CN101901063A - 可测量侧向压力的手写输入装置 - Google Patents

Abstract

本发明可测量侧向压力的手写输入装置，属于输入信息录入设备。本装置包括承压件、信号感应部件、笔芯、侧向受力块和笔杆。笔杆前端内侧为侧向受力面；笔杆内部设置笔芯，笔芯前端设置侧向受力块，侧向受力块与侧向受力面相接触；信号感应部件和承压件在笔杆内部。所述笔杆固定信号感应部件，与手写板的线圈进行电磁感应，根据感应到的信号计算笔杆的倾斜角度。本发明通过信号感应部件与手写板内的线圈发生电磁感应而测量手写笔倾角，笔杆内设置侧向受力面，笔芯上固定侧向受力块，能够更加细致地控制书写和绘画的力度，从而真实地表现作者的技巧和意图，结构简单，成本低，不影响轴向压力的测量，而且可测得侧向压力的变化，具有很好的应用价值。

Description

可测量侧向压力的手写输入装置

技术领域

本发明属于信息录入设备，涉及一种手写输入装置，具体涉及一种可测量侧向压力的手写输入装置。

背景技术

目前计算机的输入设备种类繁多，如鼠标、键盘、扫描仪等，其中手写输入设备为非常重要的一类。最常见手写输入设备为电磁式手写板，电磁式手写板由一数位板和一手写笔组成。手写笔作为用户的书写工具，其使用时的舒适程度、输入效率决定了整个设备的性能。

中国专利CN01145283中公开了一种手写笔，由笔壳体和内部元件构成，内部元件包括磁性元件和电感电容式共振电路，磁性元件的位置改变导致了共振电路的电感值及发射的信号频率，手写板内的线圈感应到了信号频率的变化从而测定了手写笔的位置和其产生的压力。

美国专利US RE34187中也公开了一种手写装置，包括由电容和电感组成的手写笔电路和感测压力的电磁式手写输入板，通过手写输入板上的线圈所发出的感应信号激发手写笔内的电路，使手写笔产生电磁感应并返回信号来计算手写笔的位置与压力。这种手写输入装置只能感测与笔尖垂直方向的压力，即手写笔轴向方向的压力，不能够感测到手写板其它方向的压力。

目前，手写笔大多只能测量手写笔轴向方向的压力，而不能够测量手写笔的侧向压力。在用户使用手写笔进行输入及绘画时，特别是对于较为专业的绘画、书法输入时，用户不但需要控制手写笔轴向方向上的压力情况，也希望对手写板的侧向压力进行更好的控制，这样可以使书写作品或绘画作品质量更高，更接近于纸质平面上的操作，因而侧向压力的测量对于高精度的手写设备十分必要。

发明内容

本发明提供了一种可测量侧向压力的手写输入装置，该装置通过信号感应部件与手写板内的线圈发生电磁感应而测量手写笔倾角，并通过侧向受力面测量竖直方向的压力，从而计算得到手写笔的侧向压力。本装置结构简单，成本低，不但不影响轴向压力的测量，而且可测得侧向压力的变化，具有很好的应用价值。

可测量侧向压力的手写输入装置，包括承压件、信号感应部件、笔芯、侧向受力块和笔杆。笔杆前端内侧为侧向受力面；笔杆内部设置笔芯，笔芯前端设置侧向受力块，侧向受力块与侧向受力面相接触；信号感应部件和承压件设置在笔杆内部。

所述笔杆固定信号感应部件，与手写板的线圈进行电磁感应，根据感应到的信号计算笔杆倾斜角度。

所述侧向受力块受侧向受力面施加的轴向分力，由笔芯受承压件的轴向力与信号感应部件测得的笔杆轴向合力计算得到，并结合笔杆的倾斜角度和设定的校正系数即可得到侧向受力块所受的径向分力。

所述侧向受力块为圆台状，圆台的母线与笔芯轴线的倾斜角度为15～75度。

所述侧向受力块及侧向受力面以PA塑料制成。

所述侧向受力面为螺纹连接结构，通过笔杆前端的插槽与笔杆进行连接。

本发明可测量侧向压力的手写输入装置，笔杆内设置侧向受力面，笔芯上固定侧向受力块，结构简单，不但不影响轴向压力的测量，并可测得侧向压力的变化，能够更加细致地控制书写和绘画的力度，从而真实地表现作者的技巧和意图。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明可测量侧向压力的手写输入装置的外观图；

图2为本发明可测量侧向压力的手写输入装置的笔杆前端的结构示意图；

图3为本发明可测量侧向压力的手写输入装置的倾斜状态工作示意图；

图4为本发明可测量侧向压力的手写输入装置的侧向受力面为螺纹连接的结构示意图；

图5为本发明可测量侧向压力的手写输入装置的手写板中多组线圈在手写笔垂直状态时接收到的信号示意图；

图6为本发明可测量侧向压力的手写输入装置的手写板中多组线圈在手写笔倾斜状态时接收到的信号示意图；

图7为本发明可测量侧向压力的手写输入装置的笔芯与侧向受力块的侧视图。

图中：1、笔杆；2、笔芯；3、信号感应部件；4、侧向受力块；5、侧向受力面；6、螺纹连接顶端；7、承压件。

具体实施方式

下面结合附图对本说明的原理和结构做进一步的说明。

本发明提出一种可测量侧向压力的手写输入装置，具体为电磁感应式的手写装置。手写装置由手写板和手写笔配套完成手写输入功能。手写板内排列有多组线圈，在手写笔内具有信号感应部件，手写板的线圈发射一定频率的电磁信号并与手写笔内的信号感应部件发生电磁感应，来完成信号的传递和测量。手写板内的处理器对返回的信号进行处理和计算，就可以得到相应的手写装置所在的坐标位置、压力大小以及倾斜角度等情况。

在本实施例中，如图1所示，手写笔为是电磁式手写笔，在其他的实施例中，手写笔也可以为电容式、电感式及其它形式的手写输入装置。

可测量侧向压力的手写输入装置，如图1、图2所示，包括：笔杆1、笔芯2、信号感应部件3、侧向受力块4、侧向受力面5和承压件7。笔杆1前端内侧为侧向受力面5。笔杆1内部设置笔芯2，笔芯2前端设置侧向受力块4，侧向受力块4与侧向受力面5相接触。信号感应部件3和承压件7设置在笔杆1内部。信号感应部件3为电感线圈和可变电容组成的具有变化频率的振荡电路，为圆筒状套接在笔芯2上。

在本实施例中，如附图2、3所示，在笔芯2的对应笔杆1的前端开口的位置设置侧向受力块4。如图7所示，侧向受力块4呈圆台状，并与笔芯2成为一体。为使侧向受力块4施加作用力，在侧向受力块4与笔杆1前端端口处的内侧边缘设置了侧向受力面5，侧向受力块4与侧向受力面5相对设置。

侧向受力块4的母线与笔杆1轴心之间的角度，可以根据不同的工作情况在15～75度的范围内调整。长时间使用过程中，侧向受力块4与侧向受力面5之间会产生相互磨损，为减小摩擦，侧向受力块4及侧向受力面5以PA塑料制成。

手写装置对应的手写板内排列有多组线圈，在手写笔内具有信号感应部件，手写板的内部线圈发射一定频率的电磁信号并与手写笔内的信号感应部件3发生电磁感应，来完成信号的传递和测量。

当手写笔与手写板平面垂直时，手写板内相邻线圈得到由手写笔返回的信号波形如附图5所示。图中，x轴表示由手写板内部线圈所接收到的手写笔返回信号的强度，y轴表示内部线圈的排列序号，x_i、x_i+1、x_i+2、x_i+3和x_i+4表示的是手写板所在平面的X方向内部线圈的第i、i+1、i+2、i+3、i+4个线圈。从图中可以看出，在X轴方向上图中信号x_i、x_i+1、x_i+2、x_i+3、x_i+4中，x_i+2的值最大，并且x_i+2两侧对应的x_i+1和x_i+3、x_i和x_i+4相等。由于手写板内的线圈感应到得手写笔中信号感应部件3返回的信号强度与距手写笔的距离成对应关系。线圈距手写笔距离越小，返回的信号强度越大。线圈距手写笔距离越大，返回的信号强度越小。从图中可以看出，手写笔内的信号感应部件3距离i+4号线圈对应的位置最近，距离i+1号和i+3号线圈对应的位置相等，距离i号和i+4号线圈对应的位置相等，则手写笔在X方向垂直于手写板。同理，对于手写板所在平面的Y方向也是同样的原理和测量方法。由于各组线圈在手写板内的位置的唯一，则在一个信号检测周期内在X方向和Y方向上只能各得到一个最大值，即为手写笔的位置。

当手写笔与手写板平面倾斜时，所检测到的信号如附图6所示，在所检测到的信号x_i、x_i+1、x_i+2、x_i+3和x_i+4中，x_i+1最大，并且与x_i+1相邻的x_i和x_i+2也不相等，x_i也小于x_i+2和x_i+3，则表示x_i+1所接收到信号最强，x_i+2和x_i+3次之，并较x_i大。由于手写板内的线圈感应到的手写笔中信号感应部件3返回的信号强度与距手写笔的距离对应变化：线圈距手写笔距离越小，返回的信号强度越大；线圈距手写笔距离越大，返回的信号强度越小。x_i+1所接收到信号最强，x_i+2和x_i+3次之，并较x_i大，则手写笔内的信号感应部件3距离i+1号线圈最近，距离i+2号和i+3号线圈次之，距离i号线圈最远，表示在这种状态下手写笔是向i+2号线圈方向倾斜的，并且倾斜的角度可由特定的公式求出。

为了能够准确简便地得到手写的倾斜角度，先由上述测量手写笔位置的方法得到一个最大值的信号x_i+1，那么，次强的信号一定是紧邻x_i+1的两侧。当手写笔向一侧倾斜时，由于信号感应部件3会随着倾斜，在产生信号强度最大值的线圈的两侧，原本产生相同大小的信号强度的两线圈产生的信号强度值将发生变化，倾斜角度增大的同时，与信号感应部件3接近的线圈的信号强度会增强，而与信号感应部件3远离的线圈的信号强度会减弱，这样信号强度的差值将不断增大。因而，手写笔倾斜角度不断增大时，i+1号线圈两侧的信号强度差值会随着倾斜角度的增加而增加。

在本实施例中，某一测量周期所测得的x_i、x_i+1、x_i+2、x_i+3、x_i+4分别为3.5mv、5.0mv、4.5mv、3.8mv、2.9mv。对于本实施例中的手写笔，由经验得出倾斜的角度大小近似于坐标绝对值差的反余切值，则手写笔的倾斜角度为：

α≈arcctg|x_i-x_i+2|＝arcctg|2.5-3.5|＝45°

手写板内的线圈持续发射出固定频率的信号，并与手写笔内的信号感应部件3进行感应，产生的感应信号并由手写板的线圈接收，来完成信息的传递和测量。手写笔的笔芯2前端被按下时，承压件7受压后改变了信号感应部件3的可变电容的电容值，并引起信号感应部件7的信号频率发生变化，即反射回手写板内部线圈信号的相位也发生变化。相位的变化量与手写笔的笔芯2前端所受到的压力对应相关：手写笔所受的压力越大，手写板的线圈产生的信号相位变化越大。通过对频率信号的相位检测，检测到相位的变化量，就可以得到手写笔的笔芯前端所受到的压力。

测量压力的基本原理是：由手写板内部线圈接收到的信号经过放大电路放大，再由乘法电路把信号分解成幅值和相角，将接收的信号与频率相同相位相同的方波相乘得到幅值的平方，将接收的信号与频率相同相位差90°的方波相乘得到相角的平方；最后把幅值和相角通过模数转换电路后输入处理器，其中幅值对应于X、Y坐标位置，相角与手写笔的压力大小成正比。当笔尖压下的时候，手写笔中的电感量发生变化，导致手写笔谐振信号的相位发生偏移，通过相位的相角就可以计算得出手写笔受到的压力。

如图3所示，当手写笔进行书写时，笔芯2的前端部分会产生垂直于手写板向上的压力F。根据相互作用力的原理，笔芯2在轴向方向的受力平衡，笔芯2受手写板和承压件7的作用，并且侧向受力块4受到侧向受力面5的作用。在本实施例中，信号感应部件3为振荡电路，此振荡电路具有一个可变电容，承压件7也是一个可变电容，电容值随着压力的变化而变化，以此来改变振荡电路的频率和相位。F沿轴向方向的分力F_a，侧向受力面5沿笔芯2轴向方向的分力F’_a，承压件7对笔芯2轴向方向的压力F₀相平衡。则侧向受力面5沿笔芯2轴向方向的分力F’_a为：

F’_a＝F_a-F₀

式中：F_a为手写板中线圈感应手写笔中的信号感应部件3所测得的笔芯2的实时轴向压力；F₀为预先测定相同条件下无侧向受力块4和侧向受力面5时的承压件7所受的轴向压力，预先测定并存储在手写板内。

本实施例中，F_a＝50.0g，且计算得到α＝45°，由预先测定并存储并从手写板内存储的数据中查得F₀＝37.5.0g，那么：

F’_a＝F_a-F₀＝50.0-37.5＝12.5g

根据力分解的基本原则，侧向受力块4所受的侧向受力面5的压力F’可分解为两个分力：轴向分力F’_a和径向分力F’_r，并且有F’_a＝F’sinα；F’_r＝F’cosα。这样，当角度已知时，就可以由轴向分力F’_a来求取径向分力F’_r，即：

F’_r＝A F’cosα＝AF’_a cosα/sinα＝AF’_actgα

其中，A为校正系数，无单位，根据实际应用情况调整，在本实施例中，A＝1.0。根据前述的数据，在手写板的处理器中就可以计算得到侧向受力块4径向分力F’_r，：

F’r＝AF’actgα＝1.0×12.5×ctg45＝12.5g

对于倾斜角度α的获取，可以手写板与手写笔的信号对多组线圈的测量和计算处理获得，在前面已经说明。这样，在已知角度α的情况下，在本实施例中就可得到侧向(径向)力的大小。

在其他实施例中，如附图4所示，笔杆1的前端制成螺纹连接顶端6，螺纹连接顶端6与笔杆1螺纹连接。当由于使用时间过长而使侧向受力面5磨损时，可以更换螺纹连接顶端6，形成新的侧向受力面5，同时螺纹连接的设计便于装配和更换笔芯2。

虽然这里只说明了本发明的一个优选实施例，但其意并非限制本发明的范围、适用性和配置。相反，对实施例的详细说明可使本领域技术人员得以实施。应能理解，在不偏离所附权利要求书确定的本发明精神和范围情况下，可对一些细节做适当变更和修改。

Claims (6)

1.一种可测量侧向压力的手写输入装置，包括承压件(7)、信号感应部件(3)和笔芯(2)，其特征在于，还包括：侧向受力块(4)和笔杆(1)；笔杆(1)前端内侧为侧向受力面(5)；笔杆(1)内部设置笔芯(2)，笔芯(2)前端设置侧向受力块(4)，侧向受力块(4)与侧向受力面(5)相接触；信号感应部件(3)和承压件(7)设置在笔杆(1)内部。

2.根据权利要求1所述手写输入装置，其特征在于：所述笔杆(1)固定信号感应部件(3)，与手写板的线圈进行电磁感应，根据感应到的信号计算笔杆(1)的倾斜角度。

3.根据权利要求1所述手写输入装置，其特征在于：所述侧向受力块(4)受侧向受力面(5)施加的轴向分力，由笔芯(2)受承压件(7)的轴向力与信号感应部件(3)测得的笔杆(1)轴向合力计算得到，并结合笔杆(1)的倾斜角度和设定的校正系数即可得到侧向受力块(4)所受的径向分力。

4.根据权利要求1所述手写输入装置，其特征在于：所述侧向受力块(4)为圆台状，圆台的母线与笔芯(2)轴线的倾斜角度为15～75度。

5.根据权利要求1所述手写输入装置，其特征在于：所述侧向受力块(4)及侧向受力面(5)以PA塑料制成。

6.根据权利要求1所述手写输入装置，其特征在于：所述侧向受力面(5)为螺纹连接结构，通过笔杆(1)前端的插槽与笔杆(1)进行连接。

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