(57)【要約】【課題】低消費電力化を図るとともにオフセット電圧を減少させる。【解決手段】センサ電極、そのセンサ電極と検出対象物間に生じる静電容量に印加する電圧を切り換える開始信号を入力するスイッチ回路、電荷の変化に比例して出力電圧を変化させる電荷−電圧変換コンデンサ、その電荷−電圧変換コンデンサに初期電圧を設定する開始信号を入力するスイッチ回路、および、基準側にそのセンサ電極を、出力側にその電荷−電圧変換コンデンサを接続したカレントミラー回路を具え、センサ電極と検出対象物間に生じる静電容量に印加した電圧が切り換わることによって変化する電荷に比例したその電荷―電圧変換コンデンサの電荷によって生じる出力電圧を確定する保持信号を入力するスイッチ回路をカレントミラー回路の基準側に具え、そのスイッチ回路とカレントミラー回路をカスコード型カレントミラー回路で構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体保護膜で被覆されたセンサ電極、そのセンサ電極と検出対象物間に生じる静電容量に印加する電圧を切り換える開始信号を入力するスイッチ回路、電荷の変化に比例して出力電圧を変化させる固定の静電容量を有する電荷−電圧変換コンデンサ、その電荷−電圧変換コンデンサに初期電圧を設定する開始信号を入力するスイッチ回路、および、基準側にそのセンサ電極を、出力側にその電荷−電圧変換コンデンサを接続したカレントミラー回路を具えた静電容量型指紋センサにおいて、
センサ電極と検出対象物間に生じる静電容量に印加した電圧が切り換わることによって変化する電荷に比例したその電荷―電圧変換コンデンサの電荷によって生じる出力電圧を確定する保持信号を入力するスイッチ回路をカレントミラー回路の基準側に具え、そのスイッチ回路とカレントミラー回路をカスコード型カレントミラー回路で構成することを特徴とする静電容量型指紋センサ。
【請求項２】
誘電体保護膜で被覆されたセンサ電極、そのセンサ電極と検出対象物間に生じる静電容量に印加する電圧を切り換える開始信号を入力するスイッチ回路、電荷の変化に比例して出力電圧を変化させる固定の静電容量を有する電荷−電圧変換コンデンサ、その電荷−電圧変換コンデンサに初期電圧を設定する開始信号を入力するスイッチ回路、および、基準側にそのセンサ電極を、出力側にその電荷−電圧変換コンデンサを接続したカレントミラー回路を具えた静電容量型指紋センサにおいて、
センサ電極と検出対象物間に生じる静電容量に印加した電圧が切り換わることによって変化する電荷に比例したその電荷―電圧変換コンデンサの電荷によって生じる出力電圧を確定する保持信号を入力するスイッチ回路をカレントミラー回路の基準側に具え、そのスイッチ回路とカレントミラー回路をカスコード型カレントミラー回路とし、そのバイアス電圧の端子を制御することによって出力電圧を確定することを特徴とする静電容量型指紋センサ。
【請求項３】
誘電体保護膜で被覆されたセンサ電極、そのセンサ電極と検出対象物間に生じる静電容量に印加する電圧を切り換える開始信号を入力するスイッチ回路、電荷の変化に比例して出力電圧を変化させる固定の静電容量を有する電荷−電圧変換コンデンサ、その電荷−電圧変換コンデンサに初期電圧を設定する開始信号を入力するスイッチ回路、および、基準側にそのセンサ電極を、出力側にその電荷−電圧変換コンデンサを接続したカレントミラー回路を具えた静電容量型指紋センサにおいて、
センサ電極と検出対象物間に生じる静電容量に印加した電圧が切り換わることによって変化する電荷に比例したその電荷―電圧変換コンデンサの電荷によって生じる出力電圧を確定する保持信号を入力するスイッチ回路をカレントミラー回路のグラウンド側に具え、そのスイッチ回路とカレントミラー回路をカスコード型カレントミラー回路で構成することを特徴とする静電容量型指紋センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量型指紋センサに係るもので、静電容量による電荷を電圧に変換して指紋データの作成を行う回路構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】米国特許第６，０４９，６２０号
【０００３】
従来の静電容量型指紋センサは、図５に示すように、誘電体保護膜２で被覆されたセンサ電極３、電荷−電圧変換コンデンサ７、センサ電極３と電荷−電圧コンデンサ７をリセットするための放電用スイッチ４、開始信号源６、充電を停止するための保持用スイッチ８と保持信号源９で構成されている。図２に示したように、センサアレイ３の誘電体膜２上に指１が置かれている状態において、センサ電極３と指１との間に発生する静電容量を、放電用スイッチ４を開始信号源６によってＯＮすることによって、接地して残留電荷をリセットする。その後、カレントミラー回路５によって指１とセンサ電極３で構成されるコンデンサと電荷−電圧変換コンデンサ７に電流が供給されて両方のコンデンサの電圧が上昇する。保持用スイッチ８をＯＮすることで指ぶれによる出力電圧の変動を防止し、この出力電圧から指紋データの作成を行う。
【０００４】
【発明が解決使用とする課題】
しかし、残留電荷の放電時にカレントミラーと放電回路のトランジスタの抵抗値が低いために、電源とグラウンド間に大量の電流が流れることになる。またセンサ電極に保持用スイッチを接続しているため、寄生容量が増加して出力信号のオフセット電圧も増加し、これによって出力信号の設定可能な電圧範囲が狭められる。本発明は、従来の静電容量型指紋センサ装置における上記の欠点を解決しようとするもので、低消費電力化を図るとともにオフセット電圧を減少させるものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回路を構成するカレントミラー回路を変えることによって、上記の課題を解決するものである。
【０００６】
すなわち、誘電体保護膜で被覆されたセンサ電極、そのセンサ電極と検出対象物間に生じる静電容量に印加する電圧を切り換える開始信号を入力するスイッチ回路、電荷の変化に比例して出力電圧を変化させる固定の静電容量を有する電荷−電圧変換コンデンサ、その電荷−電圧変換コンデンサに初期電圧を設定する開始信号を入力するスイッチ回路、および、基準側にそのセンサ電極を、出力側にその電荷−電圧変換コンデンサを接続したカレントミラー回路を具えた静電容量型指紋センサにおいて、センサ電極と検出対象物間に生じる静電容量に印加した電圧が切り換わることによって変化する電荷に比例したその電荷―電圧変換コンデンサの電荷によって生じる出力電圧を確定する保持信号を入力するスイッチ回路をカレントミラー回路の基準側に具え、そのスイッチ回路とカレントミラー回路をカスコード型カレントミラー回路で構成することに特徴を有するものである。
【０００７】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。図１は本発明の実施例を示す回路図であり、図２はセンサ部の正面断面図である。二次元に配置された多数のセンサ電極３とそれを覆う誘電体膜２でセンサアレイを構成する。各センサ電極３は指紋の画像を表現できるように、指紋の凹凸で表現される線の太さより狭い３００ｄｐｉないし５００ｄｐｉの間隔で配置される。誘電体保護膜２は、センサ電極を被覆して保護するとともに、指１とセンサ電極３との間にコンデンサを形成する。このセンサアレイは、各センサ電極がほぼ均一な静電容量を有している。図２に示したように誘電体膜２上に指１を置くと、指１は接地状態にあるため、指１とセンサ電極３との間に静電容量が発生する。その静電容量は、指紋の凸部すなわち指１とセンサ電極３との距離が短い部分では大きくなり、指紋の凹部すなわち指１とセンサ電極３との距離が長い部分では小さくなる。
【０００８】
図１は、指紋センサの回路の１単位を構成する単位回路を示すもので、ＭＯＳトランジスタで回路を構成した例である。図に示すように、この単位回路は、指との間に静電容量を発生させるセンサ電極３、電荷−電圧変換コンデンサ１３、センサ電極３と電荷−電圧変換コンデンサ１３に充電するカスコード型カレントミラー１１、センサ電極３と電荷−電圧変換コンデンサ１３をリセットするための放電用スイッチ１０、開始信号源１２とカスコード型カレントミラーのバイアス端子に入力する保持信号源１４で構成される。
【０００９】
センサアレイの誘電体膜上に指が置かれている状態において、以下の手順を踏むことで指紋画像を得ることができる。保持信号源１４よりカレントミラー回路１１のバイアス端子に定電圧源と同等の電圧を入力してカレントミラー回路１１に流れる電流を制限する。センサ電極３と電荷−電圧変換コンデンサ１３に接続する放電用スイッチ１０を開始信号源１２によりそれぞれＯＮすることによって接地して残留電荷を放電する。これによって、指１とセンサ電極３で構成されるコンデンサの端子電圧を０Ｖにリセットする。この際の放電電流はカレントミラー回路１１がカスコード接続されていることによって抵抗値が大きくなるため、従来５００μＡ以上流れていたのをほぼ０μＡに抑えることが可能となる。
【００１０】
放電後、放電用スイッチ１０をＯＦＦしてセンサ電極３と電荷−電圧変換コンデンサ１３を接地状態から開放状態に切り換える。さらに、保持信号源１４よりカレントミラー回路１１のバイアス端子に、定電圧源よりＭＯＳトランジスタの閾値以下の電圧を印加すると、残留電荷の放電により、カレントミラー回路１１のトランジスタのゲート電圧が低いため、カレントミラー回路１１が動作して指１とセンサ電極３で構成されるコンデンサと電荷−電圧変換コンデンサ１３に電流が供給され、双方のコンデンサの電圧が上昇する。この充電は、開始信号源１２によって信号が入力されると、指１とセンサ電極３で構成されるコンデンサの両端に生じる電圧が電源電圧からカレントミラー回路１１を構成するトランジスタの閾値電圧分低い電圧になるまで徐々に行われる。
【００１１】
このとき、保持信号源１４によってカレントミラー回路１１のバイアス端子に定電圧源と同等の電圧を入力すると、カレントミラー回路１１は停止し、コンデンサ１３への電荷の供給が停止されるので、コンデンサ１３に発生する電圧は放電用スイッチ１０を接地状態に切り換えるまで保持される。電荷−電圧変換コンデンサ１３に電荷の供給が停止されるまでに充電される電荷は、指１とセンサ電極３で構成されたコンデンサに充電された電荷と比例する量の電荷であり、電荷−電圧変換コンデンサ１３に発生する出力電圧にも比例する。電荷−電圧変換コンデンサ１３に充電される電荷はカレントミラー回路１１による電流比によって決定するので、カレントミラー回路１１を構成するトランジスタのゲートのサイズを変えることによって任意の電荷とすることが可能である。
【００１２】
次にその動作を図３を用いて説明する。開始信号１５はＨｉｇｈレベルの間、放電用スイッチはＯＮしているため、指とセンサ電極で構成されるコンデンサ、電荷−電圧変換コンデンサがともに接地されている状態となり、波形１７、１８は０Ｖを示している。開始信号１５と保持信号１６をＬｏｗレベルに切り換えると、コンデンサに充電が開始される。コンデンサの端子電圧は波形１７に示されるように徐々に上昇し、この充電は保持信号１６を電源電圧に変化させるまで行われる。これと同様の期間、電荷−電圧変換コンデンサも充電され、波形１８のように指とセンサ電極で構成されるコンデンサの静電容量によって異なる電圧を示す。電荷−電圧変換コンデンサの電圧１８は開始信号１５が再びＨｉｇｈになり、放電を開始するまで保持される。
【００１３】
上記の説明は充電型の静電容量型指紋センサについて述べた。本発明は、また、指とセンサ電極で構成されるコンデンサと電荷−電圧変換コンデンサに充電された電荷を放電用カレントミラー回路で放電させ、所定の電荷となった時の電圧を検出する回路にも利用できる。カスコード型カレントイミラー回路の効果によって消費電力を抑えるとともに、オフセット電圧を減少させることが可能である。
【００１４】
指１とセンサ電極３で構成されるコンデンサと電荷−電圧変換コンデンサ２２に接続する充電用スイッチ１９をＯＮすることで電源電圧に充電する。充電後スイッチ１９をＯＦＦに切り換え、保持信号源２３によりカレントミラー回路２０のバイアス端子にＭＯＳトランジスタの閾値以上の電圧を印加すると、カレントミラー回路２０が動作し、指１とセンサ電極３とで構成されるコンデンサと電荷−電圧変換コンデンサ２２から放電を開始する。この放電は指１とセンサ電極３とで構成されるコンデンサの端子電圧が、グラウンドレベルよりカレントミラー回路２０を構成するトランジスタの閾値電圧分高い電圧となるまで徐々に放電する。これと同様の期間コンデンサ２２からも放電され、指１とセンサ電極３とで構成されるコンデンサの静電容量によって異なる電圧を示す。この放電型の回路においても、従来は電源電圧を充電する際に多量の電流が流れていたが、このカスケード型カレントミラー回路を用いることによって消費電力を抑えることができる。また、センサ電極に接続する素子数を減らすことができるのでオフセット電圧を減少させることができ、データ信号の電圧の設定可能な範囲を広げることができる。
【００１５】
【発明の効果】
従来の静電容量型指紋センサにおいては残留電荷を放電するときに電流が多量に流れていたが、本発明によればカレントミラー回路をカスケード型カレントミラー回路に置き換えることによって消費電力を抑えることができる。また、センサ電極に接続する素子数を減らすことでオフセット電圧を減少させることができ、データ信号の電圧の設定可能な範囲を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す回路図
【図２】検出センサ部の正面断面図
【図３】信号波形の説明図
【図４】本発明の他の実施例の回路図
【図５】従来の静電容量型指紋センサの回路図
【符号の説明】
１：指
２：誘電体保護膜
３：センサ電極
４、１０、１９：放電用スイッチ
５、１１、２０：カレントミラー回路
６、１２、２１：充電開始信号源
７、１３、２２：電荷−電圧変換コンデンサ
８：保持用スイッチ
９、１４、２３：保持信号源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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