(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元座標検出手段で筆記面上を移動するペン軸をｚ軸としペン先部の移動方向及び移動量のｚ軸と直交するｘ軸及びｙ軸の成分を検出するペン先座標入力装置において、
ペン先部における前記ｚ軸、ｘ軸及びｙ軸の各方向の作用力を検出する作用力検出手段と、
作用力検出手段が検出した作用力を基にペン先座標入力装置の筆記面に対する傾斜角度及び傾斜方向を検出する傾斜検出手段と、
傾斜検出手段が検出したペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を基に２次元座標検出手段が検出したペン先部のｘｙ平面上の移動方向及び移動量を筆記面上の移動方向及び移動量に補正する補正手段と
を有することを特徴とするペン先座標入力装置。
【請求項２】
筆記面上を筆記面に対して予め定めた角度で移動するペン先座標入力装置のペン先部と筆記面との間の摩擦係数を予め測定する摩擦係数測定手段を備え、傾斜検出手段は摩擦係数測定手段が予め測定した摩擦係数と作用力検出手段が検出した作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出する請求項１記載のペン先座標入力装置。
【請求項３】
摩擦係数を測定するモードの設定指示を入力する入力手段を有する請求項２記載のペン先座標入力装置。
【請求項４】
傾斜検出手段は２次元座標検出手段が検出したペン先部の移動速度が予め定めた一定速度以上のときにペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出する請求項１記載のペン先座標入力装置。
【請求項５】
傾斜検出手段は２次元座標検出手段が検出したペン先部の移動速度が０になる時点で作用力検出手段が検出したペン先部における前記ｚ軸、ｘ軸及びｙ軸の各方向の作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出する請求項１記載のペン先座標入力装置。
【請求項６】
筆記面との接触端を回動自在な球体物で構成した請求項１記載のペン先座標入力装置。
【請求項７】
球体物に加わる作用力に対応する回転抵抗力の見積り値を予め記憶する見積記憶部を有し、傾斜検出手段は見積記憶部に記憶した回転抵抗力の見積り値と作用力検出手段が検出した作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出する請求項６記載のペン先座標入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はペン先座標入力装置、特にペン先座標入力装置の検出結果の高精度化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュ−タと人間のインタ−フェイスとしてはキ−ボ−ド及びマウスが主流である。これらのインターフェイスは図形入力等には使いづらい場合があり、新たなインターフェイスとしてペン先座標入力装置が開発されてきている。
【０００３】
ペン先座標入力装置はタブレット板と組み合わされ使用されていた。ところがタブレット板は多くのスペ−スを必要とし使い勝手が悪い。そこで、特開平6-259187号公報に掲載された入力装置ではペン先の圧力センサが検出した圧力に基づいて入力装置自身の移動方向及び移動量を検出することにより、入力装置自身の位置を検出してペン先座標の入力を行うようにしている。
【０００４】
また、特開平6-230886号公報に掲載されペンシル型座標入力装置では第一の検出位置に取り付けられた一対の加速度センサが筆記面のｘｙ方向の移動量を算出し、第一の検出位置より離れた第二の検出位置に取り付けられた一対の加速度センサで第一の検出位置での検出量との相対移動を検出し、検出した相対移動量からペンの傾斜角度の変化を求め、ペン傾斜角度の変化による移動量の検出誤差を補正している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平6-259187号公報に掲載された入力装置では、入力装置の傾斜を考慮していないので、移動量の検出誤差が生じる場合がある。
【０００６】
また、特開平６-230886号公報に掲載されペンシル型座標入力装置では、第一の検出位置に設けた加速度センサと第二の検出位置に設けた加速度センサの検出結果の差からペンシル型座標入力装置の傾斜角度の変化を補正しているが、ペンシル型座標入力装置の傾斜角度が一定である場合には補正が不十分となる。
【０００７】
さらに、装置の傾斜角度を測定する手段としてジャイロなどが考えられるが、ドリフト等の影響で常に高精度で角度を検出し続けるのは難しい。
【０００８】
また、上記装置では重力加速度が考慮されていないが、実際には筆記面は水平とは限らず、検出精度に誤差が生じる場合がある。
【０００９】
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、装置の傾斜角度及び傾斜方向等を高精度で検出することで、移動量の検出の高精度化を図ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るペン先座標入力装置は、２次元座標検出手段と作用力検出手段と傾斜検出手段と補正手段を有し、２次元座標検出手段はペン軸をｚ軸とし筆記面上を移動するペン先座標入力装置の移動方向及び移動量のｚ軸に直交するｘ軸及びｙ軸の成分を検出し、作用力検出手段はペン先部におけるｚ軸、ｘ軸及びｙ軸の各方向の作用力を検出し、傾斜検出手段は作用力検出手段が検出した作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出し、補正手段は傾斜検出手段が検出したペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を基に２次元座標検出手段が検出したペン先部のｘｙ平面上の移動方向及び移動量を筆記面上の移動方向及び移動量に補正して、ペン先座標入力装置の傾斜によるペン先部の移動量の検出誤差を少なくする。
【００１１】
さらに、摩擦係数測定手段は筆記面上を筆記面に対して予め定めた角度で移動するペン先座標入力装置のペン先部と筆記面との間の摩擦係数を予め測定し、傾斜検出手段は摩擦係数測定手段が予め測定した摩擦係数と作用力検出手段が検出した作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出して、摩擦抵抗による作用力検出誤差を少なくする。
【００１２】
さらに、摩擦係数測定モードを設定する入力手段を有し、任意のときにペン先部と筆記面との間の摩擦係数を測定できるようにする。
【００１３】
さらに、傾斜検出手段は２次元座標検出手段が検出したペン先部の移動速度が予め定めた一定速度以上のときにペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出して静止摩擦係数による傾斜方向及び傾斜角度の検出誤差を少なくする。
【００１４】
また、傾斜検出手段は２次元座標検出手段が検出したペン先部の移動速度が０になる時点で作用力検出手段が検出したペン先部におけるｚ軸、該ｚ軸と直交するｘ軸及びｙ軸の各方向の作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出して、摩擦抵抗による影響をさらに少なくする。
【００１５】
また、作用力検出手段は筆記面との接触端を回動自在な球体物で構成して、摩擦抵抗を少なくする。
【００１６】
さらに、見積記憶部は球体物に加わる作用力に対応する回転抵抗力の見積り値を予め記憶し、傾斜検出手段は見積記憶部に記憶した回転抵抗力の見積り値と作用力検出手段が検出した作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出して、回転抵抗力の影響によるペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度の検出誤差を少なくする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
ペン先座標入力装置ペン先座標入力装置が傾斜した状態で移動すると加速度センサの検出結果は傾斜角度に応じて少なくなる。この発明のペン先座標入力装置は、ペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出し、ペン先座標入力装置の傾斜によるペン先部の移動量の検出誤差を少なくすることにより、筆記面上のペン先部の移動方向及び移動量を正確に検出するものである。なお、以下の説明においてはペン軸をｚ軸としてペン軸と直交する面をｘ軸とｙ軸で表わす。
【００１８】
ペン先座標入力装置は、２次元座標検出手段と作用力検出手段と傾斜検出手段と補正手段を有する。２次元座標検出手段は、例えばペン先部に近い部分に設けた一対の加速度センサと積分手段を備える。加速度センサは筆記面上を移動するペン先座標入力装置のｘ軸方向及びｙ軸方向の加速度成分を検出し、積分手段は加速度センサが検出した加速度を２回積分して筆記面上を移動するペン先座標入力装置のｘ軸方向及びｙ軸方向の移動方向及び移動量を検出する。作用力検出手段はペン先部に、例えばペン先部の全周を覆うように設けられ、ペン先部におけるｚ軸、該ｚ軸と直交するｘ軸及びｙ軸の各方向の作用力を検出する。傾斜検出手段は作用力検出手段が検出した作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出する。補正手段は傾斜検出手段が検出したペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を基に２次元座標検出手段が検出したペン先部のｘｙ平面上の移動方向及び移動量を筆記面上の移動方向及び移動量に補正して、ペン先座標入力装置の傾斜によるペン先部の移動量の検出誤差を少なくする。
【００１９】
さらに、ペン先座標入力装置は摩擦係数測定手段を有すると良い。例えば筆記面上を筆記面に対して垂直に立てた状態で移動する場合、作用力検出手段が検出した３方向の作用力は筆記面からのｚ軸方向の反力と移動方向と反対方向の摩擦力に分けられる。摩擦係数測定手段は、この反力と摩擦力からペン先座標入力装置のペン先部と筆記面との間の摩擦係数を予め測定する。傾斜検出手段は摩擦係数測定手段が予め測定した摩擦係数と作用力検出手段が検出した作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出して、摩擦抵抗による作用力検出誤差を少なくする。
【００２０】
さらに、摩擦係数測定モードを設定する入力手段を有し、任意のときにペン先部と筆記面との間の摩擦係数を測定できるようにすると良い。
【００２１】
さらに、ペン先部を移動するときの動き初めは移動速度は遅い。ペン先部の移動速度が遅いときは静止摩擦係数のよる影響を受け、摩擦抵抗が大きくなる。このため、傾斜検出手段は２次元座標検出手段が検出したペン先部の移動速度が静止摩擦係数のよる影響が少なくなる予め定めた一定速度以上のときにペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出して、静止摩擦係数による傾斜方向及び傾斜角度の検出誤差を少なくすると検出精度を高めることができる。
【００２２】
また、ペン先部の移動速度が０になる時点では摩擦抵抗力による影響が少ないので、傾斜検出手段は２次元座標検出手段が検出したペン先部の移動速度が０になる時点で作用力検出手段が検出したペン先部に対する作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出して、摩擦抵抗による影響をさらに少なくすることができる。
【００２３】
また、作用力検出手段は筆記面との接触端を回動自在な球体物で構成して、摩擦抵抗を少なくすると良い。
【００２４】
さらに、球体物に加わる作用力に対応する回転抵抗力の見積り値を予め記憶する見積記憶部を有すると好ましい。傾斜検出手段は見積記憶部に記憶した回転抵抗力の見積り値と作用力検出手段が検出した作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出して、回転抵抗力の影響によるペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度の検出誤差を少なくすることができる。
【００２５】
【実施例】
図１はこの発明の一実施例のペン先座標入力装置の側面図で、図２は構成図である。図に示すように、ペン先座標入力装置は２次元座標検出手段としてペン先部７に近い部分に設けた一対の加速度センサ１ａ，１ｂと積分手段３ｃを有し、作用力検出手段として圧力センサ２を有する。また、ペン先座標入力装置は、図２に示すように傾斜検出手段３ａと補正手段３ｂと摩擦係数検出手段３ｄを備える演算部３と見積記憶部４とキャリブレーションスイッチ５を有する。加速度センサ１ａ，１ｂは、例えばペン軸６をｚ軸とした場合のｘ軸方向及びｙ軸方向の加速度を検出するように設けられ、ｘ軸方向及びｙ軸方向の２方向でペン先部７の移動方向及び加速度を検出する。積分手段３ｃは加速度センサ１ａ，１ｂが検出した加速度を短い時間間隔でサンプリングし、時間で２回積分してｘ軸方向及びｙ軸方向の２方向でペン先部７の移動量を検出する。圧力センサ２は、図３に示すようにペン先部７に設けられ、ペン先部７におけるｚ軸、該ｚ軸と直交するｘ軸及びｙ軸の各方向の作用力を検出する。
【００２６】
傾斜検出手段３ａは圧力センサ２が検出した作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出する。例えば圧力センサ２が検出した作用力をベクトルＦで表し、ベクトルＦが図３に示すようにペン軸６に対してαの立体角を持って検出されているとする。もし、このペンが筆記面に対しＦＮの力で押し当てられていれば、筆記面からは逆にＦＮの反力を圧力センサ２が受けていることとなる。つまり、この力は筆記面に対し垂直であり、この力の方向を圧力センサ２がペン座標を基準として測定することで現在のペン軸６(ｚ方向)と筆記面との傾斜角θを知ることができる。また、その大きさより現在の筆圧を求まる。もし、筆記面とペン先部７との間の摩擦力を考えなければ、Ｆ＝ＦＮ、α＝９０−θとなる。傾斜検出手段３ａは上記のようにして圧力センサ２が検出した作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出する。
【００２７】
ペン先部７は実際には、図４に示すようにμＦＮの摩擦力を受けているので、さらに摩擦係数検出手段３ｄで予め動摩擦係数μを求め、傾斜検出手段３ａは摩擦係数測定手段３ｄが予め測定した摩擦係数と圧力センサ２が検出した作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出すると良い。なお動摩擦係数μは、ＦＮと摩擦力の比で与えられ、ペン先材料と筆記面材料で決まる定数である。
【００２８】
上記動摩擦係数を予め求めには、例えばユーザがキャリブレーションスイッチ５を押して摩擦係数測定するモードを設定して、図４に示すようにペン先座標入力装置を筆記面に対して垂直に立てて移動する。圧力センサ２はｚ軸方向に反力ＦＮを検出し、ｚ軸方向と直交する方向にμＦＮの力を受ける。摩擦係数測定手段３ｄはこの圧力センサ２が測定した力から動摩擦係数μを求め記憶する。
【００２９】
図３に示す場合、摩擦力μＦＮはμＦＮ＝ＦＮtanηとなり、動摩擦係数μはμ＝tanηで表される。また、圧力センサ２が検出した応力Ｆから接触面からの反力|ＦＮ|は|ＦＮ|＝|Ｆ|cosηとなり、傾斜角θはθ＝90−α＋ηとなり、容易に筆圧とペン傾斜が求まる。なお、簡略化のため図では傾斜方向(ペン軸６を筆記面に投影した場合の方向)と筆記方向(摩擦力の働く方向)は同一軸に乗っていると仮定している。摩擦力方向とペン傾斜方向が同一軸に乗る場合は希であるが、加速度センサ１ａ，１ｂでペン先部７の移動方向を検知しているためこの情報でもって摩擦力の作用方向の検出補正を加えることで立体的な傾斜角検出が可能となる。このように、傾斜検出手段３ａは摩擦係数測定手段３ｄが予め測定した摩擦係数と圧力センサ２が検出した作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を正確に検出することができる。
【００３０】
補正手段３ｂは傾斜検出手段３ａが検出したペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を基に加速度センサ１ａ，１ｂ及び積分手段３ｃが検出したペン先部７の移動方向及び移動量を補正して、ペン先座標入力装置の傾斜によるペン先部７の移動量の検出誤差を少なくする。例えば加速度センサ１ａ，１ｂが加速度ａを検出したとすると、筆記面上の加速度ＡはＡ＝ａ／sinθとなる。このように、ペン先座標入力装置の傾斜及び摩擦力を正確に検出してその影響を補正するので、ペン先座標入力装置の筆記面上での移動方向及び移動距離を正確に検出することができる。
【００３１】
さらに、ペン先部７を移動するとき最初は、移動速度は遅く、ペン先部７の移動速度が遅いときは静止摩擦係数のよる影響を受け摩擦抵抗が大きくなる。例えば、図５（ａ）に示すように一という字を書いた場合、図５（ｂ）に示すような移動方向でペン先座標入力装置を動かしていて、図５（ｃ）に示すように最初はペン先部７の移動速度が上がらず、図５（ｄ）に示すように摩擦力が大きい。これは、静止摩擦係数が作用しているためで、実際の筆記中の動摩擦係数とは区別しなければならない。つまり、ペン先部７の移動速度が上がるまでの状態では摩擦力は不安定であり大きな検出誤差を伴う。そこで、傾斜検出手段３ａは積分手段３ｃが検出したペン先部７の移動速度が静止摩擦係数のよる影響が少なくなる予め定めた一定速度以上のときにペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出して、静止摩擦による傾斜方向及び傾斜角度の検出誤差を少なくするようにしても良い。なお、傾斜検出手段３ａがペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出していないときは、補正手段３ｂは直前に得た傾斜角度で補正を加える。
【００３２】
また、図５の（ｃ）に示すように、ペン先部７の移動速度が０になる時点では摩擦抵抗力による影響が少ないので、傾斜検出手段３ａは積分手段３ｃが検出したペン先部７の移動速度が０になる時点で圧力センサ２が検出したペン先部７におけるｚ軸、該ｚ軸と直交するｘ軸及びｙ軸の各方向の作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出して、摩擦抵抗力による影響をさらに少なくするようにしても良い。この場合、前記の静止摩擦の若干の影響を受けるが、圧力センサ２の検出力の絶対値が極小となる点をサンプリングポイントとすればこの影響も少ない。
【００３３】
また、ペン先座標入力装置は、図６に示すようにペン先部７と筆記面との接触端を回動自在な球体物であるボール８で構成して摩擦抵抗を少なくしても良い。ペン先部７と筆記面との接触端をボール８で構成しない場合は、筆記面の素材に依存する摩擦力により補正を加えることが必要で、被筆記物が異なると新たに摩擦係数を検出しなおす必要があった。先端にボール８を取り付けたことでボール８がスリップしない限り、一定の回転抵抗力しか作用しない。このため、筆記面反力の算出も簡単となり、安定した入力動作ができる。
【００３４】
さらに、ボール８に筆記面とのスリップ防止のために柔らかい部材を用いると、ペン先作用力による回転抵抗変化が大きくなり、いつも一定の回転抵抗値ＦＲを想定していると検出誤差を生じてしまう。そのため、見積記憶部４にペン先作用力に対する回転抵抗力の見積り値のテーブルを予め記憶する。傾斜検出手段１ａは圧力センサ２が検出する応力から回転抵抗値力|ＦＲ|を求め、ペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出して、回転抵抗力の影響によるペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度の検出誤差を少なくするようにしても良い。
【００３５】
また、ボール８の周囲をインクで覆い、ハウジングとボール８との間の摩擦力を少なくし、筆圧の増加によるによる回転抵抗の増加を少なくしても良い。
【００３６】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、ペン先部におけるｚ軸、該ｚ軸と直交するｘ軸及びｙ軸の各方向の作用力を検出し、検出した作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出し、検出した傾斜方向及び傾斜角度を基に移動量を補正するので、ペン先座標入力装置の傾斜によるペン先部の移動量の検出誤差を少なくすることができる。
【００３７】
さらに、筆記面上を筆記面に対して予め定めた角度で移動するペン先座標入力装置のペン先部と筆記面との間の摩擦係数を予め測定し、予め測定した摩擦係数と検出した作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出するので、ペン先部と筆記面との間の摩擦抵抗力による作用力検出誤差を少なくすることができる。
【００３８】
さらに、任意に摩擦係数を測定するモードを設定することができるので、任意に時点でペン先部と筆記面との間の摩擦係数を測定でき、正確に摩擦係数を測定できる。
【００３９】
さらに、ペン先部の移動速度が予め定めた一定速度以上のときにペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出するので、静止摩擦係数による傾斜方向及び傾斜角度の検出誤差を少なくすることができる。
【００４０】
また、ペン先部の移動速度が０になる時点でペン先部におけるｚ軸、該ｚ軸と直交するｘ軸及びｙ軸の各方向の作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出するので、摩擦抵抗による影響をさらに少なくすることができる。
【００４１】
また、筆記面との接触端を回動自在な球体物で構成するので、筆記面との摩擦抵抗を少なくすることができる。
【００４２】
さらに、予め記憶した球体物に加わる作用力に対する回転抵抗力の見積りとペン先部に対する作用力を基にペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度を検出するので、回転抵抗力の影響によるペン先座標入力装置の傾斜方向及び傾斜角度の検出誤差を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施例の側面図である。
【図２】  ペン先座標入力装置の構成図である。
【図３】  圧力センサの側面図である。
【図４】  摩擦係数を測定する場合のペン先座標入力装置の側面図である。
【図５】  ペン先部の速度の変化及び摩擦力の変化を示す説明図である。
【図６】  ペン先部にボールを用いた場合の側面図である。
【符号の説明】
１        加速度センサ
２        圧力センサ
３ａ      傾斜検出手段
３ｂ      補正手段
３ｃ      積分手段
３ｄ      摩擦係数測定手段
４        見積記憶部
５        キャリブレーションスイッチ
６        ペン軸
７        ペン先部
８        ボール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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