FR3003030A1 - Dispositif de detection de contrainte mecanique a capteur capacitif, ensemble de dispositifs de detection et dispositif de localisation de toucher a capteurs capacitifs - Google Patents

Abstract

Ce dispositif de détection de contrainte mécanique comporte un capteur capacitif (10) comprenant une première électrode (12) présentant une première face principale (14), une seconde électrode (16) présentant une seconde face principale (18) disposée en regard de la première face principale (14) de la première électrode (12), un milieu diélectrique élastique (20) s'étendant entre la première face principale (14) de la première électrode (12) et la seconde face principale (18) de la seconde électrode (16), et des moyens (22, 24) de mesure d'une capacité aux bornes des deux électrodes (12, 16). Il comporte en outre des moyens (30) de compensation de contrainte mécanique dont une partie fixe (32) est solidaire de l'une (16) desdites première et seconde électrodes et dont une partie mobile (34) par rapport à la partie fixe (32) et munie d'un contrepoids réglable (56, 58, 60, 62, 64, M) est solidaire de l'autre (12) desdites première et seconde électrodes.

Description

La présente invention concerne un dispositif de détection de contrainte mécanique à capteur capacitif. Elle concerne également un ensemble de dispositifs de détection de contrainte à capteurs capacitifs et un dispositif de localisation de toucher sur une surface tactile comportant un tel ensemble de dispositifs de détection. Une application visée est l'utilisation de capteurs pour rendre tactile n'importe quelle surface, quel que soit son matériau (bois, verre, plastique, plâtre, ...) et quelle que soit sa forme (plane ou en relief). Actuellement, les technologies utilisées sont principalement le déploiement d'un film capacitif sur la surface à rendre tactile ou la pose d'un cadre infrarouge autour de cette surface. Dans le premier cas, un film plastique dans lequel est gravé un réseau électrique relié à une unité de calcul est étendu sur la surface. Lors d'un toucher avec un doigt, la capacité mesurée est localement perturbée ce qui permet de localiser le toucher. Mais cette technologie nuit à la transparence de la surface sur laquelle le film maillé de fils électriques est déployé et le déploiement d'un tel film plastique sur une surface à relief peut vite s'avérer problématique. Dans le second cas, le cadre est composé de diodes électroluminescentes à infrarouge émettrices et réceptrices disposées respectivement en vis-à-vis à l'horizontale et à la verticale de façon à générer un quadrillage de la surface. Lorsqu'un doigt ou tout autre objet vient couper les faisceaux horizontaux et verticaux, on le localise. Toutefois cette technologie est très sensible à la lumière du soleil, qui est chargée en rayonnements infrarouge, ainsi qu'a l'environnement (saleté). En outre, la surface doit être plane. Par ailleurs, dans les deux cas précités, le prix de revient est élevé et augmente rapidement en fonction de la taille de la surface à rendre tactile.

Une autre solution est alors de disposer un certain nombre de dispositifs de détection de contrainte mécanique contre la surface à rendre tactile indépendamment de sa taille et d'appliquer une méthode basée sur une mesure des contraintes respectives exercées sur chaque dispositif de détection lors d'un toucher pour en déduire, par calcul barycentrique, la localisation du toucher. Une telle méthode est par exemple divulguée dans le brevet US 3,657,475. Un minimum de deux dispositifs de détection est nécessaire pour une localisation unidimensionnelle du toucher par rapport à un axe. Un minimum de trois dispositifs de détection est nécessaire pour une localisation bidimensionnelle, sachant que quatre dispositifs de détection disposés aux quatre coins d'une surface rectangulaire permettent d'obtenir des résultats satisfaisants avec une bonne stabilité de l'ensemble.

Le brevet US 3,657,475 décrit quatre capteurs s'interposant entre un support fixe et une surface tactile aux quatre coins de cette dernière. Ces capteurs sont des jauges de contrainte ou des capteurs piézoélectriques. Ils doivent, d'une part, supporter le poids à vide de la surface tactile et, d'autre part, rester sensibles à des touchers dont la force ou pression s'ajoute au poids de cette surface tactile. La force du toucher ne peut donc pas être trop faible par rapport au poids de la surface pour ne pas induire des problèmes de sensibilité ainsi que de précision. En outre, les capteurs employés dans ce document sont assez coûteux et les capteurs piézoélectriques en particulier sont sensibles aux variations de température. Pour ces raisons, l'invention porte plus précisément sur un dispositif de détection de contrainte mécanique à capteur capacitif. Dans le brevet US 7,148,882 B2, il est proposé un dispositif de détection de contrainte mécanique à capteur capacitif constitué de deux électrodes maintenues à une certaine distance l'une de l'autre. Le capteur capacitif est positionné sous la surface à rendre tactile et est maintenu en contact avec celle-ci par une liaison ponctuelle solidaire de l'électrode supérieure. Un toucher sur la surface provoque le rapprochement des deux électrodes modifiant ainsi la valeur de la capacité. C'est la déformation élastique de l'électrode supérieure qui permet de modifier la capacité en cas de toucher et de ramener le capteur à sa position initiale lorsque le toucher est interrompu. L'inconvénient de ce capteur reste sa vulnérabilité face au poids de la surface à rendre tactile. Effectivement, plus le poids de la surface est important, plus la constante de raideur de l'électrode supérieure doit être élevée et moins le capteur est sensible aux forces engendrées par un toucher. Une solution serait alors de jouer sur le poids de la surface en la rendant aussi légère que possible pour augmenter la sensibilité du capteur. Toutefois cette solution n'est pas satisfaisante lorsque l'un des objectifs est d'être indépendant du choix du matériau pour constituer la surface tactile. Dans le brevet EP 1 350 080 B1, il est également proposé un capteur capacitif à électrodes séparées par un diélectrique, mais c'est le diélectrique qui présente une propriété d'élasticité permettant au capteur de reprendre une position initiale en l'absence de toucher. Ainsi, plus précisément, le capteur capacitif proposé dans ce document comporte une première électrode présentant une première face principale, une seconde électrode présentant une seconde face principale disposée en regard de la première face principale de la première électrode, un milieu diélectrique élastique s'étendant entre la première face principale de la première électrode et la seconde face principale de la seconde électrode, et des moyens de mesure d'une capacité aux bornes des deux électrodes. Ce capteur capacitif est donc constitué d'un condensateur plan dont la distance variable entre ses deux électrodes planes rend sa capacité variable en fonction de la force ou pression s'exerçant contre l'une de ses deux électrodes. Mais ce capteur est utilisé dans le contexte du document EP 1 350 080 B1 pour peser des véhicules, c'est-à-dire dans un contexte où la contrainte à mesurer est largement plus élevée que le poids de la surface de contact. Dans un contexte de surface tactile sensible à des touchers, un tel capteur pourrait poser des problèmes de sensibilité ou de précision tels que ceux mentionnés précédemment. En effet, en l'absence de tout toucher exerçant une contrainte sur la surface tactile et donc sur le capteur lui-même, ce dernier doit néanmoins supporter une partie du poids à vide de la surface tactile qui n'est souvent pas négligeable par rapport aux touchers à détecter. Cela diminue d'autant l'échelle des valeurs mesurables. La solution précitée consistant à réduire le poids de la surface tactile n'est évidemment pas satisfaisante. En outre, la contrainte mesurée par le capteur capacitif est normale à sa surface. Elle est donc fonction de l'inclinaison est peut varier fortement en cours d'utilisation si la surface tactile contre laquelle le capteur capacitif est disposé change d'inclinaison.

Pour finir, en cas de vibrations, des forces inertielles sont engendrées altérant les mesures fournies par le capteur. Il peut ainsi être souhaité de prévoir un dispositif de détection de contrainte mécanique à capteur capacitif qui permette de s'affranchir d'au moins une partie des problèmes et contraintes précités.

Il est donc proposé un dispositif de détection de contrainte mécanique comportant un capteur capacitif comprenant : une première électrode présentant une première face principale, une seconde électrode présentant une seconde face principale disposée en regard de la première face principale de la première électrode, un milieu diélectrique élastique s'étendant entre la première face principale de la première électrode et la seconde face principale de la seconde électrode, et des moyens de mesure d'une capacité aux bornes des deux électrodes, comportant en outre des moyens de compensation de contrainte mécanique dont une partie fixe est solidaire de l'une desdites première et seconde électrodes et dont une partie mobile par rapport à la partie fixe et munie d'un contrepoids réglable est solidaire de l'autre desdites première et seconde électrodes. Ainsi, le mécanisme de contrepoids associé à l'une des deux électrodes du capteur capacitif permet de compenser de façon réglable certaines des contraintes mécaniques susceptibles de s'exercer sur cette électrode. Il est alors notamment possible de compenser le poids à vide d'une surface tactile contre laquelle le dispositif de détection à capteur capacitif est destiné à être disposé, de sorte que cela augmente sa sensibilité aux touchers. Mais en outre, un tel mécanisme protège également le capteur contre les vibrations ou changements d'inclinaison améliorant aussi la précision de ses mesures. De façon optionnelle, la partie mobile est mobile en rotation autour d'un arbre de la partie fixe et comporte : une première portion de bras de balancier dont une extrémité est destinée à être en contact avec une surface tactile, et une seconde portion de bras de contrepoids comprenant le contrepoids réglable, cette seconde portion de bras s'étendant de l'autre côté de l'arbre de la partie fixe par rapport à la première portion de bras. De façon optionnelle également, le contrepoids réglable comporte : une tige dont une partie présente un pas de vis, une masse attachée à cette tige par une liaison hélicoïdale, et un embout de réglage permettant, par entrainement en rotation de la tige autour de son axe, de déplacer la masse le long de la tige de manière à la rapprocher ou l'éloigner de l'arbre de la partie fixe par coulissement. De façon optionnelle également, l'embout de réglage comporte un moteur 25 commandé. De façon optionnelle également, le matériau diélectrique élastique comporte du silicone ou du polyuréthane. De façon optionnelle également, les deux électrodes sont cylindriques, de sections circulaires et disposées coaxialement l'une par rapport à l'autre, les deux 30 faces principales en regard étant planes. De façon optionnelle également, un dispositif de détection de contrainte mécanique selon l'invention peut en outre comporter des moyens d'estimation d'une contrainte appliquée contre l'une des deux électrodes en fonction de la capacité mesurée.

Il est également proposé un ensemble de dispositifs de détection de contrainte mécanique, comportant : une pluralité de dispositifs de détection de contrainte mécanique selon l'invention, un module électronique de traitement de signaux en provenance de cette pluralité de dispositifs de détection, et des moyens de transmission, avec ou sans fil, de signaux depuis chacun des dispositifs de détection vers le module électronique de traitement de signaux.

Il est également proposé un dispositif de localisation d'un toucher sur une surface tactile comportant : un ensemble de dispositifs de détection de contrainte mécanique selon l'invention, une surface tactile contre laquelle sont disposés les dispositifs de détection dudit ensemble, les parties mobiles de leurs moyens de compensation étant en contact avec la surface tactile, et des moyens de localisation d'un toucher sur la surface tactile par traitement, à l'aide du module électronique dudit ensemble, de contraintes estimées à l'aide des signaux fournis par les dispositifs de détection.

De façon optionnelle, la surface tactile comporte un bandeau dans lequel sont réparties linéairement des sources lumineuses activables, le dispositif comportant : un dispositifs de détection disposé à chaque extrémité du bandeau, et des moyens de sélection d'une source lumineuse à partir d'une localisation de toucher.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente schématiquement et en coupe la structure générale d'un dispositif de détection de contrainte mécanique, selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 2 représente schématiquement et en coupe la structure générale d'une variante de réalisation d'un capteur capacitif du dispositif de détection de la figure 1, la figure 3 représente schématiquement la structure générale d'un dispositif de localisation d'un toucher sur une surface tactile, selon un premier mode de réalisation de l'invention, la figure 4 représente schématiquement la structure générale d'un dispositif de localisation d'un toucher sur une surface tactile, selon un second mode de réalisation de l'invention, et la figure 5 illustre les étapes successives d'un procédé de localisation d'un toucher mis en oeuvre par l'un ou l'autre des dispositifs des figures 3 et 4. Le dispositif de détection de contrainte mécanique représenté schématiquement sur la figure 1 comporte un capteur capacitif 10 comprenant une première électrode 12 présentant une première face principale 14. Il comporte une seconde électrode 16 présentant une seconde face principale 18 disposée en regard de la première face principale 14 de la première électrode 12. Il comporte un milieu diélectrique élastique 20, par exemple du silicone ou du polyuréthane, s'étendant entre la première face principale 14 de la première électrode 12 et la seconde face principale 18 de la seconde électrode 16. Ce milieu diélectrique élastique 20 remplit principalement deux fonctions. La première est d'isoler les deux faces principales 14 et 18 en regard l'une de l'autre. La seconde est de constituer des moyens de rappel qui se compriment lorsqu'une contrainte s'exerce contre l'une des deux électrodes et rétablissent une position initiale de repos en l'absence de contrainte. Enfin, le capteur capacitif 10 comporte des moyens 22, 24 de mesure d'une capacité aux bornes des deux électrodes 12 et 16. Ces moyens 22, 24 comportent au minimum deux conducteurs 22 aux bornes desquels une capacité peut être mesurée à l'aide d'un éventuel dispositif 24 de mesure d'impédance.

Concrètement, les deux électrodes 12 et 16 peuvent être de forme générale cylindrique. Plus précisément, par souci de simplicité de fabrication, les deux électrodes cylindriques 12 et 16 sont de sections circulaires et disposées coaxialement l'une par rapport à l'autre, les deux faces principales en regard 14 et 18 étant planes.

Lorsqu'une contrainte s'exerce sur l'une quelconque des faces libres des deux électrodes, par exemple celle de la première électrode 12, du fait de l'élasticité du milieu diélectrique 20, les deux faces principales en regard 14 et 18 se rapprochent l'une de l'autre. Ainsi, le capteur capacitif 10 se comporte comme un condensateur plan à capacité variable.

Cette capacité variable peut se noter : A C = f (d) = Eiii , où El représente la permittivité du milieu diélectrique 20, A la surface commune des deux faces principales en regard 14 et 18 et d la distance qui les sépare, cette dernière étant variable en fonction de la contrainte exercée sur la première électrode 12.

Ainsi, si les deux électrodes 12 et 16 se rapprochent sous l'effet d'une contrainte, d diminue donc C augmente. Au contraire, si les deux électrodes 12 et 16 s'éloignent sous l'effet d'un retour élastique à une position de repos du capteur capacitif 10 lorsque la contrainte a disparu, d augmente donc C diminue. En pratique, on note que la distance do correspondant à la position de repos du capteur capacitif 10 doit être suffisamment faible de manière à avoir une capacité suffisamment importante, même au repos, pour être mesurable par le dispositif de mesure 24 (de l'ordre de 10 pF) et de manière à avoir la plus grande variation possible pour un petit rapprochement des deux électrodes 12 et 16. En pratique également, pour que la contrainte exercée contre l'électrode 12 engendre une force ou pression suffisante contre le capteur capacitif 10, la surface A commune des deux faces principales en regard 14 et 18 doit être limitée. En pratique également, on remarque que la variation de C n'est pas linéaire en fonction de la variation de d. Il faut en tenir compte pour rendre la réponse du capteur capacitif 10 la plus linéaire possible.

En pratique également, en fonction du milieu diélectrique élastique 20 choisi, la compression maximale de celui-ci est limitée et il faut associer, à la relation précédente C = f(d) entre variation de distance d et variation de capacité C, la relation d = g(p) entre une contrainte p exercée contre l'électrode 12 et la déformation propre au matériau utilisé, définie par la variable d, pour connaitre la relation réelle C = fog(p) entre cette contrainte appliquée p et la capacité C mesurée aux bornes du capteur capacitif 10. Une fois que cette relation fog est connue, il est possible d'implémenter son inversion sous la forme d'un calculateur de contrainte 26, par exemple relié au dispositif de mesure 24, remplissant ainsi une fonction d'estimation d'une contrainte p, force ou pression, appliquée contre l'une des deux électrodes 12 et 16 en fonction de la capacité C mesurée. Il convient de noter que le dispositif de mesure 24 et le calculateur de contrainte 26 ne font partie du capteur capacitif 10, et plus généralement du dispositif de détection, que de façon optionnelle. Ils peuvent en effet être déportés dans des moyens de calcul séparés. Il convient de noter enfin que le coût de fabrication d'un tel capteur capacitif 10 est dérisoire. Toutefois, en fonction de ses caractéristiques, un compromis est à réaliser entre l'échelle de mesure à atteindre et la précision requise. Il est effectivement difficile de fabriquer un capteur à bas coût présentant à la fois une large échelle de mesure et une très bonne précision. A titre d'exemple et en exprimant la contrainte en termes de masse, il est difficile pour un tel capteur de présenter une échelle de mesure allant de 0 à 1 kg tout en s'imposant une sensibilité au gramme prêt. Le dispositif de détection de contrainte mécanique représenté schématiquement sur la figure 1 comporte en outre des moyens 30 de compensation de contrainte mécanique dont une partie fixe 32 est solidaire de l'une desdites première et seconde électrodes et dont une partie mobile 34 par rapport à la partie fixe 32 et munie d'un contrepoids réglable est solidaire de l'autre desdites première et seconde électrodes. Plus précisément, dans cet exemple, c'est la seconde électrode 16 qui est fixe et solidaire de la partie fixe 32 des moyens de compensation 30 tandis que la première électrode 12 est mobile et solidaire de la partie mobile 34 des moyens de compensation 30.

La partie fixe 32 est solidaire d'un bâti 36. Elle comporte schématiquement un premier bras 38 porteur de la seconde électrode 16 à laquelle il est fixé et un second bras 40 porteur de la partie mobile 34, celle-ci n'étant libre qu'en rotation selon l'axe d'un arbre 42 terminant le second bras porteur 40. Cette liberté de mouvement de la partie mobile 34 en rotation uniquement autour de l'arbre 42 sans translation possible le long de cet arbre est symbolisée par l'élément 44. La partie mobile 34 comporte une première portion de bras 46 de balancier s'étendant depuis l'axe de l'arbre 42 jusqu'à une extrémité de point d'appui 48 contre une surface tactile 50. Ce point d'appui 48 est à une distance D1 de l'axe de l'arbre 42. La première portion de bras 46 comporte également un point 52 de fixation à la première électrode 12 du capteur capacitif 10. Ce point de fixation 52 est à une distance D2 de l'axe de l'arbre 42, D2 étant inférieure à Dl. Ainsi, la contribution P d'une contrainte exercée contre la surface 50 au point d'appui 48 est transmise par effet de balancier sous forme de pression ou force p par le point de fixation 52 à la première électrode 12 qui se rapproche de la seconde électrode 16 en comprimant le milieu diélectrique élastique 20.

La partie mobile 34 comporte une seconde portion de bras 54 de contrepoids s'étendant de l'autre côté de l'arbre 42 par rapport à la première portion de bras 46 de balancier. Cette seconde portion de bras 54 porte une tige 56 libre en rotation autour de son propre axe longitudinal, cette liberté en rotation étant symbolisée par l'élément 58. La tige 56 comporte une partie présentant un pas de vis à laquelle est attachée une masse M par une liaison hélicoïdale (symbolisée par l'élément 60). L'une des extrémités de la tige 56 est munie d'un embout de réglage manuel 62 permettant de déplacer par rotation de la tige 56 autour de son axe, au moyen en outre d'un mécanisme d'arrêt en rotation 64, la masse M le long de la tige 56 de manière à la rapprocher ou l'éloigner de l'arbre 42 par coulissement. La masse M est ainsi à une distance D3 variable et réglable de l'axe de l'arbre 42. Ainsi, par réglage de la position de la masse M le long de la tige 56, il est par exemple possible de compenser l'effet du poids à vide de la surface tactile 50 sur la première électrode 12. De la sorte, en l'absence de toucher sur la surface tactile 50, aucune contrainte ne s'exerce sur le capteur capacitif 10. L'échelle des mesures pouvant être réalisées par ce capteur est donc totalement exploitée pour la détection d'un toucher exerçant une contrainte P sur la surface tactile 50, ce qui améliore sa précision. De façon optionnelle, des butées peuvent être placées sur la première portion de bras 46 de balancier afin de protéger le capteur capacitif 10 contre des pressions trop fortes s'exerçant sur la surface tactile 50. En variante, l'embout de réglage manuel 62 pourrait être remplacé par un embout de réglage motorisé à l'aide d'un moteur commandé. Cela serait particulièrement avantageux dans une application où l'on souhaiterait tarer automatiquement la surface tactile 50 lorsque celle-ci peut varier de poids (par exemple pour la tactilisation d'une table sur laquelle des objets peuvent être posés ou enlevés). En variante également, le capteur capacitif 10 pourrait être disposé de l'autre côté de l'arbre 42, c'est-à-dire du côté du contrepoids. Ainsi, ce n'est plus en pression mais en traction qu'il serait sensible à un toucher. En notant m la masse à vide de la surface tactile 50 supportée par le dispositif de détection de la figure 1 en son point d'appui 48, celle-ci est totalement compensée par la masse M de contrepoids si la relation suivante est vérifiée : m. g. D1 = M. g. D3 , où g est la constante de gravité, soit : m D3 = D1.- . M Dans cette configuration, le capteur capacitif 10 est en position de repos en l'absence de toucher et ne mesure aucune contrainte. Lors d'un toucher, si la contrainte qu'il exerce résulte en une force P au point d'appui 48, en notant Cp la somme des couples engendrés sur l'axe de l'arbre 42, on obtient : Cp = m. g. D1+ P. D1 - M. g. D3 = P. D1 , au vu de la relation précédente. Ce couple Cp se répercute sur le capteur capacitif 10 de sorte que la force résultante p qui s'exerce contre la première électrode vérifie la relation suivante : Cp D1 P D2 13. D2 . Au vu de toutes ces relations, pour augmenter la sensibilité du capteur capacitif 10, il est avantageux de choisir D1 et D2 de telle sorte que D1»D2, et pour limiter la taille de la masse M, il est avantageux de choisir D1 et D3 de telle sorte que D3»D1. Il en résulte la relation avantageuse suivante : D2«D1«D3. En ce qui concerne, l'influence de vibrations sur l'équilibre des forces s'exerçant sur le dispositif de détection, celles-ci peuvent être représentées par une accélération a' venant se superposer au champ de gravité g. Comme en outre les vibrations, en tant que force inertielle, n'ont aucune influence sur la contrainte exercée par un toucher sur la surface tactile 50, on considère celle-ci nulle. Il en résulte que la somme Cp des couples engendrés sur l'axe de l'arbre 42 devient : Cp = m. (g + ap). D1- M. (g + ap). D3 = (g + ap). (m. D1 - M. D3) = 0 . Cela montre que, grâce aux moyens de compensation 30, les vibrations ne perturbent pas les mesures réalisées par le capteur capacitif 10. On montre de même que, grâce aux moyens de compensation 30, un changement d'inclinaison de la surface tactile 50 ne perturbe pas non plus la mesure du capteur capacitif 10. En effet, la masse M étant soumise à la même force inertielle que la surface tactile 50, les moyens de compensation 30 à balancier s'adaptent naturellement à un tel changement d'inclinaison. Dans un autre mode de réalisation possible (non illustré), la masse M pourrait être remplacée par un électro-aimant permettant ainsi d'éviter un bras de levier supplémentaire. Mais dans ce cas, comme la force de compensation de l'électroaimant n'est pas de nature inertielle, des vibrations ou un changement d'inclinaison perturberaient la mesure du capteur capacitif 10. Mais en pratique, il est aussi possible d'intégrer un accéléromètre à bas coût solidaire du bâti 36 afin de compenser au mieux les changements inertiels si la relation de compensation précédemment introduite ne peut pas être parfaitement respectée. Par ailleurs, pour limiter le poids de la surface tactile 50 sur le dispositif de détection de la figure 1, il est aussi possible d'augmenter le nombre de tels détecteurs afin de diminuer leur portage. On va maintenant détailler un autre capteur capacitif 10' qui peut remplacer le capteur capacitif 10 dans le dispositif de détection de la figure 1. Cet autre capteur capacitif 10', illustré en coupe sur la figure 2, comporte une première électrode 12' présentant une première face principale 14' et une tranche 15' d'une certaine épaisseur E. Il comporte une seconde électrode 16' présentant une seconde face principale 18' disposée en regard de la première face principale 14' de la première électrode 12'. Il comporte un milieu diélectrique élastique 20', par exemple du silicone ou du polyuréthane, s'étendant entre la première face principale 14' de la première électrode 12' et la seconde face principale 18' de la seconde électrode 16'. Ce milieu diélectrique élastique 20' remplit les mêmes fonctions que le milieu diélectrique élastique 20. Enfin, le capteur capacitif 10' comporte les mêmes moyens de mesure 22, 24 que le capteur capacitif 10. Ce qui distingue le capteur capacitif 10' du précédent c'est la seconde électrode 16' qui présente en outre un rebord 17' qui s'étend en périphérie de sa seconde face principale 18' autour de la tranche 15' de la première électrode 12' sur seulement une partie ho de son épaisseur E lorsque le milieu diélectrique élastique 20' est en position de repos, c'est-à-dire lorsqu'aucune contrainte temporaire n'exerce de force ou pression contre l'une des deux électrodes. Dans cette position de repos du milieu diélectrique élastique 20', les première et seconde faces principales 14' et 18' des deux électrodes 12' et 16' sont à une distance d'équilibre do l'une de l'autre. Par ailleurs, un guide 28' en matériau diélectrique, par exemple de la céramique, est avantageusement inséré entre la tranche 15' de la première électrode 12' et le rebord 17' de la seconde électrode 16' pour remplir une fonction d'isolant électrique. Concrètement, les deux électrodes 12' et 16' peuvent être de forme générale cylindrique, la seconde électrode 16' présentant un évidement dans lequel vient se loger en partie, c'est-à-dire jusqu'à une profondeur égale à ho<E, la première électrode 12'. Plus précisément, par souci de simplicité de fabrication, les deux électrodes cylindriques 12' et 16' sont de sections circulaires et disposées coaxialement l'une par rapport à l'autre, les deux faces principales en regard 14' et 18' étant planes. Dans ce cas, le guide 28' en matériau diélectrique est annulaire et recouvre toute la surface interne du rebord 17' de la seconde électrode 16'. Il permet de guider le déplacement en translation de la première électrode 12' par rapport à la seconde électrode 16' le long de leur axe commun sous l'effet d'une contrainte. Lorsqu'une telle contrainte s'exerce sur l'une quelconque des faces libres des deux électrodes, par exemple celle de la première électrode 12', du fait de l'élasticité du milieu diélectrique 20', les deux faces principales en regard 14' et 18' se rapprochent l'une de l'autre et la partie de l'épaisseur E de la première électrode 12' autour de laquelle s'étend le rebord 17' de la seconde électrode 16' augmente (h> ho). Ainsi, le capteur capacitif 10' se comporte comme une combinaison parallèle de deux condensateurs à capacités variables, l'un plan, l'autre cylindrique, la contribution plane de ce capteur hybride à capacité variable étant apportée par les deux faces principales en regard 14' et 18' qui se rapprochent et la contribution cylindrique étant apportée par la surface interne du rebord 17' en regard de la tranche 15' qui augmente. La contribution plane de la capacité variable du capteur capacitif 10' peut se noter : A Ci = El -d , où El, A et d ont les mêmes significations que dans l'exemple précédent.

La contribution cylindrique de la capacité variable du capteur capacitif 10' peut se noter : 27r. E2. h C2 = In (-b) ' a OÙ E2 représente la permittivité du guide 28' en matériau diélectrique, a le rayon de la première électrode 12' (il constitue le rayon intérieur du condensateur cylindrique), b le rayon intérieur du rebord 17' de la seconde électrode 16' (il constitue le rayon extérieur du condensateur cylindrique) et h la profondeur d'insertion de la première électrode 12' dans la seconde électrode 16'. La capacité variable totale du capteur capacitif 10' prend alors la forme suivante : A 27r. E2. h c = Ci + C2 = El d + (b) ' In I -a On remarque que la distance d et la profondeur h sont des variables totalement corrélées. En effet, la somme d+h est toujours égale à do+ho. Donc si d diminue, h augmente d'autant. Il en résulte que la capacité C est une fonction de l'unique variable d selon l'expression suivante : A 27r. E2. (do + ho - d) C = (d) = El d+ In(-b) a Ainsi, si les deux électrodes 12' et 16' se rapprochent sous l'effet d'une contrainte, d diminue donc Cl et 02 augmentent ensemble de sorte que C augmente d'autant plus. Au contraire, si les deux électrodes 12' et 16' s'éloignent sous l'effet d'un retour élastique à la position de repos lorsque la contrainte a disparu, d augmente donc Cl et 02 diminuent ensemble de sorte que C diminue d'autant plus.

La sensibilité du capteur capacitif 10', rendu hybride par la conformation particulière de sa seconde électrode 16' dont le rebord 17' entoure partiellement la tranche 15' de la première électrode 12', s'en trouve donc améliorée par rapport à celle du capteur capacitif 10. En pratique, on remarque que si la variation de 02 est bien linéaire en fonction de la variation de d et h, ce n'est toujours pas le cas de celle de Cl. Il faut en tenir compte pour rendre la réponse du capteur capacitif 10' la plus linéaire possible. En pratique également, il faut associer, à la relation précédente C = (d), la relation d = g(p) entre la contrainte p exercée contre l'électrode 12' et la déformation propre au matériau diélectrique 20' utilisé, définie par la variable d, pour connaitre la relation réelle C = fog(p) entre cette contrainte appliquée p et la capacité C mesurée aux bornes du capteur capacitif 10'. Une fois que cette relation fog est connue, il est possible d'implémenter son inversion sous la forme du calculateur de contrainte 26. Il convient de noter dans cet exemple également que le dispositif de mesure 24 et le calculateur de contrainte 26 ne font partie du capteur capacitif 10', et donc du dispositif de détection, que de façon optionnelle. Ils peuvent en effet être déportés dans des moyens de calcul séparés. La figure 3 illustre l'utilisation de plusieurs dispositifs de détection tels que celui de la figure 1 (avec le capteur capacitif 10 de la figure 1 ou 10' de la figure 2) dans un dispositif 70 de localisation d'un toucher sur une surface tactile, selon un premier mode de réalisation de l'invention. Ce dispositif 70 comporte tout d'abord un ensemble de dispositifs de détection comportant : plusieurs dispositifs de détection tels que celui de la figure 1, identifiés sur la figure 3 par les références 711, 712 et 713, un module électronique 72 de traitement de signaux en provenance de ces dispositifs de détection 711, 712 et 713, et des moyens 74 de transmission, avec ou sans fil, de signaux depuis chacun des dispositifs de détection 711, 712 et 713 vers le module électronique 72 de traitement de signaux. Le dispositif 70 de localisation d'un toucher comporte en outre : une surface tactile 76 contre laquelle sont disposés les dispositifs de détection 711, 712 et 713, les parties mobiles 34 de leurs moyens de compensation 30, plus précisément leurs points d'appui 48, étant en contact avec la surface tactile, et des moyens 78 de localisation d'un toucher sur la surface tactile 76 par traitement, à l'aide du module électronique 72, de contraintes, forces ou pressions, estimées à l'aide des signaux fournis par les dispositifs de détection 711, 712 et 713. Dans l'exemple de la figure 3, la surface tactile 76 est de forme et de relief quelconques. Elle repose sur un support fixe. Il est en outre prévu trois dispositifs de détection 711, 712 et 713, ce qui correspond au minimum nécessaire pour réaliser une localisation bidimensionnelle d'un toucher sur cette surface tactile 76. Quatre dispositifs de détection sont généralement préférés. Par exemple, si la surface tactile 76 est une table rectangulaire plane reposant sur un support fixe constitué de quatre pieds, un dispositif de détection peut être prévu à chaque angle de la table, plus précisément interposé entre le sommet de chaque pied et la surface inférieure de la table. Pour chaque dispositif de détection, l'une des électrodes repose sur le support fixe, par exemple la seconde électrode 16 ou 16', tandis que l'autre électrode, par exemple la première électrode 12 ou 12' qui est alors mobile en translation axiale par rapport à l'électrode fixe, est solidaire, via les moyens de compensation 30, de la surface tactile 76. Dans l'exemple de la figure 3 également, il est proposé que le dispositif de mesure 24 et le calculateur de contrainte 26 soient déportés des dispositifs de détection vers le module électronique 72, les moyens de transmission 74 étant alors constitués des conducteurs 22.

En pratique, le module électronique 72 contient les composants électroniques permettant de réaliser l'acquisition des signaux issus des dispositifs de détection 711, 712 et 713, traiter ces signaux en les fusionnant éventuellement avec d'autres capteurs (par exemple dans le cas où des accéléromètres sont prévus pour compenser d'éventuelles vibrations parasites mesurées par les capteurs capacitifs), puis communiquer le résultat de ce traitement sur un réseau ou directement à un autre appareil, pour des applications de domotique et/ou de commande d'appareils par surface tactile. Des composants à bas coût existent pour réaliser ces opérations bien connues.

Plus précisément, le dispositif de mesure 24 comporte par exemple un contrôleur capable de traiter jusqu'à 13 capteurs pour mesurer parallèlement leurs capacités et les convertir numériquement sur 16 bits. Un filtre moyenneur passe-bas peut également être activé pour améliorer la précision de la mesure. En 10 ms, quatre dispositifs de détection tels que celui illustré par la figure 1 peuvent ainsi être traités et filtrés. Les capacités mesurées et numérisées par le dispositif 24 sont ensuite mises à la disposition du calculateur de contrainte 26 par l'intermédiaire d'un bus de transmission de données, SPI ou 120 par exemple. Le calculateur de contrainte 26 estime, pour chaque valeur de capacité issue de l'un des dispositifs de détection 711, 712 et 713, une valeur correspondante de contrainte exercée sur ce dispositif lors d'un toucher, noté P sur la figure 3, exercé sur la surface tactile 76. Les réactions à ces contraintes sont notées respectivement P'1, P'2 et P'3 pour les dispositifs de détection 711, 712 et 713 sur la figure 3. On note que plus le toucher est proche de l'un des dispositifs de détection, plus la contrainte exercée sur ce dernier est forte. Les valeurs de contraintes (P1, P2, P3) sont ensuite mises par le calculateur de contrainte 26 à la disposition des moyens de localisation 78 par l'intermédiaire d'un bus de transmission de données, SPI ou 120 par exemple. Les moyens de localisation 78 sont conçus pour déterminer la localisation d'un toucher détecté à partir des valeurs de contraintes Pl, P2, P3 des dispositifs de détection 711, 712 et 713. Ils mettent en oeuvre pour cela un procédé tel que celui divulgué dans le brevet US 3,657,475, basé sur un calcul barycentrique. Ce procédé sera détaillé en référence à la figure 5. Le calculateur de contrainte 26 et les moyens de localisation 78 peuvent par exemple être mis en oeuvre dans un dispositif informatique tel qu'un ordinateur classique comportant un processeur associé à une ou plusieurs mémoires pour le stockage de fichiers de données et de programmes d'ordinateurs. Leurs fonctions peuvent aussi être au moins en partie micro programmées ou micro câblées dans des circuits intégrés dédiés. Notamment, un microcontrôleur 16 bits ou 8 bits capable de lancer un traitement toutes les 10 ms peut suffire Le dispositif 70 de localisation d'un toucher à l'aide de la surface tactile 76 peut être utilisé de différentes façons selon les applications visées. Notamment, en « mode absolu », la position absolue du toucher sur la surface tactile 76 est recherchée par rapport à un repère fixe. Une image peut alors être projetée sur la surface tactile 76 rendant possible un couplage entre l'action du toucher et la fonction à réaliser. En « mode relatif », ce n'est pas nécessairement à la localisation précise du toucher que l'on s'intéresse, mais à son évolution au cours du temps, pour la reconnaissance de gestes ou d'actions. En outre, le dispositif 70 est sensible à l'intensité de la contrainte exercée par le toucher, ce qui permet d'avoir une information directe sur l'amplitude de la force exercée par l'utilisateur. Cette dernière peut alors être une entrée supplémentaire dans un logiciel d'interprétation haut niveau qui exploite les données fournies par les capteurs. La figure 4 illustre l'utilisation de plusieurs dispositifs de détection tels que celui de la figure 1 (avec le capteur capacitif 10 de la figure 1 ou 10' de la figure 2) dans un dispositif 80 de localisation d'un toucher sur une surface tactile, selon un second mode de réalisation de l'invention.

Ce dispositif 80 comporte tout d'abord un ensemble de dispositifs de détection comportant - deux dispositifs de détection tels que celui de la figure 1, identifiés sur la figure 4 par les références 811 et 812, le module électronique 72 décrit précédemment, et les moyens 74 de transmission, avec ou sans fil, de signaux depuis chacun des dispositifs de détection 811 et 812 vers le module électronique 72. Le dispositif 80 de localisation d'un toucher comporte en outre une surface tactile 82 contre laquelle sont disposés les dispositifs de détection 811 et 812, les parties mobiles 34 de leurs moyens de compensation 30, plus précisément leurs points d'appui 48, étant en contact avec la surface tactile 82. Dans l'exemple de la figure 4, la surface tactile 82 est plus précisément un bandeau d'axe principal D le long duquel sont réparties linéairement des sources lumineuses activables 84, par exemple des diodes électroluminescentes. Les deux dispositifs de détection 811 et 812 sont disposés aux deux extrémités de ce bandeau 82. Avantageusement, dans ce mode de réalisation, le module électronique 72 est programmé pour sélectionner au moins l'une des sources lumineuses 84 à partir d'une localisation de toucher déterminée par ses moyens de localisation 78 à partir des signaux fournis par les deux dispositifs de détection 811 et 812. Par exemple, la source lumineuse la plus proche de la localisation détectée du toucher est activée.

On note que dans cet exemple la localisation d'un toucher est unidimensionnelle, le long de l'axe D, ce qui explique pourquoi deux dispositifs de détection disposés aux deux extrémités du ruban 82 sont nécessaires et suffisants. Le procédé de localisation mis en oeuvre par les moyens 78 va maintenant être détaillé en référence à la figure 5.

Au cours d'une première étape 100 d'initialisation des dispositifs de détection, lors de laquelle aucun toucher n'est exercé sur la surface tactile, la capacité Co de chaque dispositif de détection est relevée et constitue la valeur de référence au repos de chacun d'eux. Pour chaque dispositif de détection, la disposition de sa masse M le long de sa tige 56 peut en outre être réglée pour compenser complètement le poids à vide de la surface tactile supporté par ce dispositif de détection. Au cours d'une étape suivante de seuillage 102, la valeur Pt = Ei Pti, c'est-à-dire la somme des contraintes Pt, détectées par l'ensemble des dispositifs de détection directement indicatrice de la contrainte P exercée par un toucher sur la surface tactile, est comparée à une valeur seuil Ps.

Ensuite, au cours d'une étape 104, si Pt < Ps, il est considéré que la contrainte mesurée est trop faible et peut être associée à du bruit ou au commencement d'une dérive. Le procédé retourne alors à l'étape 100 pour réinitialiser et/ou régler les dispositifs de détection sur la base de cette mesure. Si Pt > Ps au cours de l'étape 104, il est considéré qu'un toucher P est détecté sur la surface tactile et le procédé passe à une étape 106 d'estimation barycentrique de la localisation de ce toucher P. En notant Pos(P) la localisation estimée du toucher et Pos(X,) la localisation du dispositif de détection X, (X, = 71, ou 81,), l'étape 106 d'estimation barycentrique consiste à procéder au calcul suivant : 1 Pos(P) = -pt .1iPt1.Pos(X,) .

On notera que la position des dispositifs de détection peut être obtenue lors d'une étape préalable de calibrage durant laquelle on exerce par exemple des touchers successifs à des localisations prédéterminées et connues sur la surface tactile.

Enfin, au cours d'une dernière étape 108 de filtrage, la localisation de toucher ainsi calculée est placée dans une mémoire tampon circulaire de dimension fixe. Une première valeur de moyenne est ensuite calculée sur l'ensemble des valeurs enregistrées dans la mémoire tampon (après l'avoir initialisée), puis mise à jour après élimination de valeurs « aberrantes » jugées trop éloignées de la moyenne. Des seuils réglables (taille de la mémoire tampon et seuils de valeurs aberrantes) permettent de paramétrer le filtrage. Il apparaît clairement qu'un dispositif de détection à capteur capacitif tel que l'un de ceux décrits précédemment, très facilement adaptable à une grande majorité de surfaces tactiles de toutes formes et de tous matériaux, permet d'envisager la conception de dispositifs de localisation de touchers à surface tactile qui sont à la fois sensibles et peu onéreux. Les applications sont multiples. Tout d'abord, un ensemble de deux, trois, quatre (ou plus) dispositifs de détection à capteurs capacitifs tels que ceux illustrés sur les figures 1 et 2 peut être fourni, indépendamment de toute surface tactile, incluant un module électronique de traitement de signaux tel que le module électronique 72 précédemment décrit et des moyens de transmission, avec ou sans fil, de signaux depuis chacun des dispositifs de détection vers le module électronique. Pour davantage de compacité, le module électronique peut être intégré dans l'un des dispositifs de détection de l'ensemble, ceux-ci ayant en outre leur propre source d'énergie et pouvant communiquer entre eux par des liaisons avec ou sans fil. L'ensemble peut être relié à un réseau ou à un périphérique par liaison radio ou filaire. Libre ensuite à un utilisateur de rendre tactile n'importe quelle surface selon ses besoins ou envies : planche de bois, vitre, cadre, interrupteurs, etc.

Comme par ailleurs indiqué précédemment, une application possible consiste à rendre une table tactile, en interposant les dispositifs de détection entre cette table et les sommets de pieds sur lesquels elle repose. On peut alors par exemple piloter un appareil de télévision et/ou manipuler du contenu, notamment en « mode relatif » de fonctionnement du dispositif de localisation.

Dans l'industrie automobile, l'avantage d'une telle technologie est la possibilité de créer des tableaux interactifs tridimensionnels au design amélioré, permettant un bon repérage d'un doigt du conducteur par rapport au relief. De cette façon, l'attention du conducteur est moins focalisée sur la commande qu'il est en train de réaliser et reste portée sur la route.

Enfin, dans l'industrie automobile toujours, le dispositif de localisation tel qu'illustré sur la figure 4 peut être employé en tant que bandeau de diodes électroluminescentes s'étendant au plafond de l'habitacle de l'avant vers l'arrière du véhicule. Lorsqu'un utilisateur appuie sur le bandeau à un endroit précis, la diode la plus proche s'allume ou s'éteint. On notera que pour de telles applications dans l'industrie automobile, les moyens de compensation 30 sont particulièrement utiles pour compenser les effets de vibrations qui sont fréquentes et non négligeables dans les véhicules. Il peut même être avantageux de prévoir l'utilisation d'accéléromètres, comme cela a été mentionné précédemment. Dans ce cas, la compensation réalisée par les accéléromètres se fait directement au niveau des données brutes fournies par les dispositifs de détection. On notera également que la technologie proposée dans cette invention peut s'avérer complémentaire d'autres technologies connues. Vu les coûts dérisoires du dispositif de détection proposé, on peut effectivement envisager sa combinaison avec des technologies déjà bien matures afin de pallier leurs défaillances et d'améliorer leur robustesse et leur fiabilité. Par exemple, il peut se combiner avec la technologie consistant à poser un cadre infrarouge autour de la surface tactile pour l'améliorer en cas d'environnement trop lumineux, ou avec la technologie consistant à déployer un film capacitif. Elle peut également s'avérer complémentaire d'autres technologies prometteuses, telles que celle introduite dans le brevet d'invention FR 2 948 787 B1 qui utilise un ensemble d'apprentissage dont la stabilité est fortement sensible à la température et aux conditions d'encastrements.

On notera par ailleurs que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment. Il apparaîtra en effet à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en oeuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.35

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de détection de contrainte mécanique comportant un capteur capacitif (10; 10') comprenant : une première électrode (12; 12') présentant une première face principale (14 ; 14'), une seconde électrode (16; 16') présentant une seconde face principale (18 ; 18') disposée en regard de la première face principale (14; 14') de la première électrode (12 ; 12'), un milieu diélectrique élastique (20 ; 20') s'étendant entre la première face principale (14 ; 14') de la première électrode (12 ; 12') et la seconde face principale (18 ; 18') de la seconde électrode (16 ; 16'), et des moyens (22, 24) de mesure d'une capacité aux bornes des deux électrodes (12, 16; 12', 16'), caractérisé en ce que le dispositif comporte en outre des moyens (30) de compensation de contrainte mécanique dont une partie fixe (32) est solidaire de l'une (16; 16') desdites première et seconde électrodes et dont une partie mobile (34) par rapport à la partie fixe (32) et munie d'un contrepoids réglable (56, 58, 60, 62, 64, M) est solidaire de l'autre (12 ; 12') desdites première et seconde électrodes.
2. 2. Dispositif de détection de contrainte mécanique selon la revendication 1, dans lequel la partie mobile (34) est mobile en rotation (44) autour d'un arbre (42) de la partie fixe (32) et comporte : une première portion (46) de bras de balancier dont une extrémité (48) est destinée à être en contact avec une surface tactile (50), et une seconde portion (56) de bras de contrepoids comprenant le contrepoids réglable (56, 58, 60, 62, 64, M), cette seconde portion de bras s'étendant de l'autre côté de l'arbre (42) de la partie fixe (32) par rapport à la première portion de bras (46).
3. 3. Dispositif de détection de contrainte mécanique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le contrepoids réglable (56, 58, 60, 62, 64, M) comporte : une tige (56) dont une partie présente un pas de vis, une masse (M) attachée à cette tige (56) par une liaison hélicoïdale (60), etun embout de réglage (62) permettant, par entrainement en rotation (58) de la tige (56) autour de son axe, de déplacer la masse (M) le long de la tige de manière à la rapprocher ou l'éloigner de l'arbre (42) de la partie fixe (32) par coulissement.
4. 4. Dispositif de détection de contrainte mécanique selon la revendication 3, dans lequel l'embout de réglage (62) comporte un moteur commandé.
5. 5. Dispositif de détection de contrainte mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le matériau diélectrique élastique (20 ; 20') comporte du silicone ou du polyuréthane.
6. 6. Dispositif de détection de contrainte mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les deux électrodes (12, 16 ; 12', 16') sont cylindriques, de sections circulaires et disposées coaxialement l'une par rapport à l'autre, les deux faces principales (14, 18; 14', 18') en regard étant planes.
7. 7. Dispositif de détection de contrainte mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant en outre des moyens (26) d'estimation d'une contrainte (p) appliquée contre l'une (12 ; 12') des deux électrodes (12, 16 ; 12', 16') en fonction de la capacité mesurée.
8. 8. Ensemble de dispositifs de détection de contrainte mécanique, comportant : une pluralité de dispositifs (711, 712, 713; 811, 812) de détection de contrainte mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, un module électronique (72) de traitement de signaux en provenance de cette pluralité de dispositifs de détection (711, 712, 713; 811, 812), et des moyens (74) de transmission, avec ou sans fil, de signaux depuis chacun des dispositifs de détection (711, 712, 713; 811, 812) vers le module électronique (72) de traitement de signaux.
9. 9. Dispositif (70 ; 80) de localisation d'un toucher (P) sur une surface tactile (76 ; 82) comportant : un ensemble de dispositifs (711, 712, 713; 811, 812) de détection de contrainte mécanique selon la revendication 8, une surface tactile (76; 82) contre laquelle sont disposés les dispositifs de détection (711, 712, 713; 811, 812) dudit ensemble, lesparties mobiles (34) de leurs moyens de compensation (30) étant en contact avec la surface tactile (76 ; 82), et des moyens (78) de localisation d'un toucher (P) sur la surface tactile (76; 82) par traitement, à l'aide du module électronique (72) dudit ensemble, de contraintes estimées à l'aide des signaux fournis par les dispositifs de détection (711, 712, 713; 811, 812).
10. 10. Dispositif (80) de localisation d'un toucher (P) selon la revendication 9, dans lequel la surface tactile (82) comporte un bandeau dans lequel sont réparties linéairement des sources lumineuses activables (84), le dispositif comportant : un dispositif de détection (811, 812) disposé à chaque extrémité du bandeau (82), et des moyens (72) de sélection d'une source lumineuse (84) à partir d'une localisation de toucher.