JP4719934B2

JP4719934B2 - 多層誘電体間の類似度判定方法及び類似度判定装置、同一性を判定可能にした多層誘電体

Info

Publication number: JP4719934B2
Application number: JP2004348926A
Authority: JP
Inventors: 恭前野
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2024-12-01
Also published as: JP2006155519A

Description

本発明は誘電率の異なる層から形成された多層誘電体同士で、その類似度や同一性を判定するための多層誘電体間の類似度判定方法及び装置と、多層誘電体に関する。

紙幣や有価証券などの偽造・変造防止技術は近年ますます高度になっているが、偽造・変造技術もそれを追い続けるため、両者の関係はいたちごっこである。特に紙幣やプリペイドカードなど流通性が高い物では、偽造・変造も数が多く、容易に真贋を判定する技術が求められる。

プリペイドカードなどに施される偽造防止技術として公知の方法は次のようなものがある。すなわち、特許文献１に記載の磁気記録媒体とその製造方法および使用方法では、カードの不正使用を防止する有効な方法として、信頼性が高く、可変情報信号の機密性が高く、改竄、偽造されにくい不正使用防止機能を付与した磁気記録媒体が開示されている。その方法として、基体上の全体または一部に、少なくとも２つ以上の磁性層を積層する。そして、少なくとも１つの下部の磁性層は磁気記録可能な磁性層であり、他の少なくとも１つの上部の磁性層には再生パルス電圧の波高値が不規則に変化した書換不能なアナログ的ランダム固定信号が記録する構成が開示されている。

特開2000-076648号公報

また、紙幣等に施す技術として、特許文献２に記載の技術がある。本技術は、紙幣やカード等の貴重印刷物に、偽造及び改竄防止効果を付与するものである。その方法として、基材に、レーザによって目視しにくい程度の微細な多数の穿孔を貫通して形成し、基材の一面には、穿孔が埋まるように発光物質を付与し、発光物質に特定波長の光を照射装置により照射することによって、発光物質固有の波長の光を励起発光させ、この光を検知して、穿孔の特定のパターンを認識できるようにする。

特開2000-094864号公報

このように従来の偽造防止技術では、紙幣やカード等に、何らかの偽造防止技術を追加して、これにより偽造の有無を判定する方法が主流である。
しかしながら、これらの方法では防止技術の施術にコストが高くなる上、高度な防止技術では判定に要するコストも高くなる傾向があり、容易な判定方法が実現できるとは言い難い。

本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みて創出されたものであり、カード等の誘電体素材において容易に偽造・変造を判定できる判定方法を提供すると共に、判定が容易なカードの製造を実現する

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような多層誘電体間の類似度判定方法を提供する。
すなわち請求項１に記載の発明では、誘電率の異なる複数の層からなる多層誘電体にパルス電圧を印加し、その時に該多層体内部における厚み方向の誘電率の分布に従って発生するパルス状の応力を検出するパルス静電応力法を用い、複数の多層誘電体から検出された信号波形を比較することにより該多層誘電体間の類似度を判定する多層誘電体間の類似度判定方法を提供する。

請求項２に記載の発明は、上記判定方法で利用する応力として、マックスウェル応力又はクーロン力、発生するジュール熱の熱膨張による応力、逆圧電効果による応力の少なくともいずれかを用いることを特徴とするものである。

本発明は次のような多層誘電体間の類似度判定装置を提供することもできる。すなわち、請求項３に記載の発明では、誘電率の異なる複数の層からなる多層誘電体にパルス電圧を印加し、その時に該多層体内部における厚み方向の誘電率の分布に従って発生するパルス状の応力を検出するパルス静電応力法を用いると共に、２つ以上の多層誘電体から検出された信号波形を比較し類似度を判定する多層誘電体間の類似度判定装置を創出する。
そして、該装置には、パルス電圧発生部と、多層誘電体の表面及び背面に接して該パルス電圧を印加する電極部と、多層誘電体内部で発生した応力を電気信号に変換する圧電素子部と、該検出された電気信号の波形を、比較対象の信号波形と比較し、その類似度又は同一性の少なくともいずれかを出力する判定部とを少なくとも備える。

また、請求項４に記載のように、上記の応力が、マックスウェル応力又はクーロン力、発生するジュール熱の熱膨張による応力、逆圧電効果による応力の少なくともいずれかである類似度判定装置を提供することができる。

さらに本発明は、上記方法又は装置によって容易に同一性を判定できる多層誘電体を提供することもできる。
すなわち、請求項５に記載の発明では、誘電率の異なる複数の層からなる多層誘電体にパルス電圧を印加し、その時に該多層体内部における厚み方向の誘電率の分布に従って発生するパルス状の応力を検出するパルス静電応力法を用い、複数の多層誘電体から検出された信号波形を比較することにより該多層誘電体間の同一性を判定可能に処理した多層誘電体を提供する。
該多層誘電体は、所定の誘電率を有する物質を少なくとも２層以上の略全面に積層することで、該パルス静電応力法による検出信号波形が略同一となるように構成することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、上記多層誘電体の判定に用いる応力が、マックスウェル応力又はクーロン力、発生するジュール熱の熱膨張による応力、逆圧電効果による応力の少なくともいずれかであることを特徴とするものである。

本発明は、カードや紙幣が多層誘電体であることに着目し、それに対してパルス電圧を印加する。このとき、パルス静電応力法では多層誘電体内部に発生する様々な応力を測定することができる。
発明者は該方法を用いて、同一の製造工程で作成された多層誘電体間では、そのときに内部に発生する応力特性が非常に類似していることを見出した。また、異なる製造工程で作成された場合には、使用上は同種の多層誘電体であっても、異なる応力特性を示すことが分かった。
本発明は、この特性を利用して多層誘電体間の類似度を判定することを提案するものである。

パルス電圧に対するパルス応力は、識別可能な程度に類似しており、これを用いることで、特別な偽造・変造技術を用いずとも、すでに流通する個体間でも同一性を識別することができる。例えば、ＩＣカードや紙幣などは製造工程が限定されており、認定された工程で作成されたカード等の応力特性と、試験対象物の応力特性を比較することで、その真贋を判定することができる。

また、そもそもカード等の製造時には誘電体の多層構造が変わらないように製造しておくことで、偽造カード等の発見が極めて容易になる。
一般的には多層誘電体は、カードの素材、素材の製造工程、表面の印刷工程、塗料、カードへの付属物等の様々な要因によって特性が変化する。したがって、同一の工程で大量に生産されたものの間では、その特性はほとんど変化がないが、偽造しようとした場合には、同一の特性を作出することは極めて困難である。本発明はこのような特徴を活用する判定方法である。
反対に、故意に工程を変えてカードを生産すれば、見た目には同一でも識別可能なカードを提供することもできる。

以下、本発明の実施形態を、図面に示す実施例を基に説明する。なお、実施形態は下記に限定されるものではない。
磁気カードやＩＣカードなど現在普及しているカードは基板、表面印刷層などをもつ多層構造である。このような多層体に電圧を印加すると誘電率の差に応じて界面にマックスウェル応力が発生するため、すかしとして利用することができる。本発明では、このようなすかしを電気すかしと呼び、以下に電気すかしとして多層誘電体間の類似性や同一性を判定する方法を説述する。

各種の偽造防止技術が適用されているにもかかわらず、プリペイドカード、クレジットカードなどの偽造が後を絶たない。ここでは、カードに記録されている電子情報に頼らず、カードそのものの特性を生かした偽造防止技術について述べる。
このようなカードは基板となるプラスチック板の上に磁気コーティング層、表面印刷層などをもつ多層構造となっている。こうした多層体に電圧を印加すると、誘電率の差に応じて界面にマックスウェル応力等の応力が発生する。誘電率の差や、各層の厚さはカード固有のものなのでマックスウェル応力もおのおの固有のパターンで発生する。このような応力のパターンが検出できれば電気すかしとして利用できる。

マックスウェル応力は静電気力であり、そのままでは試料の外部から検出することは困難である。そこで、マックスウェル応力の検出にパルス静電応力法（Pulsed Electroacoustic Method、以下PEA法と記す）を利用する。
PEA法は本件発明者らにより開発された空間電荷の計測法で、フィルム状の材料内部の電荷分布を直接測定できる。その詳細は非特許文献３及び４に示されている。

T. Maeno and K. Fukunaga, "High-resolution PEA Charge Distribution Measurement System", IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol.3, No.6, pp.754-757 (1996) 前野恭、"直読型PEA空間電荷分布測定装置"、電学論Ａ、Vol.122-A, No.1, pp.118-122 (2002)

PEA法によるマックスウェル応力の検出の概略を図１に示す。図に示すように、誘電体１（誘電率ε₁）、誘電体２（同ε₂、ε₁>ε₂）の誘電体試料を重ねる。この両側を電極ではさみ、パルス電圧を印加する。このとき誘電体内部にはパルス電界が生じ（電束密度 D_n =ε₁E₁=ε₂E₂）パルス状のマックスウェル応力が発生する。

マックスウェル応力は誘電率の異なる界面で生じ、図１中に示すように、左から順に、電極１−誘電体１界面：ｆ₁、誘電体１−誘電体２界面：ｆ₂、誘電体２−電極２界面：ｆ₃の3つの場所で発生する。ここで、電極の誘電率を十分大きいとすると、各応力は次式となる。

（数１）
ｆ₁ = -Dn²/2ε₁
ｆ₂ = D_n ²(1/ε₁- 1/ε₂)/2
ｆ₃ = Dn²/2ε₂

この応力はパルス圧力となり左右に伝搬するが、左側に伝わったものは電極１の裏側に貼り付けた圧電素子により、伝搬してきた順番に電気信号として検出される。この信号をPEA信号と呼ぶ。PEA信号は図下に示すような三角波として、それぞれの位置に対応した遅延時間（距離ｘ／音速S_v）の後に観察される。
つまり、PEA信号は、応力の大きさ、極性、位置を示すものである。さらに、多層誘電体がそれぞれ異なる音響的性質をもつ場合には、界面での圧力波の反射が生じるため信号波形は複雑なものとなる。

PEA信号は圧電素子で検出された後、アンプで増幅されたものであるから、これら検出系の周波数特性に応じた装置固有のひずみを持つ。従来のPEA法（非特許文献５を参照）では、この信号を電荷分布に換算するためのキャリブレーションを行う際に、装置固有のひずみを補償する信号処理を行っているが、本発明に係る電気すかしでは単なる波形の変化に着目しているのでこのような処理はしていない。

前野恭、福永香、田中康寛、高田達雄、"高分解能ＰＥＡ空間電荷測定装置における信号処理"、電学論Ａ、Vol.115-A、No.5, pp.405-410 (1995)

図２にPEA装置の構成図を示す。試料はセンサーを取り付けた下部電極の上に置かれ、この上に上部電極を乗せてねじで押さえつけるようになっている。上部電極内部にはコンデンサなどが組み込まれており、エポキシ樹脂が充填してある。本装置では幅1 ns、高さ600 V、繰り返し400 Hzのパルス電圧を用いた。パルス電圧が印加される中心電極は直径8 mmである。PEA信号は500ns間を表示しており、図中には試料のおよその範囲と厚さを示している。

図４は以前から使われているプリペイドカードである試料Aで、図５は比較的最近普及し始めた試料Bで、それぞれ検出された信号波形である。試料Aの最初のパルス信号は正で、大きさは0.75ｍＶ、その後負に跳ね返り収束する。試料Bは同様に正のパルスであるが、1.6mVと試料Aの2倍以上ある上、パルス波形も3回のリンギングを伴うなど明らかに異なっている。このように各々のカードは材料および作製法によって決まる固有の電気すかしを持っていることがわかる。

図６は偽造問題のため使用が中止される予定のカード試料C、図７はカード試料Dの信号波形である。購入場所、時期、金額とも異なるものであるが、これらのPEA信号はよく似た形をしており、試料厚さ全体の範囲で10％以内の差で波形が一致し、電気すかしとして機能している。
この結果から、購入時期が異なっていても、同様の製造工程で作成されたカードでは同一性が認められ、電気すかしとして利用可能なことがわかる。

図８、図９はプラスチック様の材料でできた金額の異なる外国紙幣、試料E、Fの信号波形である。
最初のパルス信号の大きさは試料Eが3.9mV、試料Fが3.4mVと近く、波形全体としては似た傾向を持つが、最初の正パルスに続く負パルスの形状が異なる。試料Eでは2つの負パルスが見られるのに対し、試料Fでは1つしか見られない。このような違いは表面の印刷の関係などに起因すると考えられ、非常に僅かな違いであっても、信号波形が異なる結果を得られることがわかる。

本発明は、上記の結果を利用して、図２に示すPEA装置のうちコンピュータに図３の構成を用いて、類似性を判定することを特徴とする。
コンピュータは公知のパーソナルコンピュータを用いて、試料背面に設けてある圧電素子からの電気信号を処理する。電気信号は図２に示すように３０ｄＢの利得を有するアンプを経て、コンピュータの信号入力部から入力する。該信号入力部ではアナログ信号の電気信号をデジタル変換処理し、信号情報とする。

そして、信号比較部では比較対象の信号情報（比較対象データ）と、入力された信号情報とを比較処理する。信号波形のコンピュータ上における比較手法は周知の方法を用いることができる。
例えば、図４〜図９に示すような信号波形において、ピーク値、その極性、ピーク値をとる時間が信号波形における主要な値であり、２つの信号情報におけるピーク値（極性を含む）や時間が所定の閾値内に収まっているか否かを判定することで比較することができる。あるいは、両者のピーク値に係る値の誤差を求め、誤差値を判定部から出力してもよい。

判定部では、類似性を出力するだけでなく、上記で得られた数値から所定の閾値により同一性の有無を判定することもできる。その場合、判定結果としては、入力された電気信号のカードの「真」「贋」とすることができ、簡便な真正判定に寄与する。

本発明では、カード等の多層誘電体を提供することもできる。
すなわち、所定の誘電率の物質を複数積層することで、カードを制作する。カードは積層後に各層の分離や誘電率の解析を行うことは難しく、容易に同様の応力特性を示すカードを製造することは極めて困難である。さらに、積層中の誘電率を適宜変化させることで、複数の種類のカードを作成することもできる。

以上、多層誘電体の内部に発生する応力としてマックスウェル力を挙げたが、他に次のような応力が発生する。
第１にクーロン力である。クーロン力は試料内部に電荷がある場合に発生する。このような電荷は空間電荷と呼ばれ、誘電体の特性評価に役立つ。空間電荷は初めから蓄積しているものと、バイアス電圧印加により生じたものに分けられる。初期電荷のある場合はパルス電界の印加により蓄積電荷にクーロン力が働き、電荷分布に対応したPEA信号が得られる。

つぎに、バイアス電圧を印加した場合、試料内部の各部の誘電率、導電率の違いにより各部にマックスウェル−ワグナー分極が生じる。この分極によって内部には様々な量、極性の電荷が蓄積するのでクーロン力が生じる。
マックスウェル−ワグナー分極は時間とともに成長するので、測定に用いる場合にはバイアス印加時間を規定しなければならない。この他、高電界時には電極界面からの電荷注入や、内部での乖離イオンの発生など複雑な空間電荷現象を生じるので、すかしとして用いる場合には条件設定が重要となる。

第２にジュール熱の発生に伴う応力がある。材料の導電性が高い場合、パルス電圧印加によりパルス伝導電流が流れる。この電流はジュール熱を発生させるので瞬間的に熱膨張し、応力を生じる。この応力によりパルス信号が生じる。

第３に逆圧電効果による応力がある。逆圧電効果による応力はポリ塩化ビフェニール（PVDF）のような圧電性のある材料に電界がかかった場合に生じる。カード材料の内部に薄い圧電性を持つフィルムを挟み込むことで、任意の深さ、極性の応力を発生させることができる。また、この応力は他の応力より格段に大きく、検出が容易である。

本発明は、以上説述したように、応力を検出することで、プリペイドカードなどの真贋判定に役立つ電気すかしの技術を提案する。電気すかしは様々なパターンが設計できるので、クレジットカードや個人認証カード、CD、DVDなどの誘電体媒体に用いることもできる。

パルス静電応力法によるマックスウェル応力の検出方法を説明する説明図である。本発明にかかる高分解能PEA空間電荷測定装置を含む多層誘電体間の類似度判定装置の構成図である。多層誘電体間の類似度判定装置のコンピュータの構成図である。試料ＡにおけるPEA信号の信号形状である。試料ＢにおけるPEA信号の信号形状である。試料ＣにおけるPEA信号の信号形状である。試料ＤにおけるPEA信号の信号形状である。試料ＥにおけるPEA信号の信号形状である。試料ＦにおけるPEA信号の信号形状である。

Claims

誘電率の異なる複数の層からなる多層誘電体にパルス電圧を印加し、その時に該多層体内部における厚み方向の誘電率の分布に従って発生するパルス状の応力を検出するパルス静電応力法を用い、複数の多層誘電体から検出された信号波形を比較することにより該多層誘電体間の類似度を判定する多層誘電体間の類似度判定方法。
前記応力が、マックスウェル応力又はクーロン力、発生するジュール熱の熱膨張による応力、逆圧電効果による応力の少なくともいずれかである請求項１に記載の多層誘電体間の類似度判定方法。
誘電率の異なる複数の層からなる多層誘電体にパルス電圧を印加し、その時に該多層体内部における厚み方向の誘電率の分布に従って発生するパルス状の応力を検出するパルス静電応力法を用いると共に、２つ以上の多層誘電体から検出された信号波形を比較し類似度を判定する多層誘電体間の類似度判定装置であって、
パルス電圧発生部と、多層誘電体の表面及び背面に接して該パルス電圧を印加する電極部と、多層誘電体内部で発生した応力を電気信号に変換する圧電素子部と、該検出された電気信号の波形を、比較対象の信号波形と比較し、その類似度又は同一性の少なくともいずれかを出力する判定部と
を少なくとも備えたことを特徴とする多層誘電体間の類似度判定装置。
前記応力が、マックスウェル応力又はクーロン力、発生するジュール熱の熱膨張による応力、逆圧電効果による応力の少なくともいずれかである請求項３に記載の多層誘電体間の類似度判定装置。
誘電率の異なる複数の層からなる多層誘電体にパルス電圧を印加し、その時に該多層体内部における厚み方向の誘電率の分布に従って発生するパルス状の応力を検出するパルス静電応力法を用い、複数の多層誘電体から検出された信号波形を比較することにより該多層誘電体間の同一性を判定可能に処理した多層誘電体であって、
所定の誘電率を有する物質を少なくとも２層以上の略全面に積層することで、該パルス静電応力法による検出信号波形が略同一となるように構成した多層誘電体。
前記応力が、マックスウェル応力又はクーロン力、発生するジュール熱の熱膨張による応力、逆圧電効果による応力の少なくともいずれかである請求項５に記載の多層誘電体。