(57)【要約】【課題】ノイズによる影響を低減し、検出精度を向上する。【解決手段】センサ装置は、外部電極に対向する検出電極に、静電容量の変化に応じた電圧が生じるセンサ部と、演算増幅器と、演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間に接続される第２のコンデンサと、第２のコンデンサに直列に接続された第１のコンデンサとを有し、センサ部の検出電極に発生した電圧を検出し、当該検出電極に発生した電圧を第１のコンデンサと第２のコンデンサとの容量比に基づいて増幅した検出信号を出力する容量型増幅回路と、検出電極の電圧を基準電位にリセットするリセットスイッチと、容量型増幅回路を、容量型増幅器として機能させるか、ボルテージフォロアとして機能させるかを切り替える切り替えスイッチと、第１のコンデンサを容量型増幅回路から切り離す第２の切り替えスイッチと、第１のコンデンサの電圧を基準電位にリセットする第２のリセットスイッチとを備える。【選択図】図１
2019095224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の電圧が印加された外部電極に対向する検出電極に、静電容量の変化に応じた電圧が生じるセンサ部と、
演算増幅器と、前記演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間に接続される第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサに直列に接続された第１のコンデンサとを有し、前記センサ部の前記検出電極に発生した電圧を検出し、当該検出電極に発生した電圧を前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの容量比に基づいて増幅した検出信号を出力する容量型増幅回路と、
前記検出電極の電圧を基準電位にリセットするリセットスイッチと、
前記容量型増幅回路を、容量型増幅器として機能させるか、ボルテージフォロアとして機能させるかを、前記出力端子と前記反転入力端子間を短絡させるか否かによって切り替える切り替えスイッチと、
前記容量型増幅回路がボルテージフォロアとして機能する場合に、前記第１のコンデンサを前記容量型増幅回路から切り離す第２の切り替えスイッチと、
前記第１のコンデンサが前記容量型増幅回路から切り離された場合に、前記第１のコンデンサの電圧を基準電位にリセットする第２のリセットスイッチと、
を備えるセンサ装置。
【請求項２】
前記切り替えスイッチの寄生容量の大きさと、前記第２の切り替えスイッチの寄生容量の大きさとが互いに対応付けられている
請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記リセットスイッチ及び前記第２のリセットスイッチによって、前記検出電極の電圧及び前記第１のコンデンサの電圧をそれぞれ前記基準電位にリセットさせた後に、前記第２の切り替えスイッチによって前記第１のコンデンサを前記容量型増幅回路から切り離すとともに前記切り替えスイッチによって前記ボルテージフォロアとして機能させ、前記外部電極に前記所定の電圧が印加される前の前記容量型増幅回路からの出力信号である基準信号と、前記外部電極に前記所定の電圧が印加された状態における前記検出信号とをサンプルホールドしてそれぞれ保持するサンプリング部と、
前記サンプリング部が保持する前記基準信号と、前記検出信号との差分を生成する減算回路と、
を備える請求項１又は請求項２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記容量型増幅回路は、前記第１のコンデンサが前記反転入力端子と基準電位線との間に接続され、前記演算増幅器の非反転入力端子に前記検出電極が接続された非反転増幅回路であり、
前記減算回路は、前記検出信号から前記基準信号を減算した差分信号を生成する
請求項３に記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記容量型増幅回路は、前記第１のコンデンサが前記反転入力端子と前記検出電極との間に接続され、前記演算増幅器の非反転入力端子に基準電位線が接続された反転増幅回路であり、
前記減算回路は、前記基準信号から前記検出信号を減算した差分信号を生成する
請求項３に記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記サンプリング部は、
前記リセットスイッチ及び前記第２のリセットスイッチが前記検出電極の電圧及び前記第１のコンデンサの電圧をそれぞれ前記基準電位にリセットするとともに、前記第２の切り替えスイッチが前記第１のコンデンサを前記容量型増幅回路から切り離し、前記切り替えスイッチが前記容量型増幅回路を前記ボルテージフォロアとして機能させ、さらに、前記リセットスイッチが前記検出電極の電圧を前記基準電位にリセットした状態を解除し、前記切り替えスイッチが前記ボルテージフォロアとしての機能を解除し、前記第２の切り替えスイッチが前記第１のコンデンサを前記容量型増幅回路に接続させた後に、前記基準信号を保持し、
前記切り替えスイッチが前記ボルテージフォロアとしての機能を解除し、前記第２の切り替えスイッチが前記第１のコンデンサを前記容量型増幅回路に接続させ、前記外部電極に前記所定の電圧が印加されてから所定の期間経過後に、前記検出信号を保持する
請求項５に記載のセンサ装置。
【請求項７】
前記リセットスイッチ及び前記第２のリセットスイッチに、前記検出電極の電圧及び前記第１のコンデンサの電圧をそれぞれ前記基準電位にリセットさせるとともに、前記第２の切り替えスイッチに前記第１のコンデンサを前記容量型増幅回路から切り離させ、前記切り替えスイッチに、前記容量型増幅回路を前記ボルテージフォロアとして機能させ、
さらに、前記リセットスイッチに、前記検出電極の電圧を前記基準電位にリセットさせた状態を解除させ、前記切り替えスイッチに、前記ボルテージフォロアとしての機能を解除させ、前記第２の切り替えスイッチに前記第１のコンデンサを前記容量型増幅回路に接続させた後に、前記サンプリング部に前記基準信号を保持させ、
前記切り替えスイッチに、前記ボルテージフォロアとしての機能を解除させ、前記外部電極に前記所定の電圧が印加されてから所定の期間経過後に、前記サンプリング部に前記検出信号を保持させる
タイミング制御を行うタイミング制御部を備える請求項５又は請求項６に記載のセンサ装置。
【請求項８】
複数の前記検出電極が直線状に配置され、
前記複数の検出電極のそれぞれに対応する複数の前記容量型増幅回路を備える
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、センサ部を備えたセンサ装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。このようなセンサ装置では、例えば、光電素子であるセンサ部が生成した電圧をソースフォロアにより検出していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２０５５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、光電素子の代わりに、例えば、静電容量の変化により電圧が印加された外部電極に対向する検出電極に電圧が生じるセンサ部を備えるセンサ装置では、検出電極に発生する電圧が微小であるため、ソースフォロアの後段で検出電圧を増幅して使用していた。そのため、このような従来のセンサ装置では、検出電圧とともにノイズ成分も増幅してしまい、検出精度が低下する可能性があった。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、ノイズによる影響を低減し、検出精度を向上することができるセンサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決するために、本発明の一態様は、所定の電圧が印加された外部電極に対向する検出電極に、静電容量の変化に応じた電圧が生じるセンサ部と、演算増幅器と、前記演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間に接続される第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサに直列に接続された第１のコンデンサとを有し、前記センサ部の前記検出電極に発生した電圧を検出し、当該検出電極に発生した電圧を前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの容量比に基づいて増幅した検出信号を出力する容量型増幅回路と、前記検出電極の電圧を基準電位にリセットするリセットスイッチと、前記容量型増幅回路を、容量型増幅器として機能させるか、ボルテージフォロアとして機能させるかを、前記出力端子と前記反転入力端子間を短絡させるか否かによって切り替える切り替えスイッチと、前記容量型増幅回路がボルテージフォロアとして機能する場合に、前記第１のコンデンサを前記容量型増幅回路から切り離す第２の切り替えスイッチと、前記第１のコンデンサが前記容量型増幅回路から切り離された場合に、前記第１のコンデンサの電圧を基準電位にリセットする第２のリセットスイッチと、を備えるセンサ装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ノイズによる影響を低減し、検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態によるセンサ装置の一例を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態によるセンサ装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図３】第２の実施形態によるセンサ装置の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態によるセンサ装置について、図面を参照して説明する。
【００１０】
［第１の実施形態］
図１は、本実施形態によるセンサ装置１ａの一例を示すブロック図である。
図１に示すように、センサ装置１ａは、外部電極２と、画素ブロック（４０ａ−１、４０ａ−２、・・・、４０ａ−Ｎ）と、減算部５０と、出力処理部６０ａと、タイミング制御部７０ａと、基準電圧生成部８０とを備えている。センサ装置１ａは、例えば、静電容量を利用して、紙幣などの紙葉類の厚みのイメージを検出するラインイメージセンサ装置である。センサ装置１ａは、１ライン分の画素を示す検出電圧をシリアル出力により、ＳＩＧ端子から出力する。画素ブロック（４０−１、４０−２、・・・、４０−Ｎ）と、出力処理部６０と、タイミング制御部７０と、基準電圧生成部８０とは、例えば、１チップの半導体集積回路（ＬＳＩ：Large-Scale Integration）として構成され、センサ装置１は、当該１チップの半導体集積回路（ＬＳＩ）と外部電極２とを備えている。
【００１１】
なお、本実施形態において、画素ブロック（４０ａ−１、４０ａ−２、・・・、４０ａ−Ｎ）のそれぞれは、同一の構成であり、センサ装置１ａが備える任意の画素ブロックを示す場合、又は特に区別しない場合には、画素ブロック４０ａとして説明する。
【００１２】
外部電極２は、画素ブロック４０ａの外部に配置された電極であり、後述する検出電極１１と対応して配置されている。外部電極２は、画素ブロック４０ａが各画素の電界（厚み）を検出する際に、所定の電圧Ｖ１が印加される。なお、本実施形態において、外部電極２は、センサ装置１が備える全ての検出電極１１に対して１つの電極として構成されている。
【００１３】
画素ブロック４０ａは、１画素分の画素の電界（厚み）を検出するブロックであり、センサ部１０と、ビットアンプ部２０ａと、サンプリング部３０ａと、リセットスイッチＳＷ１とを備えている。
センサ部１０は、外部電極２に対向する検出電極１１を備え、外部電極２と検出電極１１との間に挿入された紙幣などの紙葉類の厚みによる静電容量の変化に応じた電圧が、検出電極１１に生じる。なお、複数の画素ブロック４０ａが備える検出電極１１のそれぞれは、１ラインずつ画素を検出するため、直線状に配置されている。
【００１４】
ビットアンプ部２０ａ（容量型増幅回路の一例）は、センサ部１０の検出電極１１に発生した電圧を検出し、当該検出電極１１に発生した電圧をコンデンサ２１とコンデンサ２２との容量比に基づいて増幅した検出信号を出力する。具体的には、ビットアンプ部２０ａは、コンデンサ２１（第１のコンデンサ）と、コンデンサ２２（第２のコンデンサ）と、オペアンプ２３と、第１の切り替えスイッチＳＷ２と、第２の切り替えスイッチＳＷ３と、第２のリセットスイッチＳＷ４とを備えている。
【００１５】
コンデンサ２１とコンデンサ２２とは、ノードＮ２、第２の切り替えスイッチＳＷ３、及びノードＮ２−１を介して互いに直列に接続されている。すなわち、第２の切り替えスイッチＳＷ３は、ノードＮ２とノードＮ２−１との間に接続される。コンデンサ２２は、ノードＮ３とノードＮ２との間に接続される。コンデンサ２１は、ノードＮ２−１とＧＮＤ（グランド）線（基準電位線の一例）との間に接続される。
【００１６】
オペアンプ２３（演算増幅器の一例）は、非反転入力端子が、ノードＮ１を介してセンサ部１０の検出電極１１と接続されている。また、オペアンプ２３は、出力端子（ノードＮ３）と反転入力端子との間にコンデンサ２２が接続され、コンデンサ２１が反転入力端子と基準電位線との間に第２の切り替えスイッチＳＷ３を介して接続されている。オペアンプ２３は、上述のようにコンデンサ２１及びコンデンサ２２と接続されることにより、非反転増幅回路として機能する。
【００１７】
このように、ビットアンプ部２０ａは、容量型の非反転増幅回路（容量型増幅器の一例）であり、検出電極１１に発生した電圧を、下記の式（１）により増幅した検出信号を出力する。
【００１８】
Ｇａｉｎ（利得）＝（Ｃ１＋Ｃ２）／Ｃ２  ・・・  （１）
【００１９】
ここで、Ｃ１は、コンデンサ２１の静電容量値を示し、Ｃ２は、コンデンサ２２の静電容量値を示している。
なお、図１において、破線の矢印は、信号の正負の向きを示しており、ビットアンプ部２０ａ（オペアンプ２３）は、正方向の検出信号を出力する。
【００２０】
リセットスイッチＳＷ１は、例えば、Ｎ型チャネルＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタであり、Ｖｒｅｓｅｔ信号線と、ノードＮ１との間に接続されている。また、リセットスイッチＳＷ１は、ゲート端子（制御端子）に、ΦＲ信号線が接続されている。ここで、Ｖｒｅｓｅｔ信号は、検出電極１１を初期化（リセット）するための基準電位である。リセットスイッチＳＷ１は、検出電極１１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットする。
【００２１】
例えば、リセットスイッチＳＷ１は、ΦＲ信号がＨ（ハイ）状態である場合に、オン状態（導通状態）になり、検出電極１１をリセットする。また、リセットスイッチＳＷ１は、ΦＲ信号がＬ（ロウ）状態である場合に、オフ状態（非導通状態）になる。
なお、以下の説明において、上述したＮ型チャネルＭＯＳトランジスタをＮＭＯＳトランジスタと表記して説明する。
【００２２】
第１の切り替えスイッチＳＷ２は、ビットアンプ部２０ａについて、容量型増幅器としての機能と、ボルテージフォロアとしての機能とを切り替える。第１の切り替えスイッチＳＷ２は、例えば、ＮＭＯＳトランジスタであり、オペアンプ２３の出力端子（ノードＮ３）と、オペアンプ２３の反転入力端子（ノードＮ２）との間に接続されている。第１の切り替えスイッチＳＷ２は、オン状態になることで、ビットアンプ部２０ａをボルテージフォロアとして機能させる。すなわち、第１の切り替えスイッチＳＷ２は、ビットアンプ部２０ａを、ΦＧＳ信号により、容量型増幅器として機能させるか、ボルテージフォロアとして機能させるかを、オペアンプ２３の出力端子と反転入力端子間を短絡させるか否かによって切り替える。
【００２３】
例えば、第１の切り替えスイッチＳＷ２は、ΦＧＳ信号がＨ状態である場合に、オン状態になり、ビットアンプ部２０ａをボルテージフォロアとして機能させる。また、第１の切り替えスイッチＳＷ２は、ΦＧＳ信号がＬ状態である場合に、オフ状態になり、ビットアンプ部２０ａを容量型増幅器として機能させる。
【００２４】
第２の切り替えスイッチＳＷ３は、コンデンサ２１とオペアンプ２３の反転入力端子との間を接続するか否かを切り替える。例えば、ＮＭＯＳトランジスタであり、コンデンサ２１とオペアンプ２３の反転入力端子との間に接続されている。第２の切り替えスイッチＳＷ３は、オン状態になることで、コンデンサ２１とオペアンプ２３の反転入力端子とを接続する。また、第２の切り替えスイッチＳＷ３は、オフ状態になることで、コンデンサ２１とオペアンプ２３の反転入力端子との接続を切り離す。つまり、第２の切り替えスイッチＳＷ３は、オフ状態になることで、コンデンサ２１をオペアンプ２３から切り離す。
【００２５】
なお、第１の切り替えスイッチＳＷ２の寄生容量の大きさと、第２の切り替えスイッチＳＷ３の寄生容量の大きさとは、互いに対応づけられていてもよい。ここで、寄生容量の大きさが互いに対応付けられている一例として、第１の切り替えスイッチＳＷ２の寄生容量の大きさと、第２の切り替えスイッチＳＷ３の寄生容量の大きさとが一致している場合が挙げられる。一例として、第１の切り替えスイッチＳＷ２と第２の切り替えスイッチＳＷ３とを同一の種類又は同一のサイズのスイッチとしてもよい。
【００２６】
第２のリセットスイッチＳＷ４は、例えば、ＮＭＯＳトランジスタであり、Ｖｒｅｓｅｔ信号線と、ノードＮ２−１との間に接続されている。また、第２のリセットスイッチＳＷ４は、ゲート端子（制御端子）に、ΦＲ信号線が接続されている。第２のリセットスイッチＳＷ４は、コンデンサ２１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットする。
【００２７】
例えば、第２のリセットスイッチＳＷ４は、ΦＲ信号がＨ（ハイ）状態である場合に、オン状態になり、コンデンサ２１の電圧をリセットする。また、第２のリセットスイッチＳＷ４は、ΦＲ信号がＬ（ロウ）状態である場合に、オフ状態になる。
【００２８】
サンプリング部３０ａは、ビットアンプ部２０ａが出力した検出信号及び基準信号をそれぞれサンプルホールドして保持するサンプルホールド回路である。サンプリング部３０ａは、ＮＭＯＳトランジスタ（３１、３３）と、コンデンサ３２と、ＮＭＯＳトランジスタ（３４、３６）と、コンデンサ３５とを備えている。
【００２９】
ＮＭＯＳトランジスタ３１は、ノードＮ３と、ノードＮ４との間に接続され、ゲート端子が、ΦＳＩＮ信号線に接続されている。ＮＭＯＳトランジスタ３１は、ΦＳＩＮ信号がＨ状態である場合に、オン状態になり、ビットアンプ部２０ａが出力した検出信号をサンプリングして、コンデンサ３２に保持する。また、ＮＭＯＳトランジスタ３１は、ΦＳＩＮ信号がＬ状態になった場合に、オフ状態になり、ビットアンプ部２０ａが出力した検出信号のサンプリングを停止する。
【００３０】
コンデンサ３２は、ノードＮ４とＧＮＤ線との間に接続されており、サンプリングした検出信号を保持する。
ＮＭＯＳトランジスタ３３は、ノードＮ４と、共通信号線ＢＬ１との間に接続され、ゲート端子が、ΦＳＣＨ信号線に接続されている。ＮＭＯＳトランジスタ３３は、ΦＳＣＨ信号がＨ状態である場合に、オン状態になり、サンプリング部３０ａ（コンデンサ３２）が保持する検出信号を共通信号線ＢＬ１に出力する。また、ＮＭＯＳトランジスタ３３は、ΦＳＣＨ信号線がＬ状態になった場合に、オフ状態になり、共通信号線ＢＬ１への出力を停止する。
【００３１】
ＮＭＯＳトランジスタ３４は、ノードＮ３と、ノードＮ１２との間に接続され、ゲート端子が、ΦＲＩＮ信号線に接続されている。ＮＭＯＳトランジスタ３４は、ΦＲＩＮ信号がＨ状態である場合に、オン状態になり、ビットアンプ部２０ａが出力した基準信号をサンプリングして、コンデンサ３５に保持する。また、ＮＭＯＳトランジスタ３４は、ΦＲＩＮ信号がＬ状態になった場合に、オフ状態になり、ビットアンプ部２０ａが出力した基準信号のサンプリングを停止する。
【００３２】
コンデンサ３５は、ノードＮ１２とＧＮＤ線との間に接続されており、サンプリングした基準信号を保持する。
ＮＭＯＳトランジスタ３６は、ノードＮ１２と、共通信号線ＢＬ２との間に接続され、ゲート端子が、ΦＳＣＨ信号線に接続されている。ＮＭＯＳトランジスタ３６は、ΦＳＣＨ信号がＨ状態である場合に、オン状態になり、サンプリング部３０ａ（コンデンサ３５）が保持する基準信号を共通信号線ＢＬ２に出力する。また、ＮＭＯＳトランジスタ３６は、ΦＳＣＨ信号線がＬ状態になった場合に、オフ状態になり、共通信号線ＢＬ２への出力を停止する。
【００３３】
サンプリング部３０ａは、基準信号をサンプルホールドすることにより、ビットアンプ部２０ａのオフセットを低減する。ここで、基準信号とは、リセットスイッチＳＷ１によって検出電極１１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットさせた後に、第１の切り替えスイッチＳＷ２によってボルテージフォロアから容量型増幅器に機能を切り替え、さらに、第２の切り替えスイッチＳＷ３によってコンデンサ２１とオペアンプ２３の反転入力端子との接続を切り離した後、外部電極２に所定の電圧が印加される前のビットアンプ部２０ａからの出力信号である。この基準信号は、ΦＧＳ信号が第１の切り替えスイッチＳＷ２によってボルテージフォロアから容量型増幅器に機能を切り替える際のノイズ、及びΦＧＳＸ信号が第２の切り替えスイッチＳＷ３によってコンデンサ２１とオペアンプ２３の反転入力端子との接続を切り離す際のノイズを含む。
【００３４】
なお、共通信号線ＢＬ１及び共通信号線ＢＬ２には、画素ブロック（４０ａ−１、４０ａ−２、・・・、４０ａ−Ｎ）のそれぞれのサンプリング部３０ａが接続されている。各画素ブロック４０ａのサンプリング部３０ａは、各画素ブロック４０ａに対応するΦＳＣＨ信号（ΦＳＣＨ＿１信号、ΦＳＣＨ＿２信号、・・・、ΦＳＣＨ＿Ｎ信号）により、検出信号を１画素ずつ共通信号線ＢＬ１に出力し、基準信号を１画素ずつ共通信号線ＢＬ２に出力する。また、共通信号線ＢＬ１及び共通信号線ＢＬ２には、寄生容量ＳＣ２があるものとする。
【００３５】
また、サンプリング部３０ａにおける検出信号のＧａｉｎ（ゲイン）は、以下の式（２）により表される。
【００３６】
Ｇａｉｎ  ＝  Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃｂｉｔｓ）  ・・・  （２）
【００３７】
ここで、Ｃｓは、コンデンサ３２の静電容量値を示し、Ｃｂｉｔｓは、共通信号線ＢＬ１の寄生容量値を示している。
また、サンプリング部３０ａにおける基準信号のＧａｉｎ（ゲイン）は、以下の式（３）により表される。
【００３８】
Ｇａｉｎ  ＝  Ｃｒ／（Ｃｒ＋Ｃｂｉｔｒ）  ・・・  （３）
【００３９】
ここで、Ｃｒは、コンデンサ３５の静電容量値を示し、Ｃｂｉｔｒは、共通信号線ＢＬ２の寄生容量値を示している。
【００４０】
また、共通信号線ＢＬ１には、アナログスイッチＡＳ１が接続されている。
アナログスイッチＡＳ１は、共通信号線ＢＬ１とＶＲＥＦ２信号線との間に接続されている。アナログスイッチＡＳ１は、ＮＭＯＳトランジスタとＰＭＯＳトランジスタ（Ｐ型チャネルＭＯＳトランジスタ）とが抱き合わされて構成されており、制御信号により、共通信号線ＢＬ１とＶＲＥＦ２信号線との間を双方向に導通させる。アナログスイッチＡＳ１は、制御信号によりオン状態になった場合に、共通信号線ＢＬ１を基準電位ＶＲＥＦ２にする。
また、共通信号線ＢＬ２には、アナログスイッチＡＳ５が接続されている。
アナログスイッチＡＳ５は、上述したアナログスイッチＡＳ１と同様の構成であり、共通信号線ＢＬ２とＶＲＥＦ２信号線との間に接続されている。アナログスイッチＡＳ５は、制御信号により、共通信号線ＢＬ２とＶＲＥＦ２信号線との間を双方向に導通させる。アナログスイッチＡＳ５は、制御信号によりオン状態になった場合に、共通信号線ＢＬ２を基準電位ＶＲＥＦ２にする。
【００４１】
減算部５０（減算回路の一例）は、サンプリング部３０ａが保持する基準信号と、検出信号との差分を生成する。減算部５０は、検出信号から基準信号を減算した差分信号を生成する。減算部５０は、オペアンプ（５１、５２、５７）と、抵抗（５３〜５６）とを備えている。
【００４２】
オペアンプ５１は、非反転入力端子が共通信号線ＢＬ２に、出力端子（ノードＮ１３）が反転入力端子に、それぞれ接続されている。オペアンプ５１は、ゲインが１倍であるボルテージフォロアとして機能し、共通信号線ＢＬ２を介して取得した基準信号と等しい信号を出力端子（ノードＮ１３）に出力する。
【００４３】
オペアンプ５２は、非反転入力端子が共通信号線ＢＬ１に、出力端子（ノードＮ１４）が反転入力端子に、それぞれ接続されている。オペアンプ５２は、ゲインが１倍であるボルテージフォロアとして機能し、共通信号線ＢＬ１を介して取得した検出信号と等しい信号を出力端子（ノードＮ１４）に出力する。
【００４４】
抵抗５３は、ノードＮ１３とノードＮ１６との間に接続され、抵抗５４は、ノードＮ１６とノードＮ１７との間に接続されている。また、抵抗５５は、ノードＮ１４とノードＮ１５との間に接続され、抵抗５６は、ノードＮ１５とＶＲＥＦ２信号線との間に接続されている。
オペアンプ５７は、非反転入力端子がノードＮ１５に、反転入力端子がノードＮ１６に、出力端子がノードＮ１７に、それぞれ接続されている。ここで、抵抗５３〜抵抗５６及びオペアンプ５７は、検出信号から基準信号を減算する減算回路を構成する。オペアンプ５７は、共通信号線ＢＬ１を介して取得した検出信号から、共通信号線ＢＬ２を介して取得した基準信号を減算した差分信号を、ビットアンプ部２０ａのオフセットを除去した検出信号として、出力端子（ノードＮ１７）に出力する。
【００４５】
出力処理部６０ａは、減算部５０の差分信号を、各画素ブロック４０ａの検出信号として、１ビット（１画素）ずつ取得し、取得した検出信号を増幅して、ＳＩＧ端子から出力する。出力処理部６０ａは、共通信号線ＢＬ１を介して、各画素ブロック４０ａからの検出信号を、１ビット（１画素）ずつ取得し、取得した検出信号を増幅して、ＳＩＧ端子から出力する。出力処理部６０ａは、オペアンプ（６３、６７）と、コンデンサ（６２、６６）と、抵抗（６４、６５、６８、６９）と、アナログスイッチ（ＡＳ２〜ＡＳ４）とを備えている。
【００４６】
コンデンサ６２は、ノードＮ１７とノードＮ６との間に接続され、オペアンプ５７が出力した検出信号を、ノードＮ６に伝達する。コンデンサ６２は、後述するアナログスイッチＡＳ２によって、基準電位ＶＲＥＦ２にされたノードＮ６に検出信号を伝達することにより、検出信号を、基準電位ＶＲＥＦ２を基準にした信号に変換する。
【００４７】
アナログスイッチＡＳ２は、上述したアナログスイッチＡＳ１と同様の構成であり、ノードＮ６とＶＲＥＦ２信号線との間に接続されている。アナログスイッチＡＳ２は、制御信号により、ノードＮ６とＶＲＥＦ２信号線との間を導通させ、ノードＮ６を基準電位ＶＲＥＦ２にする。
【００４８】
オペアンプ６３は、非反転入力端子がノードＮ６に、反転入力端子がノードＮ７に、出力端子がノードＮ８に、それぞれ接続されている。また、抵抗６４と抵抗６５とが、ノードＮ８とＶＲＥＦ２信号線との間に直列に接続されており、オペアンプ６３は、抵抗６４と抵抗６５との抵抗比に基づいて、ノードＮ６の信号を増幅する非反転増幅回路として機能する。すなわち、オペアンプ６３は、下記の式（４）により増幅した検出信号を、ノードＮ８に出力する。
【００４９】
Ｇａｉｎ＝（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１  ・・・  （４）
【００５０】
ここで、Ｒ１は、抵抗６４の抵抗値を示し、Ｒ２は、抵抗６５の抵抗値を示している。
アナログスイッチＡＳ３は、上述したアナログスイッチＡＳ１と同様の構成であり、ノードＮ８とノードＮ９との間に接続されている。アナログスイッチＡＳ３は、制御信号により、ノードＮ８とノードＮ９との間を導通させ、コンデンサ６６に、オペアンプ６３により増幅された検出信号を保持させる。
【００５１】
コンデンサ６６は、ノードＮ６６とＧＮＤ線との間に接続され、オペアンプ６３により増幅された検出信号を保持する。なお、アナログスイッチＡＳ３とコンデンサ６６とは、サンプルホールド回路を構成している。
【００５２】
オペアンプ６７は、非反転入力端子がノードＮ９に、反転入力端子がノードＮ１０に、出力端子がノードＮ１１に、それぞれ接続されている。また、抵抗６８と抵抗６９とが、ノードＮ１１とＶＲＥＦ２信号線との間に直列に接続されており、オペアンプ６７は、抵抗６８と抵抗６９との抵抗比に基づいて、ノードＮ９の信号を増幅する非反転増幅回路として機能する。すなわち、オペアンプ６７は、下記の式（５）により、コンデンサ６６により保持されたノードＮ９の信号を、さらに増幅した検出信号を、ノードＮ１１に出力する。
【００５３】
Ｇａｉｎ＝（Ｒ３＋Ｒ４）／Ｒ３  ・・・  （５）
【００５４】
ここで、Ｒ３は、抵抗６８の抵抗値を示し、Ｒ４は、抵抗６９の抵抗値を示している。
アナログスイッチＡＳ４は、上述したアナログスイッチＡＳ１と同様の構成であり、ノードＮ１１とＳＩＧ端子との間に接続されている。アナログスイッチＡＳ４は、制御信号により、ノードＮ１１とＳＩＧ端子との間を導通させ、ＳＩＧ端子に、オペアンプ６７により増幅された検出信号を出力する。
【００５５】
タイミング制御部７０ａは、センサ装置１ａを制御する各種タイミング信号を生成する。例えば、タイミング制御部７０ａは、ＦＳ（フレームスタート）信号、及びＣＬＫ（クロック）信号などに基づいて、各画素ブロック４０ａに検出電極１１に発生した電圧を検出する各種タイミング信号を生成する。また、タイミング制御部７０ａは、ＦＳ信号などに基づいて、各画素ブロック４０ａから検出信号を共通信号線ＢＬ１に出力させるΦＳＣＨ信号（ΦＳＣＨ＿１信号、ΦＳＣＨ＿２信号、・・・、ΦＳＣＨ＿Ｎ信号）を生成する。タイミング制御部７０ａは、シフトレジスタ７１と、タイミング信号生成部７２ａとを備えている。
【００５６】
シフトレジスタ７１は、ＣＬＫ信号により、シフトされ、各画素ブロック４０ａから検出信号を共通信号線ＢＬ１に出力させるΦＳＣＨ信号（ΦＳＣＨ＿１信号、ΦＳＣＨ＿２信号、・・・、ΦＳＣＨ＿Ｎ信号）として、所定のパルス幅のＨ状態を順次出力する。出力されたΦＳＣＨ信号（ΦＳＣＨ＿１信号、ΦＳＣＨ＿２信号、・・・、ΦＳＣＨ＿Ｎ信号）により、各画素ブロック４０ａから１画素（１ビット）ずつ検出信号が共通信号線ＢＬ１に出力される。
タイミング信号生成部７２ａは、例えば、ΦＲ信号、ΦＳＩＮ信号、ΦＩ信号、及び、各種アナログスイッチ（ＡＳ１〜ＡＳ５）を制御する制御信号などを生成して、各構成に出力する。
【００５７】
タイミング制御部７０ａは、各種タイミング信号を生成して、例えば、以下の（Ａ）〜（Ｃ）のタイミング制御を行う。
【００５８】
（Ａ）リセットスイッチＳＷ１に、検出電極１１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットさせる。第２の切り替えスイッチＳＷ３に、コンデンサ２１とオペアンプ２３の反転入力端子との間の接続を切り離させる。第２のリセットスイッチＳＷ４に、コンデンサ２１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットさせる。第１の切り替えスイッチＳＷ２に、ビットアンプ部２０ａをボルテージフォロアとして機能させる。
つまり、ビットアンプ部２０ａがボルテージフォロアとして機能する場合に、コンデンサ２１とオペアンプ２３の反転入力端子との間の接続を切り離させる。また、コンデンサ２１がオペアンプ２３から切り離された場合に、コンデンサ２１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットさせる。
（Ｂ）リセットスイッチＳＷ１に、検出電極１１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットさせた状態を解除させる。第２のリセットスイッチＳＷ４に、コンデンサ２１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットさせた状態を解除させる。第２の切り替えスイッチＳＷ３に、コンデンサ２１とオペアンプ２３の反転入力端子との間を接続させる。第１の切り替えスイッチＳＷ２に、ボルテージフォロアとしての機能を解除させた後に、サンプリング部３０ａに基準信号を保持させる。
（Ｃ）第１の切り替えスイッチＳＷ２に、ボルテージフォロアとしての機能を解除させ、第２の切り替えスイッチＳＷ３に、コンデンサ２１とオペアンプ２３の反転入力端子との間を接続させ、外部電極２に所定の電圧が印加されてから所定の期間ＴＲ１経過後に、サンプリング部３０ａに検出信号を保持させる。
【００５９】
タイミング制御部７０ａは、シフトレジスタ７１と、タイミング信号生成部７２ａとを備えている。
タイミング信号生成部７２ａは、例えば、ΦＲ信号、ΦＧＳ信号、ΦＲＩＮ信号、ΦＳＩＮ信号、ΦＩ信号、及び、各種アナログスイッチ（ＡＳ１〜ＡＳ５）を制御する制御信号などを生成して、各構成に出力する。
【００６０】
基準電圧生成部８０は、センサ装置１ａ内で使用する各種アナログ回路の基準電位（基準電圧を生成し、各構成に供給する。基準電圧生成部８０は、例えば、基準電位ＶＲＥＦ２や、基準電位Ｖｒｅｓｅｔなどの基準電位を生成する。
【００６１】
次に、図面を参照して、本実施形態によるセンサ装置１ａの動作について説明する。
図２は、本実施形態によるセンサ装置１ａの動作の一例を示すタイミングチャートである。
図２に示す一例は、検出電極１１の電圧を検出し、検出した検出信号をサンプリング部３０ａに保持するまでのセンサ装置１ａの動作について説明している。
【００６２】
図２において、波形Ｗ１１は、外部電極２の電圧（外部電極電圧）の波形を示している。また、波形Ｗ１２〜波形Ｗ１７のそれぞれは、上から順に、ＦＳ信号の論理状態、ΦＲ信号の論理状態、ΦＲＩＮ信号の論理状態、ΦＳＩＮ信号の論理状態、ΦＧＳ信号の論理状態、ΦＧＳＸ信号の論理状態、及びΦＩ信号の論理状態を示している。なお、この図において、横軸は時間を示している。また、ΦＩ信号は、ビットアンプ部２０を動作させる制御信号（例えば、オペアンプ２３のバイアス電流をオン／オフさせる制御信号）である。
【００６３】
図２に示すように、タイミング信号生成部７２ａが、初期状態として、ΦＲ信号をＨ状態、ΦＳＩＮ信号及びΦＩ信号をＬ状態にしているものとする。この状態では、リセットスイッチＳＷ１及び第２のリセットスイッチＳＷ４がそれぞれオン状態になり、検出電極１１の電圧及びコンデンサ２１の電圧をそれぞれ基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットする。この状態で、時刻Ｔ１１において、ＦＳ信号がＨ状態にされると、タイミング信号生成部７２ａは、時刻Ｔ１２において、ΦＩ信号及びΦＧＳ信号をＨ状態にし、ΦＧＳＸ信号をＬ状態にする（波形Ｗ１７、波形Ｗ１６及び波形１６−１参照）。これにより、タイミング信号生成部７２ａは、第２の切り替えスイッチＳＷ３をオフ状態にしてコンデンサ２１をオペアンプ２３から切り離した状態にし、オペアンプ２３の動作を開始させるとともに、第１の切り替えスイッチＳＷ２をオン状態にして、ビットアンプ部２０ａをボルテージフォロアとして機能させる。
【００６４】
次に、時刻Ｔ１３において、タイミング信号生成部７２ａが、ΦＲ信号をＬ状態にすると（波形Ｗ１３参照）、リセットスイッチＳＷ１及び第２のリセットスイッチＳＷ４がそれぞれオフ状態になる。
次に、時刻Ｔ１４において、タイミング信号生成部７２ａが、ΦＲＩＮ信号をＨ状態にすると（波形Ｗ１４参照）、サンプリング部３０ａのＮＭＯＳトランジスタ３４がオン状態になり、ビットアンプ部２０ａの出力信号（基準信号）がコンデンサ３５に蓄積される。
【００６５】
次に、タイミング信号生成部７２ａが、時刻Ｔ１５において、ΦＧＳ信号をＬ状態にし（波形Ｗ１６参照）、時刻Ｔ１５−１において、ΦＧＳＸ信号をＨ状態にし（波形Ｗ１６−１参照）、時刻Ｔ１６において、ΦＲＩＮ信号をＬ状態にする（波形Ｗ１４参照）。これにより、ＮＭＯＳトランジスタ３４がオフ状態になり、ΦＲＩＮ信号によるサンプルホールドが確定し、ΦＲ信号及びΦＧＳ信号がＨ状態からＬ状態に遷移する際のノイズ、及びΦＧＳＸ信号がＬ状態からＨ状態に遷移する際のノイズをそれぞれ含む基準信号が、コンデンサ３５に保持される。ここで、画素ブロック４０ａ−１、画素ブロック４０ａ−２、・・・、画素ブロック４０ａ−Ｎの１ライン分の全画素の基準信号が、各サンプリング部３０ａに保持される。
また、ΦＧＳ信号がＬ状態になることにより、第１の切り替えスイッチＳＷ２がオフ状態になり、ノードＮ３から第１の切り替えスイッチＳＷ２を介してノードＮ２に至る経路、すなわちコンデンサ２２をバイパスする経路が遮断される。また、ΦＧＳＸ信号がＨ状態になることにより、第２の切り替えスイッチＳＷ３がオン状態になり、コンデンサ２１がオペアンプ２３の非反転端子に接続される。これら２つのスイッチの動作により、ビットアンプ部２０ａは、容量型増幅器として機能する。
【００６６】
次に、時刻Ｔ１７において、タイミング信号生成部７２ａが、ΦＳＩＮ信号をＨ状態にすると（波形Ｗ１５参照）、サンプリング部３０ａのＮＭＯＳトランジスタ３１がオン状態になり、ビットアンプ部２０ａの出力信号がコンデンサ３２に蓄積される。
【００６７】
次に、時刻Ｔ１８において、外部電極２に所定の電圧Ｖ１が印加されると（波形Ｗ１１参照）、センサ部１０の検出電極１１に、紙葉類の厚みによる静電容量の変化に応じた電圧が生じる。ビットアンプ部２０ａは、上述した式（１）のゲインにより、検出電極１１に生じた電圧を増幅した検出信号を、ノードＮ３に出力し、増幅した検出信号がＮＭＯＳトランジスタ３１を介してコンデンサ３２に蓄積される。
【００６８】
次に、時刻Ｔ１９において、タイミング信号生成部７２ａが、外部電極２に所定の電圧Ｖ１が印加されてから所定の期間ＴＲ１経過後に、ΦＳＩＮ信号をＬ状態にする（波形Ｗ１５参照）。ここで、所定の期間ＴＲ１は、オペアンプ２３によって増幅された検出信号を、サンプリング部３０ａのコンデンサ３２に蓄積されるのに十分な期間である。ΦＳＩＮ信号がＬ状態になると、ＮＭＯＳトランジスタ３１がオフ状態になり、ΦＳＩＮ信号によるサンプルホールドが確定し、増幅された検出信号がコンデンサ３２に保持される。ここで、画素ブロック４０ａ−１、画素ブロック４０ａ−２、・・・、画素ブロック４０ａ−Ｎの１ライン分の全画素の検出信号が、各サンプリング部３０ａに保持される。
【００６９】
このように、サンプリング部３０ａは、リセットスイッチＳＷ１が検出電極１１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットするとともに、第１の切り替えスイッチＳＷ２がビットアンプ部２０ａをボルテージフォロアとして機能させ、さらに、リセットスイッチＳＷ１が検出電極１１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットした状態を解除し、第１の切り替えスイッチＳＷ２がボルテージフォロアとしての機能を解除した後に、基準信号を保持する。そして、サンプリング部３０ａは、第１の切り替えスイッチＳＷ２がボルテージフォロアとしての機能を解除し、外部電極２に所定の電圧が印加されてから所定の期間経過後に、検出信号を保持する。
【００７０】
次に、時刻Ｔ２０において、タイミング信号生成部７２ａが、ΦＩ信号をＬ状態にして、オペアンプ２３の動作を停止させる。
また、時刻Ｔ２１において、タイミング信号生成部７２ａが、ΦＲ信号をＨ状態にして、リセットスイッチＳＷ１をオン状態にさせて、検出電極１１を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットする。
次に、時刻Ｔ２２において、外部電極２に所定の電圧Ｖ１の印加が停止され、外部電極２の電圧（外部電極電圧）が、例えば、０Ｖになる（波形Ｗ１１参照）。
【００７１】
次に、図１を参照して、サンプリング部３０ａが保持した検出信号と基準信号との差分を生成し、当該差分を、オフセットを除去した検出信号として、シリアル出力する動作について説明する。
サンプリング部３０ａが検出信号及び基準信号を保持した後、まず、タイミング信号生成部７２ａが、アナログスイッチＡＳ１、アナログスイッチＡＳ５、及びアナログスイッチＡＳ２をオン状態にさせて、共通信号線ＢＬ１、共通信号線ＢＬ２、及びノードＮ６を基準電位ＶＲＥＦ２にする。
【００７２】
次に、タイミング信号生成部７２ａが、アナログスイッチＡＳ１、アナログスイッチＡＳ５、及びアナログスイッチＡＳ２をオフ状態にした後、シフトレジスタ７１が、ΦＳＣＨ＿１信号をＨ状態にする。これにより、タイミング信号生成部７２ａは、画素ブロック４０ａ−１のＮＭＯＳトランジスタ３３をオン状態にして、サンプリング部３０ａが保持している検出信号を共通信号線ＢＬ１に出力させるとともに、画素ブロック４０ａ−１のＮＭＯＳトランジスタ３６をオン状態にして、サンプリング部３０ａが保持している基準信号を共通信号線ＢＬ２に出力させる。
【００７３】
次に、減算部５０は、検出信号から基準信号を減算した差分信号を生成して、ノードＮ１７に出力する。
次に、出力処理部６０ａは、減算部５０の差分信号を、検出信号として、取得し、取得した検出信号を増幅して、ＳＩＧ端子から出力する。
【００７４】
次に、タイミング制御部７０ａは、画素ブロック４０ａ−２について、画素ブロック４０ａ−１と同様の処理を実行する。この場合、シフトレジスタ７１は、ＣＬＫ信号によりシフトして、ΦＳＣＨ＿２信号をＨ状態にし、出力処理部６０ａが、画素ブロック４０ａ−２の検出信号を１画素分の検出電圧として、ＳＩＧ端子に出力する。
タイミング制御部７０ａは、このような処理を、画素ブロック４０ａ−Ｎの検出信号をＳＩＧ端子に出力するまで繰り返す。
【００７５】
以上説明したように、本実施形態によるセンサ装置１ａは、センサ部１０と、ビットアンプ部２０ａ（容量型増幅回路）と、リセットスイッチＳＷ１と、第１の切り替えスイッチＳＷ２と、第２の切り替えスイッチＳＷ３と、第２のリセットスイッチＳＷ４と、サンプリング部３０ａと、減算部５０（減算回路）とを備える。センサ部１０は、所定の電圧Ｖ１が印加された外部電極２に対向する検出電極１１に、静電容量の変化に応じた電圧が生じる。ビットアンプ部２０ａは、直列に接続されたコンデンサ２１（第１のコンデンサ）とコンデンサ２２（第２のコンデンサ）とを有し、センサ部１０の検出電極１１に発生した電圧を検出し、当該検出電極１１に発生した電圧をコンデンサ２１とコンデンサ２２との容量比に基づいて増幅した検出信号を出力する。リセットスイッチＳＷ１は、検出電極１１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットする。第１の切り替えスイッチＳＷ２は、ビットアンプ部２０ａを、容量型増幅器として機能させるか、ボルテージフォロアとして機能させるかを切り替える。第２の切り替えスイッチは、ビットアンプ部２０ａが容量型増幅器として機能している場合に、コンデンサ２１をオペアンプ２３から切り離す。第２のリセットスイッチＳＷ４は、コンデンサ２１がオペアンプ２３から切り離されている場合に、コンデンサ２１に基準電位Ｖｒｅｓｅｔを供給することにより、コンデンサ２１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットする。サンプリング部３０ａは、基準信号と、外部電極２に所定の電圧が印加された状態における検出信号とをサンプルホールドしてそれぞれ保持する。ここで、基準信号は、リセットスイッチＳＷ１によって、検出電極１１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットさせた後に、第１の切り替えスイッチＳＷ２によってボルテージフォロアとして機能させ、外部電極２に所定の電圧が印加される前のビットアンプ部２０ａからの出力信号である。減算部５０は、サンプリング部３０ａが保持する基準信号と、検出信号との差分を生成する。
【００７６】
これにより、本実施形態によるセンサ装置１ａは、ビットアンプ部２０ａにより検出電極１１に発生した電圧を増幅して検出信号として出力するため、ビットアンプ部２０ａの後段の処理において、例えば、熱雑音などのノイズによる影響を低減することができる。よって、本実施形態によるセンサ装置１ａは、検出精度を向上させることができる。
【００７７】
また、一般の半導体プロセスにおいて、コンデンサは、抵抗素子に比べて小さいサイズ（面積）で実現できる。本実施形態によるセンサ装置１ａは、容量型増幅器を採用しているため、プロセスコストを低減することができる。
【００７８】
また、本実施形態によるセンサ装置１ａは、減算部５０が基準信号と検出信号との差分を生成するため、検出信号からビットアンプ部２０ａのオフセットを低減することができる。そのため、本実施形態によるセンサ装置１ａは、さらに検出精度を向上させることができる。
【００７９】
ところで、ビットアンプ部２０ａを容量型増幅器として機能させて検出信号を出力する場合、この検出信号の増幅率の精度は、コンデンサ２１及びコンデンサ２２の静電容量の精度に依存する。一般の半導体プロセスにおいてコンデンサを形成する場合、形成されるコンデンサの静電容量（例えば、コンデンサのサイズ）が大きいほど加工が容易になり、静電容量の精度を高めやすい。したがって、ビットアンプ部２０ａが出力する検出信号の増幅率の精度を高めるためには、コンデンサ２１及びコンデンサ２２の静電容量を比較的大きいものとすることが好ましい。
【００８０】
また、第１の切り替えスイッチＳＷ２のオン・オフによって発生する切り替えノイズ（例えば、チャージインジェクションによるノイズ）は、コンデンサ２２などに流入して吸収される。したがって、切り替えノイズによる検出精度への影響を低減するためにも、コンデンサ２１及びコンデンサ２２の静電容量を比較的大きいものとすることが好ましい。
【００８１】
ここで、本実施形態によるセンサ装置１ａは、オペアンプ２３をボルテージフォロアとして機能させることにより基準信号を得て、この基準信号と検出信号との差分を生成することによりビットアンプ部２０ａのオフセットを低減している。
一般に、オペアンプ２３をボルテージフォロアとして機能させる場合には、コンデンサ２１の静電容量が比較的大きい場合には、コンデンサ２１の静電容量が比較的小さい場合に比べてオペアンプ２３の位相余裕度が小さくなり、安定した増幅が困難になる場合がある。
つまり、検出信号の増幅率の精度を高めるためにはコンデンサ２１の静電容量を比較的大きくすることが好ましく、オペアンプ２３の位相余裕度を大きくするためにはコンデンサ２１の静電容量を比較的小さくすることが好ましい、という背反の関係が生じる。
【００８２】
本実施形態によるセンサ装置１ａは、オペアンプ２３をボルテージフォロアとして機能させる場合には、コンデンサ２１をオペアンプ２３から切り離す。したがって、本実施形態によるセンサ装置１ａによれば、コンデンサ２１の静電容量を比較的大きくした場合であっても、オペアンプ２３がボルテージフォロアとして機能する場合の位相余裕度の低下を抑止することができる。
【００８３】
また、検出電極１１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットする際に、コンデンサ２１の電圧も基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットされることが好ましい。ここで仮に、コンデンサ２１がオペアンプ２３から切り離されない構成である場合には、検出電極１１の電圧が基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットされると、オペアンプ２３を介して、コンデンサ２１も基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットされる。しかしながら、本実施形態によるセンサ装置１ａは、検出電極１１の電圧が基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットされる期間において、上述のようにコンデンサ２１がオペアンプ２３から切り離されるため、オペアンプ２３を介したコンデンサ２１の電圧のリセットを期待することができない。
【００８４】
ここで、本実施形態によるセンサ装置１ａは、コンデンサ２１がオペアンプ２３から切り離される期間において、第２のリセットスイッチＳＷ４がコンデンサ２１を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットする。したがって、本実施形態によるセンサ装置１ａによれば、オペアンプ２３がボルテージフォロアとして機能する場合において、位相余裕度の低下を抑止することと、コンデンサ２１を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットすることとを両立させることができる。
【００８５】
また、本実施形態では、ビットアンプ部２０ａは、出力端子と反転入力端子との間にコンデンサ２２が接続され、コンデンサ２１が反転入力端子とＧＮＤ線（基準電位線）との間に接続され、非反転入力端子に検出電極１１が接続されたオペアンプ２３（演算増幅器）を含む非反転増幅回路である。減算部５０は、検出信号から基準信号を減算した差分信号を生成する。
これにより、本実施形態によるセンサ装置１ａは、簡易な構成により、オフセットを低減しつつ、検出電極１１に発生した電圧を増幅することができる。
【００８６】
また、本実施形態では、サンプリング部３０ａは、リセットスイッチＳＷ１が検出電極１１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットするとともに、第１の切り替えスイッチＳＷ２がビットアンプ部２０ａをボルテージフォロアとして機能させ、さらに、リセットスイッチＳＷ１が検出電極１１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットした状態を解除し、第１の切り替えスイッチＳＷ２がボルテージフォロアとしての機能を解除した後に、基準信号を保持する。また、サンプリング部３０ａは、第１の切り替えスイッチＳＷ２がボルテージフォロアとしての機能を解除し、外部電極２に所定の電圧Ｖ１が印加されてから所定の期間経過後（期間ＴＲ１経過後）に、検出信号を保持する。
【００８７】
これにより、サンプリング部３０ａは、リセットスイッチＳＷ１及び第１の切り替えスイッチＳＷ２の切り替えノイズを含む基準信号を保持する。そのため、本実施形態によるセンサ装置１ａは、検出信号と基準信号との差分により、オフセットとともに、リセットスイッチＳＷ１及び第１の切り替えスイッチＳＷ２の切り替えノイズを低減することができる。
【００８８】
また、本実施形態によるセンサ装置１ａは、タイミング制御部７０ａを備える。タイミング制御部７０ａは、以下の（Ａ）〜（Ｃ）のタイミング制御を行う。
（Ａ）リセットスイッチＳＷ１に、検出電極１１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットさせる。第２の切り替えスイッチＳＷ３に、コンデンサ２１とオペアンプ２３の反転入力端子との間の接続を切り離させる。第２のリセットスイッチＳＷ４に、コンデンサ２１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットさせる。第１の切り替えスイッチＳＷ２に、ビットアンプ部２０ａをボルテージフォロアとして機能させる。
つまり、ビットアンプ部２０ａがボルテージフォロアとして機能する場合に、コンデンサ２１とオペアンプ２３の反転入力端子との間の接続を切り離させる。また、コンデンサ２１がオペアンプ２３から切り離された場合に、コンデンサ２１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットさせる。
（Ｂ）リセットスイッチＳＷ１に、検出電極１１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットさせた状態を解除させる。第２のリセットスイッチＳＷ４に、コンデンサ２１の電圧を基準電位Ｖｒｅｓｅｔにリセットさせた状態を解除させる。第２の切り替えスイッチＳＷ３に、コンデンサ２１とオペアンプ２３の反転入力端子との間を接続させる。第１の切り替えスイッチＳＷ２に、ボルテージフォロアとしての機能を解除させた後に、サンプリング部３０ａに基準信号を保持させる。
（Ｃ）第１の切り替えスイッチＳＷ２に、ボルテージフォロアとしての機能を解除させ、第２の切り替えスイッチＳＷ３に、コンデンサ２１とオペアンプ２３の反転入力端子との間を接続させ、外部電極２に所定の電圧が印加されてから所定の期間ＴＲ１経過後に、サンプリング部３０ａに検出信号を保持させる。
【００８９】
これにより、本実施形態によるセンサ装置１ａは、検出信号と基準信号との差分により、オフセットとともに、上述したようにリセットスイッチＳＷ１及び第１の切り替えスイッチＳＷ２の切り替えノイズを低減することができる。また、本実施形態によるセンサ装置１ａは、タイミング制御部７０ａを備えるため、複雑なタイミング制御を外部から行う必要がない。
【００９０】
また、本実施形態によるセンサ装置１ａは、第１の切り替えスイッチＳＷ２の寄生容量の大きさと、第２の切り替えスイッチＳＷ３の寄生容量の大きさとは、互いに対応づけられている。一般に、半導体スイッチがオン状態からオフ状態に切り替わる場合には、この寄生容量から電荷が流出することにより切り替えノイズが発生する。また、半導体スイッチがオフ状態からオン状態に切り替わる場合には、この寄生容量に電荷が流入することにより切り替えノイズが発生する。このスイッチの切り替えによって流入又は流出する電荷の量、すなわち切り替えノイズの大きさは、半導体スイッチの寄生容量の大きさに依存する。
ところで、本実施形態の第１の切り替えスイッチＳＷ２と、第２の切り替えスイッチＳＷ３とは、互いに逆の状態に切り替わる。具体的には、第１の切り替えスイッチＳＷ２がオフ状態に切り替わる場合、第２の切り替えスイッチＳＷ３はオン状態に切り替わる。この場合、第１の切り替えスイッチＳＷ２の寄生容量から切り替えノイズとして流出した電荷は、例えば、コンデンサ２２に蓄積される。このコンデンサ２２に蓄積された電荷は、第２の切り替えスイッチＳＷ３がオン状態に切り替わる際に、第２の切り替えスイッチＳＷ３の寄生容量に流入する。ここで、本実施形態によるセンサ装置１ａは、第１の切り替えスイッチＳＷ２の寄生容量の大きさと、第２の切り替えスイッチＳＷ３の寄生容量の大きさとは、互いに対応づけられている。例えば、第１の切り替えスイッチＳＷ２の寄生容量の大きさと、第２の切り替えスイッチＳＷ３の寄生容量の大きさが互いに等しい場合には、一方のスイッチの寄生容量から切り替えノイズとして流出した電荷の量と、他方のスイッチの寄生容量に流入する電荷の量とが等しくなる。したがって、本実施形態によるセンサ装置１ａにおいて、第１の切り替えスイッチＳＷ２及び第２の切り替えスイッチＳＷ３によって発生する切り替えノイズの電荷が、例えば、コンデンサ２２などに蓄積されることを低減することができる。
【００９１】
［第２の実施形態］
次に、図面を参照して、第２の実施形態によるセンサ装置１ｂについて説明する。
本実施形態では、第１の実施形態によるビットアンプ部２０ａの変形例について説明する。
【００９２】
図３は、本実施形態によるセンサ装置１ｂの一例を示すブロック図である。
図３に示すように、センサ装置１ｂは、外部電極２と、画素ブロック（４０ｂ−１、４０ｂ−２、・・・、４０ｂ−Ｎ）と、減算部５０ａと、出力処理部６０ａと、タイミング制御部７０ａと、基準電圧生成部８０とを備えている。
【００９３】
なお、この図において、図１に示す第２の実施形態と同一の構成には、同一の符号を付与して、その説明を省略する。
また、本実施形態において、画素ブロック（４０ｂ−１、４０ｂ−２、・・・、４０ｂ−Ｎ）のそれぞれは、同一の構成であり、センサ装置１ｂが備える任意の画素ブロックを示す場合、又は特に区別しない場合には、画素ブロック４０ｂとして説明する。
【００９４】
画素ブロック４０ｂは、１画素分の画素の電界（厚み）を検出するブロックであり、センサ部１０と、ビットアンプ部２０ｂと、サンプリング部３０ａと、リセットスイッチＳＷ１とを備えている。
【００９５】
ビットアンプ部２０ｂ（容量型増幅回路の一例）は、上述した第１の実施形態のビットアンプ部２０ａと同様に、センサ部１０の検出電極１１に発生した電圧を検出し、当該検出電極１１に発生した電圧をコンデンサ２１とコンデンサ２２との容量比に基づいて増幅した検出信号を出力する。ビットアンプ部２０ｂは、コンデンサ２１と、コンデンサ２２と、オペアンプ２３と、第１の切り替えスイッチＳＷ２と、第２の切り替えスイッチＳＷ３と、第２のリセットスイッチＳＷ４とを備えている。ビットアンプ部２０ｂは、出力端子と反転入力端子との間にコンデンサ２２が接続され、コンデンサ２１が反転入力端子と検出電極１１との間に接続され、非反転入力端子にＶｒｅｓｅｔ信号線（基準電位線）が接続されたオペアンプ２３を含む反転増幅回路である。ここで、ビットアンプ部２０ｂ（オペアンプ２３）は、反転信号として負方向の検出信号を出力する。
【００９６】
オペアンプ２３は、反転入力端子がコンデンサ２１を介してノードＮ１に、非反転端子が、Ｖｒｅｓｅｔ信号線に接続されている。
【００９７】
減算部５０ａ（減算回路の一例）は、サンプリング部３０ａが保持する基準信号と、検出信号との差分を生成する。減算部５０ａは、基準信号から検出信号を減算した差分信号を生成する。減算部５０ａは、オペアンプ（５１ａ、５２ａ、５７）と、抵抗（５３〜５６）とを備えている。
【００９８】
オペアンプ５１ａは、非反転入力端子が共通信号線ＢＬ１に、出力端子（ノードＮ１３）が反転入力端子に、それぞれ接続されている。
オペアンプ５２ａは、非反転入力端子が共通信号線ＢＬ２に、出力端子（ノードＮ１４）が反転入力端子に、それぞれ接続されている。
【００９９】
抵抗５３〜抵抗５６及びオペアンプ５７は、基準信号から検出信号を減算する減算回路を構成する。オペアンプ５７は、共通信号線ＢＬ２を介して取得した基準信号から、共通信号線ＢＬ１を介して取得した検出信号を減算した差分信号を、ビットアンプ部２０ｂのオフセットを除去した検出信号として、出力端子（ノードＮ１７）に出力する。
【０１００】
なお、本実施形態によるセンサ装置１ｂの動作は、ビットアンプ部２０ｂが反転増幅回路になり、減算部５０ａが、基準信号から検出信号を減算する点を除いて第１の実施形態と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【０１０１】
以上説明したように、本実施形態によるセンサ装置１ｂは、センサ部１０と、ビットアンプ部２０ｂ（容量型増幅回路）と、リセットスイッチＳＷ１と、第１の切り替えスイッチＳＷ２と、第２の切り替えスイッチＳＷ３と、第２のリセットスイッチＳＷ４と、サンプリング部３０ａと、減算部５０ａ（減算回路）とを備える。
これにより、本実施形態によるセンサ装置１ｂは、第１実施形態と同様の効果を奏し、ノイズによる影響を低減して、検出精度を向上させることができる。
また、本実施形態によるセンサ装置１ｂは、減算部５０ａが基準信号と検出信号との差分を生成するため、検出信号からビットアンプ部２０ｂのオフセットを低減することができる。そのため、本実施形態によるセンサ装置１ｂは、さらに検出精度を向上させることができる。
【０１０２】
また、本実施形態では、ビットアンプ部２０ｂは、出力端子と反転入力端子との間にコンデンサ２２が接続され、コンデンサ２１が反転入力端子と検出電極１１との間に接続され、非反転入力端子にＶｒｅｓｅｔ信号線（基準電位線）が接続されたオペアンプ２３を含む反転増幅回路である。減算部５０ａは、基準信号から検出信号を減算した差分信号を生成する。
これにより、本実施形態によるセンサ装置１ｂは、簡易な構成により、オフセットを低減しつつ、検出電極１１に発生した電圧を増幅することができる。
【０１０３】
なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記の各実施形態において、タイミング制御部７０ａが各種タイミング信号を生成する例を説明したが、これに限定されるものではなく、タイミング制御部７０ａが生成する各種タイミング信号の一部又は全部を外部から供給されるようにしてもよい。
【０１０４】
また、上記の各実施形態において、基準電圧生成部８０が基準電位Ｖｒｅｓｅｔ、基準電位ＶＲＥＦ２などの基準電圧を生成する例を説明したが、これに限定されるものではなく、基準電圧生成部８０が生成する基準電圧の一部又は全部を外部から供給されるようにしてもよい。
【０１０５】
また、上記の各実施形態において、画素ブロック４０ａ（４０ｂ）は、全画素一括で、検出信号を検出して、サンプリング部３０ａに保持した後に、順次シリアル出力する例を説明したが、これに限定されるものではない。タイミング制御部７０ａは、例えば、画素ブロック４０ａ（４０ｂ）が１画素（１ビット）ずつ検出信号を検出しながら順次出力するように、タイミング制御してもよい。
【０１０６】
また、上記の各実施形態において、出力処理部６０ａは、検出信号を２段に分けて増幅する例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、１段の増幅により、十分なダイナミックレンジが確保できる場合には、出力処理部６０ａは、１段で増幅するようにしてもよい。
【０１０７】
また、上記の各実施形態において、センサ装置１ａ（１ｂ）は、ラインイメージセンサ装置である場合の例を説明したが、これに限定されるものではなく、２次元イメージセンサ装置であってもよい。
また、上記の第１の実施形態において、ビットアンプ部２０ａは、非反転増幅回路で構成する例を説明したが、第２の実施形態のように、反転増幅回路で構成するようにしてもよい。
【０１０８】
また、上述のタイミング制御部７０ａは、内部に、コンピュータシステムを有していてもよい。そしてこのとき、上述したセンサ部１０の出力検出の処理過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１０９】
１ａ、１ｂ  センサ装置
２  外部電極
１０  センサ部
１１  検出電極
２０ａ、２０ｂ  ビットアンプ部
２１、２２、３２、３５、６２、６６  コンデンサ
２３、５１ａ、５２ａ、５７、６１、６３、６７  オペアンプ
３０、３０ａ  サンプリング部
３１、３３、３４、３６  ＮＭＯＳトランジスタ
４０ａ、４０ｂ、４０ａ−１、４０ｂ−１、４０ａ−２、４０ｂ−２、４０−Ｎ、４０ａ−Ｎ、４０ｂ−Ｎ  画素ブロック
５０、５０ａ  減算部
５３〜５６、６４、６５、６８、６９  抵抗
６０ａ  出力処理部
７０ａ  タイミング制御部
７１  シフトレジスタ
７２ａ  タイミング信号生成部
８０  基準電圧生成部
ＡＳ１〜ＡＳ５  アナログスイッチ
ＢＬ１、ＢＬ２  共通信号線
ＳＣ１、ＳＣ２  寄生容量
ＳＷ１  リセットスイッチ
ＳＷ２  切り替えスイッチ
ＳＷ３  第２の切り替えスイッチ
ＳＷ４  第２のリセットスイッチ
【図１】
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【図２】
2019095224.tif 000004
【図３】
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