STYLOGRAPHE
La présente invention concerne un stylographe, du type comprenant un corps qui est ouvert à l'une au moins de ses extrémités et dans lequel est logée une mine dont une première extrémité peut déboucher vers l'extérieur du corps par l'extrémité ouverte de celui-ci. Par stylographe, on entend au sens de la présente invention tout objet ayant pour fonction de produire, directement ou indirectement, une représentation d'un mouvement qui lui est imprimé. En particulier, il peut s'agir du mouvement imprimé au stylographe par la main d'un utilisateur tenant le stylographe. L'invention trouve des applications dans des systèmes de représentation électronique d'écriture, de reconnaissance électronique d'écriture, d'interface manuelle pour la saisie d'informations en vue d'un traitement numérique de données, etc ...
Dans ce type d'applications, le stylographe peut être équipé d'un transducteur d'émission acoustique tel qu'une capsule ultrasonore fonctionnant en émission qui émet des ondes acoustiques dans le milieu ambiant, sous forme d'un train d'impulsions. Le stylographe est maintenu en contact avec et est amené à se déplacer sur un support plan tel qu'une table à tracer. Au moins deux transducteurs de réception acoustique tels que des capsules ultrasonores fonctionnant en réception, fixes par rapport au support, sont disposés à proximité de la table à tracer. Ces transducteurs de réception sont adaptés pour recevoir les ondes acoustiques émises par le transducteur d'émission et pour les transformer en signaux électriques. Ces signaux sont transmis par des liaisons ad-hoc à un ordinateur. L'ordinateur exécute un programme qui permet, en fonction des signaux électriques ainsi reçus, de produire des données représentant la trajectoire de la pointe du stylographe sur le support. Ce logiciel implémente une méthode de triangulation pour calculer la position instantanée de la pointe du stylographe sur le support.
Toutefois, dans certaines applications, la connaissance de la trajectoire suivie par le stylographe sur le support n'est pas suffisante. La force d'appui instantanée du stylographe sur le support, résultant de l'action de l'utilisateur qui manœuvre le stylographe, peut également être une donnée qu'il est utile de
prendre en compte. En effet, dans le cas d'un système de représentation électronique d'écriture par exemple, la force d'appui exercée par le stylographe sur le support est différente selon que la portion de trait concernée est un plein ou un délié. Pour restituer une représentation d'écriture proche de celle obtenue avec une plume sur une feuille de papier, il peut alors être utile de caractériser la force d'appui exercée par le stylographe sur le support. Plus la force d'appui est grande, et plus la largeur du trait est importante. Dans le cas d'un système de reconnaissance électronique d'écriture, l'évolution de la force d'appui exercée par le stylographe sur le support est souvent corrélée à l'allure de la trajectoire du stylographe sur le support de manière sensiblement univoque, en sorte que le rapprochement de ces deux types d'informations permet d'affiner la caractérisation de l'écriture et donc d'améliorer les performances du système.
Du brevet américain US 4,814,552, il est connu un dispositif formant interface d'entrée pour un ordinateur comprenant un instrument d'écriture et un interrupteur coopérant avec l'extrémité de la mine, pour détecter le contact de la mine sur un support. Cet interrupteur ne donne toutefois qu'une information binaire, indiquant que le stylographe est ou n'est pas en contact avec le support. Le document US 3,528,295 divulgue un stylographe équipé d'une jauge de contrainte, pour générer un signal électrique représentatif de l'intensité d'une force exercée sur la mine du stylographe.
L'invention vise à proposer des améliorations aux stylographes connus dans l'art antérieur. A cet effet, l'invention propose un stylographe comprenant un corps présentant une ouverture, à l'intérieur duquel est logée une mine dont une première extrémité peut déboucher vers l'extérieur du corps par ladite ouverture, la mine étant rigide et libre en translation suivant un axe longitudinal du coφs. Le stylographe comprend également un dispositif sensible à une force, qui est disposé entre une butée solidaire du corps du stylographe et la seconde extrémité de la mine et qui coopère avec une seconde extrémité de la mine pour délivrer un signal électrique de sortie dont les valeurs continues sont représentatives de l'intensité d'une force exercée sur la première extrémité de
la mine. Le stylographe comprend en outre des moyens de précontrainte qui permettent à la seconde extrémité de la mine d'exercer une force de précontrainte non nulle sur l'élément sensible lorsque la force exercée sur la première extrémité de la mine est nulle. Les valeurs continues du signal électrique de sortie permettent de caractériser la force d'appui du stylographe sur le support, la force exercée sur la première extrémité de la mine par le support lui étant directement liée suivant le principe de l'action et de la réaction.
De plus, les moyens de précontraintes permettent de faire fonctionner le dispositif dans la zone linéaire de la caractéristique de l'élément sensible.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels on a représenté :
- à la figure 1 : le schéma d'un stylographe selon l'invention ; - à la figure 2 : le schéma d'un dispositif sensible à une force selon l'invention ;
- à la figure 3 : un schéma de la force exercée sur la première extrémité de la mine par le support ;
- à la figure 4 : une courbe montrant la caractéristique de la résistance électrique d'un élément sensible en fonction de sa dynamique d'entrée.
A la figure 1 , on a représenté le schéma simplifié d'un stylographe selon l'invention. Le stylographe comprend un corps 100 présentant une ouverture 120 à l'une de ses extrémités. Plus particulièrement, il comprend une partie principale 150 de forme sensiblement cylindrique allongée et un embout 160 à l'extrémité du corps 100 du côté de l'ouverture 120. Dit autrement, l'ouverture 120 se trouve au niveau de l'embout 160 du corps 100. Une mine 190 est logée à l'intérieur du corps 100. La mine 190 est rigide et libre en translation suivant l'axe longitudinal X-X du corps 100 du stylographe. Une première extrémité 191 de la mine 190 peut déboucher vers l'extérieur du corps par l'ouverture 120.
L'embout 160 comprend un conduit 300 qui traverse l'embout 160 suivant l'axe longitudinal X-X du corps 100. Un jeu fonctionnel (qui est de l'ordre de 1/10 millimètre) permet à la mine 190 de coulisser dans ce conduit
300, en sorte que les parois du conduit forment des moyens de guidage de la mine pour son mouvement suivant l'axe longitudinal X-X du corps 100. Bien entendu, des moyens adaptés tels qu'un rétrécissement du conduit 300 au niveau de l'ouverture 120 empêchent la mine 190 de s'échapper complètement du corps 100 du stylographe.
Dans des conditions normales d'utilisation, le corps 100 du stylographe est tenu fermement par un utilisateur et est manœuvré de telle sorte que l'extrémité 191 de la mine soit maintenue en contact avec un support 20 tel qu'une table à tracer, le cas échéant par l'intermédiaire d'une feuille de papier 200. Classiquement, l'angle α entre l'axe longitudinal X-X du stylographe et la projection de cet axe sur le plan du support 20 est alors de l'ordre de 60°. L'utilisateur imprime ainsi une force d'appui du stylographe sur le support 20 qui est transmise au support par le corps 100 et la mine 190. Suivant le principe de l'action et de la réaction, cette force d'appui engendre une force de réaction RF du support 20 sur l'extrémité 191 de la mine 190. Cette force de réaction RF est visible sur le schéma de la figure 3, sur lequel, par souci de clarté, seuls le support 20 et la mine 190 ont été représentés. Ainsi qu'on le voit sur cette figure, la force RF est orthogonale au plan du support 20. Le module de la composante RFx de la force R qui est exercée suivant l'axe longitudinal X-X du corps 100 et qui est orientée de l'extrémité 191 vers l'extrémité 192 de la mine, est donné par la relation suivante :
|RΛ ||=||R || xcos(Λ-/2-ûr) = |Λ | xsinûr (2)
où ||RF| désigne le module de la force de réaction R .
Le stylographe comprend un dispositif sensible à une force coopérant avec la seconde extrémité 192 de la mine pour délivrer un signal électrique de sortie dont les valeurs continues sont représentatives de l'intensité de la force exercée sur la première extrémité 191 de la mine. Les éléments du stylographe qui coopèrent avec cette seconde extrémité 192 du stylographe sont représentés à la figure 1 dans un médaillon contenant un agrandissement de la partie du stylographe où ils sont situés.
Le dispositif sensible à une force comprend un élément sensible 11 dont la résistance électrique est variable en fonction de la pression mécanique à
laquelle il est soumis. Il s'agit par exemple d'un capteur commercialisé par la société INTERLINK ELECTRONICS sous la référence FSR 49. Un tel élément se présente sous la forme d'une pastille de polymère en forme de disque, de diamètre compris entre 5 mm et 10 mm et d'épaisseur comprise entre 0,2 mm et 0,5 mm. Il présente une résistance électrique d'autant plus faible que la pression mécanique de pincement à laquelle il est soumis est forte. Cette pression mécanique s'exerce préférentiellement selon une direction sensiblement orthogonale au plan de la pastille. L'élément 11 est disposé entre une butée 12 solidaire du corps 100 du stylographe et la seconde extrémité 192 de la mine. De cette manière, l'élément sensible 11 est pressé entre l'extrémité 192 de la mine et la butée 12. La butée 12 est par exemple un épaulement ou une paroi du corps, faisant saillie radialement par rapport aux parois du corps 100 en direction de l'axe longitudinal X-X.
En raison de la rigidité de la mine 190, la force RF est intégralement transmise de la première extrémité 191 à la seconde extrémité 192 de la mine
190. Dit autrement, la mine 190 a pour fonction de transmettre la force RFx depuis le point de contact entre la mine du stylographe et le support vers l'élément sensible 11.
Le dispositif comprend en outre un circuit formant pont diviseur, visible sur le schéma de la figure 4, et comprenant une résistance R1 de valeur fixée en série avec l'élément sensible 11 entre les bornes d'une source de tension continue telle qu'une pile 180. Le signal électrique de sortie S du dispositif est la tension aux bornes de l'élément sensible 11 référencée par rapport au potentiel de la borne négative de la pile 180. A la figure 4, on a également représenté une unité de gestion 170 comprise dans le stylographe. Cette unité de gestion comprend d'une part la résistance R1 et d'autre part un microcontrôleur μC recevant le signal S sur une entrée IN et connecté aux bornes respectivement positive et négative de la pile par des entrées respectivement VCC et GND. On a également représenté une diode d'émission infrarouge (diode IR) 400, reliée par son anode à une sortie OUT du microcontrôleur μC et par sa cathode à la borne négative de la pile 180.
L'unité de gestion 170 comprend des moyens pour coder numériquement des valeurs du signal électrique de sortie S représentatives de
la force exercée sur l'extrémité 191 du stylographe. Ces moyens comprennent un convertisseur analogique/numérique du microcontrôleur μC qui est couplé à l'entrée IN. Dans un exemple de réalisation, le signal électrique de sortie S est échantillonné à une fréquence d'échantillonnage d'environ 200 Hz. Le stylographe comprend aussi des moyens pour émettre des valeurs du signal électrique de sortie S par l'intermédiaire d'une liaison adaptée les valeurs continues du signal de sortie S, le cas échéant après numérisation, vers un récepteur distant du stylographe. Le programme pilotant le microcontrôleur permet alors d'encapsuler les données numériques résultant du codage dans un message qui est émis par l'intermédiaire de la diode IR 400.
Préférentiellement, des valeurs du signal S sont codées sur un nombre de bits compris entre 4 à 8. Ceci permet de caractériser la force d'appui exercée sur le stylo par l'utilisateur par au moins 16 et au plus 256 niveaux différents, ce qui est suffisant dans de nombreuses applications, sans engendrer un volume trop important d'informations à émettre. Dans l'exemple représenté aux figures, cette liaison est une liaison sans contact par onde infrarouge. Il peut aussi s'agir d'une liaison sans contact par onde radioélectrique dans le domaine radiofréquence ou autre. Il peut encore s'agir d'une liaison filaire, bien que celle-ci présente l'inconvénient d'une liaison physique entre le stylographe et le récepteur.
L'unité de gestion 170, la pile 180 et la diode IR 400 sont également visibles à la figure 1. Toutefois, par souci de clarté, les connexions électriques reliant ces différents éléments entre eux et avec l'élément sensible 11 n'ont pas été représentées sur cette figure. La diode IR 400 est de préférence orientée de manière que son axe d'émission soit horizontale dans la position angulaire de fonctionnement habituelle du stylographe représentée à la figure 1.
Le stylographe comporte préférentiellement un socle rigide 13 interposé entre la seconde extrémité 192 de la mine et l'élément sensible 11. Ce socle a pour fonction de répartir la force RFx sensiblement régulièrement sur la face de l'élément sensible 11 tournée vers l'extrémité 192 de la mine 190. C'est pourquoi, la face du socle rigide 13 et la face de l'élément sensible 11 en regard l'une de l'autre sont de dimensions sensiblement identiques, de manière que la force RF exercée par la seconde extrémité 192 de la mine 190 sur
l'autre face du socle rigide 13 soit sensiblement régulièrement répartie sur ladite face de l'élément sensible 11. Dans un exemple, le socle rigide 13 est rendu solidaire de la seconde extrémité 192 de la mine par des lamelles élastiques 13a et 13b. Celles-ci sont par exemple soudées sur le socle rigide 13. En variante, elles sont obtenues par découpage et pliage à partir d'une plaque métallique dans laquelle est réalisé le socle 13. Les lamelles 13a et 13b sont préférentiellement disposées de part et d'autre de la mine, de manière à la rendre solidaire du socle rigide 13 par pincement. On notera que la rigidité du socle 13 est propre à ne pas introduire d'élasticité dans la chaîne transmission de la force RF vers l'élément sensible 11 qui serait préjudiciable à la précision du dispositif.
L'élasticité de l'élément sensible 11 lui permet d'occuper une multiplicité d'états différents compris entre un état de repos (lorsque la force RF* exercée par l'extrémité 192 de la mine est nulle) et un état de compression maximale correspondant à une force maximale Fmax au-delà de laquelle il ne change plus d'état. On parle de dynamique d'entrée 0-Fmax pour désigner les valeurs du module de la force (ici la composante RFx de la force de réaction RF ) faisant passer l'élément sensible 11 de l'état de repos à l'état de compression maximale. Dans l'état de repos, la résistance électrique de l'élément sensible est de l'ordre de 10 MΩ. Dans l'état de compression maximale, elle est de l'ordre de 1 kΩ. Pour des valeurs F de la force de pression variant entre la valeur nulle est la valeur maximale Fmax, la résistance R de l'élément sensible varie de façon continue entre 1 kΩ et 10 MΩ. Par exemple, pour une force de pression F égale à 10% de la force maximale Fmax (c'est à dire telle que le rapport F/Fmax soit égal à 0,1), la résistance R est égale à 100 kΩ. Le dispositif est de préférence calibré pour que, en utilisation normale, une force d'appui moyenne exercée par l'utilisateur sur le stylo engendre une force RF correspondant au milieu de la caractéristique d'entrée de l'élément sensible.
A la figure 3, on a représenté la caractéristique de sortie de l'élément sensible 11 , c'est à dire la courbe de sa résistance R (exprimée en kΩ) en fonction du rapport F/Fmax (exprimé en pourcentage). Comme on le voit sur la figure 3, la caractéristique de sortie de l'élément sensible est sensiblement linéaire à partir de 10% de la force maximale Fmax.
Afin de faire fonctionner le dispositif dans la zone linéaire de la caractéristique de l'élément sensible, le stylographe comprend préférentiellement des moyens de précontrainte permettant à la seconde extrémité 192 de la mine 190 d'exercer une force de précontrainte non nulle sur l'élément sensible 11 lorsque la force RFx exercée sur la première extrémité 191 de la mine est nulle. Dans un exemple de réalisation, ces moyens comprennent une attache élastique 14 agencée pour pincer le socle rigide 13 (rendu solidaire de la mine 190 par exemple par les lamelles élastiques 13a et 13b) contre l'élément sensible 11. De préférence, les moyens de précontrainte sont ajustables de manière à pouvoir ajuster l'intensité de la force de précontrainte. Dans l'exemple, ceci se réalise simplement en ajoutant une vis de réglage 15 à l'attache 14, cette vis prenant appui sur la face de la butée 12 opposée à l'élément sensible 11.
Avantageusement, un réglage de la force de précontrainte réalisé pour chaque exemplaire du stylographe de manière à obtenir une valeur du signal de sortie déterminée lorsque la force RFx exercée sur la première extrémité de la mine est nulle, permet d'éliminer les effets de la dispersion de caractéristique de l'élément sensible 11 ainsi que les effets des tolérances de fabrication et de montage du stylographe. De cette manière, l'exploitation du signal électrique de sortie par le microcontrôleur μC est identique pour tous les exemplaires du stylographe fabriqués.
De préférence, la force de précontrainte est au moins égale à 10% de la valeur de la force maximale Fmax pour laquelle l'élément sensible 11 est dans l'état de compression maximale.