Brevet FR2522918A1 — publié le 19830909

Perfectionnements aux claviers capacitifs. L'invention est relative aux claviers capacitifs de type matriciel, c'està-dire aux circuits électriques destinés à assurer une pluralité de commandes distinctes à partir des appuis de touches composant un clavier, ces circuits comportant un arrangement matriciel de plots associés chacun à l'une des touches du clavier et présen- tant la même répartition en lignes et en colonnes que ces touches, chacun desdits plots étant lui-même composé de deux plages conductrices isolées électriquement l'une de l'autre et susceptibles d'être couplées capacitivement l'une à l'autre par simple actionnement de la touche associée, cet actionnement ayant pour effet de rappro- cher simultanément de ces deux plages une même armature conductrice, également associée à ladite touche. Les applications de ces claviers sont multiples ils permettent d'introduire dans des appareils de calcul et de commande appropriés les données associées aux dif- férentes touches, lesquelles données peuvent être de toutes natures désirables et par exemple des chiffres ou lettres à reproduire, des opérations à effectuer Dans ces claviers, les plages sont regroupées élec- triquement selon les lignes et colonnes de la matrice de façon telle que l'actionnement de la touche correspon- dant à la ligne de rang i et à la colonne de rang j du clavier ait pour effet par exemple de connecter électri- quement l'entrée de rang i du clavier à sa sortie de rang j. A cet effet toutes les plages d'un même type, par exemple celles de gauche, sont connectées entre elles par lignes, chaque connecteur de connexion relatif à une ligne étant lui-même relié à une entrée du clavier et toutes les plages de l'autre type (ici de droite) sont PB/SV, 3-82-01 6 ex 2 2522918 connectées entre elles par colonnes, chaque conducteur de connexion relatif à une colonne étant relié à une sor- tie du clavier. Les différents conducteurs correspondant à ces li- gnes et colonnes se croisent donc en de nombreux points. Or ils doivent être isolés électriquement les uns des autres. Pour assurer un tel isolement-, on rapporte en géné- ral les deux réseaux de conducteurs correspondant res- pectivement aux lignes et aux colonnes sur respective- ment les deux faces opposées d'une plaque de support isolante sur l'une seulement des deux-faces de laquelle sont rapportées toutes les plages conductrices. Cette formule exige le perçage de multiples trous dans ladite plaque afin de relier électriquement aux plages correspondantes les conducteurs qui ne sont pas rapportés sur la même face que ces plages. Selon une formule améliorée qui a été exposée dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique no 3 921 167, les conducteurs de chaque réseau, ainsi que les plages con- nectées à ces conducteurs, sont rapportés sur une même face d'une feuille isolante, les feuilles correspondant aux deux réseaux étant distinctes, et les deux feuilles ainsi revêtues sont juxtaposées l'une contre l'autre, avec leurs revêtements orientés l'un vers l'autre, mais avec-interposition d'une troisième feuille isolante in- tercalaire. Dans ce cas, le couplage capacitif entré les deux plages associées à une même touchen'est pas réalisé uniquement à travers l'armature conductrice, mais aussi à travers la feuille intercalaire et deux fois à travers la feuille isolante située du côté de ladite armature, Cette formule permet certes d'éviter le perçage de trous de connexion multiples dans un support isolant. Mais le couplage capacitif exige la traversée de W trois épaisseurs de feuilles isolantes, et surtout la- dite formule exige le recours à trois feuilles superpo- sées selon un sandwich. L'invention propose une formule encore améliorée, à feuille isolante unique. A cet effet les claviers capacitifs selon l'invention sont essentiellement caractérisés en ce que les deux pla-_ ges composant chacun de leurs plots sont rapportées res- pectivement sur les deux faces opposées d'une même feuil- le isolante, chaque plage étant légèrement écartée de la projection dans son plan, perpendiculairement à ce plan, de l'autre plage. La feuille isolante en question présente de préféren- ce une épaisseur relativement faible, savoir au plus égale à 50 microns et une permittivité relativement éle- vée, savoir supérieure à 5 Par "permittivité" on entend ici et partout dans le présent texte la permittivité "relative", c'est-à-dire la valeur de cette quantité (appelée aussi parfois "constante diélectrique" ou "pou- voir inducteur spécifique") exprimée par rapport à celle du vide. Il résulte de cette grande minceur et de cette forte permittivité que la capacité du condensateur formé entre l'armature conductrice en sa position assurant le coupla- ge capacitif et la plage la plus éloignée de cette arma- ture est relativement élevée: si l'on considère que la surface de chaque plage est généralement de l'ordre de 0,5 cm, la capacité du condensateur en question, dont le diélectrique est constitué par la feuille isolante considérée, est en général supérieure à 50 p F et notam- ment de l'ordre de 100 p F. Dans ces conditions, la capacité globale du couplage capacitif assuré entre deux plages associées d'un même plot est: pratiquement nulle, typiquement inférieure à 2 p F, lorsque la touche correspondante n'est pas actionnée et que l'armature conductrice demeure donc écartée des deux plages, et au contraire très élevée lorsque cette armature est placée en sa position de couplage, ladite capacité globale correspondant alors à l'ensemble en série de la capacité relativement élevée qui vient d'être analysée et de celle, encore plus élevée, formée entre l'arma- ture et celle, des deux plages, qui est la plus proche de cette armature. Dans des modes de réalisation préférés, on a recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions sui- vantes: la feuille isolante est constituée en fluorure de polyvinylidène ou en l'un de ses copolymères, chaque plot comprend, en plus des deux plages ci- dessus, une troisième plage conductrice non raccordée extérieurement et disposée sur la face, de la feuille, orientée du côté de l'armature conductrice, à côté de la plage rapportée sur cette face, la position et les dimensions de cette troisième plage correspondant à celles de la projection, sur ladite face, de la plage rapportée sur la face opposée, un fil conducteur mis à la masse s'étend sur l'une des deux faces de la feuille, le long du chemin isolant séparant la plage rapportée sur cette face de la pro- jection de l'autre plage sur cette même face, la face selon l'alinéa précédent est celle, de la feuille, qui est la plus éloignée de l'armature conduc- trice, l'armature conductrice est constituée par métalli- sation d'une feuille en matière isolante, la couche métallisée de cette feuille étant orientée vers les plages, l'armature conductrice est revêtue sur sa face orientée vers les plages d'une mince pellicule isolante, l'armature selon l'alinéa précédent est constituée en aluminium et est revêtue sur sa face orientée vers les plages d'une mince pellicule d'oxyde d'aluminium, la pellicule isolante selon l'alinéa qui précède le précédent est constituéeen un polymère de permitti- vité élevée, de préférence supérieure à 5, étant notam- ment une feuille en fluorure de polyvinylidène de 10 mi- crons d'épaisseur, l'armature conductrice pouvant alors être constituée par une métallisation de la face, de cette feuille, la plus'éloignée des plages. L'invention comprend, mises à part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utili- sent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. Dans ce qui suit l'on va décrire des modes de réa- lisation préférés de l'invention en se référant au des- sin ci-annexé d'une manière bien entendu non limitative. La figure 1, de ce dessin, montre un clavier capaci- tif conforme à l'invention selon une coupe schématique exécutée au niveau de l'une de ses touches. La figure 2 montre en vue perspective la feuille iso- lante comprise par un tel clavier, feuille revêtue de circuits électriques sur ses deux faces conformément à l'invention. La figure 3 montre partiellement en plan une variante de ladite feuille. La figure 4 montre en vue perspective partielle en- core une autre variante de ladite feuille. Le clavier capacitif comprend un arrangement matri- ciel c'est-à-dire réparti en lignes et colonnes de touches schématisées par la référence 1, chaque touche comprenant une armature conductrice plate 2 et des moyens élastiques, non représentés, propres à solliciter cette armature selon la flèche F, perpendiculairement à cette armature, vers une position de repos. A chaque touche est associé un plot conducteur 3 com- posé de deux plages conductrices minces 31 et 32 isolées électriquement l'une de l'autre et susceptible d'être couplées capacitivement l'une à l'autre uniquement lors- que l'armature 2 est rapprochée d'elles selon la flèche G opposée à la flèche F, c'est-à-dire à l'encontre de l'ef- fort de rappel des moyens élastiques ci-dessus. Les deux plages 31 et 32 sont, selon l'invention, rap- portées respectivement sur les deux faces opposées d'une même feuille isolante 4, et ce en des positions telles que la projection de l'une quelconque de ces plages dans le plan de l'autre plage, selon la direction perpendicu- laire à-ce plan, se trouve à côté de cette autre plage, à une petite distance de celle-ci. La feuille isolante 4 présente à la fois une grande minceur et une forte permittivité. C'est ainsi que son épaisseur est de préférence au plus égale à 50 microns et que sa permittivité est de préférence supérieure à 5. Ladite feuille est à cet effet avantageusement cons- tituée en fluorure de polyvinylidène ou en l'un de ses copolymères. Chacune des plages 31 et 32 considérées présente tou- te forme désirable, par exemple celle d'un rectangle, ou encore celle d'un demi-cercle comme illustré sur le des- sin:-dans ce dernier cas, les diamètres délimitant ces demi-cercles sont otientés parallèlement l'un à l'autre et disposés à proximité l'un de l'autre, ces diamètres et leurs projections respectives sur les faces opposées de la feuille 4 délimitant une étroite bande 5 de matiè- re isolante interposée entre les deux plages. Ces plages sont rapportées ou imprimées sur la feuil- le de toute manière désirable à raison d'une plage 31 et d'une plage 32 en regard de chaque touche 1, toutes les plages rapportées sur une même face de la feuille 4 étant disposées côte à côte sur cette face, parallèle- ment les unes aux autres, selon le même arrangement ma- triciel que les touches du clavier. Toutes les plages du type de la plage 31 ' savoir celles qui sont rapportées "à gauche" sur la face "supé- rieure" de la feuille 4 dans le cas des figures 1 et 2, sont connectées électriquement entre elles selon des rangées parallèles entre elles, savoir selon des "colon- nes" si l'on considère la figure 2 depuis son extrémité inférieure gauche Ces connexions sont assurées à l'aide de connecteurs 6 eux-mêmes rapportés en même temps que les plages 3 sur la face supérieure considérée de la feuille 4 et chacun de ces conducteurs 6 est lui-même raccordé, sur un bord de cette feuille, à une borne de connexion extérieure 7. De même, toutes les plages du type de la plage 32 ' savoir les plages rapportées "à droite" sur la face "inférieure" de la feuille 4 dans l'exemple ci-dessus- adopté, sont connectées entre elles selon des "lignes" parallèles entre elles par des conducteurs électriques 8 eux-mêmes raccordés à des bornes de connexion latérales 9. Les largeurs des connecteurs de connexion 6 et 8 sont faibles de façon à minimiser les capacités parasites susceptibles de se former à travers la feuille aux zones de "croisement" desdits conducteurs. Vu sa grande minceur, la feuille 4 imprimée de revê- tements conducteurs sur ses deux faces est relativement flexible: on la renforce avantageusement en l'appliquant contre une plaque rigide isolante de support de toute nature désirable Cette plaque rigide peut être consti- tuée en un matériau beaucoup plus économique que celles en résine époxy généralement utilisées lorsque les dif- férentes plages de chaque plot sont disposées sur une seule face d'une telle plaque, solution pour laquelle l'une des plages de chacun de ces plots doit être réunie à son conducteur de raccordement extérieur par un trou traversant ladite plaque, ainsi qu'exposé ci-dessus. Pour renforcer la séparation électrique des deux plages 31 et 32 de chaque plot, on dispose avantageuse- ment le long des bandes isolantes 5 qui les séparent, sur l'une au moins des deux faces de la feuille 4, des fils conducteurs 10 (figure 3) mis à la masse. Pour éviter tout risque de contact entre ces fils 10 et l'armature 2, lorsqu'aucune couche isolante n'est prévue sur la face, de cette armature, orientée vers les plages, il suffit de rapporter les fils 10 sur la face, de la feuille 4, la plus éloignée de cette armature 2. Pour éviter les inconvénients d'un appui hésitant ou mal centré sur l'armature 2, appui qui pourrait se traduire par un mauvais contact entre celle-ci et une portion de la surface en regard du plot, il est avanta- geux de rapporter sur la face, de la feuille 4, la plus proche de l'armature, à côté de chaque première plage 31 déjà rapportée sur cette face, une troisième plage 33 (figure 4) ayant les mêmes dimensions et la même orienta- tion que la seconde plage 32 et étant disposée à l'em- placement de la projection de cette seconde plage selon la flèche F sur la face considérée. Une telle construction évite la présence de couches d'air inopportunes entre l'armature 2 et les surfaces contre lesquelles elle est appliquée lors de l'appui de la touche correspondante, et la capacité globale du cou- plage alors assuré entre les deux plages 31 et 32 lors d'un tel appui est ainsi toujours maximum. Le fonctionnement des claviers décrits ci-dessus est le suivant. L'enfoncement de chaque touche 1 d'un tel clavier selon la flèche G (figure 1) doit avoir pour effet de relier capacitivement entre elles les deux plages 3 et 32 ' et donc les conducteurs 6 et 8 correspondants, les- quels sont eur-mémes connectés respectivement à une sour- ce de signal électrique et à un dispositif d'exploita- tion de ce signal. Cette liaison électrique entre les deux plages 31 et 3 est assurée par couplage capacitif de chacune de ces deux plages avec l'armature conductrice 2. Le couplage entre cette armature 2 et la première plage 31 la plus proche de cette armature peut être assuré par contact mutuel direct entre ces deux éléments conducteurs, ce qui correspond à une capacité de coupla- ge infinie. Mais si l'on désire éviter un tel contact mutuel direct, lequel peut être une source de désordres dans certains cas, il suffit de prévoir sur l'un des deux éléments conducteurs considérés de préférence sur l'ar- mature 2, une mince pellicule isolante 11. A cet effet par exemple, si l'armature 2 est consti- tuée en aluminium, la pellicule 11 peut être constituée par une couche superficielle d'alumine dont l'épaisseur est inférieure au micron: la capacité de couplage élec- trique réalisé à travers une telle couche est encore très élevée. Il convient de souligner que la pellicule isolante il ci-dessus, du fait qu'elle est rapportée sur un élé- ment conducteur de support, peut être extrêmement mince, par exemple inférieure à 5 microns ou moins, et en particulier beaucoup plus mince qu'une feuille cohérente indépendante destinée elle-même à servir de support à des circuits imprimés. La pellicule isolante 11 en question peut également être constituée par une feuille en un matériau polyméri- que de permittivité élevée, de préférence supérieuxeà 5. Cette feuille 11 peut présenter elle-même une très faible épaisseur, vu qu'elle n'est pas destinée à sup- porter des circuits imprimés: il s'agit par exemple d'une feuille de fluorure de polyvinylidène épaisse de microns. Dans ce dernier cas, l'armature conductrice peut être constituée par une métallisation de la face, de la feuille 11, la plus éloignée des plages. Le couplage réalisé entre l'armature 2 et la secon- de plage 32 ' la plus éloignée de cette armature, se fait à travers la feuille 4 et éventuellement à travers la très mince couche isolante 11, s'il en est prévue une. La capacité de ce couplage est encore relativement élevée en raison des caractéristiques particulières, mentionnées ci-dessus, de la feuille 4: si en effet la permittivité de cette feuille est de l'ordre de 9 et -son épaisseur, de l'ordre de 50 microns, et si la sur- face de la plage 31 est de l'ordre de 0,5 cm 2, la ca- pacité en question est de l'ordre de 100 p F. Par suite la capacité globale résultante du coupla- ge réalisé entre les deux plages 3 et 32 ' constituée par les deux capacités ci-dessus décrites montées en série, est elle-même très élevée: elle est ici supé- rieure à 20 p F et même en général à 50 p F, alors qu'elle n'atteint généralement pas 10 p F avec la formule amélio- rée évoquée ci-dessus. Il est à noter que la mince couche isolante 11 peut être localisée uniquement en regard des premières pla- ges 31 et être supprimée en regard des secondes plages 32 et éventuellement des troisièmes plages 33 -, une compensation d'épaisseur pouvant éventuellement être pré- vue de façon à éviter tout contact en biais lors de l'ap- pui sur la touche correspondante: une telle formule per- met encore d'accroître la capacité du couplage entre l'ar- mature 2 et la seconde plage 32 Il est à noter également que la couche isolante 11 peut être rendue inutile si l'armature 2 est rendue élec- triquement "flottante", c'est-à-dire elle-même isolée de toute connexion électrique extérieure permanente: on peut remarquer en effet que, dans une telle hypothèse, même lorsque cette armature 2 se trouve en sa position pour laquelle elle assure le couplage capacitif, aucun contact direct n'est établi entre cette armature 2 et la plage 32 et que par conséquent le simple contact direct entre cette armature et la plage-31 ne ferme directement aucun circuit électrique. Dans une telle hypothèse, il convient de prévoir une couche isolante sur la face, de l'armature 2, qui est opposée à sa face conductrice alors orientée vers les plages, en particulier lorsque le déplacement de cette armature 2 est commandé par appui direct d'un doigt sur celle-ci, et ce notamment de façon à éviter de mettre à la masse à travers le corps de l'utilisateur cette arma- ture et le tronçon de circuit éventuellement mis en con- tact direct avec elle à travers la première plage 31. Dans ce dernier cas, il peut être avantageux de cons- tituer l'armature en question par métallisation d'une feuille isolante, la couche métallisée constituant alors ladite armature et étant orientée en direction des plages. On peut également constituer l'armature conductrice elle-même par la peau d'un doigt venant s'appliquer contre un plot, cette peau venant alors en contact di- rect avec la plage 31 constitutive de ce plot, à moins que soit prévue une feuille intercalaire isolante de permittivité élevée et de faible épaisseur, laquelle feuille peut être commune à tous les plots et peut ser- vir alors de protection générale au clavier. En raison du petit nombre et de la petite épaisseur de ses couches constitutives, le clavier ci-dessus est particulièrement bien adapté aux réalisations entière- ment transparentes, les plages conductrices pouvant en particulier être réalisées en oxyde d'indium et d'étain (i.t o): ces réalisations permettent de lire à travers le clavier des signes inscrits sur un support de ce clavier. Pour ce qui est de l'application des réseaux conduc- teurs sur les deux faces de la feuille isolante 4, on procède avantageusement par sérigraphie après prépara- tion de ces faces par effet-"couronne", préparation permettant d'améliorer l'adhérence des motifs en encre conductrice rapportés sur lesdites faces. En suite de quoi, et quel que soit le mode de réa- lisation adopté, on dispose finalement d'un clavier capa- citif dont la construction et le fonctionnement résul- tent suffisamment de ce qui précède. Ce clavier présente, par rapport à ceux antérieure- ment connus, un certain nombre -d'avantages et en parti- culier celui d'une grande simplicité de fabrication, d'un prix de revient très bas, et en même temps d'une grande capacité des couplages réalisés, puisque non seulement il est inutile avec un tel clavier de percer des trous de liaison électrique dans le support des circuits imprimés, mais qu'en outre l'ensemble desdits circuits est supporté dans ledit clavier par une seule et même feuille isolante très mince. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nulle- ment à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisages; elle en em- * brasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 Clavier capacitif de type matriciel, destiné à assurer une pluralité de commandes distinctes à partir des appuis de touches ( 1) d'un clavier et comportant un arrangement matriciel de plots ( 3) associés chacun à l'une des touches du clavier, ces plots présentant la mê- me répartition en lignes et en colonnes que ces touches, chacun desdits plots étant lui-même composé de deux pla- ges conductrices ( 31 32) isolées électriquement l'une de l'autre et susceptibles d'être couplées capacitivement l'une à l'autre par simple actionnement de la touche as- sociée, cet actionnement ayant pour effet de rapprocher simultanément de ces deux plages une même armature con- ductrice ( 2)également associée à ladite touche, caracté- risé en ce que les deux plages ( 31 deux faces opposées d'une même feuille isolante ( 4),cha- que plage étant légèrement écartée de la projection dans son plan,perpendiculairement à ce plan,de l'autre plage. 2 Clavier capacitif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que la feuille isolante ( 4) présente une épaisseur relativement faible, savoir au plus égale à microns et une permittivité relativement élevée, savoir supérieure à 5. 3 Clavier capacitif selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que la feuille isolante ( 4) est consti- tuée en fluorure de polyvinylidène ou en l'un de ses copolymères. 4 Clavier capacitif selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que cha- que plot comprend, en plus des deux plages ci-dessus ( 31 32)' une troisième plage conductrice ( 33) non rac- cordée extérieurement et disposée sur la face, de la feuille ( 4), orientée du côté de l'armature conductrice ( 2), à côté de la plage ( 31) rapportée sur cette face, 14 2522918 la position et les dimensions de cette troisième plage correspondant à cellesde la projection, sur ladite face, de la plage ( 32) rapportée sur la face opposée. Clavier capacitif selon l'une quelconque des pré- cédentes revendications, caractérisé en ce qu'un fil conducteur ( 10) mis à la masse s'étend sur l'une des deux faces de la feuille, le long du chemin isolant ( 5) sépa- rant la plage rapportée sur cette-face de la projection de l'autre plage sur cette même face. 6 Clavier capacitif selon la revendication 5, ca- ractérisé en ce que la face sur laquelle est rapporté le fil conducteur ( 10) est celle,de la feuille ( 4), qui est la plus éloignée de l'armature conductrice ( 2). 7 Clavier capacitif selon l'une quelconque des pré- cédentes revendications, caractérisé en ce que l'armatu- re conductrice ( 2) est constituée par métallisation d'une feuille en matière isolante, la couche métallisée de cette feuille étant orientée vers les deux plages. 8 Clavier capacitif selon l'une quelconque des pré- cédentes revendications, caractérisé en ce que l'armatu- re conductrice ( 2) est revêtue sur sa face orientée vers les plages d'une mince pellicule isolante ( 11). 9 Clavier capacitif selon la revendication 8, ca- ractérisé en ce que la mince pellicule isolante ( 11) revêt seulement la portion,de l'armature conductrice ( 2), qui est disposée en regard de la plage ( 31) la plus pro- che d'elle. Clavier capacitif selon l'une quelconque des re- vendications 8 et 9, caractérisé en ce que l'armature conductrice ( 2) est constituée en aluminium et est revé- tue sur sa face orientée vers les plages d'une mince pellicule ( 11) d'oxyde d'aluminium. 11 Clavier capacitif selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que la mince pellicule isolante est constituée par une feuille mince e en polymère de permittivité supérieure à 5, l'armature conductrice pouvant elle-même être constituée par une métallisation de la face, de cette feuille, la plus éloignée des plages. 12 Clavier capacitif selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce qu'il est constitué par des feuilles et couches superposées en matériau transparent.