CN101180601B

CN101180601B - 数字笔和数字笔系统

Info

Publication number: CN101180601B
Application number: CN200680017983.3A
Authority: CN
Inventors: R·莱夫; N·克德姆; M·科卡雷夫; M·戈特曼; N·阿尔特曼
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Polytron Technologies Inc; Qualcomm Inc
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: CN104298371B; EP1861771A2; US20080166048A1; KR20070114397A; IL186083A; JP5449412B2; CA2601313C; WO2006100682A3; AU2006225986A1; US20110096042A1; ATE540350T1; EP2323017A2; AU2006225986B2; NZ562665A; JP4954971B2; EP2323017A3; HK1106839A1; EP2323017B1; CN104298371A; JP2012094173A

Abstract

一种数字笔(1000)，包括：电路(110)；声发射机(100)，所述声发射机从所述电路(110)分离并且被配置成发射声信号；和弹性支架(120)，所述弹性支架被配置成机械地按压所述电路(110)以使其与所述发射机(100)电接触，以便将所述电路(110)和所述发射机(100)电连接。

Description

数字笔和数字笔系统

技术领域

本发明涉及声定位方法，更具体地，但不唯一地，涉及用于使用声信号发射笔输入设备进行数据输入的方法和装置。

背景技术

数字书写工具，在此又可交替地称作数字笔，不管它们实际上是否在纸上进行书写，都能够用于在纸上捕捉笔划并将所述笔划数字化。

例如，可以利用数字笔通过笔迹识别软件将笔划转换成以数字形式存储的书写记录。采用这种方式，可以消除现代书面通信中费力乏味的步骤，即把笔迹手工地转录到计算机化的文字处理器中，从而极大地提高了生产率。

感应笔的时变(time-dependent)位置以及把所述位置转换成笔划的技术可被用于把笔划的数字表示输入到笔迹识别设备中。

如在现有技术中所公知的，可以使用超声系统，采用这种系统，当特定的笔移动横过一张纸时，所述笔产生或改变超声信号。

超声信号被接收机感应并且被与相对于(vis-a-vis)每个接收机的位置相关，以致接收机的输出被三角形化(triangulate)并且被与绝对的笔位置相关。接着，笔位置序列能够被数字化以便输入到笔迹识别引擎中。

超声系统的优势在于：超声信号发射设备的用户能够使用该设备在放在基站上或其附近的普通纸张上进行书写，所述基站接收所述超声信号并且将所述信号转换成字母数字字符。

当前在本领域中有许多已知的使用声脉冲发射笔输入设备进行数据输入的方法。

授权给Stefik的美国专利号4,814,552(于1987年12月2日提交且题为“Ultrasonic position input device”)描述了一种用于将手绘形式输入到计算机中的输入设备或输入笔(stylus)，所述输入设备或输入笔包括：书写工具，用于确定该工具是否与书写表面相接触的压力开关，用于将所述输入笔在所述表面上的位置三角形化的声发射机，以及用于将数据和计时信息传送给计算机的无线发射机。

在操作中，Stefik所描述的输入笔发射红外信号和超声脉冲，其中所述红外信号由系统即时接收，而所述超声脉冲由两个传声器在一定延迟之后接收，所述延迟是声速以及所述输入笔与每个传声器的距离的函数。

授权给Ikeda的美国专利号6,654,008(于2001年11月27日提交且题为“Electronic whiteboard and penholder used for the same”)描述了一种电子白板，能够使用若干种颜色的标记笔和一个在这种电子白板中使用的笔架来在所述电子白板上进行绘图。

在Ikeda的专利中，红外发光单元发射包含标记笔的颜色信息的红外光，超声波发射单元发射超声波，并且颜色信息切换装置根据标记笔的颜色对颜色信息进行切换。电子白板主体接收从笔架发射的红外光和超声波，并且根据红外光和超声波的接收时序发出有关笔架位置的信息。

授权给Zloter的美国专利号6,876,356(于2002年3月18日提交且题为“Digitizer pen”)描述了一种数字转换器笔系统，所述数字转换器笔系统包括笔，所述笔具有从其书写尖端伸出以防止手指阻挡与基础单元的通信的装置。

授权给Ward的美国专利号6,184,873(于1998年1月20日提交且题为“Pen positioning system”)描述了一种包括笔的笔定位系统。所述笔具有多个输出元件并且适于准确地确定所述笔的指示尖端相对于电子书写板的位置。

优选地，所述输出元件是具有不同频率的超声发射机，这些超声发射机彼此相距固定距离并且在空间上还与所述笔的指示尖端相关。

检测系统被用于从所述输出元件接收输出信号，将所述输出信号相互隔离并且独立地处理它们，从而确定所述输出元件以及所述笔的指示尖端的位置。

授权给Russel的美国专利号6,703,570(于2000年5月10日提交且题为“Digital pen using ultrasonic tracking”)描述了一种数字笔系统。Russel的系统包括：限定书写尖端的细长的笔，以及定位在所述笔上的用于将超声能量帧从所述笔向外指引的超声换能器，其中每一帧都包括多个接收脉冲。

Russel的专利中的数字笔系统还包括位于基座(例如膝上型计算机)上的两个或更多用于接收脉冲的检测器，其中每个脉冲都与相对于至少一个检测器的至少一个脉冲到达时间(TOA)相关联。Russel的系统还包括定位在基座上的处理器，所述处理器用于接收来自检测器的信号，并且根据所接收的信号来输出表示笔位置的位置信号。

然而，在当前声技术和当前声技术在数字笔(例如在上文所引用的专利中描述的数字笔)的实现方式中都存在着固有的问题。

当前声技术的缺点有：缺乏准确度，缺乏多设备支持，高功耗等。这些问题牵扯到现有的、使用声脉冲发射设备进行数据输入的机械设计。

除此之外，还存在着与声发射机的组装及其并入数字笔等有关的制造问题。例如，这样的问题会出现在把声发射机连接到柔性印刷电路板(PCB)的过程中。而且，还存在着营销问题，例如因改变产品外观且同时保持功能部件相同而引起的产品之间的区别。

因此，普遍认识到：需要没有上述局限性的装置或方法，并且拥有所述装置或方法会是非常有利的。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种数字笔，包括：

电路；

声发射机，所述声发射机从所述电路分离并且被配置成发射声信号；和

弹性支架(holder)，所述弹性支架被配置成机械地按压所述电路以使其与所述发射机电接触，以便将所述电路和所述发射机电连接。

根据本发明的第二方面，提供了一种弹性支架，包括：基底和从该基底垂直上升的延伸部，并且是针对其上的第一电路和第二电路在外壳封闭内的位置而配置的，以致由于所述外壳内的所述封闭而引起所述第一和第二电路之间的电接触。

根据本发明的第三方面，提供了一种数字笔，包括：

声发射机，所述声发射机被配置成发射声信号；和

开关组件，所述开关组件具有用于按压所述组件来分别实现第一和第二开关模式的两个开关点，所述组件还具当基本上同时按下所述两个开关点时能够被选择的第三模式。

一种数字笔，包括：

笔尖，

声发射机，所述声发射机被配置成发射声信号，并且被安置在所述笔尖附近；和

平滑接触开关，所述接触开关被配置成当从所述笔尖向该接触开关传送书写压力时平滑地启动所述数字笔。

根据本发明的第四方面，提供了一种数字笔，包括：

终止于书写尖端的细长主体；

从所述书写尖端伸出的书写元件；

布置在所述书写尖端附近的声发射机，所述声发射机被配置成发射声信号，和

安装在所述书写尖端附近的旋转覆盖件，所述旋转覆盖件当被以一个方向转动时覆盖所述书写元件，而当被以与所述一个方向相反的方向转动时使所述书写尖端露出。

根据本发明的第五方面，提供了一种数字笔，包括：

终止于书写尖端的细长主体；

从所述书写尖端伸出的书写元件；

覆盖所述细长主体的细长外壳，所述细长主体在所述细长外壳内部能被移动，用以露出或覆盖所述书写元件。

根据本发明的第五方面，提供了一种数字笔，包括：

声信号发射机，所述声信号发射机被配置成发射声信号；和

安置在所述声发射机附近的声波导，所述声波导包括以从所述声信号发射机离开的方向向外辐射的多个鳍状物。

根据本发明的第六方面，提供了一种接收单元，用于接收来自数字笔的声信号，所述接收单元包括：

至少两个超声接收机，用于接收来自所述数字笔的超声信号；和

连接到所述超声接收机的电路，所述电路被配置成提取由所述超声接收机接收的超声信号，所述提取包括参照包括与期望参考信号有关的数据的参考模型。

根据本发明的第七方面，提供了一种数字笔系统，包括：

数字笔，所述数字笔具有：终止于书写尖端的细长主体，从所述书写尖端伸出的书写元件，和布置在所述书写尖端附近的声信号发射机，并且所述声信号发射机被配置成发射声信号；

至少一个接收单元，所述接收单元用于接收来自所述数字笔的所述声信号；和

与所述至少一个接收单元相关联的处理器，所述处理器被配置成处理所述接收的声信号以用于确定所述数字笔在预定义区域中的出现，并且当所述确定出现时触发预定义的功能；和

地图，所述地图被配置成用图形绘制所述预定义区域，以便辅助用户在所述预定义区域中放置所述数字笔。

根据本发明的第八方面，提供了一种数字笔系统，包括：

数字笔，所述数字笔具有：电路；从所述电路分离的声发射机，所述声发射机被配置成发射声信号；和弹性支架，所述弹性支架被配置成当对所述弹性支架施加机械压力时按压所述电路使其与所述发射机接触，以便将所述电路与所述发射机电连接；

与所述至少一个接收单元相关联的处理器，所述处理器被配置成处理所述接收的声信号以用于确定所述数字笔的位置。

根据本发明的第九方面，提供了一种数字笔系统，包括：

数字笔，所述数字笔具有：声发射机，所述声发射机被配置成发射声信号；和开关组件，所述开关组件具有用于按压所述组件来分别实现第一和第二开关模式的两个开关点，所述组件还具有当基本上同时按下所述两个开关点时能被选择的第三模式；

至少一个接收单元，所述接收单元被配置成接收来自所述数字笔的所述声信号；和

根据本发明的第十方面，提供了一种数字笔系统，包括：

数字笔，所述数字笔具有：声发射机，所述声发射机被配置成发射声信号；和平滑接触开关，所述接触开关被配置成当在所述平滑接触开关上施加压力时启动所述数字笔；

与所述至少一个接收单元相关联的处理器，所述处理器被配置成处理所述接收的声信号以用于确定所述数字笔的位置，所述平滑接触开关包括弹性元件，所述弹性元件被安装在开路电路的第一端并且从所述电路的第二端断开，所述弹性元件能被挤压到所述弹性元件接触所述电路的所述第二端的位置，从而当施加将所述弹性元件挤压到所述位置的书写压力时闭合所述电路。

根据本发明的第十一方面，提供了一种数字笔系统，包括：

数字笔，所述数字笔具有被配置成发射声信号的声发射机；

至少一个接收单元，所述接收单元具有至少两个超声接收机，所述超声接收机被配置成接收来自所述数字笔的超声信号；和

与所述至少一个接收单元相关联的处理器，所述处理器被配置成处理所述超声信号以用于提取所述数字笔的位置，所述提取包括参照包括与期望参考信号有关的数据的参考模型。

根据本发明的第十二方面，提供了一种数字笔系统，包括：

数字笔，所述数字笔具有被配置成发射声信号的声发射机；

至少一个接收单元，所述接收单元具有外壳，并且至少两个声信号接收机安置在所述外壳内部，彼此相距小于65mm，所述声信号接收机被配置成接收来自所述数字笔的声信号；和

与所述至少一个接收单元相关联的处理器，所述处理器被配置成处理所述声信号以用于确定所述数字笔的位置。

根据本发明的第十三方面，提供了一种平滑接触开关，包括：

弹性元件，所述弹性元件被安装在开路电路的第一端并且从所述电路的第二端断开，所述弹性元件能被挤压到所述弹性元件接触所述电路的所述第二端的位置，从而当施加将所述弹性元件挤压到所述位置的压力时闭合所述电路。

根据本发明的第十四方面，提供了一种数字套，所述数字套能被安装在书写工具上，所述数字套包括：

声信号发射机，所述声信号发射机被配置成发射声信号；

书写传感器，所述书写传感器被连接到所述声发射机，并且被配置成检测所述书写工具相对于所述数字套的预定义运动以及当所述检测到有时启动所述声信号发射机。

除非另外定义，在此所使用的所有技术和科学术语所具有的含义都与本领域普通技术人员通常理解的含义相同。在此所提供的材料、方法和例子仅仅是示例性的而并不旨在限制。

本发明的方法和系统和实施包括手动、自动或以二者结合的方式执行或完成某些选定任务或步骤。此外，根据本发明的方法和系统的优选实施例的实际使用仪器和设备，可以通过硬件或通过任何固件的任何操作系统上的软件或其结合来实施若干选定步骤。例如，作为硬件，本发明的选定步骤可以被实施为芯片或电路。作为软件，本发明的选定步骤可以被实施为计算机使用任何适当的操作系统所执行的多条软件指令。在任何情况下，本发明的方法和系统的选定步骤可以被描述为由数据处理器执行，例如用于执行多条指令的计算平台。

附图说明

在此仅采用举例方式参照附图对本发明进行说明。现在特别详细地参照附图，要强调的是，所示出的细节仅仅是作为示例且目的是对本发明的优选实施例进行说明性论述，并且给出这些细节的目的在于提供被认为是对于本发明的原理和概念方面而言最有益且最容易理解的描述。在这点上，本申请没有试图示出比基本理解本发明而言所必需的本发明的结构细节更详细的结构细节，参照附图所进行的描述使得本领域技术人员能够非常清楚如何在实践中实施本发明的若干形式。

图1是图示出根据本发明优选实施例的数字笔的简化框图。

图2a和2b是根据本发明优选实施例的布置在数字笔内部的弹性支架(holder)的示例性绘图。

图3是根据本发明优选实施例的具有开关组件的数字笔的示例性绘图，所述开关组件包括两个开关。

图4a是示意性地图示出根据本发明优选实施例的示例性开关组件机械设计的简化框图。

图4b是示出根据本发明优选实施例的开关组件的第一示例性覆盖元件的示图。

图4c是示出根据本发明优选实施例的开关组件的第二示例性覆盖元件的示图。

图5a-1和5a-2是描绘根据本发明优选实施例的接触开关的简化框图。

图5b是图示出根据本发明优选实施例的具有孔口(vent)的粘合剂的简化示图。

图6a是图示出根据本发明优选实施例的具有可更换的覆盖元件的第一数字笔的简化示图。

图6b是图示出根据本发明优选实施例的具有可更换的覆盖元件的第二数字笔的简化示图。

图6c是图示出根据本发明优选实施例的具有可更换的覆盖元件的第三数字笔的简化示图。

图6d是图示出根据本发明优选实施例的具有可更换的覆盖元件的第四数字笔的简化示图。

图7a是图示出根据本发明优选实施例的第一可伸缩的数字笔的简化框图。

图7b是图示出根据本发明优选实施例的第二可伸缩的数字笔的简化示图。

图8a是图示出根据本发明优选实施例的第二可伸缩的数字笔的简化框图。

图8b是图示出根据本发明优选实施例的第二可伸缩的数字笔的简化示图。

图9是示意性地图示出根据本发明优选实施例的具有两个声发射机的数字笔的简化框图。

图10是示意性地图示出根据本发明优选实施例的用于书写工具的数字套(sleeve)的示图。

图11a-11e是根据本发明优选实施例的用于书写工具的数字笔声栅的示意性绘图。

图12是根据本发明优选实施例的用于接收来自数字笔的声信号的第一接收单元的示意性绘图。

图13是根据本发明优选实施例的用于接收来自数字笔的声信号的第二接收单元的示意性绘图。

图14是图示出根据本发明优选实施例的数字笔系统的简化框图。

图15是图示出根据本发明优选实施例的解码单元的简化框图。

图16是图示出根据本发明优选实施例的用于并入最大似然检测器(maximum likelihood detector)的数学模型的示例性组件的简化框图。

图17是示出根据本发明优选实施例的示例性相关函数的两部分曲线图。

具体实施方式

本实施例包括：数字笔、数字套、接收单元和数字笔系统。

参照附图和伴随的描述可以更好地理解根据本发明的数字笔、数字套、接收单元和数字笔系统的原理和操作。

本发明试图克服传统技术的缺陷，在上文中的背景技术和技术领域部分中对一些所述传统技术进行了描述。本发明试图通过将新思想引入可行产品的设计中并在其中实现所述新思想来改进当前技术，所述可行产品是数字笔、数字套、用于接收从数字笔发射的声信号的接收机，或数字笔系统。

在详细解释本发明的至少一个实施例之前，要理解的是，本发明并没有把它的应用局限于在如下描述中所阐述的或在附图中所示出的部件的构造和布置的细节。本发明能够是其它实施例或者能够以各种方式实践或实现。而且，要理解的是，在此所采用的措词和术语的目的在于说明而不应当被视为限制。

现在参照图1，它是图示出根据本发明优选实施例的数字笔的简化框图。

根据本发明的优选实施例，数字笔1000包括：至少一个声发射机100(优选被布置在笔尖附近)，和诸如柔性印刷电路板(PCB)120之类的电路110，所述电路110包括到电源(例如小型电池)的连接。

优选地，声发射机100是超声换能器。

可选地，所述超声换能器是将电能转换成超声信号的压电换能器。压电晶体具有这样的特性：当对其施加电压时，所述压电晶体的大小会改变。通过将交流电压(AC)施加到压电晶体上，就使得所述晶体以甚高频振荡，从而产生包括甚高频的声波的超声信号。

优选地，所述超声换能器由聚偏氟乙烯(PVDF)制成，所述聚偏氟乙烯是柔性塑料聚合物，具有压电特性。

声发射机100被电连接到电路110，所述电路110可以从发射机110分离，比如说允许将墨水注入器装入笔中。

然而，声发射机100太敏感以致于不能允许因焊接，因把发射机100电连接到电路110所造成的发热，或者甚至不能允许把塑料附着到发射机100。虽然用螺丝连接发射机是可选的，但这不适于高速大量生产。

本发明的优选实施例试图使用弹性支架120来克服在电连接发射机100和电路110中遇到的困难。

当在弹性支架120上施加机械压力时，弹性支架120按压电路110使其与声发射机100接触，以便将电路110和声发射机100电连接。

可选地，弹性支架120被进一步配置成将柔性PCB推动到一位置，以便允许把诸如IR发射机之类的部件放置在某些位置。

优选地，弹性支架120有助于使得数字笔1000小于数字笔领域已知的数字笔。

现在参照图2a，它是根据本发明优选实施例的布置在数字笔内部的弹性支架的示例性绘图。

根据本发明优选实施例的数字笔2000具有：终止于书写尖端的细长主体，从书写尖端伸出的书写元件220，布置在书写尖端附近的声发射机210，例如柔性PCB 240(柔性印刷电路板)之类的电路240或导体。

所述数字笔的书写元件可以是墨水注入器(ink refill)、铅笔尖、标记器等，但并不局限于此。所述数字笔还可以包括擦除器。数字笔还可以允许用户更改书写的颜色，比方说使用开关组件，这将在下文中详细描述。可选地，所述书写元件就是不进行物理书写的、弄尖锐的尖端。

优选地，数字笔2000还包括弹性支架250，所述弹性支架250按压柔性PCB 240(或导线)使其与声发射机210接触，以便将柔性PCB 240和声发射机210电连接(并连接到笔的主体)。

优选地，弹性支架250可以由导电材料制成，以便提高柔性PCB 240和声发射机210之间的导电性。

可选地，可以通过在弹性支架250上布置金触点来提高柔性PCB 240和声发射机210之间的导电性。

弹性支架250保证了柔性PCB 240和声发射机210之间的电接触。可选地，是作为施加在弹性支架250上的机械压力的结果，比方说来自笔的外壳(housing)的机械压力。

在优选实施例中，弹性支架250采用“U”形：上端实心下端开口，以使笔主体通过弹性支架250的底部保持紧密。“U”形的弹性支架250包括基底(base)和从该基地垂直上升的延伸部，并且“U”形的弹性支架250是针对柔性PCB 240或任何其它第一电路和第二电路在外壳封闭内的位置而配置的。由于外壳内的封闭，弹性支架250引起所述两个电路之间的电接触，从而连接此两个电路。通过连接此两个电路，弹性支架250将柔性PCB 240和声发射机210电连接起来。

优选地，弹性支架250具有少许弹性以便通过将所有部件放置到位并将弹性支架250滑动到位来实现简易的组装。机械力是通过由上文中的基底所组成的上部上的弹性凸缘(lug)来保持的。如上文所解释的，所述弹性凸缘将支架向上推(而底部被固定到笔的主体，如上文所解释的)。

现在参照图2b，它示出根据本发明优选实施例的具有弹性支架的示例性数字笔。

如上所述，数字笔2000具有弹性支架290。弹性支架290还具有板簧(leaf springs)292。板簧292被配置成将压力施加在声发射机的带状电缆(ribbon)上，从而如上文所描述的那样将所述声发射机连接到柔性PCB 295。

现在参照图3，它是根据本发明优选实施例的具有开关组件的数字笔的示例性绘图，所述开关组件包括两个开关。

根据本发明的优选实施例，数字笔3000包括至少一个声发射机310，优选是超声换能器。

数字笔3000还包括具有至少两个开关的开关组件320。数字笔3000具有用户可以通过基本上同时按下至少两个所述开关来选择的某一模式。

可选地，根据本领域中已知的技术，在机械上将开关组件320设计成其位置与笔的所述某一模式相关联。优选地，仅当用户同时或几乎同时按下开关组件320的两个开关时，才能够到达所述位置。

现在参照图4a，它是示意性地图示出根据本发明优选实施例的示例性开关组件机械设计的框图。

根据本发明的优选实施例，所述开关组件具有安装在开关杆450上的两个开关410、420。所述开关杆绕支点470而保持平衡。优选地，由弹簧将支点470向上推进。

用户可以推第一开关410，从而使所述组件置于第一位置(a)，或推第二开关420，从而使所述组件置于第二位置(b)，或在两个位置(a、b)之间进行切换。

当用户同时或几乎同时推两个开关410、420时，同时施加在两个开关410、420上的压力就顶着弹簧推支点470，并且将所述组件置于在第三位置(c)，在此位置下此两个开关都被压下。如上所述，所述第三位置可以与某一模式相关联。

可选地，根据本领域中已知的技术，在电学上将开关组件320设计成其位置与笔的某一模式相关联。仅当用户基本上同时按下开关组件320的两个开关时，才能够到达所述位置。

现在参照图4b，它是示出根据本发明优选实施例的开关组件的第一示例性覆盖元件的框图。

开关组件320还可以包括覆盖元件4000。覆盖元件4000具有右和左凸起4100(或凹入(regression))，用于如上所详细描述的那样引导用户按下两个开关410、420其中之一。覆盖元件4000还具有中部凸起4200(或凹入)，用于引导用户将压力同时施加在两个开关410、420上，从而如上所描述的那样使所述开关组件达到所述第三位置。

现在参照图4c，它是示出根据本发明优选实施例的开关组件的第二示例性覆盖元件的框图。

覆盖元件4500被安装在开关组件上，以使得凸起(凹入)被定位在它们的两个开关4520之上，如上文所描述的那样。

现在参照图5a，它是描绘根据本发明优选实施例的接触开关的简化框图。

根据本发明优选实施例的数字笔包括平滑接触开关，所述接触开关被配置成在将机械压力施加到所述平滑接触开关上时启动数字笔。

所述平滑接触开关被装配在数字笔部，以使得当所述笔接触表面(例如纸张)时(比如说当用户使用数字笔进行书写时)机械压力被施加在所述平滑接触开关上。

优选地，所施加的压力可以非常小，优选小于25克。更优选地，开关激活行程非常小(比如说，小于0.1mm)，并且不会被使用所述笔的用户感觉到。

所述平滑接触开关可以被安装在开路电路上，例如柔性印刷电路板(PCB)、常规电路或安装在导电材料的两个分离圆圈上，等等。这样，把所述开关连接到电路，就不需要导线或带状电缆。

在优选实施例中，具有导电特性的同心粘合剂510被涂在电连接到开路电路的一端的弹性元件530上。

所述平滑接触开关的上部是具有导电特性且被安装在粘合剂510上的、平坦且可挤压的弹性元件530，如沿仰视图(5a-1)的AA线的截面图(5a-2)所示。可选地，弹性元件由导电材料制成，或者通过将诸如导电墨水或胶之类的附加物添加到弹性元件530以赋予弹性元件530导电特性。

所述平滑接触开关的弹性元件530的顶部中心的压力将弹性元件530挤压到一位置，以形成从开路电路的第二端，经弹性元件530，经同心粘合剂(concentric adhesive)510，到达所述电路的第一端的电通路，从而闭合所述电路，进而启动数字笔。

启动压力是由同心粘合剂510的厚度、同心粘合剂510的内径和弹性元件530的厚度控制的。

可选地，所述弹性元件由覆盖有导电墨水的聚对苯二甲酸乙酯(PET)材料制成，而所述同心粘合剂是非常薄的层(不超过0.1mm)并且由3M^TMZ-Axis或类似的产品制成。可选地，弹性元件530由导电金属制成。

现在参照图5b，它是图示出根据本发明优选实施例的具有孔口的粘合剂的简化框图。

优选地，上文所述的在平滑接触开关中使用的粘合剂5100包括通风孔(vent hole)5150，所述通风孔5150用于减轻由弹性元件530、粘合剂和当挤压弹性元件530时被所述平滑接触开关闭合的电路形成的空腔内所截留的气压。

现在参照图6a，它是图示出根据本发明优选实施例的具有可更换覆盖元件的第一数字笔的简化示图。

优选地，根据本发明优选实施例的数字笔具有把功能部件容纳在一起的内部结构和具有可更换的覆盖元件(表层)的外壳。

所述内部部件可以容纳声换能器、IR发射器、诸如柔性PCB之类的电路、开关等。所述外壳覆盖所述内部部件并且具有一些机械接口以使其连接到所述内部部件。所述外壳可以具有附加的功能特性，例如电池盒。

在优选实施例中，引入了多种鲜艳且时尚的可更换覆盖元件，从而为数字笔提供了一定范围的覆盖物(表层)。

可选地，笔的制造者把多种覆盖元件中的一种与笔组装在一起，因而，终端用户不能够更换覆盖元件。优选地，允许终端用户更换外壳的覆盖元件，从而赋予数字笔不同的外观和不同的触觉或纹理。

例如，数字笔6100具有外壳，所述外壳包括位于中央的可更换覆盖元件(表层)610，覆盖元件610的一侧连接到电池支持底盘611，而另一侧连接到笔尖612。可选地，如本领域中已知的，利用(可见的或隐藏的)弹簧锁615将中央的可更换覆盖元件(表层)610连接到电池支持底盘611和笔尖612。

现在参照图6b，它是图示出根据本发明优选实施例的具有可更换覆盖元件的第二数字笔的简化示图。

数字笔6200具有外壳，所述外壳包括连接到笔尖6220的可更换覆盖元件(表层)6210。

现在参照图6c，它是图示出根据本发明优选实施例的具有可更换覆盖元件的第三数字笔的简化示图。

数字笔6300具有外壳，所述外壳包括连接到电池盖6320的可更换覆盖元件(表层)6310。

现在参照图6d，它是图示出根据本发明优选实施例的具有可更换覆盖元件的第四数字笔的简化示图。

数字笔6400具有外壳，所述外壳包括连接到下部盖6420的上部可更换覆盖元件(表层)6410。

优选地，所述数字笔是允许覆盖位于笔尖(比方说位于布置在笔(或输入笔，或铅笔)内部的墨盒的尖端)的书写元件的可伸缩数字笔。

现在参照图7a，它是图示出根据本发明优选实施例的第一可伸缩数字笔的简化框图。

根据优选实施例，数字笔700具有旋转部件710，当用户转动部件710时，部件710向前或向后移动。

当用户以一个方向转动部件710时，旋转部件710向前移动并且覆盖书写元件720，所述书写部件720从数字笔700的尖端715伸出。当用户以相反方向转动部件710时，旋转部件710向后移动并且使书写元件720露出。

可选地，旋转部件710的旋转运动被变换成线性运动，在旋转部件710向前移动的情况下，覆盖书写元件720，否则在向后移动的情况下，使书写元件720露出。如本领域中已知的，可通过引导旋转部件710的螺旋形轨迹来使所述变换便于进行。

现在参照图7b，它是图示出根据本发明优选实施例的第二可伸缩数字笔的简化示图。

数字笔的外壳包括表层7120和可伸缩尖端7110。可伸缩尖端7110通过螺旋机构7100连接到表层7120。螺旋机构7100引起所述尖端进出的线性运动。旋转运动是由用户施加在尖端7110和表层7120之间的。

现在参照图8a，它是图示出根据本发明优选实施例的第三可伸缩数字笔的简化框图。

可伸缩数字笔800包括细长外壳805，外壳805覆盖着终止于书写尖端的细长主体820，书写元件810(例如墨水注入器的尖端)从所述书写尖端伸出。

可以使细长主体820向前移动以使得书写元件810露出，以及向后移动以将书写元件覆盖在数字笔800的外壳805的内部。

可选地，由弹簧830向后推动细长主体820，从而将细长主体820推到书写元件810被外壳覆盖的位置。

优选地，可通过固定装置850将细长主体820固定到书写元件810被露出的位置。可选地，可以使用搭扣(snap)、锁等将细长主体锁定在外壳805的边缘上。

可选地，根据本发明优选实施例的数字笔可以包括活动部件，例如注入器、构架(skeleton)、尖端、电池室、任何其它部件，或它们的组合。可以利用类似于如上使用图7-8所描述的设计方案来使得这些活动部件之间的移动便于进行。

根据本发明的优选实施例，将若干红外(IR)发射器置于数字笔的若干点上以获得更强的鲁棒性。

这样，如果其中一个IR发射器被覆盖，比方说当用户握着数字笔时一个IR发射器被手挡住，则其它部件可维持与接收机的链接。

可以在数字笔上布置IR发射器的可能点的例子包括所述数字笔的底部、上部、所述笔的顶部、所述数字笔中的柔性PCB上(如上所述)等，但并不局限于此。

优选地，所述数字笔的外壳包括软材料(例如橡胶)，以便为持有所述数字笔的用户提供更良好的舒适感。

现在参照图8b，它是图示出根据本发明优选实施例的第四可伸缩数字笔的简化框图。

数字笔可以利用锁定机构7200让可伸缩构架7250由安装在所述数字笔顶部上的按钮7270来推动。

现在参照图9，它是示意性地图示出根据本发明优选实施例的具有两个声发射机的数字笔的框图。

数字笔900可以具有两个声发射机930。在数字笔中安装两个声发射机会具有若干优点，所述优点可以包括下列各项，但并不局限于此：

1)使接收机能够估计笔的五维(5D)位置(包括数字笔的倾斜角度、三维位置)或六维(6D)位置(包括与数字笔的旋转相关的数据以及五个方向(5D)位置)。

2)更准确地估计书写元件的位置并且补偿换能器和书写元件的位置之间的距离差。

3)允许将数字笔用作操纵杆来实现游戏功能。

现在参照图10，它是示意性地图示出根据本发明优选实施例的用于书写工具的数字套的示图。

数字套1000包括用于发射声信号的声信号发射机。数字套1000还可以包括电路、电源或其它元件，与上文针对数字笔所描述的一样。

根据优选实施例，数字套1000可安装在常规的书写工具1100上，例如钢笔、铅笔、标记器等。

根据本发明的优选实施例，数字套1000可以戴在手指上。例如，Epos Technologies^TM提供了位于指尖的输入笔(stylus-at-your-fingertip)产品。

优选地，数字套10000还包括书写传感器10200。书写传感器10200 被配置成检测书写设备10100相对于安装于其上的数字套10000的运动(或摩擦)。

换言之，当持有装有套1000的笔的用户开始使用所述笔进行书写时，在接触纸张的笔和套1000之间产生相对运动(或摩擦)。书写传感器10200感应所述相对运动(或摩擦)。书写传感器10200继而通过电路启动声发射机。然后，所述声发射机将声信号发送到比如说接收单元，如将在下文中对数字笔系统更详细地做出的描述。

现在参照图11a-e，它们是根据本发明优选实施例的用于书写工具的数字笔声栅的示意性绘图。

典型地，声发射机(特别是超声换能器)具有某些不规则性。所述不规则性使得所述换能器不具有完全的万向性。

所述不规则性是因具有固有缺陷的换能器的部分而造成的，原因在于所述换能器是由碾压形成圆柱形的矩形箔而制成的。所述碾压形成不辐射声能量的无源(passive)部分。所述固有缺陷致使在所述缺陷前的信号比在所述超声换能器的其它部分前的信号弱得多。

典型地，根据对来自声发射机的声信号的TOA(到达时间)的测量结果，利用一种算法来确定数字笔的位置。通常，所述算法将所述信号的TOA与从数字笔发射的IR信号的TOA进行比较。

由于所述固有缺陷，在声发射机的周围空间中的给定点处所接收的信号之和，与距所述声发射机具有类似距离的其它点相比，具有一定相移。

根据优选实施例，数字笔包括位于所述数字笔的声发射机附近的声波导。

优选地，所述声波导包括以远离声信号发射机的方向向外辐射的多个鳍状物1110。

更优选地，设置鳍状物1110以便在空间上将所述声发射机周围的空间分成多个方向扇区。

鳍状物1110基本上把所述声发射机通过其中一个扇区所发射的声信号与所述声发射机通过其它扇区所发射的声信号隔离开。

换言之，为了消除位置的偏移，需要设置鳍状物1110以便将所述声发射机周围的空间分成多个扇区，以使得每个扇区与其它扇区分离或隔离。

由于所述声发射机周围的空间被分成明显隔离的多个扇区，所以明显消除了相移。消除相移可以改进基于声信号相关性结果的位置解码技术。然而，通过位于声发射机周围的其中一个扇区中的每个点所发射的信号的和的幅度被降低了，原因在于从该扇区中明显消除了来自其它扇区的信号。

可选地，可以采用与如上描述的鳍状物不同的设计方案来设计所述声发射机周围的声栅(grating)。

例如，所述声栅可以包括保持单个开口的螺旋开口，向上形成的声栅与向下形成的声栅相结合(保持开口以使空气在其间自由流动)等。

根据本发明的优选实施例，提供了被配置成接收从数字笔发射的声信号的接收机，所述接收机将被用于确定数字笔的位置，比方说用于自动地对使用数字笔所完成的笔迹进行数字化。

现在参照图12，它是根据本发明优选实施例的用于接收来自数字笔的声信号的第一接收单元的示意性绘图。

被配置成接收来自数字笔的声信号的接收单元1200可以具有安装在接收单元的主体1220上的金属板1210，所述金属板1210用于将接收单元1200紧固到纸张。

按下所述金属板的一端1210-a而使得另一端1210-b在接收单元1200的该另一端1210-b与主体1220之间打开间隙。通过所打开的间隙，可以把张纸插在接收单元1200的板的另一端1210-b和主体1220之间。

松开所述金属板被按下的一端1210-a而使得另一端1210-b重新回到其正常位置，并且对压在接收单元1210的板的另一端1210-b和主体1220之间的纸张施加力。

接收单元1200的金属板1210和主体1220可以具有附加的非平坦表面特性(例如橡胶垫)，这样的特性使得所述纸和接收单元的主体1220之间的摩擦更大。

优选地，为了更好地夹紧纸张，金属板1210可以被塑造成一定形状以使得纸发生轻微变形。

可以在纸张中央或纸张边缘上安装一个或多个接收单元1200。

优选地，接收单元主体1200和板具有与纸张角的90度角相配(并且将所述接收单元保持在45度)的止动器1212。

将接收单元1200放置在纸张的角上而不是纸张的中部具有若干好处，例如：可重复性；准确度(置于角上的接收单元具有较好的视角，从而提高它的准确度)；较少的死区(置于纸张的角处的接收单元的工作角度远小于当所述接收单元被置于纸张中部时的工作角度)。

现在参照图13，它是根据本发明优选实施例的用于接收来自数字笔的声信号的第二接收单元的示意性绘图。

根据本发明的优选实施例，接收单元1300包括两个传声器1330。

可选地，如本领域已知的，所述两个传声器是超声接收机。

优选地，所述两个传声器是驻极体传声器或替代性地MEMS传声器。如本领域已知的，驻极体传声器是以电容式传声器原理工作的微型传声器，但是驻极体传声器具有永久带电的聚合物膜片(polymerdiaphragms)。驻极体传声器内装有微型预放大器，并且需要低压直流(DC)电源(典型地，从1.5到18伏的电池)。

驻极体传声器被广泛应用于手持设备中(例如移动计算机游戏、移动电话等)。

接收单元1300还包括电路。

所述电路被配置成提取被传声器1330接收的超声信号，比如说通过执行下变频、信号过滤、信号放大技术或其它方法。

所述电路所使用的一些方法被更为详细地描述于本申请人于2003年4月14日提交的题为“Method and system for obtaining positionaldata”的国际申请号PCT/IL03/00309。

根据本发明的优选实施例，所述两个传声器1330被设置成彼此相距小于65mm。

可以对从被设置成彼此相距小于65mm的所述两个传声器1330所接收的信号进行处理以生成与数字笔相关的位置数据。

所述处理可以使用解码方法来实现，比方说利用如将在下文更详细地描述的所发射和所接收信号的模型。

根据本发明的优选实施例，与一个或多个接收单元相连接的处理器被配置成处理在(一个或者多个)接收单元接收的声信号，以确定数字笔在预定义区域中的出现。

优选地，所述处理器可以被配置成在用户将数字笔放在预定义区域中时触发预定义的功能。

可选地，可以向用户提供打印的地图或菜单，并且用户把(一个或者多个)接收单元放置在所述地图或菜单上合适的位置处。当用户将数字笔放置在图标上时(所述图标表示打印在纸上的预定义区域)，数字笔就出现在预定义的区域中。这样，预定义的功能就被所述处理器触发。

例如，可以向用户提供绘制有图标(例如擦除器、标记器)的打印菜单。用户可以在所述打印的菜单上布置(一个或者多个)接收单元。如果用户将数字笔放在擦除器图标上，则处理器就切换到擦除模式并且所述数字笔就作为擦除器使用。如果用户将数字笔放在标记器图标上，则处理器就切换到标记器模式并且所述数字笔就作为标记器使用。

优选地，接收单元1300的外壳1320被用作组装装配架。组装接收单元1300的工人可以把传声器1330插入到它们在主体1320内的位置，并且将印刷电路板(PCB)焊接到主体1320内部的位置。所述工人接着可以将所述PCB连接到传声器1330。

可选地，接收单元1300可以被可拆卸地附着到其它物件，例如学生所使用的夹纸板等。

优选地，接收单元1300的外壳1320包括可更换覆盖元件。

所述可更换覆盖元件可以向接收单元1300的用户、接收单元1300的制造者或这二者提供改变接收单元1300的颜色和外观的选项。

可选地，接收单元1300的外壳1320还可以容纳卷入/卷出外壳的串行接口电缆。优选地，位于所述接口电缆一端的连接器可以被夹到外壳1320上。所容纳的接口电缆有助于保持接纳紧凑。

现在参照图14，它是图示出根据本发明优选实施例的数字笔系统的简化框图。

数字笔系统1400包括数字笔1410，和(一个或者多个)数字笔接收机1420，如上文所给出的更详细的描述。

系统1400还包括与(一个或者多个)接收单元1420进行通信的处理器1450。

处理器1450被配置成处理从数字笔1410发射并且被(一个或者多个)接收单元1420所接收的声信号。

通过对所接收的声信号的处理，处理器1420确定数字笔1410的位置。

可选地，所述处理进一步包括确定数字笔1410在预定义区域中的出现，以及当确定了在预定义区域中的出现时就触发预定义的功能，如上文所描述的那样。

根据本发明的优选实施例，根据从数字笔发射的声信号而得到数字笔的位置是利用解码算法而实现的。所述解码算法可以在解码单元1470中执行。解码单元1470可以被实施为处理器1450的一部分，与处理器1450进行通信的设备的一部分，(一个或者多个)接收单元1420的一部分，等等。

现在参照图15，它是图示出根据本发明优选实施例的解码单元的简化框图。

解码单元70包括最大似然(likelihood)检测器72，它使用通道数学信号模型77、相关器71、最大似然检测器、路径估计器和发射机定时估计器。

最大似然检测器72根据从数字笔接收的声信号生成与所述数字笔和接收单元之间的距离有关的最可能(likely)距离数据，并且将所述最可能距离数据提供给路径估计器73。

最大似然检测器72估计发射机位置并将发射机位置的若干选项提供给路径估计器73，每个选项都具有与其相关联的概率。路径估计器73还使用由发射机定时估计器76所提供的先前根据样本库75计算的可能位置(和它们的概率)，以便选择正确估计的发射机位置的座标74。

所述解码算法被用来将数字笔的声信号的数字化版本转换成位置座标以便于将其传送给本地计算机操作系统、计算机应用程序等。

优选地，所述解码算法通过执行下变频来把可用的相对低的采样频率能力考虑进去。优选地，路径估计器73使用本领域中已知的内插方法来补偿相对低的采样率。

另外，优选地，所述算法具有处理噪声的能力。

优选地，所述算法适于在处理从数字笔发射的声信号的过程中所涉及的其它特定问题。

传统的定位方法专注于使用非常短且高能的声信号作为位置信号。为了获得良好的分辨率，传统方法要求高采样频率(典型地，高于400KHz)，以便能够找到这样的短位置信号而不会将它们全部遗漏。

相反，本实施例优选地不使用高于44.1KHz的采样率，原因在于这样的频率与所安装的声处理设备(例如驻极体传声器)的基频(base)不相兼容。

此外，建议将信标信号声音频率保持在20KHz以上(超声范围内)，以使用户听不到。

在本发明的另一优选实施例中，采样率可以高于44.1KHz，比方说100KHz。借助于为高采样率而配置的接收单元，这是可能实现的。较高的采样率能够实现较好的声频带噪声抑制和较高的发射信号带宽。

本发明的优选实施例使用其中数据经由超声载波信号或波形进行调制的技术方案。所述数据可以被调频(FM)或调相(PM)到包括超声信号的载波上，也可以使用其它的已知方法。

优选地，所述解码算法对调制信号进行解码，并且根据原始位置信息承载信号的采样结果来重建所述原始位置信息方位信号。在本实施例中，优选使用带宽受限信号以便获得所希望希望的分辨率级别。

优选地，在声位置搜索中使用连续波(CW)调制(例如扩频和跳频)，以克服混响效应和多径效应。

本发明的优选实施例使用最大似然检测器72，用于对从接收单元接收的信号进行解码，来确定数字笔与(一个或者多个)单个接收单元之间的距离。

在最大似然检测器72，把从接收单元接收的声信号与查找表(LUT)68中的参考信号进行比较。

所述比较支持最可能信号，并且根据所述最可能信号确定一距离，作为信号是最有可能从这个距离发射出的距离。

优选地，最大似然检测器72使用通道的全数学信号模型77，相对于该模型来比较所接收的信号，从而使得最佳匹配距离能够被找到。

作为选择，可以采用奈奎斯特(Nyquist)速率对期望波形进行采样，并且可通过外推函数来克服采样点之间的任何定时失配，从而揭示所述距离。

现在参照图16，它是图示出根据本发明优选实施例的用于并入最大似然检测器的数学模型的示例性组件的简化框图。

模型20包括在信号发生器中生成的初始信号序列S(t)，并且模型20利用其滤波器25将所述序列送到声发射机26的传递函数中。通道27跟随于数字笔14之后。然后，结果被送到接收机中的接收路径，所述接收路径包括超声接收机的传递函数29和滤波30。

在最大似然检测器72的设计中对通道进行完全建模是有益的，原因在于这种完全建模允许构造准确的期望信号，理论上，所接收的声信号与所述期望信号仅在相位上有所不同。

于是，检测器(估计器)70就能够相对容易地辨别出最可能信号，所述最可能信号又和数字笔与接收单元相距的最可能距离相对应。

优选地，从IR发射机发射的、在数字笔的面上传播的红外(IR)信号被用来设置延迟的开始，并且还被用来同步数字笔和接收机之间的时钟。

在图15中，还在模型上指明同步路径76。

本领域技术人员将会意识到，声信号具有不同的角传递函数。为了补偿这一事实，可以使用均衡器。

本领域技术人员将会意识到，可以使用查找表，而不使用模型。此外，也可以使用其它检测器，并且已知有若干种FM信号的解码器，例如PLL(由相位检测器、低通滤波器和压控振荡器所组成的电路)、I/Q解调、相位倍增等。

现在简要参照图17，它是示出根据本发明优选实施例的示例性相关函数的两部分曲线图。

该曲线图的上面部分1710示出所述函数，而该曲线图的下面部分1720是该曲线图的上面中央部分的放大或扩大视图。

所期望的是，在本专利的生存期间，将开发出许多相关设备和系统，并且这里的术语的范围，尤其是术语“数字”、“笔”、“声发射机”、“超声换能器”、“传声器”和“处理器”推理起来都旨在包括所有这样的新技术。

在研究过以下示例(所述示例并不旨在进行限制)之后，对于本领域普通技术人员而言，本发明的其它目的、优势和新颖特征将是明显的。此外，如上文所描述的以及如以下权利要求部分中所要求的本发明的各种实施例和方面中的每一个都可在以下示例中得到实验支持。

应该意识到，在独立实施例的上下文中所描述的本发明的某些特征(这是出于清楚的目的)也可以在单个实施例中以组合的形式来提供。相反地，在单个实施例的上下文中所描述的本发明的各种特征(这是出于简洁的目的)独立地或以任何适当的子组合的形成来提供。

虽然已经结合其特定实施例对本发明进行了描述，但是显然，许多替代、修改和变化对于本领域技术人员而言是明显的。因此，本发明旨在包含所有这些落入所附权利要求的精神和宽广范围内的替代、修改和变化。在本说明书中所提到的所有出版物、专利和专利申请在此被全文结合到本说明书中作为参考，就如同每个独立的出版物、专利或专利申请都被明确且独立地指示结合于此作为参考一样。另外，本申请的任何参考的引用或标识都不应被视为是承认：这样的参考可作为本发明的现有技术。

Claims

1.一种数字笔，包括：

电路；

声发射机，所述声发射机从所述电路分离并且被配置成发射声信号，所述声发射机为超声换能器且所述声信号为超声信号；且其特征在于

弹性支架，所述弹性支架被配置成依据通过笔外壳在所述弹性支架上向笔主体所施加的机械压力的施加，机械地按压所述电路以使所述电路与所述发射机电接触，所述弹性支架包括沿着所述笔纵向延伸的基底，所述弹性支架具有弹性从而使得通过将所述弹性支架滑动到位而易于组装，从所述基底的任一侧垂直上升的延伸部将所述弹性支架的底部固定到所述数字笔的所述笔主体，所述声发射机包括圆柱形发射机和带状电缆，所述电路包括柔性PCB，所述弹性支架包括U形截面以及被配置用以将部分所述柔性PCB以及所述带状电缆限制在所述笔的外壳内。

2.根据权利要求1所述的数字笔，其中所述弹性支架还是针对其上的第一电路和第二电路在所述笔外壳的封闭内的位置而配置的，以致由于所述笔外壳内的所述封闭而引起所述第一和第二电路之间的电接触。

3.根据权利要求1所述的数字笔，其中所述弹性支架是导电的。

4.根据权利要求2所述的数字笔，其中所述延伸部赋予所述弹性支架以U形。

5.根据权利要求1所述的数字笔，其中所述笔的外壳包括可更换的覆盖元件。

6.根据权利要求1所述的数字笔，还包括布置在所述数字笔上的多个位置上的多个红外发射器，所述红外发射器用于发射红外光。

7.根据权利要求1所述的数字笔，还包括两个声信号发射机，每个声信号发射机都被配置成发射声信号，并且分别相隔开地安置在所述数字笔上。

8.一种数字笔系统，包括：

数字笔，所述数字笔具有：电路；声发射机，所述声发射机被配置成发射声信号并且从所述电路分离；和弹性支架，所述弹性支架被配置成依据通过笔外壳在所述弹性支架上向笔主体所施加的机械压力的施加，按压所述电路使所述电路与所述发射机接触，所述弹性支架包括沿着所述笔纵向延伸的基底，所述弹性支架具有弹性从而使得通过将所述弹性支架滑动到位而易于组装，从所述基底的任一侧垂直上升的延伸部将所述弹性支架的底部固定到所述数字笔的所述笔主体，所述声发射机包括圆柱形发射机和带状电缆，所述电路包括柔性PCB，所述弹性支架包括U形截面以及被配置用以将部分所述柔性PCB以及所述带状电缆限制在所述笔的外壳内；

9.根据权利要求8所述的系统，还包括地图，所述地图被配置成用图形绘制预定义区域，以便辅助用户在所述预定义区域中放置所述数字笔。