CN1630880A - 电子笔和控制部件及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电子笔(10)设置有一个力传感器(16)，该力传感器的电阻随着作用于该笔之笔杆上的力的不同而变化。该力传感器(16)是一个设置有一电极和一外壳的模块单元，该电极和外壳设置在彼此电绝缘的初始位置上。在现有技术中以悬臂形式设置在电极上的外壳适合于承受来自笔杆(14)的轴向力并被顶推到一个与电极导电接触的激励位置上。该外壳还被设置成当轴向力被释放后能够自动从激励位置回弹到初始位置上的结构形式。一个控制部件用于对该笔进行控制的方法中，该方法根据力传感器(16)的模拟测量信号由处理器(22)对模拟测量信号和一个固定的基准信号进行比较并基于这种比较有选择地将模拟测量信号转换成一系列数字式力值。

Description

电子笔和控制部件及其控制方法

发明领域

本发明整体上涉及一种用于记录手写信息的电子笔。

背景技术

电子笔已经被开发成键盘和鼠标的补充设备，其用于对基于计算机的系统进行控制并向这些系统输入信息。这种电子笔与一个内置和/或外置的位置传感器相连接，而位置传感器则将该笔在一个底板上的移动图形记录下来并生成一个该移动图像的复制件，在下文中称该复制件为电子笔迹。

该位置传感器例如可以下述技术手段为基础：在底板上记录下来的位置编码图形，对移动的机械检测，对加速计和/或陀螺仪的应用，对电磁信号或声频信号的三角测量，对底板上的压力进行检测，电磁场变化的记录或上述技术的组合。

在许多电子笔中，位置传感器是根据压力传感器的输出信号进行动作的，其中压力传感器与笔杆相连接，从而当该笔抵压在底板上时该压力传感器能够执行检测操作。

当将笔迹在显示器或底板上复制出来时，清晰度通常决定于这种复制是否还反映了笔迹的动态参数，例如在书写过程中作用于笔杆上的力。因此，上述的压力传感器应该按照下述方式进行设计：使其能够发出代表作用力大小的输出信号。

这种电子笔例如已经在美国专利6252182中公开。该笔具有一个笔杆，该笔杆的内端与一个控制块相连接，而该控制块又可滑动地安装在笔体中的一个圆筒形空腔内。在该空腔内，与该控制块相对的位置上，设置有一个电极板，该电极板设置有一个内置的圆形导体和一个外置的螺旋形导体。一个螺旋弹簧围绕该控制块设置在空腔内，以用于沿远离电极元件的方向将该控制块偏压到一个与止动凸片相抵靠的位置上。在其面向电极元件的那侧上，控制块设置有一个由导电橡胶制成的尖状操作元件。在无载荷的初始位置上，该操作元件及其尖端容纳在电极元件的一个中央导向孔内并与圆形导体导电接触。当对笔杆施加一个载荷时，该操作元件就会逐渐顶靠在电极板上，从而使它们之间的接触表面增加，这样就会使整个电极板上的电阻逐渐发生变化。可依据整个电极上的电压值，测得由笔杆作用于底板上的力。

但是，上述的结构具有下述缺陷。

这种笔的传感器元件装配比较复杂，这样，就使制造、修理和保养都很困难，而且成本也高。

此外，这种笔的传感器元件的使用寿命非常有限，因为操作元件的尖端在与电极板上的导向孔相互配合时磨损非常严重。

另一缺陷在于：该传感器元件的特性，即作用力和输出信号之间的函数关系，仅仅能够在非常有限的范围内进行修改，而且还需要对传感器元件的结构进行彻底更改。

压敏式电子笔的其它实例已经在美国专利6104388、5895895、5571997和5548092中公开。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种设置有易于安装和维修的力传感器元件的电子笔。

本发明的另一目的在于提供一种设置有可靠耐用的力传感器元件的电子笔。

本发明的又一目的在于提供一种设置有力传感器元件的电子笔，这种力传感器元件可在不根本改变其结构的前提下定制其特性。

上述及其它目的可通过下述的说明而得以澄清，而且这些目的可通过根据权利要求1所述的电子笔而得以全部或部分实现。最佳实施例已经在从属权利要求中加以限定。

根据本发明，由于该传感器元件被设计成一种模块式单元，因此可以非常方便地对该笔内的传感器元件进行安装、保养和维修。与将笔内的多个散装零部件组合成一个传感器元件的方法相比，利用这种模块式单元还可以对配合部件的公差进行很好的控制。此外，由于力接收元件设计有能够返回初始位置的内置式弹簧，这样就使该传感器元件易于装配。

本发明还能够通过对外壳元件的材料特性(例如成分、厚度等)进行修改而实现对传感器元件的特性的修改，而且无需对其结构作出很大改变。

根据一个实施例，力接收元件以悬臂式结构设置在该传感器元件内。这样就能够得到一种结构小巧的传感器元件，而且力接收元件在初始位置和操作位置之间的移动也非常小。这样就可以降低该传感器所包括的部件的磨损程度。在该实施例中，可以很容易地在该传感器元件的固定位置上设置力接收元件的弹簧作用。

电极元件和外壳元件最好均基本为平面状，因为这样就更有可能提供结构小巧的传感器元件。

该传感器元件最好包括一个薄板状基片，在该基片上设置有一个外壳区域和一个电极区域，该基片可按照下述方式进行弯曲：使该外壳区域和电极区域能够分别形成所述外壳元件和所述电极元件。这种传感器元件易于制造，而且其结构也可以更加坚固。

在一个实施例中，该外壳元件被设置成一个设置在传感器元件内的力接收元件，这一点比较有利，因为与电极元件不同，该外壳元件可以是一种无源部件，因此无需直接与一个电源连接在一起。

该电极元件可以方便地包括两条电独立的导体线路，这些两条线路与外壳元件相互配合形成一个激励表面(active surface)。在一个实施例中，该主动表面的至少中央表面部分基本均匀地分布有所述的导体线路。这样就降低了传感器元件对作用力在电极表面上的冲击点的变化的敏感度。这种变化例如可能由所需的公差或笔杆在笔内导向过程中产生的磨损而引起。

根据一个实施例，该传感器元件包括一个由绝缘材料制成的垫圈，而且在所述动作位置上，其被设置成能够至少局部包围主动表面的结构形式。这样，该垫圈就能够将力接收元件的多个周边部分保持在距其它元件有一定距离的位置上，同时力接收元件的多个对侧部分能够被顶推到与主动表面导电接触的位置上。该垫圈可以是设置在外壳或电极元件上的多个凸起，也可以是设置在外壳和电极元件上的多个凸起。已经发现：上述实施例可通过垫圈在动作位置上对外壳和电极元件之间的接触进行控制并保持接触的稳定性来提高传感器元件的输出信号的稳定性。这样还可以在外壳和/或电极元件因操作而变形的情况下降低电极元件出现短路的机会，因为在较高的操作温度温下很可能出现短路。

在一个实施例中，该外壳元件包括一种压敏材料。这样就可以通过改变压敏材料的成分和/或厚度而在一定程度上改变该传感器元件的特性。

根据本发明的电子笔还可包括一个力传递元件，该力传递元件与笔杆的一端相连接并设置有一个被倒圆的接合表面，该表面用来与力接收元件相配合。具体而言，该力传递元件主要用于提供一个抵靠力接收元件的连续接合表面，而不论笔杆端部的外形如何。此外，该力传递元件可被设计成能够将大部分撞击力吸收掉的结构形式，当笔掉落，而且笔杆撞击到底板时，就会产生撞击力。被倒圆的接合表面具有下述优点：使力传递元件在力接收元件上的接合点基本与力传递元件的倾角无关。这样就降低了对力接收元件和笔杆在该笔内的导向公差的要求，以及对安装精度的要求。

力传递元件最好由弹性材料制成。这种力传递元件能够与力接收元件柔软地接合在一起，而且已经发现，这种软接合能够使传感器元件的输出信号更加均匀。这种弹性材料及具有合适结构的电极元件组合在一起还能够使传感器元件的输出信号至少部分是力传递元件和力接收元件之间的接合面积的函数，因此也是外壳与电极元件之间的接合面积的函数。

根据一个实施例，该力传递元件限定有一个盲孔，该盲孔适合于容纳笔杆的一端，而且该盲孔的周壁上设置有至少一个沟槽。这种沟槽能够将空气导入笔杆中，以当记录流体处于消耗状态下时，对可能在笔杆内形成的负压进行平衡。这种负压可能会妨碍或至少干涉记录流体从笔杆内分配出来。该沟槽还有利于将笔杆的端部插装到该盲孔内，当力传递元件由摩擦系数较大的弹性材料制成时，这一点就显得十分有用。

手持式电子装置应该能够从一个合理的高度位置上坠落。电子笔的敏感位置就是笔杆，撞击力能够通过笔杆传递到笔的内部并导致严重损坏。撞击力的主要部分可被弹性的力传递元件所吸收。但是，这就要求笔杆的端部切透力传递元件。为此，该力传递元件可包括一种由坚固耐用的材料制成的插件，而且该插件就设置在盲孔的端壁上。

为进一步提高笔杆内部的上述通风性能，该插件可在其面向盲孔的表面上设置有至少一个凹槽，这种凹槽从所述表面的中央部分伸出并与所述纵向沟槽相连接。这种凹槽可由多个设置在该插件表面上的凸肋和/或沟槽形成。

本发明的电子笔还可包括一个细长形支座，该支座限定有一个第一和一个第二腔体，其中传感器元件安装在第一腔体内，而力传递元件则滑动安装在第二腔体内，以使其克服力接收元件的弹簧作用沿纵向一定到第一腔体内。这种支座形成了一个易于安装到该笔内并易于从该笔内拆卸下来的安装单元。当更换笔杆时，该支座能够将力传递元件保持在合适位置上，而且还有助于将力传递元件引向传感器元件，而该传感器元件可通过该支座精确定位在笔内。

本发明的再一目的在于提供一种能够在包括有笔杆和相关力传感器的电子笔之操作过程中降低能耗的方法。

该目的可通过分别如权利要求25和32所述的控制部件和方法来实现。

附图说明

下面将参照附图并通过实例对本发明加以说明，其中附图示例性地示出了本发明的多个最佳实施例，其中：

图1为根据本发明的电子笔的相关内部部件的侧视图；

图2a和2b分别为本发明之传感器元件在初始位置和动作位置上的侧视图；

图3a为用于构成图2a-2b所示的传感器元件的基片的顶部平面图，图3b为该基片在以合适方法成形后的侧视图；

图4a和4b为图3a-3b所示的传感器元件的支座的对侧顶部平面图，图4c为该支座沿图4b中的剖面线A-A的剖视图；

图5a和5b分别为激励器的纵向剖视图和端部视图，该激励器能够将力从笔杆传递到图2a-2b所示的传感器元件；

图6为该传感器元件的特征曲线图；

图7为用于控制图1所示的那种电子笔的电路的示意图；

图8为由模拟数字转换器从一个传感器元件接收到的模拟测量信号在处理过程中的曲线图。

具体实施方式

首先参照图1对本发明的各个部件做概括性说明。然后，再参照图2-8对本发明的主要方面加以详细说明。在这些附图中，相同的附图标记用于表示相同的部件。

1.电子笔

下面的说明将从一根笔开始，该笔能够通过对书写底板上的位置编码图形进行光学探测的方式将手写信息以电子方式记录下来。在这种笔的完整说明已经在WO01/16691、WO01/26032和WO01/26033中给出，其全部内容作为参考接合到本文中。但是，应该指出：本发明还可应用到其它需要设置力敏传感器的电子笔上。

图1所示的笔10包括一个中空的细长形笔体12，在该笔体内插装有一个笔杆14，其端部与一个安装在一支座18内的力传感器16相互配合。该笔10还容纳有一个印刷电路板20，该印刷电路板上设置有控制该必须的一些电子元件，例如一个或多个处理器22、存储电路24和通讯单元26。此外，该笔还包括一个用于向印刷电路板20提供电压的电池28。在另一实施例中，该笔与一个外置电源连接在一起。在该笔10的前端上安装有一个光学模块30，在该光学模块内安装有光学元件(未示出)和一个与印刷电路板20导电连接的图像传感器32。

笔杆14可以是一个书写装置或无源指针，而且可通过将该笔杆从笔体12内抽出的方式而完成更换工作。因此，笔杆14的内端与一个滑动安装在支座18内的激励器34摩擦接合。该激励器34以能够将力从笔杆14传递到力传感器的方式设置在与力传感器16相对的位置上。

图2详细示出了处于无负载状态(图2a)和有负载的激励状态(图2b)下力传感器16、支座18和激励器34。该激励器34可在这些位置之间滑移，这两个位置之间的距离一般为1-2毫米。下面将参照图3-5对力传感器16、支座18和激励器34加以详细说明。

现再次参照图1，该笔可处于三种不同的操作模式下：完全断开的状态，等待状态和动作状态。该笔10可通过一个开关(未示出)而被接通和断开，该开关可以是一个安装在笔上的开/关按钮，或者一个在将保护帽(未示出)从笔上取下时或在将笔杆14从笔体12内压出时执行检测操作的传感器。

一旦将笔10接通，同时处于无负载的情况下，例如当使用者将笔放下，或者在笔划之间时，该笔就处于等待状态下，在该状态下，基本上所有的电子元件都处于断开状态，这样就能够使能耗最小。

只要由力传感器16对笔杆14施加的轴向载荷超过一个预定的极限，那么该笔就会从等待状态切换到动作状态，在动作状态下，这些电子元件将受到激励，而且光学模块30也会以给定的取样频率拍摄图像。图像传感器32拍摄下来的每个图像都被处理单元记录(例如处理器22)下来，该处理器可根据重新生成的位置编码图形计算出笔杆14在底板上的位置。该处理单元22还为每个图像读取笔杆14的作用力并产生多对有关位置和力的数据，这些信息可通过通讯单元26传递给外部设备(未示出)或就地存储在存储器24内。根据这些成对的数据，可以将每个以电子方式记录下来的笔划实时或随后再现出来，而且笔划的宽度随着作用力的不同而变化。

上述类型的电子笔10应该满足下述技术要求。每个笔都应该在作用力和测定信号之间存在给定的函数关系，这种函数关系应该随着时间的推移而保持稳定。对笔上的力应该在一个相关的力范围内以高分辨率来进行测量，一般从约0.1N至约5N。该笔应该能够承受环境条件的变化，例如湿度和温度。该笔的性能应该在写过很多笔划(例如1千万次)后和在多次(一般为300次)更换笔杆后仍然能够保持在同一状态下。该笔还应该在从约1米处掉落下来同时笔杆撞击到底板上的情况下保持完好。此外，该笔还应该尽可能快地离开等待状态，这意味着力传感器的响应时间应该约为1毫秒。能耗应该最小，至少在该笔由电池驱动时。

这种笔能够满足这些技术要求，下面将参照图2-8对该笔加以详细说明。

2.力传感器

首先从图3所示的力传感器16开始，该传感器由一个薄板状基片36构成，而该基片又由一种电绝缘材料制成，一般用塑料薄膜制成，例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。

在基片36上涂覆有一层电极材料，这层材料形成了一个电极41，而该电极又具有两个电独立的导体线路38、40。导体线路38、40通过多个导体凸起44在作用区域42内相互配合，而这些导体凸起44以基本均匀分布的方式在彼此之间延伸。在本文中，均匀分布的方式是指：对于导体38、40而言，在给定尺寸的冲击区域内，导体的总表面面积相同，而不考虑冲击点在作用区域内的位置。

在一个实施例中，将厚度约为0.01毫米的石墨层用作电极材料，该石墨层被涂覆到一个厚度约为0.1毫米的PET基片上，导体凸起的宽度约为1毫米，而且导体凸起间的距离约为1毫米。当然，完全可以根据所需性能的不同，来选择材料及尺寸。其它的电极材料包括金属，例如银和铜。石墨的优点在于具有良好的成形性和附着性，这样就能够对基片进行弯曲(图3b)。

一薄层封闭材料(厚度一般约为0.01毫米)也被涂覆到该基片36上。该封闭材料限定了一个外壳46，而且在将该封闭材料抵压在作用表面42上的情况下，当导体38、40与一个电源相连接时，它能够在导体38、40之间传导电流。这种封闭材料还要具有合适的压力敏感性，以使其电阻随着压力的不断增加而降低。

US-A-4489302涉及到设置在电子乐器的按键上的力传感器，其全部内容作为参考被接合到本文中，该文件公开了通过将半导体微粒与树脂材料混合到一起而制成的压敏材料，例如将二硫化钼的微粒添加到丙烯酸塑料中，这种材料的电阻决定于微粒的数量。

US-A-5296837公开了另一种压敏性半导体材料，这种材料是通过将氧化锡微粒与导电树脂材料混合在一起而制成的，而导电树脂材料又由碳微粒与一种绝缘树脂材料的混合物组成，该文件的全部内容作为参考被接合到本文中。

这样就有多种合适的封闭材料可供选择，而且本领域的技术人员可以对其进行浏览，从而得到所需的性能。

如图3b所示的力传感器16可通过对图3a所示的基片进行加工而制成，具体而言，就是通过沿虚线L1、L2对基片进行弯折而制成。这样就形成了一个具有弹性外壳46的力传感器16，该力传感器可通过悬臂状结构与电极41的作用表面42相互配合。当将该笔从底板上提起时，该外壳46的弹力足以使笔杆14和激励器34从激励位置(图2b)返回初始位置(图2a)。对于一个重量约为1克的笔杆而言，该外壳的恢复力应该至少为15mN，最好约为30-100mN，目的是在受到振动时降低该笔意外动作的可能性。对于具有上述尺寸的基片而言，这样可以在该外壳和电极之间形成一个约为10-30度的角度。介于电极41和外壳46之间的腹板部分48为腰形，以减小作用于基片材料上的应力。

从图3b中可以看到，力传感器16的电极41基本以直角进行弯曲，从而形成一个连接部分49，导体38、40通过该连接部分延伸到一个接触孔50。在该笔内，印刷电路板20(图1)被安装在连接部分49上，从而使导体38、40在孔50的周边处与设置在印刷电路板20上的接点部件(未示出)相接触。

为使力传感器的输出信号保持稳定，可以将一种由电绝缘材料(例如一般厚度约为0.02毫米的介电材料)制成的衬垫安装到作用表面42周围。在另一备选实施例(未示出)中，该衬垫将作用表面完全包围起来。

3.支座

图4a-4c详细示出了支座18。该支座限定了两个腔体54、56，这两个腔体分别用于安装力传感器16和激励器34。

该传感器腔体54沿轴向由电极41之作用表面42的支撑壁58和径向向里延伸的锁定凸片60限定而成，该锁定凸片用于在将激励器34安装到激励器腔体56内的过程中对电极41进行支撑。该传感器腔体54还设置有一个导向孔62，该导向孔与支撑壁58相连接并适合于固定该传感器16的弯曲形腹板部分48的位置(图2-3)。

该传感器腔体54通向激励器腔体56，该腔体被加工成能够以一定的间隙容纳该激励器34的结构形式。该激励器腔体56由多个柔性侧壁部分64构成，这些柔性侧壁部分设置有纵向挂钩66，这些挂钩限定了一个安装孔68，该安装孔的宽度小于激励器34的宽度。当将激励器34安装到支座18内时，该激励器34被推过这些侧壁部分64，接着这些侧壁部分通过挂钩66产生回弹并将激励器34保持在腔体56内的合适位置上。

从图4c中可以看到，激励器腔体56通向一个用于容纳笔杆14的直通导管70(图1)。

该支座18还设置有多个凸缘72、74，这些凸缘设置有用于将主体12固定到笔上的通孔(图1)，一个凸缘74还被用作电极41之连接部分49的支撑表面。该凸缘74还设置有一个插座76，该插座76又设置有多个径向柱脚78，其用于在将支座18安装到笔上之前将力传感器16固定到凸缘74上。在一个最终完成装配的笔中(图1)，连接部分49通过抵靠在凸缘74上的印刷电路板20保持在合适的位置上。

如图4a所示，该支座18在其外侧设置又一个导槽80，该导槽用来与一个设置在笔体12上的直立导板(未示出)相配合。这种结构旨在防止支座18相对笔杆14以略微倾斜的方式进行安装(图1)，而这种倾斜安装又会增加激励器34和支座18之间的摩擦和磨损。实际上，支座18是通过首先将凸缘72的固定孔固定到笔体上的方式而安装到位的，例如通过将该固定孔安装到一个设置在笔体上并通过热缩锻制造成形的固定销上。接着，将印刷电路板20安装到支座18上，并通过凸缘74上的固定孔将一个螺钉插入设置在印刷电路板上的孔(未示出)内并插装到笔体内。但是，也可将该固定孔的尺寸加大，目的是在螺钉的插装过程中减小张力和材料的脱落，因为这样可能会对接触造成干涉。通过导槽80和导板之间的相互配合，就能够在将螺钉插装到设置在凸缘74上并具有超大尺寸的固定孔内的过程中，保证支座18正确对位。

应该指出：该支座18也可被模压成笔体12的一个部分(图1)。

此外，该支座18也可被设计成能够与向里指向笔体12(即，远离印刷电路板20)的安装孔安装在一起的结构形式(图1)。这样就可以降低印刷电路板20和笔杆14上的裸露部分(如果该裸露部分由金属制成)之间出现静电放电的可能性。

4.激励器

激励器34已经在图5a-5b中详细示出，它由屈服性物质制成，目的是保证外壳46与电极41软接合并吸收来自笔杆的冲击力。

该激励器34设置有一个被倒圆的端部82，该端部用来与外壳46相接合。这样，就可以使该激励器34在作用表面42上的接合点保持稳定，这样就能够使传感器的输出信号也相应地保持稳定。

在该激励器34的另一端上，设置有一个能够容纳笔杆后端的盲孔84。加宽的入口有利于笔杆端部的插入。在盲孔84的底部可设置一个减震插件86。在该笔从一个距底面1米高的位置上坠落的试验标明：当撞击到底面上时，该笔的减速度至少约为200G。因此，一个重量约为40-50克的笔其受到的载荷约为100N。笔杆端部的表面面积约为1-3毫米²，因此该插件应该由能够承受的最大压力至少约为30-100N/毫米²的坚固耐用的材料制成。

从图5b的端部视图可以看出，多个纵向沟槽88分布在盲孔84的周壁上，这些沟槽不仅有利于将笔杆插入到盲孔84内，而且还可以平衡笔杆14内的负压。为平衡笔杆内的负压，该插件86设置有多个从插件86的中心向其周边延伸的径向导管98。

在该示例性的实施例中，该激励器由就地被模压到盲孔内的TPE(热塑性合成橡胶制成；肖氏硬度为87A)制成，其宽度为4毫米，端部的曲率半径为10毫米，厚度约为1毫米。

图6给出了在上述类型的电子笔中，笔杆上的作用力和力传感器上的电阻之间的函数关系。应该强调的是：在载荷较低的情况下，电阻的变化在该图表中是由重对数尺给出的。

5.电子控制电路

图7示出了用于对该电子笔进行控制的电路。该电路与上述的力传感器导电连接，而该力传感器又与一个恒流电源100相连接，在该实例中，该电源提供约15mA的电流。

该电路还包括一个控制单元102，该控制单元可以由可从市场上买到的微型控制器或微处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)，或另一个象FPGA这样的可编程逻辑部件或一个硬件电路(ASIC)组合成多个离散的模拟和数字部件，或者是上述部件的组合。

该电路还包括一系列电阻104，而且每个电阻104都通过独立的线路与控制单元102连接在一起。

此外，还连接有一个模拟数字转换器106(ADC)，该转换器能够接收与力传感器16上的电压相对应的模拟测量信号并发出一个可被控制单元102接收到的数字测量信号。该模拟数字转换器还连接有一个控制输入部件，该控制输入部件能够接收到来自控制单元102的控制信号。

一个包括在该电路内的比较器108设置有两个输入端，一个输入端与电阻组104相连接，以用于接收基准信号；其另一输入端能够接收来自力传感器16的模拟测量信号。该比较器108的输出端与控制单元102的中断输入端相连接。该比较器在图示的实施例中是一个集成式的运算放大器，但其也可以是多个独立的部件。

在该笔的测量过程中，需要执行一个最终的校准步骤，在该步骤中，笔杆受到0.2N的垂直载荷，而且控制单元102被设计成能够发出作用于电阻组104上的一组电压信号的结构形式，在这些电压信号中，基准信号等于力传感器16的测量信号，而该测量信号可由控制单元102通过中断输入信号的变化而被检测出来。但是，这就要求力传感器16上的电压落入一个允许的范围内，在该实施例中，其电压值与介于50-150千欧(kOhm)范围内的力传感器16的电阻值相对应。接着，每当其离开断开状态，该控制单元102就会按照程序发出一组电压信号。

这样，只要该笔没有处于关闭状态，那么控制单元102就会将基准信号输送到比较器108的基准输入端内。

当该笔被打开并自动切换到等待状态下时，该模拟数字转换器106保持在断开状态下，因为控制单元102不会向模拟数字转换器106的控制输入端发出激励信号。只要力传感器16受到一个小于0.2N的载荷，那么比较器108的测量信号输入端上的电压就会超过基准电压值，而且该比较器108的输出信号将表现为一个不会使控制单元102改变其状态的值(高/低)。应该知道：由于基本没有电流从该电路中流过，而且控制单元102也可被关闭，或者仅以较低的时钟频率(仪表为100-500Hz)进行操作，因此使能耗最低，例如对电池充电是否充足的情况进行间歇性检查；而且，光学模块准备记录图像；相关的存储器寄存器也准备接收图像等。

当作用于力传感器16上的载荷超过基准力(0.2N)时，其电阻将减小(图6)，而且力传感器16上的电压也减小。接着，该比较器108将在其输出中发出一个中断值，IRQ(低/高)，该中断值立刻使控制单元102提高时钟频率，一般约为100MHz。在该激励状态下，控制单元102使光学模块30(图1)启动，从而以固定的取样频率(一般约为100Hz)记录图像，同时还使模拟数字转换器106根据控制输入同步操作，以产生一个与作用力相对应的8位数字力值。该控制单元102还同时还读取来自光学模块30之图像传感器32的数字图像。在对图像进行编码后，这种编码工作可由控制单元102或一个独立的处理单元来控制，就会在编码位置与产生的力值之间建立一种逻辑连接。

只要作用于力传感器16上的载荷落入基准力以下，那么比较器108的输出中的中断信号就会消失，控制单元102返回等待状态下。

根据另一实施例(未示出)，该电路可不具有单独的模拟数字转换器(图7中的106)。相反，可将控制单元102设计成能够在等待状态下通过电阻组104产生基准信号并能够在比较器108的输出信号改变状态时切换到激励状态下的结构形式。在该激励状态下，控制单元102被设计成能够控制电阻组104上的电压分配的结构形式，以用于根据比较器108的测量信号输入对模拟测量电压进行数字转换，而比较器108的输出信号在该转换过程中则被用作反馈信号。接着，只要发现数字化的力值低于基准数字值，那么该控制单元102就会返回等待状态下，其中基准数字值是在前述的校准步骤中确定的并被存储在控制单元102内。

该备选实施例能够节省部件，从而降低成本和对空间的要求。在本发明的最佳实施例中，控制单元、比较器和电阻组被设计成一个可编程的模拟数字转换器。

在上述的两个实施例中，力传感器之模拟测量信号的模拟数字转换是以该模拟测量信号与一个基准信号的省电比较作为补充的。这样，就可以替代这种以固定的高频对该测量信号进行模拟数字转换以控制该笔状态的方式，使得该笔能够在一个低能状态和一个高能状态之间切换，其中在低能状态下，仅对测量信号进行简单的水平检测，而在高能状态下，要对测量信号进行模拟数字转换，同时还要进行位置检测。

在这两个实施例中，力传感器的模拟测量信号在给定数量(例如256(8位))的等距离水平或状态下被数字化处理成一个电压范围V_min-V_max。由于在测量信号(电压/电阻)和作用力之间存在一种很明显的非线性(对数)关系，因此力的分辨率将在整个电压范围内变化。如果在整个电压范围内达到一个确定的最小分辨率，例如50mN(5克的载荷)，那么就需要一种具有多水平(位)的模拟数字转换器。这种模拟数字转换器成本很高和/或需要消耗很多能量。

该问题可由能够在至少两个不同的模拟数字转换范围内进行操作的控制电路来克服，而这一点又可通过对模拟数字转换器和/或恒流电源进行控制而得以实现。

在上述的第一实施例中，可以方便地按照能够达到所需分辨率的方式对模拟数字转换器的电压范围V_min-V_max进行控制，而且最好通过对限定该电压范围的基准电压进行控制而实现这种控制。控制操作可通过外部控制单元或内部控制单元来完成，而当模拟测量信号到达给定的切换点时，该控制单元又可以在不同的测定范围之间切换模拟数字转换器。

在第二实施例中，测量信号的大小由恒流电源根据模拟数字转换器的电压范围来控制，这样控制单元就能够使预定的电流流过力传感器。在预定的力范围内，该预定的电流是与测量信号固定对应的，这样就能够根据模拟数字转换器的电压范围V_min-V_max绘制出将具有所需分辨率的测量信号。应该知道：上述的问题已经得以克服，而且不会相对测量信号将噪音放大。这样进行控制的模拟测量信号已经在图8中示出，在图8中，转换范围分别由一个高压切换点V_高和一个低压切换点V_低来限制。这些切换点可以但不是必须与限定上述测量范围V_min-V_max的电压水平相一致。每当模拟测量信号达到低压或高压切换点V_高、V_低时，恒流电源就会达到一个新的电流水平，该新的电流水平又会在电压范围内升高或降低测量信号。每个这样的新电流水平都限定了一个转换范围，在图8中这些范围分别由1、2和3表示。在这些转换范围之间的切换是由一个偏移量Δ来进行的，这样测量信号就从V_低指向V_高-Δ，，或从V_高指向V_低+Δ。当在这些转换范围内进行切换的过程中，会产生滞后作用，这种滞后作用旨在防止由于在切换点V_低、V_高附近出现的小型信号变化，例如测量信号噪音，而导致在这些转换范围之间出现来回快速切换的问题。

应该指出：可以为每个转换范围指定不同的切换点，而且还可以为这些切换点指定不同的偏移量。

还应该指出：在涉及到对模拟数字转换器的电压范围进行控制的第一实施例中，也可以引入上述的滞后作用。

这样，就可以将经过数字化处理的最终测量信号与相关的转换范围一起发出。数字化测量信号的接收器可以方便地设置有一个转换数据和校准数据的入口，其中转换数据表示每个转换范围的规模，基准数据与表示力传感器的电阻和力之间关系的参数相对应。这种关系对于给定的力传感器而言是确定，或者是一种平均关系。

应该指出：上述所有的电路结构一般均可应用到电子笔上，而且可与能够对应作用于笔杆上的力发出模拟测量信号的任何类型的力传感器配合使用。这样的力传感器例如可以基于磁性探测器(如US-A-5565632或US-A-5895895所述)或应变计(US-A-5548092)。

6.其它实施例

上面已经参照示例性实施例对本发明作出了说明。但是，本发明并非局限于这些实施例，而是可包括多种落入由所附权利要求书限定的保护范围内的变形结构，这对本领域技术人员而言是显而易见的。

根据一种替代结构，可将一个压敏层涂覆到电极的激励表面上。在该实施例中，外壳可以设置有一种可能具有压敏特性的导体或半导体材料。

在另一种替代结构中，该外壳由一种半导体材料制成，而这种半导体材料本身并非具有压敏性。在该实施例中，传感器对力的敏感度可通过使激励器的接合表面抵靠在该外壳上来实现的，从而使该外壳与电极之间的电接触面积可随作用力的变化而改变。

根据又一种替代结构，该电极元件设置有多个分布在激励表面上的导体点，而外壳则设置有一个平面状的电极。如果电压作用于电极和外壳之间，那么该外壳与电极的接触面积的变化将导致电流的变化。

可以替代如附图所示的悬臂式结构，传感器可由一种柔性的力接收外壳构成，该外壳设置在一个距电极有一定距离的位置上并通过一个由电绝缘材料制成的垫圈与电极连接在一起。该垫圈包围着该电极的激励表面并支撑着该外壳，从而使该外壳能够变形，以抵靠在激励表面上。涉及到电子乐器按键的US-A-4489302公开了一种类似的传感器结构。

Claims (36)

1、一种电子笔，其包括：一主体(12)，一滑动安装在所述主体(12)内的笔杆(14)，和一传感器部件(16)，该传感器部件的电阻可随着通过笔杆(14)作用于该传感器部件(16)上的力的大小而变化，其特征在于：该传感器部件(16)被设计成一模块单元，该模块单元具有一电极(41)和一外壳元件(46)，而且该电极与外壳元件设置在基本电绝缘的初始位置上，所述元件(41；46)之一被设置成接收来自笔杆(14)的所述力并被顶推到一个与另一元件(46；41)电接触的激励位置上的结构形式；而且，在将所述力释放后，该力接收元件(41；46)被设置成自动由激励位置弹回初始位置上的结构形式。

2、根据权利要求1所述的电子笔，其特征在于：所述电极元件(41)与所述外壳元件(46)一起制成。

3、根据权利要求1或2所述的电子笔，其特征在于：所述力接收元件(41；46)以悬臂状设置在所述传感器部件(16)内。

4、根据权利要求1、2或3所述的电子笔，其特征在于：所述电极元件(41)和所述外壳元件(46)基本为平面状。

5、根据上述权利要求之一所述的电子笔，其特征在于：所述传感器部件(16)包括一薄板状基片(36)，该基片上设置有一封闭区域和一电极区域，该基片(36)按照下述方式进行弯曲：使所述封闭区域和电极区域分别形成所述外壳元件(46)和所述电极元件(41)。

6、根据上述权利要求之一所述的电子笔，其特征在于：所述外壳元件(46)为力接收元件。

7、根据上述权利要求之一所述的电子笔，其特征在于：其中所述电极元件(41)包括两个电独立的导电线路(38，40)，它们形成一激励表面(42)与外壳元件(46)配合。

8、根据权利要求7所述的电子笔，其特征在于：所述激励区域(42)的至少中央部分具有大体均匀分布的所述导体线路(38，40)。

9、根据权利要求7或8所述的电子笔，其特征在于：所述传感器元件包括一由电绝缘材料制成的衬垫(52)，在所述激励位置上，该衬垫被设置成至少局部包围所述激励表面(42)的结构形式。

10、根据上述权利要求之一所述的电子笔，其特征在于：所述外壳元件(46)包括半导体材料。

11、根据上述权利要求之一所述的电子笔，其特征在于：所述外壳元件(46)包括压敏材料。

12、根据上述权利要求之一所述的电子笔，还包括：一力传递元件(34)，该元件与笔杆(14)的一端相连接，并有一倒圆的接合表面(82)，该表面用来与力接收元件(41；46)相互配合。

13、根据权利要求12所述的电子笔，其特征在于：所述力传递元件(34)由弹性材料制成。

14、根据权利要求12或13所述的电子笔，其特征在于：所述力传递元件(34)限定有一盲孔(84)，该盲孔适合于容纳所述笔杆(14)的所述一端，而且其周壁上设置有至少一个纵向沟槽(88)。

15、根据权利要求14所述的电子笔，其特征在于：所述力传递元件(34)包括一插件(86)，该插件设置在盲孔(84)的端壁上并由硬质的耐用材料制成。

16、根据权利要求15所述的电子笔，其特征在于：所述插件(86)在其面向盲孔(84)的表面上设置有至少一个由所述表面的中央部分伸出并与所述纵向沟槽(88)相连接的凹槽(90)。

17、根据权利要求12-16之一所述的电子笔，还包括：一细长的支座(18)，该支座限定有一第一腔体和一第二腔体(54，56)，其中，传感器部件(16)安装在第一腔体(54)内，力传递元件(34)滑动安装在第二腔体(56)内，以用于克服力接受元件(41；46)的弹簧作用沿纵向移动到第一腔体(54)内。

18、根据权利要求17所述的电子笔，其特征在于：所述支座(18)包括一凸片部分(60)，该凸片部分形成在第一和第二腔体(54，56)之间，以限制力接受元件(41；46)移动远离另一元件(46；41)。

19、根据权利要求17或18所述的电子笔，其特征在于：所述支座(18)限定有一安装孔(68)，该安装孔至少局部由可弯曲的侧壁部分(64)限定而成，该侧壁部分能够允许力传递元件(34)插装到第二腔体(56)内并限制该力传递元件在该第二腔体内的移动。

20、根据上述权利要求17-19之一所述的电子笔，其特征在于：所述支座(18)包括一导向部件(80)，该导向部件与一设置在主体(12)上的互补型导向部件相互配合。

21、根据权利要求17-20之一所述的电子笔，其特征在于：所述电极和外壳部件(41，46)通过一腹板部分(48)连接在一起，而且该腹板部分(48)容纳在一导向孔(62)内，而该导向孔又限定形成在第一腔体(54)的一侧壁部分上。

22、根据权利要求17-21之一所述的电子笔，其特征在于：一接触孔设置在第一腔体(54)的一侧壁部分上，其中电极元件(41)穿过该接触孔由第一腔体(54)延伸到与一接触表面抵靠在一起的位置上，该接触表面形成在支座(18)上并用来与设置在该笔上的电路板(20)相接触。

23、根据权利要求21和22所述的电子笔，其特征在于：所述接触孔设置在导向孔(62)的对侧。

24、根据上述权利要求之一所述的电子笔，其特征在于：所述电极元件(41)包括一个石墨层。

25、一种用于安装到一电子笔(10)内的控制部件，该电子笔设置有一笔杆(14)和一相关的力传感器(16)，该控制部件包括：一个比较器(108)，该比较器适合于接收来自力传感器(16)的模拟测量信号，以将该模拟测量信号与一固定的基准信号进行对比，然后根据这种比较，发出一数字输出信号；一转换器(106)，该转换器适合于接收这种模拟测量信号并将其转换成一系列数字力值；和一处理器(102)，该处理器与比较器(108)和转换器(106)电连接并适合于根据比较器(108)的数字输出信号有选择地激励该转换器(106)。

26、根据权利要求25所述的控制部件，其特征在于：所述处理器(102)在对转换器(106)进行激励前适合于从具有较低内部时钟频率的等待状态切换到具有较高内部时钟频率的激励状态。

27、根据权利要求26所述的控制部件，其特征在于：所述处理器(102)在其激励状态下适合于至少间歇性地激励一位置传感器(30)，该位置传感器用于确定该笔(10)在底板上的位置。

28、根据权利要求27所述的控制部件，其特征在于：所述处理器(102)适合于将每个位置与一包括在所述序列内的力值联系起来。

29、根据权利要求26-28之一所述的控制部件，其特征在于：所述处理器(102)至少在其等待状态下适合于产生所述的基准信号。

30、根据权利要求26-28之一所述的控制部件，其特征在于：所述处理器(102)适合于至少在等待状态下通过一个中断端口接收比较器(108)的数字输出信号。

31、根据权利要求25-30之一所述的控制部件，其特征在于：所述比较器(108)和转换器(106)可分别被实施为可编程模拟数字转换器的第一和第二操作模式。

32、一种用于根据力传感器(16)的模拟测量信号对一电子笔(10)进行控制的方法，该力传感器与笔(10)的笔杆(14)相连接，该方法包括下述步骤：将模拟测量信号与一固定的基准信号进行对比，并根据这种比较结果，有选择地起动一模拟数字转换器，以将模拟测量信号转换成一系列数字力值。

33、根据权利要求32所述的方法，其特征在于：所述力传感器(16)在一个很宽的力范围内具有非线性力特征，而且包括根据模拟测量信号的规模对向至少两个给定的转换范围之一进行的转换进行控制，而且每个转换范围都分别与所述力范围的一个子范围相对应。

34、根据权利要求34所述的方法，其特征在于：控制转换的步骤包括使模拟数字转换器在至少两个给定的电压范围之间进行自动切换，而且当模拟测量信号达到给定的切换点时，每个给定的电压范围都分别与所述力的范围的一个子范围相对应。

35、根据权利要求33所述的方法，其特征在于：所述测量信号是在力传感器(16)上作为一电势差而产生，该力传感器由一个恒流发电机(100)来驱动；其中控制转换的步骤包括：一旦模拟测量信号达到给定的切换点，就会使该恒流发电机(100)自动在至少两个电流之间进行切换，而且每个电流都将产生多个模拟测量信号，这些模拟测量信号与所述力范围的给定子范围相对应，而且该力的范围落入模拟数字转换器的电压范围内。

36、根据权利要求35所述的方法，其特征在于：所述至少两个给定的电流按照下述方式进行选择：使在恒流发电机(100)切换后每个切换点上的模拟测量信号都不同于任何其它切换点。

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