电容感应电子笔的制作方法

1.本发明涉及一种电子笔，尤其是一种电容感应电子笔。
技术背景
2.在基于视觉跟踪的触控系统中，需要用到发光电子笔。这种电子笔需要在笔尖接触到触控屏表面时，从笔头处发光，从而使摄像头能跟踪到其位置轨迹，实现触控效果。
3.现有各种实际应用的产品中，都是采用机械触控的方式，当笔尖因触压屏幕表面时，利用压力，机械地触发一个开关，通过开关控制笔头内的发光器件发光。比较典型的结构如图1所示。有些产品为了解决多方向触发问题和提高灵触发敏度，采用了更加复杂的结构，这也使得产品体积更大，装配调试更加困难。
4.例如，现有技术中《光电检测多方向触发电子笔》，公开号：cn102135822a，该现有技术公开了一种可感应笔尖压力的电子笔，包括壳体、笔头、电路、笔头连接管、弹性连接体，笔头固定在笔头连接管的外侧一端，笔头连接管通过弹性连接体连接到壳体，还有发光器件以及光敏器件也连到所述电路，其中发光器件和光敏器件分别与所述笔头连接管和壳体固定连接，发光器件发出的光线可以照射到光敏器件，或者发光器件和光敏器件都与所述壳体固定连接，而在笔头连接管的内侧一端固定有一个反光镜使发光器件的光线经过其反射可以照射到光敏器件；发光器件222发出的光线直接照射到光敏器件，发光器件222和光敏器件111均各位三个，三个反光器件呈等边三角形布置，三个发光器件与三个光敏器件两两配对，每对距离2mm正对。该现有技术由于结构中没有活动接触点，所以笔的性能可以更稳定，可靠性得到提高，手感更好，寿命更长。如图2所示。
5.现有技术的缺点是：1.需要通过活动机构触发开关，结构较复杂；2.需要一定的压力才能触发开关，易于造成笔头和屏幕双方的磨损；3.不同姿态的接触可能触发灵敏度不同，为了达到较好的效果，需要更复杂的机构；4.体积较大；5.装配调试难度高，成本较高，易于损坏。
6.另外，现有技术中还有一种《电容感应式无线多功能鼠标笔》，公开号：cn105204669a，该现有技术公开了一种计算机输入和多媒体教学演示控制设备，特别是涉及一种电容感应式无线鼠标笔。它由电容感应式无线鼠标笔和usb无线接收器两部分组成。电容感应式无线鼠标笔内部的陀螺仪传感器感应轨迹变化，笔头内含灵敏的电容式触摸传感器，手写输入时具有与纸面书写笔相同的握笔和行笔方式，不需要按键辅助，也不需要其它电子辅助设备支持，就可以通过在皮肤(如手掌)、木材、玻璃、陶瓷、塑料、金属等多种材质表面书写，以实现对计算机的手写笔迹输入。电容感应式无线鼠标笔采用陀螺仪传感器感应轨迹变化和无线控制，可以悬空操作，除了鼠标基本功能外，还具有一些快捷操作多媒体ppt教学课件的功能。如图3所示。
7.现有技术的缺点是：电容感应电极是设置于普通外壳内，因此当应用于硬质表面时，由于电极距离导电物体较远，电极的有效面积小，所以感应灵敏度过低。特别是如果应用于液晶显示器，某些显示器表面有保护玻璃，更需要较大的电极有效面积，现有技术是无
法工作的。实际测试证明，在普通电视液晶显示屏上，3mm直径的平面电极，需要平行地贴在屏幕表面才能有效实现触控检测，因此至少对于液晶显示屏，是欠缺实用性的。此外，这种技术只能感知是否接触，而接触的力度等信息无法感知，即无法感知笔触。


技术实现要素：

8.本发明的思路：多数触控产品是应用于液晶显示屏或白板的，液晶显示屏的内表面是分布有导电层的，普通白板表面也是由金属板为基底的。基于这一事实，本发明的电子笔，在笔头的前端固定一个用柔性导电材料制成的笔尖，导电笔尖通过导线连到一个电容检测电路。电容检测电路实时检测笔尖对地之间的电容量，根据电容量的变化判断笔尖与具有导电层的触控面之间的接触情况。已有的通用电容式触摸检测ic是一类利用导电体之间的电容效应来检测接触状态的器件，当前大量用于电器设备中实现触控开关，可以用作所述的电容检测电路。当电子笔的笔尖接近或接触大面积导电物体时，能够引起触模检测ic的输出响应，从而驱动笔头内的led或其它发射器件工作。
9.本发明的一种电容感应电子笔，包括笔管6、供电单元5、笔头4、发射器件3和控制电路2，笔尖1固定于笔头4的前端，控制电路2包含一个电容检测电路模块21，笔尖1由柔性的导电材料构成，并且通过导线连到电容检测电路模块21，电容检测电路模块21检测笔尖1与导电体的接触或接近状态而驱动发射器件3发射相应信号。
10.之所以笔尖1采用柔性导电材料，一是为了避免对触控表面刮擦损伤，二是可以增加接触面积，确保触控灵敏度。一般可以采用导电纤维束，如碳纤维、银纤维导电线，也可以采用导电泡棉、导电布等。采用本发明的笔尖1，当其接触触控屏表面时，会自然形成一个贴在触控屏表面的导电面，极大提高了电极的有效面积，保证了触控灵敏度。进一步，不同大小的作用力可以形成不同的导电面面积，因此可以通过用力的不同来适应不同的触控屏。进一步，由于本发明的笔尖1为柔性材料，特别是由导电纤维束构成的柔性材料，当其接触平面时，其接触面的大小与压力和角度等有关，受力越大则接触面积越大，电极与地之间的电容量越大。因此如果检测笔尖1对地的电容量数值并输出，则可以构成具有笔触感知功能的电子笔。
11.发射器件3一般采用红外led，安装于笔头4中，既能发送调制信号也能指示笔尖位置，笔头4需要采用透红外材料。
12.供电单元5可以是电池，也可以是超级电容器及相应的充放电电路。
13.本发明的有益效果：1.没有活动机构，结构大为简化；2.仅需接触或接近即可触发，大为降低磨损，对保护屏幕非常有益；3.对笔的接触姿态没有要求，更方便使用；4.利于减小体积；5.寿命长，装配调试方便，成本降低；5.能够实现具有笔触感知功能的电子笔。
附图说明
14.图1为现有技术的机械触控式电子笔结构示意图。
15.图2为现有技术的光电检测多方向触发电子笔结构示意图。
16.图3为现有技术的电容感应式无线多功能鼠标笔结构示意图。
17.图4为本发明第一个实施例的电容感应电子笔结构原理示意图。
18.图5为本发明第二个实施例的电容感应电子笔的笔尖形状示意图。
19.图6为第二个实施例的电容检测电路模块21的原理图。
具体实施方式
20.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
21.实施例1：
22.本实施例的电容感应电子笔，如图3所示，包括笔管6、供电单元5、笔头4、发射器件3、控制电路2和笔尖1，笔尖1固定于笔头4的前端，笔尖1由柔性的导电材料构成，并且通过导线连到控制电路2，控制电路2包含一个电容式触摸感应ic芯片21，电容感应ic芯片21检测笔尖1与导电体的接触或接近而驱动发射器件3发射相应信号；发射器件3一般采用红外led，安装于笔头4中，因而笔头4需要采用透红外材料；供电单元5可以是电池，也可以是超级电容器及相应的充放电电路，它为所述控制电路2供电。采用超级电容器的优点是，寿命长、重量轻、结构简单、使用成本低、环保。它是一种超细高灵敏度的红外电子笔，笔管的直径10mm，长12cm，采用银纤维导电线支撑直径4mm线束制成笔尖1，其用导电胶附着于透红外材料的笔头前端，长度高出笔头2mm；电容检测电路模块21采用tontek公司的成熟产品ttp223单键触摸ic，并采用器件数据手册推荐的电路和参数；用细长锂电池作为电源。实用证明本实施例的电子笔用于普通液晶屏和白板工作都能良好工作。
23.实施例2：
24.本实施例是一种具有笔触感知功能的电子毛笔。本实施例的笔尖1采用碳纤维束制成，并且其外形如图5所示的中心突起，而与之相连的电容检测电路模块21的工作原理与实施例1用的电容感应ic芯片类似，所不同的是其将电容量数值直接输出。电容量数值信号由控制电路2接收处理，并经过调整，驱动发射器件3的红外led发送出去。本实施例的电子笔应用于液晶屏幕时，当用力很小时，笔尖与屏幕的接触面为一个小点，因此电容值较小，而随着笔触压力增大，则接触面增大，随之电容值增大，电容值经发射器3传出，与之通信的上位机即可实时取得笔触压力大小的信息，从而实现笔触反馈。本实施例中，碳纤维单根直径7微米，所制成的笔尖直径4mm，长度5mm，具有很好的弹性，因而对压力的响应灵敏，使用效果良好。
25.图6中，mcu是一个具有极高输入阻抗的单片机ic，io1是其一个具备电平跳变事件捕获功能的引脚，io2是一个普通io口。电阻r是一个1～10m欧姆的放电电阻，电容c是一个可选的降噪电容，容量小于20pf。其工作流程为：io2输出高电平
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复位并启动电平跳变捕获
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io2配置为高阻态
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等待io1由高电平跳为低电平的事件。通过捕获寄存器即可得到放电时间，进而结合r值得到电容值。以上过程快速重复，即可实时检测笔尖1处的电容大小，从而获取笔触信息。本电路和方法是众多可行的电容检测方案之一。
26.虽然本发明已较佳实施例公布如上，但实施例和附图并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，其同样在本发明的权利要求书保护范围之内。