JP2016534338A - 所定の領域で１つ以上の移動体を位置特定する装置、およびこのような装置で実施される方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、所定の領域で１つ以上の移動体を位置特定する装置に関し、本装置は、移動体に搭載された少なくとも１つのモジュールであって、このオンボードモジュールは、電子回路、および位置特定信号を発するために搭載された少なくとも１つのコイルを有する、少なくとも１つのモジュールと、このオンボードモジュール用の電源と、所定の領域に近接した支持体の行および列に分布する受信コイルのマトリックスとを備える。本発明によれば、受信コイルのマトリックスの行および列は独立しており、各行および各列は、直列に接続されたいくつかの受信コイルからなる。各コイルは、移動体が近接しているときに前記位置特定信号をピックアップする機能を有する。本装置は、各行および各列で信号レベルを検出することによって、所定の領域の移動体の配置をリアルタイムで決定するための、受信コイルのマトリックスに接続された処理ユニットをさらに備える。

Description

本発明は、所定の領域で１つ以上の移動体を位置特定する装置および方法に関する。特に有用な用途は、ケージ内の数匹の動物（げっ歯類等）の活動を測定することである。しかしながら、本発明は、様々な分野に適用できるように、より広い範囲を有する。特に、以下のことが考えられる。
●例えば、彫刻の制作、指による形状のモデリング、コンピュータアプリケーションのマンマシンインターフェース等に対する手の指等の、人体の部分の位置特定。
●面に対する物体（ボードゲームの駒等）の位置特定。
●グラフィックスタブレットのインターフェース、制御装置等。
●その他。

一般に動物実験の分野において、ケージ内の数匹の動物（げっ歯類等）の動きを測定する必要がある場合がある。これらの動物はマウス、ラットその他であってもよい。このようなげっ歯類は、動きを測定する装置に接続されたケージに収容される。このような装置は、例えば、疾病の治療を評価すること、およびモータの性能をモニタすることを意図している。この装置は、光学分野、機械分野、または電気分野の範囲内で製造することができる。

光学分野では、各マウスの動きをモニタするために、可視域で赤外線その他のカメラを使用することが可能である。しかしながらこれには、２匹以上のげっ歯類を正確に識別するのが困難であること、あるいは複数のげっ歯類が「可視」でなければならない装置の外形寸法等の、多くの欠点がある。

機械分野では、動的な計量技術の使用が可能である。この欠点は、活動の測定が単一のげっ歯類に限られることであり、また、ケージ内の物体（おがくず、排泄物等）に妨害される可能性が非常に高いことである。また、音響パルス認識技術の使用も可能であるが、これには、げっ歯類を識別できないことと、おがくずの存在に適応できないという欠点がある。

電気分野では、最も有望な技術は、無論、高周波である。例えば、米国特許第５８５３３２７号明細書には、盤上で動かせる駒を位置特定するゲーム盤が記載されており、これはゲームの分野で知られている。各駒は、盤に配置されたコイルから発生した励磁に応答して、固有の識別子を送信するためのコイルおよびトランスポンダを備える。この盤は、励磁コイルのアレイを備える。駒から発生した応答は、励磁コイルから離して盤に配置された巻線によってピックアップされる。駒は、内蔵バッテリから、または励磁信号から給電され、この場合、駒は、駒に組み込まれたコイルに接続された共振コンデンサを備える。このようなシステムの欠点は、１つずつ励磁される励磁コイルのアドレス指定が複雑なことである。

本発明の主題は、磁場を用いて移動体を位置特定する装置を提案することによって、前述の欠点を克服することである。

本発明の別の主題は、移動体を非常に効率的に識別する装置を提案することである。

本発明のさらに別の主題は、小型で、かつマウス用のケージ等の、障害物を有する環境で使用できる、移動体を位置特定する装置を提案することである。

前述の目的のうちの少なくとも１つは、所定の領域で少なくとも１つの移動体を位置特定する装置で達成され、前記の装置は、
移動体の少なくとも１つのオンボードモジュールであって、このオンボードモジュールは、電子回路、および位置特定信号を送信するための少なくとも１つのオンボードコイルを含む、オンボードモジュールと、
オンボードモジュールの電源と、
所定の領域に近接した、支持体上に分布する受信コイルと
を備える。

本発明によれば、各受信コイルは、移動体が近接しているときに位置特定信号を検出する機能を有し、本装置はさらに、
信号レベルを検出するステップによって、あるいはアレイの行および列にアドレス指定された、支持体上の信号の組み合わせによって、例えばリアルタイムで、あるいは時間遅延を伴って、所定の領域で移動体の位置を決定するための、受信コイルに接続された処理ユニットを備える。

読み取りは、アレイの行および列で実施することができ、必ずしも正規直交である必要はない。コイルの分布は必ずしも均一でなくてもよく、（いくつかのコイルの）高密度の領域や、低密度の領域があってもよい。本発明は、１つ以上の移動体の位置特定を可能にする。受信コイルもまた、互いに接続されていなくてもよく、個別に読み取られてもよい。

「近接」とは、コイルが磁場を介して相互作用するのに十分な距離を意味する。当業者であれば、実験によって、および／または関連する各構成部品の磁気特性に応じて、この距離を決定することができる。

１つの実施形態の例によれば、アレイの行および列は独立しており、各行および各列は、直列に接続されたいくつかの受信コイルで構成される。

本発明による装置では、精度は特に、受信コイルのアレイの行および列の数、ならびに各受信コイルの大きさに応じる。処理ユニットは、位置特定信号の一部をピックアップした行および列を識別するように、特に連続して、あるいは同時に、全ての行および列を読み取ることを可能にする。したがって、最も簡単な解決策の１つは、各移動体の正確な位置を推定するように、信号をピックアップした全ての行および全ての列から、最大値を探すことからなる。このようにして、各移動体の位置は、スクリーンに表示することができる。位置特定装置の特定のパラメータ（精度、時間分解能等）は、例えば、重心の計算等の計算方法、３次スプラインによる補間、次の位置特定周期で読み取られるアンテナを選択するための、オンボードモジュールの以前の位置の記憶等によって向上させることができる。重心の計算は、好ましくは位置特定信号をピックアップしている、コイル群の重心の計算からなる。検出されるのは最大値ではなく、所与の領域を構成している群の重心である。

本発明によれば、行情報および列情報は、回収することができる。処理ユニットのデジタル処理によって、最大強度の行の、最大強度の列との交点に対応する座標の決定が可能になり、この方法が、第１の方法となるが、より複雑な、上述した他の方法が使用されてもよい。これにより、受信コイルのアレイの設計を、従来技術のアレイと比較して、簡素化することが可能になる。

本発明の有利な特徴によれば、電源は、各移動体にオンボードバッテリを備えることができる。この場合、再充電可能な、あるいは再充電不可のバッテリが、移動体に挿入されるかまたは配置されて、電子回路にエネルギーを供給する。

本発明の変形例によれば、電源は、磁場によって各オンボードモジュールに遠隔で給電するように、所定の領域に近接して配置された磁性の巻線を備えることが想定されてもよい。この場合、電力供給は、磁場によって遠隔で実施される。この利点は、バッテリを含まず遠隔で給電されるためにオンボードモジュールの寿命が増加することであり、磁性エネルギーを受けるために、例えばオンボードコイルが有利に使用される。このエネルギーは、後の使用のために、コンデンサに蓄積することができる。巻線は、所定の領域全体を照射できる直径を有する、平面であってもよい。

本発明の別の変形例によれば、電源は、磁場によって各オンボードモジュールに遠隔で給電するように、受信コイルのアレイによって生成することができる。受信コイルのアレイは、位置特定信号を受信する第１の機能、および電力供給する第２の機能を備える。これら２つの機能は、連続的に実行されることが好ましい。これにより、個別の追加巻線による電力供給に比べて、省スペース化が可能になるが、給電および検出の管理がより複雑になる。

磁場による遠隔電力供給の場合、オンボードモジュールは、遠隔電力供給の磁場をピックアップする機能を有する給電コイルを備えていることが好ましい。この給電コイルおよびオンボードコイルは、同一のコイルを構成することができる。

（位置特定、生体計測等の）用途に応じて、オンボードモジュールは、マイクロコントローラ、ＡＳＩＣ、あるいは単純なアナログ回路またはデジタル回路を含むことができる。

このような電子回路で、オンボードモジュールは、位置特定信号の生成の効率的な管理をもたらすことのできる知能を備える。オンボードモジュールは、所望の位置特定信号の送信の種類および周波数に従って、パラメータ化することができる。

オンボードモジュールに単一のコイルが使用される場合は、このコイルが、遠隔電力供給に関わる場合には磁場をピックアップし、位置特定信号を受信コイルに送信できるようにする。オンボードコイルの配向に関わらず、良好な感度を維持するために、オンボードモジュールが、例えば２つ、またはいくつかのオンボードコイルを備えることが想定されてもよい。３つのコイルが使用される場合は、これら３つのコイルは３面体として配置されてもよく、かつオンボードコイルと置き換えるか、またはこれを補うように配置されてもよい。オンボードコイルに割り当てられた全ての機能、または一部の機能は、３面体配置のこれら３つのコイルに委ねることができる。このようにして、所定の領域の移動体の経路がどんなものであっても、その位置は、正確かつ精密に決定することができる。

本発明の有利な特徴によれば、各オンボードコイルは、フェライトコアを備えることができる。このフェライトコアは、オンボードコイル、または３面体配置の複数のコイルを通過する磁界磁束を導き増大させるように、（半球状等の）適切な形状の端部を備えることができる。

本発明の１つの実施形態によれば、受信コイルのアレイは、それぞれが受信コイルのいくつかの行を備える、２つの電気的に独立したサブアレイを備えることができ、これら２つのサブアレイは、行および列を形成するように重ねられて直交し、位置特定は、各サブアレイにおいて、位置特定信号を送信するオンボードコイルの最も近い行を識別するか、またはコイルの１つ以上の行によって受信された信号の組み合わせによって実行される。このような配置では、行および列は、２つの異なる平行な平面上にある。アレイの分解能を向上させるように、いくつかの平面上にコイルの列および／または行を有することが特に想定されてもよい。

非限定的な例として、受信コイルのアレイは、プリント回路にエッチングされた平坦なコイルによって、または絶縁表面上の任意の導電体によって構成することができる。各コイルの大きさは、５ｍｍ×５ｍｍとすることができる。

本発明の別の態様によれば、所定の領域で少なくとも１つの移動体を位置特定する方法が提案され、この方法は、以下のステップを含む。
−移動体の少なくとも１つのオンボードモジュールに電力を供給するステップ。このオンボードモジュールは、電子回路および少なくとも１つのオンボードコイルを備える。
−電子回路によって位置特定信号を生成し、オンボードコイルを介してこの位置特定信号を送信するステップ。
−所定の領域に近接した、支持体に分布する受信コイルによって、位置特定信号をピックアップするステップ。各コイルは、移動体が近接しているときに、位置特定信号をピックアップする機能を有する。
−支持体上で信号レベルを検出することによって、所定の領域の移動体の位置をリアルタイムで、または時間遅延を伴って決定するステップ。支持体は、この支持体に接続された処理ユニットによって、アレイの行および列にアドレス指定される。移動体の位置を決定するために、コイルの１つ以上のアレイによって受信された信号の組み合わせを使用することができる。

電力消費を効率的に制御するために、周期的に実行される給電をもたらすことができる。給電フェーズでは、エネルギーは、後の非給電フェーズでの使用のために、各オンボードモジュールに蓄積される。通常、コンデンサ等のエネルギー蓄積手段は、給電フェーズの間に給電され、次に、給電が遮断されて位置特定信号が生成され、それによって、移動体の位置を決定する。

有利には、位置特定信号は、複数のオンボードモジュールを互いに区別するために、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）を用いた多重化を実行するように、各オンボードモジュールに対して異なる時間に生成することができる。位置特定信号は、パルスの形態であってもよく、受信コイルのアレイによってピックアップされる。この実施形態では、給電フェーズの終わりとなり得る同期信号を生成することができ、あるいは、例えば給電巻線によって、または受信コイルのアレイによって、他の同期信号が送信されてもよい。この同期信号に基づいて、各オンボードモジュールは、位置特定信号を所定の時間に送信できるようにするカウンタを備えることができ、これは、各オンボードモジュールによって異なる。したがって、受信時に処理ユニットは、各位置特定信号を、これが生じたオンボードモジュールに容易に関連付けることができる。このためには、例えば、同期信号と、位置特定信号の受信との間の時間の長さを測定すれば十分である。

別の実施形態によれば、位置特定信号は、複数のオンボードモジュールを互いに区別するために、周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）を用いた多重化を実行するように、各オンボードモジュールに対して異なる、所定の周波数の信号を生成することによって作られる。オンボードモジュールは、周波数型の位置特定信号をそれぞれ同時に送信することができる。これらの周波数信号は、受信コイルのアレイによって、ほとんど同時にピックアップすることができる。この実施形態では、処理ユニットは、受信時に、各位置特定信号の周波数を識別するために構成され、各周波数によって、対応するオンボードモジュールの識別が可能になる。また、上記の２つの実施形態の組み合わせを想定することも可能である。実際に、オンボードモジュールは、異なる時間に、位置特定信号を周波数信号の形態で送信することができる。

有利な実施形態によれば、各位置特定信号は、固有の識別子を含むことができる。これは実際には、位置特定信号と、対応するオンボードモジュールとの間の対応を簡略化するための、位置特定信号のエンコードの問題である。

電子回路およびオンボードコイルは、発振し、位置特定信号を生成する、ＲＬＣ回路を構成することができる。発振は、大きく減衰される可能性がある。特に、前述のことに加えて、位置特定信号に過電圧を生成してより容易に検出できるようにするため、オンボードコイルを通る電流は突然遮断され、それによって位置特定信号を生成する。これは、コイルを通る電流の急激な変化であり、電流が最高電圧にあるときが好ましい。特に、不連続性が生成されて、比較的高い過電圧が誘起され、これによって受信コイルのアレイが、効率的にピックアップできるようになる。

本発明の他の利点および特徴は、決して限定的ではない実施形態の詳細な説明、および添付の図を考察することによって明らかになるであろう。
図１は、本発明による装置によって、テレビのスクリーン、電話のスクリーンその他の前を動いている手の概略図である。
図２は、本発明による、マウスの活動を測定する装置の概略図である。
図３は、位置特定信号を生成するための、電子回路に接続されたオンボードコイルの簡略化された電子回路図である。
図４は、性能を向上させるためにオンボードコイルに組み込むことができる、３つのフェライトコアの概略図である。
図５及び図６は、遠隔電力供給および遠隔地用の装置との連結を向上させるための、３面体配置のオンボードコイルの、特に３次元で示した概略図である。
図７は、オンボードコイルに接続された電子回路の簡略化された内部電子回路図である。
図８は、オンボードモジュールによって送信された位置特定信号を表すグラフであり、この信号は、減衰した発振信号の形態である。
図９は、オンボードモジュールによって送信された位置特定信号を表すグラフであり、この信号は、大きく減衰した発振信号の形態である。
図１０は、オンボードモジュールによって送信された位置特定信号を表すグラフであり、この信号は、検出され得る著しい過電圧を含むパルスの形態である。
図１１は、本発明による、パルスを生成する手順を示す概略図である。
図１２は、本発明による、オンボードモジュールの内部の電子回路の簡略化された図である。
図１３は、本発明による、アレイ内で行および列に配置されたコイルを示す簡略化された図である。
図１４は、送信コイルの移動面から１ｃｍのところで、１列に並べられた２０個のアンテナの端子で生成された（有効な）逆起電力を示す、シミュレーションによって得られたグラフである。
図１５は、本発明による、装置の動作原理を示す概略図である。
図１６は、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）を用いた多重化による、識別の方法を示す概略図である。
図１７は、周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）を用いた多重化による、識別の方法を示す概略図である。

本発明は、多くの分野に有利に適用することができる。以下、２つの実施形態のみが説明され、他の実施形態は、本説明から容易に想定または推定することができる。

第１の実施形態は、対話型３Ｄスクリーンを製造するための表示装置の分野における、本発明による装置の用途を説明する。

第２の実施形態は、数匹の動物、特にケージ内の数匹のマウスの活動を測定する装置について説明する。本発明は、マウス以外の動物に同様に適用できることは一目瞭然である。

第１の実施形態を例示するために、図１は、スクリーン１、特にタッチスクリーンを例示する非常に簡略化された図を示している。このスクリーンは、スクリーンから少し離れた所に位置する手７からの指示を受けることができるため、３Ｄ対話型といわれる。このようなスクリーン１は、ハードウェア手段およびソフトウェア手段、特にデータ処理および表示のための処理ユニットを有するリアパネル２を備える。好ましくは透明なガラスであるフロントパネル３は、スクリーン１の前面に配置される。このパネルはまた、スクリーンの内部部品を保護する働きもする。本発明によれば、受信コイルのアレイ４、および給電巻線５は、リアパネル２とフロントパネル３との間に挿入される。巻線５は、図１に示されているような内側、または外側に配置することができる。電力供給の他の形態や手段が想定されてもよい。この給電巻線５は、手７の複数の指に配置されたオンボードモジュール８〜１２に、磁場によって遠隔で給電する目的を有する。指は、移動体とみなすことができる。各オンボードモジュール８〜１２は、受信コイルのアレイ４によってピックアップされることを意図した、位置特定信号の送信を可能にする知能を有する。受信コイルのアレイ４は、処理ユニットによる処理後に、各オンボードモジュールの位置を決定できるように設計される。オンボードモジュールが配置された各指先の位置に応じて、動作を生成することができる。その延長線上で考えると、１つ以上のオンボードモジュールの動きは、コマンドとして用いられたジェスチャを識別するように、完全にモニタすることができる。このようなジェスチャは、ジェスチャからコマンドが推定される前に、まず処理ユニットによって解釈される。

図１の例において、受信コイルのアレイは、給電５とフロントパネル３との間に挟まれている。電源がオンボードモジュール８〜１２に適切に給電でき、受信コイルのアレイがオンボードモジュールによって送信された位置特定信号を受けられるならば、他の配置が想定されてもよい。給電５は、アレイ４とフロントパネル３との間に挟まれていてもよい。

図１において、参照符号６は所定の領域を示し、すなわち、オンボードモジュールが検出可能な容積である。所定の領域６は、アレイ４に配置された受信コイルの物理的特性によって画定される。所定の領域６は、これらの受信コイルの影響領域を表す。給電５もまた、所定の領域に位置するオンボードモジュールに給電するために、適切な大きさにする必要がある。

実際には、オンボードモジュールは、ユーザ７が着用する手袋に組み込むことができる。これらのオンボードモジュールもまた、ユーザ７の指先で保持されるように設計された電子機器であってもよい。

図１の図は、原寸に比例していない。スクリーン１は、コンピュータスクリーン、テレビ、携帯電話、「スマートフォン」その他の表示装置、より簡単には、処理ユニットに接続された接触または非接触の（表示のない）入力装置であってもよい。

ここで１つの実施形態が説明され、本発明による装置の利用により、例えば、Ｅｕｒｏｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｙｐｅ ＩＩ型（２６７×２０７×１４０ｍｍ）のケージ内の数匹のマウスの動きを測定することが可能になる。

本装置は、疾病の治療を評価し、モータの性能をモニタすることを意図している。この優先研究分野は、特に薬物療法、遺伝子療法または細胞療法の評価との関連において、治験の定量的なモニタを向上させる必要性により正当化されている。

図２は、コンピュータ１４に接続された、一般参照符号１３を有するこのような測定装置を示す。コンピュータ１４は、特に測定装置１３と通信するための、それ自体が知られている適切なハードウェア手段およびソフトウェア手段を装備した処理ユニットを備えることができる。処理ユニットは、マザーボードに取り付けられたマイクロプロセッサ、ランダムアクセスメモリ、電源、ハードディスク、従来の入力手段、および測定装置１３に接続された拡張ボードを備えることができる。ソフトウェア手段は、マウスの経過を表示スクリーンに表示するように、測定装置１３を制御し、この測定装置１３から発生したデータを処理するために開発することができる。

マイクロプロセッサは、特に、本発明による方法のステップの実施を可能にする。

本発明による測定装置１３は、例えば、Ｅｕｒｏｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｙｐｅ ＩＩのケージ１５の底面に対応する、２６７ｍｍ×２０７ｍｍの領域にいる８匹のマウスＳ１〜Ｓ８の、リアルタイムでの位置特定を可能にする。マウスは、このケージ１５内で自由に動くことができる。

オンボードモジュールＭＳ１〜ＭＳ８は、Ｓ１〜Ｓ８の各マウスにそれぞれ移植され、電磁信号を定期的に送信して、受信コイルのアレイ４によって位置特定されることを可能にする。このアレイは、図１で説明されたアレイと同一の原理で動作できるが、図１のアレイとは物理的および幾何学的特性が異なる場合がある。受信コイルのアレイ４は、ケージ１５の下に配置され、ケージ１５の底面とほぼ同一の大きさを有する。本事例において、アレイ４は平坦で長方形であり、ケージ１５の底面と平行に配置される。

オンボードモジュールＭＳ１〜ＭＳ８は、バッテリを有していない。これらは、受信コイルのアレイ４の下に配置された巻線５によって遠隔で給電される（遠隔電力供給）。しかしながら、例えばケージ１５の上方等、他の配置が想定されてもよい。スペースの都合で、受信コイルのアレイ４および巻線５は、その全体がケージ１５を受けられる支持体を構成している場合（図示せず）は、互いに一体化して配置されてもよい。ケージ１５は、除去できるように配置することができる。したがって、同一の支持体上で異なるケージを使用することができる。

測定装置１３は、コンピュータ１４に接続して動作し、位置特定されるマウスの位置は、リアルタイムで表示され記録される。有線リンク１６または無線リンクを介して、受信コイルのアレイ４にデータを提供し、かつデータを交換するために、コンピュータ１４に拡張ボードを設けることができる。拡張ボードはまた、リンク１７を介して巻線５の電源を制御するために、コンピュータ１４に設けることができる。

位置の空間的な精度は５ｍｍ、時間分解能は１秒である。位置の精度は、受信アンテナとして機能する受信コイルの形状に依存する。

受信コイルのアレイ４および巻線５は、他の構成部品のキャビネットに配置することができ、信号が測定装置１３とコンピュータ１４との間で中継されることを可能にする。測定装置は、これらの測定装置をマウス用のケージのラック内で使用できるような大きさとされる。

この測定装置で、巻線５はオンボードモジュールＭＳ１〜ＭＳ８に遠隔給電し、オンボードモジュールＭＳ１〜ＭＳ８は位置特定信号を順に生成および送信し、位置特定信号は、受信コイルのアレイ４によってピックアップされる。受信コイルのアレイ４は、各オンボードモジュールの位置を決定できるように設計される。このため、コンピュータ１４は、測定装置を制御し、受信コイルのアレイから発生したデータを処理するために使用される。したがって、各マウスのリアルタイムの動きをモニタすることができる。

上記のことに加えて、図３は、オンボードモジュールＭＳ１〜ＭＳ８を例示する図を示す。各オンボードモジュールは、オンボードコイル１８および電子回路１９を備える。電子回路１９には電子部品およびマイクロコントローラが設けられ、定期的または不定期に、所定の時間に位置特定信号を生成することを可能にする。

より正確には、オンボードモジュールの遠隔電力供給は、オンボードコイル１８と巻線５との間の誘導結合によって実行される。巻線５は、ケージ１５に近接して配置されたコイルであり、オンボードモジュールに給電するために、オンボードモジュールのケージ内での位置および配向に関わらず、検出領域全体に磁場を伝達する。

この可変の磁場は、オンボードモジュールの内部のオンボードコイルの端子で電圧を誘起し、電子回路１９に給電するように作用する。

有利には、遠隔電力供給の性能を向上させるために、オンボードコイル１８にフェライトコアを使用することができる。フェライトコアの形状により、システムが、オンボードモジュールの配向に対する感度を低くすることが可能になる。したがって、図４のＡに示されているような「半球状の」端部を有するフェライトコアは、フェライトコアの軸線が、遠隔電源磁場を伝達する巻線５の軸線と直交するときでも、遠隔給電巻線５によって伝達された磁場の一部を導くことを可能にする。

通常、位置特定信号を送信することを意図するオンボードコイルは、使用中に効果的に配向されない可能性がある。これは特に、オンボードコイルの軸線が受信コイルのアレイと結合できないときに発生する場合がある。この場合、受信される位置特定信号が弱すぎて、オンボードモジュールの位置特定に利用できない。この状態を補正する解決策の１つは、例えば、各オンボードモジュールで異なって配向された、いくつかの送信コイルを使用することである。図５に示す図は、３面体配置で位置特定信号を送信する、このようなトポロジーのコイルである。実際には、１つのみではなく３つのコイルが使用される。これら３つのコイルは、３本の直交する軸線上に配置され、同一の位置特定信号を送信する。他の構成を想定することも可能である。したがって、アレイに対するオンボードモジュールの配向に関わらず、受信アンテナは常に、オンボードモジュールから生じた、十分に高レベルの１つ以上の信号を受信する。

オンボードモジュールの位置に加えて、オンボードモジュールの配向（Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸周りの回転）、さらに（いくつかの送信モジュールを組み合わせるか、またはいくつかの送信コイルを使用することによる）方向を確認するために、１つ以上の送信コイルによって送信された位置特定信号の利用も想定可能である。

一般に、例えばオンボードモジュールの位置特定および遠隔電力供給を改善するために、送信コイルおよび受信コイルの配向を多重化することが想定されてもよい。

位置の最適化を可能にする、送信コイルのこのような幾何学的配置に加えて、このような様々なコイルの使用を最適化することが想定されてもよい。例えば、所与の送信機の空間位置に応じて、位置特定のための所与の平面内で、この送信機の最良の幾何学的配置を有する、１つまたは複数の送信コイルは、同一のオンボードモジュールの他の送信コイルよりも多く使用されてもよい。この原理はまた、オンボードモジュールが、例えば受信コイルのアレイによって伝達された磁場によって給電される場合は、オンボードモジュールの遠隔電力供給にも実施することができる。

図５のコイルは、フェライトコアを備える細長いコイルである。このようなコイルの形状は、細長い円筒であり、回転軸に沿った高さは、円筒の直径よりも大きくなる。

図６は、図５に示すコイルの形状の別の例を示す。これは、円筒の直径よりも小さい高さを有する扁平な円筒である。

図７に示すように、コイルＬＲを通る電流を急激に変化させることによってパルスを生成するように、オンボードコイルによって受けられたエネルギーは、各オンボードモジュールの電子回路への給電を可能にする。コイルＬＲは、エネルギーを受けるために使用されるコイルと同一であってもよい。図７は、簡略化された電子回路図を示し、ＬＲおよびＣ１は、並列に配置されている。より大容量の第２のコンデンサＣ２は、Ｃ１の一方の端部に接続される。スイッチＭは、ＭＯＳＦＥＴトランジスタであってもよく、Ｃ１およびＣ２のもう一方の端部同士の間に配置される。オンボードモジュールの電源電圧Ｖ_ＳＵＰは、充電抵抗器Ｒ_{ｃｈａｒｇｅ Ｃ２}を介して、コンデンサＣ２の充電に使用される。

磁場であることが有利な位置特定信号を生成するために、１つ以上の巻きを有するコイルＬＲを通る、時間と共に変化する電流の循環が想定される。位置特定が可能な信号を生成するための２つの方法は、コンデンサＣ１およびコイルＬＲの共振／発振、ならびにコイルＬＲを通る電流の急激な変化である。通常、位置特定信号は、以下のようにして生成することができる。
●電圧を充電された１つ以上のコンデンサを、１つ以上のコイルに放電することによって可能になる。
●１つ以上のコイルを通過する電流に、急激な変化を作ることによって可能になる。

図８〜図１０は、オンボードモジュールによって生成された位置特定信号のための、３つの解決策を表す３つのグラフを示す。

●解決策１：この原理は、わずかに減衰した擬似発振モードで、コンデンサをコイルに放電することである。図８は、受信コイルのアレイで誘起された電圧の変化を表すグラフである。

●解決策２：この原理は、大きく減衰した擬似発振モードで、コンデンサをコイルに放電することである。図９は、受信コイルのアレイで誘起された電圧の変化を表すグラフである。

この第２の解決策は、受信コイルのアレイで、解決策１よりも持続時間が長く、大きい振幅を有するパルスの生成を可能にする。

●解決策３：この原理は、インダクタ内の電流に急速な変化を引き起こすことによって、受信コイルのアレイで誘起された電圧を著しく増加させることである。このために、電流はインダクタを通って循環され、この電流は急激に変化する。電流のこの急激な変化は、インダクタによって生成された磁場の磁束に急激な変化を引き起こす。オンボードモジュールによって伝達された磁束の急激な変化は、受信コイルの端子で誘起された電圧が、受信コイルを通過する磁束の変化と共に増加するため、受信コイルのアレイに高誘起電圧をもたらす。図１０は、受信コイルのアレイで誘起された電圧のプロファイルを表すグラフである。

生成された誘起電圧は、同様の条件下で、前述の２つの解決策のものよりも高い。

位置特定信号を送信するインダクタを通過する電流が、最大値に達したときに、急激な変化を引き起こすシステムが想定可能である。したがって、受信アンテナの端子で生成された電圧は、最大となる。最大値のこの検索は、例えば、計算によって、最大電流の検出によって、あるいは他の手段によって実行することができる。

一例として、図１１の図は、位置特定信号を生成するための電子回路の実施形態を説明するものであり、第３の解決策で説明されたパルスが有利である。図１１は、図７で既に示した電子部品をより簡略化して表している。

インダクタＬＲおよびコンデンサＣ１は、並列である。Ｃ２は、最初にＵ０まで充電された値の高いコンデンサであり、Ｍは、例えば、トランジスタその他の手段と共に構築された制御可能なスイッチである。位置特定信号を生成するステップは、以下の通りである。

第１のフェーズにおいて、エネルギーはコンデンサＣ２に蓄積される。
フェーズ１：エネルギーがＣ２に蓄積される
●Ｍは開いている
●Ｖ_Ｃ１＝０Ｖ
●電流がＬＲまたはＣ１を通過していない
●Ｖ_Ｃ２＝Ｕ_０

第２のフェーズにおいて、エネルギーはコイルＬＲに伝達される。
●フェーズ２：エネルギーがＬＲに伝わる
●Ｍは閉じている
●Ｖ_Ｃ１＝Ｕ_０
●ＬＲが電流で充電される

第３のフェーズにおいて、過電圧が生成される。
●フェーズ３：電流ｉｃｈａｒｇｅＬの急激な変化がＬＲを通過
●Ｍは開いている
●Ｍが急に開いたことによる、電流ｉｃｈａｒｇｅＬの大きな変化が、インダクタＬＲによって生成された磁束の急激な変化、および受信コイルの端子の高誘起電圧につながる。

したがって、位置特定信号は、回路ＬＲおよびＣ１の共振を引き起こすことによって、または上述した急激な変化を実施してより特性的にすることによって、減衰された共振信号であってもよい。

受信コイルのアレイが受信した位置特定信号を最適化するために、構成部品（ＬＲ、Ｃ１、Ｃ２、Ｍ等）の配置および数、ならびに構成部品の選択（直列抵抗の小さいＬＲ等）を修正することによって、他のトポロジーを生成することが可能である。

通常、オンボードモジュールを位置特定するために、１つ以上の受信アンテナを使用することができる。これらのアンテナは、送信モジュールを位置特定するために、例えば（併置することによって）アンテナのアレイを形成することができる。各アンテナは、有利にはコイルであり、その結果、例えば図１および図２に示すような受信コイルのアレイ４が得られる。

アンテナのアレイ以外のトポロジーが想定されてもよい。アンテナの配置のパターンは、規則的である必要はない。例えば、想定されるオンボードモジュールの位置を検出することが求められる一定の場所にのみ、受信アンテナを配置することが想定されてもよい。最も一般的な事例は、アレイの形態の受信アンテナの規則的な配置である。受信アンテナのアレイは、平坦である必要はなく、かつ単一である必要はない。空間内の（ある容積内に配置された）１つ以上のオンボードモジュールの位置を計算するために、直角に配置されるか、または直角に配置されていないｑ個のアレイまたはサブアレイ（ｑは１より大きいかまたは１に等しい整数）を想定することができる。

測定電子回路を簡略化するために、測定されるチャネル（アンテナの出力）の数を削減することが可能である。これは、受信アンテナを直列に配線することによって、またはアンテナ群によって可能である。このような直列のアンテナは、オンボードモジュールの位置を決定できるように、アンテナの行および列に配置される（図１３を参照）。オンボードモジュールの位置は、次に、信号が受信される、受信行および受信列で受信したレベルから計算される。

受信アンテナは、軟質または硬質プリント基板上に形成でき、受信アンテナが、例えばより多くの巻き、またはより高密度を有するように、プリント基板のいくつかの層の上に存在していてもよい。受信アンテナはまた、受信した信号のレベルを向上させるために、電磁式のコイルであってもよい。

通常、受信アンテナは、あらゆる種類の軟質または硬質、不透明または透明の支持体上に作られる（プリント、堆積等）ことが想定されてもよい。例えば、１つまたは複数のオンボードモジュールの位置を決定することが求められる表面（ガラス板、コンピュータスクリーン等）上に、透明アンテナのアレイを配置することが可能である。アンテナのアレイは、例えばインジウム錫酸化物で作られてもよく、これは、タッチスクリーンにも使用される透明導電体である。

図１２は、オンボードモジュールの電子回路の例の実施形態を示す。５つの主な機能がある。
機能１：遠隔電力供給を受け、位置特定信号を送信するための回路。最も簡単な構成において、この段階は、第１に、遠隔電源（磁場の形態で伝達されたエネルギーを、オンボードモジュールの部品への給電に使用できる電流に変換する）からエネルギーを受けるように機能し、第２に、位置特定信号を送信する（オンボードモジュールの位置特定のためにピックアップされる磁場を伝達する）ために機能する、同調並列回路ＬＣからなる。
機能２：位置特定のためのエネルギー蓄積用の回路。この段階では、遠隔電源から受けたエネルギーの一部を蓄積し、これは、位置特定信号を作成するのに役立つ。最も簡単な構成において、この段階は、コンデンサからなっていてもよい。遠隔給電フェーズ中に、このコンデンサは、エネルギーを蓄える。遠隔電力供給フェーズに続いて待機フェーズがあり、その間にコンデンサはエネルギーを蓄積する。最後に、位置特定フェーズの間に、このコンデンサに蓄えられたエネルギーが、位置特定信号を作成するために、位置特定信号を送信する段階に伝達される。
機能３：シーケンサ給電回路。この段階では、オンボードモジュールのシーケンサＦ５に給電するために、遠隔電源から受けたエネルギーの一部を蓄積する。シーケンサとは、位置特定信号をトリガするために使用される回路全体を意味する。
機能４：同期回路。同期回路は、モジュールが所望の時間、すなわち、遠隔電力供給フェーズが終了したときに位置特定信号を送信できるように、遠隔電力供給フェーズの開始および終了を検出できるようにする。（この段階は、オンボードモジュールを互いに識別するのにＴＤＭＡ方式が用いられているときに特に有用である。）
機能５：シーケンサ回路。シーケンサは、位置特定信号をトリガするのに用いられる回路全体である。同期信号に基づいて、シーケンサは、所望の時間に位置特定信号の送信をトリガできるようにする。オンボードモジュールを互いに識別するのにＴＤＭＡ方式が用いられているとき、各オンボードモジュールは、遠隔電力供給フェーズ後の異なる時間に位置特定信号を送信する。

図１３の例では、受信アンテナは、プリント回路にエッチングされたコイルであり、５ｍｍの精度を可能にする。この解決策は、容易に実施できることに加えて、「従来の」コイルを使用するよりも安価であるという利点を有する。受信コイルは、行および列に配置される。２つの重なった層が設けられる。上面の第１の層は、直列の平坦な数行のコイルを備える。また、第１の層の下に第２の層があり、直列の平坦な数行のコイルを備える。第１の層の行は、第２の層の行に垂直であり、したがって、行および列によってアドレス指定が可能なアレイを構成する。オンボードモジュールの位置は、最高レベルの位置特定信号を検出した、行および列の交点によって示される。

行の両端は、コンピュータ１４の処理ユニットに信号を送信するためのコネクタを備える。

図１４は、送信コイル用の２０本のアンテナの列で、（効果的な電圧で）誘起された逆起電力を表し、受信列から１ｃｍの高さで平面を移動する、シミュレートされたグラフを示す。送信コイルは、１回の巻き、周波数１ｋＨｚで１ｍＡｅｆｆの励磁電流、ならびに１ｃｍの直径を有するオンボードコイルである。

本発明による装置の機能モードの例が、ここで説明される。

この一般原理は、受信コイルのアレイに対して移動する１つ以上の部品（オンボードモジュール）の位置特定からなり、その逆もまた可能である。

本発明による位置特定装置は、以下のもので構成される。
●様々な送信モジュール（すなわちオンボードモジュール）、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３〜Ｓｎ（ｎは、１より大きいかまたは１に等しい整数）。
●１〜ｐ個のアンテナ（ｐは、１より大きいかまたは１に等しい整数）を備えるアレイ。
●送信モジュールの給電モジュールであって、これは、以下のものであってもよい。
−位置特定される送信モジュールの遠隔電源（遠隔電力供給）
−位置特定される送信モジュールのオンボード電源（例えばバッテリ）。

図１５は、本発明で用いられる方法の基本原理を示す。ｎ個の送信モジュールが給電され、位置特定信号を受信モジュール（受信コイルのアレイ）へ順に送信する。

図１６は、本発明による方法の第１の実施形態を示す。給電フェーズの後、各モジュールは、位置特定信号を送信する前に一定時間待機する。送信モジュールは、したがって、時分割された応答を送信する。この場合、位置特定信号は、周期的な信号であっても擬似周期的な信号であっても、同一のスペクトルを有することが想定されてもよい。言い換えれば、ＴＤＭＡ（「時分割多元接続」）型の識別が適用される。各モジュールは、割り当てられた時間に位置特定信号を送信する。したがって、ケージに８匹のマウスが収容されている場合、８つの応答が相次いで受信される。各オンボードモジュールに関する応答遅延を知ることによって、（タイムスロット方式で）オンボードモジュールを識別することが可能である。

図１７は、本発明による方法の第２の実施形態を示す。本実施形態において、給電フェーズは、位置特定フェーズに重ねることができる。ＦＤＭＡ（「周波数分割多元接続」）型の識別が、この事例に適用される。全てのオンボードモジュールが、位置特定信号を同時に、ただし異なる周波数で送信する。各送信モジュール（オンボードモジュール）に関する周波数を知ることによって、各オンボードモジュールを個別に識別することが可能である。これは、周波数スロット方式である。この動作周期は、非常に短くてもよいが、異なる周波数を区別する処理ユニットのレベルにおいて、かなりのリソースを必要とする。

前述のことに加えて、各オンボードモジュールに識別子が関連付けられてもよい。識別のために、各マウスは固有のコードを送信する。このために、上記の２つの方法を用いることができる。しかしながら、前述の２つの解決策とは対照的に、送信される信号は、付加的な識別情報（各マウスの固有のコード）を含む。

したがって、本発明は、例えば、げっ歯類の位置特定、人間の指（複数の送信モジュールを各指に１つずつ備えた手袋）の位置特定、面に対する物体（ボードゲームの駒等）の位置特定、（例えば、スタイラスの端部に送信モジュールを有する）グラフィックスタブレット上の物体の位置特定等に用いることができる。

本発明は無論、上記で説明された例に限定されることはなく、かつ本発明の範囲を逸脱することなくこれらの例に多くの調整を行うことができる。

Claims (14)

1. 所定の領域で少なくとも１つの移動体を位置特定する方法であって、
   前記移動体の少なくとも１つのオンボードモジュールに電力を供給するステップであって、前記オンボードモジュールは、電子回路および少なくとも１つのオンボードコイルを備える、電力を供給するステップと、
   前記電子回路によって位置特定信号を生成し、前記オンボードコイルを介して前記位置特定信号を送信するステップと、
   前記所定の領域に近接した支持体に分布する受信コイルによって、前記位置特定信号をピックアップするステップであって、前記各受信コイルは、前記移動体が近接しているときに前記位置特定信号をピックアップする機能を有する、位置特定信号をピックアップするステップと、
   前記支持体に接続された処理ユニットによって、アレイの行および列にアドレス指定された前記支持体上の信号レベルを検出することによって、前記所定の領域の前記移動体の前記位置を決定するステップと
   を含み、
   前記電子回路および前記オンボードコイルは、発振するＲＬＣ回路を構成し、前記オンボードコイルを通る電流の突然の遮断によって、前記位置特定信号を生成することを特徴とする、方法。
2. 電力供給が周期的に実行され、給電フェーズにおいて、後の非給電フェーズでの使用のためにエネルギーが前記各オンボードモジュールに蓄積されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記位置特定信号の生成が、前記複数のオンボードモジュールを互いに区別するために時分割多元接続（ＴＤＭＡ）を用いた多重化を実行するように、前記各オンボードモジュールに対して異なる時間に実行されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記位置特定信号の生成が、前記複数のオンボードモジュールを互いに区別するために周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）を用いた多重化を実行するように、前記各オンボードモジュールに対して異なる、所定の周波数の信号を生成することによって実行されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
5. 前記各位置特定信号が、固有の識別子を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記突然の遮断が、前記電流が最高値にあるときに実行されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 所定の領域で少なくとも１つの移動体を位置特定する装置であって、前記装置は、
   前記移動体の少なくとも１つのオンボードモジュールであって、このオンボードモジュールは、電子回路、および位置特定信号を送信するための少なくとも１つのオンボードコイルを含む、オンボードモジュールと、
   このオンボードモジュールの電源と、
   前記所定の領域に近接した支持体に分布する受信コイルと
   を備え、
   前記各受信コイルは、前記移動体が近接しているときに、前記位置特定信号を検出する機能を有することを特徴とし、前記装置は、アレイの行および列にアドレス指定された前記支持体の信号レベルを検出することによって、前記所定の領域で前記移動体の位置を決定するために、前記受信コイルに接続された処理ユニットをさらに備え、前記電子回路および前記オンボードコイルが、発振ＲＬＣ回路を構成し、前記電子回路が、前記位置特定信号を生成するように、前記オンボードコイルを通る電流を突然遮断するために構成されることを特徴とする、装置。
8. 前記電源が、磁場によって前記各オンボードモジュールに遠隔で給電するように、前記所定の領域に近接して配置された磁性の巻線を備えることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 前記電源が、磁場によって前記各オンボードモジュールに遠隔で給電するように、前記アレイからなることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
10. 前記オンボードモジュールが、前記遠隔電源の磁場をピックアップする機能を有する給電コイルを備えることを特徴とする、請求項８または９に記載の装置。
11. 前記オンボードコイルおよび前記給電コイルが、同一のコイルを構成することを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
12. 前記オンボードモジュールが、３面体配置で少なくとも３つの前記オンボードコイルを備えることを特徴とする、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記各オンボードコイルが、フェライトコアを備えることを特徴とする、請求項７〜１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記フェライトコアが、半球状の端部を有することを特徴とする、請求項１３に記載の装置。

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