JPH10307676A

JPH10307676A - ペン型入力装置

Info

Publication number: JPH10307676A
Application number: JP9131592A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Shingyouchi; 充新行内; Yasuhiro Sato; 康弘佐藤; Takao Inoue; 隆夫井上
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1997-05-07
Filing date: 1997-05-07
Publication date: 1998-11-17
Anticipated expiration: 2017-05-07
Also published as: JP3776206B2

Abstract

(57)【要約】【課題】小型の入力装置が求められている。そこで、ペ
ン型入力装置で正確に筆記入力できるようにする。【解決手段】座標変換演算部６０は筆記中の回転角度を
基に加速度センサを用いて検出したペン軸座標系の加速
度を重力座標系の加速度に変換する。速度演算部６２は
座標変換後の加速度を積分して速度を算出する。速度ゼ
ロ検出部６４はペン先部が筆記面と接触している際の加
速度信号の高周波数成分を基にペン先部の停止状態を検
出する。速度補正部６５はペン先部が停止状態であるこ
とを検出した際における重力座標系における速度をゼロ
にする。移動量演算部６６は重力座標系における速度を
基に装置の移動方向及び移動距離を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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６-67799号公
報に掲載されたペン型のコンピュータ入力装置のような
タブレットレスの入力装置が開発された。特開平７-847
16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量を検出している。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。また、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、ジ
ャイロと２個の加速度センサを有し、ジャイロを用いて
ペン軸のローテーションを計算し、計算したローテーシ
ョンと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。

【０００５】また、ペン軸と直交する平面上で直交する
２方向の加速度を検出する加速度センサを２組備えた装
置として、例えば特開平６-230886号公報に掲載された
ペンシル型入力装置では、２組の加速度センサの出力を
積分した後、加速度センサの取付け位置の影響を補正
し、ペン先部の移動方向及び移動量を検出している。

【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７-29424
0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
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。

【０００８】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、装置の傾斜に対する補正手段
がないため、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。

【０００９】また、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、ペン軸のローテー
ションを計算しているが、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。

【００１０】また、特開平６-230886号公報に掲載され
たペンシル型入力装置では、加速度の積分を行なった後
に補正をしているが、補正前の加速度を積分することに
より、誤差に検出が困難になり、正確な補正ができな
い。また、ペン先部における加速度の検出成分がペン軸
の傾斜により変化することを考慮していない。

【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】また、ペン型入力装置において３個の加速
度センサをペン先部に設けることは困難であり、加速度
センサの取付け位置がペン先部から離れている場合、加
速度センサがペン軸の傾斜運動による成分を拾ってしま
う場合がある。このペン軸の傾斜運動による成分は大き
く、検出精度に大きな影響を与えていた。

【００１３】また、加速度センサを用いて検出した加速
度を基に筆記軌跡を検出するには積分演算処理を２回行
なわなければならず、２回の積分演算処理による誤差が
累積していた。特に測定時間が長くなるとその累積誤差
が大きくなっていた。

【００１４】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。

【００１５】

【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、複数の加速度センサを有し、各加速度センサ
が出力した加速度を示す信号を基に装置の移動方向及び
距離を検出するペン型入力装置において、速度ゼロ検出
部と速度補正部を有し、速度ゼロ検出部はペン先部が筆
記面と接触している状態における各加速度センサからの
加速度信号の高周波数成分を検出してペン先部が停止状
態であるか否かを検出し、加速度補正部はペン先部が停
止状態であることを検出すると、その検出した際におけ
る加速度を基に求めた速度がゼロになるようにその速度
を補正して、補正した速度を基に装置の移動方向及び距
離を検出し、累積誤差が発生することを防止する。

【００１６】また、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
は初期回転角度演算部と筆記中回転角度演算部と座標変
換演算部と速度演算部と速度ゼロ検出部と速度補正部と
移動量演算部を備え、初期回転角度演算部は静止状態に
おいて加速度センサを用いて検出したペン軸座標系（Ｘ
s，Ｙs，Ｚs）における加速度を基に装置の初期回転角
度を算出し、筆記中回転角度演算部は初期回転角度演算
部が算出した初期回転角度とジャイロを用いて検出した
回転角速度を基に筆記中の回転角度を算出し、座標変換
演算部は筆記中回転角度演算部が算出した筆記中の回転
角度を基に各加速度センサを用いて検出したペン軸座標
系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）における加速度を重力座標系（Ｘ
g，Ｙg，Ｚg）における加速度に変換し、速度演算部は
座標変換演算部が変換して得た重力座標系（Ｘg，Ｙg，
Ｚg）における加速度を積分して、重力座標系（Ｘg，Ｙ
g，Ｚg）における速度を算出し、速度ゼロ検出部はペン
先部が筆記面と接触している際の各加速度センサ及び各
ジャイロからの信号の高周波数成分を検出して、ペン先
部が停止しているか否かを検出し、速度補正部は速度ゼ
ロ検出部がペン先部が停止状態であることを検出する
と、その検出した際における速度演算部が算出した重力
座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における速度がゼロになるよ
うに速度演算部が算出した重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚ
g）における速度を補正し、移動量演算部は重力座標系
（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における各軸方向の速度を基に装置
の移動方向及び移動距離を算出して、ペン軸の傾斜によ
る影響を除去するとともに速度の累積誤差が発生するこ
とを防止する。

【００１７】さらに、上記演算部は角加速度演算部と加
速度補正部を備え、角加速度演算部は３個のジャイロを
用いて検出した回転角速度から回転角加速度を求め、加
速度補正部は３個のジャイロを用いて検出した回転角速
度、角加速度演算部が算出した回転角加速度及び各加速
度センサの取付位置を基に３個の加速度センサを用いて
検出した加速度のペン先部を中心とした傾斜運動による
加速度成分を算出し、算出した傾斜運動による加速度成
分を基に加速度センサの取付け位置におけるペン軸座標
系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を補正してペン先部にお
けるペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を求め、
座標変換演算部は筆記中の回転角度を基に加速度補正部
が補正して求めたペン先部のペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，
Ｚs）による加速度を重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）によ
る加速度に変換して、加速度センサの取付け位置がペン
先部と離れていることに起因するペン軸の傾斜運動の影
響を除去する。

【００１８】また、上記速度ゼロ検出部は重力座標系
（Ｘg，Ｙg，Ｚg）による加速度が予め定めた閾値以下
の状態が予め定めた一定時間以上続いたことを検出する
と、ペン先部が停止状態であると判断して、簡単な構成
で停止状態を検出する。

【００１９】また、上記速度ゼロ検出部は重力座標系
（Ｘg，Ｙg，Ｚg）による加速度と重力座標系（Ｘg，Ｙ
g，Ｚg）による加速度を時間で微分した値とがともに予
め定めた閾値以下であることを検出すると、ペン先部が
停止状態であると判断して、簡単な構成で正確に停止状
態を検出する。

【００２０】また、上記速度ゼロ検出部は加速度センサ
を用いて検出した加速度の大きさと重力加速度の大きさ
の差が予め定めた閾値以下の状態が予め定めた一定時間
以上続いたことを検出すると、ペン先部が停止状態であ
ると判断する。

【００２１】また、上記速度ゼロ検出部は加速度センサ
を用いて検出した加速度の大きさと重力加速度の大きさ
の差が予め定めた閾値以下であり、且つ、加速度センサ
を用いて検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）によ
る加速度を時間で微分した値が予め定めた閾値以下であ
ることを検出すると、ペン先部が停止状態であると判断
して、正確且つ迅速に停止状態を検出する。

【００２２】また、上記速度ゼロ検出部はペン先部が筆
記面と接触しているときにペン先部が停止状態であるか
否かを判断して、空中を移動中の場合と停止状態の場合
とを誤検出することを防止する。

【００２３】また、上記速度ゼロ検出部は各加速度セン
サの加速度信号から高周波数成分を検出しない状態が継
続した時間を予め定めた時間間隔と比較し、継続時間が
予め定めた時間間隔より短い場合はペン先部が停止状態
であると判断し、継続時間が予め定めた時間間隔以上の
場合はペン先部が長い時間停止している状態かそれとも
空中を移動中の状態であると判断して、迅速にペン先部
が停止状態であることを検出するとともに、別途にセン
サ等を設けなくともペン先部が筆記面と接触しているか
否かを検出する。

【００２４】また、上記速度補正部は速度ゼロ検出部が
ペン先部の停止状態を検出すると、その停止状態を検出
した際における重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度
を積分演算して求めた速度をゼロにリセットして、速度
の累積誤差が発生することを防止する。

【００２５】また、上記速度補正部は速度ゼロ検出部が
ペン先部の停止状態を検出すると、その停止状態を検出
した際における重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度
を積分演算して求めた速度がゼロになるように前回停止
状態を検出してから今回停止状態を検出するまでの重力
座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の速度を補正して、さらに正
確に速度の誤差発生を防止する。

【００２６】また、上記速度補正部は速度ゼロ検出部が
ペン先部の停止状態を検出すると、その停止状態を検出
した際における重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度
を積分演算して求めた速度をゼロにするとともに、重力
座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度変化及び速度変化が
連続するようにスプライン補間による補正をして、ペン
先部の軌跡を正確に検出できるようにする。

【００２７】また、上記速度補正部は速度ゼロ検出部が
ペン先部の停止状態を検出すると、その停止状態を検出
した際における重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度
を積分演算して求めた速度をゼロにする補正量を算出
し、算出した補正量を基に次ぎに停止状態であることを
検出するまでの重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の速度を
補正する。

【００２８】また、上記速度補正部は速度ゼロ検出部が
ペン先部の停止状態を検出すると、その停止状態を検出
した際における重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度
を積分演算して求めた速度がゼロになるように初期回転
角度を補正して、速度検出の累積誤差をなくすととも
に、ペン型入力装置の回転角度の検出誤差もなくす。

【００２９】また、上記速度補正部は速度ゼロ検出部が
ペン先部の停止状態を検出すると、その停止状態を検出
した際における重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度
を積分演算して求めた速度がゼロになるように補正量を
算出し、算出した補正量を基に次ぎに停止状態であるこ
とを検出するまでの筆記中の回転角度を補正する。

【００３０】

【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。ペン型入力装置は、静止状態において加速度セ
ンサを用いて検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）
における加速度を基に装置の初期回転角度を算出し、算
出した初期回転角度とジャイロを用いて検出した回転角
速度を基に筆記中の回転角度を算出し、算出した筆記中
の回転角度を基に各加速度センサを用いて検出したペン
軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）における加速度を重力加速
度方向に伸びる軸をＺg軸にした重力座標系（Ｘg，Ｙ
g，Ｚg）における加速度に変換し、変換した加速度を基
にペン先部の移動方向及び移動距離を算出して、正確に
筆跡の検出を行なうものである。

【００３１】ここで、上記処理には積分処理が含まれ、
誤差を生じる場合がある。また、ペン軸の回転角度の検
出誤差が生じ、重力加速度の成分を正確に除去できない
場合もある。そこでこれらの影響をなくし、正確な移動
量及び移動距離の算出を行なう。

【００３２】ペン型入力装置は、例えば３個の加速度セ
ンサと３個のジャイロと感圧センサと演算部を有する。
３個の加速度センサはそれぞれペン軸座標系（Ｘs，Ｙ
s，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する。３個のジャイロはそれぞれペ
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示す信号を出力する。感
圧センサは、例えばペン先部に加わる筆記面からの圧力
を検出する。

【００３３】演算部は、例えばＡＤ変換器とハイパスフ
ィルタ（以後「ＨＰＦ」という。）とローパスフィルタ
（以後「ＬＰＦ」という。）と静止判別部と初期回転角
度演算部と回転角度変化演算部と筆記中回転角度演算部
と角加速度演算部と加速度補正部と座標変換演算部と重
力加速度除去部と速度演算部と高周波判別部と速度ゼロ
検出部と速度補正部と移動量演算部を備える。ＡＤ変換
器は加速度センサ、ジャイロ及び感圧センサからのアナ
ログ信号をデジタル変換する。ＨＰＦは加速度センサ及
びジャイロからの信号のうちペン先部と筆記面との摩擦
により発生する高周波数成分を抽出する。ＬＰＦは加速
度センサ及びジャイロからの信号のうちペン先部の移動
により発生する低周波数成分を抽出する。静止判別部
は、例えば各加速度センサ及び各ジャイロからの信号を
基に静止状態か否かを判別する。

【００３４】初期回転角度演算部は静止状態において加
速度センサを用いて検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，
Ｚs）における加速度を基に装置の初期回転角度を算出
する。回転角度変化演算部はジャイロを用いて検出した
Ｘs軸周り，Ｙs軸周り及びＺs軸周りの回転角速度を基
に筆記中の回転角度の変化を算出する。筆記中回転角度
演算部は初期傾回転角度演算部が算出した初期回転角度
と回転角度変化演算部が算出した回転角度の変化を基に
筆記中の回転角度を算出する。角加速度演算部は３個の
ジャイロを用いて検出した回転角速度から回転角加速度
を求める。加速度補正部は３個のジャイロを用いて検出
した回転角速度、角加速度演算部が算出した回転角加速
度及び各加速度センサの取付位置を基に３個の加速度セ
ンサを用いて検出した加速度のペン先部を中心とした傾
斜運動による加速度成分を算出し、算出した傾斜運動に
よる加速度成分を基に加速度センサの取付け位置におけ
るペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を補正して
ペン先部におけるペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加
速度を算出する。座標変換演算部は筆記中の回転角度を
基に加速度補正部が補正して求めたペン先部のペン軸座
標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）による加速度を重力座標系（Ｘ
g，Ｙg，Ｚg）による加速度に変換する。重力加速度除
去部は座標変換演算部が変換して得た重力座標系（Ｘ
g，Ｙg，Ｚg）における加速度から重力加速度成分を除
去する。速度演算部は重力加速度除去部が重力加速度成
分を除去して得た加速度を積分して、重力座標系（Ｘ
g，Ｙg，Ｚg）における速度を算出する。

【００３５】高周波判別部はＨＰＦを介して入力した加
速度信号及び回転角速度信号のいずれかにペン先部と筆
記面との摩擦による高周波数成分が含まれているか否か
を判別する。速度ゼロ検出部は感圧センサを用いたペン
先部に対する筆記面からの圧力及び高周波判別部の判別
結果を基にペン先部が移動を停止したか否かを検出す
る。例えば高周波判別部がＨＰＦを介して入力した加速
度信号及び回転角速度信号のいずれにもペン先部と筆記
面との摩擦による高周波数成分が含まれていないと判別
する場合として、ペン先部が筆記面上で移動を停止して
いる場合とペン先部が空中にある場合がある。この両者
を判別できないと、ペン先部が筆記面上で移動を停止し
ているか否かを正確に検出することができない。そこ
で、速度ゼロ検出部は、高周波判別部がＨＰＦを介して
入力した加速度信号及び回転角速度信号のいずれにもペ
ン先部と筆記面との摩擦による高周波数成分が含まれて
いないと判別した場合であって、かつ、感圧センサから
の信号を用いてペン先部に対する筆記面からの圧力を検
出したときを筆記軌跡の「曲がり角」等でペン先部が筆
記面上で移動を停止している状態（停止状態）であると
判別する。

【００３６】速度補正部は速度ゼロ検出部がペン先部が
筆記面上で停止状態であることを検出すると、その検出
した際における速度演算部が算出した速度がゼロになる
ように速度演算部が算出した重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚ
g）における速度を補正する。ここで、速度演算部が算
出した重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における速度がゼ
ロになるように補正する方法としては、例えば静止状態
を検出した方向の速度をゼロにリセットし、ゼロにリセ
ットしたことによって生じた誤差分を重力座標系（Ｘ
g，Ｙg，Ｚg）における速度から引いたり、静止状態を
検出した際の速度がゼロになるように前回静止状態を検
出してから今回静止状態を検出するまでの重力座標系に
おける速度を補正したりする。また、速度補正部は静止
状態を検出した方向の速度がゼロになるように初期回転
角度を補正しても良い。

【００３７】移動量演算部は重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚ
g）における各軸方向の速度を基に装置の移動方向及び
移動距離を算出して、装置の筆跡を正確に検出する。

【００３８】

【実施例】図１はこの発明の一実施例のペン型入力装置
１の構成図である。以下の説明では、図２に示すように
ペン先部８を原点としペン軸９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９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、筆記面とＸg軸及びＹg
軸が成す面とは一致しているものとする。

【００３９】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，３
ｃ、感圧センサ４、処理部５、記憶部６及び電源部７を
有する。加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃは、それぞれＸ
s軸に平行なＸsa軸方向，Ｙs軸に平行なＹsa軸方向及び
Ｚs軸方向に向けて設けられ、Ｘsa軸方向，Ｙsa軸方向
及びＺsa軸方向の加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）を示す信
号を出力する。加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃは、小型
且つ高感度で加速度検出に対する直線性が良好なもので
あれば良く、ピエゾ抵抗方式のもの、圧電方式のもの又
は静電容量方式のもののいずれでも良い。ジャイロ３
ａ，３ｂ，３ｃはそれぞれＸs軸及びＸsa軸に平行なＸs
b軸周り，Ｙs軸及びＹsa軸に平行なＹsb軸周り及びＺs
軸周りの回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）を示す信号を
出力する。ジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃはスケールファク
タ（回転運動検出の正確さ）とドリフトレート（出力オ
フセットの安定度）が良好で小型なものであれば良く、
回転ジャイロ、振動ジャイロ又は光学式ジャイロ等のい
ずれでも良い。感圧センサ４は、例えばペン先部８に取
り付けられ、ペン先部８に加わる筆記面からの圧力の検
出信号を出力する。

【００４０】処理部５は、図３に示すように入力部５ａ
と演算部５ｂを備える。入力部５ａは、ＡＤ変換器５１
ａ〜５１ｇとＨＰＦ５２ａ〜５２ｆとＬＰＦ５３ａ〜５
３ｆを備える。ＡＤ変換器５１ａ〜５１ｇは、それぞれ
加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ、ジャイロ３ａ，３ｂ，
３ｃ及び感圧センサ４からのアナログ信号をデジタル信
号に変換する。ＨＰＦ５２ａ〜５２ｆは、例えばほぼ10
Hz程度のカット負不周波数でペン先部８と筆記面との摩
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抽出
する。ＬＰＦ５３ａ〜５３ｆはペン先部８と筆記面との
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。これは、ペン先部８と筆記面との摩擦により加
速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイロ３ａ，３ｂ，
３ｃからの信号に高周波成分が発生するからである。

【００４１】演算部５ｂは、静止判別部５４と初期回転
角度演算部５５と回転角度変化演算部５６と筆記中回転
角度演算部５７と角加速度演算部５８と加速度補正部５
９と座標変換演算部６０と重力加速度除去部６１と速度
演算部６２と高周波判別部６３と速度ゼロ検出部６４と
速度補正部６５と移動量演算部６６を備える。静止判別
部５４は加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイロ３
ａ，３ｂ，３ｃからの信号を基に静止中か否かを判別す
る。初期回転角度演算部５５は、筆記開始の際に各加速
度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを用いて検出したペン軸座標
系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度Ａxso，Ａyso，Ａzsoを基
に初期回転角度（φo，θo，Ψo）を算出する。回転角
度変化演算部５６はジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃが検出し
た回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）を基に回転角度の変
化（ｄφ／ｄｔ，ｄθ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を算出す
る。筆記中回転角度演算部５７は初期回転角度演算部５
５が算出した初期回転角度（φo，θo，Ψo）と回転角
度変化演算部５６が算出した回転角度の変化（ｄφ／ｄ
ｔ，ｄθ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を基に筆記中の回転角度
（φ，θ，Ψ）を算出する。

【００４２】角加速度演算部５８は３個のジャイロ３
ａ，３ｂ，３ｃを用いて検出した回転角速度（ωxs，ω
ys，ωzs）から回転角加速度（ｄωxs／ｄｔ，ｄωys／
ｄｔ，ｄωzs／ｄｔ）を算出する。加速度補正部５９は
３個のジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃを用いて検出した回転
角速度（ωxs，ωys，ωzs）、角加速度演算部５８が算
出した回転角加速度（ｄωxs／ｄｔ，ｄωys／ｄｔ，ｄ
ωzs／ｄｔ）及び各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの取
付位置を基に、３個の加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを
用いて検出した加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）のペン先部
８を中心とした傾斜運動による加速度成分を算出する。
加速度補正部５９は、算出した傾斜運動による加速度成
分を基に３個の加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを用いて
検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度（Ａx
s，Ａys，Ａzs）を補正して、ペン先部８におけるペン
軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度（Ａxos，Ａyos，
Ａzos）を算出する。

【００４３】座標変換演算部６０は筆記中回転角度演算
部５７が算出した筆記中における回転角度（φ，θ，
Ψ）を用いて、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを用いて
検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）における加速
度（Ａxos，Ａyos，Ａzos）を重力座標系（Ｘg，Ｙg，
Ｚg）における加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）変換す
る。重力加速度除去部６１は、重力座標系（Ｘg，Ｙg，
Ｚg）における加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）から重力
加速度ｇの成分を除去し、重力加速度ｇによる影響を除
去する。速度演算部６２は、重力加速度除去部６１が重
力加速度ｇの成分を除去した後の重力座標系（Ｘg，Ｙ
g，Ｚg）における各軸方向の加速度（Ａxog，Ａyog，Ａ
zog）を積分して、重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）におけ
る各軸方向の速度（Ｖxog，Ｖyog，Ｖzog）を算出す
る。

【００４４】ここで、上記構成のペン型入力装置１にお
けるペン先部８の移動方向及び移動量算出について説明
する。

【００４５】最初に初期回転角度演算部５５が、加速度
センサ２ａ，２ｂ，２ｃを用いて検出した加速度（Ａxs
o，Ａyso，Ａzso）を基に初期回転角度（φo，θo，Ψ
o）を算出する場合について説明する。静止状態におい
て各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを用いて検出した加
速度（Ａxso，Ａyso，Ａzso）と初期回転角度（φo，θ
o，Ψo）との間には、次ぎの関係が成り立つ。

【００４６】

【数１】

【００４７】上記式から静止状態における初期回転角度
φo，θoの絶対値が求まる。ここで、静止状態か否か
は、静止判別部５５が加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及
びジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃの出力信号の時間変化を監
視することにより判別する。また、初期回転角度Ψoは
初期値をゼロにリセットする。

【００４８】ここで、２つの未知数φo，θoに対して３
本の方程式が立てられるので、重力加速度ｇについても
未知数として取り扱うことができ、重力加速度ｇの値を
定義しなくともφo，θoの絶対値を算出することができ
る。また、重力加速度ｇの値を演算し、演算した重力加
速度ｇの値をモニタし、この値が大きく変動した場合に
は警告等を発するようにしても良い。

【００４９】次ぎに、回転角度変化演算部５６が筆記中
の回転角度の変化（ｄφ／ｄｔ，ｄθ／ｄｔ，ｄΨ／ｄ
ｔ）を算出する場合について説明する。

【００５０】ジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃで検出した回転
角速度（ωxs，ωys，ωzs）を基に回転角度の変化（ｄ
φ／ｄｔ，ｄθ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を算出する微分方
程式は、次式で表すことができる。

【００５１】

【数２】

【００５２】次ぎに、筆記中回転角度演算部５７は、上
記のようにして初期回転角度演算部５６が算出した初期
回転角度（φo，θo，Ψo）と回転角度変化演算部５６
が算出した筆記中の回転角度変化（ｄφ／ｄｔ，ｄθ／
ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を基に、次式を用いて筆記中の回転
角度（φ，θ，Ψ）を算出する。

【００５３】

【数３】

【００５４】次ぎに、上記のようにして得た筆記中の回
転角度（φ，θ，Ψ）を基に各加速度センサ２ａ，２
ｂ，２ｃの出力を用いて検出したペン軸座標系（Ｘs，
Ｙs，Ｚs）の加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）を重力座標系
（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度（Ａxg，Ａyg，Ａzg）に変
換する場合について説明する。

【００５５】筆記中の回転角度（φ，θ，Ψ）を基にペ
ン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）から重力座標系（Ｘg，Ｙ
g，Ｚg）に変換する際に用いる座標変換行列invＥ
（φ，θ，Ψ）は次式で表すことができる。ここで、in
vＥ（φ，θ，Ψ）は行列Ｅ（φ，θ，Ψ）の逆行列を
表すものとする。

【００５６】

【数４】

【００５７】ペン先座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）でのＸs軸
方向，Ｙs軸方向及びＺs軸方向の各加速度センサ２ａ，
２ｂ，２ｃの取付座標をそれぞれ（Ｘas，Ｙas，Ｚa
s），（Ｘbs，Ｙbs，Ｚbs），（Ｘcs，Ｙcs，Ｚcs）と
し、重力加速度ｇを考慮して上記座標変換行列invＥ
（φ，θ，Ψ）を用いると、各加速度センサ２ａ，２
ｂ，２ｃから得られる加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）から
重力座標系(Ｘg，Ｙg，Ｚg）のペン先部８の加速度（Ａ
xog，Ａyog，Ａzog）を求める式は、次式のようにな
る。

【００５８】

【数５】

【００５９】上記式の括弧内の第２項及び第３項はジャ
イロ３ａ，３ｂ，３ｃを用いて検出した回転角速度（ω
xs，ωys，ωzs）と回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）か
ら得た回転角加速度（ｄωxs／ｄｔ，ｄωys／ｄｔ，ｄ
ωzs／ｄｔ）の関数であるので、加速度補正部５８は上
記式の括弧内の第２項及び第３項を算出して、加速度セ
ンサ２ａ，２ｂ，２ｃからの信号を基に検出した加速度
（Ａxs，Ａys，Ａzs）を補正して、括弧内で表すペン先
部８におけるペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）での加速
度を得る。重力加速度除去部６２は、さらに、上記式か
ら重力加速度成分を除去する。

【００６０】高周波判別部６３はＨＰＦ５２ａ〜５２ｆ
を介して入力した加速度（Ａxh，Ａyh，Ａzh）及び回転
角速度（ωxs，ωys，ωzs）のいずれかにペン先部８と
筆記面との摩擦による高周波数成分が含まれているか否
かを判別する。ここで、加速度（Ａxh，Ａyh，Ａzh）
は、それぞれ加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを用いて検
出した加速度（Ａxos，Ａyos，Ａzos）の高周波数成分
であるとする。例えば高周波判別部６３は、ＨＰＦ５２
ａ〜５２ｆを介して入力した加速度（Ａxh，Ａyh，Ａz
h）をそれぞれ予めノイズレベルを基に定めた閾値と比
較して、いずれの信号も高周波数成分を含んでいないと
きを停止状態又はペン先部８が空中にある状態とする。
ここで、高周波判別部６３は、ＨＰＦ５２ａ〜５２ｆを
介して入力した加速度（Ａxh，Ａyh，Ａzh）を直交した
ベクトルとして、ベクトルの大きさ√（Ａxh²＋Ａyh²＋
Ａzh²）に対して包絡線を算出し、閾値と比較するよう
にしても良い。

【００６１】速度ゼロ検出部６４は感圧センサ４を用い
たペン先部８に対する筆記面からの圧力及び高周波判別
部６３の判別結果を基にペン先部８が移動を停止したか
否かを検出する。例えば速度ゼロ検出部６４は、高周波
判別部６３がＨＰＦ５２ａ〜５２ｆを介して入力した加
速度（Ａxh，Ａyh，Ａzh）及び回転角速度（ωxs，ωy
s，ωzs）のいずれにもペン先部８と筆記面との摩擦に
よる高周波数成分が含まれていないと判別した場合であ
って、かつ、感圧センサ４を用いてペン先部８に対する
筆記面からの圧力を検出したときをペン先部８が筆記面
上で移動を停止している停止状態であると判別する。例
えば図４に示すように実際に文字「る」を描いた場合、
ペン先部８が停止した場所Ａ1，Ａ2，Ａ3，Ａ4におい
て、高周波判別部６３はＨＰＦ５２ａ〜５２ｆを介して
入力した加速度（Ａxos，Ａyos，Ａzos）及び回転角速
度（ωxs，ωys，ωzs）のいずれにもペン先部８と筆記
面との摩擦による高周波数成分が含まれていないと判別
する。図５に高周波判別部６３に入力した信号Ｂの例を
示す。図中Ｂ1はペン先部８が空中を移動中の信号を示
し、Ｂ2，Ｂ3はペン先部８が筆記面上で静止している際
の信号を示す。上記のようにペン先部８が筆記面に接触
しているか否かを検出することにより、速度ゼロ検出部
６４は筆記面上を静止しているか否かを検出する。

【００６２】速度補正部６５は、速度ゼロ検出部６４が
停止状態であることを検出すると、その検出した際にお
ける速度演算部６２が算出した速度と筆記中回転角度演
算部５７が算出した筆記中の回転角度（φ，θ，Ψ）を
基に速度演算部６３が算出した重力座標系（Ｘg，Ｙg，
Ｚg）における速度をゼロに補正する。移動量演算部６
６は速度補正部６５が必要に応じて補正した後の重力座
標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）でのペン先部８の速度（Ｖxog，
Ｖyog，Ｖzog）を積分して、ペン先部８の軌跡（Ｘog，
Ｙog，Ｚog）を求める。

【００６３】上記構成のペン型入力装置１の動作を、図
６のフローチャートを参照して説明する。

【００６４】加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイ
ロ３ａ，３ｂ，３ｃはそれぞれＸsa軸方向，Ｙsa軸方
向，Ｚs軸方向の加速度Ａxs，Ａys，Ａza及びＸsb軸周
り，Ｙsb軸周り，Ｚs軸周りの回転角速度（ωxs，ωy
s，ωzs）を示す信号を出力する。ＡＤ変換器５１ａ〜
５１ｆは、各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイ
ロ３ａ，３ｂ，３ｃを用いて検出した加速度（Ａxs，Ａ
ys，Ａzs）及び回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）をデジ
タル変換する。ＨＰＦ５２ａ〜５１ｆは各加速度センサ
２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからの
信号をデジタル変換して得た加速度（Ａxs，Ａys，Ａz
s）及び回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）から高周波数
成分を抽出する。

【００６５】予め定めた一定周期のサンプリングタイミ
ングになると、静止判別部５４は、ＡＤ変換器５１ａ〜
５１ｆからデジタル変換後の加速度（Ａxs，Ａys，Ａz
s）及び回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）を読み出し
（ステップＳ１）、例えば読み出した加速度（Ａxs，Ａ
ys，Ａzs）及び回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）の時間
変化を観察し変化が無くなったときを静止状態と判別
し、変化が発生しているときを筆記中と判別する。

【００６６】静止判別部５４が静止状態と判別すると
（ステップＳ２）、初期回転角度演算部５５は、既に説
明したように加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを用いて検
出した加速度（Ａxso，Ａyso，Ａzso）を基にして初期
回転角度（φo，θo，Ψo）を算出する（ステップＳ
３）。

【００６７】その後、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及
びジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃから加速度信号及び回転角
速度信号を読み出し（ステップＳ４）、回転角度変化演
算部５６は、ジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃを用いて検出し
た回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）を基に回転角度の変
化（ｄφ／ｄｔ，ｄθ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を求める
（ステップＳ５）。筆記中回転角度演算部５７は、既に
説明したように初期回転角度（φo，θo，Ψo）と回転
角度の変化（ｄφ／ｄｔ，ｄθ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を
基にφ＝φｏ＋Σ（ｄφ／ｄｔ）、θ＝θｏ＋Σ（ｄθ
／ｄｔ）、Ψ＝Ψｏ＋Σ（ｄΨ／ｄｔ）を計算して、筆
記中の回転角度（φ，θ，Ψ）を算出する（ステップＳ
６）。

【００６８】角加速度演算部５８はジャイロ３ａ，３
ｂ，３ｃを用いて検出した回転角速度（ωxs，ωys，ω
zs）を基に回転角加速度（ｄωxs／ｄｔ，ｄωys／ｄ
ｔ，ｄωzs／ｄｔ）を算出する（ステップＳ７）。加速
度補正部６０は回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）及び回
転角加速度（ｄωxs／ｄｔ，ｄωys／ｄｔ，ｄωzs／ｄ
ｔ）を基に、既に説明したように加速度センサ２ａ，２
ｂ，２ｃを用いて検出した加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）
を補正して、ペン先部８におけるペン軸座標系（Ｘs，
Ｙs，Ｚs）での加速度（Ａxos，Ａyos，Ａzos）を算出
する（ステップＳ８）。このように加速度センサ２ａ，
２ｂ，２ｃを用いて検出した加速度（Ａxs，Ａys，Ａz
s）を基にペン先部８におけるペン軸座標系（Ｘs，Ｙ
s，Ｚs）での加速度（Ａxos，Ａyos，Ａzos）を算出す
るので、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの取付位置がペ
ン先部８から離れていることによるペン軸９の傾斜運動
の影響をなくすことができる。

【００６９】座標変換演算部６０は、筆記中回転角度演
算部５７が算出した筆記中のペン軸９の回転角度（φ，
θ，Ψ）を用いて、加速度補正部５９が算出したペン先
部８におけるペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）での加速
度（Ａxos，Ａyos，Ａzos）を重力座標系（Ｘg，Ｙg，
Ｚg）におけるペン先部８の加速度（Ａxog，Ａyog，Ａz
og）に変換する（ステップＳ９）。このように、ペン軸
座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）での加速度（Ａxos，Ａyos，
Ａzos）を重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における加速度
（Ａxog，Ａyog，Ａzog）に変換するので、ペン軸９の
傾斜による影響を除去することができる。重力加速度除
去部６１は、重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）におけるペ
ン先部８の加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）から重力加
速度ｇの成分を除去し、重力加速度ｇによる影響を除去
する（ステップＳ１０）。速度演算部６２は重力加速度
除去部６１が重力加速度を除去した後の重力座標系（Ｘ
g，Ｙg，Ｚg）におけるペン先部８の加速度（Ａxog，Ａ
yog，Ａzog）を積分してペン先部８の速度（Ｖxog，Ｖy
og，Ｖzog）を算出する（ステップＳ１１）。

【００７０】速度補正部６５は、既に説明したようにし
て速度ゼロ検出部６４がペン先部８の停止状態を検出す
ると（ステップＳ１２）、ペン先部８の速度がゼロにな
るように速度演算部６２が算出した重力座標系（Ｘg，
Ｙg，Ｚg）における速度（Ｖxog，Ｖyog，Ｖzog）を補
正する（ステップＳ１３）。これにより、累積誤差によ
り筆記検出誤差が発生することを防止できる。上記速度
補正部６５による補正のさらに具体的な方法については
後に説明する。移動量演算部６６は上記のようにして求
めた重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の速度（Ｖxog，Ｖyo
g，Ｖzog）を基に移動方向及び移動量（Ｘog，Ｙog，Ｚ
og）を算出して（ステップＳ１４）、ペン先部８の軌跡
を求め、入力処理が終了するまで上記動作を繰り返す
（ステップＳ１５）。

【００７１】次ぎに、上記速度補正部６５による補正の
さらに具体的な方法について説明する。

【００７２】上記速度補正部６５は、速度ゼロ検出部６
４がペン先部８の停止状態を検出すると、速度演算部６
２が積分演算して求めたペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚ
s）の各軸方向の速度をゼロにリセットして、停止状態
における速度をゼロにする。これは、例えば図７（ａ）
に示すように理想的な速度変化Ｃ1に対して補正を行な
わない場合は、積分による累積誤差によりドリフトが生
じ、速度変化Ｃ2の波形が右下がりになる。これに対し
て、図中Ｅ1〜Ｅ4で示す停止状態における速度をゼロに
補正することにより、図７（ｂ）に示すように理想的な
速度変化Ｃ1と誤差の少ない速度変化Ｃ3を求めることが
できる。このように、停止状態であることを検出した際
の速度をゼロにリセットするだけでドリフトが低減で
き、理想的なペン先部８の速度波形を得ることができ
る。このように簡単な補正をすることにより、処理速度
を速めることができる。したがって、ペン先部８の停止
状態を的確に検出でき、且つ、Ｓ／Ｎ比及びオフセット
の良好な加速度センサを用いて加速度を検出した場合に
有効な補正である。

【００７３】また、上記速度補正部６５は、速度ゼロ検
出部６４がペン先部８の停止状態を検出すると、速度演
算部６２が積分演算して求めたペン軸座標系（Ｘs，Ｙ
s，Ｚs）の各軸方向の速度がゼロになるように前回停止
状態を検出してから今回停止状態を検出するまでの重力
座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の速度を補正するようにして
も良い。例えば図中点線で囲んだ速度差Ｆを速度演算部
６２の計算結果から差し引くことにより補正を行なう。
この場合、前回停止状態を検出してから今回停止状態を
検出するまでの重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の速度を
記憶部７で記憶する必要があるが、図７（ｃ）に示すよ
うに補正を行なった部分に段のないさらに正確なペン先
部８の速度波形Ｃ4を得ることができる。また、演算が
簡単なので迅速な補正を行なうことができる。ここで、
ペン先部８の停止時刻からの時間差で重み付けするよう
にしても良い。

【００７４】さらに、上記速度補正部６５は、速度ゼロ
検出部６４がペン先部８の停止状態を検出すると、その
停止状態を検出した際における重力座標系（Ｘg，Ｙg，
Ｚg）の加速度を積分演算して求めた速度をゼロにする
とともに、重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度変化
及び速度変化が連続するようにスプライン補間による補
正をするようにしても良い。

【００７５】また、上記速度補正部６５は、速度ゼロ検
出部６４がペン先部８の停止状態を検出すると、その停
止状態を検出した際における重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚ
g）の加速度を積分演算して求めた速度をゼロにする補
正量を算出し、算出した補正量を基に次ぎに停止状態で
あることを検出するまでの重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚ
g）の速度を補正するようにしても良い。例えば既に説
明したようにペン先部8の停止を検出した際の速度をゼ
ロにすると同時に、速度誤差と時間積分からそれ以後の
補正量を速度誤差を積分時間で割ることにより算出す
る。速度誤差を積分時間で割った値は、既に説明した速
度誤差Ｆに相当する。

【００７６】さらに、図８に示すように演算部５ｂが静
止判別部５４、初期回転角度演算部５５、回転角度変化
演算部５６、筆記中回転角度演算部５７、角加速度演算
部５８、加速度補正部５９、座標変換演算部６０、重力
加速度除去部６１、速度演算部６２、高周波判別部６
３、速度ゼロ検出部６４、補正判別部６７、速度補正部
６５及び移動量演算部６６を備えるようにしても良い。
補正判別部６７は速度ゼロ検出部６４がペン先部８の停
止状態を検出すると、その停止状態を検出した際におけ
る重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度を積分演算し
て求めた速度が予め定めた閾値以下になっているか否か
を調べ、速度を補正する必要が有るか否かを調べる。速
度補正部６５は、補正判別部６７が速度を補正する必要
が有ると判別すると、その停止状態を検出した際におけ
る重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度を積分演算し
て求めた速度がゼロになるように初期回転角度（φo，
θo，Ψo）を補正する。これにより、ペン軸９の傾斜も
補正することができ、さらに正確に重力座標系（Ｘg，
Ｙg，Ｚg）における加速度を算出することができる。

【００７７】また、速度補正部６５は、初期回転角度
（φo，θo，Ψo）を補正する代わりに筆記中の回転角
度（φ，θ，Ψ）を補正するようにしても良い。筆記中
の回転角度を補正することにより、筆記中のペン軸９の
傾きをさらに正確に補正できるようになり、さらに正確
に重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における加速度を算出
することができる。

【００７８】また、上記実施例ではいずれも速度ゼロ検
出部６４は、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数成分並びに感
圧センサ４からの信号を基にペン先部８の停止状態を検
出したが、重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度（Ａx
og，Ａyog，Ａzog）が予め定めた閾値以下の状態が予め
定めた時間以上続いたことを検出すると停止状態である
と判断するようにしても良い。入力部５ａは、図９に示
すようにＡＤ変換器５１ａ〜５１ｆとＬＰＦ５３ａ〜５
３ｆを有する。演算部５ｂは、静止判別部５４、初期回
転角度演算部５５、回転角度変化演算部５６、筆記中回
転角度演算部５７、角加速度演算部５８、加速度補正部
５９、座標変換演算部６０、重力加速度除去部６１、速
度演算部６２、速度ゼロ検出部６４、速度補正部６５及
び移動量演算部６６を備える。速度ゼロ検出部６４は、
重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度（Ａxog，Ａyo
g，Ａzog）がそれぞれ予め定めた閾値以下の状態が、例
えば0.05秒以上続いたことを検出すると停止状態である
と判断する。ここで、上記0.05秒の値はＬＰＦのカット
オフ周波数に依存する。また、閾値の値はノイズレベル
から定める。この場合、停止状態の検出は遅れるが、感
圧センサ４などを用いる必要がなく装置を小型化でき
る。

【００７９】また、ペン型入力装置１は、例えば図１０
に示すように演算部５ｂに静止判別部５４、初期回転角
度演算部５５、回転角度変化演算部５６、筆記中回転角
度演算部５７、角加速度演算部５８、加速度補正部５
９、座標変換演算部６０、重力加速度除去部６１、速度
演算部６２、微分演算部６８、速度ゼロ検出部６４、速
度補正部６５ａ及び移動量演算部６６を備えるようにし
ても良い。微分演算部６８は座標変換演算部６０が座標
変換して得た重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）による加速
度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）を微分する。速度ゼロ検出
部６４ｃは座標変換演算部６０が座標変換して得た重力
座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）による加速度（Ａxog，Ａyo
g，Ａzog）と微分演算部６８が重力座標系（Ｘg，Ｙg，
Ｚg）による加速度を時間で微分した値とがともに予め
定めた閾値以下であることを検出すると、ペン先部８が
停止状態であると判断する。この場合一定時間を経過す
るのを待つ必要がなく、停止状態の検出を迅速に行なう
ことができる。

【００８０】また、ペン型入力装置１は、例えば図１１
に示すように演算部５ｂにＡＤ変換器５１ａ〜５１ｆ、
ＬＰＦ５３ａ〜５３ｆ、静止判別部５４、初期回転角度
演算部５５、回転角度変化演算部５６、筆記中回転角度
演算部５７、角加速度演算部５８、加速度補正部５９、
座標変換演算部６０、重力加速度除去部６１、速度演算
部６２、速度ゼロ検出部６４、速度補正部６５及び移動
量演算部６６を備えるようにしても良い。速度ゼロ検出
部６４は、加速度補正部５９が補正した後のペン軸座標
系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度（Ａxos，Ａyos，Ａzos）
の大きさ√（Ａxos²＋Ａyos²＋Ａzos²）と重力加速度ｇ
の大きさの差が予め定めた閾値以下の状態が予め定めた
一定時間以上続いたことを検出すると、ペン先部８が停
止状態であると判断する。この場合、座標変換前に静止
状態か否かを判別するので、静止状態の場合は座標変換
処理などを省略することもでき、処理を迅速に行なうこ
とができる。

【００８１】また、速度ゼロ検出部６４は、加速度補正
部５９が補正した後のペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）
の加速度（Ａxos，Ａyos，Ａzos）の大きさ√（Ａxos²
＋Ａyos²＋Ａzos²）と重力加速度ｇの大きさの差が予め
定めた閾値以下であり、且つ、加速度補正部５９が補正
した後のペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度（Ａx
os，Ａyos，Ａzos）を時間で微分した値が予め定めた閾
値以下であることを検出すると、ペン先部８が停止状態
であると判断するようにしても良い。

【００８２】さらに、上記速度ゼロ検出部６４は、感圧
センサ４等を用いてペン先部８が筆記面と接触している
ときにペン先部８が停止状態であるか否かを判断する要
にして、ペン先部８が空中にある場合を除くようにして
も良い。

【００８３】さらに、速度ゼロ検出部６４は、各加速度
センサ２ａ，２ｂ，２ｃからの加速度信号の高周波数成
分を検出しない状態が継続した時間間隔を予め定めた時
間間隔と比較し、継続時間間隔が予め定めた時間間隔よ
り短い場合はペン先部が停止状態であると判断する。こ
れにより、速度がゼロであり、且つ、加速度がゼロでな
い状態を迅速に検出できるようになる。また、速度ゼロ
検出部６４は、継続時間間隔が予め定めた時間間隔以上
の場合はペン先部８が長い時間停止している状態かそれ
とも空中を移動中であると判断して、速度及び加速度が
ともにゼロである状態（長期間の停止状態）を検出す
る。これにより、ペン先部８の停止状態を迅速に検出す
ることができるとともに、感圧センサ４等を用いずとも
ペン先部８が空中にある状態を検出できる。

【００８４】なお、上記実施例ではオイラー方式による
座標変換を採用したペン型入力装置１について説明した
が、ストラップダウン方式を採用したペン型入力装置で
あっても良い。ストラップダウン方式を採用したペン型
入力装置は、静止状態において加速度センサ２ａ，２
ｂ，２ｃを用いて検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚ
s）における加速度を基に装置の初期回転角度を算出
し、算出した初期回転角度とジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃ
を用いて検出した回転角速度を基に筆記中の回転角度を
算出し、算出した筆記中の回転角度を基に各加速度セン
サ２ａ，２ｂ，２ｃを用いて検出したペン軸座標系（Ｘ
s，Ｙs，Ｚs）における加速度を重力座標系（Ｘg，Ｙ
g，Ｚg）における加速度に変換する。

【００８５】

【発明の効果】この発明は以上説明したように、ペン先
部が筆記面と接触している状態における各加速度センサ
からの加速度信号の高周波数成分を検出してペン先部が
停止状態であるか否かを検出し、ペン先部が停止状態で
あることを検出すると、その検出した際における加速度
を基に求めた速度がゼロになるようにその速度を補正し
て、補正した速度を基に装置の移動方向及び距離を検出
するので、累積誤差が発生することを防止することがで
きる。

【００８６】また、静止状態において加速度センサを用
いて検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）における
加速度を基に装置の初期回転角度を算出し、算出した初
期回転角度とジャイロを用いて検出した回転角速度を基
に筆記中の回転角度を算出し、算出した筆記中の回転角
度を基に各加速度センサを用いて検出したペン軸座標系
（Ｘs，Ｙs，Ｚs）における加速度を重力座標系（Ｘg，
Ｙg，Ｚg）における加速度に変換し、変換して得た重力
座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における加速度を積分して、
重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における速度を算出し、
ペン先部が筆記面と接触している際の各加速度センサ及
び各ジャイロからの信号の高周波数成分を検出して、ペ
ン先部が停止しているか否かを検出し、ペン先部が停止
状態であることを検出すると、その検出した際における
重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の速度がゼロになるよう
に重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における速度を補正
し、重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における各軸方向の
速度を基に装置の移動方向及び移動距離を算出するの
で、ペン軸の傾斜による影響を除去するとともに速度の
累積誤差の発生を防止できる。

【００８７】さらに、３個のジャイロを用いて検出した
回転角速度から回転角加速度を算出し、３個のジャイロ
を用いて検出した回転角速度、算出した回転角加速度及
び各加速度センサの取付位置を基に３個の加速度センサ
を用いて検出した加速度のペン先部を中心とした傾斜運
動による加速度成分を算出し、算出した傾斜運動による
加速度成分を基に加速度センサの取付け位置におけるペ
ン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を補正してペン
先部におけるペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度
を求め、筆記中の回転角度を基にが補正して求めたペン
先部のペン軸座標系（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
ので、加速度センサの取付け位置がペン先部と離れてい
ることに起因するペン軸の傾斜運動の影響を除去する個
とができる。

【００８８】また、重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）によ
る加速度が予め定めた閾値以下の状態が予め定めた一定
時間以上続いたことを検出すると、ペン先部が停止状態
であると判断するので、簡単な構成で停止状態を検出す
ることができる。

【００８９】また、重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）によ
る加速度と重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）による加速度
を時間で微分した値とがともに予め定めた閾値以下であ
ることを検出すると、ペン先部が停止状態であると判断
するので、簡単な構成で正確に停止状態を検出すること
ができるとともに停止状態検出の際に一定時間待たなく
ても良くなり迅速に停止状態を検出できるようになる。

【００９０】また、加速度センサを用いて検出した加速
度の大きさと重力加速度の大きさの差が予め定めた閾値
以下の状態が予め定めた一定時間以上続いたことを検出
すると、ペン先部が停止状態であると判断するもで、さ
らに簡単な構成で停止状態を検出できる。

【００９１】また、加速度センサを用いて検出した加速
度の大きさと重力加速度の大きさの差が予め定めた閾値
以下であり、且つ、加速度センサを用いて検出したペン
軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）による加速度を時間で微分
した値が予め定めた閾値以下であることを検出すると、
ペン先部が停止状態であると判断するので、簡単な構成
で正確且つ迅速に停止状態を検出することができる。

【００９２】また、ペン先部が筆記面と接触していると
きにペン先部が停止状態であるか否かを判断するので、
空中を移動中の場合と停止状態の場合とを誤検出するこ
とを防止することができる。

【００９３】また、各加速度センサの加速度信号から高
周波数成分を検出しない状態が継続した時間を予め定め
た時間間隔と比較し、継続時間が予め定めた時間間隔よ
り短い場合はペン先部が停止状態であると判断し、継続
時間が予め定めた時間間隔以上の場合はペン先部が長い
時間停止している状態かそれとも空中を移動中の状態で
あると判断するので、迅速にペン先部が停止状態である
ことを検出するとともに、別途にセンサ等を設けなくと
もペン先部が筆記面と接触しているか否かを検出するこ
とができる。

【００９４】また、ペン先部の停止状態を検出すると、
その停止状態を検出した際における重力座標系（Ｘg，
Ｙg，Ｚg）の加速度を積分演算して求めた速度をゼロに
リセットするので、速度の累積誤差が発生することを防
止することができる。

【００９５】また、ペン先部の停止状態を検出すると、
その停止状態を検出した際における重力座標系（Ｘg，
Ｙg，Ｚg）の加速度を積分演算して求めた速度がゼロに
なるように前回停止状態を検出してから今回停止状態を
検出するまでの重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の速度を
補正するので、さらに正確に速度の誤差発生を防止でき
る。

【００９６】また、ペン先部の停止状態を検出すると、
その停止状態を検出した際における重力座標系（Ｘg，
Ｙg，Ｚg）の加速度を積分演算して求めた速度をゼロに
するとともに、重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度
変化及び速度変化が連続するようにスプライン補間によ
る補正を行なうので、ペン先部の軌跡を正確に検出でき
る。

【００９７】また、ペン先部の停止状態を検出すると、
その停止状態を検出した際における重力座標系（Ｘg，
Ｙg，Ｚg）の加速度を積分演算して求めた速度をゼロに
する補正量を算出し、算出した補正量を基に次ぎに停止
状態であることを検出するまでの重力座標系（Ｘg，Ｙ
g，Ｚg）の速度を補正するので、補正量を予め計算する
ことにより処理を早めることができる。

【００９８】また、ペン先部の停止状態を検出すると、
その停止状態を検出した際における重力座標系（Ｘg，
Ｙg，Ｚg）の加速度を積分演算して求めた速度がゼロに
なるように初期回転角度を補正するので、速度検出の累
積誤差をなくすとともに、ペン型入力装置の回転角度の
検出誤差もなくすことができる。

【００９９】また、ペン先部の停止状態を検出すると、
その停止状態を検出した際における重力座標系（Ｘg，
Ｙg，Ｚg）の加速度を積分演算して求めた速度がゼロに
なるように補正量を算出し、算出した補正量を基に次ぎ
に停止状態であることを検出するまでの筆記中の回転角
度を補正するので、速度検出の累積誤差をなくすととも
に、筆記中のペン型入力装置の回転角度の検出誤差もな
くすことができる。

【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】座標系の説明図である。

【図３】演算部の構成図である。

【図４】ペン先部の停止点を示す説明図である。

【図５】加速度の高周波数成分の波形図である。

【図６】筆記入力動作を示すフローチャートである。

【図７】速度ずれ及びその補正した速度信号の波形図で
ある。

【図８】回転角度を補正する演算部の構成図である。

【図９】加速度を基に停止状態を判別する演算部の構成
図である。

【図１０】速度及びその微分値から停止状態を判別する
演算部の構成図である。

【図１１】検出加速度と重力加速度を基に停止状態を判
別する演算部の構成図である。

【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感圧センサ５処理部５ａ入力部５ｂ演算部５４静止判別部５５初期回転角度演算部５６回転角度変化演算部５７筆記中回転角度演算部５８角加速度演算部５９加速度補正部６０座標変換演算部６１重力加速度除去部６２速度演算部６３高周波判別部６４速度ゼロ検出部６５速度補正部６６移動量演算部６７補正判別部６８微分演算部８ペン先部９ペン軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の加速度センサを有し、各加速度セ
ンサが出力した加速度を示す信号を基に装置の移動方向
及び距離を検出するペン型入力装置において、速度ゼロ
検出部と速度補正部を有し、速度ゼロ検出部はペン先部
が筆記面と接触している状態における各加速度センサか
らの加速度信号の高周波数成分を検出してペン先部が停
止状態であるか否かを検出し、加速度補正部はペン先部
が停止状態であることを検出すると、その検出した際に
おける加速度を基に求めた速度がゼロになるようにその
速度を補正することを特徴とするペン型入力装置。
【請求項２】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
は初期回転角度演算部と筆記中回転角度演算部と座標変
換演算部と速度演算部と速度ゼロ検出部と速度補正部と
移動量演算部を備え、初期回転角度演算部は静止状態に
おいて加速度センサを用いて検出したペン軸座標系（Ｘ
s，Ｙs，Ｚs）における加速度を基に装置の初期回転角
度を算出し、筆記中回転角度演算部は初期回転角度演算
部が算出した初期回転角度とジャイロを用いて検出した
回転角速度を基に筆記中の回転角度を算出し、座標変換
演算部は筆記中回転角度演算部が算出した筆記中の回転
角度を基に各加速度センサを用いて検出したペン軸座標
系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）における加速度を重力加速度方向
に伸びる軸をＺg軸にした重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）
における加速度に変換し、速度演算部は座標変換演算部
が座標変換して得た重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）にお
ける加速度を積分して、重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）
における速度を算出し、速度ゼロ検出部はペン先部が筆
記面と接触している際の各加速度センサ及び各ジャイロ
からの信号の高周波数成分を検出して、ペン先部が停止
しているか否かを検出し、速度補正部は速度ゼロ検出部
がペン先部が停止状態であることを検出すると、その検
出した際における速度演算部が算出した速度を基に重力
座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における速度がゼロになるよ
うに速度演算部が算出した重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚ
g）における速度を補正し、移動量演算部は重力座標系
（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における各軸方向の速度を基に装置
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。
【請求項３】上記演算部は角加速度演算部と加速度補
正部を備え、角加速度演算部は３個のジャイロを用いて
検出した回転角速度から回転角加速度を求め、加速度補
正部は３個のジャイロを用いて検出した回転角速度、角
加速度演算部が算出した回転角加速度及び各加速度セン
サの取付位置を基に３個の加速度センサを用いて検出し
た加速度のペン先部を中心とした傾斜運動による加速度
成分を算出し、算出した傾斜運動による加速度成分を基
に加速度センサの取付け位置におけるペン軸座標系（Ｘ
s，Ｙs，Ｚs）の加速度を補正してペン先部におけるペ
ン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を求め、座標変
換演算部は筆記中の回転角度を基に加速度補正部が補正
して求めたペン先部のペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）
による加速度を重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）による加
速度に変換する請求項１又は２記載のペン型入力装置。
【請求項４】上記速度ゼロ検出部は重力座標系（Ｘ
g，Ｙg，Ｚg）による加速度が予め定めた閾値以下の状
態が予め定めた一定時間以上続いたことを検出すると、
ペン先部が停止状態であると判断する請求項１、２又は
３記載のペン型入力装置。
【請求項５】上記速度ゼロ検出部は重力座標系（Ｘ
g，Ｙg，Ｚg）による加速度と重力座標系（Ｘg，Ｙg，
Ｚg）による加速度を時間で微分した値とがともに予め
定めた閾値以下であることを検出すると、ペン先部が停
止状態であると判断する請求項１、２又は３記載のペン
型入力装置。
【請求項６】上記速度ゼロ検出部は加速度センサを用
いて検出した加速度の大きさと重力加速度の大きさの差
が予め定めた閾値以下の状態が予め定めた一定時間以上
続いたことを検出すると、ペン先部が停止状態であると
判断する請求項１、２又は３記載のペン型入力装置。
【請求項７】上記速度ゼロ検出部は加速度センサを用
いて検出した加速度の大きさと重力加速度の大きさの差
が予め定めた閾値以下であり、且つ、加速度センサを用
いて検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）による加
速度を時間で微分した値が予め定めた閾値以下であるこ
とを検出すると、ペン先部が停止状態であると判断する
請求項１、２又は３記載のペン型入力装置。
【請求項８】上記速度ゼロ検出部はペン先部が筆記面
と接触しているときにペン先部が停止状態であるか否か
を判断する請求項４乃至７のいずれかに記載のペン型入
力装置。
【請求項９】上記速度ゼロ検出部は各加速度センサの
加速度信号から高周波数成分を検出しない状態の継続し
た時間間隔を予め定めた時間間隔と比較し、継続時間間
隔が予め定めた時間間隔より短い場合はペン先部が停止
状態であると判断し、継続時間間隔が予め定めた時間間
隔以上の場合はペン先部が長い時間停止している状態か
それとも空中を移動中の状態であると判断するかを検出
する請求項４、５又は６記載のペン型入力装置。
【請求項１０】上記速度補正部は速度ゼロ検出部がペ
ン先部の停止状態を検出すると、その停止状態を検出し
た際における重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度を
積分演算して求めた速度をゼロにリセットする請求項１
乃至９のいずれかに記載のペン型入力装置。
【請求項１１】上記速度補正部は速度ゼロ検出部がペ
ン先部の停止状態を検出すると、その停止状態を検出し
た際における重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度を
積分演算して求めた速度がゼロになるように前回停止状
態を検出してから今回停止状態を検出するまでの重力座
標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の速度を補正する請求項１乃至
９のいずれかに記載のペン型入力装置。
【請求項１２】上記速度補正部は速度ゼロ検出部がペ
ン先部の停止状態を検出すると、その停止状態を検出し
た際における重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度を
積分演算して求めた速度をゼロにするとともに、重力座
標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度変化及び速度変化が連
続するようにスプライン補間による補正をする請求項１
乃至９のいずれかに記載のペン型入力装置。
【請求項１３】上記速度補正部は速度ゼロ検出部がペ
ン先部の停止状態を検出すると、その停止状態を検出し
た際における重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度を
積分演算して求めた速度をゼロにする補正量を算出し、
算出した補正量を基に次ぎに停止状態であることを検出
するまでの重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の速度を補正
する請求項１乃至９のいずれかに記載のペン型入力装
置。
【請求項１４】上記速度補正部は速度ゼロ検出部がペ
ン先部の停止状態を検出すると、その停止状態を検出し
た際における重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度を
積分演算して求めた速度がゼロになるように初期回転角
度を補正する請求項１乃至９のいずれかに記載のペン型
入力装置。
【請求項１５】上記速度補正部は速度ゼロ検出部がペ
ン先部の停止状態を検出すると、その停止状態を検出し
た際における重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度を
積分演算して求めた速度がゼロになるように補正量を算
出し、算出した補正量を基に次ぎに停止状態であること
を検出するまでの筆記中の回転角度を補正する請求項１
乃至９のいずれかに記載のペン型入力装置。