JP6452690B2 - 電子ペン - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載された形式の電子ペン、請求項１６の上位概念に記載された装置、および請求項１７の上位概念に記載された方法に関する。

日常生活、レジャーならびに仕事において、電子情報およびコミュニケーションシステムの利用、特にパーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレットおよびスマートフォンの利用が、常に増え続けていることから、ヒューマンマシンインタフェースを向上させる開発に費やす価値がある。

キーボード、マウス、またはタッチ感応型表面といったヒューマンマシンインタフェースのほかに、電子ペンも特に注目されている。電子ペンの利点は特に、ペンを使って何らかの表面に筆記する機能性と単純さを、電子データ処理のいっそう多くの様々な可能性と組み合わせることができる、というものである。その際に望ましいのは、電子ペンが外観と取り扱いとについて、慣用のペンとできるかぎり類似している、ということである。

たとえば国際公開第０２／０７４２４号には、手書き認識のための電子情報システムについて記載されている。このシステムは、ペンと、圧力感応型または誘導感応型の表面を備えたタブレットとを備えており、このシステムによれば、ペンまたはペン先の移動が、タブレットの圧力感応型または誘導感応型の表面によって取得されるか、または加速度センサまたは光学センサによって取得される。

この場合、センサデータをワイヤレスでＰＣに転送可能であり、ＰＣは受信したペン運動データに基づき、手書き認識を実行することができる。

しかしながら、手書き認識のための公知の電子情報システムの欠点は特に、ペンポジションデータを、必ずしも十分な精度では検出できないことであり、そのことによってたとえば、ペン運動の検出に誤りが生じてしまうおそれがある。

国際公開第０２／０７４２４号

したがって本発明の課題は、電子ペンを特にペンポジションの検出精度に関して改善することにある。

本発明によればこの課題は、請求項１記載の電子ペン、請求項１６記載の装置、および請求項１７記載の方法によって解決される。従属請求項には、有利な実施形態およびその他の発展形態が記載されている。

この場合、ペンポジション検出部を備えた電子ペンは、少なくとも１つの筆記芯と、少なくとも１つの電圧源と、少なくとも１つのディジタルコントロールユニットと、少なくとも１つのデータ伝送モジュールとを有することができる。これらに加え電子ペンは、少なくとも３つのポジション検出センサを有することができ、これらのポジション検出センサを、それらの測定データに基づき、電子ペンのポジションおよび／または運動の重複検出が可能であるように構成することができる。

電子ペンをリジッドなボディとみなすことができ、つまり電子ペンは、３つの並進自由度と３つの回転自由度を有しており、合計すると全体で６つの運動自由度を有することになる。三次元座標系において電子ペンのポジションおよび／または運動を表すためには、選択された座標系の初期化が場合によっては必要であったり、積分誤差があることを除けば、一般的には２つの三次元ポジション検出センサがあれば十分である。

以下では、明示的に他のことを述べないかぎり、ポジション検出センサとは、加速度および／または局所的な磁場強度および／または回転速度を、互いに直交する３つの空間方向で測定することのできるポジション検出センサのことであるとする。

本発明による電子ペンは、この電子ペンに少なくとも３つのポジション検出センサが設けられていることから、ペンポジションデータないしは電子ペンのペンポジションおよび／または運動を、三次元座標系において重複検出することができる。

これによって得られる利点とは、別個に測定されたペンポジションデータのたとえば平均値を形成することによって、ペンポジションをいっそう高い精度で特定することができる一方、三次元座標系における電子ペンのポジションおよび／または運動に関する象限不明ないしは多義性を回避できることである。

ポジション検出センサによって測定されたペンポジションデータの上述の象限不明ないしは多義性の原因となるのは、２つの回転軸が、たとえば三次元回転速度測定用にジンバルで取り付けられたポジション検出センサの複数の軸が、平行にアライメントされているケースでは、１つの自由度に関する情報が失われ、電子ペンの運動をもはや一義的に記述することができない、ということである。自由度情報の損失のこのような例は、いわゆるジンバルロックとも呼ばれるものである。

しかしながらこの問題は、本発明による電子ペンにおいては発生しない。その理由は、少なくとも３つのポジション検出センサによって、電子ペンのポジション各々および／または運動各々について、少なくとも１回、一義的に、６つの自由度すべてを捕捉することができるからである。

ポジションデータの不正確さが生じる別の原因は、ポジション検出センサの回路内の熱雑音に起因するものである。十分な個数のセンサについて平均値を形成することによって、このような統計的雑音を著しく低減することができる。

さらに不正確さの原因となる可能性があるのは、データ取得における時間遅延またはオフセットであり、このことが生じる理由は、データがたとえ正確に同時に記録されていたとしても、それらのデータはデータバスを介してシリアルに読み出されるからである。この場合も、複数のセンサの信号について平均値を形成することによって、良好な手法でこのようなエラーを最小限に抑えることができる。

上述の複数のポジション検出センサのほか、電子ペンは、筆記芯と結合された力センサも有することができる。

たとえばこのことによって得られる利点とは、一例として、電子ペンが紙などの筆記基材上に置かれたときに、筆記芯に加わるプレス作用または押圧力によりトリガされて、測定値が予め定められた力を超えたときだけ、ポジション検出センサおよび／またはディジタルコントロールユニットおよび／またはデータ伝送モジュールを、完全にイネーブル状態にすればよい、ということである。

このことによって、電子ペンのエネルギー消費または電力消費を低減することができる。なぜならば、筆記基材に筆記または線描するために電子ペンが使用されているときとそうでないときとを区別できるからであり、たとえば使用されていない場合には、ポジション検出センサおよび／または電気的に駆動される電子ペンの他の素子を、部分的または完全にスイッチオフすることができるからである。

他方、筆記基材を用いずに、たとえば空中で自由に書くために、またはジェスチャを実施するために、電子ペンを利用することも当然ながら可能である。この場合、たとえ上述の力センサに加わる特定の押圧力が発生していなくても、あるいは筆記芯の質量および電子ペンの加速度と整合性のある押圧力が測定された場合には、ポジション検出センサおよび／またはディジタルコントロールユニットおよび／またはデータ伝送モジュールを、部分的または完全にアクティブ状態にすることができる。

このことは主として、改行または改頁のようなプロセスにとって重要であり、それというのもこのようなケースでは、筆記芯と筆記基材との接触が発生しないからである。したがって有用となり得るのは、筆圧がいったんなくなった後、数秒間にわたりポジション検出をさらに継続できるようにすることである。この場合、そのあとに続く何らかの運動パターンをタイプごとに分類することができ、信号またはデータを受信するデバイスたとえば外部のデータ処理ユニットにおいて、相応の機能をトリガすることができる。たとえば、筆圧がなく主として筆記方向に反する方向の運動であれば、次に筆記する際の入力ポイントは、前の行が始まった場所であり、かつ前の行よりも１つ下の行高ということになる。

有利には、力センサのデータを分析した際の副産物として、筆記芯の充填レベルに関する情報も得られる。その理由は、力センサのデータから、筆記芯における質量変化の検出についても感知できるからである。さらに、質量力によって引き起こされ力センサによって測定される圧力を、同時に測定されたペンの長手方向の加速度と比較することができ、これによって筆記芯の質量ひいてはその充填レベルを推定することができる。

したがって力センサは、単にオン／オフスイッチとして用いることができるだけではない。特に力センサは、アナログ信号または比例信号も供給することができ、つまり力センサは、圧力強度または圧力強度の変化を測定することができ、これはたとえば、筆記学習の補助として着目される可能性があるし、筆記されるキャラクタを様々なモードで表示するためにも着目される可能性があり、それらをたとえば外部のディスプレイユニットにおいて、様々な色および／または線の太さで表示することができる。

ポジション検出センサを慣性センサとして設計してもよく、その測定原理は、ばねで取り付けられた試験質量体の慣性および機械的な変位に基づくものである。好ましくはこの種の慣性センサを、いわゆる慣性型微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）として実装することができ、この場合、たとえば機械構造をポリシリコン層に作り出すことができる。

しかしながら、慣性センサではないポジション検出センサを用いることも可能であり、そのようなポジション検出センサを、ホール効果または巨大磁気抵抗効果に基づいて動作する磁場センサなど、他の測定原理に基づくものとすることができ、そのようなセンサは可動機械部分なく実装可能である。１つの好ましい実施形態として、たとえばフラックスゲートセンサとも呼ばれるフェルスタープローブ（Foerster-probe）型センサを挙げることができる。

ポジション検出センサは最初に、電子ペンのボディに固定された共動座標系内のペンポジションを測定することができる。電子ペンの座標のための絶対参照座標への移行を、以下で詳述するような変換によって行うことができる。

電子ペンの複数のポジション検出センサのうち少なくとも２つのセンサを、三次元加速度センサとすることができ、１つのポジション検出センサを三次元回転速度センサとすることができる。

別の選択肢として、複数のポジション検出センサのうち、少なくとも２つのポジション検出センサを、三次元加速度センサとすることができ、１つのポジション検出センサを、一次元または二次元または三次元の磁場センサとすることができる。

回転速度センサよりも加速度センサが好ましい理由として特に挙げることができるのは、加速度センサは回転速度センサよりもエネルギー効率を高めることができるからであり、そのことによって電子ペンの動作寿命に有利な作用を与えることができる。

ただし回転速度センサを使用することによって、筆記基材とは無関係に空中での電子ペンの動きをいっそう簡単に測定できるという利点、ならびに特に長手軸周囲の回転運動に関して信号品質がいっそう高いという利点、が得られるようになる。

したがって、複数のポジション検出センサのうち少なくとも２つのセンサを、三次元回転速度センサとすることができ、１つのポジション検出センサを、三次元加速度センサとすることができる。

さらに、以下のような電子ペンを考えることができる。すなわち、少なくとも１つのポジション検出センサを、三次元回転速度センサとすることができ、少なくとも１つのポジション検出センサを、三次元加速度センサとすることができ、さらに少なくとも１つのポジション検出センサを、一次元または二次元または三次元の磁場センサとすることができる。

これらのことに加え、電子ペンが気圧センサを含むようにしてもよく、このセンサによって、有利には気圧の式と海水位の既知の参照気圧とを用いて、電子ペンのポジションを高度差として特定することができ、これをポジション検出センサの初期化に利用することができる。

気圧センサデータの評価と分析を電子ペン以外のところで、すなわち外部で、ＰＣ、ラップトップ、タブレットまたはスマートフォンといったデータ処理ユニットまたはデータ分析ユニットにおいて実施できるのが好ましく、このユニットは、データ伝送モジュールによって送信された電子ペンのすべてのセンサからデータを受信することができる。

上述のデータ処理ユニットはデータベースを有することができ、またはデータベースにアクセスすることができ、このデータベースは、初期化に必要とされ時間および／または場所に依存する、すべての可能な最新データの値、たとえば海水位の参照気圧および／または重力加速度値および／または地磁気の磁場強度値などを、蓄積し供給する。

しかしながら、ポジション検出のために相対的検出であっても十分な場合もあり、その場合、気圧変化が高度変化として捉えられる。このようにすることで起こり得る欠点を挙げるとすれば、たとえば近くのドアが開いたり閉まったりした結果、気圧が変化するなど、周囲の影響に対する感受性であるかもしれない。とはいえ、このような変化は、たとえば第２の定置型の気圧センサを用いれば、容易に取り除くことができる。この定置型の気圧センサは、有利には受信装置たとえば上述のデータ分析ユニットまたはデータ処理ユニットに配置することができる。

さらに電子ペンは、少なくとも１つのコンビネーションセンサを有することもでき、このコンビネーションセンサには、それぞれ異なるタイプのまたは同じタイプの少なくとも２つのセンサを組み込むことができ、たとえばコンビネーションセンサは、１つの三次元回転速度センサと１つの三次元加速度センサとを有することができる。

さらに考えられるのはたとえば、コンビネーションセンサが、１つの三次元加速度センサと、１つの１次元または二次元または三次元の磁場センサを有するようにしてもよいことであり、あるいはコンビネーションセンサが、１つの三次元回転速度センサと、１つの一次元または二次元または三次元の磁場センサを有するようにしてもよいことである。コンビネーションセンサのさらに別の例を挙げるとすれば、コンビネーションセンサは、１つの三次元回転速度センサと、１つの三次元加速度センサと、１つの一次元または二次元または三次元の磁場センサとを有することができる。有利にはコンビネーションセンサを利用することによって、電子ペンをいっそうコンパクトに設計できるようになり、場合によっては電子ペンの製造コストを下げることもできる。

コンビネーションセンサが、データ処理および分析用の電子装置を有することもでき、この装置は、すべてのセンサタイプのすべての空間方向におけるデータを処理することができ、さらにたとえばディジタル出力端からすでに、ドリフト補償された信号を供給することができ、特にたとえば、クォータニオンおよび／またはオイラー角としてドリフト補償された角度信号を供給することができる。

この場合、コンビネーションセンサは、たとえば５ｍｍ×５ｍｍよりも小さくすることのできる表面積を占有するだけよい。

ポジション検出センサのセンサ信号から、加速度の積分（累積和）によって、運動プロフィルまたは動きプロフィルが生成される。所定の期間にわたり測定された速度から、さらに積分を行うことによって移動距離を算出することができる。

記録されたデータをよりよく利用するために役立つ可能性があるのは、初期条件または初期参照データを把握することであり、つまりたとえば、積分プロセス開始時点における速度および／またはポジションに関する情報を要求または供給することができる。

電子ペンのユーザが参照点を用いて常に調整を実施することは見込めないので、電子ペンの通常の利用において特徴的または特有なアクティビティ値に基づき、初期条件を初期化することができる。このような初期化のアクティビティをたとえば、ペンを置くこと、平均的な筆記方向、または個々の文字における方向転換などとすることができる。筆記基材たとえば紙との接触の測定も、初期参照データの特定に利用することができ、これは筆記芯と結合された既述の力センサによって測定することができる。

電子ペンの利用およびデータ分析のためには、電子ペンのペン先または筆記芯のポジションおよび運動の情報が、特に重要である。ただし技術的な理由から、いっそう簡単であり、しかも場合によっては、ポジション検出精度に関していっそう有利なものとさえなる可能性があるのは、ポジション検出センサをペン先に直接、組み込むことである。しかしながらペン先のポジションおよび／または運動は、ポジション検出センサからのデータを相応に座標変換することによって算出することができる。

電子ペンのセンサから到来するデータは、電子ペンのディジタルコントロールユニットによって、部分的にまたは全体的に処理および／または分析することもできるとはいえ、この種の処理に必要とされるエネルギー次第で好ましくなる可能性があるのは、たとえばワイヤレスで、センサデータを大部分は未処理の形態のまま、外部のデータ処理ユニットまたはデータ分析ユニットに送信できるようにすることである。ただし、たとえば以下のようにしてもよく、すなわち、電子ペンのディジタルコントロールユニットに独自のアルゴリズムを配置できるようにし、および／または、そこにおいて前処理を行えるようにし、その際、センサから到来する未処理のデータが、たとえば別個の並進成分および回転成分とともに、圧縮表現で得られるようにするのである。このようにすることによって、伝送されるデータ容量を低減するのに役立たせることができる一方、これはその低減の程度次第で、エネルギーを著しく節約することができる。

少なくとも２つの加速度センサを、電子ペンの中央（たとえば電子ペンの長手軸の中央）からできるかぎり離して配置できるようにするのが有利であり、これによって加速度信号の強度が最適化され、記録されたそれらの加速度の差を利用して、電子ペンの回転に関する情報を得ることができるようになる。これによれば、３つの軸における加速度の平均を、個々の軸の並進加速度とみなすことができる。

一般にポジション検出センサを、電子ペンの長手軸および／または電子ペンの長手軸に対し平行および／または非平行な軸に沿って、配置することができる。

特に加速度センサを、電子ペンの長手軸に沿って配置することができ、または好ましくは、長手軸に対し平行な軸または傾斜した軸または垂直な軸に沿って、配置することができる。

付加的な回転速度センサも、電子ペンの長手軸に沿って配置することができ、または好ましくは、長手軸に対し平行な軸または傾斜した軸または垂直な軸に沿って配置することができ、この回転速度センサによって、長手軸を中心とした回転加速度に関する信号品質を改善することができ、さらに電子ペンのポジションまたは運動の検出における曖昧さを回避することができる。

回転速度センサの代替として、または回転速度センサに加えて、第３の加速度センサをたとえば、最初の２つの加速度センサのうち一方の加速度センサのポジションに対し相対的に、円周に沿って１８０°±９０°の円周上のずれを伴って、配置することができ、たとえばこの加速度センサの極性を調べることによって、ポジションまたは運動を検出する際の曖昧さを解消することができる。

さらに信号処理を容易にするために有利になる可能性があるのは、第２のポジション検出センサを、ペンの長手軸に直交する平面にポジショニングすることであり、この平面は、第１のポジション検出センサの平面内とすることができる。

２つのポジション検出センサをともに、ペンの長手軸によって規定可能な中心点をもつ１つの円内にポジショニングすることができる。この円の上のそれらのポジションを、円周全体が３６０°であれば、たとえば０°および１８０°とすることができる。

しかしこれに加えて、他の任意のポジショニングを行うことができるが、ただしその際に前提とするのは、それぞれ異なる信号によって測定すべき回転が行われる軸に垂直な２つの検出センサ間の間隔が十分に広い、ということである。

さらに磁場センサおよび他のセンサを、電子ペンの長手軸に沿って、または長手軸に対し平行な軸または傾斜した軸または垂直な軸に沿って、配置することもできる。

オプションとして設けられる既述の気圧センサのポジショニングは、ほぼ任意である。その理由は、気圧センサは相対的な信号を供給するだけであり、たとえば回路設計の最適化を考慮したときに生じる制約を加えるだけでよいからである。

センサクラスタとも呼ばれるコンビネーションセンサとして設計された複数のポジション検出センサも、電子ペンの長手軸に沿って配置することができ、または長手軸に対し平行な軸または傾斜した軸または垂直な軸に沿って配置することができる。

たとえば、１つの加速度センサと、少なくとも１つの別のポジション検出センサたとえば回転速度センサまたは磁場センサとから成るコンビネーションセンサの場合、いくつかの環境において有利となる可能性があるのは、このコンビネーションセンサを電子ペンのできるかぎり中央に配置することである。たとえば、コンビネーションセンサの加速度センサが、主として並進運動だけをカバーするものと想定されているならば、このコンビネーションセンサおよび加速度センサを中央に配置することによって、いっそう低ノイズで干渉の小さい成分が得られるようになる。

ポジション検出センサを、電子ペンのハウジングの上または中に配置することができ、または筆記芯とこのハウジングとの間に設けられた部材の上に配置することができる。この部材は円筒形状を有することができ、たとえば図１ａまたは図１ｂで述べる回路支持体スリーブとすることができる。

また、回路を薄膜上に形成して、射出成形金型または射出成形器具に入れることも考えられる。はんだ付け温度（たとえばベーパーフェーズソルダリングの場合には２３８℃）は、一般的なプラスチックの処理温度よりもはるかに高いことから、この場合、プラスチックで包囲する際に熱によるダメージが発生することがなく、部材を最適な状態で固定することができる。これと同時に、回路支持体またはポジション検出センサを、ペンスリーブまたはハウジングにこのようにオプションとして埋め込むことによって、ペンの長手軸からのセンサの距離を最大にすることができる。

さらに電子ペンをモジュラー構造で構築することができ、たとえば差込接続および／または螺合接続を有することができ、そのようにすることでたとえば筆記芯を、および／または電圧源として用いられるバッテリを、簡単に交換することができる。ただし、交換可能部品のない使い捨て型も考えられる。

たとえば軽やかな滑りのイージーグライド筆記ペーストまたはイージーグライド筆記インクとすることができる筆記芯の直径を、一例として２ｍｍ〜１０ｍｍとすることができ、好ましくは４ｍｍ〜５ｍｍとすることができる。また、筆記芯の長さを、５０ｍｍ〜２００ｍｍとすることができ、好ましくは８０ｍｍ〜１００ｍｍとすることができる。

電子ペンのハウジングを、実質的に円筒形状にすることができる。さらに、立方体状または多面体状のハウジング形状、あるいは凸状または凹状の多角形の横断面を有する柱状体が考えられる。

回路をハウジング内に埋め込むのであれば、ハウジング内面の多角形の設計を推奨することができ、これにより内面の平坦な部分に部品をポジショニングできるようになる。このことによってたとえば、射出成形器具に入れたときに、部品が回路支持体または回路基板に接触する損傷を回避することができる。

たとえば電子ペンの長さを９０ｍｍ〜２００ｍｍ、平均直径または平均外径を３ｍｍ〜２０ｍｍにすることができる。人間工学的な視点からすれば、５ｍｍ〜１２ｍｍの外径が好ましいとすることができ、このことによって部品のパッケージングに対し高い要求を課すことができる。

有利には電子ペンの形状を、慣用の電子ペンの外見および取り扱いとできるかぎ類似させることができるように、選定することができる。

電子ペンの動作モードに応じて、電子ペンポジションの評価および分析に利用される座標系を、それぞれ異なるように初期化することができる。線描が行われているときに、筆記基材上の電子ペンの絶対ポジション（またはたとえば紙などの筆記基材上の基準点に対し相対的なポジション）を把握するのを有用なものとすることができる一方、たとえば、電子ペン単独のダイナミックな運動からすでに、キャラクタ認識を行うこともできる。

一例を挙げると、たとえば紙など二次元の筆記基材上の座標系を定義するためには、一般に３つの参照点が必要とされる。ユーザが線描するときに、常に同一平面内でユーザが筆記基材に触れると仮定すれば、力測定を組み込むことによって、筆記基材の水平ポジションを特定する２つの参照点のみによって管理することができる。この場合、以降の筆記基材のタッチまたは接触を用いて、線描面または筆記面を特定することができる。

その際、筆記芯と結合された力センサによって、較正および筆記面初期化に役立つデータを供給することができ、たとえばポジション検出センサの加速度値を筆圧力データと比較または整合させることができ、そのようにすることでたとえば、筆記面よりも下に電子ペンが下がっている状態を、許可されないものと認識することができる。

初期化プロセスをたとえば、筆記基材のコーナーをタッチすることによって導入することができ、同時にこのことによって、利用可能な線描エリアを規定する役割も果たすことができる。

ただし必ずしも、筆記基材のポジションが一定であるものとすることはできない。したがって、絶対参照系たとえば軸ｘ，ｙ，ｚを有する直交参照系を定義するのが有用であり、たとえばこの場合、ｚ軸を、重量加速度方向とは反対に、または重力加速度方向に、設定することができる。たとえばｘｙ平面の回転を検出するために、参照系として地球の磁場を利用することができる。以下ではこの絶対参照系のことを、ジオ参照系とも呼ぶことにする。

ボディに固定された電子ペンの可動の座標系すなわちポジション検出センサが測定を行う座標系の座標から、ジオ参照系への変換または換算、およびその逆の変換または換算を、ポジション検出センサの初期化後、たとえば並進変換および／または回転変換によって、単純に実施することができる。

筆記中のユーザの手の固有周波数または自然周波数（たとえば５Ｈｚ）よりもサンプリング周波数が高くなることが保証されるように、ポジション検出センサおよび他のセンサは、たとえば電子ペン使用中、少なくとも５０ｍｓごとにデータを記録することができ、そのようにすることで、手または電子ペンのあらゆる運動を検出して取得することができるようになる。

電子ペンポジション検出の分解能および精度を、たとえば１ｍｍよりも小さくすることができ、つまりそれよりも良好にすることができる。

さらに、以下のようにすることも考えられる。すなわち連続的に絶対ペンポジション検出を行うのではなく、電子ペンの運動パターンをたとえば１秒、２秒、４秒または６秒またはそれ以上の期間にわたり追従し、記録された運動パターンを個々の文字および／または単語に割り当てることができるようにするのである。

このような割り当てまたは分析をたとえば、外部のデータ処理ユニットにおいて実行することができる。

測定されたポジション検出データを、ディジタルコントロールユニットによってベクトル化することができ、または他の形式でフォーマットし、ついでデータ伝送モジュールを介して、データ受信モジュールおよびデータ処理ユニットに伝送し、受信したデータを分析または処理することができる。これをたとえば、Bluetooth Low Energy (BLE)標準に従い、暗号化されたワイヤレスデータ伝送を利用して行うことができる。

たとえば測定されたデータの積分および誤り補正のために、データ処理ユニットをペンに組み込むこともでき、これによって伝送すべきデータ容量を低減することができ、さらにデータ誤りに対するロバストネスを高めることができる。オプションとして、電子ペンに組み込まれたデータ処理ユニットによって生成されたこれらのデータを、データ伝送モジュールを介して伝送してもよい。

別の選択肢として、またはこれに加えて、データ受信モジュールが受信したデータの積分および誤り補正を、たとえば外部のデータ処理ユニットが実施するようにしてもよい。

電子ペンのデータ処理ユニットにより処理されたデータ、または外部のデータ処理ユニットにより処理されたデータを、データ出力ユニットへ出力することができ、および／または、データ記憶ユニットに記憶させることができる。

誤り補正のために、他の技術もある中で、ここではカルマンフィルタ技術を利用することができ、たとえばこれには、ポジション検出センサのデータと、筆記芯と結合された力センサからのデータとを相関させることが含まれる。したがって有利にはたとえば、センサデータの誤った積分に起因して、筆記方向のベースラインに発生した不自然なドリフトを補正することができる。

たとえば手書き認識処理など、ポジション検出データの実際の処理を、外部に担わせることができるようにしたことで、集中的な計算処理ステップおよび／または集中的な記憶処理ステップの負担が、ディジタルコントロールユニットから取り除かれる、という利点が得られる。これらの処理ステップがあると、センサデータ収集の円滑動作が損なわれてしまうし、ある種の環境のもとでは、電子ペンの電圧源として用いられるバッテリの動作寿命に悪影響を及ぼすおそれがある。

ただし既述のように、電子ペンのセンサにより収集および記録されたデータの処理を、ペン自体において行わせることも可能である。

さらにたとえば、電子ペンのデータ伝送モジュールが、外部のデバイスからデータ特に制御命令および／または設定命令を受信できるようにすることも、同様に考えられる。

したがって電子ペンは、送信および受信の双方のために、外部のデバイスと通信を行うことができる。

さらにここで述べておくと、電子ペンを単純に慣用のように利用することもでき、つまり筆記芯を用いて筆記および／または線描するために利用することもできる。

電子ペンの１つの実施形態を示す図 回路支持体スリーブの１つの実施形態を示す図 電子ペンのさらに別の実施形態を示す図

図１ａには、本発明による電子ペン１００の１つの実施形態が示されている。

この場合、たとえば軽やかな滑りのイージーグライドペーストまたはイージーグライドインクが充填された筆記芯１１３を、回路支持体スリーブ１２２によって保持または包囲することができ、さらに上述の回路支持体スリーブ１２２を、電子ペンのハウジング１１５によって取り囲むことができる。

オプションとして回路支持体スリーブ１２２が、この回路支持体スリーブ１２２の第２スリーブ部分１０１に、突出部１１７を含むようにすることができ、これを筆記芯を保持するために用いることができる。

力センサ１０７を、たとえばピン１１０を介して筆記芯１１３と結合することができ、この力センサ１０７によって、筆記芯１１３に加わる押圧力または加速力を測定することができる。

回路支持体スリーブ１２２は、第１のポジション検出センサたとえば回転速度センサ１１２を収容することもでき、このセンサ１１２を、電子ペン１００の長手方向軸１２１に沿って、たとえば回路支持体スリーブ１２２の第１スリーブ部分１０２内に配置することができる。

第２および第３のポジション検出センサを、回路支持体スリーブ１２２上に、および長手軸１２１の外側に、配置することができる。たとえば第１の加速度センサ１０５を、回路支持体スリーブ１２２の第１スリーブ部分１０２に取り付けることができ、たとえば好ましくは、電子ペンのペン先１１４とは反対側の終端部／終端キャップ１１６の近くに配置することができる。

第２の加速度センサ１０４をたとえば、回路支持体スリーブ１２２の第２スリーブ部分１０１に配置することができ、好ましくは第１の加速度センサ１０５からほぼ最大の距離をとって配置することができ、このようにすることで有利には、ポジションおよび運動を検出する際の精度を改善することができ、特に、２つの異なる個所で測定された加速度間の差に基づき、電子ペン１００の回転に関する情報を向上させることができる。

電子ペン１００に電力を供給するための電圧源１０３たとえばバッテリを、回路支持体スリーブ１２２の第１スリーブ部分１０２内に配置することができ、さらにそこにはコントロールユニット１２０およびデータ伝送モジュール１１１も配置することができる。

データ伝送モジュール１１１は、電子ペン１００のデータを外部のデータ処理ユニット（図示せず）およびデータ受信モジュール（図示せず）に送信することができる。

電子ペン１００は封止キャップ（図示せず）を有することができ、電子ペン１００の使用中はこの封止キャップを、たとえば終端キャップ１１６に差込接続するかまたはねじ留めすることができる。

電子ペン１００は、たとえば差込接続および／または螺合接続を利用したモジュラー構造を有することができ、そのようにすることでたとえば、筆記芯１１３を、および／または電圧源１０３として用いられるバッテリを、簡単に交換することができる。ただし、交換可能部品のない使い捨て型の電子ペン１００も考えることができる。

図１ｂには、本発明による電子ペンの別の選択肢となる回路支持体スリーブ２００の実施例が示されている。

回路支持体スリーブ２００は、第１スリーブ部分２０２と第２スリーブ部分２０１とを有することができる。この場合、第２スリーブ部分２０１は、２つの側面２１８，２１９を含むことができ、これら２つの側面は筆記芯（図示せず、ただしたとえば筆記芯１１３と同様のもの）を有することができるが、この筆記芯はたとえば、図１ａに示した突出部１１７と同様の突出部を有していない。第１スリーブ部分２０２は、たとえばバッテリなどのような電圧源を収容するための収容室２０３を含むことができる。

種々のタイプの複数のポジション検出センサ、すなわち加速度センサ、回転速度センサ、磁場センサ、気圧センサ、およびコンビネーションセンサを、回路支持体スリーブ２００の表面において、ほとんど任意の個所に配置することができる。

この図には、３つの加速度計が設けられた実施形態の配置が例示されている。有利にはこの実施形態は、最適化されたエネルギー消費であることを特徴とすることができ、その理由は、加速度センサは一般に、たとえば回転速度センサなどのような他のポジション検出センサよりも、エネルギーを僅かにしか使わないからである。

たとえばこの場合、加速度センサ２０５および２０４を、電子ペンの長手軸２１４と平行な軸２１７に沿って、回路支持体スリーブ２００に配置することができる。その際に加速度センサ２０５および２０４を、同じ軸２１７上に配置することができる。

好ましくは、加速度センサ２０５と２０４との間の間隔を、ほぼ最大にすることができ、そのようにすることで有利には、ポジションと運動の検出精度を向上させることができ、特に、２つの異なる個所で測定された加速度間の差に基づき、電子ペンの回転に関する情報を向上させることができる。

一例として第３の加速度センサ２０６を、回路支持体スリーブ２００の円周２１５に沿って、たとえば１８０°±９０°のずれを伴って、加速度センサ２０４と向き合うように配置することができる。この場合、２つの加速度センサ２０４および２０６を、回路支持体スリーブ２００の同じ円周２１５上に配置してもよいし、電子ペンの長手軸２１４に沿って、２つの異なる円周２１５，２１６上に配置してもよい。さらに第３の加速度センサ２０６を、回路支持体スリーブ２００の第１スリーブ部分２０２において、加速度センサ２０５と向き合った位置２１２に配置してもよい。

さらに３つの加速度センサすべてを、電子ペンの長手軸２１４と平行なそれぞれ異なる軸上に配置することも考えられ、つまりたとえば図示されているように加速度センサ２０５，２０６を配置し、択一的な位置２１１に加速度センサ２０４を配置するのである。

さらに参照符号２１３によって、加速度センサのようなポジション検出センサのさらに別の択一的な位置の例が表されている。

有利には、３つの加速度センサ２０５，２０４，２０６のうち、少なくとも２つの加速度センサを、電子ペンの長手軸２１４と平行な同一の軸上に配置することができる。このような配置によって、処理と分析のアルゴリズムが単純になる。なぜならばこのケースでは、差分および平均を算出するために、これらのセンサのそれぞれ１つの軸に基づく値だけを考慮すればよいからである。

電気導体路２０８，２０９によって、力センサ２０７のセンサ信号をディジタルコントロールユニット（図示せず）へ搬送することができる。

図１ａに示した実施例と同様、力センサ２０７も、ピン２１０を介して筆記芯（図示せず）と結合することができる。

加速度センサ２０５，２０４，２０６などのようなポジション検出センサの信号を、電気導体路２０８，２０９を介して、ディジタルコントロールユニット（図示せず）へ送信することができ、ポジション検出センサおよび他のセンサによって収集された未処理のまたは処理されたセンサデータを、データ伝送モジュール（図示せず）によって好ましくはワイヤレスで、ディジタルコントロールユニットから外部のデータ処理ユニット（図示せず）へ伝送することができる。

当然ながら電子ペン１００の特徴を、回路支持体スリーブ２００の特徴と組み合わせることができる。また、全般的な説明において述べた特徴も、電子ペン１００の特徴または回路支持体スリーブ２００の特徴と組み合わせることができる。

電子ペンのポジション検出センサおよび他のセンサを、電子ペンの使用中、それらのセンサが少なくとも５０ｍｓごとにデータを取得可能であるように、構成することができる。ディジタルコントロールユニットがすべてのセンサを問い合わせるための問い合わせ周波数を、少なくとも２０Ｈｚとすることができる。

図２には、本発明に従って実現可能な電子ペン３００の１つの実施例が示されている。

ここで再度述べておくと、既述の利点を達成するために、上述のすべての特徴を任意のコンビネーションで組み合わせることができる。つまりたとえば電子ペン３００が、既述の電子ペンの特徴の一部またはすべてを含むことができる。

ただしわかりやすくするため、図２には、上述の特徴の一部または組み合わせの一例が示されているにすぎない。

電子ペン３００は、ハウジングまたはスリーブ３１１を有することができる。好ましくはこのハウジング３１１は、慣用的なペンの幾何学的形状を有することができ、つまり主として円筒状の形状を有することができる。また、立方体状または多面体状のハウジング形状、あるいは凸状または凹状の多角形の横断面を有する柱状体も考えられる。

たとえば電子ペン３００の長さを９０ｍｍ〜２００ｍｍ、平均直径または平均外径を３ｍｍ〜２０ｍｍ、好ましくは５ｍｍ〜１２ｍｍ、とすることができる。

電子ペン３００のハウジング３１１を、たとえば３つのハウジング部分すなわち第１部分３０３、第２部分３０２、第３部分３０１に分割することができ、これらの部分を螺合または差込接続によって互いに接続することができる。

ハウジング部分３０３は、たとえばハウジング端部３１０を有することができ、これをハウジング部分３０２に螺合させることができ、さらにこのハウジング部分３０３は、バッテリ収容室カバーを備えた端部キャップ３０４を有することができる。

ハウジング部分３０３は特に、１つまたは複数の電圧源３０５たとえばタイプ６７５（１．４Ｖ，６５０ｍＡｈ）のような空気亜鉛ボタン型電池を収容することができる。

ハウジング部分３０１はたとえば、螺合型の円錐形状のハウジング端部３１６を有しており、そこから筆記芯３１２を外側に出すことができる。

ハウジング部分３０２は、押しばめ型のソフトグリップゾーン３１４も含むことができる。

電子ペン３００のすべての電子コンポーネントのデータを外部のデータ処理ユニット（図示せず）へワイヤレスで送信可能なデータ伝送モジュール３０６も、ハウジング３１１のこの部分３０３または３１０に配置することができる。

別の選択肢として、またはこれらに加えて、電子ペン３００の内部に別個のデータ処理ユニット３２３を設けることができる。このデータ処理ユニット３２３は、データを分析および／または処理および／または前処理するためのものであり、その後、データ出力ユニット（図示せず）へ出力する目的で、および／または、データ記憶ユニット（図示せず）へ保存する目的で、データ伝送モジュール３０６を介してデータを送信することができる。

たとえばマイクロコントローラを含むディジタルコントロールユニットも、ハウジング部分３０３または３１０内に収容されている。

特にデータおよび／または制御命令の通信のために、および／または電気エネルギーの搬送のために、ディジタルコントロールユニット３０７を、電子ペン３００の他のすべての電子コンポーネントと接続することができ、特にポジション検出センサを含むセンサと接続することができる。

この接続（図示せず）を、たとえばハウジング３１１に組み込み可能な電気導体路を利用して、実現することができる。

種々のタイプの複数のポジション検出センサ、すなわち加速度センサ、回転速度センサ、磁場センサ、気圧センサ、およびコンビネーションセンサを、電子ペン３００のハウジング３１１上またはハウジング３１１内において、ほとんど任意の個所に配置することができる。

この図には、１つの実施形態に関する構成の一例が、ポジション検出センサ３０８，３１３のための２つの位置とともに示されている。

この場合、ポジション検出センサ３０８を、たとえば２つの加速度センサから成るコンビネーションセンサとすることができ、または１つの加速度センサと１つの回転速度センサとから成るコンビネーションセンサとすることができ、このコンビネーションセンサを、ハウジング３１１内たとえばハウジング部分３０３内において、電子ペンの長手軸３２４と平行な軸に沿って、配置することができる。

ポジション検出センサ３０８を、コネクタストリップ３０９に挿入可能または差込接続可能であるように設計してもよい。

好ましくは、ポジション検出センサ３０８と３１３との間の間隔を、実質的に最大にすることができ、有利にはそのようにすることで、ポジションと運動の検出精度を向上させることができ、特に、２つの異なる個所で測定された加速度、回転速度または他のセンサ値の間の差分に基づき、電子ペン３００の回転に関する情報を向上させることができる。

一例として、さらに別のポジション検出センサ３１３たとえば別の加速度センサまたは他のコンビネーションセンサを、たとえば第２部分３０２において、ハウジング３１１の周囲に沿って配置することができる。

換言すれば、電子ペン３００は少なくとも３つのポジション検出センサを有しており、この場合、一例として２つのセンサ（たとえば２つの加速度センサ、または１つの加速度センサと１つの回転速度センサ）を組み合わせて、コンビネーションセンサ３０８を形成することができ、さらにこの場合、第３のポジション検出センサ３１３を、たとえば加速度センサとすることができる。

また、ポジション検出センサ３１３を、筆記芯先端３１８に近づけて配置することができ、たとえばハウジング３１１の第２部分３０２に配置することができる。

なお、ポジション検出センサ３１３，３０８の配置は一例にすぎず、それらをハウジング３１１の他の部分のところに、またはハウジング３１１の他の部分の中に、配置してもよい。ここで重要であるのは、少なくとも３つのポジション検出センサを設けることができ、それらのセンサによって、電子ペンのポジションおよび／または運動の重複検出を実施することができる、という点だけである。

また、電子ペン３００は筆記芯３１２を含むことができ、この筆記芯３１２はたとえば、一例として洋白から成る筆記芯先端３１８と、一例として炭化タングステンから成る筆記ボール３１７とを備え、その直径はたとえば０．２ｍｍ〜２ｍｍであり、好ましくは１．０±０．２ｍｍである。

筆記芯３１２を、たとえばピン３１９を利用して力センサ３２１と結合することができ、このピン３１９は摩擦係合によって、筆記芯３１２を収容し、または筆記芯３１２と接続される。

ピン３１９の終端部分を、柔らかい導電性材料でコーティング可能なピンプレート３２２とすることができる。このピンプレート３２２をたとえば、筆圧力に応じた抵抗を発生させることができるように、薄膜抵抗３１５のメアンダ状経路に対して押圧することができる。

さらに力センサ３２０を収容するために、ハット型キャップ３２０を用いることができ、これは電子ペン３００の組み立て中に挿入される。

２つの図面が以下に続く。その際、参照符号を以下のとおりに割り当てた。

１００ 電子ペン
１０１ 回路支持体スリーブの第２部分
１０２ 回路支持体スリーブの第１部分
１０３ 電圧源たとえばバッテリ
１０４ ポジション検出センサ、加速度センサ
１０５ ポジション検出センサ、加速度センサ
１０７ 筆圧測定のために筆記芯と結合可能な力センサ
１１０ 力センサを筆記芯と結合するピン
１１１ データ伝送モジュール
１１２ ポジション検出センサ、回転速度センサ
１１３ 筆記芯
１１４ 電子ペンのペン先／筆記芯先端
１１５ 電子ペンのハウジング
１１６ 場合によってはペン先の封止キャップの受け入れにも適した、電子ペンのペン先とは反対側の端部／終端キャップ
１１７ 回路支持体スリーブの第２スリーブ部分にオプションとして設けられ、筆記芯保持に利用可能な突出部
１２０ ディジタルコントロールユニット
１２１ 電子ペンの長手軸
１２２ 回路支持体スリーブ
２００ 電子ペンの回路支持体スリーブ
２０１ 回路支持体スリーブの第２部分
２０２ 回路支持体スリーブの第１部分
２０３ 電圧源を収容する収容室／バッテリ収容室
２０４ ポジション検出センサ、加速度センサ
２０５ ポジション検出センサ、加速度センサ
２０６ ポジション検出センサ、加速度センサ
２０７ 筆圧測定のために筆記芯と結合可能な力センサ
２０８ センサ信号たとえばポジション検出センサからの信号をディジタルコントロールユニットへ伝送する電気導体路
２０９ センサ信号たとえば力センサからの信号をディジタルコントロールユニットへ伝送する電気導体路
２１０ 力センサを筆記芯と結合するピン
２１１ 一例としてポジション検出センサを配置可能な択一的な位置
２１２ 一例としてポジション検出センサを配置可能な択一的な位置
２１３ 一例としてポジション検出センサを配置可能な択一的な位置
２１４ 電子ペンの長手軸
２１５ 回路支持体スリーブの第１の円周
２１６ 回路支持体スリーブの第２の円周
２１７ 電子ペンの長手軸に平行である、回路支持体スリーブ上の軸／回路支持体スリーブに沿った軸
２１８ 回路支持体スリーブの第２部分の第１の側面
２１９ 回路支持体スリーブの第２部分の第２の側面
３００ １つの実施例による電子ペン
３０１ 電子ペンのハウジング／スリーブ／ケーシングの第３部分
３０２ 電子ペンのハウジング／スリーブ／ケーシングの第２部分
３０３ 電子ペンのハウジング／スリーブ／ケーシングの第１部分
３０４ バッテリ収容室カバーを備えた端部キャップ
３０５ １つまたは複数の電圧源／バッテリ、たとえば空気亜鉛ボタン型電池
３０６ データ伝送モジュールたとえばBLEモジュール
３０７ たとえばマイクロコントローラを含むディジタルコントロールユニット
３０８ １つまたは複数のポジション検出センサ、たとえばコンビネーションセンサ
３０９ １つまたは複数のポジション検出センサを受け入れるコネクタストリップ
３１０ 電子ペンにおける螺合型の第１のハウジング終端部
３１１ 電子ペンのハウジング／スリーブ
３１２ 筆記芯
３１３ １つまたは複数のポジション検出センサ
３１４ 押しばめ型のソフトグリップゾーン
３１５ 薄膜抵抗
３１６ 螺合型の第２ハウジング端部であって、たとえば円錐形状であり、この部分から筆記芯を外側に出すことができる端部
３１７ 筆記ボール
３１８ 筆記芯先端
３１９ 摩擦係合による筆記芯の収容または接続のためのピン
３２０ 電子ペン組み立て中に挿入可能であり、筆圧力または軸線方向圧力を測定する力センサを収容するハット型キャップ
３２１ 力センサ
３２２ ピンプレート
３２３ 電子ピンに組み込まれるオプションとしてのデータ処理ユニット
３２４ 電子ペンの長手軸

Claims (16)

1. ペンポジション検出部を備えた電子ペン（１００）であって、当該電子ペン（１００）は、
   少なくとも１つの筆記芯（１１３）と、
   少なくとも１つの電圧源（１０３）と、
   少なくとも１つのディジタルコントロールユニット（１２０）と、
   少なくとも１つのデータ伝送モジュール（１１１）とを有する、
   電子ペン（１００）において、
   当該電子ペン（１００）は、少なくとも３つのポジション検出センサ（１０５，１１２，１０４）を有しており、
   前記ポジション検出センサは、該ポジション検出センサの測定データに基づき、当該電子ペン（１００）のポジションおよび運動の重複検出が可能であるように構成されており、
   前記筆記芯（１１３）に力センサ（１０７）が結合されており、
   前記ポジション検出センサは、前記力センサ（１０７）に加わる力がなくなった後、所定の時間において、前記電子ペン（１００）のポジションおよび運動の検出を継続する、
   ことを特徴とする電子ペン（１００）。
2. 前記３つのポジション検出センサまたはそれよりも多くのポジション検出センサ（１０５，１１２，１０４）のうち、少なくとも２つのポジション検出センサは、三次元加速度センサ（１０４，１０５）であり、
   １つのポジション検出センサは、三次元回転速度センサ（１１２）である、
   請求項１記載の電子ペン（１００）。
3. 前記３つのポジション検出センサまたはそれよりも多くのポジション検出センサ（１０５，１１２，１０４）のうち、少なくとも２つのポジション検出センサは、三次元加速度センサ（１０４，１０５）であり、
   １つのポジション検出センサは、一次元または二次元または三次元の磁場センサである、
   請求項１記載の電子ペン（１００）。
4. 前記３つのポジション検出センサまたはそれよりも多くのポジション検出センサ（１０４，１０５，１１２，２０５，２０４，２０６）は、三次元加速度センサである、
   請求項１記載の電子ペン（１００）。
5. 前記３つのポジション検出センサまたはそれよりも多くのポジション検出センサのうち、少なくとも２つのポジション検出センサは、三次元回転速度センサであり、および／または、
   １つのポジション検出センサは、三次元加速度センサであり、
   １つのポジション検出センサは、一次元または二次元または三次元の磁場センサである、
   請求項１記載の電子ペン（１００）。
6. 当該電子ペンはさらに気圧センサを有している、
   請求項１から５のいずれか１項記載の電子ペン（１００）。
7. 当該電子ペンは、少なくとも２つのセンサが統合された少なくとも１つのコンビネーションセンサを有している、
   請求項１から６のいずれか１項記載の電子ペン（１００）。
8. 前記コンビネーションセンサは、１つの三次元回転速度センサおよび１つの三次元の加速度センサを有する、
   請求項７記載の電子ペン（１００）。
9. 前記コンビネーションセンサは、１つの三次元加速度センサと、１つの一次元または二次元または三次元の磁場センサとを有する、
   請求項７記載の電子ペン（１００）。
10. 前記コンビネーションセンサは、１つの三次元回転速度センサと、１つの一次元または二次元または三次元の磁場センサとを有する、
    請求項７記載の電子ペン（１００）。
11. 前記コンビネーションセンサは、１つの三次元回転速度センサと、１つの三次元加速度センサと、１つの一次元または二次元または三次元の磁場センサとを有する、
    請求項７記載の電子ペン（１００）。
12. 前記ポジション検出センサおよび／またはコンビネーションセンサは、当該電子ペンの長手軸に沿って配置されており、および／または、前記長手軸に対し平行な軸または傾斜した軸または垂直な軸に沿って配置されている、
    請求項１から１１のいずれか１項記載の電子ペン（１００）。
13. 最初の２つの加速度センサのうち一方の加速度センサの位置に対し相対的に、円周に沿って１８０°±９０°の円周上のずれを伴って、第３の加速度センサが配置されている、
    請求項４、７乃至１２のいずれか１項記載の電子ペン（１００）。
14. 前記電子ペンは、測定され記録されたデータの積分および誤り補正のために、組み込み型データ処理ユニットを有しており、
    オプションとして、前記組み込み型データ処理ユニットにより生成されたデータを送信可能である、
    請求項１から１３のいずれか１項記載の電子ペン（１００）。
15. ペンのポジションおよび運動を電子的に検出する装置であって、該装置は、
    請求項１から１４のいずれか１項記載の電子ペン（１００）と、
    前記電子ペン（１００）のデータ伝送モジュール（１１１）により送信されたデータを受信する、少なくとも１つのデータ受信モジュールと、
    受信した前記データを分析および処理するデータ処理ユニットと、
    データ出力ユニットと、
    データ記憶ユニットと
    を含む、
    ペンのポジションおよび運動を電子的に検出する装置において、
    前記データ処理ユニットは、受信した前記データの積分および誤り補正を実行可能であり、処理したデータを前記データ出力ユニットを介して出力可能であり、および／または、処理したデータを前記データ記憶ユニットに記憶可能である、
    ことを特徴とする、ペンのポジションおよび運動を電子的に検出する装置。
16. 電子ペン（１００）の運動パターンおよびポジションを検出および認識する方法であって、
    少なくとも３つのポジション検出センサを用いて、電子ペン（１００）のポジションおよび運動を重複検出し、
    前記電子ペン（１００）の筆記芯（１１３）に結合された力センサ（１０７）によって筆圧が検出されなくなった後の所定の時間にわたり、前記少なくとも３つのポジション検出センサは、前記電子ペン（１００）のポジションおよび運動の検出を継続する、方法。

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