JP2021521464A - 制御された磁場の乱れを測定するためのデバイス - Google Patents

Abstract

制御された磁場の乱れを測定するためのデバイスであって、磁場は、単独の導電性素子、アンテナまたは電極（１０１）を取り囲むデバイス自体によって生成され、デバイスは、少なくとも、制御された磁場センサ（１００）を備え、次に、少なくとも１つの電極（１０１）に接続された発信器回路（１０２）、デジタルモジュール（１０３）、およびデジタルモジュール（１０３）に接続されたプロセッサ（１０５）を備える。本発明の目的であるデバイスのアプリケーションは、制限された空間の侵害につながる前に物体の検出を必要とするすべてのものである。これらのアプリケーションの中で、次のもの、つまり、人の位置特定、産業用セキュリティアプリケーション、ロボット工学、家庭内セキュリティアプリケーション、軍事アプリケーション、および車両セキュリティアプリケーション、を強調することができる。【選択図】図２Ｂ

Description

説明
本発明は、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）に物理的に統合された制御された磁場（ＣＭＦ制御された磁場）センサを備えるデバイスについて参照する。本発明の別の目的は、導体を取り巻く電磁場を測定する方法、ならびに、人の位置特定、家庭用および産業用セキュリティアプリケーション、ロボット工学、軍事アプリケーション、貨物および人を輸送するためのセキュリティアプリケーション、仕事関連および家庭の予防とセキュリティアプリケーション、およびロジスティクス部門向けのアプリケーションなどの、異なる技術的アプリケーションにおけるセンサの複数の用途である。

電荷が導体の上を移動するとき、その周りにＥＭ場を生み出す。電荷源の振動は、当該導体からエネルギーを放射する波を生成し、ＥＭ場は、当該エネルギーがそのエミッタから遠隔に輸送されることを可能にする手段である。

電磁波は、電荷源と同じ周波数で振動する電場と別の磁場とが一緒に結合したものである。エミッタからの短い距離では、両方の場は独立しているが、遠方場ゾーンでは、両方が結合されており、一方を知ることにより、もう一方の値を決定することができる。

既知の最新技術では、静電容量センサが、容器内の流体のレベルの制御、物体の充填レベルおよび位置の制御、またはコンベヤーベルト上の材料のカウントなど、さまざまなアプリケーションで広く使用されてきた。医療分野に関連する別のタイプのアプリケーションでは、これらのタイプのセンサは、眼圧、頭蓋内圧の測定、肺疾患の診断、または呼吸器系の測定にも使用されている。

静電容量センサ内では、発振器に基づく静電容量システムが知られており、発振周波数が、測定される容量の値を決定するためのパラメータとして使用されている。しかしながら、存在する異なるタイプの発振器のうち、本発明で説明されるもののようなアプリケーションで使用される発振器は、２つの技術的問題を解決しなければならない。
ａ）測定される容量のわずかな変動に関して、周波数感度を高くする必要がある。物体がセンサに近づくとき、センサによって生成されたＥＭ場の乱れが発生し、場に生成されるこの小さな変動は、物体がどれだけ離れているかを決定するのにきわめて重要であるため、この問題は非常に重要である。
ｂ）振動、温度変化、そして最終的にはセンサに関する干渉の可能性などの現象に直面したときに、発振器が安定した周波数を生成すること。

人を検出するための電磁場の乱れの検出と使用の基本原理は、例えば、文書ＧＢ１４０４８３８に記載されている。本発明によれば、少なくとも１つの極超短波（ＵＨＦ）発振器回路と、極超短波電磁放射を照射するために発振器回路に接続された少なくとも１つの電磁波放射素子とを備える警報システムが提供されており、当該電磁波放射素子の各１つは、素子の近くの動きが、素子の極超短波のインピーダンスの非常に低い周波数変動を、したがって、発振器回路の発振周波数の非常に低い周波数変動を生成するように構成されている。

最新技術で知られているシステムでは、ＬＣタイプの正弦波発振器が使用されており、その一般的な図が図１Ａに示されている。電子回路は、アクティブ構成要素および共振ネットワーク（コイル−コンデンサ）を使用して中高周波信号（ｋＨｚ〜ＭＨｚ）を生成する。増幅器は、電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタによって、またはオペアンプによって実装することができる。

図１Ａに示す構造から始めて、図１Ｂに示すコルピッツ発振器および図１Ｃに示すハートレー発振器（ＵＳ１３５６７６３、ＵＳ２５５６２９６）など、図１Ａの発振器に由来する２つの基本的なトポロジーが知られている。これらのＬＣタンク回路では、品質（Ｑ）係数が比較的低く、共振タンク回路が広範囲の周波数で発振することを可能にする。回路のもう１つの既知の類型は、図１Ｄに示すアームストロングＬＣタイプ発振器（ＵＳ１１１３１１４９、ＤＥ２９１６０４）である。ただし、これらの古典的なトポロジーに関しては、回路自体によって、およびＥＭ場を生成および受信する電極またはアンテナによって生成される寄生容量を最小限に抑える発信器回路の設計と実装とが必要である。

一方、センサは、無線センサネットワーク内で動作する必要がある。そのためには、使用する無線技術が、光学センサ、ＣＣＤセンサ、または任意の他のタイプのセンサなどの、他のタイプのセンサとの統合を可能にする通信で高レベルの信頼性およびセキュリティを達成すると同時に、低電力消費と低データ転送速度とに適しているべきであることが必要とされる。

文書ＷＯ９７４１４５８は、導電性の質量を電場で囲み、その電場の大きさが質量に関して関心のある特性を分析するために１つ以上の場所で検出される準静電検出システムを記載している。物体は、ＣＡに結合された「エミッタ」電極と他の「レシーバ」電極の間に広がる電場の一部を遮断し、質量がアース接続経路を提供するかどうか、および分布している電極の形状に関係なく、電場の量は検出された質量のサイズと方向に応じて遮断される。複雑な非線形関数である物体に対する場の応答により、電極の追加が常に他の場合と区別され得る。言い換えると、各電極は、場内の質量の独立した重み付けを表し、電極の追加は、他の電極によって提供される情報と重複しない、その質量に関する情報を提供する。

文書ＷＯ０３０２２６４１は、電圧信号発生器に電気的に結合され、車両シート内に取り付けられた導体を含む、車両の乗員のサイズおよび位置を検出するためのデバイスを記載している。導体は、周期的な電場を生成する。複数の静電センサアンテナが屋根に隣接して取り付けられており、電場の少なくとも一部を検出することができる。検出回路は、センサの各静電アンテナの入射電場量に基づいて、車両の乗員のサイズおよび場所を決定する。

文書ＵＳ２００４／０９０２３４は、複数（＞３）の調査深度に対する地層の抵抗率を決定するための検層デバイスおよび方法について記載している。実質的に共通の軸で、ロギングツールケーシングに取り付けられた少なくとも１つの送信機アンテナおよび少なくとも２つの受信機アンテナ。アンテナは、同調されていないワイヤーコイルである。電磁エネルギーは、送信機から地層に複数の周波数で放射される。互いに、および送信機から分離された受信機のアンテナは、反射された電磁エネルギーを検出する。

最後に、文書ＥＰ２５６８０５は、分析および制御回路と、分析および制御回路に結合された参照電極とを備えるセンサについて記載している。静電容量センサの電極センサは、当該分析および制御回路に結合されている。静電容量センサは、物体の近接を検出するように適合されている。センサの分析および制御回路は、センサ電極と参照電極との間で検出された静電容量データが、センサの分析および制御回路によって、目的電極の電位に対して可変であるように設計されている。

上記の文書は、エミッタ−レシーバ構造によって構成されていることの特殊性、言い換えれば、放射する電極および信号を受信する電極があることを示しており、それにより、当該エミッタと当該レシーバとの間の乱れが測定される。一方で、これは回路に一定の複雑さを提示する。さらに、エミッタ内の分散が決定された方向に画定されていないため、磁場の放射を制御することはできず、そのため、その使用および適用を非常に特殊なケースに制限せず、エミッタおよびレシーバの両方を実装または使用することが可能である。

文書ＥＰ２９８０６０９は、静電場とその変動とを測定して、当該プローブの近くおよび周囲の領域における人間の存在を決定し、それを他の動物または物体と区別することが可能なセンサについて記載している。静電場センサは、その信号が切り離し回路によって互いに切り離されており、静電場を測定するための当該回路は、位相測定回路によって同軸ケーブルからなるアンテナに接続されている。本発明は、代替の異なる解決策ではあるが、この文書と同じ技術的目的を共有し、同じ技術的問題を解決する。

特許ＥＰ２９８０６０９と同じ出願人からの他の文書は、文書ＥＰ３１９０５６９、ＥＰ３０７６２０６、ＷＯ２０１７／０７７１６５、およびＷＯ２０１７／０７０１６６など、同じ技術および物理的特性に基づく解決策を反映している。

本発明は、文書ＥＰ２８０６０９と同様に、当該物体が人体などの帯電した物体の影響を受けたときにプローブまたはアンテナのように作用する導体を取り巻く制御された磁場の変動の測定に基づいている。言い換えれば、人体は、他の既存の物体と同じように、材料、密度、体積、温度、および導電率に応じて、固有の電気的特性を示す。異なる物体間の電位差は、物体が接触する、または非常に接近したりすると、ある物体から別の物体への静電放電を生じさせる。この効果は、本発明の目的であるセンサによって利用され、アンテナのように作用する導体に接続された回路において当該場が引き起こす変動をなんとか連続的に測定する。それにかかわらず、本発明は、この文書で詳細に説明されるように、最新技術で説明される技術に対する一連の改善を説明する。

本発明の目的は、制御された磁場を放射するアンテナとして構成された単独の導体の周りの磁場の乱れの検出によって、何らかの近くの物体の存在を検出することができる制御された磁場センサを備えるデバイスであり、同時に、当該場の変動または乱れを検出する。

これはすべて、請求項１に記載されているデバイスによる。それに依存する請求項において、本発明のデバイスの具体的な実施形態が説明されている。本発明の他の態様は、独立した実施形態で説明されている。本発明の長所の１つは、高インピーダンス回路による能動的スクリーニングによって制御された方法で電磁場を放射することができることであり、その結果、エミッタ−レシーバアンテナを備える単独の導電性素子によって、後でこの明細書で説明するように、磁場を決定された影響ゾーンに向け、各特定のアプリケーションごとに構成することができる。

この構造のおかげで、本発明は、デバイスが接続されているアンテナの各々の周りに存在する磁場の変動を測定するデバイスの能力に基づいているので、人、動物、または任意の他の物体が存在する場合、変化の大きさ（すなわち、生成された乱れ）の関数として、デバイスが区別することができ、デバイスはさまざまなアンテナに接続できるため、アンテナの各々が他のアンテナに対して独立して動作するという特殊性があり、言い換えれば、各アンテナは、乱れの検出において同じ能力と機能とを有する（それは制御された磁場を放射し、同時に、この磁場への乱れを検出する）。

デバイスの動作原理は単純である。本デバイスは、本質的に、正弦波（交流）を生成し、その出力が少なくとも１つの示されているようなアンテナに接続されている発信器回路を備える。一方、アンテナからの信号は、同時に、発信器回路からの入力信号として構成されているため、回路は閉ループであるという特殊性を有する。この特有の構成は、アンテナ信号が追跡されることを可能にし、言い換えると、乱れが発生して場の大きさが変化すると、この変化はすぐに発信器回路の入力に影響を与え、それにより、デバイスの感度を大幅に向上させ、さらに、最新技術で説明されている従来のエミッタ−レシーバ構成が不要になる。もう１つの重要な利点は、閉ループ構成が信号に存在する可能性のあるノイズを論理的にキャンセルするため、当該構成が外部ノイズの影響を受けないことである。同じ出願人からの文書ＥＰ２９８０６０９に既に記載されているこの閉ループ構成は、本発明に記載の回路および構成により、その感度および応答が大幅に改善される。

こうして、本発明は、文書ＥＰ２９８０６０９と同様に、人体が、他の既存の物体と同様に、材料、密度、体積、温度、および導電率に応じて独自の電気的特性を示すという事実から始まる。異なる物体間の電位差は、それらが接触したとき、または近くにあるときに、ある物体から別の物体への複数の静電相互作用を生じさせる。この効果により、アンテナを取り巻く磁場に変動が発生し、それはデバイスによって継続的に測定される。正確には、乱れによるアンテナからのこの信号の測定（つまり、乱れによるアンテナのインピーダンスの変化の測定）は、アンテナを取り巻く制御された磁場を形成し、引き起こされた変化に応じて、どの物体が当該乱れを引き起こしたか（人、動物、物）を決定することを可能にする。

より具体的には、制御された磁場の乱れを測定するためのデバイスであって、磁場は、単独の導電性素子、アンテナ、または電極を取り囲むデバイス自体によって生成され、デバイスが、少なくとも、制御された磁場デバイスを備え、次に、少なくとも１つの電極に接続された発振器回路、デジタルモジュール、およびデジタルモジュールに接続されたプロセッサを備え、ここで、当該測定デバイスは、発振器が変圧器に接続され、変圧器の二次側が電極に接続され、変圧器の一次側が発振器の能動素子に接続されていること、発振器が、発振器の能動素子の入力トランジスタを偏波するように構成されたフィードバックネットワークおよび偏波ネットワークを備えていること、さらに、発振器の能動素子によって生成された信号は、電極内に制御された磁場を生成し、この同じ信号は、フィードバックネットワークによって発振器の能動素子の入力を再充電し、それにより、発振器の能動素子の入力を再充電する同じ信号が、デジタルモジュールでデジタル処理されて、プロセッサによって取得されること、により特徴付けられている。

本発明の目的であるデバイスのアプリケーションは、制限された空間の侵害につながる前に物体の検出を必要とするすべてのものである。これらのアプリケーションの中で、次のもの、つまり、人の位置特定、家庭内および産業用セキュリティアプリケーション、ロボット工学、軍事アプリケーションおよび貨物と人を輸送するためのセキュリティアプリケーション、仕事関連ならびに家庭内の予防およびセキュリティアプリケーション、およびロジスティクス部門向けのアプリケーション、を強調することができる。

産業設備のセキュリティシステムに適用されるデバイスには、特定のユーザまたはオペレータに、決定された制限ゾーンまたは許可されていないゾーンに近づいていることを通知することが含まれる。これにより、例えば、ロボットアームの動作ゾーンで、オペレータがそこにいることを許可されていないかどうかを説明するようにオペレータ自身に求められたかどうかに関係なく、オペレータがその動作範囲内にあるとき、無効にすることができ、その目的のために、システムはオペレータを識別することもできる。

また、本発明の目的は、仮想フェンス、鉄道プラットホームもしくは陸上または海上輸送用の積み込みドックなどの敏感な、制限されたまたは危険なゾーンにおける交差検出器、ならびに家庭用電化製品の使用における安全性、または上記の組み合わせ、のうちの少なくとも１つを含む制限区域におけるアクセス制御である。

仮想フェンスまたは交差検出器は、少なくとも、本発明によるデバイスを含み、決定された作業領域または通過領域を区切るように構成された複数のアンテナを有するという特殊性を備え、そのため、少なくとも１つのアンテナ内の少なくとも１つの生成された場に影響を与える物体、人、または動物は、警報、通知または同様のものを生成する。また、当該信号が物理的閉鎖要素（例えば、ドアまたは物理的障壁の自動閉鎖）を作動させる場合があることも意図されている。

同様に、本発明のデバイスは、鉄道プラットホームの監視および制御、陸上または海上輸送用の積み込みドック、金庫へのアクセス、芸術作品などの貴重な物体の展示の監視、および家庭用電化製品の使用における安全制御に使用することができる。

上記のすべての場合において、アンテナまたは複数のアンテナは、決定された制御領域または使用制限ゾーンを区切り、それにより、少なくとも１つのデバイスに接続された少なくとも１つのアンテナ内の乱れを生成する何らかの物体、人、または動物は、警報、通知または同様のものを生成する。また、当該信号が物理的閉鎖要素（例えば、ドアまたは物理的障壁の自動閉鎖）を作動させる場合があることも意図されている。

また、本発明の目的は、人の接近の検出および／または異物の特徴づけによって車両にくっついて離れない物体の検出器である。この使用の第２の態様では、それは、例えば、セキュリティアンカーの正しい位置の検出、またはバスルーム、セラー、または運転室などの車両自体の制限された領域内の人々の検出において、車両内のセキュリティ要素として構成される。最後に、セキュリティシステムは、駐車場または駐車エリア内の車両の位置を正確に検出することができる。

本発明の別の目的は、武器および爆発物検出器としてのその使用、ならびに武器および爆発物を検出するための方法である。より具体的には、本発明は、人の接近の検出、またはそれ自体が脅威と見なされる可能性のある異物の特徴づけによる、車両の通過中のＩＥＤ（即席爆発装置）の検出、カサガイ爆弾の検出、地雷の検出または武器の検出に言及する。

最後に、家庭内のセキュリティアプリケーションでの最終的な使用は、ドア、窓、壁、または一般に他の建築用エンクロージャへの侵入者の予防的検出能力を付与し、言い換えると、本発明のデバイスは、正確に、距離を置いて乱れを測定する能力のおかげで、侵入が発生する前に侵入を検出するために使用される。

本発明の範囲は、参照のためにこのセクションに組み込まれる特許請求の範囲によって定義される。本明細書および特許請求の範囲を通じて、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」という言葉、およびその変形は、他の技術的特徴、構成要素、またはステップを除外することを意図するものではない。当業者にとって、本発明の他の目的、利益および特徴は、部分的には本明細書から、そして部分的には本発明の使用から生じるであろう。以下の使用例および関連する図は、例示の目的で提供されており、非限定的である。さらに、本発明は、本明細書に示される好ましい実施形態のすべての可能な組み合わせをカバーする。

以下は、本発明をよりよく理解するのに役立ち、その非限定的な例として提示される当該発明の実施形態に明確に関連する一連の図面および図の簡単な説明である。

本発明の目的であるＣＭＦセンサの従来知られている発振器の異なる類型を示す。 本発明の目的であるＣＭＦセンサを実装する発振器回路の２つの類型を示す。 本発明の目的であるＣＭＦセンサを含む完全なデータ測定システムのブロック図を示す。 本発明のセンサの入力における発信器回路スクリーニングの図を示す。

本発明の異なる態様は、制御された磁場を放射する特殊性を有する単独の導体またはアンテナを取り巻く磁場での乱れを検出することができ、同時に、当該磁場での何らかの乱れを検出することができる制御された磁場センサを備え、そのため、当該乱れの特徴付けによって、当該乱れを生成した物体を検出および識別することが可能である。

この説明では、「回路（ｃｉｒｃｕｉｔ）」および「回路（ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）」という用語は、電子物理構成要素（つまり、ハードウェア構成要素）、および、ハードウェアを構成できる、またはハードウェアの構成の影響を受けやすいおよび／もしくは何らかの方法でハードウェアに関連付けられている何らかのソフトウェアおよび／またはファームウェア（マシンコード）を指す。説明の特定の部分では、ハードウェアおよびソフトウェアをそれぞれＨＷとＳＷと略記する場合がある。

同封の図を参照して、センサＣＭＦ１００が示されており、これは、電磁場を放射するように構成された単独の導電性素子で具体化された少なくとも１つのアンテナ１０１に接続された発振器１０２を備える混合アナログデジタルセンサであり、次に、これは、方形波に変換され、以下に説明するようにその後の分析のためにデジタル化されるものの存在により、当該場で生成された乱れを受信および検出することができる、ＥＭ場エミッタおよび当該ＥＭ場のレシーバである。

この説明全体を通して、「アンテナ」、「導体」、および「電極」という表現は、同じ物理素子、つまり（１０１）と参照される導電体を指し、その等価回路は、アンテナまたは電極１０１を取り囲む発振器１０２によって生成された制御された磁場を乱す物体、人または動物の存在の関数として可変である容量コンデンサである。

本発明の重要な点の１つは、図４に示されるように、制御された磁場（ＣＭＦ）が、アクティブなゲートキーパによって方向付け可能であるということである。この効果のために、高インピーダンス素子が実装されている（図４に示される実施形態では、オペアンプ）。センサ１００および電極１０１は、デバイスの入力に接続されている。見てわかるように、デバイスの出力は接地されており、そのため入力には非常に高いインピーダンス（１００ＭΩのオーダの）があり、出力には低いインピーダンス（５／１０Ωのオーダの）があり、これは、場の線を一方向にのみ放射させる。

発振器１０２は、回路自体によっておよび電極１０１によって生成された寄生容量を最小化するように構成され、正弦波の連続発振を保証する。それにもかかわらず、発振器１０２の設計をチップ内およびＣＭＯＳ技術で実装する必要がある場合、変圧器（Ｌ１、Ｌ２）の寄生効果、ならびに統合設計の寄生容量および寄生抵抗自体が評価され、図２Ｂによく示されているように、変圧器（Ｌ１、Ｌ２）がチップのパッドに直接接続されることを考慮に入れている。

発信器の能動素子の設計については、増幅器の３つの異なるトポロジーを実装することが可能で、テレスコピック、フォールドカスコード、および２ステージトポロジーで、すべて開ループで高利得を提供することで知られているトポロジーである。言い換えれば、開ループで高利得を提供する任意のトポロジーは、本発明のセンサで使用されやすい。

上記にもかかわらず、２ステージトポロジーは、最高の利得を提供するものであるが、より高い補償も必要であり、その消費電力も高い。各センサ１００ノードは高い使用自律性を備えている必要があるため、適切ではあるが、その高消費電力により、このアプリケーションでは除外される。

他の２つの選択肢から、テレスコピック構成が、より少ない電力を消費し、より高い利得を達成し、非常に高い周波数に寄生極を有するので、好ましい実施形態として選択されたが、限定するものではない。一方、人の検出については、この点での正弦波電圧は、２〜２００ボルトピークツーピーク（Ｖｐｐ）であることが確立されている。この点のフィードバックは、能動素子（つまり、テレスコピック構成のオペアンプ）のＭＯＳ（Ｍ_ＩＮ）トランジスタゲートに接続され、ＭＯＳトランジスタが耐えることができる最大電圧は約７Ｖであり、前に示したように、図２Ｂに示される回路が使用される。

図２Ｂに示す回路によって解決された別の技術的な問題は、２〜２００Ｖｐｐの正弦波信号が二乗正弦波信号を送信するデジタルドメインに変換されなければならないことであった。このため、チップ自体に集積することができるＣＭＯＳインバータチェーンのように構成されたシュミットトリガタイプのコンパレータが使用された。

したがって、発振器１０２の統合のために、発振器１０２回路のフィードバックネットワーク（Ｒ_Ｆ、Ｃ_Ｆ）は、集積回路（チップ）内で電極１０１において生成された数十ボルトからの信号を処置するように加減された。この趣旨で、図２Ａに示される発振器１０２の基本図に関して、Ｒ_バイアス抵抗およびＶ_バイアス偏波電圧が含まれている。Ｒ_バイアス抵抗は、Ｒ_Ｆ抵抗とともに分圧器を形成し、能動素子への入力での発振を軽減し、さらにＶ_バイアス電圧とともに、回路の統合を危険にさらす可能性のある負の電圧に到達しないことを保証する。他方、集積回路がＣＭＯＳ技術で設計されているという事実は、Ｒ_バイアス抵抗およびＶ_バイアス電圧を使用して、発振器１０２の能動素子の（Ｍ_ＩＮ）入力トランジスタを適切に偏波させることも可能にする。当該能動素子の入力での軽減された正弦波信号は、その後のデジタル処理のために、二乗信号で集積回路自体内の低電圧フィードバック環境に変換することができる。

最後に、設計を完了するために、（Ｖ_バイアス）発振器の偏波電圧を５Ｖにすることが決定され（ただし、デバイスの物理的な実施形態のために実装される技術に従って他の値を採用できるため、非限定的な方法で）、それにより、最大正弦波電圧の約５Ｖがオペアンプの（Ｍ_ＩＮ）入力トランジスタのゲートに到達し、それにより、変圧器コイルの適切な関係とともに、２〜２００Ｖｐｐの必要な電圧が二次側（Ｌ２）で生成される。

この構造により、７ｍＡ〜０．１ｍＡの非限定的なオーダの消費に到達することが可能である。集積のレベルを上げるために、テレスコピック増幅器の入力の偏波抵抗（Ｒ_バイアス）も集積回路内に含まれている。論理的には、より低い消費電力において、増幅器の利得が低下し、発振条件が失われる可能性があり、１ｐＦ〜１０ｎＦの電極１０１の負荷容量の場合、５ｋＨｚ〜２ＭＨｚの発振周波数が、２〜２００Ｖｐｐの振幅で生成され、０．０１ｐＦの容量変動を検出することが証明されており、これは、回路によって検出可能な周波数変化を想定する。前に繰り返し述べたように、これらの数値例は、本発明の動作および利点において純粋に例示的かつ非限定的な価値を有する。

センサＣＭＦ１００のアナログ部分が説明されてきたが、センサのデジタル部分またはデジタルモジュール１０３が説明される。すなわち、アナログ部分がＥＭ場（２〜２００Ｖｐｐ）を生成するために十分な振幅電圧を電極１０１に提供し、インバータが典型的には０〜５Ｖ（この値は、同様に非限定的であり、デバイスの物理的な実施形態で使用される最終的な技術に依存する）の二乗信号を生成すると、後者は、関心のある情報を抽出するためにデジタルドメインで処理する必要がある信号となる。

デジタルドメイン１０３内の回路は、スレーブモードでＳＰＩポート（シリアルポートインターフェース、ＳＴのテクニカルノートＳＰＩプロトコルのテクニカルノートＴＮ０８９７に記載されている）によりプロセッサ１０５に接続するように構成されている。図３は、センサＣＭＦ１００のデジタル回路１０３のブロック図を示している。

この点で、図３に見られるように、本発明のデバイスが、実施形態では、８チャネルを備えたセンサ１００（すなわち、８つのセンサ１００が各々少なくとも１つの電極１０１に接続されている）のマトリックスとして構成されていることを強調することは興味深い。この構成は、デバイスが、差動フォーマットで制御された磁場の測定を行うことを可能にし、各センサ１００は並列で作用し、それにより、チャネルのうちの１つをノイズに対するゲートキーパとして使用することができる。

それにもかかわらず、マトリックス（ＡＳＩＣ集積回路内のマトリックスの形態で構成されたセンサ１００）は、それらの物理的近接性のためにクロストークの問題を抱えている。この影響を回避するために、本発明のデバイスは、センサ１００の測定の内部および外部同期メカニズムを実装し、それにより、（ａ）物理的に最も近接しているセンサ１００は、それらの間の時間をさらに測定する（それらの測定サイクルまたは期間は互いにより分離されている）、および（ｂ）物理的にさらに離れているセンサ１００は、それらの間でより近い測定期間を有する（それらの測定サイクルはより近い）。

図３に示される本発明のデバイスの別の重要な利点は、連続的に働かないが、すべてをバッファに保存することによって、それにより、すべてのデータがバッファに保存されたままになるため、エネルギーを節約することができ、必ずしも連続的にではなく、事後に分析できるのが可能であることである。さらに、以下で見るように、すべてのパラメータはプログラム可能である。

この態様では、センサ１００は、次に、以下の入出力ブロックまたはモジュールを備える、すなわち、（ａ）（ａ．１）スレーブモードでＳＰＩに同期したクロック入力信号（ＳＣＫ）、（ａ．２）プロセッサ１０５へのＳＤＯシリアル出力、（ａ．３）センサＣＭＦ１００へのプロセッサ１０５のＳＤＩシリアル入力、（ａ．４）センサＣＭＦ１００の選択信号、を含む、プロセッサ１０５と直列の第１の通信モジュール、（ｂ）（ｂ．１）ＩＮＴ＿ＭＥＳ測定がちょうど行われたことを示す中断。それは複数のセンサＣＭＦ１００を直列に接続するために使用することができ、（ｂ．２）現在の測定値と最後の測定値との差がＩＮＴ＿ＬＡＳＴで構成された閾値を超えたことを示す中断、（ｂ．３）現在の測定値と最後の測定値との差が閾値を超えたことを示す中断（平均を計算するための測定値の数が構成可能である場合）、を含む中断信号モジュール、（ｃ）測定電極１０１を選択するスイッチを作動させる８コードビット出力信号のように構成された電極１０１選択モジュール。前に示したように、各センサＣＭＦ１００は、ＥＭ場エミッタ−レシーバアンテナとして構成されるであろう電極１０１の１つに接続することができる。

ＳＡＭＰ信号は、初期サンプリング信号として使用される入力である。この信号は、異なるデバイスの測定値とオーバラップせず、干渉を引き起こさないように構成された期間を有する内部レジスタを使用する。

センサＣＭＦ１００は、サンプリング周波数を確立し、遷移が経過したかどうかを決定するように内部的に構成され、２つのレジスタが作動される。前のサンプルと現在のサンプルが低い値またはイプシロン値で区別される場合、遷移は経過したと見なされ、測定が開始され、および／または電極１０１からの信号が安定していることを決定するために確立時間を指定することによって、測定が開始される。

最後に、センサＣＭＦ１００は、一方では、その原点の電極１０１を示す最後の測定値を記録するように構成され、他方では、レジスタが、円形のスタックのように、同じ方向で常にアクセスできる最後の測定値を有する最大６４個のレジスタを備える。連続した読み取りに照らして、システムは最新のものから始めてキューがクリアされるまでサンプルを返す。各測定に対して、測定電極が識別される。

センサＣＭＦ１００は、１つの単独のデバイスに統合することも分散システムにすることもできるコンピュータまたは中央処理装置として構成される管理システム１に無線で接続されている。統合システムは、例えば、単独のコンピュータまたは中央処理装置（ＣＰＵ）、サーバ、電子機械またはデバイスを含み得、統合システムは、この文書で説明されるように、管理システム１の一部またはすべての機能もしくは特性を実行するように構成することができる。分散システムは、好ましくは無線で、複数の相互接続された構成要素で実装することができ、各構成要素は、管理システム１の機能、特性、および／または動作のすべてまたは一部を実行するように構成される。

例示的な実施形態では、管理システム１は、１つ以上のセンサＣＭＦ１００を制御するために１つ以上のマスタータイプコントローラに具体化された１つ以上のノードを実装する。マスターコントローラはまた、例えば、リモートコントローラを含み得る。

図３は、論理的には、固有の管理システム１に言及しているが、説明は、ただ１つの実施形態に限定されない。例えば、データネットワーク３によってそれらの間で接続されたいくつかのの管理システム１があり得、その結果、ただ１つの管理システム１ではるかに大きなスペースをカバーすることが可能である。

センサＣＭＦ１００と管理システム１との間の通信は本質的に無線であり、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＺｉｇＢｅｅ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ＬＥ、スマートＢｌｕｅｔｏｏｔｈ、ｉＢｅａｃｏｎ(登録商標）、近距離通信（ＮＦＣ）プロトコル、ＷＬＡＮ ＷＩＦＩ（プロトコル８０２．１１）、または管理システム１とセンサもしくはセンサＣＭＦ１００との間でデータを交換するための任意の他の無線リンクまたは適切なプロトコルなどの、異なるリンクおよび／またはプロトコルを含み得る。当業者にとって、無線通信が多数のアプリケーションにおいて好ましい選択肢であるにもかかわらず、センサまたはセンサＣＭＦ１００と管理システムまたはシステム１との間の通信は、物理的なケーブル通信によることができることは明らかである。

管理システム１はまた、データネットワーク３によって少なくとも１つのユーザ端末４と通信することができる。通信は、直接であることができ、または外部サービスサーバ、例えば、特定の場合またはアプリケーションでは、アラームセンタを介して行うことができ、結果はいずれの場合も同じであり、これは、センサＣＭＦ１００によって測定された発生率をユーザ端末４の所有者に伝達することと何ら異ならない。このユーザ端末は、携帯電話、タブレットまたはパーソナルコンピュータであり、一般に、データネットワーク３、または携帯電話ネットワーク、もしくはその両方の組み合わせによって、管理システム１から発信されたデータを受信および解釈することができる任意の電子デバイスである。

さらに、センサＣＭＦ１００は、例えば、ＧＰＳ、ＩＰＳおよび／またはマイクロマッピングによって、および／もしくは管理システム１で定義された基準位置に基づいて、それ自体の位置を画定することができる。例えば、センサＣＭＦ１００が所望の位置から移動すると、通知が管理システムに送信され、したがって、データネットワーク３によってユーザ端末４に送信される。同様に、少なくとも１つのセンサＣＭＦ１００を取り巻く磁場に対する何らかの乱れの検出は、本発明の各特定のアプリケーションに対して説明されるように、各々の場合および特定のアプリケーションに従って求められるアクションを生成するために、管理システム１からまたはユーザ端末４から命令を生成し得る。

センサＣＭＦ１００は、メモリ１０６に格納され、１つ以上のプロセッサ１０５によって実行されるように構成されたプログラムまたは複数のプログラムを含む。プログラムは、前述の機能を実行するための命令を含む。メモリ１０６は、例えば、ソフトウェアおよび／またはファームウェアを構成するパラメータおよび／もしくはコードを含み得る構成データを格納することができる。メモリ１０６は、例えば、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、プログラマブルＲＯＭおよび電子的に消去可能なＥＥＰＲＯＭ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、低待ち時間不揮発性メモリ、フラッシュメモリ、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、および／またはデータ、コード、および／もしくはその他の情報を格納できる電子データストレージの他の手段、を含む、異なるメモリ技術を含み得る。

メモリ１０６は、電極１０１によって生成された処理されたデータを格納するために使用することができる。メモリ１０６はまた、構成情報など，センサＣＭＦ１００の動作を制御するために使用することができる情報を格納するために使用することができる。例えば、メモリ１０６は、適切な周波数帯域および所望の通信プロトコルでＲＦ信号の受信を可能にするように無線トランシーバを構成するために必要な情報を含み得る。

一例の実施形態では、センサＣＭＦ１００は、メモリ（例えば、メモリ１０６）に格納することができるソフトウェアおよび／またはファームウェアの更新を受信するように動作可能であり得る。例えば、センサＣＭＦ１００は、ネットワークマネージャ（例えば、管理システム１）からソフトウェアおよび／またはファームウェアの更新を受信することができる。ソフトウェアおよび／またはハードウェアの更新の配布の一例の実施形態では、手動または自動でそれを受信、処理、および／またはインストールすることができる。例えば、処理は、完全に自動（例えば、ネットワーク管理者が更新をセンサＣＭＦ１００に送信し得る）、および／または半自動（例えば、更新は、例えば、ユーザ端末４を用いて、ユーザによって開始され得る）であることができる。

電池１０７は、エネルギーを提供するために、またはＤＣ入力電圧が使用されるときのバックアップ電力として、センサＣＭＦ１００内に交換可能な電池を備え得る。センサＣＭＦ１００は、バッテリ１０７によって電力が供給されるとき、センサの測定を行い、および／または他のより低い周波数のデバイスと通信することができ、外部ＤＣ電源が使用されるときのみ継続的に検出／通信することができ、したがってエネルギー節約を達成する。

無線長距離センサ１０８は、例えば、センサＣＭＦ１００が管理システム１の範囲内にあるかどうかを決定するための論理または適切な回路を備え得る。この効果のために、無線長距離センサは、センサＣＭＦ１００が管理システム３の範囲内にないときに警報状態を生成するように動作可能であり得る。例示的な実施形態では、センサＣＭＦ１００が範囲外にある場合、それは、発光インジケータに発光信号を生成するか、または音響インジケータに音響信号を生成することができる。

センサＣＭＦ１００は、無線トランシーバ１０９を備え、これは、Ｚ−Ｗａｖｅ、ＩＥＥＥ ８０２．１１ｘ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、およびＺｉｇＢｅｅなどの１つ以上の無線通信プロトコルによる通信のための適切な回路および論理を含み得る。したがって、無線トランシーバ１０９は、ＲＦ送信媒体、増幅、復調／変調、および信号の送信および受信のための他の回路を備え得る。さらに、無線トランシーバ１０９を使用して、センサＣＭＦ１００のソフトウェア／ファームウェアの更新を提供することができる。

前に示したように、センサＣＭＦ１００は、メモリ１０６に格納され、１つ以上のプロセッサ１０５によって実行されるように構成されたプログラムまたは複数のプログラムを備える。プログラムは、説明されているデバイスの機能を実行するための命令を含む。

場合によっては、この説明によって提供される実施形態の様々な手段は、ハードウェア、ソフトウェア、またはハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせを使用して実装され得る。また場合によっては、本明細書で確立されたハードウェアおよび／またはソフトウェアの異なる構成要素は、その特許請求の範囲によって定義される本発明の目的から逸脱することなく、ソフトウェア、ハードウェアおよび／または両方を含む複合材料に組み合わせることができる。本明細書で確立されたハードウェアおよび／またはソフトウェアの異なる構成要素は、その特許請求の範囲によって定義される本発明の目的から逸脱することなく、ソフトウェア、ハードウェア、またはその両方を含むサブ構成要素に分離することができる。また場合によっては、ソフトウェア構成要素をハードウェア構成要素として使用することも、その逆も可能であると考えられる。

非一時的な命令、プログラムおよび／またはデータ、コードなどのこの説明によるソフトウェアは、非一時的なマシンの１つ以上の読みやすい手段に格納することができる。本明細書で識別されるソフトウェアは、ネットワーク内および／または別のタイプの１つ以上の汎用または特定目的のコンピュータおよび／またはコンピュータシステムを使用して実装され得ることも考慮されている。本明細書で説明されているさまざまなステップの順序は、本明細書で説明されている特性を実現するために変更することができ、および／またはサブステージに分割することができる。

上記の実施形態の手段は、本発明を例示するが、これに限定されない。本発明の目的に応じて、多数の修正および変形が可能であることも理解されたい。結果として、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ定義される。

Claims (17)

1. 制御された磁場の乱れを測定するためのデバイスであって、磁場は、単独の導電性素子、アンテナまたは電極（１０１）を取り囲む前記デバイス自体によって生成され、少なくとも、
   閉ループで前記電極（１０１）に接続された制御された磁場センサ（１００）を備え、次に、
   前記電極（１０１）に接続された発信器回路（１０２）と、
   デジタルモジュール（１０３）と、
   前記デジタルモジュール（１０３）に接続されたプロセッサ（１０５）と、を備え、
   前記測定デバイスが、
   前記発振器（１０２）の能動素子の出力信号が、変圧器（Ｌ_１、Ｌ_２）の一次巻線（Ｌ_２）に接続され、一方、前記変圧器（Ｌ_１、Ｌ_２）の二次巻線（Ｌ_１）に接続されている前記電極（１０１）の信号が、フィードバックネットワーク（Ｒ_Ｆ、Ｃ_Ｆ）を介して前記発振器（１０２）の前記能動素子の入力（Ｍ_ＩＮ）にさらに接続されており、前記発振器が、前記発振器（１０２）の前記能動素子素の少なくとも１つの入力トランジスタ（Ｍ_ＩＮ）を偏波させるように構成された偏波ネットワーク（Ｒ_バイアス、Ｖ_バイアス）を備え、
   かつ、前記発振器（１０２）の前記能動素子によって生成された前記信号が、前記電極（１０１）内に制御された磁場を生成し、この信号は、前記フィードバックネットワーク（Ｒ_Ｆ、Ｃ_Ｆ）によって、前記発振器（１０２）の前記能動素子の前記入力（Ｍ_ＩＮ）にフィードバックし、かつ、前記デジタルモジュール（１０３）が、前記発振器（１０２）の前記能動素子の前記入力（Ｍ_ＩＮ）に接続され、前記発振器（１０２）の前記能動素子の前記入力（Ｍ_ＩＮ）を再充電する前記信号をデジタル処理するように構成され、それにより、前記信号が前記プロセッサ（１０５）によって取得され得る、ことを特徴とする、デバイス。
2. 前記能動素子が、テレスコピック、フォールドカスコード、および２ステージから選択された技術との統合を通じて、開ループで高利得を提供するトポロジーである、請求項１に記載の測定デバイス。
3. 前記発振器（１０２）の前記能動素子の前記入力（Ｍ_ＩＮ）を再充電する前記信号が、アダプタ回路を使用して正弦波信号を二乗信号に送信することによってデジタル的に処理される、請求項１に記載の測定デバイス。
4. 制御された磁場センサ（１００）のマトリックスを統合し、前記マトリックスの前記センサ（１００）の測定の同期メカニズムを実装する集積回路として構成され、それにより、（ａ）物理的に最も近接している前記センサ（１００）は、時間がより離された測定サイクルまたは期間を有し、（ｂ）物理的に遠く離れている前記センサ（１００）は、それらの間により近い測定期間を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の測定デバイス。
5. 前記デジタルモジュール（１０３）が、初期サンプリング信号（ＳＡＭＰ）として使用されるように構成された１つの入力を含み、この信号が、異なるセンサの測定値と重複せず、干渉を引き起こさないように構成された期間を有する内部レジスタを使用する、請求項４に記載のデバイス。
6. 前記デジタルモジュール（１０３）が、次に、プログラム可能な期間中に少なくとも１つのセンサ（１００）によって行われたすべての測定値が保存される測定バッファを備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の測定デバイス。
7. 前記センサ（１００）が、一方では、その原点の電極（１０１）を示す最後の測定値を記録するように構成され、他方では、最後の測定値を有する最大６４個のレジスタを備え、それにより、連続する読み取り値に照らして、最新のものから始めてキューがクリアされるまで前記測定値が返されるように、常に同じ方向で前記レジスタにアクセスすることができる、請求項６に記載の測定デバイス。
8. 前記デジタルモジュール（１０３）が、（ａ）（ａ．１）クロック入力信号（ＳＣＫ）、（ａ．２）前記プロセッサ（１０５）へのシリアル出力（ＳＤＯ）、（ａ．３）前記プロセッサ（１０５）から前記制御された磁場センサ（１００）へのシリアル入力（ＳＤＩ）、（ａ．４）制御された磁場センサ（１００）選択信号、を含む、前記プロセッサ（１０５）と直列の通信モジュールと、（ｂ）（ｂ．１）測定が丁度行われたこと、および複数の制御された磁場センサ（１００）に直列に接続するように構成可能であることを示す中断（ＩＮＴ＿ＭＥＳ）、（ｂ．２）前記現在の測定値と前記最後の測定値との差が設定された閾値を超えたことを示す中断（ＩＮＴ＿ＬＡＳＴ）、（ｂ．３）平均を計算するための測定数が構成可能である場合、前記現在の測定値と前記最後の測定値の前記平均との差が前記閾値を超えたことを示す中断、を含む中断信号のモジュールと、（ｃ）前記測定電極（１０１）を選択するスイッチを作動させる８コードビット出力信号として構成された電極（１０１）選択モジュールと、を備え、これにより、各センサ（１００）を、前記制御された磁場のエミッタ−レシーバアンテナとして構成されるであろう前記電極（１０１）のうちの１つに接続することができる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の測定デバイス。
9. 前記センサ（１００）が、サンプリング周波数を確立し、遷移期間が経過したかどうかを決定するように内部的に構成され、２つのレジスタを有効にすし、（ａ）前のサンプルと最後のサンプルが、イプシロン値よりも低い値で異なる場合、前記遷移が経過したと見なされ、前記測定が開始され、および／または（ｂ）前記電極（１０１）の前記信号が安定しているかどうかを決定するための確立時間を指定する、請求項１〜８のいずれか１項に記載のデバイス。
10. 人の位置特定における、請求項１〜９のいずれか１項に記載のデバイスの使用。
11. 産業設備のセキュリティシステムにおいて、決定されたユーザまたは作業員に、前記制御された磁場の影響ゾーンを構成し、仮想フェンス、鉄道プラットホームもしくは陸上輸送または海上輸送用の積み込みドックなどの敏感な、制限された、または危険なゾーンの交差検出器、ならびに家庭用電化製品の使用における安全性、または上記の組み合わせ、のうちの少なくとも１つを含む、少なくとも１つのアンテナ（１０１）によって区切られた決定された制限または許可されていないゾーンに近づいていることを、警告することを含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載のデバイスの使用。
12. ロボット産業用機械および家庭用工具における、請求項１〜９のいずれか１項に記載のデバイスの使用。
13. 車両において、（ａ）人の接近の検出および／または異物の特徴付けによる、車両にくっついて離れない物体の検出、または（ｂ）少なくとも１人のユーザの位置を検出することによる車両の内部セキュリティ、（ｃ）駐車場または駐車エリアにおける車両の位置の検出、もしくは（ｄ）貨物または人の輸送におけるセキュリティ、を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載のデバイスの使用。
14. 武器および爆発物の検出において、人の接近の検出、またはそれ自体が脅威と見なされる可能性のある異物の特徴づけによる、車両の通過中のＩＥＤの検出、カサガイ爆弾の検出、地雷の検出または武器の検出、を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載のデバイスの使用。
15. 家庭内のセキュリティアプリケーションにおいて、ドア、窓、壁、または一般に、他の任意の建築用エンクロージャへの侵入者の予防的検出の能力を付与し、すなわち、本発明の前記デバイスは、正確に、距離を置いて前記乱れを測定する能力のおかげで、侵入が発生する前に前記侵入を検出ために使用される、請求項１〜９のいずれか１項に記載のデバイスの使用。
16. 仕事関連または家庭の予防およびセキュリティアプリケーションにおける、請求項１〜９のいずれか１項に記載のデバイスの使用。
17. 貨物輸送の制御を含む、ロジスティクスアプリケーションにおける、請求項１〜９のいずれか１項に記載のデバイスの使用。

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