JP2005114362A - Capacitance detecting circuit and method, and fingerprint sensor using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微小容量を検出する容量検出回路および検出方法並びにそれを用いた指紋センサに関する。 The present invention relates to a capacitance detection circuit and a detection method for detecting a minute capacitance, and a fingerprint sensor using the same.
従来、バイオメトリクス(生体認証技術)の中で最も有望とされる指紋センサとして、所定の間隔で列配線と行配線を2枚のフィルムの表面にそれぞれ形成し、このフィルムを絶縁膜等を介して所定の間隔をおいて対向して配置した感圧式容量センサが開発されている。この感圧式容量センサでは、指を置いたときに指紋の凹凸に対応してフィルム形状が変形し、列配線と行配線の間隔が場所によって変化して、指紋の形状が列配線および行配線の交差部の容量として検出される。この感圧式容量センサにおいて、数百fF(フェムトファラッド)に満たない容量を検出するのに応用できる従来技術としては、容量をスイッチドキャパシタ回路により、電気信号に変換する検出回路が挙げられる。これは、第1のセンサ駆動信号で駆動され、検出対象の容量を検出するセンサ容量素子と、第2のセンサ駆動信号で駆動され検出回路基準容量となる参照容量素子とが共通のスイッチドキャパシタ回路に接続され、交互に動作する第1および第2のサンプルホールド部がそれぞれの出力信号をサンプリングした後に、サンプリング結果の差を求めることにより、検出信号を得るものである。 Conventionally, as the most promising fingerprint sensor in biometrics (biometric authentication technology), column wiring and row wiring are respectively formed on the surface of two films at predetermined intervals, and this film is interposed via an insulating film or the like. Thus, pressure-sensitive capacitive sensors have been developed that are arranged to face each other at a predetermined interval. In this pressure-sensitive capacitive sensor, when the finger is placed, the film shape changes corresponding to the unevenness of the fingerprint, the distance between the column wiring and the row wiring changes depending on the location, and the fingerprint shape changes between the column wiring and the row wiring. It is detected as the capacity of the intersection. In this pressure-sensitive capacitance sensor, as a conventional technique that can be applied to detect a capacitance less than several hundred fF (femtofarad), there is a detection circuit that converts a capacitance into an electric signal by a switched capacitor circuit. This is a switched capacitor that is driven by a first sensor driving signal and detects a detection target capacitance, and a reference capacitor that is driven by a second sensor driving signal and serves as a detection circuit reference capacitor. The first and second sample and hold units connected to the circuit and operating alternately sample each output signal, and then obtain a detection signal by obtaining a difference between the sampling results.
この検出回路は、共通のスイッチドキャパシタ回路において、検出対象となる容量値Csに比例し帰還容量Cfに反比例した信号を、安定して検出することができ、且つ、スイッチドキャパシタ回路のリセットスイッチ(帰還制御スイッチ)のゲート電極と他電極間の寄生容量に蓄積された電荷Qdが他の電極に漏れ出る影響(フィードスルー)が相殺される。また、スイッチドキャパシタ回路の基準電位のオフセット成分や入力信号などに含まれる低周波のノイズに対しては、2つのサンプリング結果の差を求めることによりある程度除去できる効果も期待される(例えば、特許文献1)。
しかしながら、指紋センサ等の容量検出回路は、容量変化が微小であるために、高感度であることが要求されるが、人体から伝達されるノイズ(高周波ノイズを含む)や回路系のノイズに対しての耐性を有している必要がある。
また、容量変化を検出するため、列配線間や行配線間などにおいて、隣接する線などからのクロストークノイズの影響が無いことなどの要求がある。
However, a capacitance detection circuit such as a fingerprint sensor is required to have high sensitivity because the capacitance change is minute. However, it is required for noise transmitted from the human body (including high-frequency noise) and circuit noise. It is necessary to have all tolerances.
Further, in order to detect a capacitance change, there is a demand that there is no influence of crosstalk noise from adjacent lines or the like between column wirings or row wirings.
上述した要求に対応して、列配線の立ち上がりの時点に、交差部の容量に充電される電荷に対応する充電電圧を検出し、次に、列配線の立ち下がりの時点に、交差部の容量から放電される電荷に対応する放電電圧を検出し、この充電電圧及び放電電圧を用いて、容量変化を検出する容量検出回路も考えられる。
すなわち、この容量検出回路は、充電電圧から放電電圧を、差し引いた差電圧を求めて、この差電圧を容量変化に対応した電圧とすることで、同一極性で生じる、増幅回路のフィードスルーの影響による電圧オフセットやその他の回路で生じるオフセット成分を除去し、サンプリング周波数に比較して十分に低い周波数のノイズを除去することが可能である。
In response to the above-described request, the charging voltage corresponding to the charge charged in the capacitor at the intersection is detected at the time of rise of the column wiring, and then the capacitance of the intersection at the time of falling of the column wiring. A capacity detection circuit that detects a discharge voltage corresponding to the electric charge discharged from the battery and detects a change in the capacity using the charge voltage and the discharge voltage is also conceivable.
That is, this capacitance detection circuit obtains a difference voltage obtained by subtracting the discharge voltage from the charge voltage, and uses this difference voltage as a voltage corresponding to the capacitance change, thereby causing the influence of the feedthrough of the amplifier circuit that occurs with the same polarity. It is possible to remove the voltage offset due to the above and other offset components generated in other circuits, and to remove noise having a frequency sufficiently lower than the sampling frequency.
上述した容量検出回路を含めて通常の検出回路は、容量センサの各センサ素子の容量変化を検出するとき、単一の列配線のみを駆動して、検出ラインとなる複数の行配線との交差部(センサ素子)の容量値Csの変化を検出する構成となっている。
しかしながら、すでに述べたように、センサ素子一つ(1つの交差部)当たりの容量変化は、数百fF程度のごく僅かな値である。
When detecting a change in capacitance of each sensor element of a capacitance sensor, a normal detection circuit including the above-described capacitance detection circuit drives only a single column wiring and crosses a plurality of row wirings serving as detection lines. It is the structure which detects the change of the capacitance value Cs of a part (sensor element).
However, as already described, the capacitance change per sensor element (one intersection) is a very small value of about several hundred fF.
このため、従来の容量検出回路は、増幅回路を含んだ回路におけるオフセット成分を除去したとしても、もともと容量センサに重畳されるノイズの影響を受けることとなる。
すなわち、上記容量検出回路は、電源ノイズや人体を介して容量センサに伝達される伝導ノイズが、列配線及び行配線の信号に重畳されることにより、このような外乱ノイズの影響により正確な容量変化の検出が行えなくなる欠点を有している。
For this reason, even if the conventional capacitance detection circuit removes the offset component in the circuit including the amplifier circuit, it is affected by noise originally superimposed on the capacitance sensor.
In other words, the capacitance detection circuit has an accurate capacitance due to the influence of such disturbance noise by superimposing power supply noise or conduction noise transmitted to the capacitance sensor via the human body on the signal of the column wiring and row wiring. There is a drawback that change cannot be detected.
特に、最近の蛍光灯の主流であるインバータ蛍光灯は、半導体によって、高周波を発生させて蛍光ランプを点灯させるため、数十KHzレベルの基本周波数のノイズ源となっている。
しかしながら、上記容量検出回路においては、充電電圧及び放電電圧の差分を求めるときの、容量変化のサンプリング周波数と、上記ノイズ源の基本周波数とが近い周期となる。
In particular, an inverter fluorescent lamp, which is the mainstream of recent fluorescent lamps, is a noise source having a fundamental frequency of several tens of KHz because a high frequency is generated by a semiconductor to light the fluorescent lamp.
However, in the capacitance detection circuit, the sampling frequency of the capacitance change when obtaining the difference between the charge voltage and the discharge voltage is close to the fundamental frequency of the noise source.
このため、この容量検出回路においては、充電電圧及び放電電圧の差分を求めたとしても、周波数差に起因するうなり成分、すなわち、周波数がわずかに異なる2つの波を重ね合わせた場合に、その周波数の差に等しい「うなり(ビート周波数)」が残り、外乱のノイズ成分を完全に除去することができない。
したがって、利用者が指紋センサなどを用いようとするとき、この利用者の人体の近傍に容量検出回路のサンプリング周波数に近い周波数のノイズ源を有する機器、例えば、上述したインバータ蛍光灯の近傍で用いられる場合や、液晶表示素子のバックライトに用いられるインバータ回路を有する機器などにセンサを接続して利用する場合に、上記うなりに起因する外乱ノイズを完全に除去することができず、容量変化を検出する信号のS/N比が低下して、正確に利用者の指紋を読みとることができない。
For this reason, in this capacitance detection circuit, even if the difference between the charging voltage and the discharging voltage is obtained, a beat component caused by the frequency difference, that is, when two waves having slightly different frequencies are superimposed, the frequency A “beat (beat frequency)” equal to the difference between the two remains, and the noise component of the disturbance cannot be completely removed.
Therefore, when the user intends to use a fingerprint sensor or the like, it is used in the vicinity of the user's human body having a noise source having a frequency close to the sampling frequency of the capacitance detection circuit, for example, in the vicinity of the inverter fluorescent lamp described above. When the sensor is connected to a device having an inverter circuit used for a backlight of a liquid crystal display element, the disturbance noise caused by the above beat cannot be completely removed, and the capacitance change The S / N ratio of the signal to be detected is lowered, and the user's fingerprint cannot be read accurately.
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、外乱ノイズの影響を低下させることで、S/N比を向上させて、列配線と行配線とが交差する交差部(センサ素子)の微少な容量値Cs及びこの容量値Csの容量変化値ΔCsを十分な感度で検出することができる容量検出回路および検出方法並びに指紋センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to improve the S / N ratio by reducing the influence of disturbance noise, and to meet the intersection where column wiring and row wiring intersect ( It is an object of the present invention to provide a capacitance detection circuit, a detection method, and a fingerprint sensor capable of detecting a minute capacitance value Cs of the sensor element) and a capacitance change value ΔCs of the capacitance value Cs with sufficient sensitivity.
本発明の容量検出回路は、複数の列配線に対して行配線が交差され構成される容量センサにおける、列配線と行配線との交差部の容量変化を検出する容量検出回路であり、直交符号を生成し、該直交符号を時系列に変化させて(データのビット配列の並びを順次変えて)、列駆動信号として出力する直交符号発生手段と、該列駆動信号に対応させて、前記列配線における複数の列配線を選択して駆動させる列配線駆動手段と、前記行配線に接続され、選択された列配線に対応する前記交差部各々の容量変化の総和を電圧信号に変換して、検出電圧として出力する容量検出手段と、前記容量検出手段から、時系列に出力される検出電圧のデータ列を、該直交符号に基づいて所定の演算により復号し、前記交差部各々の容量変化に対応した電圧を分離する復号演算部(復号演算回路)とを有することを特徴とする。 The capacitance detection circuit of the present invention is a capacitance detection circuit that detects a change in capacitance at the intersection of a column wiring and a row wiring in a capacitance sensor configured by intersecting row wiring with a plurality of column wirings. The orthogonal code is changed in time series (by changing the arrangement of the bit arrangement of the data sequentially) and output as a column drive signal, and the column drive signal corresponding to the column drive signal A column wiring driving means for selecting and driving a plurality of column wirings in the wiring; and a total of change in capacitance of each of the intersections connected to the row wiring and corresponding to the selected column wiring is converted into a voltage signal; Capacitance detection means that outputs as a detection voltage, and a data string of detection voltages that are output in time series from the capacitance detection means, are decoded by a predetermined calculation based on the orthogonal code, and the capacitance change at each of the intersections Corresponding voltage And having a decoding operation unit for releasing (decoding operation circuit).
この構成により、本発明の容量検出回路は、直交性を有する直交符号(ウォルシュ符号)により、行配線に対して交差している複数の列配線を同時に駆動し、すなわち、行配線単位に複数のセンサ素子を同時に駆動させ、検出対象の容量値Cs及び容量変化値ΔCsを多重化し、容量値N・Cs及び容量変化値N・ΔCsとして増加させて(Nは同時に駆動される列配線の数、すなわち多重化される交差部の数)、容量/電圧変換を行って検出信号とすることで、実質的に大きな容量値及び容量変化の測定を行うことになり、相対的にうなり等の外乱ノイズを低下させて、S/N比を向上させ、直交性に優れる直交符号を用いることにより、列配線間のクロストークの影響を排除することが可能となる。
また、本発明の容量検出回路は、復号演算部が時系列に検出される多重化された検出信号を、多重化に用いた直交符号と同一の直交符号により、積和演算(所定の演算)を用いて、多重化された検出値を、行配線に対応するセンサ素子各々の容量値Cs及び容量変化値ΔCsとして復号するため、1本の列配線を駆動した場合と同様の分解能で検出結果を得ることができる。
With this configuration, the capacitance detection circuit according to the present invention simultaneously drives a plurality of column wirings intersecting the row wirings by orthogonal codes (Walsh codes) having orthogonality, that is, a plurality of column wirings in a row wiring unit. The sensor elements are driven simultaneously, the capacitance value Cs and the capacitance change value ΔCs to be detected are multiplexed, and increased as the capacitance value N · Cs and the capacitance change value N · ΔCs (N is the number of column wirings driven simultaneously, In other words, the number of intersections to be multiplexed), capacitance / voltage conversion, and detection signals are used, so that substantially large capacitance values and capacitance changes are measured. By using the orthogonal code that improves the S / N ratio and is excellent in orthogonality, the influence of crosstalk between column wirings can be eliminated.
In addition, the capacity detection circuit of the present invention uses a product-sum operation (predetermined operation) for a multiplexed detection signal detected by the decoding operation unit in time series using the same orthogonal code as the orthogonal code used for multiplexing. Is used to decode the multiplexed detection value as the capacitance value Cs and capacitance change value ΔCs of each sensor element corresponding to the row wiring, so that the detection result with the same resolution as when one column wiring is driven. Can be obtained.
本発明の容量検出回路は、前記複数の列配線に対して、複数の前記行配線をマトリクス状に配設したエリア型の容量センサの前記交差部の容量を検出する構成の場合にも、適用することができ、指紋センサなどに用いることで、上述した効果により高い精度の判定結果が得られる。 The capacitance detection circuit of the present invention is also applicable to the configuration in which the capacitance of the intersection portion of the area type capacitance sensor in which a plurality of the row wirings are arranged in a matrix with respect to the plurality of column wirings is detected. By using it for a fingerprint sensor or the like, a highly accurate determination result can be obtained due to the above-described effects.
本発明の容量検出回路は、前記複数の列配線に対して、1本の前記行配線が対応して形成されたライン型の容量センサの前記交差部の容量を検出する構成の場合にも、適用することができ、表面の凹凸の有無または粗さを検出するセンサなどに用いることで、上述した効果により高い精度で、表面の状態を検出することができる。 The capacitance detection circuit of the present invention may be configured to detect the capacitance of the intersection of a line-type capacitance sensor in which one row wiring is formed corresponding to the plurality of column wirings. It can be applied, and by using it as a sensor for detecting the presence or absence or roughness of the surface, it is possible to detect the surface state with high accuracy by the above-described effects.
本発明の容量検出回路は、前記直交符号発生手段が、2のn乗の行列として生成されるウォルシュ符号において、全列及び全行が論理「0」の部分を除いた(2n−1)×(2n−1)行列を直交行列として、(2n−1)列以下の列配線各々に対して、(2n−1)個の直交符号を、時系列に前記列配線駆動手段に供給するため、各列配線に対して駆動回数を均等に割り振ることにより、多重化に用いた直交符号と同一の直交符号により、積和演算(所定の演算)を用いて、多重化された検出値を、行配線に対応するセンサ素子各々の容量値Cs及び容量変化値ΔCsとして復号するため、1本の列配線を駆動した場合と同様の分解能で検出結果を得ることができる。
また、本発明の容量検出回路は、復号処理を例えば外部のパーソナルコンピュータで行うような構成とすれば、復号した状態の指紋データを直接送る必要がなくなり、直交符号により多重化されているためデータの秘匿性が向上する。
In the capacity detection circuit according to the present invention, in the Walsh code generated by the orthogonal code generation means as a matrix of 2 n, all columns and all rows except for a portion of logic “0” (2n−1) × In order to supply (2n-1) orthogonal codes to the column wiring drive means in time series for each column wiring of (2n-1) columns or less, with the (2n-1) matrix being an orthogonal matrix, By evenly assigning the number of times of driving to each column wiring, the detection value multiplexed by the product-sum operation (predetermined operation) is performed using the same orthogonal code as the orthogonal code used for multiplexing. Since decoding is performed as the capacitance value Cs and capacitance change value ΔCs of each sensor element corresponding to the wiring, the detection result can be obtained with the same resolution as when one column wiring is driven.
In addition, if the capacity detection circuit of the present invention is configured such that the decoding process is performed by, for example, an external personal computer, it is not necessary to directly send the fingerprint data in the decoded state, and data is multiplexed because it is multiplexed with orthogonal codes. Improves confidentiality.
本発明の容量検出回路は、前記直交符号発生手段が、2のn乗の行列として生成されるウォルシュ符号において、全列が論理「0」の部分を除いた(2n−1)×(2n)行列を直交行列として、(2n)列以下の列配線各々に対して、(2n−1)個の直交符号を、時系列に前記列配線駆動手段に供給することを特徴とする。
これにより、本発明の容量検出回路は、各列配線の駆動される回数が、検出回数に対して半分となり、列配線間のクロストークの影響を抑えることになり、各交差部の容量の検出がより正確に行うことができる。
In the capacity detection circuit of the present invention, in the Walsh code generated by the orthogonal code generation means as a matrix of 2 n, all the columns are excluded from the logic “0” (2 n −1) × (2 (n ) matrix is an orthogonal matrix, and (2 n -1) orthogonal codes are supplied to the column wiring drive means in time series for each column wiring of (2 n ) columns or less. .
As a result, in the capacitance detection circuit of the present invention, the number of times each column wiring is driven is halved with respect to the number of detections, and the influence of crosstalk between column wirings is suppressed. Can be done more accurately.
本発明の指紋センサは、上記容量検出回路を用いて、交差部(センサ素子)の容量変化を検出することが可能なため、高い精度で指紋を採取することができる。 Since the fingerprint sensor of the present invention can detect a change in capacitance at the intersection (sensor element) using the capacitance detection circuit, it can collect fingerprints with high accuracy.
本発明の容量検出方法は、前記列配線駆動手段が、前記列配線へ第1の電圧に立ち上がる信号を出力し、前記行電圧出力手段により前記列配線が前記第1の電圧によって駆動されたとき、複数の前記交差部の容量を充電する電流に対応する第3の電圧を出力し、前記列配線が前記第2の電圧によって駆動されたとき、複数の前記交差部の容量を放電する電流に対応する第4の電圧を出力して、容量変化値を求めている。
この構成により、本発明の容量検出方法は、前記交差部の容量への充放電電流に対して常に一定方向に重畳するフィードスルーによる放電電流の影響を、前記充電時の出力電圧と前記放電時の出力電圧の差を取る構成としたため、チャージアンプ回路6における増幅回路のフィードスルーによる放電電流の影響を相殺することができ、高い精度により交差部の容量変化値を検出することができる。
In the capacitance detection method of the present invention, when the column wiring driving means outputs a signal rising to the first voltage to the column wiring, and the column wiring is driven by the first voltage by the row voltage output means. Outputting a third voltage corresponding to a current for charging a plurality of capacitances of the intersections, and discharging a plurality of the capacitances of the intersections when the column wiring is driven by the second voltage. A corresponding fourth voltage is output to obtain a capacitance change value.
With this configuration, the capacity detection method according to the present invention enables the influence of the discharge current caused by the feedthrough that always overlaps the charge / discharge current to the capacity at the intersection in a certain direction, the output voltage during the charge and the discharge time during the discharge. Therefore, the influence of the discharge current due to the feedthrough of the amplifier circuit in the
以上説明したように、本発明の容量検出回路によれば、直交符号により多重化して、一度に複数の列配線を駆動することにより、複数の交差部の容量変化が加算された容量値を検出することとなり、行配線等に重畳される外乱ノイズの影響を相対的に低下させ、検出感度を向上させるとともに、多重化に用いた直交符号を用いて復号化し、各交差部ごとの容量変化値を求めるため、各交差部の容量変化値を、実質的に単一の列配線を駆動して検出した場合と変わらない分解能で検出することができるという効果が得られる。 As described above, according to the capacitance detection circuit of the present invention, by multiplexing with orthogonal codes and driving a plurality of column wirings at a time, a capacitance value obtained by adding capacitance changes at a plurality of intersections is detected. As a result, the influence of disturbance noise superimposed on the row wiring and the like is relatively reduced, the detection sensitivity is improved, and decoding is performed using the orthogonal code used for multiplexing, and the capacitance change value at each intersection is determined. Therefore, it is possible to obtain the effect that the capacitance change value at each intersection can be detected with substantially the same resolution as that detected by driving a single column wiring.
本発明の容量検出回路は、複数の列配線に対して行配線が交差され構成される容量センサにおける、列配線と行配線との交差部の容量変化を検出する容量検出器であり、直交符号発生手段が直交符号を生成し、該直交符号を時系列に変化させて、列駆動信号として出力し、列配線駆動手段が上記列駆動信号に対応させて、列配線における複数の列配線を選択して駆動させ、容量検出手段が行配線に接続され、選択された列配線に対応する交差部(センサ素子)各々の容量変化の総和を電圧信号に変換して、検出電圧として出力し、復号演算回路が容量検出手段から、時系列に出力される検出電圧のデータ列を、直交符号に基づいて所定の演算により復号し、交差部各々の容量変化に対応した電圧を分離して検出値とするものである。 The capacitance detection circuit according to the present invention is a capacitance detector that detects a change in capacitance at the intersection between a column wiring and a row wiring in a capacitance sensor configured by intersecting row wiring with a plurality of column wirings. The generating means generates orthogonal codes, changes the orthogonal codes in time series and outputs them as column drive signals, and the column wiring drive means selects a plurality of column wirings in the column wiring in accordance with the column driving signals. The capacitance detection means is connected to the row wiring, the sum of the capacitance changes of each intersection (sensor element) corresponding to the selected column wiring is converted into a voltage signal, output as a detection voltage, and decoded. A calculation circuit decodes a data string of detection voltages output in time series from the capacitance detection means by a predetermined calculation based on the orthogonal code, and separates the voltage corresponding to the capacitance change at each intersection to detect the detection value. To do.
本発明の第1の実施形態による容量検出回路を図1を参照して説明する。図1は、第1の実施形態による容量検出回路の一構成例を示すブロック図である。
直交符号発生部1は、センサ部4の列配線群2の各列配線を駆動する列駆動信号の生成に用いる直交符号を生成する。この直交符号は、直交性の高い直交符号、例えばウィルシュ符号が用いられる。センサ部4は、列配線群2の列配線と行配線群3の行配線とがマトリクス状に交差し、各々の交差部がセンサ素子(図4のセンサ素子55)を形成している。
図2(a)は、センサ部4の平面図、図2(b)は断面図である。図2(a)に示すように、例えば、50μmピッチで配列された列配線群2の各列配線と、行配線群3の各行配線とが、交差している。図2(b)に示すように、基板50の上に複数の行配線よりなる行配線群3が配置され、その表面上に絶縁膜51が積層され、絶縁膜51の表面上に空隙52だけ間隔がおかれてフィルム54が配置され、フィルム54の下面に複数の列配線からなる列配線群2が取付けられている。この行配線群3の行配線と列配線群2の列配線との交差部において、空隙52と絶縁膜51を介在して所定の容量を有する容量素子としてセンサ素子が形成される。
A capacitance detection circuit according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of the capacitance detection circuit according to the first embodiment.
The
2A is a plan view of the
上述したセンサ部4の上に指56を当てると、図3に示すように、指56の凹凸によって、フィルム54と列配線群2の列配線が変形し、空隙52が変化し、それにより、列配線群2と行配線群3との交差部に形成されるセンサ素子50の容量が変化する。
また、図4は、センサ部4の列配線および行配線間の容量素子(センサ素子)のマトリクスを示す概念図である。センサ部4は、マトリクス状のセンサ素子55,55・・・から構成され、列配線駆動部5と容量検出回路100とが接続される。列配線駆動部5は、上記直交符号のビット配列に対応して、列配線群2に対して駆動パルス列を出力し、すなわちセンサ部4の列配線群2の列配線に対して並列に、各々に所定の駆動パルス(駆動信号)を出力する。この駆動パルス列における駆動パルスのパターン(駆動するしないのパターン)は、上記直交符号に基づいて生成され、直交符号のビット列のデータに対応して、列配線群2の複数の列配線を駆動し(活性化し)、駆動された列配線各々の行配線で形成される(各行配線に対応する)各交差部(センサ素子)の容量変化値を多重化する。容量検出回路100は、チャージアンプ回路6,サンプルホールド回路17,セレクタ回路8,A/D変換器9,復号演算回路10及びタイミング制御回路11を有している(図1参照)。
When the
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a matrix of capacitive elements (sensor elements) between the column wirings and the row wirings of the
チャージアンプ回路6は、センサ部4の行配線群3における行配線各々に設けられており、交差部(センサ素子)の容量に応じて出入りする(充放電電流に基づいた)微小な電荷(容量変化量に対応する電流)を検出し、この電流を増幅して電圧に変換して検出信号(測定電圧)として出力する。サンプルホールド回路7は、上記チャージアンプ回路6ごとに設けられ、上記検出信号の測定電圧を、サンプリングホールド信号の入力によりサンプリングして、電圧情報として一時的に保持する。セレクタ回路8は、上記サンプルホールド回路7の各々に保持される電圧情報を、順次、例えば行配列の並び順に切り替えて、上記電圧情報をA/D変換器9へ出力する。
A/D変換器9は、時系列に入力される、アナログの電圧情報である測定電圧を、復号演算回路部10から入力されるA/Dクロックのタイミングにより、デジタル値の測定データに変換して復号演算回路部10へ出力する。
また、高速に処理する場合などに、サンプルホールド回路7を設けずに、各々のチャージアンプ回路6にA/D変換器9をそれぞれ設けて、アナログの測定電圧をデジタル値の測定データに変換する様にしてもよい。
The
The A /
Further, when processing at a high speed, the A /
復号演算回路部10は、デジタル化された測定データにおいて、交差部のセンサ素子に対する充電時における測定データと、放電時における測定データとの差分演算により、フィードスルーによるオフセット成分を除去する演算処理、および直交符号により符号多重化された信号を、符号化を行った直交符号と同一の直交符号を用いて積和演算により復号して、センサ素子ごとの変化容量値を示す電圧データ成分に分離する演算処理などを行う。
タイミング制御回路11は、復号演算回路10から、容量検出を開始することを示す開始信号が入力されると、直交符号発生部1,列配線駆動部5,チャージアンプ回路6,サンプルホールド回路7及びセレクタ回路8等へ、クロック及び制御信号を出力し、容量検出回路100全体の動作タイミングの制御を行う。
In the digitized measurement data, the decoding
When a start signal indicating that capacitance detection is started is input from the
次に、図5を参照してチャージアンプ回路6の構成を説明する。図5はチャージアンプ回路6の構成例を示す概念図である、この図に示すように、チャージアンプ回路6はオペアンプ121と、オペアンプ121の反転入力端子と出力端子の間に接続された帰還容量Cfと、帰還容量Cfの電荷を放電するためのアナログスイッチ124とから構成されている。そして、オペアンプ121の非反転入力端子が基準電位に接続されている。なお、図において、Cpはオペアンプ121等の寄生容量、Csは前述した交差部におけるセンサ素子の容量(多重化されているセンサ素子の総和)、Cyは検出対象外の列配線に対するセンサ素子の容量の総和である。
Next, the configuration of the
次に、上記構成からなる、本発明の第1の実施形態に係る容量検出回路の動作例を、図1を参照して説明する。ここでは、説明を簡略化するため、後述する直交符号読み出し回路20から生成される15ビット長の直交符号を例として説明する。
復号演算回路10が外部から容量検出の開始、すなわち指紋センサ(センサ部4)での指紋の採取を行う信号が入力されたとする。
これにより、復号演算回路10は、タイミング制御回路11に対して、検出開始を指示する開始信号を出力する。次に、タイミング制御回路11は、直交符号発生部1へクロック信号及びリセット信号を出力する。
そして、直交符号発生部1は、上記リセット信号により、直交符号読み出し回路20を介して、内部のアドレスカウンタ22及び格納用レジスタ23(図8,9)の各レジスタを初期化して、上記クロックに同期させて、順次、直交符号をコードメモリ21から読み出し、出力する。
Next, an example of the operation of the capacitance detection circuit according to the first embodiment of the present invention having the above configuration will be described with reference to FIG. Here, in order to simplify the description, a 15-bit orthogonal code generated from an orthogonal
It is assumed that the
As a result, the
Then, the orthogonal
ここで、直交符号発生部1は、内部のコードメモリ21に、予め作成された直交符号が記憶されており、順次、クロックが入力される毎に、直交性を有するデータ列を列配線駆動部5へ出力する。
代表的な上記直交符号であるウォルシュ符号は、図6に示す順序により生成される。基本的な構造として、2(行)×2(列)の基本単位を作るが、右上、左上及び左下のビットは同一であり、右下はこれらのビット反転となっている。
次に、上述した2×2の基本単位を、右上、左上、右下及び左下にブロックとして4つ合成して、4(行)×4(列)のビット配列の符号を作る。ここで、2×2の基本単位の作成と同様に、右下のブロックはビット反転となる。同様な手順で、8(行)×8(列)、16(行)×16(列)のように、符号のビット配列のビット数(列数に対応)と、符号の数(行数に対応)とすることができる。
Here, the orthogonal
The Walsh code, which is a typical orthogonal code, is generated in the order shown in FIG. As a basic structure, a basic unit of 2 (rows) × 2 (columns) is formed, but the upper right, upper left, and lower left bits are the same, and the lower right is an inversion of these bits.
Next, four 2 × 2 basic units described above are combined as blocks in the upper right, upper left, lower right, and lower left to create a code of a bit array of 4 (rows) × 4 (columns). Here, as in the creation of the 2 × 2 basic unit, the lower right block is bit-inverted. In the same procedure, the number of bits of the bit arrangement of the code (corresponding to the number of columns) and the number of codes (the number of rows) are set as 8 (row) × 8 (column), 16 (row) × 16 (column). Response).
この実施形態1においては、全てが論理「0」、すなわち全てのビットのデータが「0」である、1行目と1列目とを、列が駆動されずに測定データの多重化が行えないために符号から除外した。図6においては、例えば、15×15のビットの行列を直交符号としてある。
上述したように、符号長が長い符号についても同様にウォルシュ符号を生成することができ、この様に生成したウォルシュ符号を、以下に述べる容量の測定における多重化に適用できる。
本実施例においては、例えば、列配線群2が配線C1〜C15の15本で構成されており、15×15のビットの行列で表される直交符号を、容量測定時の多重化に用いる。
In the first embodiment, the measurement data can be multiplexed on the first row and the first column, all of which are logic “0”, that is, all the bits of data are “0”, without driving the columns. Because it was not, it was excluded from the code. In FIG. 6, for example, a 15 × 15 bit matrix is used as an orthogonal code.
As described above, a Walsh code can be generated similarly for a code having a long code length, and the generated Walsh code can be applied to multiplexing in capacity measurement described below.
In this embodiment, for example, the
直交符号発生部1内のコードメモリ(図8のコードメモリ21)には、上記15×15の行列で表される直交符号のデータが、図7のテーブルに示すデータ形式において記憶されている。各行がアドレスt1〜t15に対応づけられて順番に記憶されている。
ここで、例えば、アドレスt1の行のウォルシュ符号は{1(LSB),0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1(MSB)}となっており、アドレスt15の行のウォルシュ符号は{1(LSB),1,0,1,0,0,1,1,0,0,1,0,1,1,0(MSB)}となっている。
The code memory (
Here, for example, the Walsh code in the row of the address t1 is {1 (LSB), 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1 (MSB)}. And the Walsh code of the row at address t15 is {1 (LSB), 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0 (MSB)} It has become.
タイミング制御回路11は、開始信号が入力されると、直交符号発生部1に対して測定開始信号を出力する。
図8において、直交符号読み出し回路20は、上記測定開始信号が入力されると、アドレスカウンタ22及び格納用レジスタ23のリセットを行い、アドレスカウンタ22の計数値を「0」とする。
When the start signal is input, the
In FIG. 8, when the measurement start signal is input, the orthogonal
次に、上記初期状態とした後、交差部の容量の測定時において、直交符号読み出し回路20は、交差部の容量値の測定時において、タイミング制御回路11から時系列に出力されるクロックが入力される毎に、カウント信号をアドレスカウンタ22へ出力する。
そして、アドレスカウンタ22は、入力されるカウント信号を計数して、計数値に対応してアドレスt1,t2,…,t15をコードメモリ21に出力する。
これにより、コードメモリ21は、入力されるアドレスt1,t2,…,t15に対応したウォルシュ符号のデータ(行のビット配列)を格納用レジスタ23に出力する。
Next, after the above initial state, the orthogonal
Then, the
As a result, the
この格納用レジスタ23には、レジスタ231にウォルシュ符号のビット列のLSBが入力され、順次対応して入力し、レジスタ2315にウォルシュ符号(以下、直交符号)のビット列のMSBが入力される。
格納用レジスタ23の各レジスタと、列配線駆動部5内のバッファ回路とは各々接続されており、すなわち、レジスタ231,232,233,234,235,…,2314,2315各々が、バッファ回路51,52,53,54,55,…,514,515に、それぞれ対応して接続されている。
In this
Each register of the
次に、列配線駆動部5は、図8及び図9に示すように、直交符号発生部1から出力される直交符号に対応して、列配線群2における複数の列配線を同時に駆動させる。すなわち、図8にあるように、時刻t1において、直交符号読み出し回路20は、アドレスカウンタ22にカウント信号を出力し、初期状態から、カウント信号を1つ計数した結果としてアドレスt1を出力させ、コードメモリ21からアドレスt1の直交符号のビット配列{1(LSB),0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1(MSB)}を読み出す。
Next, as shown in FIGS. 8 and 9, the column
そして、直交符号読み出し回路20は、読み出したビット配列の各ビットのデータを、格納用レジスタ23の各レジスタへ書き込む。
これにより、列配線駆動部5は、上記ビット配列のビットのデータが「1」の場合に駆動信号を出力し、「0」の場合に駆動信号を出力しないため、時刻t1における直交符号のビット配列において、列配線群2における列配線C1,C3,C5,C7,C9,C11,C13,C15各々に駆動信号を出力し、複数の交差部の容量の測定データを多重化する。
Then, the orthogonal
As a result, the column
次に、時刻t2において、時刻t1の状態から、カウント信号を1つ計数した結果としてアドレスt2を出力させ、コードメモリ21からアドレスt2の直交符号のビット配列{0(LSB),1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1(MSB)}を読み出す。
そして、直交符号読み出し回路20は、時刻t1のときと同様に、読み出したビット配列の各ビットのデータを、格納用レジスタ23の各レジスタへ書き込む。
これにより、列配線駆動部5は、時刻t2における直交符号のビット配列において、列配線群2における列配線C2,C3,C6,C7,C10,C11,C14,C15各々に駆動信号を出力し、複数の交差部の容量の測定データを多重化する。
Next, at time t2, the address t2 is output as a result of counting one count signal from the state at time t1, and the bit array {0 (LSB), 1, 1, 2 of the orthogonal code of the address t2 is output from the
Then, the orthogonal
As a result, the column
以下、上述した操作を、時刻t3,t4,t5,t6,t7,t8,t9,t10,t11,t12,t13,t14,t15において行うことにより、レジスタ231,232,233,234,235,236,237,238,239,2310,2311,2312,2313,2314,2315各々に、順次、コードメモリ21から、各時刻に対応したアドレスの直交符号のビット配列の各ビットのデータが入力されることになる。
ここで、格納用レジスタ23の各レジスタ231,232,233,234,235,236,237,238,239,2310,2311,2312,2313,2314,2315各々に記憶されているデータは、列配線駆動部5におけるドライバ回路51,52,53,54,55,56,57,58,59,510,511,512,513,514,515それぞれに供給される。時刻t1〜t15各々における、複数の交差部の容量を多重化した測定処理が終了した時点において、本発明における指紋採取処理の一周期となる。
Hereinafter, the above-described operations are performed at times t3, t4, t5, t6, t7, t8, t9, t10, t11, t12, t13, t14, and t15, so that the registers 231, 232, 233, 234, 235, and 236 are obtained. , 237, 238, 239, 2310, 2311, 2312, 2313, 2314, and 2315 are sequentially input from the
Here, the data stored in each register 231, 232, 233, 234, 235, 236, 237, 238, 239, 2310, 2311, 2312, 2313, 2314, 2315 of the
また、列配線駆動部5は、ドライバ回路51,52,53,54,55,56,57,58,59,510,511,512,513,514,515により、対応する列配線C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C11,C12,C13,C14,C15において、タイミング制御回路11から出力されるクロック信号に基づいて、所定の一定幅の駆動パルスからなる駆動パルス列により駆動する(図10(c)参照)。このとき、列配線駆動部5は、直交符号のビット列に対応した駆動パルス列P1のとき、ビットのデータが「1」場合に上記駆動パルス(所定の電圧)を出力し、ビットのデータが「0」の場合に駆動パルスを出力せず、駆動パルスを出力している列線以外の列線へは接地電位を出力する。したがって、時刻t1の時点においては、すでに述べたように、駆動パルス列P1の所定の駆動パルスにより、配線C1,C3,C5,C7,C9,C11,C13,C15が駆動されている。そして、各行配線R1,R2,R3,…各々には、駆動された複数の列配線とで形成する容量センサの各容量の合計値、すなわち、直交符号のビット配列により多重化された容量値が接続されることになる。
Further, the column
このとき、タイミング制御回路11は、図10(b)および図11(a)に示すように、列配線を駆動する駆動パルス列の各駆動パルスの立ち上がりのわずか前の時点、および、立ち下がりのわずか前の時点においてリセット信号をチャージアンプ回路6へ出力し、また、図10(d)、図11(b)に示すように、上記リセット信号のわずか前の時点において、サンプルホールド信号をサンプルホールド回路7へ出力する。
また、このタイミング制御回路11は、サンプルホールド信号が、順次、入力される間隔において、N個(Nはサンプルホールド回路7の数)の切り換え信号をセレクタ回路8へ出力する。これにより、図11(c)に示すように、1つのサンプルホールド信号によってサンプルホールド回路7、7・・・にホールドされた各信号は、次のサンプルホールド信号までの間、順次、セレクタ回路8を介してA/Dコンバータ9へ供給される。これにより、A/Dコンバータ9は、復号演算回路10から入力されるA/Dクロックのタイミングにより、順次各行配線毎の検出信号における測定電圧を、ディジタルデータに変換し、測定データd1として、各行線毎に復号演算回路10に出力する。そして、復号演算回路10は、順次入力される測定データにおけるデータ列のデータを、各行配線毎に内部のメモリに書き込む。
At this time, as shown in FIG. 10B and FIG. 11A, the
Further, the
ここで、チャージアンプ回路6の動作を詳細に説明する。まず、図10に示す時刻t1より少し前の時刻td1において、タイミング制御回路11からリセット信号が出力されると、アナログスイッチ124(MOSトランジスタ、図5)がオンとなり、帰還容量Cfが放電され、オペアンプ121の出力OUTが反転入力端子と短絡状態となり基準電位となる。また、オペアンプ121の反転入力端子に接続された行配線も基準電位となる。
次に、このリセット信号がオフになると、アナログスイッチ124のゲート寄生容量によるフィードスルーにより、オペアンプ121の出力電圧がわずかに上昇する(図10(a)における時刻td1後の符号Fd参照)。
Here, the operation of the
Next, when this reset signal is turned off, the output voltage of the
そして、時刻t1において、駆動パルス列(図11における(d)の駆動パルス列P)における直交符号のビットパターンに対応した所定の駆動パルスが立ち上がる(入力される)と、同駆動パルスが列配線と行配線の交差部のセンサ素子(容量Cs)を介してオペアンプ121の反転入力端へ加えられ、この駆動パルスの電圧値に基づき流れる電流により、オペアンプ121の出力OUTの電圧値が図10(a)に示すように、徐々に下降する。
At time t1, when a predetermined drive pulse corresponding to the bit pattern of the orthogonal code in the drive pulse train (drive pulse train P in (d) in FIG. 11) rises (inputs), the drive pulse is connected to the column wiring. The voltage value of the output OUT of the
次に、時刻td2において、タイミング制御回路11は、サンプルホールド回路7へサンプルホールド信号(S/H信号)を出力する。これにより、サンプルホールド回路7は、サンプルホールド信号が入力された時点において、チャージアンプ回路6におけるオペアンプ121の出力OUTから出力される測定電圧Vaをホールドする。
次に、時刻td3において、タイミング制御回路11は、再びリセット信号をチャージアンプ回路6へ出力する。これにより、オペアンプ121の出力OUTと反転入力端子とが短絡状態となり、帰還容量Cfが放電されて、オペアンプ121の出力OUTが基準電位に戻る。そして、リセット信号がオフになると、前述した場合と同様にアナログスイッチ124のゲート寄生容量によるフィードスルーにより、オペアンプ121の出力電圧がわずかに上昇する(図10(a)における時刻td3後の符号Fd参照)。
Next, at time td2, the
Next, at time td3, the
次に、時刻td4において、駆動パルス列P1における駆動パルスが立ち下がることにより、同駆動パルスにより駆動された列配線と、行配線の交差部のセンサ素子(容量Cs)とが駆動パルスの電圧に基づく電流により放電され、これに伴い、オペアンプ21の出力OUTが徐々に上昇する。
次に、時刻td5において、タイミング制御回路11は、サンプルホールド回路7に対してサンプルホールド信号を出力する。これにより、サンプルホールド回路7は、サンプルホールド信号が入力さた時点において、オペアンプ121の出力OUTの測定電圧Vbをホールドする(保持する)。
次に、時刻td6において、タイミング制御回路11は、チャージアンプ回路6に対してリセット信号を出力する。これにより、チャージポンプ回路6におけるオペアンプ121の出力OUTと反転入力端子とが短絡状態となり、帰還容量Cfが放電され、オペアンプ121の出力OUTが基準電位に戻る。以下、上記の動作が繰り返される。
Next, at time td4, when the drive pulse in the drive pulse train P1 falls, the column wiring driven by the drive pulse and the sensor element (capacitance Cs) at the intersection of the row wiring are based on the voltage of the drive pulse. As a result, the output OUT of the
Next, at time td5, the
Next, at time td6, the
上述した測定においては、出力OUTが基準電位から下降する場合も、上昇する場合も、アナログスイッチ124のフィードスルー電流によるオフセットVkが+方向に発生する。この実施形態のように、検出対象の容量Csが数十から数百フェムトファラッドの場合はこのフィードスルーによるオフセットを無視できない。上記の測定において、
−Va0=−Va+Vk
が検出対象容量Csに比例する電圧となるが、測定される電圧はVaであり、この電圧Vaにはオフセットによる誤差Vkが含まれてしまう。
Va=Va0+Vk
In the measurement described above, the offset Vk due to the feedthrough current of the
-Va0 = -Va + Vk
Is a voltage proportional to the detection target capacitance Cs, but the measured voltage is Va, and this voltage Va includes an error Vk due to an offset.
Va = Va0 + Vk
そこで、この実施形態においては、検出対象容量Csの放電時の電圧Vbも測定する。ここで、電圧
Vb0=Vb−Vk
が容量Csに比例する電圧であり、測定される電圧は
Vb=Vb0+Vk
となる。これらの測定電圧Va、Vbをサンプルホールド回路7によって、順次ホールドし、次いでホールドした電圧を、A/D変換器9により各々測定電圧Va及びVb毎にA/D変換し、復号演算回路10内のメモリに記憶させる。そして、復号演算回路10において、
Vd=Vb−Va=(Vb0+Vk)−(Vk+Va0)=Vb0−Va0
なる演算を行い、これにより、オフセット誤差を含まない測定値、すなわち多重化された容量値に対応する測定データVdを得る。
Therefore, in this embodiment, the voltage Vb at the time of discharging the detection target capacitor Cs is also measured. Here, the voltage Vb0 = Vb-Vk
Is a voltage proportional to the capacitance Cs, and the measured voltage is Vb = Vb0 + Vk
It becomes. These measurement voltages Va and Vb are sequentially held by the sample and hold
Vd = Vb-Va = (Vb0 + Vk)-(Vk + Va0) = Vb0-Va0
Thus, measurement data Vd corresponding to the measurement value not including the offset error, that is, the multiplexed capacitance value is obtained.
以上のように、復号演算回路10は、駆動パルス列における所定の駆動パルスの立ち上がり及び立ち下がりにおいて、列配線の電位を立ち上げたときと立ち下げたときとのチャージアンプ回路6の出力信号の差を取ることにより、フィードスルーの影響を有さない状態において、センサ素子の容量値を測定できる。また、セレクタを設けたことで、測定時間を要するチャージアンプ回路6の測定を各列配線において並行して行い、センサ全体の測定速度を上げることができる。
As described above, the
次に、時刻t2において(図11のアドレスt2に対応した直交符号のビット配列による駆動パルスPの立ち上がりより前の時刻)、タイミング制御回路11は、直交符号発生部1に対してクロックを出力する。これにより、直交符号発生部1において、直交符号読み出し回路20からのカウント信号により、アドレスカウンタ22がアドレスt2を出力し、コードメモリ21はアドレスt2に対応した直交符号のビット配列を格納用レジスタ23へ出力する。したがって、格納用レジスタ23には、上記クロックに同期して、アドレスt2に対応する直交符号のビット列{0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1}が対応するレジスタに書き込まれる。
Next, at time t2 (time before the rise of the driving pulse P by the bit arrangement of the orthogonal code corresponding to the address t2 in FIG. 11), the
このため、図9に示すように、格納用レジスタ23の各レジスタ231,232,233,234,235,236,237,238,239,2310,2311,2312,2313,2314,2315各々に記憶されているデータは、ビット列{0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1}となる。そして、格納用レジスタ23の各レジスタの出力は、列配線駆動部5におけるドライバ回路51,52,53,54,55,56,57,58,59,510,511,512,513,514,515それぞれに供給される。したがって、時刻t2が終了した時点において、直交符号のビット列{0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1}は、列配線駆動部5におけるドライバ回路51,52,53,54,55,56,57,58,59,510,511,512,513,514,515それぞれに供給されている。
For this reason, as shown in FIG. 9, each of the registers 231, 232, 233, 234, 235, 236, 237, 238, 239, 2310, 2311, 2312, 2313, 2314, 2315 of the
次に、時刻t2において、列配線駆動部5は、ドライバ回路51,52,53,54,55,56,57,58,59,510,511,512,513,514,515により、対応する列配線C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C11,C12,C13,C14,C15を、タイミング制御回路11から出力されるクロックパルスに基づいて、駆動パルス列(アドレスt2に対応する直交符号のビット配列に対応する駆動パルス列P2)における所定の一定幅の駆動パルスにより駆動する(図10(c)、図11(f)参照)。そして、この時刻t2の時点においては、列配線C2,C3,C6,C7,C10,C11,C14,C15が駆動されている(図9)。この時刻t2における状態は、すでに述べた時刻t1に対応している。
そして、時刻t2において(すなわち、時刻t2近傍において)、すでに図10において述べた、時刻td1から時刻td5の動作を繰り返し、直交符号のビット列を順次コードメモリ21から読み出して用いる状態において、複数の列配線を駆動して、複数のセンサ素子の容量値を多重化して、この多重化された容量を電圧値に変換した測定電圧が得られる。
上述した時刻t1及びt2で説明した処理を、時刻t3〜時刻t15に対応する各タイミングにおいて、図10に示す時刻td1から時刻td5までの処理を繰り返して(図23に、各時刻における格納用レジスタ23の直交符号のビット配列が示されている)、メモリアドレスt1〜t15までの一周期に渡って、直交符号のコードメモリ21からの読み出し、列配線の駆動、測定電圧の取得を繰り返して、指紋の取得処理が行われる。
Next, at time t2, the column
Then, at time t2 (that is, in the vicinity of time t2), the operation from time td1 to time td5 described above with reference to FIG. 10 is repeated, and a bit string of orthogonal codes is sequentially read from the
The processing described at time t1 and t2 is repeated from time td1 to time td5 shown in FIG. 10 at each timing corresponding to time t3 to time t15 (FIG. 23 shows storage registers at each time. 23, the bit arrangement of the orthogonal code of 23) is shown), reading from the
そして、容量検出回路100は、駆動パルス列P1〜P15各々により、列配線群2の複数の列配線を駆動し、上述した測定処理における15ビットの直交符号を、順次、コードメモリ21から読み出し、各々アドレスt1〜t15毎に異なる15個の測定電圧Vdを、時系列に各行配線毎に得る。この測定電圧VdがA/D変換器9により、測定データdに時系列に変換され、直交符号により多重化された測定データのデータ列{d1,d2,…,d15}が得られる。
各行配線毎に、15個の直交符号毎に異なる測定データとして、以下に示すデータとして、復号演算回路10内部のメモリに記憶されている。
d1 =Vs1+Vs3+Vs5+Vs7+Vs9+Vs11+Vs13+Vs15
d2 =Vs2+Vs3+Vs6+Vs7+Vs10+Vs11+Vs14+Vs15
d3 =Vs1+Vs2+Vs5+Vs6+Vs9+Vs10+Vs13+Vs14
d4 =Vs4+Vs5+Vs6+Vs7+Vs12+Vs13+Vs14+Vs15
・
・
・
d15 =Vs1+Vs2+Vs4+Vs7+Vs8+Vs11+Vs13+Vs14
Then, the
Measurement data different for each of the 15 orthogonal codes for each row wiring is stored in the memory inside the
d1 = Vs1 + Vs3 + Vs5 + Vs7 + Vs9 + Vs11 + Vs13 + Vs15
d2 = Vs2 + Vs3 + Vs6 + Vs7 + Vs10 + Vs11 + Vs14 + Vs15
d3 = Vs1 + Vs2 + Vs5 + Vs6 + Vs9 + Vs10 + Vs13 + Vs14
d4 = Vs4 + Vs5 + Vs6 + Vs7 + Vs12 + Vs13 + Vs14 + Vs15
・
・
・
d15 = Vs1 + Vs2 + Vs4 + Vs7 + Vs8 + Vs11 + Vs13 + Vs14
ここで、Vsは駆動された各列配線と行配線との交差部のセンサ素子の各容量が電圧に変換された電圧データ(デジタル値)であり、各測定データdは直交符号に基づいて駆動された列配線に対応するセンサ素子の容量により多重化されている。
一般式として考えると、以下の(1)式となる。
Here, Vs is voltage data (digital value) obtained by converting each capacitance of the sensor element at the intersection of each driven column wiring and row wiring into a voltage, and each measurement data d is driven based on an orthogonal code. Multiplexed by the capacitance of the sensor element corresponding to the column wiring.
When considered as a general formula, the following formula (1) is obtained.
この式において、列配線群2において約半数(8本)が、直交符号に基づいて同時に駆動されるため、約半数の交差部のセンサ素子の容量Csjに対応した電圧データVsjの積算された値が測定データdiとして求められる。ここで「j」は列配線Cの番号であり、「i」は測定データの番号(アドレスtiの順番各々に対応に対応)であり、i=1,2,3,…,N、j=1,2,3,…,Nとする。すなわち、(1)式の符号CD(i,j)は、時刻tiにおいて用いられるi番目の符号において、j番目の要素の符号を示す。
そして、復号演算回路10は、上記多重化されている測定データと、多重化に用いた直交符号とにより、各センサ素子の電圧データVsを以下の(2)式により求める。
In this equation, about half (eight) in the
Then, the
すでに述べたように、直交符号を順次、コードメモリ21から読み出し、求められた時系列な測定データdは、上記(2)式により、直交符号と測定データdとの積和演算により、行配線と駆動された列配線との交差部のセンサ素子の容量に対応する電圧データds、すなわち電圧データVsに分離することができる。
ここで、この(2)式において、直交符号のビットのデータがCD(i,j)=1のとき、係数CDs(i,j)=+1であり、CD(i,j)=0のとき、係数CDs(i,j)=−1とする。
復号演算回路10は、この(2)式を用いて測定データdから電圧データdsへの分離の演算を行う。
As described above, the orthogonal codes are sequentially read from the
Here, in the equation (2), when the bit data of the orthogonal code is CD (i, j) = 1, the coefficient CDs (i, j) = + 1 and when CD (i, j) = 0. , Coefficient CDs (i, j) = − 1.
The
すなわち、センサ素子毎の電圧データds、すなわち電圧データ{ds1,ds2,ds3,…,ds14,ds15}を求めるとき、行配線単位で電圧データdsを、直交符号により多重化して、測定データのデータ列{d1,d2,d3,…,d14,d15}が求められているので、まず測定データdi毎に直交符号のビット列{1(LSB),0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1(MSB)}の各ビットのデータCD(i,j)に対応する上記係数を乗算する。 That is, when obtaining the voltage data ds for each sensor element, that is, the voltage data {ds1, ds2, ds3,..., Ds14, ds15}, the voltage data ds is multiplexed by orthogonal codes in units of row wirings, and the data of the measurement data is obtained. Since the sequence {d1, d2, d3,..., D14, d15} is obtained, first, the bit sequence {1 (LSB), 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0 of the orthogonal code for each measurement data di. , 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1 (MSB)} is multiplied by the coefficient corresponding to the data CD (i, j) of each bit.
ここで、測定時に、所定の直交符号に基づいて列配線に駆動信号を印加するとき、ビット列の順番は各列配線の順番に順次対応しており、例えば、LSBのビットは列配線C1に対応し、MSBのビットは列配線C15に対応している。次に、列配線C1の交差部に対応する電圧データds1は、アドレスt1〜t15の各直交符号のビット配列のLSBのビット列{1(t1),0(t2),1(t3),0(t4),1(t5),0(t6),1(t7),0(t8),1(t9),0(t10),1(t11),0(t12),1(t13),0(t14),1(t15)}として、このビット列の各ビットのデータCD(i,j)に対応する係数を、測定データdi毎に乗算し一周期に渡って積算する。 Here, at the time of measurement, when a drive signal is applied to the column wiring based on a predetermined orthogonal code, the order of the bit strings sequentially corresponds to the order of each column wiring. For example, the LSB bit corresponds to the column wiring C1. The MSB bit corresponds to the column wiring C15. Next, the voltage data ds1 corresponding to the intersection of the column wiring C1 is the LSB bit string {1 (t1), 0 (t2), 1 (t3), 0 ( t4), 1 (t5), 0 (t6), 1 (t7), 0 (t8), 1 (t9), 0 (t10), 1 (t11), 0 (t12), 1 (t13), 0 ( t14), 1 (t15)}, the coefficient corresponding to the data CD (i, j) of each bit of this bit string is multiplied for each measurement data di and integrated over one period.
すなわち、列配線C1は、図7の時刻毎の直交符号のビットのデータを見て判るように、時刻t1にアドレスt1における直交符号のLSB(1ビット目)のビットのデータに対応して駆動され、時刻t2にアドレスt2における直交符号のLSBのデータに対応して駆動され,…,時刻t15にアドレスt15における直交符号のLSBのビットのデータに対応して駆動されているため、積和演算においても、対応した直交符号のビットのデータに対する係数を、測定データ毎に乗算して加算することとなる。 That is, the column wiring C1 is driven corresponding to the data of the LSB (first bit) of the orthogonal code at the address t1 at time t1, as can be seen from the data of the orthogonal code bit for each time of FIG. Is driven corresponding to the LSB data of the orthogonal code at the address t2 at time t2, and so on, and driven at the time t15 corresponding to the data of the LSB bit of the orthogonal code at the address t15. Also, the coefficient for the corresponding orthogonal code bit data is multiplied for each measurement data and added.
同様に、列配線C2の交差部に対応する電圧データdS2は、時刻t1にアドレスt1における直交符号の2ビット目のデータに対応して駆動され、時刻t2にアドレスt2における直交符号の2ビット目のデータに対応して駆動され,…,時刻t15にアドレスt15における直交符号の2ビット目のデータに対応して駆動されているため、積和演算においても、対応した直交符号のビットのデータに対応する係数を乗算して加算することとなる。
すなわち、電圧データds2は、アドレスt1〜t15の各直交符号のビット配列の2ビット目からなるビット列{0(t1),1(t2),1(t3),0(t4),0(t5),1(t6),1(t7),0(t8),0(t9),1(t10),1(t11),0(t12),0(t13),1(t14),1(t15)}として、このビット列の各ビットのデータCD(i,j)に対応する係数を、測定データdi毎に乗算し一周期に渡って積算する。
Similarly, the voltage data dS2 corresponding to the intersection of the column wiring C2 is driven corresponding to the second bit data of the orthogonal code at the address t1 at the time t1, and the second bit of the orthogonal code at the address t2 at the time t2. ..,..., And is driven in correspondence with the second bit data of the orthogonal code at the address t15 at time t15. The corresponding coefficient is multiplied and added.
That is, the voltage data ds2 is a bit string {0 (t1), 1 (t2), 1 (t3), 0 (t4), 0 (t5) consisting of the second bit of the bit arrangement of each orthogonal code at addresses t1 to t15. , 1 (t6), 1 (t7), 0 (t8), 0 (t9), 1 (t10), 1 (t11), 0 (t12), 0 (t13), 1 (t14), 1 (t15) }, A coefficient corresponding to the data CD (i, j) of each bit of this bit string is multiplied for each measurement data di and integrated over one period.
上述したように、各交差部各々の容量に対応する電圧は、対応する列配線に、時刻t1〜t15において印加されたデータに対応したビット列の各ビットのデータCD(i,j)に対する係数を、測定データdi毎に乗算し、1周期に渡って積算する。この処理は、直交符号に対する積和演算に相当し、以下に示すように、各交差部に対応する電圧データdSjは、測定データdiと、コードメモリ21に記憶されている直交符号の各ビット配列のデータに対応する係数との積和演算により求められる。
すなわち、復号時の積和演算においては、各時刻に測定された測定データ毎に、求める交差部の列配線の番号と、この番号に対応する、上記時刻に用いられた直交符号のビット配列における番号(順番)のビットのデータに対応する係数とを各々乗じて、積算していくこととなる(つまり、測定時に各時刻において、対応する列配線を駆動するときに用いられた直交符号のビットのデータと、同様の値のデータに対応する係数が乗じられる)。
As described above, the voltage corresponding to the capacitance of each crossing portion is a coefficient for the data CD (i, j) of each bit of the bit string corresponding to the data applied to the corresponding column wiring at time t1 to t15. Multiply every measurement data di and integrate over one period. This process corresponds to a product-sum operation on the orthogonal code. As shown below, the voltage data dSj corresponding to each intersection is measured data di and each bit arrangement of the orthogonal code stored in the
That is, in the product-sum operation at the time of decoding, for each measurement data measured at each time, in the column wiring number of the intersection to be obtained and the bit array of the orthogonal code used at the time corresponding to this number The coefficients corresponding to the bit data of the number (order) are respectively multiplied and accumulated (that is, the bits of the orthogonal code used when driving the corresponding column wiring at each time during measurement) And the coefficient corresponding to the data of the same value is multiplied).
本実施形態における15本の列配線に対応した、コードメモリ21に記憶された図8に示す直交符号において、各アドレスt1〜t15の直交符号のビット配列により、復号演算回路10は、(2)式に基づいて、
ds1 =+d1−d2+d3−d4+d5−d6+d7−d8+d9−d10+d11−d12+d13−d14+d15
ds2 =−d1+d2+d3−d4−d5+d6+d7−d8−d9+d10+d11−d12−d13+d14+d15
ds3 =+d1+d2−d3−d4+d5+d6−d7−d8+d9+d10−d11−d12+d13+d14−d15
ds4 =−d1−d2−d3+d4+d5+d6+d7−d8−d9−d10−d11+d12+d13+d14+d15
・
・
・
ds15 =+d1+d2−d3+d4−d5−d6+d7+d8−d9−d10+d11−d12+d13+d14−d15
の演算を行い、測定データdiのデータ列から各センサ素子の容量値に対応する電圧データdsjに分離する。
In the orthogonal code shown in FIG. 8 and stored in the
ds1 = + d1-d2 + d3-d4 + d5-d6 + d7-d8 + d9-d10 + d11-d12 + d13-d14 + d15
ds2 = -d1 + d2 + d3-d4-d5 + d6 + d7-d8-d9 + d10 + d11-d12-d13 + d14 + d15
ds3 = + d1 + d2-d3-d4 + d5 + d6-d7-d8 + d9 + d10-d11-d12 + d13 + d14-d15
ds4 = -d1-d2-d3 + d4 + d5 + d6 + d7-d8-d9-d10-d11 + d12 + d13 + d14 + d15
・
・
・
ds15 = + d1 + d2-d3 + d4-d5-d6 + d7 + d8-d9-d10 + d11-d12 + d13 + d14-d15
And the voltage data dsj corresponding to the capacitance value of each sensor element is separated from the data string of the measurement data di.
上述したように、第1の実施形態においては、複数の列配線を、直交符号に基づいて同時に駆動させ、次のタイミングにおいて、コードメモリ21から時刻に対応したアドレスの直交符号を読み出して測定を行うという操作を繰り返し、一方、検出側で時系列に得られたデータを直交符号との積和演算処理を施すことで、他の列配線との交差部容量からの影響をほぼ平均化すると同時に、対象となる列配線との交差部のセンサ素子(容量センサ)に充放電される電荷の情報のみを抽出することができる。
As described above, in the first embodiment, a plurality of column wirings are simultaneously driven based on the orthogonal code, and at the next timing, the orthogonal code of the address corresponding to the time is read from the
また、図12は、本実施形態をラインセンサに用いた場合の構成例を示すブロック図を示している。
このラインセンサのセンサ部4Bにおいては、検出する行配線を1列にすることで、ライン型センサを構成している。
容量検出回路の各構成については、容量を検出する行配線を選択するセレクタ回路8が設けられていない以外、すでに説明したエリア型センサと同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
FIG. 12 is a block diagram showing a configuration example when the present embodiment is used for a line sensor.
In the
Each configuration of the capacitance detection circuit is the same as that of the already described area type sensor except that the
このライン型センサは、エリア型センサに比較し、回路規模が小さく、低消費電力化とコストダウンを計ることができる。
このライン型センサを指紋センサとして用いるときは、指を行配線に概略垂直な角度でスイープし、タイミング制御回路11が所定の周期にて測定処理のための各信号を出力し、復号演算回路10が上記所定の周期毎に入力される行配線単位の測定データを繋ぎ合わせることで2次元の指紋データを検出する。
This line type sensor has a smaller circuit scale than an area type sensor, and can reduce power consumption and cost.
When this line type sensor is used as a fingerprint sensor, the finger is swept at an angle substantially perpendicular to the row wiring, the
次に、第2の実施形態を図1を参照して説明するが、第1の実施形態と同様な構成及び動作については説明を省略する。ここで、列配線群2は、列配線C1〜C16の第1の実施形態より1本多い構成となっている。第2の実施形態の容量検出装置においては、図7のウォルシュ符号の内、全ビットが論理「0」となる1行目(アドレスt1)を除く、15(行)×16(列)の行列として直交符号を取り扱う。
このとき、1列目がすべて論理0となり、測定データの多重化に都合が悪いため、直交符号発生部1に格納用レジスタ23の各レジスタの出力を反転させる,
すなわち、直交符号のビット配列の各ビットデータの論理を反転させる反転回路を、格納用レジスタ23及び列配線駆動回路5との間に追加し、非反転の直交符号と、反転させた直交符号とのいずれかを出力する。
Next, the second embodiment will be described with reference to FIG. 1, but the description of the same configuration and operation as those of the first embodiment will be omitted. Here, the
At this time, all the first columns are
That is, an inverting circuit that inverts the logic of each bit data of the bit arrangement of the orthogonal code is added between the
この非反転状態の15(行)×16(列)と、反転処理をした15(行)×16(列)とを出力することにより、直交符号が組み合わせられることとなり、全ての列において論理「1」となる検出回数(直交符号の行に対応するため15回)と、論理「0」となる検出回数(直交符号の行に対応するため15回)が同じになる。
ここで、容量検出の検出回数は、非反転状態の15(行)×16(列)と、反転処理をした15(行)×16(列)と第1の実施形態の2倍の行数となる。この結果得られる直交符号のビット配列のコードテーブルを図13に示す。コードメモリ21に記憶されているデータは、奇数のアドレスt1,t3,t5,t7,t9,t11,t13,t15,t17,t19,t21,t23,t25,t27,t29である。
By outputting 15 (rows) × 16 (columns) in the non-inverted state and 15 (rows) × 16 (columns) subjected to inversion processing, orthogonal codes are combined, and logical “ The number of detection times “1” (15 times to correspond to orthogonal code rows) and the number of detection times “0” (15 times to correspond to orthogonal code rows) are the same.
Here, the number of detections of capacitance detection is 15 (rows) × 16 (columns) in a non-inverted state, 15 (rows) × 16 (columns) in which inversion processing is performed, and twice the number of rows as in the first embodiment. It becomes. A code table of the bit arrangement of orthogonal codes obtained as a result is shown in FIG. The data stored in the
そして、図14及び図15の反転回路24(241〜2416)は、アドレスカウンタ22の出力する計数値が奇数のアドレスt1,t3,t5,t7,t9,t11,t13,t15,t17,t19,t21,t23,t25,t27,t29の場合、コードメモリ21の対応するそのままのビットのデータを出力し、偶数のアドレスt2,t4,t6,t8,t10,t12,t14,t16,t18,t20,t22,t24,t26,t28,t30の場合、直前にコードメモリ21から読み出された奇数アドレスに対応する直交符号のビットのデータを反転して出力する。
14 and 15 includes addresses t1, t3, t5, t7, t9, t11, t13, t15, t17, t19, which are odd numbers output from the
次に、具体的な列配線の駆動動作を、図14及び図15を用いて説明する。
時刻t1において、列配線駆動部5は、直交符号発生部1から出力される直交符号に対応して、列配線群2における複数の列配線を同時に駆動させる。すなわち、図14にあるように、時刻t1において、直交符号読み出し回路20Bは、アドレスカウンタ22にカウント信号を出力し、初期状態から、カウント信号を1つ計数した結果としてアドレスt1を出力させ、コードメモリ21からアドレスt1の直交符号のビット配列{0(LSB),1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1(MSB)}を読み出す。
Next, a specific column wiring driving operation will be described with reference to FIGS.
At time t1, the column
そして、直交符号読み出し回路20Bは、読み出したビット配列の各ビットのデータを、格納用レジスタ23の各レジスタへ書き込む。
これにより、列配線駆動部5は、格納用レジスタ23から反転回路24を介して、アドレスt1に対応する直交符号のビット配列が入力されることにより、上記ビット配列のビットのデータが「1」の場合に駆動信号を出力し、「0」の場合に駆動信号を出力しないため、時刻t1における直交符号のビット配列において、列配線群2における列配線C1,C3,C5,C7,C9,C11,C13,C15各々に駆動信号を出力し、複数の交差部の容量の測定データを多重化する。このとき、アドレスが奇数のため、反転回路24は、反転処理を行わずに、コードメモリ21のアドレスt1から読み出された直交符号のデータをそのまま列配線駆動部5に出力する。
Then, the orthogonal
As a result, the column
次に、時刻t2において、時刻t1の状態から、カウント信号を1つ計数した結果としてアドレスt2を出力させるが、コードメモリ21からはアドレスt1の直交符号のビット配列が読み出されたままとなっている。
そして、直交符号読み出し回路20Bは、時刻t1のときと同様に、アドレスt1によりコードメモリ21から読み出したビット配列の各ビットのデータを、格納用レジスタ23の各レジスタへ書き込む。
このとき、反転回路24は、入力されているアドレスt1の直交符号の各ビットを反転し、偶数のアドレスt2のビット配列{1(LSB),0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0(MSB)}として出力する。
Next, at time t2, the address t2 is output as a result of counting one count signal from the state at time t1, but the bit array of the orthogonal code at the address t1 is still read from the
Then, the orthogonal
At this time, the
そして、列配線駆動部5は、時刻t1のときと同様に、読み出したビット配列の各ビットのデータに対応して、列配線を駆動する駆動パルス列(P2)を出力する。
これにより、列配線駆動部5は、時刻t2における直交符号のビット配列において、列配線群2における列配線C2,C4,C6,C8,C10,C12,C14,C16各々に駆動信号を出力し、複数の交差部の容量の測定データを多重化する。
Then, similarly to the time t1, the column
Thereby, the column
以下、上述した操作を、時刻t3,t4,t5,…,t29,t30において行うことにより、レジスタ231,232,233,234,235,236,237,238,239,2310,2311,2312,2313,2314,2315,2316各々に、順次、コードメモリ21から、各時刻に対応したアドレスの直交符号のビット配列の各ビットのデータが入力されることになる。
ここで、格納用レジスタ23の各レジスタ231,232,233,234,235,236,237,238,239,2310,2311,2312,2313,2314,2315,2316各々に記憶されているデータは、列配線駆動部5におけるドライバ回路51,52,53,54,55,56,57,58,59,510,511,512,513,514,515,516それぞれに供給される。時刻t1〜t30各々における、複数の交差部の容量を多重化した測定処理が終了した時点において、本発明における指紋採取処理の一周期となる。
Hereinafter, the above-described operation is performed at times t3, t4, t5,..., T29, t30, thereby register 231, 232, 233, 234, 235, 236, 237, 238, 239, 2310, 2311, 2312, 2313. , 2314, 2315, and 2316 are sequentially input from the
Here, the data stored in each
そして、容量検出回路100は、駆動パルス列P各々により、列配線群2の複数の列配線を駆動し、上述した測定処理における16ビットの直交符号を、順次、奇数のアドレスにおいてはコードメモリ21から読み出し、偶数のアドレスにおいては、直前にコードメモリ21から読み出された奇数のアドレスの直交符号のデータを反転させて、各々アドレスt1〜t30毎に異なる30個の測定電圧Vdを、時系列に各行配線毎に得る。この測定電圧VdがA/D変換器9により、測定データdに時系列に変換され、直交符号により多重化された測定データのデータ列{d1,d2,…,d15,…,d29,d30}が得られる。
各行配線毎に、30個の直交符号毎に異なる測定データとして、以下に示すデータとして、復号演算回路10内部のメモリに記憶されている。
d1 =Vs2+Vs4+Vs6+Vs8+Vs10+Vs12+Vs16
d2 =Vs1+Vs3+Vs5+Vs7+Vs9+Vs11+Vs13+Vs15
d3 =Vs3+Vs4+Vs7+Vs8+Vs11+Vs12+Vs15+Vs16
d4 =Vs1+Vs2+Vs5+Vs6+Vs9+Vs10+Vs13+Vs14
.
.
d29 =Vs2+Vs3+Vs5+Vs8+Vs9++Vs12+Vs14+Vs15
d30 =Vs1+Vs4+Vs6+Vs7+Vs10+Vs11+Vs13+Vs16
Then, the
Measurement data different for each of the 30 orthogonal codes for each row wiring is stored in the memory inside the
d1 = Vs2 + Vs4 + Vs6 + Vs8 + Vs10 + Vs12 + Vs16
d2 = Vs1 + Vs3 + Vs5 + Vs7 + Vs9 + Vs11 + Vs13 + Vs15
d3 = Vs3 + Vs4 + Vs7 + Vs8 + Vs11 + Vs12 + Vs15 + Vs16
d4 = Vs1 + Vs2 + Vs5 + Vs6 + Vs9 + Vs10 + Vs13 + Vs14
.
.
d29 = Vs2 + Vs3 + Vs5 + Vs8 + Vs9 +++ Vs12 + Vs14 + Vs15
d30 = Vs1 + Vs4 + Vs6 + Vs7 + Vs10 + Vs11 + Vs13 + Vs16
ここで、Vsj(1≦j≦15、列配線の番号に対応)は駆動された各列配線と行配線との交差部のセンサ素子の各容量が電圧に変換された電圧データ(デジタル値)であり、各測定データdは直交符号に基づいて駆動された列配線に対応するセンサ素子の容量により多重化されている。
すでに述べた(1)式において、列配線群2において半数(8本)が、直交符号に基づいて同時に駆動されるため、半数の交差部のセンサ素子の容量Csjに対応した電圧データVsjの積算された値が測定データdiとして求められる。ここで「j」は列配線Cの番号であり、「i」は測定データの番号(アドレスtiの各順番に対応)であり、i=1,2,3,…、j=1,2,3,…とする。
そして、復号演算回路10は、上記多重化されている測定データと、多重化に用いた直交符号とにより、各センサ素子の電圧データVsを(2)式により求める。
Here, Vsj (1 ≦ j ≦ 15, corresponding to the column wiring number) is voltage data (digital value) obtained by converting each capacitance of the sensor element at the intersection of each driven column wiring and row wiring into a voltage. Each measurement data d is multiplexed by the capacitance of the sensor element corresponding to the column wiring driven based on the orthogonal code.
In the already-described expression (1), half (eight) in the
Then, the
すでに述べたように、直交符号を順次、奇数のアドレスの場合、コードメモリ21から読み出し、偶数のアドレスの場合、直前の奇数のアドレスに対応する直交符号のデータを反転して、多重化して求められた時系列な測定データdは、上記(2)式により、直交符号と測定データdとの積和演算により、行配線と駆動された列配線との交差部のセンサ素子の容量に対応する電圧データds、すなわち電圧データVsに分離することができる。
ここで、この(2)式において、第1の実施形態と同様に、直交符号のビットのデータがCD(i,j)=1のとき、CDs(i,j)=+1であり、CD(i,j)=0のとき、CDs(i,j)=−1とする。
復号演算回路10は、この(2)式を用いて測定データdから電圧データdsへの分離の演算を行う。
As described above, the orthogonal codes are sequentially read from the
In this equation (2), as in the first embodiment, when the bit data of the orthogonal code is CD (i, j) = 1, CDs (i, j) = + 1, and CD ( When i, j) = 0, CDs (i, j) =-1.
The
すなわち、センサ素子毎の電圧データds、すなわち電圧データ{ds1,ds2,ds3,…,ds14,ds15}を求めるとき、行配線単位で電圧データdsを、直交符号により多重化して、測定データのデータ列{d1,d2,d3,…,d14,d15}が求められているので、まず測定データdi毎に直交符号のビット列{0(LSB),1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1(MSB)}の各ビットのデータCD(i,j)を係数として乗算する。 That is, when obtaining the voltage data ds for each sensor element, that is, the voltage data {ds1, ds2, ds3,..., Ds14, ds15}, the voltage data ds is multiplexed by orthogonal codes in units of row wirings, and the data of the measurement data is obtained. Since the sequence {d1, d2, d3,..., D14, d15} is obtained, first, the bit sequence {0 (LSB), 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1 of the orthogonal code for each measurement data di. , 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1 (MSB)} The bit data CD (i, j) is multiplied as a coefficient.
ここで、ビット列の順番は各列配線の順番に順次対応しており、例えば、LSBのビットは列配線C1に対応し、MSBのビットは列配線C15に対応している。次に、列配線C1の交差部に対応する電圧データds1は、アドレスt1〜t15の各直交符号のビット配列のLSBのビット列{0(t1),1(t2),0(t3),1(t4),0(t5),1(t6),0(t7),1(t8),0(t9),1(t10),0(t11),1(t12),0(t13),1(t14),0(t15),1(t16,0(t17),1(t18),0(t19),1(t20),0(t21),1(t22),0(t23),1(t24),0(t25),1(t26),0(t27),1(t28),0(t29),1(t30)}として、このビット列の各ビットのデータCD(i,j)を係数として、測定データdi毎に乗算し一周期に渡って積算する。 Here, the order of the bit columns sequentially corresponds to the order of the column wirings. For example, the LSB bit corresponds to the column wiring C1, and the MSB bit corresponds to the column wiring C15. Next, the voltage data ds1 corresponding to the intersection of the column wiring C1 is the LSB bit string {0 (t1), 1 (t2), 0 (t3), 1 ( t4), 0 (t5), 1 (t6), 0 (t7), 1 (t8), 0 (t9), 1 (t10), 0 (t11), 1 (t12), 0 (t13), 1 ( t14), 0 (t15), 1 (t16, 0 (t17), 1 (t18), 0 (t19), 1 (t20), 0 (t21), 1 (t22), 0 (t23), 1 (t24 ), 0 (t25), 1 (t26), 0 (t27), 1 (t28), 0 (t29), 1 (t30)}, and the data CD (i, j) of each bit of this bit string as a coefficient Multiply every measurement data di and integrate over one period.
すなわち、列配線C1は、時刻t1にアドレスt1における直交符号のLSB(1ビット目)のビットのデータに対応して駆動され、時刻t2にアドレスt2における直交符号のLSBのデータに対応して駆動され,…,時刻t30にアドレスt30における直交符号のLSBのビットのデータに対応して駆動されているため、積和演算においても、対応した直交符号のビットのデータを乗算して加算することとなる。 That is, the column wiring C1 is driven corresponding to the data of the LSB (first bit) of the orthogonal code at the address t1 at time t1, and is driven corresponding to the LSB data of the orthogonal code at the address t2 at time t2. ..,... Are driven corresponding to the LSB bit data of the orthogonal code at the address t30 at the time t30, so that in the product-sum operation, the corresponding orthogonal code bit data is multiplied and added. Become.
同様に、列配線C2の交差部に対応する電圧データdS2は、時刻t1にアドレスt1における直交符号の2ビット目のデータに対応して駆動され、時刻t2にアドレスt2における直交符号の2ビット目のデータに対応して駆動され,…,時刻t30にアドレスt30における直交符号の2ビット目のデータに対応して駆動されているため、積和演算においても、対応した直交符号のビットのデータを乗算して加算することとなる。
すなわち、電圧データds2は、アドレスt1〜t15の各直交符号のビット配列の2ビット目からなるビット列{1(t1),0(t2),1(t3),0(t4),1(t5),0(t6),1(t7),0(t8),1(t9),0(t10),1(t11),0(t12),1(t13),0(t14),1(t15)0(t16,1(t17),0(t18),1(t19),0(t20),1(t21),0(t22),1(t23),0(t24),1(t25),0(t26),1(t27),0(t28),1(t29),0(t30)}として、このビット列の各ビットのデータCD(i,j)を係数として、測定データdi毎に乗算し一周期に渡って積算する。
Similarly, the voltage data dS2 corresponding to the intersection of the column wiring C2 is driven corresponding to the second bit data of the orthogonal code at the address t1 at the time t1, and the second bit of the orthogonal code at the address t2 at the time t2. ,..., And at the time t30, the data is driven corresponding to the second bit data of the orthogonal code at the address t30. Multiply and add.
That is, the voltage data ds2 is a bit string {1 (t1), 0 (t2), 1 (t3), 0 (t4), 1 (t5) composed of the second bit of the bit arrangement of each orthogonal code at addresses t1 to t15. , 0 (t6), 1 (t7), 0 (t8), 1 (t9), 0 (t10), 1 (t11), 0 (t12), 1 (t13), 0 (t14), 1 (t15) 0 (t16, 1 (t17), 0 (t18), 1 (t19), 0 (t20), 1 (t21), 0 (t22), 1 (t23), 0 (t24), 1 (t25), 0 (T26), 1 (t27), 0 (t28), 1 (t29), 0 (t30)}, the data CD (i, j) of each bit of this bit string is used as a coefficient and multiplied for each measurement data di Accumulate over one cycle.
上述したように、各交差部各々の容量に対応する電圧は、対応する列配線に、時刻t1〜t30において印加されたデータに対応したビット列の各ビットのデータCD(i,j)を係数として、測定データdi毎に乗算し、1周期に渡って積算する。この処理は、直交符号に対する積和演算に相当し、以下に示すように、各交差部に対応する電圧データdSjは、測定データdiと、コードメモリ21に記憶された各直交符号のビット配列のデータとの積和演算により求められる。
As described above, the voltage corresponding to the capacitance of each intersection is obtained by using the data CD (i, j) of each bit of the bit string corresponding to the data applied to the corresponding column wiring at the time t1 to t30 as a coefficient. Multiply every measurement data di and integrate over one period. This process corresponds to a product-sum operation on orthogonal codes. As shown below, voltage data dSj corresponding to each intersection is obtained by measuring data di and the bit array of each orthogonal code stored in the
本実施形態における16本の列配線に対応した、コードメモリ21に記憶された、または反転された図13に示す直交符号において、各アドレスt1〜t30の直交符号のビット配列により、復号演算回路10は、(2)式に基づいて、
ds1 =−d1−d3−d5−d7−d9−d11−d13−d15−d17−d19−d21−d23−d25−d27−d29+d2+d4+d6+d8+d10+d12+d14+d16+d18+d20+d22+d24+d26+d28+d30
ds2 =d1−d3+d5−d7+d9−d11+d13−d15+d17−d19+d21−d23+d25−d27+d29−d2+d4−d6+d8−d10+d12−d14+d16−d18+d20−d22+d24−d26+d28−d30
ds3 =−d1+d3+d5−d7−d9+d11+d13−d15−d17+d19+d21−d23−d25+d27+d29+d2−d4−d6+d8+d10−d12−d14+d16+d20−d22+d24+d26−d28−d30
・
・
・
ds15 =d1+d3−d5+d7−d9−d11+d13+d15−d17−d19+d21−d23+d25+d27−d29−d2−d4+d6−d8+d10+d12−d14−d16+d18+d20−d22+d24−d26−d28+d30
の演算を行い、測定データdiのデータ列から各センサ素子の容量値に対応する電圧データdsjに分離する。
In the orthogonal code shown in FIG. 13 corresponding to the 16 column wirings in the present embodiment and stored in the
ds1 = -d1-d3-d5-d7-d9-d11-d13-d15-d17-d19-d21-d23-d25-d27-d29 + d2 + d4 + d6 + d8 + d10 + d12 + d14 + d16 + d18 + d20 + d22 + d24 + d26 + d28 + d30
ds2 = d1-d3 + d5-d7 + d9-d11 + d13-d15 + d17-d19 + d21-d23 + d25-d27 + d29-d2 + d4-d6 + d8-d10 + d12-d14 + d16-d18 + d20-d22 + d24-d26 + d28-d30
ds3 = -d1 + d3 + d5-d7-d9 + d11 + d13-d15-d17 + d19 + d21-d23-d25 + d27 + d29 + d2-d4-d6 + d8 + d10-d12-d14 + d16 + d20-d22 + d24 + d26-d28-d30
・
・
・
ds15 = d1 + d3-d5 + d7-d9-d11 + d13 + d15-d17-d19 + d21-d23 + d25 + d27-d29-d2-d4 + d6-d8 + d10 + d12-d14-d16 + d18 + d20-d22 + d24-d26-d28 + d30
And the voltage data dsj corresponding to the capacitance value of each sensor element is separated from the data string of the measurement data di.
上述したように、第1の実施形態においては、複数の列配線を、直交符号に基づいて同時に駆動させ、次のタイミングにおいて、コードメモリ21から時刻に対応したアドレスの直交符号を読み出して測定を行うという操作を繰り返し、一方、検出側で時系列に得られたデータを直交符号との積和演算処理を施すことで、他の列配線との交差部容量からの影響をほぼ平均化すると同時に、対象となる列配線との交差部のセンサ素子(容量センサ)に充放電される電荷の情報のみを抽出することができる。
As described above, in the first embodiment, a plurality of column wirings are simultaneously driven based on the orthogonal code, and at the next timing, the orthogonal code of the address corresponding to the time is read from the
第1及び第2の実施形態においては、図4に示すような、列配線と行配線との交差部に形成されるセンサ素子の容量の多重化した測定の説明を行った。しかしながら、第3の実施形態においては、図16に示すアクティブマトリクス型センサであるセンサ部4Cに適用した場合の構成を説明する。
直交符号発生部1から、所定の直交符号のビット列が列配線駆動回路5に入力され、列配線群2の複数の列配線を駆動し、行配線単位に単位容量セル70(センサ素子)の容量を多重化する点において、第5の実施形態も第1及び第2の実施形態と同様である。また、容量検出回路200にも、構成及び動作がおいて、第1及び第2の実施形態と同様であるが、チャージアンプ回路6が、図17に示すチャージアンプ回路72に置き換えられている。容量検出回路200は、チャージアンプ回路が置き換わっている以外は全て同一の構成である。
In the first and second embodiments, the description has been given of the multiplexed measurement of the capacitance of the sensor element formed at the intersection of the column wiring and the row wiring as shown in FIG. However, in the third embodiment, a configuration when applied to the sensor unit 4C which is an active matrix sensor shown in FIG. 16 will be described.
A bit string of a predetermined orthogonal code is input from the
このチャージアンプ回路72は、図17に示す構成をしており、チャージアンプ回路6と同様な構成については同一の符号を付している。アクティブマトリックス型センサの測定方法が若干異なるため、チャージアンプ回路72がチャージアンプ回路6と異なる点のみの測定動作を説明する。
指紋データの測定前において、スイッチ73をオフ状態とし、スイッチ74,スイッチ124及びビット1に対応する複数の列配線に接続されたセル選択スイッチ71をオン状態として、単位容量セル70(容量Cs)及び寄生容量CDを電圧Vcとなるまで電荷の蓄積を行い、一旦全てのスイッチをオフ状態とする。
The
Before measuring the fingerprint data, the
そして、指紋データの測定において、スイッチ74,スイッチ124をオフ状態としたままで、スイッチ73及びセル選択スイッチ71を同時にオン状態として、指がセンサ部4Cに乗っている場合、各単位容量セル70の容量Csが変化するため、電圧Vcと基準電圧Vrefの電圧差により生じた電荷の総和に対応した電圧がオペアンプ121の出力端子に発生して、これを測定データdとして、復号演算回路10の内部メモリに記憶される。この電荷の蓄積及び検出電圧の測定というシーケンスを繰り返すことで多重化された測定データ列diが得られる。そして、復号演算回路10は、すでに述べた復号処理の演算により、内部メモリに記憶されている測定データdのデータ列から、各単位容量セル70の容量Csに対応する電圧データdsを求める。
In the measurement of fingerprint data, when the
なお、第1〜第3の実施形態のそれぞれにおいて、なお図1における復号演算回路10の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより多重化された測定データdiのデータ列から、各センサ素子の容量に対応した電圧データdsjの復号のための演算処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)を備えたWWWシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(RAM)のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
In each of the first to third embodiments, a program for realizing the function of the
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。 The program may be transmitted from a computer system storing the program in a storage device or the like to another computer system via a transmission medium or by a transmission wave in the transmission medium. Here, the “transmission medium” for transmitting the program refers to a medium having a function of transmitting information, such as a network (communication network) such as the Internet or a communication line (communication line) such as a telephone line. The program may be for realizing a part of the functions described above. Furthermore, what can implement | achieve the function mentioned above in combination with the program already recorded on the computer system, and what is called a difference file (difference program) may be sufficient.
1…直交符号発生部
2…列配線群
3…行配線群
4,4B…センサ部
5…列配線駆動部
6,72…チャージアンプ回路
7…サンプルホールド回路
8…セレクタ回路
9…A/D変換器
10…復号演算回路
11…タイミング制御回路
20,20B…直交符号読み出し回路
21…コードメモリ
22…アドレスカウンタ
23…格納用レジスタ
24…反転回路
50…基板
51…絶縁膜
52…空隙
54…フィルム
100…容量検出回路
DESCRIPTION OF
Claims (7)
直交符号を生成し、該直交符号を時系列に変化させて、列駆動信号として出力する直交符号発生手段と、
該列駆動信号に対応させて、前記列配線における複数の列配線を選択して駆動させる列配線駆動手段と、
前記行配線に接続され、選択された列配線に対応する前記交差部各々の容量変化の総和を電圧信号に変換して、検出電圧として出力する容量検出手段と、
前記容量検出手段から、時系列に出力される検出電圧のデータ列を、該直交符号に基づいて所定の演算により復号し、前記交差部各々の容量変化に対応した電圧を分離する復号演算回路と
を有することを特徴とする容量検出回路。 A capacitance detection circuit that detects a change in capacitance at an intersection between a column wiring and a row wiring in a capacitance sensor configured by intersecting row wiring with respect to a plurality of column wirings.
Orthogonal code generating means for generating an orthogonal code, changing the orthogonal code in a time series, and outputting it as a column drive signal;
Column wiring driving means for selecting and driving a plurality of column wirings in the column wiring corresponding to the column driving signal;
Capacitance detecting means connected to the row wiring and converting the sum of the capacitance changes of the intersections corresponding to the selected column wiring into a voltage signal and outputting it as a detection voltage;
A decoding calculation circuit for decoding a data string of detection voltages output in time series from the capacitance detection means by a predetermined calculation based on the orthogonal code, and separating a voltage corresponding to a capacitance change at each of the intersections; A capacitance detection circuit comprising:
直交符号発生手段により、直交符号を生成し、該直交符号を時系列に変化させて、列駆動信号として出力する過程と、
列配線駆動手段により、該列駆動信号に対応させて、前記列配線における複数の列配線を選択して駆動させる過程と、
容量検出手段により、前記行配線に接続され、選択された列配線に対応する前記交差部各々の容量変化の総和を電圧信号に変換して、検出電圧として出力する過程と、
復号演算回路により、前記容量検出手段から、時系列に出力される検出電圧のデータ列を、該直交符号に基づいて所定の演算により復号し、前記交差部各々の容量変化に対応した電圧を分離する過程と
を有することを特徴とする容量検出方法。
A capacitance detection method for detecting a change in capacitance at an intersection between a column wiring and a row wiring in a capacitance sensor composed of a plurality of column wirings and a plurality of row wirings.
A process of generating an orthogonal code by the orthogonal code generating means, changing the orthogonal code in a time series, and outputting as a column drive signal;
A step of selecting and driving a plurality of column wirings in the column wiring in response to the column driving signal by a column wiring driving means;
A step of converting a sum of changes in capacitance of each of the intersections corresponding to the selected column wiring to a voltage signal by the capacitance detection means, and outputting as a detection voltage;
A decoding calculation circuit decodes a data string of detection voltages output in time series from the capacity detection means by a predetermined calculation based on the orthogonal code, and separates a voltage corresponding to a capacitance change at each of the intersections. A capacity detection method comprising:
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