WO2019225079A1

WO2019225079A1 - 指紋センサ

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Publication number: WO2019225079A1
Application number: PCT/JP2019/005774
Authority: WO
Inventors: 智行村西; 到大谷
Original assignee: パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2019-02-18
Publication date: 2019-11-28
Also published as: JPWO2019225079A1

Abstract

指紋センサ（１）のセンサ部（１０）は、静電容量式で、送信電極（１１）および受信電極（１２）の各々は、互いに電気的に接続された導体部（２０）を有している。導体部（２０）は、各々が線状に形成されかつ互いに間隔をあけた状態で並行に延びている。

Description

指紋センサ

　本発明は指紋センサに関するものである。

　従来から、指紋認証が可能な指紋センサに関して、例えば特許文献１に示されるものが知られている。

　特許文献１には、タッチ面（ソルダーレジスト層の上面）に接触した指の指紋認証が可能なセンサ部（導体回路）を備えた指紋センサ（指紋認証用のプリント配線板）が開示されている。センサ部は、所定の正の電位に接続された複数の送信電極（第１導体回路）と、各送信電極と直交していて、グランド電位に接続された複数の受信電極（第２導体回路）と、を有している。

特開２０１６－１９３１２３号公報

　特許文献１の指紋センサでは、センサ部を通じてタッチ面に指が接触したときの静電容量の変化により指紋の凹凸形状を検出可能になっている。

　しかしながら、センサ部の送信電極および受信電極は、いずれも単線化された導体層により構成されている（特許文献１の図２を参照）。このため、何らかの事由、例えば指紋センサの外部で生じた静電気などに起因して送信電極および受信電極の少なくともいずれか一方を構成する導体層が断線してしまった場合には、センサ部を通じての検出が良好にできなくなるおそれがあるという問題があった。

　本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、センサ部の断線リスクを低減することにある。

　上記の目的を達成するために、本発明の一実施形態に係る指紋センサは、静電容量式のセンサ部を備えた指紋センサであって、センサ部は、送信電極と、送信電極に交差する受信電極とを有している。送信電極および受信電極の少なくともいずれか一方は、互いに電気的に接続された複数の導体部を有している。そして、複数の導体部は、各々が線状に形成されかつ互いに間隔をあけた状態で並行に延びていることを特徴とする。

　本発明によると、センサ部の断線リスクを低減することができる。

図１は、第１実施形態に係る指紋センサの全体斜視図である。図２は、センサ部の構成を部分的に拡大して概略的に示す部分拡大平面図である。図３は、図２のIII－III線断面図である。図４は、図２のIV－IV線断面図である。図５は、図３に示した送信電極を構成する導体部を拡大して示す部分拡大断面図である。図６は、図４に示した受信電極を構成する導体部を拡大して示す部分拡大断面図である。図７は、第２実施形態に係る指紋センサにおけるセンサ部の構成を示す図２相当図である。図８は、図７のVIII－VIII線断面図である。図９は、図７のIX－IX線断面図である。図１０は、第２実施形態に係る指紋センサの変形例におけるセンサ部の構成を示す図７相当図である。図１１は、その他の実施形態に係る指紋センサにおいて、受信電極のみを複線化したセンサ部の構成を示す図２相当図である。図１２は、その他の実施形態に係る指紋センサにおいて、送信電極のみを複線化したセンサ部の構成を示す図２相当図である。

　以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の各実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

　［第１実施形態］
　図１は、本発明の第１実施形態に係る指紋センサ１の全体を示している。この指紋センサ１は、後述するカバー部材２のタッチ面２ｂに接触した人体の指Ｆの指紋認証を行うためのものである。指紋センサ１は、例えば液晶ディスプレイまたは有機ＥＬディスプレイ等の表示装置が組み込まれた種々の機器（例えばカーナビゲーション等の車載装置、パーソナルコンピュータのディスプレイ機器、携帯電話、携帯情報端末、携帯型ゲーム機、コピー機、券売機、現金自動預け払い機など）に適用される。

　以下の説明では、指紋センサ１および指紋センサ１における各構成要素の位置関係を、各図に示したＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に基づいて特定している。具体的に、Ｘ方向を図１に示した指紋センサ１の左右方向とし、Ｙ方向を指紋センサ１の上下方向とし、Ｚ方向を指紋センサ１の厚み方向として定めている。なお、この位置関係は、指紋センサ１およびそれが組み込まれた装置における実際の方向とは無関係である。

　（カバー部材）
　図１に示すように、指紋センサ１は、光透過性を有するカバー部材２を備えている。カバー部材２は、例えばカバーガラスまたはプラスチック製のカバーレンズからなる。カバー部材２は、例えば平面視で矩形板状に形成されている。

　カバー部材２の裏面外周には、印刷等により黒色等の暗色で略額縁状の窓枠部２ａが形成されている。カバー部材２の表面には、窓枠部２ａで囲まれた領域にタッチ面２ｂが形成されている。タッチ面２ｂは、指紋認証を行うために人体の指Ｆを接触させるための面として構成されている。

　図３および図４に示すように、カバー部材２は、接着層３を介して後述のセンサ基板４の第２面４ｂ側に積層配置されている。接着層３は、例えば光学用透明粘着シート（ＯＣＡ：「Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｌｅａｒ　Ａｄｈｅｓｉｖｅ」）からなる。なお、図３および図４については、図示の便宜上、後述する導体部２０以外の構成要素に対応するハッチングを一部省略している。

　（センサ基板）
　図３および図４に示すように、指紋センサ１は、センサ基板４を備えている。センサ基板４は、例えば光透過性を有する材料により構成されている。具体的に、センサ基板４の材料としては、例えばポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルサルホン、ＰＭＭＡ(アクリル)、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）等の光透過性を有する樹脂材、またはガラスが適している。

　図５および図６にも示すように、センサ基板４は、第１面４ａおよび第２面４ｂを有している。この実施形態では、第１面４ａがセンサ基板４の裏面に対応する一方、第２面４ｂがセンサ基板４の表面に対応している。第１面４ａおよび第２面４ｂの双方には、後述する導体部２０を埋設するための溝部５，５，…が凹陥形成されている。なお、センサ基板４は、この実施形態に示した構成に限られず、複数の構成部材を一体化させた構成としてもよい。例えば、センサ基板４は、溝部５，５，…と同様の溝部が形成された絶縁部材（図示せず）が、中央基材（図示せず）の表面および裏面のそれぞれに一体形成された構成であってもよい。

　なお、センサ基板４の第１面４ａ側には、接着層３を介して液晶ディスプレイなどの表示装置が配置されている。すなわち、センサ基板４の第１面４ａ側には、接着層３を介して表示装置の偏光板６が位置している。偏光板６は例えばフィルム製であり、偏光板６の裏面には、グランド電位（接地電位）の導電体部７が積層配置されている。なお、表示装置における偏光板６、導電体部７以外の他の構成部分の詳細説明および図示は省略する。

　（センサ部）
　次に、図２に示すように、指紋センサ１は、センサ部１０を備えている。センサ部１０は、カバー部材２のタッチ面２ｂに接触した指の指紋認証を行うためのものである。センサ部１０は、送信電極１１，１１，…および受信電極１２，１２，…を有している。なお、図２では、送信電極１１，１１，…および受信電極１２，１２，…の配置構成を概略的に示すために、センサ基板４の図示を省略している。

　送信電極１１，１１，…は、Ｘ方向に沿って延びている。送信電極１１，１１，…は、Ｙ方向で互いに間隔をあけて配置されている。Ｙ方向での間隔は一定である。一方、受信電極１２，１２，…は、Ｙ方向に沿って延びている。受信電極１２，１２，…は、Ｘ方向で互いに間隔をあけて配置されている。Ｘ方向での間隔は一定である。つまり、各送信電極１１および各受信電極１２は、互いに直交するように配置されていて、平面視で格子状になるように形成されている。

　各送信電極１１の端部には、外部機器に接続するための第１引き回し配線１３が電気的に接続されている。また、各受信電極１２の端部には、外部機器に接続するための第２引き回し配線１４が電気的に接続されている。なお、図示しないが、第１引き回し配線１３，１３，…はセンサ基板４の第１面４ａに形成されている一方、第２引き回し配線１４，１４，…はセンサ基板４の第２面４ｂに形成されている。第１引き回し配線１３，１３，…および第２引き回し配線１４，１４，…は、例えば、センサ基板４の第１面４ａおよび第２面４ｂのそれぞれにおいて、溝部５，５，…と同様の溝部（図示せず）内に後述するような導電金属が埋設された構成であってもよい。

　図３および図５に示すように、送信電極１１，１１，…は、センサ基板４の第１面４ａに形成されている。各送信電極１１は、図示しない駆動回路に接続されていて、この駆動回路から発生した駆動信号により電気力線Ｅを第１面４ａからタッチ面２ｂ側に向かって放射するように構成されている。

　図４および図６に示すように、受信電極１２，１２，…は、センサ基板４の第２面４ｂに形成されている。各受信電極１２は、各送信電極１１から放射された電気力線Ｅを受信可能となるように構成されている。

　ここで、図３および図４に示すように、指Ｆの指紋は、指先の腹面にある皮膚のしわ（凹凸形状）により構成されている。この凹凸形状は、凸部Ｆ１の幅寸法ｆ１が１２５μｍ～２２０μｍとなる一方、凹部Ｆ２の幅寸法ｆ２が８０μｍ～１５７μｍとなるのが一般的である。すなわち、凸部Ｆ１および凹部Ｆ２の合計距離ｆ３（以下「指紋ピッチ」という）は、およそ２００μｍ～３００μｍの値となるのが一般的である。なお、凹部Ｆ２の深さ寸法ｆ４は、４０μｍ～７０μｍである。

　上記指紋ピッチの距離ｆ３を考慮すると、送信電極１１，１１同士および受信電極１２，１２同士の各間隔は、いずれも１００μｍ以下に設定されているのが好ましい。すなわち、後述するノード部１５，１５同士の間隔が１００μｍ以下に設定されているのが好ましい。このように設定することにより、上記指紋ピッチの２～３倍程度またはそれ以上の解像度を得ることができる。

　また、図２に示すように、送信電極１１と受信電極１２とが互いに交差する位置にはノード部１５が形成されている。そして、タッチ面２ｂに指Ｆが接触した状態で、各受信電極１２から所定出力が得られる。この各受信電極１２からの所定出力を、図示しない制御部が検出しかつ演算処理などを行うことによって、指紋の凹凸形状が検出される。換言すれば、タッチ面２ｂに指Ｆが接触すると、静電容量の変化が生じる。指Ｆは、凸部Ｆ１と凹部Ｆ２で高低差を有する。このため、凸部Ｆ１位置と凹部Ｆ２位置とでは静電容量の変化量に差が生じ、この変化量を含む所定出力が各受信電極１２から得られる。

　次に、この実施形態の特徴として、送信電極１１および受信電極１２の各々は複線化されている。具体的に、図２～図６に示すように、送信電極１１および受信電極１２の各々は、互いに電気的に接続された複数（図示例では２つ）の導体部２０，２０を有している。なお、図２～図６では、導体部２０および後述するブリッジ部２１を強調して示すために、導体部２０およびブリッジ部２１をドットによるハッチングで示している。

　導体部２０，２０の材質としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）などの透明導電膜よりも抵抗値が低い導電金属が好ましい。具体的に、導電金属としては銅または銀が適している。

　図２に示すように、導体部２０は直線状に形成されている。導体部２０，２０は、各々の線幅が２μｍ以下となるように形成されているのが好ましい。導体部２０，２０は、各々の線幅が互いに同一の幅となるように形成されているのが好ましい。また、導体部２０，２０は、互いに間隔をあけた状態で並行に延びている。

　ここで、上記「並行」とは、同一平面上に形成された導体部２０，２０が互いに交わっていないことを意味する。つまり、上記「並行」とは、図２で示した導体部２０，２０のそれぞれを直線状で互いに交わらない平行な関係で配置したもの、および導体部２０，２０が略平行な関係で導体部２０，２０同士の間隔が所定値を超えないものを含む。

　また、導体部２０，２０が並行に延びる構成となる他の形態としては、導体部２０，２０が互いに交わることなく、かつ導体部２０，２０同士の間隔が所定値を超えることなく導体部２０，２０の延設方向に向かって変化するような構成（導体部２０，２０の配置状態）を含む。例えば、導体部２０，２０の少なくともいずれか一方を導体部２０，２０の延設方向に向かってジグザク状になる形状等に形成し、かつ導体部２０，２０を並行に配置した構成を含むものとする。

　導体部２０，２０同士の間隔は、１１μｍ以下となるように設定されているのが好ましい。そして、図３～図６に示すように、導体部２０は、上記導電金属がセンサ基板４の溝部５に埋設された導電層として構成されている。

　図２に示すように、導体部２０，２０同士の間には、各導体部２０の長手方向に直交するブリッジ部２１，２１，…が設けられている。ブリッジ部２１は、導体部２０，２０同士の間に架け渡されていて、導体部２０，２０同士を電気的に接続している。そして、送信電極１１および受信電極１２の各々は、導体部２０，２０およびブリッジ部２１，２１，…により平面視で略梯子状に形成される。

　この実施形態では、ノード部１５，１５同士の間にブリッジ部２１が１つだけ配置されている。また、ブリッジ部２１は、導体部２０と同様に、線幅が２μｍ以下となるように形成されているのが好ましい。

　（第１実施形態の作用効果）
　以上のように、送信電極１１および受信電極１２の各々は、互いに電気的に接続された導体部２０，２０を有している。導体部２０，２０は、各々が線状に形成されかつ互いに間隔をあけた状態で並行関係に延びている。並行関係は平行および略平行を含む。すなわち、送信電極１１および受信電極１２の各々は、導体部２０，２０により電気的に複線化された状態となっている。この複線化により、何らかの事由、例えば指紋センサ１の外部で生じた静電気などに起因して一方の導体部２０が断線した場合であっても、他方の導体部２０が断線していなければ、送信電極１１および受信電極１２の機能を維持することが可能となる。すなわち、センサ部１０では、上記事由による影響で一方の導体部２０が断線状態になったとしても、タッチ面２ｂに指Ｆが接触したときの受信電極１２，１２，…からの所定出力を得られる。したがって、本発明の第１実施形態に係る指紋センサ１では、センサ部１０の断線リスクを低減することができる。導体部２０，２０は、略平行であってもよい。

　また、導体部２０の線幅は２μｍ以下である。すなわち、導体部２０は、視認不能となる程度に極めて細い線状に形成されている。これにより、指紋センサ１を図示しないディスプレイ（液晶ディスプレイなど）上に配置した場合であっても、指紋センサ１の透過性が低減しないようにすることができる。

　また、導体部２０，２０同士の間隔は１１μｍ以下である。これにより、送信電極１１および受信電極１２の各々を極めて細幅に形成することが可能となる。その結果、送信電極１１から放射される電気力線Ｅの拡散を抑制できる。すなわち、この電気力線Ｅの多くを、送信電極１１および受信電極１２が交差する位置（すなわちノード部１５）およびその近傍に集束させやすい。さらに、ノード部１５において、電気力線Ｅを、受信電極１２を構成する導体部２０，２０同士の間からタッチ面２ｂに向かって放射させることも可能となる。

　また、ブリッジ部２１，２１，…は、導体部２０，２０同士の間に架け渡された状態で導体部２０，２０と電気的に接続されていて、ノード部１５，１５同士の間に配置されている。このブリッジ部２１，２１，…により、ノード部１５，１５同士の間における上記断線リスクをより確実に低減することができる。そして、このブリッジ部２１，２１，…を、導体部２０，２０の長手方向に直交させることにより、短い寸法に構成することができるとともに、電気的な損失や視認性の低下への影響を軽減できる。

　［第２実施形態］
　図７～図９は、本発明の第２実施形態に係る指紋センサ１を示すものである。この実施形態では、センサ部１０の構成が一部異なっている。なお、この実施形態に係る指紋センサ１の他の構成は、上記第１実施形態に係る指紋センサ１の構成と同様である。このため、以下の説明では、図１～図６と同じ部分について同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

　この実施形態のセンサ部１０は、ダミー電極３０，３０，…をさらに有している。ダミー電極３０，３０，…は、各送信電極１１および各受信電極１２と電気的に絶縁されている。

　図７に示すように、ダミー電極３０は、平面視で各ノード部１５と間隔をあけた位置に配置されている。具体的に、ノード部１５，１５同士の間に１つのダミー電極３０が配設されている。そして、ダミー電極３０は、平面視においてＹ方向で送信電極１１，１１同士の間に配置されかつＸ方向で受信電極１２，１２同士の間に配置されている。

　ダミー電極３０は、受信電極１２が延びる方向（Ｙ方向）に沿って直線状に延びている。ここで、ダミー電極３０の線幅は、２μｍ以下であるのが好ましい。また、ダミー電極３０の長さは、約１３μｍに設定されているのが好ましい。

　図８および図９に示すように、ダミー電極３０は、センサ基板４の第２面４ｂに形成されている。具体的に、ダミー電極３０は、送信電極１２と同様に、銅または銀からなる導電金属がセンサ基板４における第２面４ｂの溝部５に埋設された状態となっている。すなわち、ダミー電極３０は、タッチ面２ｂと送信電極１１，１１，…との間に配置されている。

　（第２実施形態の作用効果）
　以上のように、ダミー電極３０は、各送信電極１１および各受信電極１２と電気的に絶縁されていて、タッチ面２ｂと各送信電極１１との間に配置されかつ受信電極１２，１２同士の間に配置されている。このような構成により、各送信電極１１から放射された電気力線Ｅがダミー電極３０に捕捉されると、ダミー電極３０の内部で電位差が生じる。この電位差により、ダミー電極３０からタッチ面２ｂに向かって電気力線Ｅが放射される。すなわち、ダミー電極３０はタッチ面２ｂと各送信電極１１との間における電気力線Ｅを発生させるための中継点となり、Ｚ方向において電気力線Ｅの発生位置とタッチ面２ｂとの距離を相対的に狭めることが可能となる。その結果、タッチ面２ｂ側に対する電気力線Ｅの拡散をさらに抑制できる。これにより、センサ部１０の感度が向上する。すなわち、駆動された送信電極１１からの電気力線Ｅの拡散が抑えられることによって、凸部Ｆ１位置での静電容量の変化量と凹部Ｆ２位置での静電容量の変化量との差が大きく得られるようになる。したがって、第２実施形態に係る指紋センサ１では、上記第１実施形態と同様にセンサ部１０の断線リスクを低減しつつ、指紋認証の精度をより一層向上させることができる。

　（第２実施形態の変形例）
　上記第２実施形態では、ノード部１５，１５同士の間に１つのダミー電極３０を配設した形態を示したが、この形態に限られない。例えば、図１０に示すように、ノード部１５，１５同士の間に少なくとも２つ以上のダミー電極３０，３０，…を配設してもよい。

　また、上記第２実施形態では、ダミー電極３０が、受信電極１２が延びる方向（Ｙ方向）に沿って延びる形態を示したが、この形態に限られない。例えば、図１０に示すように、ダミー電極３０が、Ｙ方向に斜めに交差する方向に沿って延びていてもよい。

　さらに、上記第２実施形態では、ダミー電極３０がＹ方向に沿って直線状に延びる形態を示したが、この形態に限られない。例えば、図１０に示すように、ダミー電極３０が十字状に形成されていてもよい。

　［その他の実施形態］
　上記各実施形態では、送信電極１１および受信電極１２の双方を、導体部２０，２０により複線化した形態を示したが、この形態に限られない。例えば、図１１に示すように、受信電極１２，１２，…のみを、導体部２０，２０により複線化してもよい。あるいは、図１２に示すように、送信電極１１，１１，…のみを、導体部２０，２０により複線化してもよい。すなわち、送信電極１１および受信電極１２の少なくともいずれか一方を、導体部２０，２０により複線化していればよい。これにより、センサ部１０の上記断線リスクを低減することができる。

　また、上記各実施形態では、送信電極１１および受信電極１２を、２つの導体部２０，２０により複線化した形態を示したが、この形態に限られない。例えば、送信電極１１および受信電極１２を、３つ以上の導体部２０，２０，…により複線化した形態としてもよい。しかしながら、導体部２０，２０，…の個数が増え過ぎると、指紋センサ１の透過性が低下してしまうおそれがある。つまり、指紋センサ１の透過性という観点からすれば、上記第１および第２実施形態のように、２つの導体部２０，２０により複線化した形態が好ましい。

　また、上記各実施形態では、センサ部１０として、各送信電極１１および各受信電極１２が互いに直交した形態を示したが、この形態に限られない。すなわち、送信電極１１および受信電極１２を、互いに斜めに交差するように配置してもよい。

　また、上記各実施形態では、ノード部１５，１５同士の間にブリッジ部２１を１つだけ配置した形態を示したが、この形態に限られない。すなわち、複数のブリッジ部２１，２１，…をノード部１５，１５同士の間に配置してもよい。これにより、ノード部１５，１５同士の間における上記断線リスクをより一層低減することができる。

　また、上記各実施形態では、導体部２０，２０同士の間にブリッジ部２１，２１，…を設けた形態を示したが、この形態に限られない。すなわち、導体部２０，２０同士の間にブリッジ部２１，２１，…を設けない形態としてもよい。なお、かかる形態とする場合には、導体部２０，２０同士を、図示しないジャンパー部材などを用いて電気的に接続すればよい。

　センサ部１０による送信電極１１、受信電極１２の構成や配置は、指紋センサ１以外のタッチセンサに適用することも可能である。

　以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。

　本発明は、人体の指の指紋認証を行うための指紋センサとして産業上の利用が可能である。

１：指紋センサ
２：カバー部材
２ｂ：タッチ面
４：センサ基板
４ａ：第１面
４ｂ：第２面
５：溝部
１０：センサ部
１１：送信電極
１２：受信電極
１５：ノード部
２０：導体部
２１：ブリッジ部
３０：ダミー電極
Ｅ：電気力線
Ｆ：指
Ｆ１：凸部
Ｆ２：凹部

Claims

　静電容量式のセンサ部を備えた指紋センサであって、
　前記センサ部は、送信電極と、前記送信電極に交差する受信電極とを有し、
　前記送信電極および前記受信電極の少なくともいずれか一方は、互いに電気的に接続された複数の導体部を有しており、
　前記複数の導体部は、各々が線状に形成されかつ互いに間隔をあけた状態で並行に延びている、指紋センサ。
　請求項１に記載の指紋センサにおいて、
　前記複数の導体部における各々の線幅は２μｍ以下である、指紋センサ。
　請求項１または２に記載の指紋センサにおいて、
　前記複数の導体部における各々の間隔は１１μｍ以下である、指紋センサ。
　請求項１～３のいずれか１項に記載の指紋センサにおいて、
　前記導体部同士の間には、前記複数の導体部の各々と電気的に接続された状態で配置されたブリッジ部が設けられている、指紋センサ。
　請求項４に記載の指紋センサにおいて、
　前記ブリッジ部は、前記複数の導体部の各々の長手方向に直交している、指紋センサ。
　請求項１～５のいずれか１項に記載の指紋センサにおいて、
　前記センサ部は、前記送信電極および前記受信電極と電気的に絶縁されたダミー電極を有しており、
　前記ダミー電極は、タッチ面と前記送信電極との間に配置されかつ前記受信電極同士の間に配置されている、指紋センサ。