CN106683652B - 一种压电柔性薄膜电子琴 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压电柔性薄膜电子琴，包括电源、电子琴控制盒、音箱、柔性薄膜衬底和琴键传感器，琴键传感器沿柔性薄膜衬底长边间隔排列在柔性薄膜衬底上，琴键传感器采用柔性压电极驻极体薄膜传感器，可将触键按压产生的机械能转化为电能，根据触键按压的速度和深度输出不同幅值和频率的电压信号，实现自驱动，再通过电子琴控制盒处理后实现不同音色和音量的弹奏声音输出，而且压电柔性薄膜电子琴整体轻便，方便携带。

Description

一种压电柔性薄膜电子琴
技术领域
本发明涉及音乐器具领域，具体涉及一种压电柔性薄膜电子琴。
背景技术
电子琴因具有音域较宽、和声丰富、可模仿多种音色、音量调节自由、可配备类似打击乐音响的节拍伴奏以及可加装效果器(实现如混响、回声、延音，震音轮和调制轮等多项功能)等诸多特点，目前在现代音乐演奏中应用非常广泛。在钢琴演奏中，琴键触键力度、触键深度和触键速度均会影响到钢琴发音的音色和响度。但是目前电子琴多采用电子键盘，电子琴的发音与琴键按下相关，其音量大小与按下力度信息无关，如中国专利申请号为91231558.X所公开的电子琴，虽然其可通过处理器检测琴键按下的力度信息，从而实现音量大小与触键力度的相关，但是对于琴键深度和琴键速度的检测却无法实现，使得电子琴的音乐表现力不足。
此外，目前市场上电子琴多采用台架式，其占用较大空间面积，且不方便携带。虽然中国专利ZL200520057579.1中公开了可便携带的电子琴，但其琴键部分厚重，折叠后体积仍然很大，无法实现轻便化。同时，电子琴工作期间，需要不断的扫描琴键，判别是否有琴键按下，扫描时需要提供电源为琴键供电，耗电量较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种琴键可自驱动、无需外部供电的柔性薄膜电子琴。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种压电柔性薄膜电子琴，包括电源、电子琴控制盒、音箱，所述电源为所述电子琴控制盒和所述音箱供电，所述电子琴控制盒连接所述音箱，根据输入信号控制电子琴的工作模式切换和音箱的输出控制，其特征在于：还包括柔性薄膜衬底和琴键传感器，所述琴键传感器沿柔性薄膜衬底长边间隔排列在柔性薄膜衬底上，所述琴键传感器可将触键按压产生的机械能转化为电能，根据触键按压的速度和深度输出不同幅值和频率的电压信号，再通过电子琴控制盒处理后实现不同音色和音量的弹奏声音输出。
优选地，所述琴键传感器为柔性压电驻极体传感器，包括柔性压电极驻极体薄膜、上电极和下电极，所述上电极覆盖在所述柔性压电极驻极体薄膜上表面，所述柔性压电极驻极体薄膜下表面与下电极之间存在一定距离的封闭空气层。
优选地，所述柔性薄膜衬底上印刷有金属连接线，所述金属连接线连接所述琴键传感器和设置在柔性薄膜衬底上的琴键接口，所述琴键接口接收多个琴键传感器输出的电压信号并传送给电子琴控制盒。
优选地，所述电子琴控制盒包括信号处理模块、电子琴控制器、音箱控制电路和控制功能模块，所述信号处理模块将琴键传感器输出的电压信号进行放大、滤波和限幅处理，所述电子琴控制器处理输入的电压信号，所述音箱控制电路接收电子琴控制器的输出信号后生成对应的数字信号，实现所述音箱的不同音量和音色的输出，所述控制功能模块实现不同工作模式的切换和自动播放、暂停与录音等功能。
与现有技术相比，本发明的优点在于利用柔性压电极驻极体薄膜传感器，无需外部供电，可实现自驱动；通过触键的速度和深度输出不同幅度和频率的信号，实现不同音色和音量的输出，丰富了电子琴的音乐表现力；还采用柔性薄膜衬底，更轻便。
附图说明
图1为本发明实施例压电柔性薄膜电子琴的结构示意图。
图2为本发明实施例的压电柔性薄膜电子琴中电子琴控制盒的结构框图。
图3，4为本发明实施例的压电柔性薄膜电子琴中的琴键传感器输出电压波形图。
图5a，5b，5c为本发明实施例的压电柔性薄膜电子琴中的琴键传感器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1、2所示，一种压电柔性薄膜电子琴包括电源4、电子琴控制盒5、音箱6、柔性薄膜衬底1，琴键接口3和琴键传感器2。电源4采用10000毫安时移动电源，为电子琴控制盒5和音箱6供电。琴键传感器2和琴键接口3设置在柔性薄膜衬底1上面，在外力按压下，琴键传感器2可将按压的机械能转化为电能，输出一定幅度电压的电信号，由于无需外部供电，可实现传感器的自驱动。柔性薄膜衬底1采用PI(聚酰亚胺)或PET(涤纶树脂)材料，在柔性薄膜衬底1上印刷有金属连接线101，用于将琴键传感器2输出的信号通过琴键接口3传输至电子琴控制盒5。电子琴控制盒5输出端连接至音箱6，包括信号处理模块501、电子琴控制器502、音箱控制电路503和控制功能模块504，其中信号处理模块501用于将琴键传感器2输出的信号进行放大、滤波和限幅处理，电子琴控制器502用于处理输入的电信号，音箱控制电路503接收电子琴控制器502的输出信号后生成对应的数字信号，实现音箱6的不同音量和音色的输出，控制功能模块504实现不同工作模式的切换和自动播放、暂停与录音等功能。
如图5a所示，琴键传感器2为柔性压电驻极体传感器，沿柔性薄膜衬底1长边间隔排列在柔性薄膜衬底1上，包括上下依次设置的上电极202、至少一层柔性压电极驻极体薄膜201和下电极203，上电极202和下电极203为粘贴的导电铝胶带，或是利用磁控设备溅射制成的银或铜电极，上电极202通过柔性薄膜衬底1上印刷的金属连接线101连接琴键接口3，下电极203通过柔性薄膜衬底1上印刷的金属连接线101接地，上电极202覆盖在柔性压电极驻极体薄膜201上表面，柔性压电极驻极体薄膜201下表面与下电极203之间存在一定距离的封闭空气层204，优选地，空气层204约为20um。柔性压电极驻极体薄膜201为一种含有微型孔洞的有机薄膜，内部存储有永久电荷，当柔性压电极驻极体薄膜201内部存储一定量的负电荷时，上电极202和下电极203会感应出一定量的正电荷。图5b当琴键传感器2受外力按压作用时，会将机械能转化为电能，输出一个带有一定幅值的电压信号，其工作无需外部供电，可实现琴键传感器2的自驱动，按压外力与输出电压信号的关系具体如以下步骤所示：
当无外力作用时，琴键传感器2处于电势平衡状态，无信号输出，如图5a所示。
当有外力按压琴键传感器2时，柔性压电极驻极体薄膜201下表面与下电极203之间的间隙变小，下电极203感应产生更多的正电荷，琴键传感器2的上电极202与下电极203之间产生电势差，为了达到电势平衡，上电极202的感应正电荷需要减少，正电荷通过金属连接线101流出，对外输出一个正电压信号，如图5b所示。
当外力消失，由柔性压电极驻极体薄膜201下表面与下电极203之间的封闭空气层204压缩后反弹力作用，空气层204间隙逐渐变大并恢复成原状，下电极203感应产生的正电荷减少，为达到电势平衡，上电极202的所带正电荷需要增加，正电荷通过金属连接线101流入，对外产生一个负电压信号，如图5c所示。
如图4所示，横轴t代表时间，纵轴V代表电压幅值，曲线L0、L1、L2分别表示不同按压情况下琴键传感器2输出的电压幅值与时间的关系，曲线L3代表压力释放后输出电信号。正常速度按下时，琴键传感器2输出电压曲线L0幅值从0上升至最大值V0，然后又从最大值V0回落至0，经历的时间为t0；急速按下时，琴键传感器2输出电压曲线L1幅值从0迅速上升至最大值V1，然后又迅速从最大值V1回落至0，经历的时间为t1；慢速按下时，琴键传感器2输出电压曲线L2幅值从0慢速上升至最大值V2，然后从最大值V2回落至0，经历的时间为t2。三种不同速度按压下一般存在以下关系：琴键传感器2输出信号的电压幅值V1>V0>V2，信号时长t2>t0>t1。因此，琴键传感器2输出的电压信号的幅度和频率大小可以反映出琴键触键的速度快慢。
如图3所示，相同的触键时间的情况下：浅触键时，琴键传感器2输出电压曲线L5从0上升至最大值V5；深触键时琴键传感器2输出电压曲线L4从0上升至最大值V4。琴键传感器2输出信号的电压幅值V4>V5，因此相同频率的琴键传感器2输出信号可以根据幅度大小反映琴键触键的深度。
本领域技术人员可以利用信号处理模块501对琴键传感器2输出的电压信号的幅值和频率进行识别处理，检测出触键的速度和深度信息，从而用于控制实现音箱6输出不同音色和音量的琴音，丰富了电子琴的音乐表现力。琴键传感器2采用压电驻极体传感器，无需外部供电，在外力的按压下可实现机械能转化为电能，实现琴键传感器2的自驱动。由于采用柔性材料的柔性薄膜衬底1，减小了电子琴的体积，更方便携带。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种压电柔性薄膜电子琴，包括电源(4)、电子琴控制盒(5)、音箱(6)，所述电源(4)为所述电子琴控制盒(5)和所述音箱(6)供电，所述电子琴控制盒(5)连接所述音箱(6)，根据输入信号控制电子琴的工作模式切换和音箱(6)的输出控制，其特征在于：还包括柔性薄膜衬底(1)和琴键传感器(2)，所述琴键传感器(2)沿柔性薄膜衬底(1)长边间隔排列在柔性薄膜衬底(1)上，所述琴键传感器(2)可将触键按压产生的机械能转化为电能，根据触键按压的速度和深度输出不同幅值和频率的电压信号，再通过电子琴控制盒(5)处理后实现不同音色和音量的弹奏声音输出，所述琴键传感器(2)为柔性压电驻极体传感器，包括柔性压电极驻极体薄膜(201)、上电极(202)和下电极(203)，所述上电极(202)覆盖在所述柔性压电极驻极体薄膜(201)上表面，所述柔性压电极驻极体薄膜(201)下表面与下电极(203)之间存在的封闭空气层(204)，所述柔性薄膜衬底(1)上印刷有金属连接线(101)，所述金属连接线(101)连接所述琴键传感器(2)和设置在柔性薄膜衬底(1)上的琴键接口(3)，所述琴键接口(3)接收多个琴键传感器(2)输出的电压信号并传送给电子琴控制盒(5)，所述电子琴控制盒(5)包括信号处理模块(501)、电子琴控制器(502)、音箱控制电路(503)和控制功能模块(504)，所述信号处理模块(501)将琴键传感器(2)输出的电压信号进行放大、滤波和限幅处理，所述电子琴控制器(502)处理输入的电压信号，所述音箱控制电路(503)接收电子琴控制器(502)的输出信号后生成对应的数字信号，实现所述音箱(6)的不同音量和音色的输出，所述控制功能模块(504)实现不同工作模式的切换和自动播放、暂停与录音功能。
2.根据权利要求1所述的压电柔性薄膜电子琴，其特征在于：所述柔性压电极驻极体薄膜(201)厚度为90um-110um，所述空气层(204)厚度为15um-25um。
3.根据权利要求2所述的压电柔性薄膜电子琴，其特征在于：所述柔性压电极驻极体薄膜(201)厚度为100um，所述空气层(204)厚度为20um。
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