Brevet FR2577365A2 — publié le 19860814

FR 2577365 A2 19860814 FR 8502021 A 19850211 CERTIFICAT D'ADDITION DESCRIPTIF La présente description complète le brevet français référence nO 84 02981 déposé le 16 / 02/ 1984 et en constitue l'additif nO 1. Il concerne un clavier à touches capacitives et les moyens pour scruter ce clavier. Il existe un grand nombre de dispositifs à touches sensibles utilisant des effets capacitifs soit statiques, soit utilisant des techniques de scrutation et comparaison répétitive. L'objet de la présente invention consiste en la combinaison judicieuse de dispositifs électronique et mécanique destinée à résoudre parfaitement le problème spécifique de la communication homme / machine à travers une paroi diélectrique épaisse telle que vitrine de magasin, ceci sous forme d'un clavier de dimensions normales et au fonctionnement parfaitement fiable jusqu'à des épaisseurs de verre pouvant atteindre 30 mm. Dans le cas ou des claviers sont manipulés par différents opérateurs de façon intensive, par exemple téléphones publics, distributeurs automatiques de billets, claviers de renseignements ou autres, les dits claviers peuvent se détériorer à force de fausses manoeuvres répétitives, usure ou défaillance de pièces mobiles ou déformables constituant les touches, etc... Le clavier, selon l'invention, utilise comme indication d'activation l'effet capacitif dynamique créé sur un oscillateur électronique par le doigt de l'opérateur séparé des touches par la dite paroi et dont on analyse les variations de fréquences. Le dit clavier peut être, en quelques secondes, apposé sur la dite vitrine à l'aide de moyen aussi simple que matériau adhésif double face, et, raccordé même à distance notable (plusieurs mêtres) au dispositif électronique utilisateur à l'aide d'un cable dont le nombre de conducteurs reste réduit (de l'ordre de 5) et invariant quelque soit le nombre de touches inclues dans le clavier. Qui plus est, le susdit dispositif possède une logique interne programmée lui permettant d'émuler tout clavier traditionnel en fournissant des signaux standards (par exemple ASCII parallèle, RS232C etc...), ou encore en générant un signal dépendant d'une logique de déclenchement particulière (serrure codée). Toutes ces applications peuvent être sélectionnnées sans devoir modifier le matériel mais par simple choix du logiciel approprié. Un tel clavier est conçu pour satisfaire à des applications de la vie quotidienne telles que : bureautique, informatique, matériel destiné à l'usage du grand public, manipulation à travers des vitrines de magasins pour information ou pour publicité, matériel de sécurité, à savoir serrure digitale pour portes, coffres ou voitures automobiles, claviers actionnés par des doigts mouillés ou sales, à savoir balance pour débiter des légumes, de la viande, du poisson, etc... On conçoit parfaitement qu'un clavier destiné à être actionné à travers une paroi reponde à un besoin aujourd'hui grandissant et trouve une multitude d'applications dans tous les domaines où on utilise un clavier et où on préférerait que l'opérateur n'ait pas de contact direct avec ce clavier pour des raisons de commodité, de sécurité, de contrôle et de fiabilité, ainsi que dans de nouveaux. domaines comme la bureautique, l'informatique, l'information et la publicité à travers les vitrines, les serrures digitales pour portes, coffres, voitures automobiles, les systèmes de pesage industriels ou commerciaux. En effet, par exemple, les techniques actuelles d'information et de publicité en vitrines utilisent des procédés passifs, aucune interaction n'étant possible entre le chaland et les moyens d'information séparés par une vitre épaisse. La présente invention innove considérablement dans ce domaine de la communication à travers les vitrines en permettant un dialogue interactif entre le chaland dans la rue et des systèmes dans le magasin, contrôlés par le clavier. L'originalité de la présente invention par rapport aux autres procédés capacitifs connus procède d'un procédé de scrutation qui rend son usage fiable malgré le faible effet capacitif introduit par l'application d'un doigt d'opérateur contre la touche à travers une paroi i lectrique d'une épaisseur allant jusqu'à trente mm de verre courant. Cette fiabilité est aussi maintenue malgré un changement important de température à lgintérieur d'une vitrine exposée au soleil, à la pluie, à la neige. Le dispositif décrit dans le présent brevet ne doit pas ttre confondu avec le système à écran tactile (brevet GB A 2 080 990) ou encore aux systèmes capacitifs sensibles au toucher (brevet USA 4 145 -748) qui présument un contact physique du doigt de l'opérateur avec une surface conductrice éventuellement séparée de l'utilisateur par une épaisseur de diélectrique nég geable (quelques mm au plus), mais constitue un dispositif auto nome installable de façon pratique et immédiate sur toute paroi diélectrique épaisse (jusqu'à plusieurs cm) destinée à séparer l'utilisateur du système à commander. Le susdit dispositif délivrant des signaux parfaitement équivalents à un clavier mécanique à impulsion et ne nécéssitant donc aucune précaution d'emploi particulière. La difficulté du problème par rapport aux systèmes à touches capacitives classique résulte de la variation infime de capacité à détecter lors de l'apposition d'un doigt face à une surface conductrice séparés par plusieurs centimêtres de diélectrique. Compte tenu de la surface de la surface du doigt, la capacité rapportée pour 3 cm de verre courant est de l'ordre de 0,1 pF alors qu'elle atteint plus de 10 pF pour les systèmes à touches sensibles classique (brevet USA 4 145 748), voire 100 à 300 pF pour les systèmes utilisant un contact physique entre l'opéra- teur et une touche capacitive conductrice (brevet GB A 145 748) Les effets à détecter sont si faibles (cent fois plus faibles que pour un clavier tactile), qu'ils n'avaient jusqu'à présent pas permis d'obtenir des dispositifs utilisables commercialement. L'originalité du dispositif électronique utilisé procede' du fait qu'il-a été conçu de façon à permettre une sensibilité très élevée en optimisant et sélectionnant le choix des différentes solutions techniques utilisées et tout en conservant une très grande simplicité de mise en oeuvre, à savoir - Oscillatêurs choisis- pour leur fréquence de fonctionnnement élevée, associés à une capacité d'accord très faible. - Adressage séquentiel dans le temps des susdits oscillateurs afin d'éviter toute interférence. - Analyse des variations de fréquences par comptage de fréquences éliminant les imprécisions des systèmes à détection analogique d'amplitude (brevet F 82 01445). - Evaluation d'une décision touche appuyée ou non en fonction de critères fournis par - logiciel programmé et pouvant tenir compte de nombreux paramêtres associés (épaisseur de diélectrique, sensibilité propre à chaque touche; historique des variations de fréquences enregistrées, etc...). L'invention va être précisée par la description detaillee d'un mode réalisation donné à titre d'exemple en référence aux dessins annexés en lesquels - La figure 1 est une courbe présentant le changement de la fréquence naturelle d'un oscillateur associé à une touche Cnm et ce changement lors de l'activation de cette touche. - La figure 2 est le schéma de réalisation d'un oscillateur (donné à titre d'exemple) ce dernier est associé à une touche Cnm séparée du doigt de l'opérateur par une paroi diélectrique. - La figure 3 est un schéma explicatif qui montre à titre d'exemple comment la sélection d'une touche peut être effectuée grâce à un signal logique périodique, à un compteur d'adresse des touches et à un décodeur, ce dernier émet cycliquement un signal de repère (dans le schéma, ce signal est relatif à la touche COI). - La figure 4 est un schéma explicatif du procédé et des moyens mettant en oeuvre ce procédé. - La figure 5 présente un schéma d'oscillateur de type RC. La description qui suit est donnée à titre d'exemple d'une réalisation possibles des principes revendiqués par l'invention et comprend Une réalisation mécanique avec - un panneau de base (1) en matériau isolant électriquement doté d'électrodes Cnm disposées sur le panneau et formant les touches. - Les lectrodos Cnm, la lettre n étant relative à une rangée et la lettre rn m tant relative à une colonne, réalisées en matière conductrice et pouvant porter elles-mêmes des repères visuels. - Une paroi diélectrique pouvant atteindre 30 mm et séparant physiquement l'opérateur des touches à activer. Une réalisation électronique comprenant (fig 4) A / Un système d'interface clavier avec - un ensemble de circuits électroniques associés au clavier et comportant un oscillateur libre par touche. La fréquence 'un de ces oscillateurs étant influencée par l'approche d'un doigt face à la touche associée à cet oscillateur. - Chacun des oscillateurs est mis en fonctionnement à tour de ole à l'aide de signaux logiques de sélection générés par un compteur et son décodeur associé. - L'avantage d'une telle sélection temporelle par rapport aux techniques de multiplexage généralement employées est qu'à un instant donné un seul oscillateur est en fonctionnement ce qui interdit toute interaction entre les osciliateurs-touches (phénomènes connus sous le nom d'entraînement de fréquence ou bien encore battements indésirables). Par ailleurs, ce mode de fonctionnement permet de réduire la consommation électrique du système qui quelque soit le nombre de touches est réduit à la consommation d'une touche unique. - Les oscillateurs-touches sont conçus pour présenter une fréquence de fonctionnement élevée, associée à une capacité d'accord aussi faible que possible (fréquence supérieure au Mégahertz, capacité d'accord inférieure à 5 pF , ceci afin de maximiser la variation de fréquence liée à une variation de capacité). - Les sorties des oscillateurs-touches sont raccordées ensemble sachant que le mécanisme de sélection choisi ne permet qu'à une seule fréquence d'être présente à un instant donné ; cette sortie est dénommée HF (haute fréquence). - Durant chaque période du signal DR, un oscillateur associé à une touche donnée est sélectionné. Le signal HF présent en sortie est introduit vers un compteur appelé compteur fréquence qui compte pendant la durée du niveau haut du signal DR le nombre d'oscillations du signal HF. - Dès que le signal DR parvient à l'état bas, le compteur fréquence est stoppé et ses sorties peuvent être analysées par un microprocesseur. - Lorsque le signal DR repasse à l'état bas, le compteur fréquence est remis à zéro et le compteur touche incrémenté, d'où la sélec tton de la touche suivante. - Le processus se répète de façon cyclique sachant que le compteur touche repasse à zéro dès qu'il dépasse sa capacité de comptage propre (par exemple 16 touches peuvent être adressées avec un compteur 4 bits). B / Un système à microprocesseur programmé qui reçoit sur ses entrées - Le signal DR qui indique à l'état bas que le compteur fréquence fournit une valeur proportionnelle (modulo la capacité de comptage de ce compteur) à la fréquence de l'oscillateur touche sélectionné pour chacune de ses transitions, il indique au calculateur que la touche suivante vient d'être sélectionnée. - Un signal TI qui est une sortie particulière du décodage du compteur touche correspondant à la sélection de la touche n01. Ce signal permet au calculateur de se recaler. -Les fils de sortie du compteur fréquence. En fonction de ces différents signaux, le calculateur connait à tout instant le numéro de touche sélectionné et le moment où il peut accéder à la valeur de la fréquence associée à cette touche. C / Un logiciel dit de base destiné à - Mémoriser de façon cyclique les fréquences associées à chaque touche. - Décider en fonction de l'historique des variations de fréquence relative à une touche si elle a été actionnée ou non. Cette décision pouvant être non seulement basée sur une différence d'un passage à l'autre, mais également résulter d'un algorithme sophistiqué tenant compte de l'épaisseur de diélectrique interposé, des variations de sensibilité différente pour chaque touche en égard aux dispersions des composants ou de tout autre paramêtre jugé utile par le constructeur. - verrouiller le clavier pendant un certain temps afin d'éviter tout déclenchement intempestif en dehors de périodes prévues par le constructeur. E / Un logiciel d'application destiné à - Générer des signaux logiques ou analogiques, résultat de l'action sur le clavier, dont en particulier tous les cas de signaux standards normalisés pour claviers mécaniques classiques (ASCII parallèle, RS232, etc...). - Générer des signaux de sorties fonction d'une certaine séquence définie par l'utilisateur (serrures codées, accès à des zones de sécurité...). - Mettre en oeuvre éventuellement des systèmes extérieurs destinés à rendre compte ou répondre à la demande effectuée par l'opérateur (fig. 6) (télévision, magnétoscope, projecteur, etc...). La présente invention décrite, ci-avant, marque un réel progrès par rapport à l'été ; des techniques actuelles, dont en particulier - La possibilité d'une technique entièrement nouvelle de communication à travers une paroi diélectrique, comme, par exemple, une vitrine de magasin en permettant, grace au clavier décrit ci-avant l'instauration d'un dialogue interactif à travers la vitrine entre le chaland et des moyens d'information contrôlés par le dit clavier. - Les propriétés du dit clavier présentant dans certaines versions sous boitier vitré étanche à la fois, une fiabilité, une solidité, une protection, une étanchéité à l'eaux aux poussières et aux atmosphères corrosives, accrues par rapport aux claviers actuels. - Une autre propriété du dit-clavier, permettant, dans- certaines versions et de par sa conception, une liaison filaire limitée cinq fils et pouvant atteindre dix mêtres entre lui-même (touches, oscillateurs, circuits associés) et l'ensemble micro- processeur / Système micro-informatique de l'application. - Une autre propriété du dit clavier permettant, -dans certaines versions et de par sa conception, son installation ou déplacement aiséS sur la paroi diélectriqueJau moyen d'un simple ruban adhésif à double face. CERTIFICAT D'ADDITION REVENDICATIONS R / Clavier à touches capacitives conçu pour être utilisé à travers une paroi diélectrique épaisse et protectrice qui en est solidaire ou non et, dans ce dernier cas, en vue d'une installation et d'un déplacement rapides au gré de l'utilisateur, dans la vitrine d'un magasin par exemple, caractérisé en ce qu:il est constitué par - un panneau de base (1). - Une paroi diélectrique épaisse (2) pouvant atteindre 30 mm, contre laquelle le clavier avec le panneau de base sont placés. - Une éventuelle couche (3) en matériau diélectrique. - Un ensemble de circuits électroniques. - Un microprocesseur et ses circuits associés. R2 / Clavier à touches capacitives caractérisé en ce que le choix de fréquences supérieures à 500 KHz pour les oscillateurs de touches permet un fonctionnement fiable jusqu a des épaisseurs de la paroi diélectrique (2) atteignant 30 mm de verre courant. R3 / Clavier à touches capacitives caractérisé en ce qu'un réglage immédiat et simple permet d'adapter le fonctionnement du clavier à l'épaisseur de la paroi diélectrique (2). R4 / Clavier à touches capacitives caractérisé en ce que la circuiterie associée aux touches : compteur d'adresse, décodeur et oscillateurs peut être relié au microprocesseur associé par un cable limité à 5 fils et pouvant atteindre 10 mêtres de longueur. R5 / Dispositif à touches capacitives dans lequel la touche (3) est remplacée par un panneau de type carte plan de ville ou similaire, fixé contre une paroi vitrée, et caractérisé en ce que les touches sont disposées derrière les centres d'intérêt du dit panneau de façon à permettre l'établissement d'une relation entre l'opérateur situé de l'autre côté de la paroi diélectrique et t les dits centres d'intérets. R6 / clavier à touches capacitives selon la Ri caractérisé en ce qu'il utilise des oscillateurs libres accordés par résistance et capacité et dont la capacité d'accord est réduite à une valeur très faible (jusqu'à quelques picrofarads). R7 / Clavier à touches capacitives selon la R1 caractérisé en ce qu'il utilise un micro-processeur pouvant analyser l'historique des variations de fréquences enregistrées sur plusieurs cycles ceci à l'aide d'algorithmeS décisionnels modulablespar le concepteur (et non pas limitésà de simples soustraction). R8 / Clavier à touches capacitives selon la Ri caractérisé en ce qu'il peut être raccordé par un nombre de fils réduits (de l'ordre de 5), ne dépendant pas du nombre de touches du susdit clavier. R9 / Clavier à touches capacitives selon la Rî caractérisé en ce que la surface de touches peut être réduite jusqu'à 0,5 cm2 sans altération des performances. R10 / Clavier à touches capacitives selon la R1, caractérisé en ce que le micro-processeur programmé peut générer des signaux de commande dépendant d'une logique d'action sur les touches (clavier codé pour applications de sécurité). R11 / Clavier à touches capacitives selon la R1 caractérisé en ce qu'il utilise un interface électronique raccordé aux oscillateurs touche par un nombre de fils réduits et susceptibles de gérer par simple modification de logiciel un nombre de touches variant de 1 à 64.