(57)【要約】【課題】従来の光学的指紋読取装置では指紋と同じパターンの偽造指紋を指に添付し、読み取らせると、あやまって本物として真偽判定をする可能性があった。【解決手段】人体の指紋部分の体温に加熱するときの温度特性を、その加熱と測温を兼ねる微小サーミスタ素子で検知する事により、指紋の起伏形状を読取る方式であり、偽造パターンを指に添付して、真偽判定を誤らせる危険性を除去する。【選択図】　図３
2004013654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一列に配列された微小サーミスタ抵抗群で構成されたサーマルヘッドとしての電気回路ユニットと、
同電気回路ユニットが組み込まれた機構部分と、
同機構部分により指紋表面を走査する際に、前記微小サーミスタ抵抗群を加熱駆動する回路と、
同加熱駆動の結果、前記微小サーミスタ抵抗群の抵抗値の変化を検知するための電圧検知回路よりなる指紋読取装置。
【請求項２】
前記機構部分をステップ駆動するためのステップモーターと、
同ステップモータの駆動を開始するタイミングを生成するためのスイッチ部品と、
同スイッチからの駆動開始信号により前記ステップモータの駆動を開始し、一定時間前記ステップモータを駆動する駆動回路とをさらに備える請求項１記載の指紋読取装置。
【請求項３】
固定されて移動しない前記機構部分の微小サーミスタ群の配列方向に直角な方向に指紋を読み取る指を乗せ、同指を移動させる事により指紋表面を順次走査するために、同機構部分に隣接して回転歯車を設置し、同歯車が同指の移動により回転する事により、主走査のタイミングを生成する手段をさらに備える請求項１記載の指紋読取装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコンピュータシステムやデータ通信システムや各種専用端末などの機密情報を収納している装置について、その操作者が許可を受けた本人であることの確認を行う際や、機密情報のある建築室内へ入室する際、事前に許可された本人である事を確認するためのシステム技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、機密情報を収納している装置について、その操作者が許可を受けた本人であることの確認をおこなう際や、機密情報のある建築室内へ入室する際、事前に許可された本人である事を確認する手段としては、事前に発行され本人あてに支給されたカードの読み取り、音声認識、目の虹彩の認識、指紋の光イメージ認識等の技術が用いられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の通り、本人であることを確認する手段として、従来さまざまな手段が考えられてきたが、偽造や不正な行為で本人に代わって本人に成りすます事態は従来の手段では避け得なかった。例えば、磁気カード、ＩＣカードを持参した者を本人とみなしたり、さらに暗証番号を併用するなどの手段であっても、本人でなくとも本人となりえる事は言を待たない。また声紋を認識する音声認識によるものは不確実性が残っており、また人類の全ての声紋が異なるという事はいえないし、風邪を引いた場合など、普段と変わる音声となる事からも不確定であるといえる。
【０００４】
目の虹彩による判別は未だに完成された技術ではなく、かつ簡便な方法とは言いがたく、実用的ではない。
【０００５】
指紋は唯一各個人が千差万別のパターンを有し、かつ比較的検出識別が容易である。
【０００６】
しかしながら、もしも本人の指紋パターンを別途何らかの手段で入手し、そのイメージをフィルムやゴム膜の表面へ印刷し、指に取り付けたような場合、光学的に検知する従来の指紋読み取り機により走査するごとき光学的処理のみではそのままその偽造パターンを読み取られ、本人になりすます事は将来、比較的容易となり得ると考えられる。
【０００７】
従って、人体の手指における生体上の特性による検知手段の実現が望まれる所であった。即ち、手指のぬくもりや指の熱エネルギーの伝達特性に注目した新方式の指紋読み取り手段の実現が望まれる。
【０００８】
本発明は、既存の本人確認の手段が有するこれらの問題点を解決し、確実に本人か否かの判断をする手段を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の通り、従来の指紋認識は個人識別の手段としては有効な手段でありながら光学的に指紋イメージパターンの認識を行うかぎり、もしも本人の指紋を別途何らかの手段で入手し、そのイメージをフィルムやゴム膜の表面へ印刷し、これを指に取り付け、光学的に検知する従来の指紋読み取り機に対し走査した場合、光で走査して認識するのみではそのままその偽造イメージパターンを読み取られ、本人になりすます事は将来、比較的容易となり得ると考えられる。この事態を回避するには人間の手指である事による生体としての反応特性を応用することが解決策になる事が判明した。すなわち、手指は人体の一部であることにより、体温による熱エネルギーを有しており、かつ、外部から熱エネルギーを加えられた場合、その放熱特性は、用紙やゴム膜などに印刷された指紋イメージとは異なるものとなることと、実際の手指の指紋はその文様により、立体的に凹凸の形態があり、この形状は用紙やゴム膜上の印刷イメージとは異なる熱特性を有している。これらの特性を本発明による新しいサーマルヘッドにより熱検知することで、真偽判定をすることを可能とした。
【００１０】
即ち本発明は、一列に配列された微小サーミスタ抵抗群で構成されたサーマルヘッドとしての電気回路ユニットと、
同電気回路ユニットが組み込まれた機構部分と、
同機構部分により指紋表面を走査する際に、前記微小サーミスタ抵抗群を加熱駆動する回路と、
同加熱駆動の結果、前記微小サーミスタ抵抗群の抵抗値の変化を検知するための電圧検知回路よりなる指紋読取装置である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
まず、本発明における指紋読取装置における加熱素子を兼ねた熱検出素子が組み込まれたサーマルヘッド６００について述べる。
【００１２】
図１に同サーマルヘッド６００の外観形状例を示す。
【００１３】
同図において微小発熱体（抵抗素子）１０１，１０２、・・・１０９は指紋の文様を読み取るため１００μｍ角程度の大きさで、厚さが１〜２μｍ程度に仕上がるよう、銅体板上にアルミニウム、クローム等からなる合金金属を薄膜蒸着する技術およびフォトエッチング技術で製造される。
【００１４】
これに用いる製造技術および生産設備は通常のサーマルヘッドの生産の場合となんら変わりはなく、単に、銅体上に蒸着する材質がクロームやアルミニウムの合金のサーミスタ素子に置き換わったのみである。なお、同素子に対し仕上げとして、ダイヤモンドに次ぐ硬度の窒化シリコンをこれも薄膜蒸着技術により上塗りして、保護膜層としている。
【００１５】
なお、厚膜技術により、本素子１０１，１０２、・・・１０９を生産しても本特許の趣旨を逸脱することなく、本発明の目的は達成できる。
【００１６】
微小発熱体１０１，１０２、・・・１０９はおのおの独立した抵抗素子であって、電流を各々に流した場合、一般抵抗と同じに発熱エネルギーを生じるが、サーミスタ素子の特性として、図２に示すごとく、温度上昇につれて徐々にその抵抗値が変化する。従って、その抵抗値ｒ１を後述のごとく付加的な
回路手段で検知することにより、図２からその時点における同抵抗素子の発熱温度ｔ１を知る事が可能となる。
【００１７】
図１においては、さらに定電圧電源回路パターン２９９から分岐して枝分かれする回路パターン２０１，２０２、・・・、２０９が各抵抗素子１０１，１０２、・・・１０９の一端に接続され、他端は回路パターン３０１，３０２、・・・３０９として引き出され、図３の制御回路に出力される．
なお、抵抗素子は通常、上述のごとく１００μｍ程度の大きさで一列に並ぶので、幅として２０ｍｍ程度の指紋を検知するには余裕を見て３００個の抵抗素子が直線状に配置されることになる。
【００１８】
指紋読み取りにあたってはこれら３００個の抵抗素子が互いに独立して温度検知がなされる。
【００１９】
なお、指紋の読み取りにあたっては、後述のごとく、これら一列に並んだ抵抗素子を横切るように、図８のごとく指紋が読み取られる手指が移動するか、あるいは図９のごとく手指が停止している状態で、抵抗素子群が同手指の下を移動することで、後述の読み取りが行われる。
【００２０】
次に指紋を読み取る手指とサーマルヘッド６００の読み取り時の動作時の動作について述べる。
【００２１】
図８に示すように、サーマルヘッド６００に指紋を読み取る手指６０５を乗せると同時に読み取り開始タイミング生成ボタン６０３も押下すると、その押下タイミングより以降、一定周期で読み取りが開始される。なお、固定されて移動しない前記機構部分の微小サーミスタ群の配列方向に直角な方向に指紋を読み取る指を乗せ、同指を移動させる事により指紋表面を順次走査するために、同機構部分に隣接して回転歯車を設置し、同歯車が同指の移動により回転する事により、主走査のタイミングを生成する手段をさらに備える形式は本発明の好ましい態様の一つである。即ち、構造として読み取り開始タイミング生成ボタン６０３のかわりに回転歯車をおき、手指がサーマルヘッド６００を移動するにつれ同歯車に手指が接して同時に回転させることにより、その回転動作を検知光学的あるいは磁気的に検知して、周期的な読み取りタイミングを得ることも本発明の具体的実施例とみなせる。
【００２２】
また、前記機構部分をステップ駆動するためのステップモーターと、同ステップモータの駆動を開始するタイミングを生成するためのスイッチ部品と、同スイッチからの駆動開始信号により前記ステップモータの駆動を開始し、一定時間前記ステップモータを駆動する駆動回路とをさらに備える形式も本発明の好ましい態様の一つである。
【００２３】
具体的には、図９に示す形式においては、手指７０４を動かさずに、サーマルヘッド６００の上に置いた状態において、同サーマルヘッド６００を索引するタイミングベルト７０２に接続されるステップモータ７０３が回転する事により、サーマルヘッド６００が移動する際にモーターの回転に同期した読み取りタイミングで指紋パターンの読み取りが行われる。なお、この図９には記されていないが手指７０４がサーマルヘッド６００の上に置かれた事を検知するセンサーか、もしくは押下スイッチ等により、指紋の読み取り開始を行う事になる。
【００２４】
次に図３によって、上記の微小サーミスタ抵抗群によるサーマルヘッド６００のうち、任意の１素子についてどのように指紋検知に利用されるかについて記す。
【００２５】
上述のごとく全素子が独立して制御されるので、任意の１素子についての説明のみで、他の素子も同様に制御されると考えてよい。
【００２６】
図３においては、図１の回路パターン３０１，３０２、・・・３０９のうち任意の信号が図３の入力信号４０１として入力される。
【００２７】
図３の例では図１の左端の素子１０１が回路パターン２０１、３０１により接続されている状況を示すが、図１の他の素子１０２、１０３、・・・１０９についても図３と同様回路にすべて接続される。なお図１の太線のパターン２９９は電源パターンであって通常は１２〜１５Ｖ程度の定電圧に設定された低電圧電源に接続される。この端子は図１では端子ＶＣＣで示す。
【００２８】
図１の回路パターン３０１，３０２、・・・３０９のうち他のパターンも同図３と同様の回路に接続され、同様に制御される。
【００２９】
次に手指の指紋をどのように微小サーミスタ群を搭載したサーマルヘッドが読み取るかについて、以下に説明する。
【００３０】
指紋は指の皮膚上に曲線的に連続する凹凸の線によって形成されている。
【００３１】
微小サーミスタに接する凸部分と、同サーミスタに接しない、凹部分とでは、同サーミスタが過熱された際の温度上昇カーブが異なる。これを図６で説明する。図６で曲線ｔ１−ｔ２−ｔ４―ｔ５は指紋の凸部に接する微小サーミスタの加熱時の温度変化を、また曲線ｔ１−ｔ３−ｔ５は指紋の凹部の温度変化を示す。この図において時刻ｔ１より時刻ｔ２もしくは時刻ｔ３までの間、微小サーミスタに電流を流し、時刻ｔ２もしくはｔ３以降は電流駆動が停止する。このため温度は降下する。
【００３２】
どちらも自動制御で言うところの１次遅れ応答カーブであるが、２つの曲線の時定数は異なる。すなわち、微小サーミスタに指紋の凸部が接している
場合は人体の体温を超える温度になると、微小サーミスタにおいて発生した
発熱エネルギーは人体に吸収されるので曲線ｔ１−ｔ２−ｔ４―ｔ５のごとくになり体温を大きくは超えない。
【００３３】
然るに、微小サーミスタに指紋の凹部が接している部分では微小サーミスタの表面には指紋部分が接しないので、凸部に比し、発熱エネルギーの吸収体がなく、曲線ｔ１−ｔ３−ｔ５のごとく高温のカーブで推移する。
【００３４】
従って、時刻ｔ２もしくは時刻ｔ３のタイミングで、微小発熱体の温度測定を行うと、そのピーク温度が異なるから、該当微小サーミスタがいま指紋の凹部に接しているのか、または、凸部に接しているのか判定できる。
【００３５】
その具体的読み取り方法について以下に説明する。
【００３６】
図３は指紋を読み取るための制御回路を示す。
【００３７】
回路図である図３において、左上の破線で囲んだ回路は、図１の微小サーミスタで構成されたサーマルヘッドのうち、左端の微小サーミスタ１０１とパターン２０１と３０１の部分を示す。すなわち図３の制御回路は微小サーミスタの１ビットに対応している。したがって微小サーミスタの数がＮドット分サーマルヘッド上にあるとすると、図３の回路もＮ倍だけ存在する事になる。したがって本発明の実現には、これらの回路を高密度集積した例えばＬＳＩ化が必要と思われる。この結果、本発明の指紋読取装置は小型のユニットにまとめることが可能となる。
【００３８】
さて、指紋の読み取りに先立ちまず、装置の読み取り開始ボタンを押下する事により、読み取り開始信号４００が入力され、フリップフロップ４０３がセットされる。このフリップフロップ４０３は読み取り終了時リセット信号４０２が入力されるまで“１”となり、この間に読み取り動作が行われる。微小サーミスタの駆動制御信号４０７は当初“０”である。このためインバータ４０８で反転した同駆動信号は論理積ゲート４０５で前記フリップフロップ４０３の出力と論理積がとられ“１”となる。この結果、駆動トランジスタ４１０はＯＮ状態となり、微小サーミスタ１０１に電流が定電圧電源端子ＶＣＣより流れる。この結果、微小サーミスタ１０１はジュール熱が発生し、温度上昇する。
【００３９】
このとき、その微小発熱体が指紋の凸部と接するか、凹部と接するかによって人体へのその発生熱エネルギーの吸収量が異なり、凹部と接する場合は図６の波形ｔ１−ｔ３−ｔ５のごとく推移し、凸部と接する場合は図６の波形ｔ１−ｔ２−ｔ４−ｔ５のごとく推移する。同図で時刻ｔ１から時刻ｔ２もしくはｔ３までは図５において信号４０５が“１”で、この間はトランジスタ４１０はＯＮ状態であるので、温度は上昇している。次いで信号４０７が“０”から“１”へ変化すると、図５に示すごとく、信号４０５は“０”となり、従ってトランジスタ４１０はＯＦＦとなり、電流は停止するので、サーミスタ１０１の温度は降下を開始する。
【００４０】
上記信号４０７が“１”へ変化する際、論理積４０９の出力はフリップフロップ４０３が“１”なので“１”となる。この立ち上がり変化点でワンショットパルスゼネレータ４１１が１μ秒程度の短時間パルス出力を生じる。同パルスはトランジスタ４１２を１μ秒の間ＯＮにする。
【００４１】
このときトランジスタ４１０はＯＦＦの状態であることに留意するとサーミスタ１０１に流れる電流はすべてトランジスタ４１２へ流れ込む事がわかる。この電流は固定抵抗４１５に流れたあと、グランドレベルへ流れ込む。同固定抵抗４１５に生ずる電圧は次段の直流演算増幅器４１６で増幅され次段のＡ／Ｄコンバータでアナログ／デジタル変換され、８ビットの値に変換される。
【００４２】
このとき、サーミスタ１０１に接する指紋部分が凹部であれば、前述のごとく凸部に接しているときよりは人体での熱吸収が少ないのでより高温となるのでサーミスタ１０１は図２に示すごとく、より低抵抗となり流れる電流値は増加する。従って、固定抵抗４１５の電圧はより大となりこの結果、Ａ／Ｄコンバータ４１８の出力値は凸部に接しているときよりも大となる。逆にいえば、Ａ／Ｄコンバータ４１８の出力値がある閾値よりも大であればそのとき、サーミスタ１０１は指紋の凹部に接している事になり、Ａ／Ｄコンバータ４１８の出力値がある閾値よりも小であればサーミスタ１０１は指紋の凸部に接しているという事が言える。
【００４３】
従って、このことを連続的に指紋部分の移動につれて繰り返し行えば、指紋の形状の情報が得られることになる。
【００４４】
なお、サーミスタ１０１は例えば常温時において、たとえば１０２、１０３、・・・１０９など他のサーミスタと比較してみるとその抵抗値に若干のばらつきが存在し、トランジスタ４１２もまた、他のトランジスタとの比較において、測定時のＯＮ抵抗値にばらつきがあり、直流増幅器もまたそのオフセット値にばらつきがある。これらを事前に総合的に調べ、その補償値を記憶しておき、実際の読み取り時においてこの補償値を測定値から差し引くことによってより読み取りの精度を上げることが可能である。
【００４５】
これらの補償値はたとえば図６の数値ａで示す数値である。
【００４６】
この数値ａの補償のための測定は加熱駆動しなくてもよく、たとえば、事前の装置調整時においてごく短時間フリップフロップ４０３の信号と信号４０７を入力しワンショットゼネレータ４１１を単発出力し、その時のトランジスタ４１２を駆動して流れる電流値を抵抗４１５で電圧に変え、直流演算増幅器４１６次いでＡ／Ｄコンバータ４１８の出力値を補償値レジスタ４２０に記憶させておくことで、この数値ａについての補償ができる。実際の指紋読み取り時においては同補償レジスタ４２０の数値をＡ／Ｄコンバータ４１８の出力値から引き算回路４２４により差し引く。この結果、図６のａは差し引きかれ、図７のごとく数値ａが除去されたときの時刻ｔ２もしくはｔ３における値が各走査時の最大値で、この値は８ビットの構成による数値であるがこの値と、８ビットの閾値入力値４３４とがコンパレータ４２７により大小比較され、その結果、引き算回路４２４の値の方が閾値入力値４３４よりも大であるときは指紋の凹部を検知したとして“１”がシフトレジスタ４２８にセットされる。同様に引き算回路４２４の値の方が閾値入力値４３４よりも小であるときは指紋の凸部を検知したとして“０”がシフトレジスタ４２８にセットされる。すなわち、回路図である図５において示されるごとく、サーミスタ１０１の温度上昇の高低によって、コンパレータ４２７の出力値が決定されシフトレジスタ４２８に記憶される。このとき記憶のために使用されるクロックパルスはワンショットゼネレータ４１１の出力パルスを遅延回路４２６にて遅延させて使用する。
【００４７】
これはＡ／Ｄコンバータ４１８におけるＡ／Ｄ変換は多少時間がかかるため、変換値が保証されるタイミングまで遅らせるためである。
【００４８】
このシフトレジスタ４２８は手指の指紋部分を順次走査するにつれ、信号４０７が入力される周期で、順次読み取り結果がシフトレジスタ４２８に入力される。
【００４９】
前述のごとく、図１の発熱素子の数だけこの図３の回路があり、したがってシフトレジスタ４２８も同発熱素子の数だけある。
【００５０】
この結果、図４に示すごとく、発熱素子の数だけの段数のシフトレジスタ群が形成され、そのシフトレジスタの段数は指紋を走査した時の走査本数と一致する。この結果、２次元のマトリックス状の読み取り結果のレジスタが形成される。図１０は、実際の読み取り結果が収納される同レジスタと、同レジスタに格納されるに格納される指紋イメージの対応関係を示す図である。
【００５１】
読み取った結果は、図３のシフトクロック信号４２９が入力されるたびに出力信号４３５よりシフトして外部へ出力され指紋認識回路へと送られる。
【００５２】
なお、本特許は手指の指紋へサーマルヘッドにより加熱と温度検知を行う事が特長であるが、実際の加熱時間は各走査時間が１ｍｓ程度であり、かつ、同一箇所での連続過熱は行わないことさらには温度は高々５０℃程度であって特に人体にたいし、火傷等の損傷は与えない。
【図面の簡単な説明】
【図１】微小検出抵抗体群の外観形状を示す図である。
【図２】検出抵抗素子の温度―抵抗特性を示す図である。
【図３】指紋を読み取るための制御回路を示す図である。
【図４】読み取り結果を格納する２次元レジスタの図である。
【図５】図３の制御回路の動作を示すタイミングチャート図である。
【図６】指紋の凸部および凹部に接する微小サーミスタの加熱時の温度変化を示す図である。
【図７】図６におけるａを差し引いた、加熱時の温度変化を示す補正図である。
【図８】本発明の１実施態様を示す図である。
【図９】本発明の別の実施態様を示す図である。
【図１０】読み取り結果を格納する２次元レジスタおよび指紋の読み取り結果のパターンの収納の関係を示す図である。
【符号の説明】
６００……サーマルヘッド
１０１〜１０９……微小発熱体
２０１〜２０９……回路パターン
３０１〜３０９……回路パターン
２９９……定電圧電源回路パターン
【図１】
2004013654.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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