(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペン状のハウジングを有する電子ペンにおいて、
前記電子ペンの中心軸の筆記面に対する傾斜角及び前記電子ペンの筆記面に対する高さを測定するための光学式３次元測定装置と、
前記電子ペンの３次元運動による移動量を測定するための３軸加速度センサーと、
前記測定された傾斜角、高さ、及び、移動量に関する情報を外部演算装置に送信するための通信手段と
を含むことを特徴とするコンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
【請求項２】
前記光学式３次元測定装置は、
所定の筆記面にスポットを形成させるためにビームを放出する発光部と、
前記筆記面に形成されたビームスポットを感知する感知部と
を含むことを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
【請求項３】
前記発光部は、
ビームを放出させる光源と、
前記光源で生じた発散ビームを平行にする第１レンズと、
前記第１レンズを通したビームを分離させる格子と、
前記第１レンズを通したビームを筆記面に向けて投射させる第２レンズと
を含むことを特徴とする請求項２に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
【請求項４】
前記感知部は、
前記筆記面に結ばれたスポットビームを１次的に集光するカメラレンズと、
前記カメラレンズを通過したビームを感知する位置検出器と
を含むことを特徴とする請求項２に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
【請求項５】
前記光学式３次元測定装置は、
前記感知部で受け入れたスポットビームを利用してビームスポットの位置を検出する信号処理回路と、
前記検出されたビームスポットの位置を利用して前記電子ペンの前記筆記面に対する高さ及び傾斜角を演算する演算器と
をさらに含むことを特徴とする請求項２ないし請求項４のうちいずれか一項に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
【請求項６】
前記電子ペンは前記発光部の光源のオン／オフを調節する制御器をさらに含むことを特徴とする請求項２ないし請求項４のうちいずれか一項に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
【請求項７】
前記光学式３次元測定装置の発光部から放出するビームの中心軸は前記電子ペンの中心軸と所定の偏差を示すことを特徴とする請求項２ないし請求項４のうちいずれか一項に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
【請求項８】
前記外部演算装置で演算された前記情報を貯蔵するための貯蔵手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
【請求項９】
前記通信手段はＲＦ通信装置であることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
【請求項１０】
前記電子ペンは所定時間の駆動のためのバッテリーをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
【請求項１１】
前記電子ペンは前記３軸加速度センサー及び前記光学式３次元測定装置で測定されたデータを利用して電子ペンチップの位置を演算するための中央処理装置をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
【請求項１２】
前記電子ペンの筆記面に対する接触有無を検出するための前記電子ペンチップと連結された応力センサーをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
【請求項１３】
前記電子ペンが筆記面に接触されて筆記をする場合、インクを噴射するために前記電子ペンチップと連結されたインク収容部をさらに含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置。
【請求項１４】
ペン状のハウジングを有する電子ペンと、
前記電子ペンの中心軸の筆記面に対する傾斜角及び前記電子ペンの筆記面に対する高さを測定するための光学式３次元測定装置と、
前記電子ペンの３次元運動による移動量を測定するための３軸加速度センサーと、
前記３軸加速度センサー及び前記光学式３次元測定装置で測定されたデータを利用して前記電子ペンチップの位置座標を演算するための中央処理装置と、
前記演算された電子ペンチップの位置座標を外部コンピュータまたは個人携帯用端末機に送信するための通信手段と
を含むコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法において、
（Ａ）前記光学式３次元測定装置によって前記電子ペンと筆記面とがなす傾斜角及び筆記面に対する高さを測定し、前記３軸加速度センサーによって前記電子ペンの３次元運動情報を測定する段階と、
（Ｂ）前記測定された筆記面に対する電子ペンの傾斜角、高さ、及び、３次元運動情報をコンピュータまたは携帯用端末機の中央処理装置で変換して電子ペンチップの座標を抽出する段階と、
（Ｃ）前記抽出された電子ペンチップの座標を前記通信手段を利用して外部コンピュータまたは携帯用端末機に送信する段階と
を含むことを特徴とするコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法。
【請求項１５】
前記光学式３次元測定装置は、
筆記面にスポットを形成させるためのビームを放出する発光部と、
前記筆記面に形成されたビームスポットを感知する感知部と
を含み、
前記（Ａ）段階の電子ペンと筆記面とがなす傾斜角及び筆記面に対する高さを測定する段階は、
前記発光部からビームを放出する段階と、
前記放出されたビームを筆記面に投射して５つ以上のビームスポットを形成させる段階と、
前記ビームスポットの反射ビームを集光する段階と、
前記集光されたビームを利用して電子ペンの筆記面となす傾斜角及び高さに関する情報を位置検出器を通じて検出する段階と
を含むことを特徴とする請求項１４に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法。
【請求項１６】
前記傾斜角及び高さを検出する段階は、
前記集光された５つ以上のビームスポットの情報を利用して楕円方程式により前記電子ペンの傾斜角及び筆記面に対する高さを求める段階と、
前記求められた傾斜角及び高さの各々を微分して傾斜角速度及び垂直速度を初期値から求める段階と
を含むことを特徴とする請求項１５に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法。
【請求項１７】
前記（Ｂ）段階は、
加速度信号から重力成分を除去する段階と、
前記重力成分が除去された加速度信号を第１次積分して電子ペンの移動速度を求める段階と、
前記電子ペンチップの速度を求めた後、筆記面に対する垂直速度を利用して累積誤差を補正する段階と、
運動累積誤差補正された前記電子ペンの移動速度を第２次積分して前記電子ペンの変位移動量を求める段階と、
前記電子ペンの変位移動量の累積誤差を補正して電子ペンチップの座標を求める段階と
を含むことを特徴とする請求項１４ないし請求項１６のうちいずれか一項に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法。
【請求項１８】
前記３軸加速度センサーから出る加速度信号に対して雑音を除去するためのローパスフィルタリングを行う段階をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法。
【請求項１９】
前記（Ｃ）段階の通信手段はＲＦ通信方法によるものであることを特徴とする請求項１４に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法。
【請求項２０】
ペン状のハウジングを有する電子ペンと、
前記電子ペンの中心軸の筆記面に対する傾斜角及び前記電子ペンチップの筆記面に対する高さを測定するための光学式３次元測定装置と、
前記電子ペンの３次元運動による移動量を測定するための３軸加速度センサーと、
前記測定された傾斜角、高さ、及び、移動量に関する情報をコンピュータまたは携帯用端末機に伝送するための通信手段と
を含むコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の作動方法において、
（Ａ）前記光学式３次元測定装置によって前記電子ペンと筆記面とがなす傾斜角及び筆記面に対する高さを測定し、前記３軸加速度センサーによって前記電子ペンの３次元運動情報を測定する段階と、
（Ｂ）前記測定された傾斜角、高さ、及び、３次元運動情報に関する情報を前記通信手段を利用してコンピュータまたは携帯用端末機に送信する段階と、
（Ｃ）前記測定された筆記面に対する電子ペンの傾斜角、高さ、及び、３次元運動情報をコンピュータまたは携帯用端末機の中央処理装置で変換して電子ペンチップの座標を抽出する段階と
を含むことを特徴とするコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法。
【請求項２１】
前記光学式３次元測定装置は、
筆記面にスポットを形成させるためにビームを放出する発光部と、
前記筆記面に形成されたビームスポットを感知する感知部と
を含み、
前記（Ａ）段階の電子ペンと筆記面とがなす傾斜角及び筆記面に対する高さを測定する段階は、
前記放出されたビームを筆記面に投射してビームスポットを形成させる段階と、
前記ビームスポットの反射ビームを集光する段階と、
前記集光されたビームを位置検出器を通じて検出する段階と
を含むことを特徴とする請求項２０に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法。
【請求項２２】
前記（Ｃ）段階は、
加速度信号から重力成分を除去する段階と、
前記重力成分が除去された加速度信号を第１次積分して電子ペンの移動速度を求める段階と、
前記電子ペンチップの速度を求めた後、筆記面に対する垂直速度を利用して累積誤差を補正する段階と、
運動累積誤差補正された前記電子ペンの移動速度を第２次積分して前記電子ペンの変位移動量を求める段階と、
前記電子ペンの変位移動量の累積誤差を筆記面に対する高さを利用して補正して電子ペンチップの座標を求める段階と
を含むことを特徴とする請求項２０または請求項２１に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法。
【請求項２３】
前記３軸加速度センサーから出る加速度信号に対して雑音を除去するためのローパスフィルタリングを行う段階をさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法。
【請求項２４】
前記（Ｂ）段階の通信手段はＲＦ通信方法によるものであることを特徴とする請求項２０に記載のコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコンピュータ用電子ペンデータ入力装置及びその作動方法に係り、より詳細にはコンピュータ応用機器に３軸加速度センサー及び光学式３次元測定装置を利用して電子ペンの筆記動作に関する情報を有無線で送信するコンピュータ用電子ペンデータ入力装置及び座標測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、個人携帯用端末機またはコンピュータ応用機器にペンの筆記内容を入力するためにＬＣＤタブレットやデジタイザタブレットのような２次元センサー配列を含む入力装置が広く使われている。このような入力装置は比較的大面積の２次元センサー配列を必要とするために別の感知平面が必要である。したがって、携帯し難くて所定の空間を占め、またコスト面でも短所がある。技術的な趨勢から見る時、個人携帯用端末機は段々小型化して腕時計状や財布状の携帯用端末機に変化している。このような小型化の趨勢によってその表示画面も縮まるために従来のタブレットを利用した筆記方式は入力空間が縮まって自然な筆記動作によるデータ入力がさらに難しくなる。
【０００３】
前記問題点を解決するために、物理的タブレットなしに一般の平面上で単一電子ペンだけを利用して文書入力が可能であれば従来のペン入力装置に比べて広い入力空間を提供されるために自然な筆記入力が可能なので非常に効果的である。このような自己運動感知方式の電子ペンを利用した文書または絵の入力のためにはある基準座標系に対する電子ペンチップの位置座標を連続的に求められなければならない。しかし、大部分の筆記動作はペンを筆記面と接触したダウン状態で行い、移動する場合にはペンを筆記面と接触しないアップ状態となる。ペンの連続的な座標値を求めるためには接触または非接触状態でもその位置値を精密に測定できる手段を必要とする。
【０００４】
従来の電子ペン状の入力装置は大きく２つに分けられるが、ペン外部でペンチップの座標を測定する方式とペン内部でペンチップの運動を測定する方式とに分けられる。
【０００５】
ペン外部でペンチップの座標を測定する方式として、３角測量方式（米国特許第５,１６６,６６８号）、電磁波（米国特許第５,９７７,９５８号）または超音波（米国特許第４,４７８,６７４号）の飛行時間差を利用する方式などがある。しかし、前記方式はペンから発信信号を送って外部から受信する形になっているために携帯用端末機のような装置では端末機の本体に受信部を装着しなければならないので携帯が不便な短所がある。
【０００６】
また、ペン内部でペンチップの座標を測定する内蔵方式はペン内部でペンチップの運動を感知する方式であって、初期にはボールの回転を利用する方式（米国特許第５,０２７,１１５号）、ペンに作用する力を測定する方式（米国特許第５,１１１,００４号、米国特許第５,９８１,８８３号）があったが、ペンが筆記面から離れればペンの運動を測定し難い短所がある。そして、ペン内部に装着された２軸または３軸加速度センサーを利用して二重積分を通じて電子ペンの位置運動を求める方式（米国特許第５,２４７,１３７号、ＷＯ第９４／０９,４４７号、米国特許第５,５８７,５５８号）が提案された。しかし、加速度センサーをペンチップに装着し難い問題点があり、一定の高さに装着する場合にはペン中心軸の傾斜角に対する影響を考慮しないため大きな位置誤差を招く恐れがある。また、加速度信号を二重積分することによって累積誤差が増加するので正確な運動を測定し難い短所がある。
【０００７】
このようなペンの傾斜角に対する影響を補正するためにＡ.Ｔ Ｃｒｏｓｓ社（米国特許第５,４３４,３７１号）で２軸以上の加速度センサー素子をペンチップに移動させ、信号処理部はペンの上部に移動させる方法を提案しているが、センサー素子及び信号処理部が分離されていて電気的な雑音の影響が大きくて、ペン先端にインクを装着できない問題点がある。一方、Ｓｅｉｋｏ社（日本特許平６−６７,７９９号）では傾斜角補正のために２軸加速度と２ジャイロを利用して加速度は二重積分でその位置を求め、ペンの角速度を単積分してペンの傾斜角を測定する方式を提案している。また、Ｒｉｃｈｏ社（米国特許第５,９０２,９６８号、米国特許第５,９８１,８８４号）ではペン内部に３軸加速度センサーと３軸ジャイロセンサーを内蔵して一般的な３次元筆記運動をするペンチップの位置を求める方法を提示している。しかし、入力する平面が常に重力方向に垂直でなければならないために使用上の制約があり、前記慣性センサー（加速度センサー、ジャイロ）を利用する方式において加速度は二重積分、角速度は単積分を通じてペンの位置及び角度を求めるが、センサー信号の雑音やドリフトにより加速度系の場合は時間の自乗累乗、ジャイロの場合には時間に比例する形に累積誤差が増加して精密なペンチップの運動を推定し難い問題点がある。
【０００８】
前記累積誤差を減らすために最近インターセンス社では３軸加速度センサー及び３軸ジャイロを使用したペン装置に超音波センサーを追加して慣性センサー（加速度、角速度）から発生する位置累積誤差を減らす技術を提示している。しかし、このような外部センサーの追加は携帯性に悪い問題点がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では前記従来の技術の問題点を解決するために、任意の角度で一般の平面に筆記動作をしたり、平面から離れて筆記動作をする場合にも慣性センサーの累積誤差を減らしつつ連続的な電子ペンの運動を精密に追従できるコンピュータ用電子ペンデータ入力装置及び座標測定方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明ではペン状のハウジングを有する電子ペンにおいて、前記電子ペンの中心軸の筆記面に対する傾斜角及び前記電子ペンの筆記面に対する高さを測定するための光学式３次元測定装置と、前記電子ペンの３次元運動による移動量を測定するための３軸加速度センサーと、前記測定された傾斜角、高さ、及び、移動量に関する情報を外部演算装置に送信するための通信手段とを含むことを特徴とするコンピュータ用電子ペンデータ入力装置を提供する。
【００１１】
本発明において、前記光学式３次元測定装置は所定の筆記面にスポットを形成させるためにビームを放出する発光部と、前記筆記面に形成されたビームスポットを感知する感知部とを含み、前記発光部はビームを放出させる光源と、前記光源で生じた発散ビームを平行にする第１レンズと、前記第１レンズを通したビームを分離させる格子と、前記第１レンズを通したビームを筆記面に向けて投射させる第２レンズとを含み、前記感知部は前記筆記面に結ばれたスポットビームを１次的に集光するカメラレンズと、前記カメラレンズを通過したビームを感知する位置検出器とを含むことが望ましい。
【００１２】
本発明において、前記光学式３次元測定装置は前記感知部で受け入れたスポットビームを利用してビームスポットの位置を検出する信号処理回路と、前記検出されたビームスポットの位置を利用して前記電子ペンの前記筆記面に対する高さ及び傾斜角を演算する演算器とをさらに含むことが望ましい。
【００１３】
本発明において、前記電子ペンは前記発光部の光源のオン／オフを調節する制御器及び、前記外部演算装置で演算された前記情報を貯蔵するための貯蔵手段をさらに含むことが望ましい。
【００１４】
本発明において、前記通信手段はＲＦ通信装置であることが望ましい。
【００１５】
前記電子ペンは前記３軸加速度センサー及び前記光学式３次元測定装置で測定されたデータを利用して電子ペンチップの位置を演算するための中央処理装置をさらに含み、前記電子ペンの筆記面に対する接触有無を検出するための前記電子ペンチップと連結された応力センサーをさらに含むことが望ましい。
【００１６】
本発明において、前記電子ペンが筆記面に接触されて筆記をする場合、インクを噴射するために前記電子ペンチップと連結されたインク収容部をさらに含むことが望ましい。
【００１７】
また、本発明では、ペン状のハウジングを有する電子ペンと、前記電子ペンの中心軸の筆記面に対する傾斜角及び前記電子ペンの筆記面に対する高さを測定するための光学式３次元測定装置と、前記電子ペンの３次元運動による移動量を測定するための３軸加速度センサーと、前記３軸加速度センサー及び前記光学式３次元測定装置で測定されたデータを利用して前記電子ペンチップの位置座標を演算するための中央処理装置と、前記演算された電子ペンチップの位置座標を外部コンピュータまたは個人携帯用端末機に送信するための通信手段とを含むコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法において、（Ａ）前記光学式３次元測定装置によって前記電子ペンと筆記面とがなす傾斜角及び筆記面に対する高さを測定し、前記３軸加速度センサーによって前記電子ペンの３次元運動情報を測定する段階と、（Ｂ）前記測定された筆記面に対する電子ペンの傾斜角、高さ、及び、３次元運動情報をコンピュータまたは携帯用端末機の中央処理装置で変換して電子ペンチップの座標を抽出する段階と、（Ｃ）前記抽出された電子ペンチップの座標を前記通信手段を利用して外部コンピュータまたは携帯用端末機に送信する段階とを含むことを特徴とするコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法を提供する。
【００１８】
本発明において、前記光学式３次元測定装置は筆記面にスポットを形成させるためのビームを放出する発光部と、前記筆記面に形成されたビームスポットを感知する感知部とを含み、コンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法において、前記（Ａ）段階の電子ペンと筆記面とがなす傾斜角及び筆記面に対する高さを測定する段階は前記発光部からビームを放出する段階と、前記放出されたビームを筆記面に投射して５つ以上のビームスポットを形成させる段階と、前記ビームスポットの反射ビームを集光する段階と、前記集光されたビームを利用して電子ペンの筆記面となす傾斜角及び高さに関する情報を位置検出器を通じて検出する段階とを含むことが望ましい。
【００１９】
本発明において、前記傾斜角及び高さを検出する段階は、前記集光された５つ以上のビームスポットの情報を利用して楕円方程式により前記電子ペンの傾斜角及び筆記面に対する高さを求める段階と、前記求められた傾斜角及び高さの各々を微分して傾斜角速度及び垂直速度を初期値から求める段階とを含むことが望ましい。
【００２０】
本発明において、前記（Ｂ）段階は加速度信号から重力成分を除去する段階と、前記重力成分が除去された加速度信号を第１次積分して電子ペンの移動速度を求める段階と、前記電子ペンチップの速度を求めた後、筆記面に対する垂直速度を利用して累積誤差を補正する段階と、運動累積誤差補正された前記電子ペンの移動速度を第２次積分して前記電子ペンの変位移動量を求める段階と、前記電子ペンの変位移動量の累積誤差を補正して電子ペンチップの座標を求める段階とを含むことが望ましい。
【００２１】
本発明において、前記（Ｂ）段階は前記３軸加速度センサーから出る加速度信号に対してローパスフィルタリングを行う段階をさらに含み、前記（Ｃ）段階の通信手段はＲＦ通信方法によるものであることが望ましい。
【００２２】
また、本発明では、ペン状のハウジングを有する電子ペンと、前記電子ペンの中心軸の筆記面に対する傾斜角及び前記電子ペンチップの筆記面に対する高さを測定するための光学式３次元測定装置と、前記電子ペンの３次元運動による移動量を測定するための３軸加速度センサーと、前記測定された傾斜角、高さ、及び、移動量に関する情報をコンピュータまたは携帯用端末機に伝送するための通信手段とを含むコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の作動方法において、（Ａ）前記光学式３次元測定装置によって前記電子ペンと筆記面とがなす傾斜角及び筆記面に対する高さを測定し、前記３軸加速度センサーによって前記電子ペンの３次元運動情報を測定する段階と、（Ｂ）前記測定された傾斜角、高さ、及び、３次元運動情報に関する情報を前記通信手段を利用してコンピュータまたは携帯用端末機に送信する段階と、（Ｃ）前記測定された筆記面に対する電子ペンの傾斜角、高さ、及び、３次元運動情報をコンピュータまたは携帯用端末機の中央処理装置で変換して電子ペンチップの座標を抽出する段階とを含むことを特徴とするコンピュータ用電子ペンデータ入力装置の座標測定方法を提供する。
【００２３】
本発明において、前記光学式３次元測定装置は筆記面にスポットを形成させるためにビームを放出する発光部と、前記筆記面に形成されたビームスポットを感知する感知部とを含み、前記（Ａ）段階の電子ペンと筆記面とがなす傾斜角及び筆記面に対する高さを測定する段階は、前記放出されたビームを筆記面に投射してビームスポットを形成させる段階と、前記ビームスポットの反射ビームを集光する段階と、前記集光されたビームを位置検出器を通じて検出する段階とを含むことが望ましい。
【００２４】
本発明において、前記（Ｃ）段階は加速度信号から重力成分を除去する段階と、前記重力成分が除去された加速度信号を第１次積分して電子ペンの移動速度を求める段階と、前記電子ペンチップの速度を求めた後、筆記面に対する垂直速度を利用して累積誤差を補正する段階と、運動累積誤差補正された前記電子ペンの移動速度を第２次積分して前記電子ペンの変位移動量を求める段階と、前記電子ペンの変位移動量の累積誤差を筆記面に対する高さを利用して補正して電子ペンチップの座標を求める段階とを含むことが望ましい。
【００２５】
本発明において、前記通信手段はＲＦ通信方法によるものであることが望ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参考して本発明についてより詳細に説明する。図１は本発明による電子ペンの構造を示した概略図である。図１に示したように、本発明による電子ペンはペンの３次元運動による移動量を測定するための３軸加速度センサー４及びペンの傾斜角と高さを測定するための光学式３次元測定装置６−Ａを具備したことを特徴とする。また、前記３軸加速度センサー４で加速度信号を受け入れる中央処理装置（ＣＰＵ）５が設けられ、このような加速度信号を積分して速度を求められ、また２次積分により位置移動量を求められる。光学式３次元測定装置６−Ａはビームを生じる発光部７及びこれを感知するための受光部８よりなっており、本発明では発光部７で５点以上のビームスポット１３を得るためにビームを筆記面１２に投射して電子ペンの傾斜角と高さに関する情報を得ることを特徴とする。すなわち、図１に示したように原形リング状にスポット１３を得るためにビームを筆記面１２に投射すれば、筆記面１２に対するペンの角度及び高さによって結ばれる楕円形の形態及び大きさが変わるのでこのスポット１３の座標値を測定してペンの傾斜角及び高さを測定する。前述されたようなペンの傾斜角、高さ及び移動量に関する情報を受け入れて処理するための光学信号処理装置６及びＣＰＵ５を具備することが望ましい。しかし、本発明による電子ペンはその内部にＣＰＵ５を含むが、前記３軸加速度センサー４及び光学式３次元測定装置６−Ａにより得られた情報をコンピュータまたは個人携帯用端末機で処理する場合には前記ＣＰＵ５は不要となる。すなわち、前記中央処理装置は選択的である。
【００２７】
そして、電子ペンを一定時間以上容易に使用するためのバッテリー３を含み、前記のようなペンの運動に関する情報を貯蔵するための貯蔵装置２を含むことが望ましい。また、前記電子ペンに関する情報をコンピュータまたは個人携帯用端末機に伝送するための送信装置１が必要であるが、本発明による電子ペンはそのデータ送信において有線または無線いずれも可能であることを特徴とし、無線の場合ＲＦ通信装置を含むことが望ましい。通常的にペンによる筆記動作はペン−ダウン、ペン−アップの連続動作で構成されるのでこのような動作情報を得るために筆記面１２に対する接触有無を判別するための応力センサー９を含みうる。また、紙等に直接記録する必要があるのでこのためにペン内部にインク収容部１０をさらに含みうる。
【００２８】
図２は、本発明による電子ペンの光学式３次元測定装置６−Ａの一実施形態を示した図面である。前述されたように光学式３次元測定装置６−Ａは電子ペンの筆記面１２に対する高さ及び傾斜角を測定するためのものであって多様な構造を有することができ、ここで一例を調べれば次の通りである。図２に示した実施形態はペンの中心軸と３次元測定装置６−Ａで投射及び入射する光経路と偏差を有する構造を示す。
【００２９】
まずその構造を調べれば、ビームを放出する光源２１と広がるビームを平行にする第１レンズ２２、一定の構造を有する格子２３、前記光源２１から放出されたビーム２５を筆記面１２に向けて再度平行に投射する第２レンズ２４、筆記面１２で散乱されたビーム２６の一部を集光するカメラレンズ２７、前記カメラレンズ２７で集光されたビームを受け入れる位置検出器２８、前記位置検出器２８の信号を利用して位置を感知する信号処理部と筆記面１２に対する高さと傾斜角を演算する演算器とより構成されている。
【００３０】
このような光学式３次元測定装置６−Ａでのビームの放出から情報の出力までの原理についてより詳細に説明すれば次の通りである。まず光源２１からビーム２５、例えば可視光線または赤外線を放出する。この場合、前記光源２１はレーザーダイオード、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）など通常的な光源として使われるものであれば制限がない。前記光源２１から放出されたビームは、例えば、第１レンズ２２により平行した円筒形のビームになり、格子２３の構造により一定の半径を有する円周上に５つ以上のビームに分離される。前記格子２３から分離されたビームは精密な平行ビームのために第２レンズ２４を経て筆記面１２方向に投射される。筆記面１２に投射されたビームはその投射角による扇状楕円形でスポット１３を形成する。ここで、前記筆記面１２が木または紙のように散乱面である場合にはビームが多様な角度で広がり、一部がカメラレンズ２７に集光され、位置検出器２８により受入れられる。このように得られたビームに関する情報、すなわち、ビームスポット１３の位置は信号処理部で求められ、演算器を経て５点の各々の座標から電子ペン筆記面１２に対する高さと傾斜角を出力する。これら位置検出器２８、信号処理部をいずれも一体型にした位置検出器で構成できる。ここで、前記光源２１での電力消費を減らすために作動をしない場合に電力を遮断できるように制御器にオン／オフを制御する機能を有するように構成することが望ましい。
【００３１】
図３は、本発明による電子ペンの光学式３次元測定装置の他の実施形態を示した図面である。図３に示した光学式３次元測定装置は、ハーフミラー２９を用いて前記図２とは異なって筆記面に対するビームの中心軸を電子ペンの中心軸と一致させたことを特徴とし、したがってビームスポットの走査及び反射軸を電子ペンの中心軸と同一に構成したものである。
【００３２】
図４Ａないし図４Ｆは、本発明による電子ペンの光学式３次元測定装置において、電子ペンの傾斜角及び軸方向の変化によりビームスポットの形態が変わる原理を示した図面である。ここで、ビームが投射される面をＸ−Ｙ軸に示し、前記投射面に垂直の軸をＺに定義する。３方向の各々の傾斜角変数θ１、θ２、θ３の変化によって筆記面に結ばれたビームのパターンが変化する。θ１は筆記面１２に対する法線方向の軸Ｚｓと電子ペンの中心軸間の角度を意味し、θ２は筆記面Ｘｓ−Ｙｓと電子ペンの中心軸が筆記面に投影される時の回転した角度を意味し、θ３は電子ペンの中心軸自体に対する回転角を意味する。また、δＺａは電子ペンチップと筆記面との距離を示す。ここで、このようなビームのパターンは楕円形であり、筆記面１２に対する傾斜角が変化するにつれて楕円の長軸、短軸及びその楕円の傾斜角が変化する。また、筆記面に対する高さ方向のペン運動により楕円の大きさが変わるが、電子ペンが筆記面に近くなれば楕円全体の大きさが拡大され、遠ざかれば縮少される傾向を示す。したがって、筆記面でのビームパターンを読込んで解析すれば電子ペンの筆記面に対する傾斜角及び高さを求められる。
【００３３】
図４Ｂは、θ１の変化による楕円の長軸及び短縮の変化を示したものであって、各々左側形態からθ１が０より小さい場合、同じ場合及び大きい場合を示している。図４Ｃは、θ２の変化による楕円の長軸、短軸及び傾斜角変化を示した図面であって、前記図４Ｂと同じくθ２が０より小さい場合、同じ場合及び大きい場合を示している。図４Ｄは、θ３の変化による円周上にあるスポットの変化を示したものであって、ここでθ３は電子ペンの中心軸の回転角を示すためθ３の変化によって５つのスポットの位置が変わることを簡略に示した。このようにスポットの位置は変化するが、楕円の形状は変化しない。しかし位置検出器２８で測定された楕円映像は映像面がθ３だけ回転した形に現れるのでその回転角度を測定できる。図４ＥはδＺａの変化による図面形態を示したものであって、これは前述されたように電子ペンが筆記面に近くなれば楕円全体が拡大され、遠ざかれば縮少される傾向を示す。
【００３４】
図４Ｆは、位置検出器映像面Ｑと筆記面に結ばれたスポットとの幾何学的関係を示したものである。ここで、座標Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃはカメラレンズの座標系である。位置検出器の焦点をｆｃ、ビームの半径をｒ、位置検出器のレンズ軸と光源の軸がなす間角をΦと定義する。すると、光学式３次元測定装置で測定する変数はビーム軸に対する筆記面の傾斜角θ１、θ２と回転角θ３、カメラレンズ座標系で筆記面に結ばれたビーム中心座標Ｐｘ、Ｐｚである。
【００３５】
映像面Ｑに結ばれる５つ以上のビームスポットがなす楕円の方程式で定義すれば、楕円方程式は次のように表現できる。
【数１】
0003837357.tif 000002
ω1、ω2、ω3、ω4、ω5はレンズの焦点距離ｆｃ、投射されるビームの半径ｒ、カメラレンズ軸と光源軸がなす間角Φ、筆記面に対する電子ペンの垂直距離Ｐｚ及び電子ペンの傾斜角θ１、θ２の関数よりなる。前記数式１でのＸ−Ｙ平面の楕円方程式で未知数が５つであるため最小限５点に対する映像点の座標が必要である。したがって本発明による電子ペンの光学式３次元測定装置では光源から放出されたビームを映像面で５つ以上のスポットが形成されるように構成することが望ましい。これを下記数式２を参考してより詳細に説明する。
【数２】
0003837357.tif 000003
【００３６】
５つのスポットの座標を利用して前記映像面の楕円方程式が計算されればω1、ω2、ω3、ω4、ω5を求められ、ここでレンズの焦点距離ｆｃ、投射されるビームの半径ｒ、カメラレンズ軸と光源がなす間角Φは本発明による電子ペンの製作時に分かるので、ビーム軸に対する筆記面の傾斜角θ１、θ２をω1、ω2から一次的に唯一に計算でき、ω3、ω4、ω5からＰｘ、Ｐｚを決定できる。一方、ビームの回転角θ３は図４Ｄに提示された方法のように映像でスポットが回転した角度を計算して求められる。この時、映像面にある楕円方程式を円の方程式に変換した後、回転角θ３を決定することが望ましい。これは前記数式２を通じてビーム軸とカメラ軸との幾何学的変換関係を全部計算したので、カメラレンズ中心軸の移動と回転を通じて光源のビーム軸と一致させればカメラ映像面に結ばれる仮想の円に対する映像を計算でき、円の中心でスポットが回転した角度を計算して回転角θ３を決定する。
【００３７】
このような楕円方程式の媒介変数と筆記面との関係は公知の参考文献（Ｄ.Ｗｅｉ,“Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｔａｐｅｒ ｌｉｇｈｔ ｆｏｒ ｏｂｊｅｃｔ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｓ”：Ｒｏｂｏｔ ｖｉｓｉｏｎ，ＩＦＳ Ｌｔｄ．ｐ１４３〜１５３及び“平面物体認識のための円筒形レーザービーム投射型視覚情報処理システムの開発”：金ゾンヒョング、韓国科学技術院機械工学科修士論文，１９８９）にその類似技術が紹介されている。
【００３８】
図５は、本発明で使われる３軸加速度センサー４、光学式３次元測定装置６−Ａ及び電子ペンチップ１１での各座標系を示した図面である。まず電子ペンチップの座標系をＯｓ、３軸加速度センサー４の座標系をＯａ、そして光学式３次元測定装置６−Ａの座標系をＯｃと定義する。電子ペンの構造上前記３つの座標系は差があるので、光学式３次元測定装置６−Ａで求められた電子ペンの傾斜角及び高さ情報は電子ペンチップ１１で求められた傾斜角及び高さ情報と差がある。特に、図２の光学式３次元測定装置６−Ａの実施形態においては傾斜角も差がある。これに対する補正をするために図５に示されたようにベクトルＥを事前に計算しておくことが望ましい。また、Ｏｃ座標系で求めた傾斜角と傾斜角速度と３軸加速度センサー４のＯａ座標系で求めた情報の差はベクトルＤを求めればそれら間の幾何学的変換関係を求められる。３軸加速度センサー４の座標系Ｏａで求めた速度及び位置移動量は結局電子ペンチップの座標系Ｏｓに変換し、この場合、Ｏａ−Ｏｓ間の変換関係はベクトルＬで示すことができ、これは本発明による電子ペンの設計過程で決定できる変数である。
【００３９】
図６は、本発明による電子ペンの運動を描写するのに必要な電子ペンの筆記面に対する傾斜角と高さ測定変数、３軸加速度センサー４座標系Ｏａでの速度、角速度、電子ペンチップ１１のＯｓ座標系でのペンチップの速度及び筆記面の法線ベクトルｎを示したものである。
【００４０】
図７は、本発明による電子ペンの情報処理過程であるセンサーフュージョンのための知覚ネットの基本構造を示したものである。まず、３軸加速度センサー４から出る信号を利用してＦＴＭ１（ｆｅａｔｕｒｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ）により電子ペンの速度及び位置を求め、次に光学式３次元測定装置６−Ａから出る信号を利用してＦＴＭ２で電子ペンの筆記面１２に対する傾斜角、速度及び高さを求める。次の段階でＣＳＭ１（ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｔｉｆａｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ）とＣＳＭ２で３軸加速度センサー４及び光学式３次元測定装置６−Ａから受け入れた情報を下記数式２で与えられた数学的制限条件式を利用して相互融合させ、これによって誤差が減少したデータがＦＴＭ１にフィードバックされつつ新しい速度及び加速度信号を得られるようになる。数式２は各々ＣＳＭ１（位置）、ＣＳＭ２（速度）に対する制限条件式を示している。前記のセンサー融合技法の基本原理は公知の参考文献（Ｓｕｋｈａｎ Ｌｅｅ、“Ｓｅｎｓｏｒ ｆｕｓｉｏｎ ａｎｄ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｐｒｅｃｅｐｔｉｏｎ−ａｃｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ”，１９９６，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒ Ｆｕｓｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ）に紹介されている。
【数３】
0003837357.tif 000004
ここで、ＣＳＭ１の制限条件式（１）は電子ペン内部で求めた位置成分Ｘａ、Ｙａ、Ｚａを電子ペンチップ１１の座標系Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓに変換する時に筆記面の高さδＺｓに対する制限条件式を示したものである。位置Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓは電子ペン内部での加速度信号を積分して速度を求めた後、これを再び積分して位置を示したものである。ここでα、β、γ、λは電子ペンの先端までの長さ及び電子ペンの筆記面に対する傾斜角により各々求められる定数である。ここで、前記制限条件式による電子ペン内部での位置移動量は各々電子ペンチップ１１の高さに影響を及ぼしうるため、各信号の成分誤差の線形組合わせにより電子ペンチップ１１の高さδＺｓを満足する形で示すことによって、各センサーの位置信号Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓに累積された誤差を減少させうる。
【００４１】
一方、ＣＳＭ２は電子ペン内部での加速度信号を単積分して求めた速度成分Ｖａ、電子ペンの角速度Ω、電子ペンの先端までの長さＬをベクトルで示したものであって、電子ペンチップ１１での垂直速度Ｖｓ／ｎはペンチップでの線速度Ｖｓと平面の法線ベクトルｎにより計算される。これは電子ペンの内部で求めた速度成分Ｖａｘ、Ｖａｙ、Ｖａｚが筆記面に対する制限条件式を満足な形であって、電子ペンが筆記面に接触している状態ではＶｓ／ｎ＝０の関係になることを意味する。また、電子ペンが筆記面と接触されていない状態でも各速度成分の線形組合わせが制限条件式を満足せねばならないために速度に対する累積誤差を減らせる。前記のような構造の本発明によるフィードバックシステムのセンサーフュージョンを通じて累積誤差の増加を防止し、情報量を一定の誤差範囲内に維持させうる。
【００４２】
図８は、本発明による電子ペンの３軸加速度センサー４及び光学式３次元測定装置６−Ａにおけるデータ処理に関するフローチャートである。まず光学式３次元測定装置６−Ａで、筆記面１２で散乱されたビームから求めた５つのビームスポット１３の楕円情報を利用すれば位置検出器２８で電子ペンの筆記面１２に対する高さ及び傾斜角を求める。このようなデータを求める過程は前記図４に説明されたように５つ以上のビームスポット１３の座標を利用して楕円方程式を求めて計算される。各傾斜角と高さに対する情報を求めれば、これに対する微分値である傾斜角速度及び垂直速度を初期値から求められる。
【００４３】
そして、３軸加速度センサー４で電子ペンの加速度に関する情報信号を読込み、この時、３軸加速度センサー４から出る情報信号は雑音が多いのでローパスフィルタリングを行う。一般に加速度信号には静的な重力成分が常に含まれているために、純粋な筆記動作による運動信号を抽出するためには加速度信号で重力成分を除去しなければならない。重力に対する各信号の大きさは計算だけでは求め難いため、あらかじめ初期に静止状態で求めた重力値を利用して電子ペンの傾斜角の変化によって変わる加速度値で前記重力成分を除去しなければならない。それで、純粋な電子ペン運動による加速度信号が求められる。次に、このような加速度信号は１次積分を通じて電子ペンの移動速度に関する情報を求められるようになる。しかし情報信号の雑音によって積分に対する累積誤差が生じるので、これを補正するために電子ペンの先端で求められる速度を利用して速度に対する制限条件式である前記数式３の（２）を適用させる。電子ペンチップ１１での速度を求めるためには電子ペンの回転角速度及び電子ペンの幾何変数についての考慮が必要である。それで速度信号で雑音が減った修正速度値が求められるが、これは前記図７に示されたように連続的に新しい速度値に更新する。
【００４４】
次に、前記１次積分させた移動速度で２次積分を行って電子ペンの変位移動量を求める。これに対する累積位置誤差は前記数式３の（１）を利用して計算し、前記図７に示したように新しく修正された位置信号を求める。前記段階を経て加速度信号で二重積分により生じうる累積誤差を段階的に前記数式２の制限条件式の各々を利用して補正することによって、最終的に電子ペンの移動量Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓを求められる。このような電子ペンの移動量データを利用して本発明による電子ペンの位置データを求めうる。
【００４５】
図８は、３軸加速度センサー４及び光学式３次元測定装置６−Ａから電子ペンの傾斜角、傾斜角速度、高さ及び垂直速度を中央処理装置５により計算する実施形態を示すものである。前述したように、このようなデータ処理は本発明による電子ペン内部に３軸加速度センサー４、光学式３次元測定装置６−Ａ及び中央処理装置５を具備した状態で計算して結果値をコンピュータまたは個人携帯電話端末機に有無線で送信でき、単に測定分だけを送信してコンピュータや個人携帯用端末機の中央処理装置などで計算することもできる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、コンピュータまたは個人携帯用端末機に筆記面と接触した状態及び非接続した状態での有無線電子ペンの動作による記録情報の、重力加速度及び情報信号の雑音による加速度の積分による累積誤差を最小化することによって電子ペンチップの純粋な位置座標を容易に求められる長所がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるコンピュータ用電子ペンデータ入力装置に関する概略図である。
【図２】  本発明による電子ペンの光学式３次元測定装置の一実施形態を示した図面である。
【図３】  本発明による電子ペンの光学式３次元測定装置の他の実施形態を示した図面である。
【図４Ａ】  本発明による電子ペンの光学式３次元測定装置において、電子ペンの傾斜角及び軸方向の変化によるビームスポットの形態が変わる原理を示した図面である。
【図４Ｂ】  図４Ａと同様の図である。
【図４Ｃ】  図４Ａと同様の図である。
【図４Ｄ】  図４Ａと同様の図である。
【図４Ｅ】  図４Ａと同様の図である。
【図４Ｆ】  図４Ａと同様の図である。
【図５】  本発明で使われる３軸加速度センサー、光学式３次元測定装置及び電子ペンチップでの各座標系を示した図である。
【図６】  本発明による電子ペンの運動を描写するのに必要な電子ペンの筆記面に対する傾斜角と高さ測定変数、３軸加速度センサー座標系Ｏａでの速度、角速度、電子ペンチップのＯｓ座標系でのペンチップの速度及び筆記面の法線ベクトルｎを示した図である。
【図７】  本発明による電子ペンの情報処理過程であるセンサーフュージョンのための知覚ネットの基本構造を示した図である。
【図８】  本発明による電子ペンの３軸加速度センサー及び光学式３次元測定装置におけるデータ処理に関するフローチャートを示した図である。
【符号の説明】
１  送信装置
２  貯蔵装置
３  バッテリー
４  ３軸加速度センサー
５  中央処理装置
６  光学信号処理装置
６−Ａ  光学式３次元測定装置
７  発光部
８  受光部
９  応力センサー
１０  インク収容部
１１  電子ペンチップ
１２  筆記面
１３  ビームスポット
２１  光源
２２  第１レンズ
２３  格子
２４  第２レンズ
２５  放出ビーム
２６  スポット反射光
２７  カメラレンズ
２８  位置検出器
２９  ハーフミラー
【図１】
0003837357.tif 000005
【図２】
0003837357.tif 000006
【図３】
0003837357.tif 000007
【図４Ａ】
0003837357.tif 000008
【図４Ｂ】
0003837357.tif 000009
【図４Ｃ】
0003837357.tif 000010
【図４Ｄ】
0003837357.tif 000011
【図４Ｅ】
0003837357.tif 000012
【図４Ｆ】
0003837357.tif 000013
【図５】
0003837357.tif 000014
【図６】
0003837357.tif 000015
【図７】
0003837357.tif 000016
【図８】
0003837357.tif 000017