JP2010009542A

JP2010009542A - 電子ペン

Info

Publication number: JP2010009542A
Application number: JP2008171513A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Takimoto; 利宏瀧本
Original assignee: Pentel Co Ltd
Current assignee: Pentel Co Ltd
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2010-01-14

Abstract

【課題】超音波を利用した座標入力装置おいて、電子ペンの傾きによる、電子ペンの超音波発信部と電子ペンの紙面接触部の座標のずれにより生じる位置座標誤差を小さくして精度の向上を実現する。
【解決手段】超音波信号を発信する1個以上の超音波発振素子９と、三次元加速度計と、筆記開始信号と三次元加速度計のｚ軸、ｘ軸、ｙ軸の加速度を発信する赤外線発光素子１０もしくは電磁波発信素子と、筆記状態を検知できるセンサ７とを具備する電子ペン２、及び、前記電子ペンから発せられる筆記開始信号、三次元加速度計の３軸の加速度、超音波信号を受信して電子ペンの筆記状態での座標位置を検出する受信装置１とからなる筆跡入力システムにおいて、電子ペンのｚ軸、ｘ軸、ｙ軸の加速度と電子ペンの位置座標の情報とから、電子ペンの筆記面に対する傾斜角を計算し、超音波発信素子と電子ペン先端部との傾きを補正する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子ペンの傾きによる入力座標精度の悪化を向上する方法に関する。

従来、赤外線もしくは電磁波と超音波を発信する発生回路とペン先が筆記されていることを検知できるセンサを備えた電子ペンと、電子ペンから発信される赤外線信号もしくは電磁波信号を受信する受信素子と、超音波信号を受信する複数の受信素子を組み込んだ受信装置を有する手書き筆跡入力システムが開発されている。この筆跡入力システムは、電子ペンで筆記すると受信装置が、電子ペンから発信された超音波信号と赤外線とを複数の超音波受信素子と1つ以上の赤外線受信素子により受信し、電子ペンの位置座標を赤外線の到達時間を基準として複数個所の超音波到達時間から計算する。この位置座標とペン先が筆記状態であるかないかを合わせて筆跡データとして検出する。筆跡データを連続的に検出することにより、書いた文字や図形等を手書き筆跡データとして認識する筆跡入力システムが知られている。

電子ペンに設けられている超音波発信素子は、発振する周波数に依存した外形を必要とする。例えば８０ｋHｚの周波数を使用した場合には、直径５ｍｍ、高さ４ｍｍ程度のピエゾの円柱（超音波発振素子）が必要である。前記した理由により、超音波の発信部が電子ペンの先端に設けられないために、電子ペンの持ち方や筆記方法により発生する電子ペンの傾きによる電子ペン先端部との差（電子ペンに設けられている超音波発信部と電子ペンが実際に紙面を接触している位置の差）が受信装置側に伝達されないために、実際に紙面に書かれた筆跡と受信機側に記憶された筆跡に座標の差が出でてしまう。
従来は、前記した座標の差を改善するために、電子ペン先端部から超音波を出力する構造を持つもの、電子ペンに2箇以上の超音波発信素子を持つもの、（電子ペンに三次元加速度計を2個以上取り付けたもの）がある。前記したような理由により、超音波発信素子が電子ペン先端に設けられないために様々な研究・開発がなされてきた。
また、従来、電子ペンに超音波発信器を２箇所以上取り付けることにより、電子ペンの鉛直方向の２点の本体からの距離を測定し、計算により電子ペン先端部の位置を補正していた。この方法では、２箇所目の超音波発信部を離して電子ペンに設けるのが困難（先端部に２箇所設けると、間隔が離れていないために精度がとれない。先端部に１箇所とり、後段部に一箇所取ろうとすると、筆記具は手で持つため、筆記具の後端部になり、受信が困難になる。）であった。また三次元加速度計を使用する方法では、三次元加速度計を最低２個と連続的な加速度の変化を正確に積分し、累積誤差をなくすのが困難であった。

米国特許第４２４６４３９。ペンに2箇以上の超音波発信素子。特開２００４−０７０８８７号。ペンに2箇以上の超音波発信素子。特開２００４−１９２１４２号。ペンに2箇以上の超音波発信素子。特開２００４−２４６９０４号。ペンに2箇以上の超音波発信素子。特表２００２−５４１６０３号。ペン先端から超音波を出力。

超音波を利用した座標入力装置おいて、電子ペンの傾きによる超音波発信部と電子ペンが実際に紙面に接触している座標のずれは、電子ペンの位置座標誤差を大きくさせる大きな要因である。このため、超音波発信素子を電子ペン先端部にいかに近づけるかは、電子ペンの精度向上の大きな課題であった。しかし、超音波発信部を小型化するには限界があり、それ以外の方法で電子ペンの傾きを検出し精度の向上を実現することが大きな課題となっていた。

本発明の目的は、上記課題を解決し、電子ペンが斜めのときも電子ペンが垂直のときと同様な精度で入力できる筆記入力システムを提供する。

本発明は、少なくとも、位置座標を検出するための超音波信号を発信する１個以上の超音波発振素子と、筆記開始信号と三次元加速度計のｚ軸、ｘ軸、ｙ軸の加速度を発信する赤外線発光素子もしくは電磁波発信素子と、筆記状態であることを検知できるセンサと、三次元加速度計を具備する電子ペン、及び、筆記時に前記電子ペンから発せられる前記筆記開始信号と三次元加速度計のｚ軸、ｘ軸、ｙ軸の加速度を受信する受信素子と、前記超音波信号を受信する少なくとも２つ以上の超音波受信素子と三次元加速度計を具備し、定期的に前記電子ペンから発信される前記筆記開始信号と前記超音波信号の到達時間差から、前記電子ペンの筆記状態での位置座標の検出をすることのできる受信装置とを有する受信装置によって構成される筆跡入力システムにおいて、前記電子ペンに設けられている三次元加速度計のｚ軸、ｘ軸、ｙ軸の加速度と、前記受信装置側の三次元加速度計のｚ軸、ｘ軸、ｙ軸の加速度と、電子ペンの位置座標の情報から、電子ペンの筆記面に対する傾斜角を計算し、超音波発信素子と電子ペン先端部との傾きを補正する電子ペンを提案するものである。

本発明では、入力盤面上での電子ペンの位置を測定するに当たり、電子ペンに設けられている超音波発振素子と、筆記開始信号と三次元加速度計の情報を発信する赤外線発光素子もしくは電磁波発信素子とにより測定されるＸＹ座標と受信装置と、電子ペンに設けられている三次元加速度計とそれらの単位時間ごとの変化から、入力盤面と電子ペンのなす角θと方位αを求め、電子ペンのペン先と超音波発生部との差分（超音波発信点と電子ペン先端部の位置の違い）を補正し、電子ペンの傾きによる入力座標精度の悪化を防ぐことができる。

電子ペンには、少なくとも位置座標を検出するための超音波信号を発信する１個以上の超音波発振素子と、筆記開始信号と三次元加速度計の情報を発信する赤外線発光素子もしくは電磁波発信素子と、筆記状態であることを検知できるセンサと、三次元加速度計を具備する。
受信装置には、筆記時に前記電子ペンから発せられる前記筆記開始信号と、三次元加速度計の情報を受信する赤外線受光素子もしくは電磁波受信素子もしくは電磁波受信素子と前記超音波信号を受信する少なくとも２つ以上の超音波受信素子と三次元加速度計を具備する。

電子ペンは、筆記状態を検知するセンサが筆記状態を確認すると、赤外線発光素子もしくは電磁波発信素子からパルス信号を出力し、同時に超音波発振素子から超音波を出力する。その後、赤外線発光素子もしくは電磁波発信素子は、電子ペンに内蔵の三次元加速度計により測定されたｚ軸、ｘ軸、ｙ軸の測定加速度を赤外線発光素子もしくは電磁波発信素子のパルス点灯時間間隔に換算して出力する。電子ペンは、筆記状態を検知するセンサが筆記状態の終了を確認するまで、上記した動作を繰返す。

受信装置は、電子ペンから出力される赤外線もしくは電磁波を受信することにより、電子ペンからの超音波出力時間を知ることができ、およびそれに続く赤外線もしくは電磁波を受信することによりその受信時間間隔から電子ペンにかかるｚ軸、ｘ軸、ｙ軸、それぞれの加速度を知ることができる。また、受信機にある三次元加速度計により、同時刻に受信装置自体にかかるｚ軸、ｘ軸、ｙ軸、それぞれの加速度も知ることができる。

受信装置は、赤外線もしくは電磁波の到達時間から複数点での超音波の到達時間差を計測し、超音波測定点の間隔と音速から超音波発信点のｘｙ位置座標を求めることができる。これは前記電子ペンの盤面に対する垂直筆記状態としての位置座標である。垂直筆記状態での位置座標データの繰返し情報から電子ペンの移動方向と移動距離を得、そこから方向を伴う移動速度と加速度を得ることができる。

また受信装置では、受信装置が持つ三次元加速度計により、該三次元加速度計の測定データと、電子ペンにかかる三次元加速度計の測定データを得ることができる。両方の測定データと前記超音波による測定データから、受信装置における電子ペンの向きと傾きを得ることができる。超音波受信点とペン先端との位置関係から垂直筆記状態での位置座標データをその時の電子ペンの向きと傾きに対応した位置座標データに変換し、ペンの傾きによる入力座標精度の悪化を改善することができる。

以下、実施例により本発明を詳細に説明する。図１は装置図面が煩雑にならないよう単純な構成を模式的に表現したものである。本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、本発明の技術範囲において、種々の変形例を含むものである。また、各実施例において、同じ構成については同じ参照符号を付けた。

図１に本発明の超音波ペン入力精度向上システムの全体像を示す。
電子ペン２は、赤外線発光素子１０と筆記状態であることを検知できるセンサ（図示せず）と超音波発振素子９と三次元加速度計３と電池２、ペン側制御回路基板１１で構成されている。電子ペン２のペン先には、ボールペンなどのリフィル（図示せず）が挿入されており、筆記した際に、電子ペン２内部の筆記状態を感知できるセンサ７に、加重（筆圧）を伝え、前記筆記状態を感知できるセンサ７が、筆記状態の検出を行う。筆記状態が検出されると、電子ペン側制御回路１１は、赤外線発光素子１０と超音波発信素子９に１０ｍｓｅｃ毎に信号を与えて、赤外線パルス信号と８０ｋＨｚの超音波信号を受信装置１の赤外線受光素子４と超音波受信素子５、６に向かって出力する。また、その時の三次元加速度計３のＺ軸、Ｘ軸、Ｙ軸の加速度の測定を、電子ペン側制御回路１１が行い、１０ｍｓｅｃの時間間隔で測定された加速度±２Ｇを、２ｍｓｅｃの時間間隔に対応させて赤外線パルス信号１回の発光を、前記受信装置１の赤外線受光素子４に向かって行う。三次元加速度計３のＺ軸、Ｘ軸、Ｙ軸の測定をそれぞれの軸に対応して１回づつ実施し、Ｚ軸、Ｘ軸、Ｙ軸の測定データを受信装置１の赤外線受光素子４に送信する。筆記状態が検出されなくなるまでこれを繰返す。

受信装置１は、赤外線受光素子４と超音波受信素子５と超音波受信素子６と、三次元加速度計３と受信装置１を制御するための制御回路（図示せず）で構成されている。赤外線受光素子４は、電子ペン２側から送信される赤外線信号を受信すると、受信装置１側制御回路１４は、時間の計測を開始し、超音波受信素子５と超音波受信素子６に、電子ペン２の超音波発信素子１０から発信された超音波を受信するまでの時間ｔ１（超音波受信素子５）とｔ２（超音波受信素子６）を測定する。また受信装置１側制御回路１４は、電子ペン２の超音波発信素子１０から発信された超音波を受信するまでの時間ｔ１（超音波受信素子５）とｔ２（超音波受信素子６）を測定するのと同時に、赤外線受光素子４を監視し、１回目（筆記が開始されたことを感知したときの赤外線）、２回目（電子ペン２側三次元加速度計３のＺ軸の加速度データとしての赤外線）、３回目（電子ペン２側三次元加速度計３のＸ軸の加速度データとしての赤外線）、４回目（電子ペン２側三次元加速度計３のＹ軸の加速度データとしての赤外線）の赤外線信号を監視し、１回目と２回目の時間差、１回目と３回目の時間差、１回目と４回目の時間差を測定し、電子ペン２側からの赤外線信号が検出されなくなるまで繰返す。この比較は、電子ペン２の傾きによる実際の電子ペンの位置と、受信装置で計算により出された電子ペンの位置の誤差を検出するために行われるものである。

図３に電子ペン２の回路構成図を示す。電子ペン２の制御回路１１は、水晶により精確な時間で動作するＣＰＵ１５により全体を制御する。電子ペン２の回路全体を制御するためのプログラムおよび各種固定データは、ＲＯＭ１７に書かれている。一時保管データ等はＲＡＭ１８に保管される。三次元加速度計３は、ＸＹＺ軸のアナログ値を、Ａ／Ｄ変換器２０を通して、ＣＰＵ１５に伝える。電池１２の電圧は、Ａ／Ｄ変換器２０を通してＣＰＵ１５に伝えられ、電池電圧が規定より下がるとＣＰＵ１５は、この情報を受信装置１に伝達する。入出力ポート１９は、デジタル信号の入力と出力を行う。入出力ポート１９の出力ポートの片方には、発光ダイオードの赤外線発光回路２１と発光ダイオード１０に接続され、ＣＰＵ１５の指示で、発光ダイオード１０の点灯・消灯を行う。入出力ポート１９の出力ポートのもう片方には、超音波発信回路２２と超音波発信素子９に接続され、ＣＰＵ１５の指示で超音波発信素子９の発振と停止を行う。入出力ポート１９の入力ポートには、筆記状態を感知できるセンサ２４に接続され、ＣＰＵ１５に電子ペン２の先端部が筆記常態であるかどうかをＣＰＵ１５に伝える。

図４に、受信装置１の回路構成図を示す。受信装置の制御回路は、水晶により精確な時間で動作するＣＰＵ１５により全体を制御する。受信装置１全体を制御するプログラムおよび各種固定データは、ＲＯＭ１７に書かれている。一時保管データ等はＲＡＭ１８に保管される。三軸加速度計３は、ＸＹＺ軸のアナログ値をＡ／Ｄ変換器２０を通してＣＰＵ１５に伝える。電池１２の電圧はＡ／Ｄ変換器２０を通して、ＣＰＵ１５に伝えられ、電池電圧が規定より下がるとＣＰＵ１５は、この情報を外部処理装置（図示せず）に伝達し、停止する。入出力ポート１９は、デジタル信号の入力と出力を行う。出力ポートには、３個のｄ／ａ変換器２６が接続され、ｄ／ａ変換機の出力は、比較回路２５に基準電圧を供給する。３つの比較回路２５には、それぞれ超音波受信素子５の増幅信号、超音波受信素子６の増幅信号、赤外線受光素子４の増幅信号が接続され、３つの比較回路２５の出力は、入出力ポート１９にそれぞれ接続され、ｃｐｕ１５に超音波受信素子５が超音波を受信した事、ｃｐｕ１５に超音波受信素子６が超音波を受信した事、ｃｐｕ１５に赤外線受光素子４が赤外線パルス信号を受信した事を伝える。

図５に、電子ペン２の超音波発振タイミング図を示す。超音波が８０ｋＨｚ１２．５μｓｅｃの周期で数サイクル出力され、電子ペンの先端部で筆記状態が検出されなくなるまで１０ｍｓｅｃごとに繰返す。

図６に、電子ペン２の赤外線発光のタイミング図を示す。筆記状態が検出されると、第１座標（赤外線と超音波によって決定された、最初の座標）の赤外線発光を開始する。最初に、赤外線発光素子１０に、１μｓｅｃの開始信号をパルス発光をする。次に、１ｍｓｅｃの休止時間をおいて、２ｍｓｅｃの幅の中に１μｓｅｃのパルス発光を３回する。２ｍｓｅｃの幅のどこで発光するかは、電子ペン２の三次元加速度計３のＺ軸、Ｘ軸、Ｙ軸で測定した加速度２Ｇ〜−２Ｇで２ｍｓｅｃを分割した時間で各々発光し、１ｍｓｅｃの休止期間をおいて３回繰返す。前記発光を電子ペンの先端部で筆記状態が検出されなくなるまで１０ｍｓｅｃごとに繰返す。

図７に、受信装置１の赤外線受光素子４の増幅回路のタイミング図を示す。電子ペン２から赤外線が発光されると、受信装置１の赤外線受光素子４は、電子ペン２からの赤外線発光信号を同一時間に受信し、その信号を増幅し比較回路に出力する。

図８に、受信装置１の赤外線信号比較器２１のタイミング図を示す。赤外線信号比較回路は、アナログ信号をデジタル信号に変換して、開始第１座標の信号を出力し、続いて電子ペン２の三次元加速度計により検出された電子ペン２のＺ軸の加速度信号、Ｘ軸の加速度信号、Ｚ軸の加速度信号を出力する。その後も赤外線が継続すれば前記処理を繰返す。

図９に、受信装置１の超音波受信装置５のタイミング図を示す。電子ペン２から出力された超音波信号を電子ペン２からの距離に対応した時間ｔ１後に受信する。

図１０に、受信装置１の超音波受信素子５信号比較回路のタイミング図を示す。ｔ１後に受信増幅された信号は、比較器２５に入力されパルス信号列を作りだす。最初に作られたパルスが超音波受信素子５到達時間ｔ１になり、ＣＰＵ１５に伝達される。

図１１に本体超音波受信左側のタイミング図を示す。電子ペンから出力された超音波信号を電子ペンからの距離に対応した時間ｔ２後に受信する。

図１２に本体超音波受信左側信号比較回路のタイミング図を示す。ｔ２後に受信増幅された信号は比較器に入力されパルス信号列を作りだす。最初に作られたパルスが超音波左側到達時間ｔ２になり、ＣＰＵに伝達される。

ＣＰＵは左右の超音波到達時間ｔ１とｔ２とその時の音速から、電子ペンが入力盤面に垂直に立つ場合の位置座標を計算する。

図１３に受信装置１と、電子ペン２の三次元加速度計の図を示す。受信装置１の三次元加速度計３のｚ軸は、ｚｈ、Ｘ軸はＸｈ、Ｙ軸はＹｈであらわされ、電子ペン２に設けられている三次元加速度計３のｚ軸はｚｐ、Ｘ軸はＸｐ、Ｙ軸はＹｐであらわされる。電子ペン２が盤面８上で静止しているときには、両方のベクトルは同じであり、地球上であれば１Ｇで重力方向に一致する。また、盤面８上での電子ペン２の傾きはθであらわし、盤面８上での方向はφであらわす。

また、盤面８上での電子ペン２の移動方向はＶｐであらわし、移動座標は、開始が（ｘ０、ｙ０）、次の通過点が（ｘ１、ｙ１）、移動時間がΔｔとする。そのため、盤面８上の電子ペン２の傾きθは、盤面の重力加速度と電子ペンの重力加速度は同一であるため明らかである。また、電子ペン２が盤面８上で停止しているかどうかは、受信装置１が赤外線と超音波で盤面８上の電子ペン２の位置を計測し続けているので明らかである。このとき、電子ペン２の三次元加速度計３は円筒形の超音波発振子９に対して三次元上の中心にあることが望ましい。その場合、電子ペン２の超音波発振子９が受信装置１に対して等距離であっても受信装置１に対して姿勢が変化すれば速やかに判明する。逆に電子ペン２の三次元加速度計３が等速度運動中で加速度計に変化がなくても電子ペン２の超音波発信子９の移動で速やかに判明する。もちろん、電子ペン２の何処に三次元加速度計３が搭載されていても、同様の処理をすることは可能である。

しかし、処理する計算量が大幅に増加する。電子ペン２が盤面８上で加速度運動しないとき√（Ｘｈ^２＋Ｙｈ^２＋Ｚｈ^２）＝√（Ｘｐ^２＋Ｙｐ^２＋Ｚｐ^２）が成立つ。受信装置１の三次元加速度計３のｘ・ｙ座標と平行に接続されている盤面８上にて電子ペンが筆記されるとき、電子ペン２および受信装置１側の三次元加速度計３と超音波と赤外線により計算される座標と、同様に計測・計算される次の到達座標とからなる移動距離と時間から方向と速度が計算され、さらに加速度が計算される。計算された方向と加速度は、電子ペン２で、その時計測された三次元加速度計３の測定データと一致する。よって、電子ペンの傾きθと方向はφ計算され、電子ペン２が盤面８と垂直状態と仮定して、超音波到着時間ｔ１、ｔ２を基準とされる赤外線もしくは電磁波とにより測定された位置座標は、さらに超音波発振素子９の盤面からの高さと超音波発振素子９の先端部からの角度等の構造により補正される。

また、盤面８上の電子ペン２の方向は、今回と次回に検出される赤外線と超音波により検出される座標と今回と次回に検出される三次元加速度計３のデータから計算できる。もちろん、その間三次元加速度計３に何の変化もなければ不明である。しかし、人が字を書くとき、線を引くときには、常に速度が変化し、方向が変化し、盤面から電子ペン２が離れる。これらは常に三次元加速度計３に変化を与えるし、赤外線と超音波による距離測定に変化をもたらす。この変化により、過去の電子ペン２の方向φを明らかにする。よって、電子ペンの赤外線と超音波によって測定された超音波発信子９の位置にある電子ペン２の傾きθは電子ペンと受信装置１に共通にかかる重力加速度が同じであることで計算でき、電子ペンの方向φは、盤面上を次の移動点に移動するときの電子ペン２と受信装置１の三次元加速度計３の差分と赤外線と超音波によって測定された電子ペン２の移動方向と加速度から計算できる。

しかも、基本位置は赤外線と超音波により測定されているので、三次元加速度計３はその時その時の加速度を計測すればよく慣性航法装置のように正確な積分を続ける必要はない。あくまで切れ切れの加速度を計測すればよくその要求精度は比較にならないので、このシステムはローコストで製作できる。また、計算量は多いが、多くは表でも代替できるし、要求される電子ペン２と受信装置１の角度精度は±５度程度で十分である。

本発明の電子ペンの全体像を示す図電子ペンの傾きを示す図電子ペンの回路構成図受信装置の回路構成図電子ペンの超音波発振タイミング図電子ペンの赤外線発振タイミング図受信装置側の赤外線受信器受信装置側の赤外線受信比較器の出力の説明図受信器側の超音波受信素子受信装置側の超音波受信素子の出力説明図受信装置側の超音波受信の説明図受信装置側の超音波受信素子から比較器への出力説明図受信装置と電子ペンとの三次元説明図

符号の説明

１．受信装置
２．電子ペン
３．三次元加速度計
４．受光素子
５．超音波受信素子
６．超音波受信素子
７．筆記状態であることを検知できるセンサ
８．入力盤面
９．超音波発振子
１０．赤外線発光素子
１１．ペン側制御回路
１２．電池
１４．本体側制御回路
１５．ＣＰＵ
１６．水晶発振子
１７．ＲＯＭ
１８．ＲＡＭ
１９．入出力ポート
２０．Ａ／Ｄ変換器
２１．赤外線発光回路
２２．超音波発振回路
２３．ペンスイッチ回路
２４．増幅器
２５．比較器
２６．Ｄ／Ａ変換器

Claims

少なくとも、位置座標を検出するための超音波信号を発信する１個以上の超音波発振素子と、筆記開始信号と三次元加速度計のｚ軸、ｘ軸、ｙ軸の加速度を発信する赤外線発光素子もしくは電磁波発信素子と、筆記状態であることを検知できるセンサと、三次元加速度計を具備する電子ペン、及び、筆記時に前記電子ペンから発せられる前記筆記開始信号と三次元加速度計のｚ軸、ｘ軸、ｙ軸の加速度を受信する受信素子と、前記超音波信号を受信する少なくとも２つ以上の超音波受信素子と三次元加速度計を具備し、定期的に前記電子ペンから発信される前記筆記開始信号と前記超音波信号の到達時間差から、前記電子ペンの筆記状態での位置座標の検出をすることのできる受信装置とを有する受信装置によって構成される筆跡入力システムにおいて、前記電子ペンに設けられている三次元加速度計のｚ軸、ｘ軸、ｙ軸の加速度と、前記受信装置側の三次元加速度計のｚ軸、ｘ軸、ｙ軸の加速度と、電子ペンの位置座標の情報から、電子ペンの筆記面に対する傾斜角を計算し、超音波発信素子と電子ペン先端部との傾きを補正することを特徴とする電子ペン。
電子ペンの三次元加速度計が超音波発信素子の内側にある請求項１記載の電子ペン。