JP4051093B2 - 指紋の構造を測定する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、指紋等の構造を測定する方法および装置に係り、指紋の表面に接触または接近して配置される複数のセンサーで構成されたセンサーアレーを使用して、指紋表面における選ばれた特徴（例えば、キャパシタンス（静電容量）や抵抗）の測定を含む、指紋等の構造の測定方法および装置に関するものである。
例えばクレジットカードやコンピュータシステムに係わる安全性に対しての要求が高まり、また一方でパターン認識アルゴリズムの利用性が著しく高められた結果として、指紋を使用した識別が最近になって有力となってきた。指紋を認識する或るシステムは既に購入することができる。指紋の登録に使用される技術はさまざまである。
周知の解決法のうちの幾つかは、１以上の波長の光を使用する光学技術に基づいている。それらは、指紋およびセンサー表面の両者についてゴミや汚れの影響を受けやすく、したがって、指紋およびセンサー表面の両者を清浄にする必要がある。
他の代替法は、米国特許第５，５５９，５０４号、同第５，５０３，０２９号および同第４，３９４，７７３号に記載されているように圧力による測定である。しかしながらこの方法は、センサーが少なくとも部分的に従動的な表面を有していなければならないので、センサー表面が機械的な磨滅や損傷の影響を受けやすい。
温度センサーも、例えば米国特許第４，４２９，４１３号および国際特許出願ＰＣＴ／ＮＯ９６／０００８２で提案されている。
指紋センサーは、さまざまな状態、ときには要求の過酷な状態で長期間の使用にさらされるので、センサーは頑丈な表面を有すると共に、指紋やセンサーの汚れにできるだけ影響されないようでなければならない。前回の使用で残された目に見えない潜在的な痕跡（latent print）に惑わされずに、ほとんどすべての指紋を読み取ることができなければならない。例えばクレジットカードやコンピュータのキーボードのような或る例においては、センサーを小型化できることも有利である。
費用の面から、簡単で部品数を最少限にすることも要求される。
本発明の目的は、製造が容易で、安価に製造でき、比較的小さいセンサーを提供することである。
上述の解決法に加えて、キャパシタンスの測定が指紋の測定方法として試行された。その例が米国特許第４，３５３，０５６号および同第５，３２５，４４２号に示されている。指紋の隆起はセンサー面に触れるが、谷はセンサー面から僅かな距離を隔てられ、この結果として異なるセンサーで測定されたキャパシタンス（容量）および（または）（ａｎｄ／ｏｒを意味する）導電率（conduction）に差が生じる。湿気も測定値に影響するが、指紋全体において等しいならば、測定値間の対比分析で指紋の画像を与えることができる。
上述した解決法のすべては、指紋寸法に匹敵する寸法の二次元センサーアレー（配列）を基本としている。それらは高価で、製造するのが困難である。何故なら、表面を同時に測定する非常に多数のセンサーを含むからである。
ＥＰ７３５．５０２は、指紋と相対的に移動される一次元または二次元配列のセンサーの使用を記載している。記載された解決法は抵抗の測定を基本とし、最小センサー寸法およびセンサー間距離によって定められる限られた分解能を有する。
本発明は、例えば上述した技術の１つを使用し、請求項１および請求項６に記載した特徴を有する指紋構造の測定方法および装置を提供する。
センサーアレーの表面は小さく、周知の解決法に比べてセンサー数が少ないので、低廉かつ比較的簡単に作ることができる。測定する指紋はセンサーアレーを越えて移動されるので、前の使用者によって残される潜在的な指紋は存在せず、周知の指紋センサーに別の利点を与える。
指紋の精細な特徴部分は小さいので、検出器のセンサーを十分小さく作ることもまた困難である。好適例による本発明の装置および方法は、測定点で定まる２以上の平行な線を含み、これらの測定点の成す各線は、測定点間の間隔距離よりも小さい距離だけ長手方向に偏位され、そのセンサーアレーは等間隔に隔てられたセンサーが形成する平行な２以上の線を含み、これらの平行線はセンサーアレーの長手方向に偏位されるのが好ましい。このことはセンサー間隔より小さい指紋の構造を測定する可能性を与える。そのような測定は周知のいずれの検出システムでも不可能である。
したがって、本明細書で使用する「基本的に一次元アレー」という用語は、幅寸法よりも格段に大きい長さを有するアレーを示し、１列以上のセンサーを含むことができると理解しなければならない。
本発明は以下に本発明の１つの可能な実施例を示している添付図面を参照して説明される。
図１ａおよび図１ｂはセンサーの２つの変形形態の概略図を示している。
図２ａは上方から見たときの使用時の図１ｂのセンサーを示している。
図２ｂは図２ａの状態での横断図を示している。
図３は本発明による装置の概略図を示している。
図４は本発明の実施例の横断面を示している。
図５は本発明の好適例を示している。
図１ａにはセンサー１の成す単列線形アレーが示されている。これらのセンサーは、圧力センサーや温度センサーのようなさまざまな種類のものであってよいが、それらのセンサーは導電体とされて指紋のさまざまな部分における状態、すなわちインピーダンスまたはキャパシタンスを測定できるようにすることが好ましい。測定すべき表面は、センサーの成す直線に対して直角方向へ動かされる。
好適例では、センサー１はエポキシのような絶縁材３で隔離された導電体である。図示実施例では、導電材２がセンサーを囲んでおり、これは基準電位を与えるために使用される。したがって、指紋全体にわたって各センサー１とそれを囲む基準レベルとの間における状態、すなわちインピーダンスまたはキャパシタンスが測定できる。
等間隔に隔てられたセンサーを有する図示例が好ましいが、他の解決法、例えば指紋の或る部分を測定するためのセンサー群を含んで成る方法もまた可能である。
センサーの成す直線（センサー線）から１以上の選ばれた距離を隔てて配置された１以上のセンサーを使用すれば、センサー線からの信号、および表面の対応構造部の測定の間の時間経過や空間的偏位を比較することで、センサーに対する指紋の速度を測定できる。図１ｂは、センサーアレーが２線（列）のセンサー１を含んで成る本発明の好適例を示す。
指紋の構造を測定できるようにするために、アレーは典型的に１０〜１５ｍｍの長さになされ、分解能は５０μｍになされる。これを単列配置のセンサーを使用して達成することは困難であり、高価になる。図１ｂでは、２列のセンサー線が相互間で僅かに偏位している。センサーアレーを横切って表面が動かされるとき、第２線の各センサーによる測定は第１線における測定点間の部分に対応することになり、センサーの間隔距離が大きくても要求される分解能を与えることになる。３本以上の線は分解能をさらに高めることができるが、５本を越える線は、線間距離および第１線と最終線との測定の間に生じる時間経過の点から、実用的でない。また、多数の線を使用する装置は指の移動方向に影響され易くなる。
図示された線は等間隔に隔てられた複数のセンサーを含むが、偏位された第２線、第３線等は１または複数のセンサーを含むことができ、それによって指紋の或る部分の分解能を高め、および（または）不均等に動く場合に指紋の異なる部分の速度差を測定することができる。また、第２線、第３線などはセンサーの第１線に対して角度を与えることもできる。
図１ｂに示したように２以上のセンサー線を含むセンサーアレーを使用する場合、センサーの単一線に対応する信号を与えるために、異なる線での測定を組合わせなければならない。このために、センサーからの信号は異なる線におけるセンサーからの信号の間の時間的遅れを調整しなければならず、したがって指またはセンサーアレーを選択した速度で移動させるか、指の動きを測定することにより、センサーアレーに対する指の動きを知らなければならない。
図２ａは、センサーアレー上でアレーに対して直角方向に指４が動く状態を示している。正確な測定を行うために、指の動きを測定しなければならない。異なるセンサーからの測定値の相互関係を含む前記方法に加えて、これは、例えば指と接触する回転シリンダを用意し、そのシリンダの回転を測定するような多くの方法で実行できる。他の例は、指を載せて指と共に動く薄いディスクを使用することであり、このディスクは装置に連結されてディスクの速度が測定される。しかしながら、この移動は、異なるセンサー線からの信号の相互関係づけまたは比較によって測定されるのが好ましく、表面上の同じ構造部が測定される間の時間経過や空間的偏位が求められる。この方法では、各センサー線の異なる画像から、より一層精密な画像をつくることができる。
指の動きを調整する他の方法は、センサーアレーでの採取（サンプリング）速度は維持する一方、部分的な表面画像を形成するのに使用される測定線の数を調整して、表面各部で少なくとも１つの測定値を得るようにするために移動による測定間隔を調整することである。例えば、センサー上の指の動きを遅くする一方、採取すなわち測定の頻度が高ければ、余分なデータを単純に省略し、指紋の画像を２番目または３番目のデータ組を含めて作ることができる。
図２ｂはセンサー１上に置かれた指４の横断面図を示しており、また指紋における隆起５と谷６の誇張した図を示している。
図３は本発明による装置を単純化して示しており、この装置は、センサー１から増幅・マルチプレクサー８へ至る導体７を含んでいる。その後、信号はＡ／Ｄコンバータ９でデジタル化され、そのデジタル信号は、信号分析ができる購入可能ないずれかのコンピュータプログラムを含むコンピュータ１０へ送られる。
より現実的な実施例の横断面が図４に示されており、同図において、密接間隔で配置された導体１１の一端がセンサーに相当し、それらの導体の他端はマイクロチップに接続されている。導体１１はエポキシ内にモールド成形された多層プリント回路基板の一部分であり、２以上のセンサー線を形成している。各センサー１は約３５×５０μｍである。各センサー線のセンサーが１５０μｍの中心間距離を置いて取付けられるならば、３本の偏位線による分解能は５０μｍとなる。
図５は、時間的に変化（例えば、振動やパルス）する外部電圧１２がセンサー領域の側にある導電領域１４を経て指に加えられる本発明の実施例を示している。一定電圧１３に保たれた面が導体１１に接近して平行に配置されている。これは、外部電源によるクロストーク（混信）およびノイズを減らし、測定で生じた画像のコントラストを改善する。これは、１以上の導電層が一定電圧である多層プリント回路基板を使用することによって実行される。絶縁層（図示せず）が導体１，１１およびシールド面１３を覆うことが好ましい。導電領域１４もまた絶縁層で覆われるが、これは信号強度を弱める。よい性能を得るためには、振動電圧１２がセンサー表面の両側に加えられる。前記のように振動電圧はパルス列や波形（なみがた）であってよい。
１つの例では、１００ｋＨｚの波形（なみがた）が導電領域１４に加えられ、各導体１１が抵抗で終っており、信号は増幅されて復調器、マルチプレクサーおよびアナログ・デジタル・コンバータへ送られる。この例の１つの利点は、指が存在しないときにセンサー領域の導体１１に信号が実質的に発生せず、したがって時間と共に変化して電子装置内をさまようオフセット電圧による問題が減少することである。
この解決法により、標準技術を使用して、廉価なセンサー装置が簡単に製造される。また、このセンサー装置は小さく、頑丈である。測定されたパラメータが抵抗であれば、導体の端部であるセンサーは、センサーおよび周囲のエポキシが摩耗した時に特性の変化がない。キャパシタンスを測定すべき場合には、耐久性のある絶縁層がセンサーまたは導体端部の上に設けられる。
センサーの好適レイアウトも、センサー間距離よりも分解能を良好にし、センサー間のクロストークを減らす。
本発明による方法および装置は、各種形態で使用でき、測定面を表すためにキャパシタンスおよび（または）（ａｎｄ／ｏｒを意味する）導電率に加えて各種特性を測定することができる。光学的検出器、好ましくは送信機を使用して、指紋の反射像を、例えばコントラストおよび（または）色に関して分析できるようにすることができる。
このセンサーは、前記のように、キャパシタンスおよび（または）導電率を測定する手段に接続された単なる導体の端部とすることができ、または半導体材料で作られたセンサーであってよい。費用が重要である場合の好ましい半導体材料はシリコンである。
キャパシタンス測定を含む例では、導体端部と指紋との間に絶縁層（図示せず）が設けられる。
本発明の範囲に含まれる他の可能な実施例は、指紋の選ばれた部分を測定するために配置された不均等間隔の複数センサーから成るセンサー線を含む。

Claims (13)

1. 指紋表面の一部分に接触または接近して配置された複数のセンサーを含むセンサーアレーを用いて、指紋表面における選択された特徴部分を測定することを含み、
   前記特徴部分の測定は、所定の時間間隔のもとに表面の細長い部分に沿う側定点から成る少なくとも１つの直線で行われ、前記センサーアレーは実質的に一次元アレーであり、
   前記測定点から成る前記直線から、その直線に対して直角方向で、選ばれた距離だけ隔てられた位置に置かれた少なくとも１つの測定点を用いて前記特徴部分が測定され、
   前記センサーアレーに対して直角方向に前記センサーアレーと相対的に指紋表面を動かし、これにより異なるかまたは部分的に重なり合う指紋表面部分で測定が行われ、またセンサーの前記直線および前記少なくとも１つのセンサーでの測定から前記動きが計算され、
   指紋表面の前記特徴部分を表す区分された二次元表示を得るために、指紋表面の複数の測定部分の測定値を組合わせる指紋等の構造の測定方法において、
   前記センサーは、絶縁フィルムによって表面から隔離された容量性センサーであり、
   該センサーが、前記センサーアレーに沿ってキャパシタンスの変化を測定するようになされていること、また前記センサーアレーから隔離して配置されている電極を使用して変化する電圧が被測定面に印加されることを特徴とする指紋等の構造の測定方法。
2. 前記センサーアレーの測定点が前記実質的に一次元の前記センサーアレーに沿って実質的に等間隔に隔てられていることを特徴とする請求項１に記載された指紋等の構造の測定方法。
3. 指紋表面の各部分の少なくとも１つの測定値を得るために、指紋表面の相対的な動きを測定し、かつ動きによる測定間隔の調整を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された指紋等の構造の測定方法。
4. 指紋表面の細長い部分の特徴部分の各々の測定が、測定点から成る少なくとも２本の直線に沿って実質的に同時に行われる前記特徴部分の測定を含み、前記直線の一方は前記少なくとも１つの測定点を含んでおり、
   測定点から成る各直線は、測定点間の距離に等しくない距離だけ長手方向で偏位しており、前記センサーアレーは実質的に等間隔で配置されたセンサーから成る実質的に平行な２以上の直線を含み、それらの直線は前記センサーアレーの長手方向で偏位されているのが好ましいことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された指紋等の構造の測定方法。
5. 測定点から成る異なる直線における同じ構造の測定の間に生じる時間経過すなわち空間的偏位を求めるために、異なる測定線による測定値を関係づけて動きが測定されることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載された指紋等の構造の測定方法。
6. 指紋表面に接近または接触して配置されるようになされるセンサーアレーを、指紋等の構造を測定する装置が含み、該センサーアレーは、複数位置で、キャパシタンスまたは抵抗を測定することにより指紋表面の選択された特徴部分を測定するようになされており、
   前記センサーアレーは、少なくとも１つのセンサー線を含む実質的に一次元のアレーであり、選択された時間間隔のもとで前記特徴部分を測定するようになされ、指紋表面は前記センサーアレーに対して実質的に直角方向の相対的な動きを有しており、
   また、センサーから成る前記センサー線に対して直角方向に前記センサー線から選択された距離を隔てて配置された少なくとも１つのセンサーを、前記指紋等の構造を測定する装置が含み、この距離を隔てて配置された前記センサーアレーと前記少なくとも１つのセンサーによる測定で、前記指紋表面の前記動きが計算されるようになされており、
   さらに、指紋表面の特徴部分を表す区分された二次元表示を得るために、異なる時間間隔で得た測定値を組合わせる手段を、前記指紋等の構造を測定する装置が含む、前記指紋等の構造を測定する装置において、
   前記センサーが、前記センサーアレーに沿うキャパシタンスの変化を測定するようになされた容量性センサーであること、および
   時間と共に変化する電圧を被測定表面に加えるための電圧供給手段が前記センサーアレーと離れて配置されていること、および薄い絶縁体が被測定表面から前記センサーアレーの導体を隔離しており、前記センサーは、絶縁層を通る被測定面と導体との間の容量性結合を実質的に測定することによって特徴づけられる指紋等の構造の測定装置。
7. 実質的に一次元のセンサーアレーが実質的に等間隔で隔てられた、複数のセンサーから成る２以上の平行な直線を含み、前記少なくとも１つのセンサーは前記センサーアレーに含まれている請求項６に記載された指紋等の構造の測定装置。
8. 前記センサーの間の間隔距離に等しくない距離だけ前記センサー線が、前記センサーアレーの長手方向で偏位していることを特徴とする請求項７に記載された指紋等の構造の測定装置。
9. 前記センサーアレーに対する指紋表面の動きを求める装置を含むことを特徴とする請求項６から請求項８までのいずれか一項に記載された指紋等の構造の測定装置。
10. 前記指紋表面の動きを求める装置が、異なるセンサー線における同じ構造の測定の間に生じる時間経過すなわち空間的偏位を求めるために異なるセンサー線からの信号を比較するための手段を含むことを特徴とする請求項９に記載された指紋等の構造の測定装置。
11. 前記センサーアレーの導体は被測定表面に対して実質的に直角に配置されること、および一定電圧の１以上の面が絶縁層へ向かって実質的に延在し、導体に接近して平行に配置されていることを特徴とする請求項６に記載された指紋等の構造の測定装置。
12. 前記センサーが前記センサーアレーに沿う電気抵抗の変化を測定できる電極をも含むことを特徴とする請求項６から請求項１１までのいずれか一項に記載された指紋等の構造の測定装置。
13. 前記センサーアレーが半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項６から請求項１２までのいずれか一項に記載された指紋等の構造の測定装置。

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