CN105474128B - 能量节约 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有笔位置检测的电子笔(200)，其包括至少一个电压源(206)、至少一个数字控制单元(217，106)、书写芯(209)、至少一个数据传输模块(219，109)和用于确定电子笔(200)位置和/或运动的至少两个位置确定传感器(201，202，101，102)，其特征在于电子笔(200)包括与数字控制单元(217，106)通信的能量管理单元(218，110)，用于管理电能消耗，特别是最小化电能消耗，和/或包括本身能够产生电能的期间(103，104，105，204，205，212，213，214，215)。
Description
技术领域
本发明涉及如在专利权利要求1前序部分中所指定类型的电子笔、如在专利权利要求14前序部分中所指定的装置，以及如在专利权利要求16前序部分中所指定的方法。
现有技术
电子信息和通信系统，特别是个人计算机(PC)、笔记本计算机、平板计算机和智能电话在日常生活、休闲和工作中的不断增加的使用使得值得开发人机界面的改进。
除了诸如键盘、鼠标或触敏表面的人机界面之外，电子笔是特别令人感兴趣的。电子笔尤其具有的优势在于它们可将用笔在表面上书写的功能性和简便性与电子数据处理的多得多的可能性相结合。因此希望电子笔在外观和运用上尽可能类似于常规的笔。
例如在WO02/07424A2中，描述了用于手写识别的电子信息系统，其具有笔和带有压敏或感应敏感表面的平板计算机，并且其中笔或笔尖的移动从平板计算机的压敏或感应敏感表面捕获或由加速度传感器或光学传感器捕获。
然后，传感器数据可被无线地传送到个人计算机，其可基于所接收到的笔运动数据来执行手写识别。
然而用于手写识别的已知电子信息系统的缺陷在于，除其它之外，电子笔在操作需要相对大量的能量，特别是当它需要将数据发送到系统时，诸如用于书写压力的压力传感器数据，这显著影响电子笔的可能操作时间。
发明内容
问题
因此，本发明的目的在于改进电子笔，特别是关于其能量效率。
解决方案
根据本发明，所述目的通过根据权利要求1的电子笔和权利要求14的装置以及根据权利要求16的方法来实现。
有利的实施方式和进一步的改进是从属权利要求的主题。
其中，具有笔位置检测的电子笔可包括至少一个电压源、至少一个数字控制单元、书写芯，至少一个数据传输模块以及至少两个位置确定传感器，例如用于确定电子笔的位置和/或运动的加速度传感器。
适合于确定笔位置和笔移动的术语“位置确定传感器”例如可以包括一维或二维或三维传感器，诸如加速度传感器和/或旋转速率传感器，其中例如电子笔的运动可从传感器信号(例如来自加速度信号)的简单积分(integration)来确定，并且电子笔的定位或位置可从传感器信号(例如加速度信号)的双重积分来确定。例如可能的是所有的位置确定传感器是加速度传感器。
所述位置确定传感器可特别提供数据，例如电子笔在空间中的相对运动和相对位置可从所述数据导出。
还可以想到的是，可使用用于漂移补偿的另外的磁场传感器，其在电子笔的静态操作期间提供静态参考信号，通过其可补偿所积分的传感器信号的漂移。
此外，电子笔可具有与数字控制单元通信的能量管理单元以便用于管理电能消耗，并且特别是用于最小化电能消耗，和/或包括能够产生电能本身的器件。
这具有的优势在于电子笔的可能操作时间或使用寿命与没有能量管理单元和/或没有用于自身产生电能的器件的电子笔相比可显著延长。
因此根据本发明的电子笔在无准备的情况下在几乎任何时候有利地提供这样的机会，并且特别是给使用者提供充足的长时期的使用或激活操作时间，以便用作适于可通过手带到书写基质和/或可通过手势移动来控制的所有事物的输入介质。可能的是，可以数字形式提供电子笔的运动数据用于电子处理，诸如书写或手势识别，和/或用于显示，例如用于在外部电子数据处理单元(诸如办公室计算机、笔记本计算机、平板计算机或移动电话)上显示。
当然根据本发明的电子笔也可按常规使用，例如用于通过书写芯书写或绘画，其例如可通过容易流动的书写糊剂来进行操作。
电子笔可具有带有不同能量消耗的至少以下三种不同的操作或操作模式。激活模式、待机模式和关闭模式，其中能量管理单元可管理所述操作模式并且特别是可控制操作模式的改变。
激活模式尤其可进一步包括测量模式，特别是例如用于记录位置确定传感器的数据，并进一步包括检查模式，例如用于检查电压供给和/或用于检查数据传输状态和/或用于检查或验证源自所述位置确定传感器的数据。
此外，可能的是，关闭模式也可能消耗能量，因为在该模式下也可能有必要提供具有电能的电子笔，例如以便分析或验证电子组件的状态和/或数据，特别是位置确定传感器，例如加速度传感器，和/或数据传输模块，使得例如可进行使用者期望的从关闭模式到待机或激活模式的改变。
用于数字控制单元和/或能量管理单元的时钟速率或用于所述电子组件状态查询的采样速率由此可在待机模式或激活模式中使用的时钟速率或采样速率之下。
而例如在电子笔的激活模式下，可能需要至少40Hz的来自传感器元件(特别是来自位置确定传感器)的数据的采样速率，以便能够充分地分辨书写运动，在待机模式和/或关闭模式下的取样速率可降低，并且例如在待机模式下可低到小于40Hz，优选在5Hz至20Hz之间，并且在关闭模式下可降低至1Hz或更小。
该采样速率将从与数据传输模块发送数据到接收系统的通信或数据传输速率区分，数据传输模块发送的数据例如笔位置数据、电压源的能量状态、书写芯的填充水平、书写压力等，所述接收系统例如像外部数据处理或数据分析单元。从而，所述将被传送的数据可以单个和/或分组发送，和/或来自一个或几个采样周期的数据可在它们被发送到接收系统之前被组合成一个或多个包。在激活模式下例如以每秒0.2次至5次或更多通信的通信或数据传输速率可降低到在待机模式下每秒小于0.2次的通信。
在使用合适协议的情况下，诸如像标准蓝牙4.0(BLE)的低能量方式，也有可能的是通信或数据传输被完全暂停。
例如在关闭模式下，数据传输模块可被完全关闭，或仅仅是通信速率缓慢，例如少于每分钟/小时/天一次通信或更少/更慢。
在待机和/或关闭模式下，进一步可能的是电子笔的一些或所有提供数据的电子组件的传感器系统被部分地关掉或仅部分可查询。这意味着例如在待机模式下仅查询几个位置确定传感器和/或其它传感器中的一个或两个。
因此数字控制单元和/或所述能量管理单元可配置成可根据电子笔的操作模式来控制所有提供数据组件的采样速率和/或电子笔的数据传输模块的通信或数据传输速率。
当然，还可想到的是，由于激活操作或使用者的活动，例如通过使得书写芯展开或收回或通断开关的激活，电子笔可被打开或关闭。激活通断开关的过程尤其可具有的优势在于在关闭模式下电子笔的能量消耗可被最小化，并且在某些情况下甚至可被完全关掉。
然而，因为不能假设电子笔在未使用时使用者总是通过激活用户操作或活动而关掉电子笔，所以可有利的是根据本发明通过能量管理单元由能量管理并基于所述电子组件的数据来识别电子笔的当前使用状态，并允许基于当前使用状态的获知来改变操作模式，以便例如在识别到在电子笔的位置和/或运动处于某一非激活状态的情况下改变到电子笔的关闭和/或待机模式。
由此，可优选的和有利的是执行以将一种操作模式改变或多种操作模式改变到具有较高能量需求的模式比将一种操作模式改变或多种操作模式改变到具有较低能量需求的模式具有较短的延迟。换言之，可比改变到待机模式或关闭模式更快地识别并执行改变成激活模式，例如在某些情况下，在电子笔的位置和/或运动和/或外界光中的非激活状态可仅仅指示由使用者在电子笔的使用中进行的短时间中断。
根据本发明的电子笔的每次电池充电的工作寿命或使用时间可为至少2个月、3个月、5个月或6个月，其中根据本发明的电子笔的能量消耗在激活模式下例如可达到小于3mWh，在待机模式下小于0.2mWh，以及在关闭模式下小于0.023mWh。
电子笔的组件的电气工作电压可例如位于在1V至10V之间，优选在2V至4V之间。
所提及的工作寿命可通过作为电压源的电池来实现。例如，使用具有210mAh的3V电压的锂钮扣电池，或使用两个锌-空气钮扣电池，每个具有1.4V和650mAh(975型)。电压源可通过用于产生电能的器件来支持，如下面进一步描述的那样。由此，可以假设，每年(8760小时)电子笔在激活模式下花费20至700个小时，在待机模式下花费16至560个小时，以及在关闭模式下花费8060至8740个小时。
电子笔可具有至少一个直流-直流(DC-to-DC)转换器。
这具有的优势在于由用于产生电能的器件(参见下文)提供的电能或电压如果需要可转化为所需的电压水平，因为在某些情况下所述器件可能不总是优先提供具有与用于操作电子笔或用于操作电子笔的电子组件的所需电压相对应的电压的电能。
除了至少一个电压源之外，电子笔可包括用于自身产生电能的另外的能量存储器。例如，该能量储存器可以是可再充电电池。
当然还可以想到的是，至少一个电压源可配置成它可用电子笔的自身产生的电能再充电，并且例如其本身可以是再充电电池。
电子笔可包括一个或多个光电池，其配置成它们能够测量电子笔环境下的光强度，并且在给予足够的光强度时可产生电能，其可被提供给电子笔(例如在大于50lux的外界或环境光强度下)。因此光电池可实施为用于产生电能的示例性器件。
优选地，至少一个光电池可配置成其可以测量在电子笔环境下的光强度，并且能量管理单元可配置成当在至少一个或多个光电池处测得的光强度低于预定光强度阈值(例如<1lux)达到预定的光强度不足状态最小持续时间(predetermined light intensityfalling below minimum duration)(例如>5s或>10s)时和/或当超过由至少一个或多个光电池测得的预定光强度阈值(例如>1lux)达到预定的超出状态最小持续时间(predetermined excess minimum duration)(例如>1s或>5s)时，能量管理单元可执行电子笔操作模式的至少一次改变，例如在由光电池测得的测得的光强度值低于预定光强度达到所述预定的不足状态最小持续时间的情况下，可执行从激活模式到关闭模式的改变，该改变具有或不具有到待机模式的中间改变，和/或例如当超过预定光强度阈值达到预定的超出状态最小持续时间时，可执行从关闭模式到激活模式或待机模式的改变。
这尤其具有的优势在于，当在电子笔的环境下的普遍光状态或光强度指示电子笔在未使用状态下时，电子笔的能量消耗可降低。
例如当电子笔位于袋、文件夹或一件衣服内时，或当一个/多个光电池由封帽覆盖时，或当电子笔或光电池由文档覆盖时，或当只是电子笔定位在其中的房间由于例如在关掉人为室内照明之后或缺乏足够自然光的情况下太暗时，可发生这种情况。激活模式可进一步配置成没有耗电器件被打开。
当然相反地，例如当至少一个光电池检测在外界光状态下的相应变化时，笔的能量管理单元也可执行从关闭模式到待机模式和/或激活模式的改变，这意味着例如发生超过预定光强度阈值达到预定的超出状态最小持续时间(例如>1s或>5s)时，例如在去除封帽、打开文件夹等之后，指示电子笔应该/可以将被使用。
电子笔的能量管理单元可进一步配置成通过低于位置确定传感器和/或其它传感器的测量活动阈值达到预定的不足状态最小持续时间(例如>5s、>10s或>20s)或当超过位置确定传感器和/或其它传感器的预定质量活动阈值达到预定的超出状态最小持续时间(例如>0.1s或>1s)时，能量管理单元可执行电子笔操作模式的至少一次改变。
例如，预定的测量活动阈值可以是书写芯实际压力的预定值，即可以是预定书写压力值。
例如低于书写芯的预定轴向压力值，例如在缺乏轴向压力的情况下达到所预定的不足状态最小持续时间，则能量管理单元可执行电子笔操作模式的至少一次改变。
类似地，例如由于超出书写芯的预定轴向压力值，例如由于发生正的轴向压力或正的书写压力而超出书写芯的预定轴向压力值达到所述预定的超出状态最小持续时间，则能量管理单元可执行电子笔操作模式的至少一次改变。
这个可选择的特征还可有利地降低电子笔的能量消耗。例如，如果电子笔被放在一边，即脱离使用者的手较长时间，这可通过位置确定传感器的低于预定测活动量阈值达到所述不足状态最小持续时间而识别，并且电子笔的能量管理单元可执行操作模式到待机模式和/或关闭模式的改变。
当然相反地，电子笔的能量管理单元也可依次执行从关闭模式改变到待机模式和/或工作模式，例如当超过位置确定传感器和/或其它传感器的预定活动阈值达到预定的超出状态最小持续时间时，例如它可推断出使用者已经将电子笔握持到他的手中以及电子笔应被使用，或者可以被使用。
电子笔还可包括力传感器，其可耦接到书写芯。
这尤其具有的优势在于例如可测量轴向压力或书写压力以及能量管理单元可配置成基于由力传感器测得的力，例如当低于预定压力阈值(例如<0.05N)达到低于例如>5s、>10s或>20s的预定的不足状态最小持续时间时，和/或在超过预定压力阈值(例如>0.05N)达到预定的超出状态最小持续时间(例如>0.1秒或>1秒)的情况下，能量管理单元可执行电子笔操作模式的至少一次改变。
如在上面的实施例中先前所描述的那样，电子笔的能量消耗由此可有利地降低和更好地管理。例如，超过预定压力阈值(例如由书写芯与书写基质(例如纸)接触或由于在书写过程中产生的书写压力造成)达到超过预定的超出状态最小持续时间时，能量管理单元可被激活或改变到电子笔的激活模式。
相反，例如在缺乏足够大的书写压力或通过由所述力传感器测得的压力低于预定压力阈值达到预定的不足状态最小持续时间时，能量管理单元可执行操作模式从激活模式改变到待机模式或关闭模式的改变。
除了已经提及的通过光电池产生电能并将所述电能提供给电子笔的可能性，进一步想到的是，电子笔可配备其它组件，用于从环境和/或从使用电子笔来产生出电能。此概念也可被称为所谓的能量收集。其中可主要在机械或动力学之间以及用于产生能量的光电或热电方法之间进行区分。在此，还应提及的是，尽管用于产生电能的机械或动力学方法主要是在激活模式下可用，而用于产生能量的光电和/或热电方法在待机和/或关闭模式下也可用。
例如，电子笔可包括一个或多个太阳能电池，其可从外界光产生出电能并将其提供给电子笔。
除了标准的光伏电池之外，也可以使用所谓的光伏集中器，其首先通过光学元件捕获入射光，并将所捕获的光集中到光伏电池上，以便增加产生光伏能量的效率。
通过所述光电方法，能够获得多达0.13mWh的电能增益并且可提供给电子笔。
热电发电机可根据塞贝克效应(Seebeck-effect)从存在的温度梯度来产生电能。
例如，热电发电机可利用电子笔使用者的手温度和外界温度之间的温度差异。从而，例如，在书写期间在电子笔的使用者握持电子笔的位置处或握持电子笔的电子笔的一部分处的热电发电机的一部分将接收使用者手的热能，并将热能发射回电子笔表面的另一暴露位置处的环境。在这种情况下，例如外界温度低于使用者的手温度。
然而，在相反的情况下产生电能也是可能的。这意味着在当外界温度高于使用者的手温度时的情况。由此，与电子笔的环境接触的热电发电机的部分可从环境接收热能并通过与使用者的手接触的热电发电机的部分将热能释放到使用者的手。
热电发电机的另外一个可能的实施方式可包括在电子笔壳体的内部使用隔离的热量存储器。由于相比于隔离的热量存储器，电子笔的表面可更快地跟随在外界温度和/或手温度的温度变化，可产生在电子笔的表面和所述热量存储器之间的具有交替方向的热流，电能可从其产生。
根据本发明的电子笔可通过热电方法有利地产生相当于0.05mWh或更多的电能。
此外，电子笔可包括压电发电机，其可产生电能并可使其可提供给电子笔。
在书写过程中，书写芯例如可以0.3N至3N压抵书写基质，其中例如可发生200μm至1000μm之间的书写芯位移，即每次可机械地产生60μJ至3000μJ之间的能量。例如，在书写芯每秒3至5个笔画或位移的情况下，这可对应于0.2mW至15mW的机械功率。
在考虑到转换损失效率的情况下，耦接到书写芯的电子笔的压电发电机例如可将至少20％至50％的机械功率转换为电功率。
可想到的是，将压电发电机例如可集成到耦接到书写芯的力传感器内。
此外，在使用电子笔的过程中由平移和/或旋转运动产生的动能可在具有弹簧和/或齿轮元件和/或具有棘轮设计的张紧设备中累积，并可经由压电发电机转换成电能。
因此对于根据本发明的电子笔而言，经由压电方法从机械能或动能产生的电能例如可总计高达1mWh或更多。
如前面所提及的那样，数字控制单元和/或能量管理单元可配置成它们可控制电子笔的数据提供组件的采样速率，例如位置确定传感器和/或光电池和/或力传感器和/或磁场传感器的采样速率和/或数据传输模块的通信速率，可根据电子笔的操作模式来控制。对于采样速率的示例性值的范围因此可大于或等于40Hz(激活模式)、小于40Hz、优选为5Hz至50Hz(待机模式)，以及小于或等于1Hz(关闭模式)。
数据传输模块的通信速率或数据传输速率的示例性值的范围可在每秒0.2至5次或更多通信(激活模式)、每秒小于0.2次通信(待机模式)，以及例如长于每分钟/每小时/每天1次通信(关闭模式)，或在数据传输模块在0处被关闭的情况下意味着根本没有通信被发送。
由此，采样速率也可由分别用于每个传感器或用于电子笔的每个数据提供组件的能量管理单元和/或数字控制单元调节和控制。此外，可仅仅查询传感器的一个子集。
这些能量管理选项可以可测量的方式降低电子笔的能量消耗，特别是相比较于没有能量管理单元的电子笔。
为了有利地增加电子笔的数据传输模块的效率和能量效率，源自电子笔电路载体的导电路径可配置成它可用作适于数据传输模块的天线。
改进能量效率的进一步的方式可以仅仅通过使用作为位置确定传感器的加速度传感器来实现，因为它们通常消耗例如比旋转速率传感器更少的能量。
因此适于电子检测笔位置的装置可包括具有上述特征的任何组合的电子笔，以及用于接收从电子笔的数据传输模块所发送的数据的至少一个数据接收模块，以及用于分析和处理所接收到的数据的外部数据处理单元、数据显示单元和数据存储单元。
有利地，数据处理单元可包括能量管理配置单元，其可用于配置所述电子笔的能量管理单元。
例如，可以想到的是，使用者设置不同的使用者配置文件或能量管理配置文件，其中例如可针对不同的操作模式限定传感器系统的采样速率、数字控制单元的时钟速率、传感器信号阈值等。
此外，用于经由数据传输模块的电子笔的笔位置数据和/或用于笔状态数据的计算密集型和/或存储密集型的处理步骤可被外包给外部数据处理单元或数据分析单元。这也可导致或有助于电子笔的能耗节约。
根据本发明的用于电子检测笔位置的装置可另外包括书写基质，其中书写基质可以是触敏传感器表面或常规的书写基质，特别是例如纸。
在使用常规的书写基质诸如书写纸的情况下，数据传输速率相比于使用作为书写基质的触敏传感器表面从而可有利地更低或减小。
当电子笔在常规的书写基质上使用时，而不是例如显示器的触敏传感器表面，相比于其被直接书写到显示器上的情况，从笔发送到接收系统的数据的数据传输速率可显著较低。
在所述显示器上，数据应该以小于50ms的延迟显示，以便由于书写显示在显示器上使得使用者以几乎实时的方式看见到输入的反馈。这将需要至少20Hz的数据传输速率。
另一方面，如果电子笔在常规的书写基质上书写，例如通过使用常规的书写芯，则不需要以几乎实时的方式在显示器上显示，因为书写使用者的注意力和关注点是朝向书写基质的。
因此在这种情况下，通过使用常规的书写基质，根据本发明的电子笔可以1Hz或更小的数据传输速率或数据传输频率操作，这可能导致显著的能量节约。
因此电子笔可包括下述器件，其允许检测书写基质的存在或识别书写基质的类型。书写基质的识别例如可由所提及的力传感器实现，其中例如在超过预定压力阈值(例如>0.05N)达到预定的超出状态最小持续时间(例如>0.1s或>1s)的情况下，书写基质可被识别为书写纸。
基于不同类型的书写基质(诸如像触敏传感器表面、书写纸等)的检测和识别，其中还可识别非固态的书写基质，例如空气，例如由于低于压力阈值，或在缺乏书写压力的情况下，数据传输模块可以书写或激活模式以不同的数据传输速率操作。
在根据本发明的用于电子检测笔位置的方法中，根据本发明的电子笔的能量消耗可由能量管理单元来管理，其中电子笔可产生用于其操作本身所需的至少部分能量，并且其中电子笔经由其数据传输模块可将数据，特别是笔位置数据，传输到外部数据处理单元或数据分析单元。
附图说明
以下附图示例性地示出：
图1：根据本发明的电子笔的示例性基本元件。
图2：根据本发明的示例性电子笔。
图3：根据本发明的另一示例性的电子笔。
图4：根据本发明的电子笔的示例性状态图。
具体实施方式
在图1中，根据本发明的电子笔的一些基本组件示例性地示意性示出。这些基本组件可具有所有上述特征的任意组合。
例如，在电子笔可具有至少两个位置确定传感器101、102的这种情况下，以便能够确定电子笔的位置和/或移动。
此外，电子笔可具有力传感器103，其可耦接到电子笔的书写芯并且其可测量与作用于书写芯上的压力类似或成比例的力，例如当将书写芯放置到书写基质上和/或在书写基质上移动时可发生上述情况。
位置确定传感器101、102和力传感器103可由此与数字控制单元106和能量管理单元110两者进行通信121、113、123。
如上所述，压电发电机可集成到力传感器103中以便通过从书写芯移动的所谓的机械或动能收集获得电能。
此外，对于用于机械或动能收集的器件112而言，除了力传感器103之外，可以使用另外的器件104，其例如可累加平移和/或旋转动能，在使用电子笔的期间可能出现上述动能，例如，在弹簧和/或齿轮元件和/或棘轮设计的张紧设备中，并且其可经由压电发电机转换成电能。
此外，还可以使用用于产生电能的器件105，如上所述其可基于热电或光电方法。
为了更好地利用所收集的用于操作电子笔的能量，从力传感器和/或从器件104、105所产生的电能可通过直流-直流(DC-to-DC)转换器107、108转换成所希望的合适电压。
所产生的电能可经由电连接117、116传递给能量管理单元110，其中所述能量管理单元110可连接120到用于电能的能量存储器111，并且如果需要的话，可经由电连接115、113、114将电能提供给电子组件，特别是提供给数据传输模块109和/或位置确定传感器101、102和/或力传感器103和/或数字控制部单元106。
能量管理单元110可与数字控制单元106通信121，并因此可间接地与所有其它电子组件通信，因为这些可经由连接118、119、121、122、123连接到数字控制单元106。
直流-直流转换器107、108可经由电气线路108至124、125与能量管理单元110通信，以便传输电能。
图2示出根据本发明的可能的电子笔200的实施例。
应当指出的是，以上描述的所有特征可以任何组合进行组合以实现所描述的所述优势。然而，为了清楚起见，在图2中示出上述特征的仅仅一部分或示例性的组合。
电子笔200可具有壳体210。优选地，壳体210可具有常规笔的几何形状，也就是说，它可具有例如主要圆柱形的形状。进一步可想到的是立方体的或多面体的壳体形式，或具有凸出的或凹入的多边形横截面的圆柱形形状。
电子笔200例如可具有90mm至200mm之间的长度，以及5mm至20mm之间的平均直径。
电子笔200可包括书写芯209，其可由电路载体套筒208的第二部分223保持并包围。书写芯209可耦接到力传感器203。尤其如上所述，力传感器203例如测量书写压力，以及包括压电发电机元件204，以从书写芯209的移动产生电能，并提供它用于电子笔200的操作。
电路载体套筒208的第一部分207可例如包含用于产生电能的器件，例如压电发电机205，其可机械地累加电子笔的平移和/或旋转运动的动能，例如在包括弹簧和/或齿轮元件和/或经由棘轮设计的张紧设备(未示出)中，并且它可将累加的机械能转换成电能。
此外，电路承载套筒208的一部分207可容纳电压源206，例如电池，如果有必要的话该电池还可以是可再充电的。
此外，数据传输模块219可在电路载体套筒208的该部分207中找到位置，数据传输模块219可将电子笔200的所有电子组件的数据无线地发送到外部数据处理单元(未示出)。
如上所述例如可与数字控制单元217结合的能量管理单元218控制和管理电能消耗，特别是电子笔200的用于产生电能的器件也可位于所定位的电子笔200的该区域内，以及数字控制单元217，其可与能量管理单元218和电子笔200的所有其它电子组件通信。
第一位置确定传感器201也可布置在电路载体套筒208的部分207处。第二位置确定传感器202例如可更靠近书写芯尖211定位在电路载体套筒208的第二部分223内。位置确定传感器201、202的布置仅仅是示例性的，因为它们也可位于电路载体套筒208和/或壳体210的其它部分上/在其它部分处。
电路载体套筒的部分207可由电子笔200的壳体部分220所包围。
位于与书写芯211的尖相反的壳体210的端部可包括产生电能的另外的器件，例如太阳能电池214，其可设计成简单的光伏电池或设计成光伏集中器(参见上述)。
如上面已经提及的用于产生电能的另一种可能的器件可基于热电方法。为此目的，热电发电机的第一部分212可集成到壳体部分221内，其例如可由电子笔使用者的手的手指使用以便握住笔并用笔书写。
热电发电机的第二部分213可布置在壳体部分220内，在那里可建立与环境、特别是外界空气的接触。
在热电发电机的两个部分212、213之间存在温度梯度的情况下，可通过塞贝克效应产生电能，如上所述，并将电能提供给电子笔。
在壳体部分222内，例如可布置光电池215，例如其能够测量通过壳体部分222中开口216的外界入射光的强度，并且可将测得的数据转发给能量管理单元218和/或数字控制单元217。如上所述，例如，根据所测得的外界光强度，能量管理单元218可引导操作模式的改变，例如在低于预定光强度阈值达到给定的不足状态最小持续时间的情况下，可引导从激活模式改变到电子笔的待机模式或关闭模式。
电子笔200还可包括封帽(未示出)，其例如可以覆盖开口216，也就是，使用者例如可以通过放置或移除封帽来防止或允许外界光的进入光电池，因而间接导致电子笔200操作模式的改变，例如，在放置封帽时导致操作模式改变到关闭模式以及当取下帽时导致操作模式改变到待机模式或激活模式。
光电池215的布置仅仅是示例性的。其也可位于不同的壳体部分处，并且例如可布置在壳体210的外表面上以及壳体210内，即例如在布置在壳体210外表面上的情况下，将不需要用于接收外界入射光的壳体开口。
还可想到的是使用在各个壳体位置处布置的多个光电池。例如光电池可特别位于壳体部分222的区域内，在那里不希望地覆盖光电池，例如在书写时通过使用者的手指，是不太可能的。
此外，光电池215本身(或多个光电池)可实施为产生电能的另外的器件，并且可经由光电效应从外界光产生电能，并将电能提供给电子笔。
代替光电池，接触开关(未示出)可在壳体部分221或222处安装在封帽座的区域内，以便例如完全符合插入到封帽上，并且以便例如触发到关闭模式的改变。
所提及的电子组件可类似于图1所述的组合，经由导电路径(未示出)连接，其可用于传输电能和/或数据和/或控制命令。所述导电路径由此可集成到电子笔200的电路载体套筒208和/或壳体210内。
此外如果有必要的话，所产生的电能可通过直流-直流转换器(未示出)转换成所需的操作电压。直流-直流转换器例如可集成到用于产生/收集电能的所述器件内。
在图2中所述的用于产生电能的器件的数量、类型、设计和布置只是示例性的。
图3还示出根据本发明的可能的电子笔300的实施例。
应当再次指出的是，上述的所有特征可以任何组合进行组合，以实现前述的优势。例如，这意味着电子笔300还可具有电子笔200的一些或全部特征。
然而为了清楚起见，在图3中示出上述特征的组合的仅仅一部分或实施例。
电子笔300可具有壳体311或套筒。优选地，壳体311可具有常规笔的几何形状，也就是说，它可具有例如主要圆柱形的形状。进一步可想到的是立方体的或多面体的壳体形式，或具有凸出的或凹入的多边形横截面的柱形形状。
电子笔300例如可具有90mm至200mm之间的长度，以及3mm至20mm之间的平均直径或平均外径。
所述电子笔300的壳体311例如可分成三个壳体部分，第一部分303，第二部分302和第三部分301，其可通过螺纹连接或插塞连接而连接到彼此。
壳体部分303例如可包括壳体端部部分310，其可旋拧到壳体部分302上且其可具有带有电池舱盖的端帽304。
除其它之外，壳体部分303可容纳一个或多个电压源305，例如锌-空气钮扣电池，诸如675型(1.4V，650mAh)。
此外可将电子笔300的所有电子组件的数据无线地发送到外部数据处理单元(未示出)的数据传输模块306还可在壳体311的该部分303或310内找到。
控制单元307也可容纳在壳体部分303或310内，控制单元307例如包括数字控制单元323和/或能量管理单元322，例如包括微控制器。
例如集成到控制单元307内的能量管理单元322，如上所述可例如与数字控制单元323结合来控制和管理电子笔的电能消耗，数字控制单元323也可集成到控制单元307内，并且特别是可控制和管理用于产生电能的器件。
控制单元307、数字控制单元323和能量管理单元322可与电子笔300的所有其它电子组件连接，例如用于传输电能和/或用于数据和/或控制命令的通信。
用于传输电能和/或用于通信数据和/或控制命令的所述连接可通过导电路径(未示出)来实现，其例如可集成到壳体311内。
例如可垂直于印刷电路板插入的一个或多个位置确定传感器308也可位于壳体部分303内。
位置确定传感器308例如可插入到连接器带309内。
另一个或更多个其它位置确定传感器313可更靠近书写芯尖318定位，例如在壳体311的第二部分302内。
所述位置确定传感器313、308可以是加速度传感器和/或旋转速率传感器和/或其它传感器或磁场传感器。
此外，位置确定传感器313、308的布置仅仅是示例性的，但是它们也可位于壳体311的其它部分处或其它部分内。
电子笔300可包括书写芯312，其例如可具有例如包括镍银的书写芯尖318，和例如具有例如由碳化钨构成的书写圆珠317，以及例如具有0.2mm至2mm，优选1.0mm+/-0.2mm的直径。
书写芯312可耦接到力传感器321，例如通过用于摩擦地接收书写芯312或与书写芯312连接的销319。
销319可终止于销板325内，其可涂覆有软导电材料。所述板325例如可压靠薄膜电阻器314的曲折状路径，使得可建立基于书写压力的电阻。
除了测量书写压力的能力之外，该力传感器321还可具有压电发电机元件(未示出)，以便从书写芯312的移动产生电能，并且使得所产生的电能可用于电子笔300的操作。
为了容纳力传感器321，可以使用帽盖320，其可在电子笔300的组装期间插入。
如针对电子笔200所示例性的那样，电子笔300还可包括用于产生电能的另外的器件，例如压电发电机(未示出)，它可将电子笔在使用中的平移和/或旋转运动的动能转换成电能，所述动能例如在包括弹簧和/或齿轮元件和/或通过棘轮设计的张紧设备(未示出)中机械地累加。
用于产生电能的另外的器件例如可包括太阳能电池(未示出)，其可设计成简单的光伏电池或光伏集中器。
如已经提及的那样，用于产生电能的另一种可能的器件可基于热电方法。为此目的，热电发电机的第一部分可被集成到壳体部分302内，其例如可由电子笔使用者的手的手指使用以便握住笔并用笔书写，例如柔软握持区域314(例如在组装过程中压配)。
热电发电机的第二部分例如可布置在壳体部分310或303内，在那里可建立与环境、特别是外界空气的接触。
如先前所述，在热电发电机的两个部分之间存在温度梯度的情况下，电能可通过塞贝克效应产生并提供给电子笔300。
电子笔300例如还可包括至少一个光电池(未示出)，其例如能够测量外界入射光的强度，并且可将所测得的数据转发到能量管理单元322和/或数字控制单元323。如上所述，例如，基于所测得的外界光强度，能量管理单元322可引导操作模式的改变，例如在低于预定光强度阈值达到低于给定的不足状态最小持续时间的情况下，可引导从激活模式改变到电子笔300的待机模式或关闭模式。
还可以想到的是，例如在该处书写芯312可以出来的壳体端部部分316内例如设置接触开关315，其例如可记录封帽(未示出)的插入/旋拧和/或移除的动作，并通知能量管理单元322和/或数字控制单元323关于所述动作的记录，以便例如启动操作模式的改变，例如，在通过封帽封闭电子笔时从激活模式改变到电子笔300的待机模式或关闭模式，反之亦然，在将封帽移除的过程中从关闭模式改变到电子笔300的激活模式或待机模式。
图4示出根据本发明的电子笔的可能的操作模式状态图400的实施例，其可具有上述电子笔的一些或所有特征。
因此，特别是电子笔(未示出)可具有能量管理单元(未示出)，其可包括先前所述的所有特征，并且包括和管理图4中所述的所有操作模式(诸如激活模式405、待机模式404和关闭模式401)，并且其可管理和/或可启动和/或可控制所有操作模式的改变。
激活模式405可进一步包括测量模式406，特别是例如用于将数据记录到位置确定传感器上，以及包括检查模式407，例如用于检查能量供应和/或测试数据传输状态和/或检验从所述位置确定传感器获得的数据。
从电子笔的关闭模式401到待机模式404的操作模式的改变例如可通过移除封帽和/或通过操作接触开关和/或通过激活光电池来启动410，其中首先可执行电子笔的初始化403，其可包括电子笔的所有或仅仅一些电子组件，以及例如其之后可跟着电子笔的引导过程421。
此外，还可想到的是，电子笔的初始化403可在外部例如通过从外部计算机单元或数据处理单元(未示出)发送的以及通过数据传输模块402(例如蓝牙低功耗(BLE)单元)所接收到的数据或命令来触发411。然而，最重要的是，所述数据传输模块402可从待机模式404和激活模式405接收测量数据和状态数据，并将它们发送到外部数据处理单元(未示出)。
操作模式412(从待机或激活模式)改变回到关闭模式401可尤其通过盖上封帽和/或还通过操作接触开关和/或通过覆盖光电池和/或由于电子笔移动中的非激活状态(例如当电子笔在水平位置下保持不动超过60s或120s时)来触发。
从待机模式404开始，改变到电子笔的激活模式405可例如通过超过由如上所述的位置确定传感器(未示出)和/或由其它传感器(未示出)的预定测量活动阈值达到预定的超出状态最小持续时间来执行。例如，从待机模式404到电子笔测量模式406的改变416可由超过电子笔的加速度传感器的测量活动阈值启动。
例如在激活模式405或测量模式406下，电子笔的传感器元件，特别是位置确定传感器，可以至少40Hz的采样速率查询，而在待机模式404下，所述采样速率可小于40Hz，优选低到5Hz到20Hz，并且在关闭模式401下可小于或等于1Hz。
为了区分电子笔在使用中在激活模式405或测量模式406下是否在固态书写基质(诸如书写纸)上书写408或在空气中进行手势移作409，依次可使用测得的超过测量活动阈值或低于电子笔传感器元件的测量活动阈值。
例如，由于电子笔的书写芯接触到书写基质(诸如书写纸)上，由电子笔的力传感器确定的具体书写压力的产生418或超过预定书写压力或超过书写压力阈值达到预定的超出状态最小持续时间时，可启动笔位置的记录或检测以便字符或手写识别。
不存在419或低于预定压力阈值达到不足状态最小持续时间时，可以例如识别手势运动并启动手势识别409，诸如用于跳行或改变页的手势。
为了避免这种情况，在启动字符识别模式或在固态书写基质上的手写识别模式408过程中，从固态书写基质短暂的移除电子笔的书写芯，例如当设定标点时，可执行非预期模式到手势识别模式409的改变，例如其可在暂时不存在420或暂时低于例如小于1s的预定压力阈值的情况下限定，电子笔保持在固态书写基质上的字符或手写识别模式408。
并行于测量模式406，电子笔的检查模式407可验证位置确定传感器的数据，例如相对于参考坐标系，并且可监测和/或控制数据传输模块402到外部数据处理单元(未示出)的数据连接的稳定性，并进一步检查电子笔的电压供应是否足够。由此，检查模式407可与数据传输模块402通信414。
在数据传输模块402到外部数据处理单元的连接被中止超过5s或8s的情况下，例如可执行从激活模式405到待机模式404的改变415。这种从激活模式405到待机模式404的改变415当然也可通过电子笔移动中的非激活状态来触发并由位置确定传感器测量，例如通过低于位置确定传感器或其它传感器的预定测量活动阈值达到不足状态最小持续时间(如>5s或>10s或>20s)时来触发。
具有四幅附图的四页如下。
附图标记从而分配如下。
100 根据本发明的电子笔的示例性基本元件
101 位置确定传感器
102 位置确定传感器
103 力传感器
104 用于例如从机械能或动能产生能量的器件
105 用于例如从热电和/或光电方法产生能量的器件
106 数字控制单元
107 直流-直流转换器
108 直流-直流转换器
109 数据传输模块
110 能量管理单元
111 能量存储器
112 用于从机械能或动能产生能量的器件整体
113 用于传输电能的连接/导体路径
114 用于传输电能的连接/导体路径
115 用于传输电能的连接/导体路径
116 用于传输电能的连接/导体路径
117 用于传输电能的连接/导体路径
118 用于通信数据和/或控制命令的连接/导体路径
119 用于通信数据和/或控制命令的连接/导体路径
120 用于输送电能和/或控制命令的连接/导体路径
121 用于通信数据和/或控制命令的连接/导体路径
122 用于通信数据和/或控制命令的连接/导体路径
123 用于通信数据和/或控制命令的连接/导体路径
124 用于传输电能的连接/导体路径
125 用于传输电能的连接/导体路径
200 示例性的电子笔
201 位置确定传感器
202 位置确定传感器
203 可耦接到书写芯的力传感器
204 力传感器的可选择的压电发电机元件
205 另外的压电发电机
206 电压源，例如电池
207 电路载体套筒的第一部分
208 电路载体套筒
209 书写芯
210 电子器件的壳体
211 书写芯尖
212 热电发电机的第一部分
213 热电发电机的第二部分
214 太阳能电池
215 光电池
216 开口
217 数字控制单元
218 能量管理单元
219 数据传输模块
220 电子笔的壳体部分
221 电子笔的壳体部分，例如用于使用者手指的优选握持区域
222 电子笔的壳体部分，例如书写芯在该处可出来的壳体部分
223 电路载体套筒的第二部分
300 示例性的电子笔
301 电子笔壳体/罩的第三部分
302 电子笔的壳体/罩的第二部分
303 电子笔的壳体/罩的第一部分
304 具有电池舱盖的端帽
305 电压源，例如一个或多个电池，例如锌-空气钮扣电池
306 数据传输模块，例如BLE模块
307 控制单元，其包括数字控制单元和/或能量管理单元，例如包括微控制器
308 位置确定传感器，其例如可垂直于印刷电路板插入或插入到连接器带内
309 用于接收位置确定传感器的连接器带
310 旋拧式(即可旋拧到某个物件上)电子笔的第一壳体端部部分
311 电子笔的壳体/罩
312 书写芯
313 位置确定传感器
314 柔软握持区域/压配式的柔软握持区域
315 接触开关
316 第二壳体端部部分，例如旋拧类型的，例如锥形的，书写芯可从其出来
317 书写圆珠
318 书写芯尖
319 用于摩擦地接收书写芯或与书写芯连接的销
320 帽盖，例如电子笔的组装期间被插进，用于接收力传感器以便测量书写压力或轴向压力
321 力传感器
322 能量管理单元
323 数字控制单元
324 薄膜电阻器
325 销板
400 示例性的操作模式状态图
401 关闭模式
402 数据传输模块，例如BLE模块
403 初始化
404 待机模式
405 激活模式
406 测量模式
407 检查模式
408 在固态书写基质上的字符识别
409 手势识别
410 初始化的开始/触发
411 初始化的外部启动/触发
412 操作模式的改变
413 待机模式和数据传输模块之间的通信
414 激活模式或检查模式和数据传输模块之间的通信
415 操作模式的改变
416 操作模式的改变
417 测量模式和检查模式之间的通信
418 书写压力的产生
419 不存在书写压力
420 暂时不存在书写压力
421 引导过程
Claims (18)
1.一种具有笔位置检测的电子笔(200)，包括至少一个电压源(206)、至少一个数字控制单元(217，106)、能够在纸质介质上书写的书写芯(209)、至少一个数据传输模块(219，109)和用于确定电子笔(200)位置和/或运动的至少两个位置确定传感器(201，202，101，102)，耦接到书写芯(209)的力传感器(203，103)；
其特征在于：
所述电子笔(200)包括与所述数字控制单元(217，106)通信的能量管理单元(218，110)，用于管理电能消耗以最小化电能消耗，和/或包括本身能够产生电能的器件(103，104，105，204，205，212，213，214，215)；
其中，所述数字控制单元(217，106)和/或所述能量管理单元(218，110)配置成基于所述电子笔(200)的操作模式来控制所述电子笔的数据提供组件的采样速率，所述采样速率包括所述位置确定传感器(201，202，101，102)和/或所述力传感器(203，103)的采样速率，和/或所述数据传输模块(219，109)的数据传输速率；以及
其中，所述能量管理单元(218，110)配置成基于由所述力传感器(203，103)测得的力，在低于预定压力阈值达到预定的不足状态最小持续时间的情况下，和/或在超过预定压力阈值达到预定的超出状态最小持续时间的情况下，所述能量管理单元(218，110)执行所述电子笔(200)操作模式的至少一次改变；
其中，当所述操作模式是激活模式时，数据传输速率的范围在每秒0.2至5次或更多通信。
2.根据权利要求1所述的电子笔(200)，其特征在于，所述电子笔配置成具有不同能量消耗的至少三个不同的操作模式：激活模式(405)、待机模式(404)、关闭模式(401)；且其中所述能量管理单元(218，110)能够管理所述操作模式。
3.根据权利要求2所述的电子笔(200)，其特征在于，所述能量管理单元(218，110)能够控制操作模式的改变。
4.根据前述权利要求任一项所述的电子笔(200)，其特征在于，所述电子笔(200)包括至少一个直流-直流转换器(107，108)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电子笔(200)，其特征在于，所述电子笔(200)包括用于自身产生电能的另外的能量存储器(111)，和/或所述电压源(206)配置成能够通过由所述电子笔(200)所产生的自身产生的电能再充电。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的电子笔(200)，其特征在于，所述电子笔(200)包括至少一个光电池(215)，所述光电池配置成能够测量在电子笔(200)的环境中的光强度，并且进一步配置成在给予足够的光强度下能够产生电能并将所述电能提供给所述电子笔(200)。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的电子笔(200)，其特征在于，所述电子笔包括至少一个光电池(215)，所述光电池配置能够测量在电子笔(200)的环境下的光强度，并且所述能量管理单元(218，110)配置成在至少一个光电池(215)或多个光电池在低于预定光强度阈值达到预定的不足状态最小持续时间的情况下和/或在超过预定光强度阈值达到超出状态最小持续时间的情况下，所述能量管理单元(218，110)执行所述电子笔(200)操作模式的至少一次改变，该改变具有或不具有到待机模式的中间改变。
8.根据权利要求7所述的电子笔(200)，其特征在于，在至少一个光电池(215)测得低于预定光强度阈值达到预定的不足状态最小持续时间的情况下所述能量管理单元(218，110)执行从激活模式到关闭模式的改变。
9.根据权利要求7所述的电子笔(200)，其特征在于，在超过预定光强度阈值达到超出状态最小持续时间的情况下所述能量管理单元(218，110)执行从关闭模式到激活模式或待机模式的改变。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的电子笔(200)，其特征在于，所述能量管理单元(218，110)配置成在低于所述位置确定传感的预定测量活动阈值达到预定的不足状态最小持续时间的情况下和/或在超过所述位置确定传感器的预定测量活动阈值达到预定的超出状态最小持续时间的情况下，所述能量管理单元(218，110)执行所述电子笔(200)操作模式的至少一次改变。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的电子笔(200)，其特征在于，所述电子笔(200)包括至少一个太阳能电池(214)和/或至少一个热电发电机(212，123)和/或至少一个压电发电机(204，205)，其能够产生电能并将所述电能提供给所述电子笔(200)。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的电子笔(200)，其特征在于，在电子笔(200)的电路载体上的导电路径配置成能够用作适于所述数据传输模块(219，109)的天线。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的电子笔(200)，其特征在于，所有位置确定传感器(201，202，101，102)包括加速度传感器和/或旋转速率传感器和/或磁场传感器。
14.一种用于电子检测笔位置的装置，包括根据前述权利要求任一项所述的电子笔(200)、用于接收由电子笔(200)的数据传输模块(219，109)所传送数据的至少一个数据接收模块、用于分析和处理所接收数据的外部数据处理单元、数据显示单元和数据存储单元；
其特征在于：
所述数据处理单元具有能量管理配置单元，所述能量管理配置单元能够用于配置所述电子笔的能量管理单元(218，110)。
15.根据权利要求14所述的装置，还包括书写基质，其中所述书写基质是书写纸。
16.一种用于电子检测笔位置的方法，其中根据前述权利要求1至13任一项所述的电子笔(200)的能量消耗由能量管理单元(218，110)来管理，
所述电子笔(200)产生电子笔操作本身所需的至少一部分能量，以及
所述电子笔(200)经由电子笔的数据传输模块(219，109)将数据传输到外部数据处理单元。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述数据是笔位置数据。
18.根据权利要求16所述的方法，其中数据接收模块接收由所述电子笔(200)所传输数据，所述数据传输模块(219，109)和所述数据接收模块之间的数据传输速率基于书写基质的类型来变化。
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