JPH10275048A

JPH10275048A - ペン型入力装置

Info

Publication number: JPH10275048A
Application number: JP9092906A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Shingyouchi; 充新行内; Takao Inoue; 隆夫井上; Yasuhiro Sato; 康弘佐藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1997-03-28
Publication date: 1998-10-13
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: JP3678386B2

Abstract

(57)【要約】【課題】小型の入力装置が求められている。そこで、ペ
ン型入力装置で正確に筆記入力できるようにする。【解決手段】初期傾斜角演算部４４は加速度センサ２で
検出した加速度を基に初期傾斜角を算出する。傾斜角変
化演算部４５はジャイロ３で検出した回転角速度を基に
傾斜角変化を算出する。筆記中傾斜角演算部４６はこれ
らを基に筆記中傾斜角を算出する。角加速度演算部４７
は回転角速度から回転角加速度を求め、加速度補正部４
８は回転角速度、回転角加速度及び各加速度センサの取
付位置を基にペン先部の加速度を求める。座標変換演算
部４９ａは筆記中傾斜角を基にペン先部の加速度の座標
系をペン軸座標系から重力座標系に変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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６-67799号公
報に掲載されたペン型のコンピュータ入力装置、特開平
７-84716号公報に掲載されたデータ入力装置、特開平７
-200127号公報に掲載された手書き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６-67799号公報に掲載されたペン型
のコンピュータ入力装置は加速度センサで移動方向と移
動量を調べ、圧電振動ジャイロで加速度センサが検出し
た移動方向及び移動量のペン型のコンピュータ入力装置
のローテーションによる影響を補正している。さらに、
特開平７-84716号公報に掲載されたデータ入力装置は互
いに直角に配置された振動ジャイロからの極性及び振幅
を示す信号を基に装置の移動方向及び移動量を検出して
いる。さらに、特開平７-200127号公報に掲載された手
書き入力装置は２個の加速度センサからの信号を基に装
置の移動方向及び移動距離を求めている。

【０００６】また、ペン軸と直交する平面上で直交する
２方向の加速度を検出する加速度センサを２組備えた装
置として、例えば特開平６-230886号公報に掲載された
ペンシル型入力装置では、２組の加速度センサの出力を
積分した後、加速度センサの取付け位置の影響を補正
し、ペン先部の移動方向及び移動量を検出している。

【０００７】また、ペン型入力装置に関するものでな
く、例えばゲーム機に利用され、人体頭部の移動速度、
位置、姿勢等を検出するものであるが、特開平７-29424
0号公報に掲載された位置センサは、Ｘ軸方向，Ｙ軸方
向及びＺ軸方向の加速度を検出する加速度センサとＸ軸
周り，Ｙ軸周り及びＺ軸周りの角速度を検出するジャイ
ロを備え、これらが検出した加速度及び角速度基にスト
ラップダウン方式の演算を行って、頭部の移動速度、位
置、姿勢及び向きを検出している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
６-67799号公報に掲載されたペン型のコンピュータ入力
装置では、装置のローテーションによる影響を補正する
もので、装置がダイナミックな傾斜を伴う場合には補正
することができない。通常の筆記動作では装置のダイナ
ミックな傾斜を伴うので、検出結果が不正確になる場合
がある。

【０００９】さらに、特開平７-84716号公報に掲載され
たデータ入力装置は手首の回転動作を検出して移動方向
及び移動距離を入力するものなので、図形等の入力には
適さない。

【００１０】さらに、特開平７-200127号公報に掲載さ
れた手書き入力装置では、装置の傾斜に対する補正手段
がないため、検出結果が不正確になる場合がある。

【００１１】また、特開平６-230886号公報に掲載され
たペンシル型入力装置では、加速度の積分を行なった後
に補正をしているが、補正前の加速度を積分することに
より、誤差に検出が困難になり、正確な補正ができな
い。また、ペン先部における加速度の検出成分がペン軸
の傾斜により変化することを考慮していない。

【００１２】また、特開平７-294240号公報に掲載され
た位置センサは、頭部の移動速度、位置、姿勢及び向き
を空間的に検出するものなので、複雑な演算処理を採用
しているが、ペン型入力装置では装置の小型化が要求さ
れているため、簡単な演算処理で正確に筆記面上の移動
方向及び移動距離を検出しなければならない。

【００１３】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。

【００１４】

【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、３個の加速度センサと３個のジャイロと演算
部を有し、３個の加速度センサはそれぞれペン軸をＺs
軸としたペン軸座標系の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し、３個のジャイロは
それぞれ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し、演算部は初期傾斜角演算部と
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移動量演算部を備
え、初期傾斜角演算部は無筆記状態で３個の加速度セン
サを用いて検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の
加速度を基に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）におけるペン軸の傾斜角
の初期値を演算し、傾斜角変化演算部は筆記状態で３個
のジャイロを用いて検出した回転角速度を基にペン軸の
重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における傾斜角の変化を
演算し、筆記中傾斜角演算部は初期傾斜角演算部が演算
した傾斜角の初期値と傾斜角変化演算部が演算した傾斜
角の変化を基に筆記中のペン軸の重力座標系（Ｘg，Ｙ
g，Ｚg）における傾斜角を算出し、角加速度演算部は３
個のジャイロを用いて検出した回転角速度から回転角加
速度を求め、加速度補正部は３個のジャイロを用いて検
出した回転角速度、角加速度演算部が算出した回転角加
速度及び各加速度センサの取付位置を基に３個の加速度
センサを用いて検出した加速度のペン先部を中心とした
傾斜運動による加速度成分を算出し、算出した傾斜運動
による加速度成分を基に３個の加速度センサを用いて検
出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を補正
してペン先部におけるペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）
の加速度を求め、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ペン軸の重力座標系における傾斜角
を基に加速度補正部が補正して求めたペン先部のペン軸
座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）による加速度を重力座標系
（Ｘg，Ｙg，Ｚg）による加速度に変換し、移動量演算
部は座標変換演算部が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、オイラー座標変換方
式を採用してペン軸の傾斜運動による影響をなくすと共
に加速度センサの取付位置による影響をなくし、正確に
ペン先部の移動方向及び移動量を検出する。

【００１５】また、ペン型入力装置は、３個の加速度セ
ンサと３個のジャイロと演算部を有し、３個の加速度セ
ンサはそれぞれペン軸をＺs軸としたペン軸座標系のＸs
軸方向，Ｙs軸方向及びＺs軸方向の加速度を示す信号を
出力し、３個のジャイロはそれぞれＸs軸周り，Ｙs軸周
り及びＺs軸周りの回転角速度を検出し、演算部は初期
回転角ベクトル演算部と筆記中回転角ベクトル演算部と
角加速度演算部と加速度補正部と座標変換演算部と移動
量演算部を備え、初期回転角ベクトル演算部は筆記開始
の際に３個の加速度センサを用いて検出したペン軸座標
系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を基に回転角ベクトルの
初期値を演算し、筆記中回転角ベクトル演算部は初期回
転角ベクトル演算部が演算した回転角ベクトルの初期値
又は前回サンプリングの際に筆記中回転角ベクトル演算
部が演算した回転角ベクトルと３個のジャイロを用いて
検出した回転角速度を基に今回サンプリングの際の回転
角ベクトルを演算し、角加速度演算部は３個のジャイロ
を用いて検出した回転角速度から回転角加速度を求め、
加速度補正部は３個のジャイロを用いて検出した回転角
速度、角加速度演算部が算出した回転角加速度及び各加
速度センサの取付位置を基に３個の加速度センサを用い
て検出した加速度のペン先部を中心とした傾斜運動によ
る加速度成分を算出し、算出した傾斜運動の加速度成分
を基に３個の加速度センサを用いて検出したペン軸座標
系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を補正してペン先部にお
けるペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を求め、
座標変換演算部は筆記中回転角ベクトル演算部が演算し
た回転角ベクトルを基に加速度補正部が補正して求めた
ペン先部のペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）による加速
度を重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）による加速度に変換
し、移動量演算部は座標変換演算部が変換した加速度を
基にペン先部の移動方向及び移動距離を算出して、スト
ラップダウン方式を用いてペン軸の傾斜運動による影響
をなくすと共に加速度センサの取付位置による影響をな
くす。

【００１６】さらに、Ｘs軸方向の加速度センサをＹs＝
０となる位置、Ｙs方向の加速度センサをＸs＝０となる
位置、Ｚs方向の加速度センサをＺs軸上に設けて、補正
演算処理を簡単にする。

【００１７】さらに、Ｚs軸からの距離が加速度センサ
の分解能（m/s²）をほぼ2.5（/s²）で割った長さの範囲
内である位置に各加速度センサを設けて、補正演算処理
をさらに簡単にする。

【００１８】

【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、記号及び図形等を入力するも
のある。この発明のペン型入力装置は、無筆記状態での
ペン軸をＺs軸としたペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の
Ｘs軸方向，Ｙs軸方向及びＺs軸方向の加速度を検出
し、検出した加速度から重力加速度方向に伸びる軸をＺ
g軸にした重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）におけるペン軸
の傾斜角の初期値を求める。また、ペン型入力装置は筆
記中におけるペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）のＸs軸周
り，Ｙs軸周り及びＺs軸周りの角速度を検出し、ペン軸
の重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における傾斜角の変化
を検出する。これにより、筆記時におけるペン軸の重力
座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における傾斜角を求め、ペン
軸座標系（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し、移動方
向及び移動距離を正確に検出するものである。

【００１９】また、加速度の検出位置とペン先部が離れ
ていると、加速度の検出結果がペン軸の傾斜運動の影響
を受ける。そこで、検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，
Ｚs）の加速度を補正して、ペン軸の傾斜運動による影
響をなくすことにより、ペン先部の移動方向及び移動距
離を正確に検出するものである。

【００２０】ペン型入力装置は、例えば３個の加速度セ
ンサと３個のジャイロと演算部を有する。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（Ｘ
s，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。演算部は初期傾斜角
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移動量演
算部を備える。初期傾斜角演算部は無筆記状態で３個の
加速度センサを用いて検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙ
s，Ｚs）の加速度を基にペン軸の重力座標系（Ｘg，Ｙ
g，Ｚg）における傾斜角の初期値を演算する。傾斜角変
化演算部は筆記状態で３個のジャイロを用いて検出した
回転角速度を基にペン軸の重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚ
g）における傾斜角の変化を演算する。筆記中傾斜角演
算部は初期傾斜角演算部が演算したペン軸の重力座標系
（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における傾斜角の初期値と傾斜角変
化演算部が演算したペン軸の重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚ
g）における傾斜角の変化を基に、筆記中のペン軸の重
力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における傾斜角を求める。

【００２１】角加速度演算部は３個のジャイロを用いて
検出した回転角速度から回転角加速度を求める。加速度
補正部は３個のジャイロを用いて検出した回転角速度、
角加速度演算部が算出した回転角加速度及び各加速度セ
ンサの取付位置を基に３個の加速度センサを用いて検出
した加速度のペン先部を中心とした傾斜運動による加速
度成分を算出し、算出した傾斜運動による加速度成分を
基に３個の加速度センサを用いて検出したペン軸座標系
（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を補正してペン先部におけ
るペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を求める。
これにより、加速度センサの取付位置がペン先部から離
れていることに起因するペン軸の傾斜運動の影響をなく
すことができる。

【００２２】座標変換演算部は筆記中傾斜角演算部が検
出した筆記中のペン軸の重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）
における傾斜角を基に加速度補正部が求めたペン先部に
おけるペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を重力
座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度に変換する。移動量
演算部は座標変換演算部が変換した加速度を基にペン先
部の重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）での移動方向及び移
動距離を算出する。このように重力座標系（Ｘg，Ｙg，
Ｚg）の加速度を用いて移動方向及び移動距離を演算す
るので、傾斜運動による影響をなくすことができる。

【００２３】また、ペン型入力装置は、上記のようにオ
イラー座標変換方式を用いる代わりに、ストラップダウ
ン方式を用いても良い。ペン型入力装置は、例えば３個
の加速度センサと３個のジャイロと演算部を有する。演
算部は初期回転角ベクトル演算部と筆記中回転角ベクト
ル演算部と角加速度演算部と加速度補正部と座標変換演
算部と移動量演算部を備える。初期回転角ベクトル演算
部は筆記開始の際（時刻＝０）に３個の加速度センサを
用いて検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速
度を基に回転角ベクトルの初期値を演算する。筆記中回
転角ベクトル演算部は初期回転角ベクトル演算部が演算
した回転角ベクトルの初期値又は前回サンプリングの際
（時刻＝ｎ−１）に筆記中回転角ベクトル演算部が演算
した回転角ベクトルと３個のジャイロを用いて検出した
回転角速度を基に今回サンプリングの際（時刻＝ｎ）の
回転角ベクトルを演算する。例えば初期回転角ベクトル
演算部が回転角ベクトルの初期値を演算した後、最初の
サンプリングの際（時刻＝１）には、筆記中回転角ベク
トル演算部は初期回転角ベクトル演算部が算出した回転
角ベクトルの初期値を基に今回サンプリングの際（時刻
＝１）の回転角ベクトルを演算し、それ以後のサンプリ
ングの際には前回のサンプリングの際に算出した回転角
ベクトルを基に今回サンプリングの際の回転角ベクトル
を算出する。

【００２４】角加速度演算部は、オイラー座標変換方式
を用いた場合と同様に３個のジャイロを用いて検出した
回転角速度から回転角加速度を求める。加速度補正部は
３個のジャイロを用いて検出した回転角速度、角加速度
演算部が算出した回転角加速度及び各加速度センサの取
付位置を基に３個の加速度センサを用いて検出した加速
度のペン先部を中心とした傾斜運動による加速度成分を
算出し、算出した傾斜運動による加速度成分を基に３個
の加速度センサを用いて検出したペン軸座標系（Ｘs，
Ｙs，Ｚs）の加速度を補正してペン先部におけるペン軸
座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を求める。座標変換
演算部は筆記中回転角ベクトル演算部が演算した回転角
ベクトルを基に加速度補正部が補正して求めたペン先部
のペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）による加速度を重力
座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）による加速度に変換し、移動
量演算部は座標変換演算部が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する。

【００２５】ここで、上記加速度補正部の演算を簡単に
するために、例えばＸs軸方向の加速度センサをＹs＝０
となる位置、Ｙs方向の加速度センサをＸs＝０となる位
置、Ｚs方向の加速度センサをＺs軸上に設けたり、Ｚs
軸からの距離が加速度センサの分解能（m/s²）をほぼ2.
5（/s²）で割った長さの範囲内である位置に各加速度セ
ンサを設けたりしても良い。ここで、上記半径は通常の
筆記動作ではペン先部の加速度は最大10（m/s²）程度で
あり、補正に用いる回転角速度の２乗及び回転角加速度
の値は大きくて2.5（/s²）程度であり、また、補正量は
加速度の分解能程度の精度で算出すれば良いことから加
速度センサの加速度の分解能（m/s²）をほぼ2.5（/s²）
で割った長さとした。

【００２６】

【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。以下の説明では、図２に示すように
ペン先部８を原点としペン軸７をＺs軸とした座標系を
ペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）といい、ペン軸７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
標系といい、Ｚg軸と直交する２軸をＸg軸及びＹg軸と
いう。図に示すように、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、演算
部４ａ、記憶部５及び電源部６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（ωx
s，ωys，ωzs）を示す信号を出力する。ジャイロ３
ａ，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。

【００２７】演算部４ａは、図３に示すようにＡＤ変換
器４１ａ〜４１ｆ、ローパスフィルタ（以後「ＬＰＦ」
という。）４２ａ〜４２ｆ、静止判別部４３、初期傾斜
角演算部４４、傾斜角変化演算部４５、筆記中傾斜角演
算部４６、角加速度演算部４７、加速度補正部４８、座
標変換演算部４９ａ、重力加速度除去部５０及び移動量
演算部５１を備える。ＡＤ変換器４１ａ〜４１ｆは、そ
れぞれ加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及びジャイロ３
ａ，３ｂ，３ｃからのアナログ信号をデジタル信号に変
換する。ＬＰＦ４２ａ〜４２ｆはペン先部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８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，３
ｂ，３ｃからの信号に高周波成分が発生するからであ
る。

【００２８】初期傾斜角演算部４４は無筆記状態で３個
の加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを用いて検出した加速
度（Ａxso，Ａyso，Ａzso）を基にペン軸８の重力座標
系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）おける傾斜角の初期値（θo，φ
o，Ψo）を演算する。傾斜角変化演算部４５は筆記状態
で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を基にペン軸８の重力座標系
（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における傾斜角の変化（ｄθ／ｄ
ｔ，ｄφ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を演算する。筆記中傾斜
角演算部４６は初期傾斜角演算部４４が演算したペン軸
７の重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における傾斜角の初
期値（θo，φo，Ψo）と傾斜角変化演算部４５が演算
したペン軸７の重力座標系における傾斜角の変化（ｄθ
／ｄｔ，ｄφ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を基に、筆記中のペ
ン軸７の重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における傾斜角
（θ，φ，Ψ）を求める。ここで、傾斜角θ，φ，Ψは
Ｘs軸，Ｙs軸，Ｚs軸の角軸周りに３回回転させた立体
的な角度であり、図４に示すように傾斜角ΨはＺg軸を
中心に重力座標系を回転してＸg軸がＺg軸とＸs軸とが
成す平面を横切る角度、傾斜角θは新たに形成されるＹ
₁軸を中心に回転してＸ₁軸がＸs軸と一致する角度、傾
斜角φはＸ₂軸を中心に回転してＹs軸とＺs軸が一致す
る角度をいう。

【００２９】角加速度演算部４７は３個のジャイロ３
ａ，３ｂ，３ｃを用いて検出した回転角速度（ωxs，ω
ys，ωzs）から回転角加速度（ｄωxs／ｄｔ，ｄωys／
ｄｔ，ｄωzs／ｄｔ）を求める。加速度補正部４８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４７が算出
した回転角加速度（ｄωxs／ｄｔ，ｄωys／ｄｔ，ｄω
zs／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（Ａxso，Ａyso，Ａzso）のペン先部
８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４８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
検出した加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）を補正して、ペン
先部８におけるペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速
度（Ａxs，Ａys，Ａzs）を求める。これにより、加速度
センサ２ａ，２ｂ，２ｃの取付位置がペン先部８から離
れていることに起因するペン軸７の傾斜運動の影響をな
くすことができる。

【００３０】座標変換演算部４９ａは筆記中傾斜角演算
部４６が算出した筆記中のペン軸７の重力座標系（Ｘ
g，Ｙg，Ｚg）における傾斜角θ，φ，Ψを基に加速度
補正部４８が求めたペン先部８におけるペン軸座標系
（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，Ａz
g）に変換する。重力加速度除去部５０は座標変換演算
部４９ａが座標変換した後の重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚ
g）の加速度（Ａxg，Ａyg，Ａzg）から重力加速度成分
を除去する。移動量演算部５１は重力加速度除去部４９
が重力加速度成分を除去した後の加速度（Ａxg，Ａyg，
Ａzg）を基にペン先部８の重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚ
g）での移動方向及び移動距離を算出し、記憶部５に記
憶する。

【００３１】ここで、ペン型入力装置１の動作を説明す
る前に、上記座標変換等の演算処理についてさらに詳し
く説明する。

【００３２】ペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）から重力
座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）への座標変換行列invＥ（θ，
φ，Ψ）は次式で表すことができる。ここで、invＥ
（θ，φ，Ψ）は行列Ｅ（θ，φ，Ψ）の逆行列とす
る。

【００３３】

【数１】

【００３４】重力加速度をｇとすると、傾斜角の初期値
（θo，φo，Ψo）は以下の式で求めることができる。

【００３５】

【数２】

【００３６】上式から静止状態での傾斜角θo，φoの絶
対値が求まる。ここで、静止状態か否かは静止状態判別
部４３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して行な
う。

【００３７】ここで、２つの未知数θo，φoに対して３
本の方程式が立てられるので、重力加速度ｇを未知数と
して扱うこともできる。この式を用いれば重力加速度ｇ
の値を定義しなくとも、傾斜角θo，φoの絶対値を求め
ることがっできる。また、重力加速度ｇの値を演算し、
モニタし、この値の変動により演算の良否判定を行な
い、例えば大きく値が変化した場合には警告を出すよう
にしても良い。また、傾斜角の初期値Ψoはゼロにリセ
ットする。

【００３８】ペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の各軸の
回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）と傾斜角速度（ｄθ／
ｄｔ，ｄφ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）の関係は、以下の式で
示される。

【００３９】

【数３】

【００４０】傾斜角の初期値（θo，φo，Ψo）を考慮
して傾斜角速度（ｄθ／ｄｔ，ｄφ／ｄｔ，ｄΨ／ｄ
ｔ）を積分することで、傾斜角（θ，φ，Ψ）が求ま
る。傾斜角（θ，φ，Ψ）が求まると、さらに、前記式
を基に座標変換行列invＥ（θ，φ，Ψ）が求まる。

【００４１】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，Ｚa
s），（Ｘbs，Ｙbs，Ｚbs），（Ｘcs，Ｙcs，Ｚcs）と
すると、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，Ｙ
g，Ｚg）のペン先部８の加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzo
g）を求める式は、次式のようになる。

【００４２】

【数４】

【００４３】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（ω
xs，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，ｄ
ωzs／ｄｔ）の関数であるので、加速度補正部４８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。

【００４４】重力加速度除去部５０は、さらに、上記式
から重力加速度成分を除去する。移動量演算部５１は重
力加速度成分を除去した後の重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚ
g）でのペン先部８の加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）を
２回積分して、ペン先部８の軌跡（Ｘog，Ｙog，Ｚog）
を求める。

【００４５】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。

【００４６】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，ωy
s，ωzs）を示す信号を出力する。ＡＤ変換器４１ａ〜
４１ｆ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，Ａ
ys，Ａzs）及び回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）をデジ
タル変換する。ＬＰＦ４２ａ〜４１ｆ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，Ａz
s）及び回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）から低周波数
成分を抽出する。

【００４７】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４３は、ＡＤ変換器４１ａ〜
４１ｆからデジタル変換後の加速度（Ａxs，Ａys，Ａz
s）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，Ａ
ys，Ａzs）及び回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）から高
周波数成分を抽出して、いずれも高周波数成分を含んで
いないときを静止状態と判別し、いずれかが高周波数成
分を含んでいるときを筆記中と判別する。

【００４８】静止判別部４３が静止状態と判別すると
（ステップＳ２）、初期傾斜角演算部４４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（θo，φo，Ψo）を求める（ステップＳ３）。

【００４９】その後、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４５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
（ｄθ／ｄｔ，ｄφ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を求める（ス
テップＳ５）。筆記中傾斜角演算部４６は、既に説明し
たように初期傾斜角（θo，φo，Ψo）と傾斜角の変化
（ｄθ／ｄｔ，ｄφ／ｄｔ，ｄΨ／ｄｔ）を基にφ＝φ
ｏ＋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（θ，φ，Ψ）を算出する（ステップＳ６）。

【００５０】角加速度演算部４７はジャイロ３ａ，３
ｂ，３ｃを用いて検出した回転角速度（ωxs，ωys，ω
zs）を基に回転角加速度（ｄωxs／ｄｔ，ｄωys／ｄ
ｔ，ｄωzs／ｄｔ）を算出する（ステップＳ７）。加速
度補正部４８は回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）及び回
転角加速度（ｄωxs／ｄｔ，ｄωys／ｄｔ，ｄωzs／ｄ
ｔ）を基に、既に説明したように加速度センサ２ａ，２
ｂ，２ｃを用いて検出した加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）
を補正して、ペン先部８におけるペン軸座標系（Ｘs，
Ｙs，Ｚs）での加速度を算出する（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７の傾斜運動
の影響をなくすことができる。

【００５１】座標変換演算部４９aは、筆記中傾斜角演
算部４６が算出した筆記中のペン軸７の傾斜角（θ，
φ，Ψ）を用いて、加速度補正部４８が算出したペン先
部８におけるペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）での加速
度を重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）におけるペン先部８
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，Ｚ
s）での加速度を重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における
加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）に変換するので、ペン
軸７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５０は、重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）にお
けるペン先部８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）。移動量演算部５１は重
力加速度ｇの成分を除去した後の重力座標系（Ｘg，Ｙ
g，Ｚg）におけるペン先部８の加速度（Ａxog，Ａyog，
Ａzog）を２回積分してペン先部８の移動方向及び移動
量（Ｘog，Ｙog，Ｚog）を算出して（ステップＳ１
１）、ペン先部８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Ｓ１２）。

【００５２】次ぎに、他の実施例としてストラップダウ
ン方式を採用してペン先部８の移動方向及び移動距離を
求める場合について説明する。ペン型入力装置は、図６
に示す演算部４ｂを有する。演算部４ｂはＡＤ変換器４
１ａ〜４１ｆ、ＬＰＦ４２ａ〜４２ｆ、静止判別部４
３、初期回転角ベクトル演算部５２、筆記中回転角ベク
トル演算部５３、角加速度演算部４７、加速度補正部４
８、座標変換演算部４９ｂ、重力加速度除去部５０及び
移動量演算部５１を備える。初期回転角ベクトル演算部
５２は、筆記開始の際に各加速度センサ２ａ，２ｂ，２
ｃを用いて検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の
加速度Ａxso，Ａyso，Ａzsoを基に回転角ベクトルの初
期値Φoを算出する。ここで、Φoはベクトルであり、Φ
o＝（φxo，φyo，φzo）とする。また、同様に回転角
ベクトルをΦで表し、Φ＝（φx，φy，φz）とする。
筆記中回転角ベクトル演算部５３は初期回転角ベクトル
演算部５２が演算した回転角ベクトルの初期値Φo又は
前回サンプリングした際に筆記中回転角ベクトル演算部
５３が演算した回転角ベクトルΦn-1と３個のジャイロ
を用いて検出した回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）を基
に今回サンプリングの際の回転角ベクトルΦnを算出す
る。

【００５３】上記構成のペン型入力装置１におけるペン
先部８の移動方向及び移動量算出について説明する。

【００５４】最初に各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを
用いて検出した加速度（Ａxso，Ａyso，Ａzso）から回
転角ベクトルの初期値Φoを算出する場合について説明
する。

【００５５】φzo＝０としてＺs軸周りの回転角速度を
リセットする。このとき、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（Ａxs
o，Ａyso，Ａzso）と回転角ベクトルの初期値Φo＝（φ
xo，φyo，φzo）との間には、次ぎの関係が成り立つ。

【００５６】

【数５】

【００５７】上記式から静止状態における回転角ベクト
ルの初期値Φoが求まる。

【００５８】ここで、２つの未知数φxo，φyoに対して
３本の方程式が立てられるので、既に説明したように重
力加速度ｇの値を定義しなくともφxo，φyoの絶対値を
算出することができる。

【００５９】重力加速度ｇを未知数とした場合、回転角
ベクトルの初期値Φoは、例えば次式で表すことができ
る。

【００６０】

【数６】

【００６１】次ぎに、前回のサンプリングタイミングの
回転角ベクトルΦn-1とジャイロ３ａ，３ｂ，３ｃを用
いて検出した回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）を基に筆
記中の回転角ベクトルΦnを算出する場合について説明
する。

【００６２】回転角ベクトルΦnの微分方程式は、次式
で表すことができる。

【００６３】

【数７】

【００６４】したがって、サンプリング周期をｔoとす
ると、次式を得ることができ、回転角ベクトルΦnを得
ることができる。ここで、回転角ベクトルの初期値Φo
を求めた後の１回目のサンプリングの際には前回のサン
プリングタイミングの回転角ベクトルΦn-1として回転
角ベクトルの初期値Φoを用い、２回目以後は前回のサ
ンプリングタイミングで次式を用いて求めた回転角ベク
トルΦn-1を用いる。

【００６５】

【数８】

【００６６】次ぎに、上記のようにして得た回転角ベク
トルΦn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，Ｚ
g）の加速度（Ａxg，Ａyg，Ａzg）に変換する場合につ
いて説明する。

【００６７】回転角ベクトルΦnからストラップダウン
方式における座標変換行列を求めるにはパラメータ
（χ，ρx，ρy，ρz）を用いた次式を用いる。

【００６８】

【数９】

【００６９】アルゴリズムは異なるが、上記座標変換行
列はオイラー座標変換方式における座標変換行列invＥ
（φ，θ，Ψ）と同じものであり、オイラー座標変換方
式における場合と同様に次式が成り立つ。

【００７０】

【数１０】

【００７１】ここで、加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃは
ペン先部８から離れた位置に取り付けられているので、
ペン先部８を中心とした傾斜運動の成分を補正する必要
がある。各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの取付位置の
ペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）での座標を（Ｘas，Ｙa
s，Ｚas），（Ｘbs，Ｙbs，Ｚbs），（Ｘcs，Ｙcs，Ｚc
s）とすると、各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを用い
て検出した加速度（Ａxs，Ａys，Ａza）は次式により、
ペン先部８における重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）での
加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）に変換できる。

【００７２】

【数１１】

【００７３】上記式のうち括弧内の第２項及び第３項が
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影響の補正項である。加速度
補正部４８はこの補正項を計算して、加速度センサ２
ａ，２ｂ，２ｃを用いて検出した加速度（Ａxs，Ａys，
Ａzs）を補正する。

【００７４】上記構成のペン型入力装置の動作を、図７
のフローチャートを参照して説明する。

【００７５】既に説明したように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４３は、
ＡＤ変換器４１ａ〜４１ｆ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，ω
zs）を読み出し（ステップＳ２１）、読み出したデジタ
ル変換後の加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）及び回転角速度
（ωxs，ωys，ωzs）から、例えば高周波数成分を抽出
して、いずれも高周波数成分を含んでいないときを静止
状態と判別し、いずれかが高周波数成分を含んでいると
きを筆記中と判別する。

【００７６】静止判別部４３が静止状態と判別すると
（ステップＳ２２）、初期回転ベクトル演算部５２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
て回転角ベクトルの初期値Φoを算出する（ステップＳ
２３）。ここで、静止状態判別部４３が静止状態と判別
している間は初期ベクトル演算部５２は上記動作を繰り
返し、その間のサンプル回数ｎはゼロとなる。

【００７７】その後、再びＡＤ変換器４１ａ〜４１ｆ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Ｓ
２４）、筆記中回転ベクトル演算部５３は、既に説明し
たように初期回転角ベクトル演算部５２が演算した回転
角ベクトルの初期値Φo又は前回サンプリングした際に
筆記中回転角ベクトル演算部５３が演算した回転角ベク
トルΦn-1と３個のジャイロ３，３ｂ，３ｃが検出した
回転角速度（ωxs，ωys，ωzs）を基に今回サンプリン
グの際の回転角ベクトルΦnを演算する（ステップＳ２
５）。

【００７８】既に説明したように角加速度演算部４７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／ｄ
ｔ，ｄωys／ｄｔ，ｄωzs／ｄｔ）を算出する（ステッ
プＳ２６）。加速度補正部４８は回転角速度（ωxs，ω
ys，ωzs）及び角速度演算部４７が算出した回転角加速
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
を用いて得た加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）を補正して、
ペン先部８におけるペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）で
の加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）を算出する（ステッ
プＳ２７）。このように加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ
を用いて得た加速度（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７
の傾斜運動の影響をなくすことができる。

【００７９】座標変換演算部４９ｂは筆記中回転角ベク
トル演算部５３が算出した筆記中における回転角ベクト
ルΦnを用いて、加速度補正部４８が算出したペン先部
８におけるペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）での加速度
を重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）におけるペン先部８の
加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）に変換する（ステップ
Ｓ２８）。このように、ペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚ
s）での加速度を重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における
加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）に変換するので、ペン
軸７の傾斜による影響を除去することができる。また、
上記のように演算ステップが少なく、ペン先部８におけ
る重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）の加速度（Ａxog，Ａyo
g，Ａzog）への変換が簡単であるので、処理を速くでき
るとともに、演算ステップを減らすことにより演算誤差
が発生することを防止できる。

【００８０】重力加速度除去部５０は、重力座標系（Ｘ
g，Ｙg，Ｚg）におけるペン先部８の加速度（Ａxog，Ａ
yog，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Ｓ２９）。移動
量演算部５１は重力加速度ｇの成分を除去した後の重力
座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）におけるペン先部８の加速度
（Ａxog，Ａyog，Ａzog）を２回積分してペン先部８の
移動方向及び移動量（Ｘog，Ｙog，Ｚog）を算出して
（ステップＳ３０）、ペン先部８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Ｓ３
１）。

【００８１】ここで、ペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）
での加速度を重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における加
速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）に変換する処理を速める
ために、図８に示すようにＸs軸方向の加速度センサ２
ａをＹs＝０となる位置（Ｘas，０，Ｚas）、Ｙs方向の
加速度センサ２ｂをＸs＝０となる位置（０，Ｙbs，Ｚb
s）、Ｚs方向の加速度センサ２ｃをＺs軸上の位置
（０、０、Ｚcs)に設けても良い。

【００８２】したがって、上記各加速度センサ２ａ，２
ｂ，２ｃの取付位置の座標（Ｘas，０，Ｚas）、（０，
Ｙbs，Ｚbs）、（０、０、Ｚcs)を用いると、前述の各
加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを用いて検出した加速度
（Ａxs，Ａys，Ａza）をペン先部８における重力座標系
（Ｘg，Ｙg，Ｚg）での加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）
に変換する式は次ぎのようになる。

【００８３】

【数１２】

【００８４】上記式で示すように補正項の演算量が少な
くなるので、処理速度を速めることができる。

【００８５】また、図９に示すようにＸs軸方向の加速
度センサ２ａをＸs＝０となる位置（０，Ｙas，Ｚa
s）、Ｙs方向の加速度センサ２ｂをＹs＝０となる位置
（Ｘbs，０，Ｚbs）、Ｚs方向の加速度センサ２ｃをＺs
軸上の位置（０、０、Ｚcs)に設けても良い。この場合
も上述の場合と同様に各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃ
を用いて検出した加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）をペン先
部８における重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）での加速度
（Ａxog，Ａyog，Ａzog）に変換する式は次式のように
なり、処理速度を速めることができる。

【００８６】

【数１３】

【００８７】また、通常の筆記動作度はペン先部８にか
かる加速度は最大で10（m/s²）程度であり、このとき加
速度補正部４８が加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）の補正に
用いる回転角速度の２乗及び回転角加速度の値は大きく
ても2.5（/s²）程度である。この時の補正量は移動量
（m）×2.5（/s²）程度が最大となるが、実際は加速度
センサ２ａ，２ｂ，２ｃの分解能（m/s²）程度の精度で
算出すれば良い。したがって、加速度センサ２ａ，２
ｂ，２ｃの分解能（m/s²）をほぼ2.5（/s²）で割った長
さを半径とするＺs軸を中心軸とした円柱範囲内に加速
度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを設けた場合は、補正量の最
大値が加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの分解能以下にな
るので、Ｘs軸方向及びＹs軸方向には補正をする必要が
無くなる。各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃを基に検出
した加速度（Ａxs，Ａys，Ａzs）の補正項のうちＸs軸
方向及びＹs軸方向に関する項は無視できるので、図１
０に示すように各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃのペン
先部からのＺs軸方向の距離をそれぞれＬ₁，Ｌ₁，Ｌ₂と
すると、各加速度センサ２ａ，２ｂ，２ｃの座標はほぼ
（Ｘas，Ｙas，Ｚas）＝（０，０，−Ｌ₁）、（Ｘbs，
Ｙbs，Ｚbs）＝（０，０，−Ｌ₁）、（Ｘcs，Ｙcs，Ｚc
s）＝（０，０，−Ｌ₂）となる。これより、各加速度セ
ンサ２ａ，２ｂ，２ｃを用いて検出した加速度（Ａxs，
Ａys，Ａza）をペン先部８における重力座標系（Ｘg，
Ｙg，Ｚg）での加速度（Ａxog，Ａyog，Ａzog）に変換
する式は次式のようになる。

【００８８】

【数１４】

【００８９】これにより、加速度補正の演算量をさらに
減らし、処理速度をさらに速めることができる。

【００９０】実際に分解能が0.02（m/s²）の加速度セン
サをペン軸から8（mm）（20mm/2.5=8mm）離れた位置に
設け、上記近似式を用いた場合と近似式を用いない場合
とで補正後の加速度を比較したが、ほぼ等しかった。

【００９１】

【発明の効果】この発明は以上説明したように、無筆記
状態で加速度センサを用いて検出したペン軸座標系（Ｘ
s，Ｙs，Ｚs）の加速度を基に重力座標系（Ｘg，Ｙg，
Ｚg）におけるペン軸の傾斜角の初期値を演算し、筆記
状態の回転角速度を基にペン軸の重力座標系（Ｘg，Ｙ
g，Ｚg）における傾斜角の変化を演算し、傾斜角の初期
値と傾斜角の変化を基に筆記中のペン軸の重力座標系
（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における傾斜角を算出するので、筆
記中のペン軸の傾斜角を正確に算出できる。

【００９２】筆記中の回転角速度から回転角加速度を求
め、筆記中の回転角速度、回転角加速度及び各加速度セ
ンサの取付位置を基に各加速度センサを用いて検出した
加速度のペン先部を中心とした傾斜運動による加速度成
分を算出し、算出した傾斜運動による加速度成分を基に
加速度センサ取付位置におけるペン軸座標系（Ｘs，Ｙ
s，Ｚs）の加速度を補正してペン先部におけるペン軸座
標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を求めるので、各加速
度センサがペン先部から離れているために受けるペン軸
の傾斜運動の影響をなくすことができる。

【００９３】筆記中のペン軸の重力座標系における傾斜
角を基にペン先部のペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）に
よる加速度を重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）による加速
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するので、ペン軸の傾斜の影響のな
い正確な筆跡を検出することができる。

【００９４】また、筆記開始の際に加速度センサが検出
したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を基に回
転角ベクトルの初期値を演算し、回転角ベクトルの初期
値又は前回サンプリングの際に演算した回転角ベクトル
とジャイロを用いて検出した回転角速度を基に今回サン
プリングの際の回転角ベクトルを演算し、回転角速度か
ら回転角加速度を求め、回転角速度、回転角加速度及び
各加速度センサの取付位置を基に加速度センサを用いて
検出した加速度のペン先部を中心とした傾斜運動による
加速度成分を算出し、算出した傾斜運動による加速度成
分を基に加速度センサの取付位置におけるペン軸座標系
（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を補正してペン先部におけ
るペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を求め、今
回サンプリングの際の回転角ベクトルを基にペン先部の
ペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）による加速度を重力座
標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）による加速度に変換し、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
するので、正確にペン先部の筆跡を検出することができ
るとともに演算処理を少なくして処理速度を速めること
ができる。

【００９５】さらに、Ｘs軸方向の加速度センサをＹs＝
０となる位置、Ｙs方向の加速度センサをＸs＝０となる
位置、Ｚs方向の加速度センサをＺs軸上に設けたので、
補正演算処理が簡単になり、さらに演算速度を速めるこ
とができる。

【００９６】さらに、Ｚs軸からの距離が加速度センサ
の分解能（m/s²）をほぼ2.5（/s²）で割った長さの範囲
内である位置に各加速度センサを設けたので、Ｘs軸方
向及びＹs軸方向の補正を行なう必要がなくなり、補正
演算処理をさらに速めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す構成図である。

【図２】座標系の説明図である。

【図３】オイラー座標変換方式を用いた演算部の構成図
である。

【図４】傾斜角の説明図である。

【図５】オイラー座標変換方式を用いた装置の動作を示
すフローチャートである。

【図６】ストラップダウン方式を用いた演算部の構成図
である。

【図７】ストラップダウン方式を用いた装置の動作を示
すフローチャートである。

【図８】各加速度センサを軸上に設けた場合の配置図で
ある。

【図９】各加速度センサを軸上に設けた場合の他の配置
図である。

【図１０】加速度センサを所定の円柱範囲内に設けた場
合の配置図である。

【符号の説明】

１ペン型入力装置２加速度センサ３ジャイロ４演算部４３静止判別部４４初期傾斜角演算部４５傾斜角変化演算部４６筆記中傾斜角演算部４７角加速度演算部４８加速度補正部４９座標変換演算部５０重力加速度除去部５１移動量演算部７ペン軸８ペン先部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３個の加速度センサと３個のジャイロと
演算部を有し、３個の加速度センサはそれぞれペン軸を
Ｚs軸としたペン軸座標系の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し、３個のジャイ
ロはそれぞれ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し、演算部は初期傾斜角演算
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移動量演算部
を備え、初期傾斜角演算部は無筆記状態で３個の加速度
センサを用いて検出したペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚ
s）の加速度を基に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）におけるペン軸の傾
斜角の初期値を演算し、傾斜角変化演算部は筆記状態で
３個のジャイロを用いて検出した回転角速度を基にペン
軸の重力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）における傾斜角の変
化を演算し、筆記中傾斜角演算部は初期傾斜角演算部が
演算した傾斜角の初期値と傾斜角変化演算部が演算した
傾斜角の変化を基に筆記中のペン軸の重力座標系（Ｘ
g，Ｙg，Ｚg）における傾斜角を算出し、角加速度演算
部は３個のジャイロを用いて検出した回転角速度から回
転角加速度を求め、加速度補正部は３個のジャイロを用
いて検出した回転角速度、角加速度演算部が算出した回
転角加速度及び各加速度センサの取付位置を基に３個の
加速度センサを用いて検出した加速度のペン先部を中心
とした傾斜運動による加速度成分を算出し、算出した傾
斜運動による加速度成分を基に加速度センサの取付位置
におけるペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を補
正してペン先部におけるペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚ
s）の加速度を求め、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ペン軸の重力座標系における傾
斜角を基に加速度補正部が補正して求めたペン先部のペ
ン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）による加速度を重力座標
系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）による加速度に変換し、移動量演
算部は座標変換演算部が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することを特徴とするペ
ン型入力装置。
【請求項２】３個の加速度センサと３個のジャイロと
演算部を有し、３個の加速度センサはそれぞれペン軸を
Ｚs軸としたペン軸座標系の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し、３個のジャイ
ロはそれぞれ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し、演算部は初期回転角ベク
トル演算部と筆記中回転角ベクトル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移動量演算部を
備え、初期回転角ベクトル演算部は筆記開始の際に３個
の加速度センサを用いて検出したペン軸座標系（Ｘs，
Ｙs，Ｚs）の加速度を基に回転角ベクトルの初期値を演
算し、筆記中回転角ベクトル演算部は初期回転角ベクト
ル演算部が演算した回転角ベクトルの初期値又は前回サ
ンプリングした際に筆記中回転角ベクトル演算部が演算
した回転角ベクトルと３個のジャイロを用いて検出した
回転角速度を基に今回サンプリングの際の回転角ベクト
ルを演算し、角加速度演算部は３個のジャイロを用いて
検出した回転角速度から回転角加速度を求め、加速度補
正部は３個のジャイロを用いて検出した回転角速度、角
加速度演算部が算出した回転角加速度及び各加速度セン
サの取付位置を基に３個の加速度センサを用いて検出し
た加速度のペン先部を中心とした傾斜運動による加速度
成分を算出し、算出した傾斜運動による加速度成分を基
に加速度センサの取付け位置におけるペン軸座標系（Ｘ
s，Ｙs，Ｚs）の加速度を補正してペン先部におけるペ
ン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）の加速度を求め、座標変
換演算部は筆記中回転角ベクトル演算部が演算した回転
角ベクトルを基に加速度補正部が補正して求めたペン先
部のペン軸座標系（Ｘs，Ｙs，Ｚs）による加速度を重
力座標系（Ｘg，Ｙg，Ｚg）による加速度に変換し、移
動量演算部は座標変換演算部が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することを特徴と
するペン型入力装置。
【請求項３】Ｘs軸方向の加速度センサをＹs＝０とな
る位置、Ｙs方向の加速度センサをＸs＝０となる位置、
Ｚs方向の加速度センサをＺs軸上に設けたことを特徴と
する請求項１又は２記載のペン型入力装置。
【請求項４】Ｚs軸からの距離が加速度センサの分解
能（m/s²）をほぼ2.5（/s²）で割った長さの範囲内であ
る位置に各加速度センサを設けた請求項１、２又は３記
載のペン型入力装置。