(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレイ装置に結合されるナビゲーション装置であって、
複数のセンサ要素をストライプ状に並べた第１のセンサアレイと、
この第１のセンサアレイに含まれるセンサ要素に対する相対位置が既知のセンサ要素を含む第２のセンサアレイと、
を備えていて、前記第２のセンサアレイに含まれているセンサ要素と、前記第１のセンサアレイに含まれているセンサ要素との間の距離は、前記第１のセンサアレイに含まれているセンサ要素どうしの間隔より長く、各センサ要素が予め決められたパラメータの変化を記録する検出手段に結合されていて、
更に、各センサ要素での変化時を決定するタイミング手段と、
センサ要素の相対位置と記録された変化間の所要時間とに基づいて、記録された変化の方向と速度とを計算する計算手段と、
を備えたことを特徴とするナビゲーション装置。
【請求項２】
記録された時間が、センサ要素での予め決められたしきい値を超えることに関係付けられている請求項１に記載のナビゲーション装置。
【請求項３】
ディスプレイで測定された動きを表示するために計算手段に結合されたディスプレイ装置を備えた請求項１に記載のナビゲーション装置。
【請求項４】
センサ要素で測定されたパラメータが選択された間隔でサンプルをとられ、測定された値が選択されたしきい値と比較され、記録された時間が記録時のサンプル番号に相当する請求項１に記載のナビゲーション装置。
【請求項５】
しきい値を超える所要時間が記録される請求項１に記載のナビゲーション装置。
【請求項６】
センサが、センサの近傍で指の表面の選択されたパラメータを測定するのに適用された指スキャナーに関係付けられている請求項１に記載のナビゲーション装置。
【請求項７】
測定パラメータが、センサに近接した指のキャパシタンスである請求項６に記載のナビゲーション装置。
【請求項８】
計算された方向と速度とが受け入れることができる値の範囲と比較される請求項１に記載のナビゲーション装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示装置に結合されるナビゲーション装置に関し、特に、指紋（フィンガー）スキャナー及びそれに係る装置からの信号をもとにした動き検出に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
バイオメトリクスの市場は急速に成長し、産業が次第に主流になりつつある。しかしながら、バイオメトリクスが消費者市場に浸透していくには、価格及び性能（例えば、電力消費）の両方において条件が厳しい。
【０００３】
現在、指紋スキャナーは一般的には純粋な取込（キャプチャー）装置であり、信号処理の責任はホスト側に残ったままである。例えば、移動電話に組み込むためには、処理電力の使用及び信号処理のメモリに関しても条件が厳しい。それにもかかわらず、これらの処理は成熟し、指紋スキャナー装置に組み込みうるので、条件が適用される。
【０００４】
マトリックス指紋スキャナーのサイズは、センサがＩＣから分離されるならば、相互接続のために、通常、取り込まれる指紋イメージのサイズに制限される。価格は通常、シリコンダイのサイズによく比例するので、マトリックス指紋スキャナーの価格が大きく低下することは期待できない。しかしながら、ストライプ指紋スキャナーについては、ユーザーがセンサ要素の一又は二以上のアレイ全体にわたり指を掃引するところでは、チャネルの数は劇的に減少し、センサとＩＣとの分離が可能となり、ＩＣのサイズは指紋イメージのサイズに制限されない。コースのチャネルの減少も、実質的にダイのサイズの減少に寄与する。価格とＩＣのサイズとは非常に関係しているので、ストライプ型指紋スキャナーは消費者市場でブレークする可能性を有する。
【０００５】
国際特許出願PCT/NO98/00182は、指がスキャナー上を移動することが必要なストライプ型指紋スキャナーであって、指の表面についての情報をサンプルに取り、指のイメージの２次元表示を生成するものを記載している。
【０００６】
ストライプ指紋スキャナーでは、ユーザーは様々な速度で指をスキャナーの上で引くことができなければならない。指紋スキャナーが固定速度でサンプルをとると、これによって、指の速度を検出し、サンプルをとられる列を再配置することによって再配置された指のイメージの軸が等しくかつ線形になる方法が可能となる。
【０００７】
ＰＤＡや移動電話のようなメニューで制御される電子機器は、ユーザーがメニューから選択できるようにするためにディスプレイに結合されたある種の制御装置が必要となる。これは、タッチ型ディスプレイのようなポインター装置、ナビゲーションホイール又はタッチ型パッドを用いて実施されてもよく、これらは装置価格に付加される。本発明の目的は、指紋センサ技術に基づいたナビゲーション装置を提供することであり、ここで、センサは製品にハードウェア又はソフトウェアを付加することなく、新たな機能を得るものである。
【０００８】
特に移動電話のような小さなユニットに関連する場合には、ディスプレイ上のメニューは単純化され、例えば、上、下、右、左のように限られた数の方向へのナビゲーションが必要となるだけである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的は、上述のようなナビゲーション装置であって、互いに対する位置が既知の少なくとも２個のセンサ要素であって、各センサ要素は予め決められたパラメータの変化を記録するために検出手段に結合されているところの少なくとも２個のセンサ要素と、各センサでの変化の時間を決定するタイミング手段と、センサ要素の相対位置と記録された変化の間の経過時間とをもとに記録された変化の方向と速度とを計算する計算手段とを備えたナビゲーション装置を用いて達成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明について、添付図面を参照して実施例によって以下に説明する。
【００１１】
ストライプ指スキャナーの上で引かれる指の速度を決定する通常の方法は、自動補正を用いる。これには、イメージセンサ要素が単一のアレイから成る場合には、イメージセンサ要素に平行なセンサ要素の一又は二以上の他のアレイが必要となる。
【００１２】
例えば、移動電話で行われる速度補正のための重要な因子は、速いこと、処理電力が少ないこと、及び使用メモリ量が少ないことである。速度補正が後処理の場合、種々の速度で掃引される指の取込まれた指のイメージをバッファするのに要するメモリ量のために、速度補正はリアルタイムで行われるのが好ましい。
【００１３】
例えば、指センサの上を引かれる指についてのいくつかの事実は、単純化するため、及び、指の速度を決定するためにより効率的な処理を作るために用いることができる。図１に、上述の国際特許出願PCT/NO98/00182に記載された解決法に対応する解決法のためのセンサ要素の可能な構成を示す。構成は、イメージセンサ要素の一のアレイと、付加的な速度補正センサ要素の一のアレイとから成る。各付加的な速度補正センサ要素は、図示したように、イメージセンサ要素アレイにおける対応するセンサ要素と対を形成する。指が引かれる方向が既知なので、このような対は指の速度を検出するのに用いることができる。指を引く方向の許容度を十分にするために、イメージアレイ上の隣接センサ要素を用いることができる。
【００１４】
センサは連続的にアクティブでいつでもセンサに近い変化を測定するものであってもよいのは当然だが、移動電話又はＰＤＡで使用するために好適な付加的な特徴は、少なくとも一のタッチ型センサであって自動的に他のものを起動してもよいタッチ型センサを備えることである。これによって装置の電源を節電する。このタッチ起動はいかなるタイプのセンサをもとにしてもよいが、例えば、センサ周囲のキャパシタンスにおける予め決められた変化で測定を開始する少なくとも一のスキャナーセンサに基づくのが好ましい。このような手段の製造の例は、ノルウェー出願第2000.3004号及び第2000.3003号から優先権主張された国際出願において説明されている。
【００１５】
速度補正チャネル対の本発明によるデジタル読出装置の例を図２に示す。チャネル間のオフセット及びゲインの重要な変化の較正は、速度補正の前に実施すべきである。センサ要素は指を引く方向に一直線上にあり、２つの信号の間の位相角は指がフロントチャネルからバックチャネルへ使用する時間を表すので、センサ要素が２つの時系列は指の同じ断面を示している。しかしながら、指の速度の変化のために、断面は時間スケールで歪んでいてもよい。
【００１６】
ユーザーが指を引く速度範囲は、人にとって自然であるように決められるべきである。指を自然の速度で引くときは、速度は一サイクルの信号内、すなわち、指の表面の一うねの間では大きくは変化しない。このため、一サイクルの間、数回だけの測定を行うことが可能であり、この値を図で示したように固定時間スケールで有効にさせる。最も正確な位相角を得るために、測定は、信号の側面、すなわち、信号が急激に増大又は減少するところで行うべきである。
【００１７】
図３で示したように、２つの隣接するサンプルの信号レベル変動をもとに、フロントチャネルのサンプルを選択できる。速度補正の対における２つのセンサ要素のピッチは、指の表面のうねについて予測される最小のピッチより小さくあるべきである。バックチャネルにおける信号がフロントチャネルで選択されたサンプルレベルを交差するときはいつでも、それは指の表面上の同じ点を表す。測定の計算は、増大する正確さに対するサブピクセルレベルであるべきである。フロントチャネルからバックチャネルへ動くために、指の表面での一点に対してサンプル数が既知の時は、指の速度は以下のように表すことができる：
【数１】
0005036948.tif 000002
ここで、
Ｖ：速度
Ｄ：２個のセンサ要素のピッチ
Ｆ：チャネルのサンプリング周波数
ｎ：サンプル数
【００１８】
チャネルのサンプリングサイクルの間に指が動く距離は、以下のように表すことができる。
【数２】
0005036948.tif 000003
ここで、
ｄ：チャネルの一サイクルのサンプリング中に指が移動した距離
【００１９】
この２つの式から、以下の関係を得る：
【数３】
0005036948.tif 000004
【００２０】
対のセンサ要素のピッチが固定されているので、チャネルの一サンプリングサイクルの間に指が動く距離は、指の表面上の一点がフロントチャネルからバックチャネルへ動くために用いるサンプル数に反比例する。指が同じチャネルのサンプルからサンプルへ動くデルタ距離を蓄積することによって、補正スケールを維持するために、捨てるのはどの列か、指のイメージをマッピングするのはどの列かの選択を行うことができ、又は、新しい値は内挿から計算することができる。
【００２１】
図１で示したように、ある数の速度補正対がイメージアレイに沿って広がるべきである。これは、すべての対について指が引かれる方向にうねが平行である可能性を最小にするためのものであり、これによって、処理においてどんな速度をも検出するのに失敗することになるものである。速度を検出するこれらの対に対して、異なる対についての結果は向上する精度に対して平均化すべきである。ある期間の間、速度が有効でなければ、過去のものを用いるべきである。
【００２２】
先述の解決法に対しては、信号の質に対する要求は、信号／ノイズ比の点で比較的厳しい。この信号の質を提供しない指スキャナーに対して、処理電力及びメモリ使用における増大のために同様なアプローチを用いることができる。
【００２３】
図４に、このようなアプローチの概要を示す。ラインＴ1は、バックチャネルからの指断面図の谷のピーク点を示すものである。連続するサンプルはピーク点からあるしきい値Ｔ2を超えるときに、この谷が画定（定義）される。これで、前のうねの下の領域Ａは画定するのは容易である。これは、うねのピーク点から２つの近接して並ぶ谷のピーク点の近接までのレベル（高さ）ＴA、例えば、3/4を設定することによって行うことができる。最後に画定される谷は２つ近接して並ぶ谷を有さないので、次のうねを画定するまで十分に画定するのは容易ではない。うねの定義を完全にするために、領域Ａは重力Ｇ1の垂直軸を計算するために使用することができる。図はバックチャネルを示すので、ラインＧ2は、フロント速度チャネルにおける相関するうねの重力の軸を表す。Ｇ1とＧ2との間のサンプル数は、上述のアプローチと同じ位相角を示し、その記載において置換することができる。
【００２４】
指スキャナーは、例えば、移動電話又は個人情報端末（ＰＤＡ）において十分な時間はアクティブではないので、このようなユニットがある種のポインター機能を含むならば、この値は増加する。一のユニットにおいてこのような２つのモードの組合せは、このモードが独占的にアクティブなので好ましい。移動電話技術は、ディスプレイが大きくなり、ボタン数が減少すると共に、グラフィックディスプレイへ向かっているので、ポインター装置の必要性がますます重要になっている。ＰＤＡでは、すでにこのようになっている。今日の移動電話及びＰＤＡ用の通常のポインティング装置はナビゲーションキー又はペンである。携帯タッチパッドで通常用いるタッチパッドは、移動電話及びＰＤＡのような装置に対しては大きすぎて便利ではない。
【００２５】
本発明は、指の構造を利用することによってポインターの機能を指スキャナーに追加する方法を記載するものである。タッチパッドは指の表面の上を移動する指を検出する際に、この方法は指の表面の上のセンサ領域の移動を検出するものである。ストライプ指スキャナーでは、これはいくつかの付加的なセンサ要素を必要とし、マトリックス指スキャナーでは、現存のセンサ要素の選択で十分である。このモードは、移動電話又はＰＤＡの使用中に十分な時間アクティブのときに、ホストの電力消費、プロセッサ及びメモリを最小に保つため、使用されるセンサ要素の数を最小にまで減少することが重要である。
【００２６】
本発明による速度の測定方法は、例えば、２つの直交する指紋スキャナーを用いること、速度補正センサからの信号とアレイで最近接のセンサからの信号ばかりでなく、これに近接したセンサとを比較すること、及び、移動の角度を計算する可能性を提供することによって、指の方向を検出するのに容易に用いられる。
【００２７】
本発明のセンサ要素の構成の例を図５に示す。ポインター機能の原理は、指が移動する方向を決定し、指の速度をもとに距離を計算することである。
【００２８】
指がスキャナーの上を移動するとき、図５で示した要素の４個のアレイの各々、２個の垂直及び水平ラインは指の断面を走査する。各センサ要素の測定値がアレイに格納されてヒストリーを表示し、ここで、前記の格納されたヒストリーの長さは面を移動する可能な速度に依存する。次いで、各アレイは、同一の断面図を探索するが、符号４５の変位を可能とするために、同じ軸上の他のアレイの最新のヒストリーに比較される。一致が見つかると、変位と一致の軸ととをもとに方向が決定される。さらに詳細は以下の通りである：
【００２９】
左の垂直アレイにおけるセンサ要素からの最新のサンプルを、右の垂直アレイにおける最上のセンサ要素のからの最新のサンプルから引くことである。これらの１２個の引き算の絶対値の和は、マトリックスにおいて要素として格納する。同じ手順を左のアレイにおいても実施するが、右側のアレイにおける異なる引き算は各時間について一のセンサ要素を下方へ移動する。この例では、これは８回実施し、結果はマトリックスにおける一のカラムとして表示する。これは、右アレイのヒストリーサンプルから左のアレイの最新のサンプルを引くことによって、選択された数の回数だけ繰り返し、以下のようにマトリックスを生成する：
【数４】
0005036948.tif 000005
ここで、ａiは左アレイにおいて要素いｉからの最新のサンプルであり、ｂi,kは右アレイにおいて要素ｊからのサンプルである（ここで、ｋはヒストリー数であり、ｋ＝１は最新のものである）。マトリックスにおける列の数は角度の解像度を表す一方、カラムの数は指の速度の時間における範囲と解像度とを表す。カラムの数はサンプルのバッファリングに対する要求も満たす。
【００３０】
最新のサンプルが左アレイのヒストリーと比較される一以上のマトリックスを形成する。また、２つの類似のマトリックスを垂直アレイから生成する。これらの４個のマトリックスの極小は、図６で示したように、指の現在の速度と方向とを表す。この完全な手順は、動きの変化を検出するために所定の速度で繰り返す。
【００３１】
速度と方向とが最初に確立されると、手順は、推測された変動とサンプリング速度とに依存してより小さい範囲にズームインすることができる。
【００３２】
精度の向上のために、画素列の時間フレームを単一の列の代わりに使用できる。センサ要素及びセンサ要素アレイ間のピッチは、指の表面における推測されるうね及び谷のピッチ、例えば、それぞれ50μｍ及び200μｍ（結果として1mm2以下のセンサ領域となる）に対して最適にすべきである。
【００３３】
速度及び方向の向上した精度は、極小を内装することによって得ることができる。指の最大速度は、サンプリング速度に関係する。速度を作動範囲内かどうかを検出するために、極小に対してしきい値を設定すべきである。処理電力とマトリックスのすべての値がこの場合にほぼゼロであるという事実との両方に応じて、指が離れるときに処理を防止するために、指のオン／オフ検出のために、−例えば、ある数のこれらの要素をあるしきい値の上にするようにすることによって−いくつかのセンサ要素を用いるべきである。
【００３４】
この指オン／オフ検出は、指のオン又はオフである（サンプリング速度が固定ならば）サンプルの数を数えること、及び、指がオン／オフすることができる長さに対する制限を設定することによってタップ及びダブルタップを検出するために用いることもできる。タップ検出は、圧力センシングで、例えば、全てのセンサ要素の全信号レベルの時間変化をチェックすることで置換することもできる。図７、図８及び図９に、方法に大なり小なり変更を必要とする他の構成のセンサ要素を示す。
【００３５】
キャラクターベースのディスプレイを有する移動電話について、ポインターの必要性は、ユーザーがメニューをブラウズすることができるナビゲーターに制限されている。これは、キー又はローラードラムの使用によって現在通常的に解決される。指スキャナーについてこのようなモードは、電力消費、処理電力およびメモリ使用にほとんど制限なく実施できる。
【００３６】
本発明のこの実施形態は、ストライプ型指スキャナー上の４個又はそれ以上の付加センサ要素をもとに、４個の方向ナビゲーション用の方法を記載する。センサ要素は、イメージセンサ要素より大きいべきである。というのは、指の表面の構造がこの文脈ではノイズとみなされるからである。マトリックス型指スキャナーについては、イメージセンサ要素のクラスターを大きな要素を表すのに用いることができる。
【００３７】
図１０に、このようなセンサ要素の構成の例を示す。ナビゲーションセンサ要素の目的は指があること又はないことを検出することであって、それは信号レベルのしきい値によって簡単に解決することができるものである。指がセンサ領域の上を掃引するならば、４個のナビゲーションセンサ要素は時間が経つとある点で起動する。
【００３８】
指の掃引の方向は、起動された２個の第１の要素によって与えられる。すなわち、Ｎ１及びＮ２が最初に起動するならば、方向は下；Ｎ１及びＮ３が最初に起動するならば、方向は右；Ｎ２及びＮ４が最初に起動するならば、方向は左；Ｎ３及びＮ４が最初に起動するならば、方向は上である。また、第１及び第２の要素の時間差をもとにチェックを行うことができ、第１及び第３の要素が起動する。これらの時間差がほぼ等しいならば、４つの方向のうちの２つの方向の間の境界線に近接して指が掃引するので、掃引は無視することができる。
【００３９】
これらの２つの相違間の受け入れることができる因子についてのしきい値の設定は、角度の許容さを表し、ユーザーはある方向に指を掃引してもよい。さらに、起動される第１のセンサ要素と第３のセンサ要素との間の時間差を最小にするしきい値を設定すると、方法はある方向の掃引とタップとの間で区別される。指の存在及び非存在のタイミングによって、シングル及びダブルタップの検出が可能となる。また、指がセンサ領域の上を掃引し、有効な方向として検出されれば、方法が同じ方向でかつある速度で繰り返し掃引としてこれを内挿できた後に、指をセンサ領域上で保持されるように、スクローリング（画面移動）を設けることができる。
【００４０】
多数の方向を検出するために多数のセンサを用い、又は、一軸に沿った動きを検出するために２個のセンサだけを用いて、例えば、速度を示すより正確な相対測定を可能とするような、このコンセプトのもとで多くの変形が可能である。
【００４１】
一般にナビゲーションの原理を以下の段階で要約される：
Ａ）例えば、ある限界の上に信号レベルが上昇することによって、あるチャネルで指を検出される。事件に関連する時間を格納する。
Ｂ）ある数のセンサについて信号がしきい値を過ぎる時間を格納するとき、動きの方向の決定を開始してもよい。
Ｃ）センサ要素の各対について格納された時間を比較して、動きの方向を示す最初の時間を見つける。
Ｄ）サンプル数と、各センサでのサンプル間の既知の時間と、しきい値の間の既知の時間をもとに指のおおよその速度を見つける。
【００４２】
また、計算された速度は、計算された信号は受け入れることができかつ可能な範囲内か否かを決定するために、速度及び方向の予め決められた受け入れられることができる範囲で比較しもよい。受け入れられることができる方向はナビゲーション装置の使用によって、例えば、ＰＤＡ又は移動電話ディスプレイを位置の選択によって制限されてもよい。
【００４３】
センサ要素の数を増減して多い又は少ない方向に適用することができ、すなわち、２個のセンサ要素は２つの方向を検出することができる一方、８個のセンサ要素を８つの方向を検出することができる。
【００４４】
本発明は、主に指の表面におけるキャパシタンス測定に関する国際特許出願PCT/NO98/00182に記載されたタイプの指紋センサをもとに記載される。しかしながら、本発明は、本発明の範囲内で、例えば、熱センサのような異なる種類のセンサーを使用してもよいことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  リニア指紋センサの概略図である。
【図２】  速度の測定の第１の方法を説明するための図である。
【図３】  図２の方法をさらに説明するための図である。
【図４】  速度を測定する他の方法を説明するための図である。
【図５】  ポインター装置として使用するために採用された半リニア指紋センサの概略図である。
【図６】  二次元の動きを検出するために、図５で示した構成を用いるための方法を説明するための図である。
【図７】  ポインター装置として使用できる指紋センサのための他の構成の概略図である。
【図８】  指紋検出ポインター装置のさらに他の構成の概略図である。
【図９】  指紋検出ポインター装置のさらに他の構成の概略図である。
【図１０】  ４個の方向ナビゲーションの概略図である。
【図１】
0005036948.tif 000006
【図２】
0005036948.tif 000007
【図３】
0005036948.tif 000008
【図４】
0005036948.tif 000009
【図５】
0005036948.tif 000010
【図６】
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【図７】
0005036948.tif 000012
【図８】
0005036948.tif 000013
【図９】
0005036948.tif 000014
【図１０】
0005036948.tif 000015