JP4033929B2 - ペン型入力装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は図形及び文字を入力するペン型入力装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータ装置等の入力装置としてはキーボード、マウス、デジタイザ、ライトペン及びタブレット等が用いられている。コンピュータ装置の小型化に伴い、携帯端末装置のニーズが高まり利用者も年々増加している。そこで、小型の入力装置が求められるようになった。
【０００３】
キーボードの小型化にはヒューマンインターフェイスの点で限界があり、携帯端末装置の入力装置としては実用性が低い。また、マウスはポインティングデバイスとしては小型化が可能であるが、図形及び文字等の入力には適さない。
【０００４】
このため、携帯端末装置の入力装置としてはタブレットとペンを用いたペン型の入力装置が多く採用されている。このタブレットを用いたペン型の入力装置をさらに小型化しようとした場合にはタブレットの大きさが問題となる。そこで、例えば特開平６-67799号公報に掲載されたペン型のコンピュータ入力装置、特開平７-84716号公報に掲載されたデータ入力装置、特開平７-200127号公報に掲載された手書き入力装置及び特開平６-230886号公報に掲載されたペンシル型入力装置のようなタブレットレスの入力装置が開発された。
【０００５】
特開平６-67799号公報に掲載されたペン型のコンピュータ入力装置は加速度センサで移動方向と移動距離を調べ、圧電振動ジャイロで加速度センサが検出した移動方向及び移動距離のペン型のコンピュータ入力装置のローテーションによる影響を補正している。さらに、特開平７-84716号公報に掲載されたデータ入力装置は互いに直角に配置された振動ジャイロからの極性及び振幅を示す信号を基に装置の移動方向及び移動距離を検出している。さらに、特開平７-200127号公報に掲載された手書き入力装置は２個の加速度センサからの信号を基に装置の移動方向及び移動距離を求めている。さらに、特開平６-230886号公報に掲載されたペンシル型入力装置は２組の加速度センサをペン軸上の異なった位置に設け、この２組の加速度センサからの出力を基に加速度センサの取り付け異値による影響を補正したペン先端部の移動方向及び移動距離を求めている。
【０００６】
また、ペン型入力装置に関するものでなく、例えばゲーム機に利用され、人体頭部の移動速度、位置、姿勢等を検出するものであるが、特開平７-294240号公報に掲載された位置センサは、Ｘ軸方向，Ｙ軸方向及びＺ軸方向の加速度を検出する加速度センサとＸ軸周り，Ｙ軸周り及びＺ軸周りの角速度を検出するジャイロを備え、これらが検出した加速度及び角速度基にストラップダウン方式の演算を行って、頭部の移動速度、位置、姿勢及び向きを検出している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平６-67799号公報に掲載されたペン型のコンピュータ入力装置では、装置のローテーションによる影響を補正するもので、装置がダイナミックな傾斜を伴う場合には補正することができない。通常の筆記動作では装置のダイナミックな傾斜を伴うので、検出結果が不正確になる場合がある。
【０００８】
さらに、特開平７-84716号公報に掲載されたデータ入力装置は手首の回転動作を検出して移動方向及び移動距離を入力するものなので、図形等の入力には適さない。
【０００９】
さらに、特開平７-200127号公報に掲載された手書き入力装置では、装置の傾斜及び回転に対する補正手段がないため、検出結果が不正確になる場合がある。
【００１０】
さらに、特開平６-230886号公報に掲載されたペンシル型入力装置は加速度センサが検出した加速度に装置の回転角に対する成分が含まれていることを考慮していないため移動距離の検出誤差が大きくなる場合がある。
【００１１】
また、特開平７-294240号公報に掲載された位置センサは、頭部の移動速度、位置、姿勢及び向きを空間的に検出するものなので、複雑な演算処理を採用しているが、ペン型入力装置では装置の小型化が要求されているため、簡単な演算処理で正確に被筆記面上の移動方向及び移動距離を検出しなければならない。
【００１２】
さらに、ペン型入力装置ではペン先端部に３個の加速度センサを設けることはできず、特開平７-294240号公報に掲載された位置センサでは、ペン先端部と加速度センサの取り付け位置の違いによる誤差を補正していないので、正確に筆記入力を検出することができない場合がある。
【００１３】
この発明はかかる短所を解消するためになされたものであり、筆記入力を簡単な構成で正確に検出する小型なペン型入力装置を得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るペン型入力装置は、３個の加速度センサと３個のジャイロと演算部を有し、３個の加速度センサはそれぞれペン軸をＺｓ軸としたペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）のＸｓ軸方向，Ｙｓ軸方向及びＺｓ軸方向の加速度を示す信号を出力し、３個のジャイロはそれぞれＸｓ軸周り，Ｙｓ軸周り及びＺｓ軸周りの回転角速度を示す信号を出力し、演算部は初期傾斜角演算部と傾斜角変化演算部と筆記中傾斜角演算部と加速度補正部と座標変換演算部と移動量演算部を備え、初期傾斜角演算部は無筆記状態で３個の加速度センサが検出した加速度を基に重力加速度方向に伸びる軸をＺｇ軸にした重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）におけるペン軸の傾斜角の初期値を演算し、傾斜角変化演算部は筆記状態で３個のジャイロが検出した回転角速度を基にペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の変化を演算し、筆記中傾斜角演算部は初期傾斜角演算部が演算した傾斜角の初期値と傾斜角変化演算部が演算した傾斜角の変化を基に筆記中のペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角を演算し、加速度補正部は３個の加速度センサの取り付け位置、３個のジャイロが検出した回転角速度、傾斜角変化演算部が演算したペン軸の傾斜角の変化及び筆記中傾斜角演算部が演算した筆記中のペン軸の傾斜角を基にペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）における３個の加速度センサの取り付け位置での加速度をペン先端部での加速度に補正し、座標変換演算部は筆記中傾斜角演算部が検出した筆記中のペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角を基に加速度補正部が補正したペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）における加速度を重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）による加速度に変換し、移動量演算部は座標変換演算部が変換した加速度を基にペン先端部の移動方向及び移動距離を算出して、装置の傾斜角及び加速度センサの取り付け位置による影響を補正した正確な筆記入力を行う。
【００１５】
Ｘｓ軸方向の加速度センサをＹｓ＝０となる位置、Ｙｓ方向の加速度センサをＸｓ＝０となる位置、Ｚｓ方向の加速度センサをＺｓ軸上に設けて、演算部の演算を簡単にする。
【００１６】
さらに、各加速度センサをＺｓ軸近傍に設けて、演算量を少なくし演算時間を短縮する。
【００１７】
さらに、３個の加速度センサ及び３個のジャイロからの信号のペン先端部と被筆記面との摩擦による高周波成分を透過するハイパスフィルタを有し、ハイパスフィルタを経由した３個の加速度センサ及び３個のジャイロからの信号のうちいずれか最初に高周波成分を含んだ信号を基に筆記開始を判断し、ハイパスフィルタを経由した３個の加速度センサ及び３個のジャイロからの信号のうちいずれか最後まで高周波成分を含んだ信号を基に筆記終了を判断して、簡単な構成で筆記開始及び筆記終了を検出する。
【００１８】
さらに、筆記軌跡抽出部とフィティング部を有し、筆記軌跡抽出部は移動量演算部が算出したペン先端部の移動方向及び移動距離から筆記開始から終了までのペン先端部の軌跡を抽出し、フィティング部は筆記軌跡抽出部が抽出したペン先端部の軌跡を被筆記面に写像して、被筆記面の傾斜による影響を補正する。
【００１９】
また、移動量演算部は座標変換演算部が変換した加速度を基にペン先端部のＸｇ方向及びＹｇ方向の移動距離を算出し、筆記軌跡抽出部は移動量演算部が算出したペン先端部のＸｇ方向及びＹｇ方向の移動距離から筆記開始から終了までのペン先端部の軌跡を抽出して、簡単な構成で被筆記面の傾斜による影響を補正する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
この発明のペン型入力装置は、コンピュータ装置等に文字、記号及び図形等を入力するものある。この発明のペン型入力装置は、ペン軸をＺｓ軸としたペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）のＸｓ軸方向，Ｙｓ軸方向及びＺｓ軸方向の加速度を３個の加速度センサで検出し、検出したＸｓ軸方向，Ｙｓ軸方向及びＺｓ軸方向の加速度を基にペン先端部の移動方向及び移動距離を検出するものである。加速度センサが検出した加速度には、加速度センサの取り付け位置による誤差及び装置の傾斜による誤差が含まれる。そこで、この発明のペン型入力装置は、無筆記状態でのペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）のＸｓ軸方向、Ｙｓ軸方向及びＺｓ軸方向の加速度を検出し、検出した加速度から重力加速度方向に伸びる軸をＺｇ軸にした重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）におけるペン軸の傾斜角の初期値を求める。また、ペン型入力装置は筆記中におけるペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）のＸｓ軸周り，Ｙｓ軸周り及びＺｓ軸周りの回転角速度を検出し、ペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の変化を検出する。これにより、筆記時におけるペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角を求める。加速度センサの取り付け位置、３個のジャイロが検出した回転角速度、重力座標系におけるペン軸の傾斜角の初期値及び重力座標系におけるペン軸の傾斜角の変化を基に加速度センサにおける加速度をペン先端部における加速度に補正する。補正したペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）における加速度を重力座標系における加速度に変換し、移動方向及び移動距離を正確に検出するものである。
【００２１】
ペン型入力装置は、例えば３個の加速度センサと３個のジャイロと演算部を有する。３個の加速度センサは、例えばペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）のＺｓ軸近傍で、それぞれＸｓ軸方向，Ｙｓ軸方向及びＺｓ軸方向の加速度を検出し、検出した加速度を示す信号を出力する。３個のジャイロはそれぞれＸｓ軸周り，Ｙｓ軸周り及びＺｓ軸周りの回転角速度を検出し、検出した回転角速度を示す信号を出力する。演算部は初期傾斜角演算部と傾斜角変化演算部と筆記中傾斜角演算部と加速度補正部と座標変換演算部と移動量演算部を備える。初期傾斜角演算部は無筆記状態で３個の加速度センサが検出したペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）の加速度を基にペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の初期値を演算する。傾斜角変化演算部は筆記状態で３個のジャイロが検出した回転角速度を基にペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の変化を演算する。筆記中傾斜角演算部は初期傾斜角演算部が演算したペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の初期値と傾斜角変化演算部が演算したペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の変化を基に、筆記中のペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角を求める。加速度補正部はペン先端部に対する３個の加速度センサの取り付け位置、３個のジャイロが検出した回転角速度、傾斜角変化演算部が演算したペン軸の傾斜角の変化及び筆記中傾斜角演算部が演算した筆記中のペン軸の傾斜角を基に３個の加速度センサが検出したペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）の加速度をペン先端部における加速度に補正する。座標変換演算部は筆記中傾斜角演算部が検出した筆記中のペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角を基に加速度補正部が補正したペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）による加速度を重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）による加速度に変換する。移動量演算部は座標変換演算部が変換した加速度を基にペン先端部の移動方向及び移動距離を算出して、装置の傾斜角及び加速度センサの取り付け位置による影響を補正した正確な筆記入力を行う。
【００２２】
なお、上記ペン型入力装置による筆記状態の判断にはイネーブルスイッチ等を用いても良いし、加速度センサ及びジャイロからの信号の周波数成分を基に判断するようにしても良い。例えば、ペン型入力装置は加速度センサ及びジャイロからの信号の高周波成分を、例えば10Hz近傍の周波数を境に透過するハイパスフィルタを有する。加速度センサ等からの信号の高周波数成分はペン先端部と被筆記面との摩擦によるもので、かつ、これは10Hz近傍を境としているので、３個の加速度センサ及び３個のジャイロからの信号のいずれからか上記高周波成分を検出している間を筆記中と判断する。これにより、操作間違いなどを防止でき正確に筆記の開始および終了を検出できる。
【００２３】
さらに、Ｘｓ軸方向の加速度センサをＹｓ＝０となる位置、Ｙｓ方向の加速度センサをＸｓ＝０となる位置、Ｚｓ方向の加速度センサをＺｓ軸上に設けると、加速度の補正が簡単になり、演算部の演算が簡単になるので、演算時間を短縮できる。
【００２４】
また、被筆記面が水平でない場合もあるので、例えば筆記軌跡抽出部とフィティング部を有するようにしても良い。筆記軌跡抽出部は移動量演算部が算出したペン先端部の移動方向及び移動距離から筆記開始から終了までのペン先端部の軌跡を抽出する。フィティング部は筆記軌跡抽出部が抽出したペン先端部の軌跡を被筆記面に写像して、被筆記面の傾斜による影響を補正する。
【００２５】
また、移動量演算部は座標変換演算部が変換した加速度を基にペン先端部のＸｇ方向及びＹｇ方向の移動距離を算出し、筆記軌跡抽出部は移動量演算部が算出したペン先端部のＸｇ方向及びＹｇ方向の移動距離から筆記開始から終了までのペン先端部の軌跡を抽出して、簡単な構成で被筆記面の傾斜による影響を補正するようにしても良い。
【００２６】
【実施例】
図１はこの発明の一実施例のペン型入力装置の構成図である。図に示すように、ペン型入力装置１は加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ、ジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃ、演算部４、記憶部５及び電源部６を有する。加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃは、それぞれペン軸７をＺｓ軸とした場合のＺｓ軸と直交するＸｓ軸方向，Ｙｓ軸方向及びＺｓ軸方向に向けてＺｓ軸近傍に設けられ、Ｘｓ軸方向，Ｙｓ軸方向及びＺｓ軸方向の加速度を検出し、検出した加速度を示す信号を出力する。加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃは、ピエゾ抵抗方式のもの以外に圧電方式のもの又は静電容量方式のものでも良い。ジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃはそれぞれＸｓ軸周り，Ｙｓ軸周り及びＺｓ軸周りの回転角速度を検出し、検出した回転角速度を示す信号を出力する。以下の説明では、特に断わらない限りペン軸７をＺｓ軸とした座標系をペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）といい、ペン軸７と直交する２軸をＸｓ軸及びＹｓ軸として説明する。また、重力加速度方向に伸びる軸をＺｇ軸とする座標系を重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）といい、Ｚｇ軸と直交する２軸をＸｇ軸及びＹｇ軸という。さらに、Ｘｓ軸，Ｙｓ軸及びＺｓ軸とＸｇ軸，Ｙｇ軸及びＺｇ軸とが成す角度をそれぞれφ，θ及びψとする。
【００２７】
演算部４は、図２に示すようにＡ／Ｄ変換器４１ａ〜４１ｆ、ローパスフィルタ４２ａ〜４２ｆ、ハイパスフィルタ４３ａ〜４３ｆ、静止判断部４４、初期傾斜角演算部４５、傾斜角変化演算部４６、筆記中傾斜角演算部４７、加速度補正部４８、座標変換演算部４９、重力加速度除去部５０、移動量演算部５１、筆記軌跡抽出部５２及びフィティング部５３を備える。Ａ／Ｄ変換器４１ａ〜４１ｆは、それぞれ加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからのアナログ信号をデジタル信号に変換する。ローパスフィルタ４２ａ〜４２ｆはペン先端部８と被筆記面との摩擦力により生じる加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからの信号の高周波成分を遮断する。ハイパスフィルタ４３ａ〜４３ｆは、例えば10Hzを境にして加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからの信号の摩擦力による高周波数成分を抽出する。静止判断部４４はハイパスフィルタ４３ａ〜４３ｆを経由した３個の加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及び３個のジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからの信号のうちいずれか最初に高周波成分を含んだ信号を基に筆記開始を判断し、ハイパスフィルタ４３ａ〜４３ｆを経由した３個の加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及び３個のジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからの信号のうちいずれか最後まで高周波成分を含んだ信号を基に筆記終了を判断する。例えばペン先端部８を鉛筆の芯で構成し、紙に対して筆記した場合の加速度信号の波形を図３に示す。図３に示すように筆記加速度成分は中心周波数10Hz以下の比較的に周波数が低い部分に表れ、ペン先端部８と被筆記面との摩擦による成分は100Hz以上の比較的周波数が高い部分に表れる。そこで、10Hz以上の周波数成分をハイパスフィルタ４３ａ〜４３ｆで抽出し、静止判断部４４はハイパスフィルタ４３ａ〜４３ｆが抽出した信号を予め定めた閾値と比較することにより、筆記中か否かを判断する。ここで、筆記の方向により、各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃで検出するペン先端部８と被筆記面との摩擦による成分に違いが表れることから、静止判断部４４はいずれか最初に高周波成分を含んだ信号を基に筆記開始を判断し、いずれか最後まで高周波成分を含んだ信号を基に筆記終了を判断する。
【００２８】
初期傾斜角演算部４５は無筆記状態で３個の加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃが検出したペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）での加速度を基にペン軸７の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）おける傾斜角の初期値φ0，θ0及びψ0を演算する。
傾斜角変化演算部４６は筆記状態で３個のジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃが検出した回転角速度を基にペン軸７の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の変化Δφ，Δθ及びΔψを演算する。筆記中傾斜角演算部４７は初期傾斜角演算部４５が演算したペン軸７の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の初期値φ0，θ0及びψ0と傾斜角変化演算部４６が演算したペン軸７の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の変化Δφ，Δθ及びΔψを基に、筆記中のペン軸８の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角φ，θ及びψを求める。加速度補正部４８は３個の加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの取り付け位置、３個のジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃが検出した回転角速度、傾斜角変化演算部４６が演算したペン軸７の傾斜角の変化及び筆記中傾斜角演算部４７が演算した筆記中のペン軸７の傾斜角を基にペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）における３個の加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの取り付け位置での加速度をペン先端部８での加速度に補正する。座標変換演算部４９は筆記中傾斜角演算部４７が検出した筆記中のペン軸７の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角φ，θ及びψを基に加速度補正部４８が補正したペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）による加速度を重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）による加速度に変換する。重力加速度除去部５０は座標変換演算部４９が変換した加速度から重力加速度成分を除去する。移動量演算部５１は重力加速度除去部５０が重力加速度成分を除去した加速度を基にペン先端部８の移動方向及び移動距離を算出する。筆記軌跡抽出部５２は移動量演算部５１が算出したペン先端部８の移動方向及び移動距離から筆記開始から終了までのペン先端部８の軌跡を抽出し、記憶部５に記憶する。フィティング部５３は筆記軌跡抽出部５２が抽出して記憶部５に記憶したペン先端部８の軌跡を被筆記面に写像する。
【００２９】
ここで、演算部４の演算について説明する。重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）からペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）への座標変換式は次式のようになる。
【００３０】
【数１】
【００３１】
この式をペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）から重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）への座標変換式に変形すると、次式のようになる。
【００３２】
【数２】
【００３３】
ここで、図４に示す点Ａの重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）での座標（Ｘga，Ｙga，Ｚga）は、ペン先端部８の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）での座標（Ｘgo，Ｙgo，Ｚgo）と点Ａのペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）での座標（Ｌｘ，Ｌｙ，Ｌｚ）と傾斜角φ，θ，ψから次式のようになる。
【００３４】
【数３】
【００３５】
上式を時間で２回微分したものが点Ａ（Ｘga，Ｙga，Ｚga）の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）での加速度（Ａｘｇ，Ａｙｇ，Ａｚｇ）である。ここで、傾斜角φ，θ，ψも時間の関数であるので、次式を得ることができる。
【００３６】
【数４】
【００３７】
また、ペン先端部８の移動に関係無く重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）のＺｇ軸方向には重力が働く。そこで、上式に重力加速度ｇを加えると、次式のようになる。
【００３８】
【数５】
【００３９】
加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを点Ａに設けたとすると、これらの式から加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃが検出する加速度（Ａxsa，Ａysa，Ａzsa）は、次式で表わすことができる。
【００４０】
【数６】
【００４１】
次に、加速度センサ２ａ、２ｂ，２ｃがそれぞれ点Ｂ，Ｃ，Ｄに設けられているとし、点Ｂ，Ｃ，Ｄのペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）での座標をそれぞれＢ（Ｌxx，Ｌxy，Ｌxz），Ｃ（Ｌyx，Ｌyy，Ｌyz），Ｄ（Ｌzx，Ｌzy，Ｌzz）とし、前式の第２項を次式で置き換える。
【００４２】
【数７】
【００４３】
上式より、各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃが検出する加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）は次式のようになる。
【００４４】
【数８】
【００４５】
加速度補正部４８は上式の第２項を演算して、各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃが検出した加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）を補正する。さらに、補正した加速度を座標変換演算部４９が座標変換した後に、重力加速度除去部５０が重力加速度成分を除去してペン先端部８の加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）を得る。ここで、ペン先端部８の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）での加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）は、重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）での移動距離（Ｘgo，Ｙgo，Ｚgo）を２回微分した式で表わすことができ、次式のようになる。
【００４６】
【数９】
【００４７】
移動量演算部５１は、このように算出したペン先部８の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）での加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）を２回積分してペン先端部８の軌跡を求める。
【００４８】
次に傾斜角の初期値（φ0，θ0，ψ0）について説明する。静止状態においては重力加速度による影響だけなので、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃが検出するペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）における加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）は移動距離（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）を２回微分した式で求めることができ、次式のようになる。
【００４９】
【数１０】
【００５０】
上記のように静止状態においては加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃが検出するペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）における加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）は、加速度センサの取り付け位置に影響されない。ここで、２つの未知数φ0，θ0に対して３つの方程式が立てられるので、重力加速度ｇも未知数として取り扱うことができる。また、重力加速度ｇの値を演算し、監視する機能を付け演算した値の変動を基に演算の良否を判定することもできる。また、ペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）の角軸の回転各速度（Ｐ，Ｑ，Ｒ）と傾斜角速度（ψ，θ，φ）の変化との関係は次式で表わすことができる。
【００５１】
【数１１】
【００５２】
ここで、ペン先端部８の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における移動距離（Ｘgo，Ｙgo，Ｚgo）を微分した式で求めることができるペン先端部８の加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）は次式で表わすこともできる。
【００５３】
【数１２】
【００５４】
上記構成のペン型入力装置１の動作を、図５のフローチャートを参照して説明する。
【００５５】
加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃはそれぞれＸｓ方向，Ｙｓ方向，Ｚｓ方向の加速度を検出する。ハイパスフィルタ４３ａ〜４３ｆはＡ／Ｄ変換器４１ａ〜４１ｆを介して入力した加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからの信号を10Hzを境に高周波成分を抽出して、静止判断部４４はハイパスフィルタ４３ａ〜４３ｆからの信号を基に筆記中であるか否かを示す信号を出力する。このように、ペン先端部８と被筆記面との摩擦力により生じる高周波信号を検出して筆記中か否かを判断するので、容易かつ正確に筆記中であるか否かを検出できる。
【００５６】
初期傾斜角演算部４５は静止判断部４４から筆記中を示す信号を受けていないときに、Ｘｓ軸に対する加速度センサ２ａ、Ｙｓ軸に対する加速度センサ２ｂ及びＺｓ軸に対する加速度センサ２ｃからの信号を入力し、ペン軸７の重力座標系における傾斜角の初期値φ0，θ0及びψ0を算出する（ステップＳ１）。
【００５７】
傾斜角変化演算部４６は静止判断部４４から筆記中であることを示す信号を受けると（ステップＳ２）、３個のジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃが検出した回転角速度を基にペン軸７の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の変化Δφ，Δθ及びΔψを演算する（ステップＳ３）。筆記中傾斜角演算部４７は、上記のように初期傾斜角演算部４５が演算したペン軸７の傾斜角の初期値φ0，θ 0 ，ψ 0と傾斜角変化演算部４５が演算したペン軸８の傾斜角（φ，θ，ψ）の変化を基に、筆記中のペン軸７の傾斜角（φ，θ，ψ）を求める（ステップＳ４）。加速度補正部４８は３個の加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの取り付け位置の座標（Ｌxx，Ｌxy，Ｌxz），（Ｌyx，Ｌyy，Ｌyz），（Ｌzx，Ｌzy，Ｌzz）、傾斜角変化演算部４６が演算したペン軸７の傾斜角（φ，θ，ψ）の変化及び筆記中傾斜角演算部４７が演算した筆記中のペン軸７の傾斜角（φ，θ，ψ）を基に３個の加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃが検出したペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）の加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）をペン先端部８における加速度（Ａxso，Ａyso，Ａzso）に補正する（ステップＳ５）。座標変換演算部４９は筆記中傾斜角演算部４７が検出した筆記中の傾斜角（φ，θ，ψ）を基に加速度補正部４８が補正した加速度（Ａxso，Ａyso，Ａzso）を重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）による加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）に変換する（ステップＳ６）。このように、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの取り付け位置及び傾斜による影響を補正するので、ペン先端部８における重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）による正確な加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）を検出することができる。
【００５８】
重力加速度除去部５０は座標変換演算部４９が変換した加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）から重力加速度成分を除去する（ステップＳ７）。移動量演算部５１は重力加速度除去部５０が重力加速度成分を除去したペン先端部８における加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）を２回積分してペン先端部８の移動方向及び移動距離を算出する（ステップＳ８）。このように、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃが検出した加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）を補正した後に積分するので、積分結果に発生する誤差を少なくすることができる。
【００５９】
筆記軌跡抽出部５２は移動量演算部５１が算出したペン先端部８の移動方向及び移動距離から筆記開始から終了までのペン先端部８の軌跡を抽出して記憶部５に記憶する（ステップＳ９、Ｓ１０）。フィティング部５３は、例えば最小二乗法を用いて筆記軌跡抽出部５２が抽出したペン先端部８の軌跡から被筆記面を特定し、ペン先端部８の軌跡を被筆記面に写像する（ステップＳ１１）。例えば図６（ａ）に示す筆記軌跡の３次元データ（Ｘi，Ｙi，Ｚi）を被筆記面の表わす式ａＸ＋ｂＹ＋ｃＺ＋ｄ＝０に代入し、ａＸi＋ｂＹi＋ｃＺi＋ｄ＝δiとし、この誤差の二乗和Σ（δi）2が最小になるように被筆記面（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を特定する。ここで、図６（ｂ）に示すようにこの誤差δiは座標（Ｘi，Ｙi，Ｚi）と被筆記面との最短距離となる。このように、ペン先端部８の軌跡を被筆記面に写像することにより、被筆記面が傾いていた場合であっても正確にペン先端部８の被筆記面上の移動距離を入力することができる。ペン型入力装置１は上記動作（ステップＳ３〜Ｓ１１）を静止判断部４４が加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ又はジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからの高周波数成分を検出しなくなるまで繰り返し（ステップｓ１２）、文字及び図形等を正確に入力する。
【００６０】
なお、上記実施例においては加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの座標を（Ｌxx，Ｌxy，Ｌxz），（Ｌyx，Ｌyy，Ｌyz），（Ｌzx，Ｌzy，Ｌzz）としたが、Ｘｓ軸方向の加速度センサ２ａをＹｓ＝０となる位置、Ｙｓ方向の加速度センサ２ｂをＸｓ＝０となる位置、Ｚｓ方向の加速度センサ２ｃをＺｓ軸上に設けると、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの座標は（Ｌxx，０，Ｌxz），（０，Ｌyy，Ｌyz），（０，０，Ｌzz）となり、ペン先端部８の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における移動距離（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）を２回微分した式で求めることができる加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）は次式のようになり、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃga検出した加速度の補正演算量を少なくすることができる。
【００６１】
【数１３】
【００６２】
ここで、Ｘｓ軸方向の加速度センサ２ａをＸｓ＝０となる位置、Ｙｓ方向の加速度センサ２ｂをＹｓ＝０となる位置、Ｚｓ方向の加速度センサ２ｃをＺｓ軸上に設けると、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの座標は（０，Ｌxy，Ｌxz），（Ｌyx，０，Ｌyz），（０，０，Ｌzz）となり、ペン先端部８の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における移動距離（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）を２回微分した式で求めることができる加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）は次式のようになる。
【００６３】
【数１４】
【００６４】
また、各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃをＺｓ軸上に設けたとすると、Ｌxx，Ｌxy，Ｌyx，Ｌyy，Ｌzx，Ｌzyは０となるので、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの座標は（０，０，Ｌxz），（０，０，Ｌyz），（０，０，Ｌzz）となり、ペン先端部８の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における移動距離（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）を２回微分した式で求めることができる加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）は次式のようになり、さらに加速度の補正演算量を少なくすることができる。
【００６５】
【数１５】
【００６６】
また、図７〜図９に示すように補正項の特定の要素が大きな加速度成分を持っているので、その特定の要素のみを用いて、ペン先端部８の重力座標系における加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）を次式で計算しても良い。これにより、さらに計算時間を短縮することができる。例えば、Ｘｓ軸方向の加速度の補正要素としてＬxx（ｄ2θ／ｄｔ2）cosφ、Ｙｓ軸方向の加速度の補正要素としてＬyz｛（ｄ2ψ／ｄｔ2）sinθ−φ｝、Ｚｓ軸方向の加速度の補正要素として−Ｌzz｛（ｄφ／ｄｔ）2＋（ｄθ／ｄｔ）2cos2φ｝を用いた。
【００６７】
【数１６】
【００６８】
さらに、前記実施例においてはフィティング部５３は座標（Ｘi，Ｙi，Ｚi）と被筆記面との最短距離となるようにしてペン先端部８の軌跡を被筆記面に写像したが、例えば図１０に示すように座標（Ｘi，Ｙi，Ｚi）と被筆記面とのＺｇ軸方向の距離が最短になるようにしても良い。例えば被筆記面を表わす式（ａ1）Ｘ＋（ｂ1）Ｙ＋Ｚ＋ｄ1＝０とし、筆記軌跡の３次元データ（Ｘi，Ｙi，Ｚi）を上式に代入し、（ａ1）×（Ｘi）＋（ｂ1）×（Ｙi）＋（Ｚi）＋（ｄ1）＝δiとし、この誤差の二乗和Σ（δi）2が最小になるように被筆記面（ａ1，ｂ1，ｄ1）を特定する。このように、パラメータを一つ減らすことにより演算時間を短縮することができる。この場合、被筆記面が垂直の場合に誤差が生じるが通常のペン型入力装置１の使用状況において被筆記面を垂直にすることはほとんど無い。
【００６９】
さらに、移動量演算部５１は座標変換演算部４９が変換した加速度を基にペン先端部のＸｇ方向及びＹｇ方向の移動距離のみをを算出し、筆記軌跡抽出部５２は移動量演算部５１が算出したペン先端部８のＸｇ方向及びＹｇ方向の移動距離から筆記開始から終了までのペン先端部の軌跡を抽出して、簡単な構成で被筆記面の傾斜による影響を補正するようにしても良い。この場合、重力加速度除去部５０及びフィティング部５３が不要になり、これらの部分による演算時間を短縮することができるとともに、移動量演算部５１によるＺｇ方向の移動量演算処理を行う必要が無いので、演算時間を大幅に短縮することができる。
【００７０】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、ペン軸の傾斜角の初期値とペン軸の傾斜角の変化を基に筆記中のペン軸の傾斜角を演算し、３個の加速度センサの取り付け位置、ペン軸の傾斜角の変化及び筆記中のペン軸の傾斜角を基に３個の加速度センサが検出した加速度をペン先端部における加速度に補正し、補正したペン軸座標系による加速度を筆記中のペン軸の傾斜角を基に重力座標系による加速度に変換し、変換した加速度を基にペン先端部の移動方向及び移動距離を算出するので、小型の装置で被筆記面上を移動するペン先端部の移動方向及び移動距離を正確に検出することができる。
【００７１】
さらに、Ｘｓ軸方向の加速度センサをＹｓ＝０となる位置、Ｙｓ方向の加速度センサをＸｓ＝０となる位置、Ｚｓ方向の加速度センサをＺｓ軸上に設けたので、演算処理を簡単にし、演算時間を短縮することができる。
【００７２】
さらに、各加速度センサをＺｓ軸近傍に設けたので、さらに演算量を少なくし演算時間を短縮することができる。
【００７３】
さらに、加速度センサ及びジャイロからの信号のペン先端部と被筆記面との摩擦による高周波成分を基に筆記の開始及び終了を判断するので、簡単な構成で正確に筆記開始及び筆記終了を検出することができる。
【００７４】
さらに、筆記開始から終了までのペン先端部の軌跡を抽出し、抽出したペン先端部の軌跡を被筆記面に写像するので、被筆記面の傾斜による影響を補正することができる。
【００７５】
また、筆記開始から終了までのペン先端部のＸｇ方向及びＹｇ方向の移動距離を抽出するので、算出簡単な構成で短時間に被筆記面の傾斜による影響を補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す構成図である。
【図２】演算部の構成図である。
【図３】加速度信号の波形図である。
【図４】ペン型入力装置上の一点を表わすペン型入力装置の側面図である。
【図５】ペン型入力装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】被筆記面の斜視図である。
【図７】ｆ13成分の説明図である。
【図８】ｆ23成分の説明図である。
【図９】ｆ33成分の説明図である。
【図１０】被筆記面とのＺｇ軸方向の距離を最短にした場合の被筆記面の斜視図である。
【符号の説明】
１ ペン型入力装置
２ 加速度センサ
３ ジャイロ
４ 演算部
４３ ハイパスフィルタ
４４ 静止判断部
４５ 初期回転角演算部
４６ 回転角変化演算部
４７ 筆記中回転角演算部
４８ 加速度補正部
４９ 座標変換演算部
５０ 重力加速度除去部
５１ 移動量演算部
５２ 筆記軌跡抽出部
５３ フィティング部
５ 記憶部
７ ペン軸
８ ペン先端部
【発明の属する技術分野】
この発明は図形及び文字を入力するペン型入力装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータ装置等の入力装置としてはキーボード、マウス、デジタイザ、ライトペン及びタブレット等が用いられている。コンピュータ装置の小型化に伴い、携帯端末装置のニーズが高まり利用者も年々増加している。そこで、小型の入力装置が求められるようになった。
【０００３】
キーボードの小型化にはヒューマンインターフェイスの点で限界があり、携帯端末装置の入力装置としては実用性が低い。また、マウスはポインティングデバイスとしては小型化が可能であるが、図形及び文字等の入力には適さない。
【０００４】
このため、携帯端末装置の入力装置としてはタブレットとペンを用いたペン型の入力装置が多く採用されている。このタブレットを用いたペン型の入力装置をさらに小型化しようとした場合にはタブレットの大きさが問題となる。そこで、例えば特開平６-67799号公報に掲載されたペン型のコンピュータ入力装置、特開平７-84716号公報に掲載されたデータ入力装置、特開平７-200127号公報に掲載された手書き入力装置及び特開平６-230886号公報に掲載されたペンシル型入力装置のようなタブレットレスの入力装置が開発された。
【０００５】
特開平６-67799号公報に掲載されたペン型のコンピュータ入力装置は加速度センサで移動方向と移動距離を調べ、圧電振動ジャイロで加速度センサが検出した移動方向及び移動距離のペン型のコンピュータ入力装置のローテーションによる影響を補正している。さらに、特開平７-84716号公報に掲載されたデータ入力装置は互いに直角に配置された振動ジャイロからの極性及び振幅を示す信号を基に装置の移動方向及び移動距離を検出している。さらに、特開平７-200127号公報に掲載された手書き入力装置は２個の加速度センサからの信号を基に装置の移動方向及び移動距離を求めている。さらに、特開平６-230886号公報に掲載されたペンシル型入力装置は２組の加速度センサをペン軸上の異なった位置に設け、この２組の加速度センサからの出力を基に加速度センサの取り付け異値による影響を補正したペン先端部の移動方向及び移動距離を求めている。
【０００６】
また、ペン型入力装置に関するものでなく、例えばゲーム機に利用され、人体頭部の移動速度、位置、姿勢等を検出するものであるが、特開平７-294240号公報に掲載された位置センサは、Ｘ軸方向，Ｙ軸方向及びＺ軸方向の加速度を検出する加速度センサとＸ軸周り，Ｙ軸周り及びＺ軸周りの角速度を検出するジャイロを備え、これらが検出した加速度及び角速度基にストラップダウン方式の演算を行って、頭部の移動速度、位置、姿勢及び向きを検出している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平６-67799号公報に掲載されたペン型のコンピュータ入力装置では、装置のローテーションによる影響を補正するもので、装置がダイナミックな傾斜を伴う場合には補正することができない。通常の筆記動作では装置のダイナミックな傾斜を伴うので、検出結果が不正確になる場合がある。
【０００８】
さらに、特開平７-84716号公報に掲載されたデータ入力装置は手首の回転動作を検出して移動方向及び移動距離を入力するものなので、図形等の入力には適さない。
【０００９】
さらに、特開平７-200127号公報に掲載された手書き入力装置では、装置の傾斜及び回転に対する補正手段がないため、検出結果が不正確になる場合がある。
【００１０】
さらに、特開平６-230886号公報に掲載されたペンシル型入力装置は加速度センサが検出した加速度に装置の回転角に対する成分が含まれていることを考慮していないため移動距離の検出誤差が大きくなる場合がある。
【００１１】
また、特開平７-294240号公報に掲載された位置センサは、頭部の移動速度、位置、姿勢及び向きを空間的に検出するものなので、複雑な演算処理を採用しているが、ペン型入力装置では装置の小型化が要求されているため、簡単な演算処理で正確に被筆記面上の移動方向及び移動距離を検出しなければならない。
【００１２】
さらに、ペン型入力装置ではペン先端部に３個の加速度センサを設けることはできず、特開平７-294240号公報に掲載された位置センサでは、ペン先端部と加速度センサの取り付け位置の違いによる誤差を補正していないので、正確に筆記入力を検出することができない場合がある。
【００１３】
この発明はかかる短所を解消するためになされたものであり、筆記入力を簡単な構成で正確に検出する小型なペン型入力装置を得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るペン型入力装置は、３個の加速度センサと３個のジャイロと演算部を有し、３個の加速度センサはそれぞれペン軸をＺｓ軸としたペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）のＸｓ軸方向，Ｙｓ軸方向及びＺｓ軸方向の加速度を示す信号を出力し、３個のジャイロはそれぞれＸｓ軸周り，Ｙｓ軸周り及びＺｓ軸周りの回転角速度を示す信号を出力し、演算部は初期傾斜角演算部と傾斜角変化演算部と筆記中傾斜角演算部と加速度補正部と座標変換演算部と移動量演算部を備え、初期傾斜角演算部は無筆記状態で３個の加速度センサが検出した加速度を基に重力加速度方向に伸びる軸をＺｇ軸にした重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）におけるペン軸の傾斜角の初期値を演算し、傾斜角変化演算部は筆記状態で３個のジャイロが検出した回転角速度を基にペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の変化を演算し、筆記中傾斜角演算部は初期傾斜角演算部が演算した傾斜角の初期値と傾斜角変化演算部が演算した傾斜角の変化を基に筆記中のペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角を演算し、加速度補正部は３個の加速度センサの取り付け位置、３個のジャイロが検出した回転角速度、傾斜角変化演算部が演算したペン軸の傾斜角の変化及び筆記中傾斜角演算部が演算した筆記中のペン軸の傾斜角を基にペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）における３個の加速度センサの取り付け位置での加速度をペン先端部での加速度に補正し、座標変換演算部は筆記中傾斜角演算部が検出した筆記中のペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角を基に加速度補正部が補正したペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）における加速度を重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）による加速度に変換し、移動量演算部は座標変換演算部が変換した加速度を基にペン先端部の移動方向及び移動距離を算出して、装置の傾斜角及び加速度センサの取り付け位置による影響を補正した正確な筆記入力を行う。
【００１５】
Ｘｓ軸方向の加速度センサをＹｓ＝０となる位置、Ｙｓ方向の加速度センサをＸｓ＝０となる位置、Ｚｓ方向の加速度センサをＺｓ軸上に設けて、演算部の演算を簡単にする。
【００１６】
さらに、各加速度センサをＺｓ軸近傍に設けて、演算量を少なくし演算時間を短縮する。
【００１７】
さらに、３個の加速度センサ及び３個のジャイロからの信号のペン先端部と被筆記面との摩擦による高周波成分を透過するハイパスフィルタを有し、ハイパスフィルタを経由した３個の加速度センサ及び３個のジャイロからの信号のうちいずれか最初に高周波成分を含んだ信号を基に筆記開始を判断し、ハイパスフィルタを経由した３個の加速度センサ及び３個のジャイロからの信号のうちいずれか最後まで高周波成分を含んだ信号を基に筆記終了を判断して、簡単な構成で筆記開始及び筆記終了を検出する。
【００１８】
さらに、筆記軌跡抽出部とフィティング部を有し、筆記軌跡抽出部は移動量演算部が算出したペン先端部の移動方向及び移動距離から筆記開始から終了までのペン先端部の軌跡を抽出し、フィティング部は筆記軌跡抽出部が抽出したペン先端部の軌跡を被筆記面に写像して、被筆記面の傾斜による影響を補正する。
【００１９】
また、移動量演算部は座標変換演算部が変換した加速度を基にペン先端部のＸｇ方向及びＹｇ方向の移動距離を算出し、筆記軌跡抽出部は移動量演算部が算出したペン先端部のＸｇ方向及びＹｇ方向の移動距離から筆記開始から終了までのペン先端部の軌跡を抽出して、簡単な構成で被筆記面の傾斜による影響を補正する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
この発明のペン型入力装置は、コンピュータ装置等に文字、記号及び図形等を入力するものある。この発明のペン型入力装置は、ペン軸をＺｓ軸としたペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）のＸｓ軸方向，Ｙｓ軸方向及びＺｓ軸方向の加速度を３個の加速度センサで検出し、検出したＸｓ軸方向，Ｙｓ軸方向及びＺｓ軸方向の加速度を基にペン先端部の移動方向及び移動距離を検出するものである。加速度センサが検出した加速度には、加速度センサの取り付け位置による誤差及び装置の傾斜による誤差が含まれる。そこで、この発明のペン型入力装置は、無筆記状態でのペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）のＸｓ軸方向、Ｙｓ軸方向及びＺｓ軸方向の加速度を検出し、検出した加速度から重力加速度方向に伸びる軸をＺｇ軸にした重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）におけるペン軸の傾斜角の初期値を求める。また、ペン型入力装置は筆記中におけるペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）のＸｓ軸周り，Ｙｓ軸周り及びＺｓ軸周りの回転角速度を検出し、ペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の変化を検出する。これにより、筆記時におけるペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角を求める。加速度センサの取り付け位置、３個のジャイロが検出した回転角速度、重力座標系におけるペン軸の傾斜角の初期値及び重力座標系におけるペン軸の傾斜角の変化を基に加速度センサにおける加速度をペン先端部における加速度に補正する。補正したペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）における加速度を重力座標系における加速度に変換し、移動方向及び移動距離を正確に検出するものである。
【００２１】
ペン型入力装置は、例えば３個の加速度センサと３個のジャイロと演算部を有する。３個の加速度センサは、例えばペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）のＺｓ軸近傍で、それぞれＸｓ軸方向，Ｙｓ軸方向及びＺｓ軸方向の加速度を検出し、検出した加速度を示す信号を出力する。３個のジャイロはそれぞれＸｓ軸周り，Ｙｓ軸周り及びＺｓ軸周りの回転角速度を検出し、検出した回転角速度を示す信号を出力する。演算部は初期傾斜角演算部と傾斜角変化演算部と筆記中傾斜角演算部と加速度補正部と座標変換演算部と移動量演算部を備える。初期傾斜角演算部は無筆記状態で３個の加速度センサが検出したペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）の加速度を基にペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の初期値を演算する。傾斜角変化演算部は筆記状態で３個のジャイロが検出した回転角速度を基にペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の変化を演算する。筆記中傾斜角演算部は初期傾斜角演算部が演算したペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の初期値と傾斜角変化演算部が演算したペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の変化を基に、筆記中のペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角を求める。加速度補正部はペン先端部に対する３個の加速度センサの取り付け位置、３個のジャイロが検出した回転角速度、傾斜角変化演算部が演算したペン軸の傾斜角の変化及び筆記中傾斜角演算部が演算した筆記中のペン軸の傾斜角を基に３個の加速度センサが検出したペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）の加速度をペン先端部における加速度に補正する。座標変換演算部は筆記中傾斜角演算部が検出した筆記中のペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角を基に加速度補正部が補正したペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）による加速度を重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）による加速度に変換する。移動量演算部は座標変換演算部が変換した加速度を基にペン先端部の移動方向及び移動距離を算出して、装置の傾斜角及び加速度センサの取り付け位置による影響を補正した正確な筆記入力を行う。
【００２２】
なお、上記ペン型入力装置による筆記状態の判断にはイネーブルスイッチ等を用いても良いし、加速度センサ及びジャイロからの信号の周波数成分を基に判断するようにしても良い。例えば、ペン型入力装置は加速度センサ及びジャイロからの信号の高周波成分を、例えば10Hz近傍の周波数を境に透過するハイパスフィルタを有する。加速度センサ等からの信号の高周波数成分はペン先端部と被筆記面との摩擦によるもので、かつ、これは10Hz近傍を境としているので、３個の加速度センサ及び３個のジャイロからの信号のいずれからか上記高周波成分を検出している間を筆記中と判断する。これにより、操作間違いなどを防止でき正確に筆記の開始および終了を検出できる。
【００２３】
さらに、Ｘｓ軸方向の加速度センサをＹｓ＝０となる位置、Ｙｓ方向の加速度センサをＸｓ＝０となる位置、Ｚｓ方向の加速度センサをＺｓ軸上に設けると、加速度の補正が簡単になり、演算部の演算が簡単になるので、演算時間を短縮できる。
【００２４】
また、被筆記面が水平でない場合もあるので、例えば筆記軌跡抽出部とフィティング部を有するようにしても良い。筆記軌跡抽出部は移動量演算部が算出したペン先端部の移動方向及び移動距離から筆記開始から終了までのペン先端部の軌跡を抽出する。フィティング部は筆記軌跡抽出部が抽出したペン先端部の軌跡を被筆記面に写像して、被筆記面の傾斜による影響を補正する。
【００２５】
また、移動量演算部は座標変換演算部が変換した加速度を基にペン先端部のＸｇ方向及びＹｇ方向の移動距離を算出し、筆記軌跡抽出部は移動量演算部が算出したペン先端部のＸｇ方向及びＹｇ方向の移動距離から筆記開始から終了までのペン先端部の軌跡を抽出して、簡単な構成で被筆記面の傾斜による影響を補正するようにしても良い。
【００２６】
【実施例】
図１はこの発明の一実施例のペン型入力装置の構成図である。図に示すように、ペン型入力装置１は加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ、ジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃ、演算部４、記憶部５及び電源部６を有する。加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃは、それぞれペン軸７をＺｓ軸とした場合のＺｓ軸と直交するＸｓ軸方向，Ｙｓ軸方向及びＺｓ軸方向に向けてＺｓ軸近傍に設けられ、Ｘｓ軸方向，Ｙｓ軸方向及びＺｓ軸方向の加速度を検出し、検出した加速度を示す信号を出力する。加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃは、ピエゾ抵抗方式のもの以外に圧電方式のもの又は静電容量方式のものでも良い。ジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃはそれぞれＸｓ軸周り，Ｙｓ軸周り及びＺｓ軸周りの回転角速度を検出し、検出した回転角速度を示す信号を出力する。以下の説明では、特に断わらない限りペン軸７をＺｓ軸とした座標系をペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）といい、ペン軸７と直交する２軸をＸｓ軸及びＹｓ軸として説明する。また、重力加速度方向に伸びる軸をＺｇ軸とする座標系を重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）といい、Ｚｇ軸と直交する２軸をＸｇ軸及びＹｇ軸という。さらに、Ｘｓ軸，Ｙｓ軸及びＺｓ軸とＸｇ軸，Ｙｇ軸及びＺｇ軸とが成す角度をそれぞれφ，θ及びψとする。
【００２７】
演算部４は、図２に示すようにＡ／Ｄ変換器４１ａ〜４１ｆ、ローパスフィルタ４２ａ〜４２ｆ、ハイパスフィルタ４３ａ〜４３ｆ、静止判断部４４、初期傾斜角演算部４５、傾斜角変化演算部４６、筆記中傾斜角演算部４７、加速度補正部４８、座標変換演算部４９、重力加速度除去部５０、移動量演算部５１、筆記軌跡抽出部５２及びフィティング部５３を備える。Ａ／Ｄ変換器４１ａ〜４１ｆは、それぞれ加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからのアナログ信号をデジタル信号に変換する。ローパスフィルタ４２ａ〜４２ｆはペン先端部８と被筆記面との摩擦力により生じる加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからの信号の高周波成分を遮断する。ハイパスフィルタ４３ａ〜４３ｆは、例えば10Hzを境にして加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからの信号の摩擦力による高周波数成分を抽出する。静止判断部４４はハイパスフィルタ４３ａ〜４３ｆを経由した３個の加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及び３個のジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからの信号のうちいずれか最初に高周波成分を含んだ信号を基に筆記開始を判断し、ハイパスフィルタ４３ａ〜４３ｆを経由した３個の加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及び３個のジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからの信号のうちいずれか最後まで高周波成分を含んだ信号を基に筆記終了を判断する。例えばペン先端部８を鉛筆の芯で構成し、紙に対して筆記した場合の加速度信号の波形を図３に示す。図３に示すように筆記加速度成分は中心周波数10Hz以下の比較的に周波数が低い部分に表れ、ペン先端部８と被筆記面との摩擦による成分は100Hz以上の比較的周波数が高い部分に表れる。そこで、10Hz以上の周波数成分をハイパスフィルタ４３ａ〜４３ｆで抽出し、静止判断部４４はハイパスフィルタ４３ａ〜４３ｆが抽出した信号を予め定めた閾値と比較することにより、筆記中か否かを判断する。ここで、筆記の方向により、各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃで検出するペン先端部８と被筆記面との摩擦による成分に違いが表れることから、静止判断部４４はいずれか最初に高周波成分を含んだ信号を基に筆記開始を判断し、いずれか最後まで高周波成分を含んだ信号を基に筆記終了を判断する。
【００２８】
初期傾斜角演算部４５は無筆記状態で３個の加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃが検出したペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）での加速度を基にペン軸７の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）おける傾斜角の初期値φ0，θ0及びψ0を演算する。
傾斜角変化演算部４６は筆記状態で３個のジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃが検出した回転角速度を基にペン軸７の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の変化Δφ，Δθ及びΔψを演算する。筆記中傾斜角演算部４７は初期傾斜角演算部４５が演算したペン軸７の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の初期値φ0，θ0及びψ0と傾斜角変化演算部４６が演算したペン軸７の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の変化Δφ，Δθ及びΔψを基に、筆記中のペン軸８の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角φ，θ及びψを求める。加速度補正部４８は３個の加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの取り付け位置、３個のジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃが検出した回転角速度、傾斜角変化演算部４６が演算したペン軸７の傾斜角の変化及び筆記中傾斜角演算部４７が演算した筆記中のペン軸７の傾斜角を基にペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）における３個の加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの取り付け位置での加速度をペン先端部８での加速度に補正する。座標変換演算部４９は筆記中傾斜角演算部４７が検出した筆記中のペン軸７の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角φ，θ及びψを基に加速度補正部４８が補正したペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）による加速度を重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）による加速度に変換する。重力加速度除去部５０は座標変換演算部４９が変換した加速度から重力加速度成分を除去する。移動量演算部５１は重力加速度除去部５０が重力加速度成分を除去した加速度を基にペン先端部８の移動方向及び移動距離を算出する。筆記軌跡抽出部５２は移動量演算部５１が算出したペン先端部８の移動方向及び移動距離から筆記開始から終了までのペン先端部８の軌跡を抽出し、記憶部５に記憶する。フィティング部５３は筆記軌跡抽出部５２が抽出して記憶部５に記憶したペン先端部８の軌跡を被筆記面に写像する。
【００２９】
ここで、演算部４の演算について説明する。重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）からペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）への座標変換式は次式のようになる。
【００３０】
【数１】
この式をペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）から重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）への座標変換式に変形すると、次式のようになる。
【００３２】
【数２】
ここで、図４に示す点Ａの重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）での座標（Ｘga，Ｙga，Ｚga）は、ペン先端部８の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）での座標（Ｘgo，Ｙgo，Ｚgo）と点Ａのペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）での座標（Ｌｘ，Ｌｙ，Ｌｚ）と傾斜角φ，θ，ψから次式のようになる。
【００３４】
【数３】
上式を時間で２回微分したものが点Ａ（Ｘga，Ｙga，Ｚga）の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）での加速度（Ａｘｇ，Ａｙｇ，Ａｚｇ）である。ここで、傾斜角φ，θ，ψも時間の関数であるので、次式を得ることができる。
【００３６】
【数４】
また、ペン先端部８の移動に関係無く重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）のＺｇ軸方向には重力が働く。そこで、上式に重力加速度ｇを加えると、次式のようになる。
【００３８】
【数５】
加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを点Ａに設けたとすると、これらの式から加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃが検出する加速度（Ａxsa，Ａysa，Ａzsa）は、次式で表わすことができる。
【００４０】
【数６】
次に、加速度センサ２ａ、２ｂ，２ｃがそれぞれ点Ｂ，Ｃ，Ｄに設けられているとし、点Ｂ，Ｃ，Ｄのペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）での座標をそれぞれＢ（Ｌxx，Ｌxy，Ｌxz），Ｃ（Ｌyx，Ｌyy，Ｌyz），Ｄ（Ｌzx，Ｌzy，Ｌzz）とし、前式の第２項を次式で置き換える。
【００４２】
【数７】
上式より、各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃが検出する加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）は次式のようになる。
【００４４】
【数８】
加速度補正部４８は上式の第２項を演算して、各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃが検出した加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）を補正する。さらに、補正した加速度を座標変換演算部４９が座標変換した後に、重力加速度除去部５０が重力加速度成分を除去してペン先端部８の加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）を得る。ここで、ペン先端部８の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）での加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）は、重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）での移動距離（Ｘgo，Ｙgo，Ｚgo）を２回微分した式で表わすことができ、次式のようになる。
【００４６】
【数９】
移動量演算部５１は、このように算出したペン先部８の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）での加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）を２回積分してペン先端部８の軌跡を求める。
【００４８】
次に傾斜角の初期値（φ0，θ0，ψ0）について説明する。静止状態においては重力加速度による影響だけなので、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃが検出するペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）における加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）は移動距離（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）を２回微分した式で求めることができ、次式のようになる。
【００４９】
【数１０】
上記のように静止状態においては加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃが検出するペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）における加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）は、加速度センサの取り付け位置に影響されない。ここで、２つの未知数φ0，θ0に対して３つの方程式が立てられるので、重力加速度ｇも未知数として取り扱うことができる。また、重力加速度ｇの値を演算し、監視する機能を付け演算した値の変動を基に演算の良否を判定することもできる。また、ペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）の角軸の回転各速度（Ｐ，Ｑ，Ｒ）と傾斜角速度（ψ，θ，φ）の変化との関係は次式で表わすことができる。
【００５１】
【数１１】
ここで、ペン先端部８の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における移動距離（Ｘgo，Ｙgo，Ｚgo）を微分した式で求めることができるペン先端部８の加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）は次式で表わすこともできる。
【００５３】
【数１２】
上記構成のペン型入力装置１の動作を、図５のフローチャートを参照して説明する。
【００５５】
加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃはそれぞれＸｓ方向，Ｙｓ方向，Ｚｓ方向の加速度を検出する。ハイパスフィルタ４３ａ〜４３ｆはＡ／Ｄ変換器４１ａ〜４１ｆを介して入力した加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからの信号を10Hzを境に高周波成分を抽出して、静止判断部４４はハイパスフィルタ４３ａ〜４３ｆからの信号を基に筆記中であるか否かを示す信号を出力する。このように、ペン先端部８と被筆記面との摩擦力により生じる高周波信号を検出して筆記中か否かを判断するので、容易かつ正確に筆記中であるか否かを検出できる。
【００５６】
初期傾斜角演算部４５は静止判断部４４から筆記中を示す信号を受けていないときに、Ｘｓ軸に対する加速度センサ２ａ、Ｙｓ軸に対する加速度センサ２ｂ及びＺｓ軸に対する加速度センサ２ｃからの信号を入力し、ペン軸７の重力座標系における傾斜角の初期値φ0，θ0及びψ0を算出する（ステップＳ１）。
【００５７】
傾斜角変化演算部４６は静止判断部４４から筆記中であることを示す信号を受けると（ステップＳ２）、３個のジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃが検出した回転角速度を基にペン軸７の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の変化Δφ，Δθ及びΔψを演算する（ステップＳ３）。筆記中傾斜角演算部４７は、上記のように初期傾斜角演算部４５が演算したペン軸７の傾斜角の初期値φ0，θ 0 ，ψ 0と傾斜角変化演算部４５が演算したペン軸８の傾斜角（φ，θ，ψ）の変化を基に、筆記中のペン軸７の傾斜角（φ，θ，ψ）を求める（ステップＳ４）。加速度補正部４８は３個の加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの取り付け位置の座標（Ｌxx，Ｌxy，Ｌxz），（Ｌyx，Ｌyy，Ｌyz），（Ｌzx，Ｌzy，Ｌzz）、傾斜角変化演算部４６が演算したペン軸７の傾斜角（φ，θ，ψ）の変化及び筆記中傾斜角演算部４７が演算した筆記中のペン軸７の傾斜角（φ，θ，ψ）を基に３個の加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃが検出したペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）の加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）をペン先端部８における加速度（Ａxso，Ａyso，Ａzso）に補正する（ステップＳ５）。座標変換演算部４９は筆記中傾斜角演算部４７が検出した筆記中の傾斜角（φ，θ，ψ）を基に加速度補正部４８が補正した加速度（Ａxso，Ａyso，Ａzso）を重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）による加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）に変換する（ステップＳ６）。このように、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの取り付け位置及び傾斜による影響を補正するので、ペン先端部８における重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）による正確な加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）を検出することができる。
【００５８】
重力加速度除去部５０は座標変換演算部４９が変換した加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）から重力加速度成分を除去する（ステップＳ７）。移動量演算部５１は重力加速度除去部５０が重力加速度成分を除去したペン先端部８における加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）を２回積分してペン先端部８の移動方向及び移動距離を算出する（ステップＳ８）。このように、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃが検出した加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）を補正した後に積分するので、積分結果に発生する誤差を少なくすることができる。
【００５９】
筆記軌跡抽出部５２は移動量演算部５１が算出したペン先端部８の移動方向及び移動距離から筆記開始から終了までのペン先端部８の軌跡を抽出して記憶部５に記憶する（ステップＳ９、Ｓ１０）。フィティング部５３は、例えば最小二乗法を用いて筆記軌跡抽出部５２が抽出したペン先端部８の軌跡から被筆記面を特定し、ペン先端部８の軌跡を被筆記面に写像する（ステップＳ１１）。例えば図６（ａ）に示す筆記軌跡の３次元データ（Ｘi，Ｙi，Ｚi）を被筆記面の表わす式ａＸ＋ｂＹ＋ｃＺ＋ｄ＝０に代入し、ａＸi＋ｂＹi＋ｃＺi＋ｄ＝δiとし、この誤差の二乗和Σ（δi）2が最小になるように被筆記面（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を特定する。ここで、図６（ｂ）に示すようにこの誤差δiは座標（Ｘi，Ｙi，Ｚi）と被筆記面との最短距離となる。このように、ペン先端部８の軌跡を被筆記面に写像することにより、被筆記面が傾いていた場合であっても正確にペン先端部８の被筆記面上の移動距離を入力することができる。ペン型入力装置１は上記動作（ステップＳ３〜Ｓ１１）を静止判断部４４が加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ又はジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからの高周波数成分を検出しなくなるまで繰り返し（ステップｓ１２）、文字及び図形等を正確に入力する。
【００６０】
なお、上記実施例においては加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの座標を（Ｌxx，Ｌxy，Ｌxz），（Ｌyx，Ｌyy，Ｌyz），（Ｌzx，Ｌzy，Ｌzz）としたが、Ｘｓ軸方向の加速度センサ２ａをＹｓ＝０となる位置、Ｙｓ方向の加速度センサ２ｂをＸｓ＝０となる位置、Ｚｓ方向の加速度センサ２ｃをＺｓ軸上に設けると、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの座標は（Ｌxx，０，Ｌxz），（０，Ｌyy，Ｌyz），（０，０，Ｌzz）となり、ペン先端部８の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における移動距離（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）を２回微分した式で求めることができる加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）は次式のようになり、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃga検出した加速度の補正演算量を少なくすることができる。
【００６１】
【数１３】
ここで、Ｘｓ軸方向の加速度センサ２ａをＸｓ＝０となる位置、Ｙｓ方向の加速度センサ２ｂをＹｓ＝０となる位置、Ｚｓ方向の加速度センサ２ｃをＺｓ軸上に設けると、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの座標は（０，Ｌxy，Ｌxz），（Ｌyx，０，Ｌyz），（０，０，Ｌzz）となり、ペン先端部８の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における移動距離（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）を２回微分した式で求めることができる加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）は次式のようになる。
【００６３】
【数１４】
また、各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃをＺｓ軸上に設けたとすると、Ｌxx，Ｌxy，Ｌyx，Ｌyy，Ｌzx，Ｌzyは０となるので、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの座標は（０，０，Ｌxz），（０，０，Ｌyz），（０，０，Ｌzz）となり、ペン先端部８の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における移動距離（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）を２回微分した式で求めることができる加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）は次式のようになり、さらに加速度の補正演算量を少なくすることができる。
【００６５】
【数１５】
また、図７〜図９に示すように補正項の特定の要素が大きな加速度成分を持っているので、その特定の要素のみを用いて、ペン先端部８の重力座標系における加速度（Ａxgo，Ａygo，Ａzgo）を次式で計算しても良い。これにより、さらに計算時間を短縮することができる。例えば、Ｘｓ軸方向の加速度の補正要素としてＬxx（ｄ2θ／ｄｔ2）cosφ、Ｙｓ軸方向の加速度の補正要素としてＬyz｛（ｄ2ψ／ｄｔ2）sinθ−φ｝、Ｚｓ軸方向の加速度の補正要素として−Ｌzz｛（ｄφ／ｄｔ）2＋（ｄθ／ｄｔ）2cos2φ｝を用いた。
【００６７】
【数１６】
さらに、前記実施例においてはフィティング部５３は座標（Ｘi，Ｙi，Ｚi）と被筆記面との最短距離となるようにしてペン先端部８の軌跡を被筆記面に写像したが、例えば図１０に示すように座標（Ｘi，Ｙi，Ｚi）と被筆記面とのＺｇ軸方向の距離が最短になるようにしても良い。例えば被筆記面を表わす式（ａ1）Ｘ＋（ｂ1）Ｙ＋Ｚ＋ｄ1＝０とし、筆記軌跡の３次元データ（Ｘi，Ｙi，Ｚi）を上式に代入し、（ａ1）×（Ｘi）＋（ｂ1）×（Ｙi）＋（Ｚi）＋（ｄ1）＝δiとし、この誤差の二乗和Σ（δi）2が最小になるように被筆記面（ａ1，ｂ1，ｄ1）を特定する。このように、パラメータを一つ減らすことにより演算時間を短縮することができる。この場合、被筆記面が垂直の場合に誤差が生じるが通常のペン型入力装置１の使用状況において被筆記面を垂直にすることはほとんど無い。
【００６９】
さらに、移動量演算部５１は座標変換演算部４９が変換した加速度を基にペン先端部のＸｇ方向及びＹｇ方向の移動距離のみをを算出し、筆記軌跡抽出部５２は移動量演算部５１が算出したペン先端部８のＸｇ方向及びＹｇ方向の移動距離から筆記開始から終了までのペン先端部の軌跡を抽出して、簡単な構成で被筆記面の傾斜による影響を補正するようにしても良い。この場合、重力加速度除去部５０及びフィティング部５３が不要になり、これらの部分による演算時間を短縮することができるとともに、移動量演算部５１によるＺｇ方向の移動量演算処理を行う必要が無いので、演算時間を大幅に短縮することができる。
【００７０】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、ペン軸の傾斜角の初期値とペン軸の傾斜角の変化を基に筆記中のペン軸の傾斜角を演算し、３個の加速度センサの取り付け位置、ペン軸の傾斜角の変化及び筆記中のペン軸の傾斜角を基に３個の加速度センサが検出した加速度をペン先端部における加速度に補正し、補正したペン軸座標系による加速度を筆記中のペン軸の傾斜角を基に重力座標系による加速度に変換し、変換した加速度を基にペン先端部の移動方向及び移動距離を算出するので、小型の装置で被筆記面上を移動するペン先端部の移動方向及び移動距離を正確に検出することができる。
【００７１】
さらに、Ｘｓ軸方向の加速度センサをＹｓ＝０となる位置、Ｙｓ方向の加速度センサをＸｓ＝０となる位置、Ｚｓ方向の加速度センサをＺｓ軸上に設けたので、演算処理を簡単にし、演算時間を短縮することができる。
【００７２】
さらに、各加速度センサをＺｓ軸近傍に設けたので、さらに演算量を少なくし演算時間を短縮することができる。
【００７３】
さらに、加速度センサ及びジャイロからの信号のペン先端部と被筆記面との摩擦による高周波成分を基に筆記の開始及び終了を判断するので、簡単な構成で正確に筆記開始及び筆記終了を検出することができる。
【００７４】
さらに、筆記開始から終了までのペン先端部の軌跡を抽出し、抽出したペン先端部の軌跡を被筆記面に写像するので、被筆記面の傾斜による影響を補正することができる。
【００７５】
また、筆記開始から終了までのペン先端部のＸｇ方向及びＹｇ方向の移動距離を抽出するので、算出簡単な構成で短時間に被筆記面の傾斜による影響を補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す構成図である。
【図２】演算部の構成図である。
【図３】加速度信号の波形図である。
【図４】ペン型入力装置上の一点を表わすペン型入力装置の側面図である。
【図５】ペン型入力装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】被筆記面の斜視図である。
【図７】ｆ13成分の説明図である。
【図８】ｆ23成分の説明図である。
【図９】ｆ33成分の説明図である。
【図１０】被筆記面とのＺｇ軸方向の距離を最短にした場合の被筆記面の斜視図である。
【符号の説明】
１ ペン型入力装置
２ 加速度センサ
３ ジャイロ
４ 演算部
４３ ハイパスフィルタ
４４ 静止判断部
４５ 初期回転角演算部
４６ 回転角変化演算部
４７ 筆記中回転角演算部
４８ 加速度補正部
４９ 座標変換演算部
５０ 重力加速度除去部
５１ 移動量演算部
５２ 筆記軌跡抽出部
５３ フィティング部
５ 記憶部
７ ペン軸
８ ペン先端部
Claims (6)
- ３個の加速度センサと３個のジャイロと演算部を有し、
３個の加速度センサはそれぞれペン軸をＺｓ軸としたペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）のＸｓ軸方向，Ｙｓ軸方向及びＺｓ軸方向の加速度を示す信号を出力し、
３個のジャイロはそれぞれＸｓ軸周り，Ｙｓ軸周り及びＺｓ軸周りの回転角速度を示す信号を出力し、
演算部は初期傾斜角演算部と傾斜角変化演算部と筆記中傾斜角演算部と加速度補正部と座標変換演算部と移動量演算部を備え、
初期傾斜角演算部は無筆記状態で３個の加速度センサが検出した加速度を基に重力加速度方向に伸びる軸をＺｇ軸にした重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）におけるペン軸の傾斜角の初期値を演算し、
傾斜角変化演算部は筆記状態で３個のジャイロが検出した回転角速度を基にペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角の変化を演算し、
筆記中傾斜角演算部は初期傾斜角演算部が演算した傾斜角の初期値と傾斜角変化演算部が演算した傾斜角の変化を基に筆記中のペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角を演算し、
加速度補正部は３個の加速度センサの取り付け位置、３個のジャイロが検出した回転角速度、傾斜角変化演算部が演算したペン軸の傾斜角の変化及び筆記中傾斜角演算部が演算した筆記中のペン軸の傾斜角を基にペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）における３個の加速度センサの取り付け位置での加速度をペン先端部での加速度に補正し、
座標変換演算部は筆記中傾斜角演算部が検出した筆記中のペン軸の重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）における傾斜角を基に加速度補正部が補正したペン軸座標系（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）における加速度を重力座標系（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ）による加速度に変換し、
移動量演算部は座標変換演算部が変換した加速度を基にペン先端部の移動方向及び移動距離を算出することを特徴とするペン型入力装置。 - Ｘｓ軸方向の加速度センサをＹｓ＝０となる位置、Ｙｓ方向の加速度センサをＸｓ＝０となる位置、Ｚｓ方向の加速度センサをＺｓ軸上に設けたことを特徴とする請求項１記載のペン型入力装置。
- 各加速度センサをＺｓ軸近傍に設けた請求項１記載のペン型入力装置。
- ３個の加速度センサ及び３個のジャイロからの信号のペン先端部と被筆記面との摩擦による高周波成分を透過するハイパスフィルタを有し、ハイパスフィルタを経由した３個の加速度センサ及び３個のジャイロからの信号のうちいずれか最初に高周波成分を含んだ信号を基に筆記開始を判断し、ハイパスフィルタを経由した３個の加速度センサ及び３個のジャイロからの信号のうちいずれか最後まで高周波成分を含んだ信号を基に筆記終了を判断する請求項１記載のペン型入力装置。
- 筆記軌跡抽出部とフィティング部を有し、筆記軌跡抽出部は移動量演算部が算出したペン先端部の移動方向及び移動距離から筆記開始から終了までのペン先端部の軌跡を抽出し、フィティング部は筆記軌跡抽出部が抽出したペン先端部の軌跡を被筆記面に写像する請求項４記載のペン型入力装置。
- 移動量演算部は座標変換演算部が変換した加速度を基にペン先端部のＸｇ方向及びＹｇ方向の移動距離を算出し、移動量演算部が算出したペン先端部のＸｇ方向及びＹｇ方向の移動距離から筆記開始から終了までのペン先端部の軌跡を抽出する筆記軌跡抽出部を有する請求項４記載のペン型入力装置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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