CN105068680A - 一种具有触感振动功能的触控笔 - Google Patents

Abstract

本发明提供的具有触感振动功能的触控笔，包括笔头（201）、外壳（202）、笔尖杆（203）、线圈（204）、压力传感器（205）、集成电路板（206）、操作开关板（207）、压电振动器件（209）及压电传感器件（210）。本发明通过使触控笔自身发生触感振动反馈，无论是与屏幕非接触式的使用还是接触式的使用，都可以使用户获得触感振动的体验。在触控笔的外表面还具有压电传感器件，能够感应用户手指握持触控笔所施加的力度并进行响应，在非接触式使用过程中也可以实现类似？“压感”的功能，还能够基于该握力大小调节触感振动的强弱。触控笔自身的触感振动不会干扰其？“压感”功能及握力检测功能的效果。

Description

一种具有触感振动功能的触控笔

技术领域

本申请涉及触控输入设备的结构，更具体地，涉及一种具有触感振动功能的触控笔。

背景技术

在最近的短短几年中，触控已经发展成为电子设备的主流操作方式，特别是在手机、平板电脑、电纸书、GPS导航仪、智能手表等产品当中，触控输入基本完全取代了传统的键盘输入。

触感振动是触控输入技术中一项实用性和体验性俱佳的用户反馈功能。当用户的手指接触到电子设备的触控面板后，电子设备会立刻发生轻微振动，而被手指所感知。这一功能可以使用户在不能目视显示屏的情况下通过感受振动确认自己的触控输入操作已经被设备所接收。而且，即便用户可以观看显示屏，触感振动也能够通过视觉和触觉的双重反馈来提升用户操控中的感受程度，更加增强用户对自己的操作已经完成的确定性。进一步的，可以针对用户的不同操作，选择不同类型的触感振动模式，例如单次振动、多次振动、短振动、长振动等。

触感振动功能的实现方式是在电子设备的机体内安装包括转轴电机的振动器件，当触控面板受到触摸后，产生相应的感应信号，电子设备的处理器根据感应信号判断触摸位置从而实现触控输入功能；与此同时，处理器在收到感应信号后控制振动器件按照预定的振动模式发生振动，从而带动机体产生触感振动。

触控笔是与触控面板相配合的输入工具。用户握持触控笔并以笔尖与触控面板相接触，执行相应的触控输入操作。从输入的精确程度来说，使用触控笔要远高于使用手指，而且很多触控功能使用触控笔来执行更符合人们的习惯，例如手写输入、绘图等。因此，目前相当多的电子设备仍然具有配套的触控笔。

早期的电阻型触控面板可以使用触控笔直接在其上面进行输入。但随着性能更好的电容型触控面板的普及，绝缘的触控笔无法通过直接接触电容型触控面板的表面实现触控输入。为了克服这一障碍，现在的触控笔一般采用电磁感应技术来实现。

图1是现有技术中基于电磁感应技术的触控笔的结构分解示意图，包括笔头101、外壳102、笔尖杆103、线圈104、压力传感器105、集成电路板106和操作开关板107。为了使该触控笔能够工作，在相应的电子设备中要配置电磁式感应面板，一般将该电磁式感应面板安装在液晶屏幕的后方。电磁式感应面板在其有效范围内产生磁场，在触控笔进入该有效范围并移动过程中，通过共振从所述磁场中吸收能量并且积蓄在集成电路板106的蓄能元件当中；然后集成电路板106的发射元件将积蓄的能量通过线圈104转化为电磁信号并对外发射，电磁式感应面板接收触控笔所发射的电磁信号从而感应触控笔所在的位置，进而实现输入。

通过这一原理可见，触控笔并不需要与电子设备的屏幕产生接触。只要触控笔处于电子设备中电磁式感应面板的有效范围内，就能够实现位置感应。因此，很多电子设备具有利用触控笔进行非接触式的触控输入的功能，即触控笔的笔尖杆103并不与电子设备的屏幕产生接触，而是在距屏幕一定距离的位置处凌空划动，以这种方式进行触控操作。

而且，为了符合人们的使用习惯，并且能够产生与实际纸面书写相类似的效果，触控笔也可以在使笔尖杆103与电子设备屏幕产生接触的状态下进行工作。在这种情况下，触控笔内的压力传感器105感应笔尖杆103所受到的压力，随着人们下笔力度的变化，屏幕反作用于触控笔笔尖杆103的力的大小也发生变化，压力传感器105所感应到的压力大小也随之变化。集成电路板106的发射元件根据压力传感器105所感应到的压力大小，控制线圈104所发射的电磁信号的强度。这样，根据电磁式感应面板所接收到的该电磁信号的强度，电子设备可以获得触控笔下笔力度的变化，进而给出相应的响应，即实现所谓的“压感”功能。例如在利用触控笔进行书写或绘画时，当下笔力度大时，屏幕所显示的线条变粗，反之，当下笔力度小时，线条相应变细，达到类似真实书写或绘画的效果。

操作开关板107安装于触控笔外壳102的侧面，上面设置各种按键，可以实现开启、关闭触控笔等操作功能。

回到上面所介绍的触感振动功能，在使用触控笔进行输入时，当然也希望握持触控笔的手部同样感受到电子设备触感振动形式的反馈。

然而，现有技术中却难以在使用触控笔的情况下实现触感振动，并且不影响触控笔其它功能的正常应用。因为现有技术当中，触感振动功能都是由所述振动器件带动电子设备机体发生振动而实现的。在使用触控笔时，如上文所述，在一种情况下，在采用非接触式的触控输入的应用中，由于触控笔与电子设备没有接触，电子设备机体的振动不可能传导给触控笔并被用户所感知，使得机体自身的触感振动变得没有意义。另一种情况下，如果以使触控笔与电子设备屏幕发生接触的方式进行输入，虽然电子设备机体的触感振动能够在接触过程中由笔尖杆传导至触控笔，但是，这一振动必然会影响压力传感器对笔尖杆所受压力的感应，使感应到压力大小呈现异常抖动，进而影响电子设备对触控笔下笔力度的正常检测和响应，对“压感”功能带来负面影响。

基于以上原因，在使用触控笔进行输入的情形下，无论是非接触式的使用还是接触式的使用，现有的电子设备都只能自动关闭其触感振动功能，这也使用户在使用触控笔的同时失去了触感振动方面的良好体验。

发明内容

针对现有技术的上述状况及缺陷，本发明提供了一种具有触感振动功能的触控笔。

本发明的第一方面改进在于，在触控笔的外表面安装压电振动器件，在进行触控输入时，根据电子设备的指令使触控笔自身发生振动反馈，因而无论是与屏幕非接触式的使用还是接触式的使用，都可以使用户获得触感振动的体验。

本发明第二方面的改进在于，所述压电振动器件与触控笔的外壳、笔尖杆及压力传感器在空间上相隔离，且振动方向与笔尖杆的受力方向相垂直，因此，在接触式使用过程中，触控笔自身的触感振动不会对笔尖杆所受压力的检测带来影响，使触控笔的“压感”功能不受触感振动的干扰。

本发明第三方面的改进在于，在触控笔的外表面还具有压电传感器件，能够感应用户手指握持触控笔所施加的力度，并使电子设备基于该力度大小给出相应的响应，例如调节显示线条粗细等，从而在非接触式使用过程中借助对握力的感测，也可以实现与上述“压感”功能相类似的功能，而且还能够基于该握持力度大小调节触感振动的强弱。与第二方面相结合，这一功能也不受触控笔自身触感振动功能的干扰。

本发明所述的具有触感振动功能的触控笔，包括笔头（201）、外壳（202）、笔尖杆（203）、线圈（204）、压力传感器（205）、集成电路板（206）和操作开关板（207），其特征在于，所述外壳（202）的侧表面具有开口部（208），压电振动器件（209）安装在该开口部（208）内；所述压电振动器件（209）包括压电材料元件（209c），所述压电材料元件（209c）被施以驱动电压时，使所述压电振动器件（209）沿垂直于所述外壳（202）的侧表面的振动方向产生振动，且所述振动方向垂直于被所述压力传感器（205）所检测的笔尖杆（203）所受压力的方向；所述压电振动器件（209）与所述外壳（202）在空间上不相接触，二者之间具有缝隙；所述集成电路板（206）上包括无线接收元件（206a）、振动控制元件（206b）和驱动电路（206c），其中无线接收元件（206a）用于接收电子设备收到触控笔的触控输入后提供的反馈信号，所述振动控制元件（206b）响应所述反馈信号控制所述驱动电路（206c）向所述压电振动器件（209）施加所述驱动电压。

优选的是，所述压电振动器件（209）具有中间镂空的框体结构；且压电传感器件（210）嵌入于所述框体结构的镂空位置处，所述压电传感器件（210）与所述框体结构在空间上不相接触，二者之间具有缝隙；所述压电传感器件（210）感应用户握持触控笔的握力大小，形成相应的电信号并传输至所述集成电路板（206）；所述集成电路板（206）的发射元件根据所述电信号的大小，调节所发射的电磁信号的强度。或者，所述发射元件根据压力传感器（205）输出的电信号与压电传感器件（210）输出的电信号二者的加权平均值，调节所发射的电磁信号的强度。进一步优选的是，所述振动控制元件（206b）接收所述压电传感器件（210）输出的电信号，并根据该电信号大小，动态调节所述驱动电压以改变压电振动器件（209）的振动强度和模式。更进一步优选的是，当所述压电传感器件（210）感应到的所述握力较大时，所述振动控制元件（206b）调节所述驱动电压，使所述压电振动器件（209）的振动幅度较小。

优选的是，所述压电振动器件（209）包括可形变外框层（209a）、弹性振动片（209b）、所述压电材料元件（209c）、电极（209d）和底框层（209e）。进一步优选的是，所述可形变外框层（209a）和底框层（209e）均为中间镂空的框体，组装后可形变外框层（209a）的外缘卡合在底框层（209e）内缘相应的卡扣内，至少两个所述弹性振动片（209b），通过贴合面粘贴在可形变外框层（209a）的框体的至少两个相对的边框的内壁上，所述弹性振动片为弹性金属薄片；所述压电材料元件（209c）粘贴在弹性振动片（209b）的与所述贴合面相对的另一面上，通过电极（209d）连接所述驱动电路（206c）。

优选的是，所述压电振动器件（209）包括可形变外框层（209a）、固定支撑点（209b）、所述压电材料元件（209c）、电极（209d）和底框层（209e）。进一步优选的是，可形变外框层（209a）和底框层（209e）均为中间镂空的框体，组装后可形变外框层（209a）通过位于框体四个角的固定支撑点（209b）与底框层（209e）相连接；若干个压电材料元件（209c）处于可形变外框层（209a）和底框层（209e）之间，并且均匀分布于框体的边框位置处，通过电极（209d）连接所述驱动电路。

优选的是，所述压电传感器件（210）包括柔性表面层（210a）、上导电层（210b）、压电片（210c）、下导电层（210d）和基底（210e）。进一步优选的是，所述柔性表面层（210a）粘合于上导电层（210b）上，下导电层（210d）刻蚀形成于基底（210e）上，并且上、下导电层通过绝缘粘合层相结合，压电片（210c）位于上、下层电层之间并与二者相接触。

本发明能够取得如下有益效果：通过使触控笔自身发生触感振动反馈，无论是与屏幕非接触式的使用还是接触式的使用，都可以使用户获得触感振动的体验。在触控笔的外表面还具有压电传感器件，能够感应用户手指握持触控笔所施加的力度并进行响应，在非接触式使用过程中也可以实现类似“压感”的功能，还能够基于该握力大小调节触感振动的强弱。触控笔自身的触感振动不会干扰其“压感”功能及握力检测功能的效果。

附图说明

图1是现有技术中的电磁式触控笔的结构立体示意图；

图2是本发明实施例中的触控笔的结构立体示意图；

图3是本发明实施例中用于实现触感振动功能的电路模块示意图；

图4是本发明实施例中压电振动器件的立体结构示意图；

图5是本发明实施例中压电振动器件的另一立体结构示意图；

图6是本发明实施例中压电传感器件的结构示意图；

图7是本发明实施例的触控笔组装后其手指接触部位的局部放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述。需要指出，对优选实施例阐述的目的是为了更加充分地展示本发明的各方面的特点和有益效果。因此，优选实施例是作为示例性的，不应理解为是对本发明保护范围的限制。本发明的保护范围应当以权利要求书所请求的内容为准。

图2是本发明实施例中的触控笔的结构立体示意图。本发明基于电磁感应技术的触控笔包括笔头201、外壳202、笔尖杆203、线圈204、压力传感器205、集成电路板206和操作开关板207。与现有技术类似，集成电路板206上的蓄能元件从电子设备内置的电磁式感应面板产生的磁场中吸收能量，并且集成电路板206上的发射元件通过线圈204发射电磁信号，由电磁式感应面板接收并实现位置检测。在接触式使用中，压力传感器205检测笔尖杆203受到的压力，集成电路板206的发射元件根据该压力相应地调节电磁信号的强度，从而实现“压感”功能。

继续参见图2，其中，在外壳202侧表面由用户手指所握持的位置上具有一贯通其壳壁的开口部208，压电振动器件209安装于该开口部208内。所述压电振动器件209具有中间镂空的框体结构。压电振动器件209内部具有压电材料元件，所述压电材料元件在被施以预定值的驱动电压时会产生收缩和扩张，通过压电振动器件209的内部构造，将这种收缩和扩张转化为该压电振动器件209在特定方向上的往复振动，能够被握持压电振动器件209的手指所感知。

参见图3所示的电路模块示意图，当电子设备通过其电磁式感应面板接收到触控笔的触控输入时，其以无线信号的形式向触控笔发送一反馈信号，由集成电路板206上的无线接收元件206a接收该反馈信号。在收到该反馈信号时，集成电路板206的振动控制元件206b控制驱动电路206c向压电振动器件209施加所述驱动电压，激发压电材料元件的收缩和扩张。振动控制元件206b通过控制所述驱动电压施加的时间、大小和频率，使压电振动器件209产生不同模式和幅度的振动，从而实现触感振动的功能。

图4是所述压电振动器件209的立体结构示意图。压电振动器件209包括可形变外框层209a、弹性振动片209b、压电材料元件209c、电极209d、底框层209e。其中，可形变外框层209a和底框层209e均为中间镂空的框体，组装后可形变外框层209a的外缘卡合在底框层209e内缘相应的卡扣内。至少两个弹性振动片209b是具有良好弹性力的金属薄片，例如不锈钢片或镍合金片，通过贴合面粘贴在可形变外框层209a的至少两个相对的边框的内壁上。压电材料元件209c粘贴在弹性振动片209b的与所述贴合面相对的另一面上，通过电极209d连接所述驱动电路，所使用的压电材料包括PZT等。在驱动电压的激发下，压电材料元件209c发生收缩和扩张，带动弹性振动片209b产生图4中双向箭头方向的振动，而弹性振动片209b进而带动可形变外框层209a以同样的方向发生形变而振动。从图中可以看到，该振动方向垂直于可形变外框层209a的外表面，即垂直于外壳202的侧表面，因此该振动方向与上述压力传感器205所检测的笔尖杆203所受压力的方向垂直。

图5是所述压电振动器件209的另一种立体结构示意图。压电振动器件209包括可形变外框层209a、固定支撑点209b、压电材料元件209c、电极209d、底框层209e。其中，可形变外框层209a和底框层209e均为中间镂空的框体，组装后可形变外框层209a通过位于框体四个角的固定支撑点209b与底框层209e相连接。若干个压电材料元件209c处于可形变外框层209a和底框层209e之间，并且均匀分布于框体的边框位置处，通过电极209d连接所述驱动电路。在驱动电压的激发下，压电材料元件209c沿图中双向箭头方向，即垂直于可形变外框层209a外表面的方向，发生收缩和扩张，带动可形变外框层209a以同样的方向发生形变而振动。从图中可以看到，该振动方向也垂直于外壳202的侧表面，因此该振动方向同样与上述压力传感器205所检测的笔尖杆203所受压力的方向垂直。

从而，在使用本发明的触控笔时，响应于电子设备接收到触控输入后所发出的反馈，触控笔自身的压电振动器件发生振动，被用户的手部所感知，无论是与屏幕非接触式的使用方式还是接触式的使用方式，都能够实现触感振动功能。特别是在接触式的使用方式中，由于振动是由触控笔自身所产生的，电子设备可以保持静止状态，因此不会影响压力传感器对笔尖杆所受压力的检测，可以使触控笔原有的“压感”功能不受干扰。

由于触控笔体积小，且采用基于电磁感应的无源蓄能，因此在本发明中使用压电振动器件，相比转轴电机振动器件，其所占用的空间小，而且节约驱动振动所需要的电能。另外转轴电机振动器件只能使机体整体产生一定的振动，仍然会干扰压力传感器的检测，而本发明的压电振动器件只使该器件所在局部位置上产生特定方向的振动，不会产生上述干扰。

回到图2，其中，在压电振动器件209的中间镂空位置，嵌入一压电传感器件210。该器件接触用户握持触控笔的手指，并且能够感应手指所施加的握力大小，形成相应的电信号并传输至集成电路板206。集成电路板206的发射元件根据所述电信号的大小，调节所发射的电磁信号的强度。而电子设备根据所收到的电磁信号的强度，作出预定的响应，例如改变显示线条粗细等。这样，在非接触式使用过程中，虽然压力传感器205不能生效，但借助压电传感器件210对握力大小的感测，也可以实现与上述“压感”功能相类似的功能。而在接触式使用过程中，则可以通过压电传感器件210、压力传感器205二者中的任何一个的检测结果的电信号调节电磁信号的强度，或者根据二者检测结果的加权平均值来调节电磁信号的强度。

作为另一种应用模式，在非接触式和接触式的使用过程中，振动控制元件206b可以接收压电传感器件210所生成的所述电信号，并根据感应到的握力大小动态调节压电振动器件209的振动模式和强度。例如，当握力较大时，由于用户握持较紧，振动比较易于被感知到，就可以使压电振动器件209的振动幅度较小。在无源的条件下，触控笔工作的所有能量都是由蓄能元件从磁场中吸收的，总能量十分有限，因此通过动态地调节振动幅度可以提高能量利用效率。

图6是压电传感器件210的结构示意图。压电传感器件210包括柔性表面层210a、上导电层210b、压电片210c、下导电层210d和基底210e。柔性表面层210a粘合于上导电层210b上，下导电层210d刻蚀形成于基底210e上，并且上、下导电层通过绝缘粘合层相结合，压电片210c位于上、下层电层之间并与二者相接触。柔性表面层210a与用户的手指相接触并受到按压，在向下传导的按压力作用下，压电片210c发生形变，再按压力消失后恢复原状。压电片210c形变过程中在上、下层电层之间形成电压，导出后作为上述反映握力大小的电信号。

图7是触控笔组装后其手指接触部位的局部放大示意图。从图7中可以看到，压电振动器件209和压电传感器件210在组装完成后均处于外壳202的开口部208之内，且压电传感器件210位于压电振动器件209的镂空框体的镂空位置之内。其中，压感振动器件209的框体与开口部208周边外壳202的壳壁在空间上不相接触，二者之间具有中空的第一缝隙701；压电传感器件210与其周边压电振动器件209的框体也不相接触，二者之间具有中空的第二缝隙702。这样，压电振动器件209的振动不会传导给外壳202，更不会沿外壳202传导至笔尖杆203和压力传感器205，加之其振动方向本来就与压力传感器205所检测的压力方向垂直，因而其振动不会对压力传感器205的检测结果带来任何干扰。另一方面，由于压电振动器件209与压电传感器件210同样彼此分离，压电振动器件209的振动也不会对压电传感器件210对握力的检测产生明显的干扰。为了防止水份和灰尖渗入上述缝隙，可在开口208的整个外表面粘合一体的柔软挠性薄膜层，覆盖压电振动器件209和压电传感器件210，并进行封闭。图7中还用虚线示出了手指握持本发明触控笔的姿态图。

综上所述，本发明能够使触控笔自身发生触感振动反馈，因而无论是与屏幕非接触式的使用还是接触式的使用，都可以使用户获得触感振动的体验。在触控笔的外表面还具有压电传感器件，能够感应用户手指握持触控笔所施加的力度并进行响应，在非接触式使用过程中也可以实现类似“压感”的功能，还能够基于该握力大小调节触感振动的强弱。触控笔自身的触感振动不会干扰其“压感”功能及握力检测功能的效果。

Claims (10)

1.一种具有触感振动功能的触控笔，包括笔头（201）、外壳（202）、笔尖杆（203）、线圈（204）、压力传感器（205）、集成电路板（206）和操作开关板（207），其特征在于，所述外壳（202）的侧表面具有开口部（208），压电振动器件（209）安装在该开口部（208）内；所述压电振动器件（209）包括压电材料元件（209c），所述压电材料元件（209c）被施以驱动电压时，使所述压电振动器件（209）产生振动；所述集成电路板（206）上包括无线接收元件（206a）、振动控制元件（206b）和驱动电路（206c），其中无线接收元件（206a）用于接收电子设备收到触控笔的触控输入后提供的反馈信号，所述振动控制元件（206b）响应所述反馈信号控制所述驱动电路（206c）向所述压电振动器件（209）施加所述驱动电压。

2.根据权利要求1所述的触控笔，其特征在于，所述压电振动器件（209）具有中间镂空的框体结构；且压电传感器件（210）嵌入于所述框体结构的镂空位置处，所述压电传感器件（210）感应用户握持触控笔的握力大小，形成相应的电信号并传输至所述集成电路板（206）；所述集成电路板（206）的发射元件根据所述电信号的大小，调节所发射的电磁信号的强度。

3.根据权利要求2所述的触控笔，其特征在于，所述振动控制元件（206b）接收所述压电传感器件（210）输出的电信号，并根据该电信号大小，动态调节所述驱动电压以改变压电振动器件（209）的振动强度和模式。

4.根据权利要求4所述的触控笔，其特征在于，当所述压电传感器件（210）感应到的所述握力较大时，所述振动控制元件（206b）调节所述驱动电压，使所述压电振动器件（209）的振动幅度较小。

5.根据以上权利要求中任意一项所述的触控笔，其特征在于，所述压电振动器件（209）包括可形变外框层（209a）、弹性振动片（209b）、所述压电材料元件（209c）、电极（209d）和底框层（209e）。

6.根据权利要求5所述的触控笔，其特征在于，所述可形变外框层（209a）和底框层（209e）均为中间镂空的框体，组装后可形变外框层（209a）的外缘卡合在底框层（209e）内缘相应的卡扣内，至少两个所述弹性振动片（209b），通过贴合面粘贴在可形变外框层（209a）的框体的至少两个相对的边框的内壁上，所述弹性振动片为弹性金属薄片；所述压电材料元件（209c）粘贴在弹性振动片（209b）的与所述贴合面相对的另一面上，通过电极（209d）连接所述驱动电路（206c）。

7.根据权利要求1－4中任意一项所述的触控笔，其特征在于，所述压电振动器件（209）包括可形变外框层（209a）、固定支撑点（209b）、所述压电材料元件（209c）、电极（209d）和底框层（209e）。

8.根据权利要求7所述的触控笔，其特征在于，所述可形变外框层（209a）和底框层（209e）均为中间镂空的框体，组装后可形变外框层（209a）通过位于框体四个角的固定支撑点（209b）与底框层（209e）相连接；若干个压电材料元件（209c）处于可形变外框层（209a）和底框层（209e）之间，并且均匀分布于框体的边框位置处，通过电极（209d）连接所述驱动电路。

9.根据权利要求2－8中任意一项所述的触控笔，其特征在于，所述压电传感器件（210）包括柔性表面层（210a）、上导电层（210b）、压电片（210c）、下导电层（210d）和基底（210e）。

10.根据权利要求9所述的触控笔，其特征在于，所述柔性表面层（210a）粘合于上导电层（210b）上，下导电层（210d）刻蚀形成于基底（210e）上，并且上、下导电层通过绝缘粘合层相结合，压电片（210c）位于上、下层电层之间并与二者相接触。