(57)【要約】【課題】電子移動式無線ペンにおいて筆記を表す信号を生成および転送する方法を提供する。【解決手段】本方法は、ペンに通信サブシステムを提供するステップと、前記ペンの前記通信サブシステムと通信する通信サブシステムを有するセルラ電話を提供するステップと、前記ペンから前記セルラ電話に、前記ペンの先端の位置を示す信号を伝達するステップとを備えている。【選択図】図２
2009259282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線ペンのユーザによる筆記を表す信号を生成および転送する方法であって、
前記ペンに通信サブシステムを提供するステップと、
前記ペンの前記通信サブシステムと通信する通信サブシステムを有するセルラ電話を提供するステップと、
前記ペンから前記セルラ電話に、前記ペンの先端の位置を示す信号を伝達するステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筆記および筆記を表す信号を生成する装置に関し、より詳細には、書くために使用し、および電子信号を生成して格納し、その後他の装置に転送するために使用することができる無線ペン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータなどの装置に情報を入力する様々な筆記装置が、この何年間に広く使用されるようになってきている。例えば、筆記および指示用のスタイラスを使用するグラフィック・データ・タブレットは、一般的なコンピュータ入力デバイスであり、様々な物理の原理に基づいて動作する。その原理の例としては、大気を通過し、固体表面を通過し、または磁歪線を通過して進む音エネルギー、または導電グリッドを通過して進む電磁エネルギーを用いる距離測距などがある。これらのデバイスは、従来はパワー、タイミング、および他の必要な機能を提供するためにスタイラスに接続された線を有するか、または筆記表面の下にデジタイザ・タブレットを必要とした。
【０００３】
他の設備につなぐ必要のない無線電子ペンを開発する試みが行われてきている。例えば、特許文献１、特許文献２、および特許文献３を参照することができる。しかし、多くの理由から、筆記を表す電子信号を獲得する無線電子ペンは、商業的には確立されていない。いくつかの手法は、ペンにおいて非常に多くのパワーを必要とし、このため、パワーを提供するペンのバッテリがすぐに切れてしまう。他の装置は、非常にかさばるペンを必要とする。さらに他の手法は、信頼できる手書きの入力に対し、十分な分解能および／または正確さを提供しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，２１５，３９７号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２２７，６２２号明細書
【特許文献３】米国特許第５，２４７，１３７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、従来の手法の欠点を克服する電子移動式無線ペンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の形態は、無線ペンのユーザの筆記を表す信号を生成する方法を対象とし、以下のステップを含む：第１サブシステムを提供し、ペン上の位置の絶対位置を、ペンから隔配置されている幾何学的基準に関して決定する；時間間隔をおいて第１サブシステムを動作し、絶対位置表示を獲得する；第２サブシステムを提供して動作し、ペンの先端の相対位置偏位を決定する；絶対位置決定と相対位置決定の組合せから、前記筆記を表す信号を生成する。本発明のこの形態の利点は、第１サブシステムが時間間隔をおいて動作し、連続的に絶対位置を決定するのに必要とするよりも少ないパワーを使用することである。本発明のこの第１形態の実施形態では、第１サブシステムを提供するステップは、前記ペン上の位置と幾何学的基準上の複数の位置との間の一方向または両方向において距離測距を実施する第１サブシステムを提供することを備える。この実施形態では、第１サブシステムは、ペン上の前記位置と幾何学的基準上の複数の位置との間の一方向において、超音波エネルギーを用いて距離測距を実施し、ペン上の前記位置と幾何学的基準上の複数の位置の間の他方向において、赤外線の信号を送ることを実施する。
【０００７】
本発明の他の形態は、ペンのユーザによる筆記を表す信号を生成する無線ペン装置を対象とし、以下を含む：無線ペン；ペン上の取外し可能なキャップ；および、キャップがペンから取り外され、基準位置に置かれているとき、ペン上の少なくとも１つの位置とキャップ上の少なくとも１つの位置との間で波動エネルギーを伝達して、キャップの基準位置に関してペン上の少なくとも１つの位置の位置を決定し、ペン上の前記少なくとも１つの位置の決定位置に依存する信号を生成するために、動作可能である手段。したがって、本発明のこの形態では、ペンとそのキャップは、自納無線ペン装置を達成し、効率的にユーザの筆記を獲得し、それを電子形態で格納して、続いてコンピュータまたは個携帯情報端末（「ＰＤＡ」）などの外部設備に転送することができる。本発明のこの形態の実施形態では、波動エネルギーは光放射であり、光放射は、ペン上の前記少なくとも１つの位置から送信され、キャップは、前記第１および第２位置に、それぞれ第１および第２光センサ・アレイを有する。
【０００８】
本発明のさらに他の形態は、無線ペンのユーザによる筆記を表す信号を生成および転送得る方法を対象とし、前記ペンに通信サブシステムを提供するステップと、前記ペンの前記通信サブシステムと通信する通信サブシステムを有するセルラ電話を提供するステップと、前記ペンから前記セルラ電話に、前記ペンの先端の位置を示す信号を伝達するステップとを備えている。
【０００９】
本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明が添付の図と関連して取り入れられているとき、それから容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】部分的に概略形態であり、部分的にブロック形態である、本発明の実施形態による無線ペンの図である。
【図２】本発明の実施形態による無線ペン装置の実施形態を示し、無線ペンと、筆記セッションに対する幾何学的基準を規定するために、筆記用紙の縁に取り付けられているクリップの形態の関連する基準媒体とを示す図である。
【図３】本発明の実施形態によって解決されている曖昧さを理解するために有用な図である。
【図４】センサの入力から手書きを再構築する流れを示す図である。
【図５】先端の動きの決定を理解するために有用な流れ図である。
【図６】本明細書の実施形態で使用している位置決定を理解するために有用な図である。
【図７Ａ】本明細書の実施形態で使用している位置決定を理解するために有用な図である。
【図７Ｂ】本明細書の実施形態で使用している位置決定を理解するために有用な図である。
【図８】本明細書の実施形態で使用している位置決定を理解するために有用な図である。
【図９】本明細書の実施形態による、無線ペン回路と関係する設備のブロック図である。
【図１０Ａ】本発明の実施形態に対する代替手法を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施形態に対する代替手法を示す図である。
【図１０Ｃ】本発明の実施形態に対する代替手法を示す図である。
【図１０Ｄ】本発明の実施形態に対する代替手法を示す図である。
【図１１】本発明の他の実施形態で使用する回路のブロック図である。
【図１２】本発明の形態で利用するプロセッサを制御するルーチンの流れ図である。
【図１３】本発明の実施形態による動作のタイミング図である。
【図１４】本発明の他の実施形態による無線ペン装置を示す図である。
【図１５】本発明の他の実施形態による無線ペン装置を示す図である。
【図１６】本発明の他の実施形態の動作を示す簡略図である。
【図１７】本発明の他の実施形態の動作を示す簡略図である。
【図１８】本発明の他の実施形態の動作を示す簡略図である。
【図１９Ａ】本発明の様々な実施形態で実施される計算の種類を要約した図である。
【図１９Ｂ】本発明の様々な実施形態で実施される計算の種類を要約した図である。
【図１９Ｃ】本発明の様々な実施形態で実施される計算の種類を要約した図である。
【図２０】本発明の他の実施形態による動作を示す図である。
【図２１】本発明の他の実施形態による動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１を参照すると、本発明の第１実施形態による無線ペン１１０が図示されている。この第１実施形態の形態では、ペン１１０は、ペンから隔置され、幾何学的な基準を決定する媒体を含む無線ペン装置の部分であり、その幾何学的基準に関してペンの位置（すなわちペン上の位置）が決定される。図２は、紙またはパッド（参照番号２０２）の縁に取り付けることができるクリップ２０５の形態の媒体を示す。以下でさらに説明するように、本明細書の特徴によれば、媒体は、ペン・キャップ、またはそれを発展させたものを備えることができる。図１の実施形態では、ペンは、筆記用の先端１１２を有し、これは、例えば、取替え可能なボール・ペン・カートリッジの先端１１１とすることができる。圧力スイッチ１１４は、カートリッジ１１１の後ろに取り付けられており、筆記から圧力を受けるとき、電子信号を生成する。圧力スイッチ１１４の後ろには、回路モジュール１１５があり、その構成要素は、図１のペンに隣接してブロック形態で示されている。モジュール１２０は、とりわけフラッシュ・メモリ１２２を含んでいるマイクロプロセッサ・サブシステム１２０を含む。また、本実施形態では、モジュール１１５は、マイクロ加速度計１３０と、ジャイロ１３５と、超音波測距回路１４０と、信号調整回路１５０と、シリアル通信回路１５５とを含む。超音波変換器１１８は、超音波測距回路と結合されており、本実施形態の形態では、超音波信号を送信および受信するために使用される。またペン１１０は、傾斜センサ１６０を含み、ペンの後端にシリアル・ポート１６５を有し、シリアル・ポートは、他の外部設備（例えば、コンピュータ、ＰＤＡ、または本明細書で説明する他の関係する任意の設備）の適切な差込み口に結合することができる。またペン１１０は、バッテリ１７０を収容するバッテリ区画を有する。ペン・キャップ１１６は、キャップがペン上にあるとき、オン／オフ１１７スイッチを閉鎖するリング１１７’を備える。
【００１２】
動作時に、説明したマイクロ加速度計およびジャイロを含むペンの慣性ナビゲーション・サブシステムは、ペンの相対運動を捉え、ペンの先端の動きを決定する。加速度計のエラーは蓄積するので、ペンの絶対位置測定サブシステムが間隔をおいて動作して位置決定をリセットし、本実施形態では超音波測距であるビーコン技術を利用する。この実施形態の説明した形態は、異なる反射特性を有し、２つの隔置されている音波反射器２０６および２０７を有する受動基準媒体（図２のクリップ２０５）を利用する。
【００１３】
慣性ナビゲーションを備える電子ペンは、加速度測定の重力要素に対処しなければならない。加速度計は、重力加速度とペンの動きによる加速度を識別することができない。加速度計の出力から重力を除去するには、ペンの向きに関する情報が必要である。ジャイロスコープまたは傾斜センサは、その目的のために使用する。さらに、加速度計のエラーは、時間の２乗で増大し、ペンの動きを感知するあらゆる能力を圧倒する。最も正確な加速度計センサでも、わずかに数分または数秒筆記すれば、加速度計のドリフトが手書きの復元を不可能とする通常の筆記表面の千倍に増大するのに十分である。ビーコン技術は、加速度のエラーを周期的にリセットするために必要である。
【００１４】
傾斜またはジャイロスコープ・センサを使用して、筆記表面に対するペンの角度を測定し、加速度の重力要素を消去することが可能である。傾斜センサは、電解式のもの、または加速度計あるいはジャイロスコープの技術に基づくものとすることができる。
【００１５】
以下でさらに説明するように、基準媒体に関して絶対位置を獲得する外部ナビゲーションは、超音波技術、赤外線または無線周波数のビーコンを用いて実現される。そのもっとも簡単な実施形態では、単一送信器／受信器の超音波は、反射器がクリップ２０５（図２）を用いて取り付けられている紙の先端または側面を指しているペンの先端に配置することができる。パルス超音波技術を使用することができる。ペンは、筆記表面の基準フレームにおいて、ビーコンまでの距離を測定することになる。紙上のペンの位置を横座標（ｘ）と縦座標（ｙ）で決定するために、２つの距離が必要である。
【００１６】
ペンの動きの曖昧さを解決するために、反射器２０６、２０７は、異なる反射強度であるべきである。反射器が同様の反射特性を有する場合、ペン上の受信器は、反射が一方の反射器からのものであるかまたは他方からのものであるかを決して解決せず、したがって対称的な曖昧さ（図３参照）を導入する。反射器が異なる本実施形態では、ペンの受信器に戻る信号は、飛行時間（ＴＯＦ）と反射エネルギーの２つの特性について分析される。ＴＯＦは距離を示し、反射エネルギーは、どちらの反射器がどの信号を返したのかを示す。反射エネルギーは、反射器の信号にゲイン・スロープを乗ずることによって、ＴＯＦの関数として計算される。
【００１７】
全ての電子機器がペン上にある本実施形態では、全てのセンサからの情報は、ペン上のマイクロプロセッサのサブシステムによって収集され、不揮発性メモリに格納される。加速度計およびジャイロスコープまたは傾斜センサからの測定は、約１００から３００Ｈｚである、先端の動きの適切な分解能を考慮しているサンプリング周波数で取り入れることができる。サンプリング周波数は、後にホスト・コンピュータ上で統合の永続的な間隔を可能とする定数であることが好ましい。
【００１８】
シリアル・ポートまたはＵＳＢポートに接続されているとき、収集したデータは、ホスト・コンピュータ・デバイスにダウンロードすることができる。ＰＤＡ、カメラ、またはセルラ電話について特に効果的である他の通信方法は、すでにＰａｌｍＰｉｌｏｔなどのＰＤＡで利用可能である赤外線リンクであり、実装することができる。
【００１９】
ホスト・コンピュータまたはＰＤＡは、筆記表面上のペン跡の再構築を実施することができる。筆記体の筆記をＡＳＣＩＩ文字に変換することは、よく知られている手書き認識ソフトウエア・パッケージを用いて実施することができる。
【００２０】
ペン跡の再構築は、図４に示すように実施することができる。デジタルろ過を全ての測定に適用して、常に存在するずれとペンの先端の運動帯域の外部にある高周波数の雑音を拒絶する。ろ過後、測定データは、カルマン・フィルタ内に統合され、統計学的な意味でペンの先端の位置を最適に推定する。カルマン・スムージングでは、前方（全ての先行測定）および後方（全ての後続測定）ろ過は、全てのデータが利用可能であるとき適用される。ペンの向きを用いて、測定加速度における重力要素を推定および消去する。
【００２１】
ろ過の他に、センサの測定をペンの先端の変位に変換するために、いくつかの計算ステップを必要とする。最高レベルのソフトウエアの図を図５に示す。そのプロセスは、１．筆記表面の座標系において、ペンの向きを決定する、２．測定から重力を除去する、３．ペンの変位を計算する、および４．ペンの先端の変位を計算する、ことを含む。これらのステップのいくつか（重力の除去など）は、図４のカルマン・フィルタ・ブロックで実施することが可能であることに留意されたい。
【００２２】
測定をペンの先端の動きに変換することは、次のように理解することができる。例として、電子ペンの慣性センサが、２つの加速度計と、１つの傾斜センサと、１つの圧力センサとを含むものとする。ｔにおける無線ペン装置の出力は、
Ｍｔ＝（ａｘ＋ｇｘ、ａｙ＋ｇｙ、φ、γ、ｐ）    （１）
であり、（ａｘ＋ｇｘ、ａｙ＋ｇｙ、）は、重力が存在するときの直交加速度測定であり、両方ともペン軸に垂直である。φは水平筆記表面に対するペンの角度、θはペン軸に垂直な横線と加速度計のｘ軸との間の角度、ｐはペンが図６の表面に印を付けていることを示す圧力センサである（Ｐ＝０は印なし、Ｐ＝１は印を付けている）。ペンの座標系（ｘ、ｙ、ｚ）は、ｘ軸は加速度計のｘ軸、ｙ軸は加速度計のｙ軸に沿っており、ｚ軸はペン軸に沿っていて上向き正方向である。
【００２３】
第１ステップは、測定から重力要素を除去することである（図７Ａおよび７Ｂ参照）。ペン軸およびｘ−ｙ平面に沿う重力要素は、
ｇｚ＝−ｇ＊Ｃｏｓ（９０−θ）    （２）
ｇｘ，ｙ＝ｇ＊Ｓｉｎ（９０−θ）
であり、ｘ−ｙ平面の重力ベクトル要素は、下式のように計算できる（図７Ｂ参照）。
【００２４】
ｇｘ＝ｇｘｙ＊Ｃｏｓβ    （３）
ｇｙ＝ｇｘｙ＊Ｓｉｎβ
βはｇｘｙとｘ軸の間の角度であり、β＝θ−９０度である。重力要素が計算されたので（ａｘ、ａｙ）、ペンの動きからの加速度を決定することができる。
【００２５】
次に、ペンの変位を扱う。まず、平坦筆記表面座標系の原点は、ペンの先端が初めに表面に接したところとし、ｘ軸は表面上のペンの投影に沿うものとする（図６）。ペンの加速度計および圧力センサが表面上の動きを検出し、重力が消去されるとき、ペンの加速度がわかる：（ａｘ、ａｙ）。ペンの速度および変位は、古典運動方程式を用いて、ペンの座標系で計算される。
【００２６】
Ｖｘ＝ａｘｔ、およびｘ＝Ｖｘ−ｌａｓｔｔ＋（１／２）ａｘｔ２    （４）
Ｖｙ＝ａｙｔ、およびｙ＝Ｖｙ−ｌａｓｔｔ＋（１／２）ａｙｔ２
上式で（Ｖｘ−ｌａｓｔ、Ｖｙ−ｌａｓｔ）は、先行ステップから計算された初期のペン速度である。ペンが静止状態から開始するとき、（Ｖｘ−ｌａｓｔ、Ｖｙ−ｌａｓｔ）はゼロである。
【００２７】
次に、加速度計のところで検出されたペンの動きを、ペンの先端の動きに変換することが必要である。まず、ペンの動きの変換を、座標変換式を用いて、図７Ｂのｇｘｙベクトルおよび横線に一致する座標系に適用する。
【００２８】
ｘ’＝ｘｃｏｓβ＋ｙｓｉｎβ    （５）
ｙ’＝ｘｃｏｓβ＋ｘｓｉｎβ
ここで、筆記表面上のペンの変位を見出すことが可能である。
【００２９】
Δｘ＝ｘ’ｃｏｓφ    （６）
Δｙ＝ｙ’
【００３０】
ｙ軸は表面に平行であり、したがって、変位の投影は変化しなかった。ペンがその向きを変更しない場合、その先端の変位はペンの変位と同じである（図８参照）。ペンがその向きを変更する場合、センサによって角度γと検出され、先端の変位は下式のようになる。
【００３１】
Δｘｔｉｐ＝Δｘ＋ｄｐ’−ｄｃ’ｃｏｓγ    （７）
Δｙｔｉｐ＝Δｙ＋ｄｃ’ｃｏｓγ
ｄｅ’＝ｄｃｏｓφは、ペンの座標原点からその先端を表面に投影したペンの長さの現在の投影であり、ｄｐ’＝ｄｃｏｓφｐは、先行測定での同じ投影である。
【００３２】
測定を先端の変位に変換することは、ペンが実際に表面に印を付けている場合にのみ必要であることに留意されたい。そうでない場合は、ペンが書き始めるまで、加速度計の出力を合計する。この例では、ペンの動きを検出することができない状態がいくつか存在する。第３加速度要素ａｚと追加のジャイロ角度を測定することによって、ペンの状態は、全ての観測可能な変位を有することになる。
【００３３】
このプロセス後、手書きは手書き認識に利用可能となる。このプロセスのために使用することができる商業的に利用可能ないくつかのパッケージがある。手書き認識ソフトウエア・アルゴリズムは、書かれた印の画像のみが利用可能であるときの通常の手書き認識パッケージとは異なり、紙の上でペンの先端が動く向きが利用可能であるということによって改善することが可能である。
【００３４】
図９は、ペンの構成要素のブロック図であり、マイクロプロセッサ・サブシステム１２０と、信号調整回路１５０とを含む。マイクロプロセッサ・サブシステム１２０は、従来のように、関連するタイミング、メモリ、および入力／出力機能（別々には図示せず）、並びにフラッシュ・メモリ１２２を含む。先端圧力スイッチ１４４からの信号は、マイクロプロセッサ・サブシステムに結合される。また、それぞれブロック１４１および１４２で表されている、Ｒ１およびＲ２と示されたレンジを表す超音波測距回路からの信号と、それぞれブロック１３１および１３２で表されている直交加速度計の信号と、さらに傾斜および方位信号（ブロック１６１およびジャイロ信号（ブロック１３６））とは、信号調整回路１５０を介して、マイクロプロセッサ・サブシステムに結合される。バッテリ１７０は、ＤＣ／ＤＣ変換器１７１に結合されており、その出力は、適切な電圧で、マイクロプロセッサ１２０およびパワーを必要とする他の回路に結合される。マイクロプロセッサの出力は、シリアル・ポート１６５を介して、外部のペン差込み口３１０に結合され、その出力は、ホスト・コンピュータ（３５０のところに示す）、または携帯情報端末（ＰＤＡ）、あるいは任意の適切な外部設備に結合することができる。位置表示情報（または手書き表示情報（認識ソフトウエアもペンのところで提供されている場合−選択性））も、従来の赤外線通信などの無線手段を介して、外部設備に入力することができることを理解されたい。
【００３５】
図１０Ａは、図１から３、すなわち２つの受動反射器を有する反射媒体に関連して説明した、第１実施形態の形態の動作を簡略化した図を示す。図１０Ｂ、１０Ｃ、および１０Ｄは、基準媒体（一般に簡略図ではＭ）までの１方向の音波（好ましくは超音波）飛行時間を決定することを利用する代替実施形態を示し、戻りの赤外線信号は、超音波信号が受信されたことを、瞬間的にペンに信号で送り返すことを提供する。再び、超音波信号は、基準媒体上の隔置されている２つの位置で受信され、その結果、ペンの位置（すなわち、その変換器の位置）を明確に決定できることが好ましい。図１０Ｂの図では、超音波は大気を通過する信号であるが、図１０Ｃの図は、筆記表面上を進む表面波の超音波の場合を表し、図１０Ｄの図は、筆記表面の下のテーブルなど、硬い表面を通って進む超音波の場合を表す。
【００３６】
図１０Ａの反射の手法（または、他の任意の適切な実施形態）では、変形形態は、ペン上の２つの受信変換器を使用する。これにより、ペンの傾斜角を見出す代替技術が可能となる。図１０Ａの手法では、上記で述べたように、異なる反射率の２つの反射器を使用して、異なる強度の反射信号を獲得することができる。上記で説明したように、ペン上の電子機器は、遅延時間の関数として、ゲインで信号を増幅して異なる飛行時間を補償し、２つの反射信号を比較して、横方向の位置を解決することができる。この手法は、ソフトウエアの雑音低減技術を使用して、誤った信号の拾上げと異質な対象物からのエコー、および受信信号の小さな振幅を除去することが好ましい。図１０Ｂ、１０Ｃ、および１０Ｄの手法では、ペン上の変換器は送信器でしかない。この変換器は、２つの異なる搬送波周波数で２つの全方向超音波バーストを送り、それぞれが２つの変換器の周波数のうちの１つに同調されている、２つの別々の超音波受信器で受信される。その応答信号が、赤外光によってペンに送り返される。ペン上の電子機器は、２つの異なる能動応答器からの飛行時間を記録する。
【００３７】
図１１は、赤外線で信号を送り返す、１方向超音波送信を利用する図１０Ｂ、１０Ｃ、または１０Ｄの実施形態に対するペン電子機器のブロック図である。図１１のブロック図では、構成要素の１１４（圧力スイッチ）、１２０（マイクロプロセッサ・サブシステム）、１２２（フラッシュ・メモリ）、１３１、１３２（加速度計）、１４１、１４２（超音波測距）、１５０（信号調整）、１６１（傾斜角度決定）、１７０（バッテリ）、および１７１（ＤＣ／ＤＣ変換器−また低バッテリモニタを有する）は、一般に、図９の相対物に対応する。また、図１１の図は赤外センサ入力１８１を含み、タイミング制御回路（１９２）への入力を提供する振動子回路１９１を示し、タイミング制御回路（１９２）は、この場合は別々に図示されている送信／受信回路１４９を含む様々な回路への入力を提供する。また図１１には、オン／オフスイッチ１１７、個々のアナログ・デジタル変換器（１７５、１７６、１７７）、ＬＣＤディスプレイ（１８８）、およびこの場合はＵＳＢ、またはＲＳ２３２、あるいはＩｒＤＡ能力を含む通信回路（１６６）が示されている。
【００３８】
図示した実施形態には、３つの基本的な動作のパワー・モード、ノーマル・モード、アイドル（またはスタンドバイ）・モード、およびスリープ・モードがある。ペン・カバーが取り去られているとき、ペンはスリープ・モードにあり、「オン／オフ」スイッチが「オン」の位置にあるが、ペンは紙の上に跡を印していない。したがって、圧力スイッチはまだ起動されていない。圧力スイッチが起動されると、ペンは、２つの動作モード、ノーマルまたはデータ獲得モードとアイドルまたはスタンドバイ・モードの間で切り換わるとき、そのモードに入る。スタンドバイ・モードは、筆記時にパワー消費を最小に保つために重要であり、サンプリング・レートが約１００Ｈｚなので可能である。アイドル・モードは、信号獲得、データの予備処理、およびメモリへの格納に伴いノーマル動作となり、次いで再びアイドル・モードになる。ノーマル・モードとアイドル・モードの切換えは、ペンの電子機器に対するタイミング制御信号と、ペン上のプロセッサに対するタイミング割込みとを生成するタイミング制御回路によって実現される。電子機器、特にセンサおよび変換器に対するウエイク・アップ・サイクルの開始は、十分な整定時間を考慮することになり、その後、特定の機能ブロックが、ノーマル動作および信号獲得に対し、完全に機能することができる。たいてい、獲得データを予備処理し、内部ＲＡＭに格納した直後に、ペンのプロセッサはアイドル・モードに入る。しかし、ＲＡＭが一杯になり、および／またはフラッシュ・メモリ・ページのサイズに到達すると、プロセッサはＲＡＭからフラッシュ・メモリにデータを書き込み、次いでアイドル・モードに入る。
【００３９】
図１２を参照すると、図１１の実施形態のマイクロプロセッサ・サブシステムを制御するために使用して、センサを起動させ、動作のサンプル・サイクルの間データ収集を実施することができる、ルーチンの流れ図が示されている。ブロック６０５は、アイドル・モード状況を表し、ブロック６１０は、図１１のタイミング制御回路によって制御された時間割込みに応答するプロセッサおよびセンサのウエイク−アップを表す。これは、右側のブランチにおいて、加速度計および傾斜センサ（ブロック６１５）からのデータ獲得の開始、信号ろ過および圧縮（ブロック６１６）、およびデータ、すなわち、ａｘ、ａｙと示された加速度と、傾斜すなわち仰角φおよび方位角θのランダム・アクセス・メモリへの保存（ブロック６１８）を開始する。左側のブランチでは、ブロック６２０は、２つの周波数Ｆ１およびＦ２での超音波の送信と、超音波クロックまたはカウンタの開始を表す。次いで、ブロック６３１および６４１は、それぞれ、周波数Ｆ１およびＦ２で、能動応答器１および２上で受信超音波信号を待ち、その後これらの応答器によって、赤外線信号をペンに再び送信することを表す（ブロック６３３および６４３）。次に、ブロック６５０で表すように、赤外線信号をペンのところで受信し、そのような信号の各受信時のクロック時間に基づいた飛行時間（ＴＯＦ）をＴＯＦ１およびＴＯＦ２として保存し、計算したＴＯＦをＲＡＭに保存する（ブロック６６０）。次いで、ＲＡＭが一杯であるかどうかについて問合わせが行われる（決定ブロック６７０）。一杯である場合、ページをフラッシュ・メモリに書き込む（ブロック６８０）。次いでブロック６０５に再び入る。
【００４０】
図１３は、データ獲得および処理のタイミング図であり、データ獲得ステージ、予備処理ステージ、およびフラッシュ・メモリ動作への格納を含む、（アイドル・モードの間にある）動作のノーマル・モードを示す。データ獲得シーケンスは、図１２の流れ図に関連して説明した動作に対応する。
【００４１】
図１４および１５は、本発明の他の実施形態による無線ペン装置を示す。この装置は、図１４では、背面にキャップ１１００が取り付けられて示されている無線ペン１０００を含む。この背面は、筆記していることを表す電子信号を生成せずに、通常の筆記にペンを使っているときにのみ使用するキャップの位置である。（また当然キャップは、保護的に携帯し、またはペンを格納するために、ペン先に装着することになる。）図１４の図では、キャップ１１００は、後部蝶番１１１０、および２つの部分クリップ１１１５、１１１６を有することがわかる。部分クリップ１１１５、１１１６は、例えば所有者が無線ペン装置を携帯しているときに、従来のようにシャツのポケット・クリップとして使用することができる。本実施形態では、動作の１つのモードにある無線ペン１０００は、（小さな光源のアレイを備えることが可能な）全方向光源１０２５を含む。これは、可能な限りペン１０００の筆記用の先端１０３０に近いことが好ましいが、必ずしもそうである必要はない。
【００４２】
図１５は、キャップ１１００を示し、キャップ１１００は、開いたとき、ペン上の位置を決定するために使用できるペン１０００からの信号を受信する受信媒体（および幾何学的基準）として使用される。ペン上の位置（光源１０２５）が筆記用の先端に十分近く、所望の分解能に依存している場合、十分に解決された位置を表す信号を獲得することが可能となる。しかし、必要または所望である場合、ペンの傾斜および向きは、第１に上記で説明した実装されているナビゲーションなど、任意の適切な手段によって決定することができる。キャップ１１００は、収容メンバ１１３０および１１６０を備え、それぞれは、管状で一般に円筒セクションであり、頑強なプラスティックなど、任意の適切な材料で形成することができる。図１５に示すように、メンバ１１３０と１１６０を結合する蝶番１１１０が開いているとき、ホルダ・スナップ（図示せず）を使用して、固定した開位置を維持することができる。（１１１３Ａ、１１１３Ｂのところに示したような他のホルダ・スナップは、図１４のように、閉位置でキャップを保持することができる。）各収容メンバ１１３０および１１６０は、その後部端に、それぞれ区画１１４０および１１７０を有する。本実施形態では、区画１１７０はバッテリを有し、区画１１４０は、小さなマイクロプロセッサおよび関連する回路を含む、キャップのほとんどの電子機器を含む。回路は、必要に応じて、光感知アレイの制御およびそれからの入力をさらに含むように修正された、図１１に示す一般的なタイプとすることができる。収容メンバ１１３０および１１６０の各外面端は、輪郭を示した突出部分１１３１および１１６１を含み、各突出部分は、各収容メンバの湾曲内部表面へのそれぞれのウィンドウ１１３２および１１６２を有する。本実施形態では、突出部分は、それぞれＣＣＤ（電荷結合素子）センサなどの光感知アレイを収容する。ＣＣＤセンサへのおよびＣＣＤセンサからの絶縁導体は、各収容メンバにおいて、適切な凹み（図示せず）を通して送ることができる。また、収容メンバ間の任意の必要な接触は、キャップが図示した開位置にあるとき、蝶番１１１０の導電部分を介して、接続ケーブルを介して、または接触させるスプリング・コネクタを介して実現することができる。
【００４３】
動作時に、分割されたクリップ１１１５、１１１６の底部分を使用して、図１５で一般に１１９５のところで示す紙または紙のパッドの縁に、開いたキャップを固定することができる。ユーザが無線ペンで書くとき、例えば上記のようにボール・ペンのカートリッジの後ろに取り付けられたペンの圧力スイッチ（図示せず）は、筆圧を感知し、圧力スイッチを使用して、全方向光源を起動することができ、光源からの光は、光感知アレイによって受信される。必要または所望である場合、各センサの前でレンズを使用することができる。当技術分野で知られているように、アレイ上で受信した光スポットの位置を検出して、光の到来角を決定することができ、各光感知アレイでの２つの到来角は、ペン上の光送信位置の紙上の位置を一意に決定する。この実施形態の他の形態は、例えば、距離測距のための超音波エネルギーを利用することができる。ペン１０００は、上記で説明したような超音波源を備えることができ、突出部１１３１および／または１１６１は、超音波センサを収容することができる。
【００４４】
図１６は、ペン１０００、全方向光源１０２５、および図１４〜１５の実施形態の隔置された光感知器アレイ（名称１６１０、１６２０）を示す、簡略化した図である。図では、ｄはアレイ間の距離であり、αおよびβは、それぞれ、各カメラ・アレイ上での入射角である。以下は、プロセッサによって使用し、角度およびペン上の源の位置を決定することができるアルゴリズムの例である。使用する定数（デフォルト値）は以下の通りである。
【００４５】
Ｂ−カメラ間の距離（ベースライン、ｍｍ［２００］）
Ａ−レンズの主要軸とベースラインの間の角度、ｒａｄ［ｐｉ／３］
Ｏ−カメラのベースラインから紙の縁までの距離、ｍｍ［２０］
Ｐ−ＣＣＤ画素ピッチ、μｍ［２０］
Ｌ−ＣＣＤチップとレンズの間の距離、μｍ［１０、０００］
Ｔ−光強度閾値カウント［１００］（範囲：０〜２５５）
Ｗ−多項式フィット・ウィンドウ、画素［５］
Ｍ−最小重要度のペンの動き、ｍｍ［０．２］
Ｃ−画像の行の数［６４０］
Ｒ−画像の列の数［１６］
ｉ−カメラのインデックス（ペンから見て、０−左側のカメラ、１−右側のカメラ）
アルゴリズムは以下の通りである。
【００４６】
１）両方のカメラから画像を獲得する（それぞれＣ×Ｒ）
２）データをフロート・タイプに変換する
３）行を合計し、結果的に２つのＩＤアレイ、Ａｉを得る、それぞれＣ要素（ｉ＝０、１）
４）各アレイの最大を見つけ、その対応するインデックスをＭ０、Ｍ１、ＩＭ０、ＩＭ１とする
５）全ての以下の条件が満たされている場合は進み、そうでない場合は、１）に行く。Ｍｉ＞Ｔ＊Ｒ；（Ｗ−１）／２＜＝ＩＭｉ＜Ｃ−（Ｗ−１）／２
６）要素ＩＭｉ−（Ｗ−１）／２から開始してＡｉ、Ｓｉのサブ−アレイを見つける、それぞれＷ要素
７）Ｘ座標として要素インデックスＩＭｉ−（Ｗ−１）／２、．．．、ＩＭｉ＋（Ｗ＋１）／２を用いて、Ｓｉに対する２次多項式に適した最小２乗の多項式係数Ｐｎｉを見つける（ｙ＝ｐ０＋ｐ１ｘ＋ｐ２ｘ＾２）
８）各ＣＣＤの中央からカウントして、最大のサブ画素値を見つける；Ｓｉ＝Ｃ／２＋Ｐ１ｉ（２＊ｐ２ｉ）
９）中間結果を見つける
Ｄ０＝ｔａｎ（Ａ−ａｔａｎ（Ｐ＊Ｓ０／Ｌ））、
Ｄ１＝ｔａｎ（Ａ−ａｔａｎ（Ｐ＊Ｓ１／Ｌ））
１０）ペンＸおよびＹの座標を見つける
Ｘ＝（Ｄ１／Ｄ０＋Ｄ１））＊Ｂ；
Ｙ＝Ｄ０＊Ｘ−Ｏ
１１）最後の点［Ｘ（ｋ）、Ｙ（ｋ）］から前の点［Ｘ（ｋ−１）、Ｙ（ｋ−１）］への距離を計算する：
Ｅ−ｓｑｒ（（Ｘ（ｋ）−Ｘ（ｋ−１））＾２＋（Ｙ（ｋ）−Ｙ（ｋ−１））＾２
１２）Ｅ＜Ｍである場合、その点を無視して１）に行き、そうでない場合はその点を正当な新しい位置として受け入れ、１）に行く
【００４７】
図１６に示した図の実施形態では、点１０２５は光源を表し、赤外線であることが好ましい。しかし、代替として、蛍光反射器などの反射器とすることができ、その場合、ペンは受動的とすることができることを理解されたい。基準媒体に対する光源（または反射器）の位置は、説明したルーチンを用いて決定することができる。光源が十分にペンの筆記用先端に近くない場合、ペンの向きは、例えば上記で説明したペン上のナビゲーション・システムを用いて、ペン上の傾斜またはジャイロ・センサによって決定することができる。（代替として、ペン上で隔置されている２つの光源を使用して、ペンの向きを決定することができる。）
【００４８】
この実施形態の他の形態を図１７に示す。この実施形態では、ペン（１０００）は、ＣＣＤマイクロ−カメラと、周期的に全方向ＩＲ信号を送る２つの外部赤外線光源（１７１０、１７２０）を有する。ペンの向きは、ペン上の傾斜またはジャイロ・センサを用いて決定することができる。カメラは、一方の点光源からのＩＲ信号を観測し、次いで他方の点光源からのＩＲ信号を観測する。２つの源は、異なる強度、周波数、または符号信号によって識別することができる。ＣＣＤカメラ上の光源の像を使用して、点ＩＲ源とカメラの間の方位角および仰角を決定する。２つの源の間の距離は固定されており、わかっているので、カメラの高さがわかり、カメラの位置を決定することができる。ペンの向きと共にこのことにより、筆記用先端の位置を計算することが可能となる。これを周期的に計算および記録することによって、筆記表面上のペンの動きを追跡する。
【００４９】
手書きを復元する正確さは、カメラの画素の数に依存する。２つのＩＲ点光源の正確な位置は、ＣＣＤ焦点面上で光源画像を見つけることによって決定することができる。ＩＲ光は、焦点面上の最も明るい点とすることができる。サブ画素の正確さは、画像の焦点がわずかにずれており、隣接する画素の強度を使用し、知られている重心を決定する方法を用いて光線の中心を見つける場合、達成することができる。
【００５０】
この実施形態の他の形態では、光センサ・アレイ（例えば、ＣＣＤカメラ１８１０）および超音波変換器システム（ペン上の変換器１０８２および基準位置の変換器１８６０を含む）を、図１８に示すように、ビーコン・システムに配置することができる。ペンの位置は、超音波距離測距を用いて１つの距離を測定し、カメラで１つの角度を測定することによって計算される。これによりペンの位置が決定する。この構成の利点は、１つのビーコンの位置のみが必要であるということである。２つの距離の決定または２つの角度を用いる場合では、ビーコン（場合に応じて、超音波または光）を分離することが必要である。
【００５１】
図１９Ａ、１９Ｂ、および１９Ｃの図は、３つの手法でペンの位置を決定することを示す。図１９Ａは、（例えば、超音波を用いて）基準媒体とペン上の２つの位置の間の距離測距と距離ｄ１およびｄ２の決定を示し、図１９Ｂは、基準媒体とペン上の２つの位置の間の光角度処理と角度αおよびβの決定を示し、図１９Ｃは、（例えば、１つの超音波および１つの光センサを用いて）基準媒体とペン上の位置の間の距離測距および角度処理と、距離ｄ１および角度αの決定を示す。
【００５２】
本明細書の他の特徴によれば、本明細書の電子無線ペン装置を、特別に適合された腕時計と組み合わせて使用することができる。図２０の図では、腕時計２０２０と無線ペン装置（ペンおよび／またはキャップ）２０００は、それぞれ、赤外線通信用など、適切な通信サブシステムを備えている。また、腕時計は、関連するメモリ、タイミング、および入力／出力能力を有するマイクロプロセッサ・サブシステムを備えることが好ましく、上記で説明したクリップまたはキャップの形で使用して、音信号および／または光信号などのビーコン信号を送信および／または受信し、ペンの先端の位置決定に用いることができる。時計は、元の手書きおよび図を表示するように、または手書きをＡＳＣＩＩテキストに変換するように適合することができる。紙の上で筆記する本来のペンは、以下の機能用に時計に送信することができる：（１）アラームをセットし、さらに時計のボタンをプログラムすることなく時間をセットする、（２）予約、事象をスケジュールし、時計は指定した時間にユーザに思い出させる、（３）思出し機能と共に「行う」リストを維持する、（４）電話番号と住所を記録する、（５）メモ、図、およびスケッチを書き留め、格納する。また、時計のボタンを使用して、ページ付けを制御することができる。
【００５３】
本明細書の他の特徴によれば、本明細書の電子無線ペン装置を、特別に適合された移動式電話またはセルラ電話と組み合わせて使用することができる。図２１の図では、セルラ電話２１４０および無線ペン装置（ペンおよび／またはキャップ）２０００は、それぞれ、赤外線通信用など、適切な通信サブシステムを備えている。また、セルラ電話は、関連するメモリ、タイミング、および入力／出力能力を有するマイクロプロセッサ・サブシステムを備えていることが好ましく、上記で説明したクリップまたはキャップの形で使用して、音信号および／または光信号などのビーコン信号を送信および／または受信し、ペンの先端の位置決定に用いることもできる。セルラ電話は、元の手書きと図を表示するように、および／または手書きをＡＳＣＩＩテキストに変換するように適合することができる。また、セルラ電話は、手書き並びにテキストを、任意のファクシミリ機械またはコンピュータにファックスすることができる。また、セルラ電話は、この目的および他の目的のために、ズーム能力を備えることができる。また、格納のために、セルラ電話に適切に設けられている差込み口にペンを挿入することができる。
【００５４】
本発明を、特定の好ましい実施形態に関連して説明してきたが、当業者なら、本発明の精神および範囲内の変更を思いつくであろう。例えば、様々な実施形態の説明した特徴は、任意の他の適切な組合せの形で併用して、ユーザの目的を達成することができることを理解されたい。
【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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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０】
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【図２１】
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