一種超聲波筆的書寫方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超聲波筆的書寫方法，超聲波發(fā)射器向筆芯發(fā)射超聲波，書寫時，筆芯與書寫板接觸，超聲波經(jīng)筆芯傳播至書寫板并形成蘭姆波，蘭姆波經(jīng)書寫板內部傳播到至少兩個超聲波接收器，MCU主控單元根據(jù)超聲波接收器接收到的蘭姆波確定書寫軌跡。本發(fā)明利用了超聲蘭姆波的特性，使超聲波經(jīng)由書寫板內部到達超聲波接收器，能夠最大程度地消除超聲波筆傾斜書寫時所帶來的誤差，從而使得書寫時的精確度更高。
【專利說明】
一種超聲波筆的書寫方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及超聲傳感技術領域，尤其涉及一種超聲波筆的書寫方法。
【背景技術】
[0002]隨著信息化時代來臨，作為與電子平臺便捷交互的觸控技術應用已經(jīng)深入到人們的日常生活中，很多的日常事務和商業(yè)事務以電子化方式自助辦理，例如常常需要人們以原筆跡手寫進行數(shù)字簽名等，因此就需要提供一種數(shù)字化的書寫裝置。
[0003]現(xiàn)有技術中，中國專利號“201210041949.7”在2013年9月11日公開了一種超聲波手寫輸入系統(tǒng)，其技術方案為所述超聲波手寫輸入系統(tǒng)，其至少包括手寫輸入工作平面、于所述工作平面上運動的超聲波手寫筆、接收所述超聲波手寫筆發(fā)出的超聲波的至少兩個相互間隔的超聲波接收傳感器，所述超聲波手寫筆包括筆尖部開設有超聲波出口的殼體及設置于殼體內并將超聲波由所述超聲波出口發(fā)射向所述工作平面的超聲波發(fā)射傳感器，所述超聲波接收傳感器接收到的系統(tǒng)用于計算超聲波飛行時間的有效超聲波為經(jīng)過所述工作平面反射的超聲波。該專利在實際應用過程中，主要是利用從筆尖開口以發(fā)射聲波，減小超聲筆出口與書寫筆尖的距離，從而減小書寫時傾斜所帶來的誤差。但這種方案由于筆尖開口離筆尖仍有一定的距離，因此不能完全避免筆尖傾斜所帶來的誤差。并且，這種方案從筆尖開口發(fā)射出來的超聲波是經(jīng)過工作平面反射到達接收器，其超聲波接收器為麥克風，必須置于工作平面之上，給書寫系統(tǒng)產品集成化帶來不便。
[0004]另外，中國專利號“201520590075.X”在2016年4月6日公開了一種超聲波筆手寫輸入裝置，其技術方案為所述手寫輸入裝置包括基板、主控制器單元、超聲波筆和至少兩個超聲波接收器，所述的超聲波接收器與主控制器單元連接，所述基板上開設有孔，所述的超聲波接收器固定設置在基板上;手寫時，超聲波筆發(fā)出的超聲波信號通過基板正面和孔傳遞至超聲波接收器。但該技術中聲波筆的壓力值需要另外單獨布置壓感單元獲取，增加了結構的復雜性和制作成本。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術中存在的上述問題，提供一種超聲波筆的書寫方法，本發(fā)明利用了超聲蘭姆波的特性，使超聲波經(jīng)由書寫板內部到達超聲波接收器，能夠最大程度地消除超聲波筆傾斜書寫時所帶來的誤差，從而使得書寫時的精確度更高。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0007]—種超聲波筆的書寫方法，其特征在于:超聲波發(fā)射器向筆芯發(fā)射超聲波，書寫時，筆芯與書寫板接觸，超聲波經(jīng)筆芯傳播至書寫板并形成蘭姆波，蘭姆波經(jīng)書寫板內部傳播到至少兩個超聲波接收器，MCU主控單元根據(jù)超聲波接收器接收到的蘭姆波確定書寫軌跡。
[0008]所述超聲波接收器接收到蘭姆波后，將蘭姆波轉換成電信號，MCU主控單元獲取到電信號后，將電信號還原成蘭姆波波形，并根據(jù)蘭姆波波形的幅值變化確定書寫力度。
[0009]所述超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波時，基準信號發(fā)射單元發(fā)射基準信號，MCU主控單元根據(jù)基準信號和蘭姆波信號確定書寫軌跡。
[0010]所述筆芯上一體式設置有信號接收部，超聲波發(fā)射器直接或間接耦合在與信號接收部相對的位置，超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波經(jīng)信號接收部進入筆芯。
[0011]所述信號接收部位于筆芯的端部。
[0012]所述信號接收部為在筆芯上的一個平面，所述超聲波發(fā)射器直接耦合在該平面，超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波經(jīng)該平面進入筆芯。
[0013]所述筆芯采用有機玻璃材質制成，筆芯的筆尖為半球形結構、弧形結構、圓錐形結構或楔形結構。
[0014]所述超聲波接收器設置在書寫板的正面、背面、側面或斜面。
[0015]采用本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0016]—、本發(fā)明中在書寫時，超聲波經(jīng)筆芯進入書寫板并形成蘭姆波，再由書寫板的內部傳播至超聲波接收器。在整個書寫過程中，只有筆芯直接并且只能直接接觸書寫板才能實現(xiàn)超聲波的傳播，且超聲波經(jīng)由固體介質傳播，超聲波的損耗較小，這種書寫方法最大程度地消除了傾斜書寫時所帶來的誤差，使得書寫時的精確度更高。另外，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明中的超聲波是經(jīng)由固體介質傳播，由于固體介質本身的特性比空氣穩(wěn)定，因此在固體介質中傳播的聲波抗干擾性比空氣中傳播的聲波抗干擾性更強，進而保證書寫的穩(wěn)定性更好。
[0017]二、本發(fā)明中，M⑶主控單元根據(jù)蘭姆波波形的幅值變化確定書寫力度，這樣就不需單獨設計壓感單元，使超聲波筆的結構更加簡單化，減少了超聲波筆的制造成本。
[0018]三、本發(fā)明中，筆芯上一體式設置有信號接收部的結構，既有利于簡化筆芯的制造工序和降低筆芯的制造成本，又有利于加快超聲波的傳播速度和降低超聲波在傳播過程中的損耗，進而提尚書與時的響應速度。
[0019]四、本發(fā)明中，信號接收部為在筆芯上構造的一個平面，超聲波發(fā)射器固定與該平面相對的位置，這樣的設置方式有利于超聲波的有效傳播。
[0020]五、本發(fā)明中，筆芯采用有機玻璃材質制成，這種材料易于加工，同時，在本發(fā)明所采用的5兆赫頻率以下的超聲波條件下，其衰減系數(shù)事宜，且聲耦合特性好。筆芯的筆尖可以為半球形結構、弧形結構、圓錐形結構或楔形結構，筆尖的結構多種多樣，滿足不同用戶的需求。
[0021]六、本發(fā)明中，超聲波接收器可以設置在書寫板的正面、背面、側面或斜面，超聲波接收器的設置方式多種多樣，滿足不同規(guī)格產品的需要，例如，超聲波設置在書寫板背面時，有利于增強書寫板的美觀性和降低整個書寫板的厚度，并能使書寫板的邊框更窄。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明中超聲波接收器設置在書寫板背面的結構示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明中超聲波筆的主視結構示意圖；
[0024]圖3為圖2的A—A剖視圖；
[0025]圖4為本發(fā)明中超聲波接收器設置在書寫板側面的結構示意圖；
[0026]圖5為本發(fā)明中超聲波接收器設置在書寫板正面的結構示意圖；
[0027]圖6為本發(fā)明中超聲波接收器設置在書寫板斜面的結構示意圖；
[0028]圖中的標記為:1、書寫板，2、超聲波筆，3、超聲波接收器，4、超聲波發(fā)射器，5、M⑶主控單元，6、筆芯，7、屏蔽層，8、信號接收部，9、支柱，10、空氣超聲波通道。
【具體實施方式】
[0029]—種超聲波筆的書寫方法，其具體過程為:超聲波發(fā)射器4向筆芯6發(fā)射超聲波，書寫時，筆芯6的筆尖與書寫板I接觸，超聲波經(jīng)筆芯6傳播至書寫板I并形成蘭姆波，蘭姆波經(jīng)書寫板I內部傳播到至少兩個超聲波接收器3，MCU主控單元5根據(jù)超聲波接收器3接收到的蘭姆波確定書寫軌跡。其中，超聲波發(fā)射器4和筆芯6均固定在超聲波筆2的筆殼內，超聲波發(fā)射器4發(fā)射超聲波時，基準信號發(fā)射單元發(fā)射基準信號，MCU主控單元5根據(jù)基準信號和蘭姆波信號確定超聲波從筆芯6的筆尖處分別至到少兩個超聲波接收器3的距離，從而確定書寫軌跡。
[0030]本發(fā)明中，所述基準信號發(fā)射單元為現(xiàn)有技術中的公知技術，具體為:若超聲波筆2設計為無線時，基準信號發(fā)射單元是紅外發(fā)射單元;若超聲波筆2設計為有線時，基準信號發(fā)射單元是電信號，MCU主控單元5根據(jù)基準信號獲得超聲波發(fā)射的基準時間，獲得超聲波從超聲波發(fā)射器4傳播到超聲波接收器3的時間，再根據(jù)該時間獲得超聲波從筆尖到至少兩個接收器的距離，從而確定超聲波筆2的書寫軌跡。
[0031]本發(fā)明中，所述超聲波接收器3接收到蘭姆波后，將蘭姆波轉換成電信號，MCU主控單元5獲取到電信號后，能夠計算出超聲波從筆尖到至少兩個超聲波接收器3的距離，從而確定書寫軌跡。同時，MCU主控單元5還能夠將獲得的電信號還原成相應的蘭姆波波形，并能根據(jù)該波形的幅值變化確定書寫力度。其中，書寫板I所傳播的蘭姆波的信號強度在一定書寫力度范圍內，隨書寫力度變化，其波形也呈相應線性變化，這種線性波形變化可作為超聲波筆2壓力感應的依據(jù)，即超聲波筆2的壓力感應可通過波形的線性變化來得到，而不需要再單獨設置壓感單元。
[0032]本發(fā)明中，所述超聲波發(fā)射器4和超聲波接收器3均是超聲波換能器，可以是壓電陶瓷換能器、石英晶片換能器等壓電器件，其中，超聲波接收器3設置為扁平狀結構，固定在書寫板I的背面。
[0033]本發(fā)明中，所述書寫板I實質上是矩形，采用透明材質如玻璃，以便安裝在顯示器上實現(xiàn)手寫輸入。
[0034]本發(fā)明中，所述筆芯6上一體式設置有信號接收部8，超聲波發(fā)射器4直接或間接耦合在與信號接收部8相對的位置，超聲波發(fā)射器4發(fā)出的超聲波經(jīng)信號接收部8進入筆芯6。其中，筆芯6上設置信號接收部8的方式為多種，分別為:
[0035]1、筆芯6為圓柱體結構或截頭圓錐結構等，筆芯6的端部即為信號接收部8，超聲波發(fā)射器4耦合在與筆芯6的端部相對的位置，超聲波發(fā)射器4與筆芯6的端部之間既可以直接接觸，也可以不直接接觸。
[0036]2、筆芯6包括一體成型的圓柱段和截頭圓錐段，信號接收部8為圓柱體結構，信號接收部8—體成型在筆芯6的截頭圓錐段上，超聲波發(fā)射器4耦合在與信號接收部8相對的位置，超聲波發(fā)射器4與筆芯6的端部之間既可以直接接觸，也可以不直接接觸。
[0037]3、筆芯6包括一體成型的圓柱段和截頭圓錐段，信號接收部8為圓柱體結構，信號接收部8的一端一體成型在筆芯6的截頭圓錐段上，另一端一體式設置有多個凸出于其端面的支柱9，超聲波發(fā)射器4固定在支柱9上。該結構使得超聲波發(fā)射器4與信號接收部8之間有間隙，該間隙能夠用于傳播空氣聲波。其中，信號接收部8位于截頭圓錐段的大端，圓柱段位于截頭圓錐段的小端，信號接收段的外徑大于截頭圓段大端的外徑。
[0038]4、筆芯6為板狀結構或圓柱體結構，一種已知可行的板狀結構是，筆芯6約為等腰三角形結構，筆芯6的尖端部作為筆尖，信號接收部8為筆芯6中后部的一個平面，所述超聲波發(fā)射器4直接耦合在該平面;為圓柱體結構時，信號接收部8為在筆芯6上構造的一個平面;超聲波發(fā)射器4直接耦合在該平面。其中，用于信號接收的平面可以設置在筆芯6的中部、后部或中后部，該平面可以與筆芯6的軸心線相垂直/平行，也可以傾斜設置在筆芯6上，超聲波發(fā)射器4發(fā)出的超聲波經(jīng)該平面進入筆芯6。
[0039]本發(fā)明中，所述筆芯6優(yōu)選采用有機玻璃材質制成，筆芯6的筆尖為半球形結構、弧形結構、圓錐形結構或楔形結構等，書寫時，筆尖與書寫板I直接接觸，超聲波經(jīng)筆芯6的筆尖進入書寫板I。為了便于書寫，超聲波發(fā)射器4和筆芯6均固定在筆殼內，筆芯6的筆尖伸出筆殼。其中，筆芯6與筆殼之間有兩種連接方式，其中一種為密封固定連接，即筆芯6與筆殼之間無縫隙。另一種為筆芯6與筆殼之間有空氣超聲波通道10，該空氣超聲波通道10與超聲波發(fā)射器4與信號接收部8之間的間隙相通，這使得超聲波發(fā)射器4發(fā)出的超聲波除了通過筆芯6和書寫板I傳播外，還有部份超聲波通過間隙和空氣超聲波通道10傳播，通過間隙和空氣超聲波通道10傳輸?shù)某暡ㄔ谖磿鴮憰r，能夠在書寫板I上形成光標指引點，引導人們書與O
[0040]本發(fā)明中，所述超聲波接收器3設置在書寫板I的正面、背面、側面或斜面，進一步的，書寫板I上設置有由吸波材料制成的屏蔽層7，所述屏蔽層7設置在書寫板I邊緣區(qū)域的正面、背面和/或側面，所述屏蔽層7可采用涂覆或包裹的方式設置在書寫板I上，通過屏蔽層7能夠有效吸收到達書寫板I各個邊緣區(qū)域的蘭姆波，減少蘭姆波的反射，避免這種蘭姆反射波影響原有波形。
[0041]本發(fā)明在實際書寫過程中，超聲波發(fā)射器4所發(fā)出的超聲波在到達超聲波接收器3時，需要經(jīng)過兩種傳播路徑，其一為超聲波在筆芯6內的傳播途徑，其二為在書寫板I內部的傳播路徑，超聲波在這兩種介質里面的速度是不同的，因此，下面以兩個超聲波接收器3為例，來說明超聲波從筆尖位置到達超聲波接收器3的傳播距離:
[0042]設定筆芯6長度為Lo，超聲波在筆芯6中的速度為So，筆芯6的筆尖到第I接收器的距離為Li，筆芯6的筆尖到第2超聲接收器的距離為L2，超聲波在書寫板I中的速度為Si，兩個超聲接收器之間的距離為L3,筆芯6中超聲波的傳播時間為To，超聲波從筆尖到達第I超聲接收器的傳播時間ST1，超聲波從筆尖到達第2超聲波接收器3的傳播時間為T2，MCU主控單元5根據(jù)基準信號在第I超聲接收器處所得到的時間為T/，MCU主控單元5根據(jù)基準信號在第2超聲接收器處所得到的時間為IV，其中Lo、L3、T/、IV ?為已知量，其中:
[0043]Ti7 =Το+Τι
[0044]T2, =To+T2Lo = To*So
[0045]由上述三式可得出T^T2的值，由此:
[0046]Li = Ti*Si
[0047]L2 = T2*Si
[0048]根據(jù)三角定位原理得出關于x、y坐標方程組:
[0049]Li2 = x2+y2
[0050 ] L22= (L3-X) 2+y2
[0051 ]由上面二式得出X的唯一坐標值:
[0052]x=(Li2-L22+L32)/(2*L3)
[0053]并由此得出y的坐標值，取其正值即可。
[0054]超聲波發(fā)射器4所發(fā)出的超聲波在到達超聲波接收器3時，需要經(jīng)過兩種傳播路徑，其一為超聲波在筆芯6內的傳播途徑，其二為在書寫板I內部的傳播路徑，超聲波在這兩種介質里面的速度是不同的，因此，下面以兩個超聲波接收器3為例，來說明超聲波從筆尖位置到達超聲波接收器3的傳播距離:
[0055]設定筆芯6長度為Lo，超聲波在筆芯6中的速度為So，筆芯6的筆尖到第I接收器的距離為Li，筆芯6的筆尖到第2超聲接收器的距離為L2，超聲波在書寫板I中的速度為Si，兩個超聲接收器之間的距離為L3,筆芯6中超聲波的傳播時間為To，超聲波從筆尖到達第I超聲接收器的傳播時間ST1，超聲波從筆尖到達第2超聲波接收器3的傳播時間為T2，MCU主控單元5根據(jù)基準信號在第I超聲接收器處所得到的時間為T/，MCU主控單元5根據(jù)基準信號在第2超聲接收器處所得到的時間為IV，其中Lo、L3、T/、IV ?為已知量，其中:
[0056]Ti7 =Το+Τι
[0057]T27 =Το+Τ2
[0058]Lo = To*So
[0059]由上述三式可得出T^T2的值，由此:
[0060]Li = Ti 氺 Si
[0061]L2 = T2*Si
[0062]根據(jù)三角定位原理得出關于x、y坐標方程組:
[0063]Li2 = x2+y2
[0064]L22= (L3~x)2+y2
[0065]由上面二式得出X的唯一坐標值:
[0066]x=(Li2-L22+L32)/(2*L3)
[0067]并由此得出y的坐標值，取其正值即可。
【主權項】
1.一種超聲波筆的書寫方法，其特征在于:超聲波發(fā)射器向筆芯發(fā)射超聲波，書寫時，筆芯與書寫板接觸，超聲波經(jīng)筆芯傳播至書寫板并形成蘭姆波，蘭姆波經(jīng)書寫板內部傳播到至少兩個超聲波接收器，MCU主控單元根據(jù)超聲波接收器接收到的蘭姆波確定書寫軌跡。2.如權利要求1所述的一種超聲波筆的書寫方法，其特征在于:所述超聲波接收器接收到蘭姆波后，將蘭姆波轉換成電信號，MCU主控單元獲取到電信號后，將電信號還原成蘭姆波波形，并根據(jù)蘭姆波波形的幅值變化確定書寫力度。3.如權利要求1所述的一種超聲波筆的書寫方法，其特征在于:所述超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波時，基準信號發(fā)射單元發(fā)射基準信號，MCU主控單元根據(jù)基準信號和蘭姆波信號確定書寫軌跡。4.如權利要求1一3中任一項所述的一種超聲波筆的書寫方法，其特征在于:所述筆芯上一體式設置有信號接收部，超聲波發(fā)射器直接或間接耦合在與信號接收部相對的位置，超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波經(jīng)信號接收部進入筆芯。5.如權利要求4所述的一種超聲波筆的書寫方法，其特征在于:所述信號接收部位于筆芯的端部。6.如權利要求4所述的一種超聲波筆的書寫方法，其特征在于:所述信號接收部為在筆芯上的一個平面，所述超聲波發(fā)射器直接耦合在該平面，超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波經(jīng)該平面進入筆芯。7.如權利要求1所述的一種超聲波筆的書寫方法，其特征在于:所述筆芯采用有機玻璃材質制成，筆芯的筆尖為半球形結構、弧形結構、圓錐形結構或楔形結構。8.如權利要求1所述的一種超聲波筆的書寫方法，其特征在于:所述超聲波接收器設置在書寫板的正面、背面、側面或斜面。
【文檔編號】G06F3/043GK106020573SQ201610330025
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】林立, 尹華成, 鄭倫見
【申請人】成都吉銳時代觸摸技術有限公司