Brevet FR2394166A1 — publié le 19790105

L'invention concerne des commutateurs pour claviers destinés à établir un contact électrique momentané en réponse à une action effectuée sur une touche. L'invention concerne en particulier des commutateurs de clavier du type utilisant des circuits imprimés sur des supports plans et minces, ces circuits étant momentanément amenés en contact par enfoncement de boutonspoussoirs rappelés par ressort. Pour pouvoir être compétitif sur un marché important tel que celui des calculatrices ou des appareils téléphoniques, un commutateur de clavier doit satisfaire à un grand nombre de critères contradictoires. I1 doit être peu volumineux, léger, très peu coûteux et très sûr et il doit donner à I'opérateur une sensation satisfaisante au toucher.Bien qu'il existe des circuits electroniques de suppression des effets des rebonds, les critères économiques concernant l'utilisation particulière ou les exigences d'un client particulier nécessitent fréquemment l'utilisation d'un commutateur théoriquement sans rebonds, c'est-à-dire d'un commutateur pour la fermeture des contacts duquel il est demandé un signal unique et sans ambi guité lors de chaque action effectuée sur une touche de commande de ce commutateur faisant partie d'un clavier. Le problème soulevé par un fonctionnement sans rebonds devient difficile à résoudre dans le cas de commutateurs à plusieurs pôles, par exemple dans le cas d'un commutateur dans lequel une seule manoeuvre d'une touche doit provoquer la connexion à une tension commune de conducteurs séparés disposés en rangées et en colonnes.L'un des facteurs associés pour définir une caractéristique force-déplacement pour la touche comprend l'absence de rebonds. Cette caractéristique concerne également d'autres facteurs tels que la facilité d'enfoncement de la touche, la sensation tactile et la longueur de la course avant l'établissement du contact. I1 est généralement souhaitable que la touche puisse être enfoncée facilement, sous une force comprise dans une certaine plage.Par exemple, en ce qui concerne les appareils téléphoniques, il est souvent spécifié que les touches du clavier de composition doivent être actionnées sous une force comprise entre 100 et 200 grammes. I1 est souhaitable, en plus d'atténuer au maximum les rebonds afin d'éviter la production de plus d'un signal souhaité pour chaque action sur une touche, de diminuer la sensation tactile produite par la touche. La proportion de la course avant l'établisse- ment du contact dépend des critères tels que l'application à laquelle le clavier est destiné.Par exemple, dans le cas de claviers pour appareils téléphoniques, un pourcentage souhaitable de course avant l'établissement du contact doit être tel que le commutateur est actionné après un déplacement de la touche égal à environ 50 % de la course maximale, l'ouverture du contact s'effectuant pour un déplacement de la- touche inférieur à environ 30 % de la course maximale de cette touche. L'article de R.L. Deninger intitulé "Ruman Factors Engineering Studies of the Design and Use of Pushbutton Telephone Sets", Bell System Technical Journal, juillet 1960, pages 995 etsuivantes, indique certains des facteurs nécessaires au fonctionnement satisfaisant des contacts d'un clavier D'autres facteurs tels que l'amorçage d'arc aux contacts sont décrits dans un article intitulé "Making and Breaking of Circuits is Analyzed by a Dozen Experts", de Produce Engineering, décembre 1975, pages 37 et suivantes. Divers commutateurs pour clavier ont été conçus pour répondre aux critères demandés dans les domaines d'application de, ces claviers. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique n03 699 294, nO 3 783 205, nO 3 780 237 et nO 3 860 771 décrivent de telles formes de réalisation. Le brevet des Etats Unis d'Amérique n" 3 699 294 décrit le probleme des rebonds et sa minimisation.Le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 780 237 décrit un dispositif dont chaque touche comporte un plongeur coulissant et un ressort ajouté au ressort principal de la touche, de manière a présenter certains avantages tels que la minimisation des détériorations des pièces mobiles du commutateur sous Z'effet d'une force excessive ou d'un écrasement. Les dispositifs décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique nO 3 783 205 et nO 3 860 771 sont typiques de l'état de l'art antérieur des commutateurs de clavier du type utilisé sur les appareils téléphoniques et les calculatrices.Ces dispositifs utilisent un empilage d'éléments de matières différentes comprenant des contacts en circuit imprimé et un dispositif de commande qui comporte des touches disposées de maniera à établir un contact entre certains, choisis, des, contacts du circuit imprimé lorsque ces touches sont enfoncées. Dans ces formes de réalisation, l'empilage comporte une saillie en forme de dome ou de bulle séparée, formée dans un élément flexible qui est disposé au-dessous de chaque touche, afin que cette saillie finisse par être inversée sous ltef- fet d'une pression accrue exercée sur la touche pour faciliter l'établissement d'une connexion entre certains, choisis, des contacts du circuit imprimé. Bien que des commutateurs de clavier tels que ceux décrits, dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique nO 3 860 771 et nO 3 783 205 précités fonctionnent d'une manière relativement satisfaisante en ce qui concerne la plupart des points et dans de nombreuses applications, l'utilisation tou-jours plus intensive et la sévérité accrue des critères demandés à ces dispositifs ont rendu ces derniers généralement inapplicables à de nombreuses applications. Par exemple, ces dispositifs comportent des touches qui sont trop difficiles à enfoncer dans certaines applications, qui ont des caractéristiques force-déplacement indésirables et qui présentent un rebond et une sensation tactile excessifs pour certaines applications.De plus, la forme et les caractéristiques de fonctionnement des saillies en forme de -dome sont telles que seules certaines matières conviennent à la réalisation de ces dispositifs. Il est donc souhaitable de disposer d'un commutateur de clavier perfectionné, présentant une caractéristique force-déplacement améliorée et comportant des touches pouvant être aisément enfoncées. De plus, ce commutateur doit présenter un rebond réduit, une sensation tactile réduite et des touches se déplaçant sur une longueur souhaitable de leur course maximale avant d'établir le contact. L'invention concerne un commutateur de clavier à touchespou- vant être enfonce relativement aisément, présentant un rebond minimal, une sensation tactile réduite et, de plus, une caractéristique force-déplacement sensiblement améliorée et une caractéristique d'hystérésis telle que la touche exécute une certaine partie de sa course maximale avant l'établisse- ment du contact. Ces avantages sont obtenus par l'utilisation d'une feuille mince en matière élastique et flexible, avec laquelle des saillies sont réalisées d'une seule pièce et prennent une forme particulière.En particulier, chaque saillie est disposée au-dessous d'une touche associée du clavier et comporte une paroi latérale non sphérique, comprenant tine partie conique où plusieurs surfaces planes inclinées vers l'intérieur et vers un sommet plat et sensiblement circulaire. La paroi latérale sensiblement conique de cette saillie entoure le sommet duquel elle descend vers l'exterieur et elle entre en contact avec la feuille plane, suivant un bord sensiblement circulaire délimitant la saillie et d'un diamètre plus grand que le sommet de celle-ci. La feuille mince comportant les saillies est placée sur une feuille intercalaire isolante plane et mince, présentant plusieurs ouvertures disposées chacune à proximité de l'une des saillies. La face de la feuille intercalaire opposée à celle sur laquelle se trouve la feuille mince porte un support plan qui lui-même porte des contacts de circuit imprimé, divisés en groupes tels que chaque ouverture contient un groupe différent de ces contacts. Chaqué groupe de contacts porte momentanément contre un autre groupe de contacts d'un circuit imprimé sur la face inférieure de chaque saillie lorsque cet'- e e ssée à force X X le support par la touche associée faisant partie d'un dispositif de commande. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels - la figure 1 est une vue en plan d'un clavier comportant plusieurs commutateurs à touche selon l'invention ; - la-figure 2 est une coupe transversale d'une partie du clavier de la figure 1-montrant deux touches différentes dont l'une est enfoncée ; - la figure 3 est une vue en perspective éclatée d'une partie du clavier de commutateurs de la figure 1 - la figure 4 est une vue en plan de l'une des saillies et des contacts associés, représentés sur la figure 3 ; et - la figure 5 est une coupe partielle suivant la ligne 5-5 de la figure 4. La figure 1 représente un clavier 10 comportant plusieurs commutateurs a touche. Ce clavier 10 est conçu pour faire partie d'un appareil téléphonique comme indiqué par les caractères présentés par les touches. Cependant, il est évident à l'homme de l'art que l'invention s'applique également à autres types de commutateurs destinés à d'autres applications. Le clavier 10 comporte un dispositif 12 de commande comportant plusieurs touches 14 maintenues en place par une plaque 16 de fermeture. Comme représenté sur la figure 2 qui montre deux commutateurs et leurs touches I4, ces dernières sont logées dans des ouvertures 18 de la plaque 16 et elles y sont retenues par un rebord 20 faisant saillie vers l'extérieur de chaque touche 14, en son milieu. Un support plan et mince 24 porte un circuit imprimé formant un jeu de contacts 26 dans chacune de plusieurs zones 28 de réception d'une touche, présentées par le support 24. Comme montré sur la figure 3, chaque jeu de contactS 26 comporte trois bornes conductrices espacées et différentes 30, 32 et 34 disposées en cercle sur le support 24. Une mince feuille intercalaire isolante et plane 36 est montée sur le support 24, sur la face de ce.dernier comportant les jeux de contacts 26. Cette feuille intercalaire 36 présente plusieurs ouvertures 38 disposées de manière que chacune de ces ouvertures 38 soit disposée à proximité et autour d'un jeu différent de contacts 26. Une couche plane et mince 40 de polyester, par exemple de "Mylar" ou de toute autre matière élastique et flexible convenable, ayant généralement une épaisseur de quelques centièmes de millimètre, est disposée sur la face de la feuille intercalaire 36 opposée à celle en contact avec le support 24. Cette couche 40 comporte plusieurs saillies 42 en forme de bulle ou de dome, réalisées d'une seule pièce avec ladite couche et faisant saillie vers l'extérieur du plan de celle-ci, siir le côté de cette couche 40 opposé à celui de la feuille intercalaire 36 et du support 24. Les bossa- ges 42 sont disposés de manière que chacun d'eux soit placé au-dessus d'une ouverture 38 de la feuille intercalaire 36 et, par conséquent, au-dessus et à proximité du jeu de contacts associé 26 situé dans le fond de cette ouverture 38.La couche 40 porte un circuit imprimé qui est divisé en plusieurs jeux différents de contacts- 44. Chaque jeu de contacts 44 est imprimé sur la face inférieure d'une saillie 42 différentes afin de porter contre le jeu de contacts 26 situé au-dessous lorsque la saillie 42 est pressée vers le bas et inversée sous l'action de la touche associée 14 de commande. Chaque jeu de contacts 44 comporte trois bornes conductrices différentes 46, 48 et 50 disposées de manière à entrer respectivement en contact avec les bornes 30, 32 et 34 du jeu de contacts 26 lorsque la saillie 42 est pressée vers le bas. Le dispositif 12 de commande, muni de ses couches 14 et de sa plaque 16 de fermeture, est monté sur la couche 40 de manière que chacune des touches 14 soit disposée au-dessus d'une saillie 42 de cette couche 40. Un ressort 56, se présentant sous la forme d'un ressort hélicoïdal, est monté sur la surface extérieure de chaque touche 14 afin de partir vers le bas du rebord 20 et d'entrer en contact avec la couche 40 autour du bord extérieur de la saillie associée 42. La touche 14 présente un évidement cylindrique intérieur 58 dans lequel peut coulisser un plongeur 60. Un ressort hélicoïdal 62, d'un diamètre plus petit que celui du ressort 56, mais d'une plus grande longueur, est disposé entre le fond de l'ouverture 58 de la touche 14 et l'extrémité du plongeur 60 afin d'exercer une force sur ce dernier. Lorsque la touche 14 est enfoncée à la main, elle peut se déplacer vers le bas contre la force du ressort 56. Simultanément, le ressort 62 du plongeur oblige ce dernier à descendre contre le sommet de la saillie 42. En général, lorsque la touche 14 a parcouru au moins 50 % de sa course totale, la saillie 42 s'inverse, comme montré à droite sur la figure 2, de manière à faire porter le jeu de contacts 44, situé à la face inférieure de -cette saillie 42, contre le jeu de contacts 26 situé sur la surface supérieure du support 24. Le fonctionnement de la touche 14 représentée sur la figure 2, ainsi que celui des ressorts 56 et 62 et du plongeur 60, sont décrits plus en détail dans la demande de brevet français déposée ce même jour par la Demanderesse sous le titre "Commutateur à touche Les figures 4 et 5 représentent en détail l'une des saillies 42, ainsi que les contacts 26 et 44.Comme montré sur ces figures, la saillie 42 comporte un sommet 68 qui est de forme circulaire et plate. La saillie 42 comporte également un cijté 70 entourant le sommet 68 duquel il descend vers l'extérieur en formant un angle fixe avec ce sommet 68 et la partie plane de la couche 40. Le côté 70 rejoint la partie plane de la couche 40 suivant une limite 72 à peu près circulaire, dont le diamètre est plus grand que celui du sommet 68. Le eentre de ce sommet circulaire 68 est situé sur un axe qui coïncide avec l'axe central des jeux de contacts 26 et 44, de manière a former un montage symétrique et concentrique. Dans l'exemple décrit, la couche 40 est réalisée en "Mylar" et le côté 70 de chaque saillie forme un angle relativement petit et fixe, en particulier un angle de 320, avec le sommet 68 et avec la partie plane de la couche 40. Cependant, d'autres angles peuvent être utilisés suivant des critères tels que la matière employée, les dimensions du commutateur et son application. Le diamètre du sommet 68 est de 5 mu et ce sommet se trouve a 0,75 mm au-dessus de la partie plane de la couche 40. La limite circulaire 72 de la saillie a un diamètre de 7,5 mu. Le jeu de contacts 26, qui comprend les contacts 30, 32 et 34,est disposé suivant un cercle ayant un diamètre extérieur de 4,45 mm. Dans une autre forme de réalisation non représentée sur les figures, chaque saillie comporte un sommet plat entouré u'un côté ou d'une paroi latérale constitué de plusieurs parties planes reliées les unes aux autres. Chaque partie plane de ce côté est orientevers le bas et vers l'ex térieur du sommet plat et rejoint la partie plane de la couche en formant un angle fixe avec le sommet et avec cette partie plane. il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au commutateur décrit et représente sans sortir du cadre de l'inven tion. REVENDICATIONS 1. - Ensemble de commutation à touches, caractérisé en ce qu'il comporte un fond présentant plusieurs zones de contact sur une pre mière face, au moins un élément conducteur disposé sur ce fond et associé à chaque zone de contact, une pièce relativement mince, en matière élastique et flexible, disposée à proximité du fond et comportant plusieurs saillies en forme de bullesdisposées chacune au-dessus d'une zone de contact, chaque saillie comportant un sommet plat entouré d'un côté incliné vers l'ex- térieur et vers le bas du sommet en formant un angle fixe avec lui, au moins un élément conducteur étant disposé entre chaque saillie et l'élément conducteur situé sur le fond de la zone de contact adjacente, un dispositif de commande étant disposé sur la face de la pièce relativement mince oppose à la face de cette pièce proche du fond, ce dispositif de commande comportant plusieurs touches pouvant être enfoncées et disposées chacune au-dessus de l'une, différente, des saillies de la pièce relativement mince. 2. - Ensemble selo' la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs ressorts hélicoïdaux disposés chacun entre une touche et la pièce relativement mince, de manière à entourer la saillie au-dessus de laquelle la touche est disposée, plusieurs plongeurs étant montés chacun sous une touche différente et pouvant coulisser dans la touche associée, l'ensemble comportant également plusieurs seconds ressorts hélicoïdaux disposés chacun entre une touche associée et le plongeur coulissant dans cette touche. 3. - Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fond comprend un support plan sur les surfaces duquel un circuit conducteur est imprimé et forme plusieurs jeux de contacts constituant des zones de contact associées aux touches, l'ensemble comportant également une couche intermédiaire plane en matière flexible, disposée à proximité de la surface du support et traversée par des ouvertures associées chacune à un jeu de contacts, la piece relativement mince, en matière flexible et élastique, comprenant une couche plane en matière flexible, disposée à proximité de la couche intermédiaire, sur la face de celle-ci opposée au support, cette pièce relativement mince comportant des saillies en forme de bulles proches chacune d'une ouverture différente de la couche intermédiaire, chaque saillie ayant une forme conique et présentant, à sa face intérieure, un circuit conducteur imprimé qui constitue ledit élément conducteur disposé entre la saillie et l'élément conducteur disposé sur le fond, dans la zone de contact adjacente, chacune des touches pouvant être actionnée afin de faire fléchir vers le bas la saillie au-dessus de laquelle cette touche est située, de manière que le circuit conducteur imprimé sur la face intérieure de la saillie passe dans l'ouverture voisine, présentée par la couche intermédiaire, et porte contre les jeux de contacts présenté par le support, à proximité de l'ouverture de la couche intermédiaire. 4. - Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque- saillie comporte un sommet circulaire et relativement plat, disposé à peu près parallèlement à la couche plane et espacé de celle-ci, chaque saillie comportant également un côté qui entoure la surface supérieure de laquelle il descend vers l'extérieur, ce côté croisant la couche plane en formant un cercle d'un diamètre plus grand que celui de la surface supérieure. 5. - Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit conducteur imprimé sur la face intérieure de la saillie comporte trois bandes allongées orientées chacune à peu près radialement vers l'exté- rieur, le long de la face inférieure du sommet de la saillie, et descendant le long de la surface intérieure d'une partie du côté, chaque jeu de contacts du support comprenant trois bandes espacées, disposées en cercle au-dessous du sommet circulaire, les cercles étant centrés sur l'axe du sommet circulaire. 6. - Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche plane est constituée d'une feuille de polyester