Brevet FR2503494A1 — publié le 19821008

La présente invention se rapporte aux claviers capacitifs grâce auxquels on peut obtenir, par la présence d'un doigt sur une touche sensible, l'exécution d'un ordre déterminé. De tels claviers sont de plus en plus utilisés, tant pour les applications industrielles et scientifiques que dans les lieux ouverts au grand public et même dans les appareils électroménagers. On commencera d'abord, pour situer les différents problemes que résout 11 invention, par rappeler le fonctionnement connu d'un tel clavier capacitif. Les claviers capacitifs statiques utilisent d'une façon générale le fait que la présence du doigt d'un utilisateur au voisinage d'une ou de plusieurs armatures conductrices crée des capacités électriques entre ce doigtet ces armatures et modifie ainsi les capacités existantes entre ces mêmes armatures. De tels-claviers connus comportent .généralement, comme on le voit sous forme schématique sur la figure 1, des touches sensibles G associées chacune à un couple d'électrodes sous-jacentes à savoir d'une part une électrode A émettrice excitée séquentiellement par un signal alternatif amené par une ligne émettrice X et d'autre part, une électrode réceptrice B, couplée capacitivement à l'électrode émettrice A par la touche sensible G correspondante. Une ligne réceptrice Y recueille, sur l'électrode réceptrice B, les variations du signal alternatif sous l'effet de la présence éventuelle du doigt I de l'utilisateur situé au voisinage de la touche G. La figure 2 représente le schéma électrique équivalent d'une telle touche et on y a figuré la ligne X d'entrée, la ligne Y de sortie ainsi que les trois capacités C1, Cl, C2. La capacité C1 représente la ca pacité entre l'électrode A et l'électrode G, C1, représente la capacité entre l'électrode G et l'électrode B, et C2 représente le couplage capacitif direct entre l'électrode émettrice A et 11 électrode réceptrice B.La présence de l'utilisåteur est schématisée par une dérivation 2 entre le point commun aux capacités C1 et Cl et la masse, cette dérivation comprenant un premier condensateur d'une capacité voisine de 4 picofarads pour représenter le doigt de l'utilisateur et une capacité 4 de l'ordre de 60 picofarads pour représenter la capacité du corps de l'utilisateur par rapport à la terre. L'interrupteur I schématise par conséquent la présence ou l'absence du doigt 1 de l'utilisateur sur la touche G. Les données précédentes reposent sur la constatation expérimentale du fait que le corps d'un homme peut être représenté par un corps conducteur d'électricité qui a, par rapport à la terre, une capacité moyenne d'environ 60 picofarads lorsque cet homme porte des chaussures isolantes.Lorsque le doigt d'un utilisateur s'approche de la touche sensible G, il crée avec celle-ci une capacité qui peut varier de 2 à 5 picofarads, notamment selon le fait que ce doigt est ganté ou non, et c'est la présence de cette capacité que le clavier capacitif a pour charge de détecter. Sur la figure 2, on a représenté également une impédance de charge Z située entre la ligne réceptrice Y et la masse, cette impédance Z représentant schématiquement l'électronique de mesure. Dans les applications connues de tels claviers capacitifs, les deux positions possibles de l'interrupteur I sont détectées en mesurant la tension recueillie aux bornes de Z, ou le courant dans l'impédance Z ou encore le déphasage entre le signal émetteur à l'entrée et le signal récepteur à la sortie. De façon générale, la présence du doigt de l'utilisateur correspondant à une dériva tion du courant par la ligne 2, se traduit par consé- quent par une diminution de la tension sur la ligne Y due au fait que l'impédance augmente entre l'entrée X et la sortie Y.On conçoit ainsi facilement qu'en examinant les variations précédentes sur l'impédance Z à la sortie de la ligne réceptrice Y, on parvienne à déterminer, dans chaque cas, celle des touches sensibles G du clavier capacitif sur laquelle s'est posé le doigt 1 de l'utilisateur. I1 faut noter enfin que dans un certain nombre de réalisations, il est possible que les électrodes correspondantes émettrices Ai et réceptrices Bi ne soient pas exactement dans le même plan horizontal, et ce pour faciliter précisément les croisements des fils d'interconnexion. A la limite également, certains claviers capacitifs comportent des électrodes émettrices et réceptrices qui sont réduites à de petites bandes métalliques constituées simplement par les conducteurs de la matrice dont le simple croisement réalise ainsi concrètement les deux électrodes de chaque touche. I1 doit être bien entendu que de tels claviers capacitifs dont les électrodes à la limite ne sont plus individualisées sont également susceptibles de se voir appliquer la structure antiparasite objet de l'invention.De même, les claviers capacitifs de différents types connus, par exemple à touches enfonçables ou à touches statiques, appartiennent au domaine d'application de l'invention. Enfin, l'invention s'applique également à un type de clavier capacitif dans lequel on diminue le couplage capacitif direct entre les électrodes émettrices A et réceptrices B d'un même couple à l'aide d'une électrode de séparation à potentiel fixe, notamment la masse, située entre lesdites électrodes A et B. En effet, la présence de cette électrode de séparation, por tée à un potentiel convenable, permet d'éviter que des lignes de champ électrique ne se ferment directement d'une électrode sur l'autre à l'intérieur d'un meme couple ; de cette façon, on supprime pratiquement toute dérivation systématique de courant correspondant à une partie de signal perdu pour la lecture de l'état du clavier, et qui, sans cela aurait lieu grâce au couplage direct entre l'entrée X et la sortie Y de chaque touche. L'une des qualités majeures que l'on recherche pour les claviers capacitifs réside dans leur sensibilité, qui doit être la plus élevée possible, à la fois pour obtenir une réponse sans ambiguité à chaque effleurement d'un doigt d'utilisateur, meme lorsque cet utilisateur est muni de gants isolants qui diminuent fortement la capacité ajoutée par le doigt, et pour permettre également de reconnattre avec le moins de chance d'erreur possible un signal de déclenchement même en présence d'un bruit de fond parasite relativement élevé (parasites électromagnétiques divers, notamment en provenance de la radio, des installations à haute tension), et des diverses charges par influence qui peuvent noyer un signal utile dans un environnement de bruit de fond non négligeable. La présente invention a précisément pour objet une structure antiparasite pour clavier capacitif qui permet de s'affranchir dans une très large mesure de tout bruit de fond parasite susceptible de gêner la lecture de l'état du clavier en diminuant leur rapport signal/bruit. Cette structure anti-parasite, s'appliquant à un clavier capacitif du genre de ceux qui comportent de façon connue sur leur face extérieure offerte à l'utilisateur une série de touches sensibles associées chacune à un couple d'électrodes sous-jacentes, à sa voir d'une part une électrode émettrice excitée séquentiellement par un signal alternatif amené par une ligne émettrice et d'autre part une électrode réceptrice couplée capacitivement à l'électrode émettrice par la touche sensible correspondante et sur laquelle une ligne réceptrice recueille les variations du signal alternatif sous l'effet de la présence éventuelle d'un doigt d'un utilisateur sur ladite touche sensible, ladite structure étant constituée de couches isolantes, la couche isolante extérieure portant les touches sensibles et d'autres couches isolantes profondes portant les électrodes et les lignes, émettrices et réceptrices, se caractérise en ce que l'une des faces de couche isolante plus superficielle que la face portant les électrodes réceptrices et/ou les lignes réceptrices et/ou l'une des faces de couche isolante plus profonde que ladite face sont revetues d'un blindage conducteur protecteur excepté, le cas échéant, aux emplacements où se trouvent des touches sensibles et/ou des électrodes et des lignes émettrices. De préférence, ladite face de couche isolante plus superficielle est la face extérieure de la première couche isolante. Conformément à l'invention, les électrodes réceptrices B et les lignes réceptrices Y sont donc en quelque sorte situées en "sandwich" entre deux plans de blindage conducteur qui réalisent ainsi une protection des plus efficaces contre les parasites de toute nature pouvant pénétrer dans le clavier par sa face externe comme par sa face interne. Seul l'emplacement de chaque touche sensible reste sans protection possible puisque par définition la touche doit être réceptive à l'effleurement du doigt de l'utilisateur. Selon une caractéristique secondaire de la présente invention, lesdites touches sensibles du cla vier capacitif peuvent ne pas être concrétisées par une électrode conductrice mais se présenter simplement sous la forme d'orifices ménagés dans le blindage conducteur qui revêt la face extérieure de la couche isolante extérieure. Ce mode de réalisation des touches sensibles permet par conséquent de s'affranchir de la nécessité d'avoir à réaliser pour chacune d'entre elles un dépôt conducteur sur la face extérieure de la couche isolante constituant le clavier. Cette disposition permet notamment d'écarter de façon simple le problème de l'obtention d'un dépôt conducteur transparent pour permettre de lire une étiquette sous-jacente sur laquelle serait indiquée la fonction de la touche correspondante. Selon une autre caractéristique de la présente invention, la face de couche isolante plus profonde est revêtue d'un blindage métallique relié à un point de potentiel fixe, sauf en face de chaque électrode réceptrice, où le blindage métallique, isolé électriquement du reste du blindage, est composé de plaques indépendantes connectées électriquement chacune à la sortie d'un amplificateur opérationnel adaptateur de tension bouclé sur lui-meme et servant à la lecture des variations de signal alternatif induit par la présence du doigt d'un utilisateur sur l'électrode réceptrice correspondante. Cette dernière disposition est rendue utile par le fait que si le blindage sur la face de couche isolante plus profonde que toutes les lignes et électrodes émettrices et réceptrices était continu, il en résulterait une capacité parasite néfaste entre chaque électrode réceptrice Bi et ce blindage. Cette capacité parasite diminuerait en effet l'amplitude du signal de sortie présent sur la ligne réceptrice Yi. En isolant du reste du blindage la partie de celui-ci située au regard de chaque électrode réceptrice et en la portant au potentiel de sortie d'un amplificateur opérationnel adaptateur de tension bouclé sur lui-même, on divise cette capacité par A + 1, A étant la valeur du gain de cet amplificateur en boucle ouverte.A pouvant atteindre une valeur très élevée, de 10 000 à 50 000 par exemple, ceci donne une idée précise du gain que l'on obtient ainsi sur la sensibilité du clavier du fait qu'on élimine pratiquement le courant de fuite qui sans cela se produirait inévitablement par la capacité parasite entre chacune des électrodes Bi et le blindage. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le clavier utilisé comporte des électrodes de séparation à potentiel fixe entre les électrodes émettrices et réceptrices et lesdites électrodes de séparaticn sont reliées électriquement aux plaques indépendantes précédentes, c'est-à-dire en fait à la sortie de l'amplificateur opérationnel adaptateur de tension précédemment décrit. Enfin, dans une variante intéressante de la présente invention, les couches isolantes et les couches conductrices constituant la structure du clavier sont contenues dans un boîtier rigide lui-même réalisé en un matériau conducteur et porté à un potentiel fixe pour servir de blindage contre les parasites électromagnétiques. De toute façon l'invention sera mieux comprise en se référant à la lecture qui suit de plusieurs exemples de mise en oeuvre de la structure antiparasite pour clavier capacitif objet de l'invention. La description sera faite en se référant aux figures 3 à 7 dans lesquelles : - la figure 3 représente une vue éclatée d'une structu re antiparasite pour clavier capacitif selon l'inven tion, dans laquelle le clavier est constitué de deux couches isolantes transparentes dont la seconde est un circuit imprimé à trous métallisés ; - la figure 4 montre une variante de réalisation de la couche isolante extérieure de la structure de la fi gure 3, dans laquelle la touche sensible est consti tuée par une absence du blindage externe ;; - la figure 5 montre le schéma de principe de l'implan tation d'électrodes de séparation entre les électro des émettrices et réceptrices - la figure 6 représente une structure antiparasite dé rivée de celle de la figure 3, dans laquelle le cla vier capacitif comporte en outre des électrodes de séparation et des plaques de blindage indépendantes ; - la figure 7 représente le montage électrique permet tant de lire l'état de déclenchement du clavier muni de sa structure antiparasite selon la figure 5 ; - la figure 8 représente un autre exemple de réalisa tion de la structure antiparasite pour clavier capa citif dans laquelle la deuxième couche isolante pro fonde est constituée d'un circuit imprimé à deux fa ces et dont le boîtier métallique constitue le blin dage de la couche profonde. Sur la figure 3, on a représenté un clavier capacitif statique dont la structure d'ensemble comporte une couche isolante transparente 14 et une couche isolante 15 enserrant une étiquette 16 qui porte les indications relatives à la fonction de la touche sensible G. Dans ce mode de réalisation particulier, la couche isolante 15 est un circuit imprimé à trous métallisés qui permet des jonctions électriques entre ses deux faces externe et interne. L'ensemble est complété par une couche isolante élastique 18 en mousse isolante par exemple et enserré dans un boîtier 17 représenté schématiquement pour tenir compte du caractère éclaté de la vue. On voit dans cette réalisation les électrodes émettrices A et réceptrices B toutes situées sur la face supérieure de la couche isolante 15.Cette même face de la couche isolante 15 porte les lignes réceptrices Yi liées aux électrodes réceptrices Bi. La surface inférieure du circuit imprimé 15 porte les lignes émettrices Xj qui sont connectées aux électrodes émettrices A correspondantes par l'intermédiaire des trous métallisés 19 qui traversent de part en part le circuit imprimé 15. Conformément à l'invention, un blindage protecteur conducteur est déposé en 20 autour de la touche sensible G sur la surface extérieure de la première couche isolante 14. Un second blindage 21 situé sur la surface inférieure du circuit imprimé 15 recouvre celle-ci partout à l'exception des endroits où se situent les lignes émettrices Xj et au droit de l'électrode réceptrice B de façon à éviter un couplage capacitif nuisible entre cette même électrode B et le blindage 21.Selon un mode de réalisation particulier de la structure antiparasite de la figure 6, les blindages 20 et 21 sont réunis à un potentiel fixe, pouvant être notamment celui de la masse. On voit ainsi que les lignes réceptrices Yi qui véhiculent les signaux de sortie sont placées entre deux blindages supérieur et inférieur qui les mettent totalement à l'abri des influences parasites extérieures pouvant troubler la lecture de l'état du clavier. Sur la figure 4, on a représenté une variante possible de réalisation de la touche sensible G de la figure 3. Sur cette figure 4, la première couche isolante 14 est représentée seule munie de son blindage métallique protecteur 20 et la touche G est réalisée simplement par une découpe effectuée dans ce blindage protecteur 20. Ce mode de réalisation peut être avantageux car il permet de s'affranchir du dépôt métallique conducteur et transparent que nécessite chacune des touches sensibles G et il résout de façon élégante le problème de la lisibilité de l'étiquette sous-jacente sur laquelle on indique la fonction remplie par la touche sensible G. La figure 5 montre schématiquement l'implantation des électrodes de séparation entre les électrodes émettrices A et les électrodes réceptrices B, de façon à mieux comprendre les dispositions des exemples qui vont suivre. Sur cette figure 5, on a représenté vu en plan un couple d'électrodes émettrices A et d'électrodes réceptrices B au-dessus desquelles on doit supposer la présence d'une touche sensible G non représentée et assurant le couplage éventuel entre les électrodes A et B. Dans le mode de réalisation représenté, l'électrode émettrice A est divisée en deux moitiés 5 et 6 qui entourent l'électrode réceptrice centrale B. Selon l'invention, des électrodes de séparation D sont disposées entre l'électrode réceptrice centrale B et chacune des électrodes émettrices 5 et 6. Bien entendu, les électrodes A, B et D peuvent être selon les différents modes de réalisation possibles du clavier, dans un même plan horizontal ou légèrement décalées les unes par rapport aux autres dans le sens de la profondeur du clavier. Comme expliqué précédemment, ces électrodes de séparation D diminuent très fortement la capacité directe entre les électrodes A et D, en augmentant par là meme le signal de sortie présent sur la ligne réceptrice Y correspondant à l'électrode B. Cette disposition ayant été expliquée, on comprendra plus facilement maintenant les exemples de structure antiparasite des figures 6, 7 et 8. Sur la figure 6 on retrouve les éléments de la figure 3 complétés par deux électrodes de séparation D situées sur la face extérieure de la deuxième couche isolante profonde 15 de la structure du clavier. Dans ce mode de mise en oeuvre on a également disposé en plus sur la surface inférieure du circuit imprimé 15 un blindage métallique composé de plaques indépendantes dont l'une est visible en 22 sur la figure 6. Dans ce mode de réalisation, les électrodes de séparation D sont mises au meme potentiel que la plaque de blindage indépendante 22 par l'intermédiaire de trous métallisés 23 traversant le circuit imprimé 15.Cette structure antiparasite présente un certain nombre de perfectionnements non négligeables par rapport à celles de la figure 3 puisque d'une part les électrodes de séparation D augmentent le signal de lecture présent sur les lignes réceptrices Y mais que, d'autre parut, la présence de plaques de blindage indépendantes 22 au droit de chaque électrode réceptrice B annule en grande partie les capacités parasites nuisibles entre ces memes électrodes B et le blindage 21. On réalise ainsi grâce aux plaques conductrices 20 et 21, un blindage presque total des lignes réceptrices Y qui sont ainsi protégées partout, sauf à l'endroit des touches sensibles G. La figure 7- illustre maintenant le montage d'un amplificateur opérationnel 7 adaptateur de tension et bouclé sur lui-meme par la boucle de rétroaction 10, utilisé pour lire le signal de sortie présent sur la ligne réceptrice Y. Selon l'invention, la ligne Y est reliée à l'entrée positive de l'amplificateur opérationnel 7 et les deux électrodes de séparation D qui entourent la ligne réceptrice Y sont reliées, par les conducteurs 8 et 9, ensemble et à l'entrée négative de l'amplificateur 7. Une résistance de polarisation R de valeur élevée (1 à 10 MÇ?) fixe le potentiel continu de l'entrée positive de l'amplificateur 7.Dans un montage de ce genre, le gain de l'amplificateur bouclé est G = 1, ce qui signifie que la tension d'entrée Ve est égale à la tension de sortie Vs et qu'en mettant ainsi pratiquement les lignes 8 et 9, c'est-à-dire les électrodes de séparation D, au même potentiel que la ligne réceptrice Y, on supprime l'effet nuisible des capacités directes entre les électrodes émettrices A et réceptrices B. Sur la figure 8, on a décrit un autre mode de réalisation de la structure antiparasite objet de l'invention. On retrouve sur cette figure certains éléments communs à la structure de la figure 6 à ceci près que la deuxième couche isolante ou circuit imprimé 15 ne comporte plus de trous métallisés et que la répartition des différentes électrodes émettrices, réceptrices et de séparation est effectuée comme suit sur chacune des faces de la couche isolante 15. Sur la face externe de ladite couche 15, on trouve les électrodes de séparation D associées à l'électrode réceptrice B et aux lignes réceptrices Yi. Sur la face interne de la couche isolante 15 on trouve les électrodes émettrices A avec la ligne émettrice Yj et une paire d'électrodes de séparation D reliées à une ligne D de connexion électrique de ces mêmes électrodes. Conformément à l'invention, la surface externe de la première couche transparente 14 est munie de son blindage 20 à l'exception des endroits où se trouvent les touches sensibles G et le blindage intérieur profond est réalisé par le boîtier 17 lui-même qui entoure complètement la structure en l'enserrant et est réalisé en un matériau conducteur porté à un potentiel fixe pour servir de blindage contre les parasites électromagnétiques. Dans ce mode de réalisation, le fond du boîtier 17 est suffisamment éloigné des lignes émettrices Y pour que l'effet de capacité entre ces deux conducteurs soit négligeable et il n'est plus nécessaire de ce fait de prévoir des plaques indépendantes telles que 22 de la figure 6 dans le blindage interne. REVENDICATIONS 1. Structure antiparasite pour clavier capacitif du genre de ceux qui comportent de façon connue sur leur face extérieure offerte à l'utilisateur une série de touches sensibles (G) associées chacune à un couple d'électrodes sous-jacentes, à savoir d'une part une électrode émettrice (A) excitée séquentiellement par un signal alternatif amené par une ligne émettrice (X) et d'autre part une électrode réceptrice (B) couplée capacitivement à l'électrode émettrice (A) par la touche sensible (G) correspondante et sur laquelle une ligne réceptrice (Y) recueille les variations du signal alternatif sous l'effet de la présence éventuelle d'un doigt (1) d'un utilisateur sur ladite touche sensible (G), ladite structure étant constituée de couches isolantes, la couche isolante extérieure portant les touches sensibles et d'autres couches isolantes profondes portant les électrodes et les lignes, émettrices et réceptrices, caractérisée en ce que l'une des faces de couche isolante plus superficielle que la face portant les électrodes réceptrices et/ou les lignes réceptrices et/ou l'une des faces de couche isolante plus profonde que ladite face sont revêtues d'un blindage conducteur protecteur excepté, le cas échéant aux emplacements où se trouvent des touches sensibles et/ou des électrodes et des lignes émettrices. 2. Structure antiparasite pour clavier capacitif selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite face de couche isolante plus superficielle est la face extérieure de la première couche isolante. 3. Structure antiparasite pour clavier capacitif selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites touches sensibles se présentent sous la forme d'orifices ménagés dans le blindage conducteur revêtant la face extérieure de la couche isolante extérieure. 4. Structure antiparasite pour clavier capacitif selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite face de couche isolante plus profonde est revêtue d'un blindage métallique relié à un point de potentiel fixe, sauf en face de chaque électrode réceptrice, où le blindage métallique, isolé électriquement du reste du blindage, est composé de plaques indépendantes connectées électriquement chacune à la sortie d'un amplificateur opérationnel adaptateur de tension bouclé sur lui-même et servant à la lecture des variations de signal alternatif nduit, par la présence du doigt d'un utilisateur, sur l'électrode réceptrice correspondante. 5. Structure antiparasite pour clavier capacitif selon la revendication 4, ledit clavier comportant également des électrodes de séparation à potentiel fixe entre les électrodes émettrices et réceptrices, caractérisée en ce que les électrodes de séparation sont reliées électriquement aux plaques indépendantes correspondantes. 6. Structure antiparasite pour clavier capacitif selon la revendication 1, ledit clavier étant du genre dans lequel les couches isolantes et les couches conductrices sont contenues dans un boîtier rigide, caractérisée en ce que le boîtier est lui-même conducteur, porté à un potentiel fixe et sert de blindage contre les parasites électromagnétiques.