Brevet FR2273257A1 — publié le 19751226

L'invention concerne un capteur destiné à être mis encon tact avec un object ou un corps de nature quelconque pour en connaître la forme ou l'état de surface et détecter la pression d'application dudit capteur sur cet objet ou corps, Il n'existe actuellement dans le domaine technique de la reconnaisance des formes, qu des capteurs ponctuels que lion déplace méchaniquement sur la surface de l'objet à explorer pour en déterminer la forme. On conçoit que ce processus conduise à des systèmes méchaniques complexes qui donnent des informations discontinues, difficiles et longues à exploiter. La présente invention se propose de pallier les inconvénients des systèmes existants et de fournir un capteur apte à fournir des informations liées à l'empreinte du corps à explorer. Un autre objectif de l'invention est de fournir un capteur de structure simple, exempt de système mécanique d'exploration et bénéficiant, par voie de conséquence, d'un prix de revient réduit. A cet effet, un capteur comprend - une couche fine et souple d'un matériau conducteur, dite électrode de surface, - solidaire de cette électrode de surface, une couche d'un matériau élastique, dite couche élastique, - assujettie à à cette couche élastique, une pluralité d'é- lectrodes conductrices, dites électrodes de mesure, réparties sur cette couche élastique, - situés autour de chaque électrode de mesure, de. élé- ments conducteurs, dits conducteurs de sarde, destinés à jouer le rôle d'anneaux de garde pour ces électrodes, - une source électrique reliée, d'une part, à l'électrode de surface, d'autre part, aux conducteurs de sara. en vue de fixer le potentiel de l'électrode de surface à une valeur déterminée par rapport au potentiel des conducteurs de sarde constituant le poten- tiel de référence, - connecté à chaque électrode de mesure, un conducteur de sortie appelé à délivrer un signal électrique, image de l'état électrique de l'électrode correspondante, - des moyens de traitement reliée à l'ensemble des con- ducteurs de sortie et aptes à transformer l'ensemble des signaux délivrés avec les adresses des électrodes correspondantes, en un ensemble de grandeurs exploitables, représentatif de l'empreinte du corps sur la couche élastique. Une pression applique sur la surface du capteur engendre une déformation de sa couche élastique, qui s'accompagne de varias fions de l'état électrique des électrodes de mesure situées au niveau des zones comprimées ; Ces variations sont pour chaque électro- de fonction de l'état de coipression de la partie de couche située à l'aplomb de celle-ci et elles génèrent dans l.e conducteurs de sortie un enseable de signaux qui sont livagc de la répartition des pressions sur le capteur.La densité des électrodes de mesure défi- nit la résolution du système, cependant que la surface couverte par celles-ci définit le ohaip que peut couvrir le capteur à l'état in- mobile ;; la technologie électronique actuelle permet, s'il y a lieu, de bénéficier à la fois d'une résolution très fine et d'un ahans étendu, donnant au capteur la faculté de reconnaître de façon préci- se la forme et l'état de surface de corps de taille importante sans exploration mécanique. Selon un iode de réalisation préféré, la couche élastique est chargée au moyen d'une poudre de matériau conducteur lui confé- rant une conductivité électrique variable en fonction de son état de compression ; chaque électrode de mesure est, en ce cas, adaptée pour transmettre au conducteur de sortie correspondant le courant électrique circulant à travers la couche élastique au niveau de l'é- lectrode considérée. Cette conception consistant à mesurer une riation de résistance par la variation du courant qui la traverse, conduit à un système fiable de structure simple. De préférence, pour l'état de repos du capteur, les électrodes de mesure sont toutes disposées à égale distance de l'élec- trode de surface, de façon que, dans cet état de repos, la résistan- ce électrique entre l'électrode de surface et chaque électrode de mesure soit identique pour toutes les électrodes de mesure. Les informations recueillies aux bornes des conducteurs de sortie peuvent être exploitées simultanément par un circuit de traitement approprié ; Ces informations peuvent également et avantageusement être exploitées séquentiellement en reliant les conduo tueurs de sortie à un commutateur électronique adapté pour explorer successivement chacun d'eux dans un ordre fonction des adresses des électrodes de mesure correspondantes. L'autres caractéristiques, buts et avantages de l'inven- tion se dégageront de la description qui suit, en regard des dessins annexés, lesquels, description et dessins, ne sont donnés qu'à titre d'exemples non limitatifs. Sur ces dessins qui font partie intégrante de la description:: -la figure 1 schématise en coupe, un capteur conforme à l'invention; -les figures 2a et 2b sont des schémas symboliques destinés à faciliter la compréhension du fonctionnement électrique du capteur; -les figures 3 et 4 sont des vues, en perspective partiellement éclatés et à échelle dilatée, de deux modes de réalisation d'un capteur; -la figure 5 est un exemple d'un ensemble électronique a. traitaent susceptible d'équiper le capteur, cependant que les figures 6 et 7 sont des schémas destinés à faciliter la compréhen lion da fonctionnement de cet ensable. Le capteur schématisé à titre d'exemple à la figure t est essentiellement composé d'une couche mince de protection 1 souple et isolante, notamment en élastomère, d'une couche métallique 2 fine et souple, d'une couche plus épaisse 3 réalisée en un élastomère à base de silicone chargé au moyen d'un mélange de poudre fine de charbon actif et de poudre fine métallique, enfin, fixée soui cette couche élastique, d'une pluralité d'électrodes de mesure, telles que 4, entourées par des conducteurs de garde 5 jouant le rôle d'anneaux de garde ;; chaque électrode 4 de forme circulaire compor- te un trou central dans lequel est soudé un conducteur de sortie 6. Une source électrique schématisée en 7 porte la couche métallique 2 à un potentiel électrique déterminé par rapport à un potentiel de référence constant auquel sont portés les conducteurs de garde 5. Du point de vue électrique, un tel capteur est équiva- lent au système schématisé aux figures 2a et 2b. Â l'état de repos, les électrodes de mesure 4 sont toutes situées à égal. distance de la couche métallique 2 et sont, chacu- ne, séparées de cette couche métallique 2 par la résistance dleo- trique R qui présente le tronçon de la couche élastique chargée 3 située à l'aplomb de l'électrode considérée ; pour des électrodes de forme circulaire, les conducteurs de garde 5 définissent des li- gnes de courant très approximativement rectilignes, chaque électrode captant le courant qui traverse un tronçon de forme sensiblement cylindrique du type de celui schématisé en 8 à la figure 2a. A l'état de repos, les diverses résistances R sont égales et si l'on dispos. sur le conducteur de sortie de chaque électrode un soya de mesure 9 du courant, l'intensité mesurée présent. une valeur égal. pour toue les conducteurs de sortie, valeur correspondant à une absence de pression sur le capteur. Lorsqu'une pression P est exercée à la surface du capteur, la couche élastique 3 se trouve comprimée dans la zone correspondan- te et la résistance du ou des tronçons localement concernés varie et engendre une variation du courant que captent la ou les électrodes situées à l'aplomb de la zone comprimée. Les variations de courant ont proportionnelles à la déformation et l'ensemble des valeurs me- surées par les moyens 9 donne une iMae de la déformation de la cou- che élastique 3 et, donc, de 1 l'empreinte suscitée par les pressions appliquées sur le capteur. La figure r représente un ode d'exécution particulier d'un capteur conforme à l'invention ; on retrouve sur cette figure, la couche de protection 1, la fine couche métallique 2, la couche élastique chargée 3, les électrodes constituées en l'exemple par des pastilles conductrices 10 déposées avec leur conducteur de garde en forme d'anneaux 11 sur un support souple 12, lequel est fixé sur la surface de la couche élastique 3 ;; les anneaux de garde Il sont re- liés entre eux par des fils imprimés 13. En cet exemple, chaque conducteur de sortie est constitué par un câble coaxial 14 comprenant, de façon classique, d'une part, une Sac centrale conductrice, reliée à l'électrode de mesure corres- pondante, d'autre part, une gaine conductrice isolée de l'âme cen traie et électriquement reliée par un conducteur 15 à l'anneau de garde de cette électrode. Le capteur est complété à sa partie infé- rieure par une couche souple d'enrobage 16 au sein de laquelle sont noyés les câbles coaxiaux précités, lesquels convergent vers un cft ble de sortie 17 à partir duquel ils peuvent entre branchés sur des moyens de traitement. La figure 4 représente un iode de réalisation dans lequel les conducteurs de garde sont constitués par une couche mince con tectrice 18 entourant les électrodes et les séparant les unes des autres ; cette couche est percée d'une lumière Circulaire à l'empla- cernent de chaque électrode de façon à en Stre isolée. Dans ce iode de réalisation, l'ensemble des conducteurs de sortie est constitué par des circuits imprimés souples tels que 19 ou 20, superposés et isolés entre eux. Chaque circuit imprimé comprend dans un me plan une pluralité de fils conducteurs imprimés 21 séparés entre eux par des fils de garde imprimés 22.Chaque con- docteur iapriié 21 est relié à une électrode de mesure par un court conducteur de liofaoa 23, cependant que chaque fil de garde 22 est relié à la couche de garde 18, par un co"rt conducteur de liaison 24. Sur les bords du capteur, les conducteurs imprimés 21 et fils de garde 22 sont raccordés respectivement aux âmes centrales et aux gaines de câbles coaxiaux de sortie 25. La réalisation d'une telle structure fait appel à une technologie parfaitement au point à l'heure actuelle et pernet de mettre en place une densité d'électrodes élevée par un choix conve- nable du nombre de circuits imprimés superposés. La figure 5 représente un schéma d'un ensemble électronique susceptible d1équiper le capteur de l'invention. On retrouve sur cette figure l'électrode de surface 2 du capteur, les électrodes de mesure 4 et la couche élastique chargé. 3 # qui définit entre les électrodes de mesure et l'électrode de sur face une résistance variable en fonction de son état de compression. En l'exemple décrit, les conducteurs de sorti. 6 attaquent un conutateur électronique 26 adapté pour détecter successivement et séquentiellaent chacun des courants issus des électrodes de me- sure et transmis par ces conducteurs de sortie ; ceux-ci sont explorés dans un ordre fonction des adresse. des électrodes correspondan- tes. Pour ce faire, le coiautateur 26 comporte de façon classique, une logique de commande 27 qui déclenche cette exploration séquen- tielle et, comme on le verra, usure la synchronisation de signaux de balayage engendrés par un générateur 28.On ne donnera pas plus de détail sur le commutateur 26 qui en lui-même est d'uL type bien connu. s # sa sortie, le commutateur 26 est connecté à un amplifi- cateur 29, lui-même relié à un comparateur électronique 30 ; ce oor parateur, également de type classique, est adapté pour comparer le signal qui lui est transmis à chaque séquence par le commutateur à un seuil déterminé lis en mémoire préalablement. Ce comparateur 30 délivre un signal de commande permettant de moduler le Wehnelt d'un tube cathodique schématisé en 31 ; de façon classique, ce Wehnelt est attaqué par l'entrais. d'un circuit d'adaptation 32. Par ailleurs, aux plaques de déflection I, Y, horizontale et verticale, du tube 31, sont appliqués des signaux de balayage en escalier délivrés par le générateur 10, lequel est synchronisé avec le commutateur 26 au moyen d'un système de synchronisation 33 asselc vi à la logique de commande de ce commutateur. Ainsi, cons le schématisent les figures 6 et 7, le géné- rateur 28 définit sur l'écran de visualisation du tube cathodique 31 une traie dont chaque point d'adresse x, y correspond à une élec- trode de mesure de même adresse z, y sur le capteur ; chacun de Ces points, image de l'électrode correspondante, est porté séquentielle- sent en surbrillancc ou en extinction d'une manière synchronisée avec l'exploration réalisée par le commutateur 5.La luminosité des points de l'écran est modulée par le comparateur 30 et est l'image des pressions exercées sur l'ensemble des électrodes et, donc, de l'empreinte du corps qui exerce ces pressions. Par un choix convena- bic de la luminosité on obtient de la sorte une image lumineuse de la forme de ce corps sur l'écran de visualisation. Notons que le seuil mémorisé dans le comparateur 7 peut être variable et programmé dans un circuit de iéaorisation annexe 39. De plus, on a représenté à cette figure 5 un circuit de numérisation comprenant un convertisseur analogique-digital 34 disposé en parallèle à la sortie de l'amplificateur 29 par l'entremise d'un circuit d'adaptation 35. Ce convertisseur analogique-digital de nature classique délivre un ensemble de signaux digitaux image des pressions exercées, qui se prêtent à une exploitation numérique. Ce convertisseur peut, par exemple, injecter l'ensemble des signaux digitaux dans une machine calculatrice 36 ou dans un enregistreur magnétique 37 ou, encore, dans une imprimante numérique 38. I1 est bien entendu que les moyens de traitement équipant le capteur conforme à l'invention peuvent être d'un type différent; ils seront dans la pratique adaptés à l'application envisagée. Le capteur conforme à l'invention peut être utilisé comme organe terminal d'un système polyrrticulé, dans le domaine de la reconnaissance des formes en milieu hostile ou inaccessible, pour des mesures d'efforts, comme moyen d'asservissement dlun système do préhension notamment dans le domaine orthopédique, sur le plan m6- dical pour l'étude des variations des pressions plantaires, pour reconnattre des états de surfaces en particulier pour des conduits soua-=arins ou à grandes profondeurs dans le domaine pétrolifère, etc... L'invention ayant maintenant été exposée et son intdrat justifié sur des exemples détaillés, le demandeur s'en réserve l'exclusivité pendant toute la durée du brevet sans limitation au, tre que celle des termes des revendications ci-aprés. REVENDICATIONS 1 - Capteur appelé à venir en contact avec un corps pour délivrer des signaux électriques liés à l'empreinte du corps sur ce capteur, ledit capteur étant caractérisé en ce qu'il comprend: -une couche fine et souple d'un matériau conducteur, di te électrode de surface, - solidaire de cette électrode de surface, une couche d'un matériau élastique, dite couche élastique, - assujettie à cette coucha élastique, une pluralité d'é- lectrodes conductrices, dites électrodes de mesure, réparties sur cette couche élastique, -situés autour de chaque électrode de mesure, des éléments conducteurs, dits conducteurs de garde, destinés à jouer le rôle d'anneaux de garde pour ces électrodes, - une source électrique reliée, d'une part, à l'électrode de surface, d'autre part, aux conducteurs de garde, en vue de fixer le potentiel de l'électrode de surface à une valeur déterminée par rapport au potentiel des conducteurs de garde constituant le poten-tie l de référence, - connecté à chaque électrode, un conducteur de sortie appelé à délivrer un signal électrique, image de l'état électrique de l'électrode correspondante, - des noyas de traitement reliés à l'ensemble des con, ducteurs de sortie et aptes à transformer l'ensemble des signaux délivrés avec les adresses des électrodes correspondantes, en un ensemble de grandeurs exploitables, représentatif de l'empreinte du corps sur la couche élastique. 2 - Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cou, che élastique est chargée au moyen d'une poudre de matériaux con ducteurs lui conférant une conductivité électrique variable a fonction de ion état de compression, chaque électrode de mesure étant adaptée pour transmettre au conducteur de sortie correspon- dent le courant électrique circulant à travers la couche élastique au niveau de l'électrode considérée. 3 - Capteur selon la revendication 2 caractérisé en ce que la cou- che élastique est un élastomère à base de silicone chargé au noya d'un mélange de poudre fine de charbon actif et de poudre fine mé- tallique. 4 - Capteur selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé a ce que, pour l'état de repos du capteur, les électrodes de mesu- re sont toutes disposées à ale distance de l'électrode de surface. 5 - Capteur selon l'un. des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que lei conducteurs de garde sont constitués par une couche mince conductrice séparant les électrodes les unes des autres en en tourant chacune d'elles, lesdites électrodes étant isolées par rapport à cett. couche de garde. 6 - Capteur selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caracté- risé en ce que chaque conducteur de sortie est constitué par un câble coaxial comprenant, d'une part, une âme centrale conductrice reliée à l'électrode de mesure correspondante, d'autre part, une gaine conductrice isolée de l'âme centrale et électriquement reliée au conducteur de garde associé à l'électrode considérée. 7 - Capteur selon ltuno des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caracté- risé en ce que les conducteurs de sortis sont constitués par plu- sieurs circuits imprimés souples, superposés et isolés entre eux, chaque circuit imprimé comprenant une pluralité de fils conducteurs imprimés situés dans un nême plan et séparés entre eux par des fils de garde, chaque fil conducteur imprimé étant relié à une électrode, cependant que les fils de garde entourant ce fil conducteur imprimé sont reliés au conducteur de garde associé à cette électrode. 8 - Capteur selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que les électrodes de mesure sont constituées par des pastilles conductrices déposées avec leur conducteur de garde sur un support souple ixé sur la surface de la couche élastique. 9 - Capteur selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caractérisé en ce que l'électrode de surface est revêtue d'uns cou- che linos de protection, souple et isolante, en un matériau du type élastomère. 10 - Capteur selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caractérisé en ce que les conducteurs de sortie sont reliés aux entrées d'un commutateur électronique adapté pour détecter suc- cessivement et séquentiellement le signal délivré par chaque conducteur de sortis, ces conducteurs de sortie étant explorés dans un or dre fonction de leurs adresses. 11 - Capteur selon la revendication 10 comprenant à la sortie du commutateur un amplificateur de signal, ledit capteur étant caracté risé en ce que les moyens de traitement comprennent s - un comparateur électronique branche à la sortie de l'am- plificateur et apte à comparer le signal transmis à un seuil mémori- sé et à délivrer un signal de commande vers un tube cathodique com- portant un cran de visualisation, un Wehnelt et des plaques de dé- flection, ledit signal étant applique au Wehnelt du tube cathodique en vue de moduler le faisceau émis par celui-ci, -un générateur de deux signaux de balayage en escalier, relié aux plaques de déflection du tubs et apte à délivrer un signal en escalier Sur chaque plaque de déflection en vue de définir une traie par points sur l'écran de visualisation, traie comportant un nombre de points égal au nombre d'électrodes de mesure du capteur, -un système de synchronisation, asservi au commutateur et relié au générateur des deux signaux de balayage en vue de synchro- niser lesdits balayages avec l'exploration -réalisée par le commuta- tour dos signaux issus des électrodes de mesure. 12 - Capteur selon la revendication 10 comprenant à la sortie du commutateur un aiplificateur de signal, ledit capteur étant caracté- risé on ce qu'il comprend à la sortie de cet amplificateur un con- vernisseur analogique-digital délivrant un ensable de signaux digi- taux en vue d'une exploitation numérique.