JP2001222706A - 指紋検知の改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 改良した指紋パターン検知技術を提供する。 【解決手段】 検知期間中にユーザの体へ電圧変化を印
加させて指紋検知動作を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は指紋パターン認識技
術に関するものであって、更に詳細には、改良した指紋
パターン検知回路及び方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】指紋パターンを検知するための容量性セ
ンサは現在公知である。人の指紋における山及び谷のパ
ターンを決定するための容量性センサを記載した多数の
特許が存在している。米国特許第４，３５３，０５６号
は、指紋を受取り且つ小型のコンデンサからなるアレイ
を使用して皮膚の山及び谷を検知する検知表面を具備す
る容量性指紋センサを記載している。米国特許第５，３
２５，４４２号も、行及び列の形態で配列した複数個の
コンデンサを使用する指紋検知及び認識回路を記載して
いる。

【０００３】幾つかの容量性センサは、米国特許第５，
９７３，６２３号から取った図１及び２に示したよう
に、負のフィードバックを有しシリコン内において２個
又はそれ以上のプレートを使用して動作する。このよう
なマルチプレートシステムにおいては、ユーザの指がシ
リコン内の２つのプレート間に存在する容量を変化させ
る。負のフィードバック回路を使用して指紋内に山又は
谷が存在するか否かを検知する。

【０００４】幾つかのコンデンサセンサは、センサセル
当たりシリコン内に単一のコンデンサプレートを使用し
て動作する。このタイプのセンサは米国特許第５，３２
５，４４２号に示されている。図３及び４は従来技術で
ある。この特許からの図は、センサセルへアクセスする
ための単一のコンデンサプレート１４及びスイッチング
装置１６を示している。ユーザの指がコンデンサの他方
のプレートを与える。次いで、該コンデンサの値を検知
して山又は谷が存在することを決定する。

【０００５】従来の容量性指紋センサにおける問題のう
ちの１つは、山を谷から区別する感度レベルである。容
量性検知を介して良好な指紋パターンを得ることの困難
性は個人毎に異なる場合がある。ある人の場合には、そ
の皮膚の特性に依存して、他の人よりも指紋パターンを
得ることがより困難である場合がある。従って、全ての
人にとって一様な感度を提供することが可能な改良した
容量検知技術を提供することが望まれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の点に
鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠
点を解消し、改良した且つ一様な感度を提供することが
可能な指紋検知技術を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の原理によれば、
指紋パターンを検知する個人の体における電圧を変化さ
せる容量性指紋検知装置が提供される。人の指紋が検知
される場合に、その人の体も導電性コネクタと接触状態
とされる。検知が行われる場合に、該導電性コネクタ上
の電圧が変化し、そのことは人の体の電圧を変化させ
る。

【０００８】指紋パターンは単にコンデンサのプレート
だけではなく検知回路の第二の部分であり、それは今や
入力でもある。人の指における電圧変化の電気的効果
は、指紋検知回路における谷におけるものと山における
ものとは異なっている。従って、検知回路への入力容量
は、山又は谷が存在するか否かに依存して可変である。
本検知回路は、又、山又は谷の存在に基づいてそれ自身
の容量における変化を検知する。特に、人の体は入力コ
ンデンサとして動作して入力容量に対し可変電荷転送を
与え且つ同時に容量性センサに対する可変コンデンサ値
の機能を実施する。従って、指は検知されるべき可変容
量を与えると共に可変電荷転送を与える二重機能を実行
する。両方の機能を実行することの効果は、各局所的な
センサにおいての山又は谷を有する測定可能な効果を効
果的に増大させ、従って山と谷との間の差を認識し且つ
区別する上での検知動作が著しく向上される。

【０００９】人の体に対する電気的な接続は多数の許容
可能な技術によって行うことが可能である。１つの好適
な実施例によれば、人の指が指紋センサパッド上に配置
されている間に人の指に対しての電気的な接触が与えら
れる。該導電体に対して接続されている論理制御回路が
検知動作のタイミングに関連した予め設定されたタイミ
ングシーケンスに従って該導電体に対してステップ電圧
を与える。この実施例においては、指紋を検知すべきユ
ーザの指と可変入力電圧との間に直接的な接続が存在し
ている。

【００１０】別の実施例においては、電荷転送によって
人の体に電圧変化が与えられる。シリコン内の大きなプ
レートコンデンサが指への電荷転送を与えるための一方
のプレートを与えて検知動作が行われている間に電圧変
化を与える。一方、該電圧変化は別の指又は何等かの付
属物を介してユーザの体へ結合させることが可能であ
る。例えば、該コネクタはその人の他方の手、腕又はそ
の他の許容可能な体部分と接触させることが可能であ
る。何故ならば、必要なことは、向上された容量性検知
能力を与えるために、その人の体に電荷変化を与えるこ
とだからである。

【００１１】本発明は、シリコン内に一方のコンデンサ
プレートを有し且つ指が他方のコンデンサプレートを与
えるタイプ、又はシリコン内に複数個のコンデンサプレ
ートを使用し且つ指がそれらの相対的な容量を修正する
導体であるタイプのセンサセルと共に使用することが可
能である。

【００１２】１実施形態においては、指紋センサ回路
は、その間に電界を有するシリコン内のコンデンサの２
つのプレートを具備する負のフィードバック増幅器を有
している。該２つのプレートの間の電界はユーザの指、
即ちその山又は谷によって変化される。谷を有すること
の効果は、検知容量が山よりも一層大きい。山が存在す
る場合には、谷と比較してその容量が減少される。換言
すると、皮膚がコンデンサのプレートから遠ければ遠い
ほど、それが電荷を変化させる影響はより少なく、且つ
検知容量は山よりも谷の場合に一層高い。一方、入力容
量は例えば谷において存在するようにセンサからの皮膚
の距離が大きい程減少する。検知能力を与えるものは検
知容量に対する入力容量の比であるので、それを反対の
方向に変化させる回路は測定感度を著しく増大させる効
果を与える。従って、その値を検知するコンデンサに対
しての可変プレート及び入力コンデンサの両方として人
の体を使用することによって著しい改良が与えられる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１はその上に複数個のセンサセ
ル２を有している基板１を示している。センサセル２は
アレイ３の形態であり且つ基板の上に配置された指の指
紋パターンを検知する構成とされている。アレイ３は水
平スキャンエレクトロニクス５及び垂直スキャンエレク
トロニクス６によって駆動され、従って各個別的なセル
２には制御器７の制御下において公知のタイミングシー
ケンスで選択される。

【００１４】特に、各センサセル２は基板１の上に配置
された指に対する指紋パターンの山又は谷の有無を検知
するエレクトロニクスを有している。制御器７は電源９
５からの電力を受取る電源回路１２０を有している。各
検知セル２は各個別的な列のライン１７上に出力を与え
る。その出力はチップバス９上に与えられ、それは出力
増幅器８へ与えられ且つ端子１０においてセンサアレイ
３の出力へ与えられる。端子１０におけるセンサアレイ
３の出力は指紋パターン認識エレクトロニクスへ与えら
れ、該エレクトロニクスはその信号を指紋パターンへ処
理し且つそれを他の指紋パターンと比較して検知すべき
指紋パターンの認識を行う。アレイ３の特定の詳細及び
指紋パターン認識を与えるための制御器７との間の相互
作用は米国特許第５，９７３，６２３号において記載さ
れておりその特許を引用によって本明細書に取込む。指
紋パターン認識は、当業者にとって入手可能なその他の
特許及び刊行物の多くの許容可能な技術によって得られ
且つ実施することが可能である。

【００１５】図２は山又は谷の有無を検知する場合に使
用することが可能な単一センサセル２のエレクトロニク
スを示している。セル２の特定のエレクトロニクスはそ
のセルを構成することが可能な１例として示しているに
過ぎない。個々のセルのエレクトロニクスは単に例とし
て与えているに過ぎないのでその他の許容可能な技術を
使用することも可能である。

【００１６】セル２は誘電体層１１を有しており、その
上に人の指が配置される。誘電体層１１は上表面１２５
を有しており、それは人のスキャンされる指１８と直接
接触される。指１８はそれがセルと接触する位置におい
て山又は谷を有しており、図２に示した例ではセル２の
上に山が存在しており、従ってそれは基板１１に対して
押付けられており且つ表面１２５と接触している。誘電
体層１１は図２に示したように厚さＤを有している。

【００１７】プレート２４と２３とを有するコンデンサ
が誘電体層１１の背面上に設けられている。プレート２
４の入力プレートが反転用増幅器１３の入力端子へ接続
しており且つ出力プレート２３が反転用増幅器１３の出
力へ接続している。検知動作が行われない場合に反転用
増幅器１３を既知の状態へリセットさせる場合にリセッ
トスイッチ１９が閉成される。コンデンサ２０が端子２
１においてＶ_refを介して印加されるステップ電圧Ｎを
供給する。コンデンサＣ_inは反転用増幅器１３の入力ノ
ード１６に対して既知の電荷を与えるために既知の値の
ものである。

【００１８】図３は本発明の原理に従って使用すること
が可能な別の許容可能なセンサセル２を示している。こ
の特定のセンサセル２は発明者Ｋｎａｐｐの米国特許第
５，５５５，５５５号に示されており、その特許を引用
によって本明細書に取込む。特に、その特許に記載され
ているセンサセルはセンサエレクトロニクスと、センサ
セルと、コンデンサプレートＣとを有している。

【００１９】容量性指紋センサセルは、図２又は図４の
いずれの場合であろうとも、式（１）に示した原理に基
づいて動作する。即ち、コンデンサ上の電荷量は容量と
電圧との積に比例する。

【００２０】ｑ＝ＶＣ （１） 尚、ｑは電荷量であり、Ｖはコンデンサ上の電圧であ
り、Ｃは容量値である。他の方程式から公知の如く、コ
ンデンサの容量値はプレートの間の距離と共に変化す
る。指紋パターンセンサにおいては、指紋、即ちその山
又は谷がコンデンサのプレートとして動作する。その距
離は指紋において変化し、即ち山の場合は小さく且つ谷
の場合には大きく、その容量も異なっており且つ検知す
ることが可能である。図２に示されるようなマルチプレ
ートセンサにおいては、容量値は後の方程式で示される
ように、２つのコンデンサプレートに隣接する他の導体
からのフリンジ効果に依存しても変化する。

【００２１】センサセル２はセル２の直上における指１
８における山又は谷の存在に基づく出力電圧を与える。
その電圧は以下の式（２）に従って検知される。

【００２２】Ｖ_out＝ｑ／Ｃ （２） 尚、Ｖ_outはセル２からの出力電圧であり且つｑは電荷
であり、且つＣは容量値である。

【００２３】多くのセンサにおいて、特に単一プレート
タイプの場合に、Ｖ_outを直接的に測定することが望ま
しく、各セルは他の全てのセル２から異なる電圧Ｖ_out
を与える。他のタイプのセンサセル２に従って、図２に
示したセンサセル２の場合に行われるように、開始点即
ち基準値の既知のリセットからＶ_outにおける変化を測
定することが望ましい。図２に示したタイプのセルの場
合には、電圧変化が山又は谷を検知するために測定さ
れ、以下の式が適用される。

【００２４】△Ｖ_out＝△ｑ／Ｃ_s （３） 尚、△Ｖ_outは端子１７上の電圧における変化であり、
△ｑは容量における電荷変化であり、且つＣ_sは検知す
べき容量であり、即ち指の導体１８が山又は谷のいずれ
かに対して隣接された状態でプレート２４及び２３から
構成されるコンデンサの容量である。山又は谷の存在は
プレート２４及び２３から構成されるコンデンサの容量
を変化させる。特に、後に説明するように、センサセル
２の近くに山が存在することは検知中の容量を減少させ
る。何故ならば、コンデンサのプレートに隣接して導体
を有することはコンデンサプレートの間のフィールドラ
イン即ち力線の幾つかを接地させるからである。一方、
センサセル２の上に谷が存在する場合には、検知容量Ｃ
_sは山の場合よりも一層大きい。何故ならば、谷はセル
２からより離れた導体を構成しているからである。理想
的な検知においては、容量の減少をゼロとすることであ
るが、実際の検知においては、谷であっても容量値にお
いて僅かな減少を発生する場合がある。然しながら、谷
の場合に発生するようにセルから指１８の距離がより大
きい場合にＣ_sはより大きく、且つ山の場合に発生する
ように指がセルにより近い場合にＣ_sが減少するという
一般的な原理がマルチプレート容量性センサに対して適
用される。即ち、谷に対する検知容量Ｃ_sは山に対する
ものよりも一層大きい。

【００２５】本発明の原理に従って、センサセル２の上
に山又は谷のいずれかが存在するかに基づいて容量の相
互作用における変化を利用する回路について説明する。

【００２６】理想的な場合においては、Ｃ_sは式（３）
が出力の直接的な特性化であるようにその式に影響を与
える唯一の容量であるが、実際には、回路の異なる部分
において発生する種々の寄生容量が存在している。回路
の種々の部分における寄生容量の全ての効果が結合され
ると、それらは以下の式（４）によって示されるように
検知される容量で加算される。

【００２７】 △Ｖ_out＝△ｑ／（Ｃ_s＋Ｃ_p） （４） 尚、Ｃ_pは種々のノードからの和としてセル出力に影響
を与える寄生容量である。然しながら、寄生容量Ｃ_pは
時々極めて大きなものとなる場合がある。特定の回路構
成に依存して、Ｃ_pはＣ_sよりも著しく大きなものとなる
場合がある。Ｃ_pが余り大きくなりすぎると、それは上
の式を支配するようになり、従ってＣ_sにおける小さな
変化は式（２）及び（４）を一緒に検討すると理解され
るように、検知される全体的な容量において非常に小さ
な変化を発生するに過ぎないものとなる。従って、寄生
容量が検知容量よりも著しく大きなものである場合に
は、セル２の感度が悪影響を受ける。殆どの適用例にお
いて、検知容量は極めて小さいものである。何故なら
ば、それは単一の指紋における山と谷との間の容量値に
おける差を検知することに基づいているからである。従
って、多くの回路においては、寄生容量Ｃ_pは検知容量
Ｃ_sよりも大きく、幾つかの場合においては、検知容量
Ｃ_sよりも著しく大きく、従って検知容量Ｃ_sにおける非
常に小さな変化を検知することは困難なものとなる。本
発明の原理によれば、寄生容量の効果が著しく減少さ
れ、且つ幾つかの場合においては、本明細書において説
明するように殆ど取除かれている。

【００２８】図６は本発明の原理に基づく指紋検知の１
例を示している。図６に示したセンサセルは単に１つの
例であるに過ぎない。本発明は以下の説明からも明らか
なように、図５の単一プレートセンサセルに対して適用
することも可能である。

【００２９】本発明の原理によれば、検知動作期間中
に、電気的導体２１がその指紋を検知する人の体に対し
て接続される。電気的導体２１は可変電圧供給源△Ｖ_in
ヘ接続されている端子１９を有している。この電圧△Ｖ
_inは直接的に電子制御器７でタイミングシーケンス制御
され、既知の電圧変化を人の体に与え、従って各個別的
なセル２における検知タイミングと関連して指１８に与
えられる。特に、検知の開始においては、△Ｖ_inは、通
常、低値であり、検知動作が開始すると、端子△Ｖ_inに
印加される信号波形２３によって示されるように、高値
へのステップ電圧が与えられる。電圧△Ｖ_inが高値にあ
る間に検知動作が行われた後に、セル２はリセットされ
且つ電気的導体２１は低値へ戻され、セル及び体の両方
が次の検知動作の準備におけるリセットモードとされ、
その時に、△Ｖ_inは図４における信号波形２３によって
示されるように、上方へ向かう別のステップ値となる。

【００３０】△Ｖ_inのステップはスイッチ１９の開閉を
制御するクロック信号φ_rのタイミングシーケンスと関
連して同期されている。即ち、スイッチ１９が開かれ且
つその後に△Ｖ_inは上方へ向かうステップ関数に従って
変化し、従って電圧△Ｖ_inにおける変化がスイッチ１９
が開く場合に発生する。このことは反転用増幅器１３へ
の入力ノード２５上に変化を発生し、それは前の式に関
連して説明したように△Ｖ_outに対応してＶ_out上に電圧
変化を発生させる。

【００３１】図７は本発明の原理に基づく回路の別の実
施例を示している。即ち、この場合には別のコンデンサ
Ｃ_fが設けられている。この別のコンデンサＣ_f２７は感
度を向上させ且つ更に増加させるために入力ノード２５
に対する補償コンデンサ即ちフィルタとして動作する。
コンデンサＣ_fの一方のプレートは検知ノード２５へ接
続しており、一方該コンデンサの他方のプレートは補償
電圧を表す電圧供給源Ｖ_cヘ接続している。電圧供給源
Ｖ_cも既知のタイミングシーケンスに従って電圧変化が
発生し、従って△Ｖ_cとして示してある。好適実施例に
おいては、この補償電圧△Ｖ_cは人間の体に与えられる
△Ｖ_iと正確に反対の電圧変化を発生する。即ち、信号
△Ｖ_in及び△Ｖ_cは、通常、互いに反対の極性にあり、
従って△Ｖ_inがステップ関数でステップアップする場合
に、△Ｖ_cはステップダウンする。本発明の原理によれ
ば、△Ｖ_in及び△Ｖ_cの大きさ及び絶対値方向は電圧に
おける変化程重要なものではない。即ち、ステップ関数
の低状態から高状態へ変化する図７に示した△Ｖ_inは、
勿論、低状態から負の電圧へ又は高状態から低状態への
ステップ関数として機能し指１８上の電圧に変化を与え
ることが可能である。同様に、△Ｖ_inは、図７に示した
ように、低状態から高状態へ及び高状態から低状態へ遷
移することが可能であり、又高状態から低状態及び低状
態から高状態へ遷移して、本発明原理に基づいて向上し
た検知機能を与えることが可能である。

【００３２】本発明の動作について図９及び１０を参照
して説明する。理解されるように、人間の体、及び人間
の体とセンサセルとの間の電気的相互作用を特性付ける
数学的な方程式は、全ての要因及び寄生効果を包含させ
るとすると非常に複雑なものとなる。従って、本発明の
基本動作を理解することが可能であるように、非常に簡
単化して説明することとする。動作の全ての側面につい
ての特定の詳細について説明することが必要なものでは
なく、本発明の原理は全体的な理論についての一般的な
説明によって理解することが可能である。

【００３３】図９に示したように、端子１９に対して電
圧変化△Ｖ_inが印加され且つ端子２９も前に図７を参照
して説明したように電圧変化△Ｖ_cが印加される。端子
１９における電圧変化△Ｖ_inと実際の指１８との間の接
続に注目すると、人間の体はＺ ＢＯＤＹ３１と示した
ようなあるインピーダンスを有していることが理解され
る。人の体３１のインピーダンスは多数の異なる電気的
方程式に従って特性付けられ、体全体のインピーダンス
３１として種々のコンデンサ、抵抗又はそれらの組合わ
せから構成されるか否かに拘わらずに体の全体的なイン
ピーダンスを考えることで本発明の目的のためには充分
である。人の体は接地３３に対して抵抗を有しており、
それは個人個人著しく異なるものである。幾つかの実施
例においては、抵抗Ｒ_gによって特性付けられる接地３
３に対する抵抗は極めて大きなものである場合がある。

【００３４】例えば、人が厚いゴム底の靴を履いている
場合等接地から電気的に絶縁されている場合には、抵抗
Ｒ_gは無限大に近づき、従って、実際には、その人は接
地されておらず、且つ電気的な観点からは、その人の体
の電圧はフローティング状態にある。その他の実施例に
おいては、抵抗Ｒ_gは、その人の体が接地に直接的に接
続されているために極めて小さい場合がある。例えば、
人の皮膚が接地用の電極と直接的に電気的に接触してい
る場合には、接地３３への抵抗は非常に小さい。従っ
て、抵抗Ｒ_gの値は状況毎に異なる場合がある。

【００３５】図９はアレイ３の異なる部分において互い
に離隔されている２個のセンサセル２を示している。説
明の便宜上、第一セル２はセル２の直上に山と共に示さ
れており、一方第二セルはセル２の直上に谷と共に示さ
れており、従って動作における差異を容易に説明し且つ
理解することが可能である。最初に、指１８の山がセル
２のすぐ上にある場合について説明する。この場合に
は、皮膚が誘電体層１１の上表面と直接接触しているの
で、皮膚とコンデンサプレートとの間の距離はＤ ₁であ
る。この場合には、山１８の効果は負フィードバック増
幅器１３のプレート２４と２３との間の容量値を減少さ
せるものである。特に、プレート２４と２３との間の容
量はフィールドライン即ち力線３５で示されており、容
量値を減少させる幾つかの力線が示されている。即ち、
山１８はプレート２４及び２３に近いので、幾つかの力
線が接地されており、即ち指１８によって干渉され、従
ってプレート２４と２３との間の全体的な容量値は隣接
する導体のフリンジ効果に起因して減少されている。こ
のことは力線３５のうちの幾つかがコンデンサプレート
２４と２３との間に延在する代りに指１８へ到達するこ
とによって示されている。

【００３６】検知回路の活性部分である入力容量もセン
サセル２に影響を与える。即ち、入力容量Ｃ_inも、体か
ら来る場合に谷の場合と比較して山において高となる変
数である。即ち、Ｃ_inは山においてその最大値を有して
いる。一方、Ｃ_sは山において低となり、即ちＣ_sは山に
おいてその最小値を有している。山は２つの容量値に関
して反対の影響を有しているという認識、即ち検知容量
Ｃ_sにおいて減少させ且つ入力容量において増加させる
という認識は本発明の原理であり、それを使用して指紋
パターン認識に対しての向上した感度を与えている。

【００３７】指紋パターンを検知するための数式によれ
ば、Ｃ_in及びＣ_sは出力値Ｖ_outを変化させるために使用
される比である。従って、Ｃ_s及びＣ_inが反対方向に変
化する場合には、そのことは、特に、Ｃ_s又はＣ_inのう
ちの一方のみが変化する場合に発生する変化と比較し
て、該比を著しく変化させる効果を有している。特に、
本発明原理によれば、体自身が検知コンデンサ用のみな
らず入力コンデンサとして使用されており、従って以下
の式に関して説明するように、向上された感度が得られ
る。電圧ステップ△Ｖ_inが印加された場合に体において
発生する電荷変化を理解するために、次式を参照する。

【００３８】Ｑ_in＝△Ｖ_in（Ｃ_in） （６） 尚、Ｑ_inは体に与えられた電荷量であり、従って体が電
圧変化を発生する場合の△ｑに対応している。△Ｖ_inは
端子１９に印加された電圧におけるステップ関数変化で
あり且つＣ_inは入力容量の値である。

【００３９】従来技術によれば、Ｃ_inの値は固定されて
おり、従って△Ｖ_in×Ｃ_inはノード１６において印加さ
れる電荷量のステップ関数変化を発生していた。即ち、
Ｑ_inの値は、常に、各セルに対して既知の値であって変
化するものではなかった。一方、体がＣ_inに対して使用
される場合には、体がステップ関数△Ｖ_inを経験する
と、各個別的なセルにおいて与えられる電荷量は他のセ
ルへ与えられるものと異なっている。何故ならば、個別
的なセルにおいての局所的な値は各コンデンサＣ _inに対
して異なっているからである。従って、入力ノード２５
へ転送される電荷の量は各個別的なセルに対して変化す
る。理解されるように、各個別的なセルの実際の局所的
な容量は精密に知られるものではなく、広い範囲にわた
って変化する。本発明の原理の場合には、２つの極限、
即ち谷の容量Ｃ_valley及び山の容量Ｃ_ridgeについて考
えることが可能である。容量Ｃ_inは、皮膚が山において
誘電体層１１と直接接触している場合に最大値にある。
一方、Ｃ_inは、谷においては低下し且つ最小値にある。
このことは谷においてのＣ_in＝ｍｉｎ及び山においての
Ｃ_in＝ｍａｘの式に従って理解することが可能である。
個人の指紋パターンは山と谷との間で変化するので、実
際の入力容量も最小値及び最大値の２つの極限から幾分
変化するものであることが理解される。図９を参照する
と、谷が存在する場合の２番目のセル２ｂの場合につい
て説明する。この場合には、指１８は誘電体層１１の上
表面１２５から距離ｄ₂だけ離隔している。谷は湾曲し
ているので、実際の形状は最大距離に対する垂直距離ｄ
₂から中間距離へ変化する場合がある。谷が極めて大き
い場合には、負の増幅器１３へのフィードバックコンデ
ンサのプレート２４と２３との間に延在する容量性力線
３５の間に干渉は存在しない。特に、プレート２４と２
３との間に存在していた力線３５の全ては、谷がそのセ
ルに隣接している場合にも存在し、従ってそれはその容
量値と干渉するものではない。従って、容量値Ｃ_sは谷
が存在する場合の最大値にある。一方、入力容量は力線
３７によって表されており、それは最小値にある。即
ち、谷が存在し且つ指１８がプレート２４からより離れ
た距離離隔されている場合には、その入力容量は非常に
小さく、且つ大きな谷の場合には、最小値にある。この
ことはセル２ａの山の場合と比較され、その場合には、
入力容量は大きく且つ図示した如く多数の力線３７が存
在している。

【００４０】図１０は通常の動作条件下の下で存在する
幾つかの構成要素からなる等価回路を示した概略図であ
る。特に、電気的等価性の観点から、入力ノード２５は
それに結合されている寄生コンデンサ４１を有してい
る。更に、出力ノード１７はそれに結合されている寄生
コンデンサ４３を有している。これらの寄生コンデンサ
Ｃ_pは該回路の電気的動作に影響を与える。更に、負の
フィードバック増幅器１３の電気的等価性は図７に示し
たように単純なインバータ１３であり、その場合には、
無限大の利得を有する理想的な負の増幅器の場合を仮定
している。この場合には、多数の力線３５がコンデンサ
のプレート２４と２３との間に延在しており、それは出
力１７から入力２５への負のフィードバックを与える。
力線３７は入力コンデンサとして使用されている体から
与えられる入力容量の値及び強度を表している。前述し
た如く、端子１９にはステップ電圧△Ｖ_inが印加され且
つ端子２１には反対極性のステップ電圧△Ｖ_cが印加さ
れる。△Ｖ_in及び△Ｖ_cの実際の値は特に重要なもので
はなく、且つ多くの場合において、それらは異なった値
である。別の実施例においては、それらは互いに逆の信
号であり、従ってそれらはタイミング及び大きさが正確
に反対に変化する。

【００４１】体の容量に対するプレート４３は、基板１
と接触している指１８によって示されている。ステップ
電圧△Ｖ_inが前に図６に関して示したように、インピー
ダンスＺ ＢＯＤＹを介して体の容量へ接続される。体
が、フィードバックコンデンサのプレート２４及び２３
に非常に密接して隣接している皮膚の一部のような導体
を有している場合には、体の容量のプレート４３は、体
の導体がプレート２４及び２３から更に離隔されている
場合と異なる効果を有している。特に、山が存在する場
合には、入力力線３７は著しく増加され、従って、体の
容量４３はノード２５において入力容量を増加させる効
果を有している。同時に、同一の体部分が検知動作が行
われている同一のセルに対するコンデンサプレート２４
及び２３に隣接しているので、同一の効果は図６に関し
て説明したように、プレート２４及び２３から発生する
力線３５を著しく減少させる。即ち、入力容量及び検知
容量の両方に対して体を使用することの効果は反対の効
果であって、即ち一方の場合においては、入力容量を増
加させ、且つ他方の場合においては、検知容量を減少さ
せる。これら２つの方程式部分は互いに比を構成するも
のであるので、測定の全体的感度は著しく向上される。
同様に、体容量４３がセル２に隣接する谷を有している
場合には、それは減少された力線３７によって表される
減少された入力容量を有し且つプレート２４と２３との
間の容量が増加される。何故ならば、谷は、図６に示し
たように、力線３５と干渉することはないからである。
従って、寄生容量４１及び４３は回路に関し全体的に減
少した効果を有している。

【００４２】図１１及び１２は指紋検知が行われている
間の人間の体に電圧変化△Ｖ_inを与える１つの許容可能
な事実を示している。基板１がハウジング６０内に設け
られている。基板１の表面上に複数個の電気的導体３０
が図８及び９に示したように位置されている。導体３０
及び３１は基板１の上表面に形成した導電性の複数個の
ストリップである。特に、これらの電気的導体は基板１
の上に配置されたユーザの指１８と直接電気的接触状態
にある。

【００４３】本発明原理によれば、電気的導体３０及び
３１は、検知動作のタイミング及び電気的導体３０，３
１と相対的に検知されるセルの位置に依存して、それに
対してステップ電圧△Ｖ_inが印加されるか又は接地電圧
が印加される。１組の導体３０は前述したタイミングシ
ーケンスに従って体に△Ｖ_inを印加するためにそれに対
してステップ電圧△Ｖ_inが印可される。他方の導体は、
検知中のセルに隣接していない指１８の部分を接地する
ために接地される。この場合には、図６に示したような
接地３３に対する抵抗は０に減少される。

【００４４】図１１及び１２に基づく回路の動作につい
て以下に説明する。ユーザが基板１上に指を配置させる
と、その指の一部がワイヤ３０からなるアレイと接触さ
れ、一方指の別の部分がワイヤ３１からなるアレイと接
触状態とされる。ワイヤからなるグリッドの各々の下側
には複数個のセンサセル２から構成されるアレイ３が存
在している。図１２に示したように特定のセル２ａにお
いて検知動作が行われている場合に、その特定のセルに
隣接したワイヤからなるグリッドはスイッチ５１によっ
て△Ｖ_inヘ接続される。従って、△Ｖ_inが高から低へ変
化すると、指と直接接触している電気的導体３０も△Ｖ
_inに追従する。検知中のセル２ａから離隔しており、従
って、セル２ｃの上方にある電気的グリッド３１の他の
部分については、接地への電気的接続が形成され、した
がって指１８の一部は接地に維持される。検知動作は図
１に示した垂直及び水平方向のスキャン即ち走査に従っ
て進行する。検知動作がアレイを介して進行する場合
に、検知中のセル２に最も密接して隣接しているものが
３０であるか又は３１であるかに拘わらずに局所化され
たワイヤのグリッドが直接的に△Ｖ_inヘ接続され、従っ
て指のその部分は電圧△Ｖ_inを追従する。グリッドの他
の部分は接地へ接続される。即ち、グリッド３０の下側
にあるセルが検知中である場合には、グリッド３０は△
Ｖ_inヘ接続される。その後に、グリッド３１下側にある
セルが検知される場合には、グリッド３０は接地へ接続
され、且つグリッド３１は△Ｖ_inヘ接続される。図８に
示した例においては、グリッド３０と３１との間に空間
距離が存在しており、従ってそれらは互いに電気的に干
渉することはない。別法として、図１２の中間電極５３
によって示されるように、それらの間に第三グリッドを
設け、それを△Ｖ_in又は接地へ接続させることが可能で
ある。一方、基板８上に単に２つのグリッドを有するだ
けで充分な場合がある。

【００４５】図１３は本発明の原理に基づく更なる別の
実施例を示している。この実施例によれば、ハウジング
６０がその中に基板１を包含しており、該基板は前述し
た如くセンサアレイ３を有している。基板１はセンサア
レイ３を具備する基板１を収納するために防水及び堅牢
なパッケージ６０を与えるために封止物質３７を有して
いる。端部部分における上表面上には導体３２及び３４
が設けられている。導体３２及び３４は直接的に隣接し
ているか、又は幾つかの場合においては、封止物質３７
によってオーバーラップされている。重要なことである
が、導体３２及び３４はセンサアレイの部分の直上には
ない。その代りに、それらはアレイから充分に離隔され
ており、従って、それらはセル２内の各個別的なセルの
容量値に電気的な影響を与えるものではない。１実施例
においては、導体３２は全体的な検知動作期間中△Ｖ_in
へ接続しており、且つ導体３４は接地へ接続している。
この場合には、電気的導体３２が検知動作期間中にセル
２の全てに対して電圧変化△Ｖ_inを与える。同様に、導
体３４は常に接地されており、Ｒ_gが０又はその近傍に
あるように体の一部を接地させる。各個別的なセンサセ
ル２の出力が与えられ、従って前述した如く指紋検知が
行われる。

【００４６】別の実施例においては、電気的導体３２及
び３４が互いに接続されており、パッケージ６０内の基
板１の周辺端部周りの全体にわたって連続した単一のス
トリップである導電性ストリップを与えている。理解さ
れるように、好適動作のためには、ユーザの指が常に導
体３２又は導体３４のいずれかと接触状態にある。然し
ながら、ユーザが指を移動させると、該導体のうちの１
つ又は２つとの接触が外れ且つ他方の導体に押付けられ
る場合がある。このことは検知能力に対して有害な影響
を与える場合があるので、センサアレイ３を取囲む導体
全体が常に同一の電圧にあることが望ましく、従って指
が移動された場合に、常に既知の電圧と接触状態にある
ことが確保することが可能である。この場合に、導電性
リング３２及び３４は互いに電気的に接続されており、
従って両者は、常に、同一の電圧に保持される。本発明
原理によれば、該電圧は△Ｖ_inであり、従って人間の体
における電圧は検知動作期間中に直接制御される。この
場合には、接地への抵抗は制御されることはない。即
ち、図３に示したような抵抗Ｒ_gは未知の値となる。図
１４は指への電気的接続を与える導電性ハウジングシー
ル３４を示している。カーボン、グラファイト等の導電
性粒子が封止部材３４内に埋設されており、従って電圧
ステップをハウジング６０へ印加することが可能であ
り、且つそれは人の指へ供給される。

【００４７】図１５は人の指１８へ電圧変化を与える別
の回路を示している。基板内にコンデンサの大型のプレ
ートが形成されている。これはセンサセル２のプレート
とは別体であり且つそれから離隔されている。電荷転送
コンデンサのプレート９２が入力電圧△Ｖ_inへ接続され
る。ユーザの指は入力コンデンサの他方のプレートとし
て作用する。この場合には、入力コンデンサのプレート
９２は非常に大型であり、従って、それは多くの山及び
谷をカバーする。その主要な目的は電荷転送であり検知
動作ではない。電圧変化△Ｖ_inがこのプレート９２へ与
えられると、該コンデンサの他方のプレートとして作用
する体がステップ入力電圧を経験する。この効果は本明
細書において説明した態様で個々のセル２において検知
される。

【００４８】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ制限
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来技術に基づく指紋センサを示した概略
図。

【図２】 従来技術に基づく図１の指紋センサの個別的
なセルを示した概略図。

【図３】 異なる従来技術に基づく指紋センサ回路を示
した概略図。

【図４】 図３からの指紋センサを示した概略図。

【図５】 本発明に基づく指紋センサを示した概略図。

【図６】 本発明の原理に基づく指紋センサを示した概
略図。

【図７】 本発明の原理に基づく指紋センサの別の実施
例を示した概略図。

【図８】 本発明に基づく指紋センサを示した概略図。

【図９】 本発明の原理に基づいて指紋の山及び谷パタ
ーンを検知する複数個のセルを示した概略図。

【図１０】 本発明の原理に基づいて種々の等価電気的
構成要素の間の電気的相互作用を示した電気的等価回路
図。

【図１１】 本発明に基づくセンサを包含するハウジン
グを示した概略図。

【図１２】 線１２に沿ってとった図７の基板の概略断
面図。

【図１３】 本発明に基づく別の基板及びハウジングを
示した概略図。

【図１４】 本発明の別の基板及びハウジングを示した
概略図。

【図１５】 ユーザの指に電圧変化を与える別の実施例
を示した概略図。

【図１６】 本発明の原理に基づく回路を示した概略
図。

【符号の説明】

１ 基板 ２ センサセル ３ アレイ ７ 制御器 １１ 誘電体層 １３ 反転用増幅器 １８ 指 １９ 端子 ２１ 電気的導体 ２３，２４ プレート

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 指紋検知回路において、 基板、 前記基板に形成したセンサセル、 前記センサセル上に設けた誘電体層、 前記誘電体層上に配置させた指に電圧変化を与える導電
   体、 前記指の電圧を変化させる可変電圧供給源、を有してい
   ることを特徴とする指紋検知回路。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記導電体が前記誘
   電層の上に導電性グリッドを有していることを特徴とす
   る指紋検知回路。
3. 【請求項３】 請求項１において、前記導電体が前記基
   板内のコンデンサのプレートを有していることを特徴と
   する指紋検知回路。