CN106864091A - 一种使用通用墨芯的手写光笔 - Google Patents

Abstract

一种使用通用墨芯的手写光笔，包含有可拆分为笔杆和笔帽的组合笔筒；在笔筒中还包含有一个由光学材料制造的中空导光管，其出一端伸出笔杆的书写端之外；在导光管内部安装有一根通用墨芯，墨芯的笔尖从导光管的尖端伸出到笔杆之外。控制电路、电池、书写压力传感器、发光元件均安装于所述笔帽之内；笔筒安装后，导光管的受光面与发光元件的发光面相对应；并且墨芯同时用于传递书写的压力。本发明以简单的结构、低廉的成本解决了目前各种电子手写笔无法兼容使用通用水性墨芯的问题，因此可以同时形成电子和墨迹双文档，非常适合于电化、网络教育的应用。

Description

一种使用通用墨芯的手写光笔

技术领域

本发明是一种用于计算机手写输入的装置的手写笔，属人机交互技术领域，特别是使用光电技术实现手写输入的手写光笔。

背景技术

操作计算机或者进行文字、图形的输入，除了使用最广泛的设备是键盘和鼠标外，各种手写板、手写笔是最常用的外部设备之一。目前带有底板的手写板常用的电阻、电容和电磁三种基本结构。这三种结构各有优缺点，但普遍的一个缺点是不能或者很难使用通用的水性墨芯，这个缺点制约了这几种手写板在某些场合的应用，如网络或电化教育的应用。因为在网络或电化教育领域，除了要形成电子文档，很多情况还要留下手写的墨迹文档。

电阻手写板理论上可以使用各种硬笔来书写，在板面上留下墨迹，但是如果在手写板上放上若干层纸，笔尖的压力被严重分散，虽然可留下手写的墨迹文档，但难以同时在计算机中形成电子文档。电容手写板要求笔尖是面积较大的导电体，而市场上通用的签字笔墨芯，一方面都是以绝缘体塑料为主要原材料制造的，因此不能直接使用；另一方面笔尖的面积非常小，即便是解决了导电的问题能用，现有的常规技术也很难准确侦测到笔尖的位置。同时，电容手写板的电极尺寸较大，也很难达到很高的精度。同时，这两种技术的手写板，一般只能侦测到手写行为的有与无，无法或者很难实现像鼠标那样，可悬浮指示笔尖在手写板或者屏幕上的位置的功能。

另一种常用的电磁手写板虽然具有分辨率高、电磁波可穿透纸张书写的优点，但是因为笔尖处有需要与电路部分相连接的线圈等零部件，所以整只笔只能是一体化的，即使有可能将油性墨芯安装在笔内而实现在纸张上书写的功能，但是因为笔的直径、笔杆中电路连接的限制，基本无法使用并更换通用的签字笔墨芯。即便是解决了电路部分与笔尖内元器件的电气连接的问题，但精细的结构、复杂的安装意味着高昂的成本。

另外被应用的手写或触控技术还有超声技术和光学技术。超声波手写笔一般能够兼容油性墨芯，而且具有体积小、应用方便的优点，但是如同电磁笔一样涉及到笔尖部分的超声和红外发射器的连接问题，整只笔是一体化的，因此目前的产品只能使用从笔尖部位插入的不锈钢外壳油性墨芯，也就是传统的圆珠笔芯。而对于学生，在作业和考试中一般不允许使用圆珠笔，因此不很适用于教育行业。尽管也可以将圆珠笔芯更换为专用于超声波手写笔的、不锈钢外壳的水性墨芯，但是存在墨水容量太小，需要频繁更换墨芯的问题，并且这种墨芯的成本很高，大幅度抬高了使用成本。

光学技术的典型产品是光笔，即在需要书写的区域的两个顶角安装两只接收角覆盖整个书写区域的面阵或线阵的“摄像头”，这两个摄像头与其相配合的信号检测、处理、计算和数据传输电路，构成了通用的光学手写板。在这类手写板中，通常使用一只能发射红外线的光笔在书写区域内书写。但是这种光笔的结构，一般也是需要将红外发射元件安装在笔尖部分，然后通过引线与电路部分相连接，与超声笔和电磁笔一样，组要做成一体化的，因而也存在不能使用通用墨芯的问题，因此也无法实现纸质和电子双文档的目的。

发明内容

技术方案

针对现有各种手写输入技术和产品的缺点和不足，本发明公开了一种可以使用通用的签字笔墨芯的光笔，以简单的结构和低廉的使用费用实现纸质和电子双文档的手写图文输入的技术方案。

本发明所公开的使用通用墨芯的手写光笔，包含有笔筒，以及安装在笔筒内部的控制电路、书写压力传感器、发光元件和墨芯，其中，笔筒是至少可拆分为笔杆和笔帽的组合笔筒；在所述笔筒中还包含有一个由光学材料制造、中空的、包含有入光端、导光体、出光端的表面光滑的导光管，其出光端伸出笔杆的书写端之外；所述墨芯安装在所述导光管的空腔之内，可以从导光管的入光端插入或拔出，墨芯的笔尖从导光管的出光端伸出到笔杆之外；所述控制电路、电池、书写压力传感器、发光元件均安装于所述笔帽之内；并且当构成笔筒的所述笔杆、笔帽的各个部件组合在一起时，所述导光管的一部分插入到笔帽之内，其入光面与安装在所述笔帽内发光元件的发光面相对应，墨芯的尾端与书写压力传感器的压力检测端的位置相对应；所述墨芯是使用水性墨水的水性墨芯，即通用的签字笔墨芯。

进一步，为了墨芯的尾端能够与所述书写压力传感器的检测端更好匹配，还可以在所述墨芯的尾端与所述书写压力传感器的检测端之间安装一个顶针；所述顶针带有两个凸起的尖端，其中一个安装在所述墨芯的油墨管的尾端，另一端在所述笔筒的笔杆和笔帽组合在一起时，与所述书写压力传感器的压力检测端所在的位置相对应。

对于不同厂家生产的通用墨芯，其长度一般都会有少许差异，或者为了减小整只笔的长度，可能要将墨芯没有油墨的空白部分切除使用，在切除的过程中也会产生长度差异，因此本方案中，还可以在所述书写压力传感器的压力检测端与所述墨芯之间安装一个支撑筒；在所述书写压力传感器的压力检测端与所述墨芯之间，还安装有一个一端开口的支撑筒；其内径不小于墨芯的外径，内部长度大于从墨芯尾端到墨芯笔尖附近卡位盘之间的长度，且支撑筒的开口端的直径小于所述卡位盘的直径；在所述支撑筒的封闭端嵌入安装有一个螺母以及与螺母相配合的螺杆；所述螺杆的一端旋入支撑筒内部，另一端伸出筒外构成一个顶针；当所述笔杆、笔帽组合在一起时，所述顶针的顶端与所述书写压力传感器的压力检测端的位置相对应。

进一步，为增加导光管出射端所发射的红外线在各个方向的均匀度，所述导光管伸出到笔杆书写端之外的出光端的外表面，是一个向笔尖方向收缩的锥形粗糙散射表面。

进一步，为将导光筒内的红外线更多地发射到周围的空间，尤其是书写时平行于书写纸面方向的光线，还可以将所述导光管伸出到笔杆书写端之外的出光端的内表面为一个与墨芯的轴线成一个向外扩张的锥角的光滑表面。

一般来说，光笔的电源均为电池供电，为减少更换电池的麻烦和成本，在本发明中，使用可充电电池供电是电源的一种优选的技术方案。

更进一步，为了给电池充电，需要在所述笔帽的顶端，设置有至少两个充电触点，分别与所述电池充电电路的电源输入端相连接。

本发明中，光笔的发光元件使用不发射可见光的红外发光二极管，至少有两只红外发光管间隔均匀地安装在笔帽内部，其发光面面对着所述导光管的入光面，以保证导光管内部光强的分布更均匀。

更进一步，为获得更好的光利用率，将原来散射到发光管周边的光能集中利用起来，还可以将至少两只红外发光管由红外光学材料封装在一起，构成一体化的环形发光管。

有益效果

从上面对技术方案的说明可以看到，本发明的有益效果表现在以简单的结构、低廉的成本解决了目前各种电子手写笔无法兼容使用通用水性墨芯的问题，因此作为手写笔的应用，不仅可以形成电子文档，同时还能在纸张上留下的笔迹，这种能够同时形成双文档的功能，对于教育领域的应用，在满足电化、网络教育的要求的前提下，还能够锻炼、强化学生的书写能力，不会因为电子化教育的普及而导致对于基本书写技能甚至传统文化的偏废。而且对于办公等其他应用，也能够实现如电子签名的纸张备份等功能，有利于增强网络信息的安全性和可追溯性。

附图说明

图1：本发明手写光笔的基本结构示意图；

图2：基本光路和控制单元的结构示意图；

图3：墨芯支撑套的基本结构与安装结构示意图；

图4：环形发光管的顶视和侧视示意图；

图5：一种同心圆环充电电极的结构。

图1中，101为笔筒，即笔杆102和笔帽103通过螺纹配合104的组合体；105为导光管，包含有入光端106、出光端107，其中还有一个限位台阶108；109是安装在导光筒内的墨芯，110是墨芯上的限位盘，下面就是笔尖111。112是红外发射控制组件，上面的113是红外发光管。114是压力检测元件，115是电池，116是电池115的充电端口，117是安装在墨芯尾端的顶针，118和119是顶针的两个顶端。

图2中，201控制PCB，202是发射PCB，203是支撑环，204是触点帽，205是弹簧，206是触点电极，207是压力检测元件的检测孔，208是出光端107的内表面，209是导光管内部的若干条光线。

图3中，301是支撑筒，302是内嵌螺母，303是顶丝。

图4中，401是红外光学材料封装的导光环，402是焊接电极，403是内部连接线，404是加固用的焊接电极。

图5中，501是圆形触点，502是环形触点；503是PCB板。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的基本实施方式。

本方案的手写光笔的一种基本结构如图1所示。在图1中，由笔杆102和笔帽103通过螺纹104组合在一起构成了笔筒101，即整个光笔的外壳；在笔筒101之内，主要是笔杆102之内，安装有了一个中空的、表面光滑的导光管105；该导光管包含有一个直径较大、端面光滑的入光端106，导光管的另一端是直径较小的出光端107，也就是光线的发射端，依据一般手写笔的造型，一般可随着笔杆在笔尖附近的收缩而成锥形。为避免光源对使用者的视觉产生影响并提高抗干扰性，光源一般使用红外发光管，因此该导光管应该使用红外透光性良好的光学材料，如光学级的亚克力或PC材料注塑而成。导光管105的入光端107与安装在笔帽103内的光源——红外发光管113的发射面所在的位置相对应，二者之间一般留有一个很小的间隙，如零点几到一毫米之间，这样既能保证红外发光管发射的红外线大部分都能被入光端所接收而提高光利用效率，又能保证在更换墨芯时入光端顶在发射管上而损坏发射管。这个间隙主要是通过控制所述笔帽、笔杆、连接螺纹与导光管之间的尺寸和安装公差来保证。红外发光管113与安装在笔帽内的红外发射控制组件112电连接并在其控制下发光。红外发射控制组件112包含有电子电路，并且包含有一个压力检测元件114，一般是一个微动开关，安装在所述控制组件内且与导光管的内部空腔能够直接连通的位置，如图中所示，其压力检测端与安装在通用墨芯109的一端的顶针117的一个顶端118相接触（或有很微小的距离，如图2所示）。所述墨芯109是通用的水性签字笔墨芯的一种，安装在导光管105内部，通过墨芯上的限位盘110与导光管内的限位台阶108来限制墨芯在导光管内的位置，以及笔尖111伸出导光管外的长短。所述顶针117的另一个顶端119插入墨芯油墨管的尾端。这样，在当手写光笔在书写时，书写的压力通过笔尖111、墨芯109的油墨管、顶针117传递到压力检察元件114的检测端，而后通过控制组件112来控制红外发光管113的发射状态。这样，光学手写板的红外接收部分及其信号处理、计算、数据传输等部分就可以通过检测导光管出光端107所发射的红外线所携带的信息，实现对手写笔的定位、书写等功能。

图2进一步给出了图1中导光管105、红外发射控制组件112、压力检测元件116之间一种结构关系的示意图。其中导光管是利用光在光密介质与光疏介质之间的界面发生全反射的原理，来将入光端106接收到的由红外发光管113所发射的红外线传输到出光端107，再通过出光端发射到笔尖周围的空间中。在图2中，带有箭头的折线209表示红外光线从导光管的入光端106摄入后，在由光密介质如光学亚克力、PC等材料构成的导光管中传播的方向。由于导光管的周围是相对于导光管而言的光疏介质——空气，所以如果导光管的内外表面是光滑的表面，那么绝大部分入射光线会在导光管的内壁发生光损耗极小的全反射，这样绝大部分入射光线能通过导光管被传输到出光端107，然后被发射到周围的空间之内。但是由于大部分光线的传播方向都与导光管的轴线方向相近似，所以如果不作处理，大部分红外光线将从出光端107的尖端射出。为了最大限度让光线209从出光端的周围发射出去，这里对出光端做两种处理：第一，将出光端的外表面做成可以漫反射的粗糙表面，让一部分光线通过漫反射而改变传播方向，发射到出光端周围的空间中；第二，将出光端的内表面208设计成一个与墨芯的轴线成一个向外扩张的锥角α的光滑表面，使得部分可以在这个表面发生全反射的光线能较大幅度的改变传输方向，实现向出光端周围散射的目的。在具体设计中，可根据导光管的厚度、出光端口的收缩率、使用者的持笔习惯等因素综合考虑，来设计这个角度α。

其次来说明控制组件112中压力检测元件的一种具体结构。图2中的压力检测元件是一个只能检测通断的微动开关，可以满足一般模拟签字笔书写的需要。如图所示，该开关由触点帽204、弹簧205、触点电极206构成。其中弹簧204焊接在控制PCB 201上，触点帽205在弹簧的压力下，内表面与弹簧接触形成电通路，外表面的一部分（图中是圆柱体的底面）与设置在发射PCB 202上的触点电极206相接处。这里触点帽205的高度小于支撑控制PCB201和发射PCB 202的支撑环203的厚度，以保证在有通过检测孔207 传递过来的书写压力时，触点帽205可以被顶起，微动开关断开。当书写压力消失后，在弹簧弹力和触点帽本身重力的作用下，触点帽205与触点电极206相接触，微动开关闭合。依据经验，一般使用常闭开关来控制书写状态的可靠性更高一些，因此在此设计为常闭开关。当然在能够保证可靠性的情况下，这个开关也可以设计为常开的，这时触点电极206可以设计在控制PCB 201的背面，即焊接弹簧的一面。

由于不同企业生产的通用墨芯在长度上会有些差异，或者为了缩短整个光笔的长度，在这种情况下使用墨芯，将会导致顶针117与压力检测元件之间的位置会有变化，导致顶针的上端118与压力检测元件的检测端之间的空隙增加或减小，从而影响光笔的正常使用，或者需经过比较麻烦的调整后才能使用。为避免这个问题，本方案给出了一个墨芯支撑套的结构来避免这个问题。如图3所示，在墨芯外面增加一个由薄壁金属或塑料支撑筒301、内嵌螺母302和顶丝303构成的支撑套，套在墨芯109的外面，通过墨芯上的限位盘110来设定支撑套的位置。之所以通过限位盘110来限定墨芯支撑套的位置，是因为限位盘是通用墨芯上最常用的定位结构，不同厂家的墨芯的总长度可能会有所不同，但是限位盘与墨芯的笔尖111之间的尺寸是固定的，因此市场上使用相同种类墨芯的签字笔，尽管外部尺寸可能不相同，但只要墨芯的种类相同，都可以互换使用。这样，只要将墨芯的油墨筒部分的长度小于支撑筒内不的长度，将墨芯插入支撑筒内，则无论油墨管的长度是多少，墨芯的总长度都是固定的。如果要尽可能缩短手写笔的总长度，则可能需要将支撑筒的长度缩短一些，这时使用者可以把墨芯中没有填充油墨的部分切除后再插入支撑筒。如果因为加工公差和组装公差等原因造成装配尺寸的误差，还可以通过调节安装在嵌入螺母302中的顶丝303来微调，保证在书写时墨芯上下运动的行程在合理的范围内。

一般来说，光笔的电源均为电池供电，为减少更换电池的麻烦和成本，在本发明中，使用可充电电池如聚合物锂电池供电是一种优选的电源方案，如图1中的电池115。与此对应，需要设置给电池充电的接口116。传统的方案是使用接插件如Micro USB等插口，但由于笔内空间狭小，所以很难容纳下传统的接插件。因此在本发明中采用了触点的连接方案：在笔帽102的尾端设置有充电触点，与所述电池充电电路的电源输入端相连接。一个可选方案是在笔帽的顶端如图5所示，在PCB板503上设置两个同心的圆、环状触点501、502；另一种方案是使用金属材料制作笔帽，在笔帽的尾端设置一个触点，笔帽本身作为另一个触点。当然与此对应，外部的充电电源也需要设置相应的接口与这些触点相连接，并设置某种结构来保证连接的正确性和可靠性。

本发明中，光笔的发光元件使用不发射可见光的红外发光二极管，应该至少有两只红外发光管间隔均匀地安装在笔帽内部，其发光面面对着所述导光管的入光面，以保证导光管内部光强的分布更均匀。从电池端电压的角度看，一般单节可充电锂电池的端电压比较适合驱动两只正向压降1.5V左右的红外发光管串联连接，这样会得到较高的利用率，因此红外发光管的数量应该是偶数，两两串联后接入驱动电路。

因为红外发光管都有一定的发射角度范围，因此所发出的红外光会有一部分散射到导光管入光面之外的空间中而浪费掉。为获得更好的光利用率，或者说在获得同样光强的条件下减小驱动电流而提高电池的供电时间，可以设计相应的光学结构将原来散射到发光管周边的光能集中利用起来。在本发明中，可采用将至少两只红外发光管由良透光材料封装在一起，构成一体化的环形发光管的结构方案，如图4所示的结构示意图，利用全反射的原理尽可能将红外发光管所发射的红外线都传送带导光管中。在图4中，两只红外发光管在由红外光学材料制造的导光环401封装在一起，内部通过连接线（或PCB）403串联连接，通过表面连接电极402和加固电极404（无电气连接的焊点）固定在笔帽内部的其它PCB上。

以上的实施例只是本发明众多可用的实施例中的一个，还有很多可用的结构。比如导光管的具体结构的改变，红外发光管与导光管之间的位置关系，以及出光端的各种具体结构等等。因此，在本发明的基本技术方案基础上的各种替换、移植、简化等技术方案，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种使用通用墨芯的手写光笔，包含有笔筒，以及安装在笔筒内部的电源、控制电路、书写压力传感器、发光元件和墨芯，其特征在于：所述笔筒是至少可拆分为笔杆和笔帽的组合笔筒；在所述笔杆内安装有一个包含由光学材料制造的、中空的、有一个入光端、导光段、出光端的表面光滑的导光管，其出光端伸出笔杆的书写端之外；所述墨芯安装在所述导光管的空腔之内，可以从导光管的入光端插入或拔出，墨芯的笔尖从导光管的出光端伸出到笔杆之外；所述控制电路、电池、书写压力传感器、发光元件均安装于所述笔帽之内；并且当构成笔筒的所述笔杆、笔帽的各个部件组合在一起时，所述导光管的一部分插入到笔帽之内，其入光面与安装在所述笔帽内发光元件的发光面相对应，墨芯的尾端与书写压力传感器的压力检测端的位置相对应；所述墨芯是使用水性墨水的水性墨芯，即通用的签字笔墨芯。

2.根据权利要求1所述的手写光笔，其特征在于：在所述墨芯的尾端与所述书写压力传感器的检测端之间，还安装有一个顶针；所述顶针带有两个凸起的尖端，其中一个安装在所述墨芯的油墨管的尾端，另一端在当所述笔杆和笔帽组合在一起时，与所述书写压力传感器的压力检测端所在的位置相对应。

3.根据权利要求1所述的手写光笔，其特征在于：在所述书写压力传感器的压力检测端与所述墨芯之间，还安装有一个一端开口的支撑筒；其内径不小于墨芯的外径，内部长度大于从墨芯尾端到墨芯笔尖附近限位盘之间的长度，且支撑筒的开口端的直径小于所述限位盘的直径；在所述支撑筒的封闭端嵌入安装有一个螺母以及与螺母相配合的螺杆；所述螺杆的一端旋入支撑筒内部，另一端伸出筒外构成一个顶针；当所述笔杆、笔帽组合在一起时，所述顶针的顶端与所述书写压力传感器的压力检测端的位置相对应。

4.根据权利要求1所述的手写光笔，其特征在于：所述导光管伸出到笔杆书写端之外的出光端的外表面，是一个向笔尖方向收缩的锥形粗糙散射表面。

5.根据权利要求1所述的手写光笔，其特征在于：所述导光管伸出到笔杆书写端之外的出光端的内表面，设置成与笔芯的轴线成一个向外扩张的锥角的是一个光滑的表面。

6.根据权利要求1所述的手写光笔，其特征在于：所述电源是可充电电池。

7.根据权利要求6所述的手写光笔，其特征在于：在所述笔帽上包含有至少两个充电触点，所述触点分别与所述电池充电保护电路的电源输入端相连接。

8.根据权利要求1所述的手写光笔，其特征在于：所述发光元件为红外发光二极管，至少有两只红外发光管间隔均匀地安装在笔帽内部，其发光面面对着所述导光管的入光面。

9.根据权利要求1或8所述的手写光笔，其特征在于：所述发光元件为包含有至少两只红外发光管由红外光学材料封装在一起构成一体化的环形发光管。