(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
指紋センサであって、
該センサは、指紋の画像を捕捉するための１つ以上のデバイスを備え、各デバイスは、ピラーのマトリクスを含み、
該ピラーは、励起力を介して振動されるように構成され、かつ、適用された音響インピーダンス負荷に基づいて機械的に減衰されるように構成されており、
該マトリクス内の関心のあるピラーは、（ａ）１つ以上の対角に隣接するピラーとの電気的な接続を有しており、該電気的な接続を有することは、該マトリクス内のピラーに電流を受け取らせ、さらに、該電流を受け取ることに応答して該ピラーの機械的振動を生じさせ、（ｂ）該関心のあるピラーには、対角に隣接するピラー以外の隣接するピラーへの電気的な接続はない、センサ。
【請求項２】
前記デバイスは、共振器および発振器のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記マトリクス内の個々のピラーのｑ係数は、ピラー間の距離が動作波長での１／４剪断波長と等しくなるようにピラー間の距離を調整することによって最適化される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記センサは、圧電、磁気、または電気力を介して励起されるように構成される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記指紋の画像は、前記マトリクス内のピラーの振動の監視を介して捕捉される、請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
ピラーの減衰は、電圧、電流、インピーダンス、変位、応力、歪み、および光学的反射を含む群からの少なくとも１つを使用して測定される、請求項５に記載のセンサ。
【請求項７】
前記センサと指紋の組織との間の音響インピーダンスの差を低減するように構成される整合層をさらに備える、請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
前記整合層は、所定の厚さと所定の音響インピーダンスとを有する材料を含む、請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
１つ以上の機械デバイスを使用して指紋の画像を捕捉することであって、各デバイスは、ピラーのマトリクスを含み、該デバイスは、適用された音響インピーダンス負荷に基づいて機械的に減衰されるように構成されており、該マトリクス内の関心のあるピラーは、（ａ）１つ以上の対角に隣接するピラーとの電気的な接続を有しており、該電気的な接続を有することは、該マトリクス内のピラーに電流を受け取らせ、さらに、該電流を受け取ることに応答して該ピラーの機械的振動を生じさせ、（ｂ）該関心のあるピラーには、対角に隣接するピラー以外の隣接するピラーへの接続はない、ことと、
励起力を介して、該関心のあるピラーと該関心のあるピラーに電気的に接続されたピラーとを含む一セットのピラーを振動させることと
を含む、方法。
【請求項１０】
前記関心のあるピラーは、対角に隣接するピラーのうちの２つ以上のピラーに電気的に接続されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１１】
非対角に隣接するピラーは、前記関心のあるピラーが振動しているときには振動しない、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１２】
非対角に隣接するピラーは、受動反射のみを提供し、前記関心のあるピラーが振動しているときには振動しない、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記ピラーは、正方形の断面を有するように成形されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記関心のあるピラーは、向かい合う態様で配置されている少なくとも２つのピラーにより包囲され、該ピラーとの電気的な接続がない、請求項１３に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記センサは、１つ以上のピラーの振動を監視することにより、該１つ以上のピラーに対する音響インピーダンス負荷を測定するようにさらに構成される、請求項４に記載のセンサ。
【請求項１６】
前記一セットのピラーの振動を監視することにより、該ピラーに対する音響インピーダンス負荷を測定するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
感知デバイスにおいて指紋の画像を捕捉する方法であって、
前記方法は、
圧電ピラーの配置を含むセンサマトリクスと音響的に接触させて指の指紋組織を配置することと、
逆圧電効果を介して前記圧電ピラー内に振動および音響波を発生させることと、
前記圧電ピラーの各々に対して振動の減衰を測定することにより、前記圧電ピラーの各々に対する音響インピーダンス負荷を測定することと、
前記圧電ピラーの各々に対する前記音響インピーダンス負荷に基づいて、前記指紋組織の少なくとも１つの谷から少なくとも１つの稜を区別することと
を含み、
前記マトリクス内の第１のピラーは、前記マトリクス内の第２のセットのピラーと同時に振動を受け取るように構成され、前記第２のセットのピラーは、前記第１のピラーに隣接する少なくとも１つのピラーを含み、かつ、前記第１のピラーに隣接しない少なくとも１つのピラーを含み、
前記第１のピラーの表面に隣接し、面する表面を前記第２のセットのピラーのいずれも有さず、
前記ピラーのうち、前記第１のピラーの表面に面し、隣接するピラーは、前記第１のピラーおよび前記第２のセットのピラーと同時に前記振動を受け取るようには構成されていない、方法。
【請求項１８】
振動を受け取る前記ピラーの各々は、前記圧電ピラーのマトリクス内の少なくとも１つの受動ピラーに隣接して位置するアクティブなピラーである、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
振動を受け取る前記ピラーの各々は、少なくとも２つの受動圧電ピラーに非対角線的に隣接するアクティブなピラーである、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記圧電ピラーの各々は、正方形断面を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
隣接する圧電ピラー間の距離は、剪断波の長さの約１／４に等しい距離である、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
指紋感知装置であって、
前記装置は、
指紋の画像を捕捉するための１つ以上のデバイスを備え、
各デバイスは、圧電ピラーのマトリクスを含み、
前記ピラーは、励起力を介して振動を受け取るように構成され、
前記振動は、前記ピラーに適用された音響インピーダンス負荷に応答した減衰による影響を受け、
前記マトリクス内の第１のピラーは、前記マトリクス内の第２のセットのピラーと同時に振動を受け取るように構成され、前記第２のセットのピラーは、前記第１のピラーに隣接する少なくとも１つのピラーを含み、かつ、前記第１のピラーに隣接しない少なくとも１つのピラーを含み、
前記第１のピラーの表面に隣接し、面する表面を前記第２のセットのピラーのいずれも有さず、
前記ピラーのうち、前記第１のピラーの表面に面し、隣接するピラーは、前記第１のピラーおよび前記第２のセットのピラーと同時に前記振動を受け取るようには構成されていない、装置。
【請求項２３】
振動を受け取る前記ピラーの各々は、前記圧電ピラーのマトリクス内の少なくとも１つの受動ピラーに隣接して位置するアクティブなピラーである、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
振動を受け取る前記ピラーの各々は、少なくとも２つの受動圧電ピラーに非対角線的に隣接するアクティブなピラーである、請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記圧電ピラーの各々は、正方形断面を有する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２６】
隣接する圧電ピラー間の距離は、剪断波の長さの約１／４に等しい距離である、請求項２２に記載の装置。
【請求項２７】
振動を受け取るピラーは、前記マトリクス内のアクティブなピラーのチェッカー盤パターンを含む配置に位置するアクティブなピラーである、請求項２２に記載の装置。
【請求項２８】
前記第２のセットのピラーの各々は、前記第１のピラーに対して対角のいずれかの方向に沿って位置する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２９】
前記第２のセットのピラーの各々は、振動を受け取る少なくとも１つの他のピラーに対して対角のいずれかの方向に沿って位置する、請求項２２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、概して、生体認証に関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連技術）
生体特徴を感知、測定、および識別するための様々な公知の技術が存在する。これらの技術は、生体を形成する構造に関連する、一意的な特徴に重点を置いている。一例として、指の稜および谷によって画定される指紋は、そのような生体の１つである。
【０００３】
当業者に公知であるように、指紋は、稜および谷と呼ばれる指の表面上の一意的な構造によって画定される。これらの稜および谷は、多数の異なる様式に基づいて、感知、識別、および測定することができる。
【０００４】
例えば、いくつかの指紋測定の様式は、稜および谷に関連付けられる密度値に依存する。他の様式は、電流が稜および谷を通過させられた時に測定されるような誘電体誘電率に依存する。例えば、誘電体誘電率に関しては、稜（すなわち、指紋の組織）の誘電率は、谷（すなわち、稜間の空隙）の誘電率と異なる。
【０００５】
容量感知は、誘電率の変化を検出するために用いることができる１つの技術である。容量感知によって、センサ板（電極）が稜に接触した時に発生する静電容量値は、センサが谷に露出された時に発生する値とは異なる。
【０００６】
さらに別の様式は、稜と谷との間の温度差の測度である、熱伝導性である。光学要素は、さらに別の様式である。光学技術は、稜と谷との間の光学的な屈折率および反射率の変化に依存する。
【０００７】
様式は異なるが、各アプローチは、指紋を撮像するために、稜と谷とを正確に区別することを目指している。いくつかの様式、または技術は、以下でさらに十分に論議されるように、稜と谷との区別に関連して、他の様式または技術よりも本質的に正確である。この精度の相対的な評価は、コントラスト比に関して特徴付けることができる。生体認証の文脈では、コントラスト比は、空隙（すなわち、指紋の谷）に対する組織（すなわち、指紋の稜）の間のコントラストの測度である。
【０００８】
別の観点から見ると、コントラスト比は、誘電体誘電率に依存するものである熱に基づく様式と、光に基づく様式と、他の様式との、精度の潜在的な差を定量化する客観的な方法である。コントラスト比が高くなるにつれて、より正確な生体感知の可能性がより高くなる。例えば上記の様式のうちの１つを組み込む感知システムを構築する時に、設計者は、コントラスト比だけでなく、コストとともに、製造性も考慮しなければならない。
【０００９】
熱に基づく、および誘電体誘電率に基づく感知システムは、例えば、以下でさらに十分に論議されるように、比較的に低いコントラスト比を有する。すなわち、理想的な条件下であり、かつ設計および／または製造中に最大限の配慮および考慮を伴っても、これらのシステムは、それらの測定出力データの精度が本質的に制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、生体を感知するための信頼性の高い技術が必要とされる。また、従来の感知システムよりも高いコントラスト比を有する、指紋の稜および谷等の、生体を感知するための技術も必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（発明の簡単な概要）
一実施形態では、本発明は、指紋を捕捉するための１つ以上の機械デバイスを含む、指紋センサを含む。共振器は、適用された負荷に基づいて機械的に減衰されるように構成される。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
指紋センサであって、
指紋を捕捉するための１つ以上の機械デバイスを備え、
共振器が適用された負荷に基づいて機械的に減衰されるように構成されている、指紋センサ。
（項目２）
前記デバイスは、共振器および発振器のうちの少なくとも１つを含む、項目１に記載のセンサ。
（項目３）
前記機械的減衰は、励起に後続する、項目２に記載のセンサ。
（項目４）
前記デバイスは、圧電ピラー（ランダム繊維を、特定の方法で圧電ピラーに構築／画定したもの）、屈曲波、板波、ＳＡＷ、微細加工された超音波膜（ＭＵＴ）の原理を含む群からの少なくとも１つに基づいて構築される、項目３に記載のセンサ。
（項目５）
マトリクスの中の個々のピラーのｑ係数は、動作波長での１／４剪断波長に従って、ピラー間の距離を調整することによって最適化される、項目４に記載のセンサ。
（項目６）
アクティブな近傍のピラーの干渉は、対角の近傍のピラーを関心のあるピラーと相互接続し、そして、垂直または水平な近傍のピラーを該関心のあるピラーと接続しないことによって最小限化される、項目４に記載のセンサ。
（項目７）
ｑ係数は、前記マトリクスの材料の音響インピーダンスを低減することによって向上させることができ、該低減することは、（ｉ）該マトリクスの材料の密度を低減すること、および（ｉｉ）該マトリクスの材料の剛性を低減することのうちの少なくとも１つによって促進される、項目４に記載のセンサ。
（項目８）
前記センサは、圧電、磁気、または電気力を介して励起されるように構成される、項目４に記載のセンサ。
（項目９）
前記指紋の画像は、機械的および電気的を含む群からの少なくとも１つを含む態様で、該指紋の構造の走査を介して捕捉される、項目８に記載のセンサ。
（項目１０）
減衰は、電圧、電流、インピーダンス、変位、応力、歪み、および光学的反射を含む群からの少なくとも１つを使用して観察される、項目９に記載のセンサ。
（項目１１）
前記センサと前記指の構造との間の音響インピーダンスの差を低減するように構成される整合層をさらに備える、項目１０に記載のセンサ。
（項目１２）
前記整合層は、所定の厚さと所定の音響インピーダンスとを含む、項目１０に記載のセンサ。
（項目１３）
前記差は、音響反射に関して低減される、項目１２に記載のセンサ。
【００１２】
本発明のさらなる特徴および効果は、以下の説明に記載され、その説明から部分的に明らかとなり、あるいは本発明を実行することによって学習することが可能である。本発明の利点は、本明細書の書面での説明および特許請求の範囲、ならびに添付図面で特に指摘される構造によって実現および達成されるであろう。
【００１３】
上述の概要および下述の詳細な説明は、いずれも例示的かつ説明的なものであり、請求されている本発明のさらなる説明を提供することを意図したものであると理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
添付図面は、本発明を示し、明細書とともに、本発明の原理を説明し、さらに、当業者が本発明を作製して使用できるようにする働きをする。
【図１Ａ】図１Ａは、指紋の基本構造を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示される指紋構造のより従来的な図である。
【図２】図２は、異なる生体感知技術の間でコントラスト比をもたらす表形式の図である。
【図３】図３は、図２に示される感知技術のコントラスト比のグラフ図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の一実施形態に従って配置された、例示的なピラーマトリクスの図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、対角線的に接続されたピラーを有する、例示的なマトリクス図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、受動周辺ピラーを有する、図４Ｂのマトリクス図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態に従って構築される、音響インピーダンス感知システムの要素を示す図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態を実施する例示的な方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（発明の詳細な説明）
以下の本発明の詳細な説明は、本発明に一致する例示的実施形態を示す、添付図面を参照する。他の実施形態が可能であり、また、本発明の精神と範囲の範囲内で修正が行われ得る。したがって、以下の詳細な説明は、本発明を制限することを意味するものではない。むしろ、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義される。
【００１６】
当業者には、本発明が、以下に説明するように、多くの異なる実施形態で実施され得ることが明らかになるであろう。本発明を実施するあらゆる実際のソフトウェアコードは、本発明を制限するものではない。したがって、本発明の動作挙動は、本明細書で提示される詳細のレベルを考慮して、実施形態の修正および変形が可能であるという了解の下で説明される。
【００１７】
（感知音響インピディオグラフィの利点）
上述のように、本発明は、従来の生体感知システムの、より正確で信頼性のある代替物を提供する。より具体的には、本発明は、指紋の稜および谷等の生体を感知するための技術として、音響インピディオグラフィを使用する。
【００１８】
図１Ａは、指紋の基本構造１００の図である。図１Ａにおいて、基本的な指紋構造１００は、指紋全体を形成するように組み合わせる、稜１０２と谷１０４とを含む。図１Ｂは、そのような指紋１０６の図である。したがって、本発明は、正確かつ確実に指紋１０６に関連付けられる稜１０２と谷１０４とを区別するように、音響インピディオグラフィの原理を利用する。
【００１９】
音響インピディオグラフィの最も有意な利点は、例えば誘電体誘電率および熱伝導率に依存する他の様式と比較した時の、極めて高いコントラスト比である。
【００２０】
図２は、誘電体誘電率、熱伝導率、および音響インピーダンスを使用して、組織および空隙の感知を比較した、表形式の図２００である。各技術は、その特定の技術に一意的に関連付けられる測定単位で表されることに留意されたい。
【００２１】
図２では、例えば、相対的な誘電体誘電率は、無単位の量２０２で表される。熱伝導率は、電力（Ｗ）／長さ（ｍ）・温度（℃）２０４で表される。音響インピーダンスは、密度（Ｎ）×音速／長さ（ｍ）２０６で表される。これらの式のそれぞれは、指紋の組織（すなわち、稜）の縦列２０８、および指紋の空隙（すなわち、谷）の縦列２１０で示される。コントラスト比の縦列２１２は、それぞれの誘電体誘電率、熱伝導率、および音響インピーダンス技術について、稜の縦列２０８を、空隙の縦列２１０と比較したものである。
【００２２】
図２に示されるように、音響インピーダンスは、他の技術と比較して、コントラスト比２１２の顕著な向上をもたらす。例えば、図２００は、空隙の熱伝導率と比較した組織の熱伝導率のコントラスト比が、約８：１であることを示している。空隙の誘電体誘電率に対する組織の誘電体誘電率のコントラスト比は、約３２：１である（熱伝導率のそれよりも４倍良好である）。しかしながら、空隙の音響インピーダンスに対する組織の音響インピーダンスのコントラスト比は、約４０００：１であり、誘電体誘電率の向上したコントラスト比よりもさらに１００倍以上良好である。したがって、図に示されるように、より高いコントラスト比を有することで、熱伝導率および誘電体誘電率よりも稜と谷とを本質的に区別することができる。
【００２３】
図３は、図２に関して上記に論じた音響インピディオグラフィの優れたコントラスト比を、垂直軸３０１に沿って示す、グラフ図３００である。より具体的には、軸３０１に沿って、点３０２は、熱伝導率のコントラスト比を表し、点３０４は、誘電体誘電率のコントラスト比を表す。点３０６は、垂直軸３０１に沿って、音響インピーダンスのコントラスト比を表す。図３にグラフ様式に示されるように、音響インピーダンスは、誘電体誘電率および熱伝導率よりも、組織および空隙に対してかなり良好なコントラスト比を有する。図２および３は、音響インピーダンスを、熱伝導率および誘電体誘電率と比較しただけであるが、音響インピーダンスは、他の生体感知様式に勝る有意な利点を提供する。
【００２４】
上記の議論は、主として、他の公知の感知技術に対する、本質的に優れた感知技術としての、音響インピーダンスの利点に重点を置いている。しかしながら、実用的な手法で音響インピディオグラフィを使用して指紋を撮像する優位性を適用するために、音響インピディオグラフィに基づく技術を、感知デバイスおよび／または共振器の構築に組み込まなければならない。
【００２５】
（音響インピディオグラフィに基づく感知デバイス）
背景として、１９７０年代および１９８０年代に、医療分野では、組織試料を撮像するために、感知音響インピディオグラフィを適用する試みが行われた。しかしながら、この技術を医療用途に対して有効にするために、超音波信号を組織の中に伝達しなければならなかったので、これらの試みは、良くてもわずかに成功を収めるだけであった。組織への送信の後に、次いで反射を観察し、かつ該反射から、組織の全体を通して種々のインピーダンスに基づく組織の画像を再構築しなければならかった。換言すれば、これらの初期の応用は、感知技術とは対照的に、再構築技術として、音響インピディオグラフィに依存していた。しかしながら、これらの初期の応用は、非常に誤りを起こし易く、再構築には効果がないことが判明し、大部分が断念された。
【００２６】
しかしながら、本発明の実施形態は、生体感知技術として、音響インピディオグラフィを効果的に利用することができる。この使用は、１つには、本発明では組織の表面特徴のみが解析されるという理由で可能である。本出願の主題の発明者らは、音響インピディオグラフィを使用したこれらの表面特徴（すなわち、指紋の稜および谷）の感知が、生体感知および測定に対して有意な拡張を導き出すことができることを発見した。
【００２７】
より具体的には、本発明は、音響インピディオグラフィの原理を、機械共振器／発振器の構築および使用に組み込む。例えば、本発明の一実施形態は、指紋の稜および谷を感知するために使用される圧電共振器のマトリクスを形成するように、圧電ピラーを適所に固定するのに好適な間隙材料の中に埋め込まれる、圧電ピラーの配列を使用する。
【００２８】
背景として、ピラーセンサマトリクスは、一実施例として、指紋の稜および谷を撮像するために利用することができる。本発明の例示的実施形態では、センサマトリクスは、１−３圧電複合構造を形成する、例えばポリマー等のマトリクス材料の中に埋め込まれる、圧電ピラーを備える。クロスハッチ状の電極パターンを使用して、ピラーは、電気入力信号によって励起され、逆圧電効果により、ピラーの内部に音響波を発生させる。それに応じてセンサが構築された場合、ピラーの振動は、センサの上面と接触する際に、指紋構造の稜または谷によって多少減衰される。減衰は、例えば、稜に露出される時には高くなり、谷に露出される場合は低くなる。減衰に関連する対応する物理的特性は、音響インピーダンスであり、これは、谷については約４００レイリーであり、稜については約１５０万レイリーである。
【００２９】
実際の減衰は、直接圧電効果を介して電流振動に転換される、ピラーの機械的振動を監視することによって測定することができる。
【００３０】
それは、音響負荷を谷から稜に切り替える場合に高い値から低い値に切り替える、共振ピラーの機械的Ｑ（機械振動共振システムを代表する同等の電気直列回路の中の抵抗に対する誘導抵抗の比率）の測定に相当する。また、音響負荷が低から高に切り替わる場合には、要素を通って流れる電流Ｉｐの測定にも相当する。高い負荷は、低いＩｐ電流と関連し、低い負荷は高いＩｐ電流と関連する。本明細書で説明されるインピディオグラフィ法を使用することで、各ピラーの頂部のインピーダンス負荷を、ピラー共振器特性Ｑｍから複数の方法で推定することができる。例えば、インピーダンス負荷は、（ｉ）分析的に、および（ｉｉ）較正によって判定することができる。
【００３１】
ｉ）の場合、単一のピラーの最小インピーダンスに対する近似方程式は、ピラーの複合インピーダンスを、ピラーの電気、機械、および圧電特性を含む、頂部および底部の負荷条件に関連させて導き出すことができる。ｉｉ）の場合、ピラーの共振特性、例えば機械的線質係数Ｑｍｎは、所与のＱｍについて、負荷の対応する未知の音響インピーダンスを、ルックアップテーブル（図示せず）を使用して判定することができる構成曲線をもたらす、種々の頂部負荷について推定される。このルックアップテーブルは、データ処理フローに一体化することができ、したがって、音響インピーダンスの量的マップが、ピラーマトリクス全体の個々のピラーの応答から得られる。
【００３２】
しかしながら、指紋応用については、表面音響インピーダンスを直接かつ定量的に推定する必要はなく、稜と谷の間を分化させるように、直接測定した特性（Ｉｐ、Ｑｍ）のある差異を観察すれば十分である。
【００３３】
ピラーの振動の縦モード、好ましくはロッド延長モードから、材料の横結合による縦モードから発生する横モードへの音響エネルギーのあらゆる横損失（すなわち、エネルギーの放散）を回避または最小限化することが重要である。これらの横モードは、ピラーが埋め込まれている隣接する媒体の中にエネルギーを漏出させる。ピラーが縦モードで振動すると、マトリクス材料に面するピラー側領域によって剪断波が発生する。これらの剪断波は、ピラーから離れて進行してエネルギーの実質的な損失を生じさせ、したがって、これらの波は、ピラーの振動を減衰させている。このプロセスは、以下でさらに十分に論議する。
【００３４】
インピディオグラフィによって得られるあらゆる指紋画像の空間分解能は、基本的に、マトリックス構造によって、より正確には、ピラーのピッチによって定義される。
【００３５】
明確な点として、ピラーマトリクスアレイは、
１．ダイスアンドフィル
２．射出成形
３．軟性成形
４．「クッキーカッター」
５．微細加工された超音波変換器技術（ＭＵＴ技術）
６．ゾルゲルプロセス
７．ＰＺＴ厚膜のレーザリフトオフ
等の異なるアプローチを使用して製造することができる。
【００３６】
（剪断波の反射）
しかしながら、本発明の態様は、マトリクスの構築に重点を置いている。この構築の重要性の１つの要素は、マトリクス材料内の剪断波の発生および伝搬を考慮していることである。当業者によって理解されるように、剪断波は、波が進行している方向に対して垂直な材料の振動が関与する、ある種の地震波である。
【００３７】
実験結果および数値的有限要素モデリングを用いることで、種々のタイプのポリマー等（ＣＵＥデータベースを参照されたい１）の１−３圧電複合材に一般的に使用されるマトリクス材料の場合、関心のあるピラー（ｐｏｉ）から隣接する媒体への漏出は非常に高いので、ピラーの減衰に対する頂部負荷の影響が、マトリクスを通した減衰と比較して小さくなる程度にまで減衰されることを実証することができる。この伝搬は、稜と谷との間を区別するのをより困難にする。
【００３８】
本出願では、この剪断波漏出の影響を低下させる技術が提供される。そのような技術では、ピラーマトリクスは、近傍のピラーが剪断波を反射して、剪断波が出現したピラーに返すような様式で配列される。
【００３９】
この剪断波の反射効果は、反射する近傍のピラーが、ｐｏｉによって発生される剪断波の波長の距離（曲線）の範囲内にある場合に、ピラーのＱに寄与する。より具体的には、反射効果、したがってピラーのＱは、距離が剪断波の１／４波長である場合に最適化される。この効果は、ピラーが正方形断面である場合に高められる。このように、関心のある各ピラーは、反射を高める並列表面を提供する４つの近傍のピラーを有する。
【００４０】
図４Ａは、正方形断面を有するピラーを含む、３×３のピラーマトリクス４００の例示的な図である。一例として、ピラーマトリクス４００は、隣接する近傍のピラー４０４、４０６、４０８、および４１０とともに、ｐｏｉ４０２を含む。ｐｏｉ４０２が振動すると、剪断波４１２が発生し、隣接する近傍のピラー４０４、４０６、４０８、および４１０に、さらには角ピラー４１４に反射される。その逆に、剪断波４１６および４１８が発生し、角ピラー４１４から反射されて、ｐｏｉ４０２に反射する。この角反射の側面は、以下でさらに十分に論議する。
１  ＣＵＥ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｄａｔａｂａｓｅ  Ｒ  Ｌ  Ｏ’Ｌｅａｒｙ，Ｇ  Ｈａｙｗａｒｄ，Ｇ  Ｓｍｉｌｌｅ  ａｎｄ  Ａ  Ｃ  Ｓ  Ｐａｒｒ．  Ｔｈｅ  Ｃｅｎｔｒｅ  ｆｏｒ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｓｔｒａｔｈｃｌｙｄｅ，Ｇｌａｓｇｏｗ，Ｓｃｏｔｌａｎｄ  Ｖｅｒｓｉｏｎ１．２  ２００５年８月更新  近傍のピラー４０４、４０６、４０８、または４１０のうちのいずれかが、ｐｏｉ４０２と同時に振動する場合、ｐｏｉ４０２上に反射するこれらの近傍のピラーからの剪断波は、潜在的に、その継続的な振動に負に干渉する。しかしながら、本出願の発明者は、この負の影響を実質的に低減できることを発見した。本出願は、ピラーが、水平または垂直とは対照的に、図４Ｂに示されるマトリクスの配向に関して、対角線的に電気的に接続される場合に、この負の影響を低減できることを実証する。
【００４１】
例えば、図４Ｂは、包囲するピラー４２４および４２６と対角線的に接続されるｐｏｉ４２２を有する、例示的なマトリクス４２０の図である。図４Ｂでは、ｐｏｉ４２２は、４つのピラー４２８、４３０、４３２、および４３４と向かい合うように包囲されているが、ｐｏｉ４２２は、これらの４つのピラーのうちのいずれかに電気的に接続されているわけではない。代わりに、ｐｏｉ４２２は、ピラー４２４および４２６に電気的に接続される。ピラー４２８、４３０、４３２、および４３４は、ｐｏｉ４２２に接続されていないので、これらのピラーは不活性であり、したがって、ｐｏｉ４２２に関して受動反射のみを提供する。これらのピラーは、もはやｐｏｉ４２２に直接的に反射しない。
【００４２】
図４Ａの中のピラー４０２、４１４、および４１５のように、ピラーが対角線に沿って駆動された場合、マトリクスのアクティブなピラーは、角要素（４１４および４１５）である。図４Ａでは、曲げられた剪断波４１６および４１８は、これらの角要素４１４および４１５から出現し、ｐｏｉ４０２の角に当たっている。しかしながら、これらの剪断波４１６および４１８は、それらが曲げられているので、一定の位相を持たない。これらの波は、ｐｏｉ４０２に到達するために長い距離を進行しなければならないため、一定の位相が無ので、また、それらのエネルギーの一部がピラー４０４および４０６の側部に沿って放散されるという事実から、ｐｏｉ４０２のＱに対するそれらの影響が低減される。
【００４３】
図４Ｃは、受動周囲ピラーを有する図４Ｂのマトリクスの図である。すなわち、図４Ｃは、近傍の要素からの受動反射と重なる剪断波の直接伝送の図である。
【００４４】
ｐｏｉから周囲マトリクス材料の中へのエネルギーの漏出を通した減衰は、材料の音響インピーダンスが低くなる場合に低減される。音響インピーダンスが空気の音響インピーダンスと同じくらい低い場合、漏出は、完全に無視することができ、これは、機械的振動の共振器の高いｑを達成するための理想的な条件である。しかし一方では、ピラーを適所に保持することができない。したがって、ピラーとマトリクス材料との間には、動作に対して、およびセンサ応用のための１−３圧電基板の処理中に、十分な安定性を提供する、最低限の接着力が必要とされる。実質的に低い音響インピーダンスを呈するマトリクス材料の好適な候補は、多孔性ポリマーであり得る。
【００４５】
すなわち、例えば、流体ポリマー状態の間にポリマーに浸漬される、ナノメートルサイズのガス気泡である。ポリマーと気泡の混合物は、１−３複合材のピラーマトリクス周辺に注がれた後に、非常に低い密度の間隙材料に硬化する。
【００４６】
上述のように、圧電共振器は、機械共振器の１つのタイプを表す。タイプに関係なく、全ての機械共振器は、あるタイプの負荷または力の適用を介して励起または駆動される。このような力を適用することができる、多くの異なる方法が存在する。
【００４７】
背景として、共振器は、線質係数Ｑｍまたはその共振の質によって定義される。共振が優れている（すなわち、超低減衰である）場合、共振器は、非常に高いＱの共振器であると述べることができる。共振器があまり良好なものではない場合は、低いＱの共振器であり得る。例えば、標準的な発振器（例えば、クワッド発振器）は、約２０万〜１００万のＱを有する。本発明の実施形態で使用される共振器のＱは、約３０〜４０等に過ぎない。音響インピーダンスを感知する基本的な考え方であるが、共振器に接触する時に、音響インピーダンスは、発振器に摩擦を提供する。しかしながら、その摩擦のため、共振器は減衰する。共振器は、減衰する時にエネルギーを損失する。エネルギー損失は、Ｑの変化として表される。その結果、Ｑの変化が、インピーダンスの変化を検出するために使用される。例えば、音響負荷が谷から稜に切り替わった時に、共振ピラーの機械的Ｑは、高い値から低い値に切り替わる。
【００４８】
図５は、本発明の一実施形態に従って構築される、音響インピーダンス感知システム５００の図である。本発明では、音響インピーダンスの対象物５０１（例えば、指）の感知は、３つの重要な変量に基づいている。すなわち、減衰の程度、減衰の観察機構、および減衰の態様を判定する、励起力５０２、共振器の走査原理５０４、および測定される特性５０６である。
【００４９】
図５では、機械共振器／発振器５０８は、機械的または電気的な走査原理５０４、または両方の組み合わせに従って、動作させることができる。初期の振動プッシュの応用は、励起力５０２のうちの１つを介して生じさせることができる。これらの初期の励起力５０２は、いくつかの例として、圧電、電気的、機械的、光学的、熱的なもの、無線周波数（ＲＦ）に基づくもの、および磁気的なものを含む。機械共振器５０８は、多数の異なる力によって駆動することができる。機械共振器５０８が振動し始めると、その振動は、多数の異なる特性５０６に基づいて測定することができる。
【００５０】
測定される特性５０６は、一例として、その他の多くのものとともに、電圧、電流、インピーダンス、変位、応力、歪み、光学的反射を含むことができる。
【００５１】
整合層５１０は、音響インピーダンスの対象物５０１から機械共振器５０８の中に入るエネルギーの反射を低減するために提供される。整合層５１０の非存在下では、反射は９０％程度の高さになり得る。整合層５１０は、所定の音響インピーダンス値に合致する、あらゆる好適な厚さとすることができる。
【００５２】
図６は、本発明の一実施形態を実施する例示的な方法６００である。方法６００では、ステップ６０２で、指紋が捕捉されてコンピュータのメモリに記憶される。ステップ６０４で、記憶された指紋が、音響感知の原理を使用して解析される。
【００５３】
（結論）
本発明の様々な実施態様を述べてきたが、それらは一例として示されたものであり、これに限定されるものではないと理解されたい。添付の特許請求の範囲に定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および細部の様々な変更が行われ得ることは、当業者には明らかである。したがって、本発明の広さおよび範囲は、上述の例示的な実施態様のいずれかに限定されるものではなく、以下の請求項およびそれらの同等物によってのみ定義されるべきである。
【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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