JP2003029915A - コンピュータ用電子ペンデータ入力装置及び座標測定方法 - Google Patents

コンピュータ用電子ペンデータ入力装置及び座標測定方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 任意の角度で一般の平面に筆記動作をした
り、平面から離れて筆記動作をする場合にも慣性センサ
ーの累積誤差を減らしつつ連続的な電子ペンの運動を精
密に追従できるコンピュータ用電子ペンデータ入力装置
及び座標測定方法を提供する。 【解決手段】 本発明は、ペン状のハウジングを有する
電子ペンにおいて、前記電子ペンの中心軸の筆記面に対
する傾斜角及び前記電子ペンの筆記面に対する高さを測
定するための光学式３次元測定装置６−Ａと、前記電子
ペンの３次元運動による移動量を測定するための３軸加
速度センサー４と、前記測定された傾斜角、高さ、及
び、移動量に関する情報を外部演算装置に送信するため
の通信手段１とを含むことを特徴とするコンピュータ用
電子ペンデータ入力装置である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はコンピュータ用電子
ペンデータ入力装置及びその作動方法に係り、より詳細
にはコンピュータ応用機器に３軸加速度センサー及び光
学式３次元測定装置を利用して電子ペンの筆記動作に関
する情報を有無線で送信するコンピュータ用電子ペンデ
ータ入力装置及び座標測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、個人携帯用端末機またはコンピュ
ータ応用機器にペンの筆記内容を入力するためにＬＣＤ
タブレットやデジタイザタブレットのような２次元セン
サー配列を含む入力装置が広く使われている。このよう
な入力装置は比較的大面積の２次元センサー配列を必要
とするために別の感知平面が必要である。したがって、
携帯し難くて所定の空間を占め、またコスト面でも短所
がある。技術的な趨勢から見る時、個人携帯用端末機は
段々小型化して腕時計状や財布状の携帯用端末機に変化
している。このような小型化の趨勢によってその表示画
面も縮まるために従来のタブレットを利用した筆記方式
は入力空間が縮まって自然な筆記動作によるデータ入力
がさらに難しくなる。
【０００３】前記問題点を解決するために、物理的タブ
レットなしに一般の平面上で単一電子ペンだけを利用し
て文書入力が可能であれば従来のペン入力装置に比べて
広い入力空間を提供されるために自然な筆記入力が可能
なので非常に効果的である。このような自己運動感知方
式の電子ペンを利用した文書または絵の入力のためには
ある基準座標系に対する電子ペンチップの位置座標を連
続的に求められなければならない。しかし、大部分の筆
記動作はペンを筆記面と接触したダウン状態で行い、移
動する場合にはペンを筆記面と接触しないアップ状態と
なる。ペンの連続的な座標値を求めるためには接触また
は非接触状態でもその位置値を精密に測定できる手段を
必要とする。
【０００４】従来の電子ペン状の入力装置は大きく２つ
に分けられるが、ペン外部でペンチップの座標を測定す
る方式とペン内部でペンチップの運動を測定する方式と
に分けられる。
【０００５】ペン外部でペンチップの座標を測定する方
式として、３角測量方式（米国特許第５,１６６,６６８
号）、電磁波（米国特許第５,９７７,９５８号）または
超音波（米国特許第４,４７８,６７４号）の飛行時間差
を利用する方式などがある。しかし、前記方式はペンか
ら発信信号を送って外部から受信する形になっているた
めに携帯用端末機のような装置では端末機の本体に受信
部を装着しなければならないので携帯が不便な短所があ
る。
【０００６】また、ペン内部でペンチップの座標を測定
する内蔵方式はペン内部でペンチップの運動を感知する
方式であって、初期にはボールの回転を利用する方式
（米国特許第５,０２７,１１５号）、ペンに作用する力
を測定する方式（米国特許第５,１１１,００４号、米国
特許第５,９８１,８８３号）があったが、ペンが筆記面
から離れればペンの運動を測定し難い短所がある。そし
て、ペン内部に装着された２軸または３軸加速度センサ
ーを利用して二重積分を通じて電子ペンの位置運動を求
める方式（米国特許第５,２４７,１３７号、ＷＯ第９４
／０９,４４７号、米国特許第５,５８７,５５８号）が
提案された。しかし、加速度センサーをペンチップに装
着し難い問題点があり、一定の高さに装着する場合には
ペン中心軸の傾斜角に対する影響を考慮しないため大き
な位置誤差を招く恐れがある。また、加速度信号を二重
積分することによって累積誤差が増加するので正確な運
動を測定し難い短所がある。
【０００７】このようなペンの傾斜角に対する影響を補
正するためにＡ.Ｔ Ｃｒｏｓｓ社（米国特許第５,４３
４,３７１号）で２軸以上の加速度センサー素子をペン
チップに移動させ、信号処理部はペンの上部に移動させ
る方法を提案しているが、センサー素子及び信号処理部
が分離されていて電気的な雑音の影響が大きくて、ペン
先端にインクを装着できない問題点がある。一方、Ｓｅ
ｉｋｏ社（日本特許平６−６７,７９９号）では傾斜角
補正のために２軸加速度と２ジャイロを利用して加速度
は二重積分でその位置を求め、ペンの角速度を単積分し
てペンの傾斜角を測定する方式を提案している。また、
Ｒｉｃｈｏ社（米国特許第５,９０２,９６８号、米国特
許第５,９８１,８８４号）ではペン内部に３軸加速度セ
ンサーと３軸ジャイロセンサーを内蔵して一般的な３次
元筆記運動をするペンチップの位置を求める方法を提示
している。しかし、入力する平面が常に重力方向に垂直
でなければならないために使用上の制約があり、前記慣
性センサー（加速度センサー、ジャイロ）を利用する方
式において加速度は二重積分、角速度は単積分を通じて
ペンの位置及び角度を求めるが、センサー信号の雑音や
ドリフトにより加速度系の場合は時間の自乗累乗、ジャ
イロの場合には時間に比例する形に累積誤差が増加して
精密なペンチップの運動を推定し難い問題点がある。
【０００８】前記累積誤差を減らすために最近インター
センス社では３軸加速度センサー及び３軸ジャイロを使
用したペン装置に超音波センサーを追加して慣性センサ
ー（加速度、角速度）から発生する位置累積誤差を減ら
す技術を提示している。しかし、このような外部センサ
ーの追加は携帯性に悪い問題点がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明では前記従来の
技術の問題点を解決するために、任意の角度で一般の平
面に筆記動作をしたり、平面から離れて筆記動作をする
場合にも慣性センサーの累積誤差を減らしつつ連続的な
電子ペンの運動を精密に追従できるコンピュータ用電子
ペンデータ入力装置及び座標測定方法を提供することを
目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明ではペン状のハウジングを有する電子ペンにお
いて、前記電子ペンの中心軸の筆記面に対する傾斜角及
び前記電子ペンの筆記面に対する高さを測定するための
光学式３次元測定装置と、前記電子ペンの３次元運動に
よる移動量を測定するための３軸加速度センサーと、前
記測定された傾斜角、高さ、及び、移動量に関する情報
を外部演算装置に送信するための通信手段とを含むこと
を特徴とするコンピュータ用電子ペンデータ入力装置を
提供する。
【００１１】本発明において、前記光学式３次元測定装
置は所定の筆記面にスポットを形成させるためにビーム
を放出する発光部と、前記筆記面に形成されたビームス
ポットを感知する感知部とを含み、前記発光部はビーム
を放出させる光源と、前記光源で生じた発散ビームを平
行にする第１レンズと、前記第１レンズを通したビーム
を分離させる格子と、前記第１レンズを通したビームを
筆記面に向けて投射させる第２レンズとを含み、前記感
知部は前記筆記面に結ばれたスポットビームを１次的に
集光するカメラレンズと、前記カメラレンズを通過した
ビームを感知する位置検出器とを含むことが望ましい。
【００１２】本発明において、前記光学式３次元測定装
置は前記感知部で受け入れたスポットビームを利用して
ビームスポットの位置を検出する信号処理回路と、前記
検出されたビームスポットの位置を利用して前記電子ペ
ンの前記筆記面に対する高さ及び傾斜角を演算する演算
器とをさらに含むことが望ましい。
【００１３】本発明において、前記電子ペンは前記発光
部の光源のオン／オフを調節する制御器及び、前記外部
演算装置で演算された前記情報を貯蔵するための貯蔵手
段をさらに含むことが望ましい。
【００１４】本発明において、前記通信手段はＲＦ通信
装置であることが望ましい。
【００１５】前記電子ペンは前記３軸加速度センサー及
び前記光学式３次元測定装置で測定されたデータを利用
して電子ペンチップの位置を演算するための中央処理装
置をさらに含み、前記電子ペンの筆記面に対する接触有
無を検出するための前記電子ペンチップと連結された応
力センサーをさらに含むことが望ましい。
【００１６】本発明において、前記電子ペンが筆記面に
接触されて筆記をする場合、インクを噴射するために前
記電子ペンチップと連結されたインク収容部をさらに含
むことが望ましい。
【００１７】また、本発明では、ペン状のハウジングを
有する電子ペンと、前記電子ペンの中心軸の筆記面に対
する傾斜角及び前記電子ペンの筆記面に対する高さを測
定するための光学式３次元測定装置と、前記電子ペンの
３次元運動による移動量を測定するための３軸加速度セ
ンサーと、前記３軸加速度センサー及び前記光学式３次
元測定装置で測定されたデータを利用して前記電子ペン
チップの位置座標を演算するための中央処理装置と、前
記演算された電子ペンチップの位置座標を外部コンピュ
ータまたは個人携帯用端末機に送信するための通信手段
とを含むコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標
測定方法において、（Ａ）前記光学式３次元測定装置に
よって前記電子ペンと筆記面とがなす傾斜角及び筆記面
に対する高さを測定し、前記３軸加速度センサーによっ
て前記電子ペンの３次元運動情報を測定する段階と、
（Ｂ）前記測定された筆記面に対する電子ペンの傾斜
角、高さ、及び、３次元運動情報をコンピュータまたは
携帯用端末機の中央処理装置で変換して電子ペンチップ
の座標を抽出する段階と、（Ｃ）前記抽出された電子ペ
ンチップの座標を前記通信手段を利用して外部コンピュ
ータまたは携帯用端末機に送信する段階とを含むことを
特徴とするコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座
標測定方法を提供する。
【００１８】本発明において、前記光学式３次元測定装
置は筆記面にスポットを形成させるためのビームを放出
する発光部と、前記筆記面に形成されたビームスポット
を感知する感知部とを含み、コンピュータ用電子ペンデ
ータ入力装置の座標測定方法において、前記（Ａ）段階
の電子ペンと筆記面とがなす傾斜角及び筆記面に対する
高さを測定する段階は前記発光部からビームを放出する
段階と、前記放出されたビームを筆記面に投射して５つ
以上のビームスポットを形成させる段階と、前記ビーム
スポットの反射ビームを集光する段階と、前記集光され
たビームを利用して電子ペンの筆記面となす傾斜角及び
高さに関する情報を位置検出器を通じて検出する段階と
を含むことが望ましい。
【００１９】本発明において、前記傾斜角及び高さを検
出する段階は、前記集光された５つ以上のビームスポッ
トの情報を利用して楕円方程式により前記電子ペンの傾
斜角及び筆記面に対する高さを求める段階と、前記求め
られた傾斜角及び高さの各々を微分して傾斜角速度及び
垂直速度を初期値から求める段階とを含むことが望まし
い。
【００２０】本発明において、前記（Ｂ）段階は加速度
信号から重力成分を除去する段階と、前記重力成分が除
去された加速度信号を第１次積分して電子ペンの移動速
度を求める段階と、前記電子ペンチップの速度を求めた
後、筆記面に対する垂直速度を利用して累積誤差を補正
する段階と、運動累積誤差補正された前記電子ペンの移
動速度を第２次積分して前記電子ペンの変位移動量を求
める段階と、前記電子ペンの変位移動量の累積誤差を補
正して電子ペンチップの座標を求める段階とを含むこと
が望ましい。
【００２１】本発明において、前記（Ｂ）段階は前記３
軸加速度センサーから出る加速度信号に対してローパス
フィルタリングを行う段階をさらに含み、前記（Ｃ）段
階の通信手段はＲＦ通信方法によるものであることが望
ましい。
【００２２】また、本発明では、ペン状のハウジングを
有する電子ペンと、前記電子ペンの中心軸の筆記面に対
する傾斜角及び前記電子ペンチップの筆記面に対する高
さを測定するための光学式３次元測定装置と、前記電子
ペンの３次元運動による移動量を測定するための３軸加
速度センサーと、前記測定された傾斜角、高さ、及び、
移動量に関する情報をコンピュータまたは携帯用端末機
に伝送するための通信手段とを含むコンピュータ用電子
ペンデータ入力装置の作動方法において、（Ａ）前記光
学式３次元測定装置によって前記電子ペンと筆記面とが
なす傾斜角及び筆記面に対する高さを測定し、前記３軸
加速度センサーによって前記電子ペンの３次元運動情報
を測定する段階と、（Ｂ）前記測定された傾斜角、高
さ、及び、３次元運動情報に関する情報を前記通信手段
を利用してコンピュータまたは携帯用端末機に送信する
段階と、（Ｃ）前記測定された筆記面に対する電子ペン
の傾斜角、高さ、及び、３次元運動情報をコンピュータ
または携帯用端末機の中央処理装置で変換して電子ペン
チップの座標を抽出する段階とを含むことを特徴とする
コンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法
を提供する。
【００２３】本発明において、前記光学式３次元測定装
置は筆記面にスポットを形成させるためにビームを放出
する発光部と、前記筆記面に形成されたビームスポット
を感知する感知部とを含み、前記（Ａ）段階の電子ペン
と筆記面とがなす傾斜角及び筆記面に対する高さを測定
する段階は、前記放出されたビームを筆記面に投射して
ビームスポットを形成させる段階と、前記ビームスポッ
トの反射ビームを集光する段階と、前記集光されたビー
ムを位置検出器を通じて検出する段階とを含むことが望
ましい。
【００２４】本発明において、前記（Ｃ）段階は加速度
信号から重力成分を除去する段階と、前記重力成分が除
去された加速度信号を第１次積分して電子ペンの移動速
度を求める段階と、前記電子ペンチップの速度を求めた
後、筆記面に対する垂直速度を利用して累積誤差を補正
する段階と、運動累積誤差補正された前記電子ペンの移
動速度を第２次積分して前記電子ペンの変位移動量を求
める段階と、前記電子ペンの変位移動量の累積誤差を筆
記面に対する高さを利用して補正して電子ペンチップの
座標を求める段階とを含むことが望ましい。
【００２５】本発明において、前記通信手段はＲＦ通信
方法によるものであることが望ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、図面を参考して本発明につ
いてより詳細に説明する。図１は本発明による電子ペン
の構造を示した概略図である。図１に示したように、本
発明による電子ペンはペンの３次元運動による移動量を
測定するための３軸加速度センサー４及びペンの傾斜角
と高さを測定するための光学式３次元測定装置６−Ａを
具備したことを特徴とする。また、前記３軸加速度セン
サー４で加速度信号を受け入れる中央処理装置（ＣＰ
Ｕ）５が設けられ、このような加速度信号を積分して速
度を求められ、また２次積分により位置移動量を求めら
れる。光学式３次元測定装置６−Ａはビームを生じる発
光部７及びこれを感知するための受光部８よりなってお
り、本発明では発光部７で５点以上のビームスポット１
３を得るためにビームを筆記面１２に投射して電子ペン
の傾斜角と高さに関する情報を得ることを特徴とする。
すなわち、図１に示したように原形リング状にスポット
１３を得るためにビームを筆記面１２に投射すれば、筆
記面１２に対するペンの角度及び高さによって結ばれる
楕円形の形態及び大きさが変わるのでこのスポット１３
の座標値を測定してペンの傾斜角及び高さを測定する。
前述されたようなペンの傾斜角、高さ及び移動量に関す
る情報を受け入れて処理するための光学信号処理装置６
及びＣＰＵ５を具備することが望ましい。しかし、本発
明による電子ペンはその内部にＣＰＵ５を含むが、前記
３軸加速度センサー４及び光学式３次元測定装置６−Ａ
により得られた情報をコンピュータまたは個人携帯用端
末機で処理する場合には前記ＣＰＵ５は不要となる。す
なわち、前記中央処理装置は選択的である。
【００２７】そして、電子ペンを一定時間以上容易に使
用するためのバッテリー３を含み、前記のようなペンの
運動に関する情報を貯蔵するための貯蔵装置２を含むこ
とが望ましい。また、前記電子ペンに関する情報をコン
ピュータまたは個人携帯用端末機に伝送するための送信
装置１が必要であるが、本発明による電子ペンはそのデ
ータ送信において有線または無線いずれも可能であるこ
とを特徴とし、無線の場合ＲＦ通信装置を含むことが望
ましい。通常的にペンによる筆記動作はペン−ダウン、
ペン−アップの連続動作で構成されるのでこのような動
作情報を得るために筆記面１２に対する接触有無を判別
するための応力センサー９を含みうる。また、紙等に直
接記録する必要があるのでこのためにペン内部にインク
収容部１０をさらに含みうる。
【００２８】図２は、本発明による電子ペンの光学式３
次元測定装置６−Ａの一実施形態を示した図面である。
前述されたように光学式３次元測定装置６−Ａは電子ペ
ンの筆記面１２に対する高さ及び傾斜角を測定するため
のものであって多様な構造を有することができ、ここで
一例を調べれば次の通りである。図２に示した実施形態
はペンの中心軸と３次元測定装置６−Ａで投射及び入射
する光経路と偏差を有する構造を示す。
【００２９】まずその構造を調べれば、ビームを放出す
る光源２１と広がるビームを平行にする第１レンズ２
２、一定の構造を有する格子２３、前記光源２１から放
出されたビーム２５を筆記面１２に向けて再度平行に投
射する第２レンズ２４、筆記面１２で散乱されたビーム
２６の一部を集光するカメラレンズ２７、前記カメラレ
ンズ２７で集光されたビームを受け入れる位置検出器２
８、前記位置検出器２８の信号を利用して位置を感知す
る信号処理部と筆記面１２に対する高さと傾斜角を演算
する演算器とより構成されている。
【００３０】このような光学式３次元測定装置６−Ａで
のビームの放出から情報の出力までの原理についてより
詳細に説明すれば次の通りである。まず光源２１からビ
ーム２５、例えば可視光線または赤外線を放出する。こ
の場合、前記光源２１はレーザーダイオード、ＬＥＤ
（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）など通常
的な光源として使われるものであれば制限がない。前記
光源２１から放出されたビームは、例えば、第１レンズ
２２により平行した円筒形のビームになり、格子２３の
構造により一定の半径を有する円周上に５つ以上のビー
ムに分離される。前記格子２３から分離されたビームは
精密な平行ビームのために第２レンズ２４を経て筆記面
１２方向に投射される。筆記面１２に投射されたビーム
はその投射角による扇状楕円形でスポット１３を形成す
る。ここで、前記筆記面１２が木または紙のように散乱
面である場合にはビームが多様な角度で広がり、一部が
カメラレンズ２７に集光され、位置検出器２８により受
入れられる。このように得られたビームに関する情報、
すなわち、ビームスポット１３の位置は信号処理部で求
められ、演算器を経て５点の各々の座標から電子ペン筆
記面１２に対する高さと傾斜角を出力する。これら位置
検出器２８、信号処理部をいずれも一体型にした位置検
出器で構成できる。ここで、前記光源２１での電力消費
を減らすために作動をしない場合に電力を遮断できるよ
うに制御器にオン／オフを制御する機能を有するように
構成することが望ましい。
【００３１】図３は、本発明による電子ペンの光学式３
次元測定装置の他の実施形態を示した図面である。図３
に示した光学式３次元測定装置は、ハーフミラー２９を
用いて前記図２とは異なって筆記面に対するビームの中
心軸を電子ペンの中心軸と一致させたことを特徴とし、
したがってビームスポットの走査及び反射軸を電子ペン
の中心軸と同一に構成したものである。
【００３２】図４Ａないし図４Ｆは、本発明による電子
ペンの光学式３次元測定装置において、電子ペンの傾斜
角及び軸方向の変化によりビームスポットの形態が変わ
る原理を示した図面である。ここで、ビームが投射され
る面をＸ−Ｙ軸に示し、前記投射面に垂直の軸をＺに定
義する。３方向の各々の傾斜角変数θ１、θ２、θ３の
変化によって筆記面に結ばれたビームのパターンが変化
する。θ１は筆記面１２に対する法線方向の軸Ｚｓと電
子ペンの中心軸間の角度を意味し、θ２は筆記面Ｘｓ−
Ｙｓと電子ペンの中心軸が筆記面に投影される時の回転
した角度を意味し、θ３は電子ペンの中心軸自体に対す
る回転角を意味する。また、δＺａは電子ペンチップと
筆記面との距離を示す。ここで、このようなビームのパ
ターンは楕円形であり、筆記面１２に対する傾斜角が変
化するにつれて楕円の長軸、短軸及びその楕円の傾斜角
が変化する。また、筆記面に対する高さ方向のペン運動
により楕円の大きさが変わるが、電子ペンが筆記面に近
くなれば楕円全体の大きさが拡大され、遠ざかれば縮少
される傾向を示す。したがって、筆記面でのビームパタ
ーンを読込んで解析すれば電子ペンの筆記面に対する傾
斜角及び高さを求められる。
【００３３】図４Ｂは、θ１の変化による楕円の長軸及
び短縮の変化を示したものであって、各々左側形態から
θ１が０より小さい場合、同じ場合及び大きい場合を示
している。図４Ｃは、θ２の変化による楕円の長軸、短
軸及び傾斜角変化を示した図面であって、前記図４Ｂと
同じくθ２が０より小さい場合、同じ場合及び大きい場
合を示している。図４Ｄは、θ３の変化による円周上に
あるスポットの変化を示したものであって、ここでθ３
は電子ペンの中心軸の回転角を示すためθ３の変化によ
って５つのスポットの位置が変わることを簡略に示し
た。このようにスポットの位置は変化するが、楕円の形
状は変化しない。しかし位置検出器２８で測定された楕
円映像は映像面がθ３だけ回転した形に現れるのでその
回転角度を測定できる。図４ＥはδＺａの変化による図
面形態を示したものであって、これは前述されたように
電子ペンが筆記面に近くなれば楕円全体が拡大され、遠
ざかれば縮少される傾向を示す。
【００３４】図４Ｆは、位置検出器映像面Ｑと筆記面に
結ばれたスポットとの幾何学的関係を示したものであ
る。ここで、座標Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃはカメラレンズの座
標系である。位置検出器の焦点をｆｃ、ビームの半径を
ｒ、位置検出器のレンズ軸と光源の軸がなす間角をΦと
定義する。すると、光学式３次元測定装置で測定する変
数はビーム軸に対する筆記面の傾斜角θ１、θ２と回転
角θ３、カメラレンズ座標系で筆記面に結ばれたビーム
中心座標Ｐｘ、Ｐｚである。
【００３５】映像面Ｑに結ばれる５つ以上のビームスポ
ットがなす楕円の方程式で定義すれば、楕円方程式は次
のように表現できる。
【数１】 ω1、ω2、ω3、ω4、ω5はレンズの焦点距離ｆｃ、投
射されるビームの半径ｒ、カメラレンズ軸と光源軸がな
す間角Φ、筆記面に対する電子ペンの垂直距離Ｐｚ及び
電子ペンの傾斜角θ１、θ２の関数よりなる。前記数式
１でのＸ−Ｙ平面の楕円方程式で未知数が５つであるた
め最小限５点に対する映像点の座標が必要である。した
がって本発明による電子ペンの光学式３次元測定装置で
は光源から放出されたビームを映像面で５つ以上のスポ
ットが形成されるように構成することが望ましい。これ
を下記数式２を参考してより詳細に説明する。
【数２】
【００３６】５つのスポットの座標を利用して前記映像
面の楕円方程式が計算されればω1、ω2、ω3、ω4、ω
5を求められ、ここでレンズの焦点距離ｆｃ、投射され
るビームの半径ｒ、カメラレンズ軸と光源がなす間角Φ
は本発明による電子ペンの製作時に分かるので、ビーム
軸に対する筆記面の傾斜角θ１、θ２をω1、ω2から一
次的に唯一に計算でき、ω3、ω4、ω5からＰｘ、Ｐｚ
を決定できる。一方、ビームの回転角θ３は図４Ｄに提
示された方法のように映像でスポットが回転した角度を
計算して求められる。この時、映像面にある楕円方程式
を円の方程式に変換した後、回転角θ３を決定すること
が望ましい。これは前記数式２を通じてビーム軸とカメ
ラ軸との幾何学的変換関係を全部計算したので、カメラ
レンズ中心軸の移動と回転を通じて光源のビーム軸と一
致させればカメラ映像面に結ばれる仮想の円に対する映
像を計算でき、円の中心でスポットが回転した角度を計
算して回転角θ３を決定する。
【００３７】このような楕円方程式の媒介変数と筆記面
との関係は公知の参考文献（Ｄ.Ｗｅｉ,“Ｔｈｅ ｕｓ
ｅ ｏｆ ｔａｐｅｒ ｌｉｇｈｔ ｆｏｒ ｏｂｊｅｃｔ
ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｓ”：Ｒｏｂｏｔ ｖｉｓｉｏ
ｎ，ＩＦＳ Ｌｔｄ．ｐ１４３〜１５３及び“平面物体
認識のための円筒形レーザービーム投射型視覚情報処理
システムの開発”：金ゾンヒョング、韓国科学技術院機
械工学科修士論文，１９８９）にその類似技術が紹介さ
れている。
【００３８】図５は、本発明で使われる３軸加速度セン
サー４、光学式３次元測定装置６−Ａ及び電子ペンチッ
プ１１での各座標系を示した図面である。まず電子ペン
チップの座標系をＯｓ、３軸加速度センサー４の座標系
をＯａ、そして光学式３次元測定装置６−Ａの座標系を
Ｏｃと定義する。電子ペンの構造上前記３つの座標系は
差があるので、光学式３次元測定装置６−Ａで求められ
た電子ペンの傾斜角及び高さ情報は電子ペンチップ１１
で求められた傾斜角及び高さ情報と差がある。特に、図
２の光学式３次元測定装置６−Ａの実施形態においては
傾斜角も差がある。これに対する補正をするために図５
に示されたようにベクトルＥを事前に計算しておくこと
が望ましい。また、Ｏｃ座標系で求めた傾斜角と傾斜角
速度と３軸加速度センサー４のＯａ座標系で求めた情報
の差はベクトルＤを求めればそれら間の幾何学的変換関
係を求められる。３軸加速度センサー４の座標系Ｏａで
求めた速度及び位置移動量は結局電子ペンチップの座標
系Ｏｓに変換し、この場合、Ｏａ−Ｏｓ間の変換関係は
ベクトルＬで示すことができ、これは本発明による電子
ペンの設計過程で決定できる変数である。
【００３９】図６は、本発明による電子ペンの運動を描
写するのに必要な電子ペンの筆記面に対する傾斜角と高
さ測定変数、３軸加速度センサー４座標系Ｏａでの速
度、角速度、電子ペンチップ１１のＯｓ座標系でのペン
チップの速度及び筆記面の法線ベクトルｎを示したもの
である。
【００４０】図７は、本発明による電子ペンの情報処理
過程であるセンサーフュージョンのための知覚ネットの
基本構造を示したものである。まず、３軸加速度センサ
ー４から出る信号を利用してＦＴＭ１（ｆｅａｔｕｒｅ
ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ）により
電子ペンの速度及び位置を求め、次に光学式３次元測定
装置６−Ａから出る信号を利用してＦＴＭ２で電子ペン
の筆記面１２に対する傾斜角、速度及び高さを求める。
次の段階でＣＳＭ１（ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｔｉｆ
ａｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ）とＣＳＭ２で３軸加速度
センサー４及び光学式３次元測定装置６−Ａから受け入
れた情報を下記数式２で与えられた数学的制限条件式を
利用して相互融合させ、これによって誤差が減少したデ
ータがＦＴＭ１にフィードバックされつつ新しい速度及
び加速度信号を得られるようになる。数式２は各々ＣＳ
Ｍ１（位置）、ＣＳＭ２（速度）に対する制限条件式を
示している。前記のセンサー融合技法の基本原理は公知
の参考文献（Ｓｕｋｈａｎ Ｌｅｅ、“Ｓｅｎｓｏｒ ｆ
ｕｓｉｏｎ ａｎｄ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｗｉｔｈｐｒｅ
ｃｅｐｔｉｏｎ−ａｃｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ”，１
９９６，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｅｒｅ
ｎｃｅ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒ Ｆｕｓｉｏｎ ａ
ｎｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｌｌｉ
ｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ）に紹介されている。
【数３】 ここで、ＣＳＭ１の制限条件式（１）は電子ペン内部で
求めた位置成分Ｘａ、Ｙａ、Ｚａを電子ペンチップ１１
の座標系Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓに変換する時に筆記面の高さ
δＺｓに対する制限条件式を示したものである。位置Ｘ
ｓ、Ｙｓ、Ｚｓは電子ペン内部での加速度信号を積分し
て速度を求めた後、これを再び積分して位置を示したも
のである。ここでα、β、γ、λは電子ペンの先端まで
の長さ及び電子ペンの筆記面に対する傾斜角により各々
求められる定数である。ここで、前記制限条件式による
電子ペン内部での位置移動量は各々電子ペンチップ１１
の高さに影響を及ぼしうるため、各信号の成分誤差の線
形組合わせにより電子ペンチップ１１の高さδＺｓを満
足する形で示すことによって、各センサーの位置信号Ｘ
ｓ、Ｙｓ、Ｚｓに累積された誤差を減少させうる。
【００４１】一方、ＣＳＭ２は電子ペン内部での加速度
信号を単積分して求めた速度成分Ｖａ、電子ペンの角速
度Ω、電子ペンの先端までの長さＬをベクトルで示した
ものであって、電子ペンチップ１１での垂直速度Ｖｓ／
ｎはペンチップでの線速度Ｖｓと平面の法線ベクトルｎ
により計算される。これは電子ペンの内部で求めた速度
成分Ｖａｘ、Ｖａｙ、Ｖａｚが筆記面に対する制限条件
式を満足な形であって、電子ペンが筆記面に接触してい
る状態ではＶｓ／ｎ＝０の関係になることを意味する。
また、電子ペンが筆記面と接触されていない状態でも各
速度成分の線形組合わせが制限条件式を満足せねばなら
ないために速度に対する累積誤差を減らせる。前記のよ
うな構造の本発明によるフィードバックシステムのセン
サーフュージョンを通じて累積誤差の増加を防止し、情
報量を一定の誤差範囲内に維持させうる。
【００４２】図８は、本発明による電子ペンの３軸加速
度センサー４及び光学式３次元測定装置６−Ａにおける
データ処理に関するフローチャートである。まず光学式
３次元測定装置６−Ａで、筆記面１２で散乱されたビー
ムから求めた５つのビームスポット１３の楕円情報を利
用すれば位置検出器２８で電子ペンの筆記面１２に対す
る高さ及び傾斜角を求める。このようなデータを求める
過程は前記図４に説明されたように５つ以上のビームス
ポット１３の座標を利用して楕円方程式を求めて計算さ
れる。各傾斜角と高さに対する情報を求めれば、これに
対する微分値である傾斜角速度及び垂直速度を初期値か
ら求められる。
【００４３】そして、３軸加速度センサー４で電子ペン
の加速度に関する情報信号を読込み、この時、３軸加速
度センサー４から出る情報信号は雑音が多いのでローパ
スフィルタリングを行う。一般に加速度信号には静的な
重力成分が常に含まれているために、純粋な筆記動作に
よる運動信号を抽出するためには加速度信号で重力成分
を除去しなければならない。重力に対する各信号の大き
さは計算だけでは求め難いため、あらかじめ初期に静止
状態で求めた重力値を利用して電子ペンの傾斜角の変化
によって変わる加速度値で前記重力成分を除去しなけれ
ばならない。それで、純粋な電子ペン運動による加速度
信号が求められる。次に、このような加速度信号は１次
積分を通じて電子ペンの移動速度に関する情報を求めら
れるようになる。しかし情報信号の雑音によって積分に
対する累積誤差が生じるので、これを補正するために電
子ペンの先端で求められる速度を利用して速度に対する
制限条件式である前記数式３の（２）を適用させる。電
子ペンチップ１１での速度を求めるためには電子ペンの
回転角速度及び電子ペンの幾何変数についての考慮が必
要である。それで速度信号で雑音が減った修正速度値が
求められるが、これは前記図７に示されたように連続的
に新しい速度値に更新する。
【００４４】次に、前記１次積分させた移動速度で２次
積分を行って電子ペンの変位移動量を求める。これに対
する累積位置誤差は前記数式３の（１）を利用して計算
し、前記図７に示したように新しく修正された位置信号
を求める。前記段階を経て加速度信号で二重積分により
生じうる累積誤差を段階的に前記数式２の制限条件式の
各々を利用して補正することによって、最終的に電子ペ
ンの移動量Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓを求められる。このような
電子ペンの移動量データを利用して本発明による電子ペ
ンの位置データを求めうる。
【００４５】図８は、３軸加速度センサー４及び光学式
３次元測定装置６−Ａから電子ペンの傾斜角、傾斜角速
度、高さ及び垂直速度を中央処理装置５により計算する
実施形態を示すものである。前述したように、このよう
なデータ処理は本発明による電子ペン内部に３軸加速度
センサー４、光学式３次元測定装置６−Ａ及び中央処理
装置５を具備した状態で計算して結果値をコンピュータ
または個人携帯電話端末機に有無線で送信でき、単に測
定分だけを送信してコンピュータや個人携帯用端末機の
中央処理装置などで計算することもできる。
【００４６】
【発明の効果】本発明によれば、コンピュータまたは個
人携帯用端末機に筆記面と接触した状態及び非接続した
状態での有無線電子ペンの動作による記録情報の、重力
加速度及び情報信号の雑音による加速度の積分による累
積誤差を最小化することによって電子ペンチップの純粋
な位置座標を容易に求められる長所がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるコンピュータ用電子ペンデータ
入力装置に関する概略図である。
【図２】 本発明による電子ペンの光学式３次元測定装
置の一実施形態を示した図面である。
【図３】 本発明による電子ペンの光学式３次元測定装
置の他の実施形態を示した図面である。
【図４Ａ】 本発明による電子ペンの光学式３次元測定
装置において、電子ペンの傾斜角及び軸方向の変化によ
るビームスポットの形態が変わる原理を示した図面であ
る。
【図４Ｂ】 図４Ａと同様の図である。
【図４Ｃ】 図４Ａと同様の図である。
【図４Ｄ】 図４Ａと同様の図である。
【図４Ｅ】 図４Ａと同様の図である。
【図４Ｆ】 図４Ａと同様の図である。
【図５】 本発明で使われる３軸加速度センサー、光学
式３次元測定装置及び電子ペンチップでの各座標系を示
した図である。
【図６】 本発明による電子ペンの運動を描写するのに
必要な電子ペンの筆記面に対する傾斜角と高さ測定変
数、３軸加速度センサー座標系Ｏａでの速度、角速度、
電子ペンチップのＯｓ座標系でのペンチップの速度及び
筆記面の法線ベクトルｎを示した図である。
【図７】 本発明による電子ペンの情報処理過程である
センサーフュージョンのための知覚ネットの基本構造を
示した図である。
【図８】 本発明による電子ペンの３軸加速度センサー
及び光学式３次元測定装置におけるデータ処理に関する
フローチャートを示した図である。
【符号の説明】
１ 送信装置 ２ 貯蔵装置 ３ バッテリー ４ ３軸加速度センサー ５ 中央処理装置 ６ 光学信号処理装置 ６−Ａ 光学式３次元測定装置 ７ 発光部 ８ 受光部 ９ 応力センサー １０ インク収容部 １１ 電子ペンチップ １２ 筆記面 １３ ビームスポット ２１ 光源 ２２ 第１レンズ ２３ 格子 ２４ 第２レンズ ２５ 放出ビーム ２６ スポット反射光 ２７ カメラレンズ ２８ 位置検出器 ２９ ハーフミラー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 慮 慶植 大韓民国京畿道城南市盆唐区藪内洞77番地 プルンマウル双龍アパート611棟705号 (72)発明者 李 宰源 大韓民国ソウル特別市江南区水西洞738番 地東益アパート801棟1306号 Ｆターム(参考） 2F065 AA24 AA26 AA31 AA39 BB01 CC02 DD02 FF04 FF23 FF41 FF64 GG06 GG07 HH04 JJ03 JJ26 LL00 PP22 QQ21 QQ25 QQ28 QQ31 2F073 AA33 AB07 BB02 BC02 CC01 GG01 GG04 GG07 GG08 5B068 BD02 BD09 BD22

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ペン状のハウジングを有する電子ペンに
    おいて、 前記電子ペンの中心軸の筆記面に対する傾斜角及び前記
    電子ペンの筆記面に対する高さを測定するための光学式
    ３次元測定装置と、 前記電子ペンの３次元運動による移動量を測定するため
    の３軸加速度センサーと、 前記測定された傾斜角、高さ、及び、移動量に関する情
    報を外部演算装置に送信するための通信手段とを含むこ
    とを特徴とするコンピュータ用電子ペンデータ入力装
    置。
  2. 【請求項２】 前記光学式３次元測定装置は、 所定の筆記面にスポットを形成させるためにビームを放
    出する発光部と、 前記筆記面に形成されたビームスポットを感知する感知
    部とを含むことを特徴とする請求項１に記載のコンピュ
    ータ用電子ペンデータ入力装置。
  3. 【請求項３】 前記発光部は、 ビームを放出させる光源と、 前記光源で生じた発散ビームを平行にする第１レンズ
    と、 前記第１レンズを通したビームを分離させる格子と、 前記第１レンズを通したビームを筆記面に向けて投射さ
    せる第２レンズとを含むことを特徴とする請求項２に記
    載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
  4. 【請求項４】 前記感知部は、 前記筆記面に結ばれたスポットビームを１次的に集光す
    るカメラレンズと、 前記カメラレンズを通過したビームを感知する位置検出
    器とを含むことを特徴とする請求項２に記載のコンピュ
    ータ用電子ペンデータ入力装置。
  5. 【請求項５】 前記光学式３次元測定装置は、 前記感知部で受け入れたスポットビームを利用してビー
    ムスポットの位置を検出する信号処理回路と、 前記検出されたビームスポットの位置を利用して前記電
    子ペンの前記筆記面に対する高さ及び傾斜角を演算する
    演算器とをさらに含むことを特徴とする請求項２ないし
    請求項４のうちいずれか一項に記載のコンピュータ用電
    子ペンデータ入力装置。
  6. 【請求項６】 前記電子ペンは前記発光部の光源のオン
    ／オフを調節する制御器をさらに含むことを特徴とする
    請求項２ないし請求項４のうちいずれか一項に記載のコ
    ンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
  7. 【請求項７】 前記光学式３次元測定装置の発光部から
    放出するビームの中心軸は前記電子ペンの中心軸と所定
    の偏差を示すことを特徴とする請求項２ないし請求項４
    のうちいずれか一項に記載のコンピュータ用電子ペンデ
    ータ入力装置。
  8. 【請求項８】 前記外部演算装置で演算された前記情報
    を貯蔵するための貯蔵手段をさらに含むことを特徴とす
    る請求項１に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力
    装置。
  9. 【請求項９】 前記通信手段はＲＦ通信装置であること
    を特徴とする請求項１に記載のコンピュータ用電子ペン
    データ入力装置。
  10. 【請求項１０】 前記電子ペンは所定時間の駆動のため
    のバッテリーをさらに含むことを特徴とする請求項１に
    記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
  11. 【請求項１１】 前記電子ペンは前記３軸加速度センサ
    ー及び前記光学式３次元測定装置で測定されたデータを
    利用して電子ペンチップの位置を演算するための中央処
    理装置をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の
    コンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
  12. 【請求項１２】 前記電子ペンの筆記面に対する接触有
    無を検出するための前記電子ペンチップと連結された応
    力センサーをさらに含むことを特徴とする請求項１に記
    載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
  13. 【請求項１３】 前記電子ペンが筆記面に接触されて筆
    記をする場合、インクを噴射するために前記電子ペンチ
    ップと連結されたインク収容部をさらに含むことを特徴
    とする請求項１または請求項２に記載のコンピュータ用
    電子ペンデータ入力装置。
  14. 【請求項１４】 ペン状のハウジングを有する電子ペン
    と、 前記電子ペンの中心軸の筆記面に対する傾斜角及び前記
    電子ペンの筆記面に対する高さを測定するための光学式
    ３次元測定装置と、 前記電子ペンの３次元運動による移動量を測定するため
    の３軸加速度センサーと、 前記３軸加速度センサー及び前記光学式３次元測定装置
    で測定されたデータを利用して前記電子ペンチップの位
    置座標を演算するための中央処理装置と、 前記演算された電子ペンチップの位置座標を外部コンピ
    ュータまたは個人携帯用端末機に送信するための通信手
    段とを含むコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座
    標測定方法において、 （Ａ）前記光学式３次元測定装置によって前記電子ペン
    と筆記面とがなす傾斜角及び筆記面に対する高さを測定
    し、前記３軸加速度センサーによって前記電子ペンの３
    次元運動情報を測定する段階と、 （Ｂ）前記測定された筆記面に対する電子ペンの傾斜
    角、高さ、及び、３次元運動情報をコンピュータまたは
    携帯用端末機の中央処理装置で変換して電子ペンチップ
    の座標を抽出する段階と、 （Ｃ）前記抽出された電子ペンチップの座標を前記通信
    手段を利用して外部コンピュータまたは携帯用端末機に
    送信する段階とを含むことを特徴とするコンピュータ用
    電子ペンデータ入力装置の座標測定方法。
  15. 【請求項１５】 前記光学式３次元測定装置は、 筆記面にスポットを形成させるためのビームを放出する
    発光部と、 前記筆記面に形成されたビームスポットを感知する感知
    部とを含み、 前記（Ａ）段階の電子ペンと筆記面とがなす傾斜角及び
    筆記面に対する高さを測定する段階は、 前記発光部からビームを放出する段階と、 前記放出されたビームを筆記面に投射して５つ以上のビ
    ームスポットを形成させる段階と、 前記ビームスポットの反射ビームを集光する段階と、 前記集光されたビームを利用して電子ペンの筆記面とな
    す傾斜角及び高さに関する情報を位置検出器を通じて検
    出する段階とを含むことを特徴とする請求項１４に記載
    のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方
    法。
  16. 【請求項１６】 前記傾斜角及び高さを検出する段階
    は、 前記集光された５つ以上のビームスポットの情報を利用
    して楕円方程式により前記電子ペンの傾斜角及び筆記面
    に対する高さを求める段階と、 前記求められた傾斜角及び高さの各々を微分して傾斜角
    速度及び垂直速度を初期値から求める段階とを含むこと
    を特徴とする請求項１５に記載のコンピュータ用電子ペ
    ンデータ入力装置の座標測定方法。
  17. 【請求項１７】 前記（Ｂ）段階は、 加速度信号から重力成分を除去する段階と、 前記重力成分が除去された加速度信号を第１次積分して
    電子ペンの移動速度を求める段階と、 前記電子ペンチップの速度を求めた後、筆記面に対する
    垂直速度を利用して累積誤差を補正する段階と、 運動累積誤差補正された前記電子ペンの移動速度を第２
    次積分して前記電子ペンの変位移動量を求める段階と、 前記電子ペンの変位移動量の累積誤差を補正して電子ペ
    ンチップの座標を求める段階とを含むことを特徴とする
    請求項１４ないし請求項１６のうちいずれか一項に記載
    のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方
    法。
  18. 【請求項１８】 前記３軸加速度センサーから出る加速
    度信号に対して雑音を除去するためのローパスフィルタ
    リングを行う段階をさらに含むことを特徴とする請求項
    １７に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の
    座標測定方法。
  19. 【請求項１９】 前記（Ｃ）段階の通信手段はＲＦ通信
    方法によるものであることを特徴とする請求項１４に記
    載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定
    方法。
  20. 【請求項２０】 ペン状のハウジングを有する電子ペン
    と、 前記電子ペンの中心軸の筆記面に対する傾斜角及び前記
    電子ペンチップの筆記面に対する高さを測定するための
    光学式３次元測定装置と、 前記電子ペンの３次元運動による移動量を測定するため
    の３軸加速度センサーと、 前記測定された傾斜角、高さ、及び、移動量に関する情
    報をコンピュータまたは携帯用端末機に伝送するための
    通信手段とを含むコンピュータ用電子ペンデータ入力装
    置の作動方法において、 （Ａ）前記光学式３次元測定装置によって前記電子ペン
    と筆記面とがなす傾斜角及び筆記面に対する高さを測定
    し、前記３軸加速度センサーによって前記電子ペンの３
    次元運動情報を測定する段階と、 （Ｂ）前記測定された傾斜角、高さ、及び、３次元運動
    情報に関する情報を前記通信手段を利用してコンピュー
    タまたは携帯用端末機に送信する段階と、 （Ｃ）前記測定された筆記面に対する電子ペンの傾斜
    角、高さ、及び、３次元運動情報をコンピュータまたは
    携帯用端末機の中央処理装置で変換して電子ペンチップ
    の座標を抽出する段階とを含むことを特徴とするコンピ
    ュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法。
  21. 【請求項２１】 前記光学式３次元測定装置は、 筆記面にスポットを形成させるためにビームを放出する
    発光部と、 前記筆記面に形成されたビームスポットを感知する感知
    部とを含み、 前記（Ａ）段階の電子ペンと筆記面とがなす傾斜角及び
    筆記面に対する高さを測定する段階は、 前記放出されたビームを筆記面に投射してビームスポッ
    トを形成させる段階と、 前記ビームスポットの反射ビームを集光する段階と、 前記集光されたビームを位置検出器を通じて検出する段
    階とを含むことを特徴とする請求項２０に記載のコンピ
    ュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法。
  22. 【請求項２２】 前記（Ｃ）段階は、 加速度信号から重力成分を除去する段階と、 前記重力成分が除去された加速度信号を第１次積分して
    電子ペンの移動速度を求める段階と、 前記電子ペンチップの速度を求めた後、筆記面に対する
    垂直速度を利用して累積誤差を補正する段階と、 運動累積誤差補正された前記電子ペンの移動速度を第２
    次積分して前記電子ペンの変位移動量を求める段階と、 前記電子ペンの変位移動量の累積誤差を筆記面に対する
    高さを利用して補正して電子ペンチップの座標を求める
    段階とを含むことを特徴とする請求項２０または請求項
    ２１に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の
    座標測定方法。
  23. 【請求項２３】 前記３軸加速度センサーから出る加速
    度信号に対して雑音を除去するためのローパスフィルタ
    リングを行う段階をさらに含むことを特徴とする請求項
    ２２に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の
    座標測定方法。
  24. 【請求項２４】 前記（Ｂ）段階の通信手段はＲＦ通信
    方法によるものであることを特徴とする請求項２０に記
    載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定
    方法。
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