JP2005233688A - 静電容量検出装置、指紋センサ、バイオメトリクス認証装置、及び静電容量検出条件の探索方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 指紋の凹凸情報を静電容量変化として読み取るための検出条件を短時間で探索する指紋センサを提案する。
【解決手段】 本発明の指紋センサ（１）は、指先表面との間に形成される静電容量を基に指紋の凹凸情報を担う検出信号を出力する複数の静電容量検出回路（３１）と、複数の静電容量検出回路（３１）を互いに交差する行方向及び列方向に並べて配置した指紋検出部（３０）と、複数の走査線（３６）と、走査線（３６）を駆動する走査線ドライバ（２０）と、データ線（３７）と、データ線（３７）を駆動するデータ線ドライバ（１０）と、複数の走査線（３６）のうち少なくとも何れか一つの走査線（３６）に並ぶ複数の静電容量検出回路（３１）が選択されている状態において凹凸情報の検出条件を変えることにより凹凸情報の検出条件を探索する探索手段（１０，２０，４０）と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は指紋等の微小な凹凸を有する被検物の表面形状を静電容量変化として読み取る静電容量検出技術に関する。

従来、指紋センサは指紋の凹凸情報を読み出す検出回路を単結晶シリコン基板上に形成していた（例えば、特開平１１−１１８４１５号公報、特開２０００−３４６６０８号公報、特開２００１−５６２０４号公報、特開２００１−１３３２１３号公報）。指紋センサはその用途から必然的に２０ｍｍ×２０ｍｍ程度の大きさが求められることから、これを単結晶シリコン基板に形成した場合、指紋センサが高価になってしまう。これを解決する手法として、ＭＩＳ型薄膜半導体装置を用いた指紋センサが提案されている（特開２００３−２５４７０６号公報）。ＭＩＳ型薄膜半導体装置を用いることにより、指紋センサをガラス基板やプラスチック基板上にも形成することができる。
特開平１１−１１８４１５号公報 特開２０００−３４６６０８号公報 特開２００１−５６２０４号公報 特開２００１−１３３２１３号公報 特開２００３−２５４７０６号公報

しかし、この種の指紋センサにおいては、温度、湿度、皮膚の状態、指からの圧力といった様々な外的要因の変化に応じて、指紋検出の都度に参照電位などの最適値も変動するため、検出条件を最適な値に再設定する必要がある。従来の指紋センサの構成では最適な検出条件を探索する場合においても、指紋の凹凸情報の読み取り処理と同様に、指紋検出部に配された全ての静電容量検出回路から情報を読み出している。このため、検出条件の探索には多大な時間を要していた。

そこで、本発明は微小な凹凸を有する被検物の表面形状を静電容量変化として読み取るための検出条件を短時間で探索できる静電容量検出装置、指紋センサ、バイオメトリクス認証装置、及び静電容量検出条件の探索方法を提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の静電容量検出装置は、被検物表面との間に形成される静電容量を基に被検物表面の凹凸情報を担う検出信号を出力する複数の静電容量検出回路と、複数の静電容量検出回路を互いに交差する行方向及び列方向に並べて配置した検出部と、複数行のうち少なくとも何れか一つの行又は前記複数列のうち少なくとも何れか一つの列に配列されている静電容量検出回路が選択されている状態において凹凸情報の検出条件を変えることにより凹凸情報の検出条件を探索する探索手段と、を備える。複数の静電容量検出回路が検出部に行方向及び列方向に配列されている場合において、複数行のうち少なくとも何れか一つの行又は複数列のうち少なくとも何れか一つの列に配列されている静電容量検出回路を駆動して被検物表面の凹凸情報を読み取ることにより、凹凸情報の最適な検出条件を短時間で探索できる。

本発明の静電容量検出装置は、更に、複数行のうち少なくとも何れか一つの行又は複数列のうち少なくとも何れか一つの列に配列されている静電容量検出回路を選択する選択手段を備えた構成としてもよい。簡易な回路等を付加するだけで選択手段を実現できる。

本発明の静電容量検出装置は、更に、行方向に配列されている複数の静電容量検出回路を行単位で順次選択するための行選択手段と、列方向に配列されている複数の静電容量検出回路を列単位で順次選択するための列選択手段と、を備え、行選択手段又は列選択手段は各行又は各列に並ぶ静電容量検出回路を順次選択していき、特定の行又は特定の列に並ぶ静電容量検出回路を選択した時点で順次選択を停止し、探索手段は特定の行又は特定の列に並ぶ静電容量検出回路が選択されている状態において凹凸情報の検出条件を変えることにより凹凸情報の検出条件を探索するように構成してもよい。行選択手段と列選択手段を上記のように駆動することにより、特定の行又は列に並ぶ静電容量検出回路を選択し、凹凸情報の検出条件を探索できる。

ここで、凹凸情報の検出条件を探索する際に選択される行又は列は検出部の略中央部に位置する行又は列であることが望ましい。凹凸情報の検出条件を探索する際に選択される行又は列が検出部の略中央部に位置することによって、凹凸情報の検出条件を探索するときに選択される静電容量検出回路は被検物表面との間に静電容量が形成される程度に近接することができる。

本発明の静電容量検出装置は、被検物表面との間に形成される静電容量を基に被検物表面の凹凸情報を担う検出信号を出力する複数の静電容量検出回路と、複数の静電容量検出回路を互いに交差する行方向及び列方向に並べて配置した検出部と、行方向に並ぶ複数の静電容量検出回路を行単位で順次選択するための複数の走査線と、走査線を駆動する走査線ドライバと、列方向に並ぶ複数の静電容量検出回路から出力される検出信号を伝達するためのデータ線と、データ線を駆動するデータ線ドライバと、複数の走査線のうち少なくとも何れか一つの走査線に並ぶ複数の静電容量検出回路が選択されている状態において凹凸情報の検出条件を変えることにより凹凸情報の検出条件を探索する探索手段と、を備える。複数の静電容量検出回路が検出部において行方向及び列方向に配列されている場合において、少なくとも何れか１つの走査線に並ぶ複数の静電容量検出回路を駆動して被検物表面の凹凸情報を読み取ることにより、凹凸情報の最適な検出条件を短時間で探索することができる。

本発明の静電容量検出装置は、被検物表面との間に形成される静電容量を基に被検物表面の凹凸情報を担う検出信号を出力する複数の静電容量検出回路と、複数の静電容量検出回路を互いに交差する行方向及び列方向に並べて配置した検出部と、行方向に並ぶ複数の静電容量検出回路を行単位で選択するための複数の走査線と、走査線を駆動する走査線ドライバと、列方向に並ぶ複数の静電容量検出回路から出力される検出信号を伝達するためのデータ線と、データ線を駆動するデータ線ドライバと、複数のデータ線のうち少なくとも何れか一つのデータ線に並ぶ複数の静電容量検出回路が選択されている状態において凹凸情報の検出条件を変えることにより凹凸情報の検出条件を探索する探索手段と、を備える。複数の静電容量検出回路が検出部において行方向及び列方向に配列されている場合において、少なくとも何れか１つのデータ線に並ぶ複数の静電容量検出回路を駆動して被検物表面の凹凸情報を読み取ることにより、凹凸情報の最適な検出条件を短時間で探索することができる。

本発明の指紋センサは本発明の静電容量検出装置を備え、指紋の凹凸情報を読み取るように構成されている。指先表面を被検物表面としてその凹凸情報を読み取ることにより、指紋情報を取得できる。

本発明のバイオメトリクス認証装置は本発明の指紋センサを備えて構成されている。ここで、「バイオメトリクス認証装置」とは、バイオメトリクス情報として指紋情報を用いて本人認証を行う機能を実装した装置をいい、ＩＣカード、キャッシュカード、クレジットカード、身分証明書などの各種カード媒体の他に、電子商取引の本人認証装置、入退室管理装置、コンピュータ端末装置の認証装置等のあらゆるセキュリティシステムを含む。

本発明の静電容量検出条件の探索方法は、被検物表面との間に形成される静電容量を基に被検物表面の凹凸情報を担う検出信号を出力する複数の静電容量検出回路を複数行及び複数列に並べて配置した静電容量検出装置を駆動して静電容量検出条件を探索するための方法であって、複数行のうち少なくとも何れか一つの行又は複数列のうち少なくとも何れか一つの列に配列されている静電容量検出回路を選択する過程と、静電容量検出回路が選択されている状態において凹凸情報の検出条件を変えることにより凹凸情報の検出条件を探索する過程と、を含む。複数の静電容量検出回路が検出部に行方向及び列方向に配列されている場合において、複数行のうち少なくとも何れか一つの行又は複数列のうち少なくとも何れか一つの列に配列されている静電容量検出回路を駆動して被検物表面の凹凸情報を読み取ることにより、凹凸情報の最適な検出条件を短時間で探索できる。

本発明の静電容量検出条件の探索方法は、更に、各行又は各列に並ぶ静電容量検出回路を順次選択していき、特定の行又は特定の列に並ぶ静電容量検出回路を選択した時点で順次選択を停止する過程と、特定の行又は特定の列に並ぶ静電容量検出回路が選択されている状態において凹凸情報の検出条件を変えることにより凹凸情報の検出条件を探索する過程と、を含む。行選択手段と列選択手段を上記のように駆動することにより、特定の行又は列に並ぶ静電容量検出回路を選択し、凹凸情報の検出条件を探索できる。

本発明の静電容量検出条件の探索方法は、凹凸情報の検出条件を探索する際に選択される行又は列は検出部の略中央部に位置する行又は列である。凹凸情報の検出条件を探索する際に選択される行又は列が検出部の略中央部に位置することによって、凹凸情報の検出条件を探索するときに選択される静電容量検出回路は被検物表面との間に静電容量が形成される程度に近接することができる。

本発明によれば、複数の静電容量検出回路が検出部に行方向及び列方向に配列されている場合において、複数行のうち少なくとも何れか一つの行又は複数列のうち少なくとも何れか一つの列に配列されている静電容量検出回路を駆動して被検物表面の凹凸情報を読み取ることにより、凹凸情報の最適な検出条件を短時間で探索できる。

［発明の実施形態１］
以下、各図を参照して本発明の第１実施形態に関わる指紋センサ（静電容量検出装置）について説明する。図４は被検者の指紋の凹凸情報を静電容量変化として読み取り、これを電流信号に変換する静電容量検出回路３１の回路構成を示している。静電容量検出回路３１は、同検出回路３１を選択するための選択トランジスタ３２と、被検者の指先とセンサ電極との間に形成される静電容量３３と、静電容量３３の微小な容量変化を基に指紋の凹凸情報を担う検出信号を増幅する信号増幅トランジスタ３４と、選択トランジスタ３２の開閉制御を行うための信号を伝達する走査線３６と、検出信号を伝達するデータ線３７と、信号増幅トランジスタ３４のグランド電位Ｖssをとる低電位電源線３９と、容量値一定の基準容量Ｃｓを備えて構成されている。静電容量３３の容量値をＣｄとすると、検出容量Ｃｄは被検者の指紋の凹凸とセンサ電極（図８参照）との間の距離に応じて定まる。

上述の構成において、走査線３６上に論理レベルＨの信号が出力され、選択トランジスタ３２が開状態になると、データ線３７には信号増幅トランジスタ３４のゲート電位で定まる検出電流が流れる。この検出電流には指紋の凹凸情報が含まれている。信号増幅トランジスタ３４のゲート電位は信号増幅トランジスタ３４自体の寄生容量Ｃｔ（図示せず）と、基準容量Ｃｓと、検出容量Ｃｄとのそれぞれの容量比によって定まる。例えば、被検者の指先をセンサ電極に近づけた場合に、指紋の凸部がセンサ電極に近接すると、検出容量Ｃｄは寄生容量Ｃｔ、基準容量Ｃｓに対して十分に大きくなり、信号増幅トランジスタ３４のゲート電位はグランド電位Ｖssに近づく。この結果、信号増幅トランジスタ３４は略オフ状態となり、信号増幅トランジスタ３４のソース／ドレイン間には極めて微弱な検出電流が流れる。一方、指紋の凹部がセンサ電極に近接すると、検出容量Ｃｄは寄生容量Ｃｔ、基準容量Ｃｓに対して十分に小さくなり、信号増幅トランジスタ３４のゲート電位は走査線３６の電位に近づく。走査線３６がアクティブとなっている状態では、走査線３６の電位は高電位Ｖddである。この結果、信号増幅トランジスタ３４は略オン状態となり、信号増幅トランジスタ３４のソース／ドレイン間には上述の微弱電流よりも大きな検出電流が流れる。ここで、信号増幅トランジスタ３４のソース端子は低電位電源線３９に接続しているため、信号増幅トランジスタ３４を流れる検出電流の向きはデータ線３７から低電位電源線３９へ流れ込む向きとなる。つまり、被検者の指紋の凹凸情報を担う検出電流は外部回路から静電容量検出回路３１へ流れ込むように出力される。

図８はセンサ電極を中心とする静電容量検出回路３１の断面構造図である。同図に示すように、静電容量検出回路３１には、指紋の凹凸情報を担う検出信号を出力する信号増幅トランジスタ３４と、被検者の指先Ｆとの間に静電容量３３を形成するためのセンサ電極７２とが形成されている。信号増幅トランジスタ３４は、ゲート電極６８、ゲート絶縁膜６７、多結晶シリコン層（活性層）６３、ソース電極６５、ドレイン電極６６を含んで構成されるトランジスタである。静電容量３３は指紋の凹凸パターンに応じてその容量値が変化する可変容量である。指先Ｆの電位は基準電位に設定されている。センサ電極７２はゲート電極６８に接続しており、指紋の凹凸による検出容量Ｃｄの変化を信号増幅トランジスタ３４に伝達し、チャネルを流れるドレイン電流の増幅作用によって静電容量変化をセンシングできるように構成されている。

図１は指紋センサ１の回路構成を示している。指紋センサ１は、主に、データ線３７を選択するためのデータ線ドライバ１０と、走査線３６を選択するための走査線ドライバ２０と、上述した静電容量検出回路３１をマトリクス状に配した指紋検出部（アクティブマトリクス部）３０と、静電容量検出回路３１から出力される検出信号を増幅するための増幅回路４０を備えて構成されている。指紋検出部３０には静電容量検出回路３１がマトリクス状（ｎ行×ｍ列）に配列されており、ｎ本の走査線３６とｎ本の低電位電源線３９は行方向に沿って配線され、ｍ本のデータ線３７は列方向に沿って配線されている。データ線ドライバ１０はアナログ点順次駆動によりデータ線３７を選択するタイミング信号を生成するシフトレジスタ１１と、バッファ１３と、データ線３７を選択するためのアナログスイッチ１４に加えて、更に、指紋検出条件の探索時に予め定められた特定のデータ線のみを選択する調整制御回路１２を含んで構成されている。走査線ドライバ２０は走査線３６を順次選択するタイミング信号を生成するシフトレジスタ２１と、バッファ２３を備えて構成されている。

ここで、ＣＬＫＸはデータ線３７を選択するタイミングの基準となるクロック信号、ＣＬＫＢＸはその反転信号、ＲＳＴＸはデータ線ドライバ１０のリセット信号、ＳＰＸはデータ線ドライバ１０のスタートパルス信号、ＡＣＣは指紋検出条件探索時に特定のデータ線３７を選択するための調整制御信号、ＣＬＫＹは走査線３６を選択するタイミングの基準となるクロック信号、ＣＬＫＢＹはその反転信号、ＲＳＴＹは走査線ドライバ２０のリセット信号、ＳＰＹは走査線ドライバ２０のスタートパルス信号、ＯＵＴは増幅回路４０にて増幅された指紋検出信号である。指紋検出を行うときは、リセット信号ＲＳＴＸ、調整制御信号ＡＣＣはHighレベルとなり、データ線ドライバ１０と走査線ドライバ２０は通常のシフトレジスタ動作を行う。走査線ドライバ２０はクロック信号ＣＬＫＹに同期してスタートパルス信号ＳＰＹの入力情報を順次転送する。一方、データ線ドライバ１０は走査線ドライバ２０の動作にタイミングを合わせて、クロック信号ＣＬＫＸに同期してスタートパルスＳＰＸの入力情報を順次転送する。これにより、指紋検出部３０内に配された静電容量検出回路３１が各行及び各列について一つずつ選択され、指紋検出動作が行われる。

尚、本明細書において「行方向」又は「列方向」とは、マトリクス状に配列されている静電容量検出回路３１の配列方向を区別するために便宜上使用しているものである。従って、これらの方向は、互いに交差する「第１の方向」又は「第２の方向」と称することもできる。また、データ線ドライバ１０を列選択手段、走査線ドライバ２０を行選択手段と称する場合がある。

図２はデータ線ドライバ１０の詳細な回路構成を示している。同図に示すように、シフトレジスタ１１はシフトレジスタ前段から入力されてくるパルス信号の受け入れを制御するクロックド・インバータ１５と、クロックド・インバータ１５の出力を反転するインバータ１６と、インバータ１６の出力（シフトレジスタ後段への出力）を反転制御するクロックドＮＡＮＤ回路１７より構成されている。調整制御回路１２はシフトレジスタ１１からの出力を反転するインバータ１８と、インバータ１８の出力信号と調整制御信号ＡＣＣとの否定論理積をとって後段のバッファ１３へ信号を出力するＮＡＮＤ回路１９を含んで構成されている。ＸＳＥＬ｛１｝，ＸＳＥＬ｛１｝，…, ＸＳＥＬ｛ｍ｝はｍ個のアナログスイッチ１４を開閉制御するためのバッファ出力である。ここで、上述したクロックドＮＡＮＤ回路１７は図５に示す回路構成を備えている。

図３は走査線ドライバ２０の詳細な回路構成を示している。同図に示すように、シフトレジスタ２１はシフトレジスタ前段から入力されてくるパルス信号の受け入れを制御するクロックド・インバータ２４と、クロックド・インバータ２４の出力を反転するインバータ２５と、インバータ２５の出力（シフトレジスタ後段への出力）を反転制御するクロックドＮＡＮＤ回路２６より構成されている。ＹＳＥＬ｛１｝，ＹＳＥＬ｛２｝,…,ＹＳＥＬ｛ｎ｝は走査線３６に出力されるバッファ出力である。ここで、上述したクロックドＮＡＮＤ回路２６は図５に示す回路構成と同様の構成（ＣＬＫＸ、ＣＬＫＢＸ、ＲＳＴＸをそれぞれＣＬＫＹ、ＣＬＫＢＹ、ＲＳＴＹに置換した構成）を備えている。

図６は増幅回路４０の回路構成を示している。増幅回路４０は静電容量検出回路３１の検出信号を増幅するための回路であり、前段のカレントミラー回路４１と、後段のカレントミラー回路４２を備えて構成されている。前段のカレントミラー回路４１ではゲート電位が参照電位ＶＲに保持されたトランジスタ３８が出力する一定の参照電流Ｉ_refと、信号増幅トランジスタ３４が出力する検出電流Ｉ_datとを比較する。後段のカレントミラー回路４２では参照電流Ｉ_refと検出電流Ｉ_datとの差分を増幅した検出信号ＯＵＴを出力する。この検出信号ＯＵＴと予め定められた所定の閾値との信号レベルを比較することによって、２値データから成る指紋情報を得ることができる。参照電流Ｉ_refの値は参照電位ＶＲによって定まるため、参照電位ＶＲを調整することで、参照電流Ｉ_refと検出電流Ｉ_datとの差分を増減することが可能となり、指紋のコントラストを調整できる。尚、同図において、ＣＬＫ信号はシフトレジスタ１１に入力するパルス信号と同一であり、アナログスイッチ１４の切換タイミングに同期している。

図７は指紋検出条件を探索するための準備期間におけるタイミングチャートを示している。この準備期間においては、データ線ドライバ１０に入力されるリセット信号ＲＳＴＸをLowレベルにする。これによりデータ線ドライバ１０を構成するシフトレジスタ１１に含まれる全てのクロックドＮＡＮＤの出力はHighレベルとなり、シフトレジスタ１１の格段の出力は全てLowレベルとなる。この状態で調整制御信号ＡＣＣをLowレベルにすると、調整制御回路１２のＮＡＮＤ回路１９が設けられた段のバッファ出力（図２ではＸＳＥＬ｛ｍ／２｝）のみHighレベルとなり、対応するアナログスイッチ１４のみが選択状態となる。その他のアナログスイッチ１４は非選択状態となる。この結果、１本の特定のデータ線３７のみがアクティブとなる。このように、調整制御回路１２は特定のデータ線３７を選択するための選択手段として機能する。一方、走査線ドライバ２０については、通常の指紋検出時と同様にリセット信号ＲＳＴＹをHighレベルにし、スタートパルスＳＰＹの立下りタイミングを起点として、クロック信号ＣＬＫＹ、クロック反転信号ＣＬＫＢＹに同期して走査線３６を順次選択していく。この図では、スターパルスＳＰＹが３回入力された場合を示しており、上記の特定のデータ線３７を３回スキャンすることとなる。１回のスキャンにつき、特定のデータ線３７に接続するｎ個の静電容量検出回路３１には指紋の凹凸情報に応じた電流が流れる。

各スキャンにつき、指紋の検出動作を異なる検出条件下で行い、最適な指紋検出条件を探索する。具体的には増幅回路４０における参照電位ＶＲをＶddからＶssまでスイープし、そのときの静電容量検出回路３１の検出感度を検出信号ＯＵＴを基に判別する。即ち、参照電位ＶＲ＝Ｖssのときには、トランジスタ３８は略オフ状態となり、参照電流Ｉ_reは最小値に近い電流値になるため、各静電容量検出回路３１から出力される検出信号ＯＵＴは全てHighレベルとなる。一方、参照電位ＶＲ＝Ｖddのときには、トランジスタ３８は略オン状態となり、参照電流Ｉ_reは最大値に近い電流値になるため、各静電容量検出回路３１から出力される検出信号ＯＵＴは全てLowレベルとなる。参照電位ＶＲの最適値はＶss〜Ｖddの範囲にある。参照電位ＶＲの最適値は、温度、湿度、皮膚の状態、指からの圧力といった様々な外的要因の変化に応じて指紋検出の都度に変動するため、指紋検出を行う都度に指紋検出の事前準備として最適な指紋検出条件（例えば、参照電位ＶＲの値）を探索することで、指紋の検出精度を高めることができる。データ線ドライバ１０、走査線ドライバ２０、及び増幅回路４０は指紋検出条件を探索するための探索手段として機能する。

さて、上述のようにして指紋検出条件の探索が終了すると、リセット信号ＲＳＴＸ及び調整制御信号ＡＣＣをHighレベルとし、指紋検出を行う。この指紋検出においては、事前準備として探索した最適な指紋検出条件に基づいて指紋検出を行う。

尚、指紋検出条件の探索時に選択されるデータ線３７としては、指紋の凹凸情報を確実に読み取ることのできるデータ線３７であることが望ましく、例えば、指紋検出部３０に指先（被検物）の略中央部分が近接する位置に配線されているデータ線３７が望ましい。指紋検出部３０に指先を近接させた場合、指先の中央部分が近接する箇所はおおよそ指紋検出部３０の中央と考えられるので、ｍ本のデータ線３７のうち中央の（ｍ／２）本目に配線されているデータ線３７を特定のデータ線３７として選択するのが望ましい。

また、上述の説明ではデータ線ドライバ１０として、通常のシフトレジスタ１１による構成に加えて調整制御回路１２を設けたが、かかる構成に限られるものではなく、デジタルコード信号により個別のデータ線３７を選択できるデコーダを用いてもよい。また、指紋検出条件の探索に用いられるデータ線３７はｍ本のデータ線３７のうち中央の（ｍ／２）本目に配線されているデータ線３７に限られるものではなく、指紋の凹凸情報を読み取ることのできる任意のデータ線３７でもよい。また、指紋検出条件の探索に用いられるデータ線３７の本数は１本に限らず、複数本であってもよい。

次に、指紋センサ１の応用例について説明する。図９はスマートカード８１の概略構成図を示しており、上述した指紋センサ１と、ＣＰＵやメモリ素子などを実装したＩＣチップ８２と、液晶ディスプレイなどの表示装置８３を備えて構成されている。ＩＣチップ８２にはバイオメトリクス情報として、カード所有者の指紋情報が登録されている。図１０はこのスマートカード８１の認証手順を示している。カード使用者が指先を指紋センサ１に接触させることによって、スマートカード８１に指紋情報が入力されると（ステップＳ１）、この指紋情報は予め登録された指紋情報と照合される（ステップＳ２）。ここで、指紋が一致すると（ステップＳ２；ＹＥＳ）、暗証番号が発行される（ステップＳ３）。次いで、カード所有者によって暗証番号が入力される（ステップＳ４）。ステップＳ３で発行された暗証番号と、ステップＳ４で入力された暗証番号が一致しているか否かがチェックされ（ステップＳ５）、一致している場合には（ステップＳ５；ＹＥＳ）、カードの使用が許可される（ステップＳ６）。

このように、暗証番号に加えて指紋情報によって本人の認証を行うことによって、セキュリティの高いスマートカードを提供できる。バイオメトリクス認証機能を実装したスマートカードはキャッシュカード、クレジットカード、身分証明書などに利用できる。本実施形態の指紋センサは、本人認証を行うためのあらゆるバイオメトリクス認証装置に応用できる。例えば、室内への入退室管理を行うセキュリティシステムとして、本実施形態の指紋センサをドアに取り付けておき、当該指紋センサに入力された入室者の指紋情報と予め登録された指紋情報を照合し、両者が一致する場合には入室を許可する一方で、両者が一致しない場合には入室を不許可とし、必要に応じて警備会社等に通報するシステムにも応用できる。また、インターネットなどのオープンネットワークを通じた電子商取引においても、本人確認のためのバイオメトリクス認証装置として本実施形態の指紋センサは有効に応用できる。さらに、コンピュータ端末装置のユーザ認証装置や、複写機の複写機使用者の管理装置などにも広く応用できる。また、本発明の静電容量検出装置は指紋検出に限らず、微小な凹凸を有する被検物の表面形状を静電容量変化として読み取る装置に適用できる。

本実施形態によれば、指紋検出部３０に配列されているｎ×ｍ個の静電容量検出回路３１の全てを対象として最適な指紋検出条件の探索を行う必要がなく、特定のデータ線３７に接続するｎ個の静電容量検出回路３１を対象として最適な指紋検出条件を探索すればよいため、指紋検出条件の探索を短時間で行える。これにより、指紋検出条件を探索する時間を含めた指紋検出に要する総時間を短縮することが可能となり、高速センシング、低消費電力化を実現できる。但し、指紋検出条件の探索を行う準備期間に要する時間を短縮するには、走査線ドライバ２０の駆動スピードをデータ線ドライバ１０の同程度に高速化する必要がある（詳細については後述する）。

［発明の実施形態２］
次に、本発明の第２実施形態に関わる指紋センサについて説明する。図１１は本実施形態に関わる指紋センサ２の回路構成を示している。同図において、図１に付した符号と同一の符号は同一の回路等を示すものとし、その詳細な説明を省略する。本実施形態はデータ線ドライバ１０に調整制御回路１２が実装されていない点において上述の第１実施形態と相違する。図１２にデータ線ドライバ１０の詳細な回路構成を示す。上述の第１実施形態では調整制御回路１２を設けることによって指紋検出条件の探索時にアクティブとなる特定のデータ線３７を選択する構成としたが、本実施形態では調整制御回路１２のような特別のハードウエアを実装することなく、データ線ドライバ１０の駆動方式を工夫することにより指紋検出条件の探索時にアクティブとなる特定のデータ線３７を選択する。

図１３はデータ線ドライバ１０の動作を示すタイミングチャートである。同図に示すように、準備期間と指紋検出期間の何れにおいてもリセット信号ＲＳＴＸはHighレベルになっており、データ線ドライバ１０は動作可能な状態にある。指紋検出条件を探索する準備期間においてスタートパルスＳＰＸが入力されると、データ線ドライバ１０はクロック信号ＣＬＫＸとクロック反転信号ＣＬＫＢＸに同期して、ＸＳＥＬ｛１｝，ＸＳＥＬ｛２｝，…を順次アクティブにし、データ線３７を順次選択していく。但し、走査線ドライバ２０のリセット信号ＲＳＴＹはLowレベルであるため、走査線ドライバ２０は停止している（期間Ａ１）。そして、ＸＳＥＬ｛ｍ／２｝がアクティブになった時点でクロック信号ＣＬＫＸ及びクロック反転信号ＣＬＫＢＸが停止される。このとき、（ｍ／２）本目に配線されている特定のデータ線３７のみが選択された状態となる。ここで、走査線ドライバ２０のリセット信号ＲＳＴＹがHighレベルになると、走査線ドライバ２０はクロック信号ＣＬＫＹ、及びクロック反転信号ＣＬＫＢＹに同期して、走査線３６を順次選択する（期間Ｂ）。この走査線３６の順次選択により、特定のデータ線３７に接続するｎ個の静電容量検出回路３１は順次選択されていき、増幅回路４０から各々の静電容量検出回路３１に向けて指紋の凹凸情報に応じた電流が流れる。期間Ｂにおいては、参照電位ＶＲをＶss〜Ｖddの範囲で様々な値に設定して検出信号ＯＵＴを取得し、最適な参照電位ＶＲを探索する。指紋検出条件の探索が終了したならば、走査線ドライバ２０のリセット信号ＲＳＴＹをLowレベルにするとともに、データ線ドライバ１０へのクロック信号ＣＬＫＸ、及びクロック反転信号ＣＬＫＢＸの入力を再開し、データ線３７を最後のｍ本目まで選択していき（期間Ａ２）、準備期間を終了する。尚、期間Ａ２におけるデータ線３７の選択動作は必ずしも必須ではなく、期間Ｂの指紋検出条件の探索が終了した段階でデータ線ドライバ１０をリセットしてもよい。

本実施形態によれば、新たなハードウエアを実装することなく、データ線ドライバ１０の駆動方式を工夫することで、特定のデータ線３７を選択して最適な指紋検出条件を探索できる。従って、第１実施形態と同様に、短時間で指紋検出条件の最適化を行うことができ、指紋センサ２の高速動作及び低消費電力化を実現できる。但し、指紋検出条件の探索を行う準備期間に要する時間を短縮するには、走査線ドライバ２０の駆動スピードをデータ線ドライバ１０の同程度に高速化する必要がある（詳細については後述する）。

［発明の実施形態３］
次に、本発明の第３実施形態に関わる指紋センサについて説明する。図１４は本実施形態に関わる指紋センサ３の回路構成を示している。同図において、図１に付した符号と同一の符号は同一の回路等を示すものとし、その詳細な説明を省略する。本実施形態は走査線ドライバ２０に調整制御回路２２が実装されている点において上述の第１実施形態と相違する。調整制御回路２２は指紋検出条件の探索時に特定の走査線３６のみを選択するように構成されており、特定の走査線３６を選択する選択手段として機能する。図１５に走査線ドライバ２０の詳細な回路構成を示す。同図に示すように、シフトレジスタ２１はシフトレジスタ前段から入力されてくるパルス信号の受け入れを制御するクロックド・インバータ２４と、クロックド・インバータ２４の出力を反転するインバータ２５と、インバータ２５の出力（シフトレジスタ後段への出力）を反転制御するクロックドＮＡＮＤ回路２６より構成されている。調整制御回路２２はシフトレジスタ２１からの出力を反転するインバータ２７と、インバータ２７の出力信号と調整制御信号ＡＣＣとの否定論理積をとって後段のバッファ２３へ信号を出力するＮＡＮＤ回路２８を含んで構成されている。ＹＳＥＬ｛１｝，ＹＳＥＬ｛１｝，…,ＹＳＥＬ｛ｎ｝はｎ本の走査線３６を駆動するためのバッファ出力である。

図１６は指紋検出条件を探索するための準備期間におけるタイミングチャートを示している。準備期間においては、走査線ドライバ２０のリセット信号ＲＳＴＹはLowレベルとなる。これにより、走査線ドライバ２０を構成するシフトレジスタ２１に含まれる全てのクロックドＮＡＮＤ回路２６の出力はHighレベルとなり、シフトレジスタ２１の格段の出力は全てLowレベルとなる。このとき、調整制御信号ＡＣＣをLowレベルにすると、ＮＡＮＤ回路２８が設けられた段のバッファ出力（図１５ではＹＳＥＬ｛ｎ／２｝）のみHighレベルとなり、対応する特定の走査線３６が選択された状態となる。その他の走査線３６は非選択状態にある。一方、データ線ドライバ１０においてはリセット信号ＲＳＴＸがHighレベルとなっており、クロック信号ＣＬＫＸ及びクロック反転信号ＣＬＫＢＸに同期してデータ線３７を順次選択していく。この図では、スターパルスＳＰＸが３回入力された場合を示しており、上記の特定の走査線３６上を３回スキャンすることとなる。１回のスキャンにつき、特定の走査線３６に接続するｍ個の静電容量検出回路３１には指紋の凹凸情報に応じた電流が流れる。各スキャンにつき指紋の検出動作を異なる検出条件下で行い、最適な指紋検出条件を探索する。指紋検出条件の探索手法については上述した通りである。

尚、指紋検出条件の探索時に選択される走査線３６としては、指紋の凹凸情報を確実に読み取ることのできる走査線３６であることが望ましく、例えば、指紋検出部３０に指先（被検物）の略中央部分が近接する位置に配線されている走査線３６が望ましい。指紋検出部３０に指先を近接させた場合、指先の中央部分が近接する箇所はおおよそ指紋検出部３０の中央と考えられるので、ｎ本の走査線３６のうち中央の（ｎ／２）本目に配線されている走査線３６を特定の走査線３６として選択するのが望ましい。

また、上述の説明では走査線ドライバ２０として、通常のシフトレジスタ２１による構成に加えて調整制御回路２２を設けたが、かかる構成に限られるものではなく、デジタルコード信号により個別の走査線３６を選択できるデコーダを用いてもよい。また、指紋検出条件の探索に用いられる走査線３６はｎ本の走査線３６のうち中央の（ｎ／２）本目に配線されている走査線３６に限られるものではなく、指紋の凹凸情報を読み取ることのできる任意の走査線３６でもよい。また、指紋検出条件の探索に用いられる走査線３６の本数は１本に限らず、複数本であってもよい。

本実施形態によれば、指紋検出部３０に配列されているｎ×ｍ個の静電容量検出回路３１の全てを対象として最適な指紋検出条件の探索を行う必要がなく、特定の走査線３６に接続するｍ個の静電容量検出回路３１を対象として最適な指紋検出条件を探索すればよいため、指紋検出条件の探索を短時間で行える。これにより、指紋検出条件を探索する時間を含めた指紋検出に要する総時間を短縮することが可能となり、高速センシング、低消費電力化を実現できる。

また、上述した第１及び第２実施形態では指紋検出条件を探索する準備期間において走査線ドライバ２０を駆動するスピードを通常の指紋情報読み取り時と同じにすると、準備期間に要する時間は通常の指紋情報の読み取り時間と同じになってしまい、結局、指紋検出部３０に配されたｎ×ｍ個の静電容量検出回路３１の全てを使用して指紋検出条件の探索を行っていた従来例と比較して準備期間の短縮を行うことができない。これに対し、本実施形態によれば、このような不都合はなく、準備期間におけるデータ線ドライバ１０の駆動スピードを通常の指紋情報の読み取り時と同じスピードにするだけで準備期間を従来よりも短縮できる。この点をより詳細に説明すると、以下のようになる。例えば、指紋検出部３０に１００×１００個の静電容量検出回路３１が配置されているとする（ｍ＝１００，ｎ＝１００）。一つの静電容量検出回路３１から情報を読み取るのに要する時間を１μｓとすると、１フレーム分の読み取り時間は１００×１００×１０μｓ＝１０ｍｓとなる。また、通常の指紋情報読み取り時において、データ線ドライバ１０の駆動スピードは５００ｋＨｚであるのに対し、走査線ドライバの駆動スピードはその１／ｍ＝１／１００の５ｋＨｚである。従って、準備期間におけるデータ線ドライバ１０と走査線ドライバ２０の駆動スピードを通常の指紋情報読み取り時と同じにすると、データ線ドライバ１０を駆動することにより指紋検出条件の探索を行う第３実施形態の準備期間に要する時間は、走査線ドライバ２０を駆動することにより指紋検出条件の探索を行う第１又は第２実施形態の準備期間に要する時間の１／１００で済むこととなる。このように、本実施形態では準備期間における走査線ドライバ２０の駆動能力を高める必要がないため、要求仕様は低いままでよく、低コスト化を実現できる。

［発明の実施形態４］
次に、本発明の第４実施形態に関わる指紋センサについて説明する。本実施形態の指紋センサの回路構成は第２実施形態の指紋センサ２の回路構成と同様であるため、説明の便宜上、図示を省略する。上述の第３実施形態では調整制御回路２２を設けることによって指紋検出条件の探索時にアクティブとなる特定の走査線３６を選択する構成としたが、本実施形態では調整制御回路２２のような特別のハードウエアを実装することなく、走査線ドライバ２０の駆動方式を工夫することにより指紋検出条件の探索時にアクティブとなる特定の走査線３６を選択する。

図１７に走査線ドライバ２０の動作を示すタイミングチャートである。指紋検出条件の探索を行う準備期間においては走査線ドライバ２０のリセット信号ＲＳＴＹはHighレベルとなっている。指紋検出条件を探索する準備期間においてスタートパルスＳＰＹが入力されると、走査線ドライバ２０はクロック信号ＣＬＫＹとクロック反転信号ＣＬＫＢＹに同期して、ＹＳＥＬ｛１｝，ＹＳＥＬ｛２｝，…を順次アクティブにし、走査線３６を順次選択していく。但し、データ線ドライバ１０のリセット信号ＲＳＴＸはLowレベルであるため、データ線ドライバ１０は停止している（期間Ａ１）。そして、ＹＳＥＬ｛ｎ／２｝がアクティブになった時点でクロック信号ＣＬＫＹ及びクロック反転信号ＣＬＫＢＹが停止される。このとき、（ｎ／２）本目に配線されている特定の走査線３６のみが選択された状態となる。ここで、データ線ドライバ１０のリセット信号ＲＳＴＸがHighレベルになると、データ線ドライバ１０はクロック信号ＣＬＫＸ、及びクロック反転信号ＣＬＫＢＸに同期して、データ線３７を順次選択する（期間Ｂ）。このデータ線３７の順次選択により特定の走査線３６に接続するｍ個の静電容量検出回路３１は順次選択されていき、増幅回路４０から各々の静電容量検出回路３１に向けて指紋の凹凸情報に応じた電流が流れる。期間Ｂにおいては、参照電位ＶＲをＶss〜Ｖddの範囲で様々な値に設定して検出信号ＯＵＴを取得し、最適な参照電位ＶＲを探索する。指紋検出条件の探索が終了したならば、データ線ドライバ１０のリセット信号ＲＳＴＸをLowレベルにするとともに、走査線ドライバ２０へのクロック信号ＣＬＫＹ、及びクロック反転信号ＣＬＫＢＹの入力を再開し、走査線ドライバ３６を最後のｎ本目まで選択していき（期間Ａ２）、準備期間を終了する。尚、期間Ａ２における走査線３６の選択動作は必ずしも必須ではなく、期間Ｂの指紋検出条件の探索が終了した段階で走査線ドライバ２０をリセットしてもよい。

本実施形態によれば、新たなハードウエアを実装することなく、走査線ドライバ２０の駆動方式を工夫することで、特定の走査線３６を選択して最適な指紋検出条件を探索できる。従って、第３実施形態と同様に、短時間で指紋検出条件の最適化を行うことができ、指紋センサの高速動作及び低消費電力化を実現できる。

第１実施形態の指紋センサ回路構成図である。 データ線ドライバの回路構成図である。 走査線ドライバの回路構成図である。 静電容量検出回路の回路構成図である。 クロックドＮＡＮＤ回路の回路構成図である。 増幅回路の回路構成図である。 第１実施形態のタイミングチャートである 静電容量検出回路の断面図である。 スマートカードの構成図である。 認証手順を記述したフローチャートである。 第２実施形態の指紋センサ回路構成図である。 データ線ドライバの回路構成図である。 第２実施形態のタイミングチャートである。 第２実施形態の指紋センサ回路構成図である。 走査線ドライバの回路構成図である。 第３実施形態のタイミングチャートである 第４実施形態のタイミングチャートである。

符号の説明

１，２，３…指紋センサ（静電容量検出装置） １０…データ線ドライバ（列選択手段） ２０…走査線ドライバ（行選択手段） １２，２２…調整制御回路（選択手段） ３０…指紋検出部

Claims (11)

1. 被検物表面との間に形成される静電容量を基に前記被検物表面の凹凸情報を担う検出信号を出力する複数の静電容量検出回路と、
   前記複数の静電容量検出回路を互いに交差する行方向及び列方向に並べて配置した検出部と、
   前記複数行のうち少なくとも何れか一つの行又は前記複数列のうち少なくとも何れか一つの列に配列されている静電容量検出回路が選択されている状態において前記凹凸情報の検出条件を変えることにより前記凹凸情報の検出条件を探索する探索手段と、
   を備える、静電容量検出装置。
2. 請求項１に記載の静電容量検出装置であって、
   前記複数行のうち少なくとも何れか一つの行又は前記複数列のうち少なくとも何れか一つの列に配列されている静電容量検出回路を選択する選択手段を更に備える、静電容量検出装置。
3. 請求項１に記載の静電容量検出装置であって、
   行方向に配列されている複数の静電容量検出回路を行単位で順次選択するための行選択手段と、
   列方向に配列されている複数の静電容量検出回路を列単位で順次選択するための列選択手段と、を備え、
   前記行選択手段又は前記列選択手段は各行又は各列に並ぶ静電容量検出回路を順次選択していき、特定の行又は特定の列に並ぶ静電容量検出回路を選択した時点で順次選択を停止し、
   前記探索手段は前記特定の行又は前記特定の列に並ぶ静電容量検出回路が選択されている状態において前記凹凸情報の検出条件を変えることにより前記凹凸情報の検出条件を探索する、静電容量検出装置。
4. 請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の静電容量検出装置であって、
   前記凹凸情報の検出条件を探索する際に選択される行又は列は前記検出部の略中央部に位置する行又は列である、静電容量検出装置。
5. 被検物表面との間に形成される静電容量を基に前記被検物表面の凹凸情報を担う検出信号を出力する複数の静電容量検出回路と、
   前記複数の静電容量検出回路を互いに交差する行方向及び列方向に並べて配置した検出部と、
   行方向に並ぶ複数の静電容量検出回路を行単位で順次選択するための複数の走査線と、
   前記走査線を駆動する走査線ドライバと、
   列方向に並ぶ複数の静電容量検出回路から出力される検出信号を伝達するためのデータ線と、
   前記データ線を駆動するデータ線ドライバと、
   前記複数の走査線のうち少なくとも何れか一つの走査線に並ぶ複数の静電容量検出回路が選択されている状態において前記凹凸情報の検出条件を変えることにより前記凹凸情報の検出条件を探索する探索手段と、
   を備える、静電容量検出装置。
6. 被検物表面との間に形成される静電容量を基に前記被検物表面の凹凸情報を担う検出信号を出力する複数の静電容量検出回路と、
   前記複数の静電容量検出回路を互いに交差する行方向及び列方向に並べて配置した検出部と、
   行方向に並ぶ複数の静電容量検出回路を行単位で選択するための複数の走査線と、
   前記走査線を駆動する走査線ドライバと、
   列方向に並ぶ複数の静電容量検出回路から出力される検出信号を伝達するためのデータ線と、
   前記データ線を駆動するデータ線ドライバと、
   前記複数のデータ線のうち少なくとも何れか一つのデータ線に並ぶ複数の静電容量検出回路が選択されている状態において前記凹凸情報の検出条件を変えることにより前記凹凸情報の検出条件を探索する探索手段と、
   を備える、静電容量検出装置。
7. 請求項１乃至請求項６のうち何れか１項に記載の静電容量検出装置を備え、指紋の凹凸情報を読み取るように構成された、指紋センサ。
8. 請求項７に記載の指紋センサを備えたバイオメトリクス認証装置。
9. 被検物表面との間に形成される静電容量を基に前記被検物表面の凹凸情報を担う検出信号を出力する複数の静電容量検出回路を複数行及び複数列に並べて配置した静電容量検出装置を駆動して静電容量検出条件を探索するための方法であって、
   前記複数行のうち少なくとも何れか一つの行又は前記複数列のうち少なくとも何れか一つの列に配列されている静電容量検出回路を選択する過程と、
   前記静電容量検出回路が選択されている状態において前記凹凸情報の検出条件を変えることにより前記凹凸情報の検出条件を探索する過程と、
   を含む、静電容量検出条件の探索方法。
10. 請求項９に記載の静電容量検出条件の探索方法であって、
    各行又は各列に並ぶ静電容量検出回路を順次選択していき、特定の行又は特定の列に並ぶ静電容量検出回路を選択した時点で順次選択を停止する過程と、
    前記特定の行又は前記特定の列に並ぶ静電容量検出回路が選択されている状態において前記凹凸情報の検出条件を変えることにより前記凹凸情報の検出条件を探索する過程と、
    を含む、静電容量検出条件の探索方法。
11. 請求項９又は請求項１０に記載の静電容量検出条件の探索方法であって、
    前記凹凸情報の検出条件を探索する際に選択される行又は列は前記検出部の略中央部に位置する行又は列である、静電容量検出条件の探索方法。
    
    

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