CN110851004B - 一种触控笔及其驱动方法、触控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种触控笔及其驱动方法、触控系统，涉及触控技术领域，目的是提供一种新型的触控笔，用以提高触控笔的书写体验。一种触控笔，包括：电容单元，所述电容单元在所述触控笔处于不同的倾斜角时具有不同的容值；检测单元，与所述电容单元连接，用于检测所述电容单元的容值并生成电容信息；信号发生单元，与所述检测单元连接，用于根据所述电容信息生成相应的驱动信号；所述电容单元、所述检测单元和所述信号发生单元均设置在所述触控笔的笔身中。本发明适用于触控笔、以及包括该触控笔的触控系统。

Description

一种触控笔及其驱动方法、触控系统

技术领域

本发明涉及触控技术领域，尤其涉及一种触控笔及其驱动方法、触控系统。

背景技术

随着触控技术的发展，越来越多的电子设备采用触控方式进行人机交互。主动式触控笔是进行人机交互时常使用的工具。目前的主动式触控笔工作原理是基于在书写的时候，电子设备的屏幕会向笔芯传导一定的压力，设置在笔芯内部的压力检测装置接收压力并对其进行处理。经过处理后的压力信号再通过传导部件，经由笔芯发送至电子设备的屏幕，进而与屏幕端的电容进行耦合，从而在电子设备的屏幕上呈现出书写的内容。

然而，随着触控技术的发展和人们对于触控操作需求的提高，单纯的压感响应已经难以满足人们对于如绘画等高要求的应用体验。因此，新型主动式触控笔的研发是目前触控技术领域的一个重要研究方向。

发明内容

本发明的实施例提供一种触控笔及其驱动方法、触控系统，目的是提供一种新型的触控笔，用以提高触控笔的书写体验。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一方面，提供了一种触控笔，所述触控笔包括：

电容单元，所述电容单元在所述触控笔处于不同的倾斜角时具有不同的容值；

检测单元，与所述电容单元连接，用于检测所述电容单元的容值并生成电容信息；

信号发生单元，与所述检测单元连接，用于根据所述电容信息生成相应的驱动信号；

所述电容单元、所述检测单元和所述信号发生单元均设置在所述触控笔的笔身中。

可选的，所述电容单元包括：

第一电极，固定于所述笔身的内壁；

第二电极，设置在所述第一电极远离所述触控笔的笔头的一侧，且可沿所述笔身的轴向移动，用于与所述第一电极形成第一电容；

弹性部件，两端分别固定于所述第一电极和所述第二电极，且设置在所述第一电极和所述第二电极之间，所述弹性部件为绝缘介质；

流体，设置在所述第二电极远离所述笔头的一侧，用于在所述触控笔处于不同的倾斜角时，对所述第二电极施加不同的作用力，以使得所述弹性部件产生不同的形变量。

可选的，所述检测单元包括：

模数转换电路，用于将所述第一电容的电容信号转化为数字信号并输出高电平；

计数器，与所述模数转换电路连接，用于检测所述模数转换电路输出高电平的次数；

处理器，与所述计数器连接，用于根据所述模数转换电路输出高电平的次数，计算所述第一电容的容值并输出所述电容信息。

可选的，所述第一电极与第一接地端连接，所述模数转换电路包括：

第一开关，连接所述第二电极和第一电压输入端，用于在第一时段将所述第一电压输入端的信号传输到所述第二电极；

第二开关，连接所述第二电极、第一节点，用于在第二时段将所述第二电极的信号传输到所述第一节点；

第二电容，设置于所述第一节点与第二接地端之间；

比较器，第一输入端连接第二电压输入端，第二输入端连接所述第一节点；

锁存器，输入端连接所述比较器的输出端，输出端连接计数器的输入端；

电阻，第一端连接于所述第一节点；

第三开关，连接所述电阻的第二端、所述第二接地端和所述锁存器的输出端，用于响应所述锁存器输出端的信号将所述电阻第二端的信号传输到接地端。

可选的，所述第一电极和所述第二电极均为导电板，所述弹性部件为绝缘处理后的弹簧。

可选的，所述笔身包括：阻挡部，设置在所述第二电极远离所述触控笔的笔头的一侧。

可选的，所述触控笔还包括：

蓄电单元，用于向所述电容单元、所述检测单元和所述信号发生单元提供电源。

本发明的实施例提供了一种触控笔，所述触控笔包括：电容单元，所述电容单元在所述触控笔处于不同的倾斜角时具有不同的容值；检测单元，与所述电容单元连接，用于检测所述电容单元的容值并生成电容信息；信号发生单元，与所述检测单元连接，用于根据所述电容信息生成相应的驱动信号；所述电容单元、所述检测单元和所述信号发生单元均设置在所述触控笔的笔身中。该触控笔可以根据触控笔的倾斜角发出不同的驱动信号，对触控屏实现不同的控制，从而提高触控笔的书写体验。

另一方面，提供了一种触控系统，包括：上述任一项所述的触控笔，以及可与所述触控笔配合使用的触控屏。

可选的，所述触控屏可接收所述触控笔发出的驱动信号，并根据所述驱动信号的频率变化而显示粗细不同的线条。

本发明的实施例提供了一种触控系统，该触控系统中包括触控笔以及与触控笔配合使用的触控屏，该触控笔可以根据触控笔的倾斜角发出不同的驱动信号，对触控屏实现不同的控制，从而提高触控笔的书写体验，进而提升产品质量和用户体验。

再一方面，提供了一种如上述任一项所述的触控笔的驱动方法，所述方法包括：

检测所述触控笔处于不同的倾斜角时电容单元的容值并生成电容信息；

根据所述电容信息生成相应的驱动信号。

本发明的实施例提供了一种触控笔的驱动方法，采用该驱动方法的触控笔可以根据触控笔的倾斜角发出不同的驱动信号，对触控屏实现不同的控制，从而提高触控笔的书写体验，进而提升产品质量和用户体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种触控笔的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种触控笔的倾斜角的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种触控笔处于不同的倾斜角的结构示意图；

图4为对应图3的受力分析图；

图5为对应图3的弹簧受力而发生形变后的长度示意图；

图6为本发明实施例提供的一种检测单元的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种模数转换电路的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的又一种触控笔的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”、“第三”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”、“第三”等字样并不对数量和执行次序进行限定。

实施例一

本发明实施例提供了一种触控笔，参考图1所示，该触控笔包括：

电容单元10，电容单元在触控笔处于不同的倾斜角时具有不同的容值。

需要说明的是，参考图2所示，触控笔1的中心轴线NM与触控笔1所接触的平面ABCD形成夹角θ，该夹角θ为触控笔的倾斜角。当握笔姿势不同时，夹角θ的大小会随之变化，此时触控笔也会随之处于不同的倾斜角。该夹角θ的范围在0°—90°之间。这里对于电容单元的具体结构不做限定，只要满足其在触控笔处于不同的倾斜角时具有不同的容值即可。

检测单元11，与电容单元连接，用于检测电容单元的容值并生成电容信息。这里对于检测单元的具体电路结构不做限定，只要能满足检测电容单元的容值并生成电容信息的功能即可。

信号发生单元12，与检测单元连接，用于根据电容信息生成相应的驱动信号。信号发生单元可以是集成在单片机或者FPGA(Field ProgrammableGateArray，现场可编程门阵列)等芯片中的电路单元，还可以是单独的一个电路结构，示例的，该信号发生单元可以是一个单独的信号生成器等，本发明实施例对于信号发生单元的具体电路结构不作限定，只要满足相应功能即可。

电容单元、检测单元和信号发生单元均设置在触控笔的笔身中。

上述触控笔还可以包括主动笔芯、笔壳等结构，这里仅说明与发明点相关的结构，其余结构可以参考现有技术或者公知常识获得，此处不再赘述。上述触控笔主要应用在主动式触控笔(又称主动笔)以及包括主动式触控笔的触控系统中。

本发明的实施例提供了一种触控笔，触控笔包括：电容单元，电容单元在触控笔处于不同的倾斜角时具有不同的容值；检测单元，与电容单元连接，用于检测电容单元的容值并生成电容信息；信号发生单元，与检测单元连接，用于根据电容信息生成相应的驱动信号。

电容单元、检测单元和信号发生单元均设置在触控笔的笔身中。该触控笔可以根据触控笔的倾斜角发出不同的驱动信号，对触控屏实现不同的控制，从而提高触控笔的书写体验。该触控笔具有结构简单，响应速度快，既节约成本又减小功耗，便于实现等特点。

可选的，参考图3所示，上述电容单元包括：

第一电极101，固定于笔身(图3未标记)的内壁。

第二电极102，设置在第一电极101远离触控笔的笔头(图3未标记)的一侧，且可沿笔身(图3未标记)的轴向P1P2(图3中(a)图所示)移动，用于与第一电极101形成第一电容。

弹性部件103，两端分别固定于第一电极101和第二电极102，且设置在第一电极101和第二电极102之间，弹性部件为绝缘介质。

流体104，设置在第二电极102远离笔头的一侧，用于在触控笔处于不同的倾斜角时，对第二电极102施加不同的作用力，以使得弹性部件103产生不同的形变量。

这里对于第一电极和第二电极的材料、形状和大小均不作具体限定。第一电极和第二电极的大小和形状可以根据触控笔的大小和形状来确定。示例的，一般触控笔的笔身为圆柱形，那么第一电极和第二电极的形状可以均为圆板。

上述流体可以是一种总体形态随着触控笔的倾斜角的变化而变化的固体。示例的，该流体可以是包括一定数量的固体颗粒，该固体颗粒的材料可以是塑料、橡胶等。

上述第一电极和第二电极可以均为导电板，弹性部件为绝缘处理后的弹簧，此时形成的第一电容为平板电容。上述电容单元的结构简单、成本地且便于实现。

下面以第一电极和第二电极均为导电板、弹性部件为绝缘处理后的弹簧为例，并结合附图3-5，详细说明上述电容单元在触控笔处于不同的倾斜角时具有不同的容值的原理。

结合图3-5所示，当触控笔的倾斜角θ＝90°时，流体的受力分析如图4中的(a)图所示，流体在OE方向上受到重力G和弹簧对流体的支持力F1，G＝F1；此时，弹簧的弹力Fx1＝F1＝G。根据胡克定律，Fx1＝-k(d-d1)，其中，k为弹簧的弹性系数，由材料的性质所决定，与其它因素无关；d为弹簧未发生形变时的长度；d1为图5中的(a)图所示，弹簧受到大小为G的力而发生形变后的长度；d-d1即为弹簧的形变量。

当触控笔的倾斜角θ＜90°时，流体的受力分析如图4中的(b)图所示，流体在OE方向上受到重力G，在垂直于OX方向上受到笔身内壁的支持力N，沿OX方向弹簧的支持力F2，将G沿平行于OX方向和垂直于OX方向进行分解，得到Gsinθ＝F2；此时，弹簧的弹力Fx2＝F2＝Gsinθ。根据胡克定律，Fx2＝-k(d-d2)，其中，k为弹簧的弹性系数，由材料的性质所决定，与其它因素无关；d为弹簧未发生形变时的长度；d2为图5中的(b)图所示，弹簧受到大小为Gsinθ的力而发生形变后的长度；d-d2即为弹簧的形变量。

由于θ＜90°，则sinθ＜1，因此，Fx2＜Fx1。而Fx1＝k(d-d1)，Fx2＝k(d-d2)，则d-d2＜d-d1，由于d相同，则d2＞d1。

平板电容的计算公式为：C＝Q/U＝εS/4πKD，其中，ε为两板间的电介质的相对介电常数，K为静电常数，D为两板间的距离，S为两板的相对面积。

在上述电容单元中，D即为弹簧受力而发生形变后的长度。那么，

触控笔的倾斜角θ＝90°时，C1＝Q/U＝εS/4πKd1。

触控笔的倾斜角θ＜90°时，C2＝Q/U＝εS/4πKd2。

由于d2＞d1，且ε、S、π、K均为常量，则C2＜C1。即触控笔的倾斜角θ＝90°时的电容单元的电容值大于触控笔的倾斜角θ＜90°时的电容单元的电容值。也就是说，当触控笔处于不同的倾斜角时，电容单元的容值会随之发生变化，倾斜角越大，容值越大。

可选的，为了防止第二电极上窜，参考图3中(a)图所示，上述触控笔的笔身还可以包括：阻挡部105，设置在第二电极102远离触控笔的笔头的一侧。示例的，该阻挡部可以是设置在笔身内壁上的凸出部，该凸出部可以是粘贴在内壁上，也可以是与笔身一体成型。

可选的，参考图6所示，检测单元11包括：

模数转换电路111，用于将第一电容的电容信号转化为数字信号并输出高电平。

计数器112，与模数转换电路111连接，用于检测模数转换电路输出高电平的次数。

处理器113，与计数器112连接，用于根据模数转换电路输出高电平的次数，计算第一电容的容值并输出电容信息。

参考图7所示，第一电容C的第一电极(图7未标记)与第一接地端GND1连接，上述模数转换电路包括：

第一开关Sw1，连接第二电极(图7未标记)和第一电压输入端，用于在第一时段将第一电压输入端的信号传输到第二电极。

第二开关Sw2，连接第二电极、第一节点N1，用于在第二时段将第二电极的信号传输到第一节点。

第二电容Cint，设置于第一节点N1与第二接地端GND2之间。

比较器CMP，第一输入端连接第二电压输入端，第二输入端连接第一节点N1。

锁存器Latch，输入端连接比较器CMP的输出端，输出端连接计数器(图7未标记)的输入端。

电阻R0，第一端连接于第一节点N1。

第三开关Sw3，连接电阻R0的第二端、第二接地端GND2和锁存器Latch的输出端，用于响应锁存器输出端的信号将电阻第二端的信号传输到接地端。

上述第一开关Sw1、第二开关Sw2、第三开关Sw3可以均为N型晶体管或者P型晶体管。

需要说明的是，上述第一节点N1只是为了便于描述电路结构而定义的，第一节点N1不是一个实际的电路单元。

上述电路在第一时段Ph1阶段时，Sw1闭合，Sw2断开，此时电源信号(即第一电压输入端的信号)Vdd对第一电容C充电；直至充电到电压值为Vdd时，进入第二时段Ph2阶段，Sw1断开，Sw2闭合，此时第一电容C向第二电容Cint充电。第二电容Cint通过第一节点N1与比较器CMP的第二输入端连接，而比较器CMP的第一输入端连接参考电压Vref(即第二电压输入端的信号)，那么，当第二电容Cint的电压达到Vref时，第二电容Cint就会对地放电，此时锁存器Latch就会输出一个高电平信号。重复以上的过程，直到第二电容Cint的电荷全部释放。

上述电路中，第二电容Cint一次充电的电荷为Cint*Vref，在一个检测周期内，锁存器Latch输出端输出高电平的次数为n，则第二电容Cint在一个检测周期内充电电荷Q＝n*Cint*Vref＝C*Vdd，由此可得，C＝n*Cint*Vref/Vdd，其中，Cint为第二电容Cint的电容，C为第一电容C的电容，n可通过计数器获得，处理器根据上述C的计算公式即可计算出第一电容C的容值。

可选的，上述触控笔还包括：蓄电单元，用于向电容单元、检测单元和信号发生单元提供电源。该蓄电单元可以是图8所示的电池15，这里对电池的类型不做限定，其可以是充电电池，也可以是非充电电池。

实施例二

本发明实施例提供了一种触控系统，包括：实施例一提供的触控笔，以及可与触控笔配合使用的触控屏。

本发明的实施例提供了一种触控系统，该触控系统中包括触控笔以及与触控笔配合使用的触控屏，该触控笔可以根据触控笔的倾斜角发出不同的驱动信号，对触控屏实现不同的控制，从而提高触控笔的书写体验，进而提升产品质量和用户体验。该触控系统可以是一种人机交互装置，具有结构简单，响应速度快，既节约成本又减小功耗，便于实现等特点。

可选的，上述触控屏可接收触控笔发出的驱动信号，并根据驱动信号的频率变化而显示粗细不同的线条，从而满足绘画等高要求的应用体验。

实施例三

本发明实施例提供了一种如实施例一提供的触控笔的驱动方法，该方法包括：

S01、检测触控笔处于不同的倾斜角时电容单元的容值并生成电容信息。

S02、根据电容信息生成相应的驱动信号。

上述触控笔的驱动方法中有关触控笔的内容可以参考实施例一，此处不再赘述。

本发明的实施例提供了一种触控笔的驱动方法，采用该驱动方法的触控笔可以根据触控笔的倾斜角发出不同的驱动信号，对触控屏实现不同的控制，从而提高触控笔的书写体验，进而提升产品质量和用户体验。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种触控笔，其特征在于，包括：

电容单元，所述电容单元包括：第一电极、第二电极、弹性部件以及流体；其中所述第一电极固定于所述笔身的内壁，所述第二电极设置在所述第一电极远离所述触控笔的笔头的一侧，且可沿所述笔身的轴向移动，用于与所述第一电极形成第一电容，所述弹性部件的两端分别固定于所述第一电极和所述第二电极，且设置在所述第一电极和所述第二电极之间，所述弹性部件为绝缘介质，所述流体设置在所述第二电极远离所述笔头的一侧，用于在所述触控笔处于不同的倾斜角时，对所述第二电极施加不同的作用力，以使得所述弹性部件产生不同的形变量，所述电容单元在所述触控笔处于不同的倾斜角时具有不同的容值；

检测单元，与所述电容单元连接，用于检测所述电容单元的容值并生成电容信息；

信号发生单元，与所述检测单元连接，用于根据所述电容信息生成相应的驱动信号；

所述电容单元、所述检测单元和所述信号发生单元均设置在所述触控笔的笔身中。

2.根据权利要求1所述的触控笔，其特征在于，所述检测单元包括：

模数转换电路，用于将所述第一电容的电容信号转化为数字信号并输出高电平；

计数器，与所述模数转换电路连接，用于检测所述模数转换电路输出高电平的次数；

处理器，与所述计数器连接，用于根据所述模数转换电路输出高电平的次数，计算所述第一电容的容值并输出所述电容信息。

3.根据权利要求2所述的触控笔，其特征在于，所述第一电极与第一接地端连接，所述模数转换电路包括：

第一开关，连接所述第二电极和第一电压输入端，用于在第一时段将所述第一电压输入端的信号传输到所述第二电极；

第二开关，连接所述第二电极、第一节点，用于在第二时段将所述第二电极的信号传输到所述第一节点；

第二电容，设置于所述第一节点与第二接地端之间；

比较器，第一输入端连接第二电压输入端，第二输入端连接所述第一节点；

锁存器，输入端连接所述比较器的输出端，输出端连接计数器的输入端；

电阻，第一端连接于所述第一节点；

第三开关，连接所述电阻的第二端、所述第二接地端和所述锁存器的输出端，用于响应所述锁存器输出端的信号将所述电阻第二端的信号传输到接地端。

4.根据权利要求1－3任一项所述的触控笔，其特征在于，

所述第一电极和所述第二电极均为导电板，所述弹性部件为绝缘处理后的弹簧。

5.根据权利要求4所述的触控笔，其特征在于，所述笔身包括：阻挡部，设置在所述第二电极远离所述触控笔的笔头的一侧。

6.根据权利要求1所述的触控笔，其特征在于，

所述触控笔还包括：

蓄电单元，用于向所述电容单元、所述检测单元和所述信号发生单元提供电源。

7.一种触控系统，其特征在于，包括：权利要求1－6任一项所述的触控笔，以及可与所述触控笔配合使用的触控屏。

8.根据权利要求7所述的触控系统，其特征在于，

所述触控屏可接收所述触控笔发出的驱动信号，并根据所述驱动信号的频率变化而显示粗细不同的线条。

9.一种如权利要求1－6中任一项所述的触控笔的驱动方法，其特征在于，

所述方法包括：

检测所述触控笔处于不同的倾斜角时电容单元的容值并生成电容信息；

根据所述电容信息生成相应的驱动信号。