專利名稱:電容性壓敏方法及設備的制作方法
本發(fā)明涉及壓敏方法和設備，更具體地說，它涉及新穎的兩維電容性傳感器和技術，特別是，但不僅限于可用于音樂和節(jié)奏性樂器以及響應觸摸和施加在一個二維表面上的可變力的其他裝置的電容性傳感器和技術。
申請人:杰夫特里普在美國專利證書第4，498，365號所公開的新穎電容性壓力傳感器具有一個形狀彎曲或錐狀的彈性導電電極，該彈性導電電極受到樂器的按鍵激發(fā)或其它壓力時產(chǎn)生形變，而與在電性上和該彈性電極隔離的固定電極接合成可變的電容性關系，這種電容性壓力傳感器對于壓力觸點的單一受限區(qū)的操作是很有用的。在說明一樂器鍵盤的使用中，這種傳感器提供連續(xù)的傳感，以用作一樂器中電子音的產(chǎn)生，并在按鍵激發(fā)或其它壓力接觸后，甚至可進一步使壓力發(fā)生變化，以用作使第二律音產(chǎn)生或音調(diào)或音變化的目的。顯然，在需要相似響應的其它應用中也是有用的。
然而，在那些希望能使壓力施加在一個二維表面上，并對二維表面上的敲打或敲擊和/或響應壓力的特殊模型或動態(tài)形狀變化的變化靈敏的場合是存在的。作為具體的說明，由鼓棒的敲擊、或鼓刷的掃掠、和/或以不同動態(tài)壓力模型和變化在鼓膜上用手指或手掃掠來激發(fā)鼓膜，為了產(chǎn)生表征這些壓力和壓力模型的聲音需要有這樣的二維獨立細小點或區(qū)域的壓力傳感，并轉換成電信號。同理，以后要介紹，作為另一個具體說明，為了重放可見模型，以用作測量掌紋、指紋或腳印及它們的運動變化，可以設計具有多個電極并結合一公用彈性體電極的結構，也同樣要用二維連續(xù)的動態(tài)傳感。
對于使用在觸覺傳感器中以產(chǎn)生傳感反饋，為此曾用響應壓力的電阻變化的電壓激發(fā)和運作的一陣列觸覺傳感器來發(fā)展報告毛病的導電彈性體墊片complaint conductive elastomeric pad，將這些觸覺傳感器按行列順序展開以提供一個多位的數(shù)字信號輸出(例如，見Barry Wright公司1984年公告“Sensorflex/Astek”第17、18頁)。盡管這種傳感器是二維的，存在的問題有導電率的時間穩(wěn)定性、需用復雜的電子設備以及由于所涉及的墊片電阻所能控制的尺寸和面積實際上受到限制。
因此，本發(fā)明的一個目的是要提供一種新的改進方法和設備，用以為這類應用和其他需要類似響應的場合提供這樣的二維壓力傳感響應。
另一個目的是由于使用本發(fā)明的新穎壓力傳感的結果以提供新穎的有極大靈活性的包括鼓類樂器在內(nèi)的音樂和節(jié)奏性樂器。
還有其他目的將在下文解釋，并在所附的權利要求
中更具體地描述出來。
總之，從本發(fā)明的各方面之一看，本發(fā)明利用一個具有組合形式的一個第一電極和一個第二電極的電容性壓敏傳感器。該第一電極包括一個薄的彈性導電塑料片，片上有多個緊密間隔的彈性導電凸塊及相鄰區(qū)域，凸塊從該導電塑料片的一個表面凸出，通過從該片的相對表面在該相鄰區(qū)域施加壓力可使該相鄰區(qū)域受壓變形。而該第二電極面向凸塊并與凸塊共同鋪開，且用一薄的電介質(zhì)層將第二電極與凸塊隔開。包括鼓擊樂器之類的優(yōu)選和最好模式的實施例和部件將在下文詳細敘述。
現(xiàn)參看附圖來敘述本發(fā)明，圖1是可用于本發(fā)明實際的優(yōu)選二維電容性壓力傳感器的橫截面;
圖2A-2C是用實驗方法導出的以鼓棒敲擊圖1傳感器所得到的變化，而圖2D和2E是施加到傳感器表面壓力模型的輸出;
圖3A-3D是作圖1傳感器電極的有用的凸塊構型的放大的橫截面視圖;
圖4A是有效地使用多個傳感器墊片或傳感區(qū)域作選擇性的和相對獨立的效應的多區(qū)段鼓的部分切開的等角視圖;
圖4B與圖4A相似，但使用單一的彈性體墊片的傳感器電極;
圖4C為對圖4A和圖4B的實施例皆為有用的該鼓的底部的一相似圖;
圖5是優(yōu)選的響應圖4A和4B的樂器的傳感器的電容性變化的信號處理設備的電路圖，這以產(chǎn)生所例如可用以控制產(chǎn)生需音調(diào)和聲音的聲音發(fā)生器的信號。
參看圖1，該最佳形式的壓力傳感器包括一塊薄的塑料導電橡膠或其他彈性的彈性體墊片電極1，電極1的一表面上最好配置以如由聚酯樹脂之類制成的一層保護性的平坦表面的覆蓋層C，這點稍后要全面地討論，覆蓋層C的另一面(圖示為底部表面)是由相同導電彈性材料突出而做成的彎曲的或厚度可變的或錐形的凸塊1′，這些凸塊1′被緊密地隔開的、最好成均勻的二維陣列，該二維陣列以精密的電容性關系被一層最好可稍稍彈性地變形的薄電介質(zhì)2所隔開，伸展成與共同鋪開的二維導電體電極表面3有緊密的電容器性關系。圖中所示的電極3牢固地被安置在不可移動的板B上，并用電極3限制上層彈性體墊片電極的向下?lián)鍓?。將電極1撳壓成與不可移動的電極3的機械力接觸發(fā)展所需待測的電容變化。在圖3A-3D中所示為各種凸塊1′所用的曲面或錐狀形體分別以基本上是半球狀的、帶錐體或錐形尖頂?shù)慕囟贪肭颉㈦p錐形尖頂和帶有一個基頂稍呈圓形的錐體形體。
當電極1的相對的(上)表面被如圖1中的手指F那樣壓下而變形時，發(fā)現(xiàn)在壓縮其錐形厚度以產(chǎn)生較大的電容性效應時，壓縮指尖模型下的曲面或錐形凸塊1′，將隨以基本上是各自無關的選擇性變形凸塊相應地被壓下和變形，以便模仿手指的輪廓和在緊靠指尖下的各個凸塊上由指尖的不同部分施加各種形式的力。如下述的在這個可變電容器1-1′-2-3的輸出端4和5連接適當?shù)碾娮友b置，指尖的施力和移動將產(chǎn)生容易加工成可以控制產(chǎn)生聲頻的音或聲音的信號的電容性變化。其聲頻效果正比于施加的壓力，而且相應于指尖的敲打和敲擊和相應于電極墊片表面1上移動指尖的表面面積的動態(tài)壓力模型。采用安置在硅橡膠或其它彈性墊片電極1上的鼓的覆蓋層或頂蓋C，提供了防止弄臟和擦傷墊片以及靜電吸引污物。此外，覆蓋層還用作電的絕緣體和隔離物以防止人體電容影響系統(tǒng)和防止引入噪音。覆蓋層還起“撒布器”蓋的作用，當作用在局部的力(例如鼓棒的尖端)可能很大的場合是有用的，以便既限制墊片的壓縮永久形變也通過將敲擊散布在電容器較大面積上以便機械式地放大信號。
現(xiàn)參看圖4A的實施例，用鼓棒或鋼絲刷敲擊鼓頂膜和/或在鼓膜上用鼓棒、刷、手指或手掃動時，發(fā)現(xiàn)如此產(chǎn)生的在二維表面上的各個電容性的變化可以被信號加工成聲音的模型而與所加的壓力模型相對應并基本上成正比的響應關系，并且，最好以所說專利所述的單一傳感器件的連續(xù)性壓力傳感方式使該聲音的模型基本上正比地響應所加的壓力模型。正如所說專利敘述的那樣，對于特殊的音或聲的效果、包括按壓期間第二個敲擊效果和音的變化效果來說，可聯(lián)系圖5以建立起按壓程度用的各種信號閾值。
圖2A-2C示出用實驗方法得到的輸出信號的直觀表示，這些輸出信號是由于鼓棒對鼓膜的輕的、中等的和重的敲擊或敲打使電容隨這種二維形狀的彈性電容性電極結構的變化而產(chǎn)生的，而且在連接電極的打印輸出裝置上顯示出來。信號的產(chǎn)生將于下文聯(lián)系圖5進行敘述。電極1-1′是由填充碳質(zhì)的硅橡膠的彈性的塑料片制成的，片厚約十分之一英寸并且具有約60個丟洛硬度計單位的硬度，帶有一個二維陣列的緊密隔開的從厚約0.035英寸的腹板1凸出約0.06英寸的成形凸塊(每平方英寸100個凸塊)。其他的電極3由1密耳厚的鋁箔制成并帶有厚度大約也是1密耳的“卡普頓”(杜邦公司的聚酰亞胺塑料)制成的介質(zhì)層2。
圖2D和2E示出表面壓力的圖案效應，前者是響應其上施加有力的面積的傳感表面輸出(單位任意選擇)，后者說明輸出是施加在傳感部分的力的函數(shù)。
回過來參看圖4A的鼓類應用中，邊緣夾緊裝置9可將組裝件同可能結合接地平面的覆蓋板7(圖4A和4C)固定在一起。如稍后要介紹的，如有需要，可將信號處理用的電子裝置裝進圖4中底板B下側的B′處。
鼓的頂蓋C的分離區(qū)段或區(qū)域可配置在如圖4A的6′、6″等處，以作為該區(qū)域或區(qū)段處的不同的和獨立的效應，并在區(qū)域之間配置一成形的金屬“星形”的隔離器10，星形隔離器用一粘合層8連接到鼓頂蓋C以提供一種能防止區(qū)域間串話的結構。
因此，基本的系統(tǒng)結構是一塊印刷電路板，(1)例如(被網(wǎng)印在一塊聚酯膜如聚酯薄膜(Mylar)上)含有底部的傳感電極3、連接驅動信號至上部的彈性體電極1-1′的裝置和連至主要電子設備的裝置;(2)一片可能用或可能不用粘合劑粘合到或網(wǎng)印到印刷電路板上的電介質(zhì)2;(3)如上所述有紋理的導電彈性體制成的上部電極(1);(4)一層上蓋或鼓頂蓋C;(5)提供激勵信號給彈性體電極1的電子設備，它還提供反相的激勵信號給傳感電容器的其它側面，監(jiān)控傳感器區(qū)域的電容變化以及將這些變化轉變?yōu)橛杏玫碾娮有盘枴D4B中單塊彈性體片電極1-1′下面可以有多個電極3也產(chǎn)生若干的獨立區(qū)域，這一點稍后會更詳層地加以介紹。
如目前結構的系統(tǒng)中的總垂直變位為1/16英寸。需用以使某一區(qū)域變位的力至少要大約與所產(chǎn)生的信號成比例，而且以使它作為一個有效的壓力傳感器的方式將力“給回”。所述的系統(tǒng)在需要時可以機械方式及電子方式加以改變以變換較大范圍的力及具有較深的致動距離，以使對于它的各種運用場合而言是有用的。
系統(tǒng)的平坦性質(zhì)意味著敏化面積對傳感區(qū)總面積的比率愈小，相對于“基底”或該區(qū)靜止電容的敏化信號也愈小。由于使用的是大的區(qū)域，故這個基底電容也是大的。此外，橡膠凸塊1′一旦被完全壓下，就不會因為有附加的力或壓力而增加信號，由于垂直行程有限，高速小面積的敲擊也迅速告終。為機械的放大用的半剛性的聚酯薄膜覆蓋層C為小面積實施輕度和猛烈這兩種敲擊使得電容器的附加面積可被利用，產(chǎn)生了較大范圍的可區(qū)分的“敲打”?？少Y利用的鄰近電容器的面積對敏化實施面積的比率隨敏化實施面積變大而降低，一直到和該區(qū)域面積一樣大的實施面積不表現(xiàn)出放大效果為止。換句話說，使用機械的放大，可以將較大范圍的力與面積的乘積(壓力或敲擊)壓縮為較窄范圍的傳感器/電子設備組合的有效能量轉換。
值得注意的是導電橡皮電極1-1′的“腹板”與厚度可調(diào)定為適合一專用的系統(tǒng)的腹板所起的作用相似，雖然不是完全一致。
這種結構的確降低了表面局部面積的獨立程度;然而正是這種結構能夠得到來自高速小面積敲擊(鼓棒)和大面積低速沖擊(手指)的可以比較的信號。半剛性的頂層覆蓋層C在鼓中完成另一種動態(tài)功能。鼓敲得愈重，就表現(xiàn)得更高的瞬時剛性，受影響(又是指機械放大)的電容面積也就愈大。該覆蓋層的變化可以從無到薄而有彈性(只起保護作用)層、到薄而半剛性(薄的聚酯薄膜)層、到較厚的半剛性層、到剛性層。
最后一種剛性層可用以使系統(tǒng)的面積在大范圍低分布的應用中不靈敏，這些應用例如稱量器件或分立的碰撞傳感器，或與其他傳感器疊式組合以從頂部傳感器導出對面積敏感的信息和從底部導出對同步的面積敏感的信號，或許多傳感器的堆疊以在較遠距離精確測量力。
本發(fā)明在其優(yōu)選實用結構(見圖4A和4B)中的多區(qū)或區(qū)段電子鼓樂器應用具體表現(xiàn)為在其頂部表面有五個獨立的敲擊區(qū)6′、6″、6″′等，并有五個CV(模擬控制電壓)輸出。稍后要說明，該鼓樂器用12伏電池或其它直流電源供電，并通過底部的燈泡加到一根標準定位銷釘柱上。該系統(tǒng)響應穩(wěn)定的和脈沖的這兩種力，其響應速率在十分之幾微秒的范圍而頻響剛好落在千赫的范圍里。
輸出是一個模擬電壓，它跟蹤電容因敲擊或撳壓墊片引起的變化;將這些變化換算以驅動大多數(shù)現(xiàn)存的CV電子鼓的“電腦”。如前面所述，用圖1、4A和4B的傳感器一起工作的優(yōu)選電子電路示于圖5，該電子電路使用圖4C的為圖4A和4B的實施例所共有的底部部分。在一種實用的設備中，該器件的傳感器身例如是1英寸厚的微粒板圓盤B盤的腔體B′在電子裝置的背面刻出的。圓盤上放有一塊如模切得到的聚酯薄膜片制成的印刷電路片11，片上網(wǎng)印了導電的圖案，以便為五個區(qū)域6′、6″、6″′等等提供五個底部電極表面3。激勵信號連接到彈性體電極1-1′，導體4和5用以連接這些電極到電子裝置E。其蹤跡沿一隔膜“尾部”11′進行，“尾部”圍繞器身包住電子裝置腔體B′。其后在電極區(qū)域3上網(wǎng)印一種用作電介質(zhì)層2的以尿脘為基質(zhì)的材料。這一層也最好網(wǎng)印在尾部上以提供絕緣。在印刷電路片的上面，放置了五塊模切的彈性體電極1-1′和星形隔離器10。該星形隔離器通過印刷電路片用幾個如螺絲的緊固件F緊固在器身上。這就同時將電極1-1′安置在適當?shù)奈恢?，然后將模?電性連接到五個電極以提供驅動信號。
隔圈12圍繞組裝件的外圍放置，在星形隔離器上面放置了模切的粘性膠片8，并將頂蓋C放在組裝件上，接著放置在底部面上尚未型鍛的鑲面圈9。倒轉組裝件，安裝復蓋板7，并將鑲面圈型鍛成其最終的構型。在檢修板13上安裝了五個輸出插座和功率插座J和兩個電位器P，所有這些插座的接線端稍后都在圖5加以標明。這些插座連接到裝在檢修板底部B′上的電子裝置E。然后將隔片尾部連到電子裝置，并將檢修板用緊固在適當位置的定位銷釘14緊固到器身上以完成組裝件的安裝。
如果使用圖形4B的單一彈性體墊片型，模切合彈性體電極、星形隔離器和粘性膠片不復存在并用一整塊的模制墊片來取代，在整塊的模制墊片上規(guī)定了五個由實心的導電橡膠1″的片段分隔開的電極1-1′的區(qū)域。驅動緊固件穿過這些實心部分和印刷電路片而同時進入器身，將組裝件銷定在適當位置，并將導體4連到電極1-1′。
在將本發(fā)明運用到單區(qū)域傳感器中，本發(fā)明提供的顯著的新穎性在于它能(1)從表面上不同點處的相同輸入產(chǎn)生相同的信號，(2)同時變換表面上所有點的合成面積和壓力，以及(3)提供連續(xù)的輸出，它與表面上的靜態(tài)壓力模型或動態(tài)壓力模型成比例。不能加以區(qū)分的有(1)壓力輸入在其表面上的位置，(2)加在其表面上任一特定點的力，或(3)面積-壓力模型究竟是大面積/低力度還是小面積/大力度。為了建立起這個信息，正如稍后要敘述的，需要使用多個第二電極。
輸出是一個模擬電壓，它跟蹤因敲擊或撳壓墊片引起的電容的變化;將這些變化換算以驅動大多數(shù)現(xiàn)存的CV電子鼓的“電腦”。如前面所述，用以和圖1、4A和4B的傳感器一起工作的優(yōu)選電子電路示于圖5，該電子電路使用高頻交流電壓源，并測量交流電流的流動程度。該流動程度由方程式I＝4EFC給出，式中I是以安培為單位的電流流動，E是所加交流(設為正弦波)的電壓，F(xiàn)是其頻率，C是以法拉為單位的傳感器1-1′-2-3的電容。這些變量在本發(fā)明的電子鼓應用中的典型數(shù)值如下E＝8伏F＝100千赫C＝300微微法拉I＝1.0毫安故電流流動的大小數(shù)量代表電容的瞬時量，同時也反映加到傳感器上的力和面積的瞬時乘積。有幾種方法用以“減去”無受力時存在“基底電容”。一種優(yōu)選的方法是通過一個數(shù)值等于基底電容的固定電容器施加一個數(shù)值相等但有180°反相的電壓，并連接這種組合到傳感器的輸出。在靜止狀態(tài)下，兩個電容器的電流抵消而給出零值的凈電流。當壓力增加流過傳感器電流時，凈電流離開零值增加，給出有用的輸出。
圖5頂部展示一個由兩晶體管T1和T2、網(wǎng)絡電阻R1-R5、一個中間抽頭的扼流線圈CT和一個并聯(lián)的電容器C′組成的推挽正弦波功率振蕩器。線圈CR電感(250毫亨)和電容C′(0.1微法)的組合產(chǎn)生一個共振頻率約為100千赫的共振振蕩回路。基極至集電極的電阻R3和R5(22千歐姆)提供起動和維持振蕩所需的反饋，而基極至發(fā)射極R2和R4(4.7千歐姆)限制晶體管的基極過激勵。串聯(lián)電阻R1(470歐姆)模擬一電流源以改進振蕩幾乎完美(約1%畸變)的正弦波。由于線圈CT的中心抽頭是接地的，線圈端部向其他電路提供精確反相振幅相等的正弦波。振蕩器將以“激勵輸出(Drive Out)”的輸出送到傳感器(例如圖4B的導電橡皮墊片1-1′)的公共板，而反向的振蕩器的輸出送到現(xiàn)要解釋的信號處理電路。
其余電路由五個供五個傳感器墊片或傳感器區(qū)段用的相同電路組成，供傳感器(墊片)＃1(例如是區(qū)段6′)用的電路現(xiàn)要加以說明。壓力傳感器在外部連接在標以“激勵輸出”和“墊片1輸入”(Pad 1 In)之間。于是，正比于傳感器的電容的電容性電流流入“Pad 1 In”端。同時，來自振蕩器相對側邊的反相電容性電流通過一個串聯(lián)的阻容網(wǎng)絡組合(其中電阻器數(shù)值固定，電容器C″的數(shù)值可以在整個有限的范圍上變化)流進“Pad 1 In”。實際上，如同前面解釋過的，調(diào)整電容器使其數(shù)值等于傳感器的基底電容。通過計及導電橡皮墊1-1′的有限電阻，該電阻使兩個電流產(chǎn)生更完全的相消。完整的平衡只有在C″和電阻相匹配時才能達到。在實際中，電阻上是總阻抗的一個小部分，故準確的電阻匹配不是太重要的(20%的電阻失配只有小的影響)。
由于壓力施加到傳感器，流入“Pad 1 In”端的凈電流離開零值增加。這個電流的流動發(fā)展為電阻器R″(4.7K)兩端的小交流電壓。該交流電壓由一二極管D(IN270鍺管)整流，而所得的直流電壓保持在0.010μF(微法)(標在圖中)的電容器上。使用鍺二極管D以避免硅二極管由于它們有比較高(0.6伏)的前向電壓降所引起的閾值影響。在施加較大壓力的時間里，建立在0.01μF電容器兩端的正直流電壓也較高。在施加較小壓力的時間里，電容器的電荷在幾毫秒的時間里通過二極管緩慢地泄漏。0.01μF電容器以這種方式能暫時保持壓力峰值。比較小的電容器電壓(一般不足一伏)通過一個運算放大器A(LM358)和反饋網(wǎng)絡Rf和Rf′(例如分別為100K和22K)增加六倍。放大器的輸出電壓最終通過1K歐姆的保護電阻器R加到“墊片1輸出(Pad 1 Out)”。于是，眾所周知，這個電壓(及其他4通道的電壓)被送到一個響應按所需方式以改變電壓電平的合成器。
在實際應用中，希望能夠調(diào)節(jié)電路的靈敏度和對壓力的響應。傳感器的總靈敏度可通過改變振蕩器T1-T2的輸出電壓來改變，這是由改變振蕩器的電源電壓來完成的，圖中在外部將一電位器P1(1K歐姆)接到3 Sens.Hi”(傳感高)?！癝ens.Wipe”(傳感掃抹)和“Sens.Low”(傳感低)各端來完成。接到“Sens.Low”端的470歐姆的電阻器限制調(diào)節(jié)量在3至1的量程。改變“Thresh.Wipe”(閾值掃抹)端處的直流電壓也會有閾值的影響。當這個電壓為零時，最終輸出電壓是出現(xiàn)在0.01μF濾波電容器兩端的整流電壓的如實的六倍拷貝。因為使它是正值，輸出電壓(它不能為負值)要等到被整流的電壓增加超過一個相關的“Thresh Wipe”端(圖5的左底部)的電壓的電壓閾值時才會從零值增加。這也可以通過在外部連接一個1K歐姆的電位器P至三個“Thresh”端來完成。連接到“Thresh.Hi”(閾值高)端的15K電阻器限制閾值調(diào)節(jié)在有用量程。
總結圖5的操作，因此將振蕩器信號(100K赫)通過“Drive Out”加到所有的導電橡皮電極。該“激勵”信號的振幅由連接到三個接線端“Sens.Hi，Low和Wipe(r)”的電位器加以控制。為五個傳感區(qū)域的每一區(qū)域用的第二電極3通過標著“Pad 1”至“Pad 5”連接到五個復制電路之一。這些電路通過將流過每一傳感器的交流電容性電流轉變?yōu)?.7K的電阻器兩端的交流電壓來“測量”流電流。這個交流電壓先由二極管D轉換為直流電壓，然后加以放大，并通過“Pad Out”端送至輸出插座。每一個這些電路都接收倒相的激勵信號;每一個可變電容器被調(diào)節(jié)到兩個激勵信號消失，且使電容性電流(從而每一靜止系統(tǒng)的電壓輸出)盡可能地接近零?！翱梢援a(chǎn)生一響應的最小信號可以通過調(diào)整‘閾值’電位器加以控制”。
當壓力施加到一個傳感器區(qū)域時，電容被改變，電容性電流增加，且輸出端上的直流電壓上升。當除去壓力時，輸出回到零。圖2A-C所示急速的敲擊產(chǎn)生急速升降的“脈沖”，而緩慢的壓力只產(chǎn)生輸出端的電壓成比例的緩慢增加。如前所述，這類模擬輸出(在音樂工業(yè)中被稱為CV)被連接到接受CV輸入的聲音發(fā)生器，其聲音的控制電平完全決定于聲音發(fā)生器的性能。
主目標聲音發(fā)生器是CV電子鼓的“電腦”，這些“電腦”根據(jù)他們的輸入電路特性表現(xiàn)出不同的響應，舉例來說，如果“電腦”的輸入是交流耦合的，則只有強力的敲擊(此處直流輸出模擬交流)將導致聲音的發(fā)生。但如“電腦”輸入是直流耦合的，則任一超過特殊電壓閾值的信號都將產(chǎn)生聲音。正是在這種系統(tǒng)中本發(fā)明的電子鼓產(chǎn)生特別的效果，因為它和常規(guī)的壓電控制器不同，本發(fā)明的系統(tǒng)能保持一個正比于壓力的電壓。維持墊片上的壓力使輸出電壓保持在“電腦”的閾值電壓之上，就可能出現(xiàn)連續(xù)的聲音或重復觸發(fā)的聲音。如果音調(diào)因輸入信號的電壓幅度而改變，則墊片上壓力的起伏就產(chǎn)生相應的聲音音調(diào)的變化。
如前所述，早期的電子鼓控制器(鼓墊片)使用壓電晶體作為換能器。而本發(fā)明的換能器能產(chǎn)生相對于一絕對的基線的一連續(xù)的信號，壓電換能器產(chǎn)生正比于變化率的瞬時信號。當有物理上的變形時，換能器就產(chǎn)生一個電壓，而且，換能器被“彎曲”得更迅速和更急劇，產(chǎn)生的電壓就愈高。然而，變形一停止，即使換能器保持在彎曲位置，它們也會停止產(chǎn)生電壓，而使輸出降至零。這是為此理由，早期的換能器與本發(fā)明的不同之處在于前者不能根據(jù)隨著啟動敲擊后的壓力而提供連續(xù)的控制。此外，由于早期的換能器是按變化率工作的，緩慢的變形并不產(chǎn)生有用的信號。為此，它們特別適宜作為只應用在需要觸發(fā)信號場合的換能器，而這個信號是要由有效的敲撞才能產(chǎn)生的，但“當希望有連續(xù)控制聲音時”，它們并不特別適宜用作鍵盤狀的控制器。
因此，當對本發(fā)明的器件用一鼓棒敲擊時，能產(chǎn)生與使用壓電晶體作為換能器的常規(guī)電子鼓控制器所產(chǎn)生的相似的輸出波形，與壓電系統(tǒng)不同，本發(fā)明的系統(tǒng)在啟動敲擊后能夠連續(xù)產(chǎn)生正比于殘余壓力的信號，容許連續(xù)控制產(chǎn)生聲音的器件。此外，它能有效地變換變動較小的動態(tài)力，這種力是不足于從壓電系統(tǒng)產(chǎn)生有用的信號的。
本發(fā)明的控制器也使用合成器工作。這種合成器產(chǎn)生節(jié)奏以外的聲音并裝調(diào)起來使用CV(控制電壓)輸入。采用這些之后，電位效果的范圍倍增，因為輸入的電壓可以編程以控制多種音樂參數(shù)。
圖5的電路完全是模擬電路。為要結合數(shù)字信號處理器，每個輸出，不管是放大前或放大后的，都做成一種ADC(模數(shù)轉換器)。微處理器(或其它熟知的數(shù)字信號處理電路)根據(jù)邏輯(軟件)的預編程規(guī)則監(jiān)控在一段時間范圍里墊片電容變化的所得數(shù)字表示，并建立相應的數(shù)字控制信號。
根據(jù)MIDI(樂器數(shù)字接口)或其他通訊規(guī)約，將所述系統(tǒng)改變?yōu)檩敵鰯?shù)字控制信號也是可能的。這是通過一個ADC將每個分立電路的輸出進行處理以產(chǎn)生在一段時間里傳感器電容變化的數(shù)字表示來完成的。一個微處理器或其他數(shù)字信號處理電路根據(jù)邏輯的預編程規(guī)則來監(jiān)控這些數(shù)字表示，并建立數(shù)字控制信號，附加的控制器件(開關、滑動式電位器、顯示，等等)以及適用的硬件和軟件可以結合起來，可以改變前述的邏輯預編程規(guī)則。其他規(guī)約也可能與計算機和機器人交流。從事這種工作的技術為本項技術的那些熟練人士所熟知。
其他迭代的做法也可能包括不同的外形、不同的模式結構、不同形狀的敲擊區(qū)、不同數(shù)目的敲擊區(qū)，各種與嚴格的扁平狀不同的結構，以及各種不是用鼓錘或鼓錘而是最適宜用手演奏(如康茄樂曲)的變型。
另一個樂器領域里的實例是上面討論過的“夾層”電極1-1′-2-3可以結合成帶有二或三個小靈敏區(qū)域的吉他撥子護板(guitar pickguard)，這些靈敏區(qū)域可以被敲擊或亂彈以產(chǎn)生CV信號以控制鼓機器或驅動MIDI變換器。電子裝置可以放置在撥子護板下的空腔里。
本產(chǎn)品的另一個迭代做法是允許使用一個或多個“流動的”墊片1-1′-2-3，這種墊片帶有一個適宜緊固機構可以放在吉他表面上的一個選定的位置里，例如在演奏者的右臂下或手上或演奏者身體其他部分，它使用裝入的電子裝置以完成與撥子護板中的被栓住的墊片相似的功能。此外，電子裝置也可以更改以產(chǎn)生或是MIDI信號或是隨后可以用以控制MIDI音樂器件、吉他效果、舞臺設備等的數(shù)字編碼信息。
不同形狀的致動墊片1-1′、不同數(shù)目的致動墊片、吉他其他部分上的墊片位置和用作獨立安裝的功能相似系統(tǒng)或在其他樂器上的墊片位置也顯然是可用的。
如需使系統(tǒng)變得更加不靈敏，以便轉換絕對壓力或敲擊，可在彈性墊片電極1-1′上加上一剛性層。再者，鼓類樂器可起鍵盤的功能，其效果有如所說專利中所敘述的那樣-通過保持頂蓋上的壓力而保持信號，并通過顫動壓力等而控制音調(diào)或音。
如上所述，本發(fā)明也可以用于樂器外的其他目的，包括如在打印輸出或陰極射線管上提供壓力變化和模型的圖形表示;更一般的是作為遙控機構裝置(telefactoring)用的傳感器，諸如閉合閥門用的力的監(jiān)控器，等等，以及在其他應用中包括機動車輛用的觸點監(jiān)控器。
其他的更改也可由那些熟悉本技術的人士作出，這些更改被認為是屬于本發(fā)明在附帶的權利要求
中所規(guī)定的精神和范疇的。
權利要求
1.一種電容性壓敏傳感器，其特征在于在它的組合形式中具有第一電極裝置和一個第二電極裝置，該第一電極裝置包括一個薄的彈性導電塑料片，片上有多個緊密間隔的彈性導電凸塊，凸塊從該導電塑料片的一個表面凸出，及有可壓力一變形的相鄰區(qū)域，通過在該片的相對表面施加壓力可使其相鄰區(qū)域受壓變形，而該第二電極裝置面向凸塊并與凸塊同共鋪開，且在第一和第二電極裝置間用一層薄的電介質(zhì)將第二電極裝置與凸塊隔開。
2.如權利要求
1中所要求的一種電容性傳感器，其特征在于其中多個凸塊是安置在二維陣列的緊密地間隔的凸塊。
3.如權利要求
2中所要求的一種電容性傳感器，其特征在于其中的凸塊在形變時，由于有裝成不能移動的第二電極裝置存在，故在撳壓方面受到限制。
4.如權利要求
3中所要求的一種電容性傳感器，其特征在于所說凸塊基本上均勻地分布在所說陣列上，當被壓向在其間有電介質(zhì)層的第二電極裝置時，凸塊具有可變形的彎曲表面。
5.如權利要求
中所要求的設備，其特征在于所說傳感器的每個電極裝置都連接到電子裝置，用以傳感由第一電極裝置的壓力形變所產(chǎn)生的電容性變化并產(chǎn)生相應于同一壓力形變的信號。
6.如權利要求
5中所要求的設備，其特征在于所說電子裝置產(chǎn)生信號以響應敲擊在第一電極裝置的所說相對表面上所引起的傳感器電容性變化。
7.如權利要求
5中所要求的設備，其特征在于所說電子裝置產(chǎn)生信號以響應施加在第一電極裝置的所說相對表面上的壓力-面積-模型所引起的電容性變化。
8.如權利要求
5中所要求的設備，其特征在于其中備有將所產(chǎn)生的信號轉換為壓力形變的音頻表示。
9.如權利要求
8中所要求的設備，其特征在于其中的聲頻表示是在第一電極裝置所說相對表面上受類似對鼓類敲擊和掃掠所產(chǎn)生鼓類的音和聲音。
10.如權利要求
9中所要求的設備，其特征在于其中的壓力是通過裝在其上的鼓頂蓋層而加到所說相對表面。
11.如權利要求
9中所要求的設備，其特征在于其中另外的相似傳感器區(qū)域被提供在第一次提到的傳感器附近，以便產(chǎn)生多區(qū)的獨立鼓類效應。
12.如權利要求
5中所要求的設備，其特征在于其中備有將所產(chǎn)生的信號轉換為壓力形變的可見顯示的裝置。
13.如權利要求
2中所要求的設備，其特征在于其中的凸塊是厚度可變的如稍呈錐狀的凸塊。
14.如權利要求
13中所要求的設備，其特征在于所說薄片的厚度約為十分之幾英寸的級別，凸塊分布密度約為每平方英寸一百個，且各約為百分之幾英寸的級別，而第二電極裝置和電介質(zhì)層各約幾個密耳。
15.如權利要求
1中所要求的一種電容性傳感器，其特征在于所說第二電極裝置包括多個相鄰區(qū)段的電極與單一的公共的第一彈性電極裝置一起工作。
16.如權利要求
1中所要求的一種電容性傳感器，其特征在于所說第一彈性電極裝置包括多個分離區(qū)段的彈性電極。
17.如權利要求
16中所要求的一種電容性傳感器，其特征在于該隔離裝置是安置在區(qū)段彈性電極之間。
18.如權利要求
16中所要求的一種電容性傳感器，其特征在于其中的一層半剛性覆蓋層是安置在所說第一彈性電極裝置上。
19.如權利要求
15中所要求的一種電容性傳感器，其特征在于其中的一層半剛性覆蓋層是安置在所說第一彈性電極裝置上。
20.如權利要求
19中所要求的一種電容性傳感器，其特征在于所說第一彈性電極裝置是由被實心導電橡皮的片段隔離的劃分成區(qū)段的導電彈性的橡膠類材料制成的。
21.如權利要求
17中所要求的一種電容性傳感器，其特征在于所說彈性電極裝置是由導電彈性的橡膠類的材料制成的。
22.一種鼓類樂器，其特征在于它具有組合形式的幾個裝置薄的彈性導電塑料電極裝置，它具有多個緊密間隔開的彈性導電凸塊從其內(nèi)表面凸出并帶有因施加壓力在其外表面而產(chǎn)生壓力形變的相鄰區(qū)域;一層半剛性鼓的覆蓋層被安置在彈性電極裝置的外表面上，用以接收壓力并將壓力傳送到彈性電極裝置;一個第二電極裝置面對著凸塊并與凸塊共同鋪開，且由其間的薄電介質(zhì)層將之與凸塊分開;與電極裝置相連的裝置，用以施加交流電壓或電流至電極裝置，并傳感出因壓力形變所引起的電容變化。
23.如權利要求
22中所要求的一種鼓類樂器，其特征在于所說第二電極裝置包括多個與所說薄的電極裝置一起工作的相鄰區(qū)段電極。
24.如權利要求
23中所要求的一種鼓類樂器，其特征在于所說彈性電極裝置包括一個單一的彈性導電片。
25.如權利要求
22中所要求的一種鼓類樂器，其特征在于所說薄的彈性電極裝置包括多個分離區(qū)段的彈性片電極。
26.如權利要求
25中所要求的一種鼓類樂器，其特征在于其中安置在區(qū)段彈性電極之間的裝置是用以防止串音的。
27.一種鼓類樂器，其特征在于它具有組合形式的幾個裝置傳感裝置包括薄的有彈性導電彈性體電極裝置，這種電極裝置具有由施加壓力在其外表面上所引起的壓力形變相鄰區(qū)域;一個放置在所說外表面的半剛性鼓的覆蓋層，用以接收壓力并傳送壓力至彈性電極裝置;與電極裝置連接的裝置，用以施加壓力或電流至電極裝置，并傳感出由壓力形變所引起的阻抗變化;以及用以產(chǎn)生相應于被傳感出的阻抗變化和產(chǎn)生聲音以響應代表加至所說鼓的覆蓋層上的壓力的所說信號的裝置。
28.如權利要求
27中所要求的一種鼓類樂器，其特征在于所說第二電極裝置包括多個與所說薄的彈性電極裝置一起工作的相鄰區(qū)段電極。
29.如權利要求
28中所要求的一種鼓類樂器，其特征在于所說薄的彈性電極裝置包括一個單一的彈性導電片。
30.如權利要求
27中所要求的一種鼓類樂器，其特征在于所說薄的彈性電極裝置包括多個分離區(qū)段的彈性薄片電極。
31.如權利要求
30中所要求的一種鼓類樂器，其特征在于其中的隔離裝置被安置在區(qū)段彈性電極之間。
32.一種電容性壓力傳感的方法，其特征在于它包括使有緊密間隔的凸塊的導電彈性塑料二維陣列的相鄰區(qū)域朝一預定的方向和按相應于伸展在陣列的一或多個區(qū)域的預定壓力模型的壓力形狀發(fā)生動態(tài)地變化，使每個凸塊因上述壓力而形變;限制凸塊的輪廓線的變形限制在一固定位置的、共同鋪開的、共同工作的、電容性電極表面上，該表面由一薄的介電媒質(zhì)與陣列隔開;以及傳感出在壓力形狀下由凸塊引起的動態(tài)電容性變化，以產(chǎn)生相應該壓力的電信號。
33.如權利要求
32中所要求的一種方法，其特征在于，在變形期間，該信號被轉換為音頻音和聲音。
34.如權利要求
32中所要求的一種方法，其特征在于，在變形期間，該信號被轉換為可見的顯示。
35.一種鼓類樂器，其特征在于它具有組合形式的幾種裝置具有因施加壓力至其上而壓力變形的相鄰區(qū)域的傳感器裝置;一個放置在所說傳感器裝置上的半剛性壓力-撓曲的光滑和連續(xù)的鼓覆蓋層表面，用以接收壓力并將壓力傳送到傳感器裝置;與傳感器裝置相連接的裝置，用以傳感出因壓力形變所引起的阻抗變化;以及用以產(chǎn)生相應于被傳感出的阻抗變化的信號并用以產(chǎn)生聲音以響應代表施加到所說鼓覆蓋層的壓力的所說信號的裝置。
36.如權利要求
35中所要求的鼓類樂器，其特征在于所說傳感裝置包括結合所說鼓覆蓋層的相應相鄰區(qū)域的多個相鄰傳感器。
專利摘要
一種新穎的壓敏傳感技術和器械，其中一個載有二維陣列凸塊的彈性體導電電極相對于一個固定的共同鋪開的協(xié)作電極上而言是壓力-變形的，以便產(chǎn)生相應于施加在二維表面上的動態(tài)壓力的信號，例如應用到樂器的音調(diào)和聲音，或可見的顯示。一種新穎的鼓類和其他樂器體現(xiàn)了這種新穎的電容性傳感技術，等等。
文檔編號G10H3/14GK87103587SQ87103587
公開日1988年11月30日 申請日期1987年5月13日
發(fā)明者唐納德·A·鄧肯, 杰弗里·B·特里普 申請人:基本概念公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan