Перо для ввода рукописных символов

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ПЕРО ДЛЯ ВВОДА РУКОПИСНЫХ СИМВОЛОВ(73) Патентообладатель Ярмош Николай Адамович(57) 1. Перо для ввода рукописных символов, содержащее цилиндрический корпус, выполненный из диэлектрика, установленный в нем пишущий элемент, расположенный вдоль его оси пьезодатчик в виде пьезопластины, один конец которой с расположенными на нем электродами, соединенными с выходными шинами,закреплен в цилиндрическом корпусе, подвижный и неподвижный контакты, подключенные к выходным шинам, установочный элемент для передачи колебаний кончика пера на незакрепленный конец пьезопластины, состоящий из двуплечевого рычага с фасонным вырезом на конце и пластины с прямоугольным вырезом на одном из концов, закрепленной одним концом на верхнем плече двуплечевого рычага, в вырезе второго конца которой расположен свободный конец пьезопластины, прижимную Г-образную Фиг. 1 планку со стержнем, прижимную пружину, насаженную на стержень, один конец которого вставлен в цилиндрический паз, выполненный с внутренней стороны верхней части цилиндрического корпуса, а другой 3797 1 жестко соединен с прижимной Г-образной планкой, соединительную скобу, жестко скрепленную с концом первой оси вращения, второй конец которой установлен с возможностью свободного вращения в опоре, закрепленной в цилиндрическом корпусе, концы соединительной скобы соединены второй осью вращения, на которой с возможностью поворота установлен двуплечий рычаг, расположенный наклонно к продольной оси пишущего элемента, индукционный преобразователь в виде цилиндрической катушки индуктивности, насаженной на нижний конец двуплечевого рычага, который упирается фасонным вырезом в кончик пишущего элемента, отличающееся тем, что в него введены узел преобразования давления, оказываемого во время письма или рисования кончиком пера на носитель графической информации, в электрический аналоговый сигнал, состоящий из диэлектрического корпуса, имеющего первую и вторую цилиндрическую полости, в которых размещены по два идентичных тензочувствительных элемента, выполненных из двух электродов и угольных дисков между ними, тензочувствительные элементы разделены диэлектрической прокладкой и прижаты как друг к другу, так и к соответствующей головке поршневой формы с шейкой, выходящей через отверстие в корпусе узла преобразования давления в электрический аналоговый сигнал, соответствующей прижимной пружиной и фигурным винтом, выступающие части шеек из первой и второй полостей упираются соответственно в фигурные вырезы левого и правого плеча коромысла-контакта, имеющего ось вращения,закрепленную в опоре, ввинченной в корпус узла преобразования давления в электрический аналоговый сигнал, причем конец левого плеча коромысла-контакта выступом треугольной формы касается неподвижного контакта, закрепленного в корпусе пера, а конец правого плеча коромысла-контакта своей контактной площадкой упирается в торец подвижного штока, проходящего через сквозное цилиндрическое отверстие в корпусе узла преобразования давления в электрический аналоговый сигнал, и прижат своей головкой прижимной пружиной к торцу пишущего элемента пера, электроды тензочувствительных элементов подключены проводниками, проходящими через щелевидную полость, соединяющую первую и вторую цилиндрические полости с тензочувствительными элементами, и боковое отверстие в щелевидной полости к монтажным элементам, расположенным на основании корпуса узла преобразования давления в электрический аналоговый сигнал, винтами скрепленного с корпусом пера. 2. Перо для ввода рукописных символов по п. 1, отличающееся тем, что все четыре тензочувствительных элемента узла преобразования давления в электрический аналоговый сигнал включены в мостовую схему путем коммутации монтажных элементов таким образом, что верхние электроды первого и четвертого тензочувствительных элементов объединены и подключены к положительному полюсу источника питания узла преобразования давления в электрический аналоговый сигнал, нижний электрод первого тензочувствительного элемента и верхний электрод третьего тензочувствительного элемента объединены и являются первым выходом мостовой схемы, нижний электрод четвертого тензочувствительного элемента и верхний электрод второго тензочувствительного элемента объединены и являются вторым выходом мостовой схемы, а нижние электроды третьего и второго тензочувствительных элементов объединены и подключены к отрицательному полюсу источника питания узла преобразования давления в электрический аналоговый сигнал. Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники, а именно к устройствам для ввода информации, и может быть использовано в индукционных планшетных устройствах ввода рукописной графической информации. Известно перо для ввода рукописных символов, содержащее пишущий стержень, расположенные вдоль стержня пьезоэлектрические пластины, одни концы которых с расположенными на них электродами, соединенными с выходными шинами, закрепленными в корпусе, и инерционные элементы, связанные с другими концами пьезоэлектрических пластин 1. Недостатком данного пера является низкая разрешающая способность пера по перемещению, что обусловливает малую достоверность воспроизведения. Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является перо для ввода рукописных символов 2. В нем повышение достоверности воспроизведения достигается путем повышения разрешающей способности пера по перемещению. Для этого оно содержит механический узел, усиливающий амплитуду механических колебаний кончика пера, которая передается элементами этого механизма на пьезопластину. Недостатком прототипа является низкая достоверность воспроизведения символов из-за низкой информативности пера. Этот недостаток в свою очередь вызван отсутствием информации об изменении давления, оказываемого на кончик пера. В пере-прототипе имеется два датчика, которые в процессе письма генерируют аналоговые сигналы, несущие соответствующую информацию о признаках почерка и знаков. Для высокой достоверности воспроизведения знаков информации от двух датчиков в ряде случаев недостаточно. 2 3797 1 Особым информативным параметром, возникающим в процессе письма, является величина давления, с которой пользователь оказывает давление рукой на перо во время письма или рисования. Устройство, формируемое информацию об этом параметре, отсутствует в пере, что и обусловливает низкую достоверность воспроизведения. Целью изобретения является повышение достоверности воспроизведения вводимых рукописных знаков. Поставленная цель достигается введением в перо узла преобразования давления, оказываемого во время письма или рисования кончиком пера на носитель графической информации, в электрический аналоговый сигнал. Узел выполнен в виде конструктивного модуля, размещенного внутри корпуса пера. Узел состоит из тензочувствительных элементов (первичных преобразователей силы давления в электрический сигнал),кинематических звеньев, осуществляющих передачу силы давления с контактирующего с носителем графической информации острия пера на тензочувствительные пластины, и несущего корпуса, конструкция которого учитывает массогабаритные особенности и характеристики пера-прототипа. Для преобразования давления в электрический сигнал с высокой чувствительностью узел содержит четыре тензочувствительных элемента, на два из которых в процессе письма давление увеличивается, а на два остальных уменьшается. Все четыре тензочувствительных элемента включены в качестве плеч мостовой схемы, выход которой является выходом преобразовательного узла. Сущность изобретения поясняется фиг. 1-5. На фиг. 1 изображен продольный разрез пера. На фиг. 2 продольный и поперечный разрез узла преобразования. Фиг. 3 - поперечный разрез узла преобразования. На фиг. 4 изображена мостовая схема включения тензочувствительных элементов узла преобразования. На фиг. 5 представлена эквивалентная мостовая схема узла преобразования давления в электрический аналоговый сигнал. Перо содержит (фиг. 1) катушку 1 индуктивности, крышку 2, рычаг 3, пластину 4, пьезоэлемент 5, прижимную планку 6, корпус 7, прижимную пружину 8, стержень 9, соединительную вилку 10, соединительный кабель 11, заднюю крышку 12, неподвижный контакт 13, первый стопорный винт 14, подвижный шток 15,втулку 16, второй стопорный винт 17, возвратную пружину 18, пишущий элемент 19, электроды 20, первую ось 21, опору 22, скобу 23, узел 24 преобразования давления в электрический сигнал (фиг. 2, 3), состоящий из коромысла 25, служащего подвижным контактом, подключенного с помощью шины к одному из контактов вилки 10, опоры 26, ввинченной в корпус 24, оси 27, на которой крепится коромысло 25, которое контактной площадкой 28 упирается на верхний торец штока 15 и прижата к нему благодаря пружине 18, коромысло 25 слева от оси 27 вращения имеет кольцевой вырез 29, а справа кольцевой вырез 30, в вырез 29 упирается первая фасонная диэлектрическая головка 31 с помощью шейки 32, а в вырез 30 упирается вторая фасонная диэлектрическая головка 33 с помощью шейки 34, шейки 32 и 34 проходят через соответствующие отверстия в верхней части корпуса 24, под головкой 31, в левой относительно продольной оси симметрии корпуса узла преобразования давления в электрический аналоговый сигнал цилиндрической полости расположены два тензочувствительных элемента (ТЭ), первый тензочувствительный элемент (ТЭ-П) состоит из верхнего электрода 35 и нижнего электрода 36, между этими электродами расположены угольные диски 37,второй тензочувствительный элемент (ТЭ-В) содержит верхний электрод 38, нижний электрод 39, между нижним и верхним электродами (ТЭ-В) расположены угольные диски 40, первый тензочувствительный элемент ТЭ-П отделен от второго тензочувствительного элемента ТЭ-В изолирующей прокладкой 41, нижний электрод 39 имеет в качестве основания выравнивающую прокладку 42, которая имеет механический контакт с пружиной 43, которая сжимается с помощью фигурного винта 44, аналогично с правой стороны от продольной оси симметрии корпуса 24 узла преобразования, в правой цилиндрической полости расположен третий тензочувствительный элемент (ТЭ-Т), который состоит из верхнего электрода 45, угольных дисков 46, нижнего электрода 47, выравнивающей прокладки 48, которая прижата к нижнему электроду 47 с помощью пружины 49, которая приводится в сжатое состояние с помощью фигурного винта 50, над третьим тензочувствительным элементом ТЭ-Т непосредственно расположен четвертый тензочувствительный элемент(ТЭ-Ч), состоящий из верхнего электрода 51, угольных дисков 52, нижнего электрода 53, между третьим ТЭТ и четвертым ТЭ-Ч тензочувствительными элементами расположена изолирующая прокладка 54, все электроды четырех тензочувствительных элементов с помощью соответствующих соединительных проводников 55, которые проходят через отверстие 56 в корпусе узла преобразования, подключены к контактным элементам 57, выполненных, например, в виде контактных штырьков, которые коммутируются между собой перемычками таким образом, чтобы элементы были включены в мостовую схему (фиг. 4) при этом достигается то, что из пера через крышку 12 к разъему 10 подходит всего четыре провода два для подвода напряжения питания (пит.) схемы и два проводника для снятия выходного сигнала (вых.) с мостовой схемы в сечении А-А (фиг. 3) условно показаны два электрода, каждый из которых соответственно расположен в правой и левой цилиндрической полости узла преобразования, от этих электродов показаны идущие к штырькам 57 соединительные провода корпус 24 узла преобразования давления в электрический аналоговый сигнал крепится к корпусу 7 пера с помощью винтов 58 (фиг. 1), которые проходят через отверстия 59 (фиг. 3),просверленные в основании 60 узла преобразования давления в электрический сигнал (фиг. 3). 3 3797 1 На эквивалентной мостовой схеме (фиг. 5) узла преобразования тензочувствительные элементы ТЭ-П,ТЭ-В, ТЭ-Т и ТЭ-Ч заменены на соответствующие переменные резисторы 61, 62, 63 и 64. Напряжение питания мостовой схемы и выход ее подается на вилку 10 с помощью жгута 65 (фиг. 3), а контактная пара неподвижный контакт 13 и подвижный контакт 25 (он же коромысло) подключены к вилке 10 с помощью проводников (шин) 66. С пером работают следующим образом. При касании кончика пишущего элемента 19 листа бумаги (лист бумаги расположен на планшете индукционного устройства графического ввода и сам планшет на чертежах не показан) пишущий элемент 19 давит на шток 15, который передает давление на правое плечо коромысла 25. В результате острие выступа левого плеча коромысла отходит вниз от контакта 13 (фиг. 1, 2), размыкая электрическую цепь, состоящую из последовательно включенных контактов 13 и 25 (начальное состояние контактов 13 и 25 замкнутое). Сигнал разрыва цепи служит сигналом начала письма. Этот сигнал поступает через проводники 66 и вилку 10 разъема в блок обработки сигналов информационных датчиков (упомянутый блок на чертежах не показан). После формирования сигнала начала письма начинают формироваться сигналы со всех информационных первичных преобразователей. Формирование сигнала с пьезоэлемента 5 и индукционной катушки 1 происходит аналогично тому, как это описано в устройстве-прототипе. В процессе письма возвратная пружина 18 сжата пишущим элементом 19 (фиг. 1). При начертании символов или некоторой кривой кончик пишущего элемента 19 совершает микроперемещения, которые с усилением по амплитуде передаются через нижнее плечо рычага 3 и пластину 4 на незакрепленный конец пьезоэлемента 5, выполненного в виде пластины. Таким образом механические колебания кончика пера преобразуются в выходной электрический сигнал пьезоэлемента 5. Этот сигнал с помощью контактов 20, соединительных проводников, подключенных к этим контактам (подключение осуществляется с обоих сторон пьезоэлемента в месте непосредственного крепления его к корпусу пера), передается через вилку 10 в блок обработки пьезосигнала. Катушка 1 индуктивности преобразует импульсное магнитное поле, создаваемое током опроса координатной шины планшета в электрический выходной сигнал (сигнал опроса). По амплитуде индуцированного сигнала на выходе катушки 1 индуктивности судят о величине удаления электрического центра катушки 1 от геометрической оси шины. Выходной сигнал катушки 1 индуктивности через соответствующие соединительные проводники и контакты вилки 10 разъема поступает в блок обработки сигналов, где подвергается аналого-цифровой обработке. Формирование выходного сигнала введенного узла преобразования давления в электрический аналоговый сигнал, которое оказывает пишущий элемент на поверхность бумаги, происходит следующим образом. Пишущий элемент 19 во время письма совершает продольные (вдоль большой оси элемента 19) механические колебания, при этом контакты 13 и 25 остаются разомкнутыми. Колебания вызывают сжатие и растяжение предварительно сжатой пружины 18 и микроперемещения штока 15, который эти колебания с определенным давлением передает через контактную площадку 28 коромысла 25 на правое плечо этого коромысла. При увеличении давления на правое плечо коромысла 25 оно приподнимается, а левое плечо опускается благодаря вращению этого коромысла вокруг оси 27, закрепленной в опоре 26. Вследствие этого слегка поднимается кверху шейка 34 и головка 33, поэтому давление на тензочувствительные элементы ТЭ-4 и ТЭ-3 уменьшается давление, оказываемое предварительно сжатой пружиной 49, уменьшается - сопротивление резистивного столба, состоящего из угольных дисков 52, и резистивного столба, состоящего из угольных дисков 46, увеличивается. В это же время левое плечо коромысла 25, опускаясь, давит через шейку 32 на головку 31. В результате этого происходит сжатие тензочувствительных элементов ТЭ-П, ТЭ-В (фиг. 2, 4) и сопротивление соответствующих резистивных столбов, состоящих из угольных дисков 37 и 40, уменьшается. Причиной вызываемой появление переменного по амплитуде выходного электрического сигнала (напряжения) узла преобразования, служит изменяющееся во времени давление, оказываемое пишущим элементом 19 на тензочувствительные элементы ТЭ-П, ТЭ-В, ТЭ-Т, ТЭ-Ч (фиг. 2, 4). Таким образом, чем сильнее давит шток 15 на контактную площадку 28 коромысла 25 во время письма,тем больше становится сопротивление ТЭ-Т, ТЭ-Ч (фиг. 4) и тем меньше сопротивление элементов ТЭ-П,ТЭ-В, и наоборот, как только давление на элементы ТЭ-Т и ТЭ-Ч начинает увеличиваться, а на элементах ТЭ-П и ТЭ-В уменьшаться, соответственно сопротивление ТЭ-Т и ТЭ-Ч будет уменьшаться, а сопротивление ТЭ-П и ТЭ-В увеличиваться. Причем при таком изменении давления электрические сопротивления этих элементов будут стремиться к величинам, которые обеспечивают равновесие мостовой схемы, исходное равновесие мостовой схемы достигается перед началом эксплуатации пера путем соответствующего предварительного сжатия пружин 43 и 49, а следовательно, и сжатия тензочувствительных элементов с помощью довинчивания винтов 44 и 50. В момент касания острия пера листа бумаги контакты 13 и 25 размыкаются и тут же происходит разбаланс мостовой схемы и на ее выходе появляется напряжение разбаланса. Степень разбаланса мостовой схе 4 3797 1 мы и уровень выходного сигнала будут зависеть от величины давления, оказываемого пишущим элементом 19 через шток 15 и коромысло-контакт 25 на тензочувствительные элементы. Таким образом, конструкция узла преобразования давления и сопряжение его с известными элементами пера позволяют осуществлять одновременное сжатие двух тензочувствительных элементов с одновременным разжатием двух других тензочувствительных элементов. То есть имеем четыре активных тензочувствительных элемента, пара из которых по отношению к другой паре меняет свое сопротивление в противофазе. Включение всех четырех подобных элементов в качестве плеч мостовой схемы обеспечивает высокую чувствительность этой схемы преобразования давления в электрический сигнал. Для этой же цели служит включение тензочувствительных элементов в мостовую схему (фиг. 3) следующим образом. Первый тензочувствительный элемент служит верхним левым плечом мостовой схемы, а второй тензочувствительный соответственно правым нижним плечом мостовой схемы. Аналогично, четвертый тензочувствительный элемент включен в качестве правого верхнего плеча мостовой схемы, а третий тензочувствительный элемент образует левое нижнее плечо мостовой схемы. Выходной сигнал датчика снимается с диагонали мостовой схемы, образованной из тензочувствительных элементов. При работе пером имеет место разбаланс мостовой схемы без перехода через состояние равновесия схемы. Когда кончик пишущего элемента 19 отрывается от листа бумаги, шток 15 под действием сжатой возвратной пружины 18 опускается вниз по чертежу (фиг. 1). В результате коромысло-контакт 25 своим левым плечом с фигурным выступом касается неподвижного контакта 13. Как следствие этого, цепь формирования сигнала начало-конец письма замыкается и формируется сигнал конец письма. Этот сигнал инициирует прекращение подачи аналогового электрического сигнала с узла 24 преобразования давления, а также с пьезоэлемента 5 и катушки 1 индуктивности в блок обработки электрических сигналов, к которому подключено перо с помощью соединительной вилки 10. Коромысло 25 занимает при этом такое положение, при котором мостовая схема входит в состояние равновесия. Введение мостовых узлов и тензочувствительных элементов, а также конструктивных и электрических связей позволило повысить достоверность воспроизведения рукописных символов за счет преобразования давления, оказываемого пером во время письма или рисования на носитель графической информации, в электрический аналоговый сигнал. Источники информации 1.638988 А, 1978. 2.1695340 А 1, 1991. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.