CN1177412A - 具有书写感觉的电子笔 - Google Patents

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    • G06F3/03545—Pens or stylus

Abstract

一种非标记性的书写系统,它模拟一种具有书写阻力、声响、弹性和热导率的特性范围的体力书写系统。该非标记性书写系统包括一非标记性书写器具(12),该器具有一带相对端的细长杆体(70)。杆体(70)的一端连接有一非标记性尖端部(76),用于抵靠和移动于一书写表面(46)上。供尖端部在上面移动以进行非标记性书写的书写表面(46)产生一实际书写阻力。尖端部(76)由选定的材料构造和制成,以使得实际书写阻力落在体力书写系统的书写阻力特性范围内。

Description

具有书写感觉的电子笔
                    发明领域和背景
本发明总的涉及电子笔，尤其是涉及一种使用起来感觉象真实的体力书写器具一样的、新型而实用的非标记性书写系统。
美国专利5,159,321揭示了这样一种笔式计算机输入装置，它使用起来很象在书写表面上书写的一支圆珠笔。该专利所揭示的圆珠书写器具，其圆珠在位于墨水罐前面的圆珠外套内转动的同时会在书写表面上留下墨水痕迹。除了会留下墨水痕迹，美国专利5,159,321还揭示了使用一种用来感应圆珠转动的传感器。这种转动被用作对计算机的输入，很象计算机鼠标器中球体的转动被用来驱动游标，或相反被用来将鼠标器的移动转换成适用于计算机的位置信号。同样可参见《IBM技术揭示公告(IBM Technical Disclosure Bulletin)》1974年5月的12号第16卷，其中揭示了一种圆珠笔，它具有加速度自动测量器，用于检测书写器具运动，以记录在书写操作过程中所执行的图案。
美国专利4,034,155揭示了电子感应书写笔，它除了执行书写功能外，还与书写表面相结合，用来电子检测和传送书写器具在书写表面上的位置供计算机使用。
非书写笔同样也是公知的，它们与钢笔或铅笔的使用方式非常相象，只是不会在一平板上或具有与该书写笔一起作为输入装置的一平面的计算机设备上留下痕迹。这些非书写笔的实例可以在美国专利4,158,747和4,786,764以及3,760,660、3,707,098、918,833和235,898中找到。用于在一厚叠复写纸上书写的笔同样也是公知的，它们使用一个装于外套中的一球体。该球体不会留下墨水，但它是装于一个润滑套或巴氏合金中。例如可参见美国专利1,028,029、1,171,146、1,500,426和1,915,426。在这些结构中，没有试图来模拟任何特殊的书写感觉，而只是提供了一种能用比正常书写压力大得多的压力结构。美国专利4,883,926中还揭示了一种在没有墨水的端部设有开关和球体的计算机笔。尽管提到这种笔具有适当的感觉，就象操作者在使用一支钢笔或铅笔一样，但该文献中没有说明如何能实现这种感觉。
除了平板形式的计算机输入装置，公知的还有被称作个人数字式辅助设备或PDA’s的整体式计算机系统。这些系统，例如Apple Newton记录器，具有一无线、无源笔，该笔具有一合成的笔尖，它可以在该装置的输入面板上象书写器具一样使用。输入面板能感压，并能检测合成笔尖的瞬间位置，以记录实际的书写操作，诸如字母和数字的构造、图的产生、签名和其它书写操作，这些操作如果用一真的体力书写器具来进行的话将留下痕迹，而用它们的电子模拟的话，则在书写表面上留下电子储存的待复制轨迹，该书写表面同样也被电子储存。这样储存的轨迹既可送字体识别软件处理，以确定图案是否含诸如已知数字或字母之类的可辨认符号，也可简单地作为一种图象来保存。
本申请的受让人，A.T.Cross公司已经对现有的台式电子数字读出器平板和PDA’s进行了主观测试，并证明，与传统的自然书写相比，使用这些平板不够舒适，不能令人满意。
A.T.Cross公司所作的定量测试表明，现有的实际书写系统并没有落在一个可以认为是在审美学上令人满意并具自然书写特征的参数测量范围内。
                         发明概要
本发明的主要目的是提供一种能再现高品质自然书写感受的定量特性的装置和方法。按照本发明，发明并开发了一种笔尖结构和被选用的书写表面材料，它通过模拟书写感受的各种参数，包括传统书写表面的书写阻力、弹性、声学特性、光滑度、甚至表面温暖程度和手的摩擦，达到非常接近于自然书写感受的程度。
按照本发明，使实际的或受电子跟踪和记录的书写感受模拟和感觉象自然书写感受，在本发明的一较佳实施例中，是将其模拟成用圆珠笔在纸上书写的感觉。从广义上看，本发明能用来合成和模拟其它的书写感受，诸如用毛毡或自来水笔在纸上书写、用铅笔在纸上书写、或在极少数情况下甚至用粉笔、蜡笔和画笔书写的感觉。
本发明是一种无墨水的，也就是非体力书写系统，它“感觉”象一支笔或其它在纸上书写的传统书写器具。这种书写系统在电子数字读出器平板和PDA’s领域具有特殊的意义。本发明的一个较佳实施例包括一可自由转动地安装于一承口内的硬质球体和一书写表面。该球体的直径在0.010”到0.250”的范围内。对实现相似于传统书写感受的感受较为重要的特性进行了定量，这些特性包括：
1.书写阻力：感觉象使一支笔在书写表面上移动的抗力。这等于将一支笔在书写表面上移动所需的力。
2.声响：书写器具使用时的声学特性。例如包括刮擦声、轻敲声和尖叫声。
3.弹性：垂直于书写表面的平面而测得的书写器具/书写表面的弹性。
4.表面温暖程度：表面(与手相靠)的热导率。
5.手的摩擦：手与书写表面之间的摩擦系数。
本发明与已有笔/笺系统的一个重要的区别特性在于该系统在定量特性化的多维书写性能空间中的位置。实际测试表明，已有电子系统没有落在一个在审美学上令人满意的自然书写所具有的定量测量范围内。在电子数字仪工业中有许多产品实例，它们无法实现用传统笔在纸笺上进行书写的触觉效果。
本发明的另一个目的是通过一种电子笔和一种或多种书写表面的材料来模拟用墨水圆珠笔在纸上书写的感觉(如在上述的多维空间中被定量的)。本发明还有一个目的在于，本发明中所使用的材料将提供可接受的较长的使用寿命，并且该发明是可以生产的。本发明的制造材料已经鉴定，能够实现长使用寿命的目的。
本发明独特具有的新颖性的各项特征将在后附的、形成本揭示一部分的权利要求中详细地指明。为了更好地理解本发明、其操作优点和通过它的使用所达到的特定目的，将参照附图和描述性的内容来示出本发明的较佳实施例。
                        附图简述
附图中：
图1是按照本发明的一非标记性书写器具的剖视示意图；
图2是图1中器具的笔尖的放大剖视图；
图3是与图1相似的、笔尖另一实施例的剖视图；
图4是按照本发明而使用的一种器具的侧视示意图；
图5是书写位移和阻力的关系曲线图，表示使用图4装置进行普通运作的结果；
图6是一幅二维散点图，它针对各种已有书写器具，包括标记性的和非标记性的器具，描绘出它们的平均书写阻力与阻力标准偏差的关系；
图7是与图6相似的、其它书写系统的书写阻力对标准偏差的散点图；
图8是用各种书写器具在三种不同表面上进行弹性测试的测试结果的柱线图；
图9是各种书写系统、包括本发明的非标记性书写系统的书写阻力对声学指标的散点图；
图10是与图9相似的、包括本发明在内的各种书写系统的摩擦系数对热导率的散点图；
图11是书写表面弹性测试结果的线图；
图12是与图1相似的、本发明一有源电子笔的剖视图；
图13是图12笔的非书写性笔尖的放大剖视图；
图14是包括本发明在内的各种书写系统在400到7000Hz范围内的平均声压级的柱线图；
图15是三种书写系统的声压级对频率的曲线图；
图16是与图15相似的、本发明和两种书写系统的声压级曲线图；
图17是包括本发明在内的各种书写系统在400到7000Hz范围内的平均声压对书写阻力的散点图。
较佳实施例的描述
按照本发明，对已有的台式电子数字读出器平板、个人数字式辅助设备(PDA’s)和许多在各种书写表面上进行书写的传统书写器具进行了主观测试。这些测试的结果表明，在数字读出器平板和PDA’s上进行书写不如传统的自然书写方式舒适。为了本揭示的目的，自然的书写或标记意味着用书写器具在书写表面上留下一标记或轨迹，诸如墨水轨迹或铅笔轨迹，其中书写器具留下了物质。术语“非标记性”书写是用来识别一实际的书写器具或系统，其细长的笔状结构是象传统的体力书写器具那样用手来持握的，并用自然书写操作在一个表面上移动，但它在该表面上不留痕迹。
主观测试的结果表明，受喜爱的书写方式之一是用圆珠笔在纸上书写。然而，这与用非标记性书写系统进行书写，尤其是用同数字读出器平板或PDA屏幕相结合使用的有源或无源笔进行书写时所感受到的感觉不一样。
本发明的一部分包括定量的方法论，进而是在使用一种非标记性书写器具或系统时，模拟一种在审美学上令人满意为特性的书写感受，例如是用笔在纸上进行书写这种感受。
按照本发明，较佳的非标记性书写器具如图1所示。该器具包括一根长度和直径与传统标记性器具相当的细长杆体10。杆体10可容纳用来形成一有源或无源、无线或有线的电子笔所需的任何装置。
总的由标号12来表示的非标记性笔尖设在杆体10的一端，如图2中可清楚地看出，该笔尖包括一个硬质材料的珠体或球体14，其直径最好是在0.010”到0.250”的范围内。笔尖球体14的一个实例具有1/8”(0.125”)的直径，它由铬钢制成。球体14保持于锁位承口16中，承口较佳地用黄铜制成，以便非标记性球体14的自由转动。承口16包括一圆筒形的壳套18，该壳套具有一夹持锥体20，并形成一个开口，球体14的一部分外表面通过该开口突出，以允许同书写表面相接触。球体14的后面安装有一黄铜顶头22。顶头22相对球体14的另一端用螺纹23来保持。
其它构造包括，将球体压入一塑性的“揿压配合”壳套的前端，或将其压入一黄铜(或其它金属)壳套的前端，然后通过弯边工序使球体容纳于壳套内。后面的工序与用来制造圆珠笔的传统工序类似。
除钢和黄铜以外的其它材料也可以使用，只要球体14在承口16中的滚动摩擦力足够小，从而允许球体在承口中滚动，并且不需要墨水或其它液体作为润滑剂。还必须注意，对球体和承口进行精心选材可实现一个特定的“阻力”，它直接相当于所需要的书写阻力。由于本发明的非标记性书写器具是在数字读出器平板、PDA’s的屏幕和其它电子仪器上使用的，因此必须小心地避免在屏幕上留下附着物或沉积物。这使得诸如墨水之类的标记物质不能被使用。虽然，只要液体或干态润滑剂不附着在书写表面上，可以使用它们，但是诸如油或滑脂之类的润滑物质也不希望使用。
壳套18前端的锥形面24与书写器具的轴线成一锐角，例如小于约45°，球体14的凸形外表面突出于锥体20足够程度，以允许书写器具的书写操作在一个传统的、合理的书写角度下进行。
图3示出了本发明的另一个实施例，它采用一个包住干的滚动球体28的壳套26。壳套26设置在一个器具外壳30内，并安装于一弹簧32上，该弹簧允许壳套26具有一个短行程。图3实施例的目的是通过使用一个压靠在非标记性球体28上的弹簧或偏压装置来模拟书写表面的弹性，而书写表面本身不具有这种弹性。为此，弹簧32的弹性相对较为刚硬，只允许壳套26略微朝后移动。
实现所需要的书写表面弹性的另一个也是较佳的机构，是采用一种所选用的书写表面材料。在使用图2所示没有弹簧加载的实施例时，发明人发现，较佳的表面材料是一种由康涅狄格州Rogers的Rogers公司生产的、在工业上称作“PORON”的多孔尿烷，更准确地是称作多孔尿烷No.4701-05-30031-1637。
滚动球体和书写表面的其它材料同样也在本发明的范围之内，它们在本文的后面列出。
使用图1-3的滚动球体构造，以及按照本发明的书写系统来选择书写表面材料的目的，是为本发明的非标记性系统模拟一定的参数，这些参数对于重现所希望的书写感觉是非常重要的。按照本发明，有五个参数具有重要的意义，即书写阻力、声响或声学性能、弹性、手的摩擦和表面温暖程度。在一个最佳的非标记性书写系统中，人们可以想象绘制于一五维空间中的这五个参数，该空间在这里称作书写性能感受空间。每个参数代表该模型中的一根轴。虽然所有这五个参数共同限定该空间，但不是所有这五个参数都必须被看出能模拟一个令人满意的书写感觉。而且，为了更好地理解这些参数的重要性，单独或成对地观察它们将是有益的。
图4示出一种用来定量参数之一，即书写阻力的器械。该装置包括一直线滚珠轴承滑块40，它用于降低沿直线滚珠花键轴42滑动的摩擦。滑块40上安装有一书写器具保持件44，它可绕水平轴转动。需要测试的书写器具50被牢固地夹持于保持件44，并能旋转成许多角度。为了进行测试，将该书写器具固定在一个垂直位置，垂直于书写表面46，书写器具50的笔尖52就在该表面上被拖动。图4中所示的书写器具50是处于一个与垂直线成20°的更自然的书写角度。滑块40通过一根单丝线62连接有一阻力测试机60，更具体地说是一台带200N载荷传感器的Zwick1445万用测试机，所述的单丝线先绕过滑轮64，然后连接于测试机的载荷传感器。书写器具50上作用有136克的向下的力，以将其压靠在书写表面46上。这与典型的书写压力相对应。典型的书写速度约为每分钟121”。但进行测试的最高速度是每分钟30”，与笔尖52在书写表面46上的直线移动相对应。收集了每分钟10”或30”书写速度的测试结果。
图5表示阻力测试操作的典型数据。为了导到一个书写阻力的单一值，对图5中曲线的中央部分，更准确地说是在10mm与90mm之间部分所记录的阻力值取平均值。因为在测试的开始和结束阶段累积的数据不具有代表性，所以去掉曲线的端部。对于图5所示的测试操作，可看出平均书写阻力为0.59牛顿(N)。图5表示由A.T.Cross公司制造的黑圆珠笔在一笺纸上书写的测试结果。
为了鉴别书写性能感受，检查了传统圆珠笔、滚珠笔和铅笔的特征。图6和7揭示了各种列出的书写系统书写阻力的测试结果。
将书写器具垂直地安装于Zwick测试器的夹头上来进行弹性测试。然后，使测试器在一个低速下移动，将书写器具垂直压到书写表面上，直到测得一个175克的力。而后，将测试器的方向反过来，并将该书写器具升离书写表面。
需要测量的是将书写器具推到书写表面上所需要的、单位距离的力。
这些测试器的速度为0.25英寸/分，只有一套测试是在0.75英寸/分的速度下进行的，以观察测试速度是否会影响结果。不太需要较高的速度，这是因为在测试一个较刚硬的表面时，测试机只能承受较少的样品。
图11示出了弹性测试的代表性数据。所示的曲线是对在纸笺上书写的A.T.Cross公司生产的圆珠笔再装品进行测试而得到的。所示的数据是在测试器的向下和向上运动过程中所获得的。由于这两种状况中的数据非常相似，因此可以判断，书写表面或书写器具上只产生很小的永久变形。
为了得到书写系统弹性的单一值，对弹性曲线的最直部分进行最合适直线的数学计算。根据看上去最直的部分来主观地决定曲线能被使用的部分。对于图11中的数据，较直部分是在1.20与1.35mm之间。这条线的斜度相当于也就是与弹性常数的单位相同。对于这个系统，该值为5.90N/mm。
图8表示传统的书写器具(ATX意思是A.T.Cross公司)和电子书写装置的弹性测试结果。在这些测试中，象上述另一个测试程序那样，书写器具被向下垂直地压到书写表面上。测量所需的力，并计算弹性常数。对若干传统的书写器具在两种不同的书写表面上进行测试。所使用的这两种表面是：A)在一传统的纸薄上的一张201b粘结纸(图8中的A)和B)在一块铝上的一张201b粘结纸(图8中的B)。该图示出，在纸笺上书写的所有传统书写器具所表现出的弹性在5-9N/mm的范围内，在铝块上书写的所有传统书写器具是在约25N/mm以上的一个更高范围内。C表示在计算机平板和PDA屏幕上书写的测试结果。最后标为“ATX发明”的一项是用装于黄铜壳套内的、A.T.Cross公司由1/8”直径红宝石球体制成的笔尖在PORON表面(#4701-05-30031-1637)上书写的测试结果。
对通用的数字读出器产品、个人数字辅助装置和台式(laptop)计算机的阻力、声学和弹性特性进行了测量。这些数据点示于图6和7中。已有产品中没有一种是同时落在传统书写器具的阻力和声学范围内。大多数已有产品还落在传统书写器具的弹性范围以外。
图9在一个二维的散点图上，示出了本发明(D)和传统书写器具(E)的阻力和声学特性的测量结果。如用图4装置进行的测试程序那样，将垂直定向的笔在书写表面上拖动的情况下测量阻力。使用了两种不同的传统书写表面。声学特性的测试程序将在下面进行描述。可以看出，非铅笔的传统书写器具的阻力是在0.4到0.7N的范围内。而铅笔的阻力落在了该范围之外的0.2到0.4N的较低阻力范围之内。所有系统产生的声压级是在15到35dB的范围内。
图9还示出了本发明的这些特性的位置(D)。本发明的这些特性落在传统书写器具的特性范围内。圆珠笔的位置在E。
图10是书写表面的热导率对摩擦系数的二维散点图。高热导率意味着表面易于传递热量，手将有冷感  高摩擦系数将使手不易于在表面上滑动。图中显示了已有的数字读出器产品、本发明(F)、一种传统纸笺(G)和其它材料的书写表面。可以看出，与传统纸笺处于相同范围内的材料不多。大多数已有产品的表面手摩擦系数相当低，而热导率却比纸笺的高—它们感觉更冷和更光滑。对具有高热导率的许多材料进行了分析。与已有产品相比，本发明表面的热导率和传统书写表面的更为接近。同样，大多数已有产品的摩擦系数也不同。
在本发明的开发过程中，曾试用过其它的材料和构造规格。表1列出了一些被认为是不适合用作该笔的书写表面的材料以及PORON材料和纸的测试结果。
                                           表1
                                         材料性能
材料          硬度       热导率               摩擦系数μ       评价
        静         动
泡沫硅酮1/16”
混合海绵橡胶(较硬)1/8”     55-65   0     1.14    0   1.09   0
白布纳N 1/16”     55-65
标准丁苯橡胶1/16”     70-80
天然胶乳0.040     35-45    -    0.136 -     ＞2    +   ＞2   + 低硬度
中硬硅酮橡胶1/32”     50    -   -     ＞2   ＞2   +
硬硅酮橡胶1/32”     70    0    0.452   - 高硬度
纯胶橡胶1/16”     30-40    -    0.191   -    ＞2    +   ＞2   + 高硬度
FDA氯丁橡胶     50-60    0 -    1.87 +   1.52   + 高摩擦系数和高硬度
FAD乙烯基/亚硝酸盐1/32”     65-75    0 -    ＞2    +   ＞2   + 高硬度
中硬布纳N 1/32”     45-55    0   -    +   + 高摩擦系数
较硬布纳N 1/32”     55-65    -   -
硬布纳N 1/32”     65-75    -    0.259 -    ＞2    +   ＞2   + 高摩擦系数和高硬度
EPDM橡胶1/32”     55-65    0   -    ＞2    +   ＞2   +
丁基橡胶1/16”     55-65    0   -    ＞2    +   ＞2   + 高摩擦系数
较硬氯丁橡胶1/16”     55-65    0   -    ＞2    +   ＞2   + 高摩擦系数
硬氯丁橡胶1/16”     65-75    0    0.306   -    1.57    +   1.47   + 高硬度低表面温暖程度
弹性氯丁橡胶1/16”     65-75    0   -    +   + 高硬度低表面温暖程度
Hypalon橡胶1/16”     60-70    0    0.282   - 低表面温暖程度
Poron    0    0.099   0    0.2    0   0.18   0
    0
纸   0   0.097   0   0.19   0   0.15   0
玻璃
聚酯薄膜
Kurta笔式鼠标   0.142   -   0.15   0   0.13   0
Kurta XGT   0.167   -   0.15   0.14
BellSouth Simon -   0.15   0.14
CalComp绘图板   -   0.17   0   0.14   0
Compaq concorto   -   0.12   0.11
Santoprene 203-50   0   0.164   -   0.37   0   0.33   0
Santoprene 201-80   0   0.168   -   0.58   +   0.55   +
在摩擦系数这项下，符号表示：+＝过高；0＝良好；-＝过低。
PORON材料的静摩擦系数为0.20，动摩擦系数为0.18，与纸(静摩擦系数为0.19，动摩擦系数为0.15)相近。除了某些Kurta和其它数字读出器平板，其它一些材料的摩擦系数至少要大一个数量级。与纸和PORON相比，数字读出器平板的热性能较弱，但摩擦系数(用滑块而不是用人手来测量，它是为表1进行模拟的性能)相当低。天然乳胶橡胶的热导率比数字读出器平板的稍低，但仍不如PORON那样接近纸笺。理想的摩擦系数和热导率应该模拟手在纸上滑动，但数字读出器没有那种感觉，而PORON有。
表1中的材料相对不锈钢的摩擦系数，是用根据美国材料试验学会(ASTM)D1894-93的程序来确定的。
不锈钢滑块是一块1.84”长(与拉力方向平行的轴线)×1.41”宽×0.46”厚的底侧磨光的不锈钢块。滑块的重量为156克。该滑块用单丝线通过一个象图4中那样的滑轮而连接于装有200N载荷传感器的Zwick1445万用测试机的十字头。该滑块所在的拖动表面是由用双面胶带连接于铝底板上的1/4”胶质玻璃片构成。各种不同的测试表面用双面胶带或透明胶带连接于胶质玻璃片上。用Zwick测试机以0.5英尺/分的速度将该钢块在测试表面上拖动2英寸(50mm)的距离。
程序：
1.用双面胶带或透明胶带将需要测试的表面安装于胶质玻璃片上。
2.用酒精清洗需要测试的表面，并让其变干。
3.用酒精清洗钢滑块的底面，并让其变干。
4.将滑块与测试表面相接触，使得单丝线上保持一定的松弛。
5.启动十字头。
6.将步骤4-5重复两次。
根据实验数据来计算静摩擦系数和动摩擦系数。在进行的所有测试中，可以发现，静摩擦系数始终大于或等于动摩擦系数。因此，为确定静摩擦系数，使用拉动滑块的最大力。用该最大力除以滑块重量就得到该摩擦系数。
动摩擦系数可通过对在初始最大力(如果有的话)后的稳定阶段内所测得的力的数据取平均值而得到。该平均值除以滑块重量就得到动摩擦系数。
在测试许多干净的橡胶材料时所测得的摩擦系数比其它的一些材料高得多。清洗操作显著改变了这些橡胶的摩擦行为。在进行清洗后，测得一个非常高的摩擦系数，几乎为粘附。在正常的使用中，这些材料的表面通常会覆上、灰尘、污垢、手指的油脂等等，这将大大减弱这种粘附效果。然而，这些材料的干净状态和脏状态之间的不同之处，以及它们较高的干净摩擦，使得它们不适合用作工作表面。
但是，在为一种PDA选择书写表面时，主要考虑的是对液晶显示屏(LCD)或其它显示屏的光学的透明度。由于这些屏幕尺寸较小，手不会在屏幕上滑动。书写感觉无需具有热性能和手部摩擦性能，但必须具有书写阻力性能，并应具有声响性能。这可以通过在屏幕上涂一层透明聚氨酯弹性体或透明硅酮弹性体来实现。在厚度足够的情况下，也可以实现纸的弹性。
这样，按照本发明，对于一种选定的自然书写操作，诸如用圆珠笔在纸上书写，通过选择笔尖和书写表面的结构和材料，使它们的诸特性落在与所选定的自然书写操作的相应特性相同的范围内，从而实现对它们的模拟。
对一种非滚动式球体构造进行了测试，发现它在本发明所需要的弹性书写表面上产生太大的阻力。
通过采用一种定量和定向方法，本发明的研究和开发已经得出所揭示的、将材料与笔结构的结合，它可以非常接近地模拟一种高品质的、传统的、用圆珠笔进行书写的感受。在这些定量参数的基础上，本发明与已有的产品不同，并在它们之上作了改进。
能产生所需特性的是笔尖或器具尖端与书写表面之间的相互作用。因此，所允许的变化形式可以包括产生特性的特征在尖端部和表面之间的转移。
例如，在图2的实施例中，弹性特性完全由柔性书写表面产生。还应注意，随着笔尖和柔性书写表面之间接触面的增大和减小，该书写表面的柔度可能分别需要增大或减小，以保持弹性在目标范围内(例如，较小的球体需要弹性较小的书写表面)。在图3的实施例中，在笔尖组件的后面设置有一柔性件32，可使用一弹性较小的书写表面。另一种不同的实施例可以在笔中设置部分柔度，在书写表面上设置部分柔度，或是两者相结合。
本发明的特征在于它与一高品质的传统书写感受的特性可定量的相似性。比例或成分上的变化可产生一个位于与一高品质体力书写系统在性能空间的相同范围内的相似系统，这种变化应包含在本发明的范围内。具体的实例包括：球体直径的变化、笔尖壳套材料或球体材料的变化以及球体承口和保持件的替代几何结构。
本发明的较佳实施例模拟了用圆珠笔在纸笺上书写的感受。其它实施例可使用另外的材料来模拟其它的书写感受，诸如用铅笔在纸上书写、用蜡笔在纸上书写，等等。例如，可以通过为球体或球体壳套选择一种摩擦系数较高的材料，来增加书写阻力。这也可以通过改变球体承口的几何结构或尺寸来实现。
承口材料可以是DELRIN(杜邦公司用在一种乙缩醛树脂上的商标)或一种类似的光滑塑料。其它不同的材料可根据与一种电磁式数字化垫板相容性、制造的难易程度、成本或其它原因，在本技术领域的技术人员的知识范围内进行选择。
本发明比先前的实践感觉更象用高品质笔进行书写。它能可靠而适当地模拟用高品质墨水书写系统进行书写的感受。
由于高品质书写感受的诸参数已被指明、定量和用来形成本发明，因此，这非常适合于生产优化和工艺控制。
本发明的另一个优点在于，任何一种书写和绘图系统(例如，自来水笔、画笔、铅笔，等等)均能被测量，然后进行模拟。
本发明还有一个优点在于，它比先前系统具有更长、更为一致的使用寿命。已有的笔容易磨坏。由于这种特性众所周知，因此，实际上它们是与替换的笔尖一起发货的。当它们磨损时，笔的书写特性也随之而改变。
图1-3实施例的另一个特性在于，球体的直径显著地小于书写器具的杆体，例如，球体的直径最大应约为1/4英寸。采用一种轴向对称的书写器具，包括杆体和球体，这也是有利的，但偏置和倾斜的器具同样也是本发明的一部分。另外，尽管杆体制成圆柱体是有利的，但这并不是对本发明的一种限制，因为书写器具的杆体可采取各种不同的人机配合形状。而且，球体可以在器具的轴线上，也可以偏离于器具的轴线。
声学测试过程按如下方式进行：
在一消声室内对几个不同的书写系统进行定量的声压级测量。将一个Bruel和Kjaer型的1/2”电容式传声器置于离书写器具和书写表面的接触点约4英寸处。用Bruel和Kjaer型2032 FFT分析仪产生一个持续约30秒钟时间的平均狭窄频谱。
首先，比较两个不同的书写形式：连续的签名与连续地画8字形。这两种测试均在一1/4”厚的201b纸的纸笺上使用A.T.Cross公司的圆珠笔来进行。8字形操作产生的频谱基本上与连续签名的频谱相同。因此，将8字法选作标准声源，因为它能在一个较小的区域内进行较多的书写。这种特征对于测试一些具有小书写表面的书写平板来说很重要。在测试中，将书写器具于各8字形书写之间抬起，然后再压到书写表面上。这样做是为了模拟正常的书写中单词与单词之间书写器具的提起。
声学数据是时间和频率的函数。当被平均到30秒钟的时间窗口上时，该数据就被转变为频率的函数。人的听觉系统不会对所有频率的声响起反应。在安静到适度的声压级的情况下，耳朵对10000Hz以上的频率是不太敏感的，同样，对于低频声响也不太敏感。
比较声学数据的方法有很多。对于本专利申请，选用其中的两种。第一种是对某些有意义的书写系统的平均频谱进行直接比较。第二种是比较400-7000Hz频率范围内的声压级的平均值。虽然第二种结果中所产生的单一数值更容易操作和比较，但它们不能准确地表征声响。这就是为什么还要进行频谱的直接比较，从而可以比较诸特定噪声的频谱内容。
图14是在400-7000Hz的范围内不同书写系统的平均声压级的柱线图，在安静到适度的声压级的情况下，人对这一频率范围最为敏感。该图示出，本发明的平均声压级大致与圆珠笔在纸笺上发出的相同。Kurta XGT比圆珠笔在纸笺上发出的声音响9.5dB，正确预计的话，声压级上升10dB所产生的声响感觉起来要响两倍。
除了平均声压级，还应分析声谱。图15示出了一种圆珠笔、Kurta笔式鼠标和Kurta XGT的声谱。在1500-3800Hz的范围内，Kurta XGT的声音比圆珠笔的响。在6000Hz处，XGT的声谱出现峰值。
将本发明、Kurta XGT和圆珠笔的声谱在图16中进行比较。在图中可以看出，在2000-4000Hz的范围内，本发明的声压级基本上与圆珠笔的相同，而Kurta XGT在这一范围内则较高。在2000Hz以下，本发明比圆珠笔的声音更轻，而Kurta XGT与圆珠笔大致相同。在6000Hz处附近，Kurta XGT声谱出现一个显著的峰值。这在圆珠笔和本发明的声谱中是没有的。由于诸如这种峰值之类的声谱特征，平均声音级可能无法如实地表明Kurta XGT与圆珠笔的感觉声响之间的不同。
图17是阻力与在400-3000Hz之间的平均声压级的图形。从图中可以看出，本发明的声音比ATX圆珠笔的小，其书写阻力也略小，Kurta XGT的声音较大，而书写阻力相近。
在图17中，优质书写感受区限定为0.4N-0.7N的书写阻力之间和400-7000Hz的平均声压级在22dB以下。没有一种已有的电子书写系统是落在该区域以内。而本发明是在这个区域内。
参照图12和13，本发明的另一个实施例是一有源电子笔，其本体70的前端与后端用螺纹连接在一起，用来夹持一节电池72，该电池驱动电子线路74，这些都属于已有的设计。本发明的非书写性笔尖78连接于一接触开关76，该开关在非书写性笔尖接触到书写表面时驱动线路74。一线圈或其它电子元件80也连接于电子线路74，用来同一个与非书写性器具相结合使用的电子装置发生相互作用。
如图13所示，开关76的圆柱杆75带有本发明的壳套82，该壳套形成一个带四个钩爪的保持外套84，它围住一个干的、滚动的硬质球体76，使其在一书写表面上滚动，而不在该书写表面上标记。
在某些类型的电子笔中，特别是在以电磁发射为基础的笔中，需要使笔尖附近的电感线圈受到数字化垫板内的感应线路的磁性影响。而且，笔尖不应对由电感线圈所产生的磁场的形状有不良的影响。这就限制了可用于笔尖的材料和材料的结构。
在A.T.Cross公司已经示范了一个较佳实施例的器具，它被综合成一种电磁式笔(根据Kurta KCP4数字读出器的电子线路)。已被证明，本发明所使用的几何结构和材料是符合Kurta电磁式笔的性能要求的。Kurta KCP4电磁式笔装有一由黄铜壳套和1/8”直径的不锈钢球体构成的笔尖。这种笔在一种涂有0.031”的PORON的Kurta笔式鼠标数字读出器平板上可以很好的工作。该笔与典型的笔应用软件(如Fractal Design Dabbler、Microsoft Paintbrush)中的各项功能没有发现有任何问题。
此外，可以认为，这些笔的设计概念可以很容易地延伸到其它的电磁技术(例如Wacom、Calcomp、Summagraphics)，以及静电技术(例如Scriptel)。
尽管已经详细地示出和描述了本发明的具体实施例，以说明本发明原理的应用，但可以理解的是，本发明可以在不脱离这些原理的情况下以另外的方式实施。
图6
Figure A9619227600201
图7图9
●ATX圆珠笔—纸笺■ATX圆珠笔—硬表面*ATX铅笔—纸笺●ATX铅笔—硬表面-Apple Newton◇KurtaXGT▲Kurta笔式鼠标□Calcomp绘图板○本发明
图10图17

Claims (46)

1.一种非标记性的书写系统，它模拟一种选定的、具有书写阻力、声响、弹性和热导率的特性范围的体力书写系统，该非标记性书写系统包括：
一非标记性书写器具，它具有一带相对端的细长杆体；
一连接于杆体一端的非标记性尖端部，用于抵靠和移动于一书写表面；
一供尖端部在上面移动，以在一实际书写阻力下进行非标记性书写的书写表面；
该尖端部由选定的材料构造和制成，该书写表面由选定的材料制成，以使得实际书写阻力落在选定的体力书写系统的书写阻力特性范围内。
2.如权利要求1所述的书写系统，其特征在于，尖端部在书写表面上的移动产生声响，该系统包括尖端部和书写表面所选择的结构和材料，使得该声响落在选定的体力书写系统的声响特性范围内。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，尖端部由选定的材料构造和制成，书写表面由选定的材料制成，使得尖端部在书写过程中抵靠于书写表面的实际弹性落在选定的体力书写系统的弹性特性范围内。
4.如权利要求1所述的书写系统，其特征在于，书写表面的材料具有一个实际热导率，该热导率是经选择而落在选定的体力书写系统的热导率特性范围内。
5.如权利要求1所述的书写系统，其特征在于，该尖端部包括一壳套，该壳套在杆体的一端处具有一开口端，在杆体的一端处安装有一可在壳套中滚动的干球体。
6.如权利要求5所述的书写系统，其特征在于，该球体的直径最大约为1/4英寸。
7.如权利要求6所述的书写系统，其特征在于，该杆体是轴向对称的。
8.如权利要求7所述的书写系统，其特征在于，该杆体具有一条轴线，球体设置在该轴线上。
9.如权利要求5所述的书写系统，其特征在于，该球体由硬质光滑材料制成，壳套由较软的光滑材料制成，使得球体在没有润滑的情况下在该壳套中低摩擦地滚动。
10.如权利要求5所述的书写系统，其特征在于，包括一安装于壳套和杆体之间的弹簧，以形成尖端部抵靠书写表面的弹性。
11.如权利要求5所述的书写系统，其特征在于，该球体的直径是在0.010”到0.250”之间。
12.如权利要求1所述的书写系统，其特征在于，该实际书写阻力约在0.4到0.7N的范围内。
13.如权利要求12所述的书写系统，其特征在于，尖端部和书写表面的结构和材料选为具有从约5到约9N/mm的实际弹性。
14.如权利要求13所述的书写系统，其特征在于，尖端部和书写表面的结构和材料选择成使得尖端部在书写表面上移动时所产生的实际声响在约400到7000Hz之间的频率下是低于约22dB。
15.如权利要求1所述的书写系统，其特征在于，该书写表面由透明材料制成。
16.如权利要求15所述的书写系统，其特征在于，该透明材料是一种在计算机屏幕上的、适合于在上面书写的涂层。
17.如权利要求16所述的书写系统，其特征在于，该涂层的材料是从一组包括聚氨酯和硅酮弹性体的材料中选出。
18.如权利要求1所述的书写系统，其特征在于，该尖端部包括一壳套和一在该壳套中滚动从而在书写表面上滚动的球体，该壳套的材料是从一组包括黄铜和DELRIN的材料中选出，球体的材料是从一组包括钢、半贵重石料、硬质塑料和陶瓷的材料中选出，壳套没有墨水，球体无润滑地直接靠在壳套上滚动。
19.一种非标记性的书写系统，它模拟一种选定的、具有书写阻力、声响的特性范围的体力书写系统，该非标记性书写系统包括：
一带有相对端的细长杆体；
一连接于杆体一端的非标记性尖端部，用于抵靠和移动于一书写表面；
该书写器具由选定的材料构造和制成，以使得由该尖端部在一书写表面移动所产生的实际书写阻力落在选定的体力书写系统的书写阻力特性范围内。
20.如权利要求19所述的书写系统，其特征在于，尖端部的结构和材料选择成使该尖端部产生的声响特性范围落在选定的书写器具的声响特性范围内。
21.如权利要求20所述的书写系统，其特征在于，该尖端部包括一壳套，该壳套在杆体的一端处具有一开口端，在杆体的一端处安装有一可在壳套中滚动的于球体。
22.如权利要求21所述的书写系统，其特征在于，该球体的直径最大约为1/4英寸。
23.如权利要求22所述的书写系统，其特征在于，该杆体是轴向对称的。
24.如权利要求23所述的书写系统，其特征在于，该杆体具有一条轴线，球体设置在该轴线上。
25.如权利要求21所述的书写系统，其特征在于，该球体由硬质光滑材料制成，壳套由较软的光滑材料制成，使得球体在没有润滑的情况下在该壳套中低摩擦地滚动。
26.如权利要求21所述的书写系统，其特征在于，包括一安装于壳套和杆体之间的弹簧，以形成尖端部抵靠书写表面的弹性。
27.如权利要求21所述的书写系统，其特征在于，该球体的直径是在0.010”到0.250”之间。
28.如权利要求19所述的书写系统，其特征在于，该实际书写阻力约在0.4到0.7N的范围内。
29.如权利要求21所述的书写系统，其特征在于，该尖端部包括一壳套和一在壳套滚动从而在书写表面上滚动的球体，该壳套的材料是从一组包括黄铜和DELRIN的材料中选出，球体的材料是从一组包括钢、半贵重石料、硬质塑料和陶瓷的材料中选出，壳套没有墨水，球体无润滑地直接靠在壳套上滚动。
30.在用一种非标记性书写系统进行书写的同时，模拟选定的体力书写系统的感觉的一种方法，包括：
提供一种具有一细长杆体的非标记性书写器具，杆体的一端连接有一非标记性尖端部；
提供一种供尖端部在上面移动，以在一实际书写阻力下进行非标记性书写的书写表面；
测量该实际书写阻力；
选择尖端部和书写表面的结构和材料，使得该实际书写阻力落在选定的体力书写系统的书写阻力特性范围内。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，包括选择尖端部和书写表面的结构和形状，使得所产生的声响落在选定的书写系统所产生的声响特性范围内。
32.如权利要求30所述的方法，其特征在于，包括将书写阻力选择成落在约0.4N到约0.7N的范围内。
33.如权利要求30所述的方法，其特征在于，包括将尖端部在书写表面上的实际弹性选择成落在选定的体力书写系统的弹性特性范围内。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，将实际弹性选择成在约5到约9N/mm的范围内。
35.如权利要求30所述的方法，其特征在于，包括形成尖端部，使它包括：一壳套，该壳套在杆体的一端处具有一开口端，在杆体的一端处安装有一可在壳套中滚动的干球体。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，该球体的直径最大约为1/4”英寸。
37.如权利要求36所述的书写系统，其特征在于，该杆体是轴向对称的。
38.如权利要求37所述的书写系统，其特征在于，该杆体具有一条轴线，球体设置在该轴线上。
39.如权利要求35所述的书写系统，其特征在于，该球体由硬质光滑材料制成，壳套由较软的光滑材料制成，使得球体在没有润滑的情况下在该壳套中低摩擦地滚动。
40.如权利要求35所述的书写系统，其特征在于，包括一安装于壳套和杆体之间的弹簧，以形成尖端部抵靠书写表面的弹性。
41.如权利要求35所述的书写系统，其特征在于，该球体的直径是在0.010”到0.250”之间。
42.如权利要求35所述的书写系统，其特征在于，该实际书写阻力在约0.4到约0.7N的范围内。
43.如权利要求42所述的书写系统，其特征在于，尖端部和书写表面的结构和材料选为具有从约5到约9N/mm的实际弹性。
44.如权利要求30所述的方法，其特征在于，包括选择书写表面呈透明。
45.如权利要求44所述的方法，其特征在于，包括将书写表面作为一种在计算机屏幕上的、适合于用非标记性书写器具在上面书写的透明涂层来涂覆。
46.如权利要求45所述的书写系统，其特征在于，从一组包括聚氨酯和硅酮弹性体的材料中选择该涂层。
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