CN106104429A - 带有尖端压力传感器的有源笔 - Google Patents

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Abstract

有源位置指示器，其包括可动尖端元件(10)，其配置为在位移方向上从初始位置被移位取决于作用在尖端(3)上的力的尖端位移，尖端(3)设置在尖端元件(10)的远端上；力传感器，其用于检测作用在尖端(3)上的力，包括相对尖端位移作用在尖端元件(10)上的弹性元件；其中弹性元件是叶片弹簧(15)。

Description

带有尖端压力传感器的有源笔
技术领域
本发明涉及一种有源位置指示器，特别是带有压力传感器的有源笔。
背景技术
触摸设备用于各种应用领域，其中包含对象存在检测，例如但不限于触摸垫、触摸板、触摸屏或投射电容显示器。触摸设备检测触摸触摸设备的无源对象并且可以确定触摸的位置。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触摸的表面的尺寸降低。因此，笔的尖端的位置检测的质量只能以高检测误差进行检测。因此，有源位置指示器如有源笔包含电路，其支撑触摸设备来以较低误差检测有源位置指示器的位置。这可以例如通过电容或电感耦合来实现。当使用特定触摸设备例如电容式或电感式触摸设备时，用于检测无源触摸的相同传感器可用于检测由有源位置指示器的尖端发射的电信号。存在有不同类型的有源位置指示器。存在有使电信号的发射与特定有源位置指示器检测窗口同步的有源位置指示器。存在有连续发射电信号的其它有源位置指示器，即在有源位置指示器中无需任何与触摸设备的同步。存在利用电池或利用用于从周围环境获得能量的能量收集装置进行操作的有源位置指标器。还存在不具有自身电源的有源位置指示器，该电源如转换器操作，以从转换器信号收集用于操作的必要电力。WO2014/174123示出了具有连续发射有源位置指示器的电容式触摸设备的示例，其中，电容式触摸设备使用相同的电容式检测传感器用于检测无源和有源触摸。
对于利用触摸设备的书面相互作用的良好的检测的另一个问题是由笔施加的压力的知识。存在有能直接检测所施加的压力的一些触摸设备。但在利用有源笔的大多数解决方案中，笔包括压力传感器，其检测施加在尖端上的压力，并将检测到的压力发送回至触摸设备。然而，对于压力传感器的现有技术的解决方案有数个缺点。
压力传感器需要可动部件、弹簧和通常将可动部件连接到印刷电路板的电连接部。这增加了用于组装笔的时间、构造的复杂性及稳健性。
施加在有源笔上的力特别是在绘画或书写相互作用期间可从微小的力变化至非常大的力。这增加了以高精度检测所施加的尖端力的困难。
一个问题是螺旋弹簧或具有恒定刚度的其它弹性元件的正常使用。因此，施加于尖端上的力的一定变化对于弱力和对于强力引起尖端的相同的位移。由于尖端的位移仅为最小的，因此可实现以高精度检测较小的力，但不能再实现检测到超过一定阈值的较大的力，或可实现以低精度检测直到高作用力的较高范围的力。因为这两个可选方案都不令人满意，所以一些解决方案提供具有不同的刚度的两个弹簧，使得具有小的刚度的弹簧对于弱力占主导地位且具有高刚性的第二弹簧对于强力占主导地位以扩展利用压力传感器可检测的力的范围。然而，这样的解决方案增加了压力传感器的复杂性、尺寸和稳健性。螺旋弹簧还具有其难以组装并且需要更多的空间的问题。
关于检测精度的另一个问题是可用于检测所施加的力的尖端的最大位移非常小。常常，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尖端位移。如果两个电容器板的距离根据尖端位移而不同，则这产生取决于尖端位移的倒数的电容值。因此，小的尖端位移由于电容值的快速变化能够以非常高的精度进行检测，而在大的尖端位移时精度由于电容值的缓慢变化而快速下降。可选地，存在有用于测量具有线性特征的尖端位移的装置。然而，这样的线性解决方案不允许在小的尖端移位时实现更高的精度。尽管存在上述缺点，但电容式解决方案具有众所周知且容易实现的优点。
因此，目的是提供一种克服上述问题的具有压力传感器的有源位置指示器。
目的是提供一种具有压力传感器的有源位置指示器，其减少了用于组装笔的时间、降低了构造的复杂性和增加了稳健性。
目的是提供一种具有低复杂性的压力传感器的有源位置指示器，其在较低的力时具有高精度的较高的力检测范围。
发明内容
在一个实施例中，这些目的通过独立权利要求来实现。
在一个实施例中，这些目的通过具有以下特征的有源位置指示器来实现。可动尖端元件配置为通过取决于作用在尖端上的力的尖端位移而移位。用于检测作用在尖端上的力的力传感器包括相对尖端位移作用在尖端元件上的弹性元件，其中在弹性元件是叶片弹簧。
叶片弹簧具有它们易于由一种叶片材料制成并可高度适于如形状、尺寸、刚度的要求的大优势，其中刚度的要求取决于尖端位移。另外，叶片弹簧可以创建与可动尖端位移的容易接触。
在一个实施例中，这些目的通过具有以下特征的有源位置指示器来实现。可动的尖端元件被配置为通过根据作用在尖端上的力的尖端位移而被移位。位置信号电路与所述可动尖端元件连接并被配置为产生用于通过尖端与触摸设备电耦合的指示器位置信号。用于检测作用在尖端上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，用于产生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及取决于尖端位移的电容器表面。
这具有的优点是，在尖端位移上的电容值的特征可被配置为具有较高的自由度，使得力范围和灵敏度特别是对于较小力的要求可以实现。
在一个实施例中，这些目的通过具有以下特征的有源位置指示器来实现。可动尖端元件配置为通过取决于作用在尖端上的力的尖端位移而被移位。位置信号电路与所述可动尖端元件连接并被配置为产生用于通过尖端与触摸设备电耦合的指示器位置信号。用于检测作用在尖端上的力的力传感器包括相对尖端位移作用在尖端元件上的弹性元件。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动尖端元件电连接。
这具有用于接触的元件和用于作用抵抗尖端的力的弹性元件可以组合的优点。这节省空间并避免接触可动元件的问题。
在一个实施例中，这些目的通过具有以下特征的有源位置指示器来实现。可动尖端元件配置为通过取决于作用在尖端上的力的尖端位移而被移位。用于检测作用在尖端上的力的力传感器包括弹性元件，其相对尖端位移作用在尖端元件上，其中弹性元件的刚度是非线性的，其取决于尖端位移。
非线性弹簧具有在较小力时力的一定变化可引起尖端位移的变化大于在较高力时力的一定变化所引起的尖端位移的变化的优点。
附图说明
借助于通过示例的方式给出的及通过附图说明的实施例的描述将更好地理解本发明，其中：
图1示出了有源笔的实施例的三维视图；
图2示出了无外壳的图1的实施例的三维视图；
图3示出了用于有源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图；
图7示出了具有处于初始位置的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的第一侧视图；
图13示出了图9的第二侧视图；
图13A示出了弹簧的可选实施例的俯视图；
图13B示出了图13A的弹簧的可选实施例的侧视图；以及
图13C示出了图13A的弹簧的可选实施例的生产阶段。
具体实施方式
图1至13示出了有源笔5的实施例。随着下列有源笔公开的一切适用于所有其它类型的有源位置指示器。
有源笔5包括笔壳体6、电池7、印刷电路板8、力传感器和带有尖端3的尖端元件10。
笔壳体6优选地将电池7、印刷电路板8和力传感器的力检测机构9装入。笔壳体6优选地具有开口，其用于包含尖端元件10使得尖端3设置在壳体6的外部并通过尖端元件10的杆11与壳体6的内体积连接。优选地，壳体6中的开口引导尖端元件10的杆11使得尖端元件10可以(仅仅)在位移方向上移动。然而，还可以检测在不同方向上的力。优选地，壳体6具有圆柱形形状且位移方向平行于纵向圆柱轴线。按照定义，具有尖端3的有源笔5的侧/端被称为远侧/端并且在位移方向上的有源笔5的相对侧/端被称为近侧/端。在所示实施例中，壳体6包括具有电池7的管状部6.1、印刷电路板8和力检测机构9、具有所述开口和尖端元件10的圆锥部6.2和盖6.3。管状部6.1进一步包括配置为与印刷电路板8上的电源开关8.1相互作用的电源按钮6.4。圆锥部6.2利用其近端被附接至管状部6.1的远端。圆锥部6.2的远端包括用于尖端元件10的开口。优选地，圆锥部6.2具有从近端到远端逐渐变瘦的圆锥形状。管状壳体6.1的近端附接到在近端上封闭壳体6的盖6.3。在优选实施例中，盖6.3应该为可拆卸的，例如，通过夹子或螺纹机构，以用于更换电池7。此外，盖6.3应该产生必要的接触压力以将电池端子连接到印刷电路板8的电源端子。
所示的有源笔5的实施例利用作为电源的电池7工作。然而，可以可选地使用用于供应必要的电力的任何其它装置。例如，电池7可以用能量收集机构来替换，能量收集机构用于从周围环境例如从光、温度、电磁波(例如，从触摸设备接收的)、电耦合(例如，利用触摸设备)、笔的运动等中收集能量。
印刷电路板8在本实施例中包括全部或至少大部分有源笔5的电子电路。印刷电路板8具有平行于有源笔5的纵向轴或笔壳体6的管状部6.1的纵向轴的纵向轴。印刷电路板8的广度(largeness)在一个实施例中与笔壳体6的内径特别是管状壳体6.1的内径对应。在所示的实施例中，印刷电路板8由力检测机构9的远端支撑或被支撑在力检测机构9的远端处，和/或由印刷电路板8的电源端子8.3中的一个的近端支撑或被支撑在印刷电路板8的电源端子8.3中的一个的近端处。力检测机构的壳体9.1和/或电源端子8.3具有圆柱形形状，其与由壳体6提供的中空圆柱体的内部形状对应，使得印刷电路板8通过力检测机构9的壳体9.1和/或电源端子8.3在所有径向方向上被额外地固定。然而，印刷电路板8也可可选地或另外地直接被固定在壳体6中，例如，通过用于印刷电路板8的导轨。印刷电路板8在其配置为支撑力检测机构9的壳体9.1的远端成形两个臂8.2。臂以抵抗力检测机构壳体9.1上的预期应力的厚度被设置在印刷电路板8的横向侧，以允许两臂8.2之间的最大空间。壳体9.1可包括两个凹槽13(例如图3至图5和图7至图10中所示)，其配置为容纳印刷电路板8的两臂8.2。优选地，臂8.2和凹槽13的尺寸被设计为使得臂8.2填满凹槽13以致壳体9.1不能径向于尖端3的位移方向移动。优选地，壳体9.1的横向表面(壳体6的纵向轴线的径向法向表面)与印刷电路板8的横向表面齐平。臂8.2的远端可包括吊钩以为了在印刷电路板8的纵向方向上固定壳体9.1并且为了实现滑入配合固定。然而，也可以是其它的固定。
印刷电路板8优选地包括用于产生并输出笔位置信号的位置信号电路。笔位置信号优选为具有适合于传输到触摸设备并在触摸设备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可以例如包括振荡器和放大器。位置信号电路的输出优选被连接到印刷电路板8的至少一个输出端子。印刷电路板8的输出端子优选地导电地连接到尖端3以用于将产生的笔位置信号施加在尖端3上。施加在尖端3上的笔位置信号创建与触摸设备的电耦合。这种耦合优选地为电容耦合和/或电感耦合，但也可能是自由电磁波的发射，自由电磁波可在触摸设备处被接收。优选地，输出端子导电地连接到支撑尖端元件10在其初始位置的导电性弹性元件，例如金属弹簧，其导电地连接到尖端元件10。这解决了将可动尖端元件10接触到固定印刷电路板8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施加在尖端3上的力。优选地，力检测电路的输入导电地与印刷电路板8的至少一个反馈输入端子连接。优选地，印刷电路板8的至少一个输入端子被设置在被配置为接触力检测机构9的反馈端子的两臂8.2的至少一个上。因此，凹槽13中的至少一个包括导电表面，其与包括至少一个反馈输入端子的至少一个臂8.2的导电表面导电地接触。优选地，存在有用于力检测机构9的反馈信号的两个输入端子，各在印刷电路板8的两臂8.2的每个上。在所示的实施例中，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)。在所示的实施例中，笔位置信号被提供给电容元件的第二电容器板12，并且反馈信号从电容元件的第一电容器板14导向力检测电路。由于笔位置信号具有固定的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只取决于电容元件的电容值。因此，反馈信号允许确定电容元件的电容值，其本身只取决于尖端位移。力检测电路优选地测量由电容元件提供的复电阻率的值，其可被处理为力的值，例如通过查找表。用于确定复电阻的一个示例可以例如通过整流和低通滤波反馈信号来确定。这得到反馈信号的振幅的值，其给出对复电阻的测量。代替笔位置信号，为了检测电容值，也可使用施加在电容元件上的另一信号。然而，其它测量方法的电容值或取决于尖端位移的任何其它电子值也可在力检测电路中被确定和/或转换为力值。
印刷电路板8可进一步包括力数据传输电路，其用于将检测到的作用在尖端3上的力(力数据)传输至触摸设备。在一个实施例中，力数据传输电路被连接到尖端3用于通过尖端3与触摸设备的电耦合将力数据传输到触摸设备。力数据可以在笔位置信号的周期之间传输和/或力数据可以连续地或在笔位置信号的数据传输窗口中调制。在这里可以使用不同的调制像频率、振幅或其它模式的调制。在另一个实施例中，力数据传输电路被连接到天线(不是尖端3)用于将力数据传输到触摸设备。在进一步的实施例中，力数据可以通过有线连接被传输到触摸设备。
然而，本发明不受限于印刷电路板8。而且可以使用其它电路板或电子电路的其它实现以实现有源笔的电子功能。
尖端元件10包括在远端的尖端3和在近端的电容元件的第一电容器板12。第一电容器板12也是稍后将更详细地描述的力检测机构9的部分。尖端3和第一电容器板12通过杆11连接。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。在所示的实施例中，尖端3具有导电芯3'，优先为金属芯，如图3和图4中所示，其然后被保护盖覆盖，保护盖配置为使发射的笔位置信号通过和/或配置为避免触摸屏的任何损坏。优选地，杆11还包括导电材料优选金属/由导电材料优选金属制成，以将笔位置信号导向至尖端3。在可选的实施例中，杆11由非导电材料制成并包括用于将笔位置信号从位置信号电路导向至尖端3的导体。这种导体可以是杆11的导电芯。优选地，第一电容器板12也由导电材料优选金属制成。然而，也可使第一电容器板12由非导电材料制成并具有用于稍后描述的力检测机构9的电容元件的至少电容器表面的金属涂层/表面。尖端元件10可移动地被支撑使得尖端元件10能够至少在一个位移方向上移动。支撑可由壳体6提供，例如由壳体6的开口和/或由力检测机构9提供。当没有力施加在尖端3上时，尖端元件10被设置为使得其处于初始位置。尖端元件10被进一步设置为使得其从初始位置被移位取决于施加在尖端3上的力的尖端位移。有源笔5可以提供用于尖端元件10的最大止动元件，其将尖端位移限制到最大尖端位移。这种最大止动元件可以设置在壳体6中或力检测机构9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使尖端元件10保持在初始位置和/或用于在位移方向上抵抗施加在尖端3上的力的弹性元件。
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根据尖端位移而移动。可选地，其也可能是反之亦然，重要的是第一电容器板14和第二电容器板12相对于彼此存在相对运动。在所示实施例中，第二电容器板12被设置为使得第二电容器板14以距第一电容器板14的最小距离设置在尖端元件10的初始位置，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导电连接并且使得尖端元件10的初始位置是容易地可检测的。然而，也可能电容器板之间的最小距离不等于零。这避免了短路，短路伴随着功率消耗的增加。这也可以用于调节电容元件的电容值特征，因为它减小了在尖端3的初始位置处的电容值的初始值(这增加了电容元件的线性特征，如果存在如稍后所述的具有线性特性的进一步的电容部)。第一电容器板14和第二电容器板12之间可设置绝缘或介电材料，用于实现两个电容器板12和14之间的非零初始距离。这可以通过用绝缘体或介电涂层涂覆表面12.1或12.2来实现。在一个实施例中，第一电容器板14设置在远端侧(更靠近尖端3)且第二电容器板12设置在近端侧(更远离尖端3)。这可以通过引导杆11优选地中心地通过第一电容器板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基于电容元件的电容器表面A及电容元件的电容器距离x来计算。在电容元件通过具有电容器表面A和电容器距离x的两个平行平面表面给出的情况下，电容值正比于电容器表面A除以电容器距离x，即A/x。
在电容元件的第一实施例中，电容器板在板表面A1上具有相对的且重叠的金属表面，其具有平行于尖端3的位移方向的法线并且具有等于或者直接正比于尖端位移d的电容器距离x1。这导致电容值C1直接正比于尖端位移的倒数1/d。由于复电阻率Z1直接正比于电容值的倒数，所以在这种情况下复电阻率将线性正比于d。然而，这具有这样的小的尖端位移d可被检测为具有与大的尖端位移d相同的绝对误差的缺点。然而，对于小的尖端位移d，相对误差将因此较大且这样的解决方案是不理想的，因为期望的是对于小的尖端位移具有更高的灵敏度。图14示出了不同的电容元件对于施加在尖端3(具有恒定刚度的弹性元件)上的力的电容值。函数18和20示出了根据第一实施例的具有电容器表面A1的电容元件，其由具有外径Do和内径Di的环形件提供。函数18对应于Di/Do＝0.3的直径关系，函数20对应于Di/Do＝0.9的直径关系。虽然函数18和20对于小的力/尖端位移具有陡坡度，但它们的坡度对于增加的力/尖端位移常常变得更平缓，使得对于较高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，其具有与尖端3的位移方向成直角的法线并且具有等于或者直接正比于上尖端位移d的电容器表面A2。两个板的两个表面设置为使得当距离x2保持恒定时重叠的电容器表面A2会随着尖端位移d线性地增大或减小。这导致电容值C2直接正比于尖端位移d。由于复电阻率Z2直接正比于电容值的倒数，所以在这种情况下复电阻率将线性正比于1/d。因此，由于比在大的尖端位移处精确的多的较高的电容值变化，在小的尖端位移处的小的变化可被检测到。然而，该方法也具有缺点，因为由于电容值的几乎平坦的特征，现在用于检测在大的尖端位移d处的变化的质量仅可被检测为具有大的误差。
电容元件的第三实施例结合现有两个优点以得到电容元件对于尖端位移d的特征，其在小的尖端位移d处变化的比在大的尖端位移d处快，但不具有电容元件的第二实施例的负面效果。这通过其的电容器表面和电容器距离都根据尖端位移d变化的电容元件来实现。这种实现被示出在有源笔5中。因此，第一电容器板12包括具有与尖端位移成直角的表面法线(指向有源笔的外部)的横向导电板表面12.2和具有平行于尖端位移优选地在尖端3的方向(远端方向)上的表面法线的轴向导电板表面12.1。第二电容器板14成形为中空圆柱体，在中空圆柱体的底部和侧表面的内侧上具有导电板表面。电容元件的第二电容器板14还包括具有与位移方向成直角地延伸的表面法线(指向有源笔5的中心，即，与横向导电板表面12.2相反)的横向板表面14.2和具有平行于位移方向优选地在远离尖端3的方向(近端方向，即与第一电容器板的轴向板平面12.1相对)上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成形，其在壳体9.1的内壁上具有金属涂层以实现电容器表面。电容元件现在可被分成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。第一电容部具有如在具有取决于尖端位移d的第一电容器距离x1的第一实施例中描述的特征。第二电容部具有如在具有取决于尖端位移d的第二电容器表面A2的第二实施例中描述的特征。考虑到第一电容器板14的轴向导电板表面14.1和横向导电板表面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和横向导电板表面12.2在相同的电势上，第一电容部和第二电容部可被认为是C1＝k1A1/x1(d)和C2＝k2A2(d)/x2的并联电路，其中k1和k2是取决于电常数ε0和电容器板12和14之间的材料的相对静态介电常数的常数。因此，电容元件具有电容值C＝C1+C2＝k1A1/x1(d)+k2A2(d)/x2。电容元件结合具有取决于尖端位移的电容器距离的电容元件和具有取决于尖端位移的电容器表面的电容元件的特征的优点。所示实施例的电容器表面因此为重叠于第二电容器板14的横向导电板表面12.1的第一电容器板14轴向导电板表面14.1((D0-Di)2π)加上重叠第二电容器板14的横向导电板表面12.1的第一电容器板14的横向导电板表面14.2(大约2πD0(h-d))，其中仅后者根据尖端位移变化。电容元件的电容器距离包括轴向电容器距离x1(d)和横向电容器距离x2，其中(只有)第一个根据尖端位移d变化。优选地，第一电容器板14的横向导电板表面14.2与第二电容器板12的横向导电板表面12.2之间的距离相对于尖端位移d保持恒定和/或重叠第二电容器板12的轴向导电板表面12.1的第一电容器板14的轴向导电板表面14.1相对于尖端位移d保持恒定。函数17和19示出了根据具有电容器表面A1的第三实施例的电容元件，其由具有外径Do及内径Di的环形件来提供。函数17对应于Di/Do＝0.3的直径关系。函数19对应于Di/Do＝0.9的直径关系。函数17和19两者都对应于相同的高度h。虽然函数17和19保持对于小的力/尖端位移的有利的陡坡度，但对于高的力/尖端位移的它们的坡度变为线性的，使得对于高的强尖端位移，尖端位移也可以特定所需的恒定误差来确定。
距离x1和x2应仅表示距离，而对它们对应的距离矢量的方向没有任何限制。在所示实施例中，距离矢量垂直于彼此，但像平行或以其它角度定向的任何其它的设置也是可能的。
所示实施例仅是电容元件改变其与尖端位移d相关的电容器表面和电容器距离的一个示例。例如，这也可以通过具有两个(优选为平行的)板表面的一个单一电容器部来实现，两个板表面的表面法线与尖端位移的角度分别在1°和89°或91°和179°之间，使得尖端位移d的变化改变电容器距离及这种电容元件的重叠的电容器表面。也可实现其有效电容器表面和有效电容器距离随着尖端位移变化的任何其它电容元件。
然而，在另一个实施例中也可以实现具有连接到在远端侧上的尖端元件10的电容器板和在有源笔的近端侧上的固定电容器板的电容元件，电容器板之间的距离随着尖端位移的增大而变小。
即使第一和第二电容器板被称为板，但这不应将板的形式限制于电容器板上的线性的和/或平面的电容器表面。一个或两个板可以具有弯曲的、圆形的、椭圆形的、三角形的、n角形的电容器表面。即使在所有的所述实施例中板的电容器表面平行设置，但这不应是限制性的且具有角度设置的电容器板也是可能的。
可选地，力检测机构9也可使用其它转换装置将尖端位移转换成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，例如任何种类的弹簧。弹性元件被配置为将力施加在尖端元件10上作用于抵抗(补偿)施加在尖端3上的超过力传感器的力测量范围的力。因此，由力传感器检测的力等于或至少线性正比于在检测时间时的尖端元件10上的弹性元件的力。换句话说，对于尖端元件10上的弹性元件的不同的力(对应于不同的尖端位移)，不同的力由力传感器来测量。此维持在力传感器的完整的力检测范围。
在所示实施例中，弹性元件是如图4、图9、图10、图11、图12和图13中所示的叶片弹簧15。叶片弹簧15优选具有环形形式，其中叶片弹簧15的两个环形段形成弹性叶片部15.1，同时两个其它环形段保持平坦以为了形成叶片弹簧15的固定部15.2。优选地，从固定部15.2中的一个的侧面观察的叶片弹簧15与弹性叶片部15.1形成梯形，弹性叶片部15.1形成梯形的腿或侧边，如图12所示。换言之，弹性叶片部15.1向上弯曲/成形(在尖端位移方向上)，使得叶片弹簧15在尖端位移的方向上具有弹性特征。叶片弹簧15被配置为由一个单一叶片例如金属板成形，例如通过由一个单一叶片冲压成形环形件并通过在叶片表面的表面法线的方向(环中心轴)上弯曲/成形两个环形段。在一个实施例中，弹性叶片部15.1关于通过两个固定部15.2的线对称，即，对应于等腰梯形。然而，叶片弹簧15也可以是非对称的。叶片弹簧15也可以包括仅一个或两个以上的弹性叶片部15.1。然而，叶片弹簧15也可不具有固定部15.2和/或弹性叶片部15.1还可以具有其它的侧视形状，例如三角形(无固定部15.2)、圆形的弹性叶片部(例如椭圆形、多边形、多项式、圆形等)等。在所示实施例中的环状是圆形的，但其它环状像椭圆形、三角形、矩形、正方形、n角形等也是可能的。叶片弹簧15可选地也可为非环形的，优选地也具有两个或多个叶片部。叶部分可以例如由叶片指或三角形成形。
固定部15.2通过固定构件15.3被固定在壳体9.1上，固定构件15.3由叶片指被弯曲为与固定部15.2成直角而成形。固定构件15.3也被配置为由与弹性叶片部15.1和/或固定部15.2相同的单一叶片成形。那些固定构件15.3插在壳体9.1的孔16中。孔16设置在由壳体9.1形成的中空圆柱体的近底平面中。因此，固定部15.2将由力检测机构9的壳体9.1的近内底平面来支撑。弹性叶片部15.1由第二电容器板12在张力下支撑，使得弹性叶片部15.1以小的初始力在初始位置按压尖端元件10。当尖端3上的力超过初始力时，尖端元件10在对抗叶片弹簧15的力的位移方向上移动。初始力非常小或为零。优选地，叶片弹簧15是导电的，例如由金属制成，并通过壳体9.1与印刷电路板8接触。这可以通过与固定构件15.3接触的孔16或通过壳体9.1和固定部的内底平面实现。然而，其它接触方法是可能的。也可以将固定部15.1固定在第二电容器板12上及将弹性叶片部15.1固定在壳体9.1上。本解决方案具有弹性元件对于笔位置信号用作对尖端元件10的接触机构，且同时对于力检测机构作为弹性元件的优点。通过在力检测机构9的壳体9.1中支撑弹性元件，尖端3上的力被传递到力检测机构9的壳体9.1上，力检测机构9将力传递在印刷电路板8的整个远端侧上和/或传递到笔壳体6。因此，该解决方案在一侧上使用弹性元件以使尖端元件10与印刷电路板8接触，而不是仅在笔位置信号的印刷电路板8的输出端子上传递力，而是在印刷电路板8的整侧上和/或在笔壳体6上传递力。因此，印刷电路板8上的损坏有效地被忽略。
壳体9.1优选由远侧半壳层9.11和近侧半壳层9.12成形。在图7和图8中所示的远侧半壳层9.11包括第一电容器板14并引导尖端元件10的杆11。近侧半壳层9.12支撑弹性元件，使得弹性元件的力作用于抵抗尖端元件10的尖端位移。远侧半壳层9.11和近侧半壳层9.12一起形成中空圆柱体。远侧半壳层9.11和近侧半壳层9.12优选通过印刷电路板8的臂8.2结合在一起。这种设置允许打开壳体9.1用于将力检测机构9与弹性元件和尖端元件10组装。
弹性元件的刚度S(d)优选随着尖端位移d改变。这产生了具有力F＝-S(d)*d的非线性弹性元件。优选地，刚度随着尖端位移的增加而增加。这包括稳定增加的刚度或步进式增加，例如从初始位置到第一尖端位移的低刚度和在第一尖端位移和第二或最大尖端位移之间的第二刚度。这允许对于较小的力引起较高的尖端位移，而在较高的力处的尖端位移变得较小。这允许相同的最大尖端位移以扩大可检测力范围而不减小在小的尖端位移处的敏感度。然而，也可以使用恒定刚度S的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，特别是叶片部的长度或半径、角度α、弹性叶片部15.1的厚度t和/或叶片部15.1的广度L。这些参数可被选择为使得叶片弹簧15示出具有取决于尖端位移d的刚度的非线性特征。这可通过选择用于不同叶片部的那些参数来实现，使得至少两个叶片部具有不同的(恒定的)刚度，其导致结合为非线性刚度。在所示实施例中，两个叶片部中的每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，只有具有较大角度α和/或较大长度/半径的第一叶片部将作用于抵抗尖端3上的力。当尖端元件10被移位第一尖端位移时，尖端元件10也将接触第二叶片部并且两个叶片部的刚度将加起来成为增加的刚度。因此，这样的设置可以实现具有阶梯函数的刚度S(d)。随尖端位移的阶梯的时刻可以通过叶片弹簧的参数进行控制，当第二叶片部接触尖端元件时，叶片弹簧的参数引起从初始位置到第一尖端位移所必需的尖端位移。对于尖端位移小于第一尖端位移的刚度可以通过第一叶片部的参数如广度和/或厚度t进行控制。对于尖端位移大于第一尖端位移的刚度是两个叶片部一起的刚度并且可以通过第二叶片部的参数如广度和/或厚度t进行控制。优选地，第二叶片部的广度和/或厚度大于第一叶片部。多个阶梯函数(超过1阶)可以通过多个叶片部(多于2个)来实现。这可以例如通过在叶片弹簧中设置三个或多个叶片部如叶片指或三角形来实现。当尖端元件10将接触各自的叶片部时，每个叶片部可以具有不同的接触尖端位移。当叶片部是三角形或指状的时，叶片部可以星形(环形)形式来设置。然而，也可能实现叶片弹簧具有随尖端位移不断变化的刚度。这可以例如通过螺旋叶片部来实现，其具有增加的广度或厚度或确定从第一接触区到最后接触区的参数的另一刚度。
图13A和13B示出了作为可以代替在前面的附图中的叶片弹簧15的弹性元件的叶片弹簧21的可选实施例。而且，在该实施例中，叶片弹簧21具有设置在第一平面中的基部21.2和至少一个弹性叶片部21.1。优选地，至少一个弹性叶片部21.1由一个单一叶片材料切割而成(除了在弯曲边缘处)，其设置在第一平面中，如图13C所示。优选地，至少一个弹性叶片部21.1然后在弯曲边缘处弯曲，使得至少一个弹性叶片部21.1的表面被设置为与第一平面或基部21.2的表面成至少一个角度α，如图13A所示。因此，至少一个弹性叶片部21.1(中的每个)的端具有超过基部21.2或第一平面的一定高度。至少一个弹性叶片部21.1(中的每个)的端和基部21.2设置在尖端元件10(此处为电容器板12)和笔的壳体(此处为力检测机构的壳体9)之间使得在尖端元件10上的叶片弹簧21的力对于每个尖端位移在力传感器范围内变化。优选地，至少一个弹性叶片部包括多个(至少两个)弹性叶片部21.1。这使得具有非常小的高度的大的力范围的弹簧得以实现。俯视第一平面，叶片弹簧21具有中心C和圆周侧。优选地，多个弹性叶片部21.1中的每个被弯曲为使得弯曲边缘在叶片弹簧21的圆周侧的方向上并且使得弹性叶片部21.1(具有超过第一平面的提到的高度)的端指向中心C，如图13A和图13B中所示。优选地，弹性叶片部21.11在中心C和弯曲边缘之间从叶片材料中被切掉，如图13C中所示。每个弹性叶片部21.11的形状为三角形。像这样，尽管叶片弹簧21具有大的力范围，但叶片弹簧21的广度d可保持非常小。在所示实施例中，叶片弹簧21具有圆周基部21.2，在此处弹性叶片部21.1设置有弯曲边缘。优选地，多个弹性叶片部21.1包括至少一个第一弹性叶片部21.11和至少一个第二弹性叶片部21.12。优选地，至少一个第一弹性叶片部21.11(中的每个)的端具有第一高度h1和/或至少一个第一弹性叶片部21.11(中的每个)具有第一刚度。优选地，至少一个第二弹性叶片部21.12(中的每个)的端具有第二高度h2和/或至少一个第二弹性叶片部21.12(中的每个)具有第二刚度。第一高度h1大于第二高度h2。优选地，但不是必须地，第一刚度小于第二刚度。这使得具有在第一压缩范围中(<h1-h2)的第一弹簧刚度(＝第一弹性叶片部21.11的数量*第一刚度)的叶片弹簧和具有在第二更大的压缩范围中(>h1-h2)的第二更硬的弹簧刚度(＝第一弹性叶片部21.11的数量*第一刚度+第二弹性叶片部21.12的数量*第二刚度)的叶片弹簧得以实现。第二弹簧刚度更硬，因为除了至少一个第一弹性叶片部21.11外至少一个第二弹性叶片部21.12也作用在尖端元件10上。这使得具有阶梯函数的如上所述的非线性叶片弹簧得以实现。第一弹性叶片部21.11和第二弹性叶片部21.12的不同刚度可以通过不同的形式来实现，在这里弯曲边缘a1和a2具有不同的长度。叶片材料优选为金属，例如铜或含铜金属，如CuB2(EN1654)。
所述的叶片弹簧21使得具有非常小的尺寸的在力传感器的整个力范围内的弹簧得以实现。弹簧21的高度(h1)优选小于3mm，优选小于2mm，优选小于1.5mm。弹簧21的广度(d)优选小于15mm，优选小于10mm，优选小于8mm。弯曲边缘与圆周边缘之间的圆周基部21.2的广度(c)优选小于1mm，优选小于0.6mm，优选为小于0.4mm。第一高度h1和第二高度之间的差优选小于0.3mm，优选小于0.2mm，优选小于0.15mm。
力检测机构9和力检测电路一起形成力传感器。
有源笔15的压力传感器的所述实施例对连续发射笔位置信号即不与触摸设备相同步的有源笔是特别有利的，如在WO2014/174123中公开的，其在此将通过引用方式并入本文。这种有源笔在与检测无源位置和在电容式触摸表面上连续地发射有源触摸的触摸设备的结合中是特别有利的。这种触摸设备在WO2014/174123中被公开并将通过引用附入。
在本发明中的优选的特征意味着这是实施本发明的最佳方式，但此特征可被权利要求的范围内的任何其它特征来代替。换句话说，保护范围不受限于优选特征，而是可以任何其它方式来实施。
在不脱离如所附的权利要求所限定的本发明的范围的情况下，本发明所描述的实施例的各种修改和变型对于本领域技术人员将是明显的。尽管已经结合具体优选的实施例描述了本发明，但应当理解的是，如要求保护的发明不应被不适当地限制于这些具体实施例。

Claims (19)

1.有源位置指示器，其包括：
可动尖端元件(10)，其被配置为在位移方向上从初始位置被移位取决于作用在尖端(3)上的力的尖端位移，所述尖端(3)设置在所述尖端元件(10)的远端上；
力传感器，其用于检测作用在所述尖端(3)上的力，其中所述力传感器包括相对所述尖端位移作用在所述尖端元件(10)上的弹性元件和用于将所述尖端元件(10)的尖端位移转换成电信号的转换器装置；
其特征在于
其中所述弹性元件是叶片弹簧(15、21)。
2.根据前述权利要求所述的有源位置指示器，其中对于所述叶片弹簧(15、20)作用在所述尖端元件(10)上的每个力，作用在所述尖端元件(10)上的不同的力利用所述力传感器来测量。
3.根据前述权利要求中的一项所述的有源位置指示器，其中所述叶片弹簧(15、21)是非线性的并且具有取决于所述尖端位移的刚度。
4.根据前述权利要求所述的有源位置指示器，其中所述叶片弹簧(15、21)的刚度随着尖端位移的增加而增加。
5.根据前述权利要求中的一项所述的有源位置指示器，其中所述叶片弹簧(15、21)由叶片材料成形，具有以一定角度向叶片表面外弯曲的至少一个弹性叶片部(15.1、21.1)，其中所述叶片弹簧(15、21)设置有与所述位移方向成直角的所述叶片材料的叶片表面法线并且具有在所述位移方向的方向上是弹性的所述至少一个弹性叶片部(15.1、21.1)。
6.根据前述权利要求中的一项所述的有源位置指示器，其中所述叶片弹簧(15)包括由所述叶片弹簧(15)的叶片材料构成的用于固定所述叶片弹簧(15)的固定构件(15.3)。
7.根据前述权利要求中的一项所述的有源位置指示器，其中所述叶片弹簧(15、21)包括至少两个弹性叶片部(15.1、21.1)，其在所述位移方向上是弹性的并且用作抵抗所述尖端(3)上的力。
8.根据权利要求7所述的有源位置指示器，其中所述至少两个弹性叶片部(15.1、21.1)包括：至少一个第一弹性叶片部(21.11)，其被设置为与所述尖端元件(10)接触，用于对于小的力的所述叶片弹簧(21、15)的第一压缩范围；以及至少一个第二弹性叶片部(21.12)，其被设置为在所述第一压缩范围后与所述尖端元件(10)接触，用于对于较大力的所述叶片弹簧(21、15)的第二压缩范围。
9.根据权利要求8所述的有源位置指示器，其中所述至少一个第二弹性叶片部(21.12)具有比所述至少一个第一弹性叶片部(21.11)大的刚度。
10.根据权利要求7至9中的一项所述的有源位置指示器，其中所述叶片弹簧(15)具有环形形状，其环的中心轴平行于所述位移方向并具有在所述位移方向上弯曲的形成每个弹性叶片部(15.1)的至少一个环形段。
11.根据权利要求7至9中的一项所述的有源位置指示器，其中所述至少一个弹性叶片部(21.1)中的每个被弯曲为使得弯曲边缘在所述叶片弹簧(21)的圆周侧的方向上并使得所述弹性叶片部(21.1)的端指向所述叶片弹簧(21)的中心(C)。
12.根据权利要求11所述的有源位置指示器，其中所述至少两个弹性叶片部(21.1)在叶片材料的中心(C)和弯曲边缘之间从所述叶片材料作为三角形片被切掉。
13.根据前述权利要求中的一项所述的有源位置指示器，其中所述力传感器包括力检测机构壳体(9.1)且所述叶片弹簧(15、21)被设置在壳体壁和所述尖端元件(10)之间的所述力检测机构壳体(9)中，其中所述尖端元件(10)被引导进入所述力检测机构壳体(9.1)。
14.根据前述权利要求所述的有源位置指示器，其中所述力检测机构壳体(9.1)具有中空圆柱体的形式，所述尖端元件(10)沿着圆柱体轴线移动。
15.根据前述权利要求中的一项所述的有源位置指示器，其包括位置信号电路，其通过所述叶片弹簧(15、21)与所述可动尖端元件(10)连接并且被配置为生成待被施加在所述尖端(3)上的指示器位置信号，其中所述弹性元件是导电的。
16.根据前述权利要求中的一项所述的有源位置指示器，其中转换器是电容元件，其具有取决于所述尖端位移的电容值。
17.根据前述权利要求所述的有源位置指示器，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。
18.检测有源位置指示器的尖端(3)上的力的方法，其包括步骤：
检测所述尖端(3)的尖端位移，所述尖端位移取决于所述尖端(3)上的力；
其特征在于
叶片弹簧被用于作用于抵抗由施加在所述尖端(3)上的力引起的所述尖端位移。
19.一种触摸系统，其包括：
根据权利要求1至13中的一项所述的有源位置指示器(800、5)，其被配置为发射尖端(3)的指示器位置信号；
触摸设备，其被配置为基于所发射的指示器位置信号检测所述有源位置指示器的尖端(3)的位置。
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