CN202815746U - 电容屏触控笔 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及触控笔技术领域，提供了一种电容屏触控笔，所述触控笔包括笔本体、笔尖电极和感应电极，所述笔尖电极和感应电极设置于笔本体内，所述笔尖电极和感应电极平行设置，所述触控笔还包括弹簧和压力检测电路，所述弹簧套装于笔尖电极上，所述弹簧与笔尖电极受力移动方向相同的一侧固定于笔本体内，笔尖电极受力时带动弹簧的另一侧一起移动，所述压力检测电路检测笔尖电极与感应电极之间的电容，并将所述电容转换为笔尖电极所受到的压力指标。本实用新型采用电容检测原理，实现触控操作时对电容屏触控笔所受到的压力进行检测，方案简单可靠，灵敏度高，用户体验真实。

Description

电容屏触控笔

技术领域

本实用新型涉及触控笔技术领域，特别是涉及一种电容屏触控笔。

背景技术

随着触控技术和移动终端技术的发展，越来越多的移动终端采用触控方式进行人机交互。目前移动终端所采用的触控屏主要有电容式触控屏和电阻式触控屏两种，其中电容式触控屏以其良好的清晰度、透光率和触感，得到了越来越多用户的青睐。移动终端目前应用最广泛的是手机和平板电脑。

电容式触控屏除了可以用手指直接触控操作以外，还可以通过电容屏触控笔替代手指进行触控操作。电容屏触控笔若要达到比较好的用户体验，就必须和真正的笔一样，依据手写用力大小产生笔迹粗细的效果。由此，在电容屏触控笔的设计中就需要加入压力检测功能。

目前有多种方法可以实现压力检测，例如通过光电检测、压电检测和压力电阻检测等。但上述方案均需要专门的传感器才能实现，成本较高，体积也较大。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的上述缺陷，提供一种电容屏触控笔，采用电容检测原理，实现触控操作时对电容屏触控笔所受到的压力进行检测，方案简单可靠，灵敏度高，用户体验真实。

本实用新型采用的技术方案是：

一种电容屏触控笔，所述触控笔包括笔本体、笔尖电极和感应电极，所述笔尖电极和感应电极设置于笔本体内，所述笔尖电极和感应电极平行设置，所述触控笔还包括弹簧和压力检测电路，所述弹簧套装于笔尖电极上，所述弹簧与笔尖电极受力移动方向相同的一侧固定于笔本体内，笔尖电极受力时带动弹簧的另一侧一起移动，所述压力检测电路检测笔尖电极与感应电极之间的电容，并将所述电容转换为笔尖电极所受到的压力指标。

优选地，所述笔本体包括笔头和笔身，所述笔尖电极的一部分设置于笔头内，所述感应电极设置于笔身内，所述笔头和笔身之间设有一隔板，在所述隔板上开有一供笔尖电极移动穿过的笔尖电极通道，穿过所述笔尖电极通道的笔尖电极的另一部分位于笔身内。

优选地，所述弹簧与笔尖电极受力移动方向相同的一侧固定于隔板上。

优选地，所述笔尖电极通道的形状与移动穿过所述笔尖电极通道的笔尖电极部分的截面形状类似。

优选地，所述笔尖电极和感应电极平行交错设置，笔尖电极受力移动使笔尖电极和感应电极之间的正对面积变大。

优选地，所述弹簧的另一侧与笔尖电极固定。

优选地，所述压力检测电路包括积分电路、采样电路、笔尖压力指标量化模块和压力数据输出模块，一激励信号与笔尖电极连接，所述笔尖电极与感应电极之间耦合，所述感应电极与积分电路、采样电路、笔尖压力指标量化模块和压力数据输出模块依次连接：

笔尖电极与感应电极之间产生互耦电容；

积分电路将所述互耦电容信号幅值积分，并抑制噪声幅值；

采样电路通过模数转换器将模拟信号采样为数字信号；

笔尖压力指标量化模块根据所述数字信号进行运算，获取压力指标；

压力数据输出模块输出所述压力指标。

优选地，所述压力检测电路包括前级放大器、带通滤波器、同步解调电路、低通滤波器、积分电路、采样电路、笔尖压力指标量化模块和压力数据输出模块，一激励信号与笔尖电极连接，所述笔尖电极与感应电极之间耦合，所述感应电极与前级放大器、带通滤波器、同步解调电路、低通滤波器、积分电路、采样电路、笔尖压力指标量化模块和压力数据输出模块依次连接：

笔尖电极与感应电极之间产生互耦电容；

前级放大器将所述互耦电容进行阻抗变换和信号放大，捕捉微弱信号；

带通滤波器滤除信号带宽范围外的噪声，提高信噪比；

同步解调电路调制出与激励信号相关的信号；

低通滤波器滤除非相关信号调制出来的噪声；

积分电路将信号幅值积分，并抑制噪声幅值；

采样电路通过模数转换器将模拟信号采样为数字信号；

笔尖压力指标量化模块根据所述数字信号进行运算，获取压力指标；

压力数据输出模块输出所述压力指标。

优选地，所述激励信号由笔尖信号源提供。

优选地，所述压力检测电路中的采样电路、笔尖压力指标量化模块和压力数据输出模块集成到芯片中，压力检测电路中的其他部分设置在电路板上；或者所述压力检测电路均集成到芯片中。

本实用新型通过在笔尖电极上套装弹簧，弹簧与笔尖电极受力移动方向相同的一侧固定于笔本体内，另一侧跟随笔尖电极受力的移动而移动，使弹簧压缩，触控笔受力时笔尖电极和感应电极之间的正对面积变化，导致两者之间的电容变化，而正对面积的变化量与笔尖电极所受压力大小成比例关系，因此电容的变化量与笔尖电极所受压力大小也成比例关系。通过压力检测电路检测笔尖电极与感应电极之间的电容，并将电容转换为笔尖电极所受到的压力指标，在不同的受力情况下其压力指标也不同。本实用新型采用电容检测原理，实现触控操作时对电容屏触控笔所受到的压力进行检测，方案简单可靠，灵敏度高，用户体验真实。

附图说明

图1为本实用新型实施例1电容屏触控笔在无压力时的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1电容屏触控笔在受压力时的结构示意图；

图3为本实用新型实施例1电容屏触控笔受压力前后的笔尖电极和感应电极正对面积变化示意图；

图4为本实用新型实施例1电容屏触控笔中的压力检测电路框图；

图5为本实用新型实施例2电容屏触控笔中的压力检测电路框图。

图标说明：

1笔本体，                11笔头，

12笔身，                 13隔板，

14笔尖电极通道，         2笔尖电极，

3感应电极，              4弹簧，

5压力检测电路，          51前级放大器，

52带通滤波器，           53同步解调电路，

54低通滤波器，           55积分电路，

56采样电路，             57笔尖压力指标量化模块，

58压力数据输出模块。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例提供了一种电容屏触控笔，该触控笔包括笔本体、笔尖电极和感应电极，笔尖电极和感应电极设置于笔本体内，笔尖电极和感应电极平行设置，该触控笔还包括弹簧和压力检测电路，弹簧套装于笔尖电极上，弹簧与笔尖电极受力移动方向相同的一侧固定于笔本体内，笔尖电极受力时带动弹簧的另一侧一起移动，压力检测电路检测笔尖电极与感应电极之间的电容，并将电容转换为笔尖电极所受到的压力指标。

本实用新型实施例采用电容检测原理，实现触控操作时对电容屏触控笔所受到的压力进行检测，方案简单可靠，灵敏度高，用户体验真实。

实施例1：

请参阅图1和图2所示，图1为本实用新型实施例1电容屏触控笔在无压力时的结构示意图，图2为本实用新型实施例1电容屏触控笔在受压力时的结构示意图。该电容屏触控笔包括笔本体1、笔尖电极2、感应电极3、弹簧4和压力检测电路5。

笔尖电极2和感应电极3设置于笔本体1内，本实施例中，笔本体1包括笔头11和笔身12，笔尖电极2的一部分设置于笔头11内，感应电极3设置于笔身12内，笔头11和笔身12之间设有一隔板13。感应电极3是固定在笔身12内的导电体，笔尖电极2可以沿触控笔的长度方向移动(如图1和图2所示，触控笔在左右方向上移动)，因此在隔板13上开有一供笔尖电极2移动穿过的笔尖电极通道14，穿过笔尖电极通道14的笔尖电极2的另一部分位于笔身12内。当手写用力时，笔尖电极2沿受力方向移动，笔尖电极2通常不是一个规则的圆柱体，笔尖电极通道14的形状与移动穿过笔尖电极通道14的笔尖电极2部分的截面形状类似。

笔尖电极2和感应电极3平行设置，弹簧4套装于笔尖电极2上，弹簧4与笔尖电极2受力移动方向相同的一侧固定于笔本体1内，笔尖电极2受力时带动弹簧4的另一侧一起移动。本实施例中，由于设有一隔板13，弹簧4与笔尖电极2受力移动方向相同的一侧固定于隔板13上，也即图1和图2中所示的弹簧4的左侧固定于隔板13上。

请同时参阅图3所示，图3为本实用新型实施例1电容屏触控笔受压力前后的笔尖电极和感应电极正对面积变化示意图。弹簧4在无压力时，不产生形变；在笔尖电极2受压力时，弹簧4另一侧跟随笔尖电极2受力的移动而移动(也即图1和图2中所示的弹簧4的右侧)，弹簧4产生形变压缩，同时笔尖电极2和感应电极3之间的正对面积变大，两者之间的电容变大，其正对面积的变化量与笔尖电极2受力大小成比例关系，因此其电容的变化量与笔尖电极2所受压力大小也成比例关系。通过检测该电容的变化即可计算出压力大小。本实施例中，笔尖电极2和感应电极3平行交错设置，笔尖电极2受力移动使笔尖电极2和感应电极3之间的正对面积变大。具体实施时，弹簧4的右侧最好与笔尖电极2固定，这样，弹簧4与笔尖电极2之间不会产生相对运动，通过弹簧4自身的弹力使笔尖电极不至于在受力过大时陷入笔头11内。

请参阅图1～图4所示，图4为本实用新型实施例1电容屏触控笔中的压力检测电路框图，压力检测电路5检测笔尖电极2与感应电极3之间的电容C，并将电容转换为笔尖电极2所受到的压力指标F。本实施例中，压力检测电路5包括积分电路55、采样电路56、笔尖压力指标量化模块57和压力数据输出模块58。本实施例是采用互容方式来检测压力电容，因此需要激励信号，一激励信号与笔尖电极2连接，该激励信号为笔尖信号，由笔尖信号源提供，笔尖电极2与感应电极3之间耦合，感应电极3与积分电路55、采样电路56、笔尖压力指标量化模块57和压力数据输出模块58依次连接。笔尖电极2与感应电极3之间产生互耦电容，也即待测压力电容；积分电路55将互耦电容信号幅值积分，并抑制噪声幅值；采样电路56通过模数转换器将模拟信号采样为数字信号；笔尖压力指标量化模块57根据数字信号进行运算，获取压力指标；压力数据输出模块58输出压力指标。压力检测电路5中的采样电路56、笔尖压力指标量化模块57和压力数据输出模块58可以集成到芯片中，压力检测电路5中的其他部分设置在电路板上；或者将压力检测电路5的所有部分均集成到芯片中也是可行的。

通过检测的电容C计算压力指标F的具体过程为：

笔尖电极与感应电极之间的电容C的计算公式为：C＝εS/4Пk₁ d_a；笔尖电极与感应电极之间的正对面积S的计算公式为S＝ld_x；因此C＝εld_x/4Пk₁ d_a；则，笔尖电极与感应电极之间的正对长度d_x的计算公式(1)为：

d_x＝C4Пk₁ d_a/εl；                (1)

其中，d_x为笔尖电极与感应电极之间的正对长度，C为笔尖电极与感应电极之间的电容，k₁为静电力常量，d_a为笔尖电极与感应电极之间的垂直距离，ε为笔尖电极与感应电极之间介质的介电常数，l(图中未示出)为笔尖电极与感应电极之间的正对宽度，S为笔尖电极与感应电极的正对面积；k₁、d_a、ε和l为常量，d_x和C为变量，笔尖电极与感应电极之间的正对长度d_x的变化，导致笔尖电极与感应电极的正对面积变化，从而导致笔尖电极与感应电极之间的电容变化。

笔尖电极所受到的压力指标F的计算公式(2)为：

F＝(d-d₀)/((d₁-d₀)/256)；                (2)

其中，d为当前压力下笔尖电极与感应电极之间的正对长度，d₀为无压力时笔尖电极与感应电极之间的正对长度，d₁为最大压力时笔尖电极与感应电极之间的正对长度，256代表最大压力时的压力指标级别为256级；d₀和d₁为常量，F和d为变量。

在检测到C后，将C代入公式(1)，通过公式(1)计算公式(2)中的d、d0和d1，再将计算出的d、d0和d1代入公式(2)，即可求得当前压力下的压力指标F。这样，可实现多级压力水平的检测。

本实用新型实施例通过在笔尖电极上套装弹簧，弹簧与笔尖电极受力移动方向相同的一侧固定于笔本体内，另一侧跟随笔尖电极受力的移动而移动，使弹簧压缩，触控笔受力时笔尖电极和感应电极之间的正对面积变化，导致两者之间的电容变化，而正对面积的变化量与笔尖电极所受压力大小成比例关系，因此电容的变化量与笔尖电极所受压力大小也成比例关系。通过压力检测电路检测笔尖电极与感应电极之间的电容，并将电容转换为笔尖电极所受到的压力指标，在不同的受力情况下其压力指标也不同。本实用新型采用电容检测原理，实现触控操作时对电容屏触控笔所受到的压力进行检测，方案简单可靠，灵敏度高，用户体验真实。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于压力检测电路5的组成。本实施例与实施例1相同的部分此处不再赘述，只描述不同的部分。

请参阅图5所示，图5为本实用新型实施例2电容屏触控笔中的压力检测电路框图。该压力检测电路5包括前级放大器51、带通滤波器52、同步解调电路53、低通滤波器54、积分电路55、采样电路56、笔尖压力指标量化模块57和压力数据输出模块58。本实施例是采用互容方式来检测压力电容，因此需要激励信号，一激励信号与笔尖电极2连接，该激励信号为笔尖信号，由笔尖信号源提供，笔尖电极2与感应电极3之间耦合，感应电极2与前级放大器51、带通滤波器52、同步解调电路53、低通滤波器54、积分电路55、采样电路56、笔尖压力指标量化模块57和压力数据输出模块58依次连接。笔尖电极2与感应电极3之间产生互耦电容；前级放大器51将互耦电容进行阻抗变换和信号放大，捕捉微弱信号；带通滤波器52滤除信号带宽范围外的噪声，提高信噪比；同步解调电路53调制出与激励信号相关的信号；低通滤波器54滤除非相关信号调制出来的噪声；积分电路55将信号幅值积分，并抑制噪声幅值；采样电路56通过模数转换器将模拟信号采样为数字信号；笔尖压力指标量化模块57根据数字信号进行运算，获取压力指标；压力数据输出模块58输出压力指标。

本实施例的压力检测电路5在实施例1的基础上，增加了前级放大器51、带通滤波器52、同步解调电路53和低通滤波器54，对电路进行了优化，使整个压力检测电路5的信号捕捉更灵敏，将噪声信号滤除，提高了信噪比。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电容屏触控笔，所述触控笔包括笔本体、笔尖电极和感应电极，所述笔尖电极和感应电极设置于笔本体内，其特征在于，所述笔尖电极和感应电极平行设置，所述触控笔还包括弹簧和压力检测电路，所述弹簧套装于笔尖电极上，所述弹簧与笔尖电极受力移动方向相同的一侧固定于笔本体内，笔尖电极受力时带动弹簧的另一侧一起移动，所述压力检测电路检测笔尖电极与感应电极之间的电容，并将所述电容转换为笔尖电极所受到的压力指标。

2.根据权利要求1所述的触控笔，其特征在于，所述笔本体包括笔头和笔身，所述笔尖电极的一部分设置于笔头内，所述感应电极设置于笔身内，所述笔头和笔身之间设有一隔板，在所述隔板上开有一供笔尖电极移动穿过的笔尖电极通道，穿过所述笔尖电极通道的笔尖电极的另一部分位于笔身内。

3.根据权利要求2所述的触控笔，其特征在于，所述弹簧与笔尖电极受力移动方向相同的一侧固定于隔板上。

4.根据权利要求2所述的触控笔，其特征在于，所述笔尖电极通道的形状与移动穿过所述笔尖电极通道的笔尖电极部分的截面形状类似。

5.根据权利要求1～4任一项所述的触控笔，其特征在于，所述笔尖电极和感应电极平行交错设置，笔尖电极受力移动使笔尖电极和感应电极之间的正对面积变大。

6.根据权利要求1～4任一项所述的触控笔，其特征在于，所述弹簧的另一侧与笔尖电极固定。

7.根据权利要求1所述的触控笔，其特征在于，所述压力检测电路包括积分电路、采样电路、笔尖压力指标量化模块和压力数据输出模块，一激励信号与笔尖电极连接，所述笔尖电极与感应电极之间耦合，所述感应电极与积分电路、采样电路、笔尖压力指标量化模块和压力数据输出模块依次连接：

笔尖电极与感应电极之间产生互耦电容；

积分电路将所述互耦电容信号幅值积分，并抑制噪声幅值；

采样电路通过模数转换器将模拟信号采样为数字信号；

笔尖压力指标量化模块根据所述数字信号进行运算，获取压力指标；

压力数据输出模块输出所述压力指标。

8.根据权利要求1所述的触控笔，其特征在于，所述压力检测电路包括前级放大器、带通滤波器、同步解调电路、低通滤波器、积分电路、采样电路、笔尖压力指标量化模块和压力数据输出模块，一激励信号与笔尖电极连接，所述笔尖电极与感应电极之间耦合，所述感应电极与前级放大器、带通滤波器、同步解调电路、低通滤波器、积分电路、采样电路、笔尖压力指标量化模块和压力数据输出模块依次连接：

笔尖电极与感应电极之间产生互耦电容；

前级放大器将所述互耦电容进行阻抗变换和信号放大，捕捉微弱信号；

带通滤波器滤除信号带宽范围外的噪声，提高信噪比；

同步解调电路调制出与激励信号相关的信号；

低通滤波器滤除非相关信号调制出来的噪声；

积分电路将信号幅值积分，并抑制噪声幅值；

采样电路通过模数转换器将模拟信号采样为数字信号；

笔尖压力指标量化模块根据所述数字信号进行运算，获取压力指标；

压力数据输出模块输出所述压力指标。

9.根据权利要求7或8所述的触控笔，其特征在于，所述激励信号由笔尖信号源提供。

10.根据权利要求7或8所述的触控笔，其特征在于，所述压力检测电路中的采样电路、笔尖压力指标量化模块和压力数据输出模块集成到芯片中，压力检测电路中的其他部分设置在电路板上；或者所述压力检测电路均集成到芯片中。

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