(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
規定された空間内における人の位置及び向きを特徴づけるための装置であって、
a.互いに対して一定の位置関係を有して、前記空間に近接して分散配置された少なくとも２つの電極と、
b.一つのAC（交流）電源と、
c.変位電流を生成するために、前記電極を前記AC電源に順次結合するための手段と、
d.前記電極の各々を前記AC電源に結合する毎に、前記AC電源に結合された電極から出る電流を測定するための手段と、
e.前記電極の各々を前記AC電源に結合する毎に、互いの電極に流れる前記変位電流を測定するための手段と、
f.前記測定値に基づいて、前記空間内の位置及び向きを特徴づけるための手段
とからなる装置。
【請求項２】
さらに、第１及びそれに対向する第２の面を有し、前記第１の面には前記人が寄りかかるようになっており、対向する前記第２の面には前記電極が配置された非導電性の形状を備えることからなる請求項１の装置。
【請求項３】
前記形状は、互いに対して傾斜をつけられた座部及び背もたれ部からなる座席であって、少なくとも一つの電極が前記座部に沿って配置され、少なくとも一つの電極が前記背もたれ部に沿って配置されたことからなり、前記装置は少なくとも３つの電極を備えることからなる請求項２の装置。
【請求項４】
前記装置が４つの電極を備えており、２つの電極は前記座部に沿って間隔をおいて配置され、２つの電極は前記背もたれ部に沿って間隔をおいて配置されていることからなる請求項３の装置。
【請求項５】
さらに、
a.位置及び向きにそれぞれが関連する（ｉ）前記測定値及び（ii）測定クラスターのパターンを格納するためのコンピュータメモリと、
b.前記測定値を前記パターンと比較し、それによって位置及び向きを特徴づけるためのプロセッサ
とからなる請求項１の装置。
【請求項６】
さらに、
a.位置及び向きにそれぞれが関連する（ｉ）前記測定値及び（ii）測定クラスターのパターンを格納するためのコンピュータメモリであって、前記クラスターは、着席した大人、前記背もたれ部の方を向いていない荷台の中の幼児及び、前記背もたれ部の方を向いている荷台の中の幼児、を特徴づける測定値を含むことと、
b.前記測定値を前記パターンと比較し、それによって位置及び向きを特徴づけるためのプロセッサ
とからなる請求項３の装置。
【請求項７】
規定された空間内の物体の動きの方向を特徴づけるための装置であって、
a.前記空間に近接した少なくとも一つの電極と、
b.一つのAC電源と、
c.複数の電場を生成するために、前記少なくとも一つの電極を前記AC電源に一定の間隔で順次接続するための手段と、
d.前記AC電源に接続されたときに、前記電極から出る電流を測定するための手段と、
e.前記測定値に基づいて、前記空間内の前記物体の動きの方向を特徴づけるための手段
とからなる装置。
【請求項８】
規定された空間内の物体の動きの方向を特徴づけるための装置であって、
a.互いに対して一定の位置関係を有して、前記空間に近接して配置された少なくとも２つの電極と、
b.一つのAC電源と、
c.複数の電場を生成するために、少なくとも第１の電極を前記AC電源に短時間、複数回接続するための手段と、
d.前記第１の電極が前記AC電源に接続される度に、少なくとも一つの接続されていない電極に流れる電流を測定し、それによって、複数の測定値を生成するための手段と、
e.前記複数の測定値に基づいて、前記空間内の前記物体の動きの方向を特徴づけるための手段
とからなる装置。
【請求項９】
前記接続手段は、第１の前記電極を前記AC電源に接続するよう構成されており、前記測定手段は、第２の前記電極に流れる電流の少なくとも二つの測定と、前記第３の電極に流れる電流の少なくとも一つの測定を行うよう構成されていることからなる、少なくとも３つの電極を備えた請求項８の装置。
【請求項１０】
前記接続手段は、前記それぞれの電極を前記AC電源に順次接続するよう構成されており、前記測定手段は、前記接続されていない電極の一つに流れる電流の少なくとも二つの測定と、前記接続されていない他の電極に流れる電流の少なくとも一つの測定を行うよう構成されていることからなる、少なくとも３つの電極を備えた請求項８の装置。
【請求項１１】
さらに、
a.動きにそれぞれが関連する（ｉ）前記測定値及び（ii）測定クラスターのパターンを格納するためのコンピュータメモリと、
b.前記測定値を前記パターンと比較し、それによって前記物体の動きの方向を特徴づけるためのプロセッサ
とからなる請求項７の装置。
【請求項１２】
さらに、
a.動きにそれぞれが関連する（ｉ）前記測定値及び（ii）測定クラスターのパターンを格納するためのコンピュータメモリと、
b.前記測定値を前記パターンと比較し、それによって前記物体の動きの方向を特徴づけるためのプロセッサ
とからなる請求項８の装置。
【請求項１３】
規定された空間における人の位置及び向きを特徴づける方法であって、
a.互いに対して一定の位置関係を有する少なくとも２つの電極を、前記空間に近接して間隔をおいて配置するステップと、
b.AC信号出力を前記電極の一つに送信し、互いの電極に流れる電流を測定するステップと、
c.前記測定値が前記位置及び向きを特徴づけるのに不十分である場合は、前記位置及び向きが特徴づけられるまで、前記AC信号出力を他のそれぞれの電極に順次送信し、順次送信する毎に、前記電極のそれぞれに流れる電流を測定するステップ
とからなる方法。
【請求項１４】
前記特徴づけるステップが、
a.位置及び向きにそれぞれが関連する測定クラスターのパターンを提供するサブステップと、
b.前記測定値を前記パターンと比較し、それによって位置及び向きを特徴づけるサブステップ
とからなる請求項13の方法。
【請求項１５】
規定された空間内の物体の動きの方向を特徴づける方法であって、
a.前記空間に近接した少なくとも一つの電極を提供するステップと、
b.複数の電場を生成するために、少なくとも一つの電極に、AC信号出力を一定の間隔で順次送信するステップと、
c.前記AC信号が送信されたとき、前記電極からの電流を測定するステップと、
d.前記測定値に基づいて、前記空間内の前記物体の動きの方向を特徴づけるステップ
とからなる方法。
【請求項１６】
規定された空間内の物体の動きの方向を特徴づける方法であって、
a.互いに一定の位置関係を有して、前記空間に近接した少なくとも２つの電極を提供するステップと、
b.複数の電場を生成するために、第１の電極に、AC信号出力を短時間、複数回送信するステップと、
c.前記信号が、前記第１の電極に送信される度に、少なくとも一つの接続されていない電極に流れる電流を測定し、それによって、複数の測定値を生成するステップと、
d.前記複数の測定値に基づいて、前記空間内の前記物体の動きの方向を特徴づけるステップ
とからなる方法。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、一般的には、空間的な基準フレーム内にある物体の位置及び分布を検知することに関連し、特に、変位電流の変化に基づいて、規定された空間における人間の存在、向き、及び顕著な特徴を分析する検知システムに関連する。
発明の背景
規定された空間内の人間の位置、向き及び単なる存在を明らかにすることは、医療から保安及び機密保持に及ぶ用途において重要である。例えば、断層撮影用の走査装置の動作を開始させるのに先だって、患者が該装置の中にいるということだけでなく、走査エレメントに対して適切な位置を向いているということを保証するのは必須のことである。訓練を受けた職員が、直接、目視によって確認することが明らかに理想的であるが、装置の性質上、これは不可能であろう。
自動的に動作するが、適切な向きでの使用を想定している装置については、更に大きな関係がある。例えば、エアバッグは、新型の自動車の標準装備として現在利用されており、運転者や乗客をクッションによって保護することにより、事故にまつわるけがを実質的に減少させてきた。しかし、エアバッグの爆発的な膨張のために、エアバッグそれ自身が、助手席に不適切な向きで座っている乳幼児を傷つけたり、あるいは死に至らしめたりさえする可能性がある。エアバッグを詰め直すのは費用がかかるので、エアバッグを装備した助手席からエアバッグを取り除くのは、不経済である。従って、自動車内での目視による確認は、簡単でそれを妨げるものもないが、かならずしも信頼できない。というのは、消費者は、適切なエアバッグの操作を知らず、また、自動車の運転という機械的な作業の特性のために、不注意になりがちだからである。すなわち、運転者は、乗員が離れた後に、あるいは、子供が不適切な向きを向いた後に、エアバッグを動作させないようにすることはおそらくできないであろう。
適切な向きが重要であるが、十分な信頼性をもって視覚的にモニタすることは難しい、そのような用途に対して、人間が注意する必要をなくすためにセンサアレイが開発されてきた。これらのセンサアレイは、一般的には、対象とする空間を囲むように配置されたたくさんの検出デバイスを備えている。センサは動作範囲内で、存在を検出あるいは、検出しないという、２値方式でよく利用され、そのため、許容可能な誤差範囲内で対象のさまざまな向きを分析するには、通常は、多くのデバイスが必要となる。しかし、センサの数は、なんらかの系統だった方式あるいは、厳密な方法で選択されているわけではない。センサの数を最少化するための方法論も、選択したセンサの数が、必要なすべての場合に適用できるということを保証するためのなんらかの試験手段（実験以外の）も存在しない。
信頼性を確保するために、現在のシステムは、また、複合化した検出様式（例えば、赤外検出、超音波検出、力検出及び静電容量検出のある組み合わせ）を必要とする。これは、曖昧な場合を識別するために「力まかせ（brute force）」のアプローチをすることから生じている。
例えば、２値方式の静電センサの一般的なタイプは、容量性のボタンスイッチであり、それは、ユーザがその上に指を置くと活性化する。そうすることによって、ユーザは、コンデンサの静電容量（以下単に容量とも記載）を効果的に増加させ、結果的に、ボタンの動作を示す容量性の電流の増加となる。このタイプのセンサをさらに発展させたバージョンが、公開されたPCT出願WO90/16045（Tait）に説明されており、それは、中央の送信電極のまわりに配置された受信電極のアレイについて記述している。しかし、この構成のタイプでさえ、単純な二値システムよりもわずかに進化しただけである。なぜなら、配置された電極間の重み（weighting）の変化を測定するからである。このような配置は、位置及び向きを特徴づけるために必要なデバイス（すなわち、電極）の数を、有意な程度に低減するものではなく、また、最適なデバイスの数を得るためのアプローチを提供するものでもない。さらに、Taitデバイスは、３次元の物体（質量）の分布を分析することができる方法においてさえ利用されず、異なる向き／位置にある場合の物体間の識別には、なおさら利用されない。接触は、すべての場合において完全であること、すなわち、ユーザの指は実際に送信及び受信電極にさわることができることが期待されており、そのような接触が不可能な場合には、このアプローチは適用できないものとなる。
発明の説明
発明の概要
本発明は、観察下にある人間とセンサ間の接触の必要性を完全に省き、それぞれが実行する機能を増加させることによって、必要な検出デバイスの数を実質的に、減少させるものである。
本発明によれば、一セットの電極が、観察される空間のまわりに配置される。AC信号がこれらの電極の第１の電極に加えられ、その電極から流れ出る電流及び、他のすべての電極に流れ込む電流とから測定値が得られ、これらの電流は、AC結合された電極の接地電流に効果的に結合される。検出すべき人間（または物体）がAC結合された「送信」電極とその他の「受信」電極との間に広がる電場の一部を遮る（横断する）と、遮られる電場（以下では単に場とも記載）の量は、検出すべき人間の大きさ及び向き、その人間が接地経路を提供するかどうか、及び、電極の幾何学的な分布に依存する。
例えば、Taitの応用で検討された例のような、単純な場合において、人間が電極を効果的に結合させるほどに、送信／受信電極に近づくと、電極の容量結合は増加し、従って、受信電極を通って流れる電流は、人間がいないときに流れる電流に比較して増加する。しかし、人間が地面の上に立ち、ある程度電極から離れている場合は、人体は、容量結合の増加に加えて接地経路を提供する。
これら２つの効果は、相反する。すなわち、地面への経路（接地経路）は、いくらかの電流の進路を変え、受信電極での出力を減少させるが、一方、容量結合が強くなると、出力電流を増加させる。（人間が両方の電極に触れる単純な場合においては、容量結合の効果が支配的であるので、接地経路は重要ではない。）
電流が受信電極に到達するか、あるいは、地面へ分流するかにかかわらず、人を通って流れる電流の絶対量もまた関係する。実際のところ、人が送信電極に近いが、受信電極からは離れている場合には、それは、関連パラメータにすぎない。
電極の幾何学的配置の知識と併用すると、これらのすべての測定は、ある空間内の人の位置及び向きを分析するのに役立つ。物体の分布に対する場の応答は、複雑な非線形関数であるので、電極を追加することによって、常に、より多くの場合について判別をすることが可能となる。言い換えれば、それぞれの電極は、場の中で、個別に、物体の重み（weighting）を表す。すなわち、電極を追加することによって、他の電極によって提供される情報に対して冗長とはならない、物体に関する情報が提供される。
しかし、実際上の問題としては、完全な解決策は、しばしば不要である。本発明は、本質的には位置及び向きを完全に分析することを意図していないが、許容可能な特徴、位置及び向きの個別の組の中では識別することを意図している。電極の幾何学的配置及び数は、これらの許容可能な可能性の中で、所望の信頼度で識別することができるように選択される。
信頼性を上げる、すなわち、あいまいさを低減するために、本発明は、好ましくは、それぞれの電極を送信側あるいは受信側のいずれかの電極として切り換えて指定可能な手段を備える。送信元と受信側を異なる位置に配置して一セットの測定を行うことによって、センサの数を増やすことなく、システムの分析能力を実質的に向上させることができる。
本発明はまた、一セットの測定が、多次元の「測定空間」内のポイントとして表される探索方法論を備える。すなわち、それは、適切な電極の配向とそれぞれのセットにおいて十分な数の測定値（すなわち、十分な数の空間的な次元）を有しており、許容されたそれぞれの位置及び向きで得られた測定によって占められる空間領域は別個のものであり、また分離可能なものである。言い換えれば、人体のような外的な変数における多少の変化にもかかわらず、また、許容された状態内での位置及び向きにおけるの多少の変化にもかかわらず、測定は、依然として、その許容された状態に特有の空間領域に集中する傾向がある。
その集中領域（以下、クラスター領域）及びその範囲（例えば、種々の許容される状態においてそれぞれの個々の状態を測定することによって生成される）を特徴づけるパターンを保持することによって、新たな測定を、一つのクラスター領域と明確に関連付けることができ、従って、許容される状態の一つを推測することができる。
本発明は、人の様々な位置及び／または向き、あるいは、人がいるかいないかを識別することが重要であるあらゆる用途において、有効に利用することができる。典型的な用途は、エアバッグを装備した制御システムを備える。それらは、電気機器（例えば、人が座ると電気が入るかまたは、明るくなる電灯付きの書見台付き椅子や、椅子に人が座るとデスクトップコンピュータを始動させるオフィス用の椅子）を制御するために使用されるシステムや、警報システム（例えば、操作者であるパイロット、自動車やドラックの運転手の頭がたれたとき警告信号を発する、操作者用の座席）、断続的に動作する公告システム（例えば、通行人を検出して、かれらの注意を惹くために彼らに合図をするマルチメディア売店あるいは、ビデオゲーム機）、及び、つかまれたときを「認識する」器具あるいは、玩具である。
本発明は、静止した位置と向きを検出するだけでなく、所定の空間内の動きも検出するよう構成することができる。これは、異なる時間に連続した測定を行い、信号の絶対値（値＝大きさ）間だけでなく、時間シフトした信号値間の差（もしあれば）を測定することによって達成できる。実際、電極を追加することがもう一つの空間測定パラメータを提供するのと同様に、時間も別の測定パラメータとなる。
【図面の簡単な説明】
上記した説明は、添付の図面を同時に参照することによって、以下の本発明の詳細な説明からさらに容易に理解することができる。
図1Aは、本発明を取り入れたセンサの概略図である。
図1Bは、受信用または送信用として利用することができる代替センサの設計概略図である。
図２は、検出される物体または人が、本発明によって測定されるパラメータに影響を与える態様を示す。
図3Aと図3Bは、エアバッグ装備を備える本発明の用途の部分的な側面図である。
図4A〜図4Eは、自動車の座席に関連する様々な異なる場合に対応する測定パターンを示す概略図である。
図５は、図4A〜図4Eに示されたさまざまな場合についての反復測定によって形成された３つの行列の位置とクラスターに対する測定空間を示す。
図6Aは、ジェスチャーを認識するためのセンサ構成の概略図である。
図6Bは、図6Aに示す構成によって測定された様々な異なるジェスチャーに対応する測定パターンを示す。
図７は、図6Bに示す測定パターンに対する測定空間を示す。
好ましい実施例の詳細な説明
まづ、図1Aを参照する。この図は、本発明を実施するのに適した複数電極の回路を示している。この回路は、電場の変化を検出することによって物体12の特徴を検知するよう構成されており、下記するように、受信用及び送信用の電極としてさまざまに使用される３つの電極を備えている。所定の実施において実際に使用される電極の数は、用途の性質に依存するということが理解される。図示した代表的な動作モードでは、電極は送信用すなわち伝送用の電極Ｔ及び一対の受信用の電極R1、R2を備えている。物体12は、例えば、人体あるいは、その一部であり、検出される特徴は、３つの電極の（お互いに対する、及び物体12に対する）相対位置と、電極の使用方法に依存して決まる。
この回路は、送信用の電極Ｔに切り換え可能に結合された送信段を規定し、受信用の電極R1、R2に切り換え可能に接続された一対の受信段を規定する構成部を備えている。送信段は、交流（AC）電源18を備えており、この交流電源は、自身と電極Ｔとの間を接続（結合）するために使用されるシールドケーブル22で、電極Ｔと基準点、すなわちアース（接地）との間に、切り換え論理回路20を介して接続されている。電極R1、R2もまた切り換え論理回路20の出力側に（シールドケーブル19によって）接続され、切り換え論理回路20への他の２つの入力は、電極R1、R2に切り換え可能に接続された一対の受信段に接続されている。それぞれの受信段は、負帰還回路を構成する演算増幅器（ここでは、単に増幅器とも記載）251、252を備えている。従って、２つの受信段の入力端子のそれぞれは、増幅器251、252の一方の反転入力端子に接続される。従って、反転入力端子は本質的にグランド（接地）電位であり、各増幅器の出力電圧は、電極Ｔからグランドへの電流に対応する。
抵抗271、272及びコンデンサ281、282は、増幅器251、252の反転入力端子と出力端子を接続し、それらは、それぞれ、他方の入力が交流電源18からの信号である同期検出器291、292に接続されている。従って、検出器291、292の出力は、増幅器251、252の出力の成分であり、それは、交流電源18の周波数と位相を有する。それゆえ、それは、電極R1、R2が拾う妨害信号やノイズには影響されない。
受信段は、それぞれ、検出器291、292の出力を滑らかにするローパスフィルター311、312も備えている。ローパスフィルター311、312からの信号は、これらのフィルターからの電圧をディジタル値に変換するアナログ−ディジタル変換器（図示せず）を備えたコンピュータプロセッサ33に加えられる。下記するように、コンピュータプロセッサ（以下ではプロセッサまたはコンピュータとも記載）33は切り換え論理回路（以下では、切り換え論理とも記載）20を制御して、ローパスフィルター311、312からの信号を利用する。
抵抗34は、交流電源18の出力と電圧検出器36の一つの入力端子との間に接続されており、電圧検出器の他方の入力端子は、直接、交流電源18の出力に接続されている。こうして、電圧検出器36を交流電源18の出力電流を測定するよう校正することができ、その出力はコンピュータ33に供給される。
交流電源18の周波数f1は100kHzとすることができるが、電極の相対的な間隔は検出される特徴に依存する。どんな場合であれ、電極の長さとそれらの間の間隔は、周波数f1での波長より実質的に短い。従って、電極Ｔからの放射は最小限であり、電極R1、R2との結合は本質的に容量性である。
図1Bには、切り換え論理回路を省き、受信段と送信段とを分離した代替となる構成を示す。この回路は、送信電極または受信電極となることができる電極Ｅ、AC（交流）電源18、電流を測定するインピーダンス変換増幅器（transimpedance amplifier）41、差動増幅器43、入力端子が増幅段（差動増幅器）43の出力及び交流電源18に接続されている同期検出器29、そして、ローパスフィルター段45を備えている。コンピュータ33によって制御されるスイッチ48によって、電極Ｅが送信電極と受信電極のどちらであるかが決定される。
動作時に、スイッチ48を閉じると、AC電源18からの信号が電極Ｅに（フィードバックを介して）加えられ、その結果、回路は送信段として動作する。第２の利得段（差動増幅器）43への入力は、電極Ｅへの電流に比例した電圧であり、コンピュータ33に到達する最終的な信号は、ローディング（装荷、loading）測定値を反映している。
スイッチ48を開放すると、電極Ｅ（同期検出器29ではない）はAC電源18から切り離され、そのため、他の回路構成部が増幅し、フィルタリングを施す電極Ｅへの信号は、外部で（すなわち、送信段のものと同様に動作する類似の回路で）発生される。人（あるいは人の手足または特徴）を、例えば、電極Ｔと電極R1、R2の間に広がる電場の中に導入することは、図２を参照して理解することができる。図２では、種々の相互作用を、等価で、仮想的な回路に置き換えてモデル化している。図では、人Ｐは３つの端子をもつ回路として表現されており、AC電源18からの（送信電極Ｔを通って送られてきた）電流は３つの電流経路を介してグランドに到達する。すなわち、（電極Ｔからある距離離れて配置されており、グランドに接続されている）受信電極Ｒに接続された第１の可変コンデンサ50と電極Ｒを介して、あるいは、回路（ここでは人と等価な回路）Ｐの両側にある一対の可変コンデンサ52、54と電極Ｒを介して、あるいは、回路Ｐと第４の可変コンデンサ56を介して直接グランドに到達する。回路内のそれぞれの仮想的なコンデンサの値は、電極Ｒ、Ｔ及び人Ｐの間の相対的な距離に依存して決まり、回路は、人Ｐが、電極によって規定される空間内に位置しているということを想定している。
コンデンサ50は、あたかも電極が単一のコンデンサの２枚の電極であるかのように、電極間の容量結合をそれ一つのみで表している。人Ｐがいなければ、この容量が支配的である。しかし、電気的な導体である人Ｐが導入されると、それは、２つの電極間の電場から電束を「盗み」、それをコンデンサ56を介してグランドに伝える。しかし、また、有効な幾何学的配置と誘電率の両方を変化させることによって電極間の容量結合を増加させる。この容量結合の増加はコンデンサ52、54によって表される。
「ローディング」モードでは、受信電極Ｒへの電流は、測定の目的にとっては重要でないか、あるいは無視できる。唯一関係する電流は、電極Ｔから出る電流であり、それがどのようにしてグランドに到達するかには関係ない。例えば、電極Ｒが、互いに近接している電極Ｔ及び人Ｐから非常に遠く離れている場合には、支配的な容量はコンデンサ52、56によるものであり、図1Aで電圧検出器36によって測定される電極Ｔを出る電流は、人Ｐを通って流れる電流に本質的に等しい。
しかし、電極の間隔がもっと近くになった場合は、電極間の電場はより強くなり、他方の容量がより重要になる。もちろん、それらの相対的な重要度は、電極に対する人Ｐの身長サイズ及び位置に依存する。人Ｐが電極Ｔに極めて近い位置にいる場合には、その人の体は効果的にAC電源に引きつけれらて、送信電圧で振動する。従って、この「伝達（透過、トランスミット、transmit）」モードでは、コンデンサ52の容量は、コンデンサ50、54の容量に比べて非常に大きい。AC電源18は、一定の電圧を出力するように構成されているので、人Ｐが電極Ｔに近づくときのコンデンサ52の容量の増加により、AC電源は、その一定の電圧を維持するために（「ローディングモード」測定によって検出される電流）より多くの電流を出力しなければならなくなる。この結果、電極Ｒにより大きな電流が流れることになり、その増加の量は、コンデンサ54の容量（コンデンサ54の容量の大きさは、人Ｐと電極Ｒとの間の距離に依存する）に対するコンデンサ56の容量の比率に依存する。
人Ｐと２つの電極との間にある程度の距離がある場合には、コンデンサ56の容量は、コンデンサ52とコンデンサ54のいずれの容量に対してもそれ程おおきな差はない。従って、コンデンサ56の容量によって、検出される電流は影響を受ける。この「分岐（shunt、シャント）」モードでは、電場のいくらかはグランドに分岐し、コンデンサ56の容量による効果として、電極Ｒでの電流が低減される。この分岐電流は人が電極ＴとＲの中間にいるときに最大になる。なぜなら、コンデンサ52、54の容量はそこで最小になる（しかも、コンデンサ56の容量は位置によってはそれほど大きく変化しないと推定される）からである。人Ｐがいずれかの電極により近づくと、コンデンサ52と54の一方の容量が増加し、他方は減少する。しかし、実際的な効果は、電極Ｒへ流れる電流が増加することである。当然のこととして、この分岐効果は、グランドに対する人Ｐの結合が強くなる程（最大限度の場合として、例えば、人Ｐが接地された電線に触れている場合がある）、増加する
これら３つの場合は、起こりうる極端な状況を表しており、それゆえ、信号測定の観点から最も簡単に説明できるものである。例えば、電極Ｔから多くの電流が流れ出し、電極Ｒへはほとんど電流が流れない場合は、明らかに、人Ｐは電極Ｐに最も近づいているかまたは触れており、かつ電極Ｒからは遠く離れている位置にいることを示している。しかしほとんどの場合は、これらの中間の状況にあり、その結果あいまいなものとなる。すなわち、信号値は、２つ以上の固有の場所及び向きによって生成されるので、この信号の値によっては、人Ｐの位置及び向きを明確には特徴づけることができない。
本発明は、あいまいさを解決する試みに対して、電極の数を増やすことよりも、むしろ測定の数を増やす。１セットの電極のうちのそれぞれの一つにAC電源を選択的に接続して、AC結合された電極から出て他の電極に流れる電流を測定し、測定値の行列（マトリックス）を得ることができる。ｎ個の電極のそれぞれが送信電極として使用され、その電流値が送信電極と他の電極の両方から得られる場合は、その行列は、以下のようにｉ＝ｊ＝ｎ個の電極に対して、正方行列となる。
0003655925.tif 000002
対角項m11・・・mijは、ローディングモードでなされた測定の測定値、すなわち、送信電極からの電流を指している。項m21は、電極１が送信電極であるときに電極２に対して流れ込む電流を指している。項m12は、電極２が送信電極であるときに電極１に流れ込む電流を指している。
この測定行列が人Ｐの位置及び向きを完全に特徴づけるのに十分でなくても、それでもこの行列は、既知の特徴的なパターンに基づいて、人を可能性のある規定された位置及び向きの範囲内に配置するために使用することができる。例えば、人が測定領域内のある一定のいくつかの向き束縛されている場合を想定する。許可された向きで、わずかに違った向きを向いている別の人によって、異なった測定パターンが生じるが、これらのパターンは依然としてある一定のパターンの集合に集中する傾向がある。それぞれの場合（クラスター、cluster）が数学的（正確）に分解可能で、他のクラスターと別のものである限り、すなわち、電極の構成を慎重に選択することによって、許可された向きの中での測定の不正確さを回避できる限り、おおまかに言えば、新たな測定値は、クラスターの一つ及び割り当てられた、許可された向きの一つに属するものであると言うことがでいる。
これらのクラスターを特徴づけるために、ｎ個の電極に対して、空間内に一つのポイント（特徴）を構成する所定の向きを向いた特定の人に対する各測定行列と共に、n2次元の測定空間を定義することができる。それぞれの許可された向きに対して、所定の空間領域内でクラスターを形成する傾向があるのは、これらのポイントであり、このクラスター領域が分離可能である（すなわち、測定空間の決定境界（dicision boundareis、決定範囲）によって分類可能である）限り、新しい測定値が属するクラスターを突き止めることによって、向きを明確に推測することができる。
重要なことは、追加した各電極は、（物体の分布に対する場の応答の非線形性により）独立な場な中の物体の重み（weighting）を表すので、ｎ個の電極は、おおよそn2の異なる場合を識別するのに十分な情報を提供する（n2という値は、信頼性のある解析を可能とするために、異なる場合の間の対称性と測定値の差の不十分さによってのみ限定される）。従って、一つの電極を追加することによってさえも、分析可能な場合の数は実質的に増加する。実際問題として、この手段によって、多くの場合を識別できるが少しの場合については識別できない最初の構成に、一つの電極を追加することでそのあいまいな場合を解決できるようこの最初の構成を拡張することができる。
本発明が実施される方法は、再度図1A及び図1Bを参照して理解することができる。コンピュータ33は、データと実行可能プログラム命令の両方を格納しているコンピュータメモリ（以下では単にメモリと記載）33mと関連している。最も単純なアプローチでは、これらの命令に従ってコンピュータ33は、AC電源18を３つの図示した電極に順次接続させるために、切り換え論理20を動作させる。AC電源18がそのように接続される度に、コンピュータ33は、フィルター311、312及び電圧検出器36から信号を読み出し、それによって、測定値の並び（行）を作り、メモリ33mにそれらを格納する。メモリ33mは、またn2空間内のクラスターの位置に関するパターン情報を含んでいる。この情報は、単に以前の多くの測定値から構成することができ、それは、n2空間内のポイントとして表されると、特徴づけられた領域におのずと集中する。しかし、それは、クラスターのパターン及びそれらの範囲の正確な数学的特徴（例えば、テンプレートの形式で）を備え、それによって、決定範囲としての役目を果たすことが望ましい。これらの範囲は、当業者にはよく知られている線形あるいは非線形のクラスター化アルゴリズムを使用して決定される。これらの範囲が独立で分離可能である限り、新たなn2次元の測定値のn2空間内の位置を推定することは、範囲（境界）内にそれを配置することとほぼ同等なことであり、その範囲の領域に関連する特徴を明確に示すことができる。そうでなければ、それを境界の外に配置するが、このことは、その特徴が、範囲が基づく既知の（あるいは許可された）場合のどれにもあてはまらないということを示している。
明らかに、メモリ33mは、種々の許可された向きの組または電極の構成に対応する種々のクラスターパターンのいくつかを含む永久記憶装置を備えるよう構成することができ、コンピュータ33は、それらのパターンの選択を簡単にするための適切なユーザインターフェースを備えることができる。
クラスターの分布にも因るが、存在または、向きを特徴づけるために測定値のすべての行列を完全なものにする必要はない場合がある。システムは、処理が対象とするパラメータを特徴づけるためにのみ必要とされる限り、階層的に設計することができる。ありふれた例としては、一つのローディングモードの測定で、存在を分析するのには十分である。より一般的には、以下の測定の階層構造はいろいろな実施に対する設計において有用である。
1.単一の電極を備えたローディングモード測定。
2.一つは送信用として、他方は受信用として固定された２つの電極。
3.それぞれが送信用あるいは受信用として動作できるように切り換え可能な２つの電極であって、これによって、完全な２×２の測定行列の構築が容易となる。
4.1〜３のガイドラインに従う電極及び測定をさらに追加する。
測定行列から明らかなように、異なる測定モードは、相互に排他的ではなく、そのかわり、それらは、物体を特徴づけ、場合の中で識別することに対しての異なる情報を提供する。例えば、「ローディングモード」測定は、受信電極に流れ込む電流が無視できるほど少ない場合に限っては、役に立たないが、そのかわり、この測定は、それだけでは不十分な他の測定と一緒に利用される。すなわち、各測定は、独立で冗長でない情報を提供する。（説明を簡単にするために、本明細書ではときどき「分岐モード」や「伝達モード」という言葉を、排他的な意味でよりもむしろ、特定の測定うちの主要なモードを表すために使用している。）
測定の不正確さを解決するための別の方策は、複数の送信周波数を使用することである。なぜなら、センサの出力電圧は、それぞれ異なる電極の配置及び間隔とそれに関連する人の向きに加えて、電源18の周波数f1の関数だからである。それぞれ固有の周波数で動作している複数のAC電源を一つの送信電極を介して同時に動作させることができる。あるいは、そのかわり、それぞれの電極は、それらが送信電極として使用されるとき、他の電極が動作する周波数とは異なる一つ以上の周波数で通電される。
再び図1Aを参照するが、電極Ｔは電源18と周波数f2の第２の電源18aの両方からの信号を受けとるように接続することができる。電源18と18aは絶縁フィルター（isolation filter）40及び40aを介して受信電極R1、R2に接続されており、周波数はそれぞれf1及びf2に調整されている。増幅器251の出力は、電源18aに接続された第２の同期復調器291aに加えられる。同期復調器291aの出力はローパスフィルター311aを通過し、このフィルターの出力はプロセッサ33に供給される。電極R1、R2からの出力電流は、部分的に周波数の関数なので、複数の周波数発生源（ここでは複数の電源）を使用することは、本質的に、共通の物理的な電極を共有する複数の送信及び受信電極を提供することである。
本発明の極めて有利な用途は、幼児や小さい子供用に設計された自動車の座席内で、（子供たちの）存在及び向きを検出する用途である。自動車の衝突時に、爆発的に膨らむエアバッグ安全装置を自動車に導入する際に、このタイプの測定に必要とされるのは、特別な緊急性に応じることである。荷台（ここでは、チャイルドシート）が自動車の前部の助手席側に設置されている場合、図3Bに示すように、チャイルドシート90を、後ろ向きで、自動車の座席79のバックレスト77に向かい合うように設置することは、幼児の安全にとっては危険である。この場合、自動車が急激に速度を落とすと、幼児の頭部はチャイルドシートのまっすぐな部分に支えられて、（首が）前方に折れることはないであろう。しかし、このとき、幼児の頭部は、爆発的に膨らむエアバッグに対して危険なほどに接近する。この向きでは、エアバッグの動作は禁止すべきである。
一方、チャイルドシート90が図3Aに示すように、前方、すなわち、フロントガラスの方を向いて設置されている場合は、エアバッグの爆発的な膨張は脅威とはならない。なぜなら、チャイルドシートは、幼児をエアバッグから十分な距離をおいて保持するからである。
同時に、エアバッグが膨らんだ後のエアバッグの交換と再設置には、かなりの出費が必要である。従って、エアバッグは乗員用の座席に人が座っているときのみ、幼児が座っている場合には、幼児が前方を向くようにチャイルドシートが設置されている場合にのみ膨らむようにしなければならない。
すべての関連する可能性は、図3A及び図3Bに示す４つの電極82、84、86、88を使用して解析することができる。実際、この用途に対しては、以下で詳述するように、３つのみの電極で信頼性のある結果を得ることができる。そのため、電極84、86（両方とも点線で示す）のどちらかを設計から省くことができる。図3Bに示すように、電極は、図1Aまたは図1Bに示す（及びまとめて95で示す）回路及びプロセッサ装置に接続される。プロセッサは、自動車のエアバッグの動作を制御する回路（エアバッグコントローラ）97に接続される。
今度は、図4A〜図4Eを参照する。これらの図は、それぞれE1、E2、E3と名付けられた３つの電極で取得可能な３×３の測定行列に及ぼす、様々な場合の効果を描写的に示している。これらの電極は、図1A及び図1Bに従って送信電極又は受信電極として切り換えて使用することができる。最もレベルの低い関連測定は、座席に人が座っているかどうかを測定することである。この測定は、取るに足りないものではない。なぜなら、運転手は座席の上に食料雑貨品あるいは他の品物を乗せているかもしれないし、有効なセンサアレイは、人と生命のない物体とを識別することができなければならないからである。食物や商品の導電率は、人のそれとは異なる傾向がある（例えば、プラスチックやガラスでパッケージングされた品物は、小さな導電率である傾向があるが、金属製品は非常によく電気を伝える）が、平均した、あるいは合計した導電率はそう大きくは違わない場合がある。一方、導電率の分布はおそらく、人のそれとは一致しないであろう。そのため、完全な測定行列によって、人間と物体とを容易に識別することができる。
図4Aでは、座席77は空である。表100aは測定行列を表しており、各表のエントリの高さによって、受信電極に流れ込む電流量をグラフ的に示している。すべてのセンサは、すべての電流レベルが同じであるように校正されており、また、中間の位置にそのレベルを調整されている。
対照的に、図4Bに示すように、大人は３つのすべての電極におよぶので、伝達モードの結合は、表100bに示すように測定行列全体にわたって特徴的に大きく、比較的一定である。図4Dに示すように、前方を向いている幼児の場合における効果はこれと類似しているが、量が減少している。すべての電極間の伝達モードの結合は、相当量ありかつ一定であるが、大人の場合程は大きくない。
図4Cに示すように幼児が後ろを向くようにした配置の場合は、電極E3と他の２つの電極間の伝達モードの結合は極めて小さく、一方、電極E1とE2間の結合は、幼児が前を向くように配置された場合に生じる結合と類似している。
図4Eに示すように、雑貨品のバッグのような物体によって生じる測定パターンは、他のものと容易に識別される。このことは、雑貨品の近くの電極（すなわち、電極E1）が送信電極であるときは、それは比較的大きな電流を出力し、結果として、大きなローディングモード及び伝達モードの測定値となるということ、すなわち、他のどちらかの電極が送信電極であるときは、その雑貨品の効果は十分なものではないという事実によって説明される。
これらの種々の場合は、図５に示すように、分離可能で容易に分析される測定クラスターを生成する。説明を容易にするために、m21、m31、m32のみを反映する３次元の測定空間を示している。明らかに、すべての測定値を組み込んだ９次元の空間はさらに良好な結果（すなわち、測定クラスター間のより良好な分離性）を生じる。第１の座標軸110はm21（送信電極＝E1、受信電極＝E2）を、第２の直交軸112はm31（送信電極＝E1、受信電極＝E3）を、第３の直交軸114はm32（送信電極＝E2、受信電極＝E3）をそれぞれプロットする。
互いに異なる場合のそれぞれに対する複数の測定値は、図示されているように集団をなすポイントによって表される。それぞれのポイントは、m21、m31、m32の測定値の別々の組を表しており、代表的な測定ポイントをノイズで乱すことによって、実際の場合をシミュレートするために生成されたものである。クラスター120aは表100aに示す測定値の変動に対応し、クラスター120bは表100bに示す測定値の変動に対応し、他も同様である。３次元構造125はクラスター間の決定境界を示しており、クラスターは別々であって、十分に分離されている。
他の実施態様では、本発明は時間的に分離された冗長性のある測定値をプロットすることによって、ジェスチャを分析するよう構成される。言い換えれば、送信及び／または受信する電流量だけでなく、異なる時間におけるそれらの変化する値もまた測定される。この独自の「遅延（lagged）」測定値は、測定空間の目的のために、独立のパラメータを表す。
代表的な構成を図6Aに示すが、ここでは、簡単のために、送信電極Ｔ及び受信電極R1、R2は固定されている。これは、通常望ましいことである。なぜなら、測定すべき物体は動いているが、原則として、送受信する電流（アイデンティティ）が電極間でやりとりできないという理由はないからである。手Ｈは、電極の配列に対して左、右、上及び下方向に自由に動き、得られる測定値は、図6Bに示すように、本質的に、R1、R2で同時に得られる測定値、及び、以前のすなわち「遅延（された）」測定値R1'を含んでいる。一般的に、R1、R2で同時に得られる測定値は周期的に取得され、R1'は以前の測定値の組からのメモリ33mに格納された測定値である。
図6Bにおいて、手Ｈの図示した位置は最初の位置から（Ｒ）ight、（Ｌ）eft、（Ｕ）ｐ、（Ｄ）own方向へ移動する。その結果を表130にグラフ的に示す。左方向への移動は、図示した手Ｈの位置から始まる。R1への分岐モード（shunt−mode）結合は、大きなR1'の測定値によって示されているように、最初は小さいが、手がR1とR2の間のポイント（図示していない）に移動すると増加する（R1とR2の測定値によって示されているように）。上方向及び下方向への移動は、手が電極Ｔの上にあることを想定している。
電極の機能は変わらないので、３つの測定値はそれぞれの場合に対して得られ、従って、図７に示すように３次元の測定空間によって表すことができる。この空間は、直交軸132（R1での測定値に対応する）、134（R1での時間遅延された測定値に対応する）、136（R2での測定値に対応する）によって特徴づけられる。表130に示されている４つの場合についての多くの例は、そのそれぞれは、わずかな変動をシミュレートするためにノイズで乱されているものの、４つの別々の領域に集中する。これら４つの領域は、上述したように、上方向への移動（クラスター140U）、下方向への移動（クラスター140D）、左方向への移動（クラスター140L）、及び右方向への移動（クラスター140R）に対応する。
上述した構成は、代表的なもののみであるということが理解される。すなわち、一つの電極（複数の時間分割されたローディングモードの測定）あるいは、２つの電極のような少しの数の電極でも多くの移動モードを同様に分析することができる。
従って、上述した構成は、規定された空間内の存在、位置及び向きを特徴づけるための、高度に拡張可能でしかも信頼性のあるアプローチを表していることがわかる。本明細書で使用した用語や表現は、説明用の語句として使用しており、意味を限定して使用したものではない。また、そのような用語や表現を使用することにおいて、図示し、説明した特徴あるいはそれの一部と同等なものを排除する意図はない。しかし、本発明の特許請求の範囲内で、さまざまな変更は可能であるということが認識される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図６Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図６Ａ】
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【図５】
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【図７】
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