JP7092480B2

JP7092480B2 - センサ装置及びその制御方法

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Publication number: JP7092480B2
Application number: JP2017186422A
Authority: JP
Inventors: 貴之鈴木; 秀雄中屋
Original assignee: エルジーディスプレイカンパニーリミテッド
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: KR20190036456A; JP2019061544A; KR102153916B1

Description

本発明はセンサ装置及びその制御方法に関し、特にセンサアレイの読み出し速度の高速化技術に関するものである。

ユーザーによるタッチ操作の位置座標を検出することが可能なタッチパネルは、直感的な操作を実現する優れたユーザーインターフェースとして、ディスプレイや携帯端末に広く利用されている。例えば、特許文献１に記載のタッチパネルでは、２次元状に配置された複数のセンサから出力される信号に基づいてタッチ操作の位置座標を検出している。

特開２０１７－１２０４１８号公報特開２０１７－０４９６５９号公報

近年のディスプレイや携帯端末の大型化に伴い、タッチパネルも大型化している。しかし、特許文献１のタッチパネルでは、２次元状に配置された複数のセンサを順に走査しているため、センサアレイに配置されたセンサの総数が多くなると、センサアレイの読み出しに時間を要し、タッチパネルの反応速度が低下してしまうという課題があった。

また、センサアレイの読み出し速度を高速化するために、センサアレイを間引いて走査したり、所定の領域ごとに走査したりすると、領域ごとに特有のノイズが重畳されてしまう。また、時間的に変化するランダムノイズがセンサアレイに重畳されることもある。センサからの信号にこのようなノイズが含まれると、タッチ操作の位置座標の検出精度が低下してしまうという課題があった。

本発明の一観点によれば、２次元状に複数のセンサが配置されたセンサアレイと、複数の前記センサから信号を読み出す読み出し回路と、前記読み出し回路を制御し、複数の前記センサから読み出した信号に基づいて、前記センサアレイの中の前記信号の変化が生じた位置座標を検出する制御演算部と、を備え、前記制御演算部は、前記センサアレイにおいて１次走査を行い、前記１次走査で読み出された複数の信号に基づいて、前記位置座標が含まれる次の走査領域を設定し、前記走査領域において前記１次走査よりも走査間隔が小さい２次走査を行い、前記センサアレイの全領域又は前記走査領域において同時に読み出された複数の前記センサからの信号の平均を基準信号として算出し、前記２次走査で読み出された信号を、前記基準信号を用いて補正し、前記補正された信号に基づいて、前記位置座標を検出するセンサ装置が提供される。

本発明の別観点によれば、２次元状に複数のセンサが配置されたセンサアレイと、複数の前記センサから信号を読み出す読み出し回路と、前記読み出し回路を制御し、複数の前記センサから読み出した信号に基づいて、前記センサアレイの中の前記信号の変化が生じた位置座標を検出する制御演算部と、を備えたセンサ装置の制御方法であって、前記制御演算部において、前記センサアレイにおいて１次走査を行うステップと、前記１次走査で読み出された複数の信号に基づいて、前記位置座標が含まれる次の走査領域を設定するステップと、前記走査領域において前記１次走査よりも走査間隔が小さい２次走査を行うステップと、前記センサアレイの全領域又は前記走査領域において同時に読み出された複数の前記センサからの信号の平均を基準信号として算出するステップと、前記２次走査で読み出された信号を、前記基準信号を用いて補正するステップと、前記補正された信号に基づいて、前記位置座標を検出するステップとを有する制御方法が提供される。

本発明によれば、センサアレイの読み出し速度を高速化しつつ、ノイズを低減することが可能なセンサ装置及びその制御方法を提供することができる。

第１実施形態に係るセンサ装置の構成を模式的に示すブロック図である。第１実施形態に係るセンサ装置の制御方法を模式的に示す第１の図である。第１実施形態に係るセンサ装置の制御方法を模式的に示す第２の図である。第１実施形態に係るセンサ装置の制御方法における信号補正処理を模式的に示す図である。第１実施形態に係るセンサ装置における読み出し回路の構成を模式的に示す図である。第１実施形態に係るセンサ装置におけるセンサの電極の形状の例を示す図である。従来のセンサ装置においてセンサアレイから読み出される信号のタイミングチャートである。第１実施形態に係るセンサ装置においてセンサアレイから読み出される信号の第１のタイミングチャートである。第１実施形態に係るセンサ装置においてセンサアレイから読み出される信号の第２のタイミングチャートである。第１実施形態に係るセンサ装置の制御方法を示すフローチャートである。第１実施形態に係るセンサ装置のセンサから出力される信号の実測値を示す図である。第２実施形態に係るセンサ装置の構成を模式的に示すブロック図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、各図において同一、又は相当する機能を有するものは、同一符号を付し、その説明を省略又は簡潔にすることもある。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るセンサ装置の構成を模式的に示すブロック図である。本実施形態のセンサ装置は、センサアレイ１、読み出し回路２、及び制御演算部３を備えて構成される。図１に示すセンサ装置は、例えばディスプレイや携帯端末用のタッチパネルとして適用され得る。

センサアレイ１は、２次元状に配置され、ユーザーによるタッチ走査を受け付ける複数のセンサ１０を有している。センサ１０は、原理的にユーザーによるタッチ操作を検出可能なものであればよい。以下の説明では、センサ１０が、電極を有する自己容量型や相互容量型の静電容量方式であって、静電容量の変化を測定してタッチ操作の位置座標を検出することを想定する。

読み出し回路２は、センサアレイ１から信号出力線１１を介して信号を読み出す。本実施形態の読み出し回路２は、センサアレイ１の行及び列を間引きながら、或いは所定の走査ブロックごとに走査を行うことが可能な構成を有している。読み出し回路２の具体的な構成については、後で図３を用いて説明する。

制御演算部３は、マイクロプロセッサ及びメモリを備えた半導体ＩＣである。制御演算部２０は、不図示の記憶部に記録されたプログラムを実行して読み出し回路２を制御し、センサアレイ１から読み出した複数の信号に基づいて、ユーザーによるタッチ操作の位置座標を検出する。制御演算部２０は、典型的には、センサアレイ１や読み出し回路２とは別の基板に実装されるが、制御演算部２０は、センサアレイ１又は読み出し回路２と同じ基板に実装されてもよい。

なお、図１には便宜上、センサアレイ１の４行×４列の計１６のセンサ１０のみを図示したが、一般的なセンサアレイ１は更に多くのセンサ１０を有している。特に大型のディスプレイ用のセンサアレイ１には、数万を超えるセンサ１０を有するものもある。

前述のように、従来のセンサ装置の制御方法では、２次元状に配置された複数のセンサ１０を順に走査している。このため、センサアレイ１に配置されたセンサ１０の総数が多くなると、センサアレイ１の読み出しに時間を要し、タッチパネルの反応速度が低下してしまうという課題があった。

しかし、ユーザーにより同時にタッチされる面積は、仮に１０ポイント程度のマルチタッチが行われた場合であってもセンサアレイ１の面積に比べると十分に小さい。従って、タッチパネルのようなセンサ装置においては必ずしもセンサアレイ１の全領域を順に走査する必要はない。そこで、本実施形態では、センサアレイ１の走査を、全領域において行う粗い走査と、タッチ操作が含まれる一部領域において行う細かい走査と、に分けることで、センサアレイ１の読み出し速度を高速化させる。

図２Ａは、第１実施形態に係るセンサ装置の制御方法を模式的に示す第１の図である。以下では、図２Ａ（ａ）に示すタッチ操作の位置座標Ｐ０を、本実施形態のセンサアレイ１の第１の読み出し方法を用いて検出する場合の例について、図２Ａ（ｂ）～図２Ａ（ｄ）を参照しながら説明する。

なお、図２Ａには便宜上、１２行×１２列の計１４４のセンサ１０を有するセンサアレイ１を示しているが、本実施形態ではセンサ１０の数は特に制限されない。但し後述するように、本実施形態のセンサアレイ１の読み出し方法は、センサアレイ１に配置されたセンサ１０の総数が多い場合に、特に優れた効果が得られる。

まず、制御演算部３は、図２Ａ（ｂ）に矢印で示すように、センサアレイ１の行及び列を間引きながら、図２Ａ（ｂ）に斜線で示す複数のセンサ１０を粗く走査する第１の走査を行う。図２Ａ（ｂ）は、第１の走査における行の間引き間隔ａ１、及び列の間引き間隔ｂ１がともに３である場合の例を示している。ここで、間引き間隔の値はセンサ１０の配置間隔を単位とした値であり、以下の説明でも同様である。

第１の走査における行の間引き間隔ａ１、及び列の間引き間隔ｂ１は、間引きする場合であっても少なくともタッチ操作の有無がセンサアレイ１の全領域において検知可能となるように、下式（Ａ１）を満たすように設定される。
ａ１＜ａ０、
ｂ１＜ｂ０（Ａ１）

上式（Ａ１）では、センサ１０により検知可能なセンサアレイ１の行範囲ａ０、及び列範囲ｂ０を用いた。例えば図２Ａ（ｂ）では、行範囲ａ０、及び列範囲ｂ０はともに４以上である。ここで、行範囲の値及び列範囲の値はセンサ１０の配置間隔を単位とした値であり、以下の説明でも同様である。

続いて、制御演算部３は、第１の走査で読み出した信号の大きさが所定値以上又は最大であるセンサ１０の位置座標Ｐ１を検出する。そして、制御演算部３は、位置座標Ｐ１を中心とする所定の大きさの矩形領域を、次の第２の走査を行う第２走査領域Ｒ２として設定する。第２走査領域Ｒ２にはユーザーによるタッチ操作の位置座標Ｐ０が含まれる。

図２Ａ（ｂ）では、第２走査領域Ｒ２の大きさを５行×５列としたが、第２走査領域Ｒ２の行範囲は、第１の走査における行の間引き間隔ａ１を用いて２×ａ１＋１以下であればよい。また、第２走査領域Ｒ２の列範囲は、第１の走査における列の間引き間隔ｂ１を用いて２×ｂ１＋１以下であればよい。

次に、制御演算部３は、図２Ａ（ｃ）に矢印で示すように、第２走査領域Ｒ２において、第１の走査よりも小さい間引き間隔で行及び列を間引きながら、図２Ａ（ｃ）に斜線で示す複数のセンサ１０を細かい走査間隔で走査する第２の走査を行う。この際、第２の走査では、前の第１の走査で読み出したセンサ１０の走査は省略してもよい。図２Ａ（ｃ）は、第２の走査における行の間引き間隔ａ２、及び列の間引き間隔ｂ２がともに１である場合の例を示している。

第２の走査における行の間引き間隔ａ２、及び列の間引き間隔ｂ２は、下式（Ａ２）を満たすように設定される。
ａ２＜ａ１、
ｂ２＜ｂ１（Ａ２）

続いて、制御演算部３は、第２の走査で読み出した信号の大きさが所定値以上又は最大であるセンサ１０の位置座標Ｐ２を検出する。そして、制御演算部３は、位置座標Ｐ２を中心とする所定の大きさの矩形領域を、次の第３の走査を行う第３走査領域Ｒ３として設定する。第３走査領域Ｒ３にはユーザーによるタッチ操作の位置座標Ｐ０が含まれる。

図２Ａ（ｃ）では、第３走査領域Ｒ３の大きさを３行×３列としたが、第３走査領域Ｒ３の行範囲は、第２の走査における行の間引き間隔ａ２を用いて２×ａ２＋１以下であればよい。また、第３走査領域Ｒ３の列範囲は、第２の走査における列の間引き間隔ｂ２を用いて２×ｂ２＋１以下であればよい。

次に、制御演算部３は、図２Ａ（ｄ）に示すように、第３走査領域Ｒ３において間引きなしに、図２Ａ（ｄ）に斜線で示す複数のセンサ１０を順に走査する第３の走査を行う。この際、第３の走査では、前の第２の走査で読み出したセンサ１０の走査は省略してもよい。

続いて、制御演算部３は、第３の走査で読み出した複数の信号のセンサアレイ１における２次元分布に基づいて、図２Ａ（ａ）に示したユーザーによるタッチ操作の位置座標Ｐ０を検出する。この際、制御演算部３は、ユーザーによるタッチ操作の重心Ｇを下式（Ａ３）で算出して、タッチ操作の位置座標Ｐ０をセンサ１０の配置間隔よりも小さい精度で検出する。
Ｇ＝Σ（Ｓ（Ｐ_ｉｊ）・Ｐ_ｉｊ）／ΣＳ（Ｐ_ｉｊ）（Ａ３）

ここで、重心Ｇ及び位置座標Ｐ_ｉｊはベクトルである。信号Ｓ（Ｐ_ｉｊ）は、位置座標Ｐ_ｉｊに配置されたセンサ１０から読み出した信号値であり、位置座標Ｐ_ｉｊの添え字は、センサ１０の行番号ｉ及び列番号ｊを表している。Σは、第３走査領域Ｒ３内の全ての位置座標Ｐ_ｉｊにおける和を表している。

このように、本実施形態のセンサアレイ１の第１の読み出し方法は、まず、センサアレイ１において、行及び列を間引きながら粗い走査（第１の走査）を行う。そして、粗い走査で読み出した複数の信号に基づいて次の走査領域を設定し、設定した走査領域においてより小さい間引き間隔で行及び列を間引きながら、或いは間引きなしに、細かい走査（第２、第３の走査）を行う。

これにより、例えば図２Ａに示したセンサアレイ１の読み出し方法では、従来のようにセンサアレイ１の１２×１２のセンサ１０を順に走査する代わりに、第１～第３の走査においてそれぞれ９のセンサ１０を走査するだけでよい。特に、前の走査で読み出したセンサ１０を、次の走査で走査しない場合は、第２～第３の走査においてそれぞれ８のセンサ１０を走査するだけでよい。この結果、センサアレイ１を読み出す際に走査するセンサ１０の数を（９＋８＋８）／（１２×１２）≒１／６に低減することができる。

より一般的には、センサアレイ１にＭ×Ｎのセンサ１０が配置されている場合は、従来のようにセンサアレイ１のＭ×Ｎのセンサ１０を順に走査する代わりに、第１の走査では（Ｍ／ａ１）×（Ｎ／ｂ１）のセンサ１０を走査するだけでよい。また、第２～第３の走査では、それぞれ８のセンサ１０を走査するだけでよい。この結果、センサアレイ１を読み出す際に走査するセンサ１０の数を下式（Ａ４）のように低減することができる。
｛（Ｍ／ａ１）×（Ｎ／ｂ１）＋８＋８｝／（Ｍ×Ｎ）
＝１／（ａ１×ｂ１）＋１６／（Ｍ×Ｎ）（Ａ４）

センサアレイ１に配置されたセンサ１０の総数Ｍ×Ｎが多くなると、上式（Ａ４）の第２項は、第１項に対して相対的に無視できる。従って、本実施形態のセンサアレイ１の読み出し方法は、センサアレイ１に配置されたセンサ１０の総数が多い場合に、特に優れた効果が得られる。

また、上式（Ａ４）における行の間引き間隔ａ１、及び列の間引き間隔ｂ１は、上式（Ａ１）に示したように、センサ１０により検知可能なセンサアレイ１の行範囲ａ０、及び列範囲ｂ０より規定される。従って、センサ１０により検知可能なセンサアレイ１の行範囲ａ０、及び列範囲ｂ０が大きいほど、センサアレイ１を読み出す際に走査するセンサ１０の数を低減することができる。

図２Ａでは、ユーザーにより同時に操作されるタッチの数が１つであるシングルタッチの場合の例を示したが、ユーザーにより同時に操作されるタッチの数が複数であるマルチタッチの場合でも、本実施形態の手法を適用することが可能である。

図２Ｂは、第１実施形態に係るセンサ装置の制御方法を模式的に示す第２の図である。以下では、図２Ｂ（ａ）に示すタッチ操作の位置座標Ｐ０を、本実施形態のセンサアレイ１の第２の読み出し方法を用いて検出する場合の例について、図２Ｂ（ｂ）～図２Ｂ（ｄ）を参照しながら説明する。

なお、図２Ｂには便宜上、１２行×１２列の計１４４のセンサ１０を有するセンサアレイ１を示しているが、本実施形態ではセンサ１０の数は特に制限されない。但し後述するように、本実施形態のセンサアレイ１の読み出し方法は、センサアレイ１に配置されたセンサ１０の総数が多い場合に、特に優れた効果が得られる。

まず、制御演算部３は、図２Ｂ（ｂ）に示すように、太い枠の矩形で示す所定の第１走査ブロックを単位として、第１走査ブロックごとにセンサアレイ１を粗く走査する第１の走査を行う。この際、読み出し回路２は、第１走査ブロックに含まれるセンサ１０から出力される信号を加算して読み出す。図２Ｂ（ｂ）は、第１走査ブロックの行範囲ｃ１、及び列範囲ｄ１がともに４である場合の例を示している。ここで、行範囲の値及び列範囲の値はセンサ１０の配置間隔を単位とした値であり、以下の説明でも同様である。

第１走査ブロックの行範囲ｃ１、及び列範囲ｄ１は、下式（Ｂ１）を満たすように設定される。ここで、センサアレイ１にはＭ行×Ｎ列のセンサ１０が配置されているものとする。
ｃ１＜Ｍ、
ｄ１＜Ｎ（Ｂ１）

続いて、制御演算部３は、第１の走査で読み出した信号の大きさが所定値以上又は最大である第１走査ブロックを選択する。そして、制御演算部３は、図２Ｂ（ｂ）に示すように、選択した第１走査ブロックを含む所定の領域を、次の第２の走査を行う第２走査領域Ｒ２として設定する。第２走査領域Ｒ２にはユーザーによるタッチ操作の位置座標Ｐ０が含まれる。

図２Ｂ（ｂ）では、第２走査領域Ｒ２の大きさを８行×８列としたが、第２走査領域Ｒ２の行範囲は、選択した第１走査ブロックの行範囲ｃ１以上であればよい。また、第２走査領域Ｒ２の列範囲は、選択した第１走査ブロックの列範囲ｄ１以上であればよい。

次に、制御演算部３は、図２Ｂ（ｃ）に示すように、太い枠の矩形で示す第１走査ブロックよりも小さい所定の第２走査ブロックを単位として、第２走査ブロックごとに第２走査領域Ｒ２を細かく走査する第２の走査を行う。この際、読み出し回路２は、第２走査ブロックに含まれるセンサ１０から出力される信号を加算して読み出す。図２Ｂ（ｃ）は、第２走査ブロックの行範囲ｃ２、及び列範囲ｄ２がともに２である場合の例を示している。

第２走査ブロックの行範囲ｃ２、及び列範囲ｄ２は、下式（Ｂ２）を満たすように設定される。
ｃ２＜ｃ１、
ｄ２＜ｄ１（Ｂ２）

続いて、制御演算部３は、第２の走査で読み出した信号の大きさが所定値以上又は最大である第２走査ブロックを選択する。そして、制御演算部３は、図２Ｂ（ｃ）に示すように、選択した第２走査ブロックを含む所定の領域を、次の第３の走査を行う第３走査領域Ｒ３として設定する。第３走査領域Ｒ３にはユーザーによるタッチ操作の位置座標Ｐ０が含まれる。

図２Ｂ（ｃ）では、第３走査領域Ｒ３の大きさを４行×４列としたが、第３走査領域Ｒ３の行範囲は、選択した第２走査ブロックの行範囲ｃ２以上であればよい。また、第３走査領域Ｒ３の列範囲は、選択した第２走査ブロックの列範囲ｄ２以上であればよい。

次に、制御演算部３は、図２Ｂ（ｄ）に示すように、第３走査領域Ｒ３に配置されたセンサ１０を順に走査する第３の走査を行う。

続いて、制御演算部３は、第３の走査で読み出した複数の信号のセンサアレイ１における２次元分布に基づいて、図２Ｂ（ａ）に示したユーザーによるタッチ操作の位置座標Ｐ０を検出する。この際、制御演算部３は、ユーザーによるタッチ操作の重心Ｇを下式（Ｂ３）で算出して、タッチ操作の位置座標Ｐ０をセンサ１０の配置間隔よりも小さい精度で検出する。
Ｇ＝Σ（Ｓ（Ｐ_ｉｊ）・Ｐ_ｉｊ）／ΣＳ（Ｐ_ｉｊ）（Ｂ３）

このように、本実施形態のセンサアレイ１の第２の読み出し方法は、まず、センサアレイ１において、所定の走査ブロックごとに粗い走査（１次走査、第１の走査）を行う。そして、粗い走査で読み出した複数の信号に基づいて次の走査領域を設定し、設定した走査領域においてより小さい走査ブロックごとに細かい走査（２次走査、第２及び第３の走査）を行う。

これにより、例えば図２Ｂに示したセンサアレイ１の読み出し方法では、従来のようにセンサアレイ１の１２×１２のセンサ１０を順に走査する代わりに、第１～第３の走査においてそれぞれ９、１６、１６の走査ブロック又はセンサ１０を走査するだけでよい。この結果、センサアレイ１を読み出す際に走査する走査ブロック又はセンサ１０の数を（９＋１６＋１６）／（１２×１２）≒１／３に低減することができる。

より一般的には、センサアレイ１にＭ×Ｎのセンサ１０が配置されている場合は、従来のようにセンサアレイ１のＭ×Ｎのセンサ１０を順に走査する代わりに、第１の走査では（Ｍ／ｃ１）×（Ｎ／ｄ１）の走査ブロックを走査するだけでよい。また、第２～第３の走査では、それぞれ１６の走査ブロック又はセンサ１０を走査するだけでよい。この結果、センサアレイ１を読み出す際に走査する走査ブロック又はセンサ１０の数を下式（Ｂ４）のように低減することができる。
｛（Ｍ／ｃ１）×（Ｎ／ｄ１）＋１６＋１６｝／（Ｍ×Ｎ）
＝１／（ｃ１×ｄ１）＋３２／（Ｍ×Ｎ）（Ｂ４）

センサアレイ１に配置されたセンサ１０の総数Ｍ×Ｎが多くなると、上式（Ｂ４）の第２項は、第１項に対して相対的に無視できる。従って、本実施形態のセンサアレイ１の読み出し方法は、センサアレイ１に配置されたセンサ１０の総数が多い場合に、特に優れた効果が得られる。

図２Ｂでは、ユーザーにより同時に操作されるタッチの数が１つであるシングルタッチの場合の例を示したが、ユーザーにより同時に操作されるタッチの数が複数であるマルチタッチの場合でも、本実施形態の手法を適用することが可能である。

図２Ｃは、第１実施形態に係るセンサ装置の制御方法における信号補正処理を模式的に示す図である。本実施形態では、第１～第３の走査に加えて、信号補正を行うための基準信号を取得する第４の走査を行う。以下では、第４の走査を第１～第３の走査の後に行う場合について説明するが、第４の走査は、第１～第３の走査の前に行ってもよい。

制御演算部３は、第１～第３の走査を行った後に、図２Ｃ（ａ）に斜線で示す複数のセンサ１０を同時に読み出す第４の走査を行う。そして、第４の走査で同時に読み出した複数のセンサ１０からの信号の平均を基準信号Ｓ０として算出する。より具体的には、制御演算部３は、センサアレイ１に配置された複数のセンサ１０を加算して読み出し、読み出した信号の大きさを、読み出したセンサ１０の総数で除算して基準信号Ｓ０を算出する。

そして、制御演算部３は、第３の走査で読み出した信号Ｓ３を下式（Ｃ１）により補正し、補正後の信号Ｓの分布に基づいて、ユーザーによるタッチ操作の重心Ｇを上式（Ａ３）又は上式（Ｂ３）で算出する。
Ｓ＝Ｓ３－Ｓ０（Ｃ１）

なお、図２Ｃ（ａ）では、センサアレイ１の全領域で第４の走査を行ったが、図２Ｃ（ｂ）又は図２Ｃ（ｃ）に示すように、図２Ａに示した第２走査領域Ｒ２又は第３走査領域Ｒ３において第４の走査を行ってもよい。或いは、図２Ｂに示した第２走査領域Ｒ２又は第３走査領域Ｒ３において第４の走査を行ってもよい。

これにより、走査領域ごとに特有のノイズが重畳されてしまう場合でも、走査領域において基準信号を算出することでノイズを相殺することができる。また、時間的に変化するランダムノイズがセンサ１０に重畳される場合でも、センサアレイ１の全領域において基準信号を算出することでノイズを相殺することができる。

更に、図２Ｃに示した方法では、第１～第３の走査に加えて、第４の走査を１回行うだけで、第３の走査で読み出した信号Ｓ３に含まれるノイズを低減することできる。このため、センサアレイ１の読み出し速度を高速化しつつ、ノイズを低減することが可能なセンサ装置及びその制御方法を提供することができる。

図３は、第１実施形態に係るセンサ装置における読み出し回路２の構成を模式的に示す図である。本実施形態の読み出し回路２は、複数の行選択回路２１、及び列選択回路２２を有して構成される。読み出し回路２は、読み出した信号のノイズを低減するためのフィルタ回路等を更に有していてもよい。

行選択回路２１は、センサアレイ１の列ごとに設けられており、信号出力線１１を介して同一列の複数のセンサ１０に接続されている。また、列選択回路２２は、複数の行選択回路２１に接続されている。行選択回路２１及び列選択回路２２は、行又は列を選択するためのスイッチ回路、選択した信号を加算する加算回路、及び選択したセンサ１０から出力される信号を増幅する増幅回路をそれぞれ有している。

制御演算部３は、行選択回路２１及び列選択回路２２と接続されており、行選択回路２１及び列選択回路２２を制御してセンサアレイ１の行及び列を選択する。

行選択回路２１は、センサアレイ１の同一列の複数のセンサ１０から、１以上の行を選択して信号を加算する。また、列選択回路２２は、各列の行選択回路２１によって選択された複数のセンサ１０から、１以上の列を選択して信号を加算する。列選択回路２２は、例えば、行選択回路２１と同様の選択回路を含んで構成される。制御演算部３は、行選択回路２１及び列選択回路２２により選択されたセンサ１０から、信号を順に読み出す。

図４は、第１実施形態に係るセンサ装置におけるセンサ１０の電極の形状の例を示す図である。上述の図１～図３では、センサ１０の電極の形状が図４（ａ）に示すような四角形であることを想定したが、本実施形態のセンサ１０の電極はこのような形状に限定されない。例えば図４（ｂ）～図４（ｈ）に示すような、それぞれ、ダイヤモンド、クロス、三角形、ステップ、凹凸、Ｈ形、Ｆｉｓｈｂｏｎｅの電極形状であってもよい。

また、センサ１０は、必ずしも上述の説明のように、センサアレイ１に行列状に配置されていなくてもよい。センサ１０は、センサアレイ１に概ね２次元状に配置されて、図３に示した読み出し回路２により読み出される構成を有していればよい。実際のセンサアレイ１におけるセンサ１０のレイアウトは、ユーザーによるタッチ操作の位置座標の検出精度を向上させるために、例えば特許文献２に記載されるように様々に工夫され得る。

図５は、従来のセンサ装置においてセンサアレイ１から読み出される信号のタイミングチャートである。図５には、従来のセンサ装置においてセンサアレイ１の第１行～第６行、及び第１列～第６列のセンサ１０から読み出される信号を示している。読み出される信号の行番号は第１列のみに示している。

従来のセンサ装置では、シフトレジスタ等を用いて、図５に示すように、センサアレイ１の第１行第１列から順に走査が行われる。なお、図５では、同一行の信号が同じタイミングで並列に読み出されるように図示されているが、実際には、順に読み出しが行われる。このため、従来のセンサ装置の制御方法では、センサアレイ１に配置されたセンサ１０の総数が多くなると、センサアレイ１の走査期間Ｔが大きくなり、タッチパネルの反応速度が低下してしまう。

図６Ａ及び図６Ｂは、第１実施形態に係るセンサ装置においてセンサアレイ１から読み出される信号のタイミングチャートである。図６Ａと図６Ｂには、図２Ａと図２Ｂに示したセンサ装置の制御方法を用いた場合に、センサアレイ１の第１行～第６行、及び第１列～第６列のセンサ１０から読み出される信号をそれぞれ示している。読み出される信号の行番号は各信号の上に示している。

本実施形態のセンサ装置では、図２Ａ及び図２Ｂで説明したように、第１～第３の走査に分けてセンサアレイ１の走査が行われる。また、図２Ｃに示したように、その後第４の走査が行われる。第１～第４の走査は、図６Ａ及び図６Ｂに示す走査期間Ｔ１～Ｔ４においてそれぞれ行われる。なお、図６Ａ及び図６Ｂでは、同一行の信号が同じタイミングで並列に読み出されるように図示されているが、実際には、順に読み出しが行われる。

図６Ａ及び図６Ｂに示すタイミングチャートでは、図２Ａ及び図２Ｂで説明したように、従来のセンサ装置におけるセンサアレイ１の走査期間Ｔに対して、上式（Ａ４）又は上式（Ｂ４）のように走査期間Ｔ１～Ｔ３が短縮される。これにより、センサアレイ１に配置されたセンサ１０の総数が多い場合でも、センサアレイ１の走査期間Ｔを小さくして、センサアレイ１の読み出し速度を高速化することができる。

図７は、第１実施形態に係るセンサ装置の制御方法を示す第１のフローチャートである。以下では、図２Ａに示したセンサ装置の第１の制御方法について、図７を参照しながら説明する。

まず、制御演算部３は、センサアレイ１の行及び列を間引きながら第１の走査を行う（ステップＳ１０１）。第１の走査では、センサアレイ１の全領域を粗く走査する。続いて、制御演算部３は、第１の走査で読み出した複数の信号に基づいて、ユーザーによるタッチ操作の位置座標Ｐ０が含まれる第２走査領域Ｒ２を、次の第２の走査を行う走査領域として設定する（ステップＳ１０２）。

次に、制御演算部３は、第２走査領域Ｒ２において第１の走査よりも小さい間引き間隔で第２の走査を行う（ステップＳ１０３）。第２の走査では、第２走査領域Ｒ２を細かく走査する。続いて、制御演算部３は、第２の走査で読み出した複数の信号に基づいて、ユーザーによるタッチ操作の位置座標Ｐ０が含まれる第３走査領域Ｒ３を、次の第３の走査を行う走査領域として設定する（ステップＳ１０４）。

次に、制御演算部３は、第３走査領域Ｒ３において間引きなしに第３の走査を行う（ステップＳ１０５）。

次に、制御演算部３は、センサアレイ１の全領域を同時に読み出す第４の走査を行う（ステップＳ１０６）。そして、制御演算部３は、第４の走査において同時に読み出した複数のセンサ１０からの信号の平均を基準信号として算出する（ステップＳ１０７）。

次に、制御演算部３は、第３の走査で読み出した信号と第４の走査で読み出した基準信号を比較し、ノイズレベルが所定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。ノイズレベルが所定値以上である場合（Ｙｅｓ）は、ステップＳ１０９へ進み、第３の走査で読み出した信号を上式（Ｃ１）で補正する（ステップＳ１０９）。一方、ノイズレベルが所定値未満である場合（Ｎｏ）は、ステップＳ１１０へ進む。

次に、制御演算部３は、第３の走査で読み出した信号又は補正後の信号に基づいて、ユーザーによるタッチ操作の重心Ｇを、上式（Ａ３）又は上式（Ｂ３）により算出する（ステップＳ１１０）。

なお、ステップＳ１０８の判定処理は、ノイズが小さい場合にステップＳ１０９の信号補正処理を省略して、制御演算部３の負荷を軽減するためのものである。従って、制御演算部３の処理能力に余裕がある場合は、ステップＳ１０８の判定処理を省略して、信号補正処理を常に行うようにしてもよい。

このように、本実施形態のセンサ装置の第１の制御方法は、センサアレイ１において、行及び列を間引きながら粗い走査（１次走査、第１の走査）を行う。そして、粗い走査で読み出した複数の信号に基づいて次の走査領域を設定し、設定した走査領域においてより小さい間引き間隔で行及び列を間引きながら、或いは間引きなしに、細かい走査（２次走査、第２及び第３の走査）を行う。

このような構成によれば、センサアレイ１の読み出し速度を高速化しつつ、ノイズを低減することが可能なセンサ装置及びその制御方法を提供することができる。特に本実施形態のセンサ装置及びその制御方法は、センサアレイ１に配置されたセンサ１０の総数が多い場合に優れた効果が得られる。

次に、図２Ｂに示したセンサ装置の第２の制御方法について、同様に図７を参照しながら説明する。

まず、制御演算部３は、センサアレイ１において、所定の第１走査ブロックを単位として、第１走査ブロックごとに第１の走査を行う（ステップＳ１０１）。第１の走査では、センサアレイ１の全領域を粗く走査する。続いて、制御演算部３は、第１の走査で読み出した複数の信号に基づいて、ユーザーによるタッチ操作の位置座標Ｐ０が含まれる第１走査ブロックを選択する。そして、選択した第１走査ブロックを含む所定の領域を次の第２の走査を行う第２走査領域Ｒ２として設定する（ステップＳ１０２）。

次に、制御演算部３は、第２走査領域Ｒ２において、第１走査ブロックよりも小さい所定の第２走査ブロックを単位として、第２走査ブロックごとに第２の走査を行う（ステップＳ１０３）。第２の走査では、第２走査領域Ｒ２を細かく走査する。続いて、制御演算部３は、第２の走査で読み出した複数の信号に基づいて、ユーザーによるタッチ操作の位置座標Ｐ０が含まれる第２走査ブロックを選択する。そして、選択した第２走査ブロックを含む所定の領域を次の第３の走査を行う第３走査領域Ｒ３として設定する（ステップＳ１０４）。

次に、制御演算部３は、第３走査領域Ｒ３に配置されたセンサ１０を順に走査する第３の走査を行う（ステップＳ１０５）。

このように、本実施形態のセンサ装置の第２の制御方法は、センサアレイ１において、所定の走査ブロックごとに粗い走査（第１の走査）を行う。そして、粗い走査で読み出した複数の信号に基づいて次の走査領域を設定し、設定した走査領域においてより小さい走査ブロックごとに細かい走査（第２、第３の走査）を行う。

図８は、第１実施形態に係るセンサ装置のセンサ１０から出力される信号の実測値を示す図である。図８（ａ）には、上式（Ｃ１）の補正を行う前の信号Ｓ３の波形を示しており、図８（ｂ）には、上式（Ｃ１）の補正を行った後の信号Ｓ＝Ｓ３－Ｓ０の波形を示している。横軸は、図６に示した走査期間Ｔを単位とするフレーム数を示している。縦軸は、センサ１０から出力される信号の大きさを規格化して示している。

図８（ａ）に示す補正前の信号Ｓ３には、時間的に変化するランダムノイズが重畳されている。センサ１０から出力される信号にこのようなノイズが含まれると、タッチ操作の位置座標の検出精度が低下してしまう。一方、図８（ｂ）に示す補正後の信号Ｓでは、時間的に変化するランダムノイズが上式（Ｃ１）の補正によって相殺されて低減されていることが分かる。

図８（ａ）に示す補正前の信号Ｓ３は、ノイズの振幅（最大値－最小値）の平均値が３２であったが、図８（ｂ）に示す補正後の信号Ｓは、ノイズの振幅（最大値－最小値）の平均値が５であった。すなわち、本実施形態のセンサ装置では、ノイズが５／３２≒１／６に低減されていることが確認された。

以上のように、本実施形態のセンサ装置は、粗い走査で読み出した複数の信号に基づいて走査領域を設定し、走査領域において粗い走査よりも細かい走査を行う。そして、センサアレイの全領域又は走査領域において同時に読み出した複数の前記センサからの信号の平均を基準信号として算出し、細かい走査で読み出した信号を、基準信号を用いて補正して、タッチ操作の位置座標を検出する。

このような構成によれば、走査領域ごとに特有のノイズが重畳されてしまう場合でも、走査領域で算出した基準信号を用いてノイズを相殺することができる。また、時間的に変化するランダムノイズがセンサ１０に重畳される場合でも、センサアレイ１の全領域で算出した基準信号を用いてノイズを相殺することができる。この結果、センサアレイ１の読み出し速度を高速化しつつ、ノイズを低減することが可能なセンサ装置及びその制御方法を提供することができる。

（第２実施形態）
図９は、第２実施形態に係るセンサ装置の構成を模式的に示すブロック図である。本実施形態のセンサ装置は、センサアレイ１、垂直走査回路２ａ、読み出し回路２ｂ、及び制御演算部３を備えて構成される。図９に示す本実施形態のセンサ装置は、第１実施形態のセンサ装置と比較して、読み出し回路２の代わりに、垂直走査回路２ａ及び読み出し回路２ｂを備えている点を特徴としている。

従来の垂直走査回路や読み出し回路は、シフトレジスタ等を用いて構成され、センサアレイの行及び列を順に走査していた。一方、図９に示す本実施形態の垂直走査回路２ａは、センサアレイ１の行を間引きながら、或いは所定の行範囲を単位として、走査を行うことが可能な構成を有している。また、本実施形態の読み出し回路２ｂは、センサアレイ１の列を間引きながら、或いは所定の列範囲を単位として、走査を行うことが可能な構成を有している。

より具体的には、本実施形態の垂直走査回路２ａ及び読み出し回路２ｂは、図３Ａ及び図３Ｂに示したような行選択回路２１や列選択回路２２を有して構成される。その他の構成については第１実施形態と同じであるので説明は省略する。

このような構成によっても、第１実施形態と同様に、センサアレイ１の走査を、全領域において行う粗い走査と、タッチ操作が含まれる一部領域において行う細かい走査と、に分けて、センサアレイ１の読み出し速度を高速化させることができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

センサ１０は、静電容量方式以外にも、例えば圧力に応じて抵抗値が変化する感圧導電ゴム等を利用した圧力センサであってもよい。この場合、圧力センサはアクティブマトリックスとされ、図９に示した第２実施形態の構成により制御され得る。また、タッチセンサ以外に、温度センサや湿度センサ等を更に有してもよい。

また、上述の実施形態では、３回の第１～第３の走査を行う場合の例を示したが、本発明では走査の回数は特に限定されない。例えば、第２の走査を省略してもよいし、第２の走査において、走査領域を段階的に小さくしながら複数回の走査を行ってもよい。或いは、第３の走査を省略して、第２の走査で読み出した複数の信号に基づいてタッチ操作の位置座標を検出してもよい。

上述の実施形態の１以上の機能を実現するためのプログラムも本発明の範疇に含まれる。当該プログラムは、ネットワーク又は記録媒体を介してシステム又は装置に供給され得る。そのシステム又は装置に含まれるコンピュータにおいて、１以上のプロセッサがプログラムを読み出して実行することにより上述の実施形態の１以上の機能が実現され得る。また、上述の実施形態の１以上の機能は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の回路により実現されるものであってもよい。

１：センサアレイ
２、２ｂ：読み出し回路
２ａ：垂直走査回路
３：制御演算部
１０：センサ
１１：信号出力線
２０：制御演算部
２１：行選択回路
２２：列選択回路

Claims

２次元状に複数のセンサが配置されたセンサアレイと、
複数の前記センサから信号を読み出す読み出し回路と、
前記読み出し回路を制御し、複数の前記センサから読み出した信号に基づいて、前記センサアレイの中の前記信号の変化が生じた位置座標を検出する制御演算部と、
を備え、前記制御演算部は、
前記センサアレイにおいて１次走査を行い、
前記１次走査で読み出された複数の信号に基づいて、前記位置座標が含まれる次の走査領域を設定し、
前記走査領域において前記１次走査よりも走査間隔が小さい２次走査を行い、
前記センサアレイの全領域又は前記走査領域において同時に読み出された複数の前記センサからの信号の平均を基準信号として算出し、
前記１次走査で読み出された信号と前記２次走査で読み出された基準信号とを比較し、ノイズレベルが所定値以上であるか否かを判定し、
前記ノイズレベルが所定値以上である場合、前記２次走査で読み出された信号を、前記基準信号を用いて補正し、
前記補正された信号に基づいて、前記位置座標を検出し、
前記制御演算部は、
前記２次走査で読み出された複数の信号に基づいて、位置座標を含む第３の走査領域を設定し、
前記第３の走査領域において、前記第３の走査領域内の複数のセンサのすべてを順次走査する３次走査を実行するように構成される
センサ装置。
前記制御演算部は、前記センサアレイの全領域又は前記走査領域に配置された複数の前記センサを加算して読み出し、読み出された信号の大きさを、読み出した前記センサの総数で除算して前記基準信号を算出する
請求項１に記載のセンサ装置。
前記センサは、静電容量方式である
請求項１又は２に記載のセンサ装置。
前記制御演算部は、前記２次走査で読み出された複数の信号に基づいて、

（ここで、Gは信号の変化が生じた重心であり、Ｓ（Ｐ_ｉｊ）は、座標Ｐ_ｉｊに配置されたセンサーから読み取られた信号であり、Ｐ_ｉｊは、ｉ番目の行とｊ番目の列の座標である。Σは、スキャン領域内のすべての座標Ｐ_ｉｊの合計である。）
の方程式に従って、前記信号の変化が生じた重心を算出する
請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
前記制御演算部は、
前記センサアレイにおいて、行及び列を間引きながら前記１次走査を行い、
前記１次走査で読み出された複数の信号に基づいて、前記位置座標が含まれる前記走査領域を設定し、
前記走査領域において、前記１次走査よりも走査間隔が小さい２次走査を行う
請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサ装置。
前記走査領域は、前記１次走査で読み出された信号の大きさが所定値以上又は最大である前記センサを中心とする、所定の大きさの矩形領域である
請求項５に記載のセンサ装置。
前記２次走査における行の間引き間隔は、前記センサにより検知可能な前記センサアレイの行範囲よりも小さく、
前記２次走査における列の間引き間隔は、前記センサにより検知可能な前記センサアレイの列範囲よりも小さい
請求項５又は６に記載のセンサ装置。
前記制御演算部は、
前記センサアレイにおいて、所定の第１走査ブロックごとに前記１次走査を行い、
前記１次走査で読み出された複数の信号に基づいて、前記位置座標が含まれる前記第１走査ブロックを選択し、
前記第１走査ブロックを含む前記走査領域において、前記第１走査ブロックよりも小さい所定の第２走査ブロックごとに前記２次走査を行う
請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサ装置。
前記読み出し回路は、前記センサアレイの同一列の複数の前記センサから１以上の行を選択して信号を加算する行選択回路を列ごとに有する
請求項８に記載のセンサ装置。
前記読み出し回路は、各列の前記行選択回路によって選択された複数の前記センサから１以上の列を選択して信号を加算する列選択回路を有する
請求項９に記載のセンサ装置。
２次元状に複数のセンサが配置されたセンサアレイと、
複数の前記センサから信号を読み出す読み出し回路と、
前記読み出し回路を制御し、複数の前記センサから読み出した信号に基づいて、前記センサアレイの中の前記信号の変化が生じた位置座標を検出する制御演算部と、
を備えたセンサ装置の制御方法であって、前記制御演算部において、
前記センサアレイにおいて１次走査を行うステップと、
前記１次走査で読み出された複数の信号に基づいて、前記位置座標が含まれる次の走査領域を設定するステップと、
前記走査領域において前記１次走査よりも走査間隔が小さい２次走査を行うステップと、
前記センサアレイの全領域又は前記走査領域において同時に読み出された複数の前記センサからの信号の平均を基準信号として算出するステップと、
前記１次走査で読み出された信号と前記２次走査で読み出された基準信号とを比較し、ノイズレベルが所定値以上であるか否かを判定するステップと、
前記ノイズレベルが所定値以上である場合、前記２次走査で読み出された信号を、前記基準信号を用いて補正するステップと、
前記補正された信号に基づいて、前記位置座標を検出するステップと、
前記２次走査で読み出された複数の信号に基づいて、位置座標を含む第３の走査領域を設定するステップと、
前記第３の走査領域において、前記第３の走査領域内の複数のセンサのすべてを順次走査する３次走査を実行するステップと
を有する制御方法。
２次元状に複数のセンサが配置されたセンサアレイと、
複数の前記センサから信号を読み出す読み出し回路と、
前記読み出し回路を制御し、複数の前記センサから読み出した信号に基づいて、前記センサアレイの中の前記信号の変化が生じた位置座標を検出する制御演算部と、
を備えたセンサ装置において、コンピュータを、
前記センサアレイにおいて１次走査を行う手段と、
前記１次走査で読み出された複数の信号に基づいて、前記位置座標が含まれる次の走査領域を設定する手段と、
前記走査領域において前記１次走査よりも走査間隔が小さい２次走査を行う手段と、
前記センサアレイの全領域又は前記走査領域において同時に読み出された複数の前記センサからの信号の平均を基準信号として算出する手段と、
前記１次走査で読み出された信号と前記２次走査で読み出された基準信号とを比較し、ノイズレベルが所定値以上であるか否かを判定する手段と、
前記ノイズレベルが所定値以上である場合、前記２次走査で読み出された信号を、前記基準信号を用いて補正する手段と、
前記補正された信号に基づいて、前記位置座標を検出する手段と
前記２次走査で読み出された複数の信号に基づいて、位置座標を含む第３の走査領域を設定する手段と、
前記第３の走査領域において、前記第３の走査領域内の複数のセンサのすべてを順次走査する３次走査を実行する手段と
して機能させるプログラム。
請求項１２に記載のプログラムを記録したコンピュータが読み取り可能な記録媒体。