(57)【要約】空間周波数に基づく静電容量モーションセンサ及びその制御方法が開示される。一実施形態では、モーションセンサは、アレイに近接する表面によって引き起こされる静電容量の変化を静電容量的に感知するための感知セルのアレイを備える。モーションセンサは、アレイからのモーションに依存する出力信号を処理して、アレイの表面に平行な方向における表面のモーションを計測する、マルチプレクサ及びプロセッサを備える処理回路を更に備える。一般に、プロセッサは、プログラムを実行して、アレイの感知セルを相互接続するようにマルチプレクサを制御し、アレイをくし形フィルタとして構成し、静電容量の変化の少なくとも１つの空間周波数成分を検出し、アレイに平行な方向における表面のモーションを計測するように適合される。他の実施形態も開示される。
2021505985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
感知セルのアレイであって、前記アレイに近接する表面の構造における静電容量の変化を静電容量的に感知する、感知セルのアレイと、
前記アレイからのモーションに依存する出力信号を処理して、前記アレイの表面に平行な方向における前記表面のモーションを計測する、マルチプレクサ及びプロセッサを備える、処理回路と、
を備える、モーションセンサであって、
前記プロセッサは、プログラムを実行して、前記アレイの前記感知セルを相互接続するように前記マルチプレクサを制御し、前記アレイをくし形フィルタとして構成し、前記静電容量の変化の少なくとも１つの空間周波数成分を検出し、前記アレイに平行な方向における前記表面のモーションを計測するように適合される、モーションセンサ。
【請求項２】
前記アレイは、それに対して移動する前記表面よりも小さい感知領域を備える、請求項１に記載のモーションセンサ。
【請求項３】
前記アレイは、少なくとも２つの非平行軸に沿って配置された感知セルを備える、２次元アレイである、請求項１に記載のモーションセンサ。
【請求項４】
前記処理回路は、前記マルチプレクサと前記プロセッサとの間に接続され、前記２つの非平行軸に沿ったモーションから生じる前記２次元アレイからの出力信号からの同相及び直角位相信号を含む４つの信号を生成する、差動検出器を更に含む、請求項３に記載のモーションセンサ。
【請求項５】
前記プロセッサは、前記４つの信号を処理して、前記２つの非平行軸の各々に沿った方向におけるベクトルを生成するように更に適合され、前記ベクトルの大きさは、前記直角位相信号の強度を表し、前記ベクトルの方向の変化は前記２つの非平行軸に沿ったモーションを表す、請求項４に記載のモーションセンサ。
【請求項６】
前記プロセッサは、前記マルチプレクサを制御して前記感知セルの相互接続を変更し、前記アレイの前記感知セルによって感知される前記空間周波数成分の周波数を変更するように更に適合される、請求項５に記載のモーションセンサ。
【請求項７】
前記プロセッサは、前記アレイの前記感知セルによって感知された前記空間周波数成分の異なる周波数における前記４つの信号の強度を比較し、前記マルチプレクサを制御して、モーションが検出されている前記表面に最大強度を有する出力信号の周波数を選択するように更に適合される、請求項６に記載のモーションセンサ。
【請求項８】
前記アレイは、第１方向に延びる複数の受信電極（Ｒｘ電極）と、前記第１方向と平行ではない第２方向に延びる複数の送信電極（Ｔｘ電極）とを備える相互容量アレイであって、前記複数のＲｘ電極は絶縁体によって前記Ｔｘ電極から分離されており、Ｔｘ電極及びＲｘ電極の交差点の各々は、前記アレイ内で相互容量感知セルを形成する、請求項１に記載のモーションセンサ。
【請求項９】
前記アレイは、前記処理回路に接続され第１方向に延びる複数の第１電極と、ＤＣ電圧レベルに接続され前記第１方向と平行ではない第２方向に延びる複数の第２電極とを備える自己容量アレイであって、前記複数の第１電極は絶縁体によって前記第２電極から分離されており、第１及び第２電極の交差点の各々は、前記アレイ内で自己容量感知セルを形成する、請求項１に記載のモーションセンサ。
【請求項１０】
前記表面は、指の表面であって、前記表面の前記構造における前記静電容量の変化は、指紋の隆起及び谷から生じる、請求項１に記載のモーションセンサ。
【請求項１１】
前記指紋の画像は、前記モーションセンサによって生成されず、それに接続されたメモリに格納されない、請求項１０に記載のモーションセンサ。
【請求項１２】
前記表面は、手袋の表面であって、前記表面の前記構造における前記静電容量の変化は、前記手袋の前記検出された表面上の布のテクスチャから生じる、請求項１に記載のモーションセンサ。
【請求項１３】
感知セルの２次元アレイ（２Ｄアレイ）であって、少なくとも２つの非平行軸に沿って配置され、前記２Ｄアレイに近接する指の指紋の隆起及び谷から生じる静電容量の変化を静電容量的に感知する、感知セルの２Ｄアレイと、
前記２Ｄアレイの前記感知セルを相互接続して、前記２Ｄアレイをくし形フィルタとして構成し、前記静電容量の変化の少なくとも１つの空間周波数成分を検出し、前記２Ｄアレイに平行な方向における前記表面のモーションを計測する、プロセッサを備える処理回路と、
を備える、モーションセンサであって、
前記指紋の画像は、前記モーションセンサによって生成されず、それに接続されたメモリに格納されない、モーションセンサ。
【請求項１４】
前記処理回路は、前記表面のモーションから生じる前記２Ｄアレイからの出力信号から同相及び直角位相信号を含む４つの信号を生成するように構成される、請求項１３に記載のモーションセンサ。
【請求項１５】
前記プロセッサは、前記感知セルの相互接続を変更し、前記２Ｄアレイの前記感知セルによって感知される前記空間周波数成分の周波数を変更するように構成される、請求項１４に記載のモーションセンサ。
【請求項１６】
前記プロセッサは、前記２Ｄアレイの前記感知セルによって感知された前記空間周波数成分の異なる周波数における前記４つの信号の強度を比較し、前記感知セルの相互接続を変更して、前記４つの信号が最大強度を有する前記空間周波数成分の前記周波数を選択するように更に適合される、請求項１５に記載のモーションセンサ。
【請求項１７】
モーションセンサの静電容量感知セルのアレイを使用して、前記アレイに近接する表面によって引き起こされる前記アレイにわたる静電容量の変化のマップを生成することと、
前記マップ内の少なくとも第１空間周波数を検出することと、
前記アレイの表面に平行な方向において、前記アレイに対して前記表面を変位させることと、
前記表面の前記変位の関数である出力信号を生成することであって、前記出力信号は前記第１空間周波数での周期的信号であることと、
前記出力信号の数の位相変化を判定することと、
前記位相変化から前記表面の変位の計算することと、
を含む、方法。
【請求項１８】
静電容量の変化のマップを生成することは、前記表面の完全な静電容量マップ画像を生成することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
静電容量の変化のマップを生成することは、くし形フィルタとして前記アレイを構成して、第１空間周波数での前記静電容量の変化のマップを生成することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記アレイを構成することは、第１の感知セルのグループからの出力を相互接続することと、第２の感知セルのグループからの出力を相互接続して、各々のグループの相互接続された感知セルが前記アレイの軸の少なくとも１つに沿って、前記第１空間周波数に比例する間隔で、交互配置され及び離間される、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、Ｕ．Ｓ．Ｃ．３５  １１９（ｅ）に基づき２０１７年１２月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／５９８，６１８号の優先権の利益を主張する、２０１８年３月２０日に出願された米国特許出願第１５／９２６，１７５号の国際出願であり、参照によりその全体が本開示に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、一般に、モーションセンサに関し、より詳細には、感知セルのアレイを含み、アレイに対する表面のモーションを検出する空間周波数検出を使用する、静電容量モーションセンサに関する。
【背景技術】
【０００３】
表面上での指又はスタイラスのモーションを追跡することが可能なモーションセンサが、よく知られており、カーソル又は入力データを移動するために、フィンガーナビゲーションシステムなどのシステムで広く使用される。一般に、従来のモーションセンサは、指又はスタイラスの表面が感知される手段に応じて、光学的又は静電容量的の、２つの種類の一方に分類され得る。
【０００４】
光学ナビゲーションセンサは、レーザ又はＬＥＤ光源又はフォトダイオードアレイを使用して、指の表面の画像、又は粗い表面からのコヒーレント光の散乱によって生成されるスペックルとして知られている光のランダムな強度分布のいずれかに基づいてモーションを検出する。次に、指の表面の画像のモーションを検出することによって、或いはスペックルの空間周波数計算によって、画像相関を使用するアルゴリズムにより、モーションが判定される。光学ナビゲーションセンサは、フォトダイオードアレイから内部的にシールドされる必要のあるレーザ又は光源の要件、及びフォトダイオードアレイ上の指の表面から反射された光を投影するために高精度の光学アセンブリが必要となることから、通常、コストが高く、サイズが比較的大きい。光学ナビゲーションセンサは、周囲の照明にもセンシティブであり、背景光の変化により表面が存在しない場合、モーションを誤って検出する。最後に、画像相関モーションの計算は、計算処理負荷が大きく、高価な処理回路を必要とし得る。
【０００５】
静電容量モーションセンサの最も一般的な種類は、静電容量センサの小さなアレイを使用して指の位置を検出し、複数の連続的な指の位置を比較することによりモーションを判定する、静電容量トラックパッドである。したがって、静電容量トラックパッドの重大な欠点は、追跡する表面が静電容量センサのアレイ全体を覆う場合には静電容量トラックパッドが機能しないため、指の表面より常に大きくなければならず、一般に、複数の連続的な位置で指の位置を検出するには、さらに大きくなければならないことである。したがって、大きなトラックパッドを表面積が限られている多くの用途に適合させることは困難である。更に、静電容量トラックパッドは、位置の検出に時間がかかるため、高速モーションでは機能しない。より高速のモーションをトラッキングするには、より多くの静電容量センサのアレイが必要になる。
【０００６】
静電容量センサの別の種類は、指紋センサである。指紋センサは、静電容量アレイを使用して、指の隆起と谷との間の静電容量の差を感知することによって、指紋画像を検出する。過去には、後続の画像を比較し、可能な各々のオフセットにおいて画像相関計算を実行してモーションを検出することにより、指紋センサをモーションセンサとして使用する試みがあった。しかしながら、速度が、指紋画像をキャプチャするのに必要な時間及び／又は画像相関を実行する時間によって制限される。モーションが速いほど、画像キャプチャ及び計算が高速になり、最大速度が制限され、センサ領域が増加する。更に、計算には高性能プロセッサが必要になることが多く、コストが増加する。最後に、指紋画像のキャプチャ及び転送は、多くのセキュリティ及びプライバシー上の懸念をもたらす。
【０００７】
したがって、必要な処理能力がより少なく、より小さな感知領域で、高速のモーションを検出することができる、安価なモーションセンサが求められている。モーションセンサが、指紋画像を検出して保存することから生じるセキュリティ上の懸念を生じさせることなく、これらの目的を達成することが更に望ましい。
【発明の概要】
【０００８】
空間周波数に基づく静電容量モーションセンサ及びそれを制御する方法が提供される。一実施形態では、モーションセンサは、アレイに近接する表面の構造における静電容量の変化を静電容量的に感知する、感知セルのアレイを備える。モーションセンサは、アレイからのモーションに依存する出力信号を処理して、アレイの表面に平行な方向における表面のモーションを計測する、マルチプレクサ及びプロセッサを備える処理回路を更に備える。一般に、プロセッサは、プログラムを実行して、アレイの感知セルを相互接続するようにマルチプレクサを制御し、アレイをくし形フィルタとして構成し、静電容量の変化の少なくとも１つの空間周波数成分を検出し、アレイに平行な方向における表面のモーションを計測するように適合される。ある実施形態では、処理回路とアレイは、表面の静電容量の変化によって生じ得る、異なる空間周波数に適応して、モーションが検出されている表面に最大強度を持つ出力信号を生成するために、動作中に感知セルのピッチ及びアレイのサイズを動的に変化させ得るように更に構成される。
【０００９】
本発明の実施形態の更なる特徴及び利点は、本発明の様々な実施形態の構造及びモーションとともに、添付の図面を参照して以下に詳細に記載される。本発明は、本開示に記載される特定の実施形態に限定されないことに留意されたい。これらの実施形態は、例示の目的でのみ、本開示に提示される。追加の実施形態が、本開示に含まれる教示に基づいて、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明の実施形態は、添付の概略図面を参照しながら、例示の目的でのみ、説明され、対応する参照記号は対応する部品を示している。更に、本開示に組み込まれ、本明細書の一部を形成する添付の図面は、本発明の実施形態を示し、説明と共に、本発明の原理を説明し、当業者が本発明を実施及び使用することを可能にするのに役立つ。
【図１】図１は、静電容量アレイの一部の概略ブロック図である。
【図２】図２は、行として示される送信（Ｔｘ）電極と、及び列として示される受信（Ｒｘ）電極とを有する、静電容量アレイの一部の概略図である。
【図３】図３は、送信及び受信マルチプレクサ（ＭＵＸ）を有する静電容量アレイの一部のブロック図である。
【図４Ａ】図４Ａは、空間周波数に基づく静電容量感知セルの線形又は１次元（１Ｄ）アレイの概略ブロック図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａの１Ｄアレイからの出力のグラフである。
【図４Ｃ】図４Ｃは、差動検出器を使用して出力からＤＣ成分を除去するように結合された、複数の交互配置された感知セルを含む、静電容量感知セルの１Ｄアレイの概略ブロック図である。
【図５】図５は、１次元のモーションを空間周波数に基づいて検出する、静電容量感知セルの１Ｄアレイの概略ブロック図である。
【図６Ａ】図６Ａは、２次元のモーションを空間周波数に基づいて検出する、静電容量感知セルの２次元（２Ｄ）アレイの概略ブロック図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａのアレイからの感知セルのブロックの概略ブロック図である。
【図７】図７は、静電容量感知セルのアレイを含み、空間周波数に基づく検出を使用して、２次元のモーションを検出する、静電容量モーションセンサの概略ブロック図である。
【図８Ａ】図８Ａは、事前に構成された送信及び受信マルチプレクサ（ＭＵＸ）を有する２Ｄアレイと、４つの信号（ＣＣ、ＣＳ、ＳＣ、ＳＳ）の第１信号（ＣＣ）を生成するように構成された差動検出器とを含む、モーションセンサの一部のブロック図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、事前に構成された送信及び受信ＭＵＸを有する２Ｄアレイと、４つの信号の第２信号（ＣＳ）を生成するように構成された差動検出器とを含む、モーションセンサの一部のブロック図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、事前に構成された送信及び受信ＭＵＸを有する２Ｄアレイと、４つの信号の第３信号（ＳＣ）を生成するように構成された差動検出器とを含む、モーションセンサの一部のブロック図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、事前に構成された送信及び受信ＭＵＸを有する２Ｄアレイと、４つの信号の第４信号（ＳＳ）を生成するように構成された差動検出器とを含む、モーションセンサの一部のブロック図である。
【図９Ａ】図９Ａは、アレイの中心又はピーク空間周波数の動的な調整を可能にするために様々な送信電極が接地された、送信マルチプレクサの第１の代替構成を示すブロック図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、アレイの中心又はピーク空間周波数の動的な調整を可能にするために様々な送信電極が接地された、送信マルチプレクサの第２の代替構成を示すブロック図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、アレイの中心又はピーク空間周波数の動的な調整を可能にするために様々な送信電極が接地された、送信マルチプレクサの第３の代替構成を示すブロック図である。
【図１０】図１０は、マルチ周波数空間フィルタとして構成され得る静電容量感知セルのアレイを含む空間周波数に基づくモーションセンサを制御するための方法のフローチャートである。
【図１１Ａ】図１１Ａは、４つの感知セルのブロックを示す静電容量感知セルの２Ｄアレイの一部についての概略ブロック図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、２次元のモーションを空間周波数に基づいて検出する代替構成を示す感知セルの２Ｄアレイの一部についての概略ブロック図である。
【図１２】図１２は、くし形フィルタとして構成されたアレイを含む、空間周波数に基づくモーションセンサを制御するための方法のフローチャートである。
【００１１】
本発明の実施形態の特徴及び利点は、図面と併せて以下の詳細な説明から、より明らかになるであろう。図面において、同様の参照番号は、概して、同一の、機能的に同様の、及び／又は構造的に同様の要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書には、本発明の特徴を組み込んだ１つの又は複数の実施形態が開示される。開示された実施形態は、本発明を単に例示するものである。本発明の範囲は、開示された実施形態に限定されない。本発明は、本開示に添付される特許請求の範囲によって定義される。
【００１３】
実施形態（単数又は複数）が記述され、「一実施形態」、「ある実施形態」、「例示的な実施形態」等の明細書における参照は、説明された実施形態が特定の特徴、構造、又は特性を含むが、必ずしも全ての実施形態が特定の特徴、構造、又は特性を含むものではない。更に、これらの用語は、必ずしも同じ実施形態を指しているわけではない。更に、特定の特徴、構造、又は特性が実施形態に関連して説明される場合、明示的に説明されるか否かに関わらず、他の実施形態に関連してこれらの特徴、構造、又は特性をもたらすことは、当業者の知識の範囲内であると理解されたい。
【００１４】
より詳細に様々な実施形態を説明する前に、説明全体にわたって使用されるいくつかの用語について更なる説明を行う。
【００１５】
「空間周波数」は、空間内の位置を横切って周期的な構造又は表面の特性又は特徴、或いは単位時間あたりの一般的な正弦波信号のサイクルの数を意味する。表面は、感知される特性又は特徴、及びモーションの検出に使用される空間周波数に基づくモーションセンサの設計に応じて、潜在的に無限の数の個々の空間周波数の重ね合わせで構成され得る。したがって、本開示で使用される空間周波数に基づくモーションセンサは、モーションセンサに対して動かされた表面の構造の変化から生じる静電容量の変化の１つ又は少数の空間周波数成分を感知するように設計されたものであって、モーションセンサを横切って検出された空間周波数の動きによってモーションを検出するものを指す。以下で更に詳細に説明するように、静電容量の変化は、検出器を横切って移動した指紋の隆起及び谷から、或いは手袋をつけた指の布の手触りテクスチャから生じ得る。
【００１６】
「くし形アレイ」又は「くし形フィルタとして構成されたアレイ」は、周期的に接続された静電容量検出器のアレイを一般的に説明するために本開示で用いられ、そのため、アレイは、アレイからの出力信号の１つの空間周波数成分（及びその奇数次高調波）のフィルタとして機能する。くし形フィルタとして構成された１次元アレイ（１Ｄアレイ）は、単一の長軸に沿って配置され、感知セルの幅と実質的に等しい短軸に沿った幅を有する、複数の感知セルを意味する。このような１Ｄアレイの例は、図４Ａ〜４Ｃ及び５に示され、以下で更に詳細に説明される。くし形フィルタとして構成された２次元アレイ（２Ｄアレイ）は、少なくとも２つの非平行軸に沿って配置された複数の感知セルを意味する。このような２Ｄアレイの１つの例が、図６Ａ及び６Ｂに示されて、以下で更に詳細に説明されており、複数の感知セルが長方形又は正方形のアレイに配置される。この特定の実施形態に示される２Ｄアレイは、隣り合う１Ｄアレイの単なる複数のインスタンスであるように見えるが、２Ｄアレイは、静電容量感知セルが、ｘ方向及びｙ方向の両方において他の感知セルと周期的に接続されるという点で１Ｄアレイとは異なることに留意されたい。図６Ａ及び６Ｂの２Ｄアレイは長方形であるが、これは全ての実施形態において必ずしも当てはまらないことに更に留意されたい。例えば、２Ｄアレイは、３つの非平行軸に沿って配置された感知セルのアレイを含み、六角形の２Ｄアレイを形成してもよい。
【００１７】
本開示の静電容量空間周波数に基づくモーションセンサは、相互容量（mutual capacitance）感知セルと、絶対静電容量感知素子としても知られる自己容量（self-capacitance）感知セルとを含む、様々な種類の静電容量感知セルで実装され得る。
【００１８】
相互容量感知セルの動作原理は、図１を参照して説明される。図１は、相互容量感知セルのアレイ１００の一部の概略ブロック図である。アレイ１００は、絶縁誘電体層又は絶縁体１０６によって分離された送信電極（Ｔｘ電極）１０２及びその上にある受信電極（Ｒｘ電極）１０４の行及び列で構成される。Ｔｘ電極及びＲｘ電極のそれぞれの交差点は、アレイの検出器又は感知セル１０８を形成する。ある実施形態では、絶縁体１０６は、ガラス等の透明材料を含み、Ｔｘ電極１０２及びＲｘ電極１０４は、導電性材料の層から形成される。ある実施形態では、導電性材料は、光学的に透明であり、且つ／又は光の少なくとも一部の波長が実質的に減衰せずにアレイ１００を通過するのに十分に薄いため、静電容量空間周波数に基づくモーションセンサが携帯電話の画面又は光学式指紋センサなどのディスプレイで使用され得る。
【００１９】
制御において、信号がＴｘ電極１０２に印加されるとき、電界線１１０が生成され、Ｒｘ電極１０４に電流が誘導される。ＲＸ感知電極受信信号は、Ｔｘ電極１０２及びＲｘ電極１０４の間の接続静電容量に依存する。これは、いわゆる相互容量である。導電性物体又は表面１１２、或いは単一でない誘電率を有するものがＲｘ電極１０４に近接させられると、相互容量が変化する。単一でない誘電率の表面がそれに近接していない場合の信号と比較して、Ｒｘ電極１０４での信号の変化を計測することにより、表面１１２による相互容量の変化を計算することができる。このような相互容量感知セル１０８のアレイ１００を用いて、Ｔｘ電極１０２及びＲｘ電極１０４をスキャンして、以下に更に詳細に記載されるように限られた数の信号からモーションを判定することができる。指紋が感知セルを横切って又は相対的に移動すると、セルの相互容量の変動又は変化により、受信回路の信号が変化する。
【００２０】
代替的に、アレイは、上板又は基板の上面の電極、又はアレイが形成されるＩＣと、基板の下面のグランドプレーンとの間の静電容量を検出する、複数の自己容量感知セルを含む自己容量アレイであってもよい。
【００２１】
図２は、静電容量アレイ２００の一部を示す概略図であり、送信（Ｔｘ）電極２０２が行として示され、受信（Ｒｘ）電極２０４が列として示される。図における各々の正方形２０６は、Ｔｘ電極２０２及びＲｘ電極２０４の交差点に形成される特定の感知セル２０７によって計測される静電容量の領域を表す。アレイ２００の全体的なサイズは、Ｔｘ電極２０２及びＲｘ電極２０４の大きさ、及び隣り合うＴｘ電極及びＲｘ電極間の距離又は間隔（ピッチとも呼ばれる）に依存する。一般的に、Ｔｘ電極２０２及びＲｘ電極２０４の大きさ、及び隣り合うＴｘ電極及びＲｘ電極間の間隔は、検出されるべき表面の空間周波数成分の推定に基づいて選択され、検出される表面の構造における突起の空間周波数又は特徴と一致してもよく、或いは一致しなくてもよい。
【００２２】
上述のとおり、相互容量アレイのＴｘ電極は信号で駆動され、Ｒｘ電極は、増幅器又は感知回路に接続され、入力信号を計測し、これによって、アレイの感知セルの静電容量を計測する。図３に示されるように、駆動及び感知回路の過度の重複を回避するために、限られた数のＴｘ駆動回路３０２及びＲｘ感知回路３０４が使用され、これらは、それぞれＴｘマルチプレクサ（ＭＵＸ３０６）及びＲｘマルチプレクサ（ＭＵＸ３０８）を介して、アレイ３００に接続される。Ｔｘ駆動回路３０２及びＲｘ感知回路３０４の両方は、図３に示されるように、シングルエンドであってもよく、差動であってもよい。差動モードのＴｘ駆動回路３０２では、Ｔｘ＋信号の反転バージョンであるＴｘ−信号が、生成される。Ｒｘ感知回路３０４では、Ｒｘ＋及びＲｘ−信号は、差動検出器（図示なし）の正及び負の入力に接続される。代わりに、図９Ａから図９Ｃを参照して以下で更に詳細に説明されるように、ＲＸマルチプレクサ３０８は、個々のＲｘ電極のそれぞれが、Ｒｘ＋ライン、Ｒｘ−ラインに接続され得る、或いは接地され得るように構成されてもよい。ＴＸマルチプレクサ３０６は、個々のパネルＴｘ電極のそれぞれがＴｘ＋ライン、Ｔｘ−ラインに接続され得る、或いは接地され得るように構成されてもよい。
【００２３】
１次元のモーションの変位を計測する、空間周波数に基づくモーションセンサにおいて使用される線形又は１次元（１Ｄ）アレイが、図４から図６を参照して、説明される。
【００２４】
図４Ａは、単一の長軸に沿って配置され、感知セルの幅と実質的に等しい短軸に沿った幅を有する、相互又は自己容量感知セル４０２の１Ｄアレイ４００の概略ブロック図である。感知セル４０２が間隔Λで離間されており、１Ｄアレイに近接させた単一でない誘電率を有する表面の変化によって生じる静電容量の変化から成る入力空間信号４０４を計測するように構成される。動作中、感知セル４０２は、ワイヤ合成され（wire-summed）又は一緒に接続され、各々の感知セルからの出力の合計を表す単一の出力信号４０６を生成する。入力空間信号４０４は１次元アレイ４００に関して移動させられ、モーションの量の関数である出力信号４０６を生成する。図４Ｂに示すように、入力空間信号４０４が空間周波数Λで何らかのコンテンツを有するとすると、出力信号４０６は、周波数Λの周期信号となる。これは、入力空間信号４０４の全体のサイズが、空間周波数Λの周期よりもはるかに大きいためであり、アレイ４００は、くし形アレイ又はくし形フィルタとして機能し、複数の基本周波数空間期間にわたって情報を処理し、これは、ある時点で計測された入力空間信号全体が別の時点で計測されたものと非常に類似していることを意味する。１Ｄアレイ４００に対する入力空間信号４０４の変位は、出力信号４０６の位相変化を計測することによって計算され得る。
【００２５】
図４Ｂを参照すると、出力信号４０６に大きなＤＣ成分があることが分かる。図４Ｃに示すように、差動検出器４１０の反転入力に接続された第２の感知セルのセット４０８を追加することにより、ＤＣ成分が取り除かれ得る。図４Ｃを参照すると、差動検出器４１０からの総出力信号ｉＰは、第１の感知セルのセット４０２からの信号ｉ１と、感知セルのセット４０８からのｉ３との差である。図４のアレイ４００において、感知セル４０２、４０８の差動検出及びスペーシングは、ＤＣ及び偶数次の空間高調波をキャンセルする。差動検出器４１０からの出力信号ｉＰの出力信号は以下のとおり表される。
【数１】
2021505985.tif 000003
ここで、ｘは変位であり、Λは出力信号ｉＰの周波数であり、Ｂは定数である。
【００２６】
図４Ｃのアレイ４００からの出力信号ｉＰは、正及び負の方向のモーションを区別できないことに留意されたい。つまり、図４Ｃのアレイ４００はモーションを検出して変位を計測できるが、アレイの長軸に沿ったどの方向で変位が生じたかを判定できない。
【００２７】
図２に示されるように、追加の感知セルを追加することにより、出力信号の同相（in-phase）及び直角位相（quadrature）部分が生成される。したがって、変位の方向は、出力信号の直角位相部分（ｉＱ）が時間的に出力信号の同相部分（ｉＰ）より進んでいるか、又は遅れているかを確認することによって判定され得る。あるいは、ｉＰ及びｉＱは、複素数ベクトルの実数成分及び虚数成分として解釈されることができ、モーションの方向は、ベクトルの位相変化の方向を見ることによって判定され得る。
【００２８】
図５を参照すると、１Ｄアレイ５００は、第１の感知セルのセット５０２ａ、第２の感知セルのセット５０２ｂ、第３の感知セルのセット５０２ｃ、及び第４の感知セルのセット５０２ｄを含む。第１の感知セルのセット５０２ａからの出力（ｉ１）は、ワイヤ合成され又は一緒に接続され、第１の差動検出器５０４ａの非反転入力に接続される。第３の感知セルのセット５０２ｃからの出力（ｉ３）は、一緒に接続され、そして、第１の差動検出器５０４ａの反転入力に接続されて、出力信号の同相部分（ｉＰ）を生成する。第２の感知セルのセット５０２ｂからの出力（ｉ２）は、一緒に接続され、第２の差動検出器５０４ｂの非反転入力に接続される。第４の感知セルのセット５０２ｄからの出力（ｉ４）は、一緒に接続され、第２の差動検出器５０４ｂの反転入力に接続されて、出力信号（ｉＱ）の直角位相部分を生成する。出力信号の同相部分（ｉＰ）は、上述の式（１）で与えられるとおりである。図５の１Ｄアレイ５００からの出力信号の直角位相部分（ｉＱ）は以下のとおり表される。
【数２】
2021505985.tif 000004
ここで、ｘは変位であり、出力信号ｉＱの周波数はΛであり、Ｂは定数である。
【００２９】
４つのセットに接続された複数の個々の感知セル５０２ａ〜ｄを含む１Ｄアレイ５００にも関わらず、１Ｄアレイに接続された差動検出器５０４ａ、５０４ｂからの出力信号は、ｉＰ及びｉＱの２つしか存在しないことに留意されたい。
【００３０】
他の実施形態では、図６Ａ及び６Ｂに示されるように、アレイは、２次元に配置された静電容量感知セルを含む２次元（２Ｄ）アレイである。図６Ａ及び６Ｂは、静電容量感知セルの２Ｄアレイ６０２を含むモーションセンサの一部の概略ブロック図である。図６Ａを参照すると、２次元アレイ６０２の各々の正方形６０４は、Ｔｘ電極６０６及びＲｘ電極６０８の交差点に形成された特定の感知セルによって計測される静電容量の領域を表す。２次元アレイ６０２は、更に、感知セルのグループ又はブロック６１０に分割又は配置されており、静電容量感知セルを有する感知セルの各々のブロックは４’４エレメント・パー・セル（又は４’４エレメント／ピリオド）の構成に配置される。図６Ｂに詳細に示されるように、同じ文字を有する感知セル６１０のブロック内の静電容量感知セルは、ＲＸ  ＭＵＸ６１２に、電気的に接続され、或いはワイヤ合成され、８つの信号６１４、Ａ１からＤ２を生成する。８つのワイヤ合成された信号６１４は、更に、差動検出器６１６によって結合され、ｘ及びｙ方向におけるモーション又は変位から生じる同相及び直角位相情報を含む、４つの出力信号（ＣＣ、ＣＳ、ＳＣ及びＳＳ）を生成する。図６Ｂに示される感知セル６１０のブロックの要素の各々は、図６Ａに示されるように、差動検出器６１６の１つの正（Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１）又は負（Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２）の入力に接続される。
【００３１】
本実施形態で示されるように、２Ｄアレイ６０２が相互容量感知セルのアレイである場合、モーションセンサは、Ｔｘ駆動回路の過度の重複を回避するために、ＴＸ  Ｍｕｘ６１８を更に含んでもよい。あるいは、２Ｄアレイ６０２が自己容量感知セルのアレイである場合、ＴＸ  Ｍｕｘ６１８が省略され、「Ｔｘ電極」が接地又は固定電圧に電気的に接続されてもよい。
【００３２】
図６の２Ｄアレイ６０２の信号（ＣＣ、ＣＳ、ＳＣ及びＳＳ）は、以下のように計算することができる。
【数３】
2021505985.tif 000005
ここで、ｘはｘ次元の変位であり、ｙはｙ次元の変位であり、Λは出力信号の周波数であり、Ａは定数である。
【００３３】
２Ｄアレイ６０２が、複数の感知セルのブロックのグループ６１０にグループ分けされた、複数の個々の感知セルを含んでおり、且つ、４つのそれぞれ異なる差動検出器６１６に接続された、８つのワイヤ合成された信号６１４を提供しているにも関わらず、システム全体では、４つの出力信号（ＣＣ、ＣＳ、ＳＣ、及びＳＳ）のみが生成されることに再度留意されたい。処理されるべき信号が４つのみであるため、プロセッサの速度及びメモリの要件は、画像相関を使用する光学又は静電容量モーションセンサの他の実装に必要な要件よりもはるかに少なくなる。４つの信号のみが生成され、指紋画像は検出されず、又はメモリに保存されないことを再度理解されたい。
【００３４】
その後、変位は、４つの信号のＣＣ、ＣＳ、ＳＣ、及びＳＳから判定されることができ、ＰＩ、ＰＱ、ＭＩ、ＭＱと示される「正」及び「負」の信号を計算することによって、以下のように定義することができる。
【数４】
2021505985.tif 000006
【００３５】
これらのＰ及びＭ信号は、大きさが信号の強さに比例し、位相が感知セルに沿った変位を表すベクトルとして扱うことができる。３６０度の位相回転は、Λのモーション変位、感知セルの分離を表す。
【００３６】
２Ｄアレイ６００が、それぞれが特定の数の個々の感知セル６０４を有する、特定の数の感知セルのブロック６０６のアレイを有しているものとして、図６Ａ及び図６Ｂに示され、上述されたが、他の実施形態及び構成が可能であることを理解されたい。Ｒｘ及びＴｘマルチプレクサ（図示せず）の設定を変更して、Ｔｘマルチプレクサによって駆動され、及び／又はＲｘマルチプレクサによって差動検出器６０８に接続された感知セル６０４を変更することで、２Ｄアレイ６００の感知セルのブロック６０６の数と、各々の感知セルのブロックの個々の感知セル６０４の数との両方が増やされ、或いは減らされる。つまり、本方法は、ＣＣ信号の生成のためにＲｘ及びＴｘマルチプレクサを構成して、ＣＣ信号をスキャン及び計測することと、ＣＳ信号の生成のためにＲｘ及びＴｘマルチプレクサを構成して、ＣＳ信号をスキャン及び計測することと、ＳＳ信号の生成のためにＲｘ及びＴｘマルチプレクサを構成して、ＳＳ信号をスキャン及び計測することと、ＳＣ信号の生成のためにＲｘ及びＴｘマルチプレクサを構成して、ＳＣ信号をスキャン及び計測することとを含む。感知セルのブロック６０６を加えることで、より高い信号強度が得られるが、アレイ領域が大きくなり、検出できる表面の種類を制限する空間周波数検出の帯域幅が減少し、特定の用途に最適化され得るトレードオフを作成する。より大きな感知セルのブロック６０６、すなわち、より多くの個々の感知セル６０４を含む感知セルのブロックは、より良いモーション精度を提供するが、追跡され得る表面の種類を制限し、特定の用途に最適化され得るトレードオフを生じる。
【００３７】
図７は、静電容量感知セルの２Ｄアレイ７０２を含み、２次元のモーションを検出するために空間周波数に基づく検出を使用する、静電容量モーション感知システム又はモーションセンサ７００の概略ブロック図である。図７を参照すると、モーションセンサ７００は、２Ｄアレイ７０２に加えて、２Ｄアレイからのモーション依存出力信号を処理して２Ｄアレイの表面に平行な方向における表面のモーションを計測する処理回路７０４を含む。図示の実施形態では、処理回路７０４は、２Ｄアレイ７０２のＴｘ電極（図示なし）を駆動するための送信駆動回路及びマルチプレクサ（Ｔｘ及びＭＵＸ７０６）、受信感知回路及びマルチプレクサ（Ｒｘ及びＭＵＸ７０８）、及びプロセッサ７１０を含む。上述のとおり、プロセッサ７１０は、ＲｘおよびＭＵＸ７０８を制御して、２Ｄアレイ７０２からの出力信号を合成して、ｘ及びｙ軸に沿ったモーションから生じる２Ｄアレイからの出力信号から同相及び直角位相情報を含む４つの信号（ＣＣ、ＣＳ、ＳＣ、及びＳＳ）を生成する。次に、プロセッサ７１０は、プログラム又はアルゴリズムを実行して、Ｒｘ及びＭＵＸ７０８から出力された４つの信号（ＣＣ、ＣＳ、ＳＣ、及びＳＳ）に基づいて、上述の式（７）から式（１０）によって、モーションを計算する。
【００３８】
処理されるべき信号が４つのみであるため、プロセッサ７１０の処理時間、処理能力、及びメモリの要件は、画像相関を使用する光学又は静電容量モーションセンサの他の実装に必要な要件よりもはるかに少なく、これにより、従来のモーションセンサよりも、特定のサンプル及びプロセス時間の高速なモーションの検出及び計測を可能にする。上述の１Ｄ又は２Ｄアレイを含む空間周波数に基づく静電容量モーションセンサは、より少ない必要な処理能力で、且つ、より小さなアレイ又は感知領域で、１，０００ｍｍ／秒を超えるモーションを検出できる。一実施形態では、２Ｄアレイを含む空間周波数に基づく静電容量モーションセンサは、４×４ｍｍ未満の感知領域、及び４８ＭＨｚプロセッサの１０％未満の負荷で実装された。典型的なトラックパッドは、およそ２５×２５ｍｍであり、画像相関を使用する静電容量モーションセンサは、一般に１００ｍｍ／秒を超えるトラッキング速度を達成できない。
【００３９】
本開示の空間周波数に基づく静電容量モーションセンサが、指紋画像を検出、処理、及び記憶することのセキュリティ上の問題なしに、これらの結果を達成することを更に理解されたい。外部制御が利用できない、プロセッサ７１０の直接制御下において、Ｒｘ  ＭＵＸ７０８及びＴｘ  ＭＵＸ７０６の設定により、２Ｄアレイ７０２は、感知された表面の画像をキャプチャするために使用されることができず、指紋画像を読み取り、保存、又は報告することを不可能にする。この指紋画像を読み取り、保存し、或いは報告することができないことは、望ましいセキュリティ特性である。
【００４０】
モーションセンサ７００のコンポーネントは、１つ又は複数の集積回路（ＩＣ）に実装されることができ、共通のマルチチップモジュール（ＭＣＭ）内にパッケージ化された、又はプリント回路基板（ＰＣＢ）に実装された個別のコンポーネントとして実装されることができ、あるいは、共通又は共有基板上の単一のＩＣとして一体的に形成されることができる。例えば、一実施形態では、２Ｄアレイ７０２、Ｔｘ及びＭＵＸ７０６、並びにＲｘ及びＭＵＸ７０８は、ＰＣＢに実装された単一のＩＣとして一体的に形成されることができ、或いは別のＩＣ上に形成されたプロセッサ７１０とともにパッケージ化されることができる。
【００４１】
図８Ａから図８Ｄは、２Ｄアレイ８００、送信マルチプレクサ（Ｔｘ  ＭＵＸ８０２）、受信マルチプレクサ（Ｒｘ  ＭＵＸ８０４）、差動検出器８０６、及びＴｘ駆動回路８０８を含む、モーションセンサの一部のブロック図である。これらの図の各々のＴｘ  ＭＵＸ８０２及びＲｘ  ＭＵＸ８０４は、４つの信号（ＣＣ、ＣＳ、ＳＣ、及びＳＳ）のうちの１つを生成するように構成される。
【００４２】
図８Ａは、Ｔｘ  ＭＵＸ８０２及びＲｘ  ＭＵＸ８０４が図示のように構成され、検出スキャンが実行され、ＣＣ信号が生成される、第１の構成を示す。
【００４３】
図８Ｂに示される第２の構成では、Ｔｘ  ＭＵＸ８０２の構成は同一のままで、Ｒｘ  ＭＵＸ８０４が、受信（Ｒｘ）電極８１０を変更するように再構成されており、Ｒｘ電極は、差動検出器８０６の反転入力（Ｒｘ−）に接続するように一緒に接続され、且つ、Ｒｘ電極は、差動検出器の非反転入力（Ｒｘ＋）に接続するように一緒に接続される。それから、第２の検出スキャンが実行され、ＣＳ信号が生成される。
【００４４】
図８Ｃで示される第３の構成では、Ｒｘ  ＭＵＸ８０４の構成は、図８Ｂに示されるものと変わらず、一方で、Ｔｘ  ＭＵＸ８０２が、電気的な接地８１２に接続された送信（Ｔｘ）電極を変更するように再構成されており、Ｔｘ電極は、Ｔｘ駆動回路８０８の正の駆動信号（Ｔｘ＋）に接続するように一緒に接続され、且つ、Ｔｘ電極は、Ｔｘ駆動回路の負の駆動信号（Ｔｘ−）に一緒に接続される。それから、第３の検出スキャンが実行され、ＳＣ信号が生成される。
【００４５】
図８Ｄで示される第４の構成では、Ｔｘ  ＭＵＸ８０２の構成は、図８Ｃに示されるものと変わらず、一方で、Ｒｘ  ＭＵＸ８０４は、電気的な接地８１２に接続されたＲｘ電極８１０を変更するように再構成され、Ｒｘ電極は、差動検出器８０６の反転入力（Ｒｘ−）に接続するように一緒に接続され、且つ、Ｒｘ電極は、差動検出器の非反転入力（Ｒｘ＋）に接続するために一緒に接続される。それから、第４の検出スキャンが実行され、ＳＳ信号が生成される。
【００４６】
これらの４つの信号（ＣＣ、ＣＳ、ＳＣ、ＳＳ）は、それから、プログラム又はアルゴリズムを実行するプロセッサ（図示なし）によって、４つの信号に基づいてモーションを計算するために使用される。
【００４７】
ある実施形態では、アレイの中心又はピーク空間周波数は、モーションセンサに対して移動した表面の構造の変化から生じる静電容量の変化の空間周波数成分と実質的に一致するように選択される。例えば、移動する表面が指又は指先である場合、これらの変化の一般的な原因の１つは、指紋の隆起及び谷である。指紋の隆起間の平均距離又は平均周期は、一般的に平均隆起幅又はＭＲＢ（Mean Ridge Breadth）と呼ばれ、ユーザに依存し、年齢、性別、身長又はサイズ、並びにユーザの民族性に応じて、３００〜６００μｍで異なる。アレイがくし形フィルタとして機能できるピーク周波数又は周波数の範囲は、一般に、感知セル間の物理的な間隔又はピッチによって決まる。しかしながら、本開示のモーションセンサの処理回路は、ある実施形態では、Ｒｘ  Ｍｕｘを制御するプロセッサによって動的に、自動的に変更されて、感知セル間の相互接続を変更することができる。したがって、アレイのピーク空間周波数を特定のＭＲＢに一致させて、信号強度、追跡速度、及び精度を最大化することができる。
【００４８】
一実施形態では、モーションセンサはくし形フィルタとして構成されたアレイ含み、送信（Ｔｘ）電極によって駆動される、又は受信（Ｒｘ）電極によって検出される感知セル間に、より多くの接地感知セルを配置するか、あるいは、より少ないＲｘ電極を接続することによって、より低いピーク周波数を実現するためにピーク周波数が動的に調整される。図９Ａから図９Ｃに示される、本実施形態の１つの変形例では、感知セルは、プロセッサ（図示せず）を使用して、Ｔｘ  ＭＵＸ９００を構成することで接地され、代替のＴｘ電極９０２が電気的な接地９０４に接続され、これらの接地された電極に関連付けられた感知セルがＴｘ信号によって駆動されず、実質的に電荷を蓄積せず、或いは静電容量の変化が計測可能でない。
【００４９】
図９Ａを参照すると、第１の実施形態では、モーションセンサのプロセッサ（図示せず）が、プログラムを実行し、Ｔｘ  ＭＵＸ９００を動作又は構成させて、代替のＴｘ電極９０２ａがノード９０６を介して接地される。プロセッサは、それから、接地されていないＴｘ電極９０２ｂの正及び負の駆動信号（Ｔｘ＋、Ｔｘ−）を駆動させ、１／（４ｄ）に等しいアレイの中心又はピーク周波数Ｆ１を提供する。ここで、ｄは、隣り合うＴｘ電極の間隔である。
【００５０】
図９Ｂを参照すると、第２の実施形態では、プロセッサはＴｘ  ＭＵＸ９００を構成して、接地されていないＴｘ電極９０２ｂ間の、隣り合う接地されたＴｘ電極９０２ａの対が、１／（６ｄ）に等しいアレイピーク周波数Ｆ２を提供する。
【００５１】
図９Ｃを参照すると、第３の実施形態では、プロセッサは、Ｔｘ  ＭＵＸ９００を構成し、接地されていないＴｘ電極９０２ｂの対の間の、隣り合う接地されたＴｘ電極９０２ａの対が接地され、１／（８ｄ）に等しいアレイピーク周波数Ｆ３を提供する。
【００５２】
制御において、モーションセンサのプロセッサは、異なる２つ以上のアレイピーク周波数Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３で複数の検出スキャンを自動的に実行して、ピーク周波数Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３でのアレイからの出力信号の信号の大きさ（ＳＦ１、ＳＦ２、及びＳＦ３）に基づいて、変位（モーション）計算の処理に使用されるスキャンサイクルを含むデータを判定するように構成され得る。信号の大きさ（ＳＦ１、ＳＦ２及びＳＦ３）は、以下の式を使用して計算され得る。
【数５】
2021505985.tif 000007
ここで、Ｐｉは、上述のとおり、ＣＣ−ＳＳから判定される正の同相ベクトルである。Ｐｑは、ＣＳ＋ＳＣから判定される正の直角位相ベクトルである。Ｍｉは、ＣＣ＋ＳＳから判定される負の同相ベクトルである。そして、ＭｑはＣＳ−ＳＣから判定した負の直角位相ベクトルである。
【００５３】
信号の大きさの計算に使用される出力信号は変位の計算にも使用できるため、変位（モーション）を計算する前に、選択されたピーク周波数でのスキャンを繰り返す必要はない。同様に、ＭＲＢが短期間に大きくも早くも変化しない可能性が高いため、モーションセンサに近接する表面を検出した後、変位を計算する前に、異なるアレイピーク周波数Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３の各々で複数の検出スキャンを繰り返す必要はない。むしろ、プロセッサは、所定の時間の後、又は所定の数のスキャンの後、或いは使用されるピーク周波数の信号の大きさが所定の閾値を下回ったときに、信号の大きさ（ＳＦ１、ＳＦ２、及びＳＦ３）をチェックするように構成され得る。
【００５４】
静電容量モーションセンサに基づいてマルチ周波数の空間周波数を制御する方法について、図１０を参照して説明する。図１０は、マルチ周波数空間フィルタとして構成又は再構成され得る静電容量感知セルのアレイを含むモーションセンサを空間周波数に基づいて制御する方法を示すフローチャートであり、図１０Ａから図１０Ｃに示されるように、相互接続された感知セルの間の１つ又は複数の送信（Ｔｘ）電極を接地することで、より低いピーク周波数が達成される。図１０を参照すると、本方法は、図１０Ａに示されるように、Ｔｘ  ＭＵＸ１０００を構成することから始まり、これにより、代替のＴｘ電極１００２が接地され、Ｆ１のアレイピーク周波数を提供し、アレイの受信（Ｒｘ）電極のスキャンを実行する（ステップ１００２）。次に、Ｔｘ  ＭＵＸ１０００は、図１０Ｂに示されるように、Ｔｘ電極のペア１００２が、接地されていないＴｘ電極の間で設置されており、Ｆ２のアレイピーク周波数を提供し、アレイのＲｘ電極の第２のスキャンを実行する（ステップ１００４）。その後、正（Ｐ）及び負（Ｍ）の信号の大きさ（ＳＦ１及びＳＦ２）が、上述の式を使用して、Ｆ１及びＦ２スキャンについて計算される（ステップ１００６）。そして、信号の大きさＳＦ１及びＳＦ２が比較される（ステップ１００８）。信号の大きさＳＦ１が信号の大きさＳＦ２よりも大きい場合、Ｆ１データが変位（モーション）計算に使用される（ステップ１０１０）。信号の大きさＳＦ１が信号の大きさＳＦ２よりも大きくない場合、Ｆ２データが変位（モーション）計算に使用される（ステップ１０１２）。しかし、図１０に示され上述されたマルチ周波数の空間周波数に基づく静電容量モーションセンサを制御する方法は、２つのピーク周波数Ｆ１及びＦ２のみでのスキャンを使用し、Ｔｘ  ＭＵＸ１０００の再構成及び計算は、モーションセンサのプロセッサによって自動的且つ迅速に実行されるため、本方法は、図１０Ａから図１０Ｃを参照して上述されるように、モーションセンサの性能を大幅に低下させることなく、例えば、Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３などの複数のピーク周波数で追加のスキャンを実行するように拡張され得ることを理解されたい。
【００５５】
他の実施形態では、図１１Ａ及び１１Ｂを参照して説明されるように、モーションセンサの処理回路を使用して、２Ｄアレイ内の感知セルのブロックのサイズ、形状又は向きを変更することができる。図１１Ａは、各々が４’４エレメント・パー・セル（又は４’４エレメント／ピリオド）の構成に配置された感知セル１１０６を有している、４つの感知セルのブロック１１０４を含む、２Ｄアレイ１１０２の一部を示している。各々の感知セルのブロック１１０４内の感知セル１１０６、並びに感知セルのブロックは、図６Ａ及び図６Ｂを参照して説明されるように、８つの信号Ａ１からＤ２を生成するように電気的に接続され、或いはワイヤ合成される。図１１Ｂを参照すると、感知セル１１０６間の相互接続がマルチプレクサを使用して変更され、２Ｄアレイ１１０２内の感知セルのブロック１１０４の向きを４５度だけ効果的に回転させ、感知セルのブロック内の個々の感知セル間のピッチ又は間隔を増加させることで、その結果、ピーク空間周波数が略４１％変化する。
【００５６】
空間周波数に基づいて静電容量モーションセンサを制御する方法を、図１２のフローチャートを参照して説明する。図１２を参照すると、第１のステップでは、モーションセンサ内の静電容量感知セルのアレイを使用して、アレイに近接する表面によって引き起こされるアレイにわたる静電容量変化のマップが生成される（ステップ１２０２）。図５、図６Ａ及び図６Ｂに関連して示され、上述されるように、これは、アレイをくし形フィルタとして構成して、単一の空間周波数のみでの静電容量の変化のマップを生成することによって達成され得る。あるいは、静電容量マップを生成することは、表面の完全な静電容量マップ画像を含むことができ、それから少なくとも１つの空間周波数が続いて検出され得る。次に、空間周波数が、アレイに近接する表面によって引き起こされるアレイにわたる静電容量の変化で検出され（ステップ１２０４）、表面が、アレイに対して、アレイの表面に平行な方向に移動又は変位する（ステップ１２０６）。この表面の変位により、表面の変位の関数であり、空間周波数での周期的信号である出力信号が生成される（ステップ１２０８）。上述のとおり、アレイは少なくとも２つの非平行な軸を含む２Ｄアレイであり、このステップは、一般的に、２Ｄアレイからの出力信号を合成して、軸に沿ったモーションから生じる同相及び直角位相情報を含む４つの信号（ＣＣ、ＣＳ、ＳＣ、及びＳＳ）を生成することを含む。プロセッサは、それからプログラム又はアルゴリズムを実行して、Ｒｘ及びＭＵＸから出力された４つの信号（ＣＣ、ＣＳ、ＳＣ、及びＳＳ）の出力に基づいて、上述の式（３）から式（６）によって、モーションを計算する。それから、出力信号の位相変化が計測され（ステップ１２１０）、アレイに対する表面の変位が、式（７）から（１０）を用いて、Ｐ及びＭ信号を計算することによって、出力信号から判定される（ステップ１２１２）。上述のとおり、これらのＰＩ、ＰＱ、ＭＩ、及びＭＱは、ベクトルとして扱うことができ、大きさが信号の強度に比例し、位相が感知セルに沿った変位を表す。
【００５７】
本開示に記載される１Ｄ又は２Ｄアレイを含む空間周波数に基づく静電容量モーションセンサは、表面のモーション感知を必要とする任意のシステム又はデバイスに含まれ得ることを理解されたい。実施例には、データを入力し、スクロールリストのアイテムをスクロール又は選択し、或いはディスプレイのアイコンフィールド又は画像でカーソルを再配置するために、コンピュータ又はモバイルデバイスに使用される、フィンガーナビゲーションシステムが含まれる。更に、空間周波数に基づく静電容量式モーションセンサは頑丈なデバイスであり、振動及び周囲の照明などの環境条件の影響を受けないため、自動車のステアリングホイール、ダッシュボード、又はコンソールに取り付けられたユーザインターフェイスでの使用に特に適しており、オーディオの音量、座席の位置、温度調節の温度などの変更など、モーションに基づいてタスクを実行する。
【００５８】
概要及び要約のセクションではなく、詳細な説明のセクションが、特許請求の範囲を解釈するために使用されるものであることを更に理解されたい。概要及び要約のセクションは、発明者によって企図される本発明の例示的な実施形態の全てではなく、１つ又は複数を説明し得るものであり、したがって、決して本発明及び添付の特許請求の範囲を限定するものではない。
【００５９】
このように、静電容量感知セルのアレイを含み、空間周波数検出を使用してアレイに対する表面のモーションを検出する、空間周波数に基づくモーションセンサが開示される。本発明の実施形態が、特定された機能及びそれらの関係の実装を示す機能的及び概略的なブロック図を用いて上述された。これらの機能的構成要素の境界は、説明の便宜上、本明細書では定義される。特定された機能及びそれらの関係が適切に実行される限り、代替の境界が定義されてもよい。
【００６０】
特定の実施形態について上述した説明は、当該技術の範囲内の知識を適用することにより、これらの特定の実施形態の様々な用途に容易のために修正及び／又は適用し、過度の実験なしで、本発明の一般的な概念から逸脱することなく、他の人が発明を実施できるように、発明の一般的な性質を完全に開示するであろう。したがって、そのような適用及び修正は、本明細書に提示された教示及びガイダンスに基づいて、開示された実施形態の均等物の意味及び範囲内であることが意図される。本明細書の専門的表現又は専門用語は限定ではなく説明を目的とするものであり、本明細書の専門的表現又は専門用語が教示及びガイダンスに照らして当業者によって解釈されるものであることを理解されたい。
【００６１】
本発明の広さ及び範囲は、上述した例示的な実施形態のいずれによっても限定されるべきではなく、以下の特許請求の範囲及びその均等物によって定義されるべきである。
【図１】
2021505985.tif 000008
【図２】
2021505985.tif 000009
【図３】
2021505985.tif 000010
【図４Ａ】
2021505985.tif 000011
【図４Ｂ】
2021505985.tif 000012
【図４Ｃ】
2021505985.tif 000013
【図５】
2021505985.tif 000014
【図６Ａ】
2021505985.tif 000015
【図６Ｂ】
2021505985.tif 000016
【図７】
2021505985.tif 000017
【図８Ａ】
2021505985.tif 000018
【図８Ｂ】
2021505985.tif 000019
【図８Ｃ】
2021505985.tif 000020
【図８Ｄ】
2021505985.tif 000021
【図９Ａ】
2021505985.tif 000022
【図９Ｂ】
2021505985.tif 000023
【図９Ｃ】
2021505985.tif 000024
【図１０】
2021505985.tif 000025
【図１１Ａ】
2021505985.tif 000026
【図１１Ｂ】
2021505985.tif 000027
【図１２】
2021505985.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】令和2年6月8日(2020.6.8)
【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】
感知セルのアレイであって、前記アレイに近接する検出された表面の構造における静電容量の変化を静電容量的に感知する、感知セルのアレイと、
前記アレイからのモーションに依存する出力信号を処理して、前記アレイの感知表面に平行な方向における前記検出された表面のモーションを計測する、マルチプレクサ及びプロセッサを備える、処理回路と、
を備える、モーションセンサであって、
前記プロセッサは、プログラムを実行して、少なくとも２つの交互配置された感知セルのグループであって、感知セルのグループの各々の感知セルが前記検出された表面の前記構造における前記静電容量の変化の空間周波数成分の推定に基づいて周期的に離間されている感知セルのグループに、前記アレイの前記感知セルを相互接続するように前記マルチプレクサを制御し、前記アレイをくし形フィルタとして構成し、前記静電容量の変化の少なくとも１つの空間周波数成分を検出し、前記アレイに平行な方向における前記検出された表面のモーションを計測するように適合される、モーションセンサ。
【請求項２】
前記アレイは、それに対して移動する前記検出された表面よりも小さい感知領域を備える、請求項１に記載のモーションセンサ。
【請求項３】
前記アレイは、少なくとも２つの非平行軸に沿って配置された感知セルを備える、２次元アレイである、請求項１に記載のモーションセンサ。
【請求項４】
前記処理回路は、前記マルチプレクサと前記プロセッサとの間に接続され、前記２つの非平行軸に沿ったモーションから生じる前記２次元アレイからの出力信号からの同相及び直角位相信号を含む４つの信号を生成する、差動検出器を更に含む、請求項３に記載のモーションセンサ。
【請求項５】
前記プロセッサは、前記４つの信号を処理して、前記２つの非平行軸の各々に沿った方向におけるベクトルを生成するように更に適合され、前記ベクトルの大きさは、前記直角位相信号の強度を表し、前記ベクトルの方向の変化は前記２つの非平行軸に沿ったモーションを表す、請求項４に記載のモーションセンサ。
【請求項６】
前記プロセッサは、前記マルチプレクサを制御して前記感知セルの相互接続を変更し、前記アレイの前記感知セルによって感知される前記空間周波数成分の周波数を変更するように更に適合される、請求項５に記載のモーションセンサ。
【請求項７】
前記プロセッサは、前記アレイの前記感知セルによって感知された前記空間周波数成分の異なる周波数における前記４つの信号の強度を比較し、前記マルチプレクサを制御して、モーションが検出されている前記検出された表面に最大強度を有する出力信号の周波数を選択するように更に適合される、請求項６に記載のモーションセンサ。
【請求項８】
前記アレイは、第１方向に延びる複数の受信電極（Ｒｘ電極）と、前記第１方向と平行ではない第２方向に延びる複数の送信電極（Ｔｘ電極）とを備える相互容量アレイであって、前記複数のＲｘ電極は絶縁体によって前記Ｔｘ電極から分離されており、Ｔｘ電極及びＲｘ電極の交差点の各々は、前記アレイ内で相互容量感知セルを形成する、請求項１に記載のモーションセンサ。
【請求項９】
前記アレイは、前記処理回路に接続され第１方向に延びる複数の第１電極と、ＤＣ電圧レベルに接続され前記第１方向と平行ではない第２方向に延びる複数の第２電極とを備える自己容量アレイであって、前記複数の第１電極は絶縁体によって前記第２電極から分離されており、第１及び第２電極の交差点の各々は、前記アレイ内で自己容量感知セルを形成する、請求項１に記載のモーションセンサ。
【請求項１０】
前記検出された表面は、指の表面であって、前記検出された表面の前記構造における前記静電容量の変化は、指紋の隆起及び谷から生じる、請求項１に記載のモーションセンサ。
【請求項１１】
前記指紋の画像は、前記モーションセンサによって生成されず、それに接続されたメモリに格納されない、請求項１０に記載のモーションセンサ。
【請求項１２】
前記検出された表面は、手袋の表面であって、前記検出された表面の前記構造における前記静電容量の変化は、前記手袋の前記表面上の布のテクスチャから生じる、請求項１に記載のモーションセンサ。
【請求項１３】
感知セルの２次元アレイ（２Ｄアレイ）であって、少なくとも２つの非平行軸に沿って配置され、前記２Ｄアレイに近接する指の指紋の隆起及び谷から生じる静電容量の変化を静電容量的に感知する、感知セルの２Ｄアレイと、
少なくとも２つの交互配置された感知セルのグループであって、感知セルのグループの各々の感知セルが前記指紋の構造における前記静電容量の変化の空間周波数成分の推定に基づいて周期的に離間されている感知セルのグループに、前記２Ｄアレイの前記感知セルを相互接続して、前記２Ｄアレイをくし形フィルタとして構成し、前記静電容量の変化の少なくとも１つの空間周波数成分を検出し、前記２Ｄアレイに平行な方向における前記指のモーションを計測する、プロセッサを備える処理回路と、
を備える、モーションセンサであって、
前記指紋の画像は、前記モーションセンサによって生成されず、それに接続されたメモリに格納されない、モーションセンサ。
【請求項１４】
前記処理回路は、前記指のモーションから生じる前記２Ｄアレイからの出力信号から同相及び直角位相信号を含む４つの信号を生成するように構成される、請求項１３に記載のモーションセンサ。
【請求項１５】
前記プロセッサは、前記感知セルの相互接続を変更し、前記２Ｄアレイの前記感知セルによって感知される前記空間周波数成分の周波数を変更するように構成される、請求項１４に記載のモーションセンサ。
【請求項１６】
前記プロセッサは、前記２Ｄアレイの前記感知セルによって感知された前記空間周波数成分の異なる周波数における前記４つの信号の強度を比較し、前記感知セルの相互接続を変更して、前記４つの信号が最大強度を有する前記空間周波数成分の前記周波数を選択するように更に適合される、請求項１５に記載のモーションセンサ。
【請求項１７】
前記検出された表面は、スタイラスの表面であり、前記検出された表面の前記構造における前記静電容量の変化は、前記スタイラスの前記表面の変化から生じる、請求項１に記載のモーションセンサ。
【請求項１８】
モーションセンサの静電容量感知セルのアレイを使用して、前記アレイに近接する検出された表面によって引き起こされる前記アレイにわたる静電容量の変化のマップを生成することと、
前記マップ内の少なくとも第１空間周波数を検出することと、
前記アレイの感知表面に平行な方向において、前記アレイに対して前記検出された表面を変位させることと、
前記検出された表面の前記変位の関数である出力信号を生成することであって、前記出力信号は前記第１空間周波数での周期的信号であることと、
前記出力信号の数の位相変化を判定することと、
前記位相変化から前記検出された表面の変位の計算することと、
を含み、
静電容量の変化のマップを生成することは、少なくとも２つの交互配置された感知セルのグループであって、感知セルのグループの各々の感知セルが前記第１空間周波数の推定に基づいて周期的に離間されている感知セルのグループに、前記アレイの前記静電容量感知セルを相互接続することを含み、くし形フィルタとして前記アレイを構成して、前記第１空間周波数での前記静電容量の変化の前記マップを生成することを含む、方法。
【請求項１９】
静電容量の変化のマップを生成することは、前記検出された表面の完全な静電容量マップ画像を生成することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記アレイを構成することは、第１の感知セルのグループからの出力を相互接続することと、第２の感知セルのグループからの出力を相互接続して、各々のグループの相互接続された感知セルが前記アレイの軸の少なくとも１つに沿って、前記第１空間周波数に比例する間隔で、交互配置され及び離間される、請求項１８に記載の方法。
【国際調査報告】
2021505985.tif 000029