Brevet FR2503493A1 — publié le 19821008

La présente invention se rapporte aux cla- viers capaciti statiques grace auxques on peut obtenir, par l'effleurement 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 électro-ménagers. On commencera d'abord, pour situer les différents problèmes que résout l'invention, par rappeler le fonctionnement connu d'un tel clavier capacitif. Les claviers capacittsstatquesutlsent d'une façon générale le phénomène connu selon lequel la présence du doigt d'un utilisateur au voisinage d'une ou de plusieurs armatures conductrices crée des capacités électriques entre ce doigt et ces armatures et modifie ainsi les capacités existantes entre ces mêmes armatures. De tels claviers 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 les variations du signal alternatif sous l'effet de la présence éventuelle du doigt 1 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, C;, C2. La capacité Cl représente la capacité entre l'électrode A et l'électrode G, Cl représente la capacité entre l'électrode G et l'électrode B, et C2 représente le couplage capacitif direct entre l'électrode émettrice A et l'électrode re- ceptrice B. La présence de l'utilisateur est schématisée par une dérivation 2 entre le point commun aux capacités Cl et Ci et la masse, cette dérivation comprenant un premier condensateur 3 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 humain 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 humain peut être représenté par un corps conducteur d'électricité qui a, par rapport à la terre, une capacité moyenne d'environ 60 picofarads lorsque l'utilisateur 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, notam- ment 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 dérivation du courant par la ligne 2, se traduit par conséquent par une diminution de la tension sur la ligne Y due au fait que l'impédance entre l'entrée X et la sortie Y augmente.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. Pour permettre à l'utilisateur d'identifier chacune des touches sensibles, celles-ci doivent porter un message (chiffre, lettre, mot ou groupe de mots) caractéristique de l'action que l'on désire obtenir en effleurant du doigt la touche correspondante. Pour pouvoir non seulement lire le message mais le modifier également le cas échéant en fonction des adaptations que l'exploitant peut souhaiter apporter aux applications du clavier, il est important que les différents messages soient groupés sur des étiquettes amovibles visibles par l'utilisateur. Par ailleurs, la plupart de ces claviers capacitifs sont destinés à être utilisés par le grand public et non par des spécialistes (tableau de renseignements dans les gares de chemins de fer, métro, commande des ascenseurs ou d'appareils électro-ménagers, etc...) ou même dans des conditions d'environnement très sévères (applications militaires). Il importe donc qu'ils soient très robustes et qu'ils soient le moins possible sensibles aux déprédations que le public a souvent tendance malheureusement à leur faire subir. C'est pour cette raison que les claviers capacitifs à touches mécaniques enfonçables convien nent mal, et que l'on s'efforce autant que possible maintenant de réaliser des claviers statiques sans aucune partie mobile, ne possédant aucun fil de connexion à l'extérieur, dont la surface accessible à l'utilisateur soit neutre et résistante aux agressions et dont les étiquettes soient également protégées vis-à-vis des utilisateurs. On examinera maintenant pour donner une illustration de l'art antérieur le plus proche de l'invention, trois solutions connues de claviers du type capacitif qui permettront de mieux faire comprendre les problèmes que résout la présente invention. Une première solution connue concerne un clavier du type capacitif à touches mécaniques enfon çables. Cette réalisation est représentée très schématiquement sur la figure 3 ci-jointe. On voit sur cette figure une touche mécanique enfonçable 5 permettant d'agir par l'intermédiaire d'un système à ressorts 6 sur la touche sensible G. Cette touche G est couplée capacitivement avec une électrode émettrice A et une électrode réceptrice B situées à la surface d'un circuit imprimé 7 à double face comportant les électrodes A et B sur la face antérieure et des lignes de connexion 8 et 9 pour moitié sur la face antérieure et sur la face postérieure. Des trous métallisés 10 permettent la jonction électrique entre les électrodes A de la première face et les connexions 9 de la deuxième face. En actionnant la touche mécanique 5, l'utilisateur rapproche la touche sensible G des électrodes émettrice et réceptrice A et B, ce qui produit une variation de capacité importante et reproductible. Outre les défauts inhérents aux claviers à touches mécaniques, (manque de solidité et grande vulnérabilité vis-à-vis des déprédations) un tel cla vier capacitif connu ne permet pas de disposer aisément une étiquette amovible au niveau de chaque touche ; en pratique, c'est pourquoi les messages concernant la finalité de chacune des touches sont gravés sur les touches enfonçables. Dans une deuxième réalisation, schématisée sur la figure 4, le clavier capacitif est cette fois du type statique à circuit imprimé tri-couche. Dans cette réalisation, on retrouve la touche sensible G ensurface et les électrodes émettrice et réceptrice A et B situées à un rnême niveau de profondeur du circuit imprimé à trois couches. La partie inférieure du dispositif comporte la couche d'interconnexion 7 qui permet de relier aux entrées et sorties et éventuellement entre elles les différentes électrodes A et B. Une telle réalisation est critiquable notamment en raison de la grande fragilité du circuit imprimé qui est directement accessible à l'utilisateur par la face externe ; par ailleurs il est quasiment impossible de disposer une étiquette amovible pour chaque touche, car si on la dispose à l'extérieur elle est trop sensible aux déprédations et si on la dispose sous le circuit imprimé, elle n'est pas visible car on ne sait pas réaliser jusqu'à maintenant de circuit imprimé suffisamment transparent. Une troisième réalisation de clavier capacitif statique, commercialisée par la société AMI, est schématisée sur la figure 5. Elle comporte deux parties à savoir une plaque de verre 8 à la surface externe et, à la partie inférieure, un circuit imprimé 7. La plaque de verre porte sur sa face extérieure les touches sensibles G et sur sa face intérieure les électrodes émettrice et réceptrice A et B ; le circuit imprimé 7 porte les interconnexions qui sont réunies aux électrodes A et B de la plaque de verre par des fils conducteurs 12. Un tel clavier possède encore une grande fragilité : sa réalisation est rendue très délicate, du fait qu'il est nécessaire de prévoir autant de jeux de fils de connexion 12 que de touches sensibles, ce qui conduit à un câblage particulièrement difficile entraînant une grande fragilité électrique et un manque de sensibilité. La présente invention a pour objet une structure pour clavier capacitif statique qui permet de s'affranchir des différents inconvénients de l'art antérieur rappelé ci-dessus, tout en étant d'une réalisation plus simple tant sur le plan mécanique que sur le plan électrique. Cette structure pour clavier capacitif statique est caractérisée en ce qu'elle est constituée de deux couches isolantes associées l'une à l'autre par un boitier dans lequel elles sont encastrées, la première couche isolante étant transparente et portant des touches sensibles en dépôt tranparent conducteur et la deuxième couche portant les électrodes et les lignes émettrices et réceptrices, une étiquette portant l'indication de la finalité de la touche pouvant être enserrée entre les deux couches isolantes associées. La réalisation du clavier à l'aide de deux couches isolantes encastrées dans un bottier permet de résoudre de façon simple et élégante les problèmes de solidité mécanique et de démontabilité de la structure autorisant par conséquent l'emploi d'une étiquette amovible au droit de chaque touche sensible pour indiquer la finalité de chacune des touches. La première couche isolante transparente peut être en un matériau quelconque connu et notam ment en verre très solide à haute résistance aux chocs. L'ensemble inséré dans son boîtier constitue par conséquent un tout fermé parfaitement étanche sur lequel le comportement éventuellement destructeur d'un utilisateur n'a pratiquement pas de prise.La deuxième couche isolante est plaquée contre l'arrière de la première couche à l'aide du boitier qui fait office de dispositif de serrage et les étiquettes portant les différents symboles du clavier sont ainsi pressées et maintenues en place entre les deux couches isolantes. Selon un premier mode de mise en oeuvre de la présente invention, la deuxième couche isolante de la structure pour clavier capacitif statique est un circuit imprimé à trous métallisés, dont la face adjacente à la première couche isolante porte les électrodes émettrices et réceptrices ainsi que les lignes réceptrices et dont l'autre face porte les lignes émettrices, les jonctions entre les lignes émettrices et les électrodes émettrices étant réalisées par l'intermédiaire desdits trous métallisés. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre de la structure pour clavier capacitif statique objet de la présente invention, la deuxième couche isolante est un circuit imprimé dont la face adjacente à la première couche isolante porte les électrodes et les lignes réceptrices et dont l'autre face porte les électrodes et les lignes émettrices. Selon l'invention, le boîtier utilisé pour l'encastrement des deux couches isolantes associées peut revêtir plusieurs formes différentes. I1 peut tout d'abord se réduire à un cadre rigide profilé en forme de U, disposé à la périphérie des deux couches précédentes ; dans une autre réalisation, il comporte également une plaque inférieure rigide, parallèle aux deux couches isolantes, et constitue ainsi un bottier étanche enserrant complètement l'ensemble de la structure. Enfin, il peut être intéressant dans le cas précédent de compléter la structure enfermée dans le bottier par une couche en matériau isolant élastique que l'on interpose entre la deuxième couche isolante et la plaque inférieure, de façon à assurer une mise en pression homogène des deux couches isolantes sous l'effet du boitier. De toute façon l'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit d'un certain nombre d'exemples de mise en oeuvre, exemples qui seront décrit en se référant aux figures 6 à 10 ci-jointes sur lesquelles : - la figure 6 représente une structure pour clavier capacitif statique à deux couches isolantes enfermées dans un cadre rigide périphérique, - la figure 7 représente une structure pour clavier capacitif statique à deux couches isolantes enfermées dans un boitier comportant une plaque inférieure rigide, - la figure 8 représente une structure pour clavier capacitif statique portant deux couches isolantes et une couche en matériau isolant élastique enfermées dans un boîtier comportant également une plaque inférieure rigide parallèle auxdites couches, - la figure 9 représente un exemple de réalisation d'une structure pour clavier capacitif statique conforme à l'invention dans laquelle la deuxième couche isolante est un circuit imprimé à trous métallisés, - la figure 10 représente une structure pour clavier capacitif statique selon l'invention dans laquelle la deuxième couche isolante est un circuit imprimé sans connexion entre sa face antérieure et la face postérieure. Sur les figures 6, 7 et 8 sont représentés schématiquement trois exemples de mise en oeuvre de la structure pour clavier capacitif statique objet de l'invention. Dans un but de simplification des dessins, on n'a représenté sur toutes ces figures que les différentes couches isolantes composant la structure, à défaut des touches sensibles en dépôt transparent conducteur sur la première couche, et des électrodes et des lignes émettrices et réceptrices sur la seconde couche. Sur la figure 6, on voit la première couche isolante 14 et la deuxième couche isolante 15 qui enserrent une étiquette 16 et qui sont encastrées dans un cadre rigide 17 formant bottier, profilé en forme d'U et assurant la cohésion de l'ensemble. Sur la figure 7, on retrouve les mêmes couches 14, 15 et l'étiquette 16,mais cette fois l'ensemble est encastré dans un bottier 17 comportant un fond plat parallèle auxdites couches 14 et 15. Sur la figure 8 enfin, on retrouve encore les couches isolantes 14 et 15 qui enserrent l'étiquette 16 et le bottier à fond plat 17, mais l'ensemble est complété par une couche de matériau isolant élastique 18, une mousse isolante par exemple, servant à assurer, en la répartissant convenablement sur toute la surface des couches isolantes, l'action de serrage du bottier 17. Sur la figure 9, on a représenté, en vue éclatée, une structure pour clavier capacitif statique dans laquelle la deuxième couche isolante 15 est un circuit imprimé à trous métallisés 19. La face externe de la première couche isolante 14 comporte un certain nombre de touches sensibles telles que G et la première face externe de la deuxième couche 15 porte des électrodes émettrices A et réceptrices B. Dans cette réalisation chaque touche G est associée à un jeu de deux touches émettrices A et à une seule touche réceptrice B entourée par les deux touches A. Cette première face externe de la deuxième couche 15 porte également les lignes réceptrices Y connectées aux électrodes réceptrices telles que B. La deuxième face interne de la deuxième couche 15 porte les lignes émettrices X qui alimentent les électrodes émettrices A par l'intermédiaire des trous métallisés 19 traversant de part en part la deuxième couche isolante 15. Pour le reste de la structure, on retrouve comme sur la figure 8 la couche de matériau isolant élastique 18 et le boltier d'encastrement 17 représenté schématiquement ici puisqu'il s'agit d'une vue éclatée. Dans le mode de réalisation de la figure 10, on a représenté les mêmes éléments que sur la figure 9, portant les mêmes chiffres de référence que dans ce mode de réalisation ; toutefois, il n'y a pas de trous métallisés traversant la deuxième couche isolante 15 et celle-ci porte sur sa face externe les électrodes réceptrices B et les lignes réceptrices Y ; sur sa face interne, elle porte les électrodes émettrices A et les lignes émettrices X qui servent à alimenter lesdites électrodes A. Ici encore à chaque touche sensible G sont associées deux électrodes émettrices et une électrode réceptrice. Dans les exemples des figures 9 et 10, des étiquettes telles que 16 portant l'inscription de la fonction de la touche G correspondante sont prises en sandwich entre les deux couches isolantes 14 et 15 et l'on peut parfaitement les lire depuis l'extérieur puisque la couche isolante 14 et la touche sensible G en dépôt conducteur sont transparentes. On voit ainsi facilement que les différentes structures pour clavier capacitif statique décri tes précédemment et conformes à l'invention constituent un tout massif et solide, résistant parfaitement aux efforts de déprédation des utilisateurs et néanmoins démontable pour permettre le cas échéant d'échanger les étiquettes en fonction du rôle imparti à chacune des touches du clavier, REVENDICATIONS 1. Structure pour clavier capacitif statique, 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 d'une part une électrode émettrice (A) excitée séquentiellement par un signal alternatif amené par une ligne émettrice (Xi) 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 (Yi) recueille les variations du signal alternatif sous l'effet de la présence éventuelle d'un doigt (1) d'un utilisateur sur ladite touche sensible, caractérisée en ce qu'elle est constituée de deux couches isolantes (14, 15) associées l'une à l'autre par un bottier (17) dans lequel elles sont encastrées, la première couche isolante (14) étant transparente et portant des touches sensibles (G) en dépôt transparent conducteur et la deuxième couche (15) portant les électrodes et les lignes émettrices (Ai, Xi) et réceptrices (Bi, Yi), une étiquette (16) portant l'indication de la finalité de la touche pouvant être enserrée entre les deux couches isolantes associées. 2. Structure pour clavier capacitif statique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la deuxième couche isolante (15) est un circuit imprimé à trous métallisés (19), dont la face adjacente à la première couche isolante porte les électrodes émettrices (Ai) et réceptrices (Bi) ainsi que les lignes réceptrices (Yi) et dont l'autre face porte les lignes émettrices (Xi), les jonctions entre les lignes émettrices et les électrodes émettrices étant réalisées par l'intermédiaire desdits trous métallisés (19). 3. Structure pour clavier capacitif statique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la deuxième couche isolante (15) est un circuit imprimé dont la face adjacente à la première couche isolante porte les électrodes réceptrices (Bi) et les lignes (Yi) réceptrices et dont l'autre face porte les étectrodes émettrices (Ai) et les lignes (X émeebices 4. Structure pour clavier capacitif statique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit boîtier se compose d'un cadre rigide (17) disposé à la périphérie desdites couches. 5. Structure pour clavier capacitif statique selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit boîtier comporte également une plaque inférieure rigide parallèle auxdites couches et sensiblement de mêmes dimensions. 6. Structure pour clavier capacitif statique selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'une couche (18) en matériau isolant élastique est interposée entre ladite deuxième couche (15) isolante et ladite plaque inférieure.