JP2004288188A - マグネチックセンサを用いたペン型入力システムおよびその軌跡復元方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 慣性センサによる累積誤差を縮めながら２次元平面または３次元空間上の筆記軌跡を精密に追従できるペン型入力システムおよびその追従方法を提供する。
【解決手段】 磁界検出センサを用いて空間上に筆記した軌跡を復元するよう設計されたペン型入力システムが開示される。システムは磁界検出部と加速度検出部から地磁界について相対的な傾斜角およびペンの運動による３次元の各軸方向加速度を検出してペンの絶対座標を算出する。そして、ペンの加速度測定値をペンの先端加速度値に変換させペンの筆記軌跡復元時に適用する。このようなペン型入力システムは、マグネチックセンサを用いるので慣性センサを利用する際検出された情報の積分を通して発生される累積誤差を防止することができ、信号処理が単純なので処理速度をアップすることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明はペン型入力システムに係り、特に２次元平面または３次元空間上に筆記した軌跡を復元するよう設計されたペン型入力システムおよびその軌跡復元方法に関する。

最近、ＰＤＡ、携帯電話、ノート型パソコンなど個人用モバイル機器市場が広範囲に拡大しつつある。このような個人用モバイル機器は携帯が簡便なので何時どこでも情報を活用できるようにするユビキタス環境下に最もあてはまると言える。すなわち、最近のモバイル機器は、従前の情報利用環境が宅内に設けられたデスクトップＰＣなどに限られていたことから、移動中にも情報の利用が可能なように設計されることによって、大きくパラダイムを変化させている。

しかし、このようなモバイル機器は携帯が簡便な一方、システムの体積が小さくてユーザがディスプレイを通した情報認識および入力に少し不便を感じる問題点も抱えている。さらに、最近、個人携帯用端末機が次第に小型化して腕時計タイプや財布タイプの端末機に変化している技術的傾向では、益々表示画面も減少されるため、既存の情報入力方法は限界を持つしかない。このようにモバイル機器において携帯の容易性と情報入力の容易性は互いに矛盾するのでそれを克服するための方法が研究開発し続けられている。

前述したような研究の結果、物理的なタブレットなしに一般平面上で単一電子ペンだけを用いて情報入力を解決できる装置が多様に提案されている。現在商用化されていたり研究開発中のペン型入力装置は二つに大別できる。第１は、ペン外部でペン先端の座標を測定する方式であり、第２はペン内部でペンの運動を測定方式である。

ペンの外部でペン先端の座標を測定する類型としては、３角測量方式、電子波または超音波を用いる方式、超音波と加速度センサを融合した方式などがある。しかし、ペン外部でペン先端の座標を測定する場合は、ペンの動作を外部で検出するための別のセンサが求められて費用アップおよび携帯に不便を与える問題点を有する。

一方、ペン内部でペン先端の座標を測定する類型としては、ペン先端に装着されたボールの回転を用いる方式、ペンに働く力を測定する方式がある。しかし、これはペンが２次元平面に接触されていなければペンの運動を検出できないという短所がある。

また、ペン内部でペンの座標を測定する方式の他の類型としてはペン内部に２軸または３軸加速度センサを装着し、これを用いてペンの運動状態を求める方式がある。しかし、この方式は加速度センサをペン先に装着せずペン中心部に装着していて、中心軸の傾斜に対する影響が考慮されなくて誤差発生の恐れが高いという問題点を有する。また、加速度信号を二重積分することによって位置運動を求めるにおいて、経時的に累積誤差が増加して正確な運動を測定し難い問題点があった。

前述したセンサ装着位置によるペンの傾斜角問題を解決するために、特許文献１(公開日、１９９５．６．１８)には２軸以上の加速度センサをペン先端に移動させ、信号処理部はペンの上部に移動する方法を提案している。しかし、特許文献１はセンサと信号処理部が分離されていて電気的なノイズの影響が大きく、ペン先端にインクを装着できないという問題点がある。また、特許文献２(公開日、２００１-０１-３０)にはペン内部に３軸加速度センサと３軸ジャイロセンサを内装し、一般の３次元運動を行なうペンの位置を求める方法を提示している。しかし、特許文献２には認識位置がペン先端ではなくセンサの装着位置を基準に筆記軌跡を復元するので、ノイズなどの原因によって正確な復元が困難が問題点があった。

前述したように加速度情報のような慣性測定値を用いてユーザの筆記軌跡を復元するシステムは、一般に軍事および航法分野において幅広く使われる慣性航法システム(INS:Inertial Navigation System)の理論を適用している。ＩＮＳは慣性測定値を用いて３次元空間上で運動する物体の位置、速度、姿勢などのような航法情報を計算する。理論的にストラップタウンＩＮＳ(Strapdown INS:SDINS)の場合、３軸加速度と３軸角速度だけで３次元運動物体について必要な情報が得られる。ＳＤＩＮＳでは角速度測定値の積分値を用いてシステムの姿勢計算および加速度を補正し、補正された加速度を一回積分して速度情報を、二回積分して位置情報を計算する。

しかし、慣性航法を適用する場合、加速度の二重積分と角速度の積分を通して位置および速度を求めるにおいて、センサから出力された信号のノイズやドリフトによって加速度計の場合は時間の二乗、角速度計の場合は時間に比例する形態に累積誤差が増加するようになって精密な３次元運動の推定に困難が発生する。
米国特許第５４３４３７１号明細書 米国特許第６１８１３２９号明細書

本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、その目的は慣性センサによる累積誤差を縮めながら２次元平面または３次元空間上の筆記軌跡を精密に追従できるペン型入力システムおよびその追従方法を提供するところにある。

前述した目的を達成するための本発明に係るペン型入力システムは、ペン型ボディの内部に設けられ、前記ペン型ボディの運動による前記ボディの傾斜角を検出する磁界検出部、前記ペン型ボディの内部に設けられ、前記ペン型ボディの３次元運動による各軸方向加速度を検出する加速度検出部、および前記磁界検出部と前記加速度検出部を通して測定された情報から前記ペン型ボディの運動による絶対座標を算出する制御部を含む。

前記制御部は、前記加速度検出部から検出された３軸の加速度測定値を前記ペン型ボディのペン先端測定値に変換し、変換された前記ペン先端測定値を前記絶対座標算出に適用する。

また、前記ペン型入力システムは外部演算装置にデータを転送するための通信モジュールをさらに含み、前記制御部は前記磁界検出部および前記加速度検出部から測定された情報が前記外部演算装置に転送されるよう前記通信モジュールを制御する。

前述した目的を達成するための本発明に係るペン型入力システムの座標測定方法は、ペン型ボディの内部に設けられた磁界検出部および加速度検出部から前記ペン型ボディの運動による傾斜角および３次元の各軸方向加速度を検出する段階、および前記磁界検出部と前記加速度検出部を通して検出された情報から前記ペン型ボディの絶対座標を算出する段階とを含む。

また、前記座標測定方法は前記加速度センサから検出された３軸の加速度測定値を前記ペン型ボディのペン先端加速度値に変換する段階をさらに含み、前記ペン型ボディの座標算出段階は、前記ペン先端加速度値を適用して前記ペン型ボディの座標を算出する。

そして、前記座標測定方法は前記磁界検出部および前記加速度検出部から測定された情報を外部演算装置に転送する段階をさらに含む。

以上のような本発明のペン型入力システムおよびその座標測定方法によれば、マグネチックセンサを通して傾斜角が正確に測定されることによって絶対座標値が得られてペンの軌跡追跡の正確度を高められるようになり、従来のように加速度信号の積分によって発生する累積誤差を防止できて信号処理動作をさらに迅速に行なえる。

以上のようなペン型入力システムおよび軌跡復元方法は、マグネチックセンサを用いるので慣性センサを利用する装置において積分によって発生する累積誤差を防止することができ、傾斜角を通して絶対座標値を得るので信号処理が単純になって処理速度を向上させ得る。

また、小型装置における入力動作不便の問題を解決できるのみならず直観的なインタフェースなので、特別な学習過程なしで入力システムを用いられて使い勝手を良くすることができる。

以下、添付した図面に基づき本発明をさらに詳述する。

図１は本発明の実施形態によるペン型入力システムの概略的なブロック図である。システム１００は、磁界検出部１１２、加速度検出部１１４、ディスプレイ１２０、送受信部１３０、それから制御部１４０を含む。

磁界検出部１１２は磁界検出センサが用いられ、ペン型ボディの運動によるボディの姿勢変化からボディ傾斜角を検出する。

加速度検出部１１４はペン型ボディの運動による３次元各軸方向の加速度を検出する。

ディスプレイ１２０はシステムボディのモーション、すなわち筆記軌跡を画面で表示する。ここで、ディスプレイ１２０は一つのボディを有するペン型入力システム内に装着でき、さらには他システム内に装着された画面表示可能な手段になれる。

送受信部１３０は、制御部の制御下に磁界検出部１１２および加速度検出部１１４を通して測定された傾斜角情報および加速度情報を外部の他システムに転送する。
制御部１４０は、システムボディの運動による傾斜角情報および加速度情報に基づきペン型ボディの絶対座標を算出して空間上で発生された筆記軌跡をディスプレイ１２０に表示させたり、送受信部１３０を通して軌跡情報を他システムに転送させる。この際、制御部１４０は、加速度センサを通して検出された加速度情報をペン先端の測定値に変換する処理を行い、ペン先端の測定値を絶対座標算出に適用する。一方、制御部１４０は、磁界検出部１１２および加速度検出部１１４から検出された情報をペン型ボディの内部では処理せず、外部の演算処理を行う他システムに送受信部１３０を通して転送する役割だけを担うこともできる。この際、制御部１４０の演算処理の役割は他システムで行われる。

図２は図１に示したペン型入力システムの構造を概略的に示した図である。システムは磁界検出センサ２１０、加速度センサ２２０、演算処理部２３０、ＭＣＵ(Main Control Unit)２４０、バッテリ２５０、データ保存部２６０、それから通信モジュール２７０を示している。ここで、各構成要素の配置は図面のように限定されることではなく、多様な配置構造を有し得る。なお、加速度センサ２２０とペン先端との間の距離が既知であれば、ペン先端の座標を正確に算出できるので好ましい。

また、磁界センサ２１０、加速度センサ２２０及び演算処理部２４０が近接して設けられていると、磁界センサ２１０及び加速度センサ２２０で取得した傾斜角及び加速度情報を、電気的ノイズを低減して演算処理部２４０に出力することができる。さらに、磁界検出センサ２１０、加速度センサ２２０、演算処理部２３０、ＭＣＵ２４０、バッテリ２５０、データ保存部２６０及び通信モジュール２７０等をペンの中央部に設けておくと、ペンの先端部分でのインクの装着が容易である。また、演算処理部２３０およびデータ保存部２６０はＭＣＵ２４０に内装され得る。また、示されていないが、ＬＥＤおよびスピーカのような装置がさらに設けられてシステムの状態表示が可能であり、ＬＣＤが設けられて空間上の筆記軌跡に対する復元状況などを表示することができる。

３次元空間上で絶対座標系に対するペンシステムの相対位置を把握するためにはシステムの姿勢を計算し、ペン型ボディの加速度測定値を絶対座標における測定値に変換すべきである。３次元空間上で物体の姿勢はオイラー角(euler angle)、すなわち、ロール(roll)、ピッチ(pitch)、ヨー(yaw)で表現される。まず、加速度センサ２２０の加速度情報に基づいてオイラー角を算出し、次にオイラー角を通して求められた物体の姿勢についてマグネチックセンサ２１０を通して検出された傾斜角を適用すれば、物体の絶対座標が分かる。そして、この際、加速度センサ２２０からペン先端までの距離が既知である場合は、その既知の距離を通してペン先端における加速度値に変換することができる。図２においては、加速度センサ２２０の検出位置はペンの中間部にあるので、既知のペン先端までの距離を通してペン先端における加速度値に変換することができる。

以上のように、オイラー角及び傾斜角によりペンの絶対座標を算出するため、慣性航法を用いる場合のように加速度や角速度の積分を通して座標を算出する場合と比較して累積誤差が小さい。また、センサからペン先の距離が既知である場合は、既知の距離及び傾斜角に基づいてペン先端の座標を算出するため、ペン先端の座標が表示されるディスプレイと実際のペン先端との誤差を防ぐことができる。

図３は図２のペン型入力システムにおいて筆記軌跡復元動作を説明する図である。まず、ペン型入力システムは、ペンの運動が発生されれば、加速度センサ２２０はｘ、ｙ、ｚ軸方向それぞれの加速度を測定して電気的信号として出力し、磁界検出センサ２１０は地磁界によるペンの傾斜角を検出して電気的信号を出力する。すると、演算処理部２３０は各センサ２１０、２２０から伝達された加速度情報および傾斜角情報からペンの座標を絶対座標に変換する（ステップ３１０）。次いで、測定された絶対座標の加速度値に対してペン先端の加速度値に変換し（ステップ３２０）、ペン先端の加速度値を適用して筆記軌跡を復元できるようになる（ステップ３３０）。

以上では本発明の好ましい実施形態について説明しているが、本発明は前述した特定の実施形態に限られず、請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱せず当該発明の属する技術分野において通常の知識を有する者ならば誰でも多様な変形実施が可能なことは勿論、そのような変更は請求の範囲の記載の範囲内にある。

物理的なタブレットなしに一般の平面上で単一電子ペンだけを用いて情報入力を解決できる装置に用いられて電子機器の小型化および移動性を向上させる。

本発明の実施形態によるペン型入力システムの概略的なブロック図である。 図１に示したペン型入力システムの構造を概略的に示した図である。 図２に示したペン型入力システムの信号処理動作を説明する図である。

符号の説明

１１２: 磁界検出部
１１４: 加速度検出部
１２０: ディスプレイ
１３０: 送受信部
１４０: 制御部
２１０: 磁界検出センサ
２２０: 加速度センサ
２３０: 演算処理部
２４０: ＭＣＵ(Main Control Unit)
２５０: バッテリ
２６０: データ保存部
２７０: 通信モジュール

Claims (6)

1. ペン型ボディの内部に設けられ、前記ペン型ボディの運動による前記ボディの傾斜角を検出する磁界検出部と、
   前記ペン型ボディの内部に設けられ、前記ペン型ボディの３次元運動による各軸方向加速度を検出する加速度検出部と、
   前記磁界検出部と前記加速度検出部を通して測定された情報から前記ペン型ボディの運動による絶対座標を算出する制御部とを含むことを特徴とするマグネチックセンサを用いたペン型入力システム。
2. 前記制御部は、前記加速度検出部から検出された３軸の加速度測定値を前記ペン型ボディのペン先端測定値に変換し、変換された前記ペン先端測定値を前記絶対座標算出に適用することを特徴とする請求項１に記載のペン型入力システム。
3. 外部演算装置にデータを転送するための通信モジュールをさらに含み、
   前記制御部は前記磁界検出部および前記加速度検出部から測定された情報が前記外部演算装置に転送されるよう前記通信モジュールを制御することを特徴とする請求項１に記載のペン型入力システム。
4. ペン型ボディの内部に設けられた磁界検出部および加速度検出部から前記ペン型ボディの運動による傾斜角および３次元の各軸方向加速度を検出する段階と、
   前記磁界検出部と前記加速度検出部を通して検出された情報から前記ペン型ボディの絶対座標を算出する段階とを含むことを特徴とするペン型入力システムの座標測定方法。
5. 前記加速度センサから検出された３軸の加速度測定値を前記ペン型ボディのペン先端加速度値に変換する段階をさらに含み、
   前記ペン型ボディの座標算出段階は、前記ペン先端加速度値を適用して前記ペン型ボディの座標を算出することを特徴とする請求項４に記載のペン型入力システムの座標測定方法。
6. 外部演算装置に前記磁界検出部および前記加速度検出部から測定された情報を転送する段階をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のペン型入力システムの座標測定方法。
   

Images