TWI533167B

TWI533167B - 發光二極體光筆

Info

Publication number: TWI533167B
Application number: TW104106621A
Authority: TW
Inventors: 蔡日興
Original assignee: 其達高科技股份有限公司
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2016-05-11
Also published as: TW201633072A

Description

發光二極體光筆

本發明係為一種發光二極體光筆，尤指一種應用於虛擬書寫並能達到減少電池的使用成本、降低電池的更換頻率、以較輕的重量提供操作、提供精確地書寫對準、使發光位置更靠近書寫面及具有抗衝擊特性等技術的發光二極體光筆。

在一般公司、學校或一些研討會的場合中經常有進行演講或簡報等需求，因而需要搭配使用相關投影機或電腦裝置來將資料進行投影顯示，用以輔助講者的說明。而隨著技術的進步與為了提升使用者的操作便利性及演說效果，一種互動式電子白板(Interactive White Board，簡稱為IWB)便發展出來，並已廣泛地在各種簡報或教學的場合上作應用。

所謂的互動式電子白板其實係整合在一互動式電子白板系統中。傳統的互動式電子白板系統的運作方式係將一電子白板與一電腦裝置作結合；而依據感應技術的不同，互動式電子白板系統的設計可包含有紅外線感應式、電磁感應式、壓力感應式、超音波感應式及CCD光學掃描式等幾種類別。

以壓力感應式來說，電子白板係一觸控式螢幕，用以提供使用者以觸控筆或手指進行觸控操作，進而能操作電腦裝置上的各種應用程式。其操作還包括直接書寫或繪圖，從而能顯示出所書寫或繪圖的軌跡。電腦裝置並連接至一投影機，可投影出電腦裝置上的顯示內容。是以，在進行演說的過程中，以觸控筆或手指的操作可以取代滑鼠或鍵盤，而將所進行的文件編輯、書寫或繪圖的結果儲存於電腦裝置上。

此類的電子白板實際上係為對應該電腦裝置的一種座標輸入裝置或大型電子繪圖板；雖然能達到輔助演說或教學的顯示效果，但大尺寸且特殊設計的觸控式螢幕仍是屬價格昂貴的設備，不利於相關單位的採購與推廣使用。

請參見第1圖，係為一簡易式的互動式電子白板系統1的架構示意圖。該互動式電子白板系統1包含了有一平面101、一投影機102、一電腦裝置103、一偵測器104和一光筆10。該平面101係為一般的白色牆面、傳統白板或投影屏幕，而該光筆10可採用紅外光(IR)方式在該平面101上於該投影機102所投影的範圍A1內投射出一光點P0，並藉由該偵測器104相應地偵測該光點P0於該範圍A1內的相對位置。

該偵測器104與該電腦裝置103之間可採用無線信號方式(例如藍芽)進行傳輸，或者可利用一資料傳輸線(例如USB規格之傳輸線)完成該偵測器104與該電腦裝置103之間的連接來進行傳輸。而此類簡易式的互動式電子白板系統的運作方式係由該偵測器104將偵測結果傳至該電腦裝置103上作處理，該電腦裝置103並輸出對應的影像資料而由該投影機102作投影。詳細來說，當使用者手持該光筆10於該平面101上之範圍A1內進行虛擬書寫或繪圖時，該電腦裝置103能判斷出該光點P0的移動軌跡並定義出對應的一軌跡影像，再同時與該電腦裝置103的顯示內容作疊加後一併進行投影。

是以，使用者的書寫情形同樣能達到如同在傳統觸控式電子白板上的書寫效果。雖然無法藉由該光筆10來操作該電腦裝置103，但因為該光筆10與該偵測器104的生產成本或市售價格一般係遠低於觸控式電子白板，並且利用了既有的投影設備，因而成為此一領域中的重要研發目標。相關的習知光筆設置技術可參考中華民國新型專利第M389883號、發明專利第I402722號等所揭露之內容。

請參見第2圖，係為習知的該光筆10的內部結構剖視圖。如圖所示，該光筆10係為一筆狀結構，以一外殼100包覆並固定內部的一電路板11與一電池組件12等元件。該光筆10並包含有一可活動筆尖14，套合於該外殼100的一端處；該可活動筆尖14內部容置且固定一筆尖發光二極體(LED)15，該筆尖發光二極體15係藉由兩電線131、132而和該電路板11、該電池組件12作電連接，從而能在電路導通的情形下發出光線。

承上所述，該可活動筆尖14能相對於該外殼100進行位移，並和設置於該電路板11上的一開關16相互作動。進一步來說，使用者於操作時係持握住該外殼100以將該可活動筆尖14置於一平面上進行書寫，該平面因而推壓該可活動筆尖14接近該電路板11而使其一後端14b觸壓該開關16而導通電路，該筆尖發光二極體15便發出光線。

由於該開關16係為一種可自動復位之開關，因此當該可活動筆尖14離開該平面而解除施壓時，同時藉由一彈簧17的輔助，該後端14b即遠離該開關16，使得該開關16復位而不導通電路，該筆尖發光二極體15便熄滅。該彈簧17以及該開關16內部之彈簧所提供之彈力於書寫時形成阻力，但亦有緩衝之作用，因此提供帶有衝程的書寫手感，類似尖端為毛刷之畫筆。

進一步分析，為因應實務上常見白板尺寸如80吋至100吋之使用，並配合60至100赫茲(Hz)之偵測速度，於習知技術中通常採用100毫安培(mA)之操作電流以驅動該筆尖發光二極體15。為避免在傾斜書寫時發生偵測偏移，該筆尖發光二極體15必須盡可能靠近該可活動筆尖14的前端點。因為設計上的方便性，習知的光筆設計均採用單一圓柱體且筆尖為半球狀的發光二極體封裝，而其中可耐受100毫安培(mA)的筆尖發光二極體其圓柱直徑為5公厘(mm)。承前述，為了容置前端半球直徑為5公厘(mm)之該筆尖發光二極體15，該可活動筆尖14前端的造型通常會接近一個直徑為8公厘(mm)的半球，如此的筆尖外型對書寫、繪圖而言並不容易對準，故影響了使用者的操作手感以及書寫、繪圖的顯示結果。

其次，因為該可活動筆尖14內部的空間已經有直徑5公厘(mm)的圓柱區域被該筆尖發光二極體15占用，該可活動筆尖14缺少空間可繼續發展機械結構，因此所有習知的光筆設計均如同此例只能讓該筆尖發光二極體15隨同該可活動筆尖14移動，因而該筆尖發光二極體15的電氣接點也必須隨著該可活動筆尖14一起移動。然而因為太過沉重的筆尖會造成不舒適的書寫手感，裝置內的其他電路單元例如最重的電池無法隨該可活動筆尖14一起移動，是以，該筆尖發光二極體15的電氣接點就必須以一具有彈性或可撓性之電氣連接單元達成，或裝置中一定有某一些電氣接點必須以一具有彈性或可撓性之電氣連接單元達成。

在各種具有彈性或可撓性之電氣連接單元當中，實施成本最低者即直接焊接之電線。如此例中該筆尖發光二極體15係分離於該電路板11但係藉由兩電線131、132電連接該電路板11。然而電線的焊接點於生產過程中不易自動化，必須以人工方式施行，故其可靠度並不如自動化上件。而該筆尖發光二極體15的電氣接點必須隨著該可活動筆尖14一起移動的要求，將進一步惡化該電氣接點的可靠度。因為筆的主要功能就是書寫，於其壽命期間，該可活動筆尖14應該要移動超過五萬次甚至達百萬次，一個本來就不可靠的焊點在上萬次的移動與應力拉扯之後，出現問題的機率勢必大幅提升，也因此就造成不耐用的印象。

請參見第3圖，係為習知的一光筆20的內部電路結構簡示圖。該光筆20係配置一筆尖發光二極體21以產生光線，通常是紅外光發光二極體，而最常見為940奈米(nm)紅外光發光二極體。然而該筆尖發光二極體21所需要的工作電壓無法由單一額定電壓為1.5伏特(V)的電池穩定供給，為了使所產生的光線亮度能被該偵測器104有效地測得，該光筆20係配置兩個電池22、23以產生足夠的電壓。以一個電池的電壓為1.5伏特(V)來計算，驅動電壓便為3.0伏特(V)，用來提供該筆尖發光二極體21 和一電阻24的運作。於一典型電能計算範例中，若以常見的940奈米(nm)紅外光發光二極體操作於100毫安培(mA)來估算，該筆尖發光二極體21之操作電壓為1.32伏特(V)，該電阻24的值可為16.8歐姆(Ω)，而消耗於該電阻24之功率約為0.168瓦(Watt)。

承上所述，即使暫不計入以熱能方式消耗於該筆尖發光二極體21之功耗，前述電路已有56%之電能係以熱能方式消耗於該電阻24上。而以常見的940奈米(nm)紅外光發光二極體來估算，通常該筆尖發光二極體21之電對光轉換效率也只有約30%而已，以此計算此裝置的整體電對光轉換效率只有13.33%，故需要頻繁地更換電池，因而增加使用成本。再者，由於光筆係提供使用者以手握方式操作，而兩個電池所具有的重量也相對較大，進行虛擬書寫或繪圖時容易造成使用者的負擔。

除此之外，兩電池22、23的電壓將隨著放電過程逐漸下降，造成通過該筆尖發光二極體21的電流亦逐漸下降，進而導致該筆尖發光二極體21的亮度亦逐漸下降。最後在兩電池22、23仍未完全放電前，該筆尖發光二極體21的亮度即已降至該偵測器104最低可接受的亮度。因而強迫使用者在兩電池22、23放電完成之前即需更換。且對飽滿的電池而言，通過該筆尖發光二極體21之電路迴路上的電流與該筆尖發光二極體21的亮度均高於所需，亦是一種浪費。

是故，如何改善此一領域中所存在的諸多問題便成為本案發展的主要目的。

本發明之一目的在於縮減筆尖發光二極體占用之截面積但不損及其亮度，以使筆尖更尖而易於對準先前書寫或繪製之線條，或可用於使發光處更貼近書寫面而使位置偵測更準確，或可維持筆尖形狀但使筆尖發光二極體不隨筆尖運動，提升其耐用性，又或可利用所減少之截面積使亮度增加而增大可工作區域。本發明之又一目的在於降低發光二極體光筆的無效電能損耗比例，並使光筆加上電池之重量更輕、降低電池替換頻率且降低電池耗材成本。

本發明係為一種用於虛擬書寫之發光二極體光筆，包含有：複數個筆尖發光二極體，該等筆尖發光二極體之光線被使用於虛擬書寫時之該發光二極體光筆之位置判斷。

相較於習知技術，本發明採用複數個筆尖發光二極體，因而有較多金屬載體分攤熱能形式之功耗，故可不損及其光筆亮度卻達成較小之總截面積。例如以二個截面積為0.6公厘(mm)乘以1.6公厘(mm)的筆尖發光二極體可操作於50毫安培(mA)，加上電路板的總截面積可等效於一直徑2.3公厘(mm)之圓形，然而習知技術同亮度可操作於100毫安培(mA)之筆尖發光二極體所需截面積為一直徑5公厘(mm)之圓形。

相較於習知技術，本發明採用複數個筆尖發光二極體，因此得將之予以串聯，故得將較大比例之電能施予筆尖發光二極體，因此消耗於電阻以及其他電路元件之無效電能損耗較低。例如習知技術有約60%之功率消耗於電阻，而本發明僅有低於20%之功率消耗於電阻以及固定電壓產生器。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

1‧‧‧互動式電子白板系統

101‧‧‧平面

P0‧‧‧光點

A1‧‧‧範圍

102‧‧‧投影機

103‧‧‧電腦裝置

104‧‧‧偵測器

10‧‧‧光筆

100‧‧‧外殼

11‧‧‧電路板

12‧‧‧電池組件

131、132‧‧‧電線

14‧‧‧可活動筆尖

14b‧‧‧後端

15‧‧‧筆尖發光二極體

16‧‧‧開關

17‧‧‧彈簧

20‧‧‧光筆

21‧‧‧筆尖發光二極體

22、23‧‧‧電池

24‧‧‧電阻

V1、V2‧‧‧電壓

30‧‧‧發光二極體光筆

31‧‧‧電源

32‧‧‧第一串聯電路結構

33‧‧‧第二串聯電路結構

321‧‧‧第一筆尖發光二極體

322‧‧‧第一電阻

331‧‧‧第二筆尖發光二極體

332‧‧‧第二電阻

34‧‧‧電路板

B1‧‧‧間距

C1、C2‧‧‧範圍

C3‧‧‧範圍

40‧‧‧發光二極體光筆

41‧‧‧鋁柱

421、422、423‧‧‧筆尖發光二極體

42‧‧‧電路板

50‧‧‧發光二極體光筆

51‧‧‧固定電壓源

52‧‧‧第一筆尖發光二極體

54‧‧‧電阻

53‧‧‧第二筆尖發光二極體

60‧‧‧發光二極體光筆

61‧‧‧外殼

62‧‧‧電路板

621、622‧‧‧筆尖發光二極體

63‧‧‧可活動筆尖

61s、63s‧‧‧止擋部

第1圖，係為一簡易式的互動式電子白板系統1的架構示意圖。

第2圖，係為習知的光筆10的內部結構剖視圖。

第3圖，係為習知的光筆20的內部電路結構簡示圖。

第4A圖，係為一發光二極體之驅動電流對驅動電壓的關係圖。

第4B圖，係為一發光二極體於固定電流的條件下，相對於25度(℃)時的順向電壓對環境溫度的關係圖。

第4C圖，係為一發光二極體之驅動電流對發光強度的關係圖。

第4D圖，係為一發光二極體於固定電流的條件下，相對於25度(℃)時的發光強度對環境溫度的關係圖。

第5圖，係為本發明第一實施例之一發光二極體光筆30的內部電路結構簡示圖。

第6圖，係為本發明第一實施例之筆尖發光二極體及其相鄰物件沿筆尖發光二極體光軸方向之剖視圖。

第7圖，係為本發明第二實施例之筆尖發光二極體及其相鄰物件沿筆尖發光二極體光軸方向之剖視圖。

第8圖，係為本發明第三實施例之一發光二極體光筆50的內部電路結構簡示圖。

第9圖，係為本發明第四實施例之一發光二極體光筆60的部分元件剖面圖。

以下係提出數項實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並不會限縮本發明欲保護之範圍。此外，實施例中之圖式係省略不必要之元件，以清楚顯示本發明之技術特點。

為方便理解，在詳細說明本發明之前，必須先提及數項有關發光二極體的特性。

請參見第4A圖，係為一發光二極體之驅動電流對驅動電壓的關係圖。如第4A圖所示，發光二極體就如同所有的二極體一樣，其驅動電壓與驅動電流之間係呈現接近指數函數之關係。也就是當驅動電壓到達一臨界電壓之後，驅動電流開始急速增加，之後即使再增大電流，相應的電壓將無明顯的變化。以驅動電流為50毫安培(mA)和100毫安培(mA)來說，此兩種電流值所相應的驅動電壓，例如圖中所示的兩電壓V1、V2係極為接近(差距可僅為0.04V)。然而較不為人知的是驅動電流並不會真的以指數函數無上限地增加。實質上，二極體不是只有一個半導體介面(Junction)，還是有兩塊半導體的區域，所以還是有些微的內電阻。以電子白板系統常採用的940奈米(nm)發光二極體為例，每個發光二極體大約有接近1歐姆(Ω)的內電阻。

請參見第4B圖，係為一發光二極體於固定電流的條件下，相對於25度(℃)時的順向電壓(即正規化電壓(normalized voltage))對環境溫度的關係圖。如第4B圖所示，順向電壓隨溫度上升而下降。而於固定操作電壓的條件下，二極體的電流將隨溫度上升而急遽上升(同時參見第4A圖)，且半導體的內電阻亦有隨溫度上升而降低的特性，因此當電流通過時所產生的熱能導致溫度上升，會造成正回授的不穩定狀況。而當二極體封裝的散熱能力無法抑制此正回授機制導致的溫度上升，二極體就會發生永久性的損壞。是以，二極體之定電壓線路需特別留意其散熱特性。

請參見第4C圖，係為一發光二極體之驅動電流對發光強度的關係圖。如第4C圖所示，發光二極體其驅動電流與發光強度之間係呈現正比的接近線性關係；也就是當驅動電流增加時，發光強度係相應的增加。然而，這並不意味所有驅動電流所帶來之電能均得以完全轉換為光能。事實上只有一部分的電能被轉換成光能，其他電能還是一樣以熱能方式消耗於發光二極體晶片之上。例如常見的940奈米(nm)紅外光發光二極體其電對光轉換效率也只有約30%而已，剩下約70%電能還是一樣以熱能方式消耗於發光二極體晶片之上。

請參見第4D圖，係為一發光二極體於固定電流的條件下，相對於25度(℃)時的發光強度(即相對發光強度(relative radiant intensity))對環境溫度的關係圖。如第4D圖所示，可觀察到當環境溫度增加時，發光二極體之發光效率將遞減。是以，對發光二極體而言，散熱和光的強度有相當關聯。

於以下所提及本發明之用於虛擬書寫之發光二極體光筆之筆尖發光二極體，係以投射至書寫面為目的之光源或作為供偵測、判斷光筆位置所需之光源。光筆上可能有其他發光二極體之作用，但僅限於作為狀態指示燈或通信用途，這些發光二極體縱使其設置位置接近筆尖，亦可依其用途予以區別，不致發生混淆。

完成本發明最困難的步驟，係在工程師習慣單獨以電壓電流之考慮來進行電路設計，單獨以光線路徑之考慮來進行光學設計，單獨以元件尺寸及其運動方式之考慮來進行機構設計，但在本發明之中卻必須跳脫這些各學科的本位角度，以電、光、熱和機構四個角度的綜合考慮來進行設計。在這四方關係中，即便於最差的情況，以電、光、熱和機構四方各別的角度來考慮，改變看似都是多餘而徒增成本的，但綜合分析的效應可能截然不同，因而具有產業應用價值。

以下先以一第一實施例來解釋，該第一實施例係刻意選取一最接近習知光筆之電路結構，用以強調本發明之特徵。請參見第5圖，係為第一實施例所提出之一發光二極體光筆30的內部電路結構簡示圖。如圖所示，該發光二極體光筆30的電路結構包含有：一電源31、一第一筆尖發光二極體321、一第二筆尖發光二極體331、一第一電阻322以及一第二電阻332。其中該第一筆尖發光二極體321和該第一電阻322構成一串聯電路結構，以下稱為第一串聯電路結構32。其中該第二筆尖發光二極體331和該第二電阻332構成另一串聯電路結構，以下稱為第二串聯電路結構33。其中該第一串聯電路結構32與該第二串聯電路結構33構成一並聯電路結構。

首先就光點的偵測來考慮。使用兩個筆尖發光二極體321、331在某些觀看距離與角度之下，其發光點之視角差將無法忽略而可鑑別為兩個發光點，在定位應用中這是一個不理想的特性。若欲解決此問題，則需導入光學擴散設計，或在光點判斷之演算法中加入將兩個視角極接近光點合併之機制，但這兩種方式的能力都有其侷限。若要合併視角差距很大的兩個筆尖發光二極體，將會導致設計的成本增加，或甚至是生產的成本也會增加。因而從習知光筆設計的觀點，使用兩個筆尖發光二極體是非不得已不應採用之實施方式。

對應習知光筆的計算，最常見的情況習知光筆係使用940奈米(nm)紅外光發光二極體並採取100毫安培(mA)之電流予以驅動，所以在第一實施例中選用兩個940奈米(nm)紅外光發光二極體並以各50毫安培(mA)之電流予以驅動，則該電源31所提供之電流和第3圖中之習知光筆的兩個電池22、23所提供之電流同樣為100毫安培(mA)。從電能的角度來看，並聯電路只是達成分攤流量的效果，第一實施例的無效電能損耗比例也會和習知光筆差不多，只受到元件生產時些微的變異所影響。而從發光強度來看，第一實施例的總發光強度即和第3圖中之習知光筆的發光強度相同。

從熱的角度來看，若在第一實施例中選用兩個攝氏25度下最大連續電流為50毫安培(mA)且最大功率為80毫瓦(mW)的940奈米(nm)紅外光發光二極體，也只是等效於習知光筆所採用的攝氏25度下最大連續電流為100毫安培(mA)且最大功率為160毫瓦(mW)之940奈米(nm)紅外光發光二極體。所以從光、電和熱這三個角度各別來看，第一實施例所揭露之電路結構並未達成任何進步，反而還增加了物料與上件成本，又額外增加了光點需要合併的問題。

空間的經驗法則告訴我們，當我們想要縮減空間，就得先考慮移除某物，而不是考慮增加某物，所以從電、光、熱和機構各方單獨的角度來考慮，第一實施例所揭露的電路看似不值得應用。然而本發明是一個牴觸空間的經驗法則的特例，因此雖具有高度產業應用價值，但於習知技術中卻從未被考慮。前述最大可承受電流為50毫安培(mA)且最大可忍受功率為80毫瓦(mW)的發光二極體，在不特別訂製的情況下，最小可以有截面積僅為0.6公厘(mm)×1.6公厘(mm)之封裝，兩個發光二極體的總截面積為1.92平方公厘(mm²)。然而習知技術所慣用的最大可承受電流為100毫安培(mA)且最大可忍受功率為160毫瓦(mW)之發光二極體，係為一直徑5公厘(mm)之圓柱體，其截面積為19.635平方公厘(mm²)。於第一實施例中採用兩個截面積僅為0.6公厘(mm)×1.6公厘(mm)封裝之筆尖發光二極體比起習知光筆改善截面積達10倍以上，因此可以達成本發明欲縮減筆尖發光二極體占用之截面積但不損及其亮度之目的。

進一步分析，即使使用兩個截面積各為9.8平方公厘(mm²)之筆尖發光二極體，仍可達成本發明欲縮減筆尖發光二極體占用之截面積但不損及其亮度之目的。事實上，截面積在9.8平方公厘(mm²)以下之筆尖發光二極體封裝，普遍都能忍受80毫瓦(mW)功率。甚至前述截面積僅為0.6公厘(mm)×1.6公厘(mm)封裝應用於藍光發光二極體時，其攝氏25度下最大功率為120毫瓦(mW)。故本發明並非依賴一特殊之發光二極體封裝方式才得以達成，而係一普遍特性即可達成之效果，但因牴觸空間之經驗法則，故長期未曾被考慮為一更佳實施方式。

此外，第一實施例計算中固然係以940奈米(nm)紅外光發光二極體作為例證，但這只是為了方便與習知光筆作相同基礎之比較。本發明所揭露之技術可適用於不同波長之發光二極體，甚至包含可見光發光二極體。

請參見第6圖，係為第一實施例之筆尖發光二極體及其相鄰物件沿筆尖發光二極體光軸方向之剖視圖。為方便說明，進一步於此實施例中以該發光二極體光筆30所包含的一電路板34作為兩筆尖發光二極體321、331的電路連結、強化機械強度以及散熱所需之載具。然而電路連結、強化機械強度以及散熱之實施方式可由習知技術與本發明作各種之組合而達成，第一實施例所揭露之電路板34僅為其中一種較易於說明之方式。此外，第6圖中的該電路板34的厚度為0.4公厘(mm)，然而以其他適當的厚度製成該電路板亦可達成所需之效果。於第6圖中兩發光二極體321、331之封裝截面積各別都為0.6公厘(mm)×1.6公厘(mm)，兩發光二極體321、331分別焊接於電路板34之兩面且其位置均對稱於中軸。如第6圖所示，兩發光二極體321、331之發光點間距B1僅不到1.02公厘(mm)，因此於筆尖機殼利用表面處理或材質進行光學擴散，或在光點判斷之演算法中加入將兩個極接近光點合併之機制，或採用以上二種方式協同作業，其設計困難度均不是太高，還不至於增加生產成本。同樣地，本發明所揭露之技術亦不僅能使用截面積為0.6公厘(mm)×1.6公厘(mm)之發光二極體封裝，採用截面積為1.0公厘(mm)×3.0公厘(mm)、1.2公厘(mm)×3.0公厘(mm)之發光二極體封裝或其他小於9.8平方公厘(mm²)之截面積尺寸之發光二極體封裝亦可達成相同成效，而其中截面積為1.2公厘(mm)×3.0公厘(mm)之發光二極體封裝於攝氏25度下最大連續電流可達70毫安培(mA)。

因此本發明的特徵在於，發光二極體光筆其筆尖光源係設置了複數個發光二極體。雖然此第一實施例是以兩個筆尖發光二極體作為實施說明，但本發明之概念並不限於此，亦可設置三個或三個以上之數目之筆尖發光二極體。

於發光強度不變的條件下，減少筆尖發光二極體所佔之總截面積有許多用途。首先這能用於幫助改善筆尖形狀使其更尖，讓使用者能比較精確地對準先前已書寫的筆跡，因而具有較佳的書寫經驗。或亦可幫助發光二極體發光位置更靠近書寫面，以避免形成位置判斷的誤差。或亦可提供發光二極體光筆在筆尖可發展機械結構之空間。又或可利用所減少之截面積使亮度增加而增大可工作區域。因此，第一實施例所引進的改變在產業上即已具有價值。

欲理解此一進步於技術上之根本由來，需先理解發光二極體的熱能是怎麼傳輸到外界的。扣除高功率應用的特殊封裝，於常見的發光二極體封裝之中，發光二極體呈現於外界的表面，不外乎金屬、環氧樹脂(Epoxy)、陶瓷與其他塑膠等。發光二極體封裝使用環氧樹脂主要係為塑形光學透鏡，但環氧樹脂並不具有特別優良的熱傳導能力，金屬才是前述各種封裝材質當中導熱能力最優者。而金屬於發光二極體封裝之基本作用為電極，通常有一個電極係以金屬線連接至發光二極體晶片，另一個電極就直接被當成發光二極體晶片底座，因此金屬主宰發光二極體封裝之散熱特性。既然如此，採用兩個筆尖發光二極體的光筆比只有一個筆尖發光二極體的光筆，一般而言確實有更佳的散熱能力，因為前者的金屬電極數量為二倍。所以在本發明中更正確的經驗法則是，除非採用特殊高功率應用的特殊封裝，否則筆尖發光二極體的數量越多，金屬電極數量就越多，散熱能力就越強。

實務上熱能被金屬電極導引離開發光二極體之後，也需繼續傳導至空氣或使用者的手上，所以熱傳導無法單看一個元件，實際的系統必須納入電路連結、強化機械強度與散熱所需之空間。如第6圖所示，兩筆尖發光二極體321、331以及該電路板34之組合在實務上可等效為一直徑約2.3公厘(mm)之圓柱體，即一範圍C1所示的圓形剖面。而所示的另一範圍C2則可代表等效為一直徑5公厘(mm)之圓柱體之習知發光二極體的圓形剖面，所以本發明其截面積係比習知光筆改善達約4.7倍，這樣仍足以達成本發明欲縮減筆尖發光二極體占用之截面積但不損及其亮度之目的。

以下再以一第二實施例進一步解釋本發明如何提升筆尖發光二極體之亮度。請參見第7圖，係為第二實施例所提出之發光二極體光筆，其筆尖發光二極體及其相鄰物件沿筆尖發光二極體光軸方向之剖視圖。如圖所示，一發光二極體光筆40之中央為一不等邊六角型之鋁柱41，該鋁柱41受一軟性之電路板42環繞，該電路板42上焊接有三個筆尖發光二極體421、422、423。其中，三個筆尖發光二極體421、422、423之封裝截面積各別都為0.6公厘(mm)×1.6公厘(mm)，加上該電路板42以及該鋁柱41之組合在實務上可等效為一直徑約3.5公厘(mm)之圓柱體，即一範圍C3所示的圓形剖面，因此，其截面積比習知光筆(即第6圖的該範圍C2所示的圓形剖面)改善達約2倍。

然而除此之外，若該三個筆尖發光二極體421、422、423係選用940奈米(nm)紅外光發光二極體並各別以50毫安培(mA)的電流予以驅動，則此光筆之發光強度將提升為習知光筆的1.5倍。第二實施例中所揭露之該鋁柱41係協助強化機械強度與散熱之用途，亦可能以習知技術中其他具有相似效果的方式予以實施。此外，第二實施例計算中固然係以940奈米(nm)紅外光發光二極體作為例子，但這只是為了方便與習知光筆作相同基礎之比較。本發明所揭露之技術可一體適用於不同波長之發光二極體，甚至包含可見光發光二極體。

前二實施例已經說明了本發明只要採用複數個筆尖發光二極體即可獲得具有產業價值的進步。以下再以第三實施例解釋如何於本發明中採取其他變化，因而達成更佳之能源使用效率、減輕光筆裝入電池後之重量並解決電池無法完全放電之問題。

請參見第8圖，係為本發明所提出第三實施例之一發光二極體光筆50的內部電路結構簡示圖。如圖所示，該發光二極體光筆50的電路結構包含有：一固定電壓源51、一第一筆尖發光二極體52、一第二筆尖發光二極體53以及一電阻54。該固定電壓源51、該第一筆尖發光二極體52、該第二筆尖發光二極體53和該電阻54係構成一串聯電路結構。

於此第三實施例中，該固定電壓源51用以產生一第一電壓；該第一筆尖發光二極體52用以藉由該第一電壓於一第一操作電壓上發出光線，從而將該第一電壓降壓成一第二電壓；該第二筆尖發光二極體53用以藉由該第二電壓於一第二操作電壓上發出光線，從而將該第二電壓降壓成一剩餘電壓；而該電阻54用以藉由該剩餘電壓進行運作。

以下先以一接近習知光筆電能計算範例之數據進行比較。由先前之分析可得知，因為第三實施例也如第一實施例一樣採用兩個筆尖發光二極體，其驅動電流僅需50毫安培(mA)即可對等於習知光筆以100毫安培(mA)產生之亮度。若與習知光筆電能計算範例同樣以常見的940奈米(nm)紅外光發光二極體來估算，當該第一電壓為3.0伏特(V)，50毫安培(mA)之操作電流導致該第一操作電壓為1.28伏特(V)，該第二操作電壓亦為1.28伏特(V)，則該剩餘電壓為0.44伏特(V)，而耗損於該電阻54之電能僅有0.022瓦(Watt)。暫不計入以熱能方式消耗於該第一筆尖發光二極體52與該第二筆尖發光二極體53之功耗，第三實施例所揭露之電路僅有約14.67%之電能係以熱能方式消耗於該電阻54上，而習知光筆20(見第3圖)卻有56%之電能係以熱能方式消耗於該電阻24上。第三實施例計算所使用之第一電壓數值3.0伏特(V)僅為方便與習知光筆進行比對，並非最佳實施例，消耗於該電阻54之電能比例尚能進一步下降。

進一步分析，本發明中因採用複數個筆尖發光二極體，故可進一步利用串接電路設計，將習知光筆設計中浪費於該電阻24的電能，部分轉變為有效益的光能，因而達成更佳之能源使用效率。相較於習知光筆估算之電光能量轉換效率13.33%，於對應條件下第三實施例之電光能量轉換效率已提升為其二倍達到26.67%，相當接近940奈米(nm)紅外光發光二極體的物理極限約30%。

於第三實施例中，該電阻54可為一般的電阻器元件或一半導體開關之導通電阻，或亦可直接利用該電路板上的金屬導體線路所具有的長度與寬度而加以形成。而該固定電壓源51可為一可充電電池(例如鋰離子電池)；或係一可利用單一額定電壓為1.5伏特(V)之碳鋅電池、鹼性電池、鋰電池或額定電壓為1.2伏特(V)之可充電電池運作之升壓轉換器。若該固定電壓源51為可充電電池(例如鋰離子電池)，雖亦可達成本發明之節能目的，且不會有在發光二極體光筆內部進行電壓轉換產生電能量損耗的問題，但可充電電池可選擇之額定電壓有限，較不易達成最佳之節能效果。若該固定電壓源51為升壓轉換器，則輸出之電壓可調整，較易達成較佳之節能效果。如該固定電壓源51為升壓轉換器，則該第一電壓於電池放電之過程中並無遞減之特性，於0至40度之工作環境溫度範圍通常僅有1%之漂移。

於固定操作電壓的條件下，二極體的介面電流將隨溫度上升而急遽上升，且半導體的內電阻亦有隨溫度上升而降低的特性，因此當電流通過時所產生的熱能導致溫度上升，會造成正回授的不穩定狀況。而當發光二極體封裝的散熱能力無法抑制此正回授機制導致的溫度上升，發光二極體就會發生永久性的損壞。是以，在此第三實施例中，藉由該電阻54所具有的電阻值可協助克服此一正回授現象；也就是即使溫度上升而二極體介面電流上升且內電阻下降又再增大電流，但因總電壓(第一電壓)不變，增大的電流導致該電阻54的壓降增大，筆尖發光二極體52、53的壓降就減少，電流便能因應此一負回授現象而達成平衡，進而協助穩定溫度。相較於習知技術採用電阻係為控制電流值之方式，本發明採用電阻僅限於協助穩定溫度，是以所需的數值和所產生的熱功耗均有相當差異。

以下以一實際測試數據與習知光筆之數據進行比較。若於第三實施例中採用4.7歐姆(Ω)作為該電阻54的值，當操作電流為50毫安培(mA)之時，該剩餘電壓為0.05×4.7=0.235伏特(V)，對應之第一電壓約為1.28+1.28+0.235=2.795伏特(V)。若因溫度上升導致於操作電流為50毫安培(mA)之時，該第一操作電壓以及該第二操作電壓下降0.01伏特(V)而變為1.27伏特(V)，受限於固定電壓之條件，則該剩餘電壓亦增加0.02伏特(V)而變為0.255伏特(V)，而該操作電流僅略增為255/4.7=54.26毫安培(mA)，此電流增量造成之二極體電壓改變不大，是以該第一操作電壓以及該第二操作電壓仍約為1.27伏特(V)。然而該電阻54所增加之熱能損耗並不會直接致使該第一筆尖發光二極體52 以及該第二筆尖發光二極體53溫度升高，因而已達到協助穩定溫度之目的。於此實際測試數據中僅有約8.4%之電能係以熱能方式消耗於該電阻54上，相較於習知光筆電路有56%之電能係以熱能方式消耗於該電阻24上，無效之電能損耗比例得到更進一步的改善。

除此之外，筆尖發光二極體之操作電流隨溫度上升而和緩上升之特性，剛好能補償發光二極體之發光效率隨溫度上升而下降之特性，因此得以達成在0至40度之工作環境溫度範圍內，發光強度近似恆定之效果。如此可進一步避免產生超過所需的光功耗，也因此減少了對應的熱功耗。

採用固定電壓之方式驅動該第一筆尖發光二極體52、該第二筆尖發光二極體53和該電阻54，可得到一不隨電池放電過程而遞減之穩定電流，並從而產生一不隨電池放電過程而遞減之穩定光筆亮度。因此相對於習知技術所採用之電路，於電池飽滿之階段，本發明亦不會產生超過所需的光功耗，也因此減少了對應的熱功耗。

若進一步採用升壓轉換器以實現該固定電壓源51，固然增加了生產成本，通常也會有5%至15%不等的升壓轉換功率損耗，然而相對於習知技術所採用之電路，本發明僅需使用額定電壓為1.5伏特(V)或1.2伏特(V)或1.2至1.5伏特(V)之單一電池，故可減輕光筆裝入電池後之重量。另外，可使用額定電壓僅約1.2伏特(V)的鎳氫充電電池或鎳鎘充電電池亦是一項優勢。除此之外，升壓轉換器亦可幫助不可充電之電池達成更完全之放電，減少電池能量之浪費，亦減少更換電池之頻率。總結而言，於本發明中進一步採用升壓轉換器以實現該固定電壓源51，對使用者而言實質上是有價值之投資。

雖然此第三實施例是以兩個串聯之筆尖發光二極體作實施說明，但本發明之概念並不限於此，亦可設置三個或三個以上之數目的串聯筆尖發光二極體，又亦可將第一實施例所揭露之概念與以融合，設置複數個並聯之發光二極體串聯組件。

目前所見習知光筆多數均有一可活動筆尖，以提供下筆時有一段衝程的手感，但有一段衝程的手感並非書寫時絕對必要之元素，常見的鉛筆、原子筆以及鋼筆都沒有可感覺之衝程。所以若將習知光筆之機械開關改為壓感開關，則筆尖亦可能設計為不須發生實質位移，僅需有變形能力可傳導應力即可。對於這類以壓感開關進行操作的發光二極體光筆，本發明所提供之設計進步業已闡明。但對於設計有衝程感而具有可活動筆尖之發光二極體光筆，本發明尚可協助達成筆尖發光二極體不隨筆尖運動而提升其耐用性之功效。

請參見第9圖，係為第四實施例所提出之一發光二極體光筆60的部分元件剖面圖。如圖所示，該光筆60具有一外殼61包覆內部的一電路板62，該電路板62之最前端焊接有兩個筆尖發光二極體621、622，但因為剖面角度，兩筆尖發光二極體621、622係重疊顯示。該光筆60並包含有一可活動筆尖63，套合於該外殼61的一端處；該可活動筆尖63內部容置該電路板62之最前端上的兩筆尖發光二極體621、622。該可活動筆尖63並具有一止擋部63s，而該外殼61亦具有對應之一止擋部61s，該可活動筆尖63能相對於該外殼61進行位移，直到二者之止擋部63s、61s相抵為止。

然而本發明已可將該電路板62於此位移方向之截面積予以縮減(其截面示意圖請參見第6圖)，因此即使該可活動筆尖63之尺寸保持如習知光筆筆尖之尺寸，該可活動筆尖63與該電路板62之間仍可有一間隙而不相互接觸。因此，該可活動筆尖63相對於該外殼61進行位移之時，該電路板62與該外殼61之間可保持固定之關係。

進一步來說，使用者於操作時係持握住該外殼61以將該可活動筆尖63置於一平面上進行書寫，該平面因而推壓該可活動筆尖63接近該電路板62，但因為間隙之存在，該可活動筆尖63並不會碰觸該電路板62，因此不會對該電路板62施予應力，也因此不會對兩個筆尖發光二極體621、622的焊接點施予應力。

再進一步來說，當該光筆60從高處摔落而該可活動筆尖63首先觸地之時，該可活動筆尖63所承受之衝擊力係透過相抵之止擋部63s傳至該外殼61，而該電路板62並非位於該衝擊力之傳遞路徑上，因此從高處摔落不會對兩個筆尖發光二極體621、622的焊接點施予衝擊力。

雖第四實施例之第9圖中所揭露之止擋部61s係位於該外殼61之前端外側，但亦可採用其他設計方式將止擋部設置於該外殼61之內部。本發明可與各種止擋部之設計予以組合而保護焊接點免受進行虛擬書寫時該可活動筆尖63所傳遞之應力與摔落時之衝擊力，因而達成耐用之目標。

此外，第四實施例之第9圖中並未揭露該電路板62與該外殼61之間如何固定，亦未揭露開關之型態及其設置方式，其目的係為清楚顯示本發明之技術特點。而該電路板62相對於該外殼61之固定方式，以及開關之型態及其設置方式，均可由習知技術與本發明作各種之組合與潤飾而達成。

綜上所述，本發明的發光二極體光筆在所屬的技術領域中可有效地達到減少運作上的電池使用成本、降低電池的更換頻率而更加節能、減少整體重量以提供更佳操作手感等技術的功效增進，並且亦能提供精確地書寫對準，以及使發光位置更靠近書寫面以避免位置判斷的誤差，此外還更具有抗衝擊以提升元件耐用性之特性。是故，本發明能有效解決先前技術中所提出之相關問題，而能成功地達到本案發展之主要目的。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

50‧‧‧發光二極體光筆

51‧‧‧固定電壓源

52‧‧‧第一筆尖發光二極體

53‧‧‧第二筆尖發光二極體

54‧‧‧電阻

Claims

一種用於虛擬書寫之發光二極體光筆，包含有：複數個筆尖發光二極體，該等筆尖發光二極體之光線被使用於虛擬書寫時之該發光二極體光筆之位置判斷。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光筆，其中該等筆尖發光二極體於一筆尖方向之各別封裝截面積小於9.8平方公厘(mm²)。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光筆，其中該等筆尖發光二極體於攝氏25度下各別之最大連續電流小於或等於70毫安培(mA)。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光筆，其中該等筆尖發光二極體具有一第一筆尖發光二極體以及一第二筆尖發光二極體。
如申請專利範圍第4項所述之發光二極體光筆，其中該發光二極體光筆還包含有一電路板以及一第三筆尖發光二極體，而該第一筆尖發光二極體、該第二筆尖發光二極體以及該第三筆尖發光二極體係焊接於該電路板上。
如申請專利範圍第4項所述之發光二極體光筆，其中該發光二極體光筆還包含有一電路板，而該第一筆尖發光二極體以及該第二筆尖發光二極體係焊接於該電路板上。
如申請專利範圍第4項所述之發光二極體光筆，其中該第一筆尖發光二極體與該第二筆尖發光二極體為串聯運作。
如申請專利範圍第7項所述之發光二極體光筆，其中該發光二極體光筆還包含有一固定電壓源，該固定電壓源供電予該第一筆尖發光二極體以及該第二筆尖發光二極體。
如申請專利範圍第8項所述之發光二極體光筆，其中該固定電壓源為一可充電電池。
如申請專利範圍第8項所述之發光二極體光筆，其中該固定電壓源為一升壓轉換器。
如申請專利範圍第10項所述之發光二極體光筆，其中該升壓轉換器係以一額定電壓為1.2至1.5伏特(V)之電池為其電源。
如申請專利範圍第8項所述之發光二極體光筆，其中該發光二極體光筆還包含有一電阻，該電阻與該第一筆尖發光二極體與該第二筆尖發光二極體為串聯運作；其中該電阻之跨壓小於該第一筆尖發光二極體之跨壓，該電阻之跨壓小於該第二筆尖發光二極體之跨壓。
如申請專利範圍第12項所述之發光二極體光筆，其中該電阻係為一電阻器元件或一半導體開關之導通電阻；或者該發光二極體光筆更包含有一電路板，而該電阻係直接利用該電路板上的金屬導體線路所具有的長度與寬度而加以形成。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光筆，其中該發光二極體光筆還包含有一可活動筆尖，而該等筆尖發光二極體不隨該可活動筆尖活動。