JP3082141B1 - 表面形状認識用センサ回路 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 微細な凹凸を有する指紋などの検出対象物の
表面形状を認識するセンサ回路の出力ダイナミックレン
ジを大きくする。 【解決手段】 表面形状に応じて電気量が変化する検出
素子１０、検出素子に接続され前記電気量に応じた信号
を発生させる信号発生回路２０、検出素子と信号発生回
路との接続部に接続され接続部に発生した信号を増幅す
る信号増幅回路３０からなるセンサ回路の出力部に、電
圧・時間変換回路４１を設け、回路４１により電圧信号
を時間方向の信号に変換し、センサ回路の出力ダイナミ
ックレンジを大きくする。また、出力部にバイアス調節
回路６０を設け、出力部のバイアス状態を調整すること
で、指紋の凹凸のコントラストを強調する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人間の指紋や動物
の鼻紋等の微細な凹凸を有する検出対象物の表面形状を
認識する表面形状認識用センサ回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】表面形状を認識するセンサとしては、特
に指紋検出をターゲットとしたものが報告されている。
また、指紋のパターンを検出する技術としては、ＬＳＩ
製造技術を用いた容量検出形の指紋センサが本出願人の
別途出願である、例えば特願平１０−１９３４５５号に
提案されている。

【０００３】この容量検出形のセンサは、図１９に示す
ように各センスユニット１がＬＳＩチップ上に２次元配
列されてセンサアレイ２を形成する。そして、各センス
ユニット１の電極と絶縁膜を介して触れた指３の皮膚と
の間に形成される静電容量を検出して、指紋の凹凸パタ
ーンを感知するものである。指紋の凹凸により形成され
る容量の値が異なるため、この容量差を検出することで
指紋の凹凸を感知することができる。

【０００４】図１７は、上記特願平１０−１９３４５５
号に提案された表面形状認識用センサ回路の基本構成を
示すブロック図である。すなわち、この表面形状認識用
センサ回路は、センサ電極と絶縁膜を介して触れた指の
皮膚との聞に形成される静電容量からなる検出素子１１
０と、検出素子１１０の静電容量の値に応じた電圧信号
を発生する信号発生回路１２０と、信号発生回路１２０
による信号のレベルを増幅して出力する信号増幅回路１
３０と、信号増幅回路１３０の出力信号を所望の信号に
変換して出力する出力回路１４０により構成される。

【０００５】さらに、上記検出素子１１０、信号発生回
路１２０、信号増幅回路１３０、出力回路１４０により
一組のセンスユニット１が構成される。図１８は図１７
の表面形状認識用センサ回路の回路図の一例である。図
１８において、Ｃｆはセンサ電極と指の皮膚との間に形
成される検出素子１１０の静電容量である。容量Ｃｆに
接続されるセンサ電極は信号発生回路１２０内のＮchＭ
ＯＳトランジスタＱ３ａのドレイン端子に接続されてお
り、トランジスタＱ３ａのソース端子は電流Ｉの電流源
２１ａの入力側に接続される。

【０００６】また、センサ電極とトランジスタＱ３ａと
の節点Ｎ１ａには、信号増幅回路１３０内のＮchＭＯＳ
トランジスタＱ２ａのソース端子が接続されている。ト
ランジスタＱ２ａのドレイン端子には、ソース端子に電
源電圧ＶDDが印加されたＰchＭＯＳトランジスタＱ１ａ
のドレイン端子と、ドレイン端子に電源電圧ＶDDが印加
されソース端子が抵抗Ｒａを介して接地に接続された出
力回路１４０内のＮchＭＯＳトランジスタＱ４ａのゲー
ト端子とが接続されている。このトランジスタＱ４ａの
ソース端子にインバータゲート１４１が接続される。

【０００７】各トランジスタＱ１ａ，Ｑ３ａのゲート端
子にはそれぞれ信号ＰＲＥ（バー），ＲＥが印加され
る。また、トランジスタＱ２ａのゲート端子には定電圧
源からバイアス電圧ＶＧが印加される。ここで、トラン
ジスタＱ２ａが非導通状態になるゲート−ソース間のし
きい値電圧をＶthとすると、ＶDD≧ＶＧ−Ｖthとなるよ
うに電圧ＶDD，ＶＧが設定される。また、節点Ｎ１ａ，
Ｎ２ａはそれぞれ寄生容量Ｃｐ１ａ，Ｃｐ２ａを有して
いる。

【０００８】さて以上のように構成されたセンサ回路の
動作を説明する。図２１では、節点Ｎ１ａ，Ｎ２ａの電
位は、予め図示しないリセット回路によりリセットさ
れ、初期状態ではＬｏｗレベル（ＧＮＤ）となってい
る。このような状態において、はじめに、トランジスタ
Ｑ１ａのゲート端子にＨｉｇｈレベル（ＶDD）の信号Ｐ
ＲＥ（バー）が与えられ、トランジスタＱ３ａのゲート
端子にはＬｏｗレベル（ＧＮＤ）の信号ＲＥが与えられ
る。したがって、このときトランジスタＱ１ａ，Ｑ３ａ
はともに導通していない。

【０００９】この状態で信号ＰＲＥ（バー）がＨｉｇｈ
レベルからＬｏｗレベルに変化すると、トランジスタＱ
１ａが導通状態になる。このときトランジスタＱ３ａは
非導通状態のままであり、したがって信号発生回路１２
０は停止状態にあるため、節点Ｎ２ａの電位がＶDDにプ
リチャージされる。また、トランジスタＱ２ａのゲート
−ソース間電圧がしきい値電圧Ｖthに達してトランジス
タＱ２ａが非導通状態になるまで、節点Ｎ１ａが充電さ
れる。これにより、節点Ｎ１ａの電位がＶＧ−Ｖthにプ
リチャージされる。

【００１０】プリチャージが終了した後、信号ＰＲＥ
（バー）がＨｉｇｈレベルに変化すると、トランジスタ
Ｑ１ａが非導通状態になる。これと同時に信号ＲＥがＨ
ｉｇｈレベルに変化して、信号発生回路１２０のトラン
ジスタＱ３ａが導通状態になり、信号発生回路１２０が
動作状態に変化する。そして、信号発生回路１２０の電
流源２１ａにより節点Ｎ１ａの充電電荷がトランジスタ
Ｑ３ａを介してグランド側に引き抜かれ、節点Ｎ１ａの
電位がわずかに低下する。ここで、トランジスタＱ２ａ
のゲート−ソース間電圧がしきい値電圧Ｖthより大きく
なると、トランジスタＱ２ａが導通状態に変化する。こ
れにより節点Ｎ２ａの電荷も信号発生回路１２０の電流
源２１ａにより引き抜かれ、節点Ｎ２ａの電位低下が開
始する。

【００１１】即ち、信号発生回路１２０が動作状態にな
ると、この信号発生回路１２０により検出素子１１０内
の容量Ｃｆに対応した電圧信号ΔＶｉが節点Ｎ１ａに発
生する。そして、その電圧信号ΔＶｉは信号増幅回路１
３０によりΔＶｏに増幅される。ここで出力回路１４０
は、出力信号としてさらに大きなダイナミックレンジを
得るために−ＧΔＶｏまで増幅する。ここでＧは出力回
路１４０の電圧増幅率である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来の表面形状認識用
センサ回路は、出力信号が電圧値により表されるため、
出力ダイナミックレンジは電源電圧以下となり、実際に
は出力のアナログアンプの線形領域に制約されてしま
い、電源電圧の半分程度になってしまう。そのため、従
来のセンサ回路を用いて高精度なデジタル指紋画像を得
ようとした場合、電圧分解能の高いＡ／Ｄ変換器が必要
になる。ここで、Ａ／Ｄ変換器の電圧分解能を高めると
回路規模が大になるとともに動作速度を高速にしなけれ
ばならず高分解能化には限界がある。特に低電力化を図
るために低電圧化した場合には、この出力ダイナミック
レンジがさらに小さくなるため、高精度な指紋画像を得
るのが困難になるという問題があった。

【００１３】本発明は上述の問題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、微細な凹凸を有する
指紋などの検出対象物の表面形状を認識する表面形状認
識用センサ回路の出力ダイナミックレンジを大きくする
ことにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために本発明は、接触した検出対象物の表面の形状に
応じて静電容量値が変化する検出素子と、検出素子に接
続され前記静電容量値に応じた信号を発生させる信号発
生回路と、検出素子と信号発生回路との接続部に接続さ
れその接続部に発生した信号を増幅して電圧信号として
出力する信号増幅回路とからなるセンサ回路において、
信号増幅回路により増幅された電圧信号を入力して時間
信号に変換する電圧・時間変換回路を設けるようにした
ことにより特徴づけられる。 したがって、電圧・時間
変換回路により電圧信号が時間方向の信号に変換される
ため、センサ回路の出力ダイナミックレンジが大きくな
る。また、本願発明は、信号増幅回路により増幅された
電圧信号を入力して出力する出力回路のバイアス状態を
調整するバイアス調節回路を設けたものである。このバ
イアス調節回路により出力回路のバイアス状態が調整で
きるため、指紋の凹凸などを検出する場合に指紋の凹凸
のコントラストを強調できる。

【００１５】また、本願発明は電圧・時間変換回路のバ
イアス状態を調整するバイアス調節回路を設けたもので
ある。これにより、本願発明は、広ダイナミックレンジ
化とコントラスト強調機能が可能になり、分解能の低い
Ａ／Ｄ変換器でも高精度な指紋画像を得ることができ、
特に低電圧動作時に高精度な指紋画像を得ることができ
る。さらに、本願発明は、電圧・時間変換回路を、入力
電圧に応じて出力電流量が変化する可変電流源と、可変
電流源の出力電流量に応じて充電または放電が行われる
容量素子と、入力側が可変電流源の出力と容量素子との
接続部に接続され、前記接続部の電圧がしきい値電圧を
超えたか否かに応じて出力信号が変化する閾値回路とに
より構成したものである。また、バイアス調節回路を、
しきい値を調整する閾値調節回路から構成するともに、
出力回路に、閾値調節回路によりしきい値が調整される
可変閾値回路を設けたものである。また、電圧・時間変
換回路に、閾値調節回路によりしきい値が調整される可
変閾値回路を設けたものである。また、上記閾値回路及
び可変閾値回路をシュミットトリガ回路により構成した
ものである。また、信号増幅回路の入力側に基準信号を
発生する基準信号発生回路を設け、信号増幅回路は、基
準信号発生回路から発生する基準信号を用いて検出素子
と信号発生回路との接続部の電圧を増幅するものであ
る。また、検出素子は指紋の凹凸を検出するものであ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を用いて詳細に説明する。 （第１の実施の形態）図１は、本発明に係る表面形状認
識用センサ回路の第１の実施の形態を示すブロック図で
ある。本センサ回路は、人間の指などの認識対象の接触
により電気量が変化する検出素子１０と、この検出素子
１０の電気量に応じた信号を発生する信号発生回路２０
と、信号発生回路２０による信号のレベルを増幅して出
力する信号増幅回路３０と、信号増幅回路３０の電圧信
号を時間信号に変換する電圧−時間変換回路４１とによ
って構成される。このような、検出素子１０、信号発生
回路２０、信号増幅回路３０、及び電圧−時間変換回路
４１により一組のセンスユニット１が構成され、各セン
スユニット１が図１９に示したようにＬＳＩチップ上に
２次元配列されてセンサアレイ２を形成する。

【００１７】次に、図１に示すセンサ回路について更に
詳しく説明する。図２は、図１に示すセンサ回路の回路
図である。図２において、検出素子１０を構成するＣｆ
はセンサ電極と指の皮膚との間に形成される静電容量で
ある。容量Ｃｆに接続されるセンサ電極は、信号発生回
路２０内のＮchＭＯＳトランジスタＱ３ａのドレイン端
子に接続され、トランジスタＱ３ａのソース端子は電流
Ｉの電流源２１ａの入力側に接続される。また、容量Ｃ
ｆのセンサ電極とトランジスタＱ３ａとの節点Ｎ１ａに
は、信号増幅回路３０内のＮchＭＯＳトランジスタＱ２
ａのソース端子が接続される。トランジスタＱ２ａのド
レイン端子には、ソース端子に電源電圧ＶDDが印加され
たＰchＭＯＳトランジスタＱ１ａのドレイン端子と、電
圧−時間変換回路４１の入力側が接続される。

【００１８】図２において、トランジスタＱ１ａが導通
して、節点Ｎ１ａの電位がプリチャージされた後、トラ
ンジスタＱ１ａが非導通となり、同時に信号発生回路２
０内のトランジスタＱ３ａが導通して信号発生回路２０
が動作状態になる。すると、信号発生回路２０により、
検出素子１０の容量Ｃｆに対応する電圧信号ΔＶｉが節
点Ｎ１ａに発生する。そして、その電圧信号ΔＶｉは信
号増幅回路１３０によりΔＶｏに増幅され節点Ｎ２ａに
出力される。電圧−時間変換回路４１は、この増幅信号
ΔＶｏを時間信号に変換する。

【００１９】ここで、電圧−時間変換回路４１は、図２
に示すように入力信号（増幅信号）ΔＶｏを電流信号に
変換する可変電流源４３と、可変電流源４３の電流が充
電される負荷容量ＣＬと、節点Ｎ３ａの電位を入力して
或るしきい値電圧を境に異なる信号を出力する閾値回路
４２と、節点Ｎ３ａの電位をリセットするリセット回路
４４とから構成される。

【００２０】図３はこのセンサ回路の動作を示すタイム
チャートである。図２の回路図及び図３のタイムチャー
トを参照して本センサ回路の要部動作を説明する。図３
において、スタンバイ状態では、図２のトランジスタＱ
１ａのゲート端子にＨｉｇｈレベル（ＶDD）の信号ＰＲ
Ｅ（バー）が与えられ（図３（ａ））、トランジスタＱ
３ａのゲート端子にはＬｏｗレベル（ＧＮＤ）の信号Ｒ
Ｅが与えられる（図３（ｃ））。したがって、このとき
トランジスタＱ１ａ，Ｑ３ａはともに非導通である。

【００２１】ここで、図３の時点で信号ＰＲＥ（バ
ー）がＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化すると、
トランジスタＱ１ａが導通状態になる。このときトラン
ジスタＱ３ａは非導通状態のままであり、したがって信
号発生回路２０は停止状態にあるため、節点Ｎ２ａの電
位がＶDDにプリチャージされる（図３（ｅ））。また、
トランジスタＱ２ａのゲート−ソース間電圧がしきい値
電圧Ｖthに達してトランジスタＱ２ａが非導通状態にな
るまで、節点Ｎ１ａが充電される（図３（ｄ））。

【００２２】こうしてプリチャージ動作が行われた後、
図３の時点で信号ＰＲＥ（バー）がＬｏｗレベルから
ＨｉｇｈレベルにしてトランジスタＱ１ａを非導通状態
にする（図３（ａ））。同時に、信号ＲＥをＬｏｗレベ
ルからＨｉｇｈレベルにしてトランジスタＱ３ａを導通
させる（図３（ｃ））。これにより信号発生回路２０が
動作状態になり、信号発生回路２０の電流源２１ａによ
り節点Ｎ１ａの充電電荷が引き抜かれ、節点Ｎ１ａの電
位がΔＶｉだけ低下する（図３（ｄ））。そして、この
電圧信号ΔＶｉは信号増幅回路３０によりΔＶｏに増幅
され節点Ｎ２ａに出力される（図３（ｅ））。

【００２３】この増幅電圧ΔＶｏにより、電圧−時間変
換回路４１の可変電流源４３が制御され、可変電流源４
３から、増幅電圧ΔＶｏに対応した電流が流れ出し、負
荷容量ＣＬを充電する。これにより節点Ｎ３ａの電位が
上昇を開始する（図３（ｆ））。ここで、節点Ｎ３ａの
電位が閾値回路４２のしきい値電圧Ｖｔを超えると、出
力端子ＯＵＴの出力電圧が変化する。ここで示した信号
の極性は一例であり、信号の極性について制約するもの
ではない。

【００２４】この場合、増幅電圧ΔＶｏの大きさにより
可変電流源４３の電流量が変化するため、節点Ｎ３ａの
電位の上昇の仕方が異なる。そのため、出力端子ＯＵＴ
から出力される出力信号が変化するまでの時間Ｔｓとす
ると、 Ｔｓ＝ＣＬ・Ｖｔ／ｇｍΔＶｏ となる。なお、ｇｍは可変電流源４３の相互コンダクタ
ンスである。

【００２５】ここで、容量Ｃｆが１００ｆＦ程度以下の
場合、ΔＶｏはＣｆの大きさに比例すると近似でき、そ
のため時間Ｔｓは検出素子１０の電極と指表面との距離
ｄに比例する。したがって、指表面との距離ｄに対応し
た信号を時間量で表すことができ、電源電圧やアナログ
アンプの線形領域に制約されることなく、センサ回路の
出力ダイナミックレンジを拡大することができる。な
お、上記可変電流源４３はＰｃｈＭＯＳトランジスタ等
で実現することができる。

【００２６】また、閾値回路４２はインバータ回路、ま
たはシュミットトリガ回路のようなしきい値にヒステリ
シスを持つ回路を用いて実現できる。シュミットトリガ
回路のようなしきい値にヒステリシスを持つ回路を用い
れば、節点Ｎ３ａの電位の変化が緩やかでも、ノイズ等
による電圧変動により閾値回路４２の出力信号が変化す
るのを防ぐことができるメリットがある。また、信号や
電源の極性を反対にした場合は、ＭＯＳトランジスタの
極性を反対にすればよく、容易に想像できるので図示省
略するが、例えば可変電流源４３としてＮｃｈＭＯＳト
ランジスタ用いることで実現できる。

【００２７】（第２の実施の形態）図４は 本発明の表
面形状認識用センサ回路の第２の実施の形態を示すブロ
ック図である。このセンサ回路は、センサ電極と絶縁膜
を介して触れた指の皮膚との間に形成される静電容量か
らなる検出素子１０と、検出素子１０の静電容量の値に
応じた電圧信号を発生する信号発生回路２０と、信号発
生回路２０による信号のレベルを増幅して出力する信号
増幅回路３０と、信号増幅回路３０の電圧信号を所望の
信号に変換して出力する出力回路４０と、出力回路４０
のバイアスを調整するバイアス調整回路６０とにより構
成される。

【００２８】図５は、図４の表面形状認識用センサ回路
の回路図である。検出素子１０，信号発生回路２０及び
信号増幅回路３０の構成は、図２に示すセンサ回路と同
じである。即ち、図５のセンサ回路は、出力回路４０の
内部に可変閾値回路４５を設け、この可変閾値回路４５
のしきい値電圧を閾値調節回路６１により調節できると
ころが図２のセンサ回路と相違する。なお、閾値調節回
路６１は図４のバイアス調整回路６０の１つの具体例で
ある。

【００２９】可変閾値回路４５は、例えば図６のような
シュミットトリガ回路により実現できる。この可変閾値
回路については後述する。このようなシュミットトリガ
回路を可変閾値回路として用いた場合、各センスユニッ
トの可変閾値回路間で節点Ｎ４を接続することで、後述
するように互いのセンスユニットが閾値調節回路として
機能する。

【００３０】このようにすることで、各センスユニット
間の出力信号の状態により出力回路４０内部の可変閾値
回路４５のしきい値電圧が変化する。例えば指紋の凹部
の出力回路の電圧信号が凸部の出力回路の電圧信号より
大きいとすると、凹部の出力回路の信号により凸部の出
力回路の信号を小さくするように、可変閾値回路のしき
い電圧を調節すれば、指紋の凹凸のコントラストを強調
することができる。本構成と同じ回路構成で、可変閾値
回路４５をアナログアンプとすれば、閾値調整回路６１
をアナログアンプのバイアス調整回路として動作させる
ことができる。したがって、各センスユニットの出力信
号の状態によりアナログアンプのバイアスを調整するこ
とで上記と同様にコントラストの強調をすることができ
る。一般にビットマップのような２値の指紋画像を良好
に得るためには指紋の凹凸のコントラストを強くする必
要があるが、本発明の第２の実施の形態により、指紋の
凹凸のような表面形状のコントラストを強調する機能を
実現できる。

【００３１】（第３の実施の形態）図７は本発明の第３
の実施の形態を示すブロック図である。この第３の実施
の形態のセンサ回路は、図１の第１の実施の形態に示す
センサ回路の電圧−時間変換回路４１に、この電圧−時
間変換回路４１のバイアスを調整するバイアス調整回路
６０を設けたものである。図８は、図７のセンサ回路の
回路図の実現例である。このセンサ回路は、図２のセン
サ回路の電圧−時間変換回路４１内の閾値回路４２の代
わりに、可変閾値回路４５を用い、この可変閾値回路４
５のしきい値電圧を閾値調節回路６１により調整可能に
したものである。閾値調節回路６１はバイアス調整回路
６０の１つの具体例である。

【００３２】可変閾値回路４５は、例えば図６のような
シュミットトリガ回路により実現できる。この回路につ
いては後述する。このような回路を可変閾値回路として
用いた場合、各センスユニット間で節点Ｎ４を接続する
ことで、後述するように互いのセンスユニットが閾値調
節回路として機能する。このようにすることで、各セン
スユニットの出力信号の状態により電圧−時間変換回路
４１内部の可変閾値回路４５のしきい値電圧が変化す
る。例えば、指紋の凹部の電圧−時間変換回路の出力信
号Ｔｓが凸部の電圧−時間変換回路の出力信号Ｔｓより
大きいとすると、凸部の電圧−時間変換回路の信号によ
り凹部の電圧−時間変換回路の信号を大きくするよう
に、すなわちしきい値電圧が高くなるようにこの可変閾
値回路のしきい値電圧を調節すれば、指紋の凹凸のコン
トラストを強調することができる。したがって、本発明
の第３の実施の形態により、出力ダイナミックレンジを
拡大し、さらに表面形状のコントラストを強調する機能
も実現できる。

【００３３】（第４の実施の形態）図９は、本発明の第
４の実施の形態を示すブロック図である。この第４の実
施の形態のセンサ回路は、図１の第１の実施の形態に示
すセンサ回路の信号増幅回路に基準信号発生回路５０を
付加したものである。図１０は図９に示すセンサ回路の
回路図である。この第４の実施の形態のセンサ回路は、
図２のセンサ回路の信号増幅回路３０を信号増幅回路３
１とし、この信号増幅回路３１に基準素子５１及び基準
信号発生部５２からなる基準信号発生回路５０を付加し
たものである。ここで、信号増幅回路３１は図２の信号
増幅回路３０に、ＮchＭＯＳトランジスタＱ２ｂと、Ｐ
chＭＯＳトランジスタＱ１ｂとを付加して構成される。
また、基準素子５１は検出素子１０を模擬する素子であ
り、検出素子１０が容量Ｃｆにより構成されるので、基
準素子５１は容量Ｃｒで構成される。

【００３４】容量Ｃｒは、センスユニット１に指紋の凸
部が触れたか凹部が触れたかを区別するしきい値として
利用される。この容量Ｃｒの値は、指紋の凸部が触れた
ときに形成される容量Ｃｆと、凹部が触れたときに形成
される容量Ｃｆとの間の値に設定される。なお、指紋の
凹部が触れたときに形成される容量Ｃｆの値に容量Ｃｒ
の値が設定されても、上記しきい値として有効に機能す
る。基準信号発生部５２は容量Ｃｒに対応した基準信号
を発生するものであり、信号発生回路２０と同じ回路構
成となる。即ち、基準信号発生部５２は電流源２１ｂと
ＮchＭＯＳトランジスタＱ３ｂとによって構成されてお
り、これらはそれぞれ信号発生回路２０を構成する電流
源２１ａ，ＮchＭＯＳトランジスタＱ３ａと同じ特性を
有している。

【００３５】ここで、基準信号発生回路５０は、上述し
たように基準素子５１と基準信号発生部５２とによって
構成されているため、基準信号発生回路５０が発生する
基準信号は、検出素子１０が上記しきい値として設定さ
れた容量を有している場合に信号発生回路２０より発生
する信号と同じレベルの信号となる。

【００３６】次に、信号増幅回路３１について説明す
る。基準素子５１と基準信号発生部５２との節点Ｎ１ｂ
には、ＮchＭＯＳトランジスタＱ２ｂのソース端子が接
続され、このトランジスタＱ２ｂのドレイン端子には、
ソース端子に電源電圧ＶDDが印加されたＰchＭＯＳトラ
ンジスタＱ１ｂのドレイン端子が接続される。

【００３７】図２の信号増幅回路３０では、トランジス
タＱ２ａのゲート端子は定電圧源に接続されていたが、
この信号増幅回路３１ではトランジスタＱ２ａのゲート
端子はトランジスタＱ２ｂのドレイン端子に接続され、
トランジスタＱ２ｂのゲート端子はトランジスタＱ２ａ
のドレイン端子に接続される。なお、トランジスタＱ１
ｂ，Ｑ２ｂはそれぞれトランジスタＱ１ａ，Ｑ２ａと同
じ特性を有している。ここで、各トランジスタＱ１ｂ，
Ｑ３ｂのゲート端子にはそれぞれ信号ＰＲＥ（バー），
ＲＥが印加される。なお、節点Ｎ１ｂ，Ｎ２ｂはそれぞ
れ寄生容量Ｃｐ１ｂ，Ｃｐ２ｂを有している。

【００３８】次に図１０のセンサ回路のうち特に信号増
幅回路３１の回路動作について説明する。はじめに、ト
ランジスタＱ１ａ，Ｑ１ｂのゲート端子にはＨｉｇｈレ
ベル（ＶDD）の信号ＰＲＥ（バー）が与えられ、トラン
ジスタＱ３ａ，Ｑ３ｂのゲート端子にはＬｏｗレベル
（ＧＮＤ）の信号ＲＥが与えられている。したがって、
このときトランジスタＱ１ａ，Ｑ１ｂ，Ｑ３ａ，Ｑ３ｂ
のいずれも導通していない。

【００３９】この状態で信号ＰＲＥ（バー）がＨｉｇｈ
レベルからＬｏｗレベルに変化すると、トランジスタＱ
１ａ，Ｑ１ｂが導通状態になる。このときトランジスタ
Ｑ３ａ，Ｑ３ｂは非導通状態のままであり、信号発生回
路２０及び基準信号発生部５２は動作停止状態にあるか
ら、節点Ｎ２ａ，Ｎ２ｂの電位がＶDDにプリチャージさ
れる。また、トランジスタＱ２ａ，Ｑ２ｂのゲート−ソ
ース間電圧がしきい値電圧Ｖthに達してトランジスタＱ
２ａ，Ｑ２ｂが非導通状態になるまで、節点Ｎ１ａ，Ｑ
１ｂが充電される。このときトランジスタＱ２ａ，Ｑ２
ｂのゲート端子には電圧ＶDDが印加されているので、節
点Ｎ１ａ，Ｎ１ｂの電位はＶDD−Ｖthにプリチャージさ
れる。

【００４０】プリチャージが終了した後、信号ＰＲＥ
（バー）がＨｉｇｈレベルに変化すると、トランジスタ
Ｑ１ａ，Ｑ１ｂが非導通状態になる。これと同時に信号
ＲＥがＨｉｇｈレベルに変化すると、トランジスタＱ３
ａ，Ｑ３ｂが導通状態になり、したがって信号発生回路
２０及び基準信号発生部５２が動作状態に変化する。そ
して、電流源２１ａ，２１ｂにより節点Ｎ１ａ，Ｎ１ｂ
の充電電荷が引き抜かれ、節点Ｎ１ａ，Ｎ１ｂの電位が
わずかに低下すると、トランジスタＱ２ａ，Ｑ２ｂのゲ
ート−ソース間電圧がしきい値電圧Ｖthより大きくな
り、トランジスタＱ２ａ，Ｑ２ｂが導通状態に変化す
る。これにより節点Ｎ２ａ，Ｎ２ｂの電荷も引き抜か
れ、節点Ｎ２ａ，Ｎ２ｂの電位低下が開始する。

【００４１】ここで、容量Ｃｆ＞容量Ｃｒの場合、節点
Ｎ１ｂの電位の方がＮ１ａの電位よりも低くなる。これ
により、トランジスタＱ２ｂの導通抵抗がトランジスタ
Ｑ２ａの導通抵抗よりも小さくなるので、節点Ｎ２ｂの
電位が節点Ｎ２ａよりも速く低下する。この節点Ｎ２ｂ
の電位低下はＮchＭＯＳトランジスタＱ２ａのゲート端
子に入力されるので、トランジスタＱ２ａの導通抵抗が
大きくなる。このため、節点Ｎ２ａの電位低下ΔＶが小
さく抑えられる。

【００４２】一方、この節点Ｎ２ａの電位はＮchＭＯＳ
トランジスタＱ２ｂのゲート端子に入力されるので、ト
ランジスタＱ２ｂの導通抵抗の変化は小さい。この結
果、節点Ｎ２ｂの電位は更に低下するので、トランジス
タＱ２ａの導通抵抗が更に大きくなる。このように、ト
ランジスタＱ２ａ，Ｑ２ｂが交差接続されていることに
より、これらの動作は増長され、その結果、節点Ｎ２ａ
の電位低下ΔＶは小さく抑えられる。

【００４３】逆に、容量Ｃｆ＜容量Ｃｒの場合は、各節
点Ｎ２ａ，Ｎ２ｂの電位変化が反対になる。すなわち、
節点Ｎ２ｂの電位はプリチャージされた当初の電位ＶDD
からあまり変化しない。このため、節点Ｎ２ａの電位
は、図２の信号増幅回路３０と同様に、大きく低下す
る。したがって、容量Ｃｒの値を上述したように設定す
ることにより、この値を境にして信号増幅回路３１の増
幅度を変化させることができる。これにより、指紋の凸
部が触れたときにはレベルの小さい信号（ΔＶ）が電圧
−時間変換回路４１に入力され、指紋の凹部が触れたと
きにはレベルの大きい信号（ΔＶ）が入力されるので、
電圧−時間変換回路４１では指紋の凹凸を明確に判定す
ることができる。図１０に示すセンサ回路は、図１の第
１の実施の形態に示すセンサ回路と同様の効果を奏す
る。

【００４４】（第５の実施の形態）図１１は、本発明の
第５の実施の形態を示すブロック図である。図１１のセ
ンサ回路は、図９に示すセンサ回路の電圧−時間変換回
路４１の代わりに、図４のような出力回路４０とバイア
ス調節回路６０とを設け、出力回路４０のバイアス電圧
をバイアス調節回路６０により調節可能にしたものであ
る。図１１のセンサ回路は図４の第２の実施の形態に示
すセンサ回路と同様の効果を奏する。

【００４５】（第６の実施の形態）図１２は、本発明の
第６の実施の形態を示すブロック図である。図１２のセ
ンサ回路は、図９に示すセンサ回路の電圧−時間変換回
路４１に、この電圧−時間変換回路４１のバイアス電圧
を調整するバイアス調節回路６０を設けたものである。
図１２のセンサ回路は図７の第３の実施の形態に示すセ
ンサ回路と同様の効果を奏する。

【００４６】（第７の実施の形態）図１３は、本発明の
第７の実施の形態を示す図であり、図６に一例として示
した可変閾値回路の回路図である。図１３の可変閾値回
路４５ａは、製造後に論理しきい値の調節または制御が
可能になるものである。なお、後述する各可変閾値回路
は、何れもシュミットトリガ回路により構成される。

【００４７】図１３において、Ｑ１１はＰchＭＯＳトラ
ンジスタ、Ｑ１２およびＱ１３はＮchＭＯＳトランジス
タである。また、４６はインバータゲート、ＶDDは電源
電位、Ｎ４およびＮ５は節点である。また、４７は矢印
の信号Ａのレベルによって導電性が変化する能動素子で
ある。能動素子４７は、出力信号ＯＵＴがＨｉｇｈにな
ったときに遮断状態になる。

【００４８】本可変閾値回路４５ａでは、出力信号ＯＵ
Ｔにより能動素子４７の導電性が制御される。以上の要
素により可変閾値回路４５ａが構成される。従来回路と
は、能動素子４７を接続する節点Ｎ４の電位を可変閾値
回路４５ａの外部から印加できるところが異なり、この
節点Ｎ４の電位が図５に示す閾値調節回路６１により調
整される。図１３において、節点Ｎ４の電位を上下させ
ると、節点Ｎ５の電位もそれに伴って上下する。このた
め、節点Ｎ４の電位を制御することで入力信号ＩＮがＬ
ｏｗからＨｉｇｈに変化する場合の論理しきい値を調節
できる。

【００４９】また、図１４に示すように複数の可変閾値
回路４５ａ₁ 〜４５ａ_n の各節点Ｎ４を接続し、かつ節
点Ｎ４と電源電位ＶDDの間に負荷素子４８を接続するこ
とで、入力波形により論理しきい値を動的に変化させる
ことができる。図１４ではｎ個の可変閾値回路４５ａ₁
〜４５ａ_n を接続しており、入力信号ＩＮ１，ＩＮ２，
ＩＮｎ、及び出力信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２，ＯＵＴｎは
それぞれの可変閾値回路４５ａ₁ ，４５ａ₂ ,４５ａ_n
に対応する入出力信号である。

【００５０】ここで、図１４において、それぞれの入力
信号の電位変化のスロープが異なる場合を考える。説明
を簡単にするために入力信号ＩＮ１がもっとも急峻なス
ロープをもち、入力信号ＩＮ２は入力信号ＩＮ１よりも
緩やかなスロープをもち、入力信号ＩＮｎがもっとも緩
やかなスロープをもっているとする。このような入力波
形を同時に図１４のように構成された回路に入力した場
合、全ての入力信号がＬｏｗのときには全ての可変閾値
回路４５ａ₁ 〜４５ａ_n の論理しきい値は例えばＶｔａ
になっているものとする。ここで、入力信号が変化し始
めると、入力信号ＩＮ１の電位がもっとも速く論理しき
い値Ｖｔａに達するため、最初に可変閾値回路４５ａ₁
から出力される出力信号ＯＵＴ１がＨｉｇｈに変化す
る。この結果、出力信号ＯＵＴ１により制御される可変
閾値回路４５ａ₁内の能動素子４７が遮断状態になるた
め、図１３に示す節点Ｎ４の電位は少し高くなる。これ
により、全ての可変閾値回路４５ａ₁ 〜４５ａ_n の論理
しきい値はＶｔａよりも僅かに高くなる。

【００５１】次に入力信号ＩＮ２がこの変化した論理し
きい値を超えると、上記と同様の動作がさらに起こる。
最終的には入力信号ＩＮｎが論理しきい値を超えるとき
には論理しきい値は電位Ｖｔａより高い電位Ｖｔｂとな
る。したがって、従来の出力信号に比べ出力信号ＯＵＴ
ｎの出力のタイミングを遅くすることができる。

【００５２】このように可変閾値回路４５ａでは、他の
可変閾値回路の動作によって論理しきい値が動的に変化
していることがわかる。このような効果は、スロープは
同一であるが入力タイミンクが異なる入力波形に対して
も同様に得ることができる。したがって、本可変閾値回
路４５ａを用いることにより入力波形に応じて論理しき
い値を変更することができる。また、各センスユニット
の各可変閾値回路４５ａ₁ 〜４５ａ_n の各節点Ｎ４を互
いに接続すれば、互いのセンスユニットが閾値調節回路
として機能し、例えば指紋の凹部の出力回路の電圧値が
凸部の出力回路の電圧値より大きいとすると、凹部の出
力回路の電圧信号により凸部の出力回路の電圧信号が小
さくなるようにしきい値電圧が変化するため、指紋の凹
凸の高コントラスト化が可能になる。

【００５３】（第８の実施の形態）図１５は本発明の第
８の実施形態を示す図である。基本的な構成は第７の実
施の形態と同じであるが、本可変閾値回路４５ｂは節点
Ｎ４と電源電位ＶDDの間に負荷素子４９を可変閾値回路
４５ｂの内部で接続したところが異なる。このようにす
ることで、節点Ｎ４の電位の初期値を負荷素子４９と能
動素子４７およびトランジスタＱ１３の導通抵抗の比に
より設定することができる。そしてその後、節点Ｎ４の
電位を変化させることで可変閾値回路４５ｂの論理しき
い値を第７の実施の形態と同様に調節する。また、図１
６に示すように、複数の可変閾値回路４５ｂ₁ 〜４５ｂ
_n の節点Ｎ４を接続することで、入力波形により論理し
きい値を動的に変化させることができる。動作原理およ
び効果は、図１４に示した第７の実施の形態の場合と同
じである。

【００５４】このように、第７、第８の各実施の形態に
示す可変閾値回路では論理しきい値を回路の製造後に変
更することができる。そのため、回路の製造ばらつきな
どにより入力レベルが設計値からずれた場合に論理しき
い値を変更して対処することで調整可能になる。また、
第７、第８の各実施の形態に示す可変閾値回路の節点Ｎ
４を各センスユニット間で互いに接続すれば、互いのセ
ンスユニットが閾値調節回路として機能し、例えば指紋
の凹部の出力回路の電圧値が凸部の出力回路の電圧値よ
り大きいとすると、凹部の出力回路の電圧信号により凸
部の出力回路の電圧信号が小さくなるようにしきい値電
圧が変化するため、指紋の凹凸の高コントラスト化が可
能になる。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、出
力回路として電圧・時間変換回路を設け、出力信号を時
間方向の信号に変換するようにしたので、センサ回路の
出力ダイナミックレンジを大きくすることができる。ま
た、出力回路の内部回路のバイアスを調節するようにし
たので、例えば指紋の凹凸を検出する場合に指紋の凹部
と凸部のコントラストを強調することができる。また、
電圧・時間変換回路による電圧信号の時間方向への変換
と、電圧・時間変換回路のバイアス調整とにより、広ダ
イナミックレンジ化と高コントラストを同時に実現でき
る。したがって、ＬＳＩ製造技術を用いた指紋センサに
本センサ回路を適用すれば、広ダイナミックレンジ化と
コントラスト強調機能とにより分解能の低いＡ／Ｄ変換
器を用いても高精度な指紋画像を得ることができる。特
に、低電圧動作時に本センサ回路を適用すれば、本セン
サ回路は低電圧でも高精度の指紋画像を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る表面形状認識用センサ回路の第
１の実施の形態を示すブロック図である。

【図２】 図１のセンサ回路の回路図である。

【図３】 図２のセンサ回路の各部の動作状況を示すタ
イムチャートである。

【図４】 上記センサ回路の第２の実施の形態を示すブ
ロック図である。

【図５】 図５のセンサ回路の回路図である。

【図６】 図５のセンサ回路に用いられる可変閾値回路
の回路図である。

【図７】 上記センサ回路の第３の実施の形態を示すブ
ロック図である。

【図８】 図７のセンサ回路の回路図である。

【図９】 上記センサ回路の第４の実施の形態を示すブ
ロック図である。

【図１０】 図９のセンサ回路の回路図である。

【図１１】 上記センサ回路の第５の実施の形態を示す
ブロック図である。

【図１２】 上記センサ回路の第６の実施の形態を示す
ブロック図である。

【図１３】 本発明の第７の実施の形態を示すセンサ回
路内の可変閾値回路の回路図である。

【図１４】 図１３の可変閾値回路を複数接続した例を
示す図である。

【図１５】 本発明の第８の実施の形態を示すセンサ回
路内の可変閾値回路

【図１６】 図１３の可変閾値回路を複数接続した例を
示す図である。の回路図である。

【図１７】 従来の表面形状認識用センサ回路のブロッ
ク図である。

【図１８】 図１７のセンサ回路の回路図である。

【図１９】 センスユニットが格子状に形成されたセン
サアレイを示す図である。

【符号の説明】

１…センスユニット、２…センサアレイ、３…指、１０
…検出素子、２０…信号発生回路、２１ａ，４３…電流
源、３０，３１…信号増幅回路、４０…出力回路、４１
…電圧−時間変換回路、４２…閾値回路、４５，４５
ａ，４５ｂ…可変閾値回路、４７，４７ａ…能動素子、
４８，４９…負荷素子、５０…基準信号発生回路、５１
…基準素子、５２…基準信号発生部、６０…バイアス調
節回路、６１…閾値調節回路、Ｃｆ，Ｃｒ…容量、Ｃ
ｐ，Ｃｐ１ａ，Ｃｐ２ａ，Ｃｐ１ｂ，Ｃｐ２ｂ，Ｃｐ１
ｃ，Ｃｐ２ｃ…寄生容量、Ｑ１ａ〜Ｑ４ａ，Ｑ１ｂ〜Ｑ
４ｂ，Ｑ１ｃ〜Ｑ４ｃ，Ｑ１１〜Ｑ１９…ＭＯＳトラン
ジスタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−63210（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−269868（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−103907（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−118415（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 7/28 G06T 1/00

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 接触した検出対象物の表面の形状に応じ
   て静電容量値が変化する検出素子と、前記検出素子に接
   続され前記静電容量値に応じた信号を発生させる信号発
   生回路と、前記検出素子と信号発生回路との接続部に接
   続され前記接続部に発生した信号を増幅して電圧信号と
   して出力する信号増幅回路とからなる表面形状認識用セ
   ンサ回路において、 前記信号増幅回路により増幅された電圧信号を入力して
   時間信号に変換する電圧・時間変換回路を備えたことを
   特徴とする表面形状認識用センサ回路。
2. 【請求項２】 接触した検出対象物の表面の形状に応じ
   て静電容量値が変化する検出素子と、前記検出素子に接
   続され前記静電容量値に応じた信号を発生させる信号発
   生回路と、前記検出素子と信号発生回路との接続部に接
   続され前記接続部に発生した信号を増幅して電圧信号と
   して出力する信号増幅回路と、前記信号増幅回路により
   増幅された電圧信号を入力して出力する出力回路とから
   なる表面形状認識用センサ回路において、 前記出力回路のバイアス状態を調整するバイアス調節回
   路を備えたことを特徴とする表面形状認識用センサ回
   路。
3. 【請求項３】 請求項１において、 前記電圧・時間変換回路のバイアス状態を調整するバイ
   アス調節回路を備えたことを特徴とする表面形状認識用
   センサ回路。
4. 【請求項４】 請求項１において、 前記電圧・時間変換回路は、 入力電圧に応じて出力電流量が変化する可変電流源と、
   前記可変電流源の出力電流量に応じて充電または放電が
   行われる容量素子と、入力側が前記可変電流源の出力と
   容量素子との接続部に接続され、前記接続部の電圧がし
   きい値電圧を超えたか否かに応じて出力信号が変化する
   閾値回路とを備えたことを特徴とする表面形状認識用セ
   ンサ回路。
5. 【請求項５】 請求項４において、 前記閾値回路はシュミットトリガ回路からなることを特
   徴とする表面形状認識用センサ回路。
6. 【請求項６】 請求項２において、 前記バイアス調節回路はしきい値を調整する閾値調節回
   路から構成されるとともに、前記出力回路は前記閾値調
   節回路によりしきい値が調整される可変閾値回路を備え
   たことを特徴とする表面形状認識用センサ回路。
7. 【請求項７】 請求項３において、 前記バイアス調節回路はしきい値を調整する閾値調節回
   路から構成されるとともに、前記電圧・時間変換回路は
   前記閾値調節回路によりしきい値が調整される可変閾値
   回路を備えたことを特徴とする表面形状認識用センサ回
   路。
8. 【請求項８】 請求項６または請求項７において、 前記可変閾値回路はしきい値が可変なシュミットトリガ
   回路からなることを特徴とする表面形状認識用センサ回
   路。
9. 【請求項９】 請求項１ないし請求項８のいずれかの請
   求項において、 前記信号増幅回路の入力側に基準信号を発生する基準信
   号発生回路を備え、前記信号増幅回路は、前記基準信号
   発生回路から発生する基準信号を用いて検出素子と信号
   発生回路との接続部の電圧を増幅することを特徴とする
   表面形状認識用センサ回路。
10. 【請求項１０】 請求項１または請求項２において、 前記検出素子は指紋の凹凸を検出することを特徴とする
    表面形状認識用センサ回路。