電子筆的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及如在專利權(quán)利要求1前序部分中所指定類型的電子筆、如在專利權(quán)利 要求16前序部分中所指定的設(shè)備以及如在專利權(quán)利要求17前序部分中所指定的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電子信息和通信系統(tǒng)，特別是個人計算機(jī)（PC)、筆記本計算機(jī)、平板計算機(jī)和智能 電話，在日常生活、休閑和工作中的不斷增加的使用使得值得開發(fā)人機(jī)界面的改進(jìn)。
[0003] 除了諸如鍵盤、鼠標(biāo)或觸敏表面的人機(jī)界面之外，電子筆是特別令人感興趣的。電 子筆尤其具有的優(yōu)勢在于它們可將用筆在表面上書寫的功能性和簡便性與電子數(shù)據(jù)處理 的多得多的可能性相結(jié)合。因此希望電子筆在外觀和操作上盡可能類似于常規(guī)的筆。
[0004] 例如在W002/07424A2中，描述了用于手寫識別的電子信息系統(tǒng)，其具有筆和帶有 壓敏或感應(yīng)敏感表面的平板計算機(jī)，并且其中筆或筆尖的移動從平板計算機(jī)的壓敏或感應(yīng) 敏感表面捕獲或由加速度傳感器或光學(xué)傳感器捕獲。
[0005] 然后，傳感器數(shù)據(jù)可被無線地傳送到個人計算機(jī)，其可基于所接收到的筆運動數(shù) 據(jù)來執(zhí)行手寫識別。
[0006] 然而用于手寫識別的已知電子信息系統(tǒng)的缺陷在于，除其它之外，筆位置數(shù)據(jù)并 不總是能夠以足夠的精確度來檢測到，并且例如這可導(dǎo)致筆移動的錯誤確定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 問題
[0008] 因此，本發(fā)明目的在于改進(jìn)電子筆，特別是關(guān)于筆位置檢測的精確度。
[0009]解決方案
[0010] 根據(jù)本發(fā)明，所述目的通過根據(jù)權(quán)利要求1的電子筆、根據(jù)權(quán)利要求16的裝置和 根據(jù)權(quán)利要求17的方法來實現(xiàn)。
[0011] 有利的實施方式和進(jìn)一步的改進(jìn)是從屬權(quán)利要求的主題。
[0012] 其中，具有筆位置檢測的電子筆可包括至少一個書寫芯、至少一個電壓源、至少一 個數(shù)字控制單元和至少一個數(shù)據(jù)傳輸模塊。此外，電子筆可具有至少三個位置確定傳感器， 其中所述位置確定傳感器可配置成可從它們的測量數(shù)據(jù)確定電子筆的位置和/或移動的 超石角定（over-determination) 〇
[0013] 電子筆可被認(rèn)為是剛性體，即其具有三個平移自由度和三個旋轉(zhuǎn)自由度，總計共 有六個運動自由度。通常，兩個三維位置確定傳感器足以在三維坐標(biāo)系中描述電子筆的位 置和/或移動，除了所選坐標(biāo)系的任何必要的初始化和積分（integration)誤差之外。
[0014] 在下文中，除非另外明確提及，否則位置確定傳感器應(yīng)理解為這樣的位置確定傳 感器，其可測量在三個相互正交的空間方向上的加速度和/或局部磁場的強(qiáng)度和/或旋轉(zhuǎn) 速率。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的電子筆可以由于其至少三個位置確定傳感器而允許在三維坐標(biāo)系 中對筆位置數(shù)據(jù)或筆的位置和/或電子筆的移動進(jìn)行超確定。
[0016] 在一方面，這具有的優(yōu)勢在于例如通過將獨立測量的筆位置數(shù)據(jù)進(jìn)行平均可更精 確地確定筆的位置，并且在另一方面可避免相對于在三維坐標(biāo)系中的電子筆位置和/或移 動的模糊性。
[0017] 在由位置確定傳感器測得的筆位置數(shù)據(jù)上的所述模糊性是由于這樣的事實造成 的，即在兩個旋轉(zhuǎn)軸線（例如用于測量三維旋轉(zhuǎn)速率的安裝在萬向節(jié)上的位置確定傳感器 的軸線）平行對準(zhǔn)的情況下，關(guān)于一個自由度的信息丟失，并且電子筆的移動不再能夠被 唯一地描述。自由度信息丟失的該實施例也被稱為所謂的萬向節(jié)死鎖（gimbalblockade)。
[0018] 然而在根據(jù)本發(fā)明的電子筆中不會出現(xiàn)該問題，因為至少三個位置確定傳感器可 至少一次并以對于電子筆的每個位置和/或移動的獨特方式捕獲所有六個自由度。
[0019] 位置數(shù)據(jù)中的不精確的另一來源源自于在位置確定傳感器電路中的熱噪聲。該隨 機(jī)噪聲信號可通過足夠數(shù)量的傳感器取平均而顯著減少。
[0020] 另外的不精確可能由數(shù)據(jù)獲取中的時間延遲或偏移而導(dǎo)致，因為它們經(jīng)由數(shù)據(jù)總 線串行讀出并且此后被處理就好像它們在完全相同的時間下被記錄一樣。此外，多個傳感 器的平均信號可以是最小化該誤差的好方法。
[0021] 除了所述位置確定傳感器之外，電子筆可包括耦接到書寫芯的力傳感器。
[0022] 這具有的優(yōu)勢在于，例如僅當(dāng)測量值超過預(yù)定力時，例如在將電子筆放置到書寫 基質(zhì)（諸如紙）上時通過按壓或?qū)毫κ┘拥綍鴮懶径|發(fā)，才需要完全啟用位置確定傳 感器和/或數(shù)字控制單元和/或數(shù)據(jù)傳輸模塊。
[0023] 這可減少電子筆的能量或功率消耗，因為人們可以在用于在書寫基質(zhì)上書寫或繪 畫的電子筆的使用和未使用之間進(jìn)行區(qū)分，以及例如在未使用的情況下，位置確定傳感器 和/或電子筆的其它電力操作元件可被部分地或完全地關(guān)掉。
[0024] 另一方面，當(dāng)然也可以在沒有書寫基質(zhì)的情況下使用電子筆，例如以便自由地書 寫或在空間內(nèi)執(zhí)行手勢，其中即使在不存在施加于所述力傳感器的特定壓力的情況下或在 測量與書寫芯質(zhì)量并與電子筆的加速度相一致的壓力的情況下，可部分地或完全地激活位 置確定傳感器和/或數(shù)字控制單元和/或數(shù)據(jù)傳輸模塊。
[0025] 這主要針對像換行或翻頁的過程是重要的，因為在這種情況下所述芯不會與書寫 基質(zhì)發(fā)生接觸。因此，例如它可能對在書寫壓力暫停之后允許位置確定又繼續(xù)運行幾秒鐘 是有用的。于是任何隨后的移動模式可被分成幾種類型，并且可在信號或數(shù)據(jù)接收設(shè)備 (例如外部數(shù)據(jù)處理單元）中觸發(fā)相應(yīng)的功能。例如，對于反向于書寫方向而沒有書寫壓力 的主要運動而言，用于下一個筆劃的輸入點應(yīng)定位在前一行的開頭處，并處在比前一行低 一行的高度處。
[0026] 有利地，力傳感器數(shù)據(jù)的分析還提供作為副產(chǎn)物的有關(guān)書寫芯等級的信息，因為 力傳感器數(shù)據(jù)還可對書寫芯質(zhì)量變化的檢測是敏感的。此外，由質(zhì)量力引起并由力傳感器 測量的壓力可與同時測得的在筆縱向方向上的加速度進(jìn)行比較，這允許得出書寫芯的質(zhì)量 從而得出對其等級。
[0027] 因此，力傳感器不僅可用作通斷開關(guān)。特別是，力傳感器可提供模擬或比例信號， 即可測量壓力強(qiáng)度或壓力強(qiáng)度上的變化，其例如可有利于協(xié)助學(xué)習(xí)書寫，以及有利于書寫 的字母的各種表示模式，例如其可用不同的顏色和/或線的粗細(xì)表示在外部顯示單元上。
[0028] 位置確定傳感器可設(shè)計成慣性傳感器，其測量原理基于慣性和安裝有彈簧的測 試質(zhì)量的機(jī)械位移。優(yōu)選地，這種慣性傳感器可被實施為所謂的慣性微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS， Micro-Electro-MechanicalSystem)，其中例如機(jī)械結(jié)構(gòu)可被布圖到多晶娃層內(nèi)。
[0029] 然而使用非慣性傳感器的位置確定傳感器也是可能的，并且這種位置確定傳感器 可基于其它測量原理，諸如磁場傳感器，其基于霍爾效應(yīng)（Hall-effect)或巨磁電阻效應(yīng) (giantmagneto-resistanceeffect)操作，并且其可在沒有移動的機(jī)械部件的情況下來 實施。優(yōu)選的實施方式例如可包括福斯特探針型傳感器（F0rster-pr〇betypesensors)， 也被稱為磁通門傳感器。
[0030] 位置確定傳感器最初可測量在電子筆的主體固定的共動坐標(biāo)系內(nèi)的筆位置。通過 變換可完成到適于電子筆坐標(biāo)的絕對參考系的轉(zhuǎn)換，如在下文進(jìn)一步詳細(xì)描述的那樣。
[0031] 電子筆的多個位置確定傳感器中的至少兩個可以是三維加速度傳感器，以及一個 位置確定傳感器可以是三維旋轉(zhuǎn)速率傳感器。
[0032] 可替換地，多個位置確定傳感器中的至少兩個可以是三維加速度傳感器，以及一 個位置確定傳感器可以是一維或二維或三維磁場傳感器。
[0033] 加速度傳感器優(yōu)先于旋轉(zhuǎn)速率傳感器尤其是可基于這樣的事實，加速度傳感器可 以比旋轉(zhuǎn)速率傳感器更為高能效，其可有利地影響電子筆的使用壽命。
[0034] 然而，使用旋轉(zhuǎn)速率傳感器可提供的優(yōu)勢在于電子筆在空間內(nèi)的獨立于書寫基質(zhì) 的移動可被更容易地測量，并且信號質(zhì)量，特別是適于圍繞縱向軸線的旋轉(zhuǎn)運動的信號質(zhì) 量更高。
[0035] 因此可能的是多個位置確定傳感器中的至少兩個可以是三維旋轉(zhuǎn)速率傳感器，以 及一個位置確定傳感器可以是三維加速度傳感器。
[0036] 此外，可想到的是這樣的電子筆，其中至少一個位置確定傳感器可以是三維旋轉(zhuǎn) 速率傳感器，至少一個位置確定傳感器可以是三維加速度傳感器，以及至少一個位置確定 傳感器可以是一維或二維或三維磁場傳感器。
[0037] 此外，電子筆可包括空氣壓力傳感器，通過其有利地使用氣壓公式和在海平面處 的已知參考空氣壓力，在高度差異上的電子筆的位置可被確定，并且可被用來初始化位置 確定傳感器。
[0038] 空氣壓力傳感器數(shù)據(jù)的評估和分析可優(yōu)選在電子筆的外部完成，即在外部在諸如 PC、筆記本計算機(jī)、平板計算機(jī)或智能電話的數(shù)據(jù)處理或數(shù)據(jù)分析單元中，其可接收如由數(shù) 據(jù)傳輸模塊所發(fā)送的來自電子筆的所有傳感器的數(shù)據(jù)。
[0039] 所述數(shù)據(jù)處理單元可包括數(shù)據(jù)庫或可訪問下述數(shù)據(jù)庫，其存儲并提供所有可能的 和所需的最新的依賴時間和/或依賴站點的用于初始化的數(shù)據(jù)值，諸如在海平面處的參考 空氣壓力和/或由于重力的加速度值，和/或地球磁場強(qiáng)度值。
[0040] 然而，為了確定所述位置，相對的確定可能是足夠的，其中壓力變化被解釋為海拔 高度變化。該方面的有可能的缺陷可能是對環(huán)境影響的敏感性，例如打開或關(guān)閉附近的門 所導(dǎo)致的空氣壓力變化。然而，這樣的變化例如可容易地通過第二靜止的空氣壓力傳感器 過濾掉。該固定的壓力傳感器可有利地放置在接收設(shè)備（例如所述數(shù)據(jù)分析或處理單元） 中。
[0041] 電子筆也可具有至少一個組合傳感器，至少兩個不同或相同類型的傳感器可能集 成到其中，例如一個組合傳感器可包括三維旋轉(zhuǎn)速率傳感器和三維加速度傳感器。
[0042] 還有可能的是例如組合傳感器可包括三維加速度傳感器和一維、二維或三維磁場 傳感器，或組合傳感器可包括三維旋轉(zhuǎn)速率傳感器和一維、二維或三維磁場傳感器。用于組 合傳感器的另一實施例會是它可包括三維旋轉(zhuǎn)速率傳感器、三維加速度傳感器和一維、二 維或三維磁場傳感器。使用組合傳感器有利地允許電子筆的更緊湊的設(shè)計，并還可以有可 能降低電子筆的生產(chǎn)成本。
[0043] 組合傳感器還可具有數(shù)據(jù)處理和分析電子器件，其可處理在所有傳感器類型的所 有空間方向上的數(shù)據(jù)，并且例如在數(shù)字輸出處已經(jīng)提供漂移補(bǔ)償信號