(57)【要約】【課題】新規な原理に基づき、血管などの各種の対象物を高感度かつ高分解能で検出することができ、装置のサイズおよびデザイン上の制約も少ない検出装置および検出方法を提供する。【解決手段】この検出装置は、正方形の各頂点に配置された４個の電極Ａ〜Ｄを基本ユニットとして一平面上の互いに直交する第１の方向および第２の方向に等間隔でマトリックス状に配置された複数の電極１１と、４個の電極Ａ〜Ｄの中心を通り、かつ上記の一平面に垂直な直線上の電界を検出する電界検出素子１３とを有する。４個の電極Ａ〜Ｄのうちの最近接の２個の電極間に互いに逆位相の電圧を印加する。あるいは、複数の電極を、それぞれｎ個×ｎ個（ｎは２以上の整数）の電極からなり、正方形の各頂点に配置された４個のブロックを基本ユニットとする複数のブロックに区画し、この４個のブロックのうちの最近接の２個のブロック間に互いに逆位相の電圧を印加する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正方形の各頂点に配置された４個の電極を基本ユニットとして一平面上の互いに直交する第１の方向および第２の方向に等間隔でマトリックス状に配置された複数の電極と、
上記４個の電極の中心を通り、かつ上記一平面に垂直な直線上の電界を検出する電界検出素子とを有し、
上記４個の電極のうちの最近接の２個の電極間に互いに逆位相の電圧を印加し、または、上記複数の電極を、それぞれｎ個×ｎ個（ｎは２以上の整数）の電極からなり、正方形の各頂点に配置された４個のブロックを基本ユニットとする複数のブロックに区画し、上記４個のブロックのうちの最近接の２個のブロック間に互いに逆位相の電圧を印加するようにした
ことを特徴とする検出装置。
【請求項２】
上記４個の電極の中心に上記電界検出素子を有することを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項３】
上記電界検出素子およびその配線が上記直線上に設けられていることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項４】
上記ブロックを時系列で上記第１の方向および／または上記第２の方向に１電極間距離ずつ順次移動させることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項５】
上記ブロックを構成する上記電極の数を時系列で変化させることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項６】
正方形の各頂点に配置された４個の電極を基本ユニットとして一平面上の互いに直交する第１の方向および第２の方向に等間隔でマトリックス状に配置された複数の電極と、
上記４個の電極の中心を通り、かつ上記一平面に垂直な直線上の電界を検出する電界検出素子とを有する検出装置を用い、
上記４個の電極のうちの最近接の２個の電極間に互いに逆位相の電圧を印加し、または、上記複数の電極を、それぞれｎ個×ｎ個（ｎは２以上の整数）の電極からなり、正方形の各頂点に配置された４個のブロックを基本ユニットとする複数のブロックに区画し、上記４個のブロックのうちの最近接の２個のブロック間に互いに逆位相の電圧を印加するようにした
ことを特徴とする検出方法。
【請求項７】
上記ブロックを構成する上記電極の数を第１の数に設定して電界の測定を行った後、電界強度が所定の閾値を超えた箇所の近辺についてのみ上記ブロックを構成する上記電極の数を上記第１の数よりも大きい第２の数に設定して電界の測定を行うようにしたことを特徴とする請求項６記載の検出方法。
【請求項８】
正方形の各頂点に配置された４個の電極を基本ユニットとして一平面上の互いに直交する第１の方向および第２の方向に等間隔でマトリックス状に配置された複数の電極と、
上記４個の電極の中心を通り、かつ上記一平面に垂直な直線上の電界を検出する電界検出素子とを有し、
上記４個の電極のうちの最近接の２個の電極間に互いに逆位相の電圧を印加し、または、上記複数の電極を、それぞれｎ個×ｎ個（ｎは２以上の整数）の電極からなり、正方形の各頂点に配置された４個のブロックを基本ユニットとする複数のブロックに区画し、上記４個のブロックのうちの最近接の２個のブロック間に互いに逆位相の電圧を印加するようにした
ことを特徴とする静脈センサ。
【請求項９】
正方形の各頂点に配置された４個の電極を基本ユニットとして一平面上の互いに直交する第１の方向および第２の方向に等間隔でマトリックス状に配置された複数の電極と、
上記４個の電極の中心を通り、かつ上記一平面に垂直な直線上の電界を検出する電界検出素子とを有し、
上記４個の電極のうちの最近接の２個の電極間に互いに逆位相の電圧を印加し、または、上記複数の電極を、それぞれｎ個×ｎ個（ｎは２以上の整数）の電極からなり、正方形の各頂点に配置された４個のブロックを基本ユニットとする複数のブロックに区画し、上記４個のブロックのうちの最近接の２個のブロック間に互いに逆位相の電圧を印加するようにした静脈センサを用いた
ことを特徴とする個人認証システム。
【請求項１０】
個人認証システムを搭載した電子機器において、
上記個人認証システムが、
正方形の各頂点に配置された４個の電極を基本ユニットとして一平面上の互いに直交する第１の方向および第２の方向に等間隔でマトリックス状に配置された複数の電極と、
上記４個の電極の中心を通り、かつ上記一平面に垂直な直線上の電界を検出する電界検出素子とを有し、
上記４個の電極のうちの最近接の２個の電極間に互いに逆位相の電圧を印加し、または、上記複数の電極を、それぞれｎ個×ｎ個（ｎは２以上の整数）の電極からなり、正方形の各頂点に配置された４個のブロックを基本ユニットとする複数のブロックに区画し、上記４個のブロックのうちの最近接の２個のブロック間に互いに逆位相の電圧を印加するようにした静脈センサを用いたものである
ことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、新規な原理に基づく検出装置、検出方法、静脈センサ、個人認証システムおよび電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生体個人認証が注目されている。生体個人認証には、従来より指紋や虹彩などが用いられてきたが、これらは人体表面に露出している部分であるため、偽造が比較的容易であるという欠点がある。この欠点を解消する生体個人認証として静脈認証が注目されている。静脈認証は各個人の静脈パターンが異なることを利用した生体個人認証であり、近年では銀行のＡＴＭなどで実用化が進められている。現在実用化されている静脈認証では主に近赤外分光法による方式が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。これは、近赤外線帯域の特定波長の光が生体組織に殆ど吸収されず透過すること、選択的に脱酸素化ヘモグロビン（静脈血）に特異的に吸収されることを利用して透過や反射によって生体組織の血流分布などを非侵襲的に測定する方法である。
【０００３】
一方、静脈を検出することができる別の方法として、準静電界を用いて検知する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。すなわち、ダイポールアンテナが発生させる電界を表す式には、距離の１乗に反比例する放射電界、距離の２乗に反比例する誘導電磁界、距離の３乗に反比例する準静電界の３項が存在し、そのうち準静電界は近距離で支配的になる項である。いま、空気の比誘電率εを１とし、空気中の波長をλと仮定した場合、原点からの距離ｒが「ｒ＜λ／２π」である範囲内では、放射電界や誘導電磁界と比べて準静電界が支配的となる。これを利用して、人体内部に存在する血管を検出することができる。この方法では、皮膚近傍において、例えばダイポールアンテナのような準静電界発生手段を用いると、皮膚下の脂肪層に存在する静脈の有無によって皮膚近傍の準静電界分布が変化するため、これにより静脈の有無を検出することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−８３２９８号公報
【特許文献２】特開２００５−７３９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の近赤外分光法による静脈認証装置では、近赤外線帯域の光を発生させるための発光部と生体組織を透過してきた光あるいは生体組織で反射されてきた光を受光する受光部とが必要であるため、サイズおよびデザイン上の制約が大きい。具体的には、例えば、透過式の静脈認証装置においては、指や手のひら、手の甲などの測定対象に対して発光部と受光部とが互いに対向した状態で配置される必要がある。また、反射式や散乱式の静脈認証装置においても、指や手のひらなどの測定対象に適正な強度の光を照射するには一定以上の光路長が必要であるため、受光部、発光部および測定対象をそれぞれ互いに離して配置しなくてはならない。したがって、静脈認証装置をポータブルな小型機器に搭載するのは難しく、実現できたとしてもサイズやデザインを犠牲にしなくてはならない。
【０００６】
さらに、特許文献２による測定装置では、準静電界によって静脈の検出を行うことができるものの、実際に皮膚近傍に現われる準静電界の変化は小さいため、十分検出に足るほどの感度を得るためには、準静電界を発生させるための電極サイズを大きくする必要がある。したがって、微細な静脈のパターンを分解能良く得ることは非常に難しい。また、この測定装置では、例えば血管と表皮との間にわずかでも脂肪組織が存在すると感度を得ることができず、血管の状態を正確に測定することが困難であった。
【０００７】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、新規な原理に基づき、血管などの各種の対象物を高感度かつ高分解能で検出することができ、装置のサイズおよびデザイン上の制約も少ない検出装置および検出方法を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記の新規な検出装置を用いた高性能の静脈センサ、この静脈センサを用いた個人認証システムおよびこの個人認証システムを用いた電子機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、第１の発明は、
正方形の各頂点に配置された４個の電極を基本ユニットとして一平面上の互いに直交する第１の方向および第２の方向に等間隔でマトリックス状に配置された複数の電極と、
上記４個の電極の中心を通り、かつ上記一平面に垂直な直線上の電界を検出する電界検出素子とを有し、
上記４個の電極のうちの最近接の２個の電極間に互いに逆位相の電圧を印加し、または、上記複数の電極を、それぞれｎ個×ｎ個（ｎは２以上の整数）の電極からなり、正方形の各頂点に配置された４個のブロックを基本ユニットとする複数のブロックに区画し、上記４個のブロックのうちの最近接の２個のブロック間に互いに逆位相の電圧を印加するようにした
ことを特徴とする検出装置である。
この検出装置は種々の用途・目的に使用することができ、例えば、電界の検出に基づいて導体または誘電体の検出、電荷の検出、物体の位置変化の検出などを行うことを利用する各種の装置、機器、システム、顕微鏡などに用いることができる。
【０００９】
第２の発明は、
正方形の各頂点に配置された４個の電極を基本ユニットとして一平面上の互いに直交する第１の方向および第２の方向に等間隔でマトリックス状に配置された複数の電極と、
上記４個の電極の中心を通り、かつ上記一平面に垂直な直線上の電界を検出する電界検出素子とを有する検出装置を用い、
上記４個の電極のうちの最近接の２個の電極間に互いに逆位相の電圧を印加し、または、上記複数の電極を、それぞれｎ個×ｎ個（ｎは２以上の整数）の電極からなり、正方形の各頂点に配置された４個のブロックを基本ユニットとする複数のブロックに区画し、上記４個のブロックのうちの最近接の２個のブロック間に互いに逆位相の電圧を印加するようにした
ことを特徴とする検出方法である。
【００１０】
第３の発明は、
正方形の各頂点に配置された４個の電極を基本ユニットとして一平面上の互いに直交する第１の方向および第２の方向に等間隔でマトリックス状に配置された複数の電極と、
上記４個の電極の中心を通り、かつ上記一平面に垂直な直線上の電界を検出する電界検出素子とを有し、
上記４個の電極のうちの最近接の２個の電極間に互いに逆位相の電圧を印加し、または、上記複数の電極を、それぞれｎ個×ｎ個（ｎは２以上の整数）の電極からなり、正方形の各頂点に配置された４個のブロックを基本ユニットとする複数のブロックに区画し、上記４個のブロックのうちの最近接の２個のブロック間に互いに逆位相の電圧を印加するようにした
ことを特徴とする静脈センサである。
【００１１】
第４の発明は、
正方形の各頂点に配置された４個の電極を基本ユニットとして一平面上の互いに直交する第１の方向および第２の方向に等間隔でマトリックス状に配置された複数の電極と、
上記４個の電極の中心を通り、かつ上記一平面に垂直な直線上の電界を検出する電界検出素子とを有し、
上記４個の電極のうちの最近接の２個の電極間に互いに逆位相の電圧を印加し、または、上記複数の電極を、それぞれｎ個×ｎ個（ｎは２以上の整数）の電極からなり、正方形の各頂点に配置された４個のブロックを基本ユニットとする複数のブロックに区画し、上記４個のブロックのうちの最近接の２個のブロック間に互いに逆位相の電圧を印加するようにした静脈センサを用いた
ことを特徴とする個人認証システムである。
【００１２】
第５の発明は、
個人認証システムを搭載した電子機器において、
上記個人認証システムが、
正方形の各頂点に配置された４個の電極を基本ユニットとして一平面上の互いに直交する第１の方向および第２の方向に等間隔でマトリックス状に配置された複数の電極と、
上記４個の電極の中心を通り、かつ上記一平面に垂直な直線上の電界を検出する電界検出素子とを有し、
上記４個の電極のうちの最近接の２個の電極間に互いに逆位相の電圧を印加し、または、上記複数の電極を、それぞれｎ個×ｎ個（ｎは２以上の整数）の電極からなり、正方形の各頂点に配置された４個のブロックを基本ユニットとする複数のブロックに区画し、上記４個のブロックのうちの最近接の２個のブロック間に互いに逆位相の電圧を印加するようにした静脈センサを用いたものである
ことを特徴とするものである。
この電子機器は、特に制限されないが、具体例を挙げると、パーソナルコンピュータなどの各種のコンピュータ、携帯電話、携帯端末、ＡＴＭなどである。
【００１３】
第１〜第５の発明において、基本ユニットを構成する４個の電極のうちの最近接の２個の電極間に互いに逆位相の電圧を印加すると、この最近接の２個の電極に互いに逆符号で絶対値が等しい電荷が発生する。すなわち、ある時点でこの最近接の２個の電極の一方に正電荷が発生したとき、他方にはこの正電荷と絶対値が等しい負電荷が発生する。この場合、この基本ユニットを構成する４個の電極に発生する電荷（４重極）の電荷分布は、基本ユニットを構成する４個の電極の中心を通り、かつ電極が配置された一平面に垂直な直線の周りの１８０度の回転に対して不変な２回回転対称性を有する。この直線上では、基本ユニットを構成する４個の電極に印加する電圧によって発生する電界の重ね合わせにより、電界Ｅ0 が０［Ｖ／ｍ］となる。この電界Ｅ0 ＝０［Ｖ／ｍ］の領域を特異領域（あるいは特異点）と呼ぶ。４個の電極の中心を通り、かつ電極が配置された上記の一平面に垂直な直線上の電界を検出するとは、この特異領域の電界を検出することを意味する。この特異領域の内外では急峻な電界の強度変化が起きるため、検出の感度および分解能が高い。すなわち、電界強度の変化を直接測定する場合には、電界Ｅ0 がＥ0 ＋ΔＥに変化したとき、特にＥ0 ＞＞ΔＥならば、変化量ΔＥはＥ0 に比してわずかであるため検出が難しく、アンプで増幅しても変化量ΔＥとＥ0 との比率は変わらないため検出困難なことは改善できないのに対し、特異領域で電界を検出すれば、検出した電界強度がそのまま変化量ΔＥに相当するため、電界変化を高分解能かつ高感度に検出することができる。
【００１４】
電界検出素子は、基本ユニットを構成する４個の電極の中心を通り、かつ電極が配置された上記の一平面に垂直な直線上にあれば、特異領域の電界を検出することができ、この直線上のどの位置に有していてもよいが、典型的には、基本ユニットを構成する４個の電極の中心に電界検出素子を有し、この中心の電界を検出する。
電界検出素子およびこの電界検出素子から外部に引き出す配線は上記の直線上に設けることが望ましい。これは、電界検出素子から外部に引き出す配線を等電位面上に設けることを意味する。すなわち、電界検出素子およびこの電界検出素子から外部に引き出す配線を等電位面上に設けることにより、基本ユニットを構成する４個の電極によって発生する４個の電荷の２回回転対称性を保つことができる。
この検出装置においては、何らかの原因により、特異領域の電界がＥ0 ＝０［Ｖ／ｍ］以外に変化することを検出することにより、基本ユニットを構成する４個の電極によって発生する４個の電荷の２回回転対称性が破れたことを検出することができる。
【００１５】
この検出装置は、例えば、（１）マトリックス状に配置された複数の電極の外部の物体（導電体または誘電体からなるもの）または電荷（帯電した導体を含む）、（２）基本ユニットを構成する４個の電極のうちの少なくとも一つの電極の位置の変化、（３）この４個の電極のうちの少なくとも一つの電極に発生する電荷の電荷量（電圧）の変化、を検出することができる。すなわち、（１）では、マトリックス状に配置された複数の電極の外部に物体（導電体または誘電体からなるもの）または電荷が存在すると、その影響で基本ユニットを構成する４個の電極の電荷の回転対称性が破れるため、上記の直線上の電界がＥ0 ＝０［Ｖ／ｍ］以外に変化する。（２）では、少なくとも一つの電極の位置が何らかの原因により変化すると、基本ユニットを構成する４個の電極の電荷の回転対称性が破れるため、４個の電極の中心を通り、かつ電極が配置された一平面に垂直な直線上の電界がＥ0 ＝０［Ｖ／ｍ］以外に変化する。（３）では、少なくとも一つの電極の電荷の電荷量が何らかの原因により変化すると、基本ユニットを構成する４個の電極の電荷の回転対称性が破れるため、上記の直線上の電界がＥ0 ＝０［Ｖ／ｍ］以外に変化する。
【００１６】
基本ユニットを構成する４個の電極に印加する電圧は交流電圧であり、典型的には正弦波の交流電圧である。このように基本ユニットを構成する４個の電極に正弦波の交流電圧を印加することにより４個の電荷を発生させる場合には、正弦波の波長をλ、４個の電極のうちの最近接の２個の電極間の距離（各頂点に電極が配置された正方形の一辺の長さ）をｄとしたとき、ｄ＜λ／２πであることが好ましく、ｄ＜＜λ／２πであることがより好ましい。この条件は、基本ユニットを構成する４個の電極の電荷により発生する電界において、準静電界が支配的となるようにするためのものである。
【００１７】
複数の電極を、それぞれｎ個×ｎ個（ｎは２以上の整数）の電極からなり、正方形の各頂点に配置された４個のブロックを基本ユニットとする複数のブロックに区画し、４個のブロックのうちの最近接の２個のブロック間に互いに逆位相の電圧を印加する場合にも、この最近接の２個のブロックの電極に互いに逆符号で絶対値が等しい電荷が発生する。ただし、各ブロックの電極には位相も含めて同じ電圧を印加する。これは、電極に印加する電圧を電気的に切り替えることにより容易に行うことができる。こうすることで、実効的に、基本ユニットを構成する４個の電極と比較してサイズが大きい電極を構成することができる。この場合、このブロックを時系列で第１の方向および／または第２の方向に１電極間距離ずつ順次移動させる。こうすることで、平面方向の分解能は基本ユニットの電極のピッチに見合ったものが得られ、その分解能で走査を行うことができ、物理的に面積が大きい電極と同等の深さ方向の検出性能を得ることができる。必要に応じて、ブロックを構成する電極の数を時系列で変化させるようにしてもよい。さらに、検出時間の短縮を図る観点からは、ブロックを構成する電極の数を第１の数（Ｎ1 ＝ｎ1 ×ｎ1 ）に設定して電界の測定を行った後、電界強度が所定の閾値を超えた箇所の近辺についてのみブロックを構成する電極の数を第１の数よりも大きい第２の数（Ｎ2 ＝ｎ2 ×ｎ2 ＞Ｎ1 、ｎ2 ＞ｎ1 ）に設定して電界の測定を行うようにすることが好ましい。
【００１８】
電極の形状は必要に応じて選択することができるが、一般的には、点電極または平面電極であり、検出の感度および分解能の観点からは正方形の平面電極が好ましい。
電界検出素子の検出原理や構成は問わないが、一般的には検出電極が用いられる。この検出電極は、単一電極からなるものであってもよいが、検出の感度および分解能の向上の観点からは、例えば１対の電極を近接させた双極子（ダイポール）型のものを用いることが望ましい。この場合、このダイポール型の電極の間の電位差を測定し、必要に応じてこの電位差を増幅器などを用いて増幅することにより電界を検出することができる。このダイポール型の電極を２つ互いに直交して配置させて検出電極としてもよい。
【００１９】
この検出装置は、種々の方法によって製造することができるが、電界発生用の電極および電界検出素子を半導体プロセスにより同一チップ内に作りこむことも可能であり、このようにすることで小型に構成することができるとともに、信頼性の向上および低コスト化を図ることができる。
この検出装置には、必要に応じて、人体を経由する準静電界を用いた通信デバイス（例えば、特開２００４−２８２７３３号公報参照。）を同時に作り込んでもよい。
【００２０】
上述のように構成されたこの発明においては、基本ユニットを構成する４個の電極のうちの最近接の２個の電極間に互いに逆位相の電圧を印加し、または、複数の電極を、それぞれｎ個×ｎ個（ｎは２以上の整数）の電極からなり、正方形の各頂点に配置された４個のブロックを基本ユニットとする複数のブロックに区画し、その４個のブロックのうちの最近接の２個のブロック間に互いに逆位相の電圧を印加することにより、４個の電極の中心を通り、かつ電極が配置された一平面に垂直な直線上の特異領域、あるいは、４個のブロックの中心を通り、かつ電極が配置された一平面に垂直な直線上の特異領域では電界がＥ0 ＝０［Ｖ／ｍ］であるため、４個の電極に発生する４個の電荷あるいは４個のブロックの電極に発生する４ブロックの電荷の２回回転対称性が保たれているときには、この電界が保たれる。何らかの理由によりこの電荷の回転対称性が破れたときは、特異領域の電界がＥ0 ＝０［Ｖ／ｍ］以外に変化する。また、この直線上に電界検出素子およびその配線を設けることにより、配線自体が４個あるいは４ブロックの電荷の回転対称性に影響を及ぼさない。つまり、電荷の対称性が保存されるため、配線によって検出性能への影響が生じない。また、この検出装置および検出方法では、例えば、表皮と血管との間に脂肪組織が存在するような場合においても十分に大きな感度を得ることができ、血管を高感度かつ高分解能で検出することができる。さらに、この検出装置のサイズは必要に応じて決めることができ、自由度が高い。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によれば、新規な原理に基づき、血管などの各種の対象物を高分解能かつ高感度で検出することができ、装置のサイズおよびデザイン上の制約も少ない検出装置および検出方法を得ることができる。そして、この検出装置を用いて高性能の静脈センサ、この静脈センサを用いた個人認証システム、この個人認証システムを用いた電子機器を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１はこの一実施形態による検出装置における電極の基本ユニットを示し、図２はこの検出装置における電極の全体配置を示す。
図１に示すように、基本ユニットは、一点鎖線で示す正方形の各頂点に配置された４個の電極Ａ〜Ｄからなる。これらの電極Ａ〜Ｄはそれぞれ一辺の長さがａの正方形の形状を有し、最近接の２個の電極同士（正方形の各辺の両端の頂点にある電極同士）は間隔ｂだけ離れている。この場合、各頂点に電極Ａ〜Ｄが配置された正方形の一辺の長さ、言い換えれば電極ピッチは（ａ＋ｂ）である。この基本ユニットを構成する４個の電極Ａ〜Ｄの中心Ｅを通り、かつこれらの電極Ａ〜Ｄが各頂点に配置された正方形の面に垂直な直線上の電界を測定するために電界検出素子が設けられる。電極Ａ〜Ｄの一辺の長さ、すなわち電極サイズおよび電極ピッチはこの検出装置の用途などに応じて適宜選ばれるが、一般的には、電極サイズおよび電極ピッチが小さいほど分解能が向上し、逆に電極サイズおよび電極ピッチが大きいほど感度が向上するため、これを考慮して所望の分解能および感度が得られるように選ばれる。具体的には、例えば、電極サイズは０．０１〜１０ｍｍ、電極ピッチは０．０２〜２０ｍｍであるが、これに限定されるものではない。表１に電極サイズおよび電極ピッチに対する感度の比較例を示す。
【００２３】
【表１】
2009043117.tif 000003
【００２４】
図２に示すように、この検出装置は、図１に示す４個の電極Ａ〜Ｄを基本ユニットとして一平面（ｘ−ｙ平面）上の互いに直交するｘ方向およびｙ方向に等間隔（＝ａ＋ｂ）でマトリックス状に配置された複数の電極からなるマトリックス電極１１を有する。
図３にこの検出装置の全体構成の一例を示す。図３に示すように、マトリックス電極１１の各電極はそれぞれ信号源（図示せず）を介して導体板１２に接続されている。導体板１２は接地され、電位の基準となる。図４にマトリックス電極１１の一つの基本ユニット部分の側面図を拡大して示す。図４に示すように、基本ユニットを構成する電極Ａ〜Ｄが各頂点に配置された正方形の中心に電界検出素子１３が設けられている。この電界検出素子１３は導体板１２に対して固定されている。
【００２５】
次に、この検出装置の動作方法について説明する。
図５に示すように、この検出装置のマトリックス電極１１の各基本ユニットを構成する４個の電極Ａ〜Ｄが頂点に配置された正方形の一つの対角線上の電極Ａ、Ｄに信号源により電圧Ｖの交流電圧（例えば、正弦波電圧）を印加し、もう一つの対角線上の電極Ｂ、Ｃ（点描を付す）には電圧Ｖで位相を電極Ａ、Ｄに印加する交流電圧の位相と反転させた逆位相の（位相が１８０°ずれた）交流電圧（例えば、正弦波電圧）を印加する。このとき、各基本ユニットの電極Ａ〜Ｄの中心Ｅ、すなわち特異領域における電界強度は、周辺の影響が無視できる場合には０［Ｖ／ｍ］となる。このマトリックス電極１１を測定対象である物体の表面に対して平行に保ったまま近付ける。このとき、マトリックス電極１１の直下付近が全て均一な物質からなっている場合には、各基本ユニットの電極Ａ〜Ｄの中心Ｅの電界強度は０［Ｖ／ｍ］のままであるが、マトリックス電極１１の直下に導電率や誘電率の異なる物体が存在する場合には、その物体の影響を受けてこの物体に対応する部分の基本ユニットの電極Ａ〜Ｄの中心Ｅに電界が発生し、この中心Ｅにおける電界強度が０［Ｖ／ｍ］以外に変化する。こうして、物体の内部構造のパターンを検知することができる。
【００２６】
上述のように、この検出装置において分解能を向上させるためには電極Ａ〜Ｄの電極サイズを小さくすればよいが、電極サイズを小さくしていくと感度が低下する。この問題を解決し、感度および分解能を同時に向上させるためには、マトリックス電極１１を構成する複数の電極を、それぞれｎ個×ｎ個（ｎは２以上の整数）の電極からなり、正方形の各頂点に配置された４個のブロックを基本ユニットとする複数のブロックに区画し、これらの４個のブロックのうちの最近接の２個のブロック間に互いに逆位相の電圧を印加し、これらのブロックを１電極ピッチずつｘ方向および／またはｙ方向に移動させるようにすればよい。この場合、各ブロック内の全ての電極Ａ〜Ｄには同位相の電圧を印加する。こうすることで、分解能を向上させるために電極サイズを小さくしても、電極サイズが実効的に１ブロックのサイズに拡大した場合と同様の高い感度を得ることができるとともに、電極ピッチに見合った分解能を得ることができる。
【００２７】
この方法の一例を図６〜図９を参照して具体的に説明する。まず、図６に示すように、マトリックス電極１１を構成する複数の電極を、それぞれ２個×２個の電極からなり、一点鎖線で示す正方形の各頂点に配置された４個のブロックを基本ユニットとする複数のブロックに区画する。なお、この例では、一つのブロックのサイズは電極Ａ〜Ｄからなる基本ユニットのサイズと同様であるが、これは一例に過ぎず、一つのブロックのサイズは３個×３個、４個×４個、５個×５個、…としてもよい。これらの４個のブロックのうちの最近接の２個のブロック間に互いに逆位相の電圧を印加し、各ブロック内の全ての電極Ａ〜Ｄには同位相の同じ電圧を印加する。この場合、４個のブロックの中心は電極Ａ〜Ｄの中心Ｅと同様に電界の特異領域となるので、電界検出素子１３によりこの中心の電界強度を検出する。これらの４個のブロックの中心の電界強度はこの中心の近傍の物質の有無や種類によって大きく変化する。次に、図７に示すように各ブロックをｘ方向に１電極ピッチ移動させ、あるいは図８に示すように各ブロックをｙ方向に１電極ピッチ移動させ、あるいは図９に示すように各ブロックをｘ方向およびｙ方向に１電極ピッチ移動させて同様に電界を検出する。ブロックの移動は、マトリックス電極１１を構成する各電極に印加する電圧を電気的に切り替えることにより容易に行うことができる。
【００２８】
上述のようにマトリックス電極１１を構成する複数の電極を複数のブロックに区画する場合、各ブロックを構成する電極の数が多いほど、全ての電界検出素子１３で電界強度の検出が完了するまでの時間が長くなる。この検出時間を短縮するためには、例えば、検出を開始してから最初のうちはブロックを構成する電極の数を少なくし、低い感度で検出を行った後、検出される電界強度がある一定の閾値を超えた箇所の近辺についてのみ、ブロックを構成する電極の数を増やして高い感度で検出を行うようにすればよい。これにより短い検出時間で高感度の検出を行うことができる。
【００２９】
次に、この検出装置の深さ方向の感度を向上させる方法について説明する。
測定対象となる物体の測定をこの検出装置により行う場合、１回の検出においては、例えば、この物体の表面の近傍にあるが小さい（もしくは物性値の差が少ない）物質と、この物体の表面からより深い箇所にあるが大きい（もしくは物性値の差が大きい）物質との区別をすることができない。このような場合においても、電極ピッチが小さい場合には表面から深い位置にある物質に対する感度が低下することを利用することで、上述のような二つの物質を区別することができる。
【００３０】
電界検出素子１３の一例を図１０Ａに示す。図１０Ａに示すように、この例では、一対の電極１４ａ、１４ｂからなる微小ダイポールにより検出電極を構成する。この微小ダイポールは、電極Ａ〜Ｄとほぼ等しい高さに配置する。この微小ダイポールを構成する電極１４ａ、１４ｂは差動アンプ１５の入力端子にそれぞれ接続されている。この場合、電極１４ａ、１４ｂ間の電位差を検出し、この電位差を電界に換算することにより電極Ａ〜Ｄの中心位置の電界を求めることができる。電極１４ａ、１４ｂ間の電位差は、入力インピーダンスが高い差動アンプ１５で低いインピーダンスに変換した後、同軸ケーブル１６およびアンプ１７を経由して処理装置１８に信号を伝える。この場合、検出部は検出部シールド１９によりシールドされている。
【００３１】
電界ベクトルの成分Ｅx 、Ｅy の両方を検出することができるようにするには、例えば、図１０Ｂの平面図に示すように、ｘ軸方向の一対の電極１４ａ、１４ｂからなる微小ダイポールとｙ軸方向の一対の電極１４ｃ、１４ｄからなる微小ダイポールとにより検出電極を構成する。ｘ軸方向の微小ダイポールを構成する電極１４ａ、１４ｂは差動アンプ１５の入力端子にそれぞれ接続されている。同様に、ｙ軸方向の微小ダイポールを構成する電極１４ｃ、１４ｄは差動アンプ２０の入力端子にそれぞれ接続されている。この場合、電極１４ａ、１４ｂ間の電位差を検出し、この電位差を電界に換算することにより、電界ベクトルの成分Ｅx を求めることができる。同様に、電極１４ｃ、１４ｄ間の電位差を検出し、この電位差を電界に換算することにより、電界ベクトルの成分Ｅy を求めることができる。
【００３２】
〈実施例１〉
図１１ＡおよびＢに示すように、ある均一な物質２１の内部に、誘電率および導電率の異なる物質２２がｙ方向に棒状に延在する物体２３を考える。ここで、図１１Ａは平面図、図１１Ｂは図１１ＡのＸ−Ｘ線に沿っての断面図である。この物体２３の上面２３ａに検出装置のマトリックス電極１１を平行に保ったまま接近させ、マトリックス電極１１の各基本ユニットの電極Ａ、Ｄと電極Ｂ、Ｃ（点描を付す）とに互いに逆位相の交流電圧（例えば、正弦波電圧）を印加する。このとき、図１１Ａにおいて物質２２からの距離が電極ピッチの３倍以上離れている電界検出素子１３では、その近傍に存在する物質はほぼこの電界検出素子１３に対して対称であるため、この電界検出素子１３の近傍における電界強度はほぼ０［Ｖ／ｍ］となる。
【００３３】
図１２は、基本ユニットを構成する４個の電極Ａ〜Ｄに対して周辺に異なる物質がない状態において電界強度分布をコンピュータシミュレーションにより求めた結果を示す。ただし、シミュレーションに際しては、電極サイズを２ｍｍ、電極ピッチを６ｍｍとし、また、物質２１、２２としてそれぞれ皮膚および静脈を想定して物質２１の導電率および比誘電率をそれぞれ０．３７（Ω・ｍ）-1および２２２とし、物質２２の導電率および比誘電率をそれぞれ１．１０（Ω・ｍ）-1および２８０とした。図１２に示す結果より、電極Ａ〜Ｄの中心Ｅの付近において電界強度は急激に落ち込んでいて０［ｄＢＶ／ｍ］となっていることが分かる。それに対し、物質２２の近傍に存在する電界検出素子１３においては、周囲の電極Ａ〜Ｄの形成する電界が物質２２により変化するため、電界の対称性が崩れ電界強度は０［ｄＢＶ／ｍ］にはならない。図１３は、基本ユニットを構成する４個の電極Ａ〜Ｄに対して電極Ａ、Ｃの直下に周辺と異なる物質が存在する場合における電界強度の計算結果を示す。この結果より、電極Ａ〜Ｄの中心の近傍で電界強度は多少落ち込んでいるものの、２０［ｄＢＶ／ｍ］程度と十分検出可能な値である。図１２に示す電界強度と図１３に示す電界強度との強度差をｄＢ表示により表すと図１４に示すようになる。図１４より、電極Ａ〜Ｄの中心のみ５５ｄＢ程度の極めて高い感度が得られていることが分かる。
マトリックス電極１１の各基本ユニットの電界検出素子１３を用いて図１４に示すような電界強度差を測定し、その結果をプロットすると、電界強度分布は図１５に示すように表される。図１５より、物体２３の内部に存在する物質２２のパターンを認識できていることが分かる。
【００３４】
〈実施例２〉
実施例２においては、第１の実施形態による検出装置を静脈センサに適用した場合について説明する。
人間の指、手のひら、手の甲、手首などの静脈は、一般的に皮膚から１〜２ｍｍ程度の深さの所に存在しており、そのパターンは各人により異なる。また、基本的には時間が経過してもそのパターンは変化せず、普遍のものである。したがって、上述の検出装置を人体の指などに近接することによって、各人固有の信号をいつでも得ることができる。そして、これを利用して、従来に比べて小型かつ簡便な静脈認証用の静脈センサを実現することができ、この静脈センサを用いた個人認証システムを構築することができる。
電極ピッチは、例えば指静脈のセンシングを行う場合には、指の面積を例えば１０ｍｍ×３５ｍｍとして静脈の識別に必要な分解能を考慮すると、例えば０．２０ｍｍ以下が望ましい。また、電極サイズは、例えば、できるだけ大きくし、かつ電極ピッチを上述のように０．２０ｍｍにする場合のスペースを考慮すると、０．１ｍｍ程度以下にすることが望ましい。静脈の深さは、皮膚からの距離が３ｍｍを超えると検出時のＳ／Ｎ（信号対雑音比）を高くすることが難しくなるので、３ｍｍ以下であることが望ましい。
【００３５】
実施例１で測定対象として用いたものと同様な物体、すなわち物質２１として皮膚を想定し、物質２２として静脈を想定した物体２３に対してこの静脈センサにより検出を行った結果を図１６および図１７に示す。図１６は静脈に相当する物質２２が存在しない部位における検出結果、図１７は静脈に相当する物体２３が存在する部位における検出結果を示す。ただし、検出は、マトリックス電極１１を構成する複数の電極を、それぞれ２個×２個の電極からなる４個のブロックを基本ユニットとする複数のブロックに区画し、このブロックをｘ方向および／またはｙ方向に１電極ピッチずつ移動させながら行った。図１６に示すように、静脈に相当する物質２２が存在しない部位においては４個のブロックの中心における電界強度は０［ｄＢＶ／ｍ］であるのに対し、図１７に示すように、静脈に相当する物質２２が存在する部位においては４個のブロックの中心における電界強度は１０〜２０［ｄＢＶ／ｍ］であり、静脈に相当する物質２２の有無によって電界強度が急激に変化していることが分かり、これより静脈に相当する物質２２を高い感度でしかも高い分解能で検出することができることが分かる。
【００３６】
以上のように、この一実施形態による検出装置によれば、マトリックス電極１１の基本ユニットを構成する４個の電極Ａ〜Ｄの中心Ｅ、あるいは、マトリックス電極１１を構成する複数の電極をブロックに区画する場合には４個のブロックの中心において、近傍の物体の内部構造により電界強度が大きく変化することを用いて、各種の物体の内部の構造およびパターンを高感度かつ高分解能で容易に検出することができる。また、マトリックス電極１１を構成する電極への電圧の印加パターンを工夫することにより、感度、分解能および検出時間を向上させることができる。そして、この検出装置を用いて例えば静脈パターンの検出を容易に行うことができ、これによって従来はサイズが大きく部品点数や空間的制約も多かった静脈センサを、小型ワンチップ化することが可能となる。
【００３７】
以上この発明の一実施形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態および実施例において挙げた数値、構成、配置、形状などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構成、配置、形状などを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の一実施形態による検出装置における電極の基本ユニットを示す平面図である。
【図２】この発明の一実施形態による検出装置におけるマトリックス電極を示す平面図である。
【図３】この発明の一実施形態による検出装置の全体構成の一例を示す略線図である。
【図４】この発明の一実施形態による検出装置におけるマトリックス電極の一部を示す側面図である。
【図５】この発明の一実施形態による検出装置の動作方法を説明するための略線図である。
【図６】この発明の一実施形態による検出装置の動作方法を説明するための略線図である。
【図７】この発明の一実施形態による検出装置の動作方法を説明するための略線図である。
【図８】この発明の一実施形態による検出装置の動作方法を説明するための略線図である。
【図９】この発明の一実施形態による検出装置の動作方法を説明するための略線図である。
【図１０】この発明の一実施形態による検出装置において用いる電界検出素子の一例を示す略線図である。
【図１１】この発明の実施例１を示す平面図および断面図である。
【図１２】この発明の実施例１において行ったコンピュータシミュレーションの結果を示す略線図である。
【図１３】この発明の実施例１において行ったコンピュータシミュレーションの結果を示す略線図である。
【図１４】この発明の実施例１において行ったコンピュータシミュレーションの結果を示す略線図である。
【図１５】この発明の実施例１において行ったコンピュータシミュレーションの結果を示す略線図である。
【図１６】この発明の実施例２において行ったコンピュータシミュレーションの結果を示す略線図である。
【図１７】この発明の実施例２において行ったコンピュータシミュレーションの結果を示す略線図である。
【符号の説明】
【００３９】
Ａ〜Ｄ…電極、１１…マトリックス電極、１２…導体板、１３…電界検出素子、１４ａ〜１４ｄ…電極、２１、２２…物質、２３…物体
【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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