БЕСПРОВОДНОЙ СТИЛУС ДЛЯ ИЗОЛИРОВАННОГО ОТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ УСТРОЙСТВА ВВОДА И ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА И ИЗОЛИРОВАННОЕ ОТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ УСТРОЙСТВО ВВОДА И ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА (ВАРИАНТЫ)
WIRELESS STYLUS FOR ENVIRONMENTALLY ISOLATED INFORMATION INPUT AND DISPLAY DEVICE BASED ON ELECTROMAGNETIC RESONANCE AND ENVIRONMENTALLY ISOLATED INFORMATION INPUT AND DISPLAY DEVICE BASED ON ELECTROMAGNETIC RESONANCE (OPTIONS)

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Изобретение в общем относится к устройствам ввода и отображения информации и, в частности, к устройствам, используемым в условиях, где необходима изоляция некоторых частей устройства от окружающей среды, например, под водой.
Такие устройства используют в том числе для осуществления различных записей, текстов, рисунков, а также отображения изображений и другой визуально воспринимаемой информации, взаимодействия с различными приложениями, предварительно загруженными в память устройства.
При ведении подводной деятельности у дайверов и подводных исследователей зачастую возникает необходимость в осуществлении записей (например, записать профиль погружения, параметры и условия погружения), рисовании (например, схемы места погружения), а также работе со специальными приложениями, предварительно загруженными в память подводных устройств (например, навигационные карты, приложения по управлению подводными дронами и т.д.).
При этом в общем для целей ввода и отображения информации наиболее эффективными считаются устройства, имеющие сенсорный экран на основе резистивной или емкостной технологии, который, однако, является непригодным для использования под водой. Если сенсорное устройство содержит резистивный сенсорный экран, имеющий гибкий верхний слой, то ошибочные сигналы могут быть вызваны сдавливанием верхнего слоя экрана по направлению к внутреннему слою из-за давления, вызывая, таким образом, электрический ток, протекающий между слоями. Обычно такой резистивный экран перестает работать на глубине 10-15 метров, либо еще меньше. В случае, если сенсорное устройство содержит емкостный сенсорный экран, то ошибочные сигналы могут быть вызваны электрическим зарядом слоя воды, прилегающего к сенсорному экрану. В обоих случаях использование устройства с сенсорным экраном под водой затруднено или даже невозможно.
Для решения этих проблем устройства с сенсорным экраном помещают в жесткий водонепроницаемый корпус или гибкую водонепроницаемую оболочку. Однако, если используется гибкая оболочка, то под водой давление может прижать оболочку к чувствительной к прикосновению поверхности экрана и генерировать ошибочные сигналы. Если используется жесткий корпус, экран с сенсорной панелью может быть виден, но к сенсорному слою нельзя получить доступ через жесткий корпус, даже если он прозрачный, и, соответственно, является невозможным осуществить ввод необходимой информации.
Существуют известные решения, в которых используется мембрана, размещаемая поверх сенсорного экрана, внутренняя часть которой заполнена диэлектрической жидкостью (например, гелем). Принцип работы такого решения заключается в том, что продавливая верхний слой гибкой мембраны, осуществляется касание сенсорного слоя экрана нижней частью мембраны, таким образом сенсорная панель может регистрировать касание. Однако, такое решение имеет существенные недостатки. В частности, ввод информации через мембрану не является в достаточной степени точным, поскольку мембрана создает дополнительную площадь касания с сенсорной поверхностью экрана, что не позволяет в ряде случаев управлять устройством с мелкими иконками. Другим недостатком является уязвимость устройства, поскольку гибкая мембрана не может выполнять функцию защиты экрана и может быть повреждена острыми предметами.
Таким образом, представляется более функциональным использование устройств, в которых ввод информации осуществляется посредством стилуса, а экран надежно защищен специальным защитным стеклом.
Известно электронное мобильное устройство для записи под водой по патенту США 5956291 публ. 1999 г., в котором раскрыто устройство, содержащее водонепроницаемый корпус, встроенный подводный компьютер, цифровую камеру, локатор судов, систему воспроизведения звука, экран, пассивную электромагнитную ручку, модуль беспроводной передачи информации на другие устройства. Введение информации осуществляется за счет использования цифровой электромагнитной ручки с последующей обработкой цифрового сигнала и преобразования его в изображения, демонстрируемые на экране.
В данной публикации подробно не раскрыта конструкция электромагнитной ручки, а лишь указано, что такая ручка соединена с устройством проводом посредством штепсельного соединения и модифицирована для работы под водой на глубине, например, ручка вместе с наконечником заключены в водонепроницаемый корпус и покрыты слоем силиконового геля.
Недостатком данного технического решения является наличие внешнего источника питания, располагаемого на грузовом поясе дайвера, что сковывает движения и ограничивает использование (например, нельзя оперативно передать такое устройство другому дайверу под водой). Другим недостатком является необходимость соединения цифровой электромагнитной ручки с устройством, что ограничивает работу с электромагнитной ручкой (провод может зацепиться за элементы снаряжения дайвера; при повреждении провода стилус теряет работоспособность). Еще одним недостатком является низкая чувствительность стилуса к степени нажатия на наконечник, поскольку последний заключен в корпус и, очевидно, находится в статичном состоянии.
Вместе с тем, известны устройства, работающие на принципе электромагнитного резонанса, в которых стилус не требует подсоединения к устройству проводом, а источник питания размещен непосредственно в самом устройстве. При этом такой стилус имеет высокую степень чувствительности за счет обеспечения возможности перемещения наконечника внутри корпуса стилуса и взаимодействия с компонентами стилуса. Например, таким устройством является графический планшет WACOM ONE https://www.wacom.com/en-de/products/pen-displays/wacom-one#Specifications. Данное устройство позволяет вводить информацию посредством специального беспроводного стилуса. Также такие стилусы именуются пером, сенсорным пером или электромагнитным пером.
Основными компонентами такого устройства являются корпус, расположенные в корпусе жидкокристаллический экран, под которым размещен индуктивный сенсорный узел, содержащий обычно выполненные печатным способом катушки индуктивности, микроконтроллер и другие электронные компоненты, необходимые для обеспечения работы экрана и индуктивного сенсорного узла, и электрически соединенные с ними, источник питания (аккумуляторная батарея), а также беспроводной стилус, в котором находится настроенный в резонанс с индуктивным сенсорным узлом колебательный контур. Дополнительно, для целей обеспечения возможности ввода информации пальцем, устройство может иметь емкостную сенсорную панель, выполненную на базе емкостной технологии и размещенную поверх экрана.
Преимущество использования таких планшетов с экранами и сенсорными панелями на основе электромагнитного резонанса, заключается в том, что они обеспечивают очень высокую точность определения местоположения стилуса, а, следовательно, высокую точность ввода данных.
Суть данной технологии заключается в следующем. Под экраном (например, жидкокристаллическим или на основе электронных чернил), служащим главным образом для отображения информации, размещается индуктивный сенсорный узел, содержащий выполненные печатным способом катушки индуктивности. При подаче переменного напряжения катушки формируют на поверхности экрана электромагнитное поле. В качестве указателя используется стилус, в котором находится настроенный в резонанс с индуктивным сенсорным узлом колебательный контур. При поднесении стилуса к экрану этот контур модулирует электромагнитное поле, изменяя индуктивность расположенных под экраном печатных катушек индуктивности. Причем, чем ближе катушка индуктивности панели к колебательному контуру стилуса, тем значительнее изменение ее индуктивности. Микроконтроллер фиксирует параметры катушек индуктивности и вычисляет положение стилуса. Стилус не имеет собственного источника питания, однако не просто отражает полученную вследствие резонанса энергию, а формирует с ее помощью ответный сигнал, в том числе передающий информацию от помещенных в стилус дополнительных датчиков (при их наличии в конкретном стилусе) о его наклоне, типе наконечника, силе нажима и других параметрах, необходимых для создания на экране изображения высокого качества. Поскольку возникновение электромагнитного резонанса не требует непосредственного контакта между резонирующим стилусом и рабочей поверхностью исходного поля, сенсорная панель может быть помещена за экраном, что устраняет ее негативное влияние на качество изображения. Таким образом, данная конструкция позволяет отслеживать местоположение стилуса даже в том случае, когда его наконечник находится на расстоянии до 2 см от экрана. Чем ближе стилус к экрану, тем сильнее модуляция исходного поля, которая и несет информацию о месте и характере контакта.
В известных планшетах на основе электромагнитного резонанса стилус включает в себя полый корпус, наконечник, который установлен с возможностью перемещения во внутреннем пространстве корпуса стилуса, колебательный LC контур, включающий, по меньшей мере, катушку индуктивности-L с ферритовым сердечником и конденсатор-C.
Для обеспечения взаимодействия стилуса с индуктивным сенсорным узлом необходимо, чтобы колебательный контур стилуса был настроен с этим узлом в режим электромагнитного резонанса. При этом необходимо обеспечить возможность изменения резонансной частоты колебательного контура стилуса для того, чтобы микроконтроллер планшета мог регистрировать разные события в зависимости от частоты ответного сигнала стилуса.
Таким образом, основными компонентами колебательного контура стилуса являются катушка индуктивности и конденсатор. Катушка индуктивности обеспечивает взаимодействие стилуса с планшетом, в том числе позиционирование курсора и питание схемы. При этом изменение частоты колебательного контура может осуществляться изменением таких параметров как емкость конденсатора, индуктивность катушки индуктивности или сопротивление (например, резистора при его наличии) в электрической цепи колебательного контура.
В известных устройствах с сенсорной панелью на основе электромагнитного резонанса стилусы не являются защищенными от попадания внутрь воды и не могут использоваться под водой, поскольку контакт с водой неизбежно приведет к короткому замыканию и утрате стилусом работоспособности. Вместе с тем, отсутствует готовое решение, позволяющее приспособить использование таких стилусов под водой для целей ввода информации, в том числе, позволяющих обеспечить его герметичность, сохраняя, при этом, подвижность компонентов колебательного контура, что необходимо для изменения резонирующей частоты.
Также известно, что в основном подводные устройства включаются при помощи герметичной механической кнопки, содержащей пружину. Подобные кнопки на глубине 60 метров и более могут не обеспечивать надлежащего функционирования ввиду высокого давления воды, которое приводит к залипанию таких кнопок. Частично, проблема решается за счет установки более жесткой пружины. Однако, установка более жесткой пружины приводит к необходимости применять больше усилия для нажатия кнопки, а кроме того, в любом случае не исключает залипание. Кроме того, такие кнопки требуют регулярного обслуживания, и существует необходимость их разбирать и смазывать уплотнительное кольцо штока кнопки, отвечающее за герметичность этого узла.
Таким образом, существует потребность в создании надежного устройства ввода и отображения информации, которое может быть использовано в условиях, где необходима изоляция некоторых частей устройства от окружающей среды, например, под водой, с экраном и сенсорной панелью, позволяющего вводить и визуально воспринимать данные на экране в экстремальных условиях, например под водой, обеспечивающего высокую точность ввода данных при работе с экраном в этих условиях, а также обеспечивающего надежную защиту экрана.
Также существует необходимость в создании стилуса для такого устройства, который может использоваться в чрезвычайно экстремальных условиях, например, глубоко под водой для ввода информации в устройство.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью изобретения является создание устройства ввода и отображения информации, которое за счет надежной защиты экрана и размещенных в корпусе устройства электронных и других компонентов от окружающей среды позволяет использовать в нем принцип электромагнитного резонанса в экстремальных условиях, например, под водой.
Следующей целью изобретения является создание устройства, позволяющего вводить информацию и визуально воспринимать информацию на экране в экстремальных условиях, например, под водой.
Еще одной целью изобретения является создание устройства, в котором обеспечена возможность его включения и выключения бесконтактным способом в этих условиях.
Еще одной целью изобретения является создание устройства, в котором обеспечена повышенная точность ввода данных при работе с экраном в экстремальных условиях.
Следующей целью изобретения является создание беспроводного стилуса для данного устройства ввода и отображения информации, который за счет надежной защиты размещенных в корпусе стилуса электронных и других компонентов от окружающей среды позволяет использовать в нем принцип электромагнитного резонанса в экстремальных условиях, например, под водой, тем самым позволяет обеспечивать точный ввод данных при работе с устройством в этих условиях.
Технический результат изобретения состоит в том, что удалось успешно использовать для ввода и отображения информации в экстремальных условиях, например, под водой, устройство с экраном и сенсорной панелью на основе электромагнитного резонанса, а также обеспечить бесконтактное включение и выключение такого устройства.
Согласно одному аспекту изобретения предложен беспроводной стилус для изолированного от окружающей среды устройства ввода и отображения информации на основе электромагнитного резонанса, содержащий корпус, имеющий переднюю часть корпуса и заднюю часть корпуса, отверстие в передней части корпуса, расположенный в передней части корпуса наконечник, размещенный с возможностью прохождения через отверстие и с возможностью перемещения наконечника вдоль оси корпуса, имеющий переднюю часть наконечника, выступающую из отверстия за пределы корпуса для контакта с защитным стеклом устройства, и заднюю часть наконечника, расположенный в задней части корпуса колебательный контур, настроенный в резонанс с индуктивным сенсорным узлом устройства ввода и отображения информации, и содержащий, по меньшей мере, конденсатор и катушку индуктивности с ферритовым сердечником, разделенным на две части, одна из которых выполнена неподвижной, а вторая расположена с возможностью перемещения вдоль оси корпуса относительно первой части сердечника, изолирующее средство для изоляции колебательного контура от окружающей среды, расположенное с возможностью взаимодействия с задней частью наконечника при механическом воздействии на переднюю часть наконечника для передачи механического воздействия от наконечника на подвижную часть ферритового сердечника катушки индуктивности с относительным перемещением подвижной части сердечника относительно неподвижной части для изменения резонансной частоты колебательного контура.
В данном варианте осуществления стилуса частота колебаний колебательного контура изменяется за счет изменения индуктивности катушки индуктивности при относительном перемещении подвижной части сердечника относительно неподвижной части, при этом с изолирующим средством может взаимодействовать подвижная часть ферритового сердечника.
Согласно следующему аспекту изобретения предложен беспроводной стилус для изолированного от окружающей среды устройства ввода и отображения информации на основе электромагнитного резонанса, содержащий корпус, имеющий переднюю часть корпуса и заднюю часть корпуса, отверстие в передней части корпуса, расположенный в передней части корпуса наконечник, размещенный с возможностью прохождения через отверстие и с возможностью перемещения наконечника вдоль оси корпуса, имеющий переднюю часть наконечника, выступающую из отверстия за пределы корпуса для контакта с защитным стеклом устройства, и заднюю часть наконечника, расположенный в задней части корпуса колебательный контур, настроенный в резонанс с индуктивным сенсорным узлом устройства ввода и отображения информации, и содержащий, по меньшей мере, катушку индуктивности с имеющим продольное отверстие ферритовым сердечником, элемент из диамагнитного материала, расположенный с возможностью перемещения в отверстии ферритового сердечника, и конденсатор, при этом конденсатор выполнен с возможностью изменения емкости при механическом воздействии на него, изолирующее средство для изоляции колебательного контура от окружающей среды, расположенное с возможностью взаимодействия с задней частью наконечника при механическом воздействии на переднюю часть наконечника для передачи механического воздействия от наконечника на конденсатор посредством взаимодействия с элементом из диамагнитного материала для изменения резонансной частоты колебательного контура.
В данном варианте осуществления стилуса частота колебаний колебательного контура изменяется за счет изменения емкости конденсатора при механическом воздействии на него.
Согласно следующему аспекту изобретения предложен беспроводной стилус для изолированного от окружающей среды устройства ввода и отображения информации на основе электромагнитного резонанса, содержащий корпус, имеющий переднюю часть корпуса и заднюю часть корпуса, отверстие в передней части корпуса, расположенный в передней части корпуса наконечник, размещенный с возможностью прохождения через отверстие и с возможностью перемещения наконечника вдоль оси корпуса, имеющий переднюю часть наконечника, выступающую из отверстия за пределы корпуса для контакта с защитным стеклом устройства, и заднюю часть наконечника, расположенный в задней части корпуса колебательный контур, настроенный в резонанс с индуктивным сенсорным узлом устройства ввода и отображения информации, и содержащий, по меньшей мере, катушку индуктивности с имеющим продольное отверстие ферритовым сердечником, элемент из диамагнитного материала, расположенный с возможностью перемещения в отверстии ферритового сердечника, конденсатор и резистор, при этом резистор выполнен с возможностью изменения сопротивления при механическом воздействии на него, изолирующее средство для изоляции колебательного контура от окружающей среды, расположенное с возможностью взаимодействия с задней частью наконечника при механическом воздействии на переднюю часть наконечника для передачи механического воздействия от наконечника на резистор посредством взаимодействия с элементом из диамагнитного материала для изменения резонансной частоты колебательного контура.
В данном варианте осуществления стилуса частота колебаний колебательного контура изменяется за счет изменения сопротивления резистора при механическом воздействии на него.
Согласно следующему аспекту изобретения предложен беспроводной стилус для изолированного от окружающей среды устройства ввода и отображения информации на основе электромагнитного резонанса, содержащий корпус, имеющий переднюю часть корпуса и заднюю часть корпуса, отверстие в передней части корпуса, расположенный в передней части корпуса наконечник, размещенный с возможностью прохождения через отверстие и с возможностью перемещения наконечника вдоль оси корпуса, имеющий переднюю часть наконечника, выступающую из отверстия за пределы корпуса для контакта с защитным стеклом устройства, и заднюю часть наконечника, расположенный в задней части корпуса колебательный контур, настроенный в резонанс с индуктивным сенсорным узлом устройства ввода и отображения информации, и содержащий, по меньшей мере, катушку индуктивности с имеющим продольное отверстие ферритовым сердечником, элемент из диамагнитного материала, расположенный с возможностью перемещения в отверстии ферритового сердечника, конденсатор, и элемент из токопроводящего материала, выполненный в виде упругой шайбы, который размещен с возможностью изменения сопротивления при механическом воздействии на него, изолирующее средство для изоляции колебательного контура от окружающей среды, расположенное с возможностью взаимодействия с задней частью наконечника при механическом воздействии на переднюю часть наконечника для передачи механического воздействия от наконечника на элемент из токопроводящего упругого материала, заставляя его то сжиматься и прижиматься к контактам платы стилуса, то разжиматься, изменяя при этом сопротивление электрической цепи колебательного контура. В данном случае контакты платы стилуса являются электродом, посредством которого часть электрической цепи, образуемая дорожками (контактами), соединяется с другой частью цепи.
В данном варианте осуществления стилуса частота колебаний колебательного контура изменяется за счет изменения сопротивления электрической цепи колебательного контура.
Согласно любому из вышеуказанных аспектов изобретения изолирующее средство может представлять собой гибкую мембрану, отделяющую переднюю часть корпуса и заднюю часть корпуса для изоляции колебательного контура от окружающей среды.
Гибкая мембрана обеспечивает с одной стороны изолирование от окружающей среды компонентов, образующих колебательный контур, а с другой стороны обеспечивает передачу механического воздействия от наконечника стилуса на компоненты колебательного контура с целью изменения резонирующей частоты колебательного контура.
Изолирующее средство может быть выполнено в виде размещенной в корпусе герметичной капсулы, заполненной жидким диэлектрическим веществом и охватывающей колебательный контур.
Для улучшения передачи механического воздействия от наконечника стилуса на компоненты колебательного контура сама капсула может содержать гибкую мембрану, которая расположена с возможностью взаимодействия с задней частью наконечника при механическом воздействии на переднюю часть наконечника.
Предпочтительно в случаях, когда это необходимо, может иметься средство возврата подвижного элемента колебательного контура в исходное положение при снятии механического воздействия на переднюю часть наконечника.
Предпочтительно в задней части корпуса имеется магнит, размещенный с возможностью взаимодействия с герконом или датчиком холла устройства ввода и отображения информации для бесконтактного включения устройства при поднесении стилуса с магнитом к заданному месту на корпусе устройства.
Также предложено устройство ввода и отображения информации, включающее в себя изолированный от окружающей среды корпус с размещенными в нем сенсорной панелью на основе электромагнитного резонанса, содержащей индуктивный сенсорный узел, экраном, электронными компонентами, включающими, по меньшей мере, микроконтроллер, модуль беспроводной передачи данных, модуль памяти, источник питания, средство бесконтактного включения и выключения, электрически связанные между собой, причем корпус устройства имеет окно с защитным стеклом, позволяющим наблюдать информацию на экране, беспроводной стилус, выполненный по любому из вышеуказанных аспектов изобретения, колебательный контур которого настроен в резонанс с индуктивным сенсорным узлом устройства.
Средство бесконтактного включения и выключения предпочтительно выполнено в виде установленных в корпусе устройства геркона или датчика холла и магнита, установленного в беспроводном стилусе.
Воздушные карманы корпуса могут быть заполнены диэлектрическим веществом.
В дальнейшем изобретение будет более понятным из его подробного раскрытия со ссылкой на сопроводительные чертежи. С пониманием того, что сопроводительные чертежи изображают только взятые в качестве примеров типичные варианты осуществления изобретения, и поэтому не рассматриваются, как ограничивающие объем его защиты, изобретение будет описано и разъяснено с дополнительной конкретизацией и подробностями, с использованием сопроводительных чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 показан общий вид со стороны экрана устройства ввода и отображения информации согласно изобретению, в собранном виде.
На Фиг.2 - вид устройства в изометрии сзади, показывающий внутреннее пространство корпуса устройства согласно изобретению, незаполненное герметизирующим диэлектрическим веществом.
На фиг.3 - общий вид устройства ввода и отображения информации, демонстрирующий использование устройства.
На фиг.4 - показан стилус и последовательно расположенные слоями защитное стекло, экран и сенсорная панель на основе электромагнитного резонанса (ЭМР).
На фиг.5 - показан вид сбоку устройства в разрезе для пояснения принципа взаимодействия стилуса с сенсорной панелью на принципе электромагнитного резонанса.
На Фиг.6 показан вид устройства в изометрии сзади, показывающий внутреннее пространство корпуса устройства согласно изобретению, которое уже заполнено диэлектрическим веществом.
На фиг.7 показан вид устройства сзади, включая заднюю часть корпуса.
На фиг.8 показан беспроводной стилус в разрезе согласно одному варианту осуществления изобретения с расположенным внутри колебательным контуром с катушкой индуктивности и компонентами, обеспечивающими изменение индуктивности катушки, в котором герметичная часть корпуса образована герметичной капсулой.
На фиг.9 показан беспроводной стилус в разрезе согласно другому варианту осуществления изобретения, в котором герметичная часть корпуса отделена от негерметичной части гибкой мембраной.
На фиг.10 показан еще один вариант беспроводного стилуса в разрезе с расположенным внутри колебательным контуром, в котором ферритовый сердечник катушки индуктивности колебательного контура выполнен с продольным отверстием, а также с элементом из токопроводящего материала, выполненного в виде упругой шайбы, выполняющий функцию резистора с переменным сопротивлением.
На фиг.11 показан беспроводной стилус в разрезе с расположенным внутри колебательным контуром с резистором переменного сопротивления и компонентами, обеспечивающими изменение сопротивления резистора.
На фиг.12 показан беспроводной стилус в разрезе с расположенным внутри колебательным контуром с конденсатором переменной емкости и компонентами, обеспечивающими изменение емкости конденсатора.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 изображен общий вид устройства ввода и отображения информации в экстремальных условиях, например, под водой со стороны экрана. Устройство ввода и отображения информации включает в себякорпус 1.
На Фиг.2 изображено внутреннее пространство корпуса 1 при наблюдении сзади, незаполненное диэлектрическим веществом. Корпус 1 содержит лицевую панель 2 и заднюю крышку 9 и изолирован от окружающей среды понятными для специалиста средствами, например, уплотнительным элементом из резины, силикона или подобного материала.
Как лучше видно на фиг. 3, 4 и 5 в корпусе 1 имеется экран (окно) 8. В качестве экрана 8 может быть использован жидкокристаллический экран, экран на основе электронных чернил или любой другой известный из уровня техники экран, под которым размещена сенсорная панель на основе электромагнитного резонанса. Для работы устройства в экстремальных условиях, например, под водой, экран 8 должен быть изолирован от внешней среды посредством расположенного над экраном 8 защитного стекла 3, которое уплотнено относительно корпуса 1, и которое позволяет наблюдать информацию на экране.
С целью улучшения защитных свойств устройства согласно настоящему изобретению предпочтительно в качестве защитного стекла корпуса устройства использовать термически (закаленное) или ионообменно (химически) упрочненное стекло. В случае применения экрана с сенсорной панелью на основе емкостной технологии необходимо подобрать толщину защитного стекла корпуса устройства в пределах до 6 мм в зависимости от чувствительности конкретной используемой емкостной сенсорной панели. Проведенные испытания показали, что емкостная сенсорная панель остается восприимчивой к касанию пальцем, если толщина защитного упрочненного термическим или химическим способом стекла не превышает 6 мм. При этом, предпочтительно в качестве защитного стекла использовать стекло, упроченное именно химическим способом (ионнообменным), так как известно, что химически упрочненное стекло имеет устойчивость к натяжению на поверхности стекла до 700 Мпа, что позволяет успешно применить его для целей защиты экрана и устройства в целом согласно настоящему изобретению.
В том случае, когда ввод информации осуществляется исключительно беспроводным стилусом в любой среде (под водой или на поверхности), то в качестве защитного стекла возможно использовать поликарбонатное стекло, также имеющее лучшие противоударные характеристики по сравнению с обычным силикатным стеклом. В этом случае устройство будет иметь улучшенную защиту экрана от возможных механических повреждений. При этом, испытания показали, что беспроводной стилус согласно настоящему изобретению может беспрепятственно работать на расстоянии примерно до 20 мм от поверхности сенсорной панели на основе электромагнитного резонанса. Учитывая расстояние от этой панели до защитного стекла, которое составляет около 10 мм, возможным является использование поликарбонатного стекла толщиной до 10 мм.
Таким образом, было определено, что толщина защитного стекла 3 устройства не должна превышать 10 мм. Специалисту будет понятно, что с увеличением толщины защитного стекла изменяются его вес и оптические характеристики, и методом испытаний было установлено, что оптимальные характеристики по весу, прочности и оптическим свойствам достигаются при толщине защитного стекла от 2 мм до 4 мм.
Под экраном 8 имеется сенсорная панель 30, работающая на принципе электромагнитного резонанса. Панель 30 содержит индуктивный сенсорный узел (не показан), имеющий катушки индуктивности, обычно выполненные печатным способом.
В корпусе также размещены электронные компоненты, включающие, микроконтроллер, модуль беспроводной передачи данных, модуль памяти, источник питания, электрически связанные между собой. В качестве микроконтроллера может быть использован любой подходящий известный из уровня техники микроконтроллер, позволяющий обрабатывать сигналы беспроводного стилуса, например, ASIC W8003 или M37534M4-122FP 634102 или 74HC74D AX564. Подбор соответствующего модуля беспроводной передачи данных, модуля памяти, источника питания также понятен специалисту в данной области техники, не относится существенным образом к предмету данного изобретения, и поэтому этим устройствам не отводится место в настоящем описании. Например, такими модулями обладает планшетный компьютер Samsung Galaxy Tab S6.
Важной частью устройства является беспроводной стилус 5, имеющий колебательный контур, настроенный в резонанс с индуктивным сенсорным узлом устройства. Стилус 5 будет подробно описан ниже.
Имеется такжесредство бесконтактного включения и выключения устройства. В качестве данного средства могут использоваться известные из предшествующего уровня техники устройства, такие как геркон или датчик холла.
Например, средство бесконтактного включения и выключения устройства может быть выполнено в виде установленной в корпусе устройства электронной печатной платы 6 с герконом или датчиком холла 7 и магнита, имеющегося в беспроводном стилусе 5. На корпусе 1 имеется место 4 для приложения магнита стилуса 5 для включения и выключения устройства.
Преимущество использования геркона или датчика холла в качестве средства бесконтактного включения и выключения под водой позволяет существенным образом увеличить надежность работы устройства за счет отказа от использования механических кнопок, которые могут западать по мере увеличения глубины и давления окружающей среды. Очевидно, что геркон или датчик холла, размещенные в корпусе устройства, защищены от воздействия воды и непосредственного давления на них. Принцип работы геркона и датчика холла основан на воздействии на них магнитным полем, которое в заявляемом изобретении будет передаваться через стенку корпуса устройства. В том случае, если корпус устройства выполнен из материала, экранирующего магнитное поле, то в месте размещения геркона или датчика холла может быть размещено герметичным образом стекло либо вставка из иного материала, не блокирующего магнитное поле. Магнит может быть размещен в беспроводном стилусе.
Как лучше видно на фиг.6, где изображено внутреннее пространство корпуса 1, воздушные карманы корпуса 1 заполнены диэлектрическим веществом 10.
Диэлектрическое вещество 10 позволяет устранить воздействие меняющегося давления окружающей среды по мере изменения глубины, поскольку такое вещество заполняет воздушные карманы и вытесняет из него воздух.
Желательно, чтобы такое диэлектрическое вещество обладало свойством через некоторое время после смешения компонентов переходить из первоначального вязкотекучего состояния в финальное резиноподобное состояние. Дело в том, что при переходе из вязкотекучего состояния в резиноподобное указанное диэлектрическое вещество вытесняет воздух из свободных полостей устройства, заполняя свободные воздушные карманы в закрытом корпусе, тем самым существенным образом снижая воздействие давления окружающей среды и силового воздействия на прибор, размещенный в корпусе устройства, при изменении внешнего давления окружающей среды по мере изменения глубины.
Указанное диэлектрическое вещество застывает после помещения в корпус устройства и не вытекает, надежно фиксируя по положению и надежно защищая все внутренние компоненты. Кроме того, предложенное диэлектрическое вещество является в рабочем состоянии резиноподобным, что очень важно для использования при воздействии давления окружающей среды по мере увеличения глубины, так как в застывшем состоянии оно способно снижать вибрацию, удары и иные негативные воздействия на прибор с сенсорным экраном, размещенным в устройстве.
http://www.surel.ru/silicone/70/)
В качестве резиноподобного диэлектрического вещества 10, обладающего свойством переходить из вязкотекучего состояния в резиноподобное, может быть, например, применен теплопроводный заливочный силоксановый герметик-диэлектрик, который способен осуществить герметизацию как в открытом, так и в закрытом объеме. В России такие герметики выпускаются, например, под торговой маркой СУРЭЛ-СЛ-КСТ ( - теплопроводный заливочный силоксановый герметик-диэлектрик, представляющий собой двухкомпонентную систему, обладающую способностью переходить из вязкотекучего состояния в эластичное после смешения компонентов А и В, в котором компонент А представляет собой наполненный кремнийорганический полимер, а компонент В представляет собой катализатор холодного отверждения.
Примененное эластичное диэлектрическое вещество, наряду с указанными свойствами, характеризуется:
- умеренными демпфирующими и амортизирующими свойствами;
- удовлетворительной эластичностью;
- высокими диэлектрическими свойствами;
- устойчивостью к высоким и низким температурам.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что в качестве диэлектрического вещества могут применяться и другие подобные вещества с аналогичными свойствами.
Диэлектрическое вещество 10 заливают в корпус 1 таким образом, чтобы оно не попало непосредственно между экраном 8 и защитным стеклом корпуса 1, а заполняло воздушные карманы внутри корпуса, защищая экран, сенсорную панель на основе электромагнитного резонанса и электронные компоненты устройства от воздействия окружающей среды и силового воздействия при изменении давления по мере изменения глубины, а также ударов и вибраций.
Также возможно заполнение воздушных карманов жидким диэлектрическим веществом, например, трансформаторным или силиконовым маслом. Главное, чтобы такое вещество обладало химически нейтральными свойствами по отношению к материалам устройства и другим компонентам, размещенным в корпусе 1.
На фиг.7 показан вид устройства сзади, включая заднюю крышку 9, окно для задней камеры 18 и стилус 5.
После установки экрана 8, сенсорной панели на основе электромагнитного резонанса, электронных компонентов, а также электронной печатной платы 6 с герконом или датчиком холла 7 в заднюю крышку 9 устройства ввода и отображения информации осуществляется заливка диэлектрическим веществом 10 для заполнения свободных воздушных полостей. При этом устройство может также содержать датчик давления, измеряющий изменение глубины, и датчик температуры окружающей среды, и передающий эту информацию непосредственно в память устройства. Указанные датчики должны быть электрически соединены с устройством.
После этого осуществляется установка уплотнительного контура [не показано], установка защитного стекла 3, закрытие лицевой панели 2 корпуса 1 и ее фиксирование болтовым соединением по всему периметру [не показано]. Может быть выбран иной тип крепления (клеевое соединение, ультразвуковое соединение и т.п.).
Устройство ввода и отображения информации под водой снабжено герметичным портом 26 для зарядки и передачи данных по кабелю. В другом варианте исполнения устройство может быть снабжено модулем беспроводной зарядки [не показано].
На фиг.8 показано внутреннее устройство беспроводного стилуса 5 для изолированного от окружающей среды устройства ввода и отображения информации на основе электромагнитного резонанса согласно одному варианту осуществления изобретения, приведенному здесь только в качестве примера и не ограничивающему объем защиты изобретения.
Стилус 5 содержит корпус 24, имеющий переднюю часть корпуса и заднюю часть корпуса, и отверстие в передней части корпуса. В передней части корпуса размещен наконечник 11, выполненный с возможностью прохождения через отверстие и с возможностью перемещения наконечника 11 вдоль оси корпуса. Наконечник 11 имеет переднюю часть 19 наконечника, выступающую из отверстия за пределы корпуса для контакта с защитным стеклом устройства, и заднюю часть 20 наконечника.
Согласно этому варианту осуществления изобретения внутри корпуса 24 стилуса 5 расположен колебательный контур, включающий конденсатор 32 и катушку индуктивности 12 с ферритовым сердечником. Конденсатор 32 может быть размещен на плате 23 с дополнительными необходимыми электронными компонентами и должен быть электрически связан с катушкой индуктивности. Ферритовый сердечник состоит из двух частей 13 и 14, одна из которых 13 в этом конкретном варианте осуществления изобретения является основой для намотки на нее катушки 12, причем эта часть 13 ферритового сердечника выполнена с возможностью перемещения вместе с катушкой индуктивности 12 вдоль оси корпуса по отношению ко второй неподвижной относительно корпуса части 14 ферритового сердечника.
Переднюю и заднюю части корпуса 24 разделяет изолирующее средство 16, которое служит для изоляции колебательного контура от окружающей среды. Изолирующее средство 16 расположено так, что по меньшей мере его часть взаимодействует с задней частью 20 наконечника 11 при механическом воздействии на переднюю часть наконечника 19. Соответственно, механическое воздействие задней части 20 наконечника на подвижную часть 13 ферритового сердечника катушки индуктивности 12 происходит через изолирующее средство 16.
Согласно данному варианту осуществления изобретения изолирующее средство выполнено в виде герметичной капсулы 16, в которой расположен колебательный контур.
Капсула 16 может быть выполнена из пластика, силикона или иного материала, не экранирующего электромагнитное поле. При этом капсула 16 сама может содержать гибкую мембрану 17 для лучшей передачи усилия от задней стороны наконечника 20 стилуса 11 на подвижную часть 13 ферритового сердечника катушки индуктивности 12.
С целью устранения воздействия давления воды на упомянутую мембрану и исключения непроизвольного сокращения расстояния между подвижной частью 13 ферритового сердечника катушки индуктивности и неподвижной частью 14 ферритового сердечника, внутреннее пространство герметичной капсулы заполнено диэлектрической жидкостью, например, силиконовым маслом; важным условием является химическая нейтральность такой жидкости к материалу капсулы, чтобы избежать ее повреждения или разрушения. При этом другие электронные компоненты, размещенные в корпусе стилуса и необходимые для обеспечения его работы и электрически связанные с колебательным контуром, могут быть размещены в той же герметичной капсуле вместе с катушкой индуктивности, ферритовым сердечником и упругим элементом, либо в отдельной герметичной капсуле, размещаемой в задней части корпуса 24 стилуса, либо могут быть изолированы диэлектрическим веществом внутри корпуса. Для целей дополнительной защиты, воздушные полости внутренней части стилуса могут быть заполнены резиноподобным диэлектрическим веществом. Данное решение направлено на изменение резонансной частоты колебательного контура стилуса за счет изменения индуктивности катушки индуктивности колебательного контура.
Как было сказано выше наконечник 11 выполнен так, что при механическом воздействии на переднюю часть 19 наконечника 11 его задняя часть 20 механически воздействует на подвижную часть 13 ферритового сердечника катушки индуктивности 12 с относительным перемещением подвижной части 13 ферритового сердечника вместе с катушкой 12 относительно неподвижной части 14 ферритового сердечника, при этом изменяется резонансная частота колебательного контура.
Между подвижной 13 и неподвижной 14 частями ферритового сердечника может быть размещен упругий элемент 15, взаимодействующий с этими частями и способствующий возврату подвижной части 13 в ее исходное положение при снятии механического воздействия на переднюю часть 19 наконечника 11.
Упругий элемент 15, как это показано на фиг.8, может быть выполнен, например, в виде пружины (можно использовать практически любой тип непроводящей пружины), резинового, силиконового или иного упругого материала, выполняющего основную задачу - деформироваться при касании наконечником стилуса рабочей поверхности экрана или защитного стекла устройства, сокращая расстояние между подвижной частью 13 ферритового сердечника катушки индуктивности 12 и неподвижной частью 14 ферритового сердечника, и возвращаться в исходное состояние после прекращения давления на наконечник. Упругий элемент может быть расположен между катушкой индуктивности 12 с подвижной частью 13 ферритового сердечника и неподвижной частью 14 ферритового сердечника, либо иным образом, при условии выполнения указанной задачи. Cпециалисту в данной области техники понятно, что возможны и другие варианты осуществления упругого элемента, не выходящие за объем патентных притязаний настоящего изобретения.
Когда передняя часть 19 наконечника контактирует с защитным стеклом 3 устройства ввода и отображения информации задняя часть 20 наконечника воздействует на подвижную часть 13 ферритового сердечника через гибкую мембрану 16, при этом пружина 15 сжимается внутри корпуса стилуса, сокращая расстояние между катушкой индуктивности 12 с подвижной частью 13 ферритового сердечника и неподвижной частью 14 ферритового сердечника.
После прекращения механического воздействия на наконечник 11 пружина 15 разжимается и заставляет подвижную часть 13 ферритового сердечника возвращаться в исходное состояние.
Для целей снижения риска повреждения гибкой мембраны 17 подвижная часть 13 ферритового сердечника, на который намотана катушка индуктивности 12, и задняя часть наконечника 20 могут иметь дополнительно шайбы 21 и 22 соответственно, или любое иное аналогичное средство защиты от повреждения гибкой мембраны 17. Это позволяет увеличить площадь в месте соприкосновения задней части наконечника 20 с гибкой мембраной 17.
С целью устранения воздействия давления воды на мембрану 17 и исключения непроизвольного сокращения расстояния между подвижной частью 13 ферритового сердечника катушки индуктивности 12 и неподвижной частью 14 ферритового сердечника, внутреннее пространство герметичной капсулы 16 заполнено диэлектрической и химически нейтральной к материалу капсулы жидкостью [не показано], например, силиконовым маслом или трансформаторным маслом. Для целей дополнительной защиты, воздушные полости внутренней части беспроводного стилуса могут быть заполнены резиноподобным диэлектрическим веществом.
Колебательный контур настроен в резонанс с индуктивным сенсорным узлом устройства ввода и отображения информации.
В одном из вариантов осуществления изобретения электронные компоненты 23, размещенные в корпусе 24 стилуса 5 и необходимые для обеспечения его работы, размещены в отдельной [не показано] герметичной капсуле, либо изолированы резиноподобным герметизирующим диэлектрическим веществом.
На фиг.9 показан другой вариант осуществления изобретения. Главное отличие этого варианта осуществления изобретения от варианта по фиг.8 заключается в том, что изолирующее средство представляет собой гибкую мембрану 17, отделяющую переднюю часть корпуса и заднюю часть корпуса.
Мембрана может быть выполнена из резины, силикона или иного упругого материала, позволяющего прогибаться даже при незначительном механическом воздействии на него и возвращаться в исходное состояние при прекращении механического воздействия. Предпочтительно использовать материал с твердостью по Шору не выше 40А.
В герметичной части корпуса размещен ферритовый сердечник, состоящий из двух частей 13 и 14, упругий элемент 15, катушка индуктивности 12 и конденсатор 32. Одна из частей 13 ферритового сердечника катушки индуктивности 12 выполнена с возможностью перемещения внутри герметичной части корпуса при механическом воздействии на переднюю часть 19 наконечника 11. Герметичная часть корпуса заполнена диэлектрическим жидким веществом, и как было указано выше, задняя часть 20 наконечника 11 и подвижная часть 13 ферритового сердечника отделены друг от друга гибкой мембраной 17, через которую передается механическое воздействие.
В таком исполнении беспроводной стилус является надежно защищенным и может использоваться под водой без риска повреждения, сохраняя при этом свою полную функциональность, в том числе возможность фиксировать состояние и положение наконечника, и определять степень и характер воздействия на него (чувствительность).
На фиг.10 показан еще один вариант осуществления стилуса.
Стилус содержит корпус, имеющий переднюю часть корпуса 38 и заднюю часть корпуса 37, гибкую мембрану 17 между передней и задней частями корпуса, отверстие в передней части корпуса, расположенный в передней части корпуса наконечник 11, размещенный с возможностью прохождения через отверстие и с возможностью перемещения наконечника вдоль оси корпуса 24. Наконечник имеет переднюю часть 19 наконечника, выступающую из отверстия за пределы корпуса для контакта с рабочей поверхностью или защитным стеклом устройства, и заднюю часть 20, контактирующую с мембраной 17. В задней части корпуса 37 стилуса 5 размещены катушка индуктивности 12 и конденсатор 32, образующие колебательный контур. При этом катушка индуктивности 12 намотана на ферритовом сердечнике 39 с продольным отверстием внутри, через которое проходит элемент из диамагнитного материала 31 с возможностью свободного перемещения внутри, контактирующий с одной стороны с мембраной 17, а с другой стороны с элементом из токопроводящего материала 35, выполненного в виде упругой шайбы. По меньшей мере, ферритовый сердечник 39 с катушкой индуктивности, конденсатор 32 и элемент из токопроводящего материала 35, размещены в герметичной капсуле 16 из пластика, силикона или иного не экранирующего электромагнитное поле материала, внутри корпуса 24 стилуса, при этом задняя часть 20 наконечника стилуса и ферритовый сердечник 39 катушки индуктивности отделены гибкой мембраной 17. С целью устранения воздействия давления воды на упомянутую мембрану и исключения непроизвольного механического воздействия на компоненты колебательного контура, внутреннее пространство герметичной капсулы 16 заполнено диэлектрической жидкостью. В данном решении давление, оказываемое на переднюю часть наконечника 19 при контакте с рабочей поверхностью или защитным стеклом устройства 3, передается через гибкую мембрану 17 на элемент из диамагнитного материала 31, размещенный в ферритовом сердечнике 39 с возможностью перемещения внутри, который, в свою очередь передает давление на элемент из токопроводящего упругого материала 35, заставляя его то сжиматься и прижиматься к контактам платы 23 стилуса, то разжиматься, изменяя при этом сопротивление электрической цепи колебательного контура. В данном случае контакты платы 23 стилуса являются электродом, посредством которого часть электрической цепи, образуемая дорожками (контактами), соединяется с другой частью цепи.
Данное решение направлено на изменение резонансной частоты колебательного контура стилуса за счет изменения сопротивления электрической цепи колебательного контура.
На фиг.11 приведен еще один вариант осуществления беспроводного стилуса, который содержит корпус 24, имеющий переднюю часть корпуса 38 и заднюю часть корпуса 37, гибкую мембрану 17 между передней 38 и задней части корпуса 37, отверстие [не показано] в передней части корпуса 24, расположенный в передней части корпуса наконечник 11, размещенный с возможностью прохождения через отверстие и с возможностью перемещения наконечника 11 вдоль оси корпуса 24. Наконечник 11 имеет переднюю часть 19, выступающую из отверстия за пределы корпуса для контакта с защитным стеклом устройства 3, и заднюю часть 20, контактирующую с мембраной 17. В задней части корпуса стилуса 37 размещены катушка индуктивности 12, конденсатор 32 и резистор 40, образующие колебательный контур. По меньшей мере, катушка индуктивности 12, конденсатор 32 и резистор 40 размещены в герметичной капсуле 16 из пластика, силикона или иного не экранирующего электромагнитное поле материала, внутри корпуса стилуса 24, при этом задняя часть наконечника стилуса 20 и катушка индуктивности 12 отделены гибкой мембраной 17, являющейся частью капсулы 16. С целью устранения воздействия давления воды на упомянутую мембрану 17 и исключения непроизвольного воздействия на компоненты колебательного контура, внутреннее пространство герметичной капсулы 16 заполнено диэлектрической жидкостью. Катушка индуктивности 12 намотана на ферритовом сердечнике 39 с продольным отверстием внутри, через которое проходит элемент из диамагнитного материала 31 с возможностью свободного перемещения внутри, контактирующий с одной стороны с мембраной 17, а с другой стороны с резистором 40. Задняя часть диамагнитного элемента имеет шайбу 34 из упругого материала, служащую средством возврата данного элемента при прекращении оказания на него механического воздействия. В данном решении давление, оказываемое на переднюю часть наконечника 19 при контакте с защитным стеклом устройства 3, передается через гибкую мембрану 17 на элемент из диамагнитного материала 31, размещенный в ферритовом сердечнике 39 с возможностью перемещения внутри, который, в свою очередь передает давление на резистор 40, изменяющий свое сопротивление при механическом воздействии на него.
Данное решение направлено на изменение резонансной частоты колебательного контура стилуса за счет изменения сопротивления резистора.
,
На фиг.12 показан еще один вариант осуществления беспроводного стилуса 5. Стилус 5 содержит корпус 24, имеющий переднюю часть корпуса 38 и заднюю часть корпуса 37, гибкую мембрану 17 между передней 38 и задней части корпуса 37, отверстие в передней части корпуса [не показано], расположенный в передней части 38 корпуса наконечник 11, размещенный с возможностью прохождения через отверстие и с возможностью перемещения наконечника 11 вдоль оси корпуса стилуса 24. Наконечник 11 имеет переднюю часть 19, выступающую из отверстия за пределы корпуса 24 для контакта с защитным стеклом устройства 3, и заднюю часть 20, контактирующую с мембраной 17. В задней части корпуса стилуса 37 размещены ферритовый сердечник 39 с катушкой индуктивности 12 и конденсатор 32, образующие колебательный контур. В качестве конденсатора переменной емкости выбран конденсатор, электрическая емкость которого может изменяться механическим способом, либо электрически, под действием изменения приложенного к обкладкам напряжения. Переменные конденсаторы применяются в колебательных контурах и других частотозависимых цепях для изменения их резонансной частоты. В настоящем изобретении применен переменный конденсатор, в котором изменение емкости происходит за счет механического нажатия на крышку конденсатора и прогиба одной из его пластин. Например, может быть использован конденсатор LXRW19V201-058, Murata Variable Capacitor 100 → 200pF 5.3V. При этом катушка индуктивности намотана на ферритовом сердечнике с продольным отверстием внутри, через которое проходит элемент из диамагнитного материала 31 с возможностью свободного перемещения внутри, контактирующий с одной стороны с мембраной, а с другой стороны - с крышкой конденсатора переменной емкости напрямую либо через шайбу из упругого материала. Элемент из диамагнитного материала проходит сквозь сердечник катушки и давление на переднюю часть наконечника передается на крышку конденсатора переменной емкости, величина которой зависит от силы нажатия на его крышку. Шайба из упругого материала необходима для обеспечения возврата элемента из диамагнитного материала в исходное положение при прекращении механического воздействия на наконечник стилуса. По меньшей мере, катушка индуктивности 12 и конденсатор 32 размещены в герметичной капсуле 16 из пластика, силикона или иного не экранирующего электромагнитное поле материала, внутри корпуса стилуса 24, при этом задняя часть 20 наконечника стилуса и ферритовый сердечник 39, на котором намотана катушка индуктивности 12, отделены гибкой мембраной 17, являющейся частью капсулы 16. Катушка индуктивности 12 намотана на ферритовом сердечнике 38 с продольным отверстием внутри, через которое проходит элемент из диамагнитного материала 31 с возможностью свободного перемещения в немконтактирующий с одной стороны с мембраной 17, а с другой стороны - с крышкой конденсатора переменной емкости 33 напрямую либо через шайбу из упругого материала 34. Элемент из диамагнитного материала 31 проходит сквозь ферритовый сердечник 39 катушки индуктивности 12 и давление на переднюю часть наконечника 19 передается на крышку 33 конденсатора переменной емкости 32, величина которой зависит от силы нажатия на его крышку. Шайба из упругого материала 34 необходима для обеспечения возврата элемента из диамагнитного материала 31 в исходное положение при прекращении механического воздействия на наконечник стилуса 11. С целью устранения воздействия давления воды на мембрану 17 и исключения непроизвольного воздействия на компоненты колебательного контура, внутреннее пространство герметичной капсулы 16 заполнено диэлектрической жидкостью. В данном решении давление, оказываемое на переднюю часть наконечника 19 при контакте с защитным стеклом устройства 3, передается через гибкую мембрану 17 на элемент из диамагнитного материала 31, размещенный в ферритовом сердечнике 39 с возможностью перемещения внутри, который, в свою очередь передает давление на конденсатор переменной емкости 31 через шайбу из упругого материала 34. При увеличении силы нажатия емкость увеличивается, а резонансная частота уменьшается.
Данное решение направлено на изменение резонансной частоты колебательного контура стилуса за счет изменения емкости конденсатора.
Устройство работает следующим образом.
Размещенный под экраном устройства ввода и отображения информации индуктивный сенсорный узел, при подаче на него переменного напряжения, формирует на поверхности экрана электромагнитное поле. Используемый в качестве указателя стилус содержит настроенный в резонанс с индуктивным сенсорным узлом устройства колебательный контур. При поднесении стилуса к экрану этот контур модулирует электромагнитное поле, изменяя индуктивность расположенных под экраном печатных катушек индуктивности индуктивного сенсорного узла. Причем, чем ближе катушка индуктивности сенсорного узла к колебательному контуру стилуса, тем значительнее изменение ее индуктивности.
При касании передней частью 19 наконечника 11 стилуса 5 защитного стекла 3 устройства ввода и отображения информации происходит нажатие на наконечник 11, который через стенку герметичной капсулы 16 или через имеющуюся в стенке гибкую мембрану 17 механически (толкательным движением вдоль продольной оси) воздействует на подвижную часть 13 ферритового сердечника катушки индуктивности 12, сокращая тем самым расстояние между подвижной 13 и неподвижной 14 частями ферритового сердечника катушки индуктивности 12 и изменяя частоту индуктивности колебательного контура и модулируя электромагнитное поле необходимой частоты. В другом варианте при касании передней частью 19 наконечника 11 стилуса 5 защитного стекла 3 устройства ввода и отображения информации происходит нажатие на наконечник 11, который через стенку герметичной капсулы 16 или через имеющуюся в стенке гибкую мембрану 17 механически (толкательным движением вдоль продольной оси) воздействует на крышку конденсатора 32 переменной емкости, изменяя его емкость и, или на резистор 40, изменяя его сопротивление, и, соответственно, тем самым изменяя резонансную частоту колебательного контура и модулируя электромагнитное поле необходимой частоты. Еще в одном варианте исполнения резонансная частота колебательного контура изменяется за счет изменения сопротивления электрической цепи колебательного контура путем передачи механического воздействия от наконечника 11 стилуса 5 на элемент из токопроводящего материала 35, который под воздействием давления то сжимается, прижимаясь к электроду, электрически связанному с колебательным контуром, то разжимается, что приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура и модулированию электромагнитного поля необходимой частоты.
Микроконтроллер фиксирует параметры катушек индуктивности и вычисляет положение стилуса. Стилус не имеет собственного источника питания, однако сигнал, излучаемый сенсорной панелью на основе электромагнитного резонанса, содержащей индуктивный сенсорный узел, используется для питания стилуса, который, в свою очередь, посылает ответный сигнал, являющийся не просто отражением исходного, а заново сформированным, который, как правило, несет дополнительную информацию, идентифицирующую конкретный стилус, а также данные о силе нажатия, месте положения стилуса и другие параметры, необходимые для создания на экране изображения высокого качества.
Обработанный сигнал стилуса преобразуется в координаты и передается на экран устройства, сконфигурированный таким образом, чтобы отображать эти координаты в виде точек на экране, соответствующие положению стилуса, и, таким образом, формировать изображение, которое может наблюдать пользователь через защитное стекло устройства.
Выполненный согласно любому из указанных вариантов исполнения стилус согласно настоящему изобретению является надежно защищенным и может использоваться под водой без риска повреждения, сохраняя при этом полную функциональность, присущую такому средству как электромагнитному перу, при взаимодействии с сенсорной панелью на основе электромагнитного резонанса, включая обеспечение различной степени чувствительности пера.
Предлагаемое устройство ввода и отображения информации под водой и беспроводной стилус может быть осуществлено специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения.
В соответствии с предложенным изобретением изготовлен опытный образец устройства, который состоял из:
- водонепроницаемого корпуса с помещенными в него жидкокристаллическим экраном с сенсорной панелью, выполненной на основе емкостной технологии, расположенной под экраном сенсорной панелью с выполненными печатным способом катушками индуктивности, микроконтроллером, модулем беспроводной передачи данных, модулем памяти, литий-ионную аккумуляторной батареей и иными электронными компонентами, необходимыми для функционирования устройства и, по сути, вместе представляющие собой вариант планшетного компьютера,
- средство бесконтактного включения и выключения устройства, выполненное с применением датчика холла,
- беспроводной стилус согласно настоящему изобретению,
- корпус устройства имеет окно с защитным прозрачным стеклом толщиной 3 мм, упрочненного химическим способом, для доступа к экрану,
- корпус устройства выполнен из анодированного алюминия с толщиной стенок 3 мм,
- воздушные карманы устройства после помещения в него всех компонентов, указанных выше, резиноподобным диэлектрическим веществом.
Образец устройства ввода и отображения информации под водой был испытан в соответствии с планом испытаний, которые проводились в 4 этапа:
- на первом этапе испытаний проводилась проверка работоспособности ввода информации на поверхности посредством использования сенсорной панели через защитное стекло. Оператор включил устройство при помощи беспроводного стилуса, в котором размещен магнит, путем его приложения к специальному обозначенному на корпусе месту. Далее, после загрузки операционной системы оператор поочередно осуществлял запуск приложений рабочего стола (основного экрана) пальцем. Все приложения открывались, и емкостная сенсорная панель должным образом реагировала на касания пальцем. По окончании данного испытания устройство было выключено путем приложения электромагнитного стилуса с магнитом к специально обозначенному на корпусе месту.
- на втором этапе испытаний устройство было погружено под воду на глубину до 40 метров при температуре воды +28 градусов. При данных условиях устройство полностью функционировало на протяжении всего цикла испытаний, состоящих из 10 погружений, длительностью 45-60 минут каждое. При этом под водой ввод информации осуществлялся при помощи беспроводного стилуса, раскрытого в настоящем изобретении. Данное испытание показало эффективную работоспособность устройства, а также высочайшую точность определения местоположения электромагнитного стилуса и ввода данных - было возможно активировать самые мелкие значки, а также рисовать, делать записи, сохранять в память и выводить на экран из памяти необходимую информацию.
- на третьем этапе (после серии подводных испытаний) были проведены испытания прочности устройства следующим образом: устройство было сброшено с высоты 15 метров (примерно уровень 2-го этажа жилого дома) 10 раз. За исключением небольших сколов и вмятин на корпусе, устройство никаких серьезных повреждений не получило и продолжало полностью функционировать;
- на четвертом этапе было проведено испытание прочности защитного стекла корпуса устройства. На устройство, расположенное на ровной твердой поверхности, с высоты 1.5 метра 10 раз был сброшен металлический предмет весом 2.5 кг (спортивная гантеля). Осмотр устройства показал, что падение такого предмета не причинило никакого видимого ущерба.
Таким образом, в данном изобретении достигнута поставленная задача - создано прочное и надежное устройство для ввода и отображения информации под водой, позволяющее включать и выключать устройство бесконтактным образом, повысить точность ввода информации при работе с экраном под водой, а также надежно защищающее электронные компоненты устройства, включая экран, от механических повреждений при самых различных условиях эксплуатации.
Также достигнута задача по созданию беспроводного стилуса, который работает под водой и позволяет вводить информацию в устройство с высокой степенью точности.
Заявленное устройство для ввода и отображения информации под водой и беспроводной стилус могут использоваться как дайверами любителями, так и коммерческими дайверами, подводными археологами и другими исследователями, подводными службами и ремонтными и строительными бригадами (например, нефтяных платформ, дамб и пр.), а также операторами подводных беспилотных аппаратов (дронов) и пользователями систем подводной навигации.