JP2008511045A - タッチセンス装置の空間分解能を向上させる方法 - Google Patents

Abstract

本明細書で開示するのは、容量性タッチセンス装置である。本明細書で説明するタッチセンス装置の１つの態様は、円形または線形の容量性タッチセンス装置において必要なセンサ回路の数の削減であり、一方で１つの物体に関する同等の分解能と絶対位置検出機能は維持される。本明細書で説明するタッチセンス装置の関連の態様は、容量性タッチセンス装置のセンサ・アレイ全体で１つの物体の絶対位置を検出する能力を損なわないように特に選択されたアレイ内の場所で、各センサ回路が複数の電極を共有できるようにする符号化パターンである。
【選択図】図１

Description

関連出願

（関連出願の相互参照）
本出願は、参照によりその全体を本明細書に組み込まれている２００４年８月１６日に出願された、本明細書と同名および同じ発明人による米国仮出願第６０／５２２，１０７号に関連し、かつその優先権を主張するものである。

本発明は、一般にタッチセンス装置の分野に関し、特に容量性センサ電極の形状と配置を最適化することによって限られた数のセンサを使用するセンス装置の有効な空間分解能を向上させ、かつ／または物理的な範囲を拡張する方法の分野に関する。

容量性タッチセンス装置において、多数存在する各センサはコンデンサの１つのプレートを構成する導電性パッドと、別の移動可能な導電性の物体に関連したこの導電性パッドの容量性を測定する手段とを備えている。移動可能な導電性の物体は、通常は非導電性スペーサによって導電性パッドからの距離を最小に維持する指またはスタイラス・ペンである。２つの導電性の物体（導電性パッドと移動可能な導電性の物体）は、その間にある非導電性の誘電体とともにコンデンサを構成する。当業者には言うまでもないが、コンデンサの容量性は、物体間の距離および／または重なり合う部分の変化に応じて変わる。一般的な装置では、導電性パッド（以下電極と呼ぶ）の数、電極のサイズ、電極間の間隔によって、タッチセンス装置の物理的な検出範囲と空間分解能が決まる。

容量性タッチセンス装置の一般的な実装では、誘電体で覆われたセンサ電極アレイの上を移動する指の位置は、指がその表面を移動するときの容量性の変化を測定することによって検出される。回路を走査し、処理することによって、指と所定の電極との重なり合う部分の変化による容量性の変化が測定される。指が十分に大きいために隣接する複数の電極と部分的に重なり合う場合は、指の位置が補間法によって電極の間隔よりかなり高い分解能で決定される。補間の計算は、典型的なセントロイド法に従う。つまり、各電極の信号値の合計に座標値をかけ、すべての信号値の合計で割る。この手法は、行電極と列電極による線形のアレイ、車輪のスポークのように配置された放射状の電極アレイ、平面空間を埋める２次元の電極アレイのいずれでも、同等に申し分なく機能する。補間の精度または分解能が向上するように意図された特殊な電極の形状は、さまざまな関連技術の設計間の主要な相違点である。

たとえば、参照によって本明細書に組み込まれている、Ｂｏｉｅ等に帰属する米国特許第５４６３３８８号では、マルチタッチ・センサ・アレイに必要な電極の数を最小化する、指先大のインターリーブされた電極のらせんについて教示している。インターリーブすることによって、中心が特定の電極上にあり、電極が指先１つ分離れている場合にも、指が複数の電極と重なり合うことが保証される。安定な補間を行うには、一般に指が複数の電極と継続的に重なり合うことが必要である。

Ｓｅｏｎｋｙｏｏ Ｌｅｅ，「Ａ Ｆａｓｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｔｏｕｃｈ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｉｎｐｕｔ Ｄｅｖｉｃｅ（高速マルチタッチ・センサ入力装置）」，Ｍａｓｔｅｒ’ｓ Ｔｈｅｓｉｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｏｒｏｎｔｏ（１９８４）では、物体が近傍内に存在するかどうかをより迅速に確認するための、正方形の電極セルの仮想的なグループ化について教示している。Ｇｅｒｐｈｅｉｄｅに帰属する米国特許第５７６７４５７号では、物体の両側の電極を仮想的にグループ化するバランス・ポイントを検出することによって、物体の位置を特定する方法について教示している。こうした参考文献は、いずれも参照により本明細書に組み込まれている。

最後に、それぞれＳｙｎａｐｔｉｃｓに帰属し、参照により本明細書に組み込まれている米国特許第５５４３５９０号、５５４３５９１号、５８８０４１１号、６４１４６７１号では、同一平面内の行と列に及ぶ電極の密なインターリーブについて教示している。各行電極をダイヤモンド型に接続されたストリングとして構成し、各列電極を行ダイヤモンドの中心からの中心オフセットを伴うダイヤモンド型のストリングとして構成する。

しかし、依然としてこうした装置では分解能をさらに向上させることが望まれている。追加のセンサ・エレメントを加えることで分解能を向上させることができるが、同時に走査の時間、回路のコスト、電力の消費が要求されることから、システムのセンサ・エレメントはできるだけ減らすことを余儀なくされる。したがって、センサ・アレイの設計技術において、限定された数のセンサを使用して最大の分解能を提供するセンサの配置が求められている。本明細書で開示するのは、分解能を向上させながらセンサ・エレメント数を減少させるという先行技術のニーズを満たすタッチセンス装置である。

本明細書で開示するのは、容量性タッチセンス装置である。本明細書で説明するタッチセンス装置の１つの態様は、１つの物体について同等の分解能と絶対位置検出機能を維持しながら、円形または線形の容量性タッチセンス装置に必要なセンサ回路の数の削減である。本明細書で説明するタッチセンス装置の関連する態様は、容量性タッチセンス装置の各センサ回路が、アレイ上で唯一の物体の絶対位置を検出する能力を損なわないように、センサ・アレイ内の特に選択された場所で複数の電極を共有できる符号化パターンである。

本明細書では、容量性タッチ・センサについて説明する。以下に示す本発明の実施形態は、説明のみを目的としており、いかなる点においても限定と見なしてはならない。

本明細書で説明するタッチセンス装置では、共有される電極を特定のパターンで分散させることによって、各センサ回路が２つ以上の電極を共有できる。電極は、電極双方が共通の導体を介して同一の容量性測定センサ回路に電気的に、マルチプレックス・スイッチなしで、接続しているという意味で共有されている。共有電極対を分ける間隔、すなわち分散距離は、装置内の電極数の３分の１であるのが好ましい。本明細書で使用するタッチセンス装置には、特定の符号化パターンがさらに含まれており、１）隣接する電極が同一のセンサ回路を共有しないように、かつ２）同一のセンサ回路を共有する電極は必ず互いから分散距離だけ、すなわち電極数の３分の１程度離れているようにしている。

本明細書の教示を使用するタッチセンス装置が図１に示されている。容量性タッチセンス装置１００は１次元の円形アレイであるが、他の配置、たとえば線形アレイなどを使用してもよい。この円形アレイには、０〜２１の番号が付けられた２２個の電極が含まれている。この円形アレイは、１１個のセンサ回路しか含まない。こうしたセンサ回路は、当業者に知られているさまざまなセンサ回路の形をとることができる。こうした回路の１つは、参照によって本明細書に組み込まれている米国特許第６３２３８４６号、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ Ｍａｎｕａｌ Ｉｎｐｕｔ（手動入力を組み込む方法および装置）」に開示されている。各電極に対応するセンサ回路は、各センサ電極の外側部分に記載された番号で示される。

このように、タッチセンス装置１００は、センサごとに２つの電極を共有する。ただし、追加の電極が各センサに共有されてもよい。図１の各電極は、グループ指定子「Ａ」または「Ｂ」を含む。グループＡの各電極は、グループＢの電極とセンサを共有する。前述のように、好ましい分散距離（すなわち、センサを共有する２つの電極間の距離）は、センサの数のほぼ３分の１の距離、したがって装置に固有の寸法のほぼ３分の１の距離である。このように、図１に示す円形の装置の場合、好ましい分散距離は円周のほぼ３分の１であり、したがってセンサのほぼ３分の１を取り囲む。したがって、隣接する任意の２つの電極とセンサ回路を共有する２つの電極は等間隔（円周の３分の１）にある。たとえば、グループＡの電極１はグループＢの電極８とセンサ１を共有する。電極１はほぼ１１時の位置にあり、電極８はほぼ７時の位置にある。同様に、グループＡの電極０はグループＢの電極１５とセンサ０を共有する。電極０は１２時の位置にあり、電極１５はほぼ４時の位置にある。

センサは、もう一つの選択肢として１次元の線形アレイとして構成してもよい。このようなセンサの場合、分散パターンは円形アレイと基本的に同じである。すなわち、線形アレイは円形アレイを２つの電極の間で切断して真っ直ぐに伸ばしたものとして処理できる。この場合も、センサを共有する２つの電極間の分散距離は、装置に固有の寸法（線形のセンサの場合は装置の長さ）のほぼ３分の１であるのが好ましい。

明らかに、複数の電極がセンサ回路を共有するので、唯一の電極と接触（近接）する物体の絶対位置は確認できない。本明細書で説明する原理に従って構成された装置で絶対位置の補間が正しく機能するには、各電極の幅が十分に狭く、追跡される物体（通常は指または導電性のスタイラス・ペン）が隣接する複数（たとえば２つまたは３つ）の電極と重なり合うようにする必要がある。同様に、あいまいさを取り除くには、追跡される物体が分散距離よりも小さく、いずれのセンサ回路についても共有する電極の両方と重なり合うことがないようにする必要がある。

他の電極共有パターンを使用してもよいが、指の位置を明確に決めるためには使用できないものもある。たとえば、分散距離がアレイ・サイズの半分の電極配置では正しく機能しない。円形アレイの場合は、これは円の反対側の互いに１８０度の位置にある電極を共有するパターンに対応する。デコードや補間がどのように実行されたかにかかわらず、システムは指またはスタイラス・ペンが実際に円周上で半周離れた反対側にあるかどうかを確認できない。

各センサ回路は複数の電極に接続されているので、本明細書で図示するセンサには、信号が最大となる電極のセットを検出し、さらにこの最大の信号が離れた電極でなく隣接する電極のためであることを可能な２つの電極グループのどちらかが判断するデコード方法が必要である。この最適なデコード方法が知られると、隣接する電極間で典型的なセントロイド法による補間が開始される。セントロイド法による補間を実行するために、各センサの信号全体が隣接するグループ内のその電極に属し、離れたグループ内のもう１つの電極は信号がゼロであり、セントロイドへの関わりもゼロのであるとする。センサ回路の信号対雑音比は妥当なものであると仮定した場合に、本明細書で説明するセンサは、電極ごとに異なるセンサ回路を備える従来の位置検出器と同等の位置分解能を提供する。

円形の電極アレイ上のどこかに接触している指またはスタイラス・ペンの位置を検出するために本発明で使用するアルゴリズムを実証するコンピュータ命令の例を以下に示す。センサと電極のマッピングは参照テーブル（ＬＵＴ：ｌｏｏｋ−ｕｐ−ｔａｂｌｅ）に保持されており、接触している指の位置をデコードするために必要な計算を最小限に抑えている。ＬＵＴを使用して電極番号をグループごとのセンサ番号（Ｓｅｎｓｏｒ＿ｔｏ＿Ａ＿ｔｙｐｅ＿ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ，Ｓｅｎｓｏｒ＿ｔｏ＿Ｂ＿ｔｙｐｅ＿ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）にマップし、隣接する電極（ｎｅｘｔ＿Ｘ＿ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ＿ｓｅｎｓｏｒ、ｐｒｅｖｉｏｕｓ＿Ｘ＿ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ＿ｓｅｎｓｏｒ、ただし、Ｘ＝ＡまたはＢ）に対応するセンサ番号と電極番号をセンサ番号にマップする（Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ＿ｔｏ＿Ｓｅｎｓｏｒ）。こうしたＬＵＴの使用により、本発明を使用した指の位置の計算が簡素化されるが、これは必須ではない。

以下のコードが実装するアルゴリズムの簡単な説明を次に示す。
１．センサ・アレイが走査され、各センサに対応する信号値が収集される。
２．信号強度が最大となるセンサは、コード・セグメントｆｉｎｄＭａｘＳｅｎｓｏｒを使用して検出される。
３．指が下にある電極は、コード・セグメントｆｉｎｄＭａｘＥｌｅｃｔｒｏｄｅを使用して計算される。
４．セントロイドは、コード・セグメントｃｏｍｐｕｔｅＣｅｎｔｒｏｉｄを使用して計算される。
５．ステップ１〜４が繰り返される。

#define NUM_SENSORS 11
#define NUM_ELECTRODES 22

//グループＡ電極とセンサのマッピング
Sensor_to_A type_electrode[NUM_SENSORS] = {0,1,2,3,4,5,6,7,9,11,13};
next_A_electrode_sensor[NUM_SENSORS] = {1,2,3,4,5,6,7,1,3,5,7};
previous_A_electrode_sensor[NUM_SENSORS] = {6,0,1,2,3,4,5,6,1,3,5};

//グループＢ電極とセンサのマッピング
Sensor_to_B_type_electrode[NUM_SENSORS] = {15,8,17,10,19,12,21,14,16,18,20};
next_B_electrode_sensor[NUM_SENSORS] = {8,8,9,9,10,10,0,0,2,4,6};
previous_A_electrode_sensor[NUM_SENSORS] = {7,7,8,8,9,9,10,10,0,2,4};

//電極とセンサのマッピング
Electrode_to_Sensor[NUM_ELECTRODES] = {

0, // 0
1, // 1
2, // 2
3, // 3
4, // 4
5, // 5
6, // 6
7, // 7
1, // 8
8, // 9
3, // 10
9, // 11
5, // 12
10,// 13
7, // 14
0, // 15
8, // 16
2, // 17
9, // 18
4, // 19
10,// 20
6, // 21
};

//このコードが最大の信号を持つセンサを見つける
void findMaxSensor(void){
unsigned char maxval, i;

max_sensor = 0;
maxval = 0;

for (i = 0; i < NUM_SENSORS; i++){
if (SensorData[e] > maxval){
maxval = SensorData[i];
max_sensor = i;
}
}

}

//このコードが最大の信号を持つ電極を見つける
//最大のセンサに属する電極それらの電極に隣接する電極を試験することによ って開始する。
//タッチされた電極が最大のセンサに属する電極のいずれかについて２つの電 極の信号の強さを比較することによって識別される
//最大の信号のグループが指の下のものである

void findMaxElectrode(void){
int Asum, Bsum;

Asum = SensorData[next_A_electrode_sensor[max_sensor]]+
SensorData[previous_A_electrode_sensor[max_sensor]];

Bsum = SensorData[next_A_electrode_sensor[max_sensor]]+
SensorData[previous_B_electrode_sensor[max_sensor]];

if(Asum > Bsum){
maxelectrode = Sensor_to_A_type_electrode[max_sensor];
}else{
maxelectrode = Sensor_to_B_type_electrode[max_sensor];
}
}

//このコードが、タッチしている指に対応するセントロイドを
//本発明のアルゴリズムを使用してデコードされた位置を用いて計算する

#define CENTMULTIPLIER 8

void computeCentroid(void){
int pos_sum, electrode;
char offset;
int sval;

pos_sum = 0;
total_signal = 0;

//sum from maxelectrode in positive direction for two electrodes
for (offset = 1; offset < 3; offset++){

electrode = maxelectrode + offset;

if(electrode >= NUM_ELECTRODES){
electrode -= NUM_ELECTRODES;
}
sval = SensorData[Electrode_to_Sensor[electrode]];

total_signal+= sval;
pos_sum += CENTMULTIPLIER*sval*offset;

}

//sum from maxelectrode in negative direction for two electrodes
for(offset = 1; offset <3; offset++){

electrode = maxelectrode - offset;

if(electrode < 0){
electrode += NUM_ELECTRODES;
}
sval = SensorData[Electrode_to_Sensor[electrode]];

total_signal += sval;
pos_sum -= CENTMULTIPLIER*sval*offset;

}

total_signal += SensorData[maxe];
sval = pos_sum/total_signal;
sval += CENTMULTIPLIER*maxelectrode; //absolute offset by
maxelectrode
if(sval < 0){
Centroid = 176 + sval;
}
else {
Centroid = sval;
}

}

本発明を限定された数の実施形態に関連して開示してきたが、当業者によってさまざまな変更や変形が理解されるであろう。こうした変形および変更はすべて添付の特許請求の範囲を逸脱しないものとする。

本発明の特定の教示を使用するタッチセンス装置を示す図である。

Claims (11)

1. 複数のタッチ・センサ電極と、
   いくつかのセンサ回路とを備えており、前記センサ回路の数は前記タッチ・センサ電極の数を下回っており、少なくとも１つのセンサ回路は前記タッチ・センサ電極の２つ以上の間で共有されており、
   センサ回路を共有する前記タッチ・センサ電極のそれぞれは互いから空間的に分散距離だけ離れており、さらに各タッチ・センサ電極は１つのセンサ回路に直接接続されているタッチセンス装置。
2. 前記分散距離は前記タッチセンス装置に固有の寸法のほぼ３分の１である請求項１に記載のタッチセンス装置。
3. 各センサ回路は２つのタッチ・センサ電極に直接接続されている請求項１に記載のタッチセンス装置。
4. 前記複数のタッチ・センサ電極は円形アレイに配置されている請求項１に記載のタッチセンス装置。
5. 前記分散距離は前記円形アレイの円周のほぼ３分の１である請求項４に記載のタッチセンス装置。
6. 各センサ回路は、２つのタッチ・センサ電極に直接接続されている請求項４に記載のタッチセンス装置。
7. 前記タッチ・センサ電極は線形アレイに配置されている請求項１に記載のタッチセンス装置。
8. 前記分散距離は前記線形アレイの長さのほぼ３分の１である請求項７に記載のタッチセンス装置。
9. タッチセンス装置と組み合わせて使用する、物体を追跡する方法であって、前記タッチセンス装置は複数の電極と複数のセンサ回路とを備えており、前記センサ回路の少なくとも１つは２つ以上の電極に直接接続されており、
   前記複数のセンサ回路のそれぞれに対応する信号値を収集するために前記複数のセンサ回路を走査するステップと、
   信号値が最大となるセンサ回路を特定するステップと、
   信号値が最大となる電極、すなわち前記信号値が最大となるセンサ回路に対応する電極を特定するステップと、
   前記信号値が最大となる電極と隣接する電極に関連して前記追跡される物体のセントロイドを計算するステップと
   を備える方法。
10. 信号値が最大となるセンサ回路を特定するステップと信号値が最大となる電極を特定するステップとに必要なセンサと電極とのマッピングが参照テーブルに格納されている請求項９に記載の方法。
11. 信号値が最大となる電極を特定するステップは、
    前記信号値が最大となるセンサ回路に関連付けられた各電極を選定するステップと、
    前記信号値が最大となるセンサ回路に関連付けられた前記電極に隣接する各電極を検出するステップと、
    前記隣接する電極に関連付けられた信号値を比較するステップと、
    隣接する電極の信号値が最大となる電極を選択することによって前記信号値が最大となる電極を特定するステップとを備える請求項９に記載の方法。

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