TW201339907A - 可偵測筆觸壓力的觸控筆 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種可偵測筆觸壓力的觸控筆，其包含有一桿體，一筆頭以及一壓感模組，用以感測該筆頭所承受之壓力量值。該壓感模組包含有一可伸縮結構體，設置於該桿體內部且連接至該筆頭。該可伸縮結構體包含有一主體，一參考部件，設置於該主體之一端，且固定於該桿體內，以及一可動部件，設置於該主體之另一端，該可動部件係連接於該筆頭，並隨著該筆頭而相對該參考部件移動。該壓感模組另包含有一感測器，設置於該可伸縮結構體的旁側。該感測器用來感測該可動部件相對該參考部件之一移動量，以透過分析該移動量來轉換出相應的壓力量值。

Description

可偵測筆觸壓力的觸控筆

本發明係提供一種觸控筆，尤指一種偵測位移變化量以感測筆觸壓力的觸控筆。

在現今各式消費性電子產品市場中，各種可攜式電子產品皆已廣泛使用觸控裝置作為其資料溝通的界面工具。由於目前電子產品的設計皆以輕、薄、短、小為方向，因此在產品上無足夠空間容納如鍵盤、滑鼠等傳統輸入裝置，尤其在講求人性化設計的平板電腦需求的帶動下，搭配觸控裝置的電腦系統已廣泛地出現於市面上。

舉例來說，可攜式電腦一方面強調體積輕薄，一方面又要有大面積的螢幕以顯示數位資料，所以常以觸控式螢幕來當作使用者與可攜式電腦間的人機介面。觸控式螢幕一方面能顯示圖形及文字資料，一方面也形成一觸控面板(touch panel)，當使用者接觸施壓於此觸控面板時，觸控面板能感應施壓的位置(甚或搭配觸控筆以感應施壓壓力的大小)，根據施壓的位置不同來代表不同的控制指令，藉此控制電腦。

傳統的觸控筆包含有電容式觸控筆與電磁式觸控筆。電磁式觸控筆需另搭配一天線元件以接收電磁感應訊號，其使用上較為不便且製造成本亦相當昂貴。舉例來說，電磁式觸控筆係於筆桿內裝設一電磁線圈，當使用者施壓於筆頭，使得筆頭相對筆桿移動時，筆頭會驅動該電磁感應線圈產生磁通量變化，故電磁式觸控筆可依據該磁通量的變化量，來計算出施壓於筆頭的壓力量值。除此之外，電磁式觸控筆另可透過經壓縮以到不同的電容值來取得筆頭的壓力量值。電容式觸控筆雖具有不需額外搭配一接收器的優點，然而電容式觸控筆僅能繪示觸控軌跡，無法表現出筆觸的壓力變化。且電容式觸控筆的筆頭直徑需設計至5~6mm的尺寸，易造成操作上的不便。

另一方面，傳統的觸控筆另包含有光學式觸控筆，但光學式觸控筆並無法表現出筆觸壓力的變化量值。進一步改善光學式觸控筆，可透過遮蔽光通量之變化的方式來表現出筆觸的壓力變化，然而此技術的缺點是感應量值易受干擾。雖可整合電磁式、電容式及光學式而設計出具有偵測筆觸能力的觸控筆，但其機構與電路的設計複雜繁瑣，且價格高昂，不具市場競爭力。故如何設計出不需搭配特殊接收器即可偵測筆觸變化，且具有低成本優勢的觸控筆，便為現今電腦產業設計所需努力之課題。

本發明係提供一種偵測位移變化量以感測筆觸壓力的觸控筆，以解決上述之問題。

本發明之申請專利範圍係揭露一種可偵測筆觸壓力的觸控筆，其包含有一桿體，一筆頭，以可相對活動方式設置於該桿體之一端，以及一壓感模組，設置於該桿體與該筆頭之間，用以感測該筆頭所承受之一壓力量值。該壓感模組包含有一可伸縮結構體，設置於該桿體內部且連接至該筆頭。該可伸縮結構體包含有一主體，一參考部件，設置於該主體之一端，且固定於該桿體內，以及一可動部件，設置於該主體之另一端，該可動部件係連接於該筆頭，並隨著該筆頭而相對該參考部件移動。該壓感模組另包含有一感測器，設置於該可伸縮結構體的旁側。該感測器用來感測該可動部件相對該參考部件之一移動量，以透過分析該移動量來轉換出相應的壓力量值。

本發明之申請專利範圍另揭露該感測器包含有一光發射器與一光接收器。該光發射器及該光接收器係分別設置於該參考部件與該可動部件上，且該光接收器係用以接收來自該光發射器之一光訊號，並分析該光訊號的傳遞時間差，以依據該時間差計算該移動量。

本發明之申請專利範圍另揭露該感測器包含有一光發射器、一光接收器與一透鏡。該光發射器及該光接收器係分別設置於該參考部件與該可動部件上，該透鏡係設置於該光發射器與該光接收器之間，且該光接收器係用以接收來自該光發射器並經由該透鏡之一光訊號，並分析該光訊號之強度值，以依據該強度值計算該移動量。

本發明之申請專利範圍另揭露該感測器包含有一光發射器、一光接收器與一光纖管，該光纖管之二開口與一中段區域係分別設置於該參考部件與該可動部件上，該光發射器及該光接收器則分別設置於該光纖管之該二開口，且該光接收器係用以接收來自該光發射器並經由該光纖管所傳遞之一光訊號，並分析該光訊號的傳遞時間差，以依據該時間差計算該移動量。

本發明之申請專利範圍另揭露該主體係為一可伸縮變形的結構件。

本發明之申請專利範圍另揭露該感測器包含有一音頻發射器與一音頻接收器。該音頻發射器及該音頻接收器係分別設置於該參考部件與該可動部件上，且該音頻接收器係用以接收來自該音頻發射器之一音頻訊號，並分析該音頻訊號的傳遞時間差，以依據該時間差計算該移動量。

本發明之申請專利範圍另揭露該感測器包含有一音頻發射器、一音頻接收器與一彈性體。該音頻發射器及該音頻接收器係分別設置於該參考部件與該可動部件上。該彈性體係設置於該主體內部。該音頻接收器係用以接收來自該音頻發射器並穿透該參考部件及該可動部件之一音頻訊號，並分析該音頻訊號的強度值，以依據該強度值計算該移動量。

本發明之申請專利範圍另揭露該主體係為一可伸縮變形的密閉結構件。

本發明之申請專利範圍另揭露該參考部件與該可動部件係分別具有一網孔結構。

本發明之申請專利範圍另揭露該彈性體係於該可動部件相對該參考部件移動時受擠壓而彈性變形，用以阻隔該網孔結構。

本發明之申請專利範圍另揭露該主體係為一可伸縮變形的密閉結構件。該感測器包含有一壓力計，設置於該主體之旁側。該壓力計係用以感測該主體內部之一介質的壓力變化量，並分析該壓力變化量，以依據該壓力變化量計算該移動量。

本發明之申請專利範圍另揭露該介質係為氣體或液體。

本發明之觸控筆提供多個實施例來實現感測可動部件相對參考部件之移動量的技術。本發明之觸控筆可透過感測筆頭相對桿體的移動距離以解析筆頭的壓力量值，藉此反應筆跡的線條粗細度。筆頭所承受的壓力係正比於筆頭相對桿體的移動距離，意即可動部件相對參考部件之移動量，故本發明可正確且直接地反應出筆頭壓力量值最細微的變化，有效避免環境電磁訊號干擾的因素，且兼具有結構簡單、組裝容易、成本低廉等競爭優勢。

請參閱第1圖，第1圖為本發明之一第一實施例之一觸控筆10之示意圖。觸控筆10包含有一桿體12、一筆頭14與一壓感模組16。桿體12係為一管狀結構，係為用以供使用者握持的構件。筆頭14係以可相對活動方式設置於桿體12之一端。壓感模組16係設置於桿體12與筆頭14之間。當使用者操作觸控筆10時，筆頭14可隨著使用者於繪示軌跡中施壓的力量而相對桿體12產生不同位移距離的變化，因此壓感模組16即可利用感測位移變化來轉換出筆頭14所承受之對應的壓力量值，以顯示筆觸的輕重變化。

如第1圖所示，壓感模組16包含有一可伸縮結構體18，設置於桿體12內部且連接至筆頭14。可伸縮結構體18可包含有一主體20、一參考部件22與一可動部件24。主體20係於不同實施例具有不同的結構特徵，將於後分段敘明。參考部件22與可動部件24分別設置於主體20的兩端，其中參考部件22係固定於桿體12以限制其移動，可動部件24則連接於筆頭14。當筆頭14相對桿體12移動時，可伸縮結構體18係被筆頭14擠壓而產生體型變化，意即可動部件24將隨著筆頭14而相對參考部件22移動，以改變主體20的體積。此外，壓感模組16另包含有一感測器26，設置於可伸縮結構體18的旁側。感測器26係用來感測可動部件24相對參考部件22之一移動量H，並依據移動量H產生相對應電訊號，以供一外部控制器可透過分析該電訊號而轉換出相應的壓力量值，藉此表現出使用者施壓至筆頭14所反應的筆跡粗細變化。

於第一實施例中，感測器26可選擇包含有一光發射器28與一光接收器30。光發射器28與光接收器30可選擇性地分別設置在參考部件22及可動部件24上，且光接收器30係用來接收光發射器28所輸出之一光訊號。當使用者在操作觸控筆10時，筆頭14會隨著施加壓力大小而相對桿體12產生相對應的位移，意即可動部件24對應參考部件22之移動量H會發生改變。接著感測器26及外部控制器便可依據移動量H計算筆頭14所承受的壓力量值。

詳細來說，當施加於筆頭14的壓力較大時，可動部件24較接近參考部件22，其移動量H較大，因此自光發射器28啟動至光接收器30接收到來自光發射器28之光訊號的時間差亦較短，故光接收器30可依據感測到的移動量H產生相對應電訊號，並將電訊號傳輸至外部控制器以計算其壓力量值，藉此可分析出筆頭14係繪示出線條較粗的筆跡。另一方面，當施加於筆頭14的壓力較小時，可動部件24相對參考部件22的移動量H亦較小。由於光訊號行進路徑較長，光發射器28偵測到光訊號的時間會較長，故可產生相對應的電訊號，以便外部控制器可依據電訊號轉換出相應的壓力量值，分析出筆頭14係繪示出線條較細的筆跡。

請參閱第2圖，第2圖為本發明之一第二實施例之一觸控筆10’之示意圖。第二實施例中與第一實施例相同編號之元件具有相同的結構與功能，故於此不再詳述。第二實施例與第一實施例之差異在於，除了光發射器28與光接收器30外，感測器26另可包含有一透鏡32，其係設置於光發射器28及光接收器30之間。光發射器28所輸出之光訊號係穿過透鏡32以聚焦於光接收器30上。當施加於筆頭14的壓力較大時，可動部件24相對參考部件22的移動量H亦較大，光訊號將偏離其聚焦區，因此光接收器30便會接收到強度值較弱的光訊號。

反之來說，當施加於筆頭14的壓力較小時，可動部件24相對參考部件22的移動量H亦會較小，光訊號可保持於其聚焦區內，故光接收器30便可接收到強度值較高的光訊號。因此，第二實施例之觸控筆10’的光接收器30可依據偵測所得之光訊號的強度值計算移動量H，並產生相對應電訊號，以供外部控制器依據電訊號轉換出相應的壓力量值，進而分析筆頭14所繪示之筆跡的線條粗細度。

請參閱第3圖，第3圖為本發明之一第三實施例之一觸控筆10”之示意圖。第三實施例中與前述實施例相同編號之元件具有相同的結構與功能，故於此不再詳述。第三實施例與前述實施例之差異在於，感測器26包含有光發射器28、光接收器30與一可伸縮光纖管34。可伸縮光纖管34係設置於參考部件22及可動部件24之間，並隨著可動部件24相對參考部件22之移動量H而改變其長度。光發射器28所輸出之光訊號係經由光纖管34以傳遞至光接收器30，且光纖管34係可避免光訊號於傳輸時損耗其能量。凡可用以傳輸光訊號並有效減緩光能量消耗之元件皆可為光纖管34之替代品，故於此不再詳述。

如第3圖所示，光纖管34可放置於可伸縮結構體18內，且光纖管34之二開口341與一中段區域343係分別設置在參考部件22及可動部件24上。光發射器28與光接收器30分別位於二開口341。隨著使用者施加壓力於筆頭14，可伸縮結構體18會產生相對應的結構變形。當施加的壓力大，可動部件24相對參考部件22的移動量H較大，光纖管34的長度被壓縮變小，因此光訊號傳遞的時間可被縮短。另一方面，當施加的壓力變小，可動部件24相對參考部件22的移動量H亦會較小，光纖管34的長度則回復至較長的狀態，因此光訊號傳遞需耗費較多的時間。綜合來說，第三實施例之觸控筆10”的光接收器30可依據接收光訊號的傳遞時間差計算移動量H並產生相應的電訊號，以使外部控制器可依據電訊號轉換出相對應壓力量值，分析出筆頭14所繪示之筆跡的線條粗細度。

於第一實施例、第二實施例及第三實施例中，筆頭14相對桿體12移動時係會驅動可伸縮結構體18彈性變形，藉以改變可動部件24相對參考部件22的移動量H，因此主體20係為一可伸縮變形的結構件，例如一橡膠腔體或一可折疊的風箱。可伸縮變形的主體20可被筆頭14驅動而縮小其體積，以改變可動部件24與參考部件22的間距，即為移動量H。主體20另可於施壓筆頭14之壓力卸除或減弱時恢復其彈性，以驅動可動部件24遠離參考部件22並回復至一初始位置(意即此時主體20可恢復為初始體積)。

請參閱第4圖，第4圖為本發明之一第四實施例之一觸控筆40之示意圖。第四實施例中與前述實施例相同編號之元件具有相同的結構與功能，故於此不再詳述。第四實施例與前述實施例之差異在於，觸控筆40之感測器26包含有一音頻發射器42與一音頻接收器44。音頻發射器42及音頻接收器44可選擇性地分別設置在參考部件22與可動部件24上，且音頻接收器44係用以接收來自音頻發射器42之一音頻訊號。

若施加於筆頭14的壓力較大，可動部件24接近參考部件22，其移動量H較大，因此音頻接收器44可快速地接收到音頻發射器42所輸出之音頻訊號。另一方面，若施加於筆頭14的壓力變小，可動部件24會遠離參考部件22，其移動量H較小(相較於可動部件24之初始位置的變化量)，故音頻接收器44會延遲接收到來自音頻發射器42之音頻訊號。第四實施例之觸控筆40便可藉由分析音頻訊號的傳遞時間差以產生相應電訊號，外部控制器可接收電訊號並轉換出相對應的壓力量值，以分析使用者驅動筆頭14所繪示出筆跡的線條粗細度。

值得一提的是，第四實施例之觸控筆40的主體20係為一可伸縮變形的密閉結構件，用以隔絕外部噪音干擾，且參考部件22與可動部件24可分別選擇性具有一網孔結構，以供音頻訊號穿透。詳細來說，音頻發射器42與音頻接收器44分別置於可伸縮結構體18外部的兩相對端面，故可於參考部件22及可動部件24上形成複數個網孔結構，以利於音頻訊號穿透可伸縮結構體18，並隨著主體20的伸縮變形來加速或延遲音頻訊號的傳遞時間差。

請參考第5圖，第5圖為本發明之一第五實施例之一觸控筆40’之示意圖。第五實施例中與前述實施例相同編號之元件具有相同的結構與功能，故於此不再詳述。第五實施例與前述實施例之差異在於，觸控筆40’之感測器26包含有音頻發射器42、音頻接收器44與一彈性體46。彈性體46係可設置於主體20內，以隨著參考部件22與可動部件24之間距離的改變而壓縮或回復。如第5圖所示，音頻發射器42輸出之音頻訊號係經由主體20傳送至音頻接收器44。當施加於筆頭14的壓力較大時，移動量H較大，彈性體46係被參考部件22與可動部件24大幅度壓縮，遮蔽了多數的網孔結構而阻隔音頻訊號傳送，因此音頻接收器44所接收之音頻訊號具有較弱的強度值。

另一方面，當施加於筆頭14的壓力較小時，移動量H亦較小，彈性體46係漸次回復至初始型態而露出多數的網孔結構，此時音頻接收器44所接收之音頻訊號可具有較高的強度值。換句話說，第五實施例之觸控筆40’係利用彈性體46的壓縮變形對網孔結構進行填塞，以控制音頻訊號對主體20的穿透率。筆頭14被施加的壓力越大網孔結構會被填塞越多，可伸縮結構體18的音頻穿透率差，音頻接收器44接收到的音頻訊號就會較微弱；反之筆頭14被施加的壓力越小，多數網孔結構沒有被遮蔽，使得可伸縮結構體18的音頻穿透率有效提高，音頻接收器44便可接收到較強的音頻訊號。因此觸控筆40’可依據音頻訊號的強度值產生相應的電訊號，以供外部控制器分析電訊號來計算出筆頭14所承受的壓力量值，並繪示出筆跡的線條粗細度。

請參閱第6圖，第6圖為本發明之一第六實施例之一觸控筆60之示意圖。第六實施例中與前述實施例相同編號之元件具有相同的結構與功能，故於此不再詳述。第六實施例與前述實施例之差異在於，觸控筆60的主體20係為一可伸縮變形的密閉結構件，且感測器26包含有一壓力計62，設置於主體20之旁側。主體20內部可包覆液體或氣體，其係較佳地為不感溫之液體、或化學性質不活潑的鈍氣，故主體20的密閉結構設計可有效防止介質溢漏。當施壓於筆頭14時，可伸縮結構體18係隨著筆頭14相對桿體12之移動而產生變形，因此主體20內部的介質會隨著擠壓或放送而產生相應的壓力變化。第六實施例之觸控筆60係利用壓力計62感測主體20內部介質的壓力變化量，並產生相應的電訊號，以使外部控制器可轉換電訊號為相對應壓力量值，進而反應筆跡的線條粗細度。

綜上所述，本發明之觸控筆係利用壓感模組感測筆頭相對桿體的移動距離，以換算出筆頭所承受的壓力量值。壓感模組之可伸縮結構體的參考部件係固定於桿體內無法移動，可動部件則隨著施加於筆頭的壓力而相對參考部件移動。可伸縮結構體之主體係具有伸縮變形之特性，因此壓感模組之感測器可用來偵測可動部件相對參考部件的移動量，意即主體的伸縮變形量，並透過分析移動量的數值轉換出使用者施壓於筆頭的壓力量值。於本發明之實施例中，係可選擇使用光學偵測、聲波偵測、氣壓偵測或液壓偵測等方式來計算可伸縮結構體的結構變形量。本發明之觸控筆可將光學偵測、聲波偵測、氣壓偵測或液壓偵測方式所得到的資訊轉換成電訊號，以供外部控制器解析筆頭所承受的壓力量值，進而繪示出相應線條粗細度的筆跡，或另可供其他需分析壓力數據的產品運用。

相較於先前技術，本發明之觸控筆提供多個實施例來實現感測可動部件相對參考部件之移動量的技術。本發明之觸控筆可透過感測筆頭相對桿體的移動距離以解析筆頭的壓力量值，藉此反應筆跡的線條粗細度。筆頭所承受的壓力係正比於筆頭相對桿體的移動距離，意即可動部件相對參考部件之移動量，故本發明可正確且直接地反應出筆頭壓力量值最細微的變化，有效避免環境電磁訊號干擾的因素，且兼具有結構簡單、組裝容易、成本低廉等競爭優勢。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10．．．觸控筆

12．．．桿體

14．．．筆頭

16．．．壓感模組

18．．．可伸縮結構體

20．．．主體

22．．．參考部件

24．．．可動部件

26．．．感測器

28．．．光發射器

30．．．光接收器

10’．．．觸控筆

32．．．透鏡

10”．．．觸控筆

34．．．光纖管

341．．．開口

343．．．中段區域

40．．．觸控筆

40’．．．觸控筆

42．．．音頻發射器

44．．．音頻接收器

46．．．彈性體

60．．．觸控筆

62．．．壓力計

H．．．移動量

第1圖為本發明之第一實施例之觸控筆之示意圖。

第2圖為本發明之第二實施例之觸控筆之示意圖。

第3圖為本發明之第三實施例之觸控筆之示意圖。

第4圖為本發明之第四實施例之觸控筆之示意圖。

第5圖為本發明之第五實施例之觸控筆之示意圖。

第6圖為本發明之第六實施例之觸控筆之示意圖。

10．．．觸控筆

12．．．桿體

14．．．筆頭

16．．．壓感模組

18．．．可伸縮結構體

20．．．主體

22．．．參考部件

24．．．可動部件

26．．．感測器

28．．．光發射器

30．．．光接收器

H．．．移動量

Claims (12)

1. 一種可偵測筆觸壓力的觸控筆，其包含有：一桿體；一筆頭，以可相對活動方式設置於該桿體之一端；以及一壓感模組，設置於該桿體與該筆頭之間，用以感測該筆頭所承受之一壓力量值，該壓感模組包含有：一可伸縮結構體，設置於該桿體內部且連接至該筆頭，該可伸縮結構體包含有：一主體；一參考部件，設置於該主體之一端，且固定於該桿體內；以及一可動部件，設置於該主體之另一端，該可動部件係連接於該筆頭，並隨著該筆頭而相對該參考部件移動；以及一感測器，設置於該可伸縮結構體的旁側，用來感測該可動部件相對該參考部件之一移動量，以透過分析該移動量來轉換出相應的壓力量值。
2. 如請求項1所述之觸控筆，其中該感測器包含有一光發射器與一光接收器，該光發射器及該光接收器係分別設置於該參考部件與該可動部件上，且該光接收器係用以接收來自該光發射器之一光訊號，並分析該光訊號的傳遞時間差，以依據該時間差計算該移動量。
3. 如請求項1所述之觸控筆，其中該感測器包含有一光發射器、一光接收器與一透鏡，該光發射器及該光接收器係分別設置於該參考部件與該可動部件上，該透鏡係設置於該光發射器與該光接收器之間，且該光接收器係用以接收來自該光發射器並經由該透鏡之一光訊號，並分析該光訊號之強度值，以依據該強度值計算該移動量。
4. 如請求項1所述之觸控筆，其中該感測器包含有一光發射器、一光接收器與一光纖管，該光纖管之二開口與一中段區域係分別設置於該參考部件與該可動部件上，該光發射器及該光接收器則分別設置於該光纖管之該二開口，且該光接收器係用以接收來自該光發射器並經由該光纖管所傳遞之一光訊號，並分析該光訊號的傳遞時間差，以依據該時間差計算該移動量。
5. 如請求項2或3或4所述之觸控筆，其中該主體係為一可伸縮變形的結構件。
6. 如請求項1所述之觸控筆，其中該感測器包含有一音頻發射器與一音頻接收器，該音頻發射器及該音頻接收器係分別設置於該參考部件與該可動部件上，且該音頻接收器係用以接收來自該音頻發射器之一音頻訊號，並分析該音頻訊號的傳遞時間差，以依據該時間差計算該移動量。
7. 如請求項1所述之觸控筆，其中該感測器包含有一音頻發射器、一音頻接收器與一彈性體，該音頻發射器及該音頻接收器係分別設置於該參考部件與該可動部件上，該彈性體係設置於該主體內部，且該音頻接收器係用以接收來自該音頻發射器並穿透該參考部件及該可動部件之一音頻訊號，並分析該音頻訊號的強度值，以依據該強度值計算該移動量。
8. 如請求項6或7所示之觸控筆，其中該主體係為一可伸縮變形的密閉結構件。
9. 如請求項6或7所示之觸控筆，其中該參考部件與該可動部件係分別具有一網孔結構。
10. 如請求項9所示之觸控筆，其中該彈性體係於該可動部件相對該參考部件移動時受擠壓而彈性變形，用以阻隔該網孔結構。
11. 如請求項1所述之觸控筆，其中該主體係為一可伸縮變形的密閉結構件，該感測器包含有一壓力計，設置於該主體之旁側，且該壓力計係用以感測該主體內部之一介質的壓力變化量，並分析該壓力變化量，以依據該壓力變化量計算該移動量。
12. 如請求項11所述之觸控筆，其中該介質係為氣體或液體。