(57)【要約】【課題】特別なデバイスを用いずに指置きがされたかどうかを検出する。【解決手段】指紋認証装置１０は、検出面１４に置かれた被検出物の表面の凹凸イメージを示した２次元イメージ信号を検出する指紋センサ１２と、登録指紋を記憶している登録指紋記憶部２１と、指紋センサ１２により検出された被検出物の２次元イメージ信号と登録指紋とを照合して被検出物を置いたユーザの本人認証を行う照合部２２とを備えている。照合部２２は、検出面１４内の所定領域から得られる２次元イメージ信号の絶対値を算出し、当該絶対値を所定領域内で積算する。照合部２２は、積算値の時系列信号を生成し、その時系列信号を時間方向に微分して微分信号を生成する。そして、その微分信号が、プラス側の山型の波形となったとき、そのピーク位置で指紋照合動作を行う。【選択図】  図３
2005010860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面状の検出面を有し、当該検出面に置かれた被検出物の表面の凹凸イメージを示した２次元イメージ信号を検出する指紋センサと、
当該指紋を特定するための指紋情報をユーザ毎に記憶している登録指紋記憶手段と、
上記指紋センサにより検出された被検出物の２次元イメージ信号と上記登録指紋記憶手段に記憶されているユーザの指紋情報とを照合して上記被検出物を置いたユーザの本人認証を行う認証手段とを備え、
上記認証手段は、
上記検出面内の所定領域から得られる上記２次元イメージ信号の絶対値を算出し、当該絶対値を上記所定領域内で積算し、
上記積算値の時系列信号を生成し、その時系列信号を時間方向に微分して微分信号を生成し、
上記微分信号の信号波形に基づき上記指紋センサの検出面に被検出物が置かれたタイミングを検出し、
上記タイミングに従って被検出物の表面の凹凸イメージを取り込んでユーザの本人認証を行うこと
を特徴とする指紋認証装置。
【請求項２】
上記指紋センサは、静電容量検出型の指紋センサであり、上記検出面に平行に２次元配列された複数の感知素子から得られる感知信号の２次元方向の低周波数成分を算出し、当該低周波数成分と上記感知信号との差分に基づき上記２次元イメージ信号を生成すること
を特徴とする請求項１記載の指紋認証装置。
【請求項３】
上記認証手段は、
上記微分信号のプラス側のピークタイミングで被検出物の表面の凹凸イメージを取り込み認証を行うこと
を特徴とする請求項１記載の指紋認証装置。
【請求項４】
上記認証手段は、
上記検出面に被検出物が置かれていない第１の状態と、検出面に被検出物が置かれている第２の状態とを区別して状態制御を行い、
上記微分信号の値が０から上昇した後の最初の下降タイミングで、上記第１の状態から上記第２の状態に遷移し、第１の状態から第２の状態に遷移するタイミングで被検出物の表面の凹凸イメージを取り込み認証を行うこと
を特徴とする請求項３記載の指紋認証装置。
【請求項５】
上記認証手段は、
上記微分信号の値が０から上昇した後の最初の下降タイミング、又は、上記微分信号の値が０から下降した後の最初の上昇タイミングで、上記第２の状態から上記第１の状態に遷移すること
を特徴とする請求項４記載の指紋認証装置。
【請求項６】
上記認証手段は、
時間方向の検出感度を変えた複数の微分信号に基づき、上記指紋センサの検出面に被検出物が置かれたか否かを判断すること
を特徴とする請求項１記載の指紋認証装置。
【請求項７】
上記認証手段は、
上記指紋センサの検出面の所定領域から得られる上記積算値を所定のサンプリング間隔毎に検出し、上記指紋センサの検出面に被検出物が置かれたか否かを常時判断すること
を請求項１記載の指紋認証装置。
【請求項８】
平面状の検出面を有し、当該検出面に置かれた被検出物の表面の凹凸イメージを示した２次元イメージ信号を検出する指紋センサと、当該指紋を特定するための指紋情報をユーザ毎に記憶している登録指紋記憶手段と、上記指紋センサにより検出された被検出物の２次元イメージ信号と上記登録指紋記憶手段に記憶されているユーザの指紋情報とを照合して上記被検出物を置いたユーザの本人認証を行う認証手段とを備える指紋認証装置における、上記指紋センサの検出面に指の指紋が置かれたことを検出する指紋センサに対する指置き検出方法であって、
上記検出面内の所定領域から得られる上記２次元イメージ信号の絶対値を算出し、当該絶対値を上記所定領域内で積算し、
上記積算値の時系列信号を生成し、その時系列信号を時間方向に微分して微分信号を生成し、
上記微分信号の信号波形に基づき上記指紋センサの検出面に被検出物が置かれたタイミングを検出し、
上記タイミングに従って被検出物の表面の凹凸イメージを取り込んでユーザの本人認証を行うこと
を特徴とする指紋センサに対する指置き検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人間の指の指紋を利用して、本人であれば本人であると認証し、且つ、本人以外の人（又は物質）であれば拒否をするという本人認証を行う指紋認証装置、指紋認証装置の指紋センサに対する指置き検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
人間の指の第１関節より先端側の内側部分の表面に形成されている渦状の凹凸の模様（指紋）を識別して、本人認証を行う指紋認証装置がある。指紋認証装置には、指紋センサが設けられ、その指紋センサによって指紋を検出している。指紋センサには、例えば、指の先端の内側部分を検出面に置いたときにおける検出面上の各点の静電容量を感知して指紋を検出する静電容量検出型指紋センサ（例えば特許文献１参照。）、指の先端の内側部分を検出面に置いたときにおける検出面上の各点の圧力を感知して指紋を検出する圧力検出型指紋センサ、又は、指の先端の内側部分を検出面に置いたときにおける検出面上の各点からの反射光を感知して指紋を検出する光検出型指紋センサ等がある。指紋認証装置は、これらのセンサにより検出された指紋イメージと、予め登録してある指紋イメージとを照合することによって、本人認証を行う。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１９７１３５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、指紋認証装置は、その機能の本質的な要請から、本人認証の確実性を１００％に近づけるための精度向上が常に求められる。つまり、指紋認証装置では、本人の指紋であれば本人であると認証し、且つ、本人以外の指紋（又は物質）であれば拒否をする精度の向上が常に求められる。
【０００５】
そのため、指紋認証装置では、できるだけ指の動作のぶれ等が発生していない安定した状態の指紋イメージを取り込む必要がある。安定した状態の指紋イメージを取り込むためには、例えば指紋センサに指が置かれたこと別途センサを設けて検出したり（例えば、特許文献１）、被験者自身にスタートボタンを押させたりすることで、取り込みタイミングを制御する必要がある。
【０００６】
しかしながら、指紋認証装置に、指置かれたことを検出するセンサやスタートボタンを設けると、コスト高や大型化を招いてしまう。
【０００７】
本発明は、このような実状に鑑みて提案されたものであり、指紋認証を行う際に、特別な部材を用いることなく、最適なタイミングで指紋イメージの取り込みが可能な指紋認証装置及び指紋センサに対する指置き検出方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る指紋認証装置は、平面状の検出面を有し、当該検出面に置かれた被検出物の表面の凹凸イメージを示した２次元イメージ信号を検出する指紋センサと、当該指紋を特定するための指紋情報をユーザ毎に記憶している登録指紋記憶手段と、上記指紋センサにより検出された被検出物の２次元イメージ信号と上記登録指紋記憶手段に記憶されているユーザの指紋情報とを照合して上記被検出物を置いたユーザの本人認証を行う認証手段とを備え、上記認証手段は、上記検出面内の所定領域から得られる上記２次元イメージ信号の絶対値を算出し、当該絶対値を上記所定領域内で積算し、上記積算値の時系列信号を生成し、その時系列信号を時間方向に微分して微分信号を生成し、上記微分信号の信号波形に基づき上記指紋センサの検出面に被検出物が置かれたタイミングを検出し、上記タイミングに従って被検出物の表面の凹凸イメージを取り込んでユーザの本人認証を行う。
【０００９】
上記指紋認証装置では、指紋センサから得られる２次元イメージ信号の絶対値を所定の領域内で積算し、その積算値の時系列信号を時間方向に微分して微分信号を生成し、当該微分信号に基づき指が指紋センサに置かれたことを検出する。例えば、上記指紋認証装置では、指紋センサに指置きがされていない状態から微分信号の波形が正側の山型に変化した場合には、指紋センサに対して指が置かれたと判断する。
【００１０】
本発明に係る指紋センサに対する指置き検出方法は、平面状の検出面を有し、当該検出面に置かれた被検出物の表面の凹凸イメージを示した２次元イメージ信号を検出する指紋センサと、当該指紋を特定するための指紋情報をユーザ毎に記憶している登録指紋記憶手段と、上記指紋センサにより検出された被検出物の２次元イメージ信号と上記登録指紋記憶手段に記憶されているユーザの指紋情報とを照合して上記被検出物を置いたユーザの本人認証を行う認証手段とを備える指紋認証装置における、上記指紋センサの検出面に指の指紋が置かれたことを検出する指紋センサに対する指置き検出方法であって、上記検出面内の所定領域から得られる上記２次元イメージ信号の絶対値を算出し、当該絶対値を上記所定領域内で積算し、上記積算値の時系列信号を生成し、その時系列信号を時間方向に微分して微分信号を生成し、上記微分信号の信号波形に基づき上記指紋センサの検出面に被検出物が置かれたタイミングを検出し、上記タイミングに従って被検出物の表面の凹凸イメージを取り込んでユーザの本人認証を行う。
【００１１】
上記指紋センサに対する指置き検出方法では、指紋センサから得られる２次元イメージ信号の絶対値を所定の領域内で積算し、その積算値の時系列信号を時間方向に微分して微分信号を生成し、当該微分信号に基づき指が指紋センサに置かれたことを検出する。例えば、上記指紋センサに対する指置き検出方法では、指紋センサに指置きがされていない状態から上記微分信号の波形が正側の山型に変化した場合には、指紋センサに対して指が置かれたと判断する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態として、本発明を適用した指紋認証装置について図面を参照しながら詳細に説明する。
（外観構成）
図１に、本発明の実施の形態の指紋認証装置１０の外観図を示す。
【００１３】
指紋認証装置１０は、図１に示すように、筐体１１上に平面状の検出面１４が露出するように設けられた指紋センサ１２と、指紋の認証結果（ＯＫ又はＮＧ）を外部装置に対して出力するインタフェース端子１３とを備えている。
【００１４】
指紋認証装置１０に適用される指紋センサ１２は、静電容量方式によって検出面１４上に置かれた指の指紋の表面の凹凸模様を検出するセンサである。静電容量方式の指紋センサ１２は、図２に示すように、検出面１４に対して平行に、指紋の凹凸のピッチよりも充分に細かいピッチでマトリクス状に配置されている複数のコンデンサ１５が設けられている。各コンデンサ１５が、指紋センサ１２の感知素子となる。各コンデンサ１５は、物質が近接すると、その物質までの距離に応じて容量値が変化する。そのため、検出面１４に指の第１関節より先端側の内側部分が置かれると、その指の指紋の凹凸に応じて、対向する部分に位置するコンデンサ１５の容量値が変化する。
【００１５】
指紋センサ１２は、マトリクス状に配置されている複数のコンデンサ１５の容量値を、平面上をジグザグにラスタ走査して検出し、２次元位置とそのレベルとの対応付けがされた２次元信号を生成する。この２次元信号が、指紋の凹凸模様を示す２次元イメージ信号となる。指紋センサ１２は、この２次元イメージ信号を出力する。
【００１６】
なお、ここでは、静電容量検出方式の指紋センサを例にとって説明をしているが、指紋センサ１２は、指紋の凹凸の模様に応じた２次元イメージを検出することができれば、その検出方式はどのようなものであってもよい。例えば、指の先端の内側部分を検出面に置いたときにおける検出面上の各点の圧力を感知して指紋を検出する圧力検出型指紋センサや、指の先端の内側部分を検出面に置いたときにおける検出面上の各点からの反射光を感知して指紋を検出する光検出型指紋センサ等を、上記指紋センサ１２として適用してもよい。
【００１７】
（内部構成）
つぎに、指紋認証装置１０の内部構成について説明をする。図３に指紋認証装置１０の内部ブロック図を示す。
【００１８】
指紋認証装置１０は、図３に示すように、指紋センサ１２と、登録指紋格納部２１と、照合部２２と、出力部２３とを備えている。
【００１９】
指紋センサ１２は、検出面１４上に置かれた物体の凹凸模様を示す２次元イメージ信号を検出し、外部に出力する。登録指紋格納部２１は、ユーザの登録指紋の２次元イメージ信号又は登録指紋の凹凸イメージの特徴部分のみを抽出した情報（特徴情報）を格納している。照合部２２は、指紋センサ１２により検出された２次元イメージ信号と、登録されている２次元イメージ信号（又は特徴情報）とを照合し、検出面１４に指を置いたユーザに対する本人認証を行う。照合部１３は、本人と認証されれば、ＯＫの出力を行い、本人と認証されなければＮＧの出力を行う。出力部２３は、照合部２２から出力されたＯＫ／ＮＧの判断結果を暗号化するとともに、その判断結果を伝送インタフェースに対応したフォーマットに変換し、インタフェース端子１３を介して外部に設けられている例えばセキュリティ装置等に報知する。
【００２０】
以上のようなブロック構成の指紋認証装置１０を具体的にハードウェアで構成すると、図４に示すような構成となる。
【００２１】
指紋認証装置１０は、指紋センサ１２と、ＵＳＢインタフェースケーブルが接続されるＵＳＢ端子３２と、ＵＳＢコントローラ３３と、ＣＰＵ３４と、プログラム用ＲＡＭ又はＲＯＭ３５と、フラッシュメモリ３６と、指紋照合用ＬＳＩ３７とを備えている。また、ＵＳＢコントローラ３３、ＣＰＵ３４、プログラム用ＲＡＭ又はＲＯＭ３５、フラッシュメモリ３６、及び、指紋照合用ＬＳＩ３７は、それぞれデータ転送用のバス３８に接続されている。
【００２２】
ＵＳＢコントローラ３３は、ＵＳＢプロトコルに従いＵＳＢ端子３２を介して外部機器との間でデータの転送を行う回路である。ＵＳＢコントローラ３３は、図３に示す出力部２３の機能を実現している。ＵＳＢコントローラ３３は、例えば、外部のパーソナルコンピュータ、セキュリティ装置との間でＵＳＢプロトコルに従いデータの転送を行うインタフェース回路である。なお、指紋認証装置１０は、ＵＳＢインタフェースではなく、例えばＲＳ２３２Ｃ等の他のインタフェースを用いて、外部のパーソナルコンピュータ等とデータの転送を行っても良い。
【００２３】
ＣＰＵ３４は、プログラム用ＲＡＭ又はＲＯＭ３５に格納されているプログラムに基づき、装置全体の動作制御を行う回路である。ＣＰＵ３４は、例えば、図３に示す照合部２２の動作制御を行う。
【００２４】
フラッシュメモリ３６は、不揮発性のメモリである。フラッシュメモリ３６は、図３に示す登録指紋格納部２１の機能を実現し、登録指紋イメージ又はその特徴情報を格納している。
【００２５】
指紋照合用ＬＳＩ３７は、フラッシュメモリ３６に格納されている登録指紋イメージ（又は特徴情報）に基づき、指紋センサ１２により検出された指紋イメージの認証を行う。指紋照合用ＬＳＩ３７は、図３に示す照合部２２の機能を実現している。
【００２６】
（認証動作）
つぎに、指紋認証装置１０の動作について説明をする。
【００２７】
指紋認証装置１０は、指紋認証の前提処理として指紋登録を行う。指紋認証装置１０では、指紋登録がされたユーザが指紋認証を行った時にＯＫという認証結果を出力し、指紋登録がされていないユーザ（又は物体）が指紋認証を行った時にＮＧという認証結果を出力する。
【００２８】
指紋登録を行う場合には、まず、登録処理である旨の設定を行ったのちに、ユーザが検出面１４に所定の指（例えば人差し指）の第１関節より上側の内側部分（指紋）を載せる。指紋認証装置１０は、載せられた指紋の２次元イメージを指紋センサ１２で取り込む。指紋認証装置１０は、取り込んだ指紋の２次元イメージ又はその２次元イメージの特徴部分を抽出した特徴情報を、登録データとして登録指紋格納部２１に格納する。以上のような動作を行うことによって、ユーザの指紋登録が完了する。また、複数ユーザに対して指紋登録を行う場合には、例えば、ユーザ毎にＩＤ等を設けて、そのＩＤに対応させて指紋登録すればよい。
【００２９】
指紋認証時の動作は次のようになる。
【００３０】
まず、指紋認証装置１０は、検出面１４に指が置かれたことを検出する。指紋認証装置１０は、検出面１４に指が置かれたことを検出すると認証動作を開始する。検出面１４に指置がされたか否かの検出方法、並びに、認証動作の開始タイミングについては、その詳細を後述する。
【００３１】
指紋認証装置１０は、認証動作を開始すると、検出面１４に置かれた物体の２次元イメージを指紋センサ１２によって検出し、その検出信号を照合部２２に供給する。
【００３２】
照合部２２は、指紋センサ１３により検出された２次元イメージと、登録されている指紋の２次元イメージ（又は特徴情報）とが一致するか否かを、例えばパターンマッチング等を行って判断する。照合部２２は、一致すれば登録されているユーザ本人の指紋であると判断する。照合部２２は、一致しなければ登録されているユーザ以外の指紋（又は物質）であると判断する。
【００３３】
照合部２２は、登録されているユーザであるという照合結果を得た場合には、登録されているユーザであるという本人認証の判断結果（ＯＫ）を出力する。また、照合部２２は、登録されているユーザではないという照合結果を得た場合には、登録されているユーザではないという本人認証の判断結果（ＮＧ）を出力する。
【００３４】
指紋認証装置１０は、以上のような動作を行って得られた判断結果を出力部２３により暗号化してコンピュータや各種セキュリティ装置に供給し、アクセス管理やプライバシー保護等を実現させる。
【００３５】
（指紋イメージの検出方法）
つぎに、指紋センサ１２による指紋イメージの検出方法について説明をする。
【００３６】
指紋センサ１２は、感知素子としてコンデンサが用いられる静電容量検出方式のセンサである。指紋センサ１２には、平板状の検出面１４に対して平行にマトリクス状に複数のコンデンサが並べて配置されている。指紋センサ１２は、図５に示すように、マトリクス状に配置された各感知素子（コンデンサ）１５を１ライン単位でラスタ走査し、各コンデンサのセンシングレベル（ＲＦレベル）を順次出力する。なお、静電容量方式の指紋センサ１２の場合、コンデンサのセンシングレベル（ＲＦレベル）は、そのコンデンサの静電容量に反比例した値となる。すなわち、そのコンデンサの静電容量が大きいと、そのコンデンサのセンシングレベル（ＲＦレベル）は小さくなり、そのコンデンサの静電容量が小さいと、そのコンデンサのセンシングレベル（ＲＦレベル）は大きくなる。
【００３７】
ここで、指紋センサ１２の出力の代表例を図６〜図１１に示す。
【００３８】
図６は、指紋センサ１２の検出面１４上に何も接触させていない場合（空気のみが接触している場合。）における、１ライン分のコンデンサから得られるＲＦレベルである。検出面１４に何も接触していない場合、各コンデンサの静電容量は一様に大きくなる。従って、マトリクス状に配列されたコンデンサから得られるＲＦレベルは、空間方向への変動が非常に少なく、値が小さく且つほぼ同一となる。
【００３９】
図７は、指紋センサ１２の検出面１４上に水滴が付着している場合における、１ライン分のコンデンサから得られるＲＦレベルである。検出面１４に水滴が付着している場合には、その水滴が電極の役割を果たし、各コンデンサの静電容量は一様に小さくなる。従って、マトリクス状に配列されたコンデンサから得られるＲＦレベルは、空間方向への変動が非常に小さく、値が大きく且つほぼ同一となる。
【００４０】
図８は、指紋センサ１２の検出面１４上に指の油の汚れ等が付着している場合における、１ライン分のコンデンサから得られるＲＦレベルである。検出面１４に汚れが付着している場合には、その汚れの部分に位置するコンデンサの静電容量が低くなるが、その静電容量は最小値までには下がらない。従って、マトリクス状に配列された各コンデンサから得られるＲＦレベルは、空間方向への変動が非常に小さく、値が中程度で且つほぼ同一となる。
【００４１】
図９は、指紋センサ１２の検出面１４上に皮膚表面の水分量等が理想的である指紋（理想的な指紋）が置かれた場合における、１ライン分のコンデンサから得られるＲＦレベルである。検出面１４に理想的な指紋が接触している場合、指紋のくぼみ部分ではコンデンサの静電容量が大きくなり、指紋の凸部分ではコンデンサの静電容量が小さくなる。つまり、検出面１４に理想的な指紋が接触している場合、指紋のくぼみ部分ではＲＦレベルが小さくなり、指紋の凸部分ではＲＦレベルが大きくなる。従って、検出面１４に理想的な指紋が接触している場合、ＲＦレベルは、その凹凸に応じて空間方向に対して振幅の変動が生じる。
【００４２】
図１０は、指紋センサ１２の検出面１４上に皮膚表面の水分や油分等が少ない指紋（乾燥指紋）が置かれた場合における、１ライン分のコンデンサから得られるＲＦレベルである。検出面１４に乾燥指紋が接触している場合、電極の役割を果たす水分が少なくなるので、各コンデンサの静電容量が全体的に大きくなる方向にオフセットはされるが、指紋のくぼみ部分ではコンデンサの静電容量が相対的に大きくなり、指紋の凸部分ではコンデンサの静電容量が相対的に小さくなる。つまり、ＲＦレベルは、全体的に低い方向にオフセットされ、そのオフセットを中心に指紋のくぼみ部分では相対的に低くなり、指紋の凸部分では相対的に高くなる。従って、検出面１４に乾燥指紋が接触している場合にも、ＲＦレベルは、その凹凸に応じて空間方向に対して振幅の変動が生じる。
【００４３】
図１１は、指紋センサ１２の検出面１４上に皮膚表面の水分が多い指紋（水分指紋）が置かれた場合における、１ライン分のコンデンサから得られるＲＦレベルである。検出面１４に水分指紋が接触している場合、電極の役割を果たす水分が多いので、各コンデンサの静電容量が全体的に小さくなる方向にオフセットはされるが、指紋のくぼみ部分ではコンデンサの静電容量が相対的に大きくなり、指紋の凸部分ではコンデンサの静電容量が相対的に小さくなる。つまり、ＲＦレベルは、全体的に高い方向にオフセットされ、そのオフセットを中心に指紋のくぼみ部分では相対的に低くなり、指紋の凸部分では相対的に高くなる。従って、検出面１４に水分指紋が接触している場合にも、ＲＦレベルは、その凹凸に応じて空間方向に対して振幅の変動が生じる。
【００４４】
以上の図６〜図１１に示した静電容量方式の指紋センサ１２のセンサ出力の代表例を見ると、静電容量方式の指紋センサ１２の場合、指紋の凹凸は、２次元配置された感知素子（コンデンサ）から得られるＲＦレベルの、２次元方向の高周波成分で表されることがわかる。
【００４５】
そこで、指紋センサ１２では、図１２に示すように、マトリクス状に配置された複数の感知素子（コンデンサ）から出力されるＲＦレベルに対して、２次元方向にローパスフィルタリングして、ＲＦレベルの低周波数成分（ＡＶＥ＿Ｒｆ）を算出する。続いて、各２次元位置のそれぞれにおいて、ＲＦレベルと算出した低周波数成分（ＡＶＥ＿Ｒｆ）とを減算して、差分値を求める。この差分値が、指紋の山と谷の部分の凹凸レベルを示すこととなる。指紋センサ１２では、このように算出した差分値を検出面１４上の位置に対応させた２次元情報として出力する。この出力信号が、被検出物の表面の凹凸模様を示す２次元イメージ信号として照合部１２に供給される。なお、ローパスフィルタリングのカットオフ周波数は、人間の指紋の凹凸ピッチよりも充分に小さい周波数とする。
【００４６】
（指置きタイミングの検出方法）
つぎに、指置き検出の方法、及び、認証動作の開始タイミングについて説明をする。
【００４７】
指の第１関節より上の内側部分（指紋）が指紋センサ１２の検出面１４に置かれた場合、ＲＦレベルには高周波数成分が非常に多く含まれる。反対に、指紋センサ１２の検出面１４に指紋が置かれていない場合や指紋以外の物が置かれた場合には、ＲＦレベルには高周波成分がほとんど含まれない。従って、ＲＦレベルの高周波数成分のエネルギーが充分大きくなれば、検出面１４に指置きがされたとみなすことができる。本実施の形態の指紋認証装置１０では、このことを利用して、以下に説明するように指置きの判別を行っている。
【００４８】
指紋認証装置１０では、図１３に示すように、検出面１４の略中心位置に、指置き検出用の検出エリアＸを設定している。検出エリアＸの大きさは検出面１４以下の大きさであれば特にどのような大きさであってもよい。
【００４９】
指紋認証装置１０の照合部２２は、この検出エリアＸから得られる２次元イメージ信号を常時検出する。すなわち、図１４に示すように、ＲＦレベル（ＲＦ）から当該ＲＦレベルの２次元方向の低周波数成分（ＡＶＥ＿ＲＦ）を減算した信号のうち、検出エリアＸから得られる成分のみを常時検出する。
【００５０】
照合部２２は、検出エリアＸから得られた２次元イメージ信号の絶対値を算出し、その絶対値を検出エリアＸの範囲で積算し、積算値（Ｓ）を算出する。この積算値（Ｓ）は、検出エリアＸ内のＲＦ信号の絶対値の総和である。つまり、検出エリアＸ内で指紋の山谷の差が大きく検出されれば積算値（Ｓ）が大きくなり、検出エリアＸ内で指紋の山谷の差が小さく検出されれば積算値（Ｓ）が小さくなる。
【００５１】
照合部２２は、その積算値（Ｓ）の時系列データを生成し、積算値（Ｓ）の時系列データを時間方向に微分し、その微分信号（Ｄ）に基づき検出面１４に指が置かれたかどうかを検出する。例えば、照合部２２は、一定のサンプリング間隔毎に積算値（Ｓ）を算出してシフトレジスタ等に格納し、シフトレジスタ内の積算値（Ｓ）を用いて微分信号（Ｄ）を生成する。
【００５２】
そして、照合部２２は、微分信号（Ｄ）の信号波形を常時モニタして、信号波形からユーザが指を置いたか否かを判断する。照合部２２は、指が置かれたと判断した場合には、指紋認証の動作を開始する。
【００５３】
具体的に、積算値（Ｓ）の時系列信号、その積算値（Ｓ）に対応する微分信号（Ｄ）を図１５に示す。図１５（Ａ）は、検出面１４に指を置いた後にその指を離した場合のタイミングチャートである。図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）のタイミングで指を置いた場合の積算値（Ｓ）の時系列データである。図１５（Ｃ）及び図１５（Ｄ）は、図１５（Ｂ）の積算値（Ｓ）に対する微分信号（Ｄ）である。
【００５４】
まず、図１５に示すように、検出面１４から指が遠く離れている状態（離間状態Ｓ１）では、積算値（Ｓ）はほぼ０に近い値となる。厳密には、ノイズ成分としてのある値を持つ。続いて、離間状態Ｓ１から検出面１４に指を近づけると、検出面１４と指とが接触を開始し（開始動作状態Ｓ２）、積算値（Ｓ）は０からプラス側に増加してゆく。続いて、指が検出面１４に完全に接触し、指の動作が少なくなってくると（指置き安定過程Ｓ３）、積算値（Ｓ）は増加率が少なくなり値が飽和し始める。そして、指が検出面１４上で静止して完全に載置された状態となると（載置状態Ｓ４）、積算値（Ｓ）はプラス側の所定の値（Ｈ）で一定となる。
【００５５】
載置状態Ｓ４から指が離れ始めると（終了動作状態Ｓ５）、積算値（Ｓ）はプラス側の所定の値（Ｈ）から減少してゆく。続いて、指が検出面１４から離れると（指離れ安定過程Ｓ６）、積算値（Ｓ）の減少率が少なくなり値が０に漸近し始める。そして、指が検出面１４から完全に離間して所定時間を経過すると（離間状態Ｓ１）、積算値（Ｓ）は０で一定となる。
【００５６】
このような積算値（Ｓ）の時系列信号に対して、微分信号（Ｄ）の信号波形は、図１５（Ｃ）に示すように、開始動作（Ｓ２）から指置き安定過程状態Ｓ３に遷移するタイミングでプラス側の山型波形のピークがあり、終了動作（Ｓ５）から離間状態１に遷移するタイミングでマイナス側の山型波形のピークがあることがわかる。
【００５７】
ここで、指紋認証処理は、検出面１４に対して指が充分に接触をしていれば、指紋イメージを取り込むことが可能である。つまり、指置き安定過程（Ｓ３）及び載置（Ｓ４）の状態であれば、どのタイミングでも安定した認証処理が可能である。
【００５８】
そこで、本実施の形態の指紋認証装置１０では、微分信号（Ｄ）の信号波形を解析してプラス側の山型波形のピークを検出し、そのピーク位置でユーザの指紋イメージを取り込んで認証を行っている。このことにより、装置のスループットを最も早くすることができる。
【００５９】
なお、遅れ時間が大きい微分係数を設定している場合、微分信号（Ｄ）は、図１５（Ｄ）に示すように、山型の頂上部分が平坦となりピーク位置の範囲が広くなってしまう。このような場合には、傾きがマイナスとなった時点をピーク位置として、指紋イメージを取り込んで認証を行っている。
【００６０】
また、遅れ時間が異なる複数の微分係数を用いて複数の微分信号（Ｄ）を生成し、複数の微分信号に基づき、指置きタイミングを検出してもよい。例えば、遅延量が大きい場合には、変化量の検出の感度は大きくなるが、応答が遅くなる。反対に、遅延量が小さい場合には、変化量の検出感度は小さくなるが、応答が速くなる。そのため、例えば、指の状態が良い人が用いる場合には、検出感度が悪いが応答が早いといった遅延量の少ない係数を用いて微分信号（Ｄ）を生成し、指の状態が悪い人が用いる場合には、検出感度が良いが応答が遅いといった遅延量の大きい係数を用いて微分信号（Ｄ）を生成するようにする。
【００６１】
さらに、２つの微分信号（Ｄ）を同時に生成し、山型波形のピーク値のレベルが所定の閾値以上となった一方の微分信号（Ｄ）のみを自動的に選択して、指置き判断に用いてもよい。
【００６２】
（指置きタイミングの検出方法２）
ところで、理想的な指紋が検出面１４に載置された場合の積算値（Ｓ）の時系列データは、図１５（Ｂ）に示す通りであるが、油汚れが付着している指紋（油指紋）が検出面１４に載置された場合、検出面１４から指を離した際にその油汚れが検出面１４に残ってしまい、指紋イメージに影響残像が生じてしまう。
【００６３】
このような油指紋の積算値（Ｓ）は、図１６（Ｂ）に示すように、指を載せている状態でもＲＦレベルが発汗とともに下がる。そのため、終了動作状態Ｓ５で値が減少せずに、上昇してしまう場合がある。
【００６４】
認証タイミングの制御を微分信号（Ｄ）波形のプラス側の山型のピークを検出して行う場合、指置き開始時のピーク位置は有効に検出し、指離し時のピーク位置は無視しなければならない。そのため、本実施の形態の指紋認証装置１０では、図１７に示すステートマシーン５０により状態管理を行って、指が置かれたときにのみ認証動作を行うように制御を行っている。
【００６５】
以下、ステートマシーン５０についての説明を行う。
【００６６】
ステートマシーン５０は、微分信号（Ｄ）の変化量Ｚを検出し、変化量Ｚの符号がプラス（＋）であるか、マイナス（−）であるか、又は、変化がないか（０）に応じて、遷移制御が行われる。
【００６７】
まず、リセット動作で離間状態Ｓ１に遷移する。離間状態Ｓ１は、検出面１４からユーザの指が遠く離れている状態である。離間状態Ｓ１において変化量Ｚが“０”のときには当該離間状態Ｓ１を維持する。離間状態Ｓ１において変化量Ｚが“＋”に変化すると、第１の開始動作状態Ｓ２に遷移する。
【００６８】
第１の開始動作状態Ｓ２は、検出面１４に指が徐々に近づき、検出面１４と指とが接触し圧力が上昇している最中の状態である。第１の開始動作状態Ｓ２において変化量Ｚが“＋”のときには当該第１の開始動作状態Ｓ２を維持する。第１の開始動作状態Ｓ２において変化量Ｚが“−”に変化すると、指置安定過程状態Ｓ３に遷移する。第１の開始動作状態Ｓ２において変化量Ｚが“０”に変化すると第２の指置安定過程状態Ｓ２´に遷移する。
【００６９】
指置安定過程状態Ｓ３又は第２の指置安定過程状態Ｓ２´に遷移すると、その遷移したタイミングで認証開始命令が与えられ、認証処理が行われる。つまり、微分信号（Ｄ）の変化量Ｚがマイナス又はゼロとなった時に認証処理がされる。このようなタイミングで認証処理を行うことによって、認証処理をより早く行うことが可能となる。
【００７０】
指置安定過程状態Ｓ３において変化量Ｚが“−”のときには当該指置き安定過程状態Ｓ３を維持する。指置安定過程状態Ｓ３において変化量Ｚが“−”となると指置安定過程状態Ｓ３に遷移する。指置安定過程状態Ｓ３において変化量Ｚが“０”となると載置状態Ｓ４に遷移する。
【００７１】
第２の指置安定過程状態Ｓ２´は、安定状態である。ただし、この第２の指置安定過程状態Ｓ２´は、例えば遅れ時間が大きい微分係数を設定している場合に、微分信号（Ｄ）から山型の頂上部分の平坦な部分が検出されている最中の状態である。第２の指置安定過程状態Ｓ２´において変化量Ｚが０のときには当該第２の指置安定過程状態Ｓ２´を維持する。第２の指置安定過程状態Ｓ２´において変化量Ｚが“−”に変化すると、指置安定過程状態Ｓ３に遷移する。
【００７２】
載置状態Ｓ４は、指が検出面１４に安定して載置されている状態である。載置状態Ｓ４において変化量Ｚが０のときには当該載置状態Ｓ４を維持する。載置状態Ｓ４において変化量Ｚが“−”に変化したときには、指離しが開始されたものと判断して、第１の終了動作状態Ｓ５に遷移する。載置状態Ｓ４において変化量Ｚが“＋”に変化したときは、油指紋の指離しが開始されたものと判断して、第２の終了動作状態Ｓ５´に遷移する。
【００７３】
第１の終了動作状態Ｓ５は、検出面１４から指が徐々に離れていく状態である。第１の終了動作状態Ｓ５において変化量Ｚが“−”のときには当該第１の終了動作状態Ｓ５を維持する。第１の終了動作状態Ｓ５において変化量Ｚが“＋”に変化すると指離安定過程状態Ｓ６に遷移する。第１の終了動作状態Ｓ５において変化量Ｚが“０”に変化すると第３の終了動作状態Ｓ５″に遷移する。
【００７４】
第２の終了動作状態Ｓ５´は、第１の終了動作状態Ｓ５と同じく、検出面１４から指が徐々に離れていく状態である。ただし、第２の終了動作状態Ｓ５´の場合には、置かれている指が油指紋のような汚れが付着している指紋である場合の状態である。第２の終了動作状態Ｓ５´において変化量Ｚが“＋”のときには当該第２の終了動作状態Ｓ５´を維持する。第２の終了動作状態Ｓ５´において変化量Ｚが“−”に変化すると指離安定過程状態Ｓ６に遷移する。第１の終了動作状態Ｓ５において変化量Ｚが“０”に変化すると第３の終了動作状態Ｓ５″に遷移する。
【００７５】
第３の終了動作状態Ｓ５″は、第３の終了動作状態Ｓ５″において変化量Ｚが“０”であると、第３の終了動作状態Ｓ５″を維持する。第３の終了動作状態Ｓ５″において変化量Ｚが“＋”又は“−”に変化すると、指離安定過程状態Ｓ６に遷移する。
【００７６】
指離安定過程状態Ｓ６において変化量Ｚが“＋”又は“−”のときには当該指離安定過程状態Ｓ６を維持する。指離安定過程状態Ｓ６において変化量Ｚが“０”となると、載離間状態Ｓ１に遷移する。
【００７７】
以上のようにステートマシーン５０により、指が載置されている状態であるか、指が離れている状態であるかの状態管理を行うことによって、指離し時に発生するプラス側のピーク位置を無視して、正しい認証タイミングを制御することができる。
【００７８】
以上のように、本実施の形態の指紋認証装置１０では、指紋センサ１２のセンサ出力に基づき指置きがされているか否かを判断して認証処理の開始タイミングを制御している。そのため、指紋認証装置１０では、認証のスタートボタンや指置きセンサ等を設けずに、指紋センサ１２の検出面１４に対して指を置くだけで、自動的に指紋認証を開始することができる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明に係る指紋認証装置及び指紋センサに対する指置き検出方法では、指紋センサから得られる２次元イメージ信号の絶対値を所定の領域内で積算し、その積算値の時系列信号を微分して微分信号を生成し、当該微分信号に基づき指が指紋センサに置かれたことを検出する。例えば、上記本発明では、指紋センサに指置きがされていない状態から微分信号の波形が正側の山型に変化した場合には、指紋センサに対して指が置かれたと判断する。
【００８０】
このことにより、本発明に係る指紋認証装置及び指紋センサに対する指置き検出方法では、特別な部材を用いることなく、最適なタイミングで指紋イメージの取り込みが可能となる。従って、本人認証の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の指紋認証装置の概略の斜視図である。
【図２】指紋センサに設けられている感知素子の配置について説明をするための図である。
【図３】本発明の実施の形態の指紋認証装置のブロック構成図である。
【図４】指紋認証装置をハードウェアで構成した場合のブロック図である。
【図５】指紋センサ内の複数の感知素子のスキャン方法を示す図である。
【図６】指紋センサの検出面上に何も接触させていない場合における、１ライン分のコンデンサから得られるＲＦレベルを示す図である。
【図７】指紋センサの検出面上に水滴が付着している場合における、１ライン分のコンデンサから得られるＲＦレベルを示す図である。
【図８】指紋センサの検出面上に指の油の汚れ等が付着している場合における、１ライン分のコンデンサから得られるＲＦレベルを示す図である。
【図９】指紋センサの検出面上に皮膚表面の水分量等が理想的である指紋（理想的な指紋）が置かれた場合における、１ライン分のコンデンサから得られるＲＦレベルを示す図である。
【図１０】指紋センサの検出面上に皮膚表面の水分や油分等が少ない指紋（乾燥指紋）が置かれた場合における、１ライン分のコンデンサから得られるＲＦレベルを示す図である。
【図１１】指紋センサの検出面上に皮膚表面の水分が多い指紋（水分指紋）が置かれた場合における、１ライン分のコンデンサから得られるＲＦレベルを示す図である。
【図１２】Ｒｆレベル及びその低周波数成分について説明するための図である。
【図１３】検出エリアの配置例を説明するための図である。
【図１４】検出エリアから検出されるＲＦレベル等について説明をするための図である。
【図１５】理想的な指紋が載置された場合の、積算値（Ｓ）の時系列信号、その積算値（Ｓ）に対応する微分信号（Ｄ）を示す図である。
【図１６】油指紋が載置された場合の、積算値（Ｓ）の時系列信号、その積算値（Ｓ）に対応する微分信号（Ｄ）を示す図である。
【図１７】状態管理を行うステートマシーンを示す図である。
【符号の説明】
１０  指紋検出装置、１２  指紋センサ、１４  検出面、２１  登録指紋格納部、２２  照合部
【図１】
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【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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