Brevet FR2715741A1 — publié le 19950804

L'invention concerne, de façon générale, la détection de la position et la distribution de masses à l'intérieur d'un cadre de référence spatiale, et en particulier un système de détection qui répond au changement du courant de déplacement dans une électrode de réception, occasionnée par les mouvements occasionnés par l'activité de l'utilisateur. Des détecteurs de position sont utilisés pour fournir des informations d'entrée pour une variété de dispositifs électroniques. Certains de ces détecteurs sont des dispositifs électromagnétiques, tels que la "souris" omniprésent qui est utilisée pour donner des signaux d'entrée de position à des ordinateurs numériques. D'autres détecteurs qui ne sont pas mécaniques, utilisent habituellement des champs électrostatiques ou magnétiques pour donner l'information de position. Un exemple d'un détecteur électrostatique est un commutateur de bouton capacitif qui est actionné lorsque l'utilisateur pose un doigt sur lui. En agissant ainsi, l'utilisateur augmente effectivement la capacité d'un condensateur, l'augmentation qui en résulte, du courant capacitif étant détecté pour indiquer l'actionnement du bouton. Des détecteurs non mécaniques sont avantageux dans la mesure o ils ne comprennent pas de parties mobiles et, de plus, ne sont pas, au moins en théorie, limités à l'actionnement sur une faible zone telle qu'un chemin de souris ou analogue. Actuellement cependant, pour des considérations de configuration et de sensibilité, ces détecteurs sont limités à une faible zone. En effet, lorsqu'ils sont utilisés comme "boutons-poussoirs", ceci est un attribut souhaitable des détecteurs capacitifs. Des détecteurs électromécaniques sont limités par leurs structures à la détection de types spécifiques de mouvements de l'utilisateur. Par exemple, une souris peut détecter une position le long d'une surface bidimensionnelle et transmettre l'actionnement de l'utilisateur de boutons à "cliquettement" monté sur la souris; la position tridimensionnelle et les gestes autres que le cliquettement 2 2715741 de bouton familier cependant sont au-delà de la capacité de détection de la souris. Les détecteurs électrostatiques et magnétiques souffrent ainsi des mêmes limitations de capacité. Selon l'invention, une paire d'électrodes est disposée l'une par rapport à l'autre de façon que, lorsqu'un signal à courant alternatif est appliqué à elle, un objet devant être détecté intercepte une partie substantielle du champ électriques s'étendant entre les électrodes. L'une des électrodes, qui sert d'électrode "d'envoi", est reliée à une source d'un courant alternatif. L'autre électrode (l'électrode "réceptrice") est effectivement reliée à la masse de retour de la source et le courant de sortie de la dernière électrode est détecté comme indication des caractéristiques mesurées. Si l'objet détecté est une main humaine, l'introduction de la main dans le champ électrique réduit le courant de sortie. Spécifiquement, le corps humain fournit un trajet de retour, partiellement conductrice et partiellement capacitive, qui dévie une partie du courant de déplacement dans le condensateur de l'électrode de sortie. Cet arrangement procure des avantages significatifs par rapport aux détecteurs capacitifs de l'état de la technique, dans lesquels l'utilisateur est associé directement à l'une des électrodes capacitives, soit par contact, soit par couplage capacitif étroit. Premièrement, il procure un meilleur rapport signal/bruit en relation avec l'introduction d'une main dans le champ électrostatique et du mouvement de la main à l'intérieur de ce champ. Deuxièmement, il facilite l'utilisation d'électrodes multiples, comme discuté plus haut, pour substantiellement réduire ou éliminer l'ambiguïté concernant la position de la main. La présente invention est utile dans une variété de contextes de commande, de surveillance et d'interface. En utilisant des électrodes multiples d'émission/de réception, on peut surveiller des variations dans la masse totale à proximité des électrodes en utilisant des combinaisons de signaux de sortie. On peut également surveiller les 3 2715741 variations dans la distribution asymétrique des masses par rapport aux positions des électrodes en effectuant différents types de comparaison des signaux. Dans ce contexte, il serait à noter que des électrodes réceptrices multiples peuvent partager une électrode d'émission commune et que des électrodes d'émission multiple peuvent partager une électrode réceptrice commune, des arrangements de ce type étant décrits ici et représentés sur le dessin. Bien que le paramètre de la hauteur est ambigu dans un système utilisant deux paires d'électrodes en raison de l'incapacité de distinguer la hauteur de la distribution des masses, l'utilisation de l'une ou de plusieurs électrodes additionnelles peut éliminer cette ambiguïté. Des électrodes additionnelles facilitent la résolution de plus que deux composantes de la distribution de masse (à savoir la forme volumétrique). De plus, disposé à la périphérie, des électrodes conductrices ou résistives peuvent être entraînées d'une manière bien connue pour servir d'électrodes de garde qui protègent la zone détectée des champs de l'environnement en imposant des conditions de limites appropriées. Des environnements d'application spécifiques sont mis en avant plus en détail ci-après. Pour une meilleure compréhension de la nature de l'invention, la référence est faite à la description détaillée qui suit, prise en relation avec les dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un détecteur mettant en oeuvre l'invention; et - la figure 2 est un schéma d'un détecteur multi- électrodes. Comme cela est montré sur la figure 1, un détecteur de position 10 incorporant l'invention est arrangé de façon à détecter une caractéristique d'un objet 12 par détection des modifications ou changements dans le champ électrique, impliquant une paire d'électrodes comprenant une électrode d'émission 14 et une électrode réceptrice 16. Par exemple, l'objet 12 peut être une main humaine et la caractéristique 4 2715741 devant être détectée est sa position par rapport aux électrodes 14 et 16. Le détecteur 10 comporte une source 18 de courant alternatif (AC), reliée entre les électrodes 14 et un point de référence, par exemple la terre, un câble blindé 19 étant utilisé pour la connexion entre la source 18 et l'électrode 14. L'électrode 16 est relié par un câble 19 à la borne d'entrée d'inversion 20a d'un amplificateur opérationnel 20. L'amplificateur est monté dans un circuit de rétroaction négative tel que montré. La borne 20a est ainsi essentiellement au potentiel de la terre ou masse et la tension de sortie de l'amplificateur correspond au courant de l'électrode 16 à la masse. La sortie de l'amplificateur 20 est appliquée à un détecteur 22 dont l'autre entrée est un signal de la source 18. Par conséquent, le signal de sortie du détecteur 22 est la composante dans le signal de sortie de l'amplificateur 20, qui présente la fréquence et la phase de la source 18. Il est ainsi exempt de signaux d'interférence et du bruit qui pourrait être capté par l'électrode 16. Le détecteur 10 comprend également un filtre pass-bas 24 qui adoucit le signal de sortie du détecteur 22. Le signal du filtre 24 est appliqué à un ordinateur 26 qui comprend un convertisseur analogique-numérique (non représenté) qui convertie la tension du filtre en une valeur numérique. L'ordinateur 26 utilise le signal du détecteur 10 pour entraîner un dispositif de sortie 28. Le dispositif de sortie peut par exemple être un mètre calibré en terme d'une caractéristique devant être détectée; ou une représentation bidimensionnelle qui fournit une indication graphique d'une caractéristique détectée; ou l'une des applications en relation à un ordinateur décrites ci-après, qui utilise le signal pour obtenir une information d'un utilisateur. La fréquence f1 de la source 18 peut être de 100 kHz, et l'espace relatif des électrodes 14 et 16 peut être de l'ordre d'un mètre. De toute manière, la longueur de l'électrode 14 et l'espacement entre les électrodes sont 2715741 essentiellement inférieurs à une longueur d'onde à la fréquence fl. Par conséquent, il y a une radiation minimale de l'électrode 14 et le couplage entre les électrodes 14 et 16 est essentiellement capacitif. L'introduction d'un objet tel qu'une main humaine dans le champ électrique s'étendant entre les électrodes 14 et 16 occasionnent la réduction de la tension de sortie du filtre 24. Ceci est contraire à ce que l'on pourrait supposer, étant donné que la présence de la main dans le champ augmente le couplage capacitif entre les électrodes 14 et 16, en modifiant à la fois la géométrie effective et la constance diélectrique et en tendant ainsi à augmenter le courant d'entrée de l'amplificateur 20 et ainsi la tension de sortie des filtres 24. Cependant, étant donné que le corps humain est électriquement conducteur, la vague présence d'une main constitue un chemin de retour à la masse à travers le corps de la personne, grâce aux capacités entre les électrodes 14 et la main et entre le reste du corps et de la masse. Ceci dévie une partie du courant de déplacement qui s'écoulerait autrement de l'électrode 14 à l'électrode 16. Avec la configuration d'électrodes décrite, un objet à proximité de l'électrode 14 intercepte une composante substantielle du champ électrique de la paire d'électrodes, en provoquant ainsi une modification significative du courant de sortie de l'électrode 16. La tension de sortie du détecteur 10 est fonction de la fréquence fl de la source 18 et de la configuration et de l'espacement des électrodes 14 et 16, aussi bien que des caractéristiques spécifiques de l'objet telles que la position, la configuration et la composition. Il apparaît qu'une tension de sortie donnée peut être le résultat d'un nombre de combinaisons différentes de caractéristiques de l'objet 12. Dans certaines applications de l'invention, telles que l'utilisation d'une tension de sortie pour déclencher un événement lors de la proximité de l'objet 12 des électrodes, cette ambiguïté contribue à l'utilité du détecteur. D'autre part, dans d'autres applications, il est 6 2715741 souhaitable de fournir une sortie qui est indicatrice de la position de l'objet 12, par exemple, lorsque le système de détection est utilisé pour positionner un curseur sur un écran de visualisation. Il peut être également souhaitable de discerner la forme de l'objet, par exemple pour affirmer la présence d'une main humaine. Dans de telles situations, il est préférable d'utiliser un détecteur qui emploie des électrodes multiples d'émission/réception. Un tel détecteur est illustré sur la figure 2. Plus spécifiquement, comme montré sur la figure 2, le détecteur de position 210 comprend des électrodes de réception multiples 16a-16f qui partagent une électrode d'émission unique 14. Les électrodes 16a-16f procurent des signaux d'entrée pour des amplificateurs 20a-20f et des signaux de sortie des amplificateurs sont appliqués à des détecteurs synchrones 22a-22f. Les signaux de sortie de détecteur en revanche, passent à travers les filtres 24a-24f à l'ordinateur 26. L'ordinateur 26 compare ces signaux d'entrée en provenance des électrodes réceptrices respectives 22a-22f pour produire une indication relativement sans ambiguïté de la position latérale de l'objet 12 (non représenté sur la figure 2) et/ou donne l'information concernant sa forme. Ainsi, par combinaison (par exemple additionnellement) des signaux d'entrée en provenance des électrodes réceptrices, l'ordinateur peut développer l'information couvrant la hauteur de l'objet au-dessus des électrodes. Il apparaît également que l'invention peut être utilisée pour procurer d'avantages d'informations tridimensionnelles en utilisant une distribution tridimensionnelle d'électrodes. De plus, des jeux multiples d'électrodes d'émission et de réception peuvent être utilisés, chaque jeu d'électrodes fonctionnant à une ou plusieurs fréquences différentes de celles des autres jeux. Il est à noter que la diversité procurée par l'utilisation d'électrodes d'émission et/ou de réception peut 7 2715741 être obtenu, en partie, en alimentant en énergie une ou plusieures électrodes d'émission à des fréquences multiples. Ainsi, en se référant à la figure 1, l'électrode 14 peut être montée de façon à recevoir des signaux à la fois de la source 18 et d'une seconde source 182 ayant une fréquence f2. Les sources 18 et 182 sont reliées à l'électrode de détection 14 par des filtres d'isolation 30 et 302, accordées sur les fréquences f1 et f2, respectivement. Le signal de sortie de l'amplificateur 20 est appliqué à un second démodulateur 222 relié aux sources 182. Le signal de sortie du détecteur 222 est acheminé à travers un filtre pass-bas 242 dont la sortie en revanche est appliquée au processeur 26. Etant donné que le courant de sortie de l'électrode 16 est, en partie, une fonction de la fréquence, l'utilisation de multiples sources de fréquences procure, essentiellement, les électrodes d'émission et de réception multiples partageant des électrodes physiques communes. L'utilisation de fréquences multiples soit concurremment, comme cela est représentée, soit en un arrangement multiplex à division dans le temps, fournit également l'information sur les caractéristiques électriques de l'objet 12 et peut ainsi être utilisée pour distinguer une main par exemple d'un objet inanimé. Spécifiquement, la mesure de l'amplitude et de la phase du courant de sortie en provenance de l'électrode de réception, comme une fonction de la fréquence, donne une information concernant la composition de l'objet 12. La phase du courant de sortie peut être obtenue en ajoutant un second détecteur de phase ayant une entrée en quadrature de la source 18. La présente invention est applicable à une large variété d'utilisations impliquant la détection des positions de l'utilisateur et des gestes, comme moyen pour acheminer des informations. Dans un environnement d'ordinateur, des paires d'électrodes multiples peuvent servir de dispositifs de détection de position, en procurant l'équivalent de sortie à celui d'une souris ou d'un stylo de tablette sans utilisation d'assemblages mécaniques. Par exemple, la 8 2715741 disposition des électrodes sur ou en-dessous d'un pupitre transforme sa surface en un élément actif de l'interface d'ordinateur. Le déplacement d'une main vide de l'utilisateur sur le pupitre procure un programme d'application comportant l'information de position équivalente à celle obtenue en roulant une souris. Cependant, contrairement au dispositif détecteur mécanique, la présente invention peut également couvrir l'information gestuelle dérivée de la hauteur, de la position et des changements de distribution de la masse. Ainsi, par exemple, le balayage de la main de l'utilisateur sur le pupitre de la gauche à la droite engendre des données numériques qui peuvent être interprétés par un programme d'application (telle qu'une visualisation de textes et/ou moyens d'édition) comme une opération de tourner les pages ou une commande de survol d'objets. L'invention peut simuler une manette de commande multicanal en faisant une distinction entre différents motifs de données engendrées par des mouvements de compression, des basculements de main et des gestes de poussée de bouton. L'échelle de longueur de l'invention, même lorsqu'elle est employée strictement comme dispositif de détection de positions peut également varier considérablement pour être approprié à différentes applications. Un espacement relativement large des électrodes est compatible avec la surveillance du mouvement de la main entière d'un utilisateur ou même de la position d'une personne dans un local, tandis que des espacements plus faibles (par exemple de 1 cm) peuvent être utilisés pour faciliter des réponses à des faibles mouvements d'un doigt. L'invention peut également être utilisée en rapport avec des organes suiveurs ayant des caractéristiques élastiques connues, et qui peuvent, de ce fait, être utilisés pour engendrer des signaux indicateurs non seulement de la position, mais également de la force exercée sur l'organe résistif. Par exemple en interposant un élément élastique sur une surface comprenant un jeu d'électrodes, la hauteur de la main de l'utilisateur reflète la force exercée sur l'élément, 9 2715741 en élargissant ainsi davantage l'étendue de l'information gestuelle qui peut être détectée. Lorsque les détecteurs sont inclus comme parties d'un dispositif unitaire, tel qu'un ordinateur portable ou d'un cahier de note, ou un jeu vidéo, les capacités interactives s'élargissent en raison de la possibilité de fixer la position par rapport à l'écran. Un motif de paires d'électrodes multiples montées à des emplacements appropriés à l'intérieur d'un boîtier d'ordinateur peut procurer un "espace de surveillance ou de commande" au-dessus du clavier, l'invention engendrant alors des données représentant la position tridimensionnelle et l'orientation de la main de l'utilisateur. Ainsi, en engendrant un motif de boutons sur écran et en détectant la position de la main d'utilisateur ou d'un doigt par rapport à l'écran, l'ordinateur peut interpréter les gestes de l'utilisateur comme action de "poussée" de différents boutons même si un contact n'est jamais établit avec l'écran. D'une manière similaire, l'invention peut être appliquée à des dispositifs autres que des ordinateurs (par exemple appareillages, télévision, fourniture, etc.) pour faciliter l'interaction de l'utilisateur. En associant l'invention a un appareillage comportant différents boutons manuellement actionnables, des commutateurs ou analogues, une proximité de l'utilisateur à ce dispositif peut être détectée et les conséquences d'actions imminentes évaluées avant qu'elles soient accomplies. Ainsi, par exemple lorsque la main de l'utilisateur s'approche de la clé d'allumage d'un véhicule automobile, un son audible et/ou une visualisation visible peut l'alerter pour qu'il mette la position de parking avant d'arrêter le moteur. L'invention peut également être utilisée pour faire fonctionner à distance des appareillages tels que des appareils de télévision ou des systèmes d'enregistrement, sans obligation d'un dispositif traditionnel de retenue de main. Et dans la mesure o les électrodes n'ont pas besoin d'être exposées à l'atmosphère, l'invention est particulièrement utile dans des dispositifs 2715741 de commande étanches (par exemple étanche à l'eau), en remplaçant potentiellement des commutateurs d'isolation coûteux et en élargissant la commande de l'utilisateur de tels dispositifs. Dans une échelle plus large, l'invention peut être utilisée pour détecter la proximité d'un objet de référence pour des raisons de sécurité, pour donner l'alarme d'un danger, ou pour conserver l'énergie par une retenue de la puissance jusqu'à ce qu'un utilisateur potentiel s'approche de l'objet. La distribution d'une série de condensateurs de détection dans un local permet à l'invention de fournir des signaux de sortie indicateurs d'une position de l'utilisateur dans le local, du nombre de personnes dans le local et de leurs positions relatives etc. La précision de cette information dépend bien entendu de la résolution nécessaire à l'application et du nombre de détecteurs utilisés. Par exemple, un système de sécurité qui fournit un signal de déclenchement lors de la détection d'une seule personne pénétrant dans un espace de référence nécessite moins de résolution qu'une application qui surveille les positions de plusieurs individus. il 2715741 REVENDICATIONS 1. Détecteur pour détecter une caractéristique d'un objet détecté, ledit détecteur comprenant: A. une paire d'électrodes comprenant une électrode d'émission et une électrode réceptrice, lesdites électrodes ayant des positions fixes l'une par rapport à l'autre, B. une source de courant alternatif, montée entre ladite électrode émettrice et un point de référence, C. des moyens pour relier l'électrode réceptrice au potentiel dudit point de référence, et D. des moyens de sortie détectant le courant de déplacement de ladite électrode d'émission ou émettrice à ladite électrode réceptrice, ledit objet étant positionné dans le champ électrique desdites électrodes et déviant du courant de déplacement de ladite électrode émettrice en fonction de sa position dans le champ, le courant de déplacement détecté par lesdits moyens de sortie étant une fonction de la position dudit objet. 2. Détecteur selon la revendication 1, dans lequel les moyens de liaison précités sont un amplificateur opérationnel ayant une borne d'entrée reliée à la seconde électrode précitée et comportant un circuit de rétroaction relié de façon à forcer le potentiel à ladite borne d'entrée vers le potentiel précité du point de référence précité, de façon que la tension de sortie de l'amplificateur opérationnel corresponde au courant de ladite électrode réceptrice. 3. Détecteur selon la revendication 1, comprenant un détecteur relié de façon à corriger un signal correspondant au courant précité en synchronisme avec la sortie de la source précitée, lesdits moyens indicateurs répondant au signal du détecteur précité. 4. Détecteur selon la revendication 2, comprenant un capteur monté de façon à corriger la sortie de l'amplificateur précité, en synchronisme avec la sortie de la 12 2715741 source de courant alternatif, les moyens indicateurs précités répondant à la sortie dudit capteur. 5. Détecteur de position pour détecter une position d'un objet, ledit détecteur comprenant: A. une pluralité d'électrodes comportant des électrodes multiples émettrices et/ou réceptrices, B. des moyens pour appliquer des signaux de courant alternatif à chacune desdites électrodes émettrices, chacune desdites électrodes réceptrices recevant ainsi un courant de déplacement de l'une ou de plusieurs desdites électrodes émettrices, lesdites électrodes étant configurées de façon que ledit objet intercepte le champ électrique d'au moins trois desdites électrodes, et C. des moyens de sortie sensibles au courant de déplacement à travers les électrodes réceptrices respectives, ledit objet déviant des courants de déplacement desdites électrodes émettrices selon sa position dans le champ électrique de celles-ci, pour que les moyens de sortie répondent à la position dudit objet. 6. Détecteur selon la revendication 5, dans lequel une pluralité d'électrodes réceptrices reçoivent des courants de déplacement d'une électrode d'émettrice commune. 7. Détecteur selon la revendication 5, dans lequel les moyens de sortie sont un ordinateur, et les électrodes sont espacées pour faciliter la réponse au mouvement d'un utilisateur à l'intérieur d'un local. 8. Détecteur selon la revendication 5, dans lequel le moyen de sortie est un ordinateur, et les électrodes sont espacées pour faciliter la réponse au mouvement de la main de l'utilisateur. 9. Détecteur selon la revendication 5, dans lequel le moyen de sortie est un ordinateur et les électrodes sont espacées pour faciliter la réponse au mouvement d'un doigt de l'utilisateur. 10. Détecteur selon la revendication 5, dans lequel le moyen de sortie est un ordinateur et les électrodes sont espacées pour faciliter la réponse à un geste manuel de 13 2715741 l'utilisateur basé sur des changements dans la distribution de masse détectée. 11. Détecteur selon la revendication 1, comprenant en outre un organe élastique positionné de façon à être déformé par le mouvement d'un objet détecté de façon que le courant de déplacement détecté par le moyen de sortie soit une fonction de la force exercée par l'objet sur l'organe élastique.