(57)【要約】直交する電極の格子を有するタッチパッド上において多数の物体を検出する方法。全ての駆動電極を同時に刺激し、次いで、周波数または電極符号化を用いて、各電極接合部を分離し、１回の測定シーケンスにおいて、タッチパッド表面の容量像を生成する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タッチパッド上における多数の物体の存在を検出する方法であって、
１）直交アレイとして配列された２組の共通平面電極をタッチパッドに設けるステップであって、第１組の電極が駆動電極として作用し、第２組の電極が検知電極として作用する、ステップと、
２）刺激信号の符号化パターンを用いて、前記駆動電極の全てを同時に刺激するステップと、
３）各電極接合部において、容量に関するデータを受け取るステップと、
４）前記データから、前記タッチパッドの表面の未処理像データを発生するステップと、
５）前記未処理像データを処理することによって、前記タッチパッドの表面に接触する全ての物体の像を発生するために用いられる接点情報を抽出するステップと、
を備えている、方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、各電極接合部において、容量に関するデータを受け取る前記ステップが、更に、前記データから測定情報を分離するために数学的直交性の原理を用いるステップを含む、方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、前記直交性の原理を用いるステップが、更に、一緒に多重化されているデータを分離するステップを含む、方法。
【請求項４】
請求項２記載の方法において、前記駆動電極を刺激するステップが、更に、各電極接合部において容量を特定するために分離することができるデータを発生するために、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）を用いるステップを含む、方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、前記ＣＤＭＡを用いるステップが、更に、電極または電極上における電極接合部を特定するために、ＣＤＭＡ符号化を用いるステップを含む、方法。  
【請求項６】
請求項２記載の方法において、前記駆動電極を刺激する前記ステップが、更に、各電極接合部において容量を特定するために分離することができるデータを発生するために、周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）を用いるステップを含む、方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法において、更に、前記駆動電極の各々を、サブキャリアを用いるサブチャネルに分割するステップを備えており、直交するサブキャリア周波数が互いの倍数である、方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、更に、等しい数の同相および位相外れ駆動電極を有することによって、前記駆動電極上において均衡を保つステップを備えている、方法。
【請求項９】
請求項９記載の方法において、前記均衡を取るステップが、更に、接点の変調量を減らすことなく、検知信号のダイナミック・レンジを減少させるステップを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願に対する相互引用
本文書は、連番第６１／２３３，４１０号を有する仮特許出願、整理番号４６５５．ＣＩＲＱ．ＰＲに含まれる主題の全てに対して優先権を主張し、この仮特許出願をここで引用したことにより、その主題全ての内容が本願にも含まれるものとする。
発明の分野
本発明は、一般には、タッチパッド、タッチ・スクリーン、およびタッチ・パネルに関する。更に特定すれば、本発明は、２組の直交電極を用いる接触感応面からのデータを用いて、その表面に接触している多数の物体を検出し追跡する方法である。  
【従来技術】
【０００２】
タッチパッドについて論ずるとき、容量感応タッチパッドには、様々な異なる設計があることを注記しておく。本発明を用いて動作するように修正することができる既存のタッチパッドの設計の１つに、ＣＩＲＱＵＥ（登録商標）Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＣＩＲＱＵＥ社）が製造するタッチパッドがある。したがって、いずれの容量感応タッチパッドであっても、どのように修正すれば本発明を用いて動作することができるようになるか一層良く理解するためには、基礎となる技術を検証することが有用である。
【０００３】
ＣＩＲＱＵＥ（登録商標）社のタッチパッドは、相互容量検知デバイスであり、一例を図１においてブロック図として示す。このタッチパッド１０では、当該タッチパッドの接触検知エリア１８の範囲を定めるために、Ｘ（１２）およびＹ（１４）電極ならびに検知電極１６の格子が用いられる。通例、タッチパッド１０は、約１６×１２電極、または空間に制約がある場合には８×６電極の矩形格子である。これらのＸ（１２）およびＹ（１４）（または行および列）電極は、１つの検知電極１６と交錯する。全ての位置測定は、検知電極１６を通じて行われる。
【０００４】
ＣＩＲＱＵＥ（登録商標）社のタッチパッド１０は、検知ライン１６上における電荷の不均衡を測定する。指示物体がタッチパッド１０上にない、またはタッチパッド１０に近接していない場合、タッチパッド回路２０は均衡状態にあり、検知ライン１６上には電荷の不均衡はない。指示物体が接触面（タッチパッド１０の検知エリア１８）に接近するまたは接触するときの容量性結合のために、指示物体が不均衡を生じた場合、電極１２、１４において容量変化が発生する。測定するのは容量変化であって、電極１２、１４上における絶対容量値ではない。タッチパッド１０は、検知ライン上に電荷の均衡を再度確立するため、または復元するために検知ライン１６に注入しなくてはならない電荷量を測定することによって、容量変化を判定する。
【０００５】
以上のシステムは、以下のようにして、タッチパッド１０上にある指またはタッチパッド１０に近接する指の位置を判定するために利用される。この例では、行電極１２について説明するが、列電極１４についでも同様に繰り返される。行および列電極測定から得られる値から、タッチパッド１０上にあるまたはこれに近接する指示物体の重心である交点が決まる。
【０００６】
第１ステップでは、第１組の行電極１２が、Ｐ、Ｎ発生器２２からの第１信号によって駆動され、異なるが隣接する第２組の行電極が、Ｐ、Ｎ発生器からの第２信号によって駆動される。タッチパッド回路２０は、相互容量測定デバイス２６を用いて検知ライン１６からの値を得る。相補容量測定デバイス２６は、どの行電極が指示物体に最も近いかを示す。しかしながら、あるマイクロコントローラ２８の制御下にあるタッチパッド回路２０は、その行電極のどちら側に指示物体が位置付けられているか判断することもできず、タッチパッド回路２０は、指示物体がその電極からどの位離れて位置するのか判定することもできない。このため、本システムは、駆動すべき電極１２のグループを１電極だけずらす。言い換えると、このグループの一方側に電極を追加しつつ、このグループの反対側にある電極を駆動しない。次いで、新たなグループがＰ、Ｎ発生器２２によって駆動され、検知ライン１６の第２測定が行われる。
【０００７】
これら２つの測定値から、行電極のどちら側に指示物体が位置するのか、そしてどの位離れているのか判断することができる。次いで、２つの測定信号の大きさを比較する式を用いて、指示物体の位置決定を行う。
【０００８】
ＣＩＲＱＵＥ（登録商標）社のタッチパッドの感度または分解能は、１６×１２格子の行および列電極が含意するよりも遥かに高い。分解能は、通例、１インチ当たり約９６０カウント以上である。正確な分解能は、構成素子の感度、同じ行および列上にある電極１２、１４間の間隔、そして本発明にとっては重要でないその他の要因によって決定される。
【０００９】
以上のプロセスは、Ｐ、Ｎ発生器２４を用いて、Ｙ即ち列電極１４にも繰り返される。
前述したＣＩＲＱＵＥ（登録商標）社のタッチパッドは、ＸおよびＹ電極１２、１４の格子、ならびに別個の単独検知電極１６を用いるが、多重化を用いることによって、検知電極を実際にＸまたはＹ電極１２、１４にすることができる。いずれの設計も、本発明が機能することを可能にする。
【００１０】
ＣＩＲＱＵＥ（登録商標）社のタッチパッドの基盤技術は、容量センサを基本とする。しかしながら、本発明には他のタッチパッド技術も用いることができる。これら他の近接感応および接触感応タッチパッド技術には、電磁、誘導、圧力検知、静電、超音波、光、抵抗性メンブレーン、半導電性メンブレーン、あるいはその他の指またはスタイラス感応技術が含まれる。
【００１１】
接触感応面上において物体を検出するためには、様々な異なる技術を用いることができる。接触感応面を有するデバイスに言及するとき、本文書では、タッチパッド、タッチ・スクリーン、タッチ・パネル、または接触感応面を内蔵し、双方共直交に配列されているが平行な平面内に配置されている電極を用いるデバイスであれば他のいずれにも言及している可能性がある。簡略化のために、本文書では、このようなデバイスを本文書全体において「タッチパッド」と呼ぶが、直交する電極がある接触感応面を有するデバイスであればいずれにも言及すると見なしてしかるべきである。
【００１２】
先行技術は、タッチパッド上にある多数のオブジェクトの検出および追跡が既に可能であるタッチパッドの記載を含む。この先行技術の特許は、タッチバッドが、当該タッチパッド上のどこででも個々の物体を検出し追跡することを教示し、これを特許請求している。この特許は、曲線上において、物体が「極大値」として現れるようにするシステムについて記載する。このため、曲線の下位部分となる「極小値」もあり、これは指示物体が検出されていない曲線の低セグメントである。図２は、第１極大値３０、間にある第１極小値、および第２極大値３４の概念を示すグラフであり、タッチパッド上における２つの物体の検出結果である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
接触感応面上における多数の物体の存在または位置を判定するために、多数の物体の極大値や極小値を走査する必要がない、新たな検出および追跡方法を提供することができれば、先行技術に対する利点となろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１実施形態では、本発明は、直交電極の格子を有するタッチパッド上において多数の物体を検出する方法であり、全ての駆動電極を同時に刺激し、次いで周波数または電極コーディングを用いて各電極接合部を分離し、１回の測定シーケンスにおけるタッチパッド面の容量像を生成する。
【００１５】
本発明の第１の態様では、タッチパッドの表面全体が、１回の測定で視認される。
本発明の第２の態様では、本システムは各接点の圧力および幅の報告を可能にする。
本発明の第３の態様では、本システムはノイズに対する強い耐性を備える。
【００１６】
本発明の第４の態様では、接点のゴースティング(ghosting)を解消する。
本発明のこれらおよびその他の目的、特徴、利点、ならびに代替的態様は、添付図面と組み合わせて以下の詳細な説明を検討することから、当業者には明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、先行技術において見いだされ、本発明における使用に合わせて適応可能なタッチパッドの第１実施形態の動作のブロック図である。
【図２】図２は、第１極大値、間にある極小値、および第２極大値の概念を示すグラフである。
【図３】図３は、ウォルシュ行列の図である。
【図４】図４は、本発明のＣＤＭＡ概念を実地説明するための駆動電極および検知電極を有する電極格子の図である。
【図５】図５は、図４の駆動電極に用いられているＳＴＯＭＰ電極パターンを示す行列である。
【図６】図６は、検知電極に沿った各接合部において誘発される電流の合計である、各検知電極において誘発された電流を示すリストである。
【図７】図７は、図６に示す測定の概要を示す行列である。
【図８】図８は、図６および図７に示す測定に対するドット積の計算を示す。
【図９】図９は、行列概要形態でドット積を示す。
【図１０】図１０は、１６×１６電極格子と共に用いることができるＳＴＯＭＰパターンを表にして示す。
【図１１】図１１は、図１０に示したＳＴＯＭＰパターンを用いて発声した測定値の一例を示す表である。
【図１２】図１２は、理論的ＡＤＣ測定値の表である。
【図１３】図１３は、得られた接合部容量(junction capacitance)の像を示す表である。
【図１４】図１４は、４×４電極行列において本発明のＦＤＭＡ測定実施形態を用いたタッチパッド接合部を示す。
【図１５】図１５は、接点と、本発明を用いて収集したノイズとを示す生の測定データのグラフ表現である。
【図１６】図１６は、タッチパッド上の種々のｘ／ｙ座標位置に多数の接点を、伝達関数の入力として配置し、図１５に示した像を出力するシステム・モデルである。
【図１７】図１７は、三次元で抽出された接点を示すグラフを示す。
【図１８】図１８は、抽出された接点の二次元図である。
【図１９】図１９は、座標抽出方法のステップを示すフローチャートである。
【図２０】図２０は、タッチパッド表面の像を生成する行よび列で構成された単純な行列センサを有する全駆動電極の概念を示す。
【図２１】図２１は、タッチパッド表面の全点アドレス可能（ＡＰＡ：all points addressable）像を作成するために、駆動電極の行および検知電極の列を用いる代替実施形態を示す。
【図２２】図２２は、タッチパッド表面の軸図(axis view)を生成する代替実施形態を示す。
【図２３】図２３は、線形タッチパッド・センサのための代替実施形態を示す。
【図２４】図２４は、マルチプレクサを介して正または負いずれかの検知部に接続された、駆動電極の列および検知電極の列で構成された単純な行列センサを有する最後の代替実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
これより、図面を参照する。この図面では、本発明の種々の要素に参照番号が与えられており、当業者が本発明を実施し使用することを可能にするように本発明について論ずる。尚、以下の説明は本発明の原理の一例に過ぎず、以下に続く特許請求の範囲を狭めるように見なしてはならないことは言うまでもない。
【００１９】
本発明の第１実施形態において、本発明は、ノイズ性能を改善し、同期期間直交測定パターン（ＳＴＯＭＰ：Synchronous Timed Orthogonal Measurement Patterns)を用いて容量検知面上における多数の接点を検出する問題に取り組む。ノイズ性能は、全ての電極から連続的に、そして同時にデータを連続的に抽出し収集することによって、大きく改善することができる。ノイズ耐性および精度は、接点位置（１つまたは複数）を計算するために確率的データの相関を用いると、更に改善される。
【００２０】
コンピューティングデバイス用の安価なスイッチング電源の使用が増大するにつれて、ラップトップ・コンピュータ、およびタッチパッドのような接触入力センサを利用する他のコンピューティング機器において、広帯域ノイズ量が増加している。この干渉のため、従前からのノイズ回避技法が増々難しくなるという環境が生じている。
【００２１】
また、容量検知面上において多数の接点の位置を測定する必要性も増大しつつある。多数の接点位置の測定は、１つの接点位置の測定とは異なる。本発明の新たな方法を用いると、直交に配列された電極の各接合部の容量変化を測定し、表面上にある多数の接点を一意に識別することが可能になる。これは、単に極大値および極小値を単に識別することとは著しく異なる。これについては、以下で説明する。
【００２２】
容量検知面上において多数の物体を検出する先行技術の方法は、周期的信号を用いて走査パターンで電極を付勢し、極小値によって分離された極大値を探し出すステップを含む。周期的信号は、連続する個々の電極に印加され、数回の周期にわたって得られた電流が積算される。測定を行うためにノイズよりも十分大きな信号を積算するためには、比較的多数回の周期が必要となる。更に、所与の測定報告率以内で表面全体を走査しなければならないので、走査される表面のサイズが制限される。
【００２３】
また、周期的信号は、電極の周波数応答および接点の相互作用(interaction)による制約を受ける。典型的な容量タッチパッドの人間の指との周波数応答は、約６００ＫＨｚから１２００ＫＨｚの間で人の指に対して最も敏感になることが、研究所において確認されている。この周波数帯域は、スイッチング電源のノイズおよび無線干渉によって占められることが多く、ノイズのない結果を得るには、かなりの時間にわたって平均を求める必要がある。
【００２４】
全ての駆動電極を連続的に励起させる新たな方法によって、ノイズに対する耐性を改善し、ＳＴＯＭＰを用いて、更に高いサンプリング・レートで多数の接点を追跡することが可能となる。表面上で多数の接点の存在および位置を検出する問題は、互いに通信することを望む人々がいる部屋に似ている。混乱を避けるためには、人々は交代で話す（時分割）こと、異なる音程で話す（周波数分割）こと、または異なる言語で話す（符号分割）ことができる。
【００２５】
先行技術の方法は、通例、順番に種々の電極を刺激することに依存する。言い換えると、時分割は低い方の信号をノイズに変換し、性能を制限する。対照的に、本発明は全ての駆動電極を連続的に刺激し、周波数（ＦＤＭＡ）および／または電極符号化（ＤＣＭＡ）を利用して、各接合部を分離し、表面の容量像を生成する。
【００２６】
本発明は、測定情報を分離するために、直交性の原理を利用する。言い換えると、被測定電極に直交する電極から刺激が来る。次いで、本発明は、本質的に互いに多重化されているデータを分離するための直交性に関して、数学的原理を用いる。次いで、各電極接合部において入手可能な検知情報を分離し、電極格子全体に対して、したがって、タッチパッド全体に対して、完全な容量映像(capacitive picture)を発生する。
【００２７】
電極は、物理的および数学的に直交であることができる。数学では、２つのベクトルが直交であるのは、これらが垂直であるとき、即ち、これらが直角を形成するときである。
本発明は、データの符号化を用いる。具体的には、第１実施形態では、ＣＤＭＡ、即ち、符号分割多元接続の概念を応用する。符号分割多元接続は、種々の無線通信技術によって利用されているチャネル・アクセス方法である。これを、同様にＣＤＭＡと呼ばれる移動体電話機の規格と混同してはならない。
【００２８】
データ通信における基本的な概念の１つに、様々な送信機に、１つの通信チャネルを通じて同時に情報を送らせるという考えがある。これによって、様々なユーザが１つの周波数帯域幅を共有することが可能になる。この概念を多重化と呼ぶ。ＣＤＭＡは、スペクトル拡散技術および空間符号化方式（各送信機に１つの符号が割り当てられる）を採用し、多数のユーザを同じ物理チャネル上に多重化することを可能にする。ＣＤＭＡは、「スペクトル拡散」シグナリングの一形態である。何故なら、変調符号化信号は、通信されるデータよりも遙かに高いデータ帯域幅を有するからである。
【００２９】
この第１実施形態では、符号化は、単にチャネル番号を特定するために用いられる。変調は、指示物体または接点を、電極格子における接合部に近接させることによって行われる。
【００３０】
代替実施形態では、ＦＤＭＡ即ち周波数分割多元接続は、物理チャネルを周波数によって、サブキャリアを用いるサブチャネルに分割する。直交サブキャリア周波数は、単純に互いの倍数となる。ＦＤＭＡを用いると、各チャネルの符号化は必要ない。この場合も、変調は、電極格子上のサブキャリア電極に対する接点の相対的位置によって行われる。周波数分割多元接続は、本質的に、符号化直交周波数分割多重化（ＣＯＦＤＭ）および離散マルチ・トーン変調（ＤＭＴ）と同一である。
【００３１】
ＦＤＭＡ方法では、サブキャリアが互いに直交となるように、サブキャリア周波数が選択され、サブチャネル間のクロス・トークを排除し、キャリア間ガード・バンドが不要であることを意味する。
【００３２】
ＣＤＭＡ測定方法：  本発明のＣＤＭＡ実施形態では、ＣＤＭＡはデータ・ストリングを表すベクトル間における直交性の数学的特性を利用する。例えば、二進ストリング「１０１１」は、ベクトル（１，０，１，１）によって表される。ベクトルは、そのドット積を求め、次いでそれらのそれぞれの成分の積を加算することによって、乗算することができる。ドット積が０である場合、２つのベクトルは互いに直交であると言う。
【００３３】
本発明は、行列の概念を利用することができる。例えば、ウォルシュ行列とは、２の累乗である次元を有し、そのエントリが＋１または−１であり、いずれの２つの別個の行（または列）のドット積も０である、特定の正方行列である。これは、図３に見られるウォルシュ行列に示す通りである。
【００３４】
あるいは、本発明は、同様に本発明の要件を満たす種々のアダマール型ベクトルのような、他の行列タイプでも利用することができる。
ＳＴＯＭＰにおける複数の駆動電極上で極性を調節すると、独立したチャネルが得られ、これらのチャネルを表面上で一緒に多重化し、その後分離してサンプリングすることができる。
【００３５】
また、「均衡」を考慮することも重要である。均衡は、同相および１８０度逆相とした等しい数の駆動電極を常に同時に駆動することによって得られる。このように、接点の変調量を減らすことなく、検知信号のダイナミック・レンジを大幅に減少させる。
【００３６】
ウォルシュ行列は、最初の行に、常に１つの完全に不均衡なパターンを生成する。この測定パターンを単純に省略すると、その結果得られる像における各列に沿って個々のオフセットが生ずる。これは、単に像アレイにおいて列を正規化することによって解消する。また、異なる電極数を有する異なる軸を比較するとき、この結果を測定回数で除算すると絶対振幅を正規化することができる。
【００３７】
網羅的探索を用い、各行において等しい数の１および−１を導入し(enforce)更に各列間では０個のドット積を導入すると、使用可能なベクトルを発生することができる。表面の完全な像を生成するために必要となる測定回数は次の式で与えられる。
【００３８】
測定回数＝駆動電極数＋検知電極マルチプレクサの数−２
本発明では、直交配置された電極を有する電極格子に注目する。１組の電極を駆動電極に指定し、他の直交電極を検知電極に指定することができる。駆動電極および検知電極が交差するところはどこでも、接合部(junction)と呼ぶ。
【００３９】
指示物体が、駆動および検知電極の電極格子の直接上方において、タッチパッド面に近づいてきたときに、駆動電極上にある符号化駆動信号の振幅を変調し、次いで各接合部において多重化する。この文書に限って言えば、符号が数学的に互いに直交である限り、所望の情報を分離できることを意味するために、符号化駆動信号が用いられている。
【００４０】
この状況では、１つの信号に一緒に多重化されるのは、検知電極に沿った各接合部における容量である。言い換えると、１つの検知電極に多数の駆動電極が交差しており、各駆動電極が接合部を画成する。理解すべき重要なことは、これらの接合部は物理的に直交電極であるが、本発明において重要なのは、信号が数学的に直交であるということである。何故なら、これによって、信号を互いに分離することが可能になるからである。
【００４１】
図４は、本発明において、容量検知面上で多数の物体を検出するためにはＣＤＭＡ方法をどのように用いることができるかという一例である。この図では、４×４センサが示されており、接合部２２および２３に２つの接点が置かれている。接合部２２および２３をＪ２２およびＪ３３で示す。図４は、４つの検知電極および４つの駆動電極の直交電極格子である。これに応じて、接合部には番号が振られている。しかしながら、電極格子のサイズは、一方向または両方向に拡大できることは言うまでもない。各接合部の容量は、各直交ベクトルのドット積を求めることによって判定することができる。その結果、タッチパッドの表面全体の容量像が得られる。
【００４２】
図５は、駆動電極Ｄ１〜Ｄ４についての、上からのＳＴＯＭＰ電極パターンを示す。各時点（ｔ）において、対応する駆動電極を、ある回数のサイクルの間同相（１）または１８０度位相外れ（−１）で駆動する。各駆動電極切り替えイベントによって生ずる誘導電流を同期して整流および積算した後に、各検知電極をサンプリングする。各検知電極における誘導電流は、図６および図７に示すように、検知電極に沿った各接合部において誘導された電流の和である。
【００４３】
図８は、この例についてのドット積の計算を示し、図９は、行列概要形態でドット積を示す。このように、このＣＤＭＡ実施形態では、本発明は、Ｊ２２およびＪ３３に置かれた接点による減衰を示す４回のみの測定の後、容量検知面の像を得る。この像を観察すると、各検知電極が個々のセンサとして機能していることが分かり、単純な線形センサにこの方法をどのように応用するかが示される。
【００４４】
図１０は、１６×１６電極格子と共に用いるためのＳＴＯＭＰパターンの一例を示す。１６個の駆動電極および１６個の検知電極を有し、６つの接点がありノイズがないという、タッチパッドの理想的な例が示されている。接点は、図１１における接合部の容量値の例を用いて、表面上に示されており、図１２には理論的なＡＤＣ測定値が示されている。図１３に、得られた接合部容量の像を示す。
【００４５】
画面全体は、１５回の測定のみで発生する。本測定方法の切り替え頻度を５００ＫＨｚ、測定毎のサイクルを１２８と仮定すると、報告回数は約３５０報告／秒となる。これは、１６ビット／接合部ではほぼ１Ｍｂ／ｓのデータ・レートとなる。個々の接点を電気的に追跡しようとする先行技術の追跡方法に対して、信号対ノイズ比は改善している。上であげた数値は、例示の目的のために過ぎず、限定と捕らえてはならない。
【００４６】
本発明の他の態様は、タッチパッドによって用いられるエネルギを対象とする。先行技術の極大値および極小値を用いる容量タッチパッドの動作方法の１つでは、電極の順次走査が用いられる。その結果、付勢される、即ち、信号が印加されるのは一部の電極であり、他の電極は消勢され、信号が印加されないということになる。
【００４７】
対照的に、本発明では、全ての電極が同時に付勢され、したがって「オン」になる。各接合部は、各測定の間に切り替えられる。その結果、各接合部には常時電力が印加されており、等しい電力量を有することになる。この電力分配の等化により、ノイズが電極格子全体に一層均一に影響を及ぼすため、測定におけるノイズの影響を低減するという効果がある。
【００４８】
ＦＤＭＡ測定方法：ＦＤＭＡでは、サブキャリアが互いに直交となるように、サブキャリア周波数を選択する。これが意味するのは、サブキャリア間のクロス・トークを排除し、キャリア間ガード・バンドが不要となるということである。チャネルを接合部に分離するためにディジタル・パターンを用いる代わりに、ＦＤＭＡは直交周波数を用いる。
【００４９】
直交周波数は、単に基準周波数の倍数である。これらの周波数は、任意に、互いにずらし合ってサブキャリア周波数を形成することもできる。ＣＤＭＡ信号が駆動電極上に入力され、表面上にある接点によって変調され、検知電極上のセンサによって多重化されるのと同じように、ＦＤＭＡは駆動電極上に一意の周波数を入力し、これらの周波数を変調し、検知電極上で一緒に多重化する。次いで、各検知電極上で各サブキャリアの振幅を分離し検出することによって、各接合部を特定またはアドレスして、表面の容量像を形成する。
【００５０】
図１４は、４×４電極行列を参照して、本発明のＦＤＭＡ測定実施形態を用いたタッチパッド接合部を示す。収集された測定データから接点情報を抽出することが必要であることには変わりはない。本発明の接点抽出方法は、１つの接点の他の接点に対する影響を防止し、接点が指なのか、または掌なのか、または無意識な接触なのか判定し、極小値の間にある極大値を判定するというような方法よりも正確な、接触の中心を発見する方法を提供する。
【００５１】
表面上に接点を置いた影響は、潜在的に数個の電極に拡散され、表面上にあると考えられる他の接点に跨がって重畳される。この概念を図１５に示す。図１５は、「スパーク・ノイズ」および「ホワイト・ノイズ」があるタッチパッド上における５つの接点を示す。
【００５２】
図１６は、伝達関数への入力として、投影型容量センサ(projected capacitance sensor)上の種々のｘ／ｙ座標位置に多数の接点を置くことによって、システム・モデルを構築することができることを示し、前述の容量像が出力される。
【００５３】
このシステムへの入力は、広帯域ノイズおよび接点位置の冗長で構成される。各接点位置は、システムの伝達関数Ｈ（ｘ，ｙ）によって、各接合部における電界投影(electric field projection)およびその後の容量変調に基づいて変換される。その結果得られる各接点のインパルス応答は、ガウス分布として近似することができ、以下の式で示される。
【００５４】
【数１】
2013501996.tif 000003
【００５５】
ノイズに対する伝達関数の効果は均一である。伝達関数の近似性およびノイズの概略的な形状について何らかの知識があれば、本システムの効果を逆に辿って入力接点位置を再現することができる。
【００５６】
本システムの一般解を以下のように仮定すると、
【００５７】
【数２】
2013501996.tif 000004
【００５８】
ここで、＊は、数学の畳み込み演算子(convolution operator)である。
このプロセスは、次のように逆演算する(reverse)ことができる。
【００５９】
【数３】
2013501996.tif 000005
【００６０】
尚、畳み込みとは、第３の関数を生成する、２つの関数ｆおよびｇに対する数学的演算であり、この第３の関数は、通例、相互相関と同様に、元の関数の内１つの修正バージョンと見なされる。逆畳み込みとは、記録されたデータに対する畳み込みの効果を逆演算するために用いられる数学的演算である。
【００６１】
ノイズが均一に分布し、パワー・スペクトル密度が比較的一定であると仮定すると、逆畳み込みまたは相互相関の一部として、スムージング・フィルタを適用し、より良い接点のパターン・マッチングを実行しノイズの影響を低減することができる。
【００６２】
図１７は、図１５に示した表面容量像に対してこのプロセスを実行した結果を示す。この図は、三次元で、抽出した接点を示す。
図１８は、抽出した接触点の二次元図を示すために用意された。５つの接点位置が、項目１００として特定されている。
【００６３】
座標抽出方法：一旦データを収集したとしても、まだタッチパッド上の接触点の位置を知ることはできない。抽出した接点アレイを処理して、接点毎に個別のｘ／ｙ座標対を生成しなければならない。これは、接点追跡アルゴリズムを用いて行われる。第１接点座標は、アレイにおいて最高値を求める今後の探索によって形成される。接点中心、即ち、「ビーン」(bean)は、最高値を中心とする所定の半径を用いて決定される。このプロセスを繰り返して、所定数の接点座標を生成する。各接点の座標は、接点半径以内にある全ての値の加重計算を用いて決定される。
【００６４】
一旦候補の接点が決定されたなら、これらをホストに与える。次いで、ホストが接点識別子を割り当てる。識別子を割り当てられた接点は、「アクティブ接点」として分類される。この状態において、後続の測定を用いて、いつこの接点が「欠落接点」(dropped contact)に変化するか判定する。次いで、欠落接点を、後続の測定において求められた接点候補で置き換えることができる。
【００６５】
図１９は、以上で説明した座標抽出方法のステップを示すフロー・チャートである。
また、本発明は、ユーザがタッチパッドを横切って特定の方向に１つまたは多数の接点上で素早く指を滑らす(swipe)、または多数の接点の場合には回転運動を行うときに、１つまたは多数の接点をはじく仕草(flick gesture)の識別および追跡もサポートする。接点は一緒に動かされて、ページを進める／戻すまたは次／前というような、何らかのジェスチャ行為が行われることを示す。
【００６６】
座標データを抽出するために必要な測定報告時間は、表面を横切って指をはじくというような、素早いジェスチャを抽出するために必要な時間と比較して、非常に長いことが多い。特定の方向に表面を横切る１つ以上の接点による素早い動きによって形成されたジェスチャを抽出するために、ある技法を導入する。時間において相互相関を実行することにより、個々の接点を追跡することなく、このようなジェスチャを精度高く判定することができる。その結果、各方向における動きの相関に対して１つの数値が得られ、検出閾値に応じて、単純に１、−１、または０というように報告することができる。つまり、所望のはじく仕草を捕らえるために、閾値を調節することができる。
【００６７】
また、多数の指を狭める(scrunch)または広げるというような、非常に複雑なジェスチャを抽出することも可能である。実際には、これは、Ｚ−軸において後続の像を積み重ねることによって、容量像の三次元逆畳み込みを実行することによっても、遂行することができる。その結果得られる逆畳み込みアレイ(deconvolved array)は、各接点の軌道を示す三次元ベクトルから成る。
【００６８】
電極構成：本発明の概念を実現するために用いることができる様々な異なる駆動および検知電極の構成があり、各方法から異なる結果が得られる。
図２０は、行および列で構成された単純な行列センサを有する全ての駆動電極の概念を示し、各駆動電極は検知電極を有する。その結果、タッチパッド表面の像が得られる。電極上における電圧変化によって各電極に誘導される電流を積算し、サンプリングして、同時時間直交測定値を求める。これらの測定値にパターン係数を乗算し、接合値に蓄積する。この結果得られた接合値(junction value)から、接点の位置、サイズ、および等級(magnitude)を示す、表面の容量像を生成する。各接合部における接合容量を判定し、以下のようにして後続の測定のドット積を求めることによって、表面容量の像を生成する。
【００６９】
【数４】
2013501996.tif 000006
【００７０】
少なくとも１周期またはパターンの期間の合計を求める。
図２１は、駆動電極の行および検知電極の列で構成された単純な行列センサを示す別の実施形態である。駆動電極は、検知電極の近くに９０度の角度をなして配置され、それぞれ、行および列を形成する。これらは、各行／列交差点において接合部を形成する。各駆動電極上における電圧変化によって各検知電極に誘導される電流を積算し、サンプリングして、同期時間直交測定値を求める。各符号化駆動信号の振幅を、表面上にある接点によって変調し、各接合部において多重化する。
【００７１】
各接合部における接合容量を判定し、以下のように後続の測定値のドット積を求めることによって、表面容量の像を生成することができる。ＤＣＭＡ測定の場合、次の式にしたがってドット積を計算することによって、接合部蓄積値(junction accumulator)を求める。
【００７２】
【数５】
2013501996.tif 000007
【００７３】
ＦＤＭＡ測定の場合、基本サブキャリアの少なくとも１周期の期間積算することによって、接合部蓄積値を求める。
図２２は、駆動電極の行および列、ならびに１つの検知電極で構成された単純な行列センサの他の実施形態である。駆動電極は、検知電極に９０度の角度をなして配置され、それぞれ、行および列を形成する。これらは、各行および列に沿って長い接合部を形成する。各駆動電極上における電圧変化によって検知電極に誘導される電流を積算し、サンプリングして、各軸に沿って同期時間直交測定値を求める。各符号化駆動信号の振幅を、表面上にある接点によって変調する。
【００７４】
各電極に沿った接合容量を判定し、以下のように後続の測定値のドット積を求めることによって、軸容量のＸおよびＹ輪郭を生成することができる。ＤＣＭＡ測定の場合、次の式にしたがってドット積を計算することによって、接合部蓄積値を求める。
【００７５】
【数６】
2013501996.tif 000008
【００７６】
ここでも、ＦＤＭＡ測定の場合、 基本サブキャリアの少なくとも１周期の期間積算することによって、接合部蓄積値を求める。
図２３は、行および１つの検知電極で構成された単純な線形センサである他の実施形態を示す。駆動電極は、検知電極の近くに９０度の角度をなして配置され、線形または円形の形状を形成する。これらは、検知電極に沿って短い接合部を形成する。各駆動電極上における電圧変化によって検知電極に誘導される電流を積算し、サンプリングして、各軸に沿った同期時間直交測定値を求める。各符号化駆動信号の振幅を、表面上にある接点によって変調する。
【００７７】
各電極に沿った接合容量を判定し、以下のように後続の測定値のドット積を求めることによって、軸容量を生成することができる。ＣＤＭＡ測定の場合、以下の式にしたがってドット積を計算することによって、接合部蓄積値を求める。
【００７８】
【数７】
2013501996.tif 000009
【００７９】
ここでも、ＦＤＭＡ測定の場合、基本サブキャリアの少なくとも１周期の期間積算することによって、接合部蓄積値を求める。
図２４は、駆動電極の行と、正または負検知部のいずれかにマルチプレクサを介して接続されている検知電極の列とで構成された単純な行列センサを有する最後の実施形態を示す。駆動電極は、検知電極の近くに９０度の角度をなして配置され、それぞれ、行および列を形成する。これらは、各行／列交差点において接合部を形成する。各駆動電極上における電圧変化によって検知電極に誘導される電流を積算し、サンプリングして、同期時間直交測定値を求める。各符号化駆動信号の振幅を、表面上にある接点によって変調し、各接合部において多重化する。検知多重制御信号を含めるために、より長い直交パターンを用いることにより、センサの全ての接合部にアドレスするメカニズムが設けられる。
【００８０】
各接合部における接合容量を判定し、以下のように後続の測定値のドット積を求めることによって、表面容量の像を生成することができる。
ＣＤＭＡ測定の場合、次の式にしたがってドット積を計算することによって、接合部蓄積値を求める。
【００８１】
【数８】
2013501996.tif 000010
【００８２】
ここで、ＳＴＯＭＰパターンはＰａｔｔｅｒｎｄおよびＰａｔｔｅｒｎｓの連結となる。
尚、以上で説明した構成は、本発明の原理の応用を例示したに過ぎないことは言うまでもない。本発明の主旨や範囲から逸脱することなく、当業者には多数の変更や代替構成を考案することができる。添付した特許請求の範囲は、このような変更や構成も包含することを意図している。
【図１】
2013501996.tif 000011
【図２】
2013501996.tif 000012
【図３】
2013501996.tif 000013
【図４】
2013501996.tif 000014
【図５】
2013501996.tif 000015
【図６】
2013501996.tif 000016
【図７】
2013501996.tif 000017
【図８】
2013501996.tif 000018
【図９】
2013501996.tif 000019
【図１０】
2013501996.tif 000020
【図１１】
2013501996.tif 000021
【図１２】
2013501996.tif 000022
【図１３】
2013501996.tif 000023
【図１４】
2013501996.tif 000024
【図１５】
2013501996.tif 000025
【図１６】
2013501996.tif 000026
【図１７】
2013501996.tif 000027
【図１８】
2013501996.tif 000028
【図１９】
2013501996.tif 000029
【図２０】
2013501996.tif 000030
【図２１】
2013501996.tif 000031
【図２２】
2013501996.tif 000032
【図２３】
2013501996.tif 000033
【図２４】
2013501996.tif 000034
【手続補正書】
【提出日】平成24年6月22日(2012.6.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タッチパッド上における多数の物体の存在を検出する方法であって、
１）直交アレイとして配列された２組の共通平面電極をタッチパッドに設けるステップであって、第１組の電極が駆動電極として作用し、第２組の電極が検知電極として作用する、ステップと、
２）刺激信号の符号化パターンを用いて、前記駆動電極の全てを同時に刺激するステップと、
３）各電極接合部において、容量に関するデータを受け取るステップと、
４）前記データから、前記タッチパッドの表面の未処理像データを発生するステップと、
５）前記未処理像データを処理することによって、前記タッチパッドの表面に接触する全ての物体の像を発生するために用いられる接点情報を抽出するステップと、
を備えている、方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、各電極接合部において、容量に関するデータを受け取る前記ステップが、更に、前記データから測定情報を分離するために数学的直交性の原理を用いるステップを含む、方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、前記直交性の原理を用いるステップが、更に、一緒に多重化されているデータを分離するステップを含む、方法。
【請求項４】
請求項２記載の方法において、前記駆動電極を刺激するステップが、更に、各電極接合部において容量を特定するために分離することができるデータを発生するために、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）を用いるステップを含む、方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、前記ＣＤＭＡを用いるステップが、更に、電極または電極上における電極接合部を特定するために、ＣＤＭＡ符号化を用いるステップを含む、方法。  
【請求項６】
請求項２記載の方法において、前記駆動電極を刺激する前記ステップが、更に、各電極接合部において容量を特定するために分離することができるデータを発生するために、周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）を用いるステップを含む、方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法において、更に、前記駆動電極の各々を、サブキャリアを用いるサブチャネルに分割するステップを備えており、直交するサブキャリア周波数が互いの倍数である、方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、更に、等しい数の同相および位相外れ駆動電極を有することによって、前記駆動電極上において均衡を保つステップを備えている、方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法において、前記均衡を保つステップが、更に、接点の変調量を減らすことなく、検知信号のダイナミック・レンジを減少させるステップを含む、方法。
【国際調査報告】
2013501996.tif 000035