DE202013103197U1

DE202013103197U1 - Digitaler Stift

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Publication number: DE202013103197U1
Application number: DE201320103197
Authority: DE
Original assignee: Stabilo International GmbH
Current assignee: Stabilo International GmbH
Priority date: 2013-07-17
Filing date: 2013-07-17
Publication date: 2014-10-20
Anticipated expiration: 2023-07-18

Abstract

Elektronischer Schreibstift (100) mit Schreibstiftpositionserkennung, umfassend eine Schreibmine (113), wenigstens eine elektrische Spannungsquelle (103), wenigstens eine digitale Steuereinheit (120), sowie wenigstens ein Datenübertragungsmodul (111), dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schreibstift (100) wenigstens drei Positionsbestimmungssensoren (105, 112, 104) aufweist, wobei genannte Positionsbestimmungssensoren so konfiguriert sind, dass aus ihren Messdaten eine Überbestimmung der Lage und/oder Bewegung des elektronischen Schreibstiftes (100) ermittelt werden kann.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schreibstift der im Oberbegriff des Schutzanspruchs 1 angegebenen Art und eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Schutzanspruchs 16 angegebenen Art.
Die ständig zunehmende Verwendung von elektronischen Informations- und Kommunikationssystemen, insbesondere von Personal Computern (PCs), Laptops, Tablets und Smartphones in Alltag, Freizeit und Arbeitswelt macht es sinnvoll, Verbesserungen von Mensch-Maschinen-Schnittstellen zu entwickeln.
Als Mensch-Maschinen-Schnittstellen sind dabei neben Eingabevorrichtungen wie Tastatur, Maus oder berührungsempfindlichen Oberflächen insbesondere elektronische Schreibstifte von Interesse. Elektronische Schreibstifte haben dabei unter anderem den Vorteil, dass sie die Funktionalität und Einfachheit des Schreibens mit einem Stift auf einer Oberfläche mit den vielfältigen Möglichkeiten elektronischer Datenverarbeitung verbinden können. Dabei ist es wünschenswert, dass sich der elektronische Schreibstift einem konventionellen Stift so weit wie möglich in Erscheinung und Handhabung ähnelt.
In der WO 02/07424 A2 wird beispielsweise ein elektronisches Informationssystem zur Handschriftenerfassung beschrieben, welches einen Stift und ein Tablett mit druck- bzw. induktionsempfindlicher Oberfläche aufweist und bei der die Bewegungen des Stiftes bzw. der Stiftspitze wahlweise von der druck- bzw. induktionsempfindlicher Oberfläche des Tabletts oder von Beschleunigungssensoren oder optischen Sensoren erfasst werden.
Die Sensordaten können dann an einen PC drahtlos übermittelt werden, der basierend auf den empfangenen Stiftbewegungsdaten eine Handschriftenerfassung durchführen kann.
Nachteilig bei bekannten elektronischen Informationssystemen zur Schrifterfassung ist jedoch unter anderem, dass die Schreibstiftpositionsdaten nicht immer hinreichend genau erfasst werden können und dies beispielsweise zu einer fehlerhaften Bestimmung der Schreibstiftbewegung führen kann.
Aufgabe
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, einen elektronischen Schreibstift zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der Genauigkeit der Schreibstiftpositionserkennung.
Lösung
Dies wird erfindungsgemäß durch einen elektronischen Schreibstift nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 16 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Dabei kann ein elektronischer Schreibstift mit Schreibstiftpositionserkennung eine Schreibmine, wenigstens eine elektrische Spannungsquelle, wenigstens eine digitale Steuereinheit sowie wenigstens ein Datenübertragungsmodul aufweisen. Zudem kann der elektronische Schreibstift über wenigstens drei Positionsbestimmungssensoren verfügen, wobei genannte Positionsbestimmungssensoren so konfiguriert sein können, dass aus ihren Messdaten eine Überbestimmung der Lage und/oder Bewegung des elektronischen Schreibstiftes ermittelt werden kann.
Ein elektronischer Schreibstift kann als ein starrer Körper aufgefasst werden, d.h. er verfügt über drei Translations-Freiheitsgrade und drei Rotations-Freiheitsgrade, insgesamt also über sechs Bewegungs-Freiheitsgrade. In der Regel sind daher zwei dreidimensionale Positionsbestimmungssensoren ausreichend, um die Lage und/oder Bewegung des elektronischen Schreibstiftes in einem dreidimensionalen Koordinatensystem zu beschreiben, abgesehen von eventuell notwendigen Initialisierungen des gewählten Koordinatensystems und von Integrationsfehlern.
Im Folgenden sind unter Positionsbestimmungssensoren, sofern nicht ausdrücklich anders erwähnt, Positionsbestimmungssensoren zu verstehen, die in drei aufeinander orthogonal stehenden Raumrichtungen Beschleunigungen und/oder die Stärke des örtlichen Magnetfelds und/oder Drehraten messen.
Ein erfindungsgemäßer elektronischer Schreibstift kann jedoch wegen seiner mindestens drei Positionsbestimmungssensoren eine Überbestimmung der Schreibstiftpositionsdaten bzw. Lage und/oder Bewegung des elektronischen Schreibstiftes in einem dreidimensionalen Koordinatensystem ermöglichen.
Dies hat zum einen den Vorteil, dass beispielsweise durch Mittelung unabhängig voneinander gemessener Schreibstiftpositionsdaten die Schreibstiftpositionsdaten genauer bestimmt werden können und zum anderen, das Uneindeutigkeiten bezüglich der Lage und/oder Bewegung des elektronischen Schreibstiftes in einem dreidimensionalen Koordinatensystem vermieden werden können.
Besagte Uneindeutigkeiten in Schreibstiftpositionsdaten gemessen von Positionsbestimmungssensoren rühren beispielsweise daher, dass bei paralleler Ausrichtung zweier Rotationsachsen, z.B. den Rotationsachsen eines kardanisch aufgehängten Positionsbestimmungssensors zur dreidimensionalen Drehratenmessung, die Information über einen Freiheitsgrad verloren gehen kann und die Bewegung des elektronischen Schreibstiftes nicht mehr eindeutig beschrieben werden kann. Dieses Beispiel für einen Verlust von Freiheitsgradinformation wird auch als sogenannte kardanische Blockade bezeichnet.
Dies Problem tritt bei einem erfindungsgemäßen elektronischen Schreibstift jedoch nicht auf, da die wenigstens drei Positionsbestimmungssensoren für jede Lage und/oder Bewegung des elektronischen Schreibstiftes alle sechs Bewegungsfreiheitsgrade wenigstens einmal und eindeutig erfassen können.
Eine andere Quelle von Ungenauigkeiten in den Positionsdaten rührt vom thermischen Rauschen in den Schaltkreisen der Positionsbestimmungssensoren her. Dieses stochastische Signal kann durch eine Mittelung einer genügenden Anzahl von Sensoren deutlich reduziert werden.
Weitere Ungenauigkeiten können von dem zeitlichen Versatz bei der Erfassung von Messwerten herrühren, da diese seriell über einen Datenbus ausgelesen und im Weiteren so behandelt werden, als seien sie zum exakt gleichen Zeitpunkt erfasst worden. Auch hier können die gemittelten Signale mehrerer Sensoren ein guter Weg sein, diesen Fehler zu minimieren.
Neben besagten Positionsbestimmungssensoren kann der elektronische Schreibstift einen Kraftsensor aufweisen, der an die Schreibmine gekoppelt sein kann.
Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise erst bei einem gemessenen Überschreiten einer vorher festgelegten Kraft, z.B. ausgelöst durch die Druckkraft, die beim Aufsetzen der elektronischen Schreibstiftes auf ein Schreibsubstrat, beispielsweise Papier, auf die Schreibmine ausgeübt wird, die Positionsbestimmungssensoren und/oder die digitale Steuereinheit und/oder das Datenübertragungsmodul vollständig aktiviert werden brauchen.
Dies kann den Energieverbrauch des elektronischen Schreibstiftes reduzieren, da so beispielsweise zwischen Benutzung und Nichtbenutzung des elektronischen Schreibstiftes zum Schreiben oder Zeichnen auf einem Schreibsubstrat unterschieden werden kann, und z.B. im Falle der Nichtbenutzung die Positionsbestimmungssensoren und/oder andere elektrisch betriebene Elemente des elektronischen Schreibstiftes teilweise oder vollständig ausgeschaltet werden können.
Andererseits kann der elektronische Schreibstift natürlich auch ohne Schreibsubstrat benutzt werden, beispielsweise zum freien Schreiben oder zur Ausübung von Gesten im Raum, wobei auch in Abwesenheit einer bestimmten Druckkraft auf besagten Kraftsensor, bzw. Messung von Druckkräften, die allein mit der Masse der Schreibmine und Beschleunigung des elektronischen Schreibstiftes konsistent sind, die Positionsbestimmungssensoren und/oder die digitale Steuereinheit und/oder das Datenübertragungsmodul teilweise oder vollständig aktiviert sein können.
Dies ist vor allem bei Vorgängen wie dem Zeilensprung oder dem Umblättern von Bedeutung, da hier kein Kontakt der Mine mit dem Schreibsubstrat stattfindet. Daher kann es z.B. sinnvoll sein, die Positionsbestimmung noch für einige Sekunden weiter laufen zu lassen, wenn der Schreibdruck aussetzt. Die dann folgenden Bewegungsmuster können in Typen klassifiziert werden und entsprechende Funktionen in einem die Signale bzw. Daten empfangenden Gerät, z.B. eine externe Datenauswertungseinheit, auslösen. Beispielsweise sollte bei einer vorwiegend gegen die Schreibrichtung erfolgenden Bewegung ohne Schreibdruck der Eingabepunkt für den nächsten Schriftzug am Beginn der vorherigen Zeile und um eine Zeilenhöhe nach unten versetzt positioniert werden.
Vorteilhafterweise kann die Auswertung der Kraftsensorsdaten als Nebenprodukt auch Information über den Füllstand der Schreibmine liefern, da die Kraftsensorsdaten auch empfindlich für die Bestimmung von Veränderungen in der Masse der Schreibmine sein können. Dabei können die durch Massenkräfte auftretenden Drücke auf den Schreibdrucksensor mit den gleichzeitig registrierten Beschleunigungen in Längsrichtung des Stiftes verglichen werden, was Rückschlüsse auf die Masse der Mine und damit ihren Füllstand erlaubt.
Der Kraftsensor kann also nicht nur als Ein-/ Ausschalter dienen. Insbesondere kann der Kraftsensor ein Analog- oder Proportionalsignal liefern, also die Druckkraftstärke bzw. Veränderungen in der Druckkraftstärke messen, was beispielsweise für die Schreiblernhilfe von Interesse sein kann, als auch für verschiedene Darstellungsweisen von geschriebenen Zeichen, die beispielsweise auf einer externen Darstellungseinheit mit verschiedenen Farben und/oder Strichdicken dargestellt werden können.
Positionsbestimmungssensoren können als Inertialsensoren ausgeführt sein, deren Messprinzip auf der Massenträgheit und der mechanischen Auslenkung von federnd gelagerten Testmassen beruht. Bevorzugterweise können solche Inertialsensoren als sogenanntes Mikro-Elektro-Mechanisches System (MEMS) realisiert werden, wobei beispielsweise mechanische Strukturen in einer Schicht aus Polysilizium abgebildet werden können.
Jedoch sind auch Positionsbestimmungssensoren denkbar, welche keine Inertialsensoren sind und die auf anderen Messprinzipien beruhen, beispielsweise Magnetfeldsensoren die auf Grundlage des Hall-Effekts oder des Giant-Magnetoresistance-Effekts funktionieren und ohne bewegliche mechanische Teile realisiert werden können. Eine bevorzugte Ausführung kann beispielsweise Sensoren des Typs Förster-Sonde umfassen, die auch Flux-Gate-Sensoren genannt werden.
Die Positionsbestimmungssensoren können dabei zunächst Schreibstiftpositionen im körperfesten bewegten Koordinatensystem des elektronischen Schreibstiftes messen. Eine Überführung in ein absolutes Bezugssystem für die Koordinaten des elektronischen Schreibstiftes kann durch weiter unten näher beschriebene Transformationen erfolgen.
Mindestens zwei der Mehrzahl an Positionsbestimmungssensoren des elektronischen Schreibstiftes können dabei dreidimensionale Beschleunigungssensoren sein, und ein Positionsbestimmungssensor kann ein dreidimensionaler Drehratensensor sein.
Alternativ können mindestens zwei der Mehrzahl an Positionsbestimmungssensoren dreidimensionale Beschleunigungssensoren sein, und ein Positionsbestimmungssensor kann ein eindimensionaler oder zweidimensionaler oder dreidimensionaler Magnetfeldsensor sein.
Ebenso ist es möglich, dass alle mindestens drei Positionsbestimmungssensoren dreidimensionale Beschleunigungssensoren sein können.
Eine Bevorzugung von Beschleunigungssensoren gegenüber Drehratensensoren kann unter anderem darin begründet sein, dass Beschleunigungssensoren energieeffizienter als Drehratensensoren sein können, was sich vorteilhafterweise auf die Betriebsdauer des elektronischen Schreibstiftes auswirken kann.
Allerdings kann die Verwendung von Drehratensensoren den Vorteil aufweisen, dass Bewegungen des elektronischen Schreibstiftes im Raum losgelöst von einem Schreibsubstrat leichter gemessen werden können und die Signalqualität besonders für Drehbewegungen um die Längsachse höher ist.
Es ist daher möglich, dass mindestens zwei der Mehrzahl an Positionsbestimmungssensoren dreidimensionale Drehratensensoren sein können, sowie ein Positionsbestimmungssensor ein dreidimensionaler Beschleunigungssensor sein kann.
Ferner ist ein elektronischer Schreibstift denkbar, bei dem mindestens ein Positionsbestimmungssensor ein dreidimensionaler Drehratensensoren sein kann, mindestens ein Positionsbestimmungssensor ein dreidimensionaler Beschleunigungssensor sein kann, und mindestens ein Positionsbestimmungssensor ein eindimensionaler oder zweidimensionaler oder dreidimensionaler Magnetfeldsensor sein kann.
Zusätzlich kann der elektronische Schreibstift einen Luftdrucksensor aufweisen, über den vorteilhafterweise mittels der barometrischen Höhenformel und bekanntem Referenzluftdruck bei Normalnull die Position des elektronische Schreibstift in Höhenmetern ermittelt werden kann und zu einer Initialisierung der Positionsbestimmungssensoren verwendet werden kann.
Die Auswertung der Luftdrucksensordaten kann dabei bevorzugt außerhalb des elektronischen Schreibstiftes in einer Datenauswertungseinheit, beispielsweise ein PC, Laptop, Tablet oder Smartphone erfolgen, welche die vom Datenübertragungsmodul versandten Daten aller Sensoren des elektronischen Schreibstiftes empfangen kann. Besagte Datenauswertungseinheit kann dabei über eine Datenbank verfügen bzw. über Zugang zu Datenbanken verfügen, in der alle benötigten aktuellen und ggf. Zeit- und/oder Ortsabhängigen Datenwerte zur Initialisierung wie beispielsweise der Referenzluftdruck bei Normalnull, und/oder der Wert der Erdbeschleunigung, und/oder der Wert der Erdmagnetfeldstärke hinterlegt sind.
Für die Positionsbestimmung kann aber auch eine relative Ermittlung genügen, bei der lediglich die Druckänderungen als Höhenänderungen interpretiert werden. Nachteilig kann dabei jedoch die Störanfälligkeit durch die Umwelt sein, z.B. durch Luftdruckänderungen in Folge eines Öffnens oder Schließens einer nahegelegenen Tür. Solche Änderungen können aber beispielsweise leicht mit einem zweiten, ruhenden Drucksensor ausgefiltert werden. Dieser ruhende Drucksensor kann vorteilhafter Weise in einem empfangenden Gerät, beispielsweise besagter Datenauswertungseinheit untergebracht sein.
Der elektronische Schreibstift kann darüber hinaus wenigstens einen Kombisensor aufweisen, in dem wenigstens zwei Sensoren von verschiedener oder gleicher Art integriert sein können, beispielsweise kann der Kombisensor aus einem dreidimensionalen Drehratensensor und einem dreidimensionalern Beschleunigungssensor bestehen.
Ebenso ist möglich, dass der Kombisensor z.B. aus einem dreidimensionalen Beschleunigungssensor und einem eindimensionalen oder zweidimensionalen oder dreidimensionalen Magnetfeldsensor bestehen kann, oder aus einem dreidimensionalen Drehratensensor und einem eindimensionalen oder zweidimensionalen oder dreidimensionalen Magnetfeldsensor bestehen kann.
Ein weiteres Beispiel für den Kombisensor wäre, dass er aus einem dreidimensionalen Drehratensensor, einem dreidimensionalen Beschleunigungssensor und einem eindimensionalen oder zweidimensionalen oder dreidimensionalen Magnetfeldsensor bestehen kann. Die Verwendung von Kombisensoren erlaubt vorteilhafterweise eine kompaktere Bauform des elektronischen Schreibstiftes und kann unter Umständen die Herstellungskosten des elektronischen Schreibstiftes reduzieren.
Kombisensoren können darüber hinaus über eine Datenauswertungs-Elektronik verfügen, die die Daten in allen Raumrichtungen aller Sensorarten verarbeiten kann, und beispielsweise an deren digitalen Ausgängen bereits driftkompensierte Signale, insbesondere beispielsweise driftkompensierte Winkelsignale in Quarternionen und/oder Eulerwinkeln, ausgeben kann.
Kombisensoren können dabei nur Flächen z.B. kleiner als 5 mm × 5 mm beanspruchen. Aus den Sensorsignalen der Positionsbestimmungssensoren entsteht das Bewegungsprofil beispielsweise durch Integration (kumulatives Aufsummieren) der Beschleunigungsvorgänge. Aus den über einen bestimmten Zeitraum ermittelten Geschwindigkeitsdaten kann wiederum der zurückgelegte Weg durch erneute Integration berechnet werden.
Zur besseren Nutzung der aufgenommenen Daten kann es hilfreich sein, die Anfangsbedingungen bzw. Anfangsbezugsdaten zu kennen, d.h. es können z.B. Angaben über die Geschwindigkeit und/oder den Ort zu Beginn der Integrationsvorgänge benötigt bzw. bereitgestellt werden.
Da man dem Nutzer des elektronischen Schreibstiftes nicht ständig einen Abgleich mit Referenzpunkten zumuten kann, ist eine Initialisierung der Anfangsbedingungen anhand von charakteristischen oder markanten Aktivitäten im normalen Umgang mit dem elektronischen Schreibstift möglich. Solche Initialisierungsaktivitäten können beispielsweise etwa das Ablegen des Stiftes, die gemittelte Schreibrichtung oder die Richtungsumkehr bei einzelnen Buchstaben sein. Auch die Messung des Aufsetzens auf einem Schreibsubstrat, z.B. Paper, welche wie oben beschrieben durch den an die Schreibmine gekoppelten Kraftsensor erfolgen kann, kann zur Ermittlung solcher Anfangsbezugsdaten dienen.
Für den Gebrauch und die Datenauswertung des elektronischen Schreibstiftes ist vor allem die Kenntnis der Lage bzw. Bewegung der Schreibstiftspitze bzw. Schreibstiftminenspitze des elektronischen Schreibstiftes relevant. Aus technischen Gründen kann es aber einfacher, sowie hinsichtlich der Positionsbestimmungsgenauigkeit mitunter sogar vorteilhafter sein, die Positionsbestimmungssensoren nicht direkt in die Schreibstiftspitze zu integrieren. Die Lage und/oder Bewegung der Schreibstiftspitze kann jedoch durch entsprechende Koordinatentransformation aus den Daten der Positionsbestimmungssensoren berechnet werden.
Obwohl die Daten der Sensoren des elektronischen Schreibstiftes auch teilweise oder vollständig von der digitalen Steuereinheit des elektronischen Schreibstiftes verarbeitet und/oder ausgewertet werden können, kann es je nach Energieaufwand für diese Datenverarbeitung bevorzugt sein, dass die Sensordaten in weitgehend unbearbeiteter Form an eine externe Datenauswertungseinheit, z.B. drahtlos, geschickt werden können. Es ist jedoch beispielsweise möglich, dass proprietäre Algorithmen in der digitalen Steuereinheit des elektronischen Schreibstiftes verankert werden können und/oder dort eine Vorverarbeitung stattfinden kann, in der die Rohdaten der Sensoren bereits in einer reduzierten Darstellung vorliegen, z.B. mit getrennten Translations- und Rotationsanteilen. Dies kann auch dazu beitragen, das zu übertragende Datenvolumen zu reduzieren, was seinerseits – je nach Umfang dieser Reduktion – zu erheblichen Energieeinsparungen führen kann.
Vorteilhafterweise können wenigstens zwei Beschleunigungssensoren möglichst weit weg vom Mittelpunkt des elektronischen Schreibstiftes (z.B. Mittelpunkt der Längsachse des elektronischen Schreibstiftes) angeordnet sein, um die Beschleunigungssignalstärke zu optimieren und über die Differenz der von Ihnen registrierten Beschleunigungen Information über die Rotation des elektronischen Schreibstiftes erhalten zu können. Der Mittelwert der Beschleunigungen in den drei Achsen kann dabei als translatorische Beschleunigung in den jeweiligen Achsen aufgefasst werden.
Generell können Positionsbestimmungssensoren entlang der Längsachse des elektronischen Schreibstiftes angeordnet sein und/oder entlang einer Achse parallel und/oder nicht parallel zur Längsachse.
Insbesondere die Beschleunigungssensoren können entlang der Längsachse des elektronischen Schreibstiftes angeordnet sein oder bevorzugter Weise entlang einer Achse parallel, schiefwinklig oder orthogonal zur Längsachse. Ein ebenfalls entlang der Längsachse des elektronischen Schreibstiftes oder bevorzugterweise entlang einer Achse parallel, schiefwinklig oder orthogonal zur Längsachse angebrachter zusätzlicher Drehratensensor kann dabei die Signalqualität für Rotationsbeschleunigungen um die Längsachse verbessern, sowie Uneindeutigkeiten in der Lage- bzw. Bewegungsbestimmung des elektronischen Schreibstiftes vermeiden.
Alternativ oder zusätzlich zu einem Drehratensensor kann z.B. ein dritter Beschleunigungssensor um 180° +/– 90° entlang eines Umfangs relativ versetzt zur Position zu einem der beiden ersten Beschleunigungssensoren angeordnet sein, um Uneindeutigkeiten in der Lage- bzw. Bewegungsbestimmung aufzulösen, z.B. durch die Auswertung der Vorzeichen der Beschleunigungssensoren.
Zur weiteren Erleichterung der Signalauswertung kann es vorteilhaft sein, den zweiten Positionsbestimmungssensor in einer Ebene, die orthogonal auf der Längsachse des Stiftes stehen und in der Ebene des ersten Positionsbestimmungssensors liegen kann, zu positionieren.
Beide Positionsbestimmungssensoren können auf einem Kreis liegen, dessen Mittelpunkt durch die Längsachse des Stiftes definiert sein kann. Ihre Position auf dem Kreis kann beispielsweise bei 0° und 180° sein, wenn der ganze Kreisumfang 360° misst.
Daneben ist aber auch jede andere Positionierung möglich, wenn der Abstand beider Positionsbestimmungssensoren senkrecht zu der Achse, in der eine Drehung durch das Differenz- Signal gemessen werden soll, genügend groß ist.
Ebenfalls können Magnetfeldsensoren und andere Sensoren entlang der Längsachse des elektronischen Schreibstiftes angeordnet sein oder entlang einer Achse parallel, schiefwinklig oder orthogonal zur Längsachse.
Die Positionierung eines, oben erwähnten, optionalen Luftdrucksensors ist nahezu frei wählbar, da er nur ein relatives Signal liefert, und kann beispielsweise nur Einschränkungen unterworfen sein, die sich aus Überlegungen zur Optimierung von Schaltungsauslegungen ergeben.
Die Anordnung von Positionsbestimmungssensoren, die als Kombisensoren ausgeführt sind, auch Sensorcluster genannt, kann ebenfalls entlang der Längsachse des elektronischen Schreibstiftes erfolgen oder entlang einer Achse parallel, schiefwinklig oder orthogonal zur Längsachse.
Bei einem Kombisensor, z.B. bestehend aus einem Beschleunigungssensor und wenigstens einem weiteren Positionsbestimmungssensor, z.B. Drehratensensor oder Magnetfeldsensor, kann es aber jedoch unter Umständen von Vorteil sein, diesen möglichst mittig im elektronischen Schreibstift anzuordnen. Soll nämlich beispielsweise der Beschleunigungssensor des Kombisensors vorwiegend nur translatorische Bewegungen erfassen, kann eine mittige Anordnung des Kombisensors bzw. des Beschleunigungssensors einen geringeren Störanteil aufweisen.
Die Positionsbestimmungssensoren können sich dabei auf oder in dem Gehäuse des elektronischen Schreibstiftes befinden oder auf einem Bauteil zwischen Schreibmine und besagtem Gehäuse. Besagtes Bauteil kann eine zylindrische Form aufweisen und z.B. eine Schaltungsträgerhülse sein, wie sie in den 1a oder 1b beschrieben ist.
Es ist auch denkbar, die Schaltung auf einer Folie aufzubauen und in ein Spritzgußwerkzeug einzulegen. Da die Löttemperaturen (z.B. 238°C in der Dampfphasen-Lötung) weit über den Verarbeitungstemperaturen gängiger Kunststoffe liegen, würde hierbei keine thermische Schädigung bei dem Ummanteln mit Kunststoff stattfinden, und die Bauteile könnten optimal fixiert werden. Zugleich würde solche eine optionale Einbettung der Schaltungsträger bzw. Positionsbestimmungssensoren in die Stifthülle eine Maximierung der Sensorabstände von der Längsachse des Stiftes erlauben.
Der elektronische Schreibstift kann modular aufgebaut sein, und beispielsweise Steck- und oder Schraubverbindungen aufweisen, so dass z.B. die Schreibmine und/oder eine als Spannungsquelle verwendete Batterie leicht ausgewechselt werden können. Eine Einwegausführung ohne auswechselbare Teile ist allerdings auch denkbar.
Die Schreibmine, die z.B. mit Leichtlaufpaste schreiben kann, kann beispielsweise einen Durchmesser von 2 mm bis 10 mm, bevorzugt von 4 mm bis 5 mm aufweisen. Die Länge der Schreibmine kann zwischen 50 mm bis 200 mm, bevorzugt bei 80 mm bis 100 mm liegen.
Das Gehäuse des elektronischen Schreibstiftes kann eine vorwiegend zylindrische Form aufweisen. Denkbar sind aber auch quaderförmige oder polyederförmige Gehäuseformen, oder zylindrische Formen mit konvexen oder konkaven polygonförmigen Querschnitten.
Bei einer Einbettung der Schaltung in das Gehäuse kann eine polygonförmige Gestaltung der Innenseite empfehlenswert sein, die es erlauben kann, die Bauteile auf ebenen Abschnitten der Innenseite positionieren zu können. Dadurch kann beispielsweise eine Beschädigung der Kontaktierung der Bauteile mit dem Schaltungsträger beim Einlegen in das Spritzgußwerkzeug vermieden werden.
Der elektronische Schreibstift kann z.B. eine Länge zwischen 90 mm und 200 mm sowie mittlere Durchmesser bzw. mittlere Außendurchmesser zwischen 3 mm–20 mm aufweisen. Aus ergonomischer Sicht kann ein Außendurchmesser von 5 mm–12 mm bevorzugt sein, was hohe Ansprüche an die Packung der Bauteile stellen kann.
Vorteilhafterweise kann die Form des elektronischen Schreibstifts so gewählt werden, dass er einem konventionellen Stift so weit wie möglich in Erscheinung und Handhabung ähneln kann.
Je nach Betriebsart des elektronischen Schreibstiftes können verschiedene Initialisierungen des verwendeten Koordinatensystems zur Auswertung der Schreibstiftpositionen erfolgen. Während es sinnvoll sein kann, bei einer Zeichnung die absolute Position des elektronischen Schreibstiftes auf dem Schreibsubstrat (bzw. die relative Position zu Bezugspunkten auf dem Schreibsubstrat, z.B. Papier) zu kennen, kann beispielsweise eine Schrifterkennung bereits allein aus dem dynamischen Bewegungsvorgang des elektronischen Schreibstiftes selbst heraus möglich sein.
Um beispielsweise ein Koordinatensystem auf einem zweidimensionalen Schreibsubstrat, z.B. Papier, festzulegen, sind im Allgemeinen drei Referenzpunkte erforderlich. Nimmt man an, dass der Nutzer beim Zeichnen das Schreibsubstrat stets in derselben Ebene berührt, kann die integrierte Kraftmessung es ermöglichen, mit zwei Referenzpunkten auszukommen, die lediglich die horizontale Lage des Schreibsubstrats bestimmen. Alle weiteren Schreibsubstratberührungen können dann zur Bestimmung der Zeichenebene herangezogen werden.
Ein an die Schreibmine gekoppelter Kraftsensor kann hierbei nützliche Daten zur Kalibrierung und Initialisierung der Schreibebene liefern, und beispielsweise Beschleunigungswerte von Positionsbestimmungssensoren mit Schreibdruckkraftdaten abgleichen, sodass beispielsweise ein Absinken des elektronischen Stiftes unter die Schreibebene als nicht erlaubt erkannt werden kann.
Ein Initialisierungsvorgang kann z.B. durch Berühren der Eckpunkte des Schreibsubstrates erfolgen, dabei kann auch gleichzeitig die verfügbare Zeichenfläche definiert werden.
Allerdings kann nicht immer von einer gleichbleibenden Position des Schreibsubstrates ausgegangen werden. Daher ist es sinnvoll, ein absolutes Bezugssystem zu definieren, beispielsweise ein orthogonales Bezugsystem mit den Achsen x, y, z, wobei z.B. die z-Achse entgegengesetzt oder gleichgerichtet zur Erdbeschleunigung sein kann. Zur Festlegung der Drehung der xy- Ebene kann als Bezugssystem beispielsweise das Erdmagnetfeld dienen. Nachfolgend soll dieses absolute Bezugssystem auch als Geo-Referenzsystem bezeichnet werden.
Die Umrechnung bzw. Transformation von Koordinaten im körperfesten bewegten Koordinatensystem des elektronischen Schreibstiftes, also dem Koordinatensystem in dem die Positionsbestimmungssensoren messen, hinüber in das Geo-Referenzsystem und umgekehrt, kann nach Initialisierung der Positionsbestimmungssensoren dann einfach, beispielsweise per Translations- und/oder Rotationstransformation, erfolgen.
Die Positionsbestimmungssensoren und andere Sensoren können bei Gebrauch des elektronischen Schreibstiftes beispielsweise wenigstens alle 50 ms Messdaten aufnehmen, damit sichergestellt werden kann, dass die Abtastfrequenz über der Eigenfrequenz (z.B. 5 Hz) der Hand des schreibenden Nutzers liegt, um alle Bewegungen der Hand bzw. des elektronischen Schreibstiftes erfassen zu können.
Die Auflösung bzw. Genauigkeit der elektronischen Schreibstiftpositionserkennung kann beispielsweise weniger bzw. besser als 1 mm sein.
Es ist dabei auch möglich statt einer dauerhaften absoluten Schreibstiftpositionserkennung Bewegungsmuster des elektronischen Schreibstiftes über einen Zeitraum, beispielsweise über 1 s, 2 s, 4 s, oder 6 s oder länger zu verfolgen, um den aufgezeichneten Bewegungsmustern einzelne Buchstaben und/ oder Worte zuordnen zu können.
Diese Zuordnung bzw. Auswertung kann dabei beispielsweise auf einer externen Datenauswertungseinheit erfolgen.
Die gemessenen Positionsbestimmungsdaten können von der digitalen Steuereinheit vektorisiert oder anderweitig formatiert werden und anschließend über das Datenübertragungsmodul an ein Datenempfangsmodul bzw. eine Datenauswertungseinheit zur Auswertung und Verarbeitung der empfangenen Daten übertragen werden. Dies kann beispielsweise mittels verschlüsselter drahtloser Datenübertragung gemäß Bluetooth Low Energy(BLE)-Standard geschehen.
Eine Datenauswertungseinheit integriert im Stift, z.B. zur Aufintegration und Fehlerkorrektur der aufgezeichneten Messdaten, ist aber ebenso möglich, und kann eine Reduktion des zu übermittelnden Datenvolumens und eine höhere Robustheit gegenüber Datenausfällen ermöglichen. Optional können also diese im elektronischen Stift von der integrierten Datenauswertungseinheit erzeugten Daten vom Datenübertragungsmodul übertragen werden.
Alternativ oder zusätzlich kann eine externe Datenauswertungseinheit eine Aufintegration und Fehlerkorrektur der beispielsweise von einem Datenempfangsmodul empfangenen Daten durchführen.
Die von einer Datenauswertungseinheit des elektronischen Schreibstiftes und/oder von einer externen Datenauswertungseinheit verarbeiteten Daten können auf einer Datenausgabeeinheit ausgegeben und/oder auf einer Datenspeichereinheit gespeichert werden.
Zur Fehlerkorrektur können dabei unter anderem Kalman-Filtermethoden eingesetzt werden, beispielsweise unter Berücksichtigung von Positionsbestimmungssensordaten in Korrelation mit Daten des an die Schreibmine gekoppelten Kraftsensors. Vorteilhafterweise kann somit beispielsweise eine durch fehlerhafte Aufintegration von Sensormessdaten künstliche Drift in der Grundlinie einer Schreibrichtung korrigiert werden.
Ein mögliche Auslagerung der eigentlichen Verarbeitung der Positionsbestimmungsdaten, beispielsweise zur Schrifterkennung, hat den Vorteil, dass die digitale Steuereinheit entlastet wird von rechenintensiven und/oder speicherintensiven Verarbeitungsschritten, welche unter Umständen einen reibungslosen Ablauf der Sensordatenaufnahme beinträchtigen könnten, sowie sich negativ auf die Verwendungsdauer einer als Spannungsquelle dienenden Batterie des elektronischen Schreibstiftes auswirken können. Allerdings kann wie erwähnt die Verarbeitung der von den Sensoren des elektronischen Schreibstiftes aufgezeichneten Daten auch im Schreibstift selbst erfolgen.
Ferner ist auch denkbar, dass das Datenübertragungsmodul des elektronischen Schreibstiftes beispielsweise auch Daten, insbesondere beispielsweise Steuer- und oder Konfigurationsbefehle, von einem externen Gerät erhalten kann.
Der elektronische Schreibstift kann also mit externen Geräten in Kommunikation stehen, sowohl zum Empfangen als auch zum Senden.
Im Übrigen sei bemerkt, dass der elektronische Schreibstift natürlich auch einfach konventionell benutzt werden kann, z.B. nur zum Schreiben und/oder Zeichnen mit der mit z.B. Leichtlaufpaste betreibbaren Schreibmine.
Folgende Figuren stellen beispielhaft dar:
1a: Beispielhafte Ausführung eines elektronischen Schreibstiftes
1b: Beispielhafte Ausführung einer Schaltungsträgerhülse
2: Beispielhafte weitere Ausführung eines elektronischen Schreibstiftes
Die 1a stellt beispielhaft einen erfindungsgemäßen elektronischen Schreibstift 100 dar. Darin kann eine Schreibmine 113, z.B. mit Leichtlaufpaste befüllt, von einer Schaltungsträgerhülse 122 gehalten werden bzw. umhüllt sein, wobei die Schaltungsträgerhülse 122 ihrerseits vom Gehäuse 115 des elektronischen Schreibstiftes umgeben sein kann.
Die Schaltungsträgerhülse 122 kann optional einen Vorsprung 117 am zweiten Hülsenteil 101 der Schaltungsträgerhülse 122 aufweisen, der zur Haltung der Schreibmine dienen kann.
Ein Kraftsensor 107 kann an die Schreibmine 113 gekoppelt sein, beispielsweise über einen Zapfen 110, und eine auf die Schreibmine 113 ausgeübte Druck- bzw. Beschleunigungskraft messen.
Die Schaltungsträgerhülse 122 kann ebenfalls einen ersten Positionsbestimmungssensor, beispielsweise einen Drehratensensor 112, beherbergen, der entlang der Längsachse 121 des elektronischen Schreibstiftes 100, beispielsweise im ersten Hülsenteil 102 der Schaltungsträgerhülse 122 angeordnet sein kann.
Ein zweiter und dritter Positionsbestimmungssensor können sich auf der Schaltungsträgerhülse 122 außerhalb der Längsachse 121 angeordnet befinden. Beispielsweise kann ein erster Beschleunigungssensor 105 am ersten Hülsenteil 102 der Schaltungsträgerhülse 122 angebracht sein, bevorzugt beispielsweise in der Nähe des der Schreibstiftspitze 114 gegenüberliegenden Endes / Abschlusskappe 116 des elektronischen Schreibstiftes. Ein zweiter Beschleunigungssensor 104 kann beispielsweise am zweiten Hülsenteil 101 der Schaltungsträgerhülse 122 angeordnet sein, bevorzugterweise in nahezu maximaler Entfernung zum ersten Beschleunigungssensor 105, um vorteilhafterweise über die Differenz der an zwei verschiedenen Orten gemessenen Beschleunigungen die Genauigkeit der Bestimmung der Lage und Bewegung, insbesondere die Information über eine Rotation, des elektronischen Schreibstiftes 100, zu verbessern.
Eine Spannungsquelle 103, z.B. eine Batterie, zur Energieversorgung des elektronischen Schreibstiftes 100 kann sich innerhalb des ersten Hülsenteil 102 der Schaltungsträgerhülse 122 befinden, ebenso wie eine digitale Steuereinheit 120 und ein Datenübertragungsmodul 111.
Datenübertragungsmodul 111 kann die Daten des elektronischen Schreibstiftes 100 an eine externe Datenauswertungseinheit (nicht dargestellt) bzw. ein Datenempfangsmodul (nicht dargestellt) senden.
Der elektronische Schreibstift 100 kann im Übrigen auch über eine Verschlusskappe (nicht dargestellt) verfügen, die beispielsweise beim Gebrauch des elektronischen Schreibstiftes 100 auf die Abschlusskappe 116 gesteckt oder geschraubt werden kann.
Der elektronische Schreibstift 100 kann modular aufgebaut sein, z.B. durch Steck- und oder Schraubverbindungen, so dass z.B. die Schreibmine 113 und/oder eine als Spannungsquelle 103 verwendete Batterie leicht ausgewechselt werden können. Eine Einwegausführung ohne auswechselbare Teile ist allerdings auch denkbar.
Die 1b stellt beispielhaft eine alternative Schaltungsträgerhülse 200 eines erfindungsgemäßen elektronischen Schreibstiftes dar.
Die Schaltungsträgerhülse 200 kann einen ersten Hülsenteil 202 und einen zweiten Hülsenteil 201 aufweisen, wobei der zweite Hülsenteil 201 zwei Wangen 218, 219 aufweisen kann, welche eine Schreibmine (nicht dargestellt, z.B. aber analog zu Schreibmine 113) aufnehmen können, welche aber beispielsweise keinen Vorsprung analog zu Vorsprung 117 aus 1a aufweisen muss. Der erste Hülsenteil 202 kann über ein Fach 203 zur Aufnahme einer Spannungsquelle, z.B. einer Batterie, verfügen.
Eine Vielzahl von Positionsbestimmungssensoren verschiedenen Typs, d.h. Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Magnetfeldsensoren, Luftdrucksensoren, sowie Kombisensoren können an nahezu beliebigen Positionen auf der Oberfläche der Schaltungsträgerhülse 200 angeordnet werden.
Beispielhaft sind Anordnungen für eine Ausführung mit drei Beschleunigungssensoren dargestellt. Diese Ausführung kann sich vorteilhafterweise durch einen optimierten Energieverbrauch auszeichnen, da Beschleunigungssensoren im Allgemeinen weniger Energie verbrauchen als andere Positionsbestimmungssensoren, wie beispielsweise Drehratensensoren.
Dabei können z.B. Beschleunigungssensoren 205 und 204 entlang einer zur Längsachse 214 des elektronischen Stiftes parallelen Achse 217 auf der Schaltungsträgerhülse 200 angeordnet sein. Die Beschleunigungssensoren 205 und 204 können dabei auf der gleichen Achse 217 liegen.
Bevorzugterweise kann die Distanz zwischen Beschleunigungssensoren 205 und 204 nahezu maximiert werden, um vorteilhafterweise über die Differenz der an zwei verschiedenen Orten gemessenen Beschleunigungen die Genauigkeit der Bestimmung der Lage und Bewegung, insbesondere die Information über eine Rotation, des elektronischen Schreibstiftes, zu verbessern.
Ein dritter Beschleunigungssensor 206 kann z.B. dem Beschleunigungssensor 204 gegenüberliegend angeordnet sein, beispielsweise um 180° +/– 90° entlang eines Umfangs 215 der Schaltungsträgerhülse 200 versetzt. Zwei Beschleunigungssensoren 204 und 206 können dabei entlang des gleichen Umfangs 215 der Schaltungsträgerhülse 200 liegen oder auch auf zwei verschiedenen Umfängen 215, 216 entlang der Längsachse 214 des elektronischen Stiftes. Der dritte Beschleunigungssensor 206 kann auch an einer Position 212 gegenüberliegend des Beschleunigungssensors 205 am ersten Hülsenteil 202 der Schaltungsträgerhülse 200 angeordnet sein.
Ebenso ist denkbar, dass alle drei Beschleunigungssensoren auf verschiedenen zur Längsachse 214 des elektronischen Stiftes parallelen Achsen angeordnet sind, d.h. beispielsweise in einer wie dargestellten Anordnung mit Beschleunigungssensor 205, 206, sowie mit Beschleunigungssensor 204 an einer alternativen Position 211.
Eine weitere beispielhafte alternative Position für einen Positionsbestimmungssensor, beispielsweise einen Beschleunigungssensor, ist mit 213 gekennzeichnet.
Vorteilhafterweise können wenigstens zwei der drei Beschleunigungssensoren 205, 204, 206 auf der gleichen zur Längsachse 214 des elektronischen Stiftes parallelen Achse angeordnet sein, um den Auswertungs-Algorithmus einfacher zu gestalten, da dann in diesem Fall nur Messwerte von jeweils einer Achse der Sensoren bei der Differenzen- und Mittelwertsbildung herangezogen werden müssen.
Elektrische Leiterbahnen 208, 209 können die Sensorsignale des Kraftsensors 207 an eine digitale Steuereinheit (nicht dargestellt) leiten.
Analog zum Beispiel aus 1a kann der Kraftsensor 207 mittels eines Zapfens 210 an eine Schreibmine (nicht dargestellt) gekoppelt sein.
Die Signale der Positionsbestimmungssensoren, beispielsweise der Beschleunigungssensoren 205, 204, 206, können mittels der elektrischen Leiterbahnen 210 an besagte digitale Steuereinheit (nicht dargestellt) weitergeleitet werden, von wo aus die von den Positionsbestimmungssensoren und anderen Sensoren gesammelten Sensordaten unbearbeitet oder bearbeitet mittels eines Datenübertragungsmoduls (nicht dargestellt) an eine externe Datenauswertungseinheit (nicht dargstellt), bevorzugterweise drahtlos gesendet werden können.
Die Merkmale des elektronischen Schreibstiftes 100 können selbstverständlich mit den Merkmalen der Schaltungsträgerhülse 200 kombiniert werden. Ebenso können die Merkmale wie in der allgemeinen Beschreibung dargestellt mit den Merkmalen des elektronischen Schreibstiftes 100 bzw. den Merkmalen der Schaltungsträgerhülse 200 kombiniert werden.
Die Positionsbestimmungssensoren und andere Sensoren des elektronischen Schreibstiftes können so ausgelegt sein, dass sie bei Verwendung des elektronischen Schreibstiftes wenigstens alle 50 ms Daten erfassen können. Die Abfragefrequenz, mit der die digitale Steuereinheit alle Sensoren abfragt, kann dabei wenigstens 20 Hz betragen.
Die 2 zeigt ebenfalls beispielhaft einen möglichen erfindungsgemäßen elektronischen Schreibstift 300.
An dieser Stelle sei nochmals darauf verwiesen, dass alle vorangehend beschriebenen Merkmale in beliebiger Kombination kombiniert werden können, um die beschriebenen Vorteile erzielen zu können. Das heißt z.B. der elektronische Schreibstift 300 kann auch über einen Teil oder über alle der Merkmale des elektronischen Schreibstifts 100 verfügen.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in der 2 jedoch nur ein Teil, bzw. eine beispielhafte Kombination der beschriebenen Merkmale dargestellt.
Der elektronische Schreibstift 300 kann ein Gehäuse bzw. eine Hülse 311 aufweisen. Bevorzugterweise kann das Gehäuse 311 eine Geometrie eines konventionellen Schreibstiftes aufweisen, d.h. es kann eine z.B. vorwiegend zylindrische Form aufweisen. Denkbar sind aber auch quaderförmige oder polyederförmige Gehäuseformen, oder zylindrische Formen mit konvexen oder konkaven polygonförmigen Querschnitten.
Der elektronische Schreibstift 300 kann beispielsweise eine Länge zwischen 90 mm und 200 mm sowie mittlere Durchmesser bzw. mittlere Außendurchmesser zwischen 3 mm bis 20 mm, bevorzugt 5 mm bis 12 mm, aufweisen.
Besagtes Gehäuse 311 des elektronischen Schreibstifts 300 kann beispielsweise in drei Gehäuseteile, einem ersten Teil 303, einem zweiten Teil 302 und einem dritten Teil 301 eingeteilt sein, die miteinander verschraubbar und/oder über Steckverbindungen verbunden sein können.
Der Gehäuseteil 303 kann beispielsweise ein an Gehäuseteil 302 anschraubbares Gehäuse-Endteil 310 aufweisen, welches über eine Endkappe 304 mit einem Batteriefachdeckel verfügen kann.
Gehäuseteil 303 kann unter anderem eine oder mehrere Spannungsquellen 305 beherbergen, beispielsweise Zink-Luft-Knopfzellen-Batterien, z.B. Typ 675 (1,4 V, 650 mAh).
Gehäuseteil 301 kann z.B. als konusförmiges aufschraubbares Gehäuse-Endteil 316, an dem die Schreibmine 312 austreten kann, ausgeführt sein.
Gehäuseteil 302 kann zudem über eine aufschiebbare weiche Griffzone 314 verfügen. Auch ein Datenübertragungsmodul 306, welches die Daten aller elektronischer Komponenten des elektronischen Schreibstiftes 300 an eine externe Datenauswertungseinheit (nicht dargestellt) drahtlos versenden kann, kann in diesem Teil 303 bzw. 310 des Gehäuses 311 Platz finden. Alternativ oder zusätzlich kann der elektronische Schreibstift 300 auch intern über eine separate Datenauswertungseinheit 323 verfügen, zur Auswertung und/oder Aufbereitung der Daten bevor sie über das Datenübertragungsmodul 306 versand werden können, um z.B. auf einer Datenausgabeeinheit (nicht dargestellt) ausgeben und/oder auf einer Datenspeichereinheit (nicht dargestellt) gespeichert werden zu können.
Eine digitale Steuereinheit, z.B. umfassend einen Mikrocontroller, ist ebenfalls in Gehäuseteil 303 bzw. 310 untergebracht.
Die digitale Steuereinheit 307 kann mit allen anderen elektronischen Komponenten insbesondere den Sensoren, einschließlich der Positionsbestimmungssensoren, des elektronischen Schreibstiftes 300 in Verbindung stehen, insbesondere zur Kommunikation von Daten und/oder Steuerbefehlen und/oder zum Transport elektrischer Energien.
Genannte Verbindungen können mittels elektrischer Leiterbahnen (nicht dargestellt) realisiert werden, die beispielsweise in das Gehäuse 311 integriert sein können.
Eine Vielzahl von Positionsbestimmungssensoren verschiedenen Typs, d.h. Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Magnetfeldsensoren, Luftdrucksensoren, sowie Kombisensoren können an nahezu beliebigen Positionen am oder im Gehäuse 311 des elektronischen Schreibstiftes 300 angeordnet werden.
Beispielhaft sind Anordnungen für eine Ausführung mit zwei Positionen für Positionsbestimmungssensoren 308, 313 dargestellt.
Dabei kann z.B. Positionsbestimmungssensor 308, z.B. ein Kombisensor, beispielsweise bestehend aus zwei Beschleunigungssensoren oder einem Beschleunigungssensor und einem Drehratensensor, sein, welcher entlang einer zur Längsachse 324 des elektronischen Stiftes parallelen Achse im Gehäuse 311, z.B. im Gehäuseteil 303, angeordnet sein kann.
Positionsbestimmungssensor 308 kann dabei so ausgeführt sein, dass er einsteckbar in eine Steckleiste 309 sein kann.
Bevorzugterweise kann die Distanz zwischen Positionsbestimmungssensoren 308 und 313 nahezu maximiert werden, um beispielsweise vorteilhafterweise über die Differenz der an zwei verschiedenen Orten gemessenen Beschleunigungen oder Drehraten oder anderer Sensorwerte die Genauigkeit der Bestimmung der Lage und Bewegung, insbesondere die Information über eine Rotation, des elektronischen Schreibstiftes 300, zu verbessern.
Ein weiterer Positionsbestimmungssensor 313, z.B. ein weiterer Beschleunigungssensor, oder ein weiterer Kombisensor, kann z.B. entlang eines Umfangs des Gehäuses 311, beispielsweise im zweiten Teil 302 angeordnet sein.
Mit anderen Worten weist der elektronische Schreibstiftes 300 also wenigstens drei Positionsbestimmungssensoren auf, wobei hier beispielsweise zwei Sensoren (z.B. zwei Beschleunigungssensoren oder ein Beschleunigungssensor und ein Drehratensensor) in einem Kombisensor 308 zusammengefasst sein können und der dritte Positionsbestimmungssensor 313 z.B. ein Beschleunigungssensor sein kann.
Ferner kann sich Positionsbestimmungssensor 313 beispielsweise im zweiten Teil 302 des Gehäuses 311 näher an der Schreibminenspitze 318 befinden.
Die Anordnung der Positionsbestimmungssensoren 313, 308 ist im Übrigen nur beispielhaft, sie können sich auch an bzw. in anderen Teilen des Gehäuses 311 befinden. Wichtig ist dabei nur, dass wenigstens drei Positionsbestimmungssensoren vorhanden sein können, welche eine Überbestimmung der Lage und/oder Bewegung des elektronischen Schreibstiftes ermöglichen können.
Der elektronische Schreibstift 300 kann eine Schreibmine 312 enthalten, welche beispielsweise über eine Schreibminenspitze 318, beispielsweise aus Neusilber, und z.B. mit Schreibkugel 317, beispielsweise aus Wolframcarbid und z.B. mit einem Durchmesser von 0,2 mm bis 2 mm, bevorzugt 1,0 +/– 0.2 mm, verfügen kann.
Die Schreibmine 312 kann an einen Kraftsensor 321 gekoppelt sein, beispielsweise mittels eines Zapfens 319 zur reibschlüssigen Aufnahme bzw. Verbindung mit der Schreibmine 312.
Der Zapfen 319 kann in einem Zapfenteller 322 münden, der mit einer weichen leitfähigen Substanz beschichtet sein kann. Besagter Zapfenteller 322 kann beispielsweise auf eine mäanderförmige Bahn eines Dünnschichtwiderstandes 315 drücken, so dass sich ein schreibdruckkraftabhängiger Widerstand einstellen kann.
Zur Aufnahme des Kraftsensors 321 kann eine bei Montage des elektronischen Schreibstiftes 300 einlegbare Hutkappe 320 dienen.
Bezugszeichenliste

100: Elektronischer Schreibstift
101: Zweiter Hülsenteil der Schaltungsträgerhülse
102: Erster Hülsenteil der Schaltungsträgerhülse
103: Spannungsquelle, z.B. Batterie
104: Positionsbestimmungssensor, Beschleunigungssensor
105: Positionsbestimmungssensor, Beschleunigungssensor
107: Kraftsensor, ankoppelbar an Schreibmine, zur Messung von Schreibdruck
110: Zapfen zur Ankoppelung des Kraftsensors an Schreibmine
111: Datenübertragungsmodul
112: Positionsbestimmungssensor, Drehratensensor
113: Schreibmine
114: Schreibstiftspitze / Schreibminenstiftspitze des elektronischen Schreibstiftes
115: Gehäuse des elektronischen Schreibstiftes
116: Der Schreibstiftspitze gegenüberliegendes Ende des elektronischen Schreibstiftes / Abschlusskappe, ggf. geeignet zur Aufnahme einer Schreibstiftkappe
117: Möglicher Vorsprung am zweiten Hülsenteil der Schaltungsträgerhülse zur Haltung einer Schreibmine dienend
120: Digitale Steuereinheit
121: Längsachse des elektronischen Schreibstiftes
122: Schaltungsträgerhülse / Hülse
200: Schaltungsträgerhülse eines elektronischen Schreibstiftes
201: Zweiter Hülsenteil der Schaltungsträgerhülse
202: Erster Hülsenteil der Schaltungsträgerhülse
203: Fach zur Aufnahme einer Spannungsquelle / Batteriefach
204: Positionsbestimmungssensor, Beschleunigungssensor
205: Positionsbestimmungssensor, Beschleunigungssensor
206: Positionsbestimmungssensor, Beschleunigungssensor
207: Kraftsensor, ankoppelbar an Schreibmine, zur Messung von Schreibdruck
208: Elektrische Leiterbahnen zum Transport von Sensorsignalen, z.B. Signalen der Positionsbestimmungssensoren, an die digitale Steuereinheit
209: Elektrische Leiterbahnen zum Transport von Sensorsignalen, z.B. Signalen des Kraftsensors, an die digitale Steuereinheit
210: Zapfen zur Ankoppelung des Kraftsensors an Schreibmine
211: Mögliche beispielhafte alternative Position eines Positionsbestimmungssensors
212: Mögliche beispielhafte alternative Position eines Positionsbestimmungssensors
213: Mögliche beispielhafte alternative Position eines Positionsbestimmungssensors
214: Längsachse des elektronischen Schreibstiftes
215: Erster Umfang der Schaltungsträgerhülse
216: Zweiter Umfang der Schaltungsträgerhülse
217: Achse auf Schaltungsträgerhülse parallel zur Längsachse des elektronischen Schreibstiftes
218: Erste Wange des zweiten Hülsenteils der Schaltungsträgerhülse
219: Zweite Wange des zweiten Hülsenteils der Schaltungsträgerhülse
300: Beispielhafter elektronischer Schreibstift
301: Dritter Teil des Gehäuses / der Hülse des elektronischer Schreibstifts
302: Zweiter Teil des Gehäuses / der Hülse des elektronischen Schreibstifts
303: Erster Teil des Gehäuses / der Hülse des elektronischen Schreibstifts
304: Endkappe und Batteriefachdeckel
305: Spannungsquelle(n) / Batterie(n), z.B. Zink-Luft-Knopfzellen
306: Datenübertragungsmodul, z.B. BLE-Modul
307: Digitale Steuereinheit, z.B. umfassend einen Mikrocontroller
308: Positionsbestimmungssensor(en), z.B. Kombisensor
309: Steckleiste zur Aufnahme von Positionsbestimmungssensor(en),
310: Anschraubbares erstes Gehäuse-Endteil des elektronischen Schreibstifts
311: Gehäuse / Hülse des elektronischer Schreibstifts
312: Schreibmine
313: Positionsbestimmungssensor(en)
314: Aufschiebbare weiche Griffzone
315: Dünnschichtwiderstand
316: Aufschraubbares zweites Gehäuse-Endteil, z.B. konusförmig, an dem die Schreibmine austreten kann
317: Schreibkugel
318: Schreibminenspitze
319: Zapfen zur reibschlüssigen Aufnahme der Schreibmine
320: Bei Montage einlegbare Hutkappe zur Aufnahme des Kraftsensors zur Messung der Schreibdruckkraft bzw. Axialdruckkraft
321: Kraftsensor
322: Zapfenteller
323: Optionale in elektronischen Schreibstift integrierte Datenauswertungseinheit
324: Längsachse des elektronischen Schreibstifts

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 0207424 A2 [0004]

Claims

Elektronischer Schreibstift (100) mit Schreibstiftpositionserkennung, umfassend eine Schreibmine (113), wenigstens eine elektrische Spannungsquelle (103), wenigstens eine digitale Steuereinheit (120), sowie wenigstens ein Datenübertragungsmodul (111), dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schreibstift (100) wenigstens drei Positionsbestimmungssensoren (105, 112, 104) aufweist, wobei genannte Positionsbestimmungssensoren so konfiguriert sind, dass aus ihren Messdaten eine Überbestimmung der Lage und/oder Bewegung des elektronischen Schreibstiftes (100) ermittelt werden kann.
Elektronischer Schreibstift (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftsensor (107) an die Schreibmine (113) gekoppelt ist.
Elektronischer Schreibstift (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der drei oder mehr Positionsbestimmungssensoren (105, 112, 104) dreidimensionale Beschleunigungssensoren (104, 105) sind und ein Positionsbestimmungssensor ein dreidimensionaler Drehratensensor (112) ist.
Elektronischer Schreibstift (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der drei oder mehr Positionsbestimmungssensoren dreidimensionale Beschleunigungssensoren sind und ein Positionsbestimmungssensor ein eindimensionaler oder zweidimensionaler oder dreidimensionaler Magnetfeldsensor ist.
Elektronischer Schreibstift (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle drei oder mehr Positionsbestimmungssensoren (104, 105, 112, 205, 204, 206) dreidimensionale Beschleunigungssensoren sind.
Elektronischer Schreibstift (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der drei oder mehr Positionsbestimmungssensoren dreidimensionale Drehratensensoren sind, und/oder ein Positionsbestimmungssensor ein dreidimensionaler Beschleunigungssensor und ein Positionsbestimmungssensor ein eindimensionaler oder zweidimensionaler oder dreidimensionaler Magnetfeldsensor ist.
Elektronischer Schreibstift (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schreibstift zusätzlich einen Luftdrucksensor aufweist.
Elektronischer Schreibstift (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schreibstift wenigstens einen Kombisensor aufweist, in den wenigstens zwei Sensoren integriert sind.
Elektronischer Schreibstift (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kombisensor aus einem dreidimensionalen Drehratensensor und einem dreidimensionalen Beschleunigungssensor besteht.
Elektronischer Schreibstift (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kombisensor aus einem dreidimensionalen Beschleunigungssensor und einem eindimensionalen oder zweidimensionalen oder dreidimensionalen Magnetfeldsensor besteht.
Elektronischer Schreibstift (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kombisensor aus einem dreidimensionalen Drehratensensor und einem eindimensionalen oder zweidimensionalen oder dreidimensionalen Magnetfeldsensor besteht.
Elektronischer Schreibstift (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kombisensor aus einem dreidimensionalen Drehratensensor, einem dreidimensionalen Beschleunigungssensor und einem eindimensionalen oder zweidimensionalen oder dreidimensionalen Magnetfeldsensor besteht.
Elektronischer Schreibstift (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmungssensoren und/oder Kombisensoren entlang der Längsachse des elektronischen Schreibstiftes und/oder entlang einer Achse parallel, schiefwinklig oder orthogonal zur Längsachse angeordnet sind.
Elektronischer Schreibstift (100) nach einem der vorherigen Ansprüche 5, 8, 9, 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Beschleunigungssensor um 180 +/– 90° entlang eines Umfangs (215, 216) relativ versetzt zur Position zu einem der beiden ersten Beschleunigungssensoren angeordnet ist.
Elektronischer Schreibstift (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er über eine integrierte Datenauswertungseinheit verfügt zur Aufintegration und Fehlerkorrektur der aufgezeichneten Messdaten, wobei optional die von der integrierten erzeugten Daten übertragen werden können.
Vorrichtung zur elektronischen Erkennung von Schreibstiftpositionen, umfassend einen elektronischen Schreibstift (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wenigstens ein Datenempfangsmodul zum Empfang von durch das Datenübertragungsmodul (111) des elektronischen Schreibstiftes (100) ausgesandten Daten, eine Datenauswertungseinheit zur Auswertung und Verarbeitung der empfangenen Daten, eine Datenausgabeeinheit und eine Datenspeichereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenauswertungseinheit eine Aufintegration und Fehlerkorrektur der empfangenen Daten durchführen kann, und die verarbeiteten Daten auf der Datenausgabeeinheit ausgeben und/oder auf einer Datenspeichereinheit speichern kann.