(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ポインター装置であって、
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のセンサアレイとの組が、二組、設けられていて、一つの組におけるセンサ要素を並べる方向は、他の組におけるセンサ要素を並べる方向と異なり、一つの組における第２のセンサアレイに含まれているセンサ要素と、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、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、前記センサ要素は、表面で予め決められたパラメータを測定するために、二次元表面上に配置されていて、測定される量が選択された速度でサンプルをとられ、
更に、測定されるパラメータにおける変化と変化間の時間とセンサ要素間の既知の相対位置とに基づいて、要素の上での二次元の動きを検出するためにセンサ要素からの測定値を比較する計算手段を備えた
ことを特徴とするポインター装置。
【請求項２】
ディスプレイ装置に結合されるポインター装置であって、
二次元平面上に配置されていて、要素間の距離が既知の第１のセンサ要素（３，４，１８）の組を有する指紋センサ（１）を備えていて、前記第１のセンサ要素の組は、指表面で予め決められたパラメータを測定するのに適合していて、測定されたパラメータは、選択された速度でサンプルをとられ、
更に、センサデータを格納する格納手段と、測定された表面の二次元の動きを計算する計算手段とを備えていて、
前記第１のセンサ要素の組は、リニアアレイ（１）を構成し、
このポインター装置は、更に、前記リニアアレイに平行な第２のセンサ要素（２，１５，１６，１７）の組を備えていて、前記第２のセンサ要素と第１のセンサ要素との間の距離は、第１のセンサ要素どうしの間隔より長く、前記第２のセンサ要素の組は、付加的なセンサ要素またはマトリックス指スキャナーのセンサ要素の選択として形成され、
前記格納手段は、第１のセンサ要素の組および第２のセンサ要素の組からのセンサデータを格納するように構成されていて、各センサ要素（２，３，４，１５，１６，１７，１８）からの一組のサンプルを供給し、
前記計算手段は、各センサ要素からのサンプルを他のセンサ要素からのサンプルと比較して、この比較と、測定されたパラメータの変化、変化間の時間、およびセンサ要素間の既知の相対位置とに基づいて、測定された表面の二次元の動きを計算するように構成されている
ことを特徴とするポインター装置。
【請求項３】
各センサ要素からサンプルをとられた信号の履歴を格納する格納手段をさらに備え、
前記計算手段が、各要素の最新の値と選択された数の残りの要素の履歴とを比較し、センサ要素に対する表面の速度と方向とを計算するために適用されるものである
請求項１または２に記載のポインター装置。
【請求項４】
選択された数のセンサ要素がリニアセンサを画定し、前記要素がリニア指スキャナーに関係付けられている請求項１に記載のポインター装置。
【請求項５】
センサ要素が、２つの直交する対のセンサ要素アレイを規定する請求項１または２に記載のポインター装置。
【請求項６】
ディスプレイ上で測定された動きを示すカーソルを表示するための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または２に記載のポインター装置。
【請求項７】
少なくとも一のセンサ要素が、予め決められた値を超える測定された値に応答し、指の表面の存在を感知するように適用されている請求項１または２に記載のポインター装置。
【請求項８】
センサ上のたたき又は２回たたきを認識するために、存在の時間と応答間の時間とを測定する手段を備えた請求項７に記載のポインター装置。
【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】
【課題を解決するための手段】
この目的は、上述のようなポインター装置であって、ディスプレイ装置に結合されるポインター装置であって、表面で予め決められたパラメータを測定するために、二次元表面上に配置された多数のセンサ要素であって、測定される量が選択された速度でサンプルをとるという多数のセンサ要素と、測定されるパラメータにおける変化と変化間の時間と、センサ要素間の既知の相対位置とに基づいて、要素の上での二次元の動きを検出するためにセンサ要素からの測定値を比較する計算手段と、を備えたことを特徴とするポインター装置を用いて達成される。
【０００９】
【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。
【００１０】
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。
【００１１】
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イメージ（像）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。
【００１２】
例えば、指スキャナー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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
ユーザーが指を引く速度範囲は、人にとって自然であるものに対応して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、一サイクロの間、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。
【００１６】
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、指の表面のうねで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が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】
0005036949.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
【００１７】
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】
0005036949.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
【００１８】
この２つの式から、以下の関係を得る：
【数３】
0005036949.tif 000004
【００１９】
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。
【００２０】
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検出するのにも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精度の向上のために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、履歴（ヒストリー）を用いるべきである。
【００２１】
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。
【００２２】
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、規定）される。これで、前のうねの下の領域Ａを画定する準備ができた。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準備はされていない。うねの画定を行うために、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、その説明において置換することができる。
【００２３】
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。
【００２４】
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提示するものである。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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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履歴を表示し、ここで、前記の格納された履歴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、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履歴に比較される。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：
【００２８】
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、右アレイの履歴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】
0005036949.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は履歴数であり、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。
【００２９】
最新のサンプルが左アレイの履歴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。
【００３０】
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な範囲にズームインすることができる。
【００３１】
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。
【００３２】
速度及び方向の向上した精度は、極小を内挿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。速度が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ついて指が離れるときに、処理を防止するために、指のオン／オフ検出用として、いくつかのセンサ要素を用いるべきである−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ことによって−。
【００３３】
この指オン／オフ検出は、（サンプリング速度が固定ならば）指のオン又はオフであるサンプル数を数えること、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、たたき及び２回たたきを検出するために用いることもできる。たたきの検出は、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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たたき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、１回たたき及び２回たたき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。
【００３９】
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、例えば、円状に配置された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。
【００４０】
本発明は、主に指の表面における容量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指スキャナー技術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】
0005036949.tif 000006
【図２】
0005036949.tif 000007
【図３】
0005036949.tif 000008
【図４】
0005036949.tif 000009
【図５】
0005036949.tif 000010
【図６】
0005036949.tif 000011
【図７】
0005036949.tif 000012
【図８】
0005036949.tif 000013
【図９】
0005036949.tif 000014
【図１０】
0005036949.tif 000015