JP2005326166A - 静電容量式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 検出感度及び位置分解能などの基本的な検出特性を損なうことなく、残留指紋などの付着物の影響を受け難い構造とし、かつ機械的衝撃及び静電破壊からセンサ表面を保護する静電式容量センサを提供する。
【解決手段】 本発明の静電容量式センサは、被検出物とセンサ表面にアレイ状に配設された検出電極との間の静電容量の変化を検出する静電容量式センサであり、複数の貫通電極が形成され、前記センサ表面との間に隙間を有するように配設された板材を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、接触または近接する物体の凹凸による静電容量の変化の違いから、物体の形状、例えば指紋等の形状を検出する静電容量式形状検出装置に関する。

従来、バイオメトリクス（生体認証技術）の中で最も有望とされる指紋センサとして、アレイ状に配置した検出電極と被検出物との間の静電容量を測定する静電容量式形状検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
上記静電容量式形状検出装置は、装置表面に接触または近接する被検出物の凹凸に応じて静電容量が異なることを利用して形状の検出を行うものであり、指紋検出や印鑑の彫刻面に彫られた文字の形状検出に応用されている。
特開平０８−３０５８３２号公報

しかしながら、特許文献１に示す指紋センサにあっては、指紋検出を行う際、凹凸の形状に応じた容量検出（容量１５の検出）を所定の精度で行うため、図７に示すように、センサ基板１１に設けられた検出電極１２表面を直接指２０で触れる必要がある。
この結果、検出電極１２表面に被検出物である指を接触させることにより、この検出電極面に汗及び油等の異物が付着してしまい、これら付着物があたかも被検出物があるように検出され、いわゆる残留指紋となる。
これにより、従来の静電容量式のセンサには、指紋を検出しようとする場合、上記付着物を検出してしまい、被検出物である指が置かれていないにもかかわらず、残留指紋が指紋として検出されるなどの誤動作が発生するという問題がある。
また、従来の静電容量式のセンサには、検出電極表面が剥き出しとなっていることにより、常に衝撃に曝されているための機械的な強度の問題、さらに、帯電した利用者の指で直接触れられる場合の静電破壊の問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、検出感度及び位置分解能などの基本的な検出特性を損なうことなく、残留指紋などの付着物の影響を受け難い構造とし、かつ機械的衝撃及び静電破壊からセンサ表面を保護する静電式容量センサを提供することを目的とする。

本発明の静電容量式センサは、被検出物とセンサ表面にアレイ状に配設された検出電極との間の静電容量の変化を検出する静電容量式センサであり、複数の貫通電極が形成され、前記センサ表面との間に隙間を有するように配設された板材を有することを特徴とする。
上記本発明の静電式容量センサは、上述した構成により、検出電極が貫通電極を介して外部の被検出体に対する接触が可能であるため、形状検出における検出感度及び位置分解能等を低下させることなく、直接に被検出体が検出電極に接触することがないため、汗や油による残留指紋などの汚れが、板材表面に付着するが検出電極に直接付着することなく、被検出体が無いのに動作してしまうという誤動作を防止することができる。
また、本発明の静電式容量センサは、前記板材が防護膜となるため、検出電極をむき出しにすることが無いので、電極構造を機械的衝撃から防護することができる。

本発明の静電容量式センサは、前記貫通電極が前記検出電極より狭いピッチで、該検出電極と対向する位置に形成されていることを特徴とする。
上記本発明の静電式容量式センサは、板材における貫通電極の配置ピッチが検出電極より、高い密度で形成されているため、形状検出における検出感度及び位置分解能等を低下させることがなく、板材と検出電極との組み付け時における精密なアライメント調整の必要が無く、製造効率を向上させ、価格を低下させることができる。

本発明の静電容量式センサは、前記センサの表面又は周囲に前記板材を所定の間隔の前記隙間を介して支持する支持部を設けたことを特徴とする。
上記本発明の静電容量式センサは、検出電極と板材との間に所定の距離を設けたため、板材の上面に付着した異物の影響を、被検出体が無い時点で、受け難くするため、誤動作をより防止する効果がある。

本発明の静電容量式センサは、前記板材が可撓性を有するフィルムであることを特徴とする。
上記本発明の静電容量式センサは、前記板材が可撓性を有しており、被検出体の形状に対応して、ある程度の長さにおいて伸縮するため、検出電極と板材との前記所定の距離を容易に設定できる効果がある。

本発明の静電容量式センサは、前記支持部が弾性機構を有していることを特徴とする。
上記本発明の静電容量式センサは、検出電極に対して前記板材が所定の距離を有して設けられ、この板材がそれほど可撓性を有していない場合においても、支持部を弾性機構を有しているものを用いているため、被検出体が触れている貫通電極を検出電極に接触させることが可能である。

本発明の静電容量式センサは、前記板材が硬質材料で形成されていることを特徴とする。
上記本発明の静電容量式センサは、前記支持部が弾性機構を有して、かつ板材が硬質材料で形成されているので、被検出体が触れている貫通電極を検出電極に接触させることができ、かつ検出電極をこの硬質の板材で、より強固に保護することが可能である。

本発明の静電容量式センサは、半導体基板表面に形成された静電式容量センサであり、前記支持部が導電体で形成され、この支持部を介して前記板材と前記半導体基板を導通させたことを特徴とする。
上記本発明の静電容量式センサは、板材に接触した被検出体の静電気の電荷を、導電体の支持部を介して、半導体基板に放出するため、貫通電極を介して検出電極に印加されるのを防止し、より静電気破壊に対する耐性を向上させることができる。

本発明の静電容量式センサは、前記支持部とセンサ表面との間にアース用電極が設けられていると共に、前記支持部が導電体で形成され、この支持部を介して前記板材と前記アース用電極とを導通させたことを特徴とする。
上記本発明の静電容量式センサは、板材に接触した被検出体の静電気の電荷を、導電体の支持部を介して、アース用電極に放出するため、貫通電極を介して検出電極に印加されるのを防止し、より静電気破壊に対する耐性を向上させることができる。

本発明の静電容量式センサは、前記支持部が前記板材の脱着機構を有していることを特徴とする。
上記本発明の静電容量式センサは、板材の表面が残留指紋などの付着物で汚れた場合に、脱着して新しい板材に交換することができ、従来のようにセンサ自体を交換することに比較すると、検出感度などの機能を容易に、かつ安価にもとに戻すことが可能となる。

本発明の静電容量式センサは、前記板材の裏面に短絡用電極を設け、この短絡用電極と平面視で重なるように、対向するセンサ表面に、２つの電極から成るスイッチ電極を設けることを特徴とする。
上記本発明の静電容量式センサは、指などの被検出体が触れて、前記２つのスイッチ電極が接触することにより、検出の開始を検知することができて、常時被検出体の有無を検出する必要が無くなり、電力消費量を削減させることが可能となる。

以上説明したように、本発明の静電容量式センサによれば、貫通電極を有する板材を所定の隙間を介して検出電極上部に設けたため、残留指紋のような付着物の影響を防止させ、被検出体の形状検出の検出機能を低下させることなく、検出電極を機械的衝撃及び静電気破壊から防護することが可能となる効果が得られる。

以下、本発明の一実施形態による静電式容量センサを図面を参照して説明する。図１は同実施形態の構成例を示す、静電式容量センサの断面を示す概念図である。
この図において、基板１は所定の厚さの半導体基板である。検出電極２は、基板１の表面に、所定の厚さにおいて、所定のピッチ（たとえば、５０〜１００μｍ）程度で形成されている。この検出電極２上面に保護膜が形成されていてもよい。

基板１の表面の外周部には、所定の高さの支柱３が支持部として形成されている。この支柱３の上面には、板材５が検出電極２に対向するように設けられている。
すなわち、板材５と基板１との間に支柱３が介挿されており、所定の距離の間隙４を形成している。
ここで、板材５は絶縁体で構成されており、外周部分を粘着剤または接着剤により、支柱３上面に固定されており、また、この支柱３も下部が粘着剤または接着剤により、基板１の外周部に固定されている。

板材５には、貫通電極６が表面と裏面とを貫通するように埋め込まれて、上記検出電極２より狭いピッチで形成されている。
貫通電極６は、導体であれば材質を問わないが、銅、アルミニウム、金などの比較的柔らかい金属や、導電性のゴム、プラスチックなど、検出電極２に対する密着性が高くできる材質を使用すると、より検出精度を高くすることが可能である。
また、板材５は指紋（被検出体）の形状に対応して屈曲、すなわち変形する必要はなく、図２に示すように、そのままの形状で検出電極２に対し、貫通電極６が電気的に接触することにより、検出電極２に直接被検出体が触れたと同様に、被検出体（隆線及び谷線の凹凸を有する指２０の指紋）と検出電極２との電気的接触を実現することが可能である。

板材５は、図２に示すように、可撓性を有する絶縁性のフィルムで形成されている場合、間隙４を有するように支柱３に張られるように形成しても良いし、上記フィルム外周部に、支柱３（後に述べる弾性部材としても良い）と平面視で重なる形状の補強リングを設けるようにしてもよい。
この場合、上記フィルムが被検出体が触れると、被検出体による応力に対応して、フィルムの有する可撓性により伸縮し、被検出体が貫通電極６を介して検出電極２に電気的に接触するので、支柱３は、板材５と検出電極２との間の間隙４を形成するために介挿されているのみでよく、硬質材料でよく、出来れば板材５に触れた被検出体に蓄積している電荷を基板１に放電させ易くするため、導電体で形成されてもよい（このとき、貫通電極６を介在し、電荷が横方向に流れて支柱３を介して放電される）。この場合、板材５，支柱３及び基板１各々を固定するために用いる粘着剤または接着剤も導電性の材質を用いる。

また、板材５は絶縁性を有する硬質材料（例えば、セラミック）などで構成されていても良く、この場合にも、出来れば板材５に触れた被検出体に蓄積している電荷を基板１に放電させ易くするため、支柱３が導電体で形成されてもよい。
この場合、支柱３が弾性部材で形成され、板材５に被検出体が触れると、この応力に対応して支柱３が変形（伸縮）することにより、板材５が変形しなくとも、板材５は検出電極２に接触することとなる。
これにより、板材５に被検出体が触れることにより、この被検出体が貫通電極６を介して、直接、検出電極２に触れることとなる。
ここで、上記弾性部材は、金属またはプラスチック（出来れば導電性を有する）で形成されたバネ、またゴム材（出来れば導電性を有する）で形成される。

次に、図３に示すように、支柱３の下部の基板１の表面にアース電極７を形成、すなわち支柱３と基板１との間にアース電極７を形成するようにしてもよい。
アース電極７は、導電性を有する金属膜で形成されたパターンであり、基板１の表面外周部に支柱３と対向するように設けられ、いずれかの位置において、外部の接地線に接続されている。
これにより、支柱３を導電体で形成することと組み合わせると、被検出体に蓄えられていた電荷を、板材５を介して有効的に放電させることができる。

また、図４に示すように、基板１表面（検出電極２が設けられた面と同一面）の所定の位置に、スイッチ電極Ｓ１及びＳ２を設け、板材５の裏面において、上記スイッチ電極Ｓ１及びＳ２の双方に対して対向する位置に、スイッチ電極Ｓ３を設けるようにしてもよい。
これにより、被検出体が板材５に触れることで、すでに述べたように、板材５が検出電極２に接触するとき、スイッチ電極Ｓ３がスイッチ電極Ｓ１及びＳ２に接触することにより、スイッチ電極Ｓ３を介してスイッチ電極Ｓ１及びＳ２が電気的に接触する。
上述したスイッチ電極Ｓ１及びＳ２をセンサ自体の電源スイッチとすることにより、板材５が被検出体により押されて、板材５と検出電極２とが接触したのみ、センサの電源をオンとすることができる。
これにより、被検出体の有無を検出するためにセンサを常時待機状態にしておく必要がなくなり、電力消費量を削減させることが可能となる。
また、このスイッチ電極Ｓ１とＳ２とが電極Ｓ３に接触したことを検出することにより、被検出体が板材１に触れたことを検出することを容易に検知するようにしてもよい。

さらに、図６に示すように、板材５を着脱自在とする固定部材８を設けて、板材５を支柱３上面に接着剤などにより、完全に固定するのではなく、固定部材８の着脱部９と支柱３との間において、着脱部９の応力により挟み込んだ状態で、板材５を所定の位置に固定するようにしても良い。
上述した構成を付加することにより、着脱部９を緩めて、板材５を静電容量式センサ本体から容易に取り外すことが可能となり、板材５表面の付着物を除去するためのクリーニング、または、新しい板材５へ交換が可能なように、センサを構成することができる。
なお、板材５がフィルムで形成されている場合、このフィルムの外周部に支柱３と平面視で重なる形状のフィルム補強リング１０を設けるようにしてもよく、このように構成すると、板材５の脱着時のハンドリングが容易となる。

また、さらに、図５に示すように、板材５における貫通電極６のピッチと、基板１表面における検出電極２のピッチと、を同一として、上述してきた本発明の静電容量式センサを形成しても良い。

本発明の一実施形態による静電容量式センサの一構成例の断面構造を示す概念図である。 本発明の一実施形態による静電容量式センサの一構成例の断面構造を示す概念図である。 本発明の一実施形態による静電容量式センサの一構成例の断面構造を示す概念図である。 本発明の一実施形態による静電容量式センサの一構成例の断面構造を示す概念図である。 本発明の一実施形態による静電容量式センサの一構成例の断面構造を示す概念図である。 本発明の一実施形態による静電容量式センサの一構成例の断面構造を示す概念図である。 従来例による静電容量式センサの構成を示す断面構造を示す概念図である。

符号の説明

１…基板
２…検出電極
３…支柱
４…間隙
５…板材
６…貫通電極
７…アース電極
８…固定部材
９…着脱部
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…スイッチ電極

Claims (10)

1. 被検出物とセンサ表面にアレイ状に配設された検出電極との間の静電容量の変化を検出する静電容量式センサであり、
   複数の貫通電極が形成され、前記センサ表面との間に隙間を有するように配設された板材を有することを特徴とする静電容量式センサ。
2. 前記貫通電極が前記検出電極より狭いピッチで、該検出電極と対向する位置に形成されていることを特徴とする請求項１記載の静電容量式センサ。
3. 前記センサの表面又は周囲に前記板材を所定の間隔の前記隙間を介して支持する支持部を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の静電容量式センサ。
4. 前記板材が可撓性を有するフィルムであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の静電容量式センサ。
5. 前記支持部が弾性機構を有していることを特徴とする請求項３に記載の静電容量式センサ。
6. 前記板材が硬質材料で形成されていることを特徴とする請求項１，２，３，５のいずれかに記載の静電容量式センサ。
7. 半導体基板表面に形成された静電式容量センサであり、前記支持部が導電体で形成され、この支持部を介して前記板材と前記半導体基板を導通させたことを特徴とする請求項３から請求項６のいずれかに記載の静電容量式センサ。
8. 前記支持部とセンサ表面との間にアース用電極が設けられていると共に、前記支持部が導電体で形成され、この支持部を介して前記板材と前記アース用電極とを導通させたことを特徴とする請求項３から請求項６のいずれかに記載の静電容量式センサ。
9. 前記支持部が前記板材の脱着機構を有していることを特徴とする請求項３から請求項８のいずれかに記載の静電容量式センサ。
10. 前記板材の裏面に短絡用電極を設け、この短絡用電極と平面視で重なるように、対向するセンサ表面に、２つの電極から成るスイッチ電極を設けることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の静電容量式センサ。

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