專利名稱：利用永久磁鐵的指示筆輸入器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用于電子信息裝置的輸入器。尤其，本發(fā)明提供一個(gè)指示筆，該指示筆可以工作在二維或三維，并且用于提供輸入如代表指示筆在工作場(chǎng)內(nèi)的移動(dòng)的線，或用于計(jì)算機(jī)及便攜信息設(shè)備如個(gè)人數(shù)字助理(PDA)或其它類型的電子設(shè)備如移動(dòng)電話的光標(biāo)控制。
背景技術(shù)：
利用指示筆的輸入器的技術(shù)狀態(tài)通常以數(shù)字化板或觸摸板為特征。數(shù)字化板通常是一個(gè)大的表面，使用耦合到數(shù)字化板或觸摸板的一個(gè)指示筆輸入數(shù)據(jù)。例如，一根電纜將指示筆連接到該板，當(dāng)指示筆在該板的表面移動(dòng)時(shí)，指示筆的移動(dòng)被探測(cè)或追蹤。該移動(dòng)典型地被描繪為顯示器上的線。
大多數(shù)基于指示筆的數(shù)字化板的工作基礎(chǔ)依賴電磁傳感器。磁場(chǎng)由回路中的電流形成。該筆具有一個(gè)線圈，該線圈拾取這個(gè)磁場(chǎng)，并將其發(fā)送回一個(gè)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器通過(guò)這個(gè)數(shù)據(jù)確定X和Y位置。這種類型的筆通常要求在筆與基本裝置之間有一個(gè)系繩以轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，或者使用電池供電的一個(gè)有源筆并且產(chǎn)生可被觸摸板探測(cè)的某種類型的信號(hào)。
因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，提供用于數(shù)據(jù)輸入或光標(biāo)控制的一個(gè)基于筆或指示筆的系統(tǒng)，該系統(tǒng)不需要一個(gè)系繩的指示筆或一個(gè)有源筆，將是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。如果該指示筆的工作不需要內(nèi)部電源也將是有利的。
現(xiàn)有技術(shù)還描述與個(gè)人數(shù)字助理(PDA)一起使用指示筆。當(dāng)指示筆要求可探測(cè)的壓力時(shí)，PDA的書(shū)寫(xiě)表面可能被損壞。此外，用于指示筆的書(shū)寫(xiě)區(qū)域典型地很小。當(dāng)沒(méi)有視覺(jué)反饋或“上墨痕跡”向書(shū)寫(xiě)者顯示寫(xiě)了什么內(nèi)容時(shí)，使用指示筆也是很困難的。如果指示筆的移動(dòng)與書(shū)寫(xiě)內(nèi)容在顯示器屏幕上的出現(xiàn)之間有延遲時(shí)，上墨可能也很困難。
因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，提供防止PDA屏幕損壞的一個(gè)幕外上墨表面將是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。提供用于PDA的一個(gè)較大書(shū)寫(xiě)表面以及迅速的視覺(jué)反饋將是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)有技術(shù)在還無(wú)法使任何類型的指示筆能夠不與探測(cè)該指示筆的一個(gè)表面接觸而工作。換句話說(shuō)，被書(shū)寫(xiě)的表面是能夠探測(cè)該指示筆的某個(gè)表面。因此，能夠探測(cè)和追蹤指示筆在一個(gè)表面上的移動(dòng)，而該表面非指示筆探測(cè)表面，將是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)有技術(shù)還教授某種類型的感應(yīng)表面必須與指示筆一起使用。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，提供一個(gè)指示筆，該指示筆不需要任何可探測(cè)的感應(yīng)表面，將是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因此使指示筆在三維內(nèi)移動(dòng)時(shí)能夠被探測(cè)也將是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
要致力于的另一個(gè)方面是開(kāi)啟和關(guān)閉書(shū)寫(xiě)的能力。典型地，這種類型的功能要求一個(gè)敏感表面，可能是筆與另一個(gè)裝置之間的系繩，或者是一個(gè)有源筆。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，提供一個(gè)指示筆，該指示筆可以被激勵(lì)以開(kāi)啟和關(guān)閉在相連的顯示器上的書(shū)寫(xiě)，且該指示筆是一個(gè)無(wú)源裝置，不需要在專門(mén)的感應(yīng)表面上書(shū)寫(xiě)，也不通過(guò)系繩連到另一個(gè)裝置，將是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的最后一個(gè)方面是實(shí)現(xiàn)用于很小區(qū)域的指示筆的能力?？紤]想要輸入和電郵消息并發(fā)送它的移動(dòng)電話用戶。以蜂窩電話上的輸入選項(xiàng)的技術(shù)狀態(tài)，這是一個(gè)乏味耗時(shí)工作。與現(xiàn)有技術(shù)相比，提供由指示筆激勵(lì)的一個(gè)很小的鍵盤(pán)使其能夠用于移動(dòng)情況，以及與較小的裝置一起使用，將是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本方面的一個(gè)目的是提供一個(gè)無(wú)源指示筆，該指示筆能夠工作在二維或三維。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)無(wú)源指示筆，該指示筆僅需要位于其中的永久磁鐵。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)無(wú)源指示筆，該指示筆能夠提供表示觸壓和壓力的信號(hào)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)無(wú)源指示筆，該指示筆能夠向一個(gè)顯示器裝置提供“開(kāi)始”和“停止”書(shū)寫(xiě)信號(hào)，其中該信號(hào)通過(guò)普通書(shū)寫(xiě)移動(dòng)和動(dòng)作被激勵(lì)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)無(wú)源指示筆，該指示筆可以包含一個(gè)墨盒，該墨盒在幕外使用時(shí)提供指示筆在紙上的真實(shí)上墨。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)無(wú)源指示筆，通過(guò)提供足夠數(shù)量的傳感器以提供三維探測(cè)量，該指示筆能夠工作在三維。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)無(wú)源指示筆，該指示筆增大磁場(chǎng)強(qiáng)度，由此用作一個(gè)變化信號(hào)的指示器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)無(wú)源指示筆，該指示筆旋轉(zhuǎn)存儲(chǔ)在筆主體內(nèi)的永久磁鐵，由此改變極性，以及提供一個(gè)數(shù)字“開(kāi)”和“關(guān)”信號(hào)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)無(wú)源指示筆，該指示筆能夠探測(cè)自身的旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)無(wú)源指示筆，該指示筆能夠翻轉(zhuǎn)以在顯示器裝置上執(zhí)行擦除功能。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)無(wú)源指示筆，該指示筆能夠被并入一個(gè)機(jī)械筆并帶有一個(gè)墨盒。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)無(wú)源指示筆，該指示筆可以與一個(gè)小的鍵區(qū)一起使用，其中該鍵區(qū)探測(cè)無(wú)源指示筆與鍵區(qū)上的鍵的接觸。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)有源指示筆，該指示筆提供信號(hào)到一個(gè)顯示器裝置，由此提供壓力信息，使得能夠用變化程度的陰影畫(huà)出。
在一個(gè)較好實(shí)施例中，本發(fā)明是利用磁場(chǎng)工作的一個(gè)指示筆，其中永久磁鐵位于可被多個(gè)磁傳感器探測(cè)的一個(gè)無(wú)源指示筆內(nèi)，該傳感器從地球的相對(duì)磁場(chǎng)中減去指示筆的磁場(chǎng)，以獲得在三角測(cè)量方程中使用的矢量，以確定指示筆在書(shū)寫(xiě)區(qū)域內(nèi)的位置。
在本發(fā)明的第一方面，每對(duì)磁傳感器提供一個(gè)矢量，其中兩對(duì)提供二維的矢量信息，三對(duì)提供三維的矢量信息。
在本發(fā)明的第二方面，三對(duì)磁傳感器位于虛矩形的平面中四個(gè)角的其中三個(gè)。
在本發(fā)明的第三方面，三對(duì)磁傳感器的其中一對(duì)用作地球磁場(chǎng)的參照。
在本發(fā)明的第四方面，每個(gè)磁傳感器包含改變靈敏度方向的一個(gè)極化線圈、一個(gè)零位線圈和一個(gè)反位線圈。
在本發(fā)明的第五方面，由該無(wú)源指示筆產(chǎn)生的一個(gè)“開(kāi)始”和“停止”信號(hào)通過(guò)該指示筆主體內(nèi)的永久磁鐵的迅速移動(dòng)可以被磁傳感器探測(cè)。
由以下結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些和其它目的、特征、優(yōu)點(diǎn)以及替換方面對(duì)于熟練的技術(shù)人員將很明顯。


圖1是成組布置以提供一個(gè)靈敏度區(qū)域的磁場(chǎng)傳感器的頂部正視圖，當(dāng)使用兩組傳感器時(shí)該區(qū)域是二維的，當(dāng)使用三組傳感器時(shí)該區(qū)域是三維的。
圖2A是本發(fā)明的一個(gè)靈敏度區(qū)域的例子。
圖2B是本發(fā)明的另一個(gè)靈敏度區(qū)域的例子。
圖2C是本發(fā)明的另一個(gè)靈敏度區(qū)域的例子。
圖3是一個(gè)指示筆的側(cè)視剖面圖。
圖4是一個(gè)磁場(chǎng)傳感器的電路圖。
圖5是本發(fā)明的組件的示意圖。
圖6是一個(gè)指示筆的兩個(gè)視圖的側(cè)視剖面圖，顯示一個(gè)替換實(shí)施例。
圖7是一個(gè)指示筆的替換實(shí)施例的側(cè)視剖面圖。
圖8是一個(gè)指示筆的替換實(shí)施例的側(cè)視剖面圖。
圖9是圖8的驅(qū)動(dòng)線圈的特寫(xiě)視圖。
圖10是一個(gè)指示筆的替換實(shí)施例的側(cè)視剖面圖。
圖11是無(wú)源指示筆的另一個(gè)實(shí)施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖12是圖11的無(wú)源指示筆的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖13是圖11的無(wú)源指示筆的特寫(xiě)橫截面視圖，該指示筆被激勵(lì)以在顯示器上書(shū)寫(xiě)。
圖14是可用于確定通過(guò)指示筆尖端加在一個(gè)書(shū)寫(xiě)表面的壓力的程度的一個(gè)電路方框圖。
圖15是用于有源指示筆的一個(gè)發(fā)射機(jī)的電路圖，該指示筆執(zhí)行圖14中所述壓力感應(yīng)。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參考附圖，其中本發(fā)明的各種元件將被給定數(shù)字標(biāo)記，以及其中將討論本發(fā)明以使熟練的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)和使用本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)理解到以下描述僅是本發(fā)明的原理的示例，并且不應(yīng)視為限制隨后的權(quán)利要求書(shū)。
本發(fā)明的目前較好實(shí)施例是能夠確定一個(gè)無(wú)源指示筆的位置和方向的多個(gè)磁傳感器，該指示筆不使用電源而產(chǎn)生磁場(chǎng)。在該目前較好實(shí)施例中，該多個(gè)磁傳感器為方向敏感裝置。例如，該磁傳感器可以是例如飛利浦半導(dǎo)體公司(Philips Semiconductors)出售的零件號(hào)KMZ51的一個(gè)磁場(chǎng)傳感器。但是，任何類似的磁傳感器可以替換并產(chǎn)生相同的結(jié)果。應(yīng)當(dāng)注意到磁場(chǎng)傳感器KMZ51較便宜，因此這里對(duì)于該應(yīng)用較合適。
在該目前較好實(shí)施例中，磁場(chǎng)傳感器成對(duì)布置，一個(gè)堆疊在另一個(gè)上面或者并排布置，并且當(dāng)堆疊布置時(shí)被絕緣材料如PC板隔開(kāi)。每對(duì)磁場(chǎng)傳感器提供到該指示筆的一個(gè)矢量。因此，兩對(duì)磁場(chǎng)傳感器足以提供兩個(gè)矢量，并且因此確定該指示筆的二維位置。
在一個(gè)替換實(shí)施例中，每對(duì)磁場(chǎng)傳感器增加一個(gè)第三磁場(chǎng)傳感器，因此變成兩組，每組三個(gè)磁場(chǎng)傳感器。第三磁場(chǎng)傳感器提供上下靈敏度，以使該配置具有三維靈敏度。
注意到在該較好實(shí)施例中，三個(gè)磁場(chǎng)傳感器組的布置使其之間有一條直線。例如，圖1顯示第一磁傳感器組10，以及第二磁傳感器組12，每組包括三個(gè)磁場(chǎng)傳感器8。每個(gè)磁場(chǎng)傳感器8的方向靈敏度用箭頭14標(biāo)識(shí)。注意每個(gè)組10、12中代表一個(gè)箭頭14的點(diǎn)表示靈敏度指向頁(yè)面外。靈敏度的近似區(qū)域用虛線16標(biāo)識(shí)。
可惜的是，當(dāng)指示筆位于第一和第二磁傳感器組10、12之間的直線18上時(shí)，無(wú)法被探測(cè)。為了可以被探測(cè)，較好的是在一個(gè)替換實(shí)施例中包含第三組磁場(chǎng)傳感器20。該第三組20使指示筆在三維中的探測(cè)簡(jiǎn)單得多，并且還消除了用線18代表的“盲點(diǎn)”。
注意到在每組三個(gè)磁場(chǎng)傳感器的三組10、12、20的替換實(shí)施例中，這些組較好地作為方形或矩形的三個(gè)角布置。該區(qū)域用區(qū)域16代表。
重要的是認(rèn)識(shí)到靈敏度區(qū)域可以根據(jù)磁場(chǎng)傳感器組的所需布置而改變。這意味著靈敏度區(qū)域是基于應(yīng)用需要的一個(gè)相對(duì)區(qū)域。例如，如果該應(yīng)用是用于一個(gè)光標(biāo)控制輸入器，則相對(duì)于三個(gè)磁場(chǎng)傳感器組24，靈敏度區(qū)域22可以如圖2A所示，或如圖2B或2C所示。重要的是認(rèn)識(shí)到該靈敏度區(qū)域是極其近似的，并且可能延伸到圖中的清晰線以外。但是，實(shí)際的實(shí)現(xiàn)是，當(dāng)指示筆和傳感器的應(yīng)用時(shí)，必須選擇某個(gè)任意定義的區(qū)域，以使用戶對(duì)工作區(qū)域有一個(gè)感覺(jué)，以在計(jì)算機(jī)屏幕上的規(guī)定區(qū)域內(nèi)書(shū)寫(xiě)、畫(huà)或使光標(biāo)移動(dòng)。
圖3表示目前較好的指示筆30通常是一個(gè)筆狀物體，具有位于其尖端34附近的永久磁鐵32。指示筆30較好地具有一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的強(qiáng)度近似等于地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
為了理解指示筆30的工作，必須在理解磁場(chǎng)傳感器的工作的情況下考慮。該較好實(shí)施例的每個(gè)磁場(chǎng)傳感器包含一個(gè)極化線圈。該極化線圈允許用戶交換磁場(chǎng)傳感器的敏感方向。這個(gè)特征使得用戶可以消除偏移、漂移等。通常，用戶僅為了偶爾“清零”該磁場(chǎng)傳感器而交換方向，但是通常不是在每次測(cè)量之前都進(jìn)行這個(gè)工作。該磁場(chǎng)傳感器通常具有良好的帶寬，從大約1伏特DC到大約1MHz。
如圖4所示，該磁場(chǎng)傳感器本質(zhì)上是一個(gè)電橋40，還包含一個(gè)零位線圈(nulling coil)42和一個(gè)反位線圈(flipping coil)44。為了獲得一個(gè)良好的動(dòng)態(tài)范圍，在每次測(cè)量之前最好避免反位，因?yàn)殡S著磁場(chǎng)越來(lái)越強(qiáng)，它開(kāi)始使磁場(chǎng)傳感器飽和。此時(shí)，磁場(chǎng)傳感器開(kāi)始失去線性。
因此，該較好的磁場(chǎng)傳感器包含零位線圈42。差分放大器46的輸出反饋到零位線圈42。這允許在該磁場(chǎng)傳感器上得到一個(gè)“零”磁場(chǎng)，由此在保持線性的同時(shí)極大地提高增益。
重要的是認(rèn)識(shí)到如果傳感器系統(tǒng)要精確的話，該傳感器系統(tǒng)不應(yīng)試圖保持一個(gè)線性電路。而是，用戶應(yīng)當(dāng)選擇一個(gè)零點(diǎn)，然后使一個(gè)線性DAC饋入其中以保持一個(gè)零點(diǎn)。這給傳感器系統(tǒng)提供了極大的動(dòng)態(tài)范圍。通過(guò)使用零位線圈42，有可能保持線性和更好的范圍。
還應(yīng)注意到磁場(chǎng)傳感器的范圍是若干因子的函數(shù)。目前較好實(shí)施例中使用的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器為14位。這種A/D轉(zhuǎn)換器足以獲得近似8.5英寸乘11英寸，或普通紙頁(yè)的靈敏區(qū)域。當(dāng)成組的磁場(chǎng)傳感器相隔近似4或5英寸時(shí)，得到這個(gè)靈敏區(qū)域。使用一個(gè)16位A/D轉(zhuǎn)換器將獲得更大的范圍，并且因此提供更大的靈敏區(qū)域。
假定一個(gè)傳感器系統(tǒng)在圖1所示配置中工作，具有三個(gè)磁場(chǎng)傳感器的三組10、12、20。當(dāng)該傳感器系統(tǒng)首先開(kāi)啟時(shí)，系統(tǒng)將被假定是固定的并且耦合到一個(gè)臺(tái)式計(jì)算機(jī)或其它固定裝置。第一動(dòng)作是校準(zhǔn)該傳感器系統(tǒng)，使其能夠確定其相對(duì)于地球磁場(chǎng)的位置。該信息較好地存儲(chǔ)在一個(gè)驅(qū)動(dòng)器、RAM或其它存儲(chǔ)器裝置中。該信息用于靈敏度和校正因子。每個(gè)磁場(chǎng)傳感器組10、12、20提供到位于標(biāo)識(shí)的靈敏區(qū)域16內(nèi)的指示筆的一個(gè)矢量。重要的是確定一個(gè)絕對(duì)矢量，然后減去一個(gè)校準(zhǔn)矢量。
如果所有的磁場(chǎng)傳感器組10、12、20給出相互平行的矢量，則假定在靈敏區(qū)域16內(nèi)沒(méi)有磁鐵。因?yàn)榈厍虻拇艌?chǎng)也是已知的，因此也被減去，由此在該傳感器系統(tǒng)的靈敏場(chǎng)內(nèi)得到零空間。
當(dāng)指示筆被引入該零空間(靈敏場(chǎng))時(shí)，指示筆的出現(xiàn)閾值是簡(jiǎn)單地確定矢量不再平行。通過(guò)從地球的相對(duì)磁場(chǎng)中減去位于指示筆內(nèi)的永久磁鐵的磁場(chǎng)，用戶獲得指向指示筆的兩個(gè)矢量。通過(guò)三角測(cè)量，則指示筆的位置被確定。
圖5是目前較好傳感器系統(tǒng)的示意圖。如圖所示，MUX 50接到三個(gè)磁場(chǎng)傳感器組10、12、20的所有磁場(chǎng)傳感器8。來(lái)自MUX 50的信號(hào)接到A/D轉(zhuǎn)換器52，然后通到CPU 54。該目前較好實(shí)施例利用位于個(gè)人計(jì)算機(jī)的插槽中的A/D轉(zhuǎn)換器卡。到A/D轉(zhuǎn)換器52的輸入通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的程序訪問(wèn)，以處理三角測(cè)量公式，由此提供指示筆位置確定。具有足夠性質(zhì)的A/D轉(zhuǎn)換器的一個(gè)好的例子是8051處理器。
三角測(cè)量方法的某些細(xì)節(jié)對(duì)于實(shí)施本發(fā)明的理解是有用的。通常以兩種方法之一進(jìn)行三角測(cè)量，但是其中任何一種都不能滿足本發(fā)明的要求。第一方法將不起作用，因?yàn)楫?dāng)x或y傳感器的值接近零時(shí)，確定精確的坐標(biāo)變得很困難。此外，如果用戶使指示筆傾斜，也會(huì)給出錯(cuò)誤的坐標(biāo)。
第二方法要求來(lái)自固定頻率源的一個(gè)交變信號(hào)，并且使用彼此相隔固定距離的兩個(gè)傳感器。這種方法對(duì)于追蹤本發(fā)明的指示筆是無(wú)用的，因?yàn)榇艂鞲衅骺疾旆墙蛔兇艌?chǎng)并且無(wú)法得到頻率信息。
因此，本發(fā)明依靠圓形三角測(cè)量方法。該方法使用磁場(chǎng)如何隨距離逐漸減小的知識(shí)。當(dāng)磁源從其傳感器移開(kāi)時(shí)，傳感器記錄一個(gè)值，該值和源與傳感器之間距離的立方成反比。該信息使得在傳感器周圍畫(huà)一個(gè)假想的圓，半徑通過(guò)傳感器值與立方反比公式計(jì)算。該圓投影指示筆可以在的所有可能點(diǎn)。
相隔固定距離的第二傳感器投影不同半徑的另一個(gè)圓。兩個(gè)圓至多在兩點(diǎn)處相交，其中一點(diǎn)位于非畫(huà)圖區(qū)域的傳感器后面，意味著該點(diǎn)可以作為一個(gè)解除去。因此通過(guò)求解兩個(gè)圓的交點(diǎn)并且使用正解作為指示筆的坐標(biāo)，計(jì)算剩余點(diǎn)的坐標(biāo)。
這種方法具有優(yōu)點(diǎn)，它僅要求相隔一段距離的兩個(gè)x或兩個(gè)y傳感器，與上述角度方法所需的四個(gè)傳感器相對(duì)。
有利的是，如果每個(gè)感應(yīng)位置處使用兩個(gè)x和y傳感器，則筆關(guān)于書(shū)寫(xiě)表面的角度的變化不影響指示筆坐標(biāo)的計(jì)算。距一組傳感器的x的減小將通過(guò)距該組的對(duì)應(yīng)y的增大而被補(bǔ)償。兩個(gè)傳感器之間的距離可以由(x＾2+y＾2)的平方根確定。這消除了由于小x和y值的角度干擾，并且消除了筆關(guān)于書(shū)寫(xiě)表面的角度的影響。
該方法還考慮了由于使用原始的傳感器尺寸代替由這些尺寸計(jì)算的角度而增大的距離。相同的概念可以應(yīng)用于電磁場(chǎng)中，與磁偶極子的距離立方反比成對(duì)比，在電磁場(chǎng)中按平方反比損失能量。從每個(gè)天線到源可以畫(huà)球，并且該源的坐標(biāo)的解通過(guò)求解球的交點(diǎn)得到。使用該方法對(duì)電磁源進(jìn)行三角測(cè)量，依賴物體朝向的角度，磁傳感器的天線可以除去。
與目前較好和替換實(shí)施例一起使用的指示筆30已經(jīng)作為具有位于其中的永久磁鐵32的一個(gè)無(wú)源裝置被描述了。但是，本發(fā)明還教授了包含無(wú)源配置的變型的指示筆的替換設(shè)計(jì)，并且增加有源元件使得用戶可以不僅僅只確定其位置。
例如，為了增強(qiáng)無(wú)源指示筆，改變由指示筆產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度可能是有利的。如果這個(gè)強(qiáng)度變化可以被探測(cè)到，指示筆就能夠向接收裝置提供更多的輸入信息。提供變化的磁場(chǎng)的實(shí)施例依賴向指示筆尖端施加壓力。
在圖6中，增大的壓力向內(nèi)推指示筆尖端60，直到第一永久磁鐵62與第二永久磁鐵64接觸。組合的永久磁鐵62、64的磁場(chǎng)大于單個(gè)磁鐵，并且這個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加是可探測(cè)的。釋放指示筆尖端60上的壓力使得彈簧66將永久磁鐵62、64分開(kāi)，使磁鐵強(qiáng)度返回到初始狀態(tài)。這都不必使用電源來(lái)完成。
在一個(gè)替換實(shí)施例中，有可能引入以上基本的指示筆設(shè)計(jì)以外的有源元件。例如，圖7是有源指示筆70的一個(gè)替換實(shí)施例。在該實(shí)施例中，說(shuō)明了指示筆70的內(nèi)部細(xì)節(jié)，以顯示永久磁鐵72當(dāng)靜止時(shí)朝向第一方向。這里顯示的，磁鐵的南極朝著指示筆尖端。當(dāng)壓力施加到指示筆尖端74時(shí)，桿76推在永久磁鐵72上，使其旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)使永久磁鐵72的極性反向，使得南極位于相反一側(cè)，遠(yuǎn)離指示筆尖端74。因此，指示筆再次向輸入器提供信號(hào)。該信號(hào)可以是數(shù)字1變到數(shù)字0，反之亦然。當(dāng)壓力從指示筆尖端消除時(shí)，彈簧78使桿76向指示筆尖端74推回，并且因此使永久磁鐵旋轉(zhuǎn)回到原始方向。
通常，指示筆不需要向輸入器提供“z”。但是，當(dāng)使用一個(gè)電子畫(huà)筆時(shí)，“z”方向是有用的，因?yàn)樗峁┝藟毫χ档囊粋€(gè)無(wú)窮范圍。
有源指示筆的下一個(gè)替換實(shí)施例在圖8中顯示。顯示指示筆80在該指示筆的尖端84附近具有一個(gè)線圈配置82。該線圈配置82包括三個(gè)線圈86、88、90位于球92附近，如圖9中特寫(xiě)顯示。線圈86、88、90為具有從250KHz到1MHz的三個(gè)不同頻率的驅(qū)動(dòng)線圈。每個(gè)磁場(chǎng)傳感器組將調(diào)諧到對(duì)一個(gè)不同的驅(qū)動(dòng)線圈敏感。以此方式，傳感器系統(tǒng)將不僅能追蹤每個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈的三維位置，還將能夠探測(cè)旋轉(zhuǎn)。該實(shí)施例僅有的缺點(diǎn)是在所需的頻率處驅(qū)動(dòng)線圈需要電源驅(qū)動(dòng)。但是，換來(lái)的是不僅得到XYZ位置而且得到俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航。因此，傳感器系統(tǒng)將具有六(6)個(gè)自由度。應(yīng)當(dāng)注意到有可能使信號(hào)從每個(gè)線圈86、88、90傳輸?shù)搅硪粋€(gè)裝置，例如個(gè)人數(shù)字助理(PDA)，因?yàn)槊總€(gè)線圈用作其自身信號(hào)的天線，因此提供一個(gè)無(wú)線連接。
因此，本發(fā)明使得能夠使用靜態(tài)磁場(chǎng)代替動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)。該事實(shí)提供了一種方式，當(dāng)使用本發(fā)明的基本特征時(shí)，使用不需要電源的永久磁鐵，并且僅當(dāng)試圖向用戶提供更多特征時(shí)需要電源。
圖10作為用于增大磁場(chǎng)強(qiáng)度的另一個(gè)設(shè)備的說(shuō)明。指示筆尖端100耦合到永久磁鐵102以及柱形線圈104(顯示橫截面)。當(dāng)彈簧106被尖端100壓縮直到與另一個(gè)柱形線圈108接觸時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度增大。
圖11是無(wú)源指示筆110的一個(gè)替換實(shí)施例的分解圖方式的橫截面?zhèn)纫晥D。該無(wú)源指示筆110通過(guò)一個(gè)傾斜磁鐵的新型使用向磁場(chǎng)傳感器提供“開(kāi)始”和“停止”信號(hào)。該無(wú)源指示筆110的組件為塑料外殼112或其它不影響磁場(chǎng)的材料。外殼112具有塑料的或鐵的外殼帽114，外殼帽114可以除去，以置換墨盒116。墨盒116包含帶有與外殼112干涉配合的螺紋的鐵組件118。該鐵組件118帶有螺紋以使塑料外殼帽114耦合到塑料外殼112。彈簧120位于干涉配合的鐵組件118與塑料外殼帽114的內(nèi)部之間。干涉配合118上方具有圓形陶瓷磁鐵122，陶瓷磁鐵122具有貫穿中部的一個(gè)孔，用于墨盒116通過(guò)。陶瓷磁鐵122的數(shù)量依賴用于探測(cè)該陶瓷磁鐵位置的磁鐵傳感器的靈敏度。更多或更強(qiáng)的磁鐵將提高無(wú)源指示筆110的探測(cè)。
在墨盒116的頂部具有一個(gè)塑料致動(dòng)器124。該塑料致動(dòng)器用于更均勻地推在稀土磁鐵126上。鑒于墨盒116的頂部可能凹陷或相反不規(guī)則，塑料致動(dòng)器124提供了到磁鐵126的一致接口。在塑料致動(dòng)器124與稀土磁鐵126之間具有一個(gè)陶瓷觸發(fā)磁鐵128，以及帶有坡度內(nèi)徑的鐵墊圈130。最后兩個(gè)組件是鐵圓筒132和塑料外殼帽134，鐵圓筒132沿塑料外殼112的大部分長(zhǎng)度延伸，塑料外殼帽134擰入塑料外殼112。
圖12是圖11所示無(wú)源指示筆110的橫截面?zhèn)纫晥D，但是以可工作模式裝配在一起。
無(wú)源指示筆110的工作在其系統(tǒng)中是新型的，用于使磁傳感器確定什么時(shí)候用戶想在顯示器上開(kāi)始書(shū)寫(xiě)或停止書(shū)寫(xiě)。一個(gè)用戶將使用無(wú)源指示筆110開(kāi)始書(shū)寫(xiě)。在施加輕微的和正常的壓力之后，象當(dāng)一個(gè)人壓紙以使用墨水書(shū)寫(xiě)時(shí)一樣，無(wú)源指示筆110激勵(lì)“開(kāi)始”信號(hào)，表示相連的顯示器裝置開(kāi)始在顯示器上“上墨”或書(shū)寫(xiě)。
這個(gè)“開(kāi)始”信號(hào)由墨盒116上的壓力產(chǎn)生。該壓力使墨盒116向塑料外殼112內(nèi)移動(dòng)近似1/16至1/8英寸。墨盒116耦合到塑料致動(dòng)器124，塑料致動(dòng)器124依次移動(dòng)通過(guò)陶瓷觸發(fā)磁鐵128中的一個(gè)孔，然后部分進(jìn)入鐵墊圈130的坡度內(nèi)徑。墨盒116的移動(dòng)因?yàn)樗芰现聞?dòng)器124而停止，當(dāng)下層136接觸陶瓷觸發(fā)磁鐵的底138時(shí)，塑料致動(dòng)器124無(wú)法移動(dòng)通過(guò)陶瓷觸發(fā)磁鐵128。
圖13是顯示當(dāng)用戶書(shū)寫(xiě)時(shí)上述過(guò)程將如何發(fā)生的一個(gè)特寫(xiě)視圖。該圖顯示塑料外殼112、現(xiàn)在位于直立位置的稀土磁鐵126，帶有坡度內(nèi)徑的鐵墊圈130、陶瓷觸發(fā)磁鐵128以及塑料致動(dòng)器124。塑料致動(dòng)器124的尖端140推在磁鐵126的底面上。磁鐵126現(xiàn)在擱在鐵墊圈130的小凸緣142上。
為什么使稀土磁鐵126從傾斜位置移到直立位置將提供一個(gè)“開(kāi)始”信號(hào)可能不明顯。但是，追蹤無(wú)源指示筆110的位置的磁傳感器也探測(cè)稀土磁鐵126。當(dāng)稀土磁鐵126靜止在圖11和12所示傾斜位置時(shí)，磁鐵126實(shí)際上通過(guò)對(duì)鐵墊圈130的磁引力定位。脫離稀土磁鐵126所需的力較小，近似80到100克力。但是，當(dāng)稀土磁鐵126脫離時(shí)，它迅速加速并且移動(dòng)到直立位置，它也是被磁吸引到鐵墊圈130的凸緣142上的該直立位置處。即使稀土磁鐵126移動(dòng)的距離很小，也是完全可以被探測(cè)的。幸運(yùn)的是，該移動(dòng)非常迅速，這是區(qū)別該移動(dòng)與無(wú)源指示筆110書(shū)寫(xiě)時(shí)的普通移動(dòng)的關(guān)鍵。該移動(dòng)很快，將不會(huì)在指示筆的正常使用過(guò)程中意外地發(fā)生。
同樣地，墨盒116上的壓力釋放將使得將要位于傾斜位置的稀土磁鐵126產(chǎn)生更強(qiáng)的引力。力的大小近似為45到50克，但是可以象激勵(lì)力一樣隨需要而不同。該稀土磁鐵試圖位于傾斜位置，因?yàn)榕c鐵墊圈130的坡度內(nèi)徑的更寬表面相比，凸緣142較小。
需要發(fā)送開(kāi)始和停止信號(hào)的墨盒116的移動(dòng)幾乎不能探測(cè)，使得無(wú)源指示筆110用作一個(gè)普通的墨水筆。稀土磁鐵吸到被激勵(lì)的直立位置，然后吸回到釋放的傾斜位置時(shí)的移動(dòng)不影響指示筆的使用。此外，通過(guò)修改塑料外殼112，阻礙該動(dòng)作的任何外部跡象的各種方法都是可能的。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是利用有源指示筆提供壓力感應(yīng)。施加到指示筆尖端的變化的壓力程度難以使用磁傳感器探測(cè)。因此，使用阻力橡膠探測(cè)壓力。該橡膠對(duì)于壓縮中的小的變化改變阻力。指示筆的墨盒在書(shū)寫(xiě)表面上的力被用于壓縮靠著指示筆外殼的橡膠。這種阻力變化被用于改變一個(gè)RC振蕩器的頻率。然后該信息被發(fā)送到一個(gè)調(diào)頻發(fā)射機(jī)。數(shù)據(jù)被傳輸?shù)揭粋€(gè)控制器板上的接收器。控制器板上的微控制器確定信號(hào)的頻率，由此確定施加到書(shū)寫(xiě)表面上的指示筆尖端的壓力程度。最后，壓力數(shù)據(jù)可以以兩種不同的方式顯示。所畫(huà)線的寬度可以改變，或者墨水灰度級(jí)顯示在計(jì)算機(jī)顯示器上。
用作本發(fā)明的壓力轉(zhuǎn)換器的阻力橡膠在圖14所述電路中工作。圖14顯示耦合到RC電路152的阻力橡膠150。例如，555芯片可以從阻力橡膠150接收輸入。來(lái)自RC電路152的輸出被發(fā)送到RF調(diào)制器154用于通過(guò)天線156傳輸。來(lái)自RF調(diào)制器154的輸出被用于確定阻力橡膠150的壓縮程度，以及因此被施加壓力的程度?？梢允褂靡粋€(gè)轉(zhuǎn)換表來(lái)使被施加的壓力的大小與被畫(huà)線的寬度、或者與應(yīng)被應(yīng)用的灰度陰影的一個(gè)值發(fā)生關(guān)系。
可以用于本發(fā)明的阻力橡膠出售的品牌名稱是ZOFLEX ZF40(TM)。圖15作為可以用于使壓力數(shù)據(jù)從指示筆傳輸?shù)娇刂破靼?。這僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，并且不應(yīng)視為限制。但是，應(yīng)當(dāng)注意到這種類型的發(fā)射機(jī)可以位于指示筆的空間限制內(nèi)。
應(yīng)當(dāng)注意到本發(fā)明具有很多應(yīng)用，尤其是需要輸入數(shù)據(jù)到電子裝置的簡(jiǎn)單而有效的方式的移動(dòng)應(yīng)用，例如蜂窩電話、數(shù)字電話、PDA以及其它類似的電子設(shè)備。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是探測(cè)無(wú)源指示筆的極小而精確的定位的能力。這使得該無(wú)源指示筆被用于作為鍵盤(pán)限定的一個(gè)極小區(qū)域。該鍵盤(pán)的鍵通過(guò)無(wú)源指示筆的小尖端激勵(lì)。例如，考慮耦合到一個(gè)移動(dòng)電話的小鍵盤(pán)。該鍵盤(pán)包含本發(fā)明的磁傳感器，并且可以探測(cè)無(wú)源指示筆的尖端接觸什么鍵。該探測(cè)能力使得可以快速地輸入文本到移動(dòng)電話，例如，以發(fā)送電子郵件信息。
通過(guò)提供該鍵盤(pán)及其自身的存儲(chǔ)器，該鍵盤(pán)還可以具有一個(gè)小的顯示器屏幕，例如LCD顯示器上的一個(gè)文本行。然后該鍵盤(pán)甚至可以在未連到該移動(dòng)電話時(shí)使用，例如在打電話過(guò)程中作筆記。然后當(dāng)該鍵盤(pán)連到該移動(dòng)電話時(shí)，鍵盤(pán)的存儲(chǔ)器上傳或與移動(dòng)電話中的存儲(chǔ)器同步，使得用戶可以輸入被鍵盤(pán)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。例如，用戶可以在打移動(dòng)電話的同時(shí)在鍵盤(pán)上作筆記。在談話結(jié)束后，用戶將鍵盤(pán)連到該移動(dòng)電話，并且將鍵入該鍵盤(pán)的任何數(shù)據(jù)上傳到移動(dòng)電話的存儲(chǔ)器。典型地，該動(dòng)作被執(zhí)行以發(fā)送來(lái)自該移動(dòng)電話的電子郵件信息中的數(shù)據(jù)。
但是，該鍵盤(pán)不是必須與該移動(dòng)電話分開(kāi)使用。該鍵盤(pán)可以在連到移動(dòng)電話時(shí)使用。用戶可以利用移動(dòng)電話上的較大顯示器，或者僅繼續(xù)使用鍵盤(pán)的內(nèi)置LCD顯示器。這可以依賴當(dāng)該鍵盤(pán)連到移動(dòng)電話時(shí)該LCD顯示器的能見(jiàn)度。
應(yīng)當(dāng)理解到上述布置僅是本發(fā)明的原理的應(yīng)用的示例。熟練的技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)許多變型和替換布置，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。附加的權(quán)利要求書(shū)試圖包含這些變型和布置。
權(quán)利要求
1.一種用于向電子設(shè)備提供輸入的無(wú)源指示筆系統(tǒng)，其中該無(wú)源指示筆利用永久磁鐵向磁傳感器系統(tǒng)提供位置信息，所述無(wú)源指示筆包括包含至少一個(gè)永久磁鐵的無(wú)源指示筆；用于探測(cè)位于該無(wú)源指示筆內(nèi)的至少一個(gè)永久磁鐵的位置的一個(gè)磁傳感器系統(tǒng)，其中該磁傳感器系統(tǒng)進(jìn)一步包括多個(gè)磁傳感器，該磁傳感器能夠(1)探測(cè)該至少一個(gè)永久磁鐵，(2)確定該至少一個(gè)永久磁鐵相對(duì)于一個(gè)參考點(diǎn)的位置，以及(3)傳輸該至少一個(gè)永久磁鐵的位置；以及一個(gè)顯示器系統(tǒng)，其中該顯示器系統(tǒng)利用該至少一個(gè)永久磁鐵的位置在顯示器系統(tǒng)上顯示代表該無(wú)源指示筆在工作場(chǎng)內(nèi)的移動(dòng)的數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所定義的無(wú)源指示筆，其中磁傳感器系統(tǒng)進(jìn)一步包括提供x和y坐標(biāo)信息的至少兩個(gè)磁傳感器。
3.如權(quán)利要求2所定義的無(wú)源指示筆，其中該系統(tǒng)進(jìn)一步包括利用圓形三角測(cè)量公式用于確定該無(wú)源指示筆的位置，其中在圓形三角測(cè)量公式中利用來(lái)自該至少兩個(gè)磁傳感器的數(shù)據(jù)，以減小由于無(wú)源指示筆的傾斜或移動(dòng)導(dǎo)致的在無(wú)源指示筆位置確定中的不準(zhǔn)確度。
4.如權(quán)利要求3所定義的無(wú)源指示筆，其中該無(wú)源指示筆進(jìn)一步包括用于容納該無(wú)源指示筆的組件的指示筆主體；墨盒；位于墨盒的非上墨端的致動(dòng)器；位于墨盒的上墨端附近的至少一個(gè)位置磁鐵，具有一個(gè)孔，墨盒穿過(guò)其中；位于墨盒周圍以及該至少一個(gè)位置磁鐵與指示筆尖端之間的彈簧；位于墨盒的非上墨端上方的觸發(fā)磁鐵，并且具有一個(gè)孔，致動(dòng)器可以通過(guò)其中；位于觸發(fā)磁鐵上方的鐵墊圈，該鐵墊圈具有一個(gè)外層以及在其表面上的內(nèi)錐形凹陷；靜止傾斜放置的信號(hào)磁鐵，底面至少部分靜止靠著內(nèi)錐形凹陷，其中墨盒將推信號(hào)磁鐵從傾斜位置到直立位置，使得信號(hào)磁鐵的底面至少部分靜止靠著外層。
5.一種利用合并有一個(gè)永久磁鐵的指示筆系統(tǒng)，用于向電子設(shè)備提供輸入的方法，所述方法包括步驟(1)提供一個(gè)指示筆主體，該指示筆主體具有與其相連的一個(gè)永久磁鐵，以及一個(gè)磁傳感器系統(tǒng)；(2)利用磁傳感器系統(tǒng)探測(cè)永久磁鐵；(3)確定永久磁鐵相對(duì)于一個(gè)參考點(diǎn)的位置；以及(4)傳輸永久磁鐵在指示筆主體內(nèi)的位置。
全文摘要
指示筆(30)利用磁場(chǎng)工作，其中永久磁鐵(32)位于無(wú)源指示筆內(nèi)，該指示筆可被多個(gè)磁傳感器(10，12)探測(cè)，該磁傳感器從地球的相對(duì)磁場(chǎng)中消除指示筆的磁場(chǎng)，由此獲得在三角測(cè)量方程中使用的矢量，依賴所使用的磁傳感器(10，12)的數(shù)量，確定指示筆(30)的二維或三維位置，其中一組磁傳感器可以用作地球磁場(chǎng)的參照，以及其中每個(gè)磁傳感器包含改變靈敏度方向(14)的極化線圈、零位線圈(42)和反位線圈(44)。
文檔編號(hào)G06F3/038GK1483187SQ01821329
公開(kāi)日2004年3月17日 申請(qǐng)日期2001年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月22日
發(fā)明者丹尼爾·李, 丹尼爾 李, 泰勒, 布賴恩·泰勒, P 哈尼, 邁克爾·P·哈尼, J 杰里, 本杰明·J·杰里 申請(qǐng)人:西奎公司