(57)【要約】  少なくとも１つの電極を有する電子ペンにおいてペン状態の推定精度を向上可能なペン状態検出回路、システム及び方法を提供する。ペン状態検出回路（２０）は、第１電極（３０）の接近に伴う静電容量の変化を示す第１信号分布をタッチセンサ（１８）から取得し、機械学習がなされた推定器（５０）を用いて、第１信号分布に関する第１特徴量から電子ペン（１４）の指示位置又は傾斜角度を推定する。第１特徴量は、第１信号分布をなすセンサ電極（１８ｘ，１８ｙ）の配設数よりも少ない数のセンサ電極（１８ｘ，１８ｙ）に相当する第１局所分布に関する第１局所特徴量を含む。
2020202734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセンサ電極を面状に配置してなる静電容量方式のタッチセンサにより検出された信号分布に基づいて、第１電極を有する電子ペンの状態を検出するペン状態検出回路であって、
前記第１電極の接近に伴う静電容量の変化を示す第１信号分布を前記タッチセンサから取得する取得ステップと、
機械学習がなされた推定器を用いて、前記第１信号分布に関する第１特徴量から前記電子ペンの指示位置又は傾斜角度を推定する推定ステップと、
を実行し、
前記第１特徴量は、前記第１信号分布をなすセンサ電極の配設数よりも少ない数のセンサ電極に相当する第１局所分布に関する第１局所特徴量を含むことを特徴とするペン状態検出回路。
【請求項２】
前記第１局所特徴量は、センサ電極の配設数にかかわらず一定のデータ数で構成されることを特徴とする請求項１に記載のペン状態検出回路。
【請求項３】
前記第１局所分布は、前記第１信号分布のうち静電容量の変化が相対的に大きい分布であることを特徴とする請求項１に記載のペン状態検出回路。
【請求項４】
前記第１特徴量は、前記タッチセンサの検出面上にて定義されるセンサ座標系における、前記第１局所分布の基準位置をさらに含み、
前記推定器は、前記基準位置と前記指示位置の間の相対位置を出力値とする位置演算を実行可能に構成され、
前記推定ステップでは、前記基準位置に前記相対位置を加算することで前記指示位置を推定することを特徴とする請求項１に記載のペン状態検出回路。
【請求項５】
前記電子ペンは、前記第１電極とは異なる第２電極をさらに有し、
前記取得ステップでは、前記第２電極の接近に伴う静電容量の変化を示す第２信号分布を前記タッチセンサからさらに取得し、
前記推定ステップでは、前記第１特徴量及び前記第２信号分布に関する第２特徴量から前記指示位置又は前記傾斜角度を推定し、
前記第２特徴量は、前記第２信号分布をなすセンサ電極の配設数よりも少ない数のセンサ電極に相当する第２局所分布に関する第２局所特徴量を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のペン状態検出回路。
【請求項６】
前記第１電極は、前記電子ペンの軸に対称な形状を有し、かつ前記電子ペンの先端に設けられるチップ電極であり、
前記第２電極は、前記電子ペンの軸に対称な形状を有し、かつ前記チップ電極よりも基端側に設けられるアッパー電極である
ことを特徴とする請求項５に記載のペン状態検出回路。
【請求項７】
前記推定器は、
前記第２局所特徴量を入力値とし、前記傾斜角度を出力値とする角度演算と、
前記第１局所特徴量及び前記傾斜角度を入力値とし、前記相対位置を出力値とする位置演算と、
を順次実行可能に構成されることを特徴とする請求項６に記載のペン状態検出回路。
【請求項８】
前記推定器は、
前記角度演算用の学習パラメータ群又は前記位置演算用の学習パラメータ群のうちいずれか一方を切り替えて出力可能な第１スイッチと、
前記角度演算用の入力値又は前記位置演算用の入力値のうちいずれか一方を切り替えて出力可能な第２スイッチと、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの切り替えに応じて、前記角度演算又は前記位置演算を選択的に実行可能に構成される共通演算器と、
を含んで構成されることを特徴とする請求項７に記載のペン状態検出回路。
【請求項９】
前記推定器は、前記第１局所特徴量及び前記第２局所特徴量を入力値とし、前記相対位置を出力値とする位置演算を実行可能に構成されることを特徴とする請求項５に記載のペン状態検出回路。
【請求項１０】
前記推定器は、
前記第１特徴量及び前記第２特徴量を合成して第３特徴量を出力する合成器と、
前記第３特徴量を入力値とし、前記指示位置を出力値とする演算器と、
を含んで構成されることを特徴とする請求項５に記載のペン状態検出回路。
【請求項１１】
前記推定ステップでは、前記電子ペンがコンタクト状態であるかホバー状態であるかに応じて異なる学習パラメータ群が設定された推定器を用いて、前記指示位置又は前記傾斜角度を推定することを特徴とする請求項５に記載のペン状態検出回路。
【請求項１２】
前記推定器は、前記第１局所特徴量及び前記基準位置を入力値とする位置演算を実行可能に構成されることを特徴とする請求項４に記載のペン状態検出回路。
【請求項１３】
前記第１局所特徴量は、前記第１局所分布の傾き又は該傾きの絶対値を示す特徴量を含み、
前記第２局所特徴量は、前記第２局所分布の傾き又は該傾きの絶対値を示す特徴量を含む
ことを特徴とする請求項５に記載のペン状態検出回路。
【請求項１４】
前記機械学習は、実際の測定又は計算機シミュレーションにより得られた教師データを用いる教師あり学習であることを特徴とする請求項１に記載のペン状態検出回路。
【請求項１５】
前記第１特徴量に対して次元圧縮処理及び次元復元処理を順次実行することで、入力の次元数に等しい第１特徴量を得る自己符号化処理を行う処理ステップをさらに実行し、
前記推定ステップでは、前記推定器を用いて、前記自己符号化処理が施された前記第１特徴量から前記指示位置又は前記傾斜角度を推定する
ことを特徴とする請求項１に記載のペン状態検出回路。
【請求項１６】
請求項１に記載のペン状態検出回路を含んで構成される電子機器と、
前記電子機器とともに用いられる電子ペンと、
前記電子機器と双方向に通信可能であり、前記ペン状態検出回路に構築される推定器の学習パラメータ群を記憶可能に構成されるサーバ装置と、
を備え、
前記電子機器は、前記電子ペンの検出を契機として、該電子ペンに対応する学習パラメータ群の送信を前記サーバ装置に要求することを特徴とするペン状態検出システム。
【請求項１７】
複数のセンサ電極を面状に配置してなる静電容量方式のタッチセンサにより検出された信号分布に基づいて、電極を有する電子ペンの状態を検出するペン状態検出方法であって、
前記電極の接近に伴う静電容量の変化を示す信号分布を前記タッチセンサから取得する取得ステップと、
機械学習がなされた推定器を用いて、前記信号分布に関する特徴量から前記電子ペンの指示位置を推定する推定ステップと、
を１つ又は複数のプロセッサが実行し、
前記特徴量は、前記信号分布をなすセンサ電極の配設数よりも少ない数のセンサ電極に相当する局所分布に関する局所特徴量を含むことを特徴とするペン状態検出方法。
【請求項１８】
複数のセンサ電極を面状に配置してなる静電容量方式のタッチセンサにより検出された信号分布に基づいて、電極を有する電子ペンの状態を検出するペン状態検出回路であって、
前記電極の接近に伴う静電容量の変化を示す信号分布を前記タッチセンサから取得する取得ステップと、
前記タッチセンサの検出面上における前記電極の投影位置に応じて異なる演算規則に従って、前記信号分布に関する特徴量から前記電子ペンの指示位置又は傾斜角度を推定する推定ステップと、
を実行することを特徴とするペン状態検出回路。
【請求項１９】
前記演算規則は、前記指示位置又は前記傾斜角度を推定する規則であり、
前記推定ステップでは、前記電極の投影位置が前記タッチセンサの周縁部に干渉するか否かに応じて異なる学習パラメータ群が設定された推定器を用いて、前記指示位置又は前記傾斜角度を推定する
ことを特徴とする請求項１８に記載のペン状態検出回路。
【請求項２０】
前記特徴量は、前記信号分布をなすセンサ電極の配設数よりも少ない数のセンサ電極に相当する局所分布に関する局所特徴量を含み、
前記演算規則は、前記局所特徴量を算出する規則であり、
前記推定ステップでは、前記電極の投影位置が前記タッチセンサの周縁部に干渉するか否かに応じて異なる規則に従って算出された前記局所特徴量から、前記指示位置又は前記傾斜角度を推定する
ことを特徴とする請求項１８に記載のペン状態検出回路。
【請求項２１】
請求項１８に記載のペン状態検出回路を含んで構成される電子機器と、
前記電子機器とともに用いられる電子ペンと、
前記電子機器と双方向に通信可能であり、前記ペン状態検出回路に構築される推定器の学習パラメータ群を記憶可能に構成されるサーバ装置と
を備え、
前記電子機器は、前記電子ペンが検出された場合に、該電子ペンに対応する学習パラメータ群の送信を前記サーバ装置に要求することを特徴とするペン状態検出システム。
【請求項２２】
複数のセンサ電極を面状に配置してなる静電容量方式のタッチセンサにより検出された信号分布に基づいて、電極を有する電子ペンの状態を検出するペン状態検出方法であって、
前記電極の接近に伴う静電容量の変化を示す信号分布を前記タッチセンサから取得する取得ステップと、
前記タッチセンサの検出面上における前記電極の投影位置に応じて異なる演算規則に従って、前記信号分布に関する特徴量から前記電子ペンの指示位置又は傾斜角度を推定する推定ステップと、
を１つ又は複数のプロセッサが実行することを特徴とするペン状態検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペン状態検出回路、システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、タッチセンサの検出面上においてユーザの手が接触する第１位置及び電子ペンが指し示す第２位置をそれぞれ検出し、第１位置及び第２位置の座標値を用いて電子ペンの傾斜方向を推定し、この傾斜方向に応じて電子ペンの指示位置を補正する電子機器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−０８７７８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、２つの電極を有する電子ペンを用いることで、ユーザの手が検出面に触れていない場合であっても電子ペンの位置・姿勢を推定することが可能である。しかし、２つの電極は物理的に分離して設けられているので、電子ペンの使用中、少なくとも１つの電極が検出面に常に接触しないことになる。この場合、電子ペンの傾斜角度と検出位置の間の関係が電極の三次元形状に応じて変化し得るので、電子ペンの位置・姿勢によって推定精度がばらついてしまう場合がある。【０００５】
本発明の目的は、少なくとも１つの電極を有する電子ペンにおけるペン状態の推定精度を向上可能なペン状態検出回路、システム及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の本発明におけるペン状態検出回路は、複数のセンサ電極を面状に配置してなる静電容量方式のタッチセンサにより検出された信号分布に基づいて、第１電極を有する電子ペンの状態を検出する回路であって、前記第１電極の接近に伴う静電容量の変化を示す第１信号分布を前記タッチセンサから取得する取得ステップと、機械学習がなされた推定器を用いて、前記第１信号分布に関する第１特徴量から前記電子ペンの指示位置又は傾斜角度を推定する推定ステップと、を実行し、前記第１特徴量は、前記第１信号分布をなすセンサ電極の配設数よりも少ない数のセンサ電極に相当する第１局所分布に関する第１局所特徴量を含む。【０００７】
第２の本発明におけるペン状態検出システムは、上記したペン状態検出回路を含んで構成される電子機器と、前記電子機器とともに用いられる電子ペンと、前記電子機器と双方向に通信可能であり、前記ペン状態検出回路に構築される推定器の学習パラメータ群を記憶可能に構成されるサーバ装置と、を備え、前記電子機器は、前記電子ペンが検出された場合に、該電子ペンに対応する学習パラメータ群の送信を前記サーバ装置に要求する。【０００８】
第３の本発明におけるペン状態検出方法は、複数のセンサ電極を面状に配置してなる静電容量方式のタッチセンサにより検出された信号分布に基づいて、電極を有する電子ペンの状態を検出する方法であって、前記電極の接近に伴う静電容量の変化を示す信号分布を前記タッチセンサから取得する取得ステップと、機械学習がなされた推定器を用いて、前記信号分布に関する特徴量から前記電子ペンの指示位置又は傾斜角度を推定する推定ステップと、を１つ又は複数のプロセッサが実行し、前記特徴量は、前記信号分布をなすセンサ電極の配設数よりも少ない数のセンサ電極に相当する局所分布に関する局所特徴量を含む。【０００９】
第４の本発明におけるペン状態検出回路は、複数のセンサ電極を面状に配置してなる静電容量方式のタッチセンサにより検出された信号分布に基づいて、電極を有する電子ペンの状態を検出する回路であって、前記電極の接近に伴う静電容量の変化を示す信号分布を前記タッチセンサから取得する取得ステップと、前記タッチセンサの検出面上における前記電極の投影位置に応じて異なる演算規則に従って、前記信号分布に関する特徴量から前記電子ペンの指示位置又は傾斜角度を推定する推定ステップと、を実行する。【００１０】
第５の本発明におけるペン状態検出システムは、上記したペン状態検出回路を含んで構成される電子機器と、前記電子機器とともに用いられる電子ペンと、前記電子機器と双方向に通信可能であり、前記ペン状態検出回路に構築される推定器の学習パラメータ群を記憶可能に構成されるサーバ装置と、を備え、前記電子機器は、前記電子ペンが検出された場合に、該電子ペンに対応する学習パラメータ群の送信を前記サーバ装置に要求する。【００１１】
第６の本発明におけるペン状態検出方法は、複数のセンサ電極を面状に配置してなる静電容量方式のタッチセンサにより検出された信号分布に基づいて、電極を有する電子ペンの状態を検出する方法であって、前記電極の接近に伴う静電容量の変化を示す信号分布を前記タッチセンサから取得する取得ステップと、前記タッチセンサの検出面上における前記電極の投影位置に応じて異なる演算規則に従って、前記信号分布に関する特徴量から前記電子ペンの指示位置又は傾斜角度を推定する推定ステップと、を１つ又は複数のプロセッサが実行する。
【発明の効果】
【００１２】
第１〜第３の本発明によれば、機械学習がなされた推定器を用いることで、機械学習を通じて潜在的な検出パターンを抽出可能となり、指示位置又は傾斜角度の推定に際して当該検出パターンの傾向が適切に反映されやすくなる。これにより、少なくとも１つの電極を有する電子ペンにおけるペン状態を高精度で推定することができる。また、信号分布をなすセンサ電極の配設数よりも少ない数のセンサ電極に相当する局所分布に関する局所特徴量を用いることで、局所特徴量が入力される推定器の処理負荷を低減することができる。【００１３】
第４〜第６の本発明によれば、電子ペンが有する電極の投影位置に応じて異なる演算規則を適用することで、投影位置に適した推定を実行可能となり、電子ペンとタッチセンサの間の相対的位置関係に起因するペン状態の推定精度の低下が抑制される。これにより、少なくとも１つの電極を有する電子ペンにおけるペン状態を高精度で推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明における各実施形態に共通する入力システムの全体構成図である。
【図２】図１の電子ペンを部分的に示す模式図である。
【図３】電子ペンのコンタクト状態時にタッチセンサから検出される信号分布の一例を示す図である。
【図４】指示位置に関する推定誤差の傾向を示す図である。
【図５】第１実施形態におけるペン検出機能を示すブロック図である。
【図６】図５に示すペン検出機能が実行するフローチャートである。
【図７】タッチセンサから取得される信号分布の一例を示す図である。
【図８】局所特徴量の算出方法の一例を示す図である。
【図９】図５のペン検出機能に含まれる推定器の構成を示す図である。
【図１０】図９における推定器の実装例を示す図である。
【図１１】図１１（ａ）は、従来例における指示位置の推定精度を示す図である。図１１（ｂ）は、実施例における指示位置の推定精度を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）は、第１実施形態の第１変形例におけるペン検出機能を示すブロック図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のペン検出機能に含まれる推定器の構成を示す図である。
【図１３】図１３（ａ）は、第１実施形態の第２変形例におけるペン検出機能を示すブロック図である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のペン検出機能に含まれる推定器の構成を示す図である。
【図１４】図１４（ａ）は、第１実施形態の第３変形例におけるペン検出機能を示すブロック図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のペン検出機能に含まれる推定器の構成を示す図である。
【図１５】第１実施形態の第４変形例におけるペン検出機能に含まれる推定器の構成を示す図である。
【図１６】第２実施形態におけるペン検出機能を示すブロック図である。
【図１７】図１６に示すペン検出機能が実行するフローチャートである。
【図１８】タッチセンサが有するセンサ領域の定義の一例を示す図である。
【図１９】図１９（ａ）は、電子ペンが有するチップ電極（図２）の投影位置が一般領域内にある場合の局所特徴量を示す図である。図１９（ｂ）は、チップ電極の投影位置が周縁領域内にある場合の局所特徴量を示す図である。
【図２０】第２実施形態の変形例におけるペン検出機能を示すブロック図である。
【図２１】図２１（ａ）は、シフト処理前における局所特徴量を示す図である。図２１（ｂ）は、シフト処理後の局所特徴量を示す図である。
【図２２】図２２（ａ）は、第３実施形態におけるペン検出機能を示すブロック図である。図２２（ｂ）は、図２２（ａ）とは別の一例を示すブロック図である。
【図２３】図２２に示すペン検出機能が実行するフローチャートである。
【図２４】図２２のペン検出機能に含まれる推定器の構成を示す図である。
【図２５】自己符号化処理の実行前における局所特徴量のばらつきを示す図である。
【図２６】自己符号化処理の実行後における局所特徴量のばらつきを示す図である。
【図２７】図２７（ａ）は、参考例における指示位置の推定精度を示す図である。図２７（ｂ）は、実施例における指示位置の推定精度を示す図である。
【図２８】第４実施形態におけるペン状態検出システムとしての入力システムの全体構成図である。
【図２９】図２８に示す制御部の学習処理に関わる機能ブロック図である。
【図３０】学習パラメータ群の設定方法の第１例を示す図である。
【図３１】学習パラメータ群の設定方法の第２例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明におけるペン状態検出回路、システム及び方法について、添付の図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素及びステップに対して可能な限り同一の符号を付するとともに、重複する説明を省略する場合がある。なお、本発明は以下の実施形態及び変形例に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。あるいは、技術的に矛盾が生じない範囲で各々の構成を任意に組み合わせてもよい。
【００１６】
［各実施形態に共通する構成］
＜入力システム１０の全体構成＞
図１は、本発明の各実施形態に共通する入力システム１０の全体構成図である。入力システム１０は、タッチパネルディスプレイを有する電子機器１２と、ペン型のポインティングデバイスである電子ペン１４（あるいは「スタイラス」ともいう）と、から基本的に構成される。
【００１７】
電子機器１２は、例えば、タブレット型端末、スマートフォン、パーソナルコンピュータで構成される。ユーザは、電子ペン１４を片手で把持し、電子機器１２のタッチ面にペン先を押し当てながら移動させることで、電子機器１２に絵や文字を書き込むことができる。また、ユーザは、自身の指１６でタッチ面に接触することで、表示中のユーザコントロールを介して所望の操作を行うことができる。
【００１８】
電子機器１２は、タッチセンサ１８と、タッチＩＣ（Integrated Circuit）２０と、ホストプロセッサ２２と、を含んで構成される。本図に示すｘ方向，ｙ方向は、タッチセンサ１８がなす検出面上において定義される直交座標系（以下、センサ座標系）のＸ軸，Ｙ軸に相当する。
【００１９】
タッチセンサ１８は、図示しない表示パネル上に配置される複数の電極からなる面状のセンサである。タッチセンサ１８は、Ｘ座標（ｘ方向の位置）を検出するための複数のライン電極１８ｘと、Ｙ座標（ｙ方向の位置）を検出するための複数のライン電極１８ｙと、を含む。複数のライン電極１８ｘは、ｙ方向に延びて設けられ、かつｘ方向に沿って等間隔に配置されている。複数のライン電極１８ｙは、ｘ方向に延びて設けられ、かつｙ方向に沿って等間隔に配置されている。以下、ライン電極１８ｘ（又はライン電極１８ｙ）の配置間隔を「ピッチ」という場合がある。なお、タッチセンサ１８は、上記した相互容量方式のセンサに代えて、ブロック状の電極を二次元格子状に配置した自己容量方式のセンサであってもよい。
【００２０】
タッチＩＣ２０は、ファームウェア２４を実行可能に構成された集積回路であり、タッチセンサ１８を構成する複数のライン電極１８ｘ，１８ｙにそれぞれ接続されている。このファームウェア２４は、ユーザの指１６などによるタッチを検出するタッチ検出機能２６と、電子ペン１４の状態を検出するペン検出機能２８と、を実現可能に構成される。
【００２１】
タッチ検出機能２６は、例えば、タッチセンサ１８のスキャン機能、タッチセンサ１８上のヒートマップ（検出レベルの二次元分布）の作成機能、ヒートマップ上の領域分類機能（例えば、指１６、手の平の分類）を含む。ペン検出機能２８は、例えば、タッチセンサ１８のスキャン機能（グローバルスキャン又はローカルスキャン）、ダウンリンク信号の受信・解析機能、電子ペン１４の状態（例えば、位置、姿勢、筆圧）の推定機能、電子ペン１４に対する指令を含むアップリンク信号の生成・送信機能を含む。
【００２２】
ホストプロセッサ２２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はＧＰＵ（Graphics Processing Unit）からなるプロセッサである。ホストプロセッサ２２は、図示しないメモリからプログラムを読み出し実行することで、例えば、タッチＩＣ２０からのデータを用いてデジタルインクを生成する処理、当該デジタルインクが示す描画内容を表示させるための可視化処理などを行う。
【００２３】
＜ペン状態の推定方法＞
図２は、図１の電子ペン１４を部分的に示す模式図である。電子ペン１４の先端には、概略円錐状のチップ電極３０と、無底円錐台状のアッパー電極３２が同軸的に設けられている。チップ電極３０及びアッパー電極３２はそれぞれ、発振回路３４が生成する信号（いわゆるダウンリンク信号）を出力するための電極である。発振回路３４が発振周波数を変更したり送信先を時分割で切り替えたりすることで、電子ペン１４は、チップ電極３０及びアッパー電極３２を介して２種類のダウンリンク信号を出力することができる。
【００２４】
電子機器１２のタッチＩＣ２０（図１）は、チップ電極３０の接近に伴う静電容量（より詳しくは、相互容量又は自己容量）の変化を示す信号分布（以下、「第１信号分布」という）を、タッチセンサ１８から取得する。第１信号分布は、典型的には、位置Ｑ１に１つのピークをもつ形状を有する。ここで、位置Ｑ１は、チップ電極３０の頂部（位置Ｐ１）をセンサ平面上に投影した位置に相当する。
【００２５】
同様に、電子機器１２のタッチＩＣ２０（図１）は、アッパー電極３２の接近に伴う静電容量の変化を示す信号分布（以下、「第２信号分布」という）を、タッチセンサ１８から取得する。第２信号分布は、典型的には、位置Ｑ２に１つ又は２つのピークをもつ形状を有する。ここで、位置Ｑ２は、アッパー電極３２の肩部（位置Ｐ２）をセンサ平面上に投影した位置に相当する。また、後述する位置Ｑ３は、アッパー電極３２の上底面の中心（位置Ｐ３）をセンサ平面上に投影した位置に相当する。
【００２６】
図３は、電子ペン１４のコンタクト状態時にタッチセンサ１８から検出される信号分布の一例を示す図である。より詳しくは、図３（ａ）は第１信号分布を示すとともに、図３（ｂ）は第２信号分布を示している。グラフの横軸は電子ペン１４の指示位置を基準とする相対位置（単位：ｍｍ）を示すとともに、グラフの縦軸は［０，１］に正規化された信号値（単位：なし）を示している。この信号値は、電子ペン１４が接近した時に「正」になるように正負の符号が定義されている。第１及び第２信号分布はそれぞれ、電子ペン１４の傾斜角度に応じて形状が変化する。本図では、傾斜角度をそれぞれ変化させて得られた３本の曲線を重ねて表記している。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、第１信号分布は、傾斜角度の大きさにかかわらず、概ね類似した形状を有する。なぜならば、電子ペン１４を使用する間、通常、チップ電極３０の頂部がセンサ平面に最も近い位置にあり、位置Ｑ１が位置Ｐ１に概ね一致するからである。一方、図３（ｂ）に示すように、第２信号分布は、傾斜角度の変化に応じてピークの位置又は個数が大きく変化する。なぜならば、電子ペン１４を使用する間、通常、アッパー電極３２の肩部のいずれかの箇所がセンサ平面に最も近い位置にあり、位置Ｑ１，Ｑ２の間の距離が傾斜角度に応じて変化するからである。
【００２８】
この位置Ｑ１，Ｑ２の座標を用いて、電子ペン１４の位置・姿勢（以下、ペン状態ともいう）を推定することができる。例えば、指示位置は、図２に示す位置Ｑ１に相当する。また、傾斜角度は、センサ平面と電子ペン１４の軸とのなす角θに相当する。つまり、センサ平面に対して水平な状態ではθ＝０°となり、センサ平面に対して垂直な状態ではθ＝９０°となる。なお、電子ペン１４の傾き状態を示す物理量は、上記した角度の他に、例えば方位を用いてもよい。
【００２９】
図４は、指示位置に関する推定誤差の傾向を示す図である。グラフの横軸は指示位置の実際値（単位：ｍｍ）を示すとともに、グラフの縦軸は指示位置の推定値（単位：ｍｍ）を示している。ここでは、ライン電極１８ｘの幅方向の中点をＸ＝０（ｍｍ）と定義している。なお、推定誤差が０の場合、原点Ｏを通る傾き１の直線が得られる。
【００３０】
例えば、信号分布は、等間隔（ピッチΔＸ）でサンプリングされた信号値の集合であることから、信号分布のピーク（つまり、指示位置）をより正確に推定するために補間演算が行われる。ところが、補間関数の種類によってはフィッティング誤差が発生し、ピッチ単位で周期的な「補間近似誤差」が生じてしまう。
【００３１】
また、アッパー電極３２の位置Ｐ３（図２参照）を基準として傾斜角度を推定する場合において、θ＝０°では位置Ｑ２が位置Ｑ３に一致するため、傾斜角度に起因する推定誤差は生じない。ところが、θ＞０°の場合、位置Ｑ２，Ｑ３のずれにより、傾斜角度が小さく見積もられる。その結果、得られる推定値が正方向（つまり、電子ペン１４の傾斜方向）にシフトし、いわゆる「オフセット誤差」が生じてしまう。
【００３２】
このように、互いに位置及び形状が異なる２つの電極を用いてペン状態を推定する際、上記した補間近似誤差及びオフセット誤差によって、指示位置又は傾斜角度の推定精度がばらつく場合がある。そこで、この２種類の誤差を同時に減らし、ペン状態の推定精度を向上させるための手法を提案する。
【００３３】
［第１実施形態］
以下、第１実施形態におけるタッチＩＣ２０のペン検出機能２８Ａについて、図５〜図１１を参照しながら説明する。
【００３４】
＜構成及び動作＞
図５は、第１実施形態におけるペン検出機能２８Ａを示すブロック図である。このペン検出機能２８Ａは、信号取得部４０と、特徴量算出部４２と、角度推定部４４と、位置推定部４６と、を含んで構成される。続いて、このペン検出機能２８Ａの実行に伴うタッチＩＣ２０の動作について、図６のフローチャートを参照しながら説明する。
【００３５】
図６のステップＳ１において、信号取得部４０は、ライン電極１８ｘ，１８ｙ毎のスキャン動作を通じて、タッチセンサ１８から第１信号分布及び第２信号分布をそれぞれ取得する。この信号分布は、Ｘ軸又はＹ軸に沿った一次元信号分布であってもよいし、Ｘ−Ｙ軸平面上における二次元信号分布であってもよい。ここでは、Ｘ軸に沿った一次元信号分布を例に挙げて説明する。
【００３６】
図７は、タッチセンサ１８から取得される信号分布の一例を示す図である。グラフの横軸はライン番号（つまり、ライン電極１８ｘの識別番号）を示すとともに、グラフの縦軸は信号値を示している。ここでは、２本の電子ペン１４が同時に検出されている状況を想定する。この場合、信号分布は、電子ペン１４の指示位置を中心とする幅が狭い２本のピークが発生する。一方、２本のピークを除く残りの位置では、信号値が０又は微小値となっている。以下、信号分布の全体を「全体分布」といい、静電容量の変化が相対的に大きい局所的な信号分布を「局所分布」という場合がある。この「相対的に大きい」とは、局所分布以外の位置と比べて変化量が大きいことであってもよいし、所定の閾値と比べて変化量が大きいことであってもよい。
【００３７】
あるいは、別の観点から言えば、「全体分布」は配設されたライン電極１８ｘの全部に相当する信号分布であり、「局所分布」は配設されたライン電極１８ｘの一部に相当する信号分布である。全体分布をなす電極数Ｎに対する局所分布をなす電極数ｎの比率（ｎ／Ｎ）は、例えば、１／２以下が好ましく、１／４以下がより好ましく、１／８以下がさらに好ましい。
【００３８】
言い換えれば、局所分布のなすライン電極１８ｘ，１８ｙの数は、全体分布をなすライン電極１８ｘ，１８ｙの配設数よりも少なくなっている。ここで、「少ない」とは、例えば、センサ電極が垂直Ｎ行×水平Ｍ列（例えば５０行×７０列）で構成されている場合に、
［１］垂直方向の座標を決定する上で、Ｎより少ない数、好ましくはＮ／２より少ない数、より好適には１０より少ない数の電極の電流あるいは電圧のレベル値により、
［２］水平方向の座標を決定する上では、Ｍより少ない数、好ましくはＭ／２より少ない数、好適には１０より少ない数の電極の電流あるいは電圧のレベル値により、
ということである。この数は、垂直方向水平方向ともに同数であることが望ましい。これにより、例えば、上述例による５０x７０のセンサ電極の場合、クロスポイントの状態数（３５００の入力数）のニューラルネットワークを学習するのに比して、例えば、１０＋１０の学習で２次元座標を得ることができ、ニューラルネットワークで演算する乗算数などの計算量のオーダを指数（２乗）から線形（１０＋１０）におさえることができる。
【００３９】
なお、センサ電極が、垂直Ｎ個水平Ｍ個のブロック電極により構成される場合には、垂直方向にＮ個よりも少ない数、好ましくはＮ／２より少ない数、より好適には１０より少ない数の電極の電流あるいは電圧のレベル値に該当する。
【００４０】
ステップＳ２において、特徴量算出部４２は、ステップＳ１で取得された第１信号分布を用いて、この第１信号分布の形状的特徴を示す特徴量（以下、「第１特徴量」という）を算出する。同様に、特徴量算出部４２は、ステップＳ１で取得された第２信号分布を用いて、この第２信号分布の形状的特徴を示す特徴量（以下、「第２特徴量」という）を算出する。
【００４１】
図８（ａ）に示すように、ライン番号の若い方から順に、Ｓｎ−２＝０．１５／Ｓｎ−１＝０．４０／Ｓｎ＝０．８０／Ｓｎ＋１＝０．３０／Ｓｎ＋２＝０．１０である信号分布が得られたとする。なお、その他のライン番号における信号値は、いずれも０であるか無視できる程度に微小な値である。例えば、次の式（１），（２）に従って、｛Ｇｉ｝及び｛Ｆｉ｝をそれぞれ計算する。
Ｇｉ＝（Ｓｉ−Ｓｉ−２）＋（Ｓｉ−１−Ｓｉ−３）    ・・・（１）
Ｆｉ＝｜Ｇｉ｜／ｍａｘ｛｜Ｇｉ｜｝            ・・・（２）
【００４２】
その結果、図８（ｂ）に示す「符号あり傾き」｛Ｇｉ｝、図８（ｃ）に示す特徴量｛Ｆｉ｝がそれぞれ算出される。式（２）から理解されるように、この特徴量｛Ｆｉ｝は、［０，１］の範囲で正規化された「符号なし傾き」に相当する。
【００４３】
なお、特徴量算出部４２は、上記した信号分布の傾き又は該傾きの絶対値の他にも、信号分布の形状を特徴付ける様々な特徴量を算出してもよい。また、特徴量算出部４２は、第１特徴量の場合と同一の計算方法を用いて第２特徴量を算出してもよいし、第１特徴量の場合と異なる計算方法を用いて第２特徴量を算出してもよい。また、この特徴量は、信号分布そのものであってもよい。また、特徴量算出部４２は、１本のライン電極１８ｘ，１８ｙにつき１つの特徴量を計算しているが、ライン電極１８ｘ，１８ｙの本数と特徴量の個数の関係はこの例に限られない。つまり、１対１の関係の他に、１対多、多対１、あるいは多対多の関係であってもよい。
【００４４】
ここで、特徴量算出部４２は、後述する推定に用いられる特徴量の個数を削減するため、上記した局所分布のみを用いて特徴量（以下、「局所特徴量」という）を算出する。具体的には、特徴量算出部４２は、全体分布から局所分布を抽出した後に該局所分布を用いて局所特徴量を算出してもよいし、全体分布にわたって特徴量を算出した後に該当する局所分布に応じた局所特徴量を抽出してもよい。この局所特徴量は、ライン電極１８ｘ，１８ｙの配設数にかかわらず一定のデータ数（例えば。Ｎ個）で構成されてもよい。推定に用いられるデータ数を一定にすることで、タッチセンサ１８の構成に依存しない一律の推定を行うことができる。
【００４５】
上記した局所特徴量を用いる場合、第１特徴量には第１局所特徴量及び基準位置が含まれるとともに、第２特徴量には第２局所特徴量が含まれる。「第１局所特徴量」は、第１信号分布に含まれる局所分布（つまり、第１局所分布）のみに関する局所特徴量を意味する。「第２局所特徴量」は、第２信号分布に含まれる局所分布（つまり、第２局所分布）のみに関する局所特徴量を意味する。「基準位置」は、センサ座標系における第１局所分布の基準点の位置を意味し、例えば、第１局所分布の立ち上がり位置、立ち下がり位置、ピーク位置、あるいはこれらの近傍位置のいずれであってもよい。
【００４６】
図６のステップＳ３において、角度推定部４４は、ステップＳ２で算出された第２特徴量から電子ペン１４の傾斜角度を推定する。そして、特徴量算出部４２は、第１特徴量及び傾斜角度から電子ペン１４の指示位置を推定する。このペン状態の推定は、機械学習がなされた推定器５０を用いて行われる。この機械学習は、例えば、実際の測定又は計算機シミュレーションにより得られた教師データを用いる「教師あり学習」であってもよい。
【００４７】
図９は、図５のペン検出機能２８Ａに含まれる推定器５０の構成を示す図である。この推定器５０は、前段演算器５２、後段演算器５４、及び加算器５６が直列的に順次接続されてなる。前段演算器５２は図５に示す角度推定部４４に対応し、後段演算器５４及び加算器５６は図５に示す位置推定部４６に対応する。
【００４８】
なお、図面の丸印は、ニューラルネットワークのニューロンに相当する演算ユニットを示している。「Ｔ」の演算ユニットには、チップ電極３０に対応する「第１局所特徴量」の各値が格納される。「Ｕ」の演算ユニットには、アッパー電極３２に対応する「第２局所特徴量」の各値が格納される。「Ａ」の演算ユニットには「傾斜角度」が格納される。「Ｐ」の演算ユニットには「相対位置」が格納される。
【００４９】
前段演算器５２は、例えば、入力層５２ｉ、中間層５２ｍ、及び出力層５２ｏからなる階層型のニューラルネット演算器である。入力層５２ｉは、第２局所特徴量の各値を入力するためのＮ個の演算ユニットから構成される。中間層５２ｍは、Ｍ個（ここでは、Ｍ＝Ｎ）の演算ユニットから構成される。出力層５２ｏは、傾斜角度を出力するための１個の演算ユニットから構成される。
【００５０】
後段演算器５４は、例えば、入力層５４ｉ、中間層５４ｍ、及び出力層５４ｏからなる階層型のニューラルネット演算器である。入力層５４ｉは、第１局所特徴量の各値及び傾斜角度を入力するための（Ｎ＋１）個の演算ユニットから構成される。中間層５４ｍは、例えば、Ｍ個（ここでは、Ｍ＝Ｎ）の演算ユニットから構成される。出力層５４ｏは、基準位置と指示位置の間の相対位置を出力するための１個の演算ユニットから構成される。
【００５１】
加算器５６は、第１特徴量に含まれる基準位置に、後段演算器５４からの相対位置を加算することで、電子ペン１４の指示位置を出力する。この指示位置は、第１局所分布のピーク中心に相当する位置であり、ライン電極１８ｘ，１８ｙのピッチよりも高い分解能を有する。
【００５２】
図１０は、図９における推定器５０の実装例を示す図である。この推定器５０は、共通演算器６０と、同期的に切り替え可能な４つのスイッチ６１，６２，６３，６４と、保持回路６５と、を含んで構成される。共通演算器６０は、（Ｎ＋１）個の変数を入力し、かつ１個の変数を出力するニューラルネット演算器であり、図９の前段演算器５２又は後段演算器５４として共通して利用可能に構成される。
【００５３】
スイッチ６１は、スイッチ信号の入力に応じて、第１学習パラメータ群（つまり、位置演算用の学習パラメータ群）又は第２学習パラメータ群（つまり、角度演算用の学習パラメータ群）のうちいずれか一方を切り替えて出力する。ここで、スイッチ６１の出力側が共通演算器６０に接続されているので、学習パラメータ群が選択的に共通演算器６０に供給される。
【００５４】
共通演算器６０の演算規則は、学習パラメータ群を構成する学習パラメータの値によって定められる。学習パラメータ群は、例えば、演算ユニットの活性化関数を記述する係数、演算ユニット間の結合強度を含む「可変パラメータ」と、学習モデルのアーキテクチャを特定するための「固定パラメータ」（いわゆるハイパーパラメータ）から構成される。ハイパーパラメータの例として、各層を構成する演算ユニットの個数、中間層の数が挙げられる。この実装例では、アーキテクチャが固定されているため、学習パラメータ群は、可変パラメータのみからなる。
【００５５】
スイッチ６２は、スイッチ信号の入力に応じて、第１局所特徴量（つまり、位置演算用の入力値）又は第２局所特徴量（つまり、角度演算用の入力値）のうちいずれか一方を出力する。スイッチ６２の出力側が共通演算器６０の入力側に接続されているので、局所特徴量が選択的に共通演算器６０に供給される。
【００５６】
スイッチ６３は、スイッチ信号の入力に応じて、保持回路６５内の保持値（ここでは、傾斜角度の推定値）又はダミー情報（例えば、ゼロ値）のうちいずれか一方を切り替えて出力する。スイッチ６３の出力側が共通演算器６０の入力側に接続されているので、位置演算の実行時に限り、傾斜角度が共通演算器６０に供給される。
【００５７】
スイッチ６４は、スイッチ信号の入力に応じて、共通演算器６０の出力値（ここでは、指示位置の推定値）又はダミー情報（例えば、ゼロ値）のうちいずれか一方を切り替えて出力する。これにより、位置演算の実行時に限り、スイッチ６４から指示位置が出力される。
【００５８】
保持回路６５は、共通演算器６０の出力値を一時的に保持する。保持回路６５内には、傾斜角度と指示位置が交互に保持されるが、実際には位置演算の実行時にのみ保持値が読み出される。
【００５９】
このように、図９及び図１０の推定器５０を用いて、電子ペン１４の指示位置が推定される（ステップＳ３）。なお、上記した例では、ニューラルネットワークを用いて推定器５０を構築したが、機械学習の手法はこれに限られない。例えば、ロジスティック回帰モデル、サポートベクターマシン（ＳＶＭ）、ディシジョンツリー、ランダムフォレスト、ブースティング法を含む様々な手法を採用してもよい。
【００６０】
図６のステップＳ４において、ペン検出機能２８Ａは、ステップＳ３で推定された指示位置及び傾斜角度を含むデータをホストプロセッサ２２に供給する。例えば、ペン検出機能２８Ａは、ステップＳ１〜Ｓ３を２回繰り返してＸ軸座標値、Ｙ軸座標値をそれぞれ推定し、ホストプロセッサ２２に指示位置の座標値（Ｘ，Ｙ）を供給してもよい。あるいは、ペン検出機能２８Ａは、ステップＳ１〜Ｓ３を通じて指示位置の座標値（Ｘ，Ｙ）を同時に推定し、ホストプロセッサ２２に座標値（Ｘ，Ｙ）を供給してもよい。
【００６１】
以上のようにして、図６のフローチャートを終了する。タッチＩＣ２０は、所定の時間間隔でこのフローチャートを逐次実行することで、電子ペン１４の移動に追従しながら指示位置を検出する。
【００６２】
＜推定精度の比較＞
続いて、機械学習がなされた推定器５０による推定精度の向上効果について、図１１を参照しながら説明する。図１１（ａ）は「従来例」における指示位置の推定精度を示す図であり、図１１（ｂ）は「実施例」における指示位置の推定精度を示す図である。ここでは、５通りの傾斜角度に設定した場合における補間近似誤差（上側のバー）及びオフセット誤差（下側のバー）の大きさをそれぞれ計算している。なお、この比較対象（従来例）として、信号分布に対して所定の補間関数を用いて位置Ｑ１，Ｑ２を算出する手法を用いている。
【００６３】
図１１（ａ）に示すように、従来例において、傾斜角度によらず略一定の補間近似誤差が発生するとともに、傾斜角度が増加するにつれてオフセット誤差が大きくなっている。一方、図１１（ｂ）に示すように、実施例において、補間近似誤差が従来例の場合と比べて半分以下に減少するとともに、オフセット誤差が傾斜角度によらず微小になっている。
【００６４】
＜第１実施形態のまとめ＞
以上のように、このタッチＩＣ２０は、複数のセンサ電極（ライン電極１８ｘ，１８ｙ）を面状に配置してなる静電容量方式のタッチセンサ１８により検出された信号分布に基づいて、第１電極を有する電子ペン１４の状態を検出するペン状態検出回路である。そして、タッチＩＣ２０（１つ又は複数のプロセッサ）は、第１電極の接近に伴う静電容量の変化を示す第１信号分布をタッチセンサ１８から取得し（図６のＳ１）、機械学習がなされた推定器５０を用いて、第１信号分布に関する第１特徴量から電子ペン１４の指示位置又は傾斜角度を推定する（Ｓ３）。そして、第１特徴量は、第１信号分布をなすライン電極１８ｘ，１８ｙの配設数よりも少ないライン電極１８ｘ，１８ｙに相当する第１局所分布に関する第１局所特徴量を含む。
【００６５】
あるいは、電子ペン１４が第１電極及び第２電極を有する場合、タッチＩＣ２０（１つ又は複数のプロセッサ）は、第１電極の接近に伴う静電容量の変化を示す第１信号分布及び第２電極の接近に伴う静電容量の変化を示す第２信号分布をタッチセンサ１８からそれぞれ取得し（図６のＳ１）、機械学習がなされた推定器５０を用いて、第１信号分布に関する第１特徴量及び第２信号分布に関する第２特徴量から、電子ペン１４の指示位置又は傾斜角度を推定する（Ｓ３）。そして、第１特徴量は、第１信号分布のうちをなすライン電極１８ｘ，１８ｙの配設数よりも少ないライン電極１８ｘ，１８ｙに相当する第１局所特徴量を含み、第２特徴量は、第２信号分布をなすライン電極１８ｘ，１８ｙの配設数よりも少ないライン電極１８ｘ，１８ｙに相当する第２局所分布に関する第２局所特徴量を含む。
【００６６】
このように、機械学習がなされた推定器５０を用いることで、機械学習を通じて潜在的な検出パターンを抽出可能となり、指示位置又は傾斜角度の推定に際して当該検出パターンの傾向が適切に反映されやすくなる。これにより、少なくとも１つの電極を有する電子ペン１４におけるペン状態の推定精度が向上する。また、信号分布をなすライン電極１８ｘ，１８ｙの配設数よりも少ない数のライン電極１８ｘ，１８ｙに相当する局所分布に関する局所特徴量を用いることで、局所特徴量が入力される推定器５０の処理負荷を低減することができる。
【００６７】
また、第１電極は、電子ペン１４の軸に対称な形状を有し、かつ電子ペン１４の先端に設けられるチップ電極３０であり、第２電極は、電子ペン１４の軸に対称な形状を有し、かつチップ電極３０よりも基端側に設けられるアッパー電極３２であってもよい。電子ペン１４の傾斜角度と検出位置の間の関係がアッパー電極３２の三次元形状に応じて変化する傾向があるので、上記した推定精度の向上効果がより顕著に現われやすくなる。
【００６８】
また、第１局所特徴量及び／又は第２局所特徴量は、ライン電極１８ｘ，１８ｙの配設数にかかわらず一定のデータ数で構成されてもよい。推定に用いられるデータ数を一定にすることで、タッチセンサ１８の構成（つまり、ライン電極１８ｘ，１８ｙの配設数）に依存しない一律の推定を行うことができる。
【００６９】
また、第１（又は第２）局所分布は、第１（又は第２）信号分布のうち静電容量の変化が相対的に大きい分布であってもよい。第１（又は第２）局所分布と比べて静電容量の変化が相対的に小さい信号分布が除外された第１（又は第２）局所特徴量を用いることで、推定精度の向上効果がより顕著に現われる。
【００７０】
また、第１特徴量は、タッチセンサ１８の検出面上にて定義されるセンサ座標系における、第１局所分布の基準位置をさらに含み、推定器５０は、基準位置と指示位置の間の相対位置を出力値とする位置演算を実行可能に構成され、タッチＩＣ２０は、基準位置に相対位置を加算することで指示位置を推定してもよい。
【００７１】
また、推定器５０は、第２局所特徴量を入力値とし、傾斜角度を出力値とする角度演算と、第１局所特徴量及び傾斜角度を入力値とし、相対位置を出力値とする位置演算と、を順次実行可能に構成されてもよい。指示位置との相関性が高い傾斜角度を明示的に用いて位置演算を行うことで、指示位置の推定精度がさらに高くなる。
【００７２】
さらに、推定器５０は、角度演算用の学習パラメータ群又は位置演算用の学習パラメータ群のうちいずれか一方を切り替えて出力可能なスイッチ６１と、角度演算用の入力値又は位置演算用の入力値のうちいずれか一方を切り替えて出力可能なスイッチ６２と、スイッチ６１，６２の切り替えに応じて、角度演算又は位置演算を選択的に実行可能に構成される共通演算器６０と、を含んで構成されてもよい。これにより、２つの用途の演算器を別々に設ける場合と比べて、演算器の構成がより簡素になる。
【００７３】
また、第１局所特徴量は、第１局所分布の傾き又は該傾きの絶対値を示す特徴量を含むとともに、第２局所特徴量は、第２局所分布の傾き又は該傾きの絶対値を示す特徴量を含んでもよい。これらの局所特徴量は、上記した検出パターンを強く特徴付ける傾向があるため、精度の向上に繋がりやすい。
【００７４】
［第１実施形態の変形例］
続いて、第１実施形態の第１〜第５変形例について、図１２〜図１５を参照しながら説明する。なお、第１実施形態の場合と同様の構成要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。
【００７５】
＜第１変形例＞
図１２（ａ）は、第１実施形態の第１変形例におけるペン検出機能２８Ｂを示すブロック図である。このペン検出機能２８Ｂは、信号取得部４０と、特徴量算出部４２と、第１実施形態とは構成が異なる位置推定部８０と、を含んで構成される。つまり、このペン検出機能２８Ｂは、角度推定部４４が設けられていない点で、図５のペン検出機能２８Ａの構成とは異なっている。
【００７６】
図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のペン検出機能２８Ｂに含まれる推定器８２の構成を示す図である。この推定器８２は、図１２（ａ）に示す位置推定部８０に対応する。推定器８２は、例えば、入力層８２ｉ、中間層８２ｍ、及び出力層８２ｏからなる階層型のニューラルネット演算器である。入力層８２ｉは、第１局所特徴量及び第２局所特徴量の各値を入力するための２Ｎ個の演算ユニットから構成される。中間層８２ｍは、Ｍ個（ここでは、Ｍ＝２Ｎ）の演算ユニットから構成される。出力層８２ｏは、基準位置と指示位置の間の相対位置を出力するための１個の演算ユニットから構成される。
【００７７】
このように、ペン検出機能２８Ｂの推定器８２は、第１局所特徴量及び第２局所特徴量を入力値とし、相対位置を出力値とする位置演算を実行してもよい。この構成を採用した場合であっても、第１実施形態の推定器５０（図９）と同様に、電子ペン１４の指示位置が高い精度で推定され得る。
【００７８】
＜第２変形例＞
図１３（ａ）は、第１実施形態の第２変形例におけるペン検出機能２８Ｃを示すブロック図である。このペン検出機能２８Ｃは、信号取得部４０と、特徴量算出部４２と、特徴量合成部９０と、上記した第１変形例とは機能が異なる位置推定部９２と、を含んで構成される。つまり、このペン検出機能２８Ｃは、特徴量合成部９０が設けられている点で、第１変形例のペン検出機能２８Ｂとは異なっている。
【００７９】
図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のペン検出機能２８Ｃに含まれる推定器９４の構成を示す図である。この推定器９４は、合成器９６及び演算器９８から構成される。合成器９６は図１３（ａ）に示す特徴量合成部９０に対応し、演算器９８は図１３（ａ）に示す位置推定部９２に対応する。
【００８０】
合成器９６は、第１特徴量と第２特徴量の間の相対値を示す第３特徴量（例えば、局所特徴量の差又は比、基準位置の平均など）を出力する演算器からなる。なお、「Ｃ」の演算ユニットには、合成により得られた「第３特徴量」の各値が格納される。
【００８１】
演算器９８は、例えば、入力層９８ｉ、中間層９８ｍ、及び出力層９８ｏからなる階層型のニューラルネット演算器である。入力層９８ｉは、第３特徴量の各値を入力するためのＮ個の演算ユニットから構成される。中間層９８ｍは、Ｍ個（ここでは、Ｍ＝Ｎ）の演算ユニットから構成される。出力層９８ｏは、基準位置と指示位置の間の相対位置を出力するための１個の演算ユニットから構成される。なお、演算器９８は、上記した相対位置と併せて又はこれとは別に、傾斜角度を出力可能に構成されてもよい。
【００８２】
このように、ペン検出機能２８Ｃの推定器９４は、第１特徴量及び第２特徴量を合成して第３特徴量を出力する合成器９６と、第３特徴量を入力値とし、指示位置又は傾斜角度を出力値とする演算器９８と、を含んで構成されてもよい。この構成を採用した場合であっても、第１実施形態の推定器５０（図９）と同様に、電子ペン１４の指示位置が高い精度で推定され得る。
【００８３】
＜第３変形例＞
図１４（ａ）は、第１実施形態の第３変形例におけるペン検出機能２８Ｄを示すブロック図である。このペン検出機能２８Ｄは、信号取得部４０と、特徴量算出部４２と、特徴量合成部９０と、上記した第２変形例とは機能が異なる位置推定部１００と、を含んで構成される。
【００８４】
図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のペン検出機能２８Ｄに含まれる推定器１０２の構成を示す図である。この推定器１０２は、共通演算器１０４及びスイッチ１０６から構成されており、図１４（ａ）に示す位置推定部１００に対応する。共通演算器１０４は、図１４（ａ）に示す特徴量合成部９０からの第３局所特徴量（Ｎ個の変数）を入力し、かつ相対位置（１個の変数）を出力するニューラルネット演算器である。なお、共通演算器１０４は、上記した相対位置と併せて又はこれとは別に、傾斜角度を出力可能に構成されてもよい。
【００８５】
スイッチ１０６は、スイッチ信号の入力に応じて、第１学習パラメータ群（つまり、コンタクト状態に適した学習パラメータ群）又は第２学習パラメータ群（つまり、ホバー状態に適した学習パラメータ群）のうちいずれか一方を切り替えて出力する。ここで、スイッチ１０６の出力側が共通演算器１０４に接続されているので、学習パラメータ群が選択的に共通演算器１０４に供給される。
【００８６】
なお、「コンタクト状態」とは、電子ペン１４のチップ部が電子機器１２の検出面に接触している状態を意味する。反対に、「ホバー状態」とは、電子ペン１４のチップ部が電子機器１２の検出面に接触していない状態を意味する。例えば、電子ペン１４がチップ部の押圧を検出するセンサを備える場合、タッチＩＣ２０は、電子ペン１４から送信されるダウンリンク信号を解析することで上記した２つの状態を識別可能である。
【００８７】
このように、電子ペン１４がコンタクト状態であるかホバー状態であるかに応じて異なる学習パラメータ群が設定された推定器１０２を用いて、電子ペン１４の指示位置又は傾斜角度を推定してもよい。これにより、電子ペン１４とタッチセンサ１８の離間距離に応じて信号分布の形状が変化する傾向が反映された演算を実行可能となり、両方の状態での推定精度がそれぞれ高くなる。
【００８８】
＜第４変形例＞
各々のライン電極１８ｘ、１８ｙは、図示しない引き出し線を介して１つのタッチＩＣ２０に接続されている。つまり、ライン電極１８ｘ、１８ｙの位置に応じて配線の長さが異なるため、タッチセンサ１８の検出面内にて静電容量が変化する度合い、つまり感度が異なっている。その結果、局所分布の歪みが生じるなどの現象が起こり、ペン状態の推定精度を損なう原因にもなり得る。そこで、上記の感度不均一性を考慮したペン状態の推定を行ってもよい。
【００８９】
図１５は、第１実施形態の第４変形例における推定器１１０の構成を示す図である。この推定器は、前段演算器１１２及び後段演算器１１４が直列的に順次接続されてなる。前段演算器１１２は図５に示す角度推定部４４に対応し、後段演算器１１４は図５に示す位置推定部４６に対応する。
【００９０】
なお、図面の丸印は、ニューラルネットワークのニューロンに相当する演算ユニットを示している。「Ｔ」の演算ユニットには、チップ電極３０に対応する「第１局所特徴量」の各値が格納される。「Ｕ」の演算ユニットには、アッパー電極３２に対応する「第２局所特徴量」の各値が格納される。「Ａ」の演算ユニットには「傾斜角度」が格納される。「Ｐ」の演算ユニットには「位置」（相対位置又は指示位置）が格納される。
【００９１】
前段演算器１１２は、例えば、入力層１１２ｉ、中間層１１２ｍ、及び出力層１１２ｏからなる階層型のニューラルネット演算器である。入力層１１２ｉは、第２局所分布の基準位置及び第２局所特徴量の各値を入力するための（Ｎ＋１）個の演算ユニットから構成される。中間層１１２ｍは、Ｍ個（ここでは、Ｍ＝Ｎ）の演算ユニットから構成される。出力層１１２ｏは、傾斜角度を出力するための１個の演算ユニットから構成される。
【００９２】
後段演算器１１４は、例えば、入力層１１４ｉ、中間層１１４ｍ、及び出力層１１４ｏからなる階層型のニューラルネット演算器である。入力層１１４ｉは、第１局所分布の基準位置、第１局所特徴量の各値及び傾斜角度を入力するための（Ｎ＋２）個の演算ユニットから構成される。中間層１１４ｍは、Ｍ個（ここでは、Ｍ＝Ｎ）の演算ユニットから構成される。出力層１１４ｏは、相対位置（あるいは指示位置）を出力するための１個の演算ユニットから構成される。
【００９３】
このように、推定器１１０は、第１局所特徴量及び基準位置を入力値とし、相対位置又は指示位置を出力値とする位置演算を実行してもよい。これにより、基準位置に応じて第１局所分布の形状が変化する傾向を反映可能となり、基準位置を入力しない場合と比べてより高い推定精度が得られる。
【００９４】
＜第５変形例＞
第１実施形態では、図１０に示す保持回路６５は、スイッチ６３の第１入力側（図面の上側）に接続されているが、これとは逆に、スイッチ６３の第２入力側（図面の下側）に接続されてもよい。これにより、推定器５０は、第１局所特徴量及び前回の指示位置を用いて、今回の傾斜角度を推定することができる。あるいは、共通演算器６０と保持回路６５の間に、スイッチ６３に代えて遅延回路を設けることで、［１］今回の傾斜角度をさらに用いた今回の指示位置の推定、及び［２］前回の指示位置をさらに用いた今回の傾斜角度の推定、の両方を行うことができる。
【００９５】
［第２実施形態］
続いて、第２実施形態におけるタッチＩＣ１４０のペン検出機能２８Ｅについて、図１６〜図１９を参照しながら説明する。
【００９６】
＜構成及び動作＞
第２実施形態における基本構成は第１実施形態（図１〜図４）と同様であるため、その説明を省略する。ただし、電子ペン１４（図２）がチップ電極３０のみを有する場合を想定する。
【００９７】
図１６は、第２実施形態におけるペン検出機能２８Ｅを示すブロック図である。このペン検出機能２８Ｅは、信号取得部１４２と、特徴量算出部１４４と、演算選択部１４６と、位置推定部１４８と、を含んで構成される。続いて、このペン検出機能２８Ｅの実行に伴うタッチＩＣ１４０の動作について、図１７のフローチャートを参照しながら説明する。
【００９８】
図１７のステップＳ１１において、信号取得部１４２は、ライン電極１８ｘ，１８ｙ毎のスキャン動作を通じて、タッチセンサ１８から信号分布を取得する。この動作は、第１実施形態（図６のステップＳ１）と同様であるので詳しい説明を省略する。
【００９９】
ステップＳ１２において、特徴量算出部１４４は、ステップＳ１１で取得された信号分布を用いて、この信号分布に関する特徴量を算出する。特徴量算出部１４４は、第１実施形態（図６のステップＳ２）の場合と同一の特徴量を算出してもよいし、第１実施形態の場合と異なる特徴量を算出してもよい。例えば、特徴量算出部１４４は、上記した局所特徴量に代わって、信号分布の全体に関する特徴量を算出してもよい。
【０１００】
ステップＳ１３において、演算選択部１４６は、ステップＳ１２で算出された特徴量に基づいて、複数の学習パラメータ群の中から１つのグループを選択する。この選択に先立ち、演算選択部１４６は、チップ電極３０の投影位置が、タッチセンサ１８の周縁部に干渉するか否かについて判定を行う。
【０１０１】
図１８は、タッチセンサ１８が有するセンサ領域１５０の定義の一例を示す図である。センサ座標系は、原点Ｏを通る２軸（Ｘ軸，Ｙ軸）からなる２次元直交座標系である。原点Ｏは、タッチセンサ１８の検出面上の特徴点（例えば、左上の頂点）である。Ｘ−Ｙ平面は、検出面の平面方向に一致する。センサ領域１５０の一部には、タッチセンサ１８の周縁部に対応する額縁状の周縁領域１５２が設定されている。周縁領域１５２の形状（例えば、幅・位置・サイズなど）は、電子機器１２又は電子ペン１４に応じて様々に設定され得る。なお、センサ領域１５０のうち、上記した周縁領域１５２を除く残りの領域を一般領域１５４という。
【０１０２】
図１９は、様々な信号分布から算出された局所特徴量の傾向を示す図である。より詳しくは、図１９（ａ）は、電子ペン１４が有するチップ電極３０（図２）の投影位置が一般領域１５４内にある場合の局所特徴量を示している。また、図１９（ｂ）は、チップ電極３０の投影位置が周縁領域１５２内にある場合の局所特徴量を示している。本図では、傾斜角度をそれぞれ変化させて得られた複数本の折れ線又はプロットを重ねて表記している。
【０１０３】
例えば、特徴量算出部１４４は、信号分布の全体にわたって算出した特徴量からアドレスが連続する６個分のデータを抽出することで、ユニット番号０〜５に対応する局所特徴量を算出することを想定する。図１９（ｂ）から理解されるように、センサ領域１５０外にて信号分布の一部が検出できないため、局所特徴量の一部が欠損する場合が起こり得る。つまり、形状の傾向が大きく異なる２種類の局所特徴量に対して、一律的な演算規則に従って指示位置の推定を行う場合、この推定精度にばらつきが生じることがあり得る。
【０１０４】
そこで、演算選択部１４６は、特徴量に含まれる基準位置が一般領域１５４内にある場合、一般領域演算用の学習パラメータ群を選択し、当該学習パラメータ群を位置推定部１４８に供給する。一方、演算選択部１４６は、上記した基準位置が周縁領域１５２内にある場合、周縁領域演算用の学習パラメータ群を選択し、当該学習パラメータ群を位置推定部１４８に供給する。
【０１０５】
図１７のステップＳ１４において、位置推定部１４８は、ステップＳ１２で算出された特徴量から電子ペン１４の指示位置を推定する。具体的には、位置推定部１４８は、学習パラメータ群が選択的に設定された推定器を用いて、チップ電極３０の投影位置に適した指示位置の推定を行う。なお、位置推定部１４８は、指示位置と併せて又はこれとは別に、傾斜角度を推定可能に構成されてもよい。
【０１０６】
ステップＳ１５において、ペン検出機能２８Ｅは、ステップＳ１４にて推定された指示位置を含むデータをホストプロセッサ２２に供給する。以上のようにして、図１７のフローチャートを終了する。タッチＩＣ１４０は、所定の時間間隔でこのフローチャートを逐次実行することで、電子ペン１４の移動に追従しながら指示位置を検出する。
【０１０７】
＜第２実施形態のまとめ＞
以上のように、このタッチＩＣ１４０は、複数のライン電極１８ｘ，１８ｙを面状に配置してなる静電容量方式のタッチセンサ１８により検出された信号分布に基づいて、チップ電極３０を有する電子ペン１４の状態を検出するペン状態検出回路である。そして、タッチＩＣ１４０（１つ又は複数のプロセッサ）は、チップ電極３０の接近に伴う静電容量の変化を示す信号分布をタッチセンサ１８から取得し（図１７のＳ１１）、タッチセンサ１８の検出面上におけるチップ電極３０の投影位置に応じて異なる演算規則に従って、信号分布に関する特徴量から電子ペン１４の指示位置又は傾斜角度を推定する（Ｓ１３、Ｓ１４）。
【０１０８】
このように、電子ペン１４が有するチップ電極３０の投影位置に応じて異なる演算規則を適用することで、投影位置に適した推定を実行可能となり、電子ペン１４とタッチセンサ１８の間の相対的位置関係に起因するペン状態の推定精度の低下が抑制される。
【０１０９】
例えば、上記した演算規則が電子ペン１４の指示位置又は傾斜角度を推定する規則であって、タッチＩＣ１４０は、チップ電極３０の投影位置がタッチセンサ１８の周縁部に干渉するか否かに応じて異なる学習パラメータ群が設定された推定器を用いて、指示位置又は傾斜角度を推定してもよい。
【０１１０】
また、信号分布をなすライン電極１８ｘ，１８ｙの配設数よりも少ない数のライン電極１８ｘ，１８ｙに相当する局所分布に関する局所特徴量を用いることで、局所特徴量が入力される推定器５０の処理負荷を低減することができる。あるいは、局所分布と比べて静電容量の変化が相対的に小さい信号分布が除外された局所特徴量を用いることで、推定精度の向上効果がより顕著に現われる。
【０１１１】
［第２実施形態の変形例］
上記した第２実施形態では、電子ペン１４の指示位置又は傾斜角度を推定する演算規則を変更させているが、変更対象はこれとは別の演算規則であってもよい。
【０１１２】
図２０は、第２実施形態の変形例におけるペン検出機能２８Ｆを示すブロック図である。このペン検出機能２８Ｆは、信号取得部１４２と、特徴量算出部１４４と、シフト処理部１６０と、位置推定部１４８と、を含んで構成される。つまり、このペン検出機能２８Ｆは、演算選択部１４６の代わりにシフト処理部１６０が設けられている点で、図１６のペン検出機能２８Ｅの構成とは異なっている。
【０１１３】
シフト処理部１６０は、必要に応じて、特徴量算出部１４４により算出された局所特徴量の位置をシフトする。機能的に言えば、シフト処理部１６０は、局所分布の欠損が認められない場合にシフト処理を行わない一方、局所分布の欠損が認められる場合にシフト処理を行う。具体的には、シフト処理部１６０は、局所特徴量の隣接差分から局所分布の立ち上がり位置又は立下り位置を特定し、両方の位置が所定の範囲内に収まるようにシフトの方向及び量を決定する。これにより、局所分布の一部が欠損している場合、当該局所分布のピーク中心が中央側に寄るように、局所特徴量のアドレスが相対的にシフトされる。
【０１１４】
図２１は、図１８の周縁領域１５２における局所特徴量のシフト処理による効果を示す図である。より詳しくは、図２１（ａ）はシフト処理前における局所特徴量を示すとともに、図２１（ｂ）はシフト処理後の局所特徴量を示している。本図では、傾斜角度をそれぞれ変化させて得られた２本の折れ線（実線及び破線）を重ねて表記している。
【０１１５】
図２１（ａ）の局所特徴量は、ユニット番号５の位置をピーク中心とする局所分布を用いて算出されている。一方、図２１（ｂ）の局所特徴量は、図２１（ａ）に示す局所特徴量のアドレスを「２」だけ負側にシフトしてなる。このシフト処理を通じて、局所分布のピーク中心がユニット番号３の位置になるように局所特徴量が調整される。これにより、局所分布の欠損が発生し得る周縁領域１５２における局所特徴量のアドレスを、欠損が発生しない一般領域１５４における局所特徴量のアドレスに合わせることが可能となり、その分だけ電子ペン１４とタッチセンサ１８の間の相対的位置関係に起因するペン状態の推定精度の低下が抑制されやすくなる。
【０１１６】
このように、上記した演算規則が局所特徴量を算出する規則であって、タッチＩＣ１４０は、チップ電極３０の投影位置がタッチセンサ１８の周縁部に干渉するか否かに応じて異なる規則に従って算出された局所特徴量から、指示位置又は傾斜角度を推定してもよい。このように構成しても、第２実施形態と同様の作用効果（つまり、推定精度の低下を抑制する効果）が得られる。
【０１１７】
［第３実施形態］
続いて、第３実施形態におけるタッチＩＣ２００のペン検出機能２８Ｇについて、図２２〜図２７を参照しながら説明する。
【０１１８】
＜構成及び動作＞
第３実施形態における基本構成は第１実施形態（図１〜図４）と同様であるため、その説明を省略する。ただし、電子ペン１４（図２）がチップ電極３０のみを有する場合を想定する。
【０１１９】
図２２（ａ）は、第３実施形態におけるペン検出機能２８Ｇを示すブロック図である。このペン検出機能２８Ｇは、信号取得部２０２と、特徴量算出部２０４と、自己符号化処理部（以下、ＡＥ処理部２０６）と、位置推定部２０８と、を含んで構成される。あるいは、図２２（ｂ）に示すように、ペン検出機能２８Ｈは、信号取得部２０２と、ＡＥ処理部２０６と、位置推定部２０８と、を含む構成であってもよい。続いて、このペン検出機能２８Ｇ、２８Ｈの実行に伴うタッチＩＣ２００の動作について、図２３のフローチャートを参照しながら説明する。
【０１２０】
図２３のステップＳ２１において、信号取得部２０２は、ライン電極１８ｘ，１８ｙ毎のスキャン動作を通じて、タッチセンサ１８から信号分布を取得する。この動作は、第１実施形態（図６のステップＳ１）と同様であるので詳しい説明を省略する。
【０１２１】
ステップＳ２２において、特徴量算出部２０４は、ステップＳ２１で取得された信号分布を用いて、この信号分布に関する特徴量を算出する。図２２（ａ）に示す構成の場合、特徴量算出部２０４は、第１実施形態（図６のステップＳ２）の場合と同一の又は異なる特徴量を算出してもよい。一方、図２２（ｂ）に示す構成の場合、特徴量は信号分布そのものである。例えば、前者の場合、上記した局所特徴量に代わって、信号分布の全体に関する特徴量が用いられてもよい。
【０１２２】
ステップＳ２３において、ＡＥ処理部２０６は、ステップＳ２２で算出された特徴量に対して後述する自己符号化処理を行う。ステップＳ２４において、位置推定部２０８は、ステップＳ２３で自己符号化処理が施された特徴量から指示位置を推定する。この自己符号化処理及びペン状態の推定は、機械学習がなされた推定器２１０により行われる。
【０１２３】
図２４は、図２２のペン検出機能２８Ｇ、２８Ｈに含まれる推定器２１０の構成を示す図である。この推定器２１０は、直列に接続された前段演算器２１２及び後段演算器２１４から構成される。前段演算器２１２は図２２（ａ）（ｂ）に示すＡＥ処理部２０６に対応し、後段演算器２１４は図２２（ａ）（ｂ）に示す位置推定部２０８に対応する。なお、０〜５と表記した演算ユニットには、チップ電極３０に対応する「特徴量」の各値が格納される。
【０１２４】
推定器２１０は、例えば、第１層２２１、第２層２２２、第３層２２３、第４層２２４及び第５層２２５からなる５層型のニューラルネット演算器である。第１層２２１は、特徴量の各値を入力するためのＮ個の演算ユニットから構成される。第２層２２２は、Ｍ個（ここでは、Ｍ＜Ｎ）の演算ユニットから構成される。第３層２２３は、第１層２２１の構成と同数（つまり、Ｎ個）の演算ユニットから構成される。第４層２２４は、例えば、Ｌ個（ここでは、Ｌ＝Ｎ）の演算ユニットから構成される。第５層２２５は、指示位置を出力するための１個の演算ユニットから構成される。
【０１２５】
前段演算器２１２は、第１層２２１を入力層とし、第２層２２２を中間層とし、第３層２２３を出力層とする階層型ニューラルネットワーク演算器である。この構成の場合、第１層２２１及び第２層２２２が次元圧縮機能を担い、第２層２２２及び第３層２２３が次元復元機能を担う。前段演算器２１２の演算処理には、教師なし学習により最適化された学習パラメータ群が用いられる。
【０１２６】
後段演算器２１４は、第３層２２３を入力層とし、第４層２２４を中間層とし、第５層２２５を出力層とする階層型ニューラルネットワーク演算器である。後段演算器２１４の演算処理には、教師あり学習により最適化された学習パラメータ群が用いられる。
【０１２７】
図２３のステップＳ２５において、ペン検出機能２８Ｇ、２８Ｈは、ステップＳ２４にて推定された指示位置を含むデータをホストプロセッサ２２に供給する。以上のようにして、図２３のフローチャートを終了する。タッチＩＣ２００は、所定の時間間隔でこのフローチャートを逐次実行することで、電子ペン１４の移動に追従しながら指示位置を検出する。
【０１２８】
＜推定精度の比較＞
続いて、機械学習がなされた推定器２１０による推定精度の向上効果について、図２５〜図２７を参照しながら説明する。
【０１２９】
図２５は、自己符号化処理の実行前における特徴量のばらつきを示す図である。より詳しくは、図２５（ａ）は、様々な信号分布から算出された特徴量の傾向を示す図である。また、図２５（ｂ）は、図２５（ａ）における特徴量の母集団から算出した偏差を示している。本図では、傾斜角度をそれぞれ変化させて得られた複数本の折れ線又はプロットを重ねて表記している。
【０１３０】
図２６は、自己符号化処理の実行後における特徴量のばらつきを示す図である。より詳しくは、図２６（ａ）は、図２５（ａ）における特徴量に対してそれぞれ自己符号化処理を施した結果を示す図である。また、図２６（ｂ）は、図２６（ａ）における特徴量の母集団から算出した偏差を示している。本図では、得られた複数本の折れ線又はプロットを重ねて表記している。
【０１３１】
図２５（ｂ）及び図２６（ｂ）から理解されるように、自己符号化処理の前後にわたって、特徴量の偏差（つまり、ばらつき）が半分以下に減少している。つまり、自己符号化処理を施すことで、特徴量に混入しているノイズ成分を除去する効果が得られている。
【０１３２】
図２７（ａ）は「参考例」における指示位置の推定精度を示す図であり、図２７（ｂ）は「実施例」における指示位置の推定精度を示す図である。ここでは、傾斜角度及びノイズ付与量の組み合わせを変化させながらそれぞれの指示位置を推定し、指示位置の実際値（単位：ｍｍ）と推定誤差（単位：μｍ）の関係性を散布図により表現している。なお、この比較対象（参考例）として、図２４の後段演算器２１４のみを用いて指示位置の推定を行っている。両方の散布図を比較すると、特徴量に対して自己符号化処理を施すことで指示位置の推定精度が向上することが理解される。
【０１３３】
＜第３実施形態のまとめ＞
以上のように、このタッチＩＣ２００は、複数のセンサ電極（ライン電極１８ｘ，１８ｙ）を面状に配置してなる静電容量方式のタッチセンサ１８により検出された信号分布に基づいて、少なくとも１つの電極を有する電子ペン１４の状態を検出するペン状態検出回路である。そして、タッチＩＣ２００（１つ又は複数のプロセッサ）は、電極の接近に伴う静電容量の変化を示す信号分布をタッチセンサ１８から取得し（図２３のＳ２１）、信号分布に関する特徴量に対して次元圧縮処理及び次元復元処理を順次実行することで、入力の次元数に等しい特徴量を出力する自己符号化処理を行い（Ｓ２３）、この自己符号化処理が施された特徴量を用いて電子ペン１４の指示位置又は傾斜角度を推定する（Ｓ２４）。
【０１３４】
このように、信号分布に関する特徴量に対して自己符号化処理を行うことで、特徴量に含まれるノイズ成分を除去可能となり、指示位置の推定精度が向上する。特に、機械学習がなされた推定器２１０（より詳しくは、後段演算器２１４）を用いることで、指示位置の推定精度がさらに高まる。なお、この特徴量は、第１実施形態における第１特徴量、第２特徴量、又はその両方であってもよい。
【０１３５】
また、タッチＩＣ２００は、機械学習がなされた推定器２１０を用いて、自己符号化処理が施された特徴量から指示位置又は傾斜角度を推定してもよい。例えば、第１実施形態及びこの変形例では、［１］位置推定部４６（図５）の入力側、［２］角度推定部６８（図５）の入力側、［３］位置推定部８０（図１２）の入力側、［４］特徴量合成部９０（図１３，図１４）の入力側、［５］位置推定部１００（図１４）の入力側、のうちの少なくとも１箇所にＡＥ処理部２０６を増設してもよい。
【０１３６】
［第４実施形態］
続いて、第４実施形態におけるペン状態検出システムとしての入力システム２５０について、図２８〜図３１を参照しながら説明する。
【０１３７】
＜全体構成＞
図２８は、第４実施形態におけるペン状態検出システムとしての入力システム２５０の全体構成図である。この入力システム２５０は、１台又は複数台の電子機器１２と、１本又は複数本の電子ペン１４と、学習用コンピュータ２５２と、を含んで構成される。各々の電子機器１２は、ネットワークＮＷを介して、学習用コンピュータ２５２と双方向に通信可能に構成される。
【０１３８】
学習用コンピュータ２５２は、電子ペン１４に適した学習パラメータ群ＬＰの管理機能を担うサーバ装置である。具体的には、学習用コンピュータ２５２は、通信部２５４と、制御部２５６と、記憶部２５８と、を含んで構成される。
【０１３９】
通信部２５４は、外部装置に対して電気信号を送受信可能な通信インターフェースから構成される。これにより、学習用コンピュータ２５２は、電子機器１２からの要求に応じて、電子ペン１４に対応する学習パラメータ群ＬＰを電子機器１２に送信可能である。
【０１４０】
制御部２５６は、ＣＰＵを含む汎用プロセッサであってもよいし、ＧＰＵやＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）を含む専用プロセッサであってもよい。制御部２５６は、記憶部２５８を含むメモリに格納されたプログラムを読み出して実行することで、データ処理部２６０、学習処理部２６２及び学習器２６４として機能する。
【０１４１】
記憶部２５８は、例えば、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）やソリッドステートドライブ（ＳＳＤ：Solid State Drive）を含む非一過性の記憶媒体から構成される。図２８の例では、記憶部２５８には、教師データＴＤの集合体である教師データ群２６６と、学習パラメータに関するデータベース（以下、パラメータＤＢ２６８）が記憶されている。
【０１４２】
＜機能ブロック図＞
図２９は、図２８に示す制御部２５６の学習処理に関わる機能ブロック図である。制御部２５６は、予め準備された教師データＴＤを用いて、学習器２６４に対する学習処理を行うことで、電子ペン１４に適用される１種類以上の学習パラメータ群ＬＰを作成する。本図では、制御部２５６が実行可能な機能部のうち、学習処理部２６２及び学習器２６４を模式的に示している。
【０１４３】
学習処理部２６２は、複数組の教師データＴＤを用いて、学習器２６４に対する学習処理（換言すれば、学習パラメータ群ＬＰの最適化処理）を行う。具体的には、学習処理部２６２は、データ取得部２７０と、学習誤差算出部２７２と、パラメータ更新部２７４と、収束判断部２７６と、を備える。
【０１４４】
データ取得部２７０は、予め準備された教師データ群２６６の中から１組又は複数組の教師データＴＤを取得する。この教師データＴＤは、入力ベクトルと出力値のデータセットからなり、実際の測定又は計算機シミュレーションにより得られる。例えば、「実際の測定」の場合、センサ平面上の複数の位置をランダムに選択し、それぞれの位置における信号分布を測定することで教師データＴＤを作成してもよい。また、「計算機シミュレーション」の場合、電磁界解析又は電気回路解析を含む物理シミュレーションや、標本化処理、補間処理又はノイズ付与を含む数学シミュレーションを用いて教師データＴＤを作成してもよい。
【０１４５】
学習誤差算出部２７２は、教師データＴＤの入力ベクトルに対する学習器２８４からの出力値と、教師データＴＤの出力値の間の誤差（以下、学習誤差という）を算出する。この学習誤差は、差分の絶対値を返すＬ１ノルム関数であってもよいし、差分の２乗値を返すＬ２ノルム関数であってもよい。また、この学習誤差は、１組の教師データＴＤにおける誤差（オンライン学習の場合）であってもよいし、複数組の教師データＴＤに関する誤差（バッチ学習又はミニバッチ学習の場合）であってもよい。
【０１４６】
パラメータ更新部２７４は、学習誤差算出部２７２により算出された学習誤差が小さくなるように、学習パラメータ群ＬＰの可変パラメータを更新する。更新アルゴリズムとして、例えば、勾配降下法、確率的勾配降下法、モーメンタム法、ＲＭＳｐｒｏｐを含む様々な手法を用いてもよい。
【０１４７】
収束判断部２７６は、現在の学習時点にて予め定められた収束条件を満たすか否かを判断する。この収束条件の一例として、［１］学習誤差が十分に小さくなったこと、［２］学習誤差の更新量が十分に小さくなったこと、［３］学習の繰り返し回数が上限値に到達したこと、などが挙げられる。
【０１４８】
＜学習パラメータ群ＬＰの設定方法＞
図３０は、学習パラメータ群ＬＰの設定方法の第１例を示す図である。まず、学習用コンピュータ２５２は、様々な種類の電子ペン１４に関する教師データＴＤを用いて機械学習を行う。そうすると、電子ペン１４にとって典型的な学習パラメータ群ＬＰが生成される。そして、タッチＩＣ２０，１４０，２００の製造作業者は、パラメータＤＢ２８８に格納された学習パラメータ群ＬＰをメモリ２８０に書き込む作業を行う。これにより、メモリ２８０がセットされたタッチＩＣ２０，１４０，２００は、電子機器１２に組み込まれた状態でペン状態の推定機能を発揮することができる。
【０１４９】
図３１は、学習パラメータ群ＬＰの設定方法の第２例を示す図である。［１］まず、電子機器１２は、自器の周辺にある電子ペン１４とのペアリングを試みる。［２］このペアリングが成功して電子ペン１４を検出した場合、電子機器１２は、電子ペン１４から取得した識別情報（つまり、ペンＩＤ）を含む要求信号を学習用コンピュータ２５２に送信する。［３］学習用コンピュータ２５２のデータ処理部２６０は、パラメータＤＢ２６８を検索して、ペンＩＤに対応する学習パラメータ群ＬＰを取得する。［４］学習用コンピュータ２５２は、取得した学習パラメータ群ＬＰを、要求信号の送信元である電子機器１２に送信する。［５］電子機器１２は、タッチＩＣ２０，１４０，２００が利用可能になるように学習パラメータ群ＬＰをセットする。これにより、タッチＩＣ２０，１４０，２００は、ペン状態の推定機能を発揮することができる。
【０１５０】
＜第４実施形態のまとめ＞
以上のように、入力システム２５０は、タッチＩＣ２０，１４０，２００を含んで構成される電子機器１２と、電子機器１２とともに用いられる電子ペン１４と、電子機器１２と双方向に通信可能であり、タッチＩＣ２０，１４０，２００に構築される推定器であって電子ペン１４の指示位置又は傾斜角度を推定するための推定器の学習パラメータ群ＬＰを記憶可能に構成される学習用コンピュータ２５２と、を備える。
【０１５１】
そして、電子機器１２は、電子ペン１４が検出された場合に、電子ペン１４に対応する学習パラメータ群ＬＰの送信を学習用コンピュータ２５２に要求し、学習用コンピュータ２５２からの学習パラメータ群ＬＰを、タッチＩＣ２０，１４０，２００が利用可能となるように保持する。これにより、電子機器１２と電子ペン１４の組み合わせが変更された場合であっても、電子ペン１４に適した推定を行うことができる。
【０１５２】
［符号の説明］
１０，２５０  入力システム（ペン状態検出システム）、１２  電子機器、１４  電子ペン、１６  指、１８  タッチセンサ、１８ｘ，１８ｙ  ライン電極、２０，１４０，２００  タッチＩＣ（ペン状態検出回路）、２２  ホストプロセッサ、２８（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ）  ペン検出機能、３０  チップ電極（第１電極）、３２  アッパー電極（第２電極）、３４  発振回路、５０，８２，９４，１０２，１００，２１０  推定器、５２，１１２，２１２  前段演算器、５４，１１４，２１４  後段演算器、６０，１０４  共通演算器、６１  スイッチ（第１スイッチ）、６２  スイッチ（第２スイッチ）、２５０  学習用コンピュータ（サーバ装置）、ＬＰ  学習パラメータ群、ＴＤ  教師データ
【図１】
2020202734.tif 000003
【図２】
2020202734.tif 000004
【図３】
2020202734.tif 000005
【図４】
2020202734.tif 000006
【図５】
2020202734.tif 000007
【図６】
2020202734.tif 000008
【図７】
2020202734.tif 000009
【図８】
2020202734.tif 000010
【図９】
2020202734.tif 000011
【図１０】
2020202734.tif 000012
【図１１】
2020202734.tif 000013
【図１２】
2020202734.tif 000014
【図１３】
2020202734.tif 000015
【図１４】
2020202734.tif 000016
【図１５】
2020202734.tif 000017
【図１６】
2020202734.tif 000018
【図１７】
2020202734.tif 000019
【図１８】
2020202734.tif 000020
【図１９】
2020202734.tif 000021
【図２０】
2020202734.tif 000022
【図２１】
2020202734.tif 000023
【図２２】
2020202734.tif 000024
【図２３】
2020202734.tif 000025
【図２４】
2020202734.tif 000026
【図２５】
2020202734.tif 000027
【図２６】
2020202734.tif 000028
【図２７】
2020202734.tif 000029
【図２８】
2020202734.tif 000030
【図２９】
2020202734.tif 000031
【図３０】
2020202734.tif 000032
【図３１】
2020202734.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】令和3年7月20日(2021.7.20)
【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】
複数のセンサ電極を面状に配置してなる静電容量方式のタッチセンサにより検出された信号分布に基づいて、第１電極及び第２電極を有する電子ペンの状態を検出するペン状態検出回路であって、
前記第１電極の接近に伴う静電容量の変化を示す第１信号分布及び前記第２電極の接近に伴う静電容量の変化を示す第２信号分布を前記タッチセンサから取得する取得ステップと、
機械学習がなされた推定器を用いて、前記第１信号分布に関する第１特徴量及び前記第２信号分布に関する第２特徴量から前記電子ペンの指示位置又は傾斜角度を推定する推定ステップと、
を実行し、
前記第１特徴量は、前記第１信号分布をなすセンサ電極の配設数よりも少ない数のセンサ電極に相当する第１局所分布に関する第１局所特徴量を含み、
前記第２特徴量は、前記第２信号分布をなすセンサ電極の配設数よりも少ない数のセンサ電極に相当する第２局所分布に関する第２局所特徴量を含む
ことを特徴とするペン状態検出回路。
【請求項２】
前記推定ステップでは、前記電子ペンがコンタクト状態であるかホバー状態であるかに応じて異なる学習パラメータ群が設定された推定器を用いて、前記指示位置又は前記傾斜角度を推定することを特徴とする請求項１に記載のペン状態検出回路。
【請求項３】
前記第１局所特徴量は、センサ電極の配設数にかかわらず一定のデータ数で構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のペン状態検出回路。
【請求項４】
前記第１局所分布は、前記第１信号分布のうち静電容量の変化が相対的に大きい分布であることを特徴とする請求項１又は２に記載のペン状態検出回路。
【請求項５】
前記第１特徴量は、前記タッチセンサの検出面上にて定義されるセンサ座標系における、前記第１局所分布の基準位置をさらに含み、
前記推定器は、前記第１局所特徴量及び前記基準位置を入力値とし、前記基準位置と前記指示位置の間の相対位置を出力値とする位置演算を実行可能に構成され、
前記推定ステップでは、前記基準位置に前記相対位置を加算することで前記指示位置を推定することを特徴とする請求項１に記載のペン状態検出回路。
【請求項６】
前記第１電極は、前記電子ペンの軸に対称な形状を有し、かつ前記電子ペンの先端に設けられるチップ電極であり、
前記第２電極は、前記電子ペンの軸に対称な形状を有し、かつ前記チップ電極よりも基端側に設けられるアッパー電極である
ことを特徴とする請求項１に記載のペン状態検出回路。
【請求項７】
前記推定器は、
前記第２局所特徴量を入力値とし、前記傾斜角度を出力値とする角度演算と、
前記第１局所特徴量及び前記傾斜角度を入力値とし、前記相対位置を出力値とする位置演算と、
を順次実行可能に構成されることを特徴とする請求項６に記載のペン状態検出回路。
【請求項８】
前記推定器は、
前記角度演算用の学習パラメータ群又は前記位置演算用の学習パラメータ群のうちいずれか一方を切り替えて出力可能な第１スイッチと、
前記角度演算用の入力値又は前記位置演算用の入力値のうちいずれか一方を切り替えて出力可能な第２スイッチと、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの切り替えに応じて、前記角度演算又は前記位置演算を選択的に実行可能に構成される共通演算器と、
を含んで構成されることを特徴とする請求項７に記載のペン状態検出回路。
【請求項９】
前記推定器は、前記第１局所特徴量及び前記第２局所特徴量を入力値とし、前記相対位置を出力値とする位置演算を実行可能に構成されることを特徴とする請求項１に記載のペン状態検出回路。
【請求項１０】
前記推定器は、
前記第１特徴量及び前記第２特徴量を合成して第３特徴量を出力する合成器と、
前記第３特徴量を入力値とし、前記指示位置を出力値とする演算器と、
を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載のペン状態検出回路。
【請求項１１】
前記第１局所特徴量は、前記第１局所分布の傾き又は該傾きの絶対値を示す特徴量を含み、
前記第２局所特徴量は、前記第２局所分布の傾き又は該傾きの絶対値を示す特徴量を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のペン状態検出回路。
【請求項１２】
前記機械学習は、実際の測定又は計算機シミュレーションにより得られた教師データを用いる教師あり学習であることを特徴とする請求項１に記載のペン状態検出回路。
【請求項１３】
前記第１特徴量に対して次元圧縮処理及び次元復元処理を順次実行することで、入力の次元数に等しい第１特徴量を得る自己符号化処理を行う処理ステップをさらに実行し、
前記推定ステップでは、前記推定器を用いて、前記自己符号化処理が施された前記第１特徴量から前記指示位置又は前記傾斜角度を推定する
ことを特徴とする請求項１に記載のペン状態検出回路。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載のペン状態検出回路を含んで構成される電子機器と、
前記電子機器とともに用いられる電子ペンと、
前記電子機器と双方向に通信可能であり、前記ペン状態検出回路に構築される推定器の学習パラメータ群を記憶可能に構成されるサーバ装置と、
を備え、
前記電子機器は、前記電子ペンの検出を契機として、該電子ペンに対応する学習パラメータ群の送信を前記サーバ装置に要求することを特徴とするペン状態検出システム。
【請求項１５】
複数のセンサ電極を面状に配置してなる静電容量方式のタッチセンサにより検出された信号分布に基づいて、第１電極及び第２電極を有する電子ペンの状態を検出するペン状態検出方法であって、
前記第１電極の接近に伴う静電容量の変化を示す第１信号分布及び前記第２電極の接近に伴う静電容量の変化を示す第２信号分布を前記タッチセンサから取得する取得ステップと、
機械学習がなされた推定器を用いて、前記第１信号分布に関する第１特徴量及び前記第２信号分布に関する第２特徴量から前記電子ペンの指示位置又は傾斜角度を推定する推定ステップと、
を１つ又は複数のプロセッサが実行し、
前記第１特徴量は、前記第１信号分布をなすセンサ電極の配設数よりも少ない数のセンサ電極に相当する局所分布に関する第１局所特徴量を含み、
前記第２特徴量は、前記第２信号分布をなすセンサ電極の配設数よりも少ない数のセンサ電極に相当する第２局所分布に関する第２局所特徴量を含む
ことを特徴とするペン状態検出方法。
【請求項１６】
複数のセンサ電極を面状に配置してなる静電容量方式のタッチセンサにより検出された信号分布に基づいて、電極を有する電子ペンの状態を検出するペン状態検出回路であって、
前記電極の接近に伴う静電容量の変化を示す信号分布を前記タッチセンサから取得する取得ステップと、
前記タッチセンサの検出面上における前記電極の投影位置に応じて異なる演算規則に従って、前記信号分布に関する特徴量から前記電子ペンの指示位置又は傾斜角度を推定する推定ステップと、
を実行することを特徴とするペン状態検出回路。
【請求項１７】
前記演算規則は、前記指示位置又は前記傾斜角度を推定する規則であり、
前記推定ステップでは、前記電極の投影位置が前記タッチセンサの周縁部に干渉するか否かに応じて異なる学習パラメータ群が設定された推定器を用いて、前記指示位置又は前記傾斜角度を推定する
ことを特徴とする請求項１６に記載のペン状態検出回路。
【請求項１８】
前記特徴量は、前記信号分布をなすセンサ電極の配設数よりも少ない数のセンサ電極に相当する局所分布に関する局所特徴量を含み、
前記演算規則は、前記局所特徴量を算出する規則であり、
前記推定ステップでは、前記電極の投影位置が前記タッチセンサの周縁部に干渉するか否かに応じて異なる規則に従って算出された前記局所特徴量から、前記指示位置又は前記傾斜角度を推定する
ことを特徴とする請求項１６に記載のペン状態検出回路。
【請求項１９】
請求項１６〜１８のいずれか１項に記載のペン状態検出回路を含んで構成される電子機器と、
前記電子機器とともに用いられる電子ペンと、
前記電子機器と双方向に通信可能であり、前記ペン状態検出回路に構築される推定器の学習パラメータ群を記憶可能に構成されるサーバ装置と
を備え、
前記電子機器は、前記電子ペンが検出された場合に、該電子ペンに対応する学習パラメータ群の送信を前記サーバ装置に要求することを特徴とするペン状態検出システム。
【請求項２０】
複数のセンサ電極を面状に配置してなる静電容量方式のタッチセンサにより検出された信号分布に基づいて、電極を有する電子ペンの状態を検出するペン状態検出方法であって、
前記電極の接近に伴う静電容量の変化を示す信号分布を前記タッチセンサから取得する取得ステップと、
前記タッチセンサの検出面上における前記電極の投影位置に応じて異なる演算規則に従って、前記信号分布に関する特徴量から前記電子ペンの指示位置又は傾斜角度を推定する推定ステップと、
を１つ又は複数のプロセッサが実行することを特徴とするペン状態検出方法。
【国際調査報告】
2020202734.tif 000034
2020202734.tif 000035
2020202734.tif 000036
2020202734.tif 000037
2020202734.tif 000038
2020202734.tif 000039