CN105556432A - 具有尖端压力传感器的主动笔 - Google Patents

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保罗·塞利亚
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Abstract

一种主动位置指示器，其包括：可移动尖端元件(10)，被配置为依据对尖端(3)作用的力而在位移方向上从初始位置被移位一尖端位移，该尖端(3)被布置在尖端元件(10)的远端上；位置信号电路，该位置信号电路与所述可移动尖端元件(10)相连接并且被配置为生成被应用在尖端(3)上的指示器位置信号；以及力传感器，该力传感器用于检测对尖端作用的力，包括具有取决于尖端位移的电容值的电容元件，用于生成指示尖端位移的电子反馈信号；其中电容元件包括取决于尖端位移的电容器距离和取决于尖端位移的电容器表面。

Description

具有尖端压力传感器的主动笔
技术领域
本发明涉及一种主动位置指示器，具体涉及具有压力传感器的主动笔(activepen)。
背景技术
触摸装置被用于涉及物体存在检测的各种应用领域，例如但不限于：触摸板、触控面板、触摸屏或投射电容显示器。触摸装置检测被动物体触摸触摸装置并可确定触摸的位置。这允许例如用户控制。不幸的是，触摸的位置检测的质量随着被触摸表面的大小而降低。因此，笔的尖端的位置检测的质量仅能够高检测误差地被检测到。因此，像主动笔的主动位置指示器包含支持触摸设备以更低的误差来检测主动位置指示器的位置电子电路。这例如可通过电容或电感耦合来实现。当使用特定触摸装置例如电容或电感触摸装置时，用于检测被动触摸的相同传感器可被用于检测从主动位置指示器的尖端发射的电信号。存在不同类型的主动位置指示器。存在将电信号的发射与特定主动位置指示器检测窗口同步的主动位置指示器。存在连续发射电信号的其他主动位置指示器，即主动位置指示器中没有与触摸装置的任何同步。存在用电池操作的主动位置指示器或者具有用于从环境中赢取能量的能量采集设备的主动位置指示器。还存在没有自己的电源、像应答器一样操作的主动位置指示器，该应答器从应答器信号获得用于操作的必要能量。WO2014/174123示出了电容触摸装置与连续发射主动位置指示器的示例，其中电容触摸装置使用相同的电容检测传感器来检测被动触摸和主动触摸。
与触摸设备的书写交互的良好检测的另一问题是由笔施加的压力的情况。存在一些触摸装置能够直接检测所施加的压力。但在具有主动笔的大多数方案中，笔包括对施加在尖端上的压力进行检测的压力传感器并将检测到的压力发送回触摸装置。然而，针对压力传感器的现有技术方案具有若干缺陷。
压力传感器必须具有可移动部件、弹簧以及经常可移动部件到印刷电路板的电气连接。这增加了对笔进行组装的时间，构造的复杂性和稳健性。
具体地，在绘画或书写交互期间于在主动笔上施加的力能够从微小的力变化至非常大的力。这增加了高准确度检测所施加的尖端力的难度。
一个问题是螺旋弹簧或其他弹性元件的正常使用，它们具有不变的刚度。因此，施加在尖端上的力的某一改变导致尖端针对弱力和强力的相同位移。由于尖端的位移仅是微小的，因此实现能够以高准确度检测较小的力但不再检测高于某一阈值的较大的力，或者以低准确度检测高至大作用力的大范围力。由于两种选项不可都被满足，一些解决方案提供具有不同刚度的两个弹簧，从而使得具有较小刚度的弹簧主要用于弱力而具有较高刚度的第二弹簧主要用于强力来扩展压力传感器可检测的力的范围。然而，这样的方案增加了压力传感器的复杂度、大小和稳健性。螺旋弹簧还具有这样的问题：它们难以组装并且需要较多的空间。
关于检测准确度的另一问题是：可用于检测所施加的力的尖端的最大位移仅是很小的。一般，具有取决于尖端位移的电容值的电容元件被用于检测实际的尖端位移。如果两个电容器板的距离依据尖端位移而变化，则这产生依据尖端移位的倒数的电容值。因此，小的尖端位移能够由于电容值的快速变化而被以非常高准确度地被检测到，同时在较大的尖端位移处，由于电容值的缓慢变化，准确度迅速降低。可替换地，存在用线性行为测量尖端位移的装置。然而，这样的线性方案不允许在小的尖端位移处实现较高的准确度。尽管有所述缺点，但是电容方案具有被公知以及易于实现的优点。
因此，目标是提供一种主动位置指示器，其具有克服所提及的问题的压力传感器。
目标是提供一种主动位置指示器，其具有用于组装笔的时间减少、构造的复杂度降低并且稳健性增加的压力传感器。
目标是提供一种主动位置指示器，其具有较大力的检测范围以及较小力处的高准确度且低复杂度的压力传感器。
发明内容
在一个实施例中，这些目标是通过独立权利要求的方式实现的。
在一个实施例中，这些目标是由具有以下特征的主动位置指示器实现的。一种可移动尖端元件，其被配置为依据对尖端作用的力而被移位一尖端位移。一种用于检测对尖端作用的力的力传感器，其包括对尖端元件进行与尖端位移相反地作用的弹性元件，其中弹性元件是叶片弹簧(leafspring)。
叶片弹簧具有较大优点，它们易于根据一个叶片材料产生并且能够高度适应于像形状、大小、刚度的需求，刚度取决于尖端位移。此外，叶片弹簧能够产生到可移动尖端位移的容易的接触。
在一个实施例中，这些目标是通过具有以下特征的主动位置指示器实现的。可移动尖端元件被配置为依据对尖端作用的力而被移位一尖端位移。位置信号电路与所述可移动尖端元件连接并且被配置为生成用于通过尖端与触摸装置电耦合的指示器位置信号。用于检测对尖端作用的力的力传感器包括具有取决于尖端位移的电容值的电容元件，用于生成指示尖端位移的电反馈信号。电容元件包括取决于尖端位移的电容器距离和取决于尖端位移的电容器表面。
这具有以下优点：电容值随尖端位移的行为可被配置有更高的自由度，以使得可以实现对于力范围和灵敏度的要求，尤其针对较小的力。
在一个实施例中，这些目标是通过具有以下特征的主动位置指示器实现的。可移动尖端元件被配置为依据对尖端作用的力而被移位一尖端位移。位置信号电路与所述可移动尖端元件相连接并且被配置为生成用于通过尖端与触摸装置电耦合的指示器位置信号。用于检测对尖端作用的力的力传感器包括对尖端元件作用抵抗尖端位移的弹性元件。弹性元件是导电的并且位置信号电路通过所述弹性元件与所述可移动尖端元件电连接。
这具有以下优点：用于接触的元件和用于作用抵抗尖端的力的弹性元件可被组合。这节省了空间并避免了接触可移动元件的问题。
在一个实施例中，这些目标是通过具有以下特征的主动位置指示器实现的。可移动尖端元件被配置为依据对尖端作用的力而被移位一尖端位移。用于检测对尖端作用的力的力传感器包括在尖端元件上作用抵抗尖端位移的弹性元件，其中弹性元件是非线性的，具有取决于尖端位移的刚性。
非线性弹簧具有以下优点：在较小的力处，力的特定变化能够产生比在较大的力处力的特定变化的尖端位移变化得更大的尖端位移的较大变化。
附图说明
本发明将在由示例的形式给出并且如图所示的实施例的说明的帮助下被更好地理解，其中：
图1示出了主动笔的实施例的三维视图；
图2示出了图1的实施例在没有外部壳体的情况下的三维视图；
图3示出了主动笔的力传感器的实施例的三维视图；
图4示出了具有力传感器的透明壳体的图3的力传感器的三维视图；
图5示出了图3的力传感器的电容元件的第二电容器板的俯视图；
图6示出了具有第一电容器板和第二电容器板的图3的力传感器的电容元件的截面视图；
图7示出了第一电容器板和第二电容器板处于初始位置的图3的力传感器的电容元件的三维视图；
图8示出了具有第一电容器板和第二电容器板的图3的力传感器的电容元件的俯视图；
图9示出了具有弹簧的图3的力传感器的壳体的三维视图；
图10示出了具有弹簧的图3的力传感器的壳体的俯视图；
图11示出了图9的弹簧的三维视图；
图12示出了图9的弹簧的第一侧视图；
图13示出了图9的弹簧的第二侧视图；
图13A示出了弹簧的替换性实施例的俯视图；
图13B示出了图13A的弹簧的替换性实施例的侧视图；以及
图13C示出了图13A的弹簧的替换性实施例的生产阶段。
具体实施方式
图1至13示出了主动笔5的实施例。利用下面的主动笔公开的所有可应用于所有其他类型的主动位置指示器。
主动笔5包括笔壳体6、电池7、印刷电路板8、力传感器和具有尖端3的尖端元件10。
笔壳体6优选地围住电池7、印刷电路板8和力传感器的力检测机构9。笔壳体6优选地具有用于包括尖端元件10的开口，以使得尖端3被布置在壳体6外并且经由尖端元件10的杆10与壳体6的内体积相连接。优选地，壳体6中的开口引导尖端元件10的杆11，以使得尖端元件10(仅)能够在位移方向上移动。然而，检测不同方向上的力也是可能的。优选地，壳体6具有圆柱形状并且位移方向与圆柱纵轴平行。按照限定，主动笔5具有尖端3的一侧/端被叫做远侧/端，而主动笔5在位移方向上的相对侧/端被叫做近侧/端。在所示实施例中，壳体6包括具有电池7、印刷电路板8和力检测机构9的管状部件6.1、具有所述开口和尖端元件10的锥状部件6.2、以及盖6.3。管状部件6.1还包括电源按钮6.4，其被配置为与印刷电路板8上的电源开关8.1交互。锥状部件6.2与它的近端被附着到管状部件6.1的远端。锥状部件6.2的远端包括用于尖端元件10的开口。优选地，锥状部件6.2具有从近端到远端变得越来越细的圆锥形状。管状壳体6.1的近端被附着至盖6.3，盖6.3在近端上闭合壳体6。在优选实施例中，盖6.3应当是可拆卸的，例如，通过夹子和螺纹机构可拆卸，用于交换电池7。此外，盖6.3应当生成必要的接触压力以将电池端子连接至印刷电路板8的电源端子。
所示的主动笔5的实施例以电池7作为电源来工作。然而，用于供应必要能量的任何其他装置可被替换地使用。例如，电池7可被用于从环境例如，从光、温度、(例如，从触摸装置接收的)电磁波、(例如，与触摸装置的)电耦合、笔的移动等采集能量的能力采集机构替换。
印刷电路板8在此实施例中包括主动笔5的所有或者至少大多数电子电路。印刷电路板8具有与主动笔5或者笔壳体6的管状部件6.1的纵轴平行的纵轴。印刷电路板8的大小在一个实施例中对应于笔壳体6的内径，特别地，管状壳体6.1的内径。在所示实施例中，印刷电路板8在远端处由力检测机构9保持或者保持力检测机构9，和/或在近端处由印刷电路板8的电源端子8.3中的一个端子保持或者保持该端子。力检测机构的壳体9.1和/或电源端子8.3具有与由壳体6提供的中空圆柱体的内部形状相对应的圆柱形状，以使得印刷电路板8经由力检测机构9的壳体9.1和/或电源端子8.3在所有径向上附加地被固定。然而，印刷电路板8可以可替换地或者附加地还直接被固定在壳体6中，例如通过针对印刷电路板8的围栏(rail)。印刷电路板8在它的远端形成被配置为保持力检测机构9的壳体9.1的两个臂8.2。臂被布置在印刷电路板8的侧面处，具有抵抗力在检测机构壳体9.1上的预期压力的厚度，从而允许两个臂8.2之间的最大空间。壳体9.1可包括两个凹处13(例如示出在图3至5以及图7至10中)，其被配置为容纳印刷电路板8的两个臂8.2。优选地，臂8.2和凹处13的尺寸被设计为使得臂8.2填满凹处13以使得壳体9.1不能够径向移动到尖端3的位移方向。优选地，壳体9.1的侧向表面(法线径向于壳体6的纵轴的表面)与印刷电路板8的侧向表面齐平。臂8.2的远端可包括钩子从而在印刷电路板8的纵向上固定壳体9.1以及实现滑入配合(snapfit)固定。然而，其他固定方式也是可能的。
印刷电路板8优选地包括用于生成和输出笔位置信号的位置信号电路。笔位置信号优选地为具有适合于被发送至触摸装置并在触摸装置处被检测的特定频率的周期性信号，例如正弦信号和/或余弦信号。这样的位置信号电路例如可包括振荡器和放大器。位置信号电路的输出被优选地连接至印刷电路板8的至少一个输出端子。印刷电路板8的输出端子被优选地导电地连接到尖端3，用于在尖端3上应用所生成的笔位置信号。被应用在尖端3上的笔位置信号产生与触摸装置的电耦合。这样的耦合优选为电容耦合和/或电感耦合，但也可以是自由电磁波的发射，该自由电磁波可在触摸装置处被接收。优选地，输出端子被导电连接至将尖端元件10保持在它的初始位置中的导电弹性元件，例如金属弹簧，其被导电地连接到尖端元件10。这解决了将可移动尖端元件10与固定的印刷电路板8接触的问题。
优选地，印刷电路板8包括力传感器的力检测电路，用于基于从力检测机构9接收的电子反馈信号检测对尖端3施加的力。优选地，力检测电路的输入与印刷电路板8的至少一个反馈输入端子导电连接。优选地，印刷电路板8的至少一个输入端子被布置在两个臂8.2中的至少一个臂上，其被配置为接触力检测机构9的反馈端子。因此，凹处13中的至少一个包括与至少一个臂8.2的导电表面导电接触的导电表面，该至少一个臂8.2包括至少一个反馈输入端子。优选地，存在对于力检测机构9的反馈信号的两个输入端子，在印刷电路板8的两个臂8.2上各有一个。在所示实施例中，力检测机构9包括具有取决于尖端位移的电容值的可变电容元件(如下所述)。在所示实施例中，笔位置信号被反馈至电容元件的第二电容器板12并且反馈信号被从电容元件的第一电容器板14通向力检测电路。由于笔位置信号具有固定或者至少已知的频率，从第二电容器板12到力检测电路的路径的复电阻率(complexresistivity)仅取决于电容元件的电容值。因此，反馈信号允许电容元件的电容值其本身仅取决于尖端位移。力检测电路优选地测量由电容元件提供的复电阻率的值，该值可被处理为力的值，例如，通过查找表。用于确定复电阻率的一个示例可例如通过对反馈信号进行整流和低通滤波来确定。这产生了针对反馈信号的幅度的值，反馈信号给出了对于复电阻的测量。替代笔位置信号，使用应用于电容元件上的另一信号从而检测电容值也是可能的。然而，针对电容值的其他测量方法或者针对取决于尖端位移的任何其他电子值的测量方法可在力检测电路中被确定和/或转换为力的值。
印刷电路板8还可包括力数据传输电路，用于将检测到的作用于尖端3上的力(力数据)发送至触摸装置。在一个实施例中，力数据传输电路被连接到尖端3，以用于通过尖端3与触摸装置的电耦合的方式来将力数据发送给触摸装置。力数据可在笔位置信号的周期之间被发送和/或力数据可被持续地或者在数据传输窗口中被调制在笔位置信号上。这里，可使用像频率、幅度或其他调制模式之类的不同调制。在另一实施例中，力数据传输电路被连接至天线(而非尖端3)，用于将力数据发送至触摸装置。在又一实施例中，力数据可通过有线连接被发送至触摸装置。
然而，本发明不限于印刷电路板8。其他电路板或者电子电路的其他实现方式也可被用于实现主动笔的电子功能。
尖端元件10包括远端处的尖端3和近端处的电容元件的第一电容器板12。第一电容器板12也是下文更详细描述的力检测机构9的一部分。尖端3和第一电容器板12通过杆11相连。尖端3包括用于发射从位置信号电路接收的笔位置信号的导电材料。在所示实施例中，尖端3具有导电核3’，优选地为金属核，如图3和4中所示，该导电核然后被保护帽覆盖，该保护帽被配置为使得发射的笔位置信号通过和/或被配置为避免对触摸屏的任何损伤。优选地，杆11也包括导电材料优选地为金属或者由其制成，从而将笔位置信号通向尖端3。在替换性实施例中，杆11由非导电材料制成并且包括用于将笔位置信号从位置信号电路通向尖端3的导体。这样的导体可以是杆11的导电核。优选地，第一电容器板12也由导电材料制成，该导电材料优选是金属。然而，还可能使得第一电容器板12除了非导电材料之外具有金属涂层/表面，该金属涂层/表面至少用于下文所述的力检测机构9的电容元件的电容器表面。尖端元件10被可移动地支撑，使得尖端元件10能够至少在一个位移方向上移动。支撑可由壳体6例如通过壳体6的开口和/或由力检测机构9提供。尖端元件10被布置为使得当没有对尖端3施加任何力时，它处于初始位置。尖端元件10还被布置为使得取决于被施加在尖端3上的力，它从初始位置被移位一尖端位移。主动笔5可提供最大限位器元件，用于尖端元件10将尖端位移限制为最大尖端位移。这样的最大限位器元件可被设置于力检测机构9中或壳体6中。
力检测机构9包括具有取决于尖端位移的电容值的电容元件和用于保持尖端元件10处于初始位置和/或在位移方向上用于作用抵抗尖端3上施加的力的弹性元件。
在所示实施例中，电容元件包括第一电容器板14和第二电容器板12。第一电容器板14优选地相对于笔壳体6和/或相对于力检测机构9的壳体9.1固定，而第二电容器板12依据尖端位移而移动。可替换地，可能反之亦然，重要的是存在第一和第二电容器板14和12相比于彼此的相对移动。在所示实施例中，第二电容器板12被布置为使得第二电容器板14被布置为在尖端元件10的初始位置中处于与第一电容器板14的最小距离并且第一电容器板14和第二电容器板12之间的距离随着尖端位移线性增加。在所示实施例中，最小距离为零使得第一电容器板14和第二电容器板12导电连接并且尖端元件10的初始位置容易地可检测。然而，也可能电容器板之间的最小距离不等于零。这避免了功耗增加的短路。这还可被用于调节电容元件的电容值的行为，因为它减小了在尖端3的初始位置处的电容值的初始值(当存在另一具有线性行为的电容部分时，这增加了电容元件的线性行为，如下文所述)。在第一电容器板14和第二电容器板12之间可布置绝缘或电介质材料用于实现两个电容器板14和12之间的非零初始距离。这可通过将表面12.1和12.2涂上绝缘物或电介质涂层来实现。在一个实施例中，第一电容器板14被布置在远侧(更靠近尖端3)并且第二电容器板12被布置在近侧(远离尖端3)。这可通过引导杆11优选地，从中心穿过第一电容器板14来实现。
在一个实施例中，电容元件具有取决于尖端位移d的电容值。电容元件的电容值C是基于电容元件的电容器表面A和电容元件的电容器距离x来计算的。在电容元件由具有电容器表面A和电容器距离x的两个平行平面表面给出的情形中，电容值与电容器表面A除以电容器距离x即，A/x成比例。
在电容元件的第一实施例中，电容器板在板表面A1上具有相对且重叠的金属表面，其具有与尖端3的位移方向平行的法线，其中电容器距离x1等于或者直接与尖端位移d成正比。这产生了与尖端位移的倒数1/d成正比的电容值C1。由于复电阻率Z1与电容值的倒数成正比，在此情形中，复电阻率将与d成线性比例。然而，这具有以下缺点：小的尖端位移d会以与大的尖端位移d相同的绝对误差被检测。然而，针对小的尖端位移d，相对误差因此将变得更大并且这样的方案不是期望的，因为预期针对小的尖端位移具有较高的灵敏度。图14示出了不同电容元件相对于对尖端3施加的力的电容值(弹性元件具有不变的刚度)。函数18和20示出了根据第一实施例的电容元件，其中电容器表面A1由具有外径Do和内径Di的环形提供。函数18对应于Di/Do＝0.3的直径关系，而函数20对应于Di/Do＝0.9的直径关系。虽然函数18和20针对小的力/尖端位移具有陡峭的梯度，它们的梯度总是针对增加的力/尖端位移变得更加平坦，以使得针对较大的力的检测误差变得非常高。
在电容元件的第二实施例中，电容器板在板表面上具有相对的金属表面，其具有垂直于尖端3的位移方向的法线，其中电容器表面A2等于或者与尖端位移d成正比。两个板的两个表面被布置为使得重叠的电容器表面A2随着尖端位移d线性地增加或减少，同时距离x2保持不变。这产生了与尖端位移d成正比的电容值C2。由于复电阻率Z2将与电容值的倒数成正比，在此情形中复电阻率将与1/d成线性比。因此，小的尖端位移处的小改变由于较高的电容值改变而能够比大的尖端位移更精确地检测到。然而，此方法还具有缺陷，因为现在用于检测较大尖端位移d处的改变的质量，其仅能够以较大误差地被检测到，这是由于电容值的几乎平坦的行为。
电容元件的第三实施例现在组合了两者的优点来实现电容值相对于尖端位移d的行为，其电容值在小的尖端位移处比在高的尖端位移处更快地变化，但不具有电容元件的第二实施例的负面效果。这是通过这样的电容元件来实现的，该电容元件的电容器表面和电容器距离都依据尖端位移d而改变。这样的实现方式被示出在主动笔5中。因此，第一电容器板12包括具有与尖端位移垂直的表面法线(指向主动笔的外部)的侧向导电板表面12.2以及具有与尖端位移并行优选地在尖端3的方向(远向)上的表面法线的轴向导电板表面12.1。第二电容器板14被形成为中空圆柱，该中空圆柱具有在中空圆柱的底面内侧和侧面上的导电板表面。电容元件的第二电容器板14还包括具有垂直于位移方向(指向主动笔5的中心，即与侧向导电板表面12.2相对)延伸的表面法线的侧向板表面14.2以及具有平行于位移方向(优选地，在远离尖端3的方向(近向)上，即与第一电容器板的轴向板表面12.1相对)的表面法线的轴向板表面14.1。在所示实施例中，第二电容器板14由壳体9.1形成，其在壳体9.1的内壁上具有金属涂层以实现电容器表面。电容元件现在可被划分为具有第一电容器表面A1和第一电容器距离x1的第一电容部分和具有第二电容器表面A2和第二电容器距离x2的第二电容部分。第一电容部分具有在第一实施例中所述的行为，其中第一电容器距离x1取决于尖端位移d。第二电容部分具有在第二实施例中所述的行为，其中第二电容器表面A2取决于尖端位移d。考虑到第一电容器板14的轴向导电板表面14.1和侧向导电板表面14.2在相同的电势上并且第二电容器板12的轴向导电板表面12.1和侧向导电板表面12.2在相同的电势上，第一电容部分和第二电容部分可被视为C1＝k1A1/x1(d)和C2＝k2A2(d)/x2的并联电路，其中k1和k2是取决于电容器板12和14之间的材料的相对介电常数和电常数的常数。因此，电容元件具有C＝C1+C2＝k1A1/x1(d)+k2A2(d)/x2的电容值。电容元件组合了具有电容器距离取决于尖端位移的电容元件以及电容器表面取决于尖端位移的电容元件的行为的优点。所示实施例的电容器表面因此是第一电容器板14的轴向导电板表面14.1与第二电容器板14的轴向导电板表面12.1的重叠((Do-Di)2π)加上第一电容器板14的侧向导电板表面14.2与第二电容器板14的侧向导电板表面12.1的重叠(约为2πDo(h-d))，其中仅后者取决于尖端位移而改变。电容元件的电容器距离包括轴向电容器距离x1(d)和侧向电容器距离x2，其中(仅)第一项取决于尖端位移d而改变。优选地，第一电容器板14的侧向导电板表面14.2与第二电容器板12的侧向导电板表面12.2之间的距离相对于尖端位移d保持不变和/或第一电容器板14的轴向导电板表面14.1与第二电容器板12的轴向导电板表面12.1的重叠相对于尖端位移d保持不变。函数17和19示出了根据第三实施例的具有电容器表面A1的电容元件，其中电容器表面A1由具有外径Do和内径Di的环形提供。函数17对应于Di/Do＝0.3的直径关系，而函数19对应于Di/Do＝0.9的直径关系。函数17和19二者对应于相同的高度h。在函数17和19保持针对小的力/尖端位移的陡峭梯度的优势的同时，它们针对大的力/尖端位移的梯度变得线性，从而使得针对较大的尖端位移，尖端位移也能够以特定期望的常量误差确定。
距离x1和x2应当仅指示距离，而没有对于它们相应距离向量的方向的任何限制。在所示实施例中，距离向量彼此成直角，但像平行或者具有其他角度朝向的任何其他布置是可能的。
所示实施例仅是改变它的与尖端位移d相关的电容器表面和它的电容器距离的电容元件的一个示例。例如，这还可通过一个具有两个(优选地，平行)板表面的单一电容器部分来实现，这两个板表面分别具有对于尖端位移在1°和89°之间或者91°和179°之间的角度的表面法线，以使得尖端位移d的变化改变了这样的电容元件的电容器距离和重叠的电容器表面。还有可能实现其有效电容器表面改变并且其有效电容器距离随尖端位移改变的任何其他电容元件。
然而，在另一实施例中，还可能实现这样的电容元件：连接到尖端元件10的电容器板在远侧上，并且固定的电容器板在主动笔的近侧上，其中电容器板之间的距离随着增加的尖端位移而变得越来越小。
即使第一和第二电容器板被称作板，但是这不应当将板的形状限制为电容器板上的长条的和/或平的电容器表面。一个或两个板可以具有曲面的、圆形的、椭圆的、三角的、n角的电容器表面。即使在所有描述的实施例中，板的电容器表面被布置为平行的，但这不应当是限制性的，而是具有角度布置的电容器板也会是可能的。
可替换地，力检测机构9还可使用其他转换装置来将尖端位移转换为指示尖端位移的电信号，例如具有取决于尖端位移的电感值的电感元件。
力检测机构9的弹性元件可以是任何弹性元件，例如任何类型的弹簧。弹性元件被配置为对尖端元件10施加处于力传感器的力测量范围内的力，该力作用抵抗(补偿)对尖端3施加的力。因此，在检测时间处由力传感器检测的力等于或者至少线性比例于弹性元件对尖端元件10的力。换言之，针对弹性元件对尖端元件10的不同力(对应于不同的尖端位移)，通过力传感器测量到不同的力。这支持力传感器的整个力检测范围。
在所示实施例中，弹性元件是如图4、9、10、11、12和13中所示的叶片弹簧15。叶片弹簧15优选地具有环状形状，其中叶片弹簧15的两个环形段形成弹性叶片部分15.1，而两个其他环形段保持平坦从而形成叶片弹簧15的固定部分15.2。优选地，从固定部分15.2的一侧看到的叶片弹簧15形成梯形，其中弹性叶片部分15.1形成梯形的腿部或侧向侧，如图12所示。换言之，弹性叶片部分15.1(在尖端移位方向上)被向上弯曲/成形，从而使得叶片弹簧15在尖端位移方向上具有弹性行为。叶片弹簧15被配置为由一个单一叶片例如，金属板形成，例如通过从一个单一叶片中冲模出环形并在叶片表面的表面法线(环中心轴)的方向上弯曲/形成两个环形段。在一个实施例中，弹性叶片部分15.1对称于通过两个固定部分15.2的线，即对应于等边梯形。然而，叶片弹簧15还可以是非对称的。叶片弹簧15还可包括仅一个弹性叶片部分15.1或者多于两个弹性叶片部分15.1。然而，叶片弹簧15还可不具有任何固定部分15.2和/或弹性叶片部分15.1还可具有其他侧视图的形状，例如三角形(没有固定部分15.2)、环形的弹性叶片部分(例如，椭圆的、多边形的、多项式的、圆形的等)等。所示实施例中的环状是圆形，但像椭圆的、三角的、矩形的、二次方程式的、n角等其他环形形状也是可能的。叶片弹簧15替换地还可以是非环形形状的，优选地具有两个或更多个叶片部分。叶片部分例如可以由叶片指状或者三角形形成。
固定部分15.2通过固定元件15.3被固定在壳体9.1上，该固定元件是由垂直于固定部分15.2弯曲的叶片指状结构形成。固定部分15.3还被配置为如弹性叶片部分15.1和/或固定部分15.2那样由相同的单个叶片形成。那些固定元件15.3被插入到壳体9.1的孔16中。孔16被布置于由壳体9.1的形成的中空圆柱体的近端底面中。因此，固定部分15.2将由力检测机构9的壳体9.1的近端内底面支撑。弹性叶片部分15.1在张力下由第二电容器板12支撑，以使得弹性叶片部分15.1在初始位置中用小的初始力按压尖端元件10。当对尖端3的力超出初始力时，尖端元件10在位移方向上移动抵抗叶片弹簧15的力。初始力非常小或者为零。优选地，叶片弹簧15是导电的，例如，由金属制成，并且经由壳体9.1接触到印刷电路板8。这可通过与固定元件15.3相接触的孔16或者经由壳体9.1的内底面和固定部分来实现。然而，其他接触方法是可能的。还可能将固定部分15.1固定在第二电容器板12上并将弹性叶片部分15.1固定在壳体9.1上。本方案具有以下优点：弹性元件被用作到尖端元件10的接触机构用于笔位置信号并且同时用作针对力检测机构的弹性元件。通过将弹性元件支撑在力检测机构9的壳体9.1中，对尖端3的力被传递到力检测机构9的壳体9.1上，其将力传递通过印刷电路板8的整个远侧和/或至笔壳体6。因此，此方案在一侧使用弹性元件以将尖端元件10与印刷电路板8相接触，而没有仅将力传递到印刷电路板8的笔位置信号的输出端上，而是还传递到印刷电路板8的完整侧和/或笔壳体6上。因此，对印刷电路板8的损坏被有效地略去。
壳体9.1优选地由远端半壳9.11和近端半壳9.12形成。图7和图8中所示的远端半壳9.11包括第一电容器板14并且引导尖端元件10的杆11。近端半壳9.12支持弹性元件从而使得弹性元件的力作用抵抗尖端元件10的尖端位移。远端半壳9.11和近端半壳9.12一起形成中空圆柱体。远端半壳9.11和近端半壳9.12优选地由印刷电路板8的臂8.2保持在一起。此布置允许打开壳体9.1，用于通过弹性元件和尖端元件10组装力检测机构9。
弹性元件的刚度S(d)优选地随尖端位移d而改变。这产生了具有力F＝-S(d)*d的非线性弹性元件。优选地，刚度随尖端位移的增加而增加。这包括稳定地增加刚度或者步进式增加，例如从初始位置到第一尖端位移的低刚度以及第一尖端位移和第二或最大尖端位移之间的第二刚度。这允许针对较小的力产生较高的尖端位移，同时在较高的力处的尖端位移变得更小。这允许用相同的最大尖端位移扩展可检测的力的范围而不降低小的尖端位移处的灵敏度。然而，还可使用常量的刚度S，其中线性弹性元件产生力F＝-S*d。
叶片弹簧15的刚度取决于叶片弹簧的各种参数，具体是叶片部分的长度或半径、弹性叶片部分15.1的厚度t、角度α和/或叶片部分15.1的广度(largeness)L。那些参数可被选取为使得叶片弹簧15显示具有取决于尖端位移d的刚度的非线性行为。这可通过不同的用于叶片部分选取那些参数来实现，使得至少两个叶片部分具有不同的(不变的)刚度，其导致组合为非线性刚度。在所示实施例中，两个叶片部分中的每一个可具有不同的角度α和/或不同的长度/半径。因此，在尖端3的初始位置处，仅具有更大角度α和/或更长长度/半径的第一叶片部分将作用抵抗尖端3上的力。在尖端元件10被移位第一尖端位移的时刻，尖端元件10将还接触第二叶片部分并且两者叶片部分的刚度将累加至增加的刚度。因此，这样的布置可实现具有步进函数的刚度S(d)。尖端位移上的步进的时刻可通过叶片弹簧的参数来调节，这些参数在第二叶片部分触碰到尖端元件时使得尖端位移必须从初始位置到第一尖端位移。小于第一尖端位移的尖端位置的刚度可通过第一叶片部分的参数像广度和/或厚度t来控制。大于第一尖端位移的尖端位移的刚度是两个叶片部分一起的刚度并且可由第二叶片部分的参数像广度和/或厚度t来控制。优选地，第二叶片部分的广度和/或厚度大于第一叶片部分。可通过多个(多于两个)叶片部分来实现多步进(多于一个步进)函数。这可例如通过在叶片弹簧中布置三个或更多个叶片部分像，叶片指状结构或三角形来实现。每个叶片部分可在尖端元件10将接触相应叶片部分时具有另一接触尖端位移。如果叶片部分是三角形或者指状结构，则叶片部分可被布置为星形(环形)形式。然而，还可能实现具有随尖端位移一直变化的刚度的叶片弹簧。这例如可通过这样的螺旋叶片部分来实现：该螺旋叶片部分具有增加的广度或厚度或者从第一接触区到最后接触区的另一刚度确定参数。
图13A和13B示出了作为弹性元件的叶片弹簧21的替换性实施例，该叶片弹簧将替换前述图示中的叶片弹簧15。也在此实施例中，叶片弹簧21具有被布置于第一平面的基部21.2和至少一个弹性叶片部分21.1。优选地，至少一个弹性叶片部分21.1是从被布置在第一平面中的一个单一叶片材料中切除出来的(除了在弯区边缘处)，如图13C中所示。优选地，至少一个弹性叶片部分21.1然后在弯曲边缘处被弯曲，以使得至少一个弹性叶片部分21.1的表面被布置在至第一平面或者基部21.2的表面下的至少一个角度α，如图13A中所示。因此，(每个)至少一个弹性叶片部分21.1的端部具有基部21.2或者第一平面上的特定高度。(每个)至少一个弹性叶片部分21.1的端部和基部21.2被布置于尖端元件10(这里，电容器板12)和笔的壳体(这里，力检测机构的壳体9)之间，以使得叶片弹簧21对尖端元件10的力随针对每个尖端位移的力传感器距离而变化。优选地，至少一个弹性叶片部分包括多个弹性叶片部分21.1(至少两个)。这允许以非常小的高度实现具有较大力范围的弹簧。从第一平面上的俯视图来看，叶片弹簧21具有中心C和圆周侧。优选地，多个弹性叶片部分21.1中的每一个被弯曲使得弯曲边缘在叶片弹簧21的圆周侧的方向上并且弹性叶片部分21.1的端部(具有所提到的第一平面上的高度)指向中心C，如图13A和13B所见。优选地，弹性叶片部分21.11是在中心C和弯曲边缘之间从叶片材料中切除出来的，如图13C所示。每个弹性叶片部分21.11的形式是三角形。这样，虽然叶片弹簧21具有较大力范围，但叶片弹簧21的广度d可被保持得非常小。在所示实施例中，叶片弹簧21具有圆周基部21.2，弹性叶片部分21.1在该圆周基部21.2处被布置有弯曲边缘。优选地，多个弹性叶片部分21.1包括至少一个第一弹性叶片部分21.11和至少一个第二弹性叶片部分21.12。优选地，(每个)至少一个第一弹性叶片部分21.11的端部具有第一高度h1和/或(每个)至少一个第一弹性叶片部分21.11具有第一刚度。优选地，(每个)至少一个第二弹性叶片部分21.12的端部具有第二高度h2和/或(每个)至少一个第二弹性叶片部分21.12具有第二刚度。第一高度h1大于第二高度h2。优选地而非必要地，第一刚度小于第二刚度。这允许实现在第一压缩范围(＜h1-h2)中具有第一弹簧刚度(＝第一弹性叶片部分21.11的数量*第一刚度)并且在第二更大压缩范围(＞h1-h2)中具有第二更硬的弹簧刚度(＝第一弹性叶片部分21.11的数量*第一刚度+第二弹性叶片部分21.12的数量*第二刚度)。第二弹簧刚度更硬是因为除了至少一个第一弹性叶片部分21.11之外，至少一个第二弹性叶片部分21.12也对尖端元件10作用。这允许实现如上所述具有步进函数的非线性叶片弹簧。第一和第二弹性叶片部分21.11和21.12的不同刚度可通过不同形式来实现，这里是用弯曲边缘的不同长度a1和a2来实现的。叶片材料优选地是金属，例如铜或包含铜的金属像CuB2(EN1654)。
所述的叶片弹簧21允许用非常小的尺寸实现覆盖力传感器的全部力范围内的弹簧。弹簧21优选地具有小于3mm的高度(h1)，优选地小于2mm，优选地小于1.5mm。弹簧21优选地具有小于15mm的广度(d)，优选地小于10mm，优选地小于8mm。圆周基部21.2在弯曲边缘和圆周边缘之间的广度(c)优选地小于1mm，优选地小于0.6mm，优选地小于0.4mm。第一高度h1和第二高度之间的差优选地小于0.3mm，优选地小于0.2mm，优选地小于0.15mm。
力检测机构9和力检测单元一起形成力传感器。
主动笔15的压力传感器的所述实施例对于主动笔持续低发射笔位置信号特别有利，即不与触摸装置相位同步，如WO2014/174123中所公开的那样，其应当通过这里的参考标号被合并于此。这样的主动笔结合检测触摸装置检测被动触摸以及持续发射电容触摸表面上的主动触摸的位置特别有利。这样的触摸装置被公开于WO2014/174123中，并且应当通过引用被合并。
此发明中的优选特征意味着这是实现本发明的最好方式，但特征可被权利要求范围内的任何其他特征所替换。换言之，保护的范围不局限于优选的特征，而是能够以任何其他方式被执行。
在不脱离由所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，对所描述的本发明的实施例的各种修改和变型对于本领域技术人员将是显而易见的。尽管已经结合特定优选实施例对本发明进行了描述，但应当理解所要求保护的发明不应当被过度地限制为这些特定实施例。

Claims (20)

1.一种主动位置指示器，包括：
可移动尖端元件(10)，所述可移动尖端元件被配置为依据对尖端(3)作用的力而在位移方向上从初始位置被移位一尖端位移，该尖端被布置在所述尖端元件(10)的远端上；
位置信号电路，所述位置信号电路与所述可移动尖端元件(10)相连接并且被配置为生成被应用在所述尖端(3)上的指示器位置信号；以及
力传感器，所述力传感器用于检测对所述尖端作用的力，包括具有取决于所述尖端位移的电容值的电容元件，用于生成指示所述尖端位移的电子反馈信号；
其特征在于：
其中所述电容元件包括取决于所述尖端位移的电容器距离和取决于所述尖端位移的电容器表面。
2.根据前述权利要求所述的主动位置指示器，其中所述电容器表面线性地取决于所述尖端位移。
3.根据前述权利要求所述的主动位置指示器，其中当增加所述尖端位移时，所述电容器表面变得较小。
4.根据前述权利要求中的一项所述的主动位置指示器，其中所述电容器距离与所述尖端位移的倒数成比例。
5.根据前述权利要求所述的主动位置指示器，其中当增加所述尖端位移时，所述电容器距离增加。
6.根据前述权利要求中的一项所述的主动位置指示器，其中所述电容元件包括具有第一电容距离和第一电容器表面的第一电容部分以及具有第二电容距离和第二电容器表面的第二电容部分，其中所述电容器距离包括第一电容器距离和第二电容器距离，其中所述电容器表面包括所述第一电容器表面和所述第二电容器表面，其中所述第一电容器距离取决于所述尖端位移并且所述第二电容器表面取决于所述尖端位移。
7.根据前述权利要求所述的主动位置指示器，其中所述第一电容器表面和所述第二电容器距离相对于尖端位移保持不变。
8.根据权利要求5或6所述的主动位置指示器，其中所述第一电容部分和所述第二电容部分被并联连接。
9.根据权利要求5至7中的一项所述的主动位置指示器，其中所述电容元件的第一电容器板(14)具有侧向导电板表面(14.2)和轴向导电板表面(14.1)，所述侧向导电板表面(14.2)具有垂直于所述位移方向延伸的表面法线，所述轴向导电板表面(14.1)具有在所述位移方向上延伸的表面法线，并且所述电容元件的第二电容器板(12)具有侧向板表面(12.2)和轴向板表面(12.1)，所述侧向板表面(12.2)具有垂直于所述位移方向延伸的表面法线，所述轴向导电板表面(12.1)具有在所述位移方向上延伸的表面法线，其中所述第一电容器距离是第一和第二电容器板(14、12)的轴向板表面(14.1、12.1)之间的距离并且所述第一电容器表面是第一和第二电容器板(14、12)的轴向板表面(14.1、12.1)之间的重叠表面，所述第二电容器距离是第一和第二电容器板(14、12)的侧向板表面(14.2、12.2)之间的距离并且所述第二电容器表面是第一和第二电容器板(14、12)的侧向板表面(14.2、12.2)之间的重叠表面。
10.根据前述权利要求所述的主动位置指示器，其中所述第二电容器板(12)具有中空圆柱的形式，其中第一壁至少部分地闭合所述圆柱的第一端，其被配置为在所述中空圆柱内以所述第一电容器板沿圆柱轴线的表面法线移动所述第一电容器板(14)。
11.根据权利要求9所述的主动位置指示器，其中所述尖端元件(10)包括所述第一电容器板(14)，所述第一电容器板(14)优选地在近端处，通过栓被连接至所述尖端(3)，其中所述栓(11)被引导通过所述中空圆柱的第一壁的开口。
12.根据权利要求10所述的主动位置指示器，其中所述第二电容器板(12)是处于由印刷电路板(8)保持的所述中空圆柱的形式的所述力传感器的壳体(9.1)的一部分，其中所述印刷电路板(8)包括与所述第一电容器板(14)电连接的所述力传感器的力检测电路，以用于检测由所述尖端位移引起的电容值变化。
13.根据权利要求10或11所述的主动位置指示器，其中所述第二电容器板(12)是处于所述中空圆柱的形式的所述力传感器的壳体(9.1)的一部分，其第二壁至少部分地闭合所述中空圆柱的第二端，其中弹性元件被布置在所述第二壁和所述第一电容器板(14)之间。
14.根据前述权利要求中的一项所述的主动位置指示器，其中弹性元件将所述尖端元件(10)保持于它的初始位置。
15.根据权利要求12或13所述的主动位置指示器，其中所述弹性元件是叶片弹簧。
16.根据权利要求14所述的主动位置指示器，其中所述叶片弹簧(15)具有环状。
17.根据权利要求12至15中的一项所述的主动位置指示器，其中所述弹性元件具有用于增加的尖端位移具有增加的刚度的非线性行为。
18.根据权利要求12至16中的一项所述的主动位置指示器，其中所述位置信号电路通过所述弹性元件与所述可移动尖端元件(10)电连接。
19.一种用于检测主动位置指示器的尖端(3)上的力的方法，包括以下步骤：
检测取决于尖端位移的电容元件的电容值，该尖端位移取决于所述尖端(3)上的力；
其特征在于：
所述电容元件的电容器距离取决于所述尖端位移并且所述电容元件的电容器表面取决于所述尖端位移。
20.一种触摸系统，包括：
根据权利要求1至18中的一项所述的主动位置指示器(800、5)；
触摸装置，被配置为基于所发射的指示器位置信号来检测所述主动位置指示器的位置。
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