CN106952729A - 一种环形可变电容及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环形可变电容及其应用，属于电磁触控感应技术领域。本发明包括笔壳和装配在笔壳内的大容量的笔芯，笔芯尾端与轴向伸缩的轴向可变电容紧密接触，用于检测笔芯的轴向压力；笔芯前半部外侧与笔壳内侧之间紧密嵌套的环形可变电容，用于检测笔芯的径向压力；所述环形可变电容的两电极为嵌套在笔芯外侧的内电极和紧靠在笔壳内部的外电极，两电极之间为可形变的弹性介质，当笔芯沿径向运动时，内电极的圆心发生偏移；轴向可变电容与环形可变电容并联设置。本发明通过在笔芯外侧增加环形可变电容的方法，既能满足径向灵敏度检测，又能满足轴向灵敏度检测，使得将轻巧小容量笔芯更换为大容量笔芯在电磁触控感应领域成为可能。

Description

一种环形可变电容及其应用

技术领域

本发明涉及一种环形可变电容及其应用，属于电磁触控感应技术领域。

背景技术

目前的触控笔主要是利用了电磁触控感应技术，赋予了在电子设备上签名、书写、绘画等功能。在原有触控笔的基础上加入笔芯，使其同时能在纸张上书写并记录书写笔迹，这一触控墨水笔技术已在教育市场逐渐推广使用。但是，现有的触控墨水笔笔芯一般采用D型号笔芯，如图1所示，该型号的笔芯直径较小、长度较短，因此墨水容量少，所以在经常使用的情况下，存在需要较频繁更换笔芯的缺陷，而且也增加了触控墨水笔的使用成本。而更换大容量的笔芯，如图2所示，则加重了笔芯自重，削弱了压力传感器对笔尖因书写受力的感应敏感度，产生了成本和功效难以兼顾的难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有触控墨水笔存在的上述缺陷，提出了一种环形可变电容及其应用，其通过在笔芯外侧增加环形可变电容的方法，增大了压力感应装置对大容量笔芯的感应灵敏度，使得将轻巧小容量笔芯更换为大容量笔芯成为可能。

本发明是采用以下的技术方案实现的：本发明所述的一种环形可变电容，包括内电极和内部的外电极,两电极之间为可形变的弹性介质,当内电极受外力作用导致圆心发生偏移时，整个内电极和内部的外电极之间的容值发生变化。

进一步地，当内电极偏离外电极的圆心距离为b时，环形可变电容的电容值C的计算公式为：

其中，R为内电极的半径，R为外电极的半径，∈为介质的介电常数。

进一步地，内电极和外电极为电容的两个圆柱形极板，弹性介质为塑料薄膜。

一种环形可变电容在电磁笔上的应用，包括笔壳和装配在笔壳内的大容量的笔芯，笔芯外侧与笔壳内侧之间紧密嵌套有环形可变电容，当笔芯沿径向运动时，内电极收到笔芯的作用力导致圆心发生偏移，导致整个环形可变电容的容值发生变化，用于检测笔芯的径向压力。

进一步地，电磁笔还包括用于检测笔芯的轴向压力的轴向可变电容，轴向可变电容由一组定片和一组动片组成，轴向可变电容的容量随着动片的转动可以连续改变，动片与笔芯尾端紧密接触。

进一步地，轴向可变电容与环形可变电容并联设置构成LC谐振电路，通过LC谐振电路的频率或者相位变化，来确定笔芯所在位置和压力感应值。

进一步地，笔壳内还包括电池，LC谐振电路主动发送电磁波。

进一步地，笔壳内不包括电池，LC谐振电路被动与外界的电磁波发生谐振，然后将谐振波反射发送。

进一步地，笔芯为大容量型号，通常采用G2型或G5型。

本发明克服了小容量笔芯替换成为大容量笔芯时出现的灵敏度低的问题，在小容量笔芯使用轴向可变电容的基础上，创造性的增加环形可变电容，两电容并联后再与电感元件构成LC谐振电路，既能满足径向灵敏度检测，又能满足轴向灵敏度检测，使大容量笔芯在电磁触控感应领域成为可能。

本发明的有益效果是：

(1)该径向可形变的可变电容，设置有嵌套在笔芯外侧的环形可变电容，通过感应笔尖所受的侧向压力对其电容值的改变；

(2)该电磁笔，设置有电感线圈串联可变电容组成的LC谐振电路，通过两者的电压电流交替变化，将压力信号转化为电磁信号，记录笔芯书写时受压形成的运动轨迹；

(3)该电磁笔，在书写时随着笔芯的径向运动改变其电容值，作用于LC谐振电路频率变化或相位变化，将书写时的笔迹转化为电磁信号，更为敏感地感应笔芯所受的压力，抵消了因大容量带来的重力增加值在轴向上的分解对压力感应力度的减弱，在更换大容量笔芯后仍能保持较高的压力感应敏感度。

附图说明

图1是现有电磁墨水笔笔芯示意图。

图2是本发明电磁墨水笔笔芯示意图。

图3是本发明电磁笔结构示意图。

图4(a)是现有电磁墨水笔笔芯受力分析图。

图4(b)是本发明电磁墨水笔笔芯受力分析图。

图5(a)是本发明环形可变电容俯视图。

图5(b)是本发明环形可变电容立体图。

图6是本发明环形可变电容原理分析图。

图7是本发明环形可变电容灵敏度曲线图。

图8是本发明的等效电路图。

图中：1.笔壳；2.笔芯；3.轴向可变电容；4.环形可变电容；41.内电极；42.外电极；43.弹性介质；5.电感元件；6.电磁元件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提出一种环形可变电容，其包括内电极41和外电极42，两电极为圆柱环，两电极之间为可形变的弹性介质43、通用墨水笔芯2，例如G2型或G5型笔芯，其中该轴向伸缩的轴向可变电容3用来感应笔尖的轴向压力，该环形可变电容4用来感应笔尖所受的侧向压力。

如图3所示，本发明包括笔壳1和装配在笔壳1内的大容量的笔芯2，笔芯2尾端与轴向伸缩的轴向可变电容3紧密接触，用于检测笔芯2的轴向压力；笔芯2前半部外侧与笔壳1内侧之间紧密嵌套的环形可变电容4，用于检测笔芯2的径向压力；所述环形可变电容4的两电极为嵌套在笔芯2外侧的内电极41和紧靠在笔壳1内部的外电极42，两电极之间为可形变的弹性介质43，当笔芯2沿径向运动时，内电极41的圆心发生偏移，从而导致整个环形可变电容4的容值发生变化；轴向可变电容3与环形可变电容4并联设置。轴向可变电容3由一组定片和一组动片组成，轴向可变电容3的容量随着动片的转动可以连续改变，动片与笔芯2尾端紧密接触。

如图1所示，现有笔芯为小容量型号，通常采用D型。如图2所示，笔芯为大容量型号，通常采用G2型或G5型。

根据图1及图2，G型笔芯的容积约为D型笔芯容积的7.6倍。所以其重量也近似相差7倍。如果采用现有技术，仅在笔芯2的末尾加上轴向可伸缩的轴向可变电容3来感应笔尖的压力，参考图4(a)，为说明笔芯2受力分析对比图。其中，4(a)为D型笔芯受力分析，4(b)为G型笔芯受力分析。可以看出，当按压的力量都为大小F时，笔芯2的实际受力为反作用F减去笔芯2的重力，D型笔芯受力F1＝F-G1，G型笔芯受力为F2＝F-G2，在轻触情况下，G型笔芯受F2会较小于F1，将受力沿轴向和径向进行分解，可以看出G型笔芯受轴向力会小于D型笔芯的轴向力。因此，如果采用现有压力感应技术，采用D型笔芯会得到更大的灵敏度。

为了增大对大容量笔芯2的感应灵敏度，本发明在笔芯2上靠近前端位置增加一个环形可变电容4，参考图3，环形可变电容4可参考图5(a)及图5(b)。

如图5(a)及图5(b)，其中内电极41和外电极42为电容的两个圆柱形极板，极板中间为可弹性形变的介质。内电极41的半径与笔芯2的外半径稍大，且可使二者紧密嵌套，外电极42固定在笔壳1的内部。当笔芯2沿径向运动时，内电极41的圆心会发生偏移，从而导致整个环形可变电容C2的容值发生变化。环形可变电容4的弹性介质43为塑料薄膜。

参考图6，当内电极41偏离外电极42的圆心距离为b时，单位长度非同心圆柱电容C2的计算公式为忽略边缘效应：

其中，R1为内电极41的半径，R2为外电极42的半径，∈₀为介质的介电常数。

假设R1为3mm，R2为6mm，0<b<R1，则

图7中纵坐标单位为介质的介电常数∈₀倍数。从7图中可以看出，适当选择R1和R2的比例，并且限制b的区域，可以得到我们想要的变化速度。可以看出，笔芯2在运动中会出现偏离圆心的运动，从而会增加环形可变电容C2的电容值。环形可变电容C2与轴向可变电容3，共同作用于LC谐振电路的频率变化或相位变化，从而取得更为敏感的压力感应能力。采用环形可变电容C2的另一个好处是，不用担心径向的受力方向。如果仅在笔芯2侧壁增加普通力敏传感器，则还要考虑笔芯2的径向受力方向。

图8为本发明的等效电路图，其中L为电感元件5，R为Q值调整元件，C1为轴向可变电容3，C2为环形可变电容4，C1和C2并联设置，当笔尖受到压力后，C1和C2会分别检测轴向和径向的压力，如此可以得到更高灵敏度的电磁墨水笔。

本发明还包括电磁元件6，电磁元件6位于电感元件5与笔芯2前端之间，电感元件5固定于笔壳1内侧且缠绕于电磁元件6上，电磁元件6固定于笔芯2且与笔芯2同步运动。本发明还包括控制器，控制器位于笔壳1尾部，控制器通过沿笔壳1内部的数据线分别与LC谐振电路中的电感元件5、电阻、轴向可变电容3和环形可变电容4相连，采集电感元件5、轴向可变电容3和环形可变电容4的数值并计算得到笔芯2所受压力。

本发明克服了小容量笔芯2替换成为大容量笔芯2时出现的灵敏度低的问题，在小容量笔芯使用轴向可变电容3的基础上，创造性的增加环形可变电容4，两电容并联后再与电感元件5构成LC谐振电路，既能满足径向灵敏度检测，又能满足轴向灵敏度检测，使大容量笔芯2在电磁触控感应领域成为可能。

现有电磁笔都具有LC谐振电路，在压力产生方法上，通过改变电感值L或者改变电容值C来改变谐振频率，而控制器均设于天线板一侧，由其感应电磁波的位置和频率(或者相位)变化，来确定笔芯所在位置和压力感应值。根据电磁笔中是否具有电池，电磁笔还分为主动式和被动式两种，主动式电磁笔具有电磁波产生电路，其主动向天线板发送电磁波；而被动式电磁笔，先接收来自天线板的电磁波，与之发生谐振，然后将谐振波反射回天线板(此时天线板停止发射)，所以其不需要电池。本发明要保护的是环形可变电容，用来检测笔在书写时的径向压力。因此，本发明可以兼顾各种电磁笔实现的方式。

本发明的使用过程如下所述：当使用该电磁笔进行书写时，笔尖与纸张之间的挤压力反作用于笔芯2，笔芯2作用于置于笔尾的轴向可变电容3，使其因受力产生形变进而改变轴向可变电容3的电容值。与此同时，由于笔芯2的重力和笔尖的作用力在径向上的分解又产生了对环形可变电容4的作用力，使得环形可变电容4的内电极41向外电极42方向产生位移b，引起环形可变电容4改变。笔芯受力使电感元件5与电磁元件6产生相对运动，产生电感变化。轴向可变电容3、环形可变电容4和电感元件5的联合变化，通过LC谐振电路反馈到控制器，根据等效电路分析，最终将上述电信号转换为实际电磁笔的受力，从而在手写板或者其他匹配的电子设备体现书写笔迹。如此可以得到更高灵敏度的电磁笔。

当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。

Claims (8)

1.一种环形可变电容，其特征在于：包括内电极(41)和内部的外电极(42),两电极之间为可形变的弹性介质(43),当内电极(41)受外力作用导致圆心发生偏移时，整个内电极(41)和内部的外电极(42)之间的容值发生变化。

2.根据权利要求1所述的电磁笔，其特征在于：内电极(41)和外电极(42)为电容的两个圆柱形极板，弹性介质(43)为塑料薄膜。

3.一种应用任意权利要求1-2所述环形可变电容的电磁笔，包括笔壳(1)和装配在笔壳(1)内的大容量的笔芯(2)，其特征在于：笔芯(2)外侧与笔壳(1)内侧之间紧密嵌套有环形可变电容(4)，当笔芯(2)沿径向运动时，内电极(41)收到笔芯(2)的作用力导致圆心发生偏移，导致整个环形可变电容(4)的容值发生变化，用于检测笔芯(2)的径向压力。

4.根据权利要求3所述的电磁笔，其特征在于：还包括用于检测笔芯(2)的轴向压力的轴向可变电容(3)，轴向可变电容(3)由一组定片和一组动片组成，轴向可变电容(3)的容量随着动片的转动可以连续改变，动片与笔芯(2)尾端紧密接触。

5.根据权利要求4所述的电磁笔，其特征在于：轴向可变电容(3)与环形可变电容(4)并联设置构成LC谐振电路，通过LC谐振电路的频率或者相位变化，来确定笔芯(2)所在位置和压力感应值。

6.根据权利要求5所述的电磁笔，其特征在于：笔壳(1)内还包括电池，LC谐振电路主动发送电磁波。

7.根据权利要求5所述的电磁笔，其特征在于：笔壳(1)内不包括电池，LC谐振电路被动与外界的电磁波发生谐振，然后将谐振波反射发送。

8.根据权利要求3所述的电磁笔，其特征在于：笔芯(2)为大容量型号，通常采用G2型或G5型。