CH632354A5 - Clavier de commande a touches et interrupteurs mecaniques et machines comprenant ce clavier. - Google Patents

Description

L'invention concerne un nouveau type de clavier de commande, de conception simple et peu coûteuse, ainsi que les machines et équipements pourvus d'un tel clavier.

On sait que dans les installations électroniques ou électromécaniques, un clavier de commande est un sous ensemble relativement coûteux et de fiabilité assez médiocre comparée à celle des équipements électroniques, notamment les circuits de logique numérique, qui lui sont associés. Par conséquent, dans de telles installations, le clavier est souvent le maillon faible du système. Les modèles les plus rudimentaires de clavier utilisent un simple interrupteur, susceptible de transmettre une tension, fonctionnellement couplé avec chaque touche, pour traduire en signal électrique utilisable l'enfoncement manuel de la touche. Ces claviers ont deux inconvénients majeurs;

s - l'usure des contacts des interrupteurs, ce qui se traduit à la longue par une détérioration du signal électrique résultant,

- le grand nombre de fils nécéssaires pour transmettre les informations.

io En ce qui concerne le premier inconvénient cité, on a proposé de remplacer les interrupteurs mécaniques par d'autres types de capteur (capacitif, photoélectrique etc). Un progrès notable a résulté de l'utilisation des cellules à effet Hall puisque ces cellules ont l'avantage de transmettre un signal

15 électrique relativement «propre», c'est-à-dire très facilement identifiable par les circuits de logique numérique. Cependant, on aboutit à des prix de revient prohibitifs pour la plupart des applications destinées au grand public.

Par ailleurs, on sait réduire le nombre de fils de câblage reliés au clavier, en utilisant un réseau de conducteurs en configuration matricielle (comportant par exemple m lignes et n colonnes) et en associant une touche du clavier à chaque intersection de ligne et de colonne; de sorte qu'un signal électrique est susceptible d'être transmis entre une ligne et une colonne par enfoncement de la touche correspondante provoquant la fermeture d'un simple interrupteur ou le fonctionnement d'une cellule à effet Hall ou encore le fonctionnement d'un autre capteur mentionné plus haut. Autrement dit, on associe à chaque touche du clavier, c'est-à-dire à chaque interrupteur si on choisit ce moyen en raison de son prix de revient avantageux, des coordonnées i, j ( 1 < i < m; 1< j < n) et on branche cet interrupteur entre la ligne i et la colonne j, chaque touche étant ainsi repérée au niveau de l'électronique de traitement par ses coordonnées i et j. Il est facile de vérifier qu'avec un tel système, on peut distinguer (m. n) touches avec seulement ( m + n) fils conducteurs reliés au clavier.

Cependant, il reste que le réseau de conducteurs en configuration matricielle n'améliore pas la fiabilité si on veut utiliser des interrupteurs à structure mécanique. La difficulté provient surtout de ce que le contact électrique est plus ou moins franc à la fermeture de l'interrupteur, c'est-à-dire lorsque la touche correspondante est enfoncée.

De plus, il est souvent assez difficile de faire la différence entre un signal réel produit par enfoncement d'une touche par un opérateur, et un signal parasite qui peut être produit par un choc accidentel sur une touche provoquant un enfoncement très faible de la touche, ou même par des vibrations, ou encore par les «rebonds» produits par l'ouverture et la fermeture des contacts mécaniques. Pour cette raison, les circuits électroniques de codage associés au clavier sont complexes et coûteux.

Le principe fondamental de l'invention est issu de la constatation simple selon laquelle il est plus facile, au niveau des circuits électroniques de traitement, de détecter une absence de signal (c'est-à-dire l'ouverture d'un interrupteur normalement fermé) qu'un signal transmis à travers un contact électrique mal établi (c'est-à-dire la fermeture défectueuse d'un interrupteur normalement ouvert). Partant de cette constatation simple, l'invention se propose d'utiliser des interrupteurs à structure mécanique (pour des raisons de prix de revient), à contact normalement fermé (pour des raisons de fiabilité) interconnectés à un réseau de conducteurs en configuration matricielle (pour simplifier le cablage du clavier lui-même).

Selon l'invention, ce triple but est atteint par une structure de clavier à touches, chaque touche étant déplaçable entre une position de repos et une position de travail et étant fonctionnellement couplée à au moins un interrupteur uni25

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polaire, du type selon lequel lesdits interrupteurs sont électriquement reliés à un réseau de conducteurs en configuration matricielle à m lignes et n colonnes, chaque ligne et chaque colonne étant matérialisée par un conducteur de sorte qu'un interrupteur de coordonnées i, j soit branché entre la ligne i et la colonne j du réseau; caractérisé en ce que lesdits interrupteurs sont du type à contact normalement fermé, qu'un élément formant diode est connecté en série avec chaque interrupteur, dans l'interrupteur lui-même, et que chaque élément formant diode et interrupteur de coordonnées i, j est interconnecté entre le conducteur de la ligne i et celui de la colonne j dudit réseau; le sens de branchement des diodes étant identique entre les lignes et colonnes.

La présence d'une diode en série dans chaque interrupteur permet d'éviter que l'ensemble du réseau de conducteurs en configuration matricielle ne soit électriquement équivalent à un court-circuit multiple dû à la présence d'un interrupteur à contact normalement fermé à chaque intersection de ligne et de colonne.

De plus, l'avantage essentiel de l'invention est que la durée minimale du signal produit par enfoncement d'une touche est prédéterminée et indépendante de l'opérateur. Cette durée minimale est de plus très largement supérieure à celle des signaux parasites produits dans la technique antérieure, par des chocs, des vibrations, ou des «rebonds». L'invention permet ainsi d'éviter tous les problèmes de distinction entre signal réel et signal parasite, et elle permet d'associer au clavier des dispositifs de codage beaucoup plus simples et beaucoup moins chers que dans la technique antérieure. En fait, on a constaté en pratique que le prix des dispositifs de codage nécessaires était divisé par 5 ou par 6 ce qui constitue un progrès technique extrêmement important.

L'invention concerne également toute machine à clavier caractérisée en ce qu'elle est pourvue d'un clavier selon la définition qui précède et en ce qu'elle comporte en outre un générateur de signal à sorties multiplexées dont lesdites sorties sont connectées aux conducteurs des lignes (ou des colonnes) dudit clavier, un analyseur de signal à entrées multiplexées dont lesdites entrées sont connectées aux conducteurs des colonnes (ou des lignes, respectivement) dudit clavier, un premier moyen de pilotage séquentiel relié audit analyseur de signal et un second moyen de pilotage séquentiel relié audit générateur de signal; lesdits premier et second moyen de pilotage ayant des fréquences de fonctionnement différentes.

On entend par «sorties multiplexées» le fait que le générateur de signal est conçu pour faire apparaître un signal électrique significatif séquentiellement et cycliquement sur toutes les sorties, avec un fréquence de balayage déterminée. De même, on entend par «entrées multiplexées» le fait que l'analyseur de signal est conçu pour mesurer séquentiellement et cycliquement les signaux appliqués à ses entrées, avec une fréquence de balayage déterminée. De préférence, la fréquence de balayage de l'analyseur est beaucoup plus élevée que celle du générateur de telle façon que lorsqu'un signal est momentanément engendré à l'une des sorties du générateur, l'analyseur ait le temps d'explorer toutes ses entrées.

L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un mode de réalisation actuellement préféré de l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence au dessin non limitatif annexé dans lequel:

- la figure 1 est un schéma illustrant l'agencement électrique du clavier ainsi que les dispositifs électroniques annexes permettant de reconnaître les coordonnées des touches de ce clavier; et

- la figure 2 est une vue de détail et en coupe d'une réalisation technologique du clavier dans laquelle l'interrupteur à structure mécanique et la diode sont combinés selon l'invention.

En se référant au dessin, on a représenté le schéma électrique du clavier 11, visible sur la figure 1. Chaque touche Ti, j du clavier forme en fait un interrupteur uni-polaire Ii, j à structure mécanique simple. Chaque touche est munie d'un moyen de rappel en position de repos (non représenté) qui est d'un type à «rappel magnétique» comme celui qui est décrit dans la demande de brevet français No 2443130 au nom du titulaire. Il est également parfaitement concevable d'utiliser un moyen poussoir indépendant de l'interrupteur proprement dit qui peut alors être un sous-ensemble du genre «micro-contact» ou autre. Par ailleurs, le clavier 11 comporte un réseau 12 de conducteurs en configuration matricielle c'est-à-dire comportant m lignes et n colonnes, chaque ligne et chaque colonne étant matérialisée par un conducteur électriquement indépendant des autres. Sur le dessin, on a représenté un clavier de 16 touches dont les interrupteurs sont électriquement reliés à un réseau de quatre lignes et quatre colonnes (m = n — 4) formées respectivement par quatre conducteurs de ligne (Li, L2, L3, Li) et quatre conducteurs de colonne (Ci, C2, C3, C4) électriquement indépendants les uns des autres, c'est-à-dire ne pouvant être interconnectés entre eux que par d'autres branches de circuit renfermant notamment les interrupteurs unipolaires précités. A ce propos, il doit être précisé que l'expression «réseau de conducteurs en configuration matricielle» ne signifie pas que le dispositif de l'invention ait une configuration particulière de câblage et notamment une configuration croisée comme illustrée sur la figure 1.

La configuration croisée est cependant technologiquement avantageuse. Par «configuration matricielle» on veut simplement dire qu'on a défini deux groupes de conducteurs (appelés commodément «lignes» et «colonnes») de façon à réaliser au moins une partie des interconnexions sélectives possibles entre lignes et colonnes, au moyen notamment des interrupteurs unipolaires. Dans ces conditions, on comprend que, quelle que soit la configuration géométrique du réseau de conducteurs L, C; chaque interrupteur associé ou combiné à chaque touche T peut être défini par ses coordonnées (i, j) de sorte que l'interrupteur Ii, j est celui qui est relié au conducteur formant la ligne i et au conducteur formant la colonne j.

Selon l'invention, les interrupteurs Ii, j sont du type «à contact normalement fermé» et comprenant un élément formant diode Di, j connecté en série dans chaque interrupteur entre les deux contacts de sorte que chaque connexion en série d'une diode Di, j et d'un interrupteur Ii, j est interconnectée entre le conducteur de la ligne i et celui de la colonne j. De plus, le sens de branchement des diodes est identique entre lignes et colonnes. Ainsi, dans l'exemple décrit, les anodes des diodes sont toutes reliées aux conducteurs définissant les colonnes.

Le fonctionnement du clavier qui vient d'être décrit est des plus simples. Si on applique un signal électrique significatif, c'est-à-dire une tension de polarité convenable, à l'un des conducteurs de ligne (par exemple Li), il est clair que ce signal se retrouvera sur chaque conducteur de colonne (Ci, C2, C3, C4) puisque les interrupteurs Ii.i, Ii,2, Ii,3, Ii,4 sont tous «normalement fermés». En revanche, si l'une des touches Ty (par exemple Ti,3) est enfoncée l'interrupteur correspondant (Ii,3) s'ouvre et on constate une absence de signal sur le conducteur C3. En effet, les diodes connectées en série dans les autres interrupteurs ne permettent pas le passage du signal significatif vers le conducteur C3 par l'intermédiaire de s

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ceux-ci, de sorte que le conducteur C3 se trouve isolé tant que le signal significatif reste appliqué sur le conducteur Li et que la touche Ti,3 est enfoncée. Il suffit d'associer au clavier un montage électronique d'exploration cyclique des lignes et des colonnes (dont un mode de réalisation non limitatif sera décrit ci-dessous) fonctionnant à une vitesse d'exploration cyclique suffisante et notamment très supérieure à la rapidité maximale d'un opérateur utilisant le clavier, pour que tout le clavier soit analysé périodiquement et que l'enfoncement d'une touche quelconque soit infailliblement détecté.

En figure 2, on a représenté une touche Ti,j comprenant l'interrupteur Ii,j et la diode Di,j associés en un ensemble compact. Ainsi, chaque touche Ti, j comporte un noyau inférieur 15 réalisant une fonction de guidage dans un plaque de support 16 dont la face inférieure peut par exemple être agencée en circuit imprimé portant les conducteurs Li et Cj. Le noyau 15 forme également une partie mobile de contact susceptible d'entre en contact en position de repos (telle que représentée sur la figure 2) avec les conducteurs Li, et Cj, respectivement. Selon une particularité avantageuse de l'invention, la partie mobile de contact comporte une partie isolante 15a formant l'essentiel du noyau et deux éléments conducteurs 19,20 électriquement isolés et espacés l'un de l'autre et faisant saillie latéralement par rapport au noyau 15 de façon à pouvoir entrer en contact avec les conducteurs Li et Cj, respectivement; tandis que la diode Di,j est connectée entre les deux éléments conducteurs 19,20 en étant de préférence noyée au coeur de la partie isolante 15a. Cette dernière constitue également un support d'ancrage pour les deux éléments conducteurs 19,20 maintenus de cette façon espacés l'un de l'autre. En revenant maintenant à la figure 1, on va décrire à titre d'exemple non limitatif, un circuit électronique susceptible de rendre opérationel le clavier qui vient d'être décrit.

Ce système électronique comporte un générateur de signal 25 à sorties multiplexées et un analyseur de signal 26 à entrées multipléxées; ces deux dispositifs correspondant à la définition qui précède. Le générateur de signal 25 comporte donc quatre sorties multiplexées Si, S2, S3, S4, connectées rspective-ment aux conducteurs de ligne Li, L2, L3, L4, tandis que l'analyseur de signal comporte quatre entrées multiplexées Ei, E2, É3, E4, connectées respectivement aux conducteurs de colonne Ci, C2, C3, C4. De plus, les entrées E1-E4 reçoivent chacune une tension constante appliquée par l'intermédiaire de résistances Ri, R2, R3, R4 respectives, reliées à une source de tension positive + V. Les résistances R1-R4 ont toutes la même valeur. Bien sûr, le générateur de signal pourrait tout aussi bien être connecté aux conducteurs de colonne et l'analyseur de signal pourrait être connecté aux conducteurs de ligne. Par ailleurs, le générateur de signal 25 comporte une entrée de référence Eo reliée à un potentiel de référence Vo (de préférence, l'entrée Eo est connectée à la masse) et tout le fonctionnement du générateur 25 se résume à faire correspondre séquentiellement et cycliquement l'entrée Eo aux différentes sorties S1-S4 dans un ordre choisi. Les commutations opérées par le générateur de signal sont commandées par des impulsions appliquées à une entrée de commande e2.

L'analyseur de signal comporte quant à lui une entrée de commande ei recevant des impulsions de commande, fixant le rythme avec lequel les entrées E1-E4 seront successivement explorées et analysées. L'entrée ei est reliée à un premier moyen de pilotage séquentiel constitué d'une horloge H et d'un premier compteur 28 tandis que l'entrée e2 est reliée à un second moyen de pilotage séquentiel (combiné au premier) constituée de l'horloge H et des compteurs 28 et 29 montés en cascade. Ainsi, la fréquence de fonctionnement dudit premier moyen de pilotage séquentiel est plus élevée que la fréquence de fonctionnement dudit second moyen de pilotage séquentiel et ces fréquences de fonctionnement fixent le rythme de l'analyse des états des entrées E1-E4 d'une part et le rythme des commutations séquentielles de la tension Vo aux différentes sorties S1-S4 d'autre part. Le rapport des deux fréquences de fonctionnement est au moins égal au nombre d'entrées multiplexées dudit analyseur de signal, de façon que ce dernier ait le temps «d'explorer» toutes les entrées E1-E4 pendant l'intervalle de temps où la tension Vo est présente à l'une des sorties S1-S4. A titre d'exemple, on a réalisé un prototype dans lequel le compteur 28 fournit des impulsions de commande à 50kHz et dans lequel le compteur 29 fournit des impulsions de commande à 5 kHz.

Lorsque la tension significative Vo (le potentiel de la masse) est appliquée à l'une quelconque des sorties S1-S4, toutes les entrées E1-E4 reçoivent sensiblement la même tension par l'intermédiaire des interrupteurs et des diodes reliées au conducteur de ligne concerné. En revanche si une touche ce cette ligne est enfoncée, le conducteur de colonne correspondant est isolé et une tension + V apparaît à l'une des entrées de l'analyseur 26. Ce phénomène est détecté par l'analyseur au cours d'une séquence d'exploration et d'analyse des entrées E1-E4. Lorsque ce phénomène se produit, un moyen de mémorisation non représenté, relié au générateur 25 et à l'analyseur 26, enregistre à la fois la sortie du générateur 25 qui se trouve momentanément reliée à l'entrée de référence Eo et l'entrée de l'analyseur 26 qui reçoit momentanément la tension + V. On mémorise de cette façon les coordonnées de la touche qui a été enfoncée.

On comprend qu'un clavier selon l'invention présente des avantages techniques extrêmement importants par rapport aux claviers de la technique antérieure.

Tout d'abord, et comme on l'a déjà indiqué, la durée minimale du signal produit par enfoncement d'une touche est prédéterminée et est complètement indépendante de l'opérateur. Ce résultat technique et obtenu par la combinaison du système magnétique de rappel des touches en position de repos, avec le fait que les touches sont à contact normalement fermé en position de repos. Dans une telle combinaison, la forcé de rappel agissant sur chaque touche est maximale quand la touche est en position de repos, et diminue progressivement au fur et à mesure de l'enfoncement de la touche. Ainsi, pour provoquer l'ouverture des contacts, il faut appliquer à la touche une force d'enfoncement qui doit être supérieure à une valeur minimale prédéterminée. Dès que cette force d'en-forcement minimale a été appliquée à la touche, la touche est enfoncée, et continue à s'enfoncer même si la force d'enfoncement qui lui est appliquée devient nulle. Dès que la touche a commencé à s'enfoncer, son contact est ouvert, et un signal est produit. Le signal est produit pendant tout le temps d'enfoncement de la touche et de retour de la touche vers sa position de repos. La durée du signal est sensiblement égale à la durée de mouvement aller-retour de la touche. La durée minimale dudit signal dépend donc uniquement de la structure du clavier et est donc complètement indépendante de l'opérateur. Comme cette durée minimale de signal est toujours très supérieure à celle des signaux parasites (produits par des chocs, des vibrations, par le phénomène de rebonds sur les contacts mécaniques), il n'est plus nécessaire d'utiliser des circuits électroniques de codage (associés au clavier) ayant une base de temps très précise pour permettre une distinction entre un signal réel et un signal parasite. L'invention permet donc d'utiliser des circuits de codage très simplifiés, qui sont beaucoup moins chers que les circuits de codage utilisés dans la technique antérieure.

De plus, comme la force de rappel appliquée à une touche est maximale quand la touche est en position de repos, et que les contacts sont normalement fermés en position de repos, la force d'enfoncement qu'un opérateur doit appliquer à une touche doit être au moins supérieure à la force de rappel

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magnétique appliquée à la touche, c'est-à-dire que la force du type logique, c'est-à-dire que ses sorties ne peuvent pré-d'enfoncement appliquée par l'opérateur doit être relative- senter que deux états: 0 et 1. La notion de déplacement des ment importante. On supprime ainsi, en raison de cette force touches est donc exclusivement ergonomique, étant donné d'enfoncement importante, la majeure partie des phéno- que, en ce qui concerne la production d'un signal significatif,

mènes de rebond qui se produisent normalement à l'ouver- s les touches n'ont plus de course morte, et que le déplacement ture des contacts mécaniques. d'une touche sert uniquement à donner une impression tactile

De même, à la fermeture, on supprime également la à l'opérateur, et ne commande plus la qualité du contact, et majeure partie des phénomènes de rebond, car la force de donc du signal.

rappel magnétique appliquée à la touche au moment de la On comprend encore que la vérification, le montage et la fermeture des contacts est très supérieure à la force cinétique io maintenance d'un clavier selon l'invention sont très facilités, de la touche pendant son mouvement de retour en position de Pour le montage, il suffit en effet de placer les touches dans repos, (cette force cinétique créant précisément les phéno- les trous correspondants du clavier, et les touches sont auto-mènes de rebond). matiquement maintenues en position par la force de rappel

On notera encore que, comme la force de rappel magné- magnétique. D'autre part, en cas de défaut d'un composant, tique est maximale quand les contacts sont fermés, la force de îs ce composant est immédiatement identifié quand le clavier pression entre les contacts fermés est très importante, ce qui est mis sous tension, et il suffit alors de changer la touche cor-permet d'utiliser un circuit imprimé extrêmement simple respondante.

pour former le réseau matriciel des lignes et des colonnes pré- On remarquera enfin que les trois facteurs caractéristiques citées, et l'on peut utiliser par exemple une technique de sèri- d'un clavier à touches mobiles (qui sont la distance de dépla-graphie à encre conductrice. Cette technique ne peut toutefois 20 cernent des touches, les pressions de contact, et la durée miniêtre utilisée que si le circuit imprimé ne comprend aucun maie du signal produit par enfoncement d'une touche) ont composant. C'est précisément le cas dans un clavier selon des valeurs limites qui sont complètement indépendantes de l'invention, dans lequel les composants (c'est-à-dire les l'opérateur, et que celui-ci peut uniquement, en actionnant diodes) sont prévus à l'intérieur des touches. les touches de diverses façons, améliorer ces trois facteurs On remarquera encore que le clavier selon l'invention est 25 caractéristiques.

1 feuille dessins

Claims (7)

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1. Clavier à touches, chaque touche étant déplaçable entre une position de repos et une position de travail et étant fonc-tionnellement couplée à au moins un interrupteur unipolaire, du type selon lequel lesdits interrupteurs sont électriquement reliés à un réseau de conducteurs en configuration matricielle à m lignes et n colonnes, chaque ligne et chaque colonne étant matérialisée par un conducteur de sorte qu'un interrupteur de coordonnées i, j soit branché entre la ligne i et la colonne j dudit réseau; caractérisé en ce que lesdits interrupteurs sont du type à contact normalement fermé, qu'un élément formant diode est connecté en série dans chaque interrupteur et que chaque conexion en série d'un élément formant diode et d'un interrupteur de coordonnées i, j est interconnectée entre le conducteur de la ligne i, et celui de la colonne j dudit réseau; le sens de branchement des diodes étant identique entre les lignes et colonnes.

2. Clavier selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque interrupteur comporte une partie mobile de contact comprenant deux éléments conducteurs électriquement isolés l'un de l'autre et susceptibles d'entrer respectivement en contact avec les deux conducteurs correspondants de ligne et de colonne et que l'élément formant diode associé audit interrupteur est connecté entre lesdits deux éléments conducteurs.

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REVENDICATIONS

3. Clavier selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément formant diode est inclus dans une partie isolante dudit interrupteur, ladite partie isolante constituant un support d'ancrage maintenant lesdits deux éléments conducteurs espacés l'un de l'autre.

4. Machine à clavier, caractérisée en ce qu'elle est pourvue d'un clavier selon l'une des revendications précédentes et en ce qu'elle comporte en outre un générateur de signal à sorties multiplexées dont lesdites sorties sont connectées aux conducteurs des lignes ou des colonnes dudit clavier, un analyseur de signal à entrées multiplexées dont lesdites entrées sont connectées aux conducteurs des colonnes ou des lignes, respectivement dudit clavier, un premier moyen de pilotage séquentiel relié audit analyseur de signal et un second moyen de pilotage séquentiel relié audit générateur de signal, lesdits premier et second moyens de pilotage ayant des fréquences de fonctionnement différentes.

5. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que la fréquence de fonctionnement dudit premier moyen de pilotage séquentiel est plus élevée que la fréquence de fonctionnement dudit second moyen de pilotage séquentiel.

6. Machine selon la revendication 5, caractérisée en ce que le rapport des deux fréquences de fonctionnement est au moins égal au nombre d'entrées multiplexées dudit analyseur de signal.

7. Machine selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le signal significatif engendré par le générateur de signal à sorties multipléxées est un niveau de tension nul.