JP3841940B2 - 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９-16320号公報に掲載されたペン型入力装置、特開平８-76914号公報に掲載されたペン型入力装置、特開平９-16321号公報に掲載されたペン型入力装置、特開平９-16322号公報に掲載されたペン型入力装置及び特開平９-16323号公報に掲載されたペン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９-16320号公報に掲載されたペン型入力装置では、ペン先近傍のペン内部にペンの芯部が動く際の支点を設け、支点の上方にペン芯の動きを静電容量の変化として検出し、検出した静電容量の変化を基にペン先部の移動方向及び移動量を検出している。
【０００６】
また、特開平８-76914号公報に掲載されたペン型入力装置では、静電容量型力覚センサをペン芯の端部に設け、静電容量型力覚センサからの信号を基に文字及び図形の筆記入力を行なっている。
【０００７】
また、特開平９-16321号公報に掲載されたペン型入力装置、特開平９-16322号公報に掲載されたペン型入力装置及び特開平９-16323号公報に掲載されたペン型入力装置では、ペン芯に静電容量型力覚センサを設け、ペン先部が筆記面上を移動する場合はこの静電容量型力覚センサからの力信号を基にペン先部の軌跡を検出し、ペン先部が筆記面から離れて移動する際にはこの静電容量型力覚センサを加速度センサとして用いて、ペン先部の空中での軌跡を検出している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平９-16320号公報に掲載されたペン型入力装置では、支点を中心としてペン芯がスムーズに動くような構成にすることは困難であり、検出精度を高くすることが困難である。
【０００９】
また、特開平８-76914号公報に掲載されたペン型入力装置では、ペン芯にセンサを固定しているので、ペン先部又はペン芯だけを取り変えることが困難であり、シャープペンシルのように芯が消耗する場合には不便である。
【００１０】
また、特開平９-16321号公報に掲載されたペン型入力装置、特開平９-16322号公報に掲載されたペン型入力装置及び特開平９-16323号公報に掲載されたペン型入力装置では、特開平８-76914号公報に掲載されたペン型入力装置と同様にペン芯にセンサを固定しているので、ペン先部又はペン芯だけを取り変えることが困難であり、シャープペンシルのように芯が消耗する場合には不便である。
【００１１】
さらに、特開平９-16321号公報に掲載されたペン型入力装置、特開平９-16322号公報に掲載されたペン型入力装置及び特開平９-16323号公報に掲載されたペン型入力装置では、空中を移動する場合に加速度のみを基にして移動量を検出しているが、ペンがダイナミックな傾斜を伴う場合には検出結果に誤差が生じる。
【００１２】
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。
【００１３】
【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、ペン先部又はペン先部近傍でペン筐体の円周に切欠きを設けて、切欠きの上部の面と下部の面がペン先部にペン軸に直交する方向の力が加わっていない状態で切欠きの上部の面と下部の面とが平行になり、ペン先部にペン軸に直交する方向の力が加わると切欠きの上部の面と下部の面とが平行でなくなるように構成し、切欠きを挟んだ上部の面と下部の面との成す角度からペン先部に加わった力の方向及び大きさを検出できるようにした。
【００１４】
さらに、ペン動作検出部と平行度検出部と補正部を有し、ペン動作検出部はペン軸方向をＺ s 軸としたペン座標系（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸方向の加速度及びペン座標系（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸周りの回転角速度を検出し、検出したペン座標系（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸周りの回転角速度を基にペンの傾斜角度を求め、求めたペンの傾斜角度を基に（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸方向の加速度を重力座標系（Ｘ g ，Ｙ g ，Ｚ g ）の各軸方向の加速度に変換し、重力座標系（Ｘ g ，Ｙ g ，Ｚ g ）の各軸方向の加速度を基にペン先部のＸg軸方向及びＹg軸方向の移動量を検出し、平行度検出部は切欠きの上部の面と下部の面との平行度を基にペン先部に加わったＸg軸方向及びＹg軸方向の力を検出し、補正部は平行度検出部が検出したＸg軸方向及びＹg軸方向の力がペン先部がＸg軸方向、Ｙg軸方向のいずれか一方向又は両方向に対して停止状態であることを示していると、その停止状態であることを示している方向のペン動作検出部が検出した移動量がゼロになるように補正して、累積誤差の発生を防止する。
【００１５】
さらに、上記平行度検出部は、ペン筐体の切欠きの上部と下部に挟まれた少なくとも１個の感圧センサを備え、ペン筐体の上部の面と下部の面とがなす角度に応じて感圧センサに加わる力を検出してペン先部に加わった力を検出する。
【００１６】
また、上記平行度検出部は、ペン筐体の切欠きの上部と下部に挟まれた少なくとも１個の力覚センサ備え、ペン筐体の上部の面と下部の面とがなす角度に応じて力覚センサに加わる力を検出してペン先部に加わった力を検出する。
【００１７】
また、上記平行度検出部は、ペン筐体部の切欠きの上部の面又は下部の面に少なくとも１個の反射型の光センサを備え、反射型の光センサが出力した反射光の強度を基にペン筐体の上部の面と下部の面との距離を検出し、検出した距離を基にペン筐体の上部の面と下部の面とがなす傾きを求め、求めた傾きからペン先部に加わった力を検出する。
【００１８】
また、上記平行度検出部は、ペン筐体の上部と下部との間にペン筐体の切欠きの上部の面と下部の面との傾きに応じてオンオフする少なくとも１個のスイッチを備え、このスイッチのオンオフによりペン筐体の上部と下部とがなす角度を検出し、検出した角度からペン先部に加わった力を検出する。
【００１９】
さらに、上記ペン筐体の切欠きの中心の支柱部をペン芯材が入るように空洞にして、ペン芯材の交換等を容易にできるようにした。
【００２０】
さらに、上記平行度検出部を、ペン軸を対称軸とした少なくとも２か所に備え、両平行度検出部が出力した信号を作動増幅し、差動増幅した信号を基にペン先部に加わった力を検出して、差動増幅を用いた正確な検出を行なうようにする。
【００２１】
さらに、上記ペン動作検出部は、検出した加速度及び回転角速度から低周波数成分を抽出し、抽出した低周波数成分を基にペン先部の移動方向を検出する。
【００２３】
【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、図形及び姿勢等を入力するものある。ペン型入力装置は、例えば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傾斜角を算出し、算出した初期傾斜角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傾斜角を算出し、算出した筆記中の傾斜角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、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。
【００２４】
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、ペン軸の傾斜角の検出誤差が生じ、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ものである。
【００２５】
ペン型入力装置は、例えば３個の加速度センサと３個のジャイロと平行度検出部とＡ／Ｄ変換部と演算部を有する。ここで、ペン型入力装置の筐体はペン先部又はペン先部近傍でペン筐体の円周に切欠きが設けられていて、切欠きの上部の面と下部の面がペン先部にペン軸に直交する方向の力が加わっていない状態で切欠きの上部の面と下部の面とが平行になり、ペン先部にペン軸に直交する方向の力が加わると切欠きの上部の面と下部の面とが平行でなくなるように構成されている。また、ペン筐体の切欠きの中心の支柱部はペン芯材が入るように空洞になっていて、ペン芯材の交換等を容易に行なうことができるようになっている。
【００２６】
３個の加速度センサはそれぞれペン軸座標系（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。
【００２７】
平行度検出部は、例えばペン筐体の切欠きの上部と下部に挟まれた２個の感圧センサを備え、ペン筐体の上部の面と下部の面とがなす角度に応じて感圧センサに加わる力を示す信号を出力する。
【００２８】
Ａ／Ｄ変換部は、加速度センサとジャイロと感圧センサが出力した信号をデジタル変換する。演算部は、ペン先部の動作を検出するペン動作検出部として例えば静止判別部と初期傾斜演算部と傾斜角変化演算部と筆記中傾斜角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移動量演算部を備え、補正部として例えばＸs軸速度ゼロ検出部とＸs軸速度ゼロ検出部と速度補正部を備える。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。初期傾斜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座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）における加速度を基に装置の初期傾斜角を求める。筆記中傾斜角演算部は初期傾斜角演算部が算出した初期傾斜角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傾斜角を算出する。座標変換演算部は筆記中傾斜角演算部が算出した筆記中の傾斜角を基に各加速度センサを用いて検出したペン座標系（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（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における加速度から重力加速度成分を除去する。
【００２９】
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（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における速度を算出する。Ｘs軸速度ゼロ検出部はペン筐体の上部の面と下部の面とがなすＸs軸方向の角度を基にペン先部がＸs軸方向に対して停止状態であるか否かを検出する。同様に、Ｙs軸速度ゼロ検出部はペン筐体の上部の面と下部の面とがなすＹs軸方向の角度を基にペン先部がＹs軸方向に対して停止状態であるか否かを検出する。速度補正部はＸs軸速度ゼロ検出部又はＹs軸速度ゼロ検出部がＸs軸方向又はＹs軸方向に対して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と筆記中傾斜角演算部が算出した筆記中の傾斜角を基に停止状態を検出した方向に対す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，Ｚg）における速度を補正する。ここで、速度補正部が停止状態を検出した方向に対す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，Ｚg）における速度を補正する補正の方法としては、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（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における速度から引いたり、静止状態を検出した方向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、速度補正部は速度を補正する代わりに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傾斜角を補正しても良い。
【００３０】
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、装置の筆跡を正確に検出する。
【００３１】
【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。図２はペン型入力装置１の断面図であり、図３は演算部の構成図である。以下の説明では、図に示すようにペン芯１１の先端部を原点としペン軸をＺs軸とした座標系をペン座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）といい、ペン軸と直交する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。
【００３２】
図１、図２及び図３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、平行度検出部４、Ａ／Ｄ変換部５、演算部６、記憶部７及び電源部８を有する。加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃは、それぞれＸs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３ａ，３ｂ，３ｃはそれぞれＸs軸及びＸsa軸に平行なＸsb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。
【００３３】
平行度検出部４は感圧センサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄと差動増幅部４２ａ、４２ｂ備える。感圧センサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄは、例えばペン筐体の切欠きの上部１ａと下部１ｂとに挟まれ、ペン筐体の上部１ａの面と下部１ｂの面とがなす角度に応じて加わる力を示す信号を出力する。ここで、感圧センサ４１ａと感圧センサ４１ｃとはペン軸を対称軸とした対称位置にペン筐体の上部１ａと下部１ｂに接着されている。同様に感圧センサ４１ｂと感圧センサ４１ｄとはペン軸を対称軸とした対称位置にペン筐体の上部１ａと下部１ｂに接着されている。例えばＸs軸方向に力が加わった場合は感圧センサ４１ａは正の圧力を受け、感圧センサ４１ｃは負の圧力を受ける。感圧センサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄとしては感圧導電性ゴム又はPVDF等がある。差動増幅部４２ａはホイートストンブリッジ回路からなり、感圧センサ４１ａ，４１ｃからの信号の差を取り増幅する。同様に、差動増幅部４２ｂは感圧センサ４１ｂ，４１ｄからの信号の差を取り増幅する。
【００３４】
Ａ／Ｄ変換部５はＡＤ変換器５１ａ〜５１ｈを備え、平行度検出部４と加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃとジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからの信号を増幅する。
【００３５】
演算部６は、ペン先部１０の動作を検出するペン動作検出部として図３に示すようにローパスフィルタ（以後「ＬＰＦ」という。）６１ａ〜６１ｆと静止判別部６３と初期傾斜角演算部６４と傾斜角変化演算部６５と筆記中傾斜角度演算部６６と角加速度演算部６７と加速度補正部６８と座標変換演算部６９と重力加速度除去部７０と速度演算部７１と移動量演算部７３を備え、ペン動作検出部が検出した移動量を補正する補正部としてＸs軸速度ゼロ検出部６２ａとＹs軸速度ゼロ検出部６２ｂと速度補正部７２を備える。
【００３６】
ＬＰＦ６１ａ〜６１ｆは、カットオフ周波数10Hz程度でペン先部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遮断する。これは、ペン先部１０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。
【００３７】
Ｘs軸速度ゼロ検出部６２ａ及びＹs軸速度ゼロ検出部６２ｂはそれぞれ平行度検出部４からのペン筐体の上部１ａと下部１ｂとの傾斜に応じて感圧センサに加わった力を示す信号を基にペン先部１０がＸs軸方向及びＹs軸方向に対して停止状態か否かを検出する。
【００３８】
静止判別部６３は加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからの信号を基に静止中か否かを判別する。初期傾斜角演算部６４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を基に初期傾斜角（φo，θo，Ψo）を算出する。傾斜角変化演算部６５はジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃが検出した回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）を基に傾斜角の変化（ｄφ／ｄｔ，ｄθ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を算出する。筆記中傾斜角演算部６６は初期傾斜角演算部６４が算出した初期傾斜角（φo，θo，Ψo）と傾斜角変化演算部６５が算出した傾斜角の変化（ｄφ／ｄｔ，ｄθ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を基に筆記中の傾斜角（φ，θ，Ψ）を算出する。
【００３９】
角加速度演算部６７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）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６８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６７が算出した回転角加速度（ｄωxs／ｄｔ，ｄωys／ｄｔ，ｄωzs／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１０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６８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（Ａxs，Ａys，Ａzs）を補正して、ペン先部１０におけるペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度（Ａxos，Ａyos，Ａzos）を求める。
【００４０】
座標変換演算部６９は筆記中傾斜角演算部６６が算出した筆記中における傾斜角（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７０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。
【００４１】
速度演算部７１は、重力加速度除去部７０が重力加速度ｇの成分を除去した後の重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における各軸方向の加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）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。速度補正部７２は、Ｘs軸速度ゼロ検出部６２ａ又はＹs軸速度ゼロ検出部６２ｂがＸs軸方向又はＹs軸方向に対して装置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７１が算出した速度と筆記中傾斜角演算部６６が算出した筆記中の傾斜角（φ，θ，Ψ）を基に停止状態を検出した方向に対する速度がゼロになるように速度演算部７１が算出した重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における速度を補正する。移動量演算部７３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。
【００４２】
上記構成のペン型入力装置１におけるペン先部１０の移動方向及び移動量算出について説明する。
【００４３】
最初に初期傾斜角演算部６４が、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを用いて検出した加速度（Ａxso，Ａyso，Ａzso）を基に初期傾斜角（φo，θo，Ψo）を算出する場合について説明する。
【００４４】
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）と初期傾斜角（φo，θo，Ψo）との間には、次ぎの関係が成り立つ。
【００４５】
【数１】
【００４６】
上記式から静止状態における初期傾斜角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６３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、初期傾斜角Ψoは初期値をゼロにリセットする。
【００４７】
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。
【００４８】
次ぎに、傾斜角変化演算部６５が筆記中の傾斜角の変化（ｄφ／ｄｔ，ｄθ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を算出する場合について説明する。
【００４９】
ジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃで検出した回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）を基に傾斜角の変化（ｄφ／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。
【００５０】
【数２】
【００５１】
次ぎに、筆記中傾斜角演算部６６は、上記のようにして初期傾斜角演算部６４が算出した初期傾斜角（φo，θo，Ψo）と傾斜角変化演算部６５が算出した筆記中の傾斜角の変化（ｄφ／ｄｔ，ｄθ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を基に、次式を用いて筆記中の傾斜角（φ，θ，Ψ）を算出する。
【００５２】
【数３】
【００５３】
次ぎに、上記のようにして得た筆記中の傾斜角（φ，θ，Ψ）を基に各加速度センサ２ａ，２ｂ，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。
【００５４】
筆記中の傾斜角（φ，θ，Ψ）を基にペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）から重力座標系（Ｘg，Ｙg，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、invＥ（φ，θ，Ψ）は行列Ｅ（φ，θ，Ψ）の逆行列を表すものとする。
【００５５】
【数４】
【００５６】
ここで、前にvectorをつけたものはベクトルを表すものとし、Ｘg軸方向，Ｙg軸方向，Ｚg軸方向の単位ベクトルをそれぞれvectorｉg，vectorｊg，vectorｋgで表し、Ｘs軸方向，Ｙs軸方向，Ｚs軸方向の単位ベクトルをそれぞれvectorｉs，vectorｊs，vectorｋsで表す。また、vector(ｉs)g，vector(ｊs)g，vector(ｋs)gはペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の単位ベクトルを重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）で表したものとする。
【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，Ｚas），（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，２ｂ，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（Ａxog，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（ωxs，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，ｄωzs／ｄｔ）の関数であるので、加速度補正部５９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】
次ぎに、速度補正部６４の動作について説明する。
【００６１】
ペン先部８の重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における速度ベクトルvectorＶogを（Ｖxog，Ｖyog，Ｖzog）、速度ベクトルvectorＶogのＸs軸方向の速度ベクトルをvectorαs、速度ベクトルvectorＶogをＸs軸とＹs軸とが成す平面に投影した速度ベクトルをvectorγsで表す。Ｘs軸方向について考えると、図４に示すようにＸs軸速度ゼロ検出部６２ａがＸs軸方向に対してペン先部８が停止状態にあることを検出したときの誤差ベクトルはvectorαsとなるので、このベクトルvectorαsを重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）で表現した誤差ベクトルvector(αs)gと速度ベクトルvectorＶogからvector(γs)gが算出できる。ここで、ベクトルvector(αs)g及びベクトルvector(γs)gはペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）でのベクトルvectorαs及びベクトルvectorγsを重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）で表したものを示す。したがって、誤差ベクトルvector(αs)gを含まないようにして算出した重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における速度ベクトルvectorＶogを表す。
【００６２】
速度補正部７２はＸs軸速度ゼロ検出部６２ａ又はＹs軸速度ゼロ検出部６２ｂがＸs軸方向又はＹs軸方向に対して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７１が算出した速度ベクトルvectorＶogと筆記中傾斜角演算部が算出した筆記中の傾斜角（φ，θ，Ψ）を基に、上記式で示す演算を行なって、停止状態を検出した方向に対する速度がゼロになるように速度演算部７１が算出した重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における速度vectorＶogを補正する。
【００６３】
移動量演算部７３は速度補正部７２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１０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。
【００６４】
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。
【００６５】
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，ωys，ωzs）を示す信号を出力する。また、感圧センサ４１ａ〜４１ｄはペン筐体の上部１ａと下部１ｂとにより加わる圧力を示す信号を出力し、差動増幅部４２ａ，４２ｂはその信号を差動増幅する。感圧センサ４１ａ〜４１ｄは既に示したように例えばＸs軸方向に力が加わった場合は感圧センサ４１ａは正の圧力を受け、感圧センサ４１ｃは負の圧力を受け、差動増幅部４２ａがこの信号を差動増幅するので、圧力の検出制度を高めることができる。
【００６６】
ＡＤ変換器５１ｃ〜５１ｈ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，Ａys，Ａzs）及び回転角速度(ωxs，ωys，ωzs)をデジタル変換する。ＬＰＦ６１ａ〜６１ｆ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，Ａzs）及び回転角速度(ωxs，ωys，ωzs)から低周波成分を抽出する。
【００６７】
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６３は、ＡＤ変換器５１ｃ〜５１ｈからデジタル変換後の加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）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，Ａys，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。
【００６８】
静止判別部６３が静止状態と判別すると（ステップＳ２）、初期傾斜角演算部６４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）を基にして初期傾斜角（φo，θo，Ψo）を求める（ステップＳ３）。
【００６９】
その後、静止判別部６３が静止状態でないと判別すると（ステップＳ２）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）、傾斜角変化演算部６５は、ジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃを用いて検出した回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）を基に傾斜角の変化（ｄφ／ｄｔ，ｄθ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を求める（ステップＳ５）。筆記中傾斜角演算部６６は、既に説明したように初期傾斜角（φo，θo，Ψo）と傾斜角の変化（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、筆記中の傾斜角（φ，θ，Ψ）を算出する（ステップＳ６）。
【００７０】
角加速度演算部６７はジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃを用いて検出した回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）を基に回転角加速度（ｄωxs／ｄｔ，ｄωys／ｄｔ，ｄωzs／ｄｔ）を算出する（ステップＳ７）。加速度補正部６８は回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）及び回転角加速度（ｄωxs／ｄｔ，ｄωys／ｄｔ，ｄωzs／ｄｔ）を基に、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（Ａxs，Ａys，Ａzs）を補正して、ペン先部１０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，Ａzs）を基にペン先部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。
【００７１】
座標変換演算部６９は、筆記中傾斜角演算部６６が算出した筆記中のペン軸の傾斜角（φ，θ，Ψ）を用いて、加速度補正部６８が算出したペン先部１０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１０の加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）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７０は、重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）におけるペン先部１０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７１は重力加速度除去部７０が重力加速度を除去した後の重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）におけるペン先部１０の加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）を積分してペン先部１０の速度（Ｖxog，Ｖyog，Ｖzog）を算出する（ステップＳ１１）。
【００７２】
速度補正部７２は、Ｘs軸速度検出部６２ａ又はＹs軸速度ゼロ検出部６２ｂがＸs軸方向又はＹs軸方向に対してペン先部１０が停止状態であることを検出すると（ステップＳ１２）、既に説明したように停止状態を検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の方向に対する速度がゼロになるように速度演算部７１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７２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７３は上記のようにして求めた重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の速度（Ｖxog，Ｖyog，Ｖzog）を基に移動方向及び移動量（Ｘog，Ｙog，Ｚog）を算出して（ステップＳ１４）、ペン先部１０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）。ここで、ペン先部１０の移動方向及び移動量を算出するので、ペン形状などでペンの持ち方を拘束する必要が無くなる。
【００７３】
次ぎに、上記速度補正部７２による補正のさらに具体的な方法について説明する。
【００７４】
上記速度補正部７２は、例えばＸs軸速度ゼロ検出部６２ａ又はＹs軸速度ゼロ検出部６２ｂがＸs軸方向又はＹs軸方向に対して停止状態であることを検出すると、速度演算部７１が積分演算して求めたペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の各軸方向の速度のうち停止状態であることを検出した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。Ｘs軸方向について考えると、Ｘs軸速度ゼロ検出部６２ａがＸs軸方向に対して停止状態であることを検出した際における速度ベクトルvectorＶogをＸs軸とＹs軸とが成す平面に投影したベクトルvectorγsを次式を用いて求める。
【００７５】
【数６】
【００７６】
ここで、vector(ｉs)gは、筆記中傾斜角演算部６６が算出した傾斜角（φ，θ，Ψ）を用いて、数４に示した式を計算することにより求める。例えば図６に示すように理想的な速度変化Ａ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Ｂの波形が右下がりになっている。これに対して上記式を用いて補正することにより、図７に示すように理想的な速度変化Ａと誤差の少ない速度変化Ｃを求めることができる。ここで、矢印で示した部分が補正を行なった部分である。このように、停止状態であることを検出した方向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１０の速度波形を得ることができる。
【００７７】
また、平行度検出部４は、感圧センサ４１ａ〜４１ｄの代わりに、図８に示すように力覚センサ４３を用いても良い。力覚センサ４３としては、例えば図９に示すようにペン軸を中心軸として４か所に対称に空洞４４ａ〜４４ｄを設け、４個の梁を有するダイアフラム構造とする。この梁の表面に図に示すように、例えば圧電素子Ｆｘ１〜ＦＸ４，Ｆｙ１〜Ｆｙ４，Ｍｘ１〜Ｍｘ４，Ｍｙ１〜Ｍｙ４を設ける。ペン先部１０が力を受けて梁がひずむことにより、圧電素子Ｆｘ１〜ＦＸ４，Ｆｙ１〜Ｆｙ４，Ｍｘ１〜Ｍｘ４，Ｍｙ１〜Ｍｙ４の抵抗値が変化し、それを基に梁の歪を検出し、検出した梁の歪からペン先部１０に加わった力を検出することができる。例えば圧電素子Ｍｘ１〜Ｍｘ４によりＸs軸周りのモーメントＭxを検出でき、圧電素子Ｍｙ１〜Ｍｙ４によりＹs軸周りのモーメントＭyを検出でき、圧電素子Ｆｘ１〜ＦＸ４，Ｆｙ１〜Ｆｙ４によりＺs軸方向の力Ｆzを検出できる。この力覚センサ４３は、例えばSUS又はAlで製作した梁上に小型の箔状の歪ゲージを貼付たて製作しても良いし、Si等の半導体材料を用い、エッチングにより梁を形成した後にイオンインプラよりピエゾ抵抗素子として拡散抵抗を製作するようにしても良い。
【００７８】
また、平行度検出部４は、感圧センサ４１ａ〜４１ｄの代わりに、図１０に示すように発光素子４５ａ〜４５ｄと受光素子４６ａ〜４６ｄで構成された４個の反射型光センサを用いても良い。発光素子４５ａ〜４５ｄとしては、例えば小型の半導体レーザダイオードを用い、受光素子４６ａ〜４６ｄとしては、例えば小型のフォトダイオードを用いる。図１１に発光素子４５ａ，４５ｃと受光素子４６ａ，４６ｃとで示すように、発光素子４５ａ，４５ｃが発光し、ペン筐体の下部１ｂを照射した光は、ペン筐体下部１ｂに反射されて、受光素子４６ａ，４６ｂに入射する。受光素子４６ａ，４６ｂはこの反射光の強度を検出する。この反射光の強度を基にペン筐体の上部１ａとペン筐体の下部１ｂとのそれぞれの地点における距離を計測することができる。
【００７９】
また、平行度検出部４は、感圧センサ４１ａ〜４１ｄの代わりに、図１２に示すようにスイッチ４７ａ〜４７ｄを設けても良い。ペン筐体の上部１ａと下部１ｂとの間にペン筐体の切欠きの上部１ａの面と下部１ｂの面との傾きに応じてオンオフするスイッチ４７ａ〜４７ｄを備えることにより、このスイッチ４７ａ〜４７ｄのオンオフによりペン筐体の上部１ａと下部１ｂとがなす角度を検出し、検出した角度からペン先部１０に加わった力を検出することができる。
【００８０】
なお、上記実施例では感圧センサ４１ａ〜４１ｄ等のセンサをペン軸を中心軸として４か所に対称に設けたが、要求された検出精度によっては、１か所だけに設けるようにしても良い。
【００８１】
また、例えば図２に示すようにペン筐体の切欠きの中心の支柱部９をペン芯１１が入るように空洞にしているので、市販のボールペンの芯又はシャープペンの芯等を支柱部９の中心に通して用いることができ、これらのペン芯材の交換も容易にできる。
【００８２】
また、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の演算部６は、図１３に示すようにＬＰＦ６１ａ〜６１ｆ、Ｘs軸速度ゼロ検出部６２ａ、Ｙs軸速度ゼロ検出部６２ｂ、静止判別部６３、初期傾斜角演算部６４、筆記中傾斜角演算部６６、座標変換演算部６９、重力加速度除去部７０、速度演算部７１、速度補正部７２及び移動量演算部７３を備える。初期傾斜角演算部６４は、静止状態において加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを用いて検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）における加速度を基に装置の初期回転角度を求める。筆記中傾斜角演算部６６は初期傾斜角演算部６４が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する。座標変換演算部６９は筆記中回転角度演算部６６が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（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する。
【００８３】
また、上記実施例では演算部６をペン筐体内に設けたが、演算部６を外部装置内に設け、通信ケーブル等を介してデータの送受信をするようにしても良い。
【００８４】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、ペン先部又はペン先部近傍でペン筐体の円周に切欠きを設けて、切欠きの上部の面と下部の面がペン先部にペン軸に直交する方向の力が加わっていない状態で切欠きの上部の面と下部の面とが平行になり、ペン先部にペン軸に直交する方向の力が加わると切欠きの上部の面と下部の面とが平行でなくなるように構成したので、切欠きを挟んだ上部の面と下部の面との成す角度からペン先部に加わった力の方向及び大きさを検出できる。
【００８５】
さらに、ペン軸方向をＺ s 軸としたペン座標系（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸方向の加速度及びペン座標系（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸周りの回転角速度を検出し、検出したペン座標系（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸周りの回転角速度を基にペンの傾斜角度を求め、求めたペンの傾斜角度を基に（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸方向の加速度を重力座標系（Ｘ g ，Ｙ g ，Ｚ g ）の各軸方向の加速度に変換し、重力座標系（Ｘ g ，Ｙ g ，Ｚ g ）の各軸方向の加速度を基にペン先部のＸg軸方向及びＹg軸方向の移動量を検出し、切欠きの上部の面と下部の面との平行度を基にペン先部に加わったＸg軸方向及びＹg軸方向の力を検出し、検出したＸg軸方向及びＹg軸方向の力がペン先部がＸg軸方向、Ｙg軸方向のいずれか一方向又は両方向に対して停止状態であることを示していると、その停止状態であることを示している方向のペン動作検出部が検出した移動量がゼロになるように補正するので、累積誤差の発生を防止することができる。
【００８６】
さらに、ペン筐体の切欠きの上部と下部に挟まれた少なくとも１個の感圧センサを備え、ペン筐体の上部の面と下部の面とがなす角度に応じて感圧センサに加わる力を検出してペン先部に加わった力を検出するので、簡単な構成でペン先部に加わった力を測定することができる。
【００８７】
また、ペン筐体の切欠きの上部と下部に挟まれた少なくとも１個の力覚センサ備え、ペン筐体の上部の面と下部の面とがなす角度に応じて力覚センサに加わる力を検出してペン先部に加わった力を検出するので、ペン先部に加わった力を高精度に検出することができる。
【００８８】
また、ペン筐体部の切欠きの上部の面又は下部の面に少なくとも１個の反射型の光センサを備え、反射型の光センサが出力した反射光の強度を基にペン筐体の上部の面と下部の面との距離を検出し、検出した距離を基にペン筐体の上部の面と下部の面とがなす傾きを求め、求めた傾きからペン先部に加わった力を検出するので、ペン先部に加わった力を検出できると共に光を用いてペン先部に加わった力を検出するので、ノイズによる影響を少なくできる。
【００８９】
また、ペン筐体の上部と下部との間にペン筐体の切欠きの上部の面と下部の面との傾きに応じてオンオフする少なくとも１個のスイッチを備え、このスイッチのオンオフによりペン筐体の上部と下部とがなす角度を検出し、検出した角度からペン先部に加わった力を検出するので、装置構成をさらに簡単にすることができる。
【００９０】
さらに、ペン筐体の切欠きの中心の支柱部をペン芯材が入るように空洞にしたので、容易にペン芯材の交換等ができる。
【００９１】
さらに、ペン軸を対称軸とした少なくとも２か所でペン先部に加わった力を測定し、その検出した信号を作動増幅し、差動増幅した信号を基にペン先部に加わった力を検出するので、差動増幅を用いた正確な検出を行なうことができる。
【００９２】
さらに、検出した加速度及び回転角速度から低周波数成分を抽出し、抽出した低周波数成分を基にペン先部の移動方向を検出するので、簡単な構成でペン先部の移動方向を検出できる。
【００９４】
【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】ペン筐体の切欠き部分の断面図である。
【図３】演算部の構成図である。
【図４】座標系を示す説明図である。
【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】速度ずれを示す波形図である。
【図７】リセットにより速度ずれを補正した速度信号の波形図である。
【図８】力覚センサを有するペン筐体の切欠き部分の断面図である。
【図９】力覚センサの配置図である。
【図１０】反射型センサの配置図である。
【図１１】反射型センサの構成を示す断面図である。
【図１２】スイッチの配置図である。
【図１３】ストラップダウン方式を採用した演算部の構成図である。
【符号の説明】
１ ペン型入力装置
１０ ペン先部
１１ ペン芯
２ 加速度センサ
３ ジャイロ
４ 平行度検出部
４１ 感圧センサ
４２ 差動増幅部
４３ 力覚センサ
４５ 発光素子
４６ 受光素子
４７ スイッチ
５ Ａ／Ｄ変換部
６ 演算部
６２ 速度ゼロ検出部
６３ 静止判別部
６４ 初期傾斜角演算部
６５ 傾斜角変化演算部
６６ 筆記中傾斜角演算部
６７ 角加速度演算部
６８ 加速度補正部
６９ 座標変換演算部
７０ 重力加速度除去部
７１ 速度演算部
７２ 速度補正部
７３ 移動量演算部
【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９-16320号公報に掲載されたペン型入力装置、特開平８-76914号公報に掲載されたペン型入力装置、特開平９-16321号公報に掲載されたペン型入力装置、特開平９-16322号公報に掲載されたペン型入力装置及び特開平９-16323号公報に掲載されたペン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９-16320号公報に掲載されたペン型入力装置では、ペン先近傍のペン内部にペンの芯部が動く際の支点を設け、支点の上方にペン芯の動きを静電容量の変化として検出し、検出した静電容量の変化を基にペン先部の移動方向及び移動量を検出している。
【０００６】
また、特開平８-76914号公報に掲載されたペン型入力装置では、静電容量型力覚センサをペン芯の端部に設け、静電容量型力覚センサからの信号を基に文字及び図形の筆記入力を行なっている。
【０００７】
また、特開平９-16321号公報に掲載されたペン型入力装置、特開平９-16322号公報に掲載されたペン型入力装置及び特開平９-16323号公報に掲載されたペン型入力装置では、ペン芯に静電容量型力覚センサを設け、ペン先部が筆記面上を移動する場合はこの静電容量型力覚センサからの力信号を基にペン先部の軌跡を検出し、ペン先部が筆記面から離れて移動する際にはこの静電容量型力覚センサを加速度センサとして用いて、ペン先部の空中での軌跡を検出している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平９-16320号公報に掲載されたペン型入力装置では、支点を中心としてペン芯がスムーズに動くような構成にすることは困難であり、検出精度を高くすることが困難である。
【０００９】
また、特開平８-76914号公報に掲載されたペン型入力装置では、ペン芯にセンサを固定しているので、ペン先部又はペン芯だけを取り変えることが困難であり、シャープペンシルのように芯が消耗する場合には不便である。
【００１０】
また、特開平９-16321号公報に掲載されたペン型入力装置、特開平９-16322号公報に掲載されたペン型入力装置及び特開平９-16323号公報に掲載されたペン型入力装置では、特開平８-76914号公報に掲載されたペン型入力装置と同様にペン芯にセンサを固定しているので、ペン先部又はペン芯だけを取り変えることが困難であり、シャープペンシルのように芯が消耗する場合には不便である。
【００１１】
さらに、特開平９-16321号公報に掲載されたペン型入力装置、特開平９-16322号公報に掲載されたペン型入力装置及び特開平９-16323号公報に掲載されたペン型入力装置では、空中を移動する場合に加速度のみを基にして移動量を検出しているが、ペンがダイナミックな傾斜を伴う場合には検出結果に誤差が生じる。
【００１２】
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。
【００１３】
【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、ペン先部又はペン先部近傍でペン筐体の円周に切欠きを設けて、切欠きの上部の面と下部の面がペン先部にペン軸に直交する方向の力が加わっていない状態で切欠きの上部の面と下部の面とが平行になり、ペン先部にペン軸に直交する方向の力が加わると切欠きの上部の面と下部の面とが平行でなくなるように構成し、切欠きを挟んだ上部の面と下部の面との成す角度からペン先部に加わった力の方向及び大きさを検出できるようにした。
【００１４】
さらに、ペン動作検出部と平行度検出部と補正部を有し、ペン動作検出部はペン軸方向をＺ s 軸としたペン座標系（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸方向の加速度及びペン座標系（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸周りの回転角速度を検出し、検出したペン座標系（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸周りの回転角速度を基にペンの傾斜角度を求め、求めたペンの傾斜角度を基に（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸方向の加速度を重力座標系（Ｘ g ，Ｙ g ，Ｚ g ）の各軸方向の加速度に変換し、重力座標系（Ｘ g ，Ｙ g ，Ｚ g ）の各軸方向の加速度を基にペン先部のＸg軸方向及びＹg軸方向の移動量を検出し、平行度検出部は切欠きの上部の面と下部の面との平行度を基にペン先部に加わったＸg軸方向及びＹg軸方向の力を検出し、補正部は平行度検出部が検出したＸg軸方向及びＹg軸方向の力がペン先部がＸg軸方向、Ｙg軸方向のいずれか一方向又は両方向に対して停止状態であることを示していると、その停止状態であることを示している方向のペン動作検出部が検出した移動量がゼロになるように補正して、累積誤差の発生を防止する。
【００１５】
さらに、上記平行度検出部は、ペン筐体の切欠きの上部と下部に挟まれた少なくとも１個の感圧センサを備え、ペン筐体の上部の面と下部の面とがなす角度に応じて感圧センサに加わる力を検出してペン先部に加わった力を検出する。
【００１６】
また、上記平行度検出部は、ペン筐体の切欠きの上部と下部に挟まれた少なくとも１個の力覚センサ備え、ペン筐体の上部の面と下部の面とがなす角度に応じて力覚センサに加わる力を検出してペン先部に加わった力を検出する。
【００１７】
また、上記平行度検出部は、ペン筐体部の切欠きの上部の面又は下部の面に少なくとも１個の反射型の光センサを備え、反射型の光センサが出力した反射光の強度を基にペン筐体の上部の面と下部の面との距離を検出し、検出した距離を基にペン筐体の上部の面と下部の面とがなす傾きを求め、求めた傾きからペン先部に加わった力を検出する。
【００１８】
また、上記平行度検出部は、ペン筐体の上部と下部との間にペン筐体の切欠きの上部の面と下部の面との傾きに応じてオンオフする少なくとも１個のスイッチを備え、このスイッチのオンオフによりペン筐体の上部と下部とがなす角度を検出し、検出した角度からペン先部に加わった力を検出する。
【００１９】
さらに、上記ペン筐体の切欠きの中心の支柱部をペン芯材が入るように空洞にして、ペン芯材の交換等を容易にできるようにした。
【００２０】
さらに、上記平行度検出部を、ペン軸を対称軸とした少なくとも２か所に備え、両平行度検出部が出力した信号を作動増幅し、差動増幅した信号を基にペン先部に加わった力を検出して、差動増幅を用いた正確な検出を行なうようにする。
【００２１】
さらに、上記ペン動作検出部は、検出した加速度及び回転角速度から低周波数成分を抽出し、抽出した低周波数成分を基にペン先部の移動方向を検出する。
【００２３】
【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、図形及び姿勢等を入力するものある。ペン型入力装置は、例えば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傾斜角を算出し、算出した初期傾斜角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傾斜角を算出し、算出した筆記中の傾斜角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、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。
【００２４】
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、ペン軸の傾斜角の検出誤差が生じ、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ものである。
【００２５】
ペン型入力装置は、例えば３個の加速度センサと３個のジャイロと平行度検出部とＡ／Ｄ変換部と演算部を有する。ここで、ペン型入力装置の筐体はペン先部又はペン先部近傍でペン筐体の円周に切欠きが設けられていて、切欠きの上部の面と下部の面がペン先部にペン軸に直交する方向の力が加わっていない状態で切欠きの上部の面と下部の面とが平行になり、ペン先部にペン軸に直交する方向の力が加わると切欠きの上部の面と下部の面とが平行でなくなるように構成されている。また、ペン筐体の切欠きの中心の支柱部はペン芯材が入るように空洞になっていて、ペン芯材の交換等を容易に行なうことができるようになっている。
【００２６】
３個の加速度センサはそれぞれペン軸座標系（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。
【００２７】
平行度検出部は、例えばペン筐体の切欠きの上部と下部に挟まれた２個の感圧センサを備え、ペン筐体の上部の面と下部の面とがなす角度に応じて感圧センサに加わる力を示す信号を出力する。
【００２８】
Ａ／Ｄ変換部は、加速度センサとジャイロと感圧センサが出力した信号をデジタル変換する。演算部は、ペン先部の動作を検出するペン動作検出部として例えば静止判別部と初期傾斜演算部と傾斜角変化演算部と筆記中傾斜角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移動量演算部を備え、補正部として例えばＸs軸速度ゼロ検出部とＸs軸速度ゼロ検出部と速度補正部を備える。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。初期傾斜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座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）における加速度を基に装置の初期傾斜角を求める。筆記中傾斜角演算部は初期傾斜角演算部が算出した初期傾斜角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傾斜角を算出する。座標変換演算部は筆記中傾斜角演算部が算出した筆記中の傾斜角を基に各加速度センサを用いて検出したペン座標系（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（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における加速度から重力加速度成分を除去する。
【００２９】
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（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における速度を算出する。Ｘs軸速度ゼロ検出部はペン筐体の上部の面と下部の面とがなすＸs軸方向の角度を基にペン先部がＸs軸方向に対して停止状態であるか否かを検出する。同様に、Ｙs軸速度ゼロ検出部はペン筐体の上部の面と下部の面とがなすＹs軸方向の角度を基にペン先部がＹs軸方向に対して停止状態であるか否かを検出する。速度補正部はＸs軸速度ゼロ検出部又はＹs軸速度ゼロ検出部がＸs軸方向又はＹs軸方向に対して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と筆記中傾斜角演算部が算出した筆記中の傾斜角を基に停止状態を検出した方向に対す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，Ｚg）における速度を補正する。ここで、速度補正部が停止状態を検出した方向に対す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，Ｚg）における速度を補正する補正の方法としては、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（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における速度から引いたり、静止状態を検出した方向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、速度補正部は速度を補正する代わりに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傾斜角を補正しても良い。
【００３０】
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、装置の筆跡を正確に検出する。
【００３１】
【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。図２はペン型入力装置１の断面図であり、図３は演算部の構成図である。以下の説明では、図に示すようにペン芯１１の先端部を原点としペン軸をＺs軸とした座標系をペン座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）といい、ペン軸と直交する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。
【００３２】
図１、図２及び図３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、平行度検出部４、Ａ／Ｄ変換部５、演算部６、記憶部７及び電源部８を有する。加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃは、それぞれＸs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３ａ，３ｂ，３ｃはそれぞれＸs軸及びＸsa軸に平行なＸsb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。
【００３３】
平行度検出部４は感圧センサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄと差動増幅部４２ａ、４２ｂ備える。感圧センサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄは、例えばペン筐体の切欠きの上部１ａと下部１ｂとに挟まれ、ペン筐体の上部１ａの面と下部１ｂの面とがなす角度に応じて加わる力を示す信号を出力する。ここで、感圧センサ４１ａと感圧センサ４１ｃとはペン軸を対称軸とした対称位置にペン筐体の上部１ａと下部１ｂに接着されている。同様に感圧センサ４１ｂと感圧センサ４１ｄとはペン軸を対称軸とした対称位置にペン筐体の上部１ａと下部１ｂに接着されている。例えばＸs軸方向に力が加わった場合は感圧センサ４１ａは正の圧力を受け、感圧センサ４１ｃは負の圧力を受ける。感圧センサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄとしては感圧導電性ゴム又はPVDF等がある。差動増幅部４２ａはホイートストンブリッジ回路からなり、感圧センサ４１ａ，４１ｃからの信号の差を取り増幅する。同様に、差動増幅部４２ｂは感圧センサ４１ｂ，４１ｄからの信号の差を取り増幅する。
【００３４】
Ａ／Ｄ変換部５はＡＤ変換器５１ａ〜５１ｈを備え、平行度検出部４と加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃとジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからの信号を増幅する。
【００３５】
演算部６は、ペン先部１０の動作を検出するペン動作検出部として図３に示すようにローパスフィルタ（以後「ＬＰＦ」という。）６１ａ〜６１ｆと静止判別部６３と初期傾斜角演算部６４と傾斜角変化演算部６５と筆記中傾斜角度演算部６６と角加速度演算部６７と加速度補正部６８と座標変換演算部６９と重力加速度除去部７０と速度演算部７１と移動量演算部７３を備え、ペン動作検出部が検出した移動量を補正する補正部としてＸs軸速度ゼロ検出部６２ａとＹs軸速度ゼロ検出部６２ｂと速度補正部７２を備える。
【００３６】
ＬＰＦ６１ａ〜６１ｆは、カットオフ周波数10Hz程度でペン先部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遮断する。これは、ペン先部１０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。
【００３７】
Ｘs軸速度ゼロ検出部６２ａ及びＹs軸速度ゼロ検出部６２ｂはそれぞれ平行度検出部４からのペン筐体の上部１ａと下部１ｂとの傾斜に応じて感圧センサに加わった力を示す信号を基にペン先部１０がＸs軸方向及びＹs軸方向に対して停止状態か否かを検出する。
【００３８】
静止判別部６３は加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃからの信号を基に静止中か否かを判別する。初期傾斜角演算部６４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を基に初期傾斜角（φo，θo，Ψo）を算出する。傾斜角変化演算部６５はジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃが検出した回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）を基に傾斜角の変化（ｄφ／ｄｔ，ｄθ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を算出する。筆記中傾斜角演算部６６は初期傾斜角演算部６４が算出した初期傾斜角（φo，θo，Ψo）と傾斜角変化演算部６５が算出した傾斜角の変化（ｄφ／ｄｔ，ｄθ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を基に筆記中の傾斜角（φ，θ，Ψ）を算出する。
【００３９】
角加速度演算部６７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）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６８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６７が算出した回転角加速度（ｄωxs／ｄｔ，ｄωys／ｄｔ，ｄωzs／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１０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６８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（Ａxs，Ａys，Ａzs）を補正して、ペン先部１０におけるペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度（Ａxos，Ａyos，Ａzos）を求める。
【００４０】
座標変換演算部６９は筆記中傾斜角演算部６６が算出した筆記中における傾斜角（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７０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。
【００４１】
速度演算部７１は、重力加速度除去部７０が重力加速度ｇの成分を除去した後の重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における各軸方向の加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）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。速度補正部７２は、Ｘs軸速度ゼロ検出部６２ａ又はＹs軸速度ゼロ検出部６２ｂがＸs軸方向又はＹs軸方向に対して装置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７１が算出した速度と筆記中傾斜角演算部６６が算出した筆記中の傾斜角（φ，θ，Ψ）を基に停止状態を検出した方向に対する速度がゼロになるように速度演算部７１が算出した重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における速度を補正する。移動量演算部７３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。
【００４２】
上記構成のペン型入力装置１におけるペン先部１０の移動方向及び移動量算出について説明する。
【００４３】
最初に初期傾斜角演算部６４が、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを用いて検出した加速度（Ａxso，Ａyso，Ａzso）を基に初期傾斜角（φo，θo，Ψo）を算出する場合について説明する。
【００４４】
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）と初期傾斜角（φo，θo，Ψo）との間には、次ぎの関係が成り立つ。
【００４５】
【数１】
上記式から静止状態における初期傾斜角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６３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、初期傾斜角Ψoは初期値をゼロにリセットする。
【００４７】
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。
【００４８】
次ぎに、傾斜角変化演算部６５が筆記中の傾斜角の変化（ｄφ／ｄｔ，ｄθ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を算出する場合について説明する。
【００４９】
ジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃで検出した回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）を基に傾斜角の変化（ｄφ／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。
【００５０】
【数２】
次ぎに、筆記中傾斜角演算部６６は、上記のようにして初期傾斜角演算部６４が算出した初期傾斜角（φo，θo，Ψo）と傾斜角変化演算部６５が算出した筆記中の傾斜角の変化（ｄφ／ｄｔ，ｄθ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を基に、次式を用いて筆記中の傾斜角（φ，θ，Ψ）を算出する。
【００５２】
【数３】
次ぎに、上記のようにして得た筆記中の傾斜角（φ，θ，Ψ）を基に各加速度センサ２ａ，２ｂ，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。
【００５４】
筆記中の傾斜角（φ，θ，Ψ）を基にペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）から重力座標系（Ｘg，Ｙg，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、invＥ（φ，θ，Ψ）は行列Ｅ（φ，θ，Ψ）の逆行列を表すものとする。
【００５５】
【数４】
ここで、前にvectorをつけたものはベクトルを表すものとし、Ｘg軸方向，Ｙg軸方向，Ｚg軸方向の単位ベクトルをそれぞれvectorｉg，vectorｊg，vectorｋgで表し、Ｘs軸方向，Ｙs軸方向，Ｚs軸方向の単位ベクトルをそれぞれvectorｉs，vectorｊs，vectorｋsで表す。また、vector(ｉs)g，vector(ｊs)g，vector(ｋs)gはペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の単位ベクトルを重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）で表したものとする。
【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，Ｚas），（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，２ｂ，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（Ａxog，Ａyog，Ａzog）を求める式は、次式のようになる。
【００５８】
【数５】
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（ωxs，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，ｄωzs／ｄｔ）の関数であるので、加速度補正部５９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】
次ぎに、速度補正部６４の動作について説明する。
【００６１】
ペン先部８の重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における速度ベクトルvectorＶogを（Ｖxog，Ｖyog，Ｖzog）、速度ベクトルvectorＶogのＸs軸方向の速度ベクトルをvectorαs、速度ベクトルvectorＶogをＸs軸とＹs軸とが成す平面に投影した速度ベクトルをvectorγsで表す。Ｘs軸方向について考えると、図４に示すようにＸs軸速度ゼロ検出部６２ａがＸs軸方向に対してペン先部８が停止状態にあることを検出したときの誤差ベクトルはvectorαsとなるので、このベクトルvectorαsを重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）で表現した誤差ベクトルvector(αs)gと速度ベクトルvectorＶogからvector(γs)gが算出できる。ここで、ベクトルvector(αs)g及びベクトルvector(γs)gはペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）でのベクトルvectorαs及びベクトルvectorγsを重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）で表したものを示す。したがって、誤差ベクトルvector(αs)gを含まないようにして算出した重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における速度ベクトルvectorＶogを表す。
【００６２】
速度補正部７２はＸs軸速度ゼロ検出部６２ａ又はＹs軸速度ゼロ検出部６２ｂがＸs軸方向又はＹs軸方向に対して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７１が算出した速度ベクトルvectorＶogと筆記中傾斜角演算部が算出した筆記中の傾斜角（φ，θ，Ψ）を基に、上記式で示す演算を行なって、停止状態を検出した方向に対する速度がゼロになるように速度演算部７１が算出した重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における速度vectorＶogを補正する。
【００６３】
移動量演算部７３は速度補正部７２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１０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。
【００６４】
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。
【００６５】
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，ωys，ωzs）を示す信号を出力する。また、感圧センサ４１ａ〜４１ｄはペン筐体の上部１ａと下部１ｂとにより加わる圧力を示す信号を出力し、差動増幅部４２ａ，４２ｂはその信号を差動増幅する。感圧センサ４１ａ〜４１ｄは既に示したように例えばＸs軸方向に力が加わった場合は感圧センサ４１ａは正の圧力を受け、感圧センサ４１ｃは負の圧力を受け、差動増幅部４２ａがこの信号を差動増幅するので、圧力の検出制度を高めることができる。
【００６６】
ＡＤ変換器５１ｃ〜５１ｈ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，Ａys，Ａzs）及び回転角速度(ωxs，ωys，ωzs)をデジタル変換する。ＬＰＦ６１ａ〜６１ｆ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，Ａzs）及び回転角速度(ωxs，ωys，ωzs)から低周波成分を抽出する。
【００６７】
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６３は、ＡＤ変換器５１ｃ〜５１ｈからデジタル変換後の加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）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，Ａys，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。
【００６８】
静止判別部６３が静止状態と判別すると（ステップＳ２）、初期傾斜角演算部６４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）を基にして初期傾斜角（φo，θo，Ψo）を求める（ステップＳ３）。
【００６９】
その後、静止判別部６３が静止状態でないと判別すると（ステップＳ２）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）、傾斜角変化演算部６５は、ジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃを用いて検出した回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）を基に傾斜角の変化（ｄφ／ｄｔ，ｄθ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を求める（ステップＳ５）。筆記中傾斜角演算部６６は、既に説明したように初期傾斜角（φo，θo，Ψo）と傾斜角の変化（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、筆記中の傾斜角（φ，θ，Ψ）を算出する（ステップＳ６）。
【００７０】
角加速度演算部６７はジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃを用いて検出した回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）を基に回転角加速度（ｄωxs／ｄｔ，ｄωys／ｄｔ，ｄωzs／ｄｔ）を算出する（ステップＳ７）。加速度補正部６８は回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）及び回転角加速度（ｄωxs／ｄｔ，ｄωys／ｄｔ，ｄωzs／ｄｔ）を基に、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（Ａxs，Ａys，Ａzs）を補正して、ペン先部１０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，Ａzs）を基にペン先部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。
【００７１】
座標変換演算部６９は、筆記中傾斜角演算部６６が算出した筆記中のペン軸の傾斜角（φ，θ，Ψ）を用いて、加速度補正部６８が算出したペン先部１０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１０の加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）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７０は、重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）におけるペン先部１０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７１は重力加速度除去部７０が重力加速度を除去した後の重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）におけるペン先部１０の加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）を積分してペン先部１０の速度（Ｖxog，Ｖyog，Ｖzog）を算出する（ステップＳ１１）。
【００７２】
速度補正部７２は、Ｘs軸速度検出部６２ａ又はＹs軸速度ゼロ検出部６２ｂがＸs軸方向又はＹs軸方向に対してペン先部１０が停止状態であることを検出すると（ステップＳ１２）、既に説明したように停止状態を検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の方向に対する速度がゼロになるように速度演算部７１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７２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７３は上記のようにして求めた重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の速度（Ｖxog，Ｖyog，Ｖzog）を基に移動方向及び移動量（Ｘog，Ｙog，Ｚog）を算出して（ステップＳ１４）、ペン先部１０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）。ここで、ペン先部１０の移動方向及び移動量を算出するので、ペン形状などでペンの持ち方を拘束する必要が無くなる。
【００７３】
次ぎに、上記速度補正部７２による補正のさらに具体的な方法について説明する。
【００７４】
上記速度補正部７２は、例えばＸs軸速度ゼロ検出部６２ａ又はＹs軸速度ゼロ検出部６２ｂがＸs軸方向又はＹs軸方向に対して停止状態であることを検出すると、速度演算部７１が積分演算して求めたペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の各軸方向の速度のうち停止状態であることを検出した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。Ｘs軸方向について考えると、Ｘs軸速度ゼロ検出部６２ａがＸs軸方向に対して停止状態であることを検出した際における速度ベクトルvectorＶogをＸs軸とＹs軸とが成す平面に投影したベクトルvectorγsを次式を用いて求める。
【００７５】
【数６】
ここで、vector(ｉs)gは、筆記中傾斜角演算部６６が算出した傾斜角（φ，θ，Ψ）を用いて、数４に示した式を計算することにより求める。例えば図６に示すように理想的な速度変化Ａ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Ｂの波形が右下がりになっている。これに対して上記式を用いて補正することにより、図７に示すように理想的な速度変化Ａと誤差の少ない速度変化Ｃを求めることができる。ここで、矢印で示した部分が補正を行なった部分である。このように、停止状態であることを検出した方向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１０の速度波形を得ることができる。
【００７７】
また、平行度検出部４は、感圧センサ４１ａ〜４１ｄの代わりに、図８に示すように力覚センサ４３を用いても良い。力覚センサ４３としては、例えば図９に示すようにペン軸を中心軸として４か所に対称に空洞４４ａ〜４４ｄを設け、４個の梁を有するダイアフラム構造とする。この梁の表面に図に示すように、例えば圧電素子Ｆｘ１〜ＦＸ４，Ｆｙ１〜Ｆｙ４，Ｍｘ１〜Ｍｘ４，Ｍｙ１〜Ｍｙ４を設ける。ペン先部１０が力を受けて梁がひずむことにより、圧電素子Ｆｘ１〜ＦＸ４，Ｆｙ１〜Ｆｙ４，Ｍｘ１〜Ｍｘ４，Ｍｙ１〜Ｍｙ４の抵抗値が変化し、それを基に梁の歪を検出し、検出した梁の歪からペン先部１０に加わった力を検出することができる。例えば圧電素子Ｍｘ１〜Ｍｘ４によりＸs軸周りのモーメントＭxを検出でき、圧電素子Ｍｙ１〜Ｍｙ４によりＹs軸周りのモーメントＭyを検出でき、圧電素子Ｆｘ１〜ＦＸ４，Ｆｙ１〜Ｆｙ４によりＺs軸方向の力Ｆzを検出できる。この力覚センサ４３は、例えばSUS又はAlで製作した梁上に小型の箔状の歪ゲージを貼付たて製作しても良いし、Si等の半導体材料を用い、エッチングにより梁を形成した後にイオンインプラよりピエゾ抵抗素子として拡散抵抗を製作するようにしても良い。
【００７８】
また、平行度検出部４は、感圧センサ４１ａ〜４１ｄの代わりに、図１０に示すように発光素子４５ａ〜４５ｄと受光素子４６ａ〜４６ｄで構成された４個の反射型光センサを用いても良い。発光素子４５ａ〜４５ｄとしては、例えば小型の半導体レーザダイオードを用い、受光素子４６ａ〜４６ｄとしては、例えば小型のフォトダイオードを用いる。図１１に発光素子４５ａ，４５ｃと受光素子４６ａ，４６ｃとで示すように、発光素子４５ａ，４５ｃが発光し、ペン筐体の下部１ｂを照射した光は、ペン筐体下部１ｂに反射されて、受光素子４６ａ，４６ｂに入射する。受光素子４６ａ，４６ｂはこの反射光の強度を検出する。この反射光の強度を基にペン筐体の上部１ａとペン筐体の下部１ｂとのそれぞれの地点における距離を計測することができる。
【００７９】
また、平行度検出部４は、感圧センサ４１ａ〜４１ｄの代わりに、図１２に示すようにスイッチ４７ａ〜４７ｄを設けても良い。ペン筐体の上部１ａと下部１ｂとの間にペン筐体の切欠きの上部１ａの面と下部１ｂの面との傾きに応じてオンオフするスイッチ４７ａ〜４７ｄを備えることにより、このスイッチ４７ａ〜４７ｄのオンオフによりペン筐体の上部１ａと下部１ｂとがなす角度を検出し、検出した角度からペン先部１０に加わった力を検出することができる。
【００８０】
なお、上記実施例では感圧センサ４１ａ〜４１ｄ等のセンサをペン軸を中心軸として４か所に対称に設けたが、要求された検出精度によっては、１か所だけに設けるようにしても良い。
【００８１】
また、例えば図２に示すようにペン筐体の切欠きの中心の支柱部９をペン芯１１が入るように空洞にしているので、市販のボールペンの芯又はシャープペンの芯等を支柱部９の中心に通して用いることができ、これらのペン芯材の交換も容易にできる。
【００８２】
また、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の演算部６は、図１３に示すようにＬＰＦ６１ａ〜６１ｆ、Ｘs軸速度ゼロ検出部６２ａ、Ｙs軸速度ゼロ検出部６２ｂ、静止判別部６３、初期傾斜角演算部６４、筆記中傾斜角演算部６６、座標変換演算部６９、重力加速度除去部７０、速度演算部７１、速度補正部７２及び移動量演算部７３を備える。初期傾斜角演算部６４は、静止状態において加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを用いて検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）における加速度を基に装置の初期回転角度を求める。筆記中傾斜角演算部６６は初期傾斜角演算部６４が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する。座標変換演算部６９は筆記中回転角度演算部６６が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（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する。
【００８３】
また、上記実施例では演算部６をペン筐体内に設けたが、演算部６を外部装置内に設け、通信ケーブル等を介してデータの送受信をするようにしても良い。
【００８４】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、ペン先部又はペン先部近傍でペン筐体の円周に切欠きを設けて、切欠きの上部の面と下部の面がペン先部にペン軸に直交する方向の力が加わっていない状態で切欠きの上部の面と下部の面とが平行になり、ペン先部にペン軸に直交する方向の力が加わると切欠きの上部の面と下部の面とが平行でなくなるように構成したので、切欠きを挟んだ上部の面と下部の面との成す角度からペン先部に加わった力の方向及び大きさを検出できる。
【００８５】
さらに、ペン軸方向をＺ s 軸としたペン座標系（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸方向の加速度及びペン座標系（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸周りの回転角速度を検出し、検出したペン座標系（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸周りの回転角速度を基にペンの傾斜角度を求め、求めたペンの傾斜角度を基に（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸方向の加速度を重力座標系（Ｘ g ，Ｙ g ，Ｚ g ）の各軸方向の加速度に変換し、重力座標系（Ｘ g ，Ｙ g ，Ｚ g ）の各軸方向の加速度を基にペン先部のＸg軸方向及びＹg軸方向の移動量を検出し、切欠きの上部の面と下部の面との平行度を基にペン先部に加わったＸg軸方向及びＹg軸方向の力を検出し、検出したＸg軸方向及びＹg軸方向の力がペン先部がＸg軸方向、Ｙg軸方向のいずれか一方向又は両方向に対して停止状態であることを示していると、その停止状態であることを示している方向のペン動作検出部が検出した移動量がゼロになるように補正するので、累積誤差の発生を防止することができる。
【００８６】
さらに、ペン筐体の切欠きの上部と下部に挟まれた少なくとも１個の感圧センサを備え、ペン筐体の上部の面と下部の面とがなす角度に応じて感圧センサに加わる力を検出してペン先部に加わった力を検出するので、簡単な構成でペン先部に加わった力を測定することができる。
【００８７】
また、ペン筐体の切欠きの上部と下部に挟まれた少なくとも１個の力覚センサ備え、ペン筐体の上部の面と下部の面とがなす角度に応じて力覚センサに加わる力を検出してペン先部に加わった力を検出するので、ペン先部に加わった力を高精度に検出することができる。
【００８８】
また、ペン筐体部の切欠きの上部の面又は下部の面に少なくとも１個の反射型の光センサを備え、反射型の光センサが出力した反射光の強度を基にペン筐体の上部の面と下部の面との距離を検出し、検出した距離を基にペン筐体の上部の面と下部の面とがなす傾きを求め、求めた傾きからペン先部に加わった力を検出するので、ペン先部に加わった力を検出できると共に光を用いてペン先部に加わった力を検出するので、ノイズによる影響を少なくできる。
【００８９】
また、ペン筐体の上部と下部との間にペン筐体の切欠きの上部の面と下部の面との傾きに応じてオンオフする少なくとも１個のスイッチを備え、このスイッチのオンオフによりペン筐体の上部と下部とがなす角度を検出し、検出した角度からペン先部に加わった力を検出するので、装置構成をさらに簡単にすることができる。
【００９０】
さらに、ペン筐体の切欠きの中心の支柱部をペン芯材が入るように空洞にしたので、容易にペン芯材の交換等ができる。
【００９１】
さらに、ペン軸を対称軸とした少なくとも２か所でペン先部に加わった力を測定し、その検出した信号を作動増幅し、差動増幅した信号を基にペン先部に加わった力を検出するので、差動増幅を用いた正確な検出を行なうことができる。
【００９２】
さらに、検出した加速度及び回転角速度から低周波数成分を抽出し、抽出した低周波数成分を基にペン先部の移動方向を検出するので、簡単な構成でペン先部の移動方向を検出できる。
【００９４】
【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】ペン筐体の切欠き部分の断面図である。
【図３】演算部の構成図である。
【図４】座標系を示す説明図である。
【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】速度ずれを示す波形図である。
【図７】リセットにより速度ずれを補正した速度信号の波形図である。
【図８】力覚センサを有するペン筐体の切欠き部分の断面図である。
【図９】力覚センサの配置図である。
【図１０】反射型センサの配置図である。
【図１１】反射型センサの構成を示す断面図である。
【図１２】スイッチの配置図である。
【図１３】ストラップダウン方式を採用した演算部の構成図である。
【符号の説明】
１ ペン型入力装置
１０ ペン先部
１１ ペン芯
２ 加速度センサ
３ ジャイロ
４ 平行度検出部
４１ 感圧センサ
４２ 差動増幅部
４３ 力覚センサ
４５ 発光素子
４６ 受光素子
４７ スイッチ
５ Ａ／Ｄ変換部
６ 演算部
６２ 速度ゼロ検出部
６３ 静止判別部
６４ 初期傾斜角演算部
６５ 傾斜角変化演算部
６６ 筆記中傾斜角演算部
６７ 角加速度演算部
６８ 加速度補正部
６９ 座標変換演算部
７０ 重力加速度除去部
７１ 速度演算部
７２ 速度補正部
７３ 移動量演算部
Claims (8)
- ペン先部又はペン先部近傍でペン筐体の円周に切欠きを設けて、切欠きの上部の面と下部の面がペン先部にペン軸に直交する方向の力が加わっていない状態で切欠きの上部の面と下部の面とが平行になり、ペン先部にペン軸に直交する方向の力が加わると切欠きの上部の面と下部の面とが平行でなくなるように構成したペン型入力装置であって、
ペン動作検出部と平行度検出部と補正部を有し、
ペン動作検出部はペン軸方向をＺ s 軸としたペン座標系（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸方向の加速度及びペン座標系（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸周りの回転角速度を検出し、検出したペン座標系（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸周りの回転角速度を基にペンの傾斜角度を求め、求めたペンの傾斜角度を基に（Ｘ s ，Ｙ s ，Ｚ s ）の各軸方向の加速度を重力座標系（Ｘ g ，Ｙ g ，Ｚ g ）の各軸方向の加速度に変換し、重力座標系（Ｘ g ，Ｙ g ，Ｚ g ）の各軸方向の加速度を基にペン先部のＸg軸方向及びＹg軸方向の移動量を検出し、
平行度検出部は切欠きの上部の面と下部の面との平行度を基にペン先部に加わったＸg軸方向及びＹg軸方向の力を検出し、
補正部は平行度検出部が検出したＸg軸方向及びＹg軸方向の力がペン先部がＸg軸方向、Ｙg軸方向のいずれか一方向又は両方向に対して停止状態であることを示していると、その停止状態であることを示している方向のペン動作検出部が検出した移動量がゼロになるように補正することを特徴とするペン型入力装置。 - 上記平行度検出部は、ペン筐体の切欠きの上部と下部に挟まれた少なくとも１個の感圧センサを備え、ペン筐体の上部の面と下部の面とがなす角度に応じて感圧センサに加わる力を検出してペン先部に加わった力を検出する請求項１記載のペン型入力装置。
- 上記平行度検出部は、ペン筐体の切欠きの上部と下部に挟まれた少なくとも１個の力覚センサ備え、ペン筐体の上部の面と下部の面とがなす角度に応じて力覚センサに加わる力を検出してペン先部に加わった力を検出する請求項１記載のペン型入力装置。
- 上記平行度検出部は、ペン筐体部の切欠きの上部の面又は下部の面に少なくとも１個の反射型の光センサを備え、反射型の光センサが出力した反射光の強度を基にペン筐体の上部の面と下部の面との距離を検出し、検出した距離を基にペン筐体の上部の面と下部の面とがなす傾きを求め、求めた傾きからペン先部に加わった力を検出する請求項１記載のペン型入力装置。
- 上記平行度検出部は、ペン筐体の上部と下部との間にペン筐体の切欠きの上部の面と下部の面との傾きに応じてオンオフする少なくとも１個のスイッチを備え、このスイッチのオンオフによりペン筐体の上部と下部とがなす角度を検出し、検出した角度からペン先部に加わった力を検出する請求項１記載のペン型入力装置。
- 上記ペン筐体の切欠きの中心の支柱部をペン芯材が入るように空洞にした請求項１乃至５のいずれかに記載のペン型入力装置。
- 上記平行度検出部を、ペン軸を対称軸とした少なくとも２か所に備え、両平行度検出部が出力した信号を作動増幅し、差動増幅した信号を基にペン先部に加わった力を検出する請求項１乃至４のいずれかに記載のペン型入力装置。
- 上記ペン動作検出部は、検出した加速度及び回転角速度から低周波数成分を抽出し、抽出した低周波数成分を基にペン先部の移動方向を検出する請求項１乃至４のいずれかに記載のペン型入力装置。
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