CN115756186A - 压敏触控笔 - Google Patents

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CN115756186A CN202211480289.2A CN202211480289A CN115756186A CN 115756186 A CN115756186 A CN 115756186A CN 202211480289 A CN202211480289 A CN 202211480289A CN 115756186 A CN115756186 A CN 115756186A
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Abstract

一种装置包括壳体、基于施加的接触力相对于该壳体移动的尖端、以及检测施加在该尖端上的力的压力传感器。压力传感器包括被集成或被固定到该尖端的第一元件和相对于该壳体静止并且面向该第一元件定位的第二元件。该第一元件由导电的刚性材料形成。第二元件是导电的并且具有弹性属性。另外，第一元件或第二元件中的一者被涂覆有非导电层。第一元件基于被施加在尖端上的力朝向第二元件移动并基于该力使第二元件变形。传感器附加地包括用于检测该第一元件和该第二元件之间的电容的电路。

Description

压敏触控笔
本申请是进入中国国家阶段日期为2018年1月23日，申请号为201880009186.3，名为“压敏触控笔”的申请的分案申请。
发明的领域与背景
触控笔在本领域中已知用于计算设备。触控笔的位置检测向与计算设备相关联的数字化仪传感器提供输入并且可被解释为用户命令。位置检测可在触控笔尖端触摸数字化仪传感器的检测表面和/或悬停在数字化仪传感器的检测表面之上时被执行。数字化仪传感器通常被集成在电子显示屏内，并且计算设备将触控笔的位置与屏幕上描绘的信息相关联。
一些触控笔是压敏的，因为它们感测并且可选地报告在用户使用该触控笔时施加在触控笔尖端上的压力的水平。然后，在计算设备上执行的应用可以使用此信息。例如，图形应用可以基于检测到的压力水平来调整绘制线的线条粗细或线条阴影。
发明概述
本公开涉及一种手持设备，该手持设备包括用于感测施加在该设备的交互尖端上的压力的传感器。例如，手持设备可以是触控笔。根据本公开的各实施例，传感器是可以以低成本实现的经改进的基于电容的压力传感器，其具有相对简单的构造并且可以提供经改进的灵敏度和准确度。
除非另外定义，否则本文中所使用的所有技术和/或科学术语具有与本领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。虽然与本文中所描述的那些方法和材料类似或等同的方法和材料可被用于实践或测试本公开的各实施例，但是下文描述了各示例方法和/或材料。在冲突的情况下，包括定义的专利申请将优先。另外，各材料、方法和示例仅是说明性的，而并非旨在进行必要的限制。
附图的若干视图的简要描述
此处参考附图描述本公开的一些实现，仅作为示例。现在专门详细地参考附图，需要强调的是，所示的细节是举例而言的并且只是出于对本公开的各实现的说明性讨论的目的。就此而言，参考附图所进行的描述使得本领域技术人员显见该如何实践本公开的各实现。
在附图中：
图1是示例压敏触控笔的简化框图；
图2A和2B是可被集成在触控笔内的示例压力传感器的元件的简化示意图，传感器分别以中立和按压状态被示出；
图3是可以用被集成在触控笔中的示例压力传感器检测的电容的简化图；
图4是示出与触控笔集成在一起的示例压力传感器的替换配置的简化示意图；
图5是示出与触控笔集成在一起的示例压力传感器的又一配置的简化示意图；
图6是示出与触控笔集成在一起的示例压力传感器的替换介电层的简化示意图；以及
图7是用压敏触控笔操作的示例计算设备的简化框图。
本发明的具体实施例的描述
具有可相对于手持设备的壳体移动的交互尖端的手持设备包括基于电容的压力传感器，用于在用户操作设备时感测施加在尖端上的压力。根据一些示例实现，传感器包括固定到交互尖端的刚性元件、固定到壳体的弹性体和用于检测它们之间的电容耦合的电路。刚性元件和弹性体被定位在壳体中，使得当压力被施加在交互尖端上时，刚性元件朝向弹性体移动并压靠弹性体。刚性元件和弹性体两者都是导电的。在一些示例实现中，刚性元件涂覆有在刚性元件和弹性体之间提供介电分离的电绝缘材料。替换地或附加地，弹性体可被涂覆有提供介电分离的电绝缘材料。可基于检测到的电容耦合的水平来感测被施加在尖端上的压力。
可选地，刚性元件被形成在尖端或尖端保持器的一端上，并且与交互尖端或容纳该尖端的尖端保持器成一体，例如形成为单个部件。通过将刚性元件与设备中的现有部件集成，可减少材料账单，可消除与连接部件相关的公差并且可避免由于各部件之间的脱离而导致的任何故障。将刚性元件与现有部件集成的另一个优点可以是减少纳入压力传感器所需的空间。
通常，刚性元件和弹性体中的一者为穹顶形、锥形或非扁平的，使得各元件之间的有效接触面积可随着压力的变化而变化。这可提高可被用于检测压力的分辨率，因为刚性元件和弹性体之间的邻近和接触区域两者都可影响检测到的电容耦合。
在一些实现中，刚性元件的形状提供期望的力曲线，例如检测到的电容耦合与被施加在尖端上的压力之间的期望的关系。利用刚性元件形成期望的形状并使用扁平弹性体的优点在于刚性元件的材料(例如，金属或导电塑料)可以以低于弹性体的公差被塑形。由于设计的简单性和部件的低公差，期望的力曲线可在时间上和在一定温度范围内连续。在刚性元件与尖端或尖端保持器成一体的实现中，将刚性元件塑形成经定义的形状很可能不会增加成本并且很可能消除按所需形状制造弹性体的需要。当由刚性元件提供期望的形状时，可从现成可用的产品中选择扁平弹性体。
在一些实现中，传感器的灵敏度是通过利用在刚性元件上介于10纳米量级和10微米量级之间(例如，不超过20微米)的薄的非导电涂层操作该传感器来提高的。可选择非导电涂层的介电常数以提供具有期望的属性的介电或非导电层。
在介电层是被施加在刚性元件上的涂层的实现中，可使用标准制造方法(例如使用阳极氧化制造工艺)将厚度可控制地限制在具有低公差的期望的厚度内。通过控制该层的厚度，可提高传感器的准确度，并且可减小传感器之间的可制造性变化。这可消除校准每个传感器的需要。此实现优于使用印刷电路板层作为介电层的已知方法，该介电层不仅更加厚而且会涉及在其厚度方面的更高的公差以及更高的成本。在一些示例中，将经定义的纹理施加在涂层或涂层的一部分上以减少接触期间在涂层和弹性体之间的粘附。在使用标准制造方法涂覆期间，也可以以相对低的成本施加纹理。用于添加纹理的可选制造方法可包括例如喷砂或腐蚀。
现在参考图1，其示出了示例压敏触控笔的简化框图。在一些实现中，触控笔100包括容纳电源105的壳体110、一个或多个印刷电路板(PCB)组装件120和125、一个或多个用户控制的按钮130、书写尖端150、与书写尖端150相关联的压力传感器200以及可选组件115(例如附加传感器)。电源105可包括一个或多个可充电电池和/或超级电容器。PCB组装件120可包括控制触控笔100的操作的ASIC 121。在触控笔100的操作期间，ASIC 121可生成信号，并且该信号可经由书写尖端150或经由与书写尖端150相关联的尖端保持器155被传送。
书写尖端150通常被配置成响应于施加在端部151上的接触压力而滑入和滑出壳体110。诸如螺旋弹簧之类的弹性元件160可被耦合到壳体110和书写尖端150，并且可提供抵抗书写尖端150的移动的弹力。在一些实现中，书写尖端150是固定的(例如压装到尖端保持器155上)，并且尖端保持器155被机械地耦合到弹性元件160。书写尖端150的运动范围可以是10μm(微米)的量级，例如0-80μm(微米)。
压力传感器200可以是基于电容的传感器，其包括作为电容器的第一电极的刚性元件220和作为电容器的第二电极的弹性体210。由压力传感器200检测到的压力与刚性元件220和弹性体210之间的电容耦合有关。刚性元件220可被固定到书写尖端150，并且可当接触压力被施加在书写尖端150的端部151上时压靠弹性体210。刚性元件220和弹性体210两者都可由导电材料形成。在一些示例实现中，刚性元件220被涂覆有提供电绝缘的绝缘材料层225，例如物理接触期间在刚性元件220和弹性体210之间的介电层。
在一些示例实现中，弹性体210是被安装在PCB 125上的扁平元件。具有弹性体210的PCB 125可被固定到壳体110，使得弹性体210(例如，以大致垂直于触控笔100的纵轴101的角度)面向刚性元件220。在一些实现中，刚性元件220可以是穹顶形、锥形或非扁平的，使得刚性元件220和弹性体210之间的表面接触可随着刚性元件220以增加的压力接合弹性体210而改变。刚性元件220可以是尖端保持器155的延伸，并且由相同的材料(例如金属或导电塑料)形成。
弹性体210被电连接到PCB 120和电源105。在一些实现中，ASIC 121控制对刚性元件220和弹性体210中的至少一者进行充电以用于压力传感器200的操作。压力传感器200附加地包括电容测量单元以检测刚性元件220和弹性体210之间的电容耦合。电容测量单元也可被嵌入ASIC 121。可选地，电容测量单元是现成的单元，例如电荷放大器。
来自压力传感器200的输出可以(例如通过ASIC 121)被数字编码，并被用于调制将由触控笔100传送的信号。信号可被调制以包括从压力传感器200获得的信息、以及(诸)按钮130的状态、触控笔ID、电池健康状态、来自嵌入在触控笔内或与触控笔通信的其他传感器的信息和/或其他信息。在一些示例实现中，所传送的信息是压力水平。可选地，所传送的信息是由压力传感器200检测到的悬停或触摸状态中的一者。
现在参考图2A和2B，其示出了可被集成在触控笔内的示例压力传感器的元件的简化示意图，传感器分别以中立和按压状态被示出。压力传感器200监测刚性元件220和弹性体210之间的电容耦合水平。在一些实现中，在悬停期间，例如，虽然没有接触力被施加在书写尖端150的端部151上，但是经定义的气隙157将刚性元件220与弹性体210分离(图2A)。可利用由弹性元件160施加的预载荷力来保持气隙157。
当施加在端部151上的接触力250克服弹性元件160的预载荷时，书写尖端150与尖端保持器155和刚性元件220一起朝向弹性体210移动。随着刚性元件220接近弹性体210，气隙157减小并且电容耦合增加。一旦力250被移除，由弹性元件160施加的弹力就可使气隙157复位。
随着力250增加，刚性元件220被压靠并使弹性体210变形(图2B)。层225在接触期间保持刚性元件220和弹性体210之间的电绝缘。由于刚性元件220的穹顶形状，刚性元件220和弹性体210之间的表面接触面积随着刚性元件进一步压入弹性体210并使弹性体210变形而增加。接触面积的增加会增加电容耦合。当力250被释放并且刚性元件220从弹性体210移开时，弹性体210可通常恢复其中立形状。
在一些示例实现中，刚性元件220和弹性体210之间的介电层是层225。在一些示例实现中，层225是通过使用阳极氧化工艺施加在刚性元件220上的薄氧化层。用于涂覆的阳极氧化工艺可能是有利的，因为其成本低并且可被应用以提供具有相对低公差的范围从几纳米到几微米(例如10nm到10μm)的薄层。在一些实现中，层225具有经定义的纹理或粗糙度，其可被应用以减少在接触期间与弹性体210的粘附。可选地，层225也可以以颜色编码，以便其厚度可基于颜色被容易地检测到。
现在参考图3，图3示出了可利用集成在触控笔中的示例压力传感器检测的电容的简化图。在一些实现中，应用来自压力传感器200的输出以区分触控笔100的悬停状态和着墨状态。可选地，悬停和着墨之间的临界点发生在刚性元件220和弹性体210之间的预定电容水平CH2T处。在一个示例实现中，CH2T对应于当刚性元件以很小甚至为零的力接合弹性体210时检测到的电容。
在触控笔100的着墨状态(或触摸状态)期间，刚性元件220可以与弹性体210接合，并且电容耦合可由归因于随着力的增加弹性体210逐渐变形，刚性元件220和弹性体210之间的表面接触面积的变化来管控。此曲线的斜率通常可以由弹性体210的硬度和刚性元件220的形状来管控。
现在参考图4，图4示出了显示与触控笔集成在一起的示例压力传感器的替换配置的简化示意图。在一些实现中，刚性元件220被集成为书写尖端153的一部分。刚性元件220被形成在书写尖端153远离端部151的一端。书写尖端153(包括刚性元件220)可以是由金属机加工或用导电塑料模制而成的。书写尖端153可附加地包括用于支撑弹性元件160的凸缘156。
现在参考图5，图5示出了显示与触控笔集成在一起的示例压力传感器的又一配置的简化示意图。压力传感器200被组装成使得刚性元件220在书写尖端150的中立状态期间(例如，当没有力被施加在书写尖端150的端部151处时)接合弹性体210。在此示例配置中，气隙157(如图2B所示)被消除。可选地，在没有气隙157的配置中，弹性体210的弹性属性可被用于代替弹性元件160(例如，通过消除弹性元件160)。
现在参考图6，图6示出了用于与触控笔集成在一起的示例压力传感器的替换介电层的简化示意图。刚性元件220和弹性体210之间的介电层215被集成在弹性体210上而不是刚性元件220上。例如，弹性体210可涂覆有一层硅树脂或诸如等离子体之类的其他非导电材料。层215可以是薄层，其厚度范围在10nm的数量级和10μm的数量级之间，例如不超过20μm。可选地，层215可以被颜色编码以便区分不同的厚度。可选地，层215可被施加有纹理以减少在接触期间与刚性元件220的粘附。
现在参考图7，图7示出了利用压敏触控笔操作的示例计算设备的简化框图。根据一些实现，计算设备10包括与数字化仪传感器50集成在一起的显示屏45。数字化仪传感器50可以是由导电条51形成的基于栅格的电容传感器，导电条51可操作以检测来自传送信号的压敏触控笔100的输入和来自一个或多个指尖46或其他导电对象的输入两者。数字化仪传感器50可由数字化仪电路系统25操作并且可以与主机22通信。
被施加在触控笔100的尖端上的压力可用被包括在触控笔100中的压力传感器200来感测。在一些示例实现中，输出传感器200由触控笔100传送并由一条或多条导线51拾取。可选地，来自传感器200的输出被编码在由触控笔100传送的位置信号中。可选地，如由传感器200检测到的指示着墨或悬停操作状态的信息被编码在由触控笔100传送的位置信号中。可选地，响应于由数字化仪电路系统25传送的查询信号传送来自传感器200的输出。
来自数字化仪电路系统25的输出被报告给主机22。由数字化仪电路系统25提供的输出包括触控笔200的坐标、触控笔200的尖端的压力状态或水平、和/或与数字化仪传感器50交互的一个或多个指尖46的坐标。可选地，数字化仪电路系统25报告触控笔200的悬停或着墨状态。可选地，数字化仪电路系统25报告被施加在触控笔尖端上的压力。可选地，数字化仪电路系统25的功能性中的一些和/或全部被集成和/或被包括在主机22中。
根据一些实现，一种装置包括壳体；被配置成基于施加到其的接触力相对于壳体移动的尖端；以及被配置成基于尖端的移动来检测被施加在该尖端上的力的压力传感器，其中该传感器包括：集成或固定到该尖端的第一元件，其中该第一元件由导电的刚性材料形成；相对于壳体静止并且面向该第一元件定位的第二元件，其中该第二元件是导电的并且具有弹性属性，其中该第一元件或该第二元件中的一者被涂覆有非导电层，并且其中该第一元件被配置成基于施加在尖端上的力朝向该第二元件移动并且基于该力使该第二元件变形；以及被配置成用于检测该第一元件和该第二元件之间的电容的电路。
可选地，第一元件是穹顶形或锥形的。
可选地，第二元件是弹性体。
可选地，第二元件具有扁平形状。
可选地，非导电层的厚度在10nm和20μm之间。
可选地，非导电层包括纹理，该纹理被配置成减少第一元件和第二元件之间的粘附。
可选地，第一元件由金属形成而非导电层是被形成在金属上的阳极氧化层。
可选地，非导电层是被施加在第二元件上的硅层。
可选地，此装置包括机械地耦合到壳体和尖端的弹性元件，其中弹性元件被配置成在尖端上提供预载荷力。
根据一些实现，一种触控笔包括壳体；被配置成基于施加到其上的接触力相对于壳体移动的书写尖端；以及被配置成基于书写尖端的移动来检测被施加在该书写尖端上的力的压力传感器，其中该传感器包括：被配置成与书写尖端一起移动的第一元件，其中该第一元件由导电的刚性材料形成；相对于壳体静止并且面向该第一元件定位的第二元件，其中该第二元件是导电弹性体，其中第一元件中的一者被涂覆有非导电层，并且其中该第一元件被配置成基于施加在尖端上的力朝向该第二元件移动并且基于该力使该第二元件变形；以及被配置成用于检测该第一元件和该第二元件之间的电容的电路。
可选地，第一元件是穹顶形或锥形的。
可选地，书写尖端是细长元件，包括被配置成延伸出壳体的第一端和保持在壳体中的第二端，其中第二端包括第一元件。
可选地，书写尖端是由金属机加工而成的。
可选地，书写尖端是用导电塑料模制而成的。
可选地，触控笔包括尖端保持器，其中该书写尖端是细长元件，包括被配置成延伸出壳体的第一端和保持在壳体中的第二端，并且其中尖端保持器被连接到书写尖端的第二端并且包括第一元件。
可选地，第二元件具有扁平形状。
可选地，非导电层的厚度在10nm和20μm之间。
可选地，用经定义的纹理将非导电层图案化。
可选地，第一元件由金属形成而非导电层是涂覆在金属上的着色层。
可选地，触控笔包括机械地耦合到壳体和书写尖端的弹簧，其中弹簧被配置成在书写尖端上提供预载荷力。
为了清楚起见在单独实施例的上下文中描述的本文中描述的示例的特定特征还可在单一实施例中组合地提供。相反，为了简洁起见在单一实施例的上下文中描述的本文中描述的示例的各个特征还可单独地或者以任何合适的子组合提供，或者适用于本公开的任何其他所描述的实施例。在各种实施例的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施例的基本特征，除非该实施例在没有那些元件的情况下不起作用。

Claims (20)

1.一种包括壳体和尖端的触控笔，所述触控笔进一步包括：
压力传感器，所述压力传感器被配置来检测被施加在所述尖端上的力，其中所述压力传感器包括：
第一元件；以及
置于所述壳体内的第二元件，所述第二元件至少部分导电并包括能变形的弹性体，其中所述第二元件，至少部分地，在朝向所述第一元件的所述能变形的弹性体上涂覆有非导电的等离子体；以及
电路，所述电路被配置成用于检测所述第一元件和所述第二元件之间的电容以基于所检测到的电容在悬停状态和着墨状态之间进行区分。
2.如权利要求1所述的触控笔，其特征在于，所述第一元件是穹顶形。
3.如权利要求1所述的触控笔，其特征在于，所述非导电等离子体具有范围在10nm的数量级和10μm的数量级之间的厚度。
4.如权利要求1所述的触控笔，其特征在于，所述第二元件具有扁平形状。
5.如权利要求1所述的触控笔，其特征在于，所述第一元件是部分由金属形成的。
6.如权利要求1所述的触控笔，其特征在于，所述非导电层是被施加在所述第一元件上的硅层。
7.如权利要求1所述的触控笔，其特征在于，进一步包括机械地耦合到所述壳体和所述尖端的弹性元件，其中所述弹性元件被配置成在所述尖端上提供预载荷力。
8.如权利要求1所述的触控笔，所述电路被配置成用于将所述电容与所述第一元件和所述第二元件之间的预定电容水平CH2T进行比较，以确定所述触控笔何时处于悬停状态。
9.一种触控笔，包括：
壳体；
尖端保持器；
书写尖端，所述书写尖端被压装到所述尖端保持器，所述书写尖端被配置成基于施加到所述书写尖端上的接触力相对于所述壳体移动；
压力传感器，所述压力传感器被配置成基于所述书写尖端的移动来检测被施加在所述书写尖端上的力，其中所述压力传感器包括：
第一元件；以及
置于所述壳体内的第二元件，所述第二元件至少部分导电并包括能变形的弹性体，并且其中所述第二元件，至少部分地，在朝向所述第一元件的所述能变形的弹性体上涂覆有非导电的等离子体；以及
电路，所述电路被配置成用于检测所述第一元件和所述第二元件之间的电容以基于所检测到的电容在悬停状态和着墨状态之间进行区分。
10.如权利要求9所述的触控笔，其特征在于，所述第一元件是穹顶形。
11.如权利要求9所述的触控笔，其特征在于，所述书写尖端是细长元件，所述细长元件包括被配置成延伸出所述壳体的第一端。
12.如权利要求11所述的触控笔，其特征在于，所述书写尖端是用导电塑料模制而成的。
13.如权利要求9所述的触控笔，其特征在于，所述压力传感器不包括弹性元件。
14.如权利要求9所述的触控笔，其特征在于，所述书写尖端具有0-80μm的运动范围。
15.如权利要求9所述的触控笔，其特征在于，所述非导电层用经定义的纹理被图案化。
16.如权利要求9所述的触控笔，其特征在于，机械地耦合到所述壳体和所述书写尖端的弹簧。
17.一种计算系统，包括：
包括触摸屏的计算设备；以及
一种触控笔，包括：
壳体；
书写尖端，所述书写尖端被配置成基于施加到所述书写尖端上的接触力相对于所述壳体移动；
压力传感器，所述压力传感器被配置成基于所述书写尖端的移动来检测被施加在所述书写尖端上的力，其中所述压力传感器包括：
第一元件；以及
置于所述壳体内的第二元件，其中所述第二元件至少部分地涂覆有非导电的等离子体朝向所述第一元件；以及
电路，所述电路被配置成用于检测所述第一元件和所述第二元件之间的电容以基于所检测到的电容在悬停状态和着墨状态之间进行区分。
18.如权利要求17所述的计算系统，其特征在于，所述第二元件沿着所述第一元件的中间部分朝向所述第一元件与所述第一元件接触。
19.如权利要求17所述的计算系统，其特征在于，所述第一元件或所述第二元件至少部分地涂覆有非导电层。
20.如权利要求17所述的计算系统，其特征在于，所述书写尖端具有10μm的运动范围。
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