CN219916320U - 电容式触控笔的压感分级结构和触控笔 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及触控笔技术领域，具体而言涉及电容式触控笔的压感分级结构和触控笔。所述压感分级结构包括：活动轴，设置在笔身中，并能沿所述笔身的长度方向移动，第一轴端与笔头部连接；回弹部件，连接到所述活动轴和笔身之间，并能在笔头部受压而使活动轴朝向支撑结构运动时进行蓄力，以在所述受压减弱或者解除时使所述活动轴朝向初始位置运动。本实用新型提出的电容式触控笔的压感分级感应装置的结构设计简单、可靠，装配空间和过程易于实现，精度高，且不受过载破坏，提高压感分级的效果，可使用单颗电容测量芯片以及简单的计算即可实现测量，成本低，装配精度较佳。

Description

电容式触控笔的压感分级结构和触控笔

技术领域

本实用新型涉及触控笔技术领域，具体而言涉及电容式触控笔的压感分级结构和触控笔。

背景技术

触控笔是电容屏幕最为匹配的输入方式之一，也是最贴合人类书写逻辑的输入方式之一。当前的触控笔产品，大多不具备笔头部分的压感分级功能，也即无法感知用户书写时的按压力度并进而输出不同的笔迹。

少数具备压感分级功能的高端产品，都使用了传统的压阻应变片方案，通过一个相对复杂的应力传递结构，压迫2组或4组压阻应变片，再通过高分辨率的模拟-数字转换器(ADC)进行采样和转换，输出比如4096分级的笔迹。

但是这种方案存在以下问题：

(1)2组或4组微型压阻应变片，配合高分辨率模拟-数字转换器，使成本较高，无法在中低端产品中普及；

(2)压阻应变片封装在特殊材料和结构制作的刚性结构上，进而在应变产生后能够完全恢复，在触控笔的笔头结构中，压感应变片长期(频繁)受力或过载之后，很难在较短的时间内完全恢复，因而极易产生蠕变、疲劳乃至结构损伤，不具有可靠的稳定性；

(3)2组或4组微型压阻应变片的装配精度会极大的影响笔头压感的测量精度，进而影响压感分级的效果。

实用新型内容

本实用新型第一方面提出一种技术方案，一种电容式触控笔的压感分级结构，包括：

活动轴，设置在笔身中，并能沿所述笔身的长度方向移动，第一轴端与笔头部连接；

回弹部件，连接到所述活动轴和笔身之间，并能在笔头部受压而使活动轴朝向支撑结构运动时进行蓄力，以在所述受压减弱或者解除时使所述活动轴朝向初始位置运动；

测量部件；

其中，所述活动轴内设有凹槽，所述笔身设有伸入到凹槽中的基准块，所述凹槽的内壁设有第一极板，所述基准块的外壁设有第二极板，所述第一极板和第二极板面对面的布置，所述测量部件根据所述第一极板和第二极板之间的静电容判断笔头部的压力。

优选的，每一对极板在所述笔头部受压而使活动轴朝向支撑结构运动时相互靠近。

优选的，所述回弹部件具有极限压缩位置，当所述回弹部件在极限压缩位置时，所述第一极板不与第二极板贴合。

优选的，所述回弹部件包括至少一个线性弹簧。

优选的，所述活动轴的中间部分被构造成凸出于轴表面的扩径段，所述凹槽处于所述活动轴的扩径段，且所述凹槽至少具有垂直于活动轴轴线方向的第一基准面，所述第一极板设置到所述第一基准面。

优选的，所述基准块向着笔头部方向设有垂直于活动轴轴线方向的第二基准面，所述第二极板设置到所述第二基准面。

优选的，所述第一基准面和第二基准面之间布置一对或多对第一极板、第二极板。

优选的，还包括支撑结构，处于所述笔身远离笔头部的一侧，并与笔身固定，所述活动轴的第二轴端与所述支撑结构沿笔身长度方向滑动连接。

优选的，所述回弹部件套在所述第二轴端的外侧，并位于扩径段与支撑结构之间。

优选的，所述笔身、笔头部、活动轴的第一轴端与第二轴端、支撑结构、基准块、回弹部件共中心轴线地布置。

优选的，所述测量部件包括电容测量部和笔头压感测量部，电容测量部与所述第一极板、第二极板连接，用于检测所述第一极板与第二极板在不同极板间距下的静电容；笔头压感测量部与所述电容测量部电连接，被设置基于电容测量电路输出的静电容的值，获得对应的笔头应力。

本实用新型第二方面提出一种技术方案，一种触控笔，包括上述的电容式触控笔的压感分级结构。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型提出的电容式触控笔的压感分级感应装置的结构设计简单、可靠，装配空间和过程易于实现，精度高，且不受过载破坏，提高压感分级的效果。同时，相对于现有设计的2组或4组压阻应变片的设计再通过高分辨率的模拟-数字转换器ADC进行变换的方案来说，本实用新型可使用单颗电容测量芯片以及简单的计算即可实现测量，成本低，装配精度较佳。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例。

图1是本实用新型所示的电容式触控笔的压感分级结构的结构示意图。

图2是本实用新型所示的笔头部受压状态的示意图。

图3是本实用新型所示的扩径段的结构示意图。

图4是本实用新型所示的电容式触控笔的压感分级结构的另一种机构示意图。

图5是压感分级结构利用电容进行压感分级的原理图。

具体实施方式

为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

结合图1-2所示，本实用新型第一方面提出一种电容式触控笔，电容式触控笔具有笔身部10以及从笔身部10的头部伸出的笔头部2，以及位于笔身部10内部的压感分级结构。

其中的压感分级感应装置用于感应笔头部2在书写介质表面滑动过程中基于书写施加的力而产生的应力并输出，即压感输出。由此，电容式触控笔和/或书写介质内配置的处理器可基于该压感输出而实现多种控制和切换，例如控制实现不同粗细的笔迹。

可选的，笔身部10通常由适宜的材质制备，例如采用塑料、陶瓷材料，或者复合材料，尤其是在外表面做哑光磨砂手感，利于良好的握持手感。笔头部2可以被设置成通过轴连接到笔身部10的内部。

如图1所示，笔身部10的两端分别定义为前端11(即头部)以及与前端相对的尾端(支撑结构12)。笔头部2从笔身部10的前端11的位置伸出。在可选的示例中，笔头部2的书写尖端通常采用pom材质，具有柔软的触感，便于书写。

可选的，笔身部10的前端11内有空腔111，笔头部2的外部设有凸起，卡在空腔111中，以限制笔头部2的过渡移动，对笔身部10内部的压感分级结构进行保护。

沿着笔身部10的纵长轴线方向布置的活动轴30，具有扩径段31以及位于扩径段31两端的第一轴端32与第二轴端33，活动轴30的第一轴端32与笔头部2连接并能够与笔头部2同步运动，活动轴30相对的第二轴端33可滑动地套入在支撑结构12的中心孔内，支撑结构12位于笔身部10的尾部位置。

其中，活动轴30的扩径段31内形成凹槽311，例如图1所示的U型空腔。

进一步的，基准块13与笔身部10保持位置固定关系，并位于活动轴30的扩径段31所形成的凹槽311内。在该U形空腔的设计中，其沿着笔身部10的纵长轴线方向两个内壁面中的其中一者的表面用于安装第一极板41或者第二极板42，另一个极板安装在U型空腔内的基准块13的表面，其中，第一极板41和第二极板42面对面的分布。

结合图3所示，具体的，凹槽311至少具有垂直于活动轴30轴线方向的第一基准面312，第一极板41设置到第一基准面312；基准块13向着笔头部2方向设有垂直于活动轴30轴线方向的第二基准面131，第二极板42设置到第二基准面131。

进一步的，回弹部件50设置活动轴30和笔身10之间，被设置成在笔头部2受压而使活动轴30朝向支撑结构12运动时进行蓄力，以在受压减弱或者解除时使活动轴30朝向初始位置运动。

其中，笔身部10、笔头部2、活动轴30的第一轴端32与第二轴端33、支撑结构12、基准块13、回弹部件50共中心轴线地布置。

如此，能保持笔头部2在无压力时，第一极板41和第二极板42在初始位置，而当笔头部2受到压力时，第一极板41和第二极板42之间的间距开始变化，且第一极板41和第二极板42始终无法贴合，以保护第一极板41和第二极板42不会碰撞受损，这样，通过监测第一极板41和第二极板42之间的电容变化即可反映出笔头部2的压力大小。

即，回弹部件50具有极限压缩位置，当回弹部件50在极限压缩位置时，第一极板41不与第二极板42贴合。

可选的，回弹部件50包括至少一个线性弹簧，在线性弹簧被压缩至极限位置时，每一圈弹簧的外壁相互贴合，此时其长度为直径*圈数。

可选的，回弹部件50套在第二轴端33的外侧，并位于扩径段31与支撑结构12之间。

还另外的实施例中，回弹部件50还可以设置在基准块13与空腔的内壁面之间，并位于第一极板41与第二极板42的***(图示中，回弹部件50设置在基准块13与空腔的内壁面之间)。

其中，调整弹簧的数量和粗细，可以控制按压力度。

结合图5所示，电容测量部100与第一极板41、第二极板42连接，用于检测第一极板41与第二极板42在不同极板间距下的静电容；笔头压感测量部200与电容测量部100电连接，被设置基于电容测量电路输出的静电容的值，获得对应的笔头应力；其中，每一对极板在笔头部2受压而使活动轴30朝向支撑结构12运动时相互靠近。

具体的，本实施例的压感分级感应结构被设置成在空载、带载、满载、过载状态下的第一极板41、第二极板42之间的间距d分别如下：

空载：d＝d₀，d₀表示空载下的极板间距；

带载：d＝d_σ，d_σ表示带载下的极板间距，其中σ为笔头应力，E为弹性限位机构的杨氏模量，为常数；

满载：d＝D，其中D为弹性限位机构的最大压缩量，即直径*圈数，为常数；

过载：由于弹簧限位机构的存在，过载无法产生，因此不会对静电容式压感分级结构产生破坏性影响，弹性限位机构起到保护作用。

同时，在带载状态下，螺旋弹簧不断被压缩，第一极板41、第二极板42之间相互靠近，静电容输出C不断减小，并与螺旋弹簧的压缩比保持高可靠、高稳定的线性关系，可以对笔头压感进行高分辨率的分级，比如4096或更高。

在本实用新型的实施例中，通过配置的电容测量部100，例如选用高分辨率的电容测量芯片，其与在笔身部10内配置笔头压感测量部200电连接，基于电容测量电路100输出的静电容的值，获得对应的笔头应力。

在可选的实施例中，笔头压感测量部200被设置成根据下述方式获得笔头应力：

其中，σ表示笔头应力，d_σ表示带载状态下第一极板41与第二极板42的极板间距；E表示回弹部件50的杨氏模量，A表示第一极板41与第二极板42的极板面积，k表示相对介电常数，ε₀表示真空介电常数，C表示所述电容测量部100输出的静电容数值。

其中，真空介电常数ε₀一般取值8.854187817×10-¹²F/m。当极板间的介质为空气的情况下，相对介电常数k的取值约为1。

由于两个第一极板41、第二极板42采用相同设计，其极板面积A由设计尺寸决定，为常数。

由此，笔头应力σ与测量结果高度线性相关，与线性的压阻应变片方案相比，本实用新型的测量结果的线性度仅受弹性限位机构50的杨氏模量影响，因此能够获得极高的回归系数，通过稳定、精准测量极板间距的变化而获得静电容输出C的值，可实现高精度的笔头应力的感应输出，对笔头压感进行高分辨率的分级。

结合图4所示，基准块13与空腔一内壁面之间有多对极板(图示为两对)，每一对极板平行布置，其中第一极板41固定在基准块13的表面，第二极板42固定在内壁面的表面。

如此，多极平行板电容器结构以形成差分电容输出，能够进一步提升方案的线性度与可靠性。

在上述的实施例中，支撑结构12、基准块13均为垂直于笔身部10的纵长轴线方向的块状构件。例如，支撑结构12、基准块13被构造为笔身部10的一部分，并且相对于笔身部10保持相对静止状态。

在其他的实施例中，支撑结构12、基准块13还可以被构造为固定到笔身部10的独立构件，并且二者相对于笔身部10保持相对静止状态。

本实用新型第二方面提出一种技术方案，一种触控笔，包括上述的电容式触控笔的压感分级结构。

结合以上实施例，本实用新型提出的电容式触控笔的压感分级感应装置的结构设计简单、可靠，装配空间和过程易于实现，精度高，且不受过载破坏，提高压感分级的效果。同时，相对于现有设计的2组或4组压阻应变片的设计再通过高分辨率的模拟-数字转换器ADC进行变换的方案来说，本实用新型可使用单颗电容测量芯片以及简单的计算即可实现测量，成本低，装配精度较佳。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种电容式触控笔的压感分级结构，其特征在于，包括：

活动轴（30），设置在笔身（10）中，并能沿所述笔身（10）的长度方向移动，第一轴端（32）与笔头部（2）连接；

回弹部件（50），连接到所述活动轴（30）和笔身（10）之间，并能在笔头部（2）受压而使活动轴（30）朝向支撑结构（12）运动时进行蓄力，以在所述受压减弱或者解除时使所述活动轴（30）朝向初始位置运动；

测量部件；

其中，所述活动轴（30）内设有凹槽（311），所述笔身（10）设有伸入到凹槽（311）中的基准块（13），所述凹槽（311）的内壁设有第一极板（41），所述基准块（13）的外壁设有第二极板（42），所述第一极板（41）和第二极板（42）面对面的布置，所述测量部件根据所述第一极板（41）和第二极板（42）之间的静电容判断笔头部（2）的压力。

2.根据权利要求1所述的电容式触控笔的压感分级结构，其特征在于，每一对极板在所述笔头部（2）受压而使活动轴（30）朝向支撑结构（12）运动时相互靠近。

3.根据权利要求1所述的电容式触控笔的压感分级结构，其特征在于，所述回弹部件（50）具有极限压缩位置，当所述回弹部件（50）在极限压缩位置时，所述第一极板（41）不与第二极板（42）贴合。

4.根据权利要求1所述的电容式触控笔的压感分级结构，其特征在于，所述活动轴（30）的中间部分被构造成凸出于轴表面的扩径段（31），所述凹槽（311）处于所述活动轴（30）的扩径段（31），且所述凹槽（311）至少具有垂直于活动轴（30）轴线方向的第一基准面（312），所述第一极板（41）设置到所述第一基准面（312）；所述基准块（13）向着笔头部（2）方向设有垂直于活动轴（30）轴线方向的第二基准面（131），所述第二极板（42）设置到所述第二基准面（131）。

5.根据权利要求4所述的电容式触控笔的压感分级结构，其特征在于，所述第一基准面（312）和第二基准面（131）之间布置一对或多对第一极板（41）、第二极板（42）。

6.根据权利要求1所述的电容式触控笔的压感分级结构，其特征在于，还包括支撑结构（12），处于所述笔身（10）远离笔头部（2）的一侧，并与笔身（10）固定，所述活动轴（30）的第二轴端（33）与所述支撑结构（12）沿笔身（10）长度方向滑动连接。

7.根据权利要求6所述的电容式触控笔的压感分级结构，其特征在于，所述回弹部件（50）套在所述第二轴端（33）的外侧，并位于扩径段（31）与支撑结构（12）之间。

8.根据权利要求1-7中的任意一项所述的电容式触控笔的压感分级结构，其特征在于，所述笔身（10）、笔头部（2）、活动轴（30）的第一轴端（32）与第二轴端（33）、支撑结构（12）、基准块（13）、回弹部件（50）共中心轴线地布置。

9.根据权利要求1-7中的任意一项所述的电容式触控笔的压感分级结构，其特征在于，所述测量部件包括电容测量部（100）和笔头压感测量部（200），电容测量部（100）与所述第一极板（41）、第二极板（42）连接，用于检测所述第一极板（41）与第二极板（42）在不同极板间距下的静电容；笔头压感测量部（200）与所述电容测量部（100）电连接，被设置基于电容测量电路输出的静电容的值，获得对应的笔头应力。

10.一种触控笔，其特征在于，包括权利要求1-9中任意一项所述的电容式触控笔的压感分级结构。