所說的第一凸透鏡(3o)和所說的第一傳感頭(3p)彼此構成一體，而所說的第二光纖支承體(3q)、所說的第二凸透鏡(3r)和所說的第二傳感頭(3s)彼此構成一體。
16.根據權利要求12所述的位置傳感器，其特徵在於所說的第一傳感頭(3p)與所說的第二傳感頭(3s)相互匹配。
全文摘要
位置傳感器，其通過由裝在琴鍵(1a/1b)上的閘板(3d)遮擋的光強度變化來確定琴鍵的當前位置，而且一個半圓柱形凸透鏡(3o)把從光導纖維(3k)發出的光束在平行於琴鍵軌道的方向上拉長，從而使光束完全覆蓋閘板的運動範圍。
文檔編號G01D5/34GK1162111SQ9612391
公開日1997年10月15日 申請日期1996年11月30日 優先權日1995年11月30日
發明者山本潤, 佐佐木力 申請人:山葉株式會社