一种乐器力度键盘的光电装置 [技术领域]
本发明涉及技术领域为乐器类，具体说涉及一种乐器力度键盘的光电装置，特别是通过一种改进的红外光电开关检测键盘类乐器琴键动作及弹奏力度的电路装置。
[背景技术]
钢琴琴键具有力度特性，其重点是弹奏琴键的手指力度和钢琴发出的音量效果呈正相关性。现在大多数电子琴和电子钢琴模拟传统钢琴的这种力度效果，实现的原理依据牛顿第二定律：物体的加速度和物体所受的合外力成正比的关系。即检测琴键运动中通过恒定两点间的时间差，可求得加速度及力度，进而控制音源的音量强弱效果。目前琴键常用的力度检测电路大多数为接触式，极少数用非接触式。
接触式通常是用类似家电遥控器的导电胶做为开关触点，但遥控器一般一个按钮只有一个触点，而力度琴键下部则设置两个触点，对应电路板上的两处通断点，由于两处导电胶触点的构造形状差异，造成同时按键时两个通断点有先后时间间隔，即时间差。如测得的时间差大，则加速度小，力度弱；反之，时间差小，则加速度大，力度强。接触式导电胶法的优点是电路简单，成本低，制造装配容易；缺点是琴键和导电胶、导电胶再和电路板接触栅接触过程中产生阻力，使导电胶对琴键弹奏手感产生影响，制造及装配误差容易造成时间间隔的误差，塑胶导电胶也容易老化磨损及弹性疲劳，导电胶触点与电路板接触栅的电阻值易受环境温、湿度影响。目前绝大多数电子琴和电子钢琴的力度键盘采用导电胶方法。
非接触式大多采用红外光发射与接收半导体组件，检测琴键按下时红外光被阻挡的信号。检测琴键力度的方法，一般是在琴键下部设置两组红外光发射接收半导体组件，即两组光电开关，当红外光被与琴键相连的阻光片阻挡时，光敏接收管由导通转为截止，输出检测信号；由于两组光电开关和阻光片的构造形状差异，造成按键时两个光敏接收管的检测信号有先后时间间隔，进而推算出琴键运动的加速度和力度。通常阻光片用长方形金属片加工成直角，一面用螺钉紧固于琴键底面，另一面用于阻挡红外光。根据两组光电开关结构及安装的不同，有用两片阻光片的；也有用一片阻光片的，将较宽的、阻光的一边加工成一上一下的阶梯形。
光电开关法的优点是阻光片在发射管与接收管间非接触运动，不影响琴键的弹奏手感，发射管与接收管通用性强，反应灵敏，不会磨损；缺点是成本较高，光电开关和阻光片个体大，装配稍麻烦，容易产生误差，装配误差会造成时间间隔信号的误差。个别高档的传统钢琴附加录音等功能，需检测键盘力度时采用这种光电开关法，一般较少采用。
非接触式国外也有用一组红外光发射接收半导体组件检测光信号强弱的方法检测力度，弹奏琴键时，阻光片向下运动，红外光由强转弱至无，光敏接收管输出电流随之变化，由于光敏接收管工作在特性曲线的线性区，光敏接收管的放大倍数误差等制造误差和装配误差容易产生错误结果，一致性不如两组光电开关中光敏接收管只工作在饱和区或截止区可靠。由于光敏接收管输出的是模拟信号，还需另加辅助电路转换成数字信号，该检测方法电路复杂，成本高，抗干扰性差。
[发明内容]
本发明的目的是提供一种改进的非接触式力度键盘电路装置，特别是不影响琴键的弹奏手感，成本相对较低，可靠性和一致性好，反应灵敏，装配方便，误差较小的力度键盘检测电路，其采纳了光电开关方法的长处，弥补其不足，使光电开关检测乐器力度键盘的方法可以较大范围的推广应用。
为实现上述目的，本发明设计一种乐器力度键盘的光电装置，包括红外双控光敏接收管、红外发射二极管、凹槽型黑色塑料壳体、阻光片、电路板和电子元器件，并且阻光片连接乐器键盘琴键的底面，其特征是：红外双控光敏接收管内设有两颗相同的红外光敏三极管芯片，被制作在同一个公共电极支架上，两颗芯片公共电极的极性相同，每颗芯片的另一电极各自独立，两颗芯片处于同一平面，两颗芯片中心分别处于同一垂直线的上、下位置，被塑料树脂封装成一体，红外发射二极管和红外双控光敏接收管置于凹槽型黑色塑料壳体的对立两侧中，透过凹槽两侧相对的垂直感光通槽，红外双控光敏接收管内两颗红外光敏三极管芯片接收红外发射二极管发射的红外光。
所述的每组置于凹槽型黑色塑料壳体对立两侧中的红外发射二极管和红外双控光敏接收管，对应乐器键盘的每个琴键，安装在设于乐器键盘下方的电路板上，红外双控光敏接收管内两颗红外光敏三极管芯片各自独立的电极，分别电气连接由二极管或三极管或集成电路组成地相同的开关电路。
所述的乐器整个键盘的每个琴键，对应一组置于凹槽型黑色塑料壳体对立两侧中的红外发射二极管和红外双控光敏接收管，以及相关电气连接的由二极管或三极管或集成电路组成的相同的开关电路，各组之间按行列关系电气连接，完成整个乐器力度键盘的矩阵电路扫描。
所述的对应乐器键盘的每个琴键，所有置于凹槽型黑色塑料壳体中的红外发射二极管按行列关系分成多个队列电气连接，各队列内的红外发射二极管同步发射或截止，各队列间的红外发射二极管周期轮换发射红外光。
所述的乐器键盘每个琴键的底面且对应凹槽型黑色塑料壳体凹槽上方的中心位置，各设一连接琴键的阻光片，阻光片和琴键底面垂直成T型，可以随琴键在凹槽中上下运动而不和凹槽接触。
所述的琴键底面设有槽孔，金属的阻光片插入槽孔中，阻光片设有的直角定位角限位于键体底面，阻止阻光片过度深入槽孔，阻光片设有的尖锐锲形角抵住槽壁，阻止阻光片从槽孔中退出，阻光片和琴键粘胶结合构成。
所述的红外双控光敏接收管内所设有的两颗红外光敏三极管芯片是NPN型，制作在同一个公共的集电极支架上，发射极各自独立。
[实施例]
本发明实施例所采取的技术方案如下：利用通常的树脂封入型红外光敏三极管制备工艺，在同一个电极支架上制作两颗相同的红外光敏三极管芯片，该电极为公共极，两颗芯片公共电极的极性相同，每颗芯片的另一电极各自独立，两颗芯片处于同一平面，两颗芯片中心分别处于同一垂直线的上、下位置，塑料树脂封装成一体，成为含有上位光敏三极管和下位光敏三极管的红外双控光敏接收管。两颗芯片的间距取值1至2毫米为宜，为力度特性检测的重要参数。该双控光敏接收管除了多一个电极，其余外形尺寸与普通光敏接收管基本相同。将该双控光敏接收管和一颗波长符合接收管要求的发射管，置于同一个凹槽型黑色塑料壳体的对立两侧中，使发射管所发射的红外光介于双控光敏接收管两颗芯片的有效感光角内，构成红外双控光电开关。将该红外双控光电开关安装于琴键下方，在琴键底面且黑色塑料壳体凹槽的上方的对应中心位置设一红外光阻光片，该阻光片连接琴键，可以随琴键在凹槽中上下运动而不和凹槽接触。开始工作时，没有阻光片阻挡，双控光敏接收管内的上位光敏三极管和下位光敏三极管均感光导通；当琴键向下运动，首先上位光敏三极管感光被阻挡，上位光敏三极管电流截止，发出开始力度检测的计时控制信号；等到下位光敏三极管感光被阻挡，下位光敏三极管电流截止，发出结束计时的控制信号，乐器主控板上的微处理器根据时间间隔测得琴键向下运动的加速度(力度)，进而按预设的力度响应特性规则控制音源相应发音，完成单个琴键的力度检测。
一架乐器键盘由数十个琴键组成，通常电子乐器将键盘分解成若干横向行和竖向列构成的行列关系的矩阵扫描电路，一个方向发送扫描信号，另一个方向读取扫描信号，所有琴键对应为行列中的交叉节点。而一个力度琴键节点又相应由上位、下位两个开关组成，大多采用公用一根输入线发送扫描信号，从两根独立的输出线读取扫描信号的方式。当检测某个琴键时，从公用的输入线发送扫描信号，若琴键没有按下时，两根独立的输出线没有扫描信号；若琴键按下时，两个开关先后导通，从各自的输出线先后可以读取扫描信号，即可测得该键的力度及发音控制信号。一般电子乐器键盘为8根扫描信号输入线，则比较普及的61键电子琴基本为各8根上位和下位扫描信号输出线(8×8＞61)，88键电子钢琴基本为各11根上位和下位扫描信号输出线(8×11＝88)。
由于红外双控光电开关工作状态是琴键按下时两颗光敏三极管截止，不按琴键时两颗光敏三极管导通，不同于普通开关按下短路，反之开路。但是，利用光敏三极管的开关特性，可以控制其它半导体器件实现按键导通，反之截止。所以，利用本发明技术方案所述的红外双控光电开关及其辅助电路可以实现整个乐器键盘行列关系的矩阵电路扫描检测，每个行列节点对应一个红外双控光电开关及其辅助电路。
作为红外双控光电开关光源的红外光发射二极管，在矩阵扫描电路中可以根据电源电压多个串并联，经限流电阻直接连接直流电源。也可以根据电源电压按行列关系将处于同一扫描信号输入线上的红外发射二极管多个串并联组合，配合扫描信号经半导体器件控制脉冲供电。两种方法都可以，前者电路简单，成本低；后者能耗降低，且红外发射及接收管不容易老化。
关于琴键的阻光片设置：阻光片和琴键底面垂直成T型，材料以金属为宜，宽度数毫米，其可以作为嵌件，塑料键皮(琴键)注塑成型时和其结合为一体，也可以塑料键皮(琴键)注塑成型后再将其压入。如琴键是木质键体，也可以用嵌件压入的方法设置阻光片，将阻光片的连接部分插入琴键底面的细槽中，其中的锲形角刺抵住槽壁，阻止阻光片在细槽中活动，若阻光片粘强力胶后再插入细槽中，效果更好。
本发明设计新颖，实用性强，安装方便，简化了阻光片的装配。与现有红外光发射接收半导体组件检测力度技术相比，本发明电路简单，体积小，成本显著降低，装配误差小。其比导电胶力度检测电路的优点是使用寿命长，灵敏可靠，精度高，受环境温、湿度影响小，非接触检测方式不影响琴键的弹奏手感，实用性强，适合在各类传统钢琴中增加功能，需检测琴键动作时应用。
[附图说明]
图1为本发明红外双控光电开关组件示意图
图2为本发明实施列安装结构示意图。
图3为本发明实施列阻光片安装结构示意图。
图4为本发明阻光片另一种安装结构示意图。
图5为本发明实施例力度键盘矩阵扫描电路原理图。
图6为本发明另一实施例力度键盘矩阵扫描电路原理图。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，这种制造技术及电气连接原理对本专业的人来说是容易理解和清楚的。
图1中红外双控光敏接收管(1)内含上位光敏三极管(111)和下位光敏三极管(100)两颗芯片，两颗芯片处于同一接收平面，芯片中心处于同一垂直线的上、下位置，中心间距1至2毫米较适合，间距小，触键反应灵敏，但力度效果弱化；间距大，力度效果显著，但触键反应迟钝，且光敏三极管的有效感光角度受限制。由于国内流行用氧化硅制造NPN型光敏三极管芯片，根据通常NPN型光敏三极管制备工艺，芯片被制作在利于散热的集电极支架上，而发射极用金属丝焊接在另一支架上引出的做法，实施例中，将两颗NPN型光敏三极管硅芯片集成在同一个集电极支架上，两个独立的发射极用金属丝焊接在各自的引脚支架上，成为共集电极双光敏三极管。实施例采用小电流低功耗电路设计，两颗硅芯片集成在同一个器件里，公用一个集电极，为共集电极双控光敏接收管。
红外双控光敏接收管(1)和红外发射二极管(3)置于一个凹槽型黑色塑料壳体(2)中，使发射二极管(3)发射的红外光介于红外双控光敏接收管(1)中的两颗光敏三极管芯片的感光角内；凹形槽宽度通常为几毫米，凹形槽的发射面和接收面各有一条约1毫米宽相对的垂直感光通槽。实施例中，当阻光片(4)从黑色塑料壳体(2)凹槽上方向下运动，先阻挡上位光敏三极管(111)感光，后阻挡下位光敏三极管(100)感光，先后使两颗光敏三极管由导通转为截止；当阻光片(4)向上回归原位，两颗光敏三极管重新导通。双控光敏接收管(1)、发射二极管(3)、黑色塑料壳体(2)和阻光片(4)构成一组红外双控光电开关。
图2中黑色塑料壳体(2)内含红外双控光敏接收管(1)和红外发射二极管(3)，安装于电路板(5)上，电路板(5)用螺钉(7)固定于支撑体(6)上，支撑体(6)和缓冲垫(9)设置在乐器壳体(8)上。图2示意白键体(10)和白键皮(11)处于黑键体(12)和黑键皮(13)的后部，阻光片(4)和黑键体(12)联接于黑色塑料壳体(2)的上方。
图3剖面图示意白键体(10)和黑键体(12)底面设有槽孔(14)，阻光片(4)插设于槽孔(14)中。阻光片(4)设有定位角(400)和锲形角(444)，定位角(400)限位于键体底面，尖锐的锲形角(444)抵住槽壁，使阻光片(4)只能顺势压入，不能反向退出。阻光片(4)深入槽孔(14)部分可以粘强力胶后再压入槽孔(14)中；固化后，阻光片(4)和琴键的联接更牢固。
与图3不同，图4示意黑色塑料壳体(2)和阻光片(4)旋转了90度角安装，这是红外双控光电开关和阻光片的另一种安装结构图。图4示意阻光片(4)作为嵌件和白键皮(11)连接，两者可以注塑成型为一体，也可以塑料琴键白键皮(11)注塑时同时成型阻光片(4)的槽位，成型后再将阻光片(4)压入。图4中示意黑键皮(4)的阻光部分和键体(键皮)是同质一体的，由于半音键通常用黑色塑料制成，而黑色塑料具有阻挡红外光的作用，所以阻光片材料也可采用强度足够的黑色塑料。
图5为实施例61键力度键盘矩阵扫描电路原理图，电源(E)为直流电源，电感(L)和电容(C)为滤波元件，扫描信号输入接口(P)有8根输入线，上位扫描信号输出接口(P1)有8根上位输出线，下位扫描信号输出接口(P0)也有8根下位输出线，实施例中三个接口经电缆连接61键电子琴主控板，电源(E)也由实施例电子琴供电。扫描信号输入接口(P)输入扫描信号，每次选通一根输入线，置为高电平，此时若和这根输入线对应的某个键位的红外双控光敏接收管被阻光片阻挡，则对应的上位、下位输出线分别输出信号。以第61键为例，红外发射二极管(D61)发射的红外光被阻挡，则红外双控光敏接收管(N61)内的上位光敏三极管和下位光敏三极管截止；当时如三极管(T5)基极连接的输入线被选通置为高电平，三极管(T5)导通，上位开关二极管(D613)和下位开关二极管(D612)截止，上位光敏三极管和下位光敏三极管的发射极变为低电平，使上位隔离二极管(D611)和下位隔离二极管(D610)导通，原为高电平的上位、下位输出线输出低电平控制信号。上位输出线输出的信号控制主控板开始力度检测的时间计数，下位输出线输出的信号控制主控板结束时间计数并开始相应力度效果及对应此键位的发音。
若第61键红外双控光电开关没有(或撤消)被阻光片阻挡，红外发射二极管(D61)使红外双控光敏接收管(N61)内的上位光敏三极管和下位光敏三极管感光导通，上位光敏三极管和下位光敏三极管的发射极均处于高电平，此时，上位隔离二极管(D611)和下位隔离二极管(D610)截止，不论有无高电平扫描信号输入，都无低电平控制信号输出。若阻光片对红外双控光电开关的阻挡被撤消，读取下位输出线时不再有低电平控制信号输出，主控板则停止对应此键位的发音。
主控板向扫描信号输入接口(P)的8根输入线循环发送扫描信号，每次轮换一线；同时，主控板分别从上位扫描信号输出接口(P1)和下位扫描信号输出接口(P0)的各8根输出线循环读取控制信号，每次也各轮换一线，就可完成图5整个键盘61个力度琴键的矩阵电路扫描。
图5限于篇幅省略了第17至第48个键位的红外双控光电开关及其辅助电路。实施例由于选用导电胶电子琴主控板，主控板发送高电平扫描信号，读取的也是高电平的扫描信号，所以实施时图5上位扫描信号输出接口(P1)和下位扫描信号输出接口(P0)读取的信号需用PNP型三极管(非门)反相，图5限于篇幅而省略。实施例选用电子琴主控板电源+5V直接供电，每四个红外发射二极管串联经限流电阻连结+5V电源获得电能，图5限于篇幅而简略。
图6为另一实施例88键力度键盘矩阵扫描电路原理图，扫描信号输入接口(P)有8根输入线，上位扫描信号输出接口(P1)有11根上位输出线，下位扫描信号输出接口(P0)也有11根下位输出线。扫描信号输入接口(P)输入扫描信号，每次选通一根输入线，置为高电平；此时若和这根输入线对应的某个键位的红外双控光敏接收管被阻光片阻挡，则对应的上位、下位输出线分别输出信号。以第1键为例，红外发射二极管(D01)发射的红外光被阻挡，则红外双控光敏接收管(N01)内的上位光敏三极管和下位光敏三极管截止，上位开关三极管(T011)和下位开关三极管(T010)的基极改变为低电平；此时如上位隔离二极管(D011)和下位隔离二极管(D010)共同连接的扫描信号输入线被选通置为高电平，则上位开关三极管(T011)和下位开关三极管(T010)导通，所连接的上位输出线和下位输出线分别输出由低电平上升为高电平的控制信号。
若第1键红外双控光电开关没有(或撤消)被阻光片阻挡，红外发射二极管(D01)使红外双控光敏接收管(N01)内的上位光敏三极管和下位光敏三极管感光导通，上位光敏三极管和下位光敏三极管的发射极均处于高电平，此时，上位开关三极管(T011)和下位开关三极管(T010)均截止，不论有无高电平扫描信号输入，都无扫描产生的低电平控制信号输出。若阻光片对红外双控光电开关的阻挡被撤消，读取下位输出线时不再有扫描产生的低电平控制信号输出，主控板则停止对应此键位的发音。
主控板向扫描信号输入接口(P)的8根输入线循环发送扫描信号，每次轮换一线；同时，主控板分别从上位扫描信号输出接口(P1)和下位扫描信号输出接口(P0)的各11根输出线循环读取扫描信号，每次也各轮换一线，就可完成图6整个键盘88个力度琴键的矩阵电路扫描。
为避免多个键位的红外双控光电开关被阻光片阻挡时，可能会有连接同一根矩阵电路扫描输入线的多个PNP型开关三极管，因被高电平输入信号选通而短接在一起，出现相互干扰、逻辑混乱的情况。因此每个上位开关三极管和下位开关三极管的发射极均串联一个单向导通的二极管，隔离无效信号。
图6中各列的红外发射二极管串联成一组，由矩阵电路扫描输入线控制供电，当某根扫描输入线被选通置为高电平扫描信号，相关的红外发射二极管被供电而导通，发射红外光，对应的红外双控光敏接收管开始检测红外光有无被阻光片阻挡的信号；当某根扫描输入线没有被扫描信号选通，相关的红外发射二极管失电，红外双控光敏接收管截止，此时由于输入线为低电平，上位开关三极管和下位开关三极管也截止，无扫描信号输出。该种由扫描信号控制的脉冲式供电电路，不但节能降耗，而且也能防止红外发射管和光敏接收管的老化，延长器件使用寿命。图5实施例中红外发射管的供电电路，同理也可改成由扫描输入信号控制的脉冲式供电电路。
参见图5、图6，利用本发明技术方案所述的红外双控光电开关及其辅助电路可以实现力度键盘的矩阵电路扫描检测。如实施时主控板要求输入接口或输出接口为低电平扫描信号，则需调整相关器件的极性和连接方式。倘若红外光敏接收管中的两颗光敏三极管芯片为PNP型，或者两颗光敏三极管芯片相互独立，不共用电极，仍可应用本发明原理实现乐器力度键盘的检测。当然，应用本发明原理将红外光敏三极管芯片和辅助电路半导体芯片集成在同一个器件里检测乐器力度键盘，则更方便实用。