Brevet FR2563046A1 — publié le 19851018

La présente invention se rapporte de façon générale aux commutateurs électriques et, en particulier, à un élément en forme de calotte perfectionné, quelquefois appelé membrane, qui est utilisé dans des commutateurs permettant d'offrir une réaction tactile à celui qui manoeuvre le commutateur. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à des membranes du type décrit qui sont de préférence formées sur une feuille en matériau élastomère souple de façon que la feuille puisse être avantageuse- ment utilisée dans la fabrication de claviers comportant plusieurs commutateurs électriques. Des éléments en forme de calottesutilisés pour donner une réaction tactile ont été incorporés dans diverses struc- tures de commutateurs. Ceux-ci comprennent les commutateurs à contacts électriques unipolaires ou bipolaires ainsi que les modes de réalisation à plusieurs commutateurs comme les claviers. A simple titre d'exemple, de tels éléments en forme de calottes peuvent être utilisés comme une partie d'un clavier de commutateurs à membrane possédant plusieurs couches de composants. Ces couches comportent ordinairement 1) un moyen pouvant être actionné, qui peut se présenter sous la forme de boutons, touches ou incorporer une feuille de repérage contenant des caractères alphanumériques; 2) un moyen à réaction tactile, par exemple une feuille souple d'éléments en forme de calottes solidairement formés, chacune des calottes étant sensiblement centrée au-dessous d'un caractère alphanumérique approprié; 3) une feuille électriquement conductrice disposée au-dessous de la feuille souple; 4) une feuille d'écarte- ment comportant des ouvertures qui sont alignées avec des éléments en forme de calottes appropriés; et 5) une plaquette de circuit imprimé possédant typiquement des contacts électriques situés au- dessous de la feuille d'écartement. Selon un mode de fonctionnement bien connu, l'application d'une force au moyen d'actionnement, au niveau du caractère alphanumérique souhaité, amène la calotte sous-jacente à rentrer brusquement dans son centre, ce qui donne une réaction tactile à l'opérateur. La force nécessaire pour amener la calotte à rentrer brusquement dans son centre estquelquefois rapportée à un "point de déclenchement". Après qu'elle a atteint le point de déclenchement, la calotte continue typiquement son déplacement vers le bas, ce qui pousse la feuille conductrice dans l'ouverture correspondante de la feuille d'écartement jusqu'à ce qu'elle arrive en contact avec un ou plusieurs contacts étectriques se trouvant en des positions prédéterminées sur la plaquette de circuit imprimé sous-jacente. Lorsque la feuille conductrice vie rten contact avec Les contacts électriques se trouvant sur La plaquette de circuit imprimé, Le commutateur réagit électroniquement d'une manière appropriée, c'est-à-dire qu'il est actionné. Lorsque la pression appliquée par celui qui manoeuvre le commutateur cesse, la calotte revient brusquement à sa position initiale, ce qui sépare la feuille conductrice des contacts électriques se trouvant sur la plaquette de circuit imprimé sous-jacente. Des commutateurs électriques dotés d'une feuille en matériau élastomère comportant des éLéments en forme de calottes servant à donner une réaction tactile à celui qui manoeuvre le com- mutateur ont été employés pendant de nombreuses années. Néanmoins, ces commutateurs ne sont pas sans présenter certains inconvénients. Par exemple, dans quelques cas, La réaction tactile fournie par quelques éLéments en forme de calottes n'est pas aussi bien définie que l'opérateur pourrait le souhaiter. De même, certains éLéments en forme de calottes de la technique antérieure se distinguent par une instabilité particulière, telle qu'une légère modification de la pression appliquée au moyen d'actionnement par l'opérateur per- met à l'élément en forme de calotte d"'osciller" d'avant en arrière autour du point de déclenchement. C'est donc un but de l'invention de proposer une membrane, ou élément en forme de calotte, perfectionnée qui est destinée à être utilisée avec des commutateurs électriques du type généralement décrit ci-dessus, ou bien dans n'importe quelle autre application de commutateurs électriques o de telles membranes perfectionnées peuvent être souhaitables. Un autre but de l'invention est de proposer une membrane du type dit à action brusque perfection- née qui offre une réaction tactile plus accentuée que celle réalisée par de nombreux commutateurs de la technique antérieure. C'est égale- ment un but de l'invention de proposer une membrane à action brusque perfectionnéequi est soumisà une moindre instabilité autour du point de déclenchement que les commutateurs de la tech- nique antérieure. Un autre but de l'invention est d'obtenir les avantages ci-dessus indiqués tout en augmentant la distance des- cendante dont la membrane se déplace avant d'atteindre le point de déclenchement. Cette distance est quelquefois appelée "course préliminaire". Les buts ci-dessus indiqués, ainsi que d'autres particularités et avantages, sont atteints au moyen d'une membrane pour commutateur électrique destinée à être actionnée par une pression tactile. La membrane comprend une base qui possède une ouverture, et un premier, un deuxième et un troisième élément s'étendant respectivement, à partir de la base au-dessus du plan de l'ouverture. Un élément saillant s'étend, depuis l'un des éléments, vers le bas en direction de l'ouverture. Le premier élément et le troisième élément présentent des souplesses relatives telles que la résistance au gauchissement du premier élément, ou élément inférieur, est plus grande que la résistance au gauchis- sement du troisième élément. Ainsi, à la réception d'une pression' tactile destinée à actionner le commutateur, les premier et troi- sième éléments emmagasinent de l'énergie jusqu'à ce que la pression soit suffisante pour amener le troisième élément à rentrer brusque- ment dans son centre avant l'actionnement du commutateur. La description suivante, conçue à titre d'illus- tration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe simplifiée d'une structure de commutateur électrique donnée à titre d'exemple qui comporte une feuille souple d'éléments en forme de calottes solidairement formés; la figure 2 est une vue en coupe agrandie d'un élément en forme de calotte, ou membrane, du type pouvant être C J u V q 0 formé dans une feuille souple, comme représenté par le commutateur électrique donné à titre d'exemple sur la figure 1; - la figure 3A est une vue en coupe simplifiée de la membrande de la figure 2 avant application de la pression tactile; - la figure 3B est une vue en coupe simplifiée de la membrande de la figure 2 après application de la pression tactile, mais avant que l'élément associé ne soit brusquement rentré dans son centre; et - La figure 3C est une vue en coupe simplifiée de la membrane de la figure 2 après que l'élément associé est rentré dans son centre. On se reporte d'abord à la figure 1 qui montre, sous une forme simplifiée, une structure de commutateur électrique 10. La structure de commutateur 10, dans ce mode de réalisation, est- constituée d'un moyen pouvant être actionné, qui est représenté ici sous La forme d'une feuille de repérage 12, d'un moyen à réaction tactile, qui est représenté ici sous La forme d'une feuille souple 14 comportant plusieurs éléments en forme de calottes 15 solidairement formés dans la feuille souple, d'une feuille électriquement conductrice 16, d'une feuille d'écartement 18 défi- nissant plusieurs ouvertures 19, et d'une plaquette de circuit imprimé 20 disposée au-dessous. IL faut comprendre que la structure de commuta- teur 10 peut prendre de nombreuses autres formes, le mode de réali- sation particulier présenté sur la figure 1 étant donné à titre d'exemple. Ainsi, des boutons-poussoirs, des touches ou d'autres moyens d'actionnement peuvent remplacer la feuille de repérage 12, et diverses autres substitutions, additions et omissions peuvent être faites en relation avec les autres composants de la structure de commutateur 10, dans les limites de l'invention. Dans ce mode de réalisation présenté à titre d'exemple, la feuille de repérage 12 porte plusieurs caractères alphanumériques et peut donc être particulièrement utilisée comme clavier pour calculateur, calculette et autres dispositifs analogues. Comme ci-dessus indiqué, la feuilLe soupLe 14 comporte plusieurs éléments en forme de calottes solidairement formés qui sont de préférence alignés sous des caractères alphanumériques respectifs de la feuille de repérage 12. La structure des éléments en forme de calottes peut être discutée ciaprès en relation avec la figure 2. Les ouvertures 19 définies dans la feuille d'écar- tement 18 sont de préférence alignées avec les éléments en forme de calottes respectifs 15. Ainsi, lorsque l'opérateur applique une pression à l'un choisi des caractères alphanumériques de la feuille de repérage 12, un élément en forme de calotte sous-jacent qui est formé dans la feuille souple 14 pousse une partie de la feuille conductrice dans une ouverture sous-jacente de la feuille d'écar- tement 18 et la met en contact avec un circuit, par exemple un ou plusieurs contacts électriques (non représentés), qui se trouvent en des positions prédéterminées de la plaquette de circuit imprimé 20. Lorsque ceci s'est produit, un moyen électrique, non représenté, qui est associé à la plaquette de circuit imprimé 20 est sélective- ment mis en service, ce qui entraîne une réponse électrique indi- cative du fait que le caractère alphanumérique sélectionné sur la feuille de repérage 12 a été enfoncé, c'est-à-dire que le commuta- teur a été actionné. Pour offrir une réaction tactile améliorée à celui qui manoeuvre le commutateur et pour réduire la probabilité d'une instabilité autour du point de déclenchement, les éléments en forme de calottes 15 utilisés avec la feuille souple 14 doivent de pré- férence être construits de la manière représentée sur la figure 2. Plus particulièrement, la figure 2 représente une vue en coupe agrandie d'un tel élément en forme de calotte, ou membrane, 30. La membrane 30 est de préférence faite en un matériau élastomère, tous les éléments étant solidairement formés. La membrane 30 comporte plus spécialement une base 32, se présentant sous la forme d'un disque ou cylindre creux, qui définit une ouverture centrale 33. Se prolongeant vers le haut depuis la base 32, au-dessus du plan défini par l'ouverture 33, se trouve un premier élément 34. Le premier élément 34 présente de preference la forme d'un tronc de c6ne creux et fait un angle 51 avec la base 32. L'angle 51 est 2563046- plus grand que 90 degrés, mais moins grand que 180 degrés. Dans ce mode de réalisation donné à titre d'exemple, l'angle 51 vaut envi- ron 145 degrés. Se prolongeant vers le haut depuis Le premier élément 34, au-dessus du plan défini par l'ouverture 33, se trouve un deuxième élément 36. Le deuxième élément 36 a de préférence la forme d'un cylindre creux et fait un angle 52 avec le premier éLé- ment 34. L'angle 52 est supérieur ou égal à 90 degrés, mais infé- rieur à 180 degrés. Dans ce mode de réalisation préféré, l'angle 52 vaut approximativement 115 degrés. Un troisième élément 38 se prolonge vers le haut, depuis le deuxième élément 36, au-dessus du plan défini par L'ou- verture 33. Comme le premier élément 34, le deuxième élément 38 a de préférence la forme, au moins en partie, d'un tronc de cône creux. Le troisième élément 38 fait un angle 53 avec Le deuxième éLément 36, L'angle 53 étant supérieur ou égal à 90 degrés, mais inférieur à 180 degrés. Dans ce mode de réalisation préféré, l'angle 53 vaut environ 125 degrés. Toutefois, Le troisième élément 38 possède une moindre résistance au gauchissement, c'est-à-dire qu'il est plus susceptible de rentrer brusquement dans son centre, que le premier élément 34. Pour cette raison, on préfère que, si tous les éléments constitutifs de la membrane 30 sont solidairement formés, et sont donc faits du même matériau souple, Le troisième élément 38 soit quelque peu plus mince, en section droite, que le premier élément 34. Se prolongeant vers Le haut depuis le troisième élément 38, ou bien, selon une autre possibilité, faisant partie du troisième élément 38, se trouve un quatrième élément 40. Le quatrième élément 40 s'étend au-dessus du plan défini par l'ouver- ture 33 et fait avec le troisième élément 38 un angle 54 qui est supérieur à 90 degrés, mais inférieur à 180 degrés. Dans ce mode de réalisation préféré, l'angle 54 fait environ 125 degrés. S'étendant sensiblement vers le bas depuis l'un des éléments 34, 36, 38 ou 40, se trouve un élément saillant 42. L'élément saillant 42 s'étend en direction de l'ouverture 33 dans l'espace creux défini par les éléments 34, 36 et 38. Dans ce mode de réalisation préféré, le quatrième élément 40 et l'éLément sail- lant 42 définissent une surface externe 44 conçue pour loger un ensemble de touches, non représenté. Selon une autre possibilité, la configuration supérieure de la membrane 30 peut être conçue de façon à recevoir une feuille de repérage du type présenté sur La figure 1, si cette forme de moyen d'actionnement peut être utiLisée dans une structure de commutateur particulière. Alors que le diaphragme 30 peut présenter des variations de dimension absolument quelconques sans sortir de l'étendue de l'invention, le mode de réalisation préféré utilise les dimensions et rayons relatifs suivants correspondant aux petites lettres indiquées sur la figure 2: a = 0,620 i = 0,225 q = 0,082 b = 0,270 j = 0,082 r = 0,040 c = 0,202 k = 0,030 s = 0, 050 d = 0,027 I = 0,065 t = 0,045 e = 0,356 m = 0,015 u = 0,073 f = 0,042 n = 0,040 v = 0,015 g = 0,100 o = 0,035 w = 0,015 h = 0,265 p = 0,040 x Quel que soit le moyen d'actionnement employé et indépendamment des paramètres dimensionnels choisis, l'appli- cation d'une pression tactile au moyen d'actionnement fait que cette pression est finalement transmise à la membrane 30. Dans la description, l'application d'une pression ne doit pas être considérée comme étant limitée à l'application directe d'une pression par l'opérateur au moyen d'actionnement, mais il peut s'agir d'une pression indirectement transmise d'un élément à un autre élément. Lorsqu'une pression tactile est appliquée à la membrane 30, les éléments 34 et 38 commencent d'emmagasiner de l'énergie. Ces éléments peuvent initialement se déformer sans se gauchir, c'est-à-dire sans rentrer brusquement dans leur centre. Lorsqu'une pression tactile suffisante a été appliquée à la mem- brane 30, le troisième élément 38 rentre tout de même finalement dans son centre tandis que le premier élément 34 ne le fait pas. 2563046' Comme le troisième élément 38 rentre dans son centre, il donne à l'opérateur une réaction tactile. Le fonctionnement de la membrane 30 pendant l'ap- plication de la pression tactile est présenté par les représenta- tions simplifiées des figures 3A, 3B et 3C. Ainsi, sur la figure 3A, aucune pression tactile n'a été appliquée à la membrane 30. Sur la figure 3B, une pression tactile a toutefois été appliquée par l'intermédiaire du quatrième élément 40 et a été transmise aux éléments 34 et 38. Ces éléments absorbent au moins une partie de cette énergie et se déforment peut-être légèrement sans toutefois rentrer dans leur centre. Cette déformation est indiquée schéma- tiquement par la modification de forme du premier élément 34, par exemple. Naturellement, tandis que la pression tactile est appliquée, la partie saillante 42 commence à descendre en direction de l'ouver- ture 33 formée dans la base 32. Lorsqu'une plus grande pression tactile est appliquée à la membrane 30, le troisième élément 38 se gauchit, c'est-à-dire rentre brusquement dans son centre. Ceci est représenté sur la figure 3C. Après que le troisième élement 38 est rentré dans son centre, la partie saillante 42 descend dans l'ouverture 33, tandis que le premier élément 34 reprend sensiblement sa forme initiale. Lorsque le troisième élément 38 rentre brusquement dans son centre, une réaction tactile se présentant sous une forme sensiblement accentuée est fournie à L'opérateur. De plus, la structure parti- culière de la membrane 30 réduit la probabilité d'une instabilité autour du point de déclenchement du troisième élément 38 pendant l'actionnement de la membrane 30. De plus, en raison de la distance relativement importante dont la membrane 30 se déplace avant d'at- teindre le point de déclenchement, la structure de membrane 30 est, comme cela est souhaitable, distinguée par une course préliminaire relativement importante. Naturellement, lorsque la partie saillante descend dans l'ouverture 33, elle amène des éléments de la structure de commutateur du type présenté sur la figure 1 à fonctionner de la manière précédemment décrite. Une fois la pression tactile retirée, 2563046- Les éléments constitutifs de la membrane 30 reviennent sensiblement aux positions occupées sur La figure 3A. Bien entendu, L'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Membrane destinée à être utilisée dans un commuta- teur électrique conçu pour être actionné par application d'une pres- sion tactile, caractérisée en ce qu'elle comprend: une base (32) définissant une ouverture (33); un premier élément (34) partant de ladite base au-dessus du plan de ladite ouverture avec un angle (51) supérieur à 90 degrés, mais inférieur à 180 degrés, par rapport à ladite base; un deuxième élément (36) partant dudit premier élément au-dessus du plan de ladite ouverture, avec un angle (52) supérieur ou égal à 90 degrés, mais inférieur à 180 degrés, par rapport audit premier élément; un troisième élément (38) partant dudit deuxième élément au-dessus du plan de ladite ouverture, avec un angle (53) supérieur ou égal à 90 degrés, mais inférieur à 180 degrés, par rapport audit deuxième élément; et un élément saillant (42) se prolongeant vers Le bas depuis l'un desdits éléments en direction de ladite ouverture; lesdits premier et trosième éléments ayant des souplesses relatives telles que la résistance au gauchissement dudit premier élément est supérieure à la résistance au gauchissement dudit troisième élément, si bien que, à La réception de ladite pression tactile, ledit troisième élément rentre brusquement dans son centre avant que Ledit commutateur ne soit actionné. 2. Membrane selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit premier élément (34) et ledit troisième élément (38) ont la configuration d'un tronc de cône creux. 3. Membrane selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit deuxième élément (36) a la configuration d'un cylindre creux orienté perpendiculairement à La base définie par ladite base. 4. Membrane selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit troisième éLément (38) comporte un quatrième élément (40) partant dudit troisième élément au-dessus du plan de ladite ouverture, avec un angle (54) supérieur à 90 degrés, mais inférieur à 180 degrés, par rapport audit troisième élément, et en ce que ledit élément sail- lant (42) se prolonge vers le bas à partir dudit quatrième élément. 5. Membrane selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite base (32), lesdits éléments (34, 36, 38, 40) et Ledit élément saillant (42) sont formés solidairement. 6. Membrane selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite membrane (30) est conçue pour être montée au-dessus d'un circuit, et en ce qu'aucune partie dudit commutateur n'est déplacée en contact avec celui-ci en réponse à la réception de ladite pression tactile avant que ledit troisième élément ne soit rentré brusquement dans son centre. 7. Commutateur électrique caractérisé en ce qu'il comprend: une membrane (15; 30) qui possède une base (32) définissant une ouverture (33), un premier élément (34) partant de ladite base au-dessus du plan de ladite ouverture, avec un angle (51) supérieur à 90 degrés, mais inférieur à 180 degrés, par rapport à ladite base, un deuxième élément (36) partant dudit premier élément au-dessus du plan de ladite ouverture, avec un angle (52) supérieur ou égal à 90 degrés, mais inférieur à 180 degrés, par rapport audit premier élément, un troisième éLément (38) par- tant dudit deuxième élément au-dessus du plan de ladite ouverture, avec un angle (53) supérieur à 90 degrés, mais inférieur à 180 degrés, par rapport audit troisième élément, un quatrième élément (40) par- tant dudit troisième élément au-dessus du plan de ladite ouverture, avec un angle (54) supérieur ou égal à 90 degrés, mais inférieur à degrés, par rapport audit troisième élément, et un élément sail- lant (42) partant de l'un desdits éléments (34, 36, 38, 40) en direction de ladite ouverture; ledit premier élément (34) et ledit troisième élément (38) ayant des souplesses relatives telles que la résistance au gauchissement du premier élémentest supérieure à la résistance au gauchissement dudit troisième élément; un moyen de contact (16), aligné avec ladite ouverture (33) au-dessous de ladite base (32), qui est conçu pour 2563046 ' venir en contact avec une partie dudit commutateur déplacée en réponse au déplacement dudit élément saillant pour l'actionnement dudit commutateur; un moyen d'actionnement (12) contenant des repères alphanumériques, qui est disposé au-dessus dudit troisième élément afin de pouvoir recevoir une pression tactile telle que, à l'appli- cation de la pression tactile, les premier et troisième éléments emmagasinent de l'énergie jusqu'à ce que ladite pression soit suf- fisante pour faire que ledit troisième élément rentre dans son centre avant que ledit commutateur (10) ne soit actionné. 8. Commutateur électrique selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite base (32), lesdits éléments (34, 36, 38, 40) et ledit élément saillant (42) sont solidairement formés. 9. Commutateur électrique selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit moyen d'actionnement (12) comporte plusieurs repères alphanumériques et en ce qu'il est prévu une feuille de réaction tactile (14) contenant plusieurs membranes (15) solidairement formées qui sont respectivement alignées avec lesdits repères correspondants placés au-dessous. 10. Commutateur électrique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'aucune pièce dudit commutateur (10) ne se déplace pour venir en contact avec ledit moyen de contact (16) en réponse à la réception de la pression tactile avant que ledit troisième élément ne soit rentré brusquement dans son centre.