JP2005284443A - 指紋センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 応答性を高めることができ、操作性に優れたポインティング機能を有する指紋センサを提供する。
【解決手段】 本発明の指紋センサは、複数の行と列とが交差した２次元のエリア型の指紋センサであって、２次元の検出面における検出信号を出力する信号検出手段と、検出面の中心を基準として、この中心を通るＹ軸に対して線対称の、Ｘ軸方向の出力の差を分子として、全出力の和を分母として、Ｘ軸方向のバランス出力を求めるＸ軸バランス演算手段と、中心を通るＸ軸に対して線対称のＹ軸方向の出力差を分子として、全出力の和を分母として、Ｙ軸方向のバランス出力を求めるＹ軸バランス演算手段と、Ｙ軸方向及びＹ軸方向のバランス出力から、Ｘ軸方向とＹ軸方向とのポインタの移動方向及びその速度を制御するポインタ移動制御回路とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コンピュータの表示画面におけるカーソル等の移動やポインティングの機能を有する指紋センサに関する。

バイオメトリクスの中で最も有望とされる技術とされている指紋センサが、携帯電話などのポータブルの機器に搭載される例が出てきている。
このため、指紋を検出する以外にポインティングなどの別の機能が、付加されていることが要求され始めている。
指紋センサにおいて、ポインティング機能を実現する従来例として、以下に示す指紋パターンの変形を利用した方法等が挙げられる（非特許文献１参照）。
この方法においては、指紋の中心を指紋画像から推定して基準点とし、基準点を基に、指紋センサのセンサ部を４つの領域に分割し、それぞれの領域での指の接触面積を平滑化して、フィルタ処理と２値化とにより求める。

そして、ある時刻における指の接触面積Ｓ1t〜Ｓ4tから、ニュートラル状態のある時刻におけるＸ方向とＹ方向のバランス出力Ｓxt、Ｓytを求める。
Ｓxt＝（Ｓ1t＋Ｓ2t）−（Ｓ3t＋Ｓ4t） …（１）
Ｓyt＝（Ｓ2t＋Ｓ3t）−（Ｓ1t＋Ｓ4t） …（２）
同様に、指紋センサ表面において、指をずらした後のバランス出力Ｓxk、Ｓykを求め、適当な係数Ｍx及びＭyを乗じて、ポインタの移動量（移動速度）ΔＸ及びΔＹを、以下の（３）及び（４）式を用いて求める。
ΔＸ＝Ｍx（Ｓxk−Ｓxt） …（３）
ΔＹ＝Ｍy（Ｓyk−Ｓyt） …（４）

上述した（３）及び（４）式から、指紋センサ表面におけるポインタの移動量を求めて、表示面において選択などの各処理を行う。
「指紋変形を利用した新しいポインティングデバイスの開発」 ロボティクス・メカトロニクス講演会2003,平成15年５月23日（金）〜25日（日） 1A1-3F-B4 :指紋変形を利用した新しいポインティングデバイスの開発／池田篤俊（奈良先端大），栗田雄一（奈良先端大），上田淳（奈良先端大），小笠原司（奈良先端大）

しかしながら、上述した従来のポインティング方法は、実用化する上で、以下に示すいくつかの問題点がある。
第１に、指紋の中心位置を推定する際に、指紋画像を時系列データの波形と見なして、周波数スペクトルを個人の特徴として照合して、指紋中心を抽出するＧＤＳ（Group Delay Spectrum；群遅延スペクトル）変換という手法を用いて、指紋中心を抽出するなど複雑な演算を行う必要があり、演算速度が遅くなったり、回路規模が大きくなるなどの問題点がある。
また、エリアタイプの指紋センサにおいては、１画面の指紋検出とデータ転送にはある程度の時間がかかるため、カーソルの検出周期を早くすることができない。
非特許文献１に示されるように、検出速度を向上させるために、検出画素数を間引いてしまった場合、今度は指紋凹凸の情報が失われ、指紋中心を安定して検出することが困難となり、演算速度の向上と、安定した指紋の中心検出を両立できないという問題点があった。

また、非特許文献１に示される操作性という観点からは、指の中心を安定して検出する状態を保持する必要があり、指を置いた状態から、指の中心を安定して検出するため、この指を検出表面から離さずに、指をずらして変形するという独特の操作をユーザに強いることになる。
しかし、指を傾斜させて面積を変化させたり、指の中心に関係なくスライドさせるという操作感が一般的であるため、操作になれないユーザには受け入れられにくいという問題点があった。
さらに、指をずらさないニュートラルな状態を基準とするが、指紋中心をニュートラル状態として、自動的に決めることが困難であり、またニュートラルの位置がユーザには判りにくいため、ポインタを意識的に止めることが難しいという問題点もあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、応答性を高めることができ、操作性に優れたポインティング機能を有する指紋センサを提供することを目的とする。

本発明の指紋センサは、表示画面に表示されるポインタを移動させるポインティング機能を有し、複数の行と列とが交差した２次元のエリア型の指紋センサであって、２次元の検出面（実施形態におけるセンサ部１表面）における検出信号を出力する信号検出手段と、前記検出面の中心を基準として、この中心を通るＹ軸に対して線対称の、Ｘ軸方向の出力の差を分子として、全出力の和を分母として、Ｘ軸方向のバランス出力を求めるＸ軸バランス演算手段と、前記中心を通るＸ軸に対して線対称のＹ軸方向の出力差を分子として、全出力の和を分母として、Ｙ軸方向のバランス出力を求めるＹ軸バランス演算手段と、前記Ｙ軸方向及びＹ軸方向のバランス出力から、Ｘ軸方向とＹ軸方向とのポインタの移動方向及びその速度を制御するポインタ移動制御回路とを有することを特徴とする。
これにより、本発明の指紋センサは、検出された検出信号のレベルを加算して、各軸方向のいずれに、指の重心（バランス）があるかを求めているのみであり、指紋の凹凸の検出に依存しない簡単で高速な演算方法により、ポインタの移動速度を求めることができ、この移動方向及び移動速度に基づいて、ポインタの位置を制御するポインティング機能を実現することを可能としている。

本発明の指紋センサは、前記移動速度検出手段が、Ｘ軸方向及びＹ軸方向各々のバランス出力が所定の基準値以下であることを検出した場合、このバランス出力に対応する移動速度を「０」として出力させる、ポインタ移動の不感帯を設けたことを特徴とする。
これにより、本発明の指紋センサは、指をバランス出力に対して不感帯の領域に位置させることにより、ポインタを意識的に停止させる操作を容易に行うことが可能である。

本発明の指紋センサは、前記ポインタ移動制御手段が、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各々のバランス出力が複数のしきい値を境界として、このしきい値に対応して移動速度を階段状に変化させて出力することを特徴とする。
これにより、本発明の指紋センサは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向のそれぞれにおいてポインタの移動速度を多段階に切り替えることで、ポインタ操作の安定性を保ちつつ、移動方向の自由度を上げ、早く移動させたい場合や、ゆっくり移動させたい場合などに対応して、ユーザの所望する移動速度により、ポインタを移動させることが可能である。

本発明の指紋センサは、前記ポインタ移動制御手段が、Ｘ軸方向とＹ軸方向の各々のバランス出力が複数のしきい値を境界として傾斜の異なる係数を乗じた移動速度を出力し、ポインタ移動速度を折れ線状に変化させることを特徴とする。
これにより、本発明の指紋センサは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向のそれぞれにおいてポインタの移動速度を多段階の傾斜で連続的に切り替えることで、ポインタ操作の安定性を保ちつつ、移動方向の自由度を上げ、早く移動させたい場合や、ゆっくり移動させたい場合などに対応して、ユーザの所望する移動速度により、ポインタを移動させることが可能である。

本発明の指紋センサは、前記Ｘ軸バランス演算手段が、前記基準位置からのＸ軸方向の距離に応じて所定の重みを乗じてＸ軸方向のバランス出力を求め、前記Ｙ軸バランス演算手段が、前記基準位置からのＹ軸方向の距離に応じて所定の重みを乗じてＹ軸方向のバランス出力を求めることを特徴とする。
これにより、本発明の指紋センサは、センサの周辺部の感度を上げることで、少ない指の移動によって、ポインタをゆっくりまたは高速に移動させるポインティング操作ができるようになり、ユーザの移動速度の意志に対応させることができ、操作感の軽いポインティングを可能とする。

本発明の指紋センサは、前記ポインタ移動制御手段が、Ｘ軸方向及びＹ軸方向各々のバランス出力のうち、絶対値が小さい方の値に所定の減少率を乗じてより小さくし、一方、絶対値が大きい方の値に所定の増加率を乗じてより大きくして、ポインタの移動速度を演算することを特徴とする。
これにより、本発明の指紋センサは、斜め方向のポインタの動きを抑制することで、ポインタの操作画面上におけるメニュー選択時等において、メニュー選択を容易に行える上下左右のポインタ移動を容易にできる。

本発明の指紋センサは、前記Ｘ軸及びＹ軸バランス手段が、指紋の凹凸を検出して、検出された凹凸の波形の断面信号を微分し、微分値の２乗和を求め、この２乗和が閾値を超えた場合に、ポインタ移動制御回路がポインタの移動速度の演算を行うことを特徴とする。
これにより、本発明の指紋センサは、指紋センサの分解能を利用して、センサ面に接触している物体が異物か指かの検出を行った後にポインティング処理を行うようにしたので、センサ面に異物が接触することで、誤操作による異常な処理が行われることが無く、誤操作によりデータが消去されるなどの問題を防止し、ユーザにストレスをかけない操作性を提供することができる。

本発明の指紋センサは、前記信号検出手段が、指の接触面積が所定のしきい値以下であることを検出した場合、ポインタ移動制御手段が移動速度を「０」として、ポインタの位置を固定させておくことを特徴とする。
これにより、本発明の指紋センサは、センサ面に対する指の接触が十分でない場合、ポインタ動作を行わないため、指がセンサ面に置かれていない状態においてポインタの動きがちらつく等、不安定になることを防止することが可能となる。

本発明の指紋センサは、前記信号検出手段が、指の接触面積が所定のしきい値以下であることを検出した場合、指が置かれていない状態として、所定の周期で取得して基準値として記憶し、前記接触面積がしきい値を超えることを検出した場合、指が置かれた状態として、検出値から前記基準値を減算して、最終的な検出値として出力することを特徴とする。
これにより、本発明の指紋センサは、自動的にオフセット等が補正され、センサの経時変化による特性の変化が調整されることにより、常に初期状態に近いバランス出力を得ることができ、安定したポインタの移動を可能とする。

以上説明したように、本発明の指紋センサによれば、エリア型の指紋センサにより検出された検出信号のレベルを加算し、Ｘ軸及びＹ軸における各軸方向のいずれに、指の重心（バランス）があるかを求めているため、指紋の凹凸の検出に依存しない簡単で高速な演算方法により、ポインタの移動方向及び移動速度を求めることができ、この移動方向及び移動速度に基づいてポインタの位置を制御することが可能である。

以下、本発明の一実施形態によるポインティング機能を有する指紋センサを図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は第１の実施形態による指紋センサの構成例を示すブロック図である。
この図のセンサ部１に用いられるセンサとして、例えば、図２に示すようにフィルム上に列配線が形成され、基板上に行配線が対向して形成され、上記列配線と行配線とが空隙を有して対応するように形成されており（図２（ｂ）；断面図）、各々の交差点容量（図２（ａ）；表面図）を検出するエリア型の指紋センサが考えられる。図３は、図２の列配線と行配線とのマトリクスにおける交差点において形成されるコンデンサの等価回路を示している。

ここで、指をセンサ部１に載せたとき、指紋の凹凸形状に対応してフィルムが変形し、列配線と行配線との配線間の距離が変化するため、２次元的な容量変化が発生し、この容量変化を、容量検出回路２により電気信号として読み取り、ホストシステム３により、この電気信号の演算処理を行うことにより、指紋形状を検出することができる。
容量検出部２は信号検出部５及び列配線駆動部６から構成されている。信号検出部５は列配線駆動部６に対して所定の周期のスキャンクロックを出力する。
列配線駆動部６は、このスキャンクロックに同期して、センサ部１の列配線各々に対して、スキャンクロック毎にいずれか１本を選択して、この選択した列配線に対して、列配線駆動信号を出力する。

信号検出部５は、スキャンクロック毎に入力される、選択されて駆動された列配線と、行配線との交差点のコンデンサの容量を、列配線駆動信号により移動する電荷量から、この電荷量に対応した電圧レベルの信号である検出信号に変換して、次段のホストシステム３及びポインティング処理部４へ出力する。
すなわち、図２に示すエリア型のセンサを用いる場合、列配線駆動部６が順次列配線を駆動し、信号検出部５においては、各々の行配線毎に駆動された列配線との交差点容量に対応した検出信号を得ることができる。

例えば、このセンサ部１が指紋センサとして用いられる場合、この検出信号が例えば８ビットのディジタル値として変換され、ホストシステム３に時系列に伝送される。
本実施形態の指紋センサにおいて、ポインティング機能を動作させる場合、ディジタル値に変換された検出信号は、上述したように、ポインティング処理部４へ出力される。
ポインティング処理部４は、Ｘ軸バランス演算部７，Ｙ軸バランス演算部８及びポインタ移動制御部９から構成されている。
ポインティング処理部４は、入力された検出信号をＸ軸バランス演算部７及びＹ軸バランス演算部８に送り、各々の演算部により得られた演算結果を、ポインタ移動制御部９へ順次送り、ポインタ移動制御部９により検出されたポインタ移動量をホストシステム３に転送する。

次に、上記構成からなる、本発明の第１の実施形態に係る容量検出回路の動作例を、図１，２，３を参照して説明する。
信号検出部５は、センサ部１からの電荷量の変化で示される凹凸の情報を、スキャンクロック毎に、電圧レベルの信号に変換して検出信号として出力する。
ここで、信号検出部５から出力される検出信号は、一般的には指を置かない無信号状態の無信号レベルをオフセット成分として含んでおり、容量の変化分のみの信号レベルを得るために、予め設定された無信号レベルを差し引くか、後述するオフセット自動補正機能（図１１のフローチャートの動作）を利用して無信号レベルを含むオフセット成分を差し引くなどして、無信号状態からの変化量の形態でＸ軸バランス演算部７およびＹ軸バランス演算部８に出力されることが望ましい。

Ｘ軸バランス演算部７においては、センサ部１の中心付近を基準点としてＸ軸とＹ軸を規定し（図４参照）、順次転送される検出信号を、Ｙ軸を境界としたＸ軸方向において、正方向（右側；＋）にある信号をＲ成分、負方向（左側；−）にある成分をＬ成分として、列配線毎のデータとして振り分ける。
そして、Ｘ軸バランス演算部７は、振り分けた検出信号を、逐次内部のＸ軸バランスメモリに累積的に加算して保持する。

次に、Ｘ軸バランス演算部７は、指紋画像のセンサ部１画面分に相当するデータを蓄積した段階において、以下に示す（５）式の計算式により、Ｘ軸方向のバランス出力Ｐxを演算することで、Ｘ軸方向のバランスを示すデータを得ることができる（図５参照）。
なお、従来例において４象現に分離した成分を用いた表記も追加して示す。従来例との違いは、従来例が指紋の中心点を検出して基準点としているが、本発明ではセンサの中心として固定している点と、従来例が差の演算のみであるのに対し、本発明では全体の出力値の合計で割って（全体の出力値の合計を分母として）規格化している点である。

Ｐx＝(Ｒ−Ｌ)／(Ｒ＋Ｌ)
＝{(Ｓ1t＋Ｓ2t)−(Ｓ3t＋Ｓ4t)}／(Ｓ1t＋Ｓ2t＋Ｓ3t＋Ｓ4t) …（５）

Ｙ軸バランス演算部８においても、Ｘ軸バランス演算部７と同様に、順次、信号検出部５から転送される検出信号を、Ｘ軸を境界として、Ｙ軸方向において、正方向（下側；＋）にある成分をＤ成分、負方向（上側；−）にある成分をＵ成分として振り分けて蓄積し、以下の（６）式により、Ｙ軸方向のバランス出力Ｐyを演算することで、Ｙ軸方向のバランスを示すデータを得ることができる（図６参照）。
上述した処理により、Ｘ軸バランス演算部７とＹ軸バランス演算部８とにより、Ｘ軸とＹ軸のバランス出力は、各々独立して計算される。

Ｐy＝(Ｄ−Ｕ)／(Ｄ＋Ｕ)
＝{(Ｓ2t＋Ｓ3t)−(Ｓ1t＋Ｓ4t)}／(Ｓ1t＋Ｓ2t＋Ｓ3t＋Ｓ4t) …（６）

次に、ポインタ移動制御部９は、Ｘ軸バランス演算部７からのＸ軸のバランス出力Ｐxと、Ｙ軸バランス演算部８からのＹ軸のバランス出力Ｐyとの各々を、所定のしきい値を基に場合分けし、ポインタの移動方向（各軸に対して正方向か負方向のいずれかであるか）及び移動速度として出力する。
例えば、ポインタ移動制御部９は、図７に示すように、「１段階の移動速度」算出方法において、バランス出力Ｐxと、Ｘ軸方向のしきい値Ｂ1との比較を行い、Ｘ軸のバランス出力Ｐxがしきい値Ｂ1を上回る（より大きい）ことを検出した場合、正方向の移動速度Ｖx1が出力し、一方、しきい値−Ｂ1を下回る（より小さい）ことを検出した場合、負方向の移動速度−Ｖx1を出力する。

また、ポインタ移動制御部９は、バランス出力Ｐxがしきい値−Ｂ1からしきい値Ｂ1の範囲内の間にあることを検出すると、Ｘ軸方向の移動速度を「０」がとして出力す。
すなわち、ポインタ移動制御部９は、バランス出力の数値の中央付近に、不感帯を有するスイッチのような出力演算を行う。
上述した処理を式で表記すると、以下に示す（７）式のように表すことができる。

Ｖx＝＋Ｖx1 （Ｐx＞Ｂ1）
Ｖx＝０ （−Ｂ1≦Ｐx≦Ｂ1） …（７）
Ｖx＝−Ｖx1 （Ｐx＜−Ｂ1）

そして、ポインタ移動制御部９は、Ｘ軸方向の移動速度の検出処理と同様にして、Ｙ軸方向においても、バランス出力Ｐyと、しきい値Ｂ1及び−Ｂ1との比較処理を行い、以下に示す（８）式に示すようなＹ軸方向の移動速度Ｖyを演算して出力する。

Ｖy＝＋Ｖy1 （Ｐy＞Ｂ1）
Ｖy＝０ （−Ｂ1≦Ｐy≦Ｂ1） …（８）
Ｖy＝−Ｖy1 （Ｐy＜−Ｂ1）

また、ポインタ移動制御部９における移動速度を求める別の計算方法として、図７の「２段階の移動速度検出」の算出方法において、「１段階の移動速度検出」の計算方法に対して、しきい値をＢ1，Ｂ2，−Ｂ1，−Ｂ2の４つに増やしている。
そして、ポインタ移動制御部９は、以下に示す（９）式により、２段階の速度Ｖxを出力する。

Ｖx＝＋Ｖx2 （Ｐx＞Ｂ2）
Ｖx＝＋Ｖx1 （Ｂ1＜Ｐx≦Ｂ2）
Ｖx＝０ （−Ｂ1≦Ｐx≦Ｂ1） …（９）
Ｖx＝−Ｖx1 （−Ｂ2≦Ｐx＜−Ｂ1）
Ｖx＝−Ｖx2 （Ｐx＜−Ｂ2）

同様に、ポインタ移動制御部９は、以下に示す（１０）式により、２段階の速度Ｖyを出力する。

Ｖy＝＋Ｖy2 （Ｐy＞Ｂ2）
Ｖy＝＋Ｖy1 （Ｂ1＜Ｐy≦Ｂ2）
Ｖy＝０ （−Ｂ1≦Ｐy≦Ｂ1） …（１０）
Ｖy＝−Ｖy1 （−Ｂ2≦Ｐy＜−Ｂ1）
Ｖy＝−Ｖy2 （Ｐy＜−Ｂ2）

上述した移動速度を、２次元的なポインタの移動方向で表すと、図８のような移動速度のベクトル合成（移動速度の大きさと方向との合成）により、すなわち、移動速度（ベクトル）Ｖx及びＶyとの合成により決定する、ポインタの移動方向及び速度が得られる。
「１段階の移動速度検出」の算出方法においては、斜め方向を含め８方向の移動の自由度を有することになり、一方、「２段階の移動速度検出」の算出方法においては、２種類の移動速度の組合せにより、１６方向の移動の自由度を有することが可能となる。
なお、Ｂ1及びＢ2（または−Ｂ1及び−Ｂ2）の２種類のしきい値と、このしきい値により演算される速度比は１：２である必要は無く、ポインティング処理のアプリケーションに合わせて適切に設定してよい。

さらに、ポインタ移動制御部９における移動速度検出の計算方法として、図９に示すように、中央に不感帯（−Ｂ1≦Ｐx≦Ｂ1，−Ｂ1≦Ｐy≦Ｂ1）を持ち、しきい値を超える領域において、以下に示す（１１）式，（１２）式等により、連続的に移動速度が大きくする方法が考えられる。

Ｖx＝Ｍx1（Ｐx−Ｂ1） （Ｐx＞Ｂ1）
Ｖx＝Ｍx1（Ｐx＋Ｂ1） （Ｐx＜−Ｂ1） …（１１）
Ｖy＝Ｍy1（Ｐy−Ｂ1） （Ｐy＞Ｂ1）
Ｖy＝Ｍy1（Ｐy＋Ｂ1） （Ｐy＜−Ｂ1） …（１２）
ここで、Ｍx1及びＭy1は所定の係数。

また、ポインタ移動制御部９における移動速度検出の計算方法として、図１０に示すように、不感帯を設定する代わりに、しきい値を境界として移動速度の変化率（傾き）を変化させて、以下に示す（１３）式，（１４）式等により、折れ線状に算出する方法も考えられる。

Ｖx＝Ｍx1×Ｐx （−Ｂ1≦Ｐx≦Ｂ1）
Ｖx＝Ｍx2×（Ｐx−Ｂ1）＋Ｃ１ （Ｂ1＜Ｐx≦Ｂ2）
Ｖx＝Ｍx3×（Ｐx−Ｂ2）＋Ｃ２ （Ｂ2＜Ｐx）
Ｖx＝Ｍx2×（Ｐx＋Ｂ1）−Ｃ１ （−Ｂ2≦Ｐx＜Ｂ1）
Ｖx＝Ｍx3×（Ｐx＋Ｂ2）−Ｃ２ （Ｐx＜−Ｂ2） …（１３）
ここで、Ｍx1，Ｍx2，Ｍx3，Ｃ１，Ｃ２は所定の係数。

Ｖy＝Ｍy1×Ｐy （−Ｂ1≦Ｐy≦Ｂ1）
Ｖy＝Ｍy2×（Ｐy−Ｂ1）＋Ｃ１ （Ｂ1＜Ｐy≦Ｂ2）
Ｖy＝Ｍy3×（Ｐy−Ｂ2）＋Ｃ２ （Ｂ2＜Ｐy）
Ｖy＝Ｍy2×（Ｐy＋Ｂ1）−Ｃ１ （−Ｂ2≦Ｐy＜−Ｂ1）
Ｖy＝Ｍy3×（Ｐy＋Ｂ2）−Ｃ２ （Ｐy−Ｂ2） …（１４）
ここで、Ｍx1，Ｍx2，Ｍx３，Ｃ１，Ｃ２は所定の係数。

上述したように、連続的な移動速度の変化により、ポインタの移動方向に制約は無くなり、自由にポインタの移動をさせることができる。
この場合においても、中央付近には不感帯（（１１）式及び（１２）式）か、移動速度の遅い領域を設ける（（１３）式及び（１４）式）ことにより、ポインタの微妙な操作が可能となり、画面上の操作性が向上する。
すなわち、上記各係数を、Ｍx1＜Ｍx2＜Ｍx3及びＭy1＜Ｍy2＜Ｍy3の関係とする。

なお、本発明の第１の実施形態においては、バランス出力Ｐx及びＰyを計算する場合、特に指紋の凹凸の情報自体を用いていない。
このため、第１の実施形態ににおけるポインタ操作を行う動作モードにおいて、Ｘ軸とＹ軸のいずれか、または両方のデータの数（すなわち、検出信号のサンプリング数）を減らしても差し支えない。
データの数を減らす方法は、各Ｘ軸バランス演算部７及びＹ軸バランス演算部８において、スキャンクロックに同期して、順次、時系列に入力される検出信号を、複数クロック単位で１つ用いるようにして、検出信号の数を間引くか、所定のスキャンクロックのクロック数毎に、検出信号の平均を演算することが考えられる。

上述したように、バランス出力を求める演算に用いるデータの数を減じた場合、１画面の検出にかかる時間を短縮し、データ量が減るためデータ転送にかかる時間を短縮することができ、ポインタ移動速度の更新周期を速くすることが可能となる。
通常のエリア型センサの場合、検出や転送に100ms前後の時間がかかり、そのままでは応答が悪いポインティングデバイスとなるが、上述したように、データ数を減らすことにより操作の応答性を向上することができる。

また、本発明の第１の実施形態においては、センサ部１に対する指の接触状態を検知する機能を含むようにしてもよい。
例えば、図１１に示すような動作フローが考えられる。図１１は、センサ部１に対する指の接触状態を検知する動作例を示すフローチャートである。
信号検出部５は、センサ部１における全列配線に対する列配線駆動信号の出力が終わる毎に（１画面の検出が終了するごとに）、各々センサ部１から入力される検出信号（出力信号）の平均値と、１画面における検出信号の最大振幅値から最小振幅値を減算して、信号振幅値を求める（ステップＳ１）。

信号検出部５は、各々上記信号振幅値が方向検出として規定した、予め設定された方向検出基準値を超えるか否かの検出を行い、超えたことを検出した場合に処理をステップＳ３へ進め、超えない場合に、図示しないタイマにカウント（経過時間のカウント）を開始させて、処理をステップＳ４へ進める（ステップＳ２）。このとき、Ｘ軸バランス演算部７及びＹ軸バランス演算部８は、すでに上記カウンタが動作している場合、そのままの状態でカウントを続けさせて、タイマに何らの操作も行わない。

そして、Ｘ軸バランス演算部７，Ｙ軸バランス演算部８及びポインタ移動制御部９は、すでに上述した方法により、Ｘ軸方向及びＹ軸方向各々の移動速度の演算を行う（ステップＳ３）
一方、ステップＳ２において、上記信号振幅値が方向基準検出値を超えない場合、ポインタ移動制御部９は、信号振幅値が無信号状態を規定する無信号基準値を超えるか否かの検出を行い、予め設定された上記無信号基準値（オフセット値）を超えることを検出した場合に処理を終了し、超えないことを検出した場合に処理をステップＳ５へ進める（ステップＳ４）。

ポインタ移動制御部９は、上記タイマのカウント数（経過時間）が予め設定された無信号基準カウント数を超えたか否かの検出を行い、上記カウント数が無信号基準カウント数を超えたことを検出した場合、カウンタをリセットして処理をステップＳ６へ進め、超えないことを検出した場合、処理を終了する（ステップＳ５）。
次に、ポインタ移動制御部９は、今回の１画面における全検出信号の平均値と、現在設定されている無信号基準カウント数とを比較して、上記平均値と無信号基準カウント数との差が、予め設定された変更基準カウント数を超えているか否かの検出を行い、この差が変更基準カウント数を超えていることを検出した場合に処理を終了し、超えていないことを検出した場合に処理をステップＳ７へ進める（ステップＳ６）。
そして、ポインタ移動制御部９は、今回の１画面における２次元の出力信号をオフセット補正データとして保持し、１画面における全検出信号の平均値を、新たな無信号基準カウント数として設定する（ステップＳ７）。

すなわち、指が置かれていない状態においては、検出信号の信号レベルが低いため周囲から放射されるノイズ等により、バランス出力（Ｐx，Ｐy）が変動し、ポインタがちらつく等の問題が生じる。
そこで、無信号状態でのオフセット値を設定して、無信号状態からの変化量を監視し、センサ全面の平均値がオフセット値よりどの程度大きいかの検出を行うことにより、指の接触面積が所定のしきい値以下のときにポインタを固定し、ノイズ等によるちらつきを防止することができる。

また、上述したように、指が完全に接触していないと判定される無信号レベルにおいて、定期的に無信号基準カウント数を更新し、オフセット補正データを用いてオフセット成分を自動的に補正する機能を付加してもよい。
バランス出力（Ｐx，Ｐy）は、無信号レベルからの変化量で取った方が望ましく、オフセット成分を除去することでバランス出力の計算精度を向上することが期待できる。
なお、本発明では、すでに述べたように、指の置き方、つまりニュートラル状態等の判定の必要がなく、指を離したり再度置いたりした場合においても、連続的にポインタ移動操作が可能であり、センサが経時変化して、オフセット値が変化したとしても、マニュアルでの調整が必要ないという利点も兼ね備えている。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態による指紋センサの説明を行うが、構成自体は図１に記載した構成と同様であり、Ｘ軸バランス演算部７，Ｙ軸バランス演算部８ポインタ移動制御部９の移動速度の演算方法が異なる。
以下に、図１２〜図１４を用いて、第２の実施形態のＸ軸バランス演算部７，Ｙ軸バランス演算部８及びポインタ移動制御部９における移動速度の演算方法を説明する。

Ｘ軸バランス演算部７は、バランス出力Ｐxを演算するとき、図４における領域Ｌ及び領域Ｒ各々を複数のブロックに分割して、分割された各サブブロックＬ1，Ｌ2及びＬ3と、サブブロックＲ1，Ｒ2，Ｒ3とにおいて、センサ部１の中央部のサブブロックＬ1，Ｒ1（重み付けｗ1）と、周辺部のサブブロックＬ3，Ｒ3（重み付けｗ3）と、これらの間の部分のサブブロックＬ2，Ｒ2（重み付けｗ2）とで、重み付けを変えて、内部メモリに蓄積する方法である。ここで、ｗ1＜ｗ2＜ｗ3である。
そして、ポインタ移動制御部９は、上述した処理により、Ｒ成分やＬ成分などの重み付けを持たせたデータの蓄積が終わった後、この蓄積結果であるバランス出力Ｐx及びＰyを用いた、移動速度を求める演算は、第１の実施形態と同様である。

上述した方法により、ポインタの移動操作に直接関与しないセンサ部１中央付近の重みを、他の領域に対して低く設定しておき、逆にセンサ部１の外周部周辺などの重みを高く設定することにより、少ない指の移動やずらしにおいても、ポインタ操作が可能となる。
また、第１の実施形態で説明したしきい値の設定も併せて調整することにより、ポインティングデバイスとしての操作感を軽くするなど、操作性の調整が可能となる。

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態は、例えば、画面上のメニュー操作や画像のスクロール動作に対応したポインティング処理において、ポインタの上下左右の動きを中心としたアプリケーションを想定した実施例である。
第１及び第２の実施形態のように、Ｘ軸とＹ軸を独立に処理して、得られたＸ軸方向及びＹ軸方向の移動速度を組み合わせる方法においては、指をずらして横方向（Ｘ軸方向）に動かそうとしたとき、上下のバランス（Ｙ軸方向）も崩れて斜め方向に動きやすくなる。

そこで、Ｘ軸のバランス出力ＰxとＹ軸のバランス出力Ｐyとを比較して、絶対値の小さい方の値に所定の係数を乗じてバランス出力値を更に小さくする方に補正する。
例えば、ポインタ移動制御部９は、Ｐx＞Ｐyであることを検出した場合、係数Ｓ（Ｓ＜１）をバランス出力Ｐyに乗じ、移動速度Ｖxに対して移動速度Ｖyをより小さくして、上下のバランスを減少させて、Ｘ軸方向に重点的に移動するよう、バランス出力を調整する（図１５参照）。
また、ポインタ移動制御部９は、Ｐy＞Ｐxであることを検出した場合、係数Ｓ（Ｓ＜１）をバランス出力Ｐxに乗じ、移動速度Ｖyに対して移動速度Ｖxをより小さくして、上下のバランスを減少させて、Ｙ軸方向に重点的に移動するよう、バランス出力を調整する（図１６参照）。

逆に絶対値の大きい方を更に大きくするようにして強調してもよい。
すなわち、ポインタ移動制御部９は、Ｐx＞Ｐyであることを検出した場合、係数Ｓ（Ｓ＞１）をバランス出力Ｐxに乗じ、移動速度Ｖxをより大きくして、上下のバランスに対して、Ｘ軸方向の移動が強調されるように移動させ、バランス出力を調整する。
上述したバランス調整の処理を行うことにより、若干バランスが崩れて、図８による速度の合成により、移動方向が斜めに向いた場合でも、上下左右の軸方向に操作することが容易になり、ユーザヘのストレス軽減につながる。
なお、第１の実施形態における、ポインタ移動制御部９にて用いられるバランス出力に対するしきい値を適切に設定することで、斜め方向の移動も可能となる。

＜第４の実施形態＞
次に説明する第４の実施形態は、第１から第３の実施形態の指紋センサに対し、ポインティング処理において、指紋の検出機能を利用して、センサ部１表面に接した物体が人間の指であるか、または異物であるかの判定を行う構成を付加したものである。この機能は、信号検出部５において行われ、指紋センサの構成自体は図１に示す第１の実施形態と同様である。
ポインティング処理を実行する前に、センサ部１に何らかの物体が接触した場合、例えば、センサ部１の中央近傍の行配線を選択し、スキャンクロックに同期して、時系列に入力される、上記行配線に対応する検出信号の電圧レベル（検出値）をプロットすると、図１７及び図１８に示す、行配線方向（Ｘ軸方向）の断面信号が得られる。

例えば、図１７に示すように、センサ部１の表面に異物が接触した場合、上記Ｘ軸方向の断面信号の微分値ｄを演算すると、異物の周辺のみで微分値が大きくなる。
一方、図１８に示すように、センサ部１の表面に人間の指が接触した場合、上記Ｘ軸方向の断面信号の微分値ｄを演算すると、指の凹凸に対応して、複数の起伏を持つ波形（微分値の断面信号）として得られ、この微分値ｄは指紋の接触したセンサ面の全体に渡って正または負の微分値として演算される。
そこで、信号検出部５は、以下に示す（１５）式により、微分値ｄの２乗和Ｓdを演算して求める。

Ｓd＝Σｄ＊ｄ …（１５）

この（１５）式により、微分値の正及び負の数値に係わらず、微分値ｄの２乗和Ｓdが大きい場合、つまり、微分値の断面波形で起伏の数が多いほど、２乗和Ｓdが大きくなることになる。
これにより、信号検出部５は、２乗和Ｓdが予め設定されたしきい値を超えたか否かの判定を行い、Ｓdが上記しきい値を超えたことを検出した場合、センサ部１表面に接触している物体を指として、ポインティングの処理を行わせる制御信号をポインティング処理部４へ出力し、第１から第３の実施形態のいずれかのポインティング処理により、ポインタの移動速度を求めて出力する。

一方、信号検出部５は、Ｓdが上記しきい値を超えないことを検出した場合、ポインティングの処理を行わせる制御信号をポインティング処理部４へ出力せず、ポインティング処理部５は移動速度の演算処理を行わない。
上記Ｓdに対するしきい値は、実験的に、処理性も考慮して、複数の人間に対して、所定の面積で指が接触した状態のＳdを求めて、全ての平均を取得して、この数値の８０％等の所定の数値を乗算して設定する。

上述した処理により、信号検出部５は、センサ部１の表面に接触した物体が異物である場合、ポインタの移動速度を求める演算処理を、ポインティング処理部４に行わせず、一方、センサ部１の表面に接触した物体が指紋を有する指である場合、ポインティング処理部４に対して、ポインタの移動速度の演算を行わせることができ、本発明の指紋センサは、異物の接触などにより、無駄な処理を行わせないという効果を有する。
本発明の指紋センサは例えば、鞄のなかで、本やノートに接触して、ポインティング機能が働き、場合によっては必要なデータを消去したり、重ね書きなどの誤操作を防止することができる。

なお、上記の第４の実施形態の説明においては、Ｘ軸方向のデータの微分値を演算して、センサ部１の表面に接触した物体が異物または指のいずれかであるかの検出を行ったが、同様に、Ｙ事項方向の検出信号（いずれかの列配線に対応する検出信号）の微分値も併せて算出し、以下に示す（１６）式により、双方の微分値の２乗和の合計により、異物か指かの検出を行うようにしてもよい。
また、信号検出部５が、センサ部１の全体のコンデンサから、それぞれ検出信号を得て、画像フィルタの手法を用いて、輪郭の抽出を行い、指であることを検出するようにしてもよい。

Ｓd＝（Σｄx＊ｄx）＋（Σｄy＊ｄy） …（１６）
ｄx：Ｘ軸方向の断面波形の微分値、ｄy：Ｙ軸方向の断面波形の微分値

なお、図１におけるポインティング処理部４の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、ポインティング処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

本発明の第１の実施形態による指紋センサの構成例を示すブロック図である。 図１におけるセンサ部１の構造を説明する概念図である。 図２のエリア型センサの列配線および行配線間の容量（コンデンサ）のマトリックスを示す概念図である。 第１の実施形態のバランス出力の演算方法の概念を説明する図である。 第１の実施形態のバランス出力の演算方法の概念を説明する図である。 第１の実施形態のバランス出力の演算方法の概念を説明する図である。 バランス出力からポインタの移動速度を算出する「１段階の移動速度検出」及び「２段階の移動速度検出」の演算方法を説明する概念図である。 図７における「２段階の移動速度検出」により求めたＸ軸方向及びＹ軸方向の移動速度を合成したときの２次元的な移動方向を示す概念図である。 不感帯を有した連続値の移動速度検出を説明するための概念図である。 多他段階傾斜を有する連続値の移動速度検出を説明するための概念図である。 指の接触状態を検知して、ポインタ動作のオンオフ制御および定期的なオフセット補正を行う動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態における、重み付けを用いたバランス出力の演算方法を説明するための概念図である。 第２の実施形態における、重み付けを用いたバランス出力の演算方法を説明するための概念図である。 第２の実施形態における、重み付けを用いたバランス出力の演算方法を説明するための概念図である。 第３の実施形態における、斜め方向のポインタの動きを抑制する移動速度の演算方法を説明する概念図である。 第３の実施形態における、斜め方向のポインタの動きを抑制する移動速度の演算方法を説明する概念図である。 第４の実施形態における、センサ部１の表面に接触した物体を、指または異物のいずれかであるかの検出方法を説明する概念図である。 第４の実施形態における、センサ部１の表面に接触した物体を、指または異物のいずれかであるかの検出方法を説明する概念図である。

符号の説明

１…センサ部
２…容量検出部
３…ホストシステム
４…ポインティング処理部
５…信号検出部
６…列配線駆動部
７…Ｘ軸バランス演算部
８…Ｙ軸バランス演算部
９…ポインタ移動制御部

Claims (9)

1. 表示画面に表示させるポインタを移動させる機能を有し、複数の行と列とが交差した２次元のエリア型の指紋センサであって、
   ２次元の検出面における検出信号を出力する信号検出手段と、
   前記検出面の中心を基準として、この中心を通るＹ軸に対して線対称の、Ｘ軸方向の出力の差を分子として、全出力の和を分母として、Ｘ軸方向のバランス出力を求めるＸ軸バランス演算手段と、
   前記中心を通るＸ軸に対して線対称のＹ軸方向の出力差を分子として、全出力の和を分母として、Ｙ軸方向のバランス出力を求めるＹ軸バランス演算手段と、
   前記Ｘ軸方向のバランス出力及びＹ軸方向のバランス出力から、前記ポインタの移動方向及びその速度を制御するポインタ移動制御手段と
   を有することを特徴とする指紋センサ。
2. 前記ポインタ移動制御手段が、Ｘ軸方向及びＹ軸方向各々のバランス出力が所定の基準値以下であることを検出した場合、このバランス出力に対応する移動速度を「０」として出力させる、ポインタ移動の不感帯を設けたことを特徴とする請求項１に記載の指紋センサ。
3. 前記ポインタ移動制御手段が
   、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各々のバランス出力が複数のしきい値を境界として、このしきい値に対応して移動速度を階段状に変化させて出力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の指紋センサ。
4. 前記ポインタ移動制御手段が、Ｘ軸方向とＹ軸方向の各々のバランス出力が複数のしきい値を境界として傾斜の異なる係数を乗じた移動速度を出力し、ポインタ移動速度を折れ線状に変化させることを特徴とする請求項１に記載の指紋センサ。
5. 前記Ｘ軸バランス演算手段が、前記基準位置からのＸ軸方向の距離に応じて所定の重みを乗じてＸ軸方向のバランス出力を求め、前記Ｙ軸バランス演算手段が、前記基準位置からのＹ軸方向の距離に応じて所定の重みを乗じてＹ軸方向のバランス出力を求めることを特徴とする請求項１に記載の指紋センサ。
6. 前記ポインタ移動制御手段が、Ｘ軸方向及びＹ軸方向各々のバランス出力のうち、絶対値が小さい方の値に所定の減少率を乗じてより小さくし、一方、絶対値が大きい方の値に所定の増加率を乗じてより大きくして、ポインタの移動速度を演算することを特徴とする請求項１に記載の指紋センサ。
7. 前記Ｘ軸及びＹ軸バランス演算手段が、指紋の凹凸を検出して、検出された凹凸の波形の断面信号を微分し、微分値の２乗和を求め、この２乗和がしきい値を超えた場合に、ポインタ移動制御手段がポインタの移動速度の演算を行うことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の指紋センサ。
8. 前記信号検出手段が、指の接触面積が所定のしきい値以下であることを検出した場合、ポインタ移動制御手段が移動速度を「０」として、ポインタの位置を固定させておくことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の指紋センサ。
9. 前記信号検出手段が、指の接触面積が所定のしきい値以下であることを検出した場合、指が置かれていない状態として、所定の周期で取得して基準値として記憶し、前記接触面積がしきい値を超えることを検出した場合、指が置かれた状態として、検出値から前記基準値を減算して、最終的な検出値として出力することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の指紋センサ。
   

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