JP2006112842A - 面圧分布センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】 特に内部圧力の変化を小さくし、測定の感度を従来よりも向上させることが可能な面圧分布センサを提供することを目的としている。
【解決手段】 測定部Eの側方に、流体溜り部30を設け、前記流体溜り部30の内部空間Gと前記測定部Eの内部空間Hとを繋いでいる。したがって測定面I上を押圧し、前記測定部Eの内部空間Hが潰されたとき、流体は前記流体溜り部30の方へも逃げることが可能になるため前記測定部Eの内部空間Hの圧力上昇は従来に比べて小さくなり、従来に比べて前記測定部Eの上部基板23に対する押し上げ力は弱まる。この結果、測定感度を従来に比べて向上させることが出来る。
【選択図】 図3

Description

本発明は、例えば指紋等の被測定物の微細な凹凸を測定する面圧分布センサに係わり、特に測定の感度を従来よりも向上させることが可能な面圧分布センサに関する。
指紋センサには、種々の方式があり、感圧式、光学式、半導体式(指紋と電極間に溜まる電荷量の変化に基づき指紋の画像を測定する)等がある。このうち、光学式や半導体式では、指の乾湿具合などによって適切に指紋画像を検出できない可能性があるのに対し、感圧式では、指の乾湿の影響を受けにくく、過酷な条件下でも適切に指紋画像を検出できるとして期待されている。
図7は、従来における感圧式指紋センサの部分断面図である。感圧式指紋センサは特許文献1(特開平11−155837号公報)にも開示されている。
図7に示す符号1は下部基板であり、前記下部基板1上には図示Y方向(長さ方向)に延びる複数の下部導体2が図示X方向(幅方向)に並列に設けられている。前記下部導体2上には絶縁層9が設けられている。前記下部基板1上には所定距離離れて可撓性の上部基板3が設けられている。前記上部基板3の下面には各下部導体2に対して直交方向(図示X方向)に延びる複数の上部導体4が図示Y方向へ並列に設けられている。
図7に示すように前記下部基板1と上部基板3間にはスペーサ層5が設けられている。前記上部基板3上には測定部6を画定するための枠体7が設けられており、前記枠体7内に前記上部基板3の上面が露出している。
図7に示すように、指Fを前記測定部6の上部基板3上に当接し、前記上部基板3を符号Aの方向(図示Z方向と逆方向)へ押圧する。前記上部基板3は可撓性の材質であるため容易に下方向へ撓む。
前記上部基板3は指Fの指紋の凹凸8の形状に倣って撓み変形することで、多数の前記下部導体2と上部導体4との交差部での離間距離が変化し、前記離間距離に応じて変化する静電容量を検出することによって、指Fの指紋の凹凸8の形状を指紋データとして出力することが出来る。
特開平11−155837号公報
しかし図7に示す従来の感圧式指紋センサの構造では次のような問題点があった。
前記測定部6に設けられた下部基板1と上部基板3間の内部空間Bは、前記スペーサ層5によってその周囲が仕切られ、例えば図7に示すように前記スペーサ層5の側壁5aと前記枠体7との側壁7aは図示Z方向にてほぼ同じ位置に設けられている。
そして図7のように指Fを前記測定部6内の上部基板3上に当接し前記上部基板3を符号A方向へ押圧すると、前記内部空間Bの圧力は上昇する。
このとき前記内部空間B内に存在する空気は、符号C,Dに示すように側方へ逃げて、可撓性の上部基板3を上方へ押し上げる。この結果、前記指Fの側方F1,F2の指紋を適切に検知できなくなるといった問題が発生した。
特許文献1には感圧式指紋センサの構造が開示されているものの、上記した内部圧力変化の問題点及びその解決策について何ら言及していない。
そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に内部圧力の変化を小さくし、測定の感度を従来よりも向上させることが可能な面圧分布センサを提供することを目的としている。
本発明は、下部基板と、前記下部基板の上面に並列に並べられた複数の下部導体と、前記下部基板上に所定の間隔を有して設けられた可撓性の上部基板と、前記上部基板の下面に前記下部導体と直交する方向へ並列に並べられた複数の上部導体と、を有し、
測定部は、前記上部導体と下部導体とが膜厚方向にて対向し内部が空間となっている領域に設けられ、前記測定部にて、前記上部基板上の測定面が押圧されることで変化する静電容量に基づいて面圧の分布を検出する面圧分布センサにおいて、
前記測定部の側方に、内部が空間となっている流体溜り部が設けられ、前記流体溜り部の内部空間と、前記測定部の内部空間とが繋がっていることを特徴とするものである。
本発明では上記のように測定部の側方に、流体溜り部を設け、前記流体溜り部の内部空間と前記測定部の内部空間とを繋いでいる。したがって前記測定面上を押圧し、前記測定部の内部空間が潰されたとき、流体は前記流体溜り部の方へも逃げることが可能になるため前記測定部の内部空間の圧力上昇は従来に比べて小さくなり、従来に比べて前記測定部の上部基板に対する押し上げ力は弱まる。この結果、測定感度を従来に比べて向上させることが出来る。
また本発明では、前記下部基板と上部基板との間にはスペーサ層が設けられ、前記スペーサ層は前記測定部の内部空間の側壁を規制するとともに、流体溜り部の内部空間の側壁、及び前記測定部と前記流体溜り部との内部空間を繋ぐ空洞連結部の壁面を規制することが好ましい。これにより簡単な構造で前記流体溜り部及び空洞連結部を形成できる。
また本発明では、前記流体溜り部の上面側あるいは下面側の少なくとも一方には、可塑性部材が設けられ、前記流体溜り部は、前記可塑性部材が設けられた側の面を押圧し前記流体溜り部の内部空間を凹ませて、人為的に前記測定部の内部空間の圧力を調整できる圧力調整機能を兼ね備えることが好ましい。
前記測定部の内部空間に繋がる流体溜り部を設けたことによりトータルした内部空間が広くなりすぎると、前記測定面上を押圧しても、前記測定部の内部空間の内部圧力が低くすぎ、前記上部基板が、例えば指の指紋の凹凸に倣って撓み変形しにくくなる可能性がある。かかる場合、適切に指紋の凹凸を検出できない。このように前記測定部の内部空間の内部圧力は押圧したときに低くすぎる状態であっても好ましくなく、本発明ではこのような問題を解決するため前記流体溜り部に圧力調整機能を持たせたのである。すなわち前記流体溜り部の上面あるいは下面に可塑性部材を設け、その可塑性部材が設けられた面を所定量だけ押圧し、前記流体溜り部の内部空間を凹ませる。これにより前記測定部の内部空間の圧力を高くでき、前記圧力を人為的に適切に調整することが出来る。前記可塑性部材は変形したあとは元に戻りにくいため、前記測定面上を押圧することで、流体が前記流体溜り部の内部空間内に導かれても、このとき前記流体溜り部は凹んだ状態のまま元に戻り難く、前記測定部の内部空間の圧力を測定時において、適度な圧力に維持しておくことが可能である。このように前記流体溜り部に圧力調整機能を持たせることで、前記測定部の内部空間の圧力を適切に人為的に調整でき測定感度を高めることが出来る。
また本発明では、前記流体溜り部は複数設けられ、そのうち少なくとも1つが前記圧力調整機能を兼ね備えることが好ましい。このように前記流体溜り部を複数用意しておき、そのうちの少なくとも一つに圧力調整機能を持たせ、主として他の流体溜り部に、測定面上を押圧したときに流体が逃げ込む空間として機能させれば、より測定感度に優れた面圧分布センサとすることが出来る。
なお本発明では、前記内部空間は空気層であることが好ましい。空気は圧縮性があるため、前記測定面上を押圧したときに前記測定部の内部空間の空気層は流体溜り部内へ圧縮されて逃げ込め、前記測定部の内部空間の圧力上昇を小さくできる。よって前記内部空間が空気層であると、前記流体溜り部を設けたことによる測定感度の向上を適切に図ることが出来る。
本発明では測定部の側方に、流体溜り部を設け、前記流体溜り部の内部空間と前記測定部の内部空間とを繋いでいる。したがって測定面上を押圧し、前記測定部の内部空間が潰されたとき、流体は前記流体溜り部の方へも逃げることが可能になるため前記測定部の内部空間の圧力上昇は従来に比べて小さくなり、従来に比べて前記測定部の上部基板に対する押し上げ力は弱まる。この結果、測定感度を従来に比べて向上させることが出来る。
図1は、本発明の第1の実施形態の感圧式指紋センサの部分平面図、図2は図1に示す指紋センサをII−II線から切断し矢印方向から見た部分断面図、図3は、図2に示す部分断面図を拡大したものであり、指紋測定時の状態を示す部分拡大断面図、図4は、図5に示す本発明のより好ましい実施形態を説明するための前提となる問題点を説明するための部分拡大断面図、図5は、図3に示す指紋センサに設けられた圧力調整機能を説明するための部分拡大断面図、図6は本発明における第2実施形態の感圧式指紋センサの部分平面図、である。
図1に示す指紋センサ20は、図2に示すように、下部基板21と、前記下部基板21の上面21aに幅方向(図示X方向)に多数並列に並べられた下部導体22と、上部基板23と、前記上部基板23の下面23bに前記下部導体22と直交する方向の長さ方向(図示Y方向)に並列に並べられた多数の上部導体24と、前記下部基板21と上部基板23間に介在するスペーサ層25とを有して構成される。
前記下部基板21は例えばガラス基板であるが、前記上部基板23と一体に形成することもでき、係る場合、前記下部基板21は可撓性の樹脂フィルム等で形成される。
前記上部基板23は可撓性フィルムで形成される。例えば前記上部基板23はPET樹脂フィルムやポリイミド樹脂フィルム,ポリエステルフィルム等で形成される。前記上部基板23は厚みが1〜30μm程度である。
前記下部導体22,上部導体24は、それぞれ前記下部基板21の上面21a及び上部基板23の下面23bにスクリーン印刷等で形成されたものである。前記下部導体22及び上部導体24は共に例えば50μmピッチで200本程度形成される。
前記スペーサ層25は、レジストや接着剤等の有機絶縁物で形成される。前記スペーサ層25は、25μm程度の膜厚で形成される。
図2に示すように前記下部導体22上は絶縁層26で覆われている。前記絶縁層26は、前記上部導体24表面を覆って形成されていてもよいし、少なくとも前記下部導体22と上部導体24のうちどちらか一方の表面に形成されていればよい。前記絶縁層26は例えばSiなどで形成される。
図1,図2に示すように測定部Eは、前記上部導体24と下部導体22とが膜厚方向(図示Z方向)にて対向し前記上部基板23と下部基板21とが所定距離離されたことによって内部が空間(以下、内部空間Hと呼ぶ)となっている領域に設けられる。前記上部基板23上には、測定部Eの測定面Iを画定するための枠体27が設けられている。前記枠体27から露出する前記上部基板23の上面23aが測定面Iであり、前記測定面Iは略四角形状で形成されている。
図1,図2に示すように、前記測定部Eの左側方には、前記測定部Eから所定距離離れた位置に流体溜り部30が設けられている。図2に示すように前記流体溜り部30の内部は、その上下が下部基板21と上部基板23とに挟まれた空間であり、図1,図2に示すように前記流体溜り部30に形成された内部空間Gと、測定部Hの内部空間Hとが、上下が上部基板23と下部基板21とに挟まれた空洞連結部31によって繋がっている。
前記流体溜り部30での下部基板21はその上面がやや凹んでおり、前記上部基板23が上方にやや膨らんでおり、前記内部空間Gの高さ方向(図示Z方向)への寸法が前記測定部Eの内部空間Hの高さ方向への寸法よりも大きくなっている。前記内部空間G,H及び空洞連結部31内は空気層である。
図2に示すように前記枠体27は流体溜り部30を構成する上部基板23上には設けられていない。すなわち前記枠体27は前記測定部Eの測定面Iとなる上部基板23の上面23aおよび、流体溜り部30を構成する上部基板23の上面23a以外の上部基板23上に設けられている。そして図1,図2に示すように縦長形状に画定された流体溜り部30を構成する上部基板23の上面23aには、可塑性部材32が設けられている。
前記可塑性部材32は、例えばステンレス等の可塑性を有する金属で形成される。可塑性部材32は、押圧すると変形し、押圧力を除去しても元の形に戻らない性質を示すものである。
上記したスペーサ層25は、図1に示すように点線で囲まれた斜線領域に設けられる。前記スペーサ層25は図1,図2に示すように、前記測定部Eの内部空間Hの側壁Ha,流体溜り部30の内部空間Gの側壁30a及び前記空洞連結部31の側壁31aを規制している。図1に示すように前記空洞連結部31の側壁31a間の寸法は、前記側壁31a間と同じ方向で見たときの前記流体溜り部30及び測定部Eの側壁間の寸法よりも小さくなっている。
図1,図2に示すように、前記測定部Eにて、前記測定部Eの測定面Iの輪郭を画定する枠体27の側壁27aと前記内部空間Hの側壁Haとが膜厚方向(図示Z方向)にて一致していない。図1,図2に示すように前記内部空間Hの側壁Haは前記枠体27の下に潜り込み、前記内部空間Hの面積のほうが前記測定面Iの面積よりも大きくなっている。前記内部空間Hの側壁Haと前記枠体27の側壁27a間の幅Tは1mm〜5mm程度である。
図3に示すように、指Fを前記操作面I上に当接し可撓性の上部基板23を図示下方向へ押圧すると、前記上部基板23及び上部導体24が撓む。このとき前記上部基板23及び上部導体24は前記指Fの指紋の凹凸形状Faに倣って撓み変形する。このように指紋の凹凸形状Faに倣って前記上部基板23及び上部導体24が撓むことで多数ある上部導体24と下部導体22との交差部の離間距離が各交差部において一律でなく異なる値を示し、前記離間距離に応じた静電容量の変化を図示しない容量検出部で検出することで、指紋の凹凸形状Faを信号データとして出力することが出来る。
本発明では図1ないし図3に示すように前記測定部Eの側方には内部が空間Gとなっている流体溜り部30が設けられ、前記測定部Eと流体溜り部30とは空洞連結部31によって連結されている。これにより内部空間は広がり、指Fを操作面I上で押圧したときに、前記測定部Eの内部空間Hに存在する空気は矢印Jに示すように前記流体溜り部30の内部空間Gへも逃げるため、前記測定部Eの内部空間H内の圧力の上昇は従来よりも小さくなり、図3に示すように内部圧力の上昇による前記測定部Eでの上部基板23を上方へ押し上げる矢印K方向への空気流は減少する。この結果、指Fを前記操作面I上で押圧したときに前記指Fと当接する上部基板23全体が適切に指紋の凹凸形状Faに倣って下方向へ押し下げられるので、指紋の凹凸形状Faを従来に比べて広範にわたって読み取ることが可能になる。したがって本発明では、測定感度を従来に比べて向上させることが出来る。
ところで前記流体溜り部30には前記測定部Eの内部圧力を人為的に調整できる機能も兼ね備えている。
前記測定部Eの内部空間Hに繋がる流体溜り部30の内部空間Gを設けたことによりトータルした内部空間が広くなりすぎると、前記測定面I上を押圧しても、前記測定部Eの内部空間Hの内部圧力が低くすぎる状態の場合がある。図4にそのような場合の問題点を指摘するが、前記指Fを前記測定面I上で押圧し前記上部基板23及び上部導体24を下方へ撓ませたとき、前記内部空間Hでの内部圧力が低すぎると前記指Fの指紋の凹凸形状Faに倣って前記上部基板23及び上部導体24が撓み変形しにくくなり、この結果、適切に指紋の凹凸形状Faを検出できない可能性がある。したがって前記測定部Eの内部空間Hの内部圧力は押圧したときに低すぎる状態であっても好ましくない。
そこで本発明では図1,図2で説明したように前記流体溜り部30を構成する上部基板23の上面23aに可塑性部材32を設け、前記可塑性部材32上を押圧して前記測定部Eの内部空間Hの内部圧力を人為的に調整できるようにしている。
図5に示すように、前記流体溜り部30の上面を下方向に指などで押圧する。これにより前記可塑性部材32は下方向へ凹み、前記流体溜り部30の内部空間G内に存在していた空気が矢印Lのように前記測定部Eの内部空間Hへ導かれる。これにより前記測定部Eでの上部基板23及び上部導体24がやや上方へ押し上げられる。前記測定部Eでは前記流体溜り部30から空気が流入したことで内部圧力が上昇する。
図5のように前記測定部Eの内部空間Hでの圧力を図2の状態のときよりも高い状態にして前記測定面I上を指Fで押圧すると、図3と同様に前記測定部Eの内部空間Hにある一部の空気は矢印Jのように前記流体溜り部30の内部空間Gへ逃げる。このため前記流体溜り部30の内部空間Gの圧力は上昇するが、可塑性部材32は前記圧力によって元の状態にまで押し戻されることはない。なおこのとき前記可塑性部材32は若干押し戻されてもよい。このように測定部Eの内部空間Hの一部の空気は前記流体溜り部30の内部空間Gへ逃げるので、前記測定部Eの内部空間Hの圧力上昇は、図5の初期状態に比べてさほど高くならず、それでいて適度な内部圧力を有しているため指Fの指紋の凹凸形状Faに倣って前記上部基板23及び上部導体24が適切に撓み変形しやすく前記指紋の凹凸形状Faをより明確な画像として写し出すことが出来る。
ところで前記測定部Eの内部空間H,前記流体溜り部30の内部空間G及び空洞連結部31内は、空気層であることが好ましいが、液体であることを否定するものではない。
空気は圧縮性があるため、図3のように前記測定面I上を指Fで下方向へ押圧すると前記測定部Eの内部空間Hにある空気は流体溜り部30の内部空間Gへ圧縮されながら移動することが出来るので内部空間を広げたことによる測定感度の向上という作用効果は前記内部空間が空気層であると適切に発揮される。ただし前記内部空間が液体であっても、特に前記流体溜り部30の上面に可塑性部材32を設けず、可撓性の上部基板23を前記流体溜り部30の上面に露出させておけば、測定面I上を指Fで押圧したときに液体が前記流体溜り部30の上部基板23を上方へ押圧して撓せることができるので、この結果、前記内部空間Hにある液体が前記内部空間Gに流れ込み、前記測定部Eの内部空間Hでの圧力の上昇を抑制することが可能になる。
図6は本発明における第2実施形態の指紋センサの部分平面図であり、図6に示すように前記指紋センサには、測定部Eと、4つの流体溜り部40,41,42,43が設けられている。前記流体溜り部40〜43は全て前記測定部Eに空洞連結部44により繋がっている。前記測定部Eの図示右側にある3つの小さい流体溜り部40,41,42は、その上面に可塑性部材32が設けられており、図1に示す流体溜り部30と同様に前記測定部Eの内部空間Hの圧力を人為的に調整できる機能を有する。図6に示す実施形態では、前記測定部Eの内部空間Hの内部圧力が所定値よりも低いとき、例えば、内部圧力が所定値に比べてかなり低い場合には、流体溜り部40,41,42を3つ全て押圧し、内部圧力が所定値よりも若干低い場合には流体溜り部40を一つだけ押圧するなど、所定値までに必要な内部圧力の大きさに応じて流体溜り部40,41,42を押す数を決定できる。このため図6ではきめ細かく前記測定部Eの内部空間Hの圧力を調整できる。図6では前記測定部Eの左側にある流体溜り部43は、その上面に前記可塑性部材32が設けられておらず、前記測定部Eの内部空間Hの圧力を人為的に調整できる機能を持っていない。例えば図6のように個別に小さい圧力調整機能を兼ね備えた流体溜り部40〜42を、全て圧力調整のために押圧して各流体溜り部40〜42の内部空間をさらに小さくすると前記流体溜り部40〜42には前記測定面I上を指Fで押圧したときに前記測定部Eの内部空間Hの空気が逃げ込みにくく、前記内部空間Hの圧力上昇を抑制するスペースとしての機能は低下する。そのため主に、前記測定面I上を指Fで押圧したときに前記測定部Eの内部空間Hの空気が逃げ込み、前記内部空間Hの圧力上昇を抑制するスペースとして前記流体溜り部43を設けておくことで、人為的な圧力調整と、前記内部空間Hの圧力上昇の抑制効果との双方をバランス良く調整することが可能になる。
図1ないし図6に示す実施形態では、下部基板21と上部基板23とが別個に形成されたものであるが、前記下部基板21と上部基板23とが一体に形成され、折り曲げられて図2のように上部基板23と下部基板21とが対向させられる形態であってもよい。かかる場合、前記下部基板21も前記上部基板23と同様に可撓性のフィルムで形成されるので、操作面Iが形成されない前記下部基板21の下面側には補強板が設けられ、前記操作面I上を押圧したときに同時に前記下部基板21も撓み変形しないようにすることが好ましい。またかかる場合、前記下部基板21は可撓性であるので、前記流体溜り部30を構成する下部基板21の下面に前記可塑性部材32を設け、前記流体溜り部30を下面側から凹ませることが出来るようにしてもよい。このとき、上記補強板を例えばステンレス板などで形成し、このステンレス板の一部を塑性加工して可塑性部材32を形成するようにしてもよい。前記流体溜り部30の上面及び下面のうち少なくともどちらか一方に前記可塑性部材32が設けられていればよい。
なお図2に示す前記内部空間Hの幅寸法Tで規制される空間を前記流体溜り部として機能させることも出来る。
図1ないし図6は指紋センサであり、例えば携帯電話の持ち主認証システムなどに適用することが出来る。また本発明では図1ないし図6に示す面圧分布センサを指紋センサ以外の用途としても使用できる。例えば印鑑の陰影を取り込むためのセンサなどであり、かかるセンサを各種認証や実印の登録時等に利用することが出来る。
本発明の第1の実施形態の感圧式指紋センサの部分平面図、 図1に示す指紋センサをII−II線から切断し矢印方向から見た部分断面図、 図2に示す部分断面図を拡大したものであり、指紋測定時の状態を示す部分拡大断面図、 図5に示す本発明のより好ましい実施形態を説明するための前提となる問題点を説明するための部分拡大断面図、 図3に示す指紋センサに設けられた圧力調整機能を説明するための部分拡大断面図、 本発明における第2実施形態の感圧式指紋センサの部分平面図、 従来における感圧式指紋センサの部分断面図、
符号の説明
21 下部基板
22 下部導体
23 上部基板
24 上部導体
25 スペーサ層
26 絶縁層
27 枠体
30、40、41、42、43 流体溜り部
31、44 空洞連結部
32 可塑性部材
E 測定部
F 指
G、H 内部空間
I 測定面

Claims (5)

  1. 下部基板と、前記下部基板の上面に並列に並べられた複数の下部導体と、前記下部基板上に所定の間隔を有して設けられた可撓性の上部基板と、前記上部基板の下面に前記下部導体と直交する方向へ並列に並べられた複数の上部導体と、を有し、
    測定部は、前記上部導体と下部導体とが膜厚方向にて対向し内部が空間となっている領域に設けられ、前記測定部にて、前記上部基板上の測定面が押圧されることで変化する静電容量に基づいて面圧の分布を検出する面圧分布センサにおいて、
    前記測定部の側方に、内部が空間となっている流体溜り部が設けられ、前記流体溜り部の内部空間と、前記測定部の内部空間とが繋がっていることを特徴とする面圧分布センサ。
  2. 前記下部基板と上部基板との間にはスペーサ層が設けられ、前記スペーサ層は前記測定部の内部空間の側壁を規制するとともに、流体溜り部の内部空間の側壁、及び前記測定部と前記流体溜り部との内部空間を繋ぐ空洞連結部の壁面を規制する請求項1記載の面圧分布センサ。
  3. 前記流体溜り部の上面側あるいは下面側の少なくとも一方には、可塑性部材が設けられ、前記流体溜り部は、前記可塑性部材が設けられた側の面を押圧し前記流体溜り部の内部空間を凹ませて、人為的に前記測定部の内部空間の圧力を調整できる圧力調整機能を兼ね備える請求項1記載の面圧分布センサ。
  4. 前記流体溜り部は複数設けられ、そのうち少なくとも1つが前記圧力調整機能を兼ね備える請求項3記載の面圧分布センサ。
  5. 前記内部空間は空気層である請求項1ないし4のいずれかに記載の面圧分布センサ。
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