EP2678763A1 - Interface capacitive gestuelle a commutation de mode de mesure - Google Patents

Interface capacitive gestuelle a commutation de mode de mesure

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EP2678763A1
EP2678763A1 EP12708879.7A EP12708879A EP2678763A1 EP 2678763 A1 EP2678763 A1 EP 2678763A1 EP 12708879 A EP12708879 A EP 12708879A EP 2678763 A1 EP2678763 A1 EP 2678763A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
capacitive
electrodes
potential
measurement
measurements
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12708879.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Christophe BLONDIN
Christian Neel
Didier Roziere
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Quickstep Technologies LLC
Original Assignee
Nanotec Solution SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanotec Solution SAS filed Critical Nanotec Solution SAS
Publication of EP2678763A1 publication Critical patent/EP2678763A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/0416—Control or interface arrangements specially adapted for digitisers
    • G06F3/0418—Control or interface arrangements specially adapted for digitisers for error correction or compensation, e.g. based on parallax, calibration or alignment
    • G06F3/04186—Touch location disambiguation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
    • G06F3/0446—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means using a grid-like structure of electrodes in at least two directions, e.g. using row and column electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a control interface device responsive to movement and / or in contact with at least one control object, such as a gesture interface.
  • the field of the invention is more particularly but in a nonlimiting manner that of capacitive touch and capacitive proximity surfaces used in particular for HMI commands.
  • the touch surface is equipped with conductive electrodes connected to electronic means which make it possible to measure the variation of the capacitances appearing between electrodes and the object to be detected in order to carry out a command.
  • This object, or control object can be for example a finger or a stylus.
  • Capacitive techniques currently implemented in touch interfaces most often use two layers of conductive electrodes in the form of rows and columns. Electronics measure the coupling capabilities that exist between these lines and columns. When a finger is very close to the active surface, the coupling capabilities near the finger are modified and the electronics can thus locate the position in 2D (XY), in the plane of the active surface.
  • Electrodes in line and column structure with direct capacitance measurement techniques.
  • the electrodes in rows and columns are then used as independent electrodes and allow a measurement without contact or gesture at great distance (detection of a finger to several centimeters).
  • another problem occurs when you want to detect more than one object. Indeed, the measurement requires the scanning of each line and each column, resulting in the appearance in the measure of virtual objects called ghosts. These ghosts prevent the absolute location of several objects on the sensitive surface.
  • the device Due to the detection technology used, the device is however limited to contact measurements.
  • the presence of crossed electrodes greatly disrupts the measurements in the direct capacitance measurement mode, since the coupling capacities between tracks remain present and become parasitic capacitances which are compensated electronically, with all the risks of drift and electronic noise. that entails.
  • US2011 / 0007021 is also known from Bernstein et al. which discloses a capacitive interface capable of detecting a finger in proximity or on a sensitive surface.
  • the device comprises an array of row and column electrodes that can operate in a direct capacity measurement mode and a coupling capacity measurement mode.
  • the scope of the device is improved by the use of a guard electrode subjected to an alternating potential.
  • the aim of the present invention is to propose a solution that makes it possible to manage capacitive electrodes in direct capacitance measurement and coupling capacity measurement modes with the same electronic circuit, while guaranteeing optimal performances in terms of sensitivity of the capacitors. detection and accuracy for remote measurements, as well as resolution.
  • control interface device comprising:
  • capacitive electronic capacitance means capable of producing distance and / or contact information between at least one control object and capacitive electrodes
  • switching means capable of configuring said capacitive measurement electronic means so as to allow either direct capacitance measurements between capacitive electrodes and one or more control objects, and measurements of variation of coupling capacitors between capacitive electrodes for excitation and measurement,
  • said capacitive electronic capacitance means are at least partially referenced to a floating reference electrical potential with respect to a ground potential in direct capacitance measurements.
  • the floating potential is an alternating potential. It is said to be floating with respect to a ground potential since it is not referenced (electrically) at this ground potential, or to the extent that it is variable (definite or indefinite) with respect to ground potential. to this mass potential.
  • the ground potential may be the ground of the device, or a ground, or any potential referenced electrically to a mass of the device, but possibly different from it.
  • control objects may be for example a finger or a stylus. An action performed by a user with two or more fingers is thus "seen" by the device as the action of several control objects.
  • These control objects can, without loss of generality, be considered as referenced to the device ground or to the ground.
  • the capacitive measuring means can be referenced to a reference electrical potential fixed with respect to the ground potential during measurements of coupling capacitors.
  • This reference electric potential can also be equal to the ground potential or referenced to a ground potential.
  • the coupling capacity measurement mode operates according to a more conventional scheme but sufficient to detect contacts between control objects and the detection surface for example.
  • the capacitive measuring means can at least partly be referenced to a floating reference electric potential with respect to the ground potential when measuring coupling capacitors.
  • the capacitive measuring means comprise a part referenced to a reference electrical potential floating in the two modes. measurement (direct capacity measurements and coupling capacity measurements).
  • the device according to the invention may furthermore comprise switching means arranged in such a way as to connect at least one excitation capacitive electrode to a fixed electrical potential with respect to the ground potential during coupling capacitance measurements.
  • the device according to the invention may further comprise switching means arranged so as to allow a change of reference electrical potential, between a floating potential and a fixed potential with respect to the ground potential.
  • the invention makes it possible to implement floating detection electronics which are particularly effective for long-range measurements, and to advantageously combine it with coupling capacity detection modes which allow unambiguous detection of several short-range control objects. .
  • the invention thus extends the field of application of this measurement technique by floating detection, one of the objectives as described in the prior art is precisely to eliminate the coupling capacitors between neighboring electrodes or between the electrodes and the electrodes. 'environment.
  • the invention describes a mode of implementation of a floating detection for measurements of original coupling capabilities in view of the prior art.
  • the device according to the invention may further comprise a guard electrode at an electrical reference potential disposed near the capacitive electrodes, according to their face opposite to the detection surface.
  • this guard electrode may be at the floating potential or at the fixed potential with respect to the ground potential. It makes it possible to overcome to a large extent disturbances to the environment, in particular those due to the device comprising the interface.
  • the device according to the invention may further comprise scanning means for:
  • selecting at least one excitation capacitive electrode and at least one measuring capacitive electrode so as to enable measurements of coupling capacitance variation between said capacitive excitation electrodes and measured
  • the unselected electrodes contribute to the guard, which allows in particular in the direct measurement mode of capacity to cancel parasitic capacitances and to optimize the sensitivity.
  • the device according to the invention may further comprise:
  • capacitive electrodes arranged in two superposed layers which layers comprise, respectively, electrodes in a first direction and electrodes in a second direction; capacitive electrodes arranged in a layer, said electrodes comprising elements connected by bridge connections in a first direction and a second direction, respectively;
  • capacitive electrodes arranged along rows and columns; capacitive electrodes comprising a plurality of surfaces electrically connected to one another, which surfaces may be substantially of one of the following shapes: square, rectangular, diamond-shaped, circular, elliptical;
  • substantially transparent electrodes based on ITO Indium Tin Oxide
  • the device according to the invention can comprise:
  • a capacitive excitation electrode arranged in such a way as to substantially surround the capacitive measuring electrodes.
  • the capacitive excitation electrode may be disposed on the same surface or on a surface substantially parallel to that of the measuring capacitive electrodes.
  • the sensitive surface is thus substantially covered with multiplexed independent measuring electrodes, which can be used in the two direct capacitance measurement and coupling capacity measurement modes.
  • the excitation electrode (s) are not used and are put to the potential of the guard to which they contribute.
  • Coupling capacitance measurements are made between the excitation electrode (s) and measuring electrodes, for example by measuring electrode measurement.
  • a control interface control method implementing a device according to one of the preceding claims, comprising steps of:
  • FIG. 1 shows a diagram of the device configured according to a direct capacity measurement mode, with a floating reference electric potential
  • FIG. 2 shows a diagram of the device configured according to a coupling capacity measurement mode, with a floating reference electric potential
  • FIG. 3 shows a diagram of the device configured according to a coupling capacity measurement mode, with a reference electrical potential fixed with respect to the ground potential.
  • FIG. 4 shows alternative embodiments of the capacitive electrodes, with capacitive measurement electrodes that are independent over the entire surface and, FIG. 4 (a) and FIG. 4 (b), an excitation electrode and FIG. 4 (c). ) columns of excitation electrodes.
  • FIGS. 1, 2 and 3 An exemplary embodiment of a device according to the invention, which of course is not limiting, will be described with reference to FIGS. 1, 2 and 3.
  • the device comprises a detection surface 1.
  • Two crossed electrode layers 3, 4 are placed on superimposed surfaces, rows and in columns, therefore in two substantially perpendicular d irections.
  • a guard electrode 2 is placed behind the electrodes 3, 4, that is to say on their side opposite to the detection surface 1. This guard electrode 2 makes it possible to avoid capacitive leaks during capacitance measurements and greatly reduce parasitic coupling capacitances in coupling capacity measurement mode.
  • the device according to the invention can operate according to a capacity measurement mode, in which capacitances (or at least information relating to capacitances, which may also be for example capacity reversals) are measured 1 / C) between one or more control objects and electrodes 3, 4, for the purpose of deriving the distance or approach information.
  • the detection electronics is configured in floating mode. This mode is shiny in Figure 1.
  • the device can also operate according to coupling capacitance measurement modes, in which a variation of coupling capacitance between excitation electrodes 3 and measuring electrodes 4 is measured (or at least information relating to a capacitance). which may also be, for example, an inverse of capacitance 1 / C) sufficiently close to at least one area of the detection surface 1 to interact capacitively.
  • a variation of coupling capacitance between excitation electrodes 3 and measuring electrodes 4 is measured (or at least information relating to a capacitance).
  • a variation of coupling capacitance between excitation electrodes 3 and measuring electrodes 4 is measured (or at least information relating to a capacitance).
  • a variation of coupling capacitance between excitation electrodes 3 and measuring electrodes 4 is measured (or at least information relating to a capacitance).
  • an object of control is detected by the disturbances of the capacitive coupling that it generates when it approaches the zone where the electrodes 3, 4 interact.
  • the device according to the invention can operate according to two modes of coupling capacity measurement:
  • the detection electronics is a floating electronics, referenced to a floating potential
  • the detection electronics is an electronic referenced to a fixed potential with respect to the mass of the ispositif device.
  • the device comprises the same components in all modes.
  • a set of analog switches SI ... S13 allows you to switch from a configuration allowing measurements of capacity to Coupling capacity measurement configurations. These switches S1 ... S13 are chosen so as to minimize all the parasitic capacitances that they are capable of generating.
  • the invention allows a high speed of detection of one or more control objects (or others). It is known that contactless control applications must be simple so that anyone can easily master gesture commands. Indeed, because it does not touch the control surface or detection 1, it is more difficult to control the movement of one or more fingers.
  • the most common non-contact commands are approach detection to activate a device, move an image on a screen, magnify or reduce an image .... These commands can be performed with one or two fingers. These commands can be detected with the invention by taking measurements along lines 3 and columns 4 of sensors in the direct capacity measurement mode. This technique is fast because it is sufficient to select sequentially at most all n rows and m columns, which represents n + m measures.
  • Coupling capability measurement modes normally require sequential selection of all coupling capabilities, i.e., all row-column nodes, which represents n x m combinations. It is possible to significantly reduce the number of combinations by exploiting the areas where the fingers and ghosts were previously identified in the direct capacity measurement mode.
  • the position detection of several fingers can be performed with a number of measurements between n + m and n x m.
  • the invention is more particularly suited to medium and large size touch screens where the approach detection function of one or more fingers, or one or more hands, becomes possible using a number of electrodes 3, 4 limited, while maintaining the touch and multi-touch function that exists on the market.
  • the capacitive electrodes 3, 4 and the guard electrode 2 may be made of transparent conductive material as deposited on a polymer such as PET or on glass so that they can be used on screens.
  • the rows and columns of electrodes 3, 4 comprise a succession of surfaces in the form of a square or rhombus.
  • the distance separating these emitting and receiving surfaces can be advantageously optimized in order to optimize the range of the distance measurement with respect to the detection surface 1.
  • the measurement has a fairly low sensitivity and the scope of the detection of the control object is limited to a few millimeters in the air.
  • the guard 2 and a slight air gap between the emitter 3 and receiver 4 electrodes it is possible to increase the sensitivity when approaching the object.
  • This technique makes it possible to project the field lines emitted by the emitting electrodes 4 a little further and to react earlier when approaching an object. It is thus possible to detect a finger in coupling capacity measuring mode more than 5 mm apart.
  • the rows and the columns of electrodes 3, 4 can be completed towards the edges of the detection surface 1 by a last electrode substantially in the shape of a triangle to improve the detection capabilities of the device towards the edges.
  • the measured capacitance increases as the object to be detected approaches.
  • the capacities to be measured in this case are generally between some femtofarads and some picofarads.
  • the measured capacitance also increases as the object to be detected approaches, since this object and the excitation electrodes 3 are substantially at ground potential. Mr.
  • the object to be detected acts as a ground-disturbing element that derives a portion of the field lines between the excitation electrode. 3 and the measuring electrode 4 and therefore decreases the coupling capacity when approaching.
  • the capacitances to be measured in coupling capacity measurement modes are generally between a few picofarads and a few tenths of picofarads.
  • the electronics 8 is designed to be able to measure both the capacitances in direct capacitance measurement mode and the coupling capacitance measurement mode.
  • the choice of coupling capacity measurement mode depends on the application.
  • the floating mode of FIG. 2 allows a better sensitivity to detect control objects, whereas in some cases, according to the electrode geometries, the non-floating mode of FIG. 3 allows a better lateral resolution.
  • the device shown in FIGS. 1, 2 and 3 comprises, in a nonlimiting manner, four electrode lines 3 which can be used as single electrodes in direct capacitance measurement mode and as emitting or excitation electrodes in the measurement mode of the electrodes. coupling capacitors, and four electrode columns 4 which can be used as single electrodes in direct capacitance measurement mode and in receiver or measurement electrodes in the coupling capacitance measurement mode.
  • the electronics used are a so-called floating-feed electronics for the direct capacitance measurement mode, shown in FIG. 1, as well as for the coupling capacitance measurement mode shown in FIG. Switching switches S1 ... S13, this electronics is transformed into non-floating electronics in order to operate in the coupling capacity measurement mode shown in Figure 3.
  • the electronics In floating mode, the electronics energize the electrodes 3, 4 concerned and keep them 9 preferably at a fixed frequency, with respect to the mass M.
  • the mass M has a potential close to that of the earth and the earth. object to be detected (external environment).
  • the electrodes are protected by a guard electrode 2 connected to the potential of the guard 9.
  • the rows and columns of measuring electrodes 3, 4 and the guard electrode 2 are connected to the electronic circuit 8 by means of conductive tracks 7, for example made of copper or silver.
  • the connection tracks between the electrodes 3, 4 and the electronics 8 are shielded with the shielding B1 is connected to the potential of the guard 9.
  • This connection can be realized with a cable, or preferably with a multilayered substrate, such as for example a polyimide-based (Kapton) or PET-based bulk circuit.
  • the tracks connected to the electrodes 4 which have only the receiver function are slightly elongated from the tracks connected to the electrodes 3 having the two transmitting and receiving functions in order to limit the capacitive leaks in the coupling capacitance measurement mode.
  • the use of flexible floss promotes this protection thanks to the small air gap between tracks 7 and the guard plan.
  • the measurement electrodes 3, 4 are all receivers.
  • the switches S1 through S8 selectively select the measurement receiving electrode (or the active electrode) 3, 4.
  • the non-selected receiving electrodes for each sequential measurement are connected to the guard 9 to prevent capacitive leakage.
  • the switches S9 and S10 are connected to the floating reference or guard potential 9 in order to avoid capacitive leakage with the excitation potential generated by the oscillator OSC.
  • the oscillator OSC preferably provides a fixed frequency electrical voltage.
  • Switches SU and S12 connect the electrodes of the lines 3 to the charge amplifier A, which makes it possible to measure the capacitance between the active electrode and the object or objects.
  • the switch 13 relays the output of the oscillator OSC to the external mass M and thus provides the excitation of this mass M in order to set the excitation voltage of the electrodes 3, 4 and floating capacitive bridge.
  • the entire floating electron is powered by an AF floating power supply.
  • This floating bridge electronics makes it possible to eliminate parasitic capacitances to a large extent.
  • the measured capacities are directly those created between the target object and the electrodes 3, 4.
  • the sensitivity of the device is optimized and allows a very long-range measurement very resolute.
  • the capacitive sensors and the associated electronics can then be optimized to reach a measurement range, or dynamic, important.
  • the range of capacitances to be measured with each electrode can range from less than one thousandth of picofarad to several picofarads, ie a dynamic in terms of capacity greater than 1000.
  • This dynamic makes it possible to detect, with substantially the same resolution side related to the size of the electrode, the presence or position of a distant object such as a finger more than 5 cm away and the contact of this finger on the detection surface.
  • the detection electronics is configured in the same manner as in FIG. 1, with a floating reference potential 9.
  • the electrodes of the lines 3 are emitting excitation electrodes, while the electrodes of the columns 4 are measuring measurement electrodes.
  • the function of the switches S9 and S10 is to connect the emitter electrode lines 3 to the ground M (which is also substantially the potential of a control object).
  • the active transmitter line 3 is selected by the switches S5 to
  • Unused transmission lines 3 are set to reference potential 9 floating to limit parasitic capacitances.
  • the switches SU and S12 are also connected to the floating reference potential 9 in order to avoid capacitive leakage between the excitation signal and the receiving electrodes 4.
  • the switches S1 to S4 make it possible to select a receiving electrode 4 from the electrodes of the columns 4 and to connect it to the charge amplifier A, in order to measure the coupling capacity (possibly affected by the presence of the control object) between the emitting electrode 3 and the receiving electrode 4 selected.
  • the reference potential 9 always remains at the same value as the potential of the receiver electrodes 4, which guarantees a good protection against parasitic capacitances.
  • the electronics are referenced to the ground M.
  • the electrodes of the lines 3 are emitting, while the electrodes of the columns 4 are receivers.
  • Switches S9 and S10 function to connect the lines of electrodes 3 emitting, the excitation signal OSC.
  • the active transmitter line 3 is selected by the switches S5 to S8.
  • the switches SU and S12 are connected to the reference or guard potential 9 in order to avoid capacitive leakage between the excitation signal and the 4 receiver columns.
  • the switch 13 ensures the excitation of the emitting electrodes 3.
  • the external mass M is this time connected to the reference potential 9.
  • the switches S1 to S4 make it possible to select a receiving electrode 4 from the electrodes of the columns 4 and to connect it to the charge amplifier A, in order to measure the coupling capacity (possibly affected by the presence of the control object) between the emitting electrode 3 and the receiving electrode 4 selected.
  • the reference potential 9 always remains at the same value as the potential of the receiver electrodes 4, which guarantees a good protection against parasitic capacitances.
  • the AF floating power supply plays only a role of conventional power supply where electrical insulation at the excitation frequency is no longer necessary.
  • the output signal of the charge amplifier A is the image of the capacitance seen by the selected receiver electrode 3, 4. This signal is processed by the processing module Mod to determine the position and movement of the detected objects.
  • This information is sent in digital form to the external circuit which manages and processes the functions of the interface.
  • the device according to the invention can be implemented with a wide variety of electrode configurations.
  • the device according to the invention may comprise:
  • independent capacitive measuring electrodes 4 distributed over the entire detection surface 1 and connected to the charge amplifier A by scanners such as S1 to S4, but in a number equal to the number of electrodes;
  • one or a small number of capacitive electrodes (3) of excitation 3 are positioned so as to substantially surround the capacitive electrodes of measurement.
  • the capacitive excitation electrodes 3 are arranged in columns between the independent measurement electrodes 4.
  • the excitation electrodes 3 and measurement 4 can be separated by guard tracks. In order to be able to pass these tracks on the same surface, the mail constituting them the excitation electrode 3 are not closed on Fig ures 4 (a) and 4 (b).
  • the capacitive electrode (s) of excitation 3 may be made on the same surface as the measurement electrodes 4, or on another layer or a substantially parallel surface. They can in particular be made on a surface comprising the guard electrode 2.
  • the sensitive surface is thus substantially covered with multiplexed independent measuring electrodes 4, which can be used in the two direct capacitance measurement and coupling capacity measurement modes.
  • the excitation electrode (s) 3 are not used and are put to the potential of the guard 9 to which they contribute.
  • Coupling capacitance measurements are made between the excitation electrode (s) 3 and measurement electrodes 4, for example by measuring electrode measurement 4.
  • all the excitation electrodes 3 can be interconnected to make only one of them, or S5 ... S8 scanners can be used to excite the electrodes. of excitement 3 located both measuring electrodes 4 being scanned, and setting the other excitation electrodes to the potential of the guard 9. According to other variants of embodiments:
  • the electrodes 3, 4 may be placed in rows and columns or directions forming any angle between them;
  • the electrodes 3, 4 may comprise a succession of surfaces of all shapes
  • Electrodes 3, 4 can be deposited on the same layer with electrical bridges 5, 6 to connect the surfaces without shorting the rows and columns.

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'interface de commande comprenant (i) une pluralité d'électrodes capacitives disposées de telle sorte à couvrir une surface de détection, (ii) des moyens électroniques de mesure capacitive aptes à produire des informations de distance et/ou de contact entre au moins un objet de commande et des électrodes capacitives, et (iii) des moyens de commutation aptes à configurer lesdits moyens électroniques de mesure capacitive de telle sorte à permettre des mesures directes de capacité, et des mesures de variation de capacités de couplage, les moyens électroniques de mesure capacitive étant au moins en partie référencés à un potentiel électrique de référence flottant lors des mesures directes de capacité. L'invention concerne aussi un procédé mis en œuvre dans ce dispositif ou cet appareil.

Description

« Interface capacitive gestuelle à commutation de mode de mesure »
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif d'interface de commande sensible au mouvement et/ou au contact d'au moins un objet de commande, telle qu'une interface gestuelle.
Le domaine de l'invention est plus particulièrement mais de manière non limitative celui des surfaces tactiles et à détection de proximité capacitives utilisées en particulier pour les commandes d'interface homme machine.
Etat de la technique antérieure
Un grand nombre d'interfaces tactiles et gestuelles utilisent des technologies capacitives. La surface tactile est équipée d'électrodes conductrices reliées à des moyens électroniques qui permettent de mesurer la variation des capacités apparaissant entre des électrodes et l'objet à détecter pour effectuer une commande.
Cet objet, ou objet de commande, peut être par exemple un doigt ou un stylet.
Les techniques capacitives actuellement mises en œuvre dans des interfaces tactiles utilisent le plus souvent deux couches d'électrodes conductrices en forme de lignes et de colonnes. L'électronique mesure les capacités de couplage qui existent entre ces lignes et colonnes. Lorsqu'un doigt est très proche de la surface active, les capacités de couplage à proximité du doigt sont modifiées et l'électronique peut ainsi localiser la position en 2D (XY), dans le plan de la surface active.
Ces technologies basées sur des mesures de capacités de couplage sont souvent appelées en Anglais « mutual capacitance ». Elles permettent de détecter la présence et la position d'un doigt au travers d'un diélectrique de faible épaisseur. Elles ont l'avantage de permettre une très bonne résolution pour la localisation dans le plan (XY) de la surface sensible d'un ou de plusieurs doigts ou autres objets de commande. Elles permettent également avec un logiciel de traitement approprié de gérer un grand nombre d'objets de commande si la surface de l'interface est suffisamment grande.
Ces techniques ont toutefois l'inconvénient de générer par principe des capacités de fuite importantes au niveau des électrodes de mesure et de l'électronique. En effet la détection d'un doigt est réalisée en mesurant la variation de la capacité de couplage créée entre chaque ligne et colonne dont l'une est émettrice d'un signal électrique et l'autre réceptrice du signal à détecter. Ce signal est proportionnel à la capacité entre les lignes et les colonnes sélectionnées. Lorsque qu'un doigt est très proche de l'intersection du couple ligne et colonne concerné, la capacité de couplage est réduite et la détection du doigt est réalisée.
Ces capacités de couplage importantes - même sans présence de l'objet à détecter - peuvent de plus dériver dans le temps du fait du vieillissement, de la déformation des matériaux, ou de l'effet de la variation de la température environnante. Ces variations peuvent dégrader la sensibilité des électrodes, voire déclencher intempestivement des commandes. C'est une des raisons pour lesquelles ces technologies ne peuvent détecter le plus souvent que le contact des objets de commande et non leur approche car il est nécessaire de créer de grandes variations de capacité, bien supérieures aux dérives, pour éviter tout artefact de détection.
On connaît également des techniques permettant de mesurer la capacité qui apparaît entre des électrodes réparties par exemple sur une surface active et un objet à détecter. Les électrodes sont scrutées séquentiellement par une électronique de mesure qui détermine la capacité, et donc une information de distance, entre les électrodes et le ou les objet(s) à détecter. Ces techniques dites de mesure directe de capacité sont souvent appelées en Anglais « self capacitance ».
Ces techniques de mesure directe de capacité sont bien adaptées aux interfaces de commande capacitives nécessitant peu d'électrodes, comme par exemple des interfaces dont la surface active est de relativement petite taille. Par contre, pour des surfaces sensibles de plus grande taille, le nombre d'électrodes nécessaire pour recouvrir toute la surface devient en général trop important pour pouvoir être géré avec des temps de réaction raisonnables par un circuit électronique miniature.
Il est également possible d'utiliser des électrodes en structure ligne et colonne avec des techniques de mesure directe de capacité. Les électrodes en lignes et colonnes sont alors utilisées comme électrodes indépendantes et permettent une mesure sans contact ou gestuelle à grande distance (détection d'un doigt à plusieurs centimètres). Toutefois, un autre problème apparaît lorsque l'on souhaite détecter plus d'un objet. En effet, la mesure nécessite la scrutation de chaque ligne et chaque colonne, ce qui entraîne l'apparition dans la mesure d'objets virtuels appelés fantômes. Ces fantômes empêchent la localisation absolue de plusieurs objets sur la surface sensible.
Pour détecter plusieurs objets à distance (en 3D), l'idéal serait une solution qui permettrait de conserver sur le même système les avantages des deux principes de mesure directe de capacité (« self capacitance ») pour la détection de proximité et de mesure de capacités de couplage (« mutual capacitance ») pour détecter plusieurs objets sans fantôme.
On connaît le document US 2010/0328262 de Huang et al . qui divulgue un dispositif d'interface capacitive permettant de fonctionner selon les deux modes de mesure directe de capacité ou de mesure de capacités de couplage (« self capacitance » ou « mutual capacitance ») et de commuter entre les deux. Le passage en mode de mesure de capacité de couplage est utilisé précisément pour lever l'ambiguïté due aux fantômes lorsque deux objets sont détectés.
De par la technologie de détection mise en œuvre, le dispositif est toutefois limité aux mesures de contact. En outre, la présence des électrodes croisées perturbe fortement les mesures dans le mode de mesure directe de capacité, car les capacités de couplage entre pistes demeurent présentes et deviennent des capacités parasites qui sont compensées électroniquement, avec tous les risques de dérive et de bruit électronique que cela entraîne.
On connaît également le document US2011/0007021 de Bernstein et al . qui divulgue une interface capacitive capable de détecter un doigt à proximité ou sur une surface sensible. Le dispositif comprend un réseau d'électrodes en lignes et colonnes pouvant fonctionner selon un mode de mesure directe de capacité et un mode de mesure de capacités de couplage. La portée du dispositif est améliorée par l'utilisation d'une électrode de garde soumise à un potentiel alternatif.
L'utilisation d'une telle garde active est une technique bien connue en métrologie capacitive pour diminuer les capacités parasites et en conséquence améliorer la sensibilité de mesure. Mais cette technique seule n'est pas suffisante pour permettre des mesures à grande distance. On connaît par ailleurs le document FR 2 844 349 de Rozière qui divulgue un détecteur capacitif de proximité comprenant une pluralité d'électrodes indépendantes, qui permet de mesurer la capacité et la distance entre les électrodes et un objet à proximité.
Cette technique permet d'atteindre des portées ou des étendues de mesure importantes, tout en permettant des mesures de distance précises. Ces résultats sont atteints grâce à l'utilisation d'une électronique de détection flottante qui permet de maintenir les électrodes de mesure et de garde à un même potentiel flottant par rapport à la terre, et d'éliminer les capacités de couplage parasites. Cette électronique de détection flottante est décrite en détail dans le document FR 2 756 048 de Rozière.
Le but de la présente invention est de proposer une solution qui permette de gérer des électrodes capacitives selon des modes de mesure directe de capacités et de mesure de capacités de couplage avec un même circuit électronique, tout en garantissant des performances optimales en termes de sensibilité de détection et de précision pour les mesures à distance, ainsi que de résolution.
Exposé de l'invention
Cet objectif est atteint avec un dispositif d'interface de commande comprenant :
- une surface de détection,
- une pluralité d'électrodes capacitives disposées de telle sorte à couvrir sensiblement ladite surface de détection,
- des moyens électroniques de mesure capacitive aptes à produire des informations de distance et/ou de contact entre au moins un objet de commande et des électrodes capacitives,
- des moyens de commutation aptes à configurer lesdits moyens électroniques de mesure capacitive de telle sorte à permettre soit des mesures directes de capacité entre des électrodes capacitives et un ou des objet(s) de commande, et des mesures de variation de capacités de couplage entre des électrodes capacitives d'excitation et de mesure,
caractérisé en ce que lesdits moyens électroniques de mesure capacitive sont au moins en partie référencés à un potentiel électrique de référence flottant par rapport à un potentiel de masse lors des mesures directes de capacité. De préférence, le potentiel flottant est un potentiel alternatif. Il est dit flottant par rapport à un potentiel de masse dans la mesure où il n'est pas référencé (sur le plan électrique) à ce potentiel de masse, ou dans la mesure où il est variable (de manière définie ou indéfinie) par rapport à ce potentiel de masse.
Le potentiel de masse peut être la masse du dispositif, ou une terre, ou tout potentiel référencé électriquement à une masse du dispositif, mais éventuellement différent de celui-ci.
Les objets de commande peuvent être par exemple un doigt ou un stylet. Une action effectuée par un utilisateur avec deux ou plusieurs doigts est donc « vue » par le dispositif comme l'action de plusieurs objets de commande. Ces objets de commande peuvent, sans perte de généralité, être considérés comme référencés à la masse du dispositif ou à la terre.
L'utilisation d'un circuit de détection à un potentiel électrique flottant permet d'éliminer les capacités de couplage parasites entre éléments qui « flottent » tous sur le plan électrique à la même tension, et ainsi d'obtenir une sensibilité et une précision de mesure inatteignable avec un circuit de détection référencé à la terre. Cela permet notamment une détection précise d'objets de commande à des distances importantes.
Suivant un mode de réalisation ou de configuration du dispositif selon l'invention, les moyens de mesure capacitive peuvent être référencés à un potentiel électrique de référence fixé par rapport au potentiel de masse lors des mesures de capacités de couplage.
Ce potentiel électrique de référence peut être aussi égal au potentiel de masse ou référencé à un potentiel de masse. Dans ce cas, le mode de mesure de capacités de couplage fonctionne selon un schéma plus classique mais suffisant pour détecter des contacts entre des objets de commande et la surface de détection par exemple.
Suivant un autre mode de réalisation ou de configuration de dispositif selon l'invention, les moyens de mesure capacitive peuvent au moins en partie être référencés à un potentiel électrique de référence flottant par rapport au potentiel de masse lors des mesure de capacités de couplage.
Dans ce cas, les moyens de mesure capacitive comprennent une partie référencée à un potentiel électrique de référence flottant dans les deux modes de mesure (mesures de capacités directes et mesures de capacité de couplage).
Le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des moyens de commutation agencés de telle sorte à relier au moins une électrode capacitive d'excitation à un potentiel électrique fixé par rapport au potentiel de masse lors des mesures de capacités de couplage.
Dans ce cas, avec une partie de détection référencée à un potentiel électrique de référence flottant, un objet de commande et les électrodes d'excitations sont « vues » par la détection flottante comme des éléments sensiblement à la masse dont on mesure des capacités de couplage en parallèle sur l'électrode de mesure. On obtient ainsi une meilleure sensibilité et une meilleure portée de détection dans ce mode de mesures de capacités de couplage.
Le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des moyens de commutation agencés de telle sorte à permettre un changement de potentiel électrique de référence, entre un potentiel flottant et un potentiel fixé par rapport au potentiel de masse.
L'invention permet de mettre en œuvre une électronique de détection flottante particulièrement efficace pour les mesures à grande distance, et de la combiner avantageusement avec des modes de détection de capacités de couplage qui permettent une détection sans ambiguïté de plusieurs objets de commande à courte distance.
L'invention étend ainsi le champ d'application de cette technique de mesure par détection flottante dont l'un des objectifs tel que décrit dans l'art antérieur est précisément d'éliminer les capacités de couplage entre électrodes voisines ou entre les électrodes et l'environnement.
En outre, l'invention décrit un mode de mise en œuvre d'une détection flottante pour des mesures de capacités de couplage original au vu de l'art antérieur.
Enfin, il est à noter que les différentes configurations de l'invention peuvent être mises en œuvre dans un même dispositif, avec des moyens de commutation tels que des commutateurs ou switchs analogiques pour passer d'une configuration à l'autre. Bien entendu, un dispositif selon l'invention peut être aussi réalisé de telle sorte à n'implémenter qu'une partie des modes de fonctionnement possibles.
Le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre une électrode de garde à un potentiel électrique de référence disposée à proximité des électrodes capacitives, selon leur face opposée à la surface de détection.
Suivant les configurations, cette électrode de garde peut être au potentiel flottant ou au potentiel fixé par rapport au potentiel de masse. Elle permet de s'affranchir dans une large mesure des perturbations de l'environnement en particulier de celles dues au dispositif comprenant l'interface.
Le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des moyens de scrutation permettant :
- lors des mesures directes de capacité, de sélectionner au moins une électrode capacitive de mesure de telle sorte à permettre des mesures de capacité entre cette ou ces électrode(s) de mesure et le ou les objet(s) de commande,
- lors des mesures de capacités de couplage, de sélectionner au moins une électrode capacitive d'excitation et au moins une électrode capacitive de mesure, de telle sorte à permettre des mesures de variation de capacité de couplage entre lesdites électrodes capacitives d'excitation et de mesure,
- de relier les électrodes capacitives non sélectionnées au potentiel de référence.
Ainsi, les électrodes non sélectionnées contribuent à la garde, ce qui permet en particulier dans le mode de mesure directe de capacité d'annuler les capacités parasites et d'optimiser la sensibilité.
Suivant des modes de réalisation, le dispositif selon l'invention peut en outre comprendre :
- des électrodes capacitives disposées sensiblement selon deux directions croisées ;
- des électrodes capacitives disposées selon deux couches superposées, lesquelles couches comprenant, respectivement, des électrodes selon une première direction et des électrodes selon une seconde direction ; - des électrodes capacitives disposées selon une couche, lesquelles électrodes comprenant des éléments reliés par des connexions en pont selon, respectivement, une première direction et une seconde direction ;
- des électrodes capacitives agencées selon des lignes et des colonnes ; - des électrodes capacitives comprenant une pluralité de surfaces reliées électriquement entre elles, lesquelles surfaces pouvant être sensiblement de l'une des formes suivantes : carrée, rectangulaire, en forme de losange, circulaire, elliptique ;
- des électrodes sensiblement transparentes, à base d'ITO (« Indium Tin Oxide »).
Suivant une variante, le dispositif selon l'invention peut comprendre :
- des électrodes capacitives de mesure indépendantes, réparties selon la surface de détection et reliées à des moyens de scrutation,
- une électrode capacitive d'excitation disposée de telle sorte à sensiblement entourer les électrodes capacitives de mesure.
L'électrode capacitive d'excitation peut être disposée selon une même surface ou selon une surface sensiblement parallèle à celle des électrodes capacitives de mesure.
La surface sensible est ainsi sensiblement couverte d'électrodes de mesure indépendantes multiplexées, utilisables dans les deux modes de mesure directe de capacité et de mesures de capacités de couplage.
Dans le mode de mesure directe de capacité, la ou les électrode(s) d'excitation ne sont pas utilisées et sont mises au potentiel de la garde à laquelle elles contribuent.
Les mesures de capacités de couplage se font entre la ou les électrode(s) d'excitation et des électrodes de mesure, à raison par exemple d'une mesure par électrode de mesure.
Avec une surface sensible échantillonnée par des électrodes de mesure indépendantes, il n'y a à priori pas de problèmes de fantômes, contrairement par exemple à des électrodes en lignes et colonnes. Toutefois, l'utilisation d'un mode de mesure de capacités de couplage tel que décrit permet d'améliorer sensiblement la résolution latérale à courte distance et ainsi de mieux discriminer des objets de commande proches. Suivant un autre aspect, il est proposé un procédé de contrôle d'interface de commande mettant en œuvre un dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant des étapes de :
- configuration des moyens électroniques de mesure capacitive de telle sorte à permettre des mesures directes de capacité,
- scrutation des électrodes de mesure pour détecter des objets de commande supposés,
- si une pluralité d'objets de commande est détectée, configuration des moyens électroniques de mesure capacitive de telle sorte à permettre des mesures de variation de capacités de couplage,
- scrutation des électrodes capacitives d'excitation et de mesure dont les zones de couplage se trouvent dans ou à proximité de zones de la surface de mesure dans lesquelles des objets de commande supposés ont été détectés, pour déterminer des mouvements et/ou des contacts d'objets de commande.
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
- la figure 1 présente un schéma du dispositif configuré selon un mode de mesure directe de capacités, avec un potentiel électrique de référence flottant,
- la figure 2 présente un schéma du dispositif configuré selon un mode de mesure de capacités de couplage, avec un potentiel électrique de référence flottant,
- la figure 3 présente un schéma du dispositif configuré selon un mode de mesure de capacités de couplage, avec un potentiel électrique de référence fixé par rapport au potentiel de masse
- la figure 4 présente des variantes de modes de réalisation des électrodes capacitives, avec des électrodes capacitives de mesure indépendantes sur toute la surface et, figure 4(a) et figure 4(b), une électrode d'excitation et figure 4(c) des colonnes d'électrodes d'excitation .
On va décrire en référence aux figures 1, 2 et 3 un exemple de mode de réalisation de dispositif selon l'invention, qui est bien entendu non limitatif.
Le dispositif comprend une surface de détection 1. Deux couches d'électrodes croisées 3, 4 sont placées sur des surfaces superposées, en lignes et en colonnes, donc selon deux d irections sensiblement perpendiculaires. U ne électrode de garde 2 est placée à l 'arrière des électrodes 3, 4, c'est-à d ire selon leur face opposée à la surface de détection 1. Cette électrode de garde 2 permet d 'éviter les fuites capacitives lors de mesures d irectes de capacité et de réduire très fortement les capacités de couplage parasites en mode de mesure de capacités de couplage.
Le d ispositif selon l 'invention peut fonctionner selon un mode de mesures d irectes de capacités, dans leq uel on mesure des capacités (ou d u moins des informations relatives à des capacités, q ui peuvent être également par exemple des inverses de capacité 1/C) entre un ou des objet(s) de commande et des électrodes 3, 4, dans le but d 'en déduire des informations de d istance ou d 'approche . L'électroniq ue de détection est config urée en mode flottant. Ce mode est il lustré à la figure 1.
Le d ispositif peut également fonctionner selon des modes de mesures de capacités de couplage, dans lesq uels on mesure une variation de capacité de couplage entre des électrodes d 'excitation 3 et de mesu re 4 (ou d u moins une information relative à u ne capacité, q ui peut être également par exemple une inverse de capacité 1/C) suffisamment proches au moins en une zone de la surface de détection 1 pour interagir capacitivement. Dans ces modes on détecte un objet de commande par les perturbations d u couplage capacitif qu'il engendre lorsq u'il approche de la zone où les électrodes 3, 4 interag issent.
Le d ispositif selon l'invention peut fonctionner selon deux modes de mesure de capacité de couplage :
- dans un premier mode il lustré à la figure 2, l'électroniq ue de détection est une électronique flottante, référencée à un potentiel flottant ;
- dans un second mode il lustré à la fig ure 3, l 'électroniq ue de détection est une électroniq ue référencée à un potentiel fixe par rapport à la masse du d ispositif.
Bien entendu, il n'est pas forcément nécessaire en pratique d 'implémenter les deux modes de mesure de capacité de couplage sur un même d ispositif.
Le d ispositif comprend les mêmes composants dans tous les modes. U n ensemble de commutateurs analog iq ues SI ... S13 permet de passer d 'une configuration permettant des mesures d irectes de capacité aux configurations de mesure de capacités de couplage. Ces commutateurs SI ... S13 sont choisis de telle sorte à minimiser toutes les capacités parasites qu'ils sont susceptibles d'engendrer.
Avantageusement, l'invention permet une vitesse élevée de détection d'un ou plusieurs objets de commande (ou autres). On sait que les applications de commande sans contact doivent être simples afin que toute personne puisse facilement maîtriser les commandes gestuelles. En effet, du fait que l'on ne touche pas la surface de commande ou de détection 1, il est plus difficile de maîtriser le mouvement d'un ou plusieurs doigts.
Les commandes sans contact les plus classiques sont la détection d'approche pour activer un appareil, déplacer une image sur un écran, effectuer un grossissement ou une réduction d'une image.... Ces commandes peuvent être effectuées avec un ou deux doigts. Ces commandes peuvent être détectées avec l'invention en effectuant des mesures selon les lignes 3 et les colonnes 4 de capteurs dans le mode de mesure directe de capacité. Cette technique est rapide car il suffit de sélectionner séquentiellement au plus toutes les n lignes et m colonnes, ce qui représente n+m mesures.
Par contre, pour effectuer des commandes plus complexes avec au moins deux doigts ou détecter leurs réelles positions, il est nécessaire d'utiliser un mode de mesure de capacités de couplage car le mode de mesure directe de capacité générerait des fantômes qui rendent ces commandes impossibles à interpréter correctement.
Les modes de mesure de capacités de couplage nécessitent normalement de sélectionner séquentiellement toutes les capacités de couplage, c'est-à- dire tous les nœuds lignes-colonnes, ce qui représente n x m combinaisons. Il est possible de réduire significativement le nombre de combinaisons en exploitant les zones où les doigts et fantômes ont été précédemment repérés en mode de mesure directe de capacité.
Dans ces conditions, la détection de position de plusieurs doigts peut être réalisée avec un nombre de mesures compris entre n + m et n x m.
L'invention est plus particulièrement adaptée aux écrans tactiles de moyenne et grande taille où la fonction de détection d'approche d'un ou plusieurs doigts, ou d'une ou plusieurs mains, devient possible en utilisant un nombre d'électrodes 3, 4 limité, tout en conservant la fonction tactile et multi- tactile qui existe sur le marché. Les électrodes capacitives 3, 4 et l'électrode de garde 2 peuvent être en matériau conducteur transparent comme ΙΊΤΟ déposé sur un polymère tel que du PET ou sur du verre afin de pouvoir être utilisées sur des écrans.
Les lignes et colonnes d'électrodes 3, 4 comprennent une succession de surfaces en forme de carré ou losange. La distance séparant ces surfaces émettrices et réceptrices peut être avantageusement optimisée afin d'optimiser la portée de la mesure en distance par rapport à la surface de détection 1.
En effet, en mode de mesure de capacités de couplage, la mesure a une sensibilité assez faible et la portée de la détection de l'objet de commande est limitée à quelques millimètres dans l'air. On peut toutefois, grâce à la présence de la garde 2 et à un léger entrefer entre les électrodes émettrices 3 et réceptrices 4, augmenter la sensibilité à l'approche de l'objet. Cette technique permet en fait de projeter un peu plus loin les lignes de champ émises par les électrodes émettrices 4 et de réagir plus tôt à l'approche d'un objet. On peut ainsi détecter un doigt en mode de mesure de capacités de couplage à plus de 5 mm de distance.
Les lignes et les colonnes d'électrodes 3, 4 peuvent être complétées vers les bords de la surface de détection 1 par une dernière électrode sensiblement en forme de triangle pour améliorer les capacités de détection du dispositif vers les bords.
Dans le mode de mesure directe de capacité de la figure 1, la capacité mesurée augmente lorsque l'objet à détecter s'approche. Les capacités à mesurer dans ce cas sont en général comprises entre quelques femtofarads et quelques picofarads.
Dans le mode de mesure de capacités de couplage basé sur une électronique flottante de la figure 2, la capacité mesurée augmente également lorsque l'objet à détecter s'approche, car cet objet et les électrodes d'excitation 3 sont sensiblement au potentiel de masse M.
Dans le mode de mesure de capacités de couplage basé sur une électronique référencée à la masse de la figure 3, l'objet à détecter agit comme un élément perturbateur à la masse qui dérive une partie des lignes de champ entre l'électrode d'excitation 3 et l'électrode de mesure 4 et en diminue donc la capacité de couplage lorsqu'il s'approche. Les capacités à mesurer dans les modes de mesure de capacités de couplage sont en général comprises entre quelques picofarads et quelques dixièmes de picofarads.
L'électronique 8 est conçue pour pouvoir mesurer aussi bien les capacités en mode de mesure directe de capacité et en mode de mesure de capacités de couplage.
Le choix du mode de mesure des capacités de couplage (flottant ou non flottant) dépend de l'application. Le mode flottant de la figure 2 permet une meilleure sensibilité pour détecter des objets de commande, alors que dans certains cas, selon les géométries d'électrodes, le mode non flottant de la figure 3 permet une meilleure résolution latérale.
Le dispositif présenté aux figures 1, 2 et 3 comprend, de manière non limitative, quatre lignes d'électrodes 3 qui peuvent être utilisées en électrodes simples en mode de mesure directe de capacité et en électrodes émettrices ou d'excitation en mode de mesure de capacités de couplage, et quatre colonnes d'électrodes 4 qui peuvent être utilisées en électrodes simples en mode de mesure directe de capacité et en électrodes réceptrices ou de mesure en mode de mesure de capacités de couplage.
L'électronique mise en œuvre est une électronique dite à alimentation flottante pour le mode de mesure directe de capacité, présenté à la figure 1, ainsi que pour le mode de mesure de capacités de couplage présenté à la figure 2. Grâce à un jeu de commutation des commutateurs SI ... S13, cette électronique est transformée en électronique non flottante afin de pouvoir fonctionner dans le mode de mesure de capacités de couplage présenté à la figure 3.
En mode flottant, l'électronique excite en tension les électrodes 3, 4 concernées et la garde 9 de préférence à une fréquence fixe, par rapport à la masse M. La masse M a un potentiel proche de celui de la terre et de l'objet à détecter (environnement extérieur).
Les électrodes sont protégées par une électrode de garde 2 reliée au potentiel de la garde 9.
Les lignes et colonnes d'électrodes de mesure 3, 4 et l'électrode de garde 2 sont reliées au circuit électronique 8 à l'aide de pistes conductrices 7 par exemple en cuivre ou en argent. Afin de minimiser les fuites capacitives, les pistes de liaison entre les électrodes 3, 4 et l'électronique 8 sont blindées avec le blindage Bl relié au potentiel de la garde 9. Cette l iaison peut être réal isée avec un câble, ou de préférence avec une l imande multicouche sou ple comme par exemple un circuit sou ple à base de polyimide ( Kapton) ou de PET.
Les pistes reliées aux électrodes 4 q ui ne possèdent q ue la fonction réceptrice sont légèrement éloig nées des pistes rel iées aux électrodes 3 possédant les deux fonctions émettrices et réceptrices afin de limiter les fuites capacitives en mode de mesure de capacités de couplage. L'utilisation de limande souple favorise cette protection g râce au faible entrefer entre les pistes 7 et le plan de garde.
On va maintenant décrire le principe de fonctionnement de la gestion des électrodes 3, 4 permettant de mettre en œuvre les modes de mesure d irecte de capacité et de mesure de capacités de couplage tout en minimisant les capacités parasites.
Dans le mode de mesure d irecte de capacité de la fig ure 1 , les électrodes de mesures 3, 4 sont toutes réceptrices. Les commutateurs SI à S8 sélectionnent séq uentiellement l 'électrode réceptrice de mesure (ou l 'électrode active) 3, 4. Les électrodes réceptrices non sélectionnées pour chaque mesure séquentielle sont connectées à la garde 9 afin d 'éviter toute fuite capacitive .
Les commutateurs S9 et S10 sont reliés au potentiel de référence ou de garde 9, flottant, afin d'éviter toute fuite capacitive avec le potentiel d 'excitation généré par l'oscillateur OSC. L'oscillateur OSC fournit de préférence une tension électriq ue à fréquence fixe.
Les commutateurs SU et S12 relient les électrodes des lignes 3 à l 'amplificateur de charge A, q ui permet de mesurer la capacité entre l 'électrode active et le ou les objets.
Le commutateu r 13 rel ie la sortie de l'oscillateur OSC à la masse extérieure M et ainsi assure l 'excitation de cette masse M afin de fixer la tension d 'excitation des électrodes 3, 4 et d u pont capacitif flottant. L'ensemble de l 'électron iq ue flottante est alimentée par une alimentation flottante AF.
La configuration de l'électronique mise en œuvre dans ce mode, également appelée en pont flottant, est décrite dans le document FR 2 844 349 de Rozière. Pl usieurs modes de réal isations sont appl icables à l'invention, notamment basés su r des mesures de capacité C ou de capacité inverse 1/C. Ils sont décrits en détail dans le document FR 2 756 048 de Rozière et ne sont donc pas repris ici .
Cette électronique en pont flottant permet de supprimer dans une large mesure les capacités parasites. Ainsi, les capacités mesurées sont directement celles créées entre l'objet visé et les électrodes 3, 4. La sensibilité du dispositif est optimisée et permet une mesure à grande distance très résolue. De plus, les capteurs capacitifs et l'électronique associée peuvent alors être optimisés pour atteindre une étendue de mesure, ou dynamique, importante. En effet, la gamme de capacités à mesurer avec chaque électrode peut s'étendre de moins d'un millième de picofarad à plusieurs picofarads, soit une dynamique en termes de capacité supérieure à 1000. Cette dynamique permet de détecter, avec sensiblement la même résolution latérale liée à la taille de l'électrode, la présence ou la position d'un objet lointain comme un doigt à plus de 5 cm de distance ainsi que le contact de ce doigt sur la surface de détection .
Dans le mode de mesure de capacités de couplage « flottant » de la figure 2, l'électronique de détection est configurée de la même manière que pour la figure 1, avec un potentiel de référence 9 flottant.
Les électrodes des lignes 3 sont des électrodes d'excitation émettrices, tandis que les électrodes des colonnes 4 sont des électrodes de mesure réceptrices.
Les commutateurs S9 et S10 ont pour fonction de connecter les lignes d'électrodes 3 émettrices à la masse M (qui est également sensiblement le potentiel d'un objet de commande) .
La ligne émettrice 3 active est sélectionnée par les commutateurs S5 à
S8. Les lignes émettrices 3 non utilisées sont mises au potentiel de référence 9 flottant pour limiter les capacités parasites.
Les commutateurs SU et S12 sont également reliés au potentiel de référence flottant 9 afin d'éviter toute fuite capacitive entre le signal d'excitation et les électrodes 4 réceptrices.
Les commutateurs SI à S4 permettent de sélectionner une électrode réceptrice 4 parmi les électrodes des colonnes 4 et de la relier à l'amplificateur de charge A, pour mesurer la capacité de couplage (éventuellement affectée par la présence de l'objet de commande) entre l'électrode émettrice 3 et l'électrode réceptrice 4 sélectionnées. Le potentiel de référence 9 reste toujours à la même valeur que le potentiel des électrodes réceptrices 4, ce qui garantie une bonne protection contre les capacités parasites.
Dans le mode de mesure de capacités de couplage de la figure 3, l'électronique est référencée à la masse M .
De même que précédemment, les électrodes des lignes 3 sont émettrices, tandis que les électrodes des colonnes 4 sont réceptrices.
Les commutateurs S9 et S10 ont pour fonction de connecter les lignes d'électrodes 3 émettrices, au signal d'excitation OSC. La ligne émettrice 3 active est sélectionnée par les commutateurs S5 à S8.
Les commutateurs SU et S12 sont reliés au potentiel de référence ou de garde 9 afin d'éviter toute fuite capacitive entre le signal d'excitation et les 4 colonnes réceptrices.
Le commutateur 13 assure l'excitation des électrodes émettrices 3. La masse M extérieure est cette fois reliée au potentiel de référence 9.
Les commutateurs SI à S4 permettent de sélectionner une électrode réceptrice 4 parmi les électrodes des colonnes 4 et de la relier à l'amplificateur de charge A, pour mesurer la capacité de couplage (éventuellement affectée par la présence de l'objet de commande) entre l'électrode émettrice 3 et l'électrode réceptrice 4 sélectionnées.
Le potentiel de référence 9 reste toujours à la même valeur que le potentiel des électrodes réceptrices 4, ce qui garantie une bonne protection contre les capacités parasites.
L'alimentation flottante AF ne joue plus qu'un rôle d'alimentation classique où l'isolation électrique à la fréquence d'excitation n'est plus nécessaire.
Dans tous les modes de détection, le signal de sortie de l'amplificateur de charge A est l'image de la capacité vue par l'électrode réceptrice 3, 4 sélectionnée. Ce signal est traité par le module de traitement Mod afin de déterminer la position et le mouvement des objets détectés.
Ces informations sont envoyées sous forme numérique au circuit extérieur qui gère et traite les fonctions de l'interface.
Le dispositif selon l'invention peut être mis en œuvre avec une grande variété de configurations d'électrodes. En référence à la fig ure 4, le d ispositif selon l'invention peut comprendre :
- des électrodes capacitives de mesure 4 indépendantes réparties sur toute la su rface de détection 1 et reliées à l 'amplificateur de charge A par des scrutateurs tels que SI à S4, mais en nombre égal au nombre d 'électrodes ;
- une ou un petit nombre d 'électrode(s) capacitive(s) d 'excitation 3 d isposée(s) de telle sorte à sensiblement entou rer les électrodes capacitives de mesure.
Dans les variantes présentées aux fig ures 4(a) et 4(b), il n'y a q u'une seule électrode capacitive d 'excitation 3 q ui forme un maillage autou r des électrodes de mesure 4. Dans la variante de la fig ure 4(b), cette électrode s'étend en outre le long des bords de la surface de détection 1.
Dans la variante présentée à la fig ure 4(c), les électrodes capacitives d 'excitation 3 sont d isposées en colonne entre les électrodes de mesures indépendantes 4.
Les électrodes d 'excitation 3 et de mesure 4 peuvent être séparées par des pistes de garde. Afin de pouvoir faire passer ces pistes sur une même surface, les mail les constituant l 'électrode d 'excitation 3 ne sont pas fermées sur les fig ures 4(a) et 4(b) .
La ou les électrode(s) capacitive(s) d 'excitation 3 peuvent être réal isées sur une même surface q ue les électrodes de mesure 4, ou sur une autre couche ou une surface sensiblement paral lèle. El les peuvent en particul ier être réalisées su r une surface comprenant l 'électrode de garde 2.
La surface sensible est ainsi sensiblement couverte d 'électrodes de mesure 4 indépendantes multiplexées, utilisables dans les deux modes de mesure directe de capacité et de mesures de capacités de couplage .
Dans le mode de mesure d irecte de capacité, la ou les électrode(s) d 'excitation 3 ne sont pas util isées et sont mises au potentiel de la garde 9 à laq uelle elles contribuent.
Les mesures de capacités de couplage se font entre la ou les électrode(s) d 'excitation 3 et des électrodes de mesure 4, à raison par exemple d 'une mesure par électrode de mesure 4.
Dans la variante de la figure 4(c), toutes les électrodes d 'excitation 3 peuvent être interconnectées pour n'en faire q u'une, ou on peut utiliser des scrutateu rs S5 ... S8 pou r n 'exciter que les électrodes d 'excitation 3 situées de part et d'autre des électrodes de mesures 4 en cours de scrutation, et mettre les autres électrodes d'excitation au potentiel de la garde 9. Suivant d'autres variantes de modes de réalisation :
- Les électrodes 3, 4 peuvent être placées selon des lignes et des colonnes ou des directions formant un angle quelconque entre elles ;
- Les électrodes 3, 4 peuvent comprendre une succession de surfaces de toutes formes ;
- Tout nombre de lignes 3 et colonnes 4 d'électrodes est envisageable ainsi que toute répartition des fonctions émettrice et réceptrice des électrodes ;
- Les lignes et colonnes d'électrodes 3, 4 peuvent être déposées sur la même couche avec des pontages électriques 5, 6 pour relier les surfaces sans court-circuiter les lignes et colonnes.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'interface de commande comprenant :
- une surface de détection (1),
- une pluralité d'électrodes capacitives (3, 4) disposées de telle sorte à couvrir sensiblement ladite surface de détection (1),
- des moyens électroniques de mesure capacitive (8) aptes à produire des informations de distance et/ou de contact entre au moins un objet de commande et des électrodes capacitives (3, 4),
- des moyens de commutation (S9 à S13) aptes à configurer lesdits moyens électroniques de mesure capacitive (8) de telle sorte à permettre des mesures directes de capacité entre des électrodes capacitives (3, 4) et un ou des objet(s) de commande, et des mesures de variation de capacités de couplage entre des électrodes capacitives d'excitation (3) et de mesure (4), caractérisé en ce que lesdits moyens électroniques de mesure capacitive
(8) sont au moins en partie référencés à un potentiel électrique de référence
(9) flottant par rapport à un potentiel de masse (M) lors des mesures directes de capacité.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure capacitive (8) sont référencés à un potentiel électrique de référence (9) fixé par rapport au potentiel de masse (M) lors des mesures de capacités de couplage.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure capacitive (8) sont au moins en partie référencés à un potentiel électrique de référence (9) flottant par rapport au potentiel de masse (M) lors des mesure de capacités de couplage.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que qu'il comprend en outre des moyens de commutation (S13) agencés de telle sorte à relier au moins une électrode capacitive d'excitation (3) à un potentiel électrique fixé par rapport au potentiel de masse (M) lors des mesures de capacités de couplage.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de commutation (S9 à S13) agencés de telle sorte à permettre un changement de potentiel électrique de référence, entre un potentiel flottant et un potentiel fixé par rapport au potentiel de masse (M) .
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une électrode de garde (2) à un potentiel électrique de référence (9) disposée à proximité des électrodes capacitives (3, 4), selon leur face opposée à la surface de détection (1 ).
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de scrutation (SI à S8) permettant :
- lors des mesures directes de capacité, de sélectionner au moins une électrode capacitive de mesure (3, 4) de telle sorte à permettre des mesures de capacité entre cette ou ces électrode(s) de mesure (3, 4) et le ou les objet(s) de commande,
- lors des mesures de capacités de couplage, de sélectionner au moins une électrode capacitive d'excitation (3) et au moins une électrode capacitive de mesure (4), de telle sorte à permettre des mesures de variation de capacité de couplage entre lesdites électrodes capacitives d'excitation (3) et de mesure (4),
- de relier les électrodes capacitives non sélectionnées (3, 4) au potentiel de référence (9) .
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des électrodes capacitives (3, 4) disposées sensiblement selon deux directions croisées.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des électrodes capacitives (3, 4) disposées selon deux couches superposées, lesquelles couches comprenant, respectivement, des électrodes selon une première direction (3) et des électrodes selon une seconde direction (4).
10. Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des électrodes capacitives (3, 4) disposées selon une couche, lesquelles électrodes comprenant des éléments reliés par des connexions en pont (5, 6) selon, respectivement, une première direction et une seconde direction.
11. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des électrodes capacitives (3, 4) agencées selon des lignes et des colonnes.
12. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des électrodes capacitives (3, 4) comprenant une pluralité de surfaces reliées électriquement entre elles.
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les surfaces sont sensiblement de l'une des formes suivantes : carrée, rectangulaire, en forme de losange, circulaire, elliptique.
14. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend :
- des électrodes capacitives de mesure indépendantes (4), réparties selon la surface de détection (1) et reliées à des moyens de scrutation,
- une électrode capacitive d'excitation (3) disposée de telle sorte à sensiblement entourer les électrodes capacitives de mesure.
15. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des électrodes (3, 4) sensiblement transparentes, à base d'ITO (« Indium Tin Oxide »).
16. Procédé de contrôle d'interface de commande mettant en œuvre un dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes de : - configuration des moyens électroniques de mesure capacitive (8) de telle sorte à permettre des mesures directes de capacité,
- scrutation des électrodes de mesure (3, 4) pour détecter des objets de commande supposés,
- si une pluralité d'objets de commande est détectée, configuration des moyens électroniques de mesure capacitive (8) de telle sorte à permettre des mesures de variation de capacités de couplage,
- scrutation des électrodes capacitives d'excitation (3) et de mesure (4) dont les zones de couplage se trouvent dans ou à proximité de zones de la surface de mesure dans lesquelles des objets de commande supposés ont été détectés, pour déterminer des mouvements et/ou des contacts d'objets de commande.
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