专利名称：设有能覆盖宽检测范围的光束发生器的位置传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于把物体的位置转换成电信号的位置传感器，更确切地说，涉及一种带有光束发生器的位置传感器，所述的光束发生器可覆盖较宽的检测范围。
在美国专利5374775中公开了一种与键式乐器例如无声钢琴相结合的位置传感器。无声钢琴是在有声钢琴的基础上制造的，在无声钢琴中把音锤限制器、位置传感器、数据处理单元、音调发生器和耳机结合在一起。
当把音锤限制器移到使音锤限制器不能阻止音锤运动的自由位置时，无声钢琴具有与标准有声钢琴相似的效果，而且钢琴演奏者能够在无声钢琴上演奏出有声的乐曲。
另一方面，如果将音锤限制器变为使音锤在敲击琴弦之前从音锤限制器上弹回的阻挡位置，那么无声钢琴就成为键式电子乐器。位置传感器监视琴键/音锤，并把琴键/音锤的位置信息段传送到数据处理单元。数据处理单元以实时的方式处理位置信息并产生代表琴键/音锤运动的音乐数据码。把音乐数据码传送到音调发生器音调发生器把音乐数据码处理成声音信号。声音信号传送到耳机，使演奏者听到电子声响而不是通常的音响。
数据处理单元不仅要精确测定压下的琴键而且还要确定产生电声的时间和音锤在与其相关的琴弦附近的速度。钢琴声的音量与音锤速度成正比，而且数据处理单元根据音锤速度确定电声的音量。
一个对无声钢琴有效的位置传感器的典型实例是通过闸板和遮光器来实现的。在闸板上形成有一个窗口，且该闸板装在琴键的下表面上。另一方面，遮光器发射横穿阐板轨道的光束，而且阐板将光束遮断两次。在使阐板沿轨道运动的同时，引导缘第一次将光束遮断，然后，光束通过窗口，对窗口起限定作用的内边缘再次将光束遮断。遮光器改变与光强度有关的光电流量和琴键位置信号的能级(potential level)。在第一次光遮断和第二次光遮断时，遮光器把琴键位置信号变为低能级，而且数据处理单元根据琴键速度测定音锤速度，琴键速度是通过用从第一次光遮断到第二次光遮断的时间除引导缘和内边缘之间的距离算出的。
然而，由于琴键运动通常是沿相当复杂的轨道运行的，所以不可能精确表示两次光遮断的复杂轨道。为了使电声的音响与通过相同琴键运动产生的钢琴声的音响相匹配，可以增加遮光器；然而，这种解决办法将会增加生产成本。
美国专利5001339号公开了一种适用于有声钢琴的光电传感装置。按照该美国专利，对于有声钢琴的一个键来说，由信号发送器(flag)和遮光器共同形成已有技术的光电传感装置。将信号发送器安装到琴键的下表面上，使其绕一个轴转动。遮光器发射穿过信号发送器轨道的光束，信号发送器呈斜角形，该斜角形能够线性改变与其角位置有关的光束的光量。微处理器检出用光量表示的琴键位置数字信号，并确定目前的琴键位置。因此，已有的光电传感装置产生琴键位置信号，该信号根据目前琴键位置连续改变值。
在未审查的申请，日本专利公开号6-138870和6-149233中公开了另一种已有的位置传感器。该已有的位置传感器适用于有声钢琴的踏板。把一个板状半透明尺和一个光学读出头结合在位置传感器中，所述的板状半透明尺上印有亮度不连续变化的图案。把半透明尺装到有声钢琴的踏板上，使其与踏板一起运动。另一方面，光学读出头是静止的，它可光学读取亮度。当琴键和半透明尺一起运动时，从半透明尺上读出的光学亮度是变化的，由此光学读出头可产生代表踏板当前位置的踏板位置信号。
日本专利公开中的未审查申请4-75096公开了另一种适合于有声钢琴的已有的位置传感器。这种已有的位置传感器包括设在琴键下面的光反射器和装到下表面上的反射表面，光反射器向反射表面发射光束。当琴键运动时，反射光的强度会发生变化，光反射器将连续改变琴键位置信号。
然而，这些已有的位置传感器存在以下问题。
首先，美国专利中公开的已有光电传感装置存在检测范围窄的问题。信号发送器线性地改变投射到遮光器的光检测元件上的光量，微处理器根据投射的光量来确定目前的琴键位置。因此，检测范围是由光束确定。然而，市售的遮光器所能发射的光束太窄，以致于难以覆盖有声钢琴琴键的移动量。所以，已有的光电传感装置需要采取一些措施来达到较宽的检测范围。但是，目前大多数遮光器形成的光束具有圆形截面，而要实现琴键位置和投射光量之间的线性关系则希望制造商向信号发送器提供精确的具有斜角形截面的光束。这样的精确加工既费时又增加了生产成本。
已有的位置传感器存在校准的问题。半透明尺和光学读出头分别装在踏板机构和静止的板件上，它们之间的相对关系不断改变。因此需要制造商精确地校准已有位置传感器的每个产品，并测定所耗费的时间和劳动力。然而，即使是在出厂前对已有的位置传感器进行过校准，也会因年代的作用而使相对位置发生变化，而且老化对已有的位置传感器的影响很严重。
第三种已有的位置传感器存在精度问题。如上所述，反射器向琴键的下表面发射光束，并根据反射的光量确定目前琴键的位置。然而，反射的光量不受反射器和琴键下表面之间的距离控制。例如，它是通过反射表面的表面粗糙度和反射表面与光束之间的角度来改变反射的光量。因此，已有的位置传感器不能精确地检测目前的琴键位置。
因此，本发明的一个重要目的是提供一种具有较宽的检测范围、且提高了精度和生产成本较低的位置传感器。
为了达到这个目的，本发明建议在运动物体沿着轨道运动的方向上延长光束。
根据本发明，提供了一种用于确定运动物体在沿第一方向伸展的轨道上的当前位置的位置传感器，该传感器包括设在轨道的一侧上用于发射穿过轨道且具有第一截面形状的光束的光源；设置在轨道另一侧上且能使光束投射到其上的光束接收器，运动物体能够改变投射到光束接收器上的光量；设置在光源和光束接收器之间用于改变光束使之在第一方向上具有伸长的第二截面形状的截面形状改变器。
通过以下结合附图进行的描述将更有助于理解本发明所述位置传感器的特征和优点，其中
图1是表示设有本发明位置传感器的无声钢琴结构的示意性侧视图；图2是表示装在无声钢琴中的琴键传感器的底视图；图3是表示设置在一个琴键上的光束发生器的侧视图；图4是表示光束发生器的底视图；图5是表示光束发生器的侧视图；图6是表示从构成光束发生器一部分的传感头上发出的光束的前视图7是表示光束接收器的底视图；图8是表示光束接收器的侧视图；图9是表示光束投射到构成光束接收器一部分的传感头上的前视图；图10是表示与半导体光检测二极管相连的电流一电压转换器的电路图；图11是表示模拟琴键位置信号的势能级与当前琴键位置之间相互关系的曲线图；图12是表示半导体光发射/检测二极管和光束发生器/接收器之间连接的光导纤维的布置图；图13是表示装在光束发生器上的一个凸透镜变型例的底视图；图14是表示该凸透镜变型例的侧视图；图15是表示从该变型例所述凸透镜射向传感头的光束的前视图；图16是表示传感头第一变型例的平面图；图17是表示在图16所示传感头上反射的光束截面的视图；图18是表示传感头第二变型例的平面图；图19是表示在图18所示传感头上反射的光束截面的视图；图20是表示第二变型例的前视图；图21是表示传感头第三变型例的平面图；图22是表示第三变型例的侧视图；图23是表示第三变型例的前视图；图24是表示一排传感头的平面图；图25是表示该排传感头的剖面图；图26是表示另一排传感头的底视图；图27是表示该排传感头的剖面图；图28是表示一排光纤支承体的底视图；图29是表示整个光束发生器和整个光束接收器的底视图；图30是表示光束接收器整体的侧视图；图31是表示琴键传感器另一种布局的平面图。
首先参照附图中的图1，一架无声钢琴大致上包括有声钢琴1，音锤限制器2和电声发生系统3。在以下的描述中，词“前”的意思是指与“后部”位置相比更靠近演奏者在钢琴上弹奏乐曲的位置，而且参照对附图的有关描述来确定顺时针方向和逆时针方向。
在有声钢琴中设置有琴键1a/1b，琴键作用机构1c，音锤1d，琴弦1e和制音机构(未示出)，其演奏方式类似于标准的竖式钢琴。在有声钢琴1中设有88个琴键1a/1b，它们互彼结合成一个琴键盘。每个琴键1a/1b都能够绕嵌入平衡轨道1g中的平衡销轴1f转动。当钢琴演奏者压下琴键1a/1b时，压下的琴键1a/1b从静止位置RP变到终止位置EP。另一方面，当钢琴演奏者释放压下的琴键1a/1b时，借助自重使压下的琴键1a/1b返回到静止位置RP1。对于熟悉本领域的技术人员来说已非常熟悉标准的竖式钢琴，因此，在下文中不再对此作进一步描述。
音锤限制器2包括可双向转动的轴2a和装在轴2a上的缓冲件2b。音锤限制器2通过轴2a的转动可在自由位置FP和限制位置BP之间转换。当音锤限制器2处于自由位置FP时，音锤1d能够敲到与之相关的琴弦1e上从而产生与标准竖式钢琴相类似的声响。另一方面，当音锤限制器2变到阻挡位置BP时，音锤1d在敲到琴弦1e之前从缓冲件2b上弹回，而且不产生声音。
电声发生系统3包括多个琴键传感器3a，控制单元3b和耳机3c。琴键传感器3a分别监测琴键1a/1b，并产生代表有关硬琴键1a/1b当前的琴键位置的琴键位置信号KP。控制单元3b处理由琴键位置信号KP得到的位置信息。控制单元3b指出压下的琴键，并确定音锤的速度，且在有关的音锤1d敲出琴弦1e时确定撞击的时间和在有关的制音机构消音时确定消音时间。控制单元3b根据这些信息块产生音乐数据码，并将音乐数据码送到其音频发生器中。音频发生器产生声信号AD并通过耳机3c形成电声。
把琴键传感器3a设置在位于相关琴键1a/1b下部前轨道和平衡轨道1g之间的琴键底座1h上。闸板3d、光束发生器3e和光束接收器3f(见图2)作为一个整体构成每个琴键传感器3a。虽然是将闸板3d是分别装到琴键1a/1b的下表面上，但是要把每个光束发生器3e和每个光束接收器3f共同装在两个相邻的琴键1a/1b之间。
光束发生器3e由用螺栓固定到琴键底座1h上的支架3g支承，并以光学方式连接到半导体发光二极管3h上(见图2)。光束接收器3f也由支架3g支承，并以光学方式连接到半导体光电检测二极管3i上(见图2)。把半导体发光二极管3h和半导体光电检测二极管3i引入信号转换器3hi，控制单元3b通过信号转换器3hi与光束发生器3e及光束接收器3f连通。把半导体发光二极管3h和半导体发光二极管3i配置在电路板3hj上，而电路板3hj由支架3g支承。半导体发光二极管3h响应驱动信号DR并选择性地向光束发生器3e供光，半导体光电检测二极管3i把光转换成光电流以便使信号转换器3hi把代表当前琴键位置的琴键位置信号KP送到控制单元3b。
参见附图中的图2，把光束发生器3e和光束接收器3f交替地设置在支架3g上部的背面上，在支架3g上且在光束发生器3e和光束接收器3f之间形成有多个方形孔3j。每个闸板的轨道3d穿过相应的方孔3j，光束发生器3e发射的光束LB1/LB2/LB3/LB4穿过与琴键1a/1b相应的轨道。光束LB1-LB4投射到光束接收器3f上，投射的光量LB5/LB6随光闸在轨道上的位置而变化。虽然在图2中示出了三个琴键传感器，但是全部88个琴键1a/1b分别与各琴键传感器3a相关联。
半导体发光二极管3h通过光导纤维3k与光束发生器3e相连。光纤支承体3n，凸透镜3o和传感头3p结合形成每个光束发生器3e，而且所有光束发生器3e的结构彼此相同。光导纤维由涂有含氟树脂的丙烯酸树脂制成，其把恒定亮度的光从半导体发光二极管3h送至光束发生器3e。
光纤支承体3n用与光导纤维3k同样的丙烯酸树脂制成，并具有立方体结构。如从图3中所能更好地看到的那样，在光纤支承体3n上形成有通孔3na，通孔3na对着传感头3p。将光导纤维3k插入通孔3na，并粘接到光纤支承体3n上。以能使光束LB7/LB8射向传感头3p的方式将凸透镜3o和光纤支承体3n设置成一体。凸透镜3o具有半圆柱状结构，这将在下文中详细描述。在光纤支承体3n的顶部表面上形成有凸起3nb，该凸起恰好能装在支架3g上形成的孔3ga内。
传感头3P包括基板3Pa、反射棱镜体3Pb和凸透镜3Pc。基板3Pa应能恰好装入支架3g上形成的孔3gb内，并将反射棱镜体3Pb固定到基板3Pa上。反射棱镜体3Pb由一对棱镜构成，该棱镜具有直角三角形截面(见图2)。这一对棱镜以一个棱镜的斜面与另一个棱镜的斜面相对的方式相互结合。两个棱镜上分别设有反射表面3Pd和3Pe，而凸透镜3Pc一与棱镜的另一个表面构成一体以便将光束LB7/LB8引向反射表面3Pd/3Pe。光束LB7/LB8在反射表面3Pd/3Pe上反射，并等分成光束LB1/LB3和LB2/LB4。
光束LB7/LB8在凸透镜3o和传感头3P之间传播的过程中其截面变大，发散的光束LB7/LB8的宽度足以覆盖闸板3b在静止位置RP和终端位置EP之间的运动范围。然而，由于半圆柱形凸透镜3o并不会使椭圆光束LB7/LB8在横向上有较宽范围的延伸，为此，应使凸透镜3Pc具有比较大的曲率半径，且易于制造。
光束接收器3f通过光导纤维3m与半导体光电检测二极管3i相连，而且这些光束接收器3f彼此具有相同结构。光导纤维3k是用涂有含氟树脂的丙烯酸树脂制成的，其把投射到光束接收器3f上的光传播到半导体光电检测二极管3i。半导体光电检测二极管3i把光转换成光电流，而光电流与投射到半导体光电检测二极管3i上的光量成正比。
光束接收器3f包括光纤支承体3q、凸透镜3r和传感头3s。光纤支承体3q和传感头3s与光束发生器3e上的光纤支承体和传感头结构相同，而且分别与光纤支承体3n和传感头3p相匹配。因此，为了避免重复，在下文中不再对光纤支承体3q和传感头3s进行说明。凸透镜3r具有半球形结构，并与光纤支承体3q形成一体。
在方孔3j之间的区域内只设置一个光束发生器3e和光束接收器3f。把琴键1a/1b设计成使之具有小的间距，而且相应的方孔3j之间的区域也很窄。在这种情况下，需要把光束发生器/接收器3e/3f交替设置以利于安装琴键传感器3a。而且，把光纤支承体3n/3q与传感头3p/3s分开，只使传感头3p/3s位于方孔3j之间。制造商在支架3g上制出宽的方孔3d，而且并不强制性地要求把闸板3d装到琴键1a/1b的下表面上。然而，制造商可自由地调节发散的/会聚的椭圆形光束LB7/LB8和LB5/LB6的放大/缩倍率。
光纤支承体3n/3q处于与方孔d相对的同一侧上。在两个光导纤维3k/3m间设有间隙，光纤的布置很简单。
如上所述，将每个光束发生器3e布置在两个闸板3d之间，并且把每个光束接收器3f也布置在两个闸板3d之间。此外，把光导纤维3k分别连接到光束发生器3e上，而把光束接收器3f分别连接到光导纤维3m上。这意味着每个光导纤维3k/3m都设在两个闸板3d之间。这样，可以使用数量较少的光导纤维3k/3m和光束发生器/接收器3e/3f，因此制造商可降低电声发生系统3的生产成本。
光束发生器参照附图中的图4、5和6，光束发生器3e向其两侧上的光束接收器3f发射光束LB1和LB2。一个半导体发光二极管3h响应驱动脉冲信号DR并产生光脉冲，光导纤维3k把光脉冲传送到光束发生器3e。光束发生器3e通过光束LB7至光束LB1/LB2产生光脉冲。虽然另一个光束发生器3e也发射光束LB3/LB4，但是由于光束发生器3e通过光导纤维3k与另一个半导体发光二极管3h相连，所以半导体发光二极管3h在不同的时刻产生光脉冲。因此，光束LB2和LB3并不同时投射到处于它们之间的光束接收器3f上。
凸透镜3o具有半圆柱体结构，半圆形的上下表面30a垂直于闸板3d的轨道。因此，光束LB7在上下方向上很少有折射，而是以较宽的范围从凸透镜3o向传感头3p发散(见图5)。然而，凸透镜3o使光束LB7在横向上向内折射，而且如图4所示，光束LB7在横向上的发散程度小于在上下方向上的发散程度。结果，光束LB7形成了如图6中所示的椭圆截面CR0。
凸透镜3Pc使光束LB7向内发散，并使光束LB7发散成平行光束LB7’。把反射表面3Pd/3Pe调整成使之与椭圆形截面相内接。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。在图5中用点来表示光束LB1。反射表面3Pd/3Pe具有各自的投影平面，该投影平面垂直于平行光束LB7’，投影平面的面积彼此相等。这样，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。即使是制造商错误地把闸板3d安装到偏离传感头3p和3s之间中间位置的位置上，这种偏移的情况也不会影响当前的琴键位置和投射到光束接收器3f上的光量之间的关系。因此，平行光束LB1/LB2使得安装工作变得简单了。
在这种情况下，光束发生器3e把椭圆光束LB7变为矩形光束LB1/LB2，其光损失小于从圆形光束变为矩形光束。
光束接收器反过来参照附图中的图2和图3，图2中只示出了光束LB1/B2之一穿过闸板3d的轨道，并投射到光束接收器3f上的情况。光束接收器3f不仅接收来自其左侧光束发生器3e的光束LB2而且还接收在不同时刻来自其右侧光束发生器3e的光束LB3。因此，控制单元3b能够控制琴键传感器3a。为了简单起见，仅对光束LB2进行说明。
图7、8和9表示光束接收器3f。光束LB2投射到传感头3s的一个反射表面上，在图8中用点表示。光束LB2在反射表面上反射，并通过内反射改变方向。如上所述，传感头3s与传感头3p结构相同，并向凸透镜3r发射光束LB5。传感头3s的凸透镜使光束LB5朝着凸透镜3r会聚。
半球形凸透镜3r使光束LB5朝着光导纤维3m的入口端进一步会聚，投射光通过光导纤维3m传送到一个半导体光电检测二极管3i。
琴键传感器的工作状况把每个半导体光电检测二极管3i连接到电源线Vdd和地线GND之间，而且如图10所示，把电流一电压转换器R1插在半导体光电检测二极管3i和地线GND之间。半导体光电检测二极管3i同时提交光电流和投射到其上的光量，电流一电压转换器R1使模拟琴键位置信号KP的能级与光电流量成正比改变。电流-电压转换器R1构成信号转换器3hi的部件。
现在假设将琴键1a/1b向下压，闸板3d遮挡光束LB2，向下的琴键运动使光束LB2与闸板3d重叠的区域变大。在琴键1a/1b向下运动期间，光束发生器3e断续地发射穿过闸板3d轨道的光束LB2，投射到光束接收器3f上的光束LB2的量越来越少。此外，半导体光电检测二极管逐渐减小光电流，而且电压-电流转换器R1降低模拟琴键位置信号kp的势能级。控制单元3b根据模拟琴键位置信号kp的能级在静止位置RP和中止位置EP之间确定当前的琴键位置。虽然在图中没有示出，但是可以在信号转换器3hi中进一步设置一个模/数转换器，以便把模拟式琴键位置信号kp转换成数字式琴键信号。
该光束具有矩形截面CR1，而且截面CR1在上下方向上拉长。当琴键1a/1b处于静止位置RP时，闸板3d与矩形截面CR1稍有重叠。在琴键向下运动期间重叠面积逐渐增加，而当琴键1a/1b达到终止位置EP时，重叠面积达到最大。半圆柱形的凸透镜3o把光束LB2拉长，截面CR1覆盖静止位置RP和终止位置EP之间的闸板3d的轨道。而且，矩形闸板3d线性地改变矩形截面CR1的重叠面积。因此，如图11中的曲线PL1所示，模拟琴键位置信号kp线性地改变与当前的琴键位置有关的电位。这样便可以简单地计算当前的琴键位置。
光导纤维3k发射圆形截面的光束。凸透镜3o使光束在上下方向上拉长，而反射表面3Pa/3Pe把椭圆光LB7变成矩形光束LB1/LB2。圆形光束的强度在整个表面上是均匀的；然而，椭圆光束LB7的强度在整个表面上并不是严格地均匀。椭圆形光束的强度在顶部和底部比在侧面区域稍弱。虽然反射表面3Pd/3Pe从椭圆形光束LB7中部分地除去了顶部和底部区域，但是在矩形光束LB1/LB2中可能仍然会留下亮区和阴影区。因此，应这样布置琴键传感器3a，即如图11所示，使闸板3d的运动落在曲线PL1的中部区域内。这样，琴键传感器3a可以严格地按照与闸板3d的位移之间的比例关系改变琴键位置信号kp，位置检测的精度高于采用反射器的已有位置传感器的精度。
如上所述，琴键传感器3a并不仅仅检测遮住的光束而且还能精确地确定处于静止位置RP和终止位置EP之间的当前琴键位置。即使在琴键从终止位置回到静止位置的中途将琴键1a/1b压下，控制单元3b也能精确地测定琴键的运动。此外，控制单元3b可根据琴键1a/1b的微小移动计算出琴键速度。因此，控制单元3b能产生代表有声钢琴所发声音的音乐数据码，而且耳机3c能在同一时刻以与有声钢琴同样的音量和相同的延续时间产生电声。
凸透镜3o使光束LB7朝着传感头3p发散，光束发生器3e使光束LB1/LB2的宽度足以覆盖闸板在静止位置RP和终止位置EP之间的运动范围。换句话说，本发明所述的琴键传感器3a即不需要沿闸板3d的轨道布置多个遮光器，也不需要半透明尺。而且，希望线性增大闸板3d与矩形光束LB1/LB2的重叠面积。在这个实例中，闸板3d由矩形板状件构成，而且矩形闸板3d线性地增大重叠面积。最后，按照本发明所述的琴键传感器3a不必进行采用反射器的已有位置传感器所需完成的工作，也不需要半透明尺。因此，闸板3d比已有光电传感装置的信号发送器简单，而且这种简单的闸板3d有利于制造商降低位置传感器的生产成本。
为了控制由琴键传感器3a监视的各个琴键，如图12所示，把光导纤维3k/3m接在半导体发光二极管/光电检测二极管3h/3i和光束发生器/接收器3e/3f之间。
把光导纤维3k分成12束3ka、3kb、3kc，…及3km，将它们选择性地连接在半导体发光装置3ha、3hb、3hc，…及3hm和光束发生器3e之间，同样，把光导纤维3m分成8束3ma、3mb、…3mg及3mh，将它们选择性地连接在半导体光电检测装置3ia、3ib、3ic、…3ig以及3ih和光束接收器3f之间。
把88个琴键1a/1b从#1至#88分别编号，利用琴键右侧上的琴键编号可以示出每个琴键1a/1b。例如，将最左侧的光束发生器3e和最左侧的光束发生器3f分别标以#1和#2。表1示出了半导体发光二极管3ha-3hm和光束发生器3e之间的内在联系，而表2示出了半导体光电检测二极管3ia-3ih和光束接收器3f之间的内在联系。
表1
表2
控制单元3b具有驱动信号端口3ba和信号接收端口3bb。把驱动脉冲信号DR顺序地从驱动信号端口3ba送至半导体发光二极管3ha-3hm，半导体发光二极管3ha-3hm在不同的时刻产生光脉冲。当半导体发光二极管3ha受激后产生光脉冲时，其它半导体发光二极管3hb-3hm截止，这时光脉冲发给光束发生器#1、#25、#49、#73。接着，控制单元3b把驱动脉冲信号DR以驱动信号编口3ba送至半导体发光二极管3hb，并把光脉中分给光束发生器#3、#27、#51、#75。用这种方式，可顺序激励半导体发光二极管3ha-3hm，并选择性地把光脉冲送到光束发生器3e。即使是把每个光束接收器3f设在相邻两个光束发生器3e之间，光束LB2和LB3也不会同时发射到相同的光束接收器3f。例如，虽然把光束接收器#2设在光束发生器#1和#3之间，但由于光束发生器#1和#3在不同的时刻产生光脉冲，所以光束接收器#2在不同的时间接收来自光束发生器#1和#3的光束。因此，如果半导体光电检测二极管3ia在半导体发光二极管3ha发光时改变了琴键位置信号kp，那么控制单元3b便断定该琴键位置信号kp代表的是琴键#1的当前琴键位置。
在这个实例中，半导体发光二极管3h，光导纤维3k和光纤支承体3n作为一个整体构成光源，而凸透镜3o和传感头3p则组合形成截面变化器。
变型例虽然以上已经展示和描述了本发明的优选实施例，但是很显然，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的构思和范围的情况下，可以对本发明作出各种各种变化和改进。
例如，本发明的位置传感器可以监视音锤而不是琴键1a/1b，从而作为音锤传感器。而且，琴键传感器和音锤传感器均可由本发明的位置传感器实现。
琴键或音锤可直接遮挡光束发生器和光束接收器之间的光束。
椭圆形光束LB7/LB8可以在不变成矩形光束LB1-LB4的情况下简单地朝光束接收器反射。在这种情况下，模拟琴键位置信号的电位与琴键1a/1b的位置不再是线性关系。因此，要求控制单元3b通过复杂的计算来确定当前的琴键位置。
虽然光束发生器3e和光束接收器3f分别带有半圆柱形凸透镜3o和半球形凸透镜3r，但是光束发生器/接收器可以都具有加工成半球形结构的凸透镜。这样便可将把与凸透镜形成一体的光纤支承体配置在光束发生器和光束接收器之间。然而，光束LB7/LB8具有圆形截面，而且反射表面3Pd/3pe把圆形光束LB7/LB8变成矩形光束LB1-LB4。这意味着，通过这种变换会造成大量损失。
凸透镜3r不限于半球形结构。半球形凸透镜3r把光束LB5/LB6聚焦到光导纤维3m的入口端上，并使光束LB5/LB6与半球形凸透镜3r的中线稍有偏移。因此，半球球凸透镜3r是比较理想的。然而，半圆柱形凸透镜3o则适合于光束接收器3f。如上所述，凸透镜3o也可以具有半球形结构。如果凸透镜3o和3r具有同样的结构，那么光束发生器3e和光束接收器3f便可以彼此互换。
图13-15表示适用于光束发生器和/或光束接收器的凸透镜的变型例。改型的凸透镜11与光纤支承体3n成一体，并使光束LB7朝传感头3P扩散。凸透镜11具有半椭圆形结构，而且由此在假想水平面上的椭圆截面及曲率半径小于假想垂直面上的椭圆截面及曲率半径(将图3与图4相比)。所以，光束LB7在上下方向上扩散的范围较宽；然而，凸透镜11限制了在横向上的横向扩散。光束LB7具有椭圆形截面CR2，而且反射表面3Pd/3Pe把光束LB7变成矩形光束LB1/LB2。在图15中用CR3表示光束LB1/LB2的矩形截面。
可以把凸透镜3o/3r与光纤支承体3n/3g分离。
图16和17表示传感头的第一变型例。图16中所示的传感头21除了具有平直表面21a之外其它均与传感头3p相似。光束LB21投射到平直表面21a上，并分成两束光LB22和LB23。光束LB22/LB23从平直表面21b和21c上射出，光束LB22/LB23的截面CR4比平直侧表面21b/21c窄。在这种情况下，所设置的透镜最好使光束LB21成为平行光。传感头21的反射表面21d/21e把光束LB22/LB23变成矩形截面。当用传感头21作为光束接收器3f时，最好是在从传感头21到凸透镜3r的光路上设置一个凸透镜。
图18、19和20表示传感头的第二变型例。图18-20中所示的传感头22除了具有凸形侧表面22a/22b和平直的入射表面22c之外，其它均与传感头3p相类似。光束LB24投射到平直表面22c上，反射表面22d和22e把光束LB24分成两束光LB25和LB26。凸形侧面22a/22b使光束LB25和LB26稍有折射，并使光束LB25/LB26成为平行光。第二变型例还适用于光束接收器3f的传感头。
图21、22和23表示传感头的第三变型例。图21-23中所示的传感头23适合于从半球形凸透镜发射的光束LB27。传感头23除了具有半球形凸透镜23a之外，其它与传感头3p相似。光束LB27投射到半球形凸透镜23a上，其圆形截面CR6的半径小于半球形凸透镜23a的半径。半球形凸透镜23a使光束LB27成为平行光，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的半径等于投射到半球形凸透镜23a上的光束27的半径，而且光束LB28/LB29的截面CR7是半圆形。把半圆形截面CR7在上下方向上拉长，且反射表面23b/23c起截面变换器的作用。
光束LB28/LB29分别从平直侧面23d/23e上射出。与闸板3d重叠的区域呈非线性改变；然而，把所有的入射光都分成光束LB28/LB29，而且光束LB28/LB29增大了光电流量。
图24和25表示整排传感头31a/31b，传感头31a/31b分别与传感头3p/3s相类似。把传感头31a设置在与光束发生器3e相当的光束发生器中，传感头31b构成相当于光束接收器3f的光束接收器的一部分。传感头31a/31b与分隔器31c和基板31d构成一体，而且把基板31d安装到琴键底板1h的上表面上。传感头31a/31b与琴键底板1h呈垂直状态设置，闸板3d在传感头31a和31b之间运动。安装工人可以简单地把基板31d安装到主板1h上，而且安装-整排传感头31a/31b比分别安装传感头3p/3r的安装工作要简单的多。
图26和27表示另一整排传感头32a/32b，这些传感头与传感头3n/3s相类似。把传感头32a和传感头32b分别装在相当于光束发生器3e的光束发生器上和相当于光束接收器3f的光束接收器上。传感头32a/32b还通过分隔器32c与基板32d构成一体，基板32d装到支架3g的底面上。基板32d具有梳形结构，指形部分32e从凸起部分32f上突出。方形孔3j与指状部分32e交替布置，闸板3d遮挡从传感头32a射出的光束。这样，安装工人能简单地把基板32d安装到支架38上，而且一整排传感器32a/32b也使安装工作变得容易。
图28表示安装到支架3g底表面上的一排光纤支承体33a/33b。光纤支承体33a/33b与基板34形成一个整体，此外凸透镜3c和3r与光纤支承体33a/33b构成一体。安装工人能够简单地把基板34安装到支架3g上，而且一排式结构的纤维支承体33a/33b使安装工作变得容易。
图29和30表示一个整体的光束发生器35a和整体的光束接收器35b。光纤支承体3n和传感头3p与基板36a构成一体，光纤支承体3q和传感头3s与基板36b构成一体。安装工人可以交替地把整体的光束发生器35a和整体的光束接收器35b安装到支架3g的底表面上，整体的光束发生器35a和整体的光束接收器35b使安装工作变得容易。
按照本发明所述的位置传感器的应用领域并不限于无声钢琴。还可以将琴键传感器和/或音锤传感器用于自动演奏的钢琴，而本发明所述的位置传感器也适用于自动演奏钢琴的琴键传感器/音锤传感器。同样，还可以把本发明的位置传感器用到训练钢琴上，这种钢琴包括代替琴弦的限制器，带有练习音锤的电子琴键和标准电子琴键。而且，本发明所述的位置传感器适用于任何一种运动物体。
可以把半导体发光二极管和半导体光电检测二极管直接装到光纤支承器3n/3q上。
从凸透镜30发射的光束可以通过折射改变其方向。
通过在光纤支承体3q上安装凸透镜3r便可简单地构成一个光束接收器。在这种情况下，把光纤支承体3q移到传感头3s占据的位置上。可用光纤支承体3q直接支承半导体光电检测二极管。
在上述实施例中，凸透镜3o把光束LB7/LB8在上下方向上拉长，而且在光纤支承体3n和闸极3d之间设置截面变换器。然而，也可以把截面变换器设置在闸板和光束接收器之间。
在光束LB1-LB4的截面太窄以致于无法覆盖闸板运动范围的情况下，可以在光束LB1-LB4的光路上插入一个合适的透镜。
光纤支承体3n、传感头3p、传感头3s和光纤支承体3q彼此之间可以选择性地构成一体。当然，也可以将所有传感头3n/3s和光纤支承体3n/3q彼此构成一体。
最后，如图31所示，可以将与凸透镜3o构成一体的光纤支承体3n设置成使之与和凸透镜3r构成一体的光纤支承体3q直接相对。在这种情况下，闸板3d在琴键1a/1b的宽度方向上伸展。因此，本发明的琴键传感器比琴键传感器3a简单。
权利要求
1.用于测定运动物体(3d)在沿第一方向伸展的轨道上所处的当前位置的位置传感器，包括设在所说轨道一侧上的光源(3k)，该光源发射穿过轨道且具有第一截面的光束；和设在所说轨道另一侧上的光束接收器(3f)，该光束接收器允许所说光束投射到其上从而可通过所说的运动物体改变投射到所说光束接收器上的光量；其特征在于进一步包括设在所说光源和所说光束接收器之间的截面变换器(30；11；23b/23c 30)，使得所说光束变成在所说第一方向上具有拉长的第二截面(CR0；CR2；CR7)的光束。
2.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于所说的截面变换器包括在所说的第一方向和与所说第一方向垂直的第二方向之间具有不同反射能量的透镜(30；11)。
3.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于所说的光源由光导纤维(3k)构成，该光导纤维能使所说光束扩散，所说的截面变换器包括凸透镜(30；11)，凸透镜在所说第一方向上的正反射能量小于所说第二方向上的反射能量。
4.根据权利要求3所述的位置传感器，其特征在于所说的凸透镜(30；11)位于所说的光导纤维和所说的运动物体之间。
5.根据权利要求4所述的位置传感器，其特征在于所说的光导纤维(3k)由光纤维支承体(3n)支承，和所说的凸透镜(30；11)与所说的光纤支承体构成一体。
6.根据权利要求4所述的位置传感器，其特征在于把凸透镜(30；11)加工成从一组由半圆柱形和半椭圆形构成的结构中选定的一种结构。
7.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于所说的截面变换器包括用于把所说第二截面变成矩形截面(CR1；CR4；CR5)的光束变化装置(3Pd/3Pe；21d/21e；22d/22e)。
8.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于所说的截面变换器包括使所说光束成为平行光的平行化装置(3Pc；22a、22b、23a)。
9.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于所说的截面变换器包括用于把所说光束分成分别射向所说光束接收器和另一光束接收器这样两束分光束(LB1/LB2；LB22/LB23；LB25/LB26；LB28/LB29)的分光装置(3Pd/3Pe；21d/21e；22d/22e；23b/23c)。
10.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于所说的截面变换器包括用于使所说光束转向所说轨道的光路改变装置(3Pd/3Pe；21d/21e；22d/22e，23b/23c)。
11.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于所说的光束具有圆形截面，所说的截面变换器包括一个反射面(23b/23c)，该反射面把所说光束分成两束具有半圆形截面的分光束(LB28/LB29)。
12.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于所说的光源由光导纤维(3k)构成，而光导纤维由第一光纤支承体(3n)支承，所说的截面变换器包括第一凸透镜(30；11)，其接收来自所说光导纤维的光束而且在所说第一方向上的正折射量小于在与所说第一方向垂直的第二方向上的折射能力，和第一传感头(3p；31a；32a；33a)，其接收来自所说凸透镜的光束并向所说运动物体发射具有所说矩形截面的所说光束，和所说光束接收器包括第二传感头(3s；31b；32b；33b)，其接收穿过所说轨道的光束并使所说光束弯成一定角度，由第二光纤支承体(3q)支承的第二光导纤维(3m)和第二凸透镜(3r)，其使所说光束从所说第二传感器朝着所说第二光导纤维会聚。
13.根据权利要求12所述的位置传感器，其特征在于所说第一传感头(31a；32a)与所说第二传感头(31b；32b)构成一体。
14.根据权利要求12所述的位置传感器，其特征在于所说第一光纤支承体(33a)和所说第二光纤支承体(33b)彼此构成一体。
15.根据权利要求12所述的位置传感器，其特征在于所说的第一光纤支承体(3n)、所说的第一凸透镜(3o)和所说的第一传感头(3p)彼此构成一体，而所说的第二光纤支承体(3q)、所说的第二凸透镜(3r)和所说的第二传感头(3s)彼此构成一体。
16.根据权利要求12所述的位置传感器，其特征在于所说的第一传感头(3p)与所说的第二传感头(3s)相互匹配。
全文摘要
位置传感器，其通过由装在琴键(1a/1b)上的闸板(3d)遮挡的光强度变化来确定琴键的当前位置，而且一个半圆柱形凸透镜(3o)把从光导纤维(3k)发出的光束在平行于琴键轨道的方向上拉长，从而使光束完全覆盖闸板的运动范围。
文档编号G01D5/34GK1162111SQ9612391
公开日1997年10月15日 申请日期1996年11月30日 优先权日1995年11月30日
发明者山本润, 佐佐木力 申请人:雅马哈株式会社