JP6434133B2 - 電子ペンのペン位置を認識および評価する方法、ならびに、電子ペンおよびペン位置を電子的に認識するシステム - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、請求項１の前段に明示された形式の電子ペンの運動パターンおよびペン位置を認識および評価する方法、請求項９の前段に明示された形式の電子ペン、ならびに請求項１０の前段によるシステムに関する。

電子ペンの移動が加速度センサまたは回転速度センサなどの慣性測定システムによって検出される場合、前記センサのデータは、電子ペンの速度信号（第１の積分）または位置信号（第２の積分）を取得するために１回または２回積分されなければならない。電子ペンの慣性測定センサによる加速および／または角速度の測定における僅かな誤差は、１回目の積分の場合に、より大きな速度判定誤差を生じる場合があり、ひいては、速度信号の積分後に位置信号のさらに大きな誤差を生じる場合がある。

起こり得る誤差の発生源は、この場合、数値積分法の固有の不正確のみならず、例えば、測定センサ信号のアナログ／デジタル変換の不正確、例えば温度ドリフトによる零点誤差、ランダム干渉またはシステム固有のノイズ成分も含み得る。

例えば、電子ペンの新たな位置は、以前に確認された位置を出発点として確認されるので、電子ペンの速度および位置の判定の誤差は、さらに累積し、望ましくない形式での電子ペンの移動信号のいわゆるドリフトにつながり得る。

課題
したがって、本発明の課題は、特に電子ペンの移動を検出することができる精度に関連して、特に電子ペンの移動信号における改良されたドリフト補償に関連して、電子ペンを改良することである。

解決手段
本発明によれば、この課題は、請求項１の前段に明示された形式の電子ペンのペン位置を認識および評価する方法、請求項９の前段に明示された形式の電子ペン、ならびに請求項１０の前段によるシステムによって解決される。

有利な実施の形態およびその他の発展形は、従属請求項の内容である。

電子ペンの先端または書込みロッド先端の位置を検出するために、前記ペンには慣性測定センサを設けることができ、これらのセンサの測定データを積分することによって移動を再構成することができる。

二次元の書込み基板への書込み中に慣性測定センサによって電子ペンの移動パターンおよびペン位置を認識および評価するための本発明による方法は、この場合、以下のステップ、すなわち：
書込み基板上の互いに直交する２つの軸Ｘ，Ｙと、二次元の書込み基板に対して垂直な軸Ｚとを最初に指定するステップを含んでもよく、Ｘ軸は、例えば書込み方向または主書込み方向を規定している。つまり、軸Ｘ，Ｙ，Ｚは電子ペンの基準座標系を規定することができる。

書込み基板上の互いに直交する２つの軸、例えば前記Ｘ軸および前記Ｙ軸の前記最初の指定は、書込み基板に対する電子ペンの長手方向軸線の仰角または傾斜角γに関して、および／または、電子ペンの長手方向軸線または電子ペンの長手方向軸線の投影の方位角εに関して、行うことができる。

これにより、軸Ｘ，Ｙは書込み基板平面を規定することができ、書込み基板平面上の位置を、書込み基板座標ｘ，ｙによって表示することができる。

さらに、本発明による前記方法は、出力される電子ペンのペン位置信号における望ましくないドリフトの補償を含んでもよく、以下のステップ、すなわち、
慣性測定センサによって判定された方位角εおよび傾斜角γの値、ならびに、例えば複数の値の所定のインターバルにおいて、慣性測定センサによって判定された方位角εおよび傾斜角γの値の付近にあり得る方位角εおよび傾斜角γの複数の付加的な所定の値について、書込み基板座標ｘ，ｙへの、電子ペンの方位角εおよび傾斜角γの座標変換を並行して行うステップを含み、
Ｚ方向における所定の予想される加速からの、Ｚ方向における電子ペンの確認された加速の最小偏差が達成されるときの方位角εおよび傾斜角γの値の最適な一次結合を求め、
出力されるペン位置信号、例えば、特に出力される電子ペンの加速信号を修正するために、Ｚ方向における所定の予想される加速からの、Ｚ方向における電子ペンの確認された加速の最小偏差を生じる、方位角εおよび傾斜角γの求められた値を選択すること、を含む。

この関連において、ペン位置信号という用語は、電子ペンの位置信号ならびに移動および加速信号を含んでもよい、ということを指摘すべきである。さらに、慣性測定センサという用語は、以下では、互いに直交する３つの空間的方向、加速および／または局所的な磁界の強度および／または回転速度、特に、電子ペンの空間位置角度、例えば方位角εおよび傾斜角γ、を測定することができる、電子ペンの複数の慣性センサを意味する。

方位角εおよび傾斜角γの値の一次結合とは、ここでは、方位角εのそれぞれの値と、傾斜角γのそれぞれの値とを含む一対の値を意味してもよい。

その結果、有利にはかつ好適には、方位角εおよび傾斜角γの値は、方位角εおよび傾斜角γの値の最適な対を見つけるために共通して最適化することができ、その場合、例えばゼロに等しいまたは重力加速度に等しい、Ｚ方向における所定の予想される加速からの、Ｚ方向における電子ペンの確認された加速の最小偏差が、達成される。

択一的に、方位角εおよび傾斜角γの値の独立した個々の最適化も考えられ、これは、反復して行われてもよい。

これにより、予想される加速からの加速の偏差を検出することができ、出力されるペン位置信号における望ましくないドリフトの補償、特に、加速信号スペースにおけるドリフト修正、すなわち電子ペンの書込み基準座標系の空間的方向Ｘ，ＹおよびＺにおける加速信号のドリフト修正、を行うことができる。

最適化の間に検討される値の複数の対のうちの、方位角εおよび傾斜角γの値のそれぞれの対について、書込み基準座標系の３つの空間的方向Ｘ，ＹおよびＺにおける加速を求めることができ、それに基づき、値のそれぞれの対を判定、選択または補間することができ、その場合、例えばゼロに等しいまたは重力加速度に等しい、Ｚ方向における所定の予想された加速からの、Ｚ方向における電子ペンの確認された加速の最小偏差が、達成される。

Ｚ方向におけるこのようにして確認されたまたは修正された加速信号が正しい、すなわち所定の予想された値に対応するならば、他の２つの空間的方向、すなわち書込み基板軸ＸおよびＹにおける加速信号も正しい、すなわち、これらの加速信号は、Ｚ方向における加速信号の修正によって修正されている。

その結果、電子ペンの傾斜角γおよび方位角εの値の最適な一次結合を確認することができ、そのために、Ｚ方向におけるまたはＺ軸に沿った確認された加速において生じる誤差、すなわち、予想される加速のＺ値、例えば、ゼロに等しいまたは重力加速度に等しい、例えば予想される加速のＺ値からの偏差は、最小限になる。

これにより、慣性測定センサによって確認されたＺ方向における加速信号は、方位角εおよび傾斜角γの値の最適な一次結合によって求められた加速信号によって修正することができる。

言い換えれば、座標変換の複数のソリューションは、様々な傾斜角γおよび方位角εについて並行して連続的に実行することができ、予想されるＺ方向での加速のための境界条件を介して、傾斜角γおよび方位角εのための値の最適な対またはおそらく最も正確な対を確認することができ、この値の対は、電子ペンの修正されたペン位置信号および修正された加速信号を計算するために使用することができる。

傾斜角γおよび方位角εの値の最適な一次結合の判定は、例えば、単純なグリッドサーチに基づいてもよく、その場合、傾斜角γおよび方位角εの値は、所定の値インターバルにわたって所定のステップ幅によって変化させられ、傾斜角γおよび方位角εの値が求められ、その場合、Ｚ方向における所定の予想された加速からの、例えば慣性測定センサによって確認されたＺ方向での加速の最小偏差を、達成することができる。

傾斜角γおよび方位角εの最適な一次結合の判定ならびに傾斜角γおよび方位角εの最適な値の判定は、例えば、ガウスの消去法によってまたはその他の最適化アルゴリズムを利用して、例えば、局所的勾配法（例えば、シンプレックス法）によって実行されてもよく、この場合、最適化または最小化される量は、ここでは、Ｚ方向における所定の予想される加速からの、慣性測定センサによって確認されたＺ方向における加速の偏差であってもよい。

このように、出力されるペン位置信号は、測定センサの望ましくないドリフトによって生ぜしめられる起こり得る誤差を排除することによって、有利な形式で修正することができ、特に、電子ペンの確認された傾斜角γが正しいかどうかをチェックすることができる。

例えば、このようにして確認された傾斜角γが正しいとすると、直交する書込み基板座標軸Ｘ，Ｙによって表示される、書込み基板座標ｘ，ｙへの、例えば慣性測定センサによって測定された加速の座標変換後に、書込み基板座標軸Ｘ，Ｙの座標における電子ペンの加速に加えて、書込み基板平面に直交する軸Ｚにおける加速値として、重力加速度の値が取得される。

例えば書込み圧センサによって容易に検出することができるように、ペンの先端がシートまたは書込み基板と接触しているにもかかわらず、Ｚ加速のこのように確認された値が、重力加速度の値から偏差するならば、全ての可能性において、確認された傾斜角γの誤差が生じる。

このような誤差は、例えば、電子ペンの測定センサにおける望ましくないセンサドリフトによって生じることがあるが、ペンおよび書込み基板をそれぞれ包囲する磁界の偏差によって生じることもある。

しかしながら、加速センサデータ、予想されるＺ方向における加速の値および予想される書込み基板座標系におけるＺ信号の積分の前に、測定された加速センサデータから重力加速度が減算されると、または、例えば書込み圧力センサが、書込み基板との接触が生じていることを信号化するならば、理想的にはゼロに等しくなる。

したがって、予想されるＺ値、例えばＺにおける加速の値からの偏差は、例えば測定センサのドリフト誤差によって生ぜしめられた、ペンの位置計算における誤差の表示であり得る。

しかしながら、前記起こり得るドリフト誤差は、少なくとも部分的に、書込み基板座標ｘ，ｙを有する書込み基板平面への、電子ペンの傾斜角γおよび方位角εの前述の座標変換によって、修正および補償することができ、前記座標変換は、方位角εおよび傾斜角γの複数の値について並行して行われ、それに続いて、方位角εおよび傾斜角γの値の一次結合の判定が行われ、その場合、Ｚ方向における確認された加速における誤差が最小となる。

“方位角εおよび傾斜角γの最適な一次結合を求めるための方位角εおよび傾斜角γの複数のまたは多数の値”との表現は、例えば、方位角εおよび傾斜角γの初期値から出発して、方位角εおよび傾斜角γを、例えば、それぞれの初期値の±１０％、±２０％または±３０％のインターバルで変化させることができることを意味してもよい。

方位角εの典型的な初期値は、例えば＋３０°±１０°の値であってもよく、傾斜角γの典型的な初期値は、＋４５°±１０°であってもよい。

方位角εおよび傾斜角γの値の最適な一次結合を求めるために方位角εおよび傾斜角γの値を変化させるための典型的な好適なステップ幅は、ここでは、３°以下、１°以下、または０．１°以下であってもよい。

典型的には、方位角εおよび傾斜角γの最適な一次結合を求めるための最小構成も考えられ、その場合、検討される値は、方位角εおよび傾斜角γの予想値または初期値よりも１°または３°だけ大きいおよび小さい少なくとも１つのそれぞれの値であり、すなわち、方位角εおよび傾斜角γの値の最適な値の対を、少なくとも９対の値から求めるまたは補間することができる。

これは、有利には、例えば、慣性測定センサによって求められた位置角度すなわち方位角εおよび傾斜角γの値の約３°のオーダの誤差、ならびに望ましくないドリフトにより例えば１０〜２５ｍｓの時間インターバルにおいて生じ得るペン位置誤差、を修正または補償することができるために十分であり得る。

慣性測定センサによって確認されたＺにおける書込み先端部の速度成分の修正は、付加的に、例えば、ペンが書込み基板に接触するときのＺ値またはＺにおける速度値をゼロにすることによって、実行されてもよい。

例えば、磁界センサまたは回転速度センサおよびセンサ融合法によって確認された、重力の方向に対する測定センサの向きを有利には確認することもできる。

手および電子ペンそれぞれの全ての移動を十分に正確な形式で検出することができるように、サンプリング周波数が書き手の手の書込み周波数または固有周波数（例えば３Ｈｚ〜７Ｈｚ）よりも高いことを保証するために、電子ペンが使用されているとき、慣性測定センサおよび場合によってはその他のセンサ（例えば書込み力圧力センサ、磁界センサ、回転速度センサなど）が、少なくとも５０ｍｓごとに測定データを取得することができる。

言い換えれば、サンプリング周波数は、ナイキスト−シャノンの定理によって求められた最小サンプリング周波数と等しいかまたはそれよりも高くてもよい。

電子ペンの操作モードに応じて、ペン位置を評価するために使用される座標系は、異なる形式で初期化することができる。ドローイングの場合、書込み基板上の電子ペンの絶対位置（または書込み基板、例えば紙上の基準点に対する位置）を知ることに意味がある場合があるが、電子ペン自体の移動のダイナミックなシーケンスは、例えば筆跡を認識するために既に十分であることができる。

書込み基板上の互いに直交する２つの軸、例えば前記Ｘ軸および前記Ｙ軸の最初の指定は、書込み基板に対する電子ペンの長手方向軸線の仰角または傾斜角γに関して、および／または、電子ペンの長手方向軸線または電子ペンの長手方向軸線の投影の方位角εに関して、行うことができる。

例えば、典型的な書込み姿勢の場合、方位角εとは、指定される座標系のＸ軸と、ペンの長手方向軸線と書込み基板垂線とによって規定される平面が書込み基板平面と交差する交差線と、の間の角度と定義することができる。

書込み基板における指定された第１の座標軸に基づいて、第２の座標軸を、次いで、要求された直交性を介して書込み基板において指定することができ、座標系は、ここでは、左手または右手座標系として選択的に指定可能である。

ペン位置データの記録の開始時、方位角εは、例えば経験的データから求めることができる固定値を有すると仮定することができる。

上述のように、例えば＋３０°±１０°の値が、方位角εの好適な初期値として指定されてもよい。

Ｘ方向が、例えば主書込み方向として規定され、Ｙ方向が、シートの平面上のＸ方向に対して垂直な方向として規定されると、Ｘ方向の平均した一定の運動と、ＸおよびＹ方向での小さな一時的な偏差とを仮定することができる。

ここでは、書込みロッド先端の速度が例えば約１．０±０．５ｍ／ｓであり、この速度は、３〜７Ｈｚの典型的な書込み移動周波数で振動すると仮定することができる。Ｘ方向での平均したまたは予測された書込み速度は、これにより、１．０±０．５ｍ／ｓであってもよく、Ｙ方向での平均した書込み速度は、０ｍ／ｓであってもよい。

前記書込みロッド先端速度を超えたことが確認されると、これも、測定センサにおけるドリフトに寄与し得る。

ドリフトの修正または補償は、例えば、書込みロッド先端位置の可能性チェックによって達成することができる。書込みロッド先端が、例えば、Ｘ軸の下方（すなわち書込み方向の下方）の位置に配置されている場合、次の移動は上方移動であると仮定することができ、位置信号を、例えば、この結果を強制するランプに相関させることができる。

Ｘ位置の信号は、同様に扱うことができる。すなわち、ロングランにおいて予想された値に対する過剰な信号進みまたは信号遅れが存在するならば、この信号も、ランプによって修正することができる。

書込みのプロセスにより、書く人の視点は通常、例えばディスプレイ装置ではなく、書込み基板に向けられるので、数秒は、通常、書き込まれたものを修正するために利用可能である。

これにより、書く人によって認識されることなく、（書込み位置信号の積分結果のゼロシフトに等しい）（例えば二次で増大する）ランプによって、最後の書き込まれた文字を例えば歪めるまたは修正することができる。

書込みプロセスが継続すると、前記方位角εを、検討し、より正確に規定し、例えば、書込み方向軸（例えばＸ軸）に対する生物測定学的傾斜角βに関して、例えば３〜７Ｈｚの書込み移動周波数で行われる書込み運動の主軸を規定することによって、さらに適応させることができる。

前記生物測定学的傾斜角βは、例えば、書き込む手の人差し指の近位指節間関節の回転軸によって指定することができる。

人差し指の近位指節間関節の回転軸は、書き込む手の生体力学によって与えられ、Ｘ軸に対するその向きは、典型的なパラメータであり、そのパラメータによって個々の筆跡を特徴付けることができる。

生物測定学的傾斜角βは、例えばユーザによって、例えば、電子ペンの信号処理ソフトウェアのデフォルト設定において、書込み方向に対する筆跡の所望の傾斜を調節することができるように設定することができる。

書込み方向における平均した一定の移動の速度は、平均した一定の書込み移動の基準速度に対する、再現された筆跡の延長または圧縮のための手段として使用することができる。

書込み方向における平均した一定の移動の速度を改良するために、前記速度は電子ペンのセンサデータから確認され、ユーザは、その人の筆跡の典型である書込み速度初期値、例えば０．１〜２ｃｍ／ｓ、好適には１±０．５ｃｍ／ｓを設定することができる。

出力される電子ペンのペン位置信号における望ましくないドリフトの補償は、付加的に、所定の時間インターバルおよび所定の周波数にわたって、２つの直交する軸Ｘ，Ｙに沿って生じかつ前記測定センサのセンサデータの積分によって書込み中に慣性測定センサによって求められる、ペン移動の移動平均化と、加えて、初期平均および／または前に確認された移動平均との、当該瞬間に確認された移動平均の周期的な比較と、出力されるペン位置信号からの、当該瞬間に確認された移動平均と初期平均との前記比較中に生じる偏差および／または当該瞬間に確認された移動平均と前に確認された移動平均との間に生じる偏差の減算と、を含む。

つまり、前記２つの直交する軸Ｘ，Ｙに沿って当該瞬間に確認されたペン位置信号の平均は、ペン位置信号の予め確認された平均および／または予め指定可能な、予測された出力平均と、連続的に比較することができる。

言い換えれば、ペン位置信号の予め確認されたまたは指定された平均に基づいて仮定された移動、または仮定された書込み移動方向からの、当該瞬間に確認された書込み移動、特に、確認された書込み移動方向の偏差は、ドリフトと解釈することができ、例えばグラフィックディスプレイユニットにペン位置信号、すなわち位置信号を出力する前に、確認されたペン位置信号、すなわち確認された位置値から、減算することができる。

積分によってセンサデータから確認されたペン移動の移動平均が形成される時間インターバルは、ここでは、１秒、２秒または５秒よりも長くてもよい。

電子ペンの位置信号を確認するためにセンサデータを積分する前に、かつ書込み方向、すなわちＸ方向における電子ペンの移動を抽出する前に、ユーザの典型的な書込み移動周波数（３〜７Ｈｚ）よりも高いおよび低い周波数を、高域フィルタおよび低域フィルタによってセンサデータから除去することができる。

言い換えれば、センサデータは、センサデータの積分の前に既にフィルタリングおよびスムージングすることができ、測定センサのドリフト信号は既に、少なくとも部分的に修正および補償することができる。

このスムージングおよびフィルタリングは、センサデータにおけるノイズを低減することができ、これにより、センサデータのよりよい積分を可能にし、積分後におそらく残るかもしれないドリフト信号を低減することができる。

センサデータのフィルタリングは、移動平均化の十分に確立された方法を含んでもよい。高速フーリエ変換などの従来のフィルタリング技術の使用に加えて、例えば、有利な数値変換が、特にウェーブレットフィルタを介して実行されてもよい。良好な成功が、ここでは既に、ハールウェーブレットなどの単純な基本パターンまたは基本ウェーブレットによって達成することができる。

説明の完全を期するため、書込み移動が二次元の書込み基板面、例えば紙のシート上で実行される場合には、シートの平面に対して垂直な方向でのドリフトを即座に検出し、容易に補償することができるということを指摘すべきである。

シートの平面に対して垂直な検出されたドリフトからの情報は、加えて、電子ペンの空間的位置検出において生じる誤差を修正するために使用されてもよい。

書込み方向に対する、出力されるペン位置信号における望ましくないドリフトの判定および補償をサポートする付加的な値は、例えば書込みロッドに接続された書込み力圧力センサによって提供される書込み圧力信号を例えば付加することによって取得することができる。

短い（例えば０．３秒よりも短い）高圧パルスは、通常、（一文の最後または文字ｉの上部の点における）完全な停止／点の結果であり、その場合、ペンの先端は、それぞれの瞬間に静止し、すなわち、ペンの先端は、書込み基板平面において移動しない。

例えば完全停止／点の上述のセッティングから生じる、書込み基板平面に対する電子ペンの書込みロッド先端の静止のこの時点において、ＸおよびＹ方向におけるドリフトを、積分された速度信号から局所的に読み取ることができ、出力されるペン位置信号をこのように修正することができる。

さらに、確認されたペン位置信号の筆跡の傾斜を修正することができ、すなわち、筆跡の確認された傾斜の誤差または筆跡傾斜信号の望ましくないドリフトは、筆跡の確認された傾斜を、筆跡の仮定された傾斜と比較することによって、修正および補償することもできる。前記比較によって生じた起こり得る偏差は、次いで、ペン位置信号、すなわち位置信号が、確認されたペン位置信号、すなわち確認された位置値の適切な変換によって出力される前に、修正することができる。

仮定されたまたは望まれる筆跡傾斜は、ここでは、例えば、ユーザによって、例えば、電子ペンのデジタル制御ユニットのための入力としてまたはデータ評価ユニットのためのパラメータとして、プリセットされてもよい。仮定されたまたは望まれる筆跡傾斜は、ここでは、ユーザの筆跡の特徴的な傾斜であると考えられてもよい。

前記仮定されたまたは望まれる筆跡傾斜は、ここでは、書き込む手の書込み周波数または固有周波数（３Ｈｚ〜７Ｈｚ）における電子ペン書込み移動の方向の周波数分布の好適な方向に関する分析から生じてもよく、例えば、文字軸線と、書込み方向軸線、例えばＸ軸との間の角度などの、書込みの好適な方向の方向角度ηによって特徴付けることができる。

確認された好適な方向と、筆跡の所望の傾斜との間の角度は、次いで、筆跡の傾斜を補償するための基礎として使用することができる。このために、書込み方向に沿った書き込まれた線の筆跡を含み、かつ次いで所望の筆跡傾斜補償角度によってせん断することができる矩形をまず指定することができる。

加えて、空間における電子ペンの傾斜、すなわち、既に上記で紹介した傾斜角γは、磁界センサおよび回転速度センサによって測定することができる。

例えば、このようにして取得された傾斜角γが正しいとすると、直交する書込み基板座標軸Ｘ，Ｙによって表示される、書込み基板座標ｘ，ｙへの、例えば慣性測定センサによって測定された加速の座標変換後に、書込み基板座標軸Ｘ，Ｙの座標における電子ペンの加速に加えて、Ｚ方向における加速の所定の予想された値として、例えば重力加速度の値が取得される。

例えば書込み圧センサによって容易に検出することができるように、例えばペンの先端がシートまたは書込み基板と接触しているにもかかわらず、例えば、Ｚ加速のこのように確認された値が、重力加速度の値から偏差するならば、全ての可能性において、確認された傾斜角γの誤差が生じる。このような誤差は、例えば、電子ペンの測定センサにおける望ましくないセンサドリフトによって生じることがあるが、例えば、ペンおよび書込み基板をそれぞれ包囲する磁界の偏差によって生じることもある。

例えば、前記加速センサデータ、Ｚ方向における加速、すなわち書込み基板座標系におけるＺ信号の積分の前に、測定された加速センサデータから重力加速度が減算されると、または、例えば書込み圧力センサが、書込み基板との接触が生じていることを信号化するならば、理想的にはゼロに等しくなる。

これが当てはまらない場合、これは、書込み基板が水平に位置決めされていないことによるものである場合があり、ＸおよびＹ信号と相関させられた小さな値が残ってもよく、その値から、書込み基板の傾斜（または重力加速度の計算における誤差）を確認することができる。

したがって、予想されるＺ値、例えばＺにおける加速の値からの偏差は、ペンの位置計算における誤差の表示である場合があり、これは、例えば、誤った傾斜角γの表示である場合があり、位置角度、すなわち方位角εと、傾斜角γとの最適な一次結合を求めるための上述の方法によって、また、例えばペンが書込み基板に接触したときのＺ値またはＺにおける加速値をゼロにすることによって、修正されてもよい。

上述のように、本発明により修正された傾斜情報または傾斜角γは、加速信号のＸおよびＹ軸における誤差を有利な形式で低減することもできる。

この修正に基づき、書込み基板座標に沿った磁気偏差のマッピングを提供し、これらの偏差に基づいて絶対参照を可能にすることも考えられる。

この絶対参照は、（例えば、その近くに配置された永久磁石によって）例えば局所的磁界を意図的に歪めることによって実現することができる。このために、永久磁石は、例えばペンのキャップに収容されてもよく、書込みの間、十分に規定された位置において書込み基板の近く、例えば書込み基板の縁部、例えばＡ４判の書込み基板の縁部に配置されてもよい。永久磁石と、ここでは好適には観察されてもよい電子ペンとの間の最小距離は、磁界センサにおける過剰な負荷を防止するために、例えば１、２または３ｃｍよりも大きい距離である。

磁界の強度または前記強度の変化は、次いで、磁石までの距離における結論を引き出すことを可能にし、磁界の方向は、電子ペンの位置における結論を引き出すことを可能にし、磁界の方向は、したがって、有利には極座標で表すことができる。

言い換えれば、自然磁界または人工磁界の強度または変化の測定と組み合わされた傾斜角γの判定により、書込み基板上での電子ペンの位置信号、すなわち位置の絶対参照が可能となる。

これにより、本発明によるペン位置認識を備える電子ペンは、書込みロッドと、少なくとも１つの電圧源と、少なくとも１つのデジタル制御ユニットと、少なくとも１つのデータ伝送モジュールと、慣性測定センサとを有し、電子ペンは、デジタル制御ユニットが、書込み基板上の２つの直交する軸Ｘ，Ｙと、二次元の書込み基板に対して垂直な軸Ｚとを有する書込み座標系を最初に指定するように構成されていてもよく、Ｘ軸は、主書込み方向を規定しており、書込み基板座標ｘ，ｙは前記書込み座標系に基づき規定されており、付加的に、出力される電子ペンのペン位置信号における望ましくないドリフトを補償するように構成されていてもよい。

デジタル制御ユニットは、ここでは、付加的に、慣性測定センサによって求められた方位角εおよび傾斜角γの値、ならびに、方位角εおよび傾斜角γの複数の付加的な所定の値について、書込み基板座標ｘ，ｙへの、電子ペンの方位角εおよび傾斜角γの座標変換を並行して行うように構成されていてもよく、Ｚ方向における所定の予想される加速からの、Ｚ方向における電子ペンの確認された加速の最小偏差が達成されるときの方位角εおよび傾斜角γの値の最適な一次結合を決定することを含み、付加的に、出力されるペン位置信号を修正するために、Ｚ方向における所定の予想される加速からの、Ｚ方向における電子ペンの確認された加速の最小偏差を生じるときの方位角εおよび傾斜角γの求められた値を選択するように構成されていてもよい。

本発明による、ペン位置を電子的に認識する装置は、複数の機能の中でも特に、ペン位置およびドリフト修正を求めるために電子ペンによって実行される計算および修正をチェックまたは反復し、必要であれば、それらを補足および／または修正し、付加的におよび主に、電子ペンの処理されたデータをデータ出力ユニットに出力しおよび／またはそれらをデータ記憶ユニットに記憶することを可能にする、という機能を有する。

これにより、本発明による、ペン位置を電子的に認識する装置は、上述のタイプの方法を実行するように構成されていてもよい上述のタイプの電子ペンと、電子ペンのデータ伝送モジュールによって伝送されるデータを受け取るための少なくとも１つのデータ受取りモジュールと、受け取ったデータを評価および処理するデータ評価ユニットと、データ出力ユニットと、データ記憶ユニットとを含んでもよく、装置は、データ評価ユニットが、受け取ったデータを積分し、ドリフト補償のための上述の方法を含む、データにおける誤差を修正し、処理されたデータをデータ出力ユニットへ出力しおよび／または処理されたデータをデータ記憶ユニットに記憶することができることを特徴としてもよい。

以下の図面は典型的に示している。

電子ペンの典型的な書込み基板座標系の概略的な三次元の図である。 電子ペンの典型的な書込み基板座標系の概略的な平面図である。 生物測定学的傾斜角βを指定する概略的な例である。

図１ａは、二次元の書込み基板１０８に文字１１０を書き込むことができる電子ペン１００の典型的な書込み基板座標系１１１の三次元の図を例として示している。

書込み基板平面において延びた、上述のように指定することができる軸Ｘ（１０１），Ｙ（１０２）は互いに直交しており、軸Ｚ（１０３）は書込み基板１０８に対して垂直である。

電子ペン１００の仰角または傾斜角γ（１０４）は、例えば、電子ペン１００の長手方向軸線１０７と、書込み基板１０８、すなわち二次元の書込み基板平面との間の角度として規定されてもよい。

電子ペン１００の方位角ε（１０５）は、電子ペン１００の長手方向軸線１０７と、Ｘ軸１０１との間の角度、または、書込み基板１０８への電子ペン１００の長手方向軸線１０７の投影１０６と、Ｘ軸１０１との間の角度として規定することができる。

既に言及したように、書込み基板１０８上の互いに直交した軸Ｘ（１０１），Ｙ（１０２）は、書込み基板１０８に対する電子ペン１００の長手方向軸線１０７の仰角または傾斜角γ（１０４）に関して最初に指定されてもよい。

例えば、典型的な書込み姿勢の場合、方位角ε（１０５）は、使用される／指定される座標系１１１のＸ軸１０１と、書込み基板１０８へのペンの長手方向軸線１０７の投影１０６、すなわち、ペンの長手方向軸線１０７と書込み基板垂線とによって規定される平面が書込み基板平面と交差する交差線と、の間の角度として規定することができる。

例えば方位角ε（１０５）の指定に従って指定された書込み基板１０８上の第１の座標軸、例えばＸ軸１０１に基づいて、次いで、要求された直交性を介して、書込み基板１０８上に第２の座標軸、例えばＹ軸１０２を指定することが可能であり、座標系はここでは左手座標系または右手座標系として選択的に指定可能である。書込み基板１０８に対して垂直な第３の軸、すなわちＺ軸１０３もまた、前記軸Ｘ（１０１），Ｙ（１０２）に関する要求された直交性によって、指定された軸Ｘ（１０１），Ｙ（１０２）から引き出すことができる。

図１ａに示された座標系Ｘ，Ｙ，Ｚ（１１１）は、例えば右手座標系である。

９０°とは異なるペン長手方向軸線１０７の傾斜角γ（１０４）のために、第１の座標軸、例えばＹ軸１０２を規定するために書込み基板１０８へのペン長手方向軸線１０７の投影１０６を使用することも考えられる。

電子ペン１００の書込み方向は、例えばＸ軸１０１によって規定されてもよい。

加えて、図１ａは、書込み基板１０８に電子ペン１００の書込みロッド先端１０９によって書かれた文字１１０、例えば“Ｔ”を例として示している。

図１ｂは、図１ａの書込み基板座標系と類似または同一の、電子ペン２００の書込み基板座標系２０７の概略的な平面図を例として示している。

電子ペン２００の方位角ε（２０３）は、ここでは、例えば電子ペン２００の長手方向軸線２０４とＸ軸２０１との間の角度として規定されている。言い換えれば、例えば、Ｘ軸２０１を指定するのは方位角ε（２０３）の選択であり、上述のように、書込み基板２０５上に指定された第１の座標軸は、次いで、それに基づいて、直交性要求によって、書込み基板２０５上の第２の座標軸、例えばＹ軸２０２と、書込み基板２０５に対して垂直な第３の座標軸、例えばＺ軸（図示せず）とを指定するために使用することができる。

加えて、図１ａと同様に、図１ｂもまた、書込み基板１０８上に電子ペン１００によって書かれた文字１１０、すなわち典型的な“Ｔ”を例として示しており、この文字は、第１の文字軸線または主軸線２０９、例えば長手方向線と、第２の文字軸線または副軸線２０６、例えば水平線とを有してもよい。

ここでは、例えば、書込みの好適な方向の方向角度η（２０８）は、文字軸線２０９と、書込みの方向の軸線、例えばＸ軸２０１との間の角度として規定されてもよい。

図２は、電子ペン３００のユーザの書く手３０２の三次元の図を例として示している。

書込みロッド先端３１０を備える電子ペン３００は、ここでは、例として、ユーザの人差し指３１２と親指３１３との間に配置されている。

加えて、図は、第１の関節（中手指節関節）３０７、第２の関節（近位指節間関節）３０８および第３の関節（遠位指節間関節）３０９を含む、人差し指３１２の第１の関節骨３０３、第２の関節骨３０４、第３の関節骨３０５および第４の関節骨３０６を例として示している。

上記で規定したタイプの方位角εの値は、例えば、書く手の人差し指３０２の第１の関節骨３０３と、書く手の人差し指３０２の第２の関節骨３０４との間に規定された生物測定学的傾斜角β（３１１）によって指定することができ、付加的に、書いている間にユーザの書く手３０２の人差し指３１２の近位指節間関節３０８の回転軸（図示せず）の空間的向きによって特徴付けられる。

人差し指の近位指節間関節の回転軸は、書く手の生体力学によって与えられ、Ｘ軸（図示せず）に対するその向きは、典型的なパラメータであり、そのパラメータによって個々の筆跡を特徴付けることができる。

生物測定学的傾斜角β（３１１）は、例えばユーザによって、例えば、電子ペン３００の信号処理ソフトウェアのデフォルト設定において設定することができる。

説明の完全を期するために、図面に例として記載された特徴、定義および／または大きさは本発明に従って組み合わせることができるということに言及すべきである。

以下、３つの図を含む３枚の紙面が続く。参照符号は以下の構成部材を特定している。

１００ 電子ペン
１０１ 第１の座標軸、例えばＸ軸
１０２ 第２の座標軸、例えばＹ軸
１０３ 第３の座標軸、例えばＺ軸
１０４ 書込み基板に対する電子ペンの長手方向軸線の仰角または傾斜角γ
１０５ 方位角ε
１０６ 書込み基板１０８への電子ペン１００の長手方向軸線１０７の投影、またはペンの長手方向軸線１０７と書込み基板垂線とによって規定された平面が書込み基板平面と交差する交差線
１０７ 電子ペンの長手方向軸線
１０８ 書込み基板／書込み基板平面
１０９ 書込みロッド先端
１１０ 電子ペンによって書かれた文字
１１１ 座標系Ｘ，Ｙ，Ｚ、基準座標系
２００ 電子ペン
２０１ 第１の座標軸、例えばＸ軸
２０２ 第２の座標軸、例えばＹ軸
２０３ 方位角ε
２０４ 電子ペンの長手方向軸線
２０５ 書込み基板／書込み基板平面
２０６ 第２の文字軸線または副軸線
２０７ 座標系Ｘ，Ｙ，Ｚ、基準座標系
２０８ 書込みの好適な方向の方向角η
２０９ 第１の文字軸線または主軸線
３００ 電子ペン
３０１ 電子ペンの長手方向軸線
３０２ 電子ペン３００のユーザの書く手
３０３ 書く手の人差し指の第１の関節骨
３０４ 書く手の人差し指の第２の関節骨
３０５ 書く手の人差し指の第３の関節骨
３０６ 書く手の人差し指の第４の関節骨
３０７ 書く手の人差し指の第１の関節（中手指節関節）
３０８ 書く手の人差し指の第２の関節（近位指節間関節）
３０９ 書く手の人差し指の第３の関節（遠位指節間関節）
３１０ 書込みロッド先端
３１１ 生物測定学的傾斜角β
３１２ ユーザの書く手の人差し指
３１３ ユーザの書く手の親指

Claims (10)

1. 二次元の書込み基板（１０８，２０５）に書き込む間に慣性測定センサによって電子ペン（１００，２００，３００）のペン位置を認識および評価する方法において、
   前記書込み基板（１０８，２０５）上の互いに直交する２つの軸Ｘ，Ｙ（１０１，１０２，２０１，２０２）と、前記二次元の書込み基板（１０８，２０５）に対して垂直な軸Ｚ（１０３）とを含む書込み座標系を最初に指定し、書込み基板座標ｘ，ｙは前記書込み座標系に基づき規定されており、
   出力される前記電子ペンのペン位置信号における望ましくないドリフトを補償し、該補償は、
   前記慣性測定センサによって求められた方位角ε（１０５，２０３）および傾斜角γ（１０４）の値の複数の対、ならびに、前記方位角ε（１０５，２０３）および前記傾斜角γ（１０４）の複数の付加的な所定の値について、前記書込み基板座標ｘ，ｙへの、前記電子ペン（１００，２００，３００）の前記方位角ε（１０５，２０３）および前記傾斜角γ（１０４）の座標変換を並行して実行することを含み、該実行は、
   前記方位角ε（１０５，２０３）および前記傾斜角γ（１０４）の値のそれぞれの対について、３つの空間的方向Ｘ，ＹおよびＺにおける加速を求め、
   前記方位角ε（１０５，２０３）および前記傾斜角γ（１０４）の値のそれぞれの対について、Ｚ方向における所定の予想される加速からの、Ｚ方向における前記電子ペンの求められた加速の最小偏差が達成されるときの前記方位角ε（１０５，２０３）および前記傾斜角γ（１０４）の値の最適な一次結合を求め、
   出力されるペン位置信号を修正するために、前記方位角ε（１０５，２０３）および前記傾斜角γ（１０４）の値の前記最適な一次結合を用いることを含む、ことを特徴とする、二次元の書込み基板（１０８，２０５）に書き込む間に慣性測定センサによって電子ペン（１００，２００，３００）のペン位置を認識および評価する方法。
2. 前記方位角ε（１０５，２０３）を、指定される座標系（１１１，２０７）のＸ軸と、前記ペンの前記長手方向軸線と書込み基板垂線とによって規定された平面が前記書込み基板平面と交差する交差線（１０６）と、の間の角度として規定する、請求項１記載の方法。
3. ＋３０°±１０°の値を、前記方位角ε（１０５，２０３）の初期値として指定する、請求項１または２記載の方法。
4. 前記方位角ε（１０５，２０３）および前記傾斜角γ（１０４）の値の最適な一次結合を求めるために、前記方位角ε（１０５，２０３）および／または前記傾斜角γ（１０４）の値を≦１°または≦０．１°のステップ幅で変化させる、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. Ｚ方向における所定の予想される加速は、ゼロに等しいまたは重力加速度に等しい、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 書込み基板平面に対する電子ペンの書込みロッド先端の静止点において、ＸおよびＹ方向におけるドリフトを、積分された速度信号から局所的に読み取り、出力されるペン位置信号をこのように修正する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 筆跡の確認された傾斜を、筆跡の仮定された傾斜と比較することによって、前記筆跡の確認された傾斜の誤差を修正および補償する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記書込み基板（１０８，２０５）上の前記電子ペン（１００，２００，３００）の位置、すなわち位置信号の絶対参照を、自然磁界または局所的な人工磁界の強度または変化の測定と共に、傾斜角γ（１０４）を求めることにより行う、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 書込みロッドと、少なくとも１つの電圧源と、少なくとも１つのデジタル制御ユニットと、少なくとも１つのデータ伝送モジュールと、慣性測定センサとを含む、ペン位置認識を行う電子ペン（１００，２００，３００）において、
   前記デジタル制御ユニットは、書込み基板（１０８，２０５）上の２つの直交する軸Ｘ，Ｙ（１０１，１０２，２０１，２０２）と、二次元の書込み基板（１０８，２０５）に対して垂直な軸Ｚ（１０３）とを含む書込み座標系を指定するように構成されており、書込み基板座標ｘ，ｙは、前記書込み座標系に基づき規定されており、付加的に、
   出力される前記電子ペン（１００，２００，３００）のペン位置信号における望ましくないドリフトを補償するように構成されており、
   慣性測定センサによって求められた方位角ε（１０５，２０３）および傾斜角γ（１０４）の値の複数の対と、前記方位角ε（１０５，２０３）および前記傾斜角γ（１０４）の複数の付加的な所定の値とについて、前記書込み基板座標ｘ，ｙへの、前記電子ペン（１００，２００，３００）の前記方位角ε（１０５，２０３）および前記傾斜角γ（１０４）の座標変換を並行して実行するための、デジタル制御ユニットの構成を含み、前記実行は、
   前記方位角ε（１０５，２０３）および前記傾斜角γ（１０４）の値のそれぞれの対について、３つの空間的方向Ｘ，ＹおよびＺにおける加速を求め、
   前記方位角ε（１０５，２０３）および前記傾斜角γ（１０４）の値のそれぞれの対について、Ｚ方向における所定の予想される加速からの、Ｚ方向における電子ペンの求められた加速の最小偏差が達成されるときの、前記方位角ε（１０５，２０３）および前記傾斜角γ（１０４）の値の最適な一次結合を求め、かつ
   出力されるペン位置信号を修正するために、前記方位角ε（１０５，２０３）および前記傾斜角γ（１０４）の値の前記最適な一次結合を用いることを含む、
   ことを特徴とする、ペン位置認識を行う電子ペン（１００，２００，３００）。
10. ペン位置を電子的に認識するシステムであって、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法を実行するように構成された、請求項９記載の電子ペン（１００，２００，３００）と、該電子ペン（１００，２００，３００）のデータ伝送モジュールによって伝送されたデータを受け取る少なくとも１つのデータ受取りモジュールと、受け取ったデータを評価および処理するデータ評価ユニットと、データ出力ユニットと、データ記憶ユニットとを含む、ペン位置を電子的に認識するシステムにおいて、
    前記データ評価ユニットは、前記受け取ったデータを積分し、該受け取ったデータにおける誤差を修正し、処理されたデータを前記データ出力ユニットへ出力し、および／または前記処理されたデータを前記データ記憶ユニットに記憶することができることを特徴とする、ペン位置を電子的に認識するシステム。

Images