JP6581693B2 - 高速マルチタッチスタイラス及びセンサー - Google Patents
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Description
開示されたシステム及び方法は、概してユーザー入力の分野に、具体的には、新規なスタイラス及び高速マルチタッチセンサーを提供する、ユーザー入力システムに関するものである。
一実施形態において、行に送信される直交信号は、未変調のシヌソイドであり得、その各々が異なる周波数を有しており、該周波数は、それらが受信機中で互いに容易に区別され得るように選択される。一実施形態において、周波数は、それらが受信機中で互いに容易に区別され得るように、間に十分な間隔を設けるように選択される。一実施形態において、単純な調波関係は、選択された周波数間には存在しない。単純な調波関係の欠如は、1つの信号に別の信号を模倣させ得る、非線形のアーチファクト(non−linear artifacts)を緩和し得る。
一実施形態において、変調されたシヌソイドは、上述のシヌソイドの実施形態の代わりとして、それと組み合わせて、及び/又は、それを改良したものとして(as an enhancement of)、使用され得る。未変調のシヌソイドの使用は、タッチ表面付近の他の装置に無線周波干渉を引き起こし、故に、それらを使用する装置は、規定上の試験(例えばFCC、CE)を通過するという問題に遭遇することもある。加えて、未変調のシヌソイドの使用は、精密な(deliberate)送信機又は他の干渉装置(恐らく、別の同一のタッチ表面)の何れかから、環境における他のシヌソイドからの干渉を受けやすい場合もある。一実施形態において、そのような干渉は、記載の装置において、誤った又は劣化したタッチ測定を引き起こし得る。
シヌソイドの全体のセットの周波数変調は、「それらを不鮮明にする(smearing them out)」ことにより同じ周波数でそれらが現われることを回避する。規定上の試験は通常、固定周波数に関係があるので、変調された周波数である送信されたシヌソイドは低い振幅で現われ、故に、懸念の対象であるようには思われない。受信機がそれに対する任意のシヌソイド入力を「不鮮明にしない(un−smear)」ので、等しい且つ対称的な様式において、精密に変調され送信されたシヌソイドは、復調され得、その後、それらが変調前に行われるように実質的に現れる。しかし、環境から進入する(例えば、干渉する)任意の固定周波数シヌソイドは、「不鮮明にしない」操作によって「不鮮明にされ」、故に、意図した信号に対する減少した又は排除された効果を持つ。従って、さもなくばセンサーに引き起こされ得る干渉は、例えば、一実施形態においてタッチセンサーに使用される周波数のコムに対し、周波数変調を使用することにより和らげられる。
一実施形態において、シヌソイドは、送信機と受信機の両方に既知である、偽似ランダムな(又は真のランダムな)スケジュール上で定期的にそれらを反転することにより、復調され得る。故に、一実施形態において、各シヌソイドがその対応する行に送信される前に、各シヌソイドは、選択可能な反転回路を通過し、その出力は、「反転選択」入力の状態に依存して、+1又は−1を掛けた受信信号である。一実施形態において、これら「反転選択」入力は全て、同じ信号から駆動され、それにより、各行のシヌソイドは全て、同時に+1又は−1を掛けられる。一実施形態において、「反転選択」入力を駆動する信号は、任意の信号から独立した疑似ランダム機能、又は、環境に存在し得る機能であってもよい。シヌソイドの擬似ランダムな反転は、周波数においてそれらを広げて、それらが接触し得る任意の装置を無視できるほどにしか干渉しないように、ランダムノイズのように見えるようになる。
前述の技術を使用するタッチ表面は、他の方法と比較して、シヌソイドの生成及び検出にかかるコストが比較的高い場合がある。以下に、よりコスト効率が良く、及び/又は、大量生産により適した、シヌソイドの生成及び検出の方法を議論する。
一実施形態において、シヌソイドは、フーリエ変換検出スキームを備える完全な無線受信機を使用して、受信機において検出され得る。そのような検出は、高速RF波形をデジタル化し、その後にデジタル信号処理を行なうことを必要とする場合がある。別々のデジタル化及び信号処理は、表面の全ての列について実施されてもよい。これにより、信号プロセッサーが、どの行の信号が列とタッチ状態にあるのかを発見することを可能にする。上述の例において、タッチ表面に40の行と40の列を備えさせるには、この信号チェーンの40のコピーを必要とする。今日、デジタル化とデジタル信号処理は、ハードウェア、コスト、及び電力に関して、比較的高価な操作である。シヌソイドを検出する、よりコスト効率の良い方法、特に、容易に複製することができ且つ電力をほとんど必要としないものを利用することが、有用である。
主に、各々の行が1つの信号の生成を必要とする一方で、列の受信機は多くの信号間で検出し且つ区別しなければならないので、低レイテンシタッチセンサーにおける送信信号(例えばシヌソイド)の生成は通常、検出よりもあまり複雑ではない。一実施形態において、シヌソイドは、一連の位相ロックループ(PLL)により生成することができ、その各々は共通の基準周波数に異なる倍数を掛ける。
タッチ表面がコンピューターディスプレイに統合され、それにより個人がコンピュータグラフィックスと画像(imagery)を相互に作用させることができることが、望ましい場合もある。正面投影が不透明なタッチ表面に使用され、背面投影が透明のものに使用され得る一方で、現代の平面パネルディスプレイ(LCD、プラズマ、OLED等)は一般的に、タッチ表面が透明であることを必要とする。一実施形態において、現在の技術の行及び列(信号がそれらに沿って伝搬することを可能にするもの)は、それらの信号に対して伝導性である必要がある。一実施形態において、現在の技術の行及び列(無線周波数信号がそれらに沿って伝搬することを可能にするもの)は、電気的に伝導性である必要がある。
一実施形態において、約10オームの抵抗性を有している、長さ20センチメートル(iPadディスプレイの長さ)の20ミクロンの直径の銀のワイヤーは、行及び/又は列として、及び/又は、本明細書に記載されるような低レイテンシタッチセンサーにおける行及び/又は列の一部として、使用される。そのような20ミクロンの直径の銀のワイヤーは、しかしながら、網膜ディスプレイにわたって引き伸ばされる場合、ピクセルの全体のラインの25%までを遮断し得る。従って、一実施形態において、複数の更に細い直径の銀のワイヤーは、列又は行として使用され得、それは、適切な抵抗性を維持し、且つ、無線周波数の浸透厚さの問題に関して許容可能な応答を提供することができる。そのような複数の更に細い直径の銀のワイヤーは、直線ではなく、むしろ幾らか不揃いのパターンで置くことができる。更に細いワイヤーのランダム又は凹凸のパターンは恐らく、あまり視覚的に侵入的なものではない。一実施形態において、細いワイヤーのメッシュが使用される。メッシュの使用は、製造に対するパターニングの欠陥を含む、ロバスト性を改善させる。一実施形態において、更に細いワイヤーが、適正値の抵抗性、及び、無線周波数の浸透厚さの問題に対する許容可能な応答を維持するほど十分に伝導性であると仮定して、1つの更に細い直径のワイヤーは、列又は行として使用され得る。
記載された高速マルチタッチ技術を実施する無線周波数および電気的な方法が上で議論されてきたが、他の媒体も同様に使用することができる。例えば、信号は、導波路または行と列向けの他の手段を有する光学信号(すなわち光)であり得る。一実施形態では、光学信号に使用される光は、可視領域、赤外線、および/または、紫外線内であってもよい。
各列の各行からの信号強度が例えば、上記の手順を用いて計算された後、結果として生じた2Dの「ヒートマップ」を使用可能なタッチ事象に変換するために後処理が行なわれる。一実施形態では、こうした後処理は、以下の4つの手順:フィールド平坦化、タッチ点検出、補間、およびフレーム間のタッチ点の一致、の少なくともいくつかを含んでいる。フィールド平坦化手順は、行と列の間のクロストークを取り除くためにオフセット値を引き、減衰による特定の行/列の組み合わせの振幅の差を補う。タッチ点検出手順は、平坦化した信号内の極大値を見つけることによって目の粗いタッチ点を計算する。補間手順は、目の粗いタッチ点に関連するデータを放物面にフィットさせることによってきめの細かいタッチ点を計算する。フレーム整合手順は、フレーム全体で互いに対して計算されたタッチ点を一致させる。以下に、4つの手順の各々について順に記載している。同様に、それぞれの処理工程に関する実施、起こりうる故障モード、および結果の例を開示している。レイテンシが非常に低いことが要求されるため、処理工程は最適化かつ並列化されなければならない。
a.フレームi+1中の物体のタッチ点はそれに幾何学的に最も近いフレームi中のタッチ点である可能性が高い;
b.フレームi+1中の物体のタッチ点は、物体の速度の変遷を与えられると予測される点に最も近いフレームi中のタッチ点である可能性が高い;および、
c.フレームi+1中の物体のタッチ点はフレームi中のそのタッチ点に似たサイズになるであろう。
一実施形態では、ノイズが高速マルチタッチ(FMT)センサーとの干渉、またはそれにおけるファントムタッチ(phantom touches)を引き起こす特定の状態を克服するための方法およびシステムが提供される。上に記載されるセンサーの実施形態では、行はその上に送信された信号を有し、送信された信号は、タッチ(複数可)に近接する列に結合され、その時に、センサーの表面に又はその近くにタッチ(複数可)が適用される(幾つかの場合では、タッチ(複数可)が、列における行信号の低減を引き起こし得る)。タッチの位置は、列から信号を読み取り、それらが生成された行を決定することによって決定される。
この点で、ホバリングはタッチ事象と考えられる。さらに、本明細書で使用されるような信号の「レベル(level)」または「量(amount)」は、別々の予め決められたレベルだけでなく、信号の相対量、信号の量の範囲、間隔を空けて又はタッチ事象の決定がなされるときに動的に決定される信号の量、あるいはそれらの任意の組み合わせも含む。したがって、一実施形態では、本発明のセンサーおよび構成は、1つ以上の行と1つ以上の列との間で結合された信号の変化から結果として生じるタッチ事象を識別することができる。
コンピューターシステムにおけるタッチセンサーの認識された品質は、高い信号対ノイズ比に依存し、ここでユーザー入力信号は、周囲の電磁ノイズと適切に区別される。そのような電磁ノイズは、タッチセンサーが一部(例えば、LCD情報表示)であるコンピューターシステム内の他の構成要素から、またはユーザーの外部環境における人工または天然の信号(例えば、装置の外部のACパワー充電器からの望まれない信号)から生じ得る。これらの望まれない電磁気信号は、ユーザー入力としてタッチセンサーによって誤って検出され得、その結果、誤った又はノイズの多いユーザーコマンドをもたらす。
工程1:タッチ信号とノイズを合理的に識別する
タッチセンサーは、ユーザーがセンサーに触れていないことが知られているときに、または実際のタッチ信号が合理的に知られている場合(即ち、タッチ表面の幾つかの部分が触れられている一方で、他の部分が触れられていないことが知られている場合)に、受信する信号をすべて分析することができる。
一度、ノイズの多い読み取りが、工程1で詳述されるように既知のタッチ信号に基づいて及び/又は統計的推論を介して「干渉」と特定されると、電磁干渉のそのような知識は、そのようなノイズがタッチセンサーによって感知され得る又は恐らく感知される、周波数、時間、またはコードの空間の特定の部分間の衝突を回避するために使用され得る。既知のタッチ信号と特定された電磁干渉との間の衝突は、限定されないが、様々な技術または技術の組み合わせによって回避可能である。
前述の技術の使用によって完全には排除され得ない電磁干渉の幾つかでは、タッチセンサーは、そのようなノイズがセンサーの表面積にわたって均一に広げられて、残りの干渉によってもたらされた操作上の問題を最小化することを確かなものとするように構成され得る。
タッチセンサーはまた、タッチセンサーにおける干渉および他のノイズの影響を減少させるために多くの技術を利用することができる。例えば、FDMを利用するタッチセンサーのための実施形態では、タッチセンサーは、1行当たり複数の周波数を使用することができ、その結果、センサーは、どの周波数ビンが干渉にさらされるかを予測することができなくても、複数の方法で各行(または列)を測定することができ、ノイズの最も少ない測定(または測定の組み合わせ)を測ることができ、その後、それらを使用することができる。
1.1行当たり複数の周波数を使用する工程。これらの周波数は、同時にまたは順に利用され得る。
2.(より詳細に上に議論されるように、順に又は同時にのいずれかで)行から列に、および列から行に送信する工程。これも、上の複数の周波数の使用と組み合わされ得るか、または変調方式の別の組み合わせであり得る。
3.FDMに加えてCDMAを使用する、または変調方式の幾つかの組み合わせを使用する工程。ここで、CDMA信号は、FDM技術によって一般に利用されるものとは異なり、基本的に「非自然」であり、それ故、多くの場合コンピューターシステムの外部環境における様々な自然発生する信号に対してFDM変調方式よりもしばしば免疫があることに留意されたい。
実施形態において、高速のマルチタッチセンサーは、同じ手、同じユーザーの異なる手、同じユーザー又は異なるユーザーからのものとして識別するための能力を備えている。実施形態において、高速のマルチタッチセンサーは、単一の物体の位置及び向きを決定するのを助けるための、単一の物体上の容量性タッチポイントを介して、又はユーザーの体の一部とともに表示の別の領域も同時に接触しているユーザーに保持されるスタイラスを介して、タッチ領域にリンクされた物体の部分からのものとしてタッチを識別する能力を備えている。
高速マルチタッチセンサーの特定の実施形態において、センサーは、スタイラスの位置、および随意に、その傾き角と、その長手方向軸についての回転角を検出するように構成されている。このような実施形態は、基本的に最初に上述されたようなセンサーハードウェアで始まり、さらに先端付近の信号送信機を有するスタイラスを使用し、そこから、行または列に送信され得る直交信号と互換性を持つ(同一または類似のモジュレーション方式、類似の周波数など)が、しかし直交信号である信号が送信される。スイッチは、例えば近接検出器または圧力センサーを含む任意の種類のスイッチであるかもしれないが、スタイラスの先端において、送信機がオンまたはオフになるときに制御するために使用され得る。通常の動作条件下において、スタイラスは、高速マルチタッチセンサーの表面に近接して又は近接内に接触しているとき、信号が送信機をオンにするように構成され得る。代替的な実施形態において、スタイラスは、常に信号を送信するように構成されており、スイッチの状態はその周波数、振幅など信号の1以上の特性を変えることができる。これは、接触感知式デバイスの表面と接触している場合のみならず、「ホバー」機能を提供して、わずかに上回っている場合にもスタイラスが使用されるのを可能にする。
より複雑な実施形態により、我々は、ユーザーがスタイラスを保持している時に、スタイラスの位置の測定とともにその傾きおよび回転の両方を同時に測定することが可能となる。
図14および15は、その先端部1505に送信機1502を有する高速マルチタッチスタイラス1501の2つの実施形態を示す。図14の実施形態において、送信機1502は先端1505の外部にあるが、図15の実施形態において送信機1502は、先端1505の内部にある。4つの送信機1502はスタイラス1501の周囲に配置され、それぞれ高速のマルチタッチセンサー400の表面に沿って、北、東、南、西に向けられている。ペンの開始位置は、センサー平面のz軸に平行およびx軸とy軸に垂直であることを想像されたい。スタイラスが図示されるように東に向かって傾いており、センサー400の平面に対して角度αまでx軸またはy軸に沿って回転するとき、東向きの送信機1503は北と南の送信機に対して3次元空間のセンサー400の表面に近づいて移動し、西向きの送信機は、北と南の送信機に対してセンサーから離れるように移動する。これによって、東の送信機によって放たれる直交信号が近くの行および列とより密接に結合するようになり、それは高速マルチタッチセンサー内のそれらの受信機によって測定され得る。西の送信機によって発せられた直交信号は、近くの行および列とはそれほど強く結合されず、これによってその信号がそれらの近くの行および列の受信機においてより低強度で現れる。東と西の信号の相対的な強さの比較によって、我々はスタイラスの傾き角αを決定することができる。南北方向の傾きは、北と南の直交信号と同様のプロセスによって決定することができる。実施形態では、スタイラス1501の先端1505内のスイッチや圧力センサー1504は、いつ送信機がオンまたはオフであるのかを制御するために使用される。通常の動作条件下において、スタイラスは、高速マルチタッチセンサー400の表面に近接して又は近接内に接触しているとき、スイッチ1504が送信機をオンにするように構成され得る。
スタイラスの回転も同様に検出され得る。スタイラスの4つの送信機1502の各々のxおよびy軸位置はz軸に平行に回転されるので、ペンの上の4つの送信機はタッチ面のさまざまな行と列に対し、直線的に接近するか、または遠くなる。スタイラスの送信機のx及びy位置の間の直線距離が、FMTのさまざまな行と列に対して異なるので、FMTの受信機によってピックアップされる信号強度は異なるようになる。スタイラスのz軸に対して平行に回転させると、これらの直線距離を変更し、ゆえに関連する信号強度が変わる。スタイラスのx軸とy軸の回転角は、信号強度のこれらの差から推定され得る。
本発明の実施形態は、コンピューターディスプレイまたはタッチセンサーに手書き入力するために使用することができる高速で正確な低レイテンシのスタイラスおよびセンサーシステムを含む。実施形態において、スタイラスは ペンまたは鉛筆の経験を模倣し、流れるような且つ自然な入力を提供する。この点で、システムの更新率は1キロヘルツ以上に上げられることができ、スタイラスの動きから、測定される位置および他のパラメータまでのレイテンシは、1ミリ秒未満に下げることができる。スタイラスの位置を測定するとともに、その傾き及び回転を測定することができる。本明細書中に記載されるアクティブな光スタイラスは、全てのデザインのコンピューターディスプレイおよびタッチセンサーと実質的に互換性があり、上述した高速マルチタッチセンサーでの使用に限定されないことに留意されたい。
通常、センサー表面のような薄い透明な媒体に入る光は、他の側を出て、それのどれも内側に閉じ込められず、全反射によって伝播しない。入射する光を捉え内部に伝搬させるために、いくつかの手段がその方向を変更するために必要とされる。一実施形態において、センサー表面は異なる方向に入射光の一部を散乱させる。これらの方向のうちのいくつかは、全内部反射が生じ得る角度の範囲内である。散乱が光の向きをさらに変更させるのを防ぐ方法がなく、これによって線形光センサーにより受けとられる光量を低下し、方向の最初の変化が生じた後でも非直線経路により移動させるので、散乱は好ましい方法ではない。非直線経路によって光が間違った方向から来るように見え、これによってシステムは誤った位置読み取り値を生成してしまう。
センサー表面を伝搬する光は多数の角度の端に到達する。センサー表面の内側にあるスタイラスの光パターンの位置を推定するために、我々は線形光センサーの視野を特定の方向に制限することを望む。実施形態において、角度フィルターは、この機能を提供する。好ましい実施形態において、2つの側面上で長方形のセンサーシートおよび線形光センサーによって、我々はセンサーシートの端に垂直な方向に光センサーの視野を制限することを望む。これは、コンピューターのモニターのためのプライバシースクリーンがモニターの前で直接視野を狭い角度に制限するのと同様に、「ベネチアンブラインド(venetian blinds)」の小さなセットで達成することができるかもしれない。
線形光センサーはその長さに沿った複数の位置でそれらの上に当たる光の量を測定する。それらは、位置感知検出器、線形CCDアレイ、線形CMOSイメージャーアレイ、光電子増倍管のアレイ、および個々のフォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトセル、又は光を検出する他の任意の手段のアレイによって、実現され得る。
図20を参照すると、スタイラス2001は、ユーザーがペンや鉛筆のようにそれを保持しセンサーシート2002の表面に描画する際に、異なる複数のパターンで光を放出することができるペン型装置である。センサーシートの端に沿ったパターンの投影は、スタイラスの位置、傾き、および回転を推定するために使用され得る。複数のスタイラスが所望される場合、それらは、時分割多重化の形で一度にそれらの光を放出することができる。 これはスタイラス間の同期のいくつかの形体を必要とするだろうし、それは限定されないが無線リンク、超音波または光信号を含む様々な単純な通信チャネルによって実施され得る。光信号はセンサーシート下のコンピューターディスプレイにより生成することができ、その結果ペンが、追加のハードウェアをほとんど使用せずに同期化されることを可能にする。
技術の基本的な実施形態において、スタイラスは、スタイラス本体に対しておそらく同軸方向に、単一の光線または光錐を放出する。単一の光線はセンサーシートの側面に沿ったこのパターンの単純な点状の投影を起こし、その結果我々はスタイラスの位置を推定できる。図21は、センサーシートの端に沿って単純なスタイラスにより放出される点の幾何学的な投影を示している。長さに沿った線形光センサーによって検出される光の最大値は、センサーシート上に照らされた点の幾何学的投影を我々に与える。このことから、我々はセンサー位置を推定することができる。
スタイラスがセンサーシートの上に複数のパターンを投影する場合、センサーシートの側面に沿ったこれらの投影は、スタイラスの位置、傾き角及び回転角を推定するために使用され得る。図24に示されるように、両方の投影が、センサーシートに対して垂直に保持されたスタイラスについて期待されるよりも幅広であり、且つさらにサイズがほぼ等しい場合には、スタイラスがセンサーシートの端の方向に対して45度の角度で傾いている可能性がある。投影の幅は、垂直から傾き角を推定するために使用され得る。投影が広いほど、傾きは大きい。
太陽光は、光の多くの波長を含み、それが日光で使用される場合、これらはスタイラスシステムの動作に干渉し得る。地球の表面で経験されるような太陽光スペクトルに存在しないか非常に弱いかのいずれかである波長で光を放出することは、スタイラスにとって有利であろう。一つの可能性は、スタイラスが紫外線の太陽光ブラインド領域(solar blind region)の光を放出することであり、ここで地球の大気中の酸素はそれら波長のほとんどまたはすべてを吸収する。UVスペクトルの太陽光ブラインド部分で光を放出するLEDは、市場で入手可能である。
同時に複数のスタイラスを使用することが望まれる場合、方法はそれぞれからの信号を明確にするために使用されなければならない。例えば、時分割多重化が使用され得、その場合、各スタイラスはセンサーシートに(例えば図20に示されるように)回転放射パターン(turn emitting patterns)パターンをとる。
Claims (3)
- タッチパネル側のセンサーから送信された信号をスタイラス側が受信し、その受信された信号と同期させる方法であって、
センサーは複数の行の導体を有し、複数の行の導体の各々は特有の直交行信号を有し、各特有の直交行信号は互いに直交しており、スタイラスは、行の導体上に存在する信号を受信するように適合されたスタイラス受信機を備え、前記方法は、
a.特有の直交行信号の少なくとも1つをスタイラス受信機で受信する工程、および
b.スタイラス内で信号を変調し、受信した特有の直交行信号の少なくとも1つに同期させる工程
を含む、方法。 - スタイラス内で行った変調に基づいて、変調されたスタイラス信号を生成する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- スタイラスは、スタイラス信号を送信するように適合されたスタイラス送信機をさらに含み、スタイラス信号は、特有の直交行信号の各々に直交しており、方法は、スタイラス送信機で変調されたスタイラス信号を送信する工程をさらに含む、請求項2に記載の方法。
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