(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
指を載置する検出面の下部に温度センサとヒーターの役割を有する複数の抵抗素子を配設し、各抵抗素子に電圧パルスを印加することにより発生した熱が指紋の谷部と山部に伝熱する伝熱特性の差に基づいて指紋画像を検出する指紋センサにおいて、
前記検出面に指が載置された後に前記抵抗素子に対して電圧パルスを印加する電圧パルス印加手段と、
前記電圧パルス印加手段により印加された電圧パルスの立ち上がり時点またはその直後の第１の温度と、前記電圧パルスの立ち上がり時点またはその直後から所定時間後の第２の温度との温度差に基づいて指紋画像を検出する検出手段と
を備えたことを特徴とする指紋センサ。
【請求項２】
指を載置する検出面の下部に複数の温度センサおよびヒーターをそれぞれ配設し、各ヒーターに電圧パルスを印加することにより発生した熱が指紋の谷部と山部に伝熱する伝熱特性の差に基づいて指紋画像を検出する指紋センサにおいて、
前記検出面に指が載置された後に前記ヒーターに対して加熱用電圧パルスを印加する電圧パルス印加手段と、
前記電圧パルス印加手段により印加された加熱用電圧パルスの立ち上がり時点またはその直前または直後の第１の温度と、前記加熱用電圧パルスの立ち上がり時点またはその直前またはその直後から所定時間後の第２の温度との温度差に基づいて指紋画像を検出する検出手段と
を備えたことを特徴とする指紋センサ。
【請求項３】
指を載置する検出面の下部に温度センサとヒーターの役割を有する複数の抵抗素子を配設し、各抵抗素子に電圧パルスを印加することにより発生した熱が指紋の谷部と山部に伝熱する伝熱特性の差に基づいて指紋画像を検出する指紋センサの指紋画像検出方法において、
前記検出面に指が載置された後に前記抵抗素子に対して電圧パルスを印加する電圧パルス印加工程と、
前記電圧パルス印加工程により印加された電圧パルスの立ち上がり時点またはその直後の第１の温度と、前記電圧パルスの立ち上がり時点またはその直後から所定時間後の第２の温度との温度差に基づいて指紋画像を検出する検出工程と
を含んだことを特徴とする指紋画像検出方法。
【請求項４】
指を載置する検出面の下部に複数の温度センサおよびヒーターをそれぞれ配設し、各ヒーターに電圧パルスを印加することにより発生した熱が指紋の谷部と山部に伝熱する伝熱特性の差に基づいて指紋画像を検出する指紋センサの指紋画像検出方法において、
前記検出面に指が載置された後に前記ヒーターに対して加熱用電圧パルスを印加する電圧パルス印加工程と、
前記電圧パルス印加工程により印加された加熱用電圧パルスの立ち上がり時点またはその直前または直後の第１の温度と、前記加熱用電圧パルスの立ち上がり時点またはその直前またはその直後から所定時間後の第２の温度との温度差に基づいて指紋画像を検出する検出工程と
を含んだことを特徴とする指紋画像検出方法。
【請求項５】
前記請求項３または４に記載された方法をコンピュータに実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、指を載置する検出面の下部に複数の温度センサおよびヒーターをそれぞれ配設し、各ヒーターに電圧パルスを印加することにより発生した熱が指紋の谷部と山部に伝熱する伝熱特性の差に基づいて指紋画像を検出する指紋センサ、指紋画像検出方法およびその方法をコンピュータに実行させるプログラムに関し、特に、指紋の山部と谷部の伝熱特性を利用して指紋画像を検出する場合に、環境温度の変化の影響を受けることなく迅速かつ精度良く指紋画像を検出することができる指紋センサ、指紋画像検出方法およびプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、指紋の谷部と山部の伝熱特性の差に基づいて指紋画像を検出する技術が注目されている。たとえば、特開２０００−９７６９０号公報には、複数の発熱体を同一平面内に配置し、この発熱体にパルス電流を通電して加熱するとともに通電開始から所定時間後における発熱体の温度をそれぞれ検出し、各温度の相違により指紋の山部と谷部のような凹凸パターンを検出するよう構成した固体表面の凹凸パターン検出方法が開示されている。
【０００３】
具体的には、この従来技術では、指が接していない状態で微小ヒーターを一定時間・一定電力で加熱し、ヒーター自体またはヒーターに隣接する温度センサで加熱後の温度に相当する信号を一旦保持し、次に指が触れた状態で同様に温度に相当する信号を測定し、その差を比較することにより凹凸に相当する値を得るものである。
【０００４】
このため、この従来技術によれば、あらかじめ加熱された熱が指紋の凸部（山部）に伝熱するが指紋の凹部（谷部）には伝熱しずらいという伝熱特性の差を利用して、指紋の凹凸を検出することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来技術のものは、指が接していない状態で事前にヒーターを加熱しているので、環境温度の変化の影響により安定的に指紋の凹凸を検出することが難しいという問題を有する。
【０００６】
たとえば、ヒーターの加熱後に外気温が変化して該ヒーターの周囲の温度が低下すると、指紋の山部と谷部の温度差が小さくなるので、指紋の凹凸の検出精度が低下する。特に、外気温の変化により指を載置する検出面の温度が体温よりも低くなると、この検出面に指を載置した時点で熱平衡状態への移行が始まるので、指紋の検出精度を高めようとすると熱平衡状態に移行するまで待たねばならなくなり、結果的に処理遅延が生ずるという問題が生ずる。
【０００７】
これらのことから、指紋の山部と谷部の伝熱特性を利用して指紋画像を検出する場合に、いかにして環境温度の変化の影響を受けることなく迅速かつ精度良く指紋画像を検出するかが極めて重要な課題となっている。
【０００８】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、指紋の山部と谷部の伝熱特性を利用して指紋画像を検出する場合に、環境温度の変化の影響を受けることなく迅速かつ精度良く指紋画像を検出することができる指紋センサ、指紋パターン検出装置、指紋パターン検出方法およびプログラム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】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明に係る指紋センサは、指を載置する検出面の下部に温度センサとヒーターの役割を有する複数の抵抗素子を配設し、各抵抗素子に電圧パルスを印加することにより発生した熱が指紋の谷部と山部に伝熱する伝熱特性の差に基づいて指紋画像を検出する指紋センサにおいて、前記検出面に指が載置された後に前記抵抗素子に対して電圧パルスを印加する電圧パルス印加手段と、前記電圧パルス印加手段により印加された電圧パルスの立ち上がり時点またはその直後の第１の温度と、前記電圧パルスの立ち上がり時点またはその直後から所定時間後の第２の温度との温度差に基づいて指紋画像を検出する検出手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２の発明に係る指紋センサは、指を載置する検出面の下部に複数の温度センサおよびヒーターをそれぞれ配設し、各ヒーターに電圧パルスを印加することにより発生した熱が指紋の谷部と山部に伝熱する伝熱特性の差に基づいて指紋画像を検出する指紋センサにおいて、前記検出面に指が載置された後に前記ヒーターに対して加熱用電圧パルスを印加する電圧パルス印加手段と、前記電圧パルス印加手段により印加された加熱用電圧パルスの立ち上がり時点またはその直前またはその直後から所定時間後の第１の温度と、前記加熱用電圧パルスの立ち下がり時点での第２の温度との温度差に基づいて指紋画像を検出する検出手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３の発明に係る指紋画像検出方法は、指を載置する検出面の下部に温度センサとヒーターの役割を有する複数の抵抗素子を配設し、各抵抗素子に電圧パルスを印加することにより発生した熱が指紋の谷部と山部に伝熱する伝熱特性の差に基づいて指紋画像を検出する指紋センサにおいて、前記検出面に指が載置された後に前記抵抗素子に対して電圧パルスを印加する電圧パルス印加手段と、前記電圧パルス印加手段により印加された電圧パルスの立ち上がり時点またはその直後の第１の温度と、前記電圧パルスの立ち上がり時点またはその直後から所定時間後の第２の温度との温度差に基づいて指紋画像を検出する検出手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４の発明に係る指紋画像検出方法は、指を載置する検出面の下部に複数の温度センサおよびヒーターをそれぞれ配設し、各ヒーターに電圧パルスを印加することにより発生した熱が指紋の谷部と山部に伝熱する伝熱特性の差に基づいて指紋画像を検出する指紋センサにおいて、前記検出面に指が載置された後に前記ヒーターに対して加熱用電圧パルスを印加する電圧パルス印加手段と、前記電圧パルス印加手段により印加された加熱用電圧パルスの立ち上がり時点またはその直前または直後の第１の温度と、前記加熱用電圧パルスの立ち上がり時点またはその直前またはその直後から所定時間後の第２の温度との温度差に基づいて指紋画像を検出する検出手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５の発明に係るプログラムは、請求項３または４に記載された方法をコンピュータに実行させることで、そのプログラムを機械読み取り可能となり、これによって、請求項３または４の動作をコンピュータによって実現することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明に係る指紋センサ、指紋画像検出方法およびプログラムの好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態１では、同一の抵抗素子でヒーターと温度センサを兼用する１層式の指紋センサを用いた場合について説明し、実施の形態２では、ヒーターと温度センサの抵抗素子を異なるものとする２層式の指紋センサを用いた場合について説明することとする。
【００１５】
（実施の形態１）
まず、本実施の形態１で用いる１層式の指紋センサについて説明する。図１は、本実施の形態１に係る指紋センサの外観構成を示す図である。同図に示すように、この指紋センサ１は、指紋画像を検出する指紋検出部１０と、信号処理をおこなう信号処理部２０とからなる。ここで、この指紋センサ１は、熱伝導方式によって指紋画像を取得する指紋センサであり、指紋検出部１０の検出面の下部にヒーターと温度センサを兼用する複数の抵抗素子をマトリックス状に作り込み、ラインごとに順次加熱して、その直後の温度上昇を複数の抵抗素子すなわち温度センサで検出して指紋画像を得るようにしたものである。
【００１６】
次に、図１に示した指紋センサ１の構造についてさらに具体的に説明する。図２は、図１に示した指紋検出部１０の断面構造を示す図である。図２に示すように、この指紋センサ１は、基板１００上に抵抗素子１１１を配設し、この抵抗素子１１１と接するように配線を設け、その上部を絶縁膜１１２で覆うことにより基板１００上にヒーター兼センサ層１１０を配設することになる。ここでは説明の便宜上、図２に示す基板１００上に４つの抵抗素子１１１のみを設けた場合を示したが、実際にはこの基板１００上にたとえば２５６×２５６個（合計６５５３６個）の抵抗素子１１１をマトリクス状に形成することになる。
【００１７】
同図に示す基板１００は、石英、ガラス、ポリイミド、アルミナ、表面を絶縁化したＳｉなどが用いられる。ただし、これに限定されるものではなくその他の絶縁性材料を用いることもできる。
【００１８】
抵抗素子１１１は、検出面１１を加熱するヒーターと、温度を検出する温度センサとしての役割を果たしているので、この抵抗素子１１１には、発熱素子としての特性と抵抗変化型の温度センサとしての特性が求められる。かかる抵抗素子１１１の材料としては、たとえばポリシリコン、アモルファスシリコンまたはＩＴＯなどの抵抗素子材料がある。
【００１９】
そして、かかる温度の検出は、この抵抗素子１１１に所定の電圧を印加しその時流れる電流の大きさを検出することによっておこなう（抵抗変化型温度検出素子）。なお、ここでは温度を検出する役割のみを果たす温度検出素子は設けていないので、指紋検出部１０の内部構造が単純化され、検出面１１の表面状態（凹凸）を所望の状態とすることが容易となる。
【００２０】
また、ここでは指紋のピッチが数百μｍ程度であることを考慮して抵抗素子１１１の配列ピッチを５０〜１００μｍ程度にするとともに、抵抗素子１１１の厚さを０．１〜１μｍ程度にしている。
【００２１】
絶縁膜１１２は、検出面１１を形成する層であり、抵抗素子１１１および配線などを保護する。この絶縁膜１１２は、その特性上できるだけ薄くすることが求められるが、ここでは絶縁膜１１２自体の厚さを０．５〜２μｍ程度としている。なお、この絶縁膜１１２の材料としては、たとえば、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、Ｔａ2Ｏ5、Ａｌ2Ｏ3などの絶縁性材料があげられる。
【００２２】
次に、図１に示した指紋検出部１０内に設けられるヒーター／センサ回路４１および信号処理部２０内に設けられる検知回路４２の回路構成並びにこのヒーター／センサ回路４１に対する電圧パルスの印加タイミングについて説明する。図３は、図１に示した指紋検出部１０内に設けられるヒーター／センサ回路４１および信号処理部２０内に設けられる検知回路４２の回路構成並びにこのヒーター／センサ回路４１に対する電圧パルスの印加タイミングの一例を示す図である。
【００２３】
ヒーター／センサ回路４１は、ヒーターおよび温度センサの役割を果たす抵抗素子１１１をたとえば２５６×２５６個マトリックス状に配置し、各抵抗素子１１１を水平方向（行）および垂直方向（列）にそれぞれ配設した２５６本の配線１１３で接続したものである。
【００２４】
検知回路４２は、マトリックス状に配置した各抵抗素子１１１から温度に係るデータを受け取って温度を検知する回路である。具体的には、各抵抗素子１１１をつなぐ水平方向および垂直方向の配線１１３を介して温度に係るデータを受け取る。なお、図中に示すＩＶアンプおよび作動アンプなどの回路は、温度信号を変換、増幅、ラッチする回路部分である。
【００２５】
そして、加熱および温度検出は、信号処理部２０によっていずれかの行を選択し、この選択した行の抵抗素子１１１に所定の定電圧パルスを印加することでおこなう。また、この選択する行を順次切り替え走査してゆくことで、すべての抵抗素子１１１について同様の加熱、温度検出をおこなうことができる。
【００２６】
ここで、この信号処理部２０では、行を単に順々にずらしながらヒーター／センサ回路４１へ電圧パルスを印加しているのではなく、行間隔をあけながら各行に順次電圧パルスを印加している。行間隔をあけることとした理由は、隣接した抵抗素子１１１を順次加熱することにより生ずる平面的分解能の低下を防ぐためである。
【００２７】
たとえば、抵抗素子１１１を発熱させるべくヒーター／センサ回路４１の端子Ｔ１に電圧パルスＰ１を印加するとともに、引き続きこの端子Ｔ１に隣接する端子Ｔ２に電圧パルスＰ２を印加した場合には、最初のこの電圧パルスＰ１により本来熱したい抵抗素子Ｒ１の周囲だけではなく抵抗素子Ｒ２の周囲にも熱が伝播することになるので、その後に抵抗素子Ｒ２の温度を検出するための電圧パルスを端子Ｔ２に印加したとしても、この抵抗素子Ｒ２の周囲は熱を保持していることとなり、結果的に平面的分解能が低下する。
【００２８】
このため、ここでは図３に示すように端子Ｔ１に電圧パルスＰ１を印加したならば、次に行間隔をあけて端子Ｔ３に電圧パルスＰ２を印加するよう制御して、抵抗素子Ｒ１による発熱の抵抗素子Ｒ３に対する影響を低減し、もって平面的分解能を高めるとともに検出時間を短縮化している。なお、たとえば１行目、３３行目、６５行目、９７行目、１２９行目、…というよう３２行間隔をあけつつこれらの行に同時に電圧パルスを印加することもできる。この場合には、次回はたとえば３行目、３５行目、６７行目、９９行目、１３１行目、…について同時に電圧パルスが印加される。
【００２９】
また、図３に示すように、ヒーター／センサ回路４１の列配線１１３と検知回路４２のＩＶアンプは、それぞれ数列ごとにスイッチＳＷにより切り替え接続される。かかるスイッチＳＷを設けた理由は、隣接した列が同時に加熱されないようにするためである。また、各抵抗素子１１１には、ダイオードが設けられる。スイッチＳＷにより端子が解放された列に電流が流れ込まないようにするためである。
【００３０】
次に、上記抵抗素子１１１に電圧パルスを印加してヒーターとして加熱するタイミングとこの抵抗素子１１１により温度を検出するタイミングとの関係について説明する。図４は、図３に示した抵抗素子１１１に電圧パルスを印加してヒーターとして加熱するタイミングとこの抵抗素子１１１により温度を検出するタイミングとの関係を説明するための説明図である。
【００３１】
同図（ａ）に示すように、指が検出面１１に載置された後、指紋を検出する為の電圧を印加した時刻ｔｓから所定時間後の時刻ｔｅに電圧の印加を終了すると、同図（ｂ）に示すように、時刻ｔｓから抵抗素子１１１の周囲の温度が上昇を開始し、時刻ｔｅから抵抗素子１１１の周囲の温度が低下する。ここで、指紋の谷部と山部の温度上昇特性は図示したように異なるため、この温度上昇特性の違いを利用して指紋の山部と谷部を検出することになる。
【００３２】
具体的には、検知回路４２のＩＶアンプの出力である検出電流は同図（ｃ）のようになるので、抵抗素子に電圧を印加したと同時（時刻ｔｓ）または電圧を印加した直後（時刻ｔｓ＋α；ただしαは定数）の温度が上がっていない状態での電流値をホールドする。また、同図（ｄ）に示すように、時刻ｔｓ＋β後（時刻ｔｅ）の差動信号すなわち温度変動を検出し、ΔＶ（山部）とΔＶ（谷部）の電圧差を利用して指紋の山部と谷部を検出する。具体的には、時刻ｔｓまたはｔｓ＋α時点での温度に対応する電流値と、電圧パルスの立ち下がり時点である時刻ｔｅでの電流値との差動信号を検出し、この検出値に基づいて指紋の山部と谷部を検出する。この際、電圧パルスの印加時間を固定すれば、時刻ｔｅは時刻ｔｓまたはｔｓ＋αから所定時間後になるので、電圧パルスの立ち下がりを意識しなくとも温度の検出タイミングを容易に把握することができる。
【００３３】
なお、ホールドのタイミングや作動出力のタイミングは、図示しないタイミング信号制御回路からのタイミング信号に基づいて各々行われている。また、検出面１１へ指が圧着された場合の検知は、図示しない方法により、例えば、検出面に生体検知センサを設けて指が置かれたときの静電容量の変化により検知したり、別途押圧検知センサにより検出面に所定の圧力が加わったことを検知したりして行う。
【００３４】
ここで、本実施の形態１では、指を検出面１１に載置した後、指紋の検出を開始するために電圧を印加した時刻ｔｓまたは電圧を印加した直後の時刻ｔｓ＋αでの電流値をホールドしている点が重要である。ここで、この時刻ｔｓは電圧パルスの立ち上がりであるので、電圧パルスの立ち上がり時点またはその直後の電流をホールドすることになる。すなわち、指を検出面１１に載置する前の定常状態での電流値をホールドすることとすると、環境温度による検出精度への影響が大きくなり、たとえば検出面１１の温度が体温より低くなれば、ΔＶ（山部）の値が大きくなり、かかる山部が谷部とみなされる可能性が生ずるからである。
【００３５】
次に、図１に示した指紋センサを用いた指紋照合装置について説明する。図５は、図１に示した指紋センサを用いた指紋照合装置の構成を示す機能ブロック図である。
【００３６】
同図に示すように、この指紋照合装置は、指紋センサ１（指紋検出部１０および信号処理部２０）と、指紋照合部３０とからなる。信号処理部２０は、指紋検出部１０によって検出された温度信号に基づいて指紋画像を生成する処理部であり、この信号処理部２０は、制御部２１、電圧パルス出力部２２、検知部２３、コントラスト判定部２４、しきい値記憶部２５および画像データ出力部２６からなる。これら各部は制御部２１による制御の下、以下のように動作する。
【００３７】
検出面１１へ指が圧着された場合、制御部２１は図示しない方法によりこれを検知し（例えば、検出面に生体検知センサを設けて指が置かれたときの静電容量の変化により検知したり、別途押圧検知センサにより検出面に所定の圧力が加わったことを検知する）、この指の指紋画像を検出すべく、電圧パルス出力部２２に測定開始の指示を送る。これを受けた電圧パルス出力部２２は、指紋検出部１０の各行へ定電圧パルスを印加することによって、加熱、温度検出をおこなう。
【００３８】
すなわち、この電圧パルス出力部２２は、指紋検出部１０のいずれかの行を選択し、この選択した行に加熱用の定電圧パルスを出力する。具体的には、この行の選択は、すでに説明したように行間をあけつつおこなう。これによって、選択された行の抵抗素子１１１が発熱し検出面１１上に温度分布が生じる。
【００３９】
そして、所定時間経過後に、信号処理部２０の検知部２３が電流を検出する。すなわち、抵抗素子１１１の抵抗値はその温度によって変化するため、抵抗素子１１１には温度に応じた大きさの電流が流れるため、この電流を検出する。その結果、選択された抵抗素子１１１それぞれの温度に応じた信号（温度信号）が制御部２１に出力される。以上述べた加熱、温度測定動作をすべての行について順次おこなう。
【００４０】
その後、この温度信号を得た制御部２１は、該温度信号（温度分布）に基づいて指紋画像を形成し、コントラスト判定部２４が入力された指紋画像のコントラストをしきい値記憶部２５に記憶したしきい値と比較し、コントラストがしきい値を越える場合には指紋画像が良好なものであると判定し、画像データ出力部２６から指紋画像を出力する。なお、コントラスト判定については後述する。
【００４１】
指紋照合部３０は、信号処理部２０から入力された指紋画像を、あらかじめ登録した参照指紋画像と比較して、両者が一致するか否かを照合する処理部である。この指紋照合部３０は、画像入力部３１、参照画像記憶部３２および照合処理部３３からなる。
【００４２】
画像入力部３１は、信号処理部２０から入力された指紋画像を受け付けて、これを照合処理部３３へ出力する処理部であり、参照画像記憶部３２には、あらかじめ、入力指紋画像の比較の対象となる指紋画像が記憶されている。照合処理部３３は、画像入力部３１から入力された指紋画像を、参照画像記憶部３２に記憶されている参照指紋画像と照合する。つまり、両者を比較してその一致性を判定して、その照合結果を出力する。
【００４３】
かかる構成を有する指紋照合装置を用いることにより、本発明に係る１層式の指紋検出部を用いて精度良く指紋画像を取得し、この指紋画像を参照画像と照合して照合結果を出力することができる。
【００４４】
次に、抵抗素子１１１に対する電圧パルスの印加電圧を変化させた場合における加熱終了時の温度上昇と温度上昇比の関係について説明する。図６は、抵抗素子１１１に対する電圧パルスの印加量を変化させた場合における加熱終了時の温度上昇と温度上昇比の関係を示す図である。この温度上昇比とは、指紋の谷部の温度上昇に対する山部の温度上昇の比であり、温度上昇比＝山の温度上昇／谷の温度上昇として表される。従って、温度上昇比が小さくなればなるほど、山部の温度上昇と谷部の温度上昇の差が大きくなり、得られた指紋画像は高コントラストになる。
【００４５】
同図に示すように、当初の間は印加する電圧パルスの印加電圧を高くすればするほど温度上昇比が小さくなり、高コントラストな画像が得られることになるが、印加電圧がある程度を過ぎるとかかる温度上昇比が一定となる。
【００４６】
電圧パルスの印加電圧を高くするということは、消費電力も大きくなることから、むやみに印加電圧を高くすべきではない。このため、信号処理部２０は、コントラストに応じて段階的に抵抗素子１１１へ印加する電圧パルスの印加電圧を上昇させつつも、温度上昇比が一定となる印加電圧以上は印加電圧を上昇させないこととしている。
【００４７】
次に、図５に示した指紋照合装置による指紋画像の取得手順について説明する。図７は、図５に示した指紋照合装置による指紋画像の取得手順を示すフローチャートである。なお、ここでは説明の便宜上、電圧パルスの印加電圧を３段階とした場合を示すこととする。
【００４８】
同図に示すように、まず最初に印加電圧ｖ１の電圧パルスを抵抗素子１１１に印加して該抵抗素子１１１を加熱し、その際にこの抵抗素子１１１で検知する温度信号に基づいて指紋画像を取得し（ステップＳ７０１）、該指紋画像のコントラストが良好であるか否かを確認する（ステップＳ７０２）。
【００４９】
その結果、指紋画像のコントラストが良好であれば（ステップＳ７０２肯定）、該指紋画像に基づいて照合処理や認識処理を実行する（ステップＳ７０６）。これに対して、指紋画像のコントラストが良好でない場合には（ステップＳ７０２否定）、抵抗素子１１１へ印加する電圧パルスの印加電圧をｖ２（ｖ１＜ｖ２）として指紋画像を取得し（ステップＳ７０３）、該指紋画像のコントラストが良好であるか否かを確認する（ステップＳ７０４）。
【００５０】
その結果、指紋画像のコントラストが良好であれば（ステップＳ７０４肯定）、該指紋画像に基づいて照合処理や認識処理を実行する（ステップＳ７０６）。これに対して、指紋画像のコントラストが良好でない場合には（ステップＳ７０４否定）、抵抗素子１１１へ印加する電圧パルスの印加電圧をｖ３（ｖ２＜ｖ３）にして指紋画像を取得した後（ステップＳ７０５）、該指紋画像に基づいて照合処理や認識処理を実行する（ステップＳ７０６）。
【００５１】
上記一連の処理をおこなうことにより、通常の人が有する指紋に対しては測定時間が短く、消費電力も少ない条件で高コントラストな指紋画像を取得し、たとえば指が乾燥している場合のように高コントラストな指紋画像が得られなければ抵抗素子１１１へ印加する電圧パルスの印加電圧を上昇させて再測定することができる。したがって、常に抵抗素子１１１に印加電圧が一定の電圧パルスを印加する場合よりも消費電力を低減しつつ、高コントラストな指紋画像を取得することができる。
【００５２】
なお、ここでは抵抗素子１１１に印加する電圧パルスの印加電圧を変更する場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電圧パルス数を逐次増やすよう構成することもできる。
【００５３】
また、画像のコントラストとしては、たとえば、得られた画像データから（最大温度上昇値−最小温度上昇値）／（最大温度上昇値＋最小温度上昇値）を計算し、この値があらかじめ設定されたしきい値より小さいときはコントラストが低いものと判定し、しきい値より大きいときはコントラストが高いものと判定することができる。
【００５４】
さらに、このコントラストを判定するために統計的な分散を用いることもできる。この場合には、得られた画像データの分散を計算し、この分散があらかじめ設定されたしきい値より小さいときはコントラストが低いものと判定し、しきい値より大きいときはコントラストが高いものと判定することになる。
【００５５】
上述してきたように、本実施の形態１では、抵抗素子１１１に対して電圧パルスを印加する際に、この電圧パルスの立ち上がり時点である時刻ｔｓまたはその直後の電流と、この電圧パルスのの立ち上がり時点またはその直後から所定時間後の電流との差動信号に基づいて指紋画像を検出するよう構成したので、指紋の山部と谷部の伝熱特性を利用して指紋画像を検出する場合に、環境温度の変化の影響を受けることなく迅速かつ精度良く指紋画像を検出することができる。
【００５６】
また、行間隔をあけつつ複数の抵抗素子１１１に同時に電圧パルスを印加するよう構成したので、並列処理によって迅速に鮮明な指紋画像を取得することができる。
【００５７】
（実施の形態２）
ところで、上記実施の形態１では、ヒーターと温度センサを兼用する抵抗素子１１１を用いた１層式の指紋センサを採用した場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ヒーターと温度センサを別個にした２層式の指紋センサを用いた場合にも適用することができる。そこで、以下ではヒーターと温度センサを別個にした２層式の指紋センサを用いた場合について説明する。なお、上記実施の形態１と共通する外観構成などの詳細な説明については省略する。
【００５８】
図８は、本実施の形態２に係る２層式の指紋センサの断面構造を示す図である。同図に示すように、この指紋センサでは、センサ層とヒーター層とを別層にしており、具体的には、この指紋センサの指紋検出部８０は、基板２００上にヒーター２１１を配設して絶縁膜２３０で覆い、ヒーター２１１の上部にセンサ２２１を配設し、その上部を絶縁膜２３０で覆っている。
【００５９】
この指紋検出部８０を構成するヒーター層２１０およびセンサ層２２０は、薄膜技術を用いて形成され、それぞれの厚みは数千Åから数μｍ程度となる。また、熱源となるヒーター２１１は、ポリシリコン、アモルファスシリコンまたはＩＴＯなどの抵抗体材料によって作られる。
【００６０】
また、センサ２２１は、ポリシリコン、アモルファスシリコン、ＩＴＯ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕなどの抵抗変化型温度検出素子により作られる。なお、このセンサ２２１としては、抵抗変化型の温度検出素子以外に、焦電型の温度検出素子や熱電対などを用いることもできる。
【００６１】
また、図中に示す絶縁膜には、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、Ｔａ2Ｏ5、Ａｌ2Ｏ3などの絶縁性材料が用いられ、基板２００には、石英、ガラス、ポリイミド、アルミナ、表面を絶縁化したＳｉなどが用いられる。ただし、この絶縁膜および基板２００には、その他の絶縁性材料を用いることもできる。
【００６２】
そして、熱源であるヒーター２１１と温度を検知するセンサ２２１はそれぞれ別層にして絶縁膜を介して基板２００上に積層されている。具体的には、このヒーター２１１とセンサ２２１は、それぞれ略同じ形状のものを水平面上の同じ座標位置に配設するよう構成している。これにより、ヒーター２１１とセンサ２２１の距離は、最大でも数μｍ程度まで接近させることができ、また指面（被検出部）を含めた場合でも数μｍ程度以内に接近させることができるので、測定時間の短縮化および消費電力の低減を実現することができる。
【００６３】
また、ヒーター２１１とセンサ２２１の水平方向の一辺の長さは、数十μm程度となるので、垂直方向の長さが水平方向の長さよりも十分小さくなる。このため、不必要に加熱時間を長くしない限り、熱の流れは垂直方向のみと考えることができる。言い換えると、ヒーター２１１から発生する熱量のうち該ヒーター２１１の下側に流れる熱量を除いたすべての熱量が信号の検出に利用されるので、熱効率に優れ、鮮明な画像が得られることになる。
【００６４】
なお、ここではヒーター２１１とセンサ２２１を略同一形状としたが、配線の引き出し部や引き回しなどで形状が異なる場合でも、ヒーター２１１からの熱がセンサ２２１に短時間に効率的に到達しさえすれば、鮮明な画像が得ることができる。また、積層方向の位置ずれが生じたとしても、画像さえ鮮明に得られれば特に問題とはならない。
【００６５】
次に、図８に示した指紋センサのヒーター回路および検知回路の回路構成について説明する。図９は、図８に示した指紋センサのヒーター回路および検知回路の回路構成の一例を示す図である。
【００６６】
このようにセンサ層とヒーター層を分ける場合には、同図（ａ）に示すヒーター回路８１と、同図（ｂ）に示すセンサ回路８２が基板上に重畳して配設され、このセンサ回路８２に検知回路８３が接続されることになる。
【００６７】
そして、加熱および温度検出は、信号処理部２０によっていずれかの行を選択し、この選択した行のヒーター２１１およびセンサ２２１に所定の定電圧パルスを印加することでおこなう。すなわち、上記実施の形態１によれば、一つの電圧パルスにより加熱および温度検出をおこなっていたわけであるが、本実施の形態２によれば、ヒーター回路８１およびセンサ回路８２にそれぞれ電圧パルスを印加する必要が生ずる。
【００６８】
ここで、この信号処理部では、行を単に順々にずらしながらヒーター／センサ回路へ電圧パルスを印加しているのではなく、上記実施の形態１と同様に行間隔をあけながら各行に順次電圧パルスを印加している。行間隔をあけることとした理由は、隣接したヒーター２１１を同時に加熱することにより生ずる平面的分解能の低下を防ぐためである。
【００６９】
また、図３と同様に、センサ回路８２の列配線と検知回路８３のＩＶアンプは、それぞれ数列ごとにスイッチＳＷにより切り替え接続される。かかるスイッチＳＷを設けた理由は、隣接した列が同時に加熱されないようにするためである。
【００７０】
次に、ヒーター２１１に電圧パルスを印加して加熱するタイミングとセンサ２２１に電圧パルスを印加して温度を検出するタイミングとの関係について説明する。図１０は、ヒーター２１１に電圧パルスを印加して加熱するタイミングとセンサ２２１に電圧パルスを印加して温度を検出するタイミングとの関係を説明するための説明図である。
【００７１】
すでに説明したように、１層式の指紋センサの場合には、加熱タイミングと温度検出タイミングを一つの電圧パルスによって制御するため、抵抗素子に電圧を印加したと同時（時刻ｔｓ）または電圧を印加した直後（時刻ｔｓ＋α；ただしαは定数）の温度が上がっていない状態での電流値をホールドすることになる。これに対して、２層式の場合には、加熱タイミングと温度検出タイミングを別個の電圧パルスによって制御するため、時刻ｔｓの直前（時刻ｔｓ−α）の電流値をホールドすることができる。ただし、この時刻ｔｓ−αが時刻ｔｓよりもかなり早いようだと環境温度の影響を受ける結果となる。
【００７２】
次に、ヒーター層とセンサ層を別層した２層式の指紋センサを採用した指紋照合装置の構成について説明する。図１１は、ヒーター層とセンサ層を別層した２層式の指紋センサを採用した指紋照合装置の構成を示す機能ブロック図である。なお、図５に示した１層式と同様の機能部には同一の符号を付している。
【００７３】
同図に示すように、この指紋照合装置は、指紋センサ（指紋検出部８０および信号処理部２０）と、指紋照合部３０とからなる。ここで、信号処理部２０および指紋照合部３０は、図５に示すものとほぼ同様のものとなるが、電圧パルス出力部２２は、ヒーター回路８１に加熱用の電圧パルスを印加するとともにセンサ回路８２に対して温度検出用の電圧パルスを印加する。なお、両電圧パルスの印加タイミングは、図１０を用いて説明した通りである。
【００７４】
上述してきたように、本実施の形態２では、ヒーター２１１に対して電圧パルスを印加する際に、この電圧パルスの立ち上がり時点である時刻ｔｓまたはその直前若しくは直後の電流と、この電圧パルスの立ち上がり時点またはその直前若しくは直後から所定時間後の電流との差動信号に基づいて指紋画像を検出するよう構成したので、指紋の山部と谷部の伝熱特性を利用して指紋画像を検出する場合に、環境温度の変化の影響を受けることなく迅速かつ精度良く指紋画像を検出することができる。
【００７５】
なお、本実施の形態２では、ヒーター層２１０の上部にセンサ層２２０を積層することとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ヒーター層２１０の下部にセンサ層２２０を設けることもできる。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、検出面に指が載置された後に抵抗素子に対して電圧パルスを印加し、印加した電圧パルスの立ち上がり時点またはその直後の第１の温度と、この電圧パルスの立ち上がり時点またはその直後から所定時間後の第２の温度との温度差に基づいて指紋画像を検出するよう構成したので、指紋の山部と谷部の伝熱特性を利用して指紋画像を検出する場合に、環境温度の変化の影響を受けることなく迅速かつ精度良く指紋画像を検出することが可能な指紋センサが得られるという効果を奏する。
【００７７】
また、請求項２の発明によれば、検出面に指が載置された後にヒーターに対して加熱用電圧パルスの印加し、印加した加熱用電圧パルスの立ち上がり時点またはその直前または直後の第１の温度と、加熱用電圧パルスの立ち上がり時点またはその直前またはその直後から所定時間後の第２の温度との温度差に基づいて指紋画像を検出するよう構成したので、指紋の山部と谷部の伝熱特性を利用して指紋画像を検出する場合に、環境温度の変化の影響を受けることなく迅速かつ精度良く指紋画像を検出することが可能な指紋センサが得られるという効果を奏する。
【００７８】
また、請求項３の発明によれば、検出面に指が載置された後に抵抗素子に対して電圧パルスを印加し、印加した電圧パルスの立ち上がり時点またはその直後の第１の温度と、この電圧パルスの立ち上がり時点またはその直後から所定時間後の第２の温度との温度差に基づいて指紋画像を検出するよう構成したので、指紋の山部と谷部の伝熱特性を利用して指紋画像を検出する場合に、環境温度の変化の影響を受けることなく迅速かつ精度良く指紋画像を検出することが可能な指紋画像検出方法が得られるという効果を奏する。
【００７９】
また、請求項４の発明によれば、検出面に指が載置された後にヒーターに対して加熱用電圧パルスの印加し、印加した加熱用電圧パルスの立ち上がり時点またはその直前または直後の第１の温度と、加熱用電圧パルスの立ち上がり時点またはその直前またはその直後から所定時間後の第２の温度との温度差に基づいて指紋画像を検出するよう構成したので、指紋の山部と谷部の伝熱特性を利用して指紋画像を検出する場合に、環境温度の変化の影響を受けることなく迅速かつ精度良く指紋画像を検出することが可能な指紋画像検出方法が得られるという効果を奏する。
【００８０】
また、請求項５の発明によれば、請求項３または４に記載された方法をコンピュータに実行させることで、そのプログラムを機械読み取り可能となり、これによって、請求項３または４の動作をコンピュータによって実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る指紋センサの外観構成を示す図である。
【図２】図１に示した指紋検出部の断面構造を示す図である。
【図３】図１に示した指紋検出部内に設けられるヒーター／センサ回路および信号処理部内に設けられる検知回路の回路構成並びにこのヒーター／センサ回路に対する電圧パルスの印加タイミングの一例を示す図である。
【図４】図３に示した抵抗素子に電圧パルスを印加してヒーターとして加熱するタイミングとこの抵抗素子により温度を検出するタイミングとの関係を説明するための説明図である。
【図５】図１に示した指紋センサを用いた指紋照合装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図６】抵抗素子に対する電圧パルスの印加量を変化させた場合における加熱終了時の温度上昇と温度上昇比の関係を示す図である。
【図７】図５に示した指紋照合装置による指紋画像の取得手順を示すフローチャートである。
【図８】本実施の形態２に係る２層式の指紋センサの断面構造を示す図である。
【図９】図２に示した指紋センサのヒーター回路および検知回路の回路構成の一例を示す図である。
【図１０】ヒーターに電圧パルスを印加して加熱するタイミングとセンサに電圧パルスを印加して温度を検出するタイミングとの関係を説明するための説明図である。
【図１１】ヒーター層とセンサ層を別層した２層式の指紋センサを採用した指紋照合装置の構成を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
１    指紋センサ
１０  指紋検出部
１１  検出面
２０  信号処理部
２１  制御部
２２  電圧パルス出力部
２３  検知部
２４  コントラスト判定部
２５  しきい値記憶部
２６  画像データ出力部
３０  指紋照合部
３１  画像入力部
３２  参照画像記憶部
３３  照合処理部
４１  ヒーター／センサ回路
４２  検知回路
８０  指紋検出部
８１  ヒーター回路
８２  センサ回路
８３  検知回路
１００  基板
１１０  ヒータ兼センサ層
１１１  抵抗素子
１１２  絶縁膜
２００  基板
２１０  ヒーター層
２２０  センサ層
【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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