JP3841952B2 - 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、コンピュータシステムにおけるカーソル移動や文字，図形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】
コンピュータの入力装置としては、キーボードやマウス，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。近年、コンピュータの小型化に伴い携帯端末装置のニーズが高まり使用者も増加している。携帯端末装置の入力装置としてキーボードを使用するためには、キーボードを小型化する必要があるが、キーボードの小型化にはヒューマンインタフェースの点で限界があり、携帯端末装置の入力装置においては不利な点が多く実用性が低い。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、文字や図形の入力には適さないという短所がある。このため小型の携帯型端末装置において、文字や図形の入力装置としてはタブレットとペンを組み合わせたペン型入力装置が多く採用されている。しかし、タブレットの大きさが問題になり、より小型化することは困難である。そこでペンにセンシング機能を付与して、タブレットを使用しないペン型入力装置が提案されている。
【０００３】
例えば特開平６−44005号公報に示されたペン型入力装置は３軸各方向の加速度センサとジャイロによりペン先の筆記位置検出するようにしている。特開平６−67799号公報に示されたペン型入力装置は２つの加速度センサと１つのジャイロを設け、ジャイロによりペン軸のローテーションを検出し、このローテーションを考慮に入れ、ペンに互いに直交して設けられた一対の加速度センサから得られた加速度データをそれぞれ時間で２回積分して距離データに変換して座標化している。特表平８−508354号公報に示されたペン型入力装置は３つの加速度センサを設け、加速度信号の特徴からストロークの特徴を認識し、認識したストロークを重ねていって筆記軌跡を描くようにしている。
【０００４】
また、特開平８−44489号公報や特開平８−063282号公報に示されたポインティング装置は水平方向と垂直方向の角速度を検出する２つのジャイロから出力する角速度を積分して水平移動量と垂直移動量を算出するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開平６−44005号公報に示され装置は加速度センサ取付位置が考慮されていないため、ペンの傾斜運動による加速度がペン先の筆記加速度に紛れ込み、正確な筆記軌跡を求めることは困難である。また、特開平６−67799号公報に示された装置ではペン軸のローテーションを検出することはできるが、通常の筆記動作で空間的にペン自体の姿勢がダイナミックな傾斜を伴う場合を考慮していないため、通常の筆記動作に適用することは困難である。特表平８−508354号公報に示された装置はストロークの認識過程が入るので厳密な意味では筆記軌跡を再現することは困難である。
【０００６】
この発明はかかる短所を改善し簡単な構成で文字や図形を再構成できる小型のペン型入力装置を得ることを目的とするものである。
【０００７】
【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、ペン軸に垂直で異なる検出軸を有し、ペン軸を基準としたセンサ座標系の前記異なる検出軸周りの角速度を検出するジャイロと、ペン先と紙面の接触を検出する紙面接触判別手段及び演算部とを有し、前記演算部は、前記紙面接触判別手段でペン先と紙面とが接触していることを検出しているときに、前記ジャイロが検出した角速度信号からペン先と紙面の摩擦により生じる高周波振動を取り出してペン先が紙面上で停止しているか移動しているかを判別し、前記ジャイロが検出した角速度を時間積分し、時間積分した結果と、ペン先が停止しているときはペン軸の回転中心をペン先とし、ペン先が移動しているときはペン軸の回転中心をペンの支持点としたペン軸の回転中心からペン先までの距離とからペン先の筆記動作中における時間毎に紙面の重力方向を基準とした重力座標系における直交する２軸の座標を検出してペン先による２次元の軌跡を求め、求めた２次元の軌跡と検出したペン先と紙面とが接触している部分から筆記軌跡を抽出することを特徴とする。
【０００８】
前記異なる検出軸周りの角速度を検出するジャイロは、ペン軸に垂直で異なる検出軸を有する２つのジャイロを有し、各検出軸は直交して配置されていることが望ましい。
【０００９】
さらに、前記異なる検出軸周りの角速度を検出するジャイロは、検出軸の異なる３つのジャイロを有し、１つのジャイロの検出軸をペン軸と一致させても良い。
【００１４】
また、前記異なる検出軸周りの角速度を検出するジャイロは、検出軸の異なる３つのジャイロを有し、１つのジャイロの検出軸をペン軸と一致させても良い。さらに、３つのジャイロの検出軸を互いに直交して配置することが望ましい。
【００１５】
また、前記ジャイロの検出軸を示す印を少なくとも１つはペンに設けたり、ペンを持つ角度を限定するグリップをペンに設けたり、ペンを持つ位置を検出する検出素子をペングリップ部に設けると良い。
【００１６】
また、前記ジャイロが検出した角速度信号と加速度センサが検出した加速度信号又はジャイロが検出した角速度信号とペン先に設けたに力センサが検出した信号からペン先が停止しているか移動しているかを判定することが望ましい。
【００１７】
さらに、抽出した筆記軌跡とデータベースの基準筆記軌跡を比較して文字を特定すると良い。
【００１８】
また、抽出した筆記軌跡をベクトルとして合成し、合成ベクトルの方向が所定の範囲にあるか否を判別し、合成ベクトルの方向が所定の範囲にない場合に筆記軌跡全体を回転させるようにしても良い。さらに、抽出した筆記軌跡の各々のベクトルの方向を複数の範囲に分類し、各範囲に属したベクトルの数を計数し、各方向の計数値から筆記向きを判別し、判別した結果により筆記軌跡全体を回転させるようにしても良い。この場合、抽出した筆記軌跡の各ベクトルの大きさを所定の大きさと比較し、筆記軌跡のベクトルが小さい場合に、そのベクトルの数を計数しないことが望ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
この発明のペン型入力装置のペンは２個のジャイロとペン先と紙面との接触の有無を検出する感圧スイッチを有する。演算部には各ジャイロ３Ｘ，３Ｙに接続されたローパスフィルタ（ＬＰＦ）と、各ＬＰＦからの信号を入力するＡ／Ｄ変換器と、各Ａ／Ｄ変換器からの信号を入力して２次元の軌跡を算出する軌跡算出部及び軌跡算出部で算出した軌跡と感圧スイッチで判定したペン先と紙面との接触位置から筆跡軌跡を抽出する筆跡抽出部を有する。
【００２０】
上記のように構成されたペン型入力装置のペンで筆記動作中に２個のジャイロでペン軸と直交する軸周りの角速度を検出する。この２個のジャイロで検出した角速度信号を演算部に送りノイズ除去用のＬＰＦを通したのち、Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換して軌跡算出部に送る。軌跡算出部は送られた角速度を時間積分して、時間積分した結果とペンの回転中心からペン先までの距離からペン先の筆記動作中の軌跡を求め筆記軌跡抽出部に送る。筆記軌跡抽出部は送られた２次元の軌跡と感圧スイッチで検出したペン先と紙面とが接触している部分から実際の筆跡軌跡を抽出して文字や図形を再構成する。このようにして簡単なペンを使用して入力した文字や図形を再構成することができる。
【００２１】
【実施例】
図１はこの発明の一実施例のペン型入力装置の構成図である。図に示すように、ペン型入力装置１のペン２は内部に２個のジャイロ３Ｘ，３Ｙとペン２のペン先２１と紙面との接触の有無を検出する感圧スイッチ４を有する。このペン２の座標系としては重力方向をＺＧ方向とする直交座標である重力座標系（ＸＧ，ＹＧ，ＺＧ）と、ペン２のペン軸をＺＳ方向とする直交座標であるセンサ座標系（ＸＳ，ＹＳ，ＺＳ）を想定する。ジャイロ３Ｘはセンサ座標系のＸＳ軸周りを入力軸としてペン２の角速度を検出し、ジャイロ３Ｙはセンサ座標系のＹＳ軸周りを入力軸としてペン２の角速度を検出する。このジャイロ３Ｘ，３Ｙは互いに直交したＸＳ軸とＹＳ軸軸上に取付けた方が処理が楽になるので好ましいが、設計上の制約がある場合は直交させなくても良い。この場合は取付け角度から角速度成分を分解すれば良い。ここでジャイロ３Ｘ，３Ｙはスケールファクタ（回転運動の正確さ）とドリフトレール（出力オフセットの安定度）が良好で、小型のものであれば良く、回転ジャイロや振動ジャイロ，光学式ジャイロ等いずれの方式のものでも良い。
【００２２】
ペン型入力装置１の演算部５は図２のブロック図に示すように、ジャイロ３Ｘ，３Ｙに接続されたローパスフィルタ（ＬＰＦ）５１，５２と、ローパスフィルタ５１，５２からの信号を入力するＡ／Ｄ変換器６１，６２と、Ａ／Ｄ変換器６１，６２からの信号を入力して２次元の軌跡を算出する軌跡算出部７及び軌跡算出部７で算出した軌跡と感圧スイッチ４で検出したペン先２１と紙面とが接触している部分から筆跡軌跡を抽出する筆跡抽出部８を有する。
【００２３】
上記のように構成されたペン型入力装置１のペン２で筆記動作中のペン２の運動を回転運動と平行移動に分解すると、ペン２の支持点を中心とした回転運動で行われる成分が多く、この回転運動だけでもある程度の文字が再現できる。そこでペン２で筆記動作中にジャイロ３Ｘ，３Ｙでセンサ座標系のＸS軸周りの角速度ωxとＹS軸周りの角速度ωyを検出する。このジャイロ３Ｘ，３Ｙが検出する角速度ωx，ωyは、重力座標系（ＸG，ＹG，ＺG）における筆記軌跡Ｘ(t)，Ｙ(t)の時間変化と下記（１）式に示す関係がある。
【００２４】
【数１】
【００２５】
ここで、Ｌはペンの支持点である回転中心からペン先２１までの距離である。また、軸の回転方向と速度方向の関係からＹ(t)の時間変化にはマイナス符号が付く。
【００２６】
このジャイロ３Ｘ，３Ｙで検出した角速度信号ωx，ωyを演算部５に送りノイズ除去用のＬＰＦ５１，５２を通したのち、Ａ／Ｄ変換器６１，６２でＡ／Ｄ変換して軌跡算出部７に送る。軌跡算出部７は送られた角速度ωx，ωyを時間積分して、時間積分した結果とペン２の回転中心からペン先２１までの距離Ｌからペン先２１の筆記動作中の各時間毎のペン先２１のＸG座標とＹG座標とを検出してペン先２による２次元の軌跡を求め筆記軌跡抽出部８に送る。筆記軌跡抽出部８は送られた２次元の軌跡と感圧スイッチ４で検出したペン先２１と紙面とが接触している部分から実際の筆跡軌跡を抽出して文字や図形を再構成する。ここでペン２の回転中心からペン先２１までの距離Ｌの値が変わっても、文字や図形の大きさが拡大又は縮小されるだけであるから距離Ｌとしては適当な値を用いれば良い。
【００２７】
このようにしてペン型入力装置１のペン２で実際に筆記した文字とペン型入力装置１で再構成した文字を図３に示す。図３において（ａ）は実際に筆記した文字、（ｂ）は距離Ｌ＝10cmとしてペン型入力装置１で再構成した文字を示す。図３（ｂ）に示すように、ペン型入力装置１で再構成した文字は筆記動作の平行移動成分を検出していないので、完全な軌跡を再現することはできないが、読める程度に再現することができる。このようにして簡略な構成で、筆記文字を再現することができ、ペン型入力装置１を小型化して軽量化し使い易くすることができる。
【００２８】
上記実施例は感圧スイッチ４でペン先２１が紙面に接触しているか否を検出した場合について説明したが、光学式スイッチ等でペン先２１が紙面に接触しているか否を検出しても良い。
【００２９】
また、上記実施例は感圧スイッチ４等でペン先２１が紙面に接触しているか否を検出した場合について説明したがペン先２１が紙面に接触していることをジャイロ３Ｘ又はジャイロ３Ｙで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動を取り出してペン先２１が紙面に接触しているか否を判別するようにしても良い。この第２の実施例のペン型入力装置１のペン２には、図４に示すように、ジャイロ３Ｘ，３Ｙを有し、演算部５には図５のブロック図に示すように、ＬＰＦ５１，５２とＡ／Ｄ変換器６１，６２と軌跡算出部７及び筆跡抽出部８の他にジャイロ３Ｙからの信号を入力するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）９と検波回路１０と比較器１１を有する。ＢＰＦ９は例えば下のカットオフ周波数80Ｈｚと上のカットオフ周波数200Ｈｚを有する。
【００３０】
そしてジャイロ３Ｘ，３Ｙで検出した角速度信号ωx，ωyを演算部５に送りノイズ除去用のＬＰＦ５１，５２を通したのち、Ａ／Ｄ変換器６１，６２でＡ／Ｄ変換し、軌跡算出部７で角速度ωx，ωyを時間積分して、時間積分した結果とペン２の回転中心からペン先２１までの距離Ｌからペン先２１ペン先２による２次元の軌跡を求め筆記軌跡抽出部８に送る。一方、ジャイロ３Ｙで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動をＢＰＦ９で取り出して検波回路１０と比較器１１を通してペン先２１が紙面に接触している部分を判別する。筆記軌跡抽出部８は軌跡算出部７から送られた２次元の軌跡と紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動から判別したペン先２１と紙面との接触部分から実際の筆跡軌跡を抽出して文字や図形を再構成する。このようにしてより簡単なペン２を使用することにより入力した文字や図形を再構成することができる。
【００３１】
上記実施例は感圧スイッチ４等でペン先２１が紙面に接触しているか否を検出したり、ペン先２１が紙面に接触していることをジャイロ３Ｘ又はジャイロ３Ｙで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動を取り出してペン先２１が紙面に接触している部分を判別する場合について説明したが、図６のブロック図に示すように、ペン先２１が紙面に接触していることを感圧スイッチ４の出力及びジャイロ３Ｘ又はジャイロ３Ｙで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動の両方から検出し、停止判別部１２でペン先２１が停止しているか移動しているかを判別するようにしても良い。
【００３２】
このようにペン先２１が紙面に接触していることを感圧スイッチ４の出力及びジャイロ３Ｘ又はジャイロ３Ｙで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動の両方から検出することにより、ペン先２１が紙面で停止していることを検出することができ、ペン先２１を中心とした回転運動とペン２の支持点を中心とした回転運動を使い分けることができる。例えば図７の模式図に示すように、紙面と垂直な方向を回転軸としてペン２が回転しているとき、図７（ａ）に示すようにペン２の支持点２２を中心として回転している場合と、図７（ｂ）に示すようにペン先２１を中心として回転している場合、ジャイロ３Ｘ，３Ｙの出力は同じである。上記各実施例では、図７（ａ）に示すようにペン２の支持点２２を中心とした回転運動として扱ってきたが、実際には、入力する文字や図形の線の終わりや線の向きを変えるときなどではペン先２１を中心に支持点（手）の方が動いている場合がある。そこで停止判別部１２は感圧スイッチ４の出力によりペン先２１が紙面に接触していることを検出しているときに、ジャイロ３Ｘ又はジャイロ３Ｙで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動からペン先２１が停止しているか移動しているかを判別する。このようにしてペン先２１を中心とした回転運動とペン２の支持点を中心とした回転運動を使い分けることにより文字の再現性を向上することができる。
【００３３】
上記各実施例はペン２にジャイロ３Ｘ，３Ｙを設け、ペン２のＸｓ軸周りとＹｓ軸周りの角速度を検出した場合について説明したが、ペン２のＺｓ軸周りの角速度も検出するようにしても良い。このペン２のＺｓ軸周りの角速度も検出する場合の第４の実施例のペン２には、図８の構成図に示すように、３個のジャイロ３Ｘ，３Ｙ，３Ｚとペン２のペン先２１と紙面の接触を判定する感圧スイッチ４を有する。ジャイロ３Ｚはペン２のＺｓ軸周りの角速度ωｚを検出する。演算部５には、図９のブロック図に示すように、ジャイロ３Ｘ，３Ｙ，３Ｚに接続されたＬＰＦ５１，５２，５３と、ＬＰＦ５１，５２，５３からの信号を入力するＡ／Ｄ変換器６１，６２，６３と、Ａ／Ｄ変換器６１，６２，６３からの信号を入力して２次元の軌跡を算出する軌跡算出部７１及び軌跡算出部７１で算出した軌跡と感圧スイッチ４で判定したペン先２１と紙面とが接触している部分から筆跡軌跡を抽出する筆跡抽出部８を有する。
【００３４】
上記のように構成したペン型入力装置１の軌跡算出部７１の動作を説明する。ペン２で筆記動作中にジャイロ３Ｘ，３Ｙ，３Ｚでセンサ座標系のＸｓ軸周りの角速度ωｘとＹｓ軸周りの角速度ωｙとＺｓ軸周りの角速度ωｚを検出してＬＰＦ５１，５２，５３とＡ／Ｄ変換器６１，６２，６３を通して軌跡算出部７１に送る。軌跡算出部７１は初期の姿勢角である回転ベクトルをφ０（０，０，０）に近似する。そして前の時刻（ｎ−１）の回転角ベクトルφｎ−１とジャイロ３Ｘ，３Ｙ，３Ｚで検出した角速度ω（ωｘ，ωｙ，ωｚ）より現在の時刻ｎの回転角ベクトルφｎを求める。回転角ベクトルφｎは下記（２）式の微分方程式で表される。この（２）式を離散系で積分すると（３）式が得られる。（３）式においてｔ０はサンプリング周期である。
【００３５】
【数２】
【００３６】
この回転角ベクトルφnを基にペン先２１の位置を重力座標系（ＸG，ＹG，ＺG）で表す。ここでペン２の回転中心２２を原点にとり、ペン先２１の先端までの距離をＬとすると、図８に示すセンサ座標系（ＸS，ＹS，ＺS）でペン先２１の先は座標（０，０，Ｌ）と表せる。これを回転角ベクトルφnから求めた座標変換行列ＣG Sで重力座標系（ＸG，ＹG，ＺG）に変換すれば良い。この座標変換行列ＣG Sを求めるには下記（４）式と（５）式で表されるパラメータ（χ，ρx，ρy，ρz）に変換した後、下記（６）式より算出する。（６）式において、ｉG，ｊG，ｋGはＸG軸とＹG軸とＺG軸の重力座標系単位ベクトル、ｉS，ｊS，ｋSはＸS軸とＹS軸とＺS軸のセンサ系座標単位ベクトルである。
【００３７】
【数３】
【００３８】
センサ座標系のペン先２１の先端の座標（０，０，Ｌ）を座標変換行列Ｃ（Ｇ−Ｓ）で変換すると、ペン先の軌跡（Ｘ，Ｙ）は下記（７）式で表すことができる。実際には、座標変換行列ＣG Sを全て計算する必要はないので、（４）式と（５）式及び（７）式を計算すれば良い。
【００３９】
【数４】
【００４０】
この演算により筆記動作の回転運動をペン２の姿勢変化（座標変換行列の変化）で表すことができ、ペン軸周りの回転も再現できて、より正確な文字を再構成することができる。
【００４１】
上記第４の実施例は感圧スイッチ４等でペン先２１が紙面に接触しているか否を検出した場合について説明したが、図１０のペン２の構成図と図１１の演算部５の構成を示すブロック図に示すように、感圧スイッチ４の出力の代わりにペン先２１が紙面に接触していることをジャイロ３Ｘ，３Ｙ，３Ｚのいずれかで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動を取り出して判別するようにしても良い。
【００４２】
また、図１２のブロック図に示すように、ペン先２１が紙面に接触していることを感圧スイッチ４の出力及びジャイロ３Ｘ，３Ｙ，３Ｚのいずれかで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動の両方から検出し、停止判別部１２でペン先２１が停止しているか移動しているかを判別するようにしても良い。
【００４３】
上記実施例はジャイロ３Ｘ，３Ｙ，３Ｚのいずれかで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動によりペン先２１が停止しているか移動しているかを判別する場合について説明したが、図１３のペン２の構成図と図１４の演算部５のブロック図に示すように、ペン２に加速度センサ１３を設け、加速度センサ１３から出力する信号からペン先２１が停止しているか移動しているかを判別するようにしても良い。この場合、加速度センサ１３はジャイロよりも周波数帯域が広いものが多く、容易に安く手に入る。この加速度センサ１３を使用することによりジャイロ３Ｘ，３Ｙ，３Ｚに要求される周波数帯域は筆記運動の数10Ｈｚで良く、選択するジャイロの自由度を広げて安いジャイロを使用できる。
【００４４】
また、振動を検出する場合、速度は振幅と角速度の積が検出出力となり、加速度は振幅と角速度の自乗の積が検出出力になるから、摩擦信号のような高周波の場合は加速度の方が大きな信号を検出でき、検出が容易である。したがって、ペン先２１が停止しているか移動しているかの検出精度と安定性を向上させることができ、再構成した文字の精度も向上し安定した動作を実現することができる。
【００４５】
また、図１５のペン２の構成図と図１６の演算部５のブロック図に示すように、感圧スイッチ４の代わりにペン先力センサ１４を設け、ペン先力センサ１４で紙面からの反力を検出して、ペンダウン判定部１５でペン先２１が紙面に接触しているかどうかとペン先２１が停止しているか移動しているかを判別することにより、上記加速度センサ１３を設けた場合と同様にして選択するジャイロの自由度を広げることができる。また、ペン先力センサ１４で直接振動を検出するから検出精度と安定性を向上させることができる。
【００４６】
上記各実施例に示したペン型入力装置１において、再構成する文字はペン２を持つ向きすなわちペン軸周りの回転によって傾いたものになる。文字が見やすく再構成されるためにはペン２を持ったときに、センサ座標系のＸS軸が紙面上の重力座標系のＸG軸と同じ方向を向く必要がある。そこでペン２に、図１７に示すようにセンサ座標系のＸS軸方向とＹS軸方向の検出軸を特定するマーカ２３，２４を設け、紙面の見やすい方向において右手方向をＸG方向と考え、ペン２を持ったときにＸS軸方向のマーカ２３がＸG方向を向くようにすることにより、ペンを持つ角度を分かり易くでき、再構成した文字が傾くことを防止できる。
【００４７】
また、図１８に示すようにペン２を持つ角度を限定する例えば３角形状のグリップ２５を設けて、ペン２を持ったときの親指と人差し指及び中指の位置を明示して、ペン２を持つ角度を限定することにより、再構成した文字が傾くことを防ぐことができる。さらに、図１９に示すように、ペン２のグリップ部に、ペン２を持つ角度を圧力検出素子２６をアレイ状に並べて配置し、圧力検出素子２６で指の当たる位置を検出し、この圧力分布よりペン２を持つ角度を特定するようにして、センサ座標系を回転させておくことにより初期の姿勢角を調整するのと同様に再構成した文字が傾くことを防ぐことができる。
【００４８】
上記各実施例は軌跡算出部７，７１で算出した軌跡とペン先２１と紙面とが接触している部分から筆跡軌跡抽出部８で実際の筆跡軌跡を抽出して文字や図形を再構成する場合について説明したが、図２０のブロック図に示すように、演算部５にデータベース（辞書）１６と筆記軌跡比較部１７を設け、筆記軌跡比較部１７で筆跡軌跡抽出部８で抽出した筆跡軌跡とデータベース１６の基準筆記軌跡と比較して基準筆記軌跡に最も近い文字コードを選び出すようにしても良い。このうにして基準筆記軌跡に最も近い文字コードを選び出すことにより、正確な文字を再構成することができ、認識率を高めることができる。ここでデータベース１６は従来のタブレットで使用するものが使え、筆跡軌跡比較部１７はいわゆるＤＰマッチング等タブレットで使用される種々の手法を使用できる。
【００４９】
さらに、図２１のブロック図に示すように、演算部５に筆跡軌跡認識部１８を設け、筆跡軌跡認識部１８は筆記軌跡抽出部８で抽出した筆跡軌跡の各ストロークをベクトルとして合成し、合成ベクトルの方向が所定の範囲にあるか否を判断し、合成ベクトルの方向が所定の範囲にない場合に、筆記軌跡全体を回転させるようにすると、再構成した文字の傾きを抑制することができる。例えば図２２に示すように日本語の場合、大まかにいうと文字は左から右と上から下へ構成されている。したがって、幾つかのストロークは異なる方向例えば下から上に向いたとしても、文字の大部分のストロークは第４象限の周辺範囲に入る。そこで図２２に示す文字を再構成するときに、筆跡軌跡の各ストロークをベクトルａ，ｂ，ｃとして合成し、合成ベクトルｄが例えば第２象限を向いている場合、合成ベクトルｄが第４象限に入るように再構成する文字の座標を回転させる。このようにして文字の傾きを修正して再構成するから、認識率を大幅に向上させることができるとともに、ペン２の向きを考慮せずに使用でき操作を向上することができる。
【００５０】
また、この場合、算出した各ストロークのベクトルの方向をいくつかの範囲に分類し、各範囲に属したベクトルの数を計数して、各方向の計数値から筆記向きを判別するようにしても良い。すなわち日本語文字は横線と縦線が多く、画数が多い場合、横線と縦線周辺のベクトルの分布が多くなる。したがって画数が多い場合、各範囲に属したベクトルの数の分布から再構成する文字の向きが推測できる。この向きを推測した文字の最も多くのベクトルの分布が横線と縦線周辺の範囲に入るように座標を変換することにより文字の傾きを抑制することができる。
【００５１】
この場合、ストロークのベクトルを分類する際に、ストロークの長さ（ベクトルの長さ）が所定の長さより短い場合は、分布の計数から除外すると良い。すなわち、点列のような細かいストロークは、文字を書くときに方向が乱れやすいことを反映させたものであり、文字の特徴というよりは、筆記する人の筆記動作の特徴を表す。これを除外することにより、文字を構成する横線と縦線を強調して、文字の向きの判別をより確実にする。
【００５２】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、異なる検出軸を有する２つのジャイロ又は３つのジャイロが検出した角速度から紙面上の軌跡を算出し、算出した軌跡とペン先と紙面とが接触している部分から筆記軌跡を抽出するから、簡略な構成でペンの筆記軌跡の概略を再構成できるとともにペン型入力装置を小型化することができ、装置の価格を低減して使い勝手を向上させることができる。
【００５４】
さらに、ジャイロで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先の摩擦によって生じる高周波振動からペン先が停止しているか移動しているかを判別することにより、ペン先を中心とした回転運動とペンの支持点を中心とした回転運動を使い分けることができ、文字の再現性をより向上することができる。
【００５５】
また、２つのジャイロ又は３つのジャイロの検出軸を直交して配置することにより、ペンによる軌跡を簡単な処理で算出することができる。
【００５６】
また、ジャイロの検出軸を示す印を少なくとも１つはペンに設けたり、ペンを持つ角度を限定するグリップをペンに設けたり、ペンを持つ位置を検出する検出素子をペングリップ部に設けることにより、ペンを持つ角度を分かり易くでき、再構成した文字が傾くことを防止することができる。
【００５７】
さらに、ジャイロが検出した角速度信号と加速度センサが検出した加速度信号又はジャイロが検出した角速度信号とペン先に設けたに力センサが検出した信号からペン先が停止しているか移動しているかを判定することにより、使用するジャイロの選択の自由度を広げて安いジャイロを使用できるとともにペン先が停止しているか移動しているかの検出精度と安定性を向上させることができ、再構成した文字の精度も向上し安定した動作を実現することができる。
【００５８】
また、抽出した筆記軌跡とデータベースの基準筆記軌跡を比較して文字を特定することにより、入力した文字の認識率を向上させることができる。
【００５９】
また、抽出した筆記軌跡をベクトルとして合成し、合成ベクトルの方向が所定の範囲にあるか否を判別し、合成ベクトルの方向が所定の範囲にない場合に筆記軌跡全体を回転させたり、抽出した筆記軌跡の各々のベクトルの方向を複数の範囲に分類し、各範囲に属したベクトルの数を計数し、各方向の計数値から筆記向きを判別し、判別した結果により筆記軌跡全体を回転させることにより、文字の傾きを抑制することができ、認識率の高い文字を再構成することができる。
【００６０】
さらに、抽出した筆記軌跡の各ベクトルの大きさを所定の大きさと比較し、筆記軌跡のベクトルが小さい場合に、そのベクトルの数を計数しないことにより、文字の向きの判別をより確実にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例のペン型入力装置の構成図である。
【図２】上記実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図３】上記実施例で入力した文字と再構成した文字を示す説明図である。
【図４】第２の実施例のペン型入力装置の構成図である。
【図５】第２の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図６】第３の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図７】第３の実施例の動作を示す説明図である。
【図８】第４の実施例のペン型入力装置の構成図である。
【図９】第４の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図１０】第５の実施例のペン型入力装置の構成図である。
【図１１】第５の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図１２】第６の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図１３】第７の実施例のペン型入力装置の構成図である。
【図１４】第７の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図１５】第８の実施例のペン型入力装置の構成図である。
【図１６】第８の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図１７】マーカを有するペンの斜視図である。
【図１８】ペングリップを有するペンの斜視図である。
【図１９】圧力検出素子を有するペンの斜視図である。
【図２０】第９の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図２１】第１０の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図２２】第１０の実施例の動作を示す説明図である。
【符号の説明】
１ ペン型入力装置
２ ペン
３ ジャイロ
４ 感圧スイッチ
５ 演算部
７ 軌跡算出部
８ 筆跡抽出部８
１２ 停止判別部
１３ 加速度センサ
１４ ペン先力センサ
【発明の属する技術分野】
この発明は、コンピュータシステムにおけるカーソル移動や文字，図形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】
コンピュータの入力装置としては、キーボードやマウス，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。近年、コンピュータの小型化に伴い携帯端末装置のニーズが高まり使用者も増加している。携帯端末装置の入力装置としてキーボードを使用するためには、キーボードを小型化する必要があるが、キーボードの小型化にはヒューマンインタフェースの点で限界があり、携帯端末装置の入力装置においては不利な点が多く実用性が低い。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、文字や図形の入力には適さないという短所がある。このため小型の携帯型端末装置において、文字や図形の入力装置としてはタブレットとペンを組み合わせたペン型入力装置が多く採用されている。しかし、タブレットの大きさが問題になり、より小型化することは困難である。そこでペンにセンシング機能を付与して、タブレットを使用しないペン型入力装置が提案されている。
【０００３】
例えば特開平６−44005号公報に示されたペン型入力装置は３軸各方向の加速度センサとジャイロによりペン先の筆記位置検出するようにしている。特開平６−67799号公報に示されたペン型入力装置は２つの加速度センサと１つのジャイロを設け、ジャイロによりペン軸のローテーションを検出し、このローテーションを考慮に入れ、ペンに互いに直交して設けられた一対の加速度センサから得られた加速度データをそれぞれ時間で２回積分して距離データに変換して座標化している。特表平８−508354号公報に示されたペン型入力装置は３つの加速度センサを設け、加速度信号の特徴からストロークの特徴を認識し、認識したストロークを重ねていって筆記軌跡を描くようにしている。
【０００４】
また、特開平８−44489号公報や特開平８−063282号公報に示されたポインティング装置は水平方向と垂直方向の角速度を検出する２つのジャイロから出力する角速度を積分して水平移動量と垂直移動量を算出するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開平６−44005号公報に示され装置は加速度センサ取付位置が考慮されていないため、ペンの傾斜運動による加速度がペン先の筆記加速度に紛れ込み、正確な筆記軌跡を求めることは困難である。また、特開平６−67799号公報に示された装置ではペン軸のローテーションを検出することはできるが、通常の筆記動作で空間的にペン自体の姿勢がダイナミックな傾斜を伴う場合を考慮していないため、通常の筆記動作に適用することは困難である。特表平８−508354号公報に示された装置はストロークの認識過程が入るので厳密な意味では筆記軌跡を再現することは困難である。
【０００６】
この発明はかかる短所を改善し簡単な構成で文字や図形を再構成できる小型のペン型入力装置を得ることを目的とするものである。
【０００７】
【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、ペン軸に垂直で異なる検出軸を有し、ペン軸を基準としたセンサ座標系の前記異なる検出軸周りの角速度を検出するジャイロと、ペン先と紙面の接触を検出する紙面接触判別手段及び演算部とを有し、前記演算部は、前記紙面接触判別手段でペン先と紙面とが接触していることを検出しているときに、前記ジャイロが検出した角速度信号からペン先と紙面の摩擦により生じる高周波振動を取り出してペン先が紙面上で停止しているか移動しているかを判別し、前記ジャイロが検出した角速度を時間積分し、時間積分した結果と、ペン先が停止しているときはペン軸の回転中心をペン先とし、ペン先が移動しているときはペン軸の回転中心をペンの支持点としたペン軸の回転中心からペン先までの距離とからペン先の筆記動作中における時間毎に紙面の重力方向を基準とした重力座標系における直交する２軸の座標を検出してペン先による２次元の軌跡を求め、求めた２次元の軌跡と検出したペン先と紙面とが接触している部分から筆記軌跡を抽出することを特徴とする。
【０００８】
前記異なる検出軸周りの角速度を検出するジャイロは、ペン軸に垂直で異なる検出軸を有する２つのジャイロを有し、各検出軸は直交して配置されていることが望ましい。
【０００９】
さらに、前記異なる検出軸周りの角速度を検出するジャイロは、検出軸の異なる３つのジャイロを有し、１つのジャイロの検出軸をペン軸と一致させても良い。
【００１４】
また、前記異なる検出軸周りの角速度を検出するジャイロは、検出軸の異なる３つのジャイロを有し、１つのジャイロの検出軸をペン軸と一致させても良い。さらに、３つのジャイロの検出軸を互いに直交して配置することが望ましい。
【００１５】
また、前記ジャイロの検出軸を示す印を少なくとも１つはペンに設けたり、ペンを持つ角度を限定するグリップをペンに設けたり、ペンを持つ位置を検出する検出素子をペングリップ部に設けると良い。
【００１６】
また、前記ジャイロが検出した角速度信号と加速度センサが検出した加速度信号又はジャイロが検出した角速度信号とペン先に設けたに力センサが検出した信号からペン先が停止しているか移動しているかを判定することが望ましい。
【００１７】
さらに、抽出した筆記軌跡とデータベースの基準筆記軌跡を比較して文字を特定すると良い。
【００１８】
また、抽出した筆記軌跡をベクトルとして合成し、合成ベクトルの方向が所定の範囲にあるか否を判別し、合成ベクトルの方向が所定の範囲にない場合に筆記軌跡全体を回転させるようにしても良い。さらに、抽出した筆記軌跡の各々のベクトルの方向を複数の範囲に分類し、各範囲に属したベクトルの数を計数し、各方向の計数値から筆記向きを判別し、判別した結果により筆記軌跡全体を回転させるようにしても良い。この場合、抽出した筆記軌跡の各ベクトルの大きさを所定の大きさと比較し、筆記軌跡のベクトルが小さい場合に、そのベクトルの数を計数しないことが望ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
この発明のペン型入力装置のペンは２個のジャイロとペン先と紙面との接触の有無を検出する感圧スイッチを有する。演算部には各ジャイロ３Ｘ，３Ｙに接続されたローパスフィルタ（ＬＰＦ）と、各ＬＰＦからの信号を入力するＡ／Ｄ変換器と、各Ａ／Ｄ変換器からの信号を入力して２次元の軌跡を算出する軌跡算出部及び軌跡算出部で算出した軌跡と感圧スイッチで判定したペン先と紙面との接触位置から筆跡軌跡を抽出する筆跡抽出部を有する。
【００２０】
上記のように構成されたペン型入力装置のペンで筆記動作中に２個のジャイロでペン軸と直交する軸周りの角速度を検出する。この２個のジャイロで検出した角速度信号を演算部に送りノイズ除去用のＬＰＦを通したのち、Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換して軌跡算出部に送る。軌跡算出部は送られた角速度を時間積分して、時間積分した結果とペンの回転中心からペン先までの距離からペン先の筆記動作中の軌跡を求め筆記軌跡抽出部に送る。筆記軌跡抽出部は送られた２次元の軌跡と感圧スイッチで検出したペン先と紙面とが接触している部分から実際の筆跡軌跡を抽出して文字や図形を再構成する。このようにして簡単なペンを使用して入力した文字や図形を再構成することができる。
【００２１】
【実施例】
図１はこの発明の一実施例のペン型入力装置の構成図である。図に示すように、ペン型入力装置１のペン２は内部に２個のジャイロ３Ｘ，３Ｙとペン２のペン先２１と紙面との接触の有無を検出する感圧スイッチ４を有する。このペン２の座標系としては重力方向をＺＧ方向とする直交座標である重力座標系（ＸＧ，ＹＧ，ＺＧ）と、ペン２のペン軸をＺＳ方向とする直交座標であるセンサ座標系（ＸＳ，ＹＳ，ＺＳ）を想定する。ジャイロ３Ｘはセンサ座標系のＸＳ軸周りを入力軸としてペン２の角速度を検出し、ジャイロ３Ｙはセンサ座標系のＹＳ軸周りを入力軸としてペン２の角速度を検出する。このジャイロ３Ｘ，３Ｙは互いに直交したＸＳ軸とＹＳ軸軸上に取付けた方が処理が楽になるので好ましいが、設計上の制約がある場合は直交させなくても良い。この場合は取付け角度から角速度成分を分解すれば良い。ここでジャイロ３Ｘ，３Ｙはスケールファクタ（回転運動の正確さ）とドリフトレール（出力オフセットの安定度）が良好で、小型のものであれば良く、回転ジャイロや振動ジャイロ，光学式ジャイロ等いずれの方式のものでも良い。
【００２２】
ペン型入力装置１の演算部５は図２のブロック図に示すように、ジャイロ３Ｘ，３Ｙに接続されたローパスフィルタ（ＬＰＦ）５１，５２と、ローパスフィルタ５１，５２からの信号を入力するＡ／Ｄ変換器６１，６２と、Ａ／Ｄ変換器６１，６２からの信号を入力して２次元の軌跡を算出する軌跡算出部７及び軌跡算出部７で算出した軌跡と感圧スイッチ４で検出したペン先２１と紙面とが接触している部分から筆跡軌跡を抽出する筆跡抽出部８を有する。
【００２３】
上記のように構成されたペン型入力装置１のペン２で筆記動作中のペン２の運動を回転運動と平行移動に分解すると、ペン２の支持点を中心とした回転運動で行われる成分が多く、この回転運動だけでもある程度の文字が再現できる。そこでペン２で筆記動作中にジャイロ３Ｘ，３Ｙでセンサ座標系のＸS軸周りの角速度ωxとＹS軸周りの角速度ωyを検出する。このジャイロ３Ｘ，３Ｙが検出する角速度ωx，ωyは、重力座標系（ＸG，ＹG，ＺG）における筆記軌跡Ｘ(t)，Ｙ(t)の時間変化と下記（１）式に示す関係がある。
【００２４】
【数１】
ここで、Ｌはペンの支持点である回転中心からペン先２１までの距離である。また、軸の回転方向と速度方向の関係からＹ(t)の時間変化にはマイナス符号が付く。
【００２６】
このジャイロ３Ｘ，３Ｙで検出した角速度信号ωx，ωyを演算部５に送りノイズ除去用のＬＰＦ５１，５２を通したのち、Ａ／Ｄ変換器６１，６２でＡ／Ｄ変換して軌跡算出部７に送る。軌跡算出部７は送られた角速度ωx，ωyを時間積分して、時間積分した結果とペン２の回転中心からペン先２１までの距離Ｌからペン先２１の筆記動作中の各時間毎のペン先２１のＸG座標とＹG座標とを検出してペン先２による２次元の軌跡を求め筆記軌跡抽出部８に送る。筆記軌跡抽出部８は送られた２次元の軌跡と感圧スイッチ４で検出したペン先２１と紙面とが接触している部分から実際の筆跡軌跡を抽出して文字や図形を再構成する。ここでペン２の回転中心からペン先２１までの距離Ｌの値が変わっても、文字や図形の大きさが拡大又は縮小されるだけであるから距離Ｌとしては適当な値を用いれば良い。
【００２７】
このようにしてペン型入力装置１のペン２で実際に筆記した文字とペン型入力装置１で再構成した文字を図３に示す。図３において（ａ）は実際に筆記した文字、（ｂ）は距離Ｌ＝10cmとしてペン型入力装置１で再構成した文字を示す。図３（ｂ）に示すように、ペン型入力装置１で再構成した文字は筆記動作の平行移動成分を検出していないので、完全な軌跡を再現することはできないが、読める程度に再現することができる。このようにして簡略な構成で、筆記文字を再現することができ、ペン型入力装置１を小型化して軽量化し使い易くすることができる。
【００２８】
上記実施例は感圧スイッチ４でペン先２１が紙面に接触しているか否を検出した場合について説明したが、光学式スイッチ等でペン先２１が紙面に接触しているか否を検出しても良い。
【００２９】
また、上記実施例は感圧スイッチ４等でペン先２１が紙面に接触しているか否を検出した場合について説明したがペン先２１が紙面に接触していることをジャイロ３Ｘ又はジャイロ３Ｙで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動を取り出してペン先２１が紙面に接触しているか否を判別するようにしても良い。この第２の実施例のペン型入力装置１のペン２には、図４に示すように、ジャイロ３Ｘ，３Ｙを有し、演算部５には図５のブロック図に示すように、ＬＰＦ５１，５２とＡ／Ｄ変換器６１，６２と軌跡算出部７及び筆跡抽出部８の他にジャイロ３Ｙからの信号を入力するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）９と検波回路１０と比較器１１を有する。ＢＰＦ９は例えば下のカットオフ周波数80Ｈｚと上のカットオフ周波数200Ｈｚを有する。
【００３０】
そしてジャイロ３Ｘ，３Ｙで検出した角速度信号ωx，ωyを演算部５に送りノイズ除去用のＬＰＦ５１，５２を通したのち、Ａ／Ｄ変換器６１，６２でＡ／Ｄ変換し、軌跡算出部７で角速度ωx，ωyを時間積分して、時間積分した結果とペン２の回転中心からペン先２１までの距離Ｌからペン先２１ペン先２による２次元の軌跡を求め筆記軌跡抽出部８に送る。一方、ジャイロ３Ｙで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動をＢＰＦ９で取り出して検波回路１０と比較器１１を通してペン先２１が紙面に接触している部分を判別する。筆記軌跡抽出部８は軌跡算出部７から送られた２次元の軌跡と紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動から判別したペン先２１と紙面との接触部分から実際の筆跡軌跡を抽出して文字や図形を再構成する。このようにしてより簡単なペン２を使用することにより入力した文字や図形を再構成することができる。
【００３１】
上記実施例は感圧スイッチ４等でペン先２１が紙面に接触しているか否を検出したり、ペン先２１が紙面に接触していることをジャイロ３Ｘ又はジャイロ３Ｙで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動を取り出してペン先２１が紙面に接触している部分を判別する場合について説明したが、図６のブロック図に示すように、ペン先２１が紙面に接触していることを感圧スイッチ４の出力及びジャイロ３Ｘ又はジャイロ３Ｙで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動の両方から検出し、停止判別部１２でペン先２１が停止しているか移動しているかを判別するようにしても良い。
【００３２】
このようにペン先２１が紙面に接触していることを感圧スイッチ４の出力及びジャイロ３Ｘ又はジャイロ３Ｙで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動の両方から検出することにより、ペン先２１が紙面で停止していることを検出することができ、ペン先２１を中心とした回転運動とペン２の支持点を中心とした回転運動を使い分けることができる。例えば図７の模式図に示すように、紙面と垂直な方向を回転軸としてペン２が回転しているとき、図７（ａ）に示すようにペン２の支持点２２を中心として回転している場合と、図７（ｂ）に示すようにペン先２１を中心として回転している場合、ジャイロ３Ｘ，３Ｙの出力は同じである。上記各実施例では、図７（ａ）に示すようにペン２の支持点２２を中心とした回転運動として扱ってきたが、実際には、入力する文字や図形の線の終わりや線の向きを変えるときなどではペン先２１を中心に支持点（手）の方が動いている場合がある。そこで停止判別部１２は感圧スイッチ４の出力によりペン先２１が紙面に接触していることを検出しているときに、ジャイロ３Ｘ又はジャイロ３Ｙで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動からペン先２１が停止しているか移動しているかを判別する。このようにしてペン先２１を中心とした回転運動とペン２の支持点を中心とした回転運動を使い分けることにより文字の再現性を向上することができる。
【００３３】
上記各実施例はペン２にジャイロ３Ｘ，３Ｙを設け、ペン２のＸｓ軸周りとＹｓ軸周りの角速度を検出した場合について説明したが、ペン２のＺｓ軸周りの角速度も検出するようにしても良い。このペン２のＺｓ軸周りの角速度も検出する場合の第４の実施例のペン２には、図８の構成図に示すように、３個のジャイロ３Ｘ，３Ｙ，３Ｚとペン２のペン先２１と紙面の接触を判定する感圧スイッチ４を有する。ジャイロ３Ｚはペン２のＺｓ軸周りの角速度ωｚを検出する。演算部５には、図９のブロック図に示すように、ジャイロ３Ｘ，３Ｙ，３Ｚに接続されたＬＰＦ５１，５２，５３と、ＬＰＦ５１，５２，５３からの信号を入力するＡ／Ｄ変換器６１，６２，６３と、Ａ／Ｄ変換器６１，６２，６３からの信号を入力して２次元の軌跡を算出する軌跡算出部７１及び軌跡算出部７１で算出した軌跡と感圧スイッチ４で判定したペン先２１と紙面とが接触している部分から筆跡軌跡を抽出する筆跡抽出部８を有する。
【００３４】
上記のように構成したペン型入力装置１の軌跡算出部７１の動作を説明する。ペン２で筆記動作中にジャイロ３Ｘ，３Ｙ，３Ｚでセンサ座標系のＸｓ軸周りの角速度ωｘとＹｓ軸周りの角速度ωｙとＺｓ軸周りの角速度ωｚを検出してＬＰＦ５１，５２，５３とＡ／Ｄ変換器６１，６２，６３を通して軌跡算出部７１に送る。軌跡算出部７１は初期の姿勢角である回転ベクトルをφ０（０，０，０）に近似する。そして前の時刻（ｎ−１）の回転角ベクトルφｎ−１とジャイロ３Ｘ，３Ｙ，３Ｚで検出した角速度ω（ωｘ，ωｙ，ωｚ）より現在の時刻ｎの回転角ベクトルφｎを求める。回転角ベクトルφｎは下記（２）式の微分方程式で表される。この（２）式を離散系で積分すると（３）式が得られる。（３）式においてｔ０はサンプリング周期である。
【００３５】
【数２】
この回転角ベクトルφnを基にペン先２１の位置を重力座標系（ＸG，ＹG，ＺG）で表す。ここでペン２の回転中心２２を原点にとり、ペン先２１の先端までの距離をＬとすると、図８に示すセンサ座標系（ＸS，ＹS，ＺS）でペン先２１の先は座標（０，０，Ｌ）と表せる。これを回転角ベクトルφnから求めた座標変換行列ＣG Sで重力座標系（ＸG，ＹG，ＺG）に変換すれば良い。この座標変換行列ＣG Sを求めるには下記（４）式と（５）式で表されるパラメータ（χ，ρx，ρy，ρz）に変換した後、下記（６）式より算出する。（６）式において、ｉG，ｊG，ｋGはＸG軸とＹG軸とＺG軸の重力座標系単位ベクトル、ｉS，ｊS，ｋSはＸS軸とＹS軸とＺS軸のセンサ系座標単位ベクトルである。
【００３７】
【数３】
センサ座標系のペン先２１の先端の座標（０，０，Ｌ）を座標変換行列Ｃ（Ｇ−Ｓ）で変換すると、ペン先の軌跡（Ｘ，Ｙ）は下記（７）式で表すことができる。実際には、座標変換行列ＣG Sを全て計算する必要はないので、（４）式と（５）式及び（７）式を計算すれば良い。
【００３９】
【数４】
この演算により筆記動作の回転運動をペン２の姿勢変化（座標変換行列の変化）で表すことができ、ペン軸周りの回転も再現できて、より正確な文字を再構成することができる。
【００４１】
上記第４の実施例は感圧スイッチ４等でペン先２１が紙面に接触しているか否を検出した場合について説明したが、図１０のペン２の構成図と図１１の演算部５の構成を示すブロック図に示すように、感圧スイッチ４の出力の代わりにペン先２１が紙面に接触していることをジャイロ３Ｘ，３Ｙ，３Ｚのいずれかで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動を取り出して判別するようにしても良い。
【００４２】
また、図１２のブロック図に示すように、ペン先２１が紙面に接触していることを感圧スイッチ４の出力及びジャイロ３Ｘ，３Ｙ，３Ｚのいずれかで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動の両方から検出し、停止判別部１２でペン先２１が停止しているか移動しているかを判別するようにしても良い。
【００４３】
上記実施例はジャイロ３Ｘ，３Ｙ，３Ｚのいずれかで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先２１の摩擦によって生じる高周波振動によりペン先２１が停止しているか移動しているかを判別する場合について説明したが、図１３のペン２の構成図と図１４の演算部５のブロック図に示すように、ペン２に加速度センサ１３を設け、加速度センサ１３から出力する信号からペン先２１が停止しているか移動しているかを判別するようにしても良い。この場合、加速度センサ１３はジャイロよりも周波数帯域が広いものが多く、容易に安く手に入る。この加速度センサ１３を使用することによりジャイロ３Ｘ，３Ｙ，３Ｚに要求される周波数帯域は筆記運動の数10Ｈｚで良く、選択するジャイロの自由度を広げて安いジャイロを使用できる。
【００４４】
また、振動を検出する場合、速度は振幅と角速度の積が検出出力となり、加速度は振幅と角速度の自乗の積が検出出力になるから、摩擦信号のような高周波の場合は加速度の方が大きな信号を検出でき、検出が容易である。したがって、ペン先２１が停止しているか移動しているかの検出精度と安定性を向上させることができ、再構成した文字の精度も向上し安定した動作を実現することができる。
【００４５】
また、図１５のペン２の構成図と図１６の演算部５のブロック図に示すように、感圧スイッチ４の代わりにペン先力センサ１４を設け、ペン先力センサ１４で紙面からの反力を検出して、ペンダウン判定部１５でペン先２１が紙面に接触しているかどうかとペン先２１が停止しているか移動しているかを判別することにより、上記加速度センサ１３を設けた場合と同様にして選択するジャイロの自由度を広げることができる。また、ペン先力センサ１４で直接振動を検出するから検出精度と安定性を向上させることができる。
【００４６】
上記各実施例に示したペン型入力装置１において、再構成する文字はペン２を持つ向きすなわちペン軸周りの回転によって傾いたものになる。文字が見やすく再構成されるためにはペン２を持ったときに、センサ座標系のＸS軸が紙面上の重力座標系のＸG軸と同じ方向を向く必要がある。そこでペン２に、図１７に示すようにセンサ座標系のＸS軸方向とＹS軸方向の検出軸を特定するマーカ２３，２４を設け、紙面の見やすい方向において右手方向をＸG方向と考え、ペン２を持ったときにＸS軸方向のマーカ２３がＸG方向を向くようにすることにより、ペンを持つ角度を分かり易くでき、再構成した文字が傾くことを防止できる。
【００４７】
また、図１８に示すようにペン２を持つ角度を限定する例えば３角形状のグリップ２５を設けて、ペン２を持ったときの親指と人差し指及び中指の位置を明示して、ペン２を持つ角度を限定することにより、再構成した文字が傾くことを防ぐことができる。さらに、図１９に示すように、ペン２のグリップ部に、ペン２を持つ角度を圧力検出素子２６をアレイ状に並べて配置し、圧力検出素子２６で指の当たる位置を検出し、この圧力分布よりペン２を持つ角度を特定するようにして、センサ座標系を回転させておくことにより初期の姿勢角を調整するのと同様に再構成した文字が傾くことを防ぐことができる。
【００４８】
上記各実施例は軌跡算出部７，７１で算出した軌跡とペン先２１と紙面とが接触している部分から筆跡軌跡抽出部８で実際の筆跡軌跡を抽出して文字や図形を再構成する場合について説明したが、図２０のブロック図に示すように、演算部５にデータベース（辞書）１６と筆記軌跡比較部１７を設け、筆記軌跡比較部１７で筆跡軌跡抽出部８で抽出した筆跡軌跡とデータベース１６の基準筆記軌跡と比較して基準筆記軌跡に最も近い文字コードを選び出すようにしても良い。このうにして基準筆記軌跡に最も近い文字コードを選び出すことにより、正確な文字を再構成することができ、認識率を高めることができる。ここでデータベース１６は従来のタブレットで使用するものが使え、筆跡軌跡比較部１７はいわゆるＤＰマッチング等タブレットで使用される種々の手法を使用できる。
【００４９】
さらに、図２１のブロック図に示すように、演算部５に筆跡軌跡認識部１８を設け、筆跡軌跡認識部１８は筆記軌跡抽出部８で抽出した筆跡軌跡の各ストロークをベクトルとして合成し、合成ベクトルの方向が所定の範囲にあるか否を判断し、合成ベクトルの方向が所定の範囲にない場合に、筆記軌跡全体を回転させるようにすると、再構成した文字の傾きを抑制することができる。例えば図２２に示すように日本語の場合、大まかにいうと文字は左から右と上から下へ構成されている。したがって、幾つかのストロークは異なる方向例えば下から上に向いたとしても、文字の大部分のストロークは第４象限の周辺範囲に入る。そこで図２２に示す文字を再構成するときに、筆跡軌跡の各ストロークをベクトルａ，ｂ，ｃとして合成し、合成ベクトルｄが例えば第２象限を向いている場合、合成ベクトルｄが第４象限に入るように再構成する文字の座標を回転させる。このようにして文字の傾きを修正して再構成するから、認識率を大幅に向上させることができるとともに、ペン２の向きを考慮せずに使用でき操作を向上することができる。
【００５０】
また、この場合、算出した各ストロークのベクトルの方向をいくつかの範囲に分類し、各範囲に属したベクトルの数を計数して、各方向の計数値から筆記向きを判別するようにしても良い。すなわち日本語文字は横線と縦線が多く、画数が多い場合、横線と縦線周辺のベクトルの分布が多くなる。したがって画数が多い場合、各範囲に属したベクトルの数の分布から再構成する文字の向きが推測できる。この向きを推測した文字の最も多くのベクトルの分布が横線と縦線周辺の範囲に入るように座標を変換することにより文字の傾きを抑制することができる。
【００５１】
この場合、ストロークのベクトルを分類する際に、ストロークの長さ（ベクトルの長さ）が所定の長さより短い場合は、分布の計数から除外すると良い。すなわち、点列のような細かいストロークは、文字を書くときに方向が乱れやすいことを反映させたものであり、文字の特徴というよりは、筆記する人の筆記動作の特徴を表す。これを除外することにより、文字を構成する横線と縦線を強調して、文字の向きの判別をより確実にする。
【００５２】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、異なる検出軸を有する２つのジャイロ又は３つのジャイロが検出した角速度から紙面上の軌跡を算出し、算出した軌跡とペン先と紙面とが接触している部分から筆記軌跡を抽出するから、簡略な構成でペンの筆記軌跡の概略を再構成できるとともにペン型入力装置を小型化することができ、装置の価格を低減して使い勝手を向上させることができる。
【００５４】
さらに、ジャイロで検出している角速度信号に含まれる紙とペン先の摩擦によって生じる高周波振動からペン先が停止しているか移動しているかを判別することにより、ペン先を中心とした回転運動とペンの支持点を中心とした回転運動を使い分けることができ、文字の再現性をより向上することができる。
【００５５】
また、２つのジャイロ又は３つのジャイロの検出軸を直交して配置することにより、ペンによる軌跡を簡単な処理で算出することができる。
【００５６】
また、ジャイロの検出軸を示す印を少なくとも１つはペンに設けたり、ペンを持つ角度を限定するグリップをペンに設けたり、ペンを持つ位置を検出する検出素子をペングリップ部に設けることにより、ペンを持つ角度を分かり易くでき、再構成した文字が傾くことを防止することができる。
【００５７】
さらに、ジャイロが検出した角速度信号と加速度センサが検出した加速度信号又はジャイロが検出した角速度信号とペン先に設けたに力センサが検出した信号からペン先が停止しているか移動しているかを判定することにより、使用するジャイロの選択の自由度を広げて安いジャイロを使用できるとともにペン先が停止しているか移動しているかの検出精度と安定性を向上させることができ、再構成した文字の精度も向上し安定した動作を実現することができる。
【００５８】
また、抽出した筆記軌跡とデータベースの基準筆記軌跡を比較して文字を特定することにより、入力した文字の認識率を向上させることができる。
【００５９】
また、抽出した筆記軌跡をベクトルとして合成し、合成ベクトルの方向が所定の範囲にあるか否を判別し、合成ベクトルの方向が所定の範囲にない場合に筆記軌跡全体を回転させたり、抽出した筆記軌跡の各々のベクトルの方向を複数の範囲に分類し、各範囲に属したベクトルの数を計数し、各方向の計数値から筆記向きを判別し、判別した結果により筆記軌跡全体を回転させることにより、文字の傾きを抑制することができ、認識率の高い文字を再構成することができる。
【００６０】
さらに、抽出した筆記軌跡の各ベクトルの大きさを所定の大きさと比較し、筆記軌跡のベクトルが小さい場合に、そのベクトルの数を計数しないことにより、文字の向きの判別をより確実にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例のペン型入力装置の構成図である。
【図２】上記実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図３】上記実施例で入力した文字と再構成した文字を示す説明図である。
【図４】第２の実施例のペン型入力装置の構成図である。
【図５】第２の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図６】第３の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図７】第３の実施例の動作を示す説明図である。
【図８】第４の実施例のペン型入力装置の構成図である。
【図９】第４の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図１０】第５の実施例のペン型入力装置の構成図である。
【図１１】第５の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図１２】第６の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図１３】第７の実施例のペン型入力装置の構成図である。
【図１４】第７の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図１５】第８の実施例のペン型入力装置の構成図である。
【図１６】第８の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図１７】マーカを有するペンの斜視図である。
【図１８】ペングリップを有するペンの斜視図である。
【図１９】圧力検出素子を有するペンの斜視図である。
【図２０】第９の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図２１】第１０の実施例の演算部の構成を示すブロック図である。
【図２２】第１０の実施例の動作を示す説明図である。
【符号の説明】
１ ペン型入力装置
２ ペン
３ ジャイロ
４ 感圧スイッチ
５ 演算部
７ 軌跡算出部
８ 筆跡抽出部８
１２ 停止判別部
１３ 加速度センサ
１４ ペン先力センサ
Claims (13)
- ペン軸に垂直で異なる検出軸を有し、ペン軸を基準としたセンサ座標系の前記異なる検出軸周りの角速度を検出するジャイロと、ペン先と紙面の接触を検出する紙面接触判別手段及び演算部とを有し、
前記演算部は、前記紙面接触判別手段でペン先と紙面とが接触していることを検出しているときに、前記ジャイロが検出した角速度信号からペン先と紙面の摩擦により生じる高周波振動を取り出してペン先が紙面上で停止しているか移動しているかを判別し、前記ジャイロが検出した角速度を時間積分し、時間積分した結果と、ペン先が停止しているときはペン軸の回転中心をペン先とし、ペン先が移動しているときはペン軸の回転中心をペン軸の支持点としたペンの回転中心からペン先までの距離とからペン先の筆記動作中における時間毎に紙面の重力方向を基準とした重力座標系における直交する２軸の座標を検出してペン先による２次元の軌跡を求め、求めた２次元の軌跡と検出したペン先と紙面とが接触している部分から筆記軌跡を抽出することを特徴とするペン型入力装置。 - 前記異なる検出軸周りの角速度を検出するジャイロは、ペン軸に垂直で異なる検出軸を有する２つのジャイロを有し、各検出軸は直交して配置されている請求項１記載のペン型入力装置。
- 前記異なる検出軸周りの角速度を検出するジャイロは、検出軸の異なる３つのジャイロを有し、１つのジャイロの検出軸をペン軸と一致させた請求項１記載のペン型入力装置。
- 前記３つのジャイロの検出軸を互いに直交して配置した請求項３記載のペン型入力装置。
- 前記ジャイロの検出軸を示す印を少なくとも１つはペン軸に設けた請求項２又は４記載のペン型入力装置。
- 前記ペン軸を持つ角度を限定するグリップをペン軸に設けた請求項２又は４記載のペン型入力装置。
- 前記ペン軸を持つ位置を検出する検出素子をペングリップ部に有する請求項２又は４記載のペン型入力装置。
- 前記ペン軸に加速度センサを設け、前記演算部は、前記ジャイロが検出した角速度信号と前記加速度センサが検出した加速度信号からペン先が紙面上で停止しているか移動しているかを判別する請求項１乃至７のいずれかに記載のペン型入力装置。
- 前記はペン先に力センサを設け、前記演算部は、前記ジャイロが検出した角速度信号と前記力センサで検出した信号からペン先が紙面上で停止しているか移動しているかを判別する請求項１乃至７のいずれかに記載のペン型入力装置。
- 前記抽出した筆記軌跡とデータベースの基準筆記軌跡を比較して文字を特定する請求項１乃至９のいずれかに記載のペン型入力装置。
- 前記抽出した筆記軌跡をベクトルとして合成ベクトルを算出し、算出した合成ベクトルの方向が所定の範囲にあるか否を判別し、合成ベクトルの方向が所定の範囲にない場合に筆記軌跡全体を回転させる請求項１乃至９のいずれかに記載のペン型入力装置。
- 前記演算部は、抽出した筆記軌跡の各々のベクトルの方向を複数の範囲に分類し、各範囲に属したベクトルの数を計数し、各方向の計数値から筆記向きを判別し、判別した結果により筆記軌跡全体を回転させる請求項１乃至９のいずれかに記載のペン型入力装置。
- 前記演算部は抽出した筆記軌跡の各ベクトルの大きさを所定の大きさと比較し、筆記軌跡のベクトルが小さい場合に、各範囲に属したベクトルの数を計数しない請求項１２記載のペン型入力装置。
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