JP3590184B2

JP3590184B2 - 指紋検出装置

Info

Publication number: JP3590184B2
Application number: JP05198196A
Authority: JP
Inventors: 和弘逸見
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-03-08
Filing date: 1996-03-08
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2016-03-08
Also published as: JPH09245149A; US5940525A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被認証者の指紋を二次元画像信号として検出する指紋検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、重要な施設の入退室管理等を目的として、被認証者が予め登録されている個人かどうかを識別して認証を行う個人認証装置への関心が高まってきている。このような個人認証装置において、個人を識別するために指紋を検出する方法が知られている。従来から指紋検出装置として様々な方式が提案されているが、最も多いものは光学的手法により指紋を二次元画像信号として検出する方式である。このような光学的指紋検出方式として、次の三つの方式が代表的なものとして知られている。
【０００３】
第一の方式は、例えばプリズム等の透明体の表面に被認証者の指を接触させ、光源から出射した光を透明体の別の面から入射させて、指が接触した面で全反射した光を結像レンズを用いて集光して撮像素子上に結像することによって指紋画像を読み取る方式であり、全反射方式と呼ばれている。
【０００４】
第二の方式は、同様の光学系を用いて、指紋の凸部で散乱された光のみを結像レンズで集光し撮像素子上に結像して指紋画像を読み取る方式であり、光路分離（散乱）方式と呼ばれている。
【０００５】
第三の方式は、光源から出射した光をコンデンサレンズで集光し、ミラーによって光路を曲げて透明体の表面と被認証者の指との接触面に対して微小な光スポットとして照射して、ミラーを透明体と平行の面内で移動させて指表面を光スポットで走査し、指表面からの反射散乱光をミラーを通して光センサに入射して光電変換することによって二次元の指紋画像を得る方式であり、スキャニング方式と呼ばれている。
【０００６】
しかし、上述したような三つの方式の指紋検出装置は、いずれも光源、プリズムおよびレンズ等の光学部品からなる光学系のサイズが大きくなり、指紋検出装置全体が大きくなってしまうという問題があった。特に、スキャニング方式は、光を微小スポットに絞り込むための光学系と、光スポットによる走査機構とがさらに必要であり、これらは光学的あるいは機械的に複雑で、かつ高い精度を必要とするため、指紋検出装置全体がさらに大きく、しかも高価なものとなってしまう。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、光学的に指紋を二次元画像信号として検出する従来の指紋検出装置においては、光源、プリズムおよびレンズ等の光学部品を用いて構成される光学系が大きくなり、指紋検出装置全体が大きくなってしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、複雑な光学系を用いずに被認証者の指紋を二次元画像信号として検出することができる指紋検出装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明に係る指紋検出装置は、平行に配列された複数の線状電極と、少なくとも前記複数の線状電極の相互間に該線状電極の長さ方向に沿って配列された複数の点状電極と、前記複数の点状電極を、線状電極を二つ挟んで隣接するもの同士電気的に共通接続する複数の共通接続線と、前記複数の線状電極に各々接続された第１のアナログスイッチ群および前記複数の共通接続線に各々接続された第２のアナログスイッチ群を含み、これら第１および第２のアナログスイッチ群を切り替えることによって、前記複数の線状電極および複数の点状電極に被認証者の指が接触することによる隣接した線状電極と点状電極との間の抵抗値を順次測定して指紋画像を検出する検出手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
このようにすると、点状電極の全てにアナログスイッチを接続する場合に比べて、アナログスイッチの数が低減されるので、指紋検出装置全体を小型化することができる。
【００１３】
検出手段は、例えば隣接した線状電極と点状電極に第１または第２のアナログスイッチ群を介して直列に接続される基準抵抗および基準電源を有し、この基準抵抗の電圧降下を測定することで抵抗値を検出する。
【００１４】
このように構成された指紋検出装置では、抵抗値を測定するために隣接した線状電極および点状電極を第１および第２のアナログスイッチ群によって選択すると、共通接続線を介して共通接続されている複数の点状電極が同時に選択されることになるが、これらの点状電極は互いに線状電極を二つ挟んで配列されていることから、互いの距離は抵抗値を測定すべき隣接した電極間の距離に対して十分大きく、正確な抵抗値を測定する妨げとはならない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係る指紋検出装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、複数の線状電極１および複数の点状電極２によってセンサ部３を構成している。センサ部３は、ここに被認証者の指が接触されたときの隣接する線状電極１と点状電極２との間の抵抗値を測定するためのものであり、本実施形態ではこれらの隣接電極間で８×８のマトリックス状に配列された抵抗値検出画素が構成されている。
【００１６】
線状電極１は、このマトリクスの配列ピッチ（以下、測定ピッチ）の倍のピッチで平行に配列されている。点状電極２は、図１でセンサ部３のＸ方向においては線状電極１の長さ方向に沿って８つを一群として測定ピッチと同じピッチで一列に配列され、Ｙ方向においては線状電極１の相互間に測定ピッチの倍のピッチで配列されている。
【００１７】
線状電極１の幅と配列ピッチおよび点状電極２の縦横の大きさ等は、測定ピッチか指紋を構成する凹凸のピッチ（個人差があるが通常〜０．５ｍｍ程度）以下となるように設定される。例えば、測定ピッチを０．２ｍｍにする場合、線状電極１の幅は０．１ｍｍ、線状電極１の配列ピッチは０．４ｍｍ、点状電極２の縦横の大きさは０．１ｍｍ、点状電極２間の距離は０．１ｍｍとすればよい。
【００１８】
なお、実用的には６４×６４程度のマトリックスが必要となり、例えば測定ピッチを０．２ｍｍとした場合、センサ部は１２．８ｍｍ×１２．８ｍｍの面積となる。
【００１９】
線状電極１および点状電極２は、共通の絶縁性基板の表面に形成された導電性薄膜からなり、これらの材料としては例えばＣｕ、Ａｕ、Ｎｉ、ＰｔあるいはＰｄのような人体の皮膚から出る汗等の体液に侵されにくい導電性材料が用いられる。また、基板の材料としては、例えばガラスエポキシなどのプリント基板材料、セラミック、絶縁被覆を施した金属薄板などが用いられる。
【００２０】
線状電極１は、第１のアナログスイッチ群４の一端にそれぞれ接続され、第１のアナログスイッチ群４の他端は基準抵抗Ｒｒｅｆの一端に共通接続されて、基準抵抗Ｒｒｅｆの他端は電圧源Ｖｏのプラス端子に接続され、電圧源Ｖｏのマイナス端子は接地されている。電圧源Ｖｏは、隣接電極間に接触した指の抵抗と基準抵抗Ｒｒｅｆとの直列回路に基準電圧を印加するためのものである。
【００２１】
アナログスイッチ群４はカウンタ５の出力をデコードするデコーダ６の出力によって制御される。カウンタ５およびデコーダ６は、クロック信号ＣＫ１に同期してアナログスイッチ群４を上端（Ａ１行）から下端（Ａ４行）に向かって一つずつ順に切り替えてオン状態とするようなシーケンス制御を行う。
【００２２】
点状電極２は、センサ部３のＸ方向においては各々が電気的に独立であり、Ｙ方向においては上端から奇数番目（Ｂ１行、Ｂ３行、Ｂ５行）同士および偶数番目（Ｂ２行、Ｂ４行）同士が、それぞれ複数の共通接続線７および８によって電気的に共通接続されている。共通接続線７および８は、それぞれ第２のアナログスイッチ群９および１０の一端に接続され、第２のアナログスイッチ群９および１０の他端は接地されている。
【００２３】
アナログスイッチ群９，１０は、それぞれカウンタ１１，１３の出力をデコードするデコーダ１２，１４の出力によって制御される。これらカウンタ１１，１３およびデコーダ１２，１４は、それぞれクロック信号ＣＫ２，ＣＫ３に同期してアナログスイッチ群９，１０を左端から右端に向かって一つずつ順に切り替えてオン状態とするようなシーケンス制御を行う。
【００２４】
次に、図２を参照して本実施形態による指紋画像の測定原理について説明する。図２は、図１中のセンサ部３の一部を拡大して示した図であり、図１中の第１および第２のアナログスイッチ群４，９，１０は省略されている。同図に示されるように、線状電極１および点状電極２に被認証者の指が押しつけられると、隣接電極間に指紋凸部２０が入り込んで密着する。一般に指紋凸部２０には汗口が存在しており、汗口からは常に導電性イオンを微量含んだ水分（汗）を放散している。そのため、指紋凸部２０の直下に位置している隣接電極間には、それぞれ放散水分によって導電経路が形成されるため、これらの隣接電極間における抵抗値は低下する。ここで、隣接電極間の抵抗をＲｘとすると、基準抵抗Ｒｒｅｆの両端には次式で示される電位差Ｖが生ずる。
【００２５】
Ｖ＝Ｒｒｅｆ・Ｖｏ／（Ｒｒｅｆ＋Ｒｘ）
本実施形態では、この電位差Ｖを電極間抵抗値の変化として順次読み取ることによって指紋画像を検出する。すなわち、図１に示したアナログスイッチ群４，９，１０をクロック信号ＣＫ１，ＣＫ２，ＣＫ３によって切り替えると共に、これらの切り替えと同期して例えばサンプルホールド回路により電位差Ｖを順次検出することで、被認証者の指紋を二次元画像として検出する。
【００２６】
以下、本実施形態の動作について図３に示されるタイミングチャートを参照して具体的に説明する。今、センサ部３に被認証者の指を接触させた状態で、クロック信号ＣＫ１，ＣＫ２，ＣＫ３がそれぞれ入力されることを考える。なお、本実施形態においてはカウンタ６，１２，１４は、それぞれクロック信号ＣＫ１，ＣＫ２，ＣＫ３の立ち上がりでカウントアップが行われるものとする。
【００２７】
時刻ｔ１において本実施形態の動作が開始すると、まずクロック信号ＣＫ１，ＣＫ２が入力される。クロック信号ＣＫ１によってカウンタ５およびデコーダ６を介して第１のアナログスイッチ群４が切り替えられ、センサ部３におけるＡ１行の線状電極が選択状態となる。一方、クロック信号ＣＫ２によってカウンタ１１およびデコーダ１２を介して第２のアナログスイッチ群９が切り替えられ、上端から奇数番目（Ｂ１行、Ｂ３行、Ｂ５行）で左端の点状電極が選択状態となり、このときの基準抵抗Ｒｒｅｆの両端の電位差Ｖが検出される。従って、まずセンサ部３におけるＡ１行の線状電極とＢ１行の点状電極の左端との間の抵抗値が測定される。
【００２８】
続いて時刻ｔ２までは、Ａ１行の線状電極の導通状態は変わらずに、クロックＣＫ２が入力されることによって、カウンタ１１およびデコーダ１２を介して第２のアナログスイッチ群９が順に切り替えられ、Ｂ１行、Ｂ３行およびＢ５行の点状電極がそれぞれ順に選択状態となり、センサ部３におけるＡ１行の線状電極とＢ１行の点状電極との間の抵抗値が左端から右端に向かって順次測定される。
【００２９】
時刻ｔ２から時刻ｔ３においては、Ａ１行の線状電極の選択状態は変わらずに、クロック信号ＣＫ３が入力されることによってカウンタ１３およびデコーダ１４を介して第２のアナログスイッチ群１０が順に切り替えられ、上端から偶数番目（Ｂ２行およびＢ４行）の点状電極がそれぞれ順に選択状態となり、センサ部３におけるＡ１行の線状電極とＢ２行の点状電極との間の抵抗値が左端から右端に向かって順次測定される。
【００３０】
時刻ｔ３から時刻ｔ４においては、まずクロック信号ＣＫ１およびＣＫ３が入力され、続いてクロック信号ＣＫ３が順次入力される。クロック信号ＣＫ１が入力されることによってカウンタ５およびデコーダ６を介して第１のアナログスイッチ群４が切り替えられ、センサ部３におけるＡ２行の線状電極が選択状態となる。また、第２のアナログスイッチ群１０は、時刻ｔ２から時刻ｔ３において右端から左端まで切り替えられたため、時刻ｔ３直後にクロック信号ＣＫ３が続けて入力されることによって、カウンタ５およびデコーダ６を介して再び左端から右端に向かって順に切り替えられる。従って、Ｂ２行、Ｂ４行の点状電極がそれぞれ順に選択状態となり、センサ部３におけるＡ２行の線状電極とＢ２行の間の抵抗値が順次測定される。
【００３１】
以下同様にして、クロック信号ＣＫ１，ＣＫ２，ＣＫ３によってアナログスイッチ群４，９，１０が切り替えられることによって、各隣接電極間の抵抗値が順次測定され、被認証者の指紋を８×８のマトリックスの二次元画像として検出することができる。
【００３２】
ところで、上述したように、点状電極２は上端から奇数番目（Ｂ１行、Ｂ３行、Ｂ５行）同士は共通接続線７によって共通接続され、偶数番目（Ｂ２行、Ｂ４行）同士は共通接続線８によって共通接続されているので、アナログスイッチ群９および１０が切り替えられた場合、共通接続されている点状電極は同時に選択状態となる。
【００３３】
このため、例えばセンサ部３におけるＡ１行の線状電極とＢ１行の点状電極の間の抵抗値を測定する場合、Ｂ１行の点状電極と同時にＢ３行およびＢ５行の点状電極２もそれぞれ導通状態となり、測定すべき接電極間の抵抗値と共にＡ１行の線状電極とＢ３行およびＢ５行の点状電極との間の各抵抗値も同時に測定していることになる。
【００３４】
このとき測定される合成抵抗Ｒの値は、Ａ１行の線状電極とＢ１行、Ｂ３行、Ｂ５行の点状電極２との間の抵抗値をそれぞれＲ１，Ｒ３，Ｒ５とすると、次式で表される。
【００３５】
１／Ｒ＝（１／Ｒ１）＋（１／Ｒ３）＋（１／Ｒ５）
ここで、センサ部３に被認証者の指紋凸部が接触することによって生じる単位面積あたりの抵抗値の変化は、同一人物の指の表面内ではほぼ一定であると仮定すると、Ｒ３を測定する電極間の距離はＲ１のそれの５倍、Ｒ５を構成する電極間の距離はＲ１のそれの１３倍となるため、Ｒ３は少なくとも５×Ｒ１以上、Ｒ５は１３×Ｒ１以上となる。従って、合成抵抗Ｒの値は上の式から最大でも１．０９２×Ｒ１となり、測定される抵抗値はほぼＲ１のみの値とみなすことができるため、正確な指紋画像を検出するための妨げとはならない。これは、他の点状電極とそれに隣接する線状電極との間の抵抗値の測定においても同様である。
【００３６】
このように本実施形態によれば、線状電極１および点状電極２によってマトリクス状に配列された検出画素の抵抗を順次測定することで、二次元の指紋画像を検出するため、従来のように光源、プリズム、レンズ等の複雑な光学系を用いる必要がなく、構造および周辺回路が非常に簡易化でき、指紋検出装置全体の小型化、軽量化、低コスト化等が実現できる。また、指紋検出装置全体を薄型に実装することも可能になり、例えばＩＣカード等へ応用することができる。
【００３７】
なお、線状電極を用いずにマトリクス状に配列された点状電極のみで指紋を二次元画像として検出することも可能である。これは、例えば本実施形態と同様に検出画素を８×８のマトリクス状に構成する場合、図１中の線状電極をそれぞれ８個の点状電極に置き換えることに相当する。図１中で点状電極は８×５＝４０個あるので、この場合の点状電極の総数は４０＋３２＝７２個となる。ここで、この置き換えた点状電極にそれぞれアナログスイッチを接続したとすると、第２のアナログスイッチ群９および１０を構成するアナログスイッチと合わせて、１６＋３２＝４８個のアナログスイッチが必要となり、その総数が非常に多くなってしまい、指紋検出装置全体の小型化、低コスト化の点で劣ることになる。このような問題は、マトリクス数を増やそうとするとより顕著になる。
【００３８】
これに対し、本実施形態においては、線状電極１および点状電極２を用い、この点状電極２のうち上端から偶数番目同士および奇数番目同士をそれぞれ共通接続して、それぞれ第２のアナログスイッチ群９および１０に接続することによって、アナログスイッチの総数を大幅に減らすことができる。具体的には、電極間をｎ×ｎのマトリクスで構成する場合、アナログスイッチの総数は２ｎ＋ｎ／２個になる。
【００３９】
図４は、本実施形態を個人認証装置に適用した場合の構成を示すブロック図である。この個人認証装置は、指紋検出部４１、特徴抽出部４２、信号処理部４３、および照合部４４を有している。
【００４０】
ここで指紋検出部４１は、図１中の線状電極１、点状電極２、第１および第２のアナログスイッチ群４，９，１０、カウンタ５，１１，１３、デコーダ６，１２，１４、基準抵抗Ｒｒｅｆおよび電圧源Ｖｏを有している。
【００４１】
この個人認証装置では、まず指紋検出部４１において被認証者の指紋を二次元画像信号として検出する。次に特徴抽出部４２において検出された二次元画像信号に基づいて指紋の特徴を抽出し、信号処理部４３において特徴抽出部４２の出力に対して例えばフィルタリング処理、アナログ−ディジタル変換等を行って被認証者の特徴パターン（以下、照合用データ）を出力する。そして照合部４４においてこの照合用データと予め登録されている特徴パターンとを比較して、被認証者が予め登録されている個人かどうかを判定して、その判定結果を出力する。なお、上記実施形態においては基準電源として電圧源Ｖｏを用いる場合について説明したが、この代わりに電流源を用いるようにしてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べたとおり、本発明によれば、複雑な光学系を用いずに被認証者の指紋を二次元画像信号として検出することができる指紋検出装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る指紋検出装置の概略構成を示す図
【図２】同実施形態の測定原理を説明するための図
【図３】同実施形態におけるタイミングチャート
【図４】同実施形態を個人認証装置に適用した場合の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１…線状電極
２…点状電極
３…センサ部
４，９，１０…アナログスイッチ群
５，１１，１３…カウンタ
６．１２．１４…デコーダ
Ｒｒｅｆ …基準抵抗
Ｖｏ…電圧源
ＣＫ１，ＣＫ２，ＣＫ３…クロック信号
Ｒｘ…隣接電極間の抵抗
２０…指紋凸部
４１…指紋検出部
４２…特徴抽出部
４３…信号処理部
４４…照合部

Claims

平行に配列された複数の線状電極と、
少なくとも前記複数の線状電極の相互間に該線状電極の長さ方向に沿って配列された複数の点状電極と、
前記複数の点状電極を、線状電極を二つ挟んで隣接するもの同士電気的に共通接続する複数の共通接続線と、
前記複数の線状電極に各々接続された第１のアナログスイッチ群および前記複数の共通接続線に各々接続された第２のアナログスイッチ群を含み、これら第１および第２のアナログスイッチ群を切り替えることによって、前記複数の線状電極および複数の点状電極に被認証者の指が接触することによる隣接した線状電極と点状電極との間の抵抗値を順次測定して指紋画像を検出する検出手段と
を有することを特徴とする指紋検出装置。
前記検出手段は、前記隣接した線状電極と点状電極とに前記第１または第２のアナログスイッチ群を介して直列に接続される基準抵抗および基準電源を有し、該基準抵抗の電圧降下を検出することによって前記抵抗値を測定することを特徴とする請求項１に記載の指紋検出装置。
指紋の二次元画像を得るための指紋検出装置において、
行および列からなるマトリクス状に配列された複数の点状電極と、
前記行および列のいずれかの方向に沿って並列に配列された複数の線状電極であって、各線状電極が前記行および列のいずれかを形成する複数の第１の点状電極群とこれらに各々隣接する複数の第２の点状電極群との間に配置されている複数の線状電極と、
前記複数の第１および第２の点状電極群の配列方向とは異なる方向に沿って配列された複数の接続線であって、前記第１の点状電極群の各々に含まれる一つの点状電極を共通接続するものと前記第２の点状電極群の各々に含まれる一つの点状電極を共通接続するものとを含む複数の接続線と、
特定の線状電極と前記複数の接続線の一つとの間に所定の電圧を与えることにより、各線状電極とそれに隣接する各点状電極との間の抵抗値を測定する手段と
を有することを特徴とする指紋検出装置。
指紋の二次元画像を得るための指紋検出装置において、
行および列からなるマトリクス状に配列された複数の点状電極と、
前記行および列のいずれかの方向に沿って並列に配列された複数の線状電極であって、各線状電極が前記行および列のいずれかを形成する複数の第１の点状電極群とこれらに各々隣接する複数の第２の点状電極群との間に配置されている複数の線状電極と、
前記複数の第１および第２の点状電極群の配列方向とは異なる方向に沿って配列された複数の接続線であって、前記第１の点状電極群の各々に含まれる一つの点状電極を少なくとも一つの点状電極を間に置いて共通接続するものと前記第２の点状電極群の各々に含まれる一つの点状電極を少なくとも一つの点状電極を間に置いて共通接続するものとを含む複数の接続線と、
特定の線状電極と前記複数の接続線の一つとの間に所定の電圧を与えることにより、各線状電極とそれに隣接する各点状電極との間の抵抗値を測定する手段と
を有することを特徴とする指紋検出装置。