專利名稱：可測量側向壓力的手寫輸入裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于信息錄入設備，涉及一種手寫輸入裝置，具體涉及一種可測量側向壓 力的手寫輸入裝置。
背景技術：
目前計算機的輸入設備種類繁多，如鼠標、鍵盤、掃描儀等，其中手寫輸入設備為 非常重要的一類。最常見手寫輸入設備為電磁式手寫板，電磁式手寫板由一數位板和一手 寫筆組成。手寫筆作為用戶的書寫工具，其使用時的舒適程度、輸入效率決定了整個設備的 性能。中國專利CN01145283中公開了一種手寫筆，由筆殼體和內部元件構成，內部元件 包括磁性元件和電感電容式共振電路，磁性元件的位置改變導致了共振電路的電感值及發 射的信號頻率，手寫板內的線圈感應到了信號頻率的變化從而測定了手寫筆的位置和其產 生的壓力。美國專利US RE34187中也公開了一種手寫裝置，包括由電容和電感組成的手寫筆 電路和感測壓力的電磁式手寫輸入板，通過手寫輸入板上的線圈所發出的感應信號激發手 寫筆內的電路，使手寫筆產生電磁感應并返回信號來計算手寫筆的位置與壓力。這種手寫 輸入裝置只能感測與筆尖垂直方向的壓力，即手寫筆軸向方向的壓力，不能夠感測到手寫 板其它方向的壓力。目前，手寫筆大多只能測量手寫筆軸向方向的壓力，而不能夠測量手寫筆的側向 壓力。在用戶使用手寫筆進行輸入及繪畫時，特別是對于較為專業的繪畫、書法輸入時，用 戶不但需要控制手寫筆軸向方向上的壓力情況，也希望對手寫板的側向壓力進行更好的控 制，這樣可以使書寫作品或繪畫作品質量更高，更接近于紙質平面上的操作，因而側向壓力 的測量對于高精度的手寫設備十分必要。
發明內容
本發明提供了一種可測量側向壓力的手寫輸入裝置，該裝置通過信號感應部件與 手寫板內的線圈發生電磁感應而測量手寫筆傾角，并通過側向受力面測量豎直方向的壓 力，從而計算得到手寫筆的側向壓力。本裝置結構簡單，成本低，不但不影響軸向壓力的測 量，而且可測得側向壓力的變化，具有很好的應用價值。可測量側向壓力的手寫輸入裝置，包括承壓件、信號感應部件、筆芯、側向受力塊 和筆桿。筆桿前端內側為側向受力面；筆桿內部設置筆芯，筆芯前端設置側向受力塊，側向 受力塊與側向受力面相接觸；信號感應部件和承壓件設置在筆桿內部。所述筆桿固定信號感應部件，與手寫板的線圈進行電磁感應，根據感應到的信號 計算筆桿傾斜角度。所述側向受力塊受側向受力面施加的軸向分力，由筆芯受承壓件的軸向力與信號 感應部件測得的筆桿軸向合力計算得到，并結合筆桿的傾斜角度和設定的校正系數即可得
3到側向受力塊所受的徑向分力。所述側向受力塊為圓臺狀，圓臺的母線與筆芯軸線的傾斜角度為15 75度。所述側向受力塊及側向受力面以PA塑料制成。所述側向受力面為螺紋連接結構，通過筆桿前端的插槽與筆桿進行連接。本發明可測量側向壓力的手寫輸入裝置，筆桿內設置側向受力面，筆芯上固定側 向受力塊，結構簡單，不但不影響軸向壓力的測量，并可測得側向壓力的變化，能夠更加細 致地控制書寫和繪畫的力度，從而真實地表現作者的技巧和意圖。
下面結合附圖對本發明作進一步說明。圖1為本發明可測量側向壓力的手寫輸入裝置的外觀圖；圖2為本發明可測量側向壓力的手寫輸入裝置的筆桿前端的結構示意圖；圖3為本發明可測量側向壓力的手寫輸入裝置的傾斜狀態工作示意圖；圖4為本發明可測量側向壓力的手寫輸入裝置的側向受力面為螺紋連接的結構 示意圖；圖5為本發明可測量側向壓力的手寫輸入裝置的手寫板中多組線圈在手寫筆垂 直狀態時接收到的信號示意圖；圖6為本發明可測量側向壓力的手寫輸入裝置的手寫板中多組線圈在手寫筆傾 斜狀態時接收到的信號示意圖；圖7為本發明可測量側向壓力的手寫輸入裝置的筆芯與側向受力塊的側視圖。圖中1、筆桿；2、筆芯；3、信號感應部件；4、側向受力塊；5、側向受力面；6、螺紋 連接頂端；7、承壓件。
具體實施例方式下面結合附圖對本說明的原理和結構做進一步的說明。本發明提出一種可測量側向壓力的手寫輸入裝置，具體為電磁感應式的手寫裝 置。手寫裝置由手寫板和手寫筆配套完成手寫輸入功能。手寫板內排列有多組線圈，在手 寫筆內具有信號感應部件，手寫板的線圈發射一定頻率的電磁信號并與手寫筆內的信號感 應部件發生電磁感應，來完成信號的傳遞和測量。手寫板內的處理器對返回的信號進行處 理和計算，就可以得到相應的手寫裝置所在的坐標位置、壓力大小以及傾斜角度等情況。在本實施例中，如圖1所示，手寫筆為是電磁式手寫筆，在其他的實施例中，手寫 筆也可以為電容式、電感式及其它形式的手寫輸入裝置。可測量側向壓力的手寫輸入裝置，如圖1、圖2所示，包括筆桿1、筆芯2、信號感 應部件3、側向受力塊4、側向受力面5和承壓件7。筆桿1前端內側為側向受力面5。筆桿 1內部設置筆芯2，筆芯2前端設置側向受力塊4，側向受力塊4與側向受力面5相接觸。信 號感應部件3和承壓件7設置在筆桿1內部。信號感應部件3為電感線圈和可變電容組成 的具有變化頻率的振蕩電路，為圓筒狀套接在筆芯2上。在本實施例中，如附圖2、3所示，在筆芯2的對應筆桿1的前端開口的位置設置側 向受力塊4。如圖7所示，側向受力塊4呈圓臺狀，并與筆芯2成為一體。為使側向受力塊4施加作用力，在側向受力塊4與筆桿1前端端口處的內側邊緣設置了側向受力面5，側向 受力塊4與側向受力面5相對設置。側向受力塊4的母線與筆桿1軸心之間的角度，可以根據不同的工作情況在15 75度的范圍內調整。長時間使用過程中，側向受力塊4與側向受力面5之間會產生相互磨 損，為減小摩擦，側向受力塊4及側向受力面5以PA塑料制成。手寫裝置對應的手寫板內排列有多組線圈，在手寫筆內具有信號感應部件，手寫 板的內部線圈發射一定頻率的電磁信號并與手寫筆內的信號感應部件3發生電磁感應，來 完成信號的傳遞和測量。當手寫筆與手寫板平面垂直時，手寫板內相鄰線圈得到由手寫筆返回的信號波形 如附圖5所示。圖中，x軸表示由手寫板內部線圈所接收到的手寫筆返回信號的強度，y軸 表示內部線圈的排列序號，Xi、xi+1、xi+2、xi+3和xi+4表示的是手寫板所在平面的X方向內部 線圈的第i、i+1、i+2、i+3、i+4個線圈。從圖中可以看出，在X軸方向上圖中信號Xi、xi+1、 xi+2、xi+3、xi+4 中，xi+2的值最大，并且Xi+2兩側對應的X i+1 禾口 xi+3、xi 禾口 Xi+4 相等。由于手寫板 內的線圈感應到得手寫筆中信號感應部件3返回的信號強度與距手寫筆的距離成對應關 系。線圈距手寫筆距離越小，返回的信號強度越大。線圈距手寫筆距離越大，返回的信號強 度越小。從圖中可以看出，手寫筆內的信號感應部件3距離i+4號線圈對應的位置最近，距 離i+1號和i+3號線圈對應的位置相等，距離i號和i+4號線圈對應的位置相等，則手寫筆 在X方向垂直于手寫板。同理，對于手寫板所在平面的Y方向也是同樣的原理和測量方法。 由于各組線圈在手寫板內的位置的唯一，則在一個信號檢測周期內在X方向和Y方向上只 能各得到一個最大值，即為手寫筆的位置。當手寫筆與手寫板平面傾斜時，所檢測到的信號如附圖6所示，在所檢測到的信 號XpXi+pXi+pXm和xi+4中，xi+1最大，并且與Xi+1相鄰的Xi和xi+2也不相等，Xi也小于xi+2 和Xi+3，則表示Xi+1所接收到信號最強，Xi+2和Xi+3次之，并較Xi大。由于手寫板內的線圈感 應到的手寫筆中信號感應部件3返回的信號強度與距手寫筆的距離對應變化線圈距手寫 筆距離越小，返回的信號強度越大；線圈距手寫筆距離越大，返回的信號強度越小。Xi+1所 接收到信號最強，xi+2和xi+3次之，并較Xi大，則手寫筆內的信號感應部件3距離i+1號線 圈最近，距離i+2號和i+3號線圈次之，距離i號線圈最遠，表示在這種狀態下手寫筆是向 i+2號線圈方向傾斜的，并且傾斜的角度可由特定的公式求出。為了能夠準確簡便地得到手寫的傾斜角度，先由上述測量手寫筆位置的方法得到 一個最大值的信號xi+1，那么，次強的信號一定是緊鄰xi+1的兩側。當手寫筆向一側傾斜時， 由于信號感應部件3會隨著傾斜，在產生信號強度最大值的線圈的兩側，原本產生相同大 小的信號強度的兩線圈產生的信號強度值將發生變化，傾斜角度增大的同時，與信號感應 部件3接近的線圈的信號強度會增強，而與信號感應部件3遠離的線圈的信號強度會減弱， 這樣信號強度的差值將不斷增大。因而，手寫筆傾斜角度不斷增大時，i+1號線圈兩側的信 號強度差值會隨著傾斜角度的增加而增加。在本實施例中，某一測量周期所測得的Xi、Xi+1、Xi+2、Xi+3、Xi+4分別為3. 5mv、5. Omv、 4. 5mv、3. 8mv、2. 9mv。對于本實施例中的手寫筆，由經驗得出傾斜的角度大小近似于坐標絕 對值差的反余切值，則手寫筆的傾斜角度為a arcctg|xi-xi+2 = arcctg | 2. 5-3. 5 | =45°
手寫板內的線圈持續發射出固定頻率的信號，并與手寫筆內的信號感應部件3進 行感應，產生的感應信號并由手寫板的線圈接收，來完成信息的傳遞和測量。手寫筆的筆芯 2前端被按下時，承壓件7受壓后改變了信號感應部件3的可變電容的電容值，并引起信號 感應部件7的信號頻率發生變化，即反射回手寫板內部線圈信號的相位也發生變化。相位 的變化量與手寫筆的筆芯2前端所受到的壓力對應相關手寫筆所受的壓力越大，手寫板 的線圈產生的信號相位變化越大。通過對頻率信號的相位檢測，檢測到相位的變化量，就可 以得到手寫筆的筆芯前端所受到的壓力。測量壓力的基本原理是由手寫板內部線圈接收到的信號經過放大電路放大，再 由乘法電路把信號分解成幅值和相角，將接收的信號與頻率相同相位相同的方波相乘得到 幅值的平方，將接收的信號與頻率相同相位差90°的方波相乘得到相角的平方；最后把幅 值和相角通過模數轉換電路后輸入處理器，其中幅值對應于X、Y坐標位置，相角與手寫筆 的壓力大小成正比。當筆尖壓下的時候，手寫筆中的電感量發生變化，導致手寫筆諧振信號 的相位發生偏移，通過相位的相角就可以計算得出手寫筆受到的壓力。如圖3所示，當手寫筆進行書寫時，筆芯2的前端部分會產生垂直于手寫板向上的 壓力F。根據相互作用力的原理，筆芯2在軸向方向的受力平衡，筆芯2受手寫板和承壓件 7的作用，并且側向受力塊4受到側向受力面5的作用。在本實施例中，信號感應部件3為 振蕩電路，此振蕩電路具有一個可變電容，承壓件7也是一個可變電容，電容值隨著壓力的 變化而變化，以此來改變振蕩電路的頻率和相位。F沿軸向方向的分力Fa，側向受力面5沿 筆芯2軸向方向的分力F’ a，承壓件7對筆芯2軸向方向的壓力Fq相平衡。則側向受力面 5沿筆芯2軸向方向的分力F’a*:F，a = Fa-F0式中Fa為手寫板中線圈感應手寫筆中的信號感應部件3所測得的筆芯2的實時 軸向壓力；Fq為預先測定相同條件下無側向受力塊4和側向受力面5時的承壓件7所受的 軸向壓力，預先測定并存儲在手寫板內。本實施例中，Fa = 50. 0g，且計算得到a = 45°，由預先測定并存儲并從手寫板內 存儲的數據中查得& = 37. 5. 0g，那么F' a = Fa-F0 = 50. 0-37. 5 = 12. 5g根據力分解的基本原則，側向受力塊4所受的側向受力面5的壓力F’可分解為兩 個分力軸向分力F，a和徑向分力F，r，并且有F，a = F，sin a ；F，r = F，cos a。這樣，當 角度已知時，就可以由軸向分力F’ 3來求取徑向分力F’ r，即F，r = A F，cos a = AF，a cos a /sin a = AF，actg a其中，A為校正系數，無單位，根據實際應用情況調整，在本實施例中，A = 1.0。根 據前述的數據，在手寫板的處理器中就可以計算得到側向受力塊4徑向分力F’ r,F，r = AF，actg a = 1. 0 X 12. 5 X ctg45 = 12. 5g對于傾斜角度a的獲取，可以手寫板與手寫筆的信號對多組線圈的測量和計算 處理獲得，在前面已經說明。這樣，在已知角度a的情況下，在本實施例中就可得到側向 (徑向)力的大小。在其他實施例中，如附圖4所示，筆桿1的前端制成螺紋連接頂端6，螺紋連接頂 端6與筆桿1螺紋連接。當由于使用時間過長而使側向受力面5磨損時，可以更換螺紋連
6接頂端6，形成新的側向受力面5，同時螺紋連接的設計便于裝配和更換筆芯2。
雖然這里只說明了本發明的一個優選實施例，但其意并非限制本發明的范圍、適 用性和配置。相反，對實施例的詳細說明可使本領域技術人員得以實施。應能理解，在不偏 離所附權利要求書確定的本發明精神和范圍情況下，可對一些細節做適當變更和修改。
權利要求
一種可測量側向壓力的手寫輸入裝置，包括承壓件(7)、信號感應部件(3)和筆芯(2)，其特征在于，還包括側向受力塊(4)和筆桿(1)；筆桿(1)前端內側為側向受力面(5)；筆桿(1)內部設置筆芯(2)，筆芯(2)前端設置側向受力塊(4)，側向受力塊(4)與側向受力面(5)相接觸；信號感應部件(3)和承壓件(7)設置在筆桿(1)內部。
2.根據權利要求1所述手寫輸入裝置，其特征在于所述筆桿(1)固定信號感應部件(3)，與手寫板的線圈進行電磁感應，根據感應到的信號計算筆桿(1)的傾斜角度。
3.根據權利要求1所述手寫輸入裝置，其特征在于所述側向受力塊(4)受側向受力 面(5)施加的軸向分力，由筆芯(2)受承壓件(7)的軸向力與信號感應部件(3)測得的筆 桿(1)軸向合力計算得到，并結合筆桿(1)的傾斜角度和設定的校正系數即可得到側向受 力塊⑷所受的徑向分力。
4.根據權利要求1所述手寫輸入裝置，其特征在于所述側向受力塊(4)為圓臺狀，圓 臺的母線與筆芯(2)軸線的傾斜角度為15 75度。
5.根據權利要求1所述手寫輸入裝置，其特征在于所述側向受力塊(4)及側向受力 面(5)以PA塑料制成。
6.根據權利要求1所述手寫輸入裝置，其特征在于所述側向受力面(5)為螺紋連接 結構，通過筆桿(1)前端的插槽與筆桿(1)進行連接。
全文摘要
本發明可測量側向壓力的手寫輸入裝置，屬于輸入信息錄入設備。本裝置包括承壓件、信號感應部件、筆芯、側向受力塊和筆桿。筆桿前端內側為側向受力面；筆桿內部設置筆芯，筆芯前端設置側向受力塊，側向受力塊與側向受力面相接觸；信號感應部件和承壓件在筆桿內部。所述筆桿固定信號感應部件，與手寫板的線圈進行電磁感應，根據感應到的信號計算筆桿的傾斜角度。本發明通過信號感應部件與手寫板內的線圈發生電磁感應而測量手寫筆傾角，筆桿內設置側向受力面，筆芯上固定側向受力塊，能夠更加細致地控制書寫和繪畫的力度，從而真實地表現作者的技巧和意圖，結構簡單，成本低，不影響軸向壓力的測量，而且可測得側向壓力的變化，具有很好的應用價值。
文檔編號G01L1/14GK101901063SQ20091008487
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月26日 優先權日2009年5月26日
發明者宋柏君, 王紅崗 申請人:漢王科技股份有限公司