一种钢琴的光电装置的制作方法

1.本发明涉及乐器领域,具体说是一种钢琴的光电装置。


背景技术：

2.反射式红外光电传感器由于其结构简单，安装方便的特点,目前已经被运用于高价值的静音钢琴中，用作键盘扫描电路，电路中往往需要各种芯片配合，以实现mcu控制，所以通常用作静音钢琴的键盘矩阵扫描电路成本比较高，电路复杂，板体大；在通常的静音钢琴中，阻挡钢琴弦槌敲击琴弦的静音挡板与读取琴键动作的键盘检测扫描电路虽然都为静音系统的组成部分，但却是分开的两子系统分别安装，而非一体化组成；安装于钢琴琴键下方狭隘空间的键盘扫描电路有时会因环境气候等的影响使钢琴中盘及键盘架等发生变形或者经年累月使用的耗损而位置变化或修整等原因，造成感光范围有限的光电传感器及其扫描电路板无法完成通断状态的切换与比较，或光电传感器始终处于反射感光区域内，或光电传感器始终处于反射感光区域外，使光电传感器及其扫描电路板不能正常工作。
3.授权公告号为cn202796012u的中国实用新型专利公开了一种钢琴静音装置，该装置包括机械制音系统和电子扫描系统；机械制音系统设于钢琴击弦机和琴弦之间，以阻挡击弦机琴槌敲击琴弦；电子扫描系统设置在琴键下方，以快速轮流检测各琴键对应的传感器。由于琴键下方空间狭小，环境气候变换多样，会使钢琴中盘及键盘架等发生变形或者经年累月使用的耗损而位置变化或修整，导致电子扫描系统的传感器无法正常准确工作。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种电路简单，器件少，电路板板体小，可靠性一致性好，反应灵敏，成本相对较低，不易变形，工艺简便的钢琴的光电装置，且该装置的静音挡板和扫描电路一体化安装。
5.为了实现上述目的，设计一种钢琴的光电装置，包括静音挡板、静音挡板缓冲垫、制音拍击呢垫、扭力弹簧、转轴主支架、转臂钩和数段反射型红外光电传感器为主组成的扫描电路板，并且扫描电路板连接柔性薄膜电缆，所述静音挡板分割数段，每段的板体表面设有卡槽，扫描电路板及柔性薄膜电缆分别嵌入静音挡板所设的卡槽内，每个扫描电路板背面朝向静音挡板，扫描电路板正面上的电路检测单元朝向击弦机的弦槌柄，分别与钢琴击弦机的弦槌柄上的反射块配合，扫描电路板上的电路检测单元按行列关系电气连接，组成88个红外光电矩阵扫描电路，通过获取弦槌柄动作信息，由主控板推算键盘的弹奏与力度；所述电路检测单元包括电阻、二极管、两个npn型三极管组成的开关电路，两个三极管的基极分别串联电阻或二极管后连接红外光电传感器中光敏接收管的发射极输出端，两个三极管基极串联的电阻或二极管阻值与压降不同，两个三极管门电路的开关阀值也不同，形成门开关的时间差。
6.本发明还具有如下优选的技术方案：1.所述88根弦槌柄对应以红外光电传感器为主构成的88个检测电路单元，各单元
相互间按行列关系电气连接，组成8*11阵列的矩阵扫描电路。
7.2.所述扫描电路板为宽度小于16毫米的pcb板，表面贴焊各检测电路单元元器件，各检测电路单元的红外光电传感器间距对应击弦机弦槌柄间距，扫描电路板背面为排线状平行布线。
8.3.所述柔性薄膜电缆设在扫描电路板与静音挡板夹缝间，柔性薄膜电缆一端连接扫描电路板，另一端插入电缆转接板的插座后转接至主控板，柔性薄膜电缆比扫描电路板窄。
9.4.所述静音挡板板体表面的卡槽为燕尾型，扫描电路板和元器件的总厚度与卡槽高度均低于静音挡板缓冲垫的厚度。
10.5.还包括转接板支架，所述转接板支架主体为l形，l形一面与电缆转接板连接，l形另一面与转臂钩连接，转接板支架在位于转臂钩的钳形弯钩上方处设有的通孔，以供套有塑胶护套的扭力弹簧的引脚插入。
11.6.所述电缆转接板由软排线经顶盖与钢琴背板(马克)的夹缝引至钢琴外部，同外置配重的主控板盒连接，主控板盒底部设有多组平行圆柱轴连接的挡片，可90度旋转扳出挡片，扳出的挡片与主控板盒底板垂直且与主控板盒面板平行，也可嵌入主控板盒内，与主控板盒底板平行且与主控板盒面板垂直。
12.7.所述转轴主支架通过螺栓固定在击弦机架上，静音挡板端部的转轴插入转轴主支架上部的圆环并伸出连接转臂钩，转臂钩连接钢丝绳的一端，钢丝绳的另一端连接静音控制开关。
13.8.所述端头钻有通孔的静音挡板的转轴一端与转臂钩和转接板支架三者一起用螺丝紧固连接，另一端插入转轴副支架的圆环后伸出与锁轴环连接。
14.9.所述静音挡板的不同段之间设有双p夹转轴支架，双p夹转轴支架侧面形状为两个对称的不规则p字合拢，p字合拢形成上部空心圆夹住直径略小的静音挡板的转轴，对称合拢的p字顶端由薄塑料相连，对称合拢的p字底部设可相互勾联的卡扣，双p夹转轴支架空心圆下部异向设有连接击弦机架的螺钉通槽，双p夹转轴通过螺钉与击弦机原安装制音拍击档的支架螺纹孔紧固。
15.本发明同现有技术相比，其优点在于：本发明设计新颖，依靠简单的反射型红外光传感器检测电路，通过把扫描电路板设在静音挡板的卡槽内，将红外光电矩阵扫描电路与静音挡板组合成一体，结构合理，成本低，安装简单，实用性强，适合大多数立式钢琴安装。
附图说明
16.图1为本发明装置安装于钢琴击弦机上的侧视示意图；图2为本发明装置中红外光电矩阵扫描电路图；图3为本发明装置中红外光电矩阵扫描电路板正面示意图；图4为图3红外光电矩阵扫描电路板反面示意图；图5为图3的局部放大示意图；图6为图4的局部放大示意图；图7为本发明装置中安装红外光电矩阵扫描电路板的静音挡板侧视示意图；
图8为图7的静音挡板一端安装了转臂钩的组件侧视示意图；图9为图8静音挡板组件的正向示意图；图10为红外光电矩阵扫描电路板安装于钢琴键盘下方的侧视示意图；图中：1.静音挡板缓冲垫；2.扫描电路板；3.反射块；4.琴键；5.键盘架；6.静音扳手盒；7.扳手；8.琴弦；9.击弦机架；10.弦槌柄；11.制音头；12.制音拍击呢垫；13.光电传感器；14.静音挡板；15.扭力弹簧；16.转轴主支架；17.转臂钩；18.钢丝绳；19.踏板；20.踏板感应板；21.卡槽；22.柔性薄膜电缆；23.塑胶护套；24.转接板支架；25.锁轴环；26.转轴副支架；27.双p夹转轴支架；28.电缆转接板；29.主控板盒；30.挡片；31.软排线。
具体实施方式
17.下面结合附图对本发明作进一步说明，本发明的结构和原理对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
18.图1是本发明基本的结构示意图,图中静音挡板14替换了通常钢琴击弦机中的制音拍击档，所以在静音挡板14与制音头11相对的板体上设有制音拍击呢垫12，以免弹奏琴键时击弦机制音头11敲击静音挡板14而发出杂音。而静音挡板14与弦槌柄10相对的板体正面分别设有静音挡板缓冲垫1和贴焊有红外光电传感器13的扫描电路板2。每个扫描电路板2上的电路检测单元分别与钢琴击弦机的弦槌柄10上的反射块3配合，扫描电路板2上的电路检测单元按行列关系电气连接，组成红外光电矩阵扫描电路，通过获取弦槌柄10动作信息，由主控板推算键盘的弹奏与力度。静音挡板14端部的转轴插入用螺丝固定于击弦机架9上的转轴主支架16上部的圆环中，圆环直径略大于静音挡板14的转轴直径，使得转轴能在圆环内顺畅转动。静音挡板14转轴伸出圆环的端部与转臂钩17连接，转臂钩17上设有两爪弯钩，用以勾连钢丝绳18的端头，钢丝绳18的另一端连接静音扳手盒6中的扳手7。实施时，钢丝绳18的另一端也可连接钢琴踏板19，由踏板19控制钢丝绳18动作，而非扳手7控制。
19.当静音模式时，扳手7向前扳，扯动套管中的钢丝绳18被收紧，拉动转臂钩17向下转动，而由于转臂钩17与静音挡板14的转轴紧固连接，静音挡板14板体随之转动而前倾，此时弹奏钢琴键盘架5上的琴键4，琴键4顶托钢琴击弦机联动机构动作，使弦槌柄10及顶端的槌头向钢琴琴弦8方向击打，因静音挡板14板体前倾的阻挡,弦槌柄10与静音挡板缓冲垫1撞击，使槌头未能敲击琴弦8，琴弦8被静音，不振动发声。当弦槌柄10与静音挡板缓冲垫1撞击同时，静音挡板缓冲垫1下方的扫描电路板2上的反射型光电传感器13发射的红外光经弦槌柄10上对应设置的反射块3的反射，再被光电传感器13接收，扫描电路板2由此获取琴键弹奏的信号及强弱信息，经电气连接的柔性薄膜电缆22输送通过电缆转接板28转接至主控电路，微处理器运算后控制电子音源发出相应的乐音音频，供扬声器或耳机播放。
20.当扳手7向后扳，即处于图1中位置时，钢琴退出静音模式，钢丝绳18被放松，套在静音挡板14转轴的扭力弹簧15回弹，带动转臂钩17向上转动，静音挡板14板体随之转动而后倾，静音挡板缓冲垫1不再阻挡弦槌柄10，此时弹奏钢琴键盘架5上的琴键4，击弦机联动机构使弦槌柄10顶端的槌头击打琴弦8而振动发声。此时静音挡板缓冲垫1下方的扫描电路板2上的反射型光电传感器13，设于卡槽21内靠近转轴一侧，后退幅度小，仍能由弦槌柄10上对应设置的反射块3获取琴键弹奏的信号及强弱信息，经电气连接的柔性薄膜电缆22输
送通过电缆转接板28转接至主控电路，微处理器运算后控制电子音源发出相应的乐音音频，供扬声器或耳机播放，若控制电子音源发出其它乐器音色的乐音音频，则与钢琴原音叠加，能获双音色效果。如将扫描电路板2上的反射型光电传感器13，设于卡槽21内靠近静音挡板缓冲垫1一侧，静音挡板14板体后倾时，后退幅度相比近转轴一侧大，光电传感器13获取反射块3红外光的能力将减弱，而前倾时反射正常。
21.图1中弦槌柄10上设有的反射块3，既可粘贴不同厚度呢垫控制反射距离，又放宽了弦槌柄10与光电传感器13偏差的允许误差，将圆柄弧面拓展为反射面更大效果更好的平面，反射块3可为轻质弹性塑胶环扣于弦槌柄10上胶粘连接，且朝向静音挡板14的扫描电路板2中红外光电传感器13的几何面是适合红外光反射的浅色，同时也可在几何面上胶粘合适厚薄的轻柔浅色呢毡，防止撞击。实施时，每台钢琴击弦机的88根弦槌柄10上对应扫描电路板2中反射型光电传感器13均设反射块3。
22.在图1中还示意了钢琴装有踏板感应板20，其用途是向主控电路微处理器传输踏板19的踩踏信号，进而发出相应的乐音效果。为方便说明示意，图1中没有画出电缆转接板28，否则会阻挡静音挡板缓冲垫1和扫描电路板2等的展示。实施时，可用带插头软排线31一端连接电缆转接板28，另一端连接主控板，图1示意了外置于钢琴顶盖之上的主控板盒29连接的软排线31经顶盖与钢琴背板的夹缝引入钢琴内部用于连接电缆转接板28。图1中，挡片30是防止操作主控板盒29面板时盒子后退移动而设置，挡片30一侧设在圆柱轴连接主控板盒29底部，使挡片30可90度旋转嵌入主控板盒29内，并紧配固定不自由掉出。设多组平行圆柱轴联结的挡片30是为方便选取合适的主控板盒29突出部位。可90度旋转挡片30，扳出与主控板盒29底板垂直且与主控板盒29面板平行。置顶主控板盒29内部后侧可配重,增强稳定性。
23.图2为88个琴键的红外光电矩阵扫描电路图，限于篇幅省略了部分电路和标注，仅作为电路示意图。以红外光电传感器为主构成的检测电路单元，包括电阻、二极管、和两个npn型三极管组成的开关电路，两个三极管的基极分别串联电阻或二极管连接红外光电传感器中光敏接收管的发射极输出端，因两个三极管基极串联的电阻或二极管阻值与压降不同，两个三极管门电路的开关阀值也不同，形成门开关的时间差。图中n01～n88为反射型光电传感器，内部构成为一个红外光发射二极管和一个光敏三极管；rl1～rl22分别为光电传感器n01～n88内红外光发射二极管的串联电阻，直流电源e经lc滤波串接一个rl电阻向四个串联的光电传感器发射二极管供电；r01～r88分别为光电传感器n01～n88内光敏三极管的发射极电阻，其与光敏三极管构成射极跟随器电路，以放大电流并提高负载能力；t010～t880分别为检测各琴键4及弦槌柄10反射块3动作的启始计时开关三极管，为npn型；r010～r880分别为开关三极管t010～t880的基极限流电阻；t011～t881分别为检测各琴键4及弦槌柄10反射块3动作的终止计时开关三极管，也为npn型；d01～d88分别为开关三极管t011～t881的基极串联二极管；d010～d880分别为开关三极管t010～t880的隔离二极管；d011～d881分别为开关三极管t011～t881的隔离二极管。
24.图2中一个光电传感器及其发射极电阻，和一个启始计时开关三极管及其基极限流电阻与隔离二极管，以及一个终止计时开关三极管及其基极串联二极管与隔离二极管，构成基本的电路检测单元，整个红外光电扫描电路共由88组检测电路单元组成。以第一个琴键4及弦槌柄10对应的光电传感器n01为例说明，检测电路单元工作原理如下：直流电源
e，实施时可选+5伏，经串联电阻rl1限流降压，使光电传感器n01内的发射二极管处于稳定的发射红外光工作状态，若弹奏第一个琴键，其相关的弦槌柄10上所设的反射块3将逐渐靠近光电传感器n01，并将其内部发射二极管发射的红外光反射回光电传感器n01表面，被光敏三极管接收产生光电流并放大输出，则发射极电阻r01的电压也相应逐渐升高，当达到阀值，开关三极管t010导通，则主控板从端口t发送的扫描信号经隔离二极管d010,通过开关三极管t010发射极输出至启始计时端口mk，主控板启始计时；由于开关三极管t011的基极串联二极管d01，则发射极电阻r01的电压逐渐升高至高于t010导通阀值约0.7伏，开关三极管t011导通，则主控板从端口t发送的扫描信号经隔离二极管d011，通过开关三极管t011发射极输出至终止计时端口br，主控板终止计时；主控板依牛顿第二定律物体加速度与受力成正比的关系，根据计时结果推算出反射块3的运动加速度，进而获知弹奏力度，按系统硬件预设定的力度曲线映射发出相应强弱相关键位的乐音。实施中开关三极管t011～t881的基极串联二极管d01～d88也可串联电阻替换。
25.一架钢琴的键盘由88个琴键组成，则88组检测电路单元组成整个红外光电扫描电路，实施时，可分解成若干横向行和竖向列构成行列关系的矩阵扫描电路，图2示意了11行8列基本电路检测单元构成的整个红外光电矩阵扫描电路，其中各行启始计时三极管发射极相互连接同一根mk端口启始计时信号输出线，各行终止计时三极管发射极相互连接同一根br端口终止计时信号输出线，mk端口的启始计时信号输出线和br端口的终止计时信号输出线为同一行的8组检测电路单元所共用；而各列的隔离二极管正极相互连接同一根t端口信号输入线，则88键的钢琴键盘可由同一列的11组检测电路单元共用8根t端口信号输入线中的同一根，主控板工作时依次向8根t端口信号输入线发送扫描信号，当某一键被弹奏，其相关的弦槌柄运动使对应的检测电路单元中光电传感器检测到反射的光电流，使得启始计时三极管发射极和终止计时三极管发射极先后导通，从而主控板从mk端口和br端口先后读取扫描信号，运算出琴键的弹奏力度，并按行列关系映射表获得相关键位，而发出相应力度强弱的乐音。
26.由于构成检测电路单元的元器件功耗小，则其贴片体积也较小，由88个检测电路单元组成的整个红外光电矩阵扫描电路，由于无需尺寸较大的集成芯片，则实施时电路可以布设在宽度小于16毫米的扫描电路板2上，表面层为元器件贴焊层，背面为布线层，公用的地和电源也加宽布设在背面，如图3、图4及图5、图6所示。而选用贴片厚度低于2毫米的光电传感器13，而其它的阻容元器件，二、三极管厚度更低，因此pcb板和元器件的总厚度可小于4毫米，低于通常厚度5毫米以上的静音挡板缓冲垫1。并且，按钢琴不同的键位数弦列分组，可以将整个红外光电矩阵扫描电路分成多段pcb板组成，通常为高中低三组，每组最多不超过40个键，则相应的可由三段扫描电路板2组成整个红外光电矩阵扫描电路。实施时可将宽度比扫描电路板2略窄的柔性薄膜电缆22直接焊接于扫描电路板2背面端头铜箔排线上，并涂抹树脂加固，防止焊接的柔性薄膜电缆22剥离。
27.图7和图8示意了静音挡板14的型材截面，上部条板与下部转轴连成一体，静音挡板14正面条板部位设高度小于4毫米的燕尾型卡槽21，卡槽21内嵌入扫描电路板2，扫描电路板2上含有光电传感器13；扫描电路板2与静音挡板14间夹缝敷设有略窄的柔性薄膜电缆22，夹在中间的柔性薄膜电缆22一般为1至3层；静音挡板14正面条板部位卡槽21的上方设静音挡板缓冲垫1，通常由橡塑条或毛毡条胶粘在静音挡板14上；而在静音挡板14背面胶粘
制音拍击呢垫12。
28.图8和图9示意了静音挡板14的完整组件，图中转臂钩17被安装于静音挡板14的右端，即扯动静音挡板14前、后倾的钢丝绳18位于钢琴右侧。实施时，根据钢琴内部的空间结构或客户需求，也可将钢丝绳置于钢琴左侧，只需按图8和图9示意图的镜像制造静音挡板组件即可。
29.图8中转臂钩17为主体截面呈u形的条状金属件，一端设有可插入静音挡板14转轴端头的圆孔；另一端设有两爪弯钩，用于勾连钢丝绳18端头。转臂钩17上方设主体为l形的转接板支架24，l形一面的四个螺纹孔用以固定方形电缆转接板28；l形另一面的两孔用以连接转臂钩17，其中一孔将端头钻有通孔的静音挡板14的转轴与转臂钩17和转接板支架24三者一起用螺丝紧固连接；转接板支架24并且在转臂钩17钳形弯钩的上方设通孔，以供扭力弹簧15套有塑胶护套23的引脚插入，塑胶护套23为避免扭力弹簧15震动而引起杂音，扭力弹簧15另一引脚嵌入转轴主支架16所设的限位槽中。
30.图9中静音挡板14按击弦机音区的弦槌分组，通常钢琴击弦机中弦槌分为高音、中音、低音三组，各组间设有钢铁支架，即击弦机架9，既作为击弦机与钢琴主要部件音源马克的连接件，也用以固定控制制音头回弹的制音拍击档，因此,替换制音拍击档的静音挡板14由一个转轴主支架16、一个以上的双p夹转轴支架27和一个转轴副支架26连接击弦机弦槌组间的四个钢铁支架，为避开击弦机各垂直的钢铁支架对前、后倾的静音挡板14板体的阻碍，静音挡板14阻挡部位的薄板体被锯除，而保留转轴圆体部分。所以，示意图9中的静音挡板14被相应分割成左、中、右三部分，对应卡槽21中插入的扫描电路板2也分成三块，各块板经三条柔性薄膜电缆22电气连接电缆转接板28后再转接至主控板，中间的电路板将左边的薄膜电缆覆盖在卡槽21内，右边的电路板将中间和左边的薄膜电缆层叠覆盖在卡槽21内，对左边和中间的电路板可内衬薄膜片以充实卡槽21，并对扫描电路板2和卡槽21点胶，防止扫描电路板2在卡槽21中因振动等而非必要位移。未被电路板覆盖在卡槽21内裸露的柔性薄膜电缆22两面粘贴薄缓冲垫，防止抖动时产生杂音。
31.实施时，为方便静音挡板14的安装与调试，静音挡板14的不同段之间设有双p夹转轴支架27，双p夹转轴支架27侧面形状上部为空心圆，下部为一竖，双p夹转轴支架27可以由高强度工程塑料制成，侧面形状为两个大致对称的不规则p字合拢，形成上部空心圆可夹住直径略小的静音挡板14的转轴，为防止脱落，对称合拢的p字顶端由薄塑料相连，对称合拢的p字底部设可相互勾联的卡扣，双p夹转轴支架27空心圆下部异向设连接击弦机支架的螺钉通槽，则双p夹转轴支架27可方便的夹住静音挡板14的转轴，并用螺钉与击弦机原安装制音拍击档的支架螺纹孔紧固；为保证静音挡板14可靠稳定的工作，静音挡板14两端的转轴主支架16和转轴副支架26，头部为封闭圆环，防止静音挡板14受力前、后倾动作时转轴圆体从支架中脱出，由于转轴主支架16和转轴副支架26安装位置为击弦机两端的支架无制音头11遮挡，所以静音挡板14的拆装都很方便；锁轴环25是防止静音挡板14连同扫描电路板2水平位移而设置的，以免错位的扫描电路板2未能正确检测弦槌柄10的动作信息，也防止静音挡板14端头的转轴从转轴副支架26头部圆环中被拉脱。
32.图2的红外光电矩阵扫描电路也可直接安装于琴键4的下方用于检测，如作为电子琴的键盘扫描检测电路,其原理同检测弦槌柄相同，但主控板所相关设置的力度曲线会应硬件及反应时间的不同而有差异，软件修正即可。图10为扫描电路板2安装于钢琴键盘架5
琴键4下方的示意图，实施时，可选适当厚度浅色的轻柔呢毡作为反射块3胶粘于琴键底面，但此种应用方式存在着隐患：环境气候与应力的影响造成木质琴键4和键盘架5等的形变，以及长久弹奏后琴键4下的缓冲呢垫磨损变薄，都可能造成扫描电路板2中某些红外光电传感器无法正常检测。本发明揭示的图1将扫描电路板2安装于钢琴击弦机静音挡板14板体上的解决方案，消除了图2方案的隐患，并可将红外光电扫描电路板2与静音挡板14预装成一体，缩短分别安装扫描电路板2和静音挡板14等的时间，也防止了扫描电路板2被从键盘上流入的液体侵蚀或掉入的纸片等对光电传感器的遮挡影响。
33.以上所述，仅为此发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案和新型的构思加于等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。