具有压力值检测功能的电子手写笔的制作方法

专利名称：具有压力值检测功能的电子手写笔的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电子白板或手写板的电子手写笔，属于计算机人机交互设备
技术领域，特别是用于以手写方式在计算机上输入文字和图形的手写输入硬件的技术领域。
背景技术：
用于网上交流、文字图形输入、教学、会议系统的计算机手写板和交互式电子白板已经越来越被广泛应用。现有用于这类产品的技术主要有电阻膜、电磁感应、电容、表面声波、超声波、红外线、图像处理等技术。虽然这些技术都能够实现手写图文的输入，但是在某些需要表现书写者的某些书写特征，如通过书写者的书写力度来变化笔画粗细、达到一定的效果的场合，例如绘画、书法等的应用，很多技术就难以适应。即便是使用软件来模拟，也很难达到真实的效果。在这些技术中，电磁感应技术本身具有压感功能。但是因为电磁感应技术需要一块安装有感应导体的底板，这块底板既不透明又体积固定，因此在很多场合不适用，如需要移动使用，或者用在平板显示器表面。使用电阻膜、电容、表面声波和双摄像头图像识别技术的手写板、电子白板和触摸屏均不需要使用专用笔，因此如果不使用特殊设计的专用笔，也很难实现压感的检测。而超声波技术和采用单个摄像头对整幅书写表面进行拍摄的图像识别技术所构建的电子白板、书写屏和手写板，一般都需要使用专用笔，因此存在实现压感检测的可能。但现有技术中，还没有真对这两种技术的压感识别技术在应用，因此限制了使用这两种技术的产品的应用场合。 号码为03158995. 2的中国发明专利公开了一种可模拟笔触的手写笔，包含有压力传感器，通过主控系统的模拟装置实现笔触模拟的技术，主要描述了在主控系统中利用不同压力数值来模拟手写笔书写力度的技术方案，解决了压力值与显示图像之间的关系的问题，但依然没有解决压力值获取、数据处理、数据传输的问题，即没有解决手写笔内部通过什么样的结构才能得到压力值的问题，尤其是真对用于超声波和单摄像头图像识别技术的手写输入装置所使用的手写笔的内部结构问题。 号码为03158994. 4的中国发明专利公开了 一种可弯曲式压力感应手写笔，其中利用安装在笔头内的齿轮、转动速度检测器、压力值产生器，用来检测转动速度数据与转动方向数据，并且根据转动速度数据与转动方向数据产生压力值，经由信号传输线传送至主系统。该发明采用了机械传导的结构，虽然能够检测到书写时的压力值，但是存在转动部件方向性固定、容易损坏、压力值检测的精度不高等缺点，并且不能用于超声波和单摄像头图像识别技术的手写输入装置。 号码为200420040580.9的中国实用新型专利公开了一种多功能手写笔，其中也包含有压力传感器。但是这里的压力传感器的主要作用是用于判别笔的书写状态，而不是书写时笔的力度，因此也无法解决压力值的获取问题。

发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺点，提供了一种可以检测手写笔在书写状态下笔尖所承受的压力值，并传输到主控系统的电子书写笔；尤其对于使用超声波技术或单
摄像头图像识别技术的手写输入装置所使用的手写光笔或手写超声笔，公开了一种将手写
时的压力数据与手写笔中原有的信号系统整合后来传输手写压力数据的实施方案。 为实现本发明的目的，本发明的手写笔包含有笔杆，安装在笔杆头部通孔内的笔
头，安装在笔头和笔杆内支架之间的压力传感器，以及笔内支持电子笔工作的电路系统、为
电路系统提供能量的电源供应装置。在本发明中，所述压力传感器，为输出的数值与压力大
小有唯一对应关系的连续量压力传感器；所述压力传感器的输出端，与所述笔杆内的电路
系统中的信号调理电路相连接；所述电路系统包含有一个输出单元，该单元与所述信号调
理电路的输出端相连接，将压力传感器输出的压力信号相对应的信号或数据，输出到与手
写笔配合工作的系统的指定端口。 在本发明中，所述的压力传感器可以使用很多种，电阻应变片、霍尔(位移)传感 器、结构类似于驻极体传声器的驻极体(电容)传感器甚至附加有特殊结构的驻极体传声 器。这些传感器都可以以电压输出的方式输出压力信号，因此传感器或者传感器检测电路 的输出端可以连接一个与传感器类型相配合的前端适配电路——信号放大电路，一般由运 算放大器构成。如果要数字化这些压力信号，则还可以使用一个A/D变换器连接在放大电 路的输出端。如果进行进一步处理，将这些数字形式的压力数据转化为更适合传输的数据 格式，还可以再在A/D变换器的输出端连接一个编码器，而且这个编码器可以使用微控制 器构成。上述所有的电路单元所输出的压力信号，均可以作为可用的数据传输到与手写笔 配合工作的系统的指定端口。其中，因为信号放大电路输出的是模拟量，因此更适合以有线 的方式输出，而其余两个电路单元A/D变换器或者编码器所输出的数字量，则可以使用有 线和无线两种方式传输到与手写笔配合工作的系统的指定端口。这里无线传输的方式有两 种一种是用射频模块构建输出单元，使用射频无线电传输压力数据；另一种是适用红外 发射模块构建输出单元，使用红外线传输压力数据。
上述的几种传感器可以通过合适的安装结构来检测笔头所受到的压力，其中
电阻应变片可以安装在能够放大因笔头压力而产生的应变的弓形梁上的弓顶位 置，可使用两片应变片，分别安装在弓顶的内外表面，再与两只电阻连接成检测电桥，输出 压力信号。 霍尔传感器可以安装在两片磁铁构成的磁路中间，两片磁铁的同名磁极相对，一 片安装在笔内的支架上，另一片安装在所述笔头的末端。 一块磁铁安装在磁路随笔头的末
丄山顺。 也可以将霍尔传感器安装在所述笔头的末端，并深入到由磁铁和分别安装在磁铁 的两个磁极上的靴铁所构成的磁路的磁隙之间；所述磁铁和靴铁安装在笔内的支架上，所 属笔头也弹性安装在笔内支架或者磁铁及靴铁上。 对于驻极体传感器，可以将含有驻极体的膜片和电极膜片中的一个安装在笔内的 支架上，另一个安装在笔头的末端并弹性安装在笔内支架或者上另一个膜片上，再配置上 一般由FET构成的电荷放大器。将驻极体话筒用作压力传感器，可以与一个有开口端的弹 性气囊的开口端气密连接并深入到气囊之内，气囊的另一端封闭，安装在所述笔头的末端。
本发明还可以使用可变电容和可变电感结构的压力传感器，利用笔头在书写压力 作用下，带动电容的极片或者电感的导磁体移动，从而改变传感器的电容量或者电感值的方式，实现对压力的检测。这两种传感器的前端适配电路可选用振荡信号发生器，可变电容 或电感传感器均可以连接到振荡信号发生器的振荡槽路，后面再使用一个频率检测单元， 如频率计、计时器等电路单元，来测量因压力而导致振荡器输出频率的改变。然后如前所 述，可直接通过输出单元以有线或者无线的方式输出，或者再经过编码以后，将压力值通过 输出单元输出。 可变电容结构的压力传感器由两个极板构成，其中一个极板安装在笔内的支架
上，另一个极板与笔头的末端相连接，并弹性安装在笔内支架或另一个极板上，与安装在笔
内支架上的极板之间形成一个气隙。可变电感结构的压力传感器，由一个缠绕在开口铁芯
上的线圈和一个铁芯开口前方的导磁体构成；铁芯安装在笔内的支架上，导磁体与笔头的
末端相连接，并弹性安装在笔内支架或铁芯上，与全部或者部分铁芯之间形成一个气隙。 本发明特别对于用于超声波技术和采用单个摄像头对整幅书写表面进行拍摄的
图像识别技术所构建的电子白板、书写屏和手写板所使用的手写光笔或超声手写笔，给出
了一种整合的技术方案。因为这两种应用的手写笔，自身都带有红外线发射管，因此可以利
用一个混合器，将笔内从信号调理电路的输出的压力数据信号，与手写光笔中原有的、用于
检测手写笔位置和运动轨迹的红外光驱动信号，或者超声笔中原有的、被用于发射红外时
标信号的驱动信号编码相加、混合，然后利用它们现有的发射管来传输手写笔的压力数据。
另外，还可以在笔身内的电路系统设置一个受控于从信号调理电路所输出的压力数据的激
发开关，通过所述电路系统接收压力数据；在接收到指定数值的压力数据后，控制所述电子
笔发射相应的、被用于检测手写笔位置和运动轨迹的红外线或者超声波。
因为本发明可以使用的各种压力传感器都会有制造、安装等方面的误差，同时还
会受到温度、湿度、放大器的增益偏差等因素的影响，因此即使在笔头的压力为o时，信号
调理电路输出的数据也很难为O或者一指定数值，即会出现零点漂移。所以在本发明的电 路系统中，还设置了一个手动开关；人工操作该手动开关，可以通过三种方式来消除零点飘 移，分别为第一，控制所述电路系统，将与所述信号调理电路输出的压力信号相对应的信 号或数据加上一个特定的标志符以后，直接通过输出单元输出到与手写笔配合工作的主控 系统中，作为用于计算书写压力大小的初始值；第二，控制所述电路系统，如编码器，将与所 述信号调理电路输出的压力信号相对应的信号或数据设置为一设定的初始值，比如0 ;第 三，控制所述电路系统，调整所述信号调理电路中元器件的参数或预置的数值，使其输出的 压力信号相对应的信号或数据为一设定的初始值，比如0。 本发明的有益效果在本发明中，由于采用了输出的数值与压力大小有唯一对应 关系的连续量压力传感器，所以能够在一定范围内比较精确地测量书写者在使用手写笔书 写时的力度， 一方面能够使书写的效果更接近自然书写，笔迹的变化更丰富，更有特色；另 一方面拓展了很多种手写板、电子白板、手写屏幕的应用范围，更适合用于绘画、书法等艺 术方面的应用，并且第一次在计算机等数据处理设备的显示屏幕上，用较低的成本实现压 感书写。同时，本发明可以使用多种不同类型的传感器来实现书写力度的检测，因此在设 计、生产过程中，可以根据不同传感器的特点选择不同的技术方案，以适用于不同的应用场 合和环境。再有，本发明中所使用的各种传感器均具有低成本的特点，因此可以在不增加多 少元器件成本的前提下，为现有的多种手写输入产品增加压感功能。


图1 :本发明使用无线传输单元的压感手写光笔的一种基本结构图； 图2 :本发明使用无线传输单元的压感手写光笔的另一种基本结构图； 图3 :应变片在弓形梁上的安装结构示意图； 图4 :使用应变片构成的压力检测电桥的结构图； 图5 :使用霍尔元件作为压力传感器的一种压力传感结构示意图； 图6 :使用霍尔元件作为压力传感器的另一种压力传感结构示意图； 图7 :—种使用驻极体传声器作为压力传感器的压力传感结构示意图； 图8 :使用驻极体或者可变电容作为传感器的一种压力传感结构示意图； 图9 :一种使用可变电感作为压力传感器的压力传感结构示意图； 图10 :—种有线传输压力数据的压力检测电路结构方框图； 图11 :另一种使用有线传输压力数据的压力检测电路结构方框图； 图12 :—种使用无线模块传输压力数据的压力检测电路结构方框图； 图13 :使用手写光笔中的红外发射管作为压力数据传输元件的电路结构方框图； 图14 :使用超声笔中红外发射管作为无线传输单元的压感超声笔一种基本结构
图； 图15 :使用手写超声笔中的红外发射管作为压力数据传输元件的电路结构方框 图。
具体实施例 根据本发明的目的和内容，本发明的实施例可以分为两种类型。第一类是针对各 种压力传感器在本发明中应用的实施例，主要说明本发明可以使用的各种压力传感器的类 型和结构、安装方式和相配的外部电路的具体实施方式
，适合于任何包含有电路结构的手 写笔的一般实施。第二类是针对现有被广泛使用的、应用超声波技术或者单摄像头图像识 别技术的手写输入装置所使用的电子手写笔，本发明的特定的具体实施例。
首先说明针对各种传感器的实施例。 首先，图1、图2给出了应用本发明、并使用红外线传输模块传输压力数据的手写 笔的一般结构，两幅附图的差别主要在于手写笔外壳的不同。图l是比较符合人体工程学 的手写笔结构，图2是最常用的手写笔结构。图中，101是手写笔外壳；102是手写笔笔头； 103是压力传感器；104是笔内的传感器支架；105是传感器适配电路；106是压力信号调理 电路的后续处理部分；107是压力信号输出单元；108是红外输出模块的红外发射管；109 是手写笔中原有的电路系统；110是手写笔的供电系统。两幅图因外壳101的结构不同，所 以红外发射管108的最佳安装位置也有所差别。下面主要根据图2所示的常用结构，结合 附图来说明当使用不同类型的传感器件作为压力传感器时，本发明的具体实施例。
实施例1 :使用电阻应变片作为压力传感器 图3、图4给出了使用电阻应变片作为压力传感器时，应变片的安装结构和基本检 测电路的结构。图中，301是用于放大笔头书写压力的弓形梁，弓形梁的一端安装在笔内的 支架104上，另一端与笔头末端相连接，可固接或铰接、悬浮安装，只要保证笔头的压力能 顺畅传递到弓形梁上即可。在弓形梁的开口处是一缝隙304，以保证弓形梁在书写的压力下能发生变形，但变形又不至于过大而超出梁的弹性范围，导致梁的塑性变形。302、303是 两片应变片，分别安装在弓形梁的弓形顶部的内外表面，分别与另外两只电阻R1、 R2构成 电桥结构的压力检测电路，如图4所示。在图4中，401是检测电桥驱动电路；402时信号放 大电路结构的传感器适配电路，一般是使用运算放大器构成的电压放大电路，部分情况可 以采用电流放大电路。关于使用应变片测力的详细内容，可参照中国计量出版社1993年出 版、马良埕主编的《应变电测与传感技术》中的相关内容，统一书号为ISBN7-5026-0630-0/ TM 5。 实施例2 :使用霍尔元件作为压力检测传感器 见图5和图6。可以输出连续模拟量的霍尔元件被广泛地应用在微小位移的检测 方面。在本发明中，利用笔头在书写压力和笔内弹性元件的反作用力的共同作用下，带动磁 铁或者霍尔元件移动，即可检测出书写的压力。图5给出了使用霍尔元件作为产感器的一 种检测结构。在图5中，霍尔传感器501是霍尔传感器安装在两块片状磁铁502、503的同 极性磁极之间，而两片磁铁，一片安装在笔内的支架上，另一片安装在所述笔头的末端。这 里利用同性磁极之间的相斥力作为笔头复位的回复力，即在笔头的压力撤销后笔头回到未 书写时的位置。因为这个相斥力的大小与两片磁铁之间的距离唯一对应，所以霍尔元件输 出的电信号也与笔头的压力唯一对应。 图6给出了霍尔元件的另一种安装结构。图中霍尔传感器501安装在笔头的末端，
并深入到由磁铁603和分别安装在磁铁603的两个磁极上的两块靴铁602构成的磁路的磁
隙之间。磁铁603和两块靴铁602安装在笔内的支架上，笔头则通过弹性元件601，弹性安
装在笔内支架或者磁铁及靴铁上(图中所示意的是安装在靴铁602上)。 图5、图6所示的结构各有优缺点。图5所示结构的线性范围大，但输出灵敏度偏
低；图6所示结构的灵敏度高，但线性范围偏小。 实施例3 :使用驻极体传声器作为压力检测传感器 如图7所示，通用的驻极体传声器(驻极体话筒)也可用于笔头书写压力的检 测。701是弹性气囊；702是一只驻极体传声器；驻极体传感器由一个弹性气囊701和一个 驻极体传声器702构成。弹性气囊701的一端封闭另一端开口，开口端与所述驻极体传声 器702气密连接，驻极体传声器深入到气囊之内；弹性气囊的另一端，安装在所述笔头的末 端。在这种结构中，弹性气囊701的外壁作为主要支撑笔头的弹性元件，其在书写压力下产 生回复力；弹性气囊内的空气作为书写压力的传导媒介，在气囊被压縮时将压力施加在传 声器702内部的弹性膜片上，随着气囊被压縮程度的大小而改变弹性膜片与固定电极之间 的距离，从而实现了书写压力的检测。在这种结构中，弹性气囊701的外壁的弹力，是保证 气囊内的空气不被过分压縮而导致传声器膜片贴到固定电极的表面、导致传感失效的关键 因素，必要时还要设置针对笔头或气囊的止动或者限位的机构，保证气囊不被过度压縮。另 外，这种结构最好在气囊与大气之间有可以缓慢均压的空气通道，如类似于皮革之类的透 气性，以保证在温度、湿度变化的条件下，气囊内外的大气压力能在一定时间内达到均衡， 但又不影响书写时瞬时压力的传递。 实施例4 :使用驻极体传感器作为压力检测传感器 如图8所示，驻极体传感器实际上是电容传感器的一种，但是因为驻极体表面有 永驻的电荷，传感器内部还如驻极体话筒一样可以内置电荷放大器，所以在此与前几类传感器一起归类为"压力/电压"输出类型的传感器，而非纯粹的电容传感器。驻极体传感器 由电极膜片801、803、隔离垫圈806、弹性支架802和电荷放大器构成(图中未画出)。两个 电极膜片中一个是驻极体膜片，或者涂覆有驻极体膜状材料金属膜片；这两个膜片一个安 装在笔内的支架104上，另一个膜片安装在所述笔头102的末端，并通过弹性支架802安装 在笔内的支架或者另一个膜片上。隔离垫圈成环形，安装在两个膜片之间。另一种安装结 构是省略弹性支架802，直接将垫圈806安装在两个电极膜片之间，利用电极膜片的弹力产 生对笔头的回复力。两个膜片与电荷放大器的输入端相连接。这里，电荷放大器可以使用 与驻极体传声器相同结构的放大器，如使用场效应晶体管为核心元件构建的电荷放大器。
上述实施例中所使用的传感器，都可以以电压(或电流，只是不常用)输出的方 式输出压力信号，因此传感器或者传感器检测电路的后端，需要连接一个与传感器类型相 配合的前端适配电路，如图4中的信号放大电路402，也是图1中前端适配单元105中的一 种结构。如果进行进一步处理，还可以再在适配单元105的后面加上后续处理单元106，其 中可以包括A/D变换器用来数字化这些压力信号，还可以增加一个编码器，将这些数字形 式的压力数据转化为更适合传输的数据格式。上述所有的电路单元所输出的压力信号，均 可以作为可用的数据传输到与手写笔配合工作的系统的指定端口。其中，因为信号放大电 路输出的是模拟量，因此更适合以有线的方式输出，如图IO所示，利用作为图1中输出单元 107的数据线1001，将压力数据传输到与手写笔配合工作的系统的指定端口。而增加了一 个或者两个后续处理单元——A/D变换器单元和编码器单元后所输出的数字量，则可以使 用有线和无线两种方式传输，如图11、图12所示，既可以通过数据线1001传输，也可以通过 红外或者射频的无线模块1201传输。
实施例5 :使用可变电容作为压力检测传感器 图8也是本发明一个使用可变电容作为传感器的实施例的示意图。与使用驻极体
传感器不同之处在于，两个极片801和803上面不再带有永驻电荷，而只是单纯导电的极
板。其余结构与实施例4相同，在两个极板之间形成构成电容的气隙。与可变电容压力传
感器相对应的前端适配电路，可以选用一个振荡信号发生器804，即图1中的前端适配单元
105的另一种结构，包含在笔杆内的信号调理电路之中。可变电容压力传感器的引出端，与
这个振荡信号发生器的振荡槽路相连接。当书写压力通过笔头传递到电容传感器的电极膜
片上之后，两个膜片之间的电容将随着极板间的距离的改变而改变，这样振荡信号发生器
的振荡频率也将随之改变。这样通过利用如频率计或计时器、计数器等频率测量单元805
来检测振荡器的输出频率的变化，就可以得到书写压力的大小和变化。这里，频率测量单元
805如果使用可预置的计数器，在单位时间内如lmS，根据测量得到在笔头没有书写压力、
即笔头空闲抬起时振荡器的输出频率，在人工干预下在计数器内预置一个所述单位时间内
检测到的脉冲值，将可以使频率测量单元的输出为零，更方便后面其他部分如编码器或与
手写笔配合工作的系统的数据处理。 实施例6 :使用可变电感作为压力检测传感器 如图9所示，可变电感压力传感器由一个缠绕在开口铁芯902上的线圈903，和一 个位于铁心902开口前方的导磁体901构成。其中铁芯安装在笔内的支架104上，导磁体 901与所述笔头102的末端相连接，并利用与图8中的弹性元件802相似的弹性体(图中未 画出)安装在笔内支架或铁芯上，与全部或者部分铁芯之间形成一个气隙。图9中给出的安装结构，是众多可用结构中的一种，利用一个膜片状的弹性导磁体直接安装在铁心得开 口方向，边缘与铁心接触，弹性膜片的中心与铁心芯柱之间形成了一个气隙。这样弹性导磁 体膜片也就为笔头提供了回复力。与实施例5相同，与可变电感传感器相配合的前端适配 电路，可以选用一个振荡信号发生器804，可变电感的引出端，与振荡信号发生器的振荡槽 路相连接，再使用频率检测单元805来检测振荡器的输出频率的变化，从而得到书写压力 的大小和变化。 与实施例1-4相同，实施例5、6也可以使用如图10、图11或者图12所示的有线或 者无线的结构来传输压力数据。 上述实施例1-6中的编码器可以使用一个微控制器系统构成，如手写笔中原有的 电路系统中的微控制器系统109。对于实施例l-4，微控制器系统，通过一组1/0接口与所 述A/D变换器的控制瑞和输出端相连接，通过另一组I/0接口与所述电路系统中的输出单 元相连接；针对实施例5-6，微控制器系统通过一组1/0接口与所述振荡信号发生器或频率 检测单元的控制端和输出端相连接，通过另一组I/O接口与所述电路系统中的输出单元相 连接。随着微控制器功能越来越强大，上述的A/D还可以使用现有大部分微控制器上都自 带的A/D，频率检测单元也可以使用微控制器内部的定时器。在这种结构下，上述的1/0接 口均为虚拟的接口 ，可通过对微控制器的编程来实现。
实施例7 :压感手写光笔 图13给出了可用于使用单摄像头图像识别技术的手写输入装置所使用的电子手 写笔的一种电路结构的方框图。由于这种手写笔自身带有一个或一组红外线发射管1301 及其驱动电路1302，发射用于检测手写笔位置和运动轨迹的红外光信号。因此可以在笔内 利用一个微控制器系统1303构建一个信号混合器1305，将笔内从信号调理电路的输出的 压力数据信号，与手写光笔中原有的、用于检测手写笔位置和运动轨迹的红外光信号相加、 混合，然后利用现有的红外发射管1301来传输手写笔的压力数据。 一般来说，这种光笔所 发射的都是连续光，但是这类手写装置所使用的图像传感器(俗称摄像头)同样能够采集 被调制成一定频率的红外光信号，只要调制频率比图像传感器的扫描帧率(每秒采集图像 的帧数)高数倍即可。例如如果图像传感器的扫描帧率为100帧/秒，那么这个图像传感 器完全可以采集得到被幅度调制在数十kHz的红外光信号，只要被调制后的红外光的不发 光的时间不大于10mS。而根据奈奎斯特原理，是要载波频率大于被调制的信号频率的2倍， 即可完整传输被调制的信号，因此使用频率合适的载波，可以以较大的速率，完整地传输手 写笔的压力数据。 压感手写光笔的基本结构与图1或图2所示的结构基本相同，只是用于压力数据
传输的红外发射管与用于手写笔位置和运动轨迹检测的红外发射管是同一个，安装在笔头
102之内的笔尖部位。 实施例8 :压感手写超声笔 见图14，给出了可用于超声波手写输入装置所使用的电子手写笔的一种电路结构 的方框图。由于超声波手写笔自身带有一组红外线发射管1401及其驱动电路1402，发射被 用于发射时标信号的红外脉冲。这里所说的时标信号其实是一个同步信号。因为在空气中 光的传播速度远高于超声波的传播速度，因此当手写笔内的超声波发射驱动电路1404驱 动超声波发射器1403发射超声波的时，红外发射管1401发射一个宽度只有几个微秒的同
11步脉冲给超声波的接收部分，接收部分接收到这个光脉中后，标定计时器的"0"时刻，并开 始计时以检测超声波在空气中的传播时间，故称这个红外光脉冲为时标信号。因此这里依 然可以利用图13中所示的信号混合器1305，将笔内从信号调理电路的输出的压力数据信 号，与超声笔中原有电路系统1405中所产生的时标信号相加混合，然后利用现有的红外发 射管1401来传输手写笔的压力数据。在接收端只要配合相应的解调器和分离器，即可在接 收时标信号的同时或之后再接收压力数据信号。 压感手写超声笔的基本结构如图15所示。与实施例7相似，超声波发射器1501
安装在笔身上靠近笔尖的位置；红外发射管组1502也安装在笔身上相近的部位；超声笔内
安装有电路系统1503，其中包含有压力传感器的前端适配单元和控制微控制器系统。 针对实施例7、8，还可以在笔身内的电路系统设置一个受控于从信号调理电路所
输出的压力数据的激发开关1304，通过所述电路系统接收压力数据。可以通过笔身中微控
制器的软件的设置，在接收到指定数值的压力数据后，控制电子笔发射相应的、被用于检测
手写笔位置和运动轨迹的红外线或者超声波。这种实施方式可以替换这两种手写笔中原有
用于感应书写压力的微动开关，可根据书写的要求设定启动压力，不仅能输出书写的压力
数据，还能够有效地增加手写笔书写的灵敏度，消除了因微动开关的压力常常较大而致使
书写不够流畅的缺点。 因为各种压力传感器都会有制造、安装等方面的误差，同时还会受到温度、湿度、 电路参数的离散性因素的影响，因此即使在笔头的压力为O时，信号调理电路输出的数据 也很难为0或者一指定数值，所以在本发明的电路系统中，还设置了 一个手动开关，如图 13、14所示，该开关可以安装在手写笔的操作按钮组1306中，单独设置一个按钮或者使用 原有的按钮组和而成。当人工操作该手动开关时，可以通过三种技术方案来消除零点飘移， 分别为 第一，控制所述电路系统(一般是微控制器系统，下面相同)，将与所述信号调理 电路输出的压力信号相对应的信号或数据加上一个特定的标志符以后，直接通过输出单元 输出到与手写笔配合工作的主控系统中，作为用于计算书写压力大小的参照初始值；
第二，控制所述电路系统，如编码器，将与所述信号调理电路输出的压力信号相对 应的信号或数据设置为一设定的初始值，比如通过在编码器中进行数学运算，将初始值设
为0; 第三，控制所述电路系统，利用负反馈的方式，调整所述信号调理电路中元器件的 参数，比如使用数字电位器，或者改变应变片的检测桥路中桥臂的电阻R1或R2，或者调整 前端适配放大电路402中差动放大器的参考电压，使其输出的压力信号相对应的信号或数 据为一设定的初始值，比如0。或者根据振荡信号的输出频率，在频率检测电路804中预设 一初始值，使其检测输出的结果为一特定值，比如0。 上述实施例给出了本发明可以实施的主要结构方案，但是实施本发明的可用结构 方案不只局限于这些实施例所给出的具体结构。例如各种传感器都可以有多种具体结构， 还有不同的受力结构，不同的传感器安装结构、不同的弹性支撑结构等等，其排列组合难以 胜数。因此在本发明的基本结构方案的基础上对本发明的改进、替换、省略、移植等技术方 案，均属于本发明的保护范围之内。
权利要求
一种具有压力值检测功能的电子手写笔，包含有笔杆，安装在笔杆头部通孔内的笔头，安装在笔头和笔杆内支架之间的压力传感器，以及笔内支持电子笔工作的电路系统、为电路系统提供能量的电源供应装置，其特征在于所述压力传感器，为输出的数值与压力大小有唯一对应关系的连续量压力传感器；所述笔内的电路系统中，还包含有一个压力信号调理电路和一个信号输出单元；所述压力传感器的输出端，与所述信号调理电路相连接；所述信号输出单元，与所述信号调理电路的输出端相连接，将压力传感器输出的压力信号相对应的信号或数据，输出到与手写笔配合工作的系统的指定端口。
2. 根据权利要求1所述的电子手写笔，其特征在于所述压力传感器是电阻应变片。
3. 根据权利要求2所述的电子手写笔，其特征在于所述电阻应变片有两片，分别安 装在一个弓形梁的弓形顶部的内外表面，分别与另外两只电阻构成电桥结构的压力检测电 路；所述弓形梁的一端安装在笔内的支架上，另一端与所述笔头末端相连接。
4. 根据权利要求1所述的电子手写笔，其特征在于所述的压力传感器是霍尔传感器。
5. 根据权利要求4所述的电子手写笔，其特征在于所述的霍尔传感器安装在两块磁 铁的同极性磁极之间；所述两片磁铁，一片安装在笔内的支架上，另一片安装在所述笔头的 末端。
6. 根据权利要求4所述的电子手写笔，其特征在于所述的霍尔传感器安装在所述笔 头的末端，并深入到由磁铁和分别安装在磁铁的两个磁极上的靴铁所构成的磁路的磁隙之 间；所述磁铁和靴铁安装在笔内的支架上，所述笔头也弹性安装在笔内支架或者磁铁及靴 铁上。
7. 根据权利要求1所述的电子手写笔，其特征在于所述的压力传感器是驻极体传感器。
8. 根据权利要求7所述的电子手写笔，其特征在于所述的驻极体传感器由电极膜片、 隔离垫圈和电荷放大器构成；所述两个膜片中的一个是驻极体膜片，或者涂覆有驻极体膜 状材料金属膜片；所述两个膜片中的一个安装在笔内的支架上，另一个膜片安装在所述笔 头的末端，并弹性安装在所述笔内的支架或者另一个膜片上，所述隔离垫圈安装在两个膜 片之间；所述两个膜片分别与所述电荷放大器的输入端相连接。
9. 根据权利要求7所述的电子手写笔，其特征在于所述的驻极体传感器由驻极体传 声器和一个弹性气囊构成；所述弹性气囊一端封闭另一端开口 ；开口端与所述驻极体传声 器气密连接，驻极体传声器深入到气囊之内；所述弹性气囊的另一端，安装在所述笔头的末丄山顺。
10. 根据权利要求2、3、4、5、6、7、8或9所述的电子手写笔，其特征在于所述安装在笔 杆内的信号调理电路中包含有一个信号放大电路；所述信号放大电路，其输入端与所述压 力传感器或压力检测电路的输出端相连接，输出端与所述电路系统中的输出单元相连接。
11. 根据权利要求2、3、4、5、6、7、8或9所述的电子手写笔，其特征在于所述安装在笔 杆内的信号调理电路中，包含有一个信号放大电路和一个A/D变换器；所述信号放大电路， 其输入端与所述压力传感器或压力检测电路的输出端相连接；其输出端与所述A/D变换器 的输入端相连接，A/D变换器的输出端与所述电路系统中的输出单元相连接。
12. 根据权利要求2、3、4、5、6、7、8或9所述的电子手写笔，其特征在于所述安装在笔 杆内的信号调理电路中，包含有一个信号放大电路和一个A/D变换器、一个编码器；所述信号放大电路，其输入端与所述压力传感器或压力检测电路的输出端相连接；其输出端与所 述A/D变换器的输入端相连接，A/D变换器的输出端与所述编码器的输入端相连接；所述编 码器的输出端与所述电路系统中的输出单元相连接。
13. 根据权利要求12所述的电子手写笔，其特征在于所述编码器由一个微控制器系 统构成；所述微控制器系统，通过一组I/O接口与所述A/D变换器的控制端和输出端相连 接，通过另一组I/O接口与所述电路系统中的输出单元相连接。
14. 根据权利要求l所述的电子手写笔，其特征在于所述的压力传感器是一个可变电 容结构的压力传感器。
15. 根据权利要求14所述的电子手写笔，其特征在于所述可变电容结构的压力传感 器，由两个极板构成；其中一个极板安装在笔内的支架上，另一个极板与所述笔头的末端相 连接，并弹性安装在笔内支架或另一个极板上，与安装在笔内支架上的极板之间形成一个 气隙。
16. 根据权利要求1所述的电子手写笔，其特征在于所述的压力传感器是一个可变电 感结构的压力传感器。
17. 根据权利要求16所述的电子手写笔，其特征在于所述可变电感结构的压力传感 器，由一个缠绕在开口铁芯上的线圈和一个所述开口前方的导磁体构成；所述铁芯安装在 笔内的支架上，所述导磁体与所述笔头的末端相连接，并弹性安装在笔内支架或铁芯上，与 全部或者部分铁芯之间形成一个气隙。
18. 根据权利要求14、 15、 16或17所述的电子手写笔，其特征在于所述安装在笔杆内 的信号调理电路中包含有一个振荡信号发生器；所述压力传感器的引出端与所述振荡信号 发生器的振荡槽路相连接，振荡信号发生器输出端与所述电路系统中的输出单元相连接。
19. 根据权利要求14、15、16或17所述的电子手写笔，其特征在于所述安装在笔杆内 的电路系统中包含有振荡信号发生器和一个频率测量装置；所述压力传感器的引出端与所 述振荡信号发生器的振荡槽路相连接，所述频率测量装置的输入端与所述振荡信号发生器 的输出端相连接，输出端与所述电路系统中的输出单元相连接。
20. 根据权利要求19所述的电子手写笔，其特征在于所述安装在笔杆内的电路系统 中还包含有一编码器；所述编码器的输入端与所述计数器的输出端相连接，输出端与所述 电路系统中的输出单元相连接。
21. 根据权利要求19、20所述的电子手写笔，其特征在于所述频率测量单元或编码器 由一个微控制器系统构成；所述微控制器系统，通过一组1/0接口与所述振荡信号发生器 或频率计的控制端和输出端相连接，通过另一组I/O接口与所述电路系统中的输出单元相 连接。
22. 根据权利要求1所述的电子手写笔，其特征在于所述输出单元是一条数据线。
23. 根据权利要求l所述的电子手写笔，其特征在于所述输出单元是一个利用电磁波 传输信号的无线输出模块。
24. 根据权利要求23所述的电子手写笔，其特征在于所述无线输出模块是一个利用 红外发光管所发射的红外线传输信号的红外输出模块。
25. 根据权利要求24所述的电子手写笔，其特征在于所述电子手写笔是一支能够发 射被用于检测手写笔位置和运动轨迹的红外光的光笔，包含有一只或一组被一个红外发射驱动电路所驱动红外发光管；在所述电路系统内，还包含有一个编码调制器；所述信号调 理电路的输出端与编码调制器的一个输入端相连接；所述手写光笔内，还包含有用于检测 手写笔位置和运动轨迹的红外光信号的发生电路，其输出端与所述编码调制器的另一个输 入端相连接；所述编码调制器的输出端，与所述红外发光管的驱动电路的输入端相连接。
26. 根据权利要求24所述的电子手写笔，其特征在于所述电子手写笔是一支能够发 射被用于检测手写笔位置和运动轨迹的超声波的超声笔，包含有一组被一个红外发射驱动 电路所驱动、用于发射红外时标信号的红外发光管；在所述电路系统内，还包含有一个编码 调制器；所述信号调理电路的输出端与编码调制器的一个输入端相连接，所述超声手写笔 内，还包含有用于标定超声波的发射时刻的红外时标信号发生电路，其输出端与所述编码 调制器的另一个输入端相连接；所述编码调制器的输出端，与所述红外发射驱动电路的输 入端相连接。
27. 根据权利要求25、26所述的电子手写笔，其特征在于所述笔身内的电路系统包含 有一个激发开关；所述激发开关受控于从所述信号调理电路所输出的压力数据；通过所述 电路系统，在接收到指定数值的压力数据后，控制所述电子笔发射相应的、被用于检测手写 笔位置和运动轨迹的红外线或者超声波。
28. 根据权利要求l所述的电子手写笔，其特征在于在所述的电路系统中包含有一个 手动开关；人工操作该手动开关可以控制所述电路系统，将与所述信号调理电路输出的压 力信号相对应的信号或数据加上一个标志符以后，直接传输到所述的输出单元。
29 . 根据权利要求1所述的电子手写笔，其特征在于在所述的电路系统中包含有一个 手动开关；人工操作该手动开关可以控制所述电路系统，将与所述信号调理电路输出的压 力信号相对应的信号或数据设置为一设定的初始值。
30. 根据权利要求l所述的电子手写笔，其特征在于在所述的电路系统中包含有一个 手动开关；人工操作该手动开关可以控制所述电路系统，调整所述信号调理电路中元器件 的参数或预置数据，使其输出的压力信号相对应的信号或数据为一设定的初始值。
全文摘要
一种压感手写笔，包含有安装在笔头内、输出值与压力有唯一对应关系的连续量压力传感器，与其配合的前端适配电路，信号调理电路，以及一个输出有线或者无线的输出单元。本发明可以使用电阻应变片、霍尔元件、驻极体电容或者驻极体话筒、可变电容和可变电感作为压力传感元件，并针对手写光笔和手写超声笔，给出了利用手写笔上现有的红外发射单元，将手写压力数据与原有信号系统整合后传输压力数据的实施方案。应用本发明，一方面笔迹变化更丰富更接近自然书写；另一方面拓展了很多手写输入产品在书法绘画等方面的应用，尤其是在显示屏幕上的压感书写。本发明所使用的各种传感器均具有成本低、适配电路简单的优点，所以很适合普及使用。
文档编号G06F3/0354GK101727218SQ20101010190
公开日2010年6月9日 申请日期2010年1月27日 优先权日2010年1月27日
发明者刘中华 申请人:北京爱易玛克科技有限公司