一种用于电子笔的压力传感装置及电子笔的制作方法

1.本技术涉及电子配件领域，尤其涉及一种用于电子笔的压力传感装置及电子笔。


背景技术：

2.随着科技水平以及生活质量的提高，越来越多的智能设备出现在人们的日常工作生活中，触摸设备就是其中之一。人们通过触摸设备可以直接在显示屏上进行操作，无需鼠标或其他设备进行有线或无线的操作，方便快捷。与此同时，能够在触摸设备上进行书写的电子笔也应运而生。人们通过使用电子笔可以像使用真实的笔一样在触摸设备上随意进行书写。
3.为了使电子笔更加真实的模拟实体笔的书写感受，都会在电子笔中加入压感模块，以使电子笔输出的书写笔迹随着使用者施加力的大小而改变。但是，目前现有电子笔的压感模块仍然存在灵敏度和线性度低的问题。并且，现有电子笔的压感模块通常是将压力传感器与笔头直接接触，从而检测到笔头传递过来的压力信息。由于压力传感器属于非常精密且脆弱的电子器件，这种直接接触极易造成压力传感器的损坏，严重影响压感模块整体的可靠性，抗干扰性较差。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种用于电子笔的压力传感装置及电子笔。
5.本发明实施例第一方面提供了一种用于电子笔的压力传感装置，所述电子笔包括笔头和笔身，所述笔头设置在所述笔身的前端，所述笔头的顶部设置有所述压力检测装置，所述压力传感装置包括磁性部件、磁场检测器和压力采集电路，所述磁性部件可在笔头内部上下移动，所述磁场检测器位于所述磁性部件的上方，且所述磁场检测器与所述磁性部件之间留有空隙，所述磁场检测器用于检测所述磁性部件移动过程中的磁场变化，所述压力采集电路设置在所述笔身内部，所述压力采集电路用于采集所述磁场变化时所述磁场检测器输出的电压信号，所述磁场检测器的电压信号输出端与所述压力采集电路的电压信号输入端连接，所述压力采集电路的电压信号输出端输出放大后的电压信号。
6.优选地，所述装置还包括限位部、传导部和第一弹簧，所述传导部的顶部中心处开设有固定凹槽，所述固定凹槽中固定有磁性部件，所述磁场检测器位于所述磁性部件的上方，且所述磁性部件与所述磁场检测器之间留有空隙，所述传导部的外侧壁向外突出形成凸台，所述第一弹簧套设在所述传导部的外部，且所述第一弹簧的一端与所述凸台的顶面固定连接，所述第一弹簧的另一端与所述导电板的底面固定连接，所述传导部的底部中心处沿所述传导部长度方向开设有插接槽，所述笔头的末端插入至所述插接槽中，且所述笔头的前端暴露于所述传导部的外部，所述限位部套设在所述传导部的外部，所述限位部的内侧壁向内突出形成凸环，所述凸环的内径小于所述凸台的外径。
7.优选地，所述第一弹簧的初始状态为压缩状态，且当所述第一弹簧处于初始状态
时，所述凸台的底面与所述凸环的顶面相接触。
8.优选地，所述笔头还包括第二弹簧，所述第二弹簧套设在所述传导部的外部，且所述第二弹簧的一端与所述凸台的底面固定连接，所述第二弹簧的另一端与所述凸环的顶面固定连接。
9.优选地，所述凸台中段向内凹陷形成凹陷区，且所述凹陷区的部分区域与所述传导部的内部的插接槽连通，所述凹陷区内设置有紧固部，所述紧固部与所述位于所述传导部的插接槽内的笔头紧配合。
10.优选地，所述压力采集电路包括采集电路、基准电路、差分电路和放大电路，所述磁场检测器的电压信号输出端与所述采集电路的电压信号输入端连接，所述采集电路的电压信号输出端与所述差分电路的第一电压信号输入端连接，所述基准电路的电压信号输出端与所述差分电路的第二电压信号输入端连接，所述差分电路的电压信号输出端与所述放大电路的电压信号输入端连接，所述放大电路的电压信号输出端输出放大后的电压信号。
11.优选地，所述装置还包括处理器，所述处理器的电压信号输入端与所述压力采集电路的电压信号输出端连接，所述处理器的压力信号输出端输出压力信息。
12.本发明实施例第二方面提供了一种电子笔，所述电子笔包括本发明实施例第一方面所述的压力传感装置。
13.优选地，所述电子笔还包括内框，所述内框设置在所述笔身中，且所述内框的外侧壁与所述笔身的内侧壁紧配合，所述内框的前端与所述压力传感装置的末端固定连接，所述压力采集电路设置在所述内框中。
14.本发明的有益效果如下：本发明通过磁场检测器检测磁性部件在上下运动过程当中所产生的磁场的特性，从而输出磁性部件位于不同位置时的电压值，进而将该电压值转化为压力值，从而实现精准的压力检测。本发明中，磁性部件在运动器件，磁场检测器与磁性部件之间没有发生任何接触，通过非接触式的压感检测消除了器件损伤造成的影响，提高了压感检测的可靠性和抗干扰性。
附图说明
15.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
16.图1为本发明实施例1所述的用于电子笔的压力传感装置的一种结构示意图；
17.图2为本发明实施例1所述的用于电子笔的压力传感装置的另一种结构示意图；
18.图3为本发明实施例1所述的压力采集电路的原理示意图；
19.图4为本发明实施例1所述的压力采集电路的电路图；
20.图5为本发明实施例1所述的采集电路的电路图；
21.图6为本发明实施例1所述的基准电路的电路图；
22.图7为本发明实施例1所述的差分电路的电路图；
23.图8为本发明实施例1所述的放大电路的电路图；
24.图9为本发明实施例2所述的用于电子笔的压力传感装置的整体外观示意图；
25.图10为本发明实施例所述的用于电子笔的压力传感装置应用于电容笔的一种结构示意图；
26.图11为本发明实施例所述的用于电子笔的压力传感装置应用于电容笔的另一种结构示意图。
27.附图标记：
28.1、笔头，2、限位部，3、发射部，4、传导部，5、导电板，6、第一弹簧，7、磁性部件，8、磁场检测器，9、凸台，10、凸环，11、第二弹簧，12、紧固部，13、笔身。
具体实施方式
29.为了使本技术实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本技术的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。再者为提供更清楚的描述及更易理解本技术，图式内各部分并没有依照其相对尺寸绘图，某些尺寸与其他相关尺度相比已经被夸张；不相关的细节部分也未完全绘出，以求图式的简洁。
30.实施例1
31.如图1所示，本实施例提出了一种用于电子笔的压力传感装置，所述电子笔包括笔头1和笔身13，所述笔头1设置在所述笔身13的前端，所述笔头1的顶部设置有所述压力检测装置，所述压力传感装置包括磁性部件7、磁场检测器8和压力采集电路，所述磁性部件7可在笔头1内部上下移动，所述磁场检测器8位于所述磁性部件7的上方，且所述磁场检测器8与所述磁性部件7之间留有空隙，所述磁场检测器8用于检测所述磁性部件7移动过程中的磁场变化，所述压力采集电路设置在所述笔身13内部，所述压力采集电路用于采集所述磁场变化时所述磁场检测器8输出的电压信号，所述磁场检测器8的电压信号输出端与所述压力采集电路的电压信号输入端连接，所述压力采集电路的电压信号输出端输出放大后的电压信号。
32.具体的，本实施例所提出的装置还包括限位部2、传导部4和第一弹簧6，该传导部4的顶部中心处开设有固定凹槽，在该固定凹槽中设置有磁性部件7。该磁性部件7可为带有磁性的任意物质，例如磁铁。磁场检测器8与磁性部件7之间留有空隙。磁场检测器8可检测磁性部件7在运动过程当中所发生的磁场变化。本实施例中，磁场检测器8可采用霍尔效应传感器，可实现压力的非接触检测，具有响应速度快、测量精度高、线性度好的特点。由此，当笔头1的前端与外部物体相接触而受力向上运动或由于失去受力向下运动的过程中，磁性部件7也会在传导部4的带动下向上或向下运动，从而会改变磁性部件7和磁场检测器8之间的相对位置。这样，由于磁场检测器8在磁性部件7发生位置变化时所检测到的磁场信息不同，使得该磁场检测器8输出的信号也不相同。因此，本实施例通过磁场检测器8根据磁场变化而输出不同的信号与压力数值相对应从而实现压力的检测。例如，当磁性部件7与磁场检测器8之间相距0.5mm时，对应压力值为100n；当磁性部件7与磁场检测器8之间相距0.1mm时，对应压力值为300n。这样，用户在使用电子笔在触摸屏上进行操作时，就会产生相应的压力值，进而在触摸屏上呈现出不同压力状态下所对应的书写轨迹效果。
33.本实施例中，第一弹簧6除了能够起到信号传输的作用以外，还能够在笔头1受力向上运动时被压缩，而在笔头1向上运动过程中失去受力时反向作用传导部4，进而使得笔头1回复至初始位置，以实现用户的正常使用。而为了使得传导部4在限位部2中上下移动更
加稳定，本实施例在限位部2的内侧壁上设置有凸环10，该凸环10是由限位部2的内侧壁向内突出而形成。该凸环10位于传导部4凸台9的下方，且保证该凸环10的内径小于凸台9的外径。当传导部4向下运动时，由于凸环10的阻碍作用会限制传导部4继续向下的运动，从而对传导部4起到了定位和稳定的作用。另外，在笔头1不受外力作用并处于初始位置时，第一弹簧6的初始状态为压缩状态，同时保证凸台9的底面与凸环10的顶面相接触。这样，通过第一弹簧6的压缩状态以及凸环10与凸台9相互阻碍的结构特点保证了传导部4在限位部2中运动的稳定性。
34.此外，通常情况下，笔头1与传导部4之间是依靠笔头1外壁和传导部4内壁之间的摩擦力实现两者的有效连接，以使笔头1在传导部4内部不会发生松动或错位。但是，在实际使用时，由于笔头1持续受力以及长时间使用过程中造成的结构部分的松弛，难免会导致笔头1与传导部4之间的摩擦力减小。为了使笔头1与传导部4之间不会发生松动或错位的情况，本实施例首先将凸台9中段向内凹陷形成凹陷区。该凹陷区的部分区域与传导部4的内部的插接槽是连通的。然后在该凹陷区内设置紧固部12，该紧固部12可与位于传导部4插接槽内的笔头1紧配合。该紧固部12可以为具有一定伸缩性的物体，例如皮筋、橡胶筋等能够将笔头1与传导部4“绑”在一起。
35.进一步的，本实施例中，由于第一弹簧6在初始状态时为压缩状态，在该压缩状态下，第一弹簧6会施加给传导部4向下的力。如果此时笔头1的前端与外部设备相接触时所产生的压力小于该第一弹簧6施加给传导部4向下的力时，笔头1不会向上运动。那么磁性部件7与磁场检测器8之间的间隙也不会发生改变，从而导致此时电子笔表现为“无压力输出”的状态。但是，此时笔头1与外部设备之间已然形成了接触并产生了压力，这就无法保证笔头1与外部设备接触的一瞬间有压力输出。为了解决这一缺陷，本实施例在凸环10与凸台9之间还设置有第二弹簧11，该第二弹簧11套设在传导部4的外部。该第二弹簧11的作用即为抵消该第一弹簧6在初始状态施加给传导部4向下的力，从而保证笔头1与外部设备接触的一瞬间，笔头1就会向上运动，从而改变磁性部件7与磁场检测器8之间的间距，进而可以输出正确的压力值。为了抵消该第一弹簧6在初始状态施加给传导部4向下的力，第一弹簧6的弹性系数与第二弹簧11的弹性系数相同为宜，并且保证第一弹簧6的初始状态与第二弹簧11的初始状态是相同的，即压缩量相同。当然，本实施例也不排除第一弹簧6和第二弹簧11的特性参数不同的情况，只要能够实现第二弹簧11能够抵消第一弹簧6在初始状态施加给传导部4向下的力即可。此外，还可以调整第一弹簧6的初始状态的长度以及软硬度，从而达到调节磁性部件7上下移动的行程，进而实现更为灵活的压感检测。
36.此外，本实施例采用双弹簧的结构，除了能够保证压力输出的即时性和准确性以外，还由于弹簧的伸缩性而能够起到力传递过程中的缓冲作用，实现消音的效果，避免笔头1在与外部设备接触时产生较大的噪音，从而提高用户的使用体验。
37.更进一步的，如图3和图4所示，压力采集电路具体包括采集电路、基准电路、差分电路和放大电路，磁场检测器8的电压信号输出端与采集电路的电压信号输入端连接，采集电路的电压信号输出端与差分电路的第一电压信号输入端连接，基准电路的电压信号输出端与差分电路的第二电压信号输入端连接，差分电路的电压信号输出端与放大电路的电压信号输入端连接，放大电路的电压信号输出端输出放大后的电压信号。
38.在本实施例中，压力采集电路的采集电路可采集磁场检测器8输出的电压信号，并
根据该电压信号输出可随电压信号线性可变的电压信号，然后将该电压信号发送至差分电路，作为差分电路的一路输入信号。
39.基准电路可被配置输出一基准电压，并将该基准电压作为差分电路的另一路输入信号。在差分电路中，将采集电路输出的电压和基准电压进行差值计算，以获得差值电压。最后将该差值电压经放大电路放大n倍后输出至处理器进行后续处理。该处理器可为单片机、fpga等具有逻辑处理功能的电子器件。
40.在上述过程中，当磁场检测器8检测到磁性部件7位置发生变化而导致的磁场变化时，会输出一电压信号，采集电路会将该电压信号进行采集并输出，例如0.5v。同时配置基准电路输出一0.6v电压，那么经过差分电路进行差值计算后输出0.1v差值电压。假定设置放大电路的放大倍数为10倍，则放大电路最后输出1v的放大电压。当磁性部件7距离磁场检测器8更近时，采集电路所采集输出的电压值可变为0.6v。那么经过差分电路和放大电路进行处理后输出2v的放大电压。由此可见，经过本实施例的压力采集电路后，将磁场检测器8所输出的电压值的变化量由0.1v放大至1v。这样，处理器所接收的电压值和电压的变化幅度更大，则处理器就能够更为精确的识别到细微的压力变化，进而实现更多级别的压力检测。
41.具体的，如图5所示，采集电路包括包括第一电阻r1、第二电阻r2和第一电容c1，所述第一电阻r1的两端作为所述采集电路的压力信号输入端与所述压感芯片m1的压力信号输出端连接，所述第一电阻r1的一端连接电源，所述第一电阻r1的另一端作为所述采集电路的电压信号输出端同时与所述第一电容c1的一端、第二电阻r2的一端和所述差分电路的第一电压信号输入端连接，所述第一电容c1的另一端与所述第二电阻r2的另一端连接并接地。
42.如图6所示，基准电路包括第三电阻r3、第四电阻r4、第二电容c2、第三电容c3和第一运算放大器u1，所述第三电阻r3的一端连接电源，所述第三电阻r3的另一端同时与第四电阻r4的一端和第一运算放大器u1的正相输入端连接，所述第四电阻r4的另一端接地，所述第一运算放大器u1的电源端同时与第二电容c2的一端、第三电容c3的一端和电源连接，所述第二电容c2的另一端与所述第三电容c3的另一端连接并接地，所述第一运算放大器u1的接地端接地，所述第一运算放大器u1的输出端作为所述基准电路的电压信号输出端同时与第一运算放大器u1的反相输入端和差分电路的第二电压信号输入端连接。
43.如图7所示，差分电路包括第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第四电容c4、第五电容c5、二极管d1和第二运算放大器u2，所述第五电阻r5的一端作为所述差分电路的第一压力信号输入端同时与所述采集电路的压力信号输出端连接，所述第五电阻r5的另一端同时与所述第二运算放大器u2的反相输入端和第八电阻r8的一端连接，所述第六电阻r6的一端作为所述差分电路的第二电压信号输入端与所述基准电路的电压信号输出端连接，所述第六电阻r6的另一端同时与第七电阻r7的一端和第二运算放大器u2的正相输入端连接，所述第二运算放大器u2的输出端作为所述差分电路的电压信号输出端同时与放大电路的电压信号输入端和第八电阻r8的另一端连接，所述第二运算放大器u2的电源端同时与二极管d1的负极、第四电容c4的一端、第五电容c5的一端和电源连接，所述二极管d1的正极与电源连接，所述第四电容c4的另一端与所述第五电容c5的另一端连接并接地，所述第二运算放大器u2的接地端接地。
44.如图8所示，放大电路包括第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第六电容c6和第三运算放大器u3，所述第三运算放大器u3的正相输入端作为所述放大电路的电压信号输入端与所述差分电路的电压信号输出端连接，所述第三运算放大器u3的反相输入端同时与所述第九电阻r9的一端和第十电阻r10的一端连接，所述第九电阻r9的另一端同时与所述第三运算放大器u3的输出端和第十二电阻r12的一端连接，第十二电阻r12的另一端作为所述放大电路的电压信号输出端同时与第十三电阻r13的一端和第六电容c6的一端连接并输出放大后的电压信号，所述第十三电阻r13的另一端与第六电容c6的另一端连接并接地，所述第十电阻r10的另一端与第十一电阻r11的一端连接，所述第十一电阻r11的另一端接地。
45.实施例2
46.如图9所述，本实施例提出了一种电子笔，该电子笔包含有实施例1所提出的压力传感装置，其中压力传感装置的具体工作原理和结构组成在此不再进行赘述。本实施例所提出的电子笔还包括内框，该内框设置在笔身13中。内框与笔身13之间可采用紧配合连接，以便于安装和拆卸。笔头1设置在笔身13的前端，且该笔头1的末端与内框的前端固定连接。连接的方式可以为卡扣连接或螺栓连接等，本实施例不做特殊限定。内框中承载有电路板，压力采集电路和处理器等电子器件和电路结构均焊接在该电路板上，以保证各电子器件和电路结构在电子笔中的稳定性。
47.下面以本发明所提出的压力传感装置在电容笔当中的实际应用为例说明本发明压力传感装置的具体使用方式以及工作原理。
48.如图9至图11所示，本实施例提出了一种电容笔，所述电容笔包括笔头1、笔身13和压力采集电路，该笔头1设置在笔身13的前端。其中，该压力传感装置包括限位部2、传导部4和第一弹簧6。除此之外，电容笔还包括发射部3和导电板5。具体的，笔头1、限位部2、发射部3、传导部4、导电板5和第一弹簧6均为导电材质。在该传导部4的底部中心处沿该传导部4长度方向开设有插接槽。笔头1可插入至该插接槽中实现传导部4与笔头1之间的紧配合连接。笔头1的前端一部分暴露于传导部4的外部。传导部4的外侧壁向外突出形成凸台9。
49.该传导部4的顶部中心处开设有固定凹槽，在该固定凹槽中设置有磁性部件7。该磁性部件7可为带有磁性的任意物质，例如磁铁。在磁性部件7的上方设置有导电板5，且该磁性部件7与导电板5之间留有空隙。该导电板5上可延伸出一条与外部电路连接的信号线。在导电板5与传导部4的凹台之间设置有第一弹簧6，该第一弹簧6套设在传导部4上。这样，笔头1、传导部4、第一弹簧6和导电板5就形成了信号传输通路。笔头1接收外部设备发送的信号，经传导部4和第一弹簧6传输后，最终由导电板5发送至后续电路中进行处理。在导电板5上设置有磁场检测器8。该磁场检测器8可检测磁性部件7在运动过程当中所发生的磁场变化。
50.在传导部4的外部还套设有限位部2，将传导部4、第一弹簧6和笔头1除前端部分以外的大部分均罩设在限位部2的内部。在笔头1受到外力或失去外力作用时，传导部4可在限位部2中上下运动。在限位部2的外部套设有发射部3，该发射部3可为导电弹簧缠绕在限位部2的外侧壁上。该发射部3上同样也延伸有与外部电路连接的信号线。导电板5将笔头1接收的信号发送至后续电路进行处理后可通过发射部3将处理后的信号发送至外部设备中，从而形成完整的信号传输路线。而限位部2可以将笔头1接收到的信号和发送出的信号完全
隔离开来，保证接收信号和发送信号之间不受彼此的干扰。
51.本实施例中，第一弹簧6除了能够起到信号传输的作用以外，还能够在笔头1受力向上运动时被压缩，而在笔头1向上运动过程中失去受力时反向作用传导部4，进而使得笔头1回复至初始位置，以实现用户的正常使用。而为了使得传导部4在限位部2中上下移动更加稳定，本实施例在限位部2的内侧壁上设置有凸环10，该凸环10是由限位部2的内侧壁向内突出而形成。该凸环10位于传导部4凸台9的下方，且保证该凸环10的内径小于凸台9的外径。当传导部4向下运动时，由于凸环10的阻碍作用会限制传导部4继续向下的运动，从而对传导部4起到了定位和稳定的作用。另外，在笔头1不受外力作用并处于初始位置时，第一弹簧6的初始状态为压缩状态，同时保证凸台9的底面与凸环10的顶面相接触。这样，通过第一弹簧6的压缩状态以及凸环10与凸台9相互阻碍的结构特点保证了传导部4在限位部2中运动的稳定性。
52.此外，通常情况下，笔头1与传导部4之间是依靠笔头1外壁和传导部4内壁之间的摩擦力实现两者的有效连接，以使笔头1在传导部4内部不会发生松动或错位。但是，在实际使用时，由于笔头1持续受力以及长时间使用过程中造成的结构部分的松弛，难免会导致笔头1与传导部4之间的摩擦力减小。为了使笔头1与传导部4之间不会发生松动或错位的情况，本实施例首先将凸台9中段向内凹陷形成凹陷区。该凹陷区的部分区域与传导部4的内部的插接槽是连通的。然后在该凹陷区内设置紧固部12，该紧固部12可与位于传导部4插接槽内的笔头1紧配合。该紧固部12可以为具有一定伸缩性的物体，例如皮筋、橡胶筋等能够将笔头1与传导部4“绑”在一起。
53.进一步的，本实施例中，由于第一弹簧6在初始状态时为压缩状态，在该压缩状态下，第一弹簧6会施加给传导部4向下的力。如果此时笔头1的前端与外部设备相接触时所产生的压力小于该第一弹簧6施加给传导部4向下的力时，笔头1不会向上运动。那么磁性部件7与磁场检测器8之间的间隙也不会发生改变，从而导致此时电容笔表现为“无压力输出”的状态。但是，此时笔头1与外部设备之间已然形成了接触并产生了压力，这就无法保证笔头1与外部设备接触的一瞬间有压力输出。为了解决这一缺陷，本实施例在凸环10与凸台9之间还设置有第二弹簧11，该第二弹簧11套设在传导部4的外部。该第二弹簧11的作用即为抵消该第一弹簧6在初始状态施加给传导部4向下的力，从而保证笔头1与外部设备接触的一瞬间，笔头1就会向上运动，从而改变磁性部件7与磁场检测器8之间的间距，进而可以输出正确的压力值。为了抵消该第一弹簧6在初始状态施加给传导部4向下的力，第一弹簧6的弹性系数与第二弹簧11的弹性系数相同为宜，并且保证第一弹簧6的初始状态与第二弹簧11的初始状态是相同的，即压缩量相同。
54.本发明通过磁场检测器检测磁性部件在上下运动过程当中所产生的磁场的特性，从而输出磁性部件位于不同位置时的电压值，进而将该电压值转化为压力值，从而实现精准的压力检测。本发明中，磁性部件在运动器件，磁场检测器与磁性部件之间没有发生任何接触，通过非接触式的压感检测消除了器件损伤造成的影响，提高了压感检测的可靠性和抗干扰性。
55.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。