JP2018537769A - タッチスクリーンパネルからの信号の処理 - Google Patents
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Abstract
Description
ここでFCDS(n,m,k)は修正された信号値であり、F(n,m,k)はセンサ領域In,mに対応する読み出し信号値である。添え字kは、例えば、現在の読み出し信号フレームF(n,m,k)と次の信号フレームF(n,m,k+1)とを区別するために使用され、kの上限はない。修正されたフレームFCDS(n,m,k)は、kの各値に対して、整数値n,mが、ある項目の行及び列を表す配列又は行列として表されうる。相関二重サンプラ10は、オフセット3と雑音4のコモンモード成分とを除去又は低減し、このことにより、タッチ決定モジュール12がタッチイベントを誤登録する可能性を低減しうる。
ここで、LとWとは正の奇数であり、iとjとはフィルタ係数Ci,jの添え字である。エッジとコーナーの信号フレーム値、つまりN=1又はn=N及びm=1又はMの時のFCDS(n,m,k)には、異なるマスク係数Ci,jを使用しうる。空間低域通過フィルタは、相関二重サンプラ10によっては除去されない無相関の雑音スパイクを減衰させるため、タッチ決定モジュール12がタッチイベントを誤登録する可能性を低減させうる。
投影型静電容量式タッチスクリーンパネルは、タッチイベントを検出するために電極における静電容量の変化を測定する。 投影型静電容量(projected capacitance)という用語は、投影型静電容量式タッチスクリーンパネルの電極がタッチイベントを検出するために導電性物体によって物理的に触れられる必要がないという事実を指している。一般に、投影型静電容量式タッチスクリーンパネルの電極は、例えばガラス又は透明なポリマーで作られたスクリーンの背後に配置されうる。例えばユーザの指先22(図6B)又は導電性スタイラスのような導電性の物体がスクリーンをタッチすると、電界線は乱され、したがって電荷分布、すなわち静電容量を変調する。
理論に縛られることは望まないが、タッチスクリーンパネル6のSNRの理論的処理について簡単に論じることは、タッチスクリーンパネル6からの出力信号を処理する第一及び第二の方法の理解を助けるであろう。
ここで、SNRは信号対雑音比であり、Psは信号電力であり、Pnは雑音電力である。このように、SNR>1は、タッチ信号、例えばF(n,m,k)が雑音4を超えることを意味する。オフセット3は、固定値を差し引くことによって除去できるので、雑音成分としては扱われない。これは、雑音4が典型的には急速に変化するのに対して、オフセット3は典型的には一定であるかゆっくり変化するからである。タッチスクリーンパネル及びアプリケーションの種類に応じて、SNRの許容値は、1より大きく、2より大きく、3より大きく又は5より大きい場合がある。より低いSNR、例えばSNR>1は、いくつかのアプリケーション、例えばタッチイベントの有無の登録のみが測定される場合などでは許容されうる。しかしながら他の用途、例えばアナログ圧力感知/タッチ強度では、使用者のインタラクションによって印加される異なるレベルの圧力を区別するのを可能にするため、より大きなSNRが必要とされる場合がある。
ここで、SNRCDSはCDS後の信号対雑音比であり、Psは信号電力であり、PnはCDS前の雑音電力であり、Pn´はCDS後の雑音電力であり、αはPnとPn´の比として定義される特性化係数である。タッチスクリーンパネルからの出力信号を処理する第一及び第二の方法において、個々の背景参照値F0(n,m)を使用して各交点In,mからのフレーム信号値F(n,m)にCDSが適用される。
図9は、タッチスクリーンパネル6からの出力信号F(n,m,k)を処理する第一の方法のプロセスフロー図である。
タッチスクリーンパネルからの出力信号を処理する第一の方法の使用は、投影型静電容量式タッチスクリーンパネルの例を用いて行われた実験を参照して説明されうる。
ここで、HCDSはCDSを適用した後の雑音信号、H0は雑音波形H(t)の振幅、φは雑音波形H(t)の初期位相、tは時間である。式5は雑音波形、例えばCDSサンプリング周波数fsの半分の周波数fs/2を有するH(t)における、CDS後の雑音波形HCDSの振幅が2倍になることを示す。雑音波形とスキャン周波数fsとの他の比率についても同様の解析を行うことができる。
タッチパネルからの出力信号を処理する第一の方法は、オフセット3と雑音4の低周波コモンモード成分とを除去又は低減しうる。第一の方法(図8、ステップS4〜S8)の繰り返しステップに要する時間は、好ましくは、連続する信号フレームF(m,n,k)とF(m,n,k+1)の読み出しの間で走査間隔1/fsを超えるべきでない。例えば、スキャン周波数が60Hzの場合、第一の方法のCDS修正のための計算時間は16.7ms未満でなければならない。
各センサ領域In,mについての信号フレーム値F(n,m,k)を測定するためのエネルギーは、およそ以下の式で与えられる。
ここで、Eは一つのセンサ領域In,mを測定するためのエネルギーであり、Pはフレーム読み取りモジュール9の電力使用量であり、fsは走査周波数である。例えば、フレーム読み取りモジュール9がfs=75kHzの周波数で交点を走査し、電力消費が2.5mWである場合、各交点In,mを読み取るためにはE=1/30μJが必要となる。例えば、タッチスクリーンパネル6がN×M格子8を含む場合、各交点In,mを走査するための合計パワー(PTOTAL)は下記のように表される。
ここで、Pはプロセッサ又はタッチコントローラの電力消費量であり、Eは一つの交点を測定するためのエネルギーであり、NとMとは格子8の寸法であり、fsは走査周波数である。例えば、典型的な携帯機器、例えばスマートフォンのための投影型静電容量式タッチスクリーンパネルが第一の方向xにおいて9個の電極Xn、第二の方向yにおいて16個の電極Ynをそれぞれ含む場合、静電容量式タッチスクリーンパネルは144個の電極センサ領域/交点In,mを有する。このような例では、スマートフォンのタッチスクリーンパネルが周波数fs=60Hzで走査された場合、パネル全体を1回測定するための消費電力は0.288mWになり、各信号フレームF(n,m,k)を走査する為の消費エネルギーは4.8μJとなる。
ここでECDSはCDS動作の電力消費量であり、NとMとは格子8の寸法であり、ηはプロセッサ又はタッチコントローラの電力効率である。ARM(登録商標)Cortex(登録商標)A5プロセッサなど、現在使用されている組み込みプロセッサの例では、20×100万命令/秒(MIPS)/mWの電力効率ηを持つ。従って、消費電力ECDSは7.2nW程度であり、計算時間は0.14μs程度である。このように、第一の方法を適用することによる追加のエネルギー消費は1fJ程度であり、これは、一般的に使用されるプロセッサ又はタッチコントローラのエネルギー消費よりも大幅に小さい。
前述したように、タッチスクリーンパネル6からの出力信号を処理する第一の方法は、オフセット3と雑音4の低周波コモンモード成分とについて大幅な改善を提供しうる。しかし、信号フレームF(n,m,k)と雑音参照フレームF0(n,m)との間の相関が弱くなると、雑音スパイクが特に高周波数において残る場合がある。タッチ信号と雑音スパイクとの特性を分析すると、タッチイベントからの信号は雑音スパイクと比較して空間周波数が低くなる場合があることが認められた。
タッチスクリーンパネル6からの出力信号を処理する第二の方法を説明する前に、とりわけスマートフォンやタブレットコンピュータやラップトップコンピュータや同様の機器などのモバイル機器といった機器のディスプレイの上に重なっているか組み込まれているタッチスクリーンパネル6のコモンモード雑音の典型的な原因について、簡単に説明することが役立つであろう。
タッチスクリーンパネルを組み込んだ機器は、しばしば、使用時は電池の電力で動作する携帯機器である。そのような電池駆動機器は、典型的には再充電可能な電池を含み、電池を満たすために充電用電源又は充電器(図示せず)に定期的に接続されなければならない。機器は充電器に接続している間でも使用される場合がある。充電器は一般に、コンセントからの高電圧AC電力を、機器の電池を再充電するのに適した電圧でDC電力に変換する変圧整流回路の形態をとる。理想的な充電器では、変換は完全であり、充電器は一定のDC電圧を出力する。実際には、充電器は、コモンモード変動を含む出力、例えば残留「リップル」(ripple)電流/電圧、雑音スパイク及び他の不自然な結果といった出力を生成する。
タッチスクリーンシステム5を組み込んだ機器は、通常、ディスプレイ又はスクリーンを含んでいる。例えば、アクティブマトリクス有機発光ダイオード(AMOLED)や液晶(LC)構造のような異なる種類のディスプレイが利用可能である。AMOLEDディスプレイは高品質であり、上に重なるか、又は組み込まれたタッチスクリーンパネル6に対してより少ない雑音を生成するものの、LCディスプレイが典型的には低コストであるため、依然として使用されている。
空間低域通過フィルタの特性を簡潔に議論することは、第二の方法を理解するのに役立つであろう。空間低域通過フィルタは、大きくは線形フィルタか又は非線形フィルタとして特徴付けられる。線形フィルタには平均フィルタやガウシアンフィルタなどのフィルタのタイプが含まれる。非線形フィルタには中央値フィルタなどのフィルタのタイプが含まれる。
これは、等式2と等しい。エッジやコーナーにおける、すなわちn=1又はn=Nかつm=1又はm=Mの場合の修正されたフレーム値FCDS(n,m,k)に対しては、異なるマスク係数Ci,jが使用されうる。
理論に縛られることは望まないが、空間低域通過フィルタリングに関連するいくつかの理論的考察を簡単に概説することは有用であろう。
使用者がタッチスクリーンパネル、例えば投影型静電容量式タッチスクリーンパネル20,21,22にタッチする時、パネルに接触する指先33又はスタイラスは、排他的に単一の電極と結合することはない。代わりに、タッチイベントは、どれであれ接触点に最も近い交点In,m、そしてまたIn+1,m、In,m+1などのように近接するか隣接する交点からの信号を含む。このようにして、タッチイベントは、駆動電極及び感知電極Dn、Smの複数の交点In,mを包含するインタラクション領域59(図16A)を有する。複数の交点In,mにまたがるインタラクション領域59は、投影型静電容量式タッチスクリーンパネル20,21,22の種類に限定されず、例えば圧力感知式タッチスクリーンパネルのような他の種類のタッチスクリーンパネルがいくつかの交点In,mを包含するインタラクション領域59を有する場合がある。
ここでiとjとは総和の添え字である。解析の簡略化のために、中央修正フレーム値FCDS(n,m,k)から等距離となる信号フレーム値が同一になるようにとられる場合、例えば、FCDS(n+1,m,k)=FCDS(n,m+1,k)となる等である場合、式11は下記のように簡略化されうる。
ここで、βとγは倍率係数である。倍率係数β、γを用いて、フィルタリングされた信号値FLPSF(n,m,k)は、下記のように近似されうる。
ここで、iとjとは総和の添え字であり、最も近い近接点と次の最も近い近接点との間の等価性についての前述の簡略化の推定が、例えばFCDS(n+1,m,k)= FCDS(n,m+1,k)などでなされる。インタラクション領域59の外側にある交点の修正されたフレーム値FCDS(n,m,k)は、雑音によって支配される値、例えばF(n,m+2,k)=F (n+1,m+2,k)=Hの値を持つように取られる場合があり、ここでHは雑音信号4を表すランダムに分布した変数である。式13からの倍率係数を代入すると、最も近い近接位置FLPSF(n,m+1,k)のフィルタリングされたフレーム値は、下記のように近似されうる。
ここでβとγとは倍率係数であり、Hは雑音4を表すランダムに分布した変数である。空間低域通過フィルタ処理後のタッチ位置の誤登録を回避するのを確実にするため、すなわち、FLPSF(n,m,k)>FLPSF(n,m+1,k)とするため、不等式
が満足されなければならない。比FCDS(n,m,k)/Hは、SNRと結びついている。典型的な投影型静電容量式タッチスクリーンパネル20,21,22において、HはF(n,m)よりも約2桁小さく、倍率変数βとγとは典型的には1から3の間の範囲にある。このようにして式17の条件は、空間低域通過フィルタ13の線形フィルタマスク58がL=3かけるW=3の寸法を有するとき、投影型静電容量式タッチスクリーンパネル20,21,22に対して、典型的には満たされる。しかし、マスク48の寸法がL=5×W=5に増加すると、式17の条件は雑音値Hによって支配されるようになり、タッチイベントの位置を誤登録する可能性が高くなってしまう。
タッチイベントに対応する信号は、通常、タッチイベントがユーザの指先33によって生成されるとき、雑音スパイクと比較して比較的低い空間周波数を有する。しかし、いくつかの種類のタッチイベント、例えば、適切なスタイラスを介した使用者の入力によって生成されたタッチイベントは、指先33による使用者の入力によって生成されたタッチイベントと比較して、比較的高い空間周波数を有する場合がある。例えば、スタイラスによって生成されたタッチイベントは、単一の交点In,mを包含するインタラクション領域59を有する場合がある。
所望のタッチ信号を有害に減衰させることなく雑音スパイク38の減衰を最大化する一つの方法は、固定寸法LとWとを有する線形フィルタマスク58の係数Ci,jを動的に調整することによって空間低域通過フィルタ13の帯域幅を動的に調整することである。
ここで、Gは振幅、LとWとは線形フィルタマスク58の寸法であり、iとjとはそれぞれ0≦i≦L−1及び0≦j≦W−1の範囲の添え字であり、σnは 第一の方向xにおける標準偏差であり、σmは第二の方向yにおける標準偏差である。振幅Gは、好ましくは、修正されたフレームFCDS(n,m)と比較してフィルタリングされたフレーム値FLPSF(n,m,k)の平均強度の全体的な増加又は減少を最小化するための正規化係数である。一般に、第一の方向d1(例えばx)における電極Xn(例えば駆動電極Dn)と第二の方向d2(例えばy) における電極Ym(例えば感知電極Sm)とによって定義される交点In,mの格子8を有するタッチスクリーンパネル6は正方形の格子である必要はなく、それに応じて標準偏差σn、σmが異なる場合がある。交点In,mが第一及び第二の方向d1、d2、すなわちS1=S2で等間隔に配置されるように格子8が正方形である場合、標準偏差も等しく、すなわちσn=σm=σである。例えば、線形フィルタマスク58がL=3かけるW=3の寸法を有するとき、係数は次のように表される。
ここで、0≦i≦2かつ0≦j≦2である。
タッチスクリーンパネルからの出力信号を処理する第二の方法の使用は、上述した実験的な投影型静電容量式タッチスクリーンパネル(表II参照)を用いて行った実験を参照して説明されうる。空間低域通過フィルタ13の平滑化効果を評価するために、SNRと信号減衰と雑音減衰との三つの要因が考慮された。
第一の処理方法と比較して、第二の処理方法の複雑さは、およそO(3N)まで増加する。第一の方法に対して行われたのと同様の計算は、携帯機器用の典型的な市販のプロセッサが約19.2μsを必要とし、アルゴリズムの消費電力が21.6nWであることを示す。従って、第二の方法の計算時間は、60Hzの典型的な走査速度に対するフレーム読み出しの間隔よりも大幅に短く、フレーム読み出しの消費電力に比べてアルゴリズムの消費電力は無視しうる。
上述した実施形態に対しては多くの変更がなされうることが理解されるであろう 。そのような変更は、タッチパネルの設計や製造や使用において既に知られていて、本明細書ですでに説明した機構の代わりに、又はそれに加えて使用されうる同等及び他の機構を含むことができる。一実施形態の機構は、別の実施形態の機構によって置き換えられるか、又は補強されうる。
ここで、δは重み係数である。重み係数δは、性能を最適化するように調整されうる。しかし、指数平滑化法を使用すると、隣接するフレーム間の相関を弱める場合がある。雑音のキャンセルと堅牢性との間のトレードオフは、タッチスクリーンパネル6の用途と物理的な特性とに依存する場合がある。
Claims (16)
- タッチパネルセンサ領域の配列を測定することから得られた第一の値の配列を受け取るステップと、
前記第一の値の配列から値の参照配列を差し引くことに基づいて第二の値の配列を生成するステップと、
前記第二の値の配列に従って、少なくとも一つのタッチイベントの存在を判定するステップと、
を備えた方法であって、
否定的な判定の場合には:
重み係数を使用した前記参照配列及び前記第一の配列の指数平滑化法に基づいて新たな参照配列を生成するステップと、ここで前記重み係数はゼロであり、
前記新たな参照行列を記憶するステップとをさらに備え、
肯定的な判定の場合には:
前記第二の配列を出力するステップをさらに備える方法。 - 前記第二の配列を生成するステップは、
前記第一の配列から前記参照配列を差し引くことによって第三の配列を生成するステップと、
参照帯域幅値に等しい帯域幅を有する空間低域通過フィルタを用いて前記第三の配列をフィルタリングすることによって前記第二の配列を生成するステップと、
を備える請求項1に記載の方法。 - 前記第二の配列と前記第三の配列との差に基づいて、少なくとも一つのタッチイベントに対応する値を減衰させる第一の量と、いかなるタッチイベントにも対応しない値を減衰させる第二の量とを決定するステップと、
前記第一の量と前記第二の量とに基づいて新たな参照帯域幅値を生成するステップと、
前記新たな参照帯域幅値を記憶するステップと、
をさらに備える請求項2に記載の方法。 - 新たな参照帯域幅値を決定するステップは、
前記第一の量を所定の閾値と比較するステップと、
前記閾値を超える前記第一の量に従って、前記参照帯域幅値から帯域幅の増分を差し引くことによって前記新たな参照帯域幅値を生成するステップと、
を備える請求項3に記載の方法。 - 新たな基準帯域幅値を決定するステップは、
前記第一の量を前記帯域幅値に関連付ける第一のモデルと、前記第二の量を前記帯域幅値に関連付ける第二のモデルとに基づいて、前記第一の量が所定の閾値を超えることなく前記第二の量が最大化されるような最適な帯域幅値を決定するステップと、
前記最適な帯域幅に基づいて前記新たな参照帯域幅を生成するステップと、
を備える、タッチスクリーンパネルからの信号を処理するための、請求項4に記載の方法。 - 前記空間低域通過フィルタは線形フィルタである
請求項2〜5のいずれか1項に記載の方法。 - 前記空間低域通過フィルタは、ピークを備える関数に基づいており、前記ピークは、前記参照帯域幅値によって決定される相対幅を有している
請求項2〜6のいずれか1項に記載の方法。 - 前記空間低域通過フィルタはガウシアンフィルタであり、前記空間低域通過フィルタの参照帯域幅値は前記ガウシアンフィルタの標準偏差である
請求項2〜7のいずれか1項に記載の方法。 - 空間低域通過フィルタを用いて前記第三の配列をフィルタリングすることによって前記第二の配列を生成するステップは、
第四の配列を生成するステップであって、当該第四の配列の各項目は、前記第三の配列の対応する項目を含めて前記第三の配列の少なくとも三つの隣接する行項目を加算することによって算出されることと、
前記第三の行列を生成するステップであって、前記第三の配列の各項目は、前記第四の配列の対応する項目を含めて第四の配列の少なくとも三つの隣接する列項目を加算し、それぞれの倍率係数で除算することによって算出されることと、
を備える請求項2〜8のいずれか1項に記載の方法。 - 前記空間低域通過フィルタは非線形フィルタである
請求項2〜5のいずれか1項に記載の方法。 - 第一の配列の各値は、それぞれのセンサ領域の静電容量に基づいている
先行する請求項のいずれか1項に記載の方法。 - 第一の配列の各値は、前記それぞれのセンサ領域に印加された力に基づいている
先行する請求項のいずれか1項に記載の方法。 - 前記第一の配列の各項目は、前記それぞれのセンサ領域の前記静電容量に基づく第一の値と、前記それぞれのセンサ領域に印加された前記力に基づく第二の値とを有するサブ配列であって、前記第一の配列上で実行される動作は、各サブ配列上において項目単位で実行される
先行する請求項のいずれか1項に記載の方法。 - データ処理装置によって実行されると、当該データ処理装置に、先行する請求項のいずれか1項に記載の方法を実行させる
コンピュータ可読媒体に記憶されたコンピュータプログラム。 - タッチパネルセンサ領域の配列を測定することから得られる第一の値の配列を受け取るように構成されたフレーム読み取りモジュールと、
前記第一の値の配列から値の参照配列を差し引くことに基づいて第二の値の配列を生成するように構成された相関二重サンプラと、
前記第二の値の配列に依存して少なくとも一つのタッチイベントの存在を判定するように構成されたタッチ決定モジュールと、
を備えており、
否定的な判定の場合には:
重み係数を用いて前記参照配列及び前記第一の配列の指数平滑化法に基づいて新たな参照配列を生成し、前記重み付け係数はゼロであり、そして
前記新たな参照行列を記憶し、また
肯定的な判定の場合には:
前記第二の配列を出力する装置。 - センサアレイ内に配置された複数のセンサ領域を備えるタッチパネルであって、各センサ領域がタッチイベントに応じて変化する出力信号を供給するように構成されているタッチパネルと、
請求項15に記載の装置と、
を備えるタッチパネルシステム。
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