JP2000346608A - 表面形状認識用センサ回路 - Google Patents
表面形状認識用センサ回路Info
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Abstract
させる。 【解決手段】 指紋の凹凸等、指の表面形状に応じて容
量が変化する容量センサ素子11、容量センサ素子の容
量に応じた電圧信号を発生させる信号発生回路15、容
量センサ素子と信号発生回路との接続点である節点N1
の電圧信号を検出する検出回路20から構成される表面
形状認識用センサ回路の前記信号発生回路を、容量値C
sを有する容量素子14から構成して、容量素子の第1
の端子を節点N1に接続し、容量素子の第2の端子の電
圧を第1の電位に設定するとともに、節点N1に電荷が
充電された後に第2の端子を第2の電位に変化させて節
点N1の電荷を引き抜く。
Description
の鼻紋等の微細な凹凸を有する表面形状を検出する表面
形状認識用センサ回路に関する。
センサとして、特に指紋検出をターゲットとしたものが
報告されている。また、指紋のパターンを検出する技術
として、LSI製造技術を用いた容量検出形のセンサが
提案されている。これは例えば、’ISSCC DIG
EST OF TECHNICAL PAPERS’F
EBRUARY 1998 pp.284〜285に記
載されている。容量検出形のセンサは、図9に示すよう
に、各センスユニット1がLSIチップ上に2次元配列
されたセンサアレイ2として構成されており、各センス
ユニット1の電極と絶縁膜を介して触れた指3の皮膚と
の間に形成される静電容量を検出して、指紋の凹凸パタ
ーンを感知するものである。指紋の凹凸により形成され
る容量の値が異なるため、この微少な容量差を検出する
ことで指紋の凹凸を感知することができる。
路の基本構成を示すブロック図である。すなわち、この
表面形状認識用センサ回路は、センスユニット1の電極
と絶縁膜を介して触れた指の皮膚との間に形成される容
量値Cfを有する容量センサ素子11と、容量センサ素
子11の容量値Cfに応じた電圧信号を発生するスイッ
チSW2及び電流源12からなる信号発生回路13と、
信号発生回路13による電圧信号を検出する検出回路2
0と、外部電位Vpを容量センサ素子11の電極と信号
発生回路13との接続点である節点N1に供給するため
のスイッチSW1とからなる。なお、図中のCpは寄生
容量を示す。このような容量センサ素子11,信号発生
回路13,検出回路20等により1組のセンスユニット
1が構成される。
の容量センサ素子11のセンサ電極(即ち、図7の節点
N1側に接続されるセンサ素子11の電極)と指の皮膚
との距離によって決まるため、指紋の凹凸によって容量
センサ素子11の値Cfは異なる。したがって、指3が
図7の節点N2に相当する位置に触れると、指紋の凹凸
に応じた電圧信号が節点N1側に出力される。この電圧
信号は検出回路20により指紋の凹凸を反映した信号と
して検出され、その結果、指紋パターンが検出されるこ
とになる。
サ回路の動作を説明するためのタイミングチャートであ
る。はじめに、スイッチSW1の開閉を制御する制御信
号PはLowレベルとなっている(図8(a))。ま
た、スイッチSW2の開閉を制御する制御信号SもLo
wレベルとなっている(図8(b))。したがって、各
スイッチSW1,SW2は開状態になっている。このと
き、節点N1は外部電位Vp以下の電位となっている
(図8(c))。
点で制御信号PがLowレベルからHighレベルに
変化すると、スイッチSW1が閉結して導通状態とな
り、その結果、節点N1の電位は外部電位Vpにプリチ
ャージされる(図8(c))。
図8(a)の時点でLowレベルに変化すると同時に
制御信号Sが図8(b)に示すようにHighレベルに
変化する。これによりスイッチSW1が非導通状態に、
スイッチSW2が導通状態になり、電流源12により節
点N1に充電された電荷が引き抜かれる。この結果、節
点N1の電位が低下する(図8(c))。ここで、制御
信号SのHighレベル期間をΔtとすると、Δt経過
後の節点N1の電位低下ΔVは ΔV=IΔt/(Cf+Cp) (1) になる。ただし、Iは電流源12の電流である。
pはそれぞれ一定であるから、電位低下ΔVは容量Cf
によって決定される。各センスユニット1は容量センサ
素子11の電極と指の皮膚との距離によって決まるの
で、指紋の凹凸によって容量Cfの値は異なる。このこ
とから、指紋の凹凸を反映して低下電位ΔVの大きさが
変化する。
子11の値をCfv、指紋の凸部に相当する容量センサ
素子11の値をCfrとすると、指紋の凹部と凸部の電
圧信号の差ΔViは、図8(c)に示すように、 ΔVi=IΔt/(Cfv+Cp) −IΔt/(Cfr+Cp) (2) となる。このような信号ΔViが入力信号として検出回
路20に与えられるため、検出回路20では、指紋の凹
凸が識別され指紋の凹凸を反映した信号を出力すること
ができる。
来のセンサ回路は、電流源12により節点N1の電荷の
引き抜きを行っている。こうした電流源12は各センス
ユニット毎に設けられているため、各センスユニット内
の各電流源の電流量と電荷を引く抜く時間とを均一に制
御する必要があった。しかしながら、実際には全ての電
流源を均一に作製することは困難であり、このため各セ
ンスユニットからなるセンサ回路全体の検出精度が悪化
するという問題があった。したがって本発明は、表面形
状認識用センサ回路の検出精度を向上させることを目的
とする。
るために本発明は、接触した対象物の表面形状に応じて
容量が変化する容量センサ素子と、容量センサ素子の容
量に応じた電圧信号を発生させる信号発生回路と、容量
センサ素子と信号発生回路との接続点を示す節点に接続
され前記節点の電圧信号を検出する検出回路とからな
り、検出回路は前記節点に電荷が充電された後に前記節
点の電圧信号を検出して出力する表面形状認識用センサ
回路であって、信号発生回路を、第1及び第2の端子を
有するとともに第1の端子が前記節点に接続される容量
値Csを有する容量素子から構成し、容量素子の第2の
端子の電圧を第1の電位に設定するとともに、前記節点
に電荷が充電された後に第2の端子を第2の電位に変化
させて容量素子から電圧信号を発生させるようにしたこ
とにより特徴づけられる。この場合、第1の電位はセン
サ回路の電源電位及びグランド電位の何れか一方に設定
されるとともに、第2の電位は電源電位及びグランド電
位の何れか他方に設定される。また、容量素子は、半導
体素子から構成されるものである。また、上記半導体素
子はMOSトランジスタから構成され、この場合、MO
Sトランジスタのゲート端子が第1の端子となり、MO
Sトランジスタのソース端子及びドレイン端子が第2の
端子となる。また、容量素子の第1の端子に発生する寄
生容量値をCp、容量センサ素子の最大及び最小の容量
値をそれぞれCfv、Cfrとしたとき容量素子の容量
値Csは、{(Cfv+Cp)(Cfr+Cp)}1/2
に設定されるものである。また、容量素子の容量値Cs
は、容量センサ素子の容量値の最大値以下に設定される
ものである。また、容量素子の容量値Csは、10fF
から250fFまでの範囲を有するものである。
して説明する。図1は本発明に係る表面形状認識用セン
サ回路のブロック図である。図1において、この表面形
状認識用センサ回路は、センスユニット1の電極と絶縁
膜を介して触れた指の皮膚との間に形成される値Cfを
有する容量センサ素子11と、容量センサ素子11の容
量値Cfに応じた電圧信号を発生する容量値Csを有す
る駆動容量素子14を含む信号発生回路15と、信号発
生回路15による電圧信号を検出する検出回路20と、
外部電位Vpを容量センサ素子11と信号発生回路15
との接続点である節点N1に供給するためのスイッチS
W1とからなる。なお、図中のCpは寄生容量を示す。
このような容量センサ素子11,信号発生回路15,検
出回路20等により1組のセンスユニット1が構成され
る。
の容量センサ素子11のセンサ電極(即ち、図1の節点
N1側に接続されるセンサ素子11の電極)と指の皮膚
との距離によって決まるため、指紋の凹凸によって容量
センサ素子11の値Cfは異なる。したがって、指が図
1の節点N2に相当する位置に触れると、指紋の凹凸に
応じた電圧信号が節点N1側に出力される。この電圧信
号は検出回路20により指紋の凹凸を反映した信号とし
て検出され、その結果、指紋パターンが検出される。
5は、節点N1の電荷の引き抜きを駆動容量素子14の
充放電を用いて行うようにしたものであり、引き抜く電
荷量は駆動容量素子14の容量Csとその駆動電圧Vs
により制御される。ここで、図1に示す駆動電圧Vs
を、スイッチSW3を介して例えば電源電圧レベル(V
DD)またはグランドレベル(GND)に設定すること
により引き抜く電荷量を制御する。駆動容量素子14の
容量値Csの充放電に基づく制御は、図7に示した従来
の電流源12の電流値による制御よりも精度が高く、ま
た駆動容量素子14の駆動電圧Vsの制御は、図8に示
した従来の時間制御に比べて簡単かつ高精度で制御でき
る。
の信号発生方法について説明する。ここでは表面形状と
して指の表面を検出する場合について説明する。図2
(a)の時点で制御信号Pの電位をHighレベルに
してスイッチSW1を閉じ外部電位Vpを節点N1にプ
リチャージする。その後、図2(a)の時点で制御信
号Pの電位をLowレベルにしてスイッチSW1を開放
する。同時に図2(b)に示すように、信号発生回路1
5内の駆動容量素子14の駆動電圧VsをΔVsだけ低
下させて節点N1の電荷を引き抜き、検出回路20側へ
の入力信号を生じさせる。
ンサ素子11の値をCf、寄生容量値をCp、駆動容量
素子14の容量値をCs、駆動容量素子14の駆動電圧
Vsの変化量をΔVsとすると、検出回路20側へ与え
られる入力信号の変化量ΔVは、式(3)のようにな
る。 ΔV=ΔVs/{1+(Cf+Cp)/Cs} (3)
ジΔViは下記のようになる。 ΔVi=ΔVMAX−ΔVMIN =ΔVs/{1+(Cfv+Cp)/Cs} −ΔVs/{1+(Cfr+Cp)/Cs} (4) 式(4)中のCfvは容量センサ素子11の容量Cfの
うち指紋の凹部に相当する容量値、またCfrは容量セ
ンサ素子11の容量Cfのうち指紋の凸部に相当する容
量値を示す。
も実現でき、特に図3(b)に示すようにMOSトラン
ジスタを図3(a)の駆動容量として用いることができ
る。図3(b)は、NMOSトランジスタの例である
が、センサ回路の電源電圧の極性が異なる場合はPMO
Sトランジスタを用いるようにすれば良い。さらに、M
OSトランジスタのゲート端子を容量センサ素子11に
接続し、ソース端子及びドレイン端子の電圧を制御する
ことで、MOSトランジスタのソース端子及びドレイン
端子の寄生容量が容量センサ素子11に接続されること
のない駆動容量素子14を実現できる。
は検出回路20への入力信号となるので大きいほどよ
い。ここで寄生容量値Cp=50fF,Cfv=10f
F,Cfr=100fF,ΔVs=2.7Vのときのダ
イナミックレンジΔViと駆動容量素子14の値Csと
の関係を図4に示す。
が最大となる駆動容量素子14の値Csが存在し、この
場合駆動容量素子14の値Csは約95fFである。上
記の式(4)からダイナミックレンジΔViが最大にな
るのは駆動容量素子14の値Csが、 Cs={(Cfv+Cp)(Cfr+Cp)}1/2 (5) のときであり、このようにして駆動容量素子14の値C
sを選定すればよい。
ーンとセンサ回路の感度から制限され、20um角〜1
00um角程度になる。このときのCfrは20fF〜
350fF,Cfvは5fF以下、Cpは10fF〜1
70fF程度になる。Cfvは小さいので5fFと固定
して考えてもよく、CfrとCpを変化させた場合の駆
動容量素子14の値Csの最適値は図5のようになる。
以上のことから、駆動容量素子14の値Csは指紋の凹
部の容量Cfv以下に設定すれば良い。
3,Cfv=Cfv/20と考えてよい。この場合、駆
動容量素子14の値Csの最適値は約0.7Cfvとな
る。この関係を図6に示す。したがって、駆動容量素子
14の値CsはCfvの約0.7倍程度が最適であり、
その範囲は、上記のCfvの範囲から10fF〜250
fF程度になる。このように、信号発生回路15では、
電流源による電荷の引き抜きを行わずに、駆動容量素子
14の充放電を利用して節点N1の電荷の引き抜きを行
うようにしたため、電流源を多数のセンスユニットに内
蔵してその電流量と電荷を引き抜く時間とを精度よく制
御するといったようなことが不要になり、したがって簡
単な構成でセンサ回路のセンシング精度を向上できる。
触した対象物の表面形状に応じて容量が変化する容量セ
ンサ素子、容量センサ素子の容量に応じた電圧信号を発
生させる信号発生回路、容量センサ素子と信号発生回路
との接続である節点に接続されて電圧信号を検出する検
出回路を備えた表面形状認識用センサ回路において、信
号発生回路を、第1及び第2の端子を有するとともに第
1の端子が前記節点に接続される容量値Csを有する容
量素子から構成し、容量素子の第2の端子の電圧を第1
の電位に設定するとともに、前記節点に電荷が充電され
た後に第2の端子を第2の電位に変化させて容量素子か
ら電圧信号を発生させるようにしたので、電流源を多数
のセンスユニットに内蔵して各電流源の電流量と電荷を
引き抜く時間を精度よく制御するようなことが回避さ
れ、したがってセンサ回路の検出精度を向上できる。ま
た、このとき容量素子の第2の端子に印加する第1の電
位を電源電位及びグランド電位の何れか一方に設定する
とともに、前記第2の端子に印加する第2の電位を電源
電位及びグランド電位の何れか他方に設定するようにし
たので、第2の端子の電位を制御する場合、簡単な構成
で制御できる。また、容量素子を、半導体素子から構成
するとともに、上記半導体素子であるMOSトランジス
タのゲート端子を第1の端子とし、かつこのトランジス
タのソース端子及びドレイン端子を第2の端子とするよ
うにしたので、精度の良い容量素子を作製できる。ま
た、容量素子の第1の端子に発生する寄生容量値をC
p、容量センサ素子の最大及び最小の容量値をそれぞれ
Cfv、Cfrとしたとき容量素子の容量値Csを、
{(Cfv+Cp)(Cfr+Cp)}1/2に設定する
ようにしたので、表面形状として指紋の凹凸を検出する
場合、指紋の凹部と凸部とを的確に識別できる。また、
容量素子の容量値Csを容量センサ素子の容量の最大値
以下に設定するようにしたので、微細な凹凸を有する対
象物の表面形状を精度良く検出できる。また、容量素子
の容量値Csを10fFから250fFまでの範囲とし
たので、精度の良い容量素子を容易に製造することがで
きる。
ロック図である。
ャートである。
の駆動容量素子の例を示す図である。
ャートである。
サアレイを示す図である。
…容量センサ素子、14…駆動容量素子、15…信号発
生回路、20…検出回路、SW1,SW3…スイッチ、
Cp…寄生容量、N1,N2…節点、Vp…外部電圧。
Claims (7)
- 【請求項1】 接触した対象物の表面形状に応じて容量
が変化する容量センサ素子と、前記容量センサ素子に接
続されこの容量センサ素子の容量に応じた電圧信号を発
生させる信号発生回路と、前記容量センサ素子と信号発
生回路との接続点を示す節点に接続され前記節点の電圧
信号を検出する検出回路とからなり、前記検出回路は前
記節点に電荷が充電された後に前記節点の電圧信号を検
出して出力する表面形状認識用センサ回路において、 前記信号発生回路は、第1及び第2の端子を有するとと
もに前記第1の端子が前記節点に接続される容量値Cs
を有する容量素子からなり、 前記信号発生回路は、前記容量素子の第2の端子の電圧
を第1の電位に設定するとともに、前記節点に電荷が充
電された後に前記第2の端子を第2の電位に変化させて
前記容量素子から前記電圧信号を発生させることを特徴
とする表面形状認識用センサ回路。 - 【請求項2】 請求項1において、 前記第1の電位は表面形状認識用センサ回路の電源電位
及びグランド電位の何れか一方に設定されるともに、前
記第2の電位は前記電源電位及びグランド電位の何れか
他方に設定されることを特徴とする表面形状認識用セン
サ回路。 - 【請求項3】 請求項1または請求項2において、 前記容量素子は、半導体素子からなることを特徴とする
表面形状認識用センサ回路。 - 【請求項4】 請求項3において、 前記半導体素子はMOSトランジスタからなり、前記M
OSトランジスタのゲート端子が前記第1の端子とな
り、前記MOSトランジスタのソース端子及びドレイン
端子が前記第2の端子となることを特徴とする表面形状
認識用センサ回路。 - 【請求項5】 請求項1ないし請求項4の何れかの請求
項において、 前記容量素子の第1の端子に発生する寄生容量値をC
p、前記容量センサ素子の最大及び最小の容量値をそれ
ぞれCfv、Cfrとしたとき前記容量素子の容量値C
sは、{(Cfv+Cp)(Cfr+Cp)}1/2に設
定されることを特徴とする表面形状認識用センサ回路。 - 【請求項6】 請求項1ないし請求項4の何れかの請求
項において、 前記容量素子の容量値Csは、前記容量センサ素子の容
量値の最大値以下に設定されることを特徴とする表面形
状認識用センサ回路。 - 【請求項7】 請求項1ないし請求項4の何れかの請求
項において、 前記容量素子の容量値Csは、10fFから250fF
までの範囲を有することを特徴とする表面形状認識用セ
ンサ回路。
Priority Applications (4)
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