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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023173685
(43)【公開日】2023-12-07
(54)【発明の名称】超音波センサ装置及びその制御方法
(51)【国際特許分類】
G01S 7/521 20060101AFI20231130BHJP
G01S 15/89 20060101ALI20231130BHJP
【ＦＩ】
G01S7/521 A
G01S15/89 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022086116
(22)【出願日】2022-05-26
(71)【出願人】
【識別番号】518078142
【氏名又は名称】上海天馬微電子有限公司
(74)【代理人】
【識別番号】110001678
【氏名又は名称】藤央弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】芳賀 浩史
(72)【発明者】
【氏名】竹内 伸
(72)【発明者】
【氏名】世良 賢二
(72)【発明者】
【氏名】林 健一
(72)【発明者】
【氏名】ロ ホウ
(72)【発明者】
【氏名】ゲ ゴウチ
(72)【発明者】
【氏名】ヨウ キクン
【テーマコード（参考）】
5J083
【Ｆターム（参考）】
5J083AA02
5J083AB20
5J083AC18
5J083AD04
5J083AE08
5J083AF01
5J083BA02
5J083BE11
5J083BE53
5J083CA01
5J083CA13
5J083CB16
5J083DC10
(57)【要約】
【課題】超音波センサ装置のＳＮ比を改善する。
【解決手段】超音波センサ装置は、超音波トランスデューサをそれぞれ含む複数画素と、複数画素を制御する制御回路と、を含む。複数画素の各画素は、超音波トランスデューサの受信信号を保持して、制御回路に応答信号として送信する。制御回路は、超音波トランスデューサに励振を与えた後に画素から送信される応答信号である、励振応答信号を取得する。制御回路は、超音波トランスデューサに励振を与えることなく画素から送信される応答信号である、無励振応答信号を取得する。制御回路は、無励振応答信号に基づいて、励振応答信号を補正する。
【選択図】図８
【解決手段】超音波センサ装置は、超音波トランスデューサをそれぞれ含む複数画素と、複数画素を制御する制御回路と、を含む。複数画素の各画素は、超音波トランスデューサの受信信号を保持して、制御回路に応答信号として送信する。制御回路は、超音波トランスデューサに励振を与えた後に画素から送信される応答信号である、励振応答信号を取得する。制御回路は、超音波トランスデューサに励振を与えることなく画素から送信される応答信号である、無励振応答信号を取得する。制御回路は、無励振応答信号に基づいて、励振応答信号を補正する。
【選択図】図８
【特許請求の範囲】
【請求項1】
超音波センサ装置であって、
超音波トランスデューサをそれぞれ含む複数画素と、
前記複数画素を制御する、制御回路と、
を含み、
前記複数画素の各画素は、前記超音波トランスデューサの受信信号を保持して、前記制御回路に応答信号として送信し、
前記制御回路は、
前記超音波トランスデューサに励振を与えた後に前記画素から送信される応答信号である、励振応答信号を取得し、
前記超音波トランスデューサに励振を与えることなく前記画素から送信される応答信号である、無励振応答信号を取得し、
前記無励振応答信号に基づいて、前記励振応答信号を補正する、
超音波センサ装置。
超音波トランスデューサをそれぞれ含む複数画素と、
前記複数画素を制御する、制御回路と、
を含み、
前記複数画素の各画素は、前記超音波トランスデューサの受信信号を保持して、前記制御回路に応答信号として送信し、
前記制御回路は、
前記超音波トランスデューサに励振を与えた後に前記画素から送信される応答信号である、励振応答信号を取得し、
前記超音波トランスデューサに励振を与えることなく前記画素から送信される応答信号である、無励振応答信号を取得し、
前記無励振応答信号に基づいて、前記励振応答信号を補正する、
超音波センサ装置。
【請求項2】
請求項１に記載の超音波センサ装置であって、
前記制御回路は、
対象物が存在しない状態で、第１励振応答信号及び第１無励振応答信号を取得し、
前記第１無励振応答信号に基づき、前記第１励振応答信号を補正し、
前記対象物が存在する状態で、第２励振応答信号及び第２無励振応答信号を取得し、
前記第２無励振応答信号に基づき、前記第２励振応答信号を補正し、
補正された前記第１励振応答信号と補正された前記第２励振応答信号との比較結果に基づき、前記対象物による励振応答信号を決定する、
超音波センサ装置。
前記制御回路は、
対象物が存在しない状態で、第１励振応答信号及び第１無励振応答信号を取得し、
前記第１無励振応答信号に基づき、前記第１励振応答信号を補正し、
前記対象物が存在する状態で、第２励振応答信号及び第２無励振応答信号を取得し、
前記第２無励振応答信号に基づき、前記第２励振応答信号を補正し、
補正された前記第１励振応答信号と補正された前記第２励振応答信号との比較結果に基づき、前記対象物による励振応答信号を決定する、
超音波センサ装置。
【請求項3】
請求項１に記載の超音波センサ装置であって、
前記制御回路は、
連続する複数フレームの各フレームにおいて、前記複数画素を制御して前記複数画素の各画素から応答信号を取得し、
連続する二つのフレームの一方において、前記励振応答信号を取得し、
前記連続する二つのフレームの他方において、前記無励振応答信号を取得する、
超音波センサ装置。
前記制御回路は、
連続する複数フレームの各フレームにおいて、前記複数画素を制御して前記複数画素の各画素から応答信号を取得し、
連続する二つのフレームの一方において、前記励振応答信号を取得し、
前記連続する二つのフレームの他方において、前記無励振応答信号を取得する、
超音波センサ装置。
【請求項4】
請求項１に記載の超音波センサ装置であって、
前記複数画素の各画素は、前記超音波トランスデューサの出力ノードにカソードが接続されたダイオードを含み、
前記制御回路は、
前記超音波トランスデューサの励振後に、励前記ダイオードのカソードにバイアスパルスを与え、
対象物が存在しない状態で、第３励振応答信号及び第３無励振応答信号を取得し、
前記第３励振応答信号及び前記第３無励振応答信号の差に基づいて、前記バイアスパルスのパルス幅を調整する、
超音波センサ装置。
前記複数画素の各画素は、前記超音波トランスデューサの出力ノードにカソードが接続されたダイオードを含み、
前記制御回路は、
前記超音波トランスデューサの励振後に、励前記ダイオードのカソードにバイアスパルスを与え、
対象物が存在しない状態で、第３励振応答信号及び第３無励振応答信号を取得し、
前記第３励振応答信号及び前記第３無励振応答信号の差に基づいて、前記バイアスパルスのパルス幅を調整する、
超音波センサ装置。
【請求項5】
請求項４に記載の超音波センサ装置であって、
前記制御回路は、
前記バイアスパルスの異なるパルス幅において、前記第３励振応答信号及び前記第３無励振応答信号の差を取得し、
前記バイアスパルスのパルス幅と前記第３励振応答信号及び前記第３無励振応答信号の差との間の関係を特定し、
前記関係における極値を決定し、
前記極値を含む予め設定された範囲内から前記バイアスパルスのパルス幅を選択する、
超音波センサ装置。
前記制御回路は、
前記バイアスパルスの異なるパルス幅において、前記第３励振応答信号及び前記第３無励振応答信号の差を取得し、
前記バイアスパルスのパルス幅と前記第３励振応答信号及び前記第３無励振応答信号の差との間の関係を特定し、
前記関係における極値を決定し、
前記極値を含む予め設定された範囲内から前記バイアスパルスのパルス幅を選択する、
超音波センサ装置。
【請求項6】
請求項１に記載の超音波センサ装置であって、
前記複数画素は、複数画素グループで構成され、
前記複数画素グループは、それぞれ、１以上の画素で構成され、
前記超音波トランスデューサは、圧電材料層及び前記圧電材料層を挟む二つの電極を含む圧電素子であり、
前記複数画素グループの各画素グループの前記超音波トランスデューサの一方の電極は、各画素グループ内の一つの共通電極の一部であり、
異なる画素グループの共通電極は互いに分離されて個別制御される、
超音波センサ装置。
前記複数画素は、複数画素グループで構成され、
前記複数画素グループは、それぞれ、１以上の画素で構成され、
前記超音波トランスデューサは、圧電材料層及び前記圧電材料層を挟む二つの電極を含む圧電素子であり、
前記複数画素グループの各画素グループの前記超音波トランスデューサの一方の電極は、各画素グループ内の一つの共通電極の一部であり、
異なる画素グループの共通電極は互いに分離されて個別制御される、
超音波センサ装置。
【請求項7】
請求項６に記載の超音波センサ装置であって、
前記複数画素の各画素は、前記超音波トランスデューサの出力ノードにカソードが接続されたダイオードを含み、
前記複数画素グループのそれぞれに、分離されたダイオードバイアス配線がレイアウトされている、
超音波センサ装置。
前記複数画素の各画素は、前記超音波トランスデューサの出力ノードにカソードが接続されたダイオードを含み、
前記複数画素グループのそれぞれに、分離されたダイオードバイアス配線がレイアウトされている、
超音波センサ装置。
【請求項8】
超音波トランスデューサをそれぞれ含む複数画素を含む超音波センサ装置の制御方法であって、
前記超音波トランスデューサに励振を与えた後に前記画素から送信される応答信号である、励振応答信号を取得し、
前記超音波トランスデューサに励振を与えることなく前記画素から送信される応答信号である、無励振応答信号を取得し、
前記無励振応答信号に基づいて、前記励振応答信号を補正する、
制御方法。
前記超音波トランスデューサに励振を与えた後に前記画素から送信される応答信号である、励振応答信号を取得し、
前記超音波トランスデューサに励振を与えることなく前記画素から送信される応答信号である、無励振応答信号を取得し、
前記無励振応答信号に基づいて、前記励振応答信号を補正する、
制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、超音波センサ装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
物体の非破壊検査や、物体検知、指紋の読み取りなど、超音波センサは様々な分野で利用されている。例えば、指紋センサとして、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）を利用する集積化ＭＥＭＳ超音波指紋センサや、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）超音波指紋センサが開発されている。これらは、二次元配列された画素からなる画素アレイを含み、各画素は、超音波トランスデューサを含む。
【0003】
超音波トランスデューサは、例えば圧電素子である。画素内の超音波トランスデューサは、超音波の送信及び受信を行う一つの素子で構成されてもよく、超音波の送信を行うトランスミッタと超音波の受信を行うレシーバとで構成されてもよい。具体的には、超音波トランスデューサは、電気信号に応じて超音波を発し、対象物で反射された超音波を受信して電気信号に変換する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】米国特許出願公開第２０１８／００４６８３６号
【特許文献2】米国特許出願公開第２０１８／００３１６８６号
【特許文献3】米国特許出願公開第２０１８／０２６０６０２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
発明者らの研究によれば、超音波トランスデューサを含む画素からの信号のＳＮ比は、小さくなりやすいことがわかった。例えば、大きい低周波ノイズや試行ごとの信号の大きいばらつきといった、不具合が発生し得ることが分かった。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の一態様は、超音波センサ装置であって、超音波トランスデューサをそれぞれ含む複数画素と、前記複数画素を制御する、制御回路と、を含み、前記複数画素の各画素は、前記超音波トランスデューサの受信信号を保持して、前記制御回路に応答信号として送信し、前記制御回路は、前記超音波トランスデューサに励振を与えた後に前記画素から送信される応答信号である、励振応答信号を取得し、前記超音波トランスデューサに励振を与えることなく前記画素から送信される応答信号である、無励振応答信号を取得し、前記無励振応答信号に基づいて、前記励振応答信号を補正する。
【0007】
本開示の一態様は、超音波トランスデューサをそれぞれ含む複数画素を含む超音波センサ装置の制御方法であって、前記超音波トランスデューサに励振を与えた後に前記画素から送信される応答信号である、励振応答信号を取得し、前記超音波トランスデューサに励振を与えることなく前記画素から送信される応答信号である、無励振応答信号を取得し、前記無励振応答信号に基づいて、前記励振応答信号を補正する。
【発明の効果】
【0008】
本開示の一態様によれば、超音波センサ装置のＳＮ比を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】実施形態の超音波センサ装置の構成を示したブロック図である。
【図2】実施形態の画素アレイ基板の画素の回路構成を示した回路図である。
【図3】超音波センサ装置を含む端末の構成例を示す。
【図4】画素の断面構造の一部を模式的に示す。
【図5】本開示の超音波センサ装置で、１フレーム（１単位期間）における、センシング動作例を示すタイミングチャートである。
【図6】センシング対象物が存在する場合の励振応答信号と、センシング対象物が存在しない場合の励振応答信号の測定結果を示す。
【図7A】対象物が存在する場合の励振応答信号と対象物が存在しない励振応答信号との間の差の測定結果を示す。
【図7B】対象物が存在する場合の励振応答信号と対象物が存在しない励振応答信号との間の差の測定結果を示す。
【図8】無励振応答信号により励振応答信号を補正する動作を説明するための図である。
【図9】くし型フィルタの構成を模式的に示す。
【図10】二段階の補正処理を含む、指紋読み取のための、画素の応答信号の処理方法を説明する図である。
【図11A】対象物を伴う励振応答信号Ｖｏｕｔ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）と対象物を伴わない励振応答信号Ｖｏｕｔ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）と差の複数回の測定結果を示す。
【図11B】対象物を伴う補正励振応答信号＾Ｓ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）と対象物を伴わない補正励振応答信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）と差の複数回の測定結果を示す。
【図12】バイアスパルス幅Ｔｄｂと、＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）を含むいくつかの信号との関係の測定結果を示す。
【図13】指紋センサ装置の制御方法の例を示すフローチャートである。
【図15】画素領域１２を二つの部分領域に分けた構成例を模式的に示す。
【図16】分割された画素領域の駆動方法の一例を示すシーケンス図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下において、本開示の超音波センサ装置について図面を参照して詳細に説明する。各図面における各構成要素の大きさや縮尺は、図の視認性を確保するために適宜変更して記載している。また、各図面におけるハッチングは、各構成要素を区別するためのものであり、必ずしも切断面を意味するものではない。また、スイッチング素子あるいは増幅素子として用いられる非線形素子についてトランジスタという呼称を用いるが、トランジスタはＴｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＴＦＴ）を含む。
【0011】
本開示の超音波センサ装置は、例えば、医療又は産業用の検査分野や、指紋や物体の検出のために利用可能である。本明細書の一実施形態の超音波センサ装置は、配列された複数画素からなる画素アレイを含む。画素アレイは、例えば、１位次元配列又は二次元配列の画素で構成される。
【0012】
各画素は、超音波トランスデューサを含む。超音波トランスデューサは、超音波を送信及び受信する。超音波トランスデューサは、超音波の送信及び受信を行う一つの素子で構成されてもよく、超音波の送信を行うトランスミッタと超音波の受信を行うレシーバとで構成されてもよい。超音波は、２０ｋＨｚ以上の可聴範囲外の周波数を有している。超音波の周波数は、利用分野及び利用状況に応じて適切に選択される。超音波の周波数は、例えば５ＭＨｚである。あるいは超音波の直進性を高めるためにさらに高い周波数、例えば２０ＭＨｚとしてもよいし、１０００ＭＨｚとすることもできる。
【0013】
本明細書の一実施形態において、超音波トランスデューサは圧電素子である。圧電素子の圧電材料は、無機材料でも、有機材料であってもよい。超音波トランスデューサは、制御回路からの電気信号に応じて超音波を生成し、受信した超音波を電気信号に変換する。画素は、超音波トランスデューサにより変換された電気信号を保持する。超音波トランスデューサにより変換された受信信号は、画素から、制御回路に応答信号として伝送される。
【0014】
発明者らの研究によれば、超音波を送受信する超音波トランスデューサを含む画素からの信号のＳＮ比は、小さくなりやすいことがわかった。例えば、大きい低周波ノイズや試行ごとの信号の大きいばらつきといった、不具合が発生し得ることが分かった。
【0015】
本明細書の一実施形態は、超音波トランスデューサに励振を与えて応答信号を取得し、さらに、超音波トランスデューサに励振を与えずに応答信号を取得する。励振を伴う応答信号は、励振を伴わない応答信号により補正される。これにより、励振を伴う応答信号から効果的に雑音を除去し、対象のより正確なセンシングが可能となる。以下において、励振を伴う応答信号を励振応答信号、励振を伴わない応答信号を無励振応答信号と呼ぶことがある。
【0016】
［装置構成］
図１は本明細書の一実施形態に係る超音波センサ装置の構成例を示したブロック図である。超音波センサ装置１０は、画素アレイ基板１１と制御回路を含む。制御回路は、マルチプレクサ回路１５、駆動回路１４、信号検出回路１６、主制御回路１８を含む。なお、制御回路の一部が省略される又は他の回路が追加されてもよく、一つの回路の一部の機能が他の回路の含まれていてもよい。
図１は本明細書の一実施形態に係る超音波センサ装置の構成例を示したブロック図である。超音波センサ装置１０は、画素アレイ基板１１と制御回路を含む。制御回路は、マルチプレクサ回路１５、駆動回路１４、信号検出回路１６、主制御回路１８を含む。なお、制御回路の一部が省略される又は他の回路が追加されてもよく、一つの回路の一部の機能が他の回路の含まれていてもよい。
【0017】
画素アレイ基板１１は、絶縁性基板（たとえばガラス基板）と、絶縁性基板上に画素１３が縦横のマトリクス状に配置された画素領域１２を含む。本例の画素アレイは２次元配列された画素で構成されるが、１次元配列された画素で構成されてもよい。
【0018】
マルチプレクサ回路１５は、画素アレイ基板１１の絶縁性基板上に形成されており、図１における縦方向に配列した画素列の各々の信号線Ｄｍに接続され、マルチプレクサ回路で時系列に変換することにより、信号線の本数を削減したうえで、信号検出回路１６で検出を行う。
【0019】
駆動回路１４は、画素１３による超音波の送信及び受信ため、画素１３を駆動制御する。マルチプレクサ回路１５は、信号線Ｄｍが伝送する画素１３からの超音波検出信号を受けて、信号検出回路１６に対して出力する。信号検出回路１６は、マルチプレクサ回路で時系列に変換された信号線それぞれからの信号を検出する。
【0020】
主制御回路１８は、駆動回路１４及びマルチプレクサ回路１５、信号検出回路１６を制御する。主制御回路１８は、画素それぞれから出力される応答信号を取得して、必要な処理を行う。本明細書の一実施形態において、主制御回路１８は、各画素からの励振応答信号を、無励振応答信号によって補正する。主制御回路１８による、画素からの応答信号の処理の詳細は後述する。駆動回路１４、信号検出回路１６及び主制御回路１８は、画素アレイ基板１１上に、又は、画素アレイ基板１１と別の部品として実装されてもよい。
【0021】
［画素構成］
図２は一つの画素１３の回路構成を示す。画素１３は、超音波トランスデューサである、圧電素子ＰＥを含む。この圧電素子ＰＥは超音波の発振と受信の両方の機能を有する。圧電素子ＰＥの一方の電極が符号ＴＸで指示されている。電極ＴＸを送信電極、他方の電極を受信電極と呼ぶことがある。後述する素子構成例において、電極ＴＸは上部電極であり他方電極は下部電極である。絶縁基板から遠い側が上であり、近い側が下である。
図２は一つの画素１３の回路構成を示す。画素１３は、超音波トランスデューサである、圧電素子ＰＥを含む。この圧電素子ＰＥは超音波の発振と受信の両方の機能を有する。圧電素子ＰＥの一方の電極が符号ＴＸで指示されている。電極ＴＸを送信電極、他方の電極を受信電極と呼ぶことがある。後述する素子構成例において、電極ＴＸは上部電極であり他方電極は下部電極である。絶縁基板から遠い側が上であり、近い側が下である。
【0022】
圧電素子ＰＥにおいて、受信した超音波振動に応じた電圧ＶＲＸが誘起される。本開示の超音波センサ装置１０の一つの画素回路は、３つの薄膜トランジスタＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、及びダイオードＤ１を含んでいる。薄膜トランジスタの半導体材料は、例えば、低温ポリシリコン、酸化物半導体、又はアモルファスシリコンである。
【0023】
ダイオードＤ１のカソード端子が、トランジスタＴＲ１のゲート端子とトランジスタＴＲ３のソース／ドレイン端子との間のノードＮ１に接続されている。アノード端子は、ダイオードバイアス線ＰＡに接続されている。トランジスタＴＲ１のソース／ドレイン端子の一方は電源線ＰＰに接続され、ソース／ドレイン端子の他方は、トランジスタＴＲ２のソース／ドレイン端子の一方に接続されている。
【0024】
トランジスタＴＲ２のゲート端子は制御線Ｒｎに接続されている。トランジスタＴＲ２のソース／ドレイン端子の他法は、信号線Ｄｍに接続されている。トランジスタＴＲ３のゲート端子は制御線Ｒｎ＋１に接続されている。制御線Ｒｎ＋１が伝送する信号は、次の画素行の制御線Ｒｎが伝送する信号と同一である。トランジスタＴＲ３のソース／ドレイン端子は、ダイオードＤ１のアノード端子及びカソード端子にそれぞれ接続されている。
【0025】
トランジスタＴＲ１（増幅トランジスタ）は、圧電素子ＰＥの一端の電位を増幅する機能を実現する。トランジスタＴＲ２は、スイッチ素子であって、画素回路からの出力を制御する機能を実現する。トランジスタＴＲ３はスイッチ素子であって、圧電素子ＰＥの一端及びトランジスタＴＲ１のゲート電極（ノードＮ１）の電位をリセットする機能を実現する。
【0026】
図１に示した超音波センサ装置１０では、縦方向に複数の画素１３が配列した画素列１つに対して１本の信号線Ｄｍが存在する。同一画素列の画素１３は、すべて信号線Ｄｍに接続されている。この信号線Ｄｍは、画素アレイ基板１１端部において、一つのマルチプレクサ回路１５に接続されている。
【0027】
［素子構造］
図３は、本明細書の一実施形態の画素アレイ基板１１を含む、端末の構成例を模式的に示す。端末は、積層された画素アレイ基板１１、表示パネル３１、及びタッチパネル３２を含む。タッチパネル３２は、静電容量タイプや抵抗膜タイプ等、任意のタイプのタッチ検出方式を採用できる。表示パネル３１は、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）表示パネルや、他のタイプの表示パネルであってよい。表示パネル３１及びタッチパネル３２は、画素アレイ基板１１と共に、主制御回路１８によって制御され得る。
図３は、本明細書の一実施形態の画素アレイ基板１１を含む、端末の構成例を模式的に示す。端末は、積層された画素アレイ基板１１、表示パネル３１、及びタッチパネル３２を含む。タッチパネル３２は、静電容量タイプや抵抗膜タイプ等、任意のタイプのタッチ検出方式を採用できる。表示パネル３１は、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）表示パネルや、他のタイプの表示パネルであってよい。表示パネル３１及びタッチパネル３２は、画素アレイ基板１１と共に、主制御回路１８によって制御され得る。
【0028】
画素アレイ基板１１、表示パネル３１、及びタッチパネル３２の位置関係は、図３の例に限定されず任意である。例えば、画素アレイ基板１１及び表示パネル３１は積層されず、タッチパネル３２の一方側又は異なる側に、面内で（積層方向において見て）離れて配置されてもよい。表示パネルとタッチパネルの積層体と、超音波センサ装置の画素アレイと他のタッチパネルの積層体とが、別に実装されてもよい。画素アレイ基板１１は、表示パネルやタッチパネル等の他の機能パネルと積層されていなくてもよい。
【0029】
図４は、一つの画素の一部の断面構造を模式的に示す。以下の説明において、上下は、図面における上下を示す。画素アレイ基板１１は、絶縁基板１５１と、絶縁基板１５１と対向する媒体２００とを含む。媒体２００は、例えば、樹脂又はガラスの可撓性又は不撓性の絶縁基板である。図３に示すように、媒体２００上に又は媒体に代えて、超音波に影響をあたえない表示パネルやタッチパネルの積層体が配置されてよい。絶縁基板１５１と媒体２００との間に複数の画素が配列される。
【0030】
圧電素子から発信された超音波は、媒体２００の表面で反射され圧電素子に戻ってくる。媒体２００の表面に例えば人体の皮膚などが存在すると、超音波の反射率が変化する。反射超音波の強弱で、皮膚の有無（凹凸）をセンシングすることができる。
【0031】
画素は、絶縁基板１５１上に、下部電極１６２と、上部電極１６６と、圧電材料層１６５とを含む。これらは、超音波トランスデューサである圧電素子を構成する。上部電極１６６と下部電極１６２との間に、圧電材料層１６５が配置されている。圧電材料は有機又は無機材料であってよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を使用できる。あるいはフッ化ビニリデン（ＣＨ２ＣＦ２）と三フッ化エチレン（ＣＦ２ＣＦＨ）の共重合体Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）を使用できる。
【0032】
図４に示す構成例において、複数の画素の上部電極１６６は、それぞれ、一つの共通電極の異なる部分である。本明細書の一実施形態において、画素アレイの全ての画素の上部電極１６６は、画素領域の全面を完全に覆う形状を有する一つの共通電極の異なる部分である。圧電材料層１６５も同様である。な下部電極１６２は、画素間で分離されている。複数の下部電極１６２は、平坦化膜１６１の面上に配置されている。
【0033】
上部電極１６６は送信電極であり、下部電極１６２は受信電極である。上部電極１６６に励振信号を与えることで全ての画素の圧電素子から同時に超音波を発振し、下部電極１６２によって画素固有の受信信号が得られる。上部電極や圧電材料層は、画素毎に分離されていてもよい。
【0034】
画素は、複数のスイッチを含む回路を含む。回路は、圧電素子を駆動制御し、画素回路とも呼ぶ。画素回路は、絶縁基板１５１と下部電極１６２の層との間に形成されている。画素回路は、下部電極１６２の電位を制御すると共に、下部電極１６２の受信信号を保持する。図４に示す構成例は、超音波を発し、反射波を受ける側（図面上側）に、上部電極１６６が配置される。なお、圧電素子と回路の積層位置関係が逆であってもよい。
【0035】
図４は、画素回路において、トランジスタＴＲ３と、トランジスタＴＲ１のゲート電極１５７Ｂとを示す。絶縁基板１５１は、例えばガラス又は樹脂で形成されており、不撓性又は可撓性基板である。絶縁体の下地絶縁層１５２が、絶縁基板１５１上に形成され、その上に、半導体活性層１５５が積層されている。半導体活性層１５５は、低抵抗のソース／ドレイン領域と、それらの間の高抵抗のチャネル領域とを含む。
【0036】
半導体活性層１５５は、ゲート絶縁層１５６で覆われている。ゲート絶縁層１５６を介して、半導体活性層１５５の上にゲート電極が形成されている。図４は、トランジスタＴＲ３のゲート電極１５７Ａと、トランジスタＴＲ１のゲート電極１５７Ｂとを示す。ゲート電極１５７Ａ、１５７Ｂの層上に層間絶縁膜１５８が形成されている。
【0037】
画素領域１２内において、層間絶縁膜１５８上にソース／ドレイン電極１５９、１６０が形成されている。ソース／ドレイン電極１５９、１６０は、例えば、Ａｌ系合金で形成される。ソース／ドレイン電極１５９、１６０は、層間絶縁膜１５８のコンタクトホールに形成されたコンタクト部１６８、１６９によって、半導体活性層１５５に接続されている。
【0038】
配線部１７１が、トランジスタＴＲ３のソース／ドレイン電極１６０から延びており、層間絶縁膜１５８のコンタクトホールに形成されたコンタクト部１７２によって、トランジスタＴＲ１のゲート電極１５７Ｂに接続されている。配線部１７１とソース／ドレイン電極１６０とは、同一金属層含まれ、連続している。
【0039】
ソース／ドレイン電極１５９、１６０及び配線部１７１の上に、絶縁性の平坦化膜１６１が形成される。絶縁性の平坦化膜１６１の上に、下部電極１６２が形成されている。下部電極１６２は、平坦化膜１６１のコンタクトホールに形成されたコンタクト部によってソース／ドレイン電極１６０に接続されている。画素回路は、下部電極１６２の下側に形成されている。
【0040】
下部電極１６２の上に、圧電材料層１６５が形成されている。圧電材料層１６５は、下部電極１６２の上面及び平坦化膜の上面に接触している。圧電材料層１６５の上に、接触して、上部電極１６６が形成されている。下部電極１６２、圧電材料層１６５及び上部電極１６６が、圧電素子を構成する。
【0041】
［励振応答信号の読み取り］
図５は、１フレーム（１単位期間）における、超音波センサ装置１０によるセンシング動作例を示すタイミングチャートである。主制御回路１８は、連続するフレームのフレーム毎に、各画素１３を制御して、応答信号を読み出す。図５を参照して説明する動作例において、超音波センサ装置１０は、フレームの初期期間において超音波を発振し、発振を停止した後、反射超音波を受信する。
図５は、１フレーム（１単位期間）における、超音波センサ装置１０によるセンシング動作例を示すタイミングチャートである。主制御回路１８は、連続するフレームのフレーム毎に、各画素１３を制御して、応答信号を読み出す。図５を参照して説明する動作例において、超音波センサ装置１０は、フレームの初期期間において超音波を発振し、発振を停止した後、反射超音波を受信する。
【0042】
１フレームは、画素アレイの少なくとも一部の画素から応答信号を読み出すための期間である。以下に説明する動作例は、１フレーム内で、全ての画素の圧電素子ＰＥを同時に駆動して超音波を生成し、異なる画素行の応答信号を、データ線それぞれから順次読み出す。
【0043】
図５を参照して、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間は、超音波発振期間である。時刻Ｔ１において、駆動回路１４は、制御線Ｒｎ及び制御線Ｒｎ＋１の電位を、ローレベルからハイレベルに変化させる。これにより、トランジスタＴＲ２及びトランジスタＴＲ３はＯＮとなる。駆動回路１４は、ダイオードバイアス線ＰＡの電位をローレベルに維持する。この結果、圧電素子の受信電極（ノードＮ１）の電位が固定される。
【0044】
トランジスタＴＲ２及びトランジスタＴＲ３をＯＮした後、駆動回路１４は、圧電素子ＰＥの送信電極ＴＸに励振信号を与える。これにより、圧電素子ＰＥが振動して、超音波が発振される。ここでは、画素アレイ基板１１上の全ての画素の圧電素子それぞれの送信電極ＴＸは、一つの共通電極の一部である。そのため、全ての画素の圧電素子が同時に振動する。その後、駆動回路１４は、送信電極ＴＸへの信号を停止する。
【0045】
送信電極ＴＸへの信号を停止した後、時刻Ｔ２において、駆動回路１４は、制御線Ｒｎ及び制御線Ｒｎ＋１の電位を、ハイレベルからローレベルに変化させる。これにより、トランジスタＴＲ２及びトランジスタＴＲ３はＯＦＦとなる。
【0046】
時刻Ｔ２から、圧電素子ＰＥは、反射超音波を受信する。トランジスタＴＲ３がＯＦＦの状態であるので、圧電素子の受信電極がフローティングになり、超音波の受信によって圧電素子ＰＥに誘起電圧ＶＲＸが発生する。図５において、圧電素子ＰＥが超音波を受信していない場合、誘起電圧ＶＲＸは０であり、超音波を受信している場合、誘起電圧ＶＲＸは実効値が０より大きい交流の電圧である。ノードＮ１の電位は、誘起電圧ＶＲＸに応じて変化する。ノードＮ１はトランスデューサの出力ノードである。
【0047】
時刻Ｔ２の後の時刻Ｔ３において、駆動回路１４は、ダイオードバイアス線ＰＡの電位を、ローレベルからハイレベルに変化させる。ダイオードバイアスは、ノードＮ１の電位を、トランジスタＴＲ１が信号線Ｄｍに出力する最適なバイアス電圧に調整する。
【0048】
図５は、誘起電圧ＶＲＸが０でのノードＮ１の電位変化を実線で示し、誘起電圧ＶＲＸが発生している場合のノードＮ１の電位変化を破線で示す。図５に示すように、ノードＮ１の電位は、誘起電圧ＶＲＸとダイオードバイアスに応じて変化する。ノードＮ１の電位は、ダイオードバイアスに応じて上昇する。また、ノードＮ１の電位は、誘起電圧ＶＲＸに応じてさらに上昇する。ダイオードバイアスを与える期間Ｔｄｂは、正確なセンシングのために重要な要素である。この点は後で詳述する。
【0049】
時刻Ｔ３から期間Ｔｄｂ経過後の時刻Ｔ４において、駆動回路１４は、ダイオードバイアス線ＰＡの電位を、ハイレベルからローレベルに変化させる。これにより、ノードＮ１の電位はフローティングとなり、上昇した電位に維持される。つまり、画素は、ノードＮ１に、超音波トランスデューサである圧電素子の受信信号を保持する。
【0050】
その後の時刻Ｔ５からＴ６までのハイレベルのパルスを、制御線Ｒｎに与える。これにより、トランジスタＴＲ２がＯＮ状態になり、トランジスタＴＲ１は、ノードＮ１に保持されている信号を増幅して、応答信号を信号線Ｄｍに出力する。駆動回路１４は、異なる画素行の制御線Ｒｎに対して、順次パルスを出力し、それにより、信号線Ｄｍに接続されている画素から、順次、応答信号が読み出される。
【0051】
信号検出回路１６は、データ線から出力ＯＵＴを受信する。出力ＯＵＴは、順次選択された画素からの応答信号を示す。圧電素子の励振を伴う応答信号は、圧電素子の励振を伴わない応答信号よりΔＶだけ高い電圧である。ΔＶは、ダイオードバイアスの値、ダイオードバイアスの期間、誘起電圧ＶＲＸ等に基づく値である。
【0052】
［励振応答信号の雑音］
ここで、励振応答信号における雑音について説明する。励振応答信号は、超音波トランスデューサの励振を伴う応答信号である。図６は、センシング対象物が存在する場合の励振応答信号と、センシング対象物が存在しない場合の励振応答信号の測定結果を示す。グラフの横軸は時間を示し、縦軸は励振応答信号の電圧を示す。
ここで、励振応答信号における雑音について説明する。励振応答信号は、超音波トランスデューサの励振を伴う応答信号である。図６は、センシング対象物が存在する場合の励振応答信号と、センシング対象物が存在しない場合の励振応答信号の測定結果を示す。グラフの横軸は時間を示し、縦軸は励振応答信号の電圧を示す。
【0053】
図６は、一つのデータ線から順次読み出された異なる画素行の励振応答信号を示す。測定は、対象物としてシリコーンキューブを使用した。この点は、以下に説明する他の測定結果に対して同様である。なお、指紋センサ装置の例において、指紋（指）がタッチ面に接触している部分の励振応答信号は、図６においてセンシング対象物が存在する場合の励振応答信号と近い値を示す。また、指紋がタッチ面から離れている部分の励振応答信号は、図６においてセンシング対象物が存在しない場合の励振応答信号と近い値を示す。
【0054】
図６において、各パルスペアが、各画素行の、対象物が存在する場合としない場合の励振応答信号のペアを示す。例えば、左端のパルスペアは、第１画素行Ｒ１の励振応答信号を示す。１０番目及び１２番目のパルスペアは、それぞれ、１０行目及び１２行目の画素行の励振応答信号のペアを示す。各ペアにおいて、対象物が存在する場合の励振応答信号が、対象物が存在しない場合の励振応答信号より小さい。
【0055】
図６に示すように、励振応答信号の大きさは、画素行間で大きくことなる。また、対象物が存在する場合の励振応答信号と対象物が存在しない励振応答信号との間の差は、励振応答信号の大きさに対してとても小さい。
【0056】
図７Ａ及び７Ｂは、対象物が存在する場合の励振応答信号と対象物が存在しない励振応答信号との間の差の測定結果を示す。図７Ａ及び７Ｂは、２回の測定それぞれの結果を示す。各測定結果は、１０００フレームの測定値の平均値を示す。各グラフは、一つのデータ線から順次読み出された異なる画素行の励振応答信号の差を示す。各グラフの横軸は時間を示し、縦軸は励振応答信号の差を示す。差は、対象物が存在する励振応答信号から対象物が存在しない励振応答信号を引いた値を示す。
【0057】
図７Ａ及び７Ｂにおいて、パルスが、各画素行の、励振応答信号の差分を示す。例えば、左端のパルスは、第１画素行Ｒ１の励振応答信号の差分を示す。１０番目及び１２番目のパルスペアは、それぞれ、１０行目及び１２行目の画素行の励振応答信号の差を示す。上述のように、対象物が存在する励振応答信号は、対象物が存在しない励振応答信号より小さいため、各パルスの値は負である。
【0058】
図７Ａ及び７Ｂに示すように、各画素行の励振応答信号の差が、測定毎に大きく変化する。また、各測定において、励振応答信号の差が、画素行間で大きく異なる。例えば、図７Ａの測定結果において、画素行Ｒ１の励振応答信号差の絶対値は、画素行Ｒ１０やＲ１２の励振応答信号差の絶対値よりずっと小さい。
【0059】
このように、励振応答信号は低周波の雑音が存在する。この雑音は、超音波センサ装置による正確なセンシングを阻害し得る。本明細書の一実施形態は、超音波トランスデューサの励振を伴わない応答信号である、無励振応答信号を取得し、それによって、励振応答信号を補正する。これにより、励振応答信号における雑音を効果的の除去することができる。
【0060】
［応答信号の補正］
図８は、無励振応答信号により励振応答信号を補正する動作を説明するための図である。図８は、連続する二つのフレームにおけるいくつかの信号の時間変化を模式的に示す。具体的には、送信電極ＴＸへに与えられる信号、データ線からの応答信号Ｖｏｕｔ（ｔ）、一つ前のフレーム周期の応答信号Ｖｏｕｔ（ｔ―τ）、そして、二つのフレームの応答信号の差（Ｖｏｕｔ（ｔ―τ）－Ｖｏｕｔ（ｔ））を示す。τはフレーム周期である。
図８は、無励振応答信号により励振応答信号を補正する動作を説明するための図である。図８は、連続する二つのフレームにおけるいくつかの信号の時間変化を模式的に示す。具体的には、送信電極ＴＸへに与えられる信号、データ線からの応答信号Ｖｏｕｔ（ｔ）、一つ前のフレーム周期の応答信号Ｖｏｕｔ（ｔ―τ）、そして、二つのフレームの応答信号の差（Ｖｏｕｔ（ｔ―τ）－Ｖｏｕｔ（ｔ））を示す。τはフレーム周期である。
【0061】
図８に示す例は、奇数フレームのおいてのみ送信電極ＴＸに励振を与え、偶数フレームにおいて送信電極ＴＸに励振を与えない。奇数フレームの処理と偶数フレームの処理が繰り返される。
【0062】
具体的には、主制御回路１８は、奇数フレームにおいて、圧電素子に励振信号を与えて超音波を生成し、その後、各画素から応答信号Ｖｏｕｔ（ｔ）を読み出す。これらは、励振応答信号である。図８は、例として、三つの画素ＰＸ１、ＰＸ２、ＰＸ３からの励振応答信号の読み取りを示す。励振応答信号は、対象物に応じた（対象物が存在しない場合を含む）反射超音波による真の（本来の）信号Ｓと雑音Ｎとを含む。
【0063】
主制御回路１８は、偶数フレームにおいて、圧電素子に励振信号を与えることなく、各画素から応答信号Ｖｏｕｔを読み出す。これらは、無励振応答信号である。図８は、例として、三つの画素ＰＸ１、ＰＸ２、ＰＸ３からの無励振応答信号の読み取りを示す。無励振応答信号は、対象物に応じた信号Ｓを含まず、雑音Ｎのみで構成される。
【0064】
主制御回路１８は、奇数フレームの励振応答信号を、偶数フレームの無励振応答信号で補正して、真の信号Ｓの推定値＾Ｓを得る。一例は、下記式のように、奇数フレームの励振応答信号から、偶数フレームの無励振応答信号を減算する。
＾Ｓ＝Ｖｏｕｔ（ｔ－τ）－Ｖｏｕｔ（ｔ）
＾Ｓ＝Ｖｏｕｔ（ｔ－τ）－Ｖｏｕｔ（ｔ）
【0065】
τはフレーム周期であり、Ｖｏｕｔ（ｔ－τ）は、１フレーム周期前の応答信号を表す。上述のように、奇数フレームの励振応答信号Ｖｏｕｔ（ｔ）は真の信号Ｓと雑音Ｎを含み，偶数フレームのＶｏｕｔ（ｔ）は雑音Ｎのみを含み、奇数フレームのＶｏｕｔ（ｔ）から偶数フレームのＶｏｕｔ（ｔ）を減算することで真の信号Ｓの推定値＾Ｓを得ることができる。
【0066】
信号処理（＾Ｓ＝Ｖｏｕｔ（ｔ－τ）－Ｖｏｕｔ（ｔ））は、くし形フィルタ（Ｃｏｍｂｆｉｌｔｅｒ）で実現できる。図９はくし型フィルタの構成を模式的に示す。くし形フィルタは、遅延素子４０１と演算子４０２を含む。遅延素子４０１は、入力信号を時間τだけ遅延させて出力する。演算子４０２は、遅延素子４０１の出力信号から入力信号を減算した信号を出力する。主制御回路１８は、この信号処理をプログラムに従って動作するプロセッサにより実行してもよく、当該演算素子を実行するように構成された論理回路で実行してもよい。
【0067】
くし形フィルタは、信号成分を減衰させず低周波ノイズを減衰させることができる。励振応答信号の上記補正は、雑音の、ＤＣ成分及びフレーム周波数の整数倍の成分を実質的にゼロまで減衰させることができる。
【0068】
上記例は、奇数フレームの励振応答信号を、次の偶数フレームの無励振応答信号で補正する。他の例は、偶数フレームの励振信号を次の奇数フレームの無励振応答信号で補正してもよい。他の例は、奇数フレームの無励振応答信号で次の偶数フレームの無励振応答信号で補正してもよく、偶数フレームの無励振応答信号で次の奇数フレームの無励振応答信号で補正してもよい。他の例は、１フレームの無励振応答信号を、複数の励振応答信号の補正ために使用してもよく、励振応答信号のフレームと非連続のフレームの無励振応答信号によって補正を行ってもよい。
【0069】
本明細書の一実施形態において、主制御回路１８は、対象物が存在しない状態における補正励振応答信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）と、対象物が存在する状態における補正励振応答信号＾Ｓ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）とを取得する。主制御回路１８は、応答信号＾Ｓ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）を、応答信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）で補正する。例えば、応答信号＾Ｓ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）から応答信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）を減算する。
【0070】
超音波指紋センサ装置は他の用途において、＾Ｓ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）は、固定パタンノイズ（ＦＰＮ）を含む場合がある。応答信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）により、＾Ｓ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）から固定パタンノイズを効果的に除去することができる。
【0071】
図１０は、上記二段階の補正処理を含む、指紋読み取のための、画素の応答信号の処理方法を説明する図である。主制御回路１８は、フレームｍにおいて、指が装置面に置かれている状態での励振応答信号を画素から読み出す（４５１）。主制御回路１８は、次のフレームｍ＋１において、指が装置面に置かれている状態での無励振応答信号を画素から読み出す（４５３）。さらに、主制御回路１８は、励振応答信号から無励振応答信号を減算して、指が装置面に置かれている状態での補正励振応答信号＾Ｓ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）を得る（４５５）。
【0072】
主制御回路１８は、フレームｎにおいて、指がタッチ面に置かれていない状態での励振応答信号を画素から読み出す（４６１）。主制御回路１８は、次のフレームｎ＋１において、指がタッチ面に置かれていない状態での無励振応答信号を画素から読み出す（４６３）。フレームｎ＋１は、フレームｍの前でもよく、フレームｍ＋１は、フレームｎの前でもよい。さらに、主制御回路１８は、励振応答信号から無励振応答信号を減算して、指がタッチ面に置かれていない状態での補正励振応答信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）を得る（４６５）。
【0073】
次に、主制御回路１８は、指がタッチ面に置かれている状態での補正励振応答信号＾Ｓ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）から、指がタッチ面に置かれていない状態での補正励振応答信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）を減算する（４７１）。主制御回路１８は、この値から得られる指紋像と予め保持している指紋像とを比較して、指紋認証を実行する。
【0074】
例えば、超音波指紋センサ装置において、指が無い状態の受信音圧は、指が有る状態の受信音圧より大きい。指が無い状態の受信音圧は、超音波トランスデューサの励振電圧や表面保護シールの有無等で変化する。そのため、＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）を使用することで、より正確に＾Ｓ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）を補正することができる。
【0075】
次に、無励振応答信号による励振応答信号の補正効果を説明する。図１１Ａは、対象物を伴う励振応答信号Ｖｏｕｔ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）と対象物を伴わない励振応答信号Ｖｏｕｔ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）との差の複数回の測定結果を示す。各回の測定結果は、１０００フレームの平均値である。グラフは、一つのデータ線から順次読み出された異なる画素行の励振応答信号の差を示す。グラフの横軸は時間を示し、縦軸は励振応答信号の差を示す。差は、対象物が存在する励振応答信号から対象物が存在しない励振応答信号を引いた値を示す。
【0076】
図１１Ａにおいて、異なるパルス群は、一つのデータ信号から読み出された異なる画素行（画素）の測定値を示す。各パルスは、一つの画素行からの１回の測定結果を示す。例として、二つのパルス群に矢印が付されている。矢印は、一つの画素行における測定結果のばらつきを示す。ばらつきは、低周波数の雑音に起因する。また、図１１Ａに示すように、いくつかの画素行においては、Ｖｏｕｔ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）とＶｏｕｔ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）の大小関係が、測定毎に異なっている。
【0077】
図１１Ｂは、対象物を伴う補正励振応答信号＾Ｓ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）と対象物を伴わない補正励振応答信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）との差の複数回の測定結果を示す。各回の測定結果は、１０００フレームの平均値である。グラフは、一つのデータ線から順次読み出された異なる画素行の補正励振応答信号の差を示す。グラフの横軸は時間を示し、縦軸は補正励振応答信号の差を示す。差は、対象物が存在する補正励振応答信号から対象物が存在しない補正励振応答信号を引いた値を示す。
【0078】
図１１Ｂにおいて、異なるパルス群は、一つのデータ信号から読み出された異なる画素行（画素）の測定値を示す。各パルスは、一つの画素行からの１回の測定結果を示す。例として、二つのパルス群に矢印が付されている。矢印は、一つの画素行における測定結果のばらつきを示す。ばらつきは、低周波数の雑音に起因する。
【0079】
図１１Ａの測定結果と比較すると、ばらつき、つまり、低周波数のノイズは大きく減少している。具体的低周波数のノイズは、０．９１ｍＶＲＭＳから０．２ｍＶＲＭＳに減少している。このように、励振応答信号を無励振応答信号で補正することで、効果的に低周波数のノイズを低減することができる。
【0080】
［ダイオードバイアス幅の調整］
次に、図２に示す画素回路におけるダイオードＤ１に与えるバイアスのパルス幅Ｔｄｂの調整を説明する。例えば、指紋センサ装置のタッチ面に指が置かれている場合、指紋の凸部はタッチ面に接触し、凹部はタッチ面から離れている。発明者らの研究によれば、パルス幅Ｔｄｂによって、指紋（対象物）がタッチ面に触れている領域と指紋（対象物）がタッチ面から離れている領域との間において、信号の大小関係が変化し得ることが分かった。
次に、図２に示す画素回路におけるダイオードＤ１に与えるバイアスのパルス幅Ｔｄｂの調整を説明する。例えば、指紋センサ装置のタッチ面に指が置かれている場合、指紋の凸部はタッチ面に接触し、凹部はタッチ面から離れている。発明者らの研究によれば、パルス幅Ｔｄｂによって、指紋（対象物）がタッチ面に触れている領域と指紋（対象物）がタッチ面から離れている領域との間において、信号の大小関係が変化し得ることが分かった。
【0081】
より具体的には、（＾Ｓ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）－＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ））の値の大小関係が、対象物がタッチ面に触れている領域と対象物がタッチ面から離れている領域との間において、バイアスのパルス幅Ｔｄｂに依存して変化する。パルス幅Ｔｄｂが特定の値の場合、対象物がタッチ面に触れている領域の値がより大きく、パルス幅Ｔｄｂが他の特定の値の場合、対象物がタッチ面に触れている領域の値がより小さい。
【0082】
発明者らの研究により、（＾Ｓ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）－＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ））の大小関係が変化する事象は、対象物を伴わない補正励振応答信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）と強い相関があることが分かった。
【0083】
図１２は、バイアスパルス幅Ｔｄｂと、＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）を含むいくつかの信号との関係の測定結果を示す。グラフの横軸は、バイアスパルス幅Ｔｄｂを示す。左側の縦軸は、対象物を伴わない画素からの応答信号Ｖｏｕｔ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）を示し、右側の縦軸は対象物を伴わない補正励振応答信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）を示す。
【0084】
図１２のグラフにおいて、線５０１は対象物を伴わない励振応答信号を示し、線５０２は対象物を伴わない無励振応答信号を示す。線５０５は、対象物を伴わない補正励振応答信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）を示す。
【0085】
信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）は、バイアスパルス幅Ｔｄｂの増加と共に増減し、極大値及び極小値を示す。例えば、破線の円５０６は、極大値（＠Ｔｄｂ＝０．９８）を含む領域を示し、破線の円５０７は、極小値（＠Ｔｄｂ＝１．０８）を含む領域を示す。
【0086】
信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）が極大値を示すＴｄｂ＝０．９８において、（＾Ｓ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）－＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ））の値は，対象物がタッチ面に触れている領域の値の方が対象物がタッチ面から離れている領域の値より小さかった。信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）が極小値を示すＴｄｂ＝１．０８において、（＾Ｓ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）－＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ））の値は，対象物がタッチ面に触れている領域の値の方が、対象物がタッチ面から離れている領域の値より大きかった。
【0087】
発明者らの実験において、これら極値の近傍において、指紋画像を正確に取得することができた。一方、これら極値から離れた中間値、例えばＴｄｂ＝１．０３において、正確な指紋画像を取得することができなかった。つまり、信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）の極値を特定し、予め設定された範囲内でＴｄｂの値を設定することで、正確に対象物の画像を取得することができる。
【0088】
本明細書の一実施形態において、主制御回路１８は、信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）に基づき、バイアスパルス幅Ｔｄｂを設定する。主制御回路１８は、信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）とバイアスパルス幅Ｔｄｂとの関係を測定し、極値を特定する。主制御回路１８は、極値から予め設定された範囲内からバイアスパルス幅Ｔｄｂの値を選択する。
【0089】
信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）は、図１２に示すように、バイアスパルス幅Ｔｄｂの増加と共に増減し、ある周期で振動する。図１２に示される＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）の振動の周期は０．２μsecである。発明者らは、＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）の振動の周期が励振の周期と同じとなることを発見した。図１２は、実際に励振の周期が０．２μsec，周波数が５MHｚの場合の結果である。したがって、信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）とバイアスパルス幅Ｔｄｂとの関係を測定し、極大値と極小値を特定するためには、バイアスパルス幅Ｔｄｂを少なくとも励振の周期の二分の一の時間の範囲に渡って変化させ、信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）を測定する必要がある。
【0090】
図１３は、指紋センサ装置の制御方法の例を示すフローチャートである。指紋センサ装置は、図３に示すように、タッチパネル３２及び表示パネル３１を含む端末に実装され得る。図１４は、図１３に示す処理フローに対応する表示画面の例を模式的に示す。
【0091】
図１３に示すように、主制御回路１８は、指紋取得開始のイベント（６０１）を検知すると、タッチ面が指等の対象物（以下、指とする）にタッチされているか判定する（６０２）。図１４において、画面６５１は、指紋認証の開始を示す情報をユーザに提示する。これは、指紋取得開始のイベントの例である。主制御回路１８は、タッチパネル３２からの信号により、指がタッチ面にタッチされているか判定できる。
【0092】
指がタッチ面にタッチしている場合（６０２：ＮＯ）、主制御回路１８は、タッチ面から指を離すように、メッセージを表示パネル３１において表示する（６０３）。図１４において、画面６５２は、このメッセージの例を表示している。
【0093】
指がタッチ面にタッチしていない場合（６０２：ＹＥＳ）、主制御回路１８は、バイアスパルス幅Ｔｄｂと信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）との関係を測定する（６０４）。主制御回路１８は、例えば、バイアスパルス幅Ｔｄｂを変えながら信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）を複数回取得し、各バイアスパルス幅Ｔｄｂにおける信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）の平均値を計算してもよい。
【0094】
次に、主制御回路１８は、信号＾Ｓ（ｗ／ｏ ｏｂｊｅｃｔ）が極値となるバイアスパルス幅Ｔｄｂを特定し、その値にバイアスパルス幅Ｔｄｂを設定する（６０５）。バイアスパルス幅Ｔｄｂは、極値の近傍領域内の極値と異なる値でもよい。
【0095】
次に、主制御回路１８は、所定位置に指を置くようにメッセージを表示パネル３１において表示する（６０６）。図１４において、画面６５３は、このメッセージの例を表示している。次に、主制御回路１８は、設定したバイアスパルス幅Ｔｄｂにおいて画素を制御し、対象物（指）を伴う補正励振応答信号＾Ｓ（ｗｉｔｈ ｏｂｊｅｃｔ）を取得する（６０７）。
【0096】
［分割駆動］
以下において、画素領域１２の分割駆動を説明する。本明細書の一実施形態において、超音波センサ装置１０は、画素領域１２を複数の部分領域に分割し、部分領域毎に制御する。図１５は、画素領域１２を二つの部分領域に分けた構成例を模式的に示す。各部分領域は、複数の画素で構成された画素グループである。なお、分割領域の数は任意である。本明細書の一実施形態において、部分領域に対応して圧電素子の共通電極及びダイオードバイアス配線が分離して形成され、個別に駆動される。上記構成例において、一つの画素グループに含まれる全ての画素の上部電極は、一つの共通電極の一部であり、ダイオード配線は全ての画素に共通である。
以下において、画素領域１２の分割駆動を説明する。本明細書の一実施形態において、超音波センサ装置１０は、画素領域１２を複数の部分領域に分割し、部分領域毎に制御する。図１５は、画素領域１２を二つの部分領域に分けた構成例を模式的に示す。各部分領域は、複数の画素で構成された画素グループである。なお、分割領域の数は任意である。本明細書の一実施形態において、部分領域に対応して圧電素子の共通電極及びダイオードバイアス配線が分離して形成され、個別に駆動される。上記構成例において、一つの画素グループに含まれる全ての画素の上部電極は、一つの共通電極の一部であり、ダイオード配線は全ての画素に共通である。
【0097】
図１５は、例として、二つの部分領域それぞれの分離された共通電極７０１Ａ、７０１Ｂ並びにダイオードバイアス配線７０３Ａ、７０３Ｂを示す。一方の部分領域の各画素の上部電極１６６は、共通電極７０１Ａの一部であり、他方の部分領域の各画素の上部電極１６６は、共通電極７０１Ｂの一部である。上述のように、共通電極７０１Ａ、７０１Ｂには、個別に励振信号が与えられる。また、ダイオードバイアス配線７０３Ａ、７０３Ｂは、個別にダイオードバイアスを伝送する。
【0098】
共通電極７０１Ａ、７０１Ｂに励振信号を与える駆動回路が、個別に用意されてもよく、スイッチを使用して、一つの駆動回路からの出力を共通電極７０１Ａ、７０１Ｂの間で切り替えてもよい。二つの部分領域のダイオードバイアス配線７０３Ａ、７０３Ｂは分離され、個別に駆動される。この構成により、画素の共通電極（送信電極）及びダイオードバイアス線の静電容量を低減し、駆動負荷を低減する。これにより、装置の大型化が容易となる。なお、ダイオードバイアス配線と共通電極の一方のみが、部分領域毎に分離形成されていてもよい。
【0099】
【0100】
時刻Ｔ５０からＴ５１の期間（フレーム）において、主制御回路１８は、第１の部分領域Ａの送信電極ＴＸに励振信号を与え、当該部分領域Ａの画素それぞれの励振応答信号を順次読み出す。部分領域Ｂから応答信号は読み出されない。第１の部分領域Ａについてのこのフレームでの処理は、図２及び８を参照して説明した励振を伴うフレームと同様である。
【0101】
時刻Ｔ５１からＴ５２の次の期間（フレーム）において、主制御回路１８は、第１の部分領域Ａの送信電極ＴＸに励振信号を与えることなく、当該部分領域Ａの画素それぞれの無励振応答信号を順次読み出す。部分領域Ｂから応答信号は読み出されない。第１の部分領域Ａについてのこのフレームでの処理は、図８を参照して説明した励振を伴わないフレームと同様である。
【0102】
時刻Ｔ５２からＴ５３の期間（フレーム）において、主制御回路１８は、第２の部分領域Ｂの送信電極ＴＸに励振信号を与え、当該部分領域Ｂの画素それぞれの励振応答信号を順次読み出す。部分領域Ａから応答信号は読み出されない。第２の部分領域Ｂについてのこのフレームでの処理は、図２及び８を参照して説明した励振を伴うフレームと同様である。
【0103】
時刻Ｔ５３からＴ５４の次の期間（フレーム）において、主制御回路１８は、第２の部分領域Ｂの送信電極ＴＸに励振信号を与えることなく、当該部分領域Ｂの画素それぞれの無励振応答信号を順次読み出す。部分領域Ａから応答信号は読み出されない。第２の部分領域Ｂについてのこのフレームでの処理は、図８を参照して説明した励振を伴わないフレームと同様である。これら４つのフレームが、この後も、繰り返し実行される。
【0104】
上記例は、各部分領域の無励振応答信号及び励振応答信号を二つの連続するフレームによって取得する。他の例は、一つのフレームにおいて、一方部分領域の励振応答信号を読み出し、他方部分領域の無励振応答信号を読み出してもよい。この場合、各画素列のデータ線は、部分領域毎に形成される。
【0105】
例えば、最初のフレームにおいて、主制御回路１８は、第１の部分領域Ａの送信電極ＴＸに励振信号を与え、第２の部分領域Ｂの送信電極ＴＸに励振信号を与えない。その後、部分領域Ａの画素それぞれの励振応答信号を順次読み出すと共に、部分領域Ｂの画素それぞれの無励振応答信号を順次読み出す。
【0106】
次にフレームにておいて、主制御回路１８は、第１の部分領域Ａの送信電極ＴＸに励振信号を与えず、第２の部分領域Ｂの送信電極ＴＸに励振信号を与える。その後、部分領域Ａの画素それぞれの無励振応答信号を順次読み出すと共に、部分領域Ｂの画素それぞれの励振応答信号を順次読み出す。
【0107】
以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示が上記の実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、上記の実施形態の各要素を、本開示の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。
【符号の説明】
【0108】
１０ 超音波センサ装置、１１ 画素アレイ基板、１２ 画素領域、１３ 画素、１４ 駆動回路、１５ マルチプレクサ回路、１６ 信号検出回路、１８ 主制御回路、ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３ トランジスタ、Ｄ１ ダイオード、Ｒｎ、Ｒｎ＋１ 制御線、Ｄｍ 信号線、ＰＥ 圧電素子、ＴＸ 送信電極、ＰＡ ダイオードバイアス配線、ＰＰ 電源線、１５１ 絶縁基板、１５２ 下地絶縁層、１５５ 半導体活性層、１５６ ゲート絶縁層、１５７Ａ、１５７Ｂ ゲート電極、１５８ 層間絶縁膜、１５９、１６０ ソース／ドレイン電極、１６２ 下部電極、１６５ 圧電材料層、１６６ 上部電極、１７１ 配線部、２００ 媒体、７０１Ａ、７０１Ｂ 部分領域の共通電極
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】