JP2006079502A - 指紋入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】指とライン型指紋センサとの位置関係を常に一定に保つことで指の不用意な動きによる指紋画像の変形を防止し、画像処理の負荷を軽減し、指紋入力時の姿勢、使用する手、指の自由度を向上させた指紋入力装置を提供する。
【解決手段】操作者は指６の爪先６Ｐを掃引開始位置指ガイド１ｅに当て、指摺動掃引部２ｃ上で手前に向けてゆっくりと掃引する。このとき、指６の掃引方向ＦＬが直線的でなくなると、第１の指ガイド２ｄと第２の指ガイド２ｅが感知して台座２を矢印方向Ｙに回動させることで、ライン型の指紋センサ５と指６との関係を常に一定に保つ。
【選択図】図２

Description

本発明は、情報機器や情報システム等に用いる指紋入力装置に関し、特にライン型指紋センサを用いて指を掃引させて指紋画像を取得する指紋入力装置に関するものである。

従来の指紋入力装置は操作者の指先と同等もしくはより大きな入力面積をもつ指紋センサ上に指を押し付け、１回の読み取りで指紋画像を取得するエリアセンサを用いたものが主流であった（たとえば特許文献１）。また、特許文献１のものでは指の移動距離を検出するセンサを設け取得画像と移動距離データをもとに指紋画像の再構築を行うようになっている。

近年、小型装置への組込、コストの低下を目的としてセンサ面積を小さくするため、操作者は指をセンサ上で掃引させることで短冊画像を取得し、多数の短冊画像から１枚の画像を再構築することで指紋画像を取得するライン型の指紋センサが開発された。このようなラインセンサとして「指紋データ読取り装置」が開示されている（たとえば特許文献２）。これは、ライン型のセンサに対して指をほぼ直交する方向に掃引させることで指紋画像を取得する。
特開平１１−１５５８３７号公報 特開昭６３−２７３９７５号公報

しかしながら、ライン型指紋センサを使用した指紋入力装置は、指紋画像を得るために指を掃引させる必要があった。このため、指を指紋入力装置に置く角度や指を掃引する方向が変化すると得られる指紋画像は変形してしまう。これでは、入力毎に形の異なる指紋画像となり、指紋認証における本人拒否率の増加につながってしまう。こうした中、特許文献２の「指紋データ読取り装置」では変形のない画像を得ることについてはなんら開示されていない。また、特許文献２の指紋データ読取り装置を機器に組み込んだ場合、指紋画像入力時に不自然な姿勢を強いられたり、機器と操作者の位置関係によっては使用する指や手を限定されたりする。これは、指紋入力において操作者がライン型指紋センサに対し常に指をほぼ直角に保った状態で掃引する必要がある。このため、情報機器への組込に伴いライン型指紋センサの向きが固定されてしまう事に起因し、指紋の安定した入力と入力時の利便性を著しく損なう要因となっている。

本発明は、このような従来の指紋入力装置の抱える課題を改善し、指とライン型指紋センサの関係を常に一定に保つことで指の不用意な動きによる指紋画像の変形を防止し、画像処理に関する負荷を軽減し、指紋入力時の姿勢、使用する手や指の自由度を向上させた指紋入力装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために本発明の指紋入力装置は、基台と、基台の一部に設けられ操作者の指を摺動掃引させる指摺動掃引手段と、指の指紋に応じた信号を出力するライン型の指紋読み取り手段と、指紋読み取り手段を保持し、基台に対して回動することができる保持手段とを有する。

また、本発明の指紋入力装置は、指の動き伝達手段の長手方向を操作者の掃引方向に一致させるとともに、指摺動掃引手段に近接配置する。

また、本発明の指紋入力装置は、動き伝達手段を操作者の指の長手方向の側面に接するように設ける。

また本発明の指紋入力装置は、指の掃引開始位置指定手段を指摺動手段の延長線上に設ける。

また本発明の指紋入力装置は、保持手段の回動角度を制限する回動角度制限手段を有する。

また本発明の指紋入力装置は、保持手段を初期位置に復元させる復元手段を有する。

加えて本発明の指紋入力装置は、動き伝達手段は、操作者の指の太さに応じて指ガイド部材の間隔を調整するガイド部材間隔調整手段を有する。

上記のように構成された本発明の指紋入力装置によれば、指を掃引する方向に追従して指紋読み取り手段の向きを変更することができる。これによって、掃引中の指の動きが変化しても指とライン型指紋センサの関係を一定に保つことができ指紋画像の変形をなくすことができ、画像変形の補正処理を軽減し指紋入力に関する消費電力を抑えることができる。

また、情報機器に指紋入力装置を組み込んだ場合もライン型指紋センサの向きが指に追従して変化するため掃引方向が限定されなくなり、操作者は不自然な姿勢を強いられたり、指紋を入力する指や手を限定されたりせず自由度が格段に向上する。

また、操作者の全ての指が使用可能になるため登録する指紋の選択肢を狭めることがなくなりセキュリティを向上させることができる。

なお、指の動き伝達手段を設けた場合、指の掃引方向を誘導するとともに、指の動きを直接台座に伝達し台座の指への追従性を向上させることができる。

また、掃引開始位置指定手段を設けた場合、操作者は掃引開始位置を容易に認識することができ適切な長さの指紋画像を取得することができる。

また、回転角度制限手段を設けた場合、保持手段の反転や掃引動作を妨げる位置への回転を防止し、入力時に保持手段の角度を再調整する手間を省くことができ効率的な入力動作を行うことができる。

また、復元手段を設けた場合、使用後に保持手段が初期の状態に復元するので、だれにも使用しやすく、また商品価値も向上させるものである。

加えて、ガイド部材間隔調整手段を設けた場合、指の細い，太いにかかわらず、指の掃引に際して保持手段が機器ケースに対して回動することによって、ライン型指紋センサに対する指の掃引方向は常に直角となり、ライン型指紋センサで読み取った指紋画像の変形を排除できるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
実施の形態１では、情報処理装置に指紋入力装置を組み込む場合について説明する。図１は本発明の実施の形態１にかかる指紋入力装置の主要部品の組み立て状態を示す分解斜視図、図２は同じくその使用状態を示す外観図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図におけるａ−ａ矢視断面図、図３は同じくその動作時の説明図、図４は同じく指紋入力装置を組み込んだ情報処理装置の外観斜視図である。

図１，図２において、基台である情報処理装置の機器ケース１には円形の取り付け孔１ａを設ける。取り付け孔１ａに対して台座２の円筒部２ａを挿入し、台座２の円筒部２ａの爪掛け部２ｂの内側から台座止め３の爪３ａをはめ込んで台座２と台座止め３とを一体に固定する。台座２と台座止め３が機器ケース１を挟んで一体となった保持手段が機器ケース１の取り付け孔１ａに対して回動自在となるように組み立てる。

台座２の上面中央部には、指紋を検出するために指摺動掃引部２ｃを設ける。指摺動掃引部２ｃの長手方向ＳＬに沿って指６を掃引する。すなわち、指摺動掃引部２ｃの長手方向ＳＬと指６の掃引方向ＦＬとを合致させる。また、指摺動掃引部２ｃの中央部表面にはライン型指紋センサ５が、その長手方向５Ｌが指６の掃引方向ＦＬとほぼ直交するように埋め込まれている。

指摺動掃引部２ｃの両側には動き伝達手段として、第１の指ガイド２ｄと第２の指ガイド２ｅの長手方向ＱＬが、指摺動掃引部２ｃの長手方向ＳＬおよび指６の掃引方向ＦＬと合致するように一対の指ガイド２ｄ，２ｅを配置する。また、第１の指ガイド２ｄと第２の指ガイド２ｅの高さｈ１は指摺動掃引部２ｃの高さｈ２よりも高くなるように、指摺動掃引部２ｃに凹凸を設ける。こうした構成によって、指摺動掃引部２ｃ上で指６を摺動させて掃引するとき、指６の変位を抑えることができる。また、指６の掃引方向ＦＬが変化しそうになったとき、保持手段をそれに合わせて回動するように誘導することができる。

台座止め３には突起部３ｂが設けられ、機器ケース１の下面に設けたピン１ｂと当接することで台座２と台座止め３が一体となった保持手段の回動角度を制限する。

また、機器ケース１の下面にはＵ字形の溝１ｄを持ったばね保持部１ｃが設けられ、Ｕ字形の溝１ｄにＵ字形のばね４を挿入し、その開放端４ａで台座止め３に設けたピン３ｃを挟持して復元手段としている。通常は台座２と台座止め３が一体となった保持手段を中立の位置に保っている。

また機器ケース１の上面の一部を円弧状に突出させて掃引開始位置指ガイド１ｅを、指摺動部２ｃの延長線上に設けて掃引開始位置指定手段としている。円弧状の大きさは操作者が指６を指摺動掃引部２に置いたときに隠れることがないようにその直径を１５ｍｍ〜３０ｍｍ程度に選ぶとよい。なお、ここでは掃引開始位置指ガイド１ｅに凹凸をもたせて掃引開始位置を画定したが、機器ケース１や台座２上掃引開始位置指ガイド１ｅをマーキング等で指示しておいてもよい。

なお、台座止め３の爪３ａの数は２〜４個程度、台座止め３の突起部３ｂはピン１ｂの配置によっては１個でもよい。

つぎに指紋読み取り手段であるライン型指紋センサ５の構成を説明する。ここで、指紋読み取り手段とは指紋を読み取り、指紋の凹凸に応じた信号を出力する。指紋読み取り手段は、必ずしもイメージセンサなどの光電式撮像素子とレンズなどの光学系とから成る光学式のものに限られるものではなく、例えば指紋の凹凸による静電容量や電界の変化から画像を読み取る半導体式のものや指紋の凹凸による熱の伝わり方の違いにより画像を読み取る感熱式のものなどでもよい。

実施の形態１では、指紋読み取り手段にたとえば、米国、Ａｔｍｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のＡＴ７７Ｃ１０１Ｂ型指紋チップを用いることができる。このチップは指紋の凹凸を温度によって検出するタイプのＣＭＯＳ半導体指紋センサで、２８０ドット、８列の検出部を有し、８ビットの指紋画像を検出する。この指紋センサ上で指６をゆっくりと掃引させると、列から列への画像の移動により指６の移動を検出できる。

列同士の画像比較により、指６がセンサに対して直角に移動したかどうかが分かり、不正な方向にずれた時にはソフトウエア的に補正して正しい指紋画像を得る。

以上のように構成された指紋入力装置について、以下、その動作を図２（ａ），（ｂ）を用いて説明する。まず、掃引開始位置指ガイド１ｅに爪先６Ｐが当たるようにして台座２の指摺動掃引部２ｃに指６を置く。掃引開始位置指ガイド１ｅは前にも述べたが、指摺動掃引部２ｃの延長線上に設ける。指６は第１の指ガイド２ｄ、第２の指ガイド２ｅに接するようにしており、誘導されて指摺動掃引部２ｃの所定位置に落ち着く。つぎに操作者は手前方向に（掃引開始位置指ガイド１ｅから離れる方向に）指６をゆっくりと掃引する。もちろん、こうした操作とは反対方向、すなわち手前から掃引開始位置指ガイド１ｅに向けて掃引するように構成することもできる。

このとき、もし、たとえば情報処理装置に対する操作者の位置関係のために、掃引開始後に指６の掃引方向が直線的ではなくなるような動作をしたとき、動き伝達手段としての第１の指ガイド２ｄと第２の指ガイド２ｅは掃引方向ＦＬを感知して、台座２と台座止め３が一体となった保持手段が機器ケース１に対して回動する。これにより、ライン型指紋センサ５の長手方向に対する指６の掃引方向はほぼ直交することになるので、ライン型指紋センサ５で読み取った指紋画像の変形を排除することができる。

ここでは、動き伝達手段としての第１の指ガイド２ｄと第２の指ガイド２ｅが存在するものとして説明した。しかし、第１の指ガイド２ｄと第２の指ガイド２ｅを設けなくとも、指６とライン型指紋センサ５との摩擦力により指６の掃引に追従して台座２が回動し、ライン型指紋センサ５に対する指６の掃引方向ＦＬを一定に保つ。これにより、ライン型指紋センサ５の長手方向に対する指６の掃引方向がほぼ直交することになるので、ライン型指紋センサ５で読み取った指紋画像の変形をなくすことができる。また、第１の指ガイド２ｄと第２の指ガイド２ｅのいずれか１つを設けるようにしてもよい。

台座２の回動に、指６とライン型指紋センサ５との摩擦力によるよりも第１の指ガイド２ｄまたは第２の指ガイド２ｅへの指６の当接が大きく関わってくるときは、掃引を開始するポイントが台座２の回動中心付近であるほうが回動がスムーズに行うことができる。この場合には掃引開始位置指定手段である掃引開始位置指ガイドを台座２上に設けることになるが、台座２の直径を少し大きくすればよい。

台座２と台座止め３が一体となった保持手段が回動したとき、回動範囲の制限と、回動力が与えられなくなったときの保持手段の復元について図３を用いて説明する。図３は台座止め３の下方から見た図とし、図３（ａ）は初期状態である。図３（ｂ）において保持手段が上から見て時計方向ＴＦに回動されたとき、すなわち図３のように下方から見て反時計方向ＴＲに回動されたとき、回動により台座止め３に設けたピン３ｃがばね４を開き、台座止め３に設けた突起部３ｂの一方が機器ケース１に設けられたピン１ｂに当接することで回動範囲を制限される。指６を離すことで回動力が去ったとき、ピン３ｃは、ばね４の復元力によって図３（ａ）の状態に復元する。

図３（ｃ）において保持手段が上から見て反時計方向に回動されたとき、すなわち図３（ｃ）のように下方から見て時計方向ＴＦに回動されたとき、同様に回動により台座止め３に設けたピン３ｃがばね４を反対方向に開き、台座止め３に設けた突起部３ｂの他方が機器ケース１に設けられたピン１ｂに当接することで回動範囲が制限される。指６を離して回動力が去ったとき、ピン３ｃは、ばね４の復元力によって図３（ａ）の状態に復元する。

図４は本発明の実施の形態１にかかる指紋入力装置を組み込んだ情報処理装置を示す。機器ケース１に対して蝶番で開閉する液晶パネル７，機器ケース１上に配置されたキーボード８，タッチパッド９と並んで指紋入力装置１０が配置されている。図４に示すように実施形態の指紋入力装置を情報処理装置に組み込んだ場合、ライン型指紋センサが回動するため掃引方向の制限を受けず、左手でも右手でも、どちらの指でも無理なく使用することができる。

このように実施の形態１の指紋入力装置は、指紋入力時に指の掃引方向がずれようとすれば、指の掃引方向ＦＬに追従してライン型指紋センサの向きを変更することができる。こうしたライン型指紋センサの向きの変更は、複雑でないソフトウエアで補正が可能であり、修復ができない、という状態になりにくい。

もし、実施の形態１のような構成が実現できないとすると、掃引方向のずれが大きくなったとき、そのずれを補正するためのソフトウエアの規模が大きく、かつ複雑となり、消費電力も大きくなる。また、ずれが大きすぎると修復できなくなる。

また指が置かれる指摺動部の長手方向の両側には、一段と高くなった左右の指ガイドを動き伝達手段として設けたので、指の掃引方向がずれそうになったとき、ライン型指紋センサの向きを変更する動作をさらに確実にする。

また、掃引開始位置指定部を設けることによって操作者に掃引開始位置を明示的に示すことができ、認証に必要な適切な長さの指紋画像を取得することができる。この掃引開始位置指示部は、必ずしも機器ケースに設ける必要は無く保持手段である台座２へ設けることによって位置を示しても良い。

また、実施の形態１において保持手段の回転角度を制限する回転角度制限手段を設けた場合、保持手段の不要な回転を抑制し、ライン型指紋センサの反転や無理な入力位置への回転を防ぐことができスムーズな入力を可能とする。

さらに、保持手段から指を離した後に、保持手段を最初の状態に復元する復元手段を設けた事により、だれにも使用しやすく、また商品価値も向上するものである。

実施の形態１の指紋入力装置には、ライン型指紋センサとして、ここで例示した温度検出型に限らず、光学的検出方法を用いたセンサや指紋の凹凸を圧力として検出するセンサを用いたものなどにも適用できる。

さらに実施の形態１では指の摺動掃引をラインからラインに移動する画像の対比からソフトウエア的に検出する場合を示した。しかし、たとえば特許文献２のように、機械的に指の掃引を検出する構成の場合にも同じように適用できることはいうまでもない。

（実施の形態２）
前に述べた実施の形態１においては、台座２の指摺動掃引部２ｃの両側に形成した第１の指ガイド２ｄと第２の指ガイド２ｅとの間隔は固定していた。このため、細い指の操作者には隙間ができ、一方太い指の操作者には指が入りきれないという不都合が生じる。そこで、実施の形態２ではこのような場合に対処する手段を提案する。

図５は実施の形態２にかかる２つの指ガイド間の間隔を指６の太さに対応して調整する手段を示す透視斜視図であり、ライン型指紋センサ５などを取り外して調整機構の要部を示している。

台座１２は図１，図２にかかる台座２と同様の役割を果たし、中央部に指紋を検出するために指６の長手方向すなわち指６の掃引方向ＦＬに摺動掃引させる指摺動掃引部１２ａを設けた。指摺動掃引部１２ａの中央部表面にはライン型指紋センサ５を、その長手方向５Ｌが指６の掃引方向ＦＬと直交するように埋め込んだものとしたが、ここでは図示を省略する。

以下、動き伝達手段である指ガイドの間隔を指６の太さに適合させるガイド部材間隔調整手段について説明する。台座１２上には指６の第１のガイド部材１３と第２のガイド部材１４が台座１２上でスライドできるように配置している。これら２つのガイド部材１３，１４は指摺動掃引部１２ａ上で指６を摺動させて掃引するとき指６の摺動をガイドして、指６の摺動方向が変化しそうになったとき、保持手段をそれに合わせて回動するように誘導する。

第１のガイド部材１３の下部には第１のラック部材下１５が２本埋め込まれ、第２のガイド部材１４の下部には第２のラック部材１６が２本埋め込まれている。第１のラック部材下１５と第２のラック部材１６の間にはラックピニオン１７を挟み、２個のラックピニオンは共通の軸１８に固定されて軸１８ごと回動するようになっている。この軸１８は他端を固定したコイルスプリング１９が係止され、ラックピニオン１７を時計方向ＴＦに回動するように付勢している。ガイド部材１３，１４やラック１５，１６を移動可能に支持する方法や、軸１９の支持方法については詳細を省く。

台座１２には、実施の形態１と同様に台座止め３が一体となり保持手段を形成し、これが機器ケース１に対して回動する。その他の構成は実施の形態１と同様であり、説明を省く。

つぎにその動作を説明する。図５には、第１のガイド部材１３と第２のガイド部材１４の間隔Ｆは、細い指６がかろうじて入る程度の間隔Ｆを示している。ここへ太い指６を入れると、指６の第１のガイド部材１３は右Ｒへ押され、第２のガイド部材１４は左Ｌへ押される。この動きはそれぞれに埋め込まれた第１のラック部材１５を右Ｒに、第２のラック部材１６を左Ｌに摺動させ、ラックピニオン１７をコイルスプリング１９の付勢力に抗して時計方向ＴＦとは逆の反時計方向ＴＲに回動させる。指６の当たりが不均等で、片方の指ガイド部材だけに力が加わってもラックとラックピニオンの働きで左右均等に広げることができる。指６を取り去ると、これらの部材はコイルスプリング１９の付勢力によって時計方向ＴＦに回動して元の状態に戻る。

このように実施の形態２によれば、第１および第２のガイド部材の間隔をラックとラックピニオンとで均一に拡大できるように構成したことによって、指６の細い，太いにかかわらず、指６の掃引に際して台座１２と台座止め３が一体となった保持手段が機器ケース１に対して回動することができる。これにより、ライン型指紋センサ５の長手方向に対する指６の掃引方向はほぼ直交しており、ライン型指紋センサ５で読み取った指紋画像の変形をなくすことができる。

なお、上記各実施の形態において、構造の細部は一例であり、同じ機能を果たせる異なった構造に置き換えても差し支えない。

さらに、上記各実施の形態ではノートパソコンなどの情報処理装置に組み込む場合を説明したが、指紋入力装置単体として構成しても差し支えない。

本発明にかかる指紋入力装置は、指の動きに応じ指紋読み取り手段の方向を変えることができ指の掃引方向の変化によって発生する指紋画像の変形を抑えることができる。また、指の掃引方向に大きな自由度を持たせることができ操作者の使用する指や入力姿勢の自由度を飛躍的に高めることができ、ライン型指紋センサを用いた指紋入力装置として有用である。

本発明の実施の形態１にかかる指紋入力装置の主要部品の組み立て状態を示す分解斜視図 同じくその使用状態を示す外観図 同じくその動作時の説明図 同じく指紋入力装置を組み込んだ情報処理装置の外観斜視図 同じく実施の形態２にかかる２つの指ガイド間の間隔を指の太さに対応して調整する手段を示す透視斜視図

符号の説明

１ 機器ケース（基台）
１ａ 取り付け孔
１ｂ ピン（回転角度制限手段）
１ｃ ばね保持部
１ｄ Ｕ字形の溝
１ｅ 掃引開始位置指ガイド（掃引開始位置指定手段）
２ 台座（保持手段）
２ａ 円筒部
２ｂ 爪掛け部
２ｃ，１２ａ 指摺動掃引部
２ｄ 第１の指ガイド（動き伝達手段）
２ｅ 第２の指ガイド（動き伝達手段）
３ 台座止め（保持手段）
３ａ 爪
３ｂ 突起部（回転角度制御手段）
３ｃ ピン（復元手段）
４ ばね（復元手段）
５ ライン型指紋センサ（指紋入力手段）
６ 指
６Ｐ 指先
７ 液晶パネル
８ キーボード
９ タッチパッド
１０ 指紋入力装置
１２ 台座（保持手段）
１３ 第１のガイド部材（動き伝達手段、ガイド部材間隔調整手段）
１４ 第２のガイド部材（動き伝達手段、ガイド部材間隔調整手段）
１５ 第１のラック部材（ガイド部材間隔調整手段）
１６ 第２のラック部材（ガイド部材間隔調整手段）
１７ ラックピニオン（ガイド部材間隔調整手段）
１８ 軸（ガイド部材間隔調整手段）
１９ コイルスプリング（ガイド部材間隔調整手段）

Claims (7)

1. 基台と、前記基台の一部に設けられ操作者の指を摺動掃引させる指摺動掃引手段と、前記指の指紋に応じた信号を出力するライン型の指紋読み取り手段と、
   前記指紋読み取り手段を保持し、前記基台に対して回動することができる保持手段とを有することを特徴とする指紋入力装置。
2. 動き伝達手段の長手方向を前記操作者の掃引方向に合致させるとともに、前記指摺動掃引手段に近接配置することを特徴とする請求項１に記載の指紋入力装置。
3. 動き伝達手段を前記操作者の指の長手方向の側面に接するように設けたことを特徴とする請求項２に記載の指紋入力装置。
4. 指の掃引開始位置指定手段を前記指摺動手段の延長線上に設けたことを特徴とする請求項１に記載の指紋入力装置。
5. 前記保持手段の回動角度を制限する回動角度制限手段を設けたことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の指紋入力装置。
6. 前記保持手段を初期位置に復元させる復元手段を有することを特徴とする請求項６項に記載の指紋入力装置。
7. 前記動き伝達手段は、操作者の指の太さに応じて指ガイド部材の間隔を調整するガイド部材間隔調整手段を有することを特徴とする請求項２から４までのいずれか１項に記載の指紋入力装置。

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