WO2014140459A1 - Dispositif de détection de contrainte mécanique à capteur capacitif, ensemble de dispositifs de détection et dispositif de localisation de toucher à capteurs capacitifs - Google Patents

Dispositif de détection de contrainte mécanique à capteur capacitif, ensemble de dispositifs de détection et dispositif de localisation de toucher à capteurs capacitifs Download PDF

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WO2014140459A1
WO2014140459A1 PCT/FR2014/050513 FR2014050513W WO2014140459A1 WO 2014140459 A1 WO2014140459 A1 WO 2014140459A1 FR 2014050513 W FR2014050513 W FR 2014050513W WO 2014140459 A1 WO2014140459 A1 WO 2014140459A1
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electrode
mechanical stress
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electrodes
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Nicolas Guenard
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Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
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    • G06F3/0447—Position sensing using the local deformation of sensor cells

Definitions

  • Capacitive sensor mechanical strain detection device, sensing device set and capacitive sensor touch locating device Capacitive sensor mechanical strain detection device, sensing device set and capacitive sensor touch locating device.
  • the present invention relates to a mechanical stress detection device with a capacitive sensor. It also relates to a set of capacitive sensor stress detection devices and a tactile location device on a touch surface comprising such a set of detection devices.
  • a targeted application is the use of sensors to make touch any surface, whatever its material (wood, glass, plastic, plaster, ...) and whatever its shape (flat or raised).
  • the technologies used are mainly the deployment of a capacitive film on the surface to make touch or the laying of an infrared frame around this surface.
  • a plastic film in which is engraved an electrical network connected to a computing unit is extended on the surface.
  • the measured capacity is locally disturbed which allows to locate the touch.
  • the frame is composed of emitting and receiving infrared light emitting diodes arranged respectively vis-à-vis horizontally and vertically so as to generate a grid of the surface.
  • Another solution is then to have a number of devices for detecting mechanical stress against the surface to be touched regardless of its size and to apply a method based on a measurement of the respective stresses exerted on each detection device during a test. touch to deduce, by barycentric calculation, the location of the touch.
  • touch to deduce, by barycentric calculation, the location of the touch.
  • Such a method is for example disclosed in US Patent 3,657,475.
  • a minimum of two sensing devices is required for a one-dimensional touch location with respect to an axis.
  • a minimum of three detection devices is required for a two-dimensional location, knowing that four detection devices arranged at the four corners of a rectangular surface make it possible to obtain satisfactory results with good stability of the assembly.
  • US Pat. No. 3,657,475 describes four sensors interposed between a fixed support and a tactile surface at the four corners of the latter. These sensors are strain gages or piezoelectric sensors. They must, on the one hand, support the empty weight of the touch surface and, on the other hand, remain sensitive to touches whose strength or pressure is added to the weight of this touch surface. The force of the touch can not be too small compared to the weight of the surface not to induce problems of sensitivity as well as accuracy. In addition, the sensors used in this document are quite expensive and the piezoelectric sensors in particular are sensitive to temperature variations. For these reasons, the invention relates more specifically to a mechanical stress detection device capacitive sensor.
  • a capacitive sensor mechanical stress detection device consisting of two electrodes held at a distance from one another.
  • the capacitive sensor is positioned beneath the surface to be made tactile and is kept in contact therewith by a point link secured to the upper electrode.
  • a touch on the surface brings the two electrodes closer together, thus modifying the value of the capacitance.
  • It is the elastic deformation of the upper electrode which makes it possible to modify the capacity in the event of touching and to return the sensor to its initial position when the touch is interrupted.
  • the disadvantage of this sensor remains its vulnerability to the weight of the surface to make touch. Indeed, the greater the weight of the surface, the higher the stiffness constant of the upper electrode and the less the sensor is sensitive to the forces generated by a touch.
  • a solution would then be to play on the weight of the surface making it as light as possible to increase the sensitivity of the sensor.
  • this solution is not satisfactory when one of the objectives is to be independent of the choice of material to constitute the tactile surface.
  • the capacitive sensor proposed in this document comprises a first electrode having a first main face, a second electrode having a second main face disposed opposite the first main face of the first electrode, an elastic dielectric medium extending between the first main face of the first electrode and the second main face of the second electrode, and means measuring a capacitance across the two electrodes.
  • This capacitive sensor is therefore constituted by a planar capacitor whose variable distance between its two planar electrodes makes its capacitance variable as a function of the force or pressure exerted against one of its two electrodes. But this sensor is used in the context of EP 1 350 080 B1 for weighing vehicles, that is to say in a context where the stress to be measured is much higher than the weight of the contact surface.
  • the stress measured by the capacitive sensor is normal on its surface. It is therefore a function of the inclination and can vary greatly in use if the touch surface against which the capacitive sensor is disposed changes inclination.
  • a mechanical stress detection device comprising a capacitive sensor comprising:
  • a second electrode having a second main face arranged opposite the first main face of the first electrode
  • an elastic dielectric medium extending between the first main face of the first electrode and the second main face of the second electrode, and means for measuring a capacitance across the two electrodes, further comprising means for compensating for mechanical stress, a fixed part of which is integral with one of said first and second electrodes and a part of which is mobile with respect to the part fixed and provided with an adjustable counterweight is integral with the other of said first and second electrodes.
  • the counterweight mechanism associated with one of the two electrodes of the capacitive sensor makes it possible to adjustably compensate for some of the mechanical stresses likely to be exerted on this electrode. It is then possible in particular to compensate the empty weight of a touch surface against which the capacitive sensor detection device is intended to be arranged, so that it increases its sensitivity to touch. But in addition, such a mechanism also protects the sensor against vibrations or changes in inclination also improving the accuracy of its measurements.
  • the mobile part is rotatable about a shaft of the fixed part and comprises:
  • a second portion of counterweight arm comprising the adjustable counterweight, the second arm portion extending from the other side of the shaft of the fixed portion relative to the first arm portion.
  • the adjustable counterweight comprises:
  • An adjusting end allowing, by rotating the rod about its axis, to move the mass along the rod so as to move it towards or away from the shaft of the fixed part by sliding.
  • the adjusting endpiece comprises a controlled motor.
  • the elastic dielectric material comprises silicone or polyurethane.
  • the two electrodes are cylindrical, of circular sections and arranged coaxially with respect to each other, the two main facing faces being planar.
  • a mechanical stress detection device may further comprise means for estimating a stress applied against one of the two electrodes as a function of the measured capacitance.
  • a device for locating a touch on a touch surface comprising:
  • the touch-sensitive surface comprises a strip in which linear active light sources are distributed linearly, the device comprising:
  • a detection device disposed at each end of the strip, and means for selecting a light source from a touch location.
  • FIG. 1 diagrammatically and in section the general structure of a mechanical stress detection device, according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 diagrammatically and in section the general structure of an alternative embodiment of a capacitive sensor of the detection device of FIG. 1
  • FIG. 3 schematically represents the general structure of a device for locating a touch on a tactile surface, according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 schematically represents the general structure of a device for locating a touch on a tactile surface, according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 5 illustrates the successive steps of a method for locating a touch implemented by one or the other of the devices of FIGS. 3 and 4.
  • the mechanical stress detection device shown diagrammatically in FIG. 1 comprises a capacitive sensor 10 comprising a first electrode 12 having a first main face 14. It comprises a second electrode 16 having a second main face 18 arranged opposite the first main face 14 of the first electrode 12. It comprises an elastic dielectric medium 20, for example silicone or polyurethane, extending between the first main face 14 of the first electrode 12 and the second main face 18 of the second electrode 16. Elastic dielectric medium 20 serves mainly two functions. The first is to isolate the two main faces 14 and 18 facing one another. The second is to provide biasing means that compress when a constraint is exerted against one of the two electrodes and restore an initial position of rest in the absence of stress.
  • the capacitive sensor 10 comprises means 22, 24 for measuring a capacitance across the two electrodes 12 and 16. These means 22, 24 comprise at least two conductors 22 across which a capacitance can be measured using of a possible impedance measuring device 24.
  • the two electrodes 12 and 16 may be of generally cylindrical shape. More specifically, for the sake of simplicity of manufacture, the two cylindrical electrodes 12 and 16 are circular sections and arranged coaxially with respect to one another, the two facing main faces 14 and 18 being flat.
  • the capacitive sensor 10 behaves as a variable capacitance capacitor.
  • ⁇ represents the permittivity of the dielectric medium 20
  • A the common surface of the two main facing faces 14 and 18 and the distance separating them, the latter being variable as a function of the stress exerted on the first electrode 12.
  • the distance d 0 corresponding to the rest position of the capacitive sensor 10 must be sufficiently small so as to have a sufficiently large capacitance, even at rest, to be measurable by the measuring device 24 (of the order of 10 pF) and so as to have the greatest possible variation for a small approximation of the two electrodes 12 and 16.
  • the common surface A of the two facing main faces 14 and 18 must be limited.
  • measuring device 24 and the stress calculator 26 are not part of the capacitive sensor 10, and more generally of the device detection, as optional. They can indeed be deported in separate calculation means.
  • the mechanical stress detection device shown diagrammatically in FIG. 1 further comprises means 30 for compensating for mechanical stress, a fixed portion 32 of which is integral with one of said first and second electrodes and a movable portion 34 of which is connected to the fixed part 32 and provided with an adjustable counterweight is secured to the other of said first and second electrodes. More precisely, in this example, it is the second electrode 16 which is fixed and integral with the fixed part 32 of the compensation means 30 while the first electrode 12 is mobile and integral with the mobile part 34 of the compensation means 30.
  • the fixed part 32 is integral with a frame 36. It comprises schematically a first arm 38 carrying the second electrode 16 to which it is attached and a second arm 40 carrying the movable part 34, the latter being free only in rotation along the axis of a shaft 42 terminating the second support arm 40.
  • This freedom of movement of the movable portion 34 in rotation only around the shaft 42 without possible translation along said shaft is symbolized by the element 44.
  • the movable portion 34 includes a first arm portion 46 extending from the axis of the shaft 42 to a fulcrum end 48 against a touch surface 50.
  • This fulcrum 48 is at a distance D1 from the axis of the shaft 42.
  • the first arm portion 46 also includes a point 52 for attachment to the first electrode 12 of the capacitive sensor 10.
  • This attachment point 52 is at a distance D2 from the axis of the shaft 42, D2 being less than D1.
  • the movable portion 34 includes a second portion of counterweight arm 54 extending from the other side of the shaft 42 relative to the first arm portion 46 of balance.
  • This second arm portion 54 carries a rod 56 free to rotate about its own longitudinal axis, this freedom in rotation being symbolized by the element 58.
  • the rod 56 comprises a portion having a screw thread to which is attached a mass M by a helical link (symbolized by the element 60).
  • One of the ends of the rod 56 is provided with a manual adjustment nozzle 62 for moving by rotation of the rod 56 about its axis, furthermore by means of a rotation stop mechanism 64, the mass M along the rod 56 so as to move it towards or away from the shaft 42 by sliding.
  • the mass M is thus at a variable and adjustable distance D3 from the axis of the shaft 42.
  • stops may be placed on the first balance arm portion 46 to protect the capacitive sensor 10 against excessive pressure acting on the touch surface 50.
  • the manual adjustment nozzle 62 could be replaced by a motorized adjusting tip using a controlled motor. This would be particularly advantageous in an application where it would be desired to automatically tare the touch surface 50 when it can vary in weight (for example for the touching of a table on which objects can be placed or removed).
  • the capacitive sensor 10 could be disposed on the other side of the shaft 42, that is to say the side of the counterweight. Thus, it is not in pressure but in traction that it would be sensitive to a touch.
  • g is the gravity constant, that is:
  • the capacitive sensor 10 is in the rest position in the absence of touching and does not measure any stress.
  • the latter can be represented by an acceleration a v from overlap the gravitational field g. Since, furthermore, the vibrations, as inertial force, have no influence on the stress exerted by a touch on the touch surface 50, this is considered zero. As a result, the sum C p of the pairs generated on the axis of the shaft 42 becomes:
  • the mass M could be replaced by an electromagnet thereby avoiding an additional lever arm.
  • the compensation force of the electromagnet is not inertial in nature, vibrations or a change of inclination would disturb the measurement of the capacitive sensor 10.
  • This other capacitive sensor 10 ' which can replace the capacitive sensor 10 in the detection device of Figure 1.
  • This other capacitive sensor 10 ' illustrated in section in FIG. 2, comprises a first electrode 12' having a first main face 14 'and a wafer 15' of a certain thickness E. It comprises a second electrode 16 'presenting a second main face 18 'disposed facing the first main face 14' of the first electrode 12 '. It comprises an elastic dielectric medium 20 ', for example silicone or polyurethane, extending between the first main face 14' of the first electrode 12 'and the second main face 18' of the second electrode 16 '. This elastic dielectric medium 20 'fulfills the same functions as the elastic dielectric medium 20.
  • the capacitive sensor 10' has the same measuring means 22, 24 as the capacitive sensor 10.
  • the second electrode 16' which furthermore has a rim 17 'which extends at the periphery of its second main face 18' around the wafer 15 'of the first electrode 12 on only a portion h 0 of its thickness E when the elastic dielectric medium 20 'is in the rest position, that is to say when no temporary stress exerts force or pressure against one of the two electrodes .
  • the first and second main faces 14' and 18 'of the two electrodes 12' and 16 ' are at an equilibrium distance d 0 from one another.
  • a guide 28 'of dielectric material for example ceramic, is advantageously inserted between the wafer 15' of the first electrode 12 'and the flange 17' of the second electrode 16 'to fulfill an electrical insulator function .
  • the two electrodes 12 'and 16' may be of generally cylindrical shape, the second electrode 16 'having a recess in which is housed in part, that is to say up to a depth equal to h 0 ⁇ E, the first electrode 12 '.
  • the two cylindrical electrodes 12 'and 16' are circular sections and arranged coaxially relative to each other, the two main faces facing 14 'and 18' being planar.
  • the guide 28 'of dielectric material is annular and covers the entire inner surface of the flange 17' of the second electrode 16 '. It guides the translation displacement of the first electrode 12 'relative to the second electrode 16' along their common axis under the effect of a constraint.
  • ⁇ 2 represents the permittivity of the guide 28 'of dielectric material, has the radius of the first electrode 12' (it constitutes the inner radius of the cylindrical capacitor), b the inner radius of the rim 17 'of the second electrode 16' (it constitutes the outer radius of the cylindrical capacitor) and h the insertion depth of the first electrode 12 'in the second electrode 16'.
  • the total variable capacitance of the capacitive sensor 10 'then takes the following form:
  • the measuring device 24 and the stress calculator 26 are only part of the capacitive sensor 10 ', and therefore of the detection device, as an option. They can indeed be deported in separate calculation means.
  • FIG. 3 illustrates the use of several detection devices such as that of FIG. 1 (with the capacitive sensor 10 of FIG. 1 or 10 'of FIG. 2) in a device 70 for locating a touch on a surface tactile, according to a first embodiment of the invention.
  • This device 70 firstly comprises a set of detection devices comprising: several detection devices such as that of FIG. 1, identified in FIG. 3 by references 71 1, 71 2 and 71 3 ,
  • an electronic module 72 for processing signals coming from these detection devices 71 1, 71 2 and 71 3 , and
  • the device 70 for locating a touch further comprises:
  • the touch surface 76 is of any shape and relief. It rests on a fixed support.
  • three detection devices 71 71 2 and 71 3 are provided , which corresponds to the minimum necessary to achieve a two-dimensional location of a touch on this touch surface 76.
  • Four detection devices are generally preferred.
  • the touch surface 76 is a flat rectangular table resting on a fixed support consisting of four feet
  • a detection device can be provided at each corner of the table, more precisely interposed between the top of each foot and the lower surface. of the table.
  • one of the electrodes rests on the fixed support, for example the second electrode 16 or 16 ', while the other electrode, for example the first electrode 12 or 12' which is then mobile in axial translation relative to the fixed electrode, is secured, via the compensation means 30, the touch surface 76.
  • the measuring device 24 and the stress calculator 26 be deported from the detection devices to the electronic module 72, the transmission means 74 then being constituted by the conductors 22.
  • the electronic module 72 contains the electronic components making it possible to acquire the signals coming from the detection devices 71 71 2 and 71 3 , to process these signals by possibly merging them with other sensors (for example in the case where accelerometers are provided to compensate for any parasitic vibrations measured by the capacitive sensors), then communicate the result of this treatment on a network or directly to another device, for home automation and / or device control applications by surface touch. Low cost components exist to perform these well known operations.
  • the measuring device 24 comprises, for example, a controller capable of processing up to 13 sensors to measure their capacities in parallel and convert them digitally to 16 bits.
  • a low-pass averaging filter can also be activated to improve measurement accuracy.
  • four detection devices such as that illustrated in FIG. 1 can thus be processed and filtered.
  • the capacitances measured and digitized by the device 24 are then made available to the strain calculator 26 via a data transmission bus, SPI or I2C, for example.
  • the stress calculator 26 estimates, for each capacitance value resulting from one of the detection devices 71 71 2 and 71 3 , a corresponding value of stress exerted on this device during a touch, noted P in FIG. 3, exerted on the touch surface 76.
  • the reactions to these constraints are denoted respectively ⁇ , 2 and P ' 3 for the detection devices 71 71 2 and 71 3 in Figure 3. Note that the closer the touch is close to one detection devices, the greater the stress exerted on the latter is strong.
  • the constraint values (Pi, P 2 , P 3 ) are then put by the constraint calculator 26 at the disposal of the locating means 78 via a data transmission bus, SPI or I2C, for example.
  • the locating means 78 are designed to determine the location of a detected touch from the stress values Pi, P 2 , P 3 of the detection devices 71 -, 71 2 and 71 3 . They implement for this a method such as that disclosed in US Patent 3,657,475, based on a barycentric calculation. This process will be detailed with reference to FIG.
  • the constraint calculator 26 and the locating means 78 may for example be implemented in a computing device such as a conventional computer having a processor associated with one or more memories for storing data files and computer programs. . Their functions can also be at least partly micro programmed or micro wired in dedicated integrated circuits. In particular, a 16-bit or 8-bit microcontroller capable of starting a processing every 10 ms may suffice
  • the device 70 for locating a touch using the touch surface 76 can be used in different ways depending on the intended applications.
  • absolute mode the absolute position of the touch on the touch surface 76 is sought with respect to a fixed reference. An image can then be projected onto the touch surface 76 making it possible to couple the action of the touch with the function to be performed.
  • relative mode it is not necessarily the precise location of the touch that one is interested in, but its evolution over time, for the recognition of gestures or actions.
  • the device 70 is sensitive to the intensity of the stress exerted by the touch, which allows to have a direct information on the amplitude of the force exerted by the user. The latter can then be an additional input into a high-level interpretation software that exploits the data provided by the sensors.
  • FIG. 4 illustrates the use of several detection devices such as that of FIG. 1 (with the capacitive sensor 10 of FIG. 1 or 10 'of FIG. 2) in a device 80 for locating a touch on a surface touch, according to a second embodiment of the invention.
  • This device 80 firstly comprises a set of detection devices comprising:
  • the device 80 for locating a touch further comprises a touch surface 82 against which the detection devices 81 1 and 81 2 are arranged, the moving parts 34 of their compensation means 30, more precisely their support points 48, being in contact with the touch surface 82.
  • the touch surface 82 is more precisely a main axis strip D along which linearly active light sources 84 are distributed, for example light-emitting diodes.
  • the two detection devices 81 1 and 81 2 are arranged at the two ends of this strip 82.
  • the electronic module 72 is programmed to select at least one of the light sources 84 from a touch location determined by its location means 78 from the signals provided by the two detection devices 81 1 and 81 2 . For example, the light source closest to the detected touch location is activated. Note that in this example the location of a touch is unidimensional, along the axis D, which is why two detection devices disposed at both ends of the ribbon 82 are necessary and sufficient.
  • the capacitance C 0 of each detection device is raised and constitutes the reference value at rest of each of them.
  • the arrangement of its mass M along its rod 56 can also be adjusted to completely compensate for the empty weight of the touch surface supported by this detection device.
  • the value Pt ⁇ i Pt, that is to say the sum of the stresses Pt, detected by the set of detection devices directly indicative of the stress P exerted by a touch on the touch surface, is compared to a threshold value Ps.
  • step 104 if Pt ⁇ Ps, it is considered that the measured stress is too low and may be associated with noise or the beginning of a drift.
  • the method then returns to step 100 to reset and / or adjust the detection devices based on this measurement.
  • step 104 If Pt> Ps during step 104, it is considered that a touch P is detected on the touch surface and the process proceeds to a step 106 of barycentric estimation of the location of this touch P.
  • the step 106 of barycentric estimation consists of proceeding to the following calculation:
  • Pos (P) t . j Pt i . Pos (X l ).
  • the position of the detection devices can be obtained during a preliminary calibration step during which, for example, successive touches are exerted at predetermined and known locations on the tactile surface.
  • the location of touch thus calculated is placed in a circular buffer of fixed size.
  • a first average value is then calculated on all the values recorded in the buffer memory (after having initialized it), and then updated after elimination of "outlier" values considered to be too far from the average.
  • Adjustable thresholds buffer size and outlier values are used to set the filtering.
  • a set of two, three, four (or more) capacitive sensor sensing devices such as those illustrated in FIGS. 1 and 2 may be provided, regardless of any touch surface, including an electronic processing module.
  • signals such as the electronic module 72 previously described and means for transmitting, with or without wire, signals from each of the detection devices to the electronic module.
  • the electronic module can be integrated in one of the detection devices of the set, the latter having their own source of energy and can communicate with each other by wired or wireless links.
  • the set can be connected to a network or a device by radio or wire link. Then free to a user to touch any surface according to his needs or desires: wooden board, window, frame, switches, etc.
  • one possible application is to make a touch table, interposing the detection devices between the table and the tops of feet on which it rests. It is then possible, for example, to control a television apparatus and / or to manipulate content, especially in "relative mode" of operation of the localization device.
  • the advantage of such a technology is the ability to create three-dimensional interactive tables with improved design, allowing a good identification of a driver's finger relative to the relief. In this way, the driver's attention is less focused on the control he is making and remains on the road.
  • the locating device as illustrated in Figure 4 can be used as a light emitting diode strip extending to the ceiling of the passenger compartment from the front to the rear of the vehicle . When a user presses the banner at a specific point, the nearest diode turns on or off.
  • the compensation means 30 are particularly useful for compensating for the effects of vibrations which are frequent and not negligible in vehicles. It may even be advantageous to provide for the use of accelerometers, as mentioned above. In this case, the compensation performed by the accelerometers is directly at the raw data provided by the detection devices.
  • the technology provided in this invention may be complementary to other known technologies. Given the derisory costs of the proposed detection device, we can actually consider its combination with already mature technologies to overcome their failures and improve their robustness and reliability. For example, it can be combined with the technology of placing an infrared frame around the touch surface to improve it in case of too bright environment, or with the technology of deploying a capacitive film.

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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

Dispositif de détection de contrainte mécanique à capteur capacitif, ensemble de dispositifs de détection et dispositif de localisation de toucher à capteurs capacitifs.
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'à 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.
II 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 entraînement 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 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 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 œuvre 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 : C = /(d) = £l - ,
où ε 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 d0 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 connaître la relation réelle C = fogip) 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 D1 . 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. Dl = M. g. D3 ,
où g est la constante de gravité, soit :
Figure imgf000012_0001
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. Dl + 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 : p = -2- = P.— .
F D2 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 av 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 + av). Dl - M. (g + av). D3 = (g + av). m. Dl - . 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'électro- aimant 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 h0 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 d0 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 h0<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> h0). 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
Cl = £l d '
où ε1 ; 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 :
Figure imgf000014_0001
où ε2 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 2n. s2. h
C = C, + C2 = εΛ— H :— . 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 d0+ 0. 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 :
Figure imgf000015_0001
Ainsi, si les deux électrodes 12' et 16' se rapprochent sous l'effet contrainte, d diminue donc Ci et C2 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 C1 et C2 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 C2 est bien linéaire en fonction de la variation de d et h, ce n'est toujours pas le cas de celle de Ci . 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 = f'(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 connaître la relation réelle C = f'og(p) entre cette contrainte appliquée p et la capacité C mesurée aux bornes du capteur capacitif 10'. Une fois que cette relation f'og 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 71 1 , 712 et 713,
- un module électronique 72 de traitement de signaux en provenance de ces dispositifs de détection 71 1 , 712 et 713, et
- des moyens 74 de transmission, avec ou sans fil, de signaux depuis chacun des dispositifs de détection 71 -, , 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 71 1 ; 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 71 s 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 71 712 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 71 712 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 I2C par exemple.
Le calculateur de contrainte 26 estime, pour chaque valeur de capacité issue de l'un des dispositifs de détection 71 712 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 ΡΊ , 2 et P'3 pour les dispositifs de détection 71 712 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 (Pi , 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 I2C par exemple.
Les moyens de localisation 78 sont conçus pour déterminer la localisation d'un toucher détecté à partir des valeurs de contraintes Pi , P2, P3 des dispositifs de détection 71 -, , 712 et 713. Ils mettent en œuvre 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 œuvre 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 81 1 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 81 1 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 81 1 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 81 1 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 81 1 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 œuvre 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 C0 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 =∑i Pt 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 PosÇX^ la localisation du dispositif de détection X, (X, = 71 , ou 81 ,), l'étape 106 d'estimation barycentrique consiste à procéder au calcul suivant :
Pos(P) = t . j Pti. Pos(Xl) . 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 œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.

Claims

REVENDICATIONS
1 . 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. 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. 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), et un embout de réglage (62) permettant, par entraînement 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. Dispositif de détection de contrainte mécanique selon la revendication 3, dans lequel l'embout de réglage (62) comporte un moteur commandé.
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. 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. 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. Ensemble de dispositifs de détection de contrainte mécanique, comportant :
- une pluralité de dispositifs (71 712, 713 ; 81 1 , 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 (71 -, , 712, 713 ; 81 1 , 812), et
des moyens (74) de transmission, avec ou sans fil, de signaux depuis chacun des dispositifs de détection (71 1 ; 712, 713 ; 81 1 , 812) vers le module électronique (72) de traitement de signaux.
9. Dispositif (70 ; 80) de localisation d'un toucher (P) sur une surface tactile (76 ; 82) comportant :
un ensemble de dispositifs (71 1 ; 712, 713 ; 81 1 , 812) de détection de contrainte mécanique selon la revendication 8,
une surface tactile (76 ; 82) contre laquelle sont disposés les dispositifs de détection (71 712, 713 ; 81 1 , 812) dudit ensemble, les parties 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 (71 -, , 712, 713 ; 81 1 , 812).
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 (81 1 , 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.
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