CN104685458B - 静电尖笔 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种用于与具有传感器节点阵列的触屏(例如，电容式触屏)介接的手持式尖笔类型输入装置，其可包含：手持本体，其具有第一末端；尖端，其在所述第一末端处；电极，其至少部分布置在所述本体内；及电路，其经配置以在所述电极上产生电势，以产生接近所述尖笔尖端的电场。当所述尖笔尖端经放置成与所述触屏接触时，所述电场激活在所述尖端与所述触屏之间的物理接触区域外部的一或多个传感器节点，从而在所述传感器节点上产生与手指或其它物体相似的影响，手指或其它物体与所述触屏的接触区域比所述尖笔的接触区域大，因此提供所述触屏的激活，同时提供靠近所述接触点的屏幕的更佳视角。

Description

静电尖笔
技术领域
本发明涉及一种用于与电子装置介接的尖笔，例如产生可由电子装置(例如智能电话、平板计算机、电子书阅读器等等)的投射电容式触屏检测的电场的尖笔。
背景技术
许多电子装置包含通常称为PCT或PCAP屏幕的投射电容式触屏，例如智能电话、平板计算机、电子书阅读器等等。典型PCAP屏幕是由叠层在玻璃板上的导电材料的行及列的矩阵组成。此可通过蚀刻单一导电层以形成电极的栅格图案或通过蚀刻具有平行线性电极或“轨道”的导电材料的两个单独垂直层以形成栅格来完成。前一方法中的单一导电层的电极或后一方法中的每一层的线性电极重叠的位置形成触屏的传感器节点。施加到此栅格的电压产生可测量的静电场。当具有足够额外电荷保持能力的物体(例如指尖)开始与PCAP面板接触时，其更改所述点处的局部静电场且因此在接触点处或靠近接触点处产生可测量的电极电荷变化。可改变及测量栅格上的每个个别点处(交叉点)的电容。因此，可通过受影响邻近电极之间的内插，以比电极之间的间隔更精细的分辨率确定触摸的中心位置。因此，此系统能够以比所述多个邻近电极的间隔好得多的分辨率追踪在所述电极处产生可测量变化的指尖或其它物体的触摸；例如，具有间隔开5毫米的电极的触屏可能够以比0.5毫米更好的准确度内插影响多个电极的触摸的中心位置。然而，如果物体只在一个电极处产生可测量变化，那么内插是不可行的且只可以电极间隔的分辨率测量触摸的位置。
虽然PCAP屏幕可通常可感测一些类型的无源尖笔，但是当前市场上的大多数PCAP屏幕经设计以与手指互动。因此，PCAP屏幕可需要与屏幕接触的区域具有直径约1/4英寸的最小质心区域以检测触摸。然而，归因于检测所需的接触点的物理大小，当尝试模仿书写用具(例如，钢笔或铅笔)的动作时，手指不产生极佳用户体验。
图1说明常规的PCAP触屏的一部分，展示在正交传感器轨道T的交叉点处界定的传感器节点N的阵列。由虚线A指示通过手指与触屏接触形成的接触区域。激活接触区域A内的每一传感器节点，即，具有其所存储电荷或其电容的可测量变化，如由每一经激活节点Na处的放大点指示。来自传感器阵列的信号传达到控制器，所述控制器基于经激活节点Na来计算质心区域及/或区域A的中心。控制器可需要最小接触区域、直径或其它尺寸以当用户输入时识别受检测接触区域A。
图2A到2C说明接触常规的PCAP触屏的实例物体的侧视图，所述PCAP触屏具有控制器，所述控制器需要最小接触区域、直径或其它尺寸(指示为Amin)以检测用户输入。在一些设计中，可由最小数目个经激活节点Na界定最小接触区域。图2A说明手指与屏幕接触，其中接触区域大于最小接触尺寸Amin，且因此控制器检测用户输入。类似地，图2B说明具有大尖端LT的尖笔SLT与屏幕接触，其中接触区域大于最小接触尺寸Amin，且因此控制器检测用户输入。然而，图2C说明具有精细点尖端FT的尖笔SFP与屏幕接触，其中接触区域小于最小接触尺寸Amin，且因此控制器无法在多个电极处(或如果精细点尖端充分远离最近电极，那么甚至无法在一个电极处)检测用户输入且因此控制器无法准确确定触摸的位置。
因此，当前用于此类屏幕的无源尖笔使用相对较大尖端(例如，呈相对较大橡胶或泡沫尖端形状)实现此最小质心区域。然而，此大尖端遮挡了用户对与屏幕的接触点的视角。替代地，一些PCAP屏幕提供增加的传感器密度(例如，增加的线或轨道密度)以检测精细点尖笔。然而，增加传感器密度通常会增加传感器阵列与相关控制器两者的成本。在具有更大触屏的装置中(例如，平板计算机及电子书阅读器中)，此类缺点更加明显。
发明内容
本发明涉及一种用于与电子装置介接的尖笔，例如，产生可由电子装置(例如，智能电话、平板计算机、电子书阅读器等等)的投射电容式触屏检测的电场的尖笔。
一个实施例提供一种手持式尖笔类型输入装置，其包含：手持本体，其具有第一末端；尖端，其在本体的第一末端处；电极，其至少部分布置在本体内；及电路，其耦合到电极且经配置以在电极上产生电势，当尖端经放置成与触屏接触时，电势产生用于激活触屏的多个传感器节点的电场。
在进一步实施例中，当尖端经放置成与触屏接触时，尖端与触屏之间的接触区域小于由触屏界定以检测用户输入的最小接触区域。
在进一步实施例中，输入装置经配置使得当尖端经放置成与触屏接触时，电场激活尖端与触屏之间的接触区域外部的一或多个传感器节点。
在进一步实施例中，输入装置进一步包含经配置以塑形由电极产生的电场的至少一个导电元件。
在进一步实施例中，所述至少一个导电元件包括导电外壳，其中电极至少部分布置在导电外壳内。
在进一步实施例中，导电外壳包括长形管，且其中电极至少部分布置在长形管内且靠近长形管的第一末端。
在进一步实施例中，所述至少一个导电元件形成输入装置的长形手持本体的一部分。
在进一步实施例中，输入装置进一步包含耦合到电路的电池。
在进一步实施例中，电极在输入装置内电隔离。
在进一步实施例中，输入装置进一步包含耦合到电极的升压转换器。
在进一步实施例中，输入装置进一步包含耦合到电极的电压倍增器。
在进一步实施例中，电路包含经配置以在输出端处输出AC电压的微控制器及耦合到输出端且经配置以增加AC电压的变压器。
在进一步实施例中，微控制器经配置以接收反馈电压且基于反馈电压自动控制电极上的电势。
在进一步实施例中，供应到电极的电势在500V与50kV之间。
在进一步实施例中，所述至少一个电池与电极之间的电路将1kV与10kV之间的电压供应给电极。
在进一步实施例中，在距尖端的接触点的预定义距离处布置电极使得当尖端的接触点经放置成与触屏接触时，电极与触屏间隔开大约预定义距离。
在进一步实施例中，尖端是电绝缘的以防止电极与触屏之间放电。
另一实施例提供一种手持式尖笔类型输入装置，其包括：手持本体，其具有第一末端；尖端，其在本体的第一末端处；长形电极，其至少部分布置在本体内且沿纵轴的方向延伸；及电路，其耦合到电极且经配置以在电极上产生电势，所述电势产生电场；其中在垂直于纵轴延伸且穿过尖端的最前部点或表面的平面中及在距纵轴与平面之间的交叉点3mm距离处，由电极产生的电场具有至少1,000V/m的电场强度。
在进一步实施例中，由电极产生的电场在平面中及在3mm距离处具有3,000V/m与50,000V/m之间的电场强度。
另一实施例提供一种设备，其包含：触屏，所述触屏具有传感器节点的阵列；及手持式尖笔类型输入装置，所述手持式尖笔类型输入装置包含：具有第一末端的手持本体、本体的第一末端处的尖端、至少部分布置在本体内的电极及耦合到电极且经配置以在电极上产生电势的电路，当尖端经放置成与触屏接触时，所述电势产生用于激活触屏的多个传感器节点的电场。
另一实施例提供一种设备，其包含：电容式触屏，所述电容式触屏具有传感器节点的阵列；及输入装置，所述输入装置经配置以经由与电容式触屏互动而将输入提供到电子装置，所述输入装置包含长形手持本体、长形手持本体的第一末端处的尖端、导电元件，及靠近尖端且相对于导电本体布置且经配置以接收用于产生电极与导电元件之间的静电场的电势的可充电电极，其中输入装置经配置使得当尖端经放置成与电容式触屏接触时，静电场激活尖端与电容式触屏之间的物理接触区域外部的一或多个传感器节点。
附图说明
通过部分参考以下描述及附图可了解本发明的一些实施例，附图中：
图1说明包含传感器节点阵列的常规PCAP触屏的一部分。
图2A到2C说明接触常规PCAP触屏的实例物体的侧视图。特定地说，图2A说明手指与屏幕接触，图2B说明大尖端尖笔与屏幕接触，且图2C说明精细尖端尖笔与屏幕接触。
图3说明根据一个实例实施例的用于与电容式触屏(例如，PCAP传感器触屏)介接的实例手持静电尖笔。
图4说明根据实例实施例的用于手持静电尖笔的实例电路。
图5说明实例静电尖笔及参考平面和参考尺寸，用于描述特定实例实施例中由所述尖笔提供的电场强度。
具体实施方式
可通过部分参考以下描述及附图了解本发明的一些实施例，附图中相同参考数字指代相同或相似部件。
一些实施例提供产生合适强度及形状的电场的静电尖笔，以激活PCAP电容式触屏的多个传感器节点，(例如)以模仿手指触摸屏幕。此允许在并非显著遮挡用户对屏幕上的接触点的视角的尖笔装置(例如，类似于钢笔或铅笔)的末端处使用精细点尖端。运用如本文揭示的静电尖笔，可使用高分辨率检测精细尖端尖笔输入，无需更高密度的传感器元件来检测更小质心区域。通过减小用于尖笔输入的传感器元件的所需密度，与具有准确测量精细尖端尖笔的接触位置的类似能力的常规高密度PCAP传感器系统相比，系统PCAP传感器及控制器的成本及/或复杂性可减小。
图3说明根据一个实例实施例的用于与具有传感器节点N的阵列的电容式触屏S(例如，PCAP传感器触屏)介接的实例手持静电输入装置10。实例手持输入装置10可称为尖笔10且可具有大体上类似于钢笔、铅笔或指示笔的形状。尖笔10可包含经配置以由用户固持的长形手持本体12及长形手持本体12的第一末端处的尖端14，尖端14经配置以与电容式触屏S接触。
长形手持本体12可容纳由电池18充电且由任何合适电路20控制或调节的充电电极16。相对于导电元件22布置充电电极16使得在充电电极16与导电元件22之间产生静电场24，静电场24具有合适形状及强度以当尖端14的接触部分15(例如，点或小平坦部分)经放置成与屏幕S接触或极靠近屏幕S时激活尖笔尖端14与电容式触屏S之间的物理接触区域外部的一或多个传感器节点N。由静电场24激活的传感器节点在图3中指示为节点Na，且由静电场24激活的节点Na的区域指示为区域AEA。在一些实施例中，所产生的静电场24在垂直于尖笔的长形轴且穿过尖端14的屏幕接触末端的平面中大体上是圆形，使得在屏幕S的平面中，当尖笔12垂直于屏幕S定向时，激活区域AEA是大体上圆形，且当尖笔12定向为从垂直偏移某个角度时，激活区域AEA是大体上椭圆形。其它实施例可产生提供任何其它合适形状(例如，大体上正方形、矩形、三角形等等)的激活区域AEA的静电场24。
控制器26从触屏S的传感器节点N接收输入。激活区域AEA的形状、大小或相关尺寸(例如，如由经激活传感器节点Na的数目测量)可充分用于控制器26检测用户输入。因此，通过产生静电场24，尖笔12可激活触屏S，尽管其具有(经由接触部分15)与屏幕的物理接触区域而所述物理接触区域原本太小而无法激活触屏S。因此，与由常规精细点尖笔检测触摸所需的传感器密度相比，精细点尖笔可与具有相对较低传感器密度的电容式触屏S一起使用。
一些实施例提供一个以上电池18、充电电极16、导电元件22及/或静电场24。然而，为了简单起见，以下讨论涉及单一电池18、电极16、导电元件22及静电场24。
为了产生适当形状的静电场24，充电电极16可与导电元件22物理间隔开或以其它方式与导电元件22电绝缘或隔离(例如)以防止或阻止通过导电元件22放电。导电元件22可充当相对于充电电极16的接地。电极16及导电元件22可包括具有任何合适形状、大小、材料及相对布置的任何元件以产生用于提供所需激活区域AEA(例如，如上文讨论，足够用于控制器26检测用户输入)的合适静电场24。电极16及导电元件22可由单独或组合的任何合适材料(例如，任何合适金属、金属或非金属导电材料)形成。
在一些实施例中，导电元件22包括外壳，其中充电电极16至少部分布置在所述外壳内。例如，在所说明的实施例中，导电元件22包括长形金属管，且充电电极16至少部分布置在长形金属管内且靠近长形管的第一轴端。参考图4，电极16的前端36可延伸超出长形管22的前端38，或反之亦然(如图4中所示)，或电极16及长形管22的前端36、38可共面或大体上共面。在一些实施例中，例如，在图3中所示的实例实施例中，导电元件22形成长形手持本体12的必要组成部分，例如，经配置以由用户固持的外壳。
可通过改变电极16与导电元件22之间的距离(在图3中指示为距离“d”)，调整由尖笔12产生的静电场24的大小及/或形状，且因此调整触屏S处的经激活区域AEA的大小及/或形状。尖笔尖端14可由非导电材料形成或以其它方式与电极14电绝缘以防止或阻止充电电极16与电容式触屏S之间放电。例如，尖端14可由塑料形成。
尖笔尖端14可经塑形及按一定尺寸制作，使得充电电极16布置在距尖端14的接触部分15的预定义距离处，使得当接触部分15经放置成与电容式触屏S接触时，充电电极16与触屏S间隔开预定义距离，所述预定义距离在触屏S上提供所需激活区域AEA。
如上文讨论，电极16可由电池18充电且由任何合适电路20控制或调节。在一些实施例中，尖笔12可包含电池18与电极16之间的电开关30，开关30可受控于手动开/关按钮32或其它合适致动器。在其它实施例中，开/关开关30可自动控制尖笔12的开/关状态，即，电池18与电极16之间的连接。例如，开/关开关30可包含经配置以自动检测尖笔12是否由人固持的传感器及经配置以相应地自动控制开/关状态的电路。作为另一实例，开/关开关30可包含经配置以自动检测尖笔12是否与电容式触屏S接触(或紧密靠近)的传感器及经配置以相应地自动控制开/关状态的电路。
图4说明根据实例实施例的用于手持静电尖笔12的实例电路。如上文讨论，尖笔12可包含由电池18经由电路20充电的电极16。电池18可包含任何数目及/或类型的电池。例如，电池18可为一或多个AAA或AAAA电池。在另一实例实施例中，电池18可为当尖笔放置在固持器或衔接器中时再充电的可再充电电池。如果电池18可再充电，那么可经由直接电接触或通过感应或电容耦合将电池18再充电。
在所说明的实例实施例中，电路20包含升压转换器40、微控制器42、变压器44、电压倍增器46及隔离/电压分压器元件48。
升压转换器40将由电池18供应的电压V1升高到升压电压V2。例如，升压转换器40可为由微芯片技术公司(Microchip Technology Inc.)制造的MCP1640芯片或所属领域中已知的任何其它类似芯片。
微控制器42使用脉宽调制将电压V2转换成交流电电压V3。微控制器42还可经配置以从隔离/电压分压器元件48接收反馈电压V6，使用模/数转换器将反馈电压V6转换成数字信号，且基于所接收的反馈电压V6自动控制输出电压V3。例如，微控制器42可为由微芯片技术公司制造的PIC16F1822芯片或所属领域中已知的任何其它类似芯片。
变压器44经配置以使电压V3增加任何量到更高AC电压V4。例如，变压器可为1:100变压器。
电压倍增器46使AC电压V4增加且转换成更高DC输出电压V5，DC输出电压V5供应到绝缘电极16。此外，DC输出电压V5可供应到隔离/电压分压器元件48，隔离/电压分压器元件48将电压减少到递送到微控制器42的反馈电压V6，且使微控制器42与电压倍增器46的输出电压相隔离以保护微控制器42免受损害。在一些实施例中，电压倍增器46是多级电压倍增器。
如上文讨论，微控制器42将反馈电压V6转换成数字信号且控制输出电压V3以调节供应到电极16的电压。
只作为实例，在图4中所示的实施例中，电池18供应1V到1.5V的电压，升压转换器将电压升高到5V，微控制器42以50kHz将电压转换成5V，变压器44将电压增加到500V AC且多级电压倍增器46使电压转换且增加到5kV DC，其被供应到电极16。在其它实施例中，电路20可包含任何类似或额外组件以提供任何合适电压增加、转换或其它操作以将所需电压供应到电极16。在一些实施例中，电路20经配置以将100V与50kV之间的电压供应到电极16。例如，电路20可经配置以将1kV与10kV之间的电压供应到电极16。在特定实施例(例如所说明的5kV的实例)中，电路20将4kV与6kV之间的电压供应到电极16。在一些实施例中，由尖笔的用户通过所属领域的一般技术人员已知的任何数目种方式(例如在尖笔上的开关或通过有线或无线通信链路发送到微控制器的命令)来选择供应到电极16的电压。
图5说明用于描述在某些特定实例实施例中的尖笔提供的电场强度的实例静电尖笔10及参考平面P和参考尺寸。参考平面P垂直于尖笔10中的电极16的纵轴A延伸且沿纵轴A穿过尖端14的最前部点或表面。纵轴A与平面P的交叉点被指示为点EP，其在一些实施例(例如，尖笔10围绕轴A对称)中可对应于尖笔14的最前部点(或在尖笔尖端14在垂直于轴A的大体上平坦表面中结束的实施例中的最前表面的中心)。因此，当尖笔尖端14经放置成与触屏的表面接触时，平面P处的电场强度(由电极16提供)大体上表示触屏经历的电场强度。距离D表示距平面P内的点EP的距离，例如，如下文讨论，用于讨论从尖笔尖端14与触屏之间的接触点/区域径向向外的特定距离处的电场强度。
由电极16产生的电场强度取决于多个任选或可调参数，其包含：供应到电极16的电压；在图3中指示为距离“d”的电极16与导电元件22之间的距离；在轴方向中的电极16与触屏表面(在图5中由平面P表示)之间的距离等等。因此，在不同实施例中，可按需要选择及/或调整此类参数中的任一者，以(例如)在距尖笔尖端14与触屏之间的接触点/区域的特定距离(例如，图5中所示的距离D)处提供所需电场强度。
在各个实施例中，在实例距离D＝1mm处，尖笔10的参数可经选择及/或调整使得电极16提供以下电场强度：(a)至少1,000V/m，或(b)至少3,000V/m，或(c)至少10,000V/m，或(d)至少20,000V/m，或(e)1,000V/m与50,000V/m之间，或(f)3,000V/m与50,000V/m之间，或(g)10,000V/m与50,000V/m之间，或(h)1,000V/m与25,000V/m之间，或(i)3,000V/m与25,000V/m之间，或(j)10,000V/m与25,000V/m之间。
此外，在各个实施例中，在实例距离D＝3mm处，尖笔10的参数可经选择及/或调整使得电极16提供以下电场强度：(a)至少1,000V/m，或(b)至少3,000V/m，或(c)至少10,000V/m，或(d)至少20,000V/m，或(e)1,000V/m与50,000V/m之间，或(f)3,000V/m与50,000V/m之间，或(g)10,000V/m与50,000V/m之间，或(h)1,000V/m与25,000V/m之间，或(i)3,000V/m与25,000V/m之间，或(j)10,000V/m与25,000V/m之间。
此外，在各个实施例中，在实例距离D＝5mm处，尖笔10的参数可经选择及/或调整使得电极16提供以下电场强度：(a)至少1,000V/m，或(b)至少3,000V/m，或(c)至少10,000V/m，或(d)至少20,000V/m，或(e)1,000V/m与50,000V/m之间，或(f)3,000V/m与50,000V/m之间，或(g)10,000V/m与50,000V/m之间，或(h)1,000V/m与25,000V/m之间，或(i)3,000V/m与25,000V/m之间，或(j)10,000V/m与25,000V/m之间。
在其它实施例中，尖笔10的参数可经选择及/或调整使得电极16在任何所需距离D处提供任何其它所需电场强度。

Claims (15)

1.一种手持式尖笔类型输入装置，其包括：
手持本体，其具有第一末端；
尖端，其在所述手持本体的第一末端处；
电池，其布置在所述手持本体内；
电极，其至少部分布置在所述手持本体内；
至少一个导电元件，其经配置以塑形由所述电极产生的电场，其中所述电极在所述输入装置中与至少一个导电元件电隔离；及
电路，其耦合到所述电极，其中所述电路包括耦合到所述电池的升压转换器和耦合到所述升压转换器的电压倍增器，且所述升压转换器可操作以产生第一电源电压，所述电压倍增器可操作以产生馈送至所述电极的DC电压，当所述尖端经放置成与触屏接触时，所述电极产生用于激活所述触屏的多个传感器节点的电场。
2.根据权利要求1所述的输入装置，其中当所述尖端经放置成与所述触屏接触时，所述尖端与所述触屏之间的接触区域小于由所述触屏界定以检测用户输入的最小接触区域。
3.根据权利要求1所述的输入装置，其中所述输入装置经配置使得当所述尖端经放置成与所述触屏接触时，所述电场激活所述尖端与所述触屏之间的接触区域外部的一或多个传感器节点。
4.根据权利要求1所述的输入装置，其进一步包括手动开/关按钮或者开关。
5.根据权利要求4所述的输入装置，其中所述至少一个导电元件包括导电外壳，其中所述电极至少部分布置在所述导电外壳内。
6.根据权利要求5所述的输入装置，其中所述导电外壳包括长形管，且其中所述电极至少部分布置在所述长形管内且靠近所述长形管的第一末端。
7.根据权利要求4所述的输入装置，其中所述至少一个导电元件形成所述输入装置的长形手持本体的一部分。
8.根据权利要求1所述的输入装置，其中所述电池为单一电池。
9.根据权利要求1所述的输入装置，所述电路包含与所述升压转换器耦合且经配置以在输出处输出AC电压的微控制器及耦合到所述输出且经配置以增加所述AC电压的变压器。
10.根据权利要求9所述的输入装置，其中所述微控制器经配置以通过隔离或电压分压器接收反馈电压，且基于所述反馈电压来自动控制所述电极上的电势。
11.根据权利要求10所述的输入装置，其中供应到所述电极的所述电势是在500V与50kV之间。
12.根据权利要求1所述的输入装置，其包括所述至少一个电池与所述电极之间的电路，以将1kV与10kV之间的电压供应给所述电极。
13.根据权利要求1所述的输入装置，其中所述电极布置在距所述尖端的接触点的预定义距离处，使得当所述尖端的所述接触点经放置成与所述触屏接触时，所述电极与所述触屏间隔分开大约所述预定义距离。
14.根据权利要求1所述的输入装置，其中所述尖端电绝缘以防止所述电极与所述触屏之间的放电。
15.一种系统，其包括：
触屏，其具有传感器节点阵列；及
根据前述权利要求中任一权利要求所述的手持式尖笔类型输入装置。
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