JPH0644005A - 座標入力装置 - Google Patents

座標入力装置

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JPH0644005A
JPH0644005A JP22764392A JP22764392A JPH0644005A JP H0644005 A JPH0644005 A JP H0644005A JP 22764392 A JP22764392 A JP 22764392A JP 22764392 A JP22764392 A JP 22764392A JP H0644005 A JPH0644005 A JP H0644005A
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coordinate
acceleration
input device
output
pen
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Kenichi Matsushima
健一 松島
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Seiko Instruments Inc
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/0346—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of the device orientation or free movement in a 3D space, e.g. 3D mice, 6-DOF [six degrees of freedom] pointers using gyroscopes, accelerometers or tilt-sensors
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
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    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
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    • G06F3/03545—Pens or stylus

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加速度検出器を内臓して座標を検出する座標
入力装置において、座標指示器の傾きに応じて演算する
ことにより、正確な座標入力を可能にする。 【構成】 第１加速度検出部１の検出した３次元の加速
度を、方向検出部７の検出した３次元の方向に応じて第
１座標変換部４でペンの座標系の値から入力する座標系
の値に変換して、重力補正部２で重力の影響を排除し、
第１積分部３及び第２積分部５で積分してペンの位置を
求め、ペンの座標系におけるペン先の座標をペンの傾き
により第２座標変換部６で入力する座標系の値に変換し
てペンの位置を加算することにより、ペン先の正確な座
標を得る。 【効果】 ペンが傾いた場合でも、重力の影響を正確に
排除して、正確な座標入力を可能にする。また、加速度
検出器とペン先の位置が離れていても正確なペン先の座
標を得られる。更に、３次元の座標入力を可能にすると
いう効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、コンピューターの手書
き文字入力や２次元あるいは３次元の座標入力に用いら
れる座標入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図２に示すように、従来の座標入力装置
は、加速度検出部１と第１積分部３と第２積分部５とに
より構成されていた。加速度検出部１ではペン型の座標
指示器の先端に固定されている平面内の直交する２方向
の加速度を検出する加速度センサで、座標指示器の先端
の２次元の加速度を求め、第１積分部３で加速度検出部
１の出力する座標指示器の先端の加速度を積分して速度
を求め、第２積分部５で第１積分部３の出力する座標指
示器の先端の速度を積分して座標指示器の先端の位置の
座標を得ていた。このような従来の座標入力装置の構造
が、例えば特開平３−１５６５１９号公報に開示されて
いる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の座標入
力装置は、空間方向の２次元以下の座標しか入力するこ
とができなく、空間方向の３次元座標を入力できないと
いう欠点があった。また、座標指示器であるペンが傾い
てペンの方向が変化した場合に重力の影響によりペンの
加速度を誤検出し、座標を正確に入力することができな
い。
【０００４】さらに、ペンが傾いた場合に、ペン先の位
置を検出の基準点の位置からだけでは特定出来ないなど
の種々の課題があった。そして、さらに従来の座標入力
装置は、図２１に示すように、ペンの加速度の検出値に
僅かなノイズが重畳した場合でも加速度の検出値を２回
積分した位置の誤差が発散してしまうため、定期的に初
期化しなくてはならないという課題があった。
【０００５】そこで、この発明は、３次元の座標入力を
可能にするとともに、座標指示器が傾いた場合にも正確
な座標を入力できる座標入力装置を得ることを目的とし
ている。また、加速度検出器をペンの先端に配置しなく
てもペンの先端の座標入力を可能とすることを目的とし
ている。
【０００６】そして、本発明はペンの方向を演算から求
める場合に演算誤差等により、方向情報が少しずつ誤差
を蓄積しないようにして、正確な座標を入力のできる座
標入力装置を得ることを目的とする。さらに、この発明
の他の目的は、座標指示器の加速度の検出値にノイズが
重畳した場合でも検出値が発散しない座標入力装置を得
ることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は、座標指示器であるペンの一次独立な３
方向の加速度を検出する加速度検出手段と、前記ペンの
方向を検出する方向検出手段と、前記加速度検出手段の
出力と前記方向検出手段の出力を受け、前記ペンの位置
座標を出力する座標演算手段とにより座標入力装置を構
成した。
【０００８】また、上記他の課題を解決するために、こ
の発明は、ペンの加速度を検出する加速度検出手段と、
前記加速度検出手段の出力を積分する第１積分手段と、
前記第１積分手段の出力を積分して前記第１積分手段に
フィードバックをかける第２積分手段とにより座標入力
装置を構成した。
【０００９】
【作用】上記のように構成された座標入力装置では、加
速度検出手段でペンの加速度を検出し、座標演算手段に
出力する。座標演算手段内では、重力補正手段にて加速
度検出手段で検出したペンの加速度から重力の影響を排
除し、第１積分手段で重力を排除した加速度を積分して
速度情報に変換し、第２積分手段で速度情報をさらに積
分してペンの基準点の位置情報に変換して、第２座標変
換手段で前記第２積分手段からのペンの基準点の位置情
報からペン先の座標に変換する。
【００１０】方向検出手段では、ペンの方向を検出す
る。検出された方向情報を用いて、前記加速度検出手段
の出力するペンの加速度または第１積分手段の出力する
ペンの速度を、座標演算手段内の第１座標変換手段で、
ペンを基準にした座標系の値から入力する座標系の値に
変換することにより、入力する座標系から見た正確な加
速度または速度を得ることができる。こうすることによ
り、重力補正手段でも、ペンの方向により変化する重力
の影響を正確に排除できるようになる。さらに、座標演
算手段内の第２座標変換手段でペン先の座標を演算する
場合にも、方向検出手段の出力する方向情報を用いて演
算することにより、正確なペン先の座標を得ることがで
きる。以上に示したように、本発明による座標入力装置
では、ペンが傾いた場合でもペンの方向に応じた補正あ
るいは変換を行うことにより、重力の影響を排除した正
確な座標を得ることができる。
【００１１】また、上記の第二の構成例に示された座標
入力装置では、加速度検出手段でペンの加速度を検出
し、第１積分手段で加速度検出手段で検出した加速度を
積分して速度情報に変換し、第２積分手段で速度情報を
さらに積分して位置情報に変換する。ここで、第２積分
手段の出力を第１積分手段にフィードバックすることに
より、加速度検出手段の検出した加速度の値にノイズが
重畳していても第２積分手段の出力する位置情報が発散
しなくなる。
【００１２】以上に示したように、本発明による座標入
力装置では、ペンの加速度の検出値にノイズが重畳した
場合でも積分の演算にフィードバックループを設けて、
検出値が発散しなくなるようにすることができる。
【００１３】
【実施例】以下に、この発明の好適な実施例を、図面に
基づいて説明する。図１に示すように、本発明による座
標入力装置では、第１加速度検出部１で座標指示器であ
るペンの基準点の３次元の加速度を検出し、その加速度
情報を座標演算部１０に出力する。座標演算部１０内で
は、第１座標変換部４で前記第１加速度検出部１の出力
するペンの加速度の情報をペンを基準にした座標系の値
から入力する座標系の値に変換し、入力する座標系の値
に変換された加速度から第１重力補正部２で重力の影響
を排除し、重力の影響を排除された加速度を第１積分部
３で積分して速度情報に変換し、第２積分部５で速度情
報をさらに積分してペン内の基準点の位置情報に変換
し、前記第２積分部５からのペン内の基準点の位置情報
を第２座標変換部６でペン先の座標に変換する。
【００１４】方向検出部７では、３次元のペンの方向を
検出する。第１座標変換部４では、方向検出部７の出力
する方向情報を用いて、第１加速度検出部１が出力する
ペン内の基準点の加速度を、ペンを基準にした座標系の
値から入力する座標系の値に変換する。また、ペンを基
準にした座標系ではペンの方向により変化する重力の影
響も、入力する座標系では一定となるため、第１重力補
正部２ではペンの加速度の値から入力する座標系での重
力の影響を正確に差し引くことができるようになる。さ
らに、第２座標変換部６でペン先の座標を演算する場合
にも、方向検出部７の出力する方向情報を用いて演算す
ることにより、正確なペン先の座標を得ることができ
る。
【００１５】これより、各部について詳細に説明する。 （１）座標系 まず、座標系について説明する。本発明では２つの座標
系を用いる。１つが、ペン座標系であり、ペンに固定さ
れた架空の空間方向の３次元直交座標系である。もう１
つは、静止座標系で、ペン先の座標を入力するための空
間方向の３次元の直交座標系である。静止座標系は、必
ずしも静止している必要はなく、入力する座標値を示す
座標系であること以外の意味は無い。
【００１６】（２）第１加速度検出部 第１加速度検出部１は、図１１に示すようにペン座標系
の３本の座標軸上に各々検出方向が重なるように配置し
た加速度検出器１１ａ〜１１ｃにより構成される。この
ように配置することにより、ペン内の基準点にあたるペ
ン座標系の原点８８の３次元加速度ａｐＸ，ａｐＹ，ａ
ｐＺを検出して、第１座標変換部４に出力する。しか
し、第１加速度検出部１は、この限りでなく、ペン座標
系の原点８８の３次元の加速度を検出できるものであれ
ば、どのようなものでも良い。加速度検出器１１は、公
知の圧電セラミックを用いた加速度センサーを用いた
が、半導体ピエゾ抵抗型加速度センサーなど加速度を検
出できるものであればどのようなものを用いても良い。
【００１７】（３）方向検出部 方向検出部７は、図３に示すように、角加速度検出部７
１と第３積分部７３と第１方向演算部７５とにより構成
され、ペンの方向を示す情報を出力する。角加速度検出
部７１は、３個の公知の角加速度検出器により構成し
た。各角加速度検出器は、回転を検出する軸の方向がペ
ン座標系の３本の軸と各々平行になる向きに配置され、
角加速度の情報ＬＸ，ＬＹ，ＬＺを出力する。しかし、
角加速度検出部７１は、この限りでなく、３次元の角加
速度を検出するものであれば、どのようなものでも良
い。
【００１８】また、通常ペンに固定されている加速度検
出器の検出値には、ペンの加速度成分と角加速度成分が
含まれている。検出方向が平行となる１組の加速度検出
器では、角加速度が無い場合には同じ値を検出するた
め、角加速度の成分は検出方向が平行な２つの加速度検
出器の検出値の差に比例する。したがって、角加速度検
出部７１は、回転体や振動体を用いた公知のジャイロを
用いて構成することも可能であるが、検出方向が互いに
平行な２つの加速度検出器の検出値の差を用いて角加速
度を検出するようにしても良い。
【００１９】この構成では、検出方向が平行な２つで１
組の加速度検出器により、平行な２本の検出方向を含む
ことにより特定される平面に垂直な方向を角加速度の回
転の軸とする角加速度の成分を検出することができる。
この２つで１組の加速度検出器の検出方向を含むことに
より特定される平面に垂直な法線の方向がペン座標系の
３本の座標軸と各々平行となるように加速度検出器を３
組配置することにより３次元の角加速度を検出すること
ができる。この例を、図７及び図１１に示す。
【００２０】つまり、独立な３方向を法線とする３平面
内に各々互いに検出方向が平行となるように６個の加速
度検出器１１ａ〜１１ｃおよび９２ａ〜９２ｃを配置す
ることにより第２加速度検出部８２を構成する。減算部
８３では、互いに検出方向の平行な２つの加速度検出器
１１ａと９２ａ、１１ｂと９２ｂおよび１１ｃと９２ｃ
の出力の差を各々３方向について求めることにより、３
次元の角加速度の情報ＬＸ，ＬＹ，ＬＺを求める。
【００２１】また、角加速度の検出は前述のように検出
方向が平行になる加速度検出器の組み合わせを用いても
実現できるが、同様に検出方向が同一平面内の平行でな
い３方向となるような３つの加速度検出器を用いても角
加速度は容易に演算することができる。
【００２２】このように、角加速度検出部７１は角加速
度検出器を用いても良いし、加速度検出器を組み合わせ
て構成してもよい。また、空間の独立な３方向に対応す
る角加速度の検出について、ある方向の成分は角加速度
検出器を用いて別の方向の成分については加速度検出器
の組み合わせを用いても良い。
【００２３】また、第２加速度検出部８２の加速度検出
器９２と第１加速度検出部１の加速度検出器１１は別の
ものを用いてもよいが、図１１に示すように一方の加速
度検出器で共用することにより、加速度検出器の数を減
らして構成を簡単にすることができる。
【００２４】さらに、図１２に示すように、ペンの形状
に合わせて加速度検出器を配置して第１加速度検出部１
と第２加速度検出部８２の加速度の検出をするなど、加
速度検出器の配置には様々な組み合わせがあり、加速度
検出器１１，９２は独立な方向の加速度あるいは角加速
度を検出できるようなものであればどのようなものでも
良い。
【００２５】第３積分部７３では、角加速度検出部７１
の出力する３次元の角加速度の情報ＬＸ，ＬＹ，ＬＺを
積分して、３次元の角速度の情報ＷＸ，ＷＹ，ＷＺを第
１方向演算部７５に出力する。第３積分部７３の積分
は、公知の演算増幅器などを用いてアナログ積分回路等
により実現してもよいことは言うまでもないが〔数１〕
に示すような漸化式の演算をデジタル回路やソフトウエ
アなどで実現してもよい。ここで、Δｔは漸化式の演算
の周期を示す。
【００２６】
【数１】
【００２７】第１方向演算部７５では、第３積分部７３
の出力する３次元の角速度の情報ＷＸ，ＷＹ，ＷＺから
ペンの方向を求める。この場合にペンの方向は、〔数
２〕に定義される３次元回転の座標変換の３×３のマト
リクス係数Ａｉｊで示されている。ここで、ＰＸ，Ｐ
Ｙ，ＰＺは、ペンから見た座標系の値であり、ＳＸ，Ｓ
Ｙ，ＳＺは、座標入力の基準となる静止座標系の値であ
る。しかし、ペンの方向情報は、ペンの位置と独立なこ
とを利用して、演算の便宜上、ペン座標系と静止座標系
の原点が一致しているものと仮定した。また、ペンの長
手方向を示す極座標の２つの方向成分とペンの長手方向
を軸とした回転方向の角度によりペンの方向を表現した
り、ペンの長手方向を示す静止座標系のベクトルとペン
の長手方向を軸とした回転方向の角度などの３次元のペ
ンの方向を示す情報であればどのようなものを用いても
良い。この場合も、必要に応じて公知の方法でＡｉｊに
演算で変換できる。
【００２８】
【数２】
【００２９】第１方向演算部７５での方向情報の更新
は、アナログ回路等にて実現しても良いが、〔数３〕に
示すような漸化式をデジタル回路あるいはソフトウエア
により実現してもよい。ここで、Δｔは漸化式の演算の
周期を示す。
【００３０】
【数３】
【００３１】ただし、ｉ＝１，２，３及びｊ＝１，２，
３である。また、方向検出部７は、図８に示すように、
第２加速度検出部８２の出力する加速度を第４積分部８
４で積分し、その結果得られた速度を減算部８３で減算
して第１方向演算部７５に角速度を出力するようにして
も第１方向演算部７５から得られる方向情報は前述のも
のと変わらない。
【００３２】さらに、図９に示すように方向検出部７
は、第２加速度検出部８２で同一直線上にないペン内の
３箇所の３次元加速度を検出するようにして、第４積分
部８４と第６積分部８５で第２加速度検出部８２の出力
するペン内の３箇所の３次元加速度を積分してペン内の
各々の位置の座標を求めて、第２方向演算部８６で第６
積分部８５の出力するペン内の３箇所の座標の差により
ペンの方向を演算するようにしても良い。また、方向検
出部７は、この限りでなく、ジャイロスコープを用いる
などペンの方向を検出できるものであればどのようなも
のでも良い。
【００３３】（４）座標演算部 図１に戻って、第１座標変換部４では、第１加速度検出
部１の出力するペンの原点の加速度をペン座標系の値ａ
ｐＸ，ａｐＹ，ａｐＺから静止座標系の値ａｇＸ，ａｇ
Ｙ，ａｇＺに変換する。この変換は、方向検出部７の出
力する方向情報Ａｉｊにより〔数４〕で変換したが、方
向検出部７の出力する方向情報によりペン座標系の値か
ら静止座標系の値に変換する方法であればどのようなも
のでも良い。また、第１座標変換部４の演算は、公知の
演算増幅器などを用いたアナログ積和回路等にて実現し
てもよいことは言うまでもないが、デジタル回路やソフ
トウエアなどにより実現してもよい。
【００３４】
【数４】
【００３５】第１重力補正部２では、第１座標変換部４
の出力する静止座標系でのペン座標系の原点の加速度ａ
ｇＸ，ａｇＹ，ａｇＺから、同じく静止座標系で想定さ
れるの重力の加速度の影響ｇＸ，ｇＹ，ｇＺを〔数５〕
などにより差し引いた値ａＸ，ａＹ，ａＺを求め、重力
の影響を除去する。第１重力補正部２の演算は、重力の
影響を除去できるものであればどのようなものでもよ
い。また、第１重力補正部２は、アナログ回路等にて実
現してもよいことは言うまでもないが、デジタル回路や
ソフトウエアなどにより実現してもよい。
【００３６】
【数５】
【００３７】第１積分部３では、第１重力補正部２の出
力するペン座標系の原点の静止座標系での加速度ａＸ，
ａＹ，ａＺを積分して、静止座標系での速度ＶＸ，Ｖ
Ｙ，ＶＺを第２積分部５に出力する。第１積分部３の積
分は、公知の演算増幅器を用いたアナログ積分回路等に
て実現してもよいことは言うまでもないが、〔数６〕に
示すような漸化式の演算などによりデジタル回路やソフ
トウエアなどにより実現してもよい。ここで、Δｔは漸
化式の演算の周期を示す。
【００３８】
【数６】
【００３９】第２積分部５では、第１積分部３の出力す
る静止座標系での速度ＶＸ，ＶＹ，ＶＺを積分して、第
２座標変換部６に静止座標系におけるペン座標系の原点
の位置ＯＸ，ＯＹ，ＯＺの情報を出力する。第２積分部
５の積分は、アナログ回路等にて実現してもよいことは
言うまでもないが、〔数７〕に示すような漸化式の演算
などによりデジタル回路やソフトウエアなどにより実現
してもよい。ここで、Δｔは漸化式の演算の周期を示
す。
【００４０】
【数７】
【００４１】第２座標変換部６では、第２積分部５の出
力する静止座標系におけるペン座標系の原点８８の位置
ＯＸ，ＯＹ，ＯＺと方向検出部７の出力する方向情報Ａ
ｉｊとペンの座標系におけるペン先８９の位置ＴＸ，Ｔ
Ｙ，ＴＺから、静止座標系におけるペン先の座標Ｘ，
Ｙ，Ｚを〔数８〕により演算する。第２座標変換部６の
演算は、アナログ回路やデジタル回路等にて実現しても
よいが、ソフトウエアを使って実現してもよいことは言
うまでもない。ただし、ペン座標系の原点とペン先の位
置が近い場合は、ペンの座標系におけるペン先の位置Ｔ
Ｘ，ＴＹ，ＴＺはほぼゼロとなるため、第２座標変換部
６は、図４に示すように省略することもできる。
【００４２】
【数８】
【００４３】本実施例の第１積分部３，第２積分部５，
第３積分部７３，第４積分部８４，第６積分部８５，第
１方向演算部７５及び第２方向演算部８６の各出力は、
各部の入力のみでなく演算の初期状態によって異なる。
したがって、本発明では、各部の初期状態を入力する座
標の原点に重力と平行な向きにペンが向いている状態と
仮定した。つまり、入力する座標の原点に重力と平行な
向きにペンが向いている状態にして、座標入力の演算を
開始するようにした。しかし、初期状態は、この限りで
なく、特定の座標の特定の方向になるように設定しても
良いし、初期化用のリセットスイッチを設けて初期化で
きるようにしても良いし、初期値の設定をプログラマブ
ルな構成としても良いし、実用上問題のない方法であれ
ばどのような初期設定としても良い。
【００４４】（５）改良した方向検出部 以上に説明した方向検出部７では、方向情報を求めるた
めの積分の演算により、演算誤差を生じる。この問題
は、図１３に示すように、方向検出部７を角速度検出部
２１と第３加速度検出部１５と第３座標変換部１４と第
２重力補正部１２とフィルタ部１７と方向演算部２５と
から構成することにより改善することができる。この場
合にも、方向検出部７は、角速度検出部２１でペンの角
速度を検出し、ペンの角速度から方向演算部２５でペン
の方向を求める。
【００４５】また、第３加速度検出部１５ではペンの重
力の影響を含む加速度を検出し、第３加速度検出部１５
の出力を方向演算部２５の出力するペンの方向により第
３座標変換部１４でペンの座標系の値から入力する座標
系の値に変換し、第３座標変換部１４の重力の影響を含
む出力から第２重力補正部１２で想定する静止座標系で
想定される重力の影響を除去し、第２重力補正部１２の
出力からフィルタ部１７で動的成分を除去して第３座標
変換部１４で生じた重力の座標変換誤差を求め、第３座
標変換部１４での重力の座標変換誤差が少なくなるよう
に方向演算部２５の出力するペンの方向を修正すること
により、方向演算部２５の出力する方向に誤差が蓄積し
なくなり、正確なペンの座標の入力が可能になる。
【００４６】また、フィルタ部１７では、ペンの方向の
補正のフィードバックループの安定性の確保も行う。角
速度検出部２１は、図３に示す角加速度検出部７１と第
３積分部７３によるものと同様のもので、ペンの角速度
を出力する。
【００４７】第３加速度検出部１５は、ペンの座標系の
３本の座標軸上に各々検出方向が重なるように配置した
加速度検出器により構成される。このように配置するこ
とにより、ペンの座標系の原点の３次元加速度ａｐＸ，
ａｐＹ，ａｐＺを検出して、第３座標変換部１４に出力
する。この検出値には、重力の影響が含まれている。と
ころで、第３加速度検出部１５は、ここに示した限りで
なく、ペンの座標系の原点の３次元の加速度を検出でき
るものであれば、どのようなものでも良い。
【００４８】第３座標変換部１４では、第３加速度検出
部１５の出力する重力を含むペンの加速度をペンの座標
系の値ａｐＸ，ａｐＹ，ａｐＺから静止座標系の値ａｇ
Ｘ，ａｇＹ，ａｇＺに変換する。ただし、方向演算部２
５の出力に演算誤差などに起因する誤差がある場合に
は、第３座標変換部１４の重力の成分の座標変換に誤差
ＥＸ，ＥＹ，ＥＺを生じる。ここで、動的成分の誤差に
ついては、フィルタ部１７で除去されるため、便宜上省
略した。この変換は、方向演算部２５の出力する方向情
報Ａｉｊにより〔数９〕で変換したが、方向演算部２５
の出力する方向情報によりペンの座標系の値から静止座
標系の値に変換する方法であればどのようなものでも良
い。また、第３座標変換部１４の演算は、公知の演算増
幅器などを用いたアナログ積和回路等にて実現してもよ
いことは言うまでもないが、デジタル回路やソフトウェ
アなどにより実現してもよい。
【００４９】
【数９】
【００５０】第２重力補正部１２では、第３座標変換部
１４の出力から静止座標系で想定される重力の加速度ｇ
Ｘ，ｇＹ，ｇＺを〔数１０〕により差し引いて、重力の
補正を行ってフィルタ部１７に出力する。ここで、第３
座標変換部１４で生じた重力成分の座標変換誤差ＥＸ，
ＥＹ，ＥＺについては第２重力補正部１２では補正され
ずに、そのまま出力される。第２重力補正部１２の演算
は、アナログ回路等にて実現してもよいことは言うまで
もないが、デジタル回路やソフトウェアなどにより実現
してもよい。
【００５１】
【数１０】
【００５２】フィルタ部１７では、第２重力補正部１２
の出力から動的成分ａＸ，ａＹ，ａＺを除去して、方向
演算部２５の出力の誤差に起因して第３座標変換部１４
で生じた重力の座標変換誤差ＥＸ，ＥＹ，ＥＺを得る。
このため、フィルタ部１７は公知のローパスフィルタに
より実現した。しかし、フィルタ部１７はこの限りでな
く、積分回路などにより実現しても良い。フィルタ部１
７の演算は、アナログ回路等にて実現してもよいことは
言うまでもないが、デジタル回路やソフトウェアなどに
より実現してもよい。また、フィルタ部１７は、フィー
ドバックループの安定性も確保する。
【００５３】方向演算部２５では、公知の角速度検出部
２１の出力する３次元の角速度ＷＸ，ＷＹ，ＷＺにより
ペンの方向を求めるとともに、フィルタ部１７の出力す
る第３座標変換部１４で生じた重力の座標変換誤差Ｅ
Ｘ，ＥＹ，ＥＺが少なくなるように補正する。この場合
にペンの方向は、〔数１１〕に定義される３次元回転の
座標変換の３×３のマトリクス係数Ａｉｊを用いた。こ
こで、ＰＸ，ＰＹ，ＰＺは、ペンから見た座標系の値で
あり、ＳＸ，ＳＹ，ＳＺは、座標入力の基準となる静止
座標系の値である。ただし、ペンの方向情報は、ペンの
位置と独立なことを利用して、演算の便宜上、ペンの座
標系と静止座標系の原点が一致しているものと仮定し
た。
【００５４】また、ペンのある方向の極座標の２つの方
向成分とペンの前記ある方向を軸とした回転方向の角度
によりペンの方向を表現したり、ペンのある方向を示す
静止座標系のベクトルとペンの前記ある方向を軸とした
回転方向の角度などの３次元のペンの方向を示す情報で
あればどのようなものを用いても良い。
【００５５】
【数１１】
【００５６】方向演算部２５での演算は、アナログ回路
等にて実現しても良いが、式（１２）に示すような漸化
式によりデジタル回路やソフトウェアなどにより実現し
てもよい。 Ａｉｊ（ｔ）＝Ｈｉｊ（ｔ）・Ａｉｊ（ｔ−Δｔ）・Ｗｉｊ（ｔ） 式（１２） ここで、Ｗｉｊは、角速度検出部２１の出力する角速度
により方向を変えるためのマトリクスであり、〔数１
２〕による演算で得られる。
【００５７】
【数１２】
【００５８】また、Ｈｉｊは、第３座標変換部１４での
重力の座標変換の誤差ＥＸ，ＥＹ，ＥＺを小さくするよ
うに方向演算部２５の出力を修正するためのものであ
り、フィルタ部１７の出力する誤差ＥＸ，ＥＹ，ＥＺと
第２重力補正部１２で想定する静止座標系での重力の加
速度ｇＸ，ｇＹ，ｇＺとから式（１４）による演算で得
られる。
【００５９】 Ｈｉｊ＝Ｄｉｊ・（Ｓｉｊの逆行列） 式（１４） ここで、Ｄｉｊは方向演算部２５の出力を修正した後の
第３座標変換部１４の出力の重力成分を表し、Ｓｉｊ
は、方向演算部２５の出力を修正する前の誤差を含んだ
第３座標変換部１４の出力の重力成分を表わす。したが
って、Ｄｉｊの縦の１列目の成分（Ｄ１１，Ｄ２１，Ｄ
３１）は、静止座標系で想定される重力の影響による加
速度（ｇＸ，ｇＹ，ｇＺ）である。また、Ｓｉｊの縦の
１列目の成分（Ｓ１１，Ｓ２１，Ｓ３１）は、座標変換
誤差を含んだ第２重力補正部の補正前の重力の加速度で
あり、重力の座標変換誤差（ＥＸ，ＥＹ，ＥＺ）を定数
倍したものと第２重力補正部で想定する重力の加速度
（ｇＸ，ｇＹ，ｇＺ）の和の演算により得られる。ここ
で重力の座標変換誤差（ＥＸ，ＥＹ，ＥＺ）を定数倍し
たのは、フィードバックループのゲインを調整するため
である。
【００６０】さらに、Ｄｉｊの縦の２列目の成分（Ｄ１
２，Ｄ２２，Ｄ３２）は、Ｓｉｊの縦の２列目の成分
（Ｓ１２，Ｓ２２，Ｓ３２）と同じ値であり、公知の方
法で演算されるフィルタ部１７の出力する補正後の補正
誤差（ＥＸ，ＥＹ，ＥＺ）と第２重力補正部で想定する
重力の加速度（ｇＸ，ｇＹ，ｇＺ）の両方に垂直な任意
のベクトルである。また、Ｄｉｊの縦の３列目の成分
（Ｄ１３，Ｄ２３，Ｄ３３）は、Ｓｉｊの縦の３列目の
成分（Ｓ１３，Ｓ２３，Ｓ３３）と同じ値であり、Ｄｉ
ｊの縦の２列目の成分（Ｄ１２，Ｄ２２，Ｄ３２）を−
１倍したものを用いた。
【００６１】以上に、フィルタ部１７を第２重力変換部
と方向演算部２５の間に設けた例を示したが、フィルタ
部１７はこの限りでなく、図１５や図１６に示すよう
に、第３座標変換部１４と第２重力補正部１２との間や
第３加速度検出部１５と第３座標変換部１４との間に設
けても良い。
【００６２】さらに、図１４に示すように、第３加速度
検出部１５は、必要に応じて第１加速度検出部１と兼用
にしても良い。同様に、第３座標変換部１４は第１座標
変換部４と兼用にしても良く、第２重力補正部１２も第
１重力補正部２と兼用にすることができる。
【００６３】また、図１６に示すように第３座標変換部
１４は第２重力補正部１２とフィルタ部１７との間に設
けても良い。ただし、この場合には、第２重力補正部１
２での補正がペンの座標系で行われるため、第２重力補
正部１２で用いる重力ベクトルを静止座標系のベクトル
からペンの座標系でのベクトルに変換しておく必要があ
る。
【００６４】（６）他の実施例 以上に、座標演算部１０において、第１座標変換部４を
第１加速度検出部１と第１重力補正部２との間に設けた
座標入力装置の例を示したが、図５に示すように第１座
標変換部４は第１第１重力補正部２と第１積分部３との
間に設けても良い。ただし、この場合には、第１重力補
正部２での補正がペン座標系で行われるため、第３座標
変換部８１で重力の影響を示すベクトルを静止座標系の
ベクトルからペン座標系でのベクトルに変換しておく必
要がある。さらに、第１座標変換部４は、図６に示すよ
うに第１積分部３と第２積分部５の間に設けても良い。
この場合には、第１積分部３の出力する速度情報までが
ペン座標系の値で、第２積分部５以降が静止座標系の値
になる。
【００６５】以上に、角加速度検出部７１、第１加速度
検出部１、第２加速度検出部８２および第３加速度検出
部１５の出力が直交座標の値になる例を示したが、ペン
の外形など何らかの理由で３次元空間での値を特定でき
る斜交座標や円柱座標や極座標などの他の座標系の値に
なる場合や倍率の異なる座標系の値になる場合は、必要
に応じて公知の方法で座標変換を行なえば良い。
【００６６】また、ペン座標系と静止座標系についても
直交座標を用いた例を示したが、この限りでなく３次元
空間での加速度、速度、位置、方向等を特定できるもの
であれば、どのような座標系を用いても良い。さらに、
加速度検出器１１の検出方向の延長線が原点を通る例を
示したが、加速度検出器１１の検出方向の延長線が原点
から離れている場合にも、加速度検出器１１の出力から
角加速度検出器の出力により得られる角加速度の成分を
除去することにより、原点の正確な加速度を容易に得る
ことができる。
【００６７】また、図１０に示すように、本発明による
座標入力装置では、ペン先に接触検出部８７を設けて、
ペンの位置とペン先の接触状態を入力するようにしても
良い。ペン先の接触状態の代わりに、オペレータがスイ
ッチ等により情報を入力できるようにすることにより、
操作性を改善することができることは言うまでも無い。
【００６８】さらに、ペンの向きが長手方向を軸に回転
出来ないような外形になっている場合には、長手方向を
角加速度の検出の軸としている角加速度検出器は、省略
することができる。このように、構造上の理由でペンの
動作に何らかの制約がある場合には、対応する加速度検
出器または角加速度検出器を省略することができる。
【００６９】本実施例では、本発明を構成する各ブロッ
クごとについて説明したが、本発明を構成するブロック
の全部または一部について、共通のプロセッサや回路を
用いて実現しても良いことは言うまでもない。 （７）フィードバックを用いた実施例 図１７に示すように、本発明による座標入力装置では、
第一加速度検出部１でペンの加速度を検出し、第１積分
部３で第一加速度検出部１で検出した加速度を積分して
速度情報に変換し、第２積分部５で速度情報をさらに積
分して位置情報に変換する。ここで、第２積分部５の出
力を第１積分部３にフィードバックすることにより、図
２２に示すように、第一加速度検出部１の検出した加速
度の値にノイズが重畳していても、第１積分部３の出力
する速度情報と第２積分部５の出力する位置情報は一時
的に変化しても発散はしなくなる。
【００７０】このように、本発明による座標入力装置で
は、第一加速度検出部１の検出するペンの加速度の検出
値にノイズが重畳した場合でも、積分の演算にフィード
バックループを設けて、検出値が発散しなくなるように
することができる。また、位置情報の負の帰還をかける
ことにより逆に演算に誤差を生じるが、通常座標入力装
置はある一定領域で使われるため、位置情報が発散しな
いように負の帰還をかけても実用上大きな問題にはなら
ない。
【００７１】これより、各部について詳細に説明する。
まず、第一加速度検出部１は、すでに述べたものとして
同様のものを用いてペンの３次元の加速度を検出するよ
うにした。ただし、次元数は、３次元に限られるもので
はなく、制約条件等により他の次元でもよい。第一加速
度検出部１の出力は、必要に応じて、すでに述べた本発
明による重力の補正やペンの方向による座標変換などを
施されていても良い。
【００７２】第１積分部３では、図１８に示すように、
第２積分部５を構成するオペアンプ５１の出力する位置
データをオペアンプ３２で反転したものと第一加速度検
出部１の出力するペンの加速度データをオペアンプ３１
で加算して積分し、その結果得られた速度データを第２
積分部５に出力する。ただし、ここでは回路の便宜上速
度は負の値になっているが、この限りではない。ここ
で、加速度データにノイズが重畳していても第２積分部
５の出力する位置データが発散しないように負の帰還が
かかっているため、図２２に示すように速度データは一
時的に変化するが、充分長い時間が経過するともとにも
どる。
【００７３】このように、第１積分部３は、第２積分部
５の出力する位置データを用いて負の帰還をかけて、第
一加速度検出部１の出力する加速度データを積分するも
のであればどのようなものでも良い。第１積分部３の積
分は、オペアンプ３１を用いたアナログ積分回路等にて
実現した例を示したが、演算によりデジタル回路やソフ
トウエアなどにより実現してもよいことは言うまでもな
い。
【００７４】第２積分部５では、図１８に示すように、
第１積分部３の出力するペンの速度データをオペアンプ
５１で積分して、位置データを求める。このため、加速
度データにノイズが重畳していても第２積分部５の出力
する位置データが発散しないように負の帰還がかかって
いるため、図２２に示すように、位置データは一時的に
変化するが、充分長い時間が経過するともとにもどる。
このように、第１積分部３の出力する速度データを積分
して位置データを演算し、第１積分部３に出力するもの
であればどのようなものでも良い。第２積分部５の積分
は、オペアンプ５１を用いたアナログ積分回路等にて実
現した例を示したが、演算によりデジタル回路やソフト
ウエアなどにより実現してもよいことは言うまでもな
い。
【００７５】同様に、図１９及び図２３に示すように、
第１積分部３を構成するオペアンプ３３の出力する速度
データを第１積分部３のオペアンプ３３の入力に負の帰
還をかけることにより、加速度にノイズが重畳した場合
でも位置データを発散しないようにすることができる。
ただし、この場合には、位置データには誤差が加算され
る。
【００７６】また、図２０及び図２４に示すように、第
２積分部５を構成するオペアンプ５３の出力する位置デ
ータを第２積分部５のオペアンプ５３の入力に負の帰還
をかけることにより、加速度にノイズが重畳して速度デ
ータが変化した場合でも位置データを発散しなくするこ
とができる。ただし、この場合にも、位置データには誤
差が加算される。ここでは、第２積分部５の出力から第
１積分部３の入力に帰還をかける構成と、第１積分部３
の出力から第１積分部３の入力に帰還をかける構成と、
第２積分部５の出力から第２積分部５の入力に帰還をか
ける構成の、いずれかを実施した例を示したが、複数の
構成を組み合わせても良いことは、言うまでもない。
【００７７】本実施例では、本発明を構成する各ブロッ
クごとについて説明したが、本発明を構成するブロック
の全部または一部について、共通のプロセッサや回路を
用いて実現しても良いことは言うまでもない。以上、こ
こで説明した種々の実施例では、座標を指示するものを
ペンとしたが、その形状はペン型に限定されるものでは
なく、任意の形状のものに本発明を適用できるのは言う
までもない。
【００７８】さらに、本実施例では、３次元座標の座標
入力装置について述べたが、本発明を２次元座標の座標
入力装置に適用することは容易に行えることである。
【００７９】
【発明の効果】以上に示したように、本発明による座標
入力装置では、加速度検出手段、方向検出手段と、第１
座標変換手段、第２座標変換手段、重力補正手段、第１
積分手段、第２積分手段とを有する座標演算手段とから
なる構成とした。この構成により、本発明による座標入
力装置では、ペンが傾いた場合でもペンの方向に応じた
重力の補正を行うことにより、重力の影響を正確に排除
した正確な座標を得ることができるという効果がある。
また、加速度検出器とペン先の位置が離れていてもペン
の方向に応じてペン先の正確な位置を演算できるため、
ペン先の正確な座標を得ることができるという効果があ
る。さらに、本発明による座標入力装置では、３次元の
加速度及び角加速度を検出することにより、３次元の座
標を入力することができるという効果がある。
【００８０】また、本発明による座標入力装置では、角
加速度検出部７１を加速度検出器を組み合わせて構成し
た場合には、加速度検出のための加速度検出器と角加速
度検出のための加速度検出器を併用することにより、装
置全体の外形重量及びコストを低減させることができる
という効果がある。
【００８１】さらに、本発明による座標入力装置では、
方向検出部を、第３加速度検出手段、第３座標変換手
段、第２重力補正手段、角速度検出手段、方向演算手段
及びフィルタ手段とからなる構成としたため、本発明に
よる座標入力装置では、座標指示器の方向の検出に誤差
が蓄積しなくなるため、重力の影響を正確に排除した安
定で正確な座標を得ることができる。
【００８２】そして、さらに本発明による座標入力装置
では、ペンの加速度を検出する加速度検出手段と、前記
加速度検出手段の出力を積分する第１積分手段と、前記
第１積分手段の積分して前記第１積分手段にフィードバ
ックをかける第２積分手段とにより座標入力装置を構成
した。この構成により、本発明による座標入力装置で
は、ペンの加速度の検出値にノイズが重畳した場合でも
積分の演算にフィードバックループを設けて、検出値が
発散しなくなるようにすることができる。
【００８３】したがって、従来必要であった積分部の定
期的な初期化を不要とする座標入力装置を得ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による座標入力装置のシステムブロック
図である。
【図２】従来の座標入力装置の構成を示すブロック図で
ある。
【図３】本発明による座標入力装置における方向検出部
のブロック図である。
【図４】本発明による座標入力装置の他の実施例を示す
ブロック図である。
【図５】本発明による座標入力装置の他の実施例を示す
ブロック図である。
【図６】本発明による座標入力装置の他の実施例を示す
ブロック図である。
【図７】本発明による座標入力装置の角加速度検出部の
実施例を示すブロック図である。
【図８】本発明による座標入力装置の方向検出部の他の
実施例を示すブロック図である。
【図９】本発明による座標入力装置の方向検出部の他の
実施例を示すブロック図である。
【図１０】接触検出部を付加した本発明による座標入力
装置のブロック図である。
【図１１】本発明による座標入力装置の第１加速度検出
部と第２加速度検出部の加速度検出器の配置を示す配置
図である。
【図１２】本発明による座標入力装置の第１加速度検出
部と第２加速度検出部の加速度検出器の配置の他の実施
例を示す配置図である。
【図１３】本発明による座標入力装置の方向検出部の他
の実施例を示すブロック図である。
【図１４】本発明による座標入力装置の他の実施例を示
すブロック図である。
【図１５】本発明による座標入力装置の方向検出部の他
の実施例を示すブロック図である。
【図１６】本発明による座標入力装置の方向検出部の他
の実施例を示すブロック図である。
【図１７】本発明による座標入力装置のフィードバック
構成の実施例を示すシステムブロック図である。
【図１８】本発明による座標入力装置のフィードバック
構成の実施例における第１積分部と第２積分部の回路図
である。
【図１９】本発明による座標入力装置のフィードバック
構成の他の実施例における第１積分部と第２積分部の回
路図である。
【図２０】本発明による座標入力装置のフィードバック
構成の他の実施例における第１積分部と第２積分部の回
路図である。
【図２１】従来の座標入力装置のノイズ対応動作を示す
波形図である。
【図２２】本発明による座標入力装置のフィードバック
構成の実施例におけるノイズ対応動作を示す波形図であ
る。
【図２３】本発明による座標入力装置のフィードバック
構成の他の実施例におけるノイズ対応動作を示す波形図
である。
【図２４】本発明による座標入力装置のフィードバック
構成の他の実施例におけるノイズ対応動作を示す波形図
である。
【符号の説明】
１ 第１加速度検出部 ２ 第１重力補正部 ３ 第１積分部 ４ 第１座標変換部 ５ 第２積分部 ６ 第２座標変換部 ７ 方向検出部 １０、１００、１０１、１０２ 座標演算部 １１ 第１加速度検出部の加速度検出器 １２ 第２重力補正部 １４ 第３座標変換部 １５ 第３加速度検出部 １７ フィルタ部 ２１ 角速度検出部 ２５ 方向演算部 ７１ 角加速度検出部 ７３ 第３積分部 ７５ 第１方向演算部 ８１ 第３座標変換部 ８２ 第２加速度検出部 ８３ 減算部 ８４ 第４積分部 ８５ 第６積分部 ８６ 第２方向演算部 ８７ 接触検出部 ８８ ペン座標系の原点 ８９ ペン先 ９２ 第２加速度検出部の加速度検出器

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 座標指示器が存在する位置の座標を得る
    座標入力装置において、前記座標指示器の加速度を検出
    する加速度検出手段と、前記座標指示器の方向を検出す
    る方向検出手段と、前記加速度検出手段の出力と前記方
    向検出手段の出力を受け、前記座標指示器の位置座標を
    出力する座標演算手段とから構成されることを特徴とす
    る座標入力装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の座標入力装置におい
    て、前記座標演算手段は、前記方向検出手段の出力信号
    を用いて入力信号を座標変換する第１の座標変換手段
    と、入力信号に対して重力の影響を排除する重力補正手
    段と、入力信号を積分して位置情報に変換する第１の積
    分手段とから構成されることを特徴とする座標入力装
    置。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の座標入力装置におい
    て、前記方向検出手段は、前記座標指示器の角加速度を
    検出する角加速度検出手段と、前記角加速度信号を角速
    度信号あるいは位置情報に変換する第２の積分手段と、
    前記角速度信号あるいは位置情報を座標指示器の方向情
    報に変換する方向演算手段とから構成されることを特徴
    とする座標入力装置。
  4. 【請求項４】 請求項２に記載の座標入力装置におい
    て、さらに、第１の積分回路が出力する位置情報を前記
    方向検出手段の出力を用いて座標変換する第２の座標変
    換手段を有することを特徴とする座標入力装置。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の座標入力装置におい
    て、前記加速度検出手段を構成する加速度検出器と、前
    記方向検出手段を構成する加速度検出器とを兼用にした
    ことを特徴とする座標入力装置。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載の座標入力装置におい
    て、前記方向検出手段は、検出方向が平行な２つで１組
    の加速度検出器を少なくとも２組以上を、座標指示器の
    １次独立な少なくとも２方向の加速度を検出する位置に
    配置した加速度検出手段と、該加速度検出手段の出力を
    受け前記各加速度検出器の出力にそれぞれ対応した速度
    信号を出力する積分手段と、前記の組になった加速度検
    出器の出力に対応する前記速度信号どおしを減算し、角
    速度信号を得る減算手段と、該角速度信号を座標指示器
    の方向情報に変換する方向演算手段とから構成されるこ
    とを特徴とする座標入力装置。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載の座標入力装置におい
    て、前記方向検出手段は、同一直線上にない座標指示器
    内の３箇所の３次元加速度を検出する加速度検出手段
    と、該加速度検出手段のそれぞれの出力から前記３箇所
    の位置の座標を得る積分手段と、該３箇所の位置の座標
    の差を求め座標指示器の方向情報を出力する方向演算手
    段とから構成されることを特徴とする座標入力装置。
  8. 【請求項８】 請求項１に記載の座標入力装置におい
    て、前記方向検出手段は、前記座標指示器の角速度を検
    出する角速度検出手段と、前記角速度検出手段の出力に
    より座標指示器の方向を演算する方向演算手段と、前記
    座標指示器の加速度を検出する加速度検出手段と、前記
    方向演算手段の出力により前記座標指示器の検出された
    加速度または重力の加速度を座標変換する座標変換手段
    と、前記座標指示器の検出された加速度から重力の影響
    を除去する重力補正手段と、前記座標指示器の検出され
    た加速度から動的成分を除去するフィルタ手段とを有す
    ることを特徴とする座標入力装置。
  9. 【請求項９】 加速度検出器を用いて座標を入力する座
    標入力装置において、入力する座標を示す座標指示器
    と、前記座標指示器に固定され前記座標指示器の加速度
    を検出する加速度検出手段と、前記加速度検出手段の出
    力する前記座標指示器の加速度を積分して前記座標指示
    器の速度を演算する第１積分手段と前記第１積分手段の
    出力する速度を積分して前記座標指示器の位置を演算す
    る第２積分手段と、前記第２積分手段の出力から前記第
    １隻分手段の入力への負の帰還手段を有することを特徴
    とする座標入力装置。
  10. 【請求項１０】 加速度検出器を用いて座標を入力する
    座標入力装置において、入力する座標を示す座標指示器
    と、前記座標指示器に固定され前記座標指示器の加速度
    を検出する加速度検出手段と、前記加速度検出手段の出
    力する前記座標指示器の加速度を積分して前記座標指示
    器の速度を演算する第１積分手段と前記第１積分手段の
    出力する速度を積分して前記座標指示器の位置を演算す
    る第２積分手段と、前記第１積分手段の出力から前記第
    １積分手段の入力への負の帰還手段あるいは前記第２積
    分手段の出力から前記第２積分手段の入力への負の帰還
    手段のどちらか一方または両方を有することを特徴とす
    る座標入力装置。
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