Brevet FR2562319A1 — publié le 19851004

P-DSF-36/FR Commutateur à membrane La présente invention concerne des claviers à membrane tactile. Plus particulièrement, la pré- sente invention concerne des claviers à membrane tac- tile exerçant un effet de déclic tactile puissant et ayant une durée de vie fonctionnelle extrêmement lon- gue. Les claviers à membrane tactile sont de plus en plus utilisés et acceptés dans de nombreuses appli- cations industrielles et domestiques. C'est ainsi que, à titre d'exemple uniquement, ce type de clavier a -- trouvé une utilité dans les sorties de points de vente - au détail, les terminaux de compagnies aériennes, les terminaux de restaurants à service rapide, les termi- naux de données, les calculateurs, ainsi que tout autre appareil dans lequel une entrée numérique est nécessai- re. Un clavier classique comprend un jeu de tou- ches qui peuvent être actionnées individuellement pour fermer une paire de contacts d'un circuit électrique associé à chacune des touches. On considère qu'il est souvent souhaitable de prévoir un système de retour d'information tactile, de telle sorte que, lorsque les touches sont pressées par le doigt d'une personne ma- 21- noeuvrant le clavier, les touches produisent un "déclic", tandis qu'une discontinuité de force est transmise au doigt de l'utilisateur, indiquant ainsi que la touche a été actionnée et qu'un signal électrique a dès lors été engendré dans le circuit associé à cette touche. Un clavier spécifique du type à membrane doué de tactilité comme décrit ci-dessus est constitué d'un assemblage de commutateurs à membrane qui comprend une couche inférieure de renforcement, une couche de cir- cuit de commutation à membrane fixe appliquée sur cet- te couche de renforcement, une couche de séparation ou d'espacement isolante sur la couche formant membrane fixe, ainsi qu'une couche de circuit de commutation à membrane active appliquée sur l'autre face de la cou- che d'espacement. Cette couche formant membrane acti- ve est souvent constituée de plusieurs éléments à effet de déclic tactile tels que des dômes qui s'étendent vers le haut à partir de la couche inférieure formant membrane fixe. Sur les deux couches formant membranes fixe et active, sont formés des conducteurs électri- ques (en adoptant des techniques de formation de cir- cuits imprimés, par exemple, au moyen d'une encre con- ductrice) disposés en un dessin désiré et coopérant avec des ouvertures ou des trous pratiqués dans la cou- che de séparation en vue de définir un groupe d'empla- cements de circuits et de commutateurs unique. L'ap- plication d'une force appropriée à un emplacement de commutateur (en l'occurrence, un dôme tactile) sur la surface supérieure de la couche active amène cette cou- che active et son composant de commutation particulier à établir un contact électrique et mécanique, via le trou approprié de la couche d'espacement, avec le des- sin de circuit formé sur la couche fixe ou passive de la membrane. Les claviers classiques à membrane tactile de la technique antérieure posent un problème en ce qui concerne le manque de fiabilité et d'uniformité dans la durée de vie fonctionnelle ou opérationnelle (c'est- à-dire le nombre de mises en action avant défaillance) des dômes tactiles. Dans une importante mesure, ce problème semble résulter d'une dégradation ou d'une rupture de l'encre conductrice appliquée sur la couche formant membrane active. On peut supposer que les contraintes et la fatigue résultant d'une mise en action ou d'une flexion continue du dôme tactile provo- quent finalement la dégradation de la matière conduc- trice (par exemple, une encre) située sur la surface- intérieure du dôme. Dès lors, après une telle rupture, le dôme tactile qui fait office de milieu de contact pour les claviers classiques, ne sera plus à même d'éta- blir un contact électrique adéquat. Une rupture des matières conductrices appliquées sur la surface de con- tact de la couche active a pour effet soit de nécessi- ter la mise au rebut du clavier, soit d'entraîner un accroissement inopportun des frais d'entretien, de rem- placement et de main-d'oeuvre en vue des réparations. En conséquence, il serait hautement souhaitable et avan- tageux de disposer d'un clavier à membrane tactile qui, non seulement conserve une fonction de retour d'infor- mation tactile adéquate (effet de déclic), mais a égale- ment une durée de vie opératoire plus longue ou plus satisfaisante. Suivant la présente invention, on prévoit un commutateur à membrane comprenant une première feuille de circuit comportant au moins une première feuille de matière isolante sur laquelle est formé un premier élément de contact conducteur de l'électricité; une seconde feuille de circuit comportant une seconde feuille de matière isolante; au moins un élément tac- tile formé dans et s'étendant à partir de cette secon- de feuille, cette seconde feuille de matière isolante définissant une surface plate à la base de cet élément tactile; un second élément de contact conducteur de l'électricité formé sur cette surface plate autour de la périphérie de l'élément tactile; un élément d'espa- cement prévu entre les première et seconde feuilles de circuits, cet élément d'espacement comportant plu- sieurs ouvertures, de telle sorte que l'élément tactile puisse être actionné, moyennant l'application d'une force, pour déplacer le second élément de contact con- ducteur de l'électricité à travers une de ces ouvertu- res et en contact électrique avec le premier élément de contact conducteur. Tout comme dans les claviers de la technique antérieure, la couche inférieure formant membrane fixe comporte une zone de contact de conducteurs électri- ques (par exemple, des traces de cuivre ou une encre conductrice) qui y sont disposés en un dessin et coopè- rent avec des trous pratiqués dans la couche de sépa- ration en vue de définir un groupe d'emplacements de circuits et de commutateurs unique. A la différence des systèmes de la technique antérieure, la présente invention prévoit un nouveau perfectionnement qui rési- de dans la localisation et la structure de la surface de contact de la couche active. Cette nouvelle surfa- ce de contact qui peut être constituée d'une encre con- ductrice ou d'une autre matière conductrice, est appli- quée à la couche active, autour de la périphérie de la base d'un dôme défini sur la surface plate de la couche active, de préférence, sous forme d'une couronne annu- laire. Dès lors, étant donné qu'aucune partie de la surface de contact annulaire supérieure n'adhère à la surface flexible du dôme comme c'est le cas dans la technique antérieure, la matière conductrice consti- tuant la surface de contact ne sera pas soumise à la fa- tigue ou aux contraintes dont question ci-dessus et elle ne subira pas la rupture qui en résulte lorsque le dôme est actionné de manière répétée pendant une longue période. En conséquence, le clavier à membrane tactile de la présente invention a une durée de vie opératoire nettement améliorée et prolongée, laquelle assure à son tour un meilleur rendement et une plus grande fiabilité, tout en permettant, aux fabricants et aux acheteurs de claviers, de réaliser de plus grandes économies. Il ést à noter que la présente in- vention exige moins d'encre conductrice que dans la technique antérieure et permet dès lors des coûts de fabrication réduits. Afin de réaliser cette structure de contact annulaire modifiée le long de la périphérie des dômes, le diamètre des ouvertures ménagées dans la couche de séparation ou d'espacement est accru comparativement aux claviers classiques. De la même manière, la zone de contact de la couche inférieure fixe est agrandie de manière correspondante pour être égale à celle des ouvertures. De la sorte, on dispose d'un espace suffi- sant pour la réalisation des couronnes de contact annu- laires sur la couche active si bien que, lors de la mise en action du dôme, la couronne annulaire définira un parcours ouvert pour établir un contact avec les conducteurs électriques formés sur la couche fixe. L'agencement structural particulier de la présente in- vention permet d'établir un contact électrique avant que le dôme soit arrivé en fin de course, cette fin de course du dôme et l'effet de déclic ou le retour d'in- formation tactile informant l'opérateur que la mise en action du commutateur a eu lieu. Diverses modifications et formes de réalisa- tion du clavier à membrane tactile de la présente in- vention comprennent la segmentation d'une ou des deux surfaces de contact de commutation afin de permettre des contacts multiples en parallèle sur les couches de circuits supérieure et inférieure. De même, la pré- sente invention est également applicable à une multitu- de de configurations de dômes, notamment, mais sans au- cune limitation, des dômes ovales et des dômes en for- me de rampe. Enfin, l'absence de matière conductrice le long de la surface intérieure du dôme à effet de déclic permet l'incorporation d'un éclairage indi- rect, c'est-à-dire un éclairage par le dessous des touches. Les avantages précités de la présente inven- tion, ainsi que d'autres apparaîtront à et seront com- pris de l'homme de métier à la lecture de la descrip- tion détaillée ci-après donnée en se référant aux des- sins annexés. En se référant à présent à ces dessins dans lesquels les éléments identiques sont désignés par les mêmes chiffres de référence dans les différentes figu- res: la figure 1 est une vue partielle en éléva- tion et en coupe transversale de la partie supérieure d'un élément individuel à membrane tactile suivant la présente invention; la figure 2 est une vue en plan du dôme tac- tile suivant la présente invention illustré en figure 1; la figure 2A est une vue semblable à la figu- re 2, mais illustrant une structure modifiée; et la figure 3 est une vue en élévation et en coupe transversale illustrant un assemblage de clavier à membrane tactile suivant la présente invention. En se référant à ces dessins, on représente une partie d'un clavier suivant la présente invention. Dans ces dessins, on représente un ou deux emplacements de touches, mais on comprendra qu'un clavier complet comprend une structure de circuit à membrane monolithi- que constituée de n'importe quel nombre de touches ou de dômes tactiles individuels, le nombre spécifique étant déterminé par les conditions auxquelles doivent répondre l'application et le clavier particuliers envi- sagés. La figure 3 illustre une partie à deux tou- ches d'un assemblage de circuit ou d'un clavier à mem- brane monolithique 10. La structure de commutation ou le clavier à membrane monolithique comprend une cou- che de raidissement ou une feuille de renforcement in- férieure 12 qui peut être une feuille de métal ou de matière plastique ayant une rigidité et une planéité équivalant à celles d'une feuille en alliage d'alumi- nium 6061 d'une épaisseur d'environ 0,5 mm. La feuil- le de renforcement 12 sert à supporter et maintenir, dans un état plan, une feuille de circuit à couche fixe ou passive de l'assemblage de commutation à tou- ches, laquelle est constituée d'une feuille ou cou- che inférieure isolante 14, de préférence, en une pel- licule de polyester "Mylar", ainsi que d'un dessin de circuit inférieur 16 formé sur cette dernière. Cette feuille de circuit ou cette couche de commuta- tion à touches fixe ou passive est liée au moyen d'un adhésif à la feuille de renforcement 12. La couche isolante 14 peut avoir n'importe quelle épaisseur dési- rée, de préférence, une épaisseur se situant entre 0,05 mm et 0,18 mm, tandis que le dessin conducteur peut y être formé par n'importe quelle technique con- nue de réalisation de circuits imprimés, par exemple, par impression à l'aide d'une encre conductrice,-im- pression ou morsure d'une feuille métallique conductri- ce, etc. De préférence, le dessin conducteur 16 doit être assez mince (soit une épaisseur de l'ordre de 0,01 à 0,05 mm, de préférence, une épaisseur d'environ 0,025 mm). Une feuille de circuit supérieure ou une cou- che de commutation mobile ou active est disposée au- dessus du dessin de circuit inférieur 16. Cette cou- che de commutation mobile ou active comprend une cou- che isolante supérieure 20, par exemple, en "Mylar". La couche isolante supérieure 20 comporte un jeu d'élé- ments tactiles ou de saillies à effet de déclic 22 ayant la forme d'un dôme courbe 24 de configuration tronconique avec une surface supérieure aplatie. Ain- si qu'on l'a mentionné précédemment, la présente inven- tion est également applicable à des dômes tactiles ayant d'autres formes, notamment, mais sans aucune limitation, des dômes hémisphériques, des dômes ova- les, des dômes en forme de rampe, etc. La couche iso- lante 20 de la couche de commutation active comporte une surface de contact ou un conducteur de circuit im- primé 26 ayant la configuration d'une couronne annu- laire et formé par n'importe quelle technique connue de réalisation de circuits imprimés (par exemple, à l'aide d'une encre conductrice). Cette surface de contact annulaire en forme de couronne 26 s'étend au- tour de la périphérie extérieure de la base du dôme 24 et elle est liée au moyen d'un adhésif ou d'une autre manière à la surface plate de la couche de commutation active. Une couche isolante de séparation ou d'espa- cement 28 comportant plusieurs ouvertures 30 peut être fixée en place au moyen d'un adhésif ou d'une autre manière, d'une part, à la couche fixe sur laquelle-est situé le dessin de circuit inférieur 16 et, d'autre part, à la couche isolante supérieure 20. L'épaisseur totale de la couche d'espacement 28 peut être utilisée pour régler la distance comprise entre le-conducteur supérieur 26 et le dessin de circuit inférieur 16. L'ouverture 30 ménagée dans la couche d'espacement 28 doit être plus grande que le diamètre ou les dimensions hors tout du dessin conducteur 26, de telle sorte que le dôme 24 puisse sauter au travers à la manière d'un déclic en faisant dévier le dessin 26 en contact avec le dessin de circuit 16 pour établir un contact électrique entre les composants de commutation. Les dômes courbes à sommet plat 24 et les con- ducteurs de circuits annulaires en forme de couronne liés de manière correspondante 26 sont disposés au-des- sus du dessin de circuit inférieur 16, de telle sorte que les dômes 24 ressortent vers le haut à l'écart de ce dernier. Cette disposition définit un groupe d'em- placements de commutateurs ou de circuits unique. Lorsqu'une force d'une amplitude suffisante est appli- quée à un dôme 24, la saillie 22 est déplacée vers le bas à la manière d'un déclic à travers l'ouverture 30 ménagée dans la couche d'espacement 28, déplaçant ain- si la surface de contact annulaire 26 en contact élec- trique et mécanique avec le dessin de circuit inférieur 16. Ce contact électrique agit pour fermer un commuta- teur et transmettre un signal électrique. On compren- dra que, grâce à la nouvelle conception de la présente invention, un contact électrique est établi entre les surfaces de contact respectives 16 et 26 avant que le dôme soit arrivé en fin de course. Le retour d'infor- mation tactile nécessaire est néanmoins assuré, étant donné que le dôme poursuivra sa course en donnant lieu à un effet de déclic, indiquant ainsi, à l'opérateur du clavier, qu'un contact a été établi. Ainsi qu'on l'a mentionné précédemment, un problème majeur rencontré dans les claviers à membrane classiques de la technique antérieure a résidé dans le manque de fiabilité des claviers et dans l'impossibili- té d'en prédire la durée de vie fonctionnelle. Ce pro- blème est résolu par le clavier à membrane de la pré- sente invention. Alors que, dans la technique anté- rieure, la surface supérieure de contact conductrice était appliquée au moyen d'un adhésif à la surface in- térieure d'un dôme, suivant la présente invention, la surface conductrice supérieure 26 est formée, de préfé- rence, sous forme d'une couronne annulaire, sur les surfaces aplaties de la couche isolante 20 (et non à la zone flexible située à l'intérieur du dôme). L'avantage de la surface conductrice annulaire 26 ré- side dans une nette réduction des contraintes et de la fatigue, ainsi que dans une flexion moindre de la sur- face 26. En d'autres termes, étant donné qu'aucune partie de la surface annulaire de contact 26 n'adhère à une surface quelconquedu dôme 24, la surface 26 ne subira pas la flexion et les contraintes répétées de la surface intérieure du dôme 24 au cours de la mise en action des touches. La fatigue réduite associée à la présente invention confère dès lors une plus longue du- rée de vie à l'élément de contact actif. Une autre différence entre la présente inven- tion et la technique antérieure réside dans les dimen- sions comparatives des ouvertures 30 de la couche d'es- pacement 28 et de la surface de contact inférieure 16 formée sur la couche passive 14. Afin de réaliser un clavier à membrane suivant la présente invention, les dimensions relatives des pièces constitutives doivent être calculées de telle sorte que la surface de con- tact annulaire supérieure 26 puisse établir librement un contact mécanique et électrique avec la surface de contact inférieure 16, tout en permettant, aux diffé- rents dômes 24, de conserver la caractéristique d'ef- fet de déclic tactile requise. En conséquence, le dia- mètre des ouvertures 30 ménagées dans la couche d'espa- cement 28 est accru comparativement à celui des ouver- tures prévues dans la couche d'espacement de la techni- que antérieure. De la même manière, le diamètre de la surface de contact inférieure 16 formée sur la couche isolante inférieure 14 est accru de manière correspon- dante. Dès lors, la zone annulaire plate définie sur la surface intérieure de la couche isolante 20 capable de supporter la surface de contact annulaire 26 est ex- posée à la surface de contact inférieure 16, si bien qu'un contact peut être établi entre elles. Dans une autre forme de réalisation de la pré- sente invention, les surfaces de contact 16 et 26 peu- vent être segmentées, de façon à permettre des contacts il multiples en parallèle sur les deux couches supérieure et inférieure formant membranes. La surface de contact supérieure segmentée est illustrée en figure 2A, dans laquelle le dôme ou l'élément tactile 22 est entouré de segments de contact courbes 26a et 26b. La surface de contact 16 pourrait être segmentée de la même maniè- re. Cette configuration segmentée est très difficile, voire impossible à réaliser avec des claviers classi- ques à membrane tactile dans lesquels la surface de contact supérieure est fixée à la surface intérieure du dôme. Le clavier à membrane tactile de la présente invention est extrêmement économique tant pour l'ache- teur que pour le fabricant. La durée de vie opératoire améliorée et la plus grande fiabilité se traduisent par des coûts d'entretien et de remplacement nettement réduits. De la même manière, du point de vue du fabri- cant, la couronne annulaire d'encre conductrice, de peinture ou autre surface conductrice exige moins de matière que dans la technique antérieure. De même, si la surface de contact conductrice 16 formée sur la cou- che inférieure passive est façonnée en une couronne an- nulaire de la même configuration que la couronne annu- laire 26 formée sur la couche active (en lieu et place d'un coussinet de contact intégral), il faudra alors encore moins d'encre conductrice ou de matière sembla- ble, permettant ainsi de réduire considérablement les coûts. Un autre avantage de la présente invention ré- side dans la possibilité d'éclairer les inscriptions fi- gurant sur les touches par le dessous de ces dernières. * Dans la technique antérieure, la présence de l'encre conductrice ou analogues en dessous du dôme empêchait une source lumineuse de passer au travers. Etant don- né que, dans la présente invention, l'encre conductri- ce est appliquée uniquement autour de la périphérie de chaque touche, elle n'est pas à même de bloquer la transmission de lumière à travers la touche et, par conséquent, un éclairage indirect peut être aisé- ment prévu si on le désire. REVENDiCATIONS 1. Commutateur à membrane comprenant: une première feuille de circuit, cette première feuille de circuit comportant au moins une première feuille (14) de matière isolante sur laquelle est formé un premier élément de contact conducteur de l'électricité (16), une seconde feuille de circuit comportant une se- conde feuille (20) de matière isolante, au moins un élément tactile (22) formé dans et s'étendant à partir de cette seconde feuille (20), cette seconde feuille (20) de matière isolante dé- finissant une surface plate à la base de l'élément tac- tile (22), un second élément de contact conducteur de l'électricité (26) formé sur cette surface plate autour de la périphérie de l'élément tactile (22), un élément d'espacement (28) prévu entre les pre- mière et seconde feuilles de circuits, cet élément d'espacement (28) comportant plu- sieurs ouvertures (30), de telle sorte que l'élément tactile (22) puisse être actionné, moyennant l'applica- tion d'une force, pour déplacer le second élément de contact conducteur de l'électricité (26) à travers une ouverture (30) et en contact électrique avec le premier élément de contact conducteur (16). 2. Commutateur à membrane suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce que l'élément tactile (22) est un dôme à effet de déclic (24). 3. Commutateur à membrane suivant la reven- dication 2, caractérisé en ce que le dôme à effet de déclic (24) a.une forme courbe avec un sommet plat. 4. Commutateur à membrane suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le second élément de contact conducteur (26) a une forme annulaire. 5. Commutateur à membrane suivant la reven- dication 4, caractérisé en ce que le premier élément de contact conducteur (16) a une forme annulaire cor- respondant à celle du second élément de contact con- ducteur (26). 6. Commutateur à membrane suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les premier et second éléments de contact conducteurs sont constitués d'une encre conductrice. 7. Commutateur à membrane suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les premier et second éléments de contact conducteurs sont segmentés, de façon à permettre des contacts mul- tiples en-parallèle sur les feuilles de circuits supé- rieure et inférieure. 8. Commutateur à membrane suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 7, comprenant: une feuille de renforcement (12) fixée à la feuil- le de circuit inférieure en la supportant. 9. Commutateur à membrane suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'élément tactile (22) est exempt de matière conduc- trice de l'électricité à l'intérieur de sa périphérie, de telle sorte qu'il convienne pour un éclairage indirect.