CN111090347A - 一种基于磁弹性体的力敏手写装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及手写输入领域，一种基于磁弹性体的力敏手写装置，包括笔尖(1)、前端护套（2）、力敏装置(3)、谐振电路板(4)、笔筒、第一按键（7）、第二按键（8），笔尖(1)为一个前端为锥状后端为柱状或者梯形台阶柱状的刚体，前端护套（2）为前后端开口的锥形套，笔筒为一个与笔尖(1)通过可拆卸连接的套筒，笔尖(1)的前端处于前端护套（2）中，笔尖(1)的头部伸出护套（2），笔尖(1)的尾部处于笔筒中，力敏装置(3)和谐振电路板(4)都处于套筒中，第一按键（7）和第二按键（8）处于笔筒的侧壁上，力敏装置(3)、第一按键（7）、第二按键（8）电信号连接谐振电路板(4)。

Description

一种基于磁弹性体的力敏手写装置

技术领域

本发明涉及手写输入领域，具体涉及一种可以感知书写压力的手写装置。

背景技术

目前手机、平板的输入方式繁多，包括触控、键盘，甚至可以无线连接鼠标进行输入。在这其中，手写输入设备是使用率较高的一种设备，包括手指触控和触控笔。最常见一种手写输入电磁板，由一个布满电磁线圈的天线板和一支包含电感线圈的手写笔组成。手写笔作为用户输入工具，其下笔力度对模拟纸质使用感具有至关重要的作用。

中国专利 CN01145283 中公开了一种手写笔，它至少包括一笔心、一弹性元件、一外部缠绕至少一股线所绕成的线圈的第一磁性元件、一第二磁性元件、一滑动件、一内部具有一环状隔件的中空套筒及一电感电容式共振电路。此电感电容式共振电路与线圈电连接。当一外力向上施予于笔心时,此外力通过笔心作用于滑动件上,使滑动件带动第二磁性元件向上移动压迫弹性元件变形,促使第一磁性元件与第二磁性元件的相对位置改变,而改变第一磁性元件外部线圈的电感值,进而改变共振电路的共振频率。因此，在使用时，手写笔笔尖会沿笔杆产生位移。

中国专利CN103076904B公开了一种电磁手写装置及电磁笔，电磁笔包括中空的笔壳和设置于笔壳内的笔芯，所述电磁笔还包括：活动地容置于笔壳内的第一磁环；与第一磁环相对地固设于笔壳内的第二磁环，且第一磁环和第二磁环的相对面为相互适配的曲面；以及根据第一磁环相对于第二磁环的位置变化而产生电磁信号的谐振电路。可以看出，该专利公布的手写笔书写时， 也需笔尖带动磁环发生位移，以引起第一磁环相对于第二磁环的位置变化。

目前，市场上手写笔从能源供应上分，可分为无源，有源两大类，有源手写笔由于需用电池或连接导线的方式供电，书写不方便，现在已经使用较少。从对书写力度的识别角度分，可分为压感书写笔和无感书写笔，无感书写笔只能识别书写轨迹，目前大部分手机，平板电脑等均采用这种书写方式。这样的笔在手写板上写出的文字无法体现用户的情感和艺术表达。对于专业书法人员，这个问题更加凸显。压感书写笔可以感知用户书画时的压力，表现书写者的情感和艺术，大多用在书画板等高端输入装置上。但目前感知压力的手写笔均是是采用通过改变磁芯在线圈中位置的改变而做到电感值的变化，手写笔包含弹性元件，通过书写时笔尖-磁芯-弹性元件的位移使电感发生变化，即通过电感磁芯的位移使得电感发生变化，进而检测笔尖的受力。由于位移的存在，使用感受和日常笔使用的感觉不一致，造成用户体验不好。因此，既能感知压力又不会改变笔尖位置的手写笔对用户来书写体验来书说非常必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：入耳提供一种既能感知压力又不会改变笔尖位置的手写笔。

本发明所采用的技术方案是：一种基于磁弹性体的力敏手写装置，包括笔尖(1) 、前端护套（2）、力敏装置(3)、谐振电路板(4)、笔筒、第一按键（7）、第二按键（8），笔尖(1)为一个前端为锥状后端为柱状或者梯形台阶柱状的刚体，前端护套（2）为前后端开口的锥形套，笔筒为一个与笔尖(1)通过可拆卸连接的套筒，笔尖(1)的前端处于前端护套（2）中，笔尖(1)的头部伸出护套（2），笔尖(1)的尾部处于笔筒中，力敏装置(3)和谐振电路板(4)都处于套筒中，第一按键（7）和第二按键（8）处于笔筒的侧壁上，力敏装置(3)、第一按键（7）、第二按键（8）电信号连接谐振电路板(4)。

力敏装置（3）包括谐振线圈(13)、磁弹性体(14)、永磁筒，柱状的磁弹性体(14)侧壁上套有谐振线圈(13)，谐振线圈(13)处于永磁筒中，永磁筒处于笔筒中，永磁筒一端开口，磁弹性体(14)与笔尖(1)的尾部通过永磁筒上的端开口接触，谐振线圈(13)电信号连接谐振电路板(4)。

磁弹性体(14)与谐振线圈(13)之间有线圈骨架（12），线圈骨架（12）为两端粗中间细的筒体结构，谐振线圈(13)绕制在线圈骨架（12）中部细筒体的外侧，谐振线圈的匝数为数十至数百圈。

永磁筒为前磁轭（9）、后磁轭（10）、中磁轭（11）构成的磁弹性体的磁偏置，前磁轭（9）由半片圆筒+带孔圆饼构成，后磁轭（10）由半片圆筒+圆饼构成，中磁轭（11）为半片圆筒，中磁轭（11）水平充磁，前磁轭（9）和后磁轭（10为软磁材料，前磁轭（9），后磁轭（10），永磁铁（11）构成磁路，保证磁力线垂直通过磁弹性材料，前磁轭中的孔内径大于笔尖尾端外径。

谐振电路板(4)包括三个串联的电容和若干导线，谐振电路板(4)、谐振线圈（5）、第一按键（7）和第二按键（8）构成串联谐振电路或者并联谐振电路，其中，第一按键（7）和第二按键（8）分别并联在一个不同的电容上。

磁弹性体（14）由受力后导磁率发生显著变化的磁弹性材料构成。

磁弹性体材料为镍钴合金磁弹性材料，铁铝合金磁弹性材料，铁钴合金磁弹性材料，稀土磁弹性材料中的一种。

笔筒由笔杆（5）和尾塞（6）通过固定连接或者可拆卸连接构成。

可拆卸连接为螺纹连接。

笔尖(1)为导磁材料包覆塑料或者橡胶材料构成。

本发明采用的磁弹性体是一类具有电磁能/机械能相互转换功能的材料。当磁弹性材料受到机械力时，它的内部产生应变，导致导磁率发生变化，产生压磁效应，即磁致伸缩效应的逆效应。磁弹性体对机械力灵敏度高，在受到书写压力时，在没有产生明显形变的基础上导磁率发生明显变化。

本发明提供了一种基于磁弹性体的力敏手写装置，该手写装置包含一种含有磁弹性体的手写笔和能够与手写笔发生电磁感应的手写板（如手机）。该手写笔通过含有磁弹性体的感应部件与手写板内的线圈发生电磁感应，并通过磁弹性体导磁率的变化感知笔尖受到书写压力。本电磁手写笔结构简单，体积小巧，因不含弹簧元件所以书写时笔尖不会回缩，具有较高较好的书写体验。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明力敏装置的结构示意图；

图3是图2的A-A剖面图；

图4为永磁筒示意图；

图5为本发明力检测原理示意图；

图6为本发明书位置检测示意图；

图7为本发明谐振电路及按键开关示意图（串联谐振电路）；

其中，1、笔尖，2、前端护套，3、力敏装置，4、谐振电路板，5、笔杆，6、尾塞，7、第一按键，8、第二按键，9、前磁轭，10、后磁轭，11、中磁轭，12、线圈骨架， 13、谐振线圈，14、磁弹性体。

具体实施方式

本实施例只是一种实施方式的说明，并不是该原理的唯一实施方式。

一种基于磁弹性体的力敏手写装置包括笔尖1 、前端护套2、力敏装置3、谐振电路板4、笔杆5、尾塞6、第一按键7、第二按键8。

笔尖1由坡莫合金材料包覆尼龙构成笔尖1，笔尖通过带螺纹的前端保护套2与磁弹性材料压紧,确保笔尖不松动，并将笔尖的受力垂直传到至磁弹性体。

磁弹性体14采用磁弹性较低的镍铁系磁弹性材料，磁弹性材料加工成圆柱状，其力敏范围约在数百克范围内。

缠绕线圈的线圈骨架12与磁弹性材料紧密接触，尽量减少漏磁，线圈的圈数为数百圈。线圈与磁弹性材料构成的组合体固定于注塑形成的框架内。

框架两端固定前后磁轭，前后磁轭形状如图4所示。其中前磁轭带孔，以便笔尖穿过，磁轭采用纯铁材料构成。

前后磁轭中间固定永磁材料的中磁轭，本实施例中采用注塑钕铁硼，纵向充磁，永磁材料与磁轭一起构成磁弹性材料的偏磁。

本实施例配合相应的书写板感知其书写轨迹、书写压力及按键按下情况。

本发明的力敏检测检测原理如图5所示。电路由磁弹性体、线圈构成的自感和布有线圈的感应板组成，感应板和谐振线圈同时还构成一对构成互感。根据铁芯电感的原理可知，铁心电感器线圈产生的磁通分为两部分： 一部分是通过铁心磁路的主磁通，另一部分是通过线圈与铁心柱间空隙的漏磁通。根据电感的基本定义，我们将主磁通产生的电感称为主电感

,将漏磁通产生的电感称为漏电感

,铁心电感器的电感量L1应为这两部分电感之和，即L1=

+

.由于磁弹性材料构的导磁率较高，因此漏磁电感Ls可以忽略。感应板由多组线圈构成，每组线圈的电感为L2，感应板线圈，通过导磁笔尖，磁弹性材料与谐振线圈L1构成互感，互感量为M，

力敏笔谐振电路板上L1、C1构成的谐振电路和感应板L2、C2的谐振频率分别为为：

力敏笔L1、C1构成的谐振电路的品质因数为：

根据基尔霍夫定律可以得出：

整理可得输入端的阻抗为：

当输入信号源频率为f，互感与耦合系数如下时：

输入端阻抗可描述为：

由上式可得，当测试端信号源的频率f等于力敏笔上谐振线圈与谐振电路组合后的谐振频率f2时，输入阻抗达到最大值，其实部为：

从上式可以看出，通过测量输入端的谐振阻抗，即可测得力敏笔侧的谐振频率，进而测得笔尖的受力。

笔尖的位置测量原理如图6所示，感应板上在水平方向和垂直方向布有若干组线圈，当笔尖落在图示A处时，线圈L1，L3通过笔尖与力敏笔的谐振线圈形成了较强的耦合，可以检测到较强的谐振信号，其他线圈检测到的信号则较弱；当笔尖落在图示B处时，线圈L2，L4通过笔尖与力敏笔的谐振线圈形成了较强的耦合，可以检测到较强的谐振信号，其他线圈检测到的信号则较弱；以此，即可确定书写笔的水平（或垂直）坐标，在感应板上根据检测精度的要求，合适的布置线圈，即可测得笔尖的水平（垂直）位置，连续检测位置的变化，即可得到笔尖在水平（垂直）方向的运动轨迹。图5位一个方向的位置检测示意，在感应检测板上相互垂直布置上述两组检测线圈，即可检测到笔尖在感应板上的平面位置。

为了方便书写笔的使用，在谐振电路中增加了两个按键。如图6所示，其中R,L为谐振线圈的等效电阻及电感，C为主谐振电容，C’，C”为附加谐振电容，按键K1，K2按下时，相应的电容被短路，电路的谐振频率发生改变，通过在感应板测检测谐振频率，即可知道那个按键被按下。

感应板检测板端的谐振阻抗检测可以采用各种阻抗测量的方法。

本发明的手写笔，因为采用基于磁弹性体的装置作为力敏装置，在使用时笔尖不会沿笔杆方向产生位移，可以大提升书写者使用体验。

永磁体、前后磁轭构成磁弹性材料偏置磁场，使磁弹性体达到最优的磁致伸缩系数。

虽然这里只说明了本发明的一个优选实施例，但其意并非限制本发明的范围、适用性和配置。相反，对实施例的详细说明可使本领域技术人员得以实施。应能理解，在不偏离所附权利要求书确定的本发明精神和范围情况下，可对一些细节做适当变更和修改。

Claims (10)

1.一种基于磁弹性体的力敏手写装置，其特征在于：包括笔尖(1) 、前端护套（2）、力敏装置(3)、谐振电路板(4)、笔筒、第一按键（7）、第二按键（8），笔尖(1)为一个前端为锥状后端为柱状或者梯形台阶柱状的刚体，前端护套（2）为前后端开口的锥形套，笔筒为一个与笔尖(1)通过可拆卸连接的套筒，笔尖(1)的前端处于前端护套（2）中，笔尖(1)的头部伸出护套（2），笔尖(1)的尾部处于笔筒中，力敏装置(3)和谐振电路板(4)都处于套筒中，第一按键（7）和第二按键（8）处于笔筒的侧壁上，力敏装置(3)、第一按键（7）、第二按键（8）电信号连接谐振电路板(4)。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁弹性体的力敏手写装置，其特征在于：力敏装置（3）包括谐振线圈(13)、磁弹性体(14)、永磁筒，柱状的磁弹性体(14)侧壁上套有谐振线圈(13)，谐振线圈(13)处于永磁筒中，永磁筒处于笔筒中，永磁筒一端开口，磁弹性体(14)与笔尖(1)的尾部通过永磁筒上的端开口接触，谐振线圈(13)电信号连接谐振电路板(4)。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁弹性体的力敏手写装置，其特征在于：磁弹性体(14)与谐振线圈(13)之间有线圈骨架（12），线圈骨架（12）为两端粗中间细的筒体结构，谐振线圈(13)绕制在线圈骨架（12）中部细筒体的外侧，谐振线圈的匝数为数十至数百圈。

4.根据权利要求2所述的一种基于磁弹性体的力敏手写装置，其特征在于：永磁筒为前磁轭（9）、后磁轭（10）、中磁轭（11）构成的磁弹性体的磁偏置，前磁轭（9）由半片圆筒+带孔圆饼构成，后磁轭（10）由半片圆筒+圆饼构成，中磁轭（11）为半片圆筒，中磁轭（11）水平充磁，前磁轭（9）和后磁轭（10为软磁材料，前磁轭（9），后磁轭（10），永磁铁（11）构成磁路，保证磁力线垂直通过磁弹性材料，前磁轭中的孔内径大于笔尖尾端外径。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁弹性体的力敏手写装置，其特征在于：谐振电路板(4)包括三个串联的电容和若干导线，谐振电路板(4)、谐振线圈（5）、第一按键（7）和第二按键（8）构成串联谐振电路或者并联谐振电路，其中，第一按键（7）和第二按键（8）分别并联在一个不同的电容上。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁弹性体的力敏手写装置，其特征在于：磁弹性体（14）由受力后导磁率发生显著变化的磁弹性材料构成。

7.根据权利要求6所述的一种基于磁弹性体的力敏手写装置，其特征在于：磁弹性体材料为镍钴合金磁弹性材料，铁铝合金磁弹性材料，铁钴合金磁弹性材料，稀土磁弹性材料中的一种。

8.根据权利要求1所述的一种基于磁弹性体的力敏手写装置，其特征在于：笔筒由笔杆（5）和尾塞（6）通过固定连接或者可拆卸连接构成。

9.根据权利要求1或者权利要求8任意一项所述的一种基于磁弹性体的力敏手写装置，其特征在于：可拆卸连接为螺纹连接。

10.根据权利要求1所述的一种基于磁弹性体的力敏手写装置，其特征在于：笔尖(1)为导磁材料包覆塑料或者橡胶材料构成。

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