JP2003271939A

JP2003271939A - 画像読取装置

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Publication number: JP2003271939A
Application number: JP2002075937A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Mizutani; 康司水谷
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2003-09-26
Anticipated expiration: 2022-03-19
Also published as: JP4180290B2

Abstract

(57)【要約】【課題】被写体が検知面に載置されたことを良好に検
出して、該被写体の画像パターンの読取動作を誤動作な
く確実に開始することができるとともに、被写体に帯電
した静電気を十分に除去して素子や周辺回路の破壊等を
防止することができる画像読取装置を提供する。【解決手段】画像読取装置は、フォトセンサアレイ１
００上方の略全域に形成された透明電極層３０と、該透
明電極層３０における容量変化を検出する検出回路４０
と、該検出回路４０からの切換制御信号Ｓswに基づいて
フォトセンサアレイ１００と各ドライバ群１１０、１２
０、１３０及び接地電位との接続状態を切り換え制御す
るスイッチ群ＳＷｔ、ＳＷｂ、ＳＷｄ、ＳＷｇと、を備
え、指ＦＧが非接触状態においては、スイッチ群ＳＷ
ｔ、ＳＷｂ、ＳＷｄ、ＳＷｇをＯＦＦ状態にしてフォト
センサアレイ１００を電気的に切り離した状態に設定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像読取装置に関
し、特に、複数のセンサがマトリクス状又はライン状に
配列されたセンサアレイ上に被写体を載置、接触させ
て、該センサアレイを走査駆動することにより、被写体
の画像パターン（２次元画像）を読み取る画像読取装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、印刷物や写真、あるいは、指紋等
の微細な凹凸形状等の２次元の画像パターンを読み取る
技術として、例えば、光電変換素子（センサ）等をマト
リクス状又はライン状に配列して構成されるセンサアレ
イを走査駆動することにより、該センサアレイ上に設け
られた検知面に載置、接触された被写体の画像パターン
を読み取る画像読取装置が知られている。このような画
像読取装置は、近年の個人情報や企業情報等の管理や保
護、あるいは、防犯等のセキュリティに対する社会的な
要求に伴って、指紋等の生体固有の情報を照合すること
により個人を識別する、いわゆるバイオメトリック認証
技術の分野への応用が盛んに研究、開発されている。

【０００３】ここで、画像読取装置を指紋読取装置等に
適用した場合、被写体（例えば、指等の人体の一部）が
所定の検知面に載置、接触された状態を検出して、画像
読取動作を開始（起動）することにより、画像読取装置
のセンサアレイを構成するセンサの素子特性の劣化（例
えば、センサを常時駆動させた場合における外光の入射
に伴う読取特性の劣化等）を抑制しつつ、適切な画像読
取動作を実現する機能（以下、「被写体検出機能」とい
う）を備えたものが知られている。この被写体検出機能
を実現する技術としては、一般に、容量検出方式や抵抗
検出方式が知られている。

【０００４】容量検出方式による被写体検出機能を備え
た画像読取装置（指紋読取装置）としては、例えば、図
１１に示すように、複数のセンサ１０ｐがマトリクス状
に配列されたセンサアレイ１００ｐと、センサアレイ１
００ｐ上に保護絶縁膜（図示を省略）を介して、該セン
サアレイ１００ｐの略全域を覆うように形成された電極
層３０ｐと、電極層３０ｐに引き出し配線ＰＬｐを介し
て接続され、電極層３０ｐに被写体（指）ＦＧが載置、
接触されることによる特有の容量変化を検出して、画像
読取装置における画像読取動作を開始するための制御信
号ＳＧｐを出力する検出回路４０ｐと、引き出し配線Ｐ
Ｌｐと接地電位との間に接続された逆並列ダイオード回
路５０ｐと、センサアレイ１００ｐの背面側に配置され
た面光源（図示を省略）と、を有して構成されている。

【０００５】このような画像読取装置においては、図１
２（ａ）に示すように、センサアレイ１００ｐと電極層
３０ｐとの間に保護絶縁膜２０ｐが誘電体として介在
し、また、センサアレイ１００ｐ（センサ１０ｐ）が常
時接地された回路構成を有しているため、電極層３０ｐ
上面の検知面に指ＦＧ等の被写体が載置、接触されてい
ない状態（非接触状態）であっても、本来的に容量Ｃ１
を有している。ここで、図１２（ｂ）に示すように、指
ＦＧを電極層３０ｐに載置、接触させると（接触状
態）、センサアレイ１００ｐ自体が本来有する上記容量
Ｃ１に対して、誘電体としての指（人体）ＦＧの接触に
起因して容量Ｃ２が付加されて変化（Ｃ１→Ｃ１＋Ｃ
２）を生じるため、この容量変化を検出回路４０ｐによ
り検出することにより、センサアレイ１００ｐ上に指が
載置されたことを判断して、指紋の読取動作が開始され
る。なお、このような被写体の接触状態を容量変化によ
り検出する技術は、例えば、特許第２９３７０４６号公
報等にも記載されている。

【０００６】ここで、上述した画像読取装置において
は、引き出し配線ＰＬｐから分岐して逆並列ダイオード
回路５０ｐが設けられていることにより、指（人体）Ｆ
Ｇに帯電していた電荷（静電気）に起因する過大電圧
を、電極層３０ｐから引き出し配線ＰＬｐ及び逆並列ダ
イオード回路５０ｐを介して、接地電位に放電して除去
する機能（以下、「静電気除去機能」という）を有して
いるので、センサ１０ｐの素子破壊や、検出回路４０ｐ
における静電破壊等を防止又は抑制することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来の画像読取装置においては、次に示すよう
な問題を有していた。すなわち、上述したような容量検
知方式の画像読取装置においては、指ＦＧ等の被写体が
電極層３０ｐに接触していない状態で検出回路４０ｐに
より検出される容量Ｃ１は、一般に、概ね６０００ｐＦ
程度と比較的高い数値であるのに対して、指ＦＧの接触
に起因して付加される容量Ｃ２は、概ね１００ｐＦ程度
と極めて低く、接触状態において検出される容量変化が
微小であるため、検知回路４０ｐにおける容量変化の検
出感度を十分高いものにしなければならず、製品コスト
の上昇等を招くという問題を有していた。

【０００８】また、上述したような画像読取装置におい
ては、静電気に帯電した指ＦＧ等が電極層３０ｐに載
置、接触された場合、該静電気による電流が上記引き出
し配線ＰＬｐ及び逆並列ダイオード５０ｐを介して、接
地電位に放電されるが、センサアレイ１００ｐを構成す
る各センサ１０ｐが常時接地された回路構成を有してい
るため、静電気の一部が各センサ１０ｐを介して接地電
位に放電されて、該センサ１０ｐの素子破壊を生じた
り、各センサ１０ｐに接続された駆動制御回路（ドライ
バ）等の周辺回路における静電破壊や誤動作を生じると
いう問題を有していた。

【０００９】そこで、本発明は、上述した問題点に鑑
み、被写体が検知面に載置されたことを良好に検出し
て、該被写体の画像パターンの読取動作を誤動作なく確
実に開始することができるとともに、被写体に帯電した
静電気を十分に除去して素子や周辺回路の破壊等を防止
することができる画像読取装置を提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
画像読取装置は、複数のセンサを配列したセンサアレイ
を備え、該センサアレイ上の検知面に載置された被写体
の画像パターンを読み取る画像読取装置において、前記
センサアレイに所定の駆動制御信号を供給する駆動制御
手段と、前記センサアレイに所定の駆動電圧を供給する
電源手段と、前記センサアレイと前記駆動制御手段及び
前記電源手段との間に設けられたスイッチ手段と、前記
検知面への前記被写体の載置状態を検出する被写体検出
手段と、を備え、前記スイッチ手段は、前記被写体検出
手段からの制御信号に応じて、前記センサアレイと前記
駆動制御手段及び前記電源手段との接続状態を切り換え
制御することを特徴としている。

【００１１】請求項２記載の画像読取装置は、請求項１
記載の画像読取装置において、前記被写体検出手段は、
少なくとも、前記検知面に設けられた電極層と、前記電
極層の容量変化を検出し、該容量変化に応じた前記制御
信号を前記スイッチ手段に出力する容量変化検出回路
と、を備えていることを特徴としている。請求項３記載
の画像読取装置は、請求項２記載の画像読取装置におい
て、前記被写体検出手段は、前記電極層の容量の増加を
検出した場合に、前記センサアレイと前記駆動制御手段
及び前記電源手段とを接続するための前記制御信号を前
記スイッチ手段に出力することを特徴としている。請求
項４記載の画像読取装置は、請求項１乃至３のいずれか
に記載の画像読取装置において、前記センサアレイ、前
記駆動制御手段及び前記電源手段は、各々ユニット化さ
れた構成を有し、前記スイッチ手段は、前記センサアレ
イと前記駆動制御手段及び前記電源手段との接続端子間
に介在させるように設けられていることを特徴としてい
る。

【００１２】請求項５記載の画像読取装置は、請求項１
乃至４のいずれかに記載の画像読取装置において、前記
センサは、半導体層からなるチャネル領域を挟んで形成
されたソース電極及びドレイン電極と、少なくとも前記
チャネル領域の上方及び下方に各々絶縁膜を介して形成
された第１のゲート電極及び第２のゲート電極と、を備
え、前記第１のゲート電極又は前記第２のゲート電極の
いずれか一方を前記検知面側として、前記駆動制御手段
から前記第１のゲート電極及び前記第２のゲート電極に
前記駆動制御信号を供給することにより設定される所定
の電荷蓄積期間に、前記検知面側から照射された光の量
に対応する電荷が前記チャネル領域に発生して蓄積され
る構成を有し、該蓄積された電荷の量に基づいて出力さ
れる電圧により前記検知面に載置された前記被写体の画
像パターンを読み取ることを特徴としている。

【００１３】すなわち、複数のセンサ（ダブルゲート型
フォトセンサ）がマトリクス状又はライン状に配列され
たセンサアレイの上方に設けられた検知面に載置、接触
された被写体の画像パターンを読み取る画像読取装置に
おいて、少なくとも、センサアレイの上方の略全域に形
成され、上記検知面を構成する電極層（透明電極層）
と、該電極層における容量変化を観測して、検知面への
被写体の載置状態を検出する検出回路（被写体検出手
段）と、センサアレイと各ドライバ群（駆動制御手段）
及び接地電位（電源手段）との間に設けられ、上記検出
回路からの切換制御信号（制御信号）に基づいてＯＮ／
ＯＦＦ動作し、センサアレイと各ドライバ群及び接地電
位との接続状態を切り換え制御するスイッチ群（スイッ
チ手段）と、を備え、被写体が検知面に接触していない
非接触状態においては、スイッチ群をＯＦＦ状態にして
センサアレイが電気的に切り離された状態に設定し、被
写体が検知面に接触した接触状態においては、スイッチ
群をＯＮ状態にしてセンサアレイと各ドライバ群及び接
地電位を接続して、画像読取動作が可能な状態に移行す
るように制御される。

【００１４】これにより、非接触状態においてセンサア
レイに本来的に生じる容量をほとんど０にすることがで
きるので、検知面への被写体の接触に伴う僅かな容量の
変化であっても、比較的検出感度の低い検出回路により
良好に検出される。また、検知面への被写体の接触に際
して、被写体に静電気が帯電している場合であっても、
被写体の接触直後においては、センサアレイが電気的に
切り離された状態にあるので、静電気に伴う電流がセン
サに流下することなく、所定の放電機構（逆並列ダイオ
ード回路）を介して接地電位に放電される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る画像読取装
置の実施の形態について、詳しく説明する。まず、本発
明に係る画像読取装置に適用して良好なセンサの構成に
ついて説明する。本発明に係る画像読取装置に適用され
るセンサとしては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）
等の固体撮像デバイスを用いることができる。

【００１６】ＣＣＤは、周知の通り、フォトダイオード
や薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：ThinFilm Transistor）
等のフォトセンサをマトリクス状に配列した構成を有
し、各フォトセンサの受光部に照射された光量に対応し
て発生する電子−正孔対の量（電荷量）を、水平走査回
路及び垂直走査回路により検出し、照射光の輝度を検知
するものである。ところで、このようなＣＣＤを用いた
フォトセンサシステムにおいては、走査された各フォト
センサを選択状態にするための選択トランジスタを個別
に設ける必要があるため、検出画素数が増大するにした
がってシステム自体が大型化するという問題を有してい
る。

【００１７】そこで、近年、このような問題を解決する
ための構成として、フォトセンサ自体にフォトセンス機
能と選択トランジスタ機能とを持たせた、いわゆる、ダ
ブルゲート構造を有する薄膜トランジスタ（以下、「ダ
ブルゲート型トランジスタ」という）が開発され、シス
テムの小型化、及び、画素の高密度化（読取画像の高精
細化）を図る試みがなされている。そのため、本発明に
おける画像読取装置においても、このダブルゲート型ト
ランジスタを良好に適用することができる。

【００１８】ここで、本発明に係る画像読取装置に適用
可能なダブルゲート型トランジスタによるフォトセンサ
（以下、「ダブルゲート型フォトセンサ」と記す）につ
いて、図面を参照して説明する。＜ダブルゲート型フォトセンサ＞図１は、ダブルゲート
型フォトセンサの概略構成を示す断面構造図である。

【００１９】図１（ａ）に示すように、ダブルゲート型
フォトセンサ１０は、励起光（ここでは、可視光）が入
射されると電子−正孔対が生成されるアモルファスシリ
コン等の半導体層（チャネル層）１１と、半導体層１１
の両端にそれぞれ設けられたｎ^＋シリコンからなる不純
物層１７、１８と、不純物層１７、１８上に形成された
クロム、クロム合金、アルミニウム、アルミニウム合金
等から選択され、可視光に対して不透明のドレイン電極
１２及びソース電極１３と、半導体層１１の上方（図面
上方）にブロック絶縁膜１４及び上部（トップ）ゲート
絶縁膜１５を介して形成された酸化スズ（ＳｎＯ₂）膜
やＩＴＯ（Indium-Tin-Oxide：インジウム−スズ酸化
物）膜等の透明電極層からなり、可視光に対して透過性
を示すトップゲート電極（第１のゲート電極）２１と、
半導体層１１の下方（図面下方）に下部（ボトム）ゲー
ト絶縁膜１６を介して形成されたクロム、クロム合金、
アルミニウム、アルミニウム合金等から選択され、可視
光に対して不透明なボトムゲート電極（第２のゲート電
極）２２と、を有して構成されている。そして、このよ
うな構成を有するダブルゲート型フォトセンサ１０は、
ガラス基板等の透明な絶縁性基板１９上に形成されてい
る。

【００２０】ここで、図１（ａ）において、トップゲー
ト絶縁膜１５、ブロック絶縁膜１４、ボトムゲート絶縁
膜１６、トップゲート電極２１上に設けられる保護絶縁
膜２０及び最上層の透明電極層３０は、いずれも半導体
層１１を励起する可視光に対して高い透過率を有する材
質、例えば、窒化シリコンや酸化シリコン、ＩＴＯ等に
より構成されることにより、図面上方から入射する光の
みを検知する構造を有している。

【００２１】なお、このようなダブルゲート型フォトセ
ンサ１０は、一般に、図１（ｂ）に示すような等価回路
により表される。ここで、ＴＧはトップゲート電極２１
と電気的に接続されたトップゲート端子、ＢＧはボトム
ゲート電極２２と電気的に接続されたボトムゲート端
子、Ｓはソース電極１３と電気的に接続されたソース端
子、Ｄはドレイン電極１２と電気的に接続されたドレイ
ン端子である。

【００２２】次いで、上述したダブルゲート型フォトセ
ンサの駆動制御方法について、図面を参照して説明す
る。図２は、ダブルゲート型フォトセンサの基本的な駆
動制御方法の一例を示すタイミングチャートであり、図
３は、ダブルゲート型フォトセンサの動作概念図であ
り、図４は、ダブルゲート型フォトセンサの出力電圧の
光応答特性を示す図である。ここでは、上述したダブル
ゲート型フォトセンサの構成（図１）を適宜参照しなが
ら説明する。

【００２３】まず、リセット動作（初期化動作）におい
ては、図２、図３（ａ）に示すように、ダブルゲート型
フォトセンサ１０のトップゲート端子ＴＧにパルス電圧
（以下、「リセットパルス」と記す；例えば、Ｖtg＝＋
１５Ｖのハイレベル）φＴｉを印加して、半導体層１
１、及び、ブロック絶縁膜１４における半導体層１１と
の界面近傍に蓄積されているキャリヤ（ここでは、正
孔）を放出する（リセット期間Ｔrst）。

【００２４】次いで、キャリヤ蓄積動作（電荷蓄積動
作）においては、図２、図３（ｂ）に示すように、トッ
プゲート端子ＴＧにローレベル（例えば、Ｖtg＝−１５
Ｖ）のバイアス電圧φＴｉを印加することにより、リセ
ット動作を終了し、キャリヤ蓄積動作による電荷蓄積期
間Ｔａがスタートする。電荷蓄積期間Ｔａにおいては、
トップゲート電極２１側から入射した光量に応じて半導
体層１１の入射有効領域、すなわち、キャリヤ発生領域
で電子−正孔対が生成され、半導体層１１、及び、ブロ
ック絶縁膜１４における半導体層１１との界面近傍、す
なわち、チャネル領域周辺に正孔が蓄積される。

【００２５】そして、プリチャージ動作においては、図
２、図３（ｃ）に示すように、電荷蓄積期間Ｔａに並行
して、プリチャージ信号φpgに基づいてドレイン端子Ｄ
に所定の電圧（プリチャージ電圧）Ｖpgを印加し、ドレ
イン電極１２に電荷を保持させる（プリチャージ期間Ｔ
prch）。次いで、読み出し動作においては、図２、図３
（ｄ）に示すように、プリチャージ期間Ｔprchを経過し
た後、ボトムゲート端子ＢＧにハイレベル（例えば、Ｖ
bg＝＋１０Ｖ）のバイアス電圧（読み出し選択信号；以
下、「読み出しパルス」と記す）φＢｉを印加すること
（選択状態）により、ダブルゲート型フォトセンサ１０
をＯＮ状態にする（読み出し期間Ｔread）。

【００２６】ここで、読み出し期間Ｔreadにおいては、
チャネル領域に蓄積されたキャリヤ（正孔）が逆極性の
トップゲート端子ＴＧに印加されたＶtg（−１５Ｖ）を
緩和する方向に働くため、ボトムゲート端子ＢＧのＶbg
（＋１５Ｖ）によりｎチャネルが形成され、ドレイン電
流に応じてドレイン端子Ｄの電圧（ドレイン電圧）ＶＤ
は、図４（ａ）に示すように、プリチャージ電圧Ｖpgか
ら時間の経過とともに徐々に低下する傾向を示す。

【００２７】すなわち、電荷蓄積期間Ｔａにおけるキャ
リヤ蓄積状態が明状態の場合には、図３（ｄ）に示すよ
うに、チャネル領域に入射光量に応じたキャリヤ（正
孔）が捕獲されているため、トップゲート端子ＴＧの負
バイアスを打ち消すように作用し、この打ち消された分
だけボトムゲート端子ＢＧの正バイアスによって、ダブ
ルゲート型フォトセンサ１０はＯＮ状態となる。そし
て、この入射光量に応じたＯＮ抵抗に従って、図４
（ａ）に示すように、ドレイン電圧ＶＤは、低下するこ
とになる。

【００２８】一方、キャリヤ蓄積状態が暗状態で、チャ
ネル領域にキャリヤ（正孔）が蓄積されていない場合に
は、図３（ｅ）に示すように、トップゲート端子ＴＧに
負バイアスをかけることによって、ボトムゲート端子Ｂ
Ｇの正バイアスが打ち消され、ダブルゲート型フォトセ
ンサ１０はＯＦＦ状態となり、図４（ａ）に示すよう
に、ドレイン電圧ＶＤが、ほぼそのまま保持されること
になる。

【００２９】したがって、図４（ａ）に示したように、
ドレイン電圧ＶＤの変化傾向は、トップゲート端子ＴＧ
へのリセットパルスφＴｉの印加によるリセット動作の
終了時点から、ボトムゲート端子ＢＧに読み出しパルス
φＢｉが印加されるまでの時間（電荷蓄積期間Ｔａ）に
受光した光量に深く関連し、蓄積されたキャリヤが多い
場合（明状態）には急峻に低下する傾向を示し、また、
蓄積されたキャリヤが少ない場合（暗状態）には緩やか
に低下する傾向を示す。そのため、読み出し期間Ｔread
がスタートして、所定の時間経過後のドレイン電圧ＶＤ
（＝Ｖrd）を検出することにより、あるいは、所定のし
きい値電圧を基準にして、その電圧に至るまでの時間を
検出することにより、ダブルゲート型フォトセンサ１０
に入射した光（照射光）の光量が換算される。

【００３０】上述した一連の画像読取動作を１サイクル
として、ｉ＋１番目の行のダブルゲート型フォトセンサ
１０にも同等の処理手順を繰り返すことにより、ダブル
ゲート型フォトセンサを２次元のセンサシステムとして
動作させることができる。なお、図２に示したタイミン
グチャートにおいて、プリチャージ期間Ｔprchの経過
後、図３（ｆ）、（ｇ）に示すように、ボトムゲート端
子ＢＧにローレベル（例えば、Ｖbg＝０Ｖ）を印加した
状態（非選択状態）を継続すると、ダブルゲート型フォ
トセンサ１０はＯＦＦ状態を持続し、図４（ｂ）に示す
ように、ドレイン電圧ＶＤは、プリチャージ電圧Ｖpgに
近似する電圧を保持する。このように、ボトムゲート端
子ＢＧへの電圧の印加状態により、ダブルゲート型フォ
トセンサ１０の読み出し状態を選択、非選択状態に切り
替える選択機能が実現される。

【００３１】＜フォトセンサシステム＞次いで、上述し
たダブルゲート型フォトセンサを所定の形式で配列して
構成されるフォトセンサアレイを備えたフォトセンサシ
ステムについて、図面を参照して説明する。ここでは、
複数のダブルゲート型フォトセンサを２次元配列して構
成されるフォトセンサアレイを示して説明するが、複数
のダブルゲート型フォトセンサをＸ方向に１次元配列し
てラインセンサアレイを構成し、該ラインセンサアレイ
をＸ方向に直交するＹ方向に移動させて２次元領域を走
査（スキャン）するものであってもよいことは言うまで
もない。

【００３２】図５は、ダブルゲート型フォトセンサを２
次元配列して構成されるフォトセンサアレイを備えたフ
ォトセンサシステムの概略構成図である。図５に示すよ
うに、フォトセンサシステムは、大別して、多数のダブ
ルゲート型フォトセンサ１０を、例えば、ｎ行×ｍ列
（ｎ、ｍは任意の自然数）のマトリクス状に配列したフ
ォトセンサアレイ１００と、各ダブルゲート型フォトセ
ンサ１０のトップゲート端子ＴＧ（トップゲート電極２
１）及びボトムゲート端子ＢＧ（ボトムゲート電極２
２）を各々行方向に接続して伸延するトップゲートライ
ン１０１及びボトムゲートライン１０２と、各ダブルゲ
ート型フォトセンサ１０のドレイン端子Ｄ（ドレイン電
極１２）を列方向に接続したドレインライン（データラ
イン）１０３と、ソース端子Ｓ（ソース電極１３）を列
方向に接続するとともに、接地電位に接続されたソース
ライン（コモンライン）１０４と、トップゲートライン
１０１に接続されたトップゲートドライバ１１０と、ボ
トムゲートライン１０２に接続されたボトムゲートドラ
イバ１２０と、ドレインライン１０３に接続されたコラ
ムスイッチ１３１、プリチャージスイッチ１３２、アン
プ１３３からなるドレインドライバ１３０と、を有して
構成されている。

【００３３】ここで、トップゲートライン１０１は、図
１に示したトップゲート電極２１とともに、ＩＴＯ等の
透明電極層で一体的に形成され、ボトムゲートライン１
０２、ドレインライン１０３並びにソースライン１０４
は、それぞれボトムゲート電極２２、ドレイン電極１
２、ソース電極１３と同一の励起光に不透明な材料で一
体的に形成されている。また、ソースライン１０４に
は、後述するプリチャージ電圧Ｖpgに応じて設定される
定電圧Ｖssが印加されるが、接地電位（ＧＮＤ）であっ
てもよい。

【００３４】なお、図５において、φtgは、リセット電
圧及び光キャリア蓄積電圧のいずれかとして選択的に出
力される信号φＴ１、φＴ２、…φＴｉ、…φＴｎを生
成するための制御信号であり、φbgは、読み出し電圧及
び非読み出し電圧のいずれかとして選択的に出力される
信号φＢ１、φＢ２、…φＢｉ、…φＢｎを生成するた
めの制御信号、φpgは、プリチャージ電圧Ｖpgを印加す
るタイミングを制御するプリチャージ信号である。ま
た、図５においては、ダブルゲート型フォトセンサ１０
のドレイン側又はソース側となる各端子に対して、便宜
的にドレイン及びソースの用語を固定的に用いるが、フ
ォトセンサシステム（ダブルゲート型フォトセンサ１
０）の動作状態に応じて、各端子の機能が切り替わるも
のであることはいうまでもない。

【００３５】このような構成において、トップゲートド
ライバ１１０からトップゲートライン１０１を介して、
トップゲート端子ＴＧに信号φＴｉ（ｉは任意の自然
数；ｉ＝１、２、・・・ｎ）を印加することにより、フ
ォトセンス機能が実現され、ボトムゲートドライバ１２
０からボトムゲートライン１０２を介して、ボトムゲー
ト端子ＢＧに信号φＢｉを印加し、ドレインライン１０
３を介して検出信号をドレインドライバ１３０に取り込
んで、シリアルデータ又はパラレルデータの出力電圧Ｖ
outとして出力することにより、選択読み出し機能が実
現される。

【００３６】図６は、上述したようなフォトセンサシス
テムを適用した画像読取装置（指紋読取装置）の要部断
面図である。なお、ここでは、説明及び図示の都合上、
フォトセンサシステムの断面部分を表すハッチングを省
略する。図６に示すように、指紋等の画像パターンを読
み取る画像読取装置においては、ダブルゲート型フォト
センサ１０が形成されたガラス基板等の絶縁性基板１９
下方側に設けられたバックライト（面光源）ＢＬから照
射光Ｌａを入射させ、この照射光Ｌａがダブルゲート型
フォトセンサ１０（詳しくは、ボトムゲート電極２２、
ドレイン電極１２、ソース電極１３）の形成領域を除
く、透明な絶縁性基板１９と絶縁膜１５、１６、２０を
透過して、透明電極層３０上面の検知面（指紋検出面）
３０ａに載置された指（被写体）４０に照射される。

【００３７】そして、指紋読取装置による指紋の読取動
作時においては、指４０の皮膚表層４１の半透明層が、
フォトセンサアレイ１００の最上層に形成された透明電
極層３０に接触することにより、透明電極層３０と皮膚
表層４１との間の界面に屈折率の低い空気層がなくな
る。ここで、皮膚表層４１の厚さは、６５０ｎｍより厚
いため、指紋４２の凸部４２ａにおいて内部に入射され
た光Ｌａは、皮膚表層４１内を散乱、反射しながら伝搬
する。伝搬された光Ｌｂの一部は、透明な電極層３０、
透明な絶縁膜２０、１５、１４及びトップゲート電極２
１を透過してダブルゲート型フォトセンサ１０の半導体
層１１に励起光として入射される。このように、指４０
の凸部４２ａに対応する位置に配置されたダブルゲート
型フォトセンサ１０の半導体層１１に光が入射されて生
成されるキャリヤ（正孔）が蓄積されることにより、上
述した一連の駆動制御方法にしたがって、指４０の画像
パターンを明暗情報として読み取ることができる。

【００３８】また、指紋４２の凹部４２ｂにおいては、
照射された光Ｌａは、透明電極層３０の検知面３０ａと
空気層との間の界面を通過し、空気層の先の指４０に到
達して皮膚表層４１内で散乱するが、皮膚表層４１は空
気より屈折率が高いため、ある角度で界面に入射された
皮膚表層４１内の光Ｌｃは空気層に抜けにくく、凹部４
２ｂに対応する位置に配置されたダブルゲート型フォト
センサ１０の半導体層１１への入射が抑制される。

【００３９】このように、透明電極層３０としてＩＴＯ
等の透明な導電性材料を適用していることにより、透明
電極層３０上に載置された指４０に照射され、散乱、反
射した光が良好に各ダブルゲート型フォトセンサ１０の
半導体層１１に入射されることになるので、指（被写
体）４０の読取動作における読取感度特性が悪化するこ
とがなく、被写体の画像パターン（指紋）の読み取りが
良好に行われる。

【００４０】＜画像読取装置＞次に、本発明に係る画像
読取装置について、具体的な実施の形態を示して説明す
る。なお、以下に示す実施形態においては、センサとし
て、上述したダブルゲート型フォトセンサを適用した場
合について説明する。図７は、本発明に係る画像読取装
置の一実施形態を示す概略構成図であり、図８は、本実
施形態に係る画像読取装置の要部構成図である。なお、
ここでは、上述したフォトセンサシステムの構成（図
５、図６）を適宜参照しながら説明する。また、図１、
図５に示した構成と同等の構成については、同一の符号
を付して、その説明を簡略化又は省略する。

【００４１】図７に示すように、本実施形態に係る画像
読取装置は、上述した構成を有するダブルゲート型フォ
トセンサ１０がマトリクス状に配列されたフォトセンサ
アレイ１００と、該フォトセンサアレイ１００の一面側
の略全域に、保護絶縁膜（図示を省略）を介して形成さ
れた透明電極層３０と、フォトセンサアレイ１００（各
ダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート端子）
とトップゲートドライバ１１０との間に設けられたスイ
ッチ（以下、便宜的に「トップ側スイッチ」と記す）Ｓ
Ｗｔと、フォトセンサアレイ１００（各ダブルゲート型
フォトセンサ１０のボトムゲート端子）とボトムゲート
ドライバ１１０との間に設けられたスイッチ（以下、便
宜的に「ボトム側スイッチ」と記す）ＳＷｂと、フォト
センサアレイ１００（各ダブルゲート型フォトセンサ１
０のドレイン端子）とドレインドライバ１３０との間に
設けられたスイッチ（以下、便宜的に「ドレイン側スイ
ッチ」と記す）ＳＷｄと、フォトセンサアレイ１００
（各ダブルゲート型フォトセンサ１０のソース端子）と
接地電位との間に設けられたスイッチ（以下、便宜的に
「接地側スイッチ」と記す）ＳＷｇと、透明電極層３０
に引き出し配線ＰＬを介して接続された検出回路４０
と、引き出し配線ＰＬと接地電位との間に接続された逆
並列ダイオード回路５０と、センサアレイ１００の背面
側に配置された面光源（図示を省略）と、を有して構成
されている。ここで、フォトセンサアレイ１００、トッ
プゲートドライバ１１０、ボトムゲートドライバ１２０
及びドレインドライバ１３０は、上述したフォトセンサ
システムと同等の構成を有しているので、その説明を省
略する。

【００４２】検出回路４０は、引き出し配線ＰＬを介し
て、透明電極層３０の容量変化を常時観測し、透明電極
層３０に被写体が載置、接触されることにより生じる特
有の容量変化を検出した場合に、上記トップ側スイッチ
ＳＷｔ、ボトム側スイッチＳＷｂ、ドレイン側スイッチ
ＳＷｄ及び接地側スイッチＳＷｇを切り換え制御するた
めの切換制御信号Ｓswを出力するとともに、画像読取装
置における画像読取動作を開始するための制御信号ＳＧ
を出力する。また、逆並列ダイオード回路５０は、上述
した従来技術に示した場合と同様に、透明電極層３０上
面の検知面に載置、接触された被写体（指）に帯電した
静電気を接地電位に放電して、ダブルゲート型フォトセ
ンサ１０や検出回路４０の静電破壊を防止又は抑制す
る。

【００４３】トップ側スイッチＳＷｔは、具体的には、
図８に示すように、フォトセンサアレイ１００を構成す
るダブルゲート型フォトセンサ１０のトップゲート端子
ＴＧ相互を行方向に接続する複数のトップゲートライン
１０１ごとに個別に設けられたスイッチＳＴ１、ＳＴ
２、・・・ＳＴｎにより構成され、検出回路４０から出
力される切換制御信号Ｓswに基づいて、これらのスイッ
チＳＴ１、ＳＴ２、・・・ＳＴｎが同期して一斉にＯＮ
状態、もしくは、ＯＦＦ状態に制御される。

【００４４】また、ボトム側スイッチＳＷｂも同様に、
図８に示すように、ダブルゲート型フォトセンサ１０の
ボトムゲート端子ＢＧ相互を行方向に接続する複数のボ
トムゲートライン１０２ごとに個別に設けられたスイッ
チＳＢ１、ＳＢ２、・・・ＳＢｎにより構成され、上記
切換制御信号Ｓswに基づいて動作状態（ＯＮ状態又はＯ
ＦＦ状態）が制御される。

【００４５】また、ドレイン側スイッチＳＷｄは、図８
に示すように、ダブルゲート型フォトセンサ１０のドレ
イン端子Ｄ相互を列方向に接続する複数のドレインライ
ン１０３ごとに個別に設けられたスイッチＳＤ１、ＳＤ
２、・・・ＳＤｍにより構成され、上記切換制御信号Ｓ
swに基づいて動作状態（ＯＮ状態又はＯＦＦ状態）が制
御される。さらに、接地側スイッチＳＷｇは、図８に示
すように、ダブルゲート型フォトセンサ１０のソース端
子Ｓ相互を接続するソースライン（コモンライン）１０
４に設けられ、上記切換制御信号Ｓswに基づいて動作状
態（ＯＮ状態又はＯＦＦ状態）が制御される。

【００４６】したがって、これらのスイッチ群（トップ
側スイッチＳＷｔ、ボトム側スイッチＳＷｂ、ドレイン
側スイッチＳＷｄ及び接地側スイッチＳＷｇ；以下、同
様に「スイッチ群」と総称する）は、透明電極層３０上
面の検知面に被写体が載置、接触されたときに検出回路
４０から出力される単一の切換制御信号Ｓswにより、同
期してＯＮ状態、もしくは、ＯＦＦ状態のいずれかの動
作状態に制御される。

【００４７】また、図８に示すように、上記フォトセン
サアレイ１００及びトップゲートドライバ１１０、ボト
ムゲートドライバ１２０、ドレインドライバ１３０、接
地電位は、いずれも、ユニット化された構成を有し、予
めフォトセンサアレイ１００に対して他の構成が端子接
続が可能なように、フォトセンサアレイ１００には、各
トップゲートライン１０１ごとに外部接続端子Ｔst_１、
Ｔst_２、・・・Ｔst_ｎ、各ボトムゲートライン１０２ご
とに外部接続端子Ｔsb_２、Ｔsb_２、・・・Ｔsb _ｎ、各ド
レインライン１０３ごとに外部接続端子Ｔsd_２、Ｔs
d_２、・・・Ｔsd_ｍ、ソースライン１０４に外部接続端
子Ｔsgが各々設けられている。

【００４８】一方、トップゲートドライバ１１０には各
トップゲートライン１０１（上記外部接続端子Ｔst_１、
Ｔst_２、・・・Ｔst_ｎ）に対応して外部接続端子Ｔ
ｔ_１、Ｔｔ_２、・・・Ｔｔ_ｎが設けられ、ボトムゲート
ドライバ１２０には各ボトムゲートライン１０２（上記
外部接続端子Ｔsb_２、Ｔsb_２、・・・Ｔsb_ｎ）に対応し
て外部接続端子Ｔｂ_１、Ｔｂ_２、・・・Ｔｂ_ｎが設けら
れ、ドレインドライバ１３０には各ドレインライン１０
３（上記外部接続端子Ｔsd_２、Ｔsd_２、・・・Ｔsd _ｍ）
に対応して外部接続端子Ｔｄ_１、Ｔｄ_２、・・・Ｔｄ_ｍ
が設けられ、接地電位にはソースライン１０４（上記外
部接続端子Ｔsg）に対応して外部接続端子Ｔｇが設けら
れた構成を有している。

【００４９】したがって、本実施形態に係る上記スイッ
チ群は、各々、フォトセンサアレイ１００とトップゲー
トドライバ１１０相互、フォトセンサアレイ１００とボ
トムゲートドライバ１２０相互、フォトセンサアレイ１
００とドレインドライバ１３０相互、フォトセンサアレ
イ１００と接地電位相互の端子接続のため、予め設けら
れた上記外部接続端子間に介挿されるように接続されて
いる。

【００５０】次に、上述したような構成を有する画像読
取装置を指紋読取装置に適用した場合の駆動動作につい
て、図面を参照して説明する。図９は、本実施形態に係
る画像読取装置を指紋読取装置に適用した場合におい
て、被写体が検知面に接触した直後の状態を示す概略図
であり、図１０は、本実施形態に係る画像読取装置を指
紋読取装置に適用した場合において、画像読取動作が開
始された状態を示す概略図である。

【００５１】（非接触状態）まず、上述したような構成
を有する指紋読取装置（画像読取装置）において、フォ
トセンサアレイ１００上方の透明電極層３０の検知面３
０ａに被写体である指が載置されていない非接触状態
（初期状態）では、検出回路４０からは切換制御信号Ｓ
swが出力されず、フォトセンサアレイ１００とドライバ
群（トップゲートドライバ１１０、ボトムゲートドライ
バ１２０、ドレインドライバ１３０；以下、同様に「ド
ライバ群」と総称する）及び接地電位との間に設けられ
たスイッチ群は、いずれもＯＦＦ状態に制御される。

【００５２】したがって、この非接触状態においては、
フォトセンサアレイ１００を構成する各ダブルゲート型
フォトセンサ１０のソース端子Ｓ（ソースライン１０
４）が接地電位に接続されていないフローティング状態
にあって、透明電極層３０とフォトセンサアレイ１００
間にはほとんど容量が発生しないので、透明電極層３０
に接続された検出回路４０により観測される容量は、概
ね０（もしくは、極めて微小な数値）となる。

【００５３】（接触直後）次いで、上述したような非接
触状態にある指紋読取装置において、図９に示すよう
に、検知面３０ａに指ＦＧが載置、接触されると、その
直後の状態では、従来技術に示した場合と同様に、透明
電極層３０と誘電体である指ＦＧとの間に概ね１００ｐ
Ｆ程度の容量が生じ、検出回路４０によりこの容量変化
（図中、細矢印）が検出される。ここで、上述したよう
に、本実施形態においては、初期状態において透明電極
層３０とフォトセンサアレイ１００との間に本来的に生
じる容量はほぼ０に等しいので、検出回路４０の検出感
度が比較的低いものであっても、上述した指ＦＧの接触
により生じる微小な容量（１００ｐＦ程度）を相対的に
大きな容量値の変化として良好に検出することができ
る。

【００５４】また、上記指ＦＧの検知面３０ａへの載
置、接触、及び、容量変化の検出に際して、指ＦＧが静
電気（電荷）に帯電している場合、上述したように、ス
イッチ群がＯＦＦ状態に制御されていることにより、フ
ォトセンサアレイ１００とドライバ群及び接地電位は、
電気的に切り離された状態にあるので、電荷はダブルゲ
ート型フォトセンサ１０に流下することなく、引き出し
配線ＰＬ及び逆並列ダイオード回路５０を介して、接地
電位に放電される（図中、太矢印）。これにより、ダブ
ルゲート型フォトセンサ１０やドライバ群、検出回路４
０における静電破壊や誤動作の発生等を良好に防止又は
抑制することができる。

【００５５】（指紋読取動作開始）そして、上述したよ
うに、検出回路４０により、検知面３０ａへの指ＦＧの
接触による特有の容量変化が検出されると、図１０に示
すように、切換制御信号Ｓswがスイッチ群に出力されて
ＯＮ状態に切り換え制御され、フォトセンサアレイ１０
０とドライバ群及び接地電位が電気的に接続された状態
に設定されるとともに、制御信号ＳＧが図示を省略した
指紋読取装置のコントローラに出力されて指紋読取動作
が開始される。したがって、指ＦＧが検知面３０ａに載
置、接触された直後においては、極めて短い時間に指Ｆ
Ｇに帯電した静電気が逆並列ダイオード回路５０を介し
て接地電位に放電されるとともに、指ＦＧの接触に伴う
透明電極層３０の容量変化が検出され、その後、スイッ
チ群が切り換え制御されて、指紋読取動作に移行する。

【００５６】なお、指紋読取動作の実行中においても、
透明電極層３０の容量値は検出回路４０により常時観測
され（図中、点線矢印）、検知面３０ａから指ＦＧが離
されると、透明電極層３０と誘電体である指ＦＧとの接
触により生じていた容量（概ね１００ｐＦ程度）の減少
が検出されると、コントローラへの制御信号ＳＧの出力
が遮断されて指紋読取動作が停止又は終了されるととも
に、上述した初期状態（図９参照）と同様に、スイッチ
群への切換制御信号Ｓswの出力が遮断されてＯＦＦ状態
に切り換え制御され、フォトセンサアレイ１００とドラ
イバ群及び接地電位が電気的に切り離された状態に設定
される。また、上記指紋読取動作が終了した場合におい
ても、例えば、コントローラからの制御により切換制御
信号Ｓswの出力が遮断されてスイッチ群がＯＦＦ状態に
切り換え制御され、上記初期状態に移行する。

【００５７】なお、上述した実施形態においては、セン
サとしてダブルゲート型フォトセンサを適用した場合に
ついて示したが、本発明に適用されるセンサは、このダ
ブルゲート型フォトセンサに限定されるものではなく、
フォトダイオードやＴＦＴ等、他の構成のフォトセンサ
を用いたフォトセンサシステムに対しても同様に適用す
ることができる。また、上記の実施形態では、光学式の
いわゆるフォトセンサを示したが、例えば、指の凹凸に
応じて変位する容量を読み取り、しきい値を設定した容
量式センサを適用するものであってもよい。

【００５８】

【発明の効果】本発明に係る画像読取装置によれば、複
数のセンサがマトリクス状又はライン状に配列されたセ
ンサアレイ上方の検知面に載置された被写体の画像パタ
ーンを読み取る画像読取装置において、上記検知面を構
成する電極層と、該電極層における容量変化に応じて、
検知面への被写体の載置状態を検出する検出回路と、該
検出回路からの切換制御信号に基づいてセンサアレイと
各ドライバ群及び接地電位との接続状態を切り換え制御
するスイッチ群と、を備え、被写体が検知面に接触して
いない非接触状態においては、スイッチ群をＯＦＦ状態
にしてセンサアレイを電気的に切り離した状態に設定
し、被写体が検知面に接触した接触状態においては、ス
イッチ群をＯＮ状態にしてセンサアレイと各ドライバ群
及び接地電位を接続するように制御することにより、非
接触状態においてセンサアレイに本来的に生じる容量を
ほとんど０にすることができるので、検知面への被写体
の接触に伴う僅かな容量の変化であっても、比較的検出
感度の低い検出回路により良好に検出することができ
る。したがって、センサアレイにおける容量変化を常時
観測することにより、被写体の載置、接触状態を的確に
検出して、画像読取動作を開始することができる画像読
取装置を安価かつ簡易な構成により実現することができ
る。

【００５９】また、検知面への被写体の接触に際して、
被写体に静電気が帯電している場合であっても、被写体
の接触直後においては、センサアレイが電気的に切り離
された状態にあるので、静電気に伴う電流がセンサに流
下することなく、所定の放電機構（逆並列ダイオード回
路）を介して接地電位に放電され、センサや検出回路の
静電破壊を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る画像読取装置に適用可能なダブル
ゲート型フォトセンサの概略構成を示す断面構造図であ
る。

【図２】ダブルゲート型フォトセンサの基本的な駆動制
御方法の一例を示すタイミングチャートである。

【図３】ダブルゲート型フォトセンサの動作概念図であ
る。

【図４】ダブルゲート型フォトセンサの出力電圧の光応
答特性を示す図である。

【図５】ダブルゲート型フォトセンサを２次元配列して
構成されるフォトセンサアレイを備えたフォトセンサシ
ステムの概略構成図である。

【図６】ダブルゲート型フォトセンサを備えたフォトセ
ンサシステムを適用した画像読取装置（指紋読取装置）
の要部断面図である。

【図７】本発明に係る画像読取装置の一実施形態を示す
概略構成図である。

【図８】本実施形態に係る画像読取装置の要部構成図で
ある。

【図９】本実施形態に係る画像読取装置を指紋読取装置
に適用した場合において、被写体が検知面に接触した直
後の状態を示す概略図である。

【図１０】本実施形態に係る画像読取装置を指紋読取装
置に適用した場合において、画像読取動作が開始された
状態を示す概略図である。

【図１１】従来技術における被写体検出機能を備えた画
像読取装置（指紋読取装置）を示す概略構成図である。

【図１２】容量検出方式における被写体の接触状態の検
出原理を示す概念図である。

【符号の説明】

１０ダブルゲート型フォトセンサ３０透明電極層３０ａ検知面４０検出回路５０逆並列ダイオード回路１００フォトセンサアレイＦＧ指ＳＷｔトップ側スイッチＳＷｂボトム側スイッチＳＷｄドレイン側スイッチＳＷｇ接地側スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F063 AA41 BA29 CA08 CA17 DA02 DD07 HA04 JA04 5B047 AA25 BA02 BB04 BC01 BC14 CA04 CB11 5C024 AX01 EX01 GY01 HX35 HX46 HX50

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のセンサを配列したセンサアレイを
備え、該センサアレイ上の検知面に載置された被写体の
画像パターンを読み取る画像読取装置において、前記センサアレイに所定の駆動制御信号を供給する駆動
制御手段と、前記センサアレイに所定の駆動電圧を供給する電源手段
と、前記センサアレイと前記駆動制御手段及び前記電源手段
との間に設けられたスイッチ手段と、前記検知面への前記被写体の載置状態を検出する被写体
検出手段と、を備え、前記スイッチ手段は、前記被写体検出手段からの制御信
号に応じて、前記センサアレイと前記駆動制御手段及び
前記電源手段との接続状態を切り換え制御することを特
徴とする画像読取装置。
【請求項２】前記被写体検出手段は、少なくとも、前
記検知面に設けられた電極層と、前記電極層の容量変化
を検出し、該容量変化に応じた前記制御信号を前記スイ
ッチ手段に出力する容量変化検出回路と、を備えている
ことを特徴とする請求項１記載の画像読取装置。
【請求項３】前記被写体検出手段は、前記電極層の容
量の増加を検出した場合に、前記センサアレイと前記駆
動制御手段及び前記電源手段とを接続するための前記制
御信号を前記スイッチ手段に出力することを特徴とする
請求項２記載の画像読取装置。
【請求項４】前記センサアレイ、前記駆動制御手段及
び前記電源手段は、各々ユニット化された構成を有し、前記スイッチ手段は、前記センサアレイと前記駆動制御
手段及び前記電源手段との接続端子間に介在させるよう
に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のい
ずれかに記載の画像読取装置。
【請求項５】前記センサは、半導体層からなるチャネ
ル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極
と、少なくとも前記チャネル領域の上方及び下方に各々
絶縁膜を介して形成された第１のゲート電極及び第２の
ゲート電極と、を備え、前記第１のゲート電極又は前記第２のゲート電極のいず
れか一方を前記検知面側として、前記駆動制御手段から
前記第１のゲート電極及び前記第２のゲート電極に前記
駆動制御信号を供給することにより設定される所定の電
荷蓄積期間に、前記検知面側から照射された光の量に対
応する電荷が前記チャネル領域に発生して蓄積される構
成を有し、該蓄積された電荷の量に基づいて出力される電圧により
前記検知面に載置された前記被写体の画像パターンを読
み取ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記
載の画像読取装置。