CN1194335C - 易安装的光纤传感器和使用该传感器的乐器 - Google Patents

Abstract

将一光纤传感器阵列安装于自动表演钢琴上，用于监控音锤，一数据处理系统经过对光纤传感器所报告的当前音锤位置分析来产生音乐数据代码，其中，每个光纤传感器具有一可分离进入头主体(10)内的传感器头(3a)和一夹具(11)，安装工通过用夹具将光纤(9)压到头主体(10)上来将光纤(9)固定于传感器头(3a)上。所述传感器头单元(3a；20；30；92)包括一由接收部分所述光学导向部件(9)的导向路径(14a；21c；14b)形成的第一部分(10；20a；30a)和一与所述第一部分一起夹住所述光学导向部件的所述部分的第二部分(11；21a/21b；32)。

Description

易安装的光纤传感器和使用该传感器的乐器

                        技术领域

本发明涉及一种适用于乐器的光学传感器，具体而言，是涉及一种产生代表移动物体当前位置的电信号的光学传感器和一种安装有该光纤传感器阵列的乐器。

                        背景技术

存在多种复合(composite)键盘乐器。已知的一种复合键盘乐器是自动演奏钢琴，另一种复合键盘乐器被称为“静音钢琴”。在下面的描述中，术语“横向”表示其中黑键和白键排列在标准声学钢琴中采用的公知图案上的方向。术语“纵向”表示与横向成90度的方向。

自动演奏钢琴是声学钢琴与电子系统的结合，用于自动演奏和记录。该电子系统包括螺线管操作的键致动器(actuator)阵列、键传感器阵列和数据处理系统。该螺线管操作的阵列通常位于形成于黑/白键后部之下的键床(key bed)中的空间内，键传感器阵列位于黑/白键的前部之下的键床上。假设用户指令数据操作系统记录其通过键盘的表演。当用户通过键盘来表演一首音乐时，键传感器周期地向数据处理系统报告当前的键位置。数据处理系统确定压下和释放黑/白键的次数，并估计音调的高低。数据处理系统将这些音乐数据信息存储为音乐数据代码，并将代表表演的音乐数据代码记录在适当的存储器中。当用户请求数据处理系统再现该音调时，数据处理系统读出该音乐数据代码，并确定移动黑白键的次数，以及赋予黑白键的键速度值。数据处理系统以适当的定时，顺序地将驱动电流信号提供给螺线管操作的键。之后，螺线管操作的键产生键动作，以再现音调。

静音钢琴是声学钢琴、音锤止动器(hammer stopper)和电子音调产生系统的组合。当用户将音锤止动器改变到一自由位置时，音锤止动器被移出音锤的轨迹。当用户通过键盘弹奏一首音乐时，压下的黑/白键使音锤自由旋转，且音锤敲击相关弦以产生钢琴音调。于是，静音钢琴成为声学钢琴。假设用户将音锤止动器改变到阻挡(blocking)位置，则音锤止动器进入音锤的轨迹。在进入阻挡位置后，虽然压下的键使作用机构脱离相关的音锤，但音锤在敲击弦以前回弹到音锤止动器上。从该弦中不会产生任何钢琴音调。然而，电子音调生成系统产生电子音调，而不是钢琴音调。电子音调生成系统具有键传感器阵列、数据处理系统和音响系统。当用户通过键盘来弹奏一首音乐时，键传感器周期地向数据处理系统报告相关黑白键的当前键位置。数据处理系统确定压下的键和释放的键，并估计音调的高低。数据处理系统将这些音乐数据信息存储为音乐数据代码，并从该音乐数据代码中产生音频信号。将该音频信号提供给音响系统，诸如耳机等音响系统将该音频信号转换为电子音调。

可用音锤传感器来代替键传感器。在这种情况下，音锤传感器周期地向数据处理系统报告当前的音锤位置，数据处理系统根据音锤运动来产生音乐数据代码。因此，键传感器或音锤传感器是复合键盘乐器不可或缺的组件。

在复合键盘乐器中已采用了不同种类的键/音锤传感器。在制造商中，光耦合器和光纤传感器是普遍的。光耦合器、即光发射元件和光检测元件位于相关黑/白键轨迹的两侧，从光发射元件发出的光束通过相关黑/白键的轨迹照射到光检测元件上。在相关黑/白键的下部表面上安装一快门板，快门板在轨迹上的预定点处中断光束。光检测元件将入射到其上的光量转换为光电流，用从该光电流转换来的电势电平来表示键/音锤位置。将该电势电平进一步转换为二进制值的数字信号，将该数字信号作为键/音锤位置信号提供给数据处理系统。

光耦合器是每个黑/白键或每个音锤所要求的。键盘通常由88个键形成。因此，88个光耦合器被安装于键床和黑/白键之间的窄空间内或钢琴盒内，尽可能地接近弦。虽然每个光耦合器的体积小，但88个键的阵列占据了相当大的空间。这导致钢琴盒体的复杂设置。

为了简化内部设置，提出了光纤传感器。光纤传感器具有一多端传感器头，该头通过光纤连接到用作光发射元件或光检测元件的组合光学元件上。仅将该多端传感器头安装于钢琴盒内，组合的光学元件位于相对宽的空间内。因此，光纤传感器适用于组合键盘乐器。

图1显示由光纤传感器实现的键传感器阵列的典型实例。现有技术的键传感器阵列50包括多个传感器头51、多个快门板52、数对光纤55/60和组合光学元件(未图示)。传感器头51由透明丙烯酸树脂构成，沿横向间隔设置。快门板52相应地固定于键盘的黑白键65的下部表面上，可与相关的黑白键一起移动。在每个传感器51中沿横向形成光发射端53和光接收端54。

如图2中更好地表示，传感器头51具有一对肩部51a、一主体部51b和一颈部51c。颈部51c比主体部51b窄，肩部51a形成于颈部51c和主体部51b之间的台阶上。透镜57/58分别固定于肩部51a的垂直表面上，斜面59形成于肩部51a中。透镜57和肩部51a形成光发射端53，另一透镜58和肩部51a形成光接收端54。在传感器头51中进一步形成一对孔61，这对孔从横向表面延伸到主体部51b中的某一点。孔61沿垂直方向延伸，指向斜面59。分别将光纤55和60插入孔61中，并固定于主体部51b上。虽然图2中未示，但可将组合光学元件连接到光纤55/60上。

返回图1，黑白键65位于形成于两个传感器头51之间的窄空间内，因此，快门板52分别在窄空间中具有轨迹。将每个传感器头51分配于相邻的两个键传感器50之间，每个现有技术的键传感器与两个组合光学元件相连。光纤55、传感器头51的一半主体部51b、传感器头51的光发射端53、相邻传感器头51的光接收端54、相邻传感器头51的一半主体部51b和两个组合光学元件形成每个现有技术键传感器。

当钢琴家压下黑/白键65时，快门板52与压下的黑/白键65一起沿窄空间内的轨迹移动。组合光学元件发射光，该光穿过光纤55传播到一半主体部51b。光在该一半主体部51b中前进，在斜面59上反射。光改变了方向，前进到光发射端53。透镜57从反射的光中形成平行光，该平行光前进到相邻传感器头51的光接收端54。

平行光到达光接收端54，入射光在斜面59上反射。在斜面59上反射该光，并将该光会聚在光纤60的末端。该光穿过光纤60传播，到达另一组合光学元件。组合光学元件将该光转换为光电流。

当快门板52到达光发射端53和光接收端54之间的光路时，快门板65开始中断光。当快门板65穿过光路时，入射到光接收端54上的光量被逐渐减少，因此，光电流量降低。于是，可用光电流量来代表黑/白键65的当前位置。

仅将传感器头51安装在黑/白键65之下的窄空间内，简化该窄空间内的设置。然而，在现有技术的光纤传感器中，在光纤55/60和传感器头51的安装操作存在问题。具体而言，如下安装光纤55/60与传感器头51。首先，使光纤55与孔61对齐，将光纤55插入孔61中，直到前端与底面62接触。将一注射器(未图示)与注射端63耦合，将粘附剂注入注射端63中。穿过通道64将注射端63连接于孔61上，使粘附剂充满通道64。光纤55穿过通道64，因此粘附剂包围光纤55的前端部。当固化该粘附剂时，光纤55被固定在传感器头51上。通过上述安装操作，另一光纤60也被固定在传感器头51上。因此，对于每对光纤55/60而言，重复两次光纤55/60向孔61中的插入和粘附剂的注射。标准键盘包括88个键。这意味着上述安装操作将对每个现有技术组合键盘乐器重复176次。消耗大量的时间和人力，增加了生产成本。

                        发明内容

因此，本发明的一个重要目的是提供一种其组件可容易安装于其上的光纤传感器。

本发明的另一个重要目的是提供一种乐器，该乐器装配有光纤传感器阵列，可降低其生产成本。

为了完成该目的，本发明在传感器头的两部分之间夹入一光学导向部件。

根据本发明的一个方面，提供一种光学传感器，将移动物体的当前位置转换为电信号，该传感器包括一转换单元，用于生成光，并将入射光转换为电信号；一光学导向部件，其一端连接到转换单元上，在上述的一端和其另一端之间传播光和入射光；一传感器头单元，连接于光学导向部件的另一端上，用于沿光路发射光，接收入射光；并具有一由接收部分光学导向部件的导向路径形成的第一部分，以及一与第一部分一起夹入部分光学导向部件的第二部分；一光学元件，固定于移动物体上，与移动物体按下述方式一起移动：穿过光路，根据移动物体的当前位置来在程度上改变入射光的光学性质。

根据本发明的再一个方面，提供一种光学传感器，其中所述头主体10和所述夹具11之一进一步包括与另一个所述头主体10和所述夹具11啮合的钩17，因此所述钩17保持所述光学导向部件9夹在所述头主体10和所述夹具11之间。

根据本发明的又一个方面，提供一种光学传感器，其中所述另一个头主体10和所述夹具11进一步包括容纳所述钩17的凹部19-1/19-2/19-3/19-4。

根据本发明的另一方面，提供用于生成音调的一种乐器，该乐器包括多个可由表演者独立移动的可移动部件；一音调生成系统，该系统与多个可移动部件相连，生成表演者移动的可移动部件所指定的音调；一光学传感器阵列，向音调生成系统报告表演者操作的可移动部件，该阵列的每一个光学传感器都包括一转换单元，用于生成光，并将入射光转换为电信号；一光学导向部件，在其一端处连接到转换单元上，在上述的一端和其另一端之间传播光和入射光；一传感器头单元，连接于光学导向部件的另一端上，沿光路发射光，接收入射光，并具有一由接收部分光学导向部件的导向路径形成的第一部分，以及一与第一部分一起夹入部分光学导向部件的第二部分；以及一光学元件，固定于多个可移动物体的相关的一个上，与多个可移动物体的相关的一个按下述方式一起移动：穿过光路，根据多个可移动物体的相关的一个的当前位置来在程度上改变入射光的光学性质。

                        附图说明

参照附图，光学传感器和乐器的特征和优点将通过下面的描述变得更清楚。

图1是表示现有技术的光纤传感器阵列的平面图；

图2是表示现有技术的光纤传感器中的传感器头结构的局部剖视平面图；

图3是表示根据本发明的自动演奏钢琴的结构的示意图；

图4是表示自动演奏钢琴中的光纤传感器阵列的立体图；

图5是沿图4的线A-A’所得的侧视图，表示根据本发明的光纤传感器；

图6是表示形成部分传感器头的头主体和夹具的立体图；

图7是表示头主体的平面图；

图8是表示根据本发明的另一个光纤传感器中的传感器头的平面图；

图9是表示传感器头的结构的立体图；

图10是表示根据本发明的再一个光纤传感器中的传感器头的平面图；

图11是表示传感器头的安装操作的立体图；

图12是表示根据本发明的静音钢琴的结构的侧视图；和

图13是表示根据本发明的复合键盘乐器的结构的侧视图。

                    具体实施方式

第一实施例

参见附图中的图3，本发明实施例的自动表演钢琴主要包括声学钢琴70、记录系统72和自动表演系统74。声学钢琴是标准大钢琴，包括88个黑白键71a、运动机构71b、制音器71c、弦71d和音锤设备4。这些组件71a、71b、71c、71d按本领域的公知方法被安装于大钢琴70内，为了简化，这里不再作进一步的描述。

记录系统72包括音锤传感器阵列1和数据处理系统72a。音锤传感器1通过光纤传感器来实现。因此，用参数1来标记光纤传感器。由88个音锤传感器1来监控88个音锤设备4，音锤传感器1周期地向数据处理系统72a提供音锤位置信号。数据处理系统72a获取存储在音锤位置信号中的位置数据信息，将这些位置数据信息存储在其工作存储器中。数据处理系统72a分析这些位置数据信息，确定表演者压下和释放的黑/白键盘a，估计通过弦71d的振动产生的钢琴音调的大小。数据处理系统72a进一步确定每个黑/白键71a压下或释放的时间。这样，数据处理系统72a通过分析位置数据信息而获得代表表演的音乐数据信息，并产生仍代表表演的一组音乐数据代码。

将该音乐数据代码提供给自动表演系统74，在没有任何手指弹奏的情况下选择性地旋转黑/白键71a。自动表演系统74包括数据处理器74a、运动控制器74b、伺服控制器74c和螺线管操作键致动器阵列74d。螺线管操作键致动器74d相应地位于黑/白键71a的后部以下，并配置有内置速度传感器。音乐数据代码连续地提供给数据处理器74a，数据处理器74a指令运动控制器74b通过伺服控制器74c来突出和收缩螺线管操作键致动器74d的芯子。伺服控制器74c确定目的芯子速度和驱动信号的幅度。当从伺服控制器74c向螺线管操作键致动器74d提供驱动信号时，螺线管操作键致动器74d从螺线管向上突出芯子，内置速度传感器向伺服控制器74c提供一反馈信号，报告当前芯子速度。伺服控制器74c对当前芯子速度和目的芯子速度进行比较，察看驱动信号的幅度是否适当。如果答案是否定的，则伺服控制器74c改变驱动信号的幅度。

音乐数据代码被分成两类。第一类中的音乐数据代码存储代表一种事件、例如音符开(note-on)事件/音符关(note-off)事件的音乐数据信息，代表被旋转的黑/白键1的键代码，速度、要生成的音调大小等。第二类中的音乐数据代码存储代表从事件发生时的表演开始起的所经历的时间的控制数据信息。

现在，假设音乐数据代码表示相关的音符开事件发生的时间，则数据处理器74a根据键代码来确定一个被要旋转的黑/白键1，并确定黑/白键71a的轨迹。数据处理器74a通知运动控制器74b旋转开始的时间t和初始速度Vr，即坐标(t，Vr)。运动控制器74b确定一系列轨迹坐标，并将目标速度顺序地提供给伺服控制器74c。伺服控制器74c确定驱动信号的幅度，将该驱动信号提供给相关的螺线管操作键致动器74d。螺线管利用该驱动信号生成磁场，并向上突出芯子。芯子推动相关黑/白键71a的后部。这样由芯子推动的黑/白键71a使制音器71c离开该组弦71d，使黑/白键71a围绕平衡轨道旋转。黑/白键71a致动运动机构71b，通过脱离插孔(jack)来驱动音锤4自由旋转。音锤4敲击该组弦71d，该组弦71d生成钢琴音调。上述功能由选择的黑/白键71a重复进行，再现原始表演中的钢琴音调。这样，自动表演系统74在没有任何键盘上的弹奏的情况下就能表演一首音乐。

应该明白，自动表演系统74与现有技术的自动表演钢琴中的相同，记录系统72除音锤传感器1外与现有技术的自动表演钢琴的记录系统类似。因此，下面的描述主要针对音锤传感器阵列1。

音锤传感器阵列1包括传感器头3a、光纤束3b和组合光学元件3c及滤光板5。从图4和5可更好地理解，用螺钉7将一基板2固定于平的宽底轨(shank flange rail)8a上。用活动支架8b来支撑宽底轨8a(参照图3)。基底2具有一凸部2a和一平部2b。在基底2中形成缝隙6，该缝隙从凸部2 a延伸到平部2b。传感器头3a间隔地位于平部2b上，并固定在平部2b上。缝隙6开口于间隔，分别与音锤设备4相连。虽然图4和5未示，但光纤束3b连接于传感器头3a阵列和组合的光学元件3c之间。每个传感器头3a穿过缝隙6上的间隙，向其两侧上的相邻传感器头3a横向地照射光束，并按下面详细描述的那样从相邻传感器头3a接收光束。

滤光板5成形为基本扇形结构，固定于音锤杆4a上，穿过相关的缝隙6突出。光束穿过滤光板5。在滤光板5上形成一灰度，将传输光量随音锤设备4的角度位置而变化。

图6和7表示传感器头3a。传感器头3a被分成两个部分10和11。下面将部分10和11分别称为“头主体”和“夹具”。头主体10和夹具11由例如丙烯酸树脂等透明合成树脂构成，该透明合成树脂具有等于或接近于光纤束3b的光纤9的折射率的折射率。

头主体10具有一基本矩形平行六方体主体部10a和颈部10b。颈部10b从主体部10a的前表面突出，被部分切断以形成一凹槽。该凹槽定义反射面12，将透镜13固定于颈部10b的侧面上。反射面12形成一90度的内角，因此，在反射面12上发生全反射。穿过颈部10b传播的光束在反射面12上被反射，并被分成两个子束。沿横向导向该子束，并将该子束分别入射到透镜13上。

主体部10a由导向槽14a、矩形凹部14b、通孔14c、凹部15和两对矩形孔19-1、19-2、19-3和19-4构成。导向槽14a和通孔14c沿垂直方向延伸，并彼此对齐。通孔14c与光纤9一样厚，并开口于主体部10a的后表面上。导向槽14具有与光纤9的直径相等的宽度，并开口于矩形凹部14b的底部表面上，该矩形凹部开口于主体部10a的上部表面上。导向槽/通孔14a/14c的中心线与反射面12之间的内角平分线对齐。因此，当光纤9通过通孔14c插入导向槽14a时，光纤9向反射面12射出光。

另一方面，凹部15开口于主体部10a的反向表面。虽然未图示，但在基板2的平部2b上形成突起，并具有对应于凹部15中定义的空间的结构。因此，当头主体10与基板2进行安装时，工人首先对齐突起和凹部15，将头主体10压在平部2上。突起紧密地容纳于凹部15内，头主体10固定于平部2上。突起和凹部15对应于缝隙6精确地将头主体10定位于适当位置。

矩形孔19-1和19-2开口于头主体10的后表面上，其它的矩形孔19-3和19-4开口于头主体10的前表面上。矩形孔19-1和19-2分别与矩形孔19-4和19-3形成对，并分别与矩形孔19-4和19-3对齐。如下所述，将两对矩形孔19-1/19-4和19-2/19-3用于头主体10和夹具11之间的安装。

夹具11有一平部11a、推杆16、两对小钩17和两个大钩18。平部11a具有矩形平行六方形结构，推杆16向下突出于平部11a的下部表面的中心区。小钩17和大钩18是可弹性变形的。将两对小钩17设置在推杆16周围，并向下突出于平部11a的下部表面。推杆16具有矩形平行六方形结构，并紧密容纳于矩形凹部14b内。推杆6的高度约等于矩形凹部14b的深度。小钩17具有相应的中心体部和相应的楔部，楔部具有彼此相对的斜面。小钩17的中心体部之间的距离约等于头主体10的前表面和后表面之间的距离，中心体部的内部表面与斜面之间的台阶约等于相关孔19-1/19-2/19-3/19-4的深度。当工人使夹具11保持头主体10时，工人将推杆16与矩形凹部14b对齐。斜面的下部边位于头主体10的上部表面的两条端线上。接着，工人将夹具11推向头主体10。中心体部向外弹性变形，使斜面沿头主体10的前/后表面向下滑动。当楔部到达矩形孔19-1/19-2/19-3/19-4时，中心体部返回，将楔部分别推入矩形孔19-1/19-2/19-3/19-4中。推杆16被紧密地容纳于矩形凹部14b中。

类似地，大钩18具有相应的中心体部和相应的楔部。然而，楔部的斜面如所示向外导向。在基板2(参照图6)的平部2b中间隔地形成多组通孔2c，每组由三个通孔2c构成。对三个通孔2c进行定位，使之与一大钩18相对应。两个大钩18和剩余大钩18之间的距离约等于两个对应于通孔2c与剩余通孔2c。因此，当工人装配夹具11和基板12时，工人将大钩18与相关组的通孔2c对齐，将夹具11推向基板2。中心体部向内变形，使楔部穿过通孔2c。中心体部返回，楔部与基板2的平部2b啮合。

光纤传感器阵列1如下述安装于声学钢琴70中。首先，将滤光板5分别固定于音锤杆4a上。接着，将基板2螺入杆宽底轨8a上。之后，滤光板5突出于缝隙6，并曝露于基底2上的表面。光纤束3b的一个端部连接于组合光学元件3c，另一端部通向基板2。此时，组合光纤元件3c分别连接于光纤9。

每个头主体10的凹部15都与相关突起对齐，并被推入其中。即，将头主体10固定到基板2的平部2b上。将一个光纤9通过通孔14c插入相关头主体10的导向槽14a中，使光纤9的前端与定义部分矩形凹部14b的内部表面接触。

之后，将相关夹具11的大钩18与通孔2c对齐。接着，推杆16和相关夹具11的小钩17分别与矩形凹部14b和头主体10的前/后边自动对齐。向下推动夹具11。大钩18和小钩17变形，因此，大钩18的楔部和小钩17的楔部分别与基板2和头主体10啮合。通过推杆16将导向槽14a中的光纤9压在头主体10上，并固定在头主体10上。

对传感器头3a重复上述安装工作，光纤9的束3b相应地固定于传感器头3a上。最后，将适于屏蔽光的盖板(未图示)与基板2安装在一起，将传感器头3a容纳于基板2和盖板所定义的内部黑暗空间内。

应该明白，光纤9夹于头主体部10和夹具11之间，安装工作中不需要任何粘附剂。安装工作快速，可在短时间内完成。因此，降低了生产成本。

光纤传感器阵列1如下监控音锤4。数据处理系统72a顺序激活组合的光学元件3c。如上所述，当光从一个光纤9的前端射出时，光在反射面12上分成两个光束，平行光束横向地穿过透镜13射向其两侧上的滤光板5上。换言之，每个传感器头3a都可能接收来自其两侧上的传感器头3a的两个平行光束。如果两个平行光束同时入射到传感器头3a上，则不能将入射光分成对应于两个平行光束的两个部分。因此，数据处理系统72a以任何传感器头3a都不会同时接收来自其两侧上的传感器头3a的平行光束的方式来选择激励的组合光学元件3c。当每第三个传感器头可横向地向其两侧上的传感器头射出平行光束时，每个传感器头接收来自传感器头3a右或左的平行光束。

现在注意一个组合光学元件3c，组合光学元件3c发射光，该光穿过光纤9传播到相关的传感器头3a上。该光从光纤9的前端射出，并入射到形成相关传感器头10一部分的颈部的反射表面12上。该光被分成两束，将该两束导向透镜13。透镜使两束平行，平行光束穿过两侧上的滤光板5。如上所述，在每个滤光板5上形成灰度，因此，随着相关音锤4的角度位置来改变传输。于是，用滤光板5来调制平行光束，并分别将平行光束入射到相邻的传感器头3上。

每个调制后的平行光束穿过透镜13，并在反射面12上反射。调制后的光束会聚到光纤9的前端上。这样，调制后的光束被分别入射到连接于相邻传感器头3a上的光纤9的前端上。

调制后的光束穿过光纤9传播，并到达组合光学元件3c。组合光学元件3c生成光电流，电流量与调制后的光束的光密度成正比。组合光学元件3c可将光电流转换为电势电平。组合光学元件3c将音锤4的当前位置通过音锤位置信号报告给数据处理系统72a，数据处理系统72a在适当的模数转换后获取位置数据信息。

应该明白，音锤4仅需要一个组合光学元件。因此，将组合光学元件3c减少为现有技术光纤传感器阵列中的组合光学元件的一半。

第二实施例

参见附图的图8和9，另一传感器头20形成部分光纤传感器，该光纤传感器被用于本发明实施例的另一自动表演钢琴中。传感器头20是单片集成电路主体，并未被分成多个部件，例如头主体10和夹具11等。第二实施例中实现的自动表演钢琴除光纤传感器外，其余与第一实施例类似，为了避免不期望的重复，主要针对光纤传感器进行描述。

光纤传感器阵列还包括传感器头20、光纤束3b、组合光学元件3c和滤光板5。组合光学元件3c和光纤束3b与光纤传感器1的阵列类似。将传感器头20固定于基板2的平部上。

传感器头20由例如是丙烯酸树脂等的透明合成树脂制成，具有头主体部20a、颈部20b和两对钩18。透明合成树脂具有约等于或接近于光纤的折射率。颈部20b从头主体部20a的前表面突出，在颈部20b中形成一凹槽。该凹槽定义两个反射表面12，这些反射面形成与颈部10b类似的90度内角。在颈部20b的侧面上形成透镜13，透镜与颈部20b成一整体。将透镜13导向纵向，产生平行光束。

在头主体部20a中形成一孔道21c，沿垂直方向延伸。该孔道21c与反射面12之间的内角等分线对齐。孔道21c开口于头主体部20a的后表面。头主体部20a具有一对翼部21a和21b，在该对翼部21a/21b上分别形成一对凸缘22a/22b。该对翼部21a/21b是可弹性变形的。翼部21a/21b部分定义孔道21c的上部，并曝露于宽的凹部21d。工人可用手指穿过宽凹部21d来接触到凸缘22a/22b。如果沿彼此分离的方向推动凸缘22a/22b，则翼部21a/21b以孔道21c变得足够宽以通过光纤9的方式变形。

头主体部20b进一步由凹部15形成，在平部2b的上部表面上形成对应的突起。凹部15与突起结合来将传感器头20定位在适当位置上。两对钩18向下突出于头主体部20a。虽然未图示，但对每个传感器头20而言，在基板2的平部2b中形成两对通孔，钩18与平部2b啮合。

如下将光纤传感器阵列安装在声学钢琴70中。首先，分别将滤光板5固定到音锤杆4a上，将基板2螺在杆宽底轨8a上。接着，滤光板5通过相关缝隙6，曝露于基板2之上的空间。光纤9的束3b连接于组合光学元件3c的一端，另一端引入基板2的附近。

之后，工人拾取一个传感器头20，并推动凸缘部22a/22b。翼部21a/21b弹性变形，以拓宽孔道21c。工人将光纤9插入孔道21c，直到前端与传感器头20的内部表面接触。工人释放凸缘部22a/22b。之后，翼部21a/21b弹性返回，并将光纤9压向头主体部20a。

工人对齐突起与凹部15。接着，对齐钩18和通孔。工人将传感器头20压向基板2的平部2b。钩18弹性变形，使楔部穿过通孔。突起紧密地容纳于凹部15内，将透镜13适当地导向相关的滤光板5。钩18弹性返回，楔部将头主体部20a固定于基板2的平部2b上。

对剩余的传感器头20和相关光纤9重复上述安装工作。

应该明白，翼部21a/21b弹性地将光纤9压向头主体部20a，传感器头20和光纤9之间的安装不需要任何粘附剂。安装工作不会消耗较长时间，降低了生产成本。

第三实施例

图10表示本发明再一实施例的自动表演钢琴中所采用的传感器头30。第三实施例中实现的自动表演钢琴除光纤传感器外，其余与第一实施例类似，为了避免不期望重复，主要针对光纤传感器进行描述。

光纤传感器阵列还包括传感器头阵列30、光纤束3b、组合光学元件3c、滤光板5和夹持器(clamper)31。组合光学元件3c和光纤束3b与光纤传感器阵列1的类似。通过夹持器31将传感器头20固定于基板2的平部上。

传感器头30具有头主体部30a和颈部30b。颈部30b从头主体部30a的前表面突出，并形成一凹槽。该凹槽与第一实施例类似地定义反射面12，将透镜13固定于颈部30b的侧面上。

头主体部30a由通孔14a和导向槽14b构成。通孔/导向槽14a/14b的中心线与反射表12之间的内角等分线对齐。通孔14a开口于头主体部30a的后表面，与光纤9一样粗。导向槽14b曝露于头主体部30a的上部表面，导向槽14b的深度小于光纤9的直径。

头主体部30a进一步具有凹部15，突起40(参见图11)紧密容纳在凹部15中。突出40和凹部15将传感器头30定位于适当位置，因此将透镜13导向两侧上的相关滤光板5。

夹持器(clamper)31由金属板来实现。间隔地从基板2的平部2b上突出舌片32，该间隔约等于适当定位于基板2的平部2b上的传感器头30的间隔。舌片32是可弹性变形的，向上弯曲舌片32的前端部。当光纤9插入导向槽14b时，头主体部30a的背面和光纤9的最高点之间的距离稍大于平部2b的上部表面和舌片32的弯曲部之间的距离。

如下所述将光纤传感器阵列安装在声学钢琴70中。首先，分别将滤光板5固定在音锤杆4a上，将基板2螺入杆宽底轨8a上。之后，滤光板5穿过缝隙6，并曝露于平部2b之上的空间。光纤9的束3b连接于组合光学元件3c的一个端部，另一端部通向平部2b上的空间。

工人将一个光纤9和通孔14a对齐，通过通孔14a将光纤9插入导向槽14b中，直到前端与定义导向槽14b的内部表面接触。工人用手指夹住舌片32，并向上移动。舌片32弹性变形，使间隙变宽。工人将传感器头30放入间隙中，并对齐突起40与凹部15。传感器头30被压在基板2的平部2b上，突起40被紧密地容纳于凹部15内。工人释放舌片32。接着，舌片弹性返回，将光纤9压在头主体部30a上。传感器头30夹于平部2b和舌片32之间，突起40和凹部15不允许传感器头30在平部2b上横向移动。

应该明白，光纤9夹于传感器头30和舌片32之间，安装中不需要任何粘附剂。工人不用较长时间就可完成安装工作，降低了生产成本。

第四实施例

参见附图的图12，本发明实施例的静音钢琴主要包括声学钢琴81、音锤止动器82和电子音调生成系统83。声学钢琴81与声学钢琴70类似，音锤止动器82可在自由位置和阻挡位置之间改变。自由位置处的音锤止动器82超出了音锤杆4a的轨迹，音锤设备4敲击相关弦71d，而不会对音锤止动器82产生任何干扰。另一方面，当音锤止动器82沿顺时针旋转90度时，音锤止动器82进入音锤杆4a的轨迹，并改变到阻挡位置。当钢琴家通过键盘弹奏曲调时，压下的键使相关运动机构脱离音锤设备4。然而，音锤杆4a在敲击弦71d之前加弹到音锤止动器82上。这样，钢琴家可没有任何钢琴声音地练习指法。

电子音调生成系统83包括音锤传感器83a、数据处理单元83b、音调发生器83c和耳机83d。数据处理单元83b、音调发生器83c和耳机83d与现有技术的静音钢琴类似，这里不再进行描述。

音锤传感器阵列83a通过本发明实施例的光纤传感器来实现。对于静音钢琴而言，第一实施例至第三实施例中实现的任何一种光纤传感器都是有效的。因此，为了简化，省略详细描述。

光纤传感器阵列可达到第一至第三实施例的所有优点。

第五实施例

图13表示本发明实施例的复合键盘乐器。该复合键盘乐器是自动演奏钢琴和静音钢琴之间的折衷。因此，复合键盘乐器的部件用指定上述自动演奏/静音钢琴的相应部件的参数来标记，并省略其详细说明。数据处理系统72a和数据处理单元83c由数据处理单元90代替，以简化电路设置。

复合键盘乐器具有键传感器阵列91，而不是音锤传感器阵列1/83a，键传感器阵列91向数据处理单元报告黑/白键71a的当前位置。数据处理单元90分析当前键位置，产生音乐数据代码。

用根据本发明的光纤传感器来实现键传感器阵列91。光纤传感器阵列包括传感器头92、光纤束93、组合光学元件94和滤光板95。第一至第三实施例中实现的任何种类的传感器头都可用于键传感器阵列91。换言之，图6、9或10之一所示的传感器头被用作传感器头92。组合光学元件94分别通过光纤连接于传感器头92上。组合光学元件94发射光，与第一至第三实施例类似地将入射光转换为光电流。

滤光板95分别固定于黑/白键71a的下部表面上，在每个滤光板95上形成一灰度代码。横向间隔地设置传感器头92，射到相邻传感器头92上的平行光束穿过滤光板95。因此，当黑/白键71a在静止位置和末端位置之间移动时，传输的光量随着当前键位置而变化。

光纤传感器91可取得第一至第三实施例的光纤传感器的所有优点。

在上述实施例中，组合光学元件3c用作转换单元，光纤9对应于光学导向部件。传感器头3a/20/30用作传感器头单元，滤光板5/95用作光学元件。

从上述描述可知，光纤被夹在传感器头3a、20或30的部件10/11、20a/21a/21b或30a/32之间。装配工可在短时间内完成装配工作，不需要任何粘附剂。这可减少复合键盘乐器的生产成本。

虽然已表示和描述了本发明的特定实施例，但在不脱离本发明的精神和范围的情况下所作的不同改变和变更对于本领域的技术人员而言是显而易见的。

可将根据本发明的光纤传感器的阵列用于另一种复合乐器，例如，练习键盘，其中，用冲击吸收器来代替弦，因此练习者可在没有任何钢琴声的情况下在键盘上练习指法。

根据本发明的光纤传感器可引入其它种类的乐器中，例如电子键盘、电子弦乐器和电子窗(window)乐器等。

可交换凹部15和突起。此时，在头主体10的背面上形成突起，在平部2中形成凹部15。

可将弹性材料片、例如橡胶插入光纤9和传感器头3a、20或30的部件10/11、20a/21a/21b或30a/32之间。

可通过部件、例如10/11、20a/21a/21b或30a/32将根据本发明的传感器头连接于多个光纤上。此时，多个光纤用作光学导向部件。

根据本发明的传感器头可仅射出一个光束并仅接收一个光束。或者，根据本发明的传感器头可仅射出光束，用根据本发明的其它传感器头来接收这些光束。此时，射出光束的传感器头和接收光束的其它传感器头一起形成传感器头单元。

在上述实施例中，将滤光板固定于音锤或键上。只要光学元件随着音锤/键的当前位置变化光学性能，任何种类的光学元件对于根据本发明的光纤传感器都是有效的。例如，可将反射板固定于音锤/键上，因此反射量随着当前位置变化。另一光学元件可变化色度。

Claims (24)

1.一种光学传感器，用于将移动物体(4；71a)的当前位置转换为电信号，包括：

一转换单元(3c；94)，生成光，并将入射光转换为所述电信号；

一光学导向部件(3b/9；93)，其一端连接到所述转换单元(3c；94)上，在所述一端和其另一端之间传播所述光和所述入射光；

一传感器头单元(3a；20；30；92)，连接于所述光学导向部件(3b/9；93)的所述另一端上，用于沿光路发射所述光，以及接收所述入射光；和

一光学元件(5；95)，固定于所述移动物体上，与所述移动物体按下述方式一起移动：穿过所述光路，根据所述移动物体的所述当前位置来在程度上改变所述入射光的光学性质，

其特征在于，所述传感器头单元(3a；20；30；92)包括一由接收部分所述光学导向部件(9)的导向路径(14a；21c；14b)形成的第一部分(10；20a；30a)和一与所述第一部分一起夹住所述光学导向部件的所述部分的第二部分(11；21a/21b；32)。

2.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述第一部分和所述第二部分分别由彼此分离的头主体(10)和夹具(11)构成。

3.根据权利要求2所述的光学传感器，其特征在于，所述头主体(10)和所述夹具(11)分别进一步包括凹部(14b)和紧密地容纳于所述凹部(14b)内的凸部(16)，所述导向路径是暴露于定义所述凹部(14b)的底部表面的槽(14a)，因此，用所述凸部(16)将所述光学导向部件(9)压向所述头主体(10)。

4.根据权利要求3所述的光学传感器，其特征在于，所述头主体(10)和所述夹具(11)之一进一步包括与所述头主体(10)和所述夹具(11)中的另一个啮合的钩(17)，因此所述钩(17)保持所述光学导向部件(9)夹在所述头主体(10)和所述夹具(11)之间。

5.根据权利要求4所述的光学传感器，其特征在于，所述头主体(10)和所述夹具(11)中的所述另一个进一步包括容纳所述钩(17)的凹部(19-1/19-2/19-3/19-4)。

6.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述第一部分和所述第二部分分别由头主体部(20a)和连接于所述头主体部(20a)上的弹性变形部件(21a/21b)构成，所述导向路径(21c)部分由所述头主体部(20a)限定，部分由所述弹性变形部件(21a/21b)限定，因此，所述光学导向部件(9)被弹性夹在所述头主体部(20a)和所述弹性变形部件(21a/21b)之间。

7.根据权利要求6所述的光学传感器，其特征在于，所述导向路径为暴露于所述头主体部(20a)的内部表面定义的凹部(21d)的底部表面的槽(21c)，用从所述内部表面突入所述槽内的弹性变形筋(21a/21b)来实现所述弹性变形部件。

8.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述第一部分和所述第二部分分别由安装于固定板(2)上的头主体部(30a)和固定在所述固定板(2)上的弹性变形部件(32)构成，所述导向路径为暴露于所述头主体部(30a)的上表面的槽(14b)，该槽具有比所述光学导向部件(9)的厚度小的深度，因此，当将所述头主体部(30a)安装在所述固定板(2)上时，所述弹性变形部件(32)将所述导向路径(14b)中的所述光学导向部件(9)压向所述头主体部(30a)。

9.根据权利要求8所述的光学传感器，其特征在于，进一步包括一定位部件(15/40)，将所述头主体部(30a)定位于所述弹性变形部件(32)下的所述固定板上的区域处。

10.根据权利要求9所述的光学传感器，其特征在于，由至少一个形成于所述固定板(2)和所述头主体部(30a)之一上的凸部(40)，以及至少一个形成于所述固定板(2)和所述头主体部(30a)另一个上的凹部(15)来实现所述定位部件，所述凹部紧密地容纳所述凸部(40)。

11.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述传感器头单元(3a；20；30；92)由允许所述光和所述入射光穿过其中传播的透明材料构成，所述第一部分具有一主体部(10a；20a；30a)和一颈部(10b；20b；30b)，该主体部由所述导向路径形成，该颈部从所述主体部突出，并包括位于所述导向路径(14a；21c；14b)的虚延伸线上的反射面(12)，从而将所述光分成两个光束，并将所述入射光导向所述光学导向部件(9)的所述另一端。

12.根据权利要求11所述的光学传感器，其特征在于，所述颈部(10b；20b；30b)进一步包括从所述两个光束产生平行光束的透镜(13)。

13.根据权利要求11所述的光学传感器，其特征在于，所述光学传感器中还包括多个结构与所述传感器头单元(3a；20；30；92)相同的多个传感器头单元，它们一起设置在固定板(2)上，并位于固定板的两侧，其中，所述两个光束同时入射到所述传感器头单元上，并从所述传感器头单元之一中射出所述入射光。

14.根据权利要求13所述的光学传感器，其特征在于，所述传感器头单元之一进一步具有定位部件(15/40)，将所述传感器头单元之一定位于所述光学元件(5；95)的轨迹两侧上的预定位置处。

15.根据权利要求14所述的光学传感器，其特征在于，由至少一个形成于所述固定板和所述传感器头单元之一上的凸部(40)，和至少一个形成于所述固定板和所述传感器头单元另一个上的凹部(15)来实现所述定位部件，所述凹部紧密地容纳所述凸部。

16.根据权利要求13所述的光学传感器，其特征在于，所述传感器头单元分别具有一夹持器，用于将所述传感器头单元固定在所述固定板(2)上。

17.根据权利要求16所述的光学传感器，其特征在于，用形成于所述固定板(2)中的通孔(2c)和从所述传感器头单元突出、穿过所述通孔来箝住所述固定板的钩(18)来实现所述夹持器。

18.一种乐器，用于生成音调，它包括：

多个可移动部件(4；71a)，可由表演者独立移动；

一音调生成系统(71a/71b/71c/71d/74；71d/83；71b/71c/71d/4/74)，该系统与所述多个可移动部件相连，用于生成由表演者移动可移动部件所指定的音调；和

一光学传感器阵列(1；83a；91)，用于向音调生成系统报告表演者操作的可移动部件，

其特征在于，所述阵列的每一个光学传感器都包括

一转换单元(3c；94)，生成光，并将入射光转换为电信号；

一光学导向部件(3b/9；93)，其一端连接到所述转换单元上，在所述一端和其另一端之间传播所述光和所述入射光；

一传感器头单元(3a；20；30；92)，连接于所述光学导向部件的所述另一端上，沿光路发射所述光，接收所述入射光，并包括一由接收部分所述光学导向部件的导向路径(14a；21c；14b)形成的第一部分(10；20a；30a)和一与所述第一部分一起夹住所述部分所述光学导向部件的第二部分(11；21a/21b；32)；和

一光学元件(5；95)，固定于所述多个可移动部件相关的一个上，与所述多个可移动部件相关的一个按下述方式一起移动：穿过所述光路，根据所述多个可移动部件相关的一个的所述当前位置来在程度上改变所述入射光的光学性质。

19.根据权利要求18所述的乐器，其特征在于，所述多个可移动部件和所述音调生成系统分别具有声学钢琴(70；81)的音锤(4)和多组弦(71d)。

20.根据权利要求19所述的乐器，其特征在于，所述声学钢琴(70)与记录系统(72)一起形成自动表演钢琴，该记录系统连接到所述光学传感器阵列，以根据光学传感器和自动表演系统(74)提供的信号来产生音乐数据代码，不用任何手指弹奏就能选择地移动所述声学钢琴的键，所述自动表演系统(74)形成部分所述音调生成系统。

21.根据权利要求19所述的乐器，其特征在于，所述声学钢琴(81)与音锤止动器(82)和电子音调生成子系统(83)一起形成一静音钢琴，该电子音调生成子系统连接于所述光学传感器阵列(83a)上，用于根据所述光学传感器阵列提供的信号生成电子音调，且所述电子音调生成子系统(83)用作部分所述音调生成系统。

22.根据权利要求18所述的乐器，其特征在于，所述多个可移动部件和所述音调生成系统分别具有键(71a)和连接到所述键(71a)上的运动机构(71b)，所述运动机构驱动音锤(4)转动，由所述音锤来敲击弦(71d)，所述键(71a)、所述运动机构(71b)、所述音锤(4)和所述弦(71d)形成部分声学钢琴。

23.根据权利要求22所述的乐器，其特征在于，所述声学钢琴与记录系统(90)一起形成自动表演钢琴，该记录系统连接到所述光学传感器阵列(91)，以根据光学传感器和自动表演系统(90/74b/74c/74d)提供的信号来产生音乐数据代码，不用任何手指弹奏就能选择地移动所述声学钢琴的键，所述自动表演系统形成部分所述音调生成系统。

24.根据权利要求22所述的乐器，其特征在于，所述声学钢琴与音锤止动器(82)和电子音调生成子系统(90/83c)一起形成一静音钢琴，该电子音调生成子系统连接于所述光学传感器阵列(91)上，根据所述光学传感器阵列提供的信号生成电子音调，且所述电子音调生成子系统用作部分所述音调生成系统。

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