JPH07295735A - 位置および質量分布に対する変位電流センサ - Google Patents

位置および質量分布に対する変位電流センサ

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JPH07295735A
JPH07295735A JP7017034A JP1703495A JPH07295735A JP H07295735 A JPH07295735 A JP H07295735A JP 7017034 A JP7017034 A JP 7017034A JP 1703495 A JP1703495 A JP 1703495A JP H07295735 A JPH07295735 A JP H07295735A
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electrode
sensor
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Neil Gershenfeld
ニール・ゲルシェンヘルド
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Abstract

(57)【要約】 【目的】対象物１２の特性、例えばその位置を監視する
センサ１０を提供する。 【構成】センサは、電極間に流れる移動電流を通すよう
に接続された電極対１４、１６と信号発生器１８1、１
８2とを含む。検出された対象物の位置の変化もしくは
他の監視特性が、移動電流を修正し、かつ該電流の検出
により検出された変化の電気的表示２８を提供する。複
数の電極対システムは、複数対の電極間の移動電流を検
出２２、２２2することにより、改善された精度で対象
物の位置を監視するために使用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、空間的な基準フレーム
内の位置の検出と質量の分布とに関し、特にユーザの動
作によって生じる運動により生じた受取り電極における
変位電流の変化に応答する検出システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】位置のセンサは、種々の電子デバイスに
対する入力を提供するために用いられる。これらのセン
サのあるものは、位置の入力信号をディジタル・コンピ
ュータへ与えるために用いられるどこにでもある「マウ
ス」の如き電気機械的デバイスである。非機械的な他の
センサは、通常は静電界または磁界を利用して位置の情
報を提供する。静電センサの一例は容量性ボタン・スイ
ッチであり、これはユーザが指を載せた時に動作させら
れ、その時ユーザはコンデンサのキャパシタンスを有効
に増加させて、結果として容量性電流の増加がボタンの
操作を示すため検出されることになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前記の非機械的センサ
は、運動部分を持たず、更には少なくとも理論的にはマ
ウス・パッドなどの如き小さな面域にわたる動作に制限
されることがない点で有利である。しかし、実際には、
形態および感度の配慮の故に、これらのセンサは小さな
面域に限定されており、実際には、これらが「押しボタ
ン」として用いられる時は、このことは容量性センサの
望ましい特質となる。
【０００４】電気機械的センサは、それらの構造によっ
てユーザの特定の種類の運動の検出に限定される。例え
ば、マウスは、２次元面に沿って位置を検出することが
でき、マウスに載置された「クリック」・ボタンのユー
ザの操作を伝達することができるが、一般的なボタンの
クリック以外の３次元の位置およびジェスチャは、マウ
スの検出能力を越える。従来の静電センサおよび磁気セ
ンサは、同じ短所から免れない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ＡＣ信
号が加えられる時、検出されるべき対象物が電極間に延
びる電界の実質的部分を遮るように１対の電極が相互に
配置される。「検出用」電極として働く電極の一方は、
ＡＣ源に接続されている。他方の電極（「受取り用」電
極）は、前記ＡＣ源の接地帰還路に有効に接続され、後
者の電極からの出力電流は測定された特性の表示として
検出される。検出された対象物が人間の手であるなら
ば、この手を電極の電界へ挿し入れることで出力電流を
低減する。特に、人体は、部分的に導電性と部分的に容
量性とを呈する帰還路を提供し、これがコンデンサにお
ける変位電流の一部を出力電極から発散させる。
【０００６】このような構成は、接触かあるいは緊密な
容量性結合かによって、ユーザがコンデンサ電極の一方
と直接的に関連させられる従来の容量性センサに関する
著しい利点を提供する。第一に、この構成は、手を静電
界へ挿し入れること、およびこの電界内の手の運動と関
連する更に良好な信号対雑音比を提供する。第二に、こ
れは、以下に述べるように、手の位置に関する曖昧性を
実質的に低減しあるいは排除するための多数の電極の使
用を容易にする。
【０００７】本発明は、広範囲の制御、監視およびその
中間の諸用途（ｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｏｎｔｅｘｔｓ）
において有効である。多数の検出用および（または）受
取り用の電極を用いて、出力信号の組合わせを用いる電
極に近い全質量における変化を監視することができる。
また、信号の様々な種類の比較を行うことによって、電
極の位置に関する質量の対称的分布における変化を監視
することもできる。このような用途では、多数の受取り
用電極が共通の検出用電極を共用すること、および多数
の検出用電極が共通の受取り用電極を共用することがで
きることに注意すべきであり、これらの種類の構成につ
いて本文に記し図面に示される。
【０００８】高さのパラメータは２対の電極を用いるシ
ステムでは、高さを質量分布から弁別する能力を欠く故
に曖昧であるが、２つ以上の別の電極を使用することで
この曖昧性を排除することができる。電極の追加で、質
量分布のより多くの成分（即ち、容量的形状）の見分け
（ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）が容易となる。更に、周囲に
配置された導電性あるいは抵抗性の電極を、適当な境界
条件を課すことによって、周囲の電界から検出された領
域を分けるガード電極として働くように周知の方法で駆
動することができる。以下においては、特定の使用環境
について更に詳細に述べる。本発明の性質を更によく理
解するため、添付図面に関して以降の詳細な記述を参照
されたい。
【０００９】
【実施例】
１．デバイスの形態 図１に示されるように、本発明を盛り込んだ位置センサ
１０は、送出し電極１４と受取り電極１６とからなる電
極対を含む電界の変化を検出することにより、対象物１
２の特性を検出するように構成される。例えば、対象物
１２は人間の手でよく、検出されるべき特性は電極１４
および１６に関するその位置である。
【００１０】センサ１０は、電極１４と、基準点即ち接
地との間に接続された交流（ＡＣ）源１８を含み、シー
ルド・ケーブル１９が交流源１８と電極１４との間の接
続のために用いられる。電極１６は、ケーブル１９を介
して演算増幅器２０の反転入力端子２０ａに接続されて
いる。この増幅器は、図示の如く負帰還回路において接
続される。端子２０ａはこのように実質的接地電位にあ
り、前記増幅器の出力電圧は電極１６から接地に対する
電流と対応している。
【００１１】増幅器２０の出力は同期検出器２２へ与え
られ、この検出器の他の入力は交流源１８からの信号で
ある。従って、前記検出器２２の出力は、交流源１８の
周波数および位相を持つ増幅器２０の出力における成分
である。このため、この出力は電極１６によって拾われ
ることがある妨害信号およびノイズがない。
【００１２】センサ１０はまた、検出器２２の出力を平
滑化する低域通過フィルタ２４を含む。フィルタ２４か
らの信号はコンピュータ２６へ与えられ、このコンピュ
ータは前記フィルタからの電圧をディジタル値へ変換す
るアナログ／ディジタル・コンバータ（図示せず）を含
む。コンピュータ２６は、センサ１０からの信号を用い
て出力デバイス２８を駆動する。この出力デバイスは、
例えば、検出されるべき特性に照らして較正された計器
であり、あるいは検出された特性の図形的表示を生じる
２次元ディスプレイであり、あるいは信号を用いてユー
ザから情報を得る下記のコンピュータと関連する何らか
のアプリケーションである。
【００１３】交流源１８の周波数ｆ1は１００ＫＨzであ
り、電極１４および１６の相対的間隔は１メートル程度
である。いずれ場合も、電極１４の長さおよび電極間の
間隔は、この周波数ｆ1における波長より実質的に小さ
い。従って、電極１４から最小限の放射が存在し、電極
１４および１６間の結合は実質的に容量性である。
【００１４】人間の手の如き対象物を電極１４および１
６間に延びる電界へ挿し入れることで、フィルタ２４の
出力電圧の低減を生じる。このことは、電界に手が存在
するため有効形状と誘電率との双方を変化させることに
より、またこれにより増幅器２０の入力電流を、またそ
のためフィルタ２４の出力電圧を増加させようとして、
電極１４および１６間の容量性結合を増加させるため、
予期することとは反対となる。しかし、人間の体が導電
性を持つため、手の存在は、電極１４と手との間および
人体の残部と接地との間のキャパシタンスによって、人
体を介して接地への帰還路を提供する。これが、さもな
ければ電極１４から電極１６へ流れることになる変位電
流の一部を発散させる。図示された電極形態によれば、
電極１４に近い対象物は電極対の電界の実質的成分を遮
断し、これにより電極１６からの出力電流における著し
い変化をもたらす。
【００１５】センサ１０の出力電圧は、交流源１８の周
波数ｆ1と、電極１４および１６の形態および間隔と、
ならびに位置、形態および組成の如き対象物固有の特性
との関数である。所与の出力電圧が対象物１２の特性の
多数の異なる組合わせの結果であり得ることが明らかで
あろう。本発明のある用途においては、電極に対して対
象物１２が接近すると同時にある事象をトリガーするた
めの出力電圧の使用の如き本発明のある用途において
は、このような曖昧性がセンサの有効性に寄与する。一
方で、他の用途においては、例えば検出システムを用い
てディスプレイのスクリーン上にカーソルを置く時、対
象物１２の位置を表示する出力を生じることが望まし
い。また、例えば人間の手の存在を確認するため対象物
の形状を見分けることも望ましい。このような状態にお
いては、多数の検出用電極および（または）受取り用電
極を用いるセンサを使用することが望ましい。このよう
なセンサは、図２に示される。
【００１６】特に、図２に示されるように、位置センサ
２１０は、１つの送出し電極１４を共有する多数の受取
り電極１６ａ〜１６ｆを有する。この電極１６ａ〜１６
ｆは、増幅器２０ａ〜２０ｆに対する入力を提供し、こ
れら増幅器の出力は同期検出器２２ａ〜２２ｆへ与えら
れる。この検出器出力は更に、フィルタ２４ａ〜２４ｆ
を経てコンピュータ２６へ進む。コンピュータ２６は、
各々の受取り電極２２ａ〜２２ｆからのその入力を比較
して、対象物１２の側方位置の曖昧でない各表示を与
え、あるいはその形状についての情報を与える。また、
受取り電極からの入力を組合わせる（例えば、加算す
る）ことにより、コンピュータが電極上方の対象物の高
さを含む情報を生じることができる。
【００１７】本発明が、３次元の電極分布を用いること
によって３次元以上の情報を提供するため使用できるこ
とが明らかであろう。更に、多数の組の送出し電極およ
び受取り電極を用いることができ、各電極は他の組の周
波数とは異なる２つ以上の周波数で動作するように設定
される。
【００１８】一部は多くの周波数を持つ２つ以上の送出
し電極を付勢することによって、多数の送出し電極およ
び（または）受取り電極の使用により行われる発散が提
供され得ることに注意すべきである。このため、図１に
よれば、電極１４は、交流源１８と、周波数ｆ2を持つ
第２の交流源１８2との両方から信号を受取るように接
続することができる。交流源１８、１８2は、それぞれ
周波数ｆ1およびｆ2に同調された分離フィルタ３０およ
び３０2を介して送出し電極１４に接続される。増幅器
２０の出力は、交流源１８2に接続された第２の同期検
出器２２2へ与えられる。検出器２２2の出力は、低域通
過フィルタ２４2を通るように送られ、このフィルタの
出力は更にプロセッサ２６へ送られる。電極１６からの
出力電流が一部は周波数の関数であるので、多数の周波
数源を用いることは、実質的に、共通の物理的電極を共
有する多数の送出し電極および受取り電極を提供する。
【００１９】図示の如く同時にか、あるいは時分割の多
重化構成における多数の周波数の使用もまた、対象物１
２の電気的特性についての情報を提供し、このため、例
えば無生物の物体に対して手を弁別するために使用する
ことができる。特に、周波数の関数として受取り電極か
らの出力電流の振幅と位相とを測定することは、対象物
１２の組成についての情報を提供する。出力電流の位相
は、第２の位相検出器に交流源１８からの直角位相入力
を加えることによって行うことができる。
【００２０】２．デバイスの応用 本発明は、情報を伝える手段としてのユーザの位置およ
びゼスチャの検出を含む広範囲の用途に供し得る。コン
ピュータ環境においては、多数の電極対が位置検出デバ
イスとして供することができ、機械的な組立体を必要す
ることなくマウスまたはタブレット・ペンの出力と等価
の出力を提供する。例えば、デスク上またはその下方に
電極を配置することで、このデスク面をコンピュータ・
インターフェースの「アクティブ状態の」要素に変える
ものである。デスク上におけるユーザの空の手を動かす
ことは、マウスを転がすことにより得られるものと等価
の位置の情報をアプリケーション・プログラムに提供す
る。しかし、機械的な検出デバイスとは異なり、本発明
はまた、高さ、位置および質量の分布の変化から得られ
るジェスチャ情報をも復元することができる。
【００２１】このように、例えば、ユーザの手をデスク
を横切って左から右へ掃引することで、ページをめくる
指令か、主題の拾い見の指令として、アプリケーション
・プログラム（テキスト表示および（または）編集機能
の如き）によって解釈することができるディジタル・デ
ータを生成する。本発明は、押圧運動、手を傾けるこ
と、およびボタンを押すジェスチャによって生成される
異なるデータのパターンを弁別することにより、多重チ
ャンネルの操作レバーをシミュレートすることができ
る。本発明の長さのスケールは、例え厳密に位置検出デ
バイスとして用いるられる時でさえ、異なる用途に適す
るように著しく変更することもできる。比較的広い電極
の間隔は、１本の指の小さな運動に対する応答を容易に
するためにより小さな（例えば、１ｃｍ）の間隔を用い
ることができるが、ユーザの手全体の運動、あるいは室
内の人間の位置さえも監視することに共用し得る。
【００２２】本発明はまた、既知の弾性特性を持つ柔軟
な部材と関連して用いることもでき、従って、位置を表
示するのみならず抵抗部材に加えられる作用力をも表示
する信号を生成するため使用することもできる。例え
ば、弾性要素を１組の電極を含む表面上に介挿すること
により、ユーザの手の高さが要素に対して加えられた作
用力を反映することにより、検出することができるジェ
スチャ情報の範囲を更に拡張する。
【００２３】ラップトップあるいはノートブック型コン
ピュータ、あるいはビデオ・ゲームの如くセンサが一体
のデバイスの一部として含まれる時、スクリーンに対す
る位置を固定する能力の故に、相互動作能力が広がる。
コンピュータ・ハウジング内の適当な位置に取付けられ
た多重電極対アレイは、キーボード上方に「制御スペー
ス」を提供することができ、本発明によりユーザの手の
３次元の位置および向きを表わすデータを生成する。こ
のため、スクリーン上のボタン列を生成して、スクリー
ンに対するユーザの手または指の位置を検出することに
よって、スクリーンとの接触が決して行われなくとも、
コンピュータがユーザのジェスチャを種々のボタンを
「押す」と解釈することができる。
【００２４】同様に、本発明は、ユーザの相互動作を容
易にするため、コンピュータ以外のデバイス（例えば、
電気器具、テレビジョン、家具など）に対して応用する
ことができる。本発明を種々の手動操作ボタン、スイッ
チなどを有する電気器具と関連付けることによって、こ
れらデバイスに対するユーザの接近を検出することがで
き、また差し迫った動作が終了する前にその結果を評価
することができる。このように、例えば、ユーザの手が
自動車の点火キーに接近する時、警報音および（また
は）視覚的表示がユーザに対して機関を切る前に駐車ギ
アへシフトするように警告することができる。本発明は
また、従来の手で持つデバイスの必要なしに、テレビジ
ョンあるいは録音システムの如き電気器具を遠隔操作す
るために使用することもできる。また、電極を大気に曝
す必要がないため、本発明は封止された（例えば、防水
の）デバイスの制御において特に有効であり、おそらく
は高価な密閉スイッチに代わりこのようなデバイスにお
けるユーザ管理を拡げることになる。
【００２５】更に大きな規模では、本発明は、安全目的
のための基準物体への接近を検出し、危険を注意し、あ
るいはユーザがおそらくは対象物に接近するまでにエネ
ルギを節減するために用いることができる。部屋の周囲
における一連の検出コンデンサを分布することにより、
本発明は部屋内のユーザの位置や、部屋内の人の数や、
それらの人の相互位置、などを表示する出力を生じるこ
とを可能にする。無論、本発明の精度は、用途に必要と
される分解能と、使用されるセンサの個数に依存する。
例えば、基準スペースに入る一人の人間の検出と同時に
トリガー信号を生じる安全システムは、多数の人間の位
置を監視する用途よりも少ない分解能で済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を盛り込んだセンサを示す図である。
【図２】多重電極センサを示す図である。
【符号の説明】
１０ 位置センサ １２ 対象物 １４ 送出し電極 １６ａ〜１６ｆ 受取り電極 １８ 交流（ＡＣ）源 １９ シールド・ケーブル ２０ａ〜２０ｆ 演算増幅器 ２２ａ〜２２ｆ 同期検出器 ２４ａ〜２４ｆ 低域通過フィルタ ２６ コンピュータ ２８ 出力デバイス ３０ 分離フィルタ ２１０ 位置センサ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 検出される対象物の特性を検出するセン
    サにおいて、 Ａ．検出用電極と受取り用電極とを含み、相互に固定さ
    れた位置を有する電極対と、 Ｂ．前記検出用電極と基準点との間に接続されたＡＣ源
    と、 Ｃ．前記受取り用電極を前記基準点の電位に結合する手
    段と、 Ｄ．前記検出用電極から前記受取り用電極に対する変位
    電流を検出する出力手段とを備え、前記対象物が前記電
    極の電界に配置されて、該電界における前記検出用電極
    の位置に従って該電極から変位電流を発散することによ
    り、前記出力手段により検出された変位電流が前記対象
    物の位置の関数となるセンサ。
  2. 【請求項２】 前記結合手段が、入力端子を前記第２の
    電極に接続され、かつ前記入力端子における電位を前記
    基準点の電位に強制するように接続されたフィードバッ
    ク回路を含む演算増幅器であり、これにより該演算増幅
    器の出力電圧が前記受取り用電極からの電流と対応する
    請求項１記載のセンサ。
  3. 【請求項３】 前記ＡＣ源の出力と同期して前記電流と
    対応する信号を整流するように接続された検出器を備
    え、前記表示手段が前記検出器からの信号に応答する請
    求項１記載のセンサ。
  4. 【請求項４】 前記ＡＣ源の出力と同期して前記増幅器
    の出力を整流するように接続された検出器を備え、前記
    表示手段が前記検出器の出力に応答する請求項２記載の
    センサ。
  5. 【請求項５】 対象物の位置を検出する位置センサであ
    って、 Ａ．複数の検出用電極および（または）受取り用電極を
    含む複数の電極と、 Ｂ．ＡＣ信号を前記検出用電極の各々へ印加する手段と
    を備え、前記受取り用電極の各々がこれにより前記検出
    用電極の１つ以上から変位電流を受取り、前記電極は、
    前記対象物が前記電極の少なくとも３つの電界を遮断す
    るように構成され、 Ｃ．前記各受取り用電極を介する変位電流に応答する出
    力手段を備え、前記対象物が、前記電界におけるその位
    置に従って前記検出用電極の変位電流を発散することに
    より、前記出力手段が前記対象物の位置に応答するセン
    サ。
  6. 【請求項６】 複数の受取り用電極が、共通の検出用電
    極からの変位電流を受取る請求項５記載のセンサ。
  7. 【請求項７】 前記出力手段がコンピュータであり、前
    記電極が、室内のユーザの運動に対する応答を容易にす
    るように隔てられて配置される請求項５記載のセンサ。
  8. 【請求項８】 前記出力手段がコンピュータであり、前
    記電極がユーザの手の運動に対する応答を容易にするよ
    うに隔てられて配置される請求項５記載のセンサ。
  9. 【請求項９】 前記出力手段がコンピュータであり、前
    記電極がユーザの指の運動に対する応答を容易にするよ
    うに隔てられて配置される請求項５記載のセンサ。
  10. 【請求項１０】 前記出力手段がコンピュータであり、
    前記電極が、検出された質量の分布における変化に基く
    ユーザの手のジェスチャに対する応答を容易にするよう
    に隔てられて配置される請求項５記載のセンサ。
  11. 【請求項１１】 検出された対象物の運動によって変形
    されるように配置された弾性部材を更に備え、これによ
    り前記出力手段により検出される変位電流が前記弾性部
    材に対して前記対象物により及ぼされる作用力の関数で
    ある請求項１記載のセンサ。
JP7017034A 1994-02-03 1995-02-03 位置および質量分布に対する変位電流センサ Pending JPH07295735A (ja)

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