CN102023722A - 笔位置传感器及点读机及笔位置检出方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线无源笔位置传感器及一种无线无源点读机和笔位置检出方法，通过将能量以机械谐振存储在压电器件中的方法，延长了笔的发射周期的有效发射时间，为实现高精度测量或者低成本实现无线无源设备提供了支持。

Description

笔位置传感器及点读机及笔位置检出方法

技术领域：

本发明涉及一种无线无源笔位置传感器及一种无线无源点读机和笔位置检出方法。

背景技术：

作为此类笔位置传感器，在专利“88104538”等公开的技术中得到了实际运用。根据该技术，通过在笔中设置共振电路，并将电能在电感和电容组成的谐振电路中储存、释放，使电磁波在笔位置传感器中的接收天线和笔之间传输，从而检出笔的位置，实现了笔的无线化和无电池化。

由于近年来对于带有压力感知的笔的需求增加，笔要检测的信息增加，笔和笔位置传感器接收天线之间的信号承载的信息量随着增加，在例如专利“02117257.9”方案中使用调频实现笔和接收天线之间的信息传递，由于谐振电路中的电感是开放性的，会带来以下问题，其一电感线圈和电容组成的谐振电路Q值不易做到太大，从而使其振荡衰减很快，每个检测周期短，不便于精确的测量，其二谐振频率容易受到外界的干扰(附近磁介质移动、和接收天线的相对位置不同产生的耦合系数变化等)，会使大量的有用信息被噪音淹没，其三即便不惜成本将电感线圈和电容组成的谐振电路Q值制作到较大(当然不能达到压电器件的水平)，由于温度、材料特性的离散度等因素产生的误差使中心频率漂移超过其通频带宽很多，使设备失效，如上所述的方案已经不能胜任当前的要求；长久以来人们始终在寻求解决问题的方法，在专利“200810213859.5”、“200710167060.2”公开的技术中运用了高设计成本的cmos集成电路，将压力信息本地数字化后通过电感线圈发送给接收天线，解决了此问题，同时也付出了高成本的代价。

另外，点读机方面由于成本方面的考虑还停留在无线有源阶段，还没有实现无电池化，其由笔位置传感器和主机两部分组成，笔位置传感器检测用户手持的笔的点击动作的位置，主机根据点击的位置检索与课本对应的多媒体数据并播放出来。其有两种形式：一种是使用单独的中央处理器将接收天线信号调理电路的输出信号处理成坐标数据将其发送给主机的中央处理器(如专利号为“200420003299.8”的实用新型专利)，一种是接收天线信号调理电路的输出直接发送给主机的中央处理器(如专利号为“200620015965.9”的实用新型专利)，主机的中央处理器将来自位置子天线信号调理电路的信号处理成坐标数据用于检索多媒体数据，值得注意的是，后一种形式无线信号接收机的中央处理器和多媒体处理的中央处理器共用。

上述的无线笔点读机技术方案的点读笔中有电池供电，由于电池的存在不能使点读笔达到和普通笔相同的手感，并要更换电池，希望点读笔无电池化的要求日益高涨。

发明内容：

为了解决以上问题，本发明的目的在于实现一种笔位置传感器，不需要在笔中设置电池，不需要高成本的ic设计等，另外能够将类似写字板的笔位置传感器，应用在点读机上。

为了解决上述问题，实现本发明的目的，技术方案1的发明为一种笔位置传感器的笔位置检出方法，其特征在于，由所述笔位置传感器上的激励线圈向所述笔中的电感线圈发射交流激励信号，电感线圈两端耦合出交流信号，所述笔中的压电器件将流经电容来自电感线圈的交流信号转换成机械振荡，激励线圈停止发射后，压电器件将机械振荡转换成交流信号由电感线圈发出，从而位置检出电路检出笔的位置；所述激励线圈发射的交流信号频率和笔中压电器件的机械谐振频率相近，使笔中压电器件工作在谐振状态。通过将交流电信号的能量转换成同频率的机械振动继而机械振动转换成交流信号的笔位置检出方法，可以充分利用一些压电材料的高机械振荡Q值特性，使笔中的电感线圈的交流信号发射衰减的速度和选定的压电材料机械振动衰减的速度几乎相同，从而延长了笔中的电感线圈的有效发射时间。

技术方案2的发明为一种笔位置传感器，包括笔、位置检出电路，其特征在于：所述笔中包括一压电器件，由所述笔位置传感器上的位置检出电路的激励线圈向所述笔中的电感线圈发射交流激励信号，电感线圈两端耦合出交流信号，所述笔中的压电器件将流经电容来自电感线圈的交流信号转换成机械振荡，激励线圈停止发射后，压电器件将机械振荡转换成交流信号由电感线圈发出，从而位置检出电路检出笔的位置；所述激励线圈发射的交流信号频率和压电器件的机械谐振频率相近，使笔中压电器件工作在谐振状态。

技术方案3的发明为根据技术方案2所述的一种笔位置传感器，其特征在于，笔中的电感线圈通过电容和压电器件相连，笔中的电感线圈和电容工作在串联谐振状态；与技术方案2相比，笔中的电感线圈和电容工作在串联谐振状态，其在谐振频率上的阻抗最小，使交流电信号转换成机械能再转换成交流信号的幅值最大化。

技术方案4的发明为根据技术方案2所述的一种笔位置传感器，其特征在于，所述压电器件选用陶瓷材料，压电陶瓷引出辅助电极，在压电陶瓷的辅助电极上连接和操作相关联的阻抗，来改变压电陶瓷的谐振频率，所述阻抗是指电阻、电容、或者电感及者三者的组合；其中操作是指包括按压、接近、接触、遮光等能引起器件阻抗变化的动作。

技术方案5的发明为根据技术方案4所述的一种笔位置传感器的方案，其特征在于，所述压电陶瓷的辅助电极上连接电容阻抗，所述压电陶瓷的辅助电极上连接有压感可变电容，其电容值随笔尖的压力变化而变化。

技术方案6的发明为一种点读机，包括点读笔、位置检出电路，其特征在于：所述点读笔中包括一压电器件，由所述点读机上的位置检出电路的激励线圈向所述点读笔中的电感线圈发射交流激励电信号，电感线圈两端耦合出交流信号，所述点读笔中的压电器件将流经电容来自电感线圈的交流电信号转换成机械振荡，激励线圈停止发射后，压电器件将机械振荡转换成交流信号由电感线圈发射到点读机的接收天线上，从而位置检出电路检出点读笔的位置；所述激励线圈发射的交流信号频率和压电器件的机械谐振频率相近，压电器件工作在谐振状态。

技术方案7的发明为根据技术方案6所述的一种点读机，其特征在于，在所述的点读机的接收天线边缘周围设置激励线圈，根据接收到的信号电平大小，控制激励线圈在每个发射周期中的发射时间长短，从而调节接收信号到适当的电平。

技术方案8的发明为根据技术方案6所述的一种点读机，其特征在于，点读笔中的电感线圈通过电容和压电器件相连，点读笔中的电感线圈和电容工作在串联谐振状态。和技术方案6相比，点读笔中的电感线圈和电容工作在串联谐振状态，其在谐振频率上的阻抗最小，使交流电信号转换成机械能再转换成交流信号的幅值最大化。

技术方案9的发明为根据技术方案6所述的一种点读机，其特征在于，所述压电器件选用陶瓷材料，压电陶瓷引出辅助电极，在压电陶瓷的辅助电极上连接和操作相关联的阻抗，来改变压电陶瓷的谐振频率，所述阻抗是指电阻、电容、或者电感及者三者的组合；其中操作是指包括按压、接近、接触、遮光等能引起器件阻抗变化的动作。

技术方案10的发明为根据技术方案9所述的一种点读机的方案，其特征在于，所述压电陶瓷的辅助电极上连接电容阻抗，所述压电陶瓷的辅助电极上连接有压感可变电容，其电容随笔尖的压力变化而变化。

由于压电陶瓷、石英晶体等材料的压电器件的Q值很高，选择它们制作机械振荡储能器件，可以充分降低笔在发射阶段发射信号的衰减速度，提高每个检测周期的笔的有效发射时间长度，便于高精度测量，由于压电器件没有像笔中电感线圈那样承担接收、发射信号任务，其不存在很大的外界干扰，并且压电陶瓷、石英晶体等材料的压电器件有非常高的稳定度、和一致性，便于设计、生产，提高了成品率；而压电陶瓷和石英晶体相比，则由于现阶段压电陶瓷的机电耦合系数要优于石英晶体，价格低于石英晶体，所以选择压电陶瓷作为优选方案；为了识别操作动作，需要将操作动作转换成频率信息，为了达到变频的目的，在压电器件上设置辅助电极，并将辅助电极上连接和操作相关的阻抗，在所有形式的阻抗中由于电容阻抗具有能量损耗小、不易受外界干扰、体积小、结构简单等优点，所以选择电容阻抗和操作动作关联。

由于点读机对成本比较敏感，所以其接收天线使用塑料网膜天线，由于塑料网膜天线电阻率较大，而点读机的面板又大，使接收天线较长，这两方面特征都使得检测电路的信噪比很难提高，而现有的无线无源笔位置传感器方案较难使用网膜接收天线，而本发明的方案，延长了笔电感线圈有效发射时间，解决了此问题。

现阶段，作为笔位置传感器的写字板，其接收天线一般情况下使用pcb的铜质连线，由于其电阻小，写字板的激励线圈可以和接收天线共用，也可以单独出来，放在接收天线的周围，而点读机对于精度的要求要低些，其天线使用电阻率较大成本较低的塑料网膜天线，由于电阻较大使塑料网膜天线不宜用作激励线圈，将激励线圈独立出来放在接收天线的周围是较优方案，并且为了减少功耗，可以控制激励线圈在每个发射周期中的发射时间长短，调节接收信号到适当的电平。

附图说明：

图1技术方案1、2的原理框图

图2笔(点读笔)原理图。

图3带辅助电极的压电陶瓷结构示意图

图4压力电容转换装置结构示意图

图5技术方案7的原理框图

图6激励线圈驱动电路原理图

图7笔(点读笔)中电感线圈发射周期的电压衰减速度示意图。

图中数字标号代表的意义：

1笔(点读笔)

11压电陶瓷

111输入电极

112公共电极

113辅助电极

114压电陶瓷介质

12笔的电感线圈

13压感可变电容

131压感可变电容电极

132导电橡胶

133电介质

134压感可变电容电极

2位置检出电路

21接收天线

22模拟开关

23激励线圈

具体实施方式：

本发明的写字板的优选具体实例描述如下：

如图1所示的写字板原理框图，揭示了笔位置传感器的笔位置检测方法，首先cpu控制模拟开关(22)接通要扫描的天线到开关S1的公共端，cpu控制开关S1将天线与激励线圈的驱动电路接通，cpu发出与压电陶瓷(11)谐振频率f0相同的交流信号，笔中的电感线圈(12)感应出交流信号，交流电信号通过电容(图2中的C1)将交流信号施加到压电陶瓷(11)上，压电陶瓷产生机械谐振，压电陶瓷上的机械振动的能量积累随着时间的增加而增加，cpu定时发送交流激励信号一段时间，压电陶瓷上积累了机械振动能量，cpu停止给激励线圈发送交流信号，cpu将开关S1连接到放大器一端，使接收电路等待接收来自笔中电感线圈的交流信号，这时由于没有了激励线圈的能量推动，压电陶瓷由吸收能量转换成发射能量，并带动笔中电感线圈(12)的发射交流信号，接收天线(21)将接收到的交流信号发送到放大器，放大器放大后发送到带通滤波器，将干扰信号滤除，带通滤波器将波形和笔中电感线圈相同的交流信号传给检波器，检波器将交流信号的包络检出，检波器输出的包络信号波形和压电陶瓷能量衰减波形相同，将检波器的输出连接到积分器，积分器将前面的包络信号积分，采样保持器由cpu控制在指定时间采样积分器的结果输出直流信号，此直流信号的幅值代表了笔的电感线圈和所接通的接收天线之间的耦合系数，此耦合系数又和笔和所接通的天线的位置相关，cpu根据来自A/D转换器的和采样保持器直流幅值对应的数值计算出笔的坐标值；如图1所示，信号通路还有一个分支，即带通滤波器的输出连接到鉴相鉴频电路上，cpu同时将指定频率的交流信号发送到鉴相鉴频电路的输入端，鉴相鉴频电路输出与带通滤波器的输出信号的相位相关的幅值信号并送cpu，cpu根据相位变化的情况计算出信号的频率，cpu计算出的频率和压电陶瓷释放能量阶段的振荡的频率相同，而压电陶瓷的振荡频率又和其辅助端上连接的阻抗相关，当有如图2所示的C2(13压感可变电容)受到来自笔尖压力，或者连接有电容C3的按键S3按下时，连接到压电陶瓷辅助端的阻抗随压力、按键操作而变化，压电陶瓷释放能量阶段的振荡频率随之改变，从而检测出操作的压力、按键等动作。

由上面的描述可以看出，其检测电路的结构和背景技术文献中的现有技术基本没有差异，然而如图7所示本发明的笔的发射周期信号衰减速度慢，其一个测试周期有效发射时间长，我们可以将幅值测试的积分电路的积分时间加长，则得到位置信息的精度就有所提升，将鉴相鉴频电路的测试时间加长，则频率测试精度就会增加。由于压电器件的一致性好，带通滤波器的通带可以设计的更窄，从而提高信噪比，提高幅值、频率的测试精度。

如图2所示，是笔(点读笔)的一个优选实例，其中L1代表电感线圈(12)，当L1接收来自激励线圈的能量时可以等效成输出阻抗为感抗(由于激励线圈和笔中电感线圈的耦合系数非常小，其感抗的值非常接近笔中电感线圈的自身电感)的交流电压源，C1则用来减小上述电压源的输出阻抗，当L1、C1在工作频率上谐振时阻抗最低，从而使传输到压电陶瓷X1(11)上的能量最大化，值得一提的是，即便L1、C1没有工作在谐振状态，只要L1、C1组成的电路的输出阻抗不大于压电陶瓷的输入阻抗太多，此电路还能很好的工作，另外电感L1和电容C1的位置可以替换；压电陶瓷X1的振荡频率的调节靠在压电陶瓷X1的第3脚辅助引脚上连接操作关联阻抗来实现，由于电阻会产生较大损耗，优选电容、电感，又因为电容较电感容易实现所以优选电容阻抗，笔尖压力操作与压感可变电容C2关联，当笔尖上有压力时，C2的电容会随压力变化而变化，从而检测出笔尖的压力，按键S3操作与C3关联，当S3按下时辅助引脚则加入了电容阻抗，从而检测到S3的按键操作，当然可以像S2和C4那样连接多个按键，只要C1、C2、C3的电容值在误差范围内没有重叠即可。

如图3所示，是带辅助电极的压电陶瓷(11)，其中输入电极(111)对应图2中的元件X1中的1脚，公共电极(112)对应图2中的元件X1中的2脚，辅助电极(113)对应图2中的元件X1中的3脚，压电陶瓷介质(114)将公共电极和输入电极、辅助电极分开，图中三个电极的厚度为了清楚的起见比实际的要厚，实际上在上面是很薄的镀银层，值得注意的是输入电极和辅助电极是没有电气连接的是靠机械振动来耦合。

如图4所示，压感可变电容(13)，其中电极(131)和导电橡胶(132)紧密连接，导电橡胶(132)和电介质(133)相邻，电介质的另一端是电极(134)，电极(131)、电极(134)对应图2中C1的两个引脚，当电极(131)、电极(134)之间没有压力时导电橡胶和电介质的接触面最小，电极(131)、电极(134)之间的电容量也最小，当电极(131)、电极(134)之间增加压力时，导电橡胶变形，导电橡胶和电介质之间的接触面就越大，则电极(131)、电极(134)之间的电容就越大，所以就实现了压力的检测。

本发明的一种点读机的优选实施方案

如图5所示，首先cpu控制模拟开关(22)接通要扫描的接收天线到放大电路，cpu发出与压电陶瓷(11)谐振频率f0相同的交流信号，交流信号通过驱动电路由激励线圈(23)发射，笔中的电感线圈(12)感应出交流信号，交流电信号通过电容(图2中的C1)将交流信号施加到压电陶瓷(11)上，压电陶瓷产生机械谐振，压电陶瓷上的机械振动的能量积累随着时间的增加而增加，cpu定时发送交流信号一段时间，压电陶瓷上积累了机械振动能量，cpu停止给激励线圈发送交流信号，这时由于没有了激励线圈的能量推动，压电陶瓷由吸收能量转换成发射能量，并带动笔中电感线圈(12)发射交流信号，接收天线(21)将接收到的交流信号发送到放大器，放大器放大后发送到带通滤波器，带通滤波器将干扰信号滤除，带通滤波器将输出波形和笔中电感线圈相同的交流信号传给检波器，检波器将交流信号的包络检出，检波器输出的包络信号波形和压电陶瓷能量衰减波形相同，将检波器的输出连接到积分器，积分器将前面的包络信号积分，采样保持器由cpu控制在指定时间采样积分器的结果输出直流信号，此直流信号的幅值代表了笔的电感线圈和所接通的接收天线之间的耦合系数，此耦合系数又和笔与所接通的接收天线的位置相关，cpu根据来自A/D转换器的和采样保持器直流幅值对应的数值计算出笔的坐标值；如图5所示，信号通路还有一个分支，即带通滤波器的输出连接到鉴相鉴频电路上，cpu同时将指定频率的交流信号发送到鉴相鉴频电路的输入端，鉴相鉴频电路输出带通滤波器的输出信号的相位相关的幅值信号并送cpu，cpu根据相位变化的情况计算出信号的频率，cpu计算出的频率和压电陶瓷振荡的频率相同，而压电陶瓷的振荡频率又和其辅助端上连接的阻抗相关，当有如图2所示的C2(13压感可变电容)受到来自笔尖的压力，和连接有电容C3的按键S3按下时，连接到压电陶瓷辅助端的阻抗随压力、按键操作而变化，压电陶瓷释放能量阶段的振荡频率随之改变，从而检测出操作的压力、按键等动作。

由上面的描述可以看出，其检测电路的结构和背景技术文献中的现有技术基本没有差异，然而如图7所示本发明的笔的发射周期信号衰减速度慢，其一个测试周期有效的发射时间长，我们可以将幅值测试的积分电路的积分时间加长，则得到位置信息的精度就有所提升，将鉴相鉴频电路的测试时间加长，则频率测试精度就会增加。由于压电器件的一致性好，带通滤波器的通带可以设计的更窄，从而提高信噪比、幅值测试频率测试的精度。

如图5所示，激励线圈(23)是独立的线圈，由于点读机中接收天线(21)一般是塑料网膜，其电阻较大不适合做激励线圈，所以将使用独立的激励线圈，激励线圈(23)是放在接收天线周围的连线，其圈数一般为5-20圈，要尽量使用电阻小的导线。

如图5所示的点读笔(1)和如图1所述笔位置传感器的笔(1)具有相同的电气性能。

如图5所示的点读机，还包括键盘、显示用来和用户交互，数据存储电路储存声音、图像、文字等多媒体数据，cpu将来自点读笔的操作信号和其他信息综合起来，进行指定的数据检索，并将声音发送到发声电路，将文字图像发送到显示器。

如图6所示，是激励线圈的驱动电路，对应图1的“驱动电路”、图5中的“驱动电路左”或者“驱动电路右”，其中的L3代表激励线圈，优选地，L3和C23作在串联谐振状态。

注：说明书记载的具体实施方式，是优选的实施方案，其可以整体上说明发明的目的、和手段，并不是发明实例穷举。

完毕

Claims (10)

1.一种笔位置传感器的笔位置检出方法，其特征在于：

由所述笔位置传感器上的激励线圈向所述笔中的电感线圈发射交流激励信号，电感线圈两端耦合出交流信号，所述笔中的压电器件将流经电容来自电感线圈的交流信号转换成机械振荡，激励线圈停止发射后，压电器件将机械振荡转换成交流信号由电感线圈发出，从而位置检出电路检出笔的位置；

所述激励线圈发射的交流信号频率和笔中压电器件的机械谐振频率相近，使笔中压电器件工作在谐振状态。

2.一种笔位置传感器，包括笔、位置检出电路，其特征在于：

所述笔中包括一压电器件，由所述笔位置传感器上的位置检出电路的激励线圈向所述笔中的电感线圈发射交流激励信号，电感线圈两端耦合出交流信号，所述笔中的压电器件将流经电容来自电感线圈的交流信号转换成机械振荡，激励线圈停止发射后，压电器件将机械振荡转换成交流电信号由电感线圈发出，从而位置检出电路检出笔的位置；

所述激励线圈发射的交流信号频率和压电器件的机械谐振频率相近，使笔中压电器件工作在谐振状态。

3.根据权利要求2所述的笔位置传感器，其特征在于，笔中的电感线圈通过电容和压电器件相连，笔中的电感线圈和电容工作在串联谐振状态。

4.根据权利要求2所述的笔位置传感器，其特征在于，所述压电器件选用陶瓷材料，压电陶瓷引出辅助电极，在压电陶瓷的辅助电极上连接和操作相关联的阻抗，来改变压电陶瓷的谐振频率，所述阻抗是指电阻、电容、或者电感及者三者的组合。

5.根据权利要求4所述的笔位置传感器，其特征在于，所述压电陶瓷的辅助电极上连接电容阻抗，所述压电陶瓷的辅助电极上连接有压感可变电容，其电容随笔尖的压力变化而变化。

6.一种点读机，包括点读笔、位置检出电路，其特征在于：

所述点读笔中包括一压电器件，由所述点读机上的位置检出电路的激励线圈向所述点读笔中的电感线圈发射交流激励信号，电感线圈两端耦合出交流信号，所述点读笔中的压电器件将流经电容来自电感线圈的交流信号转换成机械振荡，激励线圈停止发射后，压电器件将机械振荡转换成交流信号由电感线圈发射到点读机的接收天线上，从而位置检出电路检出笔的位置；

所述激励线圈发射的交流信号频率和压电器件的机械谐振频率相近，压电器件工作在谐振状态。

7.根据权利要求6所述的点读机，其特征在于，在所述的点读机的接收天线边缘周围设置激励线圈，根据接收到的信号电平大小，控制激励线圈在每个发射周期中的发射时间长短，调节接收信号到适当的电平。

8.根据权利要求6所述的点读机，其特征在于，点读笔中的电感线圈通过电容和压电器件相连，点读笔中的电感线圈和电容工作在串联谐振状态。

9.根据权利要求6所述的点读机，其特征在于，所述压电器件选用陶瓷材料，压电陶瓷引出辅助电极，在压电陶瓷的辅助电极上连接和操作相关联的阻抗，来改变压电陶瓷的谐振频率，所述阻抗是指电阻、电容、或者电感及者三者的组合。

10.根据权利要求6所述的点读机，其特征在于，所述压电陶瓷的辅助电极上连接电容阻抗，所述压电陶瓷的辅助电极上连接有压感可变电容，其电容值随笔尖的压力变化而变化。

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