(57)【要約】      （修正有）【課題】生物学的特徴を検出して生物学的特徴情報を取得する生物学的特徴検出装置を提供する。【解決手段】生物学的特徴検出装置は、静電容量式タッチパネルと制御回路とを含む。静電容量式タッチパネルは、信号送信線と信号受信線とを含む。信号送信線の第１ピッチ又は信号受信線の第２ピッチは、生物学的特徴の最小中心間隔と等しいかそれよりも大きい。制御回路は、２組の信号送信線を介して送信される第１及び第２充電／放電信号に応答して２組の信号受信線を介して第１及び第２電圧信号を受信し、第１及び第２電圧信号に応じた特性値を生成する。信号送信線と信号受信線の異なる組み合わせに対応する多くの特性値が生成され、これにより、生物学的特徴情報を表す特性値行列が形成される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣接する２つの相対極値間の最小中心間距離を有する不均一な表面を有する生物学的特徴を検出することによって生物学的特徴情報を取得するための生物学的特徴検出装置であって、
生物学的特徴を有する目的物に近接又は接触され、Ｍ本の信号送信線とＮ本の信号受信線とを備え、前記Ｍ本の信号送信線の第１ピッチと前記Ｎ本の信号受信線の第２ピッチの少なくとも一方は前記最小中心間距離と等しいかそれよりも大きい、静電容量式タッチパネルと、
前記静電容量式タッチパネルに電気的に接続され、所定期間中、前記Ｍ本の信号送信線の中から選択された２組の信号送信線を介して、互いに位相がずれた第１充電／放電信号及び第２充電／放電信号をそれぞれ送信し、前記所定期間中、前記第１充電／放電信号及び前記第２充電／放電信号に応じて、前記Ｎ本の信号受信線の中から選択された２組の信号受信線を介して第１電圧信号と第２電圧信号を受信し、前記第１電圧信号と前記第２電圧信号に基づいて、前記２組の信号送信線と前記２組の信号受信線とによって規定される１つの隣接領域に対応する１つの特性値を生成し、前記Ｍ本の信号送信線と前記Ｎ本の信号受信線の異なる組み合わせによって規定される異なる隣接領域に対応する複数の特性値を生成するために上記３つのステップを切り返し実行し、前記複数の特性値で前記生物学的特徴情報を表す特性値行列を形成する、制御回路と、
を備えたことを特徴とする生物学的特徴検出装置。
【請求項２】
前記生物学的特徴は指紋であり、前記目的物は指紋を有する指であり、前記隣接する２つの相対極値は隣接する２つの稜線又は隣接する２つの谷であり、前記第１ピッチ及び前記第２ピッチは１５０μｍ〜２００μｍの範囲であり、前記信号送信線及び前記信号受信線の線幅は５０μｍより大きいことを特徴とする請求項１に記載の生物学的特徴検出装置。
【請求項３】
前記静電容量式タッチパネルは、指紋を有する指に接近又は接触される静電容量式センサアレイを含み、前記静電容量式センサアレイは、第１電極群及び第２電極群を含み、前記第1電極群はＭ本の信号送信線を含み、第２電極群はＮ本の信号受信線を含むことを特徴とする請求項２に記載の生物学的特徴検出装置。
【請求項４】
前記制御回路は、前記第１充電／放電信号と前記第２充電／放電信号が逆位相である第１期間中、前記Ｍ本の信号送信線の中から選択された２組の第１信号送信線を介して、前記第１充電／放電信号と前記第２充電／放電信号をそれぞれ送信し、前記第１期間中、前記第１充電／放電信号及び前記第２充電／放電信号に応答して、前記Ｎ本の信号受信線の中から選択された２組の第１信号受信線を介して前記第１電圧信号及び前記第２電圧信号をそれぞれ受信し、前記第１電圧信号と前記第２電圧信号とに基づいて、前記２組の第１信号送信線と前記２組の第１信号受信線とで規定される隣接領域に対応する１つの第１特性値を生成し、前記Ｍ本の信号送信線と前記Ｎ本の信号受信線の異なる組み合わせによって規定される異なる隣接領域に対応する複数の第１特性値を生成するために上記３つのステップを切り返し実行するし、前記複数の第１特性値で指紋を表す第１特性値行列を形成する、
ことを特徴とする請求項３に記載の生物学的特徴検出装置。
【請求項５】
前記制御回路は、第３充電／放電信号と第４充電／放電信号が逆位相である第２期間中、前記Ｍ本の信号送信線の中から選択された２組の第１信号送信線を介して、前記第３充電／放電信号と前記第４充電／放電信号をそれぞれ送信し、前記第２期間中、前記第３充電／放電信号及び前記第４充電／放電信号に応答して、前記Ｎ本の信号受信線の中から選択された２組の第１信号受信線を介して第３電圧信号及び第４電圧信号をそれぞれ受信し、前記第３電圧信号と前記第４電圧信号とに基づいて、前記２組の第１信号送信線と前記２組の第１信号受信線とで規定される１つの隣接領域に対応する１つの第２特性値を生成し、前記Ｍ本の信号送信線と前記Ｎ本の信号受信線の異なる組み合わせによって規定される異なる隣接領域に対応する複数の第２特性値を生成するために上記３つのステップを切り返し実行し、前記複数の第２特性値で指紋を表す第２特性値行列を形成し、前記２組の第１信号受信線は前記２組の第２信号受信線とは同一ではなく、前記制御回路は、前記第１特性値行列と前記第２特性値行列とに基づいて、指紋を表す画像値行列を推定することを特徴とする請求項４に記載の生物学的特徴検出装置。
【請求項６】
前記２組の第２信号受信線のうちの一方は、前記指紋を有する目的物と容量結合しない１組の補助受信線であることを特徴とする請求項５に記載の生物学的特徴検出装置。
【請求項７】
前記２組の第１信号受信線は、それぞれＡ本の第１信号受信線を含み、前記２組の第２信号受信線は、それぞれＢ本の第２信号受信線を含み、Ａの数とＢの数は異なることを特徴とする請求項５に記載の生物学的特徴検出装置。
【請求項８】
前記２組の第１信号受信線は、互いに隣接している同じ数の信号受信線を含み、前記２組の第２信号受信線は、互いに隣接していない同じ数の信号受信線を含むことを特徴とする請求項５に記載の生物学的特徴検出装置。
【請求項９】
前記静電容量センサアレイは、織物技術によって形成され、前記第１電極群及び前記第２電極群は、それぞれ、絶縁材料で覆われた複数の導電線を含み、前記第１電極群と第２電極群は静電容量式センサアレイを形成するように織られていることを特徴とする請求項３に記載の生物学的特徴検出装置。
【請求項１０】
前記静電容量式センサアレイの前記第１電極群及び前記第２電極群は、フレキシブル基板の第１面及び第２面に形成され、前記静電容量式センサアレイの上に保護カバーが形成され、前記保護カバーは、１００μｍから５００μｍの範囲の厚さを有し、前記フレキシブル基板は、２０μｍから１００μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項３に記載の生物学的特徴検出装置。
【請求項１１】
前記静電容量式センサアレイはガラス基板上に形成され、前記静電容量式センサアレイは、
前記ガラス基板の表面上に形成され、前記第１電極群と、第１組の信号ピンと、第２組の信号ピンとを含む第１導電性線構造と、
前記第１電極群上に形成され、前記第１組の信号ピン及び前記第２組の信号ピンを露出させる第１絶縁層と、
前記ガラス基板よりも上に形成され、前記第２電極群と、１組の補強信号ピンを含み、前記第２電極群は、前記第１絶縁層の表面上に形成され、電気的接続を形成するように、前記第２組の信号ピンと接続されるように外向きに延びており、前記１組の補強信号ピンは、前記第１組の信号ピンに面対面で取り付けられている第２導電線構造体と、
前記第１電極群と前記第２電極群の交差領域を覆う第２絶縁層と、
前記交差領域を覆うように前記第２絶縁層に固定されているガラスカバー及び前記ガラスカバーを固定する接着剤層と、
を備えたことを特徴とする請求項３に記載の生物学的特徴検出装置。
【請求項１２】
前記制御回路は、前記第１充電／放電信号と前記第２充電／放電信号の位相がずれている第１期間中、前記Ｍ本の信号送信線の中から選択された第１組の信号送信線及び第２組の信号送信線を介して、前記第１充電／放電信号と前記第２充電／放電信号をそれぞれ送信し、前記第１期間中、前記第１充電／放電信号及び前記第２充電／放電信号に応答して、前記Ｎ本の信号受信線の中から選択された第１組の信号受信線及び第２組の信号受信を介して前記第１電圧信号及び前記第２電圧信号をそれぞれ受信し、前記第１電圧信号と前記第２電圧信号とに基づいて、前記第１組の信号送信線、前記第２組の信号送信線、前記第１組の信号受信線及び前記第２組の信号受信線とで規定される隣接領域に対応する１つの第１特性値を生成し、前記Ｍ本の信号送信線と前記Ｎ本の信号受信線の異なる組み合わせによって規定される異なる隣接領域に対応する複数の第１特性値を生成するために上記３つのステップを切り返し実行し、前記複数の第１特性値で生物学的特徴情報を表す第１特性値行列を形成し、前記第１組の信号送信線及び前記第２組の信号送信線は、それぞれＡ本の信号送信線を含み、前記第１組の信号受信線及び前記第２組の信号受信線は、それぞれＢ本の信号受信線を含み、Ａの数とＢの数は異なることを特徴とする請求項３に記載の生物学的特徴検出装置。
【請求項１３】
前記制御回路は、前記第１充電／放電信号と前記第２充電／放電信号の位相がずれている第１期間中、前記Ｍ本の信号送信線の中から選択された第１組の信号送信線及び第２組の信号送信線を介して、前記第１充電／放電信号と前記第２充電／放電信号をそれぞれ送信し、前記第１期間中、前記第１充電／放電信号及び前記第２充電／放電信号に応答して、前記Ｎ本の信号受信線の中から選択された第１組の信号受信線及び第２組の信号受信線を介して前記第１電圧信号及び前記第２電圧信号をそれぞれ受信し、前記第１電圧信号と前記第２電圧信号とに基づいて、前記第１組の信号送信線、前記第２組の信号送信線、前記第１組の信号受信線及び前記第２組の信号受信線とで規定される隣接領域に対応する１つの第１特性値を生成し、前記Ｍ本の信号送信線と前記Ｎ本の信号受信線の異なる組み合わせによって規定される異なる隣接領域に対応する複数の第１特性値を生成するために上記３つのステップを切り返し実行し、前記複数の第１特性値で生物学的特徴情報を表す第１特性値行列を形成し、前記第１組の信号送信線及び前記第２組の信号送信線は、それぞれ同じ数の信号送信線を含み、前記第１組の信号送信線は前記第２組の信号送信線に隣接し、前記第１組の信号受信線及び前記第２組の信号受信線は、それぞれ同じ数の信号受信線を含み、前記第１組の信号受信線と前記第２組の信号受信線は隣接していないことを特徴とする請求項３に記載の生物学的特徴検出装置。
【請求項１４】
前記第１電極群及び前記第２電極群における前記信号送信線及び前記信号受信線のうちの少なくとも一方は、検出されるべき指紋の特性曲線とは異なる方向に湾曲した信号線であることを特徴とする請求項３に記載の生物学的特徴検出装置。
【請求項１５】
前記制御回路は、第３充電／放電信号と第４充電／放電信号の位相がずれている他の所定期間中、前記Ｍ本の信号送信線の中から選択された２組の信号送信線を介して、前記第３充電／放電信号と前記第４充電／放電信号をそれぞれ送信し、前記他の所定期間中、前記第３充電／放電信号及び前記第４充電／放電信号に応答して、前記Ｎ本の信号受信線の中から選択された２組の信号受信線を介して第３電圧信号及び第４電圧信号をそれぞれ受信し、前記第１電圧値、前記第２電圧値、前記第３電圧信号及び前記第４電圧信号とに基づいて、前記２組の信号送信線と前記２組の信号受信線とで規定される隣接領域に対応する特性値を生成し、前記Ｍ本の信号送信線と前記Ｎ本の信号受信線の異なる組み合わせによって規定される異なる隣接領域に対応する複数の特性値を生成するために上記３つのステップを切り返し実行し、前記複数の特性値で生物学的特徴情報を表す特性値行列を形成することを特徴とする請求項１に記載の生物学的特徴検出装置。
【請求項１６】
隣接する２つの相対極値間の最小中心間距離を有する不均一な表面を有する生物学的特徴を検出することによって生物学的特徴情報を取得するための、静電容量式タッチパネルと共に使用される生物学的特徴検出方法であって、
前記静電容量式タッチパネルは、Ｍ本の信号送信線とＮ本の信号受信線を備え、Ｍ本の信号送信線の第１ピッチとＮ本の信号受信線の第２ピッチとの少なくとも一方は前記最小中心間距離と等しいかそれよりも大きく、
前記生物学的特徴検出方法は、
第１充電／放電信号及び第２充電／放電信号の位相がずれている第１期間中、前記Ｍ本の信号送信線の中から選択された２組の信号送信線を介して前記第１充電／放電信号及び前記第２充電／放電信号をそれぞれ送信するステップと、
前記第１期間中、前記第１充電／放電信号と前記第２充電／放電信号に応答して、前記Ｎ本の信号受信線の中から選択された２組の信号受信線を介して第１電圧信号及び第２電圧信号をそれぞれ受信するステップと、
前記第１電圧信号と前記第２電圧信号に基づいて、前記２組の信号送信線と前記２組の信号受信線によって規定される１つの隣接領域に対応する１つの第１特性値を生成するステップと、
前記Ｍ本の信号送信線と前記Ｎ本の信号受信線との異なる組合せによって規定される異なる隣接領域に対応する複数の第１特性値を生成するために、前記３つのステップを繰り返し実行し、前記複数の第１特性値で生物学的特徴情報を表す第１特徴値行列を形成するステップと、
を備えたことを特徴とする生物学的特徴検出方法。
【請求項１７】
前記２組の信号送信線のうちの一方は、電気的に並列に接続された複数の隣接する信号線を含むことを特徴とする請求項１６に記載の生物学的特徴検出方法。
【請求項１８】
第３充電／放電信号と第４充電／放電信号の位相がずれている第２期間中、前記Ｍ本の信号送信線の中から選択された２組の信号送信線を介して前記第３充電／放電信号及び前記第４充電／放電信号をそれぞれ送信するステップと、
前記第２期間中、前記第３充電／放電信号と前記第４充電／放電信号に応答して、前記Ｎ本の信号受信線の中から選択された２組の信号受信線を介して第３電圧信号及び第４電圧信号をそれぞれ受信するステップと、
前記第３電圧信号と前記第４電圧信号に基づいて、前記２組の信号送信線と前記２組の信号受信線によって規定される隣接領域に対応する１つの第２特性値を生成するステップと、
前記Ｍ本の信号送信線と前記Ｎ本の信号受信線との異なる組合せによって規定される異なる隣接領域に対応する複数の第２特性値を生成するために、前記３つのステップを繰り返し実行し、前記複数の第２特性値で生物学的特徴情報を表す第２特徴値行列を形成するステップと、
前記第１特性値行列及び前記第２特性値行列を記録するか、又は前記第１特性値行列及び前記第２特性値行列の両方に基づいて、生物学的特徴情報を表す第３特性値行列を記録するステップと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１６に記載の生物学的特徴検出方法。
【請求項１９】
前記第１期間中に前記２組の信号送信線及び前記２組の信号受信線によって規定される第１走査ウインドウは第１アスペクト比を有し、
前記第２期間中に前記２組の信号送信線及び前記２組の信号受信線によって規定される第２走査ウインドウは前記第１アスペクト比とは異なる第２アスペクト比を有し、
前記第１走査ウインドウを動かすことによって形成された前記第１特徴値行列と前記第２走査ウインドウを動かすことによって形成された前記第２特徴値行列とに基づいて、生物学的特徴情報を表す画像値行列が推定される
ことを特徴とする請求項１８に記載の生物学的特徴検出方法。
【請求項２０】
前記第１期間中又は前記第２期間中に使用される前記２組の信号受信線のうちの一方は、生物学的特徴を有する前記目的物と容量結合しない１組の補助受信線であることを特徴とする請求項１８に記載の生物学的特徴検出方法。
【請求項２１】
前記生物学的特徴は指の指紋であり、
前記生物学的特徴検出方法は、
指の時計回り又は反時計回りの回転中に指紋を検出するステップと、
指の異なる回転角度ごとに複数の特性値行列を記録するステップと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１６に記載の生物学的特徴検出方法。
【請求項２２】
前記生物学的特徴情報を表す複数の列が記録され、前記複数の列のそれぞれは、前記複数の特性値行列における１つの位置に対応し、指の時計回り又は反時計回りの回転中の前記特性値の変化を記録していることを特徴とする請求項２１に記載の生物学的特徴検出方法。
【請求項２３】
前記第１特徴値行列に基づいて指紋画像を推定するステップと、
仮想指紋画像を得るために前記指紋画像の不鮮明な部分に画像処理アルゴリズムを実行するステップと、
前記仮想指紋画像を記録するステップと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１６に記載の生物学的特徴検出方法
【請求項２４】
復元された指紋画像を得るために、認証のために取り込まれた指紋画像の特定の部分に対して画像処理アルゴリズムを実行するステップと、
復元された指紋画像を記録された前記仮想指紋画像と比較するステップと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項２３に記載の生物学的特徴検出方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物学的特徴を検出するための装置及び方法に関し、より詳細には、指紋を検出するための装置及び方法に関する。
【従来の技術】
【０００２】
近年、本人認証のために指紋認証がモバイル機器に広く適用されている。例えば、この技術はモバイル決済の安全性を高めるために用いられており、モバイル機器には指紋認証モジュールが必要である。集積回路技術は、高解像度で指紋画像を得るのに有利である狭ピッチセンサユニットを提供することができるので、指紋認証モジュールは、通常集積回路（ＩＣ）チップ内に組み込まれている。指紋画像の解像度は、少なくとも指紋画像の稜線の大部分を区別可能にする必要があるため、二次元静電容量センサユニットのピッチ（中心間距離）は５０μｍ以下である。線幅はピッチよりも小さいので、細い線の抵抗が高く、静電容量センサユニットの電気的特性が満足されない。さらに、静電容量検出機能を有するＩＣチップのサイズは、指紋領域をカバーするのに十分な大きさでなければならない。大型のＩＣチップは生産コストを増加させる。そのため、競争力のある製品を提供するためにコストを削減するために、より小さいＩＣチップが依然として採用されている。しかしながら、このような静電容量センサユニットは、指紋全体の画像を得るには小さすぎる。従って、迅速かつ正確な指紋認証は、より小さいＩＣチップを採用しつつ、追加の複雑な技術を必要とする。高解像度な指紋全体の画像を低コストで迅速かつ容易に取り込むことが望まれている。
【発明の概要】
【０００３】
本開示は、隣接する２つの相対極値の間の最小の中心間隔を有する不均一な表面を有する生物学的特徴を検出することによって生物学的特徴情報を取得するための生物学的特徴検出装置を提供する。生物学的特徴検出装置は、静電容量式タッチパネルと、この静電容量式タッチパネルに電気的に接続された制御回路とを含む。生物学的特徴を有する目的物に接近又は接触される静電容量式タッチパネルは、Ｍ本の信号送信線とＮ本の信号受信線とを含む。Ｍ本の信号送信線の第１ピッチ又はＮ本の信号受信線の第２ピッチは、前記最小の中心間隔と同じかそれよりも大きい。制御回路は、第１充電／放電信号及び第２充電／放電信号の位相がずれている特定期間中、前記Ｍ本の信号送信線の中から選択された２組の信号送信線を介して、第１充電／放電信号及び第２充電／放電信号をそれぞれ送信し続け、前記特定期間中、前記第１充電／放電信号及び前記第２充電／放電信号に応答して、前記Ｎ本の信号受信線の中から選択された２組の信号受信線を介して、第１電圧信号及び第２電圧信号を受信し、前記第１電圧信号及び前記第２電圧信号に従って、前記２組の信号送信線及び前記２組の信号受信線によって規定される隣接領域に対応する特性値を生成し、生物学的特徴情報を表す特性値行列を形成するために、Ｍ本の信号送信線とＮ本の信号受信線との異なる組み合わせによって規定される異なる複数の隣接領域に対応する複数の特性値を生成するように、上記３つのステップを繰り返し実行する。
【０００４】
本開示は、隣接する２つの相対極値の間の最小の中心間隔を有する不均一な表面を有する生物学的特徴を検出することによって生物学的特徴情報を取得するための静電容量式タッチパネルと共に用いられる生物学的特徴検出方法を提供する。静電容量式タッチパネルは、Ｍ本の信号送信線とＮ本の信号受信線とを含み、Ｍ本の信号送信線の第１ピッチ又はＮ本の信号受信線の第２ピッチは、前記最小の中心間隔と同じかそれよりも大きい。この生物学的特徴検出方法は、第１充電／放電信号及び第２充電／放電信号の位相がずれている第１期間中、前記Ｍ本の信号送信線の中から選択された２組の信号送信線を介して、第１充電／放電信号及び第２充電／放電信号をそれぞれ送信し続けるステップと、前記第１期間中、前記第１充電／放電信号及び前記第２充電／放電信号に応答して、前記Ｎ本の信号受信線の中から選択された２組の信号受信線を介して、第１電圧信号及び第２電圧信号を受信するステップと、前記第１電圧信号及び前記第２電圧信号に従って、前記２組の信号送信線及び前記２組の信号受信線によって規定される隣接領域に対応する第１特性値を生成するステップと、生物学的特徴情報を表す第１特性値行列を形成するために、Ｍ本の信号送信線とＮ本の信号受信線との異なる組み合わせによって規定される異なる複数の隣接領域に対応する複数の第１特性値を生成するように、上記３つのステップを繰り返し実行するステップと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本開示は、以下の詳細な説明及び添付図面を検討した後、当業者にとってより容易く明らかになるであろう。
【０００６】
図１Ａは、本開示に係る生物学的特徴検出装置を示す概略図である。
【０００７】
図１Ｂは、本開示に係る生物学的特徴検出装置の静電容量式タッチパネルを示す回路図である。
【０００８】
図２Ａ及び２Ｂは、本開示に係る検出方法の実施形態のステップを示すフローチャートである。
【０００９】
図３Ａは、図２Ａ及び図２Ｂの検出方法で動作される図１の静電容量式タッチパネルの一部を示す概略図である。
【００１０】
図３Ｂは、図２Ａ及び図２Ｂに示された検出方法に関連する信号を示す波形図である。
【００１１】
図４Ａ〜４Ｄは、３×３パターン行列の例を示す概略図である。
【００１２】
図５は、本開示の一実施形態に係る複数の制御チップによって制御される静電容量式タッチパネルを概略的に示す機能ブロック図である。
【００１３】
図６は、本開示の別の実施形態に係る複数の制御チップによって制御される静電容量式タッチパネルを概略的に示す機能ブロック図である。
【００１４】
図７は、本開示の更なる実施形態に係る複数の制御チップによって制御される静電容量式タッチパネルを概略的に示す機能ブロック図である。
【００１５】
図８は、本開示に係る生物学的特徴検出装置の他の実施形態を示す概略図である。
【００１６】
図９は、本開示に係る別の検出方法で動作される図１の静電容量式タッチパネルの一部を示す概略図である。
【００１７】
図１０は、本開示に係る別の検出方法に関連する信号を示す波形図である。
【００１８】
図１１は、本開示に係る生物学的特徴検出装置の比較回路のさらなる実施形態を示す概略図である。
【００１９】
図１２Ａ〜１２Ｃは、静電容量式センサアレイが可撓性基板に適用されている、本開示に係る静電容量式タッチパネルを示す概略図である。
【００２０】
図１３Ａは、静電容量式センサアレイがガラス基板上に形成されている、本開示に係る静電容量式タッチパネルを示す断面図である。
【００２１】
図１３Ｂ〜１３Ｅは、図１３Ａの静電容量式タッチパネルの各層の構造を示す上面図である。
【００２２】
図１４は、本開示に係る検出方法によって得られた人間の指紋画像を示す概略図である。
【００２３】
図１５Ａ〜１５Ｃは、本開示に係る検出方法に用いられる走査ウインドウを例示する概略図である。
【００２４】
図１６は、本開示に係る静電容量式タッチパネルの信号受信線及び補助信号受信線の配置を示す概略図である。
【００２５】
図１７Ａ及び１７Ｂは、指紋の基本的な特性を示す模式図である。
【００２６】
図１８は、本発明の一実施形態に係る静電容量式タッチパネルの信号線の配置を示す概略図である。
【００２７】
図１９は、不鮮明な部分を有する人間の指紋画像を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本開示について、以下の実施形態を参照しつつ、より詳細に説明する。以下の本発明の好ましい実施形態の説明は、例示及び説明のみを目的として提示されていることに留意されたい。開示された正確な形態が全てを網羅するものでも、これに限定されることを意図するものではない。
【００２９】
本開示に係る生物学的特徴検出装置を示す概略図である図１Ａを参照する。いわゆる生物学的特徴は、物体の粗い表皮であり、特異性を有する。なお、本明細書では、実施形態において人間の指紋を例に挙げているが、本開示の生物学的特徴は人間の指紋に限定されない。本開示は、静電容量式センサアレイ９０を含む静電容量式タッチパネルを提供する。静電容量式センサアレイ９０は、第１電極群９０１（Ｍ本の信号送信線を含む）と、第２電極群９０２（Ｎ本の信号線を含む）を含む。第１電極群９０１及び第２電極群９０２は、それぞれ送信電極及び受信電極として機能し、逆もまた同様である。第１電極群９０１又は第２電極群９０２は、静電容量式センサアレイ９０に電気的に接続された制御回路９１によって制御される駆動方式に基づいて、送信電極及び受信電極のいずれかとして機能する。生物学的特徴検出装置の動作中、認識又は識別されるべき生物学的特徴を有する目的物、例えば人間の指紋が、静電容量式センサアレイ９０を有する静電容量式タッチパネルに接近又は接触する。
【００３０】
指紋は、人間の指の不均一又は不規則な表皮及び深度分布を生成する稜線で構成される。隆起部分は稜線と呼ばれ、窪んだ部分は谷と呼ばれる。指紋画像の一例を図１４に示す。稜線１３９８と谷部１３９９がそれぞれ符号付けされている。稜線１３９８及び谷１３９９は、指表面がタッチ面に接近又は接触しているときに静電容量式タッチパネルのタッチ面から異なる距離にある。静電容量式タッチパネルは、距離の変化に基づいて、静電容量式センサアレイ９０上の静電容量分布を検出し、指紋に対応する生物学的特徴情報を取得することができる。稜線と谷は相対極値とみなすことができる（極大と極小は総称して局所的な極値として知られている）。隣接する任意の２つの極大又は極小の間には、中心間隔（ピッチ）が存在する。中心間隔の最小値は、静電容量式センサアレイ９０の信号線のピッチを決定する。従来の検出装置では、認識精度をさらに高くするために、静電容量式センサアレイの信号線のピッチを、指紋を明瞭に認識するための中心間隔の最小値よりもさらに小さくする必要がある。本開示は、従来技術とは全く異なるものを教示する。Ｍ本の信号送信線のうち隣接する２本の信号送信線の間に第１ピッチが存在し、Ｎ本の信号受信線のうち隣接する２本の信号受信線の間に第２ピッチが存在する。第１ピッチ及び第２ピッチの少なくとも一方は、中心間隔の最小値と等しいかそれよりも大きい。もちろん、両方のピッチが中心間隔の最小値と等しいかそれよりも大きいという条件を適用することもできる。なお、本明細書に記載された指紋パターンは、視覚画像に限定されない。例えば、指紋パターンは、パラメータと指紋に対応する位置との関係を示す数値で表すことができる。
【００３１】
本開示によれば、第１電極群９０１のピッチ（中心間距離）及び／又は第２電極群９０２のピッチは、１５０μｍ乃至２００μｍの範囲である。５０μｍのピッチを有する従来の静電容量式センサアレイと比較して、本開示の二次元センサユニットの線幅は、より良好な電気的特性を提供するために５０μｍよりも大きくなるように設計されている。このような線幅範囲内で静電容量式センサアレイを製造する限りでは、半導体プロセス又はその他の高価なリソグラフィは必要とされない。そのため、本開示は、近年の印刷法は１００μｍ程度の線幅に対応できるため、印刷可能な導電性インク（銀ペースト、導電性カーボンインク、銀カーボンペーストなど）を用いた印刷法などのより安価な方法を採用することができる。さらに、第１電極群９０１及び第２電極群９０２は、フレキシブル基板の両面に印刷してフレキシブルプリント回路（ＦＰＣ）を形成することができる。静電容量式センサアレイを埋め込むための大型の半導体ＩＣチップを準備する必要はない。その結果、製造コストが大幅に低減される。また、静電容量式センサアレイは、カード等の可撓性シートに集積されていてもよく、半導体ＩＣチップと同様に割れにくい。
【００３２】
指紋を検出する検出方法は、以下のステップを含む。制御回路９１は、所定期間、静電容量式センサアレイ９０のＭ本の信号送信線の中から選択された２組の信号送信線を介して、第１充電／放電信号及び第２充電／放電信号をそれぞれ送信する。第１充電／放電信号と第２充電／放電信号は位相がずれている。そして、制御回路９１は、Ｎ本の信号受信線の中から選択された２組の信号受信線を介して第１電圧信号と第２電圧信号をそれぞれ受信する。制御回路９１は、４組の信号線によって規定される隣接領域に対応する１つの特性値を生成して出力する。信号線の異なる組合せによって規定される異なる隣接領域に対応して上記３つのステップを繰り返した後、複数の特性値が生成されて、生物学的特徴情報を表す特性値行列が形成される。この実施形態では、特性値行列は指紋パターンを表す。この検出方法により得られた指紋パターン（又は指紋画像）において、指紋のそれぞれの稜線とそれぞれの谷とを区別して高品質の指紋認証を行うことができる。
【００３３】
生物学的特徴検出装置の静電容量式タッチパネルの電気回路が概略的に示されている図１Ｂを参照する。図示されたように、Ｍ本の信号送信線１１〜１ＭとＮ本の信号受信線２１〜２Ｎがそれぞれ垂直及び水平に配置され、信号線（すなわち、Ｍ本の信号送信線１１〜１ＭとＮ本の信号受信線２１〜２Ｎ）によって規定される隣接領域にＭ×Ｎ本のコンデンサＣ１１〜Ｃｍｎが形成される。本実施形態における隣接領域は、選択された２本の信号送信線と選択された２本の信号受信線の交差領域である。他の実施形態では、信号送信線及び信号受信線は単層構造を形成し、隣接領域は２本の選択された信号送信線及び選択された２本の信号受信線によって囲まれた周辺を含む。人間の指の稜線／谷がコンデンサＣ１１〜Ｃｍｎの１つに近接するか、又は人間の指の稜線／谷がコンデンサＣ１１〜Ｃｍnの１つと物理的に接触すると、コンデンサの容量変化が生じる。本開示の検出方法によれば、コンデンサは約１００ｆＦ〜１０ｐＦの容量で効果的に機能することができる。このことは、本開示が、１〜５ｐＦでのみ有効に機能することができる従来技術と比較して、かなりの改善を達成することを示す。制御回路９１は、基本的に、充電／放電信号生成部１９０と、電圧信号処理部１８０とを含む。充電／放電信号生成部１９０は、充電／放電信号を生成するようにＭ本の信号送信線１１〜１Ｍと電気的に接続され、信号処理部１８０は、信号受信線２１〜２Ｎから受信された電圧信号を受信して処理するように、Ｎ本の信号受信線２１〜２Ｎに電気的に接続されている。従来の検出方法を改善するために、生物学的特徴検出装置と共に使用される検出方法が提供され、そのステップは、図２Ａ及び図２Ｂのフローチャートに示されている。
【００３４】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ステップ１０１において、充電／放電信号生成部１９０は、Ｍ本の信号送信線１１〜１Ｍの中から選択された少なくとも２組の信号送信線を介して、第１充電／放電信号及び第２充電／放電信号をそれぞれ送信する。また、電圧信号処理部１８０は、Ｎ本の信号受信線の中から選択された少なくとも２組の信号受信線を介して、第１充電／放電信号及び第２充電／放電信号に応答して生成された第１電圧信号及び第２電圧信号をそれぞれ受信する。ステップ１０１は、第１期間中に実行される。例えば、２組の信号送信線は、隣接する２本の信号送信線１２，１３であり、２組の信号受信線は、隣接する２本の信号受信線２２，２３である。第１充電／放電信号は、０Ｖから３Ｖに上昇する充電信号であってもよく、第２充電／放電信号は、３Ｖから０Ｖまで降下する放電信号であってもよい（図３Ｂ参照）。第１充電／放電信号と第２充電／放電信号とは位相がずれており、この例では逆相である。隣接する２つの信号受信線２２，２３からそれぞれ受信された第１電圧信号と第２電圧信号は、図１Ｂに示す比較回路１８において比較され、第１電圧信号と第２電圧信号との比較結果に応じて、第１電圧差値又は第１電圧差値に相当する第１関数値が生成され、出力端子ＶＯを介して出力される。例えば、第１関数値は、同じ極性を有するけれども第１電圧差値に対して非線形であり、別の比較方法又は回路によって得られる。あるいは、第１関数値は、第１充電／放電信号及び第２充電／放電信号のレベルを調整することによる第１電圧差値から導かれる。詳細は後述する。
【００３５】
次に、ステップ１０２において、充電／放電信号生成部１９０は、少なくとも２組の信号送信線を介して第３充電／放電信号及び第４充電／放電信号をそれぞれ送信する。また、電圧信号処理部１８０は、第３充電／放電信号及び第４充電／放電信号に応答して生成された第３電圧信号及び第４電圧信号を少なくとも２組の信号受信線を介してそれぞれ受信する。ステップ１０２は、第１期間以外の第２期間中に実行される。少なくとも２組の信号送信線は、隣接する２本の信号送信線１２，１３であり、少なくとも２組の信号受信線は、隣接する２本の信号受信線２２，２３である。第３充電／放電信号は、３Ｖから０Ｖに降下する放電信号であってもよく、第４充電／放電信号は、０Ｖから３Ｖまで上昇する充電信号であってもよい（図３Ｂ参照）。第３充電／放電信号と第４充電／放電信号とは位相がずれており、この例では逆相である。第３電圧信号及び第４電圧信号も、隣接する２本の信号受信線２２，２３からそれぞれ受信され、図１Ｂに示す比較回路１８において比較され、第３電圧信号と第４電圧信号との比較結果に応じて、第２電圧差値又は第２電圧差値に相当する第２関数値が生成され、出力端子ＶＯを介して出力される。例えば、第２関数値は、同じ極性を有するけれども第２電圧差値に対して非線形であり、別の比較方法又は回路によって得られる。あるいは、第２関数値は、第３充電／放電信号及び第４充電／放電信号のレベルを調整することによる第２電圧差値から導かれる。詳細は後述する。
【００３６】
次に、ステップ１０３において、電圧信号処理部１８０は、第１電圧差値又はその等価関数値と第２電圧差値又はその等価関数値に応じて、４組の信号線の隣接領域に等価コンデンサの特性値を生成する。本実施形態では、等価コンデンサの特性値は、隣接する信号送信線１２，１３と隣接する信号受信線２２，２３の交差領域に対応する。例えば、コンデンサＣ２２の特性値は、第１電圧差値又は第２関数値（ＳＩＣ:第１関数値）から第２電圧差値又は第２関数値を減算した値である。
【００３７】
電圧信号処理部１８０は、信号送信線と信号受信線との異なる組み合わせ、例えば隣接する信号送信線と隣接する信号受信線に対してステップ１０１〜１０３を繰り返し、複数の特性値を生成して出力し、それによって特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］が得られる。その後、特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］を用いて、静電容量式タッチパネル上の１つ又は複数の近接／接触点の位置情報を推定することができ、それぞれの近接／接触点は、人間の指紋（又は他の生物学的特徴）の稜線（隆起部分）が静電容量式パネルに接近又は接触した部分である。ステップ１０４において、全ての位置又は全てのあらかじめ設定された位置の対応する特性値が得られると、この方法はステップ１０５に進む。
【００３８】
ステップ１０５において、特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］のデータパターンに基づいて、静電容量式タッチパネル上の１つ又は複数の近接／接触点の位置情報が推定される。近接／接触点は、人間の指紋（又は他の生物学的特徴）の稜線（隆起部分）が静電容量式タッチパネルに接近又は接触する位置である。ステップ１０５は、電圧信号処理部１８０を含む制御回路チップ内で実行することができる。あるいは、特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］は、静電容量式タッチパネルに接続された情報システム、例えばノートブック型コンピュータ、タブレット型コンピュータ、スマートフォンなどに送信することができる。この例では、ステップ１０５は情報システム内で実行される。
【００３９】
以下、上記の技術の詳細について、図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明する。但し、本開示は以下の実施例に限定されるものではない。上述した実施例では、検出行程は隣接する２本の信号送信線と２本の信号受信線とで検出を必要としているので、４本の信号線（例えば、隣接する２本の信号送信線と隣接する２つの信号受信線）によって規定される交差領域をカバーする走査ウインドウ２００が静電容量式タッチパネル上を移動して走査するものと仮定する。走査ウインドウ２０（ＳＩＣ：２００）が信号線Ｘ０、Ｘ１、Ｙ０、Ｙ１によって規定される交差領域をカバーするように移動し、近接／接触点が走査ウインドウ２００の右上隅の信号線Ｘ１とＹ０との交差位置１に位置している場合、ステップ１０１及びステップ１０２で得られた第１電圧差値及び第２電圧差値は、それぞれ＋ΔＶ及び−ΔＶとなる。従って、ステップ１０３で得られた特性値（すなわち、第１電圧差値から第２電圧差値を差し引いた値）は＋２ΔＶとなる。もう一つの例では、近接／接触点は走査ウインドウ２００の右下隅の信号線Ｘ１とＹ１との交差位置２に位置し、ステップ１０１及びステップ１０２で得られた第１電圧差値と第２電圧差値は、それぞれ−ΔＶ及び＋ΔＶとなる。従って、ステップ１０３で得られた特性値（すなわち、第１電圧差値から第２電圧差値を差し引いた値）は−２ΔＶとなる。さらに他の例では、近接／接触点は走査ウインドウ２００の左下隅の信号線Ｘ０とＹ１との交差位置３に位置し、ステップ１０１及びステップ１０２で得られた第１電圧差値と第２電圧差値は、それぞれ＋ΔＶ及び−ΔＶとなる。従って、ステップ１０３で得られた特性値（すなわち、第１電圧差値から第２電圧差値を差し引いた値）は＋２ΔＶとなる。同様に、近接／接触点は走査ウインドウ２００の左上隅の信号線Ｘ０とＹ０との交差位置４に位置し、ステップ１０１及びステップ１０２で得られた第１電圧差値と第２電圧差値は、それぞれ−ΔＶ及び＋ΔＶとなる。従って、ステップ１０３で得られた特性値（すなわち、第１電圧差値から第２電圧差値を差し引いた値）は−２ΔＶとなる。
【００４０】
図３Ａに示すように、近接／接触点が走査ウインドウ２００の外側の位置５、６、７、８のいずれかに位置する場合、ステップ１０１〜１０３で得られた特性値は、それぞれ対応する位置１、２、３又は４と同じ極性を有するが、絶対値はそれらよりも小さい。
【００４１】
また、図３Ａに示すように、近接／接触点が走査ウインドウ２００の外側の位置９−１にある場合、ステップ１０１で得られた第１電圧差値とステップ１０２で得られた第２電圧差値は、信号送信線上の充電／放電信号が十分に強いことを条件として、共に０となる。従って、ステップ１０３で第１電圧差値から第２電圧差値を差し引いて得られた特性値は０となる。さらに他の例では、図３Ａに示すように、近接／接触点は走査ウインドウ２００の外側の位置９−２に位置し、ステップ１０１で得られた第１電圧差値とステップ１０２で得られた第２電圧差値は、それぞれ−ΔＶ及び−ΔＶとなるので、ステップ１０３で第１電圧差値から第２電圧差値を差し引いて得られた特性値は０となる。信号線Ｘ０、Ｘ１、Ｙ０、Ｙ１によって規定される交差領域にウインドウ２０が位置している場合には、その隣接領域内に近接／接触点が存在しないか、又は近接／位置４−１、４−２、４−３のいずれかであり、ステップ１０１〜１０３で得られた特性値は０となる。
【００４２】
このように、２×２本の信号線で規定された走査ウインドウ２００が静電容量式タッチパネル全体を走査するように移動した後、複数の特性値を格納した特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］が生成され、各特性値はそれぞれ１つの走査ウインドウの位置に対応する。各特性値は、正の数、負の数又はゼロの何れかであり、単純に符号＋、−又は０で表すことができる。
【００４３】
ステップ１０５において、次に、特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］のデータパターンに従って分析が実行され、静電容量式タッチパネル上の１つ又は複数の近接／接触点の位置情報が推定される。近接／接触点は、人間の指紋（又は他の生物学的特徴）の稜線（隆起部分）が静電容量式タッチパネルに接近又は接触する位置である。例えば、静電容量式タッチパネルに指が近接したり接触したりしていない場合、あらかじめ設定された時間内に走査ステップで得られた特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］に記録されている特性値は全て０となる。一方、指紋の稜線が静電容量式タッチパネルの信号送信線Ｘ０と信号受信線Ｙ０との交差位置に近づいたり接触したりすると、その特定された位置に対応する特性値とその周辺の８つの位置に対応する８つの特性値は、図４Ａに示すような３×３のパターン行列を形成する。従って、特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］内の３×３の部分行列が、第１パターン行列（例えば、図４Ａに示すようなパターン行列）の条件を満たし、信号線Ｘ０、Ｘ１、Ｙ０、Ｙ１に対応する場合、推定された近接／接触点は、０（ゼロベクトル）の第１オフセットベクトルを有する位置（Ｘ０、Ｙ０）にあると判断される。すなわち、特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］が図４Ａに示すようなパターン行列を含む場合、位置（Ｘ０、Ｙ０）に近接／接触点があることが分かる。特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］が、図４Ａに示すようなパターン行列に類似する複数の部分行列を含む場合、対応する信号送信線と対応する信号受信線との交差位置に複数の近接／接触点が存在することが分かる。
【００４４】
また、特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］が、図４Ｂ〜図４Ｄに示すいずれかのパターン行列と同様の部分行列を有する場合、交点位置付近に１つの近接/接触点が存在すると推定される。近接／接触点は、第２オフセットベクトル４２、第３オフセットベクトル４３又は第４オフセットベクトル４４を有する交差位置（Ｘ０、Ｙ０）から離れている。例えば、図４Ｂに示すパターンマトリクスは、近接／接触点が交差位置（Ｘ０、Ｙ０）の下側（例えば、図３Ａの位置４−３）に位置していることを示し、図４Ｃに示すパターンマトリクスは、近接／接触点が交差位置（Ｘ０、Ｙ０）の右側（例えば、図３Ａの位置４−１）に位置していることを示し、図４Ｄに示すパターンマトリクスは、近接／接触点が交差位置（Ｘ０、Ｙ０）の右下（例えば、図３Ａの位置４−２）に位置していることを示している。従って、同じルーティング密度では、両方向に２倍に解像度を上げることができるため、全体としては解像度を４倍に高めることができる。その結果、本開示によれば、高い解像度を有する指紋のパターン、手の平の模様又は他の生物学的特徴を、低下させたルーティング密度で得ることができる。
【００４５】
図３Ｂに示す充電／放電信号の例示は説明のためのものであり、３Ｖから０Ｖに下降したり、０Ｖから３Ｖに上昇したりするものに限定されるものではない。例えば、一方はより大きな固定された電圧からより小さな固定された電圧へと下降する信号であり、他方はより小さな固定された電圧からより大きな固定された電圧への上昇する信号を用いても実現可能である。固定電圧を０Ｖと３Ｖとすることにより、回路設計のバランスを維持することができる。
【００４６】
隣接する２つの信号送信線と隣接する２つの信号受信線を用いて位置検出が行われるので、静電容量式タッチパネルの対応するエッジにダミー信号線１０，２０（図１）が設けられており、信号送信線１１及び信号受信線２１を用いて上記動作が実行される。上記ダミー信号線１０，２０を指で容量結合させる必要はなく、ダミー信号線１０，２０を静電容量式タッチパネルのタッチ領域の外側に配置してもよい。もちろん、ダミー信号線を省略し、仮想ダミー信号線１０，２０となる信号送信線１２と信号受信線２２とを直接マッピングして、信号送信線１１と信号受信線２１とを用いて上記動作を実行するようにしてもよい。
【００４７】
静電容量式タッチパネル５０が本開示の一実施形態に係る複数の制御チップ５１，５２によって制御されることを概略的に示す機能ブロック図である図５を参照する。この実施形態では、２つの制御チップが使用され、第１複数組の信号送信線又は信号受信線ＸＣ１上の信号が制御チップ５１によって処理され、他の複数組の信号送信線又は信号受信線ＸＣ２上の信号が制御チップ５２によって処理される。制御チップ５１と５２の間には基準電圧送信線５３が配置されており、基準電圧信号が全ての制御チップ５１，５２に対して基準として送信される。このようにして、異なる制御チップに接続された信号受信線から受信された電圧信号に対する比較動作を実行する際に、一致した基準電圧が提供される。ステップ１０１，１０２で得られた電圧差値又はステップ１０３で得られた特性値は、制御チップ５１，５２によってバックエンドにあるマイクロプロセッサ５４に送信され、近接／接触点の対応位置情報を推定することができる。
【００４８】
図６を参照する。走査ウインドウが、異なる制御チップ６１，６２に接続された静電容量式タッチパネル６０の少なくとも隣接する２つの信号受信線Ｙ６１，Ｙ６２をカバーする場合には、チップ６１，６２を相互に相互接続する信号送信線（例えば、図６の送信線６３）を用いて、基準として、隣接する１つ又は複数の信号線からの電圧信号を他の制御チップに送信することができる。他の方法としては、図７に示すように、静電容量式タッチパネル７０の信号受信線Ｙ７１とＹ７３との間に位置する信号受信線Ｙ７２は、異なる制御チップ７１，７２に接続されており、信号受信線Ｙ７２からの電圧信号を両方の制御チップ７１，７２によって基準として用いられることができる。
【００４９】
また、本開示に係る生物学的特徴検出装置の他の実施形態を示す概略図である図８を参照する。第１コンデンサ８１、第２コンデンサ８２及び比較器８８は、別の比較方法を実行するために使用される。詳細には、ステップ１０１において、充電／放電信号生成部１９０は、Ｍ本の信号送信線１１〜１Ｍの中から選択された少なくとも２組の信号送信線を介して第１充電／放電信号及び第２充電／放電信号をそれぞれ送信し、電圧信号処理部１８０は、Ｎ本の信号受信線の中から選択された少なくとも２組の信号受信線を介して、第１充電／放電信号及び第２充電／放電信号に応答して生成された第１電圧信号及び第２電圧信号をそれぞれ受信する。ステップ１０１は、第１期間中に実行される。例えば、少なくとも２組の信号送信線は、隣接する２つの信号送信線１２，１３であり、少なくとも２組の信号受信線は、隣接する２つの信号受信線２２，２３である。第１充電／放電信号は、０Ｖから３Ｖまで上昇する充電信号であり、第２充電／放電信号は３Ｖから０Ｖまで降下する放電信号である（図３Ｂ参照）。隣接する２本の信号受信線２２，２３からそれぞれ受信される第１電圧信号及び第２電圧信号に関しては、第１コンデンサ８１への入力電圧Ｖ８１及び第２コンデンサ８２への入力電圧Ｖ８２を制御することにより、比較器８８の２つの入力端子８８１，８８２がバランスされ、出力端子８８３から出力される出力電圧が実質的にゼロになる。入力端子８８１，８８２がバランスされると、入力電圧Ｖ８１とＶ８２との差が第１電圧差値として記録される。あるいは、等しい入力電圧Ｖ８１及びＶ８２の下で、出力端子８８３から出力される電圧が実質的にゼロになるように、第１コンデンサ８１及び第２コンデンサ８２の容量を制御することによって、比較器８８の２つの入力端子８８１，８８２がバランスされる。入力端子８８１，８８２がバランスされると、第１コンデンサ８１と第２コンデンサ８２との容量の差が、第１電圧差値に相当する第１関数値として記録される。ここで、図１に示す比較回路１８は、アナログ／デジタルコンバータによって実現される必要がある。しかしながら、比較器８８は、１ビットコンパレータによって簡単に実現することができる。
【００５０】
また、ステップ１０２において、充電／放電信号生成部１９０は、少なくとも２組の信号送信線を介して第３充電／放電信号及び第４充電／放電信号を送信し、電圧信号処理部１８０は、少なくとも２組の信号受信線を介して、第３充電／放電信号及び第４充電／放電信号に応答して生成された第３電圧信号及び第４電圧信号をそれぞれ受信する。ステップ１０２は、第１期間以外の第２期間中に実行される。すなわち、少なくとも２組の信号送信線は、隣接する２本の信号送信線１２，１３であり、少なくとも２組の信号受信線は、隣接する２本の信号受信線２２，２３である。第３充電／放電信号３Ｖから０Ｖまで降下する放電信号であってもよく、第４充電／放電信号は、０Ｖから３Ｖまで上昇する充電信号であってもよい（図３Ｂを参照）。隣接する２本の信号受信線２２，２３からそれぞれ受信される第３電圧信号及び第４電圧信号に関しては、第１コンデンサ８１の入力電圧Ｖ８１及び第２コンデンサ８２の入力電圧Ｖ８２を制御することにより、比較器８８の２つの入力端子８８１，８８２がバランスされ、出力端子８８３から出力される電圧が実質的にゼロになる。入力端子８８１，８８２がバランスされると、入力電圧Ｖ８１とＶ８２との差が第２電圧差値として記録される。あるいは、等しい入力電圧Ｖ８１及びＶ８２の下で、出力端子８８３から出力される電圧が実質的にゼロになるように、第１コンデンサ８１及び第２コンデンサ８２の容量を制御することによって、比較器８８の２つの入力端子８８１，８８２がバランスされる。入力端子８８１，８８２がバランスされると、第１コンデンサ８１と第２コンデンサ８２との容量の差が、第２電圧差値に相当する第２関数値として記録される。
【００５１】
上記実施形態では、隣接する２本の信号線を例に挙げて説明したが、また、Ｍ本の信号送信線の中から選択された２本以上の信号送信線を介して充電／放電信号をそれぞれ送信してもよい。そして、充電／放電信号に応じて生成された電圧信号は、Ｎ本の信号受信線の中から選択された２本以上の信号受信線を介して受信される。信号送信線の各組は、単一の信号送信線又は複数の信号送信線から構成されてもよい。２組の信号送信線は互いに隣接していなくてもよく、２組の信号送信線の間に１本以上の信号送信線が配置されてもよい。同様に、信号受信線の各組は、単一の信号受信線又は複数の信号受信線から構成されてもよい。２組の信号受信線は互いに隣接していなくてもよく、２組の信号受信線の間に１本以上の信号受信線が配置されていてもよい。各組の信号送信／受信線が複数の信号送信／受信線で構成されている場合、検出のための感度及び検出距離を増やすことができ、静電容量式タッチパネルへの導電性物体の接近を直接触れることなく検出することができる。他の実施形態では、充電／放電信号は、Ｎ本の信号送信線の中から選択された２組以上の信号送信線を介してそれぞれ送信され、充電／放電信号に応答して生成された電圧信号は、Ｍ本の信号受信線の中から選択された２組以上の信号受信線を介して受信される。信号送信線と信号受信線との相互交換は、線接続を変更するためのマルチプレクサ（図示せず）によって達成することができる。電圧信号処理部１８０は、２つ以上のアナログ／デジタルコンバータ又は１ビットコンパレータで構成されていてもよく、２つ以上のアナログ／デジタルコンバータは異なるチップに配置されてもよい。このことは回路設計における一般的な変更であるので、ここではこれ以上説明しない。関連する開示は、US2014/0333575 A1に記載されており、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００５２】
上記のように、静電容量式タッチパネル上の近接／接触点は、第１期間中は、Ｍ本の信号送信線のうち選択された２組の信号送信線を介してそれぞれ送信される第１充電／放電信号及び第２充電／放電信号に応答して、Ｎ本の信号受信線の中から選択された２組の信号受信線を介して第１電圧信号と第２電圧信号を受信することによって検出され、第２期間中は、２組の信号送信線を介してそれぞれ送信される第３充電／放電信号及び第４充電／放電信号に応答して、２組の信号受信線を介して第３電圧信号と第４電圧信号を受信することによって検出され、第１電圧信号、第２電圧信号、第３電圧信号及び第４電圧信号に応じて、２組の信号送信線及び２組の信号受信線によって規定される隣接領域の１つの特性値を生成し、Ｍ本の信号送信線とＮ本の信号受信線の異なる組み合わせによって規定される複数の隣接領域の複数の特性値を生成するために上記３つのステップを繰り返し実行し、静電容量式タッチパネル上の少なくとも１つの近接／接触点の位置情報が特性値に基づいて推定される。その結果、信号線の数を増やすことなく、近接／接触点の位置情報を正確に検出することができる。このような二重線検出技術は、ノイズを効果的に除去し、指紋パターン（パターン画像）の解像度を高めることができる。
【００５３】
以上のような２段階の充電／放電動作を行う検出方法とは異なり、本開示によれば、１段階の充電／放電動作を行う他の検出方法が提供され、この方法は、走査速度が比較的高く、消費電力が少ないという点において有利である。１段階の充電／放電を行う静電容量式タッチパネル上の近接／接触点を検出するための方法の実施形態について、図９を参照しつつ、いかに説明する。
【００５４】
この検出方法は、Ｍ本の信号送信線１１〜１ＭとＮ本の信号受信線２１〜２Ｎが縦横にそれぞれ割り当てられ、信号線の隣接領域にＭ×Ｎ個のコンデンサＣ１１〜Ｃｍｎが形成された、図１に示したものと同様の構造を有する静電容量式タッチパネルにも適用することができる。隣接する２本の信号送信線（例えば、信号送信線Ｘ０、Ｘ１）と隣接する２つの信号受信線（例えば、信号受信線Ｙ０、Ｙ１）は、１つの検出対象ユニットとみなされ、４つの信号線によって規定される交差領域（すなわち、隣接領域）をカバーする走査ウインドウ２００が図中に破線で示されている。走査ウインドウ２００は、走査のために静電容量式タッチパネル上を移動する。
【００５５】
１段の充電／放電動作と２段の充電／放電動作は、駆動方法が異なる。図２Ａ及び図２Ｂに記載されたフローチャートを参照して、２段の充電／放電動作は、第１期間中、第１充電／放電信号と第２充電／放電信号を用いて第１充電／放電ステップ１０１を実行し、第２期間中、第３充電／放電信号と第４充電／放電信号を用いて第２充電／放電ステップ１０２を実行する。それに対して１段の充電/放電動作は、ステップ１０１及び１０２のいずれか１つを省略する。例えば、ステップ１０２が省略され、信号送信線Ｘ０及びＸ１を介して第１充電／放電信号と第２充電／放電信号を入力し、信号受信線Ｙ０及びＹ１（又は２組の信号受信線）を介して第１電圧信号と第２電圧信号をそれぞれ受信することによって、ステップ１０１だけが実行される。第１充電／放電信号と第２充電／放電信号とは位相がずれており、この実施形態では、例えば逆相であり、同じ充電レベル（図３Ｂ）又は異なる充電レベル（図１０）を有していてもよい。
【００５６】
本開示による１段の充電／放電動作を行う検出方法は、以下の説明から理解することができる。図９に示すように、走査ウインドウ２００が、信号線Ｘ０、Ｘ１、Ｙ０、Ｙ１によって規定される交差領域をカバーするように移動すると、指紋の稜線が信号送信線Ｙ０と信号受信線Ｘ１上の位置１に接触したとすると、信号受信線Ｙ０で検出された電圧ｙ０は、信号送信線Ｘ１上の信号の位相ｘ１に伴って変化する。あるいは、指紋の稜線が信号送信線Ｙ１と信号受信線Ｘ１上の位置２に接触したとすると、信号受信線Ｙ１で検出された電圧ｙ１は、信号送信線Ｘ１上の信号の位相ｘ１に伴って変化する。指紋の稜線が信号送信線Ｘ０と信号受信線Ｙ１上の位置３に接触したとすると、信号受信線Ｙ１で検出された電圧ｙ１は信号送信線Ｘ０上の信号の位相ｘ０に伴って変化する。また、指紋の稜線が信号送信線Ｘ０と信号受信線Ｙ０上の位置４に接触したとすると、信号送信線Ｙ０で検出された電圧ｙ０は信号送信線Ｘ０上の信号の位相ｘ０に伴って変化する。従って、指紋の稜線が位置４と位置１の中間の位置４−１に接触したとすると、信号受信線Ｙ０で検出される電圧は、ほぼ等しい効果を有する信号送信線Ｘ０上の信号の位相ｘ０と信号送信線Ｘ１上の信号の位相ｘ１の両方に伴って変化する。指紋の稜線が位置４と位置２の中間の位置４−２に接触したとすると、信号受信線Ｙ０及びＹ１で検出される電圧ｙ０及びｙ１は、それぞれ、ほぼ等しい効果を有する信号送信線Ｘ０上の信号の位相ｘ０と信号送信線Ｘ１上の信号の位相ｘ１の両方に伴って変化する。指紋の稜線が位置４と位置３の中間の位置４−３に接触したとすると、信号受信線Ｙ０及びＹ１で検出される電圧ｙ０及びｙ１は、それぞれ、信号送信線Ｘ０上の信号の位相ｘ０に伴って変化する。表１は、検出された電圧に対する接触位置の対応をまとめたものである。
【表１】
2019008780.tif 000002
【００５７】
さらに、図９に示すように、この走査ウインドウの位置を取り囲む他の８つの隣接する走査ウインドウの位置もまた、走査されると、例えば位置４、４−１、４−２、４−３などの異なる近接／接触点の異なる範囲に対して、例えばＹ０及びＹ１などの信号受信線に影響を及ぼす電圧変化を生じさせる。同様に、信号受信線Ｙ０で検出された電圧ｙ０から信号受信線Ｙ１で検出された電圧ｙ１を減算することによって複数の特性値が生成され、特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］が得られる。一旦、特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］が記録されると、続いて、静電容量式タッチパネル上の１つまたは複数の近接／接触点の位置情報が推定され、各近接／接触点は、指紋の稜線が位置静電容量式タッチパネルに接触する位置を表す。表２は、９つの走査ウインドウ位置に対応するデータが対応して割り当てられた、４つの３×３パターン行列、及び４つの接触位置４、４−１、４−２及び４−３からなる１つの走査ウインドウ位置に対応する各要素（２×２行列）を、それぞれ例示している。
【表２】
2019008780.tif 000003
【００５８】
上の表から、走査ウインドウ２００内の基準位置（例えば、信号送信線Ｘ０と信号受信線Ｙ０との交差位置など）に対する走査ウインドウの位置や接触位置によって特性値が変化することが分かる。静電容量式タッチパネル上を走査するように走査ウインドウ２００が移動した後、特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］が得られる。例えば、表２に示すように、特性値（ｙ０−ｙ１）は、７種類の要素、すなわち、ｘ０、−ｘ０、ｘ１、−ｘ１、ＡＶＧ（ｘ０，ｘ１）、 −ＡＶＧ（ｘ０，ｘ１）、及び０を有する。もしも、電圧ｘ０と電圧ｘ１とが数値的に等しくなければ、図１０に例示されたように、特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］における特性値は、最大７つの異なる値で微分することができる。もしも、図３Ｂに示すように数値的に等しい電圧ｘ０が３Ｖに設定され、電圧ｘ１が−３Ｖに設定されると、特性値（ｙ０−ｙ１）は、前の実施形態で説明した３×３パターン行列と同様に、正数、負数、及びゼロに単純化することができる。従って、３×３のパターン行列と特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］に基づいて解析を行うことができる。
【００５９】
一例として簡略化された場合を考えると、静電容量式タッチパネル上の１つ又は複数の近接／接触点の位置情報は、図２Ｂのステップ１０４において推定することができる。近接／接触点は、指紋の稜線が静電容量式タッチパネルに接近又は接触する位置である。例えば、静電容量タッチパネルに接近又は接触している指紋の稜線がないとした場合には、予め設定された時間内に走査ステップで得られた特性値列Ａ［ｐ，ｑ］に記録されている特性値は全て０である。一方、指紋の稜線が信号送信線と信号受信線との交差位置、例えば静電容量式タッチパネルのＸ０及びＹ０に接近又は接触している場合、特定された位置に対応する特性値と、８つの周囲位置に対応する８つの特性値とが、３×３の所定のパターン行列に合致する。従って、３×３の所定のパターン行列に基づいて特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］を解析することにより、静電容量式タッチパネル上に稜線が接近又は接触している位置を特定することができる。例えば、演算の結果が、表２のより広いフレームによって示された９個の２×２部分行列内の全て（１，１）の成分からなる第１パターン行列を満たす場合、推定された近接／接触点は（Ｘ０，Ｙ０）であり、近接／接触点に関連するオフセットベクトルは（Ｘ０，Ｙ０）０（ゼロベクトル）である。すなわち、特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］が（１，１）成分のパターン行列を含む場合、（Ｘ０，Ｙ０）に近接／接触点が存在することが分かる。特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］が２以上の（１，１）成分のパターン行列を含む場合、信号送信線と信号受信線の特定の交差位置に別の近接／接触点が存在することが分かる。
【００６０】
同様に、特性値行列Ａ［ｐ，ｑ］の一部が表２の他のパターン行列と合致する場合、１つの近接／接触点が存在すると推定される。近接／接触点は、交差位置ではなく、第２オフセットベクトル４２、第３オフセットベクトル４３又は第４オフセットベクトル４４との交差点（Ｘ０，Ｙ０）の近傍にある。例えば、表２における９つの２×２部分行列における全て（１，２）成分からなる３×３パターン行列は、近接／接触点が交差位置（Ｘ０、Ｙ０）の右側の位置（例えば、図９に示す位置４−１）にあることを示している。表２における９つの２×２部分行列における全て（２，２）成分からなる３×３パターン行列は、近接／接触点が交点位置（Ｘ０、Ｙ０）の右下の位置（例えば、図９に示す位置４−２）にあることを示している。また、表２における９つの２×２部分行列における全て（２，１）成分からなる３×３パターン行列は、近接／接触点が交点位置（Ｘ０、Ｙ０）の下側の位置（例えば、図９に示す位置４−３）にあることを示している。従って、同じルーティング密度では、両方向に２倍に解像度を上げることができるため、全体としては解像度を４倍に高めることができる。
【００６１】
図９に示す比較回路１８の一例を示す図１１を参照する。この例では、２つの電圧バランス信号（第１刺激信号Stimulus０と第２刺激信号Stimulus１）が、それぞれの入力端子を介して受信され、第１コンデンサ１１０１及び第２コンデンサ１１０２が電圧バランスのために比較器１１０８に接続されている。これに関連する開示は、US2016/0188099 A1に記載されており、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。刺激信号Stimulus０及びStimulus１は、比較回路１８の外部の信号源によって、又は制御チップの外側から提供されてもよい。第１刺激信号Stimulus０及び第２刺激信号Stimulus１の電圧値又は第１コンデンサ１１０１及び第２コンデンサ１１０２の容量値のいずれかを調整することにより、比較器１１０８は実質的にゼロとするように、２つの入力端子の電圧を等しくすることができる。このようにして、特性値ｙ０−ｙ１は、第１刺激信号と第２刺激信号との間の電圧差Δ、例えばStimulus１−Stimulus０、容量差、又は容量差又は電圧差と容量差の組み合わせとしてさらに単純化することができる。
【００６２】
表３は、表１から導き出された例であり、検出された電圧に対する近接／接触位置の対応は、第１刺激信号Stimulus０と第２刺激信号Stimulus１との間の電圧差によって表される。
【表３】
2019008780.tif 000004
【００６３】
本開示に係る１段の充電／放電動作は、以下の条件に適合する静電容量式タッチパネルにおける使用に特に適している。第１に、信号受信線Ｙ０と接地との間の静電容量値は、指が走査ウインドウ２００から離れた位置、例えば位置９−２への指の接触に起因する効果を無視することができるように、十分な大きさでなければならない。また、他の信号受信線Ｙ１と接地との間の静電容量値も、指が走査ウインドウ２００から離れた位置、例えば位置９−３への指の接触に起因する効果を無視することができるように、十分な大きさでなければならない。この条件は、特定のパネルで本質的に満たされてもよく、又はパネルの微調整回路機能によって満たされてもよい。本来、信号線Ｙ０又はＹ１の線幅が狭かったり、導電性が悪かったりして、この条件が満たされていなくても、検出動作を行うために、単一の信号受信線の代わりに、複数の信号受信線を１つのグループとして結合することによって、この状況を改善することができる。例えば、隣接する信号受信線Ｙ−１，Ｙ０は、単一の信号受信線Ｙ０に代わって検出動作のために機能するように、電気的に並列に接続され、隣接する信号受信線Ｙ１，Ｙ２は、単一の信号受信線Ｙ１に代わって検出動作のために機能するように、電気的に並列に接続される。このようにして、信号受信線の静電容量値を大きくすることができる。他の条件は、走査ウインドウ２００内の近接／接触点、例えば位置４で検出された信号強度は、例えば位置９−２のような離れた位置で検出された信号強度よりもはるかに高くなければならず、それによって、位置９−２への指の接触に起因する効果を無視することができる。同様に、必要に応じて、複数の信号送信線を１つのグループとして結合することによって、単一の信号送信線に代わって検出動作を行うようにしてもよい。例えば、隣接する信号送信線Ｘ−１，Ｘ０は、単一の信号送信線Ｘ０に代わって検出動作のために機能するように、電気的に並列に接続され、隣接する信号送信線Ｘ１、Ｘ２は単一の送信線Ｘ１に代わって検出動作のために機能するように、電気的に並列に接続される。このようにして、駆動能力を向上させることができる。
【００６４】
一つのグループに結合される信号送信線の数は、一つのグループに結合される信号受信線の数と異なっていてもよい。線の選択は、実際の要件を満たすように調整することができる。例えば、電気的に並列に接続された３本の信号送信線と、電気的に並列に接続された２本の信号受信線とが、検出動作のために選択される。１つのグループ内の選択された線は、走査ウインドウ２００の移動中、他の線によって部分的に置き換えられてもよい。換言すれば、現在の走査ウインドウは、次の走査ウインドウと部分的に重なっていてもよい。例えば、現在の走査ウインドウ２００では、電気的に並列接続された（Ｎ−１）番目、Ｎ番目及び（Ｎ＋１）番目の信号送信線と、電気的に並列接続された（Ｎ＋３）番目、（Ｎ＋４）番目及び（Ｎ＋５）番目の信号送信線とが、それぞれ駆動される。そのため、走査ウインドウ２００は正方形ではなく、特定のアスペクト比を有する矩形に調整されてもよい。
【００６５】
本開示に係る静電容量式タッチパネルを示す概略図である図１２Ａ〜図１２Ｃを参照する。そこでは、静電容量式センサアレイ９０は、フレキシブル基板に取り付けられている。図１２Ａに示すように、第１電極群９０１は、フレキシブル基板９２０の第１面９２０１上に形成されている。フレキシブル基板９２０は、ポリイミド（ＰＩ）で形成されていてもよい。図１２Ｂに示すように、第２電極群９０２は、フレキシブル基板９２０の第１面９２０１とは反対側の第２面９２０２に形成されている。第１電極群９０１及び第２電極群９０２に電気的に接続された複数の信号ピン９０３は、フレキシブル基板９２０の第２面９２０２上にも設けられている。複数のスルーホール９２０３は、フレキシブル基板９２０の第１面９２０１上の第１電極群９０１とフレキシブル基板９２０の第２面９２０２上のフレキシブル基板９２０の第２面９２０２上の信号ピン９０３を導通させるために、フレキシブル基板９２０を貫通している。図１２Ｃは、第１電極群９０１、第２電極群９０２及びフレキシブル基板９２０を含む静電容量式センサアレイ９０を示す上面斜視図である。第１電極群９０１と第２電極群９０２の交差領域は、静電容量式センサアレイを形成する。この実施形態では、静電容量式センサアレイ９０は、交差領域に４８×４８個の検出点を含む。この静電容量式センサアレイ９０では、第１電極群９０１と第２電極群９０２のピッチ（中心間距離）は６ｍｉｌであり、検出領域は７.３ｍｍ×７.３ｍｍ（６ｍｉｌ×４８ = ７.３ｍｍ）となる。検出領域は、人間の指紋の特徴的な領域をカバーするのに十分な大きさである。また、静電容量式センサアレイ９０は、１００×１００の検出点（交差領域）を含み、１.５ｃｍ×１.５ｃｍの検出領域を提供することができる。このような検出領域は、十分な解像度で完全な指紋走査を実行するのに十分である。この静電容量式タッチパネルを使用する指紋認証モジュールは、従来の指紋認証モジュールよりもずっと安価である。高い感度を保つために、ユーザの指と静電容量式センサアレイ９０との間に設けられた保護カバー（図示せず）はできるだけ薄くなければならず、フレキシブル基板９２０も同様である。近年の技術レベルによれば、保護カバーは１００μｍから５００μｍの範囲の厚さを有していてもよく、フレキシブル基板９２０は、２０μｍから１００μｍの範囲の厚さを有していてもよい。静電容量式タッチパネルの感度を向上させる他の方法は、信号動作電圧レベルを上げることである。
【００６６】
他の実施形態では、本開示に係る静電容量式タッチパネル９０を提供するために、織物技術が適用される。第１電極群９０１及び第２電極群９０２は、絶縁材料で包まれた導電線で作られたワイヤーである。このワイヤーは、糸として機能し、静電容量式センサアレイ９０を形成するように、綿、羊毛、ナイロンなどのより糸などの通常の糸と一緒に布地として織り込まれる。上記の実施形態で説明した保護カバーもフレキシブル基板も必要ではない。静電容量式タッチパネル９０に触れている間は、保護カバーが設けられていないため指が信号線により近づき、感度が上がる。布製品に回路を一体化させることに関する関連の開示は、US2017/0075481 A1に記載されており、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００６７】
静電容量式センサアレイがガラス基板上に形成されている、本開示に係る静電容量式タッチパネルを示す断面図である図１３Ａを参照する。厚さ約３０ｎｍの第１導電性線構造１３９１は、厚さ約１．１ｍｍのガラス基板１３９０の表面に形成されている。第１導電性線構造１３９１の上面図を図１３Ｂに示す。第１導電性線構造１３９１は、基本的に２００μｍピッチの４８本の信号線を含む第１電極群１３９１１と、第１組の信号ピン１３９１２と、外側に延びる第２組の信号ピン１３９１３とを含む。図１３Ｃに示すように、第１電極群１３９１１上には、厚さ２μｍの第１絶縁層１３８１が形成されており、第１絶縁層１３８１から第１組の信号ピン１３９１２と第２組の信号ピン１３９１３が露出している。図１３Ｄに示すように、厚さ約３０ｎｍの第２導電性線構造１３９２は、基本的に２００μｍのピッチの４８本の信号線を含む第２電極群１３９２１と１組の補強ピン１３９２２を含む。第２電極群１３９２１は、第１絶縁層１３８１の上に形成され、第２組の信号ピン１３９１３に接続されるように外側に延在して電気的接続を形成する。導電性を高めるために、１組の補強ピン１３９２２は、第１組の信号ピン１３９１２と共に最大接触面積を有するように、第１絶縁層１３８１から露出された第１組の信号ピン１３９１２に面対面で取り付けられる。図１３Ｅに示すように、厚さ２μｍの第２絶縁層１３８２が、第１電極群１３９１１と第２電極群１３９２１の交差領域に形成されている。ガラスカバー１３８４が、第２絶縁層１３８２と第２電極群１３９２１の交差領域を覆うように、接着剤層１３８３によって固定されている。得られた静電容量式タッチパネルの構造を図１３Ａに示す。この実施形態において、ガラス基板１３９０の長さ及び幅は共に２５ｍｍであり、ガラスカバー１３８４の長さ及び幅は共に１２.７ｍｍである。電極群の交差領域に対応する指検出領域は、長さ及び幅は共に約１２ｍｍであり、通常の人間の指紋を完全にカバーすることができる。
【００６８】
本開示に係る検出方法によって取得された人間の指紋画像を示す概略図である図１４を参照する。指紋画像は、特徴値行列を画像タイプに変換することによって得られる。任意の隣接する２つの稜線１３９８又は任意の隣接する２つの谷１３９９の間に中心間隔が存在する。最小の中心間隔は約１００μｍである。本開示によれば、Ｍ本の信号送信線の第１ピッチ及びＮ本の信号受信線の第２ピッチの少なくとも一方は、最小の中心間隔と等しいかそれよりも大きい。本開示によれば、第１電極群９０１の第１ピッチ及び／又は第２電極群９０２の第２ピッチは、１５０μｍ〜２００μｍの範囲である。５０μｍのピッチを有する従来の静電容量式センサアレイと比較して、本開示に係る二次元センサユニットの線幅は、より良好な電気的特性を提供するために、５０μｍよりも大きくなるように設計することができる。
【００６９】
通常、指紋画像内に平行な稜線１３９８又は平行な谷１３９９が存在する。仮に、平行な稜線１３９８又は平行な谷１３９９が信号送信線又は信号受信線と平行であるとすると、これらの稜線１３９８又は谷１３９９は、二重線検出技術に基づいて得られた指紋画像において正確に示されないかもしれない。このような現象は、その後の認識を困難にする。そのため、ユーザは、次の検出動作及び認識のために静電容量式タッチパネルに対して指の方向を変えるように要求されるべきである。平行な稜線１３９８又は谷１３９９が走査ウインドウの対角線に沿って延びるとき、最良の検出及び認識効果が観察され、この特性を利用して再走査時間を短縮することができる。電気的に並列に接続された信号線の本数を変更することにより、検出信号強度や走査ウインドウの形状やサイズを効果的に変化させることができる。例えば、図９を参照して、隣接する信号送信線Ｘ０及びＸ１は電気的に並列接続されて１本の送信線として機能し、隣接する信号送信線Ｘ２及びＸ３は電気的に並列接続されて他の１本の送信線として機能する。このようにして、指紋画像の鮮明度に有利なように、信号強度及び走査ウインドウのサイズが変更される。
【００７０】
電気的に並列に接続された信号送信線の本数と、電気的に並列に接続された信号線の本数とが異なる場合には、走査窓は矩形となる。このようにして、特定のアスペクト比を有する矩形の走査ウインドウの利点を利用することによって、特定の傾きを有する平行な稜線又は谷をより明瞭に区別することができる。正方形の走査ウインドウで得られた指紋画像の一部が透明でない場合、異なるアスペクト比を有する矩形の走査ウインドウを使用していくつかの検出動作を行い、得られた指紋画像を組み合わせて不鮮明な部分を除去又は破棄して完全な明瞭な指紋画像を得るようにしてもよい。
【００７１】
図１５Ａ〜図１５Ｃに示すように、矩形の走査ウインドウ１５０１、１５１１、１５２１は、異なるアスペクト比を有する。走査ウインドウ１５０１、１５１１、１５２１は、平行な稜線又は谷が対角線１５０、１５１、１５２に沿って延びているとき、それぞれより良好な走査効果を提供することができる。走査ウインドウ１５０１、１５１１、１５２１は、異なる数の信号送信線を組み合わせて形成されている。図９を参照して、走査ウインドウ１５０１を例にとると、信号線Ｘ０、Ｘ１、Ｙ０、Ｙ１は、検出動作のための４本の信号線として機能し、走査ウインドウ１５０１は略正方形である。水平に配置された信号受信線に対して約４５°の傾きを有する稜線又は谷について、より良好な検出効果が示される。図９を参照して、走査ウインドウ１５１１を例にとると、信号線Ｘ０、Ｘ１、Ｙ０と組み合わされたＹ−１、Ｙ２と組み合わされたＹ１は、検出動作のための４本の信号線として機能し、走査ウインドウ１５１１は、縦に長い矩形となる。４５°より大きい傾きを有する稜線又は谷に対して、より良好な検出効果が示される。より多くの指紋画像を得るために、異なる時間間隔で、異なるアスペクト比及びサイズの走査ウインドウを用いて指紋を走査してより多くの指紋画像を取得した後、各指紋画像の良好な部分を抜き出して結合して、より正確な認識のために明瞭な指紋画像を生成する。
【００７２】
走査ウインドウのアスペクト比は、検出動作のために隣接しない信号線を選択することによって調整することができる。例えば、隣接する２本の信号送信線Ｘ０、Ｘ１が選択され、隣接しない２本の信号受信線Ｙ０、Ｙ２が選択される。それによって、図１５Ｂに示すようなアスペクト比１：２を有する走査ウインドウ１５１１が得られる。他の例では、隣接する２本の信号送信線Ｘ０、Ｘ１が選択され、隣接しない２本の信号受信線Ｙ−１、Ｙ２が選択される。それによって、図１５Ｃに示すようなアスペクト比１：３の走査ウインドウ１５２１が得られる。
【００７３】
このように、第１アスペクト比の走査ウインドウで人間の指紋を検出することによって第１特性値行列が得られ、第２アスペクト比を有する走査ウインドウで人間の指紋を検出することによって第２特性値行列が得られる。２つの特性値行列が比較（例えば、減算）され、第３特性値行列が得られる。これらの特性値行列を記録してもよい。指紋認証の実行中、これらの特性値行列は、対象指紋の特徴を表すものであればよく、指紋認証の前に曲線からなる視覚画像に変換する必要はない。
【００７４】
本開示によれば、静電容量式タッチパネルは、指紋検出モジュールを提供する図１３Ａ又は図１２Ｃに示すようなガラス基板又はフレキシブル基板に適用することができる。２つのタイプの指紋検出モジュールは、異なる用途に使用することができる。例えば、両面指紋センサは、ガラス基板タイプの２つの指紋センサ構造を背中合わせに接合することによって形成される。あるいは、２つの指紋センサ構造が１つのガラス基板を共有するように、２つの指紋センサ構造の静電容量式センサアレイを分離してもよい。両面指紋センサは、モバイル機器で使用することができる。ユーザが、親指と人差し指との間でモバイル機器（例えば、モバイル決済のための本人認証をサポートするスマートフォン又はスマートカード）を保持すると、親指と人差し指の両方に対する指紋検出動作を同時に実行してもよい。他の実施形態では、２つの指紋検出モジュールは、モバイル機器の検出領域の２つの側面、例えば指紋認証に対応したタブレット型コンピュータやスマートフォンのタッチスクリーンの左右両面に設けられていてもよい。ユーザがモバイル機器を保持すると、左手親指と右手親指の両方に対する指紋検出動作が同時に実行されてもよい。
【００７５】
本開示は、別の検出方法を提供する。第１期間中、制御回路は、Ｍ本の信号送信線の中から選択された隣接する２組の信号送信線を介して、第１充電／放電信号及び第２充電／放電信号をそれぞれ送信する。この実施形態では、各組の信号送信線は、隣接する２組の信号送信線を含む。第１充電／放電信号と第２充電／放電信号は位相がずれている。そして、制御回路は、第１充電／放電信号及び第２充電／放電信号に応答して、Ｎ本の信号受信線の中から選択された隣接する２組の信号受信線を介して第１電圧信号及び第２電圧信号を受信する。制御回路は、第１電圧及び第２電圧信号に従って、４組の信号線によって規定される隣接領域に対応する１つの第１特性値を生成する。信号線の異なる組み合わせによって規定される異なる隣接領域に対応して３つのステップを繰り返した後、生物学的特徴情報を表す第１特性値行列を形成する複数の第１特性値が生成される。第２期間中、制御回路は、Ｍ本の信号送信線の中から選択された隣接する２組の信号送信線を介して、第３充電／放電信号及び第４充電／放電信号をそれぞれ送信する。そして、制御回路は、第３充電／放電信号及び第４充電／放電信号に応答して、Ｎ本の信号受信線の中から選択された隣接する２組の信号受信線を介して第３電圧信号及び第４電圧信号を受信する。制御回路は、第３電圧信号及び第４電圧信号に従って、４組の信号線によって規定される１つの隣接領域に対応する第２特性値を生成する。信号線の異なる組合せによって規定される異なる隣接領域に対応して３つのステップを繰り返した後、生物学的特徴情報を表す第２特性値行列を形成する複数の第２特性値が生成される。第１期間中に使用される２組の信号受信線は、第２期間中に使用される２組の信号受信線と同一でなくてもよい。例えば、第１期間中又は第２期間中に選択される１組の信号受信線は、１組の補助信号受信線であってもよい。補助信号受信線の組は、生物学的特徴を有する目的物との容量結合を形成しない。第１特性値行列と第２特性値行列とに基づいて、生物学的特徴情報を表す画像値行列が推定される。他の例では、制御回路は、第１期間中に使用される２組の信号受信線の各々がＡ本の信号受信線を含み、第２期間中に使用される２組の信号受信線の各々がＢ本の信号受信線を含むように、設定してもよい。Ａの数とＢの数は異なっていてもよい。さらに他の例では、制御回路は、第１期間中に使用される２組の信号受信線が同数の互いに隣接している信号受信線を含み、第２期間中に使用される２組の信号受信線が同数の互いに隣接していない信号受信線を含むように、設定してもよい。これらの設定によれば、第１期間中に使用される２組の信号送信線及び２組の信号受信線をカバーする走査ウインドウのアスペクト比は、第２期間中に使用されるそれとは異なる。従って、生物学的特徴情報を表す画像値行列を推定するために、第１特徴値行列と第２特徴値行列とを得るためにそれぞれ異なる検出演算が実行される。
【００７６】
二重線検出技術は、検出動作中に不感地帯を生じさせる。補助信号受信線は、このような現象を改善するために使用される。図１６を参照して、補助信号受信線についてさらに説明する。たまたま、稜線や谷のような指紋特徴１６０が信号線Ｙ０及びＹ１の中間にあったとすると、この指紋特徴１６０を検出することができない。この問題を解決するために、検出動作中に１組の信号受信線として機能する１組の補助信号受信線ＹＳが基板上にさらに配置されている。一組の補助信号受信線ＹＳは、生物学的特徴を有する目的物との容量結合を形成しない。例えば、一組の補助信号受信線ＹＳは、タッチ領域の外側に配置されている。補助信号受信線ＹＳの長さ及び材料は、通常の信号受信線のそれらと同じである。このようにして、２組の信号受信線Ｙ０とＹＳとの間に結合アンバランスが導入される。１組の信号受信線Ｙ０は目的物との容量結合を形成するが、他の１組の信号受信線ＹＳは目的物との容量結合を形成することができない。それ故、信号受信線Ｙ０とＹ１の中間に位置する指紋特性１６０を適切に検出することができる。最後に、第１特徴値行列と第２特徴値行列とに基づいて、生物学的特徴を表す画像値行列を推定することができ、変換することなく生物学的特徴を表すように第１特徴値行列と第２特徴値行列を直接記録してもよい。
【００７７】
指紋の基本的な特性を示す概略図である図１７Ａ及び図１７Ｂを参照する。稜線の終端（図１７Ａ）、分岐（図１７Ｂ）、及び短い稜線などの特性は、特性値行列内の特定のデータ分布を示す。稜線の終端とは、稜線が終了する点をいう。分岐とは、１つの稜線が２つの稜線に分かれる点をいう。短い稜線とは、指紋の平均的な稜線の長さよりも著しく短いものをいう。指紋認証は、指紋特徴に対応する特定のデータ分布に基づいて行われる。本開示は、コストを低減して指紋を検出するためのサイズの大きな静電容量式タッチパネルを提供するので、指紋認証の精度を高めるために、得られた指紋画像中により多くの指紋特徴が存在する。
【００７８】
本開示の一実施形態に係る静電容量式タッチパネルの信号線の配置を示す概略図である図１８を参照する。指紋の稜線及び谷は直線ではなく曲線である。上記の説明から、稜線又は谷が走査ウインドウの対角線に沿って延びるとき、二重線検出技術が最良の検出効果を有することが分かる。たまたま曲線が信号受信線の中間位置に位置する可能性を減少させることも望ましい。そのために、本開示は、信号線を特定の方法で配置している。この静電容量式タッチパネルには、複数の湾曲した信号送信線と複数の湾曲した信号受信線が設けられている。凸状の稜線又は谷は、凹状の信号受信線を用いて検出され、凹状の稜線又は谷は、凸状の信号受信線を用いて検出されることが好ましい。具体的には、稜線と信号受信線との交差点において、稜線の曲率中心と信号受信線の曲率中心とは、稜線又は信号受信線の曲線の反対側にあり、稜線及び信号受信線は異なる方向又は反対方向に曲がるか又は湾曲している。そのため、稜線全体が隣接する２つの信号受信線の中間に完全に位置することはほとんど不可能である。さらに、検出すべき稜線が信号線（信号送信線及び信号受信線）と実質的に直交しているので、より良好な検出効果が達成される。図において、静電容量式タッチパネルは、４つの領域１８１、１８２、１８３、１８４に分割されており、各領域１８１、１８２、１８３、１８４のそれぞれにおいて、個の領域に接触する湾曲した稜線とは異なる凹凸特性を有する少なくとも１組の信号線が存在する。領域の数は、必要に応じて調整することができる。
【００７９】
静電容量式タッチパネルに接触する指の向きが検出結果に影響を及ぼすので、指を置く方法をユーザに案内するための模様、窪み部又は隆起部が設けられている。あるいは、方向依存性検出を指紋検出及び認証に用いることができる。具体的には、ユーザが静電容量式タッチパネルを介して指紋を登録すると、ユーザは、静電容量式タッチパネル上に親指又は人差し指を異なる方向に置くように、例えば、時計回り又は反時計回りに、角度を９０°、１８０°、２７０°又は３６０°に増加させながら回転させるように、ユーザインターフェースを介して促される。指を回転させている間に、異なった角度に対応する複数の特性値行列が記録される。例えば、０°〜１８０°の回転角のうちの１２個の角度に対応して、検出動作により得られた１２個の特性値行列が順次記録される。認証プロセスが指紋入力を必要とする場合、ユーザは指を静電容量式タッチパネル上に任意の向きで置いて検出動作を実行することができる。得られた特性値行列は、本人確認のために、記録された１２個の特性値行列とそれぞれ比較される。他の実施形態では、複数の特性値の列が記録され、特徴値の列の各々は、指を回転させている間に、選択された走査ウインドウに対応する特性値を収集したものである。換言すれば、記録は指の回転に起因する変化に焦点を当てている。それ故、認証は、検出動作の間にユーザが指を回転させることを必要とし、検出されたデータは、特性値の列と比較され、静電容量タッチパネルに触れたユーザが登録されたユーザであるか否かを特定する。さらに、動作モードにおいて、静電容量式タッチパネル上での指の回転方向は、特定の機能に対応することができる。例えば、承認された指の時計回りの回転は、モバイル機器をロックし、承認された指の反時計回りの回転によって、モバイル機器のロックが解除される。
【００８０】
別の用途では、図１９に示すように、指紋画像に不明瞭又は不鮮明な部分が存在する場合、画像処理アルゴリズムを不明瞭又は不鮮明な部分１９に対して実行して、画像部分を復元して、仮想指紋画像を生成してもよい。画像処理アルゴリズムは、不明瞭な部分１９の隣接画素に対する平均又は線形補間を含んでいてもよい。仮想指紋画像は、後の認証のために記録される。その後、認証のためにユーザの指紋が検出されると、指紋画像を復元するために、得られた指紋画像の特定の部分に対して同じ画像処理アルゴリズムが実行され、ユーザを特定するために、その復元された指紋画像が記録された仮想指紋画像と比較される。
【００８１】
本開示の原理に基づいて開発された静電容量式タッチパネルは、静電容量式タッチパネルのピッチが生物学的特徴の中心間隔と同じかそれよりも大きい場合でも機能することができるという点において有利であり、製造コストを顕著に削減させることができる。
【００８２】
本発明は、現在最も実用的で好ましい実施形態であると現在考えられているものに関して記載されているが、本発明は開示された実施形態に限定される必要はないことを理解されるべきである。それどころか、最も広い解釈に従う添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内に含まれる様々な変形や類似の構造をカバーすることを意図しており、そのような改変及び類似の構造すべてを包含するように、最も広く解釈されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【外国語明細書】
2019008780000001.pdf